JP2006179694A - 記憶素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 抵抗を低くしても安定して確実に情報の読み出しを行うことができる記憶素子を提供する。
【解決手段】 記憶層３と、この記憶層３に対して非磁性層を介して設けられた磁化固定層１とを少なくとも有し、非磁性層を通じて、記憶層３と磁化固定層１との間に電流を流すことにより情報の記録が行われ、磁性層から成り記憶層３の情報を読み出すための読み出し層２が、記憶層３と磁化固定層１との間に設けられ、この読み出し層２が記憶層３からの静磁気的な磁場或いは磁気的相互作用を受け、かつ少なくとも磁化固定層１と読み出し層３の間でスピン偏極電子によるスピントルク力が働く記憶素子を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、記憶素子に係わり、不揮発性メモリ等に用いて好適なものである。

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。

また、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、非特許文献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。

一方、磁性層に記録された情報を読み出す方法としては、磁化で情報を記録する磁性層（記憶層）と磁化の向きが固定された磁化固定層との間に、例えばトンネル絶縁層を設けて、記憶層と磁化固定層との磁化の向きの相対関係による、強磁性トンネル電流の違いを検出する方法が主に用いられる。
特開２００３−１７７８２号公報 Ｆ．Ｊ．Ａｌｂｅｒｔ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７７，２００２年，ｐ．３８０９

しかしながら、強磁性トンネル電流による抵抗変化率は、高々５０％程度であるため、強磁性トンネル電流により記憶層に記録された情報を読み出すことは容易ではない。

特に、記憶素子の微細化に伴い、記憶素子の抵抗のばらつき等のため、抵抗の変化を正確に検出することが難しくなり、情報の正確な読み出しが困難になる。

さらに、スピン注入により記憶層の磁化反転を行うためには、記憶素子に直接電流を流す必要があるため、記憶素子の抵抗を充分に低くする必要がある。
このように記憶素子の抵抗を低くすることに伴い、強磁性トンネル電流による抵抗変化も小さくなることから、読み出しの信号出力も小さくなり、情報の判別を安定して行うことが困難になる。
このため、信頼性の高い高密度のメモリを実現することが困難であった。

上述した問題の解決のために、本発明においては、抵抗を低くしても安定して確実に情報の読み出しを行うことができる記憶素子を提供するものである。

本発明の記憶素子は、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し、非磁性層を通じて、記憶層と磁化固定層との間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って、磁性層から成り、記憶層の情報を読み出すための読み出し層が、記憶層と磁化固定層との間に設けられ、この読み出し層が記憶層からの静磁気的な磁場或いは磁気的相互作用を受け、かつ少なくとも磁化固定層と読み出し層の間でスピン偏極電子によるスピントルク力が働くものである。

本発明の記憶素子の構成によれば、磁性層から成り、記憶層の情報を読み出すための読み出し層が、記憶層と磁化固定層との間に設けられ、この読み出し層が記憶層からの静磁気的な磁場或いは磁気的相互作用を受け、かつ少なくとも磁化固定層と読み出し層の間でスピン偏極電子によるスピントルク力が働く構成となっている。
これにより、記憶素子に適当な電流を流すと、記憶層の磁化の向き、即ち記憶層に記録されている情報の内容によって、読み出し層の磁化が回転したり、回転しなかったりする。
そして、読み出し層の磁化が回転した場合には、高周波信号が発生する。
従って、記憶素子に電流を流して得られる出力における高周波信号の有無を検出することにより、容易に記憶層の磁化の向き、即ち記憶層に記録された情報の内容を判別することができる。

上述の本発明によれば、高周波信号の有無を検出することにより、容易に記憶層の磁化の向き、即ち記憶層に記録された情報の内容を判別することができる。
従って、記憶素子の抵抗が低くても、充分な精度で情報の内容の判別を行うことができることから、読み出しの誤りが少ないメモリを実現できる。

そして、記憶素子を微細化したときにも、誤りなく読み出しを行うことが可能になるため、本発明の記憶素子をメモリセルに用いてメモリを構成すれば、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。

前述した目的、即ち記憶素子の抵抗が低くても充分な精度で情報の判別を行う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、情報の記憶を担う記憶層と情報を読み出すための読み出し層及び磁化が一方向に固定された磁化固定層の少なくとも３つの磁性層とそれらを分断する非磁性層から構成された記憶素子とすると、記録された情報を確実に読み出せることを見い出した。

即ち、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）とを有し、記憶層と磁化固定層との間に非磁性層（絶縁層又は非磁性導電層）を設け、さらに記憶層と磁化固定層との間に、記憶層の情報を読み出すための読み出し層を設けて、記憶素子を構成する。
そして、読み出し層は、記憶層からの静磁気的な磁場或いは磁気的相互作用を受け、かつ少なくとも磁化固定層との間でスピン偏極電子によるスピントルク力が働くように構成する。

本発明の記憶素子において、記憶層に記録された情報を読み出すためには、記憶層と読み出し層との間に静磁気的な磁場或いは磁気的相互作用が働くように配置し、また記憶層の記憶状態によって読み出し層が異なる方向の力を受けるようにする。
さらに、磁化固定層と読み出し層の間でスピン偏極電子によるスピントルク力が働くようにすると、読み出し層には磁化固定層との間のスピン偏極電子による力と記憶層からの磁気的作用による力の双方が加わり、それらの力が逆向きで適当な大きさの場合、読み出し層の磁化は連続的な回転運動をする。

そこで、読み出し層及び磁化固定層、或いは読み出し層及び記憶層のうち、少なくとも一方に、例えば強磁性トンネル接合のような磁化状態を電気信号に変換する機構を設けることにより、読み出し層の磁化回転運動を高周波信号電圧として観測することが可能になる。具体的には、例えば、読み出し層と、磁化固定層又は記憶層との間にトンネル絶縁膜を設けて記憶素子を構成し、記憶素子の積層方向に電流を流して、出力電圧の交流成分を増幅して検波することによって、高周波信号の有無を検出すればよい。
これにより、記憶素子に電流を流して、高周波信号が検出されるかどうかによって、記憶層の磁化状態即ち、記憶層に記録されている情報を判別することが可能である。

記憶層・読み出し層・磁化固定層の材料としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の３ｄ遷移金属を主成分とする合金などを用いることが可能であり、それぞれの層に要求される特性によりその他の元素の添加や多層化等を行っても良い。

特に、記憶層の材料としては、適当な大きさの磁気異方性を有するものが望ましい。
また、読み出し層の材料としては、磁気異方性が小さいものが望ましい。
さらに、読み出しの際に記憶層に影響がないようにするために、記憶層が、読み出し層と比較して、厚い（膜厚が大きい）或いは飽和磁化が大きい等、記憶層を読み出し層よりも磁気的に安定にしておくのが望ましい。

磁化固定層の磁化の向きを固定する方法としては、磁化固定層に隣接してＰｔＭｎ等の反強磁性層を設けて、磁場中で加熱する方法等が可能である。

記憶層と読み出し層との間で磁気的な力を作用させるには、記憶層と読み出し層とを適当な厚さの非磁性層で分断すればよく、このように構成することにより、記憶層と読み出し層との間に静磁気的な磁場が作用して、記憶層の磁化と読み出し層の磁化とが互いに反平行の向きになる。
さらに、記憶層と読み出し層とを分断する非磁性層の材料と厚さを適当に選べば、記憶層と読み出し層との磁化の向きが平行あるいは反平行になるような相互作用を働かせることが可能である。
なお、読み出し層と記憶層との間の非磁性層は、スピン偏極電流が流れるように、スピン散乱が少ない材料で構成するのが好ましい。

上述した構成とすることにより、抵抗の低い記憶素子や抵抗のばらつきが大きい記憶素子であっても、記憶層に記録された情報を確実に読み出すことが可能となり、読み出し誤りのないメモリを実現することが可能になる。

ここで、図１Ａに模式図を示すように、磁化固定層１の下に非磁性層（図示せず）を介して記憶層３が形成され、磁化固定層１と記憶層３との間に読み出し層２が形成された記憶素子を構成する。また、磁化固定層１の磁化Ｍ１の向きは右向きに固定されている。
なお、この模式図では、磁化固定層１・読み出し層２・記憶層３がいずれも単層の磁性膜から成り、磁性膜の磁化の向きと電子のスピン分極の向きとが同じ向きである場合を示している。

そして、このような構成の記憶素子の記憶層３に記録された情報を読み出す際の動作を、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。
まず、２つの記憶状態を、それぞれ図１Ａ及び図１Ｂに示す。図１Ａでは、記憶層３の磁化Ｍ３の向きが右向きになっている。図１Ｂでは、記憶層３の磁化Ｍ３の向きが左向きになっている。

図１Ａに示すように、記憶層３の磁化Ｍ３が右向きの状態において、適当な電流量の上向きの電流を流した場合、スピン偏極電子５は、下向きに流れるため、磁化固定層１から読み出し層２に流れ、読み出し層２の磁化Ｍ２を磁化固定層１の磁化Ｍ１と同じ右向きに揃えようとする力６が働く。
ここで、記憶層３から読み出し層２へ働く力を、静磁気的な磁場によるものとすると、記憶層３からの漏洩磁場４によって読み出し層２は左向きの力７を受ける。

従って、図１Ａに示す記憶状態のときには、スピン注入による力６と静磁気的な力７とが反対向きになり、これら２つの力６，７の作用によって、読み出し層２の磁化Ｍ２は、連続的に回転する。

一方、図１Ｂに示すように、記憶層３の磁化Ｍ３が左向きの状態において、適当な電流量の上向きの電流を流した場合、スピン偏極電子５は、磁化固定層１から読み出し層２に流れ、読み出し層２の磁化Ｍ２を磁化固定層１の磁化Ｍ１と同じ右向きに揃えようとする力６が働く。
また、記憶層３からの漏洩磁場４によって、読み出し層２は右向きの力７を受ける。

従って、図１Ｂに示す記憶状態のときには、スピン注入による力６と静磁気的な力７とが同じ向きになるため、読み出し層２の磁化Ｍ２は２つの力６，７と同じ右向きで安定する。

そして、読み出し層２の磁化Ｍ２の回転の有無を検出すれば、図１Ａ及び図１Ｂの二つの記憶状態を判別することができる。
また、電流の向きを逆に下向きにすると、スピン偏極電子による力の向きも逆になるので、図１Ｂの記憶状態で読み出し層２の磁化の連続回転が起こるようになる。

ここで、磁性層に対して、スピン偏極電流と磁場とを作用させたときの動作状態を模式的に図２に示す。
図２では、磁性層に対して、非磁性層を介して、磁化の向きが固定された磁化固定層（磁化の向きの基準となる参照層）を設けて、磁化固定層の磁化の向きと平行な向きの力を受ける電流及び磁場をそれぞれ＋として、磁化固定層の磁化の向きと反平行な向きの力を受ける電流及び磁場をそれぞれ−としている。

図２に示すように、原点付近の領域では、電流や磁場が、磁化の向きが変化する閾値以下であるため、磁化の向きが変化しない。
境界線よりも右上側の領域では、磁性層の磁化の向きが、磁化固定層の磁化の向きに対して、反平行から平行に変化する。平行の状態からは変化しない。
境界線よりも左上側の領域では、磁性層の磁化の向きが、磁化固定層の磁化の向きに対して、平行から反平行に変化する。反平行の状態からは変化しない。
そして、図２中の斜線を付した領域で、磁化の連続回転が観測される。この領域は、電流により受ける力と磁場により受ける力とが、それぞれある程度以上の大きさであり、かつ作用する向きが逆である領域である。

即ち、記憶層から読み出し層に作用する磁場と、記憶素子に流すスピン偏極電流とを、図２の斜線を付した領域内になるように設定すれば、読み出し層の磁化を回転させることができる。
なお、記憶層からの読み出し層への磁場が不足する場合には、外部磁場や磁場印加機構を設けて不足分を補えばよい。

スピン偏極電子の注入は、磁化固定層からだけではなく記憶層からも行うと、より効率的で読み出し電流の低減が可能である。
例えば、図１に示した記憶素子で、記憶層３からのスピン注入を行う場合には、例えば、次の（１）〜（３）のいずれかの構成とすればよい。
（１）磁化固定層１の電子のスピン分極と記憶層３の電子のスピン分極が逆になるように、例えば磁化固定層１にＣｏＦｅ合金、記憶層３にＦｅＶ合金のように分極極性が逆の材料を用いる。
（２）磁化固定層１と記憶層３にＣｏＦｅ、読み出し層２にＦｅＶ合金を用いる。
（３）記憶層３又は読み出し層２を、Ｒｕ等の非磁性膜で反平行に磁気的結合させた２層の磁性層の積層により構成する。

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。

図３は、本発明の一実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を示す。
この記憶素子１０は、下層から、下地層１１、反強磁性層１２、磁性層１３、非磁性層１４、磁性層１５、トンネル絶縁層１６、読み出し層１７、非磁性層１８、磁性層１９、非磁性層２０、磁性層２１、保護層２２が積層されて成る。

磁性層１３・非磁性層１４・磁性層１５の３層により、積層フェリ構造の磁化固定層３１が構成される。磁性層１３は、反強磁性層１２により磁化の向きが固定されるものであり、磁性層１５は、記憶層１７に対する磁化の向きの基準となるものであり、参照層とも称される。磁性層１３と磁性層（参照層）１５とは、非磁性層１４によって、磁化の向きが反平行に結合する。

磁性層１９・非磁性層２０・磁性層２１の３層により、記憶層３２が構成される。
この記憶層３２は、情報を磁化状態（磁化の向き）で保持することができるように構成される。

本実施の形態の記憶素子１０は、スピン注入によって情報の記録が行われる記憶素子の通常の構成に対して、さらに、磁化固定層３１と記憶層３２との間に、磁性層から成る読み出し層１７及び非磁性層１８が追加された構成となっている。
記憶層３２と読み出し層１７との間は非磁性層１８であり、ＧＭＲ素子になっている。 磁化固定層３１と読み出し層１７との間は、トンネル絶縁層１６であり、ＴＭＲ素子になっている。

また、記憶層３２を構成する２層の磁性層１９，２１は、下層の磁性層１９が薄く、上層の磁性層２１が厚くなっており、上層の磁性層２１の磁化の方が下層の磁性層１９の磁化よりも大きくなる。これにより、記憶層３２からは、上層の磁性層２１の磁化の向きに対応する静磁場が発生する。

なお、本実施の形態の記憶素子１０は、磁化固定層３１、読み出し層１７、記憶層３２の積層順序が図１の模式図の記憶素子とは逆になっている。

この記憶素子１０では、下地層１１及び保護層２２の間に電流を流すことにより、詳細を後述するように、スピン注入による記憶層３２の磁化の向きを反転させて、記憶層３２に情報を記録することができる。

そして、本実施の形態の記憶素子１０によってメモリセルを構成し、このメモリセルを多数、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。
このようなメモリにおいては、各メモリセルの記憶素子１０に対して、電流を流すために、下地層１１及び保護層２２に、それぞれ配線等を接続する。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記憶素子１０に電流を供給する。

ここで、本実施の形態の記憶素子１０において、記憶層３２の磁化状態と記憶素子１０に流す電流Ｉの向きとの組み合わせを変えたときに、それぞれの場合でスピン偏極電子流によって読み出し層にかかる力を模式的に図４Ａ〜図４Ｄに示す。
なお、前述したように、記憶層３２を構成する２層の磁性層１９，２１のうち、下層の磁性層１９が薄く、上層の磁性層２１が厚くなっているため、上層の磁性層２１の磁化Ｍ２１の方が下層の磁性層１９の磁化Ｍ１９よりも大きくなっている。

図４Ａ〜図４Ｄにおいて、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の右側に、読み出し層１７の上下に対向する磁性層（磁化固定層３１の磁性層１５及び記憶層３２の磁性層１９）からの偏極電子による力Ｆ１，Ｆ２をそれぞれ示している。力Ｆ１は、読み出し層１７が下層の磁化固定層３１の磁性層１５から受ける力を示している。力Ｆ２は、読み出し層１７が上層の記憶層３２の磁性層１９から受ける力を示す。
図４Ａ〜図４Ｄに示すいずれも場合も、電流が流れていない状態では、読み出し層１７の磁化Ｍ１７は、記憶層３２からの静磁場によって、記憶層３２の上層の磁性層２１の磁化Ｍ２１の向きとは反対に向いている。

そして、電流Ｉを流したときに、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の向きとは反対向きに偏極電子による力Ｆ１，Ｆ２が加わる場合に、読み出し層１７の磁化Ｍ１７が連続回転する。

図４Ａに示す場合は、記憶層３２の上層の磁性層２１の磁化Ｍ２１が左向き、下層の磁性層Ｍ１９が右向きであるため、記憶層３２からの静磁場は反時計回りとなる。これにより、電流が流れていない状態では、読み出し層１７の磁化Ｍ１７は右向きになっている。
ここで、記憶素子に上向きの電流Ｉを流すため、スピン偏極流は下向きになる。これにより、読み出し層１７が下層の磁化固定層３１の磁性層１５から受ける力Ｆ１は、磁性層１５の磁化Ｍ１５とは逆の右向きになる。また、読み出し層１７が上層の記憶層３２の磁性層１９から受ける力Ｆ２は、磁性層１９の磁化Ｍ１９と同じ右向きになる。
力Ｆ１及び力Ｆ２がいずれも右向きで、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の向きと同じ向きであるため、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の向きは変化しない。

図４Ｂに示す場合は、電流が流れていない状態では、図４Ａと同じであり、読み出し層１７の磁化Ｍ１７は右向きになっている。
ここで、記憶素子に下向きの電流Ｉを流すため、スピン偏極流は上向きになる。これにより、読み出し層１７が下層の磁化固定層３１の磁性層１５から受ける力Ｆ１は、磁性層１５の磁化Ｍ１５と同じ左向きになる。また、読み出し層１７が上層の記憶層３２の磁性層１９から受ける力Ｆ２は、磁性層１９の磁化Ｍ１９とは反対の左向きになる。
力Ｆ１及び力Ｆ２がいずれも左向きで、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の向きとは反対の向きであるため、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の向きが回転運動する。

図４Ｃに示す場合は、記憶層３２の上層の磁性層２１の磁化Ｍ２１が右向き、下層の磁性層Ｍ１９が左向きであるため、記憶層３２からの静磁場は時計回りとなる。これにより、電流が流れていない状態では、読み出し層１７の磁化Ｍ１７は左向きになっている。
ここで、記憶素子に上向きの電流Ｉを流すため、スピン偏極流は下向きになる。これにより、読み出し層１７が下層の磁化固定層３１の磁性層１５から受ける力Ｆ１は、磁性層１５の磁化Ｍ１５とは逆の右向きになる。また、読み出し層１７が上層の記憶層３２の磁性層１９から受ける力Ｆ２は、磁性層１９の磁化Ｍ１９と同じ左向きになる。
力Ｆ１と力Ｆ２が逆向きであるため、これらが打ち消し合うため、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の向きを変化させるような力が働かないため、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の向きは変化しない。

図４Ｄに示す場合は、電流が流れていない状態では、図４Ｃと同じであり、読み出し層１７の磁化Ｍ１７は左向きになっている。
ここで、記憶素子に下向きの電流Ｉを流すため、スピン偏極流は上向きになる。これにより、読み出し層１７が下層の磁化固定層３１の磁性層１５から受ける力Ｆ１は、磁性層１５の磁化Ｍ１５と同じ左向きになる。また、読み出し層１７が上層の記憶層３２の磁性層１９から受ける力Ｆ２は、磁性層１９の磁化Ｍ１９とは反対の右向きになる。
力Ｆ１と力Ｆ２が逆向きであるため、これらが打ち消し合うため、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の向きを変化させるような力が働かないため、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の向きは変化しない。

即ち、図４Ｂの状態のときのみ、読み出し層１７の磁化Ｍ１７が連続回転して、高周波信号が検出される。

図４Ａ〜図４Ｄにより示したことを一般化して表現すると、読み出し層が磁気的に単層であるとすれば、読み出し層に対向する上下２つの磁性層の磁化の向きが反平行の状態であり、かつこれら反平行の２つの磁性層のうち読み出し層と磁化の向きが同じ方の磁性層から読み出し層へ向けて電流を流す（読み出し層から読み出し層と磁化の向きが同じ方の磁性層へ向けてスピン偏極流を流す）ことにより、読み出し層の磁化が回転運動する。

次に、本実施の形態の記憶素子１０において、記憶層３２の磁性層１９，２１の磁化Ｍ１９，Ｍ２１の向きを反転させて、情報を記録する方法を、図３及び図４Ａ〜図４Ｄを用いて詳細に説明する。
なお、情報の記録を容易に円滑に行うという観点によっても、前述したように、記憶層３２（１９，２１）が、読み出し層１７と比較して、厚い（膜厚が大きい）或いは飽和磁化が大きい等、記憶層３２（１９，２１）を読み出し層１７よりも磁気的に安定にしておくのが望ましい。
さらに、磁化固定層３１と読み出し層１７とのスピン注入効率を、記憶層３２と読み出し層１７とのスピン注入効率よりも大きくなるような構成とする等、読み出し層１７にかかる力に不均衡をつけておくことが望ましい。

まず、記憶層３２の下層（参照層１５側）の磁性層１９の磁化Ｍ１９の向きが左向きで、磁化固定層３１の参照層１５の磁化Ｍ１５の向き（左向き）に対して、平行である場合、記憶層３２の磁性層１９，２１の磁化Ｍ１９，Ｍ２１の向きを反転させるためには、下地層１１から保護層２２に向けて、即ち参照層１５から磁性層１９に向けて電流Ｉを流す。即ち、図４Ｃに示す関係とする。そして、電流量を読み出し時よりも大きくすることにより、記憶層３２の読み出し層１７側の磁性層１９に、その磁化Ｍ１９の向きを反転させる力が働き、記録層３２の磁化状態が不安定になる。さらに、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させるような力も働き、読み出し層１７の磁化Ｍ１７が先に揺らぎ出すと、読み出し層１７から記憶層３２への静磁気的な力をきっかけに、不安定になっていた記憶層３２の磁性層１９，２１の磁化Ｍ１９，Ｍ２１の向きが反転する。これにより、最終的に、図４Ａの状態、即ち記憶層３２の下層の磁性層１９の磁化Ｍ１９の向きが右向きで、磁化固定層３１の参照層１５の磁化Ｍ１５の向き（左向き）とは反平行である状態に落ち着くことになる。

一方、記憶層３２の下層（参照層１５側）の磁性層１９の磁化Ｍ１９の向きが右向きで、磁化固定層３１の参照層１５の磁化Ｍ１５の向き（左向き）に対して、反平行である場合、記憶層３２の磁性層１９，２１の磁化Ｍ１９，Ｍ２１の向きを反転させるためには、保護層２２から下地層１１に向けて、即ち磁性層１９から参照層１５に向けて電流Ｉを流す。即ち、図４Ｂに示す関係とする。そして、ある程度の電流によって読み出し層１７の磁化Ｍ１７が回転運動をして、記憶層３２（１９，２１）にその静磁気的な影響が及ぶが、電流が小さい場合には記録層３２（１９，２１）の磁化Ｍ１９，Ｍ２１の向きが反転しないが、電流を増やすと読み出し層１７と記憶層３２（１９，２１）との間のスピン注入効果の力で記憶層３２（１９，２１）の磁化Ｍ１９，Ｍ２１が揺さぶられて、その向きが反転する。これにより、最終的に、図４Ｄの状態、即ち記憶層３２の下層の磁性層１９の磁化Ｍ１９の向きが左向きで、磁化固定層３１の参照層１５の磁化Ｍ１５の向き（左向き）と平行である状態に落ち着くことになる。
このようにして、電流を流す向きによって、記録する情報を選択することができる。

上述の本実施の形態の記憶素子１０によれば、磁化固定層３１と記憶層３２との間に読み出し層１７が設けられ、記憶層３２と読み出し層１７との間に非磁性層１８があることにより、記憶層３２から読み出し層１７へ静磁気的な磁場を作用させることができる。
また、磁化固定層３１及び記憶層３２から、それぞれ読み出し層１７に対してスピン注入によるトルクを発生させることができる。

そして、記憶素子１０の積層方向の所定の向きに電流Ｉを流して、磁化固定層３１と記憶層３２とから、それぞれ読み出し層１７に対してスピン注入によるトルクＦ１，Ｆ２を発生させると、これらのスピン注入によるトルクＦ１，Ｆ２が互いに強め合い、かつこれらのトルクＦ１，Ｆ２が読み出し層１７の磁化Ｍ１７の向きと反対向きであるとき、読み出し層１７の磁化Ｍ１７が回転運動する。一方、２つのトルクＦ１，Ｆ２が打ち消し合うときや、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の向きと同じ向きであるときには、読み出し層１７の磁化Ｍ１７は回転しない。
読み出し層１７が受けるトルクＦ１，Ｆ２が互いに強め合い、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の向きと逆向きの場合、即ち図４Ｂに示した関係のときには、読み出し層１７の磁化Ｍ１７が回転運動する。これに対して、記憶層３２の磁化Ｍ１９，Ｍ２１の向きが図４Ｂとは反対向きである図４Ｄに示した関係のときには、読み出し層１７の磁化Ｍ１７は回転しない。
従って、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の回転運動の有無により、記憶層３２の磁化Ｍ１９，Ｍ２１の向き、即ち記憶層３２に記録された情報の内容を判別することが可能になる。
そして、読み出し層１７の磁化Ｍ１７が回転運動すると、記憶素子１０の上下の電圧出力として、高周波信号が得られる。

これにより、記憶素子１０に電流を流して得られる出力における高周波信号の有無を検出すれば、容易に記憶層３２の磁化Ｍ１９，Ｍ２１の向き、即ち記憶層３２に記録された情報の内容を判別することができる。
従って、記憶素子１０の抵抗値が低かったり、記憶素子１０の抵抗値にばらつきがあったりしても、容易に記憶層３２に記録された情報の内容を判別することができ、記憶素子１０の記憶層３２に記録された情報の内容を、誤りなく確実に読み出すことが可能になる。

また、本実施の形態の記憶素子１０では、特に、磁化固定層３１と読み出し層１７との間にトンネル絶縁層１６があることにより、トンネル電流に対する抵抗の変化が大きくなるため、充分な電圧出力が得られる。これにより、読み出し層１７の磁化Ｍ１７の回転運動を、高周波信号の出力として容易に検出することが可能になる。

即ち、本実施の形態の記憶素子１０によれば、記憶素子１０の抵抗が低くても、記憶素子１０の抵抗値にばらつきがあったりしても、充分な精度で情報の内容の判別を行うことができることから、読み出し誤りが少ないメモリを実現することができる。

（実施例）
ここで、本発明の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。

そして、各層の材料及び膜厚を、次のように設定して、図３に示した構成の記憶素子１０を作製した。
即ち、膜厚１０ｎｍのＴａ膜から成る下地層１１の上に、膜厚３０ｎｍのＰｔＭｎ膜から成る反強磁性層１２、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る磁性層１３、膜厚０．７ｎｍのＲｕ膜から成る非磁性層１４、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る磁性層（参照層）１５、膜厚０．５ｎｍの酸化アルミニウム膜から成るトンネル絶縁層１６、膜厚２ｎｍのＮｉＦｅ膜から成る読み出し層１７、膜厚６ｎｍのＣｕ膜から成る非磁性層１８、膜厚３ｎｍのＮｉＦｅ膜から成る磁性層１９、膜厚０．７ｎｍのＲｕ膜から成る非磁性層２０、膜厚５ｎｍのＮｉＦｅ膜から成る磁性層２１、膜厚５ｎｍのＴａ膜から成る保護層２２を、順次積層形成した。
また、記憶素子１０の各層を、長軸約２００ｎｍ・短軸約１５０ｎｍの楕円形状のパターンとなるようにパターニングした。
このようにして、記憶素子１０の試料を作製した。

（出力信号のスペクトル解析）
記憶素子１０に外部磁場を印加して、磁化固定層３１、読み出し層１７、記憶層３２の各磁性層１３，１５，１７，１９，２１の磁化Ｍ１３，Ｍ１５，Ｍ１７，Ｍ１９，Ｍ２１の向きの関係が、図４Ａ及び図４Ｂと同じ関係（Ｍ１７とＭ１５とが逆向きで、Ｍ１７とＭ１９とが同じ向き）となるようにした。
この状態で、図４Ｂに示したと同様に、記憶素子１０に下向きの０．２ｍＡの電流Ｉを流して、読み出し層１７の磁化Ｍ１７が回転運動するようにした。
このとき、記憶素子１０の両端に現れる信号を、スペクトルアナライザによって周波数解析した。得られた解析結果を図５に示す。

図５より、１３ＧＨｚ付近に、高周波信号が観測された。
即ち、各磁性層の磁化の向き及び記憶素子１０に流す電流Ｉの向きを、図４Ｂと同様の関係とすることにより、高周波信号の出力が得られることがわかる。

次に、記憶素子１０にかかる電流Ｉを増やしながら、記憶素子１０の素子抵抗と高周波信号強度を測定した。
この測定結果を図６に示す。

図６より、記憶素子１０に流す電流Ｉを上げていくと、約０．１３ｍＡのところで素子抵抗が減少すると共に、高周波信号が観測されるようになる。即ち、この電流以上で、読み出し層１７の磁化Ｍ１７が連続回転している。
さらに電流Ｉを上げると、約０．４ｍＡのところで素子抵抗がさらに減少する。さらに、それ以上の電流Ｉとすると、高周波信号が観測されなくなる。これは、スピン偏極電子の注入により記憶層３２の磁化Ｍ１９，Ｍ２１が反転し、読み出し層１７の磁化Ｍ１７が連続回転する条件を満たさなくなったため、高周波信号が消失したためである。

次に、記憶素子１０に外部磁場を印加して、磁化固定層３１、読み出し層１７、記憶層３２の各磁性層１３，１５，１７，１９，２１の磁化Ｍ１３，Ｍ１５，Ｍ１７，Ｍ１９，Ｍ２１の向きの関係が、図４Ｃ及び図４Ｄと同じ関係（Ｍ１７とＭ１５とが同じ向きで、Ｍ１７とＭ１９とが逆向き）となるようにした。
この状態で、図４Ｄに示したと同様に、記憶素子１０に下向きの電流Ｉを流し、同様に、電流量を変化させたときの記憶素子１０の素子抵抗と高周波信号強度の測定を行った。
この測定結果を図７に示す。

図７に示すように、素子抵抗の変化に大きな段差はなく、高周波信号も観測されなかった。

つまり、記憶素子１０に適当な電流Ｉを流して、高周波信号を検出することにより、記憶層３２の磁化Ｍ１９，Ｍ２１の向きを判別して、記憶層３２に記録された情報を読み出すことができる。

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。

Ａ、Ｂ 本発明の記憶素子に対して、電流を流したときの読み出し層にかかる力を模式的に示した図である。 記憶素子にかける磁場及び電流の極性及び大きさを変化させたときに、読み出し層の磁化が回転運動する領域を示す図である。 本発明の記憶素子の一実施の形態の概略構成図（断面図）である。 Ａ〜Ｄ 図３の記憶素子において、各磁性層の磁化状態と記憶素子に流す電流の向きによる、読み出し層にかかる力の向きを模式的に示した図である。 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。 磁化及び電流の向きの関係が図４Ｂと同じ状態で、図３の記憶素子にかける電流を変化させたときの素子抵抗と高周波信号強度の変化を示す図である。 磁化及び電流の向きの関係が図４Ｄと同じ状態で、図３の記憶素子にかける電流を変化させたときの素子抵抗と高周波信号強度の変化を示す図である。

符号の説明

１，３１ 磁化固定層、２，１７ 読み出し層、３，３２ 記憶層、１０ 記憶素子、１２ 反強磁性層、１３，１９，２１ 磁性層、１４，１８，２０ 非磁性層、１５ 磁性層（参照層）、１６ トンネル絶縁層

Claims (1)

1. 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し、
   前記非磁性層を通じて、前記記憶層と前記磁化固定層との間に電流を流すことにより情報の記録が行われる記憶素子であって、
   磁性層から成り、前記記憶層の情報を読み出すための読み出し層が、前記記憶層と前記磁化固定層との間に設けられ、
   前記読み出し層が前記記憶層からの静磁気的な磁場或いは磁気的相互作用を受け、かつ少なくとも前記磁化固定層と前記読み出し層の間でスピン偏極電子によるスピントルク力が働く
   ことを特徴とする記憶素子。
   

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