JPH11353867A - Magnetic thin film memory device and method for recording information, method for reproducing information using the same - Google Patents
Magnetic thin film memory device and method for recording information, method for reproducing information using the sameInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、磁化の向きによっ
て情報を記録し、磁気抵抗効果を利用して記録情報を再
生する磁性薄膜メモリ素子及びそれを用いた情報記録方
法、情報再生方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic thin film memory element for recording information according to the direction of magnetization and reproducing recorded information by utilizing a magnetoresistance effect, an information recording method using the same, and an information reproducing method. It is.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、磁性薄膜メモリは半導体メモリと
同様に移動部のない固体メモリとして知られている。こ
のような磁性薄膜メモリは、電源が遮断されても情報が
消失しない、情報の繰り返し書き換え回数が無限回であ
る、放射線が入射しても情報が消失する危険性がないな
ど半導体メモリと比較して有利な点を多く持っている。
特に、最近においては巨大磁気抵抗(GMR)効果を利
用した薄膜磁気メモリは従来の異方性磁気抵抗効果を用
いた磁性薄膜メモリと比較して大きな出力が得られるた
めに注目されている。2. Description of the Related Art Conventionally, a magnetic thin film memory is known as a solid state memory having no moving parts, like a semiconductor memory. Such a magnetic thin-film memory is compared with a semiconductor memory in that information is not lost even when the power is turned off, the number of times of repeated rewriting of information is infinite, and there is no danger of losing information even when radiation is incident. Have many advantages.
In particular, thin film magnetic memories utilizing the giant magnetoresistance (GMR) effect have recently attracted attention because they can provide a larger output than conventional magnetic thin film memories using the anisotropic magnetoresistance effect.
【0003】例えば、日本応用磁気学会誌VOL.2
0.P22(1996)には、図8に示すように硬質磁
性膜(HM)、非磁性膜(NM)、軟磁性膜(SM)、
非磁性膜(NM)を積層してメモリ素子とした固体メモ
リが提案されている。このメモリ素子には、図8のよう
に金属導体と結合されたセンス線S、絶縁膜Iによって
センス線Sと絶縁されたワード線Wが設けられており、
このワード線Wの電流及びセンス線Sの電流により発生
する磁界によって情報の書き込みを行う。[0003] For example, the journal of the Japan Society of Applied Magnetics, Vol. 2
0. P22 (1996) includes a hard magnetic film (HM), a non-magnetic film (NM), a soft magnetic film (SM), as shown in FIG.
There has been proposed a solid-state memory in which a non-magnetic film (NM) is stacked to form a memory element. This memory element is provided with a sense line S coupled to a metal conductor and a word line W insulated from the sense line S by an insulating film I as shown in FIG.
Information is written by a magnetic field generated by the current of the word line W and the current of the sense line S.
【0004】具体的に説明すると、ワード線Wに電流I
を供給し、電流の向きIDによって異なる方向の磁界を
発生することにより硬質磁性膜HMの磁化反転を行い、
メモリ状態“0”,“1”の記録を行う。例えば、図9
(a)に示すようにワード線Wに正の電流を供給する
と、図9(b)のように右向きの磁界を発生し、硬質磁
性膜HMに“1”を記録することができる。また、図9
(c)のようにワード線Iに負の電流を供給すると、図
9(d)のように左向きの磁界を発生し、硬質磁性膜H
Mに“0”を記録することができる。More specifically, a current I is applied to a word line W.
To generate a magnetic field in a different direction depending on the current direction ID, thereby performing magnetization reversal of the hard magnetic film HM,
Recording of the memory states “0” and “1” is performed. For example, FIG.
When a positive current is supplied to the word line W as shown in FIG. 9A, a rightward magnetic field is generated as shown in FIG. 9B, and "1" can be recorded on the hard magnetic film HM. FIG.
When a negative current is supplied to the word line I as shown in FIG. 9C, a leftward magnetic field is generated as shown in FIG.
“0” can be recorded in M.
【0005】一方、情報を読み出す場合は、ワード線W
に記録時の電流よりも小さい電流を供給し、軟磁性膜S
Mの磁化反転のみを起こし、その際の抵抗変化を検出す
ることにより情報の読み出しを行う。巨大磁気抵抗効果
を利用すると、軟磁性膜SMと硬磁性膜HMの磁化が同
方向の場合と反対の方向の場合で抵抗値が異なるので、
そのときに生じる抵抗変化により“1”,“0”のメモ
リ状態を判別する。具体的には、図10(a)に示すよ
うに正から負に変化するパルスを印加すると、軟磁性膜
SMの磁化方向は図10(b)の右向きの状態から図1
0(c)の左向きの状態に変化し、メモリ状態“1”の
場合、硬質磁性膜HMと軟磁性膜SMの磁化が同方向で
小さい抵抗値から硬質磁性膜HMと軟磁性膜SMの磁化
が反対方向の大きい抵抗値に変化する。また、メモリ状
態“1”の場合は、図10(d)のように大きい抵抗値
から図10(e)のように小さい抵抗値に変化する。従
って、このような抵抗値の変化を読み取ることにより、
記録後の軟磁性膜SMの磁化状態に拘わらず、硬質磁性
膜HMに記録された情報の読み出しが可能となり、非破
壊読み出しを行うことができる。On the other hand, when reading information, the word line W
To the soft magnetic film S
Information is read out by causing only the magnetization reversal of M and detecting a resistance change at that time. When the giant magnetoresistance effect is used, the resistance values of the soft magnetic film SM and the hard magnetic film HM are different depending on whether the magnetization is in the same direction or in the opposite direction.
The memory state of "1" or "0" is determined based on the resistance change occurring at that time. Specifically, when a pulse that changes from positive to negative as shown in FIG. 10A is applied, the magnetization direction of the soft magnetic film SM changes from the rightward state in FIG.
When the memory state is “1”, the magnetizations of the hard magnetic film HM and the soft magnetic film SM are changed from the small resistance value in the same direction in the case of the memory state “1”. Changes to a large resistance value in the opposite direction. In the case of the memory state "1", the resistance changes from a large resistance value as shown in FIG. 10D to a small resistance value as shown in FIG. Therefore, by reading such a change in resistance value,
Regardless of the magnetization state of the soft magnetic film SM after recording, the information recorded on the hard magnetic film HM can be read, and nondestructive reading can be performed.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の薄膜磁気メモリにおいては、ビットセルの面積を小
さくするほど磁性層内部で生じる反磁界(自己減磁界)
が無視できなくなり、記録保持する磁性層の磁化方向が
一定方向に定まらず不安定になるという問題があった。
そのため、ビットセルを微細化するには限度があり、高
集積化を十分に行うことができなかった。However, in the above-mentioned conventional thin film magnetic memory, the demagnetizing field (self-demagnetizing field) generated in the magnetic layer as the bit cell area decreases.
However, there is a problem that the magnetization direction of the magnetic layer for recording and holding is not fixed in a fixed direction and becomes unstable.
Therefore, there is a limit to miniaturization of the bit cell, and high integration cannot be sufficiently performed.
【0007】本発明は、上記従来の問題点に鑑み、磁性
膜の反磁界の影響をなくし、より高集積化が可能な磁性
薄膜メモリ素子及びそれを用いた情報記録方法、情報再
生方法を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and provides a magnetic thin-film memory element capable of eliminating the influence of a demagnetizing field of a magnetic film and achieving higher integration, and an information recording method and an information reproducing method using the same. The purpose is to do.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、閉磁路
構造の第1の磁性層と、前記第1の磁性層よりも高い保
磁力を有する閉磁路構造の第2の磁性層とを非磁性層を
介して積層して成り、前記第1,第2の磁性層は左回り
もしくは右回りに容易軸を有し、前記第1,第2の磁性
層の磁化方向の相対角度によって、異なる抵抗値を有す
る磁性薄膜メモリ素子であって、前記第1,第2の磁性
層の膜面に対し垂直方向に電流を供給し、発生する磁界
によって情報を記録する電流路の長さを0.05μm以
上、2μm以下とすることを特徴とする磁性薄膜メモリ
素子によって達成される。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a first magnetic layer having a closed magnetic circuit structure and a second magnetic layer having a closed magnetic circuit structure having a higher coercive force than the first magnetic layer. The first and second magnetic layers have an easy axis in a counterclockwise or clockwise direction, and are formed by a relative angle of the magnetization direction of the first and second magnetic layers. A magnetic thin film memory element having different resistance values, wherein a current is supplied in a direction perpendicular to the film surfaces of the first and second magnetic layers, and a length of a current path for recording information by a generated magnetic field is set to 0. It is attained by a magnetic thin film memory element characterized in that the thickness is not less than 0.05 μm and not more than 2 μm.
【0009】本発明の目的は、請求項1の磁性薄膜メモ
リ素子に情報を記録する方法であって、あらかじめ、前
記磁性薄膜メモリ素子の膜面に対し垂直方向に上向きま
たは下向きに電流を供給し、且つ電流の大きさを前記第
2の磁性層の磁化反転磁界よりも大きい磁界が発生する
ように設定することにより、前記第2の磁性層の磁化の
向きを記録情報に関わらず所定の方向に定め、次いで前
記磁性薄膜メモリ素子の膜面に対し垂直方向に記録情報
に応じて上向きまたは下向きに電流を供給し、且つ電流
の大きさを前記第1の磁性層の磁化反転磁界よりも大き
く、前記第2の磁性層の磁化反転磁界よりも小さい磁界
が発生するように設定することにより、前記第1の磁性
層にその磁化の向きに応じて情報を記録することを特徴
とする情報記録方法によって達成される。An object of the present invention is a method of recording information on a magnetic thin film memory device according to claim 1, wherein a current is supplied in advance vertically or vertically to the film surface of the magnetic thin film memory device. By setting the magnitude of the current so that a magnetic field larger than the magnetization reversal magnetic field of the second magnetic layer is generated, the direction of the magnetization of the second magnetic layer is set to a predetermined direction regardless of the recording information. Then, a current is supplied upward or downward according to recorded information in a direction perpendicular to the film surface of the magnetic thin film memory element, and the magnitude of the current is larger than the magnetization reversal magnetic field of the first magnetic layer. Recording information in the first magnetic layer in accordance with the direction of magnetization by setting a magnetic field smaller than the magnetization reversal magnetic field of the second magnetic layer. One It is achieved by.
【0010】本発明の目的は、閉磁路構造の第1の磁性
層と、前記第1の磁性層よりも高い保磁力を有する閉磁
路構造の第2の磁性層とを非磁性層を介して積層して成
り、前記第1,第2の磁性層は左回りもしくは右回りに
容易軸を有し、前記第1,第2の磁性層の磁化方向の相
対角度によって、異なる抵抗値を有する磁性薄膜メモリ
素子に情報を記録する方法であって、前記メモリ素子の
膜面に対し垂直方向に記録情報に応じて上向きまたは下
向きに電流を供給し、且つ電流の大きさを前記第2の磁
性層の磁化反転磁界よりも大きい磁界が発生するように
設定することにより、前記第2の磁性層にその磁化の向
きに応じて情報を記録することを特徴とする情報記録方
法によって達成される。An object of the present invention is to provide a first magnetic layer having a closed magnetic circuit structure and a second magnetic layer having a closed magnetic circuit structure having a higher coercive force than the first magnetic layer via a nonmagnetic layer. The first and second magnetic layers have an easy axis counterclockwise or clockwise, and have different resistance values depending on the relative angle of the magnetization direction of the first and second magnetic layers. A method of recording information on a thin film memory element, comprising supplying a current upward or downward in a direction perpendicular to a film surface of the memory element according to recording information, and controlling a magnitude of the current to the second magnetic layer. By setting such that a magnetic field larger than the magnetization reversal magnetic field is generated, information is recorded in the second magnetic layer in accordance with the direction of its magnetization.
【0011】本発明の目的は、閉磁路構造の第1の磁性
層と、前記第1の磁性層よりも高い保磁力を有する閉磁
路構造の第2の磁性層とを非磁性層を介して積層して成
り、前記第1,第2の磁性層は左回りもしくは右回りに
容易軸を有し、前記第1,第2の磁性層の磁化方向の相
対角度によって、異なる抵抗値を有する磁性薄膜メモリ
素子において前記第2の磁性層の磁化の向きに応じて記
録された情報を再生する方法であって、前記磁性薄膜メ
モリ素子の膜面に対し垂直方向に電流を供給して、前記
第1の磁性層の磁化を所定の方向に揃えて初期化し、こ
の状態で前記磁性薄膜メモリ素子の抵抗値を測定するこ
とにより、記録情報を再生することを特徴とする情報再
生方法によって達成される。An object of the present invention is to form a first magnetic layer having a closed magnetic circuit structure and a second magnetic layer having a closed magnetic circuit structure having a higher coercive force than the first magnetic layer via a nonmagnetic layer. The first and second magnetic layers have an easy axis counterclockwise or clockwise, and have different resistance values depending on the relative angle of the magnetization direction of the first and second magnetic layers. A method of reproducing information recorded in a thin-film memory element in accordance with the direction of magnetization of the second magnetic layer, wherein a current is supplied in a direction perpendicular to a film surface of the magnetic thin-film memory element, The information reproducing method is characterized by reproducing the recorded information by initializing the magnetization of one magnetic layer in a predetermined direction and measuring the resistance of the magnetic thin film memory element in this state. .
【0012】本発明の目的は、閉磁路構造の第1の磁性
層と、前記第1の磁性層よりも高い保磁力を有する閉磁
路構造の第2の磁性層とを非磁性層を介して積層して成
り、前記第1,第2の磁性層は左回りもしくは右回りに
容易軸を有し、前記第1,第2の磁性層の磁化方向の相
対角度によって異なる抵抗値を有し、磁界が印加されな
い状態では前記第1の磁性層の磁化と前記第2の磁性層
の磁化が平行もしくは反平行の状態に置かれる磁性薄膜
メモリ素子において前記第2の磁性層の磁化の向きに応
じて記録された情報を再生する方法であって、初めに前
記磁性薄膜メモリ素子の抵抗値を測定し、次に磁性薄膜
メモリ素子の膜面に対し垂直方向に電流を供給して、前
記第1の磁性層の磁化を所定の方向に配向させた後に、
再び前記磁性薄膜メモリ素子の抵抗値を測定し、この際
の抵抗変化を測定することにより記録情報を再生するこ
とを特徴とする情報再生方法によって達成される。An object of the present invention is to form a first magnetic layer having a closed magnetic circuit structure and a second magnetic layer having a closed magnetic circuit structure having a higher coercive force than the first magnetic layer via a nonmagnetic layer. The first and second magnetic layers have an easy axis counterclockwise or counterclockwise, and have different resistance values depending on the relative angles of the magnetization directions of the first and second magnetic layers, In a magnetic thin film memory element in which the magnetization of the first magnetic layer and the magnetization of the second magnetic layer are in a parallel or anti-parallel state when no magnetic field is applied, according to the direction of the magnetization of the second magnetic layer. A method of reproducing the information recorded in the magnetic thin film memory element, first measuring a resistance value of the magnetic thin film memory element, then supplying a current in a direction perpendicular to a film surface of the magnetic thin film memory element, After orienting the magnetization of the magnetic layer in a predetermined direction,
The information reproduction method is characterized in that the resistance value of the magnetic thin film memory element is measured again, and the recorded information is reproduced by measuring the resistance change at this time.
【0013】本発明の目的は、閉磁路構造の第1の磁性
層と、前記第1の磁性層よりも高い保磁力を有する閉磁
路構造の第2の磁性層とを非磁性層を介して積層して成
り、前記第1,第2の磁性層は左回りもしくは右回りに
容易軸を有し、前記第1,第2の磁性層の磁化方向の相
対角度によって、異なる抵抗値を有する磁性薄膜メモリ
素子において前記第2の磁性層の磁化の向きに応じて記
録された情報を再生する方法であって、前記第2の磁性
層に一方の面から電流を供給し、前記第1の磁性層の磁
化を反転させて前記磁性薄膜メモリ素子の抵抗値を測定
し、次いで前記メモリ素子に反対の面から電流を供給
し、前記第1の磁性層の磁化を反転させて前記磁性薄膜
メモリ素子の抵抗値を測定し、得られた抵抗変化に基づ
いて記録情報を再生することを特徴とする情報再生方法
によって達成される。An object of the present invention is to interpose a first magnetic layer having a closed magnetic circuit structure and a second magnetic layer having a closed magnetic circuit structure having a higher coercive force than the first magnetic layer via a nonmagnetic layer. The first and second magnetic layers have an easy axis counterclockwise or clockwise, and have different resistance values depending on the relative angle of the magnetization direction of the first and second magnetic layers. A method for reproducing recorded information in a thin-film memory element in accordance with the direction of magnetization of said second magnetic layer, comprising supplying a current to said second magnetic layer from one surface, The resistance of the magnetic thin film memory element is measured by reversing the magnetization of the layer, and then a current is supplied to the memory element from the opposite side to invert the magnetization of the first magnetic layer, thereby reversing the magnetization of the first magnetic layer. Measures the resistance value and reproduces the recorded information based on the obtained resistance change It is achieved by an information reproducing method comprising Rukoto.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。図1は本発明の磁性
薄膜メモリ素子の一実施形態の構成を示す図である。図
1において、1は円柱状の第1の磁性層、2は円柱状の
第2の磁性層である。第1,第2の磁性層1,2の間に
は非磁性層3が設けられている。図1の第1,第2の磁
性層1,2、非磁性層3で1ビットセルのメモリ素子が
構成されている。第1,第2の磁性層1,2は左回りも
しくは右回りに容易軸を有し、その磁化は円柱状の形状
に沿って環状に配向している。図1の矢印は第1,第2
の磁性層1,2における磁化方向を示している。尚、磁
性層は円柱状に限らず、四角形の断面を持つ構造でも、
磁化が閉磁路に配向していれば良い。但し、円柱状構造
が最も安定な閉磁路構造となる為、望ましい。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of one embodiment of a magnetic thin film memory element of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a columnar first magnetic layer, and reference numeral 2 denotes a columnar second magnetic layer. A non-magnetic layer 3 is provided between the first and second magnetic layers 1 and 2. The 1st and 2nd magnetic layers 1 and 2 and the nonmagnetic layer 3 of FIG. 1 constitute a 1-bit cell memory element. Each of the first and second magnetic layers 1 and 2 has an easy axis counterclockwise or counterclockwise, and its magnetization is annularly oriented along a columnar shape. The arrows in FIG. 1 are the first and second arrows.
Of the magnetic layers 1 and 2 of FIG. Incidentally, the magnetic layer is not limited to a columnar shape, and may have a structure having a square cross section.
It suffices if the magnetization is oriented in a closed magnetic path. However, a columnar structure is desirable because it is the most stable closed magnetic circuit structure.
【0015】また、本実施形態では、第1,第2の磁性
層1,2の磁化方向が同方向のときは第1,第2の磁性
層1,2間の抵抗は低い抵抗値を示し、第1,第2の磁
化方向が反対方向のときは高い抵抗値を示す。このよう
に第1の磁性層1の磁化方向によってメモリ素子の抵抗
値が異なるので、これを利用して磁化情報を読み出すこ
とができる。また、“0”,“1”の磁化情報は第1,
第2の磁性層1,2の磁化方向の左回りもしくは右回り
に対応させて記録する。即ち、第1,第2の磁性層1,
2の膜面に対して垂直方向(図1のt方向)に上向きま
たは下向きに電流を供給し、これによって発生する磁界
により第1の磁性層1もしくは第2の磁性層2の磁化を
反転させて行う。情報の記録及び再生方法については詳
しく後述する。本実施形態では、第1,第2の磁性層
1,2が閉磁路構造となっているので、反磁界の影響を
なくすことができ、安定して磁化情報を記録することが
できる。従って、1ビットのセル幅を小さくでき、集積
度の高いメモリ装置を実現でき、更に漏洩磁界が隣接セ
ルに洩れることがなく、安定して記録再生を行うことが
できる。In this embodiment, when the magnetization directions of the first and second magnetic layers 1 and 2 are the same, the resistance between the first and second magnetic layers 1 and 2 shows a low resistance value. When the first and second magnetization directions are in opposite directions, a high resistance value is exhibited. Since the resistance value of the memory element varies depending on the magnetization direction of the first magnetic layer 1, magnetization information can be read by using this. Also, the magnetization information of “0” and “1” is
Recording is performed so as to correspond to the counterclockwise or counterclockwise direction of magnetization of the second magnetic layers 1 and 2. That is, the first and second magnetic layers 1
A current is supplied upward or downward in the direction perpendicular to the film surface (direction t in FIG. 1), and the magnetic field generated thereby causes the magnetization of the first magnetic layer 1 or the second magnetic layer 2 to be reversed. Do it. A method for recording and reproducing information will be described later in detail. In this embodiment, since the first and second magnetic layers 1 and 2 have a closed magnetic circuit structure, the influence of the demagnetizing field can be eliminated, and the magnetization information can be stably recorded. Therefore, a 1-bit cell width can be reduced, a memory device with a high degree of integration can be realized, and furthermore, a stable recording / reproduction can be performed without a leakage magnetic field leaking to adjacent cells.
【0016】図2は図1のメモリ素子を用いて実際にメ
モリとして構成する場合の一例を示す図である。図2に
おいて、まず、第1,第2の磁性層1,2及び非磁性層
3からなるメモリ素子は半導体基板上に駆動用のトラン
ジスタと対にして設けられている。この半導体基板は、
例えばp型半導体基板からなり、ソース、ドレイン領域
はn型半導体となっている。Signalは駆動用トラ
ンジスタの例えばソース端子、Selectはゲート端
子で、ドレイン端子には例えばメモリ素子が電気的に接
続される。メモリ素子の反対側はVDDに接続されてい
る。VDDは電源電圧であり、VDDの極性を記録情報
に応じて切り換えることにより、メモリ素子の電流の向
きを変えて磁化情報の“1”,“0”を記録する。メモ
リ素子と駆動用トランジスタは半導体基板上に縦横に多
数配列され、高集積化の磁性薄膜メモリとして集積化さ
れる。FIG. 2 is a diagram showing an example of a case where the memory device shown in FIG. 1 is actually configured as a memory. In FIG. 2, first, a memory element including first and second magnetic layers 1 and 2 and a non-magnetic layer 3 is provided on a semiconductor substrate in a pair with a driving transistor. This semiconductor substrate is
For example, it is made of a p-type semiconductor substrate, and the source and drain regions are n-type semiconductors. Signal is, for example, a source terminal of the driving transistor, Select is a gate terminal, and a drain terminal is electrically connected to, for example, a memory element. The other side of the memory element is connected to VDD. VDD is a power supply voltage, and by switching the polarity of VDD according to the recording information, the direction of the current of the memory element is changed to record “1” and “0” of the magnetization information. A large number of memory elements and driving transistors are arrayed vertically and horizontally on a semiconductor substrate, and are integrated as a highly integrated magnetic thin film memory.
【0017】ここで、本実施形態では、情報を記録する
場合、第1の磁性層1の磁化を反転させるか、第2の磁
性層2の磁化を反転させるかによってメモリ素子のタイ
プが2つに分かれている。まず、第1のタイプは、メモ
リ層(第1の磁性層1)、非磁性層3、ピン層(第2の
磁性層2)とする構成である。これは、第1の磁性層1
を磁化情報を保存するためのメモリ層、第2の磁性層2
をその磁化方向を磁化情報に依存せずに保存時、記録
時、再生時のいずれの状態でも常に一定に保つためのピ
ン層とする場合で、記録電流によって第1の磁性層1を
反転させる。情報の再生は後述するように磁性層の反転
は行わずに絶対値検出で行う。In this embodiment, when recording information, there are two types of memory elements depending on whether the magnetization of the first magnetic layer 1 is inverted or the magnetization of the second magnetic layer 2 is inverted. Divided into First, the first type has a structure including a memory layer (first magnetic layer 1), a nonmagnetic layer 3, and a pinned layer (second magnetic layer 2). This is because the first magnetic layer 1
A memory layer for storing magnetization information, a second magnetic layer 2
Is used as a pinned layer for keeping the magnetization direction constant regardless of the magnetization information during storage, recording, and reproduction, and the first magnetic layer 1 is inverted by a recording current. . Reproduction of information is performed by absolute value detection without reversing the magnetic layer as described later.
【0018】第2のタイプは、検出層(第1の磁性層
1)、非磁性層3、メモリ層(第2の磁性層2)とする
構成である。これは、第1の磁性層1を読み出し時に相
対検出するために反転させる検出層、第2の磁性層2を
磁化情報を保存するためのメモリ層とする場合で、記録
電流によって第2の磁性層2を反転させる。いずれの場
合も、第1の磁性層1は低い保磁力を有し、第2の磁性
層2は第1の磁性層1よりも高い保磁力を有することが
必要である。The second type has a configuration including a detection layer (first magnetic layer 1), a nonmagnetic layer 3, and a memory layer (second magnetic layer 2). This is a case in which the first magnetic layer 1 is used as a detection layer that is inverted for relative detection at the time of reading, and the second magnetic layer 2 is used as a memory layer for storing magnetization information. Invert layer 2. In either case, the first magnetic layer 1 needs to have a low coercive force, and the second magnetic layer 2 needs to have a higher coercive force than the first magnetic layer 1.
【0019】次に、本実施形態の磁性薄膜メモリ素子は
記録電流が流れる電流路の長さtを長くすることによっ
て十分に安定した記録が可能である。これは、前述の第
1のタイプ、第2のタイプいずれの場合も、また後述す
るスピントンネル膜構成やスピン散乱膜構成のいずれの
場合も同様である。以下、メモリ素子の具体的な構成に
ついて説明する。まず、メモリ素子に情報を記録するに
は、少なくとも5(Oe)以上の磁界を発生することが
望ましく、更に望ましくは10(Oe)以上の磁界がよ
い。これは、磁界が小さすぎると磁性薄膜メモリ素子の
保磁力も小さくする必要が生じ、安定して記録情報を保
持することが難しいからである。大きな磁界を得るため
には電流を多く流せばよいが、配線材料の限界電流密度
を越えると、エレクトロマイグレーションが起きて配線
が断線し易くなり、また、電流値が大きくなるとメモリ
素子の消費電力が大きくなってしまう。Next, in the magnetic thin film memory element of the present embodiment, sufficiently stable recording can be performed by increasing the length t of the current path through which the recording current flows. This is the same in both the first type and the second type described above, and also in any of the later-described spin tunnel film configuration and spin scattering film configuration. Hereinafter, a specific configuration of the memory element will be described. First, in order to record information in a memory element, it is desirable to generate a magnetic field of at least 5 (Oe), and more preferably a magnetic field of 10 (Oe) or more. This is because if the magnetic field is too small, it is necessary to reduce the coercive force of the magnetic thin film memory element, and it is difficult to hold recorded information stably. In order to obtain a large magnetic field, it is sufficient to apply a large amount of current.However, if the current density exceeds the limit current density of the wiring material, electromigration occurs and the wiring is easily disconnected, and when the current value increases, the power consumption of the memory element decreases. It gets bigger.
【0020】半導体デバイスで用いられる配線材料のう
ち、比較的大きな限界電流密度を持つ材料であるタング
ステン線の限界電流密度は20mA/μm2 である。ま
た、消費電力の増加、デバイスの発熱等を抑えるのに望
ましい電流は1mA程度以下である。ここで、図3は前
述のようなタングステン線を円柱状の導電体とし、導電
体の半径をR、長さをtとして示している。図4は図3
の導電体の半径Rと導電体の長手方向に電流を供給した
場合に発生する磁界との関係を示している。なお、図4
では導電体の長さtをパラメータとして半径Rに対して
発生磁界Hをプロットしている。導電体の長さtは、
0.01、0.03、0.05、0.1、0.2、0.
3μmとしている。Among the wiring materials used in semiconductor devices, the limiting current density of a tungsten wire, which is a material having a relatively large limiting current density, is 20 mA / μm 2 . Further, a current desirable for suppressing an increase in power consumption and heat generation of the device is about 1 mA or less. Here, FIG. 3 shows the above-described tungsten wire as a columnar conductor, the radius of the conductor as R, and the length as t. FIG. 4 shows FIG.
Shows the relationship between the radius R of the conductor and the magnetic field generated when a current is supplied in the longitudinal direction of the conductor. FIG.
In the figure, the generated magnetic field H is plotted against the radius R using the length t of the conductor as a parameter. The length t of the conductor is
0.01, 0.03, 0.05, 0.1, 0.2, 0.
It is 3 μm.
【0021】また、図5は導電体の長さtと最大磁界H
max との関係を示している。図4、図5から明らかなよ
うに記録に必要な5(Oe)以上の磁界を得るために
は、電流路の長さtは少なくとも0.05μm以上の長
さが必要である。また、図4から分かるように電流路の
長さtが長くなるほど記録に利用可能な電流路の半径R
の範囲を広げられ、メモリ素子の製造上のマージンが大
きくなることが分かる。以上の結果から、記録に必要な
磁界5(Oe)を発生させるためには、電流路の長さt
は0.05μmの長さが必要であり、好ましくは0.1
μm以上、更に好ましくは0.15μm以上、更に好ま
しくは0.2μm以上がよい。また、電流路の長さtは
あまり長くすると膜厚が厚くなるので、成膜に時間がか
かるばかりでなく、図2の半導体基板に対してメモリ素
子が垂直にならずに傾いてしまうなどして隣接するメモ
リ素子に誤って記録するなど誤記録の原因となる。この
ため、電流路の長さtは2μm以下、好ましくは1μm
以下、更に好ましくは0.5μm以下がよい。従って、
図1のメモリ素子の電流路の長さtとしては、0.05
μm以上、2μm以下とするのがよい。FIG. 5 shows the length t of the conductor and the maximum magnetic field H.
This shows the relationship with max. As apparent from FIGS. 4 and 5, in order to obtain a magnetic field of 5 (Oe) or more necessary for recording, the length t of the current path needs to be at least 0.05 μm or more. Also, as can be seen from FIG. 4, the longer the current path length t, the larger the current path radius R that can be used for recording.
It can be seen that the range of is expanded, and the manufacturing margin of the memory element increases. From the above results, in order to generate the magnetic field 5 (Oe) necessary for recording, the length of the current path t
Requires a length of 0.05 μm, preferably 0.1 μm.
μm or more, more preferably 0.15 μm or more, even more preferably 0.2 μm or more. Further, if the length t of the current path is too long, the film thickness increases, so that not only takes a long time to form the film but also the memory element is inclined not to be perpendicular to the semiconductor substrate of FIG. Erroneous recording such as erroneous recording in an adjacent memory element. Therefore, the length t of the current path is 2 μm or less, preferably 1 μm.
The thickness is more preferably 0.5 μm or less. Therefore,
The current path length t of the memory element of FIG.
The thickness is preferably not less than μm and not more than 2 μm.
【0022】図6は本発明の第2の実施形態を示す図で
ある。図1の実施形態では第1の磁性層1、非磁性層
3、第2の磁性層2で記録時の電流路を形成している
が、本実施形態では更に良導体4を設けている。即ち、
第1,第2の磁性層1,2の膜厚を厚くできない場合、
良導体4を設けることによって電流路の長さを確保する
ものである。良導体4としては第1,第2の磁性層1,
2よりも導電率の高いものを用い、図6のメモリ素子に
垂直方向に電流を供給することにより第1,第2の磁性
層1,2に記録を行う。良導体4は図6に示すように第
1の磁性層1の端面のうち非磁性層3の接する面とは反
対側の面及び第2の磁性層2の非磁性層3の接する面と
は反対側の面に設けてもよく、もしくはいずれか一方の
面に設けてもよい。このように良導体4を設けることに
よりメモリ素子の抵抗ロスが少なくなり、消費電力を低
減することができる。FIG. 6 is a view showing a second embodiment of the present invention. In the embodiment of FIG. 1, the first magnetic layer 1, the non-magnetic layer 3, and the second magnetic layer 2 form a current path at the time of recording. In this embodiment, a good conductor 4 is further provided. That is,
When the thickness of the first and second magnetic layers 1 and 2 cannot be increased,
By providing the good conductor 4, the length of the current path is ensured. The first and second magnetic layers 1 and 2
The recording is performed on the first and second magnetic layers 1 and 2 by supplying a current in the vertical direction to the memory element of FIG. As shown in FIG. 6, the good conductor 4 is opposite to the end surface of the first magnetic layer 1 opposite to the surface in contact with the nonmagnetic layer 3 and the second magnetic layer 2 is opposite to the surface in contact with the nonmagnetic layer 3. It may be provided on the side surface, or may be provided on any one surface. By providing the good conductor 4 in this manner, resistance loss of the memory element is reduced, and power consumption can be reduced.
【0023】図7は本発明の第3の実施形態を示す図で
ある。本実施形態では、メモリ素子の中心部に記録電流
を供給するための導電体5を設けている。導電体5は絶
縁体6に覆われていて、第1,第2の磁性層1,2より
も導電率の高いものを用いている。絶縁体6は導電体5
が磁性層と電気的に接触するのを防ぐために設けている
が、絶縁体6の厚みが厚いと導電体5と各磁性層との距
離が遠くなって磁性層に印加する磁界が小さくなるので
極力薄い方がよい。本実施形態では、記録時に磁性層に
電流を供給せず、導電体5に供給するので、抵抗が小さ
くなり、消費電力を低減でき、また、応答性にも優れて
いる。FIG. 7 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. In this embodiment, a conductor 5 for supplying a recording current is provided at the center of the memory element. The conductor 5 is covered with an insulator 6 and has a higher conductivity than the first and second magnetic layers 1 and 2. The insulator 6 is the conductor 5
Is provided to prevent electrical contact with the magnetic layer. However, if the thickness of the insulator 6 is large, the distance between the conductor 5 and each of the magnetic layers increases, and the magnetic field applied to the magnetic layer decreases. It is better to be as thin as possible. In the present embodiment, the current is not supplied to the magnetic layer during recording, but is supplied to the conductor 5, so that the resistance is reduced, the power consumption can be reduced, and the responsiveness is excellent.
【0024】次に、磁性薄膜メモリ素子に情報を記録す
る具体的な方法について説明する。まず、メモリ素子に
情報を記録するにはメモリ素子の膜面に対して垂直方向
に電流を供給する。即ち、電流を磁化方向に対して垂直
になるように供給し、この電流により生じる磁界によっ
てメモリ層の磁化方向を決定し、“0”と“1”の情報
を記録する。この場合、流す電流の向きによって発生す
る磁場の向きが異なるので、例えばメモリ素子の上から
下に電流を供給すると、メモリ素子の上部から見て時計
回りの方向に磁界が発生し、磁化は時計回りの方向に配
向する。一方、メモリ素子の下から上に電流を供給する
と、メモリ素子の上部から見て反時計回りに磁界が発生
し、磁化は反時計回りの方向に配向する。Next, a specific method for recording information on the magnetic thin film memory element will be described. First, in order to record information in a memory element, a current is supplied in a direction perpendicular to the film surface of the memory element. That is, a current is supplied so as to be perpendicular to the magnetization direction, the magnetization direction of the memory layer is determined by the magnetic field generated by the current, and information "0" and "1" is recorded. In this case, the direction of the magnetic field generated differs depending on the direction of the flowing current.For example, when a current is supplied from the top to the bottom of the memory element, a magnetic field is generated in a clockwise direction when viewed from above the memory element, and the magnetization is clockwise. Orient in the surrounding direction. On the other hand, when a current is supplied from below to above the memory element, a magnetic field is generated counterclockwise when viewed from above the memory element, and the magnetization is oriented in the counterclockwise direction.
【0025】実際に情報を記録する場合は、前述のよう
な第1のタイプ「メモリ層(第1の磁性層1)、非磁性
層3、ピン層(第2の磁性層2)」と、第2のタイプ
「(検出層(第1の磁性層1)、非磁性層3、メモリ層
(第2の磁性層2)」で記録方法が異なっている。第1
のタイプの構成では、流す電流の大きさをピン層(第2
の磁性層2)の磁化反転磁界より小さく、メモリ層(第
1の磁性層1)の磁化反転磁界よりも大きい磁界を発生
するように設定することにより、メモリ層(第1の磁性
層1)にその磁化の向きに応じて“0”、“1”の情報
を記録することができる。また、第2のタイプの場合
は、流す電流の大きさをメモリ層(第2の磁性層2)の
磁化反転磁界よりも大きい磁界が発生するように設定す
ることにより、メモリ層にその磁化の向きに応じて
“0”、“1”の情報を記録することができる。When information is actually recorded, the first type "memory layer (first magnetic layer 1), non-magnetic layer 3, pinned layer (second magnetic layer 2)" as described above is used. The recording method differs between the second type “(detection layer (first magnetic layer 1), non-magnetic layer 3, and memory layer (second magnetic layer 2)”).
In the configuration of the type (1), the magnitude of the flowing current is
Of the memory layer (first magnetic layer 1) by generating a magnetic field smaller than the magnetization reversal magnetic field of the magnetic layer 2) and larger than the magnetization reversal magnetic field of the memory layer (first magnetic layer 1). The information "0" and "1" can be recorded in accordance with the direction of the magnetization. In the case of the second type, the magnitude of the current flowing is set so that a magnetic field larger than the magnetization reversal magnetic field of the memory layer (the second magnetic layer 2) is generated. Information "0" and "1" can be recorded according to the direction.
【0026】次に、磁性薄膜メモリの記録情報を再生す
る具体的な方法について説明する。まず、情報の再生
は、メモリ素子の膜面に対して垂直方向に、第1の磁性
層1、非磁性層3、第2の磁性層2の順、もしくは第2
の磁性層2、非磁性層3、第1の磁性層1の順に電流を
供給する。そして、メモリ素子の第1の磁性層1と第2
の磁性層2間の抵抗値を測定することにより、“0”と
“1”の磁化情報を検出する。即ち、第1の磁性層1と
第2の磁性層2の磁化方向が同方向の場合は、第1,第
2の磁性層間の抵抗値は小さく、反対方向の場合は抵抗
値が大きいので、この抵抗値の違いによって情報を判別
する。もしくは、メモリ素子の膜面に対して水平方向に
電流を供給して、同様に抵抗値の違いを検出する。Next, a specific method for reproducing recorded information in the magnetic thin film memory will be described. First, information is reproduced in the direction perpendicular to the film surface of the memory element in the order of the first magnetic layer 1, the non-magnetic layer 3, the second magnetic layer 2, or the second magnetic layer 2,
The current is supplied in the order of the magnetic layer 2, the nonmagnetic layer 3, and the first magnetic layer 1. Then, the first magnetic layer 1 and the second
By measuring the resistance value between the magnetic layers 2, the magnetization information “0” and “1” is detected. That is, when the magnetization directions of the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 2 are the same, the resistance value between the first and second magnetic layers is small, and when the magnetization directions are opposite, the resistance value is large. Information is determined based on the difference between the resistance values. Alternatively, a current is supplied in the horizontal direction to the film surface of the memory element, and a difference in resistance value is similarly detected.
【0027】また、読み出し方法は、メモリ素子の第1
のタイプと第2のタイプで異っている。まず、第1のタ
イプの場合は、メモリ素子の膜面に対し垂直方向に記録
時よりも小さい読み取り用の電流を供給し、第1,第2
の磁性層1,2間の抵抗値を測定する。この場合は、第
2の磁性層2の磁化は固定されているので、第1の磁性
層1に記録された磁化方向に対応して第1,第2の磁性
層1,2間の抵抗値が変化し、その抵抗値によって記録
情報を再生する。なお、この場合は、磁性層の磁化反転
は必要ない。Further, the reading method is the same as the first method,
And the second type are different. First, in the case of the first type, a reading current smaller than that at the time of recording is supplied in a direction perpendicular to the film surface of the memory element, and the first and second currents are supplied.
The resistance value between the magnetic layers 1 and 2 is measured. In this case, since the magnetization of the second magnetic layer 2 is fixed, the resistance value between the first and second magnetic layers 1 and 2 corresponds to the magnetization direction recorded on the first magnetic layer 1. Changes, and the recorded information is reproduced by the resistance value. In this case, the magnetization reversal of the magnetic layer is not required.
【0028】一方、第2のタイプの場合は、3つの読み
出し方法がある。まず、1つはメモリ素子の膜面に対し
垂直方向に電流を供給し、検出層(第1の磁性層)を反
転させて磁化を一定方向に揃えて初期化する。次いで、
メモリ素子の膜面に対し垂直方向に検出層が反転しない
程度の弱い読み取り用の電流を供給し、第1,第2の磁
性層1,2間の抵抗値を測定する。この方法は、検出層
の保磁力が小さく、その磁化がランダムに配向している
ような素子に対して有効である。On the other hand, in the case of the second type, there are three reading methods. First, a current is supplied in a direction perpendicular to the film surface of the memory element, and the detection layer (first magnetic layer) is inverted to initialize the magnetization in a certain direction. Then
A weak reading current is supplied so that the detection layer is not inverted in the direction perpendicular to the film surface of the memory element, and the resistance between the first and second magnetic layers 1 and 2 is measured. This method is effective for an element in which the coercive force of the detection layer is small and the magnetization is randomly oriented.
【0029】もう1つは、まず、初めにメモリ素子の抵
抗値を測定して、次にメモリ素子の膜面に垂直方向に電
流を供給して、検出層の磁化を所定の方向に配向させ
て、更にメモリ素子の抵抗値を測定する。この際の抵抗
の変化があるかないかで、メモリ素子の磁化情報を検出
することができる。この方法では、記録が完了した後に
検出層とメモリ層の磁化方向は、決められた関係にある
ように設定する。例えば検出層とメモリ層は磁気的相互
作用で、平行磁化状態が安定となるようにして、初めに
測定する抵抗値は、平行磁化状態の抵抗値とする。これ
は、例えばスピントンネル型において非磁性層の膜厚を
10Å〜20Å程度の膜厚とすることにより達成され
る。The other is to first measure the resistance of the memory element, and then supply a current perpendicular to the film surface of the memory element to orient the magnetization of the detection layer in a predetermined direction. Then, the resistance value of the memory element is measured. The magnetization information of the memory element can be detected depending on whether or not the resistance changes at this time. In this method, after the recording is completed, the magnetization directions of the detection layer and the memory layer are set so as to have a predetermined relationship. For example, the detection layer and the memory layer are magnetically interacted so that the parallel magnetization state is stabilized, and the resistance value measured first is the resistance value in the parallel magnetization state. This is achieved, for example, by setting the thickness of the nonmagnetic layer in the spin tunnel type to about 10 to 20 degrees.
【0030】最後の1つは、メモリ素子に一方の方向か
ら膜面に対し垂直方向に電流を供給し、第1,第2の磁
性層1,2間の抵抗変化を読み取る。次に、メモリ素子
に先の方向とは反対方向に電流を供給し、第1,第2の
磁性層1,2間の抵抗変化を読み取り、得られた抵抗変
化によって記録情報を判別する。電流の大きさは検出層
のみを反転させる電流とする。また、いずれの方法の場
合もメモリ層(第2の磁性層)が反転しないようにする
ことが必要である。In the last one, a current is supplied to the memory element from one direction in a direction perpendicular to the film surface, and a resistance change between the first and second magnetic layers 1 and 2 is read. Next, a current is supplied to the memory element in a direction opposite to the previous direction, a resistance change between the first and second magnetic layers 1 and 2 is read, and recorded information is determined based on the obtained resistance change. The magnitude of the current is a current for inverting only the detection layer. In either case, it is necessary to prevent the memory layer (second magnetic layer) from being inverted.
【0031】本実施形態では、前述のように再生時に電
流を膜面に対して垂直に流すCPP(Current Perpendi
cular to the film Plane)−MR(Magneto-Resistanc
e) 効果、もしくは膜面に平行に電流を流すCIP(Cur
rent In-Plane to the film Plane) −MR効果を用い
ている。なお、上述で、磁性層の磁化方向を定めるため
に膜面に垂直に流す電流と、メモリ素子の抵抗値を測定
するために流す電流は、図1、図6に示すメモリ素子で
は同一の電流経路をとる。In this embodiment, as described above, during reproduction, a current is supplied perpendicularly to the film surface (CPP).
cular to the film Plane)-MR (Magneto-Resistanc)
e) Effect or CIP (Cur
(rent In-Plane to the film Plane)-The MR effect is used. As described above, the current flowing perpendicular to the film surface for determining the magnetization direction of the magnetic layer and the current flowing for measuring the resistance value of the memory element are the same current in the memory elements shown in FIGS. Take the route.
【0032】また、図7に示すメモリ素子の構成では、
磁化方向を定める電流は導電体5に流し、抵抗値を測定
する電流は第1の磁性層1と第2の磁性層2間に流す。
この場合の最適な実施形態を、第4、第5の実施形態と
してそれぞれ図11、図12に示す。図11は第4の実
施形態のメモリ素子の断面図を示したものであるが、こ
の構成では、磁化方向を定める場合は、導電体71と7
2の間に電位差を設けて導電体5に電流を流す。メモリ
素子の抵抗値を測定する場合は、第1の磁性層1の上面
に設けられた導電体からなる電極61、63と、第2の
磁性層2の下面に設けられた導電体からなる電極62と
64の間に電流を流す。これは、CPP検出の場合であ
り、後述するスピントンネルとスピン散乱の両タイプの
素子を検出する時に用いられる。In the configuration of the memory element shown in FIG.
A current for determining the magnetization direction is passed through the conductor 5, and a current for measuring the resistance value is passed between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 2.
The optimal embodiments in this case are shown in FIGS. 11 and 12 as fourth and fifth embodiments, respectively. FIG. 11 is a cross-sectional view of the memory element according to the fourth embodiment. In this configuration, when the magnetization direction is determined, the conductors 71 and 7 are used.
A current is applied to the conductor 5 by providing a potential difference between the two. When measuring the resistance value of the memory element, the electrodes 61 and 63 made of a conductor provided on the upper surface of the first magnetic layer 1 and the electrodes made of the conductor provided on the lower surface of the second magnetic layer 2 A current is passed between 62 and 64. This is the case of CPP detection, and is used when detecting both types of elements, spin tunneling and spin scattering, which will be described later.
【0033】図12の構成は、第5の実施形態のメモリ
素子の断面図を示しているが、この構成では、図11の
電極62と64を削除しており、抵抗値を測定する場合
には電極61と電極63に電流を流す。この場合は、C
IP検出であり、後述するスピン散乱のタイプの素子を
検出する場合に用いられる。スピン散乱の素子は磁性層
の膜厚が薄く、CPP検出では抵抗値が小さいため、望
ましくはCIP検出を用いるのが良い。The configuration of FIG. 12 is a cross-sectional view of the memory element of the fifth embodiment. In this configuration, the electrodes 62 and 64 of FIG. Supplies a current to the electrodes 61 and 63. In this case, C
This is IP detection, and is used when detecting an element of a spin scattering type described later. Since the spin scattering element has a thin magnetic layer and a small resistance value in CPP detection, it is preferable to use CIP detection.
【0034】次に、磁性薄膜メモリ素子の第1,第2の
磁性層、非磁性層の材料及びそれらの膜厚について説明
する。ここで、メモリ素子膜構成として、スピントンネ
ル膜構成とスピン散乱膜構成を採ることができ、これ
は、前述の第1のタイプの「メモリ層/非磁性層/ピン
層」、第2のタイプの「検出層/非磁性層/メモリ層」
のいずれの構成にも適用できる。但し、スピントンネル
膜構成とスピン散乱膜構成では、スピントンネル膜構成
を用いることが望ましい。これは、スピントンネル膜構
成では、大きな磁気抵抗(MR)比が得られ、また、そ
の抵抗値を1kΩ以上と抵抗値を大きくすることがで
き、半導体スイッチング素子のオン抵抗(約1kΩ程
度)のばらつきの影響を受けにくいためである。また、
後述するようにスピントンネル膜は、磁性膜を比較的厚
くすることができるため、図1,図6,図7のいずれの
実施形態にも採用できるが、スピン散乱膜は全磁性層及
び非磁性層の膜厚を0.05μm以上に厚くすることが
難しいため、図6もしくは図7の実施形態に用いるのが
望ましい。Next, the materials of the first and second magnetic layers and the non-magnetic layer of the magnetic thin film memory element and their thicknesses will be described. Here, as the memory element film configuration, a spin tunnel film configuration and a spin scattering film configuration can be adopted, which are described in the first type “memory layer / non-magnetic layer / pin layer” and the second type. "Detection layer / Nonmagnetic layer / Memory layer"
Can be applied to any of the configurations. However, the spin tunnel film configuration and the spin scattering film configuration preferably use the spin tunnel film configuration. This is because in the spin tunnel film configuration, a large magnetoresistance (MR) ratio can be obtained, and the resistance can be increased to 1 kΩ or more, and the ON resistance (about 1 kΩ) of the semiconductor switching element can be reduced. This is because they are less susceptible to variations. Also,
As will be described later, the spin tunneling film can be employed in any of the embodiments of FIGS. 1, 6 and 7 because the magnetic film can be made relatively thick. Since it is difficult to increase the thickness of the layer to 0.05 μm or more, it is desirable to use the layer in the embodiment of FIG. 6 or FIG.
【0035】第1の磁性層、第2の磁性層は、Ni、F
e、Coの少なくとも一種を主成分として用いるか、C
oFeを主成分とするアモルファス合金として用いるの
が望ましい。例えば、NiFe、NiFeCo、Fe、
FeCo、Co、CoFeBなどの磁性膜からなる。The first magnetic layer and the second magnetic layer are made of Ni, F
e or at least one of Co as a main component,
It is desirable to use it as an amorphous alloy containing oFe as a main component. For example, NiFe, NiFeCo, Fe,
It is made of a magnetic film such as FeCo, Co, and CoFeB.
【0036】(第1の磁性層の材料)第1の磁性層は、
第2の磁性層よりも低い保磁力を有する。このため、第
1の磁性層には、Niを含む軟磁性膜が望ましく、具体
的には、特にNiFe、NiFeCoを主成分として用
いるのが望ましい。また、FeCoでFe組成の多い磁
性膜、CoFeBなどの保磁力の低いアモルファス磁性
膜でも良い。(Material of First Magnetic Layer) The first magnetic layer
It has a lower coercive force than the second magnetic layer. For this reason, a soft magnetic film containing Ni is desirable for the first magnetic layer, and specifically, it is particularly desirable to use NiFe or NiFeCo as a main component. Further, a magnetic film of FeCo having a large Fe composition or an amorphous magnetic film having a low coercive force such as CoFeB may be used.
【0037】NiFeCoの原子組成比は、NixFe
yCozとした場合、xは40以上95以下、yは0以
上40以下、zは0以上50以下、好ましくはxは50
以上90以下、yは0以上30以下、zは0以上40以
下、更に好ましくはxは60以上85以下、yは10以
上25以下、zは0以上30以下が良い。The atomic composition ratio of NiFeCo is NixFe
When yCoz is used, x is 40 or more and 95 or less, y is 0 or more and 40 or less, z is 0 or more and 50 or less, and preferably x is 50 or less.
90 or less, y is 0 or more and 30 or less, z is 0 or more and 40 or less, more preferably x is 60 or more and 85 or less, y is 10 or more and 25 or less, and z is 0 or more and 30 or less.
【0038】また、FeCoの原子組成は、FexCo
100-x とした場合、xは50以上100以下、好ましく
はxは60以上90以下が良い。また、CoFeBの原
子組成は、(Cox Fe100-x )100-y By とした場
合、xは86以上93以下、yは10以上25以下が良
い。The atomic composition of FeCo is FexCo
In the case of 100-x , x is 50 or more and 100 or less, preferably x is 60 or more and 90 or less. The atomic composition of the CoFeB is, (Co x Fe 100-x ) when the 100-y B y, x is 86 or more 93 or less, y is good 10 to 25.
【0039】(第2の磁性層の材料)第2の磁性層は、
第1の磁性層よりも高い保磁力を有する。例として、第
1の磁性層と比較してCoを多く含む磁性膜が望まし
い。NixFeyCozは、それぞれ原子組成比で、x
は0以上40以下、yは0以上50以下、zは20以上
95以下、好ましくはxは0以上30以下、yは5以上
40以下、zは40以上90以下、更に好ましくはxは
5以上20以下、yは10以上30以下、zは50以上
85以下が良い。FexCo100-x は、原子組成比で、
xは0以上50以下が良い。また、第2の磁性層に保磁
力の精著、耐食性の向上などの目的でPt等の添加元素
を加えても良い。(Material of the Second Magnetic Layer)
It has a higher coercive force than the first magnetic layer. As an example, a magnetic film containing more Co than the first magnetic layer is desirable. NixFeyCoz is an atomic composition ratio, x
Is 0 or more and 40 or less, y is 0 or more and 50 or less, z is 20 or more and 95 or less, preferably x is 0 or more and 30 or less, y is 5 or more and 40 or less, z is 40 or more and 90 or less, and more preferably x is 5 or more. 20 or less, y is 10 or more and 30 or less, and z is preferably 50 or more and 85 or less. FexCo 100-x is an atomic composition ratio,
x is preferably 0 or more and 50 or less. Further, an additional element such as Pt may be added to the second magnetic layer for the purpose of improving the coercive force and improving the corrosion resistance.
【0040】スピントンネル膜構成の場合、第1,第2
の磁性層1,2間の非磁性層3として薄い絶縁層を用
い、再生時に電流を膜面に対し垂直方向に供給する際に
第1磁性層1から第2磁性層2へ電子のトンネル現象が
起きるようにする。このようなスピントンネル型の磁性
薄膜メモリ素子は、強磁性体金属において伝導電子がス
ピン偏極を起こしているため、フェルミ面における上向
きスピンと下向きスピンの電子状態が異なっており、こ
のような強磁性体金属を用いて強磁性体と絶縁体と強磁
性体からなる強磁性トンネル接合を形成すると、伝導電
子はそのスピンを保ったままトンネルするため、両磁性
層1,2の磁化状態によってトンネル確率が変化し、そ
れがトンネル抵抗の変化となって現われる。これによ
り、第1磁性層1と第2磁性層2の磁化方向が同方向の
場合は第1,第2の磁性層1,2間の抵抗が小さく、第
1磁性層1と第2磁性層2の磁化方向が反対方向の場合
は抵抗が大きくなる。In the case of the spin tunnel film configuration, the first and second
A thin insulating layer is used as the non-magnetic layer 3 between the magnetic layers 1 and 2, and when a current is supplied in the direction perpendicular to the film surface during reproduction, electron tunneling from the first magnetic layer 1 to the second magnetic layer 2 occurs. To get up. In such a spin tunneling type magnetic thin film memory element, the conduction state of a ferromagnetic metal causes spin polarization, so that the electronic states of the upward spin and the downward spin on the Fermi surface are different from each other. When a ferromagnetic tunnel junction composed of a ferromagnetic material, an insulator, and a ferromagnetic material is formed using a magnetic metal, conduction electrons tunnel while maintaining their spins. The probability changes, which manifests as a change in tunnel resistance. Thus, when the magnetization directions of the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 2 are the same, the resistance between the first and second magnetic layers 1 and 2 is small, and the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer In the case where the magnetization directions of Nos. 2 and 3 are opposite, the resistance increases.
【0041】上向きスピンと下向きスピンの状態密度の
差が大きい方がこの抵抗値は大きくなり、より大きな再
生信号が得られるので、第1磁性層1と第2磁性層2は
スピン分極率の高い磁性材料を用いることが望ましい。
具体的には、第1磁性層1と第2磁性層2は、フェルミ
面における上下スピンの偏極量が大きいFeを選定し、
Coを第2成分として選定する。より具体的には、F
e,Co,Niを主成分とした材料から選択して用いる
ことが望ましい。好ましくは、Fe,Co,FeCo,
NiFe,NiFeCo等が良い。具体的には、Fe,
Co,Ni72Fe 28,Ni51Fe49,Ni42Fe58,N
i25Fe75,Ni9 Fe91等が挙げられる。更に、第1
磁性層1は保磁力を小さくするために、NiFe、Ni
FeCo、Fe等がより望ましく、また、第2磁性層2
は保磁力を大きくするために、Coを主成分とする材料
が望ましい。The density of states of the upward spin and the downward spin is
The greater the difference, the greater this resistance value,
Since a raw signal is obtained, the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 2
It is desirable to use a magnetic material having a high spin polarizability.
Specifically, the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 2
Select Fe with a large amount of vertical spin polarization on the surface,
Co is selected as the second component. More specifically, F
e, Co, Ni
It is desirable. Preferably, Fe, Co, FeCo,
NiFe, NiFeCo and the like are good. Specifically, Fe,
Co, Ni72Fe 28, Ni51Fe49, Ni42Fe58, N
itwenty fiveFe75, Ni9Fe91And the like. Furthermore, the first
The magnetic layer 1 is made of NiFe, Ni to reduce coercive force.
FeCo, Fe, etc. are more desirable, and the second magnetic layer 2
Is a material containing Co as the main component to increase the coercive force.
Is desirable.
【0042】次に、磁性薄膜メモリ素子の第1磁性層1
及び第2磁性層2の膜厚は、100Åを超え、5000
Å以下であることが望ましい。これは、第1に、非磁性
層3に酸化物を用いる場合、酸化物の影響で磁性層の非
磁性層側の界面の磁性が弱まり、この影響が膜厚が薄い
場合大きいことが挙げられる。第2に、酸化アルミニウ
ムの非磁性層をAlを成膜した後に酸素を導入して酸化
させて作成する場合、アルミニウムが数10Å残り、こ
の影響が磁性層が100Å以下である場合、大きくなっ
て適切なメモリ特性が得られないためである。第3に、
特にサブミクロンにメモリ素子を微細化した場合、第1
の磁性層1のメモリ保持性能が、また、第2の磁性層2
の一定の磁化の保持機能が衰えるからである。また、厚
すぎるとセルの抵抗値が大きくなりすぎる等の問題があ
るので、5000Å以下が望ましく、より望ましくは1
000Å以下が良い。Next, the first magnetic layer 1 of the magnetic thin film memory element
And the thickness of the second magnetic layer 2 exceeds 100 ° and 5000
Å It is desirable to be less than or equal to. First, when an oxide is used for the non-magnetic layer 3, the magnetism at the interface of the magnetic layer on the non-magnetic layer side is weakened by the influence of the oxide, and this effect is large when the film thickness is small. . Second, when a nonmagnetic layer of aluminum oxide is formed by depositing Al and then oxidizing by introducing oxygen, aluminum remains in the order of several tens of degrees, and this effect increases when the magnetic layer is less than 100 degrees. This is because appropriate memory characteristics cannot be obtained. Third,
In particular, when the memory element is miniaturized to submicron,
Memory holding performance of the second magnetic layer 2
This is because the function of maintaining the constant magnetization of the above-mentioned is weakened. On the other hand, if the thickness is too large, the resistance of the cell becomes too large.
It is good to be less than 000Å.
【0043】次に、非磁性層3の材料について説明する
と、まず、スピントンネリングによる磁気抵抗効果を用
いており、非磁性層3は電子がスピンを保持してトンネ
ルするために、絶縁層でなければならない。非磁性層3
の全部が絶縁層であってもその一部が絶縁層であっても
よい。一部を絶縁層にしてその厚みを極小にすることに
より、磁気抵抗効果を更に高めることができる。また、
非磁性層3として非磁性金属膜を酸化させた酸化層にす
る例としては、Al膜の一部を空気中で酸化させてAl
2 O3 層を形成する例が挙げられる。非磁性層3は絶縁
体からなり、好ましくは、酸化アルミニウムAlOx ,
窒化アルミニウムAlNx ,酸化シリコンSiOx ,窒
化シリコンSiNx であるのが望ましい。また、NiO
x を主成分としてもよい。これは、スピントンネルが起
きるには、第1の磁性層1と第2の磁性層2の伝導電子
のエネルギーに適切なポテンシャルバリアーが存在する
ことが必要であるが、NiOx を主成分とする場合は、
このバリアーを得ることが比較的容易で、製造上も有利
であるからである。Next, the material of the non-magnetic layer 3 will be described. First, the magneto-resistance effect by spin tunneling is used. The non-magnetic layer 3 must be an insulating layer because electrons hold a spin and tunnel. Must. Non-magnetic layer 3
May be an insulating layer or a part thereof may be an insulating layer. The magnetoresistive effect can be further enhanced by forming a part of the insulating layer and minimizing its thickness. Also,
As an example in which the nonmagnetic layer 3 is formed as an oxidized layer obtained by oxidizing a nonmagnetic metal film, a part of the Al film is oxidized in air to form an Al layer.
An example of forming a 2 O 3 layer is given. The non-magnetic layer 3 is made of an insulator, preferably, aluminum oxide AlO x ,
It is desirable to use aluminum nitride AlN x , silicon oxide SiO x , and silicon nitride SiN x . Also, NiO
x may be the main component. This means that in order for spin tunneling to occur, it is necessary that an appropriate potential barrier exists for the energy of the conduction electrons in the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 2, but NiO x is the main component. If
This is because it is relatively easy to obtain this barrier, and it is advantageous in production.
【0044】また、非磁性層3の膜厚としては、数10
Å程度の均一な層であって、その絶縁部分の膜厚は5Å
以上30Å以下であることが望ましい。即ち、5Å未満
である場合、第1の磁性層1と第2の磁性層2が電気的
にショートしてしまう可能性があるからであり、30Å
を超えると電子のトンネル現象が起きにくくなるからで
ある。更に、望ましくは4Å以上25Å以下がよく、よ
り望ましくは6Å以上18Å以下がよい。The thickness of the non-magnetic layer 3 is expressed by several tens.
It is a uniform layer of about Å, and the thickness of the insulating part is 5Å
It is desirable that the angle is not less than 30 °. That is, if it is less than 5 °, the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 2 may be electrically short-circuited, and 30 °
This is because if the value exceeds, electron tunneling becomes difficult to occur. Further, it is preferably 4 ° or more and 25 ° or less, more preferably 6 ° or more and 18 ° or less.
【0045】次に、スピン散乱膜構成の場合は、スピン
依存散乱によって生じる磁気抵抗効果を用い、このスピ
ン依存散乱による磁気抵抗効果を得るためには非磁性層
3として良導体からなる金属層を用いるのがよい。この
スピン依存散乱による磁気抵抗効果は、伝導電子の散乱
がスピンによって大きく異なることに由来している。即
ち、磁化と同じ向きのスピンを持つ伝導電子はあまり散
乱されないため抵抗が小さくなるが、磁化と反対向きの
スピンを持つ伝導電子は散乱によって抵抗が大きくな
る。そのため、第1の磁性層1と第2の磁性層2の磁化
が反対向きである場合、同じ向きである場合の抵抗値よ
りも大きくなる。Next, in the case of a spin-scattering film configuration, a magnetoresistance effect caused by spin-dependent scattering is used. To obtain the magnetoresistance effect by spin-dependent scattering, a metal layer made of a good conductor is used as the nonmagnetic layer 3. Is good. The magnetoresistive effect due to the spin-dependent scattering is derived from the fact that the scattering of conduction electrons differs greatly depending on the spin. In other words, conduction electrons having spins in the same direction as the magnetization are not scattered so much that the resistance is small. However, conduction electrons having spins in the opposite direction to the magnetization have a large resistance due to scattering. Therefore, when the magnetization of the first magnetic layer 1 and the magnetization of the second magnetic layer 2 are in opposite directions, the resistance value becomes larger than when the magnetizations are in the same direction.
【0046】スピン依存散乱膜構成の場合の第1の磁性
層1、第2の磁性層2、非磁性層3について説明する。
まず、第1の磁性層1は第2の磁性層2と環状ループを
形成するとともに、第2の磁性層2に保存された磁化情
報を巨大磁気抵抗効果を利用して読み出すためのもので
ある。第1の磁性層1はNi,Fe,Coを主成分とし
て用いるか、Co,Feを主成分とするアモルファス合
金として用いることが望ましい。例えば、NiFe,N
iFeCo,FeCo,CoFeBなどの磁性膜が挙げ
られる。また、Co84Fe9 B7 、Co72Fe8 B20等
の組成を持つCoFeB等のアモルファス磁性体を用い
てもよい。The first magnetic layer 1, the second magnetic layer 2, and the nonmagnetic layer 3 in the case of the spin-dependent scattering film configuration will be described.
First, the first magnetic layer 1 forms an annular loop with the second magnetic layer 2 and reads out magnetization information stored in the second magnetic layer 2 by utilizing the giant magnetoresistance effect. . It is desirable that the first magnetic layer 1 use Ni, Fe, Co as a main component or an amorphous alloy containing Co, Fe as a main component. For example, NiFe, N
Magnetic films such as iFeCo, FeCo, and CoFeB are exemplified. Further, an amorphous magnetic material such as CoFeB having a composition such as Co 84 Fe 9 B 7 or Co 72 Fe 8 B 20 may be used.
【0047】第2の磁性層2は主に磁化情報を保存する
ための磁性層であり、“0”,“1”の情報に応じて磁
化の向きが決定される。第2の磁性層2は第1の磁性層
1と同じく巨大磁気抵抗効果が効率的に発生すること、
安定に磁化状態を保存できることが必要である。第2の
磁性層2としては、Fe、Coを主成分とする磁性層を
用い、例えば、Fe,FeCo,Co等の磁性膜が用い
られる。また、Pt等の添加元素を加えても良い。Co
にFeを添加すると保磁力は小さくなり、Ptを添加す
ると保磁力は大きくなるので、第2の磁性層2を例えば
Co100-x-y Fex Pty として元素組成x及びyを調
節して保磁力を制御することもできる。同様に第1の磁
性層1の保磁力もFe,Coの組成比及びPt等の添加
元素の量で調節することができる。The second magnetic layer 2 is a magnetic layer mainly for storing magnetization information, and the direction of magnetization is determined according to information "0" and "1". The second magnetic layer 2 efficiently generates a giant magnetoresistance effect similarly to the first magnetic layer 1,
It is necessary to be able to store the magnetization state stably. As the second magnetic layer 2, a magnetic layer containing Fe and Co as main components is used, for example, a magnetic film of Fe, FeCo, Co or the like is used. Further, an additional element such as Pt may be added. Co
Coercive force decreases upon addition of Fe, the coercive force is increased upon addition of Pt, the second magnetic layer 2 for example by adjusting the elemental composition x and y as Co 100-xy Fe x Pt y coercivity Can also be controlled. Similarly, the coercive force of the first magnetic layer 1 can be adjusted by the composition ratio of Fe and Co and the amount of an additional element such as Pt.
【0048】第1の磁性層1の膜厚は散乱型の巨大磁気
抵抗効果が効率よく発生するように設定することが必要
である。CPP−MRでは、スピンの向きを保存して動
ける距離、即ち、スピン拡散長が重要因子となる。具体
的には、第1の磁性層1の膜厚が電子の平均自由行程よ
り大幅に大きくなると、フォノン散乱を受けてその効果
が薄れるため、少なくとも200Å以下であることが望
ましい。更に好ましくは150Å以下が良い。しかし、
薄すぎるとセルの抵抗値が小さくなり、再生信号出力が
減少し、また磁化を保持できなくなるので、20Å以上
が望ましく、更には80Å以上が望ましい。It is necessary to set the thickness of the first magnetic layer 1 so that the scattering type giant magnetoresistance effect occurs efficiently. In the CPP-MR, the distance that can move while preserving the spin direction, that is, the spin diffusion length is an important factor. Specifically, if the thickness of the first magnetic layer 1 is significantly larger than the mean free path of electrons, the effect is reduced due to phonon scattering, so that the thickness is desirably at least 200 ° or less. More preferably, the angle is 150 ° or less. But,
If the thickness is too small, the resistance value of the cell decreases, the output of the reproduced signal decreases, and the magnetization cannot be maintained.
【0049】第2の磁性層2の膜厚も第1の磁性層1の
場合と同様に散乱型の巨大磁気抵抗効果が効率よく発生
するように設定することが必要であり、少なくとも20
0Å以下であることが望ましい。更に好ましくは150
Å以下が良い。しかし、あまり薄すぎるとメモリ保持性
能が劣化し、再生信号出力が減少してセルの抵抗値が小
さくなり、磁化を保持できなくなるので、20Å以上が
望ましく、更には80Å以上が望ましい。The thickness of the second magnetic layer 2 needs to be set so that the scattering type giant magnetoresistance effect can be efficiently generated, as in the case of the first magnetic layer 1.
Desirably, it is 0 ° or less. More preferably 150
Å The following is good. However, if the thickness is too small, the memory holding performance deteriorates, the output of the reproduced signal decreases, the resistance value of the cell becomes small, and the magnetization cannot be held.
【0050】非磁性層3は良導体からなり、好ましくは
Cuを主成分として用いるのが、磁性層とフェルミエネ
ルギー準位が近く、密着性もよいため、磁化方向が変わ
るときに界面で抵抗が生じ易く大きな磁気抵抗比を得る
のに好都合である。また、非磁性層3の膜厚は5Å以上
60Å以下であることが望ましい。また、第1の磁性層
1と非磁性層3の間、もしくは第2の磁性層2と非磁性
層3の間、もしくは第1の磁性層1と非磁性層3の間及
び第2の磁性層2と非磁性層3の間にCoを主成分とす
る磁性層と設けると、磁気抵抗比が高くなるため、より
高いS/N比が得られるため望ましい。この場合のCo
を主成分とする層の厚みは20Å以下が好ましく、また
効果を発揮させるためには5Å以上が好ましい。また、
S/Nを向上させるために、第1の磁性層1/非磁性層
3/第2の磁性層2/非磁性層3を1つのユニットとし
て、このユニットを積層しても良い。積層する組数は多
い程MR比が大きくなり好ましいが、余り多くするとM
R磁性層が厚くなり電流を多く必要とするため、積層の
回数は40組以下、更に好ましくは3〜20組程度に設
けるのがよい。The nonmagnetic layer 3 is made of a good conductor, and preferably uses Cu as a main component. Since the Fermi energy level is close to that of the magnetic layer and the adhesion is good, resistance is generated at the interface when the magnetization direction changes. This is convenient for easily obtaining a large magnetoresistance ratio. It is desirable that the thickness of the nonmagnetic layer 3 be 5 ° or more and 60 ° or less. Further, between the first magnetic layer 1 and the non-magnetic layer 3, between the second magnetic layer 2 and the non-magnetic layer 3, between the first magnetic layer 1 and the non-magnetic layer 3, and between the first magnetic layer 1 and the non-magnetic layer 3. It is desirable to provide a magnetic layer containing Co as a main component between the layer 2 and the nonmagnetic layer 3 because a higher magnetoresistance ratio and a higher S / N ratio can be obtained. Co in this case
The thickness of the layer containing as a main component is preferably 20 ° or less, and more preferably 5 ° or more for exhibiting the effect. Also,
In order to improve the S / N, the first magnetic layer 1 / non-magnetic layer 3 / second magnetic layer 2 / non-magnetic layer 3 may be stacked as one unit. The larger the number of sets to be stacked, the higher the MR ratio, which is preferable.
Since the R magnetic layer becomes thick and requires a large amount of current, the number of laminations is preferably 40 or less, more preferably about 3 to 20.
【0051】第1,第2の磁性層1,2の保磁力の制御
は、例えば、CoにFeを添加すると保磁力は小さくな
り、Ptを添加すると保磁力は大きくなるので、例えば
Co 100-x-y Fex Pty として元素組成x及びyを調
節して保磁力を制御すればよい。また、成膜時の基板温
度を高くすることによっても保磁力を高めることができ
るので、別の保磁力の制御方法として成膜時の基板温度
を調節してもよい。この方法と前述した強磁性薄膜の組
成を調節する方法とを組合せてもよい。Control of coercive force of first and second magnetic layers 1 and 2
For example, when Fe is added to Co, the coercive force decreases.
The addition of Pt increases the coercive force.
Co 100-xyFexPtyAdjust elemental composition x and y as
What is necessary is just to control the coercive force. In addition, the substrate temperature during film formation
The coercive force can also be increased by increasing the degree
Therefore, another method of controlling the coercive force is to control the substrate temperature during film formation.
May be adjusted. This method and the set of ferromagnetic thin films described above
It may be combined with a method of adjusting the composition.
【0052】なお、本発明は、図1,図6,図7の構成
に限ることなく、第2の磁性層2の非磁性層3と反対側
の面に接して反強磁性層を設け、この反強磁性層と第2
の磁性層2が交換結合して第2の磁性層2の磁化を固定
してもよい。反強磁性層との交換結合によって、第2の
磁性層2の保磁力を大きくすることが可能となる。この
場合、第1の磁性層1と第2の磁性層2に同じ材料を用
いることも可能であるので、保磁力を大きくするために
MR比を犠牲にするといったことがなく、材料の選択の
幅が広がる。反強磁性層としては酸化ニッケルNiO、
鉄マンガンFeMn、酸化コバルトCoOなどを用いる
ことができる。The present invention is not limited to the structure shown in FIGS. 1, 6, and 7, and an antiferromagnetic layer is provided in contact with the surface of the second magnetic layer 2 on the side opposite to the nonmagnetic layer 3. This antiferromagnetic layer and the second
May be exchange-coupled to fix the magnetization of the second magnetic layer 2. The exchange coupling with the antiferromagnetic layer makes it possible to increase the coercive force of the second magnetic layer 2. In this case, since the same material can be used for the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 2, there is no need to sacrifice the MR ratio to increase the coercive force. The width expands. Nickel oxide NiO as the antiferromagnetic layer,
Iron manganese FeMn, cobalt oxide CoO, or the like can be used.
【0053】次に、前述の通り、メモリ素子への情報の
記録は、記録電流によりメモリ層の磁化反転磁界(保磁
力)より大きい磁界を発生させて行う。よって、記録に
必要な磁界は、メモリ層の保磁力に依存する。以下、本
願発明者は、記録に必要な磁界の大きさを調べるため
に、保磁力の異なるメモリ層を持つメモリ素子を作製し
て評価実験を試みた。Next, as described above, information is recorded in the memory element by generating a magnetic field larger than the magnetization reversal magnetic field (coercive force) of the memory layer by the recording current. Therefore, the magnetic field required for recording depends on the coercive force of the memory layer. Hereinafter, in order to examine the magnitude of the magnetic field required for recording, the present inventor manufactured a memory element having memory layers having different coercive forces and tried an evaluation experiment.
【0054】図7に示すメモリ素子の構成で、直径0.
12μmの導電体5と、内径0.14μm、外径0.3
0μmのNiFe検出層/AlOx/Coメモリ層から
なるメモリセルを、メモリ層の保磁力を2、4、5、1
0、12(Oe)として各々100個づつ作製した。こ
れらのメモリセルに“0”もしくは“1”の記録を行っ
た。書き込み線に流す電流から発生する磁界の大きさ
は、メモリ層の保磁力にほぼ等しいか、やや上回る大き
さとした。導電体5の長さ、即ち電流路の長さは2μm
とした。この後、各セルの情報を再生して、記録情報が
確実に保持されている正常セルと、記録情報が消失して
いる不良セルの各個数を調べた。In the configuration of the memory element shown in FIG.
12 μm conductor 5, inner diameter 0.14 μm, outer diameter 0.3
A memory cell consisting of a 0 μm NiFe detection layer / AlOx / Co memory layer was set to have a coercive force of 2, 4, 5, 1
100 pieces each were manufactured as 0 and 12 (Oe). "0" or "1" was recorded in these memory cells. The magnitude of the magnetic field generated from the current flowing through the write line was set to be almost equal to or slightly larger than the coercive force of the memory layer. The length of the conductor 5, that is, the length of the current path is 2 μm
And Thereafter, the information in each cell was reproduced, and the number of normal cells in which the recorded information was securely held and the number of defective cells in which the recorded information was lost were examined.
【0055】結果を表1に示す。誤り率は全体のセル数
に対する不良セルの割合として定義した。書き込み線電
流から発生する磁界の大きさを、5(Oe)にすると誤
り率は1%になり、10(Oe)以上では0%になっ
た。また、2(Oe)、4(Oe)では、誤り率は各々
50、90%になり、情報の保持は困難であった。誤り
率は、数%程度のレベルであれば、メモリとして誤り訂
正機能の付加で冗長性を持たせることにより、誤り率を
0%ととして正確に記録再生することが可能である。以
上の結果より、書き込み電流磁界は少なくとも5(O
e)以上が必要で、望ましくは10(Oe)以上が良い
ことがわかる。Table 1 shows the results. The error rate was defined as the ratio of defective cells to the total number of cells. The error rate was 1% when the magnitude of the magnetic field generated from the write line current was 5 (Oe), and was 0% when the magnitude was 10 (Oe) or more. Further, in 2 (Oe) and 4 (Oe), the error rates were 50 and 90%, respectively, and it was difficult to hold information. If the error rate is on the order of several percent, it is possible to accurately record and reproduce data with the error rate being 0% by adding redundancy by adding an error correction function as a memory. From the above results, the write current magnetic field is at least 5 (O
e) or more is required, and desirably 10 (Oe) or more is desirable.
【0056】[0056]
【表1】 次に、本願発明者は電流路の長さの上限を調べるために
先の説明と同様の構成のメモリセルを、電流路の長さを
変えて作製し、記録再生実験を行った。電流路の長さ
は、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0μmとし
て各々100個づつ作製した。これらのメモリセルに
“0”もしくは“1”の記録を行い、書き込み線に流す
電流から発生する磁界の大きさは10(Oe)、メモリ
層の保磁力は8(Oe)とした。結果を表2に示す。書
き込みの長さを2μmにすると誤り率は2%になり、
1.0μmでは1%、0.5μmでは0%になった。誤
り率が悪くなったのは、膜厚方向に長い電流路を設けた
ために、隣接するセルに誤記録したためと推定される。
以上の結果より、書き込み線の長さは、少なくとも2μ
m以下が必要で、望ましくは1.0μm以下、更に望ま
しくは0.5μm以下が良いことがわかる。[Table 1] Next, in order to examine the upper limit of the length of the current path, the present inventor manufactured a memory cell having the same configuration as that described above, changing the length of the current path, and performed a recording / reproducing experiment. The length of the current path was 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, and 4.0 μm, and 100 pieces each were manufactured. "0" or "1" was recorded in these memory cells, the magnitude of the magnetic field generated by the current flowing through the write line was 10 (Oe), and the coercive force of the memory layer was 8 (Oe). Table 2 shows the results. If the writing length is 2 μm, the error rate becomes 2%,
The value was 1% at 1.0 μm and 0% at 0.5 μm. It is presumed that the error rate deteriorated because a long current path was provided in the film thickness direction, resulting in erroneous recording in an adjacent cell.
From the above results, the length of the write line is at least 2 μm.
m is required, preferably 1.0 μm or less, and more preferably 0.5 μm or less.
【0057】[0057]
【表2】 [Table 2]
【0058】[0058]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、閉
磁路構造の第1、第2の磁性層を用い、発生する磁界に
よって情報を記録する電流路の長さを0.05μm以
上、2μm以下とすることにより、1ビットのセル幅を
小さくできて集積度を高められるばかりでなく、記録の
ための十分な磁界を発生できるため、安定して情報を記
録でき、安定して情報を保存することができる。As described above, according to the present invention, the length of the current path for recording information by the generated magnetic field using the first and second magnetic layers having the closed magnetic circuit structure is set to 0.05 μm or more. When the thickness is 2 μm or less, not only can the cell width of one bit be reduced and the degree of integration can be increased, but also a sufficient magnetic field for recording can be generated, so that information can be stably recorded and information can be stably recorded. Can be saved.
【図1】本発明の磁性薄膜メモリの第1の実施形態の構
成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a first embodiment of a magnetic thin film memory of the present invention.
【図2】図1の磁性薄膜メモリを用いてメモリを構成す
る場合の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a case where a memory is configured using the magnetic thin film memory of FIG. 1;
【図3】円柱状の電流路を模式的に示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing a cylindrical current path.
【図4】図3の電流路における半径と磁界の関係を電流
路の長さをパラメータとして示す図である。4 is a diagram showing a relationship between a radius and a magnetic field in the current path in FIG. 3 using the length of the current path as a parameter.
【図5】図3の電流路における電流路の長さと最大発生
磁界の関係を示す図である。5 is a diagram showing the relationship between the length of the current path in the current path of FIG. 3 and the maximum generated magnetic field.
【図6】本発明の第2の実施形態を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
【図7】本発明の第3の実施形態を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
【図8】従来例の巨大磁気抵抗効果を用いた磁性薄膜メ
モリ素子を示す図である。FIG. 8 is a view showing a magnetic thin film memory element using a giant magnetoresistance effect of a conventional example.
【図9】図8の磁性薄膜メモリ素子の記録動作を説明す
るための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining a recording operation of the magnetic thin film memory element of FIG.
【図10】図8の磁性薄膜メモリ素子の再生動作を説明
するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a reproducing operation of the magnetic thin film memory device of FIG. 8;
【図11】本発明の磁性薄膜メモリ素子の第4の実施形
態を示す断面図である。FIG. 11 is a sectional view showing a fourth embodiment of the magnetic thin film memory element of the present invention.
【図12】本発明の磁性薄膜メモリ素子の第5の実施形
態を示す断面図である。FIG. 12 is a sectional view showing a fifth embodiment of the magnetic thin film memory element of the present invention.
1 第1の磁性層 2 第2の磁性層 3 非磁性層 4 良導体 5 導電体 6 絶縁体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st magnetic layer 2 2nd magnetic layer 3 Non-magnetic layer 4 Good conductor 5 Conductor 6 Insulator
Claims (8)
の磁性層よりも高い保磁力を有する閉磁路構造の第2の
磁性層とを非磁性層を介して積層して成り、前記第1,
第2の磁性層は左回りもしくは右回りに容易軸を有し、
前記第1,第2の磁性層の磁化方向の相対角度によっ
て、異なる抵抗値を有する磁性薄膜メモリ素子であっ
て、前記第1,第2の磁性層の膜面に対し垂直方向に電
流を供給し、発生する磁界によって情報を記録する電流
路の長さを0.05μm以上、2μm以下とすることを
特徴とする磁性薄膜メモリ素子。A first magnetic layer having a closed magnetic circuit structure;
And a second magnetic layer having a closed magnetic circuit structure having a higher coercive force than the magnetic layer of
The second magnetic layer has an easy axis counterclockwise or clockwise,
A magnetic thin film memory element having a different resistance value depending on the relative angle of the magnetization direction of the first and second magnetic layers, wherein a current is supplied in a direction perpendicular to the film surfaces of the first and second magnetic layers. And a current path for recording information by a generated magnetic field having a length of 0.05 μm or more and 2 μm or less.
る面とは反対側の面、もしくは前記第2の磁性層の前記
非磁性層と接する面とは反対側の面の少なくとも一方
に、前記第1,第2の磁性層よりも導電率の高い良導体
層を形成し、前記第1,第2の磁性層、非磁性層及び前
記良導体層を含んで前記電流路を構成することを特徴と
する請求項1に記載の磁性薄膜メモリ素子。2. A surface of the first magnetic layer opposite to a surface in contact with the nonmagnetic layer, or at least one of a surface of the second magnetic layer opposite to a surface in contact with the nonmagnetic layer. Forming a good conductor layer having a higher conductivity than the first and second magnetic layers, and forming the current path including the first and second magnetic layers, the nonmagnetic layer, and the good conductor layer. The magnetic thin film memory element according to claim 1, wherein:
の膜面の略中心部に膜面に対し垂直方向に絶縁層を介し
て前記第1,第2の磁性層よりも導電率の高い電流供給
用の良導体を設けたことを特徴とする請求項1に記載の
磁性薄膜メモリ素子。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first and second magnetic layers and the non-magnetic layer are disposed at a substantially central portion of a film surface in a direction perpendicular to the film surface with respect to the first and second magnetic layers. 2. The magnetic thin film memory element according to claim 1, wherein a good conductor for supplying a current having a high conductivity is provided.
記録する方法であって、あらかじめ、前記磁性薄膜メモ
リ素子の膜面に対し垂直方向に上向きまたは下向きに電
流を供給し、且つ電流の大きさを前記第2の磁性層の磁
化反転磁界よりも大きい磁界が発生するように設定する
ことにより、前記第2の磁性層の磁化の向きを記録情報
に関わらず所定の方向に定め、次いで前記磁性薄膜メモ
リ素子の膜面に対し垂直方向に記録情報に応じて上向き
または下向きに電流を供給し、且つ電流の大きさを前記
第1の磁性層の磁化反転磁界よりも大きく、前記第2の
磁性層の磁化反転磁界よりも小さい磁界が発生するよう
に設定することにより、前記第1の磁性層にその磁化の
向きに応じて情報を記録することを特徴とする情報記録
方法。4. A method for recording information on a magnetic thin film memory element according to claim 1, wherein a current is supplied in advance vertically or vertically to a film surface of said magnetic thin film memory element, and By setting the magnitude so that a magnetic field larger than the magnetization reversal magnetic field of the second magnetic layer is generated, the direction of the magnetization of the second magnetic layer is set to a predetermined direction regardless of recording information, Supplying a current upward or downward in a direction perpendicular to the film surface of the magnetic thin film memory element according to recorded information, and having a magnitude of the current larger than the magnetization reversal magnetic field of the first magnetic layer; An information recording method, wherein information is recorded in the first magnetic layer in accordance with the direction of magnetization by setting a magnetic field smaller than the magnetization reversal magnetic field of the magnetic layer.
の磁性層よりも高い保磁力を有する閉磁路構造の第2の
磁性層とを非磁性層を介して積層して成り、前記第1,
第2の磁性層は左回りもしくは右回りに容易軸を有し、
前記第1,第2の磁性層の磁化方向の相対角度によっ
て、異なる抵抗値を有する磁性薄膜メモリ素子に情報を
記録する方法であって、 前記メモリ素子の膜面に対し垂直方向に記録情報に応じ
て上向きまたは下向きに電流を供給し、且つ電流の大き
さを前記第2の磁性層の磁化反転磁界よりも大きい磁界
が発生するように設定することにより、前記第2の磁性
層にその磁化の向きに応じて情報を記録することを特徴
とする情報記録方法。5. A first magnetic layer having a closed magnetic circuit structure, wherein the first magnetic layer has
And a second magnetic layer having a closed magnetic circuit structure having a higher coercive force than the magnetic layer of
The second magnetic layer has an easy axis counterclockwise or clockwise,
A method of recording information in a magnetic thin film memory element having different resistance values according to a relative angle of a magnetization direction of the first and second magnetic layers, wherein the information is recorded in a direction perpendicular to a film surface of the memory element. A current is supplied upward or downward in accordance with the current, and the magnitude of the current is set so as to generate a magnetic field larger than the magnetization reversal magnetic field of the second magnetic layer. An information recording method characterized in that information is recorded according to the direction of the information.
の磁性層よりも高い保磁力を有する閉磁路構造の第2の
磁性層とを非磁性層を介して積層して成り、前記第1,
第2の磁性層は左回りもしくは右回りに容易軸を有し、
前記第1,第2の磁性層の磁化方向の相対角度によっ
て、異なる抵抗値を有する磁性薄膜メモリ素子において
前記第2の磁性層の磁化の向きに応じて記録された情報
を再生する方法であって、 前記磁性薄膜メモリ素子の膜面に対し垂直方向に電流を
供給して、前記第1の磁性層の磁化を所定の方向に揃え
て初期化し、この状態で前記磁性薄膜メモリ素子の抵抗
値を測定することにより、記録情報を再生することを特
徴とする情報再生方法。6. A first magnetic layer having a closed magnetic circuit structure and said first magnetic layer,
And a second magnetic layer having a closed magnetic circuit structure having a higher coercive force than the magnetic layer of
The second magnetic layer has an easy axis counterclockwise or clockwise,
A method of reproducing information recorded in a magnetic thin film memory element having different resistance values according to the relative angles of the magnetization directions of the first and second magnetic layers in accordance with the direction of magnetization of the second magnetic layer. A current is supplied in a direction perpendicular to the film surface of the magnetic thin film memory element to initialize the magnetization of the first magnetic layer in a predetermined direction, and in this state, the resistance value of the magnetic thin film memory element is initialized. An information reproducing method characterized in that recorded information is reproduced by measuring the information.
の磁性層よりも高い保磁力を有する閉磁路構造の第2の
磁性層とを非磁性層を介して積層して成り、前記第1,
第2の磁性層は左回りもしくは右回りに容易軸を有し、
前記第1,第2の磁性層の磁化方向の相対角度によって
異なる抵抗値を有し、磁界が印加されない状態では前記
第1の磁性層の磁化と前記第2の磁性層の磁化が平行も
しくは反平行の状態に置かれる磁性薄膜メモリ素子にお
いて前記第2の磁性層の磁化の向きに応じて記録された
情報を再生する方法であって、 初めに前記磁性薄膜メモリ素子の抵抗値を測定し、次に
磁性薄膜メモリ素子の膜面に対し垂直方向に電流を供給
して、前記第1の磁性層の磁化を所定の方向に配向させ
た後に、再び前記磁性薄膜メモリ素子の抵抗値を測定
し、この際の抵抗変化を測定することにより記録情報を
再生することを特徴とする情報再生方法。7. A first magnetic layer having a closed magnetic circuit structure, wherein
And a second magnetic layer having a closed magnetic circuit structure having a higher coercive force than the magnetic layer of
The second magnetic layer has an easy axis counterclockwise or clockwise,
The first and second magnetic layers have different resistance values depending on the relative angles of the magnetization directions, and when no magnetic field is applied, the magnetization of the first magnetic layer and the magnetization of the second magnetic layer are parallel or opposite. A method of reproducing information recorded according to the direction of magnetization of the second magnetic layer in a magnetic thin film memory element placed in a parallel state, comprising first measuring a resistance value of the magnetic thin film memory element, Next, a current is supplied in a direction perpendicular to the film surface of the magnetic thin film memory element to orient the magnetization of the first magnetic layer in a predetermined direction, and then the resistance value of the magnetic thin film memory element is measured again. An information reproducing method characterized by reproducing recorded information by measuring a resistance change at this time.
の磁性層よりも高い保磁力を有する閉磁路構造の第2の
磁性層とを非磁性層を介して積層して成り、前記第1,
第2の磁性層は左回りもしくは右回りに容易軸を有し、
前記第1,第2の磁性層の磁化方向の相対角度によっ
て、異なる抵抗値を有する磁性薄膜メモリ素子において
前記第2の磁性層の磁化の向きに応じて記録された情報
を再生する方法であって、 前記第2の磁性層に一方の面から電流を供給し、前記第
1の磁性層の磁化を反転させて前記磁性薄膜メモリ素子
の抵抗値を測定し、次いで前記メモリ素子に反対の面か
ら電流を供給し、前記第1の磁性層の磁化を反転させて
前記磁性薄膜メモリ素子の抵抗値を測定し、得られた抵
抗変化に基づいて記録情報を再生することを特徴とする
情報再生方法。8. A first magnetic layer having a closed magnetic circuit structure,
And a second magnetic layer having a closed magnetic circuit structure having a higher coercive force than the magnetic layer of
The second magnetic layer has an easy axis counterclockwise or clockwise,
A method of reproducing information recorded in a magnetic thin film memory element having different resistance values according to the relative angles of the magnetization directions of the first and second magnetic layers in accordance with the direction of magnetization of the second magnetic layer. Current is supplied to the second magnetic layer from one surface, the magnetization of the first magnetic layer is reversed, and the resistance value of the magnetic thin film memory element is measured. A current supplied from the first magnetic layer to invert the magnetization of the first magnetic layer to measure a resistance value of the magnetic thin film memory element, and reproduce recorded information based on the obtained resistance change. Method.
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