WO2012036282A1

Magnetoresistive element and magnetic random-access memory

Abstract

This magnetoresistive element comprises: a first ferromagnetic layer (12) having variable magnetization substantially perpendicular to a film surface; a second ferromagnetic layer (16) having invariable magnetization substantially perpendicular to the film surface; a first nonmagnetic layer (14) provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer; a third ferromagnetic layer (20) provided on the reverse side of the second ferromagnetic layer from the first nonmagnetic layer, the third ferromagnetic layer having magnetization substantially parallel to the film surface and generating a rotating magnetic field through the injection of spin-polarized electrons; and a second nonmagnetic layer (18) provided between the second ferromagnetic layer and the third ferromagnetic layer. The magnetization of the first ferromagnetic layer can be reversed by means of the rotating magnetic field, which is generated from the third ferromagnetic layer by passing a first electric current in either the direction from the third ferromagnetic layer through the second ferromagnetic layer towards the first ferromagnetic layer, or in the direction from the first ferromagnetic layer through the second ferromagnetic layer towards the third ferromagnetic layer. Likewise, the magnetization of the first ferromagnetic layer can be reversed to a direction different from that achieved by applying the first current by applying a second electric current having a different current density from that of the first electric current in the same direction and generating electrons that have been spin-polarized by the second ferromagnetic layer.

WO2012036282A1, drawing sheet 1
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Term

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22 claims: 1 independent, 21 dependent

  1. 1
    磁化が膜面に対して略垂直でかつ可変の第1強磁性層と、 磁化が膜面に対して略垂直でかつ不変の第2強磁性層と、 前記第1強磁性層と前記第2強磁性層との間に設けられる第1非磁性層と、 前記第2強磁性層に対して前記第1非磁性層と反対側に設けられ、膜面に略平行な磁化を有し、スピン偏極された電子が注入されることにより回転磁界を発生する第3強磁性層と、 前記第2強磁性層と前記第3強磁性層との間に設けられる第2非磁性層と、 を備え、 前記第3強磁性層から前記第2強磁性層を介して前記第1強磁性層に向かう方向および前記第1強磁性層から前記第2強磁性層を介して前記第3強磁性層に向かう方向のうちの一方の方向に第1電流を流すことにより前記第3強磁性層から発生する前記回転磁界によって前記第1強磁性層の磁化が反転可能であり、 前記一方の方向に前記第1電流と異なる電流密度を有する第2電流を流し前記第2強磁性層によってスピン偏極された電子によって前記第1強磁性層の磁化が、前記第1電流を流した場合と異なる方向に反転可能であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 2
    前記第3強磁性層は、磁化の方向が互いに膜面に略平行な第1および第2強磁性膜と、前記第1および第2強磁性膜との間に設けられた第3非磁性層とを備えた積層構造を有し、前記第1および第2強磁性膜は、前記第3非磁性層を間に挟んで反強磁性結合していることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 3
    前記第1強磁性層に対して前記第1非磁性層と反対側か、または前記第3強磁性層に対して前記第2非磁性層と反対側に、第3非磁性層を介して、前記第2強磁性層の磁化の方向と逆の方向の磁化を有する第4強磁性層が設けられていることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 4
    前記第1非磁性層が、Mg、Al、Ti、またはHfのいずれかの元素を含む酸化物であることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 5
    前記第2非磁性層は、Cu、Au、Ru、またはAgのいずれかの元素を含む金属であることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 6
    前記第1強磁性層は、 Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つの元素と、Pt、Pdのうちの少なくとも1つの元素と、を含むL1 0 型結晶構造を有する磁性体か、または Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つの元素と、Cr、Ta、Pt、Pdのうちの少なくとも1つの元素とを含む六方晶型結晶構造を有する磁性体 のいずれかを備えることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 7
    前記第1強磁性層は、 Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つの元素と、Pt、Pdのうちの少なくとも1つの元素と、を含むL1 0 型結晶構造を有する磁性体と、 Fe、Co、Ni、Mnのうち少なくとも1つの元素を含む合金と を含む積層構造を備えることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 8
    前記第1強磁性層は、Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つの元素と、Cr、Ta、Pt、Pdのうちの少なくとも1つの元素とを含む六方晶型結晶構造を有する磁性体と、 Fe、Co、Ni、Mnのうち少なくとも1つの元素を含む合金と を含む積層構造を備えることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 9
    前記回転磁界の周波数は、前記第1強磁性層の共鳴周波数を含む所定の範囲内にあることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 10
    前記回転磁界は、マイクロ波磁界であることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
  11. 11
    請求項1記載の磁気抵抗効果素子と、 前記磁気抵抗効果素子の前記第1強磁性層に第1電極を介して電気的に接続される第1配線と、 前記磁気抵抗効果素子の前記第3強磁性層に第2電極を介して電気的に接続される第2配線と、 を備えていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
  12. 12
    前記第1電極と前記第1配線との間かまたは前記第2電極と前記第2配線との間に設けられた選択トランジスタを更に備えていることを特徴とする請求項11記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
  13. 13
    前記第1電極と前記第1配線との間かまたは前記第2電極と前記第2配線との間に設けられた整流素子を更に備えていることを特徴とする請求項11記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
  14. 14
    前記第3強磁性層は、磁化の方向が互いに膜面に略平行な第1および第2強磁性膜と、前記第1および第2強磁性膜との間に設けられた第3非磁性層とを備えた積層構造を有し、前記第1および第2強磁性膜は、前記第3非磁性層を間に挟んで反強磁性結合していることを特徴とする請求項11記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
  15. 15
    前記第1強磁性層に対して前記第1非磁性層と反対側か、または前記第3強磁性層に対して前記第2非磁性層と反対側に、第3非磁性層を介して、前記第2強磁性層の磁化の方向と逆の方向の磁化を有する第4強磁性層が設けられていることを特徴とする請求項11記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
  16. 16
    前記第1非磁性層が、Mg、Al、Ti、またはHfのいずれかの元素を含む酸化物であることを特徴とする請求項11記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
  17. 17
    前記第2非磁性層は、Cu、Au、Ru、またはAgのいずれかの元素を含む金属であることを特徴とする請求項11記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
  18. 18
    前記第1強磁性層は、 Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つの元素と、Pt、Pdのうちの少なくとも1つの元素と、を含むL1 0 型結晶構造を有する磁性体か、または Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つの元素と、Cr、Ta、Pt、Pdのうちの少なくとも1つの元素とを含む六方晶型結晶構造を有する磁性体 のいずれかを備えることを特徴とする請求項11記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
  19. 19
    前記第1強磁性層は、 Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つの元素と、Pt、Pdのうちの少なくとも1つの元素と、を含むL1 0 型結晶構造を有する磁性体と、 Fe、Co、Ni、Mnのうち少なくとも1つの元素を含む合金と を含む積層構造を備えることを特徴とする請求項11記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
  20. 20
    前記第1強磁性層は、Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つの元素と、Cr、Ta、Pt、Pdのうちの少なくとも1つの元素とを含む六方晶型結晶構造を有する磁性体と、 Fe、Co、Ni、Mnのうち少なくとも1つの元素を含む合金と を含む積層構造を備えることを特徴とする請求項11記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
  21. 21
    前記回転磁界の周波数は、前記第1強磁性層の共鳴周波数を含む所定の範囲内にあることを特徴とする請求項11記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
  22. 22
    前記回転磁界は、マイクロ波磁界であることを特徴とする請求項11記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
Independent claims22