JP2009200260A

JP2009200260A - 磁気デバイス及び磁気メモリ

Info

Publication number: JP2009200260A
Application number: JP2008040470A
Authority: JP
Inventors: Keiji Koga; 啓治古賀; Tomoo Sasaki; 智生佐々木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2009-09-03

Abstract

【課題】磁化反転のための外部磁場の強度を低減させることが可能な磁気デバイス、及びそのような磁気デバイスを用いた磁気メモリを提供する。
【解決手段】本発明に係る磁気デバイスは、磁化固定層３、磁化自由層５、及び磁化固定層３と磁化自由層５とを接続する非磁性層４を有する磁気抵抗効果素子１４と、磁化固定層３と磁化自由層５との間に交流電流を供給する交流電流供給手段５０と、電流が供給されることにより磁界を発生し、その磁界２１Ｍが磁化自由層５に印加されるように設けられた電流経路部２１とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気デバイス及び磁気メモリに関する。

近年、電子が有する電荷の性質のみではなく、電子が有するスピンの性質をも利用するスピンエレクトロニクスに対する研究が注目されている。この分野において注目されている磁気デバイスとして、スピントランジスタ及びＭＲＡＭ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）を挙げることができる。

スピントランジスタは、磁気抵抗効果素子を有しており、磁気抵抗効果素子内の磁化固定層及び磁化自由層のそれぞれの磁化方向の相対的な角度を変化させることにより、トランジスタのＩ／Ｖ特性が変化するという特徴を有している（例えば、下記特許文献１参照）。

また、ＭＲＡＭは磁気抵抗効果素子を有する不揮発性の磁気メモリである。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子の磁化固定層及び磁化自由層のそれぞれの磁化方向の相対的な角度に依存して抵抗値が変化することを利用したメモリであり、これらの磁化方向が平行及び反平行の状態を、それぞれ「０」及び「１」に対応させている（例えば、下記特許文献２参照）。

上述のような磁気抵抗効果素子を有する磁気デバイスにおいては、動作中に磁化自由層の磁化方向を変化（反転）させる必要がある。磁化自由層の磁化方向の反転方法としては、磁化自由層に外部磁界を印加する方法がある。具体的には、磁化自由層に隣接して電流経路部を設け、この電流経路部に電流を流した際に発生する磁界を磁化自由層に印加することにより、磁化自由層の磁化方向の反転をすることができる。
特開２００４−１１１９０４号公報米国特許第５６４０３４３号明細書

上述のような磁気抵抗効果素子を有する磁気デバイスにおいて、外部磁界によって磁化自由層の磁化方向を反転させるためには、あるしきい値以上の強度の外部磁界を印加する必要がある。この磁化反転に必要な外部磁界の強度のしきい値が大きいと、磁気デバイスの消費電力が大きくなってしまい、好ましくない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、磁化反転のための外部磁場の強度を低減させることが可能な磁気デバイス、及びそのような磁気デバイスを用いた磁気メモリを提供する事を目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る磁気デバイスは、磁化固定層、磁化自由層、及び磁化固定層と磁化自由層とを接続する非磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、磁化固定層と磁化自由層との間に交流電流を供給する交流電流供給手段と、電流が供給されることにより磁界を発生し、その磁界が磁化自由層に印加されるように設けられた電流経路部とを備えることを特徴とする。

本発明の磁気デバイスによれば、交流電流供給手段によって磁化固定層と磁化自由層間に電流が供給されると、磁化固定層内の電子はスピン偏極しているため、磁化自由層内にスピン偏極交流電流が供給される。磁化自由層内に交流のスピン偏極交流電流が供給されると、磁化自由層の磁化方向は歳差運動を行う。そして、この状態で磁化自由層内に対して電流経路部で発生した外部磁界が印加されるため、磁化自由層内にスピン偏極交流電流が供給されていない場合と比較して、低い強度の外部磁界で磁化自由層の磁化方向を反転させることができる。その結果、本発明に係る磁気デバイスは、従来よりも磁化反転のための外部磁場の強度を低減させることが可能である。

さらに、交流電流は、磁化自由層の磁化方向の固有振動数に対応する周波数成分を含むことが好ましい。これにより、磁化自由層内に供給されたスピン偏極交流電流によって、磁化自由層の磁化方向を容易に歳差運動させることが可能となる。その結果、磁化反転のための外部磁場の強度がより低減された磁気デバイスが得られる。

さらに、交流電流供給手段は、磁化固定層と磁化自由層との間に供給する交流電流に直流電流を重畳させることが可能であることが好ましい。これにより、磁化自由層内には、スピン偏極交流電流だけではなく、スピン偏極直流電流も供給される。そのため、磁化自由層にはスピン偏極直流電流によるスピン注入磁化反転効果が作用し、磁化自由層の磁化方向はより反転し易くなる。その結果、磁化反転のための外部磁場の強度がより低減された磁気デバイスが得られる。

さらに、磁化固定層は非磁性層の一方の端面に接続され、磁化自由層は非磁性層の他方の端面に接続されていることが好ましい。これにより、磁気抵抗効果素子の積層方向に沿って交流電流が供給される磁気デバイスが得られる。

また、磁化固定層及び磁化自由層の双方は、非磁性層の一方の端面に接続されていることが好ましい。これにより、磁気デバイスの設計の自由度が向上する。

さらに、非磁性層は、非磁性絶縁層であることが好ましい。これにより、磁気抵抗効果素子はトンネル磁気抵抗効果素子となる。その結果、トンネル磁気抵抗効果素子の高い磁気抵抗変化率を利用した磁気デバイスが得られる。

また、非磁性層は、半導体層であることが好ましい。これにより半導体デバイスに容易に応用可能な磁気デバイスが得られる。

さらに、磁化固定層及び磁化自由層間のチャネルが半導体層内に形成されるように半導体層に対して電圧を印加可能な電極層をさらに備えることが好ましい。これにより、磁化固定層及び磁化自由層の一方をソース電極、他方をドレイン電極とし、電極層をゲート電極とすることにより、この磁気デバイスはスピントランジスタとなる。その結果、従来よりも磁化反転のための外部磁場の強度が低減されたスピントランジスタが得られる。

また、本発明に係る磁気メモリは、磁化固定層、磁化自由層、及び磁化固定層と磁化自由層とを接続する非磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、磁化固定層と前記磁化自由層との間に交流電流を供給する交流電流供給手段と、磁化固定層と磁化自由層との間に読み出し用の直流電流を供給する読み出し電流供給手段と、電流が供給されることにより磁界を発生し、その磁界が磁化自由層に印加されるように設けられた電流経路部とを備えることを特徴とする。

これにより、電流経路部で発生した外部磁界を用いて磁化自由層の磁化方向を反転させることにより、記録情報の書き込みを行うことができる。また、直流電流供給手段を用いて磁気抵抗効果素子に直流電流を流し、その際の磁気抵抗効果素子の抵抗値から磁化自由層の磁化方向を判定することによって、記録情報の読み込みを行うことができる。さらに、上述の磁気デバイスの場合と同様に、磁気抵抗効果素子の磁化自由層の磁化を反転させる際には、交流電流供給手段によって磁化自由層内にスピン偏極交流電流を供給して磁化自由層の磁化方向を歳差運動させることができる。そのため、磁化自由層内にスピン偏極交流電流が供給されていない場合と比較して、低い強度の外部磁界で磁化自由層の磁化方向を反転させることができる。その結果、本発明に係る磁気メモリは、従来よりも磁化反転のための外部磁場の強度を低減させることが可能である。

本発明によれば、磁化反転のための外部磁場の強度を低減させることが可能な磁気デバイス、及びそのような磁気デバイスを用いた磁気メモリが提供される。

以下、実施の形態に係るスピントランジスタ及びその製造方法について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
[第一実施形態]

図１は、本発明の第一実施形態に係る磁気デバイス３０の斜視図である。なお、図１においては、図面の見易さのため、後述のシリコン基板１０、非磁性絶縁層１６及び保護層２２ａ、２２ｂの図示を省略している（図２参照）。

磁気デバイス３０は、磁気抵抗効果素子１４、上部電極層２０、下部電極層１２、上部電極層用パッド２８、下部電極層用パッド２４、交流電流供給手段としての電源回路５０、電流経路部としての電流経路層２１、電流経路層用パッド２３、及び電流制御回路５８を備えている。

磁気抵抗効果素子１４の積層方向をＺ軸方向とし、これに直交する２軸をそれぞれＸ軸及びＹ軸とする。磁気抵抗効果素子１４のＺ軸方向の両端には、それぞれ上部電極層２０及び下部電極層１２が接触し、磁気抵抗効果素子１４に電気的に接続されている。上部電極層２０及び下部電極層１２は、突部を有する板状の電極であり、それぞれの突部間に磁気抵抗効果素子１４が配置されている。また、上部電極層２０及び下部電極層１２は、それぞれＡｕ、Ｃｕ等の導電性金属で形成されている。なお、上部及び下部なる用語は、それぞれＺ軸の正側の位置及び負側の位置を意味するものであり、重力の方向とは無関係である。

上部電極層２０及び下部電極層１２には、それぞれ一対の上部電極層用パッド２８及び下部電極層用パッド２４が電気的に接続されている。上部電極層用パッド２８及び下部電極層用パッド２４は、それぞれＡｕ、Ｃｕ等の導電性金属で形成されている。なお、上部電極層用パッド２８及び下部電極層用パッド２４の一部は、それぞれ保護層２２ａ及び２２ｂ（図１においては図示せず。図２参照）内に埋設されているが、図１においては、上部電極層用パッド２８及び下部電極層用パッド２４のうち、保護層２２ａ及び２２ｂ内に埋設されている部分を破線で示している。

一方の上部電極層用パッド２８と一方の下部電極層用パッド２４間には、電源回路５０によって電圧Ｖｄｄが印加可能となっている。なお、一方の下部電極層用パッド２４は、グラウンドに接続された基準端子Ｖｇに接続されている。

電流経路層２１は、上部電極層２０からＺ軸の正方向に離間した位置に設けられている。電流経路層２１は磁気抵抗効果素子１４の積層方向（Ｚ軸に沿った方向）と直交する方向（Ｙ軸に沿った方向）に延びている。電流経路層２１は、Ｃｕ等の導電性金属で形成されている。

電流経路層２１の両端部には、Ａｕ、Ｃｕ等の導電性金属で形成された一対の電流経路層用パッド２３が電気的に接続されている。なお、電流経路層用パッド２３の一部は、それぞれ保護層２２ａ及び２２ｂ（図１においては図示せず。図２参照）内に埋設されているが、図１においては、電流経路層用パッド２３のうち、保護層２２ａ及び２２ｂ内に埋設されている部分を破線で示している。

一対の電流経路層用パッド２３間には、電流制御回路５８が接続されている。この電流制御回路５８は、電流経路層２１の両端部間に電流を供給する。

図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った磁気デバイス３０の端面図である。図２に示すように、下部電極層１２、磁気抵抗効果素子１４、及び上部電極層２０は、この順にシリコン基板１０上に積層されている。そして、磁気抵抗効果素子１４の側面、及び下部電極層１２とシリコン基板１０の表面の一部には非磁性絶縁層１６が設けられている。これにより、上部電極層２０と下部電極層１２とは、磁気抵抗効果素子１４のみを通じて電気的に接続されている。さらに、非磁性絶縁層１６の表面及び上部電極層２０の表面を覆うように、Ａｌ_２Ｏ_３等からなる保護層２２ａが形成されている。そして、磁気抵抗効果素子１４及び上部電極層２０のＺ軸の正方向の上方に、電流経路層２１が設けられている。さらに、電流経路層２１と保護層２２ａの表面を覆うように、Ａｌ_２Ｏ_３等からなる保護層２２ｂが形成されている。

次に、図３を用いて、磁気抵抗効果素子１４の詳細について説明する。図３は、図２の磁気抵抗効果素子１４付近の拡大端面図である。

図３に示すように、磁気抵抗効果素子１４は、磁化固定層３、磁化自由層５、及び磁化固定層３と磁化自由層５とを接続する非磁性層４を有している。即ち、磁化固定層３は非磁性層４の一方の端面に接続され、また、磁化自由層５は非磁性層４の他方の端面に接続されている。詳細には、磁気抵抗効果素子１４は、下地層１と、反強磁性層２と、反強磁性層２と交換結合して磁化の向き３ＡＭがＸ軸の正方向に固定された下部強磁性層３Ａと、Ｒｕなどの導電性金属からなる非磁性層３Ｂと、非磁性層３Ｂを介して磁化の向き３ＣＭが下部強磁性層３Ａの磁化の向き３ＡＭと反対向き（Ｘ軸の負方向）に固定された上部強磁性層３Ｃと、非磁性層４と、強磁性体からなる磁化自由層５と、キャップ層７とがこの順に積層されたものである。ここで、下部強磁性層３Ａと非磁性層３Ｂと上部強磁性層３Ｃとで磁化固定層３となるが、磁化固定層３の磁化の向きとは、磁化固定層３の２つの強磁性層のうち磁化自由層５に近い方である上部強磁性層３Ｃの磁化の向き３ＣＭを意味するものとする。

磁化自由層５の磁化方向５Ｍは実質的に固定されていないため、外部磁場の印加等によって、磁化自由層５の磁化方向５Ｍを変更（例えば、反転）させることが可能となっている。また、磁化自由層５は、形状異方性や結晶磁気異方性等により磁化容易軸を有していることが好ましい。本実施形態においては、磁化自由層５はＸ軸に沿った方向に磁化容易軸を有しており、図３に示す状態では磁化自由層５の磁化方向５ＭはＸ軸の正方向を向いている。

電流制御回路５８（図１参照）によって電流経路層２１に電流を供給すると、電流経路層２１は磁界２１Ｍを発生する。図３では、電流経路層２１に対してＹ軸の正方向に電流を流した場合に発生する磁界２１Ｍを示している。そして、電流経路層２１は、そこから発生した磁界２１Ｍが磁化自由層５に印加されるように配置されている。

図３に示すように磁化自由層５の磁化方向５ＭがＸ軸の正方向を向いているときに、磁化自由層５に対してＸ軸の負方向に磁界２１Ｍを印加すると、磁界２１Ｍの大きさが所定のしきい値よりも大きい場合、磁化自由層５の磁化方向５Ｍは反転してＸ軸の負方向を向くことになる。

磁気抵抗効果素子１４がトンネル磁気抵抗効果素子からなる場合には、非磁性層４は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯやＴｉＯ等の非磁性絶縁層（トンネルバリア層：好適厚み１ｎｍ以下）からなる。この場合、磁気抵抗効果素子１４の高い磁気抵抗変化率を利用した磁気デバイス３０となる。また、磁気抵抗効果素子１４がＣＰＰ（Current Perpendicular Plane）型のＧＭＲ素子からなる場合には、非磁性層４は、Ｃｕなどの非磁性導電層からなる。また、非磁性層４は、半導体層であってもよい。いずれの構造であっても、本実施形態の場合電流は磁気抵抗効果素子１４の積層方向（Ｚ軸方向）に流れることとなる。

強磁性とは、隣り合うスピンが同一の方向を向いて整列し、全体として大きな磁気モーメントを持つ物質の磁性であり、強磁性体は外部磁場が無い場合においても自発磁化を有する。室温で強磁性を示す物質としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＧｄがある。下部強磁性層３Ａ、非磁性層３Ｂと上部強磁性層３Ｃ、及び磁化自由層５を構成する強磁性体としては、Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ合金等を好適に用いることができる。反強磁性層２を構成する反強磁性体としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ等を適用することができる。

磁化自由層５の膜厚は、例えば１〜１０ｎｍとすることができる。また、磁気抵抗効果素子１４全体の膜厚は、例えば１０〜２００ｎｍとすることができる。

下地層１は、Ｔａ、ＲｕやＮｉＣｒ等で形成された層であり、磁気抵抗効果素子１４を構成する各層の結晶性向上等の目的で設けられている。また、キャップ層７は、Ｔａ等で形成された層であり、磁気抵抗効果素子１４のキャップ層７よりも下部の各層の保護等の目的で設けられている。なお、磁気抵抗効果素子１４は、下地層１及び／又はキャップ層７を有していなくてもよい。

次に、電源回路５０の詳細について、図４を用いて説明する。図４は磁気デバイス３０の回路構成図である。本実施形態において磁気抵抗効果素子１４は可変抵抗として機能するため、図４では磁気抵抗効果素子１４を可変抵抗の記号を用いて表している。

電源回路５０は、直流電源５４ａ、５４ｂ、５６、及び交流電源５２を有している。直流電源５４ａ、５４ｂはスイッチＳＷ１によって選択可能となっており、直流電源５６はスイッチＳＷ２に接続されている。また、直流電源５４ａと直流電源５４ｂは、磁気抵抗効果素子１４に対して互いに逆極性の電圧を印加可能なように配置されている。直流電源５６は、磁気抵抗効果素子１４に対して直流電圧を印加可能なように配置されている。さらに、交流電源５２は、直流電源５４ａ及び直流電源５４ｂと並列に配置されている。また、直流電源５４ａ、直流電源５４ｂ、及び交流電源５２と磁気抵抗効果素子１４との間には、書き込み電流制御バッファ５１が設けられている。同様に、直流電源５６と磁気抵抗効果素子１４との間には、読み出し電流制御バッファ５３が設けられている。書き込み電流制御バッファ５１及び読み出し電流制御バッファ５３は、バッファ選択器５５と接続されており、バッファ選択器５５によって、書き込み電流制御バッファ５１及び読み出し電流制御バッファ５３は通電状態又は非通電状態に制御される。また、磁気抵抗効果素子１４に隣接して電流経路層２１が設けられており、電流経路層２１は電流制御回路５８に接続されている。電流制御回路５８は電流経路層２１に直流電流を供給し、直流電流を供給された電流経路層２１は磁界を発生し、その磁界は磁気抵抗効果素子１４に印加される。なお、直流電源５６の極性は、図４に示す状態とは逆であってもよく、また、直流電源５６の極性は変更可能であってもよい。

電源回路５０は以下のように磁気抵抗効果素子１４に電流を供給する。即ち、書き込み電流制御バッファ５１を通電状態にし、スイッチＳＷ１を直流電源５４ａ側にオンにすると、磁気抵抗効果素子１４にはＺ軸の負方向（図３参照）に直流電流が重畳された交流電流（直流重畳交流電流）が流れる。この状態でスイッチＳＷ１を直流電源５４ｂ側にＯＮにすると、磁気抵抗効果素子１４にはＺ軸の正方向に直流電流が重畳された交流電流が流れる。

また、書き込み電流制御バッファ５１を非通電状態にし、スイッチＳＷ１をオフにした後に、読み出し電流制御バッファ５３を通電状態にし、スイッチＳＷ２をオンにすると、磁気抵抗効果素子１４にはＺ軸の正方向に直流電流が流れる。このように電源回路５０は、磁気抵抗効果素子１４に直流重畳交流電流又は直流電流を供給し、かつ、これらの磁気抵抗効果素子１４に流れる電流の極性を変更させることが可能となっている。即ち、電源回路５０は、磁化固定層３と磁化自由層５との間に交流電流を供給する交流電流供給手段としての機能と共に、磁化固定層３と磁化自由層５との間に直流電流を供給する直流電流供給手段としての機能を有している。

次に、本実施形態に係る磁気デバイス３０の動作、即ち磁化自由層５の磁化方向５Ｍの反転方法について説明する。まず、磁気抵抗効果素子１４に電流を流した場合の磁化自由層５の磁化方向５Ｍの挙動について図３を用いて説明する。

磁気抵抗効果素子１４にＺ軸の負方向に直流電流を流すと、電子は磁気抵抗効果素子１４内をＺ軸の正方向に移動する。磁化固定層３内の上部強磁性層３Ｃに到達した電子は、上部強磁性層３Ｃの磁化の向き３ＣＭと同一方向（Ｘ軸の負方向）にスピン偏極する。そのため、磁化自由層５内にはスピン偏極直流電流が供給される。

そして、スピン偏極電子が磁化自由層５内に到達すると、磁化自由層５内の電子と磁気的に相互作用する。その結果、磁化自由層５は、その磁化方向５Ｍが上部強磁性層３Ｃの磁化の向き３ＣＭと同一方向となるように回転するトルクを受け、磁化方向５Ｍは歳差運動を行う。そして、磁気抵抗効果素子１４に流した直流電流の強度が、しきい値となる強度Ｉｃ（スピン偏極直流電流で磁化反転を生じさせるのに必要な電流の強度Ｉｃ）よりも大きい場合、磁化自由層５の磁化方向５Ｍは磁化の向き３ＣＭと同一方向（Ｘ軸の負方向）に反転する。なお、この磁化反転しきい値の大きさは、上部強磁性層３Ｃのスピン偏極率、磁化自由層５の材質、膜厚、形状、結晶磁気異方性の大きさ等に依存する。

続いて、磁化自由層５の磁化方向５Ｍが磁化の向き３ＣＭと同一方向に反転した状態で、直流電流の極性を逆にした場合、電子は磁気抵抗効果素子１４内をＺ軸の負方向に移動する。磁化自由層５に到達した電子は上部強磁性層３Ｃ内に移動するが、この際磁気抵抗効果により上部強磁性層３Ｃの磁化の向き３ＣＭと同一方向に偏局したスピンを有する電子が優先的に上部強磁性層３Ｃ内に移動することができる。そのため、磁化自由層５内には、磁化の向き３ＣＭと反対方向にスピン偏極した電子が多く蓄積される。即ち、この場合も磁化自由層５内には実効的にスピン偏極直流電流が供給される。そして、磁化自由層５内に蓄積された電子の作用で、磁化自由層５は、その磁化方向５Ｍが上部強磁性層３Ｃの磁化の向き３ＣＭと反対方向となるように回転するトルクを受け、磁化方向５Ｍは歳差運動を行う。そして、磁気抵抗効果素子１４に流した直流電流の強度がしきい値となる強度Ｉｃ（磁化反転しきい値Ｉｃ）よりも大きい場合、磁化自由層５の磁化方向５Ｍは磁化の向き３ＣＭと反対方向（Ｘ軸の正方向）に反転する。

また、磁気抵抗効果素子１４に交流電流を流した場合、磁化自由層５内にはスピン偏極交流電流が供給されるため、上述の直流電流の極性を逆にした際の作用が連続的に発生することとなる。そのため、磁気抵抗効果素子１４の磁化自由層５の磁化方向５Ｍは、大きく歳差運動を行う。特に、磁化自由層５の磁化方向５Ｍの歳差運動の固有振動数ｆ_Ｆと、磁気抵抗効果素子１４内を流れる交流電流の周波数ｆが一致した場合、共振が発生し、磁化自由層５の磁化方向５Ｍは極めて大きく歳差運動を行う。

なお、磁化自由層５の磁化方向５Ｍの歳差運動の固有振動数ｆ_Ｆの大きさは、例えば磁化自由層５に印加する外部磁場の大きさによって制御することができる。この際、磁化自由層５に印加する外部磁場が大きければ固有振動数ｆ_Ｆは大きくなり、磁化自由層５に印加する外部磁場が小さければ固有振動数ｆ_Ｆは小さくなる。

次に、図３〜図５を用いて、本実施形態磁気デバイス３０の磁化自由層５の磁化方向５Ｍの具体的な反転方法について説明する。

図３に示すようにＸ軸の正方向を向いた磁化自由層５の磁化方向５Ｍを反転させる場合、まず、図５（Ａ）に示すように時間ｔ_１〜ｔ_２の間に、電源回路５０（図１参照）によって磁気抵抗効果素子１４に直流電流が重畳した交流電流をＺ軸の負方向に流すと共に、電流制御回路５８によって電流経路層２１に対してＹ軸の正方向に直流電流を流し、磁界２１Ｍを磁化自由層５に印加する。（このような直流電流が重畳した交流電流は、図４において書き込み電流制御バッファ５１を通電状態にし、スイッチＳＷ１を直流電源５４ａ側にオンにすれば流すことができる。）

すると、磁気抵抗効果素子１４に流れるスピン偏極交流電流によって、上述のように磁化自由層５の磁化方向５Ｍは歳差運動を行う。この状態で磁化自由層５にはさらにスピン偏極直流電流による作用と、磁界２１Ｍによる作用とが働くため、磁化自由層５の磁化方向５Ｍは容易に反転し、Ｘ軸の負方向を向くことになる。そのため、磁化自由層５の磁化方向５Ｍを反転させるために必要な磁界２１Ｍの強度は、磁気抵抗効果素子１４に直流電流が重畳した交流電流を流さなかった場合と比較して、低減させることができる。その結果、本実施形態に係る磁気デバイス３０においては、磁化自由層５の磁化方向５Ｍを反転させるために電流経路層２１に流す電流強度を低減させることができる。また、磁化自由層５の磁化方向５Ｍを反転させるために必要な直流電流の強度も低減させることができる。即ち、磁気抵抗効果素子１４に直流電流のみを流して磁化方向５Ｍを反転させるために必要な電流強度をＩｃとすると、磁化方向５Ｍを反転させる際に上述のように磁化自由層５の磁化方向５Ｍを歳差運動させ、さらに磁界２１Ｍを印加しているため、直流電流の強度はＩｃよりも低くすることが可能となる。

続いて、磁化自由層５の磁化方向５Ｍを再び反転させるには、上述のように磁化方向５Ｍを時間ｔ_１〜ｔ_２の間に反転させた場合と比較して、電源回路５０から磁気抵抗効果素子１４に供給する直流電流と、電流制御回路５８によって電流経路層２１に供給する直流電流の極性をそれぞれ逆にすればよい。具体的には、図５（Ｂ）に示すように時間ｔ_３〜ｔ_４の間に、電源回路５０によって磁気抵抗効果素子１４に直流電流が重畳した交流電流をＺ軸の正方向に流すと共に、電流制御回路５８によって電流経路層２１に対してＹ軸の負方向に直流電流を流し、磁界２１Ｍを磁化自由層５に印加する。（このような直流電流が重畳した交流電流は、図４において書き込み電流制御バッファ５１を通電状態にし、スイッチＳＷ１を直流電源５４ｂ側にオンにすれば流すことができる。）すると、時間ｔ_１〜ｔ_２の間に磁化方向５Ｍを反転させた場合と同様の原理により、磁化方向５Ｍは再び反転し、Ｘ軸の正方向を向くことになる。なお、交流電流に重畳される直流電流とは、直流パルス電流や矩形波電流などであってもよい。

また、磁化自由層５の磁化方向５Ｍと上部強磁性層３Ｃの磁化の向き３ＣＭとの相対的な角度に対応して情報が記録されていると見れば（例えばこれらの角度が平行な場合と反平行な場合に、それぞれ「０」及び「１」の情報が記録されていると見れば）、上述のように磁化自由層５の磁化方向５Ｍを反転させることによって、磁気デバイス３０に情報を書き込むことができる。

そして、図５（Ｂ）に示すように、時間ｔ_５〜ｔ_６の間に磁気抵抗効果素子１４に磁化反転しきい値Ｉｃよりも小さな直流電流を流した場合、磁化方向５Ｍは反転しない。このような電流は、図４においてバッファ５１を非通電状態にし、スイッチＳＷ１をオフにし、読み出し電流制御バッファ５３を通電状態にしてスイッチＳＷ２をオンにすれば流すことができる。この場合、直流電流を流している際に磁気抵抗効果素子１４の積層方向の抵抗値を測定すれば、磁化自由層５の磁化方向５Ｍと上部強磁性層３Ｃの磁化の向き３ＣＭとの相対的な角度を判定することができる。また、磁化自由層５の磁化方向５Ｍと上部強磁性層３Ｃの磁化の向き３ＣＭとの相対的な角度に対応して情報が記録されていると見れば（例えばこれらの角度が平行な場合と反平行な場合に、それぞれ「０」及び「１」の情報が記録されていると見れば）、上述のようにこれらの相対的な角度を判定することによって磁気デバイス３０に記録された情報を読み出すことができる。

また、交流電源５２が供給する交流電流は、磁化自由層５の磁化方向５Ｍの歳差運動の固有振動数ｆ_Ｆに対応する周波数成分を含んでいることが好ましい。これにより、上述の磁化自由層５の磁化方向５Ｍの歳差運動を非常に大きくすることができる。その結果、磁化方向５Ｍを反転させることがより容易となり、磁化自由層５の磁化方向５Ｍを反転させるために必要な磁界２１Ｍの強度がより低減された磁気デバイス３０となる。

なお、磁化自由層５の磁化方向５Ｍを反転させる場合、電源回路５０（図１参照）によって磁気抵抗効果素子１４に流す電流は図６に示すような電流であってもよい。例えば図３に示すようにＸ軸の正方向を向いた磁化自由層５の磁化方向５Ｍを反転させる場合、電源回路５０によって磁気抵抗効果素子１４に交流電流を流しておき、時間ｔ_７〜ｔ_８の間に電流制御回路５８によって電流経路層２１に対してＹ軸の正方向に直流電流を流し、磁界２１Ｍを磁化自由層５に印加する。このような方法であっても、磁気抵抗効果素子１４に流れるスピン偏極交流電流によって、上述のように磁化自由層５の磁化方向５Ｍは歳差運動を行う。そしてこの状態で磁化自由層５には磁界２１Ｍが印加されるため、磁気抵抗効果素子１４に交流電流を流さない場合と比較して、磁化自由層５の磁化方向５Ｍを反転させるために必要な磁界２１Ｍの強度を低減させることができる。なお、この場合、電源回路５０において、直流電源５４ａ及び直流電源５４ｂは不要となる（図４参照）。

次に、本実施形態に係る磁気デバイス３０の製造方法について図７〜図１２を用いて簡単に説明する。図７〜１２の（Ａ）は磁気デバイス３０の中間体の平面図である。また、図７〜１１の（Ｂ）及び図１２の（Ｂ）（Ｃ）は、各図の平面図（Ａ）における所定の線に沿った磁気デバイス３０の中間体の端面図である。

まず、図７に示すように、シリコン基板１０上に所定形状にパターニングされたＣｕ等の導電性材料からなる下部電極層１２を形成し、全面に磁気抵抗効果素子１４を形成し、将来、磁気抵抗効果素子１４を残す部分にパターニングされたレジストマスク１５を形成する。ここで、下部電極層１２及び磁気抵抗効果素子１４は、例えばスパッタリング装置を用いて成膜することができる。

続いて、図８に示すように、磁気抵抗効果素子１４のうちレジストマスク１５によってマスクされていない部分を、イオンミリング等によって除去する。これにより、磁気抵抗効果素子１４のパターンが形成される。

次に、図９に示すように、磁気抵抗効果素子１４の側面と、下部電極層１２とシリコン基板１０の露出表面に、ＳｉＯ_２等の非磁性絶縁層１６を形成する。ここで、非磁性絶縁層１６は、例えばＳｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４を用いたＣＶＤ装置によって成膜することができる。さらに保護層２２ｘを全面に成膜した後、磁気抵抗効果素子１４が露出するまでＣＭＰ等によって表面をラッピングすることにより、凹部に保護層２２ｘを埋め、全面を平坦にする。

続いて、図１０に示すように、所定形状にパターニングされたＣｕ等の導電性材料からなる上部電極層２０を、磁気抵抗効果素子１４と電気的に接触するように形成する。さらに保護層２２ｙを形成した後に、表面をＣＭＰ等によってラッピングして平坦化する。なお、保護層２２ｘと保護層２２ｙとで保護層２２ａ（図２参照）となる。

そして、図１１に示すように、保護層２２ａ上に所定形状にパターニングされたＣｕ等の導電性材料からなる電流経路層２１を形成した後に、保護層２２ｂを形成し、表面をＣＭＰ等によってラッピングして平坦化する。

そして、図１２に示すように、保護層２２ａの表面に、将来上部電極層用パッド２８、下部電極層用パッド２４、及び電流経路層用パッド２３を形成する領域以外をレジストでマスクし、マスクされていない領域の保護層２２ａ及び保護層２２ｂを、例えばＣ_４Ｆ_８等を用いた反応性イオンエッチング装置等によって除去して上部電極層２０（図１参照）及び下部電極層１２に達するスルーホールを形成し、スパッタ装置等によってＡｕ等の導電性材料を成膜して一対の上部電極層用パッド２８、下部電極層用パッド２４、及び電流経路層用パッド２３を形成する。

その後、磁化固定層３の上部強磁性層３Ｃ及び下部強磁性層３Ａの磁化方向を固定するための磁場中アニール処理を行う。そして、一方の上部電極層用パッド２８と一方の下部電極層用パッド２４間に電源回路５０を接続し（図１参照）、また、一対の電流経路層用パッド２３間に電流制御回路５８を接続し（図１参照）磁気デバイス３０が完成する。

なお、本実施形態の変形例として、図１３のような態様も可能である。即ち、磁気デバイス３０において、磁化固定層３及び磁化自由層５の双方は、非磁性層４の一方の端面に接続するように設けられていてもよい。このような態様にすることにより、磁気デバイス３０の設計の自由度が向上する。
[第二実施形態]

次に、本発明の第二実施形態に係る磁気デバイスについて説明する。図１４は本実施形態に係る磁気デバイス３０ａの斜視図であり、図１５は図１４のＸＶ−ＸＶ線に沿った磁気デバイス３０の端面図であり、図１６は、図１５の磁気抵抗効果素子１４ａ付近の拡大端面図である。

本実施形態に係る磁気デバイス３０ａは、第一実施形態に係る磁気デバイス３０と比較して、主に非磁性層４が半導体層である点、及び磁気抵抗効果素子１４ａの側面に一対の電極層１８が設けられている点において異なる。

一対の電極層１８は、磁化固定層３と磁化自由層５間のチャネルが非磁性層４内に形成されるように非磁性層４に対して電圧を印加可能であるように設けられている。即ち、一対の電極層１８は非磁性層４（図１６参照）の側面４Ｌと隣接しているが、非磁性絶縁層１６ａによって非磁性層４と電気的に絶縁されている。一対の電極層１８と非磁性層４との離間距離、即ち非磁性絶縁層１６ａの幅１６ａｗは、例えば１〜１０ｎｍとすることができる。また、非磁性層４の厚さ４ｔは、非磁性層４内に形成されるチャネル長を十分に短くする観点から、好ましくは１〜３０ｎｍ、さらに好ましくは１〜２０ｎｍである。磁気抵抗効果素子１４ａの厚さ１４ｔの範囲は、特に制限されないが、例えば２０〜１００ｎｍとすることができる。

この磁気デバイス３０ａは、スピントランジスタとして機能する。即ち、磁化固定層３及び磁化自由層５の一方がソース電極、他方がドレイン電極、一対の電極層１８がゲート電極となる。そして、この磁気デバイス３０ａは、磁化自由層５の磁化方向５Ｍと磁化固定層３の磁化の向き３ＣＭとの相対的な角度に依存して、ソース電極とドレイン電極間の電流−電圧特性を変化させることができる。磁化自由層５の磁化方向５Ｍと磁化固定層３の磁化の向き３ＣＭとの相対的な角度は、磁化自由層５の磁化方向５Ｍを反転させることにより、変化させることができる。この磁化自由層５の磁化方向５Ｍの反転は、第一実施形態における場合と同様に、電源回路５０によって磁気抵抗効果素子１４ａに直流電流が重畳した交流電流を流すと共に、電流制御回路５８によって電流経路層２１に対して直流電流を流し、磁界２１Ｍを磁化自由層５に印加することにより行われる。（電源回路５０によって磁気抵抗効果素子１４ａに供給する電流は、直流電流が重畳していない交流電流であってもよい。）そのため、本実施形態に係る磁気デバイス３０ａは、従来よりも磁化反転のための磁界２１Ｍの強度が低減されたスピントランジスタとなる。

なお、本実施形態において、電極層１８は１対である必要はなく、１層のみであっても、３層以上あってもよい。また、電極層１８の形状は、電極層ＸＹ平面において非磁性層４を取り囲む形状であってもよい。

なお、本実施形態の変形例として、図１７のような態様も可能である。即ち、磁気デバイス３０ａにおいて、磁化固定層３、磁化自由層５、及び電極層１８のそれぞれは、半導体層からなる非磁性層４の一方の端面に接続するように設けられていてもよい。

次に、本実施形態に係る磁気デバイス３０ａの製造方法について図１８〜図２３を用いて簡単に説明する。図１８〜図２３の（Ａ）はスピントランジスタ３０ａの中間体の平面図である。また、図１８〜図２２の（Ｂ）及び図２３の（Ｂ）（Ｃ）及び（Ｄ）は、それぞれ各図の平面図（Ａ）における所定の線に沿ったスピントランジスタ３０ａの中間体の端面図である。

まず、図１８に示すように、第一実施形態の場合と同様に、シリコン基板１０上に所定形状にパターニングされた下部電極層１２と、磁気抵抗効果素子１４ａと、パターニングされたレジストマスク１５を形成する。

続いて、図１９に示すように、磁気抵抗効果素子１４ａのうちレジストマスク１５によってマスクされていない部分を、イオンミリング等によって除去する。これにより、磁気抵抗効果素子１４のパターンが形成される。

次に、図２０に示すように、磁気抵抗効果素子１４の側面と、下部電極層１２とシリコン基板１０の露出表面に、ＳｉＯ_２等からなる非磁性絶縁層１６ａを形成した後、この非磁性絶縁層１６ａを介して磁気抵抗効果素子１４の横方向に隣接するようにパターニングされたＣｕ等の導電性材料からなる一対の電極層１８を形成する。

そして、図２１に示すように、ＳｉＯ_２等からなる非磁性絶縁層１６ｂを全面に成膜した後、ＣＭＰ等によって表面全体を平坦化し、非磁性絶縁層１６ｂのうち磁気抵抗効果素子１４ａの上に積層している部分にスルーホールを形成して磁気抵抗効果素子１４ａを露出させる。そしてさらに、所定形状にパターニングされたＣｕ等の導電性材料からなる上部電極層２０を、磁気抵抗効果素子１４ａと電気的に接続されるように例えばスパッタリング装置を用いて形成する。続いて、例えばＳｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４を用いたＣＶＤ装置によって全体にＳｉＯ_２等からなる保護層２２ａを形成した後に、表面をＣＭＰ等によってラッピングして平坦化する。

そして、図２２に示すように、保護層２２ａ上に所定形状にパターニングされたＣｕ等の導電性材料からなる電流経路層２１を形成した後に、保護層２２ｂを形成し、表面をＣＭＰ等によってラッピングして平坦化する。

そして、図２３に示すように、保護層２２ｂの表面に、将来、上部電極層用パッド２８、下部電極層用パッド２４、電極層用パッド２６、及び電流経路層用パッド２３を形成する領域以外をレジストでマスクし、マスクされていない領域の保護層２２を、例えばＣ_４Ｆ_８等を用いた反応性イオンエッチング装置等によって除去して上部電極層２０、下部電極層１２、及び電極層１８に達するスルーホールを形成し、スパッタ装置等によってＡｕ等の導電性材料を成膜して一対の上部電極層用パッド２８、下部電極層用パッド２４、電極層用パッド２６及び電流経路層用パッド２３を形成する。

その後、磁化固定層３の上部強磁性層３Ｃ及び下部強磁性層３Ａの磁化方向を固定するための磁場中アニール処理を行う。そして、一方の上部電極層用パッド２８と一方の下部電極層用パッド２４間に電源回路５０を接続し（図１３参照）、また、一対の電流経路層用パッド２３間に電流制御回路５８を接続し（図１３参照）、磁気デバイス３０ａが完成する。
[第三実施形態]

次に、本発明の第三実施形態に係る磁気メモリについて説明する。図２４は、本実施形態に係る磁気メモリ３０ｂの回路構成図である。

磁気メモリ素子Ｍ００、Ｍ０１、Ｍ０２、Ｍ１０、Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ２０、Ｍ２１、及びＭ２２はマトリックス状に配置されており、それぞれ磁気抵抗効果素子１４ｘと選択トランジスタ２５とからなっている。ここで、磁気抵抗効果素子１４ｘは、上述の第一実施形態における磁気デバイス３０が備える磁気抵抗効果素子１４（図１〜図３参照）に対応するものである。

そして、ロウ方向に並べられた各磁気メモリ素子の選択トランジスタ２５のゲート電極には、共通のワード線が接続されている。具体的には、磁気メモリ素子Ｍ００、Ｍ１０、及びＭ２０の各選択トランジスタ２５のゲート電極には、共通のワード線ＷＬ_０が接続されており、磁気メモリ素子Ｍ０１、Ｍ１１、及びＭ２１の各選択トランジスタ２５のゲート電極には、共通のワード線ＷＬ_１が接続されており、磁気メモリ素子Ｍ０２、Ｍ１２、及びＭ２２の各選択トランジスタ２５のゲート電極には、共通のワード線ＷＬ_２が接続されている。

また、カラム方向に並べられた各磁気メモリ素子の磁気抵抗効果素子１４ｘには、共通の上部ビット線が接続されている。具体的には、磁気メモリ素子Ｍ００、Ｍ０１、及びＭ０２の各磁気抵抗効果素子１４ｘには共通の上部ビット線ＢＬｕ０が接続されており、磁気メモリ素子Ｍ１０、Ｍ１１、及びＭ１２の各磁気抵抗効果素子１４ｘには共通の上部ビット線ＢＬｕ１が接続されており、磁気メモリ素子Ｍ２０、Ｍ２１、及びＭ２２の各磁気抵抗効果素子１４ｘには共通の上部ビット線ＢＬｕ２が接続されている。また、各上部ビット線ＢＬｕ０、ＢＬｕ１、及びＢＬｕ２のそれぞれには、後述のコンパレータ３８との間に、それぞれ読み出し用スイッチ３８０、３８１、及び３８２が接続されている。

また、カラム方向に並べられた各磁気メモリ素子の選択トランジスタ２５のドレイン電極には、共通の下部ビット線が接続されている。具体的には、磁気メモリ素子Ｍ００、Ｍ０１、及びＭ０２の各選択トランジスタ２５のソース電極には共通の下部ビット線ＢＬｄ０が接続されており、磁気メモリ素子Ｍ１０、Ｍ１１、及びＭ１２の各選択トランジスタ２５のソース電極には共通の下部ビット線ＢＬｄ１が接続されており、磁気メモリ素子Ｍ２０、Ｍ２１、及びＭ２２の各選択トランジスタ２５のソース電極には共通の下部ビット線ＢＬｄ２が接続されている。

また、各上部ビット線及び各下部ビット線には、ビット電圧スイッチを介して電源回路が接続されている。具体的には、各上部ビット線ＢＬｕ０及び下部ビット線ＢＬｄ０には、電源回路５０が、ビット電圧スイッチ５１０ａ及び５２０ａを介して接続されており、各上部ビット線ＢＬｕ０、ＢＬｕ１、及びＢＬｕ２には、電源回路５０が、それぞれビット電圧スイッチ５１０ａと５２０ａ、５１１ａと５２１ａ、及び５１２ａと５２２ａを介して接続されている。また、各下部ビット線ＢＬｄ０、ＢＬｄ１、及びＢＬｄ１には、電源回路５０が、それぞれビット電圧スイッチ５１０ｂと５２０ｂ、５１１ｂと５２１ｂ、及び５１２ｂと５２２ｂを介して接続されている。

また、各磁気メモリ素子の磁気抵抗効果素子１４ｘに隣接して、電流経路層２１００、２１０１、２１０２、２１１０、２１１１、２１１２、２１２０、２１２１、及び２１２２が設けられている。これらの電流経路層２１００、２１０１、２１０２、２１１０、２１１１、２１１２、２１２０、２１２１、及び２１２２には、それぞれ第一実施形態及び第二実施形態における電流制御回路５８（図１及び図１４参照）が接続されているが、図２４においては図示を省略している。電流制御回路によってこれらの各電流経路層に電流を流すと、各電流経路層から発生する磁界２１Ｍ（図３及び図１６参照）が磁化自由層５に印加されるように、各電流経路層は設けられている。

本実施形態に係る磁気メモリ３０ｂは、一つの磁気メモリ素子が１ビットに対応する磁気メモリとなる。磁気メモリ３０ｂへの情報の書き込み方法及び読み出し方法について、磁気メモリ素子Ｍ００への書き込み方法及び読み込み方法を例に説明する。

磁気メモリ素子Ｍ００は、それが有する磁化自由層５の磁化方向５Ｍ（第一実施形態における図３参照）が磁化固定層３の磁化の向き３ＣＭと平行の状態と反平行の状態の２状態を１ビットに対応させている。従って、情報の書き込みは磁化自由層５の磁化方向を反転させることで行う。

磁気メモリ素子Ｍ００の磁化自由層５を反転させる場合、ビット電圧スイッチ５１０ａをオンにし、ビット電圧スイッチ５２０ａをオフにし、ビット電圧スイッチ５１０ｂをオフにし、ビット電圧スイッチ５２０ｂをオンにする。さらにワード線ＷＬ_０に選択トランジスタ２５をオンにするように電圧を印加する。そして、磁気メモリ素子Ｍ００に対して磁気抵抗効果素子１４ｘから選択トランジスタ２５に向かう方向に電源回路５０から直流重畳交流電流を供給すると共に、電流経路層２１００に電流を流し、磁気抵抗効果素子１４ｘ内の磁化自由層に対してその磁化方向を反転させたい方向に磁界を印加する。この際、電源回路５０から供給される電流は、第一実施形態における場合と同様に、直流重畳交流電流であるため、磁気抵抗効果素子１４ｘの磁化自由層の磁化方向を反転させる際に、電流経路層２１００から発生させる磁界の強度を低減させることが可能となる。また、磁気抵抗効果素子１４ｘの磁化自由層の磁化方向を反転させるために、電流経路層２１００から発生する磁界だけでなく、電源回路５０から磁気抵抗効果素子に供給する重畳交流電流も利用しているため、電流経路層２１００から発生する磁界によって他の磁気メモリ素子の磁化自由層の磁化方向を反転させてしまう確率が低減されている。

また、上述のように反転させた磁気メモリ素子Ｍ００の磁化自由層５の磁化方向５Ｍを再び反転させるには、ワード線ＷＬ_０に選択トランジスタ２５をオンにするように電圧を印加し、ビット電圧スイッチ５１０ａをオフにし、ビット電圧スイッチ５２０ａをオンにし、ビット電圧スイッチ５１０ｂをオンにし、ビット電圧スイッチ５２０ｂをオフにする。そして、磁気メモリ素子Ｍ００に対して選択トランジスタ２５から磁気抵抗効果素子１４ｘに向かう方向に電源回路５０から直流重畳交流電流を供給すると共に、電流経路層２１００に電流を流し、磁気抵抗効果素子１４ｘ内の磁化自由層に対してその磁化方向を反転させたい方向に磁界を印加する。このようにして磁気メモリ素子Ｍ００に情報を書き込むことができる。また、同様に他の磁気メモリ素子にも情報を書き込むことができる。なお、電源回路５０によって各磁気抵抗効果素子１４ｘに供給する電流は、直流電流が重畳していない交流電流であってもよい。

磁気メモリ素子Ｍ００へ記録された情報を読み出すには、ビット電圧スイッチ５１０ａをオンにし、ビット電圧スイッチ５２０ａをオフにし、読み出し用スイッチ３８０をオンにし、ビット電圧スイッチ５１０ｂをオフにし、ビット電圧スイッチ５２０ｂをオンにする。そして、電源回路５０から磁気メモリ素子Ｍ００に対して、磁化反転しきい値よりも小さい直流電流を磁気抵抗効果素子１４ｘから選択トランジスタ２５に向かう方向に供給する。磁気メモリ素子Ｍ００の抵抗値は、磁化自由層５の磁化方向５Ｍ（第一実施形態における図３参照）が磁化固定層３の磁化の向き３ＣＭと平行の状態と反平行の状態で異なるため、それらが平行の場合と反平行の場合とで上部ビット線ＢＬｕの電圧が異なることとなる。そのため、上部ビット線ＢＬｕ０の電圧をコンパレータ３８によって基準電圧Ｖｒｅｆよりも高いか低いかを測定することにより、磁気メモリ素子Ｍ００へ記録された情報の読み出しを行うことができる。即ち、電源回路５０は、磁気抵抗効果素子１４ｘに交流電流を供給する交流電流供給手段としての機能と共に、磁気抵抗効果素子１４ｘに直流電流を供給して磁気メモリ素子Ｍ００に記録された情報を読み出すための読み出し電流供給手段としての機能を有している。同様に他の磁気メモリ素子へ記録された情報の読み出しも行うことができる。

図２５は第三実施形態に係る磁気メモリの変形例を示すものである。変形例に係る磁気メモリ３０ｃは、上述の磁気メモリ３０ｂ（図２４参照）と比較して、電源回路５０の接続位置が異なる。具体的には、磁気メモリ３０ｂでは電源回路５０は上部ビット線ＢＬｕ０及び下部ビット線ＢＬｄ０に接続されているが、図２５に示す磁気メモリ３０ｃでは電源回路５０は、ワード線ＷＬ_０、ＷＬ_１、及びＷＬ_２に接続されている。このような態様の磁気メモリ３０ｃであっても、上述の磁気メモリ３０ｂと同様に動作可能である。具体的には、磁気メモリ素子Ｍ００の磁化自由層５を反転させる場合、ビット電圧スイッチ５１０ａをオンにし、ビット電圧スイッチ５２０ａをオフにし、ビット電圧スイッチ５１０ｂをオフにし、ビット電圧スイッチ５２０ｂをオンにする。さらにビット線ＢＬｕ０に選択トランジスタ２５オンにするように電圧を印加する。そして、磁気メモリ素子Ｍ００に対して磁気抵抗効果素子１４ｘから選択トランジスタ２５に向かう方向に電源回路５０から直流重畳交流電流を供給すると共に、電流経路層２１００に電流を流し、磁気抵抗効果素子１４ｘ内の磁化自由層に対してその磁化方向を反転させたい方向に磁界を印加すればよい。

また、上述のように反転させた磁気メモリ素子Ｍ００の磁化自由層５の磁化方向５Ｍを再び反転させるには、ビット線ＢＬｕ０に選択トランジスタ２５をオンにするように電圧を印加し、ビット電圧スイッチ５１０ａをオフにし、ビット電圧スイッチ５２０ａをオンにし、ビット電圧スイッチ５１０ｂをオンにし、ビット電圧スイッチ５２０ｂをオフにする。そして、磁気メモリ素子Ｍ００に対して選択トランジスタ２５から磁気抵抗効果素子１４ｘに向かう方向に電源回路５０から直流重畳交流電流を供給すると共に、電流経路層２１００に電流を流し、磁気抵抗効果素子１４ｘ内の磁化自由層に対してその磁化方向を反転させたい方向に磁界を印加すればよい。このようにして磁気メモリ素子Ｍ００に情報を書き込むことができる。また、同様に他の磁気メモリ素子にも情報を書き込むことができる。

磁気メモリ素子Ｍ００へ記録された情報を読み出すには、ビット電圧スイッチ５１０ａをオンにし、ビット電圧スイッチ５２０ａをオフにし、読み出し用スイッチ３８０をオンにし、ビット電圧スイッチ５１０ｂをオフにし、ビット電圧スイッチ５２０ｂをオンにする。そして、電源回路５０から磁気メモリ素子Ｍ００に対して、磁化反転しきい値よりも小さい直流電流を磁気抵抗効果素子１４ｘから選択トランジスタ２５に向かう方向に供給する。そして、ワード線ＷＬ_０の電圧をコンパレータ３８によって基準電圧Ｖｒｅｆよりも高いか低いかを測定することにより、磁気メモリ素子Ｍ００へ記録された情報の読み出しを行うことができる。同様に他の磁気メモリ素子へ記録された情報の読み出しも行うことができる。

なお、本実施形態に係る磁気メモリ３０ｂ、３０ｃは、それぞれ磁気メモリ素子を９個備えているが、この磁気メモリ素子数は特に制限されない。また、磁気メモリ素子数は単数であってもよい。

また、本実施形態において、磁気メモリ素子は、それぞれ別個の素子である磁気抵抗効果素子と選択トランジスタで構成されているが、磁気メモリ素子を上述の第二実施形態における磁気デバイス３０ａの磁気抵抗効果素子１４ａ（図１４〜図１６参照）で置き換えることも可能である。この場合、別個の２つの素子（磁気抵抗効果素子と選択トランジスタ）からなる磁気メモリ素子を、１つの素子で置き換えることになるため、磁気メモリ素子の小型化が可能であり、磁気メモリの記録密度を向上させることが可能である。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形態様が可能である。

例えば、磁気抵抗効果素子１４、１４ａ、及び１４ｘが有する磁化固定層３は、一層の強磁性層、即ち上部強磁性層３Ｃのみであってもよい（図３及び図１６参照）。

また、磁気抵抗効果素子１４、１４ａ、及び１４ｘは、磁化固定層３を反強磁性層２と交換結合させているが、反強磁性層２を設けずに、磁化固定層３を硬磁性の強磁性材料で形成してもよい（図３及び図１６参照）。

また、電源回路５０は、直流重畳交流電流と直流電流を磁気抵抗効果素子１４、１４ａ、及び１４ｘに供給可能となっているが（図１、図４、図１４、図２４，及び図２５参照）、直流重畳交流電流のみ供給可能であってもよい。

第一実施形態に係る磁気デバイス３０の斜視図である。図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った磁気デバイス３０の端面図である。図２の磁気抵抗効果素子１４付近の拡大端面図である。第一実施形態に係る磁気デバイス３０の回路構成図である。第一実施形態に係る磁気デバイス３０において、磁化反転時及び磁化非反転時に磁気抵抗効果素子１４に流す電流波形を示す図である。第一実施形態に係る磁気デバイス３０において、磁化反転時に磁気抵抗効果素子１４に流す電流波形を示す図である。第一実施形態に係る磁気デバイス３０の中間体の平面図及び端面図である。第一実施形態に係る磁気デバイス３０の中間体の平面図及び端面図である。第一実施形態に係る磁気デバイス３０の中間体の平面図及び端面図である。第一実施形態に係る磁気デバイス３０の中間体の平面図及び端面図である。第一実施形態に係る磁気デバイス３０の中間体の平面図及び端面図である。第一実施形態に係る磁気デバイス３０の中間体の平面図及び端面図である。第一実施形態の変形例を示す端面図である。第二実施形態に係る磁気デバイス３０ａの斜視図である。図１４におけるＸＶ−ＸＶ線に沿った磁気デバイス３０ａの端面図である。図１５の磁気抵抗効果素子１４ａ付近の拡大端面図である。第二実施形態の変形例を示す端面図である。第二実施形態に係る磁気デバイス３０ａの中間体の平面図及び端面図である。第二実施形態に係る磁気デバイス３０ａの中間体の平面図及び端面図である。第二実施形態に係る磁気デバイス３０ａの中間体の平面図及び端面図である。第二実施形態に係る磁気デバイス３０ａの中間体の平面図及び端面図である。第二実施形態に係る磁気デバイス３０ａの中間体の平面図及び端面図である。第二実施形態に係る磁気デバイス３０ａの中間体の平面図及び端面図である。第三実施形態に係る磁気メモリ３０ｂの回路構成図である。第三実施形態の変形例の回路構成図である。

符号の説明

３・・・磁化固定層、４・・・非磁性層、５・・・磁化自由層、１４・・・磁気抵抗効果素子、２１・・・電流経路層（電流経路部）、２１Ｍ・・・磁界（外部磁界）、３０・・・磁気デバイス、５０・・・電源回路（交流電流供給手段）、５８・・・電流制御回路。

Claims

磁化固定層、磁化自由層、及び前記磁化固定層と前記磁化自由層とを接続する非磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に交流電流を供給する交流電流供給手段と、
電流が供給されることにより磁界を発生し、当該磁界が前記磁化自由層に印加されるように設けられた電流経路部と、
を備えることを特徴とする磁気デバイス。
前記交流電流は、前記磁化自由層の磁化方向の固有振動数に対応する周波数成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気デバイス。
前記交流電流供給手段は、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に供給する前記交流電流に直流電流を重畳させることが可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気デバイス。
前記磁化固定層は前記非磁性層の一方の端面に接続され、前記磁化自由層は前記非磁性層の他方の端面に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
前記磁化固定層及び前記磁化自由層の双方は、前記非磁性層の一方の端面に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
前記非磁性層は、非磁性絶縁層であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
前記非磁性層は、半導体層であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
前記磁化固定層及び前記磁化自由層間のチャネルが前記半導体層内に形成されるように前記半導体層に対して電圧を印加可能な電極層をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の磁気デバイス。
磁化固定層、磁化自由層、及び前記磁化固定層と前記磁化自由層とを接続する非磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に交流電流を供給する交流電流供給手段と、
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に読み出し用の直流電流を供給する読み出し電流供給手段と、
電流が供給されることにより磁界を発生し、当該磁界が前記磁化自由層に印加されるように設けられた電流経路部と、
を備えることを特徴とする磁気メモリ。