JP2009231753A - 磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

【課題】書き込み電流を可及的に低減させるとともに高速に書き込むことができ、かつ大容量化を実現することのできる磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することを可能にする。
【解決手段】磁化が膜面に対して略垂直で不変の第１の強磁性層２と、磁化が膜面に対して略垂直でかつ可変の第２の強磁性層６と、第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に設けられる第１の非磁性層４と、第２の強磁性層に対して第１の非磁性層と反対側に設けられ、磁化が膜面に略平行でかつ可変の第３の強磁性層１０と、第２の強磁性層と第３の強磁性層との間に設けられる第２の非磁性層８と、を備え、第１の強磁性層と第３の強磁性層との間で膜面に略垂直な方向に電流を流すことにより、スピン偏極した電子を前記第２の強磁性層に作用させるとともに、第２の強磁性層から第２の非磁性層を通って第３の強磁性層に作用させて第３の強磁性層の磁化に歳差運動を誘起し、この歳差運動に応じた周波数のマイクロ波磁場が第２の強磁性層に印加される。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。

従来から、様々のタイプの固体磁気メモリが提案されている。近年では、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive）効果を示す磁気抵抗効果素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）が提案されており、特に、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto Resistive）効果を示す強磁性トンネル接合を用いた磁気ランダムアクセスメモリに注目が集まっている。

強磁性トンネル接合のＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子は、主に、第１の強磁性層／絶縁層／第２の強磁性層の３層膜で構成されている。そして、読み出し時に、絶縁層をトンネルして電流が流れる。この場合、接合抵抗値は、第１及び第２の強磁性層の磁化の相対角の余弦に応じて変化する。従って、接合抵抗値は、第１及び第２の強磁性層の磁化の向きが平行（同じ向き）のときに極小値、反平行（逆の向き）のときに極大値をとる。これを、上述するＴＭＲ効果と呼ぶ。このＴＭＲ効果による抵抗値の変化は、室温において３００％を超える場合もある。

強磁性トンネル接合のＭＴＪ素子をメモリセルとして含む磁気メモリ装置においては、少なくとも１つの強磁性層を基準層とみなして、その磁化方向を固定し、他の強磁性層を記録層とする。このセルにおいて、基準層と記録層の磁化の配置が平行又は反平行に対し２進情報の“０”、“１”を対応づけることで情報が記憶される。従来、記録情報の書き込みは、このセルに対し別に設けた書き込み配線に電流を流して発生する磁場により記録層の磁化を反転させる方式（以下、電流磁場書き込み方式）が取られていた。しかしながら、電流磁場書き込み方式では、メモリセルが微細化されるに伴い、書き込みに必要な電流が増加し、大容量化が困難となる問題点があった。近年、電流磁場書き込み方式に変わる、磁性体の反転方式として、ＭＴＪ素子に直接通電することにより、基準層から注入されるスピントルクにより記録層の磁化を反転させる方式（以下スピントルク書き込み方式）が提案された（例えば、特許文献１参照）。スピントルク書き込み方式は、メモリセルが微細化されるほど、書き込みに必要な電流が減少し、大容量化が容易である特徴を持つ。メモリセルからの情報読み出しは、強磁性トンネル接合に電流を流し、ＴＭＲ効果による抵抗変化を検出することで行われる。このようなメモリセルを多数配置することで磁気メモリが構成される。実際の構成については、任意のセルを選択できるように、例えばＤＲＡＭと同様に各セルに対しスイッチングトランジスタを配置し、周辺回路を組み込んで構成される。

大容量メモリを実現するには、ＭＴＪ素子を微細化しチップ内セル占有度を上昇させると同時に書き込みに必要な電流を減少させることが必要となる。例えば、ギガビットを超える大容量メモリを実現させるためには、書き込み電流密度を１ＭＡ／ｃｍ^２よりも小さくする必要がある。前述したようにスピントルク書き込み方式は、大容量メモリを実現する上で有力な書き込み方式であるが、これまでに報告されている書き込みに必要な電流密度は3ＭＡ／ｃｍ^２程度であり、書き込み電流の低電流化が十分でない問題点があった。
米国特許第６，２５６，２２３号明細書

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、書き込みに必要な電流を可及的に低減させるとともに高速に書き込むことが可能であり、かつ大容量化が可能な磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化が膜面に対して略垂直で不変の第１の強磁性層と、磁化が膜面に対して略垂直でかつ可変の第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられる第１の非磁性層と、前記第２の強磁性層に対して前記第１の非磁性層と反対側に設けられ、磁化が膜面に略平行でかつ可変の第３の強磁性層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられる第２の非磁性層と、を備え、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間で膜面に略垂直な方向に電流を流すことにより、スピン偏極した電子を前記第２の強磁性層に作用させるとともに、前記第２の強磁性層から前記第２の非磁性層を通って前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の前記磁化に歳差運動を誘起し、この歳差運動に応じた周波数のマイクロ波磁場が前記第２の強磁性層に印加されることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様による磁気ランダムアクセスメモリは、第１の態様による磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の一端に接続される第１の配線と、前記磁気抵抗効果素子の他端に接続される第２の配線と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、書き込み電流を可及的に低減させるとともに高速に書き込むことが可能で、かつ大容量化を実現することの可能な磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することができる。

本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子を図１に示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子１は、磁化不変層（磁化参照層）２と、トンネルバリア層４と、磁化記録層６と、スペーサ層８と、磁化発振層１０とを備えている。磁化不変層２は、磁化の方向が膜面に略垂直でかつ磁気抵抗効果素子１に電流が通電されても通電前後の磁化の向きは不変となる強磁性層を有している。トンネルバリア層４は電子をトンネルさせ所望の磁気抵抗変化が得られる、例えばＭｇ、Ａｌ、Ｔｉ、またはＨｆのいずれかの元素を含む酸化物からなっている。具体的には、酸化マグネシウムや酸化アルミニウム等を用いることができる。磁化記録層６は磁化の方向が膜面に略垂直でかつ磁気抵抗効果素子１に電流が通電された場合に通電前後の磁化の向きを可変とすることが可能な強磁性層を有している。スペーサ層８は非磁性層を含んでいる。磁化発振層１０は、磁化の方向が膜面に略平行でかつ磁化の向きが可変の強磁性層を有している。

なお、本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、磁化記録層６を十分大きな垂直磁気異方性をもつ磁性体により形成する必要がある。そのため、磁化記録層６として最適な磁性体は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄのうち１つ以上の元素を含みＬ１０型結晶構造をもつ規則合金で形成されることが望ましい。例えば、FePdやCo Pt等を用いることができる。また、磁化記録層６は、Fe、Co、Niのうち1つ以上の元素と、Cr、Pt、Pd、Taのうち1つ以上の元素を含む六方晶型結晶構造を持つ合金で形成されても良い。例えば、Co−Cr合金（−は合金を示す。以下同様。）や、これにPt、Pd、Ta等を添加したCo−Cr−Pt、Co−Cr−Pd、Co−Cr−Ta等を用いることができる。Co に代えて或いは加えてFe、Niを用いることが可能である。

本実施形態の磁気抵抗効果素子１の動作を、図２を参照して説明する。本実施形態の磁気抵抗効果素子１に電流を流すと、磁化不変層２からトンネルバリア層４を通って磁化記録層６にスピン偏極した電子が流れ、磁化記録層６の磁化状態が決定される（スピン注入書き込み）。例えば、磁化不変層２の磁化の向きと、磁気記録層６の磁化の向きが反平行の場合には、磁気記録層６の磁化を反転させるために、磁化不変層２から磁化発振層１０に向かって電子を流す。すると、磁化不変層２によって磁化不変層２の磁化の向きに偏極された電子が磁化不変層２から磁気記録層６および磁化発振層１０に流入する。また、磁化不変層２の磁化の向きと、磁気記録層６の磁化の向きが平行の場合には、磁気記録層６の磁化を反転させるために、磁化発振層１０から磁化不変層２に向かって電子を流す。すると、磁化不変層２の磁化の向きと同じ向きに偏極されたスピンを有する電子は、磁化不変層２を通過するが、異なるスピンに偏極された電子は磁化不変層２によって反射されて、磁気記録層６および磁化発振層１０に流入する。すなわち、いずれにしても、磁化記録層６から、膜面に対して垂直方向にスピン偏極した電子が、スペーサ層８を通って磁化発振層１０に同時に流入することになる。磁化発振層１０において、膜面に平行な磁化に対して垂直方向のスピン偏極した電流を作用させると、上記膜面に平行な磁化はＧＨｚ程度の固有の周波数で膜面内を歳差運動、すなわち回転する。そして、磁化発振層１０の膜面に平行な磁化からは、常に磁化記録層６に対して膜面に平行方向に磁場が加わる。したがって、磁化発振層１０がもつ膜面に平行な磁化が、磁化記録層６からのスピン注入により回転した場合は、磁化記録層６にはＧＨｚ程度で面内方向に回転するマイクロ波磁場が作用する。ここで、マイクロ波磁場とは、３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの範囲の周波数を有する磁場を含む。

一般に、磁性体は異方性エネルギーや飽和磁化に応じて、マイクロ波磁場と共鳴する固有な共鳴周波数を有している。垂直磁化に対して膜面に平行な方向に、共鳴周波数に対応したマイクロ波磁場を作用させると共鳴現象が生じ、膜面に垂直な磁化は急速に膜面に平行な方向に傾き、歳差運動を始める。このとき、膜面に垂直な磁化が持つ垂直方向の磁気異方性は、マイクロ波磁場の影響で本来の磁気異方性と比べて実効的に非常に小さくなる。したがって、磁気抵抗効果素子にスピン注入書き込みを行うと同時に、マイクロ波磁場を作用させることで、スピン注入書き込みが容易となり、反転に必要な電流値を十分に小さくすることが可能となる。磁化記憶層の磁化が反転する際に磁化記憶層に誘起される歳差運動の周波数は、以下の式で決定される。

ここで、γはジャイロ磁気定数（γ＝１．７６×１０^７Ｈｚ／Ｏｅ）、Ｍ_ｓは飽和磁化、Ｋ_ｕは磁気異方性定数を表す。上式は一般的な強磁性共鳴の共鳴条件と等しい。Ｍ_ｓ＝７００ｅｍｕ／ｃｍ^３の磁気記録層における共鳴周波数とＫ_ｕの依存性を上式から計算した結果を図３に示す。図３からわかるように、磁化記録層として、例えばＭ_ｓ＝７００ｅｍｕ／ｃｍ^３、Ｋ_ｕ＝３．６Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の材料を用いた場合には４．１ＧＨｚの共鳴周波数を有することになる。図４（ａ）は、マイクロマグネティックシミュレーションにより計算したＭ_ｓ＝７００ｅｍｕ／ｃｍ^３、Ｋ_ｕ＝３．６Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の特性を有する、磁化が膜面に略垂直方向の磁化記録層にスピン注入書き込みを行った場合の、磁化の膜面に垂直方向の成分Ｍｚと磁化の膜面に平行な方向の成分Ｍｘの時間依存性である。図４（ａ）からわかるように、膜面に平行な方向の成分Ｍｘに明確な振動現象がみられる。膜面に平行な方向の成分Ｍｘの時間依存性に対して周波数解析を行った結果を図４（ｂ）に示した。図４（ｂ）から、本実施形態の磁化記録層６にスピン注入書き込みによって誘起される面内方向歳差運動の固有周波数は４ＧＨｚ程度であり、マイクロマグネティックシミュレーションと解析計算が良く一致することがわかった。以上の結果からＭｓ＝７００ｅｍｕ／ｃｍ^３、Ｋｕ＝３．６Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の磁化記録層６には４ＧＨｚ程度の周波数を持つマイクロ波磁場を作用させることでスピン注入反転電流が小さくなると予想される。

本実施形態では、マイクロ波磁場の発生源として、書き込み電流を流し磁気記録層６からスピン注入を行うことにより磁化が発振する、磁化の方向が膜面に平行でかつ可変の磁化発振層１０を用いる。ここで、磁化発振層１０に対して磁化記録層６からスピン注入した場合の発振条件について述べる。磁化発振層１０に磁化記録層６からスピン注入した場合の発振周波数ｆ_ｉは、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式を解くことにより以下の式で表される。

ただし、

ここで、γはジャイロ磁気定数、αはダンピング定数、Ｐは偏極度、Ｍｓは飽和磁化、ｔは磁化発振層１０の膜厚、Ｊは磁化発振層１０を流れる電流密度、ｈバーはプランク定数ｈを２πで割った値でディラック定数、ｅは電気素量を表す。θは発振条件における磁化発振層１０の磁化と磁化記録層６の磁化の相対角度を表す。

膜面に垂直方向の磁化を有する強磁性層と、非磁性層と、膜面に平行な磁化を有する磁化発振層との積層膜を用意し、上記強磁性層から非磁性層を通って磁化発振層にスピン偏極した電子を流した場合に、膜面に平行な磁化を有する磁化発振層の発振周波数の電流密度依存性を図５に示す。ここで、磁化発振層は、Ｍ_ｓ＝７００ｅｍｕ／ｃｍ^３、α＝０．００５、およびＰ＝０．８の磁気特性を有する材料から構成され、膜厚はｔ＝１ｎｍであった。図５から、電流密度Ｊが０．７ＭＡ／ｃｍ^２程度の電流を流すことで４ＧＨｚの発振が起こることがわかる。以上の結果から、Ｍ_ｓ＝７００ｅｍｕ／ｃｍ^３、Ｋ_ｕ＝３．６Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の磁気特性を有する磁化記録層６との間に非磁性層を挟んで、Ｍ_ｓ＝７００ｅｍｕ／ｃｍ^３、α＝０．００５、Ｐ＝０．８、ｔ＝１ｎｍである膜面に平行な方向の磁化を有する磁化発振層を設置することで、マイクロ波磁場によるアシスト効果により反転電流が低減することが予想される。さらに、図５で示されるように磁化発振層に流れる電流で発振周波数が変化することは、情報読み出し時の誤書き込みを低減させる効果も得られる。

一般にスピン注入書き込み方式を用いる磁気メモリでは、情報読み出し時も抵抗を測定するために書き込み電流よりも小さい電流を印加する必要がある。このとき磁化記録層には磁化不変層２からスピン注入が行われるため、誤書き込みが発生する可能性がある。しかし本実施形態においては、磁化発振層１０による発振周波数を書き込み時の電流値においてのみ磁化記録層の共鳴周波数と一致するようにすることで、読み出し時の誤書き込みを低減することができる。例えば前述の磁化記録層６、磁化発振層１０を用いるとし、読み出し時に流す電流の電流密度が０．２ＭＡ／ｃｍ^２とすれば、磁化発振層１０の発振周波数は１ＧＨｚ程度となるから、磁化記録層６の共鳴周波数４ＧＨｚとは大きくずれることになり、マイクロ波磁場のアシスト効果は得られず、読み出し時の誤書き込みは起こらない。

Ｍ_ｓ＝７００ｅｍｕ／ｃｍ^３、Ｋ_ｕ＝３．６Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の磁気特性を有する磁化の方向が膜面に垂直な磁化記録層、すなわち固有周波数が４ＧＨｚの磁化記録層に隣接し、この磁気記録層からのスピン注入により発振する磁化の方向が膜面に平行な磁化発振層がある場合と、磁化発振層がない場合を仮定してマイクロマグネティックシミュレーションでスピン注入反転電流値を計算し、この反転電流値を比較した結果を図６に示す。このとき磁化発振層の膜面内での回転運動の周波数は４ＧＨｚ程度となるように調節した。また、膜面に平行な方向の磁場は１００Ｏｅ程度となるように距離を調節した。図６からわかるように、磁化発振層から４ＧＨｚ程度のマイクロ波を、磁化記録層に作用させることで、スピン注入書き込みに必要な反転電流値がほぼ半減することが示された。磁化の方向が膜面に平行な磁化発振層における磁化の回転運動の周波数を調節して、磁化の方向が膜面に垂直な磁化記録層に作用させるマイクロ波磁場の周波数を変化させて得られた、磁化反転時間の周波数依存性を図７に示す。なお、図７は、磁化記録層の磁化の垂直方向の成分Ｍｚが「０」において得られた周波数依存性である。図７からわかるように、磁化記録層の固有周波数４ＧＨｚで、磁化反転に必要な時間がほぼ半減することが明確に示された。図７からわかるように、マイクロ波磁場の周波数が２．５ＧＨｚから６．０ＧＨｚの範囲にあれば、磁化反転時間は短くなり、マイクロ波磁場によるアシスト効果がある。このことは、磁化記録層の固有周波数４ＧＨｚに対して、６２％（＝２．５／４）〜１５０％（＝６．０／４）の範囲に、マイクロ波磁場の周波数があれば、アシスト効果があることになる。

本実施形態による磁気抵抗効果素子においては、磁化記録層６からのスピン注入により、効率よく磁化発振層１０を膜面に平行な方向に歳差運動させる必要がある。したがって、磁化記録層６と磁化発振層１０に挟まれる非磁性のスペーサ層８は、磁化記録層６のスピン情報を変化させない物質で構成される必要がある。このスペーサ層は、巨大磁気抵抗素子でスペーサ層として用いられるＣｕ、Ａｕ、Ａｇの少なくともいずれかの元素を含む合金で形成されることが最適である。Ｃｕ−Ａｕ等の合金を用いることもできる。また、スペーサ層８が、トンネル磁気抵抗素子でトンネルバリア層として用いられるＭｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆのいずれかの元素を含む酸化物から形成される場合も、磁化発振層の磁化回転が効率よく行われる。

以上に説明したように、本実施形態によれば、従来のスピン注入書き込みに比べて、磁化反転に必要な電流値および反転に要する時間が低減することが可能となる。すなわち、書き込み電流を可及的に低減させることができるとともに高速に書き込むことができる。また、スピントルク書き込み方式を用いているので、微細化が可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子を図８に示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子１は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子１の磁化発振層１０を、磁化の方向が膜面に平行な単層の強磁性層から、非磁性層１０ｂを挟んで反強磁性結合した強磁性層１０ａ、１０ｃの積層構造に換えた構成となっている。なお、強磁性層１０ａ、１０ｂは、それぞれ磁化の方向は、膜面に平行となっている。

単層の強磁性層から形成される磁化発振層では、膜面に平行な磁化を有する磁性体を円、正方形、もしくは角が丸まった正方形の形状にした場合、還流磁区構造が発生する場合がある。還流磁区構造は膜面に平行な磁化の回転運動を阻害するおそれがある。そこで、本実施形態のように、磁化発振層として、強磁性層１０ａ、非磁性層１０ｂ、および強磁性層１０ｃの積層膜を用いれば、膜面に平行な磁化が相対的に１８０度の方向を向く異方性が付与され、還流磁区が生じず安定したマイクロ波磁場を生成することができる。

また、本実施形態の磁気抵抗効果素子も、第１実施形態と同様に、書き込み電流を可及的に低減させることができるとともに高速に書き込むことができる。また、スピントルク書き込み方式を用いているので、微細化が可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子を図９に示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子１は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子の磁気記録層６を、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄのうち１つ以上の元素を含むＬ１０型結晶構造をもつ規則合金層６ａ、もしくはFe、Co、Niのうち1つ以上の元素と、Cr、Ta、Pt、Pdのうち1つ以上の元素を含む六方晶型結晶構造を持つ合金で形成され、膜面に対して略垂直方向に磁気異方性をもつ合金層６ａと、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎのうち１つ以上の元素を含む合金層６ｂとの積層構造に置き換えた構成を有している。合金層６ａにおけるＬ１０型結晶構造をもつ規則合金や六方晶型結晶構造を持つ合金としては、第１実施形態と同様の材料を用いることができる。また、合金層６ｂの材料としては、例えばCo−Fe−ＢやFe等を用いることができる。さらに飽和磁化を調整するためにＭｎを添加することもできる。このとき合金層６aと６ｂは交換結合することで、どちらの合金層の磁化も膜面に対して略垂直方向を向くことになる。このような積層構造とすることにより、十分大きな垂直磁気異方性を有する磁気記録層を得ることができる。

また、本実施形態の磁気抵抗効果素子も、第１実施形態と同様に、書き込み電流を可及的に低減させることができるとともに高速に書き込むことができる。また、スピントルク書き込み方式を用いているので、微細化が可能となる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を図１０に示す。本実施形態のＭＲＡＭは、マトリクス状に配列されたメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ３０を備えている。そして、各メモリセルＭＣは、第１乃至第３実施形態のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子をＭＴＪ素子１として備えている。

また、メモリセルアレイ３０には、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対ＢＬ，／ＢＬが配置されている。また、メモリセルアレイ３０には、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配置されている。

ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、前述したメモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、ＭＴＪ素子１と選択トランジスタ３１とにより構成されている。ＭＴＪ素子１の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子１の他端は、選択トランジスタ３１のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ３１のゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタ３１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。

ワード線ＷＬには、ロウデコーダ３２が接続されている。ビット線対ＢＬ，／ＢＬには、書き込み回路３４および読み出し回路３５が接続されている。書き込み回路３４および読み出し回路３５には、カラムデコーダ３３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ３２およびカラムデコーダ３３により選択される。

メモリセルＭＣへのデータ書き込みは、以下のように行われる。先ず、データ書き込みを行なうメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタ３１がオンする。

ここで、ＭＴＪ素子１には、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、ＭＴＪ素子１に左から右へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路３４は、ビット線ＢＬに正の電位を印加し、ビット線／ＢＬに接地電位を印加する。また、ＭＴＪ素子１に右から左へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路３４は、ビット線／ＢＬに正の電位を印加し、ビット線ＢＬに接地電位を印加する。このようにして、メモリセルＭＣにデータ“０”或いはデータ“１”を書き込むことができる。

メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。先ず、メモリセルＭＣが選択される。読み出し回路３５は、ＭＴＪ素子１に、例えば右から左へ流れる読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路３５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、ＭＴＪ素子１の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＴＪ素子１に記憶された情報を読み出すことができる。

以上説明したように本実施形態によれば、上記第１乃至第３実施形態で示したＭＴＪ素子１を用いてＭＲＡＭを構成することができる。また、上記第１乃至第３実施形態で示したＭＴＪ素子１を用いることで、微細化が可能で、かつ書き込み電流を可及的に低減させることができるとともに高速に書き込むことができる。

本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の断面図。 第１実施形態の磁気抵抗効果素子の動作を説明する斜視図。 磁気記録層における共鳴周波数と磁気異方性定数との関係を示す図。 磁気記録層にスピン注入書き込みを行った場合の磁化の成分の磁化依存性を示す図。 電流密度と歳差運動の周波数との関係を示す図。 磁化発振層がある場合と無い場合の磁化反転特性を示す図。 マイクロ波磁場と磁化反転時間との関係を示す図。 第２実施形態による磁気抵抗効果素子の断面図。 第３実施形態による磁気抵抗効果素子の断面図。 第４実施形態の磁気ランダムアクセスメモリの回路図。

符号の説明

１ 磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）
２ 磁化不変層
４ トンネルバリア層
６ 磁化記録層
８ スペーサ層
１０ 磁化発振層
３０ メモリセルアレイ
３１ 選択トランジスタ
ＭＣ メモリセル

Claims (12)

1. 磁化が膜面に対して略垂直で不変の第１の強磁性層と、
   磁化が膜面に対して略垂直でかつ可変の第２の強磁性層と、
   前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられる第１の非磁性層と、
   前記第２の強磁性層に対して前記第１の非磁性層と反対側に設けられ、磁化が膜面に略平行でかつ可変の第３の強磁性層と、
   前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられる第２の非磁性層と、
   を備え、
   前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間で膜面に略垂直な方向に電流を流すことにより、スピン偏極した電子を前記第２の強磁性層に作用させるとともに、前記第２の強磁性層から前記第２の非磁性層を通って前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の前記磁化に歳差運動を誘起し、この歳差運動に応じた周波数のマイクロ波磁場が前記第２の強磁性層に印加されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記第２の非磁性層は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇの少なくともいずれかの元素を含む合金であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記第２の非磁性層が、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆの少なくともいずれかの元素を含む酸化物であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記第３の強磁性層は、第３の非磁性層と、前記第３の非磁性層を間に挟んで反強磁性結合し、磁化の方向が互いに膜面に略平行な第１および第２の強磁性膜との積層構造を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記第２の強磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄのうち１つ以上の元素とを含むＬ１０型結晶構造を有する磁性体で形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記第２の強磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素と、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｐｄのうち１つ以上の元素とを含む六方晶型結晶構造を有する磁性体で形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記第２の強磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素およびＰｔ、Ｐｄのうち１つ以上の元素を含むＬ１０型結晶構造をもつ磁性体と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎのうち少なくとも１つの元素を含む合金との積層構造を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記第２の強磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素と、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｐｄのうち１つ以上の元素とを含む六方晶型結晶構造を有する磁性体と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎのうち少なくとも１つの元素を含む合金との積層構造を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
9. 前記マイクロ波磁場の周波数は、前記第２の強磁性層の共鳴周波数を含む所定の範囲内にあることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
10. 前記スピン偏極した電子は、前記電流が前記第１の強磁性層を流れることにより生じることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、
    前記磁気抵抗効果素子の一端に接続される第１の配線と、
    前記磁気抵抗効果素子の他端に接続される第２の配線と、
    を備えていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
12. 前記磁気抵抗効果素子と、前記第１の配線との間に設けられた選択トランジスタを備えていることを特徴とする請求項１１記載の磁気ランダムアクセスメモリ。

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