JP5441274B2

JP5441274B2 - Magnetoresistive element and magnetic memory

Info

Publication number: JP5441274B2
Application number: JP2011286353A
Authority: JP
Inventors: 淳一小瀬木; 尚治下村; 純夫池川; 正甲斐; 昌彦中山; 尚徳相川; 達也岸; 博明與田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: JP2012094894A

Description

本発明は、双方向に電流を供給することで情報を記録することが可能な磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気メモリに関する。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element capable of recording information by supplying current bidirectionally, and a magnetic memory using the magnetoresistive effect element.

トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magneto Resistive）を利用する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）は、データをＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子の磁化状態により記憶する点に特徴を有する。一般に、ＭＴＪ素子は、記憶層と呼ばれる磁性層と、参照層と呼ばれる磁性層と、これらの磁性層間に設けられたトンネルバリア層とを備えている。磁気ランダムアクセスメモリに関しては、実用化に向けて数々の技術が提案されている。例えば、書き込み電流の低減を目的として、ヨーク配線構造が提案されている。また、ＭＴＪ素子の構造に関しては、ＧｄＦｅ合金からなる垂直磁化膜を用いた構造（例えば、非特許文献１参照）や、垂直磁化膜を用いた積層構造（例えば、非特許文献２参照）等が提案されている。 2. Description of the Related Art A magnetic random access memory (MRAM) using a tunneling magnetoresistive effect (TMR) is characterized in that data is stored according to the magnetization state of an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element. In general, an MTJ element includes a magnetic layer called a storage layer, a magnetic layer called a reference layer, and a tunnel barrier layer provided between these magnetic layers. For magnetic random access memory, a number of technologies have been proposed for practical use. For example, a yoke wiring structure has been proposed for the purpose of reducing the write current. Further, regarding the structure of the MTJ element, there are a structure using a perpendicular magnetization film made of a GdFe alloy (for example, see Non-Patent Document 1), a laminated structure using a perpendicular magnetization film (for example, see Non-Patent Document 2), and the like. Proposed.

これらは、基本的に電流により発生する磁場を利用して、磁性層の磁化の向きを反転させる磁場書き込み方式である。電流により発生する磁場は、当然、電流が大きければ大きな磁場を発生できるが、微細化が進むほど配線に流せる電流も制限される。配線と磁性層の距離を近づける、あるいは発生する磁場を集中させるヨーク構造を利用することで、磁性体の磁化を反転させるために必要な電流値を低減することはできるが、微細化により、磁性体の磁化反転に必要な磁場が増大するため、低電流化と微細化の両立が非常に難しい。 These are magnetic field writing methods that basically reverse the magnetization direction of the magnetic layer using a magnetic field generated by an electric current. As a matter of course, the magnetic field generated by the current can generate a large magnetic field if the current is large, but the current that can be passed through the wiring is limited as the miniaturization progresses. By using a yoke structure that reduces the distance between the wiring and the magnetic layer or concentrates the generated magnetic field, the current value required to reverse the magnetization of the magnetic material can be reduced. Since the magnetic field required for the magnetization reversal of the body increases, it is very difficult to achieve both current reduction and miniaturization.

微細化により磁性体の磁化反転に必要な磁場が増大するのは、熱擾乱に打ち勝つだけの磁気エネルギーを必要とするためである。磁気エネルギーは磁気異方性エネルギー密度と磁性体の体積を大きくすればよいが、微細化により体積が減少してしまうので、形状磁気異方性エネルギー、結晶磁気異方性エネルギーを利用するのが一般的である。 The reason why the magnetic field necessary for the magnetization reversal of the magnetic material increases due to the miniaturization is that it requires magnetic energy to overcome the thermal disturbance. Magnetic energy can be increased by increasing the magnetic anisotropy energy density and the volume of the magnetic material, but the volume is reduced by miniaturization. It is common.

しかし、上述したように磁性体の持つ磁気エネルギーの増大は反転磁場を増大させるため、低電流化と微細化を両立するのは非常に困難である。結晶磁気異方性エネルギーの大きな垂直磁化膜を導入し、かつ究極的に大きな電流磁場の発生効率を有する完全閉磁路型のヨーク構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。しかし、この特許文献１においては、ヨーク構造が磁性体素子に対して大きくなるため、セル面積が比較的大きくなり、微細化、低電流化、セル面積の縮小をすべて満たすことができない。 However, as described above, an increase in the magnetic energy of the magnetic material increases the reversal magnetic field, so it is very difficult to achieve both low current and miniaturization. A fully closed magnetic circuit type yoke structure has been proposed in which a perpendicularly magnetized film having a large magnetocrystalline anisotropy energy is introduced and which has an ultimate generation efficiency of a large current magnetic field (see, for example, Patent Document 1). However, in Patent Document 1, since the yoke structure is larger than the magnetic element, the cell area becomes relatively large, and miniaturization, low current, and reduction of the cell area cannot all be satisfied.

近年、スピン偏極電流による磁化反転が理論的に予想され、実験でも確認されるようになり、スピン偏極電流を利用したＭＲＡＭが提案されてきた（例えば、非特許文献３参照）。このＭＲＡＭによれば、磁性体にスピン偏極電流を流すだけで、スピン偏極した電子の作用により磁性体の磁化反転を実現でき、磁性体の体積が小さければ注入するスピン偏極電子も少なくて済むため、微細化、低電流化を両立できると期待されている。さらに、電流により発生する磁場を利用しないため、磁場を増加させるヨーク構造も必要ではなく、セル面積を縮小できるという利点を持つ。 In recent years, magnetization reversal due to spin-polarized current has been theoretically predicted and has been confirmed by experiments, and MRAM using spin-polarized current has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 3). According to this MRAM, the magnetization reversal of the magnetic material can be realized by the action of the spin-polarized electrons only by passing a spin-polarized current through the magnetic material. If the volume of the magnetic material is small, the number of spin-polarized electrons injected is small. Therefore, it is expected that both miniaturization and low current can be achieved. Further, since the magnetic field generated by the current is not used, a yoke structure for increasing the magnetic field is not necessary, and the cell area can be reduced.

しかし、当然のことながらスピン偏極電流における磁化反転方式においても、熱擾乱の問題は微細化に伴って顕在化する。上述したように、熱擾乱耐性を確保するためには、磁気異方性エネルギー密度を増加させる必要がある。これまで主に検討されている面内磁化型の構成では、形状磁気異方性を利用するのが一般的である。この場合、形状を利用して磁気異方性を確保しているため、磁化反転に必要な電流は形状に敏感になり、微細化に伴い反転電流ばらつきが増加することが問題になる。また、ＭＴＪセルのアスペクトも少なくとも１．５以上は必要となるため、セルサイズも大きくなる。磁気抵抗効果素子の磁性層が面内磁化型であって、形状磁気異方性ではなく、結晶磁気異方性を利用する場合、大きな結晶磁気異方性エネルギー密度を有する材料、例えば、ハードディスク媒体で用いられているようなＣｏ−Ｃｒ合金材料を用いた場合、結晶軸が面内に大きく分散してしまう。このため、ＭＲ比（Magneto Resistive）の低下、インコヒーレントな歳差運動が誘発され、結果として反転電流が増加してしまう。 However, as a matter of course, even in the magnetization reversal method using the spin-polarized current, the problem of thermal disturbance becomes obvious as the size is reduced. As described above, in order to ensure thermal disturbance resistance, it is necessary to increase the magnetic anisotropic energy density. In the in-plane magnetization type configuration mainly studied so far, it is common to use shape magnetic anisotropy. In this case, since the magnetic anisotropy is ensured by utilizing the shape, the current required for the magnetization reversal becomes sensitive to the shape, and there is a problem that the variation of the reversal current increases with the miniaturization. Moreover, since the aspect of the MTJ cell needs to be at least 1.5 or more, the cell size is also increased. A material having a large magnetocrystalline anisotropy energy density when the magnetic layer of the magnetoresistive effect element is in-plane magnetization type and utilizes magnetocrystalline anisotropy instead of shape magnetic anisotropy, such as a hard disk medium When the Co—Cr alloy material used in the above is used, the crystal axes are greatly dispersed in the plane. For this reason, a decrease in MR ratio (Magneto Resistive) and incoherent precession are induced, resulting in an increase in reversal current.

特開２００５−１９４６４号公報JP 2005-19464 A

池田他、「ＧｄＦｅ合金垂直磁化膜を用いたＧＭＲ膜及びＴＭＲ膜」、日本応用磁気学会誌、Vol.24, No.4-2, 2000, p.563-566Ikeda et al., “GMR film and TMR film using GdFe alloy perpendicular magnetization film”, Journal of Japan Society of Applied Magnetics, Vol.24, No.4-2, 2000, p.563-566 N.Nisimura,et al., "Magnetic tunnel junction device with perpendicular magnetization films for high-density magnetic random access memory",JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 91,NUMBER 8, 15 APRIL 2002N.Nisimura, et al., "Magnetic tunnel junction device with perpendicular magnetization films for high-density magnetic random access memory", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 91, NUMBER 8, 15 APRIL 2002 J.C. Slonczewski et al., "Current-driven excitation of magnetic multilayers", JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS, VOLUME 159, NUMBER 1-2, L1-7 1996J.C. Slonczewski et al., "Current-driven excitation of magnetic multilayers", JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS, VOLUME 159, NUMBER 1-2, L1-7 1996

上述したように、ＭＴＪ素子を構成する記憶層および参照層は磁性材料から形成され、外部に対して磁界を発生している。一般に、垂直磁化型のＭＴＪ素子では、参照層から発生する漏れ磁界が面内磁化型のそれに比べて大きい。また、参照層に比べて保磁力の小さい記憶層は、参照層からの漏れ磁界の影響を強く受ける。具体的には、参照層からの漏れ磁界の影響により、書き込みに必要な反転電流値が増加し、熱安定性を低下させる問題が発生する。 As described above, the memory layer and the reference layer constituting the MTJ element are made of a magnetic material and generate a magnetic field to the outside. In general, in the perpendicular magnetization type MTJ element, the leakage magnetic field generated from the reference layer is larger than that in the in-plane magnetization type. In addition, the memory layer having a smaller coercive force than the reference layer is strongly influenced by the leakage magnetic field from the reference layer. Specifically, due to the influence of the leakage magnetic field from the reference layer, the reversal current value required for writing increases, which causes a problem of deteriorating thermal stability.

垂直磁化型のＭＴＪ素子において、記憶層にかかる、参照層からの漏れ磁界を低減する一つの施策として、ＳＡＦ(Synthetic Anti-Ferromagnetic)構造やデュアルピン構造等が提案されている。ＳＡＦ構造については、膜厚差を付けることで記憶層にかかる漏れ磁界を低減させている。面内磁化型のＳＡＦ構造の場合には、膜厚差が１．２倍程度で記憶層にかかる漏れ磁界を低減することが可能である。 As a measure for reducing the leakage magnetic field from the reference layer in the perpendicular magnetization type MTJ element, a SAF (Synthetic Anti-Ferromagnetic) structure, a dual pin structure, and the like have been proposed. For the SAF structure, the leakage magnetic field applied to the storage layer is reduced by providing a film thickness difference. In the case of the in-plane magnetization type SAF structure, the leakage magnetic field applied to the storage layer can be reduced with a film thickness difference of about 1.2 times.

しかしながら、後述するように、垂直磁化型のＳＡＦ構造の場合には、１．２倍程度の膜厚差では、記憶層にかかる漏れ磁界を十分に低減することはできないことを本発明者達は見いだした。 However, as will be described later, in the case of the perpendicular magnetization type SAF structure, the present inventors cannot sufficiently reduce the leakage magnetic field applied to the memory layer with a film thickness difference of about 1.2 times. I found it.

また、デュアルピン構造についても記憶層にかかる漏れ磁界の垂直方向の大きさは低減されるが面内方向の漏れ磁界は逆に増加してしまうため、結果としてＭＲは低下し、書き込みに必要な反転電流値も増加してしまう。 Also, in the dual pin structure, the vertical magnitude of the leakage magnetic field applied to the storage layer is reduced, but the leakage magnetic field in the in-plane direction increases conversely, resulting in a decrease in MR, which is necessary for writing. The reverse current value also increases.

垂直磁化型のＭＴＪ構成における漏れ磁界低減施策は上述したようにいくつか報告例があるが、記憶層にかかる漏れ磁界を低減するための具体的な手段は提案されていない。As described above, there are several reports on measures for reducing the leakage magnetic field in the perpendicular magnetization type MTJ configuration, but no specific means for reducing the leakage magnetic field applied to the storage layer has been proposed.

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、記憶層にかかる漏れ磁界を可及的に低減することの可能な磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a magnetoresistive effect element capable of reducing a leakage magnetic field applied to a storage layer as much as possible and a magnetic random access memory using the same. For the purpose.

本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有する強磁性層と、前記強磁性層上に設けられた第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記強磁性層の磁化の向きと反平行の磁化を有し、かつ前記強磁性層の積層方向の膜厚の１／２．８以上１／１．５以下の膜厚を有する参照層と、前記参照層上に設けられた第２の非磁性層と、前記第２の非磁性層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する記憶層と、を備え、前記参照層の飽和磁化をＭｓ _１、前記強磁性層の飽和磁化をＭｓ _２とするとき、Ｍｓ _１＜Ｍｓ _２の関係を満たす。 The magnetoresistive effect element according to the first aspect of the present invention includes a ferromagnetic layer having magnetic anisotropy in a direction perpendicular to the film surface, a first nonmagnetic layer provided on the ferromagnetic layer, and the first Provided on one nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface, having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the ferromagnetic layer, and extending in the stacking direction of the ferromagnetic layer. A reference layer having a thickness of 1 / 2.8 or more and 1 / 1.5 or less of a thickness, a second nonmagnetic layer provided on the reference layer, and provided on the second nonmagnetic layer And a storage layer whose magnetization direction is changed by the action of spin-polarized electrons having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface, the saturation magnetization of the reference layer being Ms ₁ , and the ferromagnetic layer When the saturation magnetization of Ms ₂ is Ms ₂ , the relationship of Ms ₁ <Ms ₂ is satisfied .

また、本発明の第２の態様による磁気抵抗効果素子は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する記憶層と、前記記憶層上に設けられた第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有する参照層と、前記参照層上に設けられた第２の非磁性層と、前記第２の非磁性層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記参照層の磁化の向きと反平行の磁化を有し、かつ前記参照層の積層方向の膜厚の１．５倍以上２．８倍以下の膜厚を有する強磁性層と、を備え、前記参照層の飽和磁化をＭｓ _１、前記強磁性層の飽和磁化をＭｓ _２とするとき、Ｍｓ _１＜Ｍｓ _２の関係を満たす。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a magnetoresistive effect element comprising a memory layer having a magnetic anisotropy perpendicular to a film surface and having a magnetization direction changed by the action of spin-polarized electrons, and the memory layer A first nonmagnetic layer provided on the first nonmagnetic layer; a reference layer provided on the first nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to a film surface; and a first layer provided on the reference layer. Provided on the second nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the reference layer, and A ferromagnetic layer having a film thickness of 1.5 times or more and 2.8 times or less of the film thickness in the stacking direction of the reference layer, the saturation magnetization of the reference layer being Ms ₁ , and the saturation magnetization of the ferromagnetic layer being When Ms ₂ is satisfied, the relationship of Ms ₁ <Ms ₂ is satisfied .

また、本発明の第３の態様による磁気抵抗効果素子は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有する第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層上に設けられた第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記第１の強磁性層の磁化の向きと反平行の磁化を有し、かつ前記第１の強磁性層の積層方向の膜厚の１／２．８以上１／１．５以下の膜厚を有する第１の参照層と、前記第１の参照層上に設けられた第２の非磁性層と、前記第２の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する記憶層と、前記記憶層上に設けられた第３の非磁性層と、前記第３の非磁性層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記第１の参照層の磁化の向きと反平行の磁化を有する第２の参照層と、前記第２の参照層上に設けられた第４の非磁性層と、前記第４の非磁性層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記第２の参照層の磁化の向きと反平行の磁化を有し、かつ前記第２の参照層の積層方向の膜厚の１．５倍以上２．８倍以下の膜厚を有する第２の強磁性層と、を備え、前記第１および第２の参照層の飽和磁化をそれぞれＭｓ _１１，Ｍｓ _１２、前記第１および第２の強磁性層の飽和磁化をそれぞれＭｓ _２１，Ｍｓ _２２とするとき、Ｍｓ _１１＜Ｍｓ _２１、およびＭｓ _１２＜Ｍｓ _２２の関係を満たす。 The magnetoresistive effect element according to the third aspect of the present invention includes a first ferromagnetic layer having magnetic anisotropy perpendicular to the film surface, and a first ferromagnetic layer provided on the first ferromagnetic layer. Provided on the first nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the first ferromagnetic layer. And a first reference layer having a thickness of 1 / 2.8 to 1 / 1.5 of the thickness of the first ferromagnetic layer in the stacking direction, and the first reference layer. A second nonmagnetic layer and a memory provided on the second nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a magnetization direction changed by the action of spin-polarized electrons. A layer, a third nonmagnetic layer provided on the storage layer, and a third nonmagnetic layer provided on the third nonmagnetic layer and having magnetic anisotropy perpendicular to the film surface. A second reference layer having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the first reference layer; a fourth nonmagnetic layer provided on the second reference layer; and the fourth nonmagnetic layer. The film thickness of the second reference layer in the stacking direction is provided, has a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface, has a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the second reference layer, and And a second ferromagnetic layer having a film thickness of 1.5 times or more and 2.8 times or less of the saturation magnetization of the first and second reference layers, respectively, Ms ₁₁ , Ms ₁₂ , When the saturation magnetizations of the second and second ferromagnetic layers are Ms ₂₁ and Ms ₂₂ , respectively , the relations of Ms ₁₁ <Ms ₂₁ and Ms ₁₂ <Ms ₂₂ are satisfied .

また、本発明の第４の態様による磁気メモリは、第１乃至第３の態様のいずれかによる磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第２の電極と、を含むメモリセルを備えていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a magnetic memory comprising: the magnetoresistive element according to any one of the first to third aspects; and first and second electrodes for energizing the magnetoresistive element. It is characterized by including a memory cell including.

第１実施形態による磁気抵抗効果素子の断面図。Sectional drawing of the magnetoresistive effect element by 1st Embodiment. 第１実施形態の磁気抵抗効果素子における最適な膜厚を示す断面図。Sectional drawing which shows the optimal film thickness in the magnetoresistive effect element of 1st Embodiment. 漏れ磁界の膜面垂直成分を打ち消す条件を満たす場合のＭ−Ｈループを示す図。The figure which shows the MH loop in the case of satisfy | filling the conditions which cancel the film surface perpendicular | vertical component of a leakage magnetic field. 漏れ磁界の膜面垂直成分を打ち消す条件を満たす場合における、強磁性層の膜厚と、参照層の膜厚との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the film thickness of a ferromagnetic layer, and the film thickness of a reference layer when satisfy | filling the conditions which cancel the film surface perpendicular | vertical component of a leakage magnetic field. 漏れ磁界の膜面垂直成分を打ち消す条件を満たす場合における、強磁性層および参照層に関する非磁性層の膜厚依存性を示す図。The figure which shows the film thickness dependence of the nonmagnetic layer regarding the ferromagnetic layer and the reference layer when satisfy | filling the conditions which cancel the film surface perpendicular | vertical component of a leakage magnetic field. 第２実施形態による磁気抵抗効果素子の断面図。Sectional drawing of the magnetoresistive effect element by 2nd Embodiment. 第２実施形態の磁気抵抗効果素子における最適な膜厚を示す断面図。Sectional drawing which shows the optimal film thickness in the magnetoresistive effect element of 2nd Embodiment. 第３実施形態の磁気メモリを示す回路図。A circuit diagram showing a magnetic memory of a 3rd embodiment. 第３実施形態の磁気メモリにおけるメモリセルを示す断面図。Sectional drawing which shows the memory cell in the magnetic memory of 3rd Embodiment.

本発明の実施形態を以下に図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description, common parts are denoted by common reference symbols throughout the drawings.

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子を図１に示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、シングルピン構造のＭＴＪ素子１である。本実施形態のＭＴＪ素子１は、磁性層からなる磁化自由層（記憶層）２と、磁性層からなる参照層６と、磁性層からなる強磁性層１０と、記憶層２と参照層６の間に挟まれた非磁性層４と、参照層６と強磁性層１０の間に挟まれた非磁性層８と、を有する積層構造を備えている。すなわち、本実施形態のＭＴＪ素子１は、強磁性層１０、非磁性層８、参照層６、非磁性層４、および記憶層２が、この順序で積層された積層構造（図１に示す順で形成された積層構造）であってもよいし、記憶層２、非磁性層４、参照層６、非磁性層８、および強磁性層１０が、この順序で積層された積層構造（図１に示す順序とは逆の順で形成された積層構造）であってもよい。 (First embodiment)
A magnetoresistive effect element according to a first embodiment of the present invention is shown in FIG. The magnetoresistive effect element of the present embodiment is an MTJ element 1 having a single pin structure. The MTJ element 1 of this embodiment includes a magnetization free layer (storage layer) 2 made of a magnetic layer, a reference layer 6 made of a magnetic layer, a ferromagnetic layer 10 made of a magnetic layer, and a storage layer 2 and a reference layer 6. A laminated structure having a nonmagnetic layer 4 sandwiched between and a nonmagnetic layer 8 sandwiched between a reference layer 6 and a ferromagnetic layer 10 is provided. That is, the MTJ element 1 of the present embodiment has a laminated structure in which the ferromagnetic layer 10, the nonmagnetic layer 8, the reference layer 6, the nonmagnetic layer 4, and the memory layer 2 are laminated in this order (in the order shown in FIG. 1). Or a laminated structure in which the storage layer 2, the nonmagnetic layer 4, the reference layer 6, the nonmagnetic layer 8, and the ferromagnetic layer 10 are laminated in this order (FIG. 1). Or a stacked structure formed in the reverse order of the order shown in FIG.

そして、本実施形態のＭＴＪ素子１は、記憶層２、参照層６、及び強磁性層１０の磁化方向が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型のＭＴＪ素子である。すなわち、記憶層２、参照層６、及び強磁性層１０は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有している。ここで、「膜面」とは、各層の上面を意味する。記憶層２は、スピン偏極した電子の作用により、磁化の向きが反転することが可能となっている。参照層６及び強磁性層１０は、磁化が互いに逆方向に向いた反平行の磁化配列である。参照層６は書き込みの前後の磁化のむきが不変となっている。このＭＴＪ素子１は、非磁性層４が絶縁体の場合はＴＭＲ効果を有し、非磁性層４が金属の場合はＧＭＲ効果を有する。ここで、非磁性層４が絶縁体の場合はＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＯ（酸化アルミニウム、例えばＡｌ_２Ｏ_３）等が用いられ、非磁性層４が金属の場合はＣｕ、Ｐｔ、Ａｕ等が用いられる。この構造では、強磁性層１０の飽和磁化Ｍｓおよび膜厚ｔを参照層６と同じ大きさにすると、記憶層２に加わる参照層６からの漏れ磁界を完全に打ち消すことができない。 The MTJ element 1 of the present embodiment is a so-called perpendicular magnetization type MTJ element in which the magnetization directions of the storage layer 2, the reference layer 6, and the ferromagnetic layer 10 are perpendicular to the film surface. That is, the memory layer 2, the reference layer 6, and the ferromagnetic layer 10 have magnetic anisotropy in the direction perpendicular to the film surface. Here, the “film surface” means the upper surface of each layer. The storage layer 2 can be reversed in magnetization direction by the action of spin-polarized electrons. The reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10 have an antiparallel magnetization arrangement in which the magnetizations are directed in opposite directions. In the reference layer 6, the peeling of magnetization before and after writing is unchanged. The MTJ element 1 has a TMR effect when the nonmagnetic layer 4 is an insulator, and has a GMR effect when the nonmagnetic layer 4 is a metal. Here, when the nonmagnetic layer 4 is an insulator, MgO (magnesium oxide), AlO (aluminum oxide, such as Al ₂ O ₃ ) or the like is used, and when the nonmagnetic layer 4 is a metal, Cu, Pt, Au, or the like. Is used. In this structure, if the saturation magnetization Ms and the film thickness t of the ferromagnetic layer 10 are made the same as those of the reference layer 6, the leakage magnetic field from the reference layer 6 applied to the storage layer 2 cannot be completely canceled out.

そこで、本発明者達は、鋭意研究に努め、記憶層２に加わる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すために必要なパラメータ間の条件を求めた。ここで、“打ち消す”とは、記憶層の上面と下面との間の中間の面にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚの面積平均が０となる場合を意味する。 Therefore, the present inventors sought hard research and determined conditions between parameters necessary for canceling the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer 2. Here, “cancel” means a case where the area average of the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the intermediate surface between the upper surface and the lower surface of the storage layer becomes zero.

まず、図２に示す、直径サイズＲがＲ＝５０ｎｍの円柱形状のシングルピン構造のＭＴＪ素子１の場合について、記憶層２に加わる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すための強磁性層１０の最適な膜厚を解析（シミュレーション）により求めた。この解析に用いたパラメータの値は、記憶層２の飽和磁化Ｍｓ、磁気異方性定数Ｋｕ、膜厚ｔの大きさは、それぞれ、Ｍｓ＝７００（ｅｍｕ／ｃｍ^３）、Ｋｕ＝４．７×１０^６（ｅｒｇ／ｃｍ^３）、ｔ＝２ｎｍとし、参照層６の飽和磁化Ｍｓ_１、磁気異方性定数Ｋｕ_１、膜厚ｔ_１の大きさは、それぞれ、Ｍｓ_１＝７５０（ｅｍｕ／ｃｍ^３）、Ｋｕ_１＝２０×１０^６（ｅｒｇ／ｃｍ^３）、ｔ_１＝７ｎｍとする。ここで、非磁性層４の厚さを１ｎｍとし、非磁性層８の厚さを５ｎｍとする。強磁性層１０の飽和磁化Ｍｓ_２、磁気異方性定数Ｋｕ_２の大きさを、それぞれ、Ｍｓ_２＝１０００（ｅｍｕ／ｃｍ^３）、Ｋｕ_２＝２０×１０^６（ｅｒｇ／ｃｍ^３）とする。この場合に、記憶層２にかかる参照層６からの漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すための強磁性層１０の最適な膜厚をｔ_２とすると、解析計算からｔ_２＝１９．８０ｎｍであった。 First, in the case of the MTJ element 1 having a cylindrical single pin structure with a diameter size R of R = 50 nm shown in FIG. 2, the ferromagnetic layer 10 for canceling the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer 2. The optimum film thickness was determined by analysis (simulation). The values of the parameters used in this analysis are the saturation magnetization Ms, the magnetic anisotropy constant Ku, and the thickness t of the storage layer 2 are Ms = 700 (emu / cm ³ ) and Ku = 4.7, respectively. × 10 ⁶ (erg / cm ³ ), t = 2 nm, and the saturation magnetization Ms ₁ , magnetic anisotropy constant Ku ₁ , and film thickness t ₁ of the reference layer 6 are respectively Ms ₁ = 750 (emu / cm ³ ), Ku ₁ = 20 × 10 ⁶ (erg / cm ³ ), and t ₁ = 7 nm. Here, the thickness of the nonmagnetic layer 4 is 1 nm, and the thickness of the nonmagnetic layer 8 is 5 nm. The saturation magnetization Ms ₂ and the magnetic anisotropy constant Ku ₂ of the ferromagnetic layer 10 are set to Ms ₂ = 1000 (emu / cm ³ ) and Ku ₂ = 20 × 10 ⁶ (erg / cm ³ ), respectively. . In this case, assuming that the optimum film thickness of the ferromagnetic layer 10 for canceling the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field from the reference layer 6 applied to the storage layer 2 is t ₂ , t ₂ = 19.80 nm from the analytical calculation. Met.

漏れ磁界の膜面垂直成分を打ち消す条件、即ち、強磁性層の膜厚ｔ_２＝１９．８０ｎｍの場合のＭＴＪ素子１のＭ−Ｈループを図３のグラフｇ_１に示す。横軸はＭＴＪ素子に印加される外部磁界Ｈ_ｅｘを示し、縦軸は、飽和磁化Ｍを記憶層２の磁化Ｍｓで正規化した磁化を示す。なお、図３において、グラフｇ_２は、図２に示すＭＴＪ素子１から強磁性層１０を削除した構造のＭＴＪ素子のＭ−Ｈループを示す。漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すことでシフトが改善されるだけでなく、保磁力および角型も改善されていることがわかる。 Conditions to cancel the leakage magnetic field perpendicular to the film surface component, that is, the M-H loop of the MTJ element 1 in the case of the film thickness _t 2 = _19.80nm ferromagnetic layers in the graph _{g 1} in FIG. The horizontal axis represents the external magnetic field _Hex applied to the MTJ element, and the vertical axis represents the magnetization obtained by normalizing the saturation magnetization M with the magnetization Ms of the storage layer 2. In FIG. 3, a graph _{g 2} shows the M-H loop of the MTJ element having a structure in which remove the ferromagnetic layer 10 from the MTJ device 1 shown in FIG. It can be seen that not only the shift is improved by canceling the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field, but also the coercive force and the square shape are improved.

ここで、参照層６および非磁性層８の膜厚について検討する。参照層６の膜厚ｔ_１は、５ｎｍ以上であることが好ましい。参照層６の膜厚が５ｎｍより薄くなると、結晶性が低下し垂直磁気異方性を維持できなくなる。また、参照層６の膜厚は７ｎｍ以下であることが好ましい。参照層６の膜厚が７ｎｍを超えると、参照層６と非磁性層８との界面でのラフネスが増大する。これにより、非磁性層８を介して形成される強磁性層１０の結晶性が低下し、垂直磁気異方性を維持できなくなる。したがって、参照層６の膜厚ｔ_１は、
５ｎｍ≦ｔ_１≦７ｎｍ
の関係を満たすことが望まれる。 Here, the film thicknesses of the reference layer 6 and the nonmagnetic layer 8 will be examined. The thickness t ₁ of the reference layer 6 is preferably 5 nm or more. When the thickness of the reference layer 6 is less than 5 nm, the crystallinity is lowered and the perpendicular magnetic anisotropy cannot be maintained. Moreover, it is preferable that the film thickness of the reference layer 6 is 7 nm or less. When the thickness of the reference layer 6 exceeds 7 nm, the roughness at the interface between the reference layer 6 and the nonmagnetic layer 8 increases. Thereby, the crystallinity of the ferromagnetic layer 10 formed via the nonmagnetic layer 8 is lowered, and the perpendicular magnetic anisotropy cannot be maintained. Therefore, the film thickness t ₁ of the reference layer 6 is
5 nm ≦ t ₁ ≦ 7 nm
It is desirable to satisfy this relationship.

非磁性層８の膜厚は、１ｎｍ以上が好ましい。非磁性層８の膜厚が１ｎｍより薄くなると、参照層６と強磁性層１０との間の強磁性的な層間結合が強く、反平行結合状態を作りづらくしてしまう。また、非磁性層８の膜厚は、５ｎｍ以下であることが好ましい。非磁性層８の膜厚が５ｎｍを超える膜厚になると、強磁性層１０と非磁性層８との界面でのラフネスが増大する。これにより、強磁性層１０の結晶性が低下し、垂直磁気異方性を維持するのが難しくなる。したがって、非磁性層８の膜厚ｔ_１２は、
１ｎｍ≦ｔ_１２≦５ｎｍ
の関係を満たすことが望まれる。 The film thickness of the nonmagnetic layer 8 is preferably 1 nm or more. If the film thickness of the nonmagnetic layer 8 is less than 1 nm, the ferromagnetic interlayer coupling between the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10 is strong, making it difficult to create an antiparallel coupling state. The film thickness of the nonmagnetic layer 8 is preferably 5 nm or less. When the thickness of the nonmagnetic layer 8 exceeds 5 nm, the roughness at the interface between the ferromagnetic layer 10 and the nonmagnetic layer 8 increases. Thereby, the crystallinity of the ferromagnetic layer 10 is lowered, and it becomes difficult to maintain the perpendicular magnetic anisotropy. Therefore, the thickness _{t 12} of the non-magnetic layer 8,
1 nm ≦ t ₁₂ ≦ 5 nm
It is desirable to satisfy this relationship.

次に、ＭＴＪ素子１に対して、参照層６の膜厚ｔ_１＝５ｎｍ、６ｎｍ、７ｎｍとした場合の、記憶層２にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すために必要な強磁性層１０の膜厚ｔ_２を解析により求めた。 Next, with respect to the MTJ element 1, the ferromagnetic layer necessary for canceling the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer 2 when the thickness t ₁ of the reference layer 6 is 5 nm, 6 nm, and 7 nm. the thickness _{t 2} of the layer 10 was determined by analysis.

ａ）ｔ_１＝５ｎｍに対して、ｔ_１２＝１ｎｍの場合、ｔ_２＝７．５２ｎｍが必要である。この場合の膜厚ｔ_２と膜厚ｔ_１との比（＝ｔ_２／ｔ_１）の値は１．５０となる。 a) For t ₁ = 5 nm, if t ₁₂ = 1 nm, t ₂ = 7.52 nm is required. In this case, the ratio of the film thickness t ₂ to the film thickness t ₁ (= t ₂ / t ₁ ) is 1.50.

また、ｔ_１＝５ｎｍに対して、ｔ_１２＝３ｎｍの場合、ｔ_２＝８．９６ｎｍが必要である。この場合の膜厚ｔ_２と膜厚ｔ_１との比（＝ｔ_２／ｔ_１）の値は１．７９となる。 Further, when t ₁₂ = 3 nm with respect to t ₁ = 5 nm, t ₂ = 8.96 nm is necessary. In this case, the ratio of the film thickness t ₂ to the film thickness t ₁ (= t ₂ / t ₁ ) is 1.79.

また、ｔ_１＝５ｎｍに対して、ｔ_１２＝５ｎｍの場合、ｔ_２＝１０．９ｎｍが必要である。この場合の膜厚ｔ_２と膜厚ｔ_１との比（＝ｔ_２／ｔ_１）の値は２．１８となる。 Further, when t ₁₂ = 5 nm with respect to t ₁ = 5 nm, t ₂ = 10.9 nm is necessary. In this case, the ratio of the film thickness t ₂ to the film thickness t ₁ (= t ₂ / t ₁ ) is 2.18.

したがって、ｔ_１＝５ｎｍにおいては、膜厚ｔ_２と膜厚ｔ_１との比（＝ｔ_２／ｔ_１）の値は
１．５０≦ｔ_２／ｔ_１≦２．１８
を満たす。 Therefore, at t ₁ = 5 nm, the ratio of the film thickness t ₂ to the film thickness t ₁ (= t ₂ / t ₁ ) is 1.50 ≦ t ₂ / t ₁ ≦ 2.18.
Meet.

ｂ）ｔ_１＝６ｎｍに対して、ｔ_１２＝１ｎｍの場合、ｔ_２＝９．７５ｎｍが必要である。この場合の膜厚ｔ_２と膜厚ｔ_１との比（＝ｔ_２／ｔ_１）の値は１．６３となる。 b) Where t ₁₂ = 1 nm for t ₁ = 6 nm, t ₂ = 9.75 nm is required. In this case, the ratio of the film thickness t ₂ to the film thickness t ₁ (= t ₂ / t ₁ ) is 1.63.

また、ｔ_１＝６ｎｍに対して、ｔ_１２＝３ｎｍの場合、ｔ_２＝１２．０１ｎｍが必要である。この場合の膜厚ｔ_２と膜厚ｔ_１との比（＝ｔ_２／ｔ_１）の値は２．００となる。 Further, when t ₁₂ = 3 nm with respect to t ₁ = 6 nm, t ₂ = 12.01 nm is necessary. In this case, the ratio of the film thickness t ₂ to the film thickness t ₁ (= t ₂ / t ₁ ) is 2.00.

また、ｔ_１＝６ｎｍに対して、ｔ_１２＝５ｎｍの場合、ｔ_２＝１４．７６ｎｍが必要である。この場合の膜厚ｔ_２と膜厚ｔ_１との比（＝ｔ_２／ｔ_１）の値は２．４６となる。 Further, when t ₁₂ = 5 nm with respect to t ₁ = 6 nm, t ₂ = 14.76 nm is necessary. In this case, the ratio of the film thickness t ₂ to the film thickness t ₁ (= t ₂ / t ₁ ) is 2.46.

したがって、ｔ_１＝６ｎｍにおいては、膜厚ｔ_２と膜厚ｔ_１との比（＝ｔ_２／ｔ_１）の値は
１．６３≦ｔ_２／ｔ_１≦２．４６
を満たす。 Therefore, at t ₁ = 6 nm, the ratio of the film thickness t ₂ to the film thickness t ₁ (= t ₂ / t ₁ ) is 1.63 ≦ t ₂ / t ₁ ≦ 2.46.
Meet.

ｃ）ｔ_１＝７ｎｍに対して、ｔ_１２＝１ｎｍの場合、ｔ_２＝１２．７３ｎｍが必要である。この場合の膜厚ｔ_２と膜厚ｔ_１との比（＝ｔ_２／ｔ_１）の値は１．８２となる。 c) Where t ₁₂ = 1 nm for t ₁ = 7 nm, t ₂ = 12.73 nm is required. In this case, the ratio of the film thickness t ₂ to the film thickness t ₁ (= t ₂ / t ₁ ) is 1.82.

また、ｔ_１＝７ｎｍに対して、ｔ_１２＝３ｎｍの場合、ｔ_２＝１５．８４ｎｍが必要である。この場合の膜厚ｔ_２と膜厚ｔ_１との比（＝ｔ_２／ｔ_１）の値は２．２６となる。 Further, when t ₁₂ = 3 nm with respect to t ₁ = 7 nm, t ₂ = 15.84 nm is necessary. In this case, the ratio of the film thickness t ₂ to the film thickness t ₁ (= t ₂ / t ₁ ) is 2.26.

また、ｔ_１＝７ｎｍに対して、ｔ_１２＝５ｎｍの場合、ｔ_２＝１９．８１ｎｍが必要である。この場合の膜厚ｔ_２と膜厚ｔ_１との比（＝ｔ_２／ｔ_１）の値は２．８３となる。 Further, when t ₁₂ = 5 nm with respect to t ₁ = 7 nm, t ₂ = 19.81 nm is necessary. In this case, the ratio of the film thickness t ₂ to the film thickness t ₁ (= t ₂ / t ₁ ) is 2.83.

したがって、ｔ_１＝７ｎｍにおいては、膜厚ｔ_２と膜厚ｔ_１との比（＝ｔ_２／ｔ_１）の値は
１．８２≦ｔ_２／ｔ_１≦２．８３
を満たす。 Therefore, at t ₁ = 7 nm, the ratio of the film thickness t ₂ to the film thickness t ₁ (= t ₂ / t ₁ ) is 1.82 ≦ t ₂ / t ₁ ≦ 2.83.
Meet.

この解析結果を図４に示す。図４においては、参照層６と強磁性層１０との間の非磁性層８の膜厚ｔ_１２をパラメータにとり、ｔ_１２＝１ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍである場合について求めた。 The analysis result is shown in FIG. In Figure 4, taking the thickness _{t 12} of the non-magnetic layer 8 between the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10 to the _parameter obtained for the case t 12 = 1 nm, 3 nm, a 5 nm.

次に、非磁性層８の膜厚ｔ_１２＝１ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍとしたＭＴＪ素子について考察した結果を図５に示す。図５は、それぞれの場合において、記憶層２にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すために必要な、強磁性層１０の磁化Ｍｓ_２と強磁性層１０の膜厚ｔ_２との積（Ｍｓ_２×ｔ_２）と、参照層６の飽和磁化Ｍｓ_１と参照層６の膜厚ｔ_１との積（Ｍｓ_１×ｔ_１）との比（（Ｍｓ_２×ｔ_２）／（Ｍｓ_１×ｔ_１））をプロットしたものである。なお、図５においては、参照層６の膜厚ｔ_１をパラメータにとり、ｔ_１＝５ｎｍ、６ｎｍ、７ｎｍである場合について求めた。 Next, FIG. 5 shows a result of considering the MTJ element in which the film thickness t ₁₂ of the nonmagnetic layer 8 is 1 nm, 3 nm, and 5 nm. FIG. 5 shows the product of the magnetization Ms ₂ of the ferromagnetic layer 10 and the film thickness t ₂ of the ferromagnetic layer 10 necessary to cancel the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer 2 in each case. ratio of (Ms _₂ × _t _2), the product of the saturation magnetization Ms ₁ of the reference layer 6 and the thickness _{t 1} of the reference layer 6 and _{_{(Ms 1 × t 1) (}} (Ms 2 × t 2) / (Ms ₁ × t ₁ )) is plotted. In FIG. 5, the thickness t ₁ of the reference layer 6 is used as a parameter, and the case where t ₁ = 5 nm, 6 nm, and 7 nm is obtained.

以上のことから、記憶層２にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すためには、参照層６の膜厚ｔ_１（５ｎｍ≦ｔ_１≦７ｎｍ）に対して強磁性層１０の膜厚ｔ_２は、最低でも１．５倍以上２．８倍以下必要であることがわかる。 From the above, in order to cancel the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer 2, the film thickness of the ferromagnetic layer 10 with respect to the film thickness t ₁ (5 nm ≦ t ₁ ≦ 7 nm) of the reference layer 6. t ₂ is found to be necessary less 2.8 times 1.5 times or more at least.

さらに、これに対応する比（（Ｍｓ_２×ｔ_２）／（Ｍｓ_１×ｔ_１））の値は、図５からわかるように、
２．０≦（Ｍｓ_２×ｔ_２）／（Ｍｓ_１×ｔ_１）≦３．８の関係を満たすことが好ましい。 Furthermore, the value of the ratio ((Ms ₂ × t ₂ ) / (Ms ₁ × t ₁ )) corresponding to this can be seen from FIG.
It is preferable that the relationship of 2.0 ≦ (Ms ₂ × t ₂ ) / (Ms ₁ × t ₁ ) ≦ 3.8 is satisfied.

また、記憶層２にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すためには、比（（Ｍｓ_２×ｔ_２）／（Ｍｓ_１×ｔ_１））が、２．０以上３．８以下である条件を更に満たすことが好ましい。 Further, in order to cancel the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the memory layer 2, the ratio ((Ms ₂ × t ₂ ) / (Ms ₁ × t ₁ )) is 2.0 or more and 3.8 or less. It is preferable to further satisfy certain conditions.

また、記憶層２にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すためには、参照層６のキュリー温度をＴ_１、強磁性層１０のキュリー温度Ｔ_２とするとき、Ｔ_１＜Ｔ_２の関係を更に満たすことが好ましい。これは、記憶層２にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを低減するには、Ｍｓ_１＜Ｍｓ_２の関係を満たすことが好ましい。さらには、強磁性層１０のキュリー温度Ｔ_２が参照層６のキュリー温度Ｔ_１よりも大きければ、Ｍｓ_１＜Ｍｓ_２の大小関係を常に維持することができる。よって、参照層６のキュリー温度Ｔ_１と強磁性層１０のキュリー温度Ｔ_２との関係は、Ｔ_１＜Ｔ_２の関係を更に満たすことが好ましい。 Further, in order to cancel the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer 2, when the Curie temperature of the reference layer 6 is T ₁ and the Curie temperature T ₂ of the ferromagnetic layer 10, T ₁ <T ₂ It is preferable to further satisfy the relationship. This preferably satisfies the relationship of Ms ₁ <Ms _{2 in} order to reduce the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the memory layer 2. Furthermore, if the Curie temperature T ₂ of the ferromagnetic layer 10 is higher than the Curie temperature T ₁ of the reference layer 6, the magnitude relationship of Ms ₁ <Ms ₂ can always be maintained. Therefore, the relationship between the Curie temperature _{T 2} of the Curie temperature _{T 1} of the ferromagnetic layer 10 of the reference layer 6 preferably _further satisfy the relationship _T 1 <T _2.

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子を図６に示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、デュアルピン構造のＭＴＪ素子１である。本実施形態のＭＴＪ素子１は、強磁性層１２と、非磁性層１４と、参照層１６と、非磁性層１８と、記憶層２０と、非磁性層２２と、参照層２４と、非磁性層２６と、強磁性層２８が、この順序で積層された積層構造を有している。また、図６に示す場合と逆に、本実施形態のＭＴＪ素子１は、強磁性層２８と、非磁性層２６と、参照層２４と、非磁性層２２と、記憶層２０と、非磁性層１８と、参照層１６と、非磁性層１４と、強磁性層１２とが、この順序で積層された積層構造を有していてもよい。 (Second Embodiment)
Next, a magnetoresistive effect element according to a second embodiment of the present invention is shown in FIG. The magnetoresistive element of this embodiment is an MTJ element 1 having a dual pin structure. The MTJ element 1 of this embodiment includes a ferromagnetic layer 12, a nonmagnetic layer 14, a reference layer 16, a nonmagnetic layer 18, a storage layer 20, a nonmagnetic layer 22, a reference layer 24, and a nonmagnetic layer. The layer 26 and the ferromagnetic layer 28 have a stacked structure in which they are stacked in this order. In contrast to the case shown in FIG. 6, the MTJ element 1 of the present embodiment includes the ferromagnetic layer 28, the nonmagnetic layer 26, the reference layer 24, the nonmagnetic layer 22, the storage layer 20, and the nonmagnetic layer. The layer 18, the reference layer 16, the nonmagnetic layer 14, and the ferromagnetic layer 12 may have a stacked structure in which they are stacked in this order.

そして、参照層１６，２４、強磁性層１２，２８、および記憶層２０には、垂直磁気異方性を有した垂直磁化材料が用いられる。すなわち本実施形態のＭＴＪ素子１は、記憶層２０、参照層１６，２４、強磁性層１２，２８の磁化方向が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型のＭＴＪ素子である。すなわち、記憶層２０、参照層１６，２４、及び強磁性層２２，３８は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有している。ここで、「膜面」とは、各層の上面を意味する。記憶層２０は、スピン偏極した電子の作用により、磁化の向きが反転することが可能となっている。また、デュアルピン構造の場合には、参照層１６と参照層２４の磁化は、互いに逆方向に向いた反平行の磁化配列である。強磁性層１２と強磁性層２８の磁化も同様に、互いに逆方向に向いた反平行の磁化配列である。参照層１６と強磁性層１２の磁化は、互いに逆方向に向いた反平行の磁化配列となっている。 For the reference layers 16 and 24, the ferromagnetic layers 12 and 28, and the storage layer 20, a perpendicular magnetization material having perpendicular magnetic anisotropy is used. That is, the MTJ element 1 of the present embodiment is a so-called perpendicular magnetization type MTJ element in which the magnetization directions of the storage layer 20, reference layers 16 and 24, and ferromagnetic layers 12 and 28 are perpendicular to the film surface. That is, the memory layer 20, the reference layers 16 and 24, and the ferromagnetic layers 22 and 38 have magnetic anisotropy perpendicular to the film surface. Here, the “film surface” means the upper surface of each layer. The storage layer 20 can reverse the direction of magnetization by the action of spin-polarized electrons. In the case of the dual pin structure, the magnetizations of the reference layer 16 and the reference layer 24 are antiparallel magnetization arrays oriented in opposite directions. Similarly, the magnetizations of the ferromagnetic layer 12 and the ferromagnetic layer 28 have antiparallel magnetization arrangements oriented in opposite directions. The magnetizations of the reference layer 16 and the ferromagnetic layer 12 have an antiparallel magnetization arrangement oriented in opposite directions.

また、参照層２４と強磁性層２８の磁化も同様に、互いに逆方向に向いた反平行の磁化配列である。 Similarly, the magnetizations of the reference layer 24 and the ferromagnetic layer 28 have antiparallel magnetization arrangements oriented in opposite directions.

このＭＴＪ素子１は、非磁性層１８，２２が絶縁体の場合はＴＭＲ効果を有し、非磁性層１８，２２が金属の場合はＧＭＲ効果を有する。ここで、非磁性層１８，２２が絶縁体の場合はＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＯ（酸化アルミニウム、例えばＡｌ_２Ｏ_３）等が用いられ、非磁性層１８，２２が金属の場合はＣｕ、Ｐｔ、Ａｕ等が用いられる。この構造では、強磁性層１２，２８の飽和磁化Ｍｓおよび膜厚ｔを、参照層１６，２４とそれぞれ同じ大きさにすると、記憶層２０にかかる参照層１６，２４からの漏れ磁界を完全に打ち消すことができない。 The MTJ element 1 has a TMR effect when the nonmagnetic layers 18 and 22 are insulators, and has a GMR effect when the nonmagnetic layers 18 and 22 are metal. Here, when the nonmagnetic layers 18 and 22 are insulators, MgO (magnesium oxide), AlO (aluminum oxide, such as Al ₂ O ₃ ) or the like is used, and when the nonmagnetic layers 18 and 22 are metals, Cu, Pt, Au, etc. are used. In this structure, when the saturation magnetization Ms and the film thickness t of the ferromagnetic layers 12 and 28 are made the same as those of the reference layers 16 and 24, the leakage magnetic field from the reference layers 16 and 24 on the storage layer 20 is completely eliminated. It cannot be countered.

そこで、本発明者達は、鋭意研究に努め、記憶層２０に加わる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すために必要なパラメータ間の条件を求めた。ここで、“打ち消す”とは、記憶層にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚの面積平均が０となる場合を意味する。 Therefore, the present inventors sought hard research and determined conditions between parameters necessary for canceling the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer 20. Here, “cancel” means a case where the area average of the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer becomes zero.

まず、図７に示す、直径サイズＲがＲ＝５０ｎｍの円柱形状のデュアルピン構造のＭＴＪ素子１の場合について、記憶層２０に加わる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すための強磁性層１２，２８の最適な膜厚を解析（シミュレーション）により求めた。 First, in the case of the MTJ element 1 having a cylindrical dual pin structure with a diameter size R of R = 50 nm shown in FIG. 7, the ferromagnetic layer 12 for canceling the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer 20. 28 were determined by analysis (simulation).

この解析に用いたパラメータの値は、記憶層２０の飽和磁化Ｍｓ、磁気異方性定数Ｋｕ、膜厚の大きさは、それぞれ、Ｍｓ＝７００（ｅｍｕ／ｃｍ^３）、Ｋｕ＝４．７×１０^６（ｅｒｇ／ｃｍ^３）、ｔ＝２ｎｍとし、参照層１６，２４の飽和磁化Ｍｓ_１１，Ｍｓ_１２、磁気異方性定数Ｋｕ_１１，Ｋｕ_１２、膜厚ｔ_１１，ｔ_１２の大きさは、それぞれＭｓ_１１＝Ｍｓ_１２＝７５０（ｅｍｕ／ｃｍ^３）、Ｋｕ_１１＝Ｋｕ_１２＝２０×１０^６（ｅｒｇ／ｃｍ^３）、ｔ_１１＝ｔ_１２＝７ｎｍとする。ここで、非磁性層１８，２２の厚さを１ｎｍとし、非磁性層１４，２６の厚さを５ｎｍとする。強磁性層１２，２８の飽和磁化Ｍｓ_２１，Ｍｓ_２２、磁気異方性定数Ｋｕ_２１，Ｋｕ_２２、膜厚ｔ_２１，ｔ_２２の大きさは、それぞれ、Ｍｓ_２１＝Ｍｓ_２２＝１０００（ｅｍｕ／ｃｍ^３）、Ｋｕ_２１＝Ｋｕ_２２＝２０×１０^６（ｅｒｇ／ｃｍ^３）とする。この場合に、記憶層２０にかかる参照層１６，２４からの漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すための強磁性層１２、２８の最適な膜厚ｔ_２１およびｔ_２２は等しく、ｔ_２１＝ｔ_２２＝１９．８０ｎｍである。 The parameter values used in this analysis are the saturation magnetization Ms and the magnetic anisotropy constant Ku of the memory layer 20, and the film thicknesses are Ms = 700 (emu / cm ³ ) and Ku = 4.7 ×, respectively. 10 ⁶ (erg / cm ³ ), t = 2 nm, the saturation magnetizations Ms ₁₁ , Ms ₁₂ , magnetic anisotropy constants Ku ₁₁ , Ku ₁₂ , and film thicknesses t ₁₁ , t ₁₂ of the reference layers 16, 24 are as follows: Ms ₁₁ = Ms ₁₂ = 750 (emu / cm ³ ), Ku ₁₁ = Ku ₁₂ = 20 × 10 ⁶ (erg / cm ³ ), and t ₁₁ = t ₁₂ = 7 nm, respectively. Here, the thickness of the nonmagnetic layers 18 and 22 is 1 nm, and the thickness of the nonmagnetic layers 14 and 26 is 5 nm. The magnitudes of saturation magnetization Ms ₂₁ and Ms ₂₂ , magnetic anisotropy constants Ku ₂₁ and Ku ₂₂ , and film thicknesses t ₂₁ and t ₂₂ of the ferromagnetic layers 12 and 28 are Ms ₂₁ = Ms ₂₂ = 1000 (emu / cm ³ ), Ku ₂₁ = Ku ₂₂ = 20 × 10 ⁶ (erg / cm ³ ). In this case, the optimum film thicknesses t ₂₁ and t ₂₂ of the ferromagnetic layers 12 and 28 for canceling the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field from the reference layers 16 and 24 applied to the storage layer 20 are equal, and t ₂₁ = t ₂₂ = 19.80 nm.

以上の解析結果は、強磁性層１２、非磁性層１４、参照層１６、非磁性層１８、記憶層２０が一つのＭＴＪ素子を構成し、記憶層２０、非磁性層２２、参照層２４、非磁性層２６、強磁性層２８が他の一つのＭＴＪ素子を構成している場合と同じ結果となっている。 The above analysis results show that the ferromagnetic layer 12, the nonmagnetic layer 14, the reference layer 16, the nonmagnetic layer 18, and the storage layer 20 constitute one MTJ element, and the storage layer 20, the nonmagnetic layer 22, the reference layer 24, The same result is obtained as when the nonmagnetic layer 26 and the ferromagnetic layer 28 constitute another MTJ element.

このため、記憶層２０にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すためには、第１実施形態と同様に、参照層１６の膜厚ｔ_１１（５ｎｍ≦ｔ_１１≦７ｎｍ）に対して強磁性層１２の膜厚ｔ_２１は、最低でも１．５倍以上２．８倍以下必要であり、参照層２４の膜厚ｔ_１２（５ｎｍ≦ｔ_１２≦７ｎｍ）に対して強磁性層２８の膜厚ｔ_２２は、最低でも１．５倍以上２．８倍以下必要となる。 For this reason, in order to cancel the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer 20, as in the first embodiment, it is strong against the film thickness t ₁₁ (5 nm ≦ t ₁₁ ≦ 7 nm) of the reference layer 16. thickness _{t 21} of the magnetic layer 12 is required below 2.8 times 1.5 times or more at least, of the reference layer 24 thickness _t 12 of (5nm ≦ _{t 12} ≦ 7nm) to the ferromagnetic layer 28 the film thickness _{t 22} is required below 2.8 times 1.5 times or more at least.

また、参照層１６，２４の飽和磁化をそれぞれＭｓ_１１，Ｍｓ_１２、膜厚をｔ_１１，ｔ_１２とし、強磁性層１２，２８の飽和磁化をそれぞれＭｓ_２１，Ｍｓ_２２、膜厚をそれぞれｔ_２１，ｔ_２２とするとき、
２．０≦（Ｍｓ_２１×ｔ_２１）／（Ｍｓ_１１×ｔ_１１）≦３．８、および
２．０≦（Ｍｓ_２２×ｔ_２２）／（Ｍｓ_１２×ｔ_１２）≦３．８の関係を更に満たすことが好ましい。 Further, the saturation magnetizations of the reference layers 16 and 24 are Ms ₁₁ and Ms ₁₂ , the film thicknesses are t ₁₁ and t ₁₂ , respectively, and the saturation magnetizations of the ferromagnetic layers ₁₂ and 28 are Ms ₂₁ and Ms ₂₂ , respectively. _21, when the _{t 22,}
2.0 ≦ (Ms ₂₁ × t ₂₁ ) / (Ms ₁₁ × t ₁₁ ) ≦ 3.8 and 2.0 ≦ (Ms ₂₂ × t ₂₂ ) / (Ms ₁₂ × t ₁₂ ) ≦ 3.8 Is preferably further satisfied.

また、記憶層２０にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すためには、参照層１６のキュリー温度をＴ_１、強磁性層１２のキュリー温度をＴ_２、参照層２４のキュリー温度をＴ_３、強磁性層２８のキュリー温度をＴ_４とするとき、
Ｔ_１＜Ｔ_２、および
Ｔ_３＜Ｔ_４
の関係を更に満たしていてもよい。 Further, in order to cancel the film plane perpendicular component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer 20, T ₁ and the Curie temperature of the reference layer _16, the Curie temperature T ₂ of the ferromagnetic layer _12, the Curie temperature of the reference layer 24 T _3, when the Curie temperature of the ferromagnetic layers 28 and _{T 4,}
T ₁ <T ₂ and T ₃ <T ₄
This relationship may be further satisfied.

上記の条件を満たせば、記憶層２０にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すことができる。 If the above condition is satisfied, the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer 20 can be canceled.

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による磁気メモリ（ＭＲＡＭ）について図８乃至図９を参照して説明する。 (Third embodiment)
Next, a magnetic memory (MRAM) according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施形態のＭＲＡＭの回路図を図８に示す。本実施形態のＭＲＡＭは、第１実施形態或いは第２実施形態のＭＴＪ素子１をメモリセルの記憶素子として用いている。このＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ３０を備えている。メモリセルアレイ３０には、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対ＢＬ、／ＢＬが配設されている。また、メモリセルアレイ３０には、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配設されている。 A circuit diagram of the MRAM of this embodiment is shown in FIG. The MRAM of this embodiment uses the MTJ element 1 of the first embodiment or the second embodiment as a memory element of a memory cell. The MRAM includes a memory cell array 30 having a plurality of memory cells MC arranged in a matrix. The memory cell array 30 is provided with a plurality of bit line pairs BL and / BL so as to extend in the column direction. The memory cell array 30 is provided with a plurality of word lines WL so as to extend in the row direction.

ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、メモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、ＭＴＪ素子１、及びｎチャネルＭＯＳトランジスタからなる選択トランジスタ３１を備えている。ＭＴＪ素子１の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子１０の他端は、選択トランジスタ３１のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ３１のゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタ３１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。 Memory cells MC are arranged at the intersections between the bit lines BL and the word lines WL. Each memory cell MC includes an MTJ element 1 and a selection transistor 31 including an n-channel MOS transistor. One end of the MTJ element 1 is connected to the bit line BL. The other end of the MTJ element 10 is connected to the drain terminal of the selection transistor 31. The gate terminal of the selection transistor 31 is connected to the word line WL. The source terminal of the selection transistor 31 is connected to the bit line / BL.

ワード線ＷＬには、ロウデコーダ３２が接続されている。ビット線対ＢＬ、／ＢＬには、書き込み回路３４及び読み出し回路３５が接続されている。書き込み回路３４及び読み出し回路３５には、カラムデコーダ３３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ３２及びカラムデコーダ３３により選択される。 A row decoder 32 is connected to the word line WL. A write circuit 34 and a read circuit 35 are connected to the bit line pair BL, / BL. A column decoder 33 is connected to the write circuit 34 and the read circuit 35. Each memory cell MC is selected by the row decoder 32 and the column decoder 33.

メモリセルＭＣへのデータの書き込みは、以下のように行われる。先ず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタ３１がオン状態となる。 Data is written to the memory cell MC as follows. First, in order to select a memory cell MC for writing data, the word line WL connected to the memory cell MC is activated. As a result, the selection transistor 31 is turned on.

ここで、ＭＴＪ素子１には、書き込みデータに応じて、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、ＭＴＪ素子１に、図８において左から右へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路３４は、ビット線ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線／ＢＬに接地電圧を印加する。また、ＭＴＪ素子１に、図８において右から左へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路３４は、ビット線／ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線ＢＬに接地電圧を印加する。このようにして、メモリセルＭＣにデータ“０”、或いはデータ“１”を書き込むことができる。 Here, a bidirectional write current Iw is supplied to the MTJ element 1 in accordance with the write data. Specifically, when the write current Iw is supplied to the MTJ element 1 from left to right in FIG. 8, the write circuit 34 applies a positive voltage to the bit line BL and applies a ground voltage to the bit line / BL. To do. Further, when the write current Iw is supplied to the MTJ element 1 from right to left in FIG. 8, the write circuit 34 applies a positive voltage to the bit line / BL and applies a ground voltage to the bit line BL. In this way, data “0” or data “1” can be written in the memory cell MC.

次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、データ読み出しを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択されたメモリセルＭＣの選択トランジスタ３１がオン状態となる。読み出し回路３５は、ＭＴＪ素子１に、例えば図８において右から左へ流れる読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路３５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、ＭＴＪ素子１の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＴＪ素子１に記憶されたデータを読み出すことができる。 Next, data reading from the memory cell MC is performed as follows. First, in order to select a memory cell MC from which data is read, the word line WL connected to the memory cell MC is activated. As a result, the select transistor 31 of the selected memory cell MC is turned on. The read circuit 35 supplies the MTJ element 1 with, for example, a read current Ir that flows from right to left in FIG. Then, the read circuit 35 detects the resistance value of the MTJ element 1 based on the read current Ir. In this way, data stored in the MTJ element 1 can be read.

次に、ＭＲＡＭの構造について説明する。図９は、１個のメモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図である。 Next, the structure of the MRAM will be described. FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the MRAM centered on one memory cell MC.

ｐ型半導体基板４０の表面領域には、素子分離絶縁層４１が設けられ、この素子分離絶縁層４１が設けられていない半導体基板４０の表面領域が素子を形成する素子領域（active area）となる。素子分離絶縁層４１は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）により構成される。ＳＴＩとしては、例えば酸化シリコンが用いられる。 An element isolation insulating layer 41 is provided in the surface region of the p-type semiconductor substrate 40, and the surface region of the semiconductor substrate 40 in which the element isolation insulating layer 41 is not provided becomes an element area (active area) for forming an element. . The element isolation insulating layer 41 is configured by, for example, STI (Shallow Trench Isolation). For example, silicon oxide is used as the STI.

半導体基板４０の素子領域に選択トランジスタ３１が形成される。この選択トランジスタ３１は、互いに離間したソース領域３２ａ及びドレイン領域３２ｂが設けられている。 A selection transistor 31 is formed in the element region of the semiconductor substrate 40. The selection transistor 31 is provided with a source region 32a and a drain region 32b that are separated from each other.

このソース領域３２ａ及びドレイン領域３２ｂはそれぞれ、半導体基板４０内に高濃度のＮ^＋型不純物を導入して形成されたｎ^＋型拡散領域から構成される。ソース領域３２ａ及びドレイン領域３２ｂ間のチャネル３３となる半導体基板４０の領域上には、ゲート絶縁膜３４が形成され、このゲート絶縁膜３４上にゲート電極３５が設けられている。ゲート電極３５は、ワード線ＷＬとして機能する。 Each of the source region 32 a and the drain region 32 b is composed of an n ⁺ type diffusion region formed by introducing a high concentration N ⁺ type impurity into the semiconductor substrate 40. A gate insulating film 34 is formed on the region of the semiconductor substrate 40 that becomes the channel 33 between the source region 32 a and the drain region 32 b, and a gate electrode 35 is provided on the gate insulating film 34. The gate electrode 35 functions as the word line WL.

ソース領域３２ａ上には、コンタクト４２を介して配線層４３が設けられている。配線層４３は、ビット線／ＢＬとして機能する。ドレイン領域３２ｂ上には、コンタクト４４を介して引き出し配線４５が設けられている。引き出し配線４５上には、下部電極３６と、上部電極３７に挟まれたＭＴＪ素子１が設けられている。上部電極３７上には、配線層４７が設けられている。配線層４７は、ビット線ＢＬとして機能する。また、半導体基板４０と配線層４７との間は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層４６で満たされている。 A wiring layer 43 is provided on the source region 32 a via a contact 42. The wiring layer 43 functions as a bit line / BL. On the drain region 32 b, a lead wiring 45 is provided via a contact 44. An MTJ element 1 sandwiched between a lower electrode 36 and an upper electrode 37 is provided on the lead wiring 45. A wiring layer 47 is provided on the upper electrode 37. The wiring layer 47 functions as the bit line BL. The space between the semiconductor substrate 40 and the wiring layer 47 is filled with an interlayer insulating layer 46 made of, for example, silicon oxide.

以上詳述したように本実施形態によれば、第１実施形態或いは第２実施形態のＭＴＪ素子１を用いてＭＲＡＭを構成することができる。なお、ＭＴＪ素子１は、スピン注入型の磁気メモリの他、磁壁移動型の磁気メモリにも使用することが可能である。 As described above in detail, according to the present embodiment, the MRAM can be configured using the MTJ element 1 of the first embodiment or the second embodiment. The MTJ element 1 can be used not only for spin injection type magnetic memories but also for domain wall motion type magnetic memories.

次に、上記実施形態の垂直磁化を有する参照層および垂直磁化を有する強磁性層に用いられる磁性材料について説明する。 Next, the magnetic material used for the reference layer having perpendicular magnetization and the ferromagnetic layer having perpendicular magnetization of the above embodiment will be described.

本実施形態のＭＴＪ素子に用いられる垂直磁化膜としては、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）及びＭｎ（マンガン）のうち少なくとも１種類以上と、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）及びＣｒ（クロム）のうち少なくとも１種類以上とを含むことを基本とする。さらには、飽和磁化の調整、結晶磁気異方性エネルギーの制御、結晶粒径及び結晶粒間結合の調整をするために、Ｂ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（シリコン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｙ（イットリウム）及び希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素を添加してもよい。 As the perpendicular magnetization film used for the MTJ element of this embodiment, at least one of Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), and Mn (manganese), Pt (platinum), Pd (palladium). ), Ir (iridium), Rh (rhodium), Os (osmium), Au (gold), Ag (silver), Cu (copper) and Cr (chromium). . Furthermore, B (boron), C (carbon), Si (silicon), Al (aluminum) are used for adjusting saturation magnetization, controlling crystal magnetic anisotropy energy, and adjusting crystal grain size and inter-grain bond. ), Mg (magnesium), Ta (tantalum), Zr (zirconium), Ti (titanium), Hf (hafnium), Y (yttrium) and a rare earth element may be added.

Ｃｏを主成分とする材料として、具体的には、ＨＣＰ（Hexagonal Closest Packing）構造を有するＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ合金、及び、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｔａ合金などがあげられる。これらは、各元素の組成を調整することにより、１×１０^５以上１×１０^７ｅｒｇ／ｃｃ未満の範囲内で結晶磁気異方性エネルギーを調整することが可能である。ここで、記号「−」は合金を表す。 Specific examples of the Co-based material include a Co—Cr—Pt alloy, a Co—Cr—Ta alloy, and a Co—Cr—Pt—Ta alloy having an HCP (Hexagonal Closest Packing) structure. It is done. By adjusting the composition of each element, it is possible to adjust the magnetocrystalline anisotropy energy within the range of 1 × 10 ⁵ or more and less than 1 × 10 ⁷ erg / cc. Here, the symbol “-” represents an alloy.

Ｃｏ−Ｐｔ合金は、Ｃｏ_５０Ｐｔ_５０（ａｔ（原子）％）付近の組成域において、Ｌ１_０−ＣｏＰｔ規則合金を形成する。この規則合金は、ＦＣＴ（Face-Centered Tetragonal）構造を有する。非磁性層としてＭｇＯ（１００）を用いる場合、（００１）面配向したＦＣＴ−ＣｏＰｔ規則合金は、非磁性層との界面ミスフィットも小さくできるので好ましい。 The Co—Pt alloy forms an L1 ₀ -CoPt ordered alloy in a composition range near Co ₅₀ Pt ₅₀ (at (atomic)%). This ordered alloy has an FCT (Face-Centered Tetragonal) structure. When MgO (100) is used as the nonmagnetic layer, the (001) -oriented FCT-CoPt ordered alloy is preferable because the interface misfit with the nonmagnetic layer can be reduced.

Ｆｅを主成分とする材料として、具体的には、Ｆｅ−Ｐｔ合金、或いは、Ｆｅ−Ｐｄ合金があげられる。中でも、Ｆｅ−Ｐｔ合金は、組成がＦｅ_５０Ｐｔ_５０（ａｔ％）において規則化し、ＦＣＴ構造を基本構造とするＬ１_０構造を有する。これにより、１×１０^７ｅｒｇ／ｃｃ以上の大きな結晶磁気異方性エネルギーを発現することができる。 Specific examples of the material mainly containing Fe include an Fe—Pt alloy and an Fe—Pd alloy. Among them, Fe-Pt alloy composition is ordered in _{_{Fe 50 Pt 50 (at%)}} , having an L1 ₀ structure as a basic structure FCT structure. Thereby, a large magnetocrystalline anisotropy energy of 1 × 10 ⁷ erg / cc or more can be expressed.

Ｆｅ_５０Ｐｔ_５０合金は、規則化する前は、ＦＣＣ（Face-Centered Cubic）構造を有する。この場合の結晶磁気異方性エネルギーは、１×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ程度である。従って、アニール温度、組成の調整、積層構成による規則度の制御、及び、添加物の添加により、５×１０^５ｅｒｇ／ｃｃ以上５×１０^８ｅｒｇ／ｃｃ以下の範囲内で結晶磁気異方性エネルギーを調整することができる。 The Fe ₅₀ Pt ₅₀ alloy has an FCC (Face-Centered Cubic) structure before ordering. In this case, the magnetocrystalline anisotropy energy is about 1 × 10 ⁶ erg / cc. Therefore, the crystal magnetic anisotropy is within the range of 5 × 10 ⁵ erg / cc to 5 × 10 ⁸ erg / cc by adjusting the annealing temperature, the composition, controlling the degree of order by the laminated structure, and adding the additive. Energy can be adjusted.

具体的には、Ｆｅ−Ｐｔ合金にＣｕ或いはＶ（バナジウム）を添加することで、Ｆｅ−Ｐｔ合金の飽和磁化（Ｍｓ）及び結晶磁気異方性エネルギー（Ｋｕ）を制御することが可能である。また、Ｖに関しては、スピン注入磁化反転において重要なダンピング定数（磁化制動定数）を下げる効果があり、反転電流を低減する効果がある。 Specifically, the saturation magnetization (Ms) and magnetocrystalline anisotropy energy (Ku) of the Fe—Pt alloy can be controlled by adding Cu or V (vanadium) to the Fe—Pt alloy. . Further, with respect to V, there is an effect of lowering a damping constant (magnetization braking constant) that is important in spin injection magnetization reversal, and an effect of reducing reversal current.

規則化したＦｅ−Ｐｔ合金はＦＣＴ構造を有し、規則化する前はＦＣＣ構造を有する。 The ordered Fe-Pt alloy has an FCT structure, and has an FCC structure before ordering.

従って、ＭｇＯ（１００）とは非常に整合性がよい。具体的には、ＭｇＯ（１００）面上に（１００）面配向したＢＣＣ（Body-Centered Cubic）−Ｆｅを成長させ、その上にＰｔ（１００）を積層することで、ＭｇＯ（１００）上に（１００）面優先配向成長したＦｅ−Ｐｔ規則合金を形成することが可能である。また、Ｆｅ−Ｐｔ規則合金とＭｇＯ（１００）との間にＢＣＣ−Ｃｒを形成すると、さらにＦｅ−Ｐｔ規則合金の（１００）面配向が優先的となり望ましい。 Therefore, it is very consistent with MgO (100). More specifically, a (100) -oriented BCC (Body-Centered Cubic) -Fe is grown on the MgO (100) plane, and Pt (100) is laminated thereon, whereby the MgO (100) is laminated. It is possible to form a (100) plane-oriented oriented growth Fe-Pt ordered alloy. Further, when BCC-Cr is formed between the Fe—Pt ordered alloy and MgO (100), the (100) plane orientation of the Fe—Pt ordered alloy is more preferred.

また、Ｆｅ−Ｐｔ規則合金を形成する場合、[Ｆｅ／Ｐｔ]ｎ（ｎは整数）の多層構造を形成すると理想的な規則に近いＦｅ−Ｐｔ規則合金を形成できる。この場合、Ｆｅ及びＰｔの膜厚は、０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下となるように設定されることが望ましい。これは、均一な組成状態を作り出すためには必須であり、それにより、Ｆｅ−Ｐｔ合金の規則化の場合、ＦＣＣ構造からＦＣＴ構造へのマルテンサイト変態（martensitic transformation）を伴うため、この変態が促進されるので重要である。 Further, when forming an Fe—Pt ordered alloy, an Fe—Pt ordered alloy close to an ideal rule can be formed by forming a multilayer structure of [Fe / Pt] n (n is an integer). In this case, the film thicknesses of Fe and Pt are desirably set to be 0.1 nm or more and 1 nm or less. This is indispensable for creating a uniform composition state, and in the case of ordering of the Fe-Pt alloy, this transformation involves a martensitic transformation from the FCC structure to the FCT structure. It is important because it is promoted.

また、Ｆｅ−Ｐｔ合金の規則化温度は５００度以上と高く、耐熱性に優れている。この点は、後工程でのアニール処理に対する耐性があることとなり、非常に好ましい。また、ＣｕやＶなどの添加元素により、その規則化温度を低下させることが可能である。 Further, the ordering temperature of the Fe—Pt alloy is as high as 500 ° C. or more, and is excellent in heat resistance. This point is very preferable because it has resistance to annealing treatment in a later step. Further, the ordering temperature can be lowered by an additive element such as Cu or V.

さらに、上記実施形態のＭＴＪ素子に用いられる垂直磁化膜としては、金属磁性相と絶縁相との混晶からなる強磁性体を用いてもよい。この場合、金属磁性相は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＭｎのうち少なくとも１種類以上と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔａ及び希土類元素のうち少なくとも１種類以上を含む強磁性体から構成される。絶縁相は、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｙ及び希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素を含む酸化物、窒化物、及び、酸窒化物から構成される。 Further, as the perpendicular magnetization film used in the MTJ element of the above embodiment, a ferromagnetic material made of a mixed crystal of a metal magnetic phase and an insulating phase may be used. In this case, the metal magnetic phase is at least one of Fe, Co, Ni, and Mn, and at least one of Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Au, Ag, Cu, Cr, Ta, and rare earth elements. It is comprised from the ferromagnetic material containing the above. The insulating phase is an oxide, nitride, or oxynitride containing at least one element selected from B, C, Si, Al, Mg, Ta, Cr, Zr, Ti, Hf, Y, and a rare earth element Consists of

金属磁性相と絶縁相との混晶からなる強磁性体は、導電性を有する金属磁性体部と非導電性の絶縁体部に分離しているため、金属磁性体部に電流が集中して通電面積が小さくなり、局所的な電流密度が上昇する。これにより、実質的に必要となる反転電流が小さくなる効果を有する。 A ferromagnetic material composed of a mixed crystal of a metallic magnetic phase and an insulating phase is separated into a conductive metallic magnetic portion and a non-conductive insulating portion, so that current concentrates on the metallic magnetic portion. The current-carrying area is reduced and the local current density is increased. This has the effect of reducing the required reversal current substantially.

このような効果を得るためには、結晶性を制御する必要がある。２相分離構造としては、グラニュラー（結晶粒分散）型構造、アイランド（島状）型構造、及び、コラムナー（柱状）型構造がある。コラムナー型構造の場合は、磁性層中で金属磁性体部が上下に貫通しているので、電流狭窄効果が得られやすい。グラニュラー型構造及びアイランド型構造の場合は、電流はもっともトンネル障壁が小さいパスを通電することとなるので、コラムナー型構造と同様に電流狭窄効果が得られる。 In order to obtain such an effect, it is necessary to control the crystallinity. As the two-phase separation structure, there are a granular (crystal grain dispersion) type structure, an island (island shape) type structure, and a columner (columnar type) type structure. In the case of the columnar structure, since the metal magnetic body portion vertically penetrates in the magnetic layer, a current confinement effect is easily obtained. In the case of the granular type structure and the island type structure, since the current flows through the path having the smallest tunnel barrier, the current confinement effect can be obtained as in the columnar type structure.

その他、上記実施形態のＭＴＪ素子に用いられる垂直磁化膜としては、Ｍｎ系強磁性合金、或いはＣｒ系強磁性合金があげられる。Ｍｎ系強磁性合金としては、Ｍｎ−Ａｌ合金、Ｍｎ−Ａｕ合金、Ｍｎ−Ｚｎ合金、Ｍｎ−Ｇａ合金、Ｍｎ−Ｉｒ合金、及び、Ｍｎ−Ｐｔ_３合金などがあり、これらは、規則格子を有する特徴がある。また、Ｃｒ系強磁性合金としては、Ｃｒ−Ｐｔ_３合金などがあげられる。これも、規則格子を有する。 In addition, examples of the perpendicular magnetization film used in the MTJ element of the embodiment include a Mn ferromagnetic alloy or a Cr ferromagnetic alloy. Examples of the Mn-based ferromagnetic alloy include a Mn—Al alloy, a Mn—Au alloy, a Mn—Zn alloy, a Mn—Ga alloy, a Mn—Ir alloy, and a Mn—Pt ₃ alloy. There are features. Examples of the Cr-based ferromagnetic alloy include a Cr—Pt ₃ alloy. This also has a regular lattice.

１…ＭＴＪ素子、２…記憶層、４…非磁性層、６…参照層、８…非磁性層、１０…強磁性層、２０…ＭＴＪ素子、２２…強磁性層、２４…非磁性層、２６…参照層、２８…非磁性層、３０…メモリセルアレイ、３２…非磁性層、３４…参照層、３６…非磁性層、３８…強磁性層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... MTJ element, 2 ... Memory layer, 4 ... Nonmagnetic layer, 6 ... Reference layer, 8 ... Nonmagnetic layer, 10 ... Ferromagnetic layer, 20 ... MTJ element, 22 ... Ferromagnetic layer, 24 ... Nonmagnetic layer, Reference numeral 26 ... Reference layer, 28 ... Nonmagnetic layer, 30 ... Memory cell array, 32 ... Nonmagnetic layer, 34 ... Reference layer, 36 ... Nonmagnetic layer, 38 ... Ferromagnetic layer.

Claims

A ferromagnetic layer having magnetic anisotropy perpendicular to the film surface;
A first nonmagnetic layer provided on the ferromagnetic layer;
Lamination of the ferromagnetic layer provided on the first nonmagnetic layer and having magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and antiparallel to the magnetization direction of the ferromagnetic layer A reference layer having a thickness of 1 / 2.8 or more and 1 / 1.5 or less of the thickness in the direction;
A second nonmagnetic layer provided on the reference layer;
A storage layer provided on the second nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a magnetization direction changed by the action of spin-polarized electrons;
Equipped with a,
When the saturation magnetization of the reference layer is Ms ₁ and the saturation magnetization of the ferromagnetic layer is Ms ₂ ,
Ms ₁ <Ms ₂
A magnetoresistive effect element satisfying the relationship:

A storage layer that has a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and whose magnetization direction is changed by the action of spin-polarized electrons;
A first nonmagnetic layer provided on the storage layer;
A reference layer provided on the first nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface;
A second nonmagnetic layer provided on the reference layer;
A film provided on the second nonmagnetic layer, having a magnetic anisotropy in a direction perpendicular to the film surface, having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the reference layer, and being in the stacking direction of the reference layer A ferromagnetic layer having a thickness of 1.5 to 2.8 times the thickness;
Equipped with a,
When the saturation magnetization of the reference layer is Ms ₁ and the saturation magnetization of the ferromagnetic layer is Ms ₂ ,
Ms ₁ <Ms ₂
A magnetoresistive effect element satisfying the relationship:

When the saturation magnetization of the reference layer is Ms ₁ , the film thickness is t ₁ , the saturation magnetization of the ferromagnetic layer is Ms ₂ , and the film thickness is t ₂ ,
3. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein a relationship of 2.0 ≦ (Ms ₂ × t ₂ ) / (Ms ₁ × t ₁ ) ≦ 3.8 is satisfied.

A first ferromagnetic layer having magnetic anisotropy perpendicular to the film surface;
A first nonmagnetic layer provided on the first ferromagnetic layer;
Provided on the first nonmagnetic layer, having magnetic anisotropy in a direction perpendicular to the film surface, having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the first ferromagnetic layer, and the first A first reference layer having a thickness of 1 / 2.8 to 1 / 1.5 of the thickness of the ferromagnetic layer in the stacking direction;
A second nonmagnetic layer provided on the first reference layer;
A storage layer provided on the second nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a magnetization direction changed by the action of spin-polarized electrons;
A third nonmagnetic layer provided on the storage layer;
A second reference layer provided on the third nonmagnetic layer, having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the first reference layer;
A fourth nonmagnetic layer provided on the second reference layer;
The second reference is provided on the fourth nonmagnetic layer, has a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface, has a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the second reference layer, and the second reference. A second ferromagnetic layer having a thickness of 1.5 times or more and 2.8 times or less of the thickness in the stacking direction of the layers;
Equipped with a,
When the saturation magnetizations of the first and second reference layers are Ms ₁₁ and Ms ₁₂ , respectively, and the saturation magnetizations of the first and second ferromagnetic layers are Ms ₂₁ and Ms ₂₂ , respectively .
Ms ₁₁ <Ms ₂₁ , and
Ms ₁₂ <Ms ₂₂
A magnetoresistive effect element satisfying the relationship:

The saturation magnetizations of the first and second reference layers are Ms ₁₁ and Ms ₁₂ , the film thicknesses are t ₁₁ and t ₁₂ , respectively, and the saturation magnetizations of the first and second ferromagnetic layers are Ms ₂₁ and Ms, respectively. _{22 and} when the film thicknesses are t ₂₁ and t ₂₂ respectively,
2.0 ≦ (Ms ₂₁ × t ₂₁ ) / (Ms ₁₁ × t ₁₁ ) ≦ 3.8 and 2.0 ≦ (Ms ₂₂ × t ₂₂ ) / (Ms ₁₂ × t ₁₂ ) ≦ 3.8
The magnetoresistive element according to claim 4 , wherein the relationship is satisfied.

Magnetic memory, characterized in that it comprises a magnetoresistive element described in the first and second electrodes for performing energization with respect to the magnetoresistive element, a memory cell including a to any one of claims 1 to 5 .

A first wiring electrically connected to the first electrode;
A second wiring electrically connected to the second electrode;
A writing circuit that is electrically connected to the first wiring and the second wiring and that supplies current to the magnetoresistive element in both directions;
The magnetic memory according to claim 6 , further comprising:

A select transistor connected between the second electrode of the magnetoresistive element and the second wiring;
A third wiring for controlling on / off of the selection transistor;
The magnetic memory according to claim 7 , further comprising: