WO2010110029A1 - 磁気抵抗素子および磁気メモリ - Google Patents

磁気抵抗素子および磁気メモリ Download PDF

Info

Publication number
WO2010110029A1
WO2010110029A1 PCT/JP2010/053611 JP2010053611W WO2010110029A1 WO 2010110029 A1 WO2010110029 A1 WO 2010110029A1 JP 2010053611 W JP2010053611 W JP 2010053611W WO 2010110029 A1 WO2010110029 A1 WO 2010110029A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
magnetoresistive element
magnetization
magnetic layer
magnetic
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/053611
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
勝哉 西山
ウ ファン
成美 水上
照宣 宮崎
與田　博明
甲斐　正
岸　達也
大輔 渡邉
幹彦 大兼
康夫 安藤
吉川　将寿
永瀬　俊彦
英二 北川
忠臣 大坊
長嶺　真
Original Assignee
株式会社 東芝
国立大学法人東北大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社 東芝, 国立大学法人東北大学 filed Critical 株式会社 東芝
Publication of WO2010110029A1 publication Critical patent/WO2010110029A1/ja
Priority to US13/236,028 priority Critical patent/US8895162B2/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/12—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys
    • H01F10/123—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys having a L10 crystallographic structure, e.g. [Co,Fe][Pt,Pd] thin films
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/18—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being compounds
    • H01F10/193—Magnetic semiconductor compounds
    • H01F10/1933—Perovskites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/18—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being compounds
    • H01F10/193—Magnetic semiconductor compounds
    • H01F10/1936—Half-metallic, e.g. epitaxial CrO2 or NiMnSb films
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3286—Spin-exchange coupled multilayers having at least one layer with perpendicular magnetic anisotropy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/329—Spin-exchange coupled multilayers wherein the magnetisation of the free layer is switched by a spin-polarised current, e.g. spin torque effect
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/26—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by the substrate or intermediate layers
    • H01F10/28—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by the substrate or intermediate layers characterised by the composition of the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/11—Magnetic recording head
    • Y10T428/1107—Magnetoresistive
    • Y10T428/1121—Multilayer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/11—Magnetic recording head
    • Y10T428/1107—Magnetoresistive
    • Y10T428/1143—Magnetoresistive with defined structural feature

Definitions

  • the present invention relates to a magnetoresistive element and a magnetic memory using the magnetoresistive element in a storage cell.
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • the basic structure of the ferromagnetic tunnel junction is a three-layer stack structure of a storage layer having a variable magnetization direction, an insulator layer, and a fixed layer facing the storage layer and maintaining a predetermined magnetization direction.
  • a storage layer having a variable magnetization direction, an insulator layer, and a fixed layer facing the storage layer and maintaining a predetermined magnetization direction.
  • current flows through this ferromagnetic tunnel junction current flows through the insulator layer.
  • the resistance of the junction changes depending on the relative angle between the magnetization directions of the storage layer and the fixed layer, and takes a local minimum when the magnetization directions are parallel and a local maximum when the magnetization directions are antiparallel.
  • This resistance change is called a tunneling magneto-resistance effect (hereinafter also referred to as a TMR effect), and in the case where a magnetoresistive element having a ferromagnetic tunnel junction is actually used as one memory cell, a storage layer
  • the information is stored by associating the parallel and antiparallel states (that is, the local minimum and local maximum of the resistance) of the magnetization directions of L and the fixed layer with the binary information "0" or "1".
  • a write data line is disposed near the storage cell, and a magnetic field write method is known in which only the magnetization direction of the storage layer is reversed by the current magnetic field generated when current flows through the write wiring. It is done.
  • the coercive force H c of the magnetic material forming the storage layer will in principle be larger, so the current required for writing becomes larger as the element is miniaturized.
  • the current magnetic field from the write wiring is in principle smaller with respect to the reduction of the cell size, it is difficult to simultaneously achieve the reduction of the cell size and the reduction of the write current required in the large capacity design. is there.
  • the energy barrier for maintaining the magnetization direction of the storage layer in one direction that is, the magnetic anisotropy energy becomes smaller than the thermal energy, and as a result, the magnetization of the magnetic material
  • the problem is that the direction fluctuates (thermal disturbance) and the memory information can no longer be maintained.
  • the energy barrier required to reverse the magnetization direction is represented by the product of the magnetic anisotropy constant (magnetic anisotropy energy per unit volume) and the magnetization reversal unit volume, so a fine element size region
  • the magnetic anisotropy constant magnetic anisotropy energy per unit volume
  • the magnetization reversal unit volume so a fine element size region
  • shape magnetic anisotropy In the configuration of the in-plane magnetization type mainly studied so far, it is general to use shape magnetic anisotropy.
  • it is necessary to increase the magnetic anisotropy energy it is necessary to increase the aspect ratio of the magnetoresistive element, increase the thickness of the storage layer, increase the saturation magnetization of the storage layer, etc.
  • L10 ordered alloy system FePt, CoPt etc.
  • artificial lattice Co / Pt, Pd
  • hcp system CoPt etc.
  • RE-TM system Tb-CoFe etc.
  • Non-Patent Document 1 the switching current for reversing the magnetization by spin transfer method is dependent on the saturation magnetization M S and the magnetic relaxation constant of the storage layer alpha. Therefore, in order to reverse the magnetization of the storage layer by low current spin injection, it is important to reduce the saturation magnetization Ms and the magnetic relaxation constant ⁇ . The device also needs to withstand the processing temperature.
  • none of the above-mentioned perpendicular magnetization films should have all the above-mentioned characteristics to be provided as a storage layer.
  • the present invention has been made in consideration of the above circumstances, and is a magnetoresistive element for a spin injection writing system which enables low current magnetization reversal while being thermally stable and a magnetic memory using the same.
  • a magnetoresistive element comprises: an underlayer; a first magnetic layer provided on the underlayer and having a magnetization easy axis perpendicular to the film surface and having a variable magnetization direction; A second nonmagnetic layer provided on the first magnetic layer, and a second magnetic layer provided on the first nonmagnetic layer and having a magnetization easy axis fixed in the direction perpendicular to the film surface; , wherein the first magnetic layer, c-axis has a DO 22 structure or L1 0 structure includes a ferrimagnetic layer are aligned in a vertical direction to the film surface, the first magnetic layer and the first The magnetization direction of the first magnetic layer can be changed by a current passing through the nonmagnetic layer and the second magnetic layer.
  • a magnetic memory according to a second aspect of the present invention is a magnetic resistance element according to the first aspect, provided so as to sandwich the magnetic resistance element, and performing electric conduction to the magnetic resistance element. And a memory cell including a second electrode.
  • a magnetoresistive element for a spin injection writing system which enables low current magnetization reversal while being thermally stable and a magnetic random access memory using the same.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the MR element according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an MR element according to a first modification of the first embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of an MR element according to a second modification of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an MR element according to a third modification of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a laminated structure including an underlayer and a memory layer.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of an MRAM according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of an MRAM shown around one memory cell MC.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a DSL data path unit of a modem for digital subscriber line (DSL) according to the application example 1 of the MRAM.
  • DSL digital subscriber line
  • FIG. 16 is a block diagram showing a mobile phone terminal 300 according to application example 2 of the MRAM.
  • FIG. 18 is a top view showing an MRAM card 400 according to application example 3 of the MRAM.
  • FIG. 7 is a plan view showing a data transfer apparatus 500 for transferring data to an MRAM card.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing a data transfer apparatus 500 for transferring data to an MRAM card.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing a snap-in data transfer apparatus 500 for transferring data to an MRAM card.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view showing a slide-type data transfer apparatus 500 for transferring data to an MRAM card.
  • each embodiment shown below is an example of an apparatus and method for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention includes the material, shape, structure, and the like of the component. The arrangement etc. are not specified to the following. Various changes can be added to the technical idea of the present invention within the scope of the claims.
  • FIG. 1 shows a magnetoresistance element 1 according to the present embodiment. Arrows in FIG. 1 indicate the magnetization directions.
  • a magnetoresistive element refers to a TMR (tunneling magnetoresistive effect) element which uses a semiconductor or an insulator for a spacer layer.
  • TMR tunnel magnetoresistive effect
  • the magnetoresistive element 1 of the present embodiment has a laminated structure in which an underlayer 12, a magnetic layer 13, a nonmagnetic layer 15, a magnetic layer 17, and a cap layer 20 are laminated in this order.
  • the magnetic layer 13 has an easy magnetization axis in a direction perpendicular to the film surface (that is, a direction perpendicular to the top surface), and the magnetization rotates (precesses) around the easy magnetization axis.
  • the magnetic layer 13 is referred to as a storage layer. The detailed properties of the storage layer 13 will be described later.
  • the magnetization in the direction perpendicular to the film surface is referred to as perpendicular magnetization.
  • the magnetic layer 17 has a magnetization easy axis in the direction perpendicular to the film surface, and the magnetization direction is fixed to the storage layer 13.
  • the direction of magnetization is fixed means that the direction of magnetization does not change before and after the write current flows. Alternatively, it is made of a magnetic material having a coercivity larger than that of the storage layer 13.
  • the magnetic layer 17 is referred to as a fixed layer. The detailed properties of the fixed layer 17 will be described later.
  • the magnetization direction of the fixed layer 17 is, as a typical example, directed in the opposite direction (up) to the substrate provided on the side opposite to the storage layer 13 with respect to the underlayer 12. It does not matter if you are facing (below).
  • the nonmagnetic layer (also referred to as a tunnel barrier layer) 15 is made of an oxide insulator or the like. The more detailed properties of the nonmagnetic layer 15 will be described later.
  • the magnetoresistive element 1 performs writing by a spin injection magnetization reversal method. That is, the relative angles of the magnetization directions of the storage layer 13 and the fixed layer 17 are parallel or antiparallel (that is, local minimum or maximum resistance) according to the direction of the spin polarization current flowing perpendicularly to the film surface for each layer. , And store the information by associating it with the binary information “0” or “1”. More specifically, at the time of writing, electrons having spin information stored by flowing current in the direction perpendicular to the film surface from the fixed layer 17 to the storage layer 13 or from the storage layer 13 to the fixed layer 17 Is injected from the fixed layer 17 into the storage layer 13. The spin angular momentum of the injected electrons is transferred to the electrons of the storage layer 13 according to the conservation law of the spin angular momentum, whereby the magnetization of the storage layer 13 is reversed.
  • the magnetoresistive element 1 of the present embodiment has a so-called top pin type structure in which the storage layer 13 and a layer above it are formed on the underlayer 12 and the fixed layer 17 is formed on the nonmagnetic layer 15. doing.
  • the underlayer 12 is used to control the crystallinity such as the crystal orientation and the crystal grain size of the layer above the memory layer 13, and the detailed properties will be described later.
  • the cap layer 20 mainly functions as a protective layer, such as preventing oxidation of the magnetic layer 17.
  • the interface layer described later is not inserted.
  • a material having a spin polarization ratio sufficient to develop high TMR and to provide high spin injection efficiency can be used.
  • the magnetoresistive element 1 of the present embodiment may be a magnetoresistive element of various modifications described below.
  • FIG. 2 shows a magnetoresistive element 1 according to a first modification of the first embodiment.
  • the magnetoresistive element 1 of this modification has a configuration in which an interface layer 16 is provided between the nonmagnetic layer 15 and the fixed layer 17 in the magnetoresistive element 1 of the first embodiment shown in FIG.
  • the interface layer 16 is made of a ferromagnetic material and has an effect of alleviating lattice mismatch at the interface between the nonmagnetic layer 15 and the fixed layer 17. Also, by using a high polarizability material, high TMR and high spin injection efficiency are realized. Also have the effect of
  • FIG. 3 shows a magnetoresistive element 1 according to a second modification of the first embodiment.
  • the magnetoresistive element 1 of this modification includes the interface layer 14 between the storage layer 13 and the nonmagnetic layer 15 and the nonmagnetic layer 15.
  • the interface layer 16 is inserted between the fixed layer 17 and the fixed layer 17.
  • the interface layer 14 is also made of a ferromagnetic material like the interface layer 16 and has the effect of alleviating lattice mismatch at the interface between the storage layer 13 and the nonmagnetic layer 15, and by using a high polarizability material, a high TMR and It also has the effect of realizing high spin injection efficiency.
  • the detailed properties of the interface layer 14 and the interface layer 16 will be described later.
  • FIG. 4 shows a magnetoresistive element 1 according to a third modification of the first embodiment.
  • the magnetoresistive element 1 of this modification includes a nonmagnetic layer 18 and a bias layer (hereinafter referred to as shift adjustment) between the fixed layer 17 and the cap layer 20.
  • the layers 19) are also provided in this order.
  • the bias layer 19 is made of a ferromagnetic material and is a perpendicular magnetization film having an easy magnetization axis in the direction perpendicular to the film surface, and the magnetization is fixed in the direction opposite to the magnetization direction of the fixed layer 17.
  • the bias layer 19 has an effect of adjusting the offset of the magnetization reversal characteristic in the storage layer 13 due to the stray magnetic field from the fixed layer 17, which is a problem during element processing, in the reverse direction.
  • the interface layer 14 or between the storage layer 13 and the nonmagnetic layer 15 or between the nonmagnetic layer 15 and the fixed layer 17 is provided.
  • the interface layer 16 may be inserted. Detailed properties of the nonmagnetic layer 18 and the bias layer 19 will be described later.
  • thermal disturbance index ⁇ 60 or more is a necessary condition.
  • the critical current I c required for magnetization reversal by the spin injection writing method is generally It is known that I c ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (Eq. 2).
  • ⁇ represents a magnetic relaxation constant
  • ⁇ represents a spin injection efficiency coefficient
  • storage layer 13 is a perpendicular magnetization film, and in order to achieve both magnetization reversal at high thermal stability and low current, low saturation magnetization M S, thermal stability factor It is preferable that the material has a high magnetic anisotropy K u sufficient to maintain ⁇ and exhibits a high polarizability.
  • an MnGa alloy having a composition exhibiting a ferrimagnetic property can be considered. The details will be described below.
  • a first example of the storage layer 13 is made of an alloy of manganese (Mn) and gallium (Ga) having a DO 22 phase.
  • Mn manganese
  • Ga gallium
  • FIG. 5 the Mn 3- ⁇ Ga alloy is based on a face-centered tetragonal (FCT) structure with an Mn composition in the range of 0.15 ⁇ ⁇ 1.05 (66 to 74 at%). It has a DO 22 type structure and expresses ferrimagnetism within this composition range.
  • the c-axis may be grown in the direction perpendicular to the film surface, that is, (002) orientation growth. Specifically, it is possible to control the crystal orientation growth of the memory layer 13 by appropriately selecting the underlayer 12 shown in FIGS. Details and a specific manufacturing method of the underlayer 12 will be described later.
  • FIG. 6 the saturation magnetization M S and the effective perpendicular magnetic anisotropy constant K u eff of Mn 2.5 Ga having a DO 22 structure fabricated on the underlayer 12, the substrate heating deposition temperature dependence Show sex.
  • FIG. 7 shows the Mn composition dependency of the saturation magnetization M S and the effective magnetic anisotropy constant K u eff of the perpendicular magnetization Mn 3- ⁇ Ga thus manufactured. It is found that by adjusting the Mn composition, it is possible to achieve both of high effective perpendicular magnetic anisotropy with low saturation magnetization ( ⁇ 300 (emu / cc)) and 1 ⁇ 10 7 (erg / cc) or more.
  • high effective perpendicular magnetic anisotropy with low saturation magnetization ⁇ 300 (emu / cc)
  • 1 ⁇ 10 7 erg / cc
  • the Mn within this composition range The polarizability of 3- ⁇ Ga is expected to be as high as about 66% to 98% in terms of band calculation.
  • the Curie temperature is about 700 K or more, which is higher than that of half-metal and Heusler-based materials, which are actively studied as highly polarized materials, the DO 22 structure can be stably present, and the material meets the property requirements of the storage layer. preferable.
  • the second embodiment of the storage layer 13 is composed of an alloy of manganese (Mn) and gallium (Ga) having an L1 0 phase.
  • the MnGa alloy is ferromagnetic when the composition ratio of Mn is 50 at%.
  • M S may be added Mn. Specifically, when the composition ratio of Mn is larger than this, substitution of Ga site of Mn occurs, and Mn of Ga site takes a spin arrangement antiparallel to Mn of Mn site. As a result, as shown in FIG.
  • a face-centered tetragonal (FCT) structure which is referred to as a ⁇ phase or an ⁇ ′ phase on the phase diagram in the range of 64 at% to 66 at% Mn composition, is used as a basic lattice.
  • L1 0 type (CuAu type) ordered structure phase as becomes ferrimagnetic material of stable phase, the magnitude of the effective saturation magnetization M S can be adjusted to below 50 (emu / cc).
  • the c-axis may be grown in the direction perpendicular to the film surface, that is, (001) orientation growth.
  • the crystal orientation growth of the storage layer 13 can be controlled by appropriately selecting the underlayer 12 described in FIGS. 1 to 4.
  • the MnGa alloy has an effective perpendicular magnetic anisotropy as high as 5 ⁇ 10 6 (erg / cc) within this composition range, and a Curie temperature as high as about 690 K, and has required characteristics as a storage layer. Fulfill.
  • Base layer 12 The DO 22 structure and L1 0 structure shown in the foregoing detailed description of the storage layer 13, in general, [001] and the direction of the lattice constant c, [100] and [010] is not equal to the direction of the lattice constant a. Accordingly, ferromagnetic alloy having a DO 22 structure or L1 0 structure, c-axis is the axis of easy magnetization. That is, in order to form a perpendicular magnetization film and the easy magnetization axis vertical to the film surface, so that the DO 22 structure and L1 0 structure of the crystalline orientation of each (002) plane, the (001) plane oriented Need to control. Therefore, it is important to select the material of the underlayer 12 and the laminated structure thereof.
  • the lattice constant a [100] direction of the DO 22 structure and L1 0 structure is close and approximately 3.90 ⁇ about each is shown below specific examples of the material and lamination configurations, the storage layer 13 is applied to either case of MnGa of MnGa, L1 0 structure of DO 22 structure.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a laminated structure including the underlayer 12 and the memory layer 13.
  • a Ta layer having a thickness of about 5 nm as the adhesion layer 11 with the underlayer 12, the underlayer 12, and DO on the underlayer 12 are formed on the thermally oxidized film-attached Si substrate 10. It has a 22 structure or L1 0 structure MnGa layer having a thickness of about 2nm as a storage layer 13, a configuration in which sequentially formed.
  • the structure above the MnGa layer is the same as that of the first embodiment or its modification shown in FIGS. 1 to 4.
  • the underlayer 12 is an amorphous layer with a film thickness of about 3 nm as the underlayer 12a, an oxide layer with a film thickness of about 0.5 nm as the underlayer 12b, or a nitride layer with a NaCl structure with a film thickness of about 20 nm as the underlayer 12c.
  • stacked the conductive oxide layer which has a perovskite structure, the base layer 12d, and the metal layer about film thickness about 3 nm one by one is preferable.
  • an amorphous layer or a microcrystalline layer such as Co 40 Fe 40 B 20 as the underlayer 12a and an oxidized structure having a NaCl structure as the underlayer 12b. It is preferable that an underlayer and a metal layer having a tetragonal crystal structure or a cubic crystal structure be formed in the underlayer 12 as the underlayer 12d. Specific materials of the underlayers 12a to 12d included in the underlayer 12 will be described later.
  • a nitride having a NaCl structure or a conductive oxide having a perovskite structure is used. That is, as a nitride having a NaCl structure, it has a NaCl structure oriented in the (001) plane, and is selected from Ti, Zr, Nb, V, Hf, Ta, Mo, W, B, Al, Ce A nitride of at least one element is used. For example, as a nitride having a NaCl structure, TiN, ZrN, NbN, VN and the like can be mentioned.
  • a nitride of Hf, Ta, Mo, W, B, Al, Ce or the like may be used in addition to nitrides of Ti, Zr, Nb and V.
  • a nitride of Hf, Ta, Mo, W, B, Al, Ce or the like may be used in addition to nitrides of Ti, Zr, Nb and V.
  • the standard free energy of formation it is preferable that the standard free energy of formation be lower. Therefore, when the standard free energy of formation at 500 ° C. of a typical nitride having a NaCl structure is arranged in ascending order, it becomes ZrN, TiN, CeN, VN, CrN (for example, Metal Data Book p. 90, The Japan Institute of Metals reference).
  • the nitride used in the present embodiment has a lower standard energy of formation, and from such a viewpoint, ZrN, TiN, CeN are more preferable.
  • these nitrides, ZrN, TiN respectively lattice constant of CeN, 4.54 ⁇ , 4.22 ⁇ , is 5.02 ⁇ , [100] direction of MnGa with previously described DO 22 structure and L1 0 structure Since the lattice constant a of is about 3.90 ⁇ , it is preferable in the order of TiN, ZrN, CeN from the viewpoint of lattice constant.
  • the film thickness range is preferably in the range of 3 nm to 30 nm.
  • a conductive oxide having a perovskite structure oriented in the (002) plane may be mentioned as a material having a similar effect.
  • site A is strontium (Sr), cerium (Ce), dysprosium (Dy), lanthanum (La), K (potassium), Ca (calcium),
  • site B is made of at least one element selected from sodium (Na), lead (Pb), barium (Ba), etc.
  • site B is titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn) ), Iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), gallium (Ga), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), iridium (Ir), Ta (tantalum), cerium (Ce) Or at least one element selected from lead (Pb) or the like.
  • These oxides are excellent in crystal orientation with a lattice constant a of (001) plane of about 3.7 ⁇ to 4.0 ⁇ , and are preferable as an underlayer. It may be appropriately selected from the above materials from the viewpoints of high heat resistance, low lattice mismatch, and low resistance. In addition, it is possible to adjust the electrical conductivity of the perovskite oxide by depleting oxygen.
  • the underlayer 12a has a smoothness, an oxide having a NaCl structure to be the underlayer 12b, and a nitride having a NaCl structure to be the underlayer 12c or a conductive oxide having a perovskite structure.
  • An amorphous layer or a microcrystalline layer is used for the purpose of improving the crystal orientation.
  • the underlayer 12a having an amorphous structure (or a microcrystalline structure) includes one or more elements of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), boron (B), niobium (Nb), Examples include metals containing one or more elements of silicon (Si), tantalum (Ta), and zirconium (Zr).
  • Co 40 Fe 40 B 20, Co 80 B 20, Fe 80 Si 10 B amorphous layer such as 10 (or microcrystalline layer) and the like.
  • CoZrB, NiSiB, FeNiSiB, FeCoZrB, etc. can be said to be preferable materials.
  • these amorphous layers (or microcrystalline layers) do not show a clear crystal structure at the time of formation, crystallization is partially started by a heat process after film formation, and a certain region shows a clear crystal structure. It does not matter. That is, when it finally functions as a device, it may show a crystal structure.
  • an oxide having a NaCl structure to be the base layer 12b and a nitride having a NaCl structure to be the base layer 12c or a conductive oxide oxide having a perovskite structure have a (100) plane. It is easy to grow in high orientation. If the film thickness of the amorphous layer which is the underlayer 12a is too thick, it takes a long time to form a film, which causes a decrease in productivity, and if it is too thin, the effect of the above-mentioned orientation control is lost. It is preferable to be in the range of
  • an oxide having a NaCl structure is used as the underlayer 12b for the purpose of improving the smoothness and crystal orientation of the underlayer 12c and the underlayer 12d.
  • an oxide having a NaCl structure magnesium (Mg), calcium (Ca), vanadium (V), niobium (Nb), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) can be used.
  • the material which has an at least 1 or more element as a main component is mentioned.
  • the resistance should be at least smaller than the resistance of the nonmagnetic layer 15, and is preferably thinner than 1 nm.
  • the underlayer 12d has a tetragonal crystal structure or a cubic crystal structure and a lattice constant in the range of 2.7 ⁇ to 3.0 ⁇ , or 3.7 ⁇ to 4.2 ⁇ , and (001) It is preferable to use a metal oriented in a plane. Rather than directly forming MnGa of DO 22 structure or L1 0 structure on a nitride or oxide serving as a base layer 12c as the storage layer 13, between the base layer 12c and the storage layer 13, the underlying layer 12d as a buffer layer by providing a c-axis orientation of the storage layer 13 of MnGa the DO 22 structure or L1 0 structure, it is possible to further improve.
  • Specific materials of the underlayer 12 d include one of rhodium (Rh), iridium (Ir), palladium (Pd), platinum (Pt), copper (Cu), silver (Ag), and gold (Au). It is preferable to be composed of an element or an alloy containing one element as a main component. Further, since the thickness of the metal layer is a ground layer 12d is that too thick smoothness is deteriorated, does not function well as a layer adjust the orientation of the ordered alloy having a too thin DO 22 structure or L1 0 structure, It is preferably in the range of 1 nm to 10 nm.
  • Nonmagnetic layer 15 As a material of the nonpolar layer 15, an oxide having a NaCl structure is preferable. Specifically, MgO, CaO, SrO, TiO, VO, NbO and the like can be mentioned. These NaCl structure oxides contain Fe, Co, Ni, or two or more as a main component, for example, on an amorphous CoFeNiB alloy or in a body-centered cubic (BCC) structure (100) either FeCoNi having preferential orientation plane, or on an alloy containing two or more as a main component, or an alloy having a DO 22 structure (002) plane, or the L1 0 type ordered alloy having a FCT structure (001) When crystal growth is performed on the orientation plane, the (100) plane is easily grown as a preferential orientation plane. In particular, on a CoFe-X amorphous alloy to which B, C, N or the like is added, it is possible to preferentially orient the (100) plane very easily.
  • BCC body-centered cubic
  • the spin-polarized ⁇ 1 band becomes the carrier of the tunnel conduction, so only majority spin electrons contribute to the conduction. .
  • the conductivity of the magnetoresistive element 1 is reduced, and the resistance value is increased.
  • the conductivity of the magnetoresistive element 1 is increased because the non-spin polarized ⁇ 5 band controls the conduction. And the resistance decreases. Accordingly, the point for the formation of delta 1 band to express high MR ratio.
  • the interface between the (100) plane of the nonmagnetic layer 15 made of an oxide of NaCl structure and the storage layer 13 and the pinned layer 17 must be well matched.
  • the interface layer 14 with the storage layer 13 and the interface layer with the fixed layer 17 are provided. 16 may be inserted. From the viewpoint of forming the ⁇ 1 band, it is more preferable to select a material which makes the lattice mismatch in the (100) plane of the nonmagnetic layer 15 5% or less as the interface layer 14 and the interface layer 16 .
  • Fixed layer 17 As the fixed layer 17, it is preferable to select a material whose magnetization direction does not easily change with respect to the storage layer 13. That is, it is preferable to select a material having a large effective magnetic anisotropy K u eff and a large saturation magnetization M s and a large magnetic relaxation constant ⁇ . Specific materials will be described later.
  • (Regular alloy system) Fe, Co, an alloy containing one or more elements, Pt, and at least one element of Pd, the out of Ni, the crystal structure of the alloy is L1 0 type ordered alloy.
  • These ordered alloys are not limited to the above composition ratio.
  • An impurity element such as Cu (copper), Cr (chromium) or Ag (silver) or an alloy thereof or an insulator can be added to these ordered alloys to adjust effective magnetic anisotropic energy and saturation magnetization. .
  • the interface layer 16 is inserted between the layer 17 and the layer 17.
  • the artificial lattice system is an alloy containing at least one element of Cr, Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Re, Au, Cu, and an alloy containing at least one element of Fe, Co, and Ni. And are alternately stacked.
  • Co / Pt artificial lattice, Co / Pd artificial lattice, CoCr / Pt artificial lattice, Co / Ru artificial lattice, Co / Os, Co / Au, Ni / Cu artificial lattice, etc. may be mentioned.
  • the disordered alloy system is mainly composed of cobalt (Co), chromium (Cr), tantalum (Ta), niobium (Nb), vanadium (V), tungsten (W), hafnium (Hf), titanium (Ti)
  • CoCr alloy, CoPt alloy, CoCrTa alloy, CoCrPt alloy, CoCrPtTa alloy, CoCrPt alloy, CoCrPtTa alloy, CoCrNb alloy and the like can be mentioned.
  • These alloys can adjust the effective magnetic anisotropy energy and saturation magnetization by increasing the proportion of nonmagnetic elements.
  • the lattice mismatch with the nonmagnetic layer 15 is large in many cases, which is not preferable from the viewpoint of a high MR ratio.
  • Interface layer 16 and interface layer 14 shown in FIGS. 2 and 3 are inserted at the interface between the interface layer nonmagnetic layer 15 and the fixed layer 17 or the storage layer 13 for the purpose of increasing the magnetoresistance ratio (TMR ratio). Be done.
  • Interface layer 14 and interface layer 16 is a high spin polarized material, in particular an alloy (Co 100-x -Fe x) 100-y B y, x ⁇ 20at%, it is 0 ⁇ y ⁇ 30at% preferable.
  • the interface layer 16 and the interface layer 14 preferably have a cubic crystal structure or a tetragonal crystal structure and are preferably oriented in the (100) plane.
  • the lattice mismatch between the fixed layer 17 and the nonmagnetic layer 15 and between the storage layer 13 and the nonmagnetic layer 15 is alleviated, and further higher Since it is a polarizable material, an effect to realize a high MR ratio and a high spin injection efficiency is expected.
  • the nonmagnetic layer 18 and the bias layer 19 may be disposed between the fixed layer 17 and the cap layer 20. This makes it possible to mitigate and adjust the shift of the switching current of the storage layer 13 due to the stray magnetic field from the fixed layer 17.
  • the nonmagnetic layer 18 desirably has a heat resistance such that the fixed layer 17 and the bias layer 19 do not mix in a thermal process, and a function of controlling crystal orientation when the bias layer 19 is formed. Furthermore, when the film thickness of the nonmagnetic layer 18 increases, the distance between the bias layer 19 and the storage layer 13 increases, so the shift adjustment magnetic field applied from the bias layer 19 to the storage layer 13 decreases. Therefore, the thickness of the nonmagnetic layer 18 is preferably 5 nm or less.
  • the bias layer 19 is made of a ferromagnetic material having an easy axis of magnetization in the direction perpendicular to the film surface. Specifically, the materials listed for the fixed layer 17 can be used.
  • the thickness of the bias layer 19 or the thickness of the bias layer 19 may be adjusted in order to adjust the stray magnetic field applied to the storage layer 13. It must be set larger than those of the fixed layer 17 the size of the saturation magnetization M S. That is, according to the research results of the inventors, assuming that the film thickness of the fixed layer 17 and the saturation magnetization are t 2 and M S2 , and the film thickness of the bias layer 19 and the saturation magnetization are t 22 and M S22 respectively, It is necessary to satisfy M S2 ⁇ t 2 ⁇ M S22 ⁇ t 22 (Equation 3)
  • the saturation magnetization M S2 is 1000 emu / cc in the fixed layer 17
  • the non thickness of the magnetic layer 18 is 3 nm
  • the bias layer 19 is the saturation magnetization M S22 1000emu / cc
  • thickness t 22 is required to bias layer characteristics of about 15 nm.
  • the magnetization directions of the fixed layer 17 and the bias layer 19 need to be set antiparallel.
  • a material satisfying the relationship of H c2 > H c22 or H c2 ⁇ H c22 is selected between the coercivity H c2 of the fixed layer 17 and the coercivity H c22 of the bias layer 19. do it.
  • the magnetization directions of the fixed layer 17 and the bias layer 19 can be set antiparallel by reversing the magnetization direction of the layer having a small coercive force in advance by minor loop magnetization.
  • the magnetization direction of the fixed layer 17 and the bias layer 19 is similarly set by causing the fixed layer 17 and the bias layer 19 to be antiferromagnetically coupled (SAF (Synthetic Anti-Ferromagnetic)) via the nonmagnetic layer 18. It becomes possible to set antiparallel. Specifically, when ruthenium (Ru), for example, is used as the material of the nonmagnetic layer 18, the magnetization directions of the fixed layer 17 and the bias layer 19 can be coupled antiparallel. Thereby, the leakage magnetic field emitted from the fixed layer 17 can be reduced by the bias layer 19, and as a result, the shift of the switching current of the storage layer 13 can be reduced. As a result, it is also possible to reduce the variation in the inversion current of the storage layer 13 between the elements.
  • SAF Synthetic Anti-Ferromagnetic
  • the magnetoresistance effect element 1 As described above, according to the magnetoresistance effect element 1 according to the first embodiment, it is possible to obtain the magnetoresistance element for the spin injection writing system, which is thermally stable and is capable of magnetization reversal at a low current. .
  • the MRAM of this embodiment is an MRAM using the magnetoresistive element 1 of the first embodiment, and the configuration thereof is shown in FIG.
  • the MRAM includes a memory cell array 40 having a plurality of memory cells MC arranged in a matrix.
  • a plurality of bit line pairs BL, / BL are disposed so as to extend in the column direction.
  • a plurality of word lines WL are provided in the memory cell array 40 so as to extend in the row direction.
  • Memory cells MC are arranged at intersections between the bit lines BL and the word lines WL.
  • Each memory cell MC includes a magnetoresistance element 1 and a selection transistor 41 formed of an N channel MOS transistor. One end of the magnetoresistive element 1 is connected to the bit line BL. The other end of the magnetoresistive element 1 is connected to the drain terminal of the selection transistor 41. The gate terminal of the selection transistor 41 is connected to the word line WL. The source terminal of the selection transistor 41 is connected to the bit line / BL.
  • the row decoder 42 is connected to the word line WL.
  • the write circuit 44 and the read circuit 45 are connected to the bit line pair BL, / BL.
  • a column decoder 43 is connected to the write circuit 44 and the read circuit 45.
  • Each memory cell MC is selected by the row decoder 42 and the column decoder 43.
  • Writing of data to the memory cell MC is performed as follows. First, to select a memory cell MC to which data is to be written, the word line WL connected to the memory cell MC is activated. Thereby, the selection transistor 41 is turned on.
  • bi-directional write current Iw is supplied to the magnetoresistive element 1 according to the write data. Specifically, when the write current Iw is supplied to the magnetoresistive element 1 from left to right, the write circuit 44 applies a positive voltage to the bit line BL and applies a ground voltage to the bit line / BL. When the write current Iw is supplied to the magnetoresistive element 1 from right to left, the write circuit 44 applies a positive voltage to the bit line / BL and applies a ground voltage to the bit line BL. In this manner, data "0" or data "1" can be written to memory cell MC.
  • data is read from memory cell MC as follows. First, the select transistor 41 of the selected memory cell MC is turned on.
  • the read circuit 45 supplies the magnetoresistive element 1 with, for example, a read current Ir flowing from the right to the left. Then, the read circuit 45 detects the resistance value of the magnetoresistive element 1 based on the read current Ir. Thus, the data stored in the magnetoresistive element 1 can be read out.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of the MRAM, focusing on one memory cell MC.
  • An element isolation insulating layer is provided in the surface area of the P-type semiconductor substrate 51, and the surface area of the semiconductor substrate 51 in which the element isolation insulating layer is not provided becomes an element area (active area) for forming elements.
  • the element isolation insulating layer is formed of, for example, STI (Shallow Trench Isolation).
  • silicon oxide is used as the STI.
  • the element region of the semiconductor substrate 51 is provided with a source region S and a drain region D which are separated from each other.
  • the source region S and the drain region D are each formed of an N + -type impurity region formed by introducing a high concentration N + -type impurity into the semiconductor substrate 51.
  • a gate electrode 41B is provided on the semiconductor substrate 51 between the source region S and the drain region D via the gate insulating film 41A.
  • the gate electrode 41B functions as a word line WL.
  • the selection transistor 41 is provided on the semiconductor substrate 51.
  • the wiring layer 53 is provided on the source region S via the contact 52.
  • the wiring layer 53 functions as a bit line / BL.
  • a lead 55 is provided on the drain region D via a contact 54.
  • the lower electrode 25, the magnetoresistive element 1, and the upper electrode 27 are stacked in this order on the lead wire 55.
  • a wiring layer 56 is provided on the upper electrode 27.
  • the wiring layer 56 functions as a bit line BL.
  • the space between the semiconductor substrate 51 and the wiring layer 56 is filled with an interlayer insulating layer 57 made of, for example, silicon oxide.
  • an MRAM can be configured using the magnetoresistive element 1 described in the first embodiment.
  • the magnetoresistive element 1 can be used not only for spin injection magnetic memory but also for domain wall displacement magnetic memory.
  • the MRAM shown in the second embodiment can be applied to various devices. Hereinafter, some applications of the MRAM will be described.
  • FIG. 12 shows an extracted DSL data path portion of a digital subscriber line (DSL) modem.
  • This modem includes a programmable digital signal processor (DSP) 100, an analog-to-digital (A / D) converter 110, a digital-to-analog (D / A) converter 120, a transmission driver 130, a receiver amplifier 140 and the like.
  • DSP programmable digital signal processor
  • a / D analog-to-digital
  • D / A digital-to-analog
  • D / A digital-to-analog
  • the band pass filter is omitted, and instead, the line code program (coded subscriber line information executed by the DSP, transmission condition etc. (line code: QAM, CAP, RSK, FM, MRAM 170 and EEPROM (Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory) of this embodiment as various types of optional memories for holding a program for selecting and operating a modem according to AM, PAM, DWMT, etc.) And 180 are shown.
  • line code program coded subscriber line information executed by the DSP, transmission condition etc.
  • line code code: QAM, CAP, RSK, FM, MRAM 170 and EEPROM (Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory) of this embodiment as various types of optional memories for holding a program for selecting and operating a modem according to AM, PAM, DWMT, etc.
  • the MRAM 170 and the EEPROM 180 are used as the memory for holding the line code program
  • the EEPROM 180 may be replaced with the MRAM. That is, instead of using two types of memories, only the MRAM may be used.
  • FIG. 13 shows a mobile phone 300 as another application example.
  • the communication unit 200 for realizing the communication function includes a transmitting / receiving antenna 201, an antenna duplexer 202, a receiving unit 203, a baseband processing unit 204, a DSP (Digital Signal Processor) 205 used as an audio codec, a speaker (receiver) 206, a microphone A transmitter 207), a transmitter 208, and a frequency synthesizer 209 are provided.
  • DSP Digital Signal Processor
  • control unit 220 that controls each part of the mobile phone terminal 300 is provided.
  • the control unit 220 is a microcomputer formed by connecting the CPU 221, the ROM 222, the MRAM 223 of this embodiment, and the flash memory 224 via the bus 225.
  • the ROM 222 previously stores necessary data such as a program to be executed by the CPU 221 and a font for display.
  • the MRAM 223 is mainly used as a work area, and the CPU 221 stores data in the middle of calculation as needed during program execution, and temporarily stores data to be exchanged between the control unit 220 and each unit. It is used when storing in In addition, even if the power of the mobile phone 300 is turned off, the flash memory 224 stores, for example, the setting conditions immediately before, and the same setting is used when the next power is turned on. The setting parameters of are stored. As a result, even if the power supply of the mobile phone 300 is turned off, the stored setting parameters are not lost.
  • the portable telephone terminal 300 is provided with an audio data reproduction processing unit 211, an external output terminal 212, an LCD (Liquid Crystal Display) controller 213, an LCD 214 for display, a ringer 215 for generating a ringing tone, and the like.
  • the audio data reproduction processing unit 211 reproduces audio data (audio information (or audio information stored in an external memory 240 described later)) input to the mobile phone terminal 300.
  • the reproduced audio data information can be taken out to the outside by transmitting it to a headphone, a portable speaker or the like through the external output terminal 212.
  • the LCD controller 213 receives, for example, display information from the CPU 221 via the bus 225, converts it into LCD control information for controlling the LCD 214, and drives the LCD 214 to display.
  • the mobile phone terminal 300 is provided with interface circuits (I / F) 231, 233, and 235, an external memory 240, an external memory slot 232, a key operation unit 234, an external input / output terminal 236, and the like.
  • An external memory 240 such as a memory card is inserted into the external memory slot 232.
  • the external memory slot 232 is connected to the bus 225 via an interface circuit (I / F) 231.
  • the key operation unit 234 is connected to the bus 225 via an interface circuit (I / F) 233.
  • the key input information input from the key operation unit 234 is transmitted to the CPU 221, for example.
  • the external input / output terminal 236 is connected to the bus 225 via an interface circuit (I / F) 233, and inputs various information from the outside to the mobile phone 300 or outputs the information from the mobile phone 300 to the outside. It functions as a terminal when you
  • the flash memory 224 may be replaced with an MRAM, and furthermore, the ROM 222 may be replaced with an MRAM.
  • FIGS. 14 to 18 each show an example in which the MRAM is applied to a card (MRAM card) storing media content such as smart media.
  • the MRAM card body 400 incorporates an MRAM chip 401.
  • an opening 402 is formed at a position corresponding to the MRAM chip 401, and the MRAM chip 401 is exposed.
  • a shutter 403 is provided in the opening 402, and the MRAM chip 401 is protected by the shutter 403 when the MRAM card is carried.
  • the shutter 403 is made of a material having an effect of shielding an external magnetic field, such as ceramic.
  • the external terminal 404 is for extracting content data stored in the MRAM card to the outside.
  • 15 and 16 show a top view and a cross-sectional view of a card insertion type data transfer apparatus 500 for transferring data to the MRAM card.
  • the data transfer device 500 has a storage unit 500a.
  • the first MRAM card 550 is housed in the housing portion 500a.
  • the storage unit 500 a is provided with an external terminal 530 electrically connected to the first MRAM card 550, and data of the first MRAM card 550 can be rewritten using the external terminal 530.
  • the second MRAM card 450 used by the end user is inserted from the insertion portion 510 of the data transfer apparatus 500 as indicated by the arrow, and pushed down by the stopper 520 until it stops.
  • the stopper 520 also serves as a member for aligning the first MRAM card 550 and the second MRAM card 450.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing a snap-in data transfer apparatus 500.
  • the data transfer apparatus 500 is of a type in which the second MRAM card 450 is mounted on the first MRAM card 550 with the stopper 520 as a target, as indicated by the arrow.
  • the transfer method is the same as that of the card insertion type, so the description will be omitted.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view showing a slide type data transfer apparatus.
  • a saucer slide 560 is provided in the data transfer device 500 in the same manner as a CD-ROM drive or a DVD drive, and the saucer slide 560 moves as indicated by the arrow.
  • the tray slide 560 moves to the position of the broken line, the second MRAM card 450 is placed on the tray slide 560, and the second MRAM card 450 is transported to the inside of the data transfer device 500.
  • the point that the tip of the second MRAM card 450 is conveyed so as to abut the stopper 520, and the transfer method is the same as that of the card insertion type, so the description will be omitted.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)

Abstract

［課題］熱的に安定であると同時に低電流の磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式用の磁気抵抗素子およびそれを用いた磁気メモリを提供する。 ［解決手段］下地層１２と、下地層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が可変の第１の磁性層１３と、第１の磁性層上に設けられた第１の非磁性層１５と、第１の非磁性層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が固定された第２の磁性層１７と、を備え、第１の磁性層は、ＤＯ２２構造またはＬ１０構造を有しｃ軸が膜面に垂直方向を向くフェリ磁性体層を含み、第１の磁性層と第１の非磁性層と第２の磁性層とを貫く電流によって、第１の磁性層の磁化方向が可変となる。

Description

磁気抵抗素子および磁気メモリ
　本発明は、磁気抵抗素子およびこの磁気抵抗素子を記憶セルに用いた磁気メモリに関する。
　近年、高速読み書き、大容量、低消費電力動作も可能な次世代の固体不揮発メモリとして、強磁性体の磁気抵抗効果を利用した磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory：以下、ＭＲＡＭとも記す）への関心が高まっている。特に、強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗素子は、大きな磁気抵抗変化率を示すことが見いだされて以来、注目されている。
　強磁性トンネル接合は、磁化方向が可変な記憶層と、絶縁体層と、前記記憶層と対向し、所定の磁化方向を維持する固定層との三層積層構造が基本構成となる。この強磁性トンネル接合に電流を流すと、絶縁体層をトンネルして電流が流れる。このとき、接合部の抵抗は、記憶層と固定層の磁化方向の相対角により変化し、磁化方向が平行のとき極小値を、反平行のとき極大値をとる。この抵抗変化はトンネル磁気抵抗効果（Tunneling Magneto-Resistance effect：以下、ＴＭＲ効果とも記す）と呼ばれ、実際に一つの記憶セルとして強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗素子を用いる場合には、記憶層と固定層との磁化方向の平行、反平行状態（すなわち抵抗の極小、極大）を二進情報の“０”または“１”に対応づけることにより、情報を記憶する。
　磁気抵抗素子の記憶の書き込みには、記憶セル近傍に書き込み配線を配置し、この書き込み配線に電流を流した際に発生する電流磁場によって、記憶層の磁化方向のみを反転させる磁場書き込み方式が知られている。しかしながら、大容量メモリを実現するために、素子サイズを小さくすると、記憶層を構成する磁性体の保磁力Ｈｃが原理的に大きくなるため、書き込みに必要な電流が素子を微細化するほど大きくなる傾向がある。一方、書き込み配線からの電流磁場はセルサイズの縮小に対し原理的に小さくなるため、磁場書き込み方式では、大容量設計で要求されるセルサイズの縮小と書き込み電流の低減を両立することは困難である。
　一方、近年この課題を克服する書き込み方式としてスピン角運動量移動（SMT：spin-momentum-transfer）を用いた書込み（スピン注入書き込み）方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方式は、磁気抵抗素子にスピン偏極電流を流して記憶層の磁化方向を反転させるもので、さらに記憶層を形成する磁性層の体積が小さいほど注入するスピン偏極電子も少なくてよいため、素子の微細化と低電流化を両立できる書き込み方式と期待されている。
　しかしながら、大容量化を達成するために素子を微細化すると、記憶層の磁化方向を一方向に維持するためのエネルギー障壁すなわち磁気異方性エネルギーが熱エネルギーより小さくなり、結果として磁性体の磁化方向が揺らぎ（熱擾乱）、記憶情報をもはや維持できなくなるという問題が顕在化する。
　一般的に、磁化方向が反転するために必要なエネルギー障壁は、磁気異方性定数（単位体積当りの磁気異方性エネルギー）と磁化反転単位体積の積で表わされるため、微細な素子サイズ領域で熱擾乱に対する耐性を確保するためには、磁気異方性定数が大きな材料を選択する必要がある。これまで主に検討されている面内磁化型の構成では、形状磁気異方性を利用するのが一般的である。この場合、磁気異方性エネルギーを増加させるには、磁気抵抗素子のアスペクト比を大きくする、記憶層の膜厚を厚くする、記憶層の飽和磁化を大きくするなどの方策が必要となるが、これらの方策は、スピン注入方式の特徴を考えたとき、いずれも反転電流の増大を招くため、微細化に適さない。
　一方、形状磁気異方性ではなく、大きな結晶磁気異方性を有する材料を利用することも考えられるが、その場合、面内方向の磁化容易軸は、膜面内で大きく分散してしまうため、ＭＲ比（Magnetoresistance ratio）が低下、或いはインコヒーレントな歳差運動が誘発され、結果として反転電流が増加してしまうこととなる。そのためこの方法もまた好ましくない。また、面内磁化型では形状により発現する磁気異方性を利用しているため、反転電流は形状に敏感となる。その結果、微細化に伴い反転電流のばらつきが増加することも懸念される。
　一方、これに対し、磁気抵抗素子を構成する強磁性材料に、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する、いわゆる垂直磁化膜を用いることが考えられる。垂直磁化型で結晶磁気異方性を利用する場合、形状異方性を利用しないため、素子形状を面内磁化型に比べて小さくすることができ、また磁化容易方向の分散も小さくできるため、大きな結晶磁気異方性を有する材料を採用することにより、熱擾乱耐性を維持しつつ、微細化と低電流の両立が実現できると期待される。
　垂直磁化膜に用いる材料系としては、Ｌ１０規則合金系（ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔなど）や、人工格子（Ｃｏ／Ｐｔ，Ｐｄ）系、ｈｃｐ系（ＣｏＰｔなど）、ＲＥ－ＴＭ系（Ｔｂ－ＣｏＦｅなど）が挙げられる。
　一方、一般的に例えば、非特許文献１に記載されているように、スピン注入方式によって磁化を反転させるための反転電流は、記憶層の飽和磁化ＭＳ及び磁気緩和定数αに依存する。このため、低電流のスピン注入によって記憶層の磁化を反転させるには、飽和磁化Ｍｓ及び磁気緩和定数αを小さくすることが重要である。また、デバイスとしては加工プロセス温度に耐える必要もある。しかしながら、上記垂直磁化膜に記憶層として具備すべき上記特性をすべて満たすものは存在しない。
米国特許第６，２５６，２２３号明細書
C. Slonczewski,"Current-driven ecitation of magnetic multilayers",「JORNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS」,1996, VOLUME 159, p.L1-L7
　本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、熱的に安定であると同時に低電流の磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式用の磁気抵抗素子およびそれを用いた磁気メモリを提供するものである。
　本発明の第１の態様による磁気抵抗素子は、下地層と、前記下地層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が可変の第１の磁性層と、前記第１の磁性層上に設けられた第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が固定された第２の磁性層と、を備え、前記第１の磁性層は、ＤＯ２２構造またはＬ１０構造を有しｃ軸が膜面に垂直方向を向くフェリ磁性体層を含み、前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層と前記第２の磁性層とを貫く電流によって、前記第１の磁性層の磁化方向が可変となることを特徴とする。
　また、本発明の第２の態様による磁気メモリは、上記第１の態様による磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第２の電極とを含むメモリセルを備えていることを特徴とする。
　本発明によれば、熱的に安定であると同時に低電流の磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式用の磁気抵抗素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。
第１実施形態によるＭＲ素子の断面図。 第１実施形態の第１変形例によるＭＲ素子の断面図。 第１実施形態の第２変形例によるＭＲ素子の断面図。 第１実施形態の第３変形例によるＭＲ素子の断面図。 ＤＯ２２構造を説明する図。 ＤＯ２２構造を有するＭｎＧａ膜の飽和磁化および実効的な垂直磁気異方性エネルギーの、加熱成膜温度依存性を示す図。 ＤＯ２２構造を有するＭｎＧａ膜の飽和磁化および実効的な垂直磁気異方性エネルギーの、Ｍｎ濃度依存性を示す図。 Ｌ１０構造を説明する図。 下地層及び記憶層を含む積層構造を示す断面図。 第２実施形態によるＭＲＡＭの構成を示す回路図。 １個のメモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図。 ＭＲＡＭの適用例１によるデジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムのＤＳＬデータパス部を示すブロック図。 ＭＲＡＭの適用例２による携帯電話端末３００を示すブロック図。 ＭＲＡＭの適用例３によるＭＲＡＭカード４００を示す上面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するデータ転写装置５００を示す平面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するデータ転写装置５００を示す断面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写する、はめ込み型のデータ転写装置５００を示す断面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、スライド型のデータ転写装置５００を示す断面図。
　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態による磁気抵抗素子の基本概念を説明する。
　なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。
また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
　また、以下に示す各実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
（第１実施形態）
　まず、本発明の第１実施形態による磁気抵抗素子の構造について説明する。
　磁気抵抗素子の構造
　図１に、本実施形態による磁気抵抗素子１を示す。図１において、矢印は磁化方向を示している。本明細書においては、磁気抵抗素子とは、半導体あるいは絶縁体をスペーサ層に用いるＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子を指す。また、以下の図では、磁気抵抗素子１の主要部を示しているが、図示の構成を含んでいれば、さらなる層を含んでいても構わない。
　本実施形態の磁気抵抗素子１は、下地層１２、磁性層１３、非磁性層１５、磁性層１７、キャップ層２０がこの順序で積層された積層構造を有している。磁性層１３は、膜面に垂直な方向（すなわち上面に垂直な方向）に磁化容易軸を有し、磁化が磁化容易軸のまわりを回転する（歳差運動する）。以下、磁性層１３を記憶層と称する。記憶層１３の詳細な性質については後述する。以下、膜面に垂直方向の磁化を垂直磁化と称する。
　磁性層１７は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、記憶層１３に対し磁化方向が固定されている。「磁化の方向が固定される」とは、書き込み電流を流した前後で、磁化方向が変わらないことを意味する。または、記憶層１３の保磁力よりも大きい保磁力を有する磁性材料から構成される。以下、磁性層１７を固定層と称する。固定層１７の詳細な性質については後述する。なお、図１では、固定層１７の磁化方向は、典型例として、下地層１２に対して記憶層１３と反対側に設けられる基板に対し、反対方向（上）を向いているが、基板方向（下）を向いていても構わない。
　非磁性層（トンネルバリア層とも云う）１５は、酸化物絶縁物等から構成される。非磁性層１５のより詳細な性質については、後述する。
　この磁気抵抗素子１は、スピン注入磁化反転方式によって書き込みを行う。すなわち、各層に対し膜面に垂直方向に流すスピン偏極電流の方向に応じて、記憶層１３と固定層１７の磁化方向の相対角を平行、反平行状態（すなわち抵抗の極小、極大）とを変化させ、二進情報の“０”または“１”に対応づけることにより、情報を記憶する。より詳細に説明すれば、書き込みの際は、固定層１７から記憶層１３へ、または記憶層１３から固定層１７へ、膜面に垂直方向に電流を流すことによって、スピン情報を蓄積された電子が固定層１７から記憶層１３へ注入される。この注入された電子のスピン角運動量が、スピン角運動量の保存則に従って記憶層１３の電子に移動されることによって、記憶層１３の磁化が反転することになる。
　本実施形態の磁気抵抗素子１は、下地層１２上に記憶層１３およびこれより上の層が形成され、非磁性層１５上に固定層１７が形成される、いわゆるトップピン型の構造を有している。
　下地層１２は、記憶層１３より上の層の結晶配向性および結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられるが、詳細な性質については後述する。キャップ層２０は、磁性層１７の酸化防止等、主として保護層として機能する。
　図１に示す本実施形態に磁気抵抗素子１では、後述する界面層が挿入されていない。記憶層１３および固定層１７を構成する磁性材料としては、高ＴＭＲを発現させる、また、高いスピン注入効率をもたらすに足るスピン分極率を有する材料を用いることができる。
本実施形態の磁気抵抗素子１は、以下に示す各種の変形例の磁気抵抗素子であってもよい。
　（第１変形例）
　図２に、第１実施形態の第１変形例による磁気抵抗素子１を示す。この変形例の磁気抵抗素子１は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、非磁性層１５と固定層１７との間に界面層１６を設けた構成となっている。界面層１６は強磁性体からなり、非磁性層１５と固定層１７との界面での格子ミスマッチを緩和する効果を有するとともに、高分極率材料を用いることにより高ＴＭＲと高いスピン注入効率を実現する効果も有する。
　（第２変形例）
　図３に、第１実施形態の第２変形例による磁気抵抗素子１を示す。この変形例の磁気抵抗素子１は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、記憶層１３と非磁性層１５との間に界面層１４を挿入するとともに、非磁性層１５と固定層１７との間に界面層１６を挿入した構成となっている。界面層１４も界面層１６と同様に強磁性体からなり、記憶層１３と非磁性層１５との界面での格子ミスマッチを緩和する効果を有するとともに、高分極率材料を用いることにより高ＴＭＲと高いスピン注入効率を実現する効果も有する。界面層１４及び界面層１６の詳細な性質については後述する。
　（第３変形例）
　図４に、第１実施形態の第３変形例による磁気抵抗素子１を示す。この変形例の磁気抵抗素子１は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、固定層１７とキャップ層２０との間に、非磁性層１８と、バイアス層（以下、シフト調整層とも云う）１９とがこの順序で設けられた構成となっている。バイアス層１９は強磁性体からなり、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜であり、かつ固定層１７の磁化方向と反対方向に磁化が固定されている。バイアス層１９は、素子加工時に問題となる、固定層１７からの漏れ磁場による記憶層１３における磁化反転特性のオフセットを、逆方向へ調整する効果を有する。また、この第３変形例において、第１および第２変形例と同様に、記憶層１３と非磁性層１５との間、または非磁性層１５と固定層１７との間に、界面層１４または界面層１６が挿入されていてもよい。非磁性層１８及びバイアス層１９の詳細な性質については後述する。
　以下に、第１実施形態およびその変形例の磁気抵抗素子を構成する各層について詳述する。まず、記憶層について説明する。
　記憶層１３
　磁気抵抗素子１の記憶層１３として垂直磁化膜を用いる場合、前述した通り、形状異方性を利用しないため、素子形状を面内磁化型に比べて小さくでき、大きな結晶磁気異方性を有する材料を採用することにより、熱擾乱耐性を維持しつつ、微細化と低電流の両立が可能となる。以下に、記憶層１３として具備すべき性質及び、材料選択の具体例について詳細に示す。
　記憶層１３が具備すべき性質
　記憶層１３として垂直磁化材料を用いる場合、対するその熱擾乱指数Δは、実効的な異方性エネルギーＫｕ ｅｆｆ・Ｖと、熱エネルギーｋＢＴとの比をとって、下記のように表される。
　　　Δ＝Ｋｕ ｅｆｆ・Ｖ／（ｋＢＴ）
　　　　＝（Ｋｕ－２πＮＭＳ ２）・Ｖａ／（ｋＢＴ）　　　　　　　　・・・（式１）ここで、Ｋｕは結晶磁気異方性定数、ＭＳは飽和磁化、Ｎは反磁場係数、Ｖａは磁化反転単位体積、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度（Ｋ）を表す。
　熱エネルギーにより磁化が揺らぐ問題（熱擾乱）を回避するには、熱擾乱指数Δは６０以上が必要条件となる。しかし、大容量化を念頭に素子サイズが小さくなる、もしくは膜厚が薄くなると、磁化反転単位体積Ｖａが小さくなり、記憶が維持できなくなる（＝熱擾乱）ことが懸念される。そのため、記憶層１３としては、結晶磁気異方性定数Ｋｕが大きい、かつ／あるいは、飽和磁化ＭＳが小さい材料を選択することが望ましい。一方、スピン注入書き込み方式による磁化反転に必要な臨界電流Ｉｃは、一般的に、
　　Ｉｃ∝α・η・Δ　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（式２）であることが知られている。ここで、αは磁気緩和定数、ηはスピン注入効率係数を表す。磁化反転単位体積Ｖａは飽和磁化Ｍｓが小さいほど大きい。このため、最低限の熱擾乱指数Δを保ちつつ反転電流を下げるには、飽和磁化ＭＳの小さな材料を選択することが望ましい。
　記憶層１３の材料
　上記のように、記憶層１３は垂直磁化膜であり、かつ高い熱擾乱耐性と低電流での磁化反転とを両立するためには、飽和磁化ＭＳが小さく、熱擾乱指数Δを維持するに足る高い磁気異方性Ｋｕを持ち、また、高分極率を示す材料であることが好ましい。このような要請を満たす材料として、フェリ磁性を示す組成のＭｎＧａ合金が考えられる。以下により具体的に説明する。
　（記憶層材料の第１具体例（ＤＯ２２型－Ｍｎ３－δＧａ））
　記憶層１３の第１具体例は、ＤＯ２２相を有するマンガン（Ｍｎ）及びガリウム（Ｇａ）の合金から構成される。Ｍｎ３－δＧａ合金は、Ｍｎ組成が０．１５＜δ＜１．０５（６６乃至７４ａｔ％）の範囲内で面心正方（ＦＣＴ : face-centered tetragonal）構造に基づく、図５に示すようなＤＯ２２型構造を有し、この組成範囲内でフェリ磁性を発現する。垂直磁化膜とするためには、ｃ軸を膜面に垂直方向、すなわち（００２）配向成長させればよい。具体的には図１乃至４に示す下地層１２を適切に選択することにより、記憶層１３の結晶配向成長を制御することが可能である。下地層１２の詳細および具体的な作製方法については後述する。
　一例として、図６に、下地層１２上に作製したＤＯ２２構造を有するＭｎ２．５Ｇａの飽和磁化ＭＳ及び実効的な垂直磁気異方性定数Ｋｕ ｅｆｆの、基板加熱成膜温度依存性を示す。配向制御された下地層１２上に加熱成膜を行うことにより、より高配向に（００２）結晶配向したＭｎ２．５Ｇａを作製することが可能となる。詳細に実験を行った結果、基板温度Ｔｓ＝４００℃付近で最も大きな垂直磁気異方性が発現することを確認した（図６参照）。
　また、図７に、このようにして作製した垂直磁化Ｍｎ３－δＧａの飽和磁化ＭＳ及び実効的な磁気異方性定数Ｋｕ ｅｆｆの、Ｍｎ組成依存性示す。Ｍｎ組成を調整することにより、低飽和磁化（＜３００（ｅｍｕ／ｃｃ））でかつ１×１０７（ｅｒｇ／ｃｃ）以上の高い実効的垂直磁気異方性の両立が可能となることが判った。また、文献、例えばJ. Winterlink et al, Phys. Rev. B, 77 (2008) 054406およびJ. Kubler et al, J. Phys: Condens. MatterB, 18 (2006) 9795によると、この組成範囲のＭｎ３－δＧａの分極率は、バンド計算上およそ６６％～９８％と高いことが予想される。また、高分極材料として研究が盛んなハーフメタル系およびホイスラー系の材料に比べ、キュリー温度がおよそ７００Ｋ以上と高く、安定にＤＯ２２構造が存在できることからも、記憶層の特性要請を満たす材料として好ましい。
　（記憶層材料の第２の具体例（Ｌ１０型－ＭｎＧａ））
　記憶層１３の第２の具体例は、Ｌ１０相を有するマンガン（Ｍｎ）及びガリウム（Ｇａ）の合金から構成される。ＭｎＧａ合金は、Ｍｎの組成比が５０ａｔ％で強磁性体となる。さらに低飽和磁化ＭＳを実現するためには、Ｍｎを添加すればよい。具体的には、Ｍｎの組成比がこれよりも多くなると、ＭｎのＧａサイトへの置換が起こり、ＧａサイトのＭｎは、ＭｎサイトのＭｎと反平行なスピン配列をとる。この結果、Ｍｎ組成が６４ａｔ％乃至６６ａｔ％の範囲内で相図上、τ相あるいはε’相と呼ばれる、面心正方（ＦＣＴ: face-centered tetragonal）構造を基本格子とする、図８に示すようなＬ１０型（ＣｕＡｕ型）規則構造相が安定相のフェリ磁性体となり、実効的な飽和磁化ＭＳの大きさを５０（ｅｍｕ/ｃｃ）以下に調整することができる。垂直磁化膜とするためには、ｃ軸を膜面に垂直方向、すなわち（００１）配向成長させればよい。具体的には図１乃至図４で説明した下地層１２を適切に選択することにより、記憶層１３の結晶配向成長を制御することが可能である。下地層１２の詳細および具体的な作製方法については後述する。ＭｎＧａ合金は、この組成範囲内においては５×１０６（ｅｒｇ／ｃｃ）と高い実効的な垂直磁気異方性と、およそ６９０Ｋと高いキュリー温度を有し、記憶層としての要請された特性を満たす。
下地層１２
　記憶層１３についての上述の詳細な説明に示すＤＯ２２構造およびＬ１０構造では、一般に、［００１］方向の格子定数ｃと、［１００］並びに［０１０］方向の格子定数ａとは等しくない。従って、ＤＯ２２構造あるいはＬ１０構造を有する強磁性合金は、ｃ軸が磁化容易軸となる。すなわち、膜面に対して垂直方向を磁化容易軸とする垂直磁化膜を形成するには、ＤＯ２２構造およびＬ１０構造の結晶配向性をそれぞれ（００２）面、（００１）面が配向するように制御する必要がある。そのため、下地層１２の材料及びその積層構造の選択が重要となる。以下に下地層１２について、その材料及び積層構成の詳細を説明するが、ＤＯ２２構造及びＬ１０構造の［１００］方向の格子定数ａは、それぞれおよそ３.９０Å程度と近いため、以下に示す材料および積層構成の具体例は、記憶層１３がＤＯ２２構造のＭｎＧａ、Ｌ１０構造のＭｎＧａの場合のどちらに対しても適用される。
　（下地層１２の積層構造）
　図９は、下地層１２および記憶層１３を含む積層構造を示す断面図である。図９に示した積層構造は、熱酸化膜付きＳｉ基板１０上に、下地層１２との密着層１１としての膜厚５ｎｍ程度のＴａ層と、下地層１２と、この下地層１２上のＤＯ２２構造あるいはＬ１０構造の記憶層１３としての膜厚２ｎｍ程度のＭｎＧａ層と、を順次形成した構成を有している。ＭｎＧａ層より上の構成は、図１乃至図４に示す、第１実施形態またはその変形例と同じとなっている。
　下地層１２としては、下地層１２ａとして膜厚３ｎｍ程度のアモルファス層、下地層１２ｂとして膜厚０．５ｎｍ程度の酸化物層、下地層１２ｃとして膜厚２０ｎｍ程度のＮａＣｌ構造を有する窒化物層もしくはペロブスカイト構造を有する導電性酸化物層、下地層１２ｄして膜厚３ｎｍ程度の金属層を順次積層した構成が好ましい。これらの下地層１２ａ～１２ｄの中で、特に、ＮａＣｌ構造を有する窒化物もしくはペロブスカイト構造を有する導電性酸化物からなる下地層１２ｃを有することが必要である。これは、下地層１２にＮａＣｌ構造を有する窒化物層もしくはペロブスカイト構造を有する導電性酸化物層１２ｃを含むことによって、ＤＯ２２構造ならば（００２）面の、Ｌ１０構造ならば（００１）面の結晶配向性および平滑性が良好なフェリ磁性ＭｎＧａ合金の記憶層１３を形成することができるからである。
　さらに、窒化物層１２ｃの結晶配向性、平滑性を制御するためには、下地層１２ａとしてＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０のようなアモルファス層或いは微結晶層、および下地層１２ｂとしてＮａＣｌ構造を有する酸化物層、および下地層１２ｄとして正方晶構造あるいは立方晶構造を有する金属層が、下地層１２内に形成されていることが好ましい。下地層１２内に含まれる下地層１２ａ乃至１２ｄの具体的な材料については後述する。
　（下地層１２の材料）
　下地層１２のうち、下地層１２ｃとしては、ＮａＣｌ構造を有する窒化物もしくはペロブスカイト構造を有する導電性酸化物が用いられる。すなわち、ＮａＣｌ構造を有する窒化物として、（００１）面に配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅのうちから選択された少なくとも１つの元素の窒化物が用いられる。例えば、ＮａＣｌ構造を有する窒化物としては、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＮｂＮ、ＶＮ等が挙げられる。また、例えば、ＴｉＮのように金属が１元素ではなく、Ｔｉ－Ｚｒ－Ｎ、Ｔｉ－Ａｌ－Ｎのように金属が２元素、もしくは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖの窒化物の他に、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅ等の窒化物を用いてもよい。しかしながら窒化物としての安定性を考慮すると、標準生成自由エネルギーが低い方が好ましい。そこで、ＮａＣｌ構造を有する代表的な窒化物の５００℃における標準生成自由エネルギーを低い順に並べると、ＺｒＮ、ＴｉＮ、ＣｅＮ、ＶＮ、ＣｒＮとなる（例えば、金属データブックｐ．９０、日本金属学会編参照）。窒化物が安定に存在できないと、窒化物の形成時及び形成後の熱工程により、窒化物を構成する元素の一部が拡散する可能性がある。このため、本実施形態で用いる窒化物は、その標準生成エネルギーが低い方が好ましく、このような観点からＺｒＮ、ＴｉＮ、ＣｅＮがより好ましい。一方、これらの窒化物、ＺｒＮ、ＴｉＮ、ＣｅＮの格子定数はそれぞれ、４．５４Å、４．２２Å、５．０２Åであり、前述の通りＤＯ２２構造及びＬ１０構造を有するＭｎＧａの［１００］方向の格子定数ａは、およそ３.９０Å程度であるため、格子定数の観点からは、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＣｅＮの順で好ましい。また、膜厚が厚すぎると平滑性が悪くなり、薄すぎると窒化物として機能しないため、膜厚範囲としては、３ｎｍ乃至３０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
　下地層１２ｃの材料として、ＮａＣｌ構造を有する窒化物の他に、同様の効果がある材料として、（００２）面に配向したペロブスカイト構造を有する導電性酸化物が挙げられる。具体的には、ペロブスカイト型酸化物をＡＢＯ３で表すと、サイトＡは、ストロンチウム（Ｓｒ）、セリウム（Ｃｅ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ランタン（Ｌａ）、Ｋ（カリウム）、Ｃａ（カルシウム）、ナトリウム（Ｎａ）、鉛（Ｐｂ）、もしくはバリウム（Ｂａ）等から選択された少なくとも１つの元素から構成され、サイトＢは、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、Ｔａ（タンタル）、セリウム（Ｃｅ）若しくは鉛（Ｐｂ）等から選択された少なくとも１つの元素から構成される。すなわち、ＳｒＲｕＯ３、Ｓｒ（Ｔｉ，Ｒｕ）Ｏ３、ＳｒＮｂＯ３、Ｓｒ（Ｔｉ,Ｖ）Ｏ３、ＳｒＣｒＯ３、ＳｒＦｅＯ３、ＳｒＣｏＯ３、ＳｒＮｂＯ３、ＳｒＭｏＯ３、ＳｒＩｒＯ３、ＣｅＧａＯ３、ＤｙＭｎＯ３、ＬａＴｉＯ３、ＬａＶＯ３、Ｌａ1－ｘＳｒｘＭｎＯ３、Ｌａ1－ｘＳｒｘＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＢａＭｏＯ３、ＣａＣｅＯ３、ＣａＣｒＯ３、ＣａＲｕＯ３等が挙げられる。これらの酸化物は（００１）面の格子定数ａが３．７Å～４．０Å程度で結晶配向性に優れ、下地層として好ましい。上述材料の中から高耐熱性、低格子ミスマッチ、低抵抗の観点から適宜選択すればよい。また、ペロブスカイト型酸化物は、酸素を欠損させることで電気伝導性を調整することが可能である。
　下地層１２のうち、下地層１２ａは、平滑性と、下地層１２ｂとなるＮａＣｌ構造を有する酸化物、下地層１２ｃとなるＮａＣｌ構造を有する窒化物あるいはペロブスカイト構造を有する導電性酸化物のそれぞれの結晶配向性とを向上させる目的で、アモルファス層或いは微結晶層が用いられる。アモルファス構造（或いは微結晶構造）からなる下地層１２ａとしては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素と、ホウ素（Ｂ）、ニオブ（Ｎｂ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）のうち１つ以上の元素とを含む金属が挙げられる。具体的には、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、Ｃｏ８０Ｂ２０、Ｆｅ８０Ｓｉ１０Ｂ１０等のアモルファス層（或いは、微結晶層）が挙げられる。さらに、ＣｏＺｒＢ、ＮｉＳｉＢ、ＦｅＮｉＳｉＢ、ＦｅＣｏＺｒＢ等も好ましい材料と言える。これらのアモルファス層（或いは、微結晶層）は、形成時には明瞭な結晶構造を示さないが、成膜後の熱工程によって部分的に結晶化が開始して、ある領域が明瞭な結晶構造を示しても構わない。つまり、最終的にデバイスとして機能している際には、結晶構造を示していても構わない。下地層１２ａとしてアモルファス層を用いると、下地層１２ｂとなるＮａＣｌ構造を有する酸化物および下地層１２ｃとなるＮａＣｌ構造を有する窒化物あるいはペロブスカイト構造を有する導電性酸化物酸化物が、（１００）面に高配向に成長し易くなる。また、下地層１２ａであるアモルファス層の膜厚は、厚すぎると成膜に時間がかかり、生産性が低下する要因となり、また、薄すぎると上述の配向制御の効果を失うため、１ｎｍ乃至１０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
　下地層１２のうち、下地層１２ｂとしては、下地層１２ｃおよび下地層１２ｄの平滑性、結晶配向性を向上させる目的で、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が用いられる。ＮａＣｌ構造を有する酸化物としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち少なくとも１つ以上の元素を主成分とする材料が挙げられる。また、下地層１２ｂである酸化物の膜厚は、厚すぎると抵抗が高くなり、直列抵抗が付加されて非磁性層（トンネルバリア層）１５で生じる磁気抵抗比を低下させることになるため、少なくとも非磁性層１５の抵抗よりも小さくする必要があり、１ｎｍよりも薄いことが好ましい。
　下地層１２のうち、下地層１２ｄとしては、正方晶構造あるいは立方晶構造を有しかつ格子定数が２．７Å乃至３．０Å、或いは３．７Å乃至４．２Åの範囲にありかつ（００１）面に配向した金属を用いることが好ましい。下地層１２ｃとなる窒化物あるいは酸化物上にＤＯ２２構造またはＬ１０構造のＭｎＧａを記憶層１３として直接形成するよりも、下地層１２ｃと記憶層１３との間に、バッファー層として下地層１２ｄを設けることで、ＤＯ２２構造またはＬ１０構造のＭｎＧａの記憶層１３のｃ軸配向性を、より向上させることができる。下地層１２ｄの具体的な材料としては、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及び金（Ａｕ）のうち１つの元素、或いは１つの元素を主成分とする合金から構成されていることが好ましい。また、下地層１２ｄである金属層の膜厚は、厚すぎると平滑性が悪くなり、薄すぎるとＤＯ２２構造またはＬ１０構造を有する規則合金の配向性を整える層として十分に機能しないため、１ｎｍ乃至１０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
非磁性層１５
　非性層１５の材料としては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましい。具体的にはＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯなどが挙げられる。これらのＮａＣｌ構造酸化物は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか、あるいは２種以上を主成分として含む、例えばアモルファスＣｏＦｅＮｉＢ合金上、あるいは体心立方（ＢＣＣ: body-centered cubic）構造で（１００）優先配向面を有するＦｅＣｏＮｉのいずれか、あるいは２種以上を主成分として含む合金上、あるいはＤＯ２２構造を有する合金の（００２）面上、あるいはＦＣＴ構造を有するＬ１０型規則合金の（００１）配向面上で結晶成長させると、（１００）面を優先配向面として成長し易い。特に、Ｂ、Ｃ、Ｎなどを添加したＣｏＦｅ―Ｘアモルファス合金上では、非常に容易に（１００）面を優先配向させることが可能である。
　また、記憶層１３の磁化と、固定層１７の磁化の方向とが反平行の場合、スピン分極したΔ１バンドがトンネル伝導の担い手となるため、マジョリティースピン電子のみが伝導に寄与することとなる。この結果、磁気抵抗素子１の伝導率が低下し、抵抗値が大きくなる。反対に、記憶層１３の磁化と、固定層１７の磁化の方向とが平行であると、スピン偏極していないΔ５バンドが伝導を支配するために、磁気抵抗素子１の伝導率が上昇し、抵抗値が小さくなる。したがって、Δ１バンドの形成が高ＭＲ比を発現させるためのポイントとなる。Δ１バンドを形成するためには、ＮａＣｌ構造の酸化物からなる非磁性層１５の（１００）面と記憶層１３及び固定層１７との界面の整合性がよくなければならない。
　ＮａＣｌ構造の酸化物層からなる非磁性層１５の（１００）面での格子整合性をさらに良くするために、記憶層１３との間に界面層１４を、固定層１７との間に界面層１６を挿入してもよい。Δ１バンドを形成するという観点からは、界面層１４及び界面層１６として、非磁性層１５の（１００）面での格子ミスマッチが５％以下となるような材料を選択することが、より好ましい。
固定層１７
　固定層１７としては、記憶層１３に対し、容易に磁化方向が変化しない材料を選択することが好ましい。すなわち、実効的な磁気異方性Ｋｕ ｅｆｆ及び飽和磁化Ｍｓが大きく、また磁気緩和定数αが大きい材料を選択することが好ましい。具体的な材料については後述する。
　（規則合金系）
　Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄのうち１つ以上の元素と、を含む合金であり、この合金の結晶構造がＬ１０型の規則合金である。例えば、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｆｅ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０等が挙げられる。これらの規則合金は上記組成比に限定されない。これらの規則合金に、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）、Ａｇ（銀）等の不純物元素あるいはその合金、絶縁物を加えて実効的な磁気異方性エネルギー及び飽和磁化を調整することができる。また、これらの合金を固定層１７として用いる場合、特に非磁性層１５との格子ミスマッチが大きい材料を選択する場合においては、図２に示す第１変形例のように、非磁性層１５と固定層１７との間に、界面層１６が挿入されることが好ましい。
（人工格子系）
　人工格子系とは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも１つの元素を含む合金と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうち少なくとも１つの元素を含む合金とが交互に積層された構造を有している。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層との膜厚比、及び積層周期を調整することで、実効的な磁気異方性エネルギー及び飽和磁化を調整することができる。また、これらの積層膜を固定層１７として用いる場合は、多くの場合、非磁性層１５との格子ミスマッチが大きく、高ＭＲ比の観点からは好ましくない。このような場合は、図２に示す第１変形例のように、非磁性層１５と固定層１７との間に、界面層１６が挿入されることが好ましい。
（不規則合金系）
　不規則合金系とは、コバルト（Ｃｏ）を主成分とし、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、鉄（Ｆｅ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素を含む金属である。例えば、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＴａ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金等が挙げられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて実効的な磁気異方性エネルギー及び飽和磁化を調整することができる。また、これらの合金を固定層１７として用いる場合は、多くの場合、非磁性層１５との格子ミスマッチが大きく、高ＭＲ比の観点からは好ましくない。このような場合は、図２に示す第１変形例のように、非磁性層１５と固定層１７との間に、界面層１６が挿入されることが好ましい。
界面層
　非磁性層１５と、固定層１７または記憶層１３との界面には、磁気抵抗比（ＴＭＲ比）を上昇させる目的で、図２及び図３に示す界面層１６及び界面層１４が挿入される。界面層１４及び界面層１６は高分極率材料、具体的には合金（Ｃｏ１００－ｘ－Ｆｅｘ）１００－ｙＢｙからなり、ｘ≧２０ａｔ％、０＜ｙ≦３０ａｔ％であることが好ましい。また、界面層１６及び界面層１４は立方晶構造あるいは正方晶構造からなり、（１００）面に配向することが好ましい。これらの磁性材料を界面層１６及び界面層１４として用いることにより、固定層１７と非磁性層１５との間、及び記憶層１３と非磁性層１５との間の格子ミスマッチが緩和され、更に高分極率材料であるため、高ＭＲ比と高いスピン注入効率を実現する効果が期待される。
バイアス層
　図４に示す第３変形例のように、固定層１７とキャップ層２０との間に、非磁性層１８と、バイアス層１９を配置してもよい。これにより、固定層１７からの漏れ磁場による記憶層１３の反転電流のシフトを緩和及び調整することが可能となる。
　非磁性層１８は、固定層１７とバイアス層１９とが熱工程によって混ざらない耐熱性、及びバイアス層１９を形成する際の結晶配向を制御する機能を具備することが望ましい。
さらに、非磁性層１８の膜厚が厚くなるとバイアス層１９と記憶層１３との距離が離れるため、バイアス層１９から記憶層１３に印加されるシフト調整磁界が小さくなってしまう。このため、非磁性層１８の膜厚は、５ｎｍ以下であることが望ましい。バイアス層１９は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する、強磁性材料から構成される。具体的には、固定層１７で挙げた材料を用いることができる。ただし、バイアス層１９は、固定層１７に比べて記憶層１３から離れているため、記憶層１３に印加される漏れ磁場をバイアス層１９によって調整するためには、バイアス層１９の膜厚、或いは飽和磁化ＭＳの大きさを固定層１７のそれらより大きくする設定する必要がある。すなわち、本発明者達の研究結果によれば、固定層１７の膜厚、飽和磁化をそれぞれｔ２、ＭＳ２、バイアス層１９の膜厚、飽和磁化をそれぞれｔ２２、ＭＳ２２とすると、以下の関係式を満たす必要がある。
　　　　ＭＳ２×ｔ２＜ＭＳ２２×ｔ２２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（式３）
　例えば素子サイズ５０ｎｍの加工を想定した場合、反転電流のシフトを相殺するためには、固定層１７に飽和磁化ＭＳ２が１０００ｅｍｕ／ｃｃ、膜厚ｔ２が５ｎｍの磁性材料を用いたとすると、非磁性層１８の膜厚は３ｎｍ、バイアス層１９には飽和磁化ＭＳ２２が１０００ｅｍｕ／ｃｃ、膜厚ｔ２２が１５ｎｍ程度のバイアス層特性が要求される。
　また、上述のシフト相殺効果を得るには、固定層１７とバイアス層１９との磁化方向は反平行に設定される必要がある。この関係を満たすためには、固定層１７の保磁力Ｈｃ２とバイアス層１９の保磁力Ｈｃ２２との間には、Ｈｃ２＞Ｈｃ２２、或いはＨｃ２＜Ｈｃ２２の関係を満たす材料を選択すればよい。この場合、予めマイナーループ（Minor Loop）着磁により保磁力の小さい層の磁化方向を反転させることにより、固定層１７とバイアス層１９との磁化方向は反平行に設定することが可能となる。また非磁性層１８を介して固定層１７とバイアス層１９とを反強磁性結合（ＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnetic）結合）させることによっても、同様に固定層１７とバイアス層１９との磁化方向は反平行に設定することが可能となる。具体的には、非磁性層１８の材料として例えばルテニウム（Ｒｕ）を用いると、固定層１７とバイアス層１９との磁化方向を反平行に結合させることができる。これにより、バイアス層１９によって固定層１７から出る漏れ磁界を低減することができ、結果的に記憶層１３の反転電流のシフトを低減することができる。この結果、素子間での記憶層１３の反転電流のばらつきを低減することも可能となる。
　以上の述べたように、第１実施形態による磁気抵抗効果素子１によれば、熱的に安定であると同時に低電流での磁化反転が可能なスピン注入書き込み方式用の磁気抵抗素子を得られる。
（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態によるＭＲＡＭを説明する。この実施形態のＭＲＡＭは、第１実施形態の磁気抵抗素子１を用いたＭＲＡＭであり、その構成を図１０に示す。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ４０を備えている。メモリセルアレイ４０には、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対ＢＬ，／ＢＬが配設されている。また、メモリセルアレイ４０には、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配設されている。
　ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、メモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、磁気抵抗素子１と、ＮチャネルＭＯＳトランジスタからなる選択トランジスタ４１と、を備えている。磁気抵抗素子１の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。磁気抵抗素子１の他端は、選択トランジスタ４１のドレイン端子に接続されている。
選択トランジスタ４１のゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタ４１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。
　ワード線ＷＬには、ロウデコーダ４２が接続されている。ビット線対ＢＬ，／ＢＬには、書き込み回路４４及び読み出し回路４５が接続されている。書き込み回路４４及び読み出し回路４５には、カラムデコーダ４３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ４２及びカラムデコーダ４３により選択される。
　メモリセルＭＣへのデータの書き込みは、以下のように行われる。先ず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタ４１がターンオンする。
　ここで、磁気抵抗素子１には、書き込みデータに応じて、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、磁気抵抗素子１に左から右へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路４４は、ビット線ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線／ＢＬに接地電圧を印加する。また、磁気抵抗素子１に右から左へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路４４は、ビット線／ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線ＢＬに接地電圧を印加する。このようにして、メモリセルＭＣにデータ“０”、或いはデータ“１”を書き込むことができる。
　次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、選択されたメモリセルＭＣの選択トランジスタ４１がターンオンする。読み出し回路４５は、磁気抵抗素子１に、例えば右から左へ流れる読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路４５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、磁気抵抗素子１の抵抗値を検出する。
このようにして、磁気抵抗素子１に記憶されたデータを読み出すことができる。
　次に、ＭＲＡＭの構造について説明する。図１１は、１個のメモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図である。
　Ｐ型半導体基板５１の表面領域には、素子分離絶縁層が設けられ、この素子分離絶縁層が設けられていない半導体基板５１の表面領域が素子を形成する素子領域（active area）となる。素子分離絶縁層は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）により構成される。ＳＴＩとしては、例えば酸化シリコンが用いられる。
　半導体基板５１の素子領域には、互いに離間したソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄが設けられている。このソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄはそれぞれ、半導体基板５１内に高濃度のＮ＋型不純物を導入して形成されたＮ＋型不純物領域から構成される。ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄ間で半導体基板５１上には、ゲート絶縁膜４１Ａを介して、ゲート電極４１Ｂが設けられている。ゲート電極４１Ｂは、ワード線ＷＬとして機能する。このようにして、半導体基板５１には、選択トランジスタ４１が設けられている。
　ソース領域Ｓ上には、コンタクト５２を介して配線層５３が設けられている。配線層５３は、ビット線／ＢＬとして機能する。ドレイン領域Ｄ上には、コンタクト５４を介して引き出し線５５が設けられている。引き出し線５５上には、下部電極２５、磁気抵抗素子１、及び上部電極２７がこの順序で積層されている。上部電極２７上には、配線層５６が設けられている。配線層５６は、ビット線ＢＬとして機能する。また、半導体基板５１と配線層５６との間は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層５７で満たされている。
　以上詳述したように本実施形態によれば、第１実施形態で示した磁気抵抗素子１を用いてＭＲＡＭを構成することができる。なお、磁気抵抗素子１は、スピン注入型の磁気メモリの他、磁壁移動型の磁気メモリにも使用することが可能である。
　第２実施形態で示したＭＲＡＭは、様々な装置に適用することが可能である。以下に、ＭＲＡＭのいくつかの適用例について説明する。
　（適用例１）
　図１２は、デジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムのＤＳＬデータパス部を抽出して示している。このモデムは、プログラマブルデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）１００、アナログ－デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１１０、デジタル－アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１２０、送信ドライバ１３０、及び受信機増幅器１４０等を備えている。
　図１２では、バンドパスフィルタを省略しており、その代わりに回線コードプログラム（ＤＳＰで実行される、コード化された加入者回線情報、伝送条件等（回線コード：ＱＡＭ、ＣＡＰ、ＲＳＫ、ＦＭ、ＡＭ、ＰＡＭ、ＤＷＭＴ等）に応じてモデムを選択、動作させるためのプログラム）を保持するための種々のタイプのオプションのメモリとして、本実施形態のＭＲＡＭ１７０とＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）１８０とを示している。
　なお、本適用例では、回線コードプログラムを保持するためのメモリとしてＭＲＡＭ１７０とＥＥＰＲＯＭ１８０との２種類のメモリを用いているが、ＥＥＰＲＯＭ１８０をＭＲＡＭに置き換えてもよい。すなわち、２種類のメモリを用いず、ＭＲＡＭのみを用いるように構成してもよい。
　（適用例２）
　図１３は、別の適用例として、携帯電話端末３００を示している。通信機能を実現する通信部２００は、送受信アンテナ２０１、アンテナ共用器２０２、受信部２０３、ベースバンド処理部２０４、音声コーデックとして用いられるＤＳＰ(Digital Signal Processor)２０５、スピーカ（受話器）２０６、マイクロホン（送話器）２０７、送信部２０８、及び周波数シンセサイザ２０９等を備えている。
　また、この携帯電話端末３００には、当該携帯電話端末３００の各部を制御する制御部２２０が設けられている。制御部２２０は、ＣＰＵ２２１、ＲＯＭ２２２、本実施形態のＭＲＡＭ２２３、及びフラッシュメモリ２２４がバス２２５を介して接続されて形成されたマイクロコンピュータである。上記ＲＯＭ２２２には、ＣＰＵ２２１において実行されるプログラムや表示用のフォント等の必要となるデータが予め記憶されている。
　ＭＲＡＭ２２３は、主に作業領域として用いられるものであり、ＣＰＵ２２１がプログラムの実行中において計算途中のデータ等を必要に応じて記憶したり、制御部２２０と各部との間でやり取りするデータを一時的に記憶したりする場合等に用いられる。また、フラッシュメモリ２２４は、携帯電話端末３００の電源がオフされても、例えば直前の設定条件等を記憶しておき、次の電源オン時に同じ設定にするような使用方法をする場合に、それらの設定パラメータを記憶しておくものである。これによって、携帯電話端末３００の電源がオフにされても、記憶されている設定パラメータを消失してしまうことがない。
　また、この携帯電話端末３００には、音声データ再生処理部２１１、外部出力端子２１２、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）コントローラ２１３、表示用のＬＣＤ２１４、及び呼び出し音を発生するリンガ２１５等が設けられている。音声データ再生処理部２１１は、携帯電話端末３００に入力された音声データ（オーディオ情報（或いは、後述する外部メモリ２４０に記憶されたオーディオ情報））を再生する。再生された音声データ情報は、外部出力端子２１２を介してヘッドフォンや携帯型スピーカ等に伝えることにより、外部に取り出すことが可能である。このように、音声データ再生処理部２１１を設けることにより、音声データ（オーディオ情報）の再生が可能となる。ＬＣＤコントローラ２１３は、例えばＣＰＵ２２１からの表示情報を、バス２２５を介して受け取り、ＬＣＤ２１４を制御するためのＬＣＤ制御情報に変換し、ＬＣＤ２１４を駆動して表示を行わせる。
　さらに、携帯電話端末３００には、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３１，２３３，２３５、外部メモリ２４０、外部メモリスロット２３２、キー操作部２３４、及び外部入出力端子２３６等が設けられている。上記外部メモリスロット２３２にはメモリカード等の外部メモリ２４０が挿入される。この外部メモリスロット２３２は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３１を介してバス２２５に接続される。このように、携帯電話端末３００に外部メモリスロット２３２を設けることにより、携帯電話端末３００の内部の情報を外部メモリ２４０に書き込んだり、或いは外部メモリ２４０に記憶された情報（例えばオーディオ情報）を携帯電話端末３００に入力したりすることが可能となる。
　キー操作部２３４は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３３を介してバス２２５に接続される。キー操作部２３４から入力されたキー入力情報は、例えばＣＰＵ２２１に伝えられる。外部入出力端子２３６は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３３を介してバス２２５に接続され、携帯電話端末３００に外部から種々の情報を入力したり、或いは携帯電話端末３００から外部へ情報を出力したりする際の端子として機能する。
　なお、本適用例では、ＲＯＭ２２２、ＭＲＡＭ２２３、及びフラッシュメモリ２２４を用いているが、フラッシュメモリ２２４をＭＲＡＭに置き換えてもよいし、さらにＲＯＭ２２２もＭＲＡＭに置き換えることも可能である。
　（適用例３）
　図１４乃至図１８は、ＭＲＡＭをスマートメディア等のメディアコンテンツを収納するカード（ＭＲＡＭカード）に適用した例をそれぞれ示している。
　図１４に示すように、ＭＲＡＭカード本体４００には、ＭＲＡＭチップ４０１が内蔵されている。このカード本体４００には、ＭＲＡＭチップ４０１に対応する位置に開口部４０２が形成され、ＭＲＡＭチップ４０１が露出されている。この開口部４０２にはシャッター４０３が設けられており、当該ＭＲＡＭカードの携帯時にＭＲＡＭチップ４０１がシャッター４０３で保護されるようになっている。このシャッター４０３は、外部磁場を遮蔽する効果のある材料、例えばセラミックからなっている。データを転写する場合には、シャッター４０３を開放してＭＲＡＭチップ４０１を露出させて行なう。外部端子４０４は、ＭＲＡＭカードに記憶されたコンテンツデータを外部に取り出すためのものである。
　図１５及び図１６は、上記ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、カード挿入型のデータ転写装置５００の上面図及び断面図を示している。
　データ転写装置５００は、収納部５００ａを有している。この収納部５００ａには、第１のＭＲＡＭカード５５０が収納されている。収納部５００ａには、第１のＭＲＡＭカード５５０に電気的に接続された外部端子５３０が設けられており、この外部端子５３０を用いて第１のＭＲＡＭカード５５０のデータが書き換えられる。
　エンドユーザの使用する第２のＭＲＡＭカード４５０を、矢印で示すようにデータ転写装置５００の挿入部５１０より挿入し、ストッパ５２０で止まるまで押し込む。このストッパ５２０は、第１のＭＲＡＭカード５５０と第２のＭＲＡＭカード４５０を位置合わせするための部材としても働く。第２のＭＲＡＭカード４５０が所定位置に配置されると、第１のＭＲＡＭカードのデータ書き換え制御部から外部端子５３０に制御信号が供給され、第１のＭＲＡＭカード５５０に記憶されたデータが第２のＭＲＡＭカード４５０に転写される。
　図１７は、はめ込み型のデータ転写装置５００を示す断面図である。このデータ転写装置５００は、矢印で示すように、ストッパ５２０を目標に、第１のＭＲＡＭカード５５０上に第２のＭＲＡＭカード４５０をはめ込むように載置するタイプである。転写方法についてはカード挿入型と同一であるので、説明を省略する。
　図１８は、スライド型のデータ転写装置を示す断面図である。このデータ転写装置５００は、ＣＤ－ＲＯＭドライブやＤＶＤドライブと同様に、データ転写装置５００に受け皿スライド５６０が設けられており、この受け皿スライド５６０が矢印で示すように移動する。受け皿スライド５６０が破線の位置に移動したときに第２のＭＲＡＭカード４５０を受け皿スライド５６０に載置し、第２のＭＲＡＭカード４５０をデータ転写装置５００の内部へ搬送する。ストッパ５２０に第２のＭＲＡＭカード４５０の先端部が当接するように搬送される点、及び転写方法についてはカード挿入型と同一であるので、説明を省略する。
　本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
　１　磁気抵抗素子
　１０　基板
　１１　密着層
　１２　下地層
　１３　記憶層
　１４　界面層
　１５　非磁性層（トンネルバリア層）
　１６　界面層
　１７　固定層
　１８　非磁性層
　１９　バイアス層（シフト調整層）
　２０　キャップ層

Claims (10)

  1. 　下地層と、
    　前記下地層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が可変の第１の磁性層と、
    　前記第１の磁性層上に設けられた第１の非磁性層と、
    　前記第１の非磁性層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が固定された第２の磁性層と、
    　を備え、
    　前記第１の磁性層は、ＤＯ２２構造またはＬ１０構造を有しｃ軸が膜面に垂直方向を向くフェリ磁性体層を含み、前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層と前記第２の磁性層とを貫く電流によって、前記第１の磁性層の磁化方向が可変となることを特徴とする磁気抵抗素子。
  2. 　前記第１の磁性層の前記フェリ磁性体層は、ＭｎおよびＧａを含む合金層であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
  3. 　前記下地層は、（００１）面に配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅのうちから選択された少なくとも１つの元素の窒化物の第１の層を含むことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
  4. 　前記下地層は、ＡＢＯ３からなる（００２）面に配向したペロブスカイト系導電性酸化物の第１の層を含み、サイトＡはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａのうちから選択された少なくとも１つの元素から構成され、サイトＢはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂのうちから選択された少なくとも１つの元素から構成されることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
  5. 　前記下地層は、前記第１の層上に設けられ、正方晶構造または立方晶構造を有し（００１）面に配向した金属を含む第２の層を更に備えていることを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗素子。
  6. 　前記第２の磁性層上に設けられた第２の非磁性層と、
    　前記第２の非磁性層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し磁化方向が前記第２の磁性層の磁化方向と互いに反平行な第３の磁性層と、
    　を更に備え、
    　前記第２の磁性層の飽和磁化をＭＳ２、膜厚をｔ２とし、前記第３の磁性層の飽和磁化をＭＳ３、膜厚をｔ３とするとき、
    　ＭＳ２×ｔ２＜ＭＳ３×ｔ３の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
  7. 　前記第２の磁性層と前記第１の非磁性層との間に設けられた第１の界面層を更に備え、前記第１の界面層は、合金（Ｃｏ１００－ｘ－Ｆｅｘ）１００－ｙＢｙ（ｘ≧２０ａｔ％、０＜ｙ≦３０ａｔ％）であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
  8. 　前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層との間に設けられた第２の界面層を更に備え、前記第２の界面層は、合金（Ｃｏ１００－ｘ－Ｆｅｘ）１００－ｙＢｙ（ｘ≧２０ａｔ％、０＜ｙ≦３０ａｔ％）であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
  9. 　前記第２の界面層は、立方晶構造あるいは正方晶構造からなり、（１００）面に配向することを特徴とする請求項８記載の磁気抵抗素子。
  10. 　請求項１記載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第２の電極とを含むメモリセルを備えていることを特徴とする磁気メモリ。
PCT/JP2010/053611 2009-03-27 2010-03-05 磁気抵抗素子および磁気メモリ WO2010110029A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/236,028 US8895162B2 (en) 2009-03-27 2011-09-19 Magnetoresistive element and magnetic memory

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009-079633 2009-03-27
JP2009079633A JP5491757B2 (ja) 2009-03-27 2009-03-27 磁気抵抗素子および磁気メモリ

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US13/236,028 Continuation US8895162B2 (en) 2009-03-27 2011-09-19 Magnetoresistive element and magnetic memory

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010110029A1 true WO2010110029A1 (ja) 2010-09-30

Family

ID=42780722

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2010/053611 WO2010110029A1 (ja) 2009-03-27 2010-03-05 磁気抵抗素子および磁気メモリ

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8895162B2 (ja)
JP (1) JP5491757B2 (ja)
WO (1) WO2010110029A1 (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120141837A1 (en) * 2010-12-01 2012-06-07 The Provost Fellows, Foundation Scholars, & Other Members of Board, of the College of the Holy & Und Tetragonal manganese gallium films
US8680632B2 (en) 2011-03-25 2014-03-25 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive element and magnetic memory
CN112567542A (zh) * 2018-08-07 2021-03-26 Ip2Ipo创新有限公司 非易失性存储器单元

Families Citing this family (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5209011B2 (ja) 2010-09-16 2013-06-12 株式会社東芝 磁気抵抗素子
JP2012182217A (ja) 2011-02-28 2012-09-20 Toshiba Corp 半導体記憶装置
US9023662B2 (en) 2011-05-09 2015-05-05 Board Of Regents, The University Of Texas System Efficiently injecting spin-polarized current into semiconductors by interfacing crystalline ferromagnetic oxides directly on the semiconductor material
US8946837B2 (en) 2011-07-04 2015-02-03 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor storage device with magnetoresistive element
JP5558425B2 (ja) 2011-07-04 2014-07-23 株式会社東芝 磁気抵抗素子、磁気メモリ及び磁気抵抗素子の製造方法
JP5728311B2 (ja) 2011-07-04 2015-06-03 株式会社東芝 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
JP5722140B2 (ja) 2011-07-04 2015-05-20 株式会社東芝 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
JP2013048210A (ja) * 2011-07-22 2013-03-07 Toshiba Corp 磁気抵抗素子
KR101308105B1 (ko) 2011-11-18 2013-09-12 한국과학기술연구원 수직자화 박막 구조체 및 그 제조 방법
JP2013168455A (ja) * 2012-02-14 2013-08-29 Tohoku Univ 磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリ
JP6017149B2 (ja) * 2012-02-27 2016-10-26 日本放送協会 スピン注入磁化反転素子および磁気抵抗ランダムアクセスメモリ
JP5499264B2 (ja) 2012-03-21 2014-05-21 株式会社東芝 磁気抵抗素子および磁気メモリ
JP2013235914A (ja) 2012-05-08 2013-11-21 Toshiba Corp 磁気抵抗素子および磁気メモリ
KR102042769B1 (ko) * 2012-07-13 2019-11-08 삼성전자주식회사 스핀 전달 토크 자기 메모리에서 사용 가능한 자기 터널링 접합에 제공되는 방법 및 시스템
EP2712079B1 (en) * 2012-09-25 2015-06-03 Crocus Technology S.A. Magnetic logic unit (MLU) cell and amplifier having a linear magnetic signal
US9269890B2 (en) 2013-03-22 2016-02-23 Masahiko Nakayama Magnetoresistance effect element with shift canceling layer having pattern area greater than that of storage layer
US9184374B2 (en) * 2013-03-22 2015-11-10 Kazuya Sawada Magnetoresistive element
US20140284733A1 (en) 2013-03-22 2014-09-25 Daisuke Watanabe Magnetoresistive element
US20150008548A1 (en) * 2013-07-03 2015-01-08 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic memory device
JP6119051B2 (ja) 2013-08-02 2017-04-26 株式会社東芝 磁気抵抗素子および磁気メモリ
JP6185799B2 (ja) * 2013-09-12 2017-08-23 国立大学法人東北大学 Ｃｕ−Ｔｉ系銅合金および製造方法
US9236564B2 (en) 2013-12-11 2016-01-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing an engineered magnetic layer including Heusler layers and an amorphous insertion layer
JP6276588B2 (ja) * 2013-12-27 2018-02-07 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． 磁気トンネル接合素子
JP6180972B2 (ja) 2014-03-13 2017-08-16 株式会社東芝 磁気抵抗素子および磁気メモリ
JP6054326B2 (ja) 2014-03-13 2016-12-27 株式会社東芝 磁気抵抗素子および磁気メモリ
WO2015141794A1 (ja) 2014-03-20 2015-09-24 独立行政法人物質・材料研究機構 垂直磁化膜用下地、垂直磁化膜構造、垂直ｍｔｊ素子及びこれらを用いた垂直磁気記録媒体
KR20160019253A (ko) * 2014-08-11 2016-02-19 에스케이하이닉스 주식회사 전자 장치
US9620561B2 (en) 2014-09-05 2017-04-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive element and manufacturing method thereof
JP6411186B2 (ja) 2014-11-19 2018-10-24 株式会社東芝 磁気抵抗素子および磁気メモリ
US9406365B1 (en) * 2015-01-26 2016-08-02 International Business Machines Corporation Underlayers for textured films of Heusler compounds
JP6647590B2 (ja) * 2015-04-23 2020-02-14 国立研究開発法人物質・材料研究機構 垂直磁化膜と垂直磁化膜構造並びに磁気抵抗素子および垂直磁気記録媒体
US9647034B2 (en) * 2015-09-09 2017-05-09 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive memory device and manufacturing method of the same
WO2017044132A1 (en) * 2015-09-11 2017-03-16 Intel Corporation Ultra high magnetic anisotropy planar magnetization with spacer processing
WO2017052491A1 (en) * 2015-09-21 2017-03-30 Intel Corporation Aspect ratio modification via angled implantation
KR20170034961A (ko) * 2015-09-21 2017-03-30 에스케이하이닉스 주식회사 전자 장치 및 그 제조 방법
JP6713650B2 (ja) 2016-05-10 2020-06-24 国立研究開発法人物質・材料研究機構 垂直磁化膜と垂直磁化膜構造並びに磁気抵抗素子および垂直磁気記録媒体
JP6679455B2 (ja) * 2016-09-20 2020-04-15 キオクシア株式会社 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
JP2018157033A (ja) 2017-03-16 2018-10-04 東芝メモリ株式会社 磁気抵抗素子および磁気メモリ
US20190066746A1 (en) 2017-08-28 2019-02-28 Qualcomm Incorporated VARYING ENERGY BARRIERS OF MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS (MTJs) IN DIFFERENT MAGNETO-RESISTIVE RANDOM ACCESS MEMORY (MRAM) ARRAYS IN A SEMICONDUCTOR DIE TO FACILITATE USE OF MRAM FOR DIFFERENT MEMORY APPLICATIONS
JP2019057636A (ja) * 2017-09-21 2019-04-11 東芝メモリ株式会社 磁気記憶装置
JP6410004B1 (ja) * 2017-10-16 2018-10-24 Tdk株式会社 トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、及び内蔵型メモリ
JP6530527B1 (ja) * 2018-03-19 2019-06-12 株式会社東芝 磁気記憶装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008252037A (ja) * 2007-03-30 2008-10-16 Toshiba Corp 磁気抵抗素子及び磁気メモリ

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6130814A (en) 1998-07-28 2000-10-10 International Business Machines Corporation Current-induced magnetic switching device and memory including the same
JP3737986B2 (ja) * 2001-07-25 2006-01-25 アルプス電気株式会社 交換結合膜と前記交換結合膜を用いた磁気検出素子
JP4859333B2 (ja) * 2002-03-25 2012-01-25 セイコーエプソン株式会社 電子デバイス用基板の製造方法
JP4120589B2 (ja) * 2004-01-13 2008-07-16 セイコーエプソン株式会社 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置
JP4095597B2 (ja) * 2004-09-09 2008-06-04 株式会社東芝 磁気ランダムアクセスメモリ
JP4444241B2 (ja) 2005-10-19 2010-03-31 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子、磁気ランダムアクセスメモリ、電子カード及び電子装置
JP2008252018A (ja) * 2007-03-30 2008-10-16 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリ
JP4649457B2 (ja) * 2007-09-26 2011-03-09 株式会社東芝 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
JP4599425B2 (ja) * 2008-03-27 2010-12-15 株式会社東芝 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
US8254162B2 (en) * 2010-01-11 2012-08-28 Grandis, Inc. Method and system for providing magnetic tunneling junctions usable in spin transfer torque magnetic memories
JP5761788B2 (ja) * 2011-03-25 2015-08-12 株式会社東芝 磁気抵抗素子および磁気メモリ
JP5499264B2 (ja) * 2012-03-21 2014-05-21 株式会社東芝 磁気抵抗素子および磁気メモリ
JP5597899B2 (ja) * 2012-09-21 2014-10-01 株式会社東芝 磁気抵抗素子および磁気メモリ

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008252037A (ja) * 2007-03-30 2008-10-16 Toshiba Corp 磁気抵抗素子及び磁気メモリ

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120141837A1 (en) * 2010-12-01 2012-06-07 The Provost Fellows, Foundation Scholars, & Other Members of Board, of the College of the Holy & Und Tetragonal manganese gallium films
US8680632B2 (en) 2011-03-25 2014-03-25 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive element and magnetic memory
US9087980B2 (en) 2011-03-25 2015-07-21 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive element and magnetic memory
US9219227B2 (en) 2011-03-25 2015-12-22 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive element and magnetic memory
CN112567542A (zh) * 2018-08-07 2021-03-26 Ip2Ipo创新有限公司 非易失性存储器单元
CN112567542B (zh) * 2018-08-07 2024-01-12 Ip2Ipo创新有限公司 非易失性存储器单元

Also Published As

Publication number Publication date
US8895162B2 (en) 2014-11-25
US20120088125A1 (en) 2012-04-12
JP5491757B2 (ja) 2014-05-14
JP2010232499A (ja) 2010-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5491757B2 (ja) 磁気抵抗素子および磁気メモリ
JP5072120B2 (ja) 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
US8665639B2 (en) Magnetoresistive element and magnetic memory
JP4599425B2 (ja) 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
KR101002503B1 (ko) 자기 저항 소자 및 자기 메모리
JP5093910B2 (ja) 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
US9373776B2 (en) Magnetoresistive element and magnetic memory using the same
KR100892802B1 (ko) 자기저항 소자 및 자기 메모리
JP5728311B2 (ja) 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
JP5010565B2 (ja) 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
US8946837B2 (en) Semiconductor storage device with magnetoresistive element
JP5558425B2 (ja) 磁気抵抗素子、磁気メモリ及び磁気抵抗素子の製造方法
JP2009081315A (ja) 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
JP2010016408A (ja) 磁気抵抗素子及び磁気メモリ

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10755830

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10755830

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1