JP2002353417A - Magnetoresistive effect element and magnetic memory device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、外部から加える磁
界によって抵抗値が変化するという、いわゆるMR(Ma
gnetoResistive)効果を発生する磁気抵抗効果素子、お
よび、その磁気抵抗効果素子を用いて情報を記憶するメ
モリデバイスとして構成された磁気メモリ装置に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a so-called MR (Ma
The present invention relates to a magnetoresistive element that generates a gnetoResistive effect and a magnetic memory device configured as a memory device that stores information using the magnetoresistive element.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、メモリデバイスとして機能する磁
気メモリ装置の一つとして、MRAM(Magnetic Rando
m Access Memory)が提案されている。MRAMは、巨
大磁気抵抗効果(Giant Magnetoresistive;GMR)型
またはトンネル磁気抵抗効果(Tunnel Magnetoresistiv
e;TMR)型の磁気抵抗効果素子を用い、その磁気抵
抗効果素子における磁化方向の反転を利用して情報記憶
を行うものである。2. Description of the Related Art In recent years, an MRAM (Magnetic Rando) has been used as one of magnetic memory devices functioning as a memory device.
m Access Memory) has been proposed. The MRAM is a Giant Magnetoresistive (GMR) type or a Tunnel Magnetoresistiv.
(e; TMR) type magnetoresistive element, and stores information by utilizing the reversal of the magnetization direction in the magnetoresistive element.
【0003】このようなMRAMに用いられる磁気抵抗
効果素子は、例えばTMR型のスピンバルブ素子であれ
ば、図10(a)および(b)に示すように構成されて
いる。すなわち、強磁性体からなる自由層71および固
定層72と、これらの間に介在する絶縁体からなる非磁
性層73と、固定層72の磁化方向を直接的または間接
的に固定する反強磁性層74とが順に積層されてなり、
自由層71における磁化方向によってトンネル電流の抵
抗値が変わるように構成されている。これにより、磁気
抵抗効果素子では、自由層71における磁化方向に応じ
て、磁化がある方向を向いたときは「1」、他方を向い
たときは「0」といった情報記憶を行うことが可能とな
る。また、磁気抵抗効果素子への情報の書き込みは、外
部から自由層71の磁化方向反転に必要な磁界Hcを超
える値の磁界を与え、その自由層71の磁化方向を変化
させることで行うようになっている。A magnetoresistive element used in such an MRAM is, for example, a TMR type spin valve element configured as shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b). That is, the free layer 71 and the fixed layer 72 made of a ferromagnetic material, the nonmagnetic layer 73 made of an insulator interposed therebetween, and the antiferromagnetic layer that directly or indirectly fixes the magnetization direction of the fixed layer 72. Layers 74 are sequentially laminated,
The resistance value of the tunnel current changes according to the magnetization direction in the free layer 71. Thereby, in the magnetoresistive effect element, it is possible to store information such as “1” when the magnetization is directed in one direction and “0” when the magnetization is directed in the other direction, according to the magnetization direction in the free layer 71. Become. Writing information to the magneto-resistance effect element is performed by applying a magnetic field having a value exceeding the magnetic field Hc necessary for reversing the magnetization direction of the free layer 71 from the outside and changing the magnetization direction of the free layer 71. Has become.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】ところで、磁気抵抗効
果素子においては、情報を書き込む際における自由層7
1の磁化方向の反転動作が、ゼロ磁場を中心にして正負
対称に行われることが望ましい。すなわち、自由層71
は、磁化方向がどちらに向く場合であっても、その変化
際の動作点中心がゼロ磁場であることが望ましい。By the way, in the magnetoresistive element, the free layer 7 when writing information is used.
It is desirable that the reversal operation of the magnetization direction of 1 be performed symmetrically with respect to the zero magnetic field. That is, the free layer 71
Regardless of the direction of magnetization, it is desirable that the operating point center at the time of the change be a zero magnetic field.
【0005】これは、動作点中心がゼロ磁場からずれて
しまうと、その非対称性に起因して、磁気抵抗効果素子
に「1」という情報を書き込む際の動作と、「0」とい
う情報を書き込む際の動作とに違いが生じてしまうから
である。このような違いは、磁気抵抗効果素子への情報
書き込みの際の外部磁界を発生させる回路部分での負担
増大を招き、また複数の磁気抵抗効果素子がマトリクス
状に互いに近接して配置された場合における各磁気抵抗
効果素子の動作マージン確保の障害となるため、好まし
くない。[0005] When the center of the operating point deviates from the zero magnetic field, due to the asymmetry, the operation for writing the information "1" to the magnetoresistive element and the operation for writing the information "0" to the magnetoresistive element. This is because there is a difference from the operation at the time. Such a difference causes an increase in a load on a circuit portion that generates an external magnetic field when writing information to the magnetoresistive element, and when a plurality of magnetoresistive elements are arranged close to each other in a matrix. In this case, it is not preferable because the operation margin of each magnetoresistive effect element is hindered.
【0006】しかしながら、磁気抵抗効果素子において
は、自由層71に対して、固定層72との間の静磁結合
による磁界(以下「静磁結合磁界」という)の影響と、
その界面における凹凸に起因して発生する磁界(以下
「ネール結合磁界」という)の影響とが及ぶ。このよう
な自由層71に対する影響は、その自由層71における
動作中心点のゼロ磁場からのずれを招くため、極力抑え
るべきである。However, in the magnetoresistive effect element, the effect of a magnetic field due to magnetostatic coupling between the free layer 71 and the fixed layer 72 (hereinafter referred to as a “static magnetic coupling magnetic field”)
The influence of a magnetic field (hereinafter, referred to as a “Neel coupling magnetic field”) generated due to unevenness at the interface is exerted. Such an effect on the free layer 71 causes a shift of the operation center point of the free layer 71 from the zero magnetic field, and therefore, should be suppressed as much as possible.
【0007】静磁結合磁界の影響は、図11に示すよう
に、固定層72の端面に生じる磁極に起因して発生する
ため(図中矢印A参照)、固定層72の大きさ(磁気抵
抗効果素子の寸法)およびその磁化量に依存したものと
なる。したがって、素子寸法が十分に大きければ、その
影響は小さくなり、上述した動作中心点のずれの問題は
解消し得る。また、素子寸法が小さい場合であっても、
例えば特開平11−161919号公報に開示されてい
るように、固定層72における正味の磁化量を積層フェ
リ構造等を用いてゼロにすれば、自由層71に対する静
磁結合磁界の影響を十分に抑制し得るようになる。As shown in FIG. 11, the effect of the magnetostatic coupling magnetic field is caused by magnetic poles generated on the end face of the fixed layer 72 (see arrow A in the figure). Effect element size) and its magnetization amount. Therefore, if the element size is sufficiently large, the effect is reduced, and the above-mentioned problem of the shift of the operation center point can be solved. Also, even when the element dimensions are small,
For example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-161919, if the net magnetization in the fixed layer 72 is made zero by using a laminated ferri-structure or the like, the effect of the magnetostatic coupling magnetic field on the free layer 71 is sufficiently reduced. It can be suppressed.
【0008】これに対して、ネール結合磁界の影響は、
以下のようにして発生する。自由層71を含む各層71
〜74は、通常、薄膜技術を用いて成膜されるが、これ
ら各層71〜74の界面を微視的に見ると、図12に示
すように、その界面には面粗さに応じた凹凸が形成され
ている。そのため、自由層71および固定層72におけ
る凹凸の壁部近傍には、+または−といった正負いずれ
かの磁極ができてしまう。このことは、本来、磁化方向
が自由に反転できるはずの自由層71に影響を及ぼすこ
とを意味している。つまり、その影響によって、自由層
71では、磁化方向が反転する際の動作点中心が一定方
向にシフトしてしまうようなネール結合磁界が発生し、
結果としてその動作点中心がゼロ磁場からずれてしまう
ことになる。On the other hand, the effect of the Neel coupling magnetic field is
It occurs as follows. Each layer 71 including the free layer 71
Normally, layers 74 to 74 are formed by using a thin film technique. When microscopically viewing the interface between these layers 71 to 74, as shown in FIG. Are formed. Therefore, positive or negative magnetic poles such as + or-are formed in the vicinity of the uneven wall portions of the free layer 71 and the fixed layer 72. This means that the free layer 71 whose magnetization direction can be freely reversed is affected. That is, due to the influence, a Neel coupling magnetic field is generated in the free layer 71 such that the center of the operating point when the magnetization direction is reversed is shifted in a certain direction.
As a result, the center of the operating point deviates from the zero magnetic field.
【0009】このようなネール結合磁界は、各層71〜
74の界面における凹凸を除去することで、その発生を
回避することが考えられる。ところが、現状における薄
膜技術では、凹凸を完全に除去することはできず、また
磁気抵抗効果素子の生産効率や製造コスト等を考慮すれ
ば、ある程度の凹凸を許容することが現実的である。Such a Neel coupling magnetic field is generated in each of the layers 71-71.
It is conceivable to avoid the occurrence by removing the irregularities at the interface 74. However, with the current thin film technology, it is impossible to completely remove irregularities, and it is practical to allow some irregularities in consideration of the production efficiency and the production cost of the magnetoresistive element.
【0010】そこで、本発明は、ネール結合磁界が発生
する場合であっても、その影響を排除して、磁化方向が
反転する際の動作点中心をゼロ磁場に合わせることので
きる磁気抵抗効果素子およびその磁気抵抗効果素子を用
いた磁気メモリ装置を提供することを目的とする。Accordingly, the present invention provides a magnetoresistive element capable of adjusting the center of the operating point when the magnetization direction is reversed to zero magnetic field by eliminating the influence of the Neel coupling magnetic field even when it occurs. And a magnetic memory device using the magnetoresistive element.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために案出された磁気抵抗効果素子で、少なくと
も強磁性体からなる自由層、非磁性体からなる非磁性層
および強磁性体からなる固定層が積層されてなり、前記
自由層における磁化方向の変化を利用して情報記録を行
う磁気メモリ装置に用いられるものにおいて、前記自由
層の前記固定層が積層されていない側に反強磁性体から
なる反強磁性層が設けられているとともに、前記自由層
と前記反強磁性層とが非磁性体からなる第二非磁性層を
介して接合されていることを特徴とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to a magnetoresistive element devised to achieve the above object, wherein at least a free layer made of a ferromagnetic material, a nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material, and a ferromagnetic material. A fixed layer made of a body is laminated, and used in a magnetic memory device that performs information recording by using a change in the magnetization direction in the free layer, wherein the free layer is provided on the side where the fixed layer is not laminated. An antiferromagnetic layer made of an antiferromagnetic material is provided, and the free layer and the antiferromagnetic layer are joined via a second nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material. .
【0012】また、本発明は、上記目的を達成するため
に案出された磁気メモリ装置で、少なくとも強磁性体か
らなる自由層、非磁性体からなる非磁性層および強磁性
体からなる固定層が積層されてなる磁気抵抗効果素子を
具備し、当該磁気抵抗効果素子の自由層における磁化方
向の変化を利用して情報記録を行うものにおいて、前記
磁気抵抗効果素子が、前記自由層の前記固定層が積層さ
れていない側に反強磁性体からなる反強磁性層が設けら
れているとともに、前記自由層と前記反強磁性層とが非
磁性体からなる第二非磁性層を介して接合されたもので
あることを特徴とする。The present invention also provides a magnetic memory device devised to achieve the above object, wherein at least a free layer made of a ferromagnetic material, a nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material, and a fixed layer made of a ferromagnetic material Wherein the magneto-resistance effect element is formed by laminating, and the information is recorded by using the change in the magnetization direction in the free layer of the magneto-resistance effect element. An antiferromagnetic layer made of an antiferromagnetic material is provided on the side where the layers are not stacked, and the free layer and the antiferromagnetic layer are joined via a second nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material. It is characterized by having been done.
【0013】上記構成の磁気抵抗効果素子および磁気メ
モリ装置によれば、自由層には、反強磁性層が第二非磁
性層を介して接合されているので、その反強磁性層との
積層界面での交換バイアスによる影響が及ぶ。しかも、
その影響の大きさは、第二非磁性層の厚さによって変わ
る。したがって、例えば磁気抵抗効果素子を構成する各
層の界面の状態に起因するネール結合磁界が発生して
も、そのネール結合磁界が働く方向とは逆方向に反強磁
性層による交換バイアスの影響が働き、かつ、自由層が
双方から受ける影響の絶対量を略同等となるように、反
強磁性層および第二非磁性層を形成すれば、自由層の磁
化方向が変化する際の動作点中心がゼロ磁場に合うよう
に、その動作点中心のずれが補正されることになる。According to the magnetoresistive element and the magnetic memory device having the above-described structures, the antiferromagnetic layer is joined to the free layer via the second nonmagnetic layer. The effect is due to the exchange bias at the interface. Moreover,
The magnitude of the effect varies depending on the thickness of the second nonmagnetic layer. Therefore, for example, even if a Neel coupling magnetic field is generated due to the state of the interface between the layers constituting the magnetoresistive element, the effect of the exchange bias by the antiferromagnetic layer acts in a direction opposite to the direction in which the Neel coupling magnetic field operates. Also, if the antiferromagnetic layer and the second nonmagnetic layer are formed so that the absolute amounts of influence of the free layer on both sides are substantially equal, the operating point center when the magnetization direction of the free layer changes is The deviation of the center of the operating point is corrected so as to match the zero magnetic field.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明に係る
磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置について説明す
る。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a magnetoresistive element and a magnetic memory device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
【0015】図1は、本発明に係る磁気抵抗効果素子の
概略構成の一例を示す模式図である。図例のように、磁
気抵抗効果素子10は、強磁性体からなる自由層11
と、非磁性体からなる非磁性層12と、強磁性体からな
る固定層13と、その固定層13の磁化方向を直接的ま
たは間接的に固定する反強磁性層14とが順に積層され
てなり、自由層11における磁化方向の変化を利用して
情報記録を行うように構成されている。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a schematic configuration of a magnetoresistive element according to the present invention. As shown in the drawing, the magnetoresistive element 10 includes a free layer 11 made of a ferromagnetic material.
A non-magnetic layer 12 made of a non-magnetic material, a fixed layer 13 made of a ferromagnetic material, and an antiferromagnetic layer 14 for directly or indirectly fixing the magnetization direction of the fixed layer 13. In other words, the information recording is performed using the change in the magnetization direction in the free layer 11.
【0016】さらに、自由層11の固定層13が積層さ
れていない側には、反強磁性層14とは別に、反強磁性
体からなる反強磁性層(以下「第二反強磁性層」とい
う)15が設けられている。そして、これら自由層11
および第二反強磁性層15は、非磁性体からなる非磁性
層(以下「第二非磁性層」という)16を介して互いに
接合されている。なお、第二反強磁性層15における異
方性の方向は、固定層13における磁化方向と略平行で
あるものとする。これにより、磁気抵抗効果素子10
は、後述する磁気メモリ装置(MRAM)に用いて好適
なものとなる。Further, on the side of the free layer 11 where the fixed layer 13 is not laminated, an antiferromagnetic layer made of an antiferromagnetic material (hereinafter referred to as a “second antiferromagnetic layer”) is provided separately from the antiferromagnetic layer 14. 15) are provided. And these free layers 11
The second antiferromagnetic layer 15 and the second antiferromagnetic layer 15 are joined to each other via a nonmagnetic layer 16 made of a nonmagnetic material (hereinafter, referred to as a “second nonmagnetic layer”). Note that the direction of anisotropy in the second antiferromagnetic layer 15 is substantially parallel to the magnetization direction in the fixed layer 13. Thereby, the magnetoresistance effect element 10
Is suitable for use in a magnetic memory device (MRAM) described later.
【0017】続いて、以上のような構成の磁気抵抗効果
素子10を用いて構成された磁気メモリ装置、すなわち
本発明に係る磁気メモリ装置の全体の概略構成について
説明する。図2は、MRAMと呼ばれる磁気メモリ装置
の基本的な構成例を示す模式図である。Next, a description will be given of a schematic configuration of a magnetic memory device constituted by using the magnetoresistive element 10 having the above-described structure, that is, the entire magnetic memory device according to the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a basic configuration example of a magnetic memory device called an MRAM.
【0018】図2(a)に示すように、MRAMでは、
複数の磁気抵抗効果素子10がマトリクス状に配されて
いる。さらに、これらの磁気抵抗効果素子10が配され
た行および列のそれぞれに対応するように、相互に交差
するワード書き込み線20およびビット書き込み線30
が、各磁気抵抗効果素子10群を縦横に横切るように設
けられている。そして、各磁気抵抗効果素子10は、ワ
ード書き込み線20とビット書き込み線30とに上下か
ら挟まれた状態で、かつ、これらの交差領域に位置する
ように、それぞれが配置されている。なお、ワード書き
込み線20およびビット書き込み線30のうち一方は自
由層11の磁化容易軸方向と略平行に配設され、他方は
磁化困難軸方向に略平行に配設されている。例えば、ビ
ット書き込み線30が自由層11の磁化容易軸方向と略
平行である場合が考えられる。As shown in FIG. 2A, in the MRAM,
A plurality of magnetoresistive elements 10 are arranged in a matrix. Furthermore, a word write line 20 and a bit write line 30 that intersect each other so as to correspond to each of the rows and columns where the magnetoresistive elements 10 are arranged.
Are provided so as to cross each group of the magnetoresistive elements 10 vertically and horizontally. Each of the magnetoresistive elements 10 is arranged so as to be sandwiched between the word write line 20 and the bit write line 30 from above and below, and to be located in an intersection region therebetween. One of the word write line 20 and the bit write line 30 is disposed substantially parallel to the easy axis direction of the free layer 11, and the other is disposed substantially parallel to the hard axis direction. For example, it is conceivable that the bit write line 30 is substantially parallel to the easy axis direction of the free layer 11.
【0019】また、それぞれの磁気抵抗効果素子部分で
は、図2(b)に示すように、半導体基板41上に、ゲ
ート領域42、ソース領域43およびドレイン領域44
からなる電界効果トランジスタ40が配設され、さらに
その上方に、ワード書き込み線20、磁気抵抗効果素子
10およびビット書き込み線30が順に配設されてい
る。そして、磁気抵抗効果素子10における自由層11
の磁化方向によってその電流抵抗値が変わることを利用
して、各磁気抵抗効果素子10に記録された情報を読み
出すようになっている。In each of the magnetoresistive element portions, as shown in FIG. 2B, a gate region 42, a source region 43 and a drain region 44 are formed on a semiconductor substrate 41.
, A word write line 20, a magnetoresistive element 10, and a bit write line 30 are sequentially arranged above the field effect transistor 40. The free layer 11 in the magnetoresistive element 10
The information recorded in each magnetoresistive element 10 is read out by utilizing the fact that the current resistance value changes depending on the magnetization direction of the element.
【0020】一方、各磁気抵抗効果素子10への情報の
書き込みは、ワード書き込み線20およびビット書き込
み線30の両方に電流を流すことによって発生する合成
電流磁界を用いて、各磁気抵抗効果素子10における自
由層11の磁化方向を制御することにより行う。つま
り、自由層11の磁化方向を反転させるための磁界は、
ワード書き込み線20およびビット書き込み線30に流
した電流磁界の合成によって与えられる。これによっ
て、選択された磁気抵抗効果素子10のみの磁化方向が
反転し情報が記録されることになる。選択されない磁気
抵抗効果素子10については、ワード書き込み線20と
ビット書き込み線30のいずれか一方の電流磁界のみが
印加されるので、反転磁界が不十分となり、情報が書き
込まれない。On the other hand, information is written into each of the magneto-resistance effect elements 10 by using a combined current magnetic field generated by flowing a current through both the word write line 20 and the bit write line 30. Is performed by controlling the magnetization direction of the free layer 11 in the above. That is, the magnetic field for reversing the magnetization direction of the free layer 11 is
It is given by combining current magnetic fields flowing through the word write line 20 and the bit write line 30. As a result, the magnetization direction of only the selected magnetoresistive element 10 is inverted, and information is recorded. For the unselected magnetoresistive element 10, only the current magnetic field of one of the word write line 20 and the bit write line 30 is applied, so that the reversal magnetic field becomes insufficient and no information is written.
【0021】このときに必要となる合成電流磁界は、ア
ステロイド曲線Hx(2/3)+Hy(2/ 3)=Hk(2/3)によ
って与えられる。Hkは自由層11の異方性磁界であ
る。図3は、MRAMにおける磁気抵抗効果素子の磁界
応答の一例を示すアステロイド図である。図中のアステ
ロイド曲線は、磁気抵抗効果素子10の磁化方向の反転
しきい値を示している。すなわち、アステロイド曲線の
外部に相当する合成電流磁界が発生すると、磁気抵抗効
果素子10の磁化方向に反転が生じる。ただし、アステ
ロイド内部の合成電流磁界では、その電流双安定状態の
一方から磁気抵抗効果素子10の磁化方向を反転させる
ことはない。The combined current magnetic field required for this case is given by the asteroid curve Hx (2/3) + Hy (2 /3) = Hk (2/3). Hk is the anisotropic magnetic field of the free layer 11. FIG. 3 is an asteroid diagram showing an example of a magnetic field response of the magnetoresistance effect element in the MRAM. The asteroid curve in the figure indicates the threshold value for reversing the magnetization direction of the magnetoresistive element 10. That is, when a combined current magnetic field corresponding to the outside of the asteroid curve is generated, the magnetization direction of the magnetoresistive element 10 is inverted. However, in the synthesized current magnetic field inside the asteroid, the magnetization direction of the magnetoresistance effect element 10 is not reversed from one of the current bistable states.
【0022】ところで、磁気抵抗効果素子10は、自由
層11、非磁性層12、固定層13および反強磁性層1
4が積層されてなるため、既に説明したように、各層1
1〜14の界面における凹凸に起因してネール結合磁界
が発生し、自由層11の磁化方向が反転する際の動作点
中心がゼロ磁場からずれてしまう可能性がある。このよ
うな動作点中心のゼロ磁場からのずれが生じると、アス
テロイド曲線の中心がHx−Hy平面上の原点から一定
方向にずれてしまい、各磁気抵抗効果素子10における
動作マージンの減少や、ワード書き込み線20等へ電流
を印加するパルス電流発生回路の負担増大等を招くこと
が考えられる。Incidentally, the magnetoresistive element 10 includes a free layer 11, a non-magnetic layer 12, a fixed layer 13, and an anti-ferromagnetic layer 1.
4 are stacked, so that each layer 1
There is a possibility that a Neel coupling magnetic field is generated due to the unevenness at the interface of Nos. 1 to 14, and the center of the operating point when the magnetization direction of the free layer 11 is reversed is shifted from the zero magnetic field. When such a shift of the center of the operating point from the zero magnetic field occurs, the center of the asteroid curve shifts in a certain direction from the origin on the Hx-Hy plane, and the operating margin in each magnetoresistive element 10 decreases, It is conceivable that the load on a pulse current generating circuit that applies a current to the word write line 20 or the like increases.
【0023】また、自由層11には、既に説明したよう
に、ネール結合磁界による影響のみならず、静磁結合磁
界の影響も及ぶ。このとき、静磁結合磁界の影響は、素
子寸法の大きさ等に依存し、固定層13における磁化方
向の向きとは反対方向に、自由層11に加わる。これに
対して、ネール結合磁界の影響は、素子寸法に依存せ
ず、固定層13における自由層11側の界面の磁化方向
と同方向に、自由層11に加わる。そのため、磁気抵抗
効果素子10が決定すれば、静磁結合磁界の影響とネー
ル結合磁界の影響とが互いに打ち消し合うように、固定
層13における磁化量を設定することにより、自由層1
1での動作点中心をゼロ磁場に合わせることも可能とな
る。As described above, the free layer 11 is affected not only by the Neel coupling magnetic field but also by the magnetostatic coupling magnetic field. At this time, the effect of the magnetostatic coupling magnetic field depends on the size of the element and the like, and is applied to the free layer 11 in a direction opposite to the direction of the magnetization direction in the fixed layer 13. On the other hand, the effect of the Neel coupling magnetic field is applied to the free layer 11 in the same direction as the magnetization direction of the interface of the fixed layer 13 on the free layer 11 side without depending on the element size. Therefore, if the magnetoresistive effect element 10 is determined, the free layer 1 is set by setting the magnetization amount in the fixed layer 13 so that the effect of the magnetostatic coupling magnetic field and the effect of the Neel coupling magnetic field cancel each other.
It is also possible to adjust the operating point center at 1 to zero magnetic field.
【0024】ところが、この場合、素子寸法が変わる
と、それに対応して固定層13の磁化量も変化させる必
要があるので、磁気抵抗効果素子10の汎用性や設計変
更に対する柔軟性等の点で難がある。汎用性や柔軟性等
を確保するためには、既に説明したように、寸法寸法を
十分に大きくしたり、積層フェリ構造を用いて固定層1
3の正味の磁化量をゼロにしたりして、静磁結合磁界に
よる動作点中心のずれへの影響を小さくすることが好ま
しい。ただし、そのためには、ネール結合磁界による動
作点中心のずれを、静磁結合磁界による影響とは別に補
正する必要が生じる。However, in this case, when the element size changes, the amount of magnetization of the fixed layer 13 also needs to be changed correspondingly. Therefore, the versatility of the magnetoresistive effect element 10 and the flexibility in changing the design are improved. There is difficulty. In order to ensure versatility and flexibility, as described above, the dimensions are made sufficiently large, or the fixed layer 1 is formed using a laminated ferri-structure.
It is preferable to reduce the influence of the magnetostatic coupling magnetic field on the shift of the center of the operating point by setting the net magnetization of No. 3 to zero. However, for this purpose, it is necessary to correct the deviation of the operating point center due to the Neel coupling magnetic field separately from the influence of the magnetostatic coupling magnetic field.
【0025】そこで、各磁気抵抗効果素子10では、自
由層11と第二反強磁性層15との間の交換バイアスを
用いて、その自由層11の磁化方向が変化する際の動作
点中心をゼロ磁場とするように、第二反強磁性層15お
よび第二非磁性層16が形成されている。Therefore, in each of the magnetoresistive elements 10, the exchange bias between the free layer 11 and the second antiferromagnetic layer 15 is used to determine the center of the operating point when the magnetization direction of the free layer 11 changes. The second antiferromagnetic layer 15 and the second nonmagnetic layer 16 are formed so as to have a zero magnetic field.
【0026】詳しくは、図1に示すように、各磁気抵抗
効果素子10では、第二反強磁性層15が設けられてい
るので、自由層11に対しては、その第二反強磁性層1
5との積層界面での交換バイアスによる影響、すなわち
一定方向への磁界が働く(例えば、N.J.Gokenmeijer,
T.Ambrose and C.L.Chein:J.Appl.Phys.,81,4999(19
97)参照)。これは、反強磁性層14が固定層13にお
ける磁化方向を直接的または間接的に固定するのと略同
様の理由による。More specifically, as shown in FIG. 1, in each magnetoresistive element 10, the second antiferromagnetic layer 15 is provided. 1
5, the effect of the exchange bias at the interface between the layers, ie, a magnetic field in a certain direction acts (for example, NJ Gokenmeijer,
T. Ambrose and CLChein: J. Appl. Phys., 81, 4999 (19
97)). This is for substantially the same reason that the antiferromagnetic layer 14 directly or indirectly fixes the magnetization direction in the fixed layer 13.
【0027】しかも、第二反強磁性層15は、第二非磁
性層16を介して自由層11と接合されている。そのた
め、その自由層11に対する交換バイアスの影響の大き
さは、第二非磁性層16の厚さによって変わる。すなわ
ち、第二非磁性層16が厚いほど、第二非磁性層16に
よる自由層11への交換バイアスの影響は小さくなる。Further, the second antiferromagnetic layer 15 is joined to the free layer 11 via the second nonmagnetic layer 16. Therefore, the magnitude of the influence of the exchange bias on the free layer 11 varies depending on the thickness of the second nonmagnetic layer 16. That is, as the second nonmagnetic layer 16 is thicker, the influence of the exchange bias on the free layer 11 by the second nonmagnetic layer 16 becomes smaller.
【0028】したがって、各磁気抵抗効果素子10で
は、ネール結合磁界が発生しても、そのネール結合磁界
が働く方向とは逆方向に交換バイアスが働き、かつ、そ
のネール結合磁界および交換バイアスによる影響の絶対
量が略同等となるように、第二反強磁性層15における
磁化量および第二非磁性層16の厚さを設定すること
で、素子寸法に依存することなく、自由層11の磁化方
向が変化する際の動作点中心がゼロ磁場に合い、その動
作点中心のずれが補正されるようになる。Therefore, in each magnetoresistive element 10, even if a Neel coupling magnetic field is generated, an exchange bias acts in a direction opposite to the direction in which the Neel coupling magnetic field acts, and the influence of the Neel coupling magnetic field and the exchange bias. By setting the amount of magnetization in the second antiferromagnetic layer 15 and the thickness of the second nonmagnetic layer 16 so that the absolute amounts of the two layers are substantially equal, the magnetization of the free layer 11 is independent of the element size. When the direction is changed, the center of the operating point matches the zero magnetic field, and the shift of the center of the operating point is corrected.
【0029】ここで、以上のような特徴を有する磁気抵
抗効果素子10の構成について、具体例を挙げてさらに
詳しく説明する。先ず、磁気抵抗効果素子10がTMR
型のスピンバルブ素子(以下、単に「TMR素子」とい
う)である場合を例に挙げる。Here, the configuration of the magnetoresistive element 10 having the above features will be described in more detail with reference to specific examples. First, the magnetoresistive element 10 has a TMR
A spin valve element (hereinafter simply referred to as “TMR element”) will be described as an example.
【0030】図4は、本発明に係る磁気抵抗効果素子の
膜構成の一具体例を示す模式図である。図例のように、
ここで説明するTMR素子は、基板20上に、3nm厚
のTa膜21と、2nm厚のCu膜22と、13nm厚
のPtMn膜23と、1.5nm厚のCoFe膜24a
と、0.8nm厚のRu膜24bと、2nm厚のCoF
e膜24cと、1nm厚のAl−Ox膜25と、2nm
厚のCoFe膜26と、後述するtnm厚のCu膜27
と、13nm厚のPtMn膜28と、5nm厚のTa膜
29とが、順に積層されてなる膜構成を有している。な
お、それぞれの膜厚は、一例に過ぎず、これに限定され
るものではない。FIG. 4 is a schematic view showing a specific example of the film configuration of the magnetoresistive element according to the present invention. As shown in the example,
The TMR element described here includes a 3 nm thick Ta film 21, a 2 nm thick Cu film 22, a 13 nm thick PtMn film 23, and a 1.5 nm thick CoFe film 24 a on a substrate 20.
And a 0.8 nm thick Ru film 24b and a 2 nm thick CoF
e film 24c, 1 nm thick Al-Ox film 25, 2 nm
Thick CoFe film 26 and a tnm thick Cu film 27 described later.
And a 13 nm thick PtMn film 28 and a 5 nm thick Ta film 29 are sequentially laminated. In addition, each film thickness is only an example, and is not limited to this.
【0031】このうち、CoFe膜26は自由層11と
して、Al−Ox膜25は非磁性層12として、PtM
n膜23は反強磁性層14として、それぞれ機能するよ
うになっている。また、非磁性層であるRu膜24bを
介して二つのCoFe膜24a,24cが積層された積
層フェリ構造部24は、固定層13としての機能を有す
るものである。さらに、PtMn膜28は第二反強磁性
層15として、Cu膜27は第二非磁性層16として、
それぞれ機能するようになっている。なお、Ta膜2
1,29は保護膜として機能し、Cu膜22は絶縁膜と
して機能する。Of these, the CoFe film 26 serves as the free layer 11, the Al-Ox film 25 serves as the nonmagnetic layer 12, and the PtM
The n films 23 function as the antiferromagnetic layers 14, respectively. Further, the laminated ferrimagnetic structure 24 in which the two CoFe films 24a and 24c are laminated via the Ru film 24b which is a nonmagnetic layer has a function as the fixed layer 13. Further, the PtMn film 28 serves as the second antiferromagnetic layer 15, and the Cu film 27 serves as the second nonmagnetic layer 16.
Each one works. The Ta film 2
Reference numerals 1 and 29 function as protective films, and the Cu film 22 functions as an insulating film.
【0032】このような膜構成のTMR素子では、Cu
膜27の膜厚tを変化させると、第二反強磁性層15で
あるPtMn膜28による交換バイアスの影響の大きさ
が変わる。しかも、例えばTMR素子の素子寸法が10
mm角とすると、その非常に大きな素子寸法のために、
CoFe膜26は、固定層13である積層フェリ構造部
24からの静磁結合磁界の影響を殆ど受けない。したが
って、この場合、自由層11であるCoFe膜26にお
ける動作中心点のずれ量は、主として、ネール結合磁界
による影響と、Cu膜27の膜厚tに応じて変わるPt
Mn膜28による交換バイアスとによって決定する。In the TMR element having such a film structure, Cu
When the thickness t of the film 27 is changed, the magnitude of the influence of the exchange bias by the PtMn film 28 as the second antiferromagnetic layer 15 changes. Moreover, for example, when the element size of the TMR element is 10
If it is mm square, because of its very large element size,
The CoFe film 26 is hardly affected by the magnetostatic coupling magnetic field from the laminated ferri-structure portion 24 that is the fixed layer 13. Therefore, in this case, the shift amount of the operation center point in the CoFe film 26 serving as the free layer 11 is mainly determined by the influence of the Neel coupling magnetic field and the Pt that changes according to the thickness t of the Cu film 27.
It is determined by the exchange bias by the Mn film 28.
【0033】図5は、Cu膜の厚さと自由層における動
作点中心のずれ量との関係の一具体例を示す説明図であ
る。図中では、ネール結合磁界の影響によるずれ量を正
としている。CoFe膜26での動作中心点ずれ量は、
ネール結合磁界による影響とPtMn膜28による交換
バイアスとによって決定するため、図例に示すように、
Cu膜27の膜厚tを調整することによって、その動作
中心点ずれ量がゼロとなる状態を実現可能であることが
分かる。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a specific example of the relationship between the thickness of the Cu film and the shift amount of the center of the operating point in the free layer. In the figure, the shift amount due to the influence of the Neel coupling magnetic field is positive. The shift amount of the operation center point in the CoFe film 26 is:
Since it is determined by the influence of the Neel coupling magnetic field and the exchange bias by the PtMn film 28, as shown in FIG.
It can be seen that by adjusting the thickness t of the Cu film 27, it is possible to realize a state where the shift amount of the operation center point becomes zero.
【0034】以上のような膜構成により、TMR素子で
は、ネール結合磁界の影響がCoFe膜26に及んで
も、そのCoFe膜26に交換バイアスを及ぼすPtM
n膜28を設けるとともに、これらの間に介在するCu
膜27の膜厚tを適宜設定することによって、そのネー
ル結合磁界の影響を排除して、CoFe膜26の磁化方
向が反転する際の動作点中心をゼロ磁場に合わせること
ができる。したがって、MRAMに用いた場合であって
も、各素子の動作マージンの減少やパルス電流発生回路
の負担増大等を回避し得るようになる。その上、素子寸
法に依存することがないので、素子単体での各層の膜厚
設定が可能であり、TMR素子の汎用性や設計変更に対
する柔軟性等を確保し得るようになる。With the above-described film structure, in the TMR element, even if the influence of the Neel coupling magnetic field affects the CoFe film 26, the PtM that exerts an exchange bias on the CoFe film 26 is formed.
An n film 28 is provided, and Cu
By appropriately setting the thickness t of the film 27, the influence of the Neel coupling magnetic field can be eliminated, and the operating point center when the magnetization direction of the CoFe film 26 is reversed can be adjusted to zero magnetic field. Therefore, even when used in an MRAM, it is possible to avoid a decrease in the operation margin of each element, an increase in the load on the pulse current generation circuit, and the like. In addition, since the thickness does not depend on the element size, the thickness of each layer can be set for the element alone, and versatility of the TMR element and flexibility for design change can be secured.
【0035】Cu膜27の膜厚tの設定は、事前に特定
された基準、例えば図5に示すような対応関係に基づい
て行えばよい。ただし、その基準は、事前に例えば実測
結果から経験的に特定されているものとする。また、C
u膜27の膜厚tのみならず、PtMn膜28における
磁化量によっても、CoFe膜26が受ける交換バイア
スは変わってくるため、その磁化量を考慮に入れる必要
があることはいうまでもない。The setting of the thickness t of the Cu film 27 may be performed based on a reference specified in advance, for example, a correspondence relationship as shown in FIG. However, it is assumed that the reference is empirically specified in advance, for example, from actual measurement results. Also, C
Since the exchange bias applied to the CoFe film 26 varies depending not only on the thickness t of the u film 27 but also on the magnetization amount in the PtMn film 28, it is needless to say that the magnetization amount needs to be taken into consideration.
【0036】なお、ここでは、自由層11および固定層
13を構成する磁性体としてCoFeを用いているが、
Co、Ni、Feのいずれか、若しくはこれらの少なく
とも一種類を含んだ合金、またはそれらの積層膜を用い
ても構わない。また、反強磁性層14および第二反強磁
性層15を構成する反強磁性体としてPtMnを用いて
いるが、同じく規則合金のNiMn、不規則合金のIr
Mn、RhMn、FeMn、酸化物系のNiO、α−F
e2O3を用いても構わない。In this case, CoFe is used as the magnetic material constituting the free layer 11 and the fixed layer 13.
Any of Co, Ni, Fe, an alloy containing at least one of these, or a stacked film thereof may be used. Further, PtMn is used as an antiferromagnetic material constituting the antiferromagnetic layer 14 and the second antiferromagnetic layer 15, but NiMn of an ordered alloy and Ir of an disordered alloy are also used.
Mn, RhMn, FeMn, oxide NiO, α-F
e2O3 may be used.
【0037】また、ここでは、自由層11よりも固定層
13のほうが先に(下方に)積層される、いわゆるボト
ム型のTMR素子を具体例として挙げたが、例えば図6
に示すように、自由層11が固定層13よりも先に(下
方に)積層される、いわゆるトップ型のTMR素子であ
っても、全く同様に本発明を適用することができる。図
例の場合は、CoFe膜35が自由層11として、Al
−Ox膜36が非磁性層12として、Ru膜37bを介
して二つのCoFe膜37a,37cが積層された積層
フェリ構造部37が固定層13として、PtMn膜38
が反強磁性層14として、PtMn膜33が第二反強磁
性層15として、Cu膜34が第二非磁性層16とし
て、それぞれ機能するようになっている。Further, here, a so-called bottom type TMR element in which the fixed layer 13 is laminated (below) the free layer 11 before the free layer 11 has been described as a specific example.
The present invention can be applied to a so-called top-type TMR element in which the free layer 11 is laminated (below) the fixed layer 13 as shown in FIG. In the illustrated example, the CoFe film 35 is used as the free layer 11 as Al.
The PtMn film 38 is formed by the Ox film 36 as the nonmagnetic layer 12, the laminated ferri-structure portion 37 in which the two CoFe films 37 a and 37 c are stacked via the Ru film 37 b as the fixed layer 13.
, The PtMn film 33 functions as the second antiferromagnetic layer 15, and the Cu film 34 functions as the second nonmagnetic layer 16.
【0038】さらには、TMR素子のみならず、例えば
図7に示すように、自由層11と固定層13との間の非
磁性層12がCu等で構成されたGMR型のものについ
ても、全く同様であることはいうまでもない。図例の場
合は、CoFe膜46が自由層11として、Cu膜45
が非磁性層12として、Ru膜44bを介して二つのC
oFe膜44a,44cが積層された積層フェリ構造部
44が固定層13として、PtMn膜43が反強磁性層
14として、PtMn膜48が第二反強磁性層15とし
て、Cu膜47が第二非磁性層16として、それぞれ機
能するようになっている。Further, not only the TMR element but also a GMR type element in which the nonmagnetic layer 12 between the free layer 11 and the fixed layer 13 is made of Cu or the like as shown in FIG. It goes without saying that the same is true. In the illustrated example, the CoFe film 46 serves as the free layer 11 and the Cu film 45
Are two non-magnetic layers 12 through the Ru film 44b.
The laminated ferri-structure portion 44 in which the oFe films 44a and 44c are laminated is the fixed layer 13, the PtMn film 43 is the antiferromagnetic layer 14, the PtMn film 48 is the second antiferromagnetic layer 15, and the Cu film 47 is the second Each functions as the non-magnetic layer 16.
【0039】次に、磁気抵抗効果素子10がTMR素子
である場合の他の具体例について説明する。図8は、本
発明に係る磁気抵抗効果素子の膜構成の他の具体例を示
す模式図である。図例のように、ここで説明するTMR
素子は、自由層11および固定層13の双方がいずれも
積層フェリ構造を有する点で、上述した具体例と異な
る。すなわち、非磁性層であるRu膜56bを介して二
つのCoFe膜56a,56cが積層された積層フェリ
構造部56が自由層11として機能し、非磁性層である
Ru膜54bを介して二つのCoFe膜54a,54c
が積層された積層フェリ構造部54が固定層13として
機能するようになっている。さらには、積層フェリ構造
部56に対応する第二反強磁性層15として、IrMn
膜58が設けられている。なお、Al−Ox膜55が非
磁性層12として、PtMn膜53が反強磁性層14と
して、Cu膜57が第二非磁性層16として、それぞれ
機能する点は、上述した具体例と略同様である。Next, another specific example in which the magnetoresistive element 10 is a TMR element will be described. FIG. 8 is a schematic view showing another specific example of the film configuration of the magnetoresistance effect element according to the present invention. As shown in the figure, the TMR described here
The element differs from the above-described specific example in that both the free layer 11 and the fixed layer 13 have a laminated ferri structure. That is, the laminated ferrimagnetic structure 56 in which the two CoFe films 56a and 56c are laminated via the Ru film 56b which is a non-magnetic layer functions as the free layer 11, and the two ferri-structures 56 via the Ru film 54b which is a non-magnetic layer. CoFe films 54a and 54c
Are laminated to function as the fixed layer 13. Further, as the second antiferromagnetic layer 15 corresponding to the laminated ferrimagnetic structure 56, IrMn
A film 58 is provided. The Al-Ox film 55 functions as the nonmagnetic layer 12, the PtMn film 53 functions as the antiferromagnetic layer 14, and the Cu film 57 functions as the second nonmagnetic layer 16, which is substantially the same as the specific example described above. It is.
【0040】以上のような膜構成のTMR素子では、自
由層11および固定層13の双方がいずれも積層フェリ
構造を有するため、第二反強磁性層15であるPtMn
膜58から自由層11である積層フェリ構造部56へ交
換バイアスによって働く磁界の方向を、上述した具体例
の場合とは逆にする必要がある。そのために、反強磁性
層14と第二反強磁性層15とでは、PtMn膜53と
IrMn膜58といったように、互いに異なる種類の反
強磁性材料を用いて形成されている。なお、反強磁性材
料は、それぞれを逆に用いても全く構わない。In the TMR element having the above film configuration, since both the free layer 11 and the fixed layer 13 have a laminated ferrimagnetic structure, the PtMn as the second antiferromagnetic layer 15 is used.
It is necessary to reverse the direction of the magnetic field exerted by the exchange bias from the film 58 to the laminated ferri-structure portion 56, which is the free layer 11, in the above-described specific example. Therefore, the antiferromagnetic layer 14 and the second antiferromagnetic layer 15 are formed using different types of antiferromagnetic materials such as the PtMn film 53 and the IrMn film 58. The antiferromagnetic materials may be used in reverse.
【0041】これらの反強磁性材料の相違は、それぞれ
のブロッキング温度の違いにある。つまり、反強磁性層
14と第二反強磁性層15とでブロッキング温度の異な
る反強磁性材料を用いれば、一方の磁化方向を反転させ
ない温度において、双方に磁場中熱処理を施すことで、
他方の磁化方向のみを逆向きに固定することが可能とな
る。そのため、自由層11および固定層13の双方がい
ずれも積層フェリ構造であっても、反強磁性層14と第
二反強磁性層15とを互いに逆方向に向けることがで
き、これによりネール結合磁界の影響を排除して、Co
Fe膜56aの磁化方向が反転する際の動作点中心をゼ
ロ磁場に合わせることができる。The difference between these antiferromagnetic materials lies in the difference in their blocking temperatures. That is, if antiferromagnetic materials having different blocking temperatures are used for the antiferromagnetic layer 14 and the second antiferromagnetic layer 15, heat treatment in a magnetic field can be performed on both of them at a temperature at which one magnetization direction is not reversed.
Only the other magnetization direction can be fixed in the opposite direction. Therefore, even if both the free layer 11 and the fixed layer 13 have a laminated ferrimagnetic structure, the antiferromagnetic layer 14 and the second antiferromagnetic layer 15 can be oriented in opposite directions, thereby achieving the Neel coupling. Eliminating the effects of the magnetic field, Co
The operating point center when the magnetization direction of the Fe film 56a is reversed can be adjusted to zero magnetic field.
【0042】このことは、自由層11および固定層13
の双方がいずれも積層フェリ構造である場合のみなら
ず、例えば図9に示すように、双方がいずれも単層構造
である場合にも全く同様のことがいえる。図例の場合
は、CoFe膜66が自由層11として、Cu膜65が
非磁性層12として、CoFe膜64が固定層13とし
て、PtMn膜63が反強磁性層14として、IrMn
膜68が第二反強磁性層15として、Cu膜67が第二
非磁性層16として、それぞれ機能するようになってい
る。This means that the free layer 11 and the fixed layer 13
The same can be said not only when both have a laminated ferri structure, but also when both have a single-layer structure as shown in FIG. 9, for example. In the illustrated example, the CoFe film 66 serves as the free layer 11, the Cu film 65 serves as the nonmagnetic layer 12, the CoFe film 64 serves as the fixed layer 13, the PtMn film 63 serves as the antiferromagnetic layer 14, and the IrMn
The film 68 functions as the second antiferromagnetic layer 15, and the Cu film 67 functions as the second nonmagnetic layer 16.
【0043】つまり、反強磁性層14と第二非磁性層1
6とを同一の反強磁性体で形成する場合には、先に説明
した具体例のように、固定層13を積層フェリ構造とす
れば、第二非磁性層16によって自由層11における動
作中心点のずれをキャンセルすることが可能になる。た
だし、このとき、積層フェリ構造とするのは固定層13
に限らず、自由層11と固定層13とのいずれか一方で
有ればよい。これに対して、後に説明した具体例のよう
に、自由層11および固定層13の双方がいずれも積層
フェリ構造または単層構造である場合には、反強磁性層
14と第二非磁性層16とを種類の異なる反強磁性体に
よって形成すればよい。これによって、反強磁性層14
と第二非磁性層16とによる磁化方向が互いに逆となる
ので、第二非磁性層16では、自由層11における動作
中心点のずれをキャンセルすることが可能になる。That is, the antiferromagnetic layer 14 and the second nonmagnetic layer 1
6 is formed of the same antiferromagnetic material, if the fixed layer 13 has a laminated ferri structure as in the specific example described above, the operation center of the free layer 11 is controlled by the second nonmagnetic layer 16. It is possible to cancel the point shift. However, at this time, the laminated ferristructure is used for the fixed layer 13.
The present invention is not limited to this, and any one of the free layer 11 and the fixed layer 13 may be used. On the other hand, when both the free layer 11 and the fixed layer 13 have a laminated ferrimagnetic structure or a single-layer structure as in a specific example described later, the antiferromagnetic layer 14 and the second nonmagnetic layer 16 and 16 may be formed of different types of antiferromagnetic materials. Thereby, the antiferromagnetic layer 14
Since the magnetization directions of the free layer 11 and the second nonmagnetic layer 16 are opposite to each other, it is possible to cancel the shift of the operation center point in the free layer 11 in the second nonmagnetic layer 16.
【0044】[0044]
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の磁気抵
抗効果素子および磁気メモリ装置によれば、例えばネー
ル結合磁界が発生する場合であっても、そのネール結合
磁界が働く方向とは逆方向に反強磁性層による交換バイ
アスが働くので、自由層での磁化方向の反転動作がゼロ
磁場を中心にして正負対称に行われることとなり、結果
として各磁気抵抗効果素子における動作マージンの確保
等が確実なものとなる。しかも、自由層に及ぶ静磁的結
合磁界の影響を小さくすることで、素子寸法に依存する
ことなく、ゼロ磁場を中心にした正負対称の反転動作が
実現可能となる。As described above, according to the magnetoresistive element and the magnetic memory device of the present invention, even when a Neel coupling magnetic field is generated, for example, the direction is opposite to the direction in which the Neel coupling magnetic field acts. Since the exchange bias by the antiferromagnetic layer acts in the direction, the reversal operation of the magnetization direction in the free layer is performed symmetrically with respect to the zero magnetic field in the positive and negative directions. As a result, the operation margin in each magnetoresistive element is secured. Is assured. In addition, by reducing the effect of the magnetostatic coupling magnetic field on the free layer, it is possible to realize a positive / negative symmetric inversion operation centered on the zero magnetic field without depending on the element size.
【図1】本発明に係る磁気抵抗効果素子の概略構成の一
例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a schematic configuration of a magnetoresistive element according to the present invention.
【図2】MRAMと呼ばれる磁気メモリ装置の基本的な
構成例を示す模式図であり、(a)はその全体の概略構
成を示す図、(b)は単一の記憶素子部分の断面構成を
示す図である。2A and 2B are schematic diagrams illustrating a basic configuration example of a magnetic memory device called an MRAM, in which FIG. 2A is a diagram illustrating the overall schematic configuration, and FIG. 2B is a cross-sectional configuration of a single storage element portion. FIG.
【図3】MRAMにおける磁気抵抗効果素子の磁界応答
の一例を示すアステロイド図である。FIG. 3 is an asteroid diagram showing an example of a magnetic field response of a magnetoresistive element in an MRAM.
【図4】本発明に係る磁気抵抗効果素子の膜構成の一具
体例を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic view showing a specific example of a film configuration of a magnetoresistive element according to the present invention.
【図5】自由層と反強磁性層との間の非磁性層の厚さと
自由層における動作点中心のずれ量との関係の一具体例
を示す説明図であるFIG. 5 is an explanatory diagram showing a specific example of a relationship between a thickness of a nonmagnetic layer between a free layer and an antiferromagnetic layer and a shift amount of an operating point center in the free layer.
【図6】図4の磁気抵抗効果素子の膜構成の変形例を示
す模式図(その1)である。FIG. 6 is a schematic diagram (part 1) illustrating a modification of the film configuration of the magnetoresistive element in FIG. 4;
【図7】図4の磁気抵抗効果素子の膜構成の変形例を示
す模式図(その2)である。FIG. 7 is a schematic view (part 2) illustrating a modification of the film configuration of the magnetoresistive element in FIG. 4;
【図8】本発明に係る磁気抵抗効果素子の膜構成の他の
具体例を示す模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing another specific example of the film configuration of the magnetoresistance effect element according to the present invention.
【図9】図8の磁気抵抗効果素子の膜構成の変形例を示
す模式図である。FIG. 9 is a schematic view showing a modification of the film configuration of the magnetoresistive element in FIG.
【図10】一般的な磁気抵抗効果素子の構成例を示す模
式図であり、(a)および(b)はその情報記憶状態の
概要を示す図である。FIGS. 10A and 10B are schematic diagrams illustrating a configuration example of a general magnetoresistive element, and FIGS. 10A and 10B are diagrams illustrating an outline of an information storage state.
【図11】磁気抵抗効果素子に発生する静磁結合磁界の
概要を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing an outline of a magnetostatic coupling magnetic field generated in a magnetoresistive element.
【図12】磁気抵抗効果素子を構成する各面の界面の状
態の一例を示す模式図である。FIG. 12 is a schematic diagram showing an example of a state of an interface of each surface constituting the magnetoresistance effect element.
10…磁気抵抗効果素子、11…自由層、12…非磁性
層、13…固定層、14…反強磁性層、15…第二反強
磁性層、16…第二非磁性層DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Magnetoresistance effect element, 11 ... Free layer, 12 ... Nonmagnetic layer, 13 ... Fixed layer, 14 ... Antiferromagnetic layer, 15 ... Second antiferromagnetic layer, 16 ... Second nonmagnetic layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 43/08 G01R 33/06 R ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 43/08 G01R 33/06 R
Claims (7)
磁性体からなる非磁性層および強磁性体からなる固定層
が積層されてなり、前記自由層における磁化方向の変化
を利用して情報記録を行う磁気メモリ装置に用いられる
磁気抵抗効果素子において、 前記自由層の前記固定層が積層されていない側に反強磁
性体からなる反強磁性層が設けられているとともに、前
記自由層と前記反強磁性層とが非磁性体からなる第二非
磁性層を介して接合されていることを特徴とする磁気抵
抗効果素子。At least a free layer made of a ferromagnetic material, a nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material, and a fixed layer made of a ferromagnetic material are laminated, and information recording is performed by utilizing a change in a magnetization direction in the free layer. In the magnetoresistive effect element used in the magnetic memory device that performs the above, an antiferromagnetic layer made of an antiferromagnetic material is provided on a side of the free layer where the fixed layer is not stacked, and the free layer and the free layer A magnetoresistive element, wherein an antiferromagnetic layer is joined via a second nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material.
の異方性の方向とが略平行であることを特徴とする請求
項1記載の磁気抵抗効果素子。2. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetization direction of the fixed layer and the anisotropic direction of the antiferromagnetic layer are substantially parallel.
方は、非磁性体を介して二つの強磁性体が積層された積
層フェリ構造を有することを特徴とする請求項1または
2記載の磁気抵抗効果素子。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein one of the free layer and the pinned layer has a laminated ferrimagnetic structure in which two ferromagnetic materials are laminated via a nonmagnetic material. Magnetoresistive effect element.
ずれも非磁性体を介して二つの強磁性体が積層された積
層フェリ構造または一つの強磁性体からなる単層構造で
ある場合に、前記反強磁性層は、前記固定層の前記自由
層が積層されていない側に当該固定層の磁化方向を固定
するために設けられた反強磁性層と種類の異なる反強磁
性体によって形成されていることを特徴とする請求項1
または2記載の磁気抵抗効果素子。4. When both the free layer and the fixed layer have a laminated ferri structure in which two ferromagnetic materials are stacked via a non-magnetic material or a single-layer structure made of one ferromagnetic material. The antiferromagnetic layer is formed of an antiferromagnetic material different in type from an antiferromagnetic layer provided for fixing the magnetization direction of the fixed layer on the side of the fixed layer where the free layer is not stacked. 2. The method according to claim 1, wherein
Or the magnetoresistive element according to 2.
とを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の磁
気抵抗効果素子。5. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetoresistive element is applied to a giant magnetoresistive element.
たことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載
の磁気抵抗効果素子。6. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetoresistive element is applied to a tunnel magnetoresistive element.
磁性体からなる非磁性層および強磁性体からなる固定層
が積層されてなる磁気抵抗効果素子を具備し、当該磁気
抵抗効果素子の自由層における磁化方向の変化を利用し
て情報記録を行う磁気メモリ装置において、 前記磁気抵抗効果素子は、前記自由層の前記固定層が積
層されていない側に反強磁性体からなる反強磁性層が設
けられているとともに、前記自由層と前記反強磁性層と
が非磁性体からなる第二非磁性層を介して接合されたも
のであることを特徴とする磁気メモリ装置。7. A magneto-resistance effect element comprising at least a free layer made of a ferromagnetic material, a non-magnetic layer made of a non-magnetic material, and a fixed layer made of a ferro-magnetic material. In a magnetic memory device that performs information recording by using a change in magnetization direction in a layer, the magnetoresistive element includes an antiferromagnetic layer made of an antiferromagnetic material on a side of the free layer where the fixed layer is not stacked. And the free layer and the antiferromagnetic layer are joined via a second nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material.
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