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JP2010016408A - Magnetoresistive element and magnetic memory - Google Patents

Magnetoresistive element and magnetic memory Download PDF

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JP2010016408A
JP2010016408A JP2009240559A JP2009240559A JP2010016408A JP 2010016408 A JP2010016408 A JP 2010016408A JP 2009240559 A JP2009240559 A JP 2009240559A JP 2009240559 A JP2009240559 A JP 2009240559A JP 2010016408 A JP2010016408 A JP 2010016408A
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Japan
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magnetic
magnetoresistive element
nonmagnetic
thickness
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Pending
Application number
JP2009240559A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshihiko Nagase
俊彦 永瀬
Katsuya Nishiyama
勝哉 西山
Tadashi Kai
正 甲斐
Masahiko Nakayama
昌彦 中山
Makoto Nagamine
真 長嶺
Minoru Amano
実 天野
Masahisa Yoshikawa
将寿 吉川
Tatsuya Kishi
達也 岸
Hiroaki Yoda
博明 與田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】高い磁気抵抗比を有し、かつ書き込み電流を低減する。
【解決手段】磁気抵抗素子10は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が固定された固定層15と、磁性層と非磁性層とが交互に積層された積層構造からなり、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が変化可能である記録層17と、固定層15と記録層17との間に設けられ、かつ非磁性材料からなる中間層16とを具備する。記録層17を構成する磁性層のうち中間層16と接する磁性層17A−1は、コバルト(Co)及び鉄(Fe)を含む合金からなり、かつその膜厚が中間層16と接していない磁性層の膜厚より大きい。
【選択図】 図6
The present invention has a high magnetoresistance ratio and reduces a write current.
A magnetoresistive element includes a pinned layer having a magnetic anisotropy perpendicular to a film surface and having a pinned magnetization direction, and magnetic layers and nonmagnetic layers alternately laminated. A nonmagnetic material having a structure and having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a changeable magnetization direction, and is provided between the fixed layer 15 and the recording layer 17. And an intermediate layer 16 made of. Of the magnetic layers constituting the recording layer 17, the magnetic layer 17A-1 in contact with the intermediate layer 16 is made of an alloy containing cobalt (Co) and iron (Fe), and the film thickness is not in contact with the intermediate layer 16. Greater than layer thickness.
[Selection] Figure 6

Description

本発明は、磁気抵抗素子及び磁気メモリに係り、例えば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 element and a magnetic memory, and more particularly, to a magnetoresistive element capable of recording information by supplying current bidirectionally and a magnetic memory using the same.

磁気抵抗(Magnetoresistive)効果は、磁気記憶装置であるハードディスクドライブ(HDD:Hard Disk Drive)に応用され、現在、実用化されている。HDDに搭載される磁気ヘッドは、GMR(Giant Magnetoresistive)効果、或いはTMR(Tunneling Magnetoresistive)効果が応用され、これらは共に2つの磁性層の磁化方向が互いに角度をなすことによって起こる抵抗変化を利用して、磁気媒体からの磁場を検出する。   The magnetoresistive effect is applied to a hard disk drive (HDD), which is a magnetic storage device, and is currently in practical use. The magnetic head mounted on the HDD uses the GMR (Giant Magnetoresistive) effect or the TMR (Tunneling Magnetoresistive) effect, both of which utilize the resistance change that occurs when the magnetization directions of the two magnetic layers form an angle with each other. The magnetic field from the magnetic medium is detected.

近年、GMR素子或いはTMR素子を利用して磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetic Random Access Memory)を実現すべく、様々な技術が提案されている。その一例として、MTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子の磁化状態により“1”、“0”情報を記録し、TMR効果による抵抗変化でこの情報を読み出す形式が挙げられる。この形式のMRAMにおいても、実用化に向けて数々の技術が提案されている。さらに、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が提案されている。この方式によれば、磁性層にスピン偏極電流を流すだけで磁性層の磁化反転を実現でき、磁性層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。しかし、熱擾乱の問題は微細化にともなって顕在化する。   In recent years, various techniques have been proposed in order to realize a magnetic random access memory (MRAM) using a GMR element or a TMR element. As an example, there is a format in which “1” and “0” information is recorded according to the magnetization state of an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element, and this information is read out by resistance change due to the TMR effect. In this type of MRAM, a number of techniques have been proposed for practical use. Furthermore, the magnetization reversal due to the spin-polarized current is theoretically expected and confirmed by experiments, and an MRAM using the spin-polarized current has been proposed. According to this method, the magnetization reversal of the magnetic layer can be realized only by passing a spin-polarized current through the magnetic layer, and if the volume of the magnetic layer is small, fewer spin-polarized electrons are injected. It is expected to be compatible. However, the problem of thermal disturbance becomes obvious as miniaturization occurs.

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、反転電流は形状敏感になり、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。形状磁気異方性を利用して磁気異方性エネルギー密度を増加させるには、MTJ素子のアスペクト比を大きくする、磁性層の膜厚を増加する、磁性層の飽和磁化を増加することが考えられる。   In order to ensure thermal disturbance resistance, it is necessary to increase the magnetic anisotropy 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 using the shape, the reversal current becomes sensitive to the shape, and there is a problem that the variation in reversal current increases with miniaturization. To increase the magnetic anisotropy energy density using shape magnetic anisotropy, it is considered to increase the aspect ratio of the MTJ element, increase the thickness of the magnetic layer, or increase the saturation magnetization of the magnetic layer. It is done.

MTJ素子のアスペクト比の増大は、セル面積を増大させ、大容量化に適さない。磁性体の膜厚、飽和磁化の増加は、スピン偏極電流による磁化反転に必要な電流値を増加させる結果となり、好ましくない。面内磁化型の構成で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ため、MR(Magnetoresistance)が低下し、或いはインコヒーレントな歳差運動が誘発され、結果として反転電流が増加してしまう。   An increase in the aspect ratio of the MTJ element increases the cell area and is not suitable for increasing the capacity. An increase in the film thickness and saturation magnetization of the magnetic material is undesirable because it results in an increase in the current value necessary for magnetization reversal due to the spin-polarized current. When using magnetocrystalline anisotropy instead of shape magnetic anisotropy in the in-plane magnetization configuration, a material having a large magnetocrystalline anisotropy energy density (for example, Co-- When a Cr alloy material is used, the crystal axes are greatly dispersed in the plane, so that MR (Magnetoresistance) decreases or incoherent precession is induced, resulting in an increase in reversal current. .

これに対し、垂直磁化型の構成で結晶磁気異方性を利用する場合、面内磁化型で課題であった結晶軸の分散を抑制することができる。例えば、前述したCo−Cr合金材料の結晶構造は六方晶構造であり、c軸を容易軸とした一軸の結晶磁気異方性を有するため、結晶方位をc軸が膜面の垂直方向と平行になるように制御すればよい。面内磁化型の場合、c軸を膜面内で一軸に揃える必要があり、各結晶粒の膜面内の回転が結晶軸の回転となって一軸方向を分散させてしまう。垂直磁化型の場合、c軸は膜面に垂直方向にあるため、各結晶粒が膜面内に回転しても、c軸は垂直方向を保ったままで分散しない。   On the other hand, when the magnetocrystalline anisotropy is used in the perpendicular magnetization type configuration, it is possible to suppress the dispersion of the crystal axes, which is a problem in the in-plane magnetization type. For example, the crystal structure of the Co—Cr alloy material described above is a hexagonal crystal structure and has a uniaxial magnetocrystalline anisotropy with the c axis as the easy axis, so the crystal orientation is parallel to the direction perpendicular to the film surface. Control may be performed so that In the case of the in-plane magnetization type, it is necessary to align the c-axis with a single axis in the film surface, and the rotation of each crystal grain in the film surface becomes the rotation of the crystal axis and disperses the uniaxial direction. In the case of the perpendicular magnetization type, since the c-axis is in the direction perpendicular to the film surface, even if each crystal grain rotates in the film surface, the c-axis remains vertical and does not disperse.

同様に、正方晶構造でもc軸を垂直方向に制御することにより、垂直磁化型のMTJ構成を実現することが可能になる。正方晶構造の磁性材料は、例えば、L1型の結晶構造を有するFe−Pt規則合金、Fe−Pd規則合金、Co−Pt規則合金、Fe−Co−Pt規則合金、Fe−Ni−Pt規則合金、或いはFe−Ni−Pd規則合金等が挙げられる。ところが、L1構造を垂直磁化膜とするには、その結晶配向性を(001)面に配向させることが必要になるため、結晶配向性を制御するための下地層や規則化させるための熱工程をスピン偏極電流による磁化反転方式に合わせて開発することが必要である。 Similarly, by controlling the c-axis in the vertical direction even in the tetragonal structure, it is possible to realize a perpendicular magnetization type MTJ configuration. Magnetic material tetragonal structure, for example, L1 0 type Fe-Pt ordered alloy having a crystal structure, Fe-Pd ordered alloy, Co-Pt ordered alloy, Fe-Co-Pt ordered alloy, Fe-Ni-Pt Rules An alloy, an Fe-Ni-Pd ordered alloy, etc. are mentioned. However, in order to make the L1 0 structure a perpendicular magnetization film, it is necessary to orient its crystal orientation to the (001) plane, and therefore an underlayer for controlling the crystal orientation and heat for ordering. It is necessary to develop the process in accordance with the magnetization reversal method using the spin-polarized current.

一方、垂直磁気異方性を界面の磁気異方性を利用して実現することが考えられる。界面の磁気異方性を利用した垂直磁化膜には、例えば、磁性層と非磁性層とを繰り返し積層した、いわゆる人工格子がある。この場合も面内磁化型で課題であった結晶軸の分散を抑制することができる。人工格子から構成される磁性材料の場合、垂直磁気異方性がFe−Pt規則合金等のように結晶磁気異方性を主としていないため、結晶配向性には比較的制約を受け難い。人工格子の垂直磁気異方性材料は、磁性層をCo、非磁性層をPtとして、これらが交互に積層された系が良く知られている。   On the other hand, it is conceivable to realize perpendicular magnetic anisotropy by utilizing magnetic anisotropy at the interface. As the perpendicular magnetization film using the magnetic anisotropy of the interface, for example, there is a so-called artificial lattice in which a magnetic layer and a nonmagnetic layer are repeatedly laminated. Also in this case, it is possible to suppress the dispersion of crystal axes, which was a problem with the in-plane magnetization type. In the case of a magnetic material composed of an artificial lattice, since the perpendicular magnetic anisotropy does not mainly include the magnetocrystalline anisotropy unlike an Fe—Pt ordered alloy or the like, the crystal orientation is comparatively hardly restricted. As a perpendicular magnetic anisotropic material of an artificial lattice, a system in which a magnetic layer is Co and a nonmagnetic layer is Pt and these are alternately stacked is well known.

スピン偏極電流による磁化反転方式を考慮した場合、記録層材料としては、ダンピング定数が小さい方が好ましい。ところが、磁性層の界面に非磁性層としてPtが存在すると、スピンポンピング効果により、ダンピング定数が増大してしまうという問題がある。また、人工格子は磁性層を0.3乃至1.0nm程度に薄膜化した方が、磁気異方性エネルギー密度の観点からは好ましいが、磁性層を薄膜化すると、スピンポンピング効果がより顕著に効いてくるため、ダンピング定数が大きくなってしまうという問題がある。   In consideration of the magnetization reversal method using the spin-polarized current, the recording layer material preferably has a smaller damping constant. However, when Pt is present as a nonmagnetic layer at the interface of the magnetic layer, there is a problem that the damping constant increases due to the spin pumping effect. In addition, in the artificial lattice, it is preferable that the magnetic layer is thinned to about 0.3 to 1.0 nm from the viewpoint of magnetic anisotropy energy density, but when the magnetic layer is thinned, the spin pumping effect becomes more remarkable. Since it works, there is a problem that the damping constant becomes large.

MRAMの大容量化には、読み出しの観点から高い磁気抵抗比が必要である。近年、高い磁気抵抗比を示すバリア材料として、MgOを用いたMTJの報告が多数あり、高い磁気抵抗比を実現するにはMgOの(100)面が配向していることが重要とされている。磁性層として微結晶構造或いはアモルファス構造を有するCoFeBをMgOの両界面側に形成した場合、(100)面に配向することが知られている。人工格子でCoFeBを磁性層とした報告例はなく、明瞭な結晶構造を持たないCoFeBは結晶構造を有するCoに比べて、著しく垂直磁気異方性が減少することが予想される。   To increase the capacity of the MRAM, a high magnetoresistance ratio is necessary from the viewpoint of reading. In recent years, there are many reports of MTJ using MgO as a barrier material exhibiting a high magnetoresistance ratio, and in order to realize a high magnetoresistance ratio, it is important that the (100) plane of MgO is oriented. . It is known that when CoFeB having a microcrystalline structure or an amorphous structure is formed on both interface sides of MgO as a magnetic layer, it is oriented in the (100) plane. There has been no report of using CoFeB as a magnetic layer in an artificial lattice, and CoFeB having no clear crystal structure is expected to have a significantly reduced perpendicular magnetic anisotropy compared to Co having a crystal structure.

スピン注入方式によって垂直磁気異方性を有する記録層の磁化を反転させる場合、スピン注入素子のアスペクト比が1で良いため、微細化にも適している。従って、スピン偏極電流による磁化反転を垂直磁化型のスピン注入素子で実現できれば、書き込み電流の低減とビット情報の熱擾乱耐性の確保、セル面積の縮小を同時に満たすことが可能になる。ところが、人工格子を記録層材料に用いてスピン注入素子を形成するためには、上述したようにスピンポンピング効果によるダンピング定数の増大と高TMR化が問題となる。人工格子を記録層材料に用いて、低ダンピング定数でかつ高い磁気抵抗比を実現したスピン注入素子の報告例及び具体的な方法はこれまで提案されていない。   When the magnetization of the recording layer having perpendicular magnetic anisotropy is reversed by the spin injection method, the aspect ratio of the spin injection element may be 1, which is suitable for miniaturization. Therefore, if the magnetization reversal by the spin-polarized current can be realized by a perpendicular magnetization type spin injection device, it is possible to simultaneously satisfy the reduction of the write current, the resistance to the bit information thermal disturbance, and the reduction of the cell area. However, in order to form a spin injection device using an artificial lattice as a recording layer material, as described above, an increase in the damping constant due to the spin pumping effect and a high TMR are problems. A report example and a specific method of a spin injection device that uses an artificial lattice as a recording layer material and realizes a high damping ratio and a high magnetoresistance ratio have not been proposed so far.

本発明は、高い磁気抵抗比を有し、かつ書き込み電流を低減することが可能な磁気抵抗素子及び磁気メモリを提供する。   The present invention provides a magnetoresistive element and a magnetic memory having a high magnetoresistance ratio and capable of reducing a write current.

本発明の第1の視点に係る磁気抵抗素子は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が固定された第1の固定層と、磁性層と非磁性層とが交互に積層された積層構造からなり、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が変化可能である記録層と、前記第1の固定層と前記記録層との間に設けられ、かつ非磁性材料からなる第1の中間層とを具備する。前記記録層を構成する磁性層のうち前記第1の中間層と接する第1の磁性層は、コバルト(Co)及び鉄(Fe)を含む合金からなり、かつその膜厚が前記第1の中間層と接していない磁性層の膜厚より大きい。   A magnetoresistive element according to a first aspect of the present invention includes a first fixed layer having a magnetic anisotropy perpendicular to a film surface and having a fixed magnetization direction, and a magnetic layer and a nonmagnetic layer. Between a recording layer having a laminated structure in which layers are alternately laminated, having magnetic anisotropy perpendicular to the film surface, and capable of changing the magnetization direction, and the first fixed layer and the recording layer And a first intermediate layer made of a nonmagnetic material. Of the magnetic layers constituting the recording layer, the first magnetic layer in contact with the first intermediate layer is made of an alloy containing cobalt (Co) and iron (Fe), and the film thickness thereof is the first intermediate layer. It is larger than the thickness of the magnetic layer not in contact with the layer.

本発明の第2の視点に係る磁気メモリは、上記第1の視点に係る磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第1及び第2の電極とを含むメモリセルを具備することを特徴とする。   A magnetic memory according to a second aspect of the present invention is provided with the magnetoresistive element according to the first aspect and the first and the first elements provided so as to sandwich the magnetoresistive element and energizing the magnetoresistive element. And a memory cell including a second electrode.

本発明によれば、高い磁気抵抗比を有し、かつ書き込み電流を低減することが可能な磁気抵抗素子及び磁気メモリを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a magnetoresistive element and a magnetic memory that have a high magnetoresistance ratio and can reduce a write current.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, elements having the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given only when necessary.

[第1の実施形態]
[1]記録層材料としての人工格子
スピン注入型の磁気抵抗素子を構成する記録層として人工格子を用いる場合、垂直磁気異方性の確保、ダンピング定数の低減、高磁気抵抗比(MR比)を同時に両立しなければならない。人工格子を記録層として利用した公知例としては、特許文献1:US2005/0185455A1、特許文献2:US2005/0104101A1が挙げられる。特許文献1には、人工格子を構成する非磁性層としてPtが開示されており、これはダンピング定数が大きくなることが予想される。特許文献2には、人工格子として、Co/Pt、Co/Au、Ni/Cuについて開示されているが、垂直磁気異方性の確保、ダンピング定数の低減、高MR比をすべて満たすことができる具体的な手段が開示されていない。後述するが、Co/Auを積層しただけでは、上記条件を満たすことはできない。
[First Embodiment]
[1] Artificial lattice as a recording layer material When an artificial lattice is used as a recording layer constituting a spin injection type magnetoresistive element, ensuring perpendicular magnetic anisotropy, reducing a damping constant, and a high magnetoresistance ratio (MR ratio) Must be compatible at the same time. Known examples of using an artificial lattice as a recording layer include Patent Document 1: US2005 / 0185455A1, Patent Document 2: US2005 / 0104101A1. Patent Document 1 discloses Pt as a nonmagnetic layer constituting an artificial lattice, and this is expected to increase the damping constant. Patent Document 2 discloses Co / Pt, Co / Au, and Ni / Cu as artificial lattices, but can ensure all of perpendicular magnetic anisotropy, reduction of damping constant, and high MR ratio. No specific means are disclosed. As will be described later, the above condition cannot be satisfied only by stacking Co / Au.

発明者等は、磁性層と非磁性層とを交互に積層した人工格子の形態において、低ダンピング定数を実現するために、まず、非磁性層の材料に関して考察を行った。垂直磁気異方性を有する人工格子を実現する非磁性材料は、通常、白金(Pt)、及びパラジウム(Pd)が知られている。ところが、スピンポンピング効果によるダンピング定数の増加の程度はPtが顕著に大きく、人工格子を構成する磁性層を薄膜化することによりさらに大きくなる。従って、スピン注入による磁化反転を考えた場合、Ptを用いることはダンピング定数の観点から好ましくない。PdはPtよりもダンピング定数を増加させないが、後述するように人工格子を構成する磁性材料を適切に選択しなければならない。   The inventors first considered the material of the nonmagnetic layer in order to realize a low damping constant in the form of an artificial lattice in which magnetic layers and nonmagnetic layers are alternately laminated. Platinum (Pt) and palladium (Pd) are generally known as nonmagnetic materials for realizing an artificial lattice having perpendicular magnetic anisotropy. However, the degree of increase in the damping constant due to the spin pumping effect is remarkably large in Pt, and is further increased by making the magnetic layer constituting the artificial lattice thin. Therefore, when considering magnetization reversal by spin injection, it is not preferable to use Pt from the viewpoint of the damping constant. Pd does not increase the damping constant more than Pt, but the magnetic material constituting the artificial lattice must be appropriately selected as will be described later.

Pd以外の非磁性材料の候補として、発明者等は、スピン散乱効果の少ない銅(Cu)、銀(Ag)、及び金(Au)に着目した。これらの非磁性材料を用いて、磁性層をCoとして人工格子を形成したところ、Cu、Agは面内磁化膜となったが、Auは垂直磁化膜となり、垂直磁気異方性を示すことが確認できた。従って、ダンピング定数の低減と垂直磁気異方性の確保との観点から、非磁性材料にはパラジウム(Pd)、或いは金(Au)を主体とする材料を選択することが好ましい。   As candidates for nonmagnetic materials other than Pd, the inventors focused on copper (Cu), silver (Ag), and gold (Au), which have a low spin scattering effect. When an artificial lattice was formed using Co as a magnetic layer using these nonmagnetic materials, Cu and Ag became in-plane magnetization films, but Au became a perpendicular magnetization film and exhibited perpendicular magnetic anisotropy. It could be confirmed. Therefore, from the viewpoint of reducing the damping constant and ensuring the perpendicular magnetic anisotropy, it is preferable to select a material mainly composed of palladium (Pd) or gold (Au) as the nonmagnetic material.

次に、人工格子を構成する磁性材料に関して検討を行った。非磁性材料をPdとして人工格子を形成し、垂直磁気異方性エネルギー密度とCo−Fe合金の組成依存性とを測定したところ、鉄(Fe)が多くなるにつれて、垂直磁気異方性が低下することが分かった。一方、Co−Fe合金をダンピング定数の観点から考察すると、Feの濃度が多いほどダンピング定数が小さいことが知られている。   Next, the magnetic material constituting the artificial lattice was examined. An artificial lattice was formed using Pd as the nonmagnetic material, and the perpendicular magnetic anisotropy energy density and the composition dependence of the Co—Fe alloy were measured. As the amount of iron (Fe) increased, the perpendicular magnetic anisotropy decreased. I found out that On the other hand, considering the Co—Fe alloy from the viewpoint of the damping constant, it is known that the damping constant decreases as the Fe concentration increases.

発明者等は、新たに人工格子を形成する非磁性材料であるパラジウム(Pd)、及び金(Au)を想定して、Au/Co−Fe/Au、及びPd/Co−Fe/Pdの積層膜をそれぞれ形成し、ダンピング定数のCo−Fe合金の組成に対する依存性、及びダンピング定数の膜厚依存性について検討した。なお、積層膜の記載において、“/”の左側が上層、右側が下層(基板側)を表している。   The inventors have assumed that palladium (Pd) and gold (Au), which are nonmagnetic materials that newly form artificial lattices, are assumed to be a laminate of Au / Co—Fe / Au and Pd / Co—Fe / Pd. Each film was formed, and the dependence of the damping constant on the composition of the Co—Fe alloy and the dependence of the damping constant on the film thickness were examined. In the description of the laminated film, the left side of “/” represents the upper layer, and the right side represents the lower layer (substrate side).

その結果、Co−Fe合金の組成依存性は、Co−Fe合金の膜厚により、その依存性が大きく異なることを見出した(図1参照)。Co−Fe合金の膜厚が3nm程度の場合は、非磁性材料がPd及びAuの両方において、Feの濃度が20at%近傍でダンピング定数が最も小さくなることが分かる。なお、「at%」は、原子(数)パーセントを表している。Co−Fe合金の膜厚が1nm程度に薄くなると、非磁性材料がPdの場合、Coの濃度が80at%(すなわち、Feの濃度が20at%)近傍でダンピング定数が最小となるが、Feの濃度が50at%の場合と比べて大きな差はなくなる。   As a result, it has been found that the dependency of the composition of the Co—Fe alloy varies greatly depending on the thickness of the Co—Fe alloy (see FIG. 1). It can be seen that when the film thickness of the Co—Fe alloy is about 3 nm, the damping constant is the smallest when the Fe concentration is in the vicinity of 20 at% when both the nonmagnetic materials are Pd and Au. Note that “at%” represents atomic (number) percent. When the film thickness of the Co—Fe alloy is reduced to about 1 nm, when the nonmagnetic material is Pd, the damping constant is minimized when the Co concentration is around 80 at% (that is, the Fe concentration is 20 at%). There is no significant difference compared to the case where the concentration is 50 at%.

非磁性材料がAuの場合、Feの濃度が50at%の方が20at%よりもダンピング定数は小さくなる。つまり、Coの濃度が80at%(すなわち、Feの濃度が20at%)近傍はダンピング定数が小さいが、Co−Fe合金を薄膜化すると、Feの濃度が50at%の方がダンピング定数の膜厚依存性が緩いため、ある膜厚でFeの濃度が20at%と50at%とのダンピング定数が同程度となり、さらに薄膜化するとFe50at%の方がダンピング定数が小さくなる傾向が見られる。   When the nonmagnetic material is Au, the damping constant is smaller when the Fe concentration is 50 at% than when 20 at%. In other words, the damping constant is small near the Co concentration of 80 at% (that is, the Fe concentration is 20 at%), but when the Co—Fe alloy is thinned, the Fe concentration is 50 at% and the damping constant depends on the film thickness. Because of the looseness of the properties, the damping constants of Fe at 20 at% and 50 at% are almost the same at a certain film thickness, and when the film thickness is further reduced, the damping constant tends to be smaller at Fe 50 at%.

Feが0at%、すなわち、Coが100at%ではダンピング定数の膜厚依存性が顕著であるため、ダンピング定数の低減の観点から、磁性材料をコバルト(Co)にした人工格子をスピン注入方式による記録層材料として用いるのは好ましくない。従って、垂直磁気異方性を維持しつつ、ダンピング定数を低減するためには、Feを20at%以上(すなわち、Coを80%以下)含んだCo−Fe合金を磁性材料に用いて人工格子を形成することが好ましい。また、図1より明らかなように、同一膜厚であれば、非磁性材料としてはPdよりAuの方がダンピング定数の観点からは好ましい。   When Fe is 0 at%, that is, when Co is 100 at%, the film thickness dependence of the damping constant is remarkable. From the viewpoint of reducing the damping constant, an artificial lattice in which the magnetic material is cobalt (Co) is recorded by the spin injection method. It is not preferable to use it as a layer material. Therefore, in order to reduce the damping constant while maintaining the perpendicular magnetic anisotropy, an artificial lattice is formed by using a Co—Fe alloy containing Fe at 20 at% or more (that is, Co 80% or less) as a magnetic material. It is preferable to form. As is clear from FIG. 1, if the film thickness is the same, Au is more preferable than Pd as a nonmagnetic material from the viewpoint of the damping constant.

そこで、人工格子を形成する非磁性材料としてPd−Au合金を検討した。図2に、Pd−Au/Co80Fe20/Pd−Auの積層構成におけるダンピング定数のPd−Au合金の組成に対する依存性を示す。ただし、Co80Fe20の膜厚は3nm程度である。図2に示すように、Pdに対してAu濃度を増加していくと、ダンピング定数が低減できることが分かる。従って、人工格子を形成する非磁性材料としてPd−Au合金を用いる場合、ダンピング定数だけの観点からはAuを50at%以上含んでいることが望ましい。 Therefore, a Pd—Au alloy was examined as a nonmagnetic material for forming an artificial lattice. FIG. 2 shows the dependency of the damping constant on the composition of the Pd—Au alloy in the stacked structure of Pd—Au / Co 80 Fe 20 / Pd—Au. However, the film thickness of Co 80 Fe 20 is about 3 nm. As can be seen from FIG. 2, the damping constant can be reduced by increasing the Au concentration relative to Pd. Therefore, when a Pd—Au alloy is used as the nonmagnetic material for forming the artificial lattice, it is preferable that 50 at% or more of Au is included from the viewpoint of only the damping constant.

次に、非磁性材料としてPd−Au合金を用いた人工格子において、垂直磁気異方性の大きさを検討した。熱酸化基板上に、膜厚5nm程度のTa、膜厚10nm程度のRu、膜厚1nm程度のPd、膜厚4nm程度のAu、[Co80Fe200.5nm程度/Pd−Au1nm程度]を2周期、膜厚0.5nm程度のCo80Fe20、膜厚3nm程度のAuを順次形成した積層構造を用いて、磁気異方性エネルギー密度のPd−Au合金の組成に対する依存性を測定した結果を図3に示す。 Next, the magnitude of perpendicular magnetic anisotropy was examined in an artificial lattice using a Pd—Au alloy as a nonmagnetic material. On the thermal oxidation substrate, Ta having a thickness of about 5 nm, Ru having a thickness of about 10 nm, Pd having a thickness of about 1 nm, Au having a thickness of about 4 nm, [Co 80 Fe 20 0.5 nm / Pd-Au 1 nm] The dependence of the magnetic anisotropy energy density on the composition of the Pd—Au alloy was measured using a laminated structure in which Co 80 Fe 20 having a thickness of about 0.5 nm and Au having a thickness of about 3 nm were sequentially formed. The results are shown in FIG.

図3に示すように、Pdが50at%程度で異方性エネルギー密度が飽和傾向にあることが分かる。この結果から、ダンピング定数及び垂直磁気異方性の観点から、Pd−Au合金を非磁性材料として用いる場合、Auの組成は50at%程度であることが最も好ましい。なお、Auの組成が45at%以上55at%以下となる範囲において特に優れた効果を得ることができる。この非磁性材料を記録層の非磁性層に適用すると、垂直磁気異方性を保ちつつダンピング定数を著しく低下させることが可能となる。   As can be seen from FIG. 3, the anisotropic energy density tends to be saturated when Pd is about 50 at%. From this result, from the viewpoint of damping constant and perpendicular magnetic anisotropy, when a Pd—Au alloy is used as a nonmagnetic material, the composition of Au is most preferably about 50 at%. A particularly excellent effect can be obtained in the range where the Au composition is 45 at% or more and 55 at% or less. When this nonmagnetic material is applied to the nonmagnetic layer of the recording layer, it is possible to significantly reduce the damping constant while maintaining the perpendicular magnetic anisotropy.

また、記録層として人工格子を形成する磁性層のうち、第1の中間層と接する第1の磁性層のダンピング定数は特に小さいことが望ましい。第1の磁性層は第1の中間層に接しているため、スピン偏極した電子が最初に流れ込み、スピントルクを受けやすい。第1の磁性層がCo−Fe或いはCo−Fe−Bからなる場合は、Co−Fe組成は上述した通りであるが、スピンポンピング効果を鑑みると、第1の磁性層の膜厚は、垂直磁化を維持できる範囲内で厚い方がダンピング定数を小さくできるため好ましい。   Of the magnetic layers forming an artificial lattice as the recording layer, the damping constant of the first magnetic layer in contact with the first intermediate layer is preferably particularly small. Since the first magnetic layer is in contact with the first intermediate layer, spin-polarized electrons flow first and are susceptible to spin torque. When the first magnetic layer is made of Co—Fe or Co—Fe—B, the Co—Fe composition is as described above. However, in view of the spin pumping effect, the thickness of the first magnetic layer is vertical. A thicker one within the range where the magnetization can be maintained is preferable because the damping constant can be reduced.

さらに、ダンピング定数の小さい磁性材料として、組成がCoXYからなる磁性材料を第1の磁性層として用いることもできる。ここで、Xはバナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、及び銅(Cu)のうち1つ以上の元素であり、Yはアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、すず(Sn)、及びアンチモン(Sb)のうち1つ以上の元素である。これらの組成の合金は、規則合金を形成するとL2構造を示す。また、XとYとが不規則に置換した構造はB2構造であり、分極率がL2構造に比べて小さいとされる。Co、X、Yが不規則に置換するとA2構造(体心立方晶構造)になる。第1の磁性層としては、ダンピング定数及び分極率の観点から、L2構造或いはB2構造が好ましい。 Furthermore, as a magnetic material having a small damping constant, a magnetic material having a composition of Co 2 XY can be used as the first magnetic layer. Here, X is one or more elements of vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), and copper (Cu), and Y is aluminum (Al ), Gallium (Ga), indium (In), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), and antimony (Sb). Alloys of these compositions exhibit an L2 1 structure when they form ordered alloys. The structure in which the X and Y irregularly substitutions are B2 structure, is the polarization ratio is small compared to the L2 1 structure. When Co, X, and Y are substituted irregularly, an A2 structure (body-centered cubic structure) is obtained. The first magnetic layer is preferably an L2 1 structure or a B2 structure from the viewpoint of a damping constant and a polarizability.

通常、GMR(Giant Magnetoresistive)膜では、スペーサー材料(中間層)として銅(Cu)がよく用いられる。しかし、図3の結果から、垂直磁化型のGMR素子を形成する場合は、スペーサー材料として、銅(Cu)よりも金(Au)を用いた方が垂直磁気異方性を確保し易いことが分かった。これは前述したように、コバルト(Co)を磁性材料として用い、非磁性材料として銅(Cu)、銀(Ag)、及び金(Au)を用いてそれぞれ人工格子を形成した場合を比較した際に、Auが垂直磁気異方性を示したことからも分かる。   Usually, in a GMR (Giant Magnetoresistive) film, copper (Cu) is often used as a spacer material (intermediate layer). However, from the results of FIG. 3, when forming a perpendicular magnetization type GMR element, it is easier to ensure perpendicular magnetic anisotropy when using gold (Au) as a spacer material than copper (Cu). I understood. As described above, when using cobalt (Co) as a magnetic material and copper (Cu), silver (Ag), and gold (Au) as nonmagnetic materials, an artificial lattice is formed, respectively. It can also be seen from the fact that Au showed perpendicular magnetic anisotropy.

そこで、図4のような層構成でスピン注入型のGMR素子を形成した。図4の層構成は、熱酸化膜付きSi基板11上に、低抵抗層12としてTa/Cu/Ta、低抵抗層12との密着層13として膜厚5nm程度のTa、密着層13上に下地層14として膜厚10nm程度のRu、固定層15として膜厚1nm程度のPdと膜厚0.3nm程度のCoとを8周期積層し、9周期目の磁性層Coを膜厚2nm程度とした人工格子Co2nm/Pd1nm/[Co0.3nm/Pd1nm]8、スペーサー層16として膜厚4nm程度のAu、記録層17として膜厚0.5nm程度のCoと膜厚1nm程度のPdとを2周期積層した人工格子から、スペーサー層16と最も離れた磁性層に接する(最上層の)非磁性層をAu1nmにしたAu1nm/Co0.5nm/Pd1nm/Co0.5nm、保護層18として膜厚5nm程度のRuを順次形成した構成である。素子加工の際に必要なハードマスク19には、膜厚35nm程度のRuと膜厚60nm程度のTaとを順次形成した。   Therefore, a spin injection type GMR element having a layer structure as shown in FIG. 4 was formed. The layer structure of FIG. 4 is on the Si substrate 11 with a thermal oxide film, Ta / Cu / Ta as the low resistance layer 12, Ta about 5 nm thick as the adhesion layer 13 with the low resistance layer 12, and the adhesion layer 13 Ru of about 10 nm thickness as the underlayer 14, Pd of about 1 nm thickness of Pd and Co of about 0.3 nm thickness of 8 are stacked as the fixed layer 15, and the magnetic layer Co of the ninth cycle is about 2 nm thick. The artificial lattice Co 2 nm / Pd 1 nm / [Co 0.3 nm / Pd 1 nm] 8, Au having a thickness of about 4 nm as the spacer layer 16, Co having a thickness of about 0.5 nm and Pd having a thickness of about 1 nm as the recording layer 17 As the protective layer 18, Au1 nm / Co0.5 nm / Pd1 nm / Co0.5 nm with the nonmagnetic layer (the uppermost layer) in contact with the magnetic layer farthest from the spacer layer 16 from the laminated artificial lattice being Au1 nm It is successively formed with the structure of thickness 5nm approximately Ru. On the hard mask 19 necessary for element processing, Ru having a film thickness of about 35 nm and Ta having a film thickness of about 60 nm were sequentially formed.

素子直径80nmに加工したGMR素子のMR−H曲線を図5に示す。図5において、縦軸はMR比(%)、横軸は磁界H(Oe)である。図5に示すように、GMR素子は、明瞭な保磁力差型のループを示している。これに対して、I−H相図を作成し、反転電流を評価したところ、固定層15と記録層17との磁化配列が反平行(Anti-Parallel)から平行(Parallel)への反転電流密度が120MA/cm、平行から反平行への反転電流密度が120MA/cmであった。但し、I−H相図から電流を印加しないときの保磁力は2.4kOeであった。 FIG. 5 shows an MR-H curve of a GMR element processed to an element diameter of 80 nm. In FIG. 5, the vertical axis represents the MR ratio (%), and the horizontal axis represents the magnetic field H (Oe). As shown in FIG. 5, the GMR element shows a clear coercive force difference type loop. On the other hand, when the IH phase diagram was created and the reversal current was evaluated, the reversal current density in which the magnetization arrangement of the fixed layer 15 and the recording layer 17 changed from anti-parallel to parallel. Was 120 MA / cm 2 , and the inversion current density from parallel to antiparallel was 120 MA / cm 2 . However, the coercive force when no current was applied was 2.4 kOe from the IH phase diagram.

これに対し、記録層17の非磁性層をPd1nmからAu1nmに変えたAu1nm/Co0.5nm/Au1nm/Co0.5nmの構成にしたところ、磁化配列が反平行から平行への反転電流密度が4.8MA/cm、平行から反平行への反転電流密度が4.4MA/cmであった。但し、I−H相図から電流を印加しないときの保磁力は130Oeであった。ダンピング定数からの予想通り、非磁性層をすべてAuにした方が保磁力で規格化した電流密度が下がっていることから、低電流化が実現していると言える。 On the other hand, when the nonmagnetic layer of the recording layer 17 is made of Au 1 nm / Co 0.5 nm / Au 1 nm / Co 0.5 nm in which Pd 1 nm is changed to Au 1 nm, the reversal current density from the antiparallel to the parallel is 4. 8MA / cm 2, the inversion current density to anti-parallel from the parallel was 4.4mA / cm 2. However, from the IH phase diagram, the coercive force when no current was applied was 130 Oe. As expected from the damping constant, the current density normalized by the coercive force is lower when all the nonmagnetic layers are made of Au.

また、記録層17の磁性層をCoからCo80Fe20に変えたAu1nm/Co80Fe200.5nm/Pd1nm/Co80Fe200.5nmの構成にしたところ、磁化配列が反平行から平行への反転電流密度が2.7MA/cm、平行から反平行への反転電流密度が6.1MA/cmであった。但し、I−H相図から電流を印加しないときの保磁力は1.8kOeであった。ダンピング定数からの予想通り、磁性層をCoからCo80Fe20にした方が保磁力で規格化した電流密度が下がっていることから、低電流化が実現していると言える。 In addition, when the magnetic layer of the recording layer 17 is changed from Co to Co 80 Fe 20 , the structure is Au 1 nm / Co 80 Fe 20 0.5 nm / Pd 1 nm / Co 80 Fe 20 0.5 nm, and the magnetization arrangement is antiparallel to parallel. The reversal current density to 2.7 was MA / cm 2 , and the reversal current density from parallel to antiparallel was 6.1 MA / cm 2 . However, the coercive force when no current was applied was 1.8 kOe from the IH phase diagram. As expected from the damping constant, when the magnetic layer is changed from Co to Co 80 Fe 20 , the current density normalized by the coercive force is lowered, so it can be said that a reduction in current is realized.

以上により、非磁性材料としてAu、磁性材料としてCoFeを用いて人工格子を形成し、この人工格子を記録層に用いることにより、低電流密度のスピン注入反転が可能なGMR素子を実現できる。   As described above, an artificial lattice is formed using Au as the nonmagnetic material and CoFe as the magnetic material, and this artificial lattice is used for the recording layer, thereby realizing a GMR element capable of low current density spin injection inversion.

次に、発明者等は高い磁気抵抗比を実現するため、図6のようなMTJ構造で鋭意研究を行った。図6の積層構造は、熱酸化膜付きSi基板11上に、下地層14との密着層13として膜厚5nm程度のTa、下地層14として膜厚3nm程度のCo40Fe4020、膜厚0.5nm程度のMgO、膜厚20nm程度のTiN、及び膜厚3nm程度のPdを順次形成した。下地層14上には、固定層15として膜厚10nm程度のFePtB、膜厚2nm程度のCo40Fe4020を順次形成した。FePtBは、400℃で加熱成膜を行った。固定層15上には、トンネルバリア層16として膜厚1nm程度のMgO、後述する人工格子からなる記録層17、保護層18として膜厚5nm程度のRuを順次形成した。素子加工の際に必要なハードマスク19には、膜厚100nm程度のTaを形成した。 Next, the inventors conducted intensive studies with an MTJ structure as shown in FIG. 6 in order to achieve a high magnetoresistance ratio. The stacked structure of FIG. 6 has a thermal oxide film-provided Si substrate 11 on which Ta layer having a film thickness of about 5 nm is formed as an adhesion layer 13 with the underlayer 14, Co 40 Fe 40 B 20 having a film thickness of about 3 nm as the underlayer 14 MgO having a thickness of about 0.5 nm, TiN having a thickness of about 20 nm, and Pd having a thickness of about 3 nm were sequentially formed. On the underlayer 14, FePtB having a thickness of about 10 nm and Co 40 Fe 40 B 20 having a thickness of about 2 nm were sequentially formed as the fixed layer 15. FePtB was formed by heating at 400 ° C. On the fixed layer 15, MgO having a thickness of about 1 nm was sequentially formed as a tunnel barrier layer 16, a recording layer 17 made of an artificial lattice described later, and Ru having a thickness of about 5 nm were formed as a protective layer 18. Ta having a film thickness of about 100 nm was formed on the hard mask 19 necessary for element processing.

記録層17は、膜厚1nm程度のCoFeBと膜厚1nm程度のPd、さらに膜厚0.3nm程度のCoと膜厚1nm程度のPdとを2周期積層した人工格子[Pd1nm/Co0.3nm]2/Pd1nm/CoFeB1nmから構成されている。具体的には、記録層17は、第1の磁性層17A−1として膜厚1nm程度のCoFeB、第1の非磁性層17B−1として膜厚1nm程度のPd、第2の磁性層17A−2として膜厚0.3nm程度のCo、第2の非磁性層17B−2として膜厚1nm程度のPd、第3の磁性層17A−3として膜厚0.3nm程度のCo、第3の非磁性層17B−3として膜厚1nm程度のPdが順に積層された人工格子である。   The recording layer 17 is an artificial lattice [Pd 1 nm / Co 0.3 nm] in which CoFeB with a thickness of about 1 nm and Pd with a thickness of about 1 nm, and Co with a thickness of about 0.3 nm and Pd with a thickness of about 1 nm are stacked in two periods. 2 / Pd 1 nm / CoFeB 1 nm. Specifically, the recording layer 17 includes CoFeB having a thickness of about 1 nm as the first magnetic layer 17A-1, Pd having a thickness of about 1 nm as the first nonmagnetic layer 17B-1, and the second magnetic layer 17A-. 2 is about 0.3 nm thick Co, the second nonmagnetic layer 17B-2 is about 1 nm thick Pd, the third magnetic layer 17A-3 is about 0.3 nm thick Co, The magnetic layer 17B-3 is an artificial lattice in which Pd with a thickness of about 1 nm is sequentially stacked.

トンネルバリア層16としては、NaCl構造を有し、かつ(100)面に配向した絶縁体が用いられる。高い磁気抵抗比を実現するためには、トンネルバリア層16としてのMgOが(100)面に配向していることが重要とされる。MgOは、NaCl構造を有する。記録層17の形成工程として、固定層15、トンネルバリア層16を形成後、記録層17の最初の磁性層17A−1としてのCoFeB1nmを形成し、300℃、2時間の真空中アニールを行い、CoFeB(100)/MgO(100)/CoFeB(100)の結晶方位の関係を形成させて高MR比を実現している。そして、このアニール処理後、人工格子を構成する非磁性材料から再び形成を行う。このように構成されたMTJ構造では、MR比100%を実現できた。CoFeB(100)/MgO(100)/CoFeB(100)の結晶配向性は膜全体にわたって実現されていることが望ましいが、例えば、配向面の違う結晶粒や積層欠陥等の配向性の異なる部位が、MR比を大きく劣化させない範囲で含まれていても構わない。   As the tunnel barrier layer 16, an insulator having a NaCl structure and oriented in the (100) plane is used. In order to realize a high magnetoresistance ratio, it is important that MgO as the tunnel barrier layer 16 is oriented in the (100) plane. MgO has a NaCl structure. As a formation process of the recording layer 17, after forming the fixed layer 15 and the tunnel barrier layer 16, CoFeB 1 nm as the first magnetic layer 17A-1 of the recording layer 17 is formed, and annealed in vacuum at 300 ° C. for 2 hours, A high MR ratio is realized by forming a crystal orientation relationship of CoFeB (100) / MgO (100) / CoFeB (100). Then, after this annealing treatment, formation is performed again from the nonmagnetic material constituting the artificial lattice. With the MTJ structure configured as described above, an MR ratio of 100% could be realized. The crystal orientation of CoFeB (100) / MgO (100) / CoFeB (100) is preferably realized over the entire film. For example, there are sites with different orientations such as crystal grains with different orientation planes and stacking faults. The MR ratio may be included in a range that does not greatly deteriorate the MR ratio.

また、同様に記録層17は、膜厚1nm程度のCoFeBと膜厚1nm程度のPd、さらに膜厚0.3nm程度のCo80Fe20と膜厚1nm程度のPd−Au合金とを2周期積層した人工格子[Pd−Au1nm/CoFe0.3nm]2/Pd1nm/CoFeB1nmから構成されている。具体的には、記録層17は、第1の磁性層17A−1として膜厚1nm程度のCoFeB、第1の非磁性層17B−1として膜厚1nm程度のPd、第2の磁性層17A−2として膜厚0.3nm程度のCo80Fe20、第2の非磁性層17B−2として膜厚1nm程度のPd−Au合金、第3の磁性層17A−3として膜厚0.3nm程度のCo80Fe20、第3の非磁性層17B−3として膜厚1nm程度のPd−Au合金が順に積層された人工格子から構成されている。このように構成されたMTJ構造では、MR比90%を実現できた。 Similarly, the recording layer 17 is formed by laminating two periods of CoFeB having a thickness of about 1 nm, Pd having a thickness of about 1 nm, Co 80 Fe 20 having a thickness of about 0.3 nm, and a Pd—Au alloy having a thickness of about 1 nm. Artificial lattice [Pd—Au 1 nm / CoFe 0.3 nm] 2 / Pd 1 nm / CoFeB 1 nm. Specifically, the recording layer 17 includes CoFeB having a thickness of about 1 nm as the first magnetic layer 17A-1, Pd having a thickness of about 1 nm as the first nonmagnetic layer 17B-1, and the second magnetic layer 17A-. 2, Co 80 Fe 20 with a film thickness of about 0.3 nm, Pd—Au alloy with a film thickness of about 1 nm as the second nonmagnetic layer 17B-2, and a film thickness of about 0.3 nm as the third magnetic layer 17A-3. Co 80 Fe 20 and the third nonmagnetic layer 17B-3 are made of an artificial lattice in which Pd—Au alloys having a thickness of about 1 nm are sequentially stacked. With the MTJ structure configured as described above, an MR ratio of 90% could be realized.

上記の記録層17はトンネルバリア層16に接する磁性層として高MR比を実現すべくCoFeB1nmを形成しているため、非磁性層としてAuを用いた場合、垂直磁気異方性を実現することが難しい。このため、CoFeB上の非磁性層には、Pdを用いている。また、その上の非磁性層は、ダンピング定数の更なる低減のため、Pdを50at%添加したAu−Pd合金としている。すなわち、単にCo/Auでは高MR比は実現することが難しく、人工格子を構成する各磁性材料と膜厚、及び非磁性材料と膜厚を適切に設定しなければならない。   Since the recording layer 17 is formed of CoFeB 1 nm as a magnetic layer in contact with the tunnel barrier layer 16 so as to realize a high MR ratio, perpendicular magnetic anisotropy can be realized when Au is used as the nonmagnetic layer. difficult. For this reason, Pd is used for the nonmagnetic layer on CoFeB. Further, the nonmagnetic layer thereon is made of an Au—Pd alloy to which Pd is added at 50 at% in order to further reduce the damping constant. That is, it is difficult to achieve a high MR ratio simply by using Co / Au, and it is necessary to appropriately set each magnetic material and film thickness and non-magnetic material and film thickness constituting the artificial lattice.

なお、中間層(トンネルバリア層)と接する磁性層(上記例ではCoFeB)に接する非磁性層としては、Pdに限らずPd−Au合金を用いても良い。この場合、当該磁性層に接する非磁性層におけるPd−Au合金のPd組成を、接しない非磁性層におけるPd−Au合金のPd組成よりも大きくすれば良い。例えば、上記磁性層に接する非磁性層のPd組成を20at%以上90at%以下の範囲とし、接しない非磁性層のPd組成を10at%以上55at%以下の範囲とすることができる。このような範囲においても、垂直磁気異方性を保ちつつ所望のMR比を実現することが可能である。   The nonmagnetic layer in contact with the magnetic layer (CoFeB in the above example) in contact with the intermediate layer (tunnel barrier layer) is not limited to Pd, and a Pd—Au alloy may be used. In this case, the Pd composition of the Pd—Au alloy in the nonmagnetic layer in contact with the magnetic layer may be made larger than the Pd composition of the Pd—Au alloy in the nonmagnetic layer not in contact. For example, the Pd composition of the nonmagnetic layer in contact with the magnetic layer can be in the range of 20 at% to 90 at%, and the Pd composition of the nonmagnetic layer not in contact can be in the range of 10 at% to 55 at%. Even in such a range, it is possible to achieve a desired MR ratio while maintaining perpendicular magnetic anisotropy.

高い磁気抵抗比を実現するためには、トンネルバリア層16に接する第1の磁性層17A−1は、立方晶構造或いは正方晶構造を有し、かつ(100)面に配向していることが望ましい。このため、第1の磁性層17A−1は、CoFe合金にホウ素(B)が添加されて構成されている。ホウ素(B)の濃度は、多すぎると垂直磁気異方性が劣化してしまうため、30at%以下であることが好ましい。具体的には、前述した鉄(Fe)の濃度を考慮すると、第1の磁性層17A−1は、コバルト(Co)、鉄(Fe)、及びホウ素(B)を含む合金(Co100−x−Fe100−yからなり、x≧20at%、0<y≦30at%に設定される。 In order to realize a high magnetoresistance ratio, the first magnetic layer 17A-1 in contact with the tunnel barrier layer 16 should have a cubic structure or a tetragonal structure and be oriented in the (100) plane. desirable. For this reason, the first magnetic layer 17A-1 is configured by adding boron (B) to a CoFe alloy. If the concentration of boron (B) is too large, the perpendicular magnetic anisotropy deteriorates, and therefore it is preferably 30 at% or less. Specifically, in consideration of the above-described concentration of iron (Fe), the first magnetic layer 17A-1 includes an alloy (Co 100-x ) containing cobalt (Co), iron (Fe), and boron (B). -fe x) consists 100-y B y, x ≧ 20at%, is set to 0 <y ≦ 30at%.

垂直磁気異方性の確保と高MR比とを両立させるためには、トンネルバリア層16に接する第1の磁性層17A−1は、トンネルバリア層16に接していない磁性層(17A−2、17A−3)の膜厚より大きく設定される。具体的には、上記関係を満たしつつ、トンネルバリア層16に接する第1の磁性層17A−1の膜厚は、垂直磁気異方性と高MR比との観点から、0.5乃至1.5nm程度であることが好ましい。トンネルバリア層16に接していない磁性層(17A−2、17A−3)の膜厚は、垂直磁気異方性及びダンピング定数のバランスで適宜調整すればよいが、0.2乃至1nmの範囲にあることが好ましい。非磁性層(17B−1、17B−2、及び17B−3)の膜厚は、2nm以上と厚すぎると磁性材料同士の交換結合が弱くなるために好ましくなく、0.5乃至1.5nm程度であることが好ましい。   In order to achieve both a high perpendicular magnetic anisotropy and a high MR ratio, the first magnetic layer 17A-1 in contact with the tunnel barrier layer 16 is formed of a magnetic layer (17A-2, 17A-3) is set larger than the film thickness. Specifically, the film thickness of the first magnetic layer 17A-1 in contact with the tunnel barrier layer 16 while satisfying the above relationship is set to 0.5 to 1 from the viewpoint of perpendicular magnetic anisotropy and high MR ratio. It is preferably about 5 nm. The film thickness of the magnetic layers (17A-2, 17A-3) not in contact with the tunnel barrier layer 16 may be appropriately adjusted depending on the balance of perpendicular magnetic anisotropy and damping constant, but is in the range of 0.2 to 1 nm. Preferably there is. If the film thickness of the nonmagnetic layers (17B-1, 17B-2, and 17B-3) is too thick, it is not preferable because the exchange coupling between the magnetic materials becomes weak, and is about 0.5 to 1.5 nm. It is preferable that

[2]磁気抵抗素子(MTJ素子)
前述した人工格子から構成される記録層17を用いて、メモリ等に使用されるMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子10を構成することができる。以下に、人工格子から構成される記録層17をMTJ素子に適用した実施形態について説明する。
[2] Magnetoresistive element (MTJ element)
An MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element 10 used for a memory or the like can be configured using the recording layer 17 composed of the artificial lattice described above. Hereinafter, an embodiment in which the recording layer 17 composed of an artificial lattice is applied to an MTJ element will be described.

[2−1]シングルピン構造
図7は、第1の実施形態に係るシングルピン構造のMTJ素子10の概略図である。図7中の矢印は、磁化方向を示している。なお、シングルピン構造とは、記録層と固定層とが中間層を介して積層された構造である。
[2-1] Single Pin Structure FIG. 7 is a schematic diagram of the MTJ element 10 having a single pin structure according to the first embodiment. The arrows in FIG. 7 indicate the magnetization direction. The single pin structure is a structure in which a recording layer and a fixed layer are laminated via an intermediate layer.

図7に示すように、MTJ素子10は、磁性体からなる固定層(ピンド層ともいう)15と、磁性体からなる記録層(自由層ともいう)17と、固定層15と記録層17との間に挟まれた中間層(非磁性層)16とを有する積層構造である。そして、固定層15及び記録層17が垂直磁気異方性を有し、固定層15及び記録層17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10である。また、固定層15は、磁化(或いは、スピン)の方向が固定されている。記録層17は、磁化方向が変化(反転)可能である。   As shown in FIG. 7, the MTJ element 10 includes a fixed layer (also referred to as a pinned layer) 15 made of a magnetic material, a recording layer (also referred to as a free layer) 17 made of a magnetic material, a fixed layer 15 and a recording layer 17. It has a laminated structure having an intermediate layer (nonmagnetic layer) 16 sandwiched between them. In the so-called perpendicular magnetization type MTJ element 10, the fixed layer 15 and the recording layer 17 have perpendicular magnetic anisotropy, and the magnetization directions of the fixed layer 15 and the recording layer 17 are perpendicular to the film surface. . In addition, the direction of magnetization (or spin) of the fixed layer 15 is fixed. The recording layer 17 can change (reverse) the magnetization direction.

MTJ素子10は、非磁性層16が絶縁体であり、TMR(Tunneling Magnetoresistive)効果を有する。ここで、非磁性層16が絶縁体の場合は酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(AlO)等が用いられる。非磁性層16が金属の場合はGMR素子であり、GMR(Giant Magnetoresistive)効果を有する。非磁性層16が金属の場合は金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)等が用いられる。本実施形態では、非磁性層16が金属の場合は、前述したようにAuが最も好ましい。非磁性層16にAuを用いることで、ダンピング定数を低減でき、かつ反転電流密度を低減することが可能となる。 In the MTJ element 10, the nonmagnetic layer 16 is an insulator and has a TMR (Tunneling Magnetoresistive) effect. Here, when the nonmagnetic layer 16 is an insulator, magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (AlO x ), or the like is used. When the nonmagnetic layer 16 is a metal, it is a GMR element and has a GMR (Giant Magnetoresistive) effect. When the nonmagnetic layer 16 is a metal, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), or the like is used. In this embodiment, when the nonmagnetic layer 16 is a metal, Au is most preferable as described above. By using Au for the nonmagnetic layer 16, the damping constant can be reduced and the reversal current density can be reduced.

(動作)
MTJ素子10は、スピン注入型の磁気抵抗素子である。従って、MTJ素子10にデータを書き込む、或いはMTJ素子10からデータを読み出す場合、MTJ素子10は、膜面(或いは、積層面)に垂直な方向において、双方向に電流通電される。また、MTJ素子10は、2つの磁性層(記録層17及び固定層15)の磁化配列が平行(Parallel)配列、或いは反平行(Anti-Parallel)配列となる。これら磁化配列により変化するMTJ素子10の抵抗値に、“0”、“1”の情報を対応させることで、MTJ素子10を記憶素子として用いることができる。
(Operation)
The MTJ element 10 is a spin injection type magnetoresistive element. Accordingly, when data is written to the MTJ element 10 or when data is read from the MTJ element 10, the MTJ element 10 is energized in both directions in a direction perpendicular to the film surface (or the laminated surface). In the MTJ element 10, the magnetization arrangement of the two magnetic layers (the recording layer 17 and the fixed layer 15) is a parallel arrangement or an anti-parallel arrangement. The MTJ element 10 can be used as a storage element by associating information of “0” and “1” with the resistance value of the MTJ element 10 that changes depending on the magnetization arrangement.

具体的には、固定層15側から電子(すなわち、固定層15から記録層17へ向かう電子)を供給した場合、固定層15の磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子が記録層17に注入される。この場合、記録層17の磁化方向は、固定層15の磁化方向と同じ方向に揃えられる。これにより、固定層15と記録層17との磁化方向が平行配列となる。この平行配列のときはMTJ素子10の抵抗値は最も小さくなり、この場合を例えばデータ“0”と規定する。   Specifically, when electrons are supplied from the fixed layer 15 side (that is, electrons traveling from the fixed layer 15 to the recording layer 17), the electrons that are spin-polarized in the same direction as the magnetization direction of the fixed layer 15 are recorded. Injected into. In this case, the magnetization direction of the recording layer 17 is aligned with the same direction as the magnetization direction of the fixed layer 15. Thereby, the magnetization directions of the fixed layer 15 and the recording layer 17 are arranged in parallel. In this parallel arrangement, the resistance value of the MTJ element 10 is the smallest, and this case is defined as, for example, data “0”.

一方、記録層17側から電子(すなわち、記録層17から固定層15へ向かう電子)を供給した場合、固定層15により反射されることで固定層15の磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子が記録層17に注入される。この場合、記録層17の磁化方向は、固定層15の磁化方向と反対方向に揃えられる。これにより、固定層15と記録層17との磁化方向が反平行配列となる。この反平行配列のときはMTJ素子10の抵抗値は最も大きくなり、この場合を例えばデータ“1”と規定する。   On the other hand, when electrons are supplied from the recording layer 17 side (that is, electrons traveling from the recording layer 17 to the fixed layer 15), the electrons are reflected by the fixed layer 15 to be spin-polarized in the direction opposite to the magnetization direction of the fixed layer 15. Electrons are injected into the recording layer 17. In this case, the magnetization direction of the recording layer 17 is aligned with the direction opposite to the magnetization direction of the fixed layer 15. Thereby, the magnetization directions of the fixed layer 15 and the recording layer 17 are antiparallel. In this antiparallel arrangement, the MTJ element 10 has the largest resistance value, and this case is defined as, for example, data “1”.

(磁性材料)
MTJ素子10において、固定層15として磁化反転電流の大きな磁性層を用い、記録層17として固定層15よりも磁化反転電流の小さい磁性層を用いることによって、高性能なMTJ素子10を実現することができる。スピン偏極電流により磁化反転を起こす場合、その反転電流は飽和磁化、異方性磁界、及び体積に比例するため、これらを適切に調整して、記録層17と固定層15との反転電流に差をつけることができる。
(Magnetic material)
In the MTJ element 10, a high-performance MTJ element 10 is realized by using a magnetic layer having a large magnetization reversal current as the fixed layer 15 and using a magnetic layer having a smaller magnetization reversal current than the fixed layer 15 as the recording layer 17. Can do. When the magnetization reversal is caused by the spin-polarized current, the reversal current is proportional to the saturation magnetization, the anisotropic magnetic field, and the volume. Therefore, the reversal current between the recording layer 17 and the fixed layer 15 is adjusted appropriately. You can make a difference.

本実施形態では、記録層17は人工格子で構成するが、固定層15は下記に示す材料から適宜選択することができる。垂直磁化を実現する固定層15を構成する磁性材料としては、例えば5×10erg/cc以上の結晶磁気異方性エネルギー密度を有する材料が望ましく、具体例を以下に挙げる。 In the present embodiment, the recording layer 17 is composed of an artificial lattice, but the fixed layer 15 can be appropriately selected from the materials shown below. As a magnetic material constituting the fixed layer 15 that realizes perpendicular magnetization, for example, a material having a magnetocrystalline anisotropy energy density of 5 × 10 5 erg / cc or more is desirable, and specific examples are given below.

(1)不規則合金
不規則合金は、コバルト(Co)を主成分とし、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、タングステン(W)、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、鉄(Fe)、及びニッケル(Ni)のうち1つ以上の元素を含む合金から構成される。例えば、CoCr、CoPt、CoCrTa、CoCrPt、CoCrPtTa、CoCrNb等が挙げられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
(1) Irregular alloy Irregular alloy is mainly composed of cobalt (Co), chromium (Cr), tantalum (Ta), niobium (Nb), vanadium (V), tungsten (W), hafnium (Hf), It is composed of an alloy containing one or more elements of titanium (Ti), zirconium (Zr), platinum (Pt), palladium (Pd), iron (Fe), and nickel (Ni). Examples thereof include CoCr, CoPt, CoCrTa, CoCrPt, CoCrPtTa, and CoCrNb. These alloys can adjust the magnetic anisotropy energy density and saturation magnetization by increasing the proportion of nonmagnetic elements.

(2)規則合金
規則合金は、鉄(Fe)、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)のうち1つ以上の元素と、パラジウム(Pd)、及び白金(Pt)のうち1つ以上の元素とから構成され、かつ、結晶構造がL1構造の強磁性合金(規則合金)である。例えば、Fe50Pt50、Fe50Pd50、Co50Pt50、Fe30Ni20Pt50、Co30Fe20Pt50、Co30Ni20Pt50が挙げられる。なお、これらの規則合金は、上記組成比に限定されない。これらの規則合金に、Cu(銅)、クロム(Cr)、銀(Ag)等の不純物元素或いはその合金、絶縁物を加えて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を低く調整することができる。
(2) Ordered Alloy The ordered alloy is composed of one or more elements of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), and one or more elements of palladium (Pd) and platinum (Pt). it is composed of a, and a ferromagnetic alloy crystal structure L1 0 structure (ordered alloy). Examples thereof include Fe 50 Pt 50 , Fe 50 Pd 50 , Co 50 Pt 50 , Fe 30 Ni 20 Pt 50 , Co 30 Fe 20 Pt 50 , and Co 30 Ni 20 Pt 50 . These ordered alloys are not limited to the above composition ratio. By adding an impurity element such as Cu (copper), chromium (Cr), silver (Ag), or an alloy thereof, or an insulator to these ordered alloys, the magnetic anisotropy energy density and the saturation magnetization can be adjusted to be low.

(3)人工格子
人工格子は、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を適切に調整して固定層として用いることもできる。鉄(Fe)、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)のうち1つ以上の元素或いは1つの元素を含む合金と、クロム(Cr)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、レニウム(Re)、金(Au)、及び銅(Cu)のうち1つの元素或いは1つの元素を含む合金とが交互に積層された構造を用いることができる。例えば、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Ru、Co/Os、Co/Au、Ni/Cu等の人工格子が挙げられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、或いは磁性層と非磁性層との膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
(3) Artificial lattice The artificial lattice can be used as a fixed layer by appropriately adjusting the magnetic anisotropy energy density and saturation magnetization. One or more elements of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), or an alloy containing one element, chromium (Cr), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir) , Rhodium (Rh), ruthenium (Ru), osmium (Os), rhenium (Re), gold (Au), and copper (Cu) are laminated alternately with one element or an alloy containing one element. A structure can be used. Examples thereof include artificial lattices such as Co / Pt, Co / Pd, CoCr / Pt, Co / Ru, Co / Os, Co / Au, and Ni / Cu. These artificial lattices can adjust the magnetic anisotropy energy density and the saturation magnetization by adding an element to the magnetic layer or adjusting the film thickness ratio of the magnetic layer to the nonmagnetic layer.

(4)フェリ磁性体
フェリ磁性体としては、希土類金属と遷移金属との合金が用いられる。具体的には、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、或いはガドリニウム(Gd)と、遷移金属のうち1つ以上の元素とからなるアモルファス合金が用いられる。このようなフェリ磁性体としては、例えば、TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo、GdTbCo等が挙げられる。これらの合金は、組成を調整することで磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
(4) Ferrimagnetic material As the ferrimagnetic material, an alloy of a rare earth metal and a transition metal is used. Specifically, an amorphous alloy composed of terbium (Tb), dysprosium (Dy), or gadolinium (Gd) and one or more elements of transition metals is used. Examples of such ferrimagnetic materials include TbFe, TbCo, TbFeCo, DyTbFeCo, GdTbCo, and the like. These alloys can adjust magnetic anisotropy energy density and saturation magnetization by adjusting the composition.

なお、磁性層は、非磁性体部が偏析することにより、磁性体部と非磁性体部とが分離した構造としてもよい。例えば、酸化シリコン(SiO)、酸化マグネシウム(MgO)、窒化シリコン(SiN)、炭化シリコン(SiC)等の酸化物、窒化物、炭化物を非磁性体部としてもよいし、例えばCr濃度が25at%以上と大きい非磁性CoCr合金のような合金であってもよい。 The magnetic layer may have a structure in which the magnetic part and the non-magnetic part are separated by segregation of the non-magnetic part. For example, oxides, nitrides, and carbides such as silicon oxide (SiO 2 ), magnesium oxide (MgO), silicon nitride (SiN), and silicon carbide (SiC) may be used as the non-magnetic part. An alloy such as a nonmagnetic CoCr alloy that is as large as% or more may be used.

また、MTJ素子10の非磁性層16に接する磁性層(記録層17、固定層15)の界面には、高分極率材料として、鉄(Fe)、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)のうち1つ以上の元素或いは1つの元素を含む合金からなる磁性金属層を配置して、磁気抵抗比を上昇させた構成としてもよい。ただし、通常、この磁性金属層は単層では面内磁化となるため、垂直磁化の安定性を損なわないように、磁性金属層に積層する垂直磁気異方性材料との磁気的な膜厚比を調整する必要がある。   Further, at the interface of the magnetic layers (recording layer 17 and fixed layer 15) in contact with the nonmagnetic layer 16 of the MTJ element 10, iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) are used as high polarizability materials. A magnetic metal layer made of one or more elements or an alloy containing one element may be arranged to increase the magnetoresistance ratio. However, since this magnetic metal layer usually has in-plane magnetization in a single layer, the magnetic film thickness ratio with the perpendicular magnetic anisotropic material laminated on the magnetic metal layer is not impaired so as not to impair the stability of perpendicular magnetization. Need to be adjusted.

その他、記録層17及び固定層15はそれぞれ、磁性層を積層した構造からなり、その一方の磁性層は磁性体が分散した、いわゆるグラニュラー構造であってもよい。   In addition, each of the recording layer 17 and the fixed layer 15 may have a structure in which magnetic layers are stacked, and one of the magnetic layers may have a so-called granular structure in which a magnetic material is dispersed.

以下に、シングルピン構造のMTJ素子10の具体例について説明する。   A specific example of the MTJ element 10 having a single pin structure will be described below.

(a)具体例1−1
具体例1−1のMTJ素子10は、固定層15及び記録層17がそれぞれ人工格子から構成されている。図8は、具体例1−1に係るMTJ素子10の構成を示す断面図である。
(A) Specific example 1-1
In the MTJ element 10 of Specific Example 1-1, the fixed layer 15 and the recording layer 17 are each composed of an artificial lattice. FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of the MTJ element 10 according to Example 1-1.

図8に示すように、MTJ素子10は、熱酸化膜付きSi基板11上に、下地層14との密着層13として膜厚5nm程度のTa、下地層14として膜厚10nm程度のRu、下地層14上に固定層15として膜厚1nm程度のPtと膜厚0.3nm程度のCoとを8周期積層し、9周期目の磁性層を膜厚1.5nm程度のCoFeBとした人工格子CoFeB1.5nm/Pt1nm/[Co0.3nm/Pt1nm]8、トンネルバリア層16として膜厚1nm程度のMgO、記録層17として膜厚0.5nm程度のCo50Fe50と膜厚1nm程度のPd、さらに膜厚0.3nm程度のCo80Fe20と膜厚1nm程度のPdとを2周期積層した人工格子[Pd1nm/CoFe0.3nm]2/Pd1nm/CoFe0.5nm、保護層18として膜厚5nm程度のRuを順次形成した。素子加工の際に必要なハードマスク19には、膜厚100nm程度のTaを形成した。なお、密着層13は下部電極としても機能し、ハードマスク19は上部電極としても機能する。 As shown in FIG. 8, the MTJ element 10 has a thermal oxide film-attached Si substrate 11, Ta having a thickness of about 5 nm as an adhesion layer 13 with the base layer 14, Ru having a thickness of about 10 nm as the base layer 14, An artificial lattice CoFeB1 in which Pt having a thickness of about 1 nm and Co having a thickness of about 0.3 nm are stacked as the fixed layer 15 on the ground layer 14 for eight periods, and the magnetic layer in the ninth period is CoFeB having a thickness of about 1.5 nm. .5nm / Pt1nm / [Co0.3nm / Pt1nm ] 8, the film thickness 1nm about MgO as a tunnel barrier layer 16, Co 50 having a thickness of about 0.5nm as the recording layer 17 Fe 50 and the thickness 1nm about Pd, further An artificial lattice [Pd1 nm / CoFe0.3 nm] 2 / Pd1 nm / CoFe0.5 nm, in which Co 80 Fe 20 with a thickness of about 0.3 nm and Pd with a thickness of about 1 nm are stacked in two cycles. Ru having a thickness of about 5 nm was sequentially formed as the protective layer 18. Ta having a film thickness of about 100 nm was formed on the hard mask 19 necessary for element processing. The adhesion layer 13 also functions as a lower electrode, and the hard mask 19 also functions as an upper electrode.

記録層17の形成工程として、固定層15、トンネルバリア層16を形成後、記録層17の最初の磁性層CoFe0.5nmを形成し、300℃、2時間の真空中アニールを行い、CoFe(100)/MgO(100)/CoFeB(100)の結晶方位の関係を形成させて高MR比を実現している。そして、このアニール処理後、人工格子を構成する非磁性材料から再び形成を始める。このように構成された具体例1−1のMTJ素子10では、MR比50%を実現できた。   As the formation process of the recording layer 17, after forming the fixed layer 15 and the tunnel barrier layer 16, the first magnetic layer CoFe 0.5 nm of the recording layer 17 is formed and annealed in vacuum at 300 ° C. for 2 hours to obtain CoFe (100 ) / MgO (100) / CoFeB (100) relationship is formed to achieve a high MR ratio. Then, after this annealing treatment, formation is started again from the nonmagnetic material constituting the artificial lattice. In the MTJ element 10 of the specific example 1-1 configured as described above, an MR ratio of 50% was realized.

上述した具体例1−1の構成は、トンネルバリア層16に対して、固定層15が下側(基板側)、記録層17が上側に配置される、いわゆるボトムピン(bottom pin)構造である。具体例1−1と同様の構成をトンネルバリア層16に対して、固定層15が上側、記録層17が下側(基板側)に配置される、いわゆるトップピン(top pin)構造としてもよい。   The configuration of Specific Example 1-1 described above has a so-called bottom pin structure in which the fixed layer 15 is disposed on the lower side (substrate side) and the recording layer 17 is disposed on the upper side with respect to the tunnel barrier layer 16. A configuration similar to that of Example 1-1 may be a so-called top pin structure in which the fixed layer 15 is disposed on the upper side and the recording layer 17 is disposed on the lower side (substrate side) with respect to the tunnel barrier layer 16. .

ボトムピン構造、トップピン構造ともに、固定層15を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層としては、マンガン(Mn)と、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、或いはイリジウム(Ir)との合金であるFeMn、NiMn、PtMn、PtPdMn、RuMn、OsMn、IrMn等を用いることができる。   In both the bottom pin structure and the top pin structure, an antiferromagnetic layer may be provided adjacent to fix the fixed layer 15 in one direction. The antiferromagnetic layer includes manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), osmium (Os), or iridium (Ir). FeMn, NiMn, PtMn, PtPdMn, RuMn, OsMn, IrMn, and the like that are alloys of the above can be used.

(b)具体例1−2
具体例1−2のMTJ素子10は、具体例1−1の固定層15がL1構造のFePt規則合金である以外は、具体例1−1とほぼ同様の構成である。
(B) Specific example 1-2
MTJ element 10 of the embodiment 1-2, except the fixed layer 15 of the embodiment 1-1 is a FePt ordered alloy L1 0 structure has almost the same structure as in example 1-1.

MTJ素子10は、熱酸化膜付きSi基板11上に、下地層14との密着層13として膜厚10nm程度のTa、下地層14上に固定層15として膜厚10nm程度のFePtBと磁気抵抗比を増加させるために膜厚2nm程度のCo40Fe4020とを積層した構成である。固定層15のFePtBは、400℃の基板加熱を行いながら形成する。固定層15上には、トンネルバリア層16として膜厚1nm程度のMgO、記録層17として膜厚1nm程度のCo40Fe4020と膜厚1nm程度のPd、さらに膜厚0.3nm程度のCo80Fe20と膜厚1nm程度のPdとを2周期積層した人工格子[Pd1nm/CoFe0.3nm]2/Pd1nm/CoFeB1nm、保護層18として膜厚5nm程度のRuを順次形成した。素子加工の際に必要なハードマスク19には、膜厚100nmのTaを形成した。 MTJ element 10 has a magnetoresistance ratio on Si substrate 11 with a thermal oxide film, FePtB having a thickness of about 10 nm as adhesion layer 13 with base layer 14 and about 10 nm as a fixed layer 15 on base layer 14. In order to increase the thickness, Co 40 Fe 40 B 20 having a thickness of about 2 nm is laminated. The FePtB of the fixed layer 15 is formed while heating the substrate at 400 ° C. On the fixed layer 15, MgO having a thickness of about 1 nm as the tunnel barrier layer 16, Co 40 Fe 40 B 20 having a thickness of about 1 nm and Pd having a thickness of about 1 nm as the recording layer 17, and further having a thickness of about 0.3 nm. An artificial lattice [Pd 1 nm / CoFe 0.3 nm] 2 / Pd 1 nm / CoFeB 1 nm, in which Co 80 Fe 20 and Pd having a thickness of about 1 nm are laminated, and Ru having a thickness of about 5 nm were sequentially formed as the protective layer 18. A 100 nm thick Ta film was formed on the hard mask 19 required for device processing.

記録層17の形成工程として、固定層15、トンネルバリア層16を形成後、記録層17の最初の磁性層CoFeB1nmを形成し、300℃、2時間の真空中アニールを行い、CoFeB(100)/MgO(100)/CoFeB(100)の結晶方位の関係を形成させて高MR比を実現している。そして、このアニール処理後、人工格子を構成する非磁性材料から再び形成を始める。   As the formation process of the recording layer 17, after forming the fixed layer 15 and the tunnel barrier layer 16, the first magnetic layer CoFeB 1 nm of the recording layer 17 is formed and annealed in vacuum at 300 ° C. for 2 hours to obtain CoFeB (100) / A high MR ratio is realized by forming a crystal orientation relationship of MgO (100) / CoFeB (100). Then, after this annealing treatment, formation is started again from the nonmagnetic material constituting the artificial lattice.

このように構成された具体例1−2のMTJ素子10では、MR比90%を実現できた。また、固定層15にL1構造を有する規則合金を用いることで、良好な垂直磁気異方性を有する固定層15を構成することが可能となる。 In the MTJ element 10 of the specific example 1-2 configured as described above, an MR ratio of 90% was realized. Further, by using the ordered alloy in the fixed layer 15 having an L1 0 structure, it is possible to configure the fixed layer 15 having a good vertical magnetic anisotropy.

[2−2]デュアルピン構造
図9は、第1の実施形態に係るデュアルピン構造のMTJ素子10の概略図である。なお、デュアルピン構造とは、記録層の両側にそれぞれ中間層を介して2つの固定層が配置された構造である。
[2-2] Dual Pin Structure FIG. 9 is a schematic diagram of the MTJ element 10 having a dual pin structure according to the first embodiment. The dual pin structure is a structure in which two fixed layers are disposed on both sides of the recording layer via intermediate layers.

図9に示すように、MTJ素子10は、磁性体からなる記録層17と、磁性体からなる第1及び第2の固定層15、22と、記録層17及び第1の固定層15間に挟まれた中間層(非磁性層)16と、記録層17及び第2の固定層22間に挟まれた中間層(非磁性層)21とを有する積層構造である。そして、固定層15、22、及び記録層17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10である。ここで、第1及び第2の固定層15、22は、磁化が反対方向に向く反平行配列である。   As shown in FIG. 9, the MTJ element 10 includes a recording layer 17 made of a magnetic material, first and second fixed layers 15 and 22 made of a magnetic material, and a recording layer 17 and a first fixed layer 15. The laminated structure includes an intermediate layer (nonmagnetic layer) 16 sandwiched and an intermediate layer (nonmagnetic layer) 21 sandwiched between the recording layer 17 and the second pinned layer 22. In the so-called perpendicular magnetization type MTJ element 10, the magnetization directions of the fixed layers 15 and 22 and the recording layer 17 are perpendicular to the film surface. Here, the first and second fixed layers 15 and 22 have an antiparallel arrangement in which the magnetizations are directed in opposite directions.

非磁性層16、21としては、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(AlO)等の絶縁体や、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)等の金属或いはそれらの合金が用いられる。本実施形態では、非磁性層が金属の場合は、Auが最も好ましい。非磁性層にAuを用いることで、反転電流密度を低減することが可能となる。 As the nonmagnetic layers 16 and 21, an insulator such as magnesium oxide (MgO) and aluminum oxide (AlO x ), a metal such as gold (Au), silver (Ag), and copper (Cu), or an alloy thereof is used. It is done. In the present embodiment, Au is most preferable when the nonmagnetic layer is a metal. By using Au for the nonmagnetic layer, the reversal current density can be reduced.

ここで、デュアルピン構造のMTJ素子10では、非磁性層16を挟む2つの磁性層(記録層17及び固定層15)、及び非磁性層21を挟む2つの磁性層(記録層17及び固定層22)は、平行、或いは反平行配列を取る。しかし、MTJ素子10全体として見た場合、平行配列と反平行配列とが同時に存在するため、非磁性層16、21を介したMR比に差を設けておく必要がある。   Here, in the MTJ element 10 having the dual pin structure, two magnetic layers (the recording layer 17 and the fixed layer 15) sandwiching the nonmagnetic layer 16 and two magnetic layers (the recording layer 17 and the fixed layer) sandwiching the nonmagnetic layer 21 are interposed. 22) takes a parallel or anti-parallel arrangement. However, since the parallel arrangement and the antiparallel arrangement exist at the same time when viewed as the entire MTJ element 10, it is necessary to provide a difference in the MR ratio via the nonmagnetic layers 16 and 21.

従って、非磁性層16をトンネルバリア層とし、非磁性層21を金属(スペーサー層)とした場合、トンネルバリア層16で生じるMR比の方が非磁性層21で生じるMR比に比べて大きくなる。従って、トンネルバリア層16を挟む2つの磁性層(記録層17及び固定層15)の磁化配列を、“0”、“1”の情報に対応させる。   Therefore, when the nonmagnetic layer 16 is a tunnel barrier layer and the nonmagnetic layer 21 is a metal (spacer layer), the MR ratio generated in the tunnel barrier layer 16 is larger than the MR ratio generated in the nonmagnetic layer 21. . Therefore, the magnetization arrangement of the two magnetic layers (the recording layer 17 and the fixed layer 15) sandwiching the tunnel barrier layer 16 is made to correspond to information of “0” and “1”.

なお、記録層17及び固定層15、22の材料としては、上記シングルピン構造と同様の材料を用いることができる。   As the material for the recording layer 17 and the fixed layers 15 and 22, the same material as the single pin structure can be used.

(動作)
デュアルピン構造のMTJ素子10の動作について説明する。MTJ素子10にデータを書き込む、或いはMTJ素子10からデータを読み出す場合、MTJ素子10は、膜面(或いは、積層面)に垂直な方向において、双方向に電流通電される。
(Operation)
The operation of the dual pin structure MTJ element 10 will be described. When writing data to the MTJ element 10 or reading data from the MTJ element 10, the MTJ element 10 is energized in both directions in a direction perpendicular to the film surface (or laminated surface).

固定層15側から電子(すなわち、固定層15から記録層17へ向かう電子)を供給した場合、固定層15の磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子と、固定層22により反射されることで固定層22の磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子とが記録層17に注入される。この場合、記録層17の磁化方向は、固定層15の磁化方向と同じ方向に揃えられる。これにより、固定層15と記録層17との磁化方向が平行配列となる。これにより、固定層15と記録層17との磁化方向が平行配列となる。この平行配列のときはMTJ素子10の抵抗値は最も小さくなり、この場合を例えばデータ“0”と規定する。   When electrons are supplied from the fixed layer 15 side (that is, electrons traveling from the fixed layer 15 to the recording layer 17), the electrons that are spin-polarized in the same direction as the magnetization direction of the fixed layer 15 are reflected by the fixed layer 22. As a result, electrons that are spin-polarized in the direction opposite to the magnetization direction of the fixed layer 22 are injected into the recording layer 17. In this case, the magnetization direction of the recording layer 17 is aligned with the same direction as the magnetization direction of the fixed layer 15. Thereby, the magnetization directions of the fixed layer 15 and the recording layer 17 are arranged in parallel. Thereby, the magnetization directions of the fixed layer 15 and the recording layer 17 are arranged in parallel. In this parallel arrangement, the resistance value of the MTJ element 10 is the smallest, and this case is defined as, for example, data “0”.

一方、固定層22側から電子(すなわち、固定層22から記録層17へ向かう電子)を供給した場合、固定層22の磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子と、固定層15により反射されることで固定層15の磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子とが記録層17に注入される。この場合、記録層17の磁化方向は、固定層15の磁化方向と反対方向に揃えられる。この反平行配列のときはMTJ素子10の抵抗値は最も大きくなり、この場合を例えばデータ“1”と規定する。   On the other hand, when electrons are supplied from the fixed layer 22 side (that is, electrons traveling from the fixed layer 22 to the recording layer 17), electrons that are spin-polarized in the same direction as the magnetization direction of the fixed layer 22 are reflected by the fixed layer 15. As a result, electrons spin-polarized in the direction opposite to the magnetization direction of the fixed layer 15 are injected into the recording layer 17. In this case, the magnetization direction of the recording layer 17 is aligned with the direction opposite to the magnetization direction of the fixed layer 15. In this antiparallel arrangement, the MTJ element 10 has the largest resistance value, and this case is defined as, for example, data “1”.

このように、MTJ素子10を、固定層15、22を記録層17の両側に配置したデュアルピン構造にすることで、スピン偏極電子の反射の効果をより利用できるため、シングルピン構造よりもさらに磁化反転電流を低減することができる。   As described above, since the MTJ element 10 has a dual pin structure in which the fixed layers 15 and 22 are arranged on both sides of the recording layer 17, the effect of reflection of spin-polarized electrons can be used more. Furthermore, the magnetization reversal current can be reduced.

以下に、デュアルピン構造のMTJ素子10の具体例について説明する。   A specific example of the MTJ element 10 having a dual pin structure will be described below.

(a)具体例2−1
具体例2−1のMTJ素子10は、固定層15、22、及び記録層17がそれぞれ人工格子から構成されている。図10は、具体例2−1に係るMTJ素子10の構成を示す断面図である。
(A) Specific example 2-1
In the MTJ element 10 of Specific Example 2-1, the fixed layers 15 and 22 and the recording layer 17 are each composed of an artificial lattice. FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the MTJ element 10 according to Specific Example 2-1.

MTJ素子10は、熱酸化膜付きSi基板11上に、下地層14との密着層13として膜厚5nm程度のTa、下地層14として膜厚10nm程度のRu、下地層14上に固定層15として膜厚1nm程度のPdと膜厚0.3nm程度のCoとを8周期積層し、9周期目の磁性層を膜厚1.5nm程度のCoFeBとした人工格子CoFeB1.5nm/Pd1nm/[Co0.3nm/Pd1nm]8、トンネルバリア層16として膜厚1nm程度のMgO、記録層17として膜厚1nm程度のCo40Fe4020と膜厚1nm程度のPd、さらに膜厚0.3nm程度のCo80Fe20と膜厚1nm程度のPdとを2周期積層した人工格子[Pd1nm/CoFe0.3nm]2/Pd1nm/CoFeB1nmを順次形成した。 The MTJ element 10 is formed on a Si substrate 11 with a thermal oxide film, Ta having a thickness of about 5 nm as an adhesion layer 13 with the base layer 14, Ru having a thickness of about 10 nm as the base layer 14, and a fixed layer 15 on the base layer 14. As an artificial lattice CoFeB1.5 nm / Pd1 nm / [Co0, in which Pd having a thickness of about 1 nm and Co having a thickness of about 0.3 nm are stacked for eight periods, and the magnetic layer in the ninth period is CoFeB having a thickness of about 1.5 nm. .3 nm / Pd1 nm] 8, MgO with a thickness of about 1 nm as the tunnel barrier layer 16, Co 40 Fe 40 B 20 with a thickness of about 1 nm and Pd with a thickness of about 1 nm as the recording layer 17, and a thickness of about 0.3 nm An artificial lattice [Pd1 nm / CoFe0.3 nm] 2 / Pd1 nm / CoFeB1 nm in which Co 80 Fe 20 and Pd having a thickness of about 1 nm were stacked in two cycles was sequentially formed.

記録層17の形成工程として、固定層15、トンネルバリア層16を形成後、記録層17の最初の磁性層CoFeB1nmを形成し、300℃、2時間の真空中アニールを行い、CoFeB(100)/MgO(100)/CoFeB(100)の結晶方位の関係を形成させて高MR比を実現している。このアニール処理後、人工格子を構成する膜厚1nm程度のPd、[Pd1nm/CoFe0.3nm]2を順次形成する。   As the formation process of the recording layer 17, after forming the fixed layer 15 and the tunnel barrier layer 16, the first magnetic layer CoFeB 1 nm of the recording layer 17 is formed and annealed in vacuum at 300 ° C. for 2 hours to obtain CoFeB (100) / A high MR ratio is realized by forming a crystal orientation relationship of MgO (100) / CoFeB (100). After this annealing, Pd and [Pd 1 nm / CoFe 0.3 nm] 2 having a thickness of about 1 nm constituting the artificial lattice are sequentially formed.

記録層17上には、スペーサー層21として膜厚4nm程度のAu、固定層22として膜厚0.5nm程度のCoFeと膜厚1nm程度のPtとを7周期積層した人工格子[CoFe0.5nm/Pt1nm]7、保護層18として膜厚5nm程度のRuを順次形成した。素子加工の際に必要なハードマスク19には、膜厚100nm程度のTaを形成した。   On the recording layer 17, an artificial lattice [CoFe 0.5 nm / min, in which Au of about 4 nm thickness as the spacer layer 21 and CoFe of about 0.5 nm thickness and Pt of about 1 nm thickness are laminated as the fixed layer 22. Pt 1 nm] and a protective layer 18 were formed of Ru having a thickness of about 5 nm. Ta having a film thickness of about 100 nm was formed on the hard mask 19 necessary for element processing.

固定層22の保磁力は固定層15の保磁力よりも大きく、この保磁力の差を利用して固定層15と固定層22との磁化配列を反平行に設定することが可能となる。すなわち、2回の着磁を行えばよい。まず、1回目の磁場印加により、固定層15の磁化と、記録層17及び固定層22の磁化とは、同じ方向に配列する。その後、2回目の磁場印加は、1回目と逆向きに行う。この2回目の印加磁場は、固定層15の保磁力よりも大きく、固定層22の保磁力よりも小さく設定する。これにより、固定層22の磁化方向に対して、記録層17及び固定層15の磁化は逆方向になる。このようにして、図10に示すような磁化配列を実現することができる。   The coercive force of the fixed layer 22 is larger than the coercive force of the fixed layer 15, and the magnetization arrangement of the fixed layer 15 and the fixed layer 22 can be set antiparallel using the difference in coercive force. That is, it is sufficient to perform magnetization twice. First, by the first magnetic field application, the magnetization of the fixed layer 15 and the magnetization of the recording layer 17 and the fixed layer 22 are arranged in the same direction. Thereafter, the second magnetic field application is performed in the opposite direction to the first. The second applied magnetic field is set larger than the coercive force of the fixed layer 15 and smaller than the coercive force of the fixed layer 22. Thereby, the magnetization directions of the recording layer 17 and the fixed layer 15 are opposite to the magnetization direction of the fixed layer 22. In this way, a magnetization arrangement as shown in FIG. 10 can be realized.

具体例2−1の構成では、スペーサー層21のAuを介した磁気抵抗の変化より、トンネルバリア層16のMgOを介した磁気抵抗の変化の方が大きく、MTJ素子10は、記録層17と固定層15との磁化配列、及び記録層17と固定層22との磁化配列によって、情報を記憶する。なお、記録層17とトンネルバリア層16との界面、及び記録層17とスペーサー層21との界面に、分極率の大きな磁性材料を界面層として設置しても構わない。また、スペーサー層21を、例えば、酸化マグネシウム(MgO)や酸化アルミニウム(AlO)のような絶縁体で構成しても構わない。この場合、スペーサー層21の抵抗及びMR比をトンネルバリア層16よりも小さくすれば、動作上は問題ない。 In the configuration of the specific example 2-1, the change in magnetoresistance through the MgO of the tunnel barrier layer 16 is larger than the change in magnetoresistance through the Au of the spacer layer 21. Information is stored by the magnetization arrangement of the fixed layer 15 and the magnetization arrangement of the recording layer 17 and the fixed layer 22. Note that a magnetic material having a high polarizability may be provided as an interface layer at the interface between the recording layer 17 and the tunnel barrier layer 16 and at the interface between the recording layer 17 and the spacer layer 21. The spacer layer 21 may be made of an insulator such as magnesium oxide (MgO) or aluminum oxide (AlO x ). In this case, if the resistance and MR ratio of the spacer layer 21 are made smaller than that of the tunnel barrier layer 16, there is no problem in operation.

同様に、上述のMTJ素子10の中で、固定層22を膜厚30nm程度のTb30(Co80Fe2070と膜厚2nm程度のFeとの2層で構成してもよい。ここで、Tb24(Co80Fe2076が補償組成である。この場合、固定層22は希土類金属(RE)の磁気モーメントが大きく、積層したFeと合わせても全体としてREの磁気モーメントが大きい。この場合、一方向に一度だけ着磁することで、図10の固定層15、22の磁化配列と同等の磁界配列を実現できる。すなわち、固定層22の遷移金属(TM)の磁気モーメントはREの磁気モーメントよりも小さく、遷移金属(TM)の磁気モーメントはREの磁気モーメントと反対を向くため、固定層22の磁化は着磁した方向と逆向きを向く。 Similarly, in the MTJ element 10 described above, the fixed layer 22 may be composed of two layers of Tb 30 (Co 80 Fe 20 ) 70 having a thickness of about 30 nm and Fe having a thickness of about 2 nm. Here, Tb 24 (Co 80 Fe 20 ) 76 is the compensation composition. In this case, the fixed layer 22 has a large magnetic moment of the rare earth metal (RE), and even when combined with the laminated Fe, the magnetic moment of the RE is large as a whole. In this case, a magnetic field arrangement equivalent to the magnetization arrangement of the fixed layers 15 and 22 in FIG. 10 can be realized by magnetizing only once in one direction. That is, the magnetic moment of the transition metal (TM) in the fixed layer 22 is smaller than the magnetic moment of the RE, and the magnetic moment of the transition metal (TM) is opposite to the magnetic moment of the RE. Face the opposite direction.

この他、固定層15、22は、具体例1−1及び1−2で述べたように、規則合金、不規則合金、人工格子、フェリ磁性体等から適宜選択することができる。   In addition, as described in the specific examples 1-1 and 1-2, the fixed layers 15 and 22 can be appropriately selected from ordered alloys, irregular alloys, artificial lattices, ferrimagnetic materials, and the like.

なお、固定層15、22の磁化を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層としては、マンガン(Mn)と、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、或いはイリジウム(Ir)との合金であるFeMn、NiMn、PtMn、PtPdMn、RuMn、OsMn、IrMn等を用いることができる。   In order to fix the magnetizations of the fixed layers 15 and 22 in one direction, an antiferromagnetic layer may be provided adjacently. The antiferromagnetic layer includes manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), osmium (Os), or iridium (Ir). FeMn, NiMn, PtMn, PtPdMn, RuMn, OsMn, IrMn, and the like that are alloys of the above can be used.

(a)具体例2−2
具体例2−2のMTJ素子10は、固定層15がL1構造を有するFePt規則合金から構成されており、また、下側(基板側)にTMR構造、上側にGMR構造を有している。図11は、具体例2−2に係るMTJ素子10の構成を示す断面図である。
(A) Specific example 2-2
MTJ element 10 of the embodiment 2-2 has been fixed layer 15 is composed of FePt ordered alloy having the L1 0 structure, also has TMR structure on the lower side (substrate side), a GMR structure on the upper side . FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the MTJ element 10 according to Specific Example 2-2.

MTJ素子10は、熱酸化膜付きSi基板11上に、下地層14との密着層13として膜厚10nm程度のTa、下地層14として膜厚10nm程度のRu、下地層14上に固定層15として膜厚10nm程度のFePtB、磁気抵抗比を増加させる界面層15Aとして膜厚2nm程度のCo40Fe4020、トンネルバリア層16として膜厚2nm程度のMgO、記録層17として膜厚1nm程度のCoFeBと膜厚1nm程度のPd、さらに膜厚0.3nm程度のCo80Fe20と膜厚1nm程度のPdとを2周期積層した人工格子[Pd1nm/CoFe0.3nm]2/Pd1nm/CoFeB1nmを順次形成した。 The MTJ element 10 is formed on a Si substrate 11 with a thermal oxide film, Ta having a thickness of about 10 nm as an adhesion layer 13 with the base layer 14, Ru having a thickness of about 10 nm as the base layer 14, and a fixed layer 15 on the base layer 14. FePtB having a thickness of about 10 nm, Co 40 Fe 40 B 20 having a thickness of about 2 nm as the interface layer 15A for increasing the magnetoresistance ratio, MgO having a thickness of about 2 nm as the tunnel barrier layer 16, and a thickness of about 1 nm as the recording layer 17. An artificial lattice [Pd1 nm / CoFe0.3 nm] 2 / Pd1 nm / CoFeB1 nm in which two periods of CoFeB, Pd having a thickness of about 1 nm, Co 80 Fe 20 having a thickness of about 0.3 nm, and Pd having a thickness of about 1 nm are stacked. Sequentially formed.

なお、固定層15と界面層15Aとは交換結合しているため、これらは1つの磁性層(固定層)として振る舞う。高い磁気抵抗比を実現するためには、トンネルバリア層16に接する界面層15Aは、立方晶構造或いは正方晶構造を有し、かつ(100)面に配向していることが望ましい。このため、界面層15Aは、CoFe合金にホウ素(B)が添加されて構成されている。ホウ素(B)の濃度は、多すぎると垂直磁気異方性が劣化してしまうため、30at%以下であることが好ましい。具体的には、界面層15Aは、コバルト(Co)、鉄(Fe)、及びホウ素(B)を含む合金(Co100−x−Fe100−yからなり、x≧20at%、0<y≦30at%に設定される。 Since the fixed layer 15 and the interface layer 15A are exchange-coupled, they behave as one magnetic layer (fixed layer). In order to realize a high magnetoresistance ratio, it is desirable that the interface layer 15A in contact with the tunnel barrier layer 16 has a cubic or tetragonal structure and is oriented in the (100) plane. Therefore, the interface layer 15A is configured by adding boron (B) to a CoFe alloy. If the concentration of boron (B) is too large, the perpendicular magnetic anisotropy deteriorates, and therefore it is preferably 30 at% or less. Specifically, the interface layer 15A is comprised of cobalt (Co), iron (Fe), and an alloy (Co 100-x -Fe x) 100-y B y containing boron (B), x ≧ 20at% , 0 <y ≦ 30 at% is set.

記録層17の形成工程として、固定層15、界面層15A、トンネルバリア層16を形成後、記録層17の最初の磁性層CoFeB1nmを形成し、300℃、2時間の真空中アニールを行い、CoFeB(100)/MgO(100)/CoFeB(100)の結晶方位の関係を形成させて高MR比を実現している。このアニール処理後、膜厚1nm程度のPd、[Pd1nm/CoFe0.3nm]2を順次形成する。   As the formation process of the recording layer 17, after forming the fixed layer 15, the interface layer 15A, and the tunnel barrier layer 16, the first magnetic layer CoFeB 1 nm of the recording layer 17 is formed, and annealed in vacuum at 300 ° C. for 2 hours to obtain CoFeB. A high MR ratio is realized by forming a crystal orientation relationship of (100) / MgO (100) / CoFeB (100). After this annealing, Pd and [Pd 1 nm / CoFe 0.3 nm] 2 having a thickness of about 1 nm are sequentially formed.

記録層17上には、スペーサー層21として膜厚4nm程度のAu、固定層22として膜厚1nm程度のPtと膜厚0.3nm程度のCoとを7周期積層した人工格子[Co0.3nm/Pt1nm]7、保護層18として膜厚5nm程度のRuを順次形成した。素子加工の際に必要なハードマスク19には、膜厚35nm程度のRuと膜厚60nm程度のTaとを順次形成した。   On the recording layer 17, an artificial lattice [Co 0.3 nm / Co, in which Au having a thickness of about 4 nm as the spacer layer 21 and Pt having a thickness of about 1 nm and Co having a thickness of about 0.3 nm are stacked as the fixed layer 22. Pt 1 nm] and a protective layer 18 were formed of Ru having a thickness of about 5 nm. On the hard mask 19 necessary for element processing, Ru having a film thickness of about 35 nm and Ta having a film thickness of about 60 nm were sequentially formed.

このように、固定層15としてL1構造を有する強磁性合金(規則合金)を用いることで、良好な垂直磁気異方性を有する固定層15を構成することが可能となる。また、固定層22をL1構造を有する規則合金で構成するようにしてもよい。さらに、固定層15、22の磁化を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。 In this manner, by using the ferromagnetic alloy having an L1 0 structure as a fixed layer 15 (ordered alloy), it is possible to configure the fixed layer 15 having a good vertical magnetic anisotropy. Further, the fixed layer 22 may be constituted by ordered alloy having the L1 0 structure. Furthermore, in order to fix the magnetization of the fixed layers 15 and 22 in one direction, an antiferromagnetic layer may be provided adjacently.

(c)具体例2−3
具体例2−3のMTJ素子10は、トンネルバリア層を有するTMR構造が上側、スペーサー層を有するGMR構造が下側(基板側)に配置された構成である。図12は、具体例2−3に係るMTJ素子10の構成を示す断面図である。
(C) Specific example 2-3
The MTJ element 10 of Example 2-3 has a configuration in which a TMR structure having a tunnel barrier layer is disposed on the upper side and a GMR structure having a spacer layer is disposed on the lower side (substrate side). FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the MTJ element 10 according to Specific Example 2-3.

具体例2−1と同様に固定層15まで形成後、スペーサー層16として膜厚4nm程度のAu、記録層17として膜厚0.5nm程度のCoFeと膜厚1nm程度のAu−Pdと膜厚1nm程度のCo40Fe4020とを順次形成した。記録層17上には、トンネルバリア層21として膜厚1nm程度のMgOを形成し、トンネルバリア層21以降の構成は具体例2−1と同様の構成を順次形成した。 After the formation up to the fixed layer 15 as in Example 2-1, the spacer layer 16 is about 4 nm thick Au, the recording layer 17 is about 0.5 nm thick CoFe, the thickness is about 1 nm Au—Pd, and the film thickness. Co 40 Fe 40 B 20 having a thickness of about 1 nm was sequentially formed. On the recording layer 17, MgO having a film thickness of about 1 nm was formed as the tunnel barrier layer 21, and the configuration subsequent to the tunnel barrier layer 21 was sequentially formed in the same configuration as in Example 2-1.

固定層15、22は、具体例1−1及び1−2で述べたように、規則合金、不規則合金、人工格子、フェリ磁性体等から適宜選択することができる。なお、固定層15、22の磁化を一方向に固着するために、これらに隣接して反強磁性層を設けてもよい。   As described in the specific examples 1-1 and 1-2, the fixed layers 15 and 22 can be appropriately selected from ordered alloys, irregular alloys, artificial lattices, ferrimagnetic materials, and the like. In order to fix the magnetization of the fixed layers 15 and 22 in one direction, an antiferromagnetic layer may be provided adjacent to them.

(d)具体例2−4
具体例2−4のMTJ素子10は、中間層(非磁性層)16及び21が絶縁体からなり、下側(基板側)と上側がともにTMR構造である。図13は、具体例2−4のMTJ素子10の構成を示す断面図である。具体例2−4のMTJ素子10は、非磁性層21が絶縁体であること、及び、固定層22をCoFeBとTbCoFeとの積層構成とした以外は、具体例2−2と同様である。
(D) Specific Example 2-4
In the MTJ element 10 of Specific Example 2-4, the intermediate layers (nonmagnetic layers) 16 and 21 are made of an insulator, and both the lower side (substrate side) and the upper side have a TMR structure. FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the MTJ element 10 of Specific Example 2-4. The MTJ element 10 of the specific example 2-4 is the same as the specific example 2-2 except that the nonmagnetic layer 21 is an insulator and the fixed layer 22 has a stacked structure of CoFeB and TbCoFe.

具体例2−2と同様に記録層17まで形成後、記録層17上には、トンネルバリア層21として膜厚1nm程度のMgO、固定層22として膜厚2nm程度のCo40Fe4020と膜厚30nm程度のTb30(Co80Fe2070との積層構成を順次形成した。ここで、Tb24(Co80Fe2076が補償組成である。 After the formation up to the recording layer 17 in the same manner as in Example 2-2, on the recording layer 17, MgO having a thickness of about 1 nm as the tunnel barrier layer 21 and Co 40 Fe 40 B 20 having a thickness of about 2 nm as the fixed layer 22 are formed. A laminated structure with Tb 30 (Co 80 Fe 20 ) 70 having a thickness of about 30 nm was sequentially formed. Here, Tb 24 (Co 80 Fe 20 ) 76 is the compensation composition.

固定層22上には、保護層18として膜厚5nm程度のRu、素子加工の際に必要なハードマスク19として膜厚35nm程度のRuと膜厚60nm程度のTaとを順次形成した。また、固定層15、22の磁化を一方向に固着するために、これらに隣接して反強磁性層を設けてもよい。   On the fixed layer 22, Ru having a film thickness of about 5 nm was formed as the protective layer 18, and Ru having a film thickness of about 35 nm and Ta having a film thickness of about 60 nm were sequentially formed as the hard mask 19 required for device processing. In order to fix the magnetizations of the fixed layers 15 and 22 in one direction, an antiferromagnetic layer may be provided adjacent to them.

具体例2−4のMTJ素子10では、トンネルバリア層16は膜厚2nm程度のMgOであり、一方、トンネルバリア層21のMgOは膜厚が1nmであり、抵抗差は大きく、磁気抵抗比はトンネルバリア層16が支配的となる。   In the MTJ element 10 of Example 2-4, the tunnel barrier layer 16 is MgO having a thickness of about 2 nm, while the MgO of the tunnel barrier layer 21 is 1 nm in thickness, the resistance difference is large, and the magnetoresistance ratio is The tunnel barrier layer 16 becomes dominant.

(e)具体例2−5
図14は、具体例2−5のMTJ素子10の構成を示す断面図である。具体例2−5のMTJ素子10は、固定層22がSAF(Synthetic Anti-Ferromagnet)構造になっていること以外は具体例2−1と同様の構成であり、TMR構造が下側(基板側)、GMR構造が上側に配置される。SAF構造は、2つの磁性層が反強磁性的に交換結合した構造である。固定層22は、第1の磁性層22−1と、第2の磁性層22−3と、第1及び第2の磁性層22−1、22−3間に挟まれた非磁性層22−2とからなり、第1及び第2の磁性層22−1、22−3が反強磁性的に交換結合したSAF構造である。
(E) Specific Example 2-5
FIG. 14 is a cross-sectional view showing the configuration of the MTJ element 10 of Specific Example 2-5. The MTJ element 10 of Example 2-5 has the same configuration as that of Example 2-1 except that the fixed layer 22 has a SAF (Synthetic Anti-Ferromagnet) structure, and the TMR structure is on the lower side (substrate side). ), The GMR structure is arranged on the upper side. The SAF structure is a structure in which two magnetic layers are exchange-coupled antiferromagnetically. The pinned layer 22 includes a first magnetic layer 22-1, a second magnetic layer 22-3, and a nonmagnetic layer 22-sandwiched between the first and second magnetic layers 22-1 and 22-3. 2 and has a SAF structure in which the first and second magnetic layers 22-1 and 22-3 are exchange-coupled antiferromagnetically.

この場合、第1及び第2の磁性層22−1、22−3の磁化配列が反平行であるので、第1及び第2の磁性層22−1、22−3からの漏れ磁場を相殺し、結果として固定層22の漏れ磁場を低減する効果がある。また、交換結合した磁性層は、体積が増加する効果として、熱擾乱耐性を向上させる。非磁性層22−2の材料としては、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、レニウム(Re)、及びロジウム(Rh)のうち1つの元素或いは1つ以上の元素を含む合金が挙げられる。   In this case, since the magnetization arrangements of the first and second magnetic layers 22-1 and 22-3 are antiparallel, the leakage magnetic fields from the first and second magnetic layers 22-1 and 22-3 are canceled out. As a result, there is an effect of reducing the leakage magnetic field of the fixed layer 22. Further, the exchange-coupled magnetic layer improves thermal disturbance resistance as an effect of increasing the volume. Examples of the material of the nonmagnetic layer 22-2 include one element or an alloy containing one or more elements of ruthenium (Ru), osmium (Os), rhenium (Re), and rhodium (Rh).

以下に、具体例2−5のMTJ素子10の層構成について説明する。基板11から記録層17までは具体例1−1と同様の構成である。   The layer configuration of the MTJ element 10 of Specific Example 2-5 will be described below. The configuration from the substrate 11 to the recording layer 17 is the same as that of Example 1-1.

記録層17上にスペーサー層21として膜厚4nm程度のAuを形成後、固定層22は、第1の磁性層22−1として膜厚1nm程度のPtと膜厚0.3nm程度のCoとを4周期積層した人工格子[Pt/Co]4を形成した後、反強磁性的な交換結合を実現するため、非磁性層22−2として膜厚0.9nm程度のRuを形成し、第2の磁性層22−3として膜厚0.3nm程度のCoと膜厚1nm程度のPtとを5周期積層した人工格子[Co/Pt]5を形成した。   After Au having a thickness of about 4 nm is formed on the recording layer 17 as the spacer layer 21, the fixed layer 22 is formed with Pt having a thickness of about 1 nm and Co having a thickness of about 0.3 nm as the first magnetic layer 22-1. After forming the artificial lattice [Pt / Co] 4 laminated in four periods, Ru having a film thickness of about 0.9 nm is formed as the nonmagnetic layer 22-2 in order to realize antiferromagnetic exchange coupling. As the magnetic layer 22-3, an artificial lattice [Co / Pt] 5 in which Co having a thickness of about 0.3 nm and Pt having a thickness of about 1 nm were stacked for five periods was formed.

なお、第1及び第2の磁性層22−1、22−3がRE−TM合金のフェリ磁性体からなる場合も、反強磁性結合を実現することができる。この場合、非磁性層22−2は必ずしも用いなくてもよい。その一例を、図15及び図16を用いて説明する。   Note that antiferromagnetic coupling can also be realized when the first and second magnetic layers 22-1 and 22-3 are made of a RE-TM alloy ferrimagnetic material. In this case, the nonmagnetic layer 22-2 is not necessarily used. An example thereof will be described with reference to FIGS. 15 and 16.

RE−TM合金は、希土類金属(RE)の磁気モーメントと遷移金属(TM)の磁気モーメントとが反強磁性的に結合した状態にある。RE−TM合金を積層した場合、RE同士、TM同士が強磁性的に結合することが知られている。この場合、RE及びTMの磁気モーメントが互いに相殺するため、RE−TM合金としての磁気モーメントは、組成により調整することができる。   The RE-TM alloy is in a state where the magnetic moment of the rare earth metal (RE) and the magnetic moment of the transition metal (TM) are antiferromagnetically coupled. It is known that when RE-TM alloys are laminated, REs and TMs are ferromagnetically coupled. In this case, since the magnetic moments of RE and TM cancel each other, the magnetic moment of the RE-TM alloy can be adjusted by the composition.

例えば、図15に示すように、REの磁気モーメント41がTMの磁気モーメント42より大きいRE−TM合金層22−1の場合、残った磁気モーメント43はREの磁気モーメント41と同じ方向になる。このRE−TM合金層22−1上に、REの磁気モーメント44がTMの磁気モーメント45より大きいRE−TM合金層22−3を積層すると、REの磁気モーメント41、44同士、TMの磁気モーメント42、45同士がそれぞれ同じ向きになり、2つのRE−TM合金層22−1、22−3の磁気モーメント43、46は同じ方向を向き、平行な状態となる。   For example, as shown in FIG. 15, in the case of the RE-TM alloy layer 22-1 in which the RE magnetic moment 41 is larger than the TM magnetic moment 42, the remaining magnetic moment 43 is in the same direction as the RE magnetic moment 41. When the RE-TM alloy layer 22-3 having a RE magnetic moment 44 larger than the TM magnetic moment 45 is laminated on the RE-TM alloy layer 22-1, the RE magnetic moments 41 and 44 and the TM magnetic moment are combined. 42 and 45 are in the same direction, and the magnetic moments 43 and 46 of the two RE-TM alloy layers 22-1 and 22-3 are in the same direction and are in a parallel state.

これに対し、図16に示すように、REの磁気モーメント44がTMの磁気モーメント45より小さいRE−TM合金層22−3をRE−TM合金層22−1上に積層した場合、2つのRE−TM合金層22−1、22−3の磁気モーメント43、46は反平行な状態となる。   On the other hand, when the RE-TM alloy layer 22-3 having a RE magnetic moment 44 smaller than the TM magnetic moment 45 is laminated on the RE-TM alloy layer 22-1, as shown in FIG. The magnetic moments 43 and 46 of the TM alloy layers 22-1 and 22-3 are in an antiparallel state.

例えば、Tb−Co合金は、Tbが22at%でTbの磁気モーメントとCoの磁気モーメントとの大きさが同じになり、磁気モーメントがほぼゼロであるいわゆる補償組成となる。膜厚10nm程度のTb25Co75と膜厚10nm程度のTb20Co80とを積層した場合、これらの磁気モーメントは反平行となる。 For example, a Tb—Co alloy has a so-called compensation composition in which Tb is 22 at%, the magnetic moment of Tb is the same as the magnetic moment of Co, and the magnetic moment is almost zero. When Tb 25 Co 75 with a thickness of about 10 nm and Tb 20 Co 80 with a thickness of about 10 nm are stacked, their magnetic moments are antiparallel.

このような形態を利用して、2つの磁性層22−1、22−3が反平行に結合した固定層22を作製することができる。例えば、固定層22を構成する第1の磁性層22−1は膜厚15nm程度のTb26(Fe71Co2974からなり、第2の磁性層22−3は膜厚20nm程度のTb22(Fe71Co2978からなる。ここで、Tb24(Fe71Co2976が補償組成である。 By using such a form, the fixed layer 22 in which the two magnetic layers 22-1 and 22-3 are coupled in antiparallel can be produced. For example, the first magnetic layer 22-1 constituting the fixed layer 22 is made of Tb 26 (Fe 71 Co 29 ) 74 having a thickness of about 15 nm, and the second magnetic layer 22-3 is Tb 22 having a thickness of about 20 nm. (Fe 71 Co 29 ) 78 . Here, Tb 24 (Fe 71 Co 29 ) 76 is the compensation composition.

このような構成のMTJ素子10では、一方向に一度だけ着磁することで、図9に示した固定層15、22の磁化配列と同じ磁化配列を実現できる。すなわち、固定層22のTMの磁気モーメントはREの磁気モーメントより小さく、TMの磁気モーメントはREの磁気モーメントと反対方向を向くため、固定層22の磁化は着磁した方向と逆向きになる。   In the MTJ element 10 having such a configuration, the same magnetization arrangement as that of the fixed layers 15 and 22 shown in FIG. 9 can be realized by magnetization only once in one direction. That is, the TM magnetic moment of the fixed layer 22 is smaller than the RE magnetic moment, and the TM magnetic moment is opposite to the RE magnetic moment, so the magnetization of the fixed layer 22 is opposite to the magnetized direction.

また、第1及び第2の磁性層22−1、22−3がRE−TM合金からなる場合に、第1及び第2の磁性層22−1、22−3間に非磁性層22−2を設けて反強磁性結合を実現することも可能である。その一例を、図17及び図18を用いて説明する。   Further, when the first and second magnetic layers 22-1 and 22-3 are made of RE-TM alloy, the nonmagnetic layer 22-2 is interposed between the first and second magnetic layers 22-1 and 22-3. It is also possible to realize antiferromagnetic coupling by providing. An example thereof will be described with reference to FIGS.

図17に示す第1及び第2の磁性層22−1、22−3のTMの磁気モーメント42、45は、非磁性層22−2を介して交換結合すると考えられる。同様に、図18に示す第1及び第2の磁性層22−1、22−3のTMの磁気モーメント42、45は、非磁性層22−2を介して交換結合すると考えられる。   The TM magnetic moments 42 and 45 of the first and second magnetic layers 22-1 and 22-3 shown in FIG. 17 are considered to be exchange-coupled through the nonmagnetic layer 22-2. Similarly, the TM magnetic moments 42 and 45 of the first and second magnetic layers 22-1 and 22-3 shown in FIG. 18 are considered to be exchange-coupled via the nonmagnetic layer 22-2.

例えば、図17に示すように、Coを反強磁性的に結合させる金属を非磁性層22−2として用いた場合は、RE−TM合金層22−1のREの磁気モーメント41をTMの磁気モーメント42より大きくし、一方、RE−TM合金層22−3のREの磁気モーメント44をTMの磁気モーメント45より大きくする。すなわち、非磁性層22−2が反強磁性結合に寄与する場合、TMの磁気モーメント42及びREの磁気モーメント41の大小関係と、TMの磁気モーメント45及びREの磁気モーメント44の大小関係とを同じに設定すれば、TMとREとの磁気モーメントが互いに相殺され、磁気モーメント43、46が反平行となる。なお、Coを反強磁性的に結合させる非磁性層22−2の材料としては、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、レニウム(Re)、及びロジウム(Rh)のうち1つの元素或いは1つ以上の元素を含む合金が挙げられる。   For example, as shown in FIG. 17, when a metal that anti-ferromagnetically couples Co is used as the nonmagnetic layer 22-2, the RE magnetic moment 41 of the RE-TM alloy layer 22-1 is changed to TM magnetic. On the other hand, the RE magnetic moment 44 of the RE-TM alloy layer 22-3 is set larger than the TM magnetic moment 45. That is, when the nonmagnetic layer 22-2 contributes to the antiferromagnetic coupling, the magnitude relationship between the TM magnetic moment 42 and the RE magnetic moment 41 and the magnitude relationship between the TM magnetic moment 45 and the RE magnetic moment 44 are as follows. If they are set to the same value, the magnetic moments of TM and RE cancel each other, and the magnetic moments 43 and 46 become antiparallel. The material of the nonmagnetic layer 22-2 for antiferromagnetically coupling Co is one element or one of ruthenium (Ru), osmium (Os), rhenium (Re), and rhodium (Rh). Examples include alloys containing the above elements.

また、図18に示すように、Coを強磁性的に結合させる金属を非磁性層22−2として用いた場合は、RE−TM合金層22−1のREの磁気モーメント41をTMの磁気モーメント42より大きくし、RE−TM合金層22−3のREの磁気モーメント44をTMの磁気モーメント45より小さくする。すなわち、非磁性層22−2が強磁性結合に寄与する場合、TMの磁気モーメント42及びREの磁気モーメント41の大小関係と、TMの磁気モーメント45及びREの磁気モーメント44の大小関係とを逆に設定すれば、TMとREとの磁気モーメントが互いに相殺され、磁気モーメント43、46が反平行となる。なお、Coを強磁性的に結合させる非磁性層22−2の材料としては、白金(Pt)、及びパラジウム(Pd)のうち1つの以上の元素或いは1つ以上の元素を含む合金が挙げられる。   In addition, as shown in FIG. 18, when the metal that ferromagnetically couples Co is used as the nonmagnetic layer 22-2, the RE magnetic moment 41 of the RE-TM alloy layer 22-1 is changed to the TM magnetic moment. The RE magnetic moment 44 of the RE-TM alloy layer 22-3 is made smaller than the TM magnetic moment 45. That is, when the nonmagnetic layer 22-2 contributes to the ferromagnetic coupling, the magnitude relationship between the TM magnetic moment 42 and the RE magnetic moment 41 is reversed from the magnitude relationship between the TM magnetic moment 45 and the RE magnetic moment 44. Is set, the magnetic moments of TM and RE cancel each other, and the magnetic moments 43 and 46 become antiparallel. Note that examples of the material of the nonmagnetic layer 22-2 that ferromagnetically couples Co include platinum (Pt) and palladium (Pd). One or more elements or an alloy containing one or more elements can be used. .

この他、REの磁気モーメントがTMの磁気モーメントよりも大きいRE−TM合金と、遷移金属を主成分とする金属或いは合金とを積層して固定層22を構成してもよい。   In addition, the fixed layer 22 may be configured by stacking a RE-TM alloy in which the RE magnetic moment is larger than the TM magnetic moment and a metal or alloy mainly composed of a transition metal.

以上詳述したように第1の実施形態では、記録層17を磁性層と非磁性層とが交互に積層された人工格子で形成している。そして、記録層17を構成する磁性層をコバルト(Co)及び鉄(Fe)を含む合金で形成し、記録層17を構成する非磁性層の少なくとも1層をパラジウム(Pd)及び金(Au)を含む合金で構成している。また、記録層17を構成する磁性層のうちトンネルバリア層16に接する磁性層17A−1をコバルト(Co)、鉄(Fe)及びホウ素(B)を含む合金で構成し、トンネルバリア層16に接する磁性層の膜厚をトンネルバリア層16に接していない磁性層の膜厚より大きく設定している。これにより、垂直磁気異方性の確保、ダンピング定数の低減(すなわち、書き込み電流の低減)、高磁気抵抗比を実現できる記録層17を構成することが可能となる。   As described above in detail, in the first embodiment, the recording layer 17 is formed of an artificial lattice in which magnetic layers and nonmagnetic layers are alternately stacked. Then, the magnetic layer constituting the recording layer 17 is formed of an alloy containing cobalt (Co) and iron (Fe), and at least one of the nonmagnetic layers constituting the recording layer 17 is palladium (Pd) and gold (Au). It is comprised with the alloy containing. The magnetic layer 17A-1 in contact with the tunnel barrier layer 16 among the magnetic layers constituting the recording layer 17 is made of an alloy containing cobalt (Co), iron (Fe), and boron (B). The film thickness of the magnetic layer in contact is set larger than the film thickness of the magnetic layer not in contact with the tunnel barrier layer 16. As a result, it is possible to configure the recording layer 17 that can ensure the perpendicular magnetic anisotropy, reduce the damping constant (that is, reduce the write current), and achieve a high magnetoresistance ratio.

また、MgOに代表されるNaCl構造を有する絶縁体をトンネルバリア層16として使用し、トンネルバリア層16と固定層15との間にコバルト(Co)、鉄(Fe)及びホウ素(B)を含む合金で構成された界面層15Aを配置している。これにより、CoFeB(100)/MgO(100)/CoFeB(100)の結晶方位の関係を形成することができるため、高い磁気抵抗比を実現することが可能となる。   Further, an insulator having a NaCl structure typified by MgO is used as the tunnel barrier layer 16, and includes cobalt (Co), iron (Fe), and boron (B) between the tunnel barrier layer 16 and the fixed layer 15. An interface layer 15A made of an alloy is disposed. Thereby, since the relationship of crystal orientation of CoFeB (100) / MgO (100) / CoFeB (100) can be formed, it becomes possible to realize a high magnetoresistance ratio.

また、記録層17を構成する磁性層としては、鉄(Fe)の濃度を20at%以上含んだCo−Fe合金を用いている。これにより、記録層17の垂直磁気異方性を維持しつつ、ダンピング定数を低減することが可能となる。   Further, as the magnetic layer constituting the recording layer 17, a Co—Fe alloy containing an iron (Fe) concentration of 20 at% or more is used. Thereby, the damping constant can be reduced while maintaining the perpendicular magnetic anisotropy of the recording layer 17.

また、固定層15にL1構造を有する規則合金を用いることで、良好な垂直磁気異方性を有する固定層15を構成することが可能となる。 Further, by using the ordered alloy in the fixed layer 15 having an L1 0 structure, it is possible to configure the fixed layer 15 having a good vertical magnetic anisotropy.

また、記録層として上記人工格子を用いた場合、記録層と固定層との間に設けられるスペーサー層には、金(Au)を用いるようにしている。これにより、低電流密度のスピン注入反転が可能なGMR構造を実現することができる。   When the artificial lattice is used as the recording layer, gold (Au) is used for the spacer layer provided between the recording layer and the fixed layer. As a result, a GMR structure capable of low current density spin injection inversion can be realized.

[第2の実施形態]
第2の実施形態は、第1の実施形態で示したMTJ素子10を用いてMRAMを構成した場合の例について示している。
[Second Embodiment]
The second embodiment shows an example in which an MRAM is configured using the MTJ element 10 shown in the first embodiment.

図19は、本発明の第2の実施形態に係るMRAMの構成を示す回路図である。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50を備えている。メモリセルアレイ50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50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。   FIG. 19 is a circuit diagram showing a configuration of an MRAM according to the second embodiment of the present invention. The MRAM includes a memory cell array 50 having a plurality of memory cells MC arranged in a matrix. In the memory cell array 50, a plurality of bit line pairs BL, / BL are arranged so as to extend in the column direction. In the memory cell array 50, a plurality of word lines WL are arranged so as to extend in the row direction.

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10、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51を備えている。MTJ素子10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51のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ51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51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 MTJ element 10 and a selection transistor 51 including an N-channel MOS transistor. One end of the MTJ element 10 is connected to the bit line BL. The other end of the MTJ element 10 is connected to the drain terminal of the selection transistor 51. The gate terminal of the selection transistor 51 is connected to the word line WL. The source terminal of the selection transistor 51 is connected to the bit line / BL.

ワード線WLには、ロウデコーダ52が接続されている。ビット線対BL,/BLには、書き込み回路54及び読み出し回路55が接続されている。書き込み回路54及び読み出し回路55には、カラムデコーダ53が接続されている。各メモリセルMCは、ロウデコーダ52及びカラムデコーダ53により選択される。   A row decoder 52 is connected to the word line WL. A write circuit 54 and a read circuit 55 are connected to the bit line pair BL, / BL. A column decoder 53 is connected to the write circuit 54 and the read circuit 55. Each memory cell MC is selected by the row decoder 52 and the column decoder 53.

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なうメモリセル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51がターンオンする。   Data is written to the memory cell MC as follows. First, in order to select a memory cell MC for data writing, the word line WL connected to the memory cell MC is activated. As a result, the selection transistor 51 is turned on.

ここで、MTJ素子10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10に左から右へ書き込み電流Iwを供給する場合、書き込み回路54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10に右から左へ書き込み電流Iwを供給する場合、書き込み回路54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 MTJ element 10 in accordance with the write data. Specifically, when the write current Iw is supplied to the MTJ element 10 from left to right, the write circuit 54 applies a positive voltage to the bit line BL and applies a ground voltage to the bit line / BL. When supplying the write current Iw from the right to the left to the MTJ element 10, the write circuit 54 applies a positive voltage to the bit line / BL and applies a ground voltage to the bit line BL. In this way, data “0” or data “1” can be written in the memory cell MC.

次に、メモリセルMCからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、選択されたメモリセルMCの選択トランジスタ51がターンオンする。読み出し回路55は、MTJ素子10に、例えば右から左へ流れる読み出し電流Irを供給する。そして、読み出し回路55は、この読み出し電流Irに基づいて、MTJ素子10の抵抗値を検出する。このようにして、MTJ素子10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, the selection transistor 51 of the selected memory cell MC is turned on. The read circuit 55 supplies the MTJ element 10 with a read current Ir that flows from right to left, for example. Then, the read circuit 55 detects the resistance value of the MTJ element 10 based on the read current Ir. In this way, data stored in the MTJ element 10 can be read.

次に、MRAMの構造について説明する。図20は、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. 20 is a cross-sectional view showing the configuration of the MRAM centered on the memory cell MC.

P型半導体基板61の表面領域には、素子分離絶縁層が設けられ、この素子分離絶縁層が設けられていない半導体基板61の表面領域が素子を形成する素子領域(active area)となる。素子分離絶縁層は、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)により構成される。STIとしては、例えば酸化シリコンが用いられる。   An element isolation insulating layer is provided in the surface region of the P-type semiconductor substrate 61, and the surface region of the semiconductor substrate 61 in which this element isolation insulating layer is not provided becomes an element area (active area) for forming an element. The element isolation insulating layer is configured by, for example, STI (Shallow Trench Isolation). For example, silicon oxide is used as the STI.

半導体基板61の素子領域には、離間したソース領域S及びドレイン領域Dが設けられている。このソース領域S及びドレイン領域Dはそれぞれ、半導体基板61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S及びドレイン領域D間で半導体基板61上には、ゲート絶縁膜51Aを介して、ゲート電極51Bが設けられている。ゲート電極51Bは、ワード線WLとして機能する。このようにして、半導体基板61には、選択トランジスタ51が設けられている。 The element region of the semiconductor substrate 61 is provided with a source region S and a drain region D that are separated from each other. Each of the source region S and the drain region D is composed of an N + type diffusion region formed by introducing a high concentration N + type impurity into the semiconductor substrate 61. A gate electrode 51B is provided on the semiconductor substrate 61 between the source region S and the drain region D via a gate insulating film 51A. The gate electrode 51B functions as the word line WL. In this way, the selection transistor 51 is provided on the semiconductor substrate 61.

ソース領域S上には、コンタクト62を介して配線層63が設けられている。配線層63は、ビット線/BLとして機能する。   A wiring layer 63 is provided on the source region S via a contact 62. The wiring layer 63 functions as a bit line / BL.

ドレイン領域D上には、コンタクト64を介して引き出し線65が設けられている。引き出し線65上には、下部電極13及び上部電極19に挟まれたMTJ素子10が設けられている。上部電極19上には、配線層66が設けられている。配線層66は、ビット線BLとして機能する。また、半導体基板61と配線層66との間は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層67で満たされている。   On the drain region D, a lead line 65 is provided via a contact 64. An MTJ element 10 sandwiched between the lower electrode 13 and the upper electrode 19 is provided on the lead line 65. A wiring layer 66 is provided on the upper electrode 19. The wiring layer 66 functions as the bit line BL. The space between the semiconductor substrate 61 and the wiring layer 66 is filled with an interlayer insulating layer 67 made of, for example, silicon oxide.

以上詳述したように、第1の実施形態で示したMTJ素子10を用いてMRAMを構成することができる。なお、MTJ素子10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, the MRAM can be configured using the MTJ element 10 shown in the first embodiment. The MTJ element 10 can be used not only for a spin injection type magnetic memory but also for a domain wall motion type magnetic memory.

また、第2の実施形態で示したMRAMは、様々な装置に適用することが可能である。MRAMのいくつかの適用例について以下に説明する。   Further, the MRAM shown in the second embodiment can be applied to various devices. Several application examples of MRAM are described below.

(適用例1)
図21は、デジタル加入者線(DSL)用モデムのDSLデータパス部を抽出して示している。このモデムは、プログラマブルデジタルシグナルプロセッサ(DSP:Digital Signal Processor)100、アナログ−デジタル(A/D)コンバータ110、デジタル−アナログ(D/A)コンバータ120、送信ドライバ130、及び受信機増幅器140等を含んで構成されている。
(Application example 1)
FIG. 21 shows an extracted DSL data path portion of a digital subscriber line (DSL) modem. The modem includes a programmable digital signal processor (DSP) 100, an analog-digital (A / D) converter 110, a digital-analog (D / A) converter 120, a transmission driver 130, a receiver amplifier 140, and the like. It is configured to include.

図21では、バンドパスフィルタを省略しており、その代わりに回線コードプログラム(DSPで実行される、コード化された加入者回線情報、伝送条件等(回線コード:QAM、CAP、RSK、FM、AM、PAM、DWMT等)に応じてモデムを選択、動作させるためのプログラム)を保持するための種々のタイプのオプションのメモリとして、本実施形態のMRAM170とEEPROM180とを示している。   In FIG. 21, the band-pass filter is omitted, and instead, a line code program (encoded subscriber line information executed by the DSP, transmission conditions, etc. (line codes: QAM, CAP, RSK, FM, The MRAM 170 and the EEPROM 180 of this embodiment are shown as various types of optional memories for holding a program for selecting and operating a modem according to AM, PAM, DWMT, etc.).

なお、本適用例では、回線コードプログラムを保持するためのメモリとしてMRAM170とEEPROM180との2種類のメモリを用いているが、EEPROM180をMRAMに置き換えてもよい。すなわち、2種類のメモリを用いず、MRAMのみを用いるように構成してもよい。   In this application example, two types of memories, MRAM 170 and EEPROM 180, are used as memories for holding the line code program. However, EEPROM 180 may be replaced with MRAM. That is, it is possible to use only MRAM instead of using two types of memories.

(適用例2)
図22は、別の適用例として、携帯電話端末300を示している。通信機能を実現する通信部200は、送受信アンテナ201、アンテナ共用器202、受信部203、ベースバンド処理部204、音声コーデックとし用いられるDSP205、スピーカ(受話器)206、マイクロホン(送話器)207、送信部208、及び周波数シンセサイザ209等を備えている。
(Application example 2)
FIG. 22 shows a mobile phone terminal 300 as another application example. A communication unit 200 that realizes a communication function includes a transmission / reception antenna 201, an antenna duplexer 202, a reception unit 203, a baseband processing unit 204, a DSP 205 used as an audio codec, a speaker (receiver) 206, a microphone (transmitter) 207, A transmission unit 208, a frequency synthesizer 209, and the like are provided.

また、この携帯電話端末300には、当該携帯電話端末の各部を制御する制御部220が設けられている。制御部220は、CPU221、ROM222、本実施形態のMRAM223、及びフラッシュメモリ224がバス225を介して接続されて形成されたマイクロコンピュータである。上記ROM222には、CPU221において実行されるプログラムや表示用のフォント等の必要となるデータが予め記憶されている。   In addition, the mobile phone terminal 300 is provided with a control unit 220 that controls each unit of the mobile phone terminal. The control unit 220 is a microcomputer formed by connecting a CPU 221, a ROM 222, an MRAM 223 of the present embodiment, and a flash memory 224 via a bus 225. The ROM 222 stores necessary data such as programs executed in the CPU 221 and display fonts.

MRAM223は、主に作業領域として用いられるものであり、CPU221がプログラムの実行中において計算途中のデータ等を必要に応じて記憶したり、制御部220と各部との間でやり取りするデータを一時記憶したりする場合等に用いられる。また、フラッシュメモリ224は、携帯電話端末300の電源がオフされても、例えば直前の設定条件等を記憶しておき、次の電源オン時に同じ設定にするような使用方法をする場合に、それらの設定パラメータを記憶しておくものである。これによって、携帯電話端末300の電源がオフにされても、記憶されている設定パラメータを消失してしまうことがない。   The MRAM 223 is mainly used as a work area, and the CPU 221 stores data being calculated during execution of the program as needed, and temporarily stores data exchanged between the control unit 220 and each unit. It is used when doing. Further, the flash memory 224 stores, for example, the immediately previous setting conditions and the like even when the power of the mobile phone terminal 300 is turned off. The setting parameters are stored. Thereby, even if the power of the mobile phone terminal 300 is turned off, the stored setting parameters are not lost.

さらに、この携帯電話端末300には、オーディオ再生処理部211、外部出力端子212、LCDコントローラ213、表示用のLCD(液晶ディスプレイ)214、及び呼び出し音を発生するリンガ215等が設けられている。上記オーディオ再生処理部211は、携帯電話端末300に入力されたオーディオ情報(或いは、後述する外部メモリ240に記憶されたオーディオ情報)を再生する。再生されたオーディオ情報は、外部出力端子212を介してヘッドフォンや携帯型スピーカ等に伝えることにより、外部に取り出すことが可能である。このように、オーディオ再生処理部211を設けることにより、オーディオ情報の再生が可能となる。上記LCDコントローラ213は、例えば上記CPU221からの表示情報をバス225を介して受け取り、LCD214を制御するためのLCD制御情報に変換し、LCD214を駆動して表示を行わせる。   Further, the cellular phone terminal 300 is provided with an audio reproduction processing unit 211, an external output terminal 212, an LCD controller 213, a display LCD (liquid crystal display) 214, a ringer 215 that generates a ringing tone, and the like. The audio reproduction processing unit 211 reproduces audio information input to the mobile phone terminal 300 (or audio information stored in an external memory 240 described later). The reproduced audio information can be taken out by transmitting it to headphones or a portable speaker via the external output terminal 212. Thus, by providing the audio reproduction processing unit 211, it is possible to reproduce audio information. The LCD controller 213 receives, for example, display information from the CPU 221 via the bus 225, converts it into LCD control information for controlling the LCD 214, and drives the LCD 214 to perform display.

携帯電話端末300には、インターフェース回路(I/F)231,233,235、外部メモリ240、外部メモリスロット232、キー操作部234、及び外部入出力端子236等が設けられている。上記外部メモリスロット232にはメモリカード等の外部メモリ240が挿入される。この外部メモリスロット232は、インターフェース回路(I/F)231を介してバス225に接続される。このように、携帯電話端末300にスロット232を設けることにより、帯電話端末300の内部の情報を外部メモリ240に書き込んだり、或いは外部メモリ240に記憶された情報(例えばオーディオ情報)を携帯電話端末300に入力したりすることが可能となる。   The cellular phone terminal 300 is provided with interface circuits (I / F) 231, 233, 235, an external memory 240, an external memory slot 232, a key operation unit 234, an external input / output terminal 236, and the like. An external memory 240 such as a memory card is inserted into the external memory slot 232. The external memory slot 232 is connected to the bus 225 via an interface circuit (I / F) 231. As described above, by providing the slot 232 in the mobile phone terminal 300, information inside the mobile phone terminal 300 is written in the external memory 240, or information (eg, audio information) stored in the external memory 240 is stored in the mobile phone terminal. It is possible to input to 300.

上記キー操作部234は、インターフェース回路(I/F)233を介してバス225に接続される。キー操作部234から入力されたキー入力情報は、例えばCPU221に伝えられる。上記外部入出力端子236は、インターフェース回路(I/F)233を介してバス225に接続され、携帯電話端末300に外部から種々の情報を入力したり、或いは携帯電話端末300から外部へ情報を出力したりする際の端子として機能する。   The key operation unit 234 is connected to the bus 225 via an interface circuit (I / F) 233. Key input information input from the key operation unit 234 is transmitted to the CPU 221, for example. The external input / output terminal 236 is connected to the bus 225 via an interface circuit (I / F) 233, and inputs various information from the outside to the mobile phone terminal 300, or sends information from the mobile phone terminal 300 to the outside. It functions as a terminal for output.

なお、本適用例では、ROM222、MRAM223、及びフラッシュメモリ224を用いているが、フラッシュメモリ224をMRAMに置き換えてもよいし、さらにROM222もMRAMに置き換えることも可能である。   In this application example, the ROM 222, the MRAM 223, and the flash memory 224 are used. However, the flash memory 224 may be replaced with an MRAM, and the ROM 222 may be replaced with an MRAM.

(適用例3)
図23乃至図27は、MRAMをスマートメディア等のメディアコンテンツを収納するカード(MRAMカード)に適用した例をそれぞれ示す。
(Application example 3)
FIGS. 23 to 27 show examples in which the MRAM is applied to a card (MRAM card) that stores media contents such as smart media.

図23に示すように、MRAMカード本体400には、MRAMチップ401が内蔵されている。このカード本体400には、MRAMチップ401に対応する位置に開口部402が形成され、MRAMチップ401が露出されている。この開口部402にはシャッター403が設けられており、当該MRAMカードの携帯時にMRAMチップ401がシャッター403で保護されるようになっている。このシャッター403は、外部磁場を遮蔽する効果のある材料、例えばセラミックからなっている。データを転写する場合には、シャッター403を開放してMRAMチップ401を露出させて行なう。外部端子404は、MRAMカードに記憶されたコンテンツデータを外部に取り出すためのものである。   As shown in FIG. 23, an MRAM chip 401 is built in the MRAM card main body 400. In the card body 400, an opening 402 is formed at a position corresponding to the MRAM chip 401, and the MRAM chip 401 is exposed. The opening 402 is provided with a shutter 403 so that the MRAM chip 401 is protected by the shutter 403 when the MRAM card is carried. The shutter 403 is made of a material having an effect of shielding an external magnetic field, for example, ceramic. When transferring data, the shutter 403 is opened and the MRAM chip 401 is exposed. The external terminal 404 is for taking out content data stored in the MRAM card to the outside.

図24及び図25は、上記MRAMカードにデータを転写するための、カード挿入型の転写装置500の上面図及び断面図を示している。   24 and 25 show a top view and a cross-sectional view of a card insertion type transfer device 500 for transferring data to the MRAM card.

データ転写装置500は、収納部500aを有している。この収納部500aには、第1のMRAMカード550が収納されている。収納部500aには、第1のMRAMカード550に電気的に接続された外部端子530が設けられており、この外部端子530を用いて第1のMRAMカード550のデータが書き換えられる。   The data transfer device 500 includes a storage unit 500a. The storage unit 500a stores the first MRAM card 550. The storage unit 500 a is provided with an external terminal 530 that is electrically connected to the first MRAM card 550, and the data of the first MRAM card 550 is rewritten using the external terminal 530.

エンドユーザの使用する第2MRAMカード450を、矢印で示すように転写装置500の挿入部510より挿入し、ストッパ520で止まるまで押し込む。このストッパ520は、第1MRAM550と第2MRAMカード450を位置合わせするための部材としても働く。第2MRAMカード450が所定位置に配置されると、第1MRAMデータ書き換え制御部から外部端子530に制御信号が供給され、第1MRAM550に記憶されたデータが第2MRAMカード450に転写される。   The second MRAM card 450 used by the end user is inserted from the insertion portion 510 of the transfer device 500 as indicated by an arrow, and is pushed in until it stops at the stopper 520. The stopper 520 also functions as a member for aligning the first MRAM 550 and the second MRAM card 450. When the second MRAM card 450 is arranged at a predetermined position, a control signal is supplied from the first MRAM data rewrite control unit to the external terminal 530, and the data stored in the first MRAM 550 is transferred to the second MRAM card 450.

図26には、はめ込み型の転写装置を示す。この転写装置は、矢印で示すように、ストッパ520を目標に、第1MRAM550上に第2MRAMカード450をはめ込むように載置するタイプである。転写方法についてはカード挿入型と同一であるので、説明を省略する。   FIG. 26 shows a fitting type transfer device. This transfer device is a type that is placed so as to fit the second MRAM card 450 on the first MRAM 550 with the stopper 520 as a target, as indicated by an arrow. Since the transfer method is the same as that of the card insertion type, the description is omitted.

図27には、スライド型の転写装置を示す。この転写装置は、CD−ROMドライブやDVDドライブと同様に、転写装置500に受け皿スライド560が設けられており、この受け皿スライド560が矢印で示すように移動する。受け皿スライド560が破線の位置に移動したときに第2MRAMカード450を受け皿スライド560に載置し、第2MRAMカード450を転写装置500の内部へ搬送する。ストッパ520に第2MRAMカード450の先端部が当接するように搬送される点、及び転写方法についてはカード挿入型と同一であるので、説明を省略する。   FIG. 27 shows a slide type transfer device. In this transfer device, similarly to the CD-ROM drive and DVD drive, a tray slide 560 is provided in the transfer device 500, and the tray slide 560 moves as indicated by an arrow. When the tray slide 560 moves to the position of the broken line, the second MRAM card 450 is placed on the tray slide 560 and the second MRAM card 450 is conveyed into the transfer device 500. The point that the tip of the second MRAM card 450 is brought into contact with the stopper 520 and the transfer method are the same as those of the card insertion type, and thus the description thereof is omitted.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention. In addition, various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiments. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the embodiments, or constituent elements of different embodiments may be appropriately combined.

ダンピング定数とCo−Fe合金の組成との関係を示す図。The figure which shows the relationship between a damping constant and the composition of a Co-Fe alloy. ダンピング定数とPd−Au合金の組成との関係を示す図。The figure which shows the relationship between a damping constant and a composition of Pd-Au alloy. 磁気異方性エネルギー密度とPd−Au合金の組成との関係を示す図。The figure which shows the relationship between a magnetic anisotropic energy density and a composition of a Pd-Au alloy. 第1の実施形態に係るGMR素子の構成を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the GMR element according to the first embodiment. 図4に示したGMR素子のMR−H曲線を示す図。The figure which shows the MR-H curve of the GMR element shown in FIG. 第1の実施形態に係るMTJ構造の断面図。Sectional drawing of the MTJ structure which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るシングルピン構造のMTJ素子10の概略図。1 is a schematic view of an MTJ element 10 having a single pin structure according to a first embodiment. 具体例1−1に係るMTJ素子10の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the MTJ element 10 which concerns on the specific example 1-1. 第1の実施形態に係るデュアルピン構造のMTJ素子10の概略図。1 is a schematic diagram of an MTJ element 10 having a dual pin structure according to a first embodiment. 具体例2−1に係るMTJ素子10の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the MTJ element 10 concerning the specific example 2-1. 具体例2−2に係るMTJ素子10の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the MTJ element 10 concerning the specific example 2-2. 具体例2−3に係るMTJ素子10の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the MTJ element 10 concerning the specific example 2-3. 具体例2−4のMTJ素子10の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the MTJ element 10 of the specific example 2-4. 具体例2−5のMTJ素子10の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the MTJ element 10 of the specific example 2-5. 固定層22の他の構成例を説明する図。The figure explaining the other structural example of the fixed layer 22. FIG. 固定層22の他の構成例を説明する図。The figure explaining the other structural example of the fixed layer 22. FIG. 固定層22の他の構成例を説明する図。The figure explaining the other structural example of the fixed layer 22. FIG. 固定層22の他の構成例を説明する図。The figure explaining the other structural example of the fixed layer 22. FIG. 本発明の第2の実施形態に係るMRAMの構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of MRAM which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. メモリセルMCを中心に示したMRAMの構成を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of an MRAM centered on a memory cell MC. MRAMの適用例1に係るデジタル加入者線(DSL)用モデムのDSLデータパス部を示すブロック図。The block diagram which shows the DSL data path part of the modem for digital subscriber lines (DSL) based on the application example 1 of MRAM. MRAMの適用例2に係る携帯電話端末300を示すブロック図。The block diagram which shows the mobile telephone terminal 300 which concerns on the application example 2 of MRAM. MRAMの適用例3に係るMRAMカード400を示す上面図。The top view which shows the MRAM card | curd 400 which concerns on the application example 3 of MRAM. MRAMカードにデータを転写するための転写装置500を示す平面図。The top view which shows the transfer apparatus 500 for transferring data to an MRAM card. MRAMカードにデータを転写するための転写装置500を示す断面図。Sectional drawing which shows the transfer apparatus 500 for transferring data to an MRAM card. MRAMカードにデータを転写するための、はめ込み型の転写装置500を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a fitting type transfer device 500 for transferring data to an MRAM card. MRAMカードにデータを転写するための、スライド型の転写装置500を示す断面図。Sectional drawing which shows the slide-type transfer apparatus 500 for transferring data to an MRAM card.

10…MTJ素子、11…基板、12…低抵抗層、13…密着層(下部電極)、14…下地層、15…固定層、15A…界面層、16…トンネルバリア層、17…記録層、17A…磁性層、17B…非磁性層、18…保護層、19…ハードマスク(上部電極)、21…スペーサー層、22…固定層、22−1,22−3…磁性層、22−2…非磁性層、50…メモリセルアレイ、51…選択トランジスタ、51A…ゲート絶縁膜、51B…ゲート電極、52…ロウデコーダ、53…カラムデコーダ、54…書き込み回路、55…読み出し回路、61…半導体基板、62,64…コンタクト、63,66…配線層、65…引き出し線、67…層間絶縁層、MC…メモリセル、BL…ビット線、WL…ワード線、S…ソース領域、D…ドレイン領域、100…DSP、110…A/Dコンバータ、120…D/Aコンバータ、130…送信ドライバ、140…受信機増幅器、170…MRAM、180…EEPROM、200…通信部、201…送受信アンテナ、202…アンテナ共用器、203…受信部、204…ベースバンド処理部、205…DSP、206…スピーカ、207…マイクロホン、208…送信部、209…周波数シンセサイザ、211…オーディオ再生処理部、212…外部出力端子、213…LCDコントローラ、214…LCD、215…リンガ、220…制御部、221…CPU、222…ROM、223…MRAM、224…フラッシュメモリ、225…バス、231,233,235…インターフェース回路、232…外部メモリスロット、232…スロット、234…キー操作部、236…外部入出力端子、240…外部メモリ、300…携帯電話端末、400…MRAMカード本体、401…MRAMチップ、402…開口部、403…シャッター、404…外部端子、450…MRAMカード、500…転写装置、510…挿入部、520…ストッパ、530…外部端子、550…MRAM、560…受け皿スライド。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... MTJ element, 11 ... Substrate, 12 ... Low resistance layer, 13 ... Adhesion layer (lower electrode), 14 ... Underlayer, 15 ... Fixed layer, 15A ... Interface layer, 16 ... Tunnel barrier layer, 17 ... Recording layer, 17A ... magnetic layer, 17B ... nonmagnetic layer, 18 ... protective layer, 19 ... hard mask (upper electrode), 21 ... spacer layer, 22 ... fixed layer, 22-1, 22-3 ... magnetic layer, 22-2 ... Nonmagnetic layer, 50 ... memory cell array, 51 ... select transistor, 51A ... gate insulating film, 51B ... gate electrode, 52 ... row decoder, 53 ... column decoder, 54 ... write circuit, 55 ... read circuit, 61 ... semiconductor substrate, 62, 64 ... contact, 63, 66 ... wiring layer, 65 ... lead-out line, 67 ... interlayer insulating layer, MC ... memory cell, BL ... bit line, WL ... word line, S ... source region, D ... drain region , 100 ... DSP, 110 ... A / D converter, 120 ... D / A converter, 130 ... transmission driver, 140 ... receiver amplifier, 170 ... MRAM, 180 ... EEPROM, 200 ... communication unit, 201 ... transmission / reception antenna, 202 ... Antenna duplexer 203 ... receiving unit 204 ... baseband processing unit 205 ... DSP, 206 ... speaker, 207 ... microphone, 208 ... transmitting unit, 209 ... frequency synthesizer, 211 ... audio reproduction processing unit, 212 ... external output terminal 213 ... LCD controller, 214 ... LCD, 215 ... linger, 220 ... control unit, 221 ... CPU, 222 ... ROM, 223 ... MRAM, 224 ... flash memory, 225 ... bus, 231,233,235 ... interface circuit, 232 ... External memory slot, 232 ... 234 ... Key operation unit, 236 ... External input / output terminal, 240 ... External memory, 300 ... Mobile phone terminal, 400 ... MRAM card body, 401 ... MRAM chip, 402 ... Opening, 403 ... Shutter, 404 ... External Terminals, 450 ... MRAM card, 500 ... transfer device, 510 ... insertion section, 520 ... stopper, 530 ... external terminal, 550 ... MRAM, 560 ... dish slide.

Claims (20)

膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が固定された第1の固定層と、
磁性層と非磁性層とが交互に積層された積層構造からなり、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が変化可能である記録層と、
前記第1の固定層と前記記録層との間に設けられ、かつ非磁性材料からなる第1の中間層と
を具備し、
前記記録層を構成する磁性層のうち前記第1の中間層と接する第1の磁性層は、コバルト(Co)及び鉄(Fe)を含む合金からなり、かつその膜厚が前記第1の中間層と接していない磁性層の膜厚より大きいことを特徴とする磁気抵抗素子。
A first fixed layer having magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a fixed magnetization direction;
A recording layer having a laminated structure in which magnetic layers and nonmagnetic layers are alternately laminated, having a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface, and capable of changing the magnetization direction;
A first intermediate layer provided between the first fixed layer and the recording layer and made of a nonmagnetic material;
Of the magnetic layers constituting the recording layer, the first magnetic layer in contact with the first intermediate layer is made of an alloy containing cobalt (Co) and iron (Fe), and the film thickness thereof is the first intermediate layer. A magnetoresistive element having a thickness greater than that of a magnetic layer not in contact with the layer.
前記記録層を構成する磁性層のうち少なくとも1層は、コバルト(Co)及び鉄(Fe)を含む合金Co100−x−Feからなり、x≧20at%であることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗素子。 Claim wherein at least one layer of the magnetic layers constituting the recording layer, which consists of an alloy Co 100-x -Fe x containing cobalt (Co) and iron (Fe), characterized in that it is a x ≧ 20at% 1. The magnetoresistive element according to 1. 前記第1の磁性層は、コバルト(Co)、鉄(Fe)、及びホウ素(B)を含む合金(Co100−x−Fe100−yからなり、x≧20at%、0<y≦30at%であることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気抵抗素子。 It said first magnetic layer is comprised of cobalt (Co), iron (Fe), and an alloy (Co 100-x -Fe x) 100-y B y containing boron (B), x ≧ 20at% , 0 < The magnetoresistive element according to claim 1, wherein y ≦ 30 at%. 前記第1の磁性層は、コバルト(Co)を含み、その組成がCoXYである合金からなり、Xはバナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、及び銅(Cu)のうち1つ以上の元素であり、Yはアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、すず(Sn)、及びアンチモン(Sb)のうち1つ以上の元素であることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気抵抗素子。 The first magnetic layer is made of an alloy containing cobalt (Co) and having a composition of Co 2 XY, where X is vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni) and one or more elements of copper (Cu), Y is aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn) And at least one element selected from antimony (Sb). 前記記録層を構成する非磁性層のうち少なくとも1層は、パラジウム(Pd)及び金(Au)を含む合金からなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の磁気抵抗素子。   5. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein at least one of the nonmagnetic layers constituting the recording layer is made of an alloy containing palladium (Pd) and gold (Au). 前記記録層を構成する非磁性層のうち前記第1の中間層から最も離れた非磁性層は、金(Au)からなることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気抵抗素子。   6. The magnetoresistance according to claim 1, wherein a nonmagnetic layer farthest from the first intermediate layer among the nonmagnetic layers constituting the recording layer is made of gold (Au). element. 前記第1の中間層は、NaCl構造を有し、かつ(100)面に配向することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気抵抗素子。   The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the first intermediate layer has a NaCl structure and is oriented in a (100) plane. 前記第1の中間層は、酸化マグネシウムからなることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の磁気抵抗素子。   The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the first intermediate layer is made of magnesium oxide. 前記第1の磁性層は、立方晶構造或いは正方晶構造を有し、かつ(100)面に配向することを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の磁気抵抗素子。   9. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the first magnetic layer has a cubic structure or a tetragonal structure, and is oriented in a (100) plane. 前記第1の固定層は、L1構造を有する強磁性合金を含むことを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の磁気抵抗素子。 Said first pinned layer, the magnetoresistive element according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it comprises a ferromagnetic alloy having an L1 0 structure. 前記第1の固定層は、鉄(Fe)、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)のうち1つ以上の元素と、パラジウム(Pd)、及び白金(Pt)のうち1つ以上の元素とを含むことを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の磁気抵抗素子。   The first fixed layer includes one or more elements of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), and one or more elements of palladium (Pd) and platinum (Pt). The magnetoresistive element according to claim 1, comprising: 前記第1の固定層と前記第1の中間層との間に設けられた界面層をさらに具備し、
前記界面層は、コバルト(Co)、鉄(Fe)、及びホウ素(B)を含む合金(Co100−x−Fe100−yからなり、x≧20at%、0<y≦30at%であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
Further comprising an interface layer provided between the first fixed layer and the first intermediate layer;
The interfacial layer is comprised of cobalt (Co), iron (Fe), and alloys containing boron (B) (Co 100-x -Fe x) consists 100-y B y, x ≧ 20at%, 0 <y ≦ 30at The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetoresistive element is%.
前記界面層は、立方晶構造或いは正方晶構造を有し、かつ(100)面に配向することを特徴とする請求項12に記載の磁気抵抗素子。   The magnetoresistive element according to claim 12, wherein the interface layer has a cubic structure or a tetragonal structure and is oriented in a (100) plane. 膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が固定された第2の固定層と、
前記第2の固定層と前記記録層との間に設けられ、かつ非磁性材料からなる第2の中間層とをさらに具備することを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
A second pinned layer having magnetic anisotropy perpendicular to the film surface and having a fixed magnetization direction;
12. The magnetism according to claim 1, further comprising a second intermediate layer provided between the second pinned layer and the recording layer and made of a nonmagnetic material. Resistance element.
前記第2の中間層は、金(Au)からなることを特徴とする請求項14に記載の磁気抵抗素子。   The magnetoresistive element according to claim 14, wherein the second intermediate layer is made of gold (Au). 前記第1の固定層及び前記第2の固定層のうち少なくとも1層は、第2の磁性層と、第3の磁性層と、前記第2の磁性層と前記第3の磁性層との間に設けられた第1の非磁性層とを含み、
前記第2の磁性層と前記第3の磁性層とが互いに反強磁性的に結合していることを特徴とする請求項14又は15に記載の磁気抵抗素子。
At least one of the first pinned layer and the second pinned layer is between the second magnetic layer, the third magnetic layer, and the second magnetic layer and the third magnetic layer. And a first nonmagnetic layer provided on
The magnetoresistive element according to claim 14 or 15, wherein the second magnetic layer and the third magnetic layer are antiferromagnetically coupled to each other.
前記第1の非磁性層は、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、レニウム(Re)、及びロジウム(Rh)のうち1つの元素からなる金属、或いはこれらのうち少なくとも1つ以上の元素を含む合金からなることを特徴とする請求項16に記載の磁気抵抗素子。   The first nonmagnetic layer includes a metal composed of one element out of ruthenium (Ru), osmium (Os), rhenium (Re), and rhodium (Rh), or at least one of these elements. The magnetoresistive element according to claim 16, which is made of an alloy. 請求項1乃至17のいずれか1項に記載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第1及び第2の電極とを含むメモリセルを具備することを特徴とする磁気メモリ。   18. The magnetoresistive element according to claim 1, and first and second electrodes provided so as to sandwich the magnetoresistive element and energizing the magnetoresistive element. A magnetic memory comprising a memory cell. 前記第1の電極に電気的に接続された第1の配線と、
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18に記載の磁気メモリ。
A first wiring electrically connected to the first electrode;
A second wiring electrically connected to the second electrode;
The magnetic circuit according to claim 18, further comprising a writing circuit electrically connected to the first wiring and the second wiring and supplying a current to the magnetoresistive element bidirectionally. memory.
前記メモリセルは、前記第2の電極と前記書き込み回路との間に電気的に接続された選択トランジスタを含むことを特徴とする請求項19に記載の磁気メモリ。   The magnetic memory according to claim 19, wherein the memory cell includes a selection transistor electrically connected between the second electrode and the write circuit.
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