JPWO2012137911A1 - Magnetoresistive element and magnetic random access memory - Google Patents
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Abstract
本発明は、容易に低コストで製造することができる、電流駆動磁壁移動現象を利用したMRAMおよびその製造方法を提供する。第1強磁性層(10)と、該第1強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第2強磁性層(30)と、該第1強磁性層の一端部に接して配置された第3強磁性層(40)と、該第1強磁性層の他端部に接して配置された第4強磁性層(50)と、を具備し、該第1強磁性層及び該第3強磁性層は、1つの強磁性体の長手方向の一方の端部を酸化して該第3強磁性層とし、残る部分を該第1強磁性層とした構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。The present invention provides an MRAM using a current-driven domain wall motion phenomenon that can be easily manufactured at low cost, and a manufacturing method thereof. A first ferromagnetic layer (10), a second ferromagnetic layer (30) with a fixed magnetization, disposed opposite to the first ferromagnetic layer and sandwiching a nonmagnetic film, and the first ferromagnetic layer A third ferromagnetic layer (40) disposed in contact with one end of the layer, and a fourth ferromagnetic layer (50) disposed in contact with the other end of the first ferromagnetic layer, The first ferromagnetic layer and the third ferromagnetic layer are oxidized at one end in the longitudinal direction of one ferromagnetic material to form the third ferromagnetic layer, and the remaining portion is formed with the first ferromagnetic layer. A magnetoresistive effect element having the structure described above.
Description
(関連出願についての記載)
本発明は、日本国特許出願:特願2011−086158号(2011年4月8日出願)の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。(Description of related applications)
The present invention is based on the priority claim of Japanese patent application: Japanese Patent Application No. 2011-086158 (filed on April 8, 2011), the entire contents of which are incorporated herein by reference. Shall.
本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリとその初期化方法に関し、特に、磁壁移動方式の磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリとその製造方法に関する。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element, a magnetic random access memory, and an initialization method thereof, and more particularly to a domain wall motion type magnetoresistive effect element, a magnetic random access memory, and a manufacturing method thereof.
磁気ランダムアクセスメモリ(Magnetic Random Access Memory;MRAM)は高速動作、および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリとして期待され、盛んな開発が行われている。MRAMではメモリセルに磁気抵抗効果素子が集積化され、磁気抵抗効果素子の強磁性層の磁化の向きとしてデータが記憶される。この強磁性層の磁化をスイッチングさせる方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流を使う点では共通している。MRAMを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要であり、非特許文献1によれば0.5mA以下への低減、さらに好ましくは0.2mA以下への低減が求められている。
Magnetic Random Access Memory (MRAM) is expected as a non-volatile memory capable of high-speed operation and infinite rewriting, and has been actively developed. In the MRAM, a magnetoresistive effect element is integrated in a memory cell, and data is stored as the magnetization direction of the ferromagnetic layer of the magnetoresistive effect element. Several methods have been proposed as a method for switching the magnetization of the ferromagnetic layer, all of which are common in that current is used. In putting MRAM into practical use, it is very important how much the write current can be reduced. According to
MRAMへの情報の書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁気抵抗効果素子の周辺に書き込み電流を流すための配線を配置し、書き込み電流を流すことで発生する電流磁界によって磁気抵抗効果素子の強磁性層の磁化の方向をスイッチングさせる方法である。この方法は、原理的には1ナノ秒以下での書き込みが可能であり、高速MRAMを実現する上では好適である。例えば、特許文献1は、電流磁界によってデータ書き込みを行うMRAMについて、磁化固定層の端部の磁化が膜厚方向に向けられている構造を開示している。
The most common method of writing information to the MRAM is to arrange wiring for passing a write current around the magnetoresistive effect element, and to strengthen the magnetoresistive effect element by a current magnetic field generated by passing the write current. This is a method of switching the magnetization direction of the magnetic layer. This method can be written in 1 nanosecond or less in principle, and is suitable for realizing a high-speed MRAM. For example,
しかしながら熱安定性、外乱磁界耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁界は一般的には数10(Oe)程度となり、このような磁界を発生させるためには数mA程度の大きな書き込み電流が必要となる。書き込み電流が大きいと、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大するため、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力で劣ることになる。これに加えて、メモリセルが微細化されると、書き込み電流はさらに増大してしまい、スケーリングの点でも好ましくない。 However, the magnetic field for switching the magnetization of a magnetic material that has ensured thermal stability and disturbance magnetic field resistance is generally about several tens (Oe). In order to generate such a magnetic field, a large number of about several mA is required. Write current is required. When the write current is large, the chip area is inevitably increased, and the power consumption required for writing increases, so that it is inferior in competitiveness compared to other random access memories. In addition to this, when the memory cell is miniaturized, the write current further increases, which is not preferable in terms of scaling.
近年このような問題を解決する手段として、以下の2つの方法が提案されている。第1の方法は、スピン注入磁化反転を利用することである。スピン注入磁化反転が利用されるMRAMでは、メモリセルの磁気抵抗効果素子が、反転可能な磁化を有する第1の強磁性層(しばしば、フリー層と呼ばれる)と、磁化が固定された第2の強磁性層(しばしば、ピン層と呼ばれる)と、これらの強磁性層の間に設けられたトンネルバリア層を備える積層体で構成される。このようなMRAMのデータ書き込みでは、フリー層とピン層の間で電流を流したときのスピン偏極した伝導電子のフリー層中の局在電子との間の相互作用を利用してフリー層の磁化が反転される。スピン注入磁化反転の発生の有無は、(電流の絶対値ではなく)電流密度に依存することから、スピン注入磁化反転をデータ書き込みに利用する場合には、メモリセルのサイズが小さくなれば、書き込み電流も低減される。 In recent years, the following two methods have been proposed as means for solving such problems. The first method is to use spin injection magnetization reversal. In an MRAM using spin injection magnetization reversal, the magnetoresistive effect element of the memory cell includes a first ferromagnetic layer having a reversible magnetization (often referred to as a free layer) and a second magnetization fixed. It is composed of a laminate including a ferromagnetic layer (often referred to as a pinned layer) and a tunnel barrier layer provided between these ferromagnetic layers. In such MRAM data writing, the interaction between spin-polarized conduction electrons and local electrons in the free layer when a current is passed between the free layer and the pinned layer is used. Magnetization is reversed. The presence or absence of spin injection magnetization reversal depends on the current density (not the absolute value of the current). Therefore, when spin injection magnetization reversal is used for data writing, if the size of the memory cell is reduced, writing is performed. The current is also reduced.
すなわち、スピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、データ書き込みの際、膜厚が薄いトンネルバリア層に書き込み電流を流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が問題となる。また、書き込みの電流経路と読み出しの電流経路が同じになることから、読み出しの際の誤書き込みも懸念される。このようにスピン注入磁化反転はスケーリング性には優れるものの、実用化にはいくつかの障壁がある。 That is, it can be said that the spin injection magnetization reversal method is excellent in scaling. However, when data is written, a write current must be passed through the tunnel barrier layer having a small film thickness, and rewriting durability and reliability become problems. In addition, since the current path for writing and the current path for reading are the same, there is a concern about erroneous writing during reading. Thus, although spin transfer magnetization reversal is excellent in scaling, there are some barriers to practical use.
第2の方法は、電流駆動磁壁移動現象を利用することである。電流駆動磁壁移動現象を利用した磁化反転方法は、スピン注入磁化反転の抱える上述のような問題を解決することができる。電流駆動磁壁移動現象を利用したMRAMは、例えば、特許文献2、特許文献3、特許文献4に開示されている。電流駆動磁壁移動現象を利用したMRAMの最も一般的な構成では、データを保持する強磁性層(しばしば、磁気記録層と呼ばれる。)が、反転可能な磁化を有する磁化反転部と、その両端に接続された、固定された磁化を有する2つの磁化固定部とで構成される。データは、磁化反転部の磁化として記憶される。2つの磁化固定部の磁化は、互いに略反平行となるように固定されている。磁化がこのように配置されると、磁気記録層に磁壁が導入される。
The second method is to use a current-driven domain wall motion phenomenon. The magnetization reversal method using the current-driven domain wall motion phenomenon can solve the above-described problems of spin injection magnetization reversal. For example,
非特許文献2で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流すと磁壁は伝導電子の方向に移動することから、磁気記録層に電流を流すことによりデータ書き込みが可能となる。電流駆動磁壁移動の発生の有無も電流密度に依存することから、スピン注入磁化反転と同様にスケーリング性があると言える。これに加えて、電流駆動磁壁移動を利用したMRAMのメモリセルでは、書き込み電流が絶縁層を流れることはなく、また書き込み電流経路と読み出し電流経路とは別となるため、スピン注入磁化反転で挙げられるような上述の問題は解決されることになる。
As reported in
上記の特許文献、非特許文献の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明の観点から与えられる。 The disclosures of the above patent documents and non-patent documents are incorporated herein by reference. The following analysis is given from the perspective of the present invention.
しかしながら、電流駆動磁壁移動を利用したMRAMでは、書き込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうという問題がある。電流誘起磁壁移動の観測は数多く報告されているが、概ね磁壁移動には1×108[A/cm2]程度の電流密度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる強磁性膜の幅を100nm、膜厚を10nmとした場合の書き込み電流は1mAとなる。これ以下に書き込み電流を低減するためには、強磁性膜の幅を小さく、且つ、膜厚を薄くすればよい。しかしながら、膜厚を薄くすると書き込みに要する電流密度は更に上昇してしまうことが報告されている(例えば、非特許文献3参照)。また、強磁性膜の幅を100nm以下に小さくすることは、加工技術の点で大いなる困難を伴う。However, the MRAM using current-driven domain wall motion has a problem that the absolute value of the write current becomes relatively large. Although many observations of current-induced domain wall movement have been reported, a current density of about 1 × 10 8 [A / cm 2 ] is generally required for domain wall movement. In this case, for example, when the width of the ferromagnetic film in which the domain wall motion occurs is 100 nm and the film thickness is 10 nm, the write current is 1 mA. In order to reduce the write current below this, the width of the ferromagnetic film may be reduced and the film thickness may be reduced. However, it has been reported that when the film thickness is reduced, the current density required for writing further increases (for example, see Non-Patent Document 3). Moreover, reducing the width of the ferromagnetic film to 100 nm or less is accompanied by great difficulty in terms of processing technology.
また、1×108[A/cm2]に近い電流密度を用いて書き込みを行う場合、エレクトロンマイグレーションや温度上昇の影響が懸念される。In addition, when writing is performed using a current density close to 1 × 10 8 [A / cm 2 ], there is a concern about the effects of electron migration and temperature rise.
これに加えて電流駆動磁壁移動を利用したMRAMでは、前述のように磁気記録層の2つの磁化固定部の磁化が互いに反平行となるように固定される必要がある。磁化を固定する方法として、例えば特許文献2に開示されているように反強磁性膜を用いるもの、また、特許文献5に開示されているように磁化固定領域を磁壁移動層とは別に作成する方法などがある。
In addition to this, in the MRAM using current-driven domain wall motion, as described above, the magnetizations of the two magnetization fixed portions of the magnetic recording layer need to be fixed so as to be antiparallel to each other. As a method for fixing the magnetization, for example, an antiferromagnetic film is used as disclosed in
しかしながら、これらを実現するためには複雑な製造工程が必要となる。製造工程の複雑化は、製造コストの上昇を招く。 However, in order to realize these, a complicated manufacturing process is required. A complicated manufacturing process causes an increase in manufacturing cost.
本発明の目的は、容易に低コストで製造することができる、電流駆動磁壁移動現象を利用したMRAMおよびその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an MRAM using a current-driven domain wall motion phenomenon that can be easily manufactured at low cost, and a manufacturing method thereof.
第1の視点において、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、第1強磁性層と、該第1強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第2強磁性層と、該第1強磁性層の一端部に接して配置された第3強磁性層と、該第1強磁性層の他端部に接して配置された第4強磁性層と、を具備し、該第1強磁性層及び該第3強磁性層は、1つの強磁性体の長手方向の一方の端部を酸化して該第3強磁性層とし、残る部分を該第1強磁性層とした構造を有することを特徴とする。 In a first aspect, a magnetoresistive effect element according to the present invention includes a first ferromagnetic layer, a second magnetization layer arranged opposite to the first ferromagnetic layer and sandwiching a nonmagnetic film and having a fixed magnetization. A ferromagnetic layer, a third ferromagnetic layer disposed in contact with one end of the first ferromagnetic layer, a fourth ferromagnetic layer disposed in contact with the other end of the first ferromagnetic layer, The first ferromagnetic layer and the third ferromagnetic layer are oxidized at one end in the longitudinal direction of one ferromagnetic material to form the third ferromagnetic layer, and the remaining portion is the first ferromagnetic layer. The structure is a ferromagnetic layer.
第2の視点において、本発明に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、第1強磁性層と、該第1強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第2強磁性層と、該第1強磁性層の一端部に接して配置された第3強磁性層と、該第1強磁性層の他端部に接して配置された第4強磁性層と、を具備する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、長手方向に長い第1強磁性層を形成する工程と、該第1強磁性層の該長手方向の一方の端部を酸化することにより、該第3強磁性層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。 In a second aspect, the magnetoresistive effect element manufacturing method according to the present invention includes a first ferromagnetic layer and a magnetization that is disposed opposite to the first ferromagnetic layer and sandwiching a nonmagnetic film therebetween. A second ferromagnetic layer, a third ferromagnetic layer disposed in contact with one end of the first ferromagnetic layer, and a fourth ferromagnetic layer disposed in contact with the other end of the first ferromagnetic layer. And forming a first ferromagnetic layer that is long in the longitudinal direction, and oxidizing one end of the first ferromagnetic layer in the longitudinal direction. And a step of forming the third ferromagnetic layer.
第3の視点において、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁壁移動層と、その両側部に磁化固定層をそれぞれ1つずつ配した構造を含む磁気抵抗効果素子であって、第1の強磁性層の一方の側部に、酸化度が該第1の強磁性層とは異なる第2の強磁性層を配して、該第1の強磁性層を磁壁移動層とし、該第2の強磁性層を2つの該磁化固定層のうちの1つとしたことを特徴とする。 In a third aspect, the magnetoresistive effect element according to the present invention is a magnetoresistive effect element including a domain wall moving layer and a structure in which one magnetization fixed layer is disposed on each side thereof, A second ferromagnetic layer having a degree of oxidation different from that of the first ferromagnetic layer is disposed on one side of the magnetic layer, and the first ferromagnetic layer is used as a domain wall motion layer. The ferromagnetic layer is one of the two magnetization fixed layers.
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁壁移動層の少なくとも一端部を酸化することによって、保磁力を増大させて磁化固定層とする。このようにすることで磁化固定層を磁壁移動層と別に作成する必要が無くなるため製造工程が簡略化され、製造コストが低減できる。 The magnetoresistive effect element according to the present invention increases the coercive force by oxidizing at least one end of the domain wall motion layer to form a magnetization fixed layer. By doing so, it is not necessary to create the magnetization fixed layer separately from the domain wall motion layer, so that the manufacturing process is simplified and the manufacturing cost can be reduced.
以下に、可能な種々の形態について略述する。
第1の視点において、前記1つの強磁性体の前記長手方向の他方の端部をも酸化して前記第4強磁性層とし、残る中央部分を前記第1強磁性層とした構造を有することが好ましい。In the following, the various possible forms are outlined.
In the first aspect, the other end portion of the one ferromagnetic material in the longitudinal direction is also oxidized to form the fourth ferromagnetic layer, and the remaining central portion is configured to be the first ferromagnetic layer. Is preferred.
また、前記第3強磁性層と前記第4強磁性層の酸化度即ち酸素含有量がそれぞれ異なること(特に磁壁の移動が起こるような程度に異なること)が好ましい。 In addition, it is preferable that the third ferromagnetic layer and the fourth ferromagnetic layer have different degrees of oxidation, that is, oxygen content (particularly, such that the domain wall moves).
また、前記第1強磁性層、前記第3強磁性層及び前記第4強磁性層の各反転磁界の大きさは、第1強磁性層<第3強磁性層<第4強磁性層、であるか、又は第1強磁性層<第4強磁性層<第3強磁性層、であること(特に磁壁の移動が起こるような程度に異なること)が好ましい。 The magnitudes of the reversal magnetic fields of the first ferromagnetic layer, the third ferromagnetic layer, and the fourth ferromagnetic layer are as follows: first ferromagnetic layer <third ferromagnetic layer <fourth ferromagnetic layer It is preferable that the first ferromagnetic layer <the fourth ferromagnetic layer <the third ferromagnetic layer (particularly, such that the domain wall moves to a certain extent).
また、前記第1強磁性層、前記第2強磁性層、前記第3強磁性層及び前記第4強磁性層は、いずれも厚さ方向に磁気異方性(特定の磁化容易軸の方向)を有することが好ましい。 The first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, the third ferromagnetic layer, and the fourth ferromagnetic layer are all magnetic anisotropy in the thickness direction (direction of a specific easy axis). It is preferable to have.
また、前記第1強磁性層、前記第2強磁性層、前記第3強磁性層及び前記第4強磁性層の少なくとも1つは、Fe、Co、Niのうちの少なくとも一つを含み、さらにPt、Pd、B、C、N、O、Al、Si、P、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Au、Smのうちの少なくとも1つを含むことが好ましい。 Further, at least one of the first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, the third ferromagnetic layer, and the fourth ferromagnetic layer includes at least one of Fe, Co, and Ni, and Pt, Pd, B, C, N, O, Al, Si, P, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ag, Hf, Ta, W, It is preferable to include at least one of Re, Os, Ir, Au, and Sm.
第2の視点において、前記1つの強磁性体の前記長手方向の他方の端部を酸化することにより、前記第4強磁性層を形成する工程をさらに含むことが好ましい。 In a second aspect, it is preferable that the method further includes a step of forming the fourth ferromagnetic layer by oxidizing the other end portion in the longitudinal direction of the one ferromagnetic material.
また、前記第1強磁性層の前記長手方向の両方の端部をそれぞれ酸化する工程は、各端部を異なる酸化度即ち酸素含有量でそれぞれ酸化する工程であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the step of oxidizing both ends of the first ferromagnetic layer in the longitudinal direction is a step of oxidizing each end with different degrees of oxidation, that is, oxygen content.
第3の視点において、酸化度が前記第1の強磁性層及び前記第2の強磁性層のいずれとも異なる第3の強磁性層を、該第1強磁性層の他方の側部に配して、他の前記磁化固定層とすることが好ましい。このとき、前記第1強磁性層、前記第3強磁性層及び前記第4強磁性層の各反転磁界の大きさは、第1強磁性層<第3強磁性層<第4強磁性層、となるようにそれぞれの酸化度を設定するか、又は第1強磁性層<第4強磁性層<第3強磁性層、となるようにそれぞれの酸化度を設定することが好ましい。 In a third aspect, a third ferromagnetic layer having an oxidation degree different from any of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is disposed on the other side of the first ferromagnetic layer. Therefore, it is preferable to use another magnetization fixed layer. At this time, the magnitudes of the reversal magnetic fields of the first ferromagnetic layer, the third ferromagnetic layer, and the fourth ferromagnetic layer are as follows: first ferromagnetic layer <third ferromagnetic layer <fourth ferromagnetic layer, It is preferable to set the respective oxidation degrees so as to satisfy the following formula, or to set the respective oxidation degrees so that the first ferromagnetic layer <the fourth ferromagnetic layer <the third ferromagnetic layer.
また、前記第1強磁性層、前記第3強磁性層及び前記第4強磁性層は、いずれも厚さ方向に磁気異方性を有することが好ましい。 The first ferromagnetic layer, the third ferromagnetic layer, and the fourth ferromagnetic layer preferably all have magnetic anisotropy in the thickness direction.
また、前記第1強磁性層、前記第3強磁性層及び前記第4強磁性層の少なくとも1つは、Fe、Co、Niのうちの少なくとも一つを含み、さらにPt、Pd、B、C、N、O、Al、Si、P、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Au、Smのうちの少なくとも1つを含むことが好ましい。 In addition, at least one of the first ferromagnetic layer, the third ferromagnetic layer, and the fourth ferromagnetic layer includes at least one of Fe, Co, and Ni, and further includes Pt, Pd, B, and C. N, O, Al, Si, P, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Au , Sm is preferably included.
次に添付図面を参照して、本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリのいくつかの実施例を説明する。一実施例において、磁気ランダムアクセスメモリは、アレイ状に配置された複数のメモリセルを有しており、各メモリセルは磁気抵抗効果素子を有している。以下、磁気抵抗効果素子及びメモリセルの構成に基づく実施例を説明する。以下の説明においては、添付図面に図示されているようなxyz直交座標系を導入し、そのxyz直交座標系を用いて磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリの構造を説明する。 Next, several embodiments of a magnetic random access memory according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In one embodiment, the magnetic random access memory has a plurality of memory cells arranged in an array, and each memory cell has a magnetoresistive element. Hereinafter, an embodiment based on the configuration of the magnetoresistive effect element and the memory cell will be described. In the following description, an xyz orthogonal coordinate system as shown in the accompanying drawings is introduced, and the structure of the magnetoresistive effect element and the magnetic random access memory will be described using the xyz orthogonal coordinate system.
(実施例1)(磁気抵抗効果素子の構成)
図1(A)は、本発明の実施例1の磁気抵抗効果素子80の主要な部分の構造を示す断面図であり、図1(B)は、磁気抵抗効果素子80の構成を示す平面図である(スペーサ層20を除いて図示)。磁気抵抗効果素子80は、x軸方向に延伸して設けられる第1強磁性層10と、非磁性のスペーサ層20と、第2強磁性層30を備えている。スペーサ層20は、第1強磁性層10と第2強磁性層30に挟まれている。第1強磁性層10及び第2強磁性層30は、強磁性体で形成される。スペーサ層20は、好適には、絶縁体で形成される。この場合、第1強磁性層10、スペーサ層20、第2強磁性層30によって磁気トンネル接合(MTJ)が形成される。またスペーサ層20は絶縁体から構成されることが望ましいが、非磁性の導体や半導体により構成されても構わない。(Example 1) (Configuration of magnetoresistive element)
1A is a cross-sectional view showing the structure of the main part of the
第1強磁性層10の両端には、第3強磁性層40と第4強磁性層50が形成されている。第1強磁性層10と第3強磁性層40および第4強磁性層50は連続した膜であり、その下面および上面は同じ高さ(ないし厚み)である。即ち、互いに面一に形成される。
A third
第1強磁性層10、第2強磁性層30、第3強磁性層40、第4強磁性層50は、垂直磁化膜が使用される。即ち、第1強磁性層10、第2強磁性層30、第3強磁性層40、第4強磁性層50は、いずれも、膜厚方向(膜面に垂直な方向)に磁気異方性を有している。第2強磁性層30の磁化は実質的にz軸に略平行方向で一方向に固定される。
For the first
一方、第1強磁性層10の磁化は反転可能である。当該部分の磁化は、記憶されるデータに応じて、第2強磁性層30の磁化に対して平行又は反平行の方向に向けられる。
On the other hand, the magnetization of the first
第1強磁性層10及び第2強磁性層30については、膜厚方向に磁気異方性を実現させるために、垂直磁気異方性を有する材料で形成された単層膜、または複数の膜で形成された積層体によりそれぞれ形成されることが好ましい。この場合の積層体とは、複数の強磁性体膜で構成された積層体でもよいし、強磁性体膜と非磁性体膜とからなる積層体でもよい。
About the 1st
一方、第3強磁性層40及び第4強磁性層50も垂直磁気異方性を有する。その反転磁界の大きさは
第1強磁性層の反転磁界<第3強磁性層の反転磁界<第4強磁性層の反転磁界
あるいは、
第1強磁性層の反転磁界<第4強磁性層の反転磁界<第3強磁性層の反転磁界
となるように設定する。On the other hand, the third
The reversal magnetic field of the first ferromagnetic layer <the reversal magnetic field of the fourth ferromagnetic layer <the reversal magnetic field of the third ferromagnetic layer.
第3強磁性層40及び第4強磁性層50は、第1強磁性層10の所望の位置に磁壁をピニングする機能を有している。第3強磁性層40は、第1強磁性層10のx軸方向における一端の近傍の部分に磁気的に結合され、第4強磁性層50は、第1強磁性層10のx軸方向における他端の近傍の部分に磁気的に結合される。第1強磁性層10、第3強磁性層40及び第4強磁性層50が上述のような磁化配置にある場合、第1強磁性層10のうちの第2強磁性層30と対向する領域の磁化方向に応じて、第1強磁性層10内には磁壁が形成される。
The third
第3強磁性層40および第4強磁性層50は反転磁界が第1強磁性層より大きい。このため、以下では、第3強磁性層40を第1磁化固定部40と記載することがある。同様に、第4強磁性層50は、第2磁化固定部50と記載することがある。第3強磁性層40と第4強磁性層50の間の第1強磁性層10の区間は磁壁が移動することができる。このため、以下では、第1強磁性層10を磁壁移動部10と記載することがある。
The third
第2強磁性層30、第3強磁性層40、第4強磁性層50は、外部の異なる配線に電気的に接続される。これから理解されるように、磁気抵抗効果素子80は3端子素子である。図1には示されていないが、配線との電気的接続を得るための電極層を、第2強磁性層30、第3強磁性層40及び第4強磁性層50のそれぞれに接合させることが望ましい。
The second
以下では、第1強磁性層10、スペーサ層20、第2強磁性層30、第3強磁性層40及び第4強磁性層50の材料について説明する。なお、ここで示される材料は全て例であり、実際には、所望の磁化状態が実現できればいかなる材料を用いてもよい。
Below, the material of the 1st
第1強磁性層10(及びこれを酸化して得られる強磁性層も同様である)、第2強磁性層30は、Fe、Co、Niのうちから選択される少なくとも一つの材料を含むことが望ましい。
The first ferromagnetic layer 10 (and the ferromagnetic layer obtained by oxidizing this) and the second
さらに第1強磁性層10(及びこれを酸化して得られる強磁性層も同様である)及び第2強磁性層30がPt及び/又はPdを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。第1強磁性層10、第2強磁性層30にB、C、N、O、Al、Si、P、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Au、Smなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。
Further, the perpendicular magnetic anisotropy is stabilized when the first ferromagnetic layer 10 (and the ferromagnetic layer obtained by oxidizing this) and the second
具体的にはCo、Co−Pt、Co−Pd、Co−Cr、Co−Pt−Cr、Co−Cr−Ta、Co−Cr−B、Co−Cr−Pt−B、Co−Cr−Ta−B、Co−V、Co−Mo、Co−W、Co−Ti、Co−Ru、Co−Rh、Fe−Pt、Fe−Pd、Fe−Co−Pt、Fe−Co−Pd、Sm−Co、Gd−Fe−Co、Tb−Fe−Co、Gd−Tb−Fe−Coなどが例示される。 Specifically, Co, Co—Pt, Co—Pd, Co—Cr, Co—Pt—Cr, Co—Cr—Ta, Co—Cr—B, Co—Cr—Pt—B, Co—Cr—Ta— B, Co-V, Co-Mo, Co-W, Co-Ti, Co-Ru, Co-Rh, Fe-Pt, Fe-Pd, Fe-Co-Pt, Fe-Co-Pd, Sm-Co, Examples include Gd—Fe—Co, Tb—Fe—Co, and Gd—Tb—Fe—Co.
この他、Fe、Co、Niのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む膜と、その膜とは異なる材料で形成された膜とを積層させることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはCo/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Auの積層膜などが例示されるが、その他様々な組成及び層構造の磁気異方性膜を用いることができる。 In addition, magnetic anisotropy in the vertical direction is expressed by laminating a film containing any one material selected from Fe, Co, and Ni and a film formed of a material different from the film. It can also be made. Specifically, a laminated film of Co / Pd, Co / Pt, Co / Ni, Fe / Au, and the like are exemplified, but other magnetic anisotropic films having various compositions and layer structures can be used.
本実施例においては、第3強磁性層40と第4強磁性層50は第1強磁性層10の両端部を酸化することで作成される。図2に示すように第1強磁性層を酸化する時間に比例して反転磁界は大きくなる。そこで、第1強磁性層の第2強磁性層と対向する領域の左と右で酸化時間を変える、即ち酸化度を変えることによって、反転磁界の異なる3つの領域が作成可能である。
In the present embodiment, the third
各領域の反転磁化曲線を図3に示す。酸化時間を適当に選ぶことによって、反転磁界の大きさを領域1<領域2<領域3と設定できる。ここでは、領域1は第1強磁性層10、領域2は第4強磁性層50、領域3は第3強磁性層40をそれぞれ示す。
FIG. 3 shows the reversal magnetization curve of each region. By appropriately selecting the oxidation time, the magnitude of the reversal magnetic field can be set as
スペーサ層20は、絶縁体から構成されることが望ましい。スペーサ層20の材料としては、具体的にはMg−O、Al−O、Al−N、Ni−O、Hf−Oなどの金属の酸化物ないし窒化物、あるいは酸窒化物等が使用され得る。ただし、スペーサ層20として半導体や金属材料を用いても本発明は実施できることに留意されたい。スペーサ層20として使用され得る半導体や金属材料としては、具体的にはCr、Al、Cu、Znなど挙げられる。
The
(製造方法)
図4に本素子の製造方法の1例を示す。まず、最初にDW(Domain Wall)層15(第1強磁性層、第3強磁性層、第4強磁性層となる部分)、バリア層25(非磁性スペーサ層となる部分)およびRef層35(第2強磁性層となる部分)を基板1上に成膜し(図4A)、公知の方法で接合分離を行う(図4B)。次に接合分離されたRef層の左右のどちらか一方の領域をフォトレジスト36でカバーする(図4C)。その後、酸素を含むガスに基板を所定の時間だけさらした後、フォトレジストを除去する(図4D)。最後にDW層をパターニングする(即ち所定のパターンで形成する)(図4E)。(Production method)
FIG. 4 shows an example of a method for manufacturing this element. First, a DW (Domain Wall) layer 15 (a portion that becomes a first ferromagnetic layer, a third ferromagnetic layer, and a fourth ferromagnetic layer), a barrier layer 25 (a portion that becomes a nonmagnetic spacer layer), and a
フォトレジストおよびRef層でカバーされていない領域は最初から酸素プラズマにさらされるため、酸素暴露時間が長く、フォトレジストのみでカバーされた領域は酸素にさらされる時間が比較的短い。また、Ref層でカバーされた領域の下のDW層は酸素にさらされない。DW層の磁気特性の変化は酸素暴露時間(酸化度)に比例して保磁力(Hc)が大きくなる。その結果、Hcの異なる複数(本例では3つ)の領域をDW素子上に形成でき、反平行初期化が可能となる。 Regions not covered by the photoresist and Ref layer are exposed to oxygen plasma from the beginning, so the oxygen exposure time is long and regions covered only by the photoresist are relatively short in oxygen exposure time. Also, the DW layer below the region covered by the Ref layer is not exposed to oxygen. The change in the magnetic properties of the DW layer increases the coercive force (Hc) in proportion to the oxygen exposure time (oxidation degree). As a result, a plurality (three in this example) of regions having different Hc can be formed on the DW element, and antiparallel initialization can be performed.
(初期化方法)
次に実施例1の磁気抵抗効果素子80の初期化方法について、図5を用いて説明する。(Initialization method)
Next, the initialization method of the
当該磁気抵抗効果素子80では、第1強磁性層10に磁壁を導入する必要があり、図5は、その過程を示している。なお、図5では、第1強磁性層10、非磁性スペーサ20、第2強磁性層30,第3強磁性層40、及び第4強磁性層50のみが示されている。
In the
第1強磁性層10に磁壁を導入するためには、はじめに磁気抵抗効果素子80に一様かつ十分大きな外部磁界が、z軸方向に印加される。このとき、図5Aに示されるように、全ての磁気モーメントが外部磁界の方向に揃い飽和した状態となる。その後、逆方向に外部磁界を加えて、外部磁界を徐々に大きくすると、図5Bに示すように領域1の部分が反転する。このとき、領域1(第1強磁性層10)と領域2(第4強磁性層50)および領域1と領域3(第3強磁性層40)の磁化は互いに反平行になり、これらの領域の境界に磁壁が形成される。
In order to introduce a domain wall into the first
さらに外部磁界を大きくしていくと、図5Cに示すように領域2の部分が磁化反転して、領域1と領域2は同じ方向に磁化される。このとき、領域3の部分は領域1と反平行に保持されており、この領域の境界には磁壁がある。このようにして、磁化固定領域の40と50を反平行にして磁化移動領域に磁壁が形成される。
When the external magnetic field is further increased, as shown in FIG. 5C, the
以上が実施例1における磁気抵抗効果素子80の第1の初期化過程である。
The above is the first initialization process of the
(書き込み方法)
図6に本素子の書き込み方法について説明する。図6Aに示すように初期状態において第1強磁性層10と第2強磁性層30の磁化の向きが平行の場合、磁気抵抗効果素子80の抵抗は低抵抗状態にある。すなわち“0”状態である。(Writing method)
FIG. 6 illustrates a writing method of this element. As shown in FIG. 6A, when the magnetization directions of the first
また、磁壁が第1強磁性層10と第3強磁性層40の間に導入されているとする。ここに図6Aに示すように電流を流すとスピントルクの効果により磁壁は右に移動し、第1強磁性層10と第4強磁性層50の境界に止まる。このとき、第1強磁性層10の磁化の向きは反転し、第2強磁性層30と反対向きになる。すなわち、“1”状態になる。
Further, it is assumed that the domain wall is introduced between the first
逆に初期状態が図6Bに示すように初期状態が“1”状態の場合、図6Aと逆方向に電流を流すことによって、同様に“0”状態に書き込みを行うことができる。 On the other hand, when the initial state is the “1” state as shown in FIG. 6B, the current can be similarly written to the “0” state by flowing a current in the direction opposite to that in FIG. 6A.
本実施例の磁気抵抗効果素子80は、様々に変形可能である。以下では、実施例1の磁気抵抗効果素子80の変形例について説明する。
The
(実施例2)
上記実施例において、第3強磁性層を別の磁性膜で構成することができる。そのための構成を、実施例2として図7に示す。本実施例2では、第3強磁性層を別に作成しているので、初期化の際の磁場のマージンが広がるという相乗的(格別)な効果を奏する。(Example 2)
In the above embodiment, the third ferromagnetic layer can be composed of another magnetic film. A configuration for this purpose is shown in FIG. In the second embodiment, since the third ferromagnetic layer is formed separately, there is a synergistic (extraordinary) effect that the margin of the magnetic field at the time of initialization is widened.
実施例2の製造方法を示す。まず図7Aに示すように、基板上に第3強磁性層となるハード層11を形成し、次いで層間膜12を形成して平坦化する(図7B)。次にDW(Domain Wall)層15(第1強磁性層、第4強磁性層となる部分)、バリア層25(非磁性スペーサ層となる部分)およびRef層35(第2強磁性層となる部分)を成膜し(図7C)、公知の方法で接合分離を行う(図7D)。次に接合分離されたRef層の左右のどちらか一方の領域をフォトレジスト36でカバーする(図7E)。その後、酸素を含むガスに基板を所定の時間だけさらした(アッシングを施した)後(図7F)、フォトレジストを除去する。最後にDW層をパターニングする(図7G)。
The manufacturing method of Example 2 is shown. First, as shown in FIG. 7A, a
本発明の全開示(請求の範囲及び図面を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素(各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む)の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。 Within the scope of the entire disclosure (including claims and drawings) of the present invention, the embodiments and examples can be changed and adjusted based on the basic technical concept. Further, various combinations or selections of various disclosed elements (including each element of each claim, each element of each embodiment, each element of each drawing, etc.) are possible within the scope of the claims of the present invention. It is. That is, the present invention of course includes various variations and modifications that could be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including the claims and the technical idea.
1 基板
10 第1強磁性層
11 ハード層
12 層間膜
15 DW層
20 (非磁性)スペーサ(層)
25 バリア層
30 第2強磁性層
35 Ref層
36 フォトレジスト
40 第3強磁性層
50 第4強磁性層
80 磁気抵抗効果素子1
25
Claims (9)
該第1強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第2強磁性層と、
該第1強磁性層の一端部に接して配置された第3強磁性層と、
該第1強磁性層の他端部に接して配置された第4強磁性層と、を具備し、
該第1強磁性層及び該第3強磁性層は、1つの強磁性体の長手方向の一方の端部を酸化して該第3強磁性層とし、残る部分を該第1強磁性層とした構造を有することを特徴とする、磁気抵抗効果素子。A first ferromagnetic layer;
A second ferromagnetic layer having a fixed magnetization, disposed opposite to the first ferromagnetic layer and sandwiching a nonmagnetic film;
A third ferromagnetic layer disposed in contact with one end of the first ferromagnetic layer;
A fourth ferromagnetic layer disposed in contact with the other end of the first ferromagnetic layer,
The first ferromagnetic layer and the third ferromagnetic layer are oxidized at one end in the longitudinal direction of one ferromagnetic material to form the third ferromagnetic layer, and the remaining portion is formed with the first ferromagnetic layer. A magnetoresistive effect element having the structure described above.
第1強磁性層<第3強磁性層<第4強磁性層、であるか、又は
第1強磁性層<第4強磁性層<第3強磁性層、であることを特徴とする、請求項3に記載の磁気抵抗効果素子。The magnitudes of the reversal magnetic fields of the first ferromagnetic layer, the third ferromagnetic layer, and the fourth ferromagnetic layer are:
The first ferromagnetic layer <the third ferromagnetic layer <the fourth ferromagnetic layer, or the first ferromagnetic layer <the fourth ferromagnetic layer <the third ferromagnetic layer, Item 4. The magnetoresistive element according to Item 3.
該第1強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第2強磁性層と、
該第1強磁性層の一端部に接して配置された第3強磁性層と、
該第1強磁性層の他端部に接して配置された第4強磁性層と、を具備する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
長手方向に長い第1強磁性層を形成する工程と、
該第1強磁性層の該長手方向の一方の端部を酸化することにより、該第3強磁性層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする、製造方法。A first ferromagnetic layer;
A second ferromagnetic layer having a fixed magnetization, disposed opposite to the first ferromagnetic layer and sandwiching a nonmagnetic film;
A third ferromagnetic layer disposed in contact with one end of the first ferromagnetic layer;
A fourth ferromagnetic layer disposed in contact with the other end of the first ferromagnetic layer, and a method of manufacturing a magnetoresistive element,
Forming a first ferromagnetic layer that is long in the longitudinal direction;
Forming the third ferromagnetic layer by oxidizing one end of the first ferromagnetic layer in the longitudinal direction;
The manufacturing method characterized by including.
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