JP5441274B2 - Magnetoresistive element and magnetic memory - Google Patents
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Description
本発明は、双方向に電流を供給することで情報を記録することが可能な磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気メモリに関する。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element capable of recording information by supplying current bidirectionally, and a magnetic memory using the magnetoresistive effect element.
トンネル磁気抵抗効果(TMR:Tunneling Magneto Resistive)を利用する磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)は、データをMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子の磁化状態により記憶する点に特徴を有する。一般に、MTJ素子は、記憶層と呼ばれる磁性層と、参照層と呼ばれる磁性層と、これらの磁性層間に設けられたトンネルバリア層とを備えている。磁気ランダムアクセスメモリに関しては、実用化に向けて数々の技術が提案されている。例えば、書き込み電流の低減を目的として、ヨーク配線構造が提案されている。また、MTJ素子の構造に関しては、GdFe合金からなる垂直磁化膜を用いた構造(例えば、非特許文献1参照)や、垂直磁化膜を用いた積層構造(例えば、非特許文献2参照)等が提案されている。 2. Description of the Related Art A magnetic random access memory (MRAM) using a tunneling magnetoresistive effect (TMR) is characterized in that data is stored according to the magnetization state of an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element. In general, an MTJ element includes a magnetic layer called a storage layer, a magnetic layer called a reference layer, and a tunnel barrier layer provided between these magnetic layers. For magnetic random access memory, a number of technologies have been proposed for practical use. For example, a yoke wiring structure has been proposed for the purpose of reducing the write current. Further, regarding the structure of the MTJ element, there are a structure using a perpendicular magnetization film made of a GdFe alloy (for example, see Non-Patent Document 1), a laminated structure using a perpendicular magnetization film (for example, see Non-Patent Document 2), and the like. Proposed.
これらは、基本的に電流により発生する磁場を利用して、磁性層の磁化の向きを反転させる磁場書き込み方式である。電流により発生する磁場は、当然、電流が大きければ大きな磁場を発生できるが、微細化が進むほど配線に流せる電流も制限される。配線と磁性層の距離を近づける、あるいは発生する磁場を集中させるヨーク構造を利用することで、磁性体の磁化を反転させるために必要な電流値を低減することはできるが、微細化により、磁性体の磁化反転に必要な磁場が増大するため、低電流化と微細化の両立が非常に難しい。 These are magnetic field writing methods that basically reverse the magnetization direction of the magnetic layer using a magnetic field generated by an electric current. As a matter of course, the magnetic field generated by the current can generate a large magnetic field if the current is large, but the current that can be passed through the wiring is limited as the miniaturization progresses. By using a yoke structure that reduces the distance between the wiring and the magnetic layer or concentrates the generated magnetic field, the current value required to reverse the magnetization of the magnetic material can be reduced. Since the magnetic field required for the magnetization reversal of the body increases, it is very difficult to achieve both current reduction and miniaturization.
微細化により磁性体の磁化反転に必要な磁場が増大するのは、熱擾乱に打ち勝つだけの磁気エネルギーを必要とするためである。磁気エネルギーは磁気異方性エネルギー密度と磁性体の体積を大きくすればよいが、微細化により体積が減少してしまうので、形状磁気異方性エネルギー、結晶磁気異方性エネルギーを利用するのが一般的である。 The reason why the magnetic field necessary for the magnetization reversal of the magnetic material increases due to the miniaturization is that it requires magnetic energy to overcome the thermal disturbance. Magnetic energy can be increased by increasing the magnetic anisotropy energy density and the volume of the magnetic material, but the volume is reduced by miniaturization. It is common.
しかし、上述したように磁性体の持つ磁気エネルギーの増大は反転磁場を増大させるため、低電流化と微細化を両立するのは非常に困難である。結晶磁気異方性エネルギーの大きな垂直磁化膜を導入し、かつ究極的に大きな電流磁場の発生効率を有する完全閉磁路型のヨーク構造が提案されている(例えば特許文献1参照)。しかし、この特許文献1においては、ヨーク構造が磁性体素子に対して大きくなるため、セル面積が比較的大きくなり、微細化、低電流化、セル面積の縮小をすべて満たすことができない。
However, as described above, an increase in the magnetic energy of the magnetic material increases the reversal magnetic field, so it is very difficult to achieve both low current and miniaturization. A fully closed magnetic circuit type yoke structure has been proposed in which a perpendicularly magnetized film having a large magnetocrystalline anisotropy energy is introduced and which has an ultimate generation efficiency of a large current magnetic field (see, for example, Patent Document 1). However, in
近年、スピン偏極電流による磁化反転が理論的に予想され、実験でも確認されるようになり、スピン偏極電流を利用したMRAMが提案されてきた(例えば、非特許文献3参照)。このMRAMによれば、磁性体にスピン偏極電流を流すだけで、スピン偏極した電子の作用により磁性体の磁化反転を実現でき、磁性体の体積が小さければ注入するスピン偏極電子も少なくて済むため、微細化、低電流化を両立できると期待されている。さらに、電流により発生する磁場を利用しないため、磁場を増加させるヨーク構造も必要ではなく、セル面積を縮小できるという利点を持つ。 In recent years, magnetization reversal due to spin-polarized current has been theoretically predicted and has been confirmed by experiments, and MRAM using spin-polarized current has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 3). According to this MRAM, the magnetization reversal of the magnetic material can be realized by the action of the spin-polarized electrons only by passing a spin-polarized current through the magnetic material. If the volume of the magnetic material is small, the number of spin-polarized electrons injected is small. Therefore, it is expected that both miniaturization and low current can be achieved. Further, since the magnetic field generated by the current is not used, a yoke structure for increasing the magnetic field is not necessary, and the cell area can be reduced.
しかし、当然のことながらスピン偏極電流における磁化反転方式においても、熱擾乱の問題は微細化に伴って顕在化する。上述したように、熱擾乱耐性を確保するためには、磁気異方性エネルギー密度を増加させる必要がある。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、形状を利用して磁気異方性を確保しているため、磁化反転に必要な電流は形状に敏感になり、微細化に伴い反転電流ばらつきが増加することが問題になる。また、MTJセルのアスペクトも少なくとも1.5以上は必要となるため、セルサイズも大きくなる。磁気抵抗効果素子の磁性層が面内磁化型であって、形状磁気異方性ではなく、結晶磁気異方性を利用する場合、大きな結晶磁気異方性エネルギー密度を有する材料、例えば、ハードディスク媒体で用いられているようなCo−Cr合金材料を用いた場合、結晶軸が面内に大きく分散してしまう。このため、MR比(Magneto Resistive)の低下、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。 However, as a matter of course, even in the magnetization reversal method using the spin-polarized current, the problem of thermal disturbance becomes obvious as the size is reduced. As described above, in order to ensure thermal disturbance resistance, it is necessary to increase the magnetic anisotropic energy density. In the in-plane magnetization type configuration mainly studied so far, it is common to use shape magnetic anisotropy. In this case, since the magnetic anisotropy is ensured by utilizing the shape, the current required for the magnetization reversal becomes sensitive to the shape, and there is a problem that the variation of the reversal current increases with the miniaturization. Moreover, since the aspect of the MTJ cell needs to be at least 1.5 or more, the cell size is also increased. A material having a large magnetocrystalline anisotropy energy density when the magnetic layer of the magnetoresistive effect element is in-plane magnetization type and utilizes magnetocrystalline anisotropy instead of shape magnetic anisotropy, such as a hard disk medium When the Co—Cr alloy material used in the above is used, the crystal axes are greatly dispersed in the plane. For this reason, a decrease in MR ratio (Magneto Resistive) and incoherent precession are induced, resulting in an increase in reversal current.
上述したように、MTJ素子を構成する記憶層および参照層は磁性材料から形成され、外部に対して磁界を発生している。一般に、垂直磁化型のMTJ素子では、参照層から発生する漏れ磁界が面内磁化型のそれに比べて大きい。また、参照層に比べて保磁力の小さい記憶層は、参照層からの漏れ磁界の影響を強く受ける。具体的には、参照層からの漏れ磁界の影響により、書き込みに必要な反転電流値が増加し、熱安定性を低下させる問題が発生する。 As described above, the memory layer and the reference layer constituting the MTJ element are made of a magnetic material and generate a magnetic field to the outside. In general, in the perpendicular magnetization type MTJ element, the leakage magnetic field generated from the reference layer is larger than that in the in-plane magnetization type. In addition, the memory layer having a smaller coercive force than the reference layer is strongly influenced by the leakage magnetic field from the reference layer. Specifically, due to the influence of the leakage magnetic field from the reference layer, the reversal current value required for writing increases, which causes a problem of deteriorating thermal stability.
垂直磁化型のMTJ素子において、記憶層にかかる、参照層からの漏れ磁界を低減する一つの施策として、SAF(Synthetic Anti-Ferromagnetic)構造やデュアルピン構造等が提案されている。SAF構造については、膜厚差を付けることで記憶層にかかる漏れ磁界を低減させている。面内磁化型のSAF構造の場合には、膜厚差が1.2倍程度で記憶層にかかる漏れ磁界を低減することが可能である。 As a measure for reducing the leakage magnetic field from the reference layer in the perpendicular magnetization type MTJ element, a SAF (Synthetic Anti-Ferromagnetic) structure, a dual pin structure, and the like have been proposed. For the SAF structure, the leakage magnetic field applied to the storage layer is reduced by providing a film thickness difference. In the case of the in-plane magnetization type SAF structure, the leakage magnetic field applied to the storage layer can be reduced with a film thickness difference of about 1.2 times.
しかしながら、後述するように、垂直磁化型のSAF構造の場合には、1.2倍程度の膜厚差では、記憶層にかかる漏れ磁界を十分に低減することはできないことを本発明者達は見いだした。 However, as will be described later, in the case of the perpendicular magnetization type SAF structure, the present inventors cannot sufficiently reduce the leakage magnetic field applied to the memory layer with a film thickness difference of about 1.2 times. I found it.
また、デュアルピン構造についても記憶層にかかる漏れ磁界の垂直方向の大きさは低減されるが面内方向の漏れ磁界は逆に増加してしまうため、結果としてMRは低下し、書き込みに必要な反転電流値も増加してしまう。 Also, in the dual pin structure, the vertical magnitude of the leakage magnetic field applied to the storage layer is reduced, but the leakage magnetic field in the in-plane direction increases conversely, resulting in a decrease in MR, which is necessary for writing. The reverse current value also increases.
垂直磁化型のMTJ構成における漏れ磁界低減施策は上述したようにいくつか報告例があるが、記憶層にかかる漏れ磁界を低減するための具体的な手段は提案されていない。As described above, there are several reports on measures for reducing the leakage magnetic field in the perpendicular magnetization type MTJ configuration, but no specific means for reducing the leakage magnetic field applied to the storage layer has been proposed.
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、記憶層にかかる漏れ磁界を可及的に低減することの可能な磁気抵抗効果素子及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を目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a magnetoresistive effect element capable of reducing a leakage magnetic field applied to a storage layer as much as possible and a magnetic random access memory using the same. For the purpose.
本発明の第1の態様による磁気抵抗効果素子は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有する強磁性層と、前記強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、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記強磁性層の磁化の向きと反平行の磁化を有し、かつ前記強磁性層の積層方向の膜厚の1/2.8以上1/1.5以下の膜厚を有する参照層と、前記参照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、膜面に垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する記憶層と、を備え、前記参照層の飽和磁化をMs 1 、前記強磁性層の飽和磁化をMs 2 とするとき、Ms 1 <Ms 2 の関係を満たす。 The magnetoresistive effect element according to the first aspect of the present invention includes a ferromagnetic layer having magnetic anisotropy in a direction perpendicular to the film surface, a first nonmagnetic layer provided on the ferromagnetic layer, and the first Provided on one nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface, having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the ferromagnetic layer, and extending in the stacking direction of the ferromagnetic layer. A reference layer having a thickness of 1 / 2.8 or more and 1 / 1.5 or less of a thickness, a second nonmagnetic layer provided on the reference layer, and provided on the second nonmagnetic layer And a storage layer whose magnetization direction is changed by the action of spin-polarized electrons having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface, the saturation magnetization of the reference layer being Ms 1 , and the ferromagnetic layer When the saturation magnetization of Ms 2 is Ms 2 , the relationship of Ms 1 <Ms 2 is satisfied .
また、本発明の第2の態様による磁気抵抗効果素子は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する記憶層と、前記記憶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、膜面に垂直方向の磁気異方性を有する参照層と、前記参照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、膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記参照層の磁化の向きと反平行の磁化を有し、かつ前記参照層の積層方向の膜厚の1.5倍以上2.8倍以下の膜厚を有する強磁性層と、を備え、前記参照層の飽和磁化をMs 1 、前記強磁性層の飽和磁化をMs 2 とするとき、Ms 1 <Ms 2 の関係を満たす。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a magnetoresistive effect element comprising a memory layer having a magnetic anisotropy perpendicular to a film surface and having a magnetization direction changed by the action of spin-polarized electrons, and the memory layer A first nonmagnetic layer provided on the first nonmagnetic layer; a reference layer provided on the first nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to a film surface; and a first layer provided on the reference layer. Provided on the second nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the reference layer, and A ferromagnetic layer having a film thickness of 1.5 times or more and 2.8 times or less of the film thickness in the stacking direction of the reference layer, the saturation magnetization of the reference layer being Ms 1 , and the saturation magnetization of the ferromagnetic layer being When Ms 2 is satisfied, the relationship of Ms 1 <Ms 2 is satisfied .
また、本発明の第3の態様による磁気抵抗効果素子は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有する第1の強磁性層と、前記第1の強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、膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記第1の強磁性層の磁化の向きと反平行の磁化を有し、かつ前記第1の強磁性層の積層方向の膜厚の1/2.8以上1/1.5以下の膜厚を有する第1の参照層と、前記第1の参照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、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する記憶層と、前記記憶層上に設けられた第3の非磁性層と、前記第3の非磁性層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記第1の参照層の磁化の向きと反平行の磁化を有する第2の参照層と、前記第2の参照層上に設けられた第4の非磁性層と、前記第4の非磁性層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記第2の参照層の磁化の向きと反平行の磁化を有し、かつ前記第2の参照層の積層方向の膜厚の1.5倍以上2.8倍以下の膜厚を有する第2の強磁性層と、を備え、前記第1および第2の参照層の飽和磁化をそれぞれMs 11 ,Ms 12 、前記第1および第2の強磁性層の飽和磁化をそれぞれMs 21 ,Ms 22 とするとき、Ms 11 <Ms 21 、およびMs 12 <Ms 22 の関係を満たす。 The magnetoresistive effect element according to the third aspect of the present invention includes a first ferromagnetic layer having magnetic anisotropy perpendicular to the film surface, and a first ferromagnetic layer provided on the first ferromagnetic layer. Provided on the first nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the first ferromagnetic layer. And a first reference layer having a thickness of 1 / 2.8 to 1 / 1.5 of the thickness of the first ferromagnetic layer in the stacking direction, and the first reference layer. A second nonmagnetic layer and a memory provided on the second nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a magnetization direction changed by the action of spin-polarized electrons. A layer, a third nonmagnetic layer provided on the storage layer, and a third nonmagnetic layer provided on the third nonmagnetic layer and having magnetic anisotropy perpendicular to the film surface. A second reference layer having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the first reference layer; a fourth nonmagnetic layer provided on the second reference layer; and the fourth nonmagnetic layer. The film thickness of the second reference layer in the stacking direction is provided, has a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface, has a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the second reference layer, and And a second ferromagnetic layer having a film thickness of 1.5 times or more and 2.8 times or less of the saturation magnetization of the first and second reference layers, respectively, Ms 11 , Ms 12 , When the saturation magnetizations of the second and second ferromagnetic layers are Ms 21 and Ms 22 , respectively , the relations of Ms 11 <Ms 21 and Ms 12 <Ms 22 are satisfied .
また、本発明の第4の態様による磁気メモリは、第1乃至第3の態様のいずれかによる磁気抵抗素子と、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。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a magnetic memory comprising: the magnetoresistive element according to any one of the first to third aspects; and first and second electrodes for energizing the magnetoresistive element. It is characterized by including a memory cell including.
本発明の実施形態を以下に図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description, common parts are denoted by common reference symbols throughout the drawings.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による磁気抵抗効果素子を図1に示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、シングルピン構造のMTJ素子1である。本実施形態のMTJ素子1は、磁性層からなる磁化自由層(記憶層)2と、磁性層からなる参照層6と、磁性層からなる強磁性層10と、記憶層2と参照層6の間に挟まれた非磁性層4と、参照層6と強磁性層10の間に挟まれた非磁性層8と、を有する積層構造を備えている。すなわち、本実施形態のMTJ素子1は、強磁性層10、非磁性層8、参照層6、非磁性層4、および記憶層2が、この順序で積層された積層構造(図1に示す順で形成された積層構造)であってもよいし、記憶層2、非磁性層4、参照層6、非磁性層8、および強磁性層10が、この順序で積層された積層構造(図1に示す順序とは逆の順で形成された積層構造)であってもよい。
(First embodiment)
A magnetoresistive effect element according to a first embodiment of the present invention is shown in FIG. The magnetoresistive effect element of the present embodiment is an
そして、本実施形態のMTJ素子1は、記憶層2、参照層6、及び強磁性層10の磁化方向が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型のMTJ素子である。すなわち、記憶層2、参照層6、及び強磁性層10は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有している。ここで、「膜面」とは、各層の上面を意味する。記憶層2は、スピン偏極した電子の作用により、磁化の向きが反転することが可能となっている。参照層6及び強磁性層10は、磁化が互いに逆方向に向いた反平行の磁化配列である。参照層6は書き込みの前後の磁化のむきが不変となっている。このMTJ素子1は、非磁性層4が絶縁体の場合はTMR効果を有し、非磁性層4が金属の場合はGMR効果を有する。ここで、非磁性層4が絶縁体の場合はMgO(酸化マグネシウム)、AlO(酸化アルミニウム、例えばAl2O3)等が用いられ、非磁性層4が金属の場合はCu、Pt、Au等が用いられる。この構造では、強磁性層10の飽和磁化Msおよび膜厚tを参照層6と同じ大きさにすると、記憶層2に加わる参照層6からの漏れ磁界を完全に打ち消すことができない。
The
そこで、本発明者達は、鋭意研究に努め、記憶層2に加わる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すために必要なパラメータ間の条件を求めた。ここで、“打ち消す”とは、記憶層の上面と下面との間の中間の面にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzの面積平均が0となる場合を意味する。
Therefore, the present inventors sought hard research and determined conditions between parameters necessary for canceling the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the
まず、図2に示す、直径サイズRがR=50nmの円柱形状のシングルピン構造のMTJ素子1の場合について、記憶層2に加わる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すための強磁性層10の最適な膜厚を解析(シミュレーション)により求めた。この解析に用いたパラメータの値は、記憶層2の飽和磁化Ms、磁気異方性定数Ku、膜厚tの大きさは、それぞれ、Ms=700(emu/cm3)、Ku=4.7×106(erg/cm3)、t=2nmとし、参照層6の飽和磁化Ms1、磁気異方性定数Ku1、膜厚t1の大きさは、それぞれ、Ms1=750(emu/cm3)、Ku1=20×106(erg/cm3)、t1=7nmとする。ここで、非磁性層4の厚さを1nmとし、非磁性層8の厚さを5nmとする。強磁性層10の飽和磁化Ms2、磁気異方性定数Ku2の大きさを、それぞれ、Ms2=1000(emu/cm3)、Ku2=20×106(erg/cm3)とする。この場合に、記憶層2にかかる参照層6からの漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すための強磁性層10の最適な膜厚をt2とすると、解析計算からt2=19.80nmであった。
First, in the case of the
漏れ磁界の膜面垂直成分を打ち消す条件、即ち、強磁性層の膜厚t2=19.80nmの場合のMTJ素子1のM−Hループを図3のグラフg1に示す。横軸はMTJ素子に印加される外部磁界Hexを示し、縦軸は、飽和磁化Mを記憶層2の磁化Msで正規化した磁化を示す。なお、図3において、グラフg2は、図2に示すMTJ素子1から強磁性層10を削除した構造のMTJ素子のM−Hループを示す。漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すことでシフトが改善されるだけでなく、保磁力および角型も改善されていることがわかる。
Conditions to cancel the leakage magnetic field perpendicular to the film surface component, that is, the M-H loop of the
ここで、参照層6および非磁性層8の膜厚について検討する。参照層6の膜厚t1は、5nm以上であることが好ましい。参照層6の膜厚が5nmより薄くなると、結晶性が低下し垂直磁気異方性を維持できなくなる。また、参照層6の膜厚は7nm以下であることが好ましい。参照層6の膜厚が7nmを超えると、参照層6と非磁性層8との界面でのラフネスが増大する。これにより、非磁性層8を介して形成される強磁性層10の結晶性が低下し、垂直磁気異方性を維持できなくなる。したがって、参照層6の膜厚t1は、
5nm≦t1≦7nm
の関係を満たすことが望まれる。
Here, the film thicknesses of the
5 nm ≦ t 1 ≦ 7 nm
It is desirable to satisfy this relationship.
非磁性層8の膜厚は、1nm以上が好ましい。非磁性層8の膜厚が1nmより薄くなると、参照層6と強磁性層10との間の強磁性的な層間結合が強く、反平行結合状態を作りづらくしてしまう。また、非磁性層8の膜厚は、5nm以下であることが好ましい。非磁性層8の膜厚が5nmを超える膜厚になると、強磁性層10と非磁性層8との界面でのラフネスが増大する。これにより、強磁性層10の結晶性が低下し、垂直磁気異方性を維持するのが難しくなる。したがって、非磁性層8の膜厚t12は、
1nm≦t12≦5nm
の関係を満たすことが望まれる。
The film thickness of the
1 nm ≦ t 12 ≦ 5 nm
It is desirable to satisfy this relationship.
次に、MTJ素子1に対して、参照層6の膜厚t1=5nm、6nm、7nmとした場合の、記憶層2にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すために必要な強磁性層10の膜厚t2を解析により求めた。
Next, with respect to the
a)t1=5nmに対して、t12=1nmの場合、t2=7.52nmが必要である。この場合の膜厚t2と膜厚t1との比(=t2/t1)の値は1.50となる。 a) For t 1 = 5 nm, if t 12 = 1 nm, t 2 = 7.52 nm is required. In this case, the ratio of the film thickness t 2 to the film thickness t 1 (= t 2 / t 1 ) is 1.50.
また、t1=5nmに対して、t12=3nmの場合、t2=8.96nmが必要である。この場合の膜厚t2と膜厚t1との比(=t2/t1)の値は1.79となる。 Further, when t 12 = 3 nm with respect to t 1 = 5 nm, t 2 = 8.96 nm is necessary. In this case, the ratio of the film thickness t 2 to the film thickness t 1 (= t 2 / t 1 ) is 1.79.
また、t1=5nmに対して、t12=5nmの場合、t2=10.9nmが必要である。この場合の膜厚t2と膜厚t1との比(=t2/t1)の値は2.18となる。 Further, when t 12 = 5 nm with respect to t 1 = 5 nm, t 2 = 10.9 nm is necessary. In this case, the ratio of the film thickness t 2 to the film thickness t 1 (= t 2 / t 1 ) is 2.18.
したがって、t1=5nmにおいては、膜厚t2と膜厚t1との比(=t2/t1)の値は
1.50≦t2/t1≦2.18
を満たす。
Therefore, at t 1 = 5 nm, the ratio of the film thickness t 2 to the film thickness t 1 (= t 2 / t 1 ) is 1.50 ≦ t 2 / t 1 ≦ 2.18.
Meet.
b)t1=6nmに対して、t12=1nmの場合、t2=9.75nmが必要である。この場合の膜厚t2と膜厚t1との比(=t2/t1)の値は1.63となる。 b) Where t 12 = 1 nm for t 1 = 6 nm, t 2 = 9.75 nm is required. In this case, the ratio of the film thickness t 2 to the film thickness t 1 (= t 2 / t 1 ) is 1.63.
また、t1=6nmに対して、t12=3nmの場合、t2=12.01nmが必要である。この場合の膜厚t2と膜厚t1との比(=t2/t1)の値は2.00となる。 Further, when t 12 = 3 nm with respect to t 1 = 6 nm, t 2 = 12.01 nm is necessary. In this case, the ratio of the film thickness t 2 to the film thickness t 1 (= t 2 / t 1 ) is 2.00.
また、t1=6nmに対して、t12=5nmの場合、t2=14.76nmが必要である。この場合の膜厚t2と膜厚t1との比(=t2/t1)の値は2.46となる。 Further, when t 12 = 5 nm with respect to t 1 = 6 nm, t 2 = 14.76 nm is necessary. In this case, the ratio of the film thickness t 2 to the film thickness t 1 (= t 2 / t 1 ) is 2.46.
したがって、t1=6nmにおいては、膜厚t2と膜厚t1との比(=t2/t1)の値は
1.63≦t2/t1≦2.46
を満たす。
Therefore, at t 1 = 6 nm, the ratio of the film thickness t 2 to the film thickness t 1 (= t 2 / t 1 ) is 1.63 ≦ t 2 / t 1 ≦ 2.46.
Meet.
c)t1=7nmに対して、t12=1nmの場合、t2=12.73nmが必要である。この場合の膜厚t2と膜厚t1との比(=t2/t1)の値は1.82となる。 c) Where t 12 = 1 nm for t 1 = 7 nm, t 2 = 12.73 nm is required. In this case, the ratio of the film thickness t 2 to the film thickness t 1 (= t 2 / t 1 ) is 1.82.
また、t1=7nmに対して、t12=3nmの場合、t2=15.84nmが必要である。この場合の膜厚t2と膜厚t1との比(=t2/t1)の値は2.26となる。 Further, when t 12 = 3 nm with respect to t 1 = 7 nm, t 2 = 15.84 nm is necessary. In this case, the ratio of the film thickness t 2 to the film thickness t 1 (= t 2 / t 1 ) is 2.26.
また、t1=7nmに対して、t12=5nmの場合、t2=19.81nmが必要である。この場合の膜厚t2と膜厚t1との比(=t2/t1)の値は2.83となる。 Further, when t 12 = 5 nm with respect to t 1 = 7 nm, t 2 = 19.81 nm is necessary. In this case, the ratio of the film thickness t 2 to the film thickness t 1 (= t 2 / t 1 ) is 2.83.
したがって、t1=7nmにおいては、膜厚t2と膜厚t1との比(=t2/t1)の値は
1.82≦t2/t1≦2.83
を満たす。
Therefore, at t 1 = 7 nm, the ratio of the film thickness t 2 to the film thickness t 1 (= t 2 / t 1 ) is 1.82 ≦ t 2 / t 1 ≦ 2.83.
Meet.
この解析結果を図4に示す。図4においては、参照層6と強磁性層10との間の非磁性層8の膜厚t12をパラメータにとり、t12=1nm、3nm、5nmである場合について求めた。
The analysis result is shown in FIG. In Figure 4, taking the thickness t 12 of the
次に、非磁性層8の膜厚t12=1nm、3nm、5nmとしたMTJ素子について考察した結果を図5に示す。図5は、それぞれの場合において、記憶層2にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すために必要な、強磁性層10の磁化Ms2と強磁性層10の膜厚t2との積(Ms2×t2)と、参照層6の飽和磁化Ms1と参照層6の膜厚t1との積(Ms1×t1)との比((Ms2×t2)/(Ms1×t1))をプロットしたものである。なお、図5においては、参照層6の膜厚t1をパラメータにとり、t1=5nm、6nm、7nmである場合について求めた。
Next, FIG. 5 shows a result of considering the MTJ element in which the film thickness t 12 of the
以上のことから、記憶層2にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すためには、参照層6の膜厚t1(5nm≦t1≦7nm)に対して強磁性層10の膜厚t2は、最低でも1.5倍以上2.8倍以下必要であることがわかる。
From the above, in order to cancel the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the
さらに、これに対応する比((Ms2×t2)/(Ms1×t1))の値は、図5からわかるように、
2.0≦(Ms2×t2)/(Ms1×t1)≦3.8の関係を満たすことが好ましい。
Furthermore, the value of the ratio ((Ms 2 × t 2 ) / (Ms 1 × t 1 )) corresponding to this can be seen from FIG.
It is preferable that the relationship of 2.0 ≦ (Ms 2 × t 2 ) / (Ms 1 × t 1 ) ≦ 3.8 is satisfied.
また、記憶層2にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すためには、比((Ms2×t2)/(Ms1×t1))が、2.0以上3.8以下である条件を更に満たすことが好ましい。
Further, in order to cancel the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the
また、記憶層2にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すためには、参照層6のキュリー温度をT1、強磁性層10のキュリー温度T2とするとき、T1<T2の関係を更に満たすことが好ましい。これは、記憶層2にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを低減するには、Ms1<Ms2の関係を満たすことが好ましい。さらには、強磁性層10のキュリー温度T2が参照層6のキュリー温度T1よりも大きければ、Ms1<Ms2の大小関係を常に維持することができる。よって、参照層6のキュリー温度T1と強磁性層10のキュリー温度T2との関係は、T1<T2の関係を更に満たすことが好ましい。
Further, in order to cancel the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による磁気抵抗効果素子を図6に示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、デュアルピン構造のMTJ素子1である。本実施形態のMTJ素子1は、強磁性層12と、非磁性層14と、参照層16と、非磁性層18と、記憶層20と、非磁性層22と、参照層24と、非磁性層26と、強磁性層28が、この順序で積層された積層構造を有している。また、図6に示す場合と逆に、本実施形態のMTJ素子1は、強磁性層28と、非磁性層26と、参照層24と、非磁性層22と、記憶層20と、非磁性層18と、参照層16と、非磁性層14と、強磁性層12とが、この順序で積層された積層構造を有していてもよい。
(Second Embodiment)
Next, a magnetoresistive effect element according to a second embodiment of the present invention is shown in FIG. The magnetoresistive element of this embodiment is an
そして、参照層16,24、強磁性層12,28、および記憶層20には、垂直磁気異方性を有した垂直磁化材料が用いられる。すなわち本実施形態のMTJ素子1は、記憶層20、参照層16,24、強磁性層12,28の磁化方向が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型のMTJ素子である。すなわち、記憶層20、参照層16,24、及び強磁性層22,38は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有している。ここで、「膜面」とは、各層の上面を意味する。記憶層20は、スピン偏極した電子の作用により、磁化の向きが反転することが可能となっている。また、デュアルピン構造の場合には、参照層16と参照層24の磁化は、互いに逆方向に向いた反平行の磁化配列である。強磁性層12と強磁性層28の磁化も同様に、互いに逆方向に向いた反平行の磁化配列である。参照層16と強磁性層12の磁化は、互いに逆方向に向いた反平行の磁化配列となっている。
For the reference layers 16 and 24, the
また、参照層24と強磁性層28の磁化も同様に、互いに逆方向に向いた反平行の磁化配列である。
Similarly, the magnetizations of the
このMTJ素子1は、非磁性層18,22が絶縁体の場合はTMR効果を有し、非磁性層18,22が金属の場合はGMR効果を有する。ここで、非磁性層18,22が絶縁体の場合はMgO(酸化マグネシウム)、AlO(酸化アルミニウム、例えばAl2O3)等が用いられ、非磁性層18,22が金属の場合はCu、Pt、Au等が用いられる。この構造では、強磁性層12,28の飽和磁化Msおよび膜厚tを、参照層16,24とそれぞれ同じ大きさにすると、記憶層20にかかる参照層16,24からの漏れ磁界を完全に打ち消すことができない。
The
そこで、本発明者達は、鋭意研究に努め、記憶層20に加わる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すために必要なパラメータ間の条件を求めた。ここで、“打ち消す”とは、記憶層にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzの面積平均が0となる場合を意味する。
Therefore, the present inventors sought hard research and determined conditions between parameters necessary for canceling the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the
まず、図7に示す、直径サイズRがR=50nmの円柱形状のデュアルピン構造のMTJ素子1の場合について、記憶層20に加わる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すための強磁性層12,28の最適な膜厚を解析(シミュレーション)により求めた。
First, in the case of the
この解析に用いたパラメータの値は、記憶層20の飽和磁化Ms、磁気異方性定数Ku、膜厚の大きさは、それぞれ、Ms=700(emu/cm3)、Ku=4.7×106(erg/cm3)、t=2nmとし、参照層16,24の飽和磁化Ms11,Ms12、磁気異方性定数Ku11,Ku12、膜厚t11,t12の大きさは、それぞれMs11=Ms12=750(emu/cm3)、Ku11=Ku12=20×106(erg/cm3)、t11=t12=7nmとする。ここで、非磁性層18,22の厚さを1nmとし、非磁性層14,26の厚さを5nmとする。強磁性層12,28の飽和磁化Ms21,Ms22、磁気異方性定数Ku21,Ku22、膜厚t21,t22の大きさは、それぞれ、Ms21=Ms22=1000(emu/cm3)、Ku21=Ku22=20×106(erg/cm3)とする。この場合に、記憶層20にかかる参照層16,24からの漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すための強磁性層12、28の最適な膜厚t21およびt22は等しく、t21=t22=19.80nmである。
The parameter values used in this analysis are the saturation magnetization Ms and the magnetic anisotropy constant Ku of the
以上の解析結果は、強磁性層12、非磁性層14、参照層16、非磁性層18、記憶層20が一つのMTJ素子を構成し、記憶層20、非磁性層22、参照層24、非磁性層26、強磁性層28が他の一つのMTJ素子を構成している場合と同じ結果となっている。
The above analysis results show that the
このため、記憶層20にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すためには、第1実施形態と同様に、参照層16の膜厚t11(5nm≦t11≦7nm)に対して強磁性層12の膜厚t21は、最低でも1.5倍以上2.8倍以下必要であり、参照層24の膜厚t12(5nm≦t12≦7nm)に対して強磁性層28の膜厚t22は、最低でも1.5倍以上2.8倍以下必要となる。
For this reason, in order to cancel the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the
また、参照層16,24の飽和磁化をそれぞれMs11,Ms12、膜厚をt11,t12とし、強磁性層12,28の飽和磁化をそれぞれMs21,Ms22、膜厚をそれぞれt21,t22とするとき、
2.0≦(Ms21×t21)/(Ms11×t11)≦3.8、および
2.0≦(Ms22×t22)/(Ms12×t12)≦3.8の関係を更に満たすことが好ましい。
Further, the saturation magnetizations of the reference layers 16 and 24 are Ms 11 and Ms 12 , the film thicknesses are t 11 and t 12 , respectively, and the saturation magnetizations of the ferromagnetic layers 12 and 28 are Ms 21 and Ms 22 , respectively. 21, when the t 22,
2.0 ≦ (Ms 21 × t 21 ) / (Ms 11 × t 11 ) ≦ 3.8 and 2.0 ≦ (Ms 22 × t 22 ) / (Ms 12 × t 12 ) ≦ 3.8 Is preferably further satisfied.
また、記憶層20にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すためには、参照層16のキュリー温度をT1、強磁性層12のキュリー温度をT2、参照層24のキュリー温度をT3、強磁性層28のキュリー温度をT4とするとき、
T1<T2、および
T3<T4
の関係を更に満たしていてもよい。
Further, in order to cancel the film plane perpendicular component Hz of the leakage magnetic field applied to the
T 1 <T 2 and T 3 <T 4
This relationship may be further satisfied.
上記の条件を満たせば、記憶層20にかかる漏れ磁界の膜面垂直成分Hzを打ち消すことができる。
If the above condition is satisfied, the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による磁気メモリ(MRAM)について図8乃至図9を参照して説明する。
(Third embodiment)
Next, a magnetic memory (MRAM) according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態のMRAMの回路図を図8に示す。本実施形態のMRAMは、第1実施形態或いは第2実施形態のMTJ素子1をメモリセルの記憶素子として用いている。この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30を備えている。メモリセルアレイ30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30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。
A circuit diagram of the MRAM of this embodiment is shown in FIG. The MRAM of this embodiment uses the
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、MTJ素子1、及びnチャネルMOSトランジスタからなる選択トランジスタ31を備えている。MTJ素子1の一端は、ビット線BLに接続されている。MTJ素子10の他端は、選択トランジスタ31のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ31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31のソース端子は、ビット線/BLに接続されている。
Memory cells MC are arranged at the intersections between the bit lines BL and the word lines WL. Each memory cell MC includes an
ワード線WLには、ロウデコーダ32が接続されている。ビット線対BL、/BLには、書き込み回路34及び読み出し回路35が接続されている。書き込み回路34及び読み出し回路35には、カラムデコーダ33が接続されている。各メモリセルMCは、ロウデコーダ32及びカラムデコーダ33により選択される。
A
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31がオン状態となる。
Data is written to the memory cell MC as follows. First, in order to select a memory cell MC for writing data, the word line WL connected to the memory cell MC is activated. As a result, the
ここで、MTJ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、MTJ素子1に、図8において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34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、MTJ素子1に、図8において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34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。
Here, a bidirectional write current Iw is supplied to the
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、データ読み出しを行うメモリセル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、選択されたメモリセルMCの選択トランジスタ31がオン状態となる。読み出し回路35は、MTJ素子1に、例えば図8において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35は、この読み出し電流Irに基づいて、MTJ素子1の抵抗値を検出する。このようにして、MTJ素子1に記憶されたデータを読み出すことができる。
Next, data reading from the memory cell MC is performed as follows. First, in order to select a memory cell MC from which data is read, the word line WL connected to the memory cell MC is activated. As a result, the
次に、MRAMの構造について説明する。図9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。 Next, the structure of the MRAM will be described. FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the MRAM centered on one memory cell MC.
p型半導体基板40の表面領域には、素子分離絶縁層41が設けられ、この素子分離絶縁層41が設けられていない半導体基板40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41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。
An element
半導体基板40の素子領域に選択トランジスタ31が形成される。この選択トランジスタ31は、互いに離間したソース領域32a及びドレイン領域32bが設けられている。
A
このソース領域32a及びドレイン領域32bはそれぞれ、半導体基板40内に高濃度のN+型不純物を導入して形成されたn+型拡散領域から構成される。ソース領域32a及びドレイン領域32b間のチャネル33となる半導体基板40の領域上には、ゲート絶縁膜34が形成され、このゲート絶縁膜34上にゲート電極35が設けられている。ゲート電極35は、ワード線WLとして機能する。
Each of the
ソース領域32a上には、コンタクト42を介して配線層43が設けられている。配線層43は、ビット線/BLとして機能する。ドレイン領域32b上には、コンタクト44を介して引き出し配線45が設けられている。引き出し配線45上には、下部電極36と、上部電極37に挟まれたMTJ素子1が設けられている。上部電極37上には、配線層47が設けられている。配線層47は、ビット線BLとして機能する。また、半導体基板40と配線層47との間は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層46で満たされている。
A
以上詳述したように本実施形態によれば、第1実施形態或いは第2実施形態のMTJ素子1を用いてMRAMを構成することができる。なお、MTJ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。
As described above in detail, according to the present embodiment, the MRAM can be configured using the
次に、上記実施形態の垂直磁化を有する参照層および垂直磁化を有する強磁性層に用いられる磁性材料について説明する。 Next, the magnetic material used for the reference layer having perpendicular magnetization and the ferromagnetic layer having perpendicular magnetization of the above embodiment will be described.
本実施形態のMTJ素子に用いられる垂直磁化膜としては、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)及びMn(マンガン)のうち少なくとも1種類以上と、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Ir(イリジウム)、Rh(ロジウム)、Os(オスミウム)、Au(金)、Ag(銀)、Cu(銅)及びCr(クロム)のうち少なくとも1種類以上とを含むことを基本とする。さらには、飽和磁化の調整、結晶磁気異方性エネルギーの制御、結晶粒径及び結晶粒間結合の調整をするために、B(ホウ素)、C(炭素)、Si(シリコン)、Al(アルミニウム)、Mg(マグネシウム)、Ta(タンタル)、Zr(ジルコニウム)、Ti(チタン)、Hf(ハフニウム)、Y(イットリウム)及び希土類元素から選ばれる少なくとも1種類以上の元素を添加してもよい。 As the perpendicular magnetization film used for the MTJ element of this embodiment, at least one of Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), and Mn (manganese), Pt (platinum), Pd (palladium). ), Ir (iridium), Rh (rhodium), Os (osmium), Au (gold), Ag (silver), Cu (copper) and Cr (chromium). . Furthermore, B (boron), C (carbon), Si (silicon), Al (aluminum) are used for adjusting saturation magnetization, controlling crystal magnetic anisotropy energy, and adjusting crystal grain size and inter-grain bond. ), Mg (magnesium), Ta (tantalum), Zr (zirconium), Ti (titanium), Hf (hafnium), Y (yttrium) and a rare earth element may be added.
Coを主成分とする材料として、具体的には、HCP(Hexagonal Closest Packing)構造を有するCo−Cr−Pt合金、Co−Cr−Ta合金、及び、Co−Cr−Pt−Ta合金などがあげられる。これらは、各元素の組成を調整することにより、1×105以上1×107erg/cc未満の範囲内で結晶磁気異方性エネルギーを調整することが可能である。ここで、記号「−」は合金を表す。 Specific examples of the Co-based material include a Co—Cr—Pt alloy, a Co—Cr—Ta alloy, and a Co—Cr—Pt—Ta alloy having an HCP (Hexagonal Closest Packing) structure. It is done. By adjusting the composition of each element, it is possible to adjust the magnetocrystalline anisotropy energy within the range of 1 × 10 5 or more and less than 1 × 10 7 erg / cc. Here, the symbol “-” represents an alloy.
Co−Pt合金は、Co50Pt50(at(原子)%)付近の組成域において、L10−CoPt規則合金を形成する。この規則合金は、FCT(Face-Centered Tetragonal)構造を有する。非磁性層としてMgO(100)を用いる場合、(001)面配向したFCT−CoPt規則合金は、非磁性層との界面ミスフィットも小さくできるので好ましい。 The Co—Pt alloy forms an L1 0 -CoPt ordered alloy in a composition range near Co 50 Pt 50 (at (atomic)%). This ordered alloy has an FCT (Face-Centered Tetragonal) structure. When MgO (100) is used as the nonmagnetic layer, the (001) -oriented FCT-CoPt ordered alloy is preferable because the interface misfit with the nonmagnetic layer can be reduced.
Feを主成分とする材料として、具体的には、Fe−Pt合金、或いは、Fe−Pd合金があげられる。中でも、Fe−Pt合金は、組成がFe50Pt50(at%)において規則化し、FCT構造を基本構造とするL10構造を有する。これにより、1×107erg/cc以上の大きな結晶磁気異方性エネルギーを発現することができる。 Specific examples of the material mainly containing Fe include an Fe—Pt alloy and an Fe—Pd alloy. Among them, Fe-Pt alloy composition is ordered in Fe 50 Pt 50 (at%) , having an L1 0 structure as a basic structure FCT structure. Thereby, a large magnetocrystalline anisotropy energy of 1 × 10 7 erg / cc or more can be expressed.
Fe50Pt50合金は、規則化する前は、FCC(Face-Centered Cubic)構造を有する。この場合の結晶磁気異方性エネルギーは、1×106erg/cc程度である。従って、アニール温度、組成の調整、積層構成による規則度の制御、及び、添加物の添加により、5×105erg/cc以上5×108erg/cc以下の範囲内で結晶磁気異方性エネルギーを調整することができる。 The Fe 50 Pt 50 alloy has an FCC (Face-Centered Cubic) structure before ordering. In this case, the magnetocrystalline anisotropy energy is about 1 × 10 6 erg / cc. Therefore, the crystal magnetic anisotropy is within the range of 5 × 10 5 erg / cc to 5 × 10 8 erg / cc by adjusting the annealing temperature, the composition, controlling the degree of order by the laminated structure, and adding the additive. Energy can be adjusted.
具体的には、Fe−Pt合金にCu或いはV(バナジウム)を添加することで、Fe−Pt合金の飽和磁化(Ms)及び結晶磁気異方性エネルギー(Ku)を制御することが可能である。また、Vに関しては、スピン注入磁化反転において重要なダンピング定数(磁化制動定数)を下げる効果があり、反転電流を低減する効果がある。 Specifically, the saturation magnetization (Ms) and magnetocrystalline anisotropy energy (Ku) of the Fe—Pt alloy can be controlled by adding Cu or V (vanadium) to the Fe—Pt alloy. . Further, with respect to V, there is an effect of lowering a damping constant (magnetization braking constant) that is important in spin injection magnetization reversal, and an effect of reducing reversal current.
規則化したFe−Pt合金はFCT構造を有し、規則化する前はFCC構造を有する。 The ordered Fe-Pt alloy has an FCT structure, and has an FCC structure before ordering.
従って、MgO(100)とは非常に整合性がよい。具体的には、MgO(100)面上に(100)面配向したBCC(Body-Centered Cubic)−Feを成長させ、その上にPt(100)を積層することで、MgO(100)上に(100)面優先配向成長したFe−Pt規則合金を形成することが可能である。また、Fe−Pt規則合金とMgO(100)との間にBCC−Crを形成すると、さらにFe−Pt規則合金の(100)面配向が優先的となり望ましい。 Therefore, it is very consistent with MgO (100). More specifically, a (100) -oriented BCC (Body-Centered Cubic) -Fe is grown on the MgO (100) plane, and Pt (100) is laminated thereon, whereby the MgO (100) is laminated. It is possible to form a (100) plane-oriented oriented growth Fe-Pt ordered alloy. Further, when BCC-Cr is formed between the Fe—Pt ordered alloy and MgO (100), the (100) plane orientation of the Fe—Pt ordered alloy is more preferred.
また、Fe−Pt規則合金を形成する場合、[Fe/Pt]n(nは整数)の多層構造を形成すると理想的な規則に近いFe−Pt規則合金を形成できる。この場合、Fe及びPtの膜厚は、0.1nm以上1nm以下となるように設定されることが望ましい。これは、均一な組成状態を作り出すためには必須であり、それにより、Fe−Pt合金の規則化の場合、FCC構造からFCT構造へのマルテンサイト変態(martensitic transformation)を伴うため、この変態が促進されるので重要である。 Further, when forming an Fe—Pt ordered alloy, an Fe—Pt ordered alloy close to an ideal rule can be formed by forming a multilayer structure of [Fe / Pt] n (n is an integer). In this case, the film thicknesses of Fe and Pt are desirably set to be 0.1 nm or more and 1 nm or less. This is indispensable for creating a uniform composition state, and in the case of ordering of the Fe-Pt alloy, this transformation involves a martensitic transformation from the FCC structure to the FCT structure. It is important because it is promoted.
また、Fe−Pt合金の規則化温度は500度以上と高く、耐熱性に優れている。この点は、後工程でのアニール処理に対する耐性があることとなり、非常に好ましい。また、CuやVなどの添加元素により、その規則化温度を低下させることが可能である。 Further, the ordering temperature of the Fe—Pt alloy is as high as 500 ° C. or more, and is excellent in heat resistance. This point is very preferable because it has resistance to annealing treatment in a later step. Further, the ordering temperature can be lowered by an additive element such as Cu or V.
さらに、上記実施形態のMTJ素子に用いられる垂直磁化膜としては、金属磁性相と絶縁相との混晶からなる強磁性体を用いてもよい。この場合、金属磁性相は、Fe、Co、Ni及びMnのうち少なくとも1種類以上と、Pt、Pd、Ir、Rh、Os、Au、Ag、Cu、Cr、Ta及び希土類元素のうち少なくとも1種類以上を含む強磁性体から構成される。絶縁相は、B、C、Si、Al、Mg、Ta、Cr、Zr、Ti、Hf、Y及び希土類元素から選ばれる少なくとも1種類以上の元素を含む酸化物、窒化物、及び、酸窒化物から構成される。 Further, as the perpendicular magnetization film used in the MTJ element of the above embodiment, a ferromagnetic material made of a mixed crystal of a metal magnetic phase and an insulating phase may be used. In this case, the metal magnetic phase is at least one of Fe, Co, Ni, and Mn, and at least one of Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Au, Ag, Cu, Cr, Ta, and rare earth elements. It is comprised from the ferromagnetic material containing the above. The insulating phase is an oxide, nitride, or oxynitride containing at least one element selected from B, C, Si, Al, Mg, Ta, Cr, Zr, Ti, Hf, Y, and a rare earth element Consists of
金属磁性相と絶縁相との混晶からなる強磁性体は、導電性を有する金属磁性体部と非導電性の絶縁体部に分離しているため、金属磁性体部に電流が集中して通電面積が小さくなり、局所的な電流密度が上昇する。これにより、実質的に必要となる反転電流が小さくなる効果を有する。 A ferromagnetic material composed of a mixed crystal of a metallic magnetic phase and an insulating phase is separated into a conductive metallic magnetic portion and a non-conductive insulating portion, so that current concentrates on the metallic magnetic portion. The current-carrying area is reduced and the local current density is increased. This has the effect of reducing the required reversal current substantially.
このような効果を得るためには、結晶性を制御する必要がある。2相分離構造としては、グラニュラー(結晶粒分散)型構造、アイランド(島状)型構造、及び、コラムナー(柱状)型構造がある。コラムナー型構造の場合は、磁性層中で金属磁性体部が上下に貫通しているので、電流狭窄効果が得られやすい。グラニュラー型構造及びアイランド型構造の場合は、電流はもっともトンネル障壁が小さいパスを通電することとなるので、コラムナー型構造と同様に電流狭窄効果が得られる。 In order to obtain such an effect, it is necessary to control the crystallinity. As the two-phase separation structure, there are a granular (crystal grain dispersion) type structure, an island (island shape) type structure, and a columner (columnar type) type structure. In the case of the columnar structure, since the metal magnetic body portion vertically penetrates in the magnetic layer, a current confinement effect is easily obtained. In the case of the granular type structure and the island type structure, since the current flows through the path having the smallest tunnel barrier, the current confinement effect can be obtained as in the columnar type structure.
その他、上記実施形態のMTJ素子に用いられる垂直磁化膜としては、Mn系強磁性合金、或いはCr系強磁性合金があげられる。Mn系強磁性合金としては、Mn−Al合金、Mn−Au合金、Mn−Zn合金、Mn−Ga合金、Mn−Ir合金、及び、Mn−Pt3合金などがあり、これらは、規則格子を有する特徴がある。また、Cr系強磁性合金としては、Cr−Pt3合金などがあげられる。これも、規則格子を有する。 In addition, examples of the perpendicular magnetization film used in the MTJ element of the embodiment include a Mn ferromagnetic alloy or a Cr ferromagnetic alloy. Examples of the Mn-based ferromagnetic alloy include a Mn—Al alloy, a Mn—Au alloy, a Mn—Zn alloy, a Mn—Ga alloy, a Mn—Ir alloy, and a Mn—Pt 3 alloy. There are features. Examples of the Cr-based ferromagnetic alloy include a Cr—Pt 3 alloy. This also has a regular lattice.
1…MTJ素子、2…記憶層、4…非磁性層、6…参照層、8…非磁性層、10…強磁性層、20…MTJ素子、22…強磁性層、24…非磁性層、26…参照層、28…非磁性層、30…メモリセルアレイ、32…非磁性層、34…参照層、36…非磁性層、38…強磁性層。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記強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、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記強磁性層の磁化の向きと反平行の磁化を有し、かつ前記強磁性層の積層方向の膜厚の1/2.8以上1/1.5以下の膜厚を有する参照層と、
前記参照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、膜面に垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する記憶層と、
を備え、
前記参照層の飽和磁化をMs 1 、前記強磁性層の飽和磁化をMs 2 とするとき、
Ms 1 <Ms 2
の関係を満たすことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A ferromagnetic layer having magnetic anisotropy perpendicular to the film surface;
A first nonmagnetic layer provided on the ferromagnetic layer;
Lamination of the ferromagnetic layer provided on the first nonmagnetic layer and having magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and antiparallel to the magnetization direction of the ferromagnetic layer A reference layer having a thickness of 1 / 2.8 or more and 1 / 1.5 or less of the thickness in the direction;
A second nonmagnetic layer provided on the reference layer;
A storage layer provided on the second nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a magnetization direction changed by the action of spin-polarized electrons;
Equipped with a,
When the saturation magnetization of the reference layer is Ms 1 and the saturation magnetization of the ferromagnetic layer is Ms 2 ,
Ms 1 <Ms 2
A magnetoresistive effect element satisfying the relationship:
前記記憶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、膜面に垂直方向の磁気異方性を有する参照層と、
前記参照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、膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記参照層の磁化の向きと反平行の磁化を有し、かつ前記参照層の積層方向の膜厚の1.5倍以上2.8倍以下の膜厚を有する強磁性層と、
を備え、
前記参照層の飽和磁化をMs 1 、前記強磁性層の飽和磁化をMs 2 とするとき、
Ms 1 <Ms 2
の関係を満たすことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A storage layer that has a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and whose magnetization direction is changed by the action of spin-polarized electrons;
A first nonmagnetic layer provided on the storage layer;
A reference layer provided on the first nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface;
A second nonmagnetic layer provided on the reference layer;
A film provided on the second nonmagnetic layer, having a magnetic anisotropy in a direction perpendicular to the film surface, having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the reference layer, and being in the stacking direction of the reference layer A ferromagnetic layer having a thickness of 1.5 to 2.8 times the thickness;
Equipped with a,
When the saturation magnetization of the reference layer is Ms 1 and the saturation magnetization of the ferromagnetic layer is Ms 2 ,
Ms 1 <Ms 2
A magnetoresistive effect element satisfying the relationship:
2.0≦(Ms2×t2)/(Ms1×t1)≦3.8の関係を満たすことを特徴とする請求項1または2記載の磁気抵抗効果素子。 When the saturation magnetization of the reference layer is Ms 1 , the film thickness is t 1 , the saturation magnetization of the ferromagnetic layer is Ms 2 , and the film thickness is t 2 ,
3. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein a relationship of 2.0 ≦ (Ms 2 × t 2 ) / (Ms 1 × t 1 ) ≦ 3.8 is satisfied.
前記第1の強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、膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記第1の強磁性層の磁化の向きと反平行の磁化を有し、かつ前記第1の強磁性層の積層方向の膜厚の1/2.8以上1/1.5以下の膜厚を有する第1の参照層と、
前記第1の参照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、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する記憶層と、
前記記憶層上に設けられた第3の非磁性層と、
前記第3の非磁性層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記第1の参照層の磁化の向きと反平行の磁化を有する第2の参照層と、
前記第2の参照層上に設けられた第4の非磁性層と、
前記第4の非磁性層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記第2の参照層の磁化の向きと反平行の磁化を有し、かつ前記第2の参照層の積層方向の膜厚の1.5倍以上2.8倍以下の膜厚を有する第2の強磁性層と、
を備え、
前記第1および第2の参照層の飽和磁化をそれぞれMs 11 ,Ms 12 、前記第1および第2の強磁性層の飽和磁化をそれぞれMs 21 ,Ms 22 とするとき、
Ms 11 <Ms 21 、および
Ms 12 <Ms 22
の関係を満たすことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A first ferromagnetic layer having magnetic anisotropy perpendicular to the film surface;
A first nonmagnetic layer provided on the first ferromagnetic layer;
Provided on the first nonmagnetic layer, having magnetic anisotropy in a direction perpendicular to the film surface, having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the first ferromagnetic layer, and the first A first reference layer having a thickness of 1 / 2.8 to 1 / 1.5 of the thickness of the ferromagnetic layer in the stacking direction;
A second nonmagnetic layer provided on the first reference layer;
A storage layer provided on the second nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a magnetization direction changed by the action of spin-polarized electrons;
A third nonmagnetic layer provided on the storage layer;
A second reference layer provided on the third nonmagnetic layer, having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the first reference layer;
A fourth nonmagnetic layer provided on the second reference layer;
The second reference is provided on the fourth nonmagnetic layer, has a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface, has a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the second reference layer, and the second reference. A second ferromagnetic layer having a thickness of 1.5 times or more and 2.8 times or less of the thickness in the stacking direction of the layers;
Equipped with a,
When the saturation magnetizations of the first and second reference layers are Ms 11 and Ms 12 , respectively, and the saturation magnetizations of the first and second ferromagnetic layers are Ms 21 and Ms 22 , respectively .
Ms 11 <Ms 21 , and
Ms 12 <Ms 22
A magnetoresistive effect element satisfying the relationship:
2.0≦(Ms21×t21)/(Ms11×t11)≦3.8、および
2.0≦(Ms22×t22)/(Ms12×t12)≦3.8
の関係を満たすことを特徴とする請求項4記載の磁気抵抗効果素子。 The saturation magnetizations of the first and second reference layers are Ms 11 and Ms 12 , the film thicknesses are t 11 and t 12 , respectively, and the saturation magnetizations of the first and second ferromagnetic layers are Ms 21 and Ms, respectively. 22 and when the film thicknesses are t 21 and t 22 respectively,
2.0 ≦ (Ms 21 × t 21 ) / (Ms 11 × t 11 ) ≦ 3.8 and 2.0 ≦ (Ms 22 × t 22 ) / (Ms 12 × t 12 ) ≦ 3.8
The magnetoresistive element according to claim 4 , wherein the relationship is satisfied.
前記第2の電極に電気的に接続された第2の配線と、
前記第1の配線及び前記第2の配線に電気的に接続され、かつ前記磁気抵抗素子に双方向に電流を供給する書き込み回路と、
をさらに具備することを特徴とする請求項6記載の磁気メモリ。 A first wiring electrically connected to the first electrode;
A second wiring electrically connected to the second electrode;
A writing circuit that is electrically connected to the first wiring and the second wiring and that supplies current to the magnetoresistive element in both directions;
The magnetic memory according to claim 6 , further comprising:
前記選択トランジスタのオン/オフを制御する第3の配線と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項7記載の磁気メモリ。 A select transistor connected between the second electrode of the magnetoresistive element and the second wiring;
A third wiring for controlling on / off of the selection transistor;
The magnetic memory according to claim 7 , further comprising:
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