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JP2010219177A - Magnetic tunnel junction device, and magnetic random access memory - Google Patents

Magnetic tunnel junction device, and magnetic random access memory Download PDF

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JP2010219177A
JP2010219177A JP2009062305A JP2009062305A JP2010219177A JP 2010219177 A JP2010219177 A JP 2010219177A JP 2009062305 A JP2009062305 A JP 2009062305A JP 2009062305 A JP2009062305 A JP 2009062305A JP 2010219177 A JP2010219177 A JP 2010219177A
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layer
magnetic
half metal
tunnel junction
metal layer
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Application number
JP2009062305A
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Japanese (ja)
Inventor
Norikazu Oshima
則和 大嶋
Shunsuke Fukami
俊輔 深見
Akihiro Suzuki
哲広 鈴木
Kiyokazu Nagahara
聖万 永原
Nobuyuki Ishiwata
延行 石綿
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NEC Corp
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NEC Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the MR ratio of an MTJ element. <P>SOLUTION: The MTJ element (1) includes: a first magnetic layer (10); a second magnetic layer (20); a tunnel barrier layer (30) positioned between the first magnetic layer (10) and the second magnetic layer (20); and a first half metal layer (40) formed by a half metal material. The first half metal layer (40) is interposed between the first magnetic layer (10) and the tunnel barrier layer (30), abuts on the tunnel barrier layer (30), and magnetically couples with the first magnetic layer (10). <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。   The present invention relates to a magnetic tunnel junction device and a magnetic random access memory.

磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM: Magnetic Random Access Memory)は、磁性体の磁化方向に基づいてデータを不揮発的に記憶する不揮発性メモリである。MRAMは、高速書き込みや書き込み回数に制限が無い等の特徴を有する。そのため、MRAMは、次世代の不揮発性メモリとして期待されており、その開発が精力的に進められている。   A magnetic random access memory (MRAM) is a nonvolatile memory that stores data in a nonvolatile manner based on the magnetization direction of a magnetic material. The MRAM has features such as high-speed writing and unlimited number of writing. Therefore, MRAM is expected as a next-generation non-volatile memory, and its development is energetically advanced.

近年提案されている有力なMRAMの書き込み方式の一つは、スピン注入(spin momentum
transfer)方式である。スピン注入磁化反転では、スピン偏極電流が書き込み電流として磁化記録層に注入され、それにより磁化記録層の磁化方向が反転する。従来良く知られている電流誘起磁界を印加することによる磁化反転では、メモリセルのサイズが小さくなると共に磁化反転に必要な電流が増大する。それに対し、スピン注入磁化反転では、メモリセルのサイズが小さくなると共に磁化反転に必要な電流が減少する。従って、スピン注入方式は、大容量のMRAMを実現するための有力な方法であると考えられている。
One of the powerful MRAM writing methods proposed in recent years is spin injection (spin momentum).
transfer) method. In spin injection magnetization reversal, a spin-polarized current is injected as a write current into the magnetization recording layer, thereby reversing the magnetization direction of the magnetization recording layer. In magnetization reversal by applying a current-induced magnetic field, which is well known in the past, the memory cell size decreases and the current required for magnetization reversal increases. In contrast, in spin transfer magnetization reversal, the memory cell size is reduced and the current required for magnetization reversal is reduced. Therefore, the spin injection method is considered to be an effective method for realizing a large-capacity MRAM.

更に、スピン注入方式の一種として、「磁壁移動(Domain Wall Motion)方式」も知られている。磁壁移動方式によれば、磁化記録層の面内方向にスピン偏極電流を流すことにより、磁化記録層中の磁壁を移動させ、これにより磁化記録層中の磁化方向を反転させることができる。このような技術は、例えば、特許文献1や特許文献2に開示されている。   Furthermore, a “domain wall motion method” is also known as a kind of spin injection method. According to the domain wall motion method, by passing a spin-polarized current in the in-plane direction of the magnetization recording layer, the domain wall in the magnetization recording layer can be moved, thereby reversing the magnetization direction in the magnetization recording layer. Such a technique is disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, for example.

一般的に、MRAMのメモリセルとしては、磁気トンネル接合(MTJ: Magnetic Tunnel
Junction)素子が用いられる。図1は、典型的なMTJ素子100の構成を示す断面図である。MTJ素子100は、第1強磁性層110と、第2強磁性層120と、第1強磁性層110と第2強磁性層120に挟まれたトンネルバリア層130とを備える。第1強磁性層110と第2強磁性層120の一方が、磁化方向が固定されたピン層であり、他方が、磁化方向が変化する磁化記録層(フリー層)である。磁壁移動型MRAMの場合、磁化記録層は、磁壁が移動する磁壁移動層である。
In general, as a memory cell of MRAM, a magnetic tunnel junction (MTJ: Magnetic Tunnel)
Junction) elements are used. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a typical MTJ element 100. The MTJ element 100 includes a first ferromagnetic layer 110, a second ferromagnetic layer 120, and a tunnel barrier layer 130 sandwiched between the first ferromagnetic layer 110 and the second ferromagnetic layer 120. One of the first ferromagnetic layer 110 and the second ferromagnetic layer 120 is a pinned layer whose magnetization direction is fixed, and the other is a magnetization recording layer (free layer) whose magnetization direction changes. In the case of the domain wall motion type MRAM, the magnetization recording layer is a domain wall motion layer in which the domain wall moves.

MTJ素子の抵抗値は、磁化記録層の磁化状態に応じて変動する。データは、その抵抗値の大小として記録され、データ読み出しは、その抵抗値の大小を検出することにより行われる。従って、データ読み出し速度を向上させるためには、MTJ素子の磁気抵抗比(MR比)を増大させることが望ましい。第1強磁性層110及び第2強磁性層120のスピン分極率が、それぞれP1及びP2であるとする(0≦P1,P2≦1)。このとき、MTJ素子の理論的なMR比は、次の式(1)(一般に「Julliereの式」と呼ばれる)で与えられる。   The resistance value of the MTJ element varies according to the magnetization state of the magnetization recording layer. Data is recorded as the magnitude of the resistance value, and data reading is performed by detecting the magnitude of the resistance value. Therefore, in order to improve the data read speed, it is desirable to increase the magnetoresistance ratio (MR ratio) of the MTJ element. It is assumed that the spin polarizabilities of the first ferromagnetic layer 110 and the second ferromagnetic layer 120 are P1 and P2, respectively (0 ≦ P1, P2 ≦ 1). At this time, the theoretical MR ratio of the MTJ element is given by the following formula (1) (generally called “Jullier's formula”).

式(1):MR比=2×P1×P2/(1−P1×P2)   Formula (1): MR ratio = 2 × P1 × P2 / (1−P1 × P2)

この式(1)から、P1、P2が大きくなるほどMR比も高くなることが分かる。特に、P1=P2=1の場合、MR比(理論値)は無限大となる。従って、MR比の観点から言えば、スピン分極率がなるべく1に近い材料を磁性層に用いることが好ましい。   From this equation (1), it can be seen that the MR ratio increases as P1 and P2 increase. In particular, when P1 = P2 = 1, the MR ratio (theoretical value) is infinite. Therefore, in terms of MR ratio, it is preferable to use a material having a spin polarizability as close to 1 as possible for the magnetic layer.

特許文献3に開示されている強磁性トンネル接合素子では、絶縁体バリア層の両側を、室温以上のキュリー点を有する「ハーフメタル強磁性酸化物層」が挟みこんでいる。ハーフメタル酸化物は、例えばマグネタイトである。この強磁性トンネル接合素子は、室温以上で大きなMR比を示す。また、この強磁性トンネル接合素子は、全て酸化物で構成されるため、化学的に安定である。   In the ferromagnetic tunnel junction device disclosed in Patent Document 3, a “half-metal ferromagnetic oxide layer” having a Curie point at room temperature or higher is sandwiched between both sides of an insulator barrier layer. The half metal oxide is, for example, magnetite. This ferromagnetic tunnel junction device exhibits a large MR ratio at room temperature or higher. Moreover, since this ferromagnetic tunnel junction element is entirely composed of an oxide, it is chemically stable.

特開2006−73930号公報JP 2006-73930 A 特開2007−317895号公報JP 2007-317895 A 特開平11−97766号公報JP-A-11-97766

典型的なMTJ素子100では、第1強磁性層110及び第2強磁性層120の材料として、Fe、Co、Ni等の磁性金属からなる金属合金が用いられる。そのような金属合金では、アップスピンとダウンスピンの状態密度がフェルミ面近傍で存在確率を持つ。それぞれの方向のスピンが一定比率で存在するため、スピン分極率は1にはならず、0.4〜0.7程度である。その場合、実際のMR比の上限は、せいぜい数10%程度である。   In a typical MTJ element 100, a metal alloy made of a magnetic metal such as Fe, Co, or Ni is used as the material for the first ferromagnetic layer 110 and the second ferromagnetic layer 120. In such a metal alloy, the up-spin and down-spin state densities have an existence probability in the vicinity of the Fermi surface. Since spins in the respective directions exist at a constant ratio, the spin polarizability does not become 1, but is about 0.4 to 0.7. In that case, the upper limit of the actual MR ratio is about several tens of percent at most.

その一方、例えば混載メモリに要求される500MHz以上の読み出し動作を実現するためには、ナノ秒オーダーの読み出し速度が必要である。そのためには、100%を超える高MR比が要求される。しかしながら、図1で示されたような構造で、100%を超える高MR比を実現することは困難である。特に、磁壁移動型MRAMで用いられるMTJ素子では、磁壁移動層の結晶構造及び結晶配向面が、絶縁層を介したトンネル磁気抵抗効果に対して整合性が悪い。そのため、100%を超える高MR比を実現することが困難になっている。   On the other hand, for example, in order to realize a reading operation of 500 MHz or more required for the embedded memory, a reading speed on the order of nanoseconds is necessary. For this purpose, a high MR ratio exceeding 100% is required. However, it is difficult to achieve a high MR ratio exceeding 100% with the structure shown in FIG. In particular, in the MTJ element used in the domain wall motion type MRAM, the crystal structure and the crystal orientation plane of the domain wall motion layer are inconsistent with the tunnel magnetoresistance effect through the insulating layer. Therefore, it is difficult to realize a high MR ratio exceeding 100%.

本発明の1つの目的は、MTJ素子のMR比を増加させることにある。   One object of the present invention is to increase the MR ratio of the MTJ element.

本発明に係るMTJ素子は、第1磁性層と、第2磁性層と、第1磁性層と第2磁性層との間に位置するトンネルバリア層と、ハーフメタル材料で形成された第1ハーフメタル層と、を備える。第1ハーフメタル層は、第1磁性層とトンネルバリア層との間に介在し、トンネルバリア層と接触し、第1磁性層と磁気的に結合する。   The MTJ element according to the present invention includes a first magnetic layer, a second magnetic layer, a tunnel barrier layer positioned between the first magnetic layer and the second magnetic layer, and a first half formed of a half metal material. A metal layer. The first half metal layer is interposed between the first magnetic layer and the tunnel barrier layer, contacts the tunnel barrier layer, and is magnetically coupled to the first magnetic layer.

本発明によれば、MTJ素子のMR比を増加させることが可能となる。   According to the present invention, the MR ratio of the MTJ element can be increased.

図1は、典型的なMTJ素子の構造を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a typical MTJ element. 図2は、本発明の第1の実施の形態に係るMTJ素子の構造を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the MTJ element according to the first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第2の実施の形態に係るMTJ素子の構造を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the MTJ element according to the second embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第3の実施の形態に係るMTJ素子の構造を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of an MTJ element according to the third embodiment of the present invention. 図5は、本発明の第4の実施の形態に係るMTJ素子の構造を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of an MTJ element according to the fourth embodiment of the present invention. 図6は、本発明の第5の実施の形態に係るMTJ素子の構造を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of an MTJ element according to the fifth embodiment of the present invention. 図7は、本発明の実施の形態に係るMRAMの構成を示す概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the MRAM according to the embodiment of the present invention.

MTJ素子のMR比を向上させるためには、スピン分極率がなるべく1に近い材料を磁性層に用いることが好ましい。本実施の形態では、そのような高スピン分極率の材料として、「ハーフメタル材料」が用いられる。ハーフメタル(half-metal)とは、一方の電子スピンが金属的なバンド構造、他方の電子スピンが絶縁体的なバンド構造を有する磁性体のことである。ハーフメタルでは、アップスピンとダウンスピンの一方がフェルミ面よりも低いエネルギーを占め、他方がフェルミ面に状態を持つ。つまり、ハーフメタル材料では、フェルミエネルギーの電子は、一方のスピン状態しかとることができない。従って、ハーフメタル材料のスピン分極率は理論上は1であり、理想的である。   In order to improve the MR ratio of the MTJ element, it is preferable to use a material having a spin polarizability as close to 1 as possible for the magnetic layer. In the present embodiment, “half-metal material” is used as such a material having a high spin polarizability. The half-metal is a magnetic material in which one electron spin has a metallic band structure and the other electron spin has an insulating band structure. In half metal, one of upspin and downspin occupies a lower energy than the Fermi surface, and the other has a state on the Fermi surface. That is, in a half-metal material, Fermi energy electrons can take only one spin state. Therefore, the spin polarizability of the half metal material is theoretically 1 and is ideal.

その一方、ハーフメタル材料の磁気異方性は非常に小さい。例えば、スピン分極率が非常に高いL21構造フルホイスラー合金では、その高い対称性のため、磁気異方性が等方的になる。従って、図1で示された強磁性層110、120が単にハーフメタル層で置換された場合、MTJ素子が機能しなくなる。すなわち、強い磁気異方性を利用するMRAM等の磁気デバイスに、ハーフメタル材料をそのまま適用することは困難である。   On the other hand, the magnetic anisotropy of the half metal material is very small. For example, in the L21 structure full Heusler alloy having a very high spin polarizability, the magnetic anisotropy becomes isotropic due to the high symmetry. Therefore, when the ferromagnetic layers 110 and 120 shown in FIG. 1 are simply replaced with a half metal layer, the MTJ element does not function. That is, it is difficult to apply a half metal material as it is to a magnetic device such as an MRAM that uses strong magnetic anisotropy.

そこで、本実施の形態では、MTJ素子にデバイス機能を付与する部分と、MR比を向上させる部分が区分けされる。より詳細には、強い磁気異方性を有する磁性層とトンネルバリア層との間に、ハーフメタル層が挿入される。磁性体間には「交換結合」あるいは「静磁結合」が働く。磁性体同士が磁気的に結合する場合、その磁化の方向は、より強い磁気異方性を有する磁性体によって支配される。MTJのようなナノメータオーダの磁性体では、この傾向が特に顕著となる。従って、強い磁気異方性を有する磁性層と等方的なハーフメタル層とが磁気的に結合する場合、全体としての磁化方向は前者によって規定される。これにより、MTJ素子がデバイスとして機能することになる。更に、高スピン分極率のハーフメタル層がトンネルバリア界面に設けられるため、MR比が顕著に増大する。その結果、読み出し信号が大きくなり、高速データ読み出しが実現される。   Therefore, in the present embodiment, a part that imparts a device function to the MTJ element and a part that improves the MR ratio are divided. More specifically, a half metal layer is inserted between the magnetic layer having strong magnetic anisotropy and the tunnel barrier layer. “Exchange coupling” or “magnetostatic coupling” works between magnetic materials. When magnetic bodies are magnetically coupled to each other, the direction of magnetization is governed by a magnetic body having stronger magnetic anisotropy. This tendency is particularly significant in a nanometer-order magnetic material such as MTJ. Therefore, when the magnetic layer having strong magnetic anisotropy and the isotropic half metal layer are magnetically coupled, the magnetization direction as a whole is defined by the former. As a result, the MTJ element functions as a device. Further, since a half metal layer having a high spin polarizability is provided at the tunnel barrier interface, the MR ratio is remarkably increased. As a result, the read signal becomes large and high-speed data reading is realized.

1.第1の実施の形態
図2は、第1の実施の形態に係るMTJ素子1の断面構造を示している。MTJ素子1は、第1強磁性層10、第2強磁性層20、トンネルバリア層30、第1ハーフメタル層40、及び第2ハーフメタル層50を備えている。第1強磁性層10、第1ハーフメタル層40、トンネルバリア層30、第2ハーフメタル層50、第2強磁性層20は、この順番で積層されている。すなわち、トンネルバリア層30は、第1強磁性層10と第2強磁性層20との間に位置しており、第1ハーフメタル層40と第2ハーフメタル層50との間に挟まれている。第1ハーフメタル層40は、第1強磁性層10とトンネルバリア層30との間に介在しており、第1強磁性層10とトンネルバリア層30の両方に接触している。第2ハーフメタル層50は、第2強磁性層20とトンネルバリア層30との間に介在しており、第2強磁性層20とトンネルバリア層30の両方に接触している。
1. First Embodiment FIG. 2 shows a cross-sectional structure of an MTJ element 1 according to the first embodiment. The MTJ element 1 includes a first ferromagnetic layer 10, a second ferromagnetic layer 20, a tunnel barrier layer 30, a first half metal layer 40, and a second half metal layer 50. The first ferromagnetic layer 10, the first half metal layer 40, the tunnel barrier layer 30, the second half metal layer 50, and the second ferromagnetic layer 20 are stacked in this order. That is, the tunnel barrier layer 30 is located between the first ferromagnetic layer 10 and the second ferromagnetic layer 20, and is sandwiched between the first half metal layer 40 and the second half metal layer 50. Yes. The first half metal layer 40 is interposed between the first ferromagnetic layer 10 and the tunnel barrier layer 30 and is in contact with both the first ferromagnetic layer 10 and the tunnel barrier layer 30. The second half metal layer 50 is interposed between the second ferromagnetic layer 20 and the tunnel barrier layer 30 and is in contact with both the second ferromagnetic layer 20 and the tunnel barrier layer 30.

第1強磁性層10及び第2強磁性層20は、強い磁気異方性を有する。その磁気異方性は、面内磁気異方性であってもよいし、垂直磁気異方性であってもよい。第1強磁性層10と第2強磁性層20のうち一方は、磁化方向が一方向に固定されたピン層である。第1強磁性層10と第2強磁性層20のうち他方は、磁化方向が変化する磁化記録層(フリー層)である。磁壁移動型MRAMの場合、磁化記録層は、磁壁が移動する磁壁移動層である。   The first ferromagnetic layer 10 and the second ferromagnetic layer 20 have strong magnetic anisotropy. The magnetic anisotropy may be in-plane magnetic anisotropy or perpendicular magnetic anisotropy. One of the first ferromagnetic layer 10 and the second ferromagnetic layer 20 is a pinned layer whose magnetization direction is fixed in one direction. The other of the first ferromagnetic layer 10 and the second ferromagnetic layer 20 is a magnetization recording layer (free layer) whose magnetization direction changes. In the case of the domain wall motion type MRAM, the magnetization recording layer is a domain wall motion layer in which the domain wall moves.

第1ハーフメタル層40及び第2ハーフメタル層50は、ハーフメタル材料で形成される。第1ハーフメタル層40及び第2ハーフメタル層50は、1に近い高いスピン分極率を有する。つまり、第1ハーフメタル層40及び第2ハーフメタル層50のスピン分極率は、第1強磁性層10及び第2強磁性層20のスピン分極率よりも高い。一方、第1ハーフメタル層40及び第2ハーフメタル層50の磁気異方性は、第1強磁性層10及び第2強磁性層20の磁気異方性よりも小さい。典型的には、第1ハーフメタル層40及び第2ハーフメタル層50は、等方的な磁気異方性を有する。   The first half metal layer 40 and the second half metal layer 50 are formed of a half metal material. The first half metal layer 40 and the second half metal layer 50 have a high spin polarizability close to 1. That is, the spin polarizabilities of the first half metal layer 40 and the second half metal layer 50 are higher than the spin polarizabilities of the first ferromagnetic layer 10 and the second ferromagnetic layer 20. On the other hand, the magnetic anisotropy of the first half metal layer 40 and the second half metal layer 50 is smaller than the magnetic anisotropy of the first ferromagnetic layer 10 and the second ferromagnetic layer 20. Typically, the first half metal layer 40 and the second half metal layer 50 have isotropic magnetic anisotropy.

第1強磁性層10とトンネルバリア層30との間に介在する第1ハーフメタル層40は、第1強磁性層10と磁気的に結合している。その結果、第1ハーフメタル層40の磁化方向は、第1強磁性層10の磁化方向に依存して定まる。また、第2強磁性層20とトンネルバリア層30との間に介在する第2ハーフメタル層50は、第2強磁性層20と磁気的に結合している。その結果、第2ハーフメタル層50の磁化方向は、第2強磁性層20の磁化方向に依存して定まる。   The first half metal layer 40 interposed between the first ferromagnetic layer 10 and the tunnel barrier layer 30 is magnetically coupled to the first ferromagnetic layer 10. As a result, the magnetization direction of the first half metal layer 40 is determined depending on the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 10. In addition, the second half metal layer 50 interposed between the second ferromagnetic layer 20 and the tunnel barrier layer 30 is magnetically coupled to the second ferromagnetic layer 20. As a result, the magnetization direction of the second half metal layer 50 is determined depending on the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 20.

トンネルバリア層30の材料である絶縁性材料としては、結晶系のMgOあるいは非晶質系のAl−Oが例示される。   Examples of the insulating material that is a material of the tunnel barrier layer 30 include crystalline MgO or amorphous Al—O.

ハーフメタル層40、50の材料である高スピン分極率材料(ハーフメタル材料)としては、ハーフメタル性を示すホイスラー合金が挙げられる。特に、等方的な磁気異方性を有する「CoMX」で表されるフルホイスラー合金が好適である。ここで、Mは、第一遷移元素(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等)の集合から選択される少なくとも1つの元素であることが好ましい。Xは、3B族元素及び4B族元素(Al、Si、Ga、Ge、In、Sn、Tl、Pb等)の集合から選択される少なくとも1つの元素であることが好ましい。例えば、ハーフメタル材料として、CoMnSi、CoFeAlSi、あるいはCoCrFeAlが用いられる。 Examples of the high spin polarizability material (half metal material) that is a material of the half metal layers 40 and 50 include a Heusler alloy exhibiting half metal properties. In particular, a full Heusler alloy represented by “Co 2 MX” having isotropic magnetic anisotropy is suitable. Here, M is preferably at least one element selected from a set of first transition elements (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, etc.). X is preferably at least one element selected from the group of 3B group elements and 4B group elements (Al, Si, Ga, Ge, In, Sn, Tl, Pb, etc.). For example, Co 2 MnSi, Co 2 FeAlSi, or Co 2 CrFeAl is used as the half metal material.

磁化記録層(第1強磁性層10と第2強磁性層20のうち一方)とピン層(第1強磁性層10と第2強磁性層20のうち他方)の材料は、次の通りである。   The materials of the magnetization recording layer (one of the first ferromagnetic layer 10 and the second ferromagnetic layer 20) and the pinned layer (the other of the first ferromagnetic layer 10 and the second ferromagnetic layer 20) are as follows. is there.

面内磁気異方性の場合、NiFe、CoFe、CoFeBといった合金材料が用いられる。ピン層は、反強磁性層(PtMn)、強磁性層(CoFe)、非磁性層(Ru)、強磁性層(CoFe)が順番に積層された積層構造を有していてもよい。   In the case of in-plane magnetic anisotropy, alloy materials such as NiFe, CoFe, and CoFeB are used. The pinned layer may have a stacked structure in which an antiferromagnetic layer (PtMn), a ferromagnetic layer (CoFe), a nonmagnetic layer (Ru), and a ferromagnetic layer (CoFe) are sequentially stacked.

垂直磁気異方性の場合、Co/Ni、Co/Pd、Co/Ptといった積層膜が用いられる。あるいは、Fe−Pt、Co−Pt、Co−Pt−Cr、Co−Pd、Co−Re、Co−Re−Ni、Tb−Fe−Co、Gd−Tb−Fe−Coといった合金材料が用いられる。これら垂直磁気異方性材料は磁壁移動特性に優れており、磁壁移動型MRAMの場合に特に好適である。ピン層は、反強磁性層(PtMn)、垂直磁化層、非磁性層(Ru)、垂直磁化層が順番に積層された積層構造を有していてもよい。   In the case of perpendicular magnetic anisotropy, a laminated film such as Co / Ni, Co / Pd, and Co / Pt is used. Alternatively, alloy materials such as Fe—Pt, Co—Pt, Co—Pt—Cr, Co—Pd, Co—Re, Co—Re—Ni, Tb—Fe—Co, and Gd—Tb—Fe—Co are used. These perpendicular magnetic anisotropic materials are excellent in domain wall motion characteristics and are particularly suitable for domain wall motion type MRAM. The pinned layer may have a stacked structure in which an antiferromagnetic layer (PtMn), a perpendicular magnetization layer, a nonmagnetic layer (Ru), and a perpendicular magnetization layer are sequentially stacked.

以上に説明されたように、本実施の形態によれば、強い磁気異方性を有する磁性体と磁気的に結合する高スピン分極率のハーフメタル層が、トンネルバリア界面に設けられる。従って、デバイスとしての機能を損なうことなく、MTJ素子1のMR比が向上する。そのようなハーフメタル層が設けられない場合、MR比は数10%であるが、本実施の形態によれば、100%を超えるMR比を実現することが可能である。その結果、読み出し信号が大きくなり、高速データ読み出しが実現される。特に、低書き込み電流及び大容量といった特徴を有する磁壁移動型MRAMの場合であっても、磁壁移動特性を損なうことなく、100%を超えるMR比を実現することが可能である。すなわち、磁壁移動型MRAMをより高速化することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, the half-metal layer with high spin polarizability that is magnetically coupled to the magnetic material having strong magnetic anisotropy is provided at the tunnel barrier interface. Therefore, the MR ratio of the MTJ element 1 is improved without impairing the function as a device. When such a half metal layer is not provided, the MR ratio is several tens of percent, but according to the present embodiment, an MR ratio exceeding 100% can be realized. As a result, the read signal becomes large and high-speed data reading is realized. In particular, even in the case of a domain wall motion type MRAM having characteristics such as a low write current and a large capacity, it is possible to realize an MR ratio exceeding 100% without impairing the domain wall motion characteristics. That is, the domain wall motion type MRAM can be further increased in speed.

2.第2の実施の形態
図2で示された構造から、第1ハーフメタル層40あるいは第2ハーフメタル層50のいずれか一方が省かれてもよい。例えば、図3に示されるように、図2で示された構造から第2ハーフメタル層50が省かれる。この場合、第1強磁性層10は第1ハーフメタル層40を介してトンネルバリア層30に接続されるが、第2強磁性層20はトンネルバリア層30に直接接触する。このような構造であっても、第1の実施の形態と同様の効果がある程度得られる。
2. Second Embodiment From the structure shown in FIG. 2, either the first half metal layer 40 or the second half metal layer 50 may be omitted. For example, as shown in FIG. 3, the second half metal layer 50 is omitted from the structure shown in FIG. In this case, the first ferromagnetic layer 10 is connected to the tunnel barrier layer 30 via the first half metal layer 40, but the second ferromagnetic layer 20 is in direct contact with the tunnel barrier layer 30. Even with such a structure, the same effects as those of the first embodiment can be obtained to some extent.

3.第3の実施の形態
図4は、第3の実施の形態に係るMTJ素子1の断面構造を示している。図4に示されるMTJ素子1は、図2で示された構造に加えて、第1磁気結合層60と第2磁気結合層70を更に備えている。第1磁気結合層60は、第1強磁性層10と第1ハーフメタル層40との間に挟まれており、第2磁気結合層70は、第2強磁性層20と第2ハーフメタル層50との間に挟まれている。これら磁気結合層60、70の材料としては、Ru、Ta、Cu、Al、Os、Reが例示される。この場合、第1強磁性層10と第1ハーフメタル層40とは、第1磁気結合層60を介して磁気的に結合する。また、第2強磁性層20と第2ハーフメタル層50とは、第2磁気結合層70を介して磁気的に結合する。このような構造であっても、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。また、磁気結合層(60,70)を設けることによって、強磁性層(10,20)とハーフメタル層(40,50)との間の磁気的結合や結晶性を制御することが可能となる。
3. Third Embodiment FIG. 4 shows a cross-sectional structure of an MTJ element 1 according to a third embodiment. The MTJ element 1 shown in FIG. 4 further includes a first magnetic coupling layer 60 and a second magnetic coupling layer 70 in addition to the structure shown in FIG. The first magnetic coupling layer 60 is sandwiched between the first ferromagnetic layer 10 and the first half metal layer 40, and the second magnetic coupling layer 70 is composed of the second ferromagnetic layer 20 and the second half metal layer. 50. Examples of the material of the magnetic coupling layers 60 and 70 include Ru, Ta, Cu, Al, Os, and Re. In this case, the first ferromagnetic layer 10 and the first half metal layer 40 are magnetically coupled via the first magnetic coupling layer 60. Further, the second ferromagnetic layer 20 and the second half metal layer 50 are magnetically coupled via the second magnetic coupling layer 70. Even with such a structure, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Further, by providing the magnetic coupling layers (60, 70), it becomes possible to control the magnetic coupling and crystallinity between the ferromagnetic layers (10, 20) and the half metal layers (40, 50). .

4.第4の実施の形態
図4で示された構造から、第1磁気結合層60あるいは第2磁気結合層70のいずれか一方が省かれてもよい。例えば、図5に示されるように、図4で示された構造から第2磁気結合層70が省かれる。この場合、第1強磁性層10は第1磁気結合層60を介して第1ハーフメタル層40に接続されるが、第2強磁性層20は第2ハーフメタル層50に直接接触する。このような構造であっても、第3の実施の形態と同様の効果が得られる。
4). Fourth Embodiment From the structure shown in FIG. 4, either the first magnetic coupling layer 60 or the second magnetic coupling layer 70 may be omitted. For example, as shown in FIG. 5, the second magnetic coupling layer 70 is omitted from the structure shown in FIG. In this case, the first ferromagnetic layer 10 is connected to the first half metal layer 40 via the first magnetic coupling layer 60, but the second ferromagnetic layer 20 is in direct contact with the second half metal layer 50. Even with such a structure, the same effect as in the third embodiment can be obtained.

5.第5の実施の形態
図3で示された構造(第2の実施の形態)に、第1磁気結合層60が追加されてもよい。すなわち、図6に示されるように、第1磁気結合層60が、第1強磁性層10と第1ハーフメタル層40との間に挟まれる。この場合、第1強磁性層10と第1ハーフメタル層40とは、第1磁気結合層60を介して磁気的に結合する。このような構造であっても、第3の実施の形態と同様の効果が得られる。
5). Fifth Embodiment A first magnetic coupling layer 60 may be added to the structure shown in FIG. 3 (second embodiment). That is, as shown in FIG. 6, the first magnetic coupling layer 60 is sandwiched between the first ferromagnetic layer 10 and the first half metal layer 40. In this case, the first ferromagnetic layer 10 and the first half metal layer 40 are magnetically coupled via the first magnetic coupling layer 60. Even with such a structure, the same effect as in the third embodiment can be obtained.

6.MRAM
図7は、本実施の形態に係るMRAMを概略的に示している。MRAMは、アレイ状に配置された複数のメモリセルを備える。メモリセルとしては、上述のいずれかのMTJ素子1が用いられる。MTJ素子1のMR比が高いため、高い読み出し出力と高速読み出し動作が実現される。データ書き込み方式は、例えば、磁壁移動方式である。その場合、書き込み電流の低減、メモリセルの高密度化、MRAMの大容量化が実現される。
6). MRAM
FIG. 7 schematically shows the MRAM according to the present embodiment. The MRAM includes a plurality of memory cells arranged in an array. Any one of the above-described MTJ elements 1 is used as a memory cell. Since the MR ratio of the MTJ element 1 is high, a high read output and a high speed read operation are realized. The data writing method is, for example, a domain wall motion method. In that case, a reduction in write current, a higher density of memory cells, and a larger capacity of MRAM are realized.

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

1 MTJ素子
10 第1強磁性層
20 第2強磁性層
30 トンネルバリア層
40 第1ハーフメタル層
50 第2ハーフメタル層
60 第1磁気結合層
70 第2磁気結合層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 MTJ element 10 1st ferromagnetic layer 20 2nd ferromagnetic layer 30 Tunnel barrier layer 40 1st half metal layer 50 2nd half metal layer 60 1st magnetic coupling layer 70 2nd magnetic coupling layer

Claims (8)

第1磁性層と、
第2磁性層と、
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に位置するトンネルバリア層と、
ハーフメタル材料で形成された第1ハーフメタル層と
を備え、
前記第1ハーフメタル層は、前記第1磁性層と前記トンネルバリア層との間に介在し、前記トンネルバリア層と接触し、前記第1磁性層と磁気的に結合する
磁気トンネル接合素子。
A first magnetic layer;
A second magnetic layer;
A tunnel barrier layer located between the first magnetic layer and the second magnetic layer;
A first half metal layer formed of a half metal material,
The first half metal layer is interposed between the first magnetic layer and the tunnel barrier layer, contacts the tunnel barrier layer, and is magnetically coupled to the first magnetic layer. Magnetic tunnel junction element.
請求項1に記載の磁気トンネル接合素子であって、
更に、ハーフメタル材料で形成された第2ハーフメタル層を備え、
前記第2ハーフメタル層は、前記第2磁性層と前記トンネルバリア層との間に介在し、前記トンネルバリア層と接触し、前記第2磁性層と磁気的に結合する
磁気トンネル接合素子。
The magnetic tunnel junction device according to claim 1,
Furthermore, a second half metal layer formed of a half metal material is provided,
The second half metal layer is interposed between the second magnetic layer and the tunnel barrier layer, contacts the tunnel barrier layer, and is magnetically coupled to the second magnetic layer. Magnetic tunnel junction element.
請求項2に記載の磁気トンネル接合素子であって、
更に、前記第1磁性層と前記第1ハーフメタル層との間に挟まれた第1磁気結合層を備え、
前記第1磁性層と前記第1ハーフメタル層とは、前記第1磁気結合層を介して磁気的に結合する
磁気トンネル接合素子。
The magnetic tunnel junction device according to claim 2,
And a first magnetic coupling layer sandwiched between the first magnetic layer and the first half metal layer,
The magnetic tunnel junction element, wherein the first magnetic layer and the first half metal layer are magnetically coupled via the first magnetic coupling layer.
請求項3に記載の磁気トンネル接合素子であって、
更に、前記第2磁性層と前記第2ハーフメタル層との間に挟まれた第2磁気結合層を備え、
前記第2磁性層と前記第2ハーフメタル層とは、前記第2磁気結合層を介して磁気的に結合する
磁気トンネル接合素子。
The magnetic tunnel junction device according to claim 3,
And a second magnetic coupling layer sandwiched between the second magnetic layer and the second half metal layer,
The magnetic tunnel junction element, wherein the second magnetic layer and the second half metal layer are magnetically coupled via the second magnetic coupling layer.
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子であって、
前記ハーフメタル材料は、ホイスラー合金である
磁気トンネル接合素子。
The magnetic tunnel junction device according to any one of claims 1 to 4,
The half metal material is a Heusler alloy magnetic tunnel junction element.
請求項5に記載の磁気トンネル接合素子であって、
前記ホイスラー合金は、CoMXで表され、
Mは第一遷移元素であり、
Xは3B族元素あるいは4B族元素である
磁気トンネル接合素子。
The magnetic tunnel junction device according to claim 5,
The Heusler alloy is represented by Co 2 MX,
M is the first transition element,
X is a group 3B element or a group 4B element. Magnetic tunnel junction element.
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子であって、
前記第1磁性層と前記第2磁性層のうち一方は、磁化方向が固定されたピン層であり、
前記第1磁性層と前記第2磁性層のうち他方は、磁壁が移動する磁壁移動層である
磁気トンネル接合素子。
The magnetic tunnel junction element according to any one of claims 1 to 6,
One of the first magnetic layer and the second magnetic layer is a pinned layer having a fixed magnetization direction,
The other of the first magnetic layer and the second magnetic layer is a domain wall moving layer in which a domain wall moves. Magnetic tunnel junction element.
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子をメモリセルとして備える磁気ランダムアクセスメモリ。   A magnetic random access memory comprising the magnetic tunnel junction element according to claim 1 as a memory cell.
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