JP4284279B2 - 磁気記録装置の書き込み及び読み出し方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気記録装置の書き込み及び読み出し方法に係り、特にスピン偏極したスピン偏極電子を流すことにより磁化反転を行う磁気記録装置の書き込み及び読み出し方法に関する。

従来、磁性体の磁化方向を制御するためには、磁界を印加する方法が採られてきた。磁気メモリでは、磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた配線に電流を流し、この電流により発生した電流磁界を磁気抵抗効果素子に印加することで、磁気抵抗効果素子の磁化方向を制御する。しかしながら、磁場は、根本的に空間に広がる性質を有するため、局所化することが難しい。従って、ビットやセルのサイズが微小化するにしたがって、特定のビットやセルを選択して磁気抵抗効果素子の磁化方向を制御する場合、隣のビットやセルにまで磁場が及んでしまう「クロストーク」の問題が顕著となってきた。

一方、近年、磁性体に電流を流すことにより磁化反転を起こす「電流直接駆動型磁化反転現象」が見出された（例えば、非特許文献１参照）。この「電流直接駆動型磁化反転現象」は、磁性層に電流を流すことにより電子をスピン偏極させ、このスピン偏極したスピン偏極電子の通過によって目的とする磁性層の磁化を反転させるものである。具体的には、上記スピン偏極電子が有する角運動量が、磁化反転させたい磁性体の角運動量に伝達・作用することで、その磁性体の磁化の反転が生ずる。この現象を磁気メモリの記録に用いれば、磁気セルへ電流を流すだけで微小な磁気セルの選択を完全に行なうことが可能であり、また、微小サイズへのスケーリングも容易である。

しかしながら、「電流直接駆動型磁化反転現象」を記録原理に用いた磁気メモリのセルは、上述する書き込みの機能とともに読み出しの機能を兼ね備える必要がある。このため、現在考えられている電流直接駆動型（スピン注入型）のＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）は、書き込み電流Ｉｗ＞読み出し電流Ｉｒの条件を用いることで、一つの素子で書き込み及び読み出しを分離して実現しようとしている。この場合、消費電力を考えると書き込み電流Ｉｗは小さい方が好ましいが、一方で、大きな出力信号を得ることを考えると読み出し電流Ｉｒはある程度大きい方が好ましい。よって、書き込み電流Ｉｗを小さくした場合、書き込み電流Ｉｗと読み出し電流Ｉｒ間のマージン確保が課題となる。また、磁気抵抗効果素子に流す電流源として、読み出し用の電流値（＋Ｉｒ）、書き込み用の電流源値（＋Ｉｗ，−Ｉｗ）の３準位が必要である。
F. J. Albert, et al., Appl. Phy. Lett. 77, 3809 (2000)

本発明は、電流直接駆動型による磁化反転において、書き込み電流と読み出し電流間におけるマージン確保の制限を抑制することが可能な磁気記録装置の書き込み及び読み出し方法を提供する。

本発明は、前記課題を解決するために以下に示す手段を用いている。

本発明の一視点による磁気記録装置の読み出し方法は、第１の磁性層と第２の磁性層と前記第１及び第２の磁性層の間に設けられた非磁性絶縁層とを有する磁気抵抗効果素子のデータを読み出す場合、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層へスピン注入による磁化反転を引き起こす第１の電子流を流す工程と、前記第１の電子流を流す間の前記磁気抵抗効果素子の抵抗値に応じた出力信号を検出する工程と、前記出力信号にパルス信号が発生するか否かにより前記データを判断する工程とを具備し、前記第１の電子流の大きさの絶対値は、前記スピン注入による磁化反転が行われるときの臨界電流の絶対値よりも大きく、前記第１の電子流を流す時間をＤ（ｎｓｅｃ）、前記第１の電子流の大きさをＩｗ、前記臨界電流の大きさをＩｃとした場合、１／Ｄ＜０．６×（Ｉｗ／Ｉｃ）−０．６、Ｄ＞０の関係を満たす。

本発明によれば、電流直接駆動型による磁化反転において、書き込み電流と読み出し電流間におけるマージン確保の制限を抑制することが可能な磁気記録装置の書き込み及び読み出し方法を提供できる。

本発明の実施の形態では、記憶素子として磁気抵抗効果素子であるＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子を用い、スピン偏極したスピン偏極電子をＭＴＪ素子の膜面垂直方向に流して磁化反転を行う電流直接駆動型（以下、スピン注入型と称す）の書き込み（記録）方法を採用する。

さらに、本発明の実施の形態では、次のような読み出し（再生）方法を採用する。まず、ＭＴＪ素子の膜面垂直方向に電子流を流す（図１のＳＴ１）。そして、この電子流を流す間のＭＴＪ素子の抵抗変化を出力信号で検出し、この出力信号の初期にパルス信号が発生するか否かを判断する（図１のＳＴ２）。その結果、パルス信号が発生しない場合は、ＭＴＪ素子のデータは第１のデータ（“０”又は“１”）であると判定する（図１のＳＴ３）。一方、パルス信号が発生した場合は、ＭＴＪ素子のデータは第２のデータ（“１”又は“０”）であると判定する（図１のＳＴ４）。ここで、パルス信号が発生した場合は、データが書き換えられているので、いわゆる破壊読出しとなっている。このため、データをもとに戻す必要がある場合には、ステップ１（ＳＴ１）と逆向きの電子流をＭＴＪ素子の膜面垂直方向に流し、再書き込みを行うとよい（図１のＳＴ５）。但し、必ずしも再書き込みを行う必要はない。

上記のような本発明の実施の形態を、以下に図面を参照して具体的に説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。

［１］第１の実施形態
第１の実施形態は、シングルジャンクション構造のＭＴＪ素子を用いた場合における電流駆動型のデータ読み出し及び書き込み方法について説明する。

［１−１］シングルジャンクション構造
図２は、本発明の第１の実施形態に係るシングルジャンクション構造のＭＴＪ素子の断面図を示す。以下に、シングルジャンクション構造のＭＴＪ素子について説明する。

図２に示すように、第１の実施形態では、シングルジャンクション構造のＭＴＪ素子１０を用いる。すなわち、このＭＴＪ素子１０は、磁化方向が固定された固定層（ピン層）１１と、磁化方向が反転する記録層（フリー層）１３と、これら固定層１１及び記録層１３の間に設けられた非磁性絶縁層１２と、固定層１１の磁化方向を固定する反強磁性層１６とで構成される。

尚、ここでは、記録層１３の磁化方向が固定層１１の磁化方向と平行（同じ向き）の場合は、ＭＴＪ素子１０に“０”データが記録された低抵抗の状態であると規定し、記録層１３の磁化方向が固定層１１の磁化方向と反平行（反対向き）の場合は、ＭＴＪ素子１０に“１”データが記録された高抵抗の状態であると規定する。但し、平行の状態を“１”、反平行の状態を“０”と規定することも勿論可能である。

［１−２］読み出し方法
図３は、本発明の第１の実施形態に係る読み出し方法のフローチャートを示す。図４は、本発明の第１の実施形態に係る読み出し方法を説明するための図を示す。以下に、第１の実施形態に係る電流駆動型の読み出し方法について説明する。尚、ここでは、固定層１１から記録層１３へ電子が流れる場合の電流極性をプラスと定義し、これとは逆に定義したならば、電流極性の符号は全て逆転する。

まず、図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子１０の膜面垂直方向に固定層１１から記録層１３へ電子流＋Ｉｗを流す（ＳＴ１）。

そして、電子流＋Ｉｗを流している間のＭＴＪ素子１０の抵抗変化を出力電圧で検出し、この出力電圧の初期にパルス信号Ｐが発生しているか否かを判断する（ＳＴ２）。

その結果、出力電圧の初期に電圧が増大するパルス信号Ｐが発生しない場合、すなわち電子流＋ＩｗによってＭＴＪ素子１０の抵抗値に変化がない場合は、ＭＴＪ素子１０のデータは例えば“０”であると判定する（ＳＴ３）。

一方、出力電圧の初期に電圧が増大するパルス信号Ｐが発生した場合、すなわちＭＴＪ素子１０が高抵抗状態から低抵抗状態に変化した場合は、ＭＴＪ素子１０のデータは例えば“１”であると判定する（ＳＴ４）。

さらに、出力電圧の初期にパルス信号Ｐが現れた場合、すなわち、ＭＴＪ素子１０のデータが“１”の場合にのみ、記録層１３から固定層１１へ電子流−Ｉｗを流してもよい（ＳＴ５）。この電子流−Ｉｗの大きさの絶対値は、上記ステップ１（ＳＴ１）時の電子流＋Ｉｗの大きさの絶対値と同じである。尚、パルス信号Ｐが現れない場合、すなわち、ＭＴＪ素子１０のデータが“０”の場合には、電子流−Ｉｗを流さなくてもよい。

このような読み出し方法において、上記ステップ１から４（ＳＴ１から４）までを第１ステップとし、上記ステップ５（ＳＴ５）を第２ステップとした場合、第１及び第２ステップからなる２ステップ読み出しでは、電子流及び出力電圧は次のような波形となる。

図４の（ｃ）に示すように、ＭＴＪ素子１０のデータが“０”であると判定した場合（ＳＴ３）、第１ステップにおいて、出力電圧の初期にパルス信号Ｐは現れないので、出力電圧の波形は時間に対して台形となり、電子流と出力電圧の波形図は近似する。この場合、第２ステップでは、再書き込みは必要でないので、電子流は再度流さない。

一方、図４の（ｄ）に示すように、ＭＴＪ素子１０のデータが“１”であると判定した場合（ＳＴ４）、第1ステップにおいて、出力電圧の波形図の初期には、ＭＴＪ素子１０の高抵抗状態から低抵抗状態の変化に伴う出力電圧の変化、すなわちピーク状のパルス信号Ｐが現れる。そして、このパルス信号Ｐの有無を第１ステップで検出することで、ＭＴＪ素子１０に記録されたデータを読み出す。この場合、第２ステップにおいて、第１ステップと符号が異なりかつ絶対値の大きさが同じ電子流、すなわち電子流−ＩｗをＭＴＪ素子１０に流す。

ここで、電子流＋Ｉｗ，−Ｉｗの大きさの絶対値は、臨界電流Ｉｃの絶対値よりも大きな電流になるようにする。この臨界電流Ｉｃは、スピン注入型の磁化反転において、直流電流をＭＴＪ素子へ流した時に、記録層の磁化が固定層の磁化に対して反平行磁化配置から平行磁化配置へ反転するときの反転電流を示す。厳密に言えば、一般に反転電流はガウス分布的なバラツキを有するので、ここでは、９５％以上の確率で反転する時の電流を臨界電流Ｉｃと定義する。

尚、データ読み出し時に固定層１１から記録層１３へ電子流＋Ｉｗを流した場合、ＭＴＪ素子１０に記録されたデータの違いによってパルス信号Ｐの発生の有無が決まるのは、次のようなスピン注入磁化反転の原理を利用しているからである。

ＭＴＪ素子１０に記録されているデータが“０”の場合、ここでは、固定層１１及び記録層１３の磁化は平行磁化配置である（図４の（ａ）参照）。この平行磁化配置のとき、固定層１１から記録層１３へ電子を流しても、記録層１３の磁化は反転しない。これは、スピン注入磁化反転技術を用いて平行磁化配置を反平行磁化配置にするには、記録層１３から固定層１１に向けて電子を流す必要があるからである。従って、“０”データが記録されている平行磁化配置の場合は、固定層１１から記録層１３へ電子を流してもＭＴＪ素子１０の磁化配置が変化しないため、出力電圧の変化、すなわちパルス信号Ｐは発生しない。

一方、ＭＴＪ素子１０に記録されているデータが“１”の場合、ここでは、固定層１１及び記録層１３の磁化は反平行磁化配置である（図４の（ｂ）参照）。スピン注入磁化反転技術を用いて反平行磁化配置を平行磁化配置にする場合には、固定層１１から記録層１３に向けて電子を流す。従って、本実施形態のように、反平行磁化配置のＭＴＪ素子１０に対して、固定層１１から記録層１３に向けて電子を流すと、スピン偏極電子が記録層１３の磁化に作用し平行磁化配置に変化する。つまり、図４の（ｄ）の第１ステップに示すように、反平行磁化配置（高抵抗状態）から平行磁化配置（低抵抗状態）に変化する。このＭＴＪ素子１０の抵抗変化を出力電圧で検出することで、“１”データが記録されている場合はパルス信号Ｐを検出できる。

［１−３］読み出し時の電子流
データ読み出し時、ＭＴＪ素子１０の膜面垂直方向に固定層１１から記録層１３へ電子流を流す際、この電子流を流す時間をＤ（ｎｓｅｃ）とし、電子流の大きさをＩｗとした場合、以下の式（１）及び（２）の関係を満たすことが望ましい。

１／Ｄ＜０．６×（Ｉｗ／Ｉｃ）−０．６…（１）
Ｄ＞０…（２）
ここで、Ｉｃは、上記臨界電流を示す。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る読み出し動作領域を示す図である。この図において、横軸はＩｗ／Ｉｃを示し、縦軸は１／Ｄを示し、直線Ｌは１／Ｄ＝０．６×（Ｉｗ／Ｉｃ）−０．６の関係式を示す。

図５の斜線部分は、上記式（１）及び（２）の関係を満たす本実施形態に係る読み出し動作領域である。この斜線部分から外れると、ＭＴＪ素子１０に流す電子流に対してパルス信号Ｐを検出するための時間が短すぎて、ＭＴＪ素子１０に記録された状態の判別が困難となる。従って、この斜線部分内となるように、電子流を流す時間Ｄと電子流の大きさＩｗとを調整することで、ＭＴＪ素子１０の記録状態の読み出しが可能となる。

［１−４］ＭＴＪ素子の抵抗変化
図６は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の抵抗の時間変化の一例を詳細図として示す。ここでは、臨界電流Ｉｃの６倍の大きさの電子流＋Ｉｗを用いている。この図６に示すような波形は、例えば５０ＧＨｚのオッシロスコープ等を用いて観察することができる。

図６に示すように、ＭＴＪ素子１０が高抵抗状態から低抵抗状態へ変化するまでの変化時間Ｔは、約１ｎｓである。この変化時間Ｔは、電子流＋Ｉｗの大きさにより決定されるものであり、例えば、電子流＋Ｉｗが臨界電流Ｉｃの１．５倍の場合、変化時間Ｔは約１０ｎｓとなる。つまり、電子流＋Ｉｗの大きさを臨界電流Ｉｃよりも大きくするほど、変化時間Ｔは短くなる。

尚、変化時間Ｔが短すぎると高抵抗部分（パルス信号Ｐ）の検出が難しくなるのと同時に消費エネルギーも大きくなる。一方、変化時間Ｔが長すぎると、再生時間が長くなる。よって、要求仕様に合わせて、材料設計及び電子流＋Ｉｗの設定を行なうとよい。

［１−５］電子流の方向
第1の実施形態に係る読み出し方法では、第１ステップにおいて電子流＋Ｉｗを固定層１１から記録層１３へ流す場合を説明したが、ここでは、この場合とは逆に、第１ステップにおいて記録層１３から固定層１１に電子流を流す場合を説明し、両者の比較を行う。

図７は、本発明の第１の実施形態に係る第1ステップの読み出し動作であって、電子流を固定層から記録層へ流す場合の説明図を示す。図８は、本発明の第１の実施形態に係る第1ステップの他の読み出し動作であって、電子流を記録層から固定層へ流す場合の説明図を示す。

図７に示すように、第1ステップにおいて電子流＋Ｉｗを固定層１１から記録層１３へ流す場合、上述するように、“０”データを読み出した際には出力電圧にパルス信号Ｐは発生しないが、“１”データを読み出した際に出力電圧にパルス信号Ｐが発生する。つまり、この場合、出力電圧の大きさは大から小へ変化する。このため、ＭＴＪ素子１０の抵抗変化を検出し易い。

これに対して、図８に示すように、第１ステップにおいて電子流−Ｉｗを記録層１３から固定層１１へ流す場合、“１”データを読み出した際には電子流−Ｉｗの変化に応じて台形の出力電圧の波形が観察できるが、“０”データを読み出した際には出力電圧の波形が欠けた状態となる。この“０”データ読み出し時、ＭＴＪ素子１０は、低抵抗状態から高抵抗状態へと変化する。しかし、この抵抗変化は、出力電圧の立ち上がりの変化と区別し難いため、出力電圧波形の欠けた状態を認識することは一般的に難しい。

以上のことから、第1の実施形態に係る読み出し方法では、第１ステップにおいて電子流＋Ｉｗを固定層１１から記録層１３へ流す方法を採用している。但し、図８の（ｃ）に示すような出力電圧波形の欠けた状態を認識することが可能であれば、第１ステップにおいて記録層１３から固定層１１に電子流＋Ｉｗを流す読み出し方法を採用することも可能である。

［１−６］書き込み方法
図９は、本発明の第１の実施形態に係る書き込み方法を説明するための図を示す。以下に、第１の実施形態に係る書き込み方法について説明する。

まず、ＭＴＪ素子１０に“０”データを書き込む場合について説明する。図９の（ａ）及び（ｃ）に示すように、“０”データを書き込む場合は、反平行磁化配置から平行磁化配置へ記録層１３の磁化を反転させるために、固定層１１から記録層１３に向けて電子流＋Ｉｗを流す。換言すると、記録層１３から固定層１１に電流を流す。

この場合、紙面の右向きに磁化が固定された固定層１１から電子を流すことで、この磁化の方向と同じ向きのスピン偏極電子が多く発生する。その結果、このスピン偏極電子が記録層１３の磁化に作用し、記録層１３の磁化は紙面の右向きに反転される。このようにして、反平行磁化配置から平行磁化配置へ変化させることで、“０”データ書き込みが行われる。

次に、ＭＴＪ素子１０に“１”データを書き込む場合について説明する。図９の（ｂ）及び（ｄ）に示すように、“１”データを書き込む場合は、平行磁化配置から反平行磁化配置へ記録層１３の磁化を反転させるために、記録層１３から固定層１１に向けて電子流−Ｉｗを流す。換言すると、固定層１１から記録層１３に電流を流す。

この場合、記録層１３及び固定層１１の磁化はともに紙面の右向きであり、この向きのスピン偏極電子は記録層１３及び固定層１１を通過する。一方、記録層１３及び固定層１１の磁化と反対向きのスピン偏極電子は、固定層１１と非磁性絶縁層１２の界面で反射され、再度記録層１３に戻ってくる。そして、この再度戻ってきたスピン偏極電子が記録層１３の磁化に作用する。このようにして、平行磁化配置から反平行磁化配置へ変化させることで、“１”データ書き込みが行われる。

上記のような書き込み動作において、書き込み時の電子流＋Ｉｗ，−Ｉｗの絶対値の大きさは、読み出し時の電子流＋Ｉｗ，−Ｉｗの大きさの絶対値と等しく、臨界電流Ｉｃの絶対値よりも大きな電流になるようにする。

上記第１の実施形態によれば、スピン注入型による磁化反転において、臨界電流Ｉｃよりも絶対値が大きな電流（＋Ｉｗ，−Ｉｗ）の２準位のみを用いて読み出し及び書き込みを行う。このため、従来のように読み出し電流Ｉｒと書き込み電流Ｉｗとの間でマージンを確保する必要がないので、このマージン確保の問題を回避でき、記録再生において高信頼性を得ることができる。また、読み出し電流及び書き込み電流用の駆動回路は２準位の設定でよいため、周辺回路の縮小化とともに低消費電力化を図ることができる。

［２］第２の実施形態
第１の実施形態では、シングルジャンクション構造のＭＴＪ素子を用いたのに対し、第２の実施形態は、ダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子を用いる。また、第２の実施形態は、上記第１の実施形態と同様、電流駆動型の読み出し方法を採用する。

［２−１］ダブルジャンクション構造
図１０は、本発明の第２の実施形態に係るダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子の断面図を示す。以下に、ダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子について説明する。

図１０に示すように、第２の実施形態では、ダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子１０を用いる。すなわち、このＭＴＪ素子１０は、磁化方向が固定された第１及び第２の固定層１１，１５と、磁化方向が反転する記録層１３と、第１の固定層１１及び記録層１３の間に設けられた非磁性絶縁層１２と、第２の固定層１５及び記録層１３の間に設けられた非磁性金属層１４と、第１及び第２の固定層１１，１５の磁化方向を固定する反強磁性層１６，１７とで構成される。

ここで、第２の固定層１５と記録層１３との間の中間層は、非磁性絶縁層でもよいが、上記の構成のように非磁性金属層１４が望ましい。これは、ＭＴＪ素子１０の記録層１３を共有したまま再生機能を担う領域Ａとスピン注入を担う領域Ｂとを分離でき、双方の材料特性の干渉が少なくなることにより、材料選択のマージンを大きくできるからである。

尚、ここでは、記録層１３の磁化方向が第１の固定層１１の磁化方向と平行の場合（平行磁化配置）は、ＭＴＪ素子１０に“０”データが記録された低抵抗の状態であると規定し、記録層１３の磁化方向が第１の固定層１１の磁化方向と反平行の場合（反平行磁化配置）は、ＭＴＪ素子１０に“１”データが記録された高抵抗の状態であると規定する。但し、平行の状態を“１”、反平行の状態を“０”と規定することも勿論可能である。

図１１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係るダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子において、２つの固定層の磁化を反平行にする理由を説明するための図を示す。

ダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子１０において、第１の固定層１１の磁化方向と第２の固定層１５の磁化方向とは反平行となるように固着することが望ましい。これは、次の理由からである。

図１１（ａ）に示すように、電子ｅを紙面の上から下へ流した場合、記録層１３の上面には第２の固定層１５のスピン偏極電子ｅ１が作用し、記録層１３の下面には第１の固定層１１から反射された第１の固定層１５の磁化と反対向きのスピン偏極電子ｅ２が作用する。このため、記録層１３には、同じ方向のトルクが２重にかかる。

一方、図１１（ｂ）に示すように、電子ｅを紙面の下から上へ流した場合、記録層１３の下面には第１の固定層１１のスピン偏極電子ｅ１が作用し、記録層１３の上面には第２の固定層１５から反射された第２の固定層１５の磁化と反対向きのスピン偏極電子ｅ２が作用する。このため、記録層１３には、同じ方向のトルクが２重にかかる。

このように、ダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子において、第１及び第２の固定層１１，１５の磁化方向を反平行にすれば、平行磁化配置を反平行磁化配置にする場合も反平行磁化配置を平行磁化配置にする場合も、記録層１３にトルクが２重にかかるので、書き込み電流の低減を図ることができるからである。

［２−２］読み出し方法
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る読み出し方法のフローチャートを示す。図１３は、本発明の第２の実施形態に係る読み出し方法を説明するための図を示す。以下に、第２の実施形態に係る電流駆動型の読み出し方法について説明する。

まず、図１３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子１０の膜面垂直方向に第１の固定層１１から記録層１３へ電子流＋Ｉｗを流す（ＳＴ１）。この際、電子流＋Ｉｗの大きさの絶対値は、スピン注入型の磁化反転における臨界電流Ｉｃの絶対値よりも大きくなるようにする。

そして、電子流＋Ｉｗを流している間のＭＴＪ素子１０の抵抗変化を出力電圧で検出し、この出力電圧の初期にパルス信号Ｐが発生しているか否かを判断する（ＳＴ２）。

その結果、出力電圧の初期に電圧が増大するパルス信号Ｐが発生しない場合、すなわち電子流＋ＩｗによってＭＴＪ素子１０の抵抗値に変化がない場合は、ＭＴＪ素子１０のデータは例えば“０”であると判定する（ＳＴ３）。

一方、出力電圧の初期に電圧が増大するパルス信号Ｐが発生した場合、すなわちＭＴＪ素子１０が高抵抗状態から低抵抗状態に変化した場合は、ＭＴＪ素子１０のデータは例えば“１”であると判定する（ＳＴ４）。

さらに、出力電圧の初期にパルス信号Ｐが現れた場合、すなわち、ＭＴＪ素子１０のデータが“１”の場合にのみ、記録層１３から第１の固定層１１へ電子流−Ｉｗを流してもよい（ＳＴ５）。この電子流−Ｉｗの大きさの絶対値は、上記ステップ１（ＳＴ１）時の電子流＋Ｉｗの大きさの絶対値と同じである。尚、パルス信号Ｐが現れない場合、すなわち、ＭＴＪ素子１０のデータが“０”の場合には電子流−Ｉｗを流さなくてもよい。

このような読み出し方法において、上記ステップ１から４（ＳＴ１から４）までを第１ステップとし、上記ステップ５（ＳＴ５）を第２ステップとした場合、第１及び第２ステップからなる２ステップ読み出しでは、電子流及び出力電圧は次のような波形となる。

図１３の（ｃ）に示すように、ＭＴＪ素子１０のデータが“０”であると判定した場合（ＳＴ３）、第１ステップにおいて、出力電圧の初期にパルス信号Ｐは現れないので、出力電圧の波形は時間に対して台形となり、電子流と出力電圧の波形図は近似する。この場合、第２ステップでは、再書き込みは必要でないので、電子流は再度流さない。

一方、図１３の（ｄ）に示すように、ＭＴＪ素子１０のデータが“１”であると判定した場合（ＳＴ４）、第1ステップにおいて、出力電圧の波形図の初期には、ＭＴＪ素子１０の高抵抗状態から低抵抗状態の変化に伴う出力電圧の変化、すなわちピーク状のパルス信号Ｐが現れる。そして、このパルス信号Ｐの有無を第１ステップで検出することで、ＭＴＪ素子１０に記録されたデータを読み出す。この場合、第２ステップにおいて、第１ステップと符号が異なりかつ絶対値の大きさが同じ電子流、すなわち電子流−ＩｗをＭＴＪ素子１０に流す。

［２−３］書き込み方法
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る書き込み方法を説明するための図を示す。以下に、第２の実施形態に係る書き込み方法について説明する。

まず、ＭＴＪ素子１０に“０”データを書き込む場合について説明する。図１４の（ａ）及び（ｃ）に示すように、“０”データを書き込む場合は、反平行磁化配置から平行磁化配置へ記録層１３の磁化を反転させるために、第１の固定層１１から第２の固定層１５に向けて電子流＋Ｉｗを流す。換言すると、第２の固定層１５から第１の固定層１１に電流を流す。これにより、スピン偏極電子を記録層１３の磁化に作用させ、反平行磁化配置から平行磁化配置へ変化させることで、“０”データ書き込みが行われる。

次に、ＭＴＪ素子１０に“１”データを書き込む場合について説明する。図１４の（ｂ）及び（ｄ）に示すように、“１”データを書き込む場合は、平行磁化配置から反平行磁化配置へ記録層１３の磁化を反転させるために、第２の固定層１５から第１の固定層１１に向けて電子流−Ｉｗを流す。換言すると、第１の固定層１１から第２の固定層１５に電流を流す。これにより、スピン偏極電子を記録層１３の磁化に作用させ、平行磁化配置から反平行磁化配置へ変化させることで、“１”データ書き込みが行われる。

上記第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、固定層１１，１５が反平行磁化配置のダブルジャンクション構造であるため、書き込み及び読み出し電流の低減を図ることができる。

［３］第３の実施形態
上記第１及び第２の実施形態では、電流駆動型の読み出し方法について説明したが、第３及び第４の実施形態では、電圧駆動型の読み出し方法について説明する。両者の違いの概要は、次の通りである。電流駆動型の読み出し方法は、固定層１１から記録層１３へ電子流を流し、出力電圧を検出することでパルス信号Ｐの有無を調べた。これに対し、電圧駆動型の読み出し方法は、記録層１３から固定層１１へ電子流を流し、出力電流を検出することでパルス信号Ｐの有無を調べる。ここで、電流駆動型の場合、ＭＴＪ素子１０が高抵抗状態から低抵抗状態に変化することでパルス信号Ｐが発生するのに対し、電圧駆動型の場合、ＭＴＪ素子が低抵抗状態から高抵抗状態に変化することでパルス信号Ｐが発生する。尚、第３の実施形態では、シングルジャンクション構造のＭＴＪ素子１０を用いる。

［３−１］読み出し方法
図１５は、本発明の第３の実施形態に係る読み出し方法のフローチャートを示す。図１６は、本発明の第３の実施形態に係る読み出し方法を説明するための図を示す。以下に、第３の実施形態に係る電圧駆動型の読み出し方法について説明する。

まず、図１６の（ａ）及び（ｂ）に示すように、記録層１３の電位が固定層１１の電位に対して低くなるようにＭＴＪ素子１０に電圧−Ｖｗを印加し、ＭＴＪ素子１０の膜面垂直方向に記録層１３から固定層１１へ電子流−Ｉを流す（ＳＴ１）。この際、電子流−Ｉの大きさの絶対値は、スピン注入型の磁化反転における臨界電流Ｉｃの絶対値よりも大きくなるようにする。

そして、電圧−Ｖｗを印加している間のＭＴＪ素子１０の抵抗変化を出力電子流で検出し、この出力電子流の初期にパルス信号Ｐが発生しているか否かを判断する（ＳＴ２）。ここで、出力電子流の検出方法としては、流れる電流を積分して電圧変換する等、種々の方法で行われる。

その結果、出力電子流の初期に電子流が増大するパルス信号Ｐが発生しない場合、すなわち電子流−ＩによってＭＴＪ素子１０の抵抗値に変化がない場合は、ＭＴＪ素子１０のデータは例えば“１”であると判定する（ＳＴ３）。

一方、出力電子流の初期に電子流が増大するパルス信号Ｐが発生した場合、すなわちＭＴＪ素子１０が低抵抗状態から高抵抗状態に変化した場合は、ＭＴＪ素子１０のデータは例えば“０”であると判定する（ＳＴ４）。

さらに、出力電子流の初期にパルス信号Ｐが現れた場合、すなわち、ＭＴＪ素子１０のデータが“０”の場合にのみ、記録層１３の電位が固定層１１の電位に対して高くなるようにＭＴＪ素子１０に電圧＋Ｖｗを印加し、固定層１１から記録層１３へ電子流＋Ｉを流してもよい（ＳＴ５）。この電圧＋Ｖｗの大きさの絶対値は、上記ステップ１（ＳＴ１）時の電圧−Ｖｗの大きさの絶対値と同じである。尚、パルス信号Ｐが現れない場合、すなわち、ＭＴＪ素子１０のデータが“１”の場合には電圧＋Ｖｗを印加しなくてもよい。

このような読み出し方法において、上記ステップ１から４（ＳＴ１から４）までを第１ステップとし、上記ステップ５（ＳＴ５）を第２ステップとした場合、第１及び第２ステップからなる２ステップ読み出しでは、電子流及び出力電子流は次のような波形となる。

図１６の（ｃ）に示すように、ＭＴＪ素子１０のデータが“０”であると判定した場合（ＳＴ４）、第１ステップにおいて、出力電子流の波形図の初期には、ＭＴＪ素子１０の低抵抗状態から高抵抗状態の変化に伴う出力電子流の変化、すなわちピーク状のパルス信号Ｐが現れる。そして、このパルス信号Ｐの有無を第１ステップで検出することで、ＭＴＪ素子１０に記録されたデータを読み出す。この場合、第２ステップにおいて、第１ステップと符号が異なりかつ絶対値の大きさが同じ電圧、すなわち電圧＋ＶｗをＭＴＪ素子１０に印加する。

一方、図１６の（ｄ）に示すように、ＭＴＪ素子１０のデータが“１”であると判定した場合（ＳＴ３）、第１ステップにおいて、出力電子流の初期にパルス信号Ｐは現れないので、出力電子流の波形は時間に対して台形となり、電子流と出力電子流の波形図は近似する。この場合、第２ステップでは、再書き込みは必要でないので、電子流は再度流さない。

［３−２］書き込み方法
第３の実施形態に係る書き込み方法は、上記第１の実施形態の書き込み方法とほぼ同様である。すなわち、“０”書き込みの場合は、固着層１１から記録層１３に向けて電子流＋Ｉが流れるように、ＭＴＪ素子１０に電圧＋Ｖｗを印加する。これにより、反平行磁化配置から平行磁化配置へ変化させることで、“０”データを書き込む。一方、“１”書き込みの場合は、記録層１３から固定層１１へ電子流−Ｉが流れるように、ＭＴＪ素子１０に電圧−Ｖｗを印加する。これにより、平行磁化配置から反平行磁化配置へ変化させることで、“１”データを書き込む。

上記第３の実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、電流駆動型の第１の実施形態と比べて、電圧駆動型の第３の実施形態は、抵抗変化に伴う絶縁破壊が少なくなるという利点がある。

［４］第４の実施形態
第３の実施形態では、シングルジャンクション構造のＭＴＪ素子を用いたのに対し、第４の実施形態は、ダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子を用いる。また、第４の実施形態は、上記第３の実施形態と同様、電圧駆動型の読み出し方法を採用する。

図１７は、本発明の第４の実施形態に係る読み出し方法のフローチャートを示す。図１８は、本発明の第４の実施形態に係る読み出し方法を説明するための図を示す。以下に、第４の実施形態に係る電圧駆動型の読み出し方法について説明する。

まず、図１８の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２の固定層１５の電位が第１の固定層１１の電位に対して低くなるようにＭＴＪ素子１０に電圧−Ｖｗを印加し、ＭＴＪ素子１０の膜面垂直方向に記録層１３から第１の固定層１１へ電子流−Ｉを流す（ＳＴ１）。この際、電子流−Ｉの大きさの絶対値は、スピン注入型の磁化反転における臨界電流Ｉｃの絶対値よりも大きくなるようにする。

そして、電圧−Ｖｗを印加している間のＭＴＪ素子１０の抵抗変化を出力電子流で検出し、この出力電子流の初期にパルス信号Ｐが発生しているか否かを判断する（ＳＴ２）。ここで、出力電子流の検出方法としては、流れる電流を積分して電圧変換する等、種々の方法で行われる。

その結果、出力電子流の初期に電子流が増大するパルス信号Ｐが発生しない場合、すなわち電子流−ＩによってＭＴＪ素子１０の抵抗値に変化がない場合は、ＭＴＪ素子１０のデータは例えば“１”であると判定する（ＳＴ３）。

一方、出力電子流の初期に電子流が増大するパルス信号Ｐが発生した場合、すなわちＭＴＪ素子１０が低抵抗状態から高抵抗状態に変化した場合は、ＭＴＪ素子１０のデータは例えば“０”であると判定する（ＳＴ４）。

さらに、出力電子流の初期にパルス信号Ｐが現れた場合、すなわち、ＭＴＪ素子１０のデータが“０”の場合にのみ、第２の固定層１５の電位が固定層１１の電位に対して高くなるようにＭＴＪ素子１０に電圧＋Ｖｗを印加し、固定層１１から記録層１３へ電子流＋Ｉを流してもよい（ＳＴ５）。この電圧＋Ｖｗの大きさの絶対値は、上記ステップ１（ＳＴ１）時の電圧−Ｖｗの大きさの絶対値と同じである。尚、パルス信号Ｐが現れない場合、すなわち、ＭＴＪ素子１０のデータが“１”の場合には電圧＋Ｖｗを印加しなくてもよい。

このような読み出し方法において、上記ステップ１から４（ＳＴ１から４）までを第１ステップとし、上記ステップ５（ＳＴ５）を第２ステップとした場合、第１及び第２ステップからなる２ステップ読み出しでは、電子流及び出力電子流は次のような波形となる。

図１８の（ｃ）に示すように、ＭＴＪ素子１０のデータが“０”であると判定した場合（ＳＴ４）、第1ステップにおいて、出力電子流の波形図の初期には、ＭＴＪ素子１０の低抵抗状態から高抵抗状態の変化に伴う出力電子流の変化、すなわちピーク状のパルス信号Ｐが現れる。そして、このパルス信号Ｐの有無を第１ステップで検出することで、ＭＴＪ素子１０に記録されたデータを読み出す。この場合、第２ステップにおいて、第１ステップと符号が異なりかつ絶対値の大きさが同じ電圧、すなわち電圧＋ＶｗをＭＴＪ素子１０に印加する。

一方、図１８の（ｄ）に示すように、ＭＴＪ素子１０のデータが“１”であると判定した場合（ＳＴ３）、第１ステップにおいて、出力電子流の初期にパルス信号Ｐは現れないので、出力電子流の波形は時間に対して台形となり、電子流と出力電子流の波形図は近似する。この場合、第２ステップでは、再書き込みは必要でないので、電子流は再度流されない。

［４−２］書き込み方法
第４の実施形態に係る書き込み方法は、上記第２の実施形態の書き込み方法とほぼ同様である。すなわち、“０”書き込みの場合は、第１の固着層１１から第２の固定層１５に向けて電子流＋Ｉが流れるように、ＭＴＪ素子１０に電圧＋Ｖｗを印加する。これにより、第１の固定層１１の磁化と記録層１３の磁化とを反平行磁化配置から平行磁化配置へ変化させることで、“０”データを書き込む。一方、“１”書き込みの場合は、第２の固定層１５から第１の固定層１１へ電子流−Ｉが流れるように、ＭＴＪ素子１０に電圧−Ｖｗを印加する。これにより、第１の固定層１１の磁化と記録層１３の磁化とを平行磁化配置から反平行磁化配置へ変化させることで、“１”データを書き込む。

上記第４の実施形態によれば、上記第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、電流駆動型の第２の実施形態と比べて、電圧駆動型の第４の実施形態は、抵抗変化に伴う絶縁破壊が少なくなるという利点がある。

［５］第５の実施形態
第５の実施形態では、各実施形態で用いるＭＴＪ素子１０について説明する。

［５−１］固定層、記録層
ＭＴＪ素子１０の固定層１１，１５及び記録層１３は、強磁性材料で形成される。この強磁性材料としては、以下の中から用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。

例えば、「鉄（Ｆｅ）単体」、「コバルト（Ｃｏ）単体」、「ニッケル（Ｎｉ）単体」、「鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金」、「パーマロイと呼ばれるＮｉＦｅ系合金」、「ＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金等の軟磁性材料」、「ホイスラー合金、磁性半導体、ＣｒＯ_２、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｌａ_１―ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３等のハーフメタル磁性体酸化物（又はハーフメタル磁性体窒化物）」、「ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ等の希土類−３ｄ遷移金属非晶質合金」のいずれかを用いることができる。

ここで、「磁性半導体」としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかの磁性元素と、化合物半導体又は酸化物半導体とからなるものを用いることができる。この磁性半導体は、具体的には、例えば、（Ｇａ、Ｃｒ）Ｎ、（Ｇａ、Ｍｎ）Ｎ、ＭｎＡｓ、ＣｒＡｓ、（Ｇａ、Ｃｒ）Ａｓ、ＺｎＯ：Ｆｅ、（Ｍｇ、Ｆｅ）Ｏ等をあげることができる。

また、固定層１１，１５及び記録層１３に用いる材料としては、連続的な磁性体でもよく、又は、非磁性マトリクス中に磁性体からなる微粒子が析出あるいは形成されてなる複合体構造を用いることもできる。このような複合体構造としては、例えば、「グラニュラー磁性体」等と称されるものをあげることができる。

また、固定層１１，１５及び記録層１３が複数の磁性層からなる多層構造である場合、次のような材料を用いることができる。例えば、固定層１１，１５及び記録層１３の材料として、［（Ｃｏ又はＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金、又はＮｉ）］からなる２層構造、［（Ｃｏ又はＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金、又はＮｉ）／（Ｃｏ又はＣｏＦｅ合金）］からなる３層構造の積層体を用いることもできる。これらの多層構造からなる磁性層の場合、外側のＣｏ又はＣｏＦｅ合金の厚さは、０．２ｎｍから１ｎｍの範囲であることが好ましい。この構造によれば、より小さな電流で磁化反転を得ることができる。

また、図１０のダブルジャンクション構造では、固定層１１，１５が２層ある。これら固定層１１，１５の磁化方向を互いに反平行にするには、固定層１１，１５のうち一方の固定層を反強磁性結合構造とするのが望ましい。すなわち、固定層１１，１５のうち一方の固定層（特に固定層１５）を第１の磁性層／非磁性層／第２の磁性層で形成し、第１及び第２の磁性層の磁化が反平行となるように磁気結合させるとよい。尚、シングルジャンクション構造における固定層１１を反強磁性結合構造とすることも可能である。このような反強磁性結合させた多層膜を用いると、各層からの漏れ磁界が小さくなり、ＭＴＪ素子１０の磁気特性が安定する。さらに、ダブルジャンクション構造の一方の固着層を、反強磁性結合した第１の磁性層／非磁性層／第２の磁性層／非磁性層／第３の磁性層で形成してもよい。このような構造とすることで、臨界反転電流を低減することができる。

また、磁性層／非磁性層／磁性層からなる反強磁性結合構造において、非磁性層の材料としては、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）等の非磁性金属層及び反強磁性体を用いることが望ましい。非磁性層の膜厚は、０．２ｎｍ〜３ｎｍであることが反強磁性結合を得るために望ましい。

また、固定層１１，１５及び記録層１３は、強磁性結合構造であってもよい。すなわち、固定層１１，１５及び記録層１３を第１の磁性層／非磁性層／第２の磁性層で形成し、第１及び第２の磁性層の磁化が平行となるように磁気結合させてもよい。

［５−２］反強磁性層
反強磁性層１６，１７は、固定層１１，１５に直接接して設けることで、固定層１１，１５に一方向異方性を付与し、固定層１１，１５の磁化を固着するためのものである。この反強磁性層１６，１７の材料としては、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）、白金マンガン（ＰｔＭｎ）、パラジウム・マンガン（ＰｄＭｎ）、パラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）等を用いることが望ましい。

［５−３］非磁性絶縁層
非磁性絶縁層１２の材料としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３−Ｘ）又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ_１−Ｘ）、ＳｉＯ_２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ等の、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物又は窒化物、フッ化物からなる絶縁体、ＧａＡｌＡｓ等のギャップが大きな半導体を挙げることができる。また、前記絶縁体にピンホールが形成され、そこに磁性層が進入したナノコンタクトＭＲ材料や、Ｃｕが侵入したＣＣＰ（Current-Perpendicular-to-Plane）−ＣＣＰ−ＭＲ（Magneto Resistance effect）材料を用いることもできる。その絶縁層の厚さは、例えば０．２ｎｍ乃至２ｎｍとすることが、信号再生上は望ましい。ナノコンタクトＭＲ及びＣＣＰ−ＣＰＰ−ＭＲの場合は、非磁性絶縁層１２の厚さは、例えば０．４ｎｍ乃至４０ｎｍの範囲内であることが望ましい。

［５−４］非磁性金属層
非磁性金属層１４の材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれらのいずれか一種以上を含む合金等をあげることができる。この非磁性金属層１４の厚さは、１ｎｍ乃至６０ｎｍであることが好ましい。

［５−５］形状
図１９は、本発明の第５の実施形態に係るＭＴＪ素子の模式的な平面図を示す。図２０は、本発明の第５の実施形態に係るＭＴＪ素子の模式的な断面図示す。

ＭＴＪ素子１０（主に記録層１３）の平面形状は、例えば、縦横比が１：１から１：５の範囲にあるような正方形又は長方形（図１９（ａ）、図１９（ｂ））、横長（縦長）６角形（図１９（ｃ））、楕円形（図１９（ｄ））、菱型（図１９（ｅ））、平行四辺形（図１９（ｆ））とすることが望ましい。さらに、円（図１９（ｇ））や十字型（図１９（ｈ））でもよい。また、その記録層１３の平面形状における寸法は、長手方向（磁化容易軸方向）の一辺が５ｎｍ乃至５００ｎｍ程度の範囲内とすることが望ましい。

また、各実施形態に係るＭＴＪ素子１０の断面形状は、各層の膜面方向の寸法（磁化容易軸方向又は磁化困難軸方向の寸法）が全て同じであるが、これに限定されず、配線の接続のため又は磁化方向の制御のために各層の寸法が互いに異なるようにしてもよい。例えば、ＭＴＪ素子１０の断面形状は、図２０（ａ）に示すように、上層に向かって横方向のサイズが連続的に小さくなっている台形であってもよいし、図２０（ｂ）に示すように、横方向サイズが層ごとに非連続な形状（例えば凸形状）であってもよい。このような場合でも、各実施形態の効果に支障はない。

［６］第６の実施形態
第６の実施形態では、本発明の各実施形態に係る読み出し及び書き込み方法を採用するＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）について説明する。

［６−１］選択トランジスタ型
ここでは、セル毎にＭＴＪ素子とトランジスタとが設けられた、いわゆる選択トランジスタ型構造のＭＲＡＭについて説明する。

図２１は、本発明の第６の実施形態に係るＭＲＡＭの選択トランジスタ型のメモリセルアレイの等価回路を表す模式図である。図２２は、図２１における１セル分のメモリセルの断面構造を表す模式図である。

図２１に示すように、メモリセルアレイＭＣＡには、複数のビット線ＢＬｎ（ｎ＝１，２，…）及びワード線ＷＬｎがマトリクス状に配置され、ビット線ＢＬｎ及びワード線ＷＬｎの交点付近にＭＴＪ素子１０がそれぞれ配置されている。このＭＴＪ素子１０には選択スイッチとしてのトランジスタ（例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor-Oxide Field Effect Transistor））ＴＲがそれぞれ接続され、このトランジスタＴＲのゲート電極はワード線ＷＬにつながる。従って、選択トランジスタ型の各メモリセルＭＣは、ビット線ＢＬと、ワード線ＷＬと、ＭＴＪ素子１０と、トランジスタＴＲとを含んで構成されている。

具体的には、図２２に示すように、ＭＴＪ素子１０の一端は、ビット線ＢＬに電気的に接続され、ＭＴＪ素子１０の他端は、配線２３ａ及びコンタクト２２ａを介して、トランジスタＴＲの電流経路の一端に電気的に接続されている。トランジスタＴＲの電流経路の他端は、コンタクト２２ｂを介して配線２３ｂに接続されている。この配線２３ｂは、例えば、電源端子や接地端子に接続されている。

また、ここでは、ＭＴＪ素子１０において、反強磁性層１６にはＰｔＭｎ層を用い、固定層１１にはＰｔＭｎ層を付与することで交換バイアスをつけたＣｏ５０Ｆｅ５０層を用い、非磁性絶縁層１２にはＭｇＯを用い、記録層１３にはＣｏ５０Ｆｅ５０層を用いる。また、トランジスタＴＲ側に固定層１１が来るように配置する。よって、図２２のＭＴＪ素子１０において、電子流＋Ｉｗが紙面の下から上へ流れる場合がプラスの極性と定義する。

図２３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第６の実施形態に係るＭＲＡＭの選択トランジスタ型の読み出し方法を説明するための波形図を示す。以下に、選択トランジスタ型セルの読み出し方法について説明する。

まず、任意のセルにおけるＭＴＪ素子１０の選択を行う。これは、このＭＴＪ素子１０に接続されたビット線ＢＬと、このＭＴＪ素子１０に接続されたトランジスタＴＲのゲート電極（ワード線ＷＬ）とを選択することで行われる。そして、ゲート電極を選択することにより、ビット線ＢＬからＭＴＪ素子１０を経由して配線２３ｂまで、電流パスが形成される。そこで、固定層１１から記録層１３へ電子流＋Ｉｗを流し、ＭＴＪ素子１０の抵抗変化を出力電圧で検出する。その結果、出力電圧の初期にパルス信号Ｐが発生していない場合は、ＭＴＪ素子１０のデータは“０”であると判定し、出力電圧の初期にパルス信号Ｐが発生している場合は、ＭＴＪ素子１０のデータは“１”であると判定する。さらに、パルス信号Ｐが発生している場合は、第２ステップとして、再度、トランジスタＴＲをオンにし、記録層１３から固定層１１へ電子流−Ｉｗを流す。

図２４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第６の実施形態に係るＭＲＡＭの選択トランジスタ型の書き込み方法を説明するための波形図を示す。以下に、選択トランジスタ型セルの書き込み方法について説明する。

まず、任意のセルにおけるＭＴＪ素子１０の選択を行う。これは、このＭＴＪ素子１０に接続されたビット線ＢＬと、このＭＴＪ素子１０に接続されたトランジスタＴＲのゲート電極（ワード線ＷＬ）とを選択することで行われる。ゲート電極を選択することにより、ビット線ＢＬからＭＴＪ素子１０を経由して配線２３ｂまで、電流パスが形成される。そこで、記録データに応じて電子流＋Ｉｗ又は−ＩｗをＭＴＪ素子１０に流し、スピン注入書き込みを行う。ここでは、＋Ｉｗを流すと“０”が書き込まれ、−Ｉｗを流すと“１”が書き込まれると規定するが、“０”と“１”の割り当ては逆にしても勿論よい。

尚、ＭＴＪ素子１０の構造は、シングルジャンクション構造に限定されず、ダブルジャンクション構造でも勿論よい。ダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子１０の具体的な構造としては、例えば、ＰｔＭｎ（反強磁性層１６）／ＣｏＦｅ（第１の固定層１１）／ＭｇＯ１−Ｘ（非磁性絶縁層１２）／ＣｏＦｅ（記録層１３）／Ｃｕ（非磁性金属層１４）／［ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ］（第２の固定層１５）／ＰｔＭｎ（反強磁性層１７）や、ＰｔＭｎ（反強磁性層１６）／ＣｏＦｅ（第１の固定層１１）／Ａｌ―Ｏ（非磁性絶縁層１２）／ＣｏＦｅ（記録層１３）／Ｃｕ（非磁性金属層１４）／［ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ］（第２の固定層１５）／ＰｔＭｎ（反強磁性層１７）等があげられる。さらに、第１の固定層１１として、例えば、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ等があげられる。

［６−２］クロスポイント型
ここでは、セル毎に選択スイッチが設けられない、いわゆるクロスポイント型構造のＭＲＡＭについて説明する。

図２５は、本発明の第６の実施形態に係るＭＲＡＭのクロスポイント型のメモリセルアレイを表す斜視図である。

図２５に示すように、メモリセルアレイＭＣＡには、複数のビット線ＢＬ及びワード線ＷＬがマトリクス状に配置され、ビット線ＢＬ及びワード線ＷＬの交点付近にＭＴＪ素子１０がそれぞれ配置されている。このＭＴＪ素子１０の一端は、ビット線ＢＬに電気的に接続され、ＭＴＪ素子１０の他端は、ワード線ＷＬに電気的に接続されている。

このようなクロスポイント型のＭＲＡＭにおいて、読み出し動作は、次のように行われる。まず、任意のセルにおけるＭＴＪ素子１０の選択を行う。これは、このＭＴＪ素子１０に接続されたビット線ＢＬと、このＭＴＪ素子１０に接続されたワード線ＷＬとを選択することで行われる。そして、ビット線ＢＬからＭＴＪ素子１０を経由してワード線ＷＬまで、電流パスが形成される。そこで、固定層１１から記録層１３へ電子流＋Ｉｗを流し、ＭＴＪ素子１０の抵抗変化を出力電圧で検出する。その結果、出力電圧の初期にパルス信号Ｐが発生していない場合は、ＭＴＪ素子１０のデータは“０”であると判定し、出力電圧の初期にパルス信号Ｐが発生している場合は、ＭＴＪ素子１０のデータは“１”であると判定する。さらに、パルス信号Ｐが発生している場合は、第２ステップとして、再度、記録層１３から固定層１１へ電子流−Ｉｗを流す。

一方、書き込み動作は、次のように行われる。まず、任意のセルにおけるＭＴＪ素子１０の選択を行う。これは、このＭＴＪ素子１０に接続されたビット線ＢＬ及びワード線ＷＬを選択することで行われる。そして、ビット線ＢＬからＭＴＪ素子１０を経由してワード線ＷＬまで、電流パスが形成される。そこで、記録データに応じて電子流＋Ｉｗ又は−ＩｗをＭＴＪ素子１０に流し、スピン注入書き込みを行う。ここでは、＋Ｉｗを流すと“０”が書き込まれ、−Ｉｗを流すと“１”が書き込まれると規定するが、“０”と“１”の割り当ては逆にしても勿論よい。

尚、電子流＋Ｉｗ，−Ｉｗの大きさは、臨界電流Ｉｃの３倍未満にすると、非選択セルの磁化を反転させることなく動作させることができる。

［７］第７の実施形態
第７の実施形態では、本発明の各実施形態に係る読み出し及び書き込み方法を採用する、いわゆるパターンド（patterned）媒体にプローブでアクセスするプローブストレージ型の磁気記録装置について説明する。

図２６は、本発明の第７の実施形態に係るプローブストレージ型の磁気記録装置を表す模式図である。

図２６に示すように、パターンド媒体（記録媒体）１２０は、導電性基板１１０の上において、複数個のＭＴＪ素子１０を高抵抗の絶縁体１００の面内にマトリクス状に配列した構造を有する。この媒体１２０の表面上には、任意のＭＴＪ素子１０を選択するための導電性のプローブ２００が設けられている。このプローブ２００には、プローブ２００と媒体１２０の表面との相対的位置関係を制御するための位置駆動装置２１０が接続され、さらに、ＭＴＪ素子１０にプローブ２００から電流又は電圧を印加するための電源２２０が接続されている。また、電源２２０及び基板１１０には、ＭＴＪ素子１０の内部磁化状態を電気抵抗の変化として検出するための検出回路２３０が接続されている。

尚、図２６に示す位置駆動装置２１０は、プローブ２００の位置を変化させるためにプローブ２００に接続されているが、これに限定されない。この位置駆動装置２１０は媒体１２０とプローブ２００との相対位置を制御できればよいので、例えば、媒体１２０の位置を変化させるために媒体１２０側に位置駆動装置２１０を接続してもよい。

また、図２６に示すＭＴＪ素子１０は、導電性基板１１０において下側電極のみを共有しているが、これに限定されない。例えば、各ＭＴＪ素子１０において、反強磁性層１６を共有したり固定層１１を共有したりする等、その一部の層を共有する構造としてもよい。このような構造にすれば、さらにプロセスの簡易化及び特性の均質化を図ることができる。

このような第７の実施形態では、書き込み及び読み出しは、プローブ２００と基板１１０との間にＭＴＪ素子１０を介して電流を流すことによって行われる。ここで、ＭＴＪ素子１０の選択は、プローブ２００と媒体１２０との相対的位置関係を変えることで行われる。プローブ２００は、ＭＴＪ素子１０に対して電気的に接続されていればよく、接触していても、非接触していてもよい。非接触の場合には、ＭＴＪ素子１０とプローブ２００との間に流れるトンネル電流又は電界放射による電流を用いて書き込み及び読み出しを行うことができる。

ＭＴＪ素子１０への書き込みは、ＭＴＪ素子１０にアクセスしたプローブ２００からＭＴＪ素子１０へ流れる電子流、又はＭＴＪ素子１０からプローブ２００へ流れる電子流により行われる。ここで、符号は、ＭＴＪ素子１０の固定層１１から記録層１３へ電子が流れる場合をプラスとし、信号“０”の書き込みには＋Ｉｗを印加し、信号“１”の書き込みには−Ｉｗを印加する。但し、電子流＋Ｉｗ，−Ｉｗは、臨界電流Ｉｃよりも絶対値が大きいこととする。そして、電子の流れ、すなわち電流の極性を反転させることで、“０”又は“１”の書き込みを適宜行うことができる。

一方、読み出しは、書き込みと同じく、ＭＴＪ素子１０にアクセスしたプローブ２００からＭＴＪ素子１０へ流れる電子流、又はＭＴＪ素子１０からプローブ２００へ流れる電子流により行われる。そして、読み出しは２ステップからなる。ます、第１ステップでは電子流＋Ｉｗを流し、“０”、“１”を判断する。そして、初期に抵抗のピークが発生する信号“１”の場合には、第２ステップで電子流−Ｉｗを流す。

図２７は、プローブをマルチ化した場合のメモリセルアレイを表す模式図である。図２７では、ＭＴＪ素子１０を基板上に並べ、３２×３２のマトリックスメモリセルＭＭＣが形成されている。このマトリックスメモリセルＭＭＣをさらに３２×３２個並べ、合計で１Ｍ（メガ）ビットの記録再生媒体が形成されている。そして、この記録再生媒体に対して、３２個×３２個からなるプローブ２００で書き込み及び読み出しが実施される。すなわち、１セットのマトリックスメモリセルＭＭＣに対し、１個のプローブ２００が対応している。

具体的には、プローブ２００を選択するためのビット線ＢＬとワード線ＷＬとがマトリックス状に配置され、ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交点付近にプローブ２００が配置されている。そして、プローブ２００の一端は選択トランジスタの電流経路の一端に接続され、トランジスタの電流経路の他端はワード線ＷＬに接続され、トランジスタのゲートはビット線ＢＬに接続される。プローブ２００の選択は、ビット線ＢＬとワード線ＷＬとを選択し、これらの対応するトランジスタをオンにすることで行う。

プロービングは、図２６に関して前述した如くである。それぞれのプローブ２００に対するマトリックスメモリセルＭＭＣ内のＭＴＪ素子１０の選択は、媒体に設けられたＸＹ駆動機構により行うことができる。但し、位置関係が相対的に変化するならば、プローブ２００に設けられた駆動機構でＭＴＪ素子１０の選択を行ってもよい。また、プローブ自身がマルチ化されているため、このプローブ２００をいわゆるワード線ＷＬとビット線ＢＬにつなぎ、ワード線ＷＬとビット線ＢＬを選択することでプローブ２００の選択を可能としている。

図２７におけるＭＴＪ素子１０の書き込み及び読み出しは、図２６の場合と同様で、ＭＴＪ素子１０にアクセスしたプローブ２００から注入される電子流により行われる。書き込みは、プローブ２００からＭＴＪ素子１０へ又はＭＴＪ素子１０からプローブ２００へ電子流＋Ｉｗ，−Ｉｗを流すことで、“０”、“１”の書き込みが行われる。一方、読み出しは、ＭＴＪ素子１０に電子流＋Ｉｗを流すことで、ＭＴＪ素子１０の抵抗の初期変化を検出し、“０”、“１”を判定する。その後、第２ステップとして“１”の場合に電子流−Ｉｗを流す。

尚、本発明の各実施形態において、読み出し時にステップ１，２で用いる電流及び書き込み時に用いる電流＋Ｉｗ及び−Ｉｗは、その値の絶対値が等しいとしているが、実際の素子状況等により若干のずれは許容される。そのような場合も、第３の供給電源は不要となり、本発明の各実施形態における効果は得られる。また、図において、入力信号及び出力信号の立ち上がり及び立ち下がりは、便宜上直線近似されているが、厳密には若干の曲線状の立ち上がり及び立ち下がりとなる。そのような場合も、本発明の各実施形態における効果は得られる。さらに、図におけるＭＴＪ素子１０の上下を逆転させても、効果は同じである。

その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

本発明の実施の形態に係わる読み出し方法を示すフローチャート。 本発明の第１の実施形態に係るシングルジャンクション構造のＭＴＪ素子を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る読み出し方法を示すフローチャート。 本発明の第１の実施形態に係る読み出し方法を説明するための図。 本発明の第１の実施形態に係る読み出し動作領域を示す図。 本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の抵抗の時間変化の一例を示す詳細図。 本発明の第１の実施形態に係る第1ステップの読み出し動作であって、電子流を固定層から記録層へ流す場合の説明図。 本発明の第１の実施形態に係る第1ステップの他の読み出し動作であって、電子流を記録層から固定層へ流す場合の説明図。 本発明の第１の実施形態に係る書き込み方法を説明するための図。 本発明の第２の実施形態に係るダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係るダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子において、２つの固定層の磁化を反平行にする理由を説明するための図。 本発明の第２の実施形態に係る読み出し方法を示すフローチャート。 本発明の第２の実施形態に係る読み出し方法を説明するための図。 本発明の第２の実施形態に係る書き込み方法を説明するための図。 本発明の第３の実施形態に係る読み出し方法を示すフローチャート。 本発明の第３の実施形態に係る読み出し方法を説明するための図。 本発明の第４の実施形態に係る読み出し方法を示すフローチャート。 本発明の第４の実施形態に係る読み出し方法を説明するための図。 本発明の第５の実施形態に係るＭＴＪ素子を示す模式的な平面図。 本発明の第５の実施形態に係るＭＴＪ素子を示す模式的な断面図。 本発明の第６の実施形態に係るＭＲＡＭの選択トランジスタ型のメモリセルアレイの等価回路を表す模式図。 図２１における１セル分のメモリセルの断面構造を表す模式図。 本発明の第６の実施形態に係るＭＲＡＭの選択トランジスタ型の読み出し方法を説明するための波形図。 本発明の第６の実施形態に係るＭＲＡＭの選択トランジスタ型の書き込み方法を説明するための波形図。 本発明の第６の実施形態に係るＭＲＡＭのクロスポイント型のメモリセルアレイを表す斜視図。 本発明の第７の実施形態に係るプローブストレージ型の磁気記録装置を表す模式図。 本発明の第７の実施形態に係るプローブストレージ型の磁気記録装置において、プローブをマルチ化した場合のメモリセルアレイを表す模式図。

符号の説明

１０…ＭＴＪ素子、１１，１５…固定層、１２…非磁性絶縁層、１３…記録層、１４…非磁性金属層、１６，１７…反強磁性層、２１…基板、２２ａ，２２ｂ…コンタクト、２３ａ，２３ｂ…配線、１００…絶縁体、１１０…導電性基板、１２０…パターンド媒体、２００…プローブ、２１０…位置駆動装置、２２０…電源、２３０…検出回路、ＢＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線、ＴＲ…トランジスタ、Ｄ…ダイオード、ＭＣ…メモリセル、ＭＣＡ…メモリセルアレイ、ＭＭＣ…マトリックスメモリセル。

Claims (6)

1. 第１の磁性層と第２の磁性層と前記第１及び第２の磁性層の間に設けられた非磁性絶縁層とを有する磁気抵抗効果素子のデータを読み出す場合、
   前記第１の磁性層から前記第２の磁性層へスピン注入による磁化反転を引き起こす第１の電子流を流す工程と、
   前記第１の電子流を流す間の前記磁気抵抗効果素子の抵抗値に応じた出力信号を検出する工程と、
   前記出力信号にパルス信号が発生するか否かにより前記データを判断する工程と
   を具備し、
   前記第１の電子流の大きさの絶対値は、前記スピン注入による磁化反転が行われるときの臨界電流の絶対値よりも大きく、
   前記第１の電子流を流す時間をＤ（ｎｓｅｃ）、前記第１の電子流の大きさをＩｗ、前記臨界電流の大きさをＩｃとした場合、
   １／Ｄ＜０．６×（Ｉｗ／Ｉｃ）−０．６、Ｄ＞０
   の関係を満たすことを特徴とする磁気記録装置の読み出し方法。
2. 第１の磁性層と第２の磁性層と前記第１及び第２の磁性層の間に設けられた非磁性絶縁層とを有する磁気抵抗効果素子のデータを読み出す場合、
   前記第１の磁性層から前記第２の磁性層へスピン注入による磁化反転を引き起こす第１の電子流を流す工程と、
   前記第１の電子流を流す間の前記磁気抵抗効果素子の抵抗値に応じた出力信号を検出する工程と、
   前記出力信号にパルス信号が発生するか否かにより前記データを判断する工程と、
   前記出力信号に前記パルス信号が発生する場合、前記第２の磁性層から前記第１の磁性層へ前記スピン注入による磁化反転を引き起こす第２の電子流を流す工程と
   を具備し、
   前記第１及び第２の電子流の大きさの絶対値は、前記スピン注入による磁化反転が行われるときの臨界電流の絶対値よりも大きく、
   前記第１及び第２の電子流を流す各時間をＤ（ｎｓｅｃ）、前記第１及び第２の電子流の各大きさをＩｗ、前記臨界電流の大きさをＩｃとした場合、
   １／Ｄ＜０．６×（Ｉｗ／Ｉｃ）−０．６、Ｄ＞０
   の関係を満たすことを特徴とする磁気記録装置の書き込み及び読み出し方法。
3. 前記第１の電子流は、前記スピン注入により前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との磁化配置が平行から反平行になるように前記第２の磁性層の磁化が反転する電子流であり、
   前記第１の磁性層は、実質的に磁化方向が固定された固定層であり、
   前記第２の磁性層は、磁化方向が反転する記録層であり、
   前記出力信号は、電圧で検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録装置の読み出し方法。
4. 前記第１の電子流は、前記スピン注入により前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との磁化配置が反平行から平行になるように前記第１の磁性層の磁化が反転する電子流であり、
   前記第１の磁性層は、磁化方向が反転する記録層であり、
   前記第２の磁性層は、実質的に磁化方向が固定された固定層であり、
   前記出力信号は、電流で検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録装置の読み出し方法。
5. 前記磁気抵抗効果素子は、第３の磁性層と前記第２及び第３の磁性層の間に設けられた非磁性金属層とをさらに有し、
   前記第１の磁性層は、実質的に磁化方向が固定された第１の固定層であり、
   前記第２の磁性層は、磁化方向が反転する記録層であり、
   前記第３の磁性層は、実質的に磁化方向が固定された第２の固定層であり、
   前記出力信号は、電圧で検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録装置の読み出し方法。
6. 前記磁気抵抗効果素子は、第３の磁性層と前記第１及び第３の磁性層の間に設けられた非磁性金属層とをさらに有し、
   前記第１の磁性層は、磁化方向が反転する記録層であり、
   前記第２の磁性層は、実質的に磁化方向が固定された第１の固定層であり、
   前記第３の磁性層は、実質的に磁化方向が固定された第２の固定層であり、
   前記出力信号は、電流で検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録装置の読み出し方法。

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