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JP4631372B2 - memory - Google Patents
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JP4631372B2 JP2004275464A JP2004275464A JP4631372B2 JP 4631372 B2 JP4631372 B2 JP 4631372B2 JP 2004275464 A JP2004275464 A JP 2004275464A JP 2004275464 A JP2004275464 A JP 2004275464A JP 4631372 B2 JP4631372 B2 JP 4631372B2
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Description

本発明は、記憶素子を用いたメモリに係わり、不揮発性メモリ等に用いて好適なものである。 The present invention relates to a memory using a memory element, and is suitable for use in a nonvolatile memory or the like.

コンピュータ等の情報機器では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なDRAMが広く使われている。
しかし、DRAMは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。
In information devices such as computers, DRAMs with high speed and high density are widely used as random access memories.
However, since DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, a nonvolatile memory in which information does not disappear is desired.

そして、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)が注目され、開発が進められている。   As a candidate for a nonvolatile memory, a magnetic random access memory (MRAM) that records information by magnetization of a magnetic material has attracted attention and is being developed.

MRAMは直交する2種類のアドレス配線(ワード線、ビット線)にそれぞれ電流を流して、各アドレス配線から発生する電流磁場によって、アドレス配線の交点にある磁気記憶素子の磁性層の磁化を反転して情報の記録を行うものである。   The MRAM reverses the magnetization of the magnetic layer of the magnetic memory element at the intersection of the address lines by passing a current through two orthogonal address lines (word lines and bit lines) and by a current magnetic field generated from each address line. Information recording.

しかしながら、記録した情報を安定に保持するためには、情報を記録する磁性層(記憶層)において一定の保磁力が必要である。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流さなければならない。
そして、MRAMを構成する素子の微細化に従い、アドレス配線も細くなるため、充分な電流が流せなくなってくる。
However, in order to stably hold the recorded information, a certain coercive force is required in the magnetic layer (storage layer) for recording information.
On the other hand, in order to rewrite the recorded information, a certain amount of current must be passed through the address wiring.
As the elements constituting the MRAM become finer, the address wiring becomes thinner, so that a sufficient current cannot flow.

そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成の磁気メモリが注目されている(例えば、特許文献1、非特許文献1参照)。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。
そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、少ない電流で磁化反転を実現することができる利点を有している。
Thus, attention has been paid to a magnetic memory having a configuration using magnetization reversal by spin injection as a configuration capable of reversing magnetization with a smaller current (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
Magnetization reversal by spin injection is to cause magnetization reversal in another magnetic material by injecting spin-polarized electrons that have passed through the magnetic material into another magnetic material.
Magnetization reversal by spin injection has an advantage that magnetization reversal can be realized with a small current even if the element is miniaturized.

さらに、スピン注入による磁化反転の効率を上げるために、記憶層を2つの磁化固定層で挟んだ構造が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2003−17782号公報 特開2004−193595号公報 F.J.Albert et al.,Appl Phys. Lett.Vol.77,2002年,p.3809
Furthermore, in order to increase the efficiency of magnetization reversal by spin injection, a structure in which a storage layer is sandwiched between two magnetization fixed layers has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
JP 2003-17782 A JP 2004-193595 A F. J. et al. Albert et al. Appl Phys. Lett. Vol. 77, 2002, p. 3809

しかしながら、上記特許文献2に記載されているように、記憶層の上下にそれぞれ磁化固定層を配置する場合には、上下両方の磁化固定層の磁化を決められた方向に向けるために、それぞれの磁化固定層に反強磁性層を設ける必要がある。
このように記憶層の上下に反強磁性層を設けると、記憶素子全体が厚くなることから、記憶素子を微細加工してパターニングすることが難しくなる。このため、記憶素子の微細化が難しくなることから、メモリの高密度化を図る上で課題となる。
特に、反強磁性層は、磁化固定層や記憶層を構成する磁性層よりも厚く形成する必要があるため、上下にそれぞれ反強磁性層を設けると、一方のみに反強磁性層を設けた場合よりも、記憶素子全体がかなり厚くなる。
However, as described in Patent Document 2, when the magnetization fixed layers are arranged above and below the storage layer, in order to direct the magnetizations of both the upper and lower magnetization fixed layers in a predetermined direction, It is necessary to provide an antiferromagnetic layer in the magnetization fixed layer.
When the antiferromagnetic layers are provided above and below the storage layer in this way, the entire storage element becomes thick, and it is difficult to finely process and pattern the storage element. For this reason, it becomes difficult to miniaturize the memory element, which is a problem in increasing the density of the memory.
In particular, since the antiferromagnetic layer needs to be formed thicker than the magnetic layer constituting the magnetization fixed layer and the storage layer, when the antiferromagnetic layer is provided above and below, only one of the antiferromagnetic layers is provided. Compared to the case, the entire memory element becomes considerably thicker.

また、スピン注入による磁化反転の効率を上げるためには、記憶層の下層にある磁化固定層の磁化の向きと、記憶層の上層にある磁化固定層の磁化の向きとを、互いに反対向きにしなければならないことから、記憶素子の層構造が複雑になる。
そのため、複雑な層構造による素子抵抗の増大や、スピン分極率の低下による記録電流の増加や、再生出力の低下が起こる。
In order to increase the efficiency of magnetization reversal by spin injection, the magnetization direction of the magnetization fixed layer below the storage layer and the magnetization direction of the magnetization fixed layer above the storage layer are opposite to each other. Therefore, the layer structure of the memory element is complicated.
For this reason, an increase in device resistance due to a complicated layer structure, an increase in recording current due to a decrease in spin polarizability, and a decrease in reproduction output occur.

上述した問題の解決のために、本発明においては、比較的単純な層構成でスピン注入磁化反転効率を上げることができ、微細加工が容易であり、高密度に集積可能なメモリを提供するものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a memory that can increase spin injection magnetization reversal efficiency with a relatively simple layer structure, is easy to be finely processed, and can be integrated at high density. It is.

本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、この記憶層に対して非磁性層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有し、非磁性層を通じて、記憶層と磁化固定層との間に電流を流すことによりスピン注入によって記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録が行われ、記憶層に対して、磁化固定層とは反対側に、非磁性層を介して磁化の向きを変化させることが可能な磁化自由層が設けられ、スピン注入により磁化自由層の磁化の向きが反転し、磁化自由層と記憶層との間の相互作用は、記憶層の磁化の向きの反転と同時に、磁化自由層の磁化の向きが反転する程度の大きさを有しており、かつ、磁化自由層の磁化の向きを自由に動かすことが可能な程度に十分に小さい記憶素子をメモリセルに用いて、情報の記録の際には、まず、記憶素子に膜厚方向の電流を流して、記憶層の磁化の向きと磁化自由層の磁化の向きとの関係とが、平行或いは反平行に設定され、その後、同じ向きの電流の電流量を増やして、記憶層の磁化の向きと磁化自由層の磁化の向きとの関係を平行或いは反平行に保ったままで、記憶層の磁化の向き及び磁化自由層の磁化の向きが反転されるものである。 The memory of the present invention has at least a storage layer that holds information by the magnetization state of a magnetic material, and a magnetization fixed layer that is provided to the storage layer via a nonmagnetic layer and whose magnetization direction is fixed. The information is recorded by reversing the magnetization direction of the storage layer by spin injection by passing a current between the storage layer and the magnetization fixed layer through the nonmagnetic layer, and the magnetization is fixed to the storage layer. A magnetization free layer capable of changing the magnetization direction via a nonmagnetic layer is provided on the opposite side of the layer, and the magnetization direction of the magnetization free layer is reversed by spin injection, so that the magnetization free layer and the storage layer The magnitude of the interaction between the magnetization free layer and the magnetization free layer is such that the magnetization direction of the magnetization free layer is reversed simultaneously with the reversal of the magnetization direction of the storage layer. A storage element that is small enough to be When recording information using a memory cell, first, a current in the film thickness direction is passed through the storage element, so that the relationship between the magnetization direction of the storage layer and the magnetization direction of the magnetization free layer is parallel or opposite. After that, the amount of current in the same direction is increased, and the relationship between the magnetization direction of the storage layer and the magnetization direction of the magnetization free layer is kept parallel or antiparallel, and the magnetization of the storage layer is The direction and the magnetization direction of the magnetization free layer are reversed .

上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、この記憶層に対して非磁性層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有し、非磁性層を通じて、記憶層と磁化固定層との間に電流を流すことによりスピン注入によって記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録が行われることから、記憶層と磁化固定層との間に電流を流すことにより、いわゆるスピン注入により記憶層の磁化状態(磁化の向き)を変化させて、情報の記録を行うことができる。
そして、記憶層に対して、磁化固定層とは反対側に、非磁性層を介して磁化の向きを変化させることが可能な磁化自由層が設けられ、スピン注入により磁化自由層の磁化の向きが反転し、磁化自由層と記憶層との間の相互作用は、記憶層の磁化の向きの反転と同時に、磁化自由層の磁化の向きが反転する程度の大きさを有しており、かつ、磁化自由層の磁化の向きを自由に動かすことが可能な程度に十分に小さいことにより、記憶素子の積層方向に電流を流して、磁化自由層と磁化固定層とから、それぞれ記憶層に対してスピン注入によるトルクを発生させ、これらのスピン注入によるトルクを互いに強め合うようにすることができるため、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させる効率を向上させることが可能になる。
これにより、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させて情報を記録するための電流(記録電流)を低減させることができる。
According to the above-described memory configuration of the present invention, a storage layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material, and a magnetization fixed that is provided to the storage layer via a nonmagnetic layer and the magnetization direction is fixed. Since the recording of information is performed by reversing the direction of magnetization of the storage layer by spin injection by passing a current between the storage layer and the magnetization fixed layer through the non-magnetic layer through the non-magnetic layer, By flowing a current between the storage layer and the magnetization fixed layer, information can be recorded by changing the magnetization state (magnetization direction) of the storage layer by so-called spin injection.
A magnetization free layer capable of changing the magnetization direction via a non-magnetic layer is provided on the opposite side of the magnetization fixed layer from the storage layer, and the magnetization direction of the magnetization free layer by spin injection And the interaction between the magnetization free layer and the storage layer has such a magnitude that the magnetization direction of the magnetization free layer is reversed simultaneously with the reversal of the magnetization direction of the storage layer, and The magnetization direction of the magnetization free layer is sufficiently small so that the magnetization direction can be freely moved, so that a current flows in the stacking direction of the storage element, and the magnetization free layer and the magnetization fixed layer respectively Thus, torque by spin injection can be generated and the torque by these spin injections can be strengthened to each other, so that the efficiency of reversing the magnetization direction of the storage layer by spin injection can be improved.
Thereby, the current (recording current) for recording information by reversing the magnetization direction of the storage layer by spin injection can be reduced.

そして、上述の本発明のメモリの構成により、記憶層の上下両側に磁化固定層及び反強磁性層を設けなくても、スピン注入による磁化反転の効率を向上して、記録電流を低減させることが可能になるため、記憶層の上下両側に磁化固定層及び反強磁性層を設けた構成と比較して、記憶素子の厚さの増大を抑えることができ、記憶素子の層構造を単純化することができる。 The above-described memory configuration of the present invention improves the efficiency of magnetization reversal by spin injection and reduces the recording current without providing a fixed magnetization layer and an antiferromagnetic layer on both upper and lower sides of the storage layer. Therefore, compared with a configuration in which a fixed magnetization layer and an antiferromagnetic layer are provided on both upper and lower sides of the storage layer, the increase in the thickness of the storage element can be suppressed, and the layer structure of the storage element is simplified. can do.

また、上記本発明のメモリにおいて、記憶素子に膜厚方向の電流を流したときの、記憶層の磁化の向きを反転させるための最小電流値よりも、磁化自由層の磁化の向きを反転させるための最小電流値の方が小さい構成とすることにより、磁化自由層の方が記憶層と比較して、より小さい電流で磁化の向きが反転する。
これにより、記憶層の磁化の向きを反転させる前に、磁化自由層の磁化の向きを磁化固定層の磁化の向きに対して反平行にして、磁化自由層から記憶層へのスピン注入トルクと、磁化固定層から記憶層へのスピン注入トルクとが互いに強め合うようにすることができる。
In the memory of the present invention, the magnetization direction of the magnetization free layer is reversed more than the minimum current value for reversing the magnetization direction of the storage layer when a current in the film thickness direction is passed through the storage element. Therefore, the magnetization direction is reversed with a smaller current in the magnetization free layer than in the storage layer.
Thus, before reversing the magnetization direction of the storage layer, the magnetization direction of the magnetization free layer is made antiparallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer, and the spin injection torque from the magnetization free layer to the storage layer is Further, the spin injection torque from the magnetization fixed layer to the storage layer can be strengthened.

また、上記本発明のメモリにおいて、磁化自由層の飽和磁束密度と厚さの積が、記憶層の飽和磁束密度と厚さの積よりも小さい構成とすることにより、磁化自由層の方が記憶層よりも磁気的に軽くなり、より小さい電流で磁化の向きが反転する。
これにより、上述のように、記憶層の磁化の向きを反転させる前に、磁化自由層から記憶層へのスピン注入トルクと、磁化固定層から記憶層へのスピン注入トルクとが互いに強め合うようにすることができる。
Further, in the memory according to the present invention, the magnetization free layer has a configuration in which the product of the saturation magnetic flux density and the thickness of the magnetization free layer is smaller than the product of the saturation magnetic flux density and the thickness of the storage layer. It becomes magnetically lighter than the layer, and the direction of magnetization is reversed with a smaller current.
Thus, as described above, before the magnetization direction of the storage layer is reversed, the spin injection torque from the magnetization free layer to the storage layer and the spin injection torque from the magnetization fixed layer to the storage layer are intensified with each other. Can be.

上述の本発明のメモリによれば、記録電流を低減させることができ、少ない電流量で情報の記録を行うことが可能である。
これにより、消費電力を低減することができる。
According to the memory of the present invention described above, the recording current can be reduced, and information can be recorded with a small amount of current.
Thereby, power consumption can be reduced.

また、記憶素子の厚さの増大を抑えることができるため、記憶素子を微細加工により容易に微細化することができる。
これにより、本発明のメモリによれば、メモリを小型化したり、高密度化して記憶容量を大きくしたりすることが容易に可能になる。
そして、記憶素子の層構造を単純化することができるため、記憶素子の抵抗の増大を抑制することや、スピン分極率の低下を抑制することや、再生出力の低下を抑制することも可能になると考えられる。
In addition, since increase in the thickness of the memory element can be suppressed, the memory element can be easily miniaturized by microfabrication.
Thus , according to the memory of the present invention, it is possible to easily reduce the size of the memory or increase the storage capacity by increasing the density.
Since the layer structure of the memory element can be simplified, it is possible to suppress an increase in resistance of the memory element, suppress a decrease in spin polarizability, and suppress a decrease in reproduction output. It is considered to be.

従って、本発明によれば、省電力動作可能な高密度の不揮発性メモリを実現することができる。   Therefore, according to the present invention, a high-density nonvolatile memory capable of power saving operation can be realized.

まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。   First, an outline of the present invention will be described prior to description of specific embodiments of the present invention.

前述した目的、即ち比較的単純な層構成でスピン注入磁化反転効率を上げることができ、微細加工が容易であり、高密度に集積可能であることを達成するために最適な構造を検討した結果、磁化の向き(磁化状態)を情報として保持する記憶層と磁化の向きが固定された磁化固定層(情報の基準となる参照層を有する)との少なくとも2つの磁性層とそれらに挟まれた非磁性層からなり、非磁性層を介して流れる電流により情報の記録と読み出しを行う記憶素子において、さらに記憶層に対して磁化固定層とは反対側に、非磁性層を介して、比較的容易に磁化の向きが変化する磁化自由層を設けた構成とすると、記憶層の磁化の向きを少ない電流で反転できることを見い出した。   As a result of studying the optimum structure to achieve the above-mentioned purpose, that is, the spin injection magnetization reversal efficiency can be increased with a relatively simple layer structure, the microfabrication is easy, and the high density integration is possible. , Sandwiched between at least two magnetic layers, a storage layer that holds the magnetization direction (magnetization state) as information, and a magnetization fixed layer (having a reference layer serving as a reference for information) in which the magnetization direction is fixed In a storage element that includes a nonmagnetic layer and records and reads information by a current flowing through the nonmagnetic layer, the storage element is further on the opposite side of the magnetization fixed layer from the magnetization fixed layer via the nonmagnetic layer. It has been found that the magnetization direction of the memory layer can be reversed with a small amount of current when the magnetization free layer in which the magnetization direction easily changes is provided.

即ち、本発明では、磁化の向き(磁化状態)を情報として保持する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層(情報の基準となる参照層を有する)とを有し、記憶層と磁化固定層との間に非磁性層(絶縁層又は非磁性導電層)を設け、さらに記憶層に対して磁化固定層とは反対側に、非磁性層を介して、磁化の向きを比較的容易に変化させることが可能な磁化自由層を設けて、記憶素子を構成する。
また、記憶層に対して、前述したスピン注入による磁化反転を用いて、記憶層を構成する磁性層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行う。
That is, the present invention includes a storage layer that holds the magnetization direction (magnetization state) as information, and a magnetization fixed layer (having a reference layer that serves as a reference for information) in which the magnetization direction is fixed. A nonmagnetic layer (insulating layer or nonmagnetic conductive layer) is provided between the pinned layer and the pinned layer, and the direction of magnetization is compared via the nonmagnetic layer on the opposite side of the pinned layer from the storage layer. A storage element is formed by providing a magnetization free layer that can be changed easily.
In addition, information recording is performed on the storage layer by reversing the magnetization direction of the magnetic layer constituting the storage layer by using the above-described magnetization reversal by spin injection.

ここで、図1Aに模式図を示すように、磁化固定層1の上に非磁性層2を介して記憶層3が形成され、記憶層3の上に非磁性層4を介して磁化自由層5が形成された記憶素子を構成する。また、磁化固定層1の磁化M1の向きは右向きに固定されている。
なお、この模式図では、磁化固定層1・記憶層3・磁化自由層5がいずれも単層の磁性膜から成り、磁性膜の磁化の向きと電子のスピン分極の向きとが同じ向きである場合を示している。
Here, as schematically shown in FIG. 1A, the storage layer 3 is formed on the fixed magnetization layer 1 via the nonmagnetic layer 2, and the free magnetization layer is formed on the storage layer 3 via the nonmagnetic layer 4. The memory element in which 5 is formed is configured. The direction of the magnetization M1 of the magnetization fixed layer 1 is fixed to the right.
In this schematic diagram, the magnetization fixed layer 1, the storage layer 3, and the magnetization free layer 5 are all composed of a single-layer magnetic film, and the magnetization direction of the magnetic film is the same as the spin polarization direction of electrons. Shows the case.

そして、このような構成の記憶素子の記憶層3に対して、情報の記録を行う際の動作を、図1A〜図2Fに示す。
まず、2つの記憶状態を、それぞれ図1A及び図2Dに示す。これらの状態を初期状態として、以下、磁化を反転する過程を説明する。なお、この初期状態では、磁化自由層5の磁化M5は、右向き・左向きのどちらを向いていても構わない。
And operation | movement at the time of recording information with respect to the memory | storage layer 3 of a memory element of such a structure is shown to FIG. 1A-FIG. 2F.
First, two storage states are shown in FIGS. 1A and 2D, respectively. With these states as initial states, the process of reversing magnetization will be described below. In this initial state, the magnetization M5 of the magnetization free layer 5 may face either the right direction or the left direction.

次に、図1Aに示すように、記憶層3の磁化M3が右向きの状態において、適当な電流量の上向きの電流6を流した場合、記憶層3には磁化自由層5と磁化の向きが平行になるようなスピン注入トルクが働き、その反作用として、磁化自由層5は記憶層3と磁化の向きが反平行になるような力が働く。
ここで、磁化自由層5の飽和磁束密度と厚さとの積を、記憶層3の飽和磁束密度と厚さとの積よりも小さい構成とすると、磁化自由層5の方が磁気的に軽くなるため、磁化自由層5の磁化M5の向きが変化して、図1Bに示すように、磁化自由層5の磁化M5と記憶層3の磁化M3は反平行になる。
このとき、記憶層3は磁化固定層1からもスピン注入によるトルクを受けるが、記憶層3は磁気的に重いため、記憶層3の磁化M3の向きが反転しない。
なお、上述のように、磁化自由層5の飽和磁束密度と厚さとの積を、記憶層3の飽和磁束密度と厚さとの積よりも小さい構成とすると、磁化自由層5の磁化M5の向きを反転させるための最小電流値が、記憶層3の磁化M3の向きを反転させるための最小電流値よりも小さくなる。
Next, as shown in FIG. 1A, in the state where the magnetization M3 of the storage layer 3 is rightward, when an upward current 6 of an appropriate amount of current is passed, the storage layer 3 has a magnetization free layer 5 and a magnetization direction. A spin injection torque that works in parallel acts, and as a reaction, the magnetization free layer 5 exerts a force that makes the direction of magnetization antiparallel to the storage layer 3.
Here, if the product of the saturation magnetic flux density and the thickness of the magnetization free layer 5 is smaller than the product of the saturation magnetic flux density and the thickness of the storage layer 3, the magnetization free layer 5 is magnetically lighter. The direction of the magnetization M5 of the magnetization free layer 5 changes, and the magnetization M5 of the magnetization free layer 5 and the magnetization M3 of the storage layer 3 become antiparallel as shown in FIG. 1B.
At this time, the storage layer 3 receives torque from the fixed magnetization layer 1 due to spin injection, but since the storage layer 3 is magnetically heavy, the direction of the magnetization M3 of the storage layer 3 is not reversed.
As described above, when the product of the saturation magnetic flux density and the thickness of the magnetization free layer 5 is smaller than the product of the saturation magnetic flux density and the thickness of the storage layer 3, the direction of the magnetization M5 of the magnetization free layer 5 Is smaller than the minimum current value for reversing the direction of the magnetization M3 of the storage layer 3.

さらに、上向きの電流6の電流量を増やすと、記憶層3は、磁化固定層1側から磁化固定層1と反平行になるような力を受けると共に、磁化自由層5からは磁化自由層5と平行になるような力を受ける。これにより、記憶層3の磁化M3を、図1Bの状態の右向きから左向きに磁化を変えるような力が働き、記憶層3の磁化M3が左向きに反転する。
このとき、磁化自由層5は磁気的に軽いため、記憶層3の磁化M3の反転と同時に磁化自由層5の磁化M5も左向きから右向きに反転し、最終的に図1Cに示す状態となる。
Further, when the amount of the upward current 6 is increased, the storage layer 3 receives a force that is antiparallel to the magnetization fixed layer 1 from the magnetization fixed layer 1 side, and the magnetization free layer 5 receives the magnetization free layer 5 from the magnetization free layer 5. Receives a force that is parallel to As a result, a force that changes the magnetization M3 of the storage layer 3 from right to left in the state of FIG. 1B acts, and the magnetization M3 of the storage layer 3 is reversed leftward.
At this time, since the magnetization free layer 5 is magnetically light, simultaneously with the reversal of the magnetization M3 of the storage layer 3, the magnetization M5 of the magnetization free layer 5 is also reversed from left to right, and finally the state shown in FIG. 1C is obtained.

同様に、図2Dに示すように、初期状態の記憶層3の磁化M3が左向きの状態において、適当な電流量の下向きの電流7を流した場合、磁化自由層5は記憶層3と磁化の向きが平行になるような力を受け、記憶層3は磁化固定層1と磁化の向きが平行になるように力を受ける。
これにより、磁化自由層5の方が記憶層3よりも磁気的に軽いため、磁化自由層5の磁化M5の向きが変化して、図2Eに示すように、磁化自由層5の磁化M5と記憶層3の磁化M3は平行になる。このとき、記憶層3は磁化固定層1からもスピン注入によるトルクを受けるが、記憶層3は磁気的に重いため、記憶層3の磁化M3の向きが反転しない。
Similarly, as shown in FIG. 2D, when a downward current 7 of an appropriate amount of current flows when the magnetization M3 of the storage layer 3 in the initial state is leftward, the magnetization free layer 5 and the magnetization of the storage layer 3 The storage layer 3 receives a force such that the direction is parallel, and the storage layer 3 receives a force so that the magnetization direction is parallel to the magnetization fixed layer 1.
Thereby, since the magnetization free layer 5 is magnetically lighter than the storage layer 3, the direction of the magnetization M5 of the magnetization free layer 5 changes, and as shown in FIG. 2E, the magnetization M5 of the magnetization free layer 5 The magnetization M3 of the storage layer 3 is parallel. At this time, the storage layer 3 receives torque from the fixed magnetization layer 1 due to spin injection, but since the storage layer 3 is magnetically heavy, the direction of the magnetization M3 of the storage layer 3 is not reversed.

さらに、下向きの電流7の電流量を増やすと、記憶層3は、磁化固定層1側から磁化固定層1と平行になるような力を受けると共に、磁化自由層5からは磁化自由層5と反平行になるような力を受ける。これにより、記憶層3の磁化M3を、図2Eの状態の左向きから右向きに磁化を変えるような力が働き、記憶層3の磁化M3が右向きに反転する。
このとき、磁化自由層5は磁気的に軽いため、記憶層3の磁化M3の反転と同時に磁化自由層5の磁化M5も左向きから右向きに反転し、最終的に図2Fに示す状態となる。
Further, when the amount of the downward current 7 is increased, the storage layer 3 receives a force parallel to the magnetization fixed layer 1 from the magnetization fixed layer 1 side, and the magnetization free layer 5 Receives anti-parallel force. As a result, a force that changes the magnetization M3 of the storage layer 3 from left to right in the state of FIG. 2E acts, and the magnetization M3 of the storage layer 3 is reversed to the right.
At this time, since the magnetization free layer 5 is magnetically light, simultaneously with the reversal of the magnetization M3 of the storage layer 3, the magnetization M5 of the magnetization free layer 5 is also reversed from left to right, and finally the state shown in FIG. 2F is obtained.

どちらの状態でも、情報の記録過程の途中では、図1Bや図2Eに示したように、磁化固定層1の磁化M1と磁化自由層5の磁化M5の向きが反平行となり、それぞれの層1,5から記憶層3へのスピン注入トルクが強め合うように働くため、記録電流の低減が可能となる。
この磁化過程が成立するためには、磁化自由層5の磁化M5を反転させるために必要な電流量(最小反転電流)が、記憶層3の最小反転電流よりも小さい必要がある。そのためには、例えば、前述したように、磁化自由層5の飽和磁束密度と膜厚との積を、記憶層3の飽和磁束密度と膜厚との積よりも小さくすればよい。
In either state, during the information recording process, as shown in FIGS. 1B and 2E, the directions of the magnetization M1 of the magnetization fixed layer 1 and the magnetization M5 of the magnetization free layer 5 are antiparallel, and each layer 1 , 5 work to strengthen the spin injection torque from the storage layer 3 to the recording layer 3, so that the recording current can be reduced.
In order for this magnetization process to be established, the amount of current (minimum reversal current) necessary for reversing the magnetization M5 of the magnetization free layer 5 needs to be smaller than the minimum reversal current of the storage layer 3. For this purpose, for example, as described above, the product of the saturation magnetic flux density and the film thickness of the magnetization free layer 5 may be made smaller than the product of the saturation magnetic flux density and the film thickness of the storage layer 3.

なお、図1Aの初期状態において下向きの電流7を流した場合や、図2Dの初期状態において上向きの電流6を流した場合には、磁化自由層5から記憶層3へのスピン注入トルクと磁化固定層1から記憶層3へのスピン注入トルクとが打ち消し合うように働くため、大きい電流を流さないと記憶層3の磁化M3の向きが反転しない。即ち、小さい電流では記憶層3の磁化M3の向きが反転しない。
特に、磁化固定層1から記憶層3へのスピン注入トルクの方が大きいと、このスピン注入トルクが記憶層3の磁化M3の向きを維持するように働くので、記憶層3の磁化M3の向きが反転することはない。
When a downward current 7 is passed in the initial state of FIG. 1A, or when an upward current 6 is passed in the initial state of FIG. 2D, the spin injection torque and magnetization from the free magnetization layer 5 to the storage layer 3 Since the spin injection torque from the fixed layer 1 to the storage layer 3 cancels out, the direction of the magnetization M3 of the storage layer 3 is not reversed unless a large current is passed. That is, the direction of the magnetization M3 of the storage layer 3 is not reversed at a small current.
In particular, if the spin injection torque from the magnetization fixed layer 1 to the storage layer 3 is larger, this spin injection torque works to maintain the direction of the magnetization M3 of the storage layer 3, so the direction of the magnetization M3 of the storage layer 3 Is never reversed.

以上の説明から、図1及び図2に示したように、磁化固定層1が記憶層3の下層にあり、磁化固定層1の磁化M1が右向きである構成においては、記憶層3の磁化M3を左向きにする場合には上向きの電流6を流し、記憶層3の磁化M3を右向きにする場合には下向きの電流7を流すようにすれば、記録電流を低減することが可能になる。
そして、このことを一般的に表現すると、記憶層の磁化を磁化固定層の磁化と反平行にする場合には磁化固定層から記憶層に向かう電流を流し、記憶層の磁化を磁化固定層の磁化と平行にする場合には記憶層から磁化固定層に向かう電流を流すようにすれば、記録電流を低減することが可能である、ということである。なお、これらの電流の向きは、通常の磁化自由層を設けていない構成において、記憶層の磁化の向きを反転させるために流す電流の向きと同じである。
From the above description, as shown in FIGS. 1 and 2, in the configuration in which the magnetization fixed layer 1 is in the lower layer of the storage layer 3 and the magnetization M1 of the magnetization fixed layer 1 is rightward, the magnetization M3 of the storage layer 3 The recording current can be reduced by flowing an upward current 6 when the current is directed to the left and a downward current 7 when the magnetization M3 of the storage layer 3 is directed to the right.
To express this generally, when the magnetization of the storage layer is made antiparallel to the magnetization of the magnetization fixed layer, a current flowing from the magnetization fixed layer to the storage layer is passed, and the magnetization of the storage layer is changed to that of the magnetization fixed layer. In the case of being parallel to the magnetization, the recording current can be reduced if a current from the storage layer to the magnetization fixed layer is allowed to flow. The directions of these currents are the same as the directions of currents that flow to reverse the magnetization direction of the storage layer in a configuration in which a normal magnetization free layer is not provided.

また、図1及び図2に示したように、磁化固定層1が記憶層3の下層にあり、磁化固定層1の磁化M1が右向きである構成においては、記憶層3の磁化M3が右向きのときに下向きの電流7を流した場合や、記憶層3の磁化M3が左向きのときに上向きの電流6を流した場合には、小さい電流では記憶層3の磁化M3の向きが反転しない。
そして、このことを一般的に表現すると、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとが平行であるときに記憶層から磁化固定層に向かう電流を流した場合や、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとが反平行であるときに磁化固定層から記憶層に向かう電流を流した場合には、小さい電流では記憶層の磁化の向きが反転しない。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the configuration in which the magnetization fixed layer 1 is in the lower layer of the storage layer 3 and the magnetization M1 of the magnetization fixed layer 1 is rightward, the magnetization M3 of the storage layer 3 is rightward. Sometimes, when a downward current 7 is applied, or when an upward current 6 is applied when the magnetization M3 of the storage layer 3 is leftward, the orientation of the magnetization M3 of the storage layer 3 is not reversed with a small current.
In general, this can be expressed when the current flowing from the storage layer to the magnetization fixed layer flows when the magnetization direction of the storage layer and the magnetization direction of the magnetization fixed layer are parallel, When a current from the magnetization fixed layer to the storage layer is passed when the magnetization direction and the magnetization direction of the magnetization fixed layer are antiparallel, the magnetization direction of the storage layer is not reversed with a small current.

即ち、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとの関係(平行或いは反平行)と、記憶素子に流す電流の向きとの組み合わせにより、小さい電流で記憶層の磁化の向きが反転する(反転電流が小さい)場合と、小さい電流では記憶層の磁化の向きが反転しない(反転電流が大きい)場合とがあり、これら大小の反転電流の間となる量の電流を流すことにより、反転電流が小さくなる組み合わせの場合だけ、記憶層の磁化の向きが反転することになる。
このような反転電流が小さくなる組み合わせは、前述したように、通常の磁化自由層を設けていない構成において、記憶層の磁化の向きを反転させるために流す電流の向きと同じである。
That is, the magnetization direction of the storage layer is reversed with a small current by combining the relationship between the magnetization direction of the storage layer and the magnetization direction of the fixed magnetization layer (parallel or antiparallel) and the direction of the current flowing through the storage element. (The reversal current is small) and the small current does not reverse the magnetization direction of the storage layer (the reversal current is large). By flowing an amount of current between these large and small reversal currents, Only in the combination where the reversal current is small, the magnetization direction of the storage layer is reversed.
As described above, such a combination that reduces the reversal current is the same as the direction of the current that flows in order to reverse the magnetization direction of the storage layer in the configuration in which the normal magnetization free layer is not provided.

従って、通常の磁化自由層を設けていない構成と同様に、記憶層に記録すべき情報の内容に対応する、記憶層の磁化の向きに合わせて、記憶素子に流す電流の向きを選定すれば、記憶層に記録すべき情報の内容と既に記憶層に記録されている情報の内容が異なる場合には、反転電流が小さくなるために記憶層の磁化の向きが反転し、既に記憶層に記録されている情報の内容と一致する場合には、反転電流が大きくなるために記憶層の磁化の向きは反転せずそのままとなる。   Therefore, in the same manner as the configuration in which the normal magnetization free layer is not provided, the direction of the current passed through the storage element corresponding to the content of information to be recorded in the storage layer is selected according to the direction of magnetization of the storage layer. When the content of the information to be recorded in the storage layer is different from the content of the information already recorded in the storage layer, the reversal current is reduced so that the magnetization direction of the storage layer is reversed and the information is already recorded in the storage layer. If the information matches the information content, the reversal current increases and the magnetization direction of the storage layer remains unchanged.

上述のように、記憶層と磁化固定層とその間に非磁性層を有する構成に対して、さらに記憶層に対して磁化固定層とは反対側に非磁性層を介して磁化自由層を設けることにより、これら磁性層の積層方向に電流を流して非磁性層を介したそれぞれの磁性層の間でスピントルク力が働くようにすると、磁化自由層が比較的弱い電流で磁化固定層と磁化の向きが反平行になり、さらに電流量を増やすと、磁化固定層と磁化自由層との双方からのスピントルクによって、比較的少ない電流量で記憶層の磁化の向きを反転させることができる。   As described above, a magnetization free layer is provided on the opposite side of the storage layer from the magnetization fixed layer with respect to the configuration having the storage layer, the magnetization fixed layer, and the nonmagnetic layer therebetween. Thus, when a current is passed in the stacking direction of these magnetic layers so that a spin torque force acts between the magnetic layers via the nonmagnetic layer, the magnetization free layer and the magnetization fixed layer are magnetized with a relatively weak current. When the directions are antiparallel and the amount of current is further increased, the magnetization direction of the storage layer can be reversed with a relatively small amount of current by the spin torque from both the magnetization fixed layer and the magnetization free layer.

記憶層及び磁化自由層の材料としては、分極率が適当に高く、磁気制動の小さいものが望ましいので、例えば、Fe,Co,Niの3d遷移金属元素や、この3d遷移金属元素を主成分とした合金から成る磁性体を基本とした合金が望ましい。
特に、磁化自由層の材料には、飽和磁束密度と厚さの積を小さくするために、飽和磁束密度Msが小さいものを用いることが望ましい。
As a material for the storage layer and the magnetization free layer, a material having a suitably high polarizability and a small magnetic braking is desirable. For example, a 3d transition metal element of Fe, Co, Ni, or the 3d transition metal element as a main component. An alloy based on a magnetic material made of such an alloy is desirable.
In particular, it is desirable to use a material having a small saturation magnetic flux density Ms as the material for the magnetization free layer in order to reduce the product of the saturation magnetic flux density and the thickness.

また、より好ましくは、磁化自由層は、記憶層との相互作用ができるだけ小さく、ほとんどないように構成する。これは、記憶層との相互作用があると、記憶層の磁化の向きの影響を受けて、磁化自由層の磁化の向きが動きにくくなるからである。
なお、磁化自由層と記憶層とに相互作用があっても、外部磁場等の何らかの方法で相互作用を打ち消すことにより、磁化自由層の磁化の向きを自由に動かすことが可能であるため、情報を記録する際に相互作用を打ち消すようにすれば、相互作用がないか微小である構成と同様の動作が可能である。
More preferably, the magnetization free layer is configured so as to have as little interaction as possible with the storage layer. This is because if there is interaction with the storage layer, the magnetization direction of the magnetization free layer becomes difficult to move due to the influence of the magnetization direction of the storage layer.
Even if there is an interaction between the magnetization free layer and the storage layer, it is possible to freely move the magnetization direction of the magnetization free layer by canceling the interaction by some method such as an external magnetic field. If the interaction is canceled during recording, it is possible to perform the same operation as the configuration in which there is no interaction or is very small.

非磁性層の材料としては、スピン分極率を低下させない材料が望ましく、CuやAl等の金属材料、Si等の半導体材料、TiN等の導電性窒化物材料、及び薄い酸化Al等のトンネル絶縁膜を用いることが可能である。   As a material for the nonmagnetic layer, a material that does not lower the spin polarizability is desirable, a metal material such as Cu or Al, a semiconductor material such as Si, a conductive nitride material such as TiN, and a thin tunnel insulating film such as Al oxide Can be used.

なお、磁化自由層、記憶層、磁化固定層は、それぞれ上述の説明のように1層ずつでも良いし、複数層の磁性層を積層して構成しても良い。
また、非磁性膜を磁性膜で挟み込んで両側の磁性膜の磁化を反平行に磁気結合させた積層フェリ結合膜を用いても良い。特に、磁化固定層は、磁化方向を安定させるために、積層フェリ結合膜を用いるのが望ましい。
Note that the magnetization free layer, the storage layer, and the magnetization fixed layer may each be one layer as described above, or may be formed by laminating a plurality of magnetic layers.
Further, a laminated ferri-coupled film in which a nonmagnetic film is sandwiched between magnetic films and the magnetizations of the magnetic films on both sides are magnetically coupled in antiparallel may be used. In particular, it is desirable to use a laminated ferri-coupled film for the magnetization fixed layer in order to stabilize the magnetization direction.

また、図1A〜図2Fの動作説明は、磁化自由層5・記憶層3・磁化固定層1が、いずれも、スピン注入電子の分極の向きと磁化の向きとが同一である磁性膜を用いた場合であるが、磁化の向きとスピン注入電子の分極の極性とが異なる磁性膜を用いても、各層の磁化の向きが逆になるのみで、本発明の効果は変わらない。   In the explanation of the operations in FIGS. 1A to 2F, the magnetization free layer 5, the storage layer 3, and the magnetization fixed layer 1 all use magnetic films in which the polarization direction and the magnetization direction of spin injection electrons are the same. However, even if a magnetic film having different magnetization direction and polarization polarity of spin injection electrons is used, only the magnetization direction of each layer is reversed, and the effect of the present invention is not changed.

続いて、上述した本発明の構成を満足する具体的な本発明の実施の形態について説明する。   Next, specific embodiments of the present invention that satisfy the above-described configuration of the present invention will be described.

図3は、本発明の一実施の形態として、メモリを構成する記憶素子の概略構成図(断面図)を示す。
この記憶素子10は、下層から、下地層11、反強磁性層12、磁性層13、非磁性層14、磁性層(参照層)15、トンネル絶縁層16、記憶層17、非磁性層18、磁化自由層19、保護層20が積層されて成る。
FIG. 3 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a memory element constituting a memory as an embodiment of the present invention.
The storage element 10 includes a base layer 11, an antiferromagnetic layer 12, a magnetic layer 13, a nonmagnetic layer 14, a magnetic layer (reference layer) 15, a tunnel insulating layer 16, a storage layer 17, a nonmagnetic layer 18, The magnetization free layer 19 and the protective layer 20 are laminated.

記憶層17は、磁性体から成り、情報を磁化状態(磁化の向き)で保持することができるように構成される。
磁性層13・非磁性層14・磁性層(参照層)15の3層により、積層フェリ構造の磁化固定層21が構成される。磁性層13は、反強磁性層12により磁化の向きが固定されるものであり、磁性層(参照層)15は、記憶層17に対する磁化の向きの基準となるものである。磁性層13と磁性層(参照層)15とは、非磁性層14によって、磁化の向きが反平行に結合している。
トンネル絶縁層16は、スピン偏極電子を注入すると共に、記憶層17の磁化状態を強磁性トンネル効果によって読み出すためのものである。
The storage layer 17 is made of a magnetic material, and is configured to hold information in a magnetization state (magnetization direction).
The three layers of the magnetic layer 13, the nonmagnetic layer 14, and the magnetic layer (reference layer) 15 constitute a magnetization fixed layer 21 having a laminated ferri structure. The magnetic layer 13 has a magnetization direction fixed by the antiferromagnetic layer 12, and the magnetic layer (reference layer) 15 serves as a reference for the magnetization direction with respect to the storage layer 17. The magnetic layer 13 and the magnetic layer (reference layer) 15 are coupled antiparallel to each other by the nonmagnetic layer 14.
The tunnel insulating layer 16 is for injecting spin-polarized electrons and reading the magnetization state of the storage layer 17 by the ferromagnetic tunnel effect.

本実施の形態の記憶素子10は、スピン注入によって情報の記録が行われる記憶素子の通常の構成に対して、さらに記憶層17の上に非磁性層18及び磁化自由層19が追加された構成となっている。
記憶層17の上の非磁性層18は、スピン偏極電子を注入するための非磁性層である。
磁化自由層19は、前述したように、飽和磁束密度と厚さとの積を、記憶層17の飽和磁束密度と厚さとの積よりも小さい構成として、記憶層17よりも磁気的に軽くすることが望ましい。
The storage element 10 of the present embodiment has a configuration in which a nonmagnetic layer 18 and a magnetization free layer 19 are further added on the storage layer 17 in addition to the normal configuration of the storage element in which information is recorded by spin injection. It has become.
The nonmagnetic layer 18 on the storage layer 17 is a nonmagnetic layer for injecting spin-polarized electrons.
As described above, the magnetization free layer 19 is configured so that the product of the saturation magnetic flux density and the thickness is smaller than the product of the saturation magnetic flux density and the thickness of the storage layer 17 and is magnetically lighter than the storage layer 17. Is desirable.

そして、下地層11及び保護層20の間に電流を流すことにより、スピン注入による記憶層17の磁化の向きの反転を行うことができる。
保護層20から下地層11に向けて、即ち記憶層17から磁性層(参照層)15に向けて電流を流すと、磁性層(参照層)15から記憶層17に偏極電子が注入され、また記憶層17から磁化自由層19に偏極電子が注入される。これにより、参照層15と磁化自由層19とからそれぞれスピン注入トルクを受けて、これらのスピン注入トルクが互いに強め合うことにより、記憶層17の磁化の向きが参照層15の磁化の向きと平行になる。
下地層11から保護層20に向けて、即ち参照層15から記憶層17に向けて電流を流すと、記憶層17から参照層15に偏極電子が注入され、また磁化自由層19から記憶層17に偏極電子が注入される。これにより、参照層15と磁化自由層19とからそれぞれスピン注入トルクを受けて、これらのスピン注入トルクが互いに強め合うことにより、記憶層17の磁化の向きが参照層15の磁化の向きと反平行になる。
このようにして、電流を流す向きによって、記録する情報を選択することができる。
Then, by passing a current between the base layer 11 and the protective layer 20, the magnetization direction of the memory layer 17 can be reversed by spin injection.
When a current is passed from the protective layer 20 toward the base layer 11, that is, from the storage layer 17 to the magnetic layer (reference layer) 15, polarized electrons are injected from the magnetic layer (reference layer) 15 into the storage layer 17, Also, polarized electrons are injected from the storage layer 17 into the magnetization free layer 19. Thus, the spin injection torque is received from the reference layer 15 and the magnetization free layer 19 respectively, and these spin injection torques reinforce each other, so that the magnetization direction of the storage layer 17 is parallel to the magnetization direction of the reference layer 15. become.
When a current is passed from the underlayer 11 to the protective layer 20, that is, from the reference layer 15 to the storage layer 17, polarized electrons are injected from the storage layer 17 to the reference layer 15, and from the magnetization free layer 19 to the storage layer. 17 is injected with polarized electrons. Accordingly, the spin injection torque is received from the reference layer 15 and the magnetization free layer 19 respectively, and these spin injection torques reinforce each other, so that the magnetization direction of the storage layer 17 is opposite to the magnetization direction of the reference layer 15. Become parallel.
In this way, information to be recorded can be selected depending on the direction in which the current flows.

そして、磁性層(参照層)15の磁化の向きと記憶層17の磁化の向きが、平行の状態ではトンネル絶縁層16を通る電流の抵抗が小さくなり、反平行の状態ではトンネル絶縁層16を通る電流の抵抗が大きくなる。このことを利用して、抵抗値から記憶層17に記録された情報の内容を読み出すことができる。
なお、読み出し時に流す電流は、スピン注入による記憶層17の磁化反転が生じないように、反転電流よりも小さくする。
When the magnetization direction of the magnetic layer (reference layer) 15 and the magnetization direction of the storage layer 17 are in parallel, the resistance of the current passing through the tunnel insulating layer 16 is small, and in the antiparallel state, the tunnel insulating layer 16 is The resistance of the current that passes is increased. Utilizing this fact, the content of information recorded in the storage layer 17 can be read from the resistance value.
Note that the current that flows during reading is made smaller than the reversal current so that the magnetization reversal of the memory layer 17 due to spin injection does not occur.

そして、本実施の形態の記憶素子10によってメモリセルを構成し、このメモリセルを多数、列状やマトリクス状に配置することにより、メモリを構成することができる。
このようなメモリにおいては、各メモリセルの記憶素子10に対して、電流を流すために、下地層11及び保護層20に、それぞれ配線等を接続する。そして、情報の記録や読み出しを行う際には、駆動回路から配線等を通して対象となるメモリセルの記憶素子10に電流を供給する。
A memory cell can be configured by configuring a memory cell by the memory element 10 of the present embodiment and arranging a large number of the memory cells in a column or matrix.
In such a memory, a wiring or the like is connected to the base layer 11 and the protective layer 20 in order to pass a current to the memory element 10 of each memory cell. When information is recorded or read, a current is supplied from the drive circuit to the memory element 10 of the target memory cell through wiring or the like.

上述の本実施の形態の記憶素子10の構成によれば、記憶層17に対して、上層(下層の磁化固定層21とは反対側)に、非磁性層18を介して磁化自由層19が設けられていることにより、記憶素子10の積層方向に電流を流して、磁化自由層19と磁化固定層21とから、それぞれ記憶層に対してスピン注入によるトルクを発生させ、これらのスピン注入によるトルクを互いに強め合うようにすることができるため、スピン注入により記憶層17の磁化の向きを反転させる効率を向上させることができる。これにより、スピン注入により記憶層17の磁化の向きを反転させて情報を記録するための電流(記録電流)を低減させることができる。
このように情報を記録するための電流を低減させることができるため、少ない電流量で情報の記録を行うことが可能である。
これにより、消費電力を低減することができる。
According to the configuration of the storage element 10 of the present embodiment described above, the magnetization free layer 19 is provided on the upper layer (the opposite side to the lower magnetization fixed layer 21) with respect to the storage layer 17 via the nonmagnetic layer 18. By being provided, current flows in the stacking direction of the memory element 10 to generate torque by spin injection from the magnetization free layer 19 and the magnetization fixed layer 21 to the storage layer, respectively. Since the torques can be strengthened each other, the efficiency of reversing the magnetization direction of the storage layer 17 by spin injection can be improved. Thereby, the current (recording current) for recording information by reversing the direction of magnetization of the storage layer 17 by spin injection can be reduced.
Since the current for recording information can be reduced in this manner, information can be recorded with a small amount of current.
Thereby, power consumption can be reduced.

また、本実施の形態の記憶素子10の構成によれば、記憶層17の上下両側に磁化固定層及び反強磁性層を設けなくても、スピン注入による磁化反転の効率を向上して、記録電流を低減させることが可能になるため、記憶層の上下両側に磁化固定層及び反強磁性層を設けた構成と比較して、記憶素子10の厚さの増大を抑えることができ、記憶素子10の層構造を単純化することができる。
記憶素子10の厚さの増大を抑えることができるため、記憶素子10を微細加工により容易に微細化することができる。
これにより、本実施の形態の記憶素子10によりメモリセルを構成したメモリを小型化したり、高密度化して記憶容量を大きくしたりすることが容易に可能になる。
そして、記憶素子10の層構造を単純化することができるため、記憶素子の抵抗の増大を抑制することや、スピン分極率の低下を抑制することや、再生出力の低下を抑制することも可能になると考えられる。
In addition, according to the configuration of the memory element 10 of the present embodiment, the efficiency of magnetization reversal by spin injection can be improved and recording can be performed without providing a magnetization fixed layer and an antiferromagnetic layer on both upper and lower sides of the memory layer 17. Since the current can be reduced, an increase in the thickness of the memory element 10 can be suppressed as compared with the configuration in which the magnetization fixed layer and the antiferromagnetic layer are provided on both upper and lower sides of the memory layer. Ten layer structures can be simplified.
Since an increase in the thickness of the memory element 10 can be suppressed, the memory element 10 can be easily miniaturized by microfabrication.
As a result, it is possible to easily reduce the size of the memory constituting the memory cell by the memory element 10 of the present embodiment or increase the storage capacity by increasing the density.
Since the layer structure of the memory element 10 can be simplified, it is possible to suppress an increase in resistance of the memory element, to suppress a decrease in spin polarizability, and to suppress a decrease in reproduction output. It is thought that it becomes.

従って、本実施の形態の記憶素子10を備えてメモリを構成すれば、比較的単純な層構成の記憶素子10によっても、省電力動作可能な高密度の不揮発性メモリを実現することができる。   Therefore, if the memory is configured with the memory element 10 of the present embodiment, a high-density nonvolatile memory capable of power saving operation can be realized even with the memory element 10 having a relatively simple layer configuration.

上述の実施の形態の記憶素子10では、反強磁性層12と参照層15を含む磁化固定層21とを記憶層17に対して下層に設けた場合であったが、記憶層に対して、磁化固定層及び反強磁性層を上層に設けて記憶素子を構成してもよい。
また、記憶層と磁化固定層との間に、トンネル絶縁層16の代わりに非磁性導電層を設けて記憶素子を構成してもよい。
In the memory element 10 of the above-described embodiment, the antiferromagnetic layer 12 and the magnetization fixed layer 21 including the reference layer 15 are provided below the memory layer 17, but with respect to the memory layer, A storage element may be configured by providing a fixed magnetization layer and an antiferromagnetic layer as an upper layer.
Further, a storage element may be configured by providing a nonmagnetic conductive layer instead of the tunnel insulating layer 16 between the storage layer and the magnetization fixed layer.

ここで、本発明のメモリを構成する記憶素子において、具体的に記憶層の寸法や組成等を設定して、特性がどのようになるか検討を行った。 Here, Oite the storage element constituting the memory of the present invention, by setting the dimensions and composition of the concrete storage layer, was investigated whether characteristics are how.

そして、各層の材料及び膜厚を、次のように設定して、図3に示した構成の記憶素子10を作製した。
即ち、膜厚10nmのTa膜から成る下地層11の上に、膜厚30nmのPtMn膜から成る反強磁性層12、膜厚2nmのCoFe膜から成る磁性層13、膜厚0.7nmのRu膜から成る非磁性層14、膜厚2nmのCoFe膜から成る磁性層(参照層)15、膜厚0.5nmの酸化アルミニウム膜から成るトンネル絶縁層16、膜厚6nmのNiFe膜から成る記憶層17、膜厚2nmのTiN膜から成る非磁性層18、GdFeCo膜(膜厚t[nm])から成る磁化自由層19、膜厚5nmのTa膜から成る保護層20を、順次積層形成した。
また、記憶素子10の各層を、長軸約200nm・短軸約150nmの楕円形状のパターンとなるようにパターニングした。
Then, the material and film thickness of each layer were set as follows, and the memory element 10 having the configuration shown in FIG. 3 was produced.
That is, an underlayer 11 made of a 10 nm thick Ta film, an antiferromagnetic layer 12 made of a 30 nm thick PtMn film, a magnetic layer 13 made of a 2 nm thick CoFe film, and a 0.7 nm thick Ru film. Nonmagnetic layer 14 made of a film, magnetic layer (reference layer) 15 made of a CoFe film having a thickness of 2 nm, tunnel insulating layer 16 made of an aluminum oxide film having a thickness of 0.5 nm, and storage layer made of a NiFe film having a thickness of 6 nm 17. A nonmagnetic layer 18 made of a TiN film with a thickness of 2 nm, a magnetization free layer 19 made of a GdFeCo film (film thickness t [nm]), and a protective layer 20 made of a Ta film with a thickness of 5 nm were sequentially stacked.
In addition, each layer of the memory element 10 was patterned into an elliptical pattern having a major axis of about 200 nm and a minor axis of about 150 nm.

なお、磁化自由層19には、記憶層17への磁気的な影響を少なくするために、飽和磁束密度の小さなGdFeCoを使用している。
そして、磁化自由層19の膜厚tを変えて、それぞれ記憶素子10の試料を作製した。
また、比較対照として、非磁性層及び磁化自由層を省略して、記憶層の上に保護層を形成した記憶素子の試料を作製した。
The magnetization free layer 19 uses GdFeCo having a small saturation magnetic flux density in order to reduce the magnetic influence on the storage layer 17.
Then, samples of the memory element 10 were prepared by changing the film thickness t of the magnetization free layer 19.
Further, as a comparative control, a sample of a storage element in which a nonmagnetic layer and a magnetization free layer were omitted and a protective layer was formed on the storage layer was produced.

(反転電流Icの測定)
下地層11と保護層20との間に流す電流量を掃引しながら記憶素子10の抵抗を測定し、抵抗が変化したときの電流値から、反転電流Icを求めた。
記憶層17の磁化の向きが、参照層15の磁化の向きに対して、平行状態から反平行状態に変化する電流値と、反平行状態から平行状態に変化する電流値とをそれぞれ測定し、これら電流値の絶対値の平均を反転電流Icの値とした。
そして、記憶素子10に流す電流の極性を、記憶素子10の下層から上層へ、即ち下地層11から保護層20へ流す場合を正として、記憶層17の磁化の向きが参照層15の磁化の向きに対して平行状態から反平行状態に変化して、記憶素子10の抵抗値が低抵抗から高抵抗に変化する電流をIc、記憶層17の磁化の向きが参照層15の磁化の向きに対して反平行状態から平行状態に変化して、記憶素子10の抵抗値が高抵抗から低抵抗に変化する電流をIcと定義した。
(Measurement of reverse current Ic)
The resistance of the memory element 10 was measured while sweeping the amount of current flowing between the base layer 11 and the protective layer 20, and the inversion current Ic was obtained from the current value when the resistance changed.
A current value at which the magnetization direction of the storage layer 17 changes from a parallel state to an anti-parallel state and a current value at which the magnetization direction of the reference layer 15 changes from an anti-parallel state to a parallel state; The average of the absolute values of these current values was taken as the value of the reversal current Ic.
The polarity of the current flowing through the storage element 10 is positive when flowing from the lower layer to the upper layer of the storage element 10, that is, from the underlying layer 11 to the protective layer 20, and the magnetization direction of the storage layer 17 is the magnetization of the reference layer 15. Ic + is a current in which the resistance value of the memory element 10 changes from a low resistance to a high resistance by changing from a parallel state to an antiparallel state with respect to the direction, and the magnetization direction of the storage layer 17 is the magnetization direction of the reference layer 15. On the other hand, a current that changes from an antiparallel state to a parallel state and the resistance value of the memory element 10 changes from a high resistance to a low resistance is defined as Ic .

(磁化自由層の有無と記憶素子の抵抗値の変化との関係)
磁化自由層19として膜厚2nmのGdFeCo膜を形成した記憶素子10と、磁化自由層がない比較対照の記憶素子とにおいて、それぞれ電流を掃引したときの記憶素子の抵抗値の変化を測定した。測定結果を図4に示す。
(Relationship between presence / absence of magnetization free layer and change in resistance of memory element)
In the memory element 10 in which the GdFeCo film having a thickness of 2 nm was formed as the magnetization free layer 19 and the comparative memory element having no magnetization free layer, the change in resistance value of the memory element when current was swept was measured. The measurement results are shown in FIG.

図4より、磁化自由層19がある記憶素子10では、磁化自由層がない記憶素子に比べて、正負の反転電流Ic,Icがいずれも約半分になっていることがわかる。
即ち、磁化自由層19を設けることにより、反転電流を低減することができることがわかる。
なお、磁化自由層19がある記憶素子10では、図4中に矢印で示すように、電流の小さい領域で小さな抵抗変化が見られる。これは、磁化自由層19の磁化反転による抵抗変化である。
As can be seen from FIG. 4, in the memory element 10 with the magnetization free layer 19, both the positive and negative inversion currents Ic + and Ic are about half of those of the memory element without the magnetization free layer.
That is, it can be seen that the reversal current can be reduced by providing the magnetization free layer 19.
In the memory element 10 having the magnetization free layer 19, a small resistance change is observed in a region where current is small, as indicated by an arrow in FIG. This is a change in resistance due to the magnetization reversal of the magnetization free layer 19.

(磁化自由層の膜厚と特性の変化)
次に、磁化自由層19の膜厚t(nm)の異なる試料について、それぞれ反転電流を測定した。
測定結果として、磁化自由層19の膜厚と反転電流の関係を図5に示す。なお、図5では、負の反転電流Icについては、−Ic即ち絶対値を示している。また、膜厚0nmの所は、比較対照である磁化自由層のない記憶素子の反転電流の値を示している。
(Change in thickness and characteristics of the magnetization free layer)
Next, the reversal current was measured for each sample having a different thickness t (nm) of the magnetization free layer 19.
As a measurement result, the relationship between the film thickness of the magnetization free layer 19 and the reversal current is shown in FIG. In FIG. 5, the negative inversion current Ic indicates −Ic −, that is, an absolute value. Further, the portion with a film thickness of 0 nm shows the value of the reversal current of a memory element without a magnetization free layer as a comparison.

図5より、磁化自由層19の膜厚2nm付近において、反転電流が最小となり、最も効果が高いことがわかる。
また、膜厚0.5nm〜4nmの比較的広い範囲で、反転電流を低減する効果が得られることがわかる。
From FIG. 5, it can be seen that the reversal current is minimized and the effect is highest in the vicinity of the film thickness of the magnetization free layer 19 of 2 nm.
It can also be seen that the effect of reducing the reversal current is obtained in a relatively wide range of film thickness of 0.5 nm to 4 nm.

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

A〜C 本発明のメモリを構成する記憶素子の一例において、電流を流したときの磁化の変化を説明する模式図である。AC is a schematic diagram for explaining a change in magnetization when a current is passed in an example of a memory element constituting the memory of the present invention. D〜F 本発明のメモリを構成する記憶素子の一例において、電流を流したときの磁化の変化を説明する模式図である。DF is a schematic diagram illustrating a change in magnetization when a current is passed in an example of a storage element constituting the memory of the present invention. 本発明の一実施の形態のメモリを構成する記憶素子の概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of the memory element which comprises the memory of one embodiment of this invention. 電流に対する記憶素子の抵抗値の変化を、磁化自由層がある記憶素子と磁化自由層がない記憶素子とを比較して示す図である。It is a figure which shows the change of the resistance value of the memory element with respect to an electric current comparing the memory element with a magnetization free layer, and the memory element without a magnetization free layer. 磁化自由層の厚さを変えたときの反転電流の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the reversal current when changing the thickness of a magnetization free layer.

符号の説明Explanation of symbols

1,21 磁化固定層、2,4,14,18 非磁性層、3,17 記憶層、5,19 磁化自由層、10 記憶素子,12 反強磁性層、13 磁性層、15 磁性層(参照層)、16 トンネル絶縁層   1,21 Magnetization fixed layer, 2, 4, 14, 18 Nonmagnetic layer, 3,17 Storage layer, 5,19 Magnetization free layer, 10 Storage element, 12 Antiferromagnetic layer, 13 Magnetic layer, 15 Magnetic layer (Ref. Layer), 16 tunnel insulation layer

Claims (3)

情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
前記記憶層に対して非磁性層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有し、
前記非磁性層を通じて、前記記憶層と前記磁化固定層との間に電流を流すことによりスピン注入によって前記記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録が行われ、
前記記憶層に対して、前記磁化固定層とは反対側に、非磁性層を介して、磁化の向きを変化させることが可能な磁化自由層が設けられ、
スピン注入により前記磁化自由層の磁化の向きが反転し、
前記磁化自由層と前記記憶層との間の相互作用は、前記記憶層の磁化の向きの反転と同時に、前記磁化自由層の磁化の向きが反転する程度の大きさを有しており、かつ、前記磁化自由層の磁化の向きを自由に動かすことが可能な程度に十分に小さい記憶素子をメモリセルに用いて、
情報の記録の際には、まず、前記記憶素子に膜厚方向の電流を流して、前記記憶層の磁化の向きと前記磁化自由層の磁化の向きとの関係とが、平行或いは反平行に設定され、その後、同じ向きの電流の電流量を増やして、前記記憶層の磁化の向きと前記磁化自由層の磁化の向きとの関係を平行或いは反平行に保ったままで、前記記憶層の磁化の向き及び前記磁化自由層の磁化の向きが反転される
メモリ
A storage layer that holds information by the magnetization state of the magnetic material;
A magnetization pinned layer provided to the storage layer via a nonmagnetic layer and having a magnetization direction fixed;
Information is recorded by reversing the magnetization direction of the storage layer by spin injection by passing a current between the storage layer and the magnetization fixed layer through the nonmagnetic layer ,
A magnetization free layer capable of changing the direction of magnetization via a nonmagnetic layer is provided on the opposite side of the magnetization fixed layer with respect to the storage layer ,
Spin injection reverses the magnetization direction of the magnetization free layer,
The interaction between the magnetization free layer and the storage layer has such a magnitude that the magnetization direction of the magnetization free layer is reversed simultaneously with the reversal of the magnetization direction of the storage layer, and , Using a memory element as a memory cell that is small enough to freely move the magnetization direction of the magnetization free layer,
When recording information, first, a current in the film thickness direction is passed through the storage element, and the relationship between the magnetization direction of the storage layer and the magnetization direction of the magnetization free layer is parallel or antiparallel. And then increasing the amount of current in the same direction so that the relationship between the magnetization direction of the storage layer and the magnetization direction of the magnetization free layer is maintained parallel or antiparallel. And the magnetization direction of the magnetization free layer are reversed.
Memory .
記憶素子に膜厚方向の電流を流したときの、前記記憶層の磁化の向きを反転させるための最小電流値よりも、前記磁化自由層の磁化の向きを反転させるための最小電流値の方が小さい請求項1に記載のメモリ。 The minimum current value for reversing the magnetization direction of the magnetization free layer is less than the minimum current value for reversing the magnetization direction of the storage layer when a current in the film thickness direction is passed through the storage element. memory according to a small claim 1. 前記磁化自由層の飽和磁束密度と厚さの積が、前記記憶層の飽和磁束密度と厚さの積よりも小さい請求項1又は請求項2に記載のメモリ。 The memory according to claim 1 , wherein a product of the saturation magnetic flux density and the thickness of the magnetization free layer is smaller than a product of the saturation magnetic flux density and the thickness of the storage layer .
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