JP5104753B2 - Magnetic random access memory and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、MRAM(磁気ランダムアクセスメモリ)に関し、特に、スピン偏極電流を用いて磁化を反転させてデータを書き込むMRAMに関する。   The present invention relates to an MRAM (Magnetic Random Access Memory), and more particularly to an MRAM that writes data by reversing magnetization using a spin-polarized current.

近時、提案されている有力なMRAMの書き込み方式の一つが、スピン偏極電流を磁気記録層に注入することによって磁気記録層の磁化を反転させるスピン注入磁化反転方法(spin momentum transfer)である。電流磁界による磁化反転では、メモリセルのサイズが小さくなると共に、必要な電流が増大するのに対し、スピン注入磁化反転方法では、メモリセルのサイズが小さくなると共に必要な電流が減少する。従って、スピン注入磁化反転方法は、大容量のMRAMを実現する有力な方法であると考えられている。   Recently, one of the promising writing methods of MRAM proposed is a spin momentum transfer method in which the magnetization of a magnetic recording layer is reversed by injecting a spin-polarized current into the magnetic recording layer. . In the magnetization reversal by the current magnetic field, the size of the memory cell is reduced and the required current is increased. On the other hand, in the spin injection magnetization reversal method, the size of the memory cell is reduced and the required current is reduced. Therefore, the spin injection magnetization reversal method is considered to be an effective method for realizing a large-capacity MRAM.

しかしながら、スピン注入磁化反転方法を磁気トンネル接合素子(magnetic tunnel junction device)に適用する場合には、トンネルバリア層の破壊の問題を克服する必要がある。スピン注入磁化反転方法によって磁化を反転させようとすると、現状では、数mA以上のスピン偏極電流を磁気記録層に注入する必要がある。しかし、このような大きな電流を磁気トンネル接合に流すことは、トンネルバリア層の破壊を招く恐れがある。   However, when the spin injection magnetization reversal method is applied to a magnetic tunnel junction device, it is necessary to overcome the problem of destruction of the tunnel barrier layer. In order to reverse the magnetization by the spin injection magnetization reversal method, it is currently necessary to inject a spin-polarized current of several mA or more into the magnetic recording layer. However, passing such a large current through the magnetic tunnel junction may cause destruction of the tunnel barrier layer.

このような問題を克服するためのアプローチの一つが、磁気記録層の面内方向にスピン偏極電流を流すことによって磁化反転を起こす技術である。このような技術は、例えば、特許文献1、特許文献2、及び特許文献3に開示されている。磁気記録層の面内方向にスピン偏極電流を流すことにより、磁気記録層の磁壁を移動させ、及び/又は磁気記録層の磁化にトルクを作用され、磁気記録層の磁化を反転させることができる。磁気記録層の面内方向にスピン偏極電流を流す技術は、トンネルバリア層に書き込み電流を流すことを不要化し、トンネルバリア層の破壊の問題を有効に回避することができる。   One approach for overcoming such a problem is a technique for causing magnetization reversal by passing a spin-polarized current in the in-plane direction of the magnetic recording layer. Such a technique is disclosed in, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3. By passing a spin-polarized current in the in-plane direction of the magnetic recording layer, the domain wall of the magnetic recording layer is moved and / or torque is applied to the magnetization of the magnetic recording layer, thereby reversing the magnetization of the magnetic recording layer. it can. The technique of flowing a spin-polarized current in the in-plane direction of the magnetic recording layer eliminates the need for a write current to flow through the tunnel barrier layer, and can effectively avoid the problem of destruction of the tunnel barrier layer.

特開2005−191032号公報JP 2005-191032 A 特開2005−123617号公報JP 2005-123617 A 米国特許第6,781,871号公報US Pat. No. 6,781,871

しかしながら、MRAMの一つの要求は書き込み電流値の低減であり、このためにはデータの書き込み、即ち、磁化反転に必要な電流を更に低減することが望ましい。このため、書き込み動作時に磁気記録層の面内方向に流されるスピン偏極電流を低減する技術の開発が望まれている。   However, one requirement of the MRAM is to reduce the write current value. To this end, it is desirable to further reduce the current required for data writing, that is, magnetization reversal. Therefore, it is desired to develop a technique for reducing the spin-polarized current that flows in the in-plane direction of the magnetic recording layer during the write operation.

本発明の目的は、MRAMの書き込み動作時に磁気記録層の面内方向に流されるスピン偏極電流の大きさを、更に一層低減させることができる磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a magnetic random access memory that can further reduce the magnitude of a spin-polarized current that flows in the in-plane direction of a magnetic recording layer during a write operation of an MRAM.

本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリは、以下に示す構成を有する。なお、以下の記載において、図面の参照符号を付すが、これは、単に、特許請求の範囲の記載と実施形態との対応を明らかにするためのものであり、本発明の技術的範囲が、図面に開示された実施形態に限定されるものではないことは勿論である。   The magnetic random access memory according to the present invention has the following configuration. In the following description, the reference numerals of the drawings are attached, but this is merely for clarifying the correspondence between the description of the claims and the embodiment, and the technical scope of the present invention is as follows. Of course, the invention is not limited to the embodiments disclosed in the drawings.

本願第1の観点に係る磁気ランダムアクセスメモリは、反転可能な磁化を有する磁化反転領域(8)と、磁化反転領域(8)に面内方向にスピン偏極電流を注入するスピン偏極電流注入領域(9、10)とを備える磁気記録層(1)と、固定された磁化を有する磁化固定層(3)と、前記磁化反転領域(8)と前記磁化固定層(3)との間に設けられたトンネルバリア層(2)とを具備する。磁化反転領域(8)の少なくとも一部は、
(a)酸化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも酸化物生成エネル
ギーが低い非磁性材料の酸化物とが複合化された第1複合強磁性材料、
(b)窒化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも窒化物生成エネル
ギーが低い非磁性材料の窒化物とが前記複合化されて構成された第2複合強磁性材料、及び
(c)炭化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の炭化物とが複合化されて構成された第3複合強磁性材料のいずれかで形成されている。
The magnetic random access memory according to the first aspect of the present application includes a magnetization reversal region (8) having reversible magnetization, and spin-polarized current injection for injecting a spin-polarized current into the magnetization reversal region (8) in an in-plane direction. A magnetic recording layer (1) having regions (9, 10), a magnetization fixed layer (3) having fixed magnetization, and between the magnetization switching region (8) and the magnetization fixed layer (3). A tunnel barrier layer (2) provided. At least a part of the magnetization switching region (8)
(A) a first composite ferromagnetic material obtained by combining a non-oxidized metal ferromagnetic material and an oxide of a nonmagnetic material having an oxide generation energy lower than that of the metal ferromagnetic material;
(B) a second composite ferromagnetic material configured by combining the non-nitrided metal ferromagnetic material and the nonmagnetic material nitride having a lower nitride formation energy than the metal ferromagnetic material; and (C) any one of a third composite ferromagnetic material configured by combining a non-carbonized metal ferromagnetic material and a carbide of a nonmagnetic material whose carbide generation energy is lower than that of the metal ferromagnetic material; Is formed.

このような構成の磁気ランダムアクセスメモリは、磁化反転領域(8)に複合強磁性材料が使用されていることにより、スピン偏極電流が流れる領域が局在化され、スピン偏極電流の電流密度が局所的に増大する。電流密度が大きい部分では磁化反転が起こりやすいから、スピン偏極電流の電流密度を局所的に増大させることによって磁化反転領域(8)の一部分で磁化反転を発生させることができる。磁化反転領域(8)の一部分で磁化反転が発生すると、磁化反転領域(8)全体の磁化反転が誘起されるから、結果として、複合強磁性材料で磁化反転領域(8)を形成することにより、磁化反転領域(8)の磁化を小さなスピン偏極電流で反転することができる。   In the magnetic random access memory having such a configuration, the region where the spin-polarized current flows is localized due to the use of the composite ferromagnetic material in the magnetization switching region (8), and the current density of the spin-polarized current is Increases locally. Since the magnetization reversal is likely to occur in the portion where the current density is large, the magnetization reversal can be generated in a part of the magnetization reversal region (8) by locally increasing the current density of the spin-polarized current. When magnetization reversal occurs in a part of the magnetization reversal region (8), magnetization reversal of the entire magnetization reversal region (8) is induced. As a result, by forming the magnetization reversal region (8) with a composite ferromagnetic material The magnetization of the magnetization reversal region (8) can be reversed with a small spin-polarized current.

前記金属強磁性材料として、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ガドリウム(Gd)、又はこれらの少なくとも2の元素の合金の強磁性材料が使用され、前記非磁性材料としては、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)、ランタン(La)から選択された元素の材料、又は、これらのうちの2以上の元素で構成された材料が使用されることが好適である。   As the metal ferromagnetic material, iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), gadolinium (Gd), or a ferromagnetic material of an alloy of at least two of these elements is used, and as the nonmagnetic material, , Magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), germanium (Ge), lithium (Li), beryllium (Be), barium (Ba), calcium (Ca), titanium (Ti), vanadium (V) , Chromium (Cr), manganese (Mn), zirconium (Zr), hafnium (Hf), tantalum (Ta), niobium (Nb), chromium (Cr), molybdenum (Mo), cerium (Ce), yttrium (Y) Preferably, an element material selected from lanthanum (La) or a material composed of two or more of these elements is used. It is.

磁化反転領域(8)は、スピン偏極電流注入領域(9、10)に前記面内方向において隣接し、且つ、複合強磁性材料で形成されている複合強磁性部(8a)と、複合強磁性部(8a)と前記面内方向に垂直な方向で接合され、前記複合強磁性部と前記トンネルバリア層(2)との間に設けられた、金属の強磁性体で形成された高MR比強磁性部(8b)とを備えることが好適である。   The magnetization reversal region (8) is adjacent to the spin-polarized current injection region (9, 10) in the in-plane direction and is composed of a composite ferromagnetic portion (8a) formed of a composite ferromagnetic material, and a composite strength. High MR formed of a metal ferromagnetic material joined to the magnetic part (8a) in a direction perpendicular to the in-plane direction and provided between the composite ferromagnetic part and the tunnel barrier layer (2). It is preferable to include a specific ferromagnetic portion (8b).

磁化反転領域(8)は、複合強磁性材料で形成されている複合強磁性部(8c)と、前記複合強磁性部と前記面内方向に接合された、金属の強磁性体で形成された金属強磁性部(8d)とを備え、複合強磁性部(8c)は、金属強磁性部(8d)とスピン偏極電流注入領域(9、10)の間に設けられていることが好ましい。   The magnetization reversal region (8) was formed of a composite ferromagnetic portion (8c) formed of a composite ferromagnetic material, and a metal ferromagnetic material joined to the composite ferromagnetic portion in the in-plane direction. It is preferable that the composite ferromagnetic part (8c) is provided between the metal ferromagnetic part (8d) and the spin-polarized current injection region (9, 10).

この場合、トンネルバリア層(2)の少なくとも一部が、金属強磁性部(8d)に直接に接合されることが好ましい。高いMR比を実現するためには、磁化反転領域(8)は、金属強磁性部(8d)と前記面内方向に垂直な方向で接合され、金属強磁性部(8d)と前記トンネルバリア層(2)との間に、金属の強磁性体で形成された高MR比強磁性部(
8b)が設けられることが一層に好適である。
In this case, it is preferable that at least a part of the tunnel barrier layer (2) is directly joined to the metal ferromagnetic part (8d). In order to realize a high MR ratio, the magnetization switching region (8) is joined to the metal ferromagnetic part (8d) in a direction perpendicular to the in-plane direction, and the metal ferromagnetic part (8d) and the tunnel barrier layer are joined. (2) and a high MR ratio ferromagnetic portion formed of a metal ferromagnet (
More preferably, 8b) is provided.

他の観点において、本発明による磁気ランダムアクセスメモリは、反転可能な磁化を有する磁化反転領域(8)と、スピン偏極電流注入領域(9、10)と、磁化反転領域(8)とスピン偏極電流注入領域(9、10)との間に設けられた複合材料領域(17〜20)とを備える磁気記録層(1)と、固定された磁化を有する磁化固定層(3)と、磁化反転領域(8)と磁化固定層(3)との間に設けられたトンネルバリア層(2)とを具備する。スピン偏極電流注入領域(9、10)は、複合材料領域(17〜20)を介して前記磁化反転領域(8)に面内方向にスピン偏極電流を注入するために使用される。複合材料領域(17〜20)は、
(a)酸化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の酸化物とが複合化された第1複合材料、
(b)窒化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の窒化物とが複合化された第2複合材料、及び
(c)炭化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の炭化物とが複合化された第3複合材料
のいずれかで形成されている。
In another aspect, the magnetic random access memory according to the present invention includes a magnetization reversal region (8) having reversible magnetization, a spin-polarized current injection region (9, 10), a magnetization reversal region (8), and a spin polarization. A magnetic recording layer (1) including a composite material region (17-20) provided between the pole current injection regions (9, 10), a magnetization fixed layer (3) having fixed magnetization, and magnetization A tunnel barrier layer (2) provided between the inversion region (8) and the magnetization fixed layer (3). The spin-polarized current injection region (9, 10) is used to inject a spin-polarized current in the in-plane direction into the magnetization switching region (8) through the composite material region (17-20). The composite material region (17-20)
(A) a first composite material in which a non-oxidized first material and an oxide of a second material whose oxide generation energy is lower than that of the first material are combined;
(B) a second composite material in which a non-nitrided first material and a nitride of a second material whose oxide generation energy is lower than that of the first material are combined; and (c) a non-carbonized first material. It is formed of any one of a third composite material in which one material and a carbide of a second material having an oxide generation energy lower than that of the first material are combined.

本発明の一態様では、前記第1材料は、強磁性材料であり、前記第2材料は、非磁性材料である。この場合、前記第1材料として、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ガドリウム(Gd)、又はこれらの少なくとも2の元素の合金の強磁性材料が使用され、前記第2材料として、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)、ランタン(La)から選択された元素の材料、又は、これらのうちの2以上の元素で構成された材料が使用されることが好ましい。   In one aspect of the present invention, the first material is a ferromagnetic material, and the second material is a nonmagnetic material. In this case, as the first material, a ferromagnetic material of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), gadolinium (Gd), or an alloy of at least two of these elements is used, and the second material is used. As magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), germanium (Ge), lithium (Li), beryllium (Be), barium (Ba), calcium (Ca), titanium (Ti), vanadium (V ), Chromium (Cr), manganese (Mn), zirconium (Zr), hafnium (Hf), tantalum (Ta), niobium (Nb), chromium (Cr), molybdenum (Mo), cerium (Ce), yttrium (Y ), A material of an element selected from lanthanum (La), or a material composed of two or more of these elements is preferably used. Arbitrariness.

本発明の他の態様では、前記第1材料、前記第2材料の両方が非磁性材料である。この場合、前記第1材料として、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)、オスミウム(Os)、チタン(Ti)、マンガン(Mn)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、鉛(Pb)、ガリウム(Ga)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アンチモン(Sb)のうちから選択された元素の材料、又は、これらのうちの2以上の元素で構成された材料が使用され、前記第2材料として、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)、ランタン(La)から選択された元素の材料、又は、これらのうちの2以上の元素で構成された材料が使用されることが好ましい。   In another aspect of the invention, both the first material and the second material are non-magnetic materials. In this case, as the first material, copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), aluminum (Al), osmium (Os), titanium (Ti), manganese (Mn), rhodium (Rh), iridium (Ir), silicon (Si), germanium (Ge), lead (Pb), gallium (Ga), bismuth (Bi), zinc (Zn), a material of an element selected from antimony (Sb), or a material composed of two or more of these elements is used. As the second material, magnesium (Mg), aluminum ( Al), silicon (Si), germanium (Ge), lithium (Li), beryllium (Be), barium (Ba), calcium (Ca), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), zirconium (Zr), hafnium (Hf), tantalum (Ta), niobium (Nb), chromium (Cr), molybdenum (Mo), cerium (Ce), It is preferable to use an element material selected from yttrium (Y) and lanthanum (La), or a material composed of two or more of these elements.

本発明の更に他の観点において、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、
基板(31)の上方に第1及び第2スピン偏極電流注入領域(9、10)を形成する工程と、
前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域(9、10)を被覆する複合材料膜(33)を形成する工程と、
前記複合材料膜(33)をエッチバックして、前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域(9、10)の側面に複合材料領域(17〜20、27〜30)を形成する工程と、
前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域(9、10)及び前記複合材料領域(17〜20、27〜30)を被覆する第1強磁性膜(34)を形成する工程と、
前記第1強磁性膜(34)を被覆する絶縁膜(35)を形成する工程と、
前記絶縁膜(35)を被覆する第2強磁性膜(36)を形成する工程と、
前記第2強磁性膜(36)の上方に、前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域(9、10)の間に位置するマスク(39)を形成する工程と、
前記第1強磁性膜(34)、前記絶縁膜(35)及び前記第2強磁性膜(36)を、前記絶縁膜(35)及び前記第2強磁性膜(36)のうち前記マスクによって被覆されていない部分と、前記第1強磁性膜(34)のうち前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域(9、10)の間にある部分が残存されるようにエッチングする工程とを具備する。
In still another aspect of the present invention, a method for manufacturing a magnetic random access memory of the present invention includes:
Forming first and second spin-polarized current injection regions (9, 10) above the substrate (31);
Forming a composite material film (33) covering the first and second spin polarized current injection regions (9, 10);
Etching back the composite material film (33) to form composite material regions (17-20, 27-30) on the side surfaces of the first and second spin-polarized current injection regions (9, 10); ,
Forming a first ferromagnetic film (34) covering the first and second spin-polarized current injection regions (9, 10) and the composite material region (17-20, 27-30);
Forming an insulating film (35) covering the first ferromagnetic film (34);
Forming a second ferromagnetic film (36) covering the insulating film (35);
Forming a mask (39) positioned between the first and second spin-polarized current injection regions (9, 10) above the second ferromagnetic film (36);
The first ferromagnetic film (34), the insulating film (35), and the second ferromagnetic film (36) are covered with the mask of the insulating film (35) and the second ferromagnetic film (36). And a step of etching so that a portion of the first ferromagnetic film (34) between the first and second spin-polarized current injection regions (9, 10) remains. It has.

前記複合材料膜(33)は、
(a)酸化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の酸化物とが複合化された第1複合材料、
(b)窒化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の窒化物とが複合化された第2複合材料、及び
(c)炭化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の炭化物とが複合化された第3複合材料
のいずれかで形成されている。
The composite material film (33)
(A) a first composite material in which a non-oxidized first material and an oxide of a second material whose oxide generation energy is lower than that of the first material are combined;
(B) a second composite material in which a non-nitrided first material and a nitride of a second material whose oxide generation energy is lower than that of the first material are combined; and (c) a non-carbonized first material. It is formed of any one of a third composite material in which one material and a carbide of a second material having an oxide generation energy lower than that of the first material are combined.

このような磁気ランダムアクセスメモリの製造方法によれば、磁化反転領域(8)の両端に複合強磁性部(8c)を形成し、又は、磁化反転領域(8)とスピン偏極電流注入領域(9、10)との間に複合材料領域(17〜20、27〜30)を備えたメモリセルを形成することができる。   According to such a method of manufacturing a magnetic random access memory, the composite ferromagnetic portion (8c) is formed at both ends of the magnetization switching region (8), or the magnetization switching region (8) and the spin-polarized current injection region ( 9, 10) can be formed with a memory cell having composite material regions (17-20, 27-30).

本発明によれば、MRAMの書き込み動作時に磁気記録層の面内方向に流されるスピン偏極電流の大きさを、著しく低減させることができる。   According to the present invention, the magnitude of the spin-polarized current that flows in the in-plane direction of the magnetic recording layer during the write operation of the MRAM can be significantly reduced.

図1Aは、本発明の第1の実施形態のMRAMの構成を示す断面図である。FIG. 1A is a sectional view showing the configuration of the MRAM according to the first exemplary embodiment of the present invention. 図1Bは、図1AのMRAMの構成を示す平面図である。FIG. 1B is a plan view showing the configuration of the MRAM in FIG. 1A. 図2Aは、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域の微細構造を示す断面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view showing a fine structure of a magnetization switching region formed of a composite ferromagnetic material. 図2Bは、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域の微細構造を示す断面図である。FIG. 2B is a cross-sectional view showing a fine structure of a magnetization switching region formed of a composite ferromagnetic material. 図2Cは、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域の微細構造を示す断面図である。FIG. 2C is a cross-sectional view showing the fine structure of the magnetization switching region formed of the composite ferromagnetic material. 図3は、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域において電流が流れる経路を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a path through which a current flows in a magnetization switching region formed of a composite ferromagnetic material. 図4Aは、(Co90Fe1085Ta15膜の電気的特性を示すグラフである。FIG. 4A is a graph showing electrical characteristics of the (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x film. 図4Bは、(Co90Fe1085Ta15膜の磁気的特性を示すグラフである。FIG. 4B is a graph showing the magnetic characteristics of the (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x film. 図4Cは、(Co90Fe1085Ta15膜におけるコバルトの酸化状態を示すグラフである。FIG. 4C is a graph showing the oxidation state of cobalt in the (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x film. 図5Aは、本発明の第1の実施形態のMRAMの他の構成を示す断面図である。FIG. 5A is a cross-sectional view showing another configuration of the MRAM according to the first exemplary embodiment of the present invention. 図5Bは、図5AのMRAMの構成を示す平面図である。FIG. 5B is a plan view showing the configuration of the MRAM in FIG. 5A. 図6は、本発明の第2の実施形態のMRAMの構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of the MRAM according to the second exemplary embodiment of the present invention. 図7Aは、本発明の第2の実施形態のMRAMの他の構成を示す断面図である。FIG. 7A is a sectional view showing another configuration of the MRAM according to the second exemplary embodiment of the present invention. 図7Bは、図7AのMRAMの構成を示す平面図である。FIG. 7B is a plan view showing the configuration of the MRAM in FIG. 7A. 図7Cは、本発明の第2の実施形態のMRAMの他の構成を示す断面図である。FIG. 7C is a cross-sectional view showing another configuration of the MRAM according to the second exemplary embodiment of the present invention. 図7Dは、本発明の第2の実施形態のMRAMの更に他の構成を示す断面図である。FIG. 7D is a cross-sectional view showing still another configuration of the MRAM according to the second exemplary embodiment of the present invention. 図8は、本発明の第2の実施形態のMRAMの更に他の構成を示す断面図である。FIG. 8 is a sectional view showing still another configuration of the MRAM according to the second exemplary embodiment of the present invention. 図9Aは、本発明の第3の実施形態のMRAMの構成を示す断面図である。FIG. 9A is a cross-sectional view showing the configuration of the MRAM according to the third exemplary embodiment of the present invention. 図9Bは、本発明の第3の実施形態のMRAMの他の構成を示す断面図である。FIG. 9B is a sectional view showing another configuration of the MRAM according to the third exemplary embodiment of the present invention. 図10Aは、本発明の第3の実施形態のMRAMの更に他の構成を示す断面図である。FIG. 10A is a cross-sectional view showing still another configuration of the MRAM according to the third exemplary embodiment of the present invention. 図10Bは、本発明の第3の実施形態のMRAMの更に他の構成を示す断面図である。FIG. 10B is a cross-sectional view showing still another configuration of the MRAM according to the third exemplary embodiment of the present invention. 図11Aは、図10AのMRAMの製造工程を示す断面図である。FIG. 11A is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the MRAM of FIG. 10A. 図11Bは、図10AのMRAMの製造工程を示す断面図である。FIG. 11B is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the MRAM of FIG. 10A. 図11Cは、図10AのMRAMの製造工程を示す断面図である。FIG. 11C is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the MRAM of FIG. 10A. 図11Dは、図10AのMRAMの製造工程を示す断面図である。FIG. 11D is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the MRAM of FIG. 10A. 図11Eは、図10AのMRAMの製造工程を示す断面図である。FIG. 11E is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the MRAM of FIG. 10A. 図12Aは、磁化反転領域とスピン偏極電流注入領域の好適な配置を示す平面図である。FIG. 12A is a plan view showing a preferred arrangement of the magnetization switching region and the spin-polarized current injection region. 図12Bは、磁化反転領域とスピン偏極電流注入領域の他の好適な配置を示す平面図である。FIG. 12B is a plan view showing another preferred arrangement of the magnetization switching region and the spin-polarized current injection region. 図12Cは、磁化反転領域とスピン偏極電流注入領域が図12Bに図示されているように配置されている場合における、好適なMRAMの構成を示す断面図である。FIG. 12C is a cross-sectional view showing a preferred MRAM configuration in the case where the magnetization switching region and the spin-polarized current injection region are arranged as shown in FIG. 12B.

符号の説明Explanation of symbols

1:磁気記録層
2:トンネルバリア層
3:磁化固定層
4:反強磁性層
5:コンタクト層
6:ビア
7:配線
8:磁化反転領域
9、10:スピン偏極電流注入領域
11、13:ビア
12、14:配線
15:下部電極
16:上部電極
17、18、27、28:複合強磁性体領域
19、20、29、30:複合非磁性体領域
21:強磁性結晶粒
22:非磁性粒界部
23:強磁性結晶粒
24:非磁性粒界部
25:強磁性結晶粒
26:強磁性−非磁性複合結晶粒
31:基板
32:絶縁層
33:複合強磁性体膜
34:強磁性膜
35:絶縁膜
36:強磁性膜
37:反強磁性膜
38:金属導電膜
39:マスク
41:ビア
42:配線
1: Magnetic recording layer 2: Tunnel barrier layer 3: Magnetization fixed layer 4: Antiferromagnetic layer 5: Contact layer 6: Via 7: Wiring 8: Magnetization reversal region 9, 10: Spin polarized current injection region 11, 13: Vias 12, 14: Wiring 15: Lower electrode 16: Upper electrode 17, 18, 27, 28: Composite ferromagnetic region 19, 20, 29, 30: Composite nonmagnetic region 21: Ferromagnetic crystal grains 22: Nonmagnetic Grain boundary part 23: Ferromagnetic crystal grain 24: Nonmagnetic grain boundary part 25: Ferromagnetic crystal grain 26: Ferromagnetic-nonmagnetic composite crystal grain 31: Substrate 32: Insulating layer 33: Composite ferromagnetic film 34: Ferromagnetic Film 35: Insulating film 36: Ferromagnetic film 37: Antiferromagnetic film 38: Metal conductive film 39: Mask 41: Via 42: Wiring

以下、添付の図面を参照して、本発明の好適実施形態について説明する。図において、同一又は類似する構成要素は、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same or similar components are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

(第1の実施形態)
図1Aは、本発明の第1の実施形態のMRAMのメモリセル100の構成を示す断面図であり、図1Bは、メモリセル100の構成を示す平面図である。図1Aに示されているように、メモリセル100は、順次に積層された磁気記録層1と、トンネルバリア層2と、磁化固定層3と、反強磁性層4と、コンタクト層5とを備えている。
(First embodiment)
FIG. 1A is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell 100 of the MRAM according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a plan view showing the configuration of the memory cell 100. As shown in FIG. 1A, a memory cell 100 includes a magnetic recording layer 1, a tunnel barrier layer 2, a magnetization fixed layer 3, an antiferromagnetic layer 4, and a contact layer 5 that are sequentially stacked. I have.

磁気記録層1は、磁化反転領域8と、スピン偏極電流注入領域9、10とを備えている。磁化反転領域8は、その磁化の方向として1ビットのデータを記憶する領域である。図1Bに示されているように、磁化反転領域8は、x軸方向に長い形状を有しており、磁化反転領域8の磁化は、x軸方向に平行に向けられている。磁化反転領域8は、磁気的にソフトな強磁性体で形成されており磁化反転領域8の磁化は反転可能である。本実施形態では、磁化反転領域8の磁化の方向が+x方向である状態がデータ「1」に対応付けられ、磁化反転領域8の磁化の方向が−x方向である状態が、データ「0」に対応付けられている。   The magnetic recording layer 1 includes a magnetization reversal region 8 and spin-polarized current injection regions 9 and 10. The magnetization switching area 8 is an area for storing 1-bit data as the magnetization direction. As shown in FIG. 1B, the magnetization switching region 8 has a long shape in the x-axis direction, and the magnetization of the magnetization switching region 8 is directed parallel to the x-axis direction. The magnetization switching region 8 is formed of a magnetically soft ferromagnetic material, and the magnetization of the magnetization switching region 8 can be switched. In the present embodiment, the state where the magnetization direction of the magnetization switching region 8 is the + x direction is associated with the data “1”, and the state where the magnetization direction of the magnetization switching region 8 is the −x direction is the data “0”. Is associated with.

スピン偏極電流注入領域9、10は、スピン偏極電流を磁化反転領域8に面内方向に注入するために使用される領域であり、いずれも強磁性体で形成されている。スピン偏極電流注入領域9、10は、磁化反転領域8の両端に接合されている。スピン偏極電流注入領域9、10は、磁化反転領域8にx軸方向において隣接しており、図1Bに示されているように、x軸方向に長い形状を有している。スピン偏極電流注入領域9、10の磁化の方向は、いずれも、磁化反転領域8に向かう方向に向けて固定されている。具体的には、スピン偏極電流注入領域9の磁化は、+x方向に向けて固定されており、スピン偏極電流注入領域10の磁化は、−x方向に向けて固定されている。その代わりに、スピン偏極電流注入領域9、10の磁化の方向は、いずれも、磁化反転領域8から離れる方向に向けて固定されてもよい。この場合、スピン偏極電流注入領域9の磁化は、−x方向に向けて固定され、スピン偏極電流注入領域10の磁化は、+x方向に向けて固定される。スピン偏極電流注入領域9は、ビア11を介して配線12に接続され、スピン偏極電流注入領域10は、ビア13を介して配線14に接続されている。   The spin-polarized current injection regions 9 and 10 are regions used for injecting a spin-polarized current into the magnetization switching region 8 in the in-plane direction, and both are formed of a ferromagnetic material. The spin-polarized current injection regions 9 and 10 are joined to both ends of the magnetization switching region 8. The spin-polarized current injection regions 9 and 10 are adjacent to the magnetization switching region 8 in the x-axis direction and have a long shape in the x-axis direction as shown in FIG. 1B. The magnetization directions of the spin-polarized current injection regions 9 and 10 are all fixed toward the direction toward the magnetization switching region 8. Specifically, the magnetization of the spin-polarized current injection region 9 is fixed toward the + x direction, and the magnetization of the spin-polarized current injection region 10 is fixed toward the −x direction. Instead, the magnetization directions of the spin-polarized current injection regions 9 and 10 may be fixed toward the direction away from the magnetization switching region 8. In this case, the magnetization of the spin-polarized current injection region 9 is fixed toward the −x direction, and the magnetization of the spin-polarized current injection region 10 is fixed toward the + x direction. The spin polarized current injection region 9 is connected to the wiring 12 through the via 11, and the spin polarized current injection region 10 is connected to the wiring 14 through the via 13.

図1Aを参照して、トンネルバリア層2は、磁化反転領域8と磁化固定層3との間でトンネル電流を流すための薄い絶縁層である。トンネルバリア層2は、典型的には、酸化アルミニウム(AlO)、酸化マグネシウム(MgO)で形成される。Referring to FIG. 1A, tunnel barrier layer 2 is a thin insulating layer for allowing a tunnel current to flow between magnetization switching region 8 and magnetization fixed layer 3. The tunnel barrier layer 2 is typically formed of aluminum oxide (AlO x ) or magnesium oxide (MgO).

磁化固定層3は、磁化が固定されている強磁性層である。磁化固定層3は、磁気的にハードな強磁性体で、例えば、CoFeで形成されている。図1Bに示されているように、磁化固定層3は、x軸方向に長い形状を有しており、磁化固定層3の磁化は、−x方向に向けられている。磁化反転領域8、トンネルバリア層2、及び磁化固定層3は、磁気トンネル接合(MTJ)を構成しており、その磁気トンネル接合の抵抗は、磁化反転領域8と磁化固定層3の磁化の相対方向に依存している。   The magnetization fixed layer 3 is a ferromagnetic layer whose magnetization is fixed. The magnetization fixed layer 3 is a magnetically hard ferromagnet, and is made of, for example, CoFe. As shown in FIG. 1B, the magnetization fixed layer 3 has a shape that is long in the x-axis direction, and the magnetization of the magnetization fixed layer 3 is oriented in the −x direction. The magnetization switching region 8, the tunnel barrier layer 2, and the magnetization fixed layer 3 constitute a magnetic tunnel junction (MTJ), and the resistance of the magnetic tunnel junction is relative to the magnetization of the magnetization switching region 8 and the magnetization fixed layer 3. Depends on direction.

図1Aを再度に参照して、反強磁性層4は、IrMn等の反強磁性体で形成されており、磁化固定層3に交換相互作用を及ぼすことによって磁化固定層3の磁化を固定する。コンタクト層5は、磁化固定層3と、反強磁性層4に電気的接続を提供すると共に、製造工程において磁化固定層3と、反強磁性層4を保護する役割を有している。コンタクト層5は、典型的には、タンタルで形成される。コンタクト層5は、ビア6を介して配線7に接続されている。   Referring to FIG. 1A again, the antiferromagnetic layer 4 is formed of an antiferromagnetic material such as IrMn, and fixes the magnetization of the magnetization fixed layer 3 by exerting an exchange interaction with the magnetization fixed layer 3. . The contact layer 5 provides an electrical connection to the magnetization fixed layer 3 and the antiferromagnetic layer 4 and has a role of protecting the magnetization fixed layer 3 and the antiferromagnetic layer 4 in the manufacturing process. The contact layer 5 is typically made of tantalum. The contact layer 5 is connected to the wiring 7 through the via 6.

磁化反転領域8へのデータの書き込みは、スピン偏極電流注入領域9又は10から磁化反転領域8にスピン偏極電流を注入することによって行われる。データ「1」を書き込む場合、配線12から配線14に電流が流れるように、即ち、磁気記録層1を+x方向に電流が流れるように、配線12と配線14の間に電圧が印加される。これにより、(磁化が+x方向に固定されている)スピン偏極電流注入領域9から磁化反転領域8にスピン偏極電流が注入される。注入されたスピン偏極電流によって磁化反転領域8の磁壁が+x方向に押され、又は、磁化にトルクが作用され、磁化反転領域8の磁化が+x方向に向けられる。これにより、データ「1」が磁気記録層に書き込まれる。一方、データ「0」を書き込む場合、(磁化が−x方向に固定されている)スピン偏極電流注入領域10から磁化反転領域8にスピン偏極電流が注入される。これにより、磁化反転領域8にの磁化が−x方向に向けられる。   Data writing to the magnetization switching region 8 is performed by injecting a spin polarization current from the spin polarization current injection region 9 or 10 into the magnetization switching region 8. When data “1” is written, a voltage is applied between the wiring 12 and the wiring 14 so that a current flows from the wiring 12 to the wiring 14, that is, a current flows in the magnetic recording layer 1 in the + x direction. Thereby, a spin-polarized current is injected into the magnetization switching region 8 from the spin-polarized current injection region 9 (the magnetization is fixed in the + x direction). The domain wall of the magnetization switching region 8 is pushed in the + x direction by the injected spin-polarized current, or torque is applied to the magnetization, and the magnetization of the magnetization switching region 8 is directed in the + x direction. As a result, data “1” is written to the magnetic recording layer. On the other hand, when data “0” is written, a spin-polarized current is injected from the spin-polarized current injection region 10 (whose magnetization is fixed in the −x direction) into the magnetization switching region 8. Thereby, the magnetization in the magnetization switching region 8 is directed in the −x direction.

磁化反転領域8に記憶されているデータの読み出しには、TMR効果が利用される。磁化反転領域8、トンネルバリア層2、及び磁化固定層3で構成される磁気トンネル接合の抵抗は、TMR効果により磁気記録層1と磁化固定層3の磁化の相対方向に依存している。磁化反転領域8と磁化固定層3の磁化が反平行(anti-parallel)である場合は、当該磁気トンネル接合は相対的に高い抵抗を示し、磁化反転領域8と磁化固定層3の磁化が平行である場合は、当該磁気トンネル接合は相対的に低い抵抗を示す。磁気トンネル接合の抵抗の変化を検出することにより、磁気記録層1に記憶されているデータが識別される。磁気トンネル接合の抵抗の変化は、磁気トンネル接合に所定の電圧を印加して磁気トンネル接合に流れる電流を測定することにより、又は、磁気トンネル接合に所定の電流を流して磁気トンネル接合に発生する電圧を測定することにより識別可能である。   The TMR effect is used to read data stored in the magnetization switching region 8. The resistance of the magnetic tunnel junction composed of the magnetization switching region 8, the tunnel barrier layer 2, and the magnetization fixed layer 3 depends on the relative directions of magnetization of the magnetic recording layer 1 and the magnetization fixed layer 3 due to the TMR effect. When the magnetization of the magnetization switching region 8 and the magnetization fixed layer 3 is anti-parallel, the magnetic tunnel junction exhibits a relatively high resistance, and the magnetization of the magnetization switching region 8 and the magnetization fixed layer 3 is parallel. The magnetic tunnel junction exhibits a relatively low resistance. Data stored in the magnetic recording layer 1 is identified by detecting a change in resistance of the magnetic tunnel junction. The change in resistance of the magnetic tunnel junction is generated in the magnetic tunnel junction by applying a predetermined voltage to the magnetic tunnel junction and measuring a current flowing in the magnetic tunnel junction, or by flowing a predetermined current in the magnetic tunnel junction. It can be identified by measuring the voltage.

第1の実施形態のメモリセル100の一つの特徴は、磁気記録層1の磁化反転領域8が、NiFe、CoFeのような金属強磁性材料と、当該金属強磁性材料よりもそれぞれ酸化物、窒化物、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の酸化物、炭化物、又は窒化物とが複合されて構成された複合強磁性材料で形成されている点にある。金属強磁性材料は、その少なくとも一部が酸化、炭化、窒化されていない状態で磁化反転領域8に存在している。金属強磁性材料の全部が酸化、炭化、又は窒化されると、磁化反転領域8は強磁性を失うとともに、導電性を失ってしまうため好ましくない。金属強磁性材料よりも酸化、窒化、炭化されやすい非磁性材料を複合強磁性材料に混ぜることにより、非磁性材料を選択的に(又は、優先的に)酸化、窒化、又は炭化することができる。   One feature of the memory cell 100 of the first embodiment is that the magnetization switching region 8 of the magnetic recording layer 1 includes a metal ferromagnetic material such as NiFe and CoFe, and an oxide and a nitridation, respectively, than the metal ferromagnetic material. And a composite ferromagnetic material composed of a composite of an oxide, carbide, or nitride of a non-magnetic material with low energy and carbide generation energy. The metal ferromagnetic material exists in the magnetization switching region 8 in a state where at least a part thereof is not oxidized, carbonized, or nitrided. If the entire metal ferromagnetic material is oxidized, carbonized, or nitrided, the magnetization switching region 8 loses ferromagnetism and loses conductivity, which is not preferable. By mixing a non-magnetic material that is more easily oxidized, nitrided, and carbonized than a metal ferromagnetic material into the composite ferromagnetic material, the non-magnetic material can be selectively (or preferentially) oxidized, nitrided, or carbonized. .

詳細には、磁化反転領域8は、組成式がFMO、FMN、又はFMCで表される材料で構成されている。ここで、Fは金属強磁性体材料を意味している。一方、Mは、FMOについては金属強磁性体Fよりも酸化物生成エネルギーが低い元素からなる材料を意味し、FMNについては金属強磁性体Fよりも窒化物生成エネルギーが低い元素からなる材料を意味し、FMCについては金属強磁性体Fよりも炭化物生成エネルギーが低い元素からなる材料を意味している。Specifically, the magnetization switching region 8 is made of a material whose composition formula is represented by F M MO x , F M MN x , or F M MC x . Here, F M is meant a metallic ferromagnetic material. On the other hand, M means a material composed of an element having an oxide generation energy lower than that of the metal ferromagnet F M for F M MO x , and nitride generation than that of the metal ferromagnet F M for F M MN x. It means a material made of an element having a low energy, and F M MC x means a material made of an element having a lower carbide generation energy than the metal ferromagnet F M.

金属強磁性体材料Fとしては、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ガドリウム(Gd)又はこれらの少なくとも2の元素の合金(例えば、CoFe、NiFe)が使用され得る。As the metal ferromagnetic material F M is iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), gadolinium (Gd), or those of at least two elements of the alloy (e.g., CoFe, NiFe) can be employed.

一方、非磁性材料Mとしては、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)、ランタン(La)から選択された元素の材料、又は、これらのうちの2以上の元素で構成された材料を使用できる。材料Mとしては、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、マグネシウム、チタン、リチウム、シリコン、ニオブなどは、強磁性元素と比較して、より酸化、窒化、炭化されやすく安定であり、特に、酸化物は絶縁性も高いので、特に好適である。   On the other hand, as the nonmagnetic material M, magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), germanium (Ge), lithium (Li), beryllium (Be), barium (Ba), calcium (Ca), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), zirconium (Zr), hafnium (Hf), tantalum (Ta), niobium (Nb), chromium (Cr), molybdenum (Mo), cerium A material of an element selected from (Ce), yttrium (Y), and lanthanum (La), or a material composed of two or more of these elements can be used. As the material M, tantalum, zirconium, hafnium, aluminum, magnesium, titanium, lithium, silicon, niobium, and the like are more easily oxidized, nitrided, and carbonized as compared with ferromagnetic elements. Since insulation is also high, it is particularly suitable.

図2A乃至図2Cは、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域8がとり得る微細構造を示す概念図である。非磁性材料Mの組成が比較的に少ないとき、磁化反転領域8は、金属強磁性体Fで形成された柱状結晶である強磁性結晶粒21と、その粒界に存在するMO、MN、又はMCで形成された非磁性粒界部22とで構成された微細構造を有している。一方、非磁性材料Mの組成が比較的に多い場合には、磁化反転領域8は、材料Mを構成する元素の原子半径に応じた構造をとる。非磁性材料Mを構成する元素の原子半径が、金属強磁性体Fを構成する元素の原子半径よりも小さい場合には、図2Bに示されているように、磁化反転領域8は、金属強磁性体Fで形成された粒状結晶である強磁性結晶粒23と、その粒界に存在するMO、MN、又はMCで形成された非磁性粒界部24とで構成された微細構造を有している。一方、材料Mを構成する元素の原子半径が、金属強磁性体Fを構成する元素の原子半径よりも大きい場合には、金属強磁性体Fのみで形成された柱状結晶である強磁性結晶粒25と、金属強磁性体Fと材料Mとの酸化物、窒化物、又は炭化物で形成された強磁性−非磁性複合結晶粒26とで構成される。これらの何れの微細構造をとる場合でも、磁化反転領域8は、金属強磁性体Fで形成された結晶粒を有している。2A to 2C are conceptual diagrams showing a fine structure that the magnetization switching region 8 formed of a composite ferromagnetic material can take. When the composition of the non-magnetic material M is relatively small, the magnetization reversal region 8, the ferromagnetic crystal grains 21 is a columnar crystal made of a metal ferromagnetic F M, MO x present in the grain boundaries, MN It has a fine structure composed of nonmagnetic grain boundary portions 22 formed of x or MC x . On the other hand, when the composition of the nonmagnetic material M is relatively large, the magnetization switching region 8 has a structure corresponding to the atomic radius of the elements constituting the material M. If the atomic radius of elements constituting the non-magnetic material M is smaller than the atomic radius of the element forming the metal ferromagnetic F M, as shown in Figure 2B, the magnetization reversal region 8, metal the ferromagnetic crystal grains 23 is a granular crystals formed in the ferromagnetic body F M, which is configured on that present in the grain boundary MO x, MN x, or a non-magnetic grain boundary portions 24 formed by MC x Has a fine structure. On the other hand, the atomic radius of elements constituting the material M is greater than the atomic radius of the element forming the metal ferromagnetic F M is a columnar crystal formed only of a metal ferromagnetic F M ferromagnetic It composed of a non-magnetic composite grain 26 - the crystal grains 25, oxide of metal ferromagnetic F M and the material M, a nitride, or formed of carbides ferromagnetic. Even if taking any of these microstructures, the magnetization inversion region 8 has a crystal grain which is formed of a metal ferromagnetic F M.

図2A乃至図2Cのいずれの微細構造をとる場合でも、磁化反転領域8に複合強磁性材料を使用することにより、スピン偏極電流が流れる領域が局在化され、スピン偏極電流の電流密度が局所的に増大する。これは、少ない電流で磁化反転領域8の磁化を反転させることを可能にする。例えば、磁化反転領域8が、図2Bに示されているように、金属強磁性体Fで形成された強磁性結晶粒23と、その粒界に存在するMO、MN、又はMCで形成された非磁性粒界部24とで構成された微細構造を有している場合には、図3に示されているように、スピン偏極電流は、隣接した強磁性結晶粒23が接触している部分のみを選択的に流れる。これは、酸化物、窒化物、又は炭化物で形成された非磁性粒界部24は、絶縁体であるため電気抵抗が大きいからである。従って、磁化反転領域8に複合強磁性材料を使用することにより、スピン偏極電流が流れる領域が局在化され、スピン偏極電流の電流密度が局所的に増大する。電流密度が大きい部分では磁化反転が起こりやすいから、スピン偏極電流の電流密度を局所的に増大させることによって磁化反転領域8の一部分で磁化反転を発生させることができる。磁化反転領域8の一部分で磁化反転が発生すると、磁化反転領域8全体の磁化反転が誘起されるから、結果として、複合強磁性材料で形成された磁化反転領域8は、小さなスピン偏極電流で磁化を反転させることができる。2A to 2C, by using a composite ferromagnetic material in the magnetization switching region 8, the region where the spin-polarized current flows is localized, and the current density of the spin-polarized current is obtained. Increases locally. This makes it possible to reverse the magnetization of the magnetization switching region 8 with a small current. For example, the magnetization reversal region 8, as shown in Figure 2B, the ferromagnetic crystal grains 23 formed of a metal ferromagnetic F M, MO x present in the grain boundaries, MN x, or MC x As shown in FIG. 3, the spin-polarized current is caused by the adjacent ferromagnetic crystal grains 23 having a fine structure composed of the nonmagnetic grain boundary portions 24 formed by Only the part in contact flows selectively. This is because the nonmagnetic grain boundary 24 formed of an oxide, nitride, or carbide is an insulator and thus has a large electric resistance. Therefore, by using a composite ferromagnetic material for the magnetization switching region 8, the region where the spin-polarized current flows is localized, and the current density of the spin-polarized current increases locally. Since the magnetization reversal is likely to occur in the portion where the current density is large, the magnetization reversal can be generated in a part of the magnetization reversal region 8 by locally increasing the current density of the spin-polarized current. When magnetization reversal occurs in a part of the magnetization reversal region 8, magnetization reversal of the entire magnetization reversal region 8 is induced. As a result, the magnetization reversal region 8 formed of the composite ferromagnetic material has a small spin polarization current. Magnetization can be reversed.

加えて、磁化反転領域8への複合強磁性材料の使用は、磁化反転領域8の磁化の反転に必要な反転磁場Hcそのものも小さくし、書き込みに必要な電流を減少させるという効果も奏する。複合強磁性材料で形成された磁気記録層では、非磁性材料Mの酸化物、窒化物、又は炭化物が存在することにより、金属強磁性体Fで形成された結晶粒が分断され、結晶粒の粒径が小さくなる。当業者に知られているように、(磁化反転領域8が全体として強磁性を発現する範囲では)金属強磁性体Fの結晶粒の粒径が小さくなると、反転磁場Hcも小さくなる。反転磁場Hcが小さくなることにより、磁化反転領域8の磁化が反転しやすくなり、よって書き込みに必要な電流も小さくなる。In addition, the use of the composite ferromagnetic material for the magnetization switching region 8 has the effect of reducing the switching magnetic field Hc necessary for switching the magnetization of the magnetization switching region 8 and reducing the current required for writing. The magnetic recording layer formed of a composite ferromagnetic material, an oxide of a non-magnetic material M, nitrides, or by carbides are present, the crystal grains are separated which is formed by a metal ferromagnetic F M, grain The particle size of the particle becomes smaller. As known to those skilled in the art, the particle size of (the magnetization in the range inversion region 8 expresses ferromagnetic entirety) metal ferromagnetic F M of the crystal grains is small, also becomes small inverted magnetic field Hc. As the reversal magnetic field Hc becomes smaller, the magnetization of the magnetization reversal region 8 is easily reversed, and the current required for writing is also reduced.

一実施形態では、磁化反転領域8は、金属強磁性体FとしてCoFe、非磁性材料MとしてTaが使用されている複合強磁性材料である(Co90Fe1085Ta15膜で構成され得る。作製条件を最適化することにより、Taのみが選択的に酸化されている(Co90Fe1085Ta15膜を形成することが可能であり、そのような(Co90Fe1085Ta15膜は、磁化反転領域8を構成する複合強磁性材料として好適に使用可能である。In one embodiment, the magnetization reversal region 8, as a metal ferromagnetic F M CoFe, a non-magnetic material M as Ta is a composite ferromagnetic material used (Co 90 Fe 10) 85 Ta 15 O x film Can be configured. By optimizing the manufacturing conditions, it is possible to form a (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x film in which only Ta is selectively oxidized, and such (Co 90 Fe 10 ) 85 can be formed. The Ta 15 O x film can be suitably used as a composite ferromagnetic material constituting the magnetization switching region 8.

発明者は、(Co90Fe1085Ta15膜を作成し、その電気的、磁気的特性の測定を行った。(Co90Fe1085Ta15膜は、アルゴンガスと酸素ガスが混合されたスパッタリングガスを使用する反応性スパッタリングによって形成された。ターゲットの材料としては、(Co90Fe1085Ta15が使用された。スパッタリングガスにおける酸素ガスの分圧を様々に変化させて(Co90Fe1085Ta15膜が作製され、作製された(Co90Fe1085Ta15膜の電気的、磁気的特性が測定された。酸素ガスの分圧は、アルゴンガスに対する酸素ガスの流量比rO/Arで調節された。ここで、酸素ガスの流量比rO/Arは、スパッタガスのうちの酸素ガスの流量を[O](sccm)、アルゴンガスの流量を[Ar](sccm)として下記式:
rO/Ar=[O]/[Ar],
によって定義されるパラメータである。
The inventor created a (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x film and measured its electrical and magnetic properties. The (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x film was formed by reactive sputtering using a sputtering gas in which argon gas and oxygen gas were mixed. As a target material, (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x was used. The (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x film was produced by varying the partial pressure of oxygen gas in the sputtering gas, and the electrical and magnetic properties of the produced (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x film Characteristics were measured. The partial pressure of oxygen gas was adjusted by the flow rate ratio rO 2 / Ar of oxygen gas to argon gas. Here, the flow rate ratio rO 2 / Ar of the oxygen gas is expressed by the following formula where the flow rate of oxygen gas in the sputtering gas is [O 2 ] (sccm) and the flow rate of argon gas is [Ar] (sccm):
rO 2 / Ar = [O 2 ] / [Ar],
Is a parameter defined by

図4A〜図4Cは、測定された(Co90Fe1085Ta15膜の電気的、磁気的特性を示すグラフである。酸素ガスの流量比rO/Arが0.2以上になると、図4Aに示されているように、(Co90Fe1085Ta15膜の比抵抗が急激に増大し、また、図4Bに示されているように、飽和磁化が急激に減少する。この結果は、酸素ガスの流量比rO/Arが0.2未満である場合には、Taのみが選択的に酸化され、Co90Fe10が酸化されない状態で(Co90Fe1085Ta15膜に存在していることを示唆している。このことは、XPS(X線光電子分析)によって(Co90Fe1085Ta15膜に含まれるコバルトの酸化状態を調べることによって裏付けられた。図4Cは、XPSによって得られた、Co2pスペクトル結果を示すグラフである。酸素ガスの流量比rO/Arが0.13である条件で作製された(Co90Fe1085Ta15膜では、金属コバルトCoに対応する結合エネルギーにおいて、光電子強度のピークが見られた。一方、酸素ガスの流量比rO/Arが0.54である条件で作製された(Co90Fe1085Ta15膜では、酸化コバルトCoOに対応する結合エネルギーにおいて、光電子強度のピークが見られた。このことは、酸素ガスの流量比rO/Arが0.2未満である場合には、Taのみが選択的に酸化され、Coが酸化されていないことを示している。Taのみが選択的に酸化された(Co90Fe1085Ta15膜は、磁化反転領域8を構成する複合強磁性材料として使用可能である。4A to 4C are graphs showing the electrical and magnetic characteristics of the measured (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x film. When the flow rate ratio rO 2 / Ar of the oxygen gas becomes 0.2 or more, as shown in FIG. 4A, the specific resistance of the (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x film increases rapidly, As shown in FIG. 4B, the saturation magnetization decreases rapidly. As a result, when the flow ratio rO 2 / Ar of the oxygen gas is less than 0.2, only Ta is selectively oxidized and Co 90 Fe 10 is not oxidized (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta. This suggests that it is present in the 15 O x film. This was supported by examining the oxidation state of cobalt contained in the (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x film by XPS (X-ray photoelectron analysis). FIG. 4C is a graph showing the Co2p spectrum result obtained by XPS. In the (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x film produced under the condition that the flow rate ratio rO 2 / Ar of the oxygen gas is 0.13, a peak of photoelectron intensity is observed at the binding energy corresponding to metallic cobalt Co. It was. On the other hand, in the (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x film produced under the condition that the flow rate ratio rO 2 / Ar of the oxygen gas is 0.54, the photoelectron intensity peak is obtained at the binding energy corresponding to cobalt oxide CoO. It was observed. This indicates that when the flow rate ratio rO 2 / Ar of oxygen gas is less than 0.2, only Ta is selectively oxidized and Co is not oxidized. The (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 O x film in which only Ta is selectively oxidized can be used as a composite ferromagnetic material constituting the magnetization switching region 8.

図1Aに図示されているメモリセル100では、磁気記録層1の上にトンネルバリア層2、磁化固定層3、及び反強磁性層4が形成されているが、図5Aに示されているように、反強磁性層4、磁化固定層3、及びトンネルバリア層2の積層体の上に磁気記録層1が形成されることも可能である。詳細には、図5Aのメモリセル100Aでは、下部電極15の上に反強磁性層4、磁化固定層3、及びトンネルバリア層2が順次に形成され、更に、磁化反転領域8がトンネルバリア層2と接合されるようにトンネルバリア層2の上に磁気記録層1が形成される。磁化反転領域8の上には、上部電極16が接合される。   In the memory cell 100 shown in FIG. 1A, the tunnel barrier layer 2, the magnetization fixed layer 3, and the antiferromagnetic layer 4 are formed on the magnetic recording layer 1, but as shown in FIG. 5A. In addition, the magnetic recording layer 1 can be formed on the laminate of the antiferromagnetic layer 4, the magnetization fixed layer 3, and the tunnel barrier layer 2. Specifically, in the memory cell 100A of FIG. 5A, the antiferromagnetic layer 4, the magnetization fixed layer 3, and the tunnel barrier layer 2 are sequentially formed on the lower electrode 15, and the magnetization switching region 8 further includes a tunnel barrier layer. The magnetic recording layer 1 is formed on the tunnel barrier layer 2 so as to be joined to the magnetic barrier layer 2. An upper electrode 16 is joined on the magnetization switching region 8.

このように構成されたメモリセル100Aでは、図1Aのメモリセル100と同様に、磁化反転領域8へのデータの書き込みは、スピン偏極電流注入領域9又は10から磁化反転領域8にスピン偏極電流を注入することによって行われる。一方、磁化反転領域8に記憶されているデータの読み出しは、下部電極15と上部電極16との間に所定の電圧を印加して磁気トンネル接合に流れる電流を検出することによって、磁気トンネル接合の抵抗を識別することによって行われる。磁気トンネル接合の抵抗の識別は、下部電極15と上部電極16との間に所定の電流を流して磁気トンネル接合に発生する電圧を検出することによって行われてもよい。   In the memory cell 100A configured as described above, as in the memory cell 100 of FIG. 1A, data writing to the magnetization switching region 8 is performed by spin polarization from the spin polarization current injection region 9 or 10 to the magnetization switching region 8. This is done by injecting current. On the other hand, the data stored in the magnetization switching region 8 is read by applying a predetermined voltage between the lower electrode 15 and the upper electrode 16 to detect a current flowing in the magnetic tunnel junction, thereby detecting the magnetic tunnel junction. This is done by identifying the resistance. The resistance of the magnetic tunnel junction may be identified by detecting a voltage generated in the magnetic tunnel junction by passing a predetermined current between the lower electrode 15 and the upper electrode 16.

(第2の実施形態)
上述の複合強磁性材料で磁化反転領域8を構成することの一つの問題は、複合強磁性材料が本質的に結晶性に劣るため、磁化反転領域8とトンネルバリア層2と磁化固定層3とで構成される磁気トンネル接合のMR比が小さくなることである。これは、読み出し動作時のSN比を低下させるために好ましくない。第2の実施形態では、磁気トンネル接合のMR比を向上させるための技術が提供される。
(Second Embodiment)
One problem with configuring the magnetization switching region 8 with the above-described composite ferromagnetic material is that the composite ferromagnetic material is essentially inferior in crystallinity, and therefore the magnetization switching region 8, the tunnel barrier layer 2, the magnetization fixed layer 3, and the like. The MR ratio of the magnetic tunnel junction constituted by This is not preferable because the S / N ratio during the read operation is lowered. In the second embodiment, a technique for improving the MR ratio of the magnetic tunnel junction is provided.

図6は、本発明の第2の実施形態のMRAMのメモリセル100Bの構成を示す断面図である。図6のメモリセル100Bでは、磁気記録層1の磁化反転領域8が、複合強磁性部8aと、複合強磁性部8aの上に形成された高MR比強磁性部8bとで構成される。複合強磁性部8aは、第1の実施形態で説明された複合強磁性材料で形成される。一方、高MR比強磁性層8bは、高いMR比を発現する金属強磁性材料、好適には、CoFe、CoFeBで形成される。トンネルバリア層2は、高MR比強磁性部8bの上に形成されている。トンネルバリア層2が酸化マグネシウム膜(MgO)で形成される場合には、高MR比強磁性層8bがアモルファスのCoFeBで形成されることは特に好適である。高MR比強磁性層8bをアモルファスのCoFeBで形成することにより、その上にトンネルバリア層2として形成されるMgO膜の結晶性を良好にすることができる。   FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of an MRAM memory cell 100B according to the second embodiment of the present invention. In the memory cell 100B of FIG. 6, the magnetization switching region 8 of the magnetic recording layer 1 includes a composite ferromagnetic portion 8a and a high MR ratio ferromagnetic portion 8b formed on the composite ferromagnetic portion 8a. The composite ferromagnetic portion 8a is formed of the composite ferromagnetic material described in the first embodiment. On the other hand, the high MR ratio ferromagnetic layer 8b is formed of a metal ferromagnetic material exhibiting a high MR ratio, preferably CoFe or CoFeB. The tunnel barrier layer 2 is formed on the high MR ratio ferromagnetic portion 8b. When the tunnel barrier layer 2 is formed of a magnesium oxide film (MgO), it is particularly preferable that the high MR ratio ferromagnetic layer 8b is formed of amorphous CoFeB. By forming the high MR ratio ferromagnetic layer 8b with amorphous CoFeB, the crystallinity of the MgO film formed as the tunnel barrier layer 2 thereon can be improved.

図6のメモリセル100Bでは、磁化反転領域8を反転させるために必要なスピン偏極電流の大きさが概ね複合強磁性部8aによって支配され、磁気トンネル接合のMR比が概ね高MR比強磁性部8bによって支配される;複合強磁性部8aの磁化が反転すれば、それに直接に接合されている高MR比強磁性部8bの磁化も反転することに留意されたい。したがって、図6に図示されているメモリセル100Bは、書き込みに必要なスピン偏極電流の低減と、磁気トンネル接合のMR比の向上とを、同時に実現することができる。   In the memory cell 100B of FIG. 6, the magnitude of the spin-polarized current necessary for reversing the magnetization switching region 8 is largely governed by the composite ferromagnetic portion 8a, and the MR ratio of the magnetic tunnel junction is generally high MR ratio ferromagnetic. Note that if the magnetization of the composite ferromagnetic portion 8a is reversed, the magnetization of the high MR ratio ferromagnetic portion 8b directly joined thereto is also reversed. Therefore, the memory cell 100B illustrated in FIG. 6 can simultaneously achieve a reduction in spin-polarized current necessary for writing and an improvement in the MR ratio of the magnetic tunnel junction.

図7A及び図7Bに示されているように、磁化反転領域8が、複合強磁性部8cと、金属強磁性部8dとで構成されていることも好適である。複合強磁性体部8cは、上述の複合強磁性材料で形成され、金属強磁性部8dは、(複合強磁性材料よりも高いMR比を発現する)金属強磁性体、例えば、NiFe、CoFe、CoFeBで形成されている。複合強磁性体部8cは、磁化反転領域8の両端部に設けられている。言い換えれば、複合強磁性体部8cは、金属強磁性部8dの両端に接合されている。トンネルバリア層2は、金属強磁性部8dの上に形成されている。   As shown in FIGS. 7A and 7B, it is also preferable that the magnetization switching region 8 is composed of a composite ferromagnetic portion 8c and a metal ferromagnetic portion 8d. The composite ferromagnetic part 8c is formed of the above-described composite ferromagnetic material, and the metal ferromagnetic part 8d is a metal ferromagnetic substance (expressing a higher MR ratio than the composite ferromagnetic material), for example, NiFe, CoFe, It is made of CoFeB. The composite ferromagnetic portion 8 c is provided at both ends of the magnetization switching region 8. In other words, the composite ferromagnetic part 8c is joined to both ends of the metal ferromagnetic part 8d. The tunnel barrier layer 2 is formed on the metal ferromagnetic portion 8d.

このような構成でも、書き込みに必要なスピン偏極電流の低減と、磁気トンネル接合のMR比の向上とを、同時に実現することができる。複合強磁性体層8cの磁化の反転により、それに直接に接合されている金属強磁性部8dの磁化の反転が誘起されるから、図6Bの構成では、磁化反転領域8を反転させるために必要なスピン偏極電流の大きさが、概ね複合強磁性体層8cによって支配される。一方、磁気トンネル接合のMR比は、概ね、複合強磁性材料よりも高い金属強磁性部8dによって支配される。したがって、書き込みに必要なスピン偏極電流が有効に低減される一方で、磁気トンネル接合のMR比が有効に向上される。   Even with such a configuration, it is possible to simultaneously reduce the spin-polarized current required for writing and improve the MR ratio of the magnetic tunnel junction. The reversal of the magnetization of the metal ferromagnetic portion 8d directly bonded thereto is induced by the reversal of the magnetization of the composite ferromagnetic layer 8c. Therefore, in the configuration of FIG. 6B, it is necessary to reverse the magnetization reversal region 8. The magnitude of the spin-polarized current is largely governed by the composite ferromagnetic layer 8c. On the other hand, the MR ratio of the magnetic tunnel junction is generally governed by the metal ferromagnetic portion 8d that is higher than that of the composite ferromagnetic material. Accordingly, the MR ratio of the magnetic tunnel junction is effectively improved while the spin-polarized current required for writing is effectively reduced.

複合強磁性体部8cが設けられる位置は、磁化反転領域8の両端部には限られない。図7Cに示されているように、トンネルバリア層2の少なくとも一部が金属強磁性部8dに接合されている限りにおいて、複合強磁性体部8cが磁化反転領域8の中間位置に設けられることも可能である。また、図7Dに示されているように、磁化反転領域8の一端にのみ合強磁性体部8cが設けられることも可能である。   The position where the composite ferromagnetic part 8 c is provided is not limited to both ends of the magnetization switching region 8. As shown in FIG. 7C, as long as at least a part of the tunnel barrier layer 2 is joined to the metal ferromagnetic portion 8d, the composite ferromagnetic portion 8c is provided at an intermediate position of the magnetization switching region 8. Is also possible. Further, as shown in FIG. 7D, the combined ferromagnetic part 8 c can be provided only at one end of the magnetization switching region 8.

しかしながら、複合強磁性体部8cが磁化反転領域8の両端に設けられる構成は、下記の点で好適である。第1に、複合強磁性体部8cが磁化反転領域8の両端に設けられていることにより、磁化反転のときに、磁壁を磁化反転領域8の両端において最初に動かすことができる。これは、磁化反転領域8に複数のドメインが発生することを有効に抑制する。第2に、複合強磁性体部8cが磁化反転領域8の両端に設けられる構成は、磁壁を磁化反転領域8の両端でピン止めし、磁壁を安定化させることを可能にする。MRAMを安定的に動作させるためには、書き込み時における磁壁の移動が、磁化が固定されているべきスピン偏極電流注入領域9、10に波及しないことが求められる。複合強磁性体部8cが磁化反転領域8の両端に設けられている構成は、磁化反転領域8とスピン偏極電流注入領域9、10との間の磁気的結合を弱め、磁化反転領域8の両端部において磁壁をピン止めする。このため、磁壁の移動がスピン偏極電流注入領域9、10に波及することを防ぎ、MRAMの動作をより安定にする。   However, the configuration in which the composite ferromagnetic portion 8c is provided at both ends of the magnetization switching region 8 is preferable in the following points. First, since the composite ferromagnetic part 8 c is provided at both ends of the magnetization switching region 8, the domain wall can be moved first at both ends of the magnetization switching region 8 at the time of magnetization switching. This effectively suppresses the occurrence of a plurality of domains in the magnetization switching region 8. Secondly, the configuration in which the composite ferromagnet portion 8c is provided at both ends of the magnetization switching region 8 makes it possible to pin the domain wall at both ends of the magnetization switching region 8 and stabilize the domain wall. In order to operate the MRAM stably, it is required that the domain wall movement at the time of writing does not affect the spin-polarized current injection regions 9 and 10 where the magnetization should be fixed. The configuration in which the composite ferromagnet portion 8 c is provided at both ends of the magnetization switching region 8 weakens the magnetic coupling between the magnetization switching region 8 and the spin-polarized current injection regions 9, 10, Pin the domain wall at both ends. For this reason, the movement of the domain wall is prevented from spreading to the spin-polarized current injection regions 9 and 10, and the operation of the MRAM is made more stable.

図8に示されているように、磁化反転領域8が、複合強磁性体部8cと、金属強磁性部8dとに加えて、高MR比強磁性部8bを備えていることも好適である。高MR比強磁性部8bは、金属強磁性部8dの上に形成され、トンネルバリア層2は、高MR比強磁性部8bの上に形成される。高MR比強磁性層8bは、高いMR比を発現する金属強磁性材料、好適には、CoFe、CoFeBで形成される。このような構成は、一層に磁気トンネル接合のMR比を向上させるために好適である。   As shown in FIG. 8, it is also preferable that the magnetization switching region 8 includes a high MR ratio ferromagnetic portion 8b in addition to the composite ferromagnetic portion 8c and the metal ferromagnetic portion 8d. . The high MR ratio ferromagnetic part 8b is formed on the metal ferromagnetic part 8d, and the tunnel barrier layer 2 is formed on the high MR ratio ferromagnetic part 8b. The high MR ratio ferromagnetic layer 8b is formed of a metal ferromagnetic material that exhibits a high MR ratio, preferably CoFe or CoFeB. Such a configuration is suitable for further improving the MR ratio of the magnetic tunnel junction.

(第3の実施形態)
図9Aは、本発明の第3の実施形態のメモリセル100Dの構成を示す断面図である。本実施形態では、磁化反転領域8がNiFeのような金属強磁性体で形成される一方、磁化反転領域8と、スピン偏極電流注入領域9、10との間に、複合強磁性体領域17、18が設けられる。複合強磁性体領域17、18は、第1の実施形態で説明されている複合
強磁性材料で形成される。
(Third embodiment)
FIG. 9A is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell 100D according to the third embodiment of the present invention. In the present embodiment, the magnetization switching region 8 is formed of a metal ferromagnet such as NiFe, while the composite ferromagnet region 17 is interposed between the magnetization switching region 8 and the spin-polarized current injection regions 9 and 10. , 18 are provided. The composite ferromagnetic regions 17 and 18 are formed of the composite ferromagnetic material described in the first embodiment.

複合強磁性体領域17、18は、第2の実施形態の磁化反転領域8の複合強磁性体部8cとは異なり、それ自身の磁化の反転は起こさないように形成される。複合強磁性体領域17の磁化は、スピン偏極電流注入領域9の磁化と同一の方向に固定され、複合強磁性体領域18の磁化は、スピン偏極電流注入領域10の磁化と同一の方向に固定される。   Unlike the composite ferromagnetic material portion 8c of the magnetization switching region 8 of the second embodiment, the composite ferromagnetic material regions 17 and 18 are formed so as not to cause reversal of their own magnetization. The magnetization of the composite ferromagnetic region 17 is fixed in the same direction as the magnetization of the spin-polarized current injection region 9, and the magnetization of the composite ferromagnetic region 18 is the same as the magnetization of the spin-polarized current injection region 10. Fixed to.

このような構成のメモリセル100Dは、複合強磁性体領域17、18の磁化反転が容易に起こることによって磁化反転領域8の反転を促進するものではない。しかしながら、複合強磁性体領域17、18は、磁化反転領域8に注入されるスピン偏極電流を局在化させ、これにより、磁化反転領域8に注入されるスピン偏極電流の電流密度を局所的に増大させる。したがって、複合強磁性体領域17、18を設けることにより、磁化反転領域8の磁化を反転させるために必要なスピン偏極電流の大きさを低減させることができる。加えて、磁化反転領域8が金属強磁性層で構成されていることにより、高いMR比を実現することができる。   The memory cell 100D having such a configuration does not promote the reversal of the magnetization reversal region 8 by easily reversing the magnetization of the composite ferromagnetic regions 17 and 18. However, the composite ferromagnetic regions 17 and 18 localize the spin-polarized current injected into the magnetization switching region 8, thereby localizing the current density of the spin-polarized current injected into the magnetization switching region 8. Increase it. Therefore, by providing the composite ferromagnetic regions 17 and 18, the magnitude of the spin-polarized current necessary for reversing the magnetization of the magnetization switching region 8 can be reduced. In addition, since the magnetization switching region 8 is formed of a metal ferromagnetic layer, a high MR ratio can be realized.

図9Bに示されているように、複合強磁性体領域17、18の代わりに、複合非磁性体領域19、20が設けられてもよい。複合非磁性体領域19、20は、第1の非磁性材料と、第1の非磁性材料よりもそれぞれ酸化物、窒化物、炭化物生成エネルギーが低い第2の非磁性材料の酸化物、炭化物、又は窒化物とが複合されて構成された複合非磁性材料で形成される。第1の非磁性材料は、その少なくとも一部が酸化、炭化、窒化されていない状態で複合強磁性体領域17、18に存在している。第1の非磁性材料の全部が酸化、炭化、又は窒化されると、複合強磁性体領域17、18は、導電性を失ってしまうため好ましくない。第1の非磁性材料よりも酸化、窒化、炭化されやすい第2の非磁性材料を複合非磁性材料に混ぜることにより、第2の非磁性材料を選択的に(又は、優先的に)酸化、窒化、又は炭化することができる。   As shown in FIG. 9B, instead of the composite ferromagnetic regions 17 and 18, composite nonmagnetic regions 19 and 20 may be provided. The composite non-magnetic regions 19 and 20 include a first non-magnetic material and an oxide, a carbide, and a second non-magnetic material having lower energy for generating oxide, nitride, and carbide than the first non-magnetic material, respectively. Alternatively, it is made of a composite nonmagnetic material composed of nitride and composite. The first nonmagnetic material is present in the composite ferromagnetic regions 17 and 18 in a state in which at least a part thereof is not oxidized, carbonized, or nitrided. If all of the first nonmagnetic material is oxidized, carbonized, or nitrided, the composite ferromagnetic regions 17 and 18 lose conductivity, which is not preferable. The second nonmagnetic material is selectively (or preferentially) oxidized by mixing the second nonmagnetic material, which is more easily oxidized, nitrided, and carbonized than the first nonmagnetic material, into the composite nonmagnetic material. It can be nitrided or carbonized.

詳細には、複合非磁性体領域19、20は、組成式がNMO、NMN、又はNMCで表される材料で構成されている。ここで、Nは第1の非磁性材料を意味している。一方、Mは、NMOについては第1の非磁性材料Nよりも酸化物生成エネルギーが低い元素からなる第2の非磁性材料を意味し、NMNについては第1の非磁性材料Nよりも窒化物生成エネルギーが低い元素からなる材料を意味し、NMCについては第1の非磁性材料Nよりも炭化物生成エネルギーが低い元素からなる材料を意味している。Specifically, the composite nonmagnetic regions 19 and 20 are made of a material whose composition formula is represented by N M MO x , N M MN x , or N M MC x . Here, N M is mean first non-magnetic material. Meanwhile, M is, N M MO For x means the second non-magnetic material consisting of lower element oxide formation energy than the first non-magnetic material N M, for N M MN x first non means a magnetic material N material formed of a nitride formation energy is lower element than M, it means a material consisting of carbide formation energy is lower element than the first non-magnetic material N M for N M MC x .

第1の非磁性材料NMとしては、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)、オスミウム(Os)、チタン(Ti)、マンガン(Mn)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、鉛(Pb)、ガリウム(Ga)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アンチモン(Sb)のうちから選択された元素の材料、又は、これらのうちの2以上の元素で構成された材料が使用され得る。一方、第2の非磁性材料Mとしては、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)、及びランタン(La)のうちから選択された元素の材料、又は、これらのうちの2以上の元素で構成された材料が使用され得る。これらの材料は、非磁性元素の中でも、特に酸化、窒化、炭化されやすい性質を持つ。   As the first nonmagnetic material NM, copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), aluminum (Al), Osmium (Os), titanium (Ti), manganese (Mn), rhodium (Rh), iridium (Ir), silicon (Si), germanium (Ge), lead (Pb), gallium (Ga), bismuth (Bi), A material of an element selected from zinc (Zn) and antimony (Sb), or a material composed of two or more of these elements may be used. On the other hand, as the second nonmagnetic material M, magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), germanium (Ge), lithium (Li), beryllium (Be), barium (Ba), calcium (Ca ), Titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), zirconium (Zr), hafnium (Hf), tantalum (Ta), niobium (Nb), molybdenum (Mo), cerium (Ce) ), Yttrium (Y) and lanthanum (La), or a material composed of two or more of these elements may be used. These materials are particularly easily oxidized, nitrided, and carbonized among nonmagnetic elements.

このような複合非磁性材料で形成された複合非磁性体領域19、20を使用することにより、磁化反転領域8に注入されるスピン偏極電流を局在化させ、これにより、磁化反転領域8に注入されるスピン偏極電流の電流密度を局所的に増大させることができる。したがって、複合非磁性体領域19、20を設けることにより、磁化反転領域8の磁化を反転させるために必要なスピン偏極電流の大きさを低減させることができる。加えて、磁化反転領域8が金属強磁性層で構成されていることにより、高いMR比を実現することができる。   By using the composite nonmagnetic regions 19 and 20 formed of such a composite nonmagnetic material, the spin-polarized current injected into the magnetization switching region 8 is localized, whereby the magnetization switching region 8 It is possible to locally increase the current density of the spin-polarized current injected into the. Therefore, by providing the composite non-magnetic regions 19 and 20, the magnitude of the spin-polarized current necessary for reversing the magnetization of the magnetization switching region 8 can be reduced. In addition, since the magnetization switching region 8 is formed of a metal ferromagnetic layer, a high MR ratio can be realized.

図10Aは、複合強磁性体領域17、18が設けられているメモリセル100Dの、より現実的な構造を示す断面図である。図10Aのメモリセル100Dは、磁化反転領域8とスピン偏極電流注入領域9の間に複合強磁性体領域17が設けられるのに加え、スピン偏極電流注入領域9の、磁化反転領域8と反対側の端に複合強磁性体領域27が設けられる。更に、磁化反転領域8とスピン偏極電流注入領域10の間に複合強磁性体領域18が設けられるのに加え、スピン偏極電流注入領域10の、磁化反転領域8と反対側の端に複合強磁性体領域28が設けられる。   FIG. 10A is a cross-sectional view showing a more realistic structure of the memory cell 100D in which the composite ferromagnetic regions 17 and 18 are provided. A memory cell 100D of FIG. 10A includes a composite ferromagnetic region 17 provided between the magnetization switching region 8 and the spin-polarized current injection region 9, and the magnetization switching region 8 of the spin-polarized current injection region 9 and A composite ferromagnetic region 27 is provided at the opposite end. Furthermore, in addition to the composite ferromagnetic region 18 being provided between the magnetization switching region 8 and the spin-polarized current injection region 10, the composite is formed at the end opposite to the magnetization switching region 8 of the spin-polarized current injection region 10. A ferromagnetic region 28 is provided.

図11A乃至図11Eは、図10Aのメモリセル100Dを形成するための好適な製造工程を示す断面図である。まず、図11Aに示されているように、基板31を被覆する絶縁層32に、配線12、14とビア11、13とが形成され、更に、絶縁層32の上にスピン偏極電流注入領域9、10が形成される。スピン偏極電流注入領域9、10は、強磁性体膜を絶縁層32の全面に形成した後、形成された強磁性膜をフォトリソグラフィーによってパターンニングすることによって形成される。   11A to 11E are cross-sectional views illustrating a preferred manufacturing process for forming the memory cell 100D of FIG. 10A. First, as shown in FIG. 11A, wirings 12 and 14 and vias 11 and 13 are formed in an insulating layer 32 covering the substrate 31, and a spin-polarized current injection region is further formed on the insulating layer 32. 9, 10 are formed. The spin-polarized current injection regions 9 and 10 are formed by forming a ferromagnetic film on the entire surface of the insulating layer 32 and then patterning the formed ferromagnetic film by photolithography.

続いて、図11Bに示されているように、上述の複合強磁性材料で形成された複合強磁性体膜33が、絶縁層32の全面に形成される。このときに形成する膜厚によって、最終的に形成されるべき複合強磁性体領域17、18の幅をナノメートル単位で容易に精密に制御することが可能である。これは、本形成方法が有する実用上の利点である。   Subsequently, as shown in FIG. 11B, a composite ferromagnetic film 33 formed of the above-described composite ferromagnetic material is formed on the entire surface of the insulating layer 32. The width of the composite ferromagnetic material regions 17 and 18 to be finally formed can be easily and precisely controlled in nanometer units by the film thickness formed at this time. This is a practical advantage of the present forming method.

複合強磁性体膜33の形成の後、図11Cに示されているように、全面エッチバックが行われる。全面エッチバックにより、スピン偏極電流注入領域9、10の側面にのみ選択的に複合強磁性体膜33が残され、複合強磁性体領域17、18、27、28が形成される。   After the formation of the composite ferromagnetic film 33, as shown in FIG. 11C, the entire surface is etched back. By the entire surface etchback, the composite ferromagnetic film 33 is selectively left only on the side surfaces of the spin-polarized current injection regions 9 and 10 to form composite ferromagnetic regions 17, 18, 27, and 28.

続いて、図11Dに示されているように、強磁性膜34、絶縁膜35、強磁性膜36、反強磁性膜37、及び金属導電膜38が順次に形成される。後述されるように、強磁性膜34、絶縁膜35、強磁性膜36、反強磁性膜37、及び金属導電膜38は、それぞれ、後の工程によって磁化反転領域8、トンネルバリア層2、磁化固定層3、反強磁性層4、及びコンタクト層5に加工される膜である。   Subsequently, as shown in FIG. 11D, a ferromagnetic film 34, an insulating film 35, a ferromagnetic film 36, an antiferromagnetic film 37, and a metal conductive film 38 are sequentially formed. As will be described later, the ferromagnetic film 34, the insulating film 35, the ferromagnetic film 36, the antiferromagnetic film 37, and the metal conductive film 38 are respectively formed into the magnetization switching region 8, the tunnel barrier layer 2, and the magnetization by a subsequent process. A film processed into the fixed layer 3, the antiferromagnetic layer 4, and the contact layer 5.

強磁性膜34、絶縁膜35、強磁性膜36、反強磁性膜37、及び金属導電膜38の形成の後、図11Eに示されているように、トンネルバリア層2、磁化固定層3、反強磁性層4、及びコンタクト層5に対応する部分を被覆するマスク39がフォトリソグラフィーによって形成される。続いて、マスク39を用いてエッチングを行うことにより、絶縁膜35、強磁性膜36、反強磁性膜37、及び金属導電膜38がパターニングされ、磁化固定層3、反強磁性層4、及びコンタクト層5が形成される。加えて、強磁性膜34のうち複合強磁性体領域17、18の間にある部分のみを選択的に残存させるように強磁性膜34をエッチングすることにより、磁化反転領域8が形成される。このような製造工程により図10Aに示されているメモリセル100Dが形成される。また、マスク39を形成する前に、CPM(Chemical Mechanical Polishing)などによって全体を平坦化してもよい。その場合、エッチングされるべき残膜量がデバイス全体でより均一になり、接合部の
形成をより高精度に行うことができるので好適である。
After the formation of the ferromagnetic film 34, the insulating film 35, the ferromagnetic film 36, the antiferromagnetic film 37, and the metal conductive film 38, as shown in FIG. 11E, the tunnel barrier layer 2, the magnetization fixed layer 3, A mask 39 that covers portions corresponding to the antiferromagnetic layer 4 and the contact layer 5 is formed by photolithography. Subsequently, by performing etching using the mask 39, the insulating film 35, the ferromagnetic film 36, the antiferromagnetic film 37, and the metal conductive film 38 are patterned, and the magnetization fixed layer 3, the antiferromagnetic layer 4, and Contact layer 5 is formed. In addition, the magnetization reversal region 8 is formed by etching the ferromagnetic film 34 so that only the portion of the ferromagnetic film 34 between the composite ferromagnetic regions 17 and 18 remains selectively. By such a manufacturing process, the memory cell 100D shown in FIG. 10A is formed. Further, the entire surface may be planarized by CPM (Chemical Mechanical Polishing) or the like before the mask 39 is formed. In that case, the amount of the remaining film to be etched is more uniform throughout the device, which is preferable because the bonding portion can be formed with higher accuracy.

図7Aに図示されているメモリセル100Cと、図9Aに図示されているメモリセル100Dは構造としては同一であるから、上記の製造工程が図7Aに図示されているメモリセル100Cの形成に適用可能であることは、当業者には自明的であろう。   Since the memory cell 100C illustrated in FIG. 7A and the memory cell 100D illustrated in FIG. 9A have the same structure, the above manufacturing process is applied to the formation of the memory cell 100C illustrated in FIG. 7A. It will be obvious to those skilled in the art that this is possible.

また、複合強磁性体膜33の代わりに、上述の複合非磁性材料で形成された複合非磁性体膜を形成すれば、同一の製造工程によって、複合非磁性体領域19、20が設けられているメモリセル100Dを形成することができる。この場合、図10Bに示されているように、スピン偏極電流注入領域9の、磁化反転領域8と反対側の端に複合非磁性体領域2
9が設けられ、更に、スピン偏極電流注入領域10の、磁化反転領域8と反対側の端に複合非磁性体領域30が設けられる。
If a composite nonmagnetic film made of the composite nonmagnetic material is formed instead of the composite ferromagnetic film 33, the composite nonmagnetic regions 19 and 20 are provided by the same manufacturing process. The memory cell 100D can be formed. In this case, as shown in FIG. 10B, the composite non-magnetic region 2 at the end opposite to the magnetization switching region 8 of the spin-polarized current injection region 9.
9 and a composite nonmagnetic material region 30 is provided at the end of the spin-polarized current injection region 10 opposite to the magnetization switching region 8.

なお、第1〜第3の実施形態のいずれにおいても、磁気記録層1における磁化反転領域8とスピン偏極電流注入領域9、10の幾何学的な配置は、図1に示されているような、磁化反転領域8とスピン偏極電流注入領域9、10が一直線上に並んでいる配置に限定されない。例えば、図12Aに示されているように、磁化反転領域8がx軸方向に長く形成される一方で、スピン偏極電流注入領域9、10がy軸方向に長く形成されることも可能である。この場合、スピン偏極電流注入領域9、10の磁化は、いずれも、+y方向に固定される。その代わりに、スピン偏極電流注入領域9、10の磁化が、いずれも−y方向に固定されることも可能である。このような構成は、スピン偏極電流注入領域9、10の磁化の方向が同一であるため、製造工程においてスピン偏極電流注入領域9、10の磁化を所望の方向に向けることが容易である。図1Bの構成では、スピン偏極電流注入領域9、10の磁化の方向が逆であることに留意されたい。   In any of the first to third embodiments, the geometrical arrangement of the magnetization switching region 8 and the spin-polarized current injection regions 9 and 10 in the magnetic recording layer 1 is as shown in FIG. However, the present invention is not limited to the arrangement in which the magnetization switching region 8 and the spin-polarized current injection regions 9 and 10 are aligned. For example, as shown in FIG. 12A, the magnetization reversal region 8 can be formed long in the x-axis direction, while the spin-polarized current injection regions 9 and 10 can be formed long in the y-axis direction. is there. In this case, the magnetizations of the spin-polarized current injection regions 9 and 10 are all fixed in the + y direction. Instead, the magnetizations of the spin-polarized current injection regions 9 and 10 can all be fixed in the −y direction. In such a configuration, since the magnetization directions of the spin-polarized current injection regions 9 and 10 are the same, it is easy to direct the magnetization of the spin-polarized current injection regions 9 and 10 in a desired direction in the manufacturing process. . It should be noted that in the configuration of FIG. 1B, the magnetization directions of the spin-polarized current injection regions 9 and 10 are reversed.

また、図12Bに示されているように、スピン偏極電流注入領域9、10の両方が磁化反転領域8の一方の端に接続されることも可能である。図12Bの構成では、スピン偏極電流注入領域9は、+x方向に対して反時計回りに120°の角度をなす+S方向に長く形成され、スピン偏極電流注入領域10は、+x方向に対して時計回りに120°の角度をなす+T方向に長く形成される。スピン偏極電流注入領域9の磁化M1は、−S方向(即ち、磁化反転領域8から離れる方向)に向けられ、スピン偏極電流注入領域10の磁化M2は、+T方向(即ち、磁化反転領域8から離れる方向)に向けられる。スピン偏極電流注入領域9の磁化M1が+S方向(即ち、磁化反転領域8に向かう方向)に向けられ、スピン偏極電流注入領域10の磁化M2が−T方向(即ち、磁化反転領域8に向かう方向)に向けられてもよい。この場合、図12Cに示されているように、磁化反転領域8の他方の端には、ビア41を介して配線42が接続される。   Further, as shown in FIG. 12B, both of the spin-polarized current injection regions 9 and 10 can be connected to one end of the magnetization switching region 8. In the configuration of FIG. 12B, the spin-polarized current injection region 9 is formed long in the + S direction, which forms an angle of 120 ° counterclockwise with respect to the + x direction, and the spin-polarized current injection region 10 is formed in the + x direction. And formed long in the + T direction, which forms an angle of 120 ° clockwise. The magnetization M1 of the spin-polarized current injection region 9 is directed in the -S direction (that is, the direction away from the magnetization switching region 8), and the magnetization M2 of the spin-polarized current injection region 10 is the + T direction (that is, the magnetization switching region). (Direction away from 8). The magnetization M1 of the spin-polarized current injection region 9 is directed in the + S direction (ie, the direction toward the magnetization switching region 8), and the magnetization M2 of the spin-polarized current injection region 10 is in the -T direction (ie, the magnetization switching region 8). In the direction of heading). In this case, as shown in FIG. 12C, the wiring 42 is connected to the other end of the magnetization switching region 8 through the via 41.

図12Bに図示された構成のMRAMでは、データ「1」を書き込む場合、書き込み電流が配線12から配線42に流され、スピン偏極電流がスピン偏極電流注入領域9から磁化反転領域8に注入される。これにより、磁化反転領域8の磁化が+x方向に向けられてデータ「1」が書き込まれる。一方、データ「0」を書き込む場合、書き込み電流が配線14から配線42に流され、スピン偏極電流がスピン偏極電流注入領域10から磁化反転領域8に注入される。これにより、磁化反転領域8の磁化が−x方向に向けられてデータ「1」が書き込まれる。   In the MRAM having the configuration shown in FIG. 12B, when data “1” is written, a write current flows from the wiring 12 to the wiring 42, and a spin-polarized current is injected from the spin-polarized current injection region 9 into the magnetization switching region 8. Is done. As a result, the magnetization of the magnetization switching region 8 is directed in the + x direction, and data “1” is written. On the other hand, when data “0” is written, a write current is passed from the wiring 14 to the wiring 42, and a spin-polarized current is injected from the spin-polarized current injection region 10 to the magnetization switching region 8. Thereby, the magnetization of the magnetization switching region 8 is directed in the −x direction, and data “1” is written.

図12Bに図示されている構成の利点は、−y方向、又は、+y方向に磁場を印加することによってスピン偏極電流注入領域9、10の磁化を所望の方向に向けることができる点にある。これは、製造工程においてスピン偏極電流注入領域9、10の磁化を所望の方向に向けることを容易にするため好適である。   The advantage of the configuration illustrated in FIG. 12B is that the magnetization of the spin-polarized current injection regions 9 and 10 can be directed in a desired direction by applying a magnetic field in the −y direction or the + y direction. . This is preferable in order to easily direct the magnetization of the spin-polarized current injection regions 9 and 10 in a desired direction in the manufacturing process.

図12Cに図示されているように、スピン偏極電流注入領域9、10の両方が磁化反転領域8の一方の端に接続される場合、複合強磁性体領域17(又は複合非磁性体領域19)は、磁化反転領域8の一方の端にしか設けられる必要がない。   As shown in FIG. 12C, when both of the spin-polarized current injection regions 9 and 10 are connected to one end of the magnetization switching region 8, the composite ferromagnetic region 17 (or the composite nonmagnetic region 19 ) Need only be provided at one end of the magnetization switching region 8.

本発明は、スピン偏極電流を用いて磁化を反転させてデータを書き込むMRAM(磁気ランダムアクセスメモリ)において、スピン偏極電流の低減に有効である。   The present invention is effective in reducing spin-polarized current in an MRAM (Magnetic Random Access Memory) in which data is written by reversing magnetization using a spin-polarized current.

Claims (11)

反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、前記磁化反転領域に面内方向にスピン偏極電流を注入するスピン偏極電流注入領域とを備える磁気記録層と、
固定された磁化を有する磁化固定層と、
前記磁化反転領域と前記磁化固定層との間に設けられたトンネルバリア層と、
を具備し、
前記磁化反転領域の少なくとも一部は、
(a)酸化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも酸化物生成エネルギーが低い非磁性材料の酸化物とが複合化された第1複合強磁性材料、
(b)窒化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも窒化物生成エネルギーが低い非磁性材料の窒化物とが前記複合化されて構成された第2複合強磁性材料、及び
(c)炭化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の炭化物とが複合化されて構成された第3複合強磁性材料
のいずれかで形成され、
前記磁化反転領域は、
前記スピン偏極電流注入領域に前記面内方向において隣接し、且つ、前記複合強磁性材料で形成されている複合強磁性部と、
前記複合強磁性部と前記面内方向に垂直な方向で接合され、前記複合強磁性部と前記トンネルバリア層との間に設けられた金属の強磁性体で形成された高MR比強磁性部と、
を備えことを特徴とする気ランダムアクセスメモリ。
A magnetic recording layer comprising: a magnetization reversal region having a reversible magnetization; and a spin-polarized current injection region for injecting a spin-polarized current into the magnetization reversal region in an in-plane direction;
A magnetization fixed layer having a fixed magnetization;
A tunnel barrier layer provided between the magnetization switching region and the magnetization fixed layer;
Comprising
At least a part of the magnetization switching region is
(A) a first composite ferromagnetic material obtained by combining a non-oxidized metal ferromagnetic material and an oxide of a nonmagnetic material having an oxide generation energy lower than that of the metal ferromagnetic material;
(B) a second composite ferromagnetic material configured by combining the non-nitrided metal ferromagnetic material and the nonmagnetic material nitride having a lower nitride formation energy than the metal ferromagnetic material; and
(C) A third composite ferromagnetic material composed of a composite of a non-carbonized metal ferromagnetic material and a carbide of a nonmagnetic material having a lower carbide generation energy than the metal ferromagnetic material.
Formed with either
The magnetization switching region is
A composite ferromagnetic portion adjacent to the spin-polarized current injection region in the in-plane direction and formed of the composite ferromagnetic material;
A high MR ratio ferromagnetic part formed of a metal ferromagnetic material which is joined to the composite ferromagnetic part in a direction perpendicular to the in-plane direction and is provided between the composite ferromagnetic part and the tunnel barrier layer When,
Magnetic random access memory, characterized in that the Ru with a.
反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、前記磁化反転領域に面内方向にスピン偏極電流を注入するスピン偏極電流注入領域とを備える磁気記録層と、
固定された磁化を有する磁化固定層と、
前記磁化反転領域と前記磁化固定層との間に設けられたトンネルバリア層と、
を具備し、
前記磁化反転領域の少なくとも一部は、
(a)酸化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも酸化物生成エネルギーが低い非磁性材料の酸化物とが複合化された第1複合強磁性材料、
(b)窒化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも窒化物生成エネルギーが低い非磁性材料の窒化物とが前記複合化されて構成された第2複合強磁性材料、及び
(c)炭化されていない金属強磁性材料と、前記金属強磁性材料よりも、炭化物生成エネルギーが低い非磁性材料の炭化物とが複合化されて構成された第3複合強磁性材料
のいずれかで形成され、
前記磁化反転領域は、
前記複合強磁性材料で形成されている複合強磁性部と、
前記複合強磁性部と前記面内方向に接合された、金属の強磁性体で形成された金属強磁性部と、
を備え、
前記複合強磁性部は、前記金属強磁性部と前記スピン偏極電流注入領域の間に設けられていることを特徴とする気ランダムアクセスメモリ。
A magnetic recording layer comprising: a magnetization reversal region having a reversible magnetization; and a spin-polarized current injection region for injecting a spin-polarized current into the magnetization reversal region in an in-plane direction;
A magnetization fixed layer having a fixed magnetization;
A tunnel barrier layer provided between the magnetization switching region and the magnetization fixed layer;
Comprising
At least a part of the magnetization switching region is
(A) a first composite ferromagnetic material obtained by combining a non-oxidized metal ferromagnetic material and an oxide of a nonmagnetic material having an oxide generation energy lower than that of the metal ferromagnetic material;
(B) a second composite ferromagnetic material configured by combining the non-nitrided metal ferromagnetic material and the nonmagnetic material nitride having a lower nitride formation energy than the metal ferromagnetic material; and
(C) A third composite ferromagnetic material composed of a composite of a non-carbonized metal ferromagnetic material and a carbide of a nonmagnetic material having a lower carbide generation energy than the metal ferromagnetic material.
Formed with either
The magnetization switching region is
A composite ferromagnetic portion formed of the composite ferromagnetic material;
A metal ferromagnetic part formed of a metal ferromagnetic material joined to the composite ferromagnetic part in the in-plane direction;
With
The composite ferromagnetic part, magnetic random access memory, characterized in that provided between the metallic ferromagnetic portion and the spin-polarized current injection region.
前記トンネルバリア層の少なくとも一部は、前記金属強磁性部に直接に接合されている
ことを特徴とする請求項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
The magnetic random access memory according to claim 2 , wherein at least a part of the tunnel barrier layer is directly joined to the metal ferromagnetic portion.
前記磁化反転領域は、更に、
前記金属強磁性部と前記面内方向に垂直な方向で接合され、前記金属強磁性部と前記トンネルバリア層との間に設けられた金属の強磁性体で形成された高MR比強磁性部を備えている
ことを特徴とする請求項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
The magnetization switching region further includes:
A high MR ratio ferromagnetic part formed of a metal ferromagnetic material joined between the metal ferromagnetic part and a direction perpendicular to the in-plane direction and provided between the metal ferromagnetic part and the tunnel barrier layer The magnetic random access memory according to claim 2 , further comprising:
前記金属強磁性材料として、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、及びガドリウム(Gd)からなる群から選択された1種の金属、又は前記群から選択された2以上の元素の合金からなる強磁性材料が使用され、
前記非磁性材料として、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)、及びランタン(La)からなる群から選択された元素の材料、又は、前記群から選択された2種以上の元素からなる材料が使用される
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
As the metal ferromagnetic material, one metal selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and gadolinium (Gd), or two or more elements selected from the group A ferromagnetic material made of an alloy of
Examples of the nonmagnetic material include magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), germanium (Ge), lithium (Li), beryllium (Be), barium (Ba), calcium (Ca), and titanium (Ti). , Vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), zirconium (Zr), hafnium (Hf), tantalum (Ta), niobium (Nb), chromium (Cr), molybdenum (Mo), cerium (Ce) A material of an element selected from the group consisting of yttrium (Y) and lanthanum (La), or a material consisting of two or more elements selected from the group is used. 5. The magnetic random access memory according to any one of items 1 to 4 .
反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、スピン偏極電流注入領域と、前記磁化反転領域と前記スピン偏極電流注入領域との間に設けられた複合材料領域とを備える磁気記録層と、
固定された磁化を有する磁化固定層と、
前記磁化反転領域と前記磁化固定層との間に設けられたトンネルバリア層と、を具備し、
前記スピン偏極電流注入領域は、前記複合材料領域を介して前記磁化反転領域に面内方向にスピン偏極電流を注入するために使用され、
前記複合材料領域は、
(a)酸化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の酸化物とが複合化された第1複合材料、
(b)窒化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の窒化物とが複合化された第2複合材料、及び
(c)炭化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の炭化物とが複合化された第3複合材料
のいずれかで形成されていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
A magnetic recording layer comprising a magnetization reversal region having a reversible magnetization, a spin-polarized current injection region, and a composite material region provided between the magnetization reversal region and the spin-polarized current injection region;
A magnetization fixed layer having a fixed magnetization;
A tunnel barrier layer provided between the magnetization switching region and the magnetization fixed layer,
The spin-polarized current injection region is used to inject a spin-polarized current in an in-plane direction into the magnetization switching region through the composite material region,
The composite material region is
(A) a first composite material in which a non-oxidized first material and an oxide of a second material whose oxide generation energy is lower than that of the first material are combined;
(B) a second composite material in which a non-nitrided first material and a nitride of a second material whose oxide generation energy is lower than that of the first material are combined; and (c) a non-carbonized first material. A magnetic random access memory comprising: one material and a third composite material in which a carbide of a second material having an oxide generation energy lower than that of the first material is combined.
前記第1材料は、強磁性材料であり、前記第2材料は、非磁性材料であることを特徴とする請求項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。 The magnetic random access memory according to claim 6 , wherein the first material is a ferromagnetic material, and the second material is a nonmagnetic material. 前記第1材料として、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、及びガドリウム(Gd)からなる群から選択された金属、又は前記群から選択された2以上の元素の合金からなる金属強磁性材料が使用され、
前記第2材料として、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)、及びランタン(La)からなる群から選択された元素の材料、又は、前記群から選択された2以上の元素からなる材料が使用される
ことを特徴とする請求項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
The first material is made of a metal selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and gadolinium (Gd), or an alloy of two or more elements selected from the group. Metal ferromagnetic material is used,
As the second material, magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), germanium (Ge), lithium (Li), beryllium (Be), barium (Ba), calcium (Ca), titanium (Ti) , Vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), zirconium (Zr), hafnium (Hf), tantalum (Ta), niobium (Nb), chromium (Cr), molybdenum (Mo), cerium (Ce) , yttrium (Y), and lanthanum (La) materials of an element selected from the group consisting of, or to claim 7, characterized in that the material of two or more elements selected from the group is used The magnetic random access memory described.
前記第1材料及び前記第2材料の両方が、非磁性材料であることを特徴とする請求項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。The magnetic random access memory according to claim 6 , wherein both the first material and the second material are non-magnetic materials. 前記第1材料として、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)、オスミウム(Os)、チタン(Ti)、マンガン(Mn)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、鉛(Pb)、ガリウム(Ga)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、及びアンチモン(Sb)からなる群から選択された元素の材料、又は前記群から選択された2以上の元素からなる材料が使用され、
前記第2材料として、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)、ランタン(La)からなる群から選択された元素の材料、又は、前記群から選択された2以上の元素からなる材料が使用される
ことを特徴とする請求項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
As the first material, copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), aluminum (Al), osmium (Os) , Titanium (Ti), manganese (Mn), rhodium (Rh), iridium (Ir), silicon (Si), germanium (Ge), lead (Pb), gallium (Ga), bismuth (Bi), zinc (Zn) And an element material selected from the group consisting of antimony (Sb), or a material consisting of two or more elements selected from the group,
As the second material, magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), germanium (Ge), lithium (Li), beryllium (Be), barium (Ba), calcium (Ca), titanium (Ti) , Vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), zirconium (Zr), hafnium (Hf), tantalum (Ta), niobium (Nb), chromium (Cr), molybdenum (Mo), cerium (Ce) , yttrium (Y), lanthanum (La) materials of an element selected from the group consisting of, or, according to claim 9, characterized in that the material of two or more elements selected from the group is used Magnetic random access memory.
基板の上方に第1及び第2スピン偏極電流注入領域を形成する工程と、
前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域を被覆する複合材料膜を形成する工程と、
前記複合材料膜をエッチバックして、前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域の側面に複合材料領域を形成する工程と、
前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域及び前記複合材料領域を被覆する第1強磁性膜を形成する工程と、
前記第1強磁性膜を被覆する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を被覆する第2強磁性膜を形成する工程と、
前記第2強磁性膜の上方に、前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域の間に位置するようにマスクを形成する工程と、
前記第1強磁性膜、前記絶縁膜及び前記第2強磁性膜を、前記絶縁膜及び前記第2強磁性膜のうち前記マスクによって被覆されていない部分と、前記第1強磁性膜のうち前記第1及び第2スピン偏極電流注入領域の間にある部分が残存されるようにエッチングする工程と、
とを具備し、
前記複合材料膜は、
(a)酸化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の酸化物とが複合化された第1複合材料、
(b)窒化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の窒化物とが複合化された第2複合材料、及び
(c)炭化されていない第1材料と、前記第1材料よりも酸化物生成エネルギーが低い第2材料の炭化物とが複合化された第3複合材料
のいずれかで形成されていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
Forming first and second spin-polarized current injection regions above the substrate;
Forming a composite material film covering the first and second spin-polarized current injection regions;
Etching back the composite material film to form a composite material region on a side surface of the first and second spin-polarized current injection regions;
Forming a first ferromagnetic film covering the first and second spin-polarized current injection regions and the composite material region;
Forming an insulating film covering the first ferromagnetic film;
Forming a second ferromagnetic film covering the insulating film;
Forming a mask above the second ferromagnetic film so as to be positioned between the first and second spin-polarized current injection regions;
The first ferromagnetic film, the insulating film, and the second ferromagnetic film, a portion of the insulating film and the second ferromagnetic film not covered by the mask, and the first ferromagnetic film, Etching to leave a portion between the first and second spin-polarized current injection regions;
And
The composite film is
(A) a first composite material in which a non-oxidized first material and an oxide of a second material whose oxide generation energy is lower than that of the first material are combined;
(B) a second composite material in which a non-nitrided first material and a nitride of a second material whose oxide generation energy is lower than that of the first material are combined; and (c) a non-carbonized first material. 1. A magnetic random access memory comprising: a first material and a third composite material in which a carbide of a second material having an oxide generation energy lower than that of the first material is combined. Method.
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