CN110476211A - 数据的写入方法及磁存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个实施方式提供一种数据的写入方法，其中，在具备沿第一方向延伸的自旋轨道转矩配线和功能部的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，将所述自旋轨道转矩配线的沿所述第一方向施加的电压设为环境温度下的临界写入电压以上且规定值以下的电压，其中，所述功能部层叠于所述自旋轨道转矩配线的一面，并从所述自旋轨道转矩配线侧起具备第一铁磁性层、非磁性层和第二铁磁性层。

Description

数据的写入方法及磁存储器
技术领域
本发明涉及一种数据的写入方法及磁存储器。
背景技术
作为利用基于两个铁磁性层的磁化的相对角的变化的电阻值变化(磁阻变化)的元件，已知有由铁磁性层和非磁性层的多层膜构成的巨磁阻(GMR)元件、以及非磁性层使用了绝缘层(隧道势垒层、势垒层)的隧道磁阻(TMR)元件等。
MRAM利用当夹着绝缘层的两个铁磁性层彼此的磁化方向变化时，GMR元件或TMR元件的元件电阻会发生变化这一特性来读写数据。作为MRAM的写入方式，已知有利用电流产生的磁场进行写入(磁化反转)的方式或利用沿磁阻效应元件的层叠方向流动电流而产生的自旋转移转矩(STT)进行写入(磁化反转)的方式。
使用了STT的磁阻效应元件的磁化反转需要在写入数据时沿磁阻效应元件的层叠方向流动电流。写入电流有时会使磁阻效应元件的特性劣化。
因此，近年来，在写入时可以不沿磁阻效应元件的层叠方向流动电流的方法备受关注。该方法之一是利用了自旋轨道转矩(SOT)的写入方法(例如非专利文献1)。SOT通过利用自旋轨道相互作用产生的纯自旋流或异种材料的界面上的Rashba效应诱发。用于在磁阻效应元件内诱发SOT的电流沿与磁阻效应元件的层叠方向交叉的方向流动。即，无需沿磁阻效应元件的层叠方向流动电流，期待磁阻效应元件的长寿命化。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：S.Fukami,T.Anekawa,C.Zhang and H.Ohno,Nature Nano Tec(2016).DOI:10.1038/NNANO.2016.29.
发明内容
发明所要解决的问题
在磁存储器中，磁阻效应元件记录数据。为了充分确保记录的数据的可靠性，寻求磁阻效应元件的写入错误率为10-7以下。
如上所述，利用SOT进行数据的写入的自旋轨道转矩型磁阻效应元件在磁阻效应元件的层叠方向上不流动电流。因此，几乎无需考虑磁阻效应元件的绝缘破坏，原理上能够流动大的写入电流。当施加的写入电流量增多时，大量的自旋在铁磁性体上被注入磁阻效应元件。即，认为通过流动大的写入电流，能够减小磁阻效应元件的写入错误率。
但是，本发明者们进行专门研究的结果发现，即使是自旋轨道转矩型磁阻效应元件，当施加规定的电压值或电流值以上时，磁阻效应元件的写入错误率也会恶化。
本发明是鉴于上述情况而完成的，提供一种能够在磁存储器中稳定地写入数据的数据的写入方法。另外，提供一种能够稳定地写入数据的磁存储器。
用于解决技术问题的手段
即，本发明为了解决上述技术问题而提供以下手段。
(1)第一实施方式所涉及的数据写入方法，在具备沿第一方向延伸的自旋轨道转矩配线和功能部的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，将所述自旋轨道转矩配线的沿所述第一方向施加的电压设为环境温度下的临界写入电压以上且规定值以下，其中，所述功能部层叠于所述自旋轨道转矩配线的一面，并且从所述自旋轨道转矩配线侧起具备第一铁磁性层、非磁性层和第二铁磁性层，所述规定值为：在环境温度为-40℃、20℃及100℃下，为使所述第一铁磁性层的磁化反转时的写入错误率与施加了所述临界写入电压时的写入错误率相等的界限写入电压；在环境温度低于20℃的温度区域中，为位于连结-40℃下的界限写入电压和20℃下的界限写入电压的直线上的电压；在环境温度为20℃以上的温度区域中，为位于连结20℃下的界限写入电压和100℃下的界限写入电压的直线上的电压。
(2)在上述实施方式所涉及的数据的写入方法中，也可以是，在环境温度为20℃以上的温度区域的情况下，在进行数据写入时，沿所述自旋轨道转矩配线的所述第一方向施加20℃下的临界写入电压的1.01倍以上的电压，在环境温度低于20℃的温度区域的情况下，在进行数据写入时，沿所述自旋轨道转矩配线的所述第一方向施加20℃下的临界写入电压的1.05倍以上的电压。
(3)在上述实施方式所涉及的数据的写入方法中，也可以是，在环境温度为20℃以上的情况下，在进行数据写入时，沿所述自旋轨道转矩配线的所述第一方向施加所述环境温度下的临界写入电压以上且20℃下的临界写入电压的1.65倍以下的电压，在环境温度低于20℃的情况下，在进行数据写入时，沿所述自旋轨道转矩配线的所述第一方向施加所述环境温度下的临界写入电压以上且20℃下的临界写入电压的1.54倍以下的电压。
(4)在上述实施方式所涉及的数据的写入方法中，也可以是，在-40℃以上且100℃以下的温度区域写入数据时，沿所述自旋轨道转矩配线的所述第一方向施加临界写入电压的1.2倍以上且1.54倍以下的电压。
(5)在上述实施方式所涉及的数据的写入方法中，也可以是，所述自旋轨道转矩配线为钨，就所述规定值V而言，在将20℃下的所述临界写入电压设为V0，将环境温度设为t(℃)的情况下，在环境温度低于20℃的温度区域中，满足V＝(2.0×10-3×t+1.62)×V0；在环境温度为20℃以上的温度区域中，满足V＝(1.3×10-3×t+1.635)×V0。
(6)在上述实施方式所涉及的数据的写入方法中，也可以是，所述自旋轨道转矩配线为钽，就所述规定值V而言，在将20℃下的所述临界写入电压设为V0，将环境温度设为t(℃)的情况下，在环境温度低于20℃的温度区域中，满足V＝(0.8×10-3×t+1.63)×V0；在环境温度为20℃以上的温度区域中，满足V＝1.65×V0。
(7)在上述实施方式所涉及的数据的写入方法中，也可以是，所述自旋轨道转矩配线为铱，就所述规定值V而言，在将20℃下的所述临界写入电压设为V0，将环境温度设为t(℃)的情况下；在环境温度低于20℃的温度区域中，满足V＝(0.2×10-3×t+1.7167)×V0；在环境温度为20℃以上的温度区域中，满足V＝(1.9×10-3×t+1.6825)×V0。
(8)在上述实施方式所涉及的数据的写入方法中，也可以是，所述自旋轨道转矩配线为铂，就所述规定值V而言，在将20℃下的所述临界写入电压设为V0，将环境温度设为t(℃)的情况下，在环境温度低于20℃的温度区域中，满足V＝(0.8×10-3×t+1.6333)×V0；在环境温度为20℃以上的温度区域中，满足V＝(0.3×10-3×t+1.645)×V0。
(9)第二实施方式所涉及的磁存储器，其中，具备：自旋轨道转矩配线，其沿第一方向延伸；功能部，其层叠于所述自旋轨道转矩配线的一面，从所述自旋轨道转矩配线侧起具备第一铁磁性层、非磁性层和第二铁磁性层；以及电压源，其与所述自旋轨道转矩配线连接，能够沿所述第一方向施加环境温度下的临界写入电压以上且规定值以下的电压，就所述规定值而言，在环境温度为-40℃、20℃及100℃下，为使所述第一铁磁性层的磁化反转时的写入错误率与施加了所述临界写入电压时的写入错误率相等的界限写入电压；在环境温度低于20℃的温度区域中，为位于连结-40℃下的界限写入电压和20℃下的界限写入电压的直线上的电压；在环境温度为20℃以上的温度区域中，为位于连结20℃下的界限写入电压和100℃下的界限写入电压的直线上的电压。
(10)如上述实施方式所涉及的磁存储器，其中，可以进一步具备温度计，其与所述自旋轨道转矩配线连接，并根据所述自旋轨道转矩配线的电阻值换算所述自旋轨道转矩配线的温度。
发明效果
根据本实施方式的数据的写入方法及磁存储器，能够稳定地写入数据。
附图说明
图1是本实施方式的磁存储器的示意图。
图2是表示变更了沿自旋轨道转矩配线的x方向施加的写入电压值时的功能部的MR比的变化的图。
图3是本实施方式的磁存储器的其它例子的示意图。
图4A表示改变了写入脉冲的施加电压值时的实施例1的磁存储器的写入错误率的变化。
图4B表示改变了写入脉冲的施加电压值时的实施例1的磁存储器的写入错误率的变化。
图5A表示改变了写入脉冲的施加电压值时的实施例6的磁存储器的写入错误率的变化。
图5B表示改变了写入脉冲的施加电压值时的实施例6的磁存储器的写入错误率的变化。
图6A表示改变了写入脉冲的施加电压值时的实施例9的磁存储器的写入错误率的变化。
图6B表示改变了写入脉冲的施加电压值时的实施例9的磁存储器的写入错误率的变化。
图7A表示改变了写入脉冲的施加电压值时的实施例12的磁存储器的写入错误率的变化。
图7B表示改变了写入脉冲的施加电压值时的实施例12的磁存储器的写入错误率的变化。
符号说明
1 功能部
1A 第一铁磁性层
1B 第二铁磁性层
1C 非磁性层
2 自旋轨道转矩配线
3 第一电极
4 第二电极
10 自旋轨道转矩型磁阻效应元件
20 电压源
30 温度计
40 电压控制部
100、101 磁存储器
具体实施方式
以下，适宜参照附图详细说明本实施方式。以下的说明中使用的附图中，为了容易理解其特征，有时方便起见放大示出特征部分，各构成要素的尺寸比例等与实际不同。以下的说明中示例的材料、尺寸等是一例，本发明不受这些限定，可以在实现本发明的效果的范围内适宜变更实施。
(磁存储器)
图1是本实施方式的磁存储器100的示意图。磁存储器100具备自旋轨道转矩型磁阻效应元件10和电压源20。
＜自旋轨道转矩型磁阻效应元件＞
自旋轨道转矩型磁阻效应元件10具备功能部1和自旋轨道转矩配线2。在自旋轨道转矩配线2的夹着功能部1的位置具备具有导电性的第一电极3及第二电极4。第一电极3及第二电极4可以直接与自旋轨道转矩配线2连接，也可以经由绝缘层连接。在它们与自旋轨道转矩配线2直接连接的情况下成为电流驱动，在它们经由绝缘体与自旋轨道转矩配线2连接的情况下为电压驱动。
以下，将自旋轨道转矩配线2延伸的第一方向设为x方向、将功能部1的层叠方向(第二方向)设为z方向、将与x方向及z方向的均正交的方向设为y方向进行说明。
[自旋轨道转矩配线]
自旋轨道转矩配线2沿x方向延伸。自旋轨道转矩配线2与功能部1的z方向的一面连接。自旋轨道转矩配线2可以与功能部1直接连接，也可以经由其它层连接。
自旋轨道转矩配线2由当流动电流I时能通过自旋霍尔效应生成自旋流的材料构成。作为该材料，只要是在自旋轨道转矩配线2中产生自旋流的结构的材料即可。因此，不限于由单体的元素构成的材料，也可以是利用由容易生成自旋流的材料构成的部分和不易生成自旋流的材料构成的部分构成的材料等。
自旋霍尔效应是在材料中流动电流I的情况下，基于自旋轨道相互作用沿与电流I的朝向正交的方向感应自旋流的现象。对通过自旋霍尔效应产生自旋流的机制进行说明。
如果对自旋轨道转矩配线2的两端赋予电位差，则沿着自旋轨道转矩配线2流动电流I。当流动电流I时，沿一个方向取向的第一自旋S1和沿与第一自旋S1相反方向取向的第二自旋S2分别向与电流正交的方向弯曲。例如，第一自旋S1相对于行进方向向z方向弯曲，第二自旋S2相对于行进方向向-z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)会使运动(移动)方向弯曲这一点上是共同的。另一方面，通常的霍尔效应是在磁场中运动的荷电粒子受到洛伦兹力而使运动方向弯曲，与之相对，在自旋霍尔效应中，即使不存在磁场，仅电子移动(仅流动电流)即可使自旋的移动方向弯曲，在这一点上大幅不同。
在非磁性体(不是铁磁性体的材料)中，因为第一自旋S1的电子数和第二自旋S2的电子数相等，所以图中朝向+z方向的第一自旋S1的电子数和朝向-z方向的第二自旋S2的电子数相等。该情况下，电荷的流动相互抵消，电流量成为零。不伴有电流的自旋流被特别地称作纯自旋流。
如果将第一自旋S1的电子的流动表示为J↑，将第二自旋S2的电子的流动表示为J↓，将自旋流表示为JS，则通过JS＝J↑-J↓进行定义。自旋流JS沿图中的z方向流动。在图1中，在自旋轨道转矩配线2的上表面存在后述的第一铁磁性层1A。因此，向第一铁磁性层1A注入自旋。
自旋轨道转矩配线2由具有通过流动电流时的自旋霍尔效应产生自旋流的功能的金属、合金、金属间化合物、金属硼化物、金属碳化物、金属硅化物、金属磷化物中的任一种构成。
自旋轨道转矩配线2的主结构优选为非磁性的重金属。在此，重金属是指具有钇以上的比重的金属。非磁性的重金属优选为在最外壳具有d电子或f电子的原子序号为39以上的原子序号大的非磁性金属。这些非磁性金属产生自旋霍尔效应的自旋轨道相互作用大。
电子通常与该自旋的方向无关地向与电流反方向移动。与之相对，在最外壳具有d电子或f电子的原子序号大的非磁性金属的自旋轨道相互作用大，自旋霍尔效应强力地作用。因此，电子的移动的方向依赖于电子的自旋的方向。因此，在这些的非磁性的重金属中容易产生自旋流JS。
另外，自旋轨道转矩配线2可以包含磁性金属。磁性金属是指铁磁性金属或反铁磁性金属。当非磁性金属中含有微量的磁性金属时，成为自旋的散射因子。当自旋散射时，自旋轨道相互作用被增强，自旋流相对于电流的生成效率变高。自旋轨道转矩配线2的主结构也可以仅由反铁磁性金属构成。
另一方面，当磁性金属的添加量过于增大时，产生的自旋流因添加的磁性金属而被散射，结果是有时自旋流减少的作用增强。因此，添加的磁性金属的摩尔比优选比构成自旋轨道转矩配线的元素的总摩尔比足够小。添加的磁性金属的摩尔比优选为整体的3％以下。
自旋轨道转矩配线2也可以含有拓扑绝缘体。拓扑绝缘体是物质内部为绝缘体或高电阻体，但在其表面产生自旋极化的金属状态的物质。在该物质中，通过自旋轨道相互作用而产生内部磁场。因此，即使没有外部磁场，通过自旋轨道相互作用的效果也能够体现新的拓扑相。这是拓扑绝缘体，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，能够高效地生成纯自旋流。
作为拓扑绝缘体，例如优选SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe2、Bi2Te3、Bi1-xSbx、(Bi1-xSbx)2Te3等。这些拓扑绝缘体可高效地生成自旋流。
[功能部]
功能部1具备第一铁磁性层1A、第二铁磁性层1B、以及被它们夹着的非磁性层1C。功能部1沿与自旋轨道转矩配线2交叉的第二方向(z方向)层叠。
功能部1通过第一铁磁性层1A的磁化M1A和第二铁磁性层1B的磁化M1B的相对角发生变化而电阻值发生变化。第二铁磁性层1B的磁化M1B固定于一个方向(z方向)，第一铁磁性层1A的磁化M1A的方向相对于磁化M1B相对地变化。第二铁磁性层1B有时表述为固定层、参照层等，第一铁磁性层1A表述为自由层、记录层等。在适用于矫顽力差型(伪自旋阀型；Pseudospin valve型)的MRAM的情况下，使第二铁磁性层1B的矫顽力比第一铁磁性层1A的矫顽力大。在适用于交换偏置型(自旋阀；spin valve型)的MRAM的情况下，通过与反铁磁性层的交换耦合而固定第二铁磁性层1B的磁化M1B。
功能部1在非磁性层1C由绝缘体构成的情况下，为与隧道磁阻效应(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件相同的结构，在由金属构成的情况下，为与巨磁阻效应(GMR：Giant Magnetoresistance)元件相同的结构。
功能部1的层叠结构可采用公知的磁阻效应元件的层叠结构。例如，各层可以由多个层构成，也可以具备用于固定第二铁磁性层1B的磁化方向的反铁磁性层等的其它层。第二铁磁性层1B被称作固定层或参照层，第一铁磁性层1A被称作自由层或存储层等。
第一铁磁性层1A及第二铁磁性层1B既可以是磁化M1A、M1B的易磁化轴沿z方向取向的垂直磁化膜，也可以是易磁化轴沿xy面内方向取向的面内磁化膜。
第一铁磁性层1A及第二铁磁性层1B可以应用铁磁性材料。例如，可以使用选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni中的金属、含有一种以上的这些金属的合金、含有这些金属和B、C、及N的至少一种以上的元素的合金等。具体而言，能够示例Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。另外，在第一铁磁性层1A为面内磁化膜的情况下，例如，能够使用Co-Ho合金(CoHo2)、Sm-Fe合金(SmFe12)等。
当第一铁磁性层1A和第二铁磁性层1B中的至少一方使用Co2FeSi等霍伊斯勒合金(Heusler alloy)时，能够更强地表现磁阻效应。霍伊斯勒合金含有具有X2YZ的化学组成的金属间化合物，X在周期表上是Co、Fe、Ni、或Cu族的过渡金属元素或贵金属元素，Y是Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属或X的元素种类，Z是从III族至V族的典型元素。例如可举出Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b、Co2FeGe1-cGac等。
在第二铁磁性层1B上也可以层叠由IrMn、PtMn等反铁磁性材料构成的层。通过设为合成铁磁性耦合的结构，能够减轻第二铁磁性层1B的漏磁场对第一铁磁性层1A带来的影响。
非磁性层1C能够使用公知的材料。例如，在非磁性层1C由绝缘体构成的情况下(隧道势垒层的情况下)，作为该材料，能够使用Al2O3、SiO2、MgO、及MgAl2O4等。除这些之外，也可以使用Al、Si、Mg的一部分被置换为Zn、Be等的材料等。它们之中，MgO或MgAl2O4是能够实现相干隧道的材料，因此能够高效地注入自旋。在非磁性层1C由金属构成的情况下，作为其材料，能够使用Cu、Au、Ag等。进而，在非磁性层1C由半导体构成的情况下，作为其材料，能够使用Si、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In、Ga)Se2等。
功能部1也可以具有其它层。在第一铁磁性层1A的与非磁性层1C相反侧的表面也可以具有基底层。配设于自旋轨道转矩配线2和第一铁磁性层1A之间的层优选不散逸从自旋轨道转矩配线2传播的自旋。例如，银、铜、镁、及铝等已知自旋扩散长长达100nm以上，且自旋不易散逸。该层的厚度优选为构成层的物质的自旋扩散长以下。如果层的厚度为自旋扩散长以下，则能够将从自旋轨道转矩配线2传播的自旋充分传递到第一铁磁性层1A。
＜电压源＞
电压源20与自旋轨道转矩配线2连接，沿自旋轨道转矩配线2的x方向施加电压。电压源20只要能够沿自旋轨道转矩配线2的x方向施加电压即可，可以与自旋轨道转矩配线2直接连接，也可以间接地连接。
电压源20在进行数据写入时，沿自旋轨道转矩配线2的x方向施加环境温度下的临界写入电压以上且规定值倍率以下的电压。在此，环境温度是指自旋轨道转矩型磁阻效应元件10的温度，更具体而言，是指自旋轨道转矩配线2的温度。
临界写入电压V0通过以下的关系式求出。
在对自旋转矩轨道配线2施加了临界写入电压V0时，在功能部1产生的写入错误率(在使功能部1的第一铁磁性层1A的磁化M1A反转时，磁化M1A不沿所希望的方向取向而产生写入错误的概率)在10-3～10-4的范围内。在本说明书中，施加了临界写入电压时的写入错误率为10-3。第一铁磁性层1A的磁各向异性根据温度而不同，另外，自旋轨道转矩配线2的电阻值也根据温度而不同，因此，临界写入电压根据环境温度而不同。
电压源20可施加的下限值即环境温度下的临界写入电压也可以在各温度下实测，但也可以根据-40℃、20℃及100℃下的临界写入电压算出其它温度区域中的临界写入电压的概略值。
首先，求-40℃、20℃及100℃下的临界写入电压。然后，将各临界写入电压绘制于横轴为温度、纵轴为电压的图表上。将绘制的-40℃下的临界写入电压值和20℃下的临界写入电压值用直线连结。同样，将绘制的20℃下的临界写入电压值和100℃下的临界写入电压值用直线连结。可以将位于这些直线上的电压用作各温度下的估算的临界写入电压。即，估算的临界写入电压在高于-40℃且低于20℃的温度区域中是位于连结-40℃下的临界写入电压和20℃下的临界写入电压的直线上的电压，在高于20℃且低于100℃的温度区域中是连结20℃下的临界写入电压和100℃下的临界写入电压的直线上的电压。
电压源20可施加的上限值即规定值满足以下的关系。
在环境温度为-40℃、20℃及100℃的情况下，规定值为使第一铁磁性层1A的磁化M1A反转时的写入错误率与施加了临界写入电压V0时的写入错误率(10-3)相等的界限写入电压。
在环境温度为低于20℃的温度区域的情况下，规定值为位于连结-40℃下的界限写入电压和20℃下的界限写入电压的直线上的电压。
在环境温度为20℃以上的温度区域的情况下，规定值为位于连结20℃下的界限写入电压和100℃下的界限写入电压的直线上的电压。
在利用SOT进行数据的写入的磁存储器100中，对于沿自旋轨道转矩配线2的x方向施加的电压值原理上没有上限。如果施加大的电压，则能够在自旋轨道转矩配线2中流动大的写入电流，原理上能够进一步减小磁阻效应元件的写入错误率。
但是，当实际上使沿自旋轨道转矩配线2的x方向施加的电压值变动时，如果施加规定的电压值以上的电压，则不能稳定地记录数据。即，可知存在可施加的电压的上限值(界限写入电压)。
图2是表示变更沿自旋轨道转矩配线2的x方向施加的写入电压值时的功能部(磁阻效应元件)1的MR比的变化的图。这里所示的MR比为(R-Rp)/Rp，R为测定的电阻值，Rp为第一铁磁性层1A的磁化M1A和第二铁磁性层1B的磁化M1B形成完全平衡状态时的理论电阻值。
如图2所示，如果使沿自旋轨道转矩配线2的x方向施加的电压值上升至0.05V附近，则MR比急剧增大。该变化是指第一铁磁性层1A的磁化M1A和第二铁磁性层1B的磁化M1B从平衡状态移至反平衡状态。即，是指通过施加规定值以上的电压而写入数据。
与之相对，如果使沿自旋轨道转矩配线2的x方向施加的电压值上升至0.08V附近，则在MR比高的状态和低的状态之间开始振动。尽管以第一铁磁性层1A的磁化M1A和第二铁磁性层1B的磁化M1B成为反平衡状态的方式施加写入电压，但在平衡状态和反平衡状态之间，状态不稳定。即，当施加规定值以上的电压时，不能稳定地记录数据。
换言之，如图2所示，当沿自旋轨道转矩配线2的x方向施加规定值以下的电压时，能够稳定地向磁存储器100写入数据。
就电压源20可施加的上限值即规定值而言，在环境温度为20℃以上的情况下，优选为环境温度下的临界写入电压以上且20℃下的临界写入电压的1.65倍以下的电压，在环境温度低于20℃的情况下，优选为环境温度下的临界写入电压以上且20℃下的临界写入电压的1.54倍以下的电压。
另外，在自旋轨道转矩配线2为钨的情况下，规定值V优选为在环境温度低于20℃的温度区域中满足V＝(2.0×10-3×t+1.62)×V0，在环境温度为20℃以上的温度区域中满足V＝(1.3×10-3×t+1.635)×V0。
另外，在自旋轨道转矩配线2为钽的情况下，规定值V优选为在环境温度低于20℃的温度区域中满足V＝(0.8×10-3×t+1.63)×V0，在环境温度为20℃以上的温度区域中满足V＝1.65×V0。
另外，在自旋轨道转矩配线2为铱的情况下，规定值V优选为在环境温度低于20℃的温度区域中满足V＝(0.2×10-3×t+1.7167)×V0，在环境温度为20℃以上的温度区域中满足V＝(1.9×10-3×t+1.6825)×V0。
另外，在自旋轨道转矩配线2为铂的情况下，规定值V优选为在环境温度低于20℃的温度区域中满足V＝(0.8×10-3×t+1.6333)×V0，在环境温度为20℃以上的温度区域中满足V＝(0.3×10-3×t+1.645)×V0。
此外，在上述关系式中，V0为20℃下的临界写入电压，t为环境温度(℃)。
另外，在20℃以上的温度区域中写入数据时，优选沿自旋轨道转矩配线2的x方向施加临界写入电压的1.01倍以上的电压，更优选施加临界写入电压的1.08倍以上的电压，进一步优选施加临界写入电压的1.15倍以上的电压。在低于20℃的温度区域中写入数据时，优选沿自旋轨道转矩配线2的x方向施加临界写入电压的1.05倍以上的电压。另外，电压源20优选可以施加这些电压。
如果能够沿自旋轨道转矩配线2的x方向施加超过临界写入电压的电压，则产生第一铁磁性层1A的磁化反转，但写入错误率不能说足够小。当在各温度域施加上述值以上的电压时，能够使第一铁磁性层1A的磁化更稳定地反转。即，能够实现更稳定的数据的写入。如果施加上述值以上的电压，则能够将磁存储器100的写入错误率抑制在10-7以下。
另外，在自旋轨道转矩配线2为钨的情况下，优选施加以下的下限电压Vmin以上的电压。下限电压Vmin优选为在环境温度低于20℃的温度区域中满足Vmin＝(1.2×10-3×t+0.9967)×V0，在环境温度为20℃以上的温度区域中满足Vmin＝(9.3×10-3×t+0.835)×V0。
另外，在自旋轨道转矩配线2为钽的情况下，优选施加以下的下限电压Vmin以上的电压。下限电压Vmin优选在环境温度低于20℃的温度区域中满足Vmin＝(0.5×10-3×t+1.01)×V0，在环境温度为20℃以上的温度区域中满足Vmin＝(0.8×10-3×t+1.005)×V0。
另外，在自旋轨道转矩配线2为铱的情况下，优选施加以下的下限电压Vmin以上的电压。下限电压Vmin优选为在环境温度低于20℃的温度区域中满足Vmin＝(0.2×10-3×t+1.0567)×V0，在环境温度为20℃以上的温度区域中满足Vmin＝(1.1×10-3×t+1.0375)×V0。
另外，在自旋轨道转矩配线2为铂的情况下，优选施加以下的下限电压Vmin以上的电压。下限电压Vmin优选为在环境温度低于20℃的温度区域中满足Vmin＝(0.3×10-3×t+1.0033)×V0，在环境温度为20℃以上的温度区域中满足Vmin＝(0.2×10-3×t+1.005)×V0。
此外，在上述关系式中，V0为20℃下的临界写入电压，t为环境温度(℃)。
另外，沿自旋轨道转矩配线2的x方向施加的电压优选为临界写入电压的1.2倍以上且1.54倍以下。磁存储器100暴露的环境温度根据用户的使用状态而变化。因此，有时寻求-40℃以上且100℃以下的宽的温度域下的数据的保证。如果沿自旋轨道转矩配线2的x方向施加临界写入电压的1.2倍以上且1.54倍以下的电压，则能够在-40℃以上且100℃以下的宽的温度域稳定地写入数据。
＜温度计＞
图3是本实施方式的磁存储器的其它例子的剖面示意图。如图3所示，磁存储器101也可以具备温度计30。温度计30根据自旋轨道转矩配线2的电阻值换算自旋轨道转矩配线2的温度。将所换算的温度发送到电压控制部40。电压控制部40基于温度决定电压源20对自旋轨道转矩配线2施加的电压。
如果通过温度计30测定使用时的温度，则无需在使用磁存储器的环境温度域整体中将写入电压的范围限定在可控制的范围。可按照实际使用的环境温度决定写入电压，能够进行更优选的数据写入。
温度计30不限于一个，也可以有多个。例如，也可以在成为从z方向观察自旋轨道转矩配线2时的四个角的位置分别设置温度计30。
在图1及图3中，示例了由功能部1和自旋轨道转矩配线2构成的自旋轨道转矩型磁阻效应元件10在磁存储器100、101中存在一个的情况，但自旋轨道转矩型磁阻效应元件10也可以有多个。为了提高磁存储器100、101的集成性，优选相邻的自旋轨道转矩型磁阻效应元件10间的距离极其靠近。因此，有时相邻的自旋轨道转矩型磁阻效应元件10的发热等会对写入电压值带来影响。该情况下，通过利用多个温度计30精密地测定各自旋轨道转矩配线2的温度，从而能够进行最佳的数据写入。
如上所述，根据本实施方式的磁存储器，能够稳定地写入数据。
(数据的写入方法)
本实施方式的数据的写入方法控制沿上述的自旋轨道转矩型磁阻效应元件10的自旋轨道转矩配线2的x方向施加的写入电压。
写入电压为环境温度下的临界写入电压以上且规定值以下。规定值与上述同样地求出。
写入电压在环境温度为20℃以上的温度区域的情况下，优选为环境温度下的临界写入电压以上且20℃下的临界写入电压的1.65倍以下，在环境温度低于20℃的温度区域的情况下，优选为环境温度下的临界写入电压以上且20℃下的临界写入电压的1.54倍以下。
另外，写入电压优选为在20℃以上的温度区域中为临界写入电压的1.01倍以上，更优选为临界写入电压的1.08倍以上，进一步优选为临界写入电压的1.15倍以上。在低于20℃的温度区域，写入电压优选为临界写入电压的1.05倍以上。进而，写入电压在-40℃以上且100℃以下的温度区域中更优选为临界写入电压的1.2倍以上且1.54倍以下。
另外，在自旋轨道转矩配线2的材料特定的情况下，优选基于上述的关系式决定在数据写入时施加的上限值及下限值。
环境温度下的临界写入电压可以在各温度下实测，也可以根据-40℃、20℃及100℃下的临界写入电压算出其它温度区域中的临界写入电压的概略值。
如上所述，根据本实施方式的数据写入方法，能够在磁存储器稳定地写入数据。
以上详述了本发明的优选的实施方式，但本发明不限于特定的实施方式，可以在不脱离权利要求书内记载的本发明的宗旨的范围内进行各种变形、变更。
实施例
(实施例1)
制作图1所示的自旋轨道转矩型磁阻效应元件10。在热氧化Si基板上层叠3nm的钨(W)。然后，将由该钨构成的层加工成宽度50nm、长度300nm，制成自旋轨道转矩配线2。然后，将其周围用由氧化硅构成的绝缘膜包覆。
接着，在自旋轨道转矩配线2及绝缘膜上按CoFeB(厚度1nm)、MgAl2O4(厚度3nm)、CoFeB(厚度1nm)、Ta(厚度0.4nm)、[Co(厚度0.4nm)/Pt(厚度0.8nm)]4、Co(厚度0.4nm)、Ru(厚度0.4nm)、[Co(厚度0.4nm)/Pt(厚度0.8nm)]5、Co(厚度0.4nm)、Pt(厚度10nm)的顺序形成层。然后，在将所制作的层以350℃退火后，加工成50nm×50nm的方形，制作了功能部1。首先层叠的CoFeB与第一铁磁性层1A对应，MgAl2O4与非磁性层1C对应，SAF(syntheticantiferromagnetic)结构与第二铁磁性层1B对应。第一铁磁性层1A是垂直磁化膜。
将自旋轨道转矩型磁阻效应元件10以10×10阵列配置，将各自的旋轨道转矩配线2与电压源20连接，完成磁存储器。而且，对自旋轨道转矩配线2施加写入脉冲，评价写入错误率的变化。在写入时沿x方向施加100Oe的磁场。写入脉冲将脉宽设为10nsec。以写入10nsec、待机10nsec、读出20nsec、待机10nsec的60nsec设为一个周期时间。对于写入错误率，测定各元件的低电阻状态和高电阻状态的电阻值，以各自的平均电阻为“0”、“1”的数据写入的基准，将不能实现目标的写入状态的情况设为错误并进行计数。在进行数据的读出时，沿功能部1的层叠方向施加1mV的电压。
图4A表示改变了写入脉冲的施加电压值时的实施例1的磁存储器的写入错误率的变化。在施加电压小的状态下，不开始写入，因此，不能实现目标的写入状态，作为错误被输出。另一方面，当增大施加电压值时，开始写入，写入错误率减小。临界写入电压V0为0.04842V，在施加了0.04890V的时点，写入错误率为10-7。将写入错误率为10-7以下的电压设为下限电压V1。下限电压V1为临界写入电压V0的1.01倍。
图4B表示改变了写入脉冲的施加电压值时的实施例1的磁存储器的写入错误率的变化。当施加电压超过规定值时，写入错误率增加。将写入错误率为10-7以上的电压设为上限电压V2时，上限电压V2为0.08038V。该上限电压V2为临界写入电压V0的1.66倍。
图4A所示的图表能够以以下的关系式(1)进行拟合。在以下的关系式中，P1为从反平衡状态(作为数据为“1”)移至平衡状态(作为数据为“0”)或者从平衡状态(作为数据为“0”)移至反平衡状态(作为数据为“1”)的概率，tp为施加脉冲时间，t0为理论上磁化反转所需的时间，ΔP(AP)是表示热稳定性的值，V0是临界写入电压。此外，ΔP(AP)通过KV/kBT(K为单轴磁各向异性、V为体积、kB为玻尔兹曼常数、T为绝对温度)。
另外，图4B所示的图表通过以下的关系式(2)进行拟合。在以下的关系式中，P2为从反平衡状态(作为数据为“1”)或平衡状态(作为数据为“0”)成为平衡状态和反平衡状态的任一状态或移至不稳定的状态(作为数据为“0.5”)的概率，tp是施加脉冲时间，t0是理论上磁化反转所需的时间，通常为1nsec。ΔP(AP)是表示热稳定性的值，V0’是界限写入电压。此外，ΔP(AP)由KV/kBT(K为单轴磁各向异性、V为体积、kB为玻尔兹曼常数、T为绝对温度)求出。界限写入电压V0’是从稳定地写入数据的状态起至写入错误率为10-3时的电压。
(实施例2)
在实施例2中，将磁存储器暴露的环境温度设为-40℃这一点与实施例1不同。其它条件与实施例1相同。自旋轨道转矩配线2的电阻率在20℃下为53.8μΩcm，但成为40μΩcm。
实施例2中的磁存储器的-40℃下的临界写入电压V0为0.04554V，下限电压V1为0.04600V，上限电压V2为0.07457V。即，下限电压V1为20℃下的临界写入电压V0的0.95倍，上限电压V2为20℃下的临界写入电压V0的1.54倍。
(实施例3)
在实施例3中，将磁存储器暴露的环境温度设为100℃这一点与实施例1不同。其它条件与实施例1相同。自旋轨道转矩配线2的电阻率在20℃下为53.8μΩcm，但成为73μΩcm。
实施例3中的磁存储器的100℃下的临界写入电压V0为0.05178V，下限电压V1为0.05229V，上限电压V2为0.08522V。即，下限电压V1为20℃下的临界写入电压V0的1.08倍，上限电压V2为20℃下的临界写入电压V0的1.76倍。
(实施例4)
在实施例4中，将磁存储器暴露的环境温度设为0℃这一点与实施例1不同。其它条件与实施例1相同。0℃下的临界写入电压V0根据-40℃的结果和20℃的结果进行估算，为0.04746V。
实施例4中的磁存储器的下限电压V1为0.04794V，上限电压V2为0.07844V。即，下限电压V1为20℃下的临界写入电压V0的0.99倍，上限电压V2为20℃下的临界写入电压V0的1.62倍。该值满足自旋轨道转矩配线2为钨时的关系式。另外，即使是估算的临界写入电压，通过上限电压V2存在于规定的范围内，也能够确认能够稳定地写入数据。
(实施例5)
在实施例5中，将磁存储器暴露的环境温度设为50℃这一点与实施例1不同。其它条件与实施例1相同。50℃下的临界写入电压V0根据20℃的结果和100℃的结果进行估算，为0.04968V。
实施例5中的磁存储器的下限电压V1为0.05018V，上限电压V2为0.08219V。即，下限电压V1为20℃下的临界写入电压V0的1.04倍，上限电压V2为20℃下的临界写入电压V0的1.70倍。该值满足自旋轨道转矩配线2为钨时的关系式。另外，确认了即使是估算的临界写入电压，通过上限电压V2存在于规定的范围内，也能够稳定地写入数据。
(实施例6)
实施例6中，将构成自旋轨道转矩配线2的材料从钨(W)变为钽(Ta)这一点与实施例1不同。其它条件与实施例1相同。
图5A及图5B表示改变了写入脉冲的施加电压值时的实施例6的磁存储器的写入错误率的变化。图5A所示的图表能够通过上述关系式(1)进行拟合，图5B所示的图表能够通过上述关系式(2)进行拟合。临界写入电压V0为0.1423V，下限电压V1为0.1438V。下限电压V1为临界写入电压V0的1.01倍。上限电压V2为0.2349V。上限电压V2为临界写入电压V0的1.65倍。
(实施例7)
在实施例7中，将磁存储器暴露的环境温度设为-40℃这一点与实施例6不同。其它条件与实施例6相同。自旋轨道转矩配线2的电阻率在20℃下为131.8μΩcm，但成为102μΩcm。
实施例7中的磁存储器的-40℃下的临界写入电压V0为0.1395V，下限电压V1为0.1409V，上限电压V2为0.2278V。即，下限电压V1为20℃下的临界写入电压V0的0.99倍，上限电压V2为20℃下的临界写入电压V0的1.60倍。
(实施例8)
在实施例8中，将磁存储器暴露的环境温度设为100℃这一点与实施例6不同。其它条件与实施例6相同。自旋轨道转矩配线2的电阻率在20℃下为131.8μΩcm，但成为167μΩcm。
实施例8中的磁存储器的100℃下的临界写入电压V0为0.1423V，下限电压V1为0.1438V，上限电压V2为0.2349V。即，下限电压V1为20℃下的临界写入电压V0的1.01倍，上限电压V2为20℃下的临界写入电压V0的1.65倍。
(实施例9)
实施例9中，将构成自旋轨道转矩配线2的材料从钨(W)变为铱(Ir)这一点与实施例1不同。其它条件与实施例1相同。
图6A及图6B表示改变了写入脉冲的施加电压值时的实施例9的磁存储器的写入错误率的变化。图6A所示的图表能够通过上述关系式(1)进行拟合，图6B所示的图表能够通过关系式(2)进行拟合。临界写入电压V0为0.04036V，下限电压V1为0.04076V。下限电压V1为临界写入电压V0的1.06倍。上限电压V2为0.06982V。上限电压V2为临界写入电压V0的1.72倍。
(实施例10)
在实施例10中，将磁存储器暴露的环境温度设为-40℃这一点与实施例9不同。其它条件与实施例9相同。自旋轨道转矩配线2的电阻率在20℃下为47.2μΩcm，但成为39μΩcm。
实施例10中的磁存储器的-40℃下的临界写入电压V0为0.04036V，下限电压V1为0.04237V，上限电压V2为0.06901V。即，下限电压V1为20℃下的临界写入电压V0的1.05倍，上限电压V2为20℃下的临界写入电压V0的1.71倍。
(实施例11)
在实施例11中，将磁存储器暴露的环境温度设为100℃这一点与实施例9不同。其它条件与实施例9相同。自旋轨道转矩配线2的电阻率在20℃下为47.2μΩcm，但成为68μΩcm。
实施例11中的磁存储器的100℃下的临界写入电压V0为0.04595V，下限电压V1为0.04641V，上限电压V2为0.07547V。即，下限电压V1为20℃下的临界写入电压V0的1.15倍，上限电压V2为20℃下的临界写入电压V0的1.87倍。
(实施例12)
实施例12中，将构成自旋轨道转矩配线2的材料从钨(W)变为铂(Pt)这一点与实施例1不同。其它条件与实施例1相同。
图7A及图7B表示改变了写入脉冲的施加电压值时的实施例12的磁存储器的写入错误率的变化。图7A所示的图表能够通过上述关系式(1)进行拟合，图7B所示的图表能够通过上述关系式(2)进行拟合。临界写入电压V0为0.1046V，下限电压V1为0.1057V。下限电压V1为临界写入电压V0的1.01倍。上限电压V2为0.1726V。上限电压V2为临界写入电压V0的1.65倍。
(实施例13)
在实施例13中，将磁存储器暴露的环境温度设为-40℃这一点与实施例12不同。其它条件与实施例13相同。自旋轨道转矩配线2的电阻率在20℃下为105.7μΩcm，但成为82μΩcm。
实施例13中的磁存储器的-40℃下的临界写入电压V0为0.1025V，下限电压V1为0.1036V，上限电压V2为0.1674V。即，下限电压V1为20℃下的临界写入电压V0的1.0倍，上限电压V2为20℃下的临界写入电压V0的1.60倍。
(实施例14)
在实施例14中，将磁存储器暴露的环境温度设为100℃这一点与实施例12不同。其它条件与实施例12相同。自旋轨道转矩配线2的电阻率在20℃下为105.7μΩcm，但成为136.0μΩcm。
实施例14中的磁存储器的100℃下的临界写入电压V0为0.1067V，下限电压V1为0.1078V，上限电压V2为0.1747V。即，下限电压V1为20℃下的临界写入电压V0的1.03倍，上限电压V2为20℃下的临界写入电压V0的1.67倍。
此外，在各材料中使温度变化的结果中，也能够分别使用关系式(1)及关系式(2)进行拟合。

Claims (10)

1.一种数据的写入方法，其中，
在具备沿第一方向延伸的自旋轨道转矩配线和功能部的自旋轨道转矩型磁阻效应元件中，将所述自旋轨道转矩配线的沿所述第一方向施加的电压设为环境温度下的临界写入电压以上且规定值以下，
其中，所述功能部层叠于所述自旋轨道转矩配线的一面，并且从所述自旋轨道转矩配线侧起具备第一铁磁性层、非磁性层和第二铁磁性层，
所述规定值为：
在环境温度为-40℃、20℃及100℃下，为使所述第一铁磁性层的磁化反转时的写入错误率与施加了所述临界写入电压时的写入错误率相等的界限写入电压；
在环境温度低于20℃的温度区域中，为位于连结-40℃下的界限写入电压和20℃下的界限写入电压的直线上的电压；
在环境温度为20℃以上的温度区域中，为位于连结20℃下的界限写入电压和100℃下的界限写入电压的直线上的电压。
2.根据权利要求1所述的数据的写入方法，其中，
在环境温度为20℃以上的温度区域的情况下，在进行数据写入时，沿所述自旋轨道转矩配线的所述第一方向施加20℃下的临界写入电压的1.01倍以上的电压，
在环境温度低于20℃的温度区域的情况下，在进行数据写入时，沿所述自旋轨道转矩配线的所述第一方向施加20℃下的临界写入电压的1.05倍以上的电压。
3.根据权利要求1或2所述的数据的写入方法，其中，
在环境温度为20℃以上的情况下，在进行数据写入时，沿所述自旋轨道转矩配线的所述第一方向施加所述环境温度下的临界写入电压以上且20℃下的临界写入电压的1.65倍以下的电压，
在环境温度低于20℃的情况下，在进行数据写入时，沿所述自旋轨道转矩配线的所述第一方向施加所述环境温度下的临界写入电压以上且20℃下的临界写入电压的1.54倍以下的电压。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的数据的写入方法，其中，
在-40℃以上且100℃以下的温度区域写入数据时，沿所述自旋轨道转矩配线的所述第一方向施加临界写入电压的1.2倍以上且1.54倍以下的电压。
5.根据权利要求1所述的数据的写入方法，其中，
所述自旋轨道转矩配线为钨，
就所述规定值V而言，在将20℃下的所述临界写入电压设为V0，将环境温度设为t的情况下，其中所述t的单位为℃，
在环境温度低于20℃的温度区域中，
满足V＝(2.0×10-3×t+1.62)×V0；
在环境温度为20℃以上的温度区域中，
满足V＝(1.3×10-3×t+1.635)×V0。
6.根据权利要求1所述的数据的写入方法，其中，
所述自旋轨道转矩配线为钽，
就所述规定值V而言，在将20℃下的所述临界写入电压设为V0，将环境温度设为t的情况下，其中所述t的单位为℃，
在环境温度低于20℃的温度区域中，
满足V＝(0.8×10-3×t+1.63)×V0；
在环境温度为20℃以上的温度区域中，
满足V＝1.65×V0。
7.根据权利要求1所述的数据的写入方法，其中，
所述自旋轨道转矩配线为铱，
就所述规定值V而言，在将20℃下的所述临界写入电压设为V0，将环境温度设为t的情况下，其中所述t的单位为℃，
在环境温度低于20℃的温度区域中，
满足V＝(0.2×10-3×t+1.7167)×V0；
在环境温度为20℃以上的温度区域中，
满足V＝(1.9×10-3×t+1.6825)×V0。
8.根据权利要求1所述的数据的写入方法，其中，
所述自旋轨道转矩配线为铂，
就所述规定值V而言，在将20℃下的所述临界写入电压设为V0，将环境温度设为t的情况下，其中所述t的单位为℃，
在环境温度低于20℃的温度区域中，
满足V＝(0.8×10-3×t+1.6333)×V0；
在环境温度为20℃以上的温度区域中，
满足V＝(0.3×10-3×t+1.645)×V0。
9.一种磁存储器，其中，
具备：
自旋轨道转矩配线，其沿第一方向延伸；
功能部，其层叠于所述自旋轨道转矩配线的一面，从所述自旋轨道转矩配线侧起具备第一铁磁性层、非磁性层和第二铁磁性层；以及
电压源，其与所述自旋轨道转矩配线连接，能够沿所述第一方向施加环境温度下的临界写入电压以上且规定值以下的电压，
就所述规定值而言，
在环境温度为-40℃、20℃及100℃下，为使所述第一铁磁性层的磁化反转时的写入错误率与施加了所述临界写入电压时的写入错误率相等的界限写入电压；
在环境温度低于20℃的温度区域中，为位于连结-40℃下的界限写入电压和20℃下的界限写入电压的直线上的电压；
在环境温度为20℃以上的温度区域中，为位于连结20℃下的界限写入电压和100℃下的界限写入电压的直线上的电压。
10.根据权利要求9所述的磁存储器，其中，
还具备温度计，其与所述自旋轨道转矩配线连接，并根据所述自旋轨道转矩配线的电阻值换算所述自旋轨道转矩配线的温度。
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