JP5370907B2 - Magnetoresistive element and magnetic random access memory - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for easily introducing a magnetic domain wall, for preventing a pinning force of the magnetic domain wall from superfluously increasing, and for fully reducing a writing current with respect to an MRAM utilizing a current inducing magnetic domain wall movement phenomenon using a perpendicular magnetization film. <P>SOLUTION: A magneto-resistive element is equipped with a primary ferromagnetic layer 10 constituted by a ferromagnetic material having a vertical magnetic anisotropy. The primary ferromagnetic layer 10 is provided with: a magnetization fixed area 11a which has a magnetization fixed in a first direction; a magnetization fixed area 11b which has a magnetization fixed in an anti-parallel direction to the first direction; and a magnetization free region 12 which is joined to the magnetization fixed areas 11a, 11b and has a reversible magnetization. A top face 11aT of the magnetization fixed area 11a is formed in a position higher than a top face 12T of the magnetization free region 12 in a substrate perpendicular direction. A lower surface 11aB of the magnetization fixed area 11a is formed in a position lower than a lower surface 12B of the magnetization free region 12 in the substrate perpendicular direction. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。特に本発明は磁壁移動方式の磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。   The present invention relates to a magnetoresistive effect element and a magnetic random access memory. In particular, the present invention relates to a domain wall motion type magnetoresistive effect element and a magnetic random access memory.

磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）は高速動作、および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリとして期待され、盛んな開発が行われている。ＭＲＡＭでは記憶素子として磁性体を用い、磁性体の磁化の向きに対応させてデータを記憶する。この磁性体の磁化をスイッチングさせる方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要であり、非特許文献１によれば０．５ｍＡ以下への低減、さらに好ましくは０．２ｍＡ以下への低減が求められている。   Magnetic Random Access Memory (MRAM) is expected as a non-volatile memory capable of high-speed operation and infinite rewriting, and has been actively developed. In the MRAM, a magnetic material is used as a storage element, and data is stored in correspondence with the magnetization direction of the magnetic material. Several methods have been proposed as a method for switching the magnetization of the magnetic material, but all of them are common in that current is used. In putting MRAM into practical use, it is very important how much the write current can be reduced. According to Non-Patent Document 1, a reduction to 0.5 mA or less, more preferably a reduction to 0.2 mA or less. It has been demanded.

ＭＲＡＭへのデータの書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁性記憶素子の周辺に書き込みのための配線を配置し、この配線に電流を流すことで発生する磁場によって磁性記憶素子の磁化の方向をスイッチングさせる方法である。この方法は磁場による磁化反転となるため、原理的には１ナノ秒以下での書き込みが可能であり、高速ＭＲＡＭを実現する上では好適である。しかしながら熱安定性、外乱磁場耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁場は一般的には数１０Ｏｅ（エールステッド）程度となり、このような磁場を発生させるためには数ｍＡ程度の電流が必要となる。この場合、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大するため、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力で劣ることになる。これに加えて、素子が微細化されると、書き込み電流はさらに増大してしまい、スケーリングの点でも好ましくない。   The most common method of writing data to the MRAM is to arrange a wiring for writing around the magnetic memory element and to change the magnetization direction of the magnetic memory element by a magnetic field generated by passing a current through the wiring. It is a method of switching. Since this method uses magnetization reversal by a magnetic field, writing in 1 nanosecond or less is possible in principle, which is preferable for realizing a high-speed MRAM. However, the magnetic field for switching the magnetization of the magnetic material that has ensured thermal stability and disturbance magnetic field resistance is generally about several tens of Oe (Ehrstead). In order to generate such a magnetic field, about several mA is required. A current is required. In this case, the chip area is inevitably increased, and the power consumption required for writing increases, so that it is inferior in competitiveness compared to other random access memories. In addition to this, when the element is miniaturized, the write current further increases, which is not preferable in terms of scaling.

近年、このような問題を解決する手段として、以下の２つの方法が提案されている。一つ目はスピン注入磁化反転である。これは反転可能な磁化を有する第１の磁性層と、それに電気的に接続され、磁化が固定された第２の磁性層から構成された積層膜において、第２の磁性層と第１の磁性層の間で電流を流したときのスピン偏極した伝導電子と第１の磁性層中の局在電子との間の相互作用を利用して第１の磁性層の磁化を反転する方法である。スピン注入磁化反転はある電流密度以上のときに起こることから、素子のサイズが小さくなれば、書き込みに要する電流は低減される。すなわちスピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、一般的に第１の磁性層と第２の磁性層の間には絶縁層が設けられ、書き込みの際には比較的大きな電流をこの絶縁層に流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が課題となる。また、書き込みの電流経路と読み出しの電流経路が同じになることから、読み出しの際の誤書き込みも懸念される。このようにスピン注入磁化反転はスケーリング性には優れるものの、実用化にはいくつかの障壁がある。   In recent years, the following two methods have been proposed as means for solving such problems. The first is spin injection magnetization reversal. This is a laminated film composed of a first magnetic layer having reversible magnetization and a second magnetic layer electrically connected to and fixed in magnetization. This is a method of reversing the magnetization of the first magnetic layer by utilizing the interaction between spin-polarized conduction electrons and a localized electron in the first magnetic layer when a current is passed between the layers. . Since spin injection magnetization reversal occurs at a certain current density or higher, the current required for writing is reduced as the element size is reduced. That is, it can be said that the spin injection magnetization reversal method is excellent in scaling. However, generally, an insulating layer is provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer, and a relatively large current must be passed through the insulating layer at the time of writing. Sex is an issue. In addition, since the current path for writing and the current path for reading are the same, there is a concern about erroneous writing during reading. Thus, although spin transfer magnetization reversal is excellent in scaling, there are some barriers to practical use.

一方で、二つ目の方法である電流誘起磁壁移動現象を利用した磁化反転方法は、スピン注入磁化反転の抱える上述のような問題を解決することができる。電流誘起磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは例えば特許文献１で開示されている。電流誘起磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは、一般的には反転可能な磁化を有する第１の磁性層において、その両端部の磁化が互いに略反平行となるように固定されている。このような磁化配置のとき、第１の磁性層内には磁壁が導入される。ここで、非特許文献２で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流したとき、磁壁は伝導電子の方向に移動することから、第１の磁性層内に電流を流すことにより書き込みが可能となる。電流誘起磁壁移動もある電流密度以上のときに起こることから、スピン注入磁化反転と同様にスケーリング性があると言える。これに加えて、電流誘起磁壁移動を利用したＭＲＡＭ素子では、書き込み電流が絶縁層を流れることはなく、また書き込み電流経路と読み出し電流経路は別となるため、スピン注入磁化反転で挙げられるような上述の問題は解決されることになる。   On the other hand, the magnetization reversal method using the current-induced domain wall motion phenomenon, which is the second method, can solve the above-described problems of spin injection magnetization reversal. An MRAM using the current-induced domain wall motion phenomenon is disclosed in Patent Document 1, for example. The MRAM using the current-induced domain wall motion phenomenon is generally fixed so that the magnetizations at both ends thereof are substantially antiparallel to each other in the first magnetic layer having reversible magnetization. In such a magnetization arrangement, a domain wall is introduced into the first magnetic layer. Here, as reported in Non-Patent Document 2, when a current is passed in the direction penetrating the domain wall, the domain wall moves in the direction of conduction electrons, so that a current flows in the first magnetic layer. Can be written. Since current-induced domain wall motion also occurs when the current density is higher than a certain current density, it can be said that there is scaling as in spin injection magnetization reversal. In addition to this, in the MRAM element using current-induced domain wall motion, the write current does not flow through the insulating layer, and the write current path and the read current path are different, so that the spin injection magnetization reversal can be mentioned. The above problem will be solved.

非特許文献２では、電流誘起磁壁移動に必要な電流密度として１×１０８［Ａ／ｃｍ２］程度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる層の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合の書き込み電流は１ｍＡとなる。これは前述の書き込み電流に関する条件を満たすことができない。しかし非特許文献３で述べられているように、電流誘起磁壁移動が起こる強磁性層として垂直磁気異方性を有する材料を用いることによって、書き込み電流を十分小さく低減できることが報告されている。このようなことから、電流誘起磁壁移動を利用してＭＲＡＭを製造する場合、磁壁移動が起こる層としては垂直磁気異方性を有する強磁性体を用いることが好ましいと言える。非特許文献４においては垂直磁化膜における電流誘起磁壁移動の観測が報告されている。また垂直磁化膜を用いてＭＲＡＭを製造する場合、磁壁移動が起こる層に磁壁を導入する必要があるが、非特許文献４ではこの方法として磁壁移動が起こる層に段差を設けることによって磁壁を導入している。 Non-Patent Document 2 requires about 1 × 10 8 [A / cm 2 ] as the current density necessary for current-induced domain wall motion. In this case, for example, when the width of the layer in which the domain wall motion occurs is 100 nm and the film thickness is 10 nm, the write current is 1 mA. This cannot satisfy the above-mentioned conditions concerning the write current. However, as described in Non-Patent Document 3, it has been reported that the write current can be reduced sufficiently by using a material having perpendicular magnetic anisotropy as a ferromagnetic layer in which current-induced domain wall motion occurs. For this reason, when manufacturing MRAM using current-induced domain wall motion, it can be said that it is preferable to use a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy as a layer in which domain wall motion occurs. Non-Patent Document 4 reports observation of current-induced domain wall motion in a perpendicular magnetization film. In addition, when manufacturing an MRAM using a perpendicular magnetization film, it is necessary to introduce a domain wall into a layer where domain wall movement occurs. However, in Non-Patent Document 4, a domain wall is introduced by providing a step in a layer where domain wall movement occurs. doing.

しかしながら非特許文献４で用いられているような単純な段差によって磁壁を導入した場合には、書き込みに要する電流密度が十分に低減されないことが懸念される。これは、図７を用いて後に説明されるように段差付近では膜面方向の磁束によって生ずる磁場が磁壁にかかり、この磁場が磁壁のピニング力となるためである。このような段差によって生ずる面内方向の磁場に起因したピニング力は計算によれば過度に大きくなり、これは書き込み電流の低減の障害となりうる。
特開２００５−１９１０３２号公報 IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, p.830 (2007)． Physical Review Letters, vol. 92, number 7, p.077205, (2004)． 52nd Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, Abstracts, FE-06, p.352, (2007)． Applied Physics Express, vol. 1, p.011301,(2008)． However, when the domain wall is introduced by a simple step as used in Non-Patent Document 4, there is a concern that the current density required for writing is not sufficiently reduced. This is because, as will be described later with reference to FIG. 7, a magnetic field generated by the magnetic flux in the film surface direction is applied to the domain wall near the step, and this magnetic field becomes the pinning force of the domain wall. The pinning force caused by the in-plane magnetic field generated by such a step becomes excessively large according to the calculation, and this can be an obstacle to the reduction of the write current.
JP 2005-191032 A IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, p.830 (2007). Physical Review Letters, vol. 92, number 7, p.077205, (2004). 52nd Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, Abstracts, FE-06, p.352, (2007). Applied Physics Express, vol. 1, p.011301, (2008).

したがって、本発明の目的は、垂直磁化膜を用いた電流誘起磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭについて、容易に磁壁を導入し、また磁壁のピニング力の過剰な増大を防ぎ、書き込み電流を充分に低減するための技術を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to introduce a domain wall easily for an MRAM using a current-induced domain wall motion phenomenon using a perpendicular magnetization film, to prevent excessive increase of the domain wall pinning force, and to sufficiently reduce a write current. It is to provide a technique for doing this.

本発明の磁気抵抗効果素子は、垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成される第１強磁性層を具備する。前記第１強磁性層は、第１の方向に固定された磁化を有する第１磁化固定領域と、前記第１の方向と反平行方向に固定された磁化を有する第２磁化固定領域と前記第１及び第２磁化固定領域に接合された、反転可能な磁化を有する磁化自由領域とを備える。前記第１磁化固定領域と前記磁化自由領域のうちの一方の上面は他方の上面よりも基板垂直方向において高い位置に形成され、前記第１磁化固定領域と前記磁化自由領域のうちの前記一方の下面は前記他方の下面よりも基板垂直方向において低い位置に形成される。   The magnetoresistive effect element of the present invention includes a first ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy. The first ferromagnetic layer includes a first magnetization fixed region having a magnetization fixed in a first direction, a second magnetization fixed region having a magnetization fixed in an antiparallel direction to the first direction, and the first magnetization layer. And a magnetization free region having reversible magnetization joined to the first and second magnetization fixed regions. The upper surface of one of the first magnetization fixed region and the magnetization free region is formed at a position higher in the direction perpendicular to the substrate than the other upper surface, and the one of the first magnetization fixed region and the magnetization free region The lower surface is formed at a lower position in the substrate vertical direction than the other lower surface.

本発明によれば、垂直磁化膜を用いた電流誘起磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭについて、容易に磁壁を導入し、また磁壁のピニング力の過剰な増大を防ぎ、書き込み電流を低減することができる。   According to the present invention, it is possible to easily introduce a domain wall in an MRAM using a current-induced domain wall motion phenomenon using a perpendicular magnetization film, prevent an excessive increase in the pinning force of the domain wall, and reduce a write current. .

添付図面を参照して、本発明の磁気ランダムアクセスメモリを説明する。一般に、磁気ランダムアクセスメモリは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを有しており、各磁気メモリセルは磁気抵抗効果素子を有している。以下では、磁気抵抗効果素子の様々な好適な形態について説明する。   A magnetic random access memory according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In general, a magnetic random access memory has a plurality of magnetic memory cells arranged in an array, and each magnetic memory cell has a magnetoresistive element. Below, various suitable forms of a magnetoresistive effect element are explained.

（第１の実施形態）
図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層１０（データが書き込まれる強磁性層）の構造を模式的に示している。図１Ａは斜視図であり、図１Ｂ、図１Ｃは、図１Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｙ平面図、ｘ−ｚ断面図である。なお、図において、ｚ軸は基板に垂直方向であるものと定義されており、ｘ軸、ｙ軸は基板に平行方向であるものと定義されている。 (First embodiment)
1A to 1C schematically show the structure of a first ferromagnetic layer 10 (a ferromagnetic layer into which data is written) of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment of the invention. 1A is a perspective view, and FIGS. 1B and 1C are an xy plan view and an xz sectional view in the xyz coordinate system shown in FIG. 1A. In the figure, the z-axis is defined as being perpendicular to the substrate, and the x-axis and y-axis are defined as being parallel to the substrate.

第１強磁性層１０は、磁化自由領域１２と、複数の磁化固定領域１１とを具備する。本実施形態では、２つの磁化固定領域１１が設けられており、以下では、その一方を磁化固定領域１１ａ、他方を磁化固定領域１１ｂと記載する。磁化自由領域１２の一方の端部に磁化固定領域１１ａが接続されており、他方の端部に磁化固定領域１１ｂが接続されている。   The first ferromagnetic layer 10 includes a magnetization free region 12 and a plurality of magnetization fixed regions 11. In the present embodiment, two magnetization fixed regions 11 are provided, and in the following, one of them is described as a magnetization fixed region 11a and the other as a magnetization fixed region 11b. The magnetization fixed region 11a is connected to one end of the magnetization free region 12, and the magnetization fixed region 11b is connected to the other end.

磁化固定領域１１ａ、１１ｂのうちの少なくとも一方は、その上面が、磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成されており、その下面が磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも低い位置に形成されている。本実施形態では、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの両方にこのような構造が採用されている。即ち、磁化固定領域１１ａの上面１１ａＴは磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成され、磁化固定領域１１ａの下面１１ａＢは磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも低い位置に形成されている。同様に、磁化固定領域１１ｂの上面１１ｂＴは磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成され、磁化固定領域１１ｂの下面１１ｂＢは磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも低い位置に形成されている。   At least one of the magnetization fixed regions 11a and 11b has an upper surface formed at a position higher than the upper surface 12T of the magnetization free region 12, and a lower surface formed at a position lower than the lower surface 12B of the magnetization free region 12. Has been. In the present embodiment, such a structure is employed for both the magnetization fixed regions 11a and 11b. That is, the upper surface 11aT of the magnetization fixed region 11a is formed at a position higher than the upper surface 12T of the magnetization free region 12, and the lower surface 11aB of the magnetization fixed region 11a is formed at a position lower than the lower surface 12B of the magnetization free region 12. Similarly, the upper surface 11bT of the magnetization fixed region 11b is formed at a position higher than the upper surface 12T of the magnetization free region 12, and the lower surface 11bB of the magnetization fixed region 11b is formed at a position lower than the lower surface 12B of the magnetization free region 12. .

第１強磁性層１０は、垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。詳細には、図２に示されているように、磁化固定領域１１ａは上方向の固定磁化を有し、磁化固定領域１１ｂは下方向の固定磁化を有している。一方、磁化自由領域１２の磁化は、上下方向に反転可能である。このような磁化配置の場合、磁化自由領域１２の磁化方向に応じて、磁化自由領域１２と磁化固定領域１１ａ又は１１ｂとの境界で磁壁が形成される。磁化自由領域１２の磁化方向が、磁気抵抗効果素子に記憶されるデータに対応する。第１強磁性層１０に用いることのできる材料としては、Ｃｏ−Ｐｔ系の合金が例示される。   The first ferromagnetic layer 10 is made of a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy. Specifically, as shown in FIG. 2, the magnetization fixed region 11a has an upward fixed magnetization, and the magnetization fixed region 11b has a downward fixed magnetization. On the other hand, the magnetization of the magnetization free region 12 can be reversed in the vertical direction. In the case of such a magnetization arrangement, a domain wall is formed at the boundary between the magnetization free region 12 and the magnetization fixed region 11a or 11b according to the magnetization direction of the magnetization free region 12. The magnetization direction of the magnetization free region 12 corresponds to data stored in the magnetoresistive effect element. An example of a material that can be used for the first ferromagnetic layer 10 is a Co—Pt alloy.

このような構造の第１強磁性層１０は様々な方法によって形成することができる。例えば、溝を形成後に強磁性膜を成膜し、更に、成膜した強磁性膜をパターニングすることにより第１強磁性層１０を形成することができる。また他の方法として、強磁性膜の成膜後にパターニングして磁化固定領域１１の一部を形成し、形成された一部分を埋め込んだ後、ＣＭＰやミリングなどの方法で頭出しを行い、その後、磁化固定領域１１残りの部分を成膜、パターニングすることによっても第１強磁性層１０を形成することができる。   The first ferromagnetic layer 10 having such a structure can be formed by various methods. For example, the first ferromagnetic layer 10 can be formed by forming a ferromagnetic film after forming the groove and then patterning the formed ferromagnetic film. As another method, after forming the ferromagnetic film, patterning is performed to form a part of the magnetization fixed region 11, and after burying the formed part, cueing is performed by a method such as CMP or milling, The first ferromagnetic layer 10 can also be formed by forming and patterning the remaining portion of the magnetization fixed region 11.

次に、本実施形態における第１強磁性層１０へのデータの書き込み方法について図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。第１強磁性層１０には、磁化自由領域１２の磁化方向に応じた場所に磁壁が形成される。本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、この磁壁を電流によって駆動することによりデータの書き込みを行う。図３Ａ、図３Ｂはその方法の一例を示している。本実施形態では、磁化固定領域１１ａ、１１ｂにそれぞれ電極層４０ａ、４０ｂが接合され、これらの電極層４０ａ、４０ｂを用いて磁壁を駆動する電流が供給される。   Next, a method of writing data to the first ferromagnetic layer 10 in the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. A domain wall is formed in the first ferromagnetic layer 10 at a location corresponding to the magnetization direction of the magnetization free region 12. In the magnetoresistive effect element of this embodiment, data is written by driving the domain wall with current. 3A and 3B show an example of the method. In this embodiment, the electrode layers 40a and 40b are joined to the magnetization fixed regions 11a and 11b, respectively, and a current for driving the domain wall is supplied using the electrode layers 40a and 40b.

以下においては、図３Ａに示されるように、磁化固定領域１１ａの磁化が上向きに固定され、磁化固定領域１１ｂの磁化が下向きに固定され、また磁化自由領域１２の磁化が下方向を向いている状態を“０”状態と定義する。また、図３Ｂに示されるように、磁化自由領域１２の磁化が上方向を向いている状態を“１”状態と定義する。図３Ａは“０”状態の第１強磁性層１０にデータ“１”を書き込む方法を示しており、図３Ｂは“１”状態の第１強磁性層１０にデータ“０”を書き込む方法を示している。ただし“０”状態、“１”状態の定義についてはこの限りではないことは、当業者には容易に理解されよう。   In the following, as shown in FIG. 3A, the magnetization of the magnetization fixed region 11a is fixed upward, the magnetization of the magnetization fixed region 11b is fixed downward, and the magnetization of the magnetization free region 12 is directed downward. The state is defined as “0” state. Further, as shown in FIG. 3B, a state where the magnetization of the magnetization free region 12 is directed upward is defined as a “1” state. FIG. 3A shows a method of writing data “1” to the first ferromagnetic layer 10 in the “0” state, and FIG. 3B shows a method of writing data “0” to the first ferromagnetic layer 10 in the “1” state. Show. However, those skilled in the art will readily understand that the definitions of the “0” state and the “1” state are not limited to this.

詳細には、図３Ａの“０”状態においては、磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成されている。ここで図３Ａに点線で示されるように、磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１２を経由して磁化固定領域１１ａに向かう方向に書き込み電流を導入すると、伝導電子は磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１２を経由して磁化固定領域１１ｂへと向かう方向に流れる。この伝導電子によって電流誘起磁壁移動が起こり、磁壁（ＤＷ）は磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界から磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界へと移動する。この結果、図３Ｂに示されるような磁化配置が現れる。このようにしてデータ“１”の書き込みが行われる。なお、磁壁（ＤＷ）が磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界で停止するメカニズムについては後述される。   Specifically, in the “0” state of FIG. 3A, a domain wall (DW) is formed at the boundary between the magnetization fixed region 11 a and the magnetization free region 12. Here, as shown by a dotted line in FIG. 3A, when a write current is introduced from the magnetization fixed region 11b to the magnetization fixed region 11a via the magnetization free region 12, the conduction electrons are transferred from the magnetization fixed region 11a to the magnetization free region. 12 flows in a direction toward the magnetization fixed region 11 b via 12. This conduction electron causes current-induced domain wall movement, and the domain wall (DW) moves from the boundary between the magnetization fixed region 11 a and the magnetization free region 12 to the boundary between the magnetization fixed region 11 b and the magnetization free region 12. As a result, a magnetization arrangement as shown in FIG. 3B appears. In this way, data “1” is written. A mechanism in which the domain wall (DW) stops at the boundary between the magnetization fixed region 11b and the magnetization free region 12 will be described later.

一方、図３Ｂの“１”状態においては磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成されている。ここで図３Ｂに点線で示されるように、磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１２を経由して第２磁化固定領域１１ｂに向かう方向に書き込み電流を導入する。このとき伝導電子は第２磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１２を経由して第１磁化固定領域１１ａへと向かう方向に流れ、この伝導電子によって電流誘起磁壁移動が起こり、磁壁（ＤＷ）は第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界から第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界へと移動し、図３Ａに示されるような磁化配置となる。このようにして“０”書き込みが行われる。   On the other hand, in the “1” state of FIG. 3B, a domain wall (DW) is formed at the boundary between the magnetization fixed region 11 b and the magnetization free region 12. Here, as indicated by a dotted line in FIG. 3B, a write current is introduced in a direction from the magnetization fixed region 11a to the second magnetization fixed region 11b via the magnetization free region 12. At this time, conduction electrons flow in the direction from the second magnetization fixed region 11b to the first magnetization fixed region 11a via the magnetization free region 12, and current conduction domain wall motion occurs due to the conduction electrons, and the domain wall (DW) It moves from the boundary between the two magnetization fixed region 11b and the magnetization free region 12 to the boundary between the first magnetization fixed region 11a and the magnetization free region 12, resulting in a magnetization arrangement as shown in FIG. 3A. In this way, “0” is written.

図示はされていないが、上記の書き込み動作によれば、オーバーライト（データを変化させない書き込み動作）も可能であることに留意されたい。即ち、“０”状態の第１強磁性層１０へのデータ“０”の書き込み、及び“１”状態へのデータ“１”の書き込みも可能である。   Although not shown, it should be noted that according to the above write operation, overwrite (write operation without changing data) is also possible. That is, data “0” can be written to the first ferromagnetic layer 10 in the “0” state, and data “1” can be written to the “1” state.

書き込みの際には、磁壁が磁化固定領域１１と磁化自由領域１２との境界を通り越して、磁化固定領域１１の内部へは侵入できないことに留意されたい。これは、磁化固定領域１１においては、磁化自由領域１２よりも電流密度が減少するためである。具体的には、以下のように説明される。書き込み電流が電極層４０ａ、４０ｂの間で流されると、電流方向と垂直方向の断面積が磁化固定領域１１と磁化自由領域１２の境界よりも外側では増加する。従って、磁化固定領域１１における電流密度は小さくなる。磁化固定領域１１のｚ軸方向の厚さを、磁化固定領域１１における電流密度が電流誘起磁壁移動に必要な閾値電流密度よりも小さくなるように調節すれば、磁化固定領域１１では磁壁移動が起こらず、磁壁は、磁化固定領域１１と磁化自由領域１２との境界で停止することになる。   It should be noted that when writing, the domain wall cannot pass through the boundary between the magnetization fixed region 11 and the magnetization free region 12 and enter the magnetization fixed region 11. This is because the current density in the magnetization fixed region 11 is smaller than that in the magnetization free region 12. Specifically, it will be described as follows. When a write current is passed between the electrode layers 40 a and 40 b, the cross-sectional area in the direction perpendicular to the current direction increases outside the boundary between the magnetization fixed region 11 and the magnetization free region 12. Accordingly, the current density in the magnetization fixed region 11 is reduced. If the thickness in the z-axis direction of the magnetization fixed region 11 is adjusted so that the current density in the magnetization fixed region 11 is smaller than the threshold current density necessary for current-induced domain wall motion, the domain wall motion does not occur in the magnetization fixed region 11. Instead, the domain wall stops at the boundary between the magnetization fixed region 11 and the magnetization free region 12.

このような断面積の増加による電流密度の低減は、ｘ−ｙ平面形状によってもコントロールすることができる。例えば磁化固定領域１１の幅を磁化自由領域１２の幅に比べて広く設定することにより、磁化固定領域１１と磁化自由領域１２の境界よりも外側での電流密度を低減することができる。このための好適な形状については後述にて示される。   Such a reduction in current density due to an increase in cross-sectional area can also be controlled by the xy planar shape. For example, the current density outside the boundary between the magnetization fixed region 11 and the magnetization free region 12 can be reduced by setting the width of the magnetization fixed region 11 wider than the width of the magnetization free region 12. A suitable shape for this will be described later.

磁化固定領域１１と磁化自由領域１２の境界で停止した磁壁は、安定してその場にとどまり続けることができる。それは、垂直磁気異方性を有する材料においては、無数のピニングサイトが存在し、それらが十分大きな熱安定性を有するためである。   The domain wall stopped at the boundary between the magnetization fixed region 11 and the magnetization free region 12 can stably remain in place. This is because in a material having perpendicular magnetic anisotropy, there are innumerable pinning sites and they have sufficiently large thermal stability.

（読み出し方法）
次に、本実施形態における磁気抵抗効果素子からのデータの読み出し方法について図４Ａ、図４Ｂを用いて説明する。前述のように本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、第１強磁性層１０の磁化自由領域１２の磁化方向に応じてデータが記憶される。本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、磁化自由領域１２の磁化を、磁気抵抗効果を用いて検出することによりデータの読み出しを行う。 (Reading method)
Next, a method of reading data from the magnetoresistive effect element in the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4A and 4B. As described above, in the magnetoresistive effect element of this embodiment, data is stored according to the magnetization direction of the magnetization free region 12 of the first ferromagnetic layer 10. In the magnetoresistive effect element of this embodiment, data is read by detecting the magnetization of the magnetization free region 12 using the magnetoresistive effect.

図４Ａ、図４Ｂは、データの読み出しの方法の一例を示している。本実施形態では、データを読み出すために、第１非磁性層２０と第２強磁性層３０とが設けられる。第２強磁性層３０は、第１強磁性層１０の磁化自由領域１２と対向するように設けられており、第１非磁性層２０は、第２強磁性層３０と第１強磁性層１０の磁化自由領域１２の間に設けられている。第１強磁性層１０、第１非磁性層２０、第２強磁性層３０により磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）が形成される。   4A and 4B show an example of a data reading method. In the present embodiment, the first nonmagnetic layer 20 and the second ferromagnetic layer 30 are provided to read data. The second ferromagnetic layer 30 is provided so as to face the magnetization free region 12 of the first ferromagnetic layer 10, and the first nonmagnetic layer 20 includes the second ferromagnetic layer 30 and the first ferromagnetic layer 10. Are provided between the magnetization free regions 12. The first ferromagnetic layer 10, the first nonmagnetic layer 20, and the second ferromagnetic layer 30 form a magnetic tunnel junction (MTJ).

第１非磁性層２０は非磁性、且つ、絶縁性の材料から形成される。第１非磁性層２０の具体的な材料としては酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）が例示される。その代わりに、第１非磁性層２０は、非磁性の半導体や金属材料によって形成されてもよい。この場合、第１強磁性層１０、第１非磁性層２０、第２強磁性層３０は、ＧＭＲ効果（Giant Magnetoresistance effect）を示すＧＭＲ素子を構成することになる。 The first nonmagnetic layer 20 is made of a nonmagnetic and insulating material. Specific examples of the material of the first nonmagnetic layer 20 include aluminum oxide (AlO x ). Instead, the first nonmagnetic layer 20 may be formed of a nonmagnetic semiconductor or metal material. In this case, the first ferromagnetic layer 10, the first nonmagnetic layer 20, and the second ferromagnetic layer 30 constitute a GMR element exhibiting a GMR effect (Giant Magnetoresistance effect).

第２強磁性層３０は、垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。第２強磁性層３０の磁化は、少なくともその一部分において実質的に一方向に固定されている。なお、第２強磁性層３０は、図４Ａ、図４Ｂでは単層の強磁性層として図示されているが、実際には複数の強磁性層からなる積層膜で形成されてもよく、それらの間には非磁性層が挿入されてもよい。また隣り合う強磁性層は中間に配置される非磁性層によって反平行方向に磁気的に結合してもよい。更には、第２強磁性層３０に反強磁性層を接合させることによって磁化をより強固に固定することもできる。第２強磁性層３０の積層構成としてはＣｏ−Ｐｔ／Ｒｕ／Ｃｏ−Ｐｔ／ＰｔＭｎが例示される。   The second ferromagnetic layer 30 is made of a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy. The magnetization of the second ferromagnetic layer 30 is substantially fixed in one direction at least in part. The second ferromagnetic layer 30 is illustrated as a single-layer ferromagnetic layer in FIGS. 4A and 4B, but may actually be formed of a laminated film including a plurality of ferromagnetic layers. A nonmagnetic layer may be inserted between them. Adjacent ferromagnetic layers may be magnetically coupled in the antiparallel direction by a nonmagnetic layer disposed in the middle. Furthermore, the magnetization can be more firmly fixed by bonding an antiferromagnetic layer to the second ferromagnetic layer 30. Examples of the laminated structure of the second ferromagnetic layer 30 include Co—Pt / Ru / Co—Pt / PtMn.

図４Ａは、“０”状態の第１強磁性層１０からのデータ読み出しの方法を示しており、図４Ｂは“１”状態の第１強磁性層１０からのデータ読み出しの方法を示している。いま、図４Ａ、図４Ｂに示されるように、第２強磁性層３０の磁化（あるいは第２強磁性層３０のうちの第１非磁性層２０との界面付近の部分の磁化）が下方向に固定されているものとする。データ読み出しは、第１強磁性層１０、第１非磁性層２０、第２強磁性層３０を貫通する方向に電流を導入することによって行われる。   4A shows a method of reading data from the first ferromagnetic layer 10 in the “0” state, and FIG. 4B shows a method of reading data from the first ferromagnetic layer 10 in the “1” state. . Now, as shown in FIGS. 4A and 4B, the magnetization of the second ferromagnetic layer 30 (or the magnetization of the portion of the second ferromagnetic layer 30 near the interface with the first nonmagnetic layer 20) is downward. It shall be fixed to. Data reading is performed by introducing a current in a direction penetrating the first ferromagnetic layer 10, the first nonmagnetic layer 20, and the second ferromagnetic layer 30.

図４Ａに示されるように、第１強磁性層１０にデータ“０”が記憶されているときには（即ち、磁化自由領域１２が下方向に磁化しているときには）、磁化自由領域１２と第２強磁性層３０の磁化が平行であるため、この場合のＭＴＪの抵抗は、（相対的に）低くなる。一方、図４Ｂに示されるように、第１強磁性層１０にデータ“１”が記憶されているときには（即ち、磁化自由領域１２が上方向に磁化しているときには）、第１強磁性層１０と第２強磁性層３０の磁化は反平行であるため、この場合のＭＴＪの抵抗は、（相対的に）高くなる。このようにＭＴＪを貫通する方向に電流を流したときの抵抗の差を検出することにより、磁化自由領域１２の磁化方向を検出することができ、磁気抵抗効果素子からのデータの読み出しを行うことができる。   As shown in FIG. 4A, when data “0” is stored in the first ferromagnetic layer 10 (that is, when the magnetization free region 12 is magnetized downward), the magnetization free region 12 and the second magnetization layer 12 Since the magnetization of the ferromagnetic layer 30 is parallel, the MTJ resistance in this case is (relatively) low. On the other hand, as shown in FIG. 4B, when data “1” is stored in the first ferromagnetic layer 10 (that is, when the magnetization free region 12 is magnetized upward), the first ferromagnetic layer Since the magnetizations of 10 and the second ferromagnetic layer 30 are antiparallel, the MTJ resistance in this case is (relatively) high. Thus, by detecting the difference in resistance when a current is passed through the MTJ, the magnetization direction of the magnetization free region 12 can be detected, and data is read from the magnetoresistive effect element. Can do.

次に、本実施形態の磁気抵抗効果素子のメモリ状態の初期化方法について図５Ａ、図５Ｂを用いて説明する。前述のように、本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、第１強磁性層１０の磁化固定領域１１ａ、１１ｂのうちの一方を上向きに向け、他方を下向きに向ける必要がある。このような磁化状態は以下のようなステップにより実現することができる。   Next, a method for initializing the memory state of the magnetoresistive effect element according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5A and 5B. As described above, in the magnetoresistive effect element according to this embodiment, one of the magnetization fixed regions 11a and 11b of the first ferromagnetic layer 10 needs to be directed upward and the other must be directed downward. Such a magnetized state can be realized by the following steps.

まず図５Ａに示されるような第１強磁性層１０において、磁化固定領域１１ａの保磁力（即ち、磁化固定領域１１ａの磁化の反転に必要な磁場）をＨｃ＿１１ａとし、磁化固定領域１１ｂの保磁力をＨｃ＿１１ｂとし、また磁化自由領域１２の保磁力をＨｃ＿１２とする。ここで、保磁力Ｈｃ＿１１ａ、Ｈｃ＿１１ｂ、Ｈｃ＿１２の間で、
Ｈｃ＿１１ａ＞Ｈｃ＿１１ｂ，
Ｈｃ＿１１ａ＞Ｈｃ＿１２
が成り立つものと仮定する。また保磁力Ｈｃ＿１１ｂ、Ｈｃ＿１２の大小関係は任意であるが、以下では、
Ｈｃ＿１１ｂ＞Ｈｃ＿１２
が成り立つものとする。 First, in the first ferromagnetic layer 10 as shown in FIG. 5A, the coercive force of the magnetization fixed region 11a (that is, the magnetic field necessary for the reversal of the magnetization of the magnetization fixed region 11a) is Hc_11a, and the coercivity of the magnetization fixed region 11b. Is Hc_11b, and the coercive force of the magnetization free region 12 is Hc_12. Here, between the coercive forces Hc_11a, Hc_11b, and Hc_12,
Hc_11a> Hc_11b,
Hc_11a> Hc_12
Is assumed to hold. The magnitude relationship between the coercive forces Hc_11b and Hc_12 is arbitrary.
Hc_11b> Hc_12
Is assumed to hold.

このとき、はじめに上方向に
Ｈ１＞Ｈｃ＿１１ａ
なる磁場Ｈを印加することによって、図５Ａに示されるように全領域の磁化を上方向に揃えることができる。次に、
Ｈｃ＿１１ａ＞Ｈ２＞Ｈｃ＿１１ｂ（＞Ｈｃ＿１２）
なる磁場Ｈ２を下方向に印加すると、磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂの磁化のみ反転し、図５Ｂに示されるように、第１強磁性層１０は、“０”状態へ初期化される。 At this time, first, H 1 > Hc — 11a in the upward direction
By applying the magnetic field H, the magnetization of the entire region can be aligned upward as shown in FIG. 5A. next,
Hc — 11a> H 2 > Hc — 11b (> Hc — 12)
When the composed field H 2 is applied in the downward direction, the magnetization free region 12 and the magnetization only inverts the second magnetization fixed region 11b, as shown in Figure 5B, the first ferromagnetic layer 10, the initial to the "0" state It becomes.

なお、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの保磁力が異なっていれば、磁化固定領域１１ａ、１１ｂ、磁化自由領域１２の保磁力の大小関係については任意であることに留意されたい。磁化固定領域１１ａと磁化固定領域１１ｂの閾値磁場が異なってさえいれば、上述のような２段階の磁場の印加によって、磁化固定領域１１ａと磁化固定領域１１ｂの磁化を反平行方向に向けることができる。   It should be noted that as long as the coercivity of the magnetization fixed regions 11a and 11b is different, the magnitude relationship of the coercivity of the magnetization fixed regions 11a and 11b and the magnetization free region 12 is arbitrary. As long as the threshold magnetic fields of the magnetization fixed region 11a and the magnetization fixed region 11b are different from each other, the magnetization of the magnetization fixed region 11a and the magnetization fixed region 11b can be directed in the antiparallel direction by applying the two-stage magnetic field as described above. it can.

本実施形態の磁気抵抗効果素子の一つの特徴は、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの少なくとも一方が、上面が磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成され、下面が磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも低い位置に形成された構造を採用していることにある。以下では、このような構造の利点と、その利点が得られる原理について説明する。   One feature of the magnetoresistive effect element of the present embodiment is that at least one of the magnetization fixed regions 11a and 11b is formed such that the upper surface is higher than the upper surface 12T of the magnetization free region 12, and the lower surface is the upper surface of the magnetization free region 12. A structure formed at a position lower than 12T is employed. Below, the advantage of such a structure and the principle from which the advantage is obtained will be described.

垂直磁化膜に磁壁を導入する方法としては、非特許文献４に記載されているように、垂直磁化膜に段差を設けることが知られている。非特許文献４で用いられているような段差によって磁壁を導入する方法を磁壁移動型の素子に適用した場合の一般的な構造を図６Ａ、図６Ｂに示す。図６Ａは斜視図を、図６Ｂは図６Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｚ断面図を示している。   As a method for introducing a domain wall into a perpendicular magnetization film, as described in Non-Patent Document 4, it is known to provide a step in the perpendicular magnetization film. FIG. 6A and FIG. 6B show a general structure when a method of introducing a domain wall by a step as used in Non-Patent Document 4 is applied to a domain wall displacement type element. 6A is a perspective view, and FIG. 6B is an xz sectional view in the xyz coordinate system shown in FIG. 6A.

しかしながら、図６Ａ、図６Ｂのような構成においては、磁化固定領域１１と磁化自由領域１２の境界において磁壁が過大にピニングされることが懸念される。図７はこのことを模式的に示している。図７において、磁化固定領域１１ａのうちの磁化自由領域１２とは同一高さにない領域に斜線が施されている。またこの領域が上向きに磁化しているときの周辺に発生する磁場が矢印１３で示されている。図６Ａ、図６Ｂに示されているように、端部効果により、磁化自由領域１２と磁化固定領域１１ａの境界１４では右向きの磁場が発生する。発明者の計算によれば、この磁場は局所的には１ｋＯｅ以上になり得る。このような局所磁場によって磁壁がピニングされた場合、垂直磁化膜において電流誘起磁壁移動に必要なイントリンシックな閾値電流密度ではデピンできず、これよりも大きな電流密度を要してしまうことがマイクロマグネティクス計算からわかった。すなわち磁壁移動が起こる層に垂直磁気異方性材料を用いても、図６Ａ、図６Ｂに示されるような単純な段差を有する構造を用いた場合には、書き込み電流密度の低減はある範囲にとどまってしまう。   However, in the configuration shown in FIGS. 6A and 6B, there is a concern that the domain wall is excessively pinned at the boundary between the magnetization fixed region 11 and the magnetization free region 12. FIG. 7 schematically shows this. In FIG. 7, a region that is not at the same height as the magnetization free region 12 in the magnetization fixed region 11 a is hatched. In addition, a magnetic field generated in the periphery when this region is magnetized upward is indicated by an arrow 13. As shown in FIGS. 6A and 6B, a rightward magnetic field is generated at the boundary 14 between the magnetization free region 12 and the magnetization fixed region 11a due to the edge effect. According to the inventor's calculations, this magnetic field can be locally 1 kOe or more. When the domain wall is pinned by such a local magnetic field, it cannot be depinned by the intrinsic threshold current density required for current-induced domain wall movement in the perpendicular magnetization film, and a larger current density is required. I learned from the tics calculation. That is, even if a perpendicular magnetic anisotropic material is used for the layer where domain wall motion occurs, the write current density can be reduced within a certain range when a structure having a simple step as shown in FIGS. 6A and 6B is used. It will stay.

本実施形態の第１強磁性層１０の構造によれば上述のような問題は解決され、十分に低減された電流密度によってデータの書き込みを行うことのできる磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。図８はそれを模式的に示している。本発明においては、少なくとも一方の磁化固定領域１１の上面は磁化自由領域１２の上面よりも高い位置に形成され、かつ当該少なくとも一方の磁化固定領域１１の下面は磁化自由領域１２の下面よりも低い位置に形成される。これは、磁化固定領域１１においては、磁化自由領域１２よりも上側に突出した領域と下側に突出した領域を有すると言い換えることもできる。図８では磁化固定領域１１ａのうちの上側に突出した領域と下側に突出した領域に斜線が施されている。さらに図８においては、この斜線を施した領域によって形成される磁場が模式的に矢印１３で示されている。図８からわかるように図７とは異なり、磁化自由領域１２と磁化固定領域１１の境界１４において、斜線を施した領域からの磁場の面内成分は上下領域間で相殺され、ゼロ、もしくは小さな大きさにコントロールできることがわかる。これによって上述のような過度なピニング力は発生しなくなるため、書き込み電流の上昇を抑えることができる。   According to the structure of the first ferromagnetic layer 10 of the present embodiment, the above-described problems can be solved, and a magnetic random access memory capable of writing data with a sufficiently reduced current density can be provided. . FIG. 8 schematically shows this. In the present invention, the upper surface of at least one magnetization fixed region 11 is formed at a position higher than the upper surface of the magnetization free region 12, and the lower surface of the at least one magnetization fixed region 11 is lower than the lower surface of the magnetization free region 12. Formed in position. In other words, the magnetization fixed region 11 has a region protruding above the magnetization free region 12 and a region protruding below. In FIG. 8, the region that protrudes upward and the region that protrudes downward of the magnetization fixed region 11 a are shaded. Further, in FIG. 8, the magnetic field formed by the hatched region is schematically indicated by an arrow 13. As can be seen from FIG. 8, unlike FIG. 7, the in-plane component of the magnetic field from the hatched region at the boundary 14 between the magnetization free region 12 and the magnetization fixed region 11 is canceled between the upper and lower regions, and is zero or small. It can be seen that the size can be controlled. As a result, the excessive pinning force as described above is not generated, and an increase in write current can be suppressed.

次に、本実施形態の磁気抵抗効果素子を備えた磁気メモリセルの回路構成の例を説明する。図９は、本実施形態における磁気メモリセルの１ビット分の回路の構成例を示している。図９に示されるように、第２強磁性層３０は読み出しのためのグラウンド線１０１に接続される。一方、磁化固定領域１１ａは、ＭＯＳトランジスタ１００ａの一方のソース／ドレインに接続される。ＭＯＳトランジスタ１００ａの他方のソース／ドレインは書き込みのためのビット線１０２ａに接続される。同様に、磁化固定領域１１ｂは、ＭＯＳトランジスタ１００ａの一方のソース／ドレインに接続される。ＭＯＳトランジスタ１００ａの他方のソース／ドレインは書き込みのためのビット線１０２ｂに接続される。ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂのゲート電極は、共通のワード線１０３に接続される。磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、図９に示した磁気メモリセルがメモリアレイに行列に配置され、そのメモリアレイは周辺回路へと接続されて構成される。   Next, an example of a circuit configuration of a magnetic memory cell including the magnetoresistive effect element according to this embodiment will be described. FIG. 9 shows a configuration example of a circuit for one bit of the magnetic memory cell in the present embodiment. As shown in FIG. 9, the second ferromagnetic layer 30 is connected to the ground line 101 for reading. On the other hand, the magnetization fixed region 11a is connected to one source / drain of the MOS transistor 100a. The other source / drain of MOS transistor 100a is connected to bit line 102a for writing. Similarly, the magnetization fixed region 11b is connected to one source / drain of the MOS transistor 100a. The other source / drain of MOS transistor 100a is connected to bit line 102b for writing. The gate electrodes of the MOS transistors 100 a and 100 b are connected to the common word line 103. The magnetic random access memory (MRAM) is configured by arranging the magnetic memory cells shown in FIG. 9 in a matrix in a memory array, and the memory array is connected to a peripheral circuit.

図９に示された磁気メモリセルの、書き込み動作、読み出し動作は、以下の通りである。書き込み動作を行う場合には、ワード線１０３が“Ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、これにより、ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂが“ＯＮ”にされる。またビット線１０２ａ、１０２ｂの一方が“Ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、他方が“Ｌｏｗ”レベルにプルダウンされる。ビット線１０２ａ、１０２ｂのどちらを“Ｈｉｇｈ”レベルにし、どちらを“Ｌｏｗ”レベルにするかで第１強磁性層１０を流れる電流の方向が変わり、これにより、所望のデータを当該磁気抵抗効果素子に書き込むことができる。   The write operation and read operation of the magnetic memory cell shown in FIG. 9 are as follows. When performing the write operation, the word line 103 is pulled up to the “High” level, thereby turning on the MOS transistors 100a and 100b. One of the bit lines 102a and 102b is pulled up to the “High” level, and the other is pulled down to the “Low” level. The direction of the current flowing through the first ferromagnetic layer 10 changes depending on which of the bit lines 102a and 102b is set to "High" level and which is set to "Low" level, whereby desired data is transferred to the magnetoresistive element. Can be written on.

また、読み出し動作の際には、ワード線１０３が“Ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、これにより、ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂが“ＯＮ”にされる。またビット線１０２ａがハイインピーダンス状態に設定されると共に、ビット線１０２ｂが“Ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされる。これにより、ビット線１０２ｂから磁気抵抗効果素子を貫通する電流が第１強磁性層１０、第１非磁性層２０、第２強磁性層３０を経由してグラウンド線１０１へと流れるため、磁気抵抗効果を利用した高速での読み出しが可能となる。
図９に示された磁気メモリセルはアレイ状に配置され、これらが周辺回路へと接続され、磁気ランダムアクセスメモリが形成される。 In the read operation, the word line 103 is pulled up to the “High” level, thereby turning on the MOS transistors 100a and 100b. In addition, the bit line 102a is set to a high impedance state, and the bit line 102b is pulled up to the “High” level. As a result, the current passing through the magnetoresistive effect element from the bit line 102b flows to the ground line 101 via the first ferromagnetic layer 10, the first nonmagnetic layer 20, and the second ferromagnetic layer 30, so that the magnetoresistance High-speed reading using the effect is possible.
The magnetic memory cells shown in FIG. 9 are arranged in an array, and these are connected to a peripheral circuit to form a magnetic random access memory.

ただし、図９に示された回路、及びここで述べられた回路の動作は、本発明を実施する方法の一例に過ぎず、他の回路構成による実施も可能である。   However, the operation of the circuit shown in FIG. 9 and the circuit described here is merely an example of a method for carrying out the present invention, and can be implemented by other circuit configurations.

次に、本実施形態の磁気抵抗効果素子の各層の材料について例示する。なお、ここで示される材料は全て例であり、実際には前述のような磁化状態が実現できればいかなる材料を用いても構わない。   Next, the material of each layer of the magnetoresistive effect element of this embodiment is illustrated. Note that all the materials shown here are examples, and any material may be used in practice as long as the above-described magnetization state can be realized.

第１強磁性層１０及び第２強磁性層３０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む強磁性体により構成される。またＰｔやＰｄを含むことにより垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えてＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的にはＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏなどが例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む層を、異なる層と積層させることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜などが例示される。   The first ferromagnetic layer 10 and the second ferromagnetic layer 30 are made of a ferromagnetic material including at least one material selected from Fe, Co, and Ni. Moreover, perpendicular magnetic anisotropy can be stabilized by including Pt and Pd. In addition to this, B, C, N, O, Al, Si, P, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ag, Hf, Ta, W, By adding Re, Os, Ir, Au, Sm or the like, it is possible to adjust so that desired magnetic properties are expressed. Specifically, Co, Co—Pt, Co—Pd, Co—Cr, Co—Pt—Cr, Co—Cr—Ta, Co—Cr—B, Co—Cr—Pt—B, Co—Cr—Ta— B, Co-V, Co-Mo, Co-W, Co-Ti, Co-Ru, Co-Rh, Fe-Pt, Fe-Pd, Fe-Co-Pt, Fe-Co-Pd, Sm-Co, Examples include Gd—Fe—Co, Tb—Fe—Co, and Gd—Tb—Fe—Co. In addition, the magnetic anisotropy in the perpendicular direction can also be exhibited by laminating a layer containing any one material selected from Fe, Co, and Ni with different layers. Specifically, a laminated film of Co / Pd, Co / Pt, Co / Ni, Fe / Au, and the like are exemplified.

第１非磁性層２０は、非磁性且つ絶縁性の材料により構成されることが好ましい。具体的にはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが例示される。ただし、磁気抵抗効果素子をＧＭＲ素子として構成する場合には、第１非磁性層２０として半導体や金属材料を用いてもよい。この場合、第１非磁性層２０は、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕなどで構成される。   The first nonmagnetic layer 20 is preferably made of a nonmagnetic and insulating material. Specifically, Mg-O, Al-O, Al-N, Ni-O, Hf-O, etc. are illustrated. However, when the magnetoresistive element is configured as a GMR element, a semiconductor or a metal material may be used for the first nonmagnetic layer 20. In this case, the first nonmagnetic layer 20 is made of, for example, Al, Cr, Cu, or the like.

前述のように、第２強磁性層３０に反強磁性層を隣接させることで磁化の固定をより強固にすることができる。具体的な反強磁性材料としては、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎなどが例示される。   As described above, the magnetization can be more firmly fixed by making the antiferromagnetic layer adjacent to the second ferromagnetic layer 30. Specific examples of the antiferromagnetic material include Pt—Mn, Ir—Mn, and Fe—Mn.

（第２の実施形態）
図１０Ａ、図１０Ｂは、本発明の第２の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層１０の構造を模式的に示している。第２の実施形態は、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの構造に関する。図１０Ａは斜視図であり、図１０Ｂは図１０Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｚ断面図を示している。 (Second Embodiment)
10A and 10B schematically show the structure of the first ferromagnetic layer 10 of the magnetoresistive effect element according to the second embodiment of the present invention. The second embodiment relates to the structure of the magnetization fixed regions 11a and 11b. 10A is a perspective view, and FIG. 10B is an xz sectional view in the xyz coordinate system shown in FIG. 10A.

図１０Ａ、図１０Ｂに示されているように、磁化固定領域の上面が磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成され、下面が磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも低い位置に形成されている構造は、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの一方にのみ採用されることが可能である。図１０Ａ、図１０Ｂでは、第１磁化固定領域１１ａの上面１１ａＴが磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成され、また第１磁化固定領域１１ｂの下面１２Ｂよりも低い位置に形成される一方で、第２磁化固定領域１１ｂの上面１１ｂＴと第２磁化固定領域１１ｂの下面１１ｂＢはそれぞれ磁化自由領域１２の上面１２Ｔ、下面１２Ｂと同じ高さに形成される。この場合でも、磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に過度なピニング力は発生しなくなるため、書き込み電流の上昇を抑えることができる。   10A and 10B, the upper surface of the magnetization fixed region is formed at a position higher than the upper surface 12T of the magnetization free region 12, and the lower surface is formed at a position lower than the upper surface 12T of the magnetization free region 12. This structure can be adopted only in one of the magnetization fixed regions 11a and 11b. 10A and 10B, the upper surface 11aT of the first magnetization fixed region 11a is formed at a position higher than the upper surface 12T of the magnetization free region 12, and is formed at a position lower than the lower surface 12B of the first magnetization fixed region 11b. On the other hand, the upper surface 11bT of the second magnetization fixed region 11b and the lower surface 11bB of the second magnetization fixed region 11b are formed at the same height as the upper surface 12T and the lower surface 12B of the magnetization free region 12, respectively. Even in this case, an excessive pinning force is not generated at the boundary between the magnetization fixed region 11a and the magnetization free region 12, so that an increase in write current can be suppressed.

また図１０Ａ、図１０Ｂに示される構造においても、図１０Ｃに示されるように磁化固定領域１１ｂに隣接させて電極層４０ｂを設けることによって、前述の電流密度の減少によって、書き込みの際に磁壁は磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂの境界で停止させることができる。また、第２磁化固定領域１１ｂの電流密度をより積極的に減少させるためには、（図２０Ａ、図２０Ｂを用いて後述されるように）、第１強磁性層１０の平面形状、特に幅の変化を持たせることも有効である。加えて、磁壁をより安定して停止させるためには、図１９Ａを用いて後述されるように、第１強磁性層１０に局所的な形状の変化を持たせてもよい。   Also in the structure shown in FIGS. 10A and 10B, by providing the electrode layer 40b adjacent to the magnetization fixed region 11b as shown in FIG. 10C, the domain wall is reduced during writing due to the decrease in the current density described above. It can be stopped at the boundary between the magnetization free region 12 and the second magnetization fixed region 11b. In order to more actively reduce the current density of the second magnetization fixed region 11b (as will be described later with reference to FIGS. 20A and 20B), the planar shape, particularly the width, of the first ferromagnetic layer 10 is used. It is also effective to have these changes. In addition, in order to stop the domain wall more stably, the first ferromagnetic layer 10 may have a local shape change, as will be described later with reference to FIG. 19A.

（第３の実施形態）
図１１Ａ、１１Ｂ、図１２Ａ、１２Ｂは、本発明の第３の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層１０の構造を模式的に示している。第３の実施形態は、磁化固定領域１１の積層構成に関する。図１１Ａ、図１２Ａは斜視図であり、図１１Ｂ、図１２Ｂは図１１Ａ、図１２Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｚ断面図を示している。 (Third embodiment)
11A, 11B, 12A, and 12B schematically show the structure of the first ferromagnetic layer 10 of the magnetoresistive effect element according to the third embodiment of the present invention. The third embodiment relates to a stacked configuration of the magnetization fixed region 11. 11A and 12A are perspective views, and FIGS. 11B and 12B show xz sectional views in the xyz coordinate system shown in FIGS. 11A and 12A.

第１、第２の実施形態では、第１強磁性層１０が垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成されることを述べたが、実際には第１強磁性層１０が、その内部に非磁性体層を含んでもよい。図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２Ａ、図１２Ｂは、第１強磁性層１０が第２非磁性層１５ａ、１５ｂを含む例を示している。第２非磁性層１５の位置には任意性がある。図１１Ａ、図１１Ｂではこのうち磁化自由領域１２の高さよりも低い位置に第２非磁性層１５が設けられる例が示されており、図１２Ａ、１２Ｂには磁化自由領域１２の高さよりも高い位置に第２非磁性層１５が設けられる例が示されている。   In the first and second embodiments, it has been described that the first ferromagnetic layer 10 is made of a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy. May include a non-magnetic layer. 11A, 11B, 12A, and 12B show examples in which the first ferromagnetic layer 10 includes second nonmagnetic layers 15a and 15b. The position of the second nonmagnetic layer 15 is arbitrary. 11A and 11B show an example in which the second nonmagnetic layer 15 is provided at a position lower than the height of the magnetization free region 12, and FIGS. 12A and 12B are higher than the height of the magnetization free region 12. An example in which the second nonmagnetic layer 15 is provided at the position is shown.

即ち、図１１Ａ、図１１Ｂに図示される第１強磁性層１０では、磁化固定領域１１ａが、強磁性膜１６ａと、第２非磁性層１５ａと、強磁性部分１７ａと、強磁性膜１８ａとを備えている。同様に、磁化固定領域１１ｂは、強磁性膜１６ｂと、第２非磁性層１５ｂと、強磁性部分１７ｂと、強磁性膜１８ｂとを備えている。強磁性部分１７ａ、１７ｂは、磁化自由領域１２と一体に形成される部分であり、強磁性部分１７ａ、１７ｂは、磁化自由領域１２と同一の工程で形成される。第２非磁性層１５ａは、強磁性膜１６ａと強磁性部分１７ａの間に、強磁性部分１７ａの下面に接合して設けられている。同様に、第２非磁性層１５ｂは、強磁性膜１６ｂと強磁性部分１７ｂの間に、強磁性部分１７ｂの下面に接合して設けられている。   That is, in the first ferromagnetic layer 10 illustrated in FIGS. 11A and 11B, the magnetization fixed region 11a includes the ferromagnetic film 16a, the second nonmagnetic layer 15a, the ferromagnetic portion 17a, and the ferromagnetic film 18a. It has. Similarly, the magnetization fixed region 11b includes a ferromagnetic film 16b, a second nonmagnetic layer 15b, a ferromagnetic portion 17b, and a ferromagnetic film 18b. The ferromagnetic portions 17 a and 17 b are portions formed integrally with the magnetization free region 12, and the ferromagnetic portions 17 a and 17 b are formed in the same process as the magnetization free region 12. The second nonmagnetic layer 15a is provided between the ferromagnetic film 16a and the ferromagnetic portion 17a so as to be bonded to the lower surface of the ferromagnetic portion 17a. Similarly, the second nonmagnetic layer 15b is provided between the ferromagnetic film 16b and the ferromagnetic portion 17b so as to be bonded to the lower surface of the ferromagnetic portion 17b.

一方、図１２Ａ、図１２Ｂに図示されている第１強磁性層１０では、第２非磁性層１５ａが、強磁性膜１６ａと強磁性部分１７ａの間に、強磁性部分１７ａの上面に接合して設けられている。同様に、第２非磁性層１５ｂは、強磁性膜１６ｂと強磁性部分１７ｂの間に、強磁性部分１７ｂの上面に接合して設けられている。   On the other hand, in the first ferromagnetic layer 10 shown in FIGS. 12A and 12B, the second nonmagnetic layer 15a is bonded to the upper surface of the ferromagnetic portion 17a between the ferromagnetic film 16a and the ferromagnetic portion 17a. Is provided. Similarly, the second nonmagnetic layer 15b is provided between the ferromagnetic film 16b and the ferromagnetic portion 17b so as to be bonded to the upper surface of the ferromagnetic portion 17b.

図１２Ｃに示されているように、磁化自由領域１２の上に第１非磁性層２０と第２強磁性層３０が設けられ、第１強磁性層１０、第１非磁性層２０、及び第２強磁性層３０によってＭＴＪ（又はＧＭＲ素子）が形成される。   As shown in FIG. 12C, the first nonmagnetic layer 20 and the second ferromagnetic layer 30 are provided on the magnetization free region 12, and the first ferromagnetic layer 10, the first nonmagnetic layer 20, and the first ferromagnetic layer 30 are provided. The MTJ (or GMR element) is formed by the two ferromagnetic layers 30.

第２非磁性層１５ａ、１５ｂが第１強磁性層１０内に設けられても、本発明における磁壁のピニング力のコントロールによる書き込み電流の低減の効果は得られる。これは、図８を用いて説明した原理は、第１強磁性層１０内において、図８で斜線を施された領域が磁化自由領域１２から離れた位置にあったとしても同様に当てはまるためである。   Even if the second nonmagnetic layers 15a and 15b are provided in the first ferromagnetic layer 10, the effect of reducing the write current by controlling the pinning force of the domain wall in the present invention can be obtained. This is because the principle described with reference to FIG. 8 applies to the first ferromagnetic layer 10 even if the hatched region in FIG. 8 is located away from the magnetization free region 12. is there.

第２非磁性層１５を第１強磁性層１０内に設けることによって、製造が容易となる上、より好ましい材料特性も発現し易くなる。前述のように第１強磁性層１０を形成するためには、いくつかのステップを経る必要があるが、この際製造プロセスの都合から非磁性層を挿入した方が、製造が容易になる場合がある。例えば、垂直磁気異方性を有する強磁性体層の下地層やキャップ層、保護層として非磁性層を用いた場合、インテグレーションの過程でこれらは第１強磁性層１０内に残ってしまうことが考えられるが、このような場合でも、過度なピニング力の抑制の効果を得ることができる。   Providing the second nonmagnetic layer 15 in the first ferromagnetic layer 10 facilitates production and also facilitates the development of more preferable material characteristics. In order to form the first ferromagnetic layer 10 as described above, it is necessary to go through several steps. In this case, it is easier to manufacture by inserting a nonmagnetic layer for the convenience of the manufacturing process. There is. For example, when a nonmagnetic layer is used as an underlayer, a cap layer, or a protective layer of a ferromagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy, these may remain in the first ferromagnetic layer 10 during the integration process. Though conceivable, even in such a case, an effect of suppressing an excessive pinning force can be obtained.

第２非磁性層１５の位置や膜厚は、様々に変更可能である。さらに磁化自由領域１２の上側、下側の両側に第２非磁性層１５が設けられてもよい。   The position and film thickness of the second nonmagnetic layer 15 can be variously changed. Further, the second nonmagnetic layer 15 may be provided on both the upper and lower sides of the magnetization free region 12.

第２非磁性層１５の材料は、様々に選択可能である。Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔｉ−Ｎ、Ｚｒ−Ｎなどの導電性材料や、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ−Ｏ、Ｍｇ−Ｏなどの絶縁性の材料などを用いることができる。また図１２Ｃに示されるように、第２非磁性層１５ａは第１非磁性層２０と同一高さに形成されてもよい。これによってＭＴＪのトンネルバリアと同一プロセスで形成することが可能となり、製造プロセスが簡略化される。   Various materials can be selected for the material of the second nonmagnetic layer 15. A conductive material such as Ta, W, Ti, Ti—N, or Zr—N, or an insulating material such as SiO 2, SiN, Al—O, or Mg—O can be used. 12C, the second nonmagnetic layer 15a may be formed at the same height as the first nonmagnetic layer 20. As a result, it can be formed by the same process as the MTJ tunnel barrier, and the manufacturing process is simplified.

（第４の実施形態）
図１３Ａ〜図１３Ｃは、本発明の第４の実施形態の磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示している。第４の実施形態は、第１強磁性層１０からのデータ読み出しに関する。図１３Ａは斜視図であり、図１３Ｂ、図１３Ｃはそれぞれ図１３Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｙ平面図、ｘ−ｚ断面図を示している。 (Fourth embodiment)
13A to 13C schematically show the structure of the magnetoresistive element according to the fourth embodiment of the present invention. The fourth embodiment relates to data reading from the first ferromagnetic layer 10. 13A is a perspective view, and FIGS. 13B and 13C respectively show an xy plan view and an xz cross-sectional view in the xyz coordinate system shown in FIG. 13A.

第４の実施形態では、データが記憶される第１強磁性層１０とは別にＭＴＪが設けられ、そのＭＴＪがデータ読み出しに使用される。より具体的には、第４の実施形態では、第１強磁性層１０の他に、第３強磁性層２１０、第３非磁性層２２０、及び第４強磁性層２３０が設けられる。第３強磁性層２１０と第１強磁性層１０とは、コンタクト層２４０によって接続されている。第３非磁性層２２０は、第３強磁性層２１０と第４強磁性層２３０の間に設けられている。第３強磁性層２１０、第３非磁性層２２０、第４強磁性層２３０は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成している。   In the fourth embodiment, an MTJ is provided separately from the first ferromagnetic layer 10 in which data is stored, and the MTJ is used for data reading. More specifically, in the fourth embodiment, in addition to the first ferromagnetic layer 10, a third ferromagnetic layer 210, a third nonmagnetic layer 220, and a fourth ferromagnetic layer 230 are provided. The third ferromagnetic layer 210 and the first ferromagnetic layer 10 are connected by a contact layer 240. The third nonmagnetic layer 220 is provided between the third ferromagnetic layer 210 and the fourth ferromagnetic layer 230. The third ferromagnetic layer 210, the third nonmagnetic layer 220, and the fourth ferromagnetic layer 230 form a magnetic tunnel junction (MTJ).

第３強磁性層２１０の重心は第１強磁性層１０の磁化自由領域１２の重心に対してｘ−ｙ面内でずれて設けられる。いまこのずれの方向を「ずれ方向」と定義する。   The center of gravity of the third ferromagnetic layer 210 is provided so as to be shifted in the xy plane with respect to the center of gravity of the magnetization free region 12 of the first ferromagnetic layer 10. The direction of this shift is now defined as the “shift direction”.

第３強磁性層２１０及び第４強磁性層２３０は面内方向に磁気異方性を有する強磁性体から構成される。第３強磁性層２１０の磁気異方性の方向は、面内方向において任意である。一方、第４強磁性層２３０の磁化は実質的に一方向に固定されている。この方向は「ずれ方向」に平行方向であることが望ましい。   The third ferromagnetic layer 210 and the fourth ferromagnetic layer 230 are made of a ferromagnetic material having magnetic anisotropy in the in-plane direction. The direction of the magnetic anisotropy of the third ferromagnetic layer 210 is arbitrary in the in-plane direction. On the other hand, the magnetization of the fourth ferromagnetic layer 230 is substantially fixed in one direction. This direction is preferably parallel to the “shift direction”.

第４の実施形態では、第１強磁性層１０の磁化自由領域１２の垂直方向の磁化の方向として記憶されたデータが、第３強磁性層２１０、第３非磁性層２２０、第４強磁性層２３０から構成される面内磁化を有するＭＴＪを用いて読み出される。詳細には、第１強磁性層１０の磁化自由領域１２が第３強磁性層２１０に磁気的に結合されており、第１強磁性層１０の磁化自由領域１２の垂直方向の磁化の方向が、第３強磁性層２１０の面内方向の磁化の方向となって現れる。第３強磁性層２１０の面内方向の磁化の方向が、ＭＴＪの抵抗の変化として検知され、ＭＴＪの抵抗の変化からデータが識別される。   In the fourth embodiment, the data stored as the magnetization direction in the direction perpendicular to the magnetization free region 12 of the first ferromagnetic layer 10 is the third ferromagnetic layer 210, the third nonmagnetic layer 220, and the fourth ferromagnetic layer. Reading is performed using an MTJ having in-plane magnetization composed of the layer 230. Specifically, the magnetization free region 12 of the first ferromagnetic layer 10 is magnetically coupled to the third ferromagnetic layer 210, and the direction of magnetization in the perpendicular direction of the magnetization free region 12 of the first ferromagnetic layer 10 is The third ferromagnetic layer 210 appears in the in-plane direction of magnetization. The direction of magnetization in the in-plane direction of the third ferromagnetic layer 210 is detected as a change in MTJ resistance, and data is identified from the change in MTJ resistance.

第４の実施形態における読み出し動作の原理を、図１４Ａ、図１４Ｂを用いて詳細に説明する。図１４Ａは、第１強磁性層１０が“０”状態にある場合の各層の磁化の状態を示しており、図１４Ｂは、第１強磁性層１０が“１”状態にある場合の磁化の状態を示している。なお、磁化固定領域１１ａ、磁化固定領域１１ｂ、第４強磁性層２３０の磁化はそれぞれｚ軸の正方向、負方向、ｙ軸負方向に固定されているものとして描かれているが、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、第４強磁性層２３０の磁化の方向には任意性がある。この任意性は、当業者には自明であろう。   The principle of the read operation in the fourth embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 14A and 14B. FIG. 14A shows the magnetization state of each layer when the first ferromagnetic layer 10 is in the “0” state, and FIG. 14B shows the magnetization state when the first ferromagnetic layer 10 is in the “1” state. Indicates the state. The magnetizations of the magnetization fixed region 11a, the magnetization fixed region 11b, and the fourth ferromagnetic layer 230 are depicted as being fixed in the positive z-axis direction, the negative direction, and the negative y-axis direction, respectively. The magnetization directions of the magnetization fixed region 11a, the second magnetization fixed region 11b, and the fourth ferromagnetic layer 230 are arbitrary. This optionality will be apparent to those skilled in the art.

いま、図１４Ａに示されるように、第１強磁性層１０が、磁化自由領域１２が下方向に磁化した“０”状態にある場合、第３強磁性層２１０の磁化は、磁化自由領域１２の下方向の磁化によって生ずる漏れ磁束によってｙ軸負方向を向く。これは第３強磁性層２１０が磁化自由領域１２の下側（ｚ軸負の方向）に配置され、かつ第３強磁性層２１０の重心が磁化自由領域１２に対してｙ軸の負の方向にずれて設けられているためである。これによって第３強磁性層２１０、第４強磁性層２３０の磁化は平行となり、ＭＴＪは低抵抗状態となる。   As shown in FIG. 14A, when the first ferromagnetic layer 10 is in the “0” state in which the magnetization free region 12 is magnetized downward, the magnetization of the third ferromagnetic layer 210 is changed to the magnetization free region 12. The y-axis negative direction is directed by the leakage magnetic flux generated by the downward magnetization. This is because the third ferromagnetic layer 210 is disposed below the magnetization free region 12 (in the negative z-axis direction), and the center of gravity of the third ferromagnetic layer 210 is in the negative y-axis direction with respect to the magnetization free region 12. This is because they are provided in a shifted manner. As a result, the magnetizations of the third ferromagnetic layer 210 and the fourth ferromagnetic layer 230 become parallel, and the MTJ enters a low resistance state.

一方、図１４Ｂに示されるように、第１強磁性層１０が、磁化自由領域１２が上方向に磁化した“１”状態にある場合、第３強磁性層２１０の磁化は、磁化自由領域１２の上方向の磁化によって生ずる漏れ磁束によってｙ軸正方向を向く。これによって第３強磁性層２１０、第４強磁性層２３０の磁化は反平行となり、ＭＴＪは高抵抗状態となる。   On the other hand, as shown in FIG. 14B, when the first ferromagnetic layer 10 is in the “1” state in which the magnetization free region 12 is magnetized upward, the magnetization of the third ferromagnetic layer 210 is changed to the magnetization free region 12. It faces in the y-axis positive direction by the leakage magnetic flux generated by the upward magnetization. As a result, the magnetizations of the third ferromagnetic layer 210 and the fourth ferromagnetic layer 230 become antiparallel, and the MTJ enters a high resistance state.

かくして磁化自由領域１２の垂直方向の磁化として記憶されたデータは、面内磁化を有する第３強磁性層２１０の磁化に伝達され、第３強磁性層２１０、第３非磁性層２２０、第４強磁性層２３０から構成されるＭＴＪによって読み出される。   Thus, the data stored as the magnetization in the perpendicular direction of the magnetization free region 12 is transferred to the magnetization of the third ferromagnetic layer 210 having in-plane magnetization, and the third ferromagnetic layer 210, the third nonmagnetic layer 220, the fourth It is read by the MTJ composed of the ferromagnetic layer 230.

面内磁化を有する強磁性層によって構成されるＭＴＪでは一般的に高い磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を得ることができる。したがって、第４の実施形態の磁気抵抗効果素子では、大きな読み出し信号を得ることができる。   In general, a high magnetoresistive effect ratio (MR ratio) can be obtained in an MTJ constituted by a ferromagnetic layer having in-plane magnetization. Therefore, the magnetoresistive effect element according to the fourth embodiment can obtain a large read signal.

なお、図１３Ａ〜図１３Ｃでは第３強磁性層２１０、第３非磁性層２２０、第４強磁性層２３０は第１強磁性層１０に対して下側（ｚ軸負方向）に配置されるものとして描かれているが、この位置には任意性があり、例えば上側であっても構わない。また第３強磁性層２１０の重心の磁化自由領域１２の重心からのずれの方向である「ずれ方向」は、図ではｙ軸負の方向であるものとして描かれているが、これについても任意性があり、ｙ軸正方向でもよく、或いはｘ成分を含んでいてもよい。   13A to 13C, the third ferromagnetic layer 210, the third nonmagnetic layer 220, and the fourth ferromagnetic layer 230 are disposed on the lower side (z-axis negative direction) with respect to the first ferromagnetic layer 10. Although depicted as a thing, this position is arbitrary and may be, for example, the upper side. Further, the “shift direction”, which is the shift direction of the centroid of the third ferromagnetic layer 210 from the centroid of the magnetization free region 12, is drawn as a negative y-axis direction in the figure, but this is also arbitrary. And may be in the positive y-axis direction or may contain an x component.

（第５の実施形態）
図１５Ａ、図１５Ｂは本発明に係る磁気抵抗効果素子の第５の実施形態の構造を模式的に示している。第５の実施形態は磁化固定領域の構成に関する。図１５Ａは斜視図であり、図１５Ｂは図１５Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｚ断面図を示している。 (Fifth embodiment)
15A and 15B schematically show the structure of the fifth embodiment of the magnetoresistance effect element according to the present invention. The fifth embodiment relates to the configuration of the magnetization fixed region. FIG. 15A is a perspective view, and FIG. 15B is an xz sectional view in the xyz coordinate system shown in FIG. 15A.

いま、図１５Ｂに示されるように第１磁化固定領域１１ａのうちの磁化自由領域１２と同一高さに位置する領域を領域１１ａ−０、それよりも高い位置の領域を１１ａ−１、低い領域を領域１１ａ−２と定義する。同様に第２磁化固定領域１１ｂのうちの磁化自由領域１２と同一高さに位置する領域を領域１１ｂ−０、それよりも高い位置の領域を領域１１ｂ−１、低い領域を領域１１ｂ−２と定義する。このとき、領域１１ｂ−１、領域１１ｂ−２の材料、特性、膜厚は、様々に変更可能である。例えば、領域１１ｂ−１、領域１１ｂ−２とで膜厚は異なっていてもよく、また材料や特性（例えば磁化）も異なっていてもよい。   Now, as shown in FIG. 15B, a region located at the same height as the magnetization free region 12 in the first magnetization fixed region 11a is a region 11a-0, a region located higher than that is 11a-1, and a lower region. Is defined as region 11a-2. Similarly, in the second magnetization fixed region 11b, a region located at the same height as the magnetization free region 12 is a region 11b-0, a region located higher than that is a region 11b-1, and a lower region is designated a region 11b-2. Define. At this time, the material, characteristics, and film thickness of the region 11b-1 and the region 11b-2 can be variously changed. For example, the region 11b-1 and the region 11b-2 may have different film thicknesses, and may have different materials and characteristics (for example, magnetization).

一例として、領域１１ａ−１の磁化が領域１１ａ−２の磁化に比べて大きい場合について図１６で示されている。図１６では領域１１ａ−１、領域１１ａ−２の磁化が領域１１ａ−０及び磁化自由領域１２に形成する磁場が、矢印１３で模式的に示されている。図１６のように領域１１ａ−１、領域１１ａ−２の磁化の大きさが異なる場合、磁化自由領域１２の第１磁化固定領域１１ａとの境界１４では、有限な磁場が残ることになる。このように意図的に膜厚や材料特性を調整することによって、磁壁のピニング力を調整することができる。   As an example, FIG. 16 shows a case where the magnetization of the region 11a-1 is larger than the magnetization of the region 11a-2. In FIG. 16, the magnetic field formed by the magnetization of the region 11 a-1 and the region 11 a-2 in the region 11 a-0 and the magnetization free region 12 is schematically indicated by an arrow 13. When the magnetization magnitudes of the region 11a-1 and the region 11a-2 are different as shown in FIG. 16, a finite magnetic field remains at the boundary 14 between the magnetization free region 12 and the first magnetization fixed region 11a. In this way, the pinning force of the domain wall can be adjusted by intentionally adjusting the film thickness and material characteristics.

（第６の実施形態）
図１７Ａ、１７Ｂは、本発明の第６の実施形態の磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示している。第６の実施形態も磁化固定領域の構成に関する。図１７Ａは斜視図であり、図１７Ｂは、図１７Ａに示されるｘ−ｙ−ｘ座標系におけるｘ−ｚ断面図を示している。 (Sixth embodiment)
17A and 17B schematically show the structure of the magnetoresistive effect element according to the sixth embodiment of the present invention. The sixth embodiment also relates to the configuration of the magnetization fixed region. FIG. 17A is a perspective view, and FIG. 17B shows an xz cross-sectional view in the xy coordinate system shown in FIG. 17A.

第６の実施形態では、第１の実施形態とは異なり、磁化固定領域１１ａ、１１ｂのうちの少なくとも一方が、上面が磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成されており、下面が磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも低い位置に形成される構造を採用している。第６の実施形態では、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの両方にこのような構造が採用されている。即ち、磁化固定領域１１ａ、磁化固定領域１１ｂの上面１１ａＴ、１１ｂＴが磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも低い位置に形成される一方、磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの下面１１ａＢ、１１ｂＢが磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも高い位置に形成されている。   In the sixth embodiment, unlike the first embodiment, at least one of the magnetization fixed regions 11a and 11b is formed such that the upper surface is higher than the upper surface 12T of the magnetization free region 12, and the lower surface is A structure formed at a position lower than the lower surface 12B of the magnetization free region 12 is adopted. In the sixth embodiment, such a structure is adopted for both the magnetization fixed regions 11a and 11b. That is, the upper surfaces 11aT and 11bT of the magnetization fixed region 11a and the magnetization fixed region 11b are formed at positions lower than the upper surface 12T of the magnetization free region 12, while the lower surfaces 11aB and 11bB of the magnetization fixed region 11a and the second magnetization fixed region 11b. Is formed at a position higher than the lower surface 12B of the magnetization free region 12.

図１７Ａ、図１７Ｂに示した構成においても、図８を用いて説明した本発明の効果と同等の効果を得ることができる。図１８はその様子を模式的に示している。図１８では第１磁化固定領域１１ａの磁化がその周囲に形成する磁場が矢印１３で示されている。図１８のように磁化自由領域１２と第１磁化固定領域１１ａの境界１４においては、ｘ軸の正方向と負方向の磁場が発生し、これらが相殺することによって大きな磁壁のピニング力とならないことがわかる。   Also in the configuration shown in FIGS. 17A and 17B, an effect equivalent to the effect of the present invention described with reference to FIG. 8 can be obtained. FIG. 18 schematically shows such a state. In FIG. 18, the magnetic field formed around the magnetization of the first magnetization fixed region 11 a is indicated by an arrow 13. As shown in FIG. 18, at the boundary 14 between the magnetization free region 12 and the first magnetization fixed region 11a, a positive magnetic field and a negative magnetic field of the x axis are generated, and these cancel each other to prevent a large domain wall pinning force. I understand.

なお、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの一方は、第１の実施形態の構造（即ち、上面が、磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成されており、下面が磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも低い位置に形成される構造）で形成される一方、他方が、第６の実施形態の構造（即ち、上面が、磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも低い位置に形成されており、下面が磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも高い位置に形成される構造）で形成されてもよい。   One of the magnetization fixed regions 11 a and 11 b has the structure of the first embodiment (that is, the upper surface is formed at a position higher than the upper surface 12 T of the magnetization free region 12, and the lower surface is the lower surface of the magnetization free region 12. The other is formed in the structure of the sixth embodiment (that is, the upper surface is formed in a position lower than the upper surface 12T of the magnetization free region 12). The lower surface may be formed at a position higher than the lower surface 12B of the magnetization free region 12).

なお、書き込みの際はこの境界１４にて磁壁を停止させる必要があるが、これはここに前述のような電極層４０ａ、４０ｂを設ける、或いは後述されるように第１強磁性層１０の平面形状を調整することによって実現することができる。   When writing, it is necessary to stop the domain wall at the boundary 14, which is provided with the electrode layers 40a and 40b as described above, or the plane of the first ferromagnetic layer 10 as described later. This can be realized by adjusting the shape.

（第７の実施形態）
図１９Ａ〜１９Ｅ、２０Ａ、２０Ｂ、及び２１Ａ、２１Ｂは、本発明の第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第７の実施形態の構造を模式的に示している。第７の実施形態は、第１強磁性層１０の平面形状に関する。 (Seventh embodiment)
19A to 19E, 20A, 20B, and 21A, 21B schematically show the structure of the seventh embodiment of the magnetoresistance effect element of the seventh embodiment of the present invention. The seventh embodiment relates to the planar shape of the first ferromagnetic layer 10.

図１Ａ〜１Ｃでは、第１強磁性層１０がｘ−ｙ面内において長方形であるものとして描かれているが、図１９Ａ〜１９Ｅ、２０Ａ、２０Ｂ、及び２１Ａ、２１Ｂに示されているように、第１強磁性層１０の平面形状は、様々に変更可能である。図１９Ａ〜１９Ｅ、図２０Ａ、図２０Ｂ、図２１Ｂはｘ−ｙ平面図を示している。また図２１Ａは、図２１Ｂのような平面形状を有する第１強磁性層１０の斜視図を示している。   1A-1C, the first ferromagnetic layer 10 is depicted as being rectangular in the xy plane, but as shown in FIGS. 19A-19E, 20A, 20B, and 21A, 21B. The planar shape of the first ferromagnetic layer 10 can be variously changed. 19A to 19E, FIGS. 20A, 20B, and 21B are xy plan views. FIG. 21A shows a perspective view of the first ferromagnetic layer 10 having a planar shape as shown in FIG. 21B.

図１９Ａに示されるように、第１強磁性層１０にノッチ（切り欠き）が設けられてもよい。このノッチは、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界、及び第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に設けられる。これにより、磁壁のピニング位置を明確に規定することができる。ノッチの代わりに突出部が設けられることも可能である。   As shown in FIG. 19A, the first ferromagnetic layer 10 may be provided with a notch. This notch is provided at the boundary between the first magnetization fixed region 11 a and the magnetization free region 12 and at the boundary between the second magnetization fixed region 11 b and the magnetization free region 12. Thereby, the pinning position of the domain wall can be clearly defined. A protrusion may be provided instead of the notch.

また、図１９Ｂ〜１９Ｅに示されるように、第１強磁性層１０は、中央部が太くなるように形成されてもよい。磁壁は系全体のエネルギーを下げるために、なるべく細い部分に動く性質があるが、図１９Ｂ〜図１９Ｅに示されるように中央部を太く形成することによって、中央部で磁壁が止まりにくくなり、安定した２値状態が実現される。   Moreover, as FIG. 19B-19E shows, the 1st ferromagnetic layer 10 may be formed so that a center part may become thick. In order to lower the energy of the entire system, the domain wall has the property of moving as thin as possible, but by forming the center part thick as shown in FIGS. 19B to 19E, the domain wall is less likely to stop at the center part and is stable. This binary state is realized.

また、図２０Ａ、図２０Ｂに示されるように、第１強磁性層１０は、磁化固定領域１１の幅が磁化自由領域１２の幅に比べて太くなるように形成されてもよい。図２０Ａは、磁化固定領域１１ａ、磁化固定領域１１ｂの両方が太く形成される例が示されており、図２０Ｂでは磁化固定領域１１ｂのみが太く形成される例が示されている。磁化固定領域１１の幅を磁化自由領域１２に比べて太く形成することによって、磁壁が磁化自由領域１２を通り越して磁化固定領域１１に侵入することを防ぐことができる。これは磁化固定領域においては、幅が広がるため、電流密度が下がるためである。   20A and 20B, the first ferromagnetic layer 10 may be formed so that the width of the magnetization fixed region 11 is larger than the width of the magnetization free region 12. FIG. 20A shows an example where both the magnetization fixed region 11a and the magnetization fixed region 11b are formed thick, and FIG. 20B shows an example where only the magnetization fixed region 11b is formed thick. By forming the magnetization fixed region 11 wider than the magnetization free region 12, it is possible to prevent the domain wall from passing through the magnetization free region 12 and entering the magnetization fixed region 11. This is because the current density decreases in the magnetization fixed region because the width increases.

また、図２１Ａ、図２１Ｂに示されるように、第１強磁性層１０は、Ｙ字型に形成されてもよい。図２１Ａ、図２１Ｂの構造においては、第１強磁性層１０はｘ方向に延伸して設けられる磁化自由領域１２と、その一方の端部（−ｘ側）に接続して設けられる磁化固定領域１１ａと、同じく一方の端部に接続して設けられる磁化固定領域１１ｂにより形成される。すなわち第１強磁性層１０が、三叉路を形成する。この場合も磁化固定領域１１ａと磁化固定領域１１ｂの磁化は、垂直方向で互いに反平行方向に固定される。また磁化自由領域１２の磁化は垂直方向で上下に反転可能である。   21A and 21B, the first ferromagnetic layer 10 may be formed in a Y shape. In the structures of FIGS. 21A and 21B, the first ferromagnetic layer 10 has a magnetization free region 12 provided extending in the x direction, and a magnetization fixed region provided connected to one end (−x side) thereof. 11 a and a magnetization fixed region 11 b provided similarly connected to one end. That is, the first ferromagnetic layer 10 forms a three-way path. Also in this case, the magnetizations of the magnetization fixed region 11a and the magnetization fixed region 11b are fixed to each other in an antiparallel direction in the vertical direction. The magnetization of the magnetization free region 12 can be reversed up and down in the vertical direction.

第１強磁性層１０が図２１Ａ、図２１Ｂに示されるようなＹ字型の形状を有する場合の書き込み方法について図２２Ａ、図２２Ｂを用いて説明する。図２２Ａは、第１強磁性層１０が“０”状態にある場合にデータ“１”を書き込む動作を模式的に示しており、図２２Ｂは、第１強磁性層１０が“１”状態にある場合にデータ“０”を書き込む動作を示している。   A writing method when the first ferromagnetic layer 10 has a Y-shape as shown in FIGS. 21A and 21B will be described with reference to FIGS. 22A and 22B. FIG. 22A schematically shows an operation of writing data “1” when the first ferromagnetic layer 10 is in the “0” state, and FIG. 22B shows that the first ferromagnetic layer 10 is in the “1” state. In this case, an operation of writing data “0” is shown.

図２２Ａに示されるように、第１強磁性層１０が、磁化自由領域１２が下向きに磁化した“０”状態にある場合、磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成される。ここで図２２Ａの点線の方向に電流を流せば、電流誘起磁壁移動現象により磁壁（ＤＷ）は磁化自由領域１２の磁化固定領域１１ａと接続される端部とは反対側へと移動し、第１強磁性層１０が、図２２Ｂに示されるような“１”状態へと遷移する。同様に、第１強磁性層１０が、図２２Ｂに示されるような磁化自由領域１２が上向きに磁化した“１”状態にある場合、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成される。ここで図２２Ｂの点線の方向に電流を流せば、電流誘起磁壁移動現象により磁壁（ＤＷ）は磁化自由領域１２の第２磁化固定領域１１ｂと接続される端部とは反対側へと移動し、第１強磁性層１０が、図２２Ａに示されるような“０”状態へと遷移する。このようにしてデータの書き換えが可能である。   As shown in FIG. 22A, when the first ferromagnetic layer 10 is in the “0” state in which the magnetization free region 12 is magnetized downward, a domain wall (DW) is formed at the boundary between the magnetization fixed region 11 a and the magnetization free region 12. It is formed. Here, if a current is passed in the direction of the dotted line in FIG. 22A, the domain wall (DW) moves to the opposite side of the end of the magnetization free region 12 connected to the magnetization fixed region 11a due to the phenomenon of current induced domain wall movement. One ferromagnetic layer 10 transitions to the “1” state as shown in FIG. 22B. Similarly, when the first ferromagnetic layer 10 is in the “1” state in which the magnetization free region 12 is magnetized upward as shown in FIG. 22B, the domain wall is located at the boundary between the second magnetization fixed region 11 b and the magnetization free region 12. (DW) is formed. Here, if a current is passed in the direction of the dotted line in FIG. 22B, the domain wall (DW) moves to the opposite side of the end of the magnetization free region 12 connected to the second magnetization fixed region 11b due to the phenomenon of current induced domain wall movement. The first ferromagnetic layer 10 transitions to the “0” state as shown in FIG. 22A. In this way, data can be rewritten.

第１強磁性層１０が図２１Ａ、図２１Ｂに示されるような三叉路形状に形成されることによって、磁壁が磁化自由領域１２の端部に抜かれることによって書き込みが行われる。このような書き込みプロセスによって、より安定した書き込み動作を実現することができる。   When the first ferromagnetic layer 10 is formed in a three-way shape as shown in FIGS. 21A and 21B, writing is performed by extracting the domain wall at the end of the magnetization free region 12. By such a writing process, a more stable writing operation can be realized.

上記には本発明の実施形態が様々に記載されているが、本発明は、上述の実施形態に限定して解釈されてはならない。本発明は、上述の実施形態から様々に変更されて実施され得ることは当業者には自明的であろう。なお、矛盾しない限り、上述の実施形態の構造のうちの複数が、一の磁気抵抗効果素子に組み合わせて採用されてもよいことに留意されたい。   Although various embodiments of the present invention are described above, the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention can be implemented with various modifications from the above-described embodiments. It should be noted that a plurality of the structures of the above-described embodiments may be employed in combination with one magnetoresistive element as long as there is no contradiction.

図１Ａは、本発明の第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。FIG. 1A is a perspective view showing the configuration of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment of the present invention. 図１Ｂは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す平面図である。FIG. 1B is a plan view showing the configuration of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment. 図１Ｃは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。FIG. 1C is a cross-sectional view showing the configuration of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment. 図２は、図１の磁気抵抗効果素子の磁化配置を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the magnetization arrangement of the magnetoresistive element of FIG. 図３Ａは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の書き込み動作を概念的に示す断面図である。FIG. 3A is a cross-sectional view conceptually showing the write operation of the magnetoresistive effect element according to the first exemplary embodiment. 図３Ｂは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の書き込み動作を概念的に示す断面図である。FIG. 3B is a cross-sectional view conceptually showing the write operation of the magnetoresistive effect element according to the first exemplary embodiment. 図４Ａは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の読み出し動作を概念的に示す断面図である。FIG. 4A is a cross-sectional view conceptually showing the read operation of the magnetoresistive effect element according to the first exemplary embodiment. 図４Ｂは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の読み出し動作を概念的に示す断面図である。FIG. 4B is a cross-sectional view conceptually showing the read operation of the magnetoresistive effect element according to the first exemplary embodiment. 図５Ａは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の初期化動作を概念的に示す断面図である。FIG. 5A is a sectional view conceptually showing an initialization operation of the magnetoresistive effect element according to the first exemplary embodiment. 図５Ｂは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の初期化動作を概念的に示す断面図である。FIG. 5B is a cross-sectional view conceptually showing an initialization operation of the magnetoresistive effect element according to the first exemplary embodiment. 図６Ａは、強磁性層に段差が設けられた磁気抵抗効果素子の構造を示す斜視図である。FIG. 6A is a perspective view showing a structure of a magnetoresistive effect element in which a step is provided in a ferromagnetic layer. 図６Ｂは、強磁性層に段差が設けられた磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。FIG. 6B is a cross-sectional view showing the structure of the magnetoresistive effect element in which a step is provided in the ferromagnetic layer. 図７は、図６Ａ、図６Ｂに示された構造の強磁性層に発生する磁場を示す概念図である。FIG. 7 is a conceptual diagram showing a magnetic field generated in the ferromagnetic layer having the structure shown in FIGS. 6A and 6B. 図８は、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層に発生する磁場を示す概念図である。FIG. 8 is a conceptual diagram showing a magnetic field generated in the first ferromagnetic layer of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment. 図９は、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子が集積化された磁気メモリセルの回路構成を示す回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a magnetic memory cell in which the magnetoresistive effect element according to the first embodiment is integrated. 図１０Ａは、本発明の第２の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。FIG. 10A is a perspective view showing the configuration of the magnetoresistive effect element according to the second embodiment of the present invention. 図１０Ｂは、第２の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す平面図である。FIG. 10B is a plan view showing the configuration of the magnetoresistive effect element according to the second embodiment. 図１０Ｃは、第２の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。FIG. 10C is a cross-sectional view illustrating the configuration of the magnetoresistive effect element according to the second embodiment. 図１１Ａは、本発明の第３の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。FIG. 11A is a perspective view showing a configuration of a magnetoresistive effect element according to a third embodiment of the present invention. 図１１Ｂは、本発明の第３の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。FIG. 11B is a cross-sectional view showing the configuration of the magnetoresistive effect element according to the third embodiment of the present invention. 図１２Ａは、第３の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。FIG. 12A is a perspective view illustrating a configuration of a magnetoresistive effect element according to a third embodiment. 図１２Ｂは、第３の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。FIG. 12B is a cross-sectional view illustrating the configuration of the magnetoresistive effect element according to the third embodiment. 図１２Ｃは、第３の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。FIG. 12C is a cross-sectional view illustrating the configuration of the magnetoresistive effect element according to the third embodiment. 図１３Ａは、第４の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。FIG. 13A is a perspective view illustrating a configuration of a magnetoresistive effect element according to a fourth embodiment. 図１３Ｂは、第４の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す平面図である。FIG. 13B is a plan view showing the configuration of the magnetoresistive effect element according to the fourth embodiment. 図１３Ｃは、第４の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。FIG. 13C is a cross-sectional view showing the configuration of the magnetoresistive effect element according to the fourth embodiment. 図１４Ａは、第４の実施形態の磁気抵抗効果素子の読み出し動作を概念的に示す断面図である。FIG. 14A is a sectional view conceptually showing the read operation of the magnetoresistive effect element of the fourth exemplary embodiment. 図１４Ｂは、第４の実施形態の磁気抵抗効果素子の読み出し動作を概念的に示す断面図である。FIG. 14B is a cross-sectional view conceptually showing the read operation of the magnetoresistive effect element of the fourth exemplary embodiment. 図１５Ａは、本発明の第５の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。FIG. 15A is a perspective view showing a configuration of a magnetoresistive effect element according to a fifth embodiment of the present invention. 図１５Ｂは、本発明の第５の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。FIG. 15B is a cross-sectional view showing the configuration of the magnetoresistive effect element according to the fifth embodiment of the present invention. 図１６は、第５の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層に発生する磁場を示す概念図である。FIG. 16 is a conceptual diagram showing a magnetic field generated in the first ferromagnetic layer of the magnetoresistive effect element according to the fifth embodiment. 図１７Ａは、第６の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。FIG. 17A is a perspective view showing the configuration of the magnetoresistive element of the sixth exemplary embodiment. 図１７Ｂは、第６の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。FIG. 17B is a cross-sectional view illustrating the configuration of the magnetoresistive effect element according to the sixth embodiment. 図１８は、第６の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層に発生する磁場を示す概念図である。FIG. 18 is a conceptual diagram illustrating a magnetic field generated in the first ferromagnetic layer of the magnetoresistive effect element according to the sixth embodiment. 図１９Ａは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層の平面形状の一例を示す平面図である。FIG. 19A is a plan view illustrating an example of a planar shape of a first ferromagnetic layer of the magnetoresistive effect element according to the seventh embodiment. 図１９Ｂは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層の平面形状の他の例を示す平面図である。FIG. 19B is a plan view showing another example of the planar shape of the first ferromagnetic layer of the magnetoresistance effect element of the seventh exemplary embodiment. 図１９Ｃは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層の平面形状の他の例を示す平面図である。FIG. 19C is a plan view illustrating another example of the planar shape of the first ferromagnetic layer of the magnetoresistance effect element according to the seventh exemplary embodiment. 図１９Ｄは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層の平面形状の他の例を示す平面図である。FIG. 19D is a plan view illustrating another example of the planar shape of the first ferromagnetic layer of the magnetoresistance effect element according to the seventh exemplary embodiment. 図１９Ｅは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層の平面形状の他の例を示す平面図である。FIG. 19E is a plan view illustrating another example of the planar shape of the first ferromagnetic layer of the magnetoresistance effect element according to the seventh exemplary embodiment. 図２０Ａは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層の平面形状の他の例を示す平面図である。FIG. 20A is a plan view illustrating another example of the planar shape of the first ferromagnetic layer of the magnetoresistance effect element according to the seventh exemplary embodiment. 図２０Ｂは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層の平面形状の他の例を示す平面図である。FIG. 20B is a plan view illustrating another example of the planar shape of the first ferromagnetic layer of the magnetoresistive effect element according to the seventh embodiment. 図２１Ａは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成の他の例を示す斜視図である。FIG. 21A is a perspective view showing another example of the configuration of the magnetoresistance effect element of the seventh exemplary embodiment. 図２１Ｂは、図２１Ａに図示された磁気抵抗効果素子の構成の平面形状を示す平面図である。FIG. 21B is a plan view showing a planar shape of the configuration of the magnetoresistive element shown in FIG. 21A. 図２２Ａは、図２１Ａ、図２１Ｂに図示された磁気抵抗効果素子への書き込み動作を概念的に示す平面図である。FIG. 22A is a plan view conceptually showing a write operation to the magnetoresistive effect element shown in FIGS. 21A and 21B. 図２２Ｂは、図２１Ａ、図２１Ｂに図示された磁気抵抗効果素子への書き込み動作を概念的に示す平面図である。FIG. 22B is a plan view conceptually showing a write operation to the magnetoresistive effect element shown in FIGS. 21A and 21B.

符号の説明Explanation of symbols

１０：第１強磁性層
１１、１１ａ、１１ｂ：磁化固定領域
１１ａＴ、１１ｂＴ：上面
１１ａＢ、１１ｂＢ：下面
１１ａ−０、１１ａ−１、１１ａ−２：領域
１１ｂ−０、１１ｂ−１、１１ｂ−２：領域
１２：磁化自由領域
１２Ｔ：上面
１２Ｂ：下面
１３：矢印
１４：境界
１５、１５ａ、１５ｂ：第２非磁性層
１６ａ、１６ｂ：強磁性膜
１７ａ、１７ｂ：強磁性部分
１８ａ、１８ｂ：強磁性膜
２０：第１非磁性層
３０：第２強磁性層
４０ａ、４０ｂ：電極層
１００ａ、１００ｂ：ＭＯＳトランジスタ
１０１：グラウンド線
１０２ａ、１０２ｂ：ビット線
１０３：ワード線
２１０：第３強磁性層
２２０：第３非磁性層
２３０：第４強磁性層
２４０：コンタクト層 10: First ferromagnetic layer 11, 11a, 11b: Fixed magnetization region 11aT, 11bT: Upper surface 11aB, 11bB: Lower surface 11a-0, 11a-1, 11a-2: Region 11b-0, 11b-1, 11b-2 : Region 12: magnetization free region 12T: upper surface 12B: lower surface 13: arrow 14: boundaries 15, 15a, 15b: second nonmagnetic layers 16a, 16b: ferromagnetic films 17a, 17b: ferromagnetic portions 18a, 18b: ferromagnetic Film 20: first nonmagnetic layer 30: second ferromagnetic layer 40a, 40b: electrode layer 100a, 100b: MOS transistor 101: ground line 102a, 102b: bit line 103: word line 210: third ferromagnetic layer 220: Third nonmagnetic layer 230: Fourth ferromagnetic layer 240: Contact layer

Claims (10)

垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成される第１強磁性層と、
前記第１強磁性層に磁気的に結合して設けられる第３強磁性層と、
前記第３強磁性層に対向するように設けられた第４強磁性層と、
前記第３強磁性層と前記第４強磁性層との間に設けられた第２非磁性層
とを具備し、
前記第１強磁性層は、
第１方向に固定された磁化を有する第１磁化固定領域と、
前記第１方向と反平行方向に固定された磁化を有する第２磁化固定領域と、
前記第１及び第２磁化固定領域に接合された、反転可能な磁化を有する磁化自由領域
とを備え、
前記第１磁化固定領域と前記磁化自由領域のうちの一方の上面は他方の上面よりも基板垂直方向において高い位置に形成され、
前記第１磁化固定領域と前記磁化自由領域のうちの前記一方の下面は前記他方の下面よりも基板垂直方向において低い位置に形成され、
前記第３強磁性層の重心は前記磁化自由領域の重心に対して面内方向である第２方向にずれて設けられ、
前記第３強磁性層は、面内方向に反転可能な磁化を有し、
前記第４強磁性層は、前記第２方向に略平行に固定された磁化を有する
磁気抵抗効果素子。 A first ferromagnetic layer composed of a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy ;
A third ferromagnetic layer provided magnetically coupled to the first ferromagnetic layer;
A fourth ferromagnetic layer provided to face the third ferromagnetic layer;
A second nonmagnetic layer provided between the third ferromagnetic layer and the fourth ferromagnetic layer
And
The first ferromagnetic layer includes
A first magnetization fixed region having magnetization fixed in a first direction;
A second magnetization fixed region having magnetization fixed in a direction antiparallel to the first direction;
A magnetization free region having reversible magnetization joined to the first and second magnetization fixed regions,
One upper surface of the first magnetization fixed region and the magnetization free region is formed at a higher position in the substrate vertical direction than the other upper surface,
The one lower surface of the first magnetization fixed region and the magnetization free region is formed at a lower position in the substrate vertical direction than the other lower surface ,
The center of gravity of the third ferromagnetic layer is provided so as to be shifted in a second direction that is an in-plane direction with respect to the center of gravity of the magnetization free region,
The third ferromagnetic layer has magnetization that can be reversed in an in-plane direction,
The fourth ferromagnetic layer is a magnetoresistive element having magnetization fixed substantially parallel to the second direction . 請求項１に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化固定領域は、その上面が前記磁化自由領域の上面よりも基板垂直方向において高い位置に形成され、その下面が前記磁化自由領域の下面よりも基板垂直方向において低い位置に形成される
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive element according to claim 1,
The first magnetization fixed region has an upper surface formed at a position higher in the substrate vertical direction than an upper surface of the magnetization free region, and a lower surface formed at a position lower in the substrate vertical direction than the lower surface of the magnetization free region. Magnetoresistive effect element. 請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化自由領域に対向するように設けられた第２強磁性層と、
前記第２強磁性層と前記磁化自由領域の間に設けられた第１非磁性層
とを備え、
前記第２強磁性層は、少なくともその一部分において垂直方向に固定された磁化を有する
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive element according to claim 1 or 2,
A second ferromagnetic layer provided to face the magnetization free region;
A first nonmagnetic layer provided between the second ferromagnetic layer and the magnetization free region;
The second ferromagnetic layer has a magnetization fixed in a vertical direction in at least a part of the second ferromagnetic layer. 請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化固定領域が、前記磁化自由領域の一方の端部に接合され、
前記第２磁化固定領域が、前記磁化自由領域の他方の端部に接合された
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 3 ,
The first magnetization fixed region is bonded to one end of the magnetization free region;
The magnetoresistive effect element, wherein the second magnetization fixed region is joined to the other end of the magnetization free region. 請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化固定領域が、前記磁化自由領域の一方の端部に接合され、
前記第２磁化固定領域が、前記磁化自由領域の前記一方の端部に接合された
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 3 ,
The first magnetization fixed region is bonded to one end of the magnetization free region;
The magnetoresistive effect element, wherein the second magnetization fixed region is joined to the one end of the magnetization free region. 請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１及び第２磁化固定領域の少なくとも一方が、面内方向において前記磁化自由領
域よりも幅が広く形成された
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 3 ,
A magnetoresistive element in which at least one of the first and second magnetization fixed regions is formed wider than the magnetization free region in an in-plane direction. 垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成される第１強磁性層を具備し、
前記第１強磁性層は、
第１方向に固定された磁化を有する第１磁化固定領域と、
前記第１方向と反平行方向に固定された磁化を有する第２磁化固定領域と、
前記第１及び第２磁化固定領域に接合された、反転可能な磁化を有する磁化自由領域
とを備え、
前記第１磁化固定領域は、その上面が前記磁化自由領域の上面よりも基板垂直方向において高い位置に形成され、その下面が前記磁化自由領域の下面よりも基板垂直方向において低い位置に形成され、
前記第１磁化固定領域は、
前記磁化自由領域よりも基板垂直方向において高い位置に位置する第１領域と、
前記磁化自由領域よりも基板垂直方向において低い位置に位置する第２領域
とを備え、
前記第１領域と前記第２領域は、磁化と膜厚の少なくとも一方が異なる
磁気抵抗効果素子。 Comprising a first ferromagnetic layer composed of a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy;
The first ferromagnetic layer includes
A first magnetization fixed region having magnetization fixed in a first direction;
A second magnetization fixed region having magnetization fixed in a direction antiparallel to the first direction;
Magnetization free region having reversible magnetization joined to the first and second magnetization fixed regions
And
The upper surface of the first magnetization fixed region is formed at a position higher in the substrate vertical direction than the upper surface of the magnetization free region, and the lower surface is formed at a position lower in the substrate vertical direction than the lower surface of the magnetization free region,
The first magnetization fixed region is
A first region located at a higher position in the direction perpendicular to the substrate than the magnetization free region;
A second region located at a lower position in the direction perpendicular to the substrate than the free magnetization region,
The first region and the second region differ in at least one of magnetization and film thickness. 請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１及び前記第２磁化固定領域の少なくとも一方が電極層に接合される
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 7 ,
A magnetoresistive element in which at least one of the first and second magnetization fixed regions is joined to an electrode layer. 請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１及び前記第２磁化固定領域の少なくとも一方は、非磁性層を含む
磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 8 ,
At least one of the first and second magnetization fixed regions includes a nonmagnetic layer. 請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備える
磁気ランダムアクセスメモリ。 Magnetic random access memory comprising a magneto-resistance effect element according to any one of claims 1 to 9.
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