WO2012137911A1 - 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ Download PDF

Info

Publication number
WO2012137911A1
WO2012137911A1 PCT/JP2012/059485 JP2012059485W WO2012137911A1 WO 2012137911 A1 WO2012137911 A1 WO 2012137911A1 JP 2012059485 W JP2012059485 W JP 2012059485W WO 2012137911 A1 WO2012137911 A1 WO 2012137911A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ferromagnetic layer
layer
ferromagnetic
magnetization
domain wall
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/059485
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
本庄　弘明
三浦　貞彦
石綿　延行
俊輔 深見
Original Assignee
日本電気株式会社
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 日本電気株式会社 filed Critical 日本電気株式会社
Priority to JP2013508945A priority Critical patent/JPWO2012137911A1/ja
Publication of WO2012137911A1 publication Critical patent/WO2012137911A1/ja

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • 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
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C19/00—Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers
    • G11C19/02—Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers using magnetic elements
    • G11C19/08—Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers using magnetic elements using thin films in plane structure
    • G11C19/0808—Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers using magnetic elements using thin films in plane structure using magnetic domain propagation

Definitions

  • the present invention relates to a magnetoresistive effect element, a magnetic random access memory, and an initialization method thereof, and more particularly, to a domain wall motion type magnetoresistive effect element, a magnetic random access memory, and a manufacturing method thereof.
  • Magnetic random access memory Magnetic Random Access Memory
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • a magnetoresistive effect element is integrated in a memory cell, and data is stored as the magnetization direction of the ferromagnetic layer of the magnetoresistive effect element.
  • Several methods have been proposed as a method for switching the magnetization of the ferromagnetic layer, all of which are common in that current is used. In putting MRAM into practical use, it is very important how much the write current can be reduced. According to Non-Patent Document 1, a reduction to 0.5 mA or less, more preferably a reduction to 0.2 mA or less. It has been demanded.
  • Patent Document 1 discloses a structure in which the magnetization of the end portion of the magnetization fixed layer is directed in the film thickness direction for an MRAM in which data is written by a current magnetic field.
  • the magnetic field for switching the magnetization of a magnetic material that has ensured thermal stability and disturbance magnetic field resistance is generally about several tens (Oe).
  • a large number of about several mA is required.
  • Write current is required.
  • the write current is large, the chip area is inevitably increased, and the power consumption required for writing increases, so that it is inferior in competitiveness compared to other random access memories.
  • the write current further increases, which is not preferable in terms of scaling.
  • the magnetoresistive effect element of the memory cell includes a first ferromagnetic layer having a reversible magnetization (often referred to as a free layer) and a second magnetization fixed. It is composed of a laminate including a ferromagnetic layer (often referred to as a pinned layer) and a tunnel barrier layer provided between these ferromagnetic layers.
  • a ferromagnetic layer often referred to as a pinned layer
  • a tunnel barrier layer provided between these ferromagnetic layers.
  • spin injection magnetization reversal depends on the current density (not the absolute value of the current). Therefore, when spin injection magnetization reversal is used for data writing, if the size of the memory cell is reduced, writing is performed. The current is also reduced.
  • the spin injection magnetization reversal method is excellent in scaling.
  • a write current must be passed through the tunnel barrier layer having a small film thickness, and rewriting durability and reliability become problems.
  • the current path for writing and the current path for reading are the same, there is a concern about erroneous writing during reading.
  • spin transfer magnetization reversal is excellent in scaling, there are some barriers to practical use.
  • the second method is to use a current-driven domain wall motion phenomenon.
  • the magnetization reversal method using the current-driven domain wall motion phenomenon can solve the above-described problems of spin injection magnetization reversal.
  • Patent Document 2, Patent Document 3, and Patent Document 4 disclose MRAMs that use the current-driven domain wall motion phenomenon.
  • a ferromagnetic layer (often called a magnetic recording layer) that holds data is provided with a magnetization reversal unit having reversible magnetization and both ends thereof. It is comprised by the two magnetization fixed parts which have the fixed magnetization connected.
  • the data is stored as the magnetization of the magnetization switching unit.
  • the magnetizations of the two magnetization fixed portions are fixed so as to be substantially antiparallel to each other. When the magnetization is arranged in this way, a domain wall is introduced into the magnetic recording layer.
  • Non-Patent Document 2 when a current is passed in the direction penetrating the domain wall, the domain wall moves in the direction of conduction electrons, so that data can be written by passing a current through the magnetic recording layer. Since the presence or absence of current-driven domain wall movement also depends on the current density, it can be said that there is scaling as with spin injection magnetization reversal. In addition, in an MRAM memory cell using current-driven domain wall motion, the write current does not flow through the insulating layer, and the write current path and the read current path are different from each other. The above-mentioned problems that can be solved will be solved.
  • JP 2005-150303 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-191032 JP 2006-73930 A JP 2006-270069 A JP 2009-252909 A
  • the MRAM using current-driven domain wall motion has a problem that the absolute value of the write current becomes relatively large.
  • a current density of about 1 ⁇ 10 8 [A / cm 2 ] is generally required for domain wall movement.
  • the write current is 1 mA.
  • the width of the ferromagnetic film may be reduced and the film thickness may be reduced.
  • the current density required for writing further increases (for example, see Non-Patent Document 3).
  • reducing the width of the ferromagnetic film to 100 nm or less is accompanied by great difficulty in terms of processing technology.
  • An object of the present invention is to provide an MRAM using a current-driven domain wall motion phenomenon that can be easily manufactured at low cost, and a manufacturing method thereof.
  • a magnetoresistive effect element in a first aspect, includes a first ferromagnetic layer, a second magnetization layer arranged opposite to the first ferromagnetic layer and sandwiching a nonmagnetic film and having a fixed magnetization.
  • the first ferromagnetic layer and the third ferromagnetic layer are oxidized at one end in the longitudinal direction of one ferromagnetic material to form the third ferromagnetic layer, and the remaining portion is the first ferromagnetic layer.
  • the structure is a ferromagnetic layer.
  • the magnetoresistive effect element manufacturing method includes a first ferromagnetic layer and a magnetization that is disposed opposite to the first ferromagnetic layer and sandwiching a nonmagnetic film therebetween.
  • a step of forming the third ferromagnetic layer is
  • the magnetoresistive effect element according to the present invention is a magnetoresistive effect element including a domain wall moving layer and a structure in which one magnetization fixed layer is disposed on each side thereof, A second ferromagnetic layer having a degree of oxidation different from that of the first ferromagnetic layer is disposed on one side of the magnetic layer, and the first ferromagnetic layer is used as a domain wall motion layer.
  • the ferromagnetic layer is one of the two magnetization fixed layers.
  • the magnetoresistive effect element according to the present invention increases the coercive force by oxidizing at least one end of the domain wall motion layer to form a magnetization fixed layer. By doing so, it is not necessary to create the magnetization fixed layer separately from the domain wall motion layer, so that the manufacturing process is simplified and the manufacturing cost can be reduced.
  • the other end portion of the one ferromagnetic material in the longitudinal direction is also oxidized to form the fourth ferromagnetic layer, and the remaining central portion is configured to be the first ferromagnetic layer. Is preferred.
  • the third ferromagnetic layer and the fourth ferromagnetic layer have different degrees of oxidation, that is, oxygen contents (particularly, such that the domain wall moves).
  • first ferromagnetic layer ⁇ third ferromagnetic layer ⁇ fourth ferromagnetic layer It is preferable that the first ferromagnetic layer ⁇ the fourth ferromagnetic layer ⁇ the third ferromagnetic layer (particularly, such that the domain wall moves to a certain extent).
  • the first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, the third ferromagnetic layer, and the fourth ferromagnetic layer are all magnetic anisotropy in the thickness direction (direction of a specific easy axis). It is preferable to have.
  • At least one of the first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, the third ferromagnetic layer, and the fourth ferromagnetic layer includes at least one of Fe, Co, and Ni, and Pt, Pd, B, C, N, O, Al, Si, P, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ag, Hf, Ta, W, It is preferable to include at least one of Re, Os, Ir, Au, and Sm.
  • the method further includes a step of forming the fourth ferromagnetic layer by oxidizing the other end portion in the longitudinal direction of the one ferromagnetic material.
  • the step of oxidizing both ends in the longitudinal direction of the first ferromagnetic layer is a step of oxidizing each end with different degrees of oxidation, that is, oxygen content.
  • a third ferromagnetic layer having an oxidation degree different from any of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is disposed on the other side of the first ferromagnetic layer. Therefore, it is preferable to use another magnetization fixed layer.
  • the magnitudes of the reversal magnetic fields of the first ferromagnetic layer, the third ferromagnetic layer, and the fourth ferromagnetic layer are as follows: first ferromagnetic layer ⁇ third ferromagnetic layer ⁇ fourth ferromagnetic layer, It is preferable to set the respective oxidation degrees so as to satisfy the following formula, or to set the respective oxidation degrees so that the first ferromagnetic layer ⁇ the fourth ferromagnetic layer ⁇ the third ferromagnetic layer.
  • the first ferromagnetic layer, the third ferromagnetic layer, and the fourth ferromagnetic layer preferably all have magnetic anisotropy in the thickness direction.
  • At least one of the first ferromagnetic layer, the third ferromagnetic layer, and the fourth ferromagnetic layer includes at least one of Fe, Co, and Ni, and further includes Pt, Pd, B, and C.
  • N, O, Al, Si, P, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Au , Sm is preferably included.
  • the magnetic random access memory has a plurality of memory cells arranged in an array, and each memory cell has a magnetoresistive element.
  • each memory cell has a magnetoresistive element.
  • an xyz orthogonal coordinate system as shown in the accompanying drawings is introduced, and the structure of the magnetoresistive effect element and the magnetic random access memory will be described using the xyz orthogonal coordinate system.
  • Example 1 (Configuration of magnetoresistive element) 1A is a cross-sectional view showing the structure of the main part of the magnetoresistive effect element 80 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a plan view showing the configuration of the magnetoresistive effect element 80. (Shown excluding the spacer layer 20).
  • the magnetoresistive element 80 includes a first ferromagnetic layer 10 that is provided extending in the x-axis direction, a nonmagnetic spacer layer 20, and a second ferromagnetic layer 30.
  • the spacer layer 20 is sandwiched between the first ferromagnetic layer 10 and the second ferromagnetic layer 30.
  • the first ferromagnetic layer 10 and the second ferromagnetic layer 30 are formed of a ferromagnetic material.
  • the spacer layer 20 is preferably formed of an insulator. In this case, a magnetic tunnel junction (MTJ) is formed by the first ferromagnetic layer 10, the spacer layer 20, and the second ferromagnetic layer 30.
  • the spacer layer 20 is preferably made of an insulator, but may be made of a nonmagnetic conductor or semiconductor.
  • the third ferromagnetic layer 40 and the fourth ferromagnetic layer 50 are formed on both ends of the first ferromagnetic layer 10.
  • the first ferromagnetic layer 10, the third ferromagnetic layer 40, and the fourth ferromagnetic layer 50 are continuous films, and the lower surface and the upper surface thereof have the same height (or thickness). That is, they are formed flush with each other.
  • the first ferromagnetic layer 10 As the first ferromagnetic layer 10, the second ferromagnetic layer 30, the third ferromagnetic layer 40, and the fourth ferromagnetic layer 50, perpendicular magnetization films are used. That is, the first ferromagnetic layer 10, the second ferromagnetic layer 30, the third ferromagnetic layer 40, and the fourth ferromagnetic layer 50 are all magnetic anisotropy in the film thickness direction (direction perpendicular to the film surface). have.
  • the magnetization of the second ferromagnetic layer 30 is fixed in one direction substantially parallel to the z axis.
  • the magnetization of the first ferromagnetic layer 10 can be reversed.
  • the magnetization of the portion is directed in a direction parallel or antiparallel to the magnetization of the second ferromagnetic layer 30 according to stored data.
  • membrane It is preferable that each of the laminates formed in (1) is formed.
  • the laminated body in this case may be a laminated body composed of a plurality of ferromagnetic films or a laminated body composed of a ferromagnetic film and a nonmagnetic film.
  • the third ferromagnetic layer 40 and the fourth ferromagnetic layer 50 also have perpendicular magnetic anisotropy.
  • the magnitude of the reversal field is as follows: the reversal field of the first ferromagnetic layer ⁇ the reversal field of the third ferromagnetic layer ⁇ the reversal field of the fourth ferromagnetic layer, or The reversal magnetic field of the first ferromagnetic layer ⁇ the reversal magnetic field of the fourth ferromagnetic layer ⁇ the reversal magnetic field of the third ferromagnetic layer.
  • the third ferromagnetic layer 40 and the fourth ferromagnetic layer 50 have a function of pinning the domain wall at a desired position of the first ferromagnetic layer 10.
  • the third ferromagnetic layer 40 is magnetically coupled to a portion near one end in the x-axis direction of the first ferromagnetic layer 10, and the fourth ferromagnetic layer 50 is in the x-axis direction of the first ferromagnetic layer 10. Magnetically coupled to a portion in the vicinity of the other end.
  • the third ferromagnetic layer 40 and the fourth ferromagnetic layer 50 have a switching magnetic field larger than that of the first ferromagnetic layer.
  • the third ferromagnetic layer 40 may be referred to as the first magnetization pinned portion 40.
  • the fourth ferromagnetic layer 50 may be referred to as the second magnetization fixed unit 50.
  • the domain wall can move.
  • the first ferromagnetic layer 10 may be referred to as a domain wall motion unit 10.
  • the second ferromagnetic layer 30, the third ferromagnetic layer 40, and the fourth ferromagnetic layer 50 are electrically connected to different external wirings.
  • the magnetoresistive effect element 80 is a three-terminal element.
  • an electrode layer for obtaining electrical connection with the wiring is joined to each of the second ferromagnetic layer 30, the third ferromagnetic layer 40, and the fourth ferromagnetic layer 50. Is desirable.
  • the materials of the first ferromagnetic layer 10, the spacer layer 20, the second ferromagnetic layer 30, the third ferromagnetic layer 40, and the fourth ferromagnetic layer 50 will be described. Note that all the materials shown here are examples, and in practice, any material may be used as long as a desired magnetization state can be realized.
  • the first ferromagnetic layer 10 (and the ferromagnetic layer obtained by oxidizing this) and the second ferromagnetic layer 30 contain at least one material selected from Fe, Co, and Ni. Is desirable.
  • the perpendicular magnetic anisotropy is stabilized when the first ferromagnetic layer 10 (and the ferromagnetic layer obtained by oxidizing this) and the second ferromagnetic layer 30 contain Pt and / or Pd. be able to.
  • the first ferromagnetic layer 10 and the second ferromagnetic layer 30 have B, C, N, O, Al, Si, P, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, By adding Rh, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Au, Sm, etc., it is possible to adjust so that desired magnetic properties are expressed.
  • Co Co, Co—Pt, Co—Pd, Co—Cr, Co—Pt—Cr, Co—Cr—Ta, Co—Cr—B, Co—Cr—Pt—B, Co—Cr—Ta— B, Co-V, Co-Mo, Co-W, Co-Ti, Co-Ru, Co-Rh, Fe-Pt, Fe-Pd, Fe-Co-Pt, Fe-Co-Pd, Sm-Co, Examples thereof include Gd—Fe—Co, Tb—Fe—Co, and Gd—Tb—Fe—Co.
  • magnetic anisotropy in the vertical direction is expressed by laminating a film containing any one material selected from Fe, Co, and Ni and a film formed of a material different from the film. It can also be made. Specifically, a laminated film of Co / Pd, Co / Pt, Co / Ni, Fe / Au, and the like are exemplified, but other magnetic anisotropic films having various compositions and layer structures can be used.
  • the third ferromagnetic layer 40 and the fourth ferromagnetic layer 50 are formed by oxidizing both end portions of the first ferromagnetic layer 10.
  • the switching magnetic field increases in proportion to the time for oxidizing the first ferromagnetic layer. Therefore, three regions having different reversal magnetic fields can be created by changing the oxidation time between the left and right regions of the first ferromagnetic layer facing the second ferromagnetic layer, that is, by changing the oxidation degree.
  • the reversal magnetization curve of each region is shown in FIG.
  • the magnitude of the reversal magnetic field can be set as region 1 ⁇ region 2 ⁇ region 3.
  • the region 1 represents the first ferromagnetic layer 10
  • the region 2 represents the fourth ferromagnetic layer 50
  • the region 3 represents the third ferromagnetic layer 40.
  • the spacer layer 20 is preferably made of an insulator.
  • an oxide or nitride of metal such as Mg—O, Al—O, Al—N, Ni—O, Hf—O, or oxynitride can be used.
  • Mg—O, Al—O, Al—N, Ni—O, Hf—O, or oxynitride can be used.
  • semiconductors and metal materials that can be used as the spacer layer 20 include Cr, Al, Cu, and Zn.
  • FIG. 4 shows an example of a method for manufacturing this element.
  • a DW (Domain Wall) layer 15 (a portion that becomes a first ferromagnetic layer, a third ferromagnetic layer, and a fourth ferromagnetic layer), a barrier layer 25 (a portion that becomes a nonmagnetic spacer layer), and a Ref layer 35.
  • a portion to become the second ferromagnetic layer is formed on the substrate 1 (FIG. 4A), and junction separation is performed by a known method (FIG. 4B).
  • a photoresist 36 (FIG. 4C).
  • the photoresist is removed (FIG. 4D).
  • the DW layer is patterned (that is, formed in a predetermined pattern) (FIG. 4E).
  • the oxygen exposure time is long, and the regions covered only with the photoresist have a relatively short time of exposure to oxygen.
  • the DW layer below the region covered by the Ref layer is not exposed to oxygen.
  • the change in the magnetic properties of the DW layer increases the coercive force (Hc) in proportion to the oxygen exposure time (oxidation degree).
  • Hc coercive force
  • FIG. 5 shows the process.
  • the first ferromagnetic layer 10 the nonmagnetic spacer 20, the second ferromagnetic layer 30, the third ferromagnetic layer 40, and the fourth ferromagnetic layer 50 are shown.
  • the region 2 is magnetized and the regions 1 and 2 are magnetized in the same direction as shown in FIG. 5C.
  • the portion of the region 3 is held antiparallel to the region 1, and there is a domain wall at the boundary of this region. In this way, a domain wall is formed in the magnetization moving region by making the magnetization fixed regions 40 and 50 antiparallel.
  • FIG. 6 illustrates a writing method of this element.
  • the resistance of the magnetoresistive element 80 is in a low resistance state. That is, the state is “0”.
  • the domain wall is introduced between the first ferromagnetic layer 10 and the third ferromagnetic layer 40.
  • the domain wall moves to the right due to the effect of the spin torque and stops at the boundary between the first ferromagnetic layer 10 and the fourth ferromagnetic layer 50.
  • the direction of magnetization of the first ferromagnetic layer 10 is reversed and becomes opposite to that of the second ferromagnetic layer 30. That is, the state becomes “1”.
  • the current can be written in the “0” state in the same manner by passing a current in the direction opposite to that in FIG. 6A.
  • the magnetoresistive element 80 of the present embodiment can be variously modified. Below, the modification of the magnetoresistive effect element 80 of Example 1 is demonstrated.
  • the third ferromagnetic layer can be composed of another magnetic film.
  • a configuration for this purpose is shown in FIG.
  • the third ferromagnetic layer is formed separately, there is a synergistic (extraordinary) effect that the margin of the magnetic field at the time of initialization is widened.
  • Example 2 The manufacturing method of Example 2 is shown. First, as shown in FIG. 7A, a hard layer 11 serving as a third ferromagnetic layer is formed on a substrate, and then an interlayer film 12 is formed and planarized (FIG. 7B). Next, a DW (Domain Wall) layer 15 (a portion to be a first ferromagnetic layer and a fourth ferromagnetic layer), a barrier layer 25 (a portion to be a nonmagnetic spacer layer), and a Ref layer 35 (to be a second ferromagnetic layer) (Part) is formed (FIG. 7C), and junction separation is performed by a known method (FIG. 7D).
  • DW Domain Wall
  • either one of the left and right regions of the separated Ref layer is covered with a photoresist 36 (FIG. 7E). Thereafter, the substrate is exposed to a gas containing oxygen for a predetermined time (ashed) (FIG. 7F), and then the photoresist is removed. Finally, the DW layer is patterned (FIG. 7G).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

　本発明は、容易に低コストで製造することができる、電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭおよびその製造方法を提供する。第１強磁性層(１０)と、該第１強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第２強磁性層(３０)と、該第１強磁性層の一端部に接して配置された第３強磁性層(４０)と、該第１強磁性層の他端部に接して配置された第４強磁性層(５０)と、を具備し、該第１強磁性層及び該第３強磁性層は、１つの強磁性体の長手方向の一方の端部を酸化して該第３強磁性層とし、残る部分を該第１強磁性層とした構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。

Description

磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ
　（関連出願についての記載）
　本発明は、日本国特許出願：特願２０１１－０８６１５８号（２０１１年４月８日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
　本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリとその初期化方法に関し、特に、磁壁移動方式の磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリとその製造方法に関する。
　磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）は高速動作、および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリとして期待され、盛んな開発が行われている。ＭＲＡＭではメモリセルに磁気抵抗効果素子が集積化され、磁気抵抗効果素子の強磁性層の磁化の向きとしてデータが記憶される。この強磁性層の磁化をスイッチングさせる方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要であり、非特許文献１によれば０．５ｍＡ以下への低減、さらに好ましくは０．２ｍＡ以下への低減が求められている。
　ＭＲＡＭへの情報の書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁気抵抗効果素子の周辺に書き込み電流を流すための配線を配置し、書き込み電流を流すことで発生する電流磁界によって磁気抵抗効果素子の強磁性層の磁化の方向をスイッチングさせる方法である。この方法は、原理的には１ナノ秒以下での書き込みが可能であり、高速ＭＲＡＭを実現する上では好適である。例えば、特許文献１は、電流磁界によってデータ書き込みを行うＭＲＡＭについて、磁化固定層の端部の磁化が膜厚方向に向けられている構造を開示している。
　しかしながら熱安定性、外乱磁界耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁界は一般的には数１０（Ｏｅ）程度となり、このような磁界を発生させるためには数ｍＡ程度の大きな書き込み電流が必要となる。書き込み電流が大きいと、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大するため、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力で劣ることになる。これに加えて、メモリセルが微細化されると、書き込み電流はさらに増大してしまい、スケーリングの点でも好ましくない。
　近年このような問題を解決する手段として、以下の２つの方法が提案されている。第１の方法は、スピン注入磁化反転を利用することである。スピン注入磁化反転が利用されるＭＲＡＭでは、メモリセルの磁気抵抗効果素子が、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層（しばしば、フリー層と呼ばれる）と、磁化が固定された第２の強磁性層（しばしば、ピン層と呼ばれる）と、これらの強磁性層の間に設けられたトンネルバリア層を備える積層体で構成される。このようなＭＲＡＭのデータ書き込みでは、フリー層とピン層の間で電流を流したときのスピン偏極した伝導電子のフリー層中の局在電子との間の相互作用を利用してフリー層の磁化が反転される。スピン注入磁化反転の発生の有無は、（電流の絶対値ではなく）電流密度に依存することから、スピン注入磁化反転をデータ書き込みに利用する場合には、メモリセルのサイズが小さくなれば、書き込み電流も低減される。
　すなわち、スピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、データ書き込みの際、膜厚が薄いトンネルバリア層に書き込み電流を流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が問題となる。また、書き込みの電流経路と読み出しの電流経路が同じになることから、読み出しの際の誤書き込みも懸念される。このようにスピン注入磁化反転はスケーリング性には優れるものの、実用化にはいくつかの障壁がある。
　第２の方法は、電流駆動磁壁移動現象を利用することである。電流駆動磁壁移動現象を利用した磁化反転方法は、スピン注入磁化反転の抱える上述のような問題を解決することができる。電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは、例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４に開示されている。電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭの最も一般的な構成では、データを保持する強磁性層（しばしば、磁気記録層と呼ばれる。）が、反転可能な磁化を有する磁化反転部と、その両端に接続された、固定された磁化を有する２つの磁化固定部とで構成される。データは、磁化反転部の磁化として記憶される。２つの磁化固定部の磁化は、互いに略反平行となるように固定されている。磁化がこのように配置されると、磁気記録層に磁壁が導入される。
　非特許文献２で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流すと磁壁は伝導電子の方向に移動することから、磁気記録層に電流を流すことによりデータ書き込みが可能となる。電流駆動磁壁移動の発生の有無も電流密度に依存することから、スピン注入磁化反転と同様にスケーリング性があると言える。これに加えて、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭのメモリセルでは、書き込み電流が絶縁層を流れることはなく、また書き込み電流経路と読み出し電流経路とは別となるため、スピン注入磁化反転で挙げられるような上述の問題は解決されることになる。
特開２００５－１５０３０３号公報 特開２００５－１９１０３２号公報 特開２００６－７３９３０号公報 特開２００６－２７００６９号公報 特開２００９－２５２９０９号公報
２００６　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　ＶＬＳＩ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ，　ｐ．１３６． Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　ｖｏｌ．９２，　ｎｕｍｂｅｒ　７，　ｐ．０７７２０５，　（２００４）． Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，　ｖｏｌ．４５，　Ｎｏ．５Ａ，　ｐｐ．３８５０－３８５３，（２００６）
　上記の特許文献、非特許文献の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明の観点から与えられる。
　しかしながら、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書き込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうという問題がある。電流誘起磁壁移動の観測は数多く報告されているが、概ね磁壁移動には１×１０８［Ａ／ｃｍ２］程度の電流密度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる強磁性膜の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合の書き込み電流は１ｍＡとなる。これ以下に書き込み電流を低減するためには、強磁性膜の幅を小さく、且つ、膜厚を薄くすればよい。しかしながら、膜厚を薄くすると書き込みに要する電流密度は更に上昇してしまうことが報告されている（例えば、非特許文献３参照）。また、強磁性膜の幅を１００ｎｍ以下に小さくすることは、加工技術の点で大いなる困難を伴う。
　また、１×１０８［Ａ／ｃｍ２］に近い電流密度を用いて書き込みを行う場合、エレクトロンマイグレーションや温度上昇の影響が懸念される。
　これに加えて電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、前述のように磁気記録層の２つの磁化固定部の磁化が互いに反平行となるように固定される必要がある。磁化を固定する方法として、例えば特許文献２に開示されているように反強磁性膜を用いるもの、また、特許文献５に開示されているように磁化固定領域を磁壁移動層とは別に作成する方法などがある。
　しかしながら、これらを実現するためには複雑な製造工程が必要となる。製造工程の複雑化は、製造コストの上昇を招く。
　本発明の目的は、容易に低コストで製造することができる、電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭおよびその製造方法を提供することにある。
　第１の視点において、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層と、該第１強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第２強磁性層と、該第１強磁性層の一端部に接して配置された第３強磁性層と、該第１強磁性層の他端部に接して配置された第４強磁性層と、を具備し、該第１強磁性層及び該第３強磁性層は、１つの強磁性体の長手方向の一方の端部を酸化して該第３強磁性層とし、残る部分を該第１強磁性層とした構造を有することを特徴とする。
　第２の視点において、本発明に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１強磁性層と、該第１強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第２強磁性層と、該第１強磁性層の一端部に接して配置された第３強磁性層と、該第１強磁性層の他端部に接して配置された第４強磁性層と、を具備する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、長手方向に長い第１強磁性層を形成する工程と、該第１強磁性層の該長手方向の一方の端部を酸化することにより、該第３強磁性層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
　第３の視点において、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁壁移動層と、その両側部に磁化固定層をそれぞれ１つずつ配した構造を含む磁気抵抗効果素子であって、第１の強磁性層の一方の側部に、酸化度が該第１の強磁性層とは異なる第２の強磁性層を配して、該第１の強磁性層を磁壁移動層とし、該第２の強磁性層を２つの該磁化固定層のうちの１つとしたことを特徴とする。
　本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁壁移動層の少なくとも一端部を酸化することによって、保磁力を増大させて磁化固定層とする。このようにすることで磁化固定層を磁壁移動層と別に作成する必要が無くなるため製造工程が簡略化され、製造コストが低減できる。
本発明の磁気抵抗効果素子の一実施例の断面及び平面模式図である。 酸化の程度による反転磁界の大きさの変化を示した図である。 図１に示す磁気抵抗効果素子の各領域における磁化反転特性を示した図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の一実施例の製造プロセスフローを示した図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の一実施例の初期化方法を示した図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の一実施例の書き込み方法を示した図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の変形例の製造プロセスフローを示した図である。
　以下に、可能な種々の形態について略述する。
第１の視点において、前記１つの強磁性体の前記長手方向の他方の端部をも酸化して前記第４強磁性層とし、残る中央部分を前記第１強磁性層とした構造を有することが好ましい。
　また、前記第３強磁性層と前記第４強磁性層の酸化度即ち酸素含有量がそれぞれ異なること（特に磁壁の移動が起こるような程度に異なること）が好ましい。
　また、前記第１強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層の各反転磁界の大きさは、第１強磁性層＜第３強磁性層＜第４強磁性層、であるか、又は第１強磁性層＜第４強磁性層＜第３強磁性層、であること（特に磁壁の移動が起こるような程度に異なること）が好ましい。
　また、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層は、いずれも厚さ方向に磁気異方性（特定の磁化容易軸の方向）を有することが好ましい。
　また、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層の少なくとも１つは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを含み、さらにＰｔ、Ｐｄ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍのうちの少なくとも１つを含むことが好ましい。
　第２の視点において、前記１つの強磁性体の前記長手方向の他方の端部を酸化することにより、前記第４強磁性層を形成する工程をさらに含むことが好ましい。
　また、前記第１強磁性層の前記長手方向の両方の端部をそれぞれ酸化する工程は、各端部を異なる酸化度即ち酸素含有量でそれぞれ酸化する工程であることが好ましい。
　第３の視点において、酸化度が前記第１の強磁性層及び前記第２の強磁性層のいずれとも異なる第３の強磁性層を、該第１強磁性層の他方の側部に配して、他の前記磁化固定層とすることが好ましい。このとき、前記第１強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層の各反転磁界の大きさは、第１強磁性層＜第３強磁性層＜第４強磁性層、となるようにそれぞれの酸化度を設定するか、又は第１強磁性層＜第４強磁性層＜第３強磁性層、となるようにそれぞれの酸化度を設定することが好ましい。
　また、前記第１強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層は、いずれも厚さ方向に磁気異方性を有することが好ましい。
　また、前記第１強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層の少なくとも１つは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを含み、さらにＰｔ、Ｐｄ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍのうちの少なくとも１つを含むことが好ましい。
　次に添付図面を参照して、本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリのいくつかの実施例を説明する。一実施例において、磁気ランダムアクセスメモリは、アレイ状に配置された複数のメモリセルを有しており、各メモリセルは磁気抵抗効果素子を有している。以下、磁気抵抗効果素子及びメモリセルの構成に基づく実施例を説明する。以下の説明においては、添付図面に図示されているようなｘｙｚ直交座標系を導入し、そのｘｙｚ直交座標系を用いて磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリの構造を説明する。
（実施例１）（磁気抵抗効果素子の構成）
　図１（Ａ）は、本発明の実施例１の磁気抵抗効果素子８０の主要な部分の構造を示す断面図であり、図１（Ｂ）は、磁気抵抗効果素子８０の構成を示す平面図である（スペーサ層２０を除いて図示）。磁気抵抗効果素子８０は、ｘ軸方向に延伸して設けられる第１強磁性層１０と、非磁性のスペーサ層２０と、第２強磁性層３０を備えている。スペーサ層２０は、第１強磁性層１０と第２強磁性層３０に挟まれている。第１強磁性層１０及び第２強磁性層３０は、強磁性体で形成される。スペーサ層２０は、好適には、絶縁体で形成される。この場合、第１強磁性層１０、スペーサ層２０、第２強磁性層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成される。またスペーサ層２０は絶縁体から構成されることが望ましいが、非磁性の導体や半導体により構成されても構わない。
　第１強磁性層１０の両端には、第３強磁性層４０と第４強磁性層５０が形成されている。第１強磁性層１０と第３強磁性層４０および第４強磁性層５０は連続した膜であり、その下面および上面は同じ高さ（ないし厚み）である。即ち、互いに面一に形成される。
　第１強磁性層１０、第２強磁性層３０、第３強磁性層４０、第４強磁性層５０は、垂直磁化膜が使用される。即ち、第１強磁性層１０、第２強磁性層３０、第３強磁性層４０、第４強磁性層５０は、いずれも、膜厚方向（膜面に垂直な方向）に磁気異方性を有している。第２強磁性層３０の磁化は実質的にｚ軸に略平行方向で一方向に固定される。
　一方、第１強磁性層１０の磁化は反転可能である。当該部分の磁化は、記憶されるデータに応じて、第２強磁性層３０の磁化に対して平行又は反平行の方向に向けられる。
　第１強磁性層１０及び第２強磁性層３０については、膜厚方向に磁気異方性を実現させるために、垂直磁気異方性を有する材料で形成された単層膜、または複数の膜で形成された積層体によりそれぞれ形成されることが好ましい。この場合の積層体とは、複数の強磁性体膜で構成された積層体でもよいし、強磁性体膜と非磁性体膜とからなる積層体でもよい。
　一方、第３強磁性層４０及び第４強磁性層５０も垂直磁気異方性を有する。その反転磁界の大きさは
　第１強磁性層の反転磁界＜第３強磁性層の反転磁界＜第４強磁性層の反転磁界
あるいは、
　第１強磁性層の反転磁界＜第４強磁性層の反転磁界＜第３強磁性層の反転磁界
となるように設定する。
　第３強磁性層４０及び第４強磁性層５０は、第１強磁性層１０の所望の位置に磁壁をピニングする機能を有している。第３強磁性層４０は、第１強磁性層１０のｘ軸方向における一端の近傍の部分に磁気的に結合され、第４強磁性層５０は、第１強磁性層１０のｘ軸方向における他端の近傍の部分に磁気的に結合される。第１強磁性層１０、第３強磁性層４０及び第４強磁性層５０が上述のような磁化配置にある場合、第１強磁性層１０のうちの第２強磁性層３０と対向する領域の磁化方向に応じて、第１強磁性層１０内には磁壁が形成される。
　第３強磁性層４０および第４強磁性層５０は反転磁界が第１強磁性層より大きい。このため、以下では、第３強磁性層４０を第１磁化固定部４０と記載することがある。同様に、第４強磁性層５０は、第２磁化固定部５０と記載することがある。第３強磁性層４０と第４強磁性層５０の間の第１強磁性層１０の区間は磁壁が移動することができる。このため、以下では、第１強磁性層１０を磁壁移動部１０と記載することがある。
　第２強磁性層３０、第３強磁性層４０、第４強磁性層５０は、外部の異なる配線に電気的に接続される。これから理解されるように、磁気抵抗効果素子８０は３端子素子である。図１には示されていないが、配線との電気的接続を得るための電極層を、第２強磁性層３０、第３強磁性層４０及び第４強磁性層５０のそれぞれに接合させることが望ましい。
　以下では、第１強磁性層１０、スペーサ層２０、第２強磁性層３０、第３強磁性層４０及び第４強磁性層５０の材料について説明する。なお、ここで示される材料は全て例であり、実際には、所望の磁化状態が実現できればいかなる材料を用いてもよい。
　第１強磁性層１０（及びこれを酸化して得られる強磁性層も同様である）、第２強磁性層３０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含むことが望ましい。
　さらに第１強磁性層１０（及びこれを酸化して得られる強磁性層も同様である）及び第２強磁性層３０がＰｔ及び／又はＰｄを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。第１強磁性層１０、第２強磁性層３０にＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。
　具体的にはＣｏ、Ｃｏ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｐｄ、Ｃｏ－Ｃｒ、Ｃｏ－Ｐｔ－Ｃｒ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｔａ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｂ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｐｔ－Ｂ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｔａ－Ｂ、Ｃｏ－Ｖ、Ｃｏ－Ｍｏ、Ｃｏ－Ｗ、Ｃｏ－Ｔｉ、Ｃｏ－Ｒｕ、Ｃｏ－Ｒｈ、Ｆｅ－Ｐｔ、Ｆｅ－Ｐｄ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｐｔ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｐｄ、Ｓｍ－Ｃｏ、Ｇｄ－Ｆｅ－Ｃｏ、Ｔｂ－Ｆｅ－Ｃｏ、Ｇｄ－Ｔｂ－Ｆｅ－Ｃｏなどが例示される。
　この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む膜と、その膜とは異なる材料で形成された膜とを積層させることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜などが例示されるが、その他様々な組成及び層構造の磁気異方性膜を用いることができる。
　本実施例においては、第３強磁性層４０と第４強磁性層５０は第１強磁性層１０の両端部を酸化することで作成される。図２に示すように第１強磁性層を酸化する時間に比例して反転磁界は大きくなる。そこで、第１強磁性層の第２強磁性層と対向する領域の左と右で酸化時間を変える、即ち酸化度を変えることによって、反転磁界の異なる３つの領域が作成可能である。
　各領域の反転磁化曲線を図３に示す。酸化時間を適当に選ぶことによって、反転磁界の大きさを領域１＜領域２＜領域３と設定できる。ここでは、領域１は第１強磁性層１０、領域２は第４強磁性層５０、領域３は第３強磁性層４０をそれぞれ示す。
　スペーサ層２０は、絶縁体から構成されることが望ましい。スペーサ層２０の材料としては、具体的にはＭｇ－Ｏ、Ａｌ－Ｏ、Ａｌ－Ｎ、Ｎｉ－Ｏ、Ｈｆ－Ｏなどの金属の酸化物ないし窒化物、あるいは酸窒化物等が使用され得る。ただし、スペーサ層２０として半導体や金属材料を用いても本発明は実施できることに留意されたい。スペーサ層２０として使用され得る半導体や金属材料としては、具体的にはＣｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎなど挙げられる。
（製造方法）
　図４に本素子の製造方法の１例を示す。まず、最初にＤＷ（Domain　Wall）層１５（第１強磁性層、第３強磁性層、第４強磁性層となる部分）、バリア層２５（非磁性スペーサ層となる部分）およびＲｅｆ層３５（第２強磁性層となる部分）を基板１上に成膜し（図４Ａ）、公知の方法で接合分離を行う（図４Ｂ）。次に接合分離されたＲｅｆ層の左右のどちらか一方の領域をフォトレジスト３６でカバーする（図４Ｃ）。その後、酸素を含むガスに基板を所定の時間だけさらした後、フォトレジストを除去する（図４Ｄ）。最後にＤＷ層をパターニングする（即ち所定のパターンで形成する）（図４Ｅ）。
　フォトレジストおよびＲｅｆ層でカバーされていない領域は最初から酸素プラズマにさらされるため、酸素暴露時間が長く、フォトレジストのみでカバーされた領域は酸素にさらされる時間が比較的短い。また、Ｒｅｆ層でカバーされた領域の下のＤＷ層は酸素にさらされない。ＤＷ層の磁気特性の変化は酸素暴露時間（酸化度）に比例して保磁力（Ｈｃ）が大きくなる。その結果、Ｈｃの異なる複数（本例では３つ）の領域をＤＷ素子上に形成でき、反平行初期化が可能となる。
（初期化方法）
　次に実施例１の磁気抵抗効果素子８０の初期化方法について、図５を用いて説明する。
　当該磁気抵抗効果素子８０では、第１強磁性層１０に磁壁を導入する必要があり、図５は、その過程を示している。なお、図５では、第１強磁性層１０、非磁性スペーサ２０、第２強磁性層３０，第３強磁性層４０、及び第４強磁性層５０のみが示されている。
　第１強磁性層１０に磁壁を導入するためには、はじめに磁気抵抗効果素子８０に一様かつ十分大きな外部磁界が、ｚ軸方向に印加される。このとき、図５Ａに示されるように、全ての磁気モーメントが外部磁界の方向に揃い飽和した状態となる。その後、逆方向に外部磁界を加えて、外部磁界を徐々に大きくすると、図５Ｂに示すように領域１の部分が反転する。このとき、領域１（第１強磁性層１０）と領域２（第４強磁性層５０）および領域１と領域３（第３強磁性層４０）の磁化は互いに反平行になり、これらの領域の境界に磁壁が形成される。
　さらに外部磁界を大きくしていくと、図５Ｃに示すように領域２の部分が磁化反転して、領域１と領域２は同じ方向に磁化される。このとき、領域３の部分は領域１と反平行に保持されており、この領域の境界には磁壁がある。このようにして、磁化固定領域の４０と５０を反平行にして磁化移動領域に磁壁が形成される。
　以上が実施例１における磁気抵抗効果素子８０の第１の初期化過程である。
（書き込み方法）
　図６に本素子の書き込み方法について説明する。図６Ａに示すように初期状態において第１強磁性層１０と第２強磁性層３０の磁化の向きが平行の場合、磁気抵抗効果素子８０の抵抗は低抵抗状態にある。すなわち“０”状態である。
　また、磁壁が第１強磁性層１０と第３強磁性層４０の間に導入されているとする。ここに図６Ａに示すように電流を流すとスピントルクの効果により磁壁は右に移動し、第１強磁性層１０と第４強磁性層５０の境界に止まる。このとき、第１強磁性層１０の磁化の向きは反転し、第２強磁性層３０と反対向きになる。すなわち、“１”状態になる。
　逆に初期状態が図６Ｂに示すように初期状態が“１”状態の場合、図６Ａと逆方向に電流を流すことによって、同様に“０”状態に書き込みを行うことができる。
　本実施例の磁気抵抗効果素子８０は、様々に変形可能である。以下では、実施例１の磁気抵抗効果素子８０の変形例について説明する。
（実施例２）
　上記実施例において、第３強磁性層を別の磁性膜で構成することができる。そのための構成を、実施例２として図７に示す。本実施例２では、第３強磁性層を別に作成しているので、初期化の際の磁場のマージンが広がるという相乗的（格別）な効果を奏する。
　実施例２の製造方法を示す。まず図７Ａに示すように、基板上に第３強磁性層となるハード層１１を形成し、次いで層間膜１２を形成して平坦化する（図７Ｂ）。次にＤＷ（Ｄｏｍａｉｎ　Ｗａｌｌ）層１５（第１強磁性層、第４強磁性層となる部分）、バリア層２５（非磁性スペーサ層となる部分）およびＲｅｆ層３５（第２強磁性層となる部分）を成膜し（図７Ｃ）、公知の方法で接合分離を行う（図７Ｄ）。次に接合分離されたＲｅｆ層の左右のどちらか一方の領域をフォトレジスト３６でカバーする（図７Ｅ）。その後、酸素を含むガスに基板を所定の時間だけさらした（アッシングを施した）後（図７Ｆ）、フォトレジストを除去する。最後にＤＷ層をパターニングする（図７Ｇ）。
　本発明の全開示（請求の範囲及び図面を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
１　　基板
１０　第１強磁性層
１１　ハード層
１２　層間膜
１５　ＤＷ層
２０　（非磁性）スペーサ（層）
２５　バリア層
３０　第２強磁性層
３５　Ｒｅｆ層
３６　フォトレジスト
４０　第３強磁性層
５０　第４強磁性層
８０　磁気抵抗効果素子

Claims (9)

  1. 　第１強磁性層と、
    　該第１強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第２強磁性層と、
    　該第１強磁性層の一端部に接して配置された第３強磁性層と、
    　該第１強磁性層の他端部に接して配置された第４強磁性層と、を具備し、
    　該第１強磁性層及び該第３強磁性層は、１つの強磁性体の長手方向の一方の端部を酸化して該第３強磁性層とし、残る部分を該第１強磁性層とした構造を有することを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
  2. 　前記１つの強磁性体の前記長手方向の他方の端部をも酸化して前記第４強磁性層とし、残る中央部分を前記第１強磁性層とした構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 　前記第３強磁性層と前記第４強磁性層の酸化度即ち酸素含有量がそれぞれ異なることを特徴とする、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 　前記第１強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層の各反転磁界の大きさは、
    　　第１強磁性層＜第３強磁性層＜第４強磁性層、であるか、又は
    　　第１強磁性層＜第４強磁性層＜第３強磁性層、であることを特徴とする、請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 　前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層は、いずれも厚さ方向に磁気異方性を有することを特徴とする、請求項１～４のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 　前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層の少なくとも１つは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを含み、さらにＰｔ、Ｐｄ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１～５のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 　第１強磁性層と、
    　該第１強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第２強磁性層と、
    　該第１強磁性層の一端部に接して配置された第３強磁性層と、
    　該第１強磁性層の他端部に接して配置された第４強磁性層と、を具備する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
    　長手方向に長い第１強磁性層を形成する工程と、
    　該第１強磁性層の該長手方向の一方の端部を酸化することにより、該第３強磁性層を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする、製造方法。
  8. 　前記１つの強磁性体の前記長手方向の他方の端部を酸化することにより、前記第４強磁性層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の製造方法。
  9. 　前記第１強磁性層の前記長手方向の両方の端部をそれぞれ酸化する工程は、各端部を異なる酸化度即ち酸素含有量でそれぞれ酸化する工程であることを特徴とする、請求項８に記載の製造方法。
PCT/JP2012/059485 2011-04-08 2012-04-06 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ WO2012137911A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013508945A JPWO2012137911A1 (ja) 2011-04-08 2012-04-06 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011-086158 2011-04-08
JP2011086158 2011-04-08

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012137911A1 true WO2012137911A1 (ja) 2012-10-11

Family

ID=46969299

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2012/059485 WO2012137911A1 (ja) 2011-04-08 2012-04-06 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JPWO2012137911A1 (ja)
WO (1) WO2012137911A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10008350B2 (en) 2014-02-27 2018-06-26 Toshiba Memory Corporation Magnetic device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04275471A (ja) * 1991-03-04 1992-10-01 Nec Corp 磁気抵抗効果素子およびその製造方法
JP2002157709A (ja) * 2000-11-15 2002-05-31 Alps Electric Co Ltd 磁気抵抗効果型素子及びその製造方法
WO2009001706A1 (ja) * 2007-06-25 2008-12-31 Nec Corporation 磁気抵抗効果素子、および磁気ランダムアクセスメモリ
JP2010219104A (ja) * 2009-03-13 2010-09-30 Nec Corp 磁気メモリ素子、磁気メモリ、及びその製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04275471A (ja) * 1991-03-04 1992-10-01 Nec Corp 磁気抵抗効果素子およびその製造方法
JP2002157709A (ja) * 2000-11-15 2002-05-31 Alps Electric Co Ltd 磁気抵抗効果型素子及びその製造方法
WO2009001706A1 (ja) * 2007-06-25 2008-12-31 Nec Corporation 磁気抵抗効果素子、および磁気ランダムアクセスメモリ
JP2010219104A (ja) * 2009-03-13 2010-09-30 Nec Corp 磁気メモリ素子、磁気メモリ、及びその製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10008350B2 (en) 2014-02-27 2018-06-26 Toshiba Memory Corporation Magnetic device

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2012137911A1 (ja) 2014-07-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6304697B2 (ja) 磁気メモリ素子および磁気メモリ
US10262711B2 (en) Magnetic memory
JP5338666B2 (ja) 磁壁ランダムアクセスメモリ
JP5366014B2 (ja) 磁気ランダムアクセスメモリ及びその初期化方法
JP5382348B2 (ja) 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ
US8514616B2 (en) Magnetic memory element and magnetic memory
JP5299735B2 (ja) 磁壁ランダムアクセスメモリ
JP5370907B2 (ja) 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP2006516360A (ja) スピン・トランスファおよび磁気素子を使用するｍｒａｍデバイスを利用する静磁結合磁気素子
CN111834521A (zh) 磁性隧道结器件
WO2014050379A1 (ja) 記憶素子、記憶装置、磁気ヘッド
US8994130B2 (en) Magnetic memory element and magnetic memory
JP2010098259A (ja) メモリセル、ならびに、磁気メモリ素子
JP5299643B2 (ja) 磁気ランダムアクセスメモリ
JP5370773B2 (ja) 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ、及びその初期化方法
JP5397384B2 (ja) 磁性記憶素子の初期化方法
JP5445029B2 (ja) 磁気抵抗素子、及び磁壁ランダムアクセスメモリ
WO2012137911A1 (ja) 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP5625380B2 (ja) 磁気抵抗記憶素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP5472821B2 (ja) 磁気抵抗素子の初期化方法、及び磁気抵抗素子
WO2022265058A1 (ja) 磁性積層膜及び磁気抵抗効果素子

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: 12767479

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2013508945

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12767479

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1