JP2005223086A - 磁気記憶素子及びその駆動方法、磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】 低い電流で情報を記録することができる磁気記憶素子、及び磁気記憶素子に情報の記録や読み出しを行う磁気記憶素子の駆動方法、並びに磁気記憶素子を備えて成る磁気メモリを提供する。
【解決手段】 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層２１が少なくとも２層の磁性層１６，１８とその間の非磁性層１７から成り、記憶層２１の２層の磁性層１６，１８のうちの一方の磁性層１８が、他方の磁性層１６に対して、磁化の制動定数と磁化量と磁気異方性との積が大きく、かつ磁化量と磁気異方性の積が小さい磁気記憶素子１０を構成する。また、上記磁気記憶素子１０に対して、記憶層２１に電流を流して情報の記録を行う。さらに、上記磁気記憶素子１０を備え、記憶層２１に電流を流すことにより情報の記録が行われる磁気メモリを構成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、磁気記憶素子及び磁気記憶素子に情報の記録や読み出しを行う磁気記憶素子の駆動方法、並びに磁気記憶素子を備えて成る磁気メモリに係わる。

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。

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（例えば非特許文献１参照）。

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。

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り、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。

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。

日経エレクトロニクス ２００１．２．１２号（第１６４頁−１７１頁） 特開２００３−１７７８２号公報

しかしながら、上述したスピン注入による磁化反転を利用して情報の記録を行う構成において、磁化情報の検出に強磁性トンネル効果を用いる場合、素子抵抗が高くなるため、記録の電圧により絶縁層の破壊が生じてしまい、問題となる。

また、スピン注入による磁化反転のみで自由に情報を書き換えるためには、スピン注入によって両極性の動作を行うことが必要である。
しかし、原理的に、スピン注入によって上記２つの磁性体（磁性体及び他の磁性体）の磁化を反平行にするためには、スピン注入により上記２つの磁性体の磁化を平行にするときと比較して、より大きな電流が必要である。
このことが、低い電流で自由に書き換えができる情報記憶素子を実現する上で、課題となる。

上述した問題の解決のために、本発明においては、低い電流で情報を記録することができる磁気記憶素子、及び磁気記憶素子に情報の記録や読み出しを行う磁気記憶素子の駆動方法、並びに磁気記憶素子を備えて成る磁気メモリを提供するものである。

本発明の磁気記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を少なくとも有し、この記憶層が少なくとも２層の磁性層とその間の非磁性層から成り、２層の磁性層のうち一方の磁性層が、他方の磁性層に対して、磁化の制動定数と磁化量と磁気異方性との積が大きく、かつ磁化量と磁気異方性の積が小さいものである。

本発明の磁気記憶素子の駆動方法は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を少なくとも有し、この記憶層が少なくとも２層の磁性層とその間の非磁性層から成り、２層の磁性層のうち一方の磁性層が、他方の磁性層に対して、磁化の制動定数と磁化量と磁気異方性との積が大きく、かつ磁化量と磁気異方性の積が小さい磁気記憶素子に対して、記憶層に電流を流して情報の記録を行うものである。

本発明の磁気メモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を少なくとも有し、この記憶層が少なくとも２層の磁性層とその間の非磁性層から成り、２層の磁性層のうち一方の磁性層が、他方の磁性層に対して、磁化の制動定数と磁化量と磁気異方性との積が大きく、かつ磁化量と磁気異方性の積が小さい磁気記憶素子を備え、この磁気記憶素子の記憶層に電流を流すことにより、情報の記録が行われるものである。

上述の本発明の磁気記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を少なくとも有し、この記憶層が少なくとも２層の磁性層とその間の非磁性層から成り、２層の磁性層のうち一方の磁性層が、他方の磁性層に対して、磁化の制動定数と磁化量と磁気異方性との積が大きく、かつ磁化量と磁気異方性の積が小さいことにより、一方の磁性層は、スピン注入では磁化の向きが変化しやすく、静磁結合等の磁気的力では磁化の向きが変化しにくい性質を有し、他方の磁性層は、静磁結合等の磁気的力では磁化の向きが変化しやすいが、スピン注入では磁化の向きが変化しにくい性質を有する。
従って、記憶層に電流を流してスピンを注入すれば、スピン注入で磁化の向きが変化しやすい他方の磁性層の磁化の向きが変わる。さらに電流を停止することにより、他方の磁性層との静磁結合の作用により一方の磁性層の磁化の向きが変わって、記憶層の２層の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。
そして、他方の磁性層はスピン注入で磁化の向きが変化しやすいため、比較的小さい電流量で磁化の向きを反転させることができ、また一方の磁性層は他方の磁性層との静磁結合により電流を流さない状態で磁化の向きを反転させることができることから、小さい電流量で記憶層の２層の磁性層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことが可能になる。
さらに、一方の極性即ち同じ向きの電流のみにより、記憶層の磁性層の磁化の向きをどちらの向きにも反転させることができるため、電流を流すための駆動回路の構成を簡略化することが可能になる。

また、本発明の磁気記憶素子は、例えば、記憶層を含む各層が同じ平面パターンで積層された積層体から成り、記憶層の２層の磁性層の膜厚等の条件を異ならせて構成することにより、微細化することが比較的容易な構成とすることができる。

上述の本発明の磁気記憶素子の駆動方法によれば、上記本発明の磁気記憶素子に対して、記憶層に電流を流して情報の記録を行うことにより、小さい電流量で記憶層の２層の磁性層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができると共に、同じ向きの電流のみにより、記憶層の磁性層の磁化の向きをどちらの向きにも反転させることができるため、電流を流すための駆動回路の構成を簡略化することが可能になる。

上述の本発明の磁気メモリの構成によれば、上記本発明の磁気記憶素子を備えて、記憶層に電流を流すことにより情報の記録が行われることにより、小さい電流量で記憶層の２層の磁性層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができると共に、同じ向きの電流のみにより、記憶層の磁性層の磁化の向きをどちらの向きにも反転させることができるため、電流を流すための駆動回路の構成を簡略化することができる。
また、上述したように磁気記憶素子を微細化することが比較的容易な構成とすることができるため、これにより、磁気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。

また、上記本発明の磁気記憶素子及びその駆動方法、磁気メモリにおいて、記憶層の膜厚方向における磁気記憶素子の電流−電圧特性が、電流の向きにより非対称である構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、さらに、記憶層の膜厚方向に電流を流して情報の記録及び情報の読み出しを行うようにすると共に、情報の記録と情報の読み出しとで流す電流の向きを逆向きとすることにより、情報の記録の際には磁気記憶素子の抵抗を低減することが可能になり、かつ情報の読み出しの際には読み出し電圧を大きくすることが可能になる。これにより、情報の記録の際には充分な電流を流し、情報の読み出しの際には情報の読み出しを容易にすることができる。
また、情報の記録と情報の読み出しとで電極を共用することができるため、さらに、電極の構成や駆動回路の構成を簡略化することができる。

上述の本発明によれば、消費電力の少ない、高密度の不揮発性磁気メモリを実現することが可能になる。

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。
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を、少なくとも２層の磁性層とその間の非磁性層を有する構造として、磁気記憶素子を構成する。
また、この記憶層に対して、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。

スピン注入により磁化反転を行う方法としては、磁化の向きが固定された磁性層と、記憶層との間に、偏極電子を流すことにより記憶層の磁化反転を行う方法が提案されている。
ここで、スピン注入による磁化反転現象を、図１０及び図１１に模式的に示す。
上層の第１の磁性層１１１、非磁性層１１２、下層の第２の磁性層１１３の３層が積層された構造に対して、電子１０１を注入する。電子１０１を膜厚方向に注入した場合を図１０に示し、電子１０１を膜面方向に注入した場合を図１１に示す。

まず、図１０に示すように、電子１０１を上層から下層に向かって膜厚方向に注入した場合には、電子１０１が上層の第１の磁性層１１１を通過する際に電子スピンが偏極し、非磁性層１１２を通過して、下層の第２の磁性層１１３に入るが、一部の電子１０１が反射され、反射されるときに電子１０１のスピンと第２の磁性層１１３との間で磁気モーメントのやりとりがあり、下層の第２の磁性層１１３の磁化Ｍ１１３に回転トルクが働き、第２の磁性層１１３の磁化Ｍ１１３の向きが膜面方向から回転する。
さらに、反射された電子１０１が上層の第１の磁性層１１１に戻り、ここで一部の電子１０１が反射されることによって、電子１０１のスピンと第１の磁性層１１１との間で磁気モーメントのやりとりがあり、上層の第１の磁性層１１１の磁化Ｍ１１１にも回転トルクが働き、第１の磁性層１１１の磁化Ｍ１１１の向きも膜面方向から回転する。

ここで、上層の第１の磁性層１１１の磁化Ｍ１１１の向きを固定すると、下層の第２の磁性層１１３の磁化Ｍ１１３のみが回転するため、電流を膜厚方向に流すことにより、第２の磁性層１１３の磁化Ｍ１１３の向きを回転させていって、第１の磁性層１１１の磁化Ｍ１１１と第２の磁性層１１３の磁化Ｍ１１３とを平行にすることができる。
一方、下層の磁性層１１３の磁化Ｍ１１３の向きを固定すると、磁化を反平行にすることができる。ただし、反平行にするのは効率が悪いので、平行にするより大きな電流が必要である。
第１の磁性層１１１及び第３の磁性層１１３が、いずれも磁化Ｍ１１１，Ｍ１１３の向きが固定されていない場合には、膜厚方向に電流を流すことにより、これらの磁化Ｍ１１１，Ｍ１１３の向きが平行になる力が強くなる。

次に、図１１に示すように、電子１０１を面内方向に注入した場合には、注入された電子１０１が、非磁性層１１２と上層の第１の磁性層１１１との界面及び非磁性層１１２と下層の第２の磁性層１１３との界面で散乱されながら、上層の第１の磁性層１１１と下層の第２の磁性層１１３との間で磁気モーメントをやりとりする。
これにより、第１の磁性層１１１の磁化Ｍ１１１と第２の磁性層１１３の磁化Ｍ１１３とが平行になるように力が働く。

以上のように、磁性層の面内方向に電流を流したときも、磁性層の膜厚方向に電流を流したときと同様の効果が得られる。

そして、スピン注入による磁化反転を起こすために必要な電流Ｉｃは、下記の式（１）で表される（Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｚｅｗｓｋｉ：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌｕｍｅ１５９（１９９６）Ｌ１参照）。
Ｉｃ＝α・ｅ・γ・Ｍｓ・Ｖ・Ｈ_ｅｆｆ／（ｇ・μ_Ｂ） （１）
ここで、αは制動定数、ｅは電子の電荷、γはジャイロ定数、Ｍｓは磁化が回転する磁性層の飽和磁化、Ｈ_ｅｆｆは磁気異方性による異方性磁界（Ｈａ）や外部磁場等の磁性層に働く有効磁場、Ｖは磁性層の体積、ｇはスピン注入効率、μ_Ｂはボーア磁子である。

この式（１）から、スピン注入により磁化反転するための電流Ｉｃは、磁性体の制動定数αと磁性層の飽和磁化Ｍｓと磁性層に働く有効磁場Ｈ_ｅｆｆの積に比例することがわかる。そして、磁性層の磁化量Ｍは、飽和磁化と磁性体の体積の積に比例するため、膜厚と平面パターンが同じであるならば飽和磁化Ｍｓに比例する。また、有効磁場Ｈ_ｅｆｆと磁性層の磁気異方性による異方性磁界Ｈａとは、外部磁場や層間の磁気的な作用がなければ、ほぼ等しくなる。
従って、スピン注入により磁化反転するための電流Ｉｃは、制動定数αと磁性層の磁化量Ｍと異方性磁界Ｈａとの積に比例することがわかる。

この比例関係から、記憶層を構成する非磁性層を挟んだ２層の磁性層のうち、一方の磁性層を他方の磁性層に対して、制動定数αと磁化量Ｍ及び異方性磁界Ｈａの大きな層として、電流を流すと、制動定数αと磁化量Ｍ及び異方性磁界Ｈａが大きい方の磁性層の磁化が動きにくく、小さい方の磁性層の磁化が動きやすい。
また、静磁結合等の磁気的力では、制動定数αの大きさの違いによる影響はほとんどないが、磁化量Ｍや異方性磁界Ｈａが大きい方の磁性層の磁化が動きにくく、小さい方の磁性層の磁化が動きやすい。
そこで、一方の磁性層を、制動定数αと磁化量Ｍ及び異方性磁界Ｈａの積が大きく、かつ磁化量Ｍと異方性磁界Ｈａの積が小さいように設定すると、スピン注入では磁化が動きにくく、静磁結合等の磁気的力では動きやすくなる。

ここで、図１に模式的断面図を示すように、上層の第１の磁性層１と下層の第２の磁性層２との間に非磁性層３を挟んで記憶層４が構成され、さらに、下層の第２の磁性層２の方が、上層の第１の磁性層１よりも、制動定数αと磁化量Ｍ及び異方性磁界Ｈの積が大きく、かつ磁化量Ｍと異方性磁界Ｈの積が小さい構成とする。定常時には、第１の磁性層１の磁化Ｍ１の向きと第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きとが反平行になる。
また、スピン注入では第１の磁性層１の磁化Ｍ１の方が動きやすく、静磁結合等の磁気的力では第２の磁性層２の磁化Ｍ２の方が動きやすい。

次に、このような構成の記憶層４に対して、電流を流してスピン注入による磁化反転を行ったときの動作を、模式的に図２に示す。図２は２つの磁性層１，２を磁化Ｍ１，Ｍ２の向きが分かりやすいようにずらして展開して示している。
なお、磁気異方性は、図１では左右方向であり、図２では上下方向である。

まず、初期状態では、図２Ａに示すように、第１の磁性層１の磁化Ｍ１が上向き、第２の磁性層２の磁化Ｍ２が下向きで、互いに反平行の向きになっている。
次に、電流を流すと、図２Ｂに示すように、スピン注入により回転しやすい上層の第１の磁性層１の磁化Ｍ１が大きく回転し、下層の第２の磁性層２の磁化Ｍ２の回転は少ない。
次に、図２Ｃに示すように、ある程度の時間電流を流すと、磁化の動きが止まり、磁気トルクと磁気異方性や相互作用等による力とが均衡すると、各磁性層１，２の磁化Ｍ１，Ｍ２が一定角度を保って安定する。このとき、上層の第１の磁性層１の方が異方性磁界Ｈと磁化量Ｍの積が大きいので、上層の第１の磁性層１の磁化Ｍ１は、下層の第２の磁性層２の磁化Ｍ２よりも異方性磁界の方向（図中上下方向）に近いところで安定する。
次に、図２Ｄに示すように、電流を遮断すると、各磁性層１，２の磁化Ｍ１，Ｍ２が反平行である状態が安定であるため、反平行になるように磁化Ｍ１，Ｍ２が回転する。このとき、磁気的力では、上層の第１の磁性層１の磁化Ｍ１よりも下層の第２の磁性層２の磁化Ｍ２の方が回転しやすいため、下層の第２の磁性層２の磁化Ｍ２が大きく回転し、向きが反転する。
そして、最終的には、図２Ｅに示すように、第１の磁性層１の磁化Ｍ１が下向きに、第２の磁性層２の磁化Ｍ２が上向きに変化する。即ち、初期状態に対して、各磁性層１，２の磁化Ｍ１，Ｍ２が反転した状態に変化する。
このようにして、磁化反転動作を行うことができる。

また、図３Ａ〜図３Ｅに示すように、逆方向に磁化反転させることによって、図２Ｅに示した磁化状態から図２Ａに示した磁化状態に変化させることができる。このとき、流す電流の向きは同じ（電子のスピン極性が同じ）であり、必要な電流量は同じになる。

制動定数αを増加させる方法としては、例えば、２層の磁性層のうち制動定数αを増加させる一方の磁性層に、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔの少なくとも１種を主成分とする合金膜を近接して配置する方法等が考えられる。

また、本発明において、磁気記憶素子としては、図１に示したような構成の記憶層４の他に、記憶層４の磁化方向検出のための磁化固定層（参照層）や、磁化固定層の磁化を固定するための反強磁性体層、さらには強磁性トンネル効果によって磁化を検出するためのトンネル絶縁層、等の各層が付加された構成が適している。

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。

本発明の磁気記憶素子の一実施の形態の概略構成図（斜視図）を図４に示す。本実施の形態は、磁気記憶素子の記憶層の面内方向に記録電流を流すものである。
この磁気記憶素子１０は、左右２つの電極１１の上に跨って、円筒形状の積層体２０が形成されて成る。２つの電極１１は、記録電流を流すために用いられる。
また、円筒形状の積層体２０は、上層から、読み出し用の電極層１２、反強磁性層１３、磁化固定層（参照層）１４、トンネル絶縁層１５、記憶層の第１の磁性層１６、非磁性層１７、記憶層の第２の磁性層１８、下地層１９が積層されて成る。
そして、記憶層の第１の磁性層１６及び記憶層の第２の磁性層１８の間に非磁性層１７を挟んでいることにより、図１に示した記憶層４と同様の構造の記憶層２１が構成されている。

本実施の形態では、特に、円筒形状の積層体２０の記憶層の下部にある下地層１９を、記憶層２１の第２の磁性層１８の制動定数αを増加させる作用を有するように構成する。
例えば、下地層１９として、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔの少なくとも１種を主成分とする合金膜を用いる。

また、記憶層の第１の磁性層１６及び第２の磁性層１８は、同一の磁性材料により、同一の平面パターンに形成されている。このため、これら２層の磁性層１６及び１８は、飽和磁化及び断面積が同一になっている。
さらに、第２の磁性層１８の膜厚は、第１の磁性層１６の膜厚よりも小さく(薄く)なって、かつ断面積が同一であるため、体積が小さくなっている。
即ち、第２の磁性層１８は、第１の磁性層１６と比較して、飽和磁化が同一で体積が小さいことにより、磁化量が小さくなっている。
一方、第２の磁性層１８は、下地層１９により制動定数αが増加しているため、第１の磁性層１６と比較して、制動定数αが大きい。
そして、第２の磁性層１８は、第１の磁性層１６に対して、磁化の制動定数αと磁化量と磁気異方性の積が大きく、かつ磁化量と磁気異方性の積が小さくなるように形成されている。

このため、第２の磁性層１８は、静磁結合等の磁気的力では磁化の向きが変化しやすいが、スピン注入では磁化の向きが変化しにくい。
一方、第１の磁性層１６は、スピン注入では磁化の向きが変化しやすいが、静磁結合等の磁気的力では磁化の向きが変化しにくい。

また、本実施の形態においては、記憶層２１に情報を記録する際に、２つの電極１１間に電流を流して、磁気記憶素子１０に、記憶層２１の面内方向の記録電流を流す。
トンネル絶縁層１５は、他の層に比べ比抵抗が大きいので、記録電流のほとんどが記憶層２１を形成する各層１６，１７，１８，１９を図中Ｉｗｒｉｔｅで示すように流れる。
この記録電流により、スピン注入で磁化の向きが変化しやすい第１の磁性層１６の磁化の向きが変わり、例えば図２Ｃに示した２層１６，１８の磁化の向きが平行に近い状態になり、さらに記録電流を停止することにより、静磁結合の作用により第２の磁性層１８の磁化の向きが変わって、最初の２層１６，１８の磁化の向きから反転させることができ、これにより情報の記録が行われる。

一方、記憶層２１に記録された情報を読み出す際には、磁気記憶素子１０に記憶層２１の膜厚方向、即ち積層体２０の積層方向に、電流Ｉｒｅａｄを流して抵抗値を検出する。
記憶層２１の第１の磁性層１６の磁化の向きと、磁化固定層(参照層)１４の磁化の向きとが、平行であるときには抵抗値が低く、反平行であるときには抵抗値が高くなるため、抵抗値の検出により、記憶層２１の第１の磁性層１６の磁化の向きを判別して、情報の内容を検知することができる。

そして、本実施の形態の磁気記憶素子１０によりメモリセルを構成し、このメモリセルを多数マトリクス状に配置して、ＭＲＡＭ等の磁気メモリを構成することができる。
このような磁気メモリにおいては、各メモリセルの磁気記憶素子１０に対して、電流を流したり、電圧を印加したりするために、電極に配線等を接続する。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磁気記憶素子１０に電流や電圧を供給する。

上述の本実施の形態の磁気記憶素子１０の構成によれば、記憶層２１が少なくとも２層の磁性層１６，１８とその間の非磁性層１７からなり、制動定数αを増加させる作用を有する下地層１９が第２の磁性層１８の下に配置されていることにより、第２の磁性層１８の制動定数αが第１の磁性層１６の制動定数αよりも大きくなっている。また、第２の磁性層１８の方が、第１の磁性層１６よりも膜厚が小さく（薄く）なっており、第１の磁性層１６及び第２の磁性層１８は材料と平面パターンが同一なので、第２の磁性層１８の方が第１の磁性層１６よりも磁化量が小さくなっている。
そして、第２の磁性層１８は、第１の磁性層１６に対して、磁化の制動定数αと磁化量と磁気異方性の積が大きく、かつ磁化量と磁気異方性の積が小さくなるように形成されている。

これにより、第１の磁性層１６は、静磁結合等の磁気的力では磁化の向きが変化しやすいが、スピン注入では磁化の向きが変化しにくい性質を有する。また、第２の磁性層１８は、スピン注入では磁化の向きが変化しやすく、静磁結合等の磁気的力では磁化の向きが変化しにくい性質を有する。
従って、記憶層２１に電流を流すことにより、スピン注入で磁化の向きが変化しやすい第１の磁性層１６の磁化の向きが変わる。さらに記録電流を停止することにより、第１の磁性層１６との静磁結合の作用により第２の磁性層１８の磁化の向きが変わって、最初の２層１６，１８の磁化の向きから反転させることができる。

そして、この構成の記憶層２１に対して、その面内方向の記録電流Ｉｗｒｉｔｅを流して情報の記録を行うことにより、図２及び図３に示したと同様にして、記憶層２１の磁性層１６，１８の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。
このとき、第１の磁性層１６はスピン注入で磁化の向きが変化しやすいため、比較的小さい電流量で磁化の向きを反転させることができ、また第２の磁性層１８は第１の磁性層１６との静磁結合により電流を流さない状態で磁化の向きを反転させることができる。

これにより、電流量の小さい記録電流Ｉｗｒｉｔｅによっても、記憶層２１の２層の磁性層１６，１８の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことが可能になる。

さらに、一方の極性即ち同じ向きの記録電流Ｉｗｒｉｔｅのみにより、図２及び図３に示したと同様に、記憶層２１の磁性層１６，１８の磁化の向きをどちらの向きにも反転させることができるため、記録電流Ｉｗｒｉｔｅを流すための駆動回路の構成を簡略化することができる。

また、本実施の形態の磁気記憶素子１０は、記憶層２１を含む各層が同じ平面パターンで積層された積層体２０から成り、微細化することが比較的容易である。
このため、磁気記憶素子１０によりメモリセルを構成した磁気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。

従って、本実施の形態の磁気記憶素子１０を備えて磁気メモリを構成すれば、消費電力の少ない、高密度の磁気メモリを実現することが可能になる。

次に、本発明の磁気記憶素子の他の実施の形態の概略構成図を図５に示す。本実施の形態は、磁気記憶素子の記憶層の膜厚方向に電流を流す場合である。
この磁気記憶素子３０は、電極３１上に、円筒形状の積層体３２が形成されて成る。
円筒形状の積層体３２は、図４の円筒形状の積層体２０と同様の各層から構成されているため、各層の符号は図４と同じにしている。
なお、積層体３２の各層１２〜１９の好ましい構成（膜厚や材料）は、図４の場合と必ずしも同じではない。

記憶層の膜厚方向に電流を流して記録する場合は、磁気記憶素子の抵抗を下げなければならないが、抵抗を下げると読み出し時の電圧が低下するので、同一の素子特性では、これらの両立が困難である。

本実施の形態では、この問題を解決するために、さらに、トンネル絶縁層１５の両側にある磁化固定層１４及び記憶層の第１の磁性層１６とを、それぞれフェルミレベルの異なる材料を用いて構成し、これらの層１４，１６の膜厚方向の電流に対する抵抗を非対称にする。
即ち、磁気記憶素子３０に、擬似的にダイオード特性を持たせる。

このように構成したことにより、抵抗の低い方に電流を流して記録を行い、抵抗の高い方に電流を流して読み出せば、記録時の磁気記憶素子の抵抗を低減することができると共に、読み出し時の電圧を高くすることができる。
例えば、第１の磁性層１６の抵抗を磁化固定層１４の抵抗より低くしたときには、情報の記録を行う際に、図５の下向きの電流Ｉ１を流し、情報の読み出しを行う際に、図５の上向きの電流Ｉ２を流せばよい。

上述の本実施の形態の磁気記憶素子３０の構成によれば、記憶層２１が先の実施の形態の磁気記憶素子１０と同様の構成になっているため、先の実施の形態と同様に、電流量の小さい記録電流によっても、記憶層２１の２層の磁性層１６，１８の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことが可能になる。
そして、一方の極性の記録電流のみで、記憶層２１の磁性層１６，１８の磁化の向きをどちらの方向にも反転させることができるため、磁気記憶素子３０の駆動回路の構成を簡略化することができる。
また、磁気記憶素子３０を微細化することが比較的容易である。
従って、本実施の形態の磁気記憶素子３０を備えて磁気メモリを構成すれば、消費電力の少ない、高密度の磁気メモリを実現することが可能になる。

また、本実施の形態の磁気記憶素子３０の構成によれば、トンネル絶縁層１５の両側にある磁化固定層１４及び記憶層の第１の磁性層１６とを、それぞれフェルミレベルの異なる材料を用いて構成し、これらの層１４，１６の膜厚方向の電流に対する抵抗を非対称にしたことにより、抵抗の低い方に電流を流して記録を行い、抵抗の高い方に電流を流して読み出せば、記録時の磁気記憶素子の抵抗を低減することができると共に、読み出し時の電圧を高くすることができる。

これにより、磁気記憶素子３０の各層の膜厚方向（積層体３２の各層の積層方向）に記録電流を流す構成であり、かつ記録電流の電流量を低減することができる。
この場合、磁気記憶素子３０の各層の膜厚方向に記録電流を流すため、読み出し電流と電極を共用することが可能になることから、記憶層の面内方向に記録電流を流す場合と比較して、電極の構成や磁気記憶素子３０の駆動回路の構成を、さらに簡略化することができる。

（実施例）
ここで、本発明の磁気記憶素子の構成において、具体的に記憶層の寸法や磁化量等を設定して、特性がどのようになるか検討を行った。

まず、本発明の磁気記憶素子の実施例の構成として、図６に断面図を示すように、積層体の各層の構成を図４や図５の実施の形態と同様として、積層体から成る磁気記憶素子４０を構成した。図６の場合は、図４や図５の磁化固定層１４を、磁性層２２・非磁性層２３・磁性層２４を積層させた積層フェリ構造としている。この場合、磁化固定層１４の下層の磁性層２４が参照層となる。

そして、各層の材料及び膜厚を、次のように設定して、磁気記憶素子４０を作製した。
即ち、膜厚１０ｎｍのＮｉＣｒ膜から成る下地層（記憶層２１の第２の磁性層１８の制動定数を増加させる作用を有する）１９の上に、膜厚３ｎｍのＮｉＦｅ膜から成る記憶層の第２の磁性層（低磁気異方性）１８、膜厚５ｎｍのＣｕ膜から成る非磁性層１７、膜厚５ｎｍのＣｏＮｉＣｒ膜から成る記憶層の第１の磁性層（高磁気異方性）１６、膜厚１ｎｍのＡｌ−Ｏ（酸化アルミニウム）膜から成るトンネル絶縁層１５、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る磁性層（参照層）２４、膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜から成る非磁性層（相互作用媒介層）２３、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る磁性層２２、膜厚３０ｎｍのＰｔＭｎ膜から成る反強磁性層１３、並びに膜厚２０ｎｍのＴｉ膜から成る電極層１２が積層形成されている構成とした。
記憶層２１の第２の磁性層１８のＮｉＦｅ膜は、低い磁気異方性を有し、第１の磁性層１６のＣｏＮｉＣｒ膜は高い磁気異方性を有している。
また、第１の磁性層１６及び第２の磁性層１８の磁化量Ｍ_ｓがほぼ等しくなるように膜厚を設定している。そして、第２の磁性層１８はその下の下地層１９の作用により制動定数αが増加していることから、制動定数αと磁化量Ｍ_ｓと磁気異方性Ｈ_ｅｆｆとの積は第２の磁性層１８の方が大きく、磁化量Ｍ_ｓと磁気異方性Ｈ_ｅｆｆとの積は第１の磁性層１６の方が大きくなっている。
また、図示しないが、磁気記憶素子４０の平面形状を、直径約２００ｎｍの円形として、間隔１５０ｎｍの２つの記録用電極（図４の電極１１と同様のもの）と磁気記憶素子４０とが導通するように形成した。

この構成の磁気記憶素子４０に対して、２つの記録用電極間に、記録電流として１００ナノ秒のパルス電流を流した後に、磁気記憶素子４０の上下の電極間の抵抗（読み出し抵抗）を測定し、パルス電流の電流値を徐々に上げながら抵抗の測定を繰り返して、パルス電流の電流値による抵抗（読み出し抵抗）の変化を調べた。
測定結果を図７に示す。

図７より、記録電流をある程度以上に上げると、パルス記録電流によって記憶層２１の磁性層１６，１８の磁化の向きが反転するため、抵抗（読み出し抵抗）に振動がみられるようになることがわかる。
従って、記憶層２１の磁性層１６，１８の磁化の向きを繰り返し反転させて、情報の記録を行うことが可能であり、記憶素子として好適であることがわかる。
また、７ｍＡ程度の比較的低い記録電流量で、情報の記録を行うことが可能であることもわかる。

（比較例）
一方、比較対照として、記憶層が１層の磁性層のみである構成の磁気メモリ（磁気記憶素子）の特性を調べた。

磁気記憶素子５０の各層を、図８に断面図を示すように構成した。
磁気記憶素子５０を構成する積層体は、上層から、保護層を兼ねる電極層５１、反強磁性層５２、磁性層５３、非磁性層５４、磁性層５５、トンネル絶縁層５６、記憶層５７、下地層５８が積層されて成る。また、磁性層５３・非磁性層５４・磁性層５５により、積層フェリ構造の磁化固定層６１が構成されている。この場合、磁化固定層６１の下層の磁性層５５が参照層となる。
即ち、この磁気記憶素子５０は、１層の磁性層５７により記憶層が構成されている。

そして、各層の材料及び膜厚を、次のように設定して、磁気記憶素子５０を作製した。
即ち、膜厚１０ｎｍのＴａ膜から成る下地層５８の上に、膜厚３ｎｍのＮｉＦｅ膜から成る記憶層５７、膜厚１ｎｍのＡｌ−Ｏ（酸化アルミニウム）膜から成るトンネル絶縁層５６、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る磁性層（参照層）５５、膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜から成る非磁性層５４、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る磁性層５３、膜厚３０ｎｍのＰｔＭｎ膜から成る反強磁性層５２、並びに膜厚２０ｎｍのＴｉ膜から成る電極層５１が積層形成されている構成とした。
また、図示しないが、磁気記憶素子５０の平面形状を、直径約２００ｎｍの円形とした。

この構成の磁気記憶素子５０に対して、先の磁気記憶素子４０のときと同様に、磁気記憶素子５０の膜厚方向（図８中上下方向）に、幅１００ナノ秒のパルス電流を流した後に磁気記憶素子５０の上下の電極間の抵抗（読み出し抵抗）を測定し、パルス電流の電流値を徐々に上げながら抵抗の測定を繰り返し、パルス電流の電流値による抵抗（読み出し抵抗）の変化を調べた。
測定結果を図９に示す。

図９より、０．０７５ｍＡ程度の低い電流値でトンネル絶縁層が絶縁破壊され、読み出し抵抗が急落することがわかる。
従って、図８に示した磁気記憶素子５０は、記憶素子として使用することが困難であることがわかる。

上述の各実施の形態では、記憶層２１にトンネル絶縁層１５を介して、磁化の向きが固定された磁化固定層(参照層)１４を積層した磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ）の構成であったが、その他の構成にも本発明を適用することができる。
磁気記憶素子の記憶層の磁化状態の検出（読み出し）を行うための構成としては、磁化固定層の他にも、例えば巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）やホール素子等を用いることが考えられる。

上述の各実施の形態では、記憶層２１の第２の磁性層１８の下に直接下地層１９を配置しているが、本発明においては、制動定数αを増大させる層は、記憶層の磁性層に対して近接していればよく、直接接している構成に限定されるものではない。例えば、間に他の層を介していてもよい。

また、磁気記憶素子を構成する積層体の積層順序が、上述した各実施の形態とは逆に、磁化固定層側が下層であっても構わない。この場合、記憶層の一方の磁性層の制動定数αを増大させる層は、その一方の磁性層より上層になる。

さらに、本発明では、２層の磁性層の磁化量と異方性磁界の積が異なるようにするための構成としては、上述した各実施の形態のように膜厚を異ならせた構成に限定されるものではなく、その他の構成も可能である。
例えば、使用する磁性材料や磁性材料の組成を異ならせたことにより飽和磁化に大小を有する構成や、平面パターンを異ならせたことにより体積に大小を有する構成でも、磁化量の大小を有する。また異方性磁界を異ならせることも考えられる。

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。

本発明の磁気記憶素子の概略断面図である。 Ａ〜Ｅ 図１の磁気記憶素子における磁化反転の過程を説明する模式図である。 Ａ〜Ｅ 図１の磁気記憶素子における磁化反転の過程を説明する模式図である。 本発明の磁気記憶素子の一実施の形態の概略構成図（斜視図）である。 本発明の磁気記憶素子の他の実施の形態の概略構成図（斜視図）である。 本発明の実施例の磁気記憶素子の膜構成を示す断面図である。 図６の磁気記憶素子の記録電流に対する読み出し抵抗の変化を示した図である。 比較構成の磁気記憶素子の膜構成を示す断面図である。 図８の磁気記憶素子の記録電流に対する読み出し抵抗の変化を示した図である。 磁性層の膜厚方向に電流を流したときの電子スピンと磁性膜層の磁化の受ける力を模式的に示した図である。 磁性層の面内方向に電流を流したときの電子スピンと磁性膜の磁化の受ける力を模式的に示した図である。

符号の説明

１，１６ 第１の磁性層、２，１８ 第２の磁性層、３，１７ 非磁性層、４，２１ 記憶層、１１，３１ 電極、１０，３０，４０ 磁気記憶素子、１３ 反強磁性層、１４ 磁化固定層、１５ トンネル絶縁層、１９ 下地層、２０，３２ 積層体

Claims (13)

1. 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を少なくとも有し、
   前記記憶層が少なくとも２層の磁性層とその間の非磁性層から成り、
   前記２層の磁性層のうち、一方の磁性層が、他方の磁性層に対して、磁化の制動定数と磁化量と磁気異方性との積が大きく、かつ磁化量と磁気異方性の積が小さい
   ことを特徴とする磁気記憶素子。
2. 前記一方の磁性層に、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔの少なくとも１種を主成分とする合金膜が、近接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
3. 前記記憶層に対して、トンネル絶縁層を介して磁化固定層が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
4. 前記記憶層の膜厚方向における磁気記憶素子の電流−電圧特性が、電流の向きにより非対称であることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
5. 前記記憶層のうちの前記トンネル絶縁層に接する磁性層と、前記磁化固定層のうちの前記トンネル絶縁層に接する磁性層とが、フェルミレベルの異なる磁性材料から成ることを特徴とする請求項３に記載の磁気記憶素子。
6. 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を少なくとも有し、
   前記記憶層が少なくとも２層の磁性層とその間の非磁性層から成り、
   前記２層の磁性層のうち、一方の磁性層が、他方の磁性層に対して、磁化の制動定数と磁化量と磁気異方性との積が大きく、かつ磁化量と磁気異方性の積が小さい磁気記憶素子に対して、
   前記記憶層に電流を流して、情報の記録を行う
   ことを特徴とする磁気記憶素子の駆動方法。
7. 前記記憶層の面内方向に電流を流して情報の記録を行い、前記記憶層の膜厚方向に電流を流して情報の読み出しを行うことを特徴とする請求項６に記載の磁気記憶素子の駆動方法。
8. 前記記憶層の膜厚方向における前記磁気記憶素子の電流−電圧特性が、電流の向きにより非対称であり、前記記憶層の膜厚方向に電流を流して、情報の記録及び情報の読み出しを行い、情報の記録と情報の読み出しとで流す電流の向きを逆向きとすることを特徴とする請求項６に記載の磁気記憶素子の駆動方法。
9. 前記磁気記憶素子は、前記記憶層に対して、トンネル絶縁層を介して磁化固定層が配置され、前記記憶層のうちの前記トンネル絶縁層に接する磁性層と、前記磁化固定層のうちの前記トンネル絶縁層に接する磁性層とが、フェルミレベルの異なる磁性材料から成ることを特徴とする請求項８に記載の磁気記憶素子の駆動方法。
10. 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を少なくとも有し、
    前記記憶層が少なくとも２層の磁性層とその間の非磁性層から成り、
    前記２層の磁性層のうち、一方の磁性層が、他方の磁性層に対して、磁化の制動定数と磁化量と磁気異方性との積が大きく、かつ磁化量と磁気異方性の積が小さい磁気記憶素子を備え、
    前記磁気記憶素子の前記記憶層に電流を流すことにより、情報の記録が行われる
    ことを特徴とする磁気メモリ。
11. 前記記憶層の面内方向に電流を流すことにより情報の記録が行われ、前記記憶層の膜厚方向に電流を流すことにより情報の読み出しが行われることを特徴とする請求項１０に記載の磁気メモリ。
12. 前記記憶層の膜厚方向における前記磁気記憶素子の電流−電圧特性が、電流の向きにより非対称であり、前記記憶層の膜厚方向に電流を流すことにより、情報の記録及び情報の読み出しが行われ、情報の記録と情報の読み出しとで前記磁気記憶素子に逆向きの電流が流れることを特徴とする請求項１０に記載の磁気メモリ。
13. 前記磁気記憶素子は、前記記憶層に対して、トンネル絶縁層を介して磁化固定層が配置され、前記記憶層のうちの前記トンネル絶縁層に接する磁性層と、前記磁化固定層のうちの前記トンネル絶縁層に接する磁性層とが、フェルミレベルの異なる磁性材料から成ることを特徴とする請求項１２に記載の磁気メモリ。

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