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JP2004253739A - Magnetic storage element, its recording method and magnetic storage device - Google Patents

Magnetic storage element, its recording method and magnetic storage device Download PDF

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JP2004253739A
JP2004253739A JP2003045030A JP2003045030A JP2004253739A JP 2004253739 A JP2004253739 A JP 2004253739A JP 2003045030 A JP2003045030 A JP 2003045030A JP 2003045030 A JP2003045030 A JP 2003045030A JP 2004253739 A JP2004253739 A JP 2004253739A
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JP
Japan
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magnetic
layer
storage element
layers
magnetic storage
Prior art date
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Application number
JP2003045030A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyuki Omori
広之 大森
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic storage element in which a record is stably maintained and further recording is performed with a small recording current even when high recording density is contrived, and to provide its recording method, and a magnetic storage device provided with the magnetic storage element. <P>SOLUTION: A recording layer is constituted by laminating at least three magnetic layers 11A, 12 and 11B. The outer peripheral dimension of an element 10 in a in-plane direction is four times or less the total thickness of the magnetic layers 11A, 12 and 11B, further three times or more the single layer thickness of each of the magnetic layers 11A, 12 and 11B. The magnetic layer 12 having the largest specific resistance is arranged being sandwiched between the other magnetic layers 11A and 11B. In this way a magnetic storage element 10 is constituted. Further, the magnetic storage element 10 is heated to rise the temperature of the magnetic layer 12 having the largest specific resistance up to its Curie point or above. In this state, a magnetic field is applied in a film thickness direction. In this state where the magnetic field is applied, heating is stopped to cool down to the Curie point or below, to record a magnetization condition. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性メモリに用いて好適な磁気記憶素子及びその記録方法、並びに磁気記憶素子を用いて構成された磁気記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
コンピュータ等の情報機器においては、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度のDRAMが広く使用されている。
しかし、DRAMは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。
【0003】
そして、不揮発メモリとして、磁性体の磁化状態により情報を記録する磁気記憶素子を用いた磁気ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)の開発が進められている(例えば非特許文献1参照)。
【0004】
今後、MRAMにおいても、記憶容量を増加したり、装置を小型化したりするために、高密度化を図る必要があり、これによりメモリセルを構成する磁気記憶素子のさらなる縮小化が求められる。
【0005】
MRAMに用いられる磁気記憶素子では、磁性体の形状を長方形や楕円にすることにより発生する反磁界を用いて磁化を安定化していることから、素子サイズの縮小に伴って、保磁力の増加を抑えるために膜厚を薄くする必要がある。
【0006】
しかしながら、素子の体積及び保磁力の減少は、磁気記憶素子の熱安定性を劣化させる。即ち、素子サイズが縮小することにより素子の体積が減少しているため、上述のように膜厚を薄くして保磁力を減少させると、磁気記憶素子の熱安定性を劣化させてしまうことになる。
【0007】
そこで、磁気記憶素子に垂直磁化膜を用いる方法(例えば特許文献1参照)等が提案されている。
垂直磁化膜を用いることにより、磁化の反転が可能な程度に保磁力を低減すると共に、記録した磁化を安定して保持することを実現しようとしている。
【0008】
【非特許文献1】
日経エレクトロニクス 2001.2.12号(第164頁−171頁)
【特許文献1】
特開2001−291911号公報(第1図・第6図等)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように垂直磁化膜を用いた場合、記録した垂直方向の磁化を安定化させるためには、反磁界以上の垂直磁気異方性が必要となり、面内方向(水平方向)の磁化を用いる場合と比較して概して大きい保磁力を必要とする。
【0010】
また、磁化の検出を容易にするためには、素子の磁化量にある程度の大きさが必要であり、低保磁力化を難しくしている。
【0011】
さらに、素子が微細化していくと、磁化の反転が磁区移動を伴わない一斉磁化反転となるため、上述した垂直磁気異方性が大きく、かつ保磁力が小さい垂直磁化膜の構成を実現することが難しくなる。
【0012】
上述した問題の解決のために、本発明においては、高記録密度化を図った場合でも、記録を安定に保持することができると共に、低い記録電流で記録することができる磁気記憶素子及びその記録方法、並びにこの磁気記憶素子を備えた磁気記憶装置を提供するものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気記憶素子は、情報を磁性体の磁化により保持する磁気記憶素子であって、情報を保持する記憶層が少なくとも3層の磁性体層が積層されて成り、素子の面内方向の外周寸法が磁性体層の合計の厚さの4倍以下であり、かつ各磁性体層の単層の厚さの3倍以上であり、磁性体層のうち最も比抵抗の大きい磁性体層が他の磁性体層に挟まれて配置されているものである。
【0014】
本発明の磁気記憶素子の記録方法は、情報を磁性体の磁化により保持する記憶層が少なくとも3層の磁性体層が積層されて成り、素子の面内方向の外周寸法が磁性体層の合計の厚さの4倍以下であり、かつ各磁性体層の単層の厚さの3倍以上であり、磁性体層のうち最も比抵抗の大きい磁性体層が他の磁性体層に挟まれて配置されている磁気記憶素子に対して、この磁気記憶素子を加熱して、最も比抵抗の大きい磁性体層をこの磁性体層のキュリー点以上まで温度上昇させ、その状態で磁気記憶素子に対して膜厚方向の磁界を印加し、この磁界を印加した状態で加熱を停止してキュリー点以下に冷却して、磁気記憶素子に磁化状態の記録を行うものである。
【0015】
本発明の磁気記憶装置は、情報を磁性体の磁化により保持する記憶層が少なくとも3層の磁性体層が積層されて成り、素子の面内方向の外周寸法が磁性体層の合計の厚さの4倍以下であり、かつ各磁性体層の単層の厚さの3倍以上であり、磁性体層のうち最も比抵抗の大きい磁性体層が他の磁性体層に挟まれて配置されている磁気記憶素子と、互いに交差する第1の配線と第2の配線とを有し、第1の配線と第2の配線とが交差する交点に、それぞれ磁気記憶素子が配置されて成るものである。
【0016】
上述の本発明の磁気記憶素子の構成によれば、情報を保持する記憶層が少なくとも3層の磁性体層が積層されて成り、素子の面内方向の外周寸法が磁性体層の合計の厚さの4倍以下であり、かつ各磁性体層の単層の厚さの3倍以上であり、磁性体層のうち最も比抵抗の大きい磁性体層が他の磁性体層に挟まれて配置されていることにより、磁気記憶素子を加熱すると、最も比抵抗の大きい磁性体層が、他の磁性体層よりも大きく温度上昇する。そして、最も比抵抗の大きい磁性体層をそのキュリー点以上に温度上昇させれば、この最も比抵抗の大きい磁性体層を非磁性化して、この磁性体層を挟む他の磁性体層を2つの磁性体に分断することが可能になる。これにより、記憶層の保磁力が、分断された各磁性体層の膜厚方向の保磁力となって低下するため、磁界により磁性体層の磁化の向きを変化させて、記憶層に情報の記録を行うことが可能になる。
一方、加熱していない状態では、3層以上の磁性体層が一体の磁性体となり、記憶層の膜厚方向の保磁力が大きくなるため、記録された情報を安定して保持することができる。
また、素子の面内方向の外周寸法が磁性体層の合計の厚さの4倍以下であり、かつ各磁性体層の単層の厚さの3倍以上であることにより、一体の磁性体となったときの記憶層の膜厚方向の保磁力を大きくすることができると共に、加熱により分断されたときの各磁性体層の膜厚方向の保磁力を小さくして面内方向の静磁気的結合を形成することができる。
【0017】
上述の本発明の磁気記憶素子の記録方法によれば、上述の本発明の磁気記憶素子に対して、この磁気記憶素子を加熱して、最も比抵抗の大きい磁性体層をこの磁性体層のキュリー点以上まで温度上昇させ、その状態で磁気記憶素子に対して膜厚方向の磁界を印加し、最も比抵抗の大きい磁性体層をそのキュリー点以上まで温度上昇させて非磁性化して、最も比抵抗の大きい磁性体層を挟む他の磁性体層を2つの磁性体に分断して保磁力を低下させることができ、その保磁力が低下した状態で膜厚方向の磁界を印加することにより、記憶層の磁化状態を変化させることができる。
そして、この磁界を印加した状態で加熱を停止してキュリー点以下に冷却することにより、冷却によって最も比抵抗の大きい磁性体層の磁化が復活したときに、磁界の向きに応じて記憶層の3層以上の磁性体層の磁化が揃った状態になり、磁化状態の記録がなされる。
一体の磁性体となって磁化が揃った状態では、保磁力が大きくなるため、いったん記録した磁化状態を安定して保持することができる。
【0018】
上述の本発明の磁気記憶装置の構成によれば、上述の本発明の磁気記憶素子と、互いに交差する第1の配線と第2の配線とを有し、第1の配線と第2の配線とが交差する交点に、それぞれ磁気記憶素子が配置されて成ることにより、磁気記憶素子に対して上述した記録方法により記録を行うことが可能である。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明は、情報を磁性体の磁化により保持する磁気記憶素子であって、情報を保持する記憶層が少なくとも3層の磁性体層が積層されて成り、素子の面内方向の外周寸法が磁性体層の合計の厚さの4倍以下であり、かつ各磁性体層の単層の厚さの3倍以上であり、磁性体層のうち最も比抵抗の大きい磁性体層が他の磁性体層に挟まれて配置されている磁気記憶素子である。
【0020】
また本発明は、上記磁気記憶素子において、記憶層を構成する各磁性体層が、室温において、膜厚方向に磁化されている構成とする。
【0021】
また本発明は、上記磁気記憶素子において、最も比抵抗の大きい磁性体層の比抵抗の大きさが、他の磁性体層の2倍以上である構成とする。
【0022】
本発明は、情報を磁性体の磁化により保持する記憶層が少なくとも3層の磁性体層が積層されて成り、素子の面内方向の外周寸法が磁性体層の合計の厚さの4倍以下であり、かつ各磁性体層の単層の厚さの3倍以上であり、磁性体層のうち最も比抵抗の大きい磁性体層が他の磁性体層に挟まれて配置されている磁気記憶素子に対して、この磁気記憶素子を加熱して、最も比抵抗の大きい磁性体層をこの磁性体層のキュリー点以上まで温度上昇させ、その状態で磁気記憶素子に対して膜厚方向の磁界を印加し、この磁界を印加した状態で加熱を停止してキュリー点以下に冷却して、磁気記憶素子に磁化状態の記録を行う磁気記憶素子の記録方法である。
【0023】
本発明は、情報を磁性体の磁化により保持する記憶層が少なくとも3層の磁性体層が積層されて成り、素子の面内方向の外周寸法が磁性体層の合計の厚さの4倍以下であり、かつ各磁性体層の単層の厚さの3倍以上であり、磁性体層のうち最も比抵抗の大きい磁性体層が他の磁性体層に挟まれて配置されている磁気記憶素子と、互いに交差する第1の配線と第2の配線とを有し、第1の配線と第2の配線とが交差する交点に、それぞれ磁気記憶素子が配置されて成る磁気記憶装置である。
【0024】
また本発明は、上記磁気記憶装置において、第1の配線及び第2の配線から、上記磁気記憶素子に電流を流すことが可能である構成とする。
【0025】
本発明の一実施の形態として、磁気記憶素子の概略構成図を図1に示す。
この磁気記憶素子10は、情報が磁化の向きにより記録される記憶層となるものであり、2層の厚い磁性体層11A及び11Bの間に、薄い磁性体層12が挟まれた3層の磁性体層の積層構造となっている。
【0026】
各磁性体層11A,12,11Bの材料としては、Fe,Co,Niを主成分にした強磁性体でも良いし、希土類金属と遷移金属との合金から成るフェリ磁性体でも良く、またCrOやFe等の酸化物磁性体を主体としたものでも良い。
【0027】
また、これら3層の磁性体層11A,12,11Bは、垂直磁化膜となるように構成されている。即ち、垂直磁化膜となるように、膜厚と膜面方向の寸法とが規定されている。
このように膜厚と膜面方向の寸法とを規定することにより、形状異方性の効果で垂直方向に磁化させることができる。
【0028】
さらに、本実施の形態の磁気記憶素子10では、厚い磁性体層11A及び11Bの間に挟まれた薄い磁性体層12が、厚い磁性体層11A及び11Bよりも大きい比抵抗を有している構成とする。
【0029】
より好ましくは、薄い磁性体層12の比抵抗を、厚い磁性体層11A及び11Bの比抵抗の2倍以上とする。
【0030】
これにより、磁気記憶素子10を加熱したときに、大きい比抵抗を有する薄い磁性体層12の方が加熱による温度上昇が大きくなるため、薄い磁性体層12が先にキュリー点以上の温度になり磁化が消失する、即ち非磁性化する。
このように間の薄い磁性体層12が非磁性化すると、薄い磁性体層12を通じて形成されていた、上下の厚い磁性体層11A及び11Bの磁気的結合が切断される。
これにより、磁性体が個々の磁性体層11Aと11Bに分かれて厚さが薄くなり、保磁力を低減することができる。
【0031】
さらに、本実施の形態の磁気記憶素子10では、特に、各磁性体層11A,12,11Bの膜厚と、膜面方向の寸法とが、上述したように各磁性体層11A,12,11Bが垂直磁化膜になるだけでなく、磁化の反転による記録と記録された磁化の安定した保持とを共に実現することが可能なように規定するものである。
即ち、図1に示すように上下の厚い磁性体層11A,11Bの膜厚をd1、間の薄い磁性体層の膜厚をd2(<d1)、磁性体層11A,12,11Bの総厚さをD(=d1+d2+d1)とするとき、磁気記憶素子10の面内方向の外周寸法が、磁性体層の総厚さDの4倍以下であり、かつ上下の厚い磁性体層(比抵抗の小さい磁性体層)11A,11Bの厚さd1の3倍以上である構成とする。
【0032】
このように規定することにより、磁気記憶素子10の面内方向の寸法(縦・横等)が、磁性体層の総厚さDから見れば比較的小さく、上下の磁性体層の厚さd1から見れば比較的大きくなる。
これにより、磁気記憶素子10に電流を流していない、3層の磁性体層11A,12,11Bが一体の磁性体となっているときには、厚さDが面内方向の寸法に比して比較的大きいので、膜厚方向(上下方向)の保磁力が大きくなる。膜厚方向の保磁力が大きいと、形状による磁気異方性のみで垂直磁化により記録された磁化を安定して保持することができる。
一方、磁気記憶素子10に電流を流して、磁性体が2つの厚い磁性体層11A,11Bに分断されているときには、膜厚d1が面内方向の寸法に比して比較的小さいので、膜厚方向(上下方向)の保磁力が小さくなる。膜厚方向の保磁力が小さいことにより、記録時に各磁性体層の磁化を面内方向に向けやすくなる、即ち面内方向の静磁気結合が形成されやすくなり、また小さい磁界で磁化の反転をすることが可能になる。
【0033】
続いて、上述の構成を有する本実施の形態の磁気記憶素子10において、情報を記録する方法を説明する。
【0034】
ここでは、室温状態において、図2Aに示すように、各磁性体層11A,12,11Bの磁化がいずれも下向きである場合において、この各磁性体層11A,12,11Bの磁化を上向きに反転して情報を記録する手順を示す。
まず、磁気記憶素子10の膜厚方向に(上向き又は下向きの)電流を流す。この電流により磁気記憶素子10が加熱されるため、特に大きい比抵抗を有する薄い磁性体層12の温度が大きく上昇する。
【0035】
そして、薄い磁性体層12がキュリー点を越えて磁化が消失すると、薄い磁性体層12が非磁性化して上下の厚い磁性体層11A及び11Bの磁気的結合が切れる。これにより、図2Bに示すように、厚い磁性体層11A及び11Bにおいて静磁気的な結合が生じて、磁化が面内方向かつ互いに反平行に配列する。
このような状態では、膜厚方向の保磁力が小さくなるので、上向きの磁界H(図2C参照)を印加することにより、磁化の向きを反転させることが可能になる。
【0036】
次に、図2Cに示す上向きの磁界Hを印加し、この磁界Hを印加した状態で電流を停止して磁気記憶素子10を冷却させると、薄い磁性体層12に磁化が復活し、厚い磁性体層11A及び11Bの磁気的結合が形成されて、3層の磁性体層11A,12,11Bに磁界Hの向きと同じ上向きの磁化が生じる。
その後磁界Hを取り除いて、記録が終了する。
【0037】
一方、磁気記憶素子10の磁化を、図2A〜図2Cとは反対に、上向きから下向きに反転させるときには、磁界の向きを下向きにすればよい。
【0038】
このようにして、磁気記憶素子10に、記録する情報に対応して、上向き或いは下向きの磁化情報が記録される。
【0039】
上述の本実施の形態の磁気記憶素子10の構成によれば、膜厚と面内方向の寸法を上述したように規定することによって磁気記憶素子10を垂直磁化膜としていることにより、電流を流していないときには、3層の磁性体層11A,12,11Bが一体の磁性体となっていて、かつ磁気記憶素子10の総厚さDが面内方向の寸法から見て大きくなり、膜厚方向の保磁力が大きくなる。これにより、垂直磁化により記録した情報を安定して保持することができる。
【0040】
また、3層の磁性体層11A,12,11Bのうち間に挟まれた薄い磁性体層12が、上下の磁性体層11A,11Bよりも大きい比抵抗を有することにより、磁気記憶素子10に電流を流して加熱すると、比抵抗の大きい磁性体層12が大きく温度上昇してキュリー点を超えた温度になり、非磁性化する。このとき、上下の磁性体層11A,11Bに面内方向の静磁気的結合が生じる。
そして、磁性体層11A,11Bの厚さd1が面内方向の寸法から見て小さくなっているため、膜厚方向の保磁力が小さくなり、面内方向の静磁気結合を生じ易く、また磁化を反転しやすくなる。これにより、小さな磁界で記録することが可能になる。
【0041】
従って、本実施の形態の磁気記憶素子10を用いることにより、磁気記憶素子10を高密度に集積しても磁化を安定させることができると共に、小さな磁界(磁場)で容易に記録することができ、安定して正確に情報の記録を行うことができる磁気記憶装置を構成することが可能になる。
【0042】
そして、マトリクス状に直交配置させたそれぞれ複数本の第1の配線及び第2の配線の交点に、本実施の形態の磁気記憶素子10を配置することにより、MRAM等の磁気記憶装置を構成することができる。
【0043】
次に、本発明の磁気記憶装置の一実施の形態として、上述の実施の形態の磁気記憶素子10を用いて構成した磁気記憶装置の概略構成図(斜視図)を図3に示す。また、図3に示した磁気記憶装置の平面図を図4に示す。なお、多数配置された磁気記憶素子10のうち、図3では縦2個・横2個分を図示し、図4では縦4個・横4個分を図示している。
【0044】
この磁気記憶装置40は、図3及び図4に示すように、マトリクス状に直交配置させたそれぞれ多数の第1の配線(例えばビット線)21及び第2の配線(例えばワード線)22の交点に、平面形状が長方形状とされ、図1に示した構造を有する磁気記憶素子10を配置して構成されている。
各磁気記憶素子10は、図1に示したように、薄い磁性体層12を挟んで2層の厚い磁性体層11A,11Bが配置されている。
【0045】
このように磁気記憶装置40を構成した場合、例えば次のようにして磁気記憶素子10に対して記録を行う。
【0046】
まず、多数ある第1の配線21及び第2の配線22から、記録を行う磁気記憶素子10に対応するそれぞれ1本の第1の配線21及び第2の配線22を選択し、第1の配線21と第2の配線22に電流を流して、記録を行う磁気記憶素子10に対して膜厚方向(図中上下方向)の電流を流す。
これにより、薄い磁性体層12が温度上昇して、キュリー点を超えて非磁性化するので、磁気記憶素子10に記憶する情報の内容(「0」或いは「1」)に対応して、磁気記憶素子10に印加する磁界の向きを設定して、磁界を印加する。
【0047】
このとき、電流を流して、薄い磁性体層12のキュリー温度を超えた温度まで温度上昇させてから、磁界を印加して記録を行うように設定する。
言い換えると、薄い磁性体層12のキュリー温度を、記録時の温度以下に設定しておけばよい。
【0048】
そして、磁気記憶素子10に印加する磁界を印加した状態で、第1の配線21及び第2の配線22に流していた電流を停止して、磁気記憶素子10に流れる電流をなくし、磁気記憶素子10を冷却させる。
これにより、薄い磁性体層12の磁化が復活し、3層の磁性体層11A,12,11Bの磁化の向きが膜厚方向となる。即ち磁気記憶素子10全体が垂直磁化となり、その磁化の向きが磁界の向き、即ち情報の内容に対応した磁化の向きになる。そして、磁界を除去することにより、磁気記憶素子10への磁化情報の記録が終了する。
【0049】
これらの過程を、情報の記録(書き換え)が必要な磁気記憶素子10に対して繰り返して、情報の記録が必要な全ての磁気記憶素子10に情報の記録を行うことができる。
【0050】
上述したように記録を行うことにより、選択された磁気記憶素子10では、対応する第1の配線21及び第2の配線22から磁気記憶素子10に電流を流して、薄い磁性体層12を非磁性化して磁気記憶素子10の膜厚方向の保磁力を低下させると共に、記録する情報の内容に対応して向きが設定された磁界が印加されて、この磁界により磁気記憶素子10に磁化状態が記録される。
一方、選択されていない磁気記憶素子10では、対応する第1の配線21及び第2の配線22から磁気記憶素子10に電流が流れない。一方の配線21或いは22が選択された磁気記憶素子10と共通であっても、他方の配線が共通でなければ磁気記憶素子10には電流が流れない。このため、3層の磁性体層11A,12,11Bが一体の磁性体のままであり、膜厚方向の保磁力が大きく、記録された磁化状態を安定して保持することができる。
【0051】
上述の本実施の形態の磁気記憶装置40の構成によれば、記録する際には磁気記憶素子10の膜厚方向の保磁力を低下させて容易に記録を行うことができ、いったん記録された磁化状態は、改めて記録を行うまで安定して保持することができる。
そして、記録容量を大きくするために磁気記憶素子を微小化するほど、保磁力が増大して記録を行うことが難しくなり、また垂直磁化を安定して保持することが難しくなる傾向があるため、本実施の形態の磁気記憶装置40は、記憶容量を増大させるために好適である。
【0052】
ここで、図1に示した実施の形態の磁気記憶素子10を実際に作製して、磁気特性を調べた。
上下の厚い磁性体層11A,11Bを厚さ70nmのNi膜により形成し、間の薄い磁性体層12を厚さ10nmのCoRu−SiO膜により形成し、磁気記憶素子10を構成した。
Ni膜の比抵抗は10μΩcm、CoRu−SiO膜の比抵抗は800μΩcmである。
磁気記憶素子10の作製においては、これら3層の磁性体層11A,12,11Bを成膜した後、FIB(フォーカスド・イオン・ビーム)加工によって、面内方向の寸法が100nm角となるように加工した。
【0053】
この磁気記憶素子10の垂直方向の磁化を極カー効果で測定した。結果を図5A及び図5Bに示す。素子に電流を流していない状態の磁化Mを図5Aに示し、1素子当たり5mAの電流を流した状態の磁化Mを図5Bに示す。
【0054】
図5Aと図5Bを比較すると、電流を流すことにより保磁力が小さくなることがわかる。従って、素子に電流を流すことにより、容易に書き込むことができるようになることがわかる。
【0055】
ところで、図1に示した実施の形態の磁気記憶素子10は、直方体状(四角柱状)となっていた。
本発明において、磁気記憶素子の形状は直方体状(四角柱状)に限定されるものではなく、円筒状や楕円柱状でも良いし、上面と底面の寸法が多少違ってもよい(例えば断面台形状)が、平均として上述した条件を満たせばよい。
【0056】
例えば楕円柱状の磁気記憶素子20を形成して、同様に第1の配線21及び第2の配線22を配置した磁気記憶装置50の概略構成図を図6及び図7に示す。なお、多数配置された磁気記憶素子20のうち、図6では縦2個・横2個分を図示し、図7では縦4個・横4個分を図示している。
【0057】
この磁気記憶装置50においても、先に示した磁気記憶装置40と同様に、記録する際には容易に記録を行うことができる一方で、記録された磁化状態は安定して保持することができる。
そして、この磁気記憶装置50も、先に示した磁気記憶装置40と同様に、記憶容量を増大させるために好適である。
【0058】
ここで、磁気記憶素子の磁性体層の寸法と保磁力との関係を、マイクロマグネティックにより計算した。
具体的には、磁気記憶素子の形状が直方体状である場合と、楕円柱状である場合に、磁性体の厚さzと面内方向の寸法(縦横又は長軸・短軸)x、yを変えたときの膜厚方向の保磁力の変化を求めた。
図1に示した3層の磁性体層11A,12,11Bにより磁気記憶素子10を構成し、薄い磁性体層12の厚さを10nmとした。
そして、面内方向の寸法(縦横又は長軸・短軸)x、yを、それぞれx=50nm,y=50nm、x=50nm,y=70nm、x=70nm,y=70nmとした3つの場合について、磁性体の厚さzを変化させて膜厚方向の保磁力を計算した。即ち、3層の磁性体層11A,12,11Bが一体の磁性体となっているときには、磁性体の厚さzが磁気記憶素子10の総厚さDとなり、薄い磁性体層12が非磁性化して上下の磁性体層11A,11Bに分断されているときには、磁性体の厚さzは上下の磁性体層11A,11Bの厚さd1となる。
磁気記憶素子を直方体状として、一体の磁性体となっているときの膜厚と保磁力との関係を図8に示す。
磁気記憶素子を直方体状として、磁性体が上下の磁性体層に分断されているときの各磁性体層の膜厚と保磁力との関係を図9に示す。
また、磁気記憶素子を楕円柱状として、一体の磁性体となっているときの膜厚と保磁力との関係を図10に示す。
磁気記憶素子を楕円柱状として、磁性体が上下の磁性体層に分断されているときの各磁性体層の膜厚と保磁力との関係を図11に示す。
【0059】
一体の磁性体となっているときには、図8及び図10より、磁性体の厚さzが大きくなるに従い保磁力も大きくなり、面内方向の寸法x,yに比較して厚さzが大きくなると保磁力が大きくなることがわかる。
磁性体が上下の磁性体層に分断されているときには、図9及び図11より、この場合も磁性体の厚さzが大きくなるに従い保磁力も大きくなり、面内方向の寸法x,yに比較して厚さzが大きくなると保磁力が大きくなることがわかる。さらに、上下の磁性体層に分断されているときには、層間の磁気的な影響により、保磁力が増大し始める厚さzが一体の磁性体となっている場合よりも若干小さくなる。
【0060】
そして、磁気記憶素子10が一体の磁性体となっている場合には保磁力が大きく、上下の磁性体層11A,11Bに分断されている場合には保磁力が小さくなることが望ましいため、磁気記憶素子10の総厚さDが面内方向の寸法x,yに対して比較的大きいと共に、上下の磁性体層11A,11Bの厚さd1が面内方向の寸法x,yに対して比較的小さい構成とする必要がある。
【0061】
なお、多数の磁気記憶素子が配列された磁気記憶装置において、各磁気記憶素子に対して記録を行う際には、周囲の磁気記憶素子から受ける磁界があるため、その磁界を超える大きさの記録用磁界を与えなければ所望の記録ができない。
そこで、周囲の磁気記憶素子から受ける磁界を低減するために、各磁気記憶素子に記録する情報の内容を「0」又は「1」の一方に偏らないようにすることも考えられる。
【0062】
例えば1万個の磁気記憶素子のうち、200個の磁気記憶素子に対して、「0」を150個、「1」を50個、それぞれ記録しようとする場合を想定する。
もし、記録する200個を固めて(例えば10行×20列にまとめて)しまうと、「0」が集中してしまい、「0」が多く集まった部分では周囲の磁気記憶素子から受ける磁界が大きくなって、所望の記録が困難になる。
そこで、記録する200個を1万個の中にうまく分散させるように、コンピュータプログラム等で振り分けて制御すれば、容易に所望の記録を行うことができる。
【0063】
上述の実施の形態では、上下の磁性体層11A,11Bと間に挟まれた比抵抗の大きい薄い磁性体層12の3層構造としたが、上下の磁性体層やその間に挟まれた比抵抗の大きい磁性体層を複数の磁性体層の積層として、4層以上の磁性体層により磁気記憶素子を構成することも可能である。
また、上下の磁性体層と磁気記憶素子の外部とを接続する部分に非磁性層(例えば電極層等)を設けても良い。
【0064】
また、間に挟まれた比抵抗の大きい磁性体層は、図1や図5の測定で用いた試料では上下の磁性体層よりも充分薄くなっているが、少なくとも上下の磁性体層の膜厚以下であればよい。
比抵抗の大きい磁性体層を充分薄くした場合のメリットは、熱容量が小さくなり温度上昇がしやすくなること、非磁性となったときに上下の磁性体層に静磁気的な結合ができやすくなること、等が挙げられる。
【0065】
さらに、この比抵抗の大きい磁性体層は、磁気記憶素子の磁気的中心にあって、磁化量のほぼ中心をなすことが好ましいが、本発明においてはそれ以外の構成も含むものとする。
【0066】
また、磁気記憶素子を加熱する方法としては、上述した配線から磁気記憶素子に直接電流を流す方法以外も可能であり、例えば磁気記憶素子の外部に加熱手段を設けて加熱手段から加熱を行う方法も考えられる。
配線から磁気記憶素子に直接電流を流す構成としたときには、図3に示した磁気記憶装置40において、第1の配線21及び第2の配線22から電流を流せばよいので、情報を記録する磁気記憶素子の選択と加熱とを共に行うことができる点で有利である。
【0067】
さらに、本発明において、磁気記憶素子の磁化状態を検出するための構成は、特に限定されるものではない。例えば、磁気トンネル接合素子(TMR素子)、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)や、ホール素子等を採用することが可能である。
【0068】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【0069】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、磁気記憶素子を加熱していない場合には、磁性体層が一体の磁性体として作用して膜厚方向の保磁力が大きくなるため、記録された情報を安定して保持することができる。
また、磁気記憶素子を加熱することにより、磁性体層が分断されて膜厚方向の保磁力が小さくなるため、小さい磁界で記録することが可能になる。
従って、本発明によれば、安定して情報を記録することができる磁気記憶装置を構成することが可能になる。
【0070】
そして、特に磁気記憶素子の総厚さ及び分断された磁性体層の膜厚と、面内方向の外周寸法との関係が所定範囲内に規定されていることにより、一体の磁性体となっているときの膜厚方向の保磁力をより大きく、かつ分断されているときの膜厚方向の保磁力をより小さくすることができる。
これにより、磁気記憶素子が微小化されても、また磁気記憶素子が高密度に集積されて近接する素子からの磁界の影響が大きくなっても、容易に情報の記録を行い、かつ記録した情報を安定して保持することができる。
磁気記憶装置において、記憶容量を大きくするために磁気記憶素子を微小化するほど、また磁気記憶素子を高密度に集積するほど、情報の記録や記録した情報の保持が難しくなる傾向があるため、本発明は磁気記録装置の記憶容量を増大させるために有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の磁気記憶素子の一実施の形態の概略構成図である。
【図2】A〜C 図1の磁気記憶素子の記録動作を説明する図である。
【図3】図1の磁気記憶素子を用いた磁気記憶装置の概略構成図(斜視図)である。
【図4】図3の磁気記憶装置の平面図である。
【図5】図1の磁気記憶素子に流す電流の有無による磁気特性の変化を示す図である。A 電流を流していない状態の磁化曲線である。B 電流を流した状態の磁化曲線である。
【図6】本発明の磁気記憶装置の他の形態の概略構成図(斜視図)である。
【図7】図6の磁気記憶装置の平面図である。
【図8】磁気記憶素子を直方体状として、一体の磁性体となっているときの膜厚と保磁力との関係を示す図である。
【図9】磁気記憶素子を直方体状として、磁性体が上下の磁性体層に分断されているときの各磁性体層の膜厚と保磁力との関係を示す図である。
【図10】磁気記憶素子を楕円柱状として、一体の磁性体となっているときの膜厚と保磁力との関係を示す図である。
【図11】磁気記憶素子を楕円柱状として、磁性体が上下の磁性体層に分断されているときの各磁性体層の膜厚と保磁力との関係を示す図である。
【符号の説明】
10,20 磁気記憶素子、11A,11B,12 磁性体層、21 第1の配線、22 第2の配線、40,50 磁気記憶装置
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic storage element suitable for use in a nonvolatile memory, a recording method thereof, and a magnetic storage device configured using the magnetic storage element.
[0002]
[Prior art]
In information devices such as computers, high-speed and high-density DRAMs are widely used as random access memories.
However, since a DRAM is a volatile memory that loses information when the power is turned off, a nonvolatile memory that does not erase information is desired.
[0003]
As a nonvolatile memory, a magnetic random access memory (MRAM) using a magnetic storage element that records information based on a magnetization state of a magnetic material has been developed (for example, see Non-Patent Document 1).
[0004]
In the future, it is necessary to increase the density of the MRAM in order to increase the storage capacity and reduce the size of the device. Accordingly, it is required to further reduce the size of the magnetic storage elements constituting the memory cell.
[0005]
In a magnetic storage element used in an MRAM, magnetization is stabilized using a demagnetizing field generated by making the shape of a magnetic substance rectangular or elliptical, so that the coercive force increases as the element size decreases. In order to suppress this, it is necessary to reduce the film thickness.
[0006]
However, a decrease in the volume and coercive force of the element degrades the thermal stability of the magnetic storage element. That is, since the volume of the element is reduced due to the reduction in the element size, if the coercive force is reduced by reducing the film thickness as described above, the thermal stability of the magnetic storage element is deteriorated. Become.
[0007]
Therefore, a method using a perpendicular magnetization film for a magnetic storage element (for example, see Patent Document 1) has been proposed.
By using a perpendicular magnetization film, the coercive force is reduced to such an extent that the magnetization can be inverted, and the recorded magnetization is stably held.
[0008]
[Non-patent document 1]
Nikkei Electronics 2001.12 (pages 164-171)
[Patent Document 1]
JP 2001-291911 A (FIGS. 1 and 6)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the perpendicular magnetization film is used as described above, the perpendicular magnetic anisotropy equal to or more than the demagnetizing field is required in order to stabilize the recorded magnetization in the vertical direction, and the magnetization in the in-plane direction (horizontal direction) is required. In general, a larger coercive force is required as compared with the case of using.
[0010]
In addition, in order to facilitate the detection of magnetization, a certain amount of magnetization is required for the element, which makes it difficult to reduce the coercive force.
[0011]
Furthermore, when the element is miniaturized, the reversal of magnetization becomes a simultaneous magnetization reversal without magnetic domain movement, so that the above-described configuration of a perpendicular magnetization film having a large perpendicular magnetic anisotropy and a small coercive force can be realized. Becomes difficult.
[0012]
In order to solve the above-described problem, the present invention provides a magnetic storage element that can stably hold recording and can perform recording with a low recording current even when a high recording density is achieved, and a recording method for the magnetic storage element. A method and a magnetic storage device provided with the magnetic storage element are provided.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A magnetic storage element according to the present invention is a magnetic storage element that holds information by magnetization of a magnetic material, and has a storage layer that holds information in which at least three magnetic layers are stacked, and a magnetic layer in an in-plane direction of the element. The outer dimension is four times or less the total thickness of the magnetic material layers, and three times or more the thickness of a single magnetic layer, and the magnetic material layer having the largest specific resistance among the magnetic material layers is It is arranged so as to be sandwiched between other magnetic layers.
[0014]
The recording method for a magnetic storage element according to the present invention is characterized in that a storage layer for holding information by magnetization of a magnetic substance is formed by laminating at least three magnetic substance layers, and the outer peripheral dimension in the in-plane direction of the element is the total of the magnetic substance layers. The thickness of the magnetic material layer is 4 times or less, and the thickness of each magnetic material layer is 3 times or more, and the magnetic material layer having the largest specific resistance among the magnetic material layers is sandwiched between other magnetic material layers. This magnetic storage element is heated with respect to the magnetic storage element arranged in such a manner that the temperature of the magnetic layer having the highest specific resistance is increased to a temperature equal to or higher than the Curie point of the magnetic layer. On the other hand, a magnetic field in the film thickness direction is applied, heating is stopped in a state where the magnetic field is applied, and the magnetic field is cooled to the Curie point or lower, and the magnetization state is recorded on the magnetic memory element.
[0015]
The magnetic storage device according to the present invention comprises a storage layer for holding information by magnetization of a magnetic body and at least three magnetic layers laminated, and the outer peripheral dimension in the in-plane direction of the element is equal to the total thickness of the magnetic layer. The magnetic layer having the largest specific resistance among the magnetic layers is at least four times the thickness of a single layer of each magnetic layer, and is disposed between the other magnetic layers. Magnetic storage element, and a first wiring and a second wiring that intersect with each other, and the magnetic storage element is arranged at each intersection where the first wiring and the second wiring intersect with each other It is.
[0016]
According to the configuration of the magnetic storage element of the present invention described above, the storage layer for storing information is formed by laminating at least three magnetic layers, and the outer peripheral dimension in the in-plane direction of the element is the total thickness of the magnetic layers. The magnetic layer having the largest specific resistance among the magnetic layers is four times or less of the thickness of each magnetic layer, and is three times or more the thickness of a single layer of each magnetic layer. Therefore, when the magnetic memory element is heated, the temperature of the magnetic layer having the largest specific resistance rises more than that of the other magnetic layers. When the temperature of the magnetic layer having the highest specific resistance is raised to a temperature equal to or higher than its Curie point, the magnetic layer having the highest specific resistance is demagnetized, and the other magnetic layers sandwiching the magnetic layer are separated by two. It can be divided into two magnetic bodies. As a result, the coercive force of the storage layer decreases as the coercive force in the thickness direction of each of the divided magnetic layers, and the direction of magnetization of the magnetic layer is changed by a magnetic field, and information is stored in the storage layer. Recording can be performed.
On the other hand, in the non-heated state, three or more magnetic layers become an integral magnetic material, and the coercive force in the thickness direction of the storage layer increases, so that the recorded information can be stably held. .
Further, the outer peripheral dimension in the in-plane direction of the element is not more than four times the total thickness of the magnetic material layers and is not less than three times the thickness of a single layer of each magnetic material layer. And the coercive force in the thickness direction of the storage layer can be increased when the magnetic layer is separated, and the coercive force in the thickness direction of each magnetic layer when divided by heating is reduced to increase the in-plane magnetostatic property. A dynamic bond can be formed.
[0017]
According to the recording method of the magnetic memory element of the present invention described above, the magnetic memory element of the present invention is heated to heat the magnetic memory element, and the magnetic layer having the highest specific resistance is formed on the magnetic layer. The temperature is raised to above the Curie point, a magnetic field in the thickness direction is applied to the magnetic storage element in that state, and the magnetic layer having the largest specific resistance is raised to a temperature above the Curie point to demagnetize it. The other magnetic layer sandwiching the magnetic layer having a large specific resistance can be divided into two magnetic bodies to reduce the coercive force, and by applying a magnetic field in the film thickness direction with the coercive force reduced. In addition, the magnetization state of the storage layer can be changed.
Then, by stopping the heating in a state where the magnetic field is applied and cooling the magnetic layer below the Curie point, when the magnetization of the magnetic layer having the largest specific resistance is restored by the cooling, the storage layer is cooled according to the direction of the magnetic field. The magnetization of the three or more magnetic layers is aligned, and the magnetization state is recorded.
In the state where the magnetization is uniform as a single magnetic body, the coercive force is large, so that the magnetization state once recorded can be stably held.
[0018]
According to the configuration of the magnetic storage device of the present invention described above, the magnetic storage device of the present invention includes the first wiring and the second wiring that cross each other, and the first wiring and the second wiring By arranging the magnetic storage elements at the intersections where と intersects, it is possible to perform recording on the magnetic storage elements by the above-described recording method.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic storage element for holding information by magnetization of a magnetic body, wherein the storage layer for holding information is formed by laminating at least three magnetic layers, and the outer peripheral dimension in the in-plane direction of the element is magnetic. The total thickness of the magnetic layers is not more than four times the total thickness of the magnetic layers, and is not less than three times the thickness of a single layer of each magnetic layer. The magnetic storage element is sandwiched between layers.
[0020]
Further, according to the present invention, in the above magnetic storage element, each magnetic layer forming the storage layer is magnetized in a thickness direction at room temperature.
[0021]
Further, according to the present invention, in the above magnetic storage element, the magnetic layer having the largest specific resistance has a specific resistance twice or more that of the other magnetic layers.
[0022]
According to the present invention, a storage layer for holding information by magnetization of a magnetic material is formed by laminating at least three magnetic material layers, and an outer dimension in an in-plane direction of the element is four times or less of a total thickness of the magnetic material layer. And the magnetic layer having the largest specific resistance among the magnetic layers, which is at least three times the thickness of a single layer of each magnetic layer, is disposed between the other magnetic layers. The magnetic storage element is heated with respect to the element, and the temperature of the magnetic layer having the highest specific resistance is raised to a temperature equal to or higher than the Curie point of the magnetic layer. Is applied, the heating is stopped in a state where the magnetic field is applied, the temperature is cooled below the Curie point, and the magnetization state is recorded on the magnetic storage element.
[0023]
According to the present invention, a storage layer for holding information by magnetization of a magnetic material is formed by laminating at least three magnetic material layers, and an outer dimension in an in-plane direction of the element is four times or less of a total thickness of the magnetic material layer. And the magnetic layer having the largest specific resistance among the magnetic layers, which is at least three times the thickness of a single layer of each magnetic layer, is disposed between the other magnetic layers. A magnetic storage device including an element, a first wiring and a second wiring that intersect each other, and a magnetic storage element is arranged at an intersection where the first wiring and the second wiring intersect. .
[0024]
Further, according to the present invention, in the above magnetic storage device, a current can flow from the first wiring and the second wiring to the magnetic storage element.
[0025]
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a magnetic storage element as one embodiment of the present invention.
The magnetic storage element 10 serves as a storage layer in which information is recorded in accordance with the direction of magnetization. The magnetic storage element 10 has three layers in which a thin magnetic layer 12 is sandwiched between two thick magnetic layers 11A and 11B. It has a laminated structure of magnetic layers.
[0026]
The material of each of the magnetic layers 11A, 12 and 11B may be a ferromagnetic material containing Fe, Co, or Ni as a main component, a ferrimagnetic material made of an alloy of a rare earth metal and a transition metal, or CrO. 2 And Fe 2 O 3 And the like may be mainly composed of an oxide magnetic material such as
[0027]
Further, these three magnetic layers 11A, 12 and 11B are configured to be perpendicular magnetization films. That is, the film thickness and the dimension in the film surface direction are defined so as to form a perpendicular magnetization film.
By defining the film thickness and the dimension in the film surface direction in this way, it is possible to magnetize in the vertical direction by the effect of shape anisotropy.
[0028]
Further, in magnetic storage element 10 of the present embodiment, thin magnetic layer 12 sandwiched between thick magnetic layers 11A and 11B has a higher specific resistance than thick magnetic layers 11A and 11B. Configuration.
[0029]
More preferably, the specific resistance of the thin magnetic layer 12 is at least twice the specific resistance of the thick magnetic layers 11A and 11B.
[0030]
As a result, when the magnetic memory element 10 is heated, the temperature rise due to the heating of the thin magnetic layer 12 having a higher specific resistance is larger than that of the thin magnetic layer 12, and the temperature of the thin magnetic layer 12 becomes higher than the Curie point first. The magnetization disappears, that is, it becomes non-magnetic.
When the thin magnetic layer 12 becomes non-magnetic, the magnetic coupling between the upper and lower thick magnetic layers 11A and 11B formed through the thin magnetic layer 12 is broken.
Thereby, the magnetic material is divided into the individual magnetic material layers 11A and 11B, and the thickness is reduced, and the coercive force can be reduced.
[0031]
Further, in the magnetic storage element 10 of the present embodiment, in particular, as described above, the thickness of each of the magnetic layers 11A, 12, and 11B and the dimension in the film surface direction are different from those of the magnetic layers 11A, 12, and 11B. Not only becomes a perpendicular magnetization film, but also can realize both recording by reversal of magnetization and stable retention of the recorded magnetization.
That is, as shown in FIG. 1, the thickness of the upper and lower thick magnetic layers 11A and 11B is d1, the thickness of the thin magnetic layer between them is d2 (<d1), and the total thickness of the magnetic layers 11A, 12 and 11B. When the thickness is D (= d1 + d2 + d1), the outer circumferential dimension of the magnetic storage element 10 in the in-plane direction is four times or less the total thickness D of the magnetic layer, and the upper and lower thick magnetic layers (of the specific resistance). The thickness is set to be three times or more the thickness d1 of the small magnetic layers 11A and 11B.
[0032]
With this definition, the dimension (length, width, etc.) of the magnetic storage element 10 in the in-plane direction is relatively small when viewed from the total thickness D of the magnetic layer, and the thickness d1 of the upper and lower magnetic layers is small. From the viewpoint, it is relatively large.
Thus, when the three magnetic layers 11A, 12 and 11B in which no current flows through the magnetic storage element 10 are made of an integral magnetic material, the thickness D is smaller than the dimension in the in-plane direction. Therefore, the coercive force in the film thickness direction (vertical direction) increases. When the coercive force in the thickness direction is large, the magnetization recorded by perpendicular magnetization can be stably held only by the magnetic anisotropy due to the shape.
On the other hand, when a current flows through the magnetic memory element 10 and the magnetic body is divided into two thick magnetic layers 11A and 11B, the film thickness d1 is relatively small as compared with the dimension in the in-plane direction. The coercive force in the thickness direction (vertical direction) is reduced. Since the coercive force in the film thickness direction is small, the magnetization of each magnetic layer is easily directed in the in-plane direction during recording, that is, the magnetostatic coupling in the in-plane direction is easily formed, and the magnetization is reversed with a small magnetic field. It becomes possible to do.
[0033]
Subsequently, a method for recording information in the magnetic storage element 10 according to the present embodiment having the above-described configuration will be described.
[0034]
Here, as shown in FIG. 2A, when the magnetization of each of the magnetic layers 11A, 12, and 11B is downward at room temperature, the magnetization of each of the magnetic layers 11A, 12, and 11B is inverted upward. The procedure for recording the information is described below.
First, a current (upward or downward) is caused to flow in the thickness direction of the magnetic storage element 10. Since the magnetic storage element 10 is heated by this current, the temperature of the thin magnetic layer 12 having a particularly large specific resistance greatly increases.
[0035]
Then, when the magnetization of the thin magnetic layer 12 exceeds the Curie point and disappears, the thin magnetic layer 12 becomes non-magnetic and the magnetic coupling between the upper and lower thick magnetic layers 11A and 11B is cut off. Thereby, as shown in FIG. 2B, magnetostatic coupling occurs in the thick magnetic layers 11A and 11B, and the magnetizations are arranged in the in-plane direction and antiparallel to each other.
In such a state, the coercive force in the film thickness direction becomes small, so that the direction of magnetization can be reversed by applying an upward magnetic field H (see FIG. 2C).
[0036]
Next, when an upward magnetic field H shown in FIG. 2C is applied, the current is stopped and the magnetic memory element 10 is cooled in a state where the magnetic field H is applied. The magnetic coupling of the body layers 11A and 11B is formed, and an upward magnetization in the direction of the magnetic field H is generated in the three magnetic layers 11A, 12 and 11B.
Thereafter, the magnetic field H is removed, and the recording is completed.
[0037]
On the other hand, when reversing the magnetization of the magnetic storage element 10 from upward to downward, as opposed to FIGS. 2A to 2C, the direction of the magnetic field may be downward.
[0038]
In this manner, upward or downward magnetization information is recorded in the magnetic storage element 10 in accordance with the information to be recorded.
[0039]
According to the configuration of the magnetic storage element 10 of the present embodiment described above, by defining the film thickness and the dimension in the in-plane direction as described above, the magnetic storage element 10 is formed as a perpendicular magnetization film. When it is not, the three magnetic layers 11A, 12 and 11B are integrated magnetic materials, and the total thickness D of the magnetic memory element 10 becomes large when viewed from the dimension in the in-plane direction. Has a large coercive force. Thereby, information recorded by perpendicular magnetization can be stably held.
[0040]
Also, the thin magnetic layer 12 sandwiched between the three magnetic layers 11A, 12 and 11B has a higher specific resistance than the upper and lower magnetic layers 11A and 11B, so that the magnetic memory element 10 When an electric current is applied and heated, the temperature of the magnetic layer 12 having a large specific resistance greatly increases to a temperature exceeding the Curie point, and the magnetic layer 12 becomes non-magnetic. At this time, in-plane magnetostatic coupling occurs between the upper and lower magnetic layers 11A and 11B.
Since the thickness d1 of the magnetic layers 11A and 11B is small when viewed from the dimension in the in-plane direction, the coercive force in the film thickness direction is small, and the magnetostatic coupling in the in-plane direction is easily generated. Is easily inverted. This enables recording with a small magnetic field.
[0041]
Therefore, by using the magnetic storage element 10 of the present embodiment, it is possible to stabilize the magnetization even when the magnetic storage elements 10 are integrated at a high density and to easily perform recording with a small magnetic field (magnetic field). Thus, a magnetic storage device capable of stably and accurately recording information can be configured.
[0042]
Then, a magnetic storage device such as an MRAM is configured by arranging the magnetic storage element 10 of the present embodiment at the intersection of a plurality of first wirings and second wirings which are arranged orthogonally in a matrix. be able to.
[0043]
Next, as one embodiment of the magnetic storage device of the present invention, FIG. 3 shows a schematic configuration diagram (perspective view) of a magnetic storage device configured using the magnetic storage element 10 of the above embodiment. FIG. 4 is a plan view of the magnetic storage device shown in FIG. 3 illustrates two vertical and two horizontal magnetic storage elements 10, and FIG. 4 illustrates four vertical and four horizontal magnetic storage elements.
[0044]
As shown in FIGS. 3 and 4, the magnetic storage device 40 has an intersection of a large number of first wirings (for example, bit lines) 21 and second wirings (for example, word lines) 22 arranged in a matrix at right angles. The magnetic storage element 10 has a rectangular planar shape and has the structure shown in FIG.
As shown in FIG. 1, each magnetic storage element 10 includes two thick magnetic layers 11A and 11B with a thin magnetic layer 12 interposed therebetween.
[0045]
When the magnetic storage device 40 is configured as described above, recording is performed on the magnetic storage element 10 as follows, for example.
[0046]
First, one of the first wirings 21 and the second wirings 22 corresponding to the magnetic memory element 10 for performing recording is selected from a large number of the first wirings 21 and the second wirings 22, and the first wirings 21 and 22 are selected. An electric current is applied to the magnetic storage element 10 for recording by applying an electric current to the second wiring 22 and an electric current in the film thickness direction (vertical direction in the figure).
As a result, the temperature of the thin magnetic layer 12 rises and becomes demagnetized beyond the Curie point, so that the magnetic information is stored in the magnetic memory element 10 (“0” or “1”). The direction of the magnetic field applied to the storage element 10 is set, and the magnetic field is applied.
[0047]
At this time, it is set so that a current is applied to raise the temperature to a temperature exceeding the Curie temperature of the thin magnetic layer 12, and then a magnetic field is applied to perform recording.
In other words, the Curie temperature of the thin magnetic layer 12 may be set to be lower than the temperature at the time of recording.
[0048]
Then, while the magnetic field applied to the magnetic storage element 10 is applied, the current flowing through the first wiring 21 and the second wiring 22 is stopped, and the current flowing through the magnetic storage element 10 is eliminated. Allow 10 to cool.
As a result, the magnetization of the thin magnetic layer 12 is restored, and the magnetization directions of the three magnetic layers 11A, 12 and 11B become the film thickness direction. That is, the entire magnetic storage element 10 becomes perpendicular magnetization, and the direction of the magnetization becomes the direction of the magnetic field, that is, the direction of the magnetization corresponding to the content of information. Then, by removing the magnetic field, the recording of the magnetization information in the magnetic storage element 10 ends.
[0049]
These steps can be repeated for the magnetic storage element 10 that needs to record (rewrite) information, and information can be recorded on all the magnetic storage elements 10 that need to record information.
[0050]
By performing the recording as described above, in the selected magnetic storage element 10, a current flows from the corresponding first wiring 21 and the second wiring 22 to the magnetic storage element 10, and the thin magnetic layer 12 is not moved. The magnetic storage element 10 is magnetized to reduce the coercive force in the thickness direction of the magnetic storage element 10, and a magnetic field whose direction is set according to the content of information to be recorded is applied. Be recorded.
On the other hand, in the non-selected magnetic storage element 10, no current flows from the corresponding first wiring 21 and second wiring 22 to the magnetic storage element 10. Even if one of the wirings 21 or 22 is common to the selected magnetic storage element 10, no current flows through the magnetic storage element 10 unless the other wiring is common. For this reason, the three magnetic layers 11A, 12 and 11B remain an integral magnetic material, the coercive force in the thickness direction is large, and the recorded magnetization state can be stably held.
[0051]
According to the configuration of the magnetic storage device 40 of the present embodiment described above, at the time of recording, the coercive force in the film thickness direction of the magnetic storage element 10 can be reduced, and recording can be easily performed. The magnetization state can be stably maintained until recording is performed again.
And, as the magnetic storage element is miniaturized in order to increase the recording capacity, the coercive force increases and it becomes difficult to perform recording, and it tends to become difficult to stably maintain perpendicular magnetization. The magnetic storage device 40 of the present embodiment is suitable for increasing the storage capacity.
[0052]
Here, the magnetic storage element 10 of the embodiment shown in FIG. 1 was actually manufactured, and the magnetic characteristics were examined.
The upper and lower thick magnetic layers 11A and 11B are formed of a 70-nm thick Ni film, and the thin magnetic layer 12 is formed of a 10-nm thick CoRu-SiO 2 The magnetic storage element 10 was formed by a film.
The specific resistance of the Ni film is 10 μΩcm, CoRu-SiO 2 The specific resistance of the film is 800 μΩcm.
In manufacturing the magnetic memory element 10, after these three magnetic layers 11A, 12 and 11B are formed, FIB (focused ion beam) processing is performed so that the dimension in the in-plane direction becomes 100 nm square. Processed to.
[0053]
The perpendicular magnetization of the magnetic storage element 10 was measured by the polar Kerr effect. The results are shown in FIGS. 5A and 5B. FIG. 5A shows the magnetization M when no current flows through the element, and FIG. 5B shows the magnetization M when a current of 5 mA flows per element.
[0054]
Comparing FIG. 5A and FIG. 5B, it can be seen that the coercive force is reduced by flowing a current. Therefore, it is understood that writing can be easily performed by passing a current through the element.
[0055]
By the way, the magnetic storage element 10 according to the embodiment shown in FIG. 1 has a rectangular parallelepiped shape (quadratic prism shape).
In the present invention, the shape of the magnetic storage element is not limited to a rectangular parallelepiped (quadratic prism), but may be a cylinder or an elliptical column, or the dimensions of the top surface and the bottom surface may be slightly different (for example, a trapezoidal cross section). However, it suffices if the above condition is satisfied on average.
[0056]
For example, FIGS. 6 and 7 show schematic configuration diagrams of a magnetic storage device 50 in which an elliptic columnar magnetic storage element 20 is formed and a first wiring 21 and a second wiring 22 are similarly arranged. 6, two vertical and two horizontal magnetic storage elements are illustrated in FIG. 6, and four vertical and four horizontal magnetic storage elements 20 are illustrated in FIG.
[0057]
In the magnetic storage device 50, similarly to the magnetic storage device 40 described above, while recording can be easily performed, the recorded magnetization state can be stably held. .
The magnetic storage device 50 is also suitable for increasing the storage capacity, similarly to the magnetic storage device 40 described above.
[0058]
Here, the relationship between the size of the magnetic layer of the magnetic memory element and the coercive force was calculated by micromagnetic.
Specifically, when the shape of the magnetic storage element is a rectangular parallelepiped and when the magnetic storage element is an elliptical column, the thickness z and the in-plane dimensions (vertical and horizontal or long axis / short axis) x and y of the magnetic body are determined. The change of the coercive force in the film thickness direction when changing was obtained.
The magnetic storage element 10 was constituted by the three magnetic layers 11A, 12 and 11B shown in FIG. 1, and the thickness of the thin magnetic layer 12 was 10 nm.
Then, three cases where dimensions in the plane direction (vertical and horizontal or major axis / minor axis) x and y are x = 50 nm, y = 50 nm, x = 50 nm, y = 70 nm, x = 70 nm, and y = 70 nm, respectively. The coercive force in the film thickness direction was calculated by changing the thickness z of the magnetic material. That is, when the three magnetic layers 11A, 12 and 11B are an integral magnetic body, the thickness z of the magnetic body becomes the total thickness D of the magnetic memory element 10, and the thin magnetic layer 12 becomes non-magnetic. When it is divided into upper and lower magnetic layers 11A and 11B, the thickness z of the magnetic substance becomes the thickness d1 of the upper and lower magnetic layers 11A and 11B.
FIG. 8 shows the relationship between the film thickness and the coercive force when the magnetic storage element is a rectangular parallelepiped and is formed as an integral magnetic body.
FIG. 9 shows the relationship between the thickness of each magnetic layer and the coercive force when the magnetic memory element is a rectangular parallelepiped and the magnetic body is divided into upper and lower magnetic layers.
FIG. 10 shows the relationship between the film thickness and the coercive force when the magnetic storage element is formed in an elliptical column and is formed as an integral magnetic body.
FIG. 11 shows the relationship between the film thickness of each magnetic layer and the coercive force when the magnetic memory element has an elliptical column shape and the magnetic body is divided into upper and lower magnetic layers.
[0059]
8 and 10, the coercive force increases as the thickness z of the magnetic body increases, and the thickness z increases as compared with the in-plane dimensions x and y. It can be seen that the coercive force becomes larger when this happens.
When the magnetic material is divided into upper and lower magnetic material layers, the coercive force also increases as the thickness z of the magnetic material increases in this case, as shown in FIGS. In comparison, it can be seen that the coercive force increases as the thickness z increases. Further, when the magnetic layer is divided into upper and lower magnetic layers, the thickness z at which the coercive force starts to increase is slightly smaller than that in the case of a single magnetic body due to the magnetic influence between the layers.
[0060]
It is desirable that the coercive force be large when the magnetic storage element 10 is an integral magnetic body, and small when the magnetic storage element 10 is divided into upper and lower magnetic layers 11A and 11B. The total thickness D of the storage element 10 is relatively large with respect to the in-plane directions x and y, and the thickness d1 of the upper and lower magnetic layers 11A and 11B is compared with the in-plane directions x and y. It is necessary to have a very small configuration.
[0061]
In a magnetic storage device in which a large number of magnetic storage elements are arranged, when recording is performed on each magnetic storage element, there is a magnetic field received from surrounding magnetic storage elements. Unless a magnetic field is applied, desired recording cannot be performed.
Therefore, in order to reduce the magnetic field received from the surrounding magnetic storage elements, it is conceivable that the content of the information recorded in each magnetic storage element is not biased to one of “0” and “1”.
[0062]
For example, it is assumed that 150 “0” and 50 “1” are to be recorded in 200 magnetic storage elements out of 10,000 magnetic storage elements, respectively.
If 200 pieces to be recorded are consolidated (for example, grouped into 10 rows × 20 columns), “0” is concentrated, and in a portion where many “0” are gathered, a magnetic field received from a surrounding magnetic storage element is generated. As a result, the desired recording becomes difficult.
Therefore, if the recording is distributed and controlled by a computer program or the like so that 200 recordings are well distributed among 10,000 recordings, desired recording can be easily performed.
[0063]
In the above-described embodiment, the three-layer structure of the thin magnetic layer 12 having a large specific resistance is sandwiched between the upper and lower magnetic layers 11A and 11B. It is also possible to form a magnetic memory element with four or more magnetic layers by stacking a plurality of magnetic layers with a magnetic layer having high resistance.
Further, a non-magnetic layer (for example, an electrode layer) may be provided at a portion connecting the upper and lower magnetic layers and the outside of the magnetic storage element.
[0064]
Further, the magnetic layer having a large specific resistance sandwiched therebetween is sufficiently thinner than the upper and lower magnetic layers in the samples used in the measurements of FIGS. The thickness may be equal to or less than the thickness.
The merits of making the magnetic layer with high specific resistance sufficiently thin are that the heat capacity becomes small and the temperature rises easily, and when it becomes non-magnetic, magnetostatic coupling to the upper and lower magnetic layers becomes easier. And the like.
[0065]
Further, the magnetic layer having a large specific resistance is preferably located at the magnetic center of the magnetic memory element and substantially at the center of the amount of magnetization. However, the present invention includes other configurations.
[0066]
As a method of heating the magnetic storage element, a method other than the method of directly supplying a current to the magnetic storage element from the above-described wiring is also possible. Is also conceivable.
In a configuration in which a current flows directly from the wiring to the magnetic storage element, in the magnetic storage device 40 shown in FIG. 3, the current only needs to flow from the first wiring 21 and the second wiring 22. This is advantageous in that both selection and heating of the storage element can be performed.
[0067]
Further, in the present invention, the configuration for detecting the magnetization state of the magnetic storage element is not particularly limited. For example, a magnetic tunnel junction element (TMR element), a giant magnetoresistance effect element (GMR element), a Hall element, or the like can be used.
[0068]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and may take various other configurations without departing from the gist of the present invention.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, when the magnetic memory element is not heated, the magnetic layer acts as an integral magnetic body and the coercive force in the film thickness direction increases, so that the recorded information can be stabilized. Can be held.
Further, by heating the magnetic storage element, the magnetic layer is divided and the coercive force in the film thickness direction decreases, so that recording can be performed with a small magnetic field.
Therefore, according to the present invention, it is possible to configure a magnetic storage device capable of stably recording information.
[0070]
In particular, since the relationship between the total thickness of the magnetic storage element and the thickness of the separated magnetic material layer and the outer peripheral dimension in the in-plane direction is defined within a predetermined range, the magnetic material becomes an integrated magnetic material. In this case, the coercive force in the film thickness direction can be increased when the film is separated, and the coercive force in the film thickness direction when the film is divided can be reduced.
As a result, even if the magnetic storage element is miniaturized, and even if the magnetic storage element is densely integrated and the influence of a magnetic field from an adjacent element increases, information can be easily recorded and the recorded information can be easily recorded. Can be held stably.
In a magnetic storage device, as the size of the magnetic storage element is reduced in order to increase the storage capacity, and as the density of the magnetic storage element is increased, recording of information and retention of the recorded information tend to be more difficult. The present invention is effective for increasing the storage capacity of a magnetic recording device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a magnetic storage element of the present invention.
2A to 2C are diagrams for explaining a recording operation of the magnetic storage element of FIG. 1;
FIG. 3 is a schematic configuration diagram (perspective view) of a magnetic storage device using the magnetic storage element of FIG. 1;
FIG. 4 is a plan view of the magnetic storage device of FIG. 3;
5 is a diagram showing a change in magnetic characteristics depending on the presence or absence of a current flowing through the magnetic storage element of FIG. A is a magnetization curve when no current is flowing. B is a magnetization curve in a state where a current is passed.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram (perspective view) of another embodiment of the magnetic storage device of the present invention.
FIG. 7 is a plan view of the magnetic storage device of FIG. 6;
FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the film thickness and the coercive force when the magnetic storage element is a rectangular parallelepiped and formed as an integral magnetic body.
FIG. 9 is a view showing the relationship between the thickness of each magnetic layer and the coercive force when the magnetic storage element is a rectangular parallelepiped and the magnetic body is divided into upper and lower magnetic layers.
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the film thickness and the coercive force when the magnetic storage element is formed into an elliptical column and formed as an integral magnetic body.
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the film thickness of each magnetic layer and the coercive force when the magnetic memory element has an elliptical column shape and the magnetic body is divided into upper and lower magnetic layers.
[Explanation of symbols]
10, 20 magnetic storage element, 11A, 11B, 12 magnetic layer, 21 first wiring, 22 second wiring, 40, 50 magnetic storage device

Claims (6)

情報を磁性体の磁化により保持する磁気記憶素子であって、
上記情報を保持する記憶層が、少なくとも3層の磁性体層が積層されて成り、
素子の面内方向の外周寸法が上記磁性体層の合計の厚さの4倍以下であり、かつ各磁性体層の単層の厚さの3倍以上であり、
上記磁性体層のうち最も比抵抗の大きい磁性体層が、他の磁性体層に挟まれて配置されている
ことを特徴とする磁気記憶素子。
A magnetic storage element that holds information by magnetization of a magnetic material,
The storage layer for holding the information is formed by stacking at least three magnetic layers,
An outer circumferential dimension of the element in the in-plane direction is four times or less the total thickness of the magnetic layers, and three times or more the thickness of a single layer of each magnetic layer;
A magnetic memory element, wherein a magnetic layer having the highest specific resistance among the magnetic layers is disposed between other magnetic layers.
上記記憶層を構成する各磁性体層が、室温において、膜厚方向に磁化されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気記憶素子。2. The magnetic storage element according to claim 1, wherein each magnetic layer constituting the storage layer is magnetized in a thickness direction at room temperature. 上記最も比抵抗の大きい磁性体層の比抵抗の大きさが、他の磁性体層の2倍以上であることを特徴とする請求項1に記載の磁気記憶素子。2. The magnetic memory element according to claim 1, wherein the magnitude of the specific resistance of the magnetic layer having the largest specific resistance is at least twice that of the other magnetic layers. 情報を磁性体の磁化により保持する記憶層が少なくとも3層の磁性体層が積層されて成り、
素子の面内方向の外周寸法が上記磁性体層の合計の厚さの4倍以下であり、かつ各磁性体層の単層の厚さの3倍以上であり、
上記磁性体層のうち最も比抵抗の大きい磁性体層が、他の磁性体層に挟まれて配置されている磁気記憶素子に対して、
上記磁気記憶素子を加熱して、上記最も比抵抗の大きい磁性体層を該磁性体層のキュリー点以上まで温度上昇させ、その状態で上記磁気記憶素子に対して膜厚方向の磁界を印加し、
上記磁界を印加した状態で、上記加熱を停止して上記キュリー点以下に冷却して、上記磁気記憶素子に磁化状態の記録を行う
ことを特徴とする磁気記憶素子の記録方法。
A storage layer for holding information by magnetization of a magnetic material is formed by stacking at least three magnetic material layers,
An outer circumferential dimension of the element in the in-plane direction is four times or less the total thickness of the magnetic layers, and three times or more the thickness of a single layer of each magnetic layer;
The magnetic layer having the largest specific resistance among the magnetic layers is a magnetic storage element sandwiched between other magnetic layers.
The magnetic storage element is heated to raise the temperature of the magnetic layer having the highest specific resistance to a temperature equal to or higher than the Curie point of the magnetic layer, and in that state, a magnetic field in the thickness direction is applied to the magnetic storage element. ,
A recording method for a magnetic storage element, wherein the heating is stopped in a state where the magnetic field is applied, the temperature is cooled below the Curie point, and the magnetization state is recorded in the magnetic storage element.
情報を磁性体の磁化により保持する記憶層が少なくとも3層の磁性体層が積層されて成り、
素子の面内方向の外周寸法が上記磁性体層の合計の厚さの4倍以下であり、かつ各磁性体層の単層の厚さの3倍以上であり、
上記磁性体層のうち最も比抵抗の大きい磁性体層が、他の磁性体層に挟まれて配置されている磁気記憶素子と、
互いに交差する第1の配線と第2の配線とを有し、
上記第1の配線と上記第2の配線とが交差する交点に、それぞれ上記磁気記憶素子が配置されて成る
ことを特徴とする磁気記憶装置。
A storage layer for holding information by magnetization of a magnetic material is formed by stacking at least three magnetic material layers,
An outer circumferential dimension of the element in the in-plane direction is four times or less the total thickness of the magnetic layers, and three times or more the thickness of a single layer of each magnetic layer;
A magnetic storage element in which the magnetic layer having the highest specific resistance among the magnetic layers is disposed between other magnetic layers,
A first wiring and a second wiring that cross each other,
A magnetic storage device, wherein the magnetic storage elements are arranged at intersections where the first wiring and the second wiring intersect, respectively.
上記第1の配線及び上記第2の配線から、上記磁気記憶素子に電流を流すことが可能な構成とされていることを特徴とする請求項5に記載の磁気記憶装置。6. The magnetic storage device according to claim 5, wherein a current is allowed to flow through the magnetic storage element from the first wiring and the second wiring.
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