JP2006092626A - Memory and its recording method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a memory in which information can be recorded at high speed and whose reliability is high. <P>SOLUTION: The memory 10 is constituted by providing a memory layer 4 holding information by a magnetization state of a magnetic object, a memory element 6 provided for this memory layer 4 through a nonvolatile layer 3 and having at least a magnetization fixed layer 2 in which a direction of magnetization is fixed, a current supply means 7 to flow current between the memory layer 4 and the magnetization fixed layer 2 through the nonmagnetic layer 3, and a magnetic field applying means 8 for applying a magnetic field to the memory element 6. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子を備え、記憶素子に電流を流すことにより記憶層の磁化状態を変化させて情報の記録が行われるメモリ及びその記録方法に係わる。   The present invention includes a memory element having a memory layer that holds information according to the magnetization state of a magnetic substance, and a memory in which information is recorded by changing the magnetization state of the memory layer by passing a current through the memory element, and the recording thereof Related to the method.

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。
In information devices such as computers, DRAMs with high speed and high density are widely used as random access memories.
However, since DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, a nonvolatile memory in which information does not disappear is desired.

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)。   As a candidate for a non-volatile memory, a magnetic random access memory (MRAM) that records information by magnetization of a magnetic material has attracted attention and is being developed (for example, see Non-Patent Document 1).

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。   The MRAM reverses the magnetization of the magnetic layer of the magnetic memory element at the intersection of the address lines by passing a current through two orthogonal address lines (word lines and bit lines) and by a current magnetic field generated from each address line. Information recording.

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る。
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。
However, in order to stably hold the recorded information, a certain coercive force is required in the magnetic layer (storage layer) for recording information.
On the other hand, in order to rewrite the recorded information, a certain amount of current must be passed through the address wiring.
As the elements constituting the MRAM become finer, the address wiring becomes thinner, so that a sufficient current cannot flow.

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。
Therefore, attention has been paid to a magnetic memory having a configuration using magnetization reversal by spin injection as a configuration capable of reversing magnetization with a smaller current (see, for example, Patent Document 1).
Magnetization reversal by spin injection is to cause magnetization reversal in another magnetic material by injecting spin-polarized electrons that have passed through the magnetic material into another magnetic material.
Magnetization reversal by spin injection has an advantage that magnetization reversal can be realized with a small current even if the element is miniaturized.

日経エレクトロニクス 2001.2.12号(第164頁−171頁)Nikkei Electronics 2001.1.22 (pages 164-171) 特開2003−17782号公報JP 2003-17782 A

しかしながら、スピン注入による磁化反転を行うためには、記憶素子に直接電流を流すことから、記録電流による記憶素子の破壊や劣化が起こらないように、なるべく記録電流を小さくする必要がある。   However, in order to perform magnetization reversal by spin injection, since a current is directly passed through the storage element, it is necessary to make the recording current as small as possible so that the storage element is not destroyed or deteriorated by the recording current.

特に、高速で記録を行うために、記録電流のパルス幅を短くすると、記録に必要な電流が増大することから、電流増加による記憶素子の劣化や破壊による故障が増加する。
このため、信頼性の高い高速動作可能な磁気メモリを実現することが困難であった。
In particular, if the pulse width of the recording current is shortened in order to perform recording at high speed, the current required for recording increases, so that the failure due to deterioration or destruction of the storage element due to the increase in current increases.
For this reason, it has been difficult to realize a magnetic memory capable of high-speed operation with high reliability.

上述した問題の解決のために、本発明においては、高速に情報を記録することができ、かつ信頼性の高いメモリ及びその記録方法を提供するものである。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a highly reliable memory capable of recording information at high speed and a recording method therefor.

本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、この記憶層に対して非磁性層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有する記憶素子と、非磁性層を介して記憶層と磁化固定層との間に電流を流すための電流供給手段と、記憶素子に磁場を印加するための磁場印加手段とを備えたものである。   The memory according to the present invention includes at least a storage layer that holds information according to the magnetization state of a magnetic material, and a magnetization fixed layer that is provided to the storage layer via a nonmagnetic layer and whose magnetization direction is fixed. The device includes a current supply means for causing a current to flow between the storage layer and the magnetization fixed layer via the nonmagnetic layer, and a magnetic field application means for applying a magnetic field to the storage element.

本発明のメモリの記録方法は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、この記憶層に対して非磁性層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有する記憶素子と、非磁性層を介して記憶層と磁化固定層との間に電流を流すための電流供給手段と、記憶素子に磁場を印加するための磁場印加手段とを備えたメモリにおいて、情報の記録を行う際に、電流供給手段により電流を供給して、記憶層と磁化固定層との間に電流を流し、磁場印加手段によりパルス磁場又は振動磁場を記憶素子に印加するものである。   The memory recording method of the present invention includes a storage layer that holds information according to the magnetization state of a magnetic material, and a magnetization fixed layer that is provided to the storage layer via a nonmagnetic layer and whose magnetization direction is fixed. In a memory comprising at least a storage element, a current supply means for flowing a current between the storage layer and the magnetization fixed layer via a nonmagnetic layer, and a magnetic field application means for applying a magnetic field to the storage element When recording information, a current is supplied by a current supply means, a current is passed between the storage layer and the magnetization fixed layer, and a pulse magnetic field or an oscillating magnetic field is applied to the storage element by the magnetic field application means. is there.

上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、この記憶層に対して非磁性層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有する記憶素子と、非磁性層を介して記憶層と磁化固定層との間に電流を流すための電流供給手段とを備えているので、電流供給手段によって記憶層と磁化固定層との間に電流を流すことにより、いわゆるスピン注入により記憶層の磁化状態(磁化の向き)を変化させて、情報の記録を行うことができる。
また、記憶素子に磁場を印加するための磁場印加手段を備えていることにより、情報の記録を行う際に、磁場印加手段によって記憶素子に磁場を印加し、記憶素子の記憶層の磁化の向きを磁場の作用によって磁化容易軸からずらすことが可能になるため、スピン注入による記憶層の磁化の向きの反転を容易に行うことが可能になる。これにより、情報を記録するために必要となる電流を低減させることができ、また記憶層の磁化の向きの反転の前に起こる磁化の振動を経ないで、速やかに磁化反転を行うことが可能になる。
According to the above-described memory configuration of the present invention, a storage layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material, and a magnetization fixed that is provided to the storage layer via a nonmagnetic layer and the magnetization direction is fixed. A storage element having at least a layer, and current supply means for causing a current to flow between the storage layer and the magnetization fixed layer via the non-magnetic layer. By flowing a current between them, information can be recorded by changing the magnetization state (magnetization direction) of the storage layer by so-called spin injection.
In addition, since a magnetic field applying unit for applying a magnetic field to the memory element is provided, when recording information, the magnetic field is applied to the memory element by the magnetic field applying unit, and the magnetization direction of the memory layer of the memory element Can be shifted from the easy magnetization axis by the action of the magnetic field, so that the magnetization direction of the memory layer can be easily reversed by spin injection. As a result, the current required to record information can be reduced, and the magnetization can be quickly reversed without undergoing the vibration of magnetization that occurs before the magnetization direction of the storage layer is reversed. become.

上述の本発明のメモリの記録方法によれば、上記本発明のメモリにおいて、情報の記録を行う際に、電流供給手段により電流を供給して、記憶層と磁化固定層との間に電流を流し、磁場印加手段によりパルス磁場又は振動磁場を記憶素子に印加することにより、磁場印加手段からのパルス磁場又は振動磁場の作用によって、記憶素子の記憶層の磁化の向きを磁場の作用によって磁化容易軸からずらし、スピン注入による記憶層の磁化の向きの反転を容易にする。これにより、情報を記録するために必要となる電流を低減し、また記憶層の磁化の向きの反転の前に起こる磁化の振動を経ないで、速やかに磁化反転を行うことが可能になる。
また、磁場印加手段から記憶素子に印加する磁場が、パルス磁場又は振動磁場であるため、連続磁場を印加する場合と比較して、スピン注入による記憶層の磁化の向きの反転を妨げる作用を小さくすることができる。
According to the memory recording method of the present invention described above, when information is recorded in the memory of the present invention, a current is supplied by the current supply means, and a current is supplied between the storage layer and the magnetization fixed layer. By applying a pulse magnetic field or an oscillating magnetic field to the memory element by the magnetic field applying means, the magnetization direction of the memory layer of the memory element is easily magnetized by the action of the magnetic field by the action of the pulse magnetic field or the oscillating magnetic field from the magnetic field applying means. Shifting from the axis facilitates reversal of the magnetization direction of the storage layer by spin injection. As a result, the current required for recording information can be reduced, and the magnetization reversal can be performed quickly without passing through the magnetization oscillation that occurs before the reversal of the magnetization direction of the storage layer.
In addition, since the magnetic field applied to the memory element from the magnetic field applying means is a pulsed magnetic field or an oscillating magnetic field, the effect of preventing the reversal of the magnetization direction of the memory layer due to spin injection is smaller than when a continuous magnetic field is applied. can do.

上記本発明のメモリ及び上記本発明のメモリの記録方法において、磁場印加手段による磁場の方向が、記憶素子の記憶層の磁化困難軸とほぼ同じ方向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、記憶層の磁化困難軸とほぼ同じ方向の磁場により、効率良く、記憶層の磁化の向きを磁化容易軸からずらすことができる。これにより、弱い磁場でも、情報を記録するために必要となる電流を低減し、また速やかに磁化反転を行うことができるという効果が得られる。
In the memory of the present invention and the recording method of the memory of the present invention, the direction of the magnetic field by the magnetic field applying means may be substantially the same as the hard axis of the storage layer of the storage element.
With such a configuration, the direction of magnetization of the storage layer can be efficiently shifted from the easy magnetization axis by a magnetic field in substantially the same direction as the hard axis of magnetization of the storage layer. As a result, even if a weak magnetic field is used, the current required for recording information can be reduced, and the effect that the magnetization can be reversed quickly can be obtained.

上記本発明のメモリの記録方法において、情報の記録を行う際に、電流供給手段によりパルス電流を供給し、磁場印加手段によりパルス磁場を記憶素子に印加し、パルス磁場の終端をパルス電流の終端よりも早くするか同時刻としたときには、パルス磁場による記憶層の磁化の向きを磁化容易軸からずらす作用が、パルス電流による記憶層の磁化の向きを反転する作用を妨げない。これにより、情報を記録するために必要となる電流を大幅に低減することが可能になる。   In the memory recording method of the present invention, when recording information, a pulse current is supplied by the current supply means, a pulse magnetic field is applied to the storage element by the magnetic field application means, and the end of the pulse magnetic field is set to the end of the pulse current. When it is earlier or at the same time, the action of shifting the magnetization direction of the storage layer by the pulse magnetic field from the easy axis does not disturb the action of reversing the magnetization direction of the storage layer by the pulse current. As a result, the current required for recording information can be greatly reduced.

上記本発明のメモリの記録方法において、情報の記録を行う際に、磁場印加手段により交流磁場を記憶素子に印加し、この交流磁場の周波数を、記憶素子に電流を流したときに発生する記憶層の磁化の振動の周波数とほぼ同じとすることも可能である。
このようにしたときには、交流磁場の周波数が記憶層の磁化の振動の周波数とほぼ同じであることにより、効率良く記憶層の磁化の反転を補助することができるため、記憶層の磁化を反転して情報を記録するために必要となる電流(記録電流)を大幅に低減することが可能になる。また、弱い磁場でも記録電流を低減することが可能になる。
In the memory recording method of the present invention, when recording information, an alternating magnetic field is applied to the storage element by the magnetic field applying means, and the frequency of the alternating magnetic field is generated when a current is passed through the storage element. It is also possible to make it substantially the same as the oscillation frequency of the layer magnetization.
In this case, since the frequency of the alternating magnetic field is substantially the same as the frequency of the magnetization vibration of the storage layer, it is possible to efficiently assist the reversal of the magnetization of the storage layer. Therefore, the current (recording current) required for recording information can be greatly reduced. Further, the recording current can be reduced even with a weak magnetic field.

上述の本発明によれば、情報を記録するために必要となる電流(記録電流)を低減することが可能になる。
これにより、記憶素子の劣化や破壊による故障を少なくすることができ、メモリの信頼性を向上することが可能になる。また、情報を記録する際の消費電力を低減することができるため、消費電力の少ないメモリを実現することが可能になる。
さらに、電流供給手段によりパルス電流を供給して情報の記録を行う場合には、連続電流を供給する場合よりも記録電流が増大するが、本発明によればパルス電流を供給して情報の記録を行う場合でも記録電流を小さくすることが可能になる。これにより、パルス電流のパルス幅を短くして、短い時間で情報の記録を行い、情報の記録の高速化を図ることも可能になる。
According to the present invention described above, it is possible to reduce the current (recording current) required for recording information.
As a result, failures due to deterioration or destruction of the memory element can be reduced, and the reliability of the memory can be improved. Further, since power consumption when recording information can be reduced, a memory with low power consumption can be realized.
Furthermore, when recording information by supplying a pulse current from the current supply means, the recording current increases as compared with the case of supplying a continuous current. However, according to the present invention, information recording is performed by supplying a pulse current. Even when the recording is performed, the recording current can be reduced. As a result, the pulse width of the pulse current can be shortened, information can be recorded in a short time, and the information recording speed can be increased.

上述の本発明によれば、記憶層の磁化の向きの反転の前に起こる磁化の振動を経ないで、速やかに磁化反転を行うことが可能になるため、情報の記録を高速に行うことが可能になる。   According to the present invention described above, since it is possible to perform the magnetization reversal quickly without passing through the vibration of the magnetization that occurs before the reversal of the magnetization direction of the storage layer, it is possible to record information at a high speed. It becomes possible.

従って、本発明により、高速で情報の記録を行うことができ、かつ信頼性の高いメモリを実現することが可能になる。   Therefore, according to the present invention, information can be recorded at high speed and a highly reliable memory can be realized.

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。   First, an outline of the present invention will be described prior to description of specific embodiments of the present invention.

前述した目的、即ち少ない電流で情報を記録することができ、かつ高速で情報を記録することができるメモリを実現することを達成するために、最適な構造及び記録方法を検討した結果、磁化の向き(磁化状態)を情報として保持する記憶層と磁化の向きが固定された磁化固定層(情報の基準となる参照層を有する)との少なくとも2つの磁性層とそれらに挟まれた非磁性層からなり、非磁性層を介して流れる電流により情報の記録が行われる記憶素子において、情報の記録を行う際に同時に磁場を印加することによって、短い幅のパルス電流によっても少ない記録電流で情報の記録が可能となり、記憶素子の劣化や破壊による故障を減らして、信頼性の高いメモリを実現可能であることを見い出した。   In order to achieve the above-described purpose, that is, to realize a memory capable of recording information with a small current and capable of recording information at high speed, the optimum structure and recording method have been studied. At least two magnetic layers of a storage layer that holds the direction (magnetization state) as information and a magnetization fixed layer (having a reference layer serving as a reference for information) in which the magnetization direction is fixed, and a nonmagnetic layer sandwiched between them In a storage element in which information is recorded by a current flowing through a nonmagnetic layer, a magnetic field is applied simultaneously when information is recorded, so that information can be recorded with a small recording current even with a short-width pulse current. We have found that it is possible to record, and it is possible to realize a highly reliable memory by reducing failures due to deterioration or destruction of the memory element.

ここで、磁場による磁化反転とスピン偏極電流注入による磁化反転のそれぞれの場合について、磁化の軌跡(磁化ベクトルの変化)を計算した。計算結果を図1A及び図1Bに示す。図1Aは、磁場による磁化反転の場合であり、図1Bは、スピン偏極電流注入による磁化反転の場合である。また、図1A及び図1Bにおいて、x軸は磁性体の膜厚方向であり、y軸は磁性体の磁化困難軸方向であり、z軸は磁性体の磁化容易軸方向である。   Here, for each case of magnetization reversal by a magnetic field and magnetization reversal by spin-polarized current injection, a magnetization locus (change in magnetization vector) was calculated. The calculation results are shown in FIGS. 1A and 1B. FIG. 1A shows the case of magnetization reversal by a magnetic field, and FIG. 1B shows the case of magnetization reversal by spin-polarized current injection. 1A and 1B, the x-axis is the film thickness direction of the magnetic material, the y-axis is the hard magnetization axis direction of the magnetic material, and the z-axis is the easy magnetization axis direction of the magnetic material.

図1Aも図1Bも、いずれも最初図中上向き(z軸成分が正)であった磁化が、図中下向き(z軸成分が負)に反転する過程である。最初の磁化ベクトル(x,y,z)は(0,0,+1)であり、反転した後の磁化ベクトルは(0,0,−1)である。
図1Aの磁場による磁化反転では、上向きの磁化が下向きになるまでは速やかに動き、反転した後に磁化の振動が見られるが、反転までの動作は早く、短時間で磁化反転が可能である。
これに対して、図1Bのスピン偏極電流による磁化反転では、反転するまでに磁化の振動が見られる。特に、電流を流し始めた初期には、磁化容易軸周辺で小さな振動を繰り返すだけで、多くの時間が費やされる。
In both FIG. 1A and FIG. 1B, the magnetization that was initially upward in the figure (z-axis component is positive) is reversed in the figure downward (z-axis component is negative). The first magnetization vector (x, y, z) is (0, 0, +1), and the magnetization vector after inversion is (0, 0, -1).
In the magnetization reversal by the magnetic field in FIG. 1A, the magnetization moves rapidly until the upward magnetization becomes downward, and the vibration of the magnetization is observed after the reversal. However, the operation until the reversal is fast, and the magnetization reversal is possible in a short time.
On the other hand, in the magnetization reversal by the spin-polarized current in FIG. 1B, magnetization oscillation is observed before the reversal. In particular, at the initial stage when the current is started to flow, a lot of time is spent only by repeating small vibrations around the easy magnetization axis.

従って、スピン注入による磁化反転において、より速く磁化反転を行うためには、より多くの電流を流して、反転までの磁化の振動回数を少なくする必要がある。
しかし、多くの電流を流すと、その分消費電力も大きくなってしまう。
Therefore, in order to perform the magnetization reversal faster in the magnetization reversal by spin injection, it is necessary to flow more current and reduce the number of times of magnetization oscillation until the reversal.
However, when a large amount of current is passed, the power consumption increases accordingly.

消費電力を増大させないで、高速に動作させるためには、電流を増やす方法ではなく、他の方法を採用する必要がある。
そこで、スピン注入による磁化反転の際に、磁場を印加することにより、磁化の向きを記憶層の磁化容易軸からずらす方法が有効と考えられる。この方法により、初期の振動回数を減らして、磁化反転に要する時間を短くすることが可能になる。
In order to operate at high speed without increasing power consumption, it is necessary to adopt another method instead of a method of increasing current.
Therefore, it is considered effective to shift the direction of magnetization from the easy magnetization axis of the storage layer by applying a magnetic field during magnetization reversal by spin injection. This method makes it possible to reduce the number of initial vibrations and shorten the time required for magnetization reversal.

このとき、磁化困難軸方向に磁場を印加すれば、最も弱い磁場で磁化の向きを磁化容易軸からずらすことができる。
ただし、連続的な磁場を印加すると、スピン注入による磁化の動きが磁場によって妨げられるので、パルス磁場や交流磁場等とする必要がある。
At this time, if a magnetic field is applied in the hard axis direction, the direction of magnetization can be shifted from the easy axis by the weakest magnetic field.
However, when a continuous magnetic field is applied, the movement of magnetization due to spin injection is hindered by the magnetic field, so it is necessary to use a pulse magnetic field, an alternating magnetic field, or the like.

さらに、パルス磁場を印加する場合に、スピン注入による磁化の動きを妨げないためには、少なくともスピン注入電流のパルスの終端よりも磁場のパルスの終端が早いか同時であることが好ましい。
また、磁場のパルスとスピン注入電流のパルスは、重なっている必要はなく、ある程度までの時間離れていても良いし、2つのパルス幅が異なっていても良い。
Furthermore, when applying a pulsed magnetic field, it is preferable that the end of the pulse of the magnetic field be at least earlier than the end of the pulse of the spin injection current at least in order not to disturb the movement of magnetization due to spin injection.
Also, the magnetic field pulse and the spin injection current pulse do not need to overlap, and may be separated by a certain amount of time, or the two pulse widths may be different.

また、印加する磁場を、スピン注入による磁化反転の際に観測される、磁化の振動周期とほぼ同じ周期を有する振動磁場(磁場の強度が振動する磁場)とすることにより、効率的に磁化の反転を補助することができるため、より弱い磁場と少ない電流で磁化反転を行うことが可能になる。
振動磁場としては、例えば、交流磁場のように極性が変化する磁場や、同じ極性で強度が変化する磁場が考えられる。
In addition, the magnetic field to be applied is an oscillating magnetic field (magnetic field in which the intensity of the magnetic field oscillates) having substantially the same period as the magnetization oscillating period observed at the time of magnetization reversal by spin injection. Since reversal can be assisted, magnetization reversal can be performed with a weaker magnetic field and less current.
As the oscillating magnetic field, for example, a magnetic field whose polarity changes like an alternating magnetic field or a magnetic field whose intensity changes with the same polarity can be considered.

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。   Next, a specific embodiment of the present invention that satisfies the above-described configuration of the present invention will be described.

本発明の一実施の形態として、メモリを構成する単位メモリセルの概略構成図(斜視図)を図2に示す。
下層から、反強磁性層1、反強磁性層1により磁化の向きが固定された磁化固定層(参照層)2、非磁性層3、情報を磁化状態(磁化の向き)により保持する記憶層4、上部電極層5とが積層されて、記憶素子6が構成されている。磁化固定層(参照層)2は、記憶層4に対する磁化の向きの基準となるものである。
As an embodiment of the present invention, FIG. 2 shows a schematic configuration diagram (perspective view) of unit memory cells constituting a memory.
From the lower layer, the antiferromagnetic layer 1, the magnetization fixed layer (reference layer) 2 whose magnetization direction is fixed by the antiferromagnetic layer 1, the nonmagnetic layer 3, and the storage layer that holds information by the magnetization state (magnetization direction) 4 and the upper electrode layer 5 are laminated | stacked and the memory element 6 is comprised. The magnetization fixed layer (reference layer) 2 serves as a reference for the magnetization direction with respect to the storage layer 4.

記憶素子6の上には、記憶素子6に電流を流すための配線(電流線)7が接続されている。
また、記憶素子6から少し離れて上方に、磁場を印加するための配線(アドレス線)8が設けられている。
また、下部電極層を兼ねる反強磁性層1側には、選択用のトランジスタ9が接続されている。
上述した記憶素子6、電流線7、アドレス線8、選択用のトランジスタ9により、メモリセル10が構成されている。
この図2に示す構成のメモリセル10を多数、列状やマトリクス状に配置することにより、メモリを構成することができる。
A wiring (current line) 7 for flowing a current to the storage element 6 is connected on the storage element 6.
A wiring (address line) 8 for applying a magnetic field is provided slightly above the storage element 6 and above.
A selection transistor 9 is connected to the side of the antiferromagnetic layer 1 that also serves as the lower electrode layer.
A memory cell 10 is configured by the memory element 6, the current line 7, the address line 8, and the selection transistor 9 described above.
A memory can be configured by arranging a large number of memory cells 10 having the configuration shown in FIG. 2 in a column or matrix.

反強磁性層1には、PtMn等の反強磁性材料を利用することが可能である。
磁化固定層(参照層)2には、CoFe等のスピン分極の大きな磁性体が適している。磁化固定層2は、単層でも良く、また複数層の磁性層をRu等の非磁性層を介して積層した構成としても良い。
非磁性層3には、スピン注入においてスピン散乱の少ない金属Cuや、Al酸化物等の絶縁体が適している。
記憶層4には、Fe,Co,Niを主成分とした、結晶質或いは非晶質の磁性体を用いることができる。
上部電極層5には、導電性の良好な材料、例えばTaやWを使用することができる。
電流線7及びアドレス線8は、抵抗の低いAl又はCuで構成することが望ましい。
An antiferromagnetic material such as PtMn can be used for the antiferromagnetic layer 1.
For the magnetization fixed layer (reference layer) 2, a magnetic material having a large spin polarization such as CoFe is suitable. The magnetization fixed layer 2 may be a single layer, or may have a configuration in which a plurality of magnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer such as Ru.
For the nonmagnetic layer 3, an insulator such as metal Cu or Al oxide that has little spin scattering in spin injection is suitable.
For the memory layer 4, a crystalline or amorphous magnetic material mainly composed of Fe, Co, and Ni can be used.
For the upper electrode layer 5, a material having good conductivity, for example, Ta or W can be used.
The current line 7 and the address line 8 are preferably composed of Al or Cu having a low resistance.

図2において、x,y,zの各軸は、図1A及び図1Bの各軸と同様に定義され、x軸は記憶層4の厚さ方向であり、y軸は記憶層4の磁化困難軸方向であり、z軸は記憶層4の磁化容易軸方向である。
そして、磁場を印加するためのアドレス線8は、z軸方向即ち記憶層4の磁化容易軸方向に延びるように形成されているので、アドレス線8に電流を流すことにより、記憶層4の磁化困難軸方向(y軸方向)の磁場を印加することができる。
In FIG. 2, the x, y, and z axes are defined in the same manner as the respective axes in FIGS. 1A and 1B, the x axis is the thickness direction of the memory layer 4, and the y axis is the magnetization difficulty of the memory layer 4. It is the axial direction, and the z-axis is the easy axis direction of magnetization of the storage layer 4.
Since the address line 8 for applying the magnetic field is formed so as to extend in the z-axis direction, that is, the magnetization easy axis direction of the storage layer 4, the magnetization of the storage layer 4 is caused by passing a current through the address line 8. A magnetic field in the difficult axis direction (y-axis direction) can be applied.

本実施の形態のメモリセル10において、情報の記録を行う際には、電流線7や選択用のトランジスタ9等を通して、記憶素子6の反強磁性層1と上部電極層5の間に膜厚方向の電流を流し、また、アドレス線8に電流を流して記憶層4の磁化困難軸方向(y軸方向)の磁場を印加する。
記憶素子6の反強磁性層1と上部電極層5の間に膜厚方向の電流を流すことにより、記憶層4と磁化固定層2との間に電流が流れ、スピン偏極電流注入によって記憶層4の磁化の向きを反転させることができる。このとき、記憶層4の磁化困難軸方向の磁場を印加することにより、記憶層4の磁化の向きを磁化容易軸方向からずらして、スピン偏極電流注入によって磁化の向きを容易に反転させることができる。
磁化の向きを容易に反転させることができるので、短い時間で反転させることや、より少ない電流で反転させることが可能になる。
In the memory cell 10 of the present embodiment, when information is recorded, the film thickness is measured between the antiferromagnetic layer 1 and the upper electrode layer 5 of the memory element 6 through the current line 7, the selection transistor 9, and the like. A current in the direction is supplied, and a current is supplied to the address line 8 to apply a magnetic field in the hard axis direction (y-axis direction) of the storage layer 4.
By passing a current in the thickness direction between the antiferromagnetic layer 1 and the upper electrode layer 5 of the memory element 6, a current flows between the memory layer 4 and the magnetization fixed layer 2, and the memory is stored by spin-polarized current injection. The magnetization direction of the layer 4 can be reversed. At this time, by applying a magnetic field in the hard axis direction of the storage layer 4, the magnetization direction of the storage layer 4 is shifted from the easy axis direction, and the magnetization direction is easily reversed by spin-polarized current injection. Can do.
Since the magnetization direction can be easily reversed, it can be reversed in a short time or with a smaller current.

そして、前述したように、連続的な磁場では記憶層4の磁化の動きを妨げてしまうため、パルス磁場や振動磁場(例えば交流磁場)となるように、アドレス線8に流す電流を、パルス電流、電流量が振動する電流、或いは交流とする。   As described above, since the continuous magnetic field hinders the movement of magnetization of the storage layer 4, the current flowing through the address line 8 is changed to the pulse current so as to be a pulse magnetic field or an oscillating magnetic field (for example, an alternating magnetic field). , Current that vibrates, or alternating current.

特に、アドレス線8によりパルス磁場を印加し、また、記録電流として、電流線7や選択用のトランジスタ9等を通して、記憶素子6にパルス電流を流す場合には、このパルス電流とパルス磁場とをそれぞれ印加するタイミングの関係が重要になる。
記憶層4の磁化の向きを磁化容易軸方向からずらして、スピン偏極電流注入によって磁化の向きを容易に反転させるためには、パルス磁場の始端を、パルス電流の始端と同時又はパルス電流の始端よりも先行させることが望ましい。
また、パルス磁場の終端は、パルス電流の終端よりも早いか同時刻であることが望ましい。
In particular, when a pulse magnetic field is applied by the address line 8 and a pulse current is passed through the storage element 6 as a recording current through the current line 7, the selection transistor 9 or the like, the pulse current and the pulse magnetic field are The relationship between the timings of application is important.
In order to shift the magnetization direction of the storage layer 4 from the easy axis direction and to easily reverse the magnetization direction by spin-polarized current injection, the start of the pulse magnetic field is set simultaneously with the start of the pulse current or the pulse current It is desirable to precede the start.
Further, it is desirable that the end of the pulse magnetic field is earlier or at the same time as the end of the pulse current.

パルス磁場とパルス電流は、パルスのタイミングが全く同時であっても、重なりを持っていてもよく、両者のパルス幅が同一でも異なっていてもよい。
そして、パルス磁場の終端が、パルス電流の始端よりも先行していても、それらの間隔がある程度より短い場合は、反転電流を低減する効果がある。これは、両者のパルスの間隔が短いので、パルス磁場により記憶層4の磁化の向きが磁化容易軸方向からずれた状態から、磁化容易軸方向に完全に戻る前に、即ちまだずれている状態であるうちに、スピン偏極電流注入により磁化反転が開始されるためである。
The pulse magnetic field and the pulse current may have the same pulse timing or may overlap, and the pulse widths of both may be the same or different.
Even if the end of the pulse magnetic field precedes the start of the pulse current, if the distance between them is shorter to some extent, the effect of reducing the reversal current is obtained. This is because the interval between the two pulses is short, so that the magnetization direction of the storage layer 4 is deviated from the easy magnetization axis direction by the pulse magnetic field and is completely deviated before returning to the easy magnetization axis direction. This is because the magnetization reversal is started by the spin-polarized current injection.

また、特に、アドレス線8により交流磁場を印加する場合には、交流磁場の周波数、即ちアドレス線8に流す交流の周波数を、記憶素子6に電流を流したときに発生する記憶層4の磁化の振動の周波数とほぼ同じにすると、磁化反転に必要な電流(反転電流)を低減する効果が大きくなる。   In particular, when an alternating magnetic field is applied via the address line 8, the magnetization of the storage layer 4 generated when a current is passed through the storage element 6 at the frequency of the alternating magnetic field, that is, the alternating frequency applied to the address line 8. When the frequency is substantially the same as the frequency of the vibration, the effect of reducing the current required for magnetization reversal (reversal current) is increased.

上述の本実施の形態のメモリの構成によれば、アドレス線8に電流を流して電流磁場を発生させることにより、磁場の作用により記憶素子6の記憶層4の磁化の向きを磁化容易軸からずらし、スピン注入による記憶層4の磁化の向きの反転を容易にする。
これにより、情報を記録するために必要となる電流を低減し、また記憶層4の磁化の向きの反転の前に起こる磁化の振動を経ないで、速やかに磁化反転を行うことが可能になる。
According to the configuration of the memory according to the above-described embodiment, a current magnetic field is generated by flowing a current through the address line 8, thereby changing the magnetization direction of the storage layer 4 of the storage element 6 from the easy magnetization axis by the action of the magnetic field. Shifting facilitates reversal of the magnetization direction of the memory layer 4 by spin injection.
As a result, the current required for recording information can be reduced, and magnetization reversal can be performed quickly without passing through the magnetization oscillation that occurs before the reversal of the magnetization direction of the storage layer 4. .

情報を記録するために必要となる電流を低減することができるため、記憶素子6の劣化や破壊による故障を少なくすることができ、メモリの信頼性を向上することが可能になる。また、情報を記録する際の消費電力を低減することができるため、消費電力の少ないメモリを実現することが可能になる。
さらに、電流線7によりパルス電流を供給して情報の記録を行う場合には、連続電流を供給する場合よりも記録電流が増大するが、本実施の形態の構成のメモリでは、パルス電流を供給して情報の記録を行う場合でも記録電流を小さくすることが可能になる。これにより、パルス電流のパルス幅を短くして、短い時間で情報の記録を行い、情報の記録の高速化を図ることも可能になる。
また、電流磁場の作用により、速やかに磁化反転を行うことが可能になるため、この点によっても情報の記録の高速化を図ることが可能になる。
Since the current required for recording information can be reduced, failures due to deterioration or destruction of the memory element 6 can be reduced, and the reliability of the memory can be improved. Further, since power consumption when recording information can be reduced, a memory with low power consumption can be realized.
Further, when recording information by supplying a pulse current through the current line 7, the recording current increases as compared with the case of supplying a continuous current. However, in the memory according to the present embodiment, the pulse current is supplied. Thus, even when information is recorded, the recording current can be reduced. As a result, the pulse width of the pulse current can be shortened, information can be recorded in a short time, and the information recording speed can be increased.
Further, since the magnetization reversal can be performed promptly by the action of the current magnetic field, it is possible to increase the speed of information recording.

従って、高速で情報の記録を行うことができ、かつ信頼性の高いメモリを実現することが可能になる。   Therefore, it is possible to record information at high speed and to realize a highly reliable memory.

また、本実施の形態のメモリの構成によれば、記憶素子6に電流磁場を印加するアドレス線8がz軸方向即ち記憶層4の磁化容易軸方向に延びて形成されているので、アドレス線8によって記憶層4の磁化困難軸方向の電流磁場を印加することができる。
この記憶層4の磁化困難軸方向の電流磁場によって、効率良く、記憶層4の磁化の向きを磁化容易軸からずらすことができる。
これにより、アドレス線8からの電流磁場が弱くても、情報を記録するために必要となる電流を低減し、また速やかに磁化反転を行うことができるという効果が得られる。
従って、電流磁場を発生させるためにアドレス線8に流す電流量を、低減することも可能になる。
Further, according to the memory configuration of the present embodiment, the address line 8 for applying a current magnetic field to the storage element 6 is formed extending in the z-axis direction, that is, the easy magnetization axis direction of the storage layer 4. 8, the current magnetic field in the hard axis direction of the storage layer 4 can be applied.
The current magnetic field in the hard axis direction of the storage layer 4 can efficiently shift the magnetization direction of the storage layer 4 from the easy axis.
As a result, even if the current magnetic field from the address line 8 is weak, it is possible to reduce the current required for recording information, and to effect quick magnetization reversal.
Accordingly, it is possible to reduce the amount of current flowing through the address line 8 in order to generate a current magnetic field.

(実施例)
ここで、本発明のメモリ・記憶素子の構成において、具体的に記憶層の寸法や組成等を設定して、特性がどのようになるか検討を行った。
(Example)
Here, in the configuration of the memory / storage element of the present invention, the dimensions and composition of the storage layer were specifically set to examine the characteristics.

そして、実験用として、図3に示す構成のメモリセル20を作製した。
このメモリセル20は、図2に示したメモリセル10とは若干構成が異なっている。即ち、反強磁性層1の下に下部電極層11が設けられ、選択用のトランジスタ9は省略されている。また、磁化固定層2は、磁性層12・非磁性層13・磁性層14の3層が積層された構成であり、磁性層14が参照層となる。また、上部電極層5は記憶層4を保護する保護層を兼ねる。
その他の構成は、図2に示したメモリセル10と同様になっている。
Then, a memory cell 20 having the configuration shown in FIG.
The memory cell 20 is slightly different from the memory cell 10 shown in FIG. That is, the lower electrode layer 11 is provided under the antiferromagnetic layer 1, and the selection transistor 9 is omitted. Further, the magnetization fixed layer 2 has a configuration in which three layers of a magnetic layer 12, a nonmagnetic layer 13, and a magnetic layer 14 are stacked, and the magnetic layer 14 serves as a reference layer. The upper electrode layer 5 also serves as a protective layer for protecting the memory layer 4.
Other configurations are the same as those of the memory cell 10 shown in FIG.

下地の下部電極層11の上に、膜厚30nmのPtMn膜から成る反強磁性層1、膜厚2nmのCoFe膜から成る磁性層12、膜厚0.7nmのRu膜から成る非磁性層13、膜厚2nmのCoFe膜から成る磁性層(参照層)14、膜厚5nmのCu膜から成る非磁性層3、膜厚5nmのNiFe膜から成る記憶層4、膜厚10nmのTa膜から成る上部電極層(保護層)5を順次形成し、記憶素子6を形成した。
次に、記憶素子6の各層を、長辺が約200nm、短辺が約150nmの楕円形状にパターニングした。
その後、上部電極層(保護層)5の上に電流線7を形成し、さらに絶縁層を介して磁場を印加するための配線8を形成した。
次に、300℃・10時間・約1テスラの磁場中熱処理によって、反強磁性層1のPtMn膜を規則結晶化して、磁化固定層21の磁性層(参照層)14の磁化の向きを一方に向くようにした。
なお、作製された記憶素子6の保磁力は110[Oe]であった。
On the underlying lower electrode layer 11, an antiferromagnetic layer 1 made of a PtMn film with a thickness of 30 nm, a magnetic layer 12 made of a CoFe film with a thickness of 2 nm, and a nonmagnetic layer 13 made of a Ru film with a thickness of 0.7 nm. A magnetic layer (reference layer) 14 made of a CoFe film having a thickness of 2 nm, a nonmagnetic layer 3 made of a Cu film having a thickness of 5 nm, a memory layer 4 made of a NiFe film having a thickness of 5 nm, and a Ta film having a thickness of 10 nm. The upper electrode layer (protective layer) 5 was sequentially formed, and the memory element 6 was formed.
Next, each layer of the memory element 6 was patterned into an elliptical shape having a long side of about 200 nm and a short side of about 150 nm.
Thereafter, a current line 7 was formed on the upper electrode layer (protective layer) 5 and a wiring 8 for applying a magnetic field via an insulating layer was formed.
Next, the PtMn film of the antiferromagnetic layer 1 is regularly crystallized by heat treatment in a magnetic field of 300 ° C., 10 hours, about 1 Tesla, and the magnetization direction of the magnetic layer (reference layer) 14 of the magnetization fixed layer 21 is changed to one direction. I tried to face.
Note that the coercive force of the manufactured memory element 6 was 110 [Oe].

(反転電流Icの測定)
下部電極層11と上部電極層との間に流す電流量を掃引しながら記憶素子6の抵抗を測定し、抵抗が変化したところの電流値から反転電流Icを求めた。
そして、記憶層4と参照層14の磁化の向きが平行状態から反平行状態に変化する電流を負の反転電流(−Ic)とし、反平行状態から平行状態に変化する電流を正の反転電流(+Ic)として、これらの反転電流+Ic,−Icを測定し、正の反転電流(+Ic)と負の反転電流(−Ic)との差の1/2を反転電流Icの平均値とした。
(Measurement of reverse current Ic)
The resistance of the memory element 6 was measured while sweeping the amount of current flowing between the lower electrode layer 11 and the upper electrode layer, and the inversion current Ic was obtained from the current value at which the resistance changed.
A current that changes the magnetization directions of the storage layer 4 and the reference layer 14 from the parallel state to the antiparallel state is defined as a negative reversal current (−Ic), and a current that changes from the antiparallel state to the parallel state is a positive reversal current. These inversion currents + Ic and −Ic were measured as (+ Ic), and ½ of the difference between the positive inversion current (+ Ic) and the negative inversion current (−Ic) was taken as the average value of the inversion current Ic.

まず、磁場を印加せずに、記憶素子6に流すスピン偏極電流のみによって、記憶層4の磁化の向きを反転させた場合において、反転電流Icの平均値の実測値及び理論値を求めた。なお、スピン偏極電流を電流パルスとして、そのパルス幅(ns;ナノ秒)を変えて、同様に反転電流Icの平均値の実測値及び理論値を求めた。
なお、パルス幅が10ns以下のときには、反転に必要な電流が大きくなり過ぎて、大電流を流すことにより記憶素子6が破壊されることから、反転電流の測定ができない。そのため、その部分は理論値により推定することとした。
反転電流Icの平均値の実測値及び理論値と電流パルス幅との関係を、図4に示す。
図4より、実測値がほぼ理論値に一致しており、またパルス幅が10ns以下の理論値から、記録電流のパルス幅が短くなると、反転電流Icが急激に増大することが予想される。
First, when the direction of magnetization of the memory layer 4 was reversed only by the spin-polarized current passed through the memory element 6 without applying a magnetic field, the measured value and the theoretical value of the average value of the reversal current Ic were obtained. . In addition, the measured value and theoretical value of the average value of the reversal current Ic were similarly obtained by changing the pulse width (ns; nanosecond) using the spin-polarized current as a current pulse.
Note that when the pulse width is 10 ns or less, the current required for inversion becomes too large, and the memory element 6 is destroyed by flowing a large current, so that the inversion current cannot be measured. Therefore, we decided to estimate that part by theoretical values.
FIG. 4 shows the relationship between the measured value and theoretical value of the average value of the reversal current Ic and the current pulse width.
From FIG. 4, it is expected that the actually measured value almost coincides with the theoretical value, and that the reversal current Ic increases abruptly when the pulse width of the recording current is shortened from the theoretical value of the pulse width of 10 ns or less.

次に、磁化の向きを反転させる際に、一様な外部磁場を記録層4の磁化困難軸方向に印加した場合において、外部磁場の強度と反転電流との関係を測定した。記憶素子6に、連続して電流を流したときの反転電流と、パルス幅50nsのパルス電流を流したときの反転電流を調べた。
測定結果を図5に示す。図5では、正の反転電流(+Ic)及び負の反転電流(−Ic)をそれぞれ示している。負の反転電流の方が電流の絶対値が大きくなっている。
Next, when the direction of magnetization was reversed, when a uniform external magnetic field was applied in the hard axis direction of the recording layer 4, the relationship between the strength of the external magnetic field and the reversal current was measured. An inversion current when a current was continuously passed through the memory element 6 and an inversion current when a pulse current having a pulse width of 50 ns was passed were examined.
The measurement results are shown in FIG. FIG. 5 shows a positive inversion current (+ Ic) and a negative inversion current (−Ic), respectively. The absolute value of the current is larger in the negative inversion current.

図5に示すように、連続電流を流したときも、パルス電流を流したときも、反転電流が、外部磁場強度にほとんど依存しない。
なお、前述したように、パルス電流を流したときの反転電流は、連続電流を流したときの反転電流と比較して、大きい値となっている。
As shown in FIG. 5, the reversal current hardly depends on the external magnetic field strength when the continuous current or the pulse current is passed.
As described above, the reversal current when a pulse current is passed is a larger value than the reversal current when a continuous current is passed.

次に、記憶素子6に印加する磁場を、パルス幅10nsのパルス磁場として、磁場強度と反転電流との関係を調べた。記憶素子6に、連続して電流を流したとき、パルス幅50nsのパルス電流を流したとき、パルス幅10nsのパルス電流を流したときにおいて、それぞれパルス磁場の強度を変化させて反転電流を測定した。なお、電流とパルス磁場とのタイミングは、パルス電流を流したときには、パルス磁場の終端をパルス電流の終端よりも1ns早くして、連続電流を流したときには電流パルスの終端がないので連続電流を流している間の適当なときにパルス磁場を印加した。この測定結果を図6に示す。   Next, the magnetic field applied to the memory element 6 was a pulse magnetic field having a pulse width of 10 ns, and the relationship between the magnetic field strength and the reversal current was examined. When a current is continuously passed through the memory element 6, a pulse current with a pulse width of 50 ns is passed, and a pulse current with a pulse width of 10 ns is passed, the inversion current is measured by changing the intensity of the pulse magnetic field. did. Note that the timing of the current and the pulse magnetic field is such that when the pulse current is applied, the end of the pulse magnetic field is 1 ns earlier than the end of the pulse current, and when the continuous current is applied, there is no current pulse end, so the continuous current is A pulsed magnetic field was applied at an appropriate time during the flow. The measurement results are shown in FIG.

図6より、パルス磁場を印加した場合には、連続磁場を印加した場合とは異なり、磁場強度が大きくなるほど反転電流が小さくなることがわかる。特に、電流パルス幅が短い場合に、反転電流の減少が著しく、磁場の効果が顕著であることがわかる。   FIG. 6 shows that when a pulsed magnetic field is applied, the reversal current decreases as the magnetic field strength increases, unlike when a continuous magnetic field is applied. In particular, it can be seen that when the current pulse width is short, the reversal current is remarkably reduced and the effect of the magnetic field is remarkable.

次に、磁場パルスの強度を50[Oe]として、電流パルス及び磁場パルスのパルス幅をいずれも3nsとして、磁場パルスと電流パルスのパルス間隔(パルスの時刻の差)を変えて、それぞれ反転電流Icの平均値を測定した。測定結果を図7に示す。なお、図7において、横軸のパルス間隔(パルスの時刻の差)は、磁場パルスが先で電流パルスが後の場合を正、電流パルスが先で磁場パルスが後の場合を負としている。   Next, the intensity of the magnetic field pulse is set to 50 [Oe], the pulse widths of the current pulse and the magnetic field pulse are both set to 3 ns, the pulse interval between the magnetic field pulse and the current pulse (the difference in time of the pulse) is changed, The average value of Ic was measured. The measurement results are shown in FIG. In FIG. 7, the pulse interval (difference in pulse time) on the horizontal axis is positive when the magnetic field pulse is first and the current pulse is later, and negative when the current pulse is first and the magnetic field pulse is later.

図7より、パルス間隔が正、即ち磁場パルスを先にした方が、反転電流の低減効果が大きいことがわかり、磁場パルスと電流パルスの重なりがないときでも、ある程度までの間隔(例えば、+4ns付近)でも、反転電流の低減効果が見られる。
一方、電流パルスを先にした場合には、反転電流を低減する効果がほとんど得られないことがわかる。
FIG. 7 shows that the pulse interval is positive, that is, the magnetic field pulse first has a greater effect of reducing the reversal current. Even when there is no overlap between the magnetic field pulse and the current pulse, an interval up to a certain extent (for example, +4 ns) Even in the vicinity, an effect of reducing the inversion current can be seen.
On the other hand, when the current pulse is first, it can be seen that the effect of reducing the inversion current is hardly obtained.

次に、記憶素子に交流磁場を印加して、記憶層に対して情報の記録を行った場合について、説明する。
記憶素子6に、記憶層4の磁化困難軸方向に10[Oe]の磁場を印加しながら、記憶層4及び参照層14の磁化の向きが反平行の状態で、0.2mAの連続電流を記憶素子6に流して、記憶素子6の両端で観測される信号を、スペクトルアナライザで周波数解析した。この解析の結果を図8に示す。
図8より、およそ1.05GHzに、強いピークが観測される。
また、2.1GHz付近に見られるピークは、2次高調波成分である。
従って、スピン注入によって、記憶層4の磁化がおよそ1.05GHzで振動している状態が観測されている。
Next, the case where information is recorded on the storage layer by applying an alternating magnetic field to the storage element will be described.
While applying a magnetic field of 10 [Oe] to the storage element 6 in the hard axis direction of the storage layer 4, a continuous current of 0.2 mA is applied in a state where the magnetization directions of the storage layer 4 and the reference layer 14 are antiparallel. The signal observed at both ends of the storage element 6 after flowing through the storage element 6 was subjected to frequency analysis with a spectrum analyzer. The result of this analysis is shown in FIG.
From FIG. 8, a strong peak is observed at about 1.05 GHz.
Moreover, the peak seen in the vicinity of 2.1 GHz is the second harmonic component.
Therefore, it is observed that the magnetization of the storage layer 4 is oscillating at about 1.05 GHz by spin injection.

次に、1.05GHzの周波数の交流磁場を印加しながら、記憶素子6に電流を流して、磁場強度と反転電流との関係を調べた。記憶素子6に流す電流のパルス幅を10ns、交流磁場の周波数を1.05GHzとして、交流磁場の方向を、記憶層4の磁化困難軸に平行にした場合と、記憶層4の磁化容易軸に平行にした場合とにおいて、それぞれ測定を行った。測定結果を図9に示す。   Next, a current was passed through the memory element 6 while applying an alternating magnetic field having a frequency of 1.05 GHz, and the relationship between the magnetic field strength and the reversal current was examined. The pulse width of the current flowing through the storage element 6 is 10 ns, the frequency of the alternating magnetic field is 1.05 GHz, and the direction of the alternating magnetic field is parallel to the hard axis of magnetization of the storage layer 4, and the easy axis of magnetization of the storage layer 4 Measurements were made in parallel and in parallel. The measurement results are shown in FIG.

図9より、交流磁場を記憶層4の磁化容易軸に平行に印加した場合には、磁場強度を変化させても反転電流がほとんど変化しないが、交流磁場を記憶層4の磁化困難軸に平行に印加した場合には、磁場強度の増大に伴い反転電流が減少することがわかる。
即ち、交流磁場を記憶層4の磁化困難軸に平行な方向に印加することにより、反転電流を低減する効果が大きいことわかる。
なお、交流磁場の方向を、記憶層4の磁化困難軸及び磁化容易軸に対して斜めにした場合には、磁化困難軸に平行な方向とした場合よりも効果は小さくなるが、反転電流を低減することが可能である。
From FIG. 9, when an alternating magnetic field is applied parallel to the easy magnetization axis of the storage layer 4, the reversal current hardly changes even when the magnetic field strength is changed, but the alternating magnetic field is parallel to the hard magnetization axis of the storage layer 4. It can be seen that the reversal current decreases as the magnetic field strength increases.
That is, it can be seen that applying an alternating magnetic field in a direction parallel to the hard axis of magnetization of the storage layer 4 has a great effect of reducing the reversal current.
When the direction of the alternating magnetic field is inclined with respect to the hard axis and the easy axis of the storage layer 4, the effect is smaller than when the direction is parallel to the hard axis, but the reversal current is reduced. It is possible to reduce.

さらに、交流磁場を記憶層4の磁化困難軸に平行に印加した場合において、交流磁場の周波数を0.7GHz、1GHz、1.5GHzと変えて、磁場強度と反転電流との関係を調べた。測定結果を図10に示す。   Furthermore, when an alternating magnetic field was applied parallel to the hard axis of magnetization of the storage layer 4, the alternating magnetic field frequency was changed to 0.7 GHz, 1 GHz, and 1.5 GHz, and the relationship between the magnetic field strength and the reversal current was examined. The measurement results are shown in FIG.

図10より、記憶素子6に電流を流したときに観測される周波数(図8参照)のピークに近い1GHzでは、交流磁場による反転電流を低減する効果が大きいが、ピーク以外の周波数とすると、反転電流の低減効果が小さくなることがわかる。   From FIG. 10, at 1 GHz close to the peak of the frequency (see FIG. 8) observed when a current is passed through the memory element 6, the effect of reducing the reversal current due to the alternating magnetic field is great. It can be seen that the effect of reducing the reversal current is reduced.

上述の実施の形態では、反強磁性層1と参照層を含む磁化固定層2とを記憶層4に対して下層に設けた記憶素子6を構成したが、記憶層に対して、磁化固定層及び反強磁性層を上層に設けて記憶素子を構成してもよい。
なお、磁化固定層単独で磁化の向きを固定することが可能であれば、反強磁性層を省略しても構わない。
また、磁化固定層や記憶層の各磁性層を、材料や組成の異なる複数の磁性層の積層により構成してもよい。
In the above-described embodiment, the storage element 6 in which the antiferromagnetic layer 1 and the magnetization fixed layer 2 including the reference layer are provided below the storage layer 4 is configured. In addition, the memory element may be configured by providing an antiferromagnetic layer as an upper layer.
Note that the antiferromagnetic layer may be omitted if the magnetization direction can be fixed by the magnetization fixed layer alone.
Further, each magnetic layer of the magnetization fixed layer and the storage layer may be formed by stacking a plurality of magnetic layers having different materials and compositions.

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。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

計算により求められた磁化反転時の磁化の軌跡である。 A 磁場による磁化反転の場合である。 B スピン偏極電流による磁化反転の場合である。It is a locus of magnetization at the time of magnetization reversal obtained by calculation. A This is a case of magnetization reversal by a magnetic field. This is the case of magnetization reversal by B spin polarization current. 本発明の一実施の形態のメモリの単位メモリセルの概略構成図(斜視図)である。1 is a schematic configuration diagram (perspective view) of a unit memory cell of a memory according to an embodiment of the present invention. 実施例のメモリセルの概略構成図(斜視図)である。It is a schematic block diagram (perspective view) of the memory cell of an Example. 図3の記憶素子に流す電流パルスのパルス幅と反転電流の平均値の実測値及び理論値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the measured value of the pulse width of the electric current pulse sent through the memory | storage element of FIG. 3, and the average value of a reverse current, and a theoretical value. 図3の記憶素子に連続磁場を印加した場合の磁場強度と反転電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the magnetic field intensity at the time of applying a continuous magnetic field to the memory element of FIG. 3, and an inversion current. 図3の記憶素子にパルス磁場を印加した場合の磁場強度と反転電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the magnetic field intensity at the time of applying a pulse magnetic field to the memory element of FIG. 3, and an inversion current. 図3の記憶素子にパルス幅3nsの電流パルス及び磁場パルスを印加した場合のパルス間隔に対する反転電流の平均の変化を示す図である。It is a figure which shows the average change of the inversion current with respect to a pulse interval at the time of applying the current pulse and magnetic field pulse of 3 ns pulse width to the memory element of FIG. 図3の記憶素子に電流を流したときに観測される信号の周波数スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the frequency spectrum of the signal observed when an electric current is sent through the memory element of FIG. 図3の記憶素子に交流磁場を印加した場合の磁場強度と反転電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the magnetic field intensity at the time of applying an alternating magnetic field to the memory element of FIG. 3, and an inversion current. 図3の記憶素子に交流磁場を印加した場合の交流磁場の周波数を変えたときの磁場強度と反転電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a magnetic field intensity | strength when changing the frequency of an alternating magnetic field at the time of applying an alternating magnetic field to the memory element of FIG. 3, and an inversion current.

符号の説明Explanation of symbols

1 反強磁性層、2 磁化固定層、3,13 非磁性層、4 記憶層、5 上部電極層、6 記憶素子、7 電流線、8 アドレス線(磁場を印加するための配線)、10,20 メモリセル、11 下部電極層、12 磁性層、14 磁性層(参照層)   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Antiferromagnetic layer, 2 Magnetization fixed layer, 3,13 Nonmagnetic layer, 4 Memory layer, 5 Upper electrode layer, 6 Memory element, 7 Current line, 8 Address line (Wiring for applying a magnetic field), 10, 20 memory cells, 11 lower electrode layer, 12 magnetic layer, 14 magnetic layer (reference layer)

Claims (6)

情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、前記記憶層に対して非磁性層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有する記憶素子と、
前記非磁性層を介して、前記記憶層と前記磁化固定層との間に電流を流すための電流供給手段と、
前記記憶素子に磁場を印加するための磁場印加手段とを備えた
ことを特徴とするメモリ。
A storage element having at least a storage layer that retains information according to a magnetization state of a magnetic material, and a magnetization fixed layer that is provided to the storage layer via a nonmagnetic layer and whose magnetization direction is fixed;
Current supply means for causing a current to flow between the storage layer and the magnetization fixed layer via the nonmagnetic layer;
A memory comprising: magnetic field applying means for applying a magnetic field to the memory element.
前記磁場印加手段による磁場の方向が、前記記憶素子の前記記憶層の磁化困難軸とほぼ同じ方向であることを特徴とする請求項1に記載のメモリ。   The memory according to claim 1, wherein the direction of the magnetic field by the magnetic field applying unit is substantially the same as the hard axis of magnetization of the storage layer of the storage element. 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、前記記憶層に対して非磁性層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有する記憶素子と、
前記非磁性層を介して、前記記憶層と前記磁化固定層との間に電流を流すための電流供給手段と、
前記記憶素子に磁場を印加するための磁場印加手段とを備えたメモリにおいて、
情報の記録を行う際に、前記電流供給手段により電流を供給して、前記記憶層と前記磁化固定層との間に電流を流し、前記磁場印加手段によりパルス磁場又は振動磁場を前記記憶素子に印加する
ことを特徴とするメモリの記録方法。
A storage element having at least a storage layer that retains information according to a magnetization state of a magnetic material, and a magnetization fixed layer that is provided to the storage layer via a nonmagnetic layer and whose magnetization direction is fixed;
Current supply means for causing a current to flow between the storage layer and the magnetization fixed layer via the nonmagnetic layer;
In a memory comprising a magnetic field applying means for applying a magnetic field to the storage element,
When recording information, a current is supplied by the current supply means, a current is passed between the storage layer and the magnetization fixed layer, and a pulse magnetic field or an oscillating magnetic field is applied to the storage element by the magnetic field application means. A method for recording in a memory, comprising: applying.
情報の記録を行う際に、前記電流供給手段によりパルス電流を供給し、前記磁場印加手段によりパルス磁場を前記記憶素子に印加し、前記パルス磁場の終端を前記パルス電流の終端よりも早くするか同時刻とすることを特徴とする請求項3に記載のメモリの記録方法。   When recording information, whether a pulse current is supplied by the current supply means, a pulse magnetic field is applied to the storage element by the magnetic field application means, and the end of the pulse magnetic field is made earlier than the end of the pulse current 4. The memory recording method according to claim 3, wherein the same time is set. 情報の記録を行う際に、前記磁場印加手段により交流磁場を前記記憶素子に印加し、前記交流磁場の周波数を、前記記憶素子に電流を流したときに発生する前記記憶層の磁化の振動の周波数とほぼ同じとすることを特徴とする請求項3に記載のメモリの記録方法。   When recording information, an alternating magnetic field is applied to the storage element by the magnetic field applying means, and the frequency of the alternating magnetic field is applied to the vibration of the magnetization of the storage layer that occurs when a current is passed through the storage element. 4. The memory recording method according to claim 3, wherein the frequency is substantially the same. 前記磁場印加手段による磁場の方向が、前記記憶素子の前記記憶層の磁化困難軸とほぼ同じ方向であることを特徴とする請求項3に記載のメモリの記録方法。
4. The memory recording method according to claim 3, wherein the direction of the magnetic field by the magnetic field applying unit is substantially the same as the hard axis of magnetization of the storage layer of the storage element.
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