WO2009122992A1 - Magnetoresistance storage - Google Patents

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Abstract

A magnetoresistance storage includes magnetoresistance elements (1). Each magnetoresistance element (1) has a first magnetic layer (10), a second magnetic layer (20), and a third magnetic layer (30). The direction of the magnetization of the first magnetic layer (10) is fixed in a first direction. The second magnetic layer (20) is connected to the first magnetic layer (10) via a nonmagnetic layer (41) and has a first surface (S1) in contact with the nonmagnetic layer (41) and a second surface (S2) opposite to the first surface (S1). The third magnetic layer (30) is formed on the second surface (S2) and magnetically coupled to the second magnetic layer (20). The direction of the magnetization of the third magnetic layer (30) is fixed in a direction different from the first direction. The direction of the magnetization of the second magnetic layer (20) is a second direction neither parallel nor antiparallel to the first direction in the second surface (S2), and varies from the second direction to a direction parallel or antiparallel to the first direction with increasing distance from the second surface (S2) toward the first surface (S1).

Description

磁気抵抗記憶装置Magnetoresistive memory device
 本発明は、複数の磁気抵抗素子を備える磁気抵抗記憶装置に関する。特に、本発明は、スピン注入方式に基づく磁気抵抗記憶装置に関する。 The present invention relates to a magnetoresistive storage device including a plurality of magnetoresistive elements. In particular, the present invention relates to a magnetoresistive memory device based on a spin injection method.
 MRAMは、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。MRAMにおいては、TMR(Tunnel MagnetoResistance)効果などの「磁気抵抗効果」を示す磁気抵抗素子が利用される。その磁気抵抗素子には、例えばトンネルバリヤ層が2層の強磁性体層で挟まれた磁気トンネル接合(MTJ; Magnetic Tunnel Junction)が形成される。その2層の強磁性体層は、磁化方向が固定されたピン層(磁化固定層)と、磁化方向が反転可能なフリー層(磁化自由層)から構成される(例えば、Roy Scheuerlein et al., “A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell”, 2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference, DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, pp. 128-129.)。 MRAM is a promising nonvolatile memory from the viewpoint of high integration and high-speed operation. In the MRAM, a magnetoresistive element exhibiting a “magnetoresistance effect” such as a TMR (Tunnel MagnetoResistance) effect is used. In the magnetoresistive element, for example, a magnetic tunnel junction (MTJ; Magnetic Tunnel Junction) in which a tunnel barrier layer is sandwiched between two ferromagnetic layers is formed. The two ferromagnetic layers are composed of a pinned layer (magnetization pinned layer) whose magnetization direction is fixed and a free layer (magnetization free layer) whose magnetization direction can be reversed (for example, Roy Scheuerlein et al. , “A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell”, 2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference, DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, pp.128-129.
 ピン層とフリー層の磁化方向が“反平行”である場合のMTJの抵抗値(R+ΔR)は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値(R)よりも大きくなることが知られている。MRAMは、このMTJを有する磁気抵抗素子をメモリセルとして用い、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。メモリセルに対するデータの書き込みは、フリー層の磁化方向を反転させることによって行われる。 The MTJ resistance value (R + ΔR) when the magnetization directions of the pinned layer and the free layer are “antiparallel” should be larger than the resistance value (R) when they are “parallel” due to the magnetoresistance effect. It has been known. The MRAM uses the magnetoresistive element having the MTJ as a memory cell, and stores data in a nonvolatile manner by utilizing the change in the resistance value. Data is written to the memory cell by reversing the magnetization direction of the free layer.
 MRAMに対するデータの書き込み方法として、従来、アステロイド方式が知られている(例えば、M. Durlam et al., “Nonvolatile RAM based on Magnetic Tunnel Junction Elements”, 2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference, DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, pp. 130-131.)。アステロイド方式によれば、メモリセルサイズにほぼ反比例して、フリー層の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する傾向にある。 As a method of writing data to the MRAM, an asteroid method is conventionally known (for example, M. Durlam et al., Nonvolatile RAM based on Magnetic Tunnel Junction Elements, ”2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference, DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, pp. 130-131. According to the asteroid method, the reversal magnetic field necessary for reversing the magnetization of the free layer increases in inverse proportion to the memory cell size. That is, the write current tends to increase as the memory cell is miniaturized.
 微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、「スピン注入方式」が提案されている(例えば、Yagami and Suzuki, Research Trends in Spin Transfer Magnetization Switching,日本応用磁気学会誌,Vol. 28, No. 9, 2004.)。スピン注入(spin transfer)方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流(spin-polarized current)が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する(以下、「スピン注入磁化反転:Spin Transfer Magnetization Switching」と参照される)。スピン注入磁化反転の概略を、図1を参照することによって説明する。 “Spin injection method” has been proposed as a write method that can suppress an increase in write current due to miniaturization (for example, Yagami and Suzuki, Research Trends in Spin Transfer Magnetization Switching, Journal of Japan Society of Applied Magnetics, Vol. (28, No. 9, 2004.) According to the spin transfer method, a spin-polarized current is injected into a ferromagnetic conductor, and the direct interaction between the spin of the conduction electron carrying the current and the magnetic moment of the conductor Magnetization is reversed (hereinafter referred to as “spin injection magnetization reversal: Spin Transfer Magnetization Switching”). An outline of spin injection magnetization reversal will be described with reference to FIG.
 図1において、磁気抵抗素子は、フリー層101、ピン層103、及びフリー層101とピン層103に挟まれた非磁性層であるトンネルバリヤ層102を備えている。ここで、磁化方向が固定されたピン層103は、フリー層101よりも厚くなるように形成されており、スピン偏極電流を作る機構(スピンフィルター)としての役割を果たす。フリー層101とピン層103の磁化方向が平行である状態は、データ“0”に対応付けられ、それらが反平行である状態は、データ“1”に対応付けられている。 1, the magnetoresistive element includes a free layer 101, a pinned layer 103, and a tunnel barrier layer 102 that is a nonmagnetic layer sandwiched between the free layer 101 and the pinned layer 103. Here, the pinned layer 103 whose magnetization direction is fixed is formed to be thicker than the free layer 101, and plays a role as a mechanism (spin filter) for creating a spin-polarized current. The state where the magnetization directions of the free layer 101 and the pinned layer 103 are parallel is associated with data “0”, and the state where they are anti-parallel is associated with data “1”.
 図1に示されるスピン注入磁化反転は、CPP(Current Perpendicular to Plane)方式により実現され、書き込み電流は膜面に垂直に注入される。具体的には、データ“0”からデータ“1”への遷移時、電流はピン層103からフリー層101へ流れる。この場合、スピンフィルターとしてのピン層103と同じスピン状態を有する電子が、フリー層101からピン層103に移動する。そして、スピントランスファー(スピン角運動量の授受)効果により、フリー層101の磁化が反転する。一方、データ“1”からデータ“0”への遷移時、電流の方向は逆転し、電流はフリー層101からピン層103へ流れる。この場合、スピンフィルターとしてのピン層103と同じスピン状態を有する電子が、ピン層103からフリー層101に移動する。スピントランスファー効果により、フリー層101の磁化が反転する。 The spin injection magnetization reversal shown in FIG. 1 is realized by the CPP (Current Perpendicular Plane) method, and the write current is injected perpendicularly to the film surface. Specifically, current flows from the pinned layer 103 to the free layer 101 at the time of transition from data “0” to data “1”. In this case, electrons having the same spin state as the pinned layer 103 as a spin filter move from the free layer 101 to the pinned layer 103. Then, the magnetization of the free layer 101 is reversed by a spin transfer (spin angular momentum transfer) effect. On the other hand, at the transition from data “1” to data “0”, the direction of the current is reversed, and the current flows from the free layer 101 to the pinned layer 103. In this case, electrons having the same spin state as the pinned layer 103 as a spin filter move from the pinned layer 103 to the free layer 101. Due to the spin transfer effect, the magnetization of the free layer 101 is reversed.
 このように、スピン注入磁化反転では、スピン電子の移動によりデータの書き込みが行われる。膜面に垂直に注入されるスピン偏極電流の方向により、フリー層101の磁化方向を規定することが可能である。ここで、書き込み(磁化反転)の閾値は電流密度に依存することが知られている。従って、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、磁化反転に必要な書き込み電流が減少する。メモリセルの微細化に伴って書き込み電流が減少するため、スピン注入磁化反転は、MRAMの大容量化の実現にとって重要である。 Thus, in spin injection magnetization reversal, data is written by the movement of spin electrons. The magnetization direction of the free layer 101 can be defined by the direction of the spin-polarized current injected perpendicular to the film surface. Here, it is known that the threshold for writing (magnetization reversal) depends on the current density. Therefore, as the memory cell size is reduced, the write current required for magnetization reversal decreases. Since the write current decreases with the miniaturization of the memory cell, the spin injection magnetization reversal is important for realizing a large capacity of the MRAM.
 特開2005-150303号公報に記載された磁気抵抗素子は、第1の強磁性層/トンネル障壁層/第2の強磁性層の3層構造を含む強磁性トンネル接合を有する。第1の強磁性層の保持力は、第2の強磁性層の保磁力より大きい。第2の強磁性層の端部の磁化は、第2の強磁性層の磁化容易軸方向と直交する成分を持つ方向に固着されている。 The magnetoresistive element described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-150303 has a ferromagnetic tunnel junction including a three-layer structure of a first ferromagnetic layer / tunnel barrier layer / second ferromagnetic layer. The coercive force of the first ferromagnetic layer is greater than the coercivity of the second ferromagnetic layer. The magnetization of the end portion of the second ferromagnetic layer is fixed in a direction having a component orthogonal to the easy axis direction of the second ferromagnetic layer.
 特開2006-128579号公報に記載された磁気抵抗素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、記憶層に対して中間層を介して設けられた磁化固定層と、記憶層に対して非磁性層を介して設けられた駆動層とを備える。駆動層の磁化の向きは、積層方向にほぼ固定されている。 A magnetoresistive element described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-128579 includes a storage layer that holds information according to the magnetization state of a magnetic material, a magnetization fixed layer provided to the storage layer via an intermediate layer, and a storage layer And a drive layer provided via a nonmagnetic layer. The direction of magnetization of the drive layer is substantially fixed in the stacking direction.
 上述の通り、スピン注入方式では、書き込み電流が膜面に垂直に注入され、スピントランスファーによりフリー層の磁化方向が反転する。しかしながら、このときの書き込み電流密度としては1×10A/cm程度必要である。このような大きな書き込み電流がトンネルバリヤ層を貫通して流れるため、発熱や電子衝突によりトンネルバリヤ層が劣化する恐れがある。トンネルバリヤ層の劣化は、磁気抵抗素子の信頼性や寿命を劣化させる。 As described above, in the spin injection method, a write current is injected perpendicularly to the film surface, and the magnetization direction of the free layer is reversed by spin transfer. However, the write current density at this time needs to be about 1 × 10 7 A / cm 2 . Since such a large write current flows through the tunnel barrier layer, the tunnel barrier layer may be deteriorated due to heat generation or electron collision. The deterioration of the tunnel barrier layer degrades the reliability and life of the magnetoresistive element.
 本発明の1つの目的は、書き込み電流を低減することができるスピン注入方式の磁気抵抗記憶装置を提供することになる。 One object of the present invention is to provide a magnetoresistance storage device of a spin injection system that can reduce a write current.
 本発明の1つの観点において、磁気抵抗記憶装置が提供される。磁気抵抗記憶装置は、複数の磁気抵抗素子を備える。複数の磁気抵抗素子の各々は、第1磁性体層と、第2磁性体層と、第3磁性体層とを備える。第1磁性体層の磁化方向は、第1方向に固定されている。第2磁性体層は、非磁性体層を介して第1磁性体層と接続され、また、その非磁性体層と接触する第1表面とその第1表面に対向する第2表面とを有する。第3磁性体層は、第2磁性体層の第2表面側に形成され、第2磁性体層と磁気的に結合している。この第3磁性体層の磁化方向は、第1方向と異なる方向に固定されている。第2磁性体層の磁化方向は、第2表面において第1方向と平行でも反平行でもない第2方向であり、第2表面から第1表面に近づくにつれて第2方向から第1方向と平行あるいは反平行な方向に遷移する。 In one aspect of the present invention, a magnetoresistive memory device is provided. The magnetoresistive storage device includes a plurality of magnetoresistive elements. Each of the plurality of magnetoresistive elements includes a first magnetic layer, a second magnetic layer, and a third magnetic layer. The magnetization direction of the first magnetic layer is fixed in the first direction. The second magnetic layer is connected to the first magnetic layer through the nonmagnetic layer, and has a first surface in contact with the nonmagnetic layer and a second surface facing the first surface. . The third magnetic layer is formed on the second surface side of the second magnetic layer and is magnetically coupled to the second magnetic layer. The magnetization direction of the third magnetic layer is fixed in a direction different from the first direction. The magnetization direction of the second magnetic layer is a second direction that is neither parallel nor anti-parallel to the first direction on the second surface, and is parallel to the first direction from the second direction as it approaches the first surface from the second surface, or Transition in antiparallel direction.
 本発明によれば、スピン注入方式の磁気抵抗記憶装置において書き込み電流を低減することが可能となる。その結果、トンネルバリヤ層の劣化が抑制され、磁気抵抗素子及び磁気抵抗記憶装置の信頼性が向上する。 According to the present invention, it is possible to reduce a write current in a magnetoresistance storage device of a spin injection method. As a result, deterioration of the tunnel barrier layer is suppressed, and the reliability of the magnetoresistive element and the magnetoresistive memory device is improved.
 上記及び他の目的、長所、特徴は、次の図面と共に説明される本発明の実施の形態により明らかになるであろう。 The above and other objects, advantages, and features will become apparent from the embodiments of the present invention described in conjunction with the following drawings.
図1は、スピン注入方式によるデータ書き込みを説明するための概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining data writing by a spin injection method. 図2は、本発明の第1の実施の形態に係る磁気抵抗素子の一例を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the magnetoresistive element according to the first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第1の実施の形態に係る磁気抵抗素子の他の例を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic view showing another example of the magnetoresistance element according to the first exemplary embodiment of the present invention. 図4は、第1の実施の形態に係る磁気抵抗素子の構造を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the magnetoresistive element according to the first embodiment. 図5は、第1の実施の形態に係る磁気抵抗素子の構造を示す平面図である。FIG. 5 is a plan view showing the structure of the magnetoresistive element according to the first embodiment. 図6は、本発明の第2の実施の形態に係る磁気抵抗素子の一例を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example of a magnetoresistive element according to the second embodiment of the present invention. 図7は、第2の実施の形態に係る磁気抵抗素子の構造を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of the magnetoresistive element according to the second embodiment. 図8は、第2の実施の形態に係る磁気抵抗素子の構造を示す平面図である。FIG. 8 is a plan view showing the structure of the magnetoresistive element according to the second embodiment. 図9は、本発明の第3の実施の形態に係る磁気抵抗素子の一例を示す概略図である。FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of a magnetoresistive element according to the third embodiment of the present invention. 図10は、本発明の実施の形態に係るMRAMの構成を概略的に示す回路ブロック図である。FIG. 10 is a circuit block diagram schematically showing the configuration of the MRAM according to the embodiment of the present invention.
 添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗記憶装置を説明する。磁気抵抗記憶装置は、複数の磁気抵抗素子を備える。例えば、磁気抵抗記憶装置は、アレイ状に配置された複数の磁気抵抗素子をメモリセルとして用いるMRAMである。 A magnetoresistive memory device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The magnetoresistive storage device includes a plurality of magnetoresistive elements. For example, the magnetoresistive memory device is an MRAM that uses a plurality of magnetoresistive elements arranged in an array as memory cells.
 1.第1の実施の形態
 (構成)
 図2は、本発明の第1の実施の形態に係る磁気抵抗素子1の構成を概略的に示している。磁気抵抗素子1は、ピン層10(第1磁性体層)、フリー層20(第2磁性体層)、ねじれ生成層30(第3磁性体層)、及びピン層10とフリー層20とに挟まれた第1非磁性体層41を備えている。図2において、積層方向(膜面垂直方向)はZ方向である。
1. First Embodiment (Configuration)
FIG. 2 schematically shows the configuration of the magnetoresistive element 1 according to the first exemplary embodiment of the present invention. The magnetoresistive element 1 includes a pinned layer 10 (first magnetic layer), a free layer 20 (second magnetic layer), a twist generation layer 30 (third magnetic layer), and the pinned layer 10 and the free layer 20. A first nonmagnetic layer 41 sandwiched is provided. In FIG. 2, the stacking direction (the direction perpendicular to the film surface) is the Z direction.
 ピン層10は、磁化方向が固定された磁性体層である。本実施の形態において、ピン層10の磁化方向は膜面に垂直な方向に固定されている。図2に示される例では、ピン層10の磁化方向は+Z方向に固定されている。例えば、ピン層10は、垂直磁気異方性(perpendicular magnetic anisotropy)を有する垂直磁化膜(perpendicular magnetization film)で形成される。この場合、ピン層10の磁化容易軸方向は、膜面に垂直なZ方向である。 The pinned layer 10 is a magnetic layer whose magnetization direction is fixed. In the present embodiment, the magnetization direction of the pinned layer 10 is fixed in a direction perpendicular to the film surface. In the example shown in FIG. 2, the magnetization direction of the pinned layer 10 is fixed in the + Z direction. For example, the pinned layer 10 is formed of a perpendicular magnetization film (perpendicular magnetic field) having perpendicular magnetic anisotropy. In this case, the easy axis direction of the pinned layer 10 is the Z direction perpendicular to the film surface.
 フリー層20は、データを記憶するための磁性体層であり、磁気抵抗素子1の記録データに応じてその磁化状態が変化する。フリー層20は第1非磁性体層41を介してピン層10に接続されており、ピン層10、フリー層20及び第1非磁性体層41(トンネルバリヤ膜)によってMTJが形成されている。フリー層20の磁化容易軸方向は、ピン層10の固定磁化方向(Z方向)とほぼ平行である。より詳細には、本実施の形態において、フリー層20は、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜で形成される。従って、フリー層20の磁化容易軸方向は膜面に垂直な方向であり、ピン層10の磁化方向と実質的に平行である。フリー層20の平面形状は任意であり、例えば長方形あるいは円形である。 The free layer 20 is a magnetic layer for storing data, and its magnetization state changes according to the recording data of the magnetoresistive element 1. The free layer 20 is connected to the pinned layer 10 via the first nonmagnetic material layer 41, and an MTJ is formed by the pinned layer 10, the free layer 20, and the first nonmagnetic material layer 41 (tunnel barrier film). . The easy axis direction of the free layer 20 is substantially parallel to the fixed magnetization direction (Z direction) of the pinned layer 10. More specifically, in the present embodiment, the free layer 20 is formed of a perpendicular magnetization film having perpendicular magnetic anisotropy. Therefore, the easy axis direction of the free layer 20 is a direction perpendicular to the film surface, and is substantially parallel to the magnetization direction of the pinned layer 10. The planar shape of the free layer 20 is arbitrary, for example, rectangular or circular.
 図2に示されるように、フリー層20は、第1非磁性体層41と接触する第1表面S1と、その第1表面S1に対向する第2表面S2とを有している。また、フリー層20は、「データ記憶領域RD」と「磁化遷移領域RT」とを含んでいる。データ記憶領域RDは第1表面S1側の領域であり、磁化遷移領域RTは第2表面S2側の領域である。 As shown in FIG. 2, the free layer 20 has a first surface S1 that contacts the first nonmagnetic layer 41 and a second surface S2 that faces the first surface S1. The free layer 20 includes a “data storage region RD” and a “magnetization transition region RT”. The data storage region RD is a region on the first surface S1 side, and the magnetization transition region RT is a region on the second surface S2 side.
 データ記憶領域RDの磁化方向は、磁化容易軸方向(Z方向)と平行であり、ピン層10の磁化方向と平行(+Z)あるいは反平行(-Z)となることが許される。データ記憶領域RDの磁化方向が+Z方向の場合、すなわち、データ記憶領域RDとピン層10の磁化方向が平行である状態は、データ“0”に対応付けられる。一方、データ記憶領域RDの磁化方向が-Z方向の場合、すなわち、データ記憶領域RDとピン層10の磁化方向が反平行である状態は、データ“1”に対応付けられる。 The magnetization direction of the data storage area RD is parallel to the easy axis direction (Z direction) and is allowed to be parallel (+ Z) or antiparallel (−Z) to the magnetization direction of the pinned layer 10. When the magnetization direction of the data storage region RD is the + Z direction, that is, the state in which the magnetization direction of the data storage region RD and the pinned layer 10 is parallel is associated with data “0”. On the other hand, when the magnetization direction of the data storage region RD is the −Z direction, that is, the state where the magnetization directions of the data storage region RD and the pinned layer 10 are antiparallel, the data “1” is associated.
 一方、磁化遷移領域RTの磁化方向は、磁化容易軸方向(Z方向)と異なっており、ピン層10の磁化方向と平行でも反平行でもない。特に、磁化遷移領域RTの磁化方向は、第2表面S2において磁化容易軸方向と最も異なっており、第2表面S2から第1表面S1に近づくにつれて磁化容易軸方向と平行な方向に遷移している。例えば図2において、磁化遷移領域RTの磁化方向は、第2表面S2において面内方向となっており、磁化容易軸方向とほぼ直交している。そして、磁化遷移領域RTの磁化方向は、第2表面S2から第1表面S1に近づくにつれて、面内方向から磁化容易軸方向(ピン層10の磁化方向と平行あるいは反平行な方向)に遷移する。 On the other hand, the magnetization direction of the magnetization transition region RT is different from the easy axis direction (Z direction), and is neither parallel nor antiparallel to the magnetization direction of the pinned layer 10. In particular, the magnetization direction of the magnetization transition region RT is most different from the easy axis direction on the second surface S2, and transitions in a direction parallel to the easy axis direction from the second surface S2 toward the first surface S1. Yes. For example, in FIG. 2, the magnetization direction of the magnetization transition region RT is the in-plane direction on the second surface S2, and is substantially orthogonal to the easy axis direction. The magnetization direction of the magnetization transition region RT transitions from the in-plane direction to the easy axis direction (a direction parallel or antiparallel to the magnetization direction of the pinned layer 10) as it approaches the first surface S1 from the second surface S2. .
 ねじれ生成層30は、フリー層20中に上述の磁化遷移領域RTを形成するための磁性体層である。そのため、ねじれ生成層30は、フリー層20の第2表面S2側(磁化遷移領域RTに近い側)に、フリー層20と磁気的に結合するように形成されている。更に、ねじれ生成層30の磁化方向は、ピン層10の磁化方向、すなわち、フリー層20の磁化容易軸方向(+Z、-Z方向)と異なる方向に固定されている。図2では、ねじれ生成層の磁化方向は、Z方向と直交する面内方向に固定されている。例えば、ねじれ生成層30は、面内磁気異方性(in-plane magnetic anisotropy)を有する面内磁化膜(in-plane magnetization film)で形成される。この場合、ねじれ生成層30の磁化容易軸方向は面内の一方向である。ねじれ生成層30とフリー層20との間の磁気的結合により、フリー層20内に磁化遷移領域RTが形成される。 The twist generation layer 30 is a magnetic layer for forming the above-described magnetization transition region RT in the free layer 20. Therefore, the twist generation layer 30 is formed on the second surface S2 side (side closer to the magnetization transition region RT) of the free layer 20 so as to be magnetically coupled to the free layer 20. Further, the magnetization direction of the twist generation layer 30 is fixed in a direction different from the magnetization direction of the pinned layer 10, that is, the easy magnetization axis direction (+ Z, −Z direction) of the free layer 20. In FIG. 2, the magnetization direction of the twist generation layer is fixed in the in-plane direction orthogonal to the Z direction. For example, the twist generation layer 30 is formed of an in-plane magnetic film having an in-plane magnetic anisotropy. In this case, the easy magnetization axis direction of the twist generation layer 30 is one direction in the plane. A magnetic transition region RT is formed in the free layer 20 by magnetic coupling between the twist generation layer 30 and the free layer 20.
 図2の例では、ねじれ生成層30は、フリー層20の第2表面S2に接触している。例えば、ねじれ生成層30は反強磁性体膜で形成され、その磁化方向は+X方向に固定されている。この場合、磁化遷移領域RTは、磁化容易軸方向と異なる-X方向の磁化成分を有することになる。図3は、本実施の形態に係る磁気抵抗素子1の変形例を示している。図3の例では、磁気抵抗素子1は更に、フリー層20とねじれ生成層30に挟まれた第2非磁性体層42を備えており、ねじれ生成層30は、第2非磁性体層42を介してフリー層20の第2表面S2に接続されている。この場合、ねじれ生成層30は、第2非磁性体層42を介して、フリー層20と強磁性的あるいは反強磁性的に結合する。いずれの場合でも、ねじれ生成層30とフリー層20との間の磁気的結合により、フリー層20内に磁化遷移領域RTが形成される。 2, the twist generation layer 30 is in contact with the second surface S2 of the free layer 20. For example, the twist generation layer 30 is formed of an antiferromagnetic film, and its magnetization direction is fixed in the + X direction. In this case, the magnetization transition region RT has a magnetization component in the −X direction different from the easy axis direction. FIG. 3 shows a modification of the magnetoresistive element 1 according to the present exemplary embodiment. In the example of FIG. 3, the magnetoresistive element 1 further includes a second nonmagnetic material layer 42 sandwiched between the free layer 20 and the twist generation layer 30, and the twist generation layer 30 includes the second nonmagnetic material layer 42. Is connected to the second surface S2 of the free layer 20. In this case, the twist generation layer 30 is ferromagnetically or antiferromagnetically coupled to the free layer 20 via the second nonmagnetic layer 42. In any case, the magnetization transition region RT is formed in the free layer 20 due to magnetic coupling between the twist generation layer 30 and the free layer 20.
 図2及び図3で示された例において、それぞれの磁性体層は、単層構造を有していてもよいし、複数の磁性体が積層された積層構造を有していてもよい。また、複数の磁性体が非磁性体を介して磁気的に結合した積層構造も可能である。 In the example shown in FIGS. 2 and 3, each magnetic layer may have a single-layer structure or a laminated structure in which a plurality of magnetic bodies are laminated. Further, a laminated structure in which a plurality of magnetic bodies are magnetically coupled via a non-magnetic body is also possible.
 また、フリー層20は、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜と面内磁気異方性を有する面内磁化膜の積層構造を有していてもよい。この場合、垂直磁化膜は第1表面S1と接触するように形成され、面内磁化膜は第2表面S2に接触するように形成される。つまり、垂直磁化膜がおよそデータ記録領域RDに相当し、面内磁化膜がおよそ磁化遷移領域RTに相当する。それら垂直磁化膜と面内磁化膜は、磁気的に結合している。また、それら垂直磁化膜と面内磁化膜は、非磁性体層を介して磁気的に結合していてもよい。 The free layer 20 may have a laminated structure of a perpendicular magnetization film having perpendicular magnetic anisotropy and an in-plane magnetization film having in-plane magnetic anisotropy. In this case, the perpendicular magnetization film is formed so as to be in contact with the first surface S1, and the in-plane magnetization film is formed so as to be in contact with the second surface S2. That is, the perpendicular magnetization film corresponds approximately to the data recording region RD, and the in-plane magnetization film corresponds approximately to the magnetization transition region RT. The perpendicular magnetization film and the in-plane magnetization film are magnetically coupled. Further, the perpendicular magnetization film and the in-plane magnetization film may be magnetically coupled via a nonmagnetic layer.
 磁気抵抗素子1は更に、ピン層10に電気的に接続された第1端子51と、ねじれ生成層30に電気的に接続された第2端子52とを備えている。 The magnetoresistive element 1 further includes a first terminal 51 electrically connected to the pinned layer 10 and a second terminal 52 electrically connected to the twist generation layer 30.
 (書き込み動作)
 図2あるいは図3を参照して、本実施の形態に係る磁気抵抗素子1へのデータ書き込み動作を説明する。データ書き込みは、膜面に垂直に流れる書き込み電流を用いたスピン注入方式で行われる。つまり、書き込み電流は、第1端子51と第2端子52との間に流される。このとき、磁化方向が+Z方向に固定されているピン層10は、スピンフィルターとしての役割を果たし、フリー層20(データ記憶領域RD)の磁化を反転させるトルクをフリー層20に対して与える。
(Write operation)
A data write operation to the magnetoresistive element 1 according to the present exemplary embodiment will be described with reference to FIG. 2 or FIG. Data writing is performed by a spin injection method using a write current that flows perpendicularly to the film surface. That is, the write current flows between the first terminal 51 and the second terminal 52. At this time, the pinned layer 10 whose magnetization direction is fixed in the + Z direction serves as a spin filter, and applies torque to the free layer 20 to reverse the magnetization of the free layer 20 (data storage region RD).
 データ“0”の書き込み時、書き込み電流は第2端子52から第1端子51へ流される。この場合、書き込み電流はフリー層20からピン層10へ流れる。従って、スピンフィルターとしてのピン層10と同じスピン状態(+Z)を有する電子が、ピン層10からフリー層20に移動する。ここで、フリー層20に与えられるトルク方向(+Z)が、データ記憶領域RDの磁化方向(-Z)とほぼ正反対である一方、磁化遷移領域RTの磁化方向とは正反対ではないことに留意されたい。それは、磁化遷移領域RTの磁化方向が、ピン層10の磁化方向と平行でも反平行でもないからである。従って、スピントランスファーによる磁化方向の変化は、磁化遷移領域RTにおいて起こりやすい。特に、第2表面S2近傍では、磁化方向がトルク方向(+Z)とほぼ直交しており、スピントラスファーによる磁化方向の変化が最も起こりやすい。第2表面S2近傍の磁化方向が変化して+Z方向の成分を有するようになると、その+Z方向成分の磁化が、より第1表面S1側の磁化方向の変化をアシストする。このような磁化変化が第1表面S1側へ伝わっていき、フリー層20の磁化は、第2表面S2近傍から第1表面S1に向けて順番に+Z方向の成分を有するようになる。最終的には、データ記憶領域RDの磁化方向が-Z方向から+Z方向に反転する。 When writing data “0”, a write current flows from the second terminal 52 to the first terminal 51. In this case, the write current flows from the free layer 20 to the pinned layer 10. Therefore, electrons having the same spin state (+ Z) as the pinned layer 10 as the spin filter move from the pinned layer 10 to the free layer 20. Here, it is noted that the torque direction (+ Z) applied to the free layer 20 is almost exactly opposite to the magnetization direction (−Z) of the data storage region RD, but is not exactly opposite to the magnetization direction of the magnetization transition region RT. I want. This is because the magnetization direction of the magnetization transition region RT is neither parallel nor antiparallel to the magnetization direction of the pinned layer 10. Therefore, a change in magnetization direction due to spin transfer is likely to occur in the magnetization transition region RT. In particular, in the vicinity of the second surface S2, the magnetization direction is almost orthogonal to the torque direction (+ Z), and the magnetization direction is most likely to change due to spin transfer. When the magnetization direction in the vicinity of the second surface S2 changes to have a component in the + Z direction, the magnetization in the + Z direction component further assists the change in the magnetization direction on the first surface S1 side. Such a magnetization change is transmitted to the first surface S1 side, and the magnetization of the free layer 20 has components in the + Z direction in order from the vicinity of the second surface S2 toward the first surface S1. Eventually, the magnetization direction of the data storage area RD is reversed from the −Z direction to the + Z direction.
 一方、データ“1”の書き込み時、書き込み電流は第1端子51から第2端子52へ流される。この場合、書き込み電流は、ピン層10からフリー層20へ流れる。従って、スピンフィルターとしてのピン層10と同じスピン状態(+Z)を有する電子は、フリー層20からピン層10に移動し、一方、ピン層10と逆のスピン状態(-Z)を有する電子は、フリー層20によって反射される。ここでも、フリー層20に与えられるトルク方向(-Z)が、データ記憶領域RDの磁化方向(+Z)とほぼ正反対である一方、磁化遷移領域RTの磁化方向とは正反対ではないことに留意されたい。従って、スピントランスファーによる磁化方向の変化は、磁化遷移領域RTにおいて起こりやすい。その結果、フリー層20の磁化は、第2表面S2近傍から第1表面S1に向けて順番に-Z方向の成分を有するようになる。最終的には、データ記憶領域RDの磁化方向が+Z方向から-Z方向に反転する。 On the other hand, when data “1” is written, a write current flows from the first terminal 51 to the second terminal 52. In this case, the write current flows from the pinned layer 10 to the free layer 20. Therefore, electrons having the same spin state (+ Z) as the pinned layer 10 as a spin filter move from the free layer 20 to the pinned layer 10, while electrons having a spin state (−Z) opposite to the pinned layer 10 are Reflected by the free layer 20. Again, it is noted that the torque direction (−Z) applied to the free layer 20 is almost exactly opposite to the magnetization direction (+ Z) of the data storage region RD, but is not exactly opposite to the magnetization direction of the magnetization transition region RT. I want. Therefore, a change in magnetization direction due to spin transfer is likely to occur in the magnetization transition region RT. As a result, the magnetization of the free layer 20 has a component in the −Z direction in order from the vicinity of the second surface S2 toward the first surface S1. Eventually, the magnetization direction of the data storage area RD is reversed from the + Z direction to the −Z direction.
 既出の図1の場合、フリー層101に対して与えられるトルクはフリー層101の磁化方向と正反対の成分だけを有するため、磁化反転が起こりにくい。これに対し、本実施の形態によれば、フリー層20の磁化方向が、第2表面S2において磁化容易軸方向と平行でも反平行でもなく、第2表面S2から第1表面S1に近づくにつれて磁化容易軸方向と平行あるいは反平行な方向に遷移している。従って、スピントランスファーによる磁化方向の変化が、磁化遷移領域RT(特に第2表面S2近傍)において起こりやすくなる。そして、その磁化方向の変化が、第2表面S2近傍から第1表面S1に向けて順番に伝わっていく。このように、本実施の形態によれば、図1の場合と比べて、フリー層20(データ記憶領域RD)の磁化方向を反転させやすくなる。結果として、より小さい書き込み電流でデータ書き込みを実現することが可能となる。本願発明者によるLandau-Lifshitz-Gilbert(LLG)シミュレーションによれば、書き込み電流を図1の場合の0.45倍に低減できることが確認された。 In the case of FIG. 1 described above, the torque applied to the free layer 101 has only a component opposite to the magnetization direction of the free layer 101, so that magnetization reversal hardly occurs. On the other hand, according to the present embodiment, the magnetization direction of the free layer 20 is neither parallel nor antiparallel to the magnetization easy axis direction on the second surface S2, but is magnetized as it approaches the first surface S1 from the second surface S2. The transition is in a direction parallel or antiparallel to the easy axis direction. Accordingly, a change in magnetization direction due to spin transfer is likely to occur in the magnetization transition region RT (particularly in the vicinity of the second surface S2). And the change of the magnetization direction is transmitted in order toward the 1st surface S1 from the 2nd surface S2 vicinity. Thus, according to the present embodiment, the magnetization direction of the free layer 20 (data storage area RD) can be easily reversed compared to the case of FIG. As a result, data writing can be realized with a smaller write current. According to the Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) simulation by the present inventor, it was confirmed that the write current can be reduced to 0.45 times that in the case of FIG.
 以上に説明されたように、本実施の形態によれば、スピン注入方式の磁気抵抗素子において書き込み電流を低減することが可能となる。その結果、トンネルバリヤ層の劣化が抑制され、磁気抵抗素子及び磁気抵抗記憶装置の信頼性が向上する。 As described above, according to the present embodiment, the write current can be reduced in the spin-injection magnetoresistive element. As a result, deterioration of the tunnel barrier layer is suppressed, and the reliability of the magnetoresistive element and the magnetoresistive memory device is improved.
 (読み出し動作)
 図2あるいは図3を参照して、本実施の形態に係る磁気抵抗素子1からのデータ読み出し動作を説明する。データ読み出し時、書き込み電流よりも小さい読み出し電流が、第1端子51と第2端子52との間に流される。その読み出し電流に基づいて磁気抵抗素子1の抵抗値が評価され、それにより記録データが判定される。例えば、読み出し電流あるいは読み出し電流に応じた読み出し電圧を所定のレファレンスレベルと比較することによって、磁気抵抗素子1の抵抗値の大小、すなわち、記録データを判定することが可能である。尚、記録データに依らず、フリー層20の磁化方向とねじれ生成層30の磁化方向のなす角度はほぼ90度である。つまり、フリー層20とねじれ生成層30との間の抵抗値は、記録データに依らず同じである。従って、ピン層10とフリー層20との間の抵抗値の変化だけが観察される。
(Read operation)
A data read operation from the magnetoresistive element 1 according to the present exemplary embodiment will be described with reference to FIG. 2 or FIG. When reading data, a read current smaller than the write current is passed between the first terminal 51 and the second terminal 52. Based on the read current, the resistance value of the magnetoresistive element 1 is evaluated, whereby the recording data is determined. For example, the magnitude of the resistance value of the magnetoresistive element 1, that is, the recording data can be determined by comparing the read current or the read voltage corresponding to the read current with a predetermined reference level. Note that the angle formed by the magnetization direction of the free layer 20 and the magnetization direction of the twist generation layer 30 is approximately 90 degrees, regardless of the recording data. That is, the resistance value between the free layer 20 and the twist generation layer 30 is the same regardless of the recording data. Therefore, only a change in resistance value between the pinned layer 10 and the free layer 20 is observed.
 (構造例及びその製造方法)
 図4及び図5はそれぞれ、本実施の形態に係る磁気抵抗素子1の断面構造及び平面構造の一例を示している。図5中の線A-A’に沿った断面構造が図4に示されている。図4及び図5を参照して、磁気抵抗素子1の一例及びその製造方法を説明する。
(Structural example and manufacturing method thereof)
4 and 5 respectively show an example of a cross-sectional structure and a planar structure of the magnetoresistive element 1 according to the present exemplary embodiment. A cross-sectional structure along line AA ′ in FIG. 5 is shown in FIG. An example of the magnetoresistive element 1 and a manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS.
 半導体基板上にトランジスタや配線が形成された後、層間絶縁膜60が形成される。その層間絶縁膜60を貫通して下層配線とつながるタングステンプラグ61が形成される。続いて、Cu膜62(20nm)、Ta膜63(10nm)、反強磁性体膜としてのPtMn膜64(20nm)、CoFe膜65(4nm)、Ru膜66(0.8nm)、CoFe膜67(4nm)、CoPt膜69(2nm)、MgO膜70(1nm)、CoPt膜71(6nm)及びTa膜72(50nm)が、スパッタリング法により順番に成膜される。 After transistors and wirings are formed on the semiconductor substrate, an interlayer insulating film 60 is formed. A tungsten plug 61 that penetrates the interlayer insulating film 60 and is connected to the lower layer wiring is formed. Subsequently, a Cu film 62 (20 nm), a Ta film 63 (10 nm), a PtMn film 64 (20 nm) as an antiferromagnetic film, a CoFe film 65 (4 nm), a Ru film 66 (0.8 nm), and a CoFe film 67 (4 nm), CoPt film 69 (2 nm), MgO film 70 (1 nm), CoPt film 71 (6 nm), and Ta film 72 (50 nm) are sequentially formed by sputtering.
 このうち、Cu膜62は第2端子52に相当する。CoFe膜65、Ru膜66及びCoFe膜67はねじれ生成層30に相当する。2つのCoFe膜65、67は、Ru膜66を介して反強磁性結合する。CoFe膜65及びRu膜66は省かれてもよい。あるいは、CoFe膜65~CoFe膜67を省き、反強磁性体膜であるPtMn膜64をねじれ生成層30として用いてもよい。CoPt膜69はフリー層20に相当し、垂直磁気異方性を有する。トンネル絶縁膜であるMgO膜70は第1非磁性体層41に相当する。CoPt膜71はピン層10に相当し、垂直磁気異方性を有する。Ta膜72は第1端子51に相当する。 Among these, the Cu film 62 corresponds to the second terminal 52. The CoFe film 65, the Ru film 66, and the CoFe film 67 correspond to the twist generation layer 30. The two CoFe films 65 and 67 are antiferromagnetically coupled via the Ru film 66. The CoFe film 65 and the Ru film 66 may be omitted. Alternatively, the CoFe film 65 to the CoFe film 67 may be omitted, and the PtMn film 64 that is an antiferromagnetic film may be used as the twist generation layer 30. The CoPt film 69 corresponds to the free layer 20 and has perpendicular magnetic anisotropy. The MgO film 70 that is a tunnel insulating film corresponds to the first nonmagnetic layer 41. The CoPt film 71 corresponds to the pinned layer 10 and has perpendicular magnetic anisotropy. The Ta film 72 corresponds to the first terminal 51.
 次に、ピン層10とねじれ生成層30の磁化方向を設定するために、磁場中でアニーリング処理が行われる。アニーリング条件は、例えば、温度:275℃、印加磁場:1T、処理時間:2時間である。また、平面に対する印加磁場の角度は45度程度に設定される。これにより、ねじれ生成層30としてのCoFe膜65、67は面内方向に磁化され、ピン層10としてのCoPt膜71は垂直方向に磁化される。 Next, in order to set the magnetization directions of the pinned layer 10 and the twist generation layer 30, an annealing process is performed in a magnetic field. The annealing conditions are, for example, temperature: 275 ° C., applied magnetic field: 1 T, and processing time: 2 hours. In addition, the angle of the applied magnetic field with respect to the plane is set to about 45 degrees. Thereby, the CoFe films 65 and 67 as the twist generation layer 30 are magnetized in the in-plane direction, and the CoPt film 71 as the pinned layer 10 is magnetized in the vertical direction.
 次に、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより、Ta膜72が所定の平面形状を有するように加工される。レジストが除去された後、Ta膜72をマスクとして用いたミリング法によって、CoPt膜71からCoPt膜69までの積層膜がパターンニングされる。CoPt膜69からTa膜72までの積層膜の平面形状は、図5で示されるような円形状であり、その直径は例えば0.2μmである。円形状を有するCoPt膜69、MgO膜70及びCoPt膜71によって、MTJが形成される。 Next, the Ta film 72 is processed to have a predetermined planar shape by photolithography and reactive ion etching. After the resist is removed, the laminated film from the CoPt film 71 to the CoPt film 69 is patterned by a milling method using the Ta film 72 as a mask. The planar shape of the laminated film from the CoPt film 69 to the Ta film 72 is a circular shape as shown in FIG. 5, and its diameter is, for example, 0.2 μm. The MTJ is formed by the circular CoPt film 69, MgO film 70, and CoPt film 71.
 次に、MTJの側壁を保護するために、CVD法によってSiN膜73(30nm)が全面に形成される。続いて、フォトリソグラフィとミリングによって、CoFe膜67からCu膜62までの積層膜がパターンニングされる。Cu膜62からCoFe膜67までの積層膜の平面形状は、図5で示されるような長方形状である。 Next, in order to protect the side wall of the MTJ, a SiN film 73 (30 nm) is formed on the entire surface by the CVD method. Subsequently, the laminated film from the CoFe film 67 to the Cu film 62 is patterned by photolithography and milling. The planar shape of the laminated film from the Cu film 62 to the CoFe film 67 is a rectangular shape as shown in FIG.
 次に、CVD法によって、SiN膜74及びSiO膜75(50nm)が全面に形成される。更に、Ta膜72が露出するまでCMPが実施される。続いて、CVD法により層間絶縁膜76(400nm)が全面に形成される。次に、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより、MTJ上の層間絶縁膜76が除去され、Ta膜72に達するコンタクトホールが形成される。更に、AlCu膜77が全面に形成された後、図5で示されるようなパターンに加工される。これにより、上部配線77が形成される。 Next, a SiN film 74 and a SiO 2 film 75 (50 nm) are formed on the entire surface by CVD. Further, CMP is performed until the Ta film 72 is exposed. Subsequently, an interlayer insulating film 76 (400 nm) is formed on the entire surface by CVD. Next, the interlayer insulating film 76 on the MTJ is removed by photolithography and reactive ion etching, and a contact hole reaching the Ta film 72 is formed. Further, after the AlCu film 77 is formed on the entire surface, it is processed into a pattern as shown in FIG. Thereby, the upper wiring 77 is formed.
 2.第2の実施の形態
 (構成)
 図6は、本発明の第2の実施の形態に係る磁気抵抗素子1の構成を概略的に示している。第1の実施の形態と同様に、磁気抵抗素子1は、ピン層10、フリー層20、ねじれ生成層30、第1非磁性体層41、第1端子51及び第2端子52を備えている。第1の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。
2. Second Embodiment (Configuration)
FIG. 6 schematically shows the configuration of the magnetoresistive element 1 according to the second exemplary embodiment of the present invention. As in the first embodiment, the magnetoresistive element 1 includes a pinned layer 10, a free layer 20, a twist generation layer 30, a first nonmagnetic layer 41, a first terminal 51, and a second terminal 52. . The description overlapping with the first embodiment is omitted as appropriate.
 本実施の形態において、ピン層10の磁化方向は面内方向に固定されている。図6に示される例では、ピン層10の磁化方向は+X方向に固定されている。例えば、ピン層10は、面内磁気異方性を有する面内磁化膜で形成される。この場合、ピン層10の磁化容易軸方向は、面内方向である。 In the present embodiment, the magnetization direction of the pinned layer 10 is fixed in the in-plane direction. In the example shown in FIG. 6, the magnetization direction of the pinned layer 10 is fixed in the + X direction. For example, the pinned layer 10 is formed of an in-plane magnetization film having in-plane magnetic anisotropy. In this case, the magnetization easy axis direction of the pinned layer 10 is the in-plane direction.
 本実施の形態において、フリー層20は、面内磁気異方性を有する面内磁化膜で形成される。従って、フリー層20の磁化容易軸方向は面内方向であり、ピン層10の磁化方向と実質的に平行である。フリー層20の面内磁気異方性は、平面形状に依存する形状異方性や材料異方性により実現される。そのため、フリー層20の平面形状としては、楕円形や長方形が好適である。第1の実施の形態と同様に、本実施の形態に係るフリー層20も、第1表面S1側のデータ記憶領域RDと、第2表面S2側の磁化遷移領域RTとを含んでいる。 In this embodiment, the free layer 20 is formed of an in-plane magnetization film having in-plane magnetic anisotropy. Therefore, the easy axis direction of the free layer 20 is the in-plane direction and is substantially parallel to the magnetization direction of the pinned layer 10. The in-plane magnetic anisotropy of the free layer 20 is realized by shape anisotropy and material anisotropy depending on the planar shape. Therefore, the planar shape of the free layer 20 is preferably an ellipse or a rectangle. Similar to the first embodiment, the free layer 20 according to the present embodiment also includes a data storage region RD on the first surface S1 side and a magnetization transition region RT on the second surface S2 side.
 データ記憶領域RDの磁化方向は、磁化容易軸方向(X方向)と平行であり、ピン層10の磁化方向と平行(+X)あるいは反平行(-X)となることが許される。データ記憶領域RDの磁化方向が+X方向の場合、すなわち、データ記憶領域RDとピン層10の磁化方向が平行である状態は、データ“0”に対応付けられる。一方、データ記憶領域RDの磁化方向が-X方向の場合、すなわち、データ記憶領域RDとピン層10の磁化方向が反平行である状態は、データ“1”に対応付けられる。 The magnetization direction of the data storage area RD is parallel to the easy axis direction (X direction) and is allowed to be parallel (+ X) or antiparallel (−X) to the magnetization direction of the pinned layer 10. When the magnetization direction of the data storage region RD is the + X direction, that is, the state in which the magnetization direction of the data storage region RD and the pinned layer 10 is parallel is associated with data “0”. On the other hand, when the magnetization direction of the data storage region RD is the −X direction, that is, the state where the magnetization directions of the data storage region RD and the pinned layer 10 are antiparallel, this is associated with data “1”.
 一方、磁化遷移領域RTの磁化方向は、磁化容易軸方向(X方向)と異なっており、ピン層10の磁化方向と平行でも反平行でもない。特に、磁化遷移領域RTの磁化方向は、第2表面S2において磁化容易軸方向と最も異なっており、第2表面S2から第1表面S1に近づくにつれて磁化容易軸方向と平行な方向に遷移している。例えば図6において、磁化遷移領域RTの磁化方向は、第2表面S2においてほぼ+Z方向となっており、磁化容易軸方向とほぼ直交している。そして、磁化遷移領域RTの磁化方向は、第2表面S2から第1表面S1に近づくにつれて、+Z方向から磁化容易軸方向(ピン層10の磁化方向と平行あるいは反平行な方向)に遷移する。 On the other hand, the magnetization direction of the magnetization transition region RT is different from the magnetization easy axis direction (X direction), and is neither parallel nor antiparallel to the magnetization direction of the pinned layer 10. In particular, the magnetization direction of the magnetization transition region RT is most different from the easy axis direction on the second surface S2, and transitions in a direction parallel to the easy axis direction from the second surface S2 toward the first surface S1. Yes. For example, in FIG. 6, the magnetization direction of the magnetization transition region RT is substantially the + Z direction on the second surface S2, and is substantially perpendicular to the easy magnetization axis direction. The magnetization direction of the magnetization transition region RT changes from the + Z direction to the easy axis direction (a direction parallel or antiparallel to the magnetization direction of the pinned layer 10) as it approaches the first surface S1 from the second surface S2.
 本実施の形態において、ねじれ生成層30の磁化方向は、膜面に垂直な方向に固定されており、フリー層20の磁化容易軸方向(面内方向)と直交する。図6では、ねじれ生成層30の磁化方向は+Z方向に固定されている。例えば、ねじれ生成層30は、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜で形成される。この場合、ねじれ生成層30の磁化容易軸方向は膜面に垂直な方向である。ねじれ生成層30は、フリー層20の第2表面S2に接触していてもよいし、非磁性体層を介してその第2表面S2に接続されていてもよい。ねじれ生成層30とフリー層20との間の磁気的結合により、フリー層20内に磁化遷移領域RTが形成される。 In this embodiment, the magnetization direction of the twist generation layer 30 is fixed in a direction perpendicular to the film surface, and is orthogonal to the easy axis direction (in-plane direction) of the free layer 20. In FIG. 6, the magnetization direction of the twist generation layer 30 is fixed in the + Z direction. For example, the twist generation layer 30 is formed of a perpendicular magnetization film having perpendicular magnetic anisotropy. In this case, the easy axis of magnetization of the twist generation layer 30 is a direction perpendicular to the film surface. The twist generation layer 30 may be in contact with the second surface S2 of the free layer 20, or may be connected to the second surface S2 via a nonmagnetic layer. A magnetic transition region RT is formed in the free layer 20 by magnetic coupling between the twist generation layer 30 and the free layer 20.
 図6で示された例において、それぞれの磁性体層は、単層構造を有していてもよいし、複数の磁性体が積層された積層構造を有していてもよい。また、複数の磁性体が非磁性体を介して磁気的に結合した積層構造も可能である。 In the example shown in FIG. 6, each magnetic layer may have a single layer structure, or may have a stacked structure in which a plurality of magnetic materials are stacked. Further, a laminated structure in which a plurality of magnetic bodies are magnetically coupled via a non-magnetic body is also possible.
 また、フリー層20は、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜と面内磁気異方性を有する面内磁化膜の積層構造を有していてもよい。この場合、面内磁化膜は第1表面S1に接触するように形成され、垂直磁化膜は第2表面S2に接触するように形成される。つまり、面内磁化膜がおよそデータ記録領域RDに相当し、垂直磁化膜がおよそ磁化遷移領域RTに相当する。それら垂直磁化膜と面内磁化膜は、磁気的に結合している。また、それら垂直磁化膜と面内磁化膜は、非磁性体層を介して磁気的に結合していてもよい。 The free layer 20 may have a laminated structure of a perpendicular magnetization film having perpendicular magnetic anisotropy and an in-plane magnetization film having in-plane magnetic anisotropy. In this case, the in-plane magnetization film is formed so as to be in contact with the first surface S1, and the perpendicular magnetization film is formed so as to be in contact with the second surface S2. That is, the in-plane magnetization film corresponds approximately to the data recording region RD, and the perpendicular magnetization film corresponds approximately to the magnetization transition region RT. The perpendicular magnetization film and the in-plane magnetization film are magnetically coupled. Further, the perpendicular magnetization film and the in-plane magnetization film may be magnetically coupled via a nonmagnetic layer.
 (書き込み動作)
 データ書き込み動作は、第1の実施の形態と同様である。本実施の形態でも、フリー層20の磁化方向が、第2表面S2において磁化容易軸方向と平行でも反平行でもなく、第2表面S2から第1表面S1に近づくにつれて磁化容易軸方向と平行あるいは反平行な方向に遷移している。従って、スピントランスファーによる磁化方向の変化が、磁化遷移領域RT(特に第2表面S2近傍)において起こりやすくなる。そして、その磁化方向の変化が、第2表面S2近傍から第1表面S1に向けて順番に伝わっていく。このように、本実施の形態によれば、図1の場合と比べて、フリー層20(データ記憶領域RD)の磁化方向を反転させやすくなる。結果として、より小さい書き込み電流でデータ書き込みを実現することが可能となる。従って、トンネルバリヤ層の劣化が抑制され、磁気抵抗素子及び磁気抵抗記憶装置の信頼性が向上する。
(Write operation)
The data write operation is the same as in the first embodiment. Also in the present embodiment, the magnetization direction of the free layer 20 is neither parallel nor anti-parallel to the magnetization easy axis direction on the second surface S2, but is parallel to the magnetization easy axis direction as approaching the first surface S1 from the second surface S2. Transition to anti-parallel direction. Accordingly, a change in magnetization direction due to spin transfer is likely to occur in the magnetization transition region RT (particularly in the vicinity of the second surface S2). And the change of the magnetization direction is transmitted in order toward the 1st surface S1 from the 2nd surface S2 vicinity. Thus, according to the present embodiment, the magnetization direction of the free layer 20 (data storage area RD) can be easily reversed compared to the case of FIG. As a result, data writing can be realized with a smaller write current. Therefore, deterioration of the tunnel barrier layer is suppressed, and the reliability of the magnetoresistive element and the magnetoresistive memory device is improved.
 (読み出し動作)
 データ読み出し動作も、第1の実施の形態と同様である。尚、ピン層10とフリー層20が面内磁化膜の場合、それらが垂直磁化膜である場合に比べてMTJのMR比が大きくなることが知られている。例えば、CoFeB/MgO/CoFeBの構造では、100%以上のMR比が得られている。第2の実施の形態では、このような大きなMR比を利用することができる。
(Read operation)
The data read operation is the same as that in the first embodiment. It is known that when the pinned layer 10 and the free layer 20 are in-plane magnetic films, the MR ratio of the MTJ is larger than when they are perpendicular magnetic films. For example, in the CoFeB / MgO / CoFeB structure, an MR ratio of 100% or more is obtained. In the second embodiment, such a large MR ratio can be used.
 (構造例及びその製造方法)
 図7及び図8はそれぞれ、本実施の形態に係る磁気抵抗素子1の断面構造及び平面構造の一例を示している。図8中の線A-A’に沿った断面構造が図7に示されている。図7及び図8を参照して、磁気抵抗素子1の一例及びその製造方法を説明する。
(Structural example and manufacturing method thereof)
7 and 8 respectively show an example of a cross-sectional structure and a planar structure of the magnetoresistive element 1 according to the present exemplary embodiment. A cross-sectional structure along line AA ′ in FIG. 8 is shown in FIG. An example of the magnetoresistive element 1 and a manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS.
 層間絶縁膜60からCoFe膜67までの構造は、図4の場合と同じである。更に、MgO膜68(1nm)、NiFe膜81(4nm)、CoPt膜82(1nm)、及びTa膜83(50nm)が、スパッタリング法により順番に成膜される。本例では、Cu膜62は第1端子51に相当する。CoFe膜65、Ru膜66及びCoFe膜67はピン層10に相当する。2つのCoFe膜65、67は、Ru膜66を介して反強磁性結合する。トンネル絶縁膜であるMgO膜68は第1非磁性体層41に相当する。NiFe膜81はフリー層20に相当し、面内磁気異方性を有する。CoPt膜82はねじれ生成層30に相当し、垂直磁気異方性を有する。Ta膜83は第2端子52に相当する。 The structure from the interlayer insulating film 60 to the CoFe film 67 is the same as in the case of FIG. Further, an MgO film 68 (1 nm), a NiFe film 81 (4 nm), a CoPt film 82 (1 nm), and a Ta film 83 (50 nm) are sequentially formed by a sputtering method. In this example, the Cu film 62 corresponds to the first terminal 51. The CoFe film 65, the Ru film 66 and the CoFe film 67 correspond to the pinned layer 10. The two CoFe films 65 and 67 are antiferromagnetically coupled via the Ru film 66. The MgO film 68 that is a tunnel insulating film corresponds to the first nonmagnetic layer 41. The NiFe film 81 corresponds to the free layer 20 and has in-plane magnetic anisotropy. The CoPt film 82 corresponds to the twist generation layer 30 and has perpendicular magnetic anisotropy. The Ta film 83 corresponds to the second terminal 52.
 次に、ピン層10とねじれ生成層30の磁化方向を設定するために、磁場中でアニーリング処理が行われる。アニーリング条件は、例えば、温度:275℃、印加磁場:1T、処理時間:2時間である。また、平面に対する印加磁場の角度は45度程度に設定される。これにより、ピン層10としてのCoFe膜65、67は面内方向に磁化され、ねじれ生成層30としてのCoPt膜82は垂直方向に磁化される。 Next, in order to set the magnetization directions of the pinned layer 10 and the twist generation layer 30, an annealing process is performed in a magnetic field. The annealing conditions are, for example, temperature: 275 ° C., applied magnetic field: 1 T, and processing time: 2 hours. In addition, the angle of the applied magnetic field with respect to the plane is set to about 45 degrees. Thereby, the CoFe films 65 and 67 as the pinned layer 10 are magnetized in the in-plane direction, and the CoPt film 82 as the torsion generation layer 30 is magnetized in the vertical direction.
 次に、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより、Ta膜83が所定の平面形状を有するように加工される。レジストが除去された後、Ta膜83をマスクとして用いたミリング法によって、CoPt膜82からNiFe膜81までの積層膜がパターンニングされる。NiFe膜81からTa膜83までの積層膜の平面形状は、図8で示されるような楕円形状である。例えば、その楕円形状の長軸の長さは0.4μmであり、短軸の長さは0.2μmである。これにより形状磁気異方性が実現される。 Next, the Ta film 83 is processed to have a predetermined planar shape by photolithography and reactive ion etching. After the resist is removed, the laminated film from the CoPt film 82 to the NiFe film 81 is patterned by a milling method using the Ta film 83 as a mask. The planar shape of the laminated film from the NiFe film 81 to the Ta film 83 is an elliptical shape as shown in FIG. For example, the major axis of the elliptical shape has a length of 0.4 μm and the minor axis has a length of 0.2 μm. Thereby, shape magnetic anisotropy is realized.
 その後の工程は、第1の実施の形態と同様である。図8に示されるように、Cu膜62からMgO膜68までの積層膜の平面形状は長方形である。 The subsequent steps are the same as those in the first embodiment. As shown in FIG. 8, the planar shape of the laminated film from the Cu film 62 to the MgO film 68 is a rectangle.
 3.第3の実施の形態
 図9は、本発明の第3の実施の形態に係る磁気抵抗素子1の構成を概略的に示している。第3の実施の形態は、ねじれ生成層30の磁化固定方向の点で第2の実施の形態と異なっている。第2の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。
3. Third Embodiment FIG. 9 schematically shows a configuration of a magnetoresistive element 1 according to a third embodiment of the present invention. The third embodiment is different from the second embodiment in the direction of the magnetization fixed direction of the twist generation layer 30. A duplicate description with the second embodiment is omitted as appropriate.
 本実施の形態では、ねじれ生成層30の磁化方向は、面内の一方向に固定されている。但し、そのねじれ生成層30の面内磁化方向は、ピン層10の面内磁化方向(フリー層20の磁化容易軸方向)と異なっている。図9の例では、ピン層10の磁化方向が+X方向であるのに対し、ねじれ生成層30の磁化方向はそれに直交する+Y方向である。例えば、ねじれ生成層30は、面内磁気異方性を有する面内磁化膜で形成される。ねじれ生成層30は反強磁性体膜であってもよい。ねじれ生成層30は、フリー層20の第2表面S2に接触していてもよいし、非磁性体層を介してその第2表面S2に接続されていてもよい。ねじれ生成層30とフリー層20との間の磁気的結合により、フリー層20内に磁化遷移領域RTが形成される。 In the present embodiment, the magnetization direction of the twist generation layer 30 is fixed in one direction in the plane. However, the in-plane magnetization direction of the twist generation layer 30 is different from the in-plane magnetization direction of the pinned layer 10 (the easy axis direction of the free layer 20). In the example of FIG. 9, the magnetization direction of the pinned layer 10 is the + X direction, while the magnetization direction of the twist generation layer 30 is the + Y direction orthogonal to the magnetization direction. For example, the twist generation layer 30 is formed of an in-plane magnetization film having in-plane magnetic anisotropy. The twist generation layer 30 may be an antiferromagnetic film. The twist generation layer 30 may be in contact with the second surface S2 of the free layer 20, or may be connected to the second surface S2 via a nonmagnetic layer. A magnetic transition region RT is formed in the free layer 20 by magnetic coupling between the twist generation layer 30 and the free layer 20.
 本実施の形態においても、磁化遷移領域RTの磁化方向は、磁化容易軸方向(X方向)と異なっている。例えば図9において、磁化遷移領域RTの磁化方向は、第2表面S2においてほぼ-Y方向となっており、磁化容易軸方向(X方向)とほぼ直交している。そして、磁化遷移領域RTの磁化方向は、第2表面S2から第1表面S1に近づくにつれて、-Y方向から磁化容易軸方向(ピン層10の磁化方向と平行あるいは反平行な方向)に遷移する。従って、第2の実施の形態と同様の効果が得られる。 Also in the present embodiment, the magnetization direction of the magnetization transition region RT is different from the easy magnetization axis direction (X direction). For example, in FIG. 9, the magnetization direction of the magnetization transition region RT is substantially the −Y direction on the second surface S2, and is substantially orthogonal to the easy axis direction (X direction). The magnetization direction of the magnetization transition region RT changes from the −Y direction to the easy axis direction (a direction parallel or antiparallel to the magnetization direction of the pinned layer 10) as it approaches the first surface S1 from the second surface S2. . Therefore, the same effect as in the second embodiment can be obtained.
 本実施の形態に係る磁気抵抗素子1を実現するために、例えば既出の図7で示された構造において、CoPt膜82の代わりに、CoFe膜と反強磁性体膜であるFeMn膜の積層構造がねじれ生成層30として用いられるとよい。この場合、ピン層10の磁化方向の設定後に、ねじれ生成層30の磁化方向の設定が行われる。具体的には、ピン層10の磁化方向を設定するために、磁場中でアニーリング処理が行われる。アニーリング条件は、例えば、温度:275℃、印加磁場:1T、処理時間:2時間である。印加磁場の方向は、フリー層20の磁化容易軸方向と平行な方向に設定され、CoFe膜65、67は当該方向に磁化される。更に、ねじれ生成層30の磁化方向を設定するために、磁場中でアニーリング処理が行われる。このとき、温度は例えば150℃に下げられ、また、印加磁場の方向は、フリー層20の磁化容易軸方向と直交する方向に変えられる。これにより、CoFe膜及びFeMn膜が、フリー層20の磁化容易軸方向と直交する方向に磁化される。 In order to realize the magnetoresistive element 1 according to the present embodiment, for example, in the structure shown in FIG. 7 described above, instead of the CoPt film 82, a laminated structure of a CoFe film and an FeMn film which is an antiferromagnetic film Is preferably used as the twist generation layer 30. In this case, after setting the magnetization direction of the pinned layer 10, the magnetization direction of the twist generation layer 30 is set. Specifically, an annealing process is performed in a magnetic field in order to set the magnetization direction of the pinned layer 10. The annealing conditions are, for example, temperature: 275 ° C., applied magnetic field: 1 T, and processing time: 2 hours. The direction of the applied magnetic field is set in a direction parallel to the easy axis direction of the free layer 20, and the CoFe films 65 and 67 are magnetized in this direction. Furthermore, in order to set the magnetization direction of the twist generation layer 30, an annealing process is performed in a magnetic field. At this time, the temperature is lowered to 150 ° C., for example, and the direction of the applied magnetic field is changed to a direction perpendicular to the easy axis direction of the free layer 20. Thereby, the CoFe film and the FeMn film are magnetized in the direction perpendicular to the easy axis direction of the free layer 20.
 4.MRAMの回路構成
 図10は、本実施の形態に係るMRAM90の構成を概略的に示している。MRAM90は、アレイ状に配置された複数のメモリセルMCを備えている。各メモリセルMCは、上述の磁気抵抗素子1及び選択トランジスタ2を有している。選択トランジスタ2のゲートはワード線WLに接続されている。磁気抵抗素子1の第1端子51は、第1ビット線BL1に接続されている。磁気抵抗素子1の第2端子52は、選択トランジスタ2のソース/ドレインの一方に接続されている。選択トランジスタ2のソース/ドレインの他方は、第2ビット線BL2に接続されている。
4). Circuit Configuration of MRAM FIG. 10 schematically shows a configuration of the MRAM 90 according to the present embodiment. The MRAM 90 includes a plurality of memory cells MC arranged in an array. Each memory cell MC has the magnetoresistive element 1 and the selection transistor 2 described above. The gate of the selection transistor 2 is connected to the word line WL. The first terminal 51 of the magnetoresistive element 1 is connected to the first bit line BL1. The second terminal 52 of the magnetoresistive element 1 is connected to one of the source / drain of the selection transistor 2. The other of the source / drain of the selection transistor 2 is connected to the second bit line BL2.
 ワード線WLはワード制御回路91に接続されている。第1ビット線BL1はビット制御回路92に接続されている。第2ビット線BL2はビット終端回路93に接続されている。第1ビット線BL1及び第2ビット線BL2は、ワード線WLと交差している。ビット制御回路92はセンスアンプ94に接続されている。 The word line WL is connected to the word control circuit 91. The first bit line BL1 is connected to the bit control circuit 92. The second bit line BL2 is connected to the bit termination circuit 93. The first bit line BL1 and the second bit line BL2 intersect with the word line WL. The bit control circuit 92 is connected to the sense amplifier 94.
 対象メモリセルMCへのデータ書き込み動作は、次の通りである。ワード制御回路91は、対象メモリセルMCにつながるワード線WLを選択し、選択ワード線WLに所定のON電圧を印加する。これにより、選択ワード線WLにつながる選択トランジスタ2がONする。ビット制御回路92は、対象メモリセルMCにつながる第1ビット線BL1を選択し、ビット終端回路93は、対象メモリセルMCにつながる第2ビット線BL2を選択する。そして、ビット制御回路92及びビット終端回路93は、選択第1ビット線BL1と選択第2ビット線BL2の間に所定の電位差を与える。その結果、対象メモリセルMCの磁気抵抗素子1を通して、選択第1ビット線BL1と選択第2ビット線BL2の間に書き込み電流が流れる。書き込み電流の大きさは、例えば500μA程度である。磁気抵抗素子1の第1端子51と第2端子52の間に書き込み電流が流れるため、スピントランスファーによりフリー層20の磁化方向を反転させることができる。磁気抵抗素子1を流れる書き込み電流の方向は、選択第1ビット線BL1と選択第2ビット線BL2に与えられる電位差を調整することにより制御可能である。すなわち、所望のデータを対象メモリセルMCに書き込みことができる。 The data write operation to the target memory cell MC is as follows. The word control circuit 91 selects the word line WL connected to the target memory cell MC, and applies a predetermined ON voltage to the selected word line WL. As a result, the select transistor 2 connected to the selected word line WL is turned on. The bit control circuit 92 selects the first bit line BL1 connected to the target memory cell MC, and the bit termination circuit 93 selects the second bit line BL2 connected to the target memory cell MC. The bit control circuit 92 and the bit termination circuit 93 give a predetermined potential difference between the selected first bit line BL1 and the selected second bit line BL2. As a result, a write current flows between the selected first bit line BL1 and the selected second bit line BL2 through the magnetoresistive element 1 of the target memory cell MC. The magnitude of the write current is, for example, about 500 μA. Since a write current flows between the first terminal 51 and the second terminal 52 of the magnetoresistive element 1, the magnetization direction of the free layer 20 can be reversed by spin transfer. The direction of the write current flowing through the magnetoresistive element 1 can be controlled by adjusting the potential difference applied to the selected first bit line BL1 and the selected second bit line BL2. That is, desired data can be written into the target memory cell MC.
 対象メモリセルMCからのデータ読み出し動作は、次の通りである。ワード制御回路91は、対象メモリセルMCにつながるワード線WLを選択し、選択ワード線WLに所定のON電圧を印加する。これにより、選択ワード線WLにつながる選択トランジスタ2がONする。ビット終端回路93は、第2ビット線BL2をグランドレベルに設定する。ビット制御回路92は、対象メモリセルMCにつながる第1ビット線BL1を選択し、選択第1ビット線BL1に20μA程度の読み出し電流を供給する。読み出し電流は、選択第1ビット線BL1から、対象メモリセルMC及び選択第2ビット線BL2を通して、ビット終端回路93に流れる。このとき、ビット制御回路92は、読み出し電流と対象メモリセルMCの磁気抵抗素子1の抵抗値(記録データ)から決まるセンス電圧Vsを出力する。対象メモリセルMCの記録データが「0」、「1」の場合のセンス電圧Vsは、それぞれVs(0)及びVs(1)であるとする。参照電圧Vrefは、センス電圧Vs(0)、Vs(1)の間に設定されている。センスアンプ94は、センス電圧Vsと参照電圧Vrefとの比較を行うことによって、対象メモリセルMCの記録データを判別することができる。 The data read operation from the target memory cell MC is as follows. The word control circuit 91 selects the word line WL connected to the target memory cell MC, and applies a predetermined ON voltage to the selected word line WL. As a result, the select transistor 2 connected to the selected word line WL is turned on. The bit termination circuit 93 sets the second bit line BL2 to the ground level. The bit control circuit 92 selects the first bit line BL1 connected to the target memory cell MC, and supplies a read current of about 20 μA to the selected first bit line BL1. The read current flows from the selected first bit line BL1 to the bit termination circuit 93 through the target memory cell MC and the selected second bit line BL2. At this time, the bit control circuit 92 outputs the sense voltage Vs determined from the read current and the resistance value (recording data) of the magnetoresistive element 1 of the target memory cell MC. It is assumed that the sense voltages Vs when the recording data of the target memory cell MC are “0” and “1” are Vs (0) and Vs (1), respectively. The reference voltage Vref is set between the sense voltages Vs (0) and Vs (1). The sense amplifier 94 can determine the recording data of the target memory cell MC by comparing the sense voltage Vs with the reference voltage Vref.
 以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
 本出願は、2008年4月3日に出願された日本国特許出願2008-097049を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。 This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2008-097049 filed on Apr. 3, 2008, the entire disclosure of which is incorporated herein.

Claims (10)

  1.  複数の磁気抵抗素子を備える磁気抵抗記憶装置であって、
     前記複数の磁気抵抗素子の各々は、
     磁化方向が第1方向に固定された第1磁性体層と、
     第1非磁性体層を介して前記第1磁性体層と接続され、前記第1非磁性体層と接触する第1表面と前記第1表面に対向する第2表面とを有する第2磁性体層と、
     前記第2磁性体層の前記第2表面側に形成され、前記第2磁性体層と磁気的に結合した第3磁性体層と
     を備え、
     前記第3磁性体層の磁化方向は、前記第1方向と異なる方向に固定されており、
     前記第2磁性体層の磁化方向は、前記第2表面において前記第1方向と平行でも反平行でもない第2方向であり、前記第2表面から前記第1表面に近づくにつれて前記第2方向から前記第1方向と平行あるいは反平行な方向に遷移する
     磁気抵抗記憶装置。
    A magnetoresistive storage device comprising a plurality of magnetoresistive elements,
    Each of the plurality of magnetoresistive elements is
    A first magnetic layer whose magnetization direction is fixed in the first direction;
    A second magnetic body connected to the first magnetic layer via the first nonmagnetic layer and having a first surface in contact with the first nonmagnetic layer and a second surface opposite to the first surface Layers,
    A third magnetic layer formed on the second surface side of the second magnetic layer and magnetically coupled to the second magnetic layer;
    The magnetization direction of the third magnetic layer is fixed in a direction different from the first direction,
    The magnetization direction of the second magnetic layer is a second direction that is neither parallel nor anti-parallel to the first direction on the second surface, and from the second direction as approaching the first surface from the second surface. A magnetoresistive memory device that transitions in a direction parallel or antiparallel to the first direction.
  2.  請求の範囲1に記載の磁気抵抗記憶装置であって、
     前記第3磁性体層の磁化方向は、前記第1方向と直交する方向に固定されており、
     前記第2磁性体層の磁化方向は、前記第2表面において前記第1方向と直交している
     磁気抵抗記憶装置。
    The magnetoresistive storage device according to claim 1,
    The magnetization direction of the third magnetic layer is fixed in a direction orthogonal to the first direction,
    The magnetization direction of the second magnetic layer is perpendicular to the first direction on the second surface. Magnetoresistive memory device.
  3.  請求の範囲1又は2に記載の磁気抵抗記憶装置であって、
     前記第2磁性体層の磁化容易軸方向は、前記第1方向と平行である
     磁気抵抗記憶装置。
    The magnetoresistive storage device according to claim 1 or 2,
    The magnetization easy axis direction of the second magnetic layer is parallel to the first direction.
  4.  請求の範囲3に記載の磁気抵抗記憶装置であって、
     前記第2磁性体層は、前記磁化容易軸方向が膜面に垂直な垂直磁化膜で形成され、
     前記第1磁性体層の磁化方向は、膜面に垂直な方向に固定され、
     前記第3磁性体層の磁化方向は、面内方向に固定されている
     磁気抵抗記憶装置。
    A magnetoresistive storage device according to claim 3,
    The second magnetic layer is formed of a perpendicular magnetization film whose easy axis direction is perpendicular to the film surface,
    The magnetization direction of the first magnetic layer is fixed in a direction perpendicular to the film surface,
    The magnetoresistive memory device, wherein the magnetization direction of the third magnetic layer is fixed in the in-plane direction.
  5.  請求の範囲3に記載の磁気抵抗記憶装置であって、
     前記第2磁性体層は、前記磁化容易軸方向が面内方向である面内磁化膜で形成され、
     前記第1磁性体層の磁化方向は、面内方向に固定され、
     前記第3磁性体層の磁化方向は、膜面に垂直な方向に固定されている
     磁気抵抗記憶装置。
    A magnetoresistive storage device according to claim 3,
    The second magnetic layer is formed of an in-plane magnetization film in which the easy axis direction is an in-plane direction,
    The magnetization direction of the first magnetic layer is fixed in the in-plane direction,
    The magnetoresistive memory device, wherein the magnetization direction of the third magnetic layer is fixed in a direction perpendicular to the film surface.
  6.  請求の範囲3に記載の磁気抵抗記憶装置であって、
     前記第2磁性体層は、前記磁化容易軸方向が面内方向である面内磁化膜で形成され、
     前記第1磁性体層の磁化方向は、面内の前記第1方向に固定され、
     前記第3磁性体層の磁化方向は、前記第1方向と異なる面内の第3方向に固定されている
     磁気抵抗記憶装置。
    A magnetoresistive storage device according to claim 3,
    The second magnetic layer is formed of an in-plane magnetization film in which the easy axis direction is an in-plane direction,
    The magnetization direction of the first magnetic layer is fixed in the first direction in the plane,
    The magnetoresistive memory device, wherein the magnetization direction of the third magnetic layer is fixed in a third direction in a plane different from the first direction.
  7.  請求の範囲1又は2に記載の磁気抵抗記憶装置であって、
     前記第2磁性体層は、
     磁化容易軸方向が前記第1方向と平行であり、前記第1表面と接触する第1磁性体膜と、
     磁化容易軸方向が前記第1方向と直交し、前記第2表面と接触する第2磁性体膜と
     を含む
     磁気抵抗記憶装置。
    The magnetoresistive storage device according to claim 1 or 2,
    The second magnetic layer is
    A first magnetic film whose easy axis direction is parallel to the first direction and is in contact with the first surface;
    A magnetoresistive storage device comprising: a second magnetic film having an easy axis direction perpendicular to the first direction and in contact with the second surface.
  8.  請求の範囲1乃至7のいずれか一項に記載の磁気抵抗記憶装置であって、
     前記第3磁性体層は、第2非磁性体層を介して前記第2磁性体層の前記第2表面に接続されている
     磁気抵抗記憶装置。
    A magnetoresistive memory device according to any one of claims 1 to 7,
    The third magnetic layer is connected to the second surface of the second magnetic layer through a second nonmagnetic layer. A magnetoresistive storage device.
  9.  請求の範囲1乃至7のいずれか一項に記載の磁気抵抗記憶装置であって、
     前記第3磁性体層は、前記第2磁性体層の前記第2表面に接触している
     磁気抵抗記憶装置。
    A magnetoresistive memory device according to any one of claims 1 to 7,
    The third magnetic material layer is in contact with the second surface of the second magnetic material layer.
  10.  請求の範囲1乃至9のいずれか一項に記載の磁気抵抗記憶装置であって、
     前記各磁気抵抗素子は、更に、
     前記第1磁性体層に電気的に接続された第1端子と、
     前記第3磁性体層に電気的に接続された第2端子と
     を備え、
     データ書き込み時、前記第1端子と前記第2端子との間に電流が流される
     磁気抵抗記憶装置。
    A magnetoresistive storage device according to any one of claims 1 to 9,
    Each of the magnetoresistive elements further includes:
    A first terminal electrically connected to the first magnetic layer;
    A second terminal electrically connected to the third magnetic layer,
    A magnetoresistive storage device in which a current flows between the first terminal and the second terminal during data writing.
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