JP2007027196A

JP2007027196A - 記憶素子

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Publication number: JP2007027196A
Application number: JP2005203260A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Omori; 広之大森
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】記録された情報を安定に保持することができ、かつ少ない電流で記録することが可能な記憶素子を提供する。
【解決手段】第１の磁性層１と第２の磁性層３と第３の磁性層５とが、非磁性層２，４を介して積層され、第１の磁性層１の磁化Ｍ１の向きが固定され、第２の磁性層３及び第３の磁性層５により記憶層６が構成され、第２の磁性層３と第３の磁性層５とが、磁化Ｍ３，Ｍ５の向きが互いに反平行となるように磁気的結合しており、第３の磁性層５の磁化が第２の磁性層３の磁化よりも大きく、第３の磁性層５の分極率が第２の磁性層３の分極率の０．７倍以下であり、非磁性層２を通じて、第１の磁性層１と第２の磁性層３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１０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。

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。

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や特許文献２参照）。
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、素子のサイズが小さくなるに従い記録に必要な電流を小さくすることができるため、素子が微細化されても、少ない電流で記録を行う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号公報特開２００４−１９３５９５号公報

しかしながら、素子サイズを小さくすると、熱揺らぎによって記録された情報が変化してしまう等、記録の保持能力に問題が生じる。

この熱揺らぎによる情報の変化を避けるためには、記憶層を構成する磁性層を厚くする等の対策が考えられる。
しかし、磁性層を厚くして磁性層の体積を増やすと、スピン注入による磁化反転に必要な電流が増加するため、消費電力の増加や駆動トランジスタのサイズの増大を招く。このため、素子サイズを小さくして記録密度の向上を図ることが困難になる。

上述した問題の解決のために、本発明においては、記録された情報を安定に保持することができ、かつ少ない電流で記録することが可能な記憶素子を提供するものである。

本発明の記憶素子は、第１の磁性層と第２の磁性層と第３の磁性層とが、それぞれ非磁性層を介して積層されて成り、第１の磁性層は磁化の向きが固定された磁性層であり、第２の磁性層及び第３の磁性層により、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層が構成され、第２の磁性層と第３の磁性層とが、磁化の向きが互いに反平行となるように磁気的結合しており、第３の磁性層の磁化が第２の磁性層の磁化よりも大きく、第３の磁性層の分極率が第２の磁性層の分極率の０．７倍以下であり、非磁性層を通じて、第１の磁性層と第２の磁性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る。

上述の本発明の構成によれば、第１の磁性層と第２の磁性層と第３の磁性層とが、それぞれ非磁性層を介して積層されて成り、第１の磁性層は磁化の向きが固定された磁性層（いわゆる磁化固定層）であり、第２の磁性層及び第３の磁性層により、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層が構成され、非磁性層を通じて、第１の磁性層と第２の磁性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ことから、第１の磁性層（磁化固定層）と第２の磁性層（記憶層の一部）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。

そして、第２の磁性層と第３の磁性層とが、磁化の向きが互いに反平行となるように磁気的結合しているため、これら２層を合わせた記憶層全体の合成磁化が小さくなり、磁気的結合により２層の磁化の向きが連動して反転する。
これにより、スピン注入により、比較的小さい電流量で、これら第２の磁性層と第３の磁性層の磁化の向きを、反転させることができる。
しかも、第２の磁性層及び第３の磁性層は、それぞれ個々の磁化量は充分な大きさがあるため、熱揺らぎによる記憶層の磁化状態の変化を防ぐことができ、充分な熱安定性を有している。

また、第３の磁性層の磁化が第２の磁性層の磁化よりも大きいため、第２の磁性層の方が相対的に磁化が小さくなっており、スピン注入により、比較的小さい電流量で、第２の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。

さらに、第３の磁性層の分極率が第２の磁性層の分極率の０．７倍以下であることにより、スピン注入の電流の極性による反転電流の差を小さくすることができ、単層の磁性層のみから記憶層を構成した場合と比較して、反転電流を低減することができる。

従って、本発明の記憶素子によれば、充分な熱安定性を有するので、情報を安定して保持することができると共に、少ない電流で記憶層を構成する磁性層の磁化の向きを反転して、情報の記録を行うことができる。

上述の本発明の記憶素子によれば、情報の保持特性に優れると共に、少ない電流で情報の記録を行うことができるため、安定して動作し、消費電力の少ない記憶装置（メモリ）を実現することができる。

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とを有する構造として、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：ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｇｎｅｔｉｓｍａｎｄＭａｇｎｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ，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を下げるためには、飽和磁化Ｍｓや磁性層の体積Ｖを下げるのが有効であることがわかる。
しかしながら、これら飽和磁化や体積を減らすと、記憶素子の熱安定性も低下してしまうため、熱揺らぎによる情報の変化が起こりやすくなる。

上述の問題を解決するために種々の検討を行った結果、熱安定性を減らさずに反転電流を減らすためには、記憶層を少なくとも２つの磁性層に非磁性層で分断し、これら２つの磁性層が適当な強度で反平行に磁気的相互作用するようにすると共に、これら２つの磁性層のスピン分極率を偏極スピンが注入される側の磁性層で高く、反対側の磁性層で低くすることが効果的であることを見い出した。
さらに、記憶層を構成する２つの磁性層において、偏極スピン注入される側の磁性層の磁化を小さく、反対側の磁性層の磁化を大きくすると、比較的小さい電流で反転し、かつ熱的に安定な記憶素子が得られることを見い出した。

そこで、本発明では、第１の磁性層と第２の磁性層と第３の磁性層とが、それぞれ非磁性層を介して積層されて成り、第１の磁性層は磁化の向きが固定された磁性層であり、第２の磁性層及び第３の磁性層により、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層が構成され、第２の磁性層と第３の磁性層とが、磁化の向きが互いに反平行となるように磁気的結合しており、第３の磁性層の磁化が第２の磁性層の磁化よりも大きく、第３の磁性層の分極率が第２の磁性層の分極率の０．７倍以下であり、非磁性層を通じて、第１の磁性層と第２の磁性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を構成する。

第１の磁性層は、磁化の向きが固定されており、いわゆる磁化固定層となっている。この磁化固定層の磁化の向きが、記憶層の磁化の向きの基準となるので、磁化固定層は参照層とも称される。

磁化固定層を構成する第１の磁性層の材料としては、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ等の分極率の大きな材料が好ましい。
そして、例えば、ＰｔＭｎ等の反強磁性層と積層することにより、第１の磁性層の磁化の向きを固定することが好ましい。
また、例えば、複数層の磁性層をＲｕ等の非磁性層を介して積層し、これら複数層の磁性層の磁化の向きを互いに反平行に結合させると共に、漏洩磁場の影響が小さくなるように磁化を安定化させた構成とすることにより、第１の磁性層の磁化の向きを固定してもよい。

第１の磁性層と第２の磁性層との間の非磁性層の材料としては、例えば、Ｃｕ等のスピン散乱の小さな金属材料や、酸化アルミニウムや酸化マグネシウム等のセラミック材料を、用いることが好ましい。特に、酸化マグネシウムを用いると、読み出しの際の再生信号が大きく取れるため、有効である。

第２の磁性層は、スピン分極率が高く、飽和磁束密度が小さく、膜厚が薄い方が、反転電流を低減できる。そして、飽和磁束密度を小さくして、膜厚を薄くすることにより、第２の磁性層の磁化量を小さくすることができる。
この第２の磁性層の材料としては、例えば、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＦｅＧｄ合金、ＦｅＮｉＴａ合金等を用いることができる。これらの合金材料は、比較的分極率が高く、飽和磁束密度が小さい。

第３の磁性層は、熱安定性のために、厚さと飽和磁束密度がある程度大きく、スピン分極率ができるだけ小さい方が好ましい。そして、飽和磁束密度を大きくして、膜厚を厚くすることにより、第３の磁性層の磁化量を比較的大きくすることができる。
この第３の磁性層の材料としては、組成を調整したＦｅＶ合金、ＧｄＣｏ合金、ＣｕＦｅＣｏ合金等を用いることが可能である。

例えば、第２の磁性層としてＣｏＦｅＢ等の磁性層を用いる場合、ＣｏＦｅＢ等のスピン分極率が５０〜６０％であるので、第３の磁性層としては、その０．７倍以下のスピン分極率、より好ましくは３０％以下のスピン分極率を有する材料を用いる。

スピン分極率を小さくする方法としては、スピン分極率が組成により正から負へ変化する材料を用いて、スピン分極率がゼロもしくはその付近となる組成とするのが一つの方法である。このような材料としては、ＦｅＣｒ，ＦｅＶ，ＧｄＣｏ等が該当する。
しかしながら、ＦｅＣｒ，ＦｅＶで低分極率を実現するためには、欠陥の少ない体心立方格子構造にしなければならないので、薄膜で実現するのは難しい。また、ＧｄＣｏで低分極率を実現するためには、約８０原子％のＧｄを含まなければならないので、キュリー温度が低下して、室温で強磁性を示さないことがある。

分極率を下げるもう一つの方法は、伝導率の高いＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇ等の非磁性材料とそれらの材料と混じり合わないＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の磁性材料との複合材料とすることによって、非磁性材料に電流を流し、磁性材料に流れる電流を減らすことができ、これにより実効的にスピン分極を下げることができる。この方法では、分極率を完全にゼロにすることはできないが、非磁性材料として電気伝導度の大きな材料を用いて、磁性材料として電気伝導度の小さな材料を用いれば、分極率を効果的に下げることができる。
上述のように、第３の磁性層を、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる少なくとも一種以上と、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇから選ばれる少なくとも一種以上とからなる構成とすることにより、実効的にスピン分極を下げることができ、スピン分極の小さい磁性層を薄膜でも容易に実現することができる。なお、第３の磁性層が、これら２種類の元素の他に、他の元素（例えば、ボロンＢ等）を含有していてもよい。

第２の磁性層と第３の磁性層との磁気的相互作用を調整する方法としては、これらの磁性層の間に、例えば、Ｒｕ等の非磁性層や、ＭｇＯとＦｅとの複合材料等の磁化を弱めた強磁性層を、挟む方法がある。特に、Ｒｕ等の一部の非磁性材料は、厚さを変えることによって、層間の磁気的相互作用の大きさを比較的自由に変えることができるため、より好ましい。
この磁気的相互作用の大きさは、非磁性材料の膜厚の増大に従って、周期的に変化する。本発明では、第２の磁性層と第３の磁性層とが磁化の向きが反平行に磁気的結合するように構成するので、磁気的相互作用が大きくなるように非磁性層の膜厚を選定すればよい。

また、記憶素子のパターン形状を適当な形状とすると、第２の磁性層と第３の磁性層の間に静磁的な磁気相互作用が働くので、この静磁的相互作用と、非磁性膜や弱い磁性膜を介した相互作用とを合わせて、磁気的相互作用の大きさを調整すると良い。

第２の磁性層と第３の磁性層との間の磁気的相互作用が弱すぎると、情報を記録する際に第２の磁性層の磁化のみが動き、第３の磁性層の磁化が反転しないので、好ましくない。
一方、磁気的相互作用が強すぎると、磁化の反転に大きな電流が必要となり、反転電流が下げられないので、好ましくない。

そして、より好ましくは、第２の磁性層と第３磁性層の磁化の向きをほぼ平行にするのに必要となる磁場の大きさをＨｓとして、第２の磁性層と第３の磁性層において各層の磁化の向きが反平行状態を維持したまま磁化の向きを反転させるのに必要な磁場の大きさをＨｃとしたときに、ＨｓがＨｃの２倍以上、２０倍以下（即ち、２Ｈｃ≦Ｈｓ≦２０Ｈｃ）となるように、磁気的相互作用を調整する。
ＨｓとＨｃの関係が上記範囲内であるように、磁気的相互作用を調整することにより、第２の磁性層及び第３の磁性層の磁化が、連動して向きを反転させることができると共に、磁化の向きの反転に必要となる電流量を低減することができる。

上述した本発明の記憶素子の構成を、模式的に図１に示す。
図１に示す記憶素子１０は、第１の磁性層１と第２の磁性層３と第３の磁性層５とが、それぞれ非磁性層２，４を介して積層されている。
第１の磁性層１は、その磁化Ｍ１の向きが固定され、いわゆる磁化固定層となっている。
第２の磁性層３及び第３の磁性層５により、記憶層６が構成されている。
また、第２の磁性層３と第３の磁性層５とが、磁化Ｍ３，Ｍ５の向きが互いに反平行となるように磁気的結合している。
この記憶素子１０では、非磁性層２を通じて、第１の磁性層１と第２の磁性層３との間に電流を流すことにより、情報の記録が行われる。

そして、第３の磁性層５の磁化Ｍ５が第２の磁性層３の磁化Ｍ３よりも大きく、かつ第３の磁性層５の分極率が第２の磁性層３の分極率の０．７倍以下となっている。
これにより、前述したように、比較的小さい電流量で、第２の磁性層３の磁化Ｍ３の向きを反転させることができる。また、スピン注入の電流の極性による反転電流の差を小さくすることができ、単層の磁性層のみから記憶層を構成した場合と比較して、反転電流を低減することができる。

なお、第１の磁性層１と第２の磁性層３と第３の磁性層５との積層順序を、図１とは逆にして、第１の磁性層（磁化固定層）１が上層であり第３の磁性層５が下層である構成としてもよい。

ここで、図１に示した記憶素子１０の構成において、記憶素子１０の各種特性を計算により求めた。
図１の記憶素子１０において、非磁性層２をトンネルバリア層（トンネル絶縁層）として、第２の磁性層３の膜厚を１ｎｍ、飽和磁束密度を１テスラ、ダンピング定数を０．０１と設定し、第３の磁性層５の膜厚を５ｎｍ、飽和磁束密度を１テスラ、ダンピング定数を０．０１として、第２の磁性層３と第３の磁性層５との間に働く磁気的相互作用の大きさを０．０３ｅｒｇ／ｃｍ^２と設定した。
そして、これらの設定値を用いて、記憶素子１０に対して外部磁場を掃引したときの、磁場の大きさと記憶素子の抵抗値との関係を計算により求めた。
計算結果として、磁場抵抗曲線を図２に示す。

第２の磁性層３と第３の磁性層５との相互作用がある程度大きいので、外部磁場を掃引すると、第２の磁性層３及び第３の磁性層５において、反平行結合が維持された状態で、これらの磁性層３，５の磁化の向きが反転する。
そして、図２に示すように、この磁化の向きが反転するときの外部磁場の大きさは、２５０エルステッド（Ｏｅ）である。即ち、この記憶素子１０の保磁力は２５０［Ｏｅ］である。
さらに磁場を強くすると、約８５０［Ｏｅ］で第２の磁性層３の磁化Ｍ３と第３の磁性層５の磁化Ｍ５の向きが、反平行状態から平行状態に変化する。以下、このときの磁場をＨｓと定義する。

次に、第２の磁性層３の分極率をＰ_１として、第３の磁性層５の分極率をＰ_２としたとき、分極率の比Ｐ_２／Ｐ_１を変化させて、それぞれの比の値において、電流を流してスピン注入磁化反転を行った場合の反転電流Ｉｃを計算により求めた。
計算結果として、分極率の比Ｐ_２／Ｐ_１と、反転電流Ｉｃとの関係を図３に示す。図３において、Ｉｃ_＋は電流を第３の磁性層５から第１の磁性層１の方向に流して第１の磁性層１の磁化Ｍ１と第２の磁性層３の磁化Ｍ２を反平行から平行にするときの電流であり、Ｉｃ₋は第１の磁性層１から第３の磁性層５の方向に電流を流して第１の磁性層１の磁化Ｍ１と第２の磁性層３の磁化Ｍ２を平行から反平行にするときの電流である。また、図３の縦軸は、記憶層を厚さ６ｎｍの磁性層単層とした場合の反転電流Ｉｃ_０を基準値として、記憶素子１０の反転電流ＩｃのＩｃ_０に対する比を示している。

図３からわかるように、分極率の比が１付近である、即ち磁性層５の分極率と磁性層３の分極率がほぼ等しいときには、極性による反転電流の差が大きく、さらに正極性の電流Ｉｃ_＋側ではＩｃ／Ｉｃ_０が１以上となっており、正極性においては単層の記録層と比較して反転電流低減の効果が得られない。
そして、正負どちらの極性においても、反転電流を低減する効果を得るには、第３の磁性層５と第２の磁性層３の分極率の比Ｐ_２／Ｐ_１が０．７以下であることが必要であることがわかる。また、分極率の比を小さくするほど、正極性の反転電流をより大きく低減することができるので、磁性層５の分極率Ｐ_２をゼロ近傍とすることが望ましい。

次に、磁性層５の分極率Ｐ_２をゼロと設定して、第２の磁性層３と第３の磁性層５との間の磁気的相互作用の大きさを様々に変えて、それぞれの場合の反転電流Ｉｃを計算により求めた。
具体的には、第３の磁性層５の分極率Ｐ_２をゼロと設定して、さらに、第２の磁性層３の飽和磁束密度Ｍｓと厚さｔとの積（Ｍｓ・ｔ）を一定に保ちながら、第２の磁性層３の飽和磁束密度Ｍｓを０．３Ｔ，０．５Ｔ，１Ｔと変化させた。即ち、第２の磁性層３の厚さｔの比は１０：６：３であり、また積（Ｍｓ・ｔ）が一定であるため、磁化量が一定である。
そして、それぞれの飽和磁束密度Ｍｓにおいて、Ｈｓの大きさを変化させて、それぞれ反転電流Ｉｃを計算により求めた。
計算結果として、各飽和磁束密度Ｍｓにおける、Ｈｓに対する規格化反転電流（Ｉｃ／Ｉｃ_０）の関係を図４に示す。

図４より、第２の磁性層３の飽和磁束密度Ｍｓが小さい方が反転電流は小さくなるが、いずれの飽和磁束密度Ｍｓの値でも同様の傾向を示しており、２０００［Ｏｅ］を超えると反転電流の増加が見られ、５０００［Ｏｅ］を超えると反転電流の増大が顕著になっている。
また、Ｈｓが５００［Ｏｅ］未満では、結果が安定しない。

以上の結果から、Ｈｓの大きさを、５００［Ｏｅ］〜５０００［Ｏｅ］の範囲内、即ちＨｃ（図２よりこの構成では２５０［Ｏｅ］）の２倍以上、２０倍以下とすると、動作が安定し、反転電流を低くできるので望ましいことがわかる。

次に、磁性膜の組成によるスピン分極率の変化について調べた。
スピン分極の測定は、以下の方法により行った。
ＡｌＧａＡｓの発光ダイオード（ＬＥＤ）基板の電極として、トンネル絶縁膜を介して磁性膜（強磁性体）を接続した。
そして、このＬＥＤを発光させて、ＬＥＤからの光の偏光を調べて、この偏光から強磁性体の分極率を見積もることができる。

そして、Ｃｏ_５０Ｆｅ_５０とＣｕの合金膜において、Ｃｕの含有量を変化させて、それぞれ、上述の方法により分極率を測定した。なお、Ｃｕの含有量が０％（Ｃｏ_５０Ｆｅ_５０）のものについても、同様に分極率を測定した。
測定結果として、Ｃｕ含有量とスピン分極率との関係を、図５に示す。
図５より、Ｃｕ含有量が増えると分極率が低下していき、Ｃｕ含有量が５０原子％のときに分極率が１５％であることがわかる。

なお、Ｃｕ含有量をさらに多くしていくと、スピン分極率も低下すると推測されるが、磁性層の磁化量も小さくなっていくので、第３の磁性層５の磁性が弱くなると共に、第２の磁性層３との磁気的結合も弱くなっていく。
従って、Ｃｕ等の非磁性元素はある程度の含有量までとすることが望ましい。この合金膜では、５０原子％程度のＣｕ含有量が望ましいと考えられる。

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。

本発明の一実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を図６に示す。
この記憶素子３０は、下層から、下部電極１１、反強磁性層１２、磁性層１３、非磁性層１４、磁性層（参照層）１５、トンネル絶縁層１６、磁性層１７、非磁性層１８、磁性層１９、上部電極２０が積層されて成る。
磁性層１７及び磁性層１９は、それぞれ上述の第２の磁性層及び第３の磁性層に相当し、これら２層の磁性層１７，１９とその間の非磁性層１８により、情報を磁化状態（磁化の向き）で保持する記憶層２２が構成される。
また、磁性層１３・非磁性層１４・磁性層（参照層）１５の３層により、積層フェリ構造の磁化固定層２１が構成される。この磁化固定層２１は、上述の第１の磁性層に相当する。
この磁化固定層２１のうち、磁性層１３は反強磁性層１２により磁化Ｍ１３の向きが固定される。磁性層（参照層）１５は、その磁化Ｍ１５の向きが磁性層１３の磁化Ｍ１３とは反平行となっており、また記憶層２２に対する磁化の向きの基準となるものである。

この記憶素子３０では、後述するように、下部電極１１及び上部電極２０の間に電流を流すことにより、スピン注入による記憶層２２（１７，１９）の磁化Ｍ１７，Ｍ１９の向きの反転を行うことができる。

本実施の形態の記憶素子３０においては、特に、記憶層２２を構成する２層の磁性層１７，１９が、図１に示した記憶素子１０の２層の磁性層３，５と同様の関係を有する構成となっている。
即ち、磁性層１７及び磁性層１９が、その磁化Ｍ１７，Ｍ１９の向きが互いに反平行となるように磁気的結合しており、磁性層１９の磁化Ｍ１９が磁性層１７の磁化Ｍ１７よりも大きく、磁性層１９の分極率が磁性層１７の分極率の０．７倍以下となっている。

磁性層１７の磁化Ｍ１７及び磁性層１９の磁化Ｍ１９の向きが、互いに反平行となるように磁気的結合していることにより、これら２層１７，１９を合わせた記憶層２２全体の合成磁化が小さくなり、磁気的結合により２層１７，１９の磁化Ｍ１７，Ｍ１９の向きが連動して反転する。しかも、個々の磁性層１７，１９の磁化量は充分な大きさがあるため、熱揺らぎによる記憶層２２の磁化状態の変化を防ぐことができ、充分な熱安定性を有している。
磁性層１９の磁化Ｍ１９が磁性層１７の磁化Ｍ１７よりも大きいことにより、磁性層１７の磁化Ｍ１７が相対的に小さくなっており、スピン注入により、比較的小さい電流量で、磁性層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させることができる。
磁性層１９のスピン分極率が、磁性層１７のスピン分極率の０．７倍以下であることにより、スピン注入の電流の極性による反転電流の差を小さくすることができ、単層の磁性層のみから記憶層を構成した場合と比較して、反転電流を低減することができる。

そして、下部電極１１及び上部電極２０の間に電流を流すことにより、スピン注入による記憶層２２（１７，１９）の磁化Ｍ１７，Ｍ１９の向きの反転を行うことができる。
上部電極２０から下部電極１１に向けて、即ち記憶層２２から磁性層（参照層）１５に向けて電流を流すと、磁性層（参照層）１５から記憶層２２の下層の磁性層１７に偏極電子が注入され、磁性層１７の磁化Ｍ１７の向きが参照層１５の磁化Ｍ１５の向きと平行になる。
下部電極１１から上部電極２０に向けて、即ち参照層１５から記憶層２２に向けて電流を流すと、記憶層２２の下層の磁性層１７から参照層１５に偏極電子が注入され、磁性層１７の磁化Ｍ１７の向きが参照層１５の磁化Ｍ１５の向きと反平行になる。
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。

磁性層（参照層）１５の磁化Ｍ１５の向きと磁性層１７の磁化Ｍ１７の向きが、平行の状態ではトンネル絶縁層１６を通る電流の抵抗が小さくなり、反平行の状態ではトンネル絶縁層１６を通る電流の抵抗が大きくなる。このことを利用して、抵抗値から記憶層２２に記録された情報の内容を読み出すことができる。
なお、読み出し時に流す電流は、スピン注入による記憶層２２（１７，１９）の磁化反転が生じないように、反転電流よりも小さくする。

上述の本実施の形態の記憶素子３０の構成によれば、磁性層１７及び磁性層１９が、その磁化Ｍ１７，Ｍ１９の向きが互いに反平行となるように磁気的結合していることにより、２層１７，１９を合わせた記憶層２２全体の合成磁化が小さくなり、磁気的結合によって２層１７，１９の磁化Ｍ１７，Ｍ１９の向きが連動して反転するため、磁化Ｍ１７，Ｍ１９の向きを反転させるために必要となる反転電流を低減することができると共に、充分な熱安定性を有している。
さらに、磁性層１９の磁化Ｍ１９が磁性層１７の磁化Ｍ１７よりも大きく、磁性層１９の分極率が磁性層１７の分極率の０．７倍以下となっていることにより、この構成によっても、反転電流を低減することができる。

上述のように、充分な熱安定性を有するので、情報を安定して保持することができると共に、少ない電流で記憶層２２を構成する磁性層１７，１９の磁化Ｍ１７，１９の向きを反転して、情報の記録を行うことができる。
従って、本実施の形態の記憶素子３０によれば、情報の保持特性に優れると共に、少ない電流で情報の記録を行うことができるため、安定して動作し、消費電力の少ない記憶装置（メモリ）を実現することができる。

また、上述の本実施の形態の記憶素子３０は、例えば、記憶層２２・トンネル絶縁層１６・磁化固定層２１を含む各層を同じ平面パターンで積層した積層体から成る構成とすることにより、微細化することが比較的容易である。
そして、磁場を印加して磁化状態を変化させる、従来のＭＲＡＭ用の磁気記憶素子と比較して、磁場を印加するための配線が不要となるため、記憶素子３０の占める体積を低減することができる。
これにより、本実施の形態の記憶素子３０によりメモリセルを構成した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、本実施の形態の記憶素子３０を備えてメモリを構成すれば、省電力動作可能な高密度の不揮発性メモリを実現することができる。

上述の実施の形態では、磁化固定層２１の下に反強磁性層１２を設けて、磁化固定層２１の磁性層１３の磁化Ｍ１３の向きを固定したが、反強磁性層を設けないで、磁化固定層の磁化の向きを固定する構成としてもよい。

（実施例）
ここで、実際に本発明の記憶素子を作製して、特性を調べた。

そして、各層の材料及び膜厚を、次のように設定して、図６に示した構成の記憶素子３０を作製した。
即ち、膜厚５ｎｍのＴａ膜から成る下部電極１１の上に、膜厚３０ｎｍのＰｔＭｎ膜から成る反強磁性層１２、膜厚２ｎｍのＣｏ_９０Ｆｅ_１０膜（添え字は原子％；以下同様）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Ｃｏ_５０Ｆｅ_３０Ｂ_２０膜から成る磁性層（参照層）１５、膜厚０．８ｎｍの酸化マグネシウム膜から成るトンネル絶縁層１６、膜厚１ｎｍのＣｏ_５０Ｆｅ_３０Ｂ_２０膜から成る磁性層１７、膜厚１．７ｎｍのＲｕ膜から成る非磁性層１８、膜厚４ｎｍのＣｏ_２５Ｆｅ_２５Ｃｕ_５０膜から成る磁性層１９、膜厚５ｎｍのＴａ膜から成る上部電極２０を、順次積層形成した。
このうち、磁性層１３、非磁性層１４、磁性層（参照層）１５の３層の積層により、磁化固定層２１が構成される。
次に、各層をパターニングして、長軸約２００ｎｍ・短軸約１５０ｎｍの楕円形状のパターンとした。
このようにして、図６に示した構成の記憶素子３０を作製して、実施例の試料とした。

（比較例）
記憶層２２の上層の磁性層１９を、Ｃｏ_５０Ｆｅ_３０Ｂ_２０膜（即ち、磁性層１７と同一の材料・組成）とした以外は、実施例と同様にして、図６に示した構造の記憶素子３０を作製し、比較例の試料とした。

なお、実施例の磁性層１９に用いたＣｏ_２５Ｆｅ_２５Ｃｕ_５０合金の分極率は１５％であり、実施例及び比較例の磁性層１７と比較例の磁性層１９とに用いたＣｏ_５０Ｆｅ_３０Ｂ_２０合金の分極率は５５％である。

これら実施例及び比較例の各試料に対して、上層側から電流を流す場合を正、下層側から電流を流す場合と負と定義して、記憶素子に流す電流の大きさを−１．０ｍＡ〜＋１．０ｍＡの範囲で変化させて、記憶素子の抵抗値の変化を測定した。
測定結果を図７Ａ及び図７Ｂに示す。図７Ａは実施例の試料、図７Ｂは比較例の試料の各測定結果であり、それぞれ縦軸は抵抗値を相対値で示している。

図７Ｂより、比較例においては、電流が負側の極性しか反転が見られず、電流が１ｍＡ以下では片方しか反転が見られなかった。
図７Ａより、本発明の実施例においては、正側と負側の極性による反転電流の差が小さくなっている。従って、電流のみにより、記憶層の磁化の向きを反転させて、任意の記録を行うことが可能である。

次に、図６の記憶素子３０の磁性層１９に、他のＦｅ，Ｃｏ等の強磁性元素と、それらと固溶しない良導性の金属元素（Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇ）とを組み合わせた材料を用い、その他は上述の実施例と同様にして記憶素子３０の試料を作製した。使用した材料は、Ｆｅ_６０Ａｇ_４０，Ｆｅ_３０Ｃｏ_２０Ａｕ_５０，Ｆｅ_６０Ｍｇ_４０，Ｆｅ_３０Ｃｏ_３０Ｎｉ_１０Ｃｕ_３０，Ｆｅ_２０Ｃｏ_３０Ｃｕ_３５Ｂ_１５の５種類とした。
これら各試料について、前述した方法により、スピン分極率と、正側の反転電流Ｉｃ_＋及び負側の反転電流Ｉｃ₋を測定した。測定結果として、各試料の材料組成と合わせて、表１に示す。

表１より、いずれの膜においても、スピン分極率が磁性層１７のＣｏ_５０Ｆｅ_３０Ｂ_２０（スピン分極率５５％）の半分以下となり、また反転電流は、正負いずれの側とも１ｍＡ以下と小さいことがわかる。
即ち、表１に示した各材料を用いて磁性層１９を形成しても、磁性層１９のスピン分極率を小さくすると共に、記憶素子３０の反転電流を低減することが可能である。

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。

本発明の記憶素子の構成を模式的に示す図である。図１の記憶素子に外部磁場を印加した場合の磁場の大きさと記憶素子の抵抗値との関係の計算結果を示す図である。図１の記憶素子における、記憶層の２層の磁性層の分極率の比と、反転電流との関係を示す図である。図１の記憶素子における、記憶層の２層の磁性層の磁気的相互作用を変えたときの、飽和磁場と反転電流との関係を示す図である。ＣｏＦｅとＣｕとの合金において、Ｃｕ含有量を変えたときのスピン分極率の変化を示す図である。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、Ｂ記憶素子の電流抵抗曲線の測定結果を示す図である。

符号の説明

１第１の磁性層（磁化固定層）、２，４，１４，１８非磁性層、３第２の磁性層、５第３の磁性層、６，２２記憶層、１０，３０記憶素子、１１下部電極、１２反強磁性層、１３，１５，１７，１９磁性層、１６トンネル絶縁層、２０上部電極、２１磁化固定層

Claims

第１の磁性層と、第２の磁性層と、第３の磁性層とが、それぞれ非磁性層を介して積層されて成り、
前記第１の磁性層は、磁化の向きが固定された磁性層であり、
前記第２の磁性層及び前記第３の磁性層により、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層が構成され、
前記第２の磁性層と、前記第３の磁性層とが、磁化の向きが互いに反平行となるように磁気的結合しており、
前記第３の磁性層の磁化が、前記第２の磁性層の磁化よりも大きく、
前記第３の磁性層の分極率が、前記第２の磁性層の分極率の０．７倍以下であり、
前記非磁性層を通じて、前記第１の磁性層と前記第２の磁性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
ことを特徴とする記憶素子。
前記第２の磁性層の磁化の向きと前記第３の磁性層の磁化の向きとをほぼ平行にするために必要となる磁場の大きさをＨｓとし、前記第２の磁性層の磁化の向きと前記第３の磁性層の磁化の向きとが反平行である状態を維持したまま磁化の向きを反転させるために必要となる磁場の大きさをＨｃとしたときに、ＨｓがＨｃの２倍以上、２０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
前記第３の磁性層が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる少なくとも一種以上と、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇから選ばれる少なくとも一種以上とからなることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。