JP4380707B2 - 記憶素子 - Google Patents

Description

本発明は、磁性体の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成り、電流を流すことにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子に係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。

情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子に対して、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。
特に、不揮発性メモリは、機器の高機能化に必要不可欠な部品と考えられている。

不揮発性メモリとしては、半導体フラッシュメモリやＦｅＲＡＭ（強誘電体不揮発メモリ）等が実用化されており、さらなる高性能化に向けて活発な研究開発が行われている。

最近、磁性体を利用した新しい不揮発メモリとして、トンネル磁気抵抗効果を利用したＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）の開発進捗が著しく、注目を集めている（例えば、非特許文献１参照）。

このＭＲＡＭは、情報の記録を行う微小な記憶素子を規則的に配置し、その各々にアクセスできるように、配線例えばワード線及びビット線を設けた構造を有している。
それぞれの磁気メモリ素子は、情報を強磁性体の磁化の向きとして記録させる記憶層を有して構成される。

そして、磁気メモリ素子の構成としては、上述の記憶層と、トンネル絶縁膜（非磁性スペーサ膜）と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成る、いわゆる磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）を用いた構造が採用されている。磁化固定層の磁化の向きは、例えば反強磁性層を設けることにより固定することができる。

このような構造においては、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとのなす角度に応じて、トンネル絶縁膜を流れるトンネル電流に対する抵抗値が変化する、いわゆるトンネル磁気抵抗効果を生じるため、このトンネル磁気抵抗効果を利用して、情報の書き込み（記録）を行うことができる。この抵抗値の大きさは、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとが反平行であるときに最大値をとり、平行であるときに最小値をとる。

このように構成した磁気メモリ素子において、磁気メモリ素子への情報の書き込み（記録）は、ワード線及びビット線の両方に電流を流すことにより発生する合成電流磁界により、磁気メモリ素子の記憶層の磁化の向きを制御することにより行うことができる。一般的には、このときの磁化の向き（磁化状態）の違いを、「０」情報と「１」情報とにそれぞれ対応させて記憶させる。
そして、記憶素子に情報の記録（書き込み）を行う方法には、アステロイド特性を利用した方法（例えば、特許文献１参照）とスイッチング特性を利用した方法（例えば、特許文献２参照）がある。
一方、記録された情報の読み出しは、トランジスタ等の素子を用いてメモリセルの選択を行い、磁気メモリ素子のトンネル磁気抵抗効果を利用して、記憶層の磁化の向きの違いを電圧信号の差として検出することにより、記録された情報を検知することができる。

このＭＲＡＭを他の不揮発メモリと比較した場合、最大の特長は、強磁性体から成る記憶層の磁化の向きを反転させることにより、「０」情報と「１」情報とを書き換えるため、高速かつほぼ無限(＞１０^１５回)の書き換えが可能であることである。

しかしながら、ＭＲＡＭにおいては、記録された情報を書き換えるために、比較的大きい電流磁界を発生させる必要があり、アドレス配線にある程度大きい（例えば数ｍＡ〜数十ｍＡ）電流を流さなければならない。そのため消費電力が大きくなる。

また、ＭＲＡＭにおいては、書き込み用のアドレス配線と読み出し用のアドレス配線をそれぞれ必要とするため、構造的にメモリセルの微細化が困難であった。
さらに、素子の微細化に従って、アドレス配線も細くなり、充分な電流を流すことが難しくなる問題や、保磁力が大きくなるため必要となる電流磁界が増大して、消費電力が増えてしまう問題等を、生じることになる。
従って、素子の微細化が困難であった。

そこで、この問題を解決するための一つの方法として、電流磁界によらないで記録を行う構成が研究されており、なかでも、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピントランスファによる磁化反転を利用する構成のメモリが注目されている（例えば、特許文献３参照）。
スピントランスファ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（例えば、特許文献４参照）。
即ち、磁化の向きが固定された磁性層（磁化固定層）を通過したスピン偏極電子が、磁化の向きが固定されない他の磁性層（磁化自由層）に進入する際に、この磁性層の磁化にトルクを与えるという現象である。そして、ある閾値以上の電流を流せば、磁性層（磁化自由層）の磁化の向きを反転させることができる。

例えば、磁化固定層と磁化自由層とを有する、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）や磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。

これにより、磁化固定層と磁化自由層（記憶層）とを有する記憶素子を構成し、記憶素子に流す電流の極性を変えることにより、記憶層の磁化の向きを反転させ、「０」情報と「１」情報との書き換えを行う。
記録された情報の読み出しは、磁化固定層と磁化自由層（記憶層）との間にトンネル絶縁層を設けた構成とすることにより、ＭＲＡＭと同様にトンネル磁気抵抗効果を利用することができる。

そして、スピントランスファによる磁化反転は、素子が微細化されても、電流を増やさずに磁化反転を実現することができる利点を有している。
磁化反転のために記憶素子に流す電流の絶対値は、例えば０．１μｍ程度のスケールの記憶素子で１ｍＡ以下であり、しかも記憶素子の体積に比例して減少するため、スケーリング上有利である。

しかも、ＭＲＡＭで必要であった記録用ワード線が不要となるため、メモリセルの構成が単純になるという利点もある。

以下、スピントランスファを利用した記憶素子をＳｐＲＡＭ(Spin transfer Random Access Memory)と呼び、スピントランスファを引き起こすスピン偏極電子流をスピン注入電流(Spin injection current)と呼ぶことにする。

高速かつ書換え回数がほぼ無限大であるというＭＲＡＭの利点を保ったまま、低消費電力化、大容量化を可能とした不揮発メモリとして、ＳｐＲＡＭには大きな期待が寄せられている。

ここで、従来のスピントランスファを使用するメモリ（ＳｐＲＡＭ）のメモリセルの模式的断面図を図６に示す。
メモリセルに記録された情報を読み出すために、メモリセルを電気的に選択するためには、ダイオードまたはＭＯＳトランジスタ等を用いることができるが、図６に示すメモリセルはＭＯＳトランジスタを用いている。

まず、ＳｐＲＡＭのメモリセルを構成する記憶素子１０１の構成を説明する。
強磁性層１１２及び強磁性層１１４は、非磁性層１１３を介して配置されていることにより、反強磁性結合している。さらに、下層側の強磁性層１１２は、反強磁性層１１１と接して配置されており、これらの層間に働く交換相互作用によって、強い一方向の磁気異方性を有する。そして、これら４層１１１，１１２，１１３，１１４により磁化固定層１０２が構成される。即ち、磁化固定層１０２は、２層の強磁性層１１２，１１４を有している。
強磁性層１１６は、その磁化Ｍ１の向きが比較的容易に回転するように構成されており、この強磁性層１１６によって記憶層（磁化自由層）１０３が構成される。
磁化固定層１０２の強磁性層１１４と強磁性層１１６との間、即ち磁化固定層１０２と記憶層（磁化自由層）１０３との間には、トンネル絶縁層１１５が形成されている。このトンネル絶縁層１１５は、上下の磁性層１１６及び１１４の磁気的結合を切ると共に、トンネル電流を流す役割を担う。これにより、磁性層の磁化の向きが固定された磁化固定層１０２と、トンネル絶縁層１１５と、磁化の向きを変化させることが可能な記憶層（磁化自由層）１０３とにより、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子が構成されている。
そして、上述の各層１１１〜１１６と、下地膜１１０及びトップコート層１１７により、ＴＭＲ素子から成る記憶素子１０１が構成されている。

また、シリコン基板１２０中に選択用ＭＯＳトランジスタ１２１が形成され、この選択用ＭＯＳトランジスタ１２１の一方の拡散層１２３上に接続プラグ１０７が形成されている。この接続プラグ１０７上に、記憶素子１０１の下地膜１１０が接続されている。選択用ＭＯＳトランジスタ１２１のもう一方の拡散層１２２は、図示しないが、接続プラグを介してセンス線に接続されている。選択用ＭＯＳトランジスタのゲート１０６は、選択信号線と接続されている。
記憶素子１０１のトップコート層１１７は、その上のビット線（ＢＬ）１０５に接続されている。

定常状態において、非磁性層１１３を介した強い反強磁性結合により、強磁性層１１２の磁化Ｍ１１と強磁性層１１４の磁化Ｍ１２は、ほぼ完全な反平行状態にある。
通常、強磁性層１１２と強磁性層１１４とは、飽和磁化膜厚積が等しい構成とされるため、磁極磁界の漏洩成分は無視できるくらい小さい。

そして、トンネル絶縁層１１５を挟む、記憶層１０３の強磁性層１１６の磁化Ｍ１の向きと、磁化固定層１０２の強磁性層１１４の磁化Ｍ１２の向きとが、平行状態にあるか反平行状態にあるかによって、これらの層１１４，１１５，１１６から成るＴＭＲ素子の抵抗値が変化する。２つの磁化Ｍ１，Ｍ１２が平行状態では抵抗値が低くなり、反平行状態では抵抗値が高くなる。ＴＭＲ素子（１１４，１１５，１１６）の抵抗値が変化すると、記憶素子１０１全体の抵抗値も変化する。このことを利用して、情報を記録することや、記録した情報を読み出すことができる。即ち、例えば、抵抗値が低い状態を「０」情報に割り当て、抵抗値が高い状態を「１」情報に割り当てることにより、２値（１ビット）の情報を記録することができる。
なお、磁化固定層１０２のうち記憶層１０３側の強磁性層１１４は、記録した情報を読み出す際に、記憶層１０３の磁化Ｍ１の向きの基準となり参照される強磁性層であるため、参照層とも称される。
メモリセルの情報を書き換えたり、メモリセルに記録した情報を読み出したりするためには、スピン注入電流Ｉｚを流す必要がある。このスピン注入電流Ｉｚは、記憶素子１０１及び拡散層１２３及びビット線１０５を通過する。

このスピン注入電流Ｉｚの極性を変えることにより、記憶素子１０１を流れるスピン注入電流Ｉｚを、上向きから下向きに、或いは下向きから上向きに、変えることができる。
これにより、記憶素子１０１の記憶層１０３の磁化Ｍ１の向きを変化させて、メモリセルの情報を書き換えることができる。

ところで、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させるために、記憶素子にスピン注入電流を流すだけでなく、記憶素子の他にバイアス電流磁界を印加するＳｐＲＡＭの構成が提案されている（特許文献５参照）。
具体的には、例えば図６に示す構成において、ビット線１０５を通じて記憶素子１０１にスピン注入電流Ｉｚを流すと共に、ビット線１０５を流れる電流（スピン注入電流Ｉｚに等しい）により発生したバイアス電流磁界Ｈｘ（図示せず）を、記憶素子１０１の記憶層１０３に印加する。
これにより、記憶層１０３の磁化Ｍ１の向きを、効率良く変化させることが可能になる。

以下、スピン注入電流Ｉｚを縦軸にして、バイアス電流磁界Ｈｘを横軸にして、メモリセルの状態を表現した状態図を、ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍと呼ぶ。なお、スピン注入電流Ｉｚや、バイアス電流磁界Ｈｘを発生させるバイアス電流を、パルス電流とする場合には、パルス電流の波高値を用いてｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍを作製する。

J.Nahas et al.,IEEE/ISSCC 2004 Visulas Supplement,p.22 特開平１０−１１６４９０号公報 米国特許出願公開第２００３／００７２１７４号明細書 米国特許第５６９５８６４号明細書 特開２００３−１７７８２号公報 特開２００５−２７７１４７号公報

図６に示した構成の記憶素子１０１において、記憶層（磁化自由層）１０３の磁化Ｍ_free（＝Ｍ１）に作用するスピントルクの大きさは、ベクトル三重積Ｍ_free×Ｍ_free×Ｍ_refに比例する。ただし、Ｍ_refは、参照層（強磁性層）１１４の磁化（＝Ｍ１２）である。
初期状態では、記憶層（磁化自由層）１０３の磁化Ｍ_freeと参照層（強磁性層）１１４の磁化Ｍ_refとが反平行状態にあるので、最初に作用するスピントルクは非常に小さい。
このようにスピントルクが小さいため、磁化反転電流が大きくなる。

一般的なｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍは、ヒステリシス領域と、初期磁化状態に関わらずメモリセルを低抵抗状態即ち０状態にする領域（０状態の領域）と、初期磁化状態に関わらずメモリセルを高抵抗状態即ち１状態にする領域（１状態の領域）と、前述した３領域が混在した不安定動作領域とを含む。
ＳｐＲＡＭが現実的な余裕（動作マージン）を有するメモリとして機能するためには、３つの領域（ヒステリシス領域、０状態の領域、及び１状態の領域）が充分に広く独立して存在している必要がある。
ヒステリシス領域を、双安定動作領域とも呼ぶことができる。また、０状態の領域及び１状態の領域を、単安定動作領域とも呼ぶことができる。

ここで、図６に示した記憶素子１０１において、測定したｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍの一例を、図７に示す。図７は、スピン注入電流Ｉｚの電流パルスのパルス幅を１ｎｓ（ナノ秒）とした場合である。
この図７に示すｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍは、スピン注入電流Ｉｚのパルス波高値を縦軸に、バイアス電流磁界Ｈｘのパルス波高値を横軸にして、メモリセルの状態を示した状態図である。

ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍにおいては、双安定動作領域（ヒステリシス領域８０）と単安定動作領域（０状態の領域８１及び１状態の領域８２）とが分離されていることにより、安定した動作が可能になる。
図７に示すように、図中右上（第一象限）及び左下（第三象限）の端部に、３つの状態８０，８１，８２が混在した不安定動作領域８３が現れている。
このように不安定動作領域８３が現れる場合には、この不安定動作領域８３にかからないように、磁化反転の動作を行う際のスピン注入電流Ｉｚ及びバイアス電流磁界Ｈｘを設定する。
しかしながら、図７に示すｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍでは、双安定動作領域８０が広範囲に現れているため、スピン注入電流Ｉｚ及びバイアス電流磁界Ｈｘを大きくしないと、単安定動作領域８１，８２にかからない。そのため、前述したように、磁化反転電流を大きくする必要があることがわかる。

上述した問題の解決のために、本発明においては、情報の記録を少ない電流量で安定して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、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成であって、磁化固定層の内部に、もしくは、磁化固定層に対して記憶層とは反対の側に、それぞれ積層方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、複数の磁化領域が形成され、磁化固定層を構成する強磁性層の磁化領域以外の領域は、膜面方向であり、かつ一軸異方性を持つ磁化を有し、磁化領域が、磁化固定層の内部に、層状に形成された構造であり、その磁化領域が磁区で分割されているものである。
本発明の他の記憶素子は、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、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成であって、磁化固定層の内部に、もしくは、磁化固定層に対して記憶層とは反対の側に、それぞれ積層方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、複数の磁化領域が形成され、磁化固定層を構成する強磁性層の磁化領域以外の領域は、膜面方向であり、かつ一軸異方性を持つ磁化を有し、磁化領域が、磁化固定層に対して記憶層とは反対の側において、粒子状に分散している構造であるものである。
本発明のさらに他の記憶素子は、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、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成であって、磁化固定層の内部に、もしくは、磁化固定層に対して記憶層とは反対の側に、それぞれ積層方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、複数の磁化領域が形成され、磁化固定層を構成する強磁性層の磁化領域以外の領域は、膜面方向であり、かつ一軸異方性を持つ磁化を有し、磁化領域が、磁化固定層に対して記憶層とは反対の側において、層状に形成された構造であり、その磁化領域が磁区で分割されているものである。

上述の各本発明の記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して非磁性層を介して磁化固定層が設けられ、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成であるので、積層方向に電流を流すことによってスピン注入により記憶層の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、磁化固定層の内部に、もしくは、磁化固定層に対して記憶層とは反対の側に、それぞれ積層方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、複数の磁化領域が形成されていることにより、これら複数の磁化領域から、記憶層の磁化に対して向きの異なる２つのスピントルクが作用する。これにより、少ない電流量で記憶層の磁化の向きを反転することができる。また、スピン注入電流のパルス幅によらず、磁化の向きを変化させるスイッチングを安定して行うことが可能になる。

上述の本発明によれば、少ない電流量で記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。
これにより、情報の記録に要する電力を低減して、消費電力の少ないメモリを実現することができる。

また、スピン注入電流のパルス幅によらず、スイッチングを安定して行うことが可能になることにより、スピン注入電流のパルス幅に対するマージンが広くなる。
これにより、情報の記録を安定して行うことができ、高い信頼性を有する記憶素子を実現することができる。

また、パルス幅に対するマージンが広くなるので、メモリセル毎の特性に若干のばらつきがあっても安定して動作させることができるので、メモリセルの数の多い大容量メモリでも安定して動作させることが可能になる。
即ち、本発明により、安定して動作する記憶容量の大きい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。
スピントランスファを使用するメモリ（ＳｐＲＡＭ）では、記憶層（磁化自由層）の磁化が熱揺らぎに対して安定になるように、充分に大きな異方性が設けられる。

上述の熱揺らぎに対する記憶層の磁化の安定性の度合い、即ち熱安定性の指標は、一般に、熱安定性パラメーター（Δ）で表すことができる。
Δは、Δ＝ＫｕＶ／ｋ_ＢＴ（Ｋｕ：異方性エネルギー、Ｖ：記憶層の体積、ｋ_Ｂ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）で与えられる。

従来のＳｐＲＡＭでは、磁化固定層を構成する強磁性層を薄く形成しているので、飽和磁界Ｈｓが大きくなる。この飽和磁界Ｈｓは、２Ｊ／（Ｍｓ・ｄ）で表すことができる。ただし、Ｊは（複数層の強磁性層が）反強磁性結合した磁化固定層の反強磁性結合の大きさであり、Ｍｓは磁化固定層の各強磁性層の飽和磁化である。
飽和磁界Ｈｓが大きいと、記憶層の磁化の向きを反転させるための電流、即ち磁化反転電流を多くする必要がある。

そして、スピントランスファを使用するメモリ（ＳｐＲＡＭ）において、熱安定性の指標（熱安定性パラメーター）Δをある程度以上確保することと、磁化反転電流を低減することとを、両立することが要求される。

そこで、本願の発明者等が種々の検討を行った結果、磁化固定層もしくは磁化固定層に対して記憶層とは反対の側に存在する層に、それぞれ積層方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、複数の磁化領域を形成することにより、磁化反転電流を低減すると共に、充分な熱安定性を得ることができ、安定したメモリを形成することができることを、見出した。

そして、磁化固定層の強磁性層に、それぞれ積層方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、複数の磁化領域を形成する方法として、その強磁性層中に、粒子状もしくは層状の、積層方向の磁化成分を有する磁性体を挿入することが、有効であることを見出した。

磁化固定層の強磁性層に、それぞれ積層方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、磁化領域を形成することにより、これらの磁化領域から、記憶層に向きの異なる２つのスピントルクが作用する。
これら２つのスピントルクにより、記憶層の磁化の向きを容易に反転させることが可能になるため、少ない電流量で記憶層の磁化の向きを反転することができる。また、スピン注入電流のパルス幅によらず、磁化の向きを変化させるスイッチングを安定して行うことが可能になる。

続いて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
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１に示す。
この記憶素子１は、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子から構成されている。
強磁性層１２及び強磁性層１４が、非磁性層１３を介して配置されていることにより、反強磁性結合している。さらに、強磁性層１２は、反強磁性層１１と接して配置されており、これらの層間に働く交換相互作用によって、強い一方向の磁気異方性を有する。そして、これら４層１１，１２，１３，１４により磁化固定層２が構成される。即ち、磁化固定層２は、２層の強磁性層１２，１４を有している。
強磁性層１６は、その磁化Ｍ１の向きが比較的容易に回転するように構成されており、この強磁性層１６によって記憶層（磁化自由層）３が構成される。
強磁性層１４と強磁性層１６との間、即ち磁化固定層２と記憶層（磁化自由層）３との間には、トンネル絶縁層１５が形成されている。このトンネル絶縁層１５は、上下の磁性層１６及び１４の磁気的結合を切ると共に、トンネル電流を流す役割を担う。これにより、磁性層の磁化の向きが固定された磁化固定層２と、トンネル絶縁層１５と、磁化の向きを変化させることが可能な記憶層（磁化自由層）３とにより、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子が構成されている。
そして、上述の各層１１〜１６と、下地膜１０及びトップコート層１７により、ＴＭＲ素子から成る記憶素子１が構成されている。

非磁性層１３を介した強い反強磁性結合により、強磁性層１２の磁化と強磁性層１４の磁化とは、反平行の向きになっている。
そして、トンネル絶縁層１５を挟む、記憶層３の強磁性層１６の磁化Ｍ１の向きと、磁化固定層２の強磁性層１４の磁化の向きとが、平行状態にあるか反平行状態にあるかによって、これらの層１４，１５，１６から成るＴＭＲ素子の抵抗値が変化する。２つの磁化が平行状態では抵抗値が低くなり、反平行状態では抵抗値が高くなる。ＴＭＲ素子（１４，１５，１６）の抵抗値が変化すると、記憶素子１全体の抵抗値も変化する。このことを利用して、情報を記録することや、記録した情報を読み出すことができる。即ち、例えば、抵抗値が低い状態を「０」情報に割り当て、抵抗値が高い状態を「１」情報に割り当てることにより、２値（１ビット）の情報を記録することができる。
なお、磁化固定層２のうち最も記憶層３に近い強磁性層１４は、記録した情報を読み出す際に、記憶層３の磁化Ｍ１の向きの基準となり参照される強磁性層であるため、参照層とも称される。

メモリセルの情報を書き換えたり、メモリセルに記録した情報を読み出したりするためには、記憶素子１の積層方向にスピン注入電流Ｉｚを流す必要がある。
このスピン注入電流Ｉｚの極性を変えることにより、記憶素子１を流れるスピン注入電流Ｉｚを、上向きから下向きに、或いは下向きから上向きに、変えることができる。
これにより、記憶素子１の記憶層３の磁化Ｍ１の向きを変化させて、メモリセルの情報を書き換えることができる。

なお、本実施の形態の記憶素子１も、図６に示した従来の記憶素子１０１と同様に、シリコン基板に形成した選択用ＭＯＳトランジスタに接続して、メモリセルの読み出しを行う構成とすることができる。
また、配線に記憶素子１を接続して、この配線を通じて記憶素子１の積層方向にスピン注入電流Ｉｚを流す構成とすることができる。

本実施の形態の記憶素子１においては、特に、磁化固定層２の強磁性層１４の内部に、垂直磁気異方性を有する強磁性体２１が、粒子状に分布している。
これにより、強磁性層１４において、強磁性層１４の膜面方向の磁化（図示せず）の他に、積層方向（図１の上下方向）の磁化成分を有する磁化Ｍ２１ａ，Ｍ２１ｂを生じる。
図中の磁化Ｍ２１ａは上向きとなっており、図中の磁化Ｍ２１ｂは下向きとなっており、これらは互いにほぼ逆向きとなっている。

このような上下方向の磁化Ｍ２１ａ，Ｍ２１ｂは、積層方向に磁界を印加して、印加する磁界の大きさを小さくしていき、最終的に消磁することによって得られる。
上向きの磁化Ｍ２１ａと、下向きの磁化Ｍ２１ｂとは、ランダムに現れるが、強磁性層１４の内部の粒子状の強磁性体２１全体では、磁化の総計が相殺される（ゼロになる）。
このときに、強磁性層１２，１４，１６にも積層方向に磁界が加わる。しかし、これらの強磁性層１２，１４，１６の磁化は、膜面方向の形状異方性や積層方向に働く反磁界によって、膜面方向に強固に固定されているため、積層方向への磁界印加を止めた時点で、膜面方向を向く。

積層方向の磁化成分を有する磁化Ｍ２１ａ，Ｍ２１ｂを生じることにより、前述した記憶層３の磁化Ｍ１とのベクトル三重積Ｍ_free×Ｍ_free×Ｍ_refを、初期状態で大きくすることができる。
従って、強磁性体２１の磁化Ｍ２１ａ，Ｍ２１ｂの直上にある記憶層３の磁化Ｍ１の極めて狭い領域に対して、非常に大きいスピントルクが加わる。

記憶層３は、層全体が同じ向きの磁化Ｍ１を有しているため、磁区の境界がなく、図１のように１つの大きい矢印で磁化Ｍ１を表すことができる。
ここで、記憶層３を細かい領域に分けて考えると、分けた個々の領域でそれぞれ磁化Ｍ１を有している。そして、同じ向きの磁化Ｍ１を有する多数の領域が集まって、記憶層３が構成されていると解釈することができる。
磁化固定層２の強磁性層１４内の強磁性体２１によって、互いに逆向きで積層方向の磁化成分を有する磁化Ｍ２１ａ，Ｍ２１ｂが、記憶層３を構成する個々の領域に作用する。
これにより、記憶層３を構成する細かい領域において、その磁化Ｍ１に、図５に示すようなスピントルクが加わる。
図５に示すように、磁化Ｍ１に対して、互いに逆向きのスピントルクＴａ，Ｔｂが作用する。
このスピントルクＴａ，Ｔｂの作用により、記憶層３を構成する細かい領域のそれぞれで、磁化Ｍ１の向きを容易に反転させることができる。
これにより、記憶層３全体においても、その磁化Ｍ１の向きを、容易に反転させることができる。

本実施の形態では、磁化固定層２の強磁性層１４内に、積層方向の磁化成分を有する磁化Ｍ２１ａ，Ｍ２１ｂを生じているが、記憶層３の磁化Ｍ１の向きの制御は、図６に示した記憶素子１０１と同様に、スピン注入電流Ｉｚの向き（極性）によって行うことができる。

本実施の形態において、記憶素子１を構成する各層の材料には、従来の記憶素子と同様の材料を用いることができる。
反強磁性層１１の材料としては、例えばＰｔＭｎを用いることができる。
磁化固定層２の強磁性層１２，１４の材料としては、ＣｏＦｅ等の強磁性材料を用いることができる。
非磁性層１３の材料としては、例えば、Ｒｕ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｃｕ等を用いることができる。
トンネル絶縁層１５の材料としては、例えばＭｇＯを用いることができる。
記憶層３の強磁性層１６の材料としては、ＣｏＦｅＢ等の強磁性材料を用いることができる。

強磁性層１４の内部に分布させる強磁性体２１の材料としては、ＦｅＰｔ，ＣｏＰｔ，ＦｅＴｂＣｏ，ＣｏＰｄ，Ｃｏ−Ｃｒ系材料等の強磁性材料を用いることができる。
そして、例えば、強磁性層１４、１〜２原子層からなる強磁性材料の層、強磁性層１４の順に成膜して、この積層膜を熱処理することにより、強磁性層１４の内部に強磁性体２１が粒子状に分布した構造を作製することができる。

上述の本実施の形態の記憶素子１の構成によれば、磁化固定層２の強磁性層１４の内部に、粒子状の強磁性体２１が分布していることにより、強磁性層１４の内部に、それぞれ積層方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化Ｍ２１ａ，Ｍ２１ｂを有する磁化領域が形成されている。これらの磁化領域によって、記憶層３の磁化Ｍ１に対して、互いに逆向きの大きいスピントルクＴａ，Ｔｂを作用させることができる。
これにより、記憶層３の磁化Ｍ１の向きを容易に反転させることができるので、少ない電流量のスピン注入電流Ｉｚで記憶層３の磁化Ｍ１の向きを反転することができる。
従って、情報の記録に要するスピン注入電流Ｉｚを低減して、消費電力を低減することができる。

例えば、熱安定性の指標Δ＝６０である構成の記憶素子１において、スピン注入電流Ｉｚのパルス幅を１ｎｓ（ナノ秒）と比較的短くしても、０．３ｍＡ以下の小さい電流量で磁化反転が可能になる。
これに対して、図６に示した従来の構成の記憶素子１０１において、熱安定性の指標Δ＝６０である構成とすると、パルス幅１ｎｓで磁化反転させるためには、２ｍＡ以上の電流量が必要となる。

また、本実施の形態の記憶素子１によれば、記憶層３の磁化Ｍ１に対して、互いに逆向きの大きいスピントルクＴａ，Ｔｂを作用させることができるため、スピン注入電流Ｉｚのパルス幅によらず、安定してスイッチングを行うことが可能になる。
これにより、情報の記録を安定して行うことができ、高い信頼性を有する記憶素子１を実現することができる。
また、スピン注入電流Ｉｚのパルス幅に対するマージンが広くなるため、メモリセル毎の特性に若干のばらつきがあっても安定して動作させることができ、メモリセルの数の多い大容量メモリでも安定して動作させることが可能になる。

従って、図１に示す記憶素子１から成るメモリセルを多数有するメモリを構成することにより、消費電力が少なく、かつ安定して動作する記憶容量の大きいメモリを実現することができる。

続いて、本発明の他の実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を、図２に示す。
本実施の形態の記憶素子２０は、特に、磁化固定層２の強磁性層１４に、積層方向（図２の上下方向）の磁化成分を有する強磁性層として、垂直磁化層２２が挿入されている構成である。
この垂直磁化層２２は、磁区で分割され、それぞれの磁区に、上向きの磁化Ｍ２２ａを有する磁化領域と、下向きの磁化Ｍ２２ｂを有する磁化領域とが、交互に形成されて成る。

垂直磁化層２２の上下方向の磁化Ｍ２２ａ，Ｍ２２ｂをそれぞれ有する磁化領域は、積層方向に磁界を印加して、印加する磁界の大きさを小さくしていき、最終的に消磁することによって得られる。

その他の構成は、先の実施の形態の記憶素子１と同様であるので、同一符号を付して、重複説明を省略する。

積層方向の磁化成分を有する磁化Ｍ２２ａ，Ｍ２２ｂをそれぞれ有する磁化領域が形成されていることにより、前述した記憶層３の磁化Ｍ１とのベクトル三重積Ｍ_free×Ｍ_free×Ｍ_refを、初期状態で大きくすることができる。
従って、垂直磁化層２２の磁化Ｍ２２ａ，Ｍ２２ｂの直上にある記憶層３の磁化Ｍ１の極めて狭い領域に対して、非常に大きいスピントルクが加わる。

磁化固定層２の強磁性層１４内の垂直磁化層２２によって、互いに逆向きで積層方向の磁化成分を有する磁化Ｍ２２ａ，Ｍ２２ｂが、記憶層３を構成する個々の領域に作用する。
これにより、先の実施の形態の記憶素子１と同様に、記憶層３を構成する細かい領域において、その磁化Ｍ１に、図５に示すようなスピントルクが加わる。
図５に示すように、磁化Ｍ１に対して、互いに逆向きのスピントルクＴａ，Ｔｂが作用する。
このスピントルクＴａ，Ｔｂの作用により、記憶層３を構成する細かい領域のそれぞれで、磁化Ｍ１の向きを容易に反転させることができる。
これにより、記憶層３全体においても、その磁化Ｍ１の向きを、容易に反転させることができる。

本実施の形態でも、磁化固定層２の強磁性層１４内に、積層方向の磁化成分を有する磁化Ｍ２２ａ，Ｍ２２ｂを生じているが、記憶層３の磁化Ｍ１の向きの制御は、図６に示した記憶素子１０１と同様に、スピン注入電流Ｉｚの向き（極性）によって行うことができる。

垂直磁化層２２の材料としては、ＦｅＰｔ，ＣｏＰｔ，ＦｅＴｂＣｏ，ＣｏＰｄ，Ｃｏ−Ｃｒ系材料等の強磁性材料を用いることができる。

上述の本実施の形態の記憶素子２０の構成によれば、磁化固定層２の強磁性層１４に、積層方向の磁化成分を有する強磁性層として、垂直磁化層２２が挿入され、この垂直磁化層２２において、上向きの磁化Ｍ２２ａを有する磁化領域と、下向きの磁化Ｍ２２ｂを有する磁化領域とが、即ち、互いに磁化が逆向きの複数の磁化領域が形成されている。
これらの磁化領域によって、先の実施の形態の記憶素子１と同様に、記憶層３の磁化Ｍ１に対して、互いに逆向きの大きいスピントルクＴａ，Ｔｂを作用させることができる。
これにより、記憶層３の磁化Ｍ１の向きを容易に反転させることができるので、少ない電流量のスピン注入電流Ｉｚで記憶層３の磁化Ｍ１の向きを反転することができる。
従って、情報の記録に要するスピン注入電流Ｉｚを低減して、消費電力を低減することができる。

また、本実施の形態の記憶素子２０によれば、記憶層３の磁化Ｍ１に対して、互いに逆向きの大きいスピントルクＴａ，Ｔｂを作用させることができるため、スピン注入電流Ｉｚのパルス幅によらず、安定してスイッチングを行うことが可能になる。
これにより、情報の記録を安定して行うことができ、高い信頼性を有する記憶素子２０を実現することができる。
また、スピン注入電流Ｉｚのパルス幅に対するマージンが広くなるため、メモリセル毎の特性に若干のばらつきがあっても安定して動作させることができ、メモリセルの数の多い大容量メモリでも安定して動作させることが可能になる。

従って、図２に示す記憶素子２０から成るメモリセルを多数有するメモリを構成することにより、消費電力が少なく、かつ安定して動作する記憶容量の大きいメモリを実現することができる。

続いて、本発明のさらに他の実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を、図３に示す。
本実施の形態の記憶素子３０は、特に、磁化固定層２の反強磁性層１１の下層に、積層方向の磁化成分を有する強磁性層として、垂直磁化層２３が形成されている構成である。
この強磁性層２３は、下地層１０と反強磁性層１１との間に設けられ、磁区で分割されており、それぞれの磁区に、上向きの磁化Ｍ２３ａを有する磁化領域と、下向きの磁化Ｍ２３ｂを有する磁化領域とが、交互に形成されて成る。

垂直磁化層２３の上下方向の磁化Ｍ２３ａ，Ｍ２３ｂをそれぞれ有する磁化領域は、積層方向に磁界を印加して、印加する磁界の大きさを小さくしていき、最終的に消磁することによって得られる。

一方、磁化固定層２の強磁性層１４には、積層方向の磁化成分を有する磁化領域が形成されていない。
その他の構成は、先の各実施の形態の記憶素子１，２０と同様であるので、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施の形態では、垂直磁化層２３が磁化固定層２の反強磁性層１１より下層に存在し、記憶層３と垂直磁化層２３の間にいくつかの層１１〜１４が存在しているが、これら間の各層１１〜１４の厚さの総計が、電子のスピン偏極が保存される距離以内であれば、図１や図２に示した先の各実施の形態の記憶素子１，２０と同等の効果を得ることができる。

そして、垂直磁化層２３において、積層方向の磁化成分を有する磁化Ｍ２３ａ，Ｍ２３ｂをそれぞれ有する磁化領域が形成されていることにより、前述した記憶層３の磁化Ｍ１とのベクトル三重積Ｍ_free×Ｍ_free×Ｍ_refを、初期状態で大きくすることができる。
従って、垂直磁化層２３の磁化Ｍ２３ａ，Ｍ２３ｂの直上にある記憶層３の磁化Ｍ１の極めて狭い領域に対して、非常に大きいスピントルクが加わる。

磁化固定層２の下方の垂直磁化層２３によって、互いに逆向きで積層方向の磁化成分を有する磁化Ｍ２３ａ，Ｍ２３ｂが、記憶層３を構成する個々の領域に作用する。

これにより、先の実施の形態の記憶素子１と同様に、記憶層３を構成する細かい領域において、その磁化Ｍ１に、図５に示すようなスピントルクが加わる。
図５に示すように、磁化Ｍ１に対して、互いに逆向きのスピントルクＴａ，Ｔｂが作用する。
このスピントルクＴａ，Ｔｂの作用により、記憶層３を構成する細かい領域のそれぞれで、磁化Ｍ１の向きを容易に反転させることができる。
これにより、記憶層３全体においても、その磁化Ｍ１の向きを、容易に反転させることができる。

本実施の形態でも、記憶層３の磁化Ｍ１の向きの制御は、図６に示した記憶素子１０１と同様に、スピン注入電流Ｉｚの向き（極性）によって行うことができる。

垂直磁化層２３の材料としては、ＦｅＰｔ，ＣｏＰｔ，ＦｅＴｂＣｏ，ＣｏＰｄ，Ｃｏ−Ｃｒ系材料等の強磁性材料を用いることができる。

上述の本実施の形態の記憶素子３０の構成によれば、磁化固定層２より下方の、磁化固定層２（反強磁性層１１）と下地膜１０との間に、積層方向の磁化成分を有する強磁性層として、垂直磁化層２３が形成され、この垂直磁化層２３において、上向きの磁化Ｍ２３ａを有する磁化領域と、下向きの磁化Ｍ２３ｂを有する磁化領域とが、即ち、互いに磁化が逆向きの複数の磁化領域が形成されている。
これらの磁化領域によって、先の各実施の形態の記憶素子１，２０と同様に、記憶層３の磁化Ｍ１に対して、互いに逆向きの大きいスピントルクＴａ，Ｔｂを作用させることができる。
これにより、記憶層３の磁化Ｍ１の向きを容易に反転させることができるので、少ない電流量のスピン注入電流Ｉｚで記憶層３の磁化Ｍ１の向きを反転することができる。
従って、情報の記録に要するスピン注入電流Ｉｚを低減して、消費電力を低減することができる。

また、本実施の形態の記憶素子３０によれば、記憶層３の磁化Ｍ１に対して、互いに逆向きの大きいスピントルクＴａ，Ｔｂを作用させることができるため、スピン注入電流Ｉｚのパルス幅によらず、安定してスイッチングを行うことが可能になる。
これにより、情報の記録を安定して行うことができ、高い信頼性を有する記憶素子３０を実現することができる。
また、スピン注入電流Ｉｚのパルス幅に対するマージンが広くなるため、メモリセル毎の特性に若干のばらつきがあっても安定して動作させることができ、メモリセルの数の多い大容量メモリでも安定して動作させることが可能になる。

従って、図３に示す記憶素子３０から成るメモリセルを多数有するメモリを構成することにより、消費電力が少なく、かつ安定して動作する記憶容量の大きいメモリを実現することができる。

なお、上述の各実施の形態では、磁化固定層２の強磁性層の磁化の向きを反強磁性層１１で固定しているが、本発明は、反強磁性層を設けないで磁化固定層の磁化の向きが固定された構成や、硬磁性層と強磁性層とを積層させることにより磁化固定層の磁化の向きが固定された構成も可能である。
このうち、図３に示した実施の形態の構成を変形して、反強磁性層を設けないで磁化固定層の磁化の向きが固定された構成とした場合を、次に示す。

続いて、本発明のさらに別の実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を、図４に示す。
図４に示す記憶素子４０は、図３に示した記憶素子３０から、反強磁性層１１を除いた構成であり、磁化固定層２の下層の強磁性層１２と、下地膜１０との間に、垂直磁化層２３を設けている。
この記憶素子４０も、図３に示した記憶素子３０と同様の効果を有する。

なお、図３及び図４に示した記憶素子３０，４０の構成に対して、垂直磁化層２３の代わりに、図１に示した記憶素子１と同様の粒子状の強磁性体２１を設けることも可能であり、本発明はそのような構成も含む。

上述の各実施の形態では、上向きの磁化Ｍ２１ａ，Ｍ２２ａ，Ｍ２３ａ及び下向きの磁化Ｍ２１ｂ，Ｍ２２ｂ，Ｍ２３ｂ、即ち記憶素子１の各層の積層方向（膜面方向に垂直な方向）の磁化を有する磁化領域をそれぞれ形成していたが、膜面方向に対して斜めの磁化を有する磁化領域を形成しても良い。この場合、磁化の向きを斜め上向きと斜め下向きとして、積層方向の磁化成分が上向きと下向きの逆向きになるようにする。

上述の各実施の形態では、磁化固定層２を記憶層３より下層に形成しているので、強磁性層１４の内部の積層方向の磁化成分を有する磁化領域が、記憶層３よりも下層側に配置されている。
これに対して、磁化固定層を記憶層より上層に形成して、磁化領域を記憶層よりも上層側（磁化固定層の記憶層とは反対の側）に配置した構成としても良い。
また、記憶層の上下にそれぞれ磁化固定層を形成して、両方又は一方の磁化固定層において、磁化領域を記憶層とは反対の側に配置した構成としても良い。

上述の各実施の形態では、非磁性層１３を介した２層の強磁性層１２，１４から磁化固定層２が構成されているが、本発明では、単層又は３層以上の強磁性層により磁化固定層を構成しても良い。そして、磁化固定層の、単層の強磁性層の内部、もしくは、３層以上のうちの１層以上の強磁性層の内部に、積層方向の磁化成分を有する磁化領域を形成すれば良い。

上述の各実施の形態では、記憶層３を単層の強磁性層１６により構成しているが、本発明では、記憶層を、強磁性結合或いは反強磁性結合した、複数層の強磁性層により構成しても良い。複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層した構成や、複数層の強磁性層が直接積層した構成（この構成の場合、隣接する強磁性層は材料又は組成が異なる）が考えられる。

なお、本発明では、上述した各実施の形態のトンネル絶縁層１５の代わりに、非磁性の中間層を設けて、ＧＭＲ素子構造とすることも可能である。
上述した各実施の形態のように、ＴＭＲ素子構造とした方が、大きいＭＲ比を確保することができる。

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。

本発明の一実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。 本発明の他の実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。 本発明のさらに他の実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。 本発明のさらに別の実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。 図１〜図４の記憶層の磁化に加わるスピントルクを示す図である。 従来のスピントランスファを利用するメモリのメモリセルの模式的断面図である。 図６の記憶素子のｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍである。

符号の説明

１，２０，３０，４０ 記憶素子、２ 磁化固定層、３ 記憶層（磁化自由層）、１０ 下地膜、１１ 反強磁性層、１２，１４，１６ 強磁性層、１３ 非磁性層、１５ トンネル絶縁層、２１ 強磁性体、２２，２３ 垂直磁化層

Claims (3)

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、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、
   積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子であって、
   前記磁化固定層の内部に、もしくは、前記磁化固定層に対して前記記憶層とは反対の側に、それぞれ積層方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、複数の磁化領域が形成され、
   前記磁化固定層を構成する強磁性層の前記磁化領域以外の領域は、膜面方向であり、かつ一軸異方性を持つ磁化を有し、
   前記磁化領域が、前記磁化固定層の内部に、層状に形成された構造であり、その磁化領域が磁区で分割されている
   記憶素子。
2. 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、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、
   積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子であって、
   前記磁化固定層の内部に、もしくは、前記磁化固定層に対して前記記憶層とは反対の側に、それぞれ積層方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、複数の磁化領域が形成され、
   前記磁化固定層を構成する強磁性層の前記磁化領域以外の領域は、膜面方向であり、かつ一軸異方性を持つ磁化を有し、
   前記磁化領域が、前記磁化固定層に対して前記記憶層とは反対の側において、粒子状に分散している構造である
   記憶素子。
3. 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、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、
   積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子であって、
   前記磁化固定層の内部に、もしくは、前記磁化固定層に対して前記記憶層とは反対の側に、それぞれ積層方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、複数の磁化領域が形成され、
   前記磁化固定層を構成する強磁性層の前記磁化領域以外の領域は、膜面方向であり、かつ一軸異方性を持つ磁化を有し、
   前記磁化領域が、前記磁化固定層に対して前記記憶層とは反対の側において、層状に形成された構造であり、その磁化領域が磁区で分割されている
   記憶素子。

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