JP4438806B2

JP4438806B2 - メモリ

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Publication number: JP4438806B2
Application number: JP2007041500A
Authority: JP
Inventors: 豊肥後; 実五十嵐; 政功細見; 広之大森; 哲也山元; 一陽山根; 雄紀大石; 博司鹿野
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Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2010-03-24
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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を備えたメモリに係わり、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、いっそう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５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５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５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。

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

しかしながら、図５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とが平行状態又は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。

そして、磁化反転電流が大きくなることにより、記憶層の磁化の向きを反転させるために要するスピン注入電流が大きくなる。このため、メモリセルの情報を書き換えるために要する消費電力が大きくなり、メモリセルを駆動させるための消費電力が大きくなってしまう。

上述した問題の解決のために、本発明においては、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記憶素子を備えたメモリを提供するものである。

本発明のメモリは情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、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記憶素子を備え、記憶素子は、磁化固定層の両端部の近傍に、２本の金属配線が設けられている構成であり、２本の金属配線に、同方向の電流を流すことにより、磁化固定層を構成する複数層の強磁性層のうち少なくとも最も記憶層側に配置された強磁性層の両端部において、それぞれ積層方向の磁化成分であり、かつ向きが互いに異なる磁化成分である、磁化領域が形成されることを特徴とする。

本発明のメモリによれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、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記憶素子と、この記憶素子の積層方向に流す電流を供給する配線とを備え、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であることにより、配線を通じて記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、磁化固定層の両端部の近傍に設けられた、２本の金属配線に同方向の電流を流すことにより、磁化固定層を構成する強磁性層の両端部に積層方向の磁化成分が発生するため、記憶層に対して向きの異なる２つのスピントルクを作用させることができ、少ない電流量で情報の記録を行うことができる。

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。

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、非磁性層を介して複数の強磁性層が積層され、反強磁性結合した磁化固定層において、少なくとも記憶層に最も近い強磁性層の両端部に、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を有する、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の両端部に、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を有する、磁化領域を形成するには、磁化固定層の両端部の近傍に金属配線を配置させ、それぞれの金属配線に電流を流すことにより、磁化固定層の強磁性層に電流磁界を作用させることが有効であることを見出した。
このとき、電流磁界を作用させることにより、磁化固定層の強磁性層の両端部において、それぞれ互いに向きの異なる積層方向の磁化成分を発生させ、この積層方向の磁化成分を記憶層の磁化に作用させることが有効である。

そして、磁化固定層の強磁性層の両端部に、それぞれ積層方向の磁化成分を有する磁化領域を形成するためには、磁化固定層の両端部の近傍に計２本の金属配線を配置することが必要である。そして、形成された磁化領域が、磁化固定層の両端部において互いに異なる向きの磁化を有するために、２本の金属配線には同方向の電流を流すことが必要である。
金属配線は、磁化固定層の強磁性層の磁化方向に直交するように配置されることが好ましい。また、金属配線は、磁化固定層に平行な面内に配置されることが好ましい。

２本の金属配線に、それぞれ同方向の電流を流すことによって、磁化固定層の強磁性層の両端部に、それぞれ積層方向の磁化成分を発生させ、かつ向きが互いに異なる磁化を発生させることにより、これら両端部の磁化領域から、記憶層の両端部に向きの異なる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。

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Ｍ１１と強磁性層１４の磁化Ｍ１２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１４，１５，１６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（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５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、上述のＴＭＲ素子に加えて、磁化固定層２の両端部の近傍において、紙面の法線方向に延びる金属配線２０，２１が配置されている。
この金属配線２０，２１は、記憶素子１の近傍において、同一方向の電流が流れる構成である。
また、金属配線２０，２１は、記憶素子１の両端部の近傍であって、磁化固定層２に接しない位置であり、かつ、金属配線２０，２１で発生する電流磁界が磁化固定層２に積層方向の磁化成分を発生させることができる位置に、配置することができる。例えば、記憶素子１の磁化固定層２の両端部の近傍であって、磁化固定層２の磁化方向に対して直交する方向や、磁化方向に対して平行な方向に、延びる金属配線を配置することができる。また、記憶素子１の磁化固定層２に平行な面内に金属配線を配置することができる。

図１において、電流Ｉｚを流したときに、記憶層３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１４の磁化（＝Ｍ１２）である。
初期状態では、記憶層３の磁化Ｍ_freeと参照層１４の磁化Ｍ_refとが平行もしくは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。このような場合には、磁化反転電流が大きくなる。

本実施の形態の記憶素子１においては、金属配線２０，２１に同一方向の電流を流すことにより、強磁性層１２，１４の両端部において、それぞれ互いに向きが異なる積層方向の磁化成分を発生させる。そして、この積層方向の磁化成分を発生させることによって、記憶層３の磁化Ｍ１に作用するスピントルクを大きくし、磁化反転電流を小さくすることができる。

ここで、金属配線２０，２１は記憶素子１の磁化固定層２に対して平行な面内に配置されていることが好ましい。また、金属配線２０，２１の延びる方向が、磁化固定層２の磁化方向と直交していることが好ましい。
金属配線２０，２１が磁化固定層２に平行な面内に配置されていることにより、また、金属配線２０，２１と磁化固定層２の磁化方向とが直交していることにより、金属配線２０，２１の周囲に発生する電流磁界が、磁化固定層２の強磁性層１２，１４に対して作用しやすくなる。このため、積層方向の磁化成分が発生しやすく、また、発生する積層方向の磁化成分が強くなるため、記憶層３の磁化に作用するスピントルクを大きくすることができる。そして、磁化反転電流を小さくすることができる。

なお、金属配線２０，２１は、独立した２本の配線が記憶素子１の近傍に設けられている構成でもよく、また、記憶素子１の周囲において、１本の配線を分岐させて記憶素子１の近傍に２本の金属配線を設ける構成としてもよい。

次に、図２に、それぞれ平行な電流Ｉａ、Ｉｂを流した際の磁化固定層２の磁化の状態を示す。
図２に示すように、２本の金属配線２０，２１に、図面の表側から裏側へ平行な電流Ｉａ、Ｉｂを流した場合、金属配線２０，２１の周りに、図２において破線で示すように時計周りの電流磁界２０ａ，２１ａがそれぞれ発生する。
このとき、磁化固定層２の内部における電流磁界２０ａ，２１ａは、２本の金属配線２０，２１のそれぞれによって発生する２つの電流磁界２０ａ，２１ａの合成磁界となる。

２本の金属配線２０，２１によって発生する電流磁界２０ａ，２１ａは、金属配線から遠くなるにつれて徐々に小さくなる傾向にある。このため、磁化固定層２の金属配線２０に近い側（左側）では金属配線２０によって発生した下向きの電流磁界２０ａの影響を強く受け、反対に、磁化固定層２の金属配線２１に近い側（右側）では金属配線２１によって発生した上向きの電流磁界２１ａの影響を強く受ける。
一方、磁化固定層２の中央付近においては、２つの電流磁界２０ａ，２１ａの大きさがほぼ同じであり、かつ向きが反対であるために、２つの電流磁界２０ａ，２１ａが相殺される。

この結果、磁化固定層２内部での磁化構造は、図２に示したような構造となる。
すなわち、磁化固定層２の２つの強磁性層１２の磁化Ｍ１１及び強磁性層１４の磁化Ｍ１２の両端部において、上向の磁化成分Ｍ１１ａ，Ｍ１２ａ、又は、下向きの磁化成分Ｍ１１ｂ，Ｍ１２ｂが発生する。この上向又は下向きの磁化成分Ｍ１１ａ，１１ｂ，Ｍ１２ａ，Ｍ１２ｂは、磁化Ｍ１１及び磁化Ｍ１２の磁化の方向から積層方向までの角度を有している。

磁化固定層２の金属配線２０に近い側（左側）では、金属配線２０によって発生した下向きの電流磁界２０ａの影響を強く受けるため、下向きの磁化成分Ｍ１１ｂ，Ｍ１２ｂが発生する。そして、磁化固定層２の金属配線２１に近い側（右側）では金属配線２１によって発生した上向きの電流磁界２１ａの影響を強く受けるため、上向きの磁化成分Ｍ１１ａ，Ｍ１２ａが発生する。これらの上向きの磁化成分Ｍ１１ａ，Ｍ１２ａ及び下向きの磁化成分Ｍ１１ｂ，Ｍ１２ｂは、磁化固定層２の両端部においては互いにほぼ逆向きとなっている。
また、磁化固定層２の中央付近においては、２つの電流磁界２０ａ，２１ａが相殺されるため、積層方向の磁化成分が生じない。

上述のように、磁化固定層２の両端側で、積層方向の磁化成分を生じることにより、特に、磁化固定層２の強磁性層１２，１４のうち、記憶層３に最も近い参照層１４の積層方向の磁化を発生させることによって、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、記憶層３の磁化Ｍ１の、強磁性層１４の積層方向の磁化成分の直上にある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。

このとき、磁化固定層２と金属配線２０，２１との位置が離れすぎていると、強磁性層１２の磁化Ｍ１１と強磁性層１４の磁化Ｍ１２の両端部において、積層方向の磁化成分を発生させることが困難になる。このため、磁化固定層２の両端部に発生させる積層方向の磁化によって、記憶層３の磁化Ｍ１の磁化反転電流を低減させるのに十分な量のスピントルクが得られなくなる。このため、金属配線２０，２１は、発生する電流磁界が、磁化固定層２に対して充分に作用できる位置に配置する必要がある。

また、金属配線２０，２１に供給する電流量は、それぞれ同じでなくてもよい。金属配線２０，２１から電流磁界が強磁性層１２，１４の端部に作用し、積層方向の磁化成分によってスピントルクが発生すればよく、強磁性層１２，１４の端部において発生する積層方向の磁化成分が、それぞれ同じ強さである必要はない。

図１の記憶素子１において、記憶層３の磁化Ｍ１に加わるスピントルクの状態を、図３に示す。
図３に示すように、積層方向の磁化成分が発生した、Ｍ１１，Ｍ１２から記憶層３の磁化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。
そのため、記憶層３の磁化Ｍ１を一斉回転させるのに都合がよい。
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。

本実施の形態では、磁化固定層２の強磁性層１２，１４に積層方向の磁化成分を有する磁化を生じさせているが、記憶層３の磁化Ｍ１の向きの制御は、図５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。

金属配線２０，２１に供給する電流Ｉａ，Ｉｂの電流パルスと、スピン注入電流Ｉｚの電流パルスの時間変化（タイミング）の関係を図４に示す。

図４においては、スピン注入電流Ｉｚと金属配線２０，２１に供給する電流Ｉａ，Ｉｂを共に矩形パルスとしている。初期状態をｔ_０とし、スピン注入電流Ｉｚと電流Ｉａ，Ｉｂの立ち上がり時間をそれぞれｔ_１及びｔ_２とし、スピン注入電流Ｉｚと電流Ｉａ，Ｉｂの立ち下がり時間をそれぞれｔ_３及びｔ_４とする。
それぞれのパルスの持続時間は、スピン注入電流Ｉｚはｔ_３−ｔ_１、電流Ｉａ，Ｉｂはｔ_４−ｔ_２である。スピン注入電流Ｉｚはｔ_１以前ではオフ状態であり、ｔ_１においてオン状態となり、ｔ_３においてオフ状態となる。

図４Ａでは、スピン注入電流Ｉｚのパルスの立ち上がりの時刻ｔ_１と、電流Ｉａ，Ｉｂのパルスの立ち上がりの時刻ｔ_２とを異ならせ、時刻ｔ_１を時刻ｔ_２よりも遅らせるようにしている。また、図４Ｂでは、スピン注入電流Ｉｚのパルスの立ち上がりの時刻ｔ_１と、電流Ｉａ，Ｉｂのパルスの立ち上がりの時刻ｔ_２とを同じにしている。

図４Ａに示すように、電流Ｉａ，Ｉｂの電流パルスの立ち上がりの時刻ｔ_２が、スピン注入電流Ｉｚの電流パルスの立ち上がりの時刻ｔ_１よりも早いことによって、あらかじめ磁化固定層２の強磁性層１２，１４の両端部において、積層方向の磁化成分を発生させることができる。そして、この積層方向の磁化成分によって、記憶層３の磁化Ｍ１に対して、互いに逆向きのスピントルクＴａ，Ｔｂを作用させ、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。このため、磁化反転電流を小さくすることができ、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、図４Ｂに示すように、電流Ｉａ，Ｉｂの電流パルスの立ち上がり時刻ｔ_２とスピン注入電流Ｉｚの電流パルスの立ち上がりの時刻ｔ_１とを同じにし、かつ、電流Ｉａ，Ｉｂの立ち下がり時間ｔ_４とスピン注入電流Ｉｚの電流パルスの立ち下がり時刻ｔ_３とを同じにした場合には、駆動する際のスイッチングを共通化することができる。電流Ｉａ，Ｉｂとスピン注入電流Ｉｚとが同時の場合には、電流Ｉａ，Ｉｂに流す電流量を大きくすることにより、強磁性層１２，１４の両端部での積層方向の磁化成分を容易に発生させることができるため、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。このため、磁化反転電流を小さくすることができ、少ない電流量で記憶層の磁化の向きを反転させることができる。

なお、金属配線２０，２１の電流Ｉａ，Ｉｂの立ち下がり時間ｔ_４は任意の時刻とすることができる。例えば、図４Ａのように、スピン注入電流Ｉｚの立ち下がり時間ｔ_３より遅らせてもよく、また、図４Ｂのように、スピン注入電流Ｉｚの立ち下がり時間ｔ_３と同時に終了してもよい。

なお、左側の下向きのスピントルクＴａと、右側の上向きのスピントルクＴｂとのなす角度は、図３ではほぼ１８０度となっているが、金属配線２０，２１の強磁性層１２，１４の膜厚や飽和磁化の大きさによって、角度を制御することが可能である。
この角度は、図３のような１８０度近傍ではなくても、記憶層３の磁化Ｍ１に異なる向きのスピントルクを作用させて、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。

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。

上述の実施の形態の記憶素子１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、参照層１４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が、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に配置した構成としてもよい。

また、本実施の形態では、磁化固定層２を強磁性層１２，１４の２層によって構成しているが、磁化固定層２を構成する強磁性層の数は特に限定されない。
例えば、上述の実施の形態の記憶素子において、磁化固定層を構成する強磁性層の数を２層以外とした場合においても、少なくとも磁化固定層の最も記憶層３側に配置された強磁性層に金属配線から電流磁界を作用させて積層方向の磁化成分を発生させることにより、記憶層の磁化に対して大きいスピントルク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ため、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、磁化固定層を構成する強磁性層が１層の場合においても、この１層の強磁性層において、金属配線から電流磁界を作用させて積層方向の磁化成分を発生させることにより、記憶層の磁化に対してスピントルクを作用させることができる。
また、例えば、３層以上の複数の強磁性層によって、磁化固定層を構成することもできる。磁化固定層が複数の強磁性層によって構成される場合においても、少なくとも磁化固定層の最も記憶層３側に配置された強磁性層に金属配線から電流磁界を作用させて積層方向の磁化成分を発生させることにより、記憶層の磁化に対してスピントルクを作用させることができる。
さらに、積層方向の磁化成分を発生させる強磁性層は、最も記憶層３側に配置された強磁性層だけでなく、磁化固定層を構成するその他の強磁性層に対しても積層方向の磁化成分を発生させてもよい。複数の強磁性層において積層方向の磁化成分を発生させることにより、記憶層の磁化に対して大きいスピントルク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ため、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。
これにより、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。

本発明は、上述の構成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断面図である。図１の記憶素子に電流磁界を加えたときの磁化の状態を示す図である。記憶層の磁化に加わるスピントルクを示す図である。Ａ、Ｂスピン注入電流と金属配線への電流のそれぞれの電流パルスの時間変化を示す図である。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。

符号の説明

１記憶素子、２磁化固定層、３記憶層、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、１７トップコート層、２０，２１金属配線、２０ａ，２１ａ電流磁界

Claims

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を備え、
前記記憶素子は、前記磁化固定層の両端部の近傍に、２本の金属配線が設けられている構成であり、
前記２本の金属配線に、同方向の電流を流すことにより、前記磁化固定層を構成する複数層の強磁性層のうち少なくとも最も前記記憶層側に配置された前記強磁性層の両端部において、それぞれ前記積層方向の磁化成分であり、かつ向きが互いに異なる磁化成分である、磁化領域が形成される
ことを特徴とするメモリ。