JP2006080241A - 固体メモリ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成にて、消費電力を顕著に抑制しながら、さらなる高密度化、高アクセス性および記録の長期安定性を達成し得る、固体メモリ装置を提供する。
【解決手段】 磁化固定層101、109は、高スピン偏極層102、104、106、108の磁化方向を固定するための永久磁石あるいは反強磁性を示す層である。高スピン偏極層102、104、106、108は、スピン偏極度の高い磁性層からなっている。絶縁層103、107は、トンネル磁気抵抗効果を発現させることにより読み出しに寄与する。また、書き込み電流が流れることによりジュール熱を発し、書き込み層105を加熱する。書き込み層105は、高スピン偏極層102、104、106、108からのスピン注入によって磁化方向が反転する磁化反転層であって、キュリー温度が低く（１５０〜３００℃）、加熱されることによって、少ないスピン注入量で磁化反転が可能となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体メモリ装置に関し、特に、メモリセルに磁化方向を保持させてデータを記録する固体磁気メモリに関するものである。

現在、大容量の記憶媒体として磁気ディスクや光磁気ディスク等の磁気媒体が広く用いられている。しかし、これらの磁気媒体は、機械的なアクセスを行うものであるため、高速化の点で限界が指摘されている。また、高密度化、微細化を進めると、熱擾乱によって記録情報が不安定になるとの問題を抱えており、高密度化の点においても限界が指摘されている。

これに対し、最近、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果やトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果などが発見され、これらを利用した固体磁気メモリが次世代メモリとして脚光を浴びている。たとえば、トンネル磁気抵抗効果を利用する固体磁気メモリとして、ＭＲＡＭ（Magnetic RAM）が検討されており、さらに、これを改良した新たな固体磁気メモリも検討されている。

図６に、ＭＲＡＭの基本的構成を示す。図示の如く、ＭＲＡＭは、２つの強磁性体層（書き込み層３０１、磁化固定層３０３）で絶縁層３０２を挟んだメモリセルによって構成されている。２つの強磁性層のうち、一方の強磁性層（磁化固定層３０３）は磁化方向の向きが固定されており、他方の強磁性層（書き込み層３０１）のみ、外部磁場によって磁化方向を変化させることができる。たとえば、同図において、Ｘ方向に書き込み電流を流すと、これにより発生する磁界によって、書き込み層３０１の磁化方向はＹ軸方向となる。他方、Ｙ方向に書き込み電流を流すと、これにより発生する磁界によって、書き込み層３０１の磁化方向はＸ軸方向となる。

ここで、書き込み層３０１と磁化固定層３０３の磁化方向が一致すると、同図Ｚ軸方向の電気抵抗が小さくなり、磁化方向が逆になると同図Ｚ軸方向の電気抵抗が大きくなる（トンネル磁気抵抗効果）。これを利用して、ＭＲＡＭに対するデータの記憶が行われる。

しかし、この場合、書き込み対象の強磁性層に磁場を印加する必要があり、これに起因して、以下の問題が指摘されている。
（１）記録磁界を発生するための電子回路の負担が大きく、消費電力も大きい。
（２）磁場の印加により、書き込み時に隣接ビットの情報を破壊する惧れがある。

そこで、以下に示す特許文献１では、磁場を印加することなく、書き込み対象の強磁性層の磁化方向を反転させるようにしている。すなわち、図７に示す如く、絶縁層の上に、キャリアスピンの注入によって磁化方向が反転する磁化反転層を積層するとともに、この磁化反転層の表面に、互いに逆方向となるキャリアスピンを磁化反転層に注入する２つの電極ａ、ｂを配する。そして、電極ａ、ｂ間に流入する電流の向きを書き込みデータに応じて反転させ、これにより、磁化反転層の磁化方向を、適宜反転させるというものである。

たとえば、電極ａから電極ｂに向けて電流を流入すると、磁化反転層の磁化方向が固定磁化層の磁化方向と同一方向となり、電極ｂから電極ａに向けて電流を流入すると、磁化反転層の磁化方向が固定磁化層の磁化方向に対し逆方向となる。これにより、メモリセルの抵抗値が変化し、不揮発性のデータの書き込みが実現される。
特開２００３−１７７８２号公報

上記特許文献１に記載の技術によれば、外部磁場が不要となるため、外部磁場を用いる場合に比べ消費電力を抑制でき、また、隣接ビット情報の破壊の問題も解消できる。

しかし、スピン注入による磁化反転をＭＲＡＭに応用する場合には、書き込みの際に、大きな電流密度（１０⁷Ａ／ｃｍ²程度）が必要となることが問題となっており、よって、上記特許文献１に記載の技術においても、書き込み時の電流密度に起因して、消費電力が大きくなると予測される。

また、上記特許文献１に記載の技術によれば、データ読み取り用の電極の他に、データ書き込み用および消去用の２つの電極が別途必要となり、このため、メモリセルに対する配線構造が複雑になるとの問題も生じる。

さらに、ＭＲＡＭにおいては、上記特許文献１に記載の技術を採用するかに拘わらず、記録の長期安定性が問題となっている。すなわち、磁界によって書き込む通常のＭＲＡＭにおいても、スピン注入によって書き込む上記特許文献１に記載のＭＲＡＭにおいても、書き込みの際に大きな電力を要しないためには、磁気的に柔らかい材料を記録媒体に用いなければならない。しかし、そうすると、記録密度が非常に高くなった場合に、記録情報が熱擾乱によって失われる可能性が生じる。

そこで、本発明は、上記問題を解消し、簡易な構成にて、消費電力を顕著に抑制しながら、さらなる高密度化、高アクセス性および記録の長期安定性を達成し得る、固体メモリ装置を提供することを課題とする。

本発明では、書き込みのために必要な外部磁界に替わるものとしてスピン注入電流を用いる。書き込みに必要なスピン注入電流を小さくするには、注入により書き込まれる磁性層の温度をあげて磁化反転しやすくすることが有効である。本発明は、この点に着目してなされたものであり、書き込み層の温度を上昇させながら、スピン注入電流による磁化反転を行うものである。さらに、温度上昇を起こさせるための加熱電流をＭＲＡＭ素子自体に流すことによって、単純な構成のＭＲＡＭ素子を実現するものである。

なお、本発明においては、書き込み層は、温度上昇によって磁化反転が起こりやすいよう、キュリー温度の低い材料にて構成するのが有効である。また、熱擾乱に対する安定性を高めるためには、常温では磁化反転しにくい材料を用いるのが有効である。このことから、本発明においては、書き込み層の材料として、キュリー温度が低く、且つ、常温では磁化反転しにくい材料を用いるのが好ましい。

本発明の特徴は、以下のとおりである。

請求項１の発明は、複数のメモリセルと、各メモリセルに選択的に電流を導通させる制御回路とを有する固体メモリ装置であって、前記メモリセルは、磁化方向が互いに相違する２つの磁化固定層と、前記磁化固定層の間に配された書き込み層と、書き込み層と前記磁化固定層の間に配された絶縁層とを有し、データ記録時に、前記各層の配列方向に導通する書き込み用の電流が前記絶縁層を流れることにより発生するジュール熱によって前記書き込み層の温度を上昇させながら、前記２つの磁化固定層からのスピン偏極された前記書き込み用の電流によって前記書き込み層の磁化方向を当該磁化固定層のうちの一方の磁化方向に偏極させることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の固体メモリ装置において、前記絶縁層は、前記書き込み用の電流が流れることにより、前記書き込み層を少なくともキュリー温度付近まで上昇させ得るジュール熱を発生し得る層として構成されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の固体メモリ装置において、前記絶縁層は、前記書き込み層の磁化を反転させるのに十分なトンネル電流を流し得る層として構成されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れかに記載の固体メモリ装置において、前記絶縁層は、前記書き込み層と前記２つの磁化固定層の間にそれぞれ配されていることを特徴とする。こうすると、書き込み層の温度を両面側から上昇させることができ、書き込み層の温度上昇効率を高めることができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし４の何れかに記載の固体メモリ装置において、前記書き込み層は、そのキュリー温度Ｔｃが、150℃＜Ｔｃ＜300℃の条件を満たす材料によって構成されていることを特徴とする。こうすると、以下の実施形態にて明らかにするように、絶縁層のジュール熱による書き込み層の温度上昇によって、書き込み電流をそれほど高めなくとも、円滑に、データ記録を行うことができ、また、常温では磁化反転が生じ難くなるため、熱擾乱に対する記録の安定性を図ることができるようになる。

請求項６の発明は、請求項１ないし５の何れかに記載の固体メモリ装置において、前記磁化固定層は、そのキュリー温度Ｔｃが、300℃＜Ｔｃの条件を満たす材料によって構成されていることを特徴とする。こうすると、絶縁層のジュール熱によって磁化固定層の温度が上昇しても、磁化固定層の磁化を安定に維持することができる。

請求項７の発明は、請求項１ないし６の何れかに記載の固体メモリ装置において、前記磁化固定層は、反強磁性層と強磁性層の積層構造、または、反強磁性層と積層フェリ磁性層の積層構造を有していることを特徴とする。こうすると、強磁性層の磁化の方向を所望の方向に安定に固定化することが出来る。

請求項８の発明は、請求項１ないし７の何れかに記載の固体メモリ装置において、前記磁化固定層と、当該磁化固定層と前記書き込み層との間に配されている前記絶縁層との間に、スピン偏極度の高い磁性層からなる高スピン偏極層が配されていることを特徴とする。こうすることによって、データ再生時の信号源となるトンネル磁気抵抗効果を高めることができる。

請求項９の発明は、請求項８に記載の固体メモリ装置において、前記絶縁層と前記書き込み層の間に、スピン偏極度の高い磁性層からなる高スピン偏極層がさらに配されていることを特徴とする。こうすることによって、データ再生時の信号源となるトンネル磁気抵抗効果を高めることができる。

請求項１０の発明は、請求項８または９に記載の固体メモリ装置において、前記磁化固定層は、膜面に平行な方向に磁化配向した面内磁化層にて構成され、前記高スピン偏極層は、当該磁化固定層によってスピンが配向しており、前記書き込み層は、膜面に平行な方向の磁化をもった磁性層により構成されていることを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項８または９に記載の固体メモリ装置において、前記磁化固定層は、膜面に垂直な方向に磁化配向した垂直磁化層にて構成され、前記高スピン偏極層は、当該磁化固定層によってスピンが配向しており、前記書き込み層は、膜面に垂直な方向の磁化をもった磁性層により構成されていることを特徴とする。

請求項１１の発明のように、磁化固定層と書き込み層を垂直磁化層にて構成すると、請求項１０のように面内磁化層とする場合に比べ、メモリセルの面形状を小型化することができる。よって、請求項１０の発明に比べ、固体メモリ装置の高密度化を図ることができる。

請求項１２の発明は、請求項１ないし１１の何れかに記載の固体メモリ装置において、前記制御回路は、２値化された記録データの値に応じて、書き込み時に導通されるべき電流を反転させ、前記書き込み層を、前記２つの磁化固定層のうち何れか一方の磁化固定層の磁化方向に偏極させることを特徴とする。こうすると、書き込み電流の導通方向に応じて異なる磁化方向を書き込み層に保持させることができ、よって、２値のデータを書き込み層に記録することができる。

本発明によれば、従来のＭＲＡＭあるいは上記特許文献１に記載のスピン注入書き込みによるＭＲＡＭに比べ、低消費電力で記録が可能であり、また高密度化に対して熱的に安定な素子が得られるようになる。

この他、本発明の意義ないし効果は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下の実施形態は、本発明の一実施形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施形態に記載されたものに制限されるものではない。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１に、本実施例に係るメモリセルの構造を示す。図示の如く、メモリセルは、磁化固定層１０１と、高スピン偏極層１０２と、絶縁層（トンネルバリア）１０３と、高スピン偏極層１０４と、書き込み層１０５と、高スピン偏極層１０６と、絶縁層（トンネルバリア）１０７と、高スピン偏極層１０８と、磁化固定層１０９が積層された構造となっている。

磁化固定層１０１、１０９は、高スピン偏極層１０２、１０４、１０６、１０８の磁化方向を固定するための永久磁石あるいは反強磁性を示す層であって、キュリー温度は３５０℃以上に設定されている。同図に示す如く、磁化固定層１０１、１０９は、面内方向に磁化配向しており、図１に矢印を付して示すように、磁化方向が互いに反平行となっている。磁化固定層１０１、１０９の材料としては、たとえば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｉｒ等からなる合金を用いるのが好ましい。また、磁化固定層１０１、１０９の厚みは、５〜３０ｎｍ程度に設定する。

高スピン偏極層１０２、１０４、１０６、１０８は、スピン偏極度の高い磁性層からなっている。ここで、高スピン偏極層１０２、１０４と、高スピン偏極層１０６、１０８は、磁化固定層１０１、１０９によって、互いに反平行となるように、スピンが配向している。高スピン偏極層１０２、１０４、１０６、１０８の材料としては、たとえば、ＦｅＣｏ合金，Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、Ｃｏ₂ＭｎＧｅ等のホイスラー合金を用いるのが好ましい。なお、高スピン偏極層１０２、１０４、１０６、１０８の厚みは、０．３〜１．０ｎｍ程度に設定する。

絶縁層１０３、１０７は、トンネル磁気抵抗効果を発現させることにより読み出しに寄与する層である。絶縁層１０３、１０７は、書き込み電流が流れることによりジュール熱を発し、書き込み層１０５を加熱する。絶縁層１０３、１０７の材料としては、たとえば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＮ等を用いるのが好ましい。なお、絶縁層１０３、１０７の厚みは、１〜２ｎｍ程度に設定する。

書き込み層１０５は、高スピン偏極層１０２、１０４、１０６、１０８からのスピン注入によって磁化方向が反転する磁化反転層であって、キュリー温度が低く（１５０〜３００℃）、加熱されることによって、少ないスピン注入量で磁化反転が可能となっている。書き込み層１０５の材料としては、ＴｂＦｅ合金、ＦｅＮｉＰｔ合金等を用いるのが好ましい。この材料を用いると、キュリー温度を低く設定できるとともに、常温では磁化反転が生じ難くなる。これにより、熱擾乱に対する記録の安定性が図れる。なお、書き込み層１０５の厚みは、２〜１０ｎｍ程度に設定する。

図１に示す層構造は、たとえば、スパッタ法により、磁化固定層１０９上に、まず、高スピン偏極層１０８を形成し、その上に、順次、絶縁層１０７、高スピン偏極層１０６、書き込み層１０５、高スピン偏極層１０４、絶縁層１０３、高スピン偏極層１０２、磁化固定層１０１を形成することにより得られる。なお、スパッタ法に代えて、有機金属気相エピキシャル（ＭＯＶＰＥ）法や、真空蒸着法を用いても良い。

次に、図１のメモリセルに対するデータの書き込み／読み出し原理を説明する。

書き込み時には、磁化固定層１０１と磁化固定層１０９の間に電圧を加え、絶縁層（トンネル層）１０３、１０７が破壊しない範囲で大きな電流（書き込み電流）を流す。この電流が絶縁層１０３、１０７（トンネルバリア）を通過することによる発熱により、書き込み層１０５の材料のキュリー温度（１５０〜３００℃）近くまで加熱される。またこの際、書き込み層１０５に流れる電流は、高スピン偏極層１０２、１０４または高スピン偏極層１０６、１０９によるスピン偏極が大きいため、書き込み層１０５に対し実効的な磁界を印加する。これによって、書き込み層１０５の磁化は、磁化固定層１０１または１０９の磁化と平行になる。

磁化固定層１０１と磁化固定層１０９の間に図１の下向き方向に電圧を加え、下向きの書き込み電流を流せば、書き込み層１０５に流れる電流は、高スピン偏極層１０２、１０４によるスピン偏極が大きくなる。従って、書き込み層１０５の磁化は、磁化固定層１０１の磁化と平行になる。同様に、磁化固定層１０１と磁化固定層１０９の間に逆方向の電圧を加えれば、書き込み層１０５の磁化は、磁化固定層１０９の磁化と平行になる。

磁化固定層１０１と磁化固定層１０９の磁化は互いに反平行となっているので、このように書き込み層１０５の磁化を磁化固定層１０１または１０９の何れかの磁化と平行とすることにより、１、０の情報が記録される。

書き込み層１０５に磁化方向によって記録された情報の読み出しは、磁化固定層１０１、１０９と書き込み層１０５の間のトンネル磁気抵抗を利用して行うことができる。すなわち、書き込み層１０５の磁化が磁化固定層１０１、１０９に対して平行である場合と、反平行である場合とでは、磁化固定層１０１、１０９と書き込み層１０５の間のトンネル磁気抵抗が大きく異なる。したがって、磁化固定層１０１と書き込み層１０５の間の電気抵抗をＲ１、磁化固定層１０９と書き込み層１０５の間の電気抵抗をＲ２とすると、Ｒ１あるいはＲ２を磁化固定層１０１、１０９と書き込み層の間で検出することによって、書き込み層１０５の磁化方向を検出することができる。これにより、書き込み層１０５に記録された情報を読み出すことができる。

この他、Ｒ１とＲ２の差をブリッジ回路によって検出する方法も、書き込み層１０５に記録された情報の読み出しに利用できる。

図２に、上記メモリ素子をマトリックス状に配置した固体メモリ装置の構成例を示す。図示のように、固体メモリ装置は、メモリセル群１０と、コントローラ１１と、順方向バイアス回路１２と、ラインセレクタ１３と、逆方向バイアス回路１４と、ラインセレクタ１５と、抵抗値検出回路１６と、データ復調回路１７から構成されている。

メモリセル群１０は、上述のメモリセルがｎ×ｎのマトリックス状に配置されている。ここで、それぞれのメモリセルは、列ごとに、磁化固定層１０１が信号線ＬＸ１〜ＬＸｎによって電気的に接続されており、また、行ごとに、磁化固定層１０９が信号線ＬＹ１〜ＬＹｎによって電気的に接続されている。

信号線ＬＸ１〜ＬＸｎは、ラインセレクタ１３に接続されており、ラインセレクタ１３によって選択された信号線に対して順方向バイアス回路１２からの電位が印加される。同様に、信号線ＬＹ１〜ＬＹｎは、ラインセレクタ１５に接続されており、ラインセレクタ１５によって選択された信号線に対して逆方向バイアス回路１４からの電位が印加される。したがって、ラインセレクタ１３、１５によって選択された信号線の交点上に位置するメモリセルに対して、順方向または逆方向のバイアス電位が印加される。

データ記録時、コントローラ１１は、記録データに応じて、ラインセレクタ１３、１５のライン選択を制御するとともに、順方向バイアス回路１２または逆方向バイアス回路１４の何れか一方のバイアス電位が優位（高電位）となるよう、各バイアス回路のバイアス電位を制御する。これにより、ラインセレクタ１３、１５によって選択された信号線の交点上に位置するメモリセルに、順方向（図１の下向き方向）または逆方向（図１の上向き方向）の書き込み電流が流れる。そして、当該メモリセルの書き込み層１０５の磁化が、記録データ（１、０のデータ）に応じた方向とされ、当該メモリセルに対する記録が行われる。コントローラ１１は、この制御を各メモリセルに対し実行し、メモリセル群１０に対して記録データを記録する。

また、メモリセル群１０を構成するそれぞれのメモリセルは、行ごとに、書き込み層１０５が信号線ＬＺ１〜ＬＺｎによって電気的に接続されている。そして、これら信号線ＬＺ１〜ＬＺｎは、抵抗値検出回路１６に接続されている。

抵抗値検出回路１６内において、信号線ＬＺ１〜ＬＺｎはそれぞれ抵抗ｒを介してアースに接続されている。また、抵抗値検出回路１６には、順方向バイアス回路１２および逆方向バイアス回路１４によって印加されるバイアス電位が、データ再生時の参照電位（後述）として入力されている。

データ再生時、コントローラ１１は、まず、メモリセルに順方向の微小電流（読み出し電流）が流れるように順方向バイアス回路１２を制御する。そして、信号線ＬＹ１〜ＬＹｎの全てをアクティブにすると共に、信号線ＬＸ１〜ＬＸｎのうち何れかの信号ラインのみをアクティブにする。これにより、たとえば、信号線ＬＸ１〜ＬＸｎのうち信号線ＬＸ１のみがアクティブにされた場合には、信号線ＬＸ１の列の各メモリセルに読み出し電流が流れる。この電流の流入により、信号線ＬＺ１〜ＬＺｎを介して抵抗値検出回路１６内に配されたそれぞれの抵抗ｒに電流が流れ、これら抵抗ｒに電位が生じる。このとき、それぞれの抵抗ｒに生じる電位は、１列目の各メモリセルにおける上記トンネル磁気抵抗Ｒ１に応じたものとなる。

抵抗値検出回路１６は、それぞれの抵抗ｒの電位と、このときに順方向バイアス回路１２から印加されているバイアス電位（参照電位）から、各メモリセルにおける上記トンネル磁気抵抗Ｒ１の大きさを検出する。すなわち、順方向バイアス回路１２によって印加された電位をＶ０、抵抗ｒに生じた電位をＶｒとすると、トンネル磁気抵抗Ｒ１は、
Ｒ１＝｛（Ｖ０−Ｖｒ）・ｒ｝／Ｖｒ
にて求められる。そして、各検出結果（磁気抵抗Ｒ１）を、データ復調回路１７に出力する。

次に、コントローラ１１は、信号線ＬＸ１の列の各メモリセルに逆方向の微小電流（読み出し電流）が流れるように逆方向バイアス回路１４を制御する。抵抗値検出回路１６は、上記と同様にして、それぞれの抵抗ｒの電位と、このときに逆方向バイアス回路１４から印加されているバイアス電位（参照電位）から、各メモリセルにおける上記トンネル磁気抵抗Ｒ２の大きさを検出する。すなわち、逆方向バイアス回路１４によって印加された電位をＶ０、抵抗ｒに生じた電位をＶｒとすると、トンネル磁気抵抗Ｒ２は、
Ｒ２＝｛（Ｖ０−Ｖｒ）・ｒ｝／Ｖｒ
にて求められる。そして、各検出結果（磁気抵抗Ｒ２）を、データ復調回路１７に出力する。

データ復調回路１７は、それぞれの検出結果、すなわち、各メモリセルにおけるトンネル磁気抵抗Ｒ１、Ｒ２の大きさから１、０のデータを復調し、これを再生データとしてシリアル出力する。このようにして、１列目の各メモリセルに記録されたデータが再生出力される。

コントローラ１１は、１列目のデータ再生が終了すると、ラインセレクタ１３を制御して、２列目の信号線ＬＸ２をアクティブにする。これにより、上記の如くして、２列目の各メモリセルに記録されたデータが再生され、データ復調回路７から出力される。その後、順次、信号線ＬＸ３、ＬＸ４、…、ＬＸｎをアクティブにすることにより、３列目、４列目、…、ｎ列目の各メモリセルに記録されたデータが再生され、データ復調回路７から出力される。

本実施例によれば、書き込み電流が絶縁層１０３、１０７のトンネルバリアを通過することによる発熱により、書き込み層１０５がキュリー温度（１５０〜３００℃）近くまで加熱されため、書き込み電流をそれほど高めなくとも、円滑に、データ記録を行うことができる。したがって、低消費電力にてデータ記録を行うことができる。また、書き込み電流を加熱電流として共用するようにしたので、メモリセルの構成をシンプルにすることができる。

なお、図３に示す如く、磁化固定層１０１と１０９を、反強磁性体１１１と強磁性層１１２の積層構造、または、反強磁性層１１４と積層フェリ磁性層１１３の積層構造とすることもできる。こうすると、磁化固定層１０１と１０９の磁化方向を安定に固定できる。また、一方の磁化固定層に積層フェリ磁性層を用いれば、二つの磁化固定層の磁化方向（積層フェリ磁性層では絶縁層側の磁性層）を互いに反平行に初期化することができる。

図４に、本実施例に係るメモリセルの構造を示す。上記実施例１では、磁化固定層の磁化配向が面内方向となっていたが、本実施例は、磁化固定層の磁化配向は、面に垂直な方向とされている。

図示の如く、メモリセルは、磁化固定層２０１と、高スピン偏極層２０２と、絶縁層（トンネルバリア）２０３と、書き込み層２０４と、絶縁層（トンネルバリア）２０５と、高スピン偏極層２０６と、磁化固定層２０７が積層された構造となっている。

磁化固定層２０１、２０７は、高スピン偏極層２０２、２０６の磁化方向を固定するための大きな垂直磁気異方性を示す層であって、キュリー温度は３５０℃以上に設定されている。同図に示す如く、磁化固定層２０１、２０７は、面に垂直な方向に磁化配向しており、図４に矢印を付して示すように、磁化方向が互いに反平行となっている。磁化固定層２０１、２０７の材料としては、たとえば、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＦｅＣｏ合金等を用いるのが好ましい。また、磁化固定層２０１、２０７の厚みは、５〜３０ｎｍ程度に設定する。

高スピン偏極層２０２、２０６は、スピン偏極度が高く、磁化固定層と交換結合して垂直磁化となる磁性層からなっている。ここで、高スピン偏極層２０２と２０６は、磁化固定層２０１、２０７によって、互いに反平行となるように、スピンが配向している。高スピン偏極層２０２、２０６の材料としては、たとえば、ＦｅＣｏ合金等を用いるのが好ましい。なお、高スピン偏極層２０２、２０６の厚みは、０．３〜１．０ｎｍ程度に設定する。

絶縁層２０３、２０５は、トンネル磁気抵抗効果を発現させることにより読み出しに寄与する層である。絶縁層２０３、２０５は、書き込み電流が流れることによりジュール熱を発し、書き込み層２０４を加熱する。絶縁層２０３、２０５の材料としては、たとえば、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ等を用いるのが好ましい。なお、絶縁層２０３、２０５の厚みは、１〜２ｎｍ程度に設定する。

書き込み層２０４は、高スピン偏極層２０２、２０６からのスピン注入によって磁化方向が反転する磁化反転層であって、キュリー温度が低く（１５０〜３００℃）、加熱されることによって、少ないスピン注入量で磁化反転が可能となっている。書き込み層２０４の材料としては、書き込み層にはＴｂＦｅ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＦｅＣｏ合金等を用いるのが好ましい。この材料を用いると、キュリー温度を低く設定できるとともに、常温では磁化反転が生じ難くなる。これにより、熱擾乱に対する記録の安定性が図れる。なお、書き込み層２０４の厚みは、３〜１０ｎｍ程度に設定する。

図４に示す層構造は、たとえば、スパッタ法により、磁化固定層２０７上に、まず、高スピン偏極層２０６を形成し、その上に、順次、絶縁層２０５、書き込み層２０４、絶縁層２０３、高スピン偏極層２０２、磁化固定層２０１を形成することにより得られる。なお、ＭＢＥ法に代えて、有機金属気相エピキシャル（ＭＯＶＰＥ）法や真空蒸着法を用いても良い。

本実施例のメモリセルに対するデータの記録／再生原理は上記実施例１と同じである。したがって、上記実施例１において説明した図２と同様にして、本メモリセルを用いた固体磁気メモリ装置を構成することができる。

本実施例によれば、上記実施例１と同様の効果を奏することができる他、磁化固定層を垂直磁化層としたことにより、メモリセルの面形状をさらに小型化することができる。よって、上記実施例１に比べ、高密度化を図ることができる。

なお、図５に示す如く、外部磁界によって磁化固定層のスピン（鉄族）を配向するための方法として、磁化固定層２０１の組成をＴｂなどの希土類リッチとし、磁化固定層２０７をＦｅなど鉄族リッチとする方法を用いることができる。こうすると、強い外部磁界をくわえると、二つの磁化固定層の鉄族スピンが反平行（膜面に上向きと下向き）になり、書き込み電流の方向を変えることによって、書き込み層の鉄族スピンに上向きと下向きの二つの状態を書込むことができる。

また、上記実施例１で示した変更例（図３）と同様に、磁化固定層２０１と２０７を、反強磁性体と強磁性層の積層構造、または、反強磁性層と積層フェリ磁性層の積層構造とするような変更を、必要に応じて適宜選択することもできる。こうすると、磁化固定層２０１と２０７の磁化方向を安定に固定できる。また、一方の磁化固定層に積層フェリ磁性層を用いれば、二つの磁化固定層の磁化方向（積層フェリ磁性層では絶縁層側の磁性層）を互いに反平行に初期化することができる。

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、他に種々の変更が可能である。本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、変更が可能である。

実施例１に係るメモリセルの構造を示す図 実施例１に係る固体磁気メモリ装置の構成を示す図 実施例１に係るメモリセルの構造の変更例を示す図 実施例２に係るメモリセルの構造を示す図 実施例１に係るメモリセルの構造の変更例を示す図 従来例に係る固体磁気メモリの構造を示す図 従来例に係る固体磁気メモリの構造を示す図

符号の説明

１０１、１０９ … 磁化固定層
１０２、１０４、１０６、１０８ … 高スピン偏極層
１０３、１０７ … 絶縁層
１０５ … 書き込み層
１１１、１１４ … 反強磁性層
１１２ … 強磁性層
１１３ … 積層フェリ層
２０１、２０７ … 磁化固定層
２０２、２０６ … 高スピン偏極層
２０３、２０５ … 絶縁層
２０４ … 書き込み層
１０ … メモリセル群
１１ … コントローラ
１２ … 順方向バイアス回路
１３ … ラインセレクタ
１４ … 逆方向バイアス回路
１５ … ラインセレクタ

Claims (12)

1. 複数のメモリセルと、各メモリセルに選択的に電流を導通させる制御回路とを有する固体メモリ装置であって、
   前記メモリセルは、
   磁化方向が互いに相違する２つの磁化固定層と、
   前記磁化固定層の間に配された書き込み層と、
   書き込み層と前記磁化固定層の間に配された絶縁層と、
   を有し、
   データ記録時に、前記各層の配列方向に導通する書き込み用の電流が前記絶縁層を流れることにより発生するジュール熱によって前記書き込み層の温度を上昇させながら、前記２つの磁化固定層からのスピン偏極された前記書き込み用の電流によって前記書き込み層の磁化方向を当該磁化固定層のうちの一方の磁化方向に偏極させる、
   ことを特徴とする固体メモリ装置。
2. 請求項１において、
   前記絶縁層は、前記書き込み用の電流が流れることにより、前記書き込み層を少なくともキュリー温度付近まで上昇させ得るジュール熱を発生し得る層として構成されている、
   ことを特徴とする固体メモリ装置。
3. 請求項２において、
   前記絶縁層は、前記書き込み層の磁化を反転させるのに十分なトンネル電流を流し得る層として構成されている、
   ことを特徴とする固体メモリ装置。
4. 請求項１ないし３の何れかにおいて、
   前記絶縁層は、前記書き込み層と前記２つの磁化固定層の間にそれぞれ配されている、
   ことを特徴とする固体メモリ装置。
5. 請求項１ないし４の何れかにおいて、
   前記書き込み層は、そのキュリー温度Ｔｃが、150℃＜Ｔｃ＜300℃の条件を満たす材料によって構成されている、
   ことを特徴とする固体メモリ装置。
6. 請求項１ないし５の何れかにおいて、
   前記磁化固定層は、そのキュリー温度Ｔｃが、300℃＜Ｔｃの条件を満たす材料によって構成されている、
   ことを特徴とする固体メモリ装置。
7. 請求項１ないし６の何れかにおいて、
   前記磁化固定層は、反強磁性層と強磁性層の積層構造、または、反強磁性層と積層フェリ磁性層の積層構造を有している、
   ことを特徴とする固体メモリ装置。
8. 請求項１ないし７の何れかにおいて、
   前記磁化固定層と、当該磁化固定層と前記書き込み層との間に配されている前記絶縁層との間に、スピン偏極度の高い磁性層からなる高スピン偏極層が配されている、
   ことを特徴とする固体メモリ装置。
9. 請求項８において、
   前記絶縁層と前記書き込み層の間に、スピン偏極度の高い磁性層からなる高スピン偏極層がさらに配されている、
   ことを特徴とする固体メモリ装置。
10. 請求項８または９において、
    前記磁化固定層は、膜面に平行な方向に磁化配向した面内磁化層にて構成され、
    前記高スピン偏極層は、当該磁化固定層によってスピンが配向しており、
    前記書き込み層は、膜面に平行な方向の磁化をもった磁性層により構成されている、
    ことを特徴とする固体メモリ装置。
11. 請求項８または９において、
    前記磁化固定層は、膜面に垂直な方向に磁化配向した垂直磁化層にて構成され、
    前記高スピン偏極層は、当該磁化固定層によってスピンが配向しており、
    前記書き込み層は、膜面に垂直な方向の磁化をもった磁性層により構成されている、
    ことを特徴とする固体メモリ装置。
12. 請求項１ないし１１の何れかにおいて、
    前記制御回路は、２値化された記録データの値に応じて、書き込み時に導通されるべき電流を反転させ、前記書き込み層を、前記２つの磁化固定層のうち何れか一方の磁化固定層の磁化方向に偏極させる、
    ことを特徴とする固体メモリ装置。
    
    

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