CN108780779A - 交换偏置利用型磁化反转元件、交换偏置利用型磁阻效应元件、交换偏置利用型磁存储器、非易失性逻辑电路及磁神经元元件 - Google Patents

交换偏置利用型磁化反转元件、交换偏置利用型磁阻效应元件、交换偏置利用型磁存储器、非易失性逻辑电路及磁神经元元件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种交换偏置利用型磁化反转元件。在该交换偏置利用型磁化反转元件中，具备：反铁磁性驱动层(1)，其由第一区域(1a)和第二区域(1b)及位于这些区域之间的第三区域(1c)构成；磁耦合层(2)，其在第三区域(1c)中与反铁磁性驱动层(1)磁耦合；第一电极层(5)，其与第一区域(1a)接合；以及第二电极层(6)，其与第二区域(1b)接合。

Description

交换偏置利用型磁化反转元件、交换偏置利用型磁阻效应元 件、交换偏置利用型磁存储器、非易失性逻辑电路及磁神经元 元件
技术领域
本发明涉及交换偏置利用型磁化反转元件、交换偏置利用型磁阻效应元件、交换偏置利用型磁存储器、非易失性逻辑电路及磁神经元元件。
本申请基于2016年6月10日在日本申请的特愿2016-116677号及2016年12月2日在日本申请的特愿2016-235454号要求优先权，在此引用其内容。
背景技术
作为取代在微型化方面已显现出限制的闪存器(flash memory)等的下一代非易失性存储器，为人们所关注的有利用电阻变化型元件来存储数据的电阻变化型存储器，例如MRAM(磁阻式随机存取存储器，Magnetoresistive Random Access Memory)、ReRAM(阻变存储器，Resistance Random Access Memory)、PCRAM(相变随机存取存储器，Phase ChangeRandom Access Memory)等。
作为存储器的高密度化(大容量化)的方法，除了减小构成存储器的元件自身的方法之外，还有将构成存储器的每一个元件的存储位(recording bit)多值化的方法，并且有方案提出各种各样的多值化方法(例如专利文献1～3)。
作为MRAM之一，有被称为磁壁驱动型或磁壁移动型的MRAM(例如，专利文献4)。磁壁驱动型MRAM是通过以下所述步骤来实行数据的写入，即，在磁壁驱动层(磁化自由层)的面内方向上流过电流，由凭借自旋极化电子的自旋转移效应来使磁壁移动并且在对应于写入电流方向的方向上使铁磁性膜的磁化反转。
在专利文献4中记载了有关磁壁驱动型MRAM和有关多值存储或模拟存储的方法。
就MRAM而言有方案提出数据的不同写入方法。例如，除了磁壁驱动型MRAM之外为人们所知晓的还有磁场写入型MRAM、轭磁场写入型MRAM、STT(自旋转移矩，Spin TransferTorque)型MRAM、SOT(自旋轨道矩，Spin Orbit Torque)型MRAM等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-088669号公报
专利文献2：国际公开第2009/072213号
专利文献3：日本特开2016-004924号公报
专利文献4：国际公开第2009/101827号
专利文献5：国际公开第2009/054180号
非专利文献
非专利文献1：P.Wadley,Science 351(2016)587.
非专利文献2：T.Shiino et.al.,Phys.Rev.Lett.117,087203(2016).
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在现有的磁壁驱动型MRAM中，有必要在读出时在磁壁驱动层(磁化自由层)的面内方向上流过电流。因此，会有磁壁驱动层的磁壁由在读出时流过的电流而进行移动的可能性。如果磁壁移动至磁壁驱动层(磁化自由层)与磁阻效应元件重叠的部分的外侧，则信号在磁壁驱动型MRAM中最终成为0或1的数字信号，作为模拟存储器来进行使用是困难的。相反地，如果俯视时磁壁向磁壁驱动层(磁化自由层)与磁阻效应元件重叠的部分的外侧移动未完成，则存在读入时磁壁移动从而误写入或读出初始时的信号发生变化等问题。
另外，在磁壁驱动型MRAM中，由于为了信息的存储而使用磁壁，因此，存在外部磁场被施加于元件时，有时所存储的信息消失的问题。
本发明是鉴于上述情况而成的，其目的在于提供对外部磁场的耐环境性高，能够稳定地读出模拟记录数据的交换偏置利用型磁化反转元件、交换偏置利用型磁阻效应元件及交换偏置利用型磁存储器。
用于解决技术问题的手段
本发明为了解决上述课题而提供以下的方法。
(1)本发明的一个实施方式的交换偏置利用型磁化反转元件具备：反铁磁性驱动层，其由第一区域和第二区域及位于这些区域之间的第三区域构成；磁耦合层，其在所述第三区域与所述反铁磁性驱动层磁耦合，并且磁化方向可变；第一电极层，其与所述第一区域接合；以及第二电极层，其与所述第二区域接合。
(2)在上述(1)所述的交换偏置利用型磁化反转元件中，所述反铁磁性驱动层也可以含有具有闪锌矿结构的反铁磁性材料。
(3)在上述(1)所述的交换偏置利用型磁化反转元件中，所述反铁磁性驱动层也可以含有CuMnAs、Mn2Au的任一种的反铁磁性材料。
(4)在上述(1)所述的交换偏置利用型磁化反转元件中，所述反铁磁性驱动层也可以从与所述磁耦合层接合侧起具有：反铁磁性层；和非磁性金属层，其与该反铁磁性层接合，并且通过电流流通而产生纯自旋流。
(5)在上述(1)～(4)中任一项所述的交换偏置利用型磁化反转元件中，也可以在所述第三区域的设置有所述磁耦合层的面的相反侧的面具备设置于俯视时与所述磁耦合层重叠的位置的下部电极层。
(6)在上述(5)所述的交换偏置利用型磁化反转元件中，也可以在所述反铁磁性驱动层和所述下部电极层之间具备高电阻层。
(7)在上述(1)～(6)中任一项所述的交换偏置利用型磁化反转元件中，所述反铁磁性驱动层也可以由在赋予了使第一磁畴及第二磁畴这两种磁畴的比率变化的一定的负载量时，在仅成为第一磁畴或仅成为第二磁畴的两端的附近，所述比率相对于所述负载量的变化率不连续地变化的材料构成。
(8)在上述(1)～(6)中任一项所述的交换偏置利用型磁化反转元件中，所述反铁磁性驱动层也可以由在赋予了使第一磁畴及第二磁畴这两种磁畴的比率变化的一定的负载量时，仅成为第一磁畴或仅成为第二磁畴的两端的附近的所述比率相对于所述负载量的变化率比所述两端之间的变化率小的材料构成。
(9)在上述(1)～(8)中任一项所述的交换偏置利用型磁化反转元件中，与所述反铁磁性驱动层接合的所述第一电极层及所述第二电极层也可以由具有相互反向的磁化的铁磁性体材料构成。
(10)在上述(9)所述的交换偏置利用型磁化反转元件中，与所述反铁磁性驱动层接合的所述第一电极层及所述第二电极层的至少一方也可以由层叠有第一铁磁性层、中间层和第二铁磁性层的合成反铁磁性结构构成。
(11)在上述(1)～(10)中任一项所述的交换偏置利用型磁化反转元件中，也可以是，所述反铁磁性驱动层的长轴的长度为60nm以上，所述第一电极层的距所述磁耦合层最近的位置和所述第二电极层的距所述磁耦合层最近的位置之间的距离为60nm以上。
(12)本发明的一个实施方式的交换偏置利用型磁阻效应元件具备：上述(1)～(11)中任一项所述的交换偏置利用型磁化反转元件、与所述磁耦合层接合的非磁性层、以及与所述非磁性层接合的磁化固定层。
(13)在上述(12)所述的交换偏置利用型磁阻效应元件中，所述磁耦合层及所述磁化固定层的易磁化轴也可以与层叠方向垂直。
(14)在上述(12)或(13)所述的交换偏置利用型磁阻效应元件中，也可以是，所述磁耦合层具有从所述非磁性层侧起依次包含磁阻效应层和软磁性层的层叠结构，所述磁阻效应层由含有CoFeB的材料构成。
(15)在上述(12)～(14)中任一项所述的交换偏置利用型磁阻效应元件中，在所述第一电极层或所述第二电极层的任一方也可以连接有双极元件。
(16)本发明的一个实施方式的交换偏置利用型磁存储器具备多个上述(12)～(15)中任一项所述的交换偏置利用型磁阻效应元件。
(17)在上述(16)所述的交换偏置利用型磁存储器也可以具备读出在读出时所述磁化固定层与在所述第三区域的设置有所述磁耦合层的面的相反侧的面上设置于俯视时与所述磁耦合层重叠的位置的下部电极层之间的电阻变化的机构。
(18)本发明的一个实施方式的非易失性逻辑电路具备：将上述(12)～(15)中任一项所述的交换偏置利用型磁阻效应元件以阵列状配置的交换偏置利用型磁存储器和STT-MRAM，具有存储功能和逻辑功能，并且作为存储功能，具备所述交换偏置利用型磁存储器及所述STT-MRAM。
(19)本发明的一个实施方式的磁神经元元件具备上述(12)～(15)中任一项所述的交换偏置利用型磁阻效应元件，所述反铁磁性驱动层的所述第三区域由沿长边方向排列的第一存储部、夹着该第一存储部的第二存储部及第三存储部构成，所述磁神经元元件具备电流源，该电流源具有控制电路，该控制电路控制写入电流的流动，以使磁壁能够按顺序以至少一次停留于所述第1存储部、所述第2存储部以及所述第3存储部的所有存储部的方式移动。
发明的效果
根据本发明的交换偏置利用型磁化反转元件，能够提供相对于外部磁场的耐环境性高，能够稳定地读出模拟记录数据的交换偏置利用型磁化反转元件、交换偏置利用型磁阻效应元件及交换偏置利用型磁存储器。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的交换偏置利用型磁化反转元件的一个例子的截面示意图。
图2是本发明的其它实施方式的交换偏置利用型磁化反转元件的一个例子的示例的截面示意图。
图3是用于对自旋霍尔效应进行说明的示意图。
图4是本发明的一个实施方式的交换偏置利用型磁阻效应元件的一个例子的截面示意图。
图5是表示现有的磁壁驱动型的磁阻效应元件的一个例子的截面示意图。
图6A是用于说明在现有的磁壁驱动型的磁阻效应元件中，磁壁的移动方法的截面示意图。
图6B是用于说明在与图6A相反的方向上使磁壁移动的磁壁移动方法的截面示意图。
图7是用于说明反铁磁性驱动层的磁畴的比例(比率)和磁耦合层的磁化方向的变化的示意图，(a)是磁畴比为100:0的情况，(b)是磁畴比为50:50的情况，(c)是磁畴比为0:100的情况。
图8是用于说明反铁磁性驱动层的两种磁畴的截面示意图。
图9(a)是示意性地表示反铁磁性驱动层、磁耦合层、非磁性层、磁化固定层的层叠部分的立体图。图9(b)是表示两种磁畴的比例和垂直地流过元件的电流的电阻值的关系的图表。
图10A是表示在赋予了使第一磁畴及第二磁畴这两种磁畴的比率变化的一定的负载量时，该负载量与电阻值的关系的图表，图10A是反铁磁性驱动层为成核型的情况的图。
图10B是表示在赋予了使第一磁畴及第二磁畴这两种磁畴的比率变化的一定的负载量时，该负载量与电阻值的关系的图表，图10B是反铁磁性驱动层为磁畴壁移动型的情况的图。
图11是本发明的其它实施方式的交换偏置利用型磁阻效应元件的一个例子的截面示意图。
图12是表示本发明的其它实施方式的交换偏置利用型磁阻效应元件的一个例子的截面示意图。
图13是本发明的其它实施方式的交换偏置利用型磁阻效应元件的一个例子的截面示意图。
图14是本发明的交换偏置利用型磁存储器中的单元(cell)的主要部分的截面示意图。
图15是示意性地表示本发明的交换偏置利用型磁存储器的电路结构的一个例子的图。
图16是本发明的一个实施方式的磁神经元元件的一个例子的截面示意图。
图17是表示使用了本发明的一个实施方式的磁神经元元件的人工大脑的概念的示意图。
具体实施方式
以下，对于本发明使用附图说明其结构。此外，在以下的说明中使用的附图会有为了容易理解特征而方便起见扩大表示成为特征的部分的情况，各个结构要素的尺寸比率等不限于与实际相同。另外，在以下说明中被例示的材料、尺寸等只是一个例子，本发明并不限定于那些例子，可以在取得本发明的效果的范围内作适当变更。在本发明的元件中，在取得本发明的效果的范围内也可以具备其它层。
(交换偏置利用型磁化反转元件)
图1是本发明的一个实施方式的交换偏置利用型磁化反转元件的一个例子的截面示意图。
图1所示的交换偏置利用型磁化反转元件10具备：由第一区域1a和第二区域1b及位于这些区域之间的第三区域1c构成的反铁磁性驱动层1、在第三区域1c与反铁磁性驱动层1磁耦合且磁化方向可变的磁耦合层2、与第一区域1a接合的第一电极层5、以及与第二区域1b接合的第二电极层6。
在此，在本发明中，“反铁磁性驱动层”是包含与磁耦合层磁耦合的反磁性体层的层。另外，“反铁磁性驱动层”不限于仅由反磁性体层构成的情况，还包含后述由该反磁性体层和使纯自旋流在该反磁性体层扩散的非磁性金属层构成的层叠结构的情况(参照图3)。
反铁磁性驱动层1能够制成包含具有闪锌矿结构(Zincblende结构)的反铁磁性材料的结构(以下，有时称为“结构A”)。具有闪锌矿结构的反铁磁性材料是由于晶体结构的空间反转对称性被破坏，从而在磁对称性方面空间反转对称性和时间反转对称性均被破坏的材料。在使用这样的材料的情况下，通过使电流在反铁磁性驱动层流通，能够改变反铁磁性驱动层中的亚晶格磁化方向不同的两种磁畴的比例(比、比率)。其结果，能够控制形成于其上的磁耦合层的磁化方向。
反铁磁性驱动层1能够制成包含CuMnAs、Mn2Au的任一种的反铁磁性材料的结构(以下，有时称为“结构B”)。CuMnAs及Mn2Au具有空间的反转对称性，但在考虑磁对称性的情况下，时间和空间的反转对称性被打破，因此，通过使电流在反铁磁性驱动层流通，能够改变反铁磁性驱动层中的亚晶格磁化方向不同的两种磁畴的比例。其结果，能够控制形成于其上的磁耦合层的磁化方向。另外，由于磁转变温度高于室温，因此，可以用作在室温驱动的设备。
如图2所示，反铁磁性驱动层1能够成为从与磁耦合层2接合侧起具有反铁磁性层1A、和与反铁磁性层1A接合且通过电流流通而产生纯自旋流的非磁性金属层1B的结构(以下，有时称为“结构C”)。非磁性金属层1B是通过电流流通而产生纯自旋流的结构。因此，通过在非磁性金属层1B中使电流流动，产生自旋流，该自旋流注入反铁磁性层1A，从而改变反铁磁性层1A的两种磁畴的比例，能够控制形成于其上的磁耦合层的磁化方向。
反铁磁性层1A需要是自旋配置成在与磁耦合层2接合的面上能够有自旋方向一致的磁畴的结构。使用图2来说明该点。在图2的反铁磁性层1A的侧面，自旋的方向交替成为反向，但是假如该侧面为与磁耦合层2接合的面，则两种磁畴的比不能变化。因此，如图2所示，反铁磁性层1A有必要形成自旋配置成在与磁耦合层2接合的面能够有自旋的方向一致的磁畴的结构(产生晶面)。
作为反铁磁性层1A的材料，除了结构A、结构B的材料以外，还能够使用IrMn、PtMn、FeMn、NiMn、RhMn、PdPtMn、PtCrMn、PdMn等合金、或Pd2MnGa、Mn2VAl、Ni2MnAl、MnN等反铁磁性哈斯勒合金、或以成为低电阻的方式进行了掺杂的NiO、Fe2O3等氧化物。
优选的是，反铁磁性驱动层1的长轴的长度为60nm以上，第一电极层5的距磁耦合层2最近的位置和第二电极层6的距磁耦合层2最近的位置之间的距离为60nm以上。
这是因为，磁畴的壁的厚度为数十nm左右，在反铁磁性驱动层内能够包含两个以上的磁畴。
作为该非磁性金属层1B，包含电流流动时因自旋霍尔效应而产生(生成)纯自旋流的材料。作为该材料，只要是在非磁性金属层1B中生成纯自旋流的结构的材料即可。因此，不限于由单一的元素构成的材料，也可以是由生成纯自旋流的材料构成的部分和由不生成纯自旋流的材料构成的部分形成的材料等。
自旋霍尔效应是在电流在材料中流通的情况下，基于自旋轨道相互作用，在与电流的方向正交的方向诱发纯自旋流的现象。
图3是用于对自旋霍尔效应进行说明的示意图。基于图3，说明通过自旋霍尔效应产生出纯自旋流的机理。
如图3所示，如果电流I在非磁性金属层1B的延伸方向流动，则向上自旋S+和向下自旋S-分别向与电流正交的方向弯曲。通常的霍尔效应和自旋霍尔效应在运动(移动)的电荷(电子)沿运动(移动)方向弯曲的方面是共同的。另一方面，通常的霍尔效应在磁场中运动的带电粒子受到洛伦兹力使运动方向弯曲，相对于此，在自旋霍尔效应中，虽然磁场不存在，但仅电子移动(仅电流流动)移动方向却弯曲，在该点上两者大为不同。
在非磁性体(不是铁磁性体的材料)中，向上自旋S+的电子数和向下自旋S-的电子数相等，因此，图中朝向上方的向上自旋S+的电子数和朝向下方的向下自旋S-的电子数相等。因此，作为电荷的净流量的电流为零。未伴随该电流的自旋流特别地被称为纯自旋流。
与之相对，相同的点是电流在铁磁性体中流动的情况下，向上自旋电子和向下自旋电子也向相互反向弯曲。另一方面，不同的点是在铁磁性体中是向上自旋电子和向下自旋电子的任一种较多的状态，因此，作为结果产生电荷的净流量(产生电压)。因此，作为非磁性金属层1B的材料，不含仅由铁磁性体构成的材料。
在此，如果将向上自旋S+的流动表示为J↑，将向下自旋S-的流动表示为J↓，将自旋流表示为JS，则以JS＝J↑-J↓来定义。图3中，作为纯自旋流，JS向图中的上方流动。
在图3中，如果使反铁磁性层1A与非磁性金属层1B的上表面接触，则纯自旋流扩散并流入反铁磁性层1A中。
通过形成电流在非磁性金属层1B流动生成纯自旋流，并且该纯自旋流扩散到与非磁性金属层1B相接的反铁磁性层1A的结构，利用由该纯自旋流产生的自旋轨道矩(SOT)效应，有助于两种磁畴的比的控制。
非磁性金属层1B也可以含有非磁性的重金属。在此，重金属以具有钇以上的比重的金属的意思使用。非磁性金属层1B也可以仅由非磁性的重金属构成。
该情况下，优选非磁性的重金属是内壳中具有d电子或f电子的原子序号39以上的原子序号较大的非磁性金属。是由于该非磁性金属产生自旋霍尔效应的自旋轨道相互作用较大。非磁性金属层1B也可以仅由在内壳具有d电子或f电子的原子序号39以上的原子序号较大的非磁性金属构成。
通常电流在金属中流动时，所有的电子不论其自旋的方向，都向与电流相反的方向移动。与之相对，在内壳具有d电子或f电子的原子序号较大的非磁性金属由于自旋轨道相互作用较大，因此，根据自旋霍尔效应，电子移动的方向依赖于电子的自旋方向，容易产生纯自旋流JS。
另外，非磁性金属层1B也可以包含磁性金属。磁性金属是指铁磁性金属、或者反铁磁性金属。是由于在非磁性金属含有微量的磁性金属时，自旋轨道相互作用增强，能够提高相对于在非磁性金属层1B流动的电流的自旋流生成效率。
自旋轨道相互作用通过非磁性金属层1B材料的物质固有的内场而生成，因此，在非磁性材料中也产生纯自旋流。如果在非磁性金属层1B材料中添加微量的磁性金属，则磁性金属自身将流动的电子自旋散射，因此，自旋流生成效率提高。但是，如果磁性金属的添加量过大，则产生的纯自旋流被所添加的磁性金属而散射，因此，作为结果自旋流减少的作用增强。因此，优选所添加的磁性金属的摩尔比充分小于非磁性金属层1B的纯自旋生成部的主成分的摩尔比。总而言之，优选所添加的磁性金属的摩尔比为3％以下。
另外，非磁性金属层1B也可以包含拓扑绝缘体。非磁性金属层1B也可以仅由拓扑绝缘体构成。拓扑绝缘体是物质内部为绝缘体、或者高电阻体，在其表面产生自旋极化的金属状态的物质。物质中存在自旋轨道相互作用这样的内部磁场的情况。因此，即使没有外部磁场，通过自旋轨道相互作用的效果也显示出新的拓扑相。这是拓扑绝缘体，并且通过较强的自旋轨道相互作用和边缘的反转对称性的破坏能够以高效率生成纯自旋流。
作为拓扑绝缘体，例如优选为SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe2、Bi2Te3、(Bi1- xSbx)2Te3等。这些拓扑绝缘体能够以高效率生成自旋流。
第一电极层5及第二电极层6能够作为铁磁性体材料。例如，在上述的结构A、结构B及结构C中，通过将第一电极层5及第二电极层6的材料设定为具有相互反向的磁化的铁磁性体，在初始状态下，即使是单一的磁畴的情况下，也能够形成两种磁畴。
另一方面，第一电极层5及第二电极层6能够使用通常的电极材料。例如，在上述的结构C中，写入时通过第一电极层5或第二电极层6在反铁磁性驱动层1的非磁性金属层流通的电流产生纯自旋流，该纯自旋流扩散到反铁磁性层1A，使磁壁DW移动而能够进行写入(参照非专利文献2)。
对于在本发明的交换偏置利用型磁化反转元件中，使磁耦合层的磁化反转改变两种磁畴的比例的方法，在交换偏置利用型磁阻效应元件的说明中进行详述(参照图7及图9)。
使磁耦合层的磁化反转，两种磁畴的比例可以数字性地改变，也可以模拟性地改变。因此，本发明的交换偏置利用型磁化反转元件可以用作数字性工作的元件，也可以用作模拟性工作的元件。
以下，作为本发明的交换偏置利用型磁化反转元件的应用例，主要以应用于磁阻效应元件的情况为例举列说明。作为用途，不限于磁阻效应元件，也能够应用于其它的用途。作为其它用途，例如，也能够在将交换偏置利用型磁化反转元件配设于各像素，并利用磁光学效应在空间上调制入射光的空间光调制器中使用。另外，在磁传感器中，为了避免磁铁的矫顽力引起的滞后效应，也可以将施加在磁铁的易磁化轴的磁场置换为交换偏置利用型磁化反转元件。
(交换偏置利用型磁阻效应元件)
图4是本发明的一个实施方式的交换偏置利用型磁阻效应元件的一个例子的截面示意图。
图4所示的交换偏置利用型磁阻效应元件100具备：由第一区域1a和第二区域1b及位于这些区域之间的第三区域1c构成的反铁磁性驱动层1、在第三区域1c与反铁磁性驱动层1磁耦合的磁耦合层2、与磁耦合层2接合的非磁性层3、与非磁性层3接合的磁化固定层4、与第一区域1a接合的第一电极层5、以及与第二区域1b接合的第二电极层6。
交换偏置利用型磁阻效应元件100也能够具备本发明的交换偏置利用型磁化反转元件、与磁耦合层2接合的非磁性层3、以及与非磁性层3接合的磁化固定层4。
在图4中，将各层的层叠方向、即与各层的主面正交的方向(垂直于面的方向)定义为Z方向。各层与正交于Z方向的XY面平行地形成。
此外，磁化固定层是指在使用了写入电流的写入前后磁化方向不变化(磁化被固定)的层，只要是满足该点的层，就能够没有特别限定地使用。
优选的是，反铁磁性驱动层1的长轴的长度为60nm以上，第一电极层5的距磁耦合层2最近的位置和第二电极层6的距磁耦合层2最近的位置之间的距离为60nm以上。
这是由于磁畴的壁的厚度为数10nm左右，在反铁磁性驱动层内可以含有两个以上的磁畴。
对本发明的交换偏置利用型磁阻效应元件的数据的写入及读出的原理进行说明。
在现有的磁壁驱动型MRAM的各元件中，存在由铁磁性材料构成的磁壁驱动层承担记录数据的保持，并且更新外部磁场产生的记录数据的可能性。与之相对，本发明的交换偏置利用型磁阻效应元件中，由反铁磁性材料构成的反铁磁性驱动层承担记录数据的保持，在反铁磁性材料中相互抵消的自旋以相同数量存在，且作为整体没有磁化，因此，与铁磁性材料相比，对于由磁场产生的外部干扰强，即具有通过外部磁场不容易更新记录数据这样的优点。
首先，对现有的磁壁驱动型MRAM进行说明。
MRAM具备作为存储单元的利用GMR(巨磁阻，Giant Magneto Resistance)效应或TMR(隧道型磁阻，Tunnel Magneto Resistance)效应等磁阻效应的磁阻效应元件。磁阻效应元件例如具有经由非磁性层层叠有2层铁磁性层的层叠结构。2层铁磁性层为磁化方向被固定的磁化固定层(pin层)以及磁化方向能够反转的磁化自由层(free层)。磁阻效应元件的电阻值其在磁化固定层和磁化自由层的磁化方向为反平行的时候的电阻值大于它们的方向为平行的时候的电阻值。作为MRAM的存储单元的磁阻效应元件中，利用该电阻值的大小差异通过将磁化平行的状态对应于数据“0”并且将反平行的状态对应于数据“1”，从而非易失性地存储数据。数据的读出是通过以贯通磁阻效应元件的方式(以贯通层叠结构的方式)使读出电流流过并测定磁阻效应元件的电阻值来实行的。另一方面，数据的写入是通过使自旋极化电流流过并使磁化自由层的磁化方向反转来实行的。
作为目前主流的数据写入方式，众所周知有利用了自旋转移矩(Spin TransferTorque)的“STT方式”。就STT方式而言，自旋极化电流被注入到磁化自由层，由承担该电流的传导电子的自旋与磁化自由层的磁矩之间的相互作用而在磁化自由层上产生扭矩，在扭矩充分大的情况下磁化进行反转。该磁化反转因为电流密度越大就变得越容易发生，所以随着存储单元尺寸被缩小而使写入电流减小就成为了可能。
另外，作为STT方式，总所周知有以贯通磁阻效应元件的方式流过写入电流的方式(例如，专利文献1)和不使磁阻效应元件贯通而就在磁化自由层的面内方向上流过写入电流的方式(例如，专利文献4)。
在前者的方式中，具有与磁化固定层相同的自旋状态的自旋极化电子从磁化固定层被供给到磁化自由层，或者从磁化自由层被拉到磁化固定层。其结果，通过自旋转移效应，磁化自由层的磁化反转。这样，根据贯通磁阻效应元件的写入电流的方向，就能够规定磁化自由层的磁化方向。
另一方面，对于后者的方式，参照图5进行说明。图5是表示现有的磁壁驱动型的磁阻效应元件的一个例子的截面示意图。
图5所示的磁壁驱动型的磁阻效应元件具备：磁壁驱动层(磁化自由层)11，其具有磁壁DW，并且由第一区域11a和第二区域11b及位于这些区域之间的第三区域11c构成；磁化固定层15，其经由非磁性层16被设置于第三区域；第一磁壁供给层12，其与第一区域11a相接，并且具有第一磁化方向；以及第二磁壁供给层13，其与第二区域11b相接，并且具有与第一磁化方向反向的第二磁化方向。
在图5中，箭头M1、箭头M2及箭头M3表示各层的磁化方向，箭头M4及箭头M5分别表示磁壁驱动层11中以磁壁DW为边界，第一磁壁供给层12侧的部分的磁化方向；和以磁壁DW为边界，第二磁壁供给层13侧的部分的磁化方向。
在图5所示的现有的磁壁驱动型的磁阻效应元件中，数据的写入通过使形成于磁化自由层11内的磁壁DW移动来进行。磁壁驱动层11具有磁化相互大致反平行地被固定的第一区域11a和第二区域11b、及位于第一区域11a和第二区域11b之间的第三区域11c，第三区域11c的磁化为与第一区域11a和第二区域11b的任一区域大致平行的方向。通过这样的磁化状态的制约，磁壁被导入到磁壁驱动层11内。磁壁通过电流在磁壁驱动层11内流动，能够使其位置移动。
例如，在图6A的虚线所示的方向上如果电流从第二磁壁供给层13流向磁壁驱动层11并进一步流向第一磁壁供给层12，则传导电子在与电流方向相反并以实线表示的方向上流动。如果电子从第一磁壁供给层12向磁壁驱动层11进入，则电子成为对应于第一磁壁供给层12及磁壁驱动层11的与第一磁壁供给层12磁耦合的磁畴的磁化方向的自旋极化电子。如果该自旋极化电子到达磁壁，则在磁壁上自旋极化电子所具有的自旋相对于磁壁发生自旋转移，且磁壁在与传导电子的流动方向相同的方向上进行移动。同样地，如果电流在图6B的虚线所示的方向上从第一磁壁供给层12流向磁壁驱动层11并进一步流向第二磁壁供给层13，则传导电子在与电流方向相反并以实线表示的方向上流动。如果电子从第二磁壁供给层13向磁壁驱动层11进入，则电子成为对应于第二磁壁供给层13及磁壁驱动层11的与第二磁壁供给层13磁耦合的磁畴的磁化方向的自旋极化电流。如果该自旋极化电子到达磁壁，则在磁壁上自旋极化电子所具有的自旋相对于磁壁发生自旋转移，且磁壁在与传导电子的流动方向相同的方向上进行移动。
通过这样的磁壁的移动，能够在磁壁驱动层11中将磁化固定层15的正下方部分的磁化做到与磁化固定层15的磁化方向平行的状态或者能够做到反平行的状态。这样，在“0”状态与“1”状态之间的信息的改写是可能的。
数据的读出是通过以下的方式来实行的，即，电流在经由非磁性层16的磁化固定层15与磁壁驱动层11之间流过并检测对应于磁化固定层15的磁化与磁壁驱动层11的磁化的相对角的电阻变化。在磁壁驱动层11中，在将磁化固定层15的正下方部分的磁化做到与磁化固定层15的磁化方向平行的状态的时候为低电阻，另一方面，在反平行的状态的时候为高电阻，通过检测该电阻的变化从而判别数据。
与之相对，本发明的交换偏置利用型磁阻效应元件是以作为参照层的磁化固定层4为基准，利用与磁耦合层2的磁化方向的相对角实现模拟的信号输出的元件。磁耦合层2的磁化方向通过与其接合的反铁磁性驱动层1的磁畴的比例来确定。
对于反铁磁性体，已知微观上承担磁性的自旋反平行地耦合，如果以物质整体来看，则自发磁化为零不具有磁性，但如果与铁磁性体接合，则在其接合界面表现出强的磁耦合。在该接合界面产生的磁场被称为交换偏置磁场或交换耦合磁场。
反铁磁性体中也与铁磁性体同样地，存在磁畴(domain)及磁壁。在反铁磁性体中的情况下，自旋相互抵消而没有自发磁化，因此，如铁磁性体那样不能够以自发磁化的方向区别磁畴的方向。然而，各自旋与铁磁性体同样地能够采取两个方向。将其称为亚晶格磁化。在反铁磁性体中，如果合计亚晶格磁化则为零。因此，反铁磁性体能够采取亚晶格磁化方向不同的两种状态，其表现为磁畴(domain)结构。
已知在与铁磁性体接合的界面产生的交换偏置磁场(交换耦合磁场)根据反铁磁性体侧的界面自旋的方向来确定。根据反铁磁性体侧的两种磁畴的比例，也可以说交换偏置磁场变化。通常即使从外部施加磁场，反铁磁性体的两个磁畴状态也保持能量等效的状态，因此，难以使其比例变化。然而，如果使用如本发明中公开的材料那样的磁对称性方面时间反转对称和空间反转对称性同时被打破的材料(结构A，结构B)，则通过电流在反铁磁性体流动，从而能够改变两种磁畴(两种磁畴当中，有时将一方称为“第一磁畴”，将另一方称为“第二磁畴”)的比例。如果通过将这些材料用于反铁磁性驱动层，电流从反铁磁性驱动层的长轴的一方流动，则电流从其相反方向流动时，在反铁磁性体的两个磁畴的能量的稳定性上产生差异，由此两种磁畴的比例发生变化，以使能量稳定。另外，通过制成从与磁耦合层接合侧起具有反铁磁性层、和与反铁磁性层接合且通过电流流动产生纯自旋流的非磁性金属层的层叠结构(结构C)，也能够使两个磁畴的比例变化。
图7是表示对于包含反铁磁性层(反铁磁性驱动层)、铁磁性层(磁耦合层)的复合体，(a)为产生以符号H11所示的交换偏置磁场的磁畴的比例为100％的情况，(b)为以符号H11所示的交换偏置磁场的方向的磁畴与以符号H12所示的交换偏置磁场的方向的磁畴的比例为各50％的情况，(c)为以符号H12所示的方向的磁畴的比例为100％的情况的各状态下的磁耦合层的磁畴的状态的图。
反铁磁性层(反铁磁性驱动层)根据其磁畴的方向，如(a)或(c)的箭头H11、H12所示，生成交换偏置磁场或交换耦合磁场。由此，即使没有外部磁场，也能够将邻接的铁磁性体的磁化方向固定在M11、M12的方向。(b)的情况反映反铁磁性层的磁畴的比例，铁磁性层(磁耦合层)的磁畴也是M11和M12相等存在的状态。
磁畴比例的变化模式大致划分有：随机产生反转磁畴，各磁畴(磁畴核)成长至完全反转的类型(以下，有时称为“成核型”)；和通过划分成具有相互反向的磁化的两个磁畴的磁畴壁(磁壁)移动，从而磁畴的比例发生变化的类型(以下，有时称为“磁畴壁移动型”)这两种类型的变化模式。作为成核型，例如，能够示例如第一电极层、第二电极层由Cu或Al等非磁性金属构成的元件那样，磁壁DW预先不存在于反铁磁性驱动层的情况。另外，作为磁畴壁移动型，例如，能够例示反铁磁性层驱动层的两端的磁畴方向被固定，磁壁DW通常存在于两个磁畴之间的情况。
图7及图8是表示成核型的图，图1、图2、图4、图10～图14是对于磁畴壁移动型进行例示的图，图9是对应于两种类型的变化模式的任一种的图。
通过将反铁磁性驱动层制成含有例如具有闪锌矿结构的反铁磁性材料的结构，或者制成含有CuMnAs、Mn2Au的任一种的反铁磁性材料的结构，电流在反铁磁性驱动层流动，由此能够改变两种磁畴的比例。通过使电流流动的方向相反，就能够选择增加以符号H11所示的交换偏置磁场的方向的磁畴的比例的情况和增加以符号H12所示的方向的磁畴的比例的情况。具有闪锌矿结构的反铁磁性材料由于空间反转对称性被破坏(其结果，如果含有自旋，则时间和空间的反转对称性被破坏)，因此，通过电流流动而能够改变两种磁畴的比例。另外，CuMnAs及Mn2Au的空间反转对称性未被破坏，但如果含有自旋，则时间和空间的反转对称性被破坏，因此，通过电流流动而能够改变两种磁畴的比例。
图8是用于说明反铁磁性驱动层的两种磁畴的截面示意图。
在图8中，DA及DB表示亚晶格磁化方向不同的两种磁畴。DA及DB的与磁耦合层接合的面中分别配置有相互反向的自旋。这样，反铁磁性驱动层是在与磁耦合层接合的面上形成两种磁畴分别具有相同的自旋的磁畴的结构。因此，在与磁耦合层接合的面上通过改变两种磁畴的比例，从而如图9所示，对磁耦合层的磁化方向产生的影响改变。即，通过改变两种磁畴的比例，从而磁耦合层的磁畴的比例改变，根据该比例，磁阻R的大小变化。
图9(a)是示意性地表示反铁磁性驱动层、磁耦合层、非磁性层、磁化固定层的层叠部分的立体图，M21是磁化固定层的磁化方向，M11、M12是磁耦合层的磁化方向。图9(b)是表示两种磁畴的比例(用0～1的比表示的)与垂直地流过元件的电流的电阻值(R)的关系的概略的图表。
在本发明的交换偏置利用型磁阻效应元件中，数据的写入通过改变这两种磁畴的比例，作为结果改变磁耦合层的磁畴的比例来进行。具体而言，参照图4，数据的写入通过电流从第一电极层5(第二电极层6)经由反铁磁性驱动层1在第二电极层6(第一电极层5)、在反铁磁性驱动层流动来进行。如果阻止第一电极层5和第二电极层6之间的电流，则由于反铁磁性驱动层1的磁畴无变化，因此，磁耦合层2的磁畴的比例也在此被固定。另外，如果使电流向相同的方向流动，则进一步磁畴的比例的增减在相同的方向变化；如果电流向相反的方向流动，则返回到原本的状态。如果以磁化固定层为基准的反平行方向的磁耦合层的磁畴与平行方向的磁耦合层的磁畴的比例变化，则垂直流过元件的电流的电阻变化，因此，数据记录为磁阻的大小。
对于使用了结构C的交换偏置利用型磁阻效应元件的数据的写入进行补充。参照图2及图4。电流从第一电极层5(第二电极层6)经由反铁磁性驱动层1在第二电极层6(第一电极层5)流动，在由反铁磁性层1A及非磁性金属层1B构成的反铁磁性驱动层流动。由此，在非磁性金属层1B产生纯自旋流，该纯自旋流扩散到反铁磁性层1A，反铁磁性层1A的磁畴的比例发生变化，其结果，磁耦合层2的磁畴的比例发生变化。
与磁耦合层接合的面的磁畴是数10nm左右的尺寸，因此，交换偏置磁场的大小实际上能够模拟地变化。
在写入时在反铁磁性驱动层通电的电流密度为1×107A/cm2以上。
电流密度为1×107A/cm2以上，由此在反铁磁性驱动层形成磁畴(参照非专利文献1)。
图10A、图10B分别是在施加使第一磁畴及第二磁畴这两种磁畴的比率变化的一定的负载量(例如，电流)时，对于该负载量与电阻值的关系，示意性地表示反铁磁性驱动层是成核型的情况和反铁磁性驱动层是磁畴壁移动型的情况的特征的图表。图10A及图10B中，虚线所示的图表是表示负载量和电阻值大致成比例的理想的电阻变化的情况的图表。
在反铁磁性驱动层是成核型的情况下，如图10A所示，磁畴在临界磁畴尺寸以下不能存在，因此，如果与理想的电阻变化相比，则在磁畴比例0和1两端附近，电阻值变化变得不连续。
另一方面，在反铁磁性驱动层是磁畴壁移动型的情况下，如图10B所示，如果与图理想的电阻变化相比，则在磁畴比例0和1两端附近因磁畴壁部分的影响而电阻值变化连续，但变得更缓和。
图10A及图10B所示的负载量和电阻值的关系的图表反映了负载量和磁畴比率的关系(磁畴比率相对于负载量的变化率)。因此，在图10A及图10B的各图中，通过将纵轴换成磁畴比率，表示出负载量和磁畴比率的关系的特征。
在反铁磁性驱动层是成核型的情况下，与反铁磁性驱动层是磁畴壁移动型的情况相比，结构简单，因此，具有制作容易的优点。
另一方面，在反铁磁性驱动层是磁畴壁移动型的情况下，与反铁磁性驱动层是成核型的情况相比，具有能够实现连续性高的有效的模拟操作的优点。
本发明的交换偏置利用型磁阻效应元件通过使磁耦合层的磁化反转，两种磁畴的比例数字地改变或模拟地改变，就能够数字地或模拟地改变磁阻。因此，本发明的交换偏置利用型磁阻效应元件作为数字地工作的元件，也能够用作模拟地工作的元件。
本发明的交换偏置利用型磁阻效应元件的数据的读出，如果参照图4，则是通过电流在第一电极层5或第二电极层6与作为参照层的磁化固定层4之间流动，测定对应于磁耦合层2和磁化固定层4的磁化的相对角的磁阻产生的电阻值来实行的。这时，读出电流以不改写所记录的信息的方式相比写入时的电流密度充分减小。对于使用了结构C的交换偏置利用型磁阻效应元件的数据的读出也同样。
图11是在图4所示的交换偏置利用型磁阻效应元件中，在第三区域1c的设置有磁耦合层2的面的相反侧的面上具备俯视时设置于与磁耦合层2重叠的位置的下部电极层8的结构。通过该结构，读出电流如图7中用双点划线所示，在垂直于面的方向上在反铁磁性驱动层1流动。因此，在降低了对反铁磁性驱动层1的磁畴的影响的状态下，能够获得磁耦合层2和磁化固定层4之间的磁阻效应产生的输出。另外，由于能够增大读入电流，因此，读入的高速化成为可能。另外，读出电流流动的反铁磁性驱动层1的距离短，因此，能够降低磁噪声。
在使用了现有的磁壁驱动型的磁阻效应元件的MRAM中，数据的写入电流不贯通磁阻效应元件(图5中的由介有非磁性层16的磁化固定层15及磁壁驱动层11构成的层叠结构)而在磁化自由层的面内方向(与层叠方向平行的方向)上流动(参照图6)。另一方面，数据的读出电流如图6A的单点划线所示，在层叠方向上贯通磁阻效应元件(由介有非磁性层16的磁化固定层15及磁壁驱动层11构成的层叠结构)，之后，流过写入电流所流过的路径的一部分(例如，参照专利文献5)。即，读出电流的路径其一部分与写入电流的路径重叠。
这样，在现有的磁壁驱动型MRAM的结构中，在读出时有必要电流在磁壁驱动层的磁壁驱动的方向(面内方向)流动。因此，得到的输出信号最终成为0或1的数字信号。另外，俯视时如果直至磁壁驱动层(磁化自由层)与磁阻效应元件部相重叠的部分的外侧，磁壁移动没有结束的话，则存在读入时磁壁移动并且误写入或读出初始时的信号变化等问题。
与之相对，在本发明的交换偏置利用型磁阻效应元件中，通过采取具备俯视时设置于与磁耦合层2重叠的位置的下部电极层8的结构，从而不产生该问题。
下部电极层8的形状优选以不产生读入电流(自旋极化电流)的水平分量的方式俯视时与磁化固定层4相同的尺寸，但是即使不是相同的尺寸，也发挥效果。例如，优选俯视时下部电极层8和磁化固定层4的重叠程度为50％以上，进一步优选为90％以上，更优选为100％。
作为下部电极层8的材料，能够使用用作电极材料的公知的材料。例如，能够使用铝、银、铜、金等。
在图11所示的交换偏置利用型磁阻效应元件200中，在反铁磁性驱动层1和下部电极层8之间还具备高电阻层7。高电阻层7是电阻率比反铁磁性驱动层1高的层。此外，高电阻层7是用于防止因写入时电流在下部电极层8流动而阻碍写入操作(磁畴比例的变更)的层。只要是起到该功能的材料，对于高电阻层7的材料没有特别限制。也可以是非磁性的材料。高电阻层7也可以是隧道势垒层。因此，高电阻层7也可以是能够流通隧道电流的绝缘材料。
在高电阻层7是绝缘材料的情况下，高电阻层7的厚度优选以写入电流不会流入到下部电极层8的方式做到0.8nm以上。另一方面，从做到能够无视读入操作中的影响的程度的观点来看，优选为2nm以下。
作为高电阻层7的材料，只要是能够抑制写入电流在下部电极层8流动(实质上是进行防止)的层，就没有特别限制。高电阻层7也可以是隧道势垒层，能够使用可以用于隧道势垒层的公知的绝缘材料。例如，能够使用Al2O3、SiO2、MgO及MgAl2O4等。另外，除了这些以外，还能够使用将Al、Si、Mg的一部分置换为Zn、Be等的材料等。高电阻层7的材料如果至少电阻率高于反铁磁性驱动层1的话，则能够行使其功能。例如，也可以是Si、SiGe或Ge等半导体。
磁化固定层4是由磁化被固定的铁磁性体材料构成的层(铁磁性层)。
对于磁化固定层4的材料，可以使用能够用于磁化固定层的公知的材料。例如，能够使用选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni中的金属及含有一种以上的这些金属且显示出铁磁性的合金。另外，还能够使用含有这些金属与B、C及N的至少一种以上的元素的合金。具体而言，可以列举Co-Fe、Co-Fe-B。
另外，为了获得更高的输出，优选使用Co2FeSi等哈斯勒合金。哈斯勒合金含有具有X2YZ的化学组成的金属间化合物，X在元素周期表上是Co、Fe、Ni或者Cu族的过渡金属元素或贵金属元素，Y是Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属也可以选取X的元素种类，Z为从第III族到第V族的典型元素。可以举出例如Co2FeSi、Co2MnSi或Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b等。
另外，磁化固定层4也可以是由反铁磁性层、铁磁性层、非磁性层构成的合成结构。在合成结构中，磁化方向由反铁磁性层而被强力保持，因此，能够作为不容易受到来自外部的影响的磁化固定层发挥功能。
另外，在使磁化固定层4的磁化方向与层叠面垂直的情况下，优选使用Co和Pt的层叠膜。具体而言，磁化固定层4能够设定为[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6/Ru(0.9nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]4/Ta(0.2nm)/FeB(1.0nm)。
通过磁化固定层4的磁化被固定在一个方向，并且磁耦合层2的平行方向和反平行方向的磁畴的比例相对地变化，从而作为磁阻效应元件部10发挥功能。磁阻效应元件部10在非磁性层3由绝缘体构成的情况下是隧道磁阻(TMR)元件，在非磁性层3由金属构成的情况下是巨磁阻(GMR)元件。
作为非磁性层3的材料，能够使用可以用于非磁性层的公知的材料。
例如，在非磁性层3由绝缘体构成的情况下(是隧道势垒层的情况下)，作为其材料，能够使用Al2O3、SiO2、MgO、MgAl2O4、ZnAl2O4、MgGa2O4、ZnGa2O4、MgIn2O4、ZnIn2O4及这些材料的多层膜或混合组成膜等。另外，除了这些以外，也能够使用Al、Si、Mg的一部分被置换为Zn、Be等的材料等。其中，MgO、MgAl2O4是能够实现相干隧道的材料，因此，能够高效地注入自旋。
另外，在非磁性层3由金属构成的情况下，作为其材料，能够使用Cu、Au、Ag等。
作为磁耦合层的材料，通常能够使用可以用于磁阻效应元件的磁化自由层的公知的材料。例如，能够使用选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni中的金属及含有一种以上的这些金属并且表示出铁磁性的合金。另外，也能够使用含有这些金属和B、C及N的至少一种以上的元素的合金。具体而言，可以举出Co-Fe或Co-Fe-B。
另外，为了得到更高的输出，优选使用Co2FeSi等哈斯勒合金。哈斯勒合金含有具有X2YZ的化学组成的金属间化合物，X在元素周期表上是Co、Fe、Ni或者Cu族的过渡金属元素或贵金属元素，Y是Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属也可以选取X的元素种类，Z为从第III族到第V族的典型元素。可以举出例如Co2FeSi、Co2MnSi或Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b等。
磁耦合层2具有从非磁性层3侧起依次包含磁阻效应层和软磁性层的层叠结构，磁阻效应层能够由包含CoFeB的材料构成。
这是由于通过制成该结构，能够防止因滞后阻碍了交换偏置磁场产生的反铁磁性驱动层的磁畴的转写，作为结果，能够将电阻值的偏差抑制得较小。
反铁磁性驱动层1、磁耦合层2及磁化固定层4的易磁化轴相对于层叠方向可以平行，也可以垂直。在垂直的情况下，通过在反铁磁性驱动层通过写入时的电流，能够使磁耦合层和磁化固定层4的相对关系有效地变化。
图12所示的交换偏置利用型磁阻效应元件300中，不同的点是将图4所示的交换偏置利用型磁阻效应元件100的第一电极层及第二电极层设定为由具有相互反向的磁化的铁磁性体材料构成的结构。符号25、26分别是指由铁磁性体材料构成的第一电极层及第二电极层。
在该结构中，不在反铁磁性驱动层通电流，能够事先在第一区域1c的两侧形成反向的反铁磁性磁畴。另外，在该结构中，能够减小元件尺寸。
在该交换偏置利用型磁阻效应元件300中，在反铁磁性驱动层1中与第一电极层25及第二电极层26相接的部分的反铁磁性层的磁畴以反映各电极层的接合界面的磁化方向的方式形成两个磁畴。因此，如图12所示，在两个磁畴间形成磁壁DW。
该情况下，因数据的写入而磁畴的比例变化与磁壁DW移动对应，因此，数据的写入及读出的基本想法与磁壁驱动型MRAM类似。
在本发明的交换偏置利用型磁阻效应元件中，也可以将由铁磁性体材料构成的第一电极层及第二电极层的任一方制成层叠有第一铁磁性层、中间层和第二铁磁性层的合成反铁磁性(SAF)结构。
图13所示的交换偏置利用型磁阻效应元件400中，不同的点是将图12所示的交换偏置利用型磁阻效应元件300的第一电极层25及第二电极层26中第二电极层26制成层叠有第一铁磁性层26a、中间层26b和第二铁磁性层26c的合成反铁磁性(SAF)结构的电极26’。第一铁磁性层26a比第二铁磁性层26c薄。合成反铁磁性结构能够制成公知的结构。
通过形成该结构，在相同的方向施加磁场，并且加热到反铁磁性体的磁转变温度以上，之后进行冷却处理，由此能够在与第一电极层和第二电极层相接的反铁磁性驱动层1的内部简单地形成反向的反铁磁性磁畴。
(交换偏置利用型磁存储器)
本发明的交换偏置利用型磁存储器具备多个本发明的交换偏置利用型磁阻效应元件。
如上所述，本发明的交换偏置利用型磁存储器所具备的交换偏置利用型磁阻效应元件通过使磁耦合层的磁化反转，两种磁畴的比例数字地改变或模拟地改变，由此能够数字地或模拟地改变磁阻。因此，本发明的交换偏置利用型磁存储器能够用作数字地工作的存储器，也能够用作模拟地工作的存储器。
图14表示交换偏置利用型磁存储器中的单元(cell)的主要部分的截面示意图。
图4等所示的交换偏置利用型磁阻效应元件100在第一电极层25及第二电极层26上分别连接有第一配线31、第二配线32，另外，在磁化固定层4上连接有第三配线33，进一步，在下部电极层8上连接有第4配线34。符号45是绝缘层。
图15是示意性地表示本发明的一个实施方式的交换偏置利用型磁存储器1000的电路结构的一个例子的图。
第一控制元件35经由多个交换偏置利用型磁阻效应元件300的各第二配线32与反铁磁性驱动层1连接。第一控制元件35与没有图示的外部电源连接，控制在反铁磁性驱动层1流动的电流。
第一单元选择元件36经由多个交换偏置利用型磁阻效应元件300的各第一配线31与反铁磁性驱动层1连接。对应于一个交换偏置利用型磁阻效应元件300设置一个第1单元选择元件36。
第一单元选择元件36控制是否使写入电流流到哪个交换偏置利用型磁阻效应元件300。第一单元选择元件36被接地。
第二控制元件37与第三配线33连接。第二控制元件37与没有图示的外部电源连接，控制在第三配线33流动的电流。
第二单元选择元件38经由多个交换偏置利用型磁阻效应元件300的各第4配线34与下部电极层8连接。对应于一个交换偏置利用型磁阻效应元件300设置一个第二单元选择元件38。第二单元选择元件38控制是否使读出电流流到哪个交换偏置利用型磁阻效应元件300。第二单元选择元件38被接地。
第一控制元件35、第二控制元件37、第一单元选择元件36及第二单元选择元件38能够使用公知的开关元件。例如，能够使用以场效应晶体管等为代表的晶体管元件等。
第一配线31、第二配线32、第三配线33及第四配线34能够使用用作通常的配线的材料的材料。例如，能够使用铝、银、铜、金等。
以下，使用图15，对通过交换偏置利用型磁存储器1000的写入动作及读出动作进行说明。
写入动作通过第一控制元件35和第一单元选择元件36控制写入。
首先，开放(连接)第一控制元件35，选择所开放的第一单元选择元件36。第一控制元件35与外部电源连接，第一单元选择元件36被接地。因此，写入电流以第一控制元件35、第二配线32、第二电极层26、反铁磁性驱动层1、第一配线31、所选择的第一单元选择元件36的顺序流动。电流以相反顺序流动的情况的说明省略。
读入动作通过第二控制元件37和第二单元选择元件38控制读入。
首先，开放(连接)第二控制元件37，选择所开放的第二单元选择元件38。第二控制元件37与外部电源连接，第二单元选择元件38被接地。因此，读入电流以第二控制元件37、第三配线33、磁化固定层、非磁性层3、反铁磁性驱动层1、下部电极层8、所选择的第二单元选择元件38的顺序流动。电流以相反顺序流动的情况的说明省略。
第二控制元件37及第二单元选择元件38作为读出机构发挥功能。
本发明的交换偏置利用型磁存储器也可以作为在第一电极层25或第二电极层26的任一方连接有双极元件的结构。根据该结构，通过改变电流的方向，能够在任意的方向移动磁壁。
(非易失性逻辑电路)
本发明的非易失性逻辑电路具备本发明的交换偏置利用型磁阻效应元件以阵列状配置的交换偏置利用型磁存储器，还在阵列内或阵列外的任一种具备STT-MRAM，具备存储功能和逻辑功能，作为存储功能具备上述交换偏置利用型磁存储器及上述STT-MRAM而成。
由于交换偏置利用型磁存储器和STT-MRAM可以在同一工序中制作，因此，可以降低成本。另外，通过数字的STT-MRAM被设置在与被配置于阵列上的交换偏置利用型磁存储器相同的电路中，从而使输入输出数字化，在内部能够形成以模拟进行处理为可能的逻辑。
(磁神经元元件)
图16是本发明的一个实施方式的磁神经元元件的一个例子的截面示意图。
本发明的磁神经元元件具备本发明的交换偏置利用型磁阻效应元件，所述反铁磁性驱动层1的第三区域1c由沿长边方向排列的第一存储部21b、夹着该第一存储部21b的第二存储部21a及第三存储部21c构成，该磁神经元元件具备电流源(没有图示)，该电流源具有控制电路，该控制电路控制写入电流的流动，以使磁壁能够按顺序以至少一次停留于第一存储部21b、所述第二存储部21a及所述第三存储部21c的方式移动。
第一存储部21b是反铁磁性驱动层1的第三区域1c中俯视时与磁化固定层4重叠的部分。另外，第二存储部21a俯视时是磁化固定层4和第一电极层25之间的部分(不重叠于磁化固定层4及第一电极层25的部分)。另外，第三存储部21c俯视时是磁化固定层4和第二电极层26之间的部分(不重叠于磁化固定层4及第二电极层26的部分)。
本发明的交换偏置利用型磁存储器能够作为模拟突触的动作的元件即磁神经元元件来进行利用。就突触而言，优选相对于来自外部的刺激具有线性输出。另外，在施加反向的负荷时没有滞后现象，优选进行可逆。根据两种磁畴的比例，磁化固定层4和磁耦合层2的各自的磁化方向的磁畴的比例连续地变化。形成了由磁化固定层4和磁耦合层2的各自的磁化方向成为平行的磁畴(成为低电阻的配置)的面积和成为反平行的磁畴(成为高电阻的配置)的面积构成的并联电路。图9(b)的横轴为两种磁畴的比例，能够表示相对线性的电阻变化。另外，两种磁畴的比例能够依赖于电流的大小和所施加的电流脉冲的时间来驱动，因此，能够将电流的大小和方向、进而所施加的电流脉冲的时间看作来自外部的负荷。
(存储的初始阶段)
例如，在反铁磁性驱动层1的磁壁在-X方向最大地进行移动的情况下，磁壁在第一电极层25的磁化固定层4侧的端部21aA稳定。如果电流从第二电极层26向第一电极层25流动，则在附图中，磁壁DW的左侧的磁畴(以下，称为“第一磁畴”)比磁壁DW的右侧的磁畴(以下，称为“第二磁畴”)能量稳定，因此，进行从第二磁畴向第一磁畴的反转。此时，DW附近的第二磁畴以比处于远离DW的位置的第二磁畴小的能量反转，因此，作为结果，反铁磁性驱动层1的磁壁在+X方向移动。即使直至磁壁到达磁化固定层4的第一电极层25侧的端部21aB为止进行磁壁移动，读出的电阻也不会发生变化。能够将该状态称为存储的初始阶段。即，能够将磁壁配置在第二存储部21a内的情况称为存储的初始阶段。在存储的初始阶段不进行作为数据的存储，但所处的状态是存储数据的准备已备齐。
(主存储阶段)
磁壁通过磁化固定层4的下部(俯视时为重叠的部分)期间如图9(b)，读出时的电阻发生变化。通过使电流从第二电极层26向第一电极层25流动，从而设定为来自外部的负荷，并成为与负荷大致成比例的读出时的电阻变化。这是主存储阶段。即，能够将磁壁配置在第一存储部21b内的情况称为存储的主存储阶段。能够将磁壁处于比磁化固定层4的端部更外侧的状态定义为存储或者无存储，将磁壁处于比相反侧的磁化固定层4的端部更外侧的状态定义为无存储或者存储。当然，如果将流到第二电极层26和第一电极层25之间的电流设定为反向，则成为相反的作用。
(存储的深层化阶段)
即使磁壁到达磁化固定层4的第二电极层26侧的端部21cB，且向远离磁化固定层4的方向移动，读入时的输出也不会发生变化。但是，在磁壁远离磁化固定层4后，即使施加反向的负荷，直至磁壁到达磁化固定层4的端部21cB为止读入时的输出也不会发生变化。即，意味着即使赋予来自外部的负荷，也不会丢失存储，能够将其称为存储的深层化阶段。即，能够将磁壁配置在第三存储部21c内的情况称为存储的深层化阶段。
如果将流过第二电极层26和第一电极层25之间的电流设定为反向，则存储的初始阶段、主存储阶段及存储的深层化阶段与各存储部的对应成为相反。
为了将本发明的交换偏置利用型磁存储器用作模拟突触的动作的元件并作为本发明的磁神经元元件，需要具备能够以按顺序使磁壁的移动经过存储的初始阶段、主存储阶段以及存储的深层化阶段的方式流过写入电流的电流源。即，要具备一种电流源(没有图示)，其具有控制电路，该控制电路控制写入电流，以使磁壁按顺序以至少一次停留于第一存储部、第二存储部以及第三存储部所有存储部的方式移动。
根据写入电流的条件，能够决定磁壁是否以多次移动而通过完各个第一存储部、第二存储部以及第三存储部。
(存储的忘却阶段)
通过在无存储状态下使反铁磁性驱动层1的磁壁移动，能够忘却存储。另外，即使通过施加热及物理性变形，也能够产生磁壁的驱动或消失。在本发明的交换偏置利用型磁存储器中，显示输出为一定的低电阻和高电阻的值，因此，存储和无存储必须通过定义来确定。
另外，在以电流在反铁磁性驱动层1流动以外的方法来使磁壁移动或消失的情况下因为成为随机，所以在多个交换偏置利用型磁存储器间的信息的关联失去。能够将其称为存储的忘却阶段。
(使用了磁神经元元件的人工大脑)
本发明的磁神经元元件是能够模拟突触的运动，并且经过存储的初始阶段、主存储阶段、进而经过存储的深层化阶段的存储器。将本发明的交换偏置利用型磁存储器设置于多个电路上，可以进行大脑的模拟。就如一般的存储器那样纵横均等地进行阵列的配置而言形成集成度高的大脑是可能的。另外，如图17所示，将具有特定电路的多个磁神经元元件作为一个块，在阵列的配置中，可以形成来自外部负荷的认识度不同的大脑。例如，能够孕育出对于颜色灵敏度高的大脑或语言的理解度高的大脑等的个性。总之，在使从外部的传感器取得的信息对视觉、味觉、触觉、嗅觉及听觉认识最适化的五感区域进行认识的处理，进一步，通过在逻辑思考区域进行判断，由此可以形成确定接下来的行为的过程。另外，如果使反铁磁性驱动层1的材料变化，则相对于负荷的磁壁的驱动速度或磁壁的形成方法会发生变化，因此，可以形成将该变化作为个性的人工大脑。
符号的说明
1 反铁磁性驱动层
1a 第一区域
1b 第二区域
1c 第三区域
2 磁耦合层
3 非磁性层
4 磁化固定层
5、25 第一电极层
6、26 第二电极层
7 高电阻层
8 下部电极层
10 交换偏置利用型磁化反转元件
21a 第二存储部
21b 第一存储部
21c 第三存储部
100、200、300、400 交换偏置利用型磁阻效应元件
1000 交换偏置利用型磁存储器

Claims (19)

1.一种交换偏置利用型磁化反转元件，其中，
具备：
反铁磁性驱动层，其由第一区域和第二区域及位于这些区域之间的第三区域构成；
磁耦合层，其在所述第三区域与所述反铁磁性驱动层磁耦合，并且磁化方向可变；
第一电极层，其与所述第一区域接合；以及
第二电极层，其与所述第二区域接合。
2.根据权利要求1所述的交换偏置利用型磁化反转元件，其中，
所述反铁磁性驱动层含有具有闪锌矿结构的反铁磁性材料。
3.根据权利要求1所述的交换偏置利用型磁化反转元件，其中，
所述反铁磁性驱动层含有CuMnAs、Mn2Au的任一种的反铁磁性材料。
4.根据权利要求1所述的交换偏置利用型磁化反转元件，其中，
所述反铁磁性驱动层从与所述磁耦合层接合侧起具有：
反铁磁性层；和
非磁性金属层，其与该反铁磁性层接合，并且通过电流流通而产生纯自旋流。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的交换偏置利用型磁化反转元件，其中，
在所述第三区域的设置有所述磁耦合层的面的相反侧的面具备设置于俯视时与所述磁耦合层重叠的位置的下部电极层。
6.根据权利要求5所述的交换偏置利用型磁化反转元件，其中，
在所述反铁磁性驱动层和所述下部电极层之间具备高电阻层。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的交换偏置利用型磁化反转元件，其中，
所述反铁磁性驱动层由在赋予了使第一磁畴及第二磁畴这两种磁畴的比率变化的一定的负载量时，在仅成为第一磁畴或仅成为第二磁畴的两端的附近，所述比率相对于所述负载量的变化率不连续地变化的材料构成。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的交换偏置利用型磁化反转元件，其中，
所述反铁磁性驱动层由在赋予了使第一磁畴及第二磁畴这两种磁畴的比率变化的一定的负载量时，仅成为第一磁畴或仅成为第二磁畴的两端的附近的所述比率相对于所述负载量的变化率比所述两端之间的变化率小的材料构成。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的交换偏置利用型磁化反转元件，其中，
与所述反铁磁性驱动层接合的所述第一电极层及所述第二电极层由具有相互反向的磁化的铁磁性体材料构成。
10.根据权利要求9所述的交换偏置利用型磁化反转元件，其中，
与所述反铁磁性驱动层接合的所述第一电极层及所述第二电极层的至少一方由层叠有第一铁磁性层、中间层和第二铁磁性层的合成反铁磁性结构构成。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的交换偏置利用型磁化反转元件，其中，
所述反铁磁性驱动层的长轴的长度为60nm以上，
所述第一电极层的距所述磁耦合层最近的位置和所述第二电极层的距所述磁耦合层最近的位置之间的距离为60nm以上。
12.一种交换偏置利用型磁阻效应元件，其中，
具备：权利要求1～11中任一项所述的交换偏置利用型磁化反转元件、与所述磁耦合层接合的非磁性层、以及与所述非磁性层接合的磁化固定层。
13.根据权利要求12所述的交换偏置利用型磁阻效应元件，其中，
所述磁耦合层及所述磁化固定层的易磁化轴与层叠方向垂直。
14.根据权利要求12或13所述的交换偏置利用型磁阻效应元件，其中，
所述磁耦合层具有从所述非磁性层侧起依次包含磁阻效应层和软磁性层的层叠结构，所述磁阻效应层由含有CoFeB的材料构成。
15.根据权利要求12～14中任一项所述的交换偏置利用型磁阻效应元件，其中，
在所述第一电极层或所述第二电极层的任一方连接有双极元件。
16.一种交换偏置利用型磁存储器，其中，
具备多个权利要求12～15中任一项所述的交换偏置利用型磁阻效应元件。
17.根据权利要求16所述的交换偏置利用型磁存储器，其中，
具备读出在读出时所述磁化固定层与在所述第三区域的设置有所述磁耦合层的面的相反侧的面上设置于俯视时与所述磁耦合层重叠的位置的下部电极层之间的电阻变化的机构。
18.一种非易失性逻辑电路，其中，
具备：将权利要求12～15中任一项所述的交换偏置利用型磁阻效应元件以阵列状配置的交换偏置利用型磁存储器和STT-MRAM，
具有存储功能和逻辑功能，并且作为存储功能，具备所述交换偏置利用型磁存储器及所述STT-MRAM。
19.一种磁神经元元件，其中，
具备权利要求12～15中任一项所述的交换偏置利用型磁阻效应元件，
所述反铁磁性驱动层的所述第三区域由沿长边方向排列的第一存储部、夹着该第一存储部的第二存储部及第三存储部构成，
所述磁神经元元件具备电流源，该电流源具有控制电路，该控制电路控制写入电流的流动，以使磁壁能够按顺序以至少一次停留于所述第1存储部、所述第2存储部以及所述第3存储部的所有存储部的方式移动。
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