JP2022025821A - Magnetic memory - Google Patents

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Yugo Ishitani
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Abstract

To provide a magnetic memory having high data reliability.SOLUTION: A magnetic memory according to the present embodiment includes an array region including a storage element, a reference region including a reference element and a reading circuit connected to the array region and the reference region and comparing a signal from the array region with a signal from the reference region. Each of the storage element and the reference element includes a storage layer including a ferromagnetic substance, a reference layer including a ferromagnetic substance and a spacer layer interposed between the storage layer and the reference layer.The reference layer has a first layer, a non-magnetic layer and a second layer successively formed from the side near to the storage layer. The reference element and the storage element have respectively different ratios of the sum of thickness of the magnetic layers of the second layer to the sum of the thickness of the magnetic layers of the first layer.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、磁気メモリに関する。 The present invention relates to a magnetic memory.

微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリに注目が集まっている。例えば、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等が次世代の不揮発性メモリとして知られている。 Next-generation non-volatile memory is attracting attention as an alternative to flash memory, etc., whose miniaturization has reached its limit. For example, MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), ReRAM (Resistance Random Access Memory), PCRAM (Phase Change Random Access Memory), and the like are known as next-generation non-volatile memory.

ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子を用いたメモリデバイスである。磁気抵抗効果素子の抵抗値は、二つの磁性膜の磁化の向きの相対角の違いによって変化する。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子の抵抗値をデータとして記憶する。 The MRAM is a memory device using a magnetoresistive element. The resistance value of the magnetoresistive element changes depending on the difference in the relative angles of the magnetization directions of the two magnetic films. The MRAM stores the resistance value of the magnetoresistive element as data.

メモリデバイスは、データの信頼性を高めるために、リファレンス素子を有する場合がある（例えば、特許文献１）。リファレンス素子と記憶素子との抵抗を対比することで、誤書き込み、誤読み出し等を防ぐことができる。 The memory device may have a reference element in order to increase the reliability of the data (for example, Patent Document 1). By comparing the resistances of the reference element and the storage element, it is possible to prevent erroneous writing, erroneous reading, and the like.

特許第６５１０７５８号公報Japanese Patent No. 6510758

リファレンス素子は、データの参照用である。リファレンス素子の抵抗が変化すると、データの基準が変化し、データの信頼性が低下する。 The reference element is for reference of data. When the resistance of the reference element changes, the data reference changes and the reliability of the data decreases.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、データの信頼性が高い磁気メモリを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a magnetic memory having high data reliability.

（１）第１の態様に係る磁気メモリは、記憶素子を含むアレイ領域と、リファレンス素子を含むリファレンス領域と、前記アレイ領域と前記リファレンス領域とに接続され、前記アレイ領域からの信号と前記リファレンス領域からの信号とを比較する読出し回路と、を備え、前記記憶素子と前記リファレンス素子とはそれぞれ、強磁性体を含む記憶層と、強磁性体を含む参照層と、前記記憶層と前記参照層との間にあるスペーサ層と、を備え、前記参照層は、前記記憶層に近い側から順に、第１層と非磁性層と第２層とを有し、前記リファレンス素子と前記記憶素子とは、前記第２層における磁性層の厚みの合計と前記第１層における磁性層の厚みの合計との比が異なる。 (1) The magnetic memory according to the first aspect is connected to an array area including a storage element, a reference area including a reference element, the array area and the reference area, and a signal from the array area and the reference. A reading circuit for comparing signals from a region is provided, and the storage element and the reference element are a storage layer containing a ferromagnetic material, a reference layer containing a ferromagnetic material, and the storage layer and the reference, respectively. A spacer layer between the layers is provided, and the reference layer has a first layer, a non-magnetic layer, and a second layer in order from the side closer to the storage layer, and the reference element and the storage element. The ratio of the total thickness of the magnetic layer in the second layer to the total thickness of the magnetic layer in the first layer is different.

（２）上記態様に係る磁気メモリにおいて、前記第２層の磁性層の厚みを前記第１層の磁性層の厚みで割った値は、前記記憶素子よりも前記リファレンス素子の方が大きくてもよい。 (2) In the magnetic memory according to the above aspect, the value obtained by dividing the thickness of the magnetic layer of the second layer by the thickness of the magnetic layer of the first layer is larger in the reference element than in the storage element. good.

（３）上記態様に係る磁気メモリは、前記記憶素子と前記リファレンス素子とはそれぞれ、前記記憶層の前記スペーサ層と反対側に、配線層を有し、前記リファレンス素子における前記配線層の幅は、前記記憶素子における前記配線層の幅より広くてもよい。 (3) The magnetic memory according to the above aspect has a wiring layer on the opposite side of the storage element and the reference element, respectively, and the width of the wiring layer in the reference element is , It may be wider than the width of the wiring layer in the storage element.

（４）上記態様に係る磁気メモリにおいて、前記リファレンス素子の前記参照層からの漏れ磁場が、前記リファレンス素子の前記記憶層の保磁力よりも大きくてもよい。 (4) In the magnetic memory according to the above aspect, the magnetic field leaked from the reference layer of the reference element may be larger than the coercive force of the storage layer of the reference element.

（５）上記態様に係る磁気メモリを積層方向から見た平面視において、前記リファレンス素子の記憶層の最大幅は、前記記憶素子の最大幅より広くてもよい。 (5) In a plan view of the magnetic memory according to the above aspect from the stacking direction, the maximum width of the storage layer of the reference element may be wider than the maximum width of the storage element.

（６）上記態様に係る磁気メモリを積層方向から見た平面視において、前記リファレンス素子の記憶層の最大幅は、２０ｎｍより大きくてもよい。 (6) The maximum width of the storage layer of the reference element may be larger than 20 nm in a plan view of the magnetic memory according to the above aspect when viewed from the stacking direction.

（７）上記態様に係る磁気メモリを積層方向から見た平面視において、前記記憶素子の最大幅は、２０ｎｍ以下であってもよい。 (7) The maximum width of the storage element may be 20 nm or less in a plan view of the magnetic memory according to the above aspect when viewed from the stacking direction.

（８）上記態様に係る磁気メモリにおいて、前記リファレンス領域は、複数のリファレンス素子を有し、前記リファレンス領域は、複数のリファレンス素子が直列に配列された複数の第１素子群を有し、前記複数の第１素子群は、それぞれ並列に配列されていてもよい。 (8) In the magnetic memory according to the above aspect, the reference area has a plurality of reference elements, and the reference area has a plurality of first element groups in which a plurality of reference elements are arranged in series. The plurality of first element groups may be arranged in parallel.

（９）上記態様に係る磁気メモリにおいて、前記リファレンス領域は、複数のリファレンス素子を有し、前記リファレンス領域は、複数のリファレンス素子が並列に配列された複数の第２素子群を有し、前記複数の第２素子群は、それぞれ直列に配列されていてもよい。 (9) In the magnetic memory according to the above aspect, the reference area has a plurality of reference elements, and the reference area has a plurality of second element groups in which a plurality of reference elements are arranged in parallel. The plurality of second element groups may be arranged in series.

（１０）上記態様に係る磁気メモリにおいて、前記アレイ領域と前記リファレンス領域とはそれぞれ電源に接続され、前記リファレンス領域に印加される読み出し電圧は、前記アレイ領域に印加される読み出し電圧より高くてもよい。 (10) In the magnetic memory according to the above embodiment, the array region and the reference region are connected to a power source, respectively, and the read voltage applied to the reference region may be higher than the read voltage applied to the array region. good.

（１１）上記態様に係る磁気メモリにおいて、前記記憶層及び前記参照層の磁化容易軸が積層方向であり、前記第２層の磁性層の厚みを前記第１層の磁性層の厚みで割った値は、前記記憶素子よりも前記リファレンス素子の方が大きく、データの読出す際に、前記リファレンス素子は、読出し電流が前記参照層から前記記憶層に向かって流れてもよい。 (11) In the magnetic memory according to the above aspect, the easy axis of magnetization of the storage layer and the reference layer is the stacking direction, and the thickness of the magnetic layer of the second layer is divided by the thickness of the magnetic layer of the first layer. The value is larger in the reference element than in the storage element, and when reading data, the reference element may have a read current flowing from the reference layer toward the storage layer.

（１２）上記態様に係る磁気メモリにおいて、前記記憶層及び前記参照層の磁化容易軸が積層方向であり、前記第２層の磁性層の厚みを前記第１層の磁性層の厚みで割った値は、前記リファレンス素子よりも前記記憶素子の方が大きく、データの読出す際に、前記リファレンス素子は、読出し電流が前記記憶層から前記参照層に向かって流れてもよい。 (12) In the magnetic memory according to the above aspect, the easy axis of magnetization of the storage layer and the reference layer is the stacking direction, and the thickness of the magnetic layer of the second layer is divided by the thickness of the magnetic layer of the first layer. The value is larger in the storage element than in the reference element, and when reading data, the reference element may have a read current flowing from the storage layer toward the reference layer.

（１３）上記態様に係る磁気メモリにおいて、前記記憶層及び前記参照層の磁化容易軸が積層方向と交差する面内方向であり、前記第２層の磁性層の厚みを前記第１層の磁性層の厚みで割った値は、前記記憶素子よりも前記リファレンス素子の方が大きく、データの読出す際に、前記リファレンス素子は、読出し電流が前記記憶層から前記参照層に向かって流れてもよい。 (13) In the magnetic memory according to the above aspect, the easy axis of magnetization of the storage layer and the reference layer is in the in-plane direction where the stacking direction intersects, and the thickness of the magnetic layer of the second layer is the magnetism of the first layer. The value divided by the thickness of the layer is larger in the reference element than in the storage element, and when reading data, the reference element may have a read current flowing from the storage layer toward the reference layer. good.

（１４）上記態様に係る磁気メモリにおいて、前記記憶層及び前記参照層の磁化容易軸が積層方向と交差する面内方向であり、前記第２層の磁性層の厚みを前記第１層の磁性層の厚みで割った値は、前記リファレンス素子よりも前記記憶素子の方が大きく、データの読出す際に、前記リファレンス素子は、読出し電流が前記参照層から前記記憶層に向かって流れてもよい。 (14) In the magnetic memory according to the above aspect, the magnetizing easy axis of the storage layer and the reference layer is in the in-plane direction where the stacking direction intersects, and the thickness of the magnetic layer of the second layer is the magnetism of the first layer. The value divided by the thickness of the layer is larger in the storage element than in the reference element, and when reading data, the reference element may have a read current flowing from the reference layer toward the storage layer. good.

上記態様にかかる磁気メモリは、データの信頼性が高い。 The magnetic memory according to the above aspect has high data reliability.

第１実施形態にかかる磁気メモリのブロック図である。It is a block diagram of the magnetic memory which concerns on 1st Embodiment. 第１実施形態にかかるアレイ領域及びリファレンス領域の回路図である。It is a circuit diagram of the array area and the reference area which concerns on 1st Embodiment. 第１実施形態にかかるアレイ領域及びリファレンス領域の断面図である。It is sectional drawing of the array area and the reference area which concerns on 1st Embodiment. 第１実施形態にかかるアレイ領域の記憶素子の断面図である。It is sectional drawing of the storage element of the array area which concerns on 1st Embodiment. 第１実施形態にかかる記憶素子の参照層の断面図である。It is sectional drawing of the reference layer of the storage element which concerns on 1st Embodiment. 第１実施形態にかかるアレイ領域の記憶素子の平面図である。It is a top view of the storage element of the array area which concerns on 1st Embodiment. 第１実施形態にかかるリファレンス領域のリファレンス素子の断面図である。It is sectional drawing of the reference element of the reference region which concerns on 1st Embodiment. 第１実施形態にかかるリファレンス領域のリファレンス素子の平面図である。It is a top view of the reference element of the reference region which concerns on 1st Embodiment. 第１実施形態にかかるアレイ領域及びリファレンス領域の別の例の回路図である。It is a circuit diagram of another example of an array area and a reference area which concerns on 1st Embodiment. リファレンス素子の直列接続の第１例の断面図である。It is sectional drawing of the 1st example of the series connection of a reference element. リファレンス素子の直列接続の第２例の断面図である。It is sectional drawing of the 2nd example of the series connection of a reference element. リファレンス素子の直列接続の第３例の断面図である。It is sectional drawing of the 3rd example of the series connection of a reference element. リファレンス素子の直列接続の第４例の断面図である。It is sectional drawing of the 4th example of the series connection of a reference element. リファレンス素子の並列接続の第１例の断面図である。It is sectional drawing of the 1st example of the parallel connection of a reference element. リファレンス素子の並列接続の第２例の断面図である。It is sectional drawing of the 2nd example of the parallel connection of a reference element. リファレンス素子の並列接続の第３例の断面図である。It is sectional drawing of the 3rd example of the parallel connection of a reference element. リファレンス素子の並列接続の第４例の断面図である。It is sectional drawing of the 4th example of the parallel connection of a reference element. リファレンス素子の並列接続の第５例の断面図である。It is sectional drawing of the 5th example of the parallel connection of a reference element. 第１変形例にかかるリファレンス領域のリファレンス素子の断面図である。It is sectional drawing of the reference element of the reference region which concerns on the 1st modification. 第２変形例にかかるリファレンス領域のリファレンス素子の断面図である。It is sectional drawing of the reference element of the reference region which concerns on the 2nd modification. 第３変形例にかかるリファレンス領域のリファレンス素子の断面図である。It is sectional drawing of the reference element of the reference region which concerns on 3rd modification.

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings used in the following description, the featured portion may be enlarged for convenience in order to make the feature easy to understand, and the dimensional ratio of each component may be different from the actual one. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and can be appropriately modified and carried out within the range in which the effects of the present invention are exhibited.

まず方向について定義する。後述する基板Ｓｕｂ（図３参照）の一面の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｘ方向は、例えば、後述する磁気メモリにおいて磁気抵抗効果素子が配列する行方向であり、磁気抵抗効果素子の配線層が延びる方向である。ｙ方向は、例えば、後述する磁気メモリにおいて磁気抵抗効果素子が配列する列方向である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｚ方向は、積層方向の一例である。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。 First, define the direction. One direction of one surface of the substrate Sub (see FIG. 3) described later is defined as the x direction, and the direction orthogonal to the x direction is defined as the y direction. The x direction is, for example, the row direction in which the magnetoresistive effect elements are arranged in the magnetic memory described later, and is the direction in which the wiring layer of the magnetoresistive effect element extends. The y direction is, for example, the column direction in which the magnetoresistive elements are arranged in the magnetic memory described later. The z direction is a direction orthogonal to the x direction and the y direction. The z direction is an example of the stacking direction. Hereinafter, the + z direction may be expressed as “up” and the −z direction may be expressed as “down”. The top and bottom do not always match the direction in which gravity is applied.

また本明細書において「第１方向に延びる」とは、第１方向の長さが他の方向の長さより長いことを意味する。また本明細書において「接続」とは、直接的な接続に限られず、間に層を介する接続を含む。 Further, in the present specification, "extending in the first direction" means that the length in the first direction is longer than the length in the other direction. Further, as used herein, the term "connection" is not limited to a direct connection, but includes a connection via a layer in between.

「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかる磁気メモリ２００のブロック図である。磁気メモリ２００は、アレイ領域ＭＡとリファレンス領域ＲＡと周辺回路領域ＰＣとを有する。アレイ領域ＭＡ及びリファレンス領域ＲＡには、磁気抵抗効果素子が集積されている。 "First embodiment"
FIG. 1 is a block diagram of the magnetic memory 200 according to the first embodiment. The magnetic memory 200 has an array area MA, a reference area RA, and a peripheral circuit area PC. Magnetoresistive sensors are integrated in the array region MA and the reference region RA.

周辺回路領域ＰＣは、アレイ領域ＭＡ及びリファレンス領域ＲＡの動作を制御する制御回路を有する。周辺回路領域ＰＣは、例えば、アレイ領域ＭＡ及びリファレンス領域ＲＡのｘ方向又はｙ方向の側方にある。周辺回路領域ＰＣは、例えば、書き込み回路ＷＣと読出し回路ＲＣとを有する。 The peripheral circuit area PC has a control circuit that controls the operation of the array area MA and the reference area RA. The peripheral circuit area PC is located, for example, on the side of the array area MA and the reference area RA in the x-direction or the y-direction. The peripheral circuit area PC has, for example, a write circuit WC and a read circuit RC.

書き込み回路ＷＣは、アレイ領域ＭＡ内の磁気抵抗効果素子への情報の書き込み動作を制御する。書き込み回路ＷＣは、例えば、電源、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、コントローラー、データラッチ等を含む。データラッチは、信号を演算しページごとに一時的に保持する。 The write circuit WC controls the operation of writing information to the magnetoresistive element in the array region MA. The write circuit WC includes, for example, a power supply, a CPU (Central Processing Unit), a controller, a data latch, and the like. The data latch computes the signal and temporarily holds it page by page.

読出し回路ＲＣは、アレイ領域ＭＡ又はリファレンス領域ＲＡ内の磁気抵抗効果素子からの情報の読出し動作を制御する。読出し回路ＷＣは、例えば、電源Ｐ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、コントローラー、データラッチ、センスアンプＳＡ等を含む。センスアンプＳＡは、アレイ領域ＭＡからの信号とリファレンス領域ＲＡからの信号とを比較する。信号は、例えば、リファレンス領域ＲＡに属する磁気抵抗効果素子の合成抵抗、リファレンス領域ＲＡの電位等である。センスアンプＳＡは、アレイ領域ＭＡとリファレンス領域ＲＡとに接続される。 The readout circuit RC controls the operation of reading information from the magnetoresistive element in the array region MA or the reference region RA. The read circuit WC includes, for example, a power supply P, a CPU (Central Processing Unit), a controller, a data latch, a sense amplifier SA, and the like. The sense amplifier SA compares the signal from the array region MA with the signal from the reference region RA. The signal is, for example, the combined resistance of the magnetoresistive effect element belonging to the reference region RA, the potential of the reference region RA, or the like. The sense amplifier SA is connected to the array region MA and the reference region RA.

図２は、第１実施形態にかかるアレイ領域ＭＡ及びリファレンス領域ＲＡの回路図である。アレイ領域ＭＡ及びリファレンス領域ＲＡは、例えば、行列状に配列した磁気抵抗効果素子を有する。以下、アレイ領域ＭＡに属する磁気抵抗効果素子を記憶素子１００、リファレンス領域ＲＡに属する磁気抵抗効果素子をリファレンス素子１０１と称する。 FIG. 2 is a circuit diagram of an array region MA and a reference region RA according to the first embodiment. The array region MA and the reference region RA have, for example, magnetoresistive elements arranged in a matrix. Hereinafter, the magnetoresistive effect element belonging to the array region MA is referred to as a storage element 100, and the magnetoresistive effect element belonging to the reference region RA is referred to as a reference element 101.

図２に示すアレイ領域ＭＡは、例えば、複数の記憶素子１００と複数の読出しトランジスタＲＴｒと複数の共通トランジスタＣＴｒとを有する。複数の記憶素子１００は、例えば、行列状に配列している。読出しトランジスタＲＴｒと共通トランジスタＣＴｒとはそれぞれ、例えば、記憶素子１００のそれぞれに接続されている。 The array region MA shown in FIG. 2 has, for example, a plurality of storage elements 100, a plurality of readout transistors RTr, and a plurality of common transistors CTr. The plurality of storage elements 100 are arranged in a matrix, for example. The readout transistor RTr and the common transistor CTr are connected to each of, for example, the storage element 100.

図２に示すリファレンス領域ＲＡは、例えば、複数のリファレンス素子１０１と複数の読出しトランジスタＲＴｒと複数の共通トランジスタＣＴｒとを有する。リファレンス領域ＲＡは、例えば、複数のリファレンス素子１０１が直列に接続された複数の第１素子群ＥＧ１を有し、複数の第１素子群ＥＧ１は、それぞれ並列に配列されている。複数のリファレンス素子１０１は、例えば、行列状に配列している。読出しトランジスタＲＴｒと共通トランジスタＣＴｒとはそれぞれ、例えば、リファレンス素子１０１のそれぞれに接続されている。 The reference region RA shown in FIG. 2 has, for example, a plurality of reference elements 101, a plurality of readout transistors RTr, and a plurality of common transistors CTr. The reference region RA has, for example, a plurality of first element group EG1s in which a plurality of reference elements 101 are connected in series, and the plurality of first element group EG1s are arranged in parallel. The plurality of reference elements 101 are arranged in a matrix, for example. The readout transistor RTr and the common transistor CTr are connected to each of, for example, the reference element 101.

記憶素子１００とリファレンス素子１０１のそれぞれは、書き込みトランジスタＷＴｒと読出しトランジスタＲＴｒと共通トランジスタＣＴｒとに接続されている。 Each of the storage element 100 and the reference element 101 is connected to a write transistor WTr, a read transistor RTr, and a common transistor CTr.

書き込みトランジスタＷＴｒは、書き込み配線ＷＬに接続されている。書き込み配線ＷＬは、記憶素子１００へのデータの書き込み時に電流が流れる配線である。書き込み配線ＷＬは、例えば、同じ列または行に属する記憶素子１００のそれぞれに亘って接続されている。書き込み配線ＷＬは、同じ列または行に属するリファレンス素子１０１のそれぞれに接続されていてもよい。書き込みトランジスタＷＴｒは、共通トランジスタＣＴｒと共に、配線層２０、４０に沿って流れる書き込み電流を制御する。図２に示す書き込みトランジスタＷＴｒは、周辺回路領域ＰＣに属する。書き込みトランジスタＷＴｒは、書き込み配線ＷＬと配線層２０との間にそれぞれ配置され、アレイ領域ＭＡ又はリファレンス領域ＲＡに属してもよい。 The write transistor WTr is connected to the write wiring WL. The write wiring WL is a wiring through which a current flows when data is written to the storage element 100. The write wiring WL is connected, for example, over each of the storage elements 100 belonging to the same column or row. The write wiring WL may be connected to each of the reference elements 101 belonging to the same column or row. The write transistor WTr controls the write current flowing along the wiring layers 20 and 40 together with the common transistor CTr. The write transistor WTr shown in FIG. 2 belongs to the peripheral circuit region PC. The write transistor WTr may be arranged between the write wiring WL and the wiring layer 20, respectively, and may belong to the array region MA or the reference region RA.

読み出しトランジスタＲＴｒは、読み出し配線ＲＬに接続されている。読み出し配線ＲＬは、記憶素子１００の積層体１０又はリファレンス素子１０１の積層体３０と電気的に接続されている。読み出し配線ＲＬは、同じ列または行に属する記憶素子１００又はリファレンス素子１０１のそれぞれに亘って接続されている。読み出しトランジスタＲＴｒは、共通トランジスタＣＴｒと共に、積層体１０、３０の積層方向に流れる電流を制御する。読み出しトランジスタＲＴｒは、読み出し配線ＲＬと積層体１０、３０との間にそれぞれ配置されている。読み出しトランジスタＲＴｒは、読み出し配線ＲＬの一端に配置され、周辺回路領域ＰＣに属してもよい。 The read transistor RTr is connected to the read wiring RL. The read-out wiring RL is electrically connected to the laminate 10 of the storage element 100 or the laminate 30 of the reference element 101. The read wiring RL is connected to each of the storage element 100 or the reference element 101 belonging to the same column or row. The readout transistor RTr, together with the common transistor CTr, controls the current flowing in the stacking direction of the laminated bodies 10 and 30. The read transistor RTr is arranged between the read wiring RL and the laminated bodies 10 and 30, respectively. The read transistor RTr may be arranged at one end of the read wiring RL and may belong to the peripheral circuit area PC.

共通トランジスタＣＴｒは、共通配線ＣＬに接続されている。共通トランジスタＣＴｒは、データの書き込み時に配線層２０、４０に沿って流れる書き込み電流を制御し、データの読出し時に積層体１０、３０の積層方向に流れる電流を制御する。共通配線ＣＬは、同じ列または行に属する記憶素子１００又はリファレンス素子１０１のそれぞれに亘って接続されている。共通トランジスタＣＴｒは、共通配線ＣＬと配線層２０、４０との間にそれぞれ配置されている。共通トランジスタＣＴｒは、共通配線ＣＬの一端に配置され、周辺回路領域ＰＣに属してもよい。 The common transistor CTr is connected to the common wiring CL. The common transistor CTr controls the write current flowing along the wiring layers 20 and 40 when writing data, and controls the current flowing in the stacking direction of the laminated bodies 10 and 30 when reading data. The common wiring CL is connected to each of the storage element 100 or the reference element 101 belonging to the same column or row. The common transistor CTr is arranged between the common wiring CL and the wiring layers 20 and 40, respectively. The common transistor CTr may be arranged at one end of the common wiring CL and may belong to the peripheral circuit region PC.

書き込みトランジスタＷＴｒ、読み出しトランジスタＲＴｒ及び共通トランジスタＣＴｒは、例えば、電界効果型のトランジスタである。書き込みトランジスタＷＴｒ、読み出しトランジスタＲＴｒ及び共通トランジスタＣＴｒのゲート電極は、例えば、書き込み回路ＷＣ又は読出し回路ＲＣに接続されている。書き込みトランジスタＷＴｒ、読み出しトランジスタＲＴｒ及び共通トランジスタＣＴｒは、別のスイッチング素子に置き換えてもよい。スイッチング素子は、例えば、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用した素子、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）スイッチのようにバンド構造の変化を利用した素子、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用した素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。 The write transistor WTr, the read transistor RTr, and the common transistor CTr are, for example, field effect transistors. The gate electrodes of the write transistor WTr, the read transistor RTr, and the common transistor CTr are connected to, for example, the write circuit WC or the read circuit RC. The write transistor WTr, the read transistor RTr, and the common transistor CTr may be replaced with another switching element. Switching elements include, for example, an element that utilizes a phase change in a crystal layer such as an Ovonic Threshold Switch (OTS), an element that utilizes a change in band structure such as a metal insulator transition (MIT) switch, and a Zener. An element that uses a breakdown voltage, such as a diode and an avalanche diode, and an element whose conductivity changes as the atomic position changes.

図３は、第１実施形態にかかるアレイ領域ＭＡ及びリファレンス領域ＲＡの断面図である。図３は、記憶素子１００及びリファレンス素子１０１のｙ方向の中心を通るｘｚ断面である。図３では、説明のためにｙ方向の異なる位置にある書き込み配線ＷＬ及び共通配線ＣＬを点線で図示している。書き込みトランジスタＷＴｒ、読み出しトランジスタＲＴｒは、ｙ方向の異なる位置にある。 FIG. 3 is a cross-sectional view of the array region MA and the reference region RA according to the first embodiment. FIG. 3 is an xz cross section passing through the center of the storage element 100 and the reference element 101 in the y direction. In FIG. 3, for the sake of explanation, the write wiring WL and the common wiring CL at different positions in the y direction are shown by dotted lines. The write transistor WTr and the read transistor RTr are at different positions in the y direction.

書き込みトランジスタＷＴｒ、読み出しトランジスタＲＴｒ、共通トランジスタＣＴｒは、基板Ｓｕｂ上にある。記憶素子１００及びリファレンス素子１０１は、基板Ｓｕｂ上において、これらのトランジスタと異なるレイヤにある。記憶素子１００及びリファレンス素子１０１とこれらのトランジスタとは、ｚ方向の異なる位置にある。記憶素子１００及びリファレンス素子１０１とこれらのトランジスタとは、ビア配線Ｖで接続されている。記憶素子１００及びリファレンス素子１０１とビア配線Ｖとの間には、導電層５１、５２を有してもよい。導電層５１、５２は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｕからなる群から選択されるいずれか一つを含む。 The write transistor WTr, the read transistor RTr, and the common transistor CTr are on the substrate Sub. The storage element 100 and the reference element 101 are on a layer different from these transistors on the substrate Sub. The storage element 100 and the reference element 101 and these transistors are located at different positions in the z direction. The storage element 100 and the reference element 101 and these transistors are connected by a via wiring V. Conductive layers 51 and 52 may be provided between the storage element 100 and the reference element 101 and the via wiring V. The conductive layers 51 and 52 include, for example, any one selected from the group consisting of Ag, Cu, Co, Al, and Au.

記憶素子１００及びリファレンス素子１０１、これらのトランジスタ及びビア配線Ｖの周囲は、絶縁層Ｉｎで覆われている。絶縁層Ｉｎは、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層Ｉｎは、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等である。 The periphery of the storage element 100, the reference element 101, these transistors, and the via wiring V is covered with the insulating layer In. The insulating layer In is an insulating layer that insulates between the wirings of the multilayer wiring and between the elements. The insulating layer In may be, for example, silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN x ), silicon carbide (SiC), chromium nitride, silicon carbide (SiCN), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O). 3 ), zirconium oxide (ZrO x ) and the like.

これらのトランジスタは、例えば電界効果型のトランジスタである。トランジスタは、例えば、ゲート電極Ｇとゲート絶縁膜ＧＩとソース領域Ｓとドレイン領域Ｄとを有する。ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄとは、電流の流れ方向によって規定された名称であり、電流の流れ方向に応じて、位置が変わる。ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄは、基板Ｓｕｂに形成されている。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。ゲート電極Ｇは、ｚ方向から見て、ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄとに挟まれる。ゲート電極Ｇは、ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄとの間の電荷の流れを制御する。ゲート電極Ｇは、例えば、書き込み回路ＷＣ又は読出し回路ＲＣに接続されている。 These transistors are, for example, field effect transistors. The transistor has, for example, a gate electrode G, a gate insulating film GI, a source region S, and a drain region D. The source region S and the drain region D are names defined by the current flow direction, and their positions change according to the current flow direction. The source region S and the drain region D are formed on the substrate Sub. The substrate Sub is, for example, a semiconductor substrate. The gate electrode G is sandwiched between the source region S and the drain region D when viewed from the z direction. The gate electrode G controls the flow of charge between the source region S and the drain region D. The gate electrode G is connected to, for example, a write circuit WC or a read circuit RC.

図４は、第１実施形態に係る記憶素子１００の断面図である。図４は、配線層２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で記憶素子１００を切断した断面である。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the storage element 100 according to the first embodiment. FIG. 4 is a cross section of the storage element 100 cut along the xz plane passing through the center of the width of the wiring layer 20 in the y direction.

記憶素子１００は、例えば、積層体１０と配線層２０とを有する。積層体１０のｚ方向の抵抗値は、配線層２０から積層体１０にスピンが注入されることで変化する。記憶素子１００は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用したスピン素子であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、スピン注入型磁気抵抗効果素子、スピン流磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。また配線層２０は、スピン軌道トルク配線と言われる場合がある。 The storage element 100 has, for example, a laminated body 10 and a wiring layer 20. The resistance value of the laminated body 10 in the z direction changes as the spin is injected from the wiring layer 20 into the laminated body 10. The storage element 100 is a spin element using spin orbit torque (SOT), and may be referred to as a spin orbit torque type magnetoresistive element, a spin injection type magnetoresistive element, or a spin current magnetic resistance effect element. Further, the wiring layer 20 may be referred to as spin-orbit torque wiring.

積層体１０は、配線層２０上に積層されている。積層体１０と配線層２０との間には、他の層を有してもよい。 The laminated body 10 is laminated on the wiring layer 20. Another layer may be provided between the laminate 10 and the wiring layer 20.

積層体１０は、記憶層１１と参照層１２とスペーサ層１３とを有する。スペーサ層１３は、記憶層１１と参照層１２とに挟まれる。記憶層１１は、参照層１２より配線層２０の近くにある。 The laminate 10 has a storage layer 11, a reference layer 12, and a spacer layer 13. The spacer layer 13 is sandwiched between the storage layer 11 and the reference layer 12. The storage layer 11 is closer to the wiring layer 20 than the reference layer 12.

記憶層１１は、強磁性体を含む。記憶層１１は、磁化Ｍ１１の方向が変化することで、データ記憶のトリガーとなる層である。記憶層１１は、磁化自由層と言われる場合がある。記憶層１１には配線層２０からスピンが注入される。記憶層１１の磁化Ｍ１１は、配線層２０から注入されたスピンによりスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受ける。記憶層１１の磁化Ｍ１１は、十分なスピン軌道トルクを受けると、配向方向が変化する。 The storage layer 11 contains a ferromagnet. The storage layer 11 is a layer that triggers data storage by changing the direction of the magnetization M 11 . The storage layer 11 may be referred to as a magnetization free layer. Spin is injected into the storage layer 11 from the wiring layer 20. The magnetization M 11 of the storage layer 11 receives spin-orbit torque (SOT) due to the spin injected from the wiring layer 20. When the magnetized M 11 of the storage layer 11 receives a sufficient spin-orbit torque, the orientation direction changes.

記憶層１１の磁化容易軸は、ｚ方向でも、ｘｙ面内のいずれかの方向でもよい。記憶層１１の磁化容易軸がｚ方向の場合、記憶層１１は垂直磁化膜といわれる。記憶層１１の磁化容易軸がｘｙ方向のいずれかの方向の場合、記憶層１１は面内磁化膜といわれる。図４は、記憶層１１が垂直磁化膜の場合の例である。 The easy axis of magnetization of the storage layer 11 may be either the z direction or the direction in the xy plane. When the easy axis of magnetization of the storage layer 11 is in the z direction, the storage layer 11 is called a perpendicular magnetization film. When the easy axis of magnetization of the storage layer 11 is in any of the xy directions, the storage layer 11 is referred to as an in-plane magnetization film. FIG. 4 is an example in which the storage layer 11 is a perpendicular magnetization film.

記憶層１１は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属を含む。記憶層１１は、例えば、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金である。強磁性体は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｈｏ、Ｓｍ－Ｆｅ、Ｆｅ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｐｔである。Ｃｏ－Ｆｅは、例えば、ＣｏとＦｅの超格子構造の合金である。超格子構造のＣｏ－Ｆｅ合金は、Ｃｏ層とＦｅ層とが交互に積層されている。 The storage layer 11 contains, for example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni. The storage layer 11 is, for example, an alloy containing one or more of these metals, or an alloy containing these metals and at least one or more elements of B, C, and N. The ferromagnet is, for example, Co—Fe, Co—Fe—B, Ni—Fe, Co—Ho, Sm—Fe, Fe—Pt, Co—Pt, Co—Cr—Pt. Co—Fe is, for example, an alloy having a superlattice structure of Co and Fe. In the Co—Fe alloy having a superlattice structure, Co layers and Fe layers are alternately laminated.

記憶層１１は、ホイスラー合金を含んでもよい。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含む。Ｘは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金は、例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１－ａＦｅａＡｌｂＳｉ１－ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１－ｃＧａｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。 The storage layer 11 may contain a Whistler alloy. Whisler alloys include intermetallic compounds with a chemical composition of XYZ or X2YZ . X is a transition metal element or noble metal element of Group Co, Fe, Ni, or Cu on the periodic table, Y is a transition metal of Group Mn, V, Cr or Ti, or an elemental species of X, and Z is Group III. It is a typical element of Group V. The Whisler alloy is, for example, Co 2 FeSi, Co 2 FeGe, Co 2 FeGa, Co 2 MnSi, Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b , Co 2 FeGe 1-c Ga c and the like. Whisler alloys have a high spin polarizability.

参照層１２は、強磁性体を含む。参照層１２は、記憶層１１の磁化Ｍ１１の方向の基準となる磁化Ｍ１２１を有する層である。参照層１２の磁化Ｍ１２１、Ｍ１２２は、所定の外力が印加された際に記憶層１１の磁化Ｍ１１よりも配向方向が変化しにくい。参照層１２は磁化固定層と言われることがある。積層体１０は、記憶層１１と参照層１２との磁化の相対角の違いに応じて抵抗値が変化する。 The reference layer 12 contains a ferromagnet. The reference layer 12 is a layer having a magnetization M 121 as a reference in the direction of the magnetization M 11 of the storage layer 11. The orientation of the magnetizations M 121 and M 122 of the reference layer 12 is less likely to change than the magnetization M 11 of the storage layer 11 when a predetermined external force is applied. The reference layer 12 is sometimes referred to as a magnetization fixed layer. The resistance value of the laminated body 10 changes according to the difference in the relative angles of magnetization between the storage layer 11 and the reference layer 12.

参照層１２は、第１層１２１と第２層１２２と非磁性層１２３とを有する。非磁性層１２３は、第１層１２１と第２層１２２とに挟まれる。参照層１２は、記憶層１１に近い側から順に、第１層１２１と非磁性層１２３と第２層１２２とを有する。 The reference layer 12 has a first layer 121, a second layer 122, and a non-magnetic layer 123. The non-magnetic layer 123 is sandwiched between the first layer 121 and the second layer 122. The reference layer 12 has a first layer 121, a non-magnetic layer 123, and a second layer 122 in order from the side closest to the storage layer 11.

第１層１２１と第２層１２２とは、強磁性体を含む。第１層１２１の磁化Ｍ１２１と第２層１２２の磁化Ｍ１２２とは、ＲＫＫＹ相互作用により反強磁性結合している。第１層１２１の磁化Ｍ１２１と第２層１２２の磁化Ｍ１２２とが反強磁性結合することで、参照層１２の保磁力が高まる。参照層１２は、第１層１２１と第２層１２２とが反強磁性結合したシンセティック反強磁性構造である。第１層１２１及び第２層１２２は、例えば、記憶層１１と同様の材料を用いることができる。第１層１２１及び第２層１２２の磁化容易軸は、ｚ方向でも、ｘｙ面内のいずれかの方向でもよい。図４は、第１層１２１及び第２層１２２が垂直磁化膜の場合の例である。 The first layer 121 and the second layer 122 include a ferromagnet. The magnetization M 121 of the first layer 121 and the magnetization M 122 of the second layer 122 are antiferromagnetically coupled by the RKKY interaction. The coercive force of the reference layer 12 is enhanced by the antiferromagnetic coupling between the magnetization M 121 of the first layer 121 and the magnetization M 122 of the second layer 122. The reference layer 12 has a synthetic antiferromagnetic structure in which the first layer 121 and the second layer 122 are antiferromagnetically coupled. For the first layer 121 and the second layer 122, for example, the same material as the storage layer 11 can be used. The easy axis of magnetization of the first layer 121 and the second layer 122 may be either the z direction or the direction in the xy plane. FIG. 4 is an example in which the first layer 121 and the second layer 122 are perpendicularly magnetized films.

第１層１２１の膜厚ｔ１と第２層１２２の膜厚ｔ２とは、同じでも異なっていてもよい。例えば、第１層１２１と第２層１２２とが同じ材料からなる場合、第１層１２１の膜厚ｔ１と第２層１２２の膜厚ｔ２とは略同一であることが好ましい。他方、例えば、第１層１２１と第２層１２２とが異なる材料からなる場合、第１層１２１の膜厚ｔ１と第２層１２２の膜厚ｔ２とは異なることが好ましい。略同一とは、第１層１２１の膜厚ｔ１と第２層１２２の膜厚ｔ２との差が、第１層１２１の膜厚ｔ１の１０％以内であることを意味する。また第１層１２１の膜厚ｔ１及び第２層１２２の膜厚ｔ２は、それぞれの層に含まれる磁性層の厚みの合計を意味する。 The film thickness t1 of the first layer 121 and the film thickness t2 of the second layer 122 may be the same or different. For example, when the first layer 121 and the second layer 122 are made of the same material, it is preferable that the film thickness t1 of the first layer 121 and the film thickness t2 of the second layer 122 are substantially the same. On the other hand, for example, when the first layer 121 and the second layer 122 are made of different materials, it is preferable that the film thickness t1 of the first layer 121 and the film thickness t2 of the second layer 122 are different. Approximately the same means that the difference between the film thickness t1 of the first layer 121 and the film thickness t2 of the second layer 122 is within 10% of the film thickness t1 of the first layer 121. Further, the film thickness t1 of the first layer 121 and the film thickness t2 of the second layer 122 mean the total thickness of the magnetic layers contained in each layer.

また第１層１２１の膜厚ｔ１と飽和磁化との積は、第２層１２２の膜厚ｔ２と飽和磁化との積と略同一であることが好ましい。第１層１２１から生じる磁場と第２層１２２から生じる磁場とが打ち消し合い、参照層１２全体から生じる漏れ磁場が小さくなる。 Further, it is preferable that the product of the film thickness t1 of the first layer 121 and the saturation magnetization is substantially the same as the product of the film thickness t2 of the second layer 122 and the saturation magnetization. The magnetic field generated from the first layer 121 and the magnetic field generated from the second layer 122 cancel each other out, and the leakage magnetic field generated from the entire reference layer 12 becomes smaller.

図５は、第１実施形態にかかる記憶素子１００の参照層１２の断面図の一例である。図５に示す第１層１２１及び第２層１２２は、磁性層ＦＭと非磁性層ＮＭとが交互に積層されている。例えば、第１層１２１及び第２層１２２がＣｏ－Ｐｔの場合、第１層１２１及び第２層１２２はＣｏ層とＰｔ層とが交互に積層された積層膜となり、図５の例に該当する。隣接する磁性層ＦＭ同士は、強磁性結合している。磁性層ＦＭは、Ｃｏに限られず、Ｆｅ、Ｎｉ等でもよい。非磁性層ＮＭは、Ｐｔに限られず、Ｂ等でもよい。この場合、第１層１２１の膜厚ｔ１は、第１層１２１に含まれる磁性層ＦＭの膜厚の合計であり、第２層１２２の膜厚ｔ２は、第２層１２２に含まれる磁性層ＦＭの膜厚の合計である。 FIG. 5 is an example of a cross-sectional view of the reference layer 12 of the storage element 100 according to the first embodiment. In the first layer 121 and the second layer 122 shown in FIG. 5, the magnetic layer FM and the non-magnetic layer NM are alternately laminated. For example, when the first layer 121 and the second layer 122 are Co-Pt, the first layer 121 and the second layer 122 are laminated films in which Co layers and Pt layers are alternately laminated, which corresponds to the example of FIG. do. Adjacent magnetic layers FM are ferromagnetically coupled to each other. The magnetic layer FM is not limited to Co, but may be Fe, Ni, or the like. The non-magnetic layer NM is not limited to Pt, but may be B or the like. In this case, the film thickness t1 of the first layer 121 is the total film thickness of the magnetic layer FM included in the first layer 121, and the film thickness t2 of the second layer 122 is the film thickness t2 of the magnetic layer 122 included in the second layer 122. It is the total film thickness of FM.

これに対し、第１層１２１及び第２層１２２が強磁性体のみからなる場合は、第１層１２１の膜厚ｔ１は、第１層１２１に含まれる磁性層の膜厚の合計と一致し、第２層１２２の膜厚ｔ２は、第２層１２２に含まれる磁性層ＦＭの膜厚の合計と一致する。例えば、第１層１２１及び第２層１２２がＣｏ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｆｅの場合がこの場合に該当する。 On the other hand, when the first layer 121 and the second layer 122 are made of only ferromagnets, the film thickness t1 of the first layer 121 coincides with the total film thickness of the magnetic layers contained in the first layer 121. The film thickness t2 of the second layer 122 coincides with the total film thickness of the magnetic layer FM contained in the second layer 122. For example, the case where the first layer 121 and the second layer 122 are Co—Fe and Ni—Fe correspond to this case.

非磁性層１２３は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを含む。非磁性層１２３の膜厚は、磁化Ｍ１２１と磁化Ｍ１２２とが反強磁性結合する膜厚である。磁化Ｍ１２１と磁化Ｍ１２２とは、非磁性層１２３の膜厚によって強磁性結合する場合と反強磁性結合する場合がある。例えば、非磁性層１２３がＲｕの場合は、非磁性層１２３の膜厚が７Å以上１０Å以下、または４Å以上５Å以下の場合に、非磁性層１２３を挟む２つの強磁性層が反強磁性結合する。例えば、非磁性層１２３がＩｒの場合は、非磁性層１２３の膜厚が３．５Å以上５．５Å以下の場合、非磁性層１２３を挟む２つの強磁性層が反強磁性結合する。 The non-magnetic layer 123 includes, for example, at least one selected from the group consisting of Ru, Ir, and Rh. The film thickness of the non-magnetic layer 123 is a film thickness at which the magnetization M 121 and the magnetization M 122 are antiferromagnetically bonded. The magnetized M 121 and the magnetized M 122 may be ferromagnetically coupled or antiferromagnetically coupled depending on the film thickness of the non-magnetic layer 123. For example, when the non-magnetic layer 123 is Ru, when the film thickness of the non-magnetic layer 123 is 7 Å or more and 10 Å or less, or 4 Å or more and 5 Å or less, the two ferromagnetic layers sandwiching the non-magnetic layer 123 are antiferromagnetic coupled. do. For example, when the non-magnetic layer 123 is Ir, when the film thickness of the non-magnetic layer 123 is 3.5 Å or more and 5.5 Å or less, the two ferromagnetic layers sandwiching the non-magnetic layer 123 are antiferromagnetic bonded.

積層体１０は、記憶層１１、参照層１２及びスペーサ層１３以外の層を有してもよい。例えば、配線層２０と積層体１０との間に下地層を有してもよい。また例えば、積層体１０と電極Ｅ１との間にキャップ層を有してもよい。下地層及びキャップ層は、積層体１０を構成する各層の結晶性を高める。 The laminated body 10 may have a layer other than the storage layer 11, the reference layer 12, and the spacer layer 13. For example, a base layer may be provided between the wiring layer 20 and the laminated body 10. Further, for example, a cap layer may be provided between the laminated body 10 and the electrode E1. The base layer and the cap layer enhance the crystallinity of each layer constituting the laminated body 10.

図６は、第１実施形態にかかるアレイ領域ＭＡの記憶素子１００の平面図である。積層体１０は、柱状体である。積層体１０は、ｚ方向からみて、例えば形状異方性を有する。形状異方性を有するとは、積層体１０を包含する外接楕円が長軸と短軸とを有することを意味する。積層体１０は、例えば、ｚ方向から見て、図６に示すような楕円である。楕円の長軸は、ｘｙ面内のいずれの方向を向いていてもよい。積層体１０をｚ方向から見た際の形状は、この場合に限られず、円形、四角形、不定形でもよい。積層体１０をｚ方向から見た際の最大幅Ｌ１０ａは、例えば、２０ｎｍ以下である。積層体１０の記憶層１１及び参照層１２が単磁区化すると、記憶素子１００のＭＲ比が向上する。 FIG. 6 is a plan view of the storage element 100 of the array region MA according to the first embodiment. The laminated body 10 is a columnar body. The laminate 10 has, for example, shape anisotropy when viewed from the z direction. Having shape anisotropy means that the circumscribed ellipse including the laminate 10 has a major axis and a minor axis. The laminate 10 is, for example, an ellipse as shown in FIG. 6 when viewed from the z direction. The long axis of the ellipse may be oriented in any direction in the xy plane. The shape of the laminated body 10 when viewed from the z direction is not limited to this case, and may be circular, quadrangular, or irregular. The maximum width L10a when the laminated body 10 is viewed from the z direction is, for example, 20 nm or less. When the storage layer 11 and the reference layer 12 of the laminated body 10 are made into a single magnetic domain, the MR ratio of the storage element 100 is improved.

スペーサ層１３は、非磁性の絶縁体、半導体又は金属からなる。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、およびこれらのＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部がＺｎ、Ｂｅ等に置換された材料である。スペーサ層１３が非磁性の絶縁体からなる場合、スペーサ層１３はトンネルバリア層である。ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４は、記憶層１１と参照層１２との間にコヒーレントトンネルを実現しやすい。非磁性の金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ等である。さらに、非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等である。 The spacer layer 13 is made of a non-magnetic insulator, semiconductor or metal. The non-magnetic insulator is, for example, Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MgAl 2 O 4 , and a material in which some of these Al, Si, and Mg are replaced with Zn, Be, and the like. When the spacer layer 13 is made of a non-magnetic insulator, the spacer layer 13 is a tunnel barrier layer. MgO and MgAl 2O 4 can easily realize a coherent tunnel between the storage layer 11 and the reference layer 12. The non-magnetic metal is, for example, Cu, Au, Ag, Al, Cr and the like. Further, the non-magnetic semiconductor is, for example, Si, Ge, CuInSe 2 , CuGaSe 2 , Cu (In, Ga) Se 2 and the like.

スペーサ層１３の膜厚は、スペーサ層１３が絶縁体の場合は８Å以上４０Å以下であり、スペーサ層１３が導体の場合は、１０Å以上１００Å以下である。スペーサ層１３は、記憶層１１と参照層１２との磁気的な結合を阻害する。 The film thickness of the spacer layer 13 is 8 Å or more and 40 Å or less when the spacer layer 13 is an insulator, and 10 Å or more and 100 Å or less when the spacer layer 13 is a conductor. The spacer layer 13 inhibits the magnetic bond between the storage layer 11 and the reference layer 12.

配線層２０は、例えば、積層体１０の一面に接する。配線層２０は、記憶層１１のスペーサ層１３と反対側にある。配線層２０は、記憶素子１００にデータを書き込むための書き込み配線である。配線層２０は、ｘ方向に延びる。配線層２０の少なくとも一部は、ｚ方向において、スペーサ層１３と共に記憶層１１を挟む。 The wiring layer 20 is in contact with, for example, one surface of the laminated body 10. The wiring layer 20 is on the opposite side of the storage layer 11 from the spacer layer 13. The wiring layer 20 is a writing wiring for writing data to the storage element 100. The wiring layer 20 extends in the x direction. At least a part of the wiring layer 20 sandwiches the storage layer 11 together with the spacer layer 13 in the z direction.

配線層２０は、電流Ｉが流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させ、記憶層１１にスピンを注入する。配線層２０は、例えば、記憶層１１の磁化を反転できるだけのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を記憶層１１の磁化Ｍ１１に加える。スピンホール効果は、電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の流れる方向と直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果は、運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で、通常のホール効果と共通する。通常のホール効果は、磁場中で運動する荷電粒子の運動方向がローレンツ力によって曲げられる。これに対し、スピンホール効果は磁場が存在しなくても、電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）でスピンの移動方向が曲げられる。 The wiring layer 20 generates a spin current by the spin Hall effect when the current I flows, and injects spin into the storage layer 11. For example, the wiring layer 20 applies spin-orbit torque (SOT) sufficient to reverse the magnetization of the storage layer 11 to the magnetization M 11 of the storage layer 11. The spin Hall effect is a phenomenon in which a spin current is induced in a direction orthogonal to the direction in which a current flows, based on the spin-orbit interaction when a current is passed. The spin Hall effect is common to the normal Hall effect in that the moving (moving) charge (electron) can bend the moving (moving) direction. In the normal Hall effect, the direction of motion of charged particles moving in a magnetic field is bent by Lorentz force. On the other hand, in the spin Hall effect, even in the absence of a magnetic field, the direction of spin movement is bent only by the movement of electrons (only the flow of current).

例えば、配線層２０に電流が流れると、一方向に配向した第１スピンと、第１スピンと反対方向に配向した第２スピンとが、それぞれ電流Ｉの流れる方向と直交する方向にスピンホール効果によって曲げられる。例えば、－ｙ方向に配向した第１スピンが＋ｚ方向に曲げられ、＋ｙ方向に配向した第２スピンが－ｚ方向に曲げられる。 For example, when a current flows through the wiring layer 20, the spin Hall effect is obtained in the directions in which the first spin oriented in one direction and the second spin oriented in the direction opposite to the first spin are orthogonal to the direction in which the current I flows. Bent by. For example, the first spin oriented in the −y direction is bent in the + z direction, and the second spin oriented in the + y direction is bent in the −z direction.

非磁性体（強磁性体ではない材料）は、スピンホール効果により生じる第１スピンの電子数と第２スピンの電子数とが等しい。すなわち、＋ｚ方向に向かう第１スピンの電子数と－ｚ方向に向かう第２スピンの電子数とは等しい。第１スピンと第２スピンは、スピンの偏在を解消する方向に流れる。第１スピン及び第２スピンのｚ方向への移動において、電荷の流れは互いに相殺されるため、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。 In a non-magnetic material (a material that is not a ferromagnet), the number of electrons in the first spin generated by the spin Hall effect is equal to the number of electrons in the second spin. That is, the number of electrons in the first spin in the + z direction is equal to the number of electrons in the second spin in the −z direction. The first spin and the second spin flow in the direction of eliminating the uneven distribution of spins. In the movement of the first spin and the second spin in the z direction, the charge flows cancel each other out, so that the amount of current becomes zero. Spin currents without current are especially called pure spin currents.

第１スピンの電子の流れをＪ↑、第２スピンの電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑－Ｊ↓で定義される。スピン流ＪＳは、ｚ方向に生じる。第１スピンは、配線層２０から記憶層１１に注入される。 When the electron flow of the first spin is J ↑ , the electron flow of the second spin is J ↓ , and the spin flow is J S , it is defined as J S = J ↑ -J ↓ . The spin current JS occurs in the z direction. The first spin is injected from the wiring layer 20 into the storage layer 11.

配線層２０は、電流Ｉが流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。 The wiring layer 20 contains any one of a metal, an alloy, an intermetal compound, a metal boulder, a metal carbide, a metal siliceate, and a metal phosphate having a function of generating a spin current by the spin Hall effect when the current I flows. ..

配線層２０は、例えば、主元素として非磁性の重金属を含む。主元素とは、配線層２０を構成する元素のうち最も割合の高い元素である。配線層２０は、例えば、イットリウム（Ｙ）以上の比重を有する重金属を含む。非磁性の重金属は、原子番号３９以上の原子番号が大きく、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有するため、スピン軌道相互作用が強く生じる。スピンホール効果はスピン軌道相互作用により生じ、配線層２０内にスピンが偏在しやすく、スピン流ＪＳが発生しやすくなる。配線層２０は、例えば、Ａｕ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａからなる群から選択されるいずれかを含む。 The wiring layer 20 contains, for example, a non-magnetic heavy metal as a main element. The main element is an element having the highest proportion among the elements constituting the wiring layer 20. The wiring layer 20 contains, for example, a heavy metal having a specific density of yttrium (Y) or higher. Since non-magnetic heavy metals have a large atomic number of atomic number 39 or higher and have d-electrons or f-electrons in the outermost shell, spin-orbit interaction strongly occurs. The spin Hall effect is generated by the spin-orbit interaction, and spins are likely to be unevenly distributed in the wiring layer 20, and spin current JS is likely to occur. The wiring layer 20 includes, for example, any one selected from the group consisting of Au, Hf, Mo, Pt, W, and Ta.

配線層２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属は、強磁性金属又は反強磁性金属である。非磁性体に含まれる微量な磁性金属は、スピンの散乱因子となる。微量とは、例えば、配線層２０を構成する元素の総モル比の３％以下である。スピンが磁性金属により散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。 The wiring layer 20 may contain a magnetic metal. The magnetic metal is a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal. A small amount of magnetic metal contained in the non-magnetic material becomes a scattering factor for spin. The trace amount is, for example, 3% or less of the total molar ratio of the elements constituting the wiring layer 20. When the spins are scattered by the magnetic metal, the spin-orbit interaction is enhanced and the efficiency of producing the spin current with respect to the current is increased.

配線層２０は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。トポロジカル絶縁体は、物質内部が絶縁体又は高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。トポロジカル絶縁体は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。トポロジカル絶縁体は、外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。トポロジカル絶縁体は、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。 The wiring layer 20 may include a topological insulator. A topological insulator is a substance in which the inside of the substance is an insulator or a high resistance substance, but a metallic state in which spin polarization occurs on the surface thereof. In topological insulators, an internal magnetic field is generated by spin-orbit interaction. Topological insulators develop a new topological phase due to the effect of spin-orbit interaction even in the absence of an external magnetic field. Topological insulators can generate pure spin currents with high efficiency due to strong spin-orbit interaction and breaking of inversion symmetry at the edges.

トポロジカル絶縁体は、例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３、ＴｌＢｉＳｅ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ１－ｘＳｂｘ、（Ｂｉ１－ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などである。トポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。 Topological insulators include, for example, SnTe, Bi 1.5 Sb 0.5 Te 1.7 Se 1.3 , TlBiSe 2 , Bi 2 Te 3 , Bi 1-x Sb x , (Bi 1-x Sb x ) 2 . For example, Te 3 . Topological insulators can generate spin currents with high efficiency.

図７は、第１実施形態に係るリファレンス素子１０１の断面図である。図７は、配線層４０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面でリファレンス素子１０１を切断した断面である。 FIG. 7 is a cross-sectional view of the reference element 101 according to the first embodiment. FIG. 7 is a cross section of the reference element 101 cut in the xz plane passing through the center of the width in the y direction of the wiring layer 40.

リファレンス素子１０１は、データを初期状態に戻すリフレッシュ処理等を除いて、原則、特定の状態を維持する。特定の状態とは、後述の記憶層３１の磁化Ｍ３１と参照層３２の磁化の相対角の関係をいう。リファレンス素子１０１は、新たにデータの書き換えを行わず、所定のデータを記憶素子１００に対するリファレンスとして維持する。 In principle, the reference element 101 maintains a specific state except for a refresh process for returning data to an initial state. The specific state refers to the relationship between the relative angles of the magnetization M 31 of the storage layer 31 and the magnetization of the reference layer 32, which will be described later. The reference element 101 does not newly rewrite the data, and maintains the predetermined data as a reference to the storage element 100.

リファレンス素子１０１は、例えば、積層体３０と配線層４０とを有する。積層体３０と配線層４０との間には、他の層を有してもよい。リファレンス素子１０１の構成は、記憶素子１００と同様である。リファレンス素子１０１と記憶素子１００の異なる点について後述し、同様の点については説明を省く場合がある。 The reference element 101 has, for example, a laminated body 30 and a wiring layer 40. Another layer may be provided between the laminate 30 and the wiring layer 40. The configuration of the reference element 101 is the same as that of the storage element 100. The differences between the reference element 101 and the storage element 100 will be described later, and the same points may be omitted.

積層体３０は、記憶層３１と参照層３２とスペーサ層３３とを有する。スペーサ層３３は、記憶層３１と参照層３２とに挟まれる。記憶層３１は、参照層３２より配線層４０の近くにある。記憶層３１の構成、材料は、記憶層１１と同様である。 The laminate 30 has a storage layer 31, a reference layer 32, and a spacer layer 33. The spacer layer 33 is sandwiched between the storage layer 31 and the reference layer 32. The storage layer 31 is closer to the wiring layer 40 than the reference layer 32. The structure and material of the storage layer 31 are the same as those of the storage layer 11.

記憶層３１の磁化Ｍ３１は、原則、所定の状態を維持する。すなわち、磁化Ｍ３１の配向方向は、原則、変化しない。記憶層３１の磁化容易軸は、ｚ方向でも、ｘｙ面内のいずれかの方向でもよい。記憶層３１の磁化容易軸は、記憶層１１の磁化容易軸と略一致していることが好ましい。図７に示す記憶層３１は、垂直磁化膜であり、ｚ方向に磁化容易軸を有する。 In principle, the magnetization M 31 of the storage layer 31 maintains a predetermined state. That is, the orientation direction of the magnetization M 31 does not change in principle. The easy axis of magnetization of the storage layer 31 may be either the z direction or the direction in the xy plane. It is preferable that the easy magnetization axis of the storage layer 31 substantially coincides with the easy magnetization axis of the storage layer 11. The storage layer 31 shown in FIG. 7 is a perpendicular magnetization film and has an easy magnetization axis in the z direction.

参照層３２も、原則、所定の状態を維持する。磁化Ｍ３２の配向方向も、原則、変化しない。積層体３０の積層方向の抵抗値は、一定の値を維持する。 In principle, the reference layer 32 also maintains a predetermined state. In principle, the orientation direction of the magnetization M 32 does not change either. The resistance value of the laminated body 30 in the laminating direction is maintained at a constant value.

参照層３２は、第１層３２１と第２層３２２と非磁性層３２３とを有する。非磁性層３２３は、第１層３２１と第２層３２２とに挟まれる。参照層３２は、記憶層３１に近い側から順に、第１層３２１と非磁性層３２３と第２層３２２とを有する。 The reference layer 32 has a first layer 321 and a second layer 322 and a non-magnetic layer 323. The non-magnetic layer 323 is sandwiched between the first layer 321 and the second layer 322. The reference layer 32 has a first layer 321, a non-magnetic layer 323, and a second layer 322 in order from the side closest to the storage layer 31.

第１層３２１と第２層３２２とは、強磁性体を含む。第１層３２１の磁化Ｍ３２１と第２層３２２の磁化Ｍ３２２とは、ＲＫＫＹ相互作用により反強磁性結合している。第１層３２１及び第２層３２２のそれぞれは、例えば、第１層１２１及び第２層１２２のそれぞれと同様の材料が用いられる。第１層３２１及び第２層３２２の磁化容易軸は、ｚ方向でも、ｘｙ面内のいずれかの方向でもよい。第１層３２１及び第２層３２２の磁化容易軸は、第１層１２１及び第２層１２２の磁化容易軸と略一致していることが好ましい。図７に示す第１層３２１及び第２層３２２は、垂直磁化膜であり、ｚ方向に磁化容易軸を有する。 The first layer 321 and the second layer 322 include a ferromagnet. The magnetization M 321 of the first layer 321 and the magnetization M 322 of the second layer 322 are antiferromagnetically coupled by the RKKY interaction. For each of the first layer 321 and the second layer 322, for example, the same materials as those of the first layer 121 and the second layer 122 are used. The easy axis of magnetization of the first layer 321 and the second layer 322 may be either the z direction or the direction in the xy plane. It is preferable that the easy-to-magnetize axes of the first layer 321 and the second layer 322 substantially coincide with the easy-to-magnetize axes of the first layer 121 and the second layer 122. The first layer 321 and the second layer 322 shown in FIG. 7 are perpendicular magnetization films and have an easy magnetization axis in the z direction.

第１層３２１の膜厚ｔ３と第２層３２２の膜厚ｔ４とは、同じでも異なっていてもよい。例えば、第１層３２１と第２層３２２とが同じ材料からなる場合、第１層３２１の膜厚ｔ３と第２層３２２の膜厚ｔ４とは異なることが好ましい。他方、例えば、第１層３２１と第２層３２２とが異なる材料からなる場合、第１層３２１の膜厚ｔ３と第２層３２２の膜厚ｔ４とは同じでもよい。第１層３２１の膜厚ｔ３及び第２層３２２の膜厚ｔ４は、それぞれの層に含まれる磁性層の厚みの合計を意味する。図７に示すリファレンス素子１０１は、第２層３２２の膜厚ｔ４が第１層３２１の膜厚ｔ３より厚い。 The film thickness t3 of the first layer 321 and the film thickness t4 of the second layer 322 may be the same or different. For example, when the first layer 321 and the second layer 322 are made of the same material, it is preferable that the film thickness t3 of the first layer 321 and the film thickness t4 of the second layer 322 are different. On the other hand, for example, when the first layer 321 and the second layer 322 are made of different materials, the film thickness t3 of the first layer 321 and the film thickness t4 of the second layer 322 may be the same. The film thickness t3 of the first layer 321 and the film thickness t4 of the second layer 322 mean the total thickness of the magnetic layers contained in each layer. In the reference element 101 shown in FIG. 7, the film thickness t4 of the second layer 322 is thicker than the film thickness t3 of the first layer 321.

また第１層３２１の膜厚ｔ３と飽和磁化との積は、第２層３２２の膜厚ｔ４と飽和磁化との積と異なる。第１層１２１から生じる磁場と第２層１２２から生じる磁場とのうち相殺されなかった磁場が参照層１２全体から漏れ磁場として生じる。 Further, the product of the film thickness t3 of the first layer 321 and the saturation magnetization is different from the product of the film thickness t4 of the second layer 322 and the saturation magnetization. Of the magnetic field generated from the first layer 121 and the magnetic field generated from the second layer 122, a magnetic field that is not offset is generated as a leakage magnetic field from the entire reference layer 12.

例えば、参照層３２は、第１層３２１と第２層３２２との膜厚差に応じた漏れ磁場ＨＬ１を生じる。記憶層３１に印加される漏れ磁場ＨＬ１の方向と、記憶層３１の磁化Ｍ３１の方向とは、略一致する。磁化Ｍ３１は、記憶層３１に漏れ磁場ＨＬ１が印加されることで、反転しにくくなる。漏れ磁場ＨＬ１は、例えば、記憶層３１の保磁力よりも大きくてもよい。漏れ磁場ＨＬ１が記憶層３１の保磁力より大きいと、予期せずに記憶層３１の磁化Ｍ３１が反転してしまった場合でも、自発的に元の状態に戻る。 For example, the reference layer 32 generates a leakage magnetic field HL1 according to the film thickness difference between the first layer 321 and the second layer 322. The direction of the leakage magnetic field HL1 applied to the storage layer 31 and the direction of the magnetization M 31 of the storage layer 31 substantially coincide with each other. The magnetization M 31 is less likely to be inverted by applying the leakage magnetic field HL1 to the storage layer 31. The leakage magnetic field HL1 may be larger than the coercive force of the storage layer 31, for example. When the leakage magnetic field HL1 is larger than the coercive force of the storage layer 31, even if the magnetization M 31 of the storage layer 31 is unexpectedly reversed, it spontaneously returns to the original state.

リファレンス素子１０１における第２層３２２の膜厚ｔ４と第１層３２１の膜厚ｔ３との比は、例えば、記憶素子１００における第２層１２２の膜厚ｔ２と第１層１２１の膜厚ｔ１との比と異なる。例えば、リファレンス素子１０１における第２層３２２の膜厚ｔ４を第１層３２１の膜厚ｔ３で割った値は、例えば、記憶素子１００における第２層１２２の膜厚ｔ２を第１層１２１の膜厚ｔ１で割った値より大きい。リファレンス素子１０１は、漏れ磁場ＨＬ１を積層体３０の磁化状態を維持するのに利用している。これに対して、記憶素子１００に漏れ磁場が生じると、２つの状態を取りうる記憶層３１の磁化Ｍ３１が一方の状態になりにくくなる。したがって、漏れ磁場は記憶素子１００では生じないことが好ましい。 The ratio of the film thickness t4 of the second layer 322 to the film thickness t3 of the first layer 321 in the reference element 101 is, for example, the film thickness t2 of the second layer 122 and the film thickness t1 of the first layer 121 in the storage element 100. Is different from the ratio of. For example, the value obtained by dividing the film thickness t4 of the second layer 322 in the reference element 101 by the film thickness t3 of the first layer 321 is, for example, the film thickness t2 of the second layer 122 in the storage element 100 divided by the film thickness t3 of the first layer 121. It is larger than the value divided by the thickness t1. The reference element 101 uses the leakage magnetic field HL1 to maintain the magnetized state of the laminated body 30. On the other hand, when a leakage magnetic field is generated in the storage element 100, it becomes difficult for the magnetization M 31 of the storage layer 31, which can take two states, to be in one state. Therefore, it is preferable that the leakage magnetic field does not occur in the memory element 100.

上記関係を満たすと、リファレンス素子１０１の磁化状態が所定の状態で維持され、リファレンス値の変動を抑制できる。また記憶素子１００の記憶層１１に余計な外力が印加されることを防止でき、記憶素子１００のデータの書き換えが容易になる。 When the above relationship is satisfied, the magnetization state of the reference element 101 is maintained in a predetermined state, and fluctuations in the reference value can be suppressed. Further, it is possible to prevent an extra external force from being applied to the storage layer 11 of the storage element 100, and it becomes easy to rewrite the data of the storage element 100.

非磁性層３２３は、非磁性層１２３と同様である。積層体３０は、記憶層３１、参照層３２及びスペーサ層３３以外の層を有してもよい。スペーサ層３３は、スペーサ層１３と同様である。 The non-magnetic layer 323 is the same as the non-magnetic layer 123. The laminated body 30 may have a layer other than the storage layer 31, the reference layer 32, and the spacer layer 33. The spacer layer 33 is the same as the spacer layer 13.

図８は、第１実施形態にかかるアレイ領域ＭＡのリファレンス素子１０１の平面図である。積層体３０は、ｚ方向からみて、例えば形状異方性を有する。積層体３０の形状は特に問わない。積層体３０をｚ方向から見た際の最大幅Ｌ３０ａは、積層体１０をｚ方向から見た際の最大幅Ｌ１０ａより大きい。記憶層３１の体積が大きくなると記憶層３１の保磁力が小さくなり、漏れ磁場ＨＬ１で磁化Ｍ３１の方向を固定しやすくなる。積層体３０をｚ方向から見た際の最大幅Ｌ３０ａは、例えば、２０ｎｍ以上である。 FIG. 8 is a plan view of the reference element 101 of the array region MA according to the first embodiment. The laminate 30 has, for example, shape anisotropy when viewed from the z direction. The shape of the laminated body 30 is not particularly limited. The maximum width L30a when the laminated body 30 is viewed from the z direction is larger than the maximum width L10a when the laminated body 10 is viewed from the z direction. As the volume of the storage layer 31 increases, the coercive force of the storage layer 31 decreases, and the direction of the magnetization M 31 can be easily fixed by the leakage magnetic field HL1 . The maximum width L30a when the laminated body 30 is viewed from the z direction is, for example, 20 nm or more.

配線層４０は、例えば、積層体３０の一面に接する。配線層４０は、記憶層３１のスペーサ層３３と反対側にある。配線層４０は、配線層２０と同様の構成からなる。リファレンス素子１０１は、データを書き換えないため、配線層４０を有さなくてもよい。 The wiring layer 40 is in contact with, for example, one surface of the laminated body 30. The wiring layer 40 is on the opposite side of the storage layer 31 from the spacer layer 33. The wiring layer 40 has the same configuration as the wiring layer 20. Since the reference element 101 does not rewrite the data, it is not necessary to have the wiring layer 40.

配線層４０の幅Ｗ４０は、例えば、配線層２０の幅Ｗ２０より広い。配線層２０は、書き込み電流密度を高めるために幅Ｗ２０が狭いこと好ましいが、配線層４０はデータの書き込みを目的としていないため、幅Ｗ４０に制限がない。 The width W40 of the wiring layer 40 is wider than the width W20 of the wiring layer 20, for example. The wiring layer 20 preferably has a narrow width W20 in order to increase the write current density, but the wiring layer 40 is not intended for writing data, so the width W40 is not limited.

次いで、磁気メモリ２００のアレイ領域ＭＡ及びリファレンス領域ＲＡの製造方法について説明する。アレイ領域ＭＡ及びリファレンス領域ＲＡは、各層の積層工程と、各層の一部を所定の形状に加工する加工工程により形成される。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法等を用いることができる。各層の加工は、フォトリソグラフィー等を用いて行うことができる。 Next, a method of manufacturing the array region MA and the reference region RA of the magnetic memory 200 will be described. The array region MA and the reference region RA are formed by a laminating step of each layer and a processing step of processing a part of each layer into a predetermined shape. For the lamination of each layer, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, an electron beam vapor deposition method (EB vapor deposition method), an atomic laser deposit method, or the like can be used. Processing of each layer can be performed using photolithography or the like.

まず基板Ｓｕｂの所定の位置に、不純物をドープし、ソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄを形成する。次いで、基板Ｓｕｂ上のソース領域Ｓとドレイン領域Ｄとの間となる位置にゲート絶縁膜ＧＩ及びゲート電極Ｇを順に積層する。次いで、これらを覆うように絶縁層を形成する。 First, impurities are doped at a predetermined position on the substrate Sub to form a source region S and a drain region D. Next, the gate insulating film GI and the gate electrode G are sequentially laminated at positions on the substrate Sub between the source region S and the drain region D. Next, an insulating layer is formed so as to cover them.

次いで、例えば、異方性エッチングにより絶縁層に開口を形成する。開口は、ｚ方向からの平面視で、ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄとの間となる位置に形成される。開口は、基板Ｓｕｂの表面まで至る。開口は、導体で充填され、ビア配線Ｖとなる。 Then, for example, an opening is formed in the insulating layer by anisotropic etching. The opening is formed at a position between the source region S and the drain region D in a plan view from the z direction. The opening extends to the surface of the substrate Sub. The opening is filled with a conductor and becomes a via wiring V.

次いで、ビア配線Ｖを覆う絶縁層を積層した後、ビア配線Ｖと重なる位置に導電層５１、５２を形成する。導電層５１、５２は、例えば、ビア配線Ｖより硬い材料を用いる。絶縁層と導電層５１、５２との表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）する。導電層５１、５２に硬い材料を用いることで、表面の平坦性が高まる。次いで、絶縁層、導電層５１、５２の上に、導電層を積層する。 Next, after laminating the insulating layer covering the via wiring V, the conductive layers 51 and 52 are formed at positions overlapping the via wiring V. For the conductive layers 51 and 52, for example, a material harder than the via wiring V is used. The surfaces of the insulating layer and the conductive layers 51 and 52 are chemically mechanically polished (CMP). By using a hard material for the conductive layers 51 and 52, the flatness of the surface is enhanced. Next, the conductive layer is laminated on the insulating layer and the conductive layers 51 and 52.

次いで、導電層を所定の形状に加工し、配線層２０、４０を形成する。次いで、配線層２０、４０の周囲を絶縁層で埋める。次いで、絶縁層及び配線層２０、４０の上に、磁性層、非磁性層、磁性層、非磁性層、磁性層を順に積層した積層膜を形成する。次いで、積層膜を所定の形状に加工することで、積層体１０、３０が得られる。最後に、積層体１０、３０の周囲を絶縁体で被覆し、電極Ｅ１を接続して、磁気メモリ２００が得られる。 Next, the conductive layer is processed into a predetermined shape to form the wiring layers 20 and 40. Next, the periphery of the wiring layers 20 and 40 is filled with an insulating layer. Next, a laminated film in which a magnetic layer, a non-magnetic layer, a magnetic layer, a non-magnetic layer, and a magnetic layer are laminated in this order is formed on the insulating layer and the wiring layers 20 and 40. Next, the laminated films 10 and 30 are obtained by processing the laminated film into a predetermined shape. Finally, the periphery of the laminated bodies 10 and 30 is covered with an insulator, and the electrode E1 is connected to obtain the magnetic memory 200.

次いで、第１実施形態に係る磁気メモリ２００の動作について説明する。まず磁気メモリ２００への書き込み動作について説明する。磁気メモリ２００への書き込み動作は、アレイ領域ＭＡの記憶素子１００に対して行われる。 Next, the operation of the magnetic memory 200 according to the first embodiment will be described. First, the operation of writing to the magnetic memory 200 will be described. The writing operation to the magnetic memory 200 is performed on the storage element 100 in the array region MA.

まず書き込み回路ＷＣに書き込みデータがインプットされる。書き込みデータは、例えば、ページ毎にアレイ領域ＭＡに送られる。アレイ領域ＭＡでは、書き込みデータに対応した記憶素子１００にデータが書き込まれる。 First, the write data is input to the write circuit WC. The write data is sent to the array area MA page by page, for example. In the array area MA, data is written to the storage element 100 corresponding to the write data.

書き込み回路ＷＣは、データに対応する記憶素子１００に繋がる書き込みトランジスタＷＴｒ及び共通トランジスタＣＴｒをＯＮにする。書き込みトランジスタＷＴｒ及び共通トランジスタＣＴｒがＯＮになると、配線層２０に沿って書き込み電流が流れる。 The write circuit WC turns on the write transistor WTr and the common transistor CTr connected to the storage element 100 corresponding to the data. When the write transistor WTr and the common transistor CTr are turned on, a write current flows along the wiring layer 20.

書き込み電流は、スピンホール効果を生じ、スピンが記憶層１１に注入される。記憶層１１に注入されたスピンは、記憶層１１の磁化Ｍ１１にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を加え、記憶層１１の磁化Ｍ１１の配向方向を変える。磁化Ｍ１１の配向方向は、書き込み電流の流れ方向によって自由に制御できる。 The write current produces a spin Hall effect, and the spin is injected into the storage layer 11. The spin injected into the storage layer 11 applies spin-orbit torque (SOT) to the magnetization M 11 of the storage layer 11 to change the orientation direction of the magnetization M 11 of the storage layer 11. The orientation direction of the magnetization M 11 can be freely controlled by the flow direction of the write current.

積層体１０の積層方向の抵抗値は、記憶層１１の磁化Ｍ１１と参照層１２の磁化Ｍ１２とが平行の場合に小さく、記憶層１１の磁化Ｍ１１と参照層１２の磁化Ｍ１２とが反平行の場合に大きくなる。記憶素子１００は、データを積層体１０の積層方向の抵抗値として記憶する。 The resistance value of the laminated body 10 in the stacking direction is small when the magnetization M 11 of the storage layer 11 and the magnetization M 12 of the reference layer 12 are parallel to each other, and the magnetization M 11 of the storage layer 11 and the magnetization M 12 of the reference layer 12 Increases when is antiparallel. The storage element 100 stores the data as the resistance value in the stacking direction of the laminated body 10.

次いで磁気メモリ２００からのデータの読み出し動作について説明する。磁気メモリ２００からのデータの読出し動作は、読出し回路ＲＣにおいて、アレイ領域ＭＡからの信号とリファレンス領域ＲＡからの信号とを比較することで行われる。 Next, the operation of reading data from the magnetic memory 200 will be described. The operation of reading data from the magnetic memory 200 is performed by comparing the signal from the array area MA with the signal from the reference area RA in the reading circuit RC.

まず読出し回路ＲＣ中の電源Ｐからアレイ領域ＭＡとリファレンス領域ＲＡのそれぞれに読み出し電圧が印加される。リファレンス領域ＲＡに印加される読み出し電圧は、例えば、アレイ領域ＭＡに印加される読み出し電圧より高い。アレイ領域ＭＡに印加される読み出し電圧を小さくすることで、読出し時の誤書き込みを抑制できる。 First, a read voltage is applied from the power supply P in the read circuit RC to each of the array region MA and the reference region RA. The read voltage applied to the reference region RA is, for example, higher than the read voltage applied to the array region MA. By reducing the read voltage applied to the array region MA, erroneous writing at the time of reading can be suppressed.

読み出し電圧は、アレイ領域ＭＡ内のデータを読み出す記憶素子１００、及び、リファレンス領域ＲＡのリファレンス値を規定するリファレンス素子１０１に印加される。読出し回路ＲＣは、これらの記憶素子１００及びリファレンス素子１０１に接続された読出しトランジスタＲＴｒ及び共通トランジスタＣＴｒをＯＮにする。 The read voltage is applied to the storage element 100 that reads the data in the array region MA and the reference element 101 that defines the reference value of the reference region RA. The read circuit RC turns on the read transistor RTr and the common transistor CTr connected to these storage elements 100 and the reference element 101.

記憶素子１００の積層体１０の積層方向には、読出し電流が流れる。リファレンス素子１０１の積層体３０の積層方向にも読出し電流ＩＲ１が流れる（図７参照）。図７の場合、リファレンス素子１０１には、読出し電流ＩＲ１を参照層３２から記憶層３１に向かって流す。この向きに読出し電流ＩＲ１を印加すると、記憶層３１に注入されるスピンの向きが記憶層３１の磁化Ｍ３１の配向方向と一致し、記憶層３１の磁化Ｍ３１の磁化反転を抑制できる。 A read current flows in the stacking direction of the laminated body 10 of the storage element 100. A read current IR1 also flows in the stacking direction of the laminated body 30 of the reference element 101 (see FIG. 7). In the case of FIG. 7, a read current IR1 is passed through the reference element 101 from the reference layer 32 toward the storage layer 31. When the read current IR1 is applied in this direction, the direction of the spin injected into the storage layer 31 coincides with the orientation direction of the magnetization M 31 of the storage layer 31, and the magnetization reversal of the magnetization M 31 of the storage layer 31 can be suppressed.

積層体１０の積層方向の抵抗値によって、記憶素子１００から出力される電流量又は電圧は異なる。例えば、読み出し電流を定電流とすると、積層体１０の積層方向の抵抗値によって、積層体１０の積層方向の電位差が変化し、例えば読み出し配線ＲＬの電位が変化する。例えば、この電位は、読出し回路ＲＣのセンスアンプＳＡへ送られる。また同様にリファレンス素子１０１に読出し電流が印加されると、リファレンス領域ＲＡからも電位がセンスアンプＳＡに送られる。リファレンス領域ＲＡの電位は、例えば、複数のリファレンス素子１０１の電位の合成値である。 The amount of current or voltage output from the storage element 100 differs depending on the resistance value in the stacking direction of the laminated body 10. For example, assuming that the read current is a constant current, the potential difference in the stacking direction of the laminated body 10 changes depending on the resistance value in the stacking direction of the laminated body 10, and the potential of the read wiring RL changes, for example. For example, this potential is sent to the sense amplifier SA of the readout circuit RC. Similarly, when a read current is applied to the reference element 101, the potential is also sent from the reference region RA to the sense amplifier SA. The potential of the reference region RA is, for example, a combined value of the potentials of the plurality of reference elements 101.

センスアンプＳＡは、この電位をリファレンス領域ＲＡの電位と比較し、データを読み出す。リファレンス領域ＲＡの電位は、記憶層１１の磁化Ｍ１１と参照層１２の磁化Ｍ１２とが平行な場合の値（最小値）と、記憶層１１の磁化Ｍ１１と参照層１２の磁化Ｍ１２とが反平行な場合の値（最大値）と、の間の値に設定されている。 The sense amplifier SA compares this potential with the potential of the reference region RA and reads out the data. The potentials of the reference region RA are the value (minimum value) when the magnetization M 11 of the storage layer 11 and the magnetization M 12 of the reference layer 12 are parallel, and the magnetization M 11 of the storage layer 11 and the magnetization M 12 of the reference layer 12. It is set to a value between the value (maximum value) when and is antiparallel.

リファレンス領域ＲＡの電位は、例えば、リファレンス素子１０１を直列及び並列に接続することで自由に設計できる。例えば、リファレンス領域ＲＡは、図２に示すように、複数のリファレンス素子１０１が直列に配列された複数の第１素子群ＥＧ１を有し、第１素子群ＥＧ１がそれぞれ並列に配列されていてもよい。また例えば、図９に示すように、複数のリファレンス素子１０１が並列に配列された複数の第２素子群ＥＧ２を有し、第２素子群ＥＧ２がそれぞれ直列に配列されていてもよい。 The potential of the reference region RA can be freely designed, for example, by connecting the reference elements 101 in series and in parallel. For example, as shown in FIG. 2, the reference region RA has a plurality of first element group EG1s in which a plurality of reference elements 101 are arranged in series, and even if the first element group EG1s are arranged in parallel. good. Further, for example, as shown in FIG. 9, a plurality of reference elements 101 may have a plurality of second element group EG2 arranged in parallel, and the second element group EG2 may be arranged in series.

読出し回路ＲＣは、例えば、記憶素子１００の電位がリファレンス領域ＲＡの電位より高い場合を「１」とし、記憶素子１００の電位がリファレンス領域ＲＡの電位より低い場合を「０」とする。磁気メモリ２００は、リファレンスに対する比較によりデータを読み出すことで、記憶素子１００のそれぞれの具体的な値を読み出す必要がなく、高速でデータを読み出すことができる。 In the readout circuit RC, for example, the case where the potential of the storage element 100 is higher than the potential of the reference region RA is set to "1", and the case where the potential of the storage element 100 is lower than the potential of the reference region RA is set to "0". By reading the data by comparison with the reference, the magnetic memory 200 does not need to read the specific value of each of the storage elements 100, and can read the data at high speed.

第１実施形態にかかる磁気メモリ２００は、漏れ磁場ＨＬ１を利用し、リファレンス素子１０１の記憶層３１の磁化Ｍ３１を安定化している。そのため、リファレンス素子１０１の磁化Ｍ３１が予期せぬ磁化反転することを抑制でき、リファレンスが変動することを抑制できる。すなわち、第１実施形態にかかる磁気メモリ２００は、リファレンスが安定であり、データの信頼性が高い。 The magnetic memory 200 according to the first embodiment uses the leakage magnetic field HL1 to stabilize the magnetization M 31 of the storage layer 31 of the reference element 101. Therefore, it is possible to suppress the unexpected magnetization reversal of the magnetization M 31 of the reference element 101, and it is possible to suppress the fluctuation of the reference. That is, the magnetic memory 200 according to the first embodiment has a stable reference and high data reliability.

ここまで第１実施形態の一例を例示したが、本発明はこの例に限定されるものではない。 Although an example of the first embodiment has been illustrated so far, the present invention is not limited to this example.

例えば、図１０から図１３は、リファレンス素子の直列接続の具体的な構成例である。図１０は、直列接続の第１例であり、第１リファレンス素子の積層体３０と第２リファレンス素子の配線層４０とが配線によって接続されている。図１１は、直列接続の第２例であり、配線層４０の一方の端面と積層体３０の側面とが連続している点が、第１例と異なる。第２例は、第１例より集積性に優れる。図１２は、直列接続の第３例であり、第１リファレンス素子と第２リファレンス素子とで配線層４０を共有している。図１３は、直列接続の第４例であり、配線層４０の端面と積層体３０の側面とが連続している点が、第３例と異なる。第４例は、第３例より集積性に優れる。 For example, FIGS. 10 to 13 are specific configuration examples of series connection of reference elements. FIG. 10 is a first example of series connection, in which the laminated body 30 of the first reference element and the wiring layer 40 of the second reference element are connected by wiring. FIG. 11 shows a second example of series connection, which differs from the first example in that one end surface of the wiring layer 40 and the side surface of the laminated body 30 are continuous. The second example is superior in integration to the first example. FIG. 12 shows a third example of series connection, in which the wiring layer 40 is shared by the first reference element and the second reference element. FIG. 13 is a fourth example of series connection, and is different from the third example in that the end surface of the wiring layer 40 and the side surface of the laminated body 30 are continuous. The fourth case is superior in integration to the third case.

また例えば、図１４から図１８は、リファレンス素子の並列接続の具体的な構成例である。図１４は、並列接続の第１例であり、第１リファレンス素子と第２リファレンス素子の積層体３０同士及び配線層４０同士が配線によって接続されている。図１５は、並列接続の第２例であり、配線層４０の一方の端面と積層体３０の側面とが連続している点が、第１例と異なる。図１６は、並列接続の第３例であり、第１リファレンス素子と第２リファレンス素子とで配線層４０を共有している点が、第１例と異なる。図１７は、並列接続の第４例であり、一つの配線層４０の幅方向に二つの積層体３０が並んでいる。第４例は、配線層４０の端部から二つの積層体３０までの距離が等しく、寄生抵抗が等しいため、ノイズが少ない。図１８は、並列接続の第５例であり、一つの配線層４０の幅方向及び長さ方向に積層体３０が行列状に配列している。 Further, for example, FIGS. 14 to 18 are specific configuration examples of parallel connection of reference elements. FIG. 14 is a first example of parallel connection, in which the laminated bodies 30 of the first reference element and the second reference element and the wiring layer 40 are connected by wiring. FIG. 15 is a second example of parallel connection, and is different from the first example in that one end surface of the wiring layer 40 and the side surface of the laminated body 30 are continuous. FIG. 16 is a third example of parallel connection, and is different from the first example in that the wiring layer 40 is shared by the first reference element and the second reference element. FIG. 17 is a fourth example of parallel connection, in which two laminated bodies 30 are arranged in the width direction of one wiring layer 40. In the fourth example, the distance from the end of the wiring layer 40 to the two laminated bodies 30 is the same, and the parasitic resistance is the same, so that there is little noise. FIG. 18 is a fifth example of parallel connection, in which the laminated bodies 30 are arranged in a matrix in the width direction and the length direction of one wiring layer 40.

また図１９は、第１変形例にかかるリファレンス素子１０１Ａの断面図である。リファレンス素子１０１Ａは、参照層３４の構成がリファレンス素子１０１と異なる。その他の構成は、リファレンス素子１０１と同様であり、説明を省く。 Further, FIG. 19 is a cross-sectional view of the reference element 101A according to the first modification. The reference element 101A has a different configuration of the reference layer 34 from the reference element 101. Other configurations are the same as those of the reference element 101, and the description thereof will be omitted.

積層体３０Ａは、記憶層３１と参照層３４とスペーサ層３３とを有する。参照層３４は、第１層３４１と第２層３４２と非磁性層３４３とを有する。図１９に示すリファレンス素子１０１Ａは、第１層３４１の膜厚ｔ３が、第２層３４２の膜厚ｔ４より厚い。リファレンス素子１０１Ａの第２層３４２の磁性層の厚みを第１層３４１の磁性層の厚みで割った値は、記憶素子１００（図４参照）の第２層１２２の磁性層の厚みを第１層１２１の磁性層の厚みで割った値より小さい。 The laminate 30A has a storage layer 31, a reference layer 34, and a spacer layer 33. The reference layer 34 has a first layer 341, a second layer 342, and a non-magnetic layer 343. In the reference element 101A shown in FIG. 19, the film thickness t3 of the first layer 341 is thicker than the film thickness t4 of the second layer 342. The value obtained by dividing the thickness of the magnetic layer of the second layer 342 of the reference element 101A by the thickness of the magnetic layer of the first layer 341 is the thickness of the magnetic layer of the second layer 122 of the storage element 100 (see FIG. 4). It is smaller than the value divided by the thickness of the magnetic layer of the layer 121.

漏れ磁場ＨＬ２の方向が、図７に示す漏れ磁場ＨＬ１と反対である。記憶層３１に印加される漏れ磁場ＨＬ２の方向と、記憶層３１の磁化Ｍ３１の方向とは、略一致するため、記憶層３１の磁化Ｍ３１の方向も図７の場合と反転している。リファレンス素子１０１Ａは、漏れ磁場ＨＬ２により磁化Ｍ３１の配向方向が安定化しているため、リファレンスが変動しにくい。 The direction of the leakage magnetic field HL2 is opposite to that of the leakage magnetic field HL1 shown in FIG. Since the direction of the leakage magnetic field HL2 applied to the storage layer 31 and the direction of the magnetization M 31 of the storage layer 31 are substantially the same, the direction of the magnetization M 31 of the storage layer 31 is also reversed from the case of FIG. There is. In the reference element 101A, the orientation direction of the magnetization M 31 is stabilized by the leakage magnetic field HL2 , so that the reference is less likely to fluctuate.

第１変形例に係るリファレンス素子１０１Ａは、読出し電流ＩＲ２を記憶層３１から参照層３４に向かって流すことが好ましい。この向きに読出し電流ＩＲ２を印加すると、記憶層３１に注入されるスピンの向きが記憶層３１の磁化Ｍ３１の配向方向と一致し、記憶層３１の磁化Ｍ３１の磁化反転を抑制できる。 It is preferable that the reference element 101A according to the first modification causes the read current IR2 to flow from the storage layer 31 toward the reference layer 34. When the read current IR2 is applied in this direction, the direction of the spin injected into the storage layer 31 coincides with the orientation direction of the magnetization M 31 of the storage layer 31, and the magnetization reversal of the magnetization M 31 of the storage layer 31 can be suppressed.

また図２０は、第２変形例にかかるリファレンス素子１０１Ｂの断面図である。リファレンス素子１０１Ｂは、磁性層が面内磁化膜である点が、リファレンス素子１０１と異なる。その他の構成は、リファレンス素子１０１と同様であり、説明を省く。 Further, FIG. 20 is a cross-sectional view of the reference element 101B according to the second modification. The reference element 101B is different from the reference element 101 in that the magnetic layer is an in-plane magnetizing film. Other configurations are the same as those of the reference element 101, and the description thereof will be omitted.

積層体３０Ｂは、記憶層３５と参照層３６とスペーサ層３３とを有する。記憶層３５及び参照層３６は、面内磁化しやすい材料が用いられている。参照層３６は、第１層３６１と第２層３６２と非磁性層３６３とを有する。図２０に示すリファレンス素子１０１Ｂは、第２層３６２の膜厚ｔ４が第１層３６１の膜厚ｔ３より厚い。リファレンス素子１０１Ｂの第２層３６２の磁性層の厚みを第１層３６１の磁性層の厚みで割った値は、記憶素子１００（図４参照）の第２層１２２の磁性層の厚みを第１層１２１の磁性層の厚みで割った値より大きい。 The laminate 30B has a storage layer 35, a reference layer 36, and a spacer layer 33. The storage layer 35 and the reference layer 36 are made of a material that easily magnetizes in the plane. The reference layer 36 has a first layer 361, a second layer 362, and a non-magnetic layer 363. In the reference element 101B shown in FIG. 20, the film thickness t4 of the second layer 362 is thicker than the film thickness t3 of the first layer 361. The value obtained by dividing the thickness of the magnetic layer of the second layer 362 of the reference element 101B by the thickness of the magnetic layer of the first layer 361 is the thickness of the magnetic layer of the second layer 122 of the storage element 100 (see FIG. 4). It is larger than the value divided by the thickness of the magnetic layer of the layer 121.

漏れ磁場ＨＬ３は、第１層３６１と第２層３６２との間をループするように生じる。記憶層３５に印加される漏れ磁場ＨＬ３の方向と、記憶層３５の磁化Ｍ３５の方向とは、略一致する。記憶層３５の磁化Ｍ３５は、例えば、－ｘ方向に配向する。リファレンス素子１０１Ｂは、漏れ磁場ＨＬ３により磁化Ｍ３５の配向方向が安定化しているため、リファレンスが変動しにくい。 The leakage magnetic field HL3 is generated so as to loop between the first layer 361 and the second layer 362. The direction of the leakage magnetic field HL3 applied to the storage layer 35 and the direction of the magnetization M35 of the storage layer 35 substantially coincide with each other. The magnetization M 35 of the storage layer 35 is oriented in the −x direction, for example. In the reference element 101B, the orientation direction of the magnetization M 35 is stabilized by the leakage magnetic field HL3 , so that the reference is less likely to fluctuate.

第２変形例に係るリファレンス素子１０１Ｂは、読出し電流ＩＲ３を記憶層３５から参照層３６に向かって流すことが好ましい。この向きに読出し電流ＩＲ３を印加すると、記憶層３５に注入されるスピンの向きが記憶層３５の磁化Ｍ３５の配向方向と一致し、記憶層３５の磁化Ｍ３５の磁化反転を抑制できる。 It is preferable that the reference element 101B according to the second modification causes the read current IR3 to flow from the storage layer 35 toward the reference layer 36. When the read current IR3 is applied in this direction, the direction of the spin injected into the storage layer 35 coincides with the orientation direction of the magnetization M 35 of the storage layer 35, and the magnetization reversal of the magnetization M 35 of the storage layer 35 can be suppressed.

また図２１は、第３変形例にかかるリファレンス素子１０１Ｃの断面図である。リファレンス素子１０１Ｃは、磁性層が面内磁化膜であり、参照層３７の構成が、リファレンス素子１０１と異なる。その他の構成は、リファレンス素子１０１と同様であり、説明を省く。 Further, FIG. 21 is a cross-sectional view of the reference element 101C according to the third modification. In the reference element 101C, the magnetic layer is an in-plane magnetizing film, and the configuration of the reference layer 37 is different from that of the reference element 101. Other configurations are the same as those of the reference element 101, and the description thereof will be omitted.

積層体３０Ｃは、記憶層３５と参照層３７とスペーサ層３３とを有する。記憶層３５及び参照層３７は、面内磁化しやすい材料が用いられている。参照層３７は、第１層３７１と第２層３７２と非磁性層３７３とを有する。図２１に示すリファレンス素子１０１Ｃは、第１層３７１の膜厚ｔ３が第２層３７２の膜厚ｔ４より厚い。リファレンス素子１０１Ｃの第２層３７２の磁性層の厚みを第１層３７１の磁性層の厚みで割った値は、記憶素子１００（図４参照）の第２層１２２の磁性層の厚みを第１層１２１の磁性層の厚みで割った値より小さい。 The laminate 30C has a storage layer 35, a reference layer 37, and a spacer layer 33. The storage layer 35 and the reference layer 37 are made of a material that easily magnetizes in the plane. The reference layer 37 has a first layer 371, a second layer 372, and a non-magnetic layer 373. In the reference element 101C shown in FIG. 21, the film thickness t3 of the first layer 371 is thicker than the film thickness t4 of the second layer 372. The value obtained by dividing the thickness of the magnetic layer of the second layer 372 of the reference element 101C by the thickness of the magnetic layer of the first layer 371 is the thickness of the magnetic layer of the second layer 122 of the storage element 100 (see FIG. 4). It is smaller than the value divided by the thickness of the magnetic layer of the layer 121.

漏れ磁場ＨＬ４は、第１層３７１と第２層３７２との間をループするように生じる。記憶層３５に印加される漏れ磁場ＨＬ４の方向と、記憶層３５の磁化Ｍ３５の方向とは、略一致する。記憶層３５の磁化Ｍ３５の方向は、図２０の場合と反転しており、例えば、＋ｘ方向である。リファレンス素子１０１Ｃは、漏れ磁場ＨＬ４により磁化Ｍ３５の配向方向が安定化しているため、リファレンスが変動しにくい。 The leakage magnetic field HL4 is generated so as to loop between the first layer 371 and the second layer 372. The direction of the leakage magnetic field HL4 applied to the storage layer 35 and the direction of the magnetization M35 of the storage layer 35 substantially coincide with each other. The direction of the magnetization M 35 of the storage layer 35 is reversed from that in FIG. 20, and is, for example, the + x direction. In the reference element 101C, the orientation direction of the magnetization M35 is stabilized by the leakage magnetic field HL4 , so that the reference is less likely to fluctuate.

第３変形例に係るリファレンス素子１０１Ｃは、読出し電流ＩＲ４を参照層３７から記憶層３５に向かって流すことが好ましい。この向きに読出し電流ＩＲ４を印加すると、記憶層３５に注入されるスピンの向きが記憶層３５の磁化Ｍ３５の配向方向と一致し、記憶層３５の磁化Ｍ３５の磁化反転を抑制できる。 It is preferable that the reference element 101C according to the third modification causes the read current IR4 to flow from the reference layer 37 toward the storage layer 35. When the read current IR4 is applied in this direction, the direction of the spin injected into the storage layer 35 coincides with the orientation direction of the magnetization M 35 of the storage layer 35, and the magnetization reversal of the magnetization M 35 of the storage layer 35 can be suppressed.

１０、３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ 積層体
１１、３１、３５ 記憶層
１２、３２、３６、３７ 参照層
１３、３３ スペーサ層
２０、４０ 配線層
５１、５２ 導電層
１００ 記憶素子
１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ リファレンス素子
２００ 磁気メモリ
３２１、３４１、３６１、３７１ 第１層
３２２、３４２、３６２、３７２ 第２層
３２３、３４３、３６３、３７３ 非磁性層
ＣＬ 共通配線
ＣＴｒ 共通トランジスタ
ＥＧ１ 第１素子群
ＥＧ２ 第２素子群
ＦＭ 磁性層
ＨＬ１、ＨＬ２、ＨＬ３、ＨＬ４ 漏れ磁場
ＩＲ１、ＩＲ２、ＩＲ３、ＩＲ４ 読出し電流
Ｌ１０ａ、Ｌ３０ａ 最大幅
ＭＡ アレイ領域
Ｐ 電源
ＰＣ 周辺回路領域
ＲＡ リファレンス領域
ＲＣ 読出し回路
ＲＬ 読出し配線
ＲＴｒ 読出し路トランジスタ
ＳＡ センスアンプ
ＷＣ 書き込み回路
ＷＬ 書き込み配線
ＷＴｒ 書き込みトランジスタ 10, 30, 30A, 30B, 30C Laminated body 11, 31, 35 Storage layer 12, 32, 36, 37 Reference layer 13, 33 Spacer layer 20, 40 Wiring layer 51, 52 Conductive layer 100 Storage element 101, 101A, 101B , 101C Reference element 200 Magnetic memory 321, 341, 361, 371 First layer 322, 342, 362, 372 Second layer 323, 343, 363, 373 Non-magnetic layer CL Common wiring CTr Common transistor EG1 First element group EG2 First 2 element group FM magnetic layer HL1 , HL2, HL3, HL4 leakage magnetic field IR1 , IR2 , IR3 , IR4 Read current L10a , L30a Maximum width MA Array area P Power supply PC peripheral circuit area RA Reference area RC Read circuit RL Read wiring RTr Read path transistor SA sense amplifier WC Write circuit WL Write wiring WTr Write transistor

Claims (14)

記憶素子を含むアレイ領域と、
リファレンス素子を含むリファレンス領域と、
前記アレイ領域と前記リファレンス領域とに接続され、前記アレイ領域からの信号と前記リファレンス領域からの信号とを比較する読出し回路と、を備え、
前記記憶素子と前記リファレンス素子とはそれぞれ、強磁性体を含む記憶層と、強磁性体を含む参照層と、前記記憶層と前記参照層との間にあるスペーサ層と、を備え、
前記参照層は、前記記憶層に近い側から順に、第１層と非磁性層と第２層とを有し、
前記リファレンス素子と前記記憶素子とは、前記第２層における磁性層の厚みの合計と前記第１層における磁性層の厚みの合計との比が異なる、磁気メモリ。 The array area including the storage element and
The reference area including the reference element and
A readout circuit connected to the array area and the reference area and comparing a signal from the array area and a signal from the reference area is provided.
The storage element and the reference element each include a storage layer containing a ferromagnet, a reference layer containing the ferromagnet, and a spacer layer between the storage layer and the reference layer.
The reference layer has a first layer, a non-magnetic layer, and a second layer in order from the side closer to the storage layer.
The reference element and the storage element are magnetic memories in which the ratio of the total thickness of the magnetic layer in the second layer to the total thickness of the magnetic layer in the first layer is different. 前記第２層の磁性層の厚みを前記第１層の磁性層の厚みで割った値は、前記記憶素子よりも前記リファレンス素子の方が大きい、請求項１に記載の磁気メモリ。 The magnetic memory according to claim 1, wherein the value obtained by dividing the thickness of the magnetic layer of the second layer by the thickness of the magnetic layer of the first layer is larger in the reference element than in the storage element. 前記記憶素子と前記リファレンス素子とはそれぞれ、前記記憶層の前記スペーサ層と反対側に、配線層を有し、
前記リファレンス素子における前記配線層の幅は、前記記憶素子における前記配線層の幅より広い、請求項１又は２に記載の磁気メモリ。 The storage element and the reference element each have a wiring layer on the opposite side of the storage layer from the spacer layer.
The magnetic memory according to claim 1 or 2, wherein the width of the wiring layer in the reference element is wider than the width of the wiring layer in the storage element. 前記リファレンス素子の前記参照層からの漏れ磁場が、前記リファレンス素子の前記記憶層の保磁力よりも大きい、請求項１～３のいずれか一項に記載の磁気メモリ。 The magnetic memory according to any one of claims 1 to 3, wherein the magnetic field leaked from the reference layer of the reference element is larger than the coercive force of the storage layer of the reference element. 積層方向から見た平面視において、前記リファレンス素子の記憶層の最大幅は、前記記憶素子の記憶層の最大幅より広い、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁気メモリ。 The magnetic memory according to any one of claims 1 to 4, wherein the maximum width of the storage layer of the reference element is wider than the maximum width of the storage layer of the storage element in a plan view from the stacking direction. 積層方向から見た平面視において、前記リファレンス素子の記憶層の最大幅は、２０ｎｍより大きい、請求項１～５のいずれか一項に記載の磁気メモリ。 The magnetic memory according to any one of claims 1 to 5, wherein the maximum width of the storage layer of the reference element is larger than 20 nm in a plan view from the stacking direction. 積層方向から見た平面視において、前記記憶素子の記憶層の最大幅は、２０ｎｍ以下である、請求項１～５のいずれか一項に記載の磁気メモリ。 The magnetic memory according to any one of claims 1 to 5, wherein the maximum width of the storage layer of the storage element is 20 nm or less in a plan view from the stacking direction. 前記リファレンス領域は、複数のリファレンス素子を有し、
前記リファレンス領域は、複数のリファレンス素子が直列に配列された複数の第１素子群を有し、
前記複数の第１素子群は、それぞれ並列に配列されている、請求項１～７のいずれか一項に記載の磁気メモリ。 The reference region has a plurality of reference elements and has a plurality of reference elements.
The reference region has a plurality of first element groups in which a plurality of reference elements are arranged in series.
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 7, wherein the plurality of first element groups are arranged in parallel. 前記リファレンス領域は、複数のリファレンス素子を有し、
前記リファレンス領域は、複数のリファレンス素子が並列に配列された複数の第２素子群を有し、
前記複数の第２素子群は、それぞれ直列に配列されている、請求項１～７のいずれか一項に記載の磁気メモリ。 The reference region has a plurality of reference elements and has a plurality of reference elements.
The reference region has a plurality of second element groups in which a plurality of reference elements are arranged in parallel.
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 7, wherein the plurality of second element groups are arranged in series. 前記アレイ領域と前記リファレンス領域とはそれぞれ電源に接続され、
前記リファレンス領域に印加される読み出し電圧は、前記アレイ領域に印加される読み出し電圧より高い、請求項１～８のいずれか一項に記載の磁気メモリ。 The array area and the reference area are connected to a power supply, respectively.
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 8, wherein the read voltage applied to the reference region is higher than the read voltage applied to the array region. 前記記憶層及び前記参照層の磁化容易軸が積層方向であり、
前記第２層の磁性層の厚みを前記第１層の磁性層の厚みで割った値は、前記記憶素子よりも前記リファレンス素子の方が大きく、
データの読出す際に、前記リファレンス素子は、読出し電流が前記参照層から前記記憶層に向かって流れる、請求項１～１０のいずれか一項に記載の磁気メモリ。 The easy axis of magnetization of the storage layer and the reference layer is the stacking direction.
The value obtained by dividing the thickness of the magnetic layer of the second layer by the thickness of the magnetic layer of the first layer is larger in the reference element than in the storage element.
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 10, wherein when reading data, the reference element causes a read current to flow from the reference layer toward the storage layer. 前記記憶層及び前記参照層の磁化容易軸が積層方向であり、
前記第２層の磁性層の厚みを前記第１層の磁性層の厚みで割った値は、前記リファレンス素子よりも前記記憶素子の方が大きく、
データの読出す際に、前記リファレンス素子は、読出し電流が前記記憶層から前記参照層に向かって流れる、請求項１～１０のいずれか一項に記載の磁気メモリ。 The easy axis of magnetization of the storage layer and the reference layer is the stacking direction.
The value obtained by dividing the thickness of the magnetic layer of the second layer by the thickness of the magnetic layer of the first layer is larger in the storage element than in the reference element.
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 10, wherein when reading data, the reference element causes a read current to flow from the storage layer toward the reference layer. 前記記憶層及び前記参照層の磁化容易軸が積層方向と交差する面内方向であり、
前記第２層の磁性層の厚みを前記第１層の磁性層の厚みで割った値は、前記記憶素子よりも前記リファレンス素子の方が大きく、
データの読出す際に、前記リファレンス素子は、読出し電流が前記記憶層から前記参照層に向かって流れる、請求項１～１０のいずれか一項に記載の磁気メモリ。 The easy axis of magnetization of the storage layer and the reference layer is in the in-plane direction where the stacking direction intersects.
The value obtained by dividing the thickness of the magnetic layer of the second layer by the thickness of the magnetic layer of the first layer is larger in the reference element than in the storage element.
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 10, wherein when reading data, the reference element causes a read current to flow from the storage layer toward the reference layer. 前記記憶層及び前記参照層の磁化容易軸が積層方向と交差する面内方向であり、
前記第２層の磁性層の厚みを前記第１層の磁性層の厚みで割った値は、前記リファレンス素子よりも前記記憶素子の方が大きく、
データの読出す際に、前記リファレンス素子は、読出し電流が前記参照層から前記記憶層に向かって流れる、請求項１～１０のいずれか一項に記載の磁気メモリ。 The easy axis of magnetization of the storage layer and the reference layer is in the in-plane direction where the stacking direction intersects.
The value obtained by dividing the thickness of the magnetic layer of the second layer by the thickness of the magnetic layer of the first layer is larger in the storage element than in the reference element.
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 10, wherein when reading data, the reference element causes a read current to flow from the reference layer toward the storage layer.
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