JP4970407B2 - 磁気記憶素子およびこの磁気記憶素子を備えた磁気メモリならびに磁気メモリの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気記憶素子およびこの磁気記憶素子を備えた磁気メモリならびに磁気メモリの駆動方法に関する。

強磁性体を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory)、以下、磁気メモリともいう）は不揮発性、高速動作、大容量、低消費電力を備えた不揮発性メモリとして期待されている。この磁気メモリは、２つの強磁性層の間に１層の誘電体層（トンネルバリア層）を挿入したサンドイッチ構造膜を有し、膜面に対して垂直に電流を流し、トンネル電流を利用した「トンネル磁気抵抗効果素子（Tunneling Magneto-Resistance effect：ＴＭＲ素子）」が磁気記憶素子として各メモリセルに設けられた構造を有している。

しかし、従来のＭＲＡＭは、磁気記憶素子上に配した配線からの局所電流磁界によって磁気記憶素子の磁性層（磁気記憶層）の磁化の方向を反転させ磁気記憶を行う方式を用いていたため、微細化にともない配線に流すことのできる電流値が減少し十分な電流磁界を供給することが困難になる。さらに磁気記憶素子に情報を記録するために必要とする電流磁界の大きさは微細化に伴い増加するため１２６Ｍｂｉｔｓ〜２５６Ｍｂｉｔｓ世代で配線からの局所電流磁界によって書き込みを行う方式を有するＭＲＡＭの原理的な限界が来ると考えられている。

そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な書き込み方式として、スピン注入による磁化反転を利用する磁気メモリが注目されている（例えば、特許文献１参照）。スピン注入による磁化反転とは、磁気記憶素子の一方の磁性層（磁化固着層）の中を通過してスピン偏極した電子を、他方の磁性層（磁気記憶層）に注入することにより、他方の磁性層（磁気記憶層）において磁化反転を誘起させるものである。スピン注入による磁化反転方法では情報を記憶するために必要とする電流の大きさは磁気記憶層の膜厚方向に流したときの電流密度で与えられるため、情報を記憶するために必要とする電流の大きさは微細化と共に減少する。

さらに、スピン注入による磁化反転は、素子を微細化しても、磁化反転に必要な電流密度の大きさはほとんど増加しないため、電流磁界を用いた書き込み方式より、高効率な書き込みが可能である利点を有している。
米国特許第６，２５６，２２３号明細書

従来、スピン注入型のＭＲＡＭでは書き込みと読み出しに同じ方向の電流経路を用いるため、読み出し時に磁気記憶素子の磁気記憶層にスピンが注入される。磁気記憶層に注入されたスピンは磁気記憶層のスピンにトルクを与えるため、磁気記憶層のスピンはエネルギー的に励起された状態になる。エネルギー的に励起されたスピンの熱擾乱耐性は低下するため、読み出し時に磁気記憶層に情報が誤書き込みされ、記憶した情報を長期間保持することが非常に困難であった。

この問題の解決のため、磁気記憶層の記憶保持エネルギーの向上により、熱擾乱耐性を向上させ、読み出し時の誤書き込みを防ぐ手法が挙げられる。しかし、磁気記憶層の記憶保持エネルギーの向上は書き込み電流密度の上昇を引き起こすため、書き込み電流の増加が問題となる。

一方、読み出しと書き込みを行う電流値の比を大きくする方法が上げられる。すなわち読み出し電流を小さく、書き込み電流を大きくすることによって読み出し時の誤書き込みを防ぐ方法である。しかし、読み出し電流はセンスアンプの感度によって下限が決定され、書き込み電流は磁気記憶素子のトンネルバリア層のブレークダウン電圧の大きさによって上限が決定されるため、読み出し電流と書き込み電流の差を広げるには限界がある。

また、読み出し電流の下限と書き込み電流の上限とが決められた状態で読み出し電流と書き込み電流の比を大きくする方法として、読み出し電流値と書き込み電流値のばらつきを低減する方法が考えられるが、スピン注入素子のばらつきは大容量化に伴い増加するため、ばらつきの低減は非常に困難であった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、読み出し時の誤書き込みを防ぐことのできるスピン注入型の磁気記憶素子およびこの磁気記憶素子を備えた磁気メモリならびに磁気メモリの駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による磁気メモリの駆動方法は、膜面に略垂直方向の磁化を有し磁化の向きが固着された磁化固着層と、膜面に略垂直方向の磁化を有し磁化の向きが可変の磁気記憶層と、前記磁化固着層と前記磁気記憶層との間に設けられたトンネルバリア層と、を備え、前記磁気記憶層に電流パルスを流してスピン偏極した電子を注入することにより前記磁気記憶層の磁化の向きが反転可能である磁気記憶素子を有するメモリセルを備えた磁気メモリの駆動方法であって、前記磁気記憶層に情報を書き込むための書き込み電流パルスの幅が、前記磁気記憶層から情報を読み出すための読み出し電流パルスの幅より大きく、かつ前記磁気記憶層の磁気異方性磁界Ｈｋは５０Ｏｅ〜５０００Ｏｅであることを特徴とする。
また、本発明の第２の態様による磁気メモリは、膜面に略垂直方向の磁化を有し磁化の向きが固着された磁化固着層と、膜面に略垂直方向の磁化を有し磁化の向きが可変の磁気記憶層と、前記磁化固着層と前記磁気記憶層との間に設けられたトンネルバリア層と、を備え、前記磁気記憶層に電流パルスを流すことにより前記磁気記憶層の磁化の向きが反転可能である磁気記憶素子を有するメモリセルと、前記磁気記憶層から情報を読み出すための読み出し電流パルスを発生する読み出し回路と、前記読み出し電流パルスのパルス幅よりも大きなパルス幅を有する、前記磁気記憶層に情報を書き込むための書き込み電流パルスを発生する書き込み回路と、前記磁気記憶素子の一方の端子が接続され書き込み時は前記書き込み電流パルスが流れ、読み出し時は前記読み出し電流が流れる第１配線と、前記磁気記憶素子の他方の端子が接続され書き込み時は前記書き込み電流パルスが流れ、読み出し時に前記読み出し電流が流れる第２配線と、を備え、前記磁気記憶層の磁気異方性磁界Ｈｋは５０Ｏｅ〜５０００Ｏｅであることを特徴とする。
また、本発明の第３の態様による磁気記憶素子は、磁化の方向が一定の方向に固着された第１の磁化を有する第１の磁化固着層と、前記第１の磁化の方向に対して実質的に平行に向き、スピン偏極した電子を注入することにより反転可能な第２の磁化を有する磁気記憶層と、前記第１の磁化固着層と前記磁気記憶層との間に設けられた非磁性層と、前記磁気記憶層に対して前記非磁性層と反対側に設けられ、前記第１の磁化と実質的に反対の方向に固着された第３の磁化を有する第２の磁化固着層と、前記第２の磁化固着層と前記磁気記憶層との間に設けられたスピンフィルタ層と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の第４の態様による磁気メモリは、上記の磁気記憶素子を有するメモリセルと、前記磁気記憶層から情報を読み出すための読み出し電流パルスを発生する読み出し回路と、前記磁気記憶層に情報を書き込むための書き込み電流パルスを発生する書き込み回路と、前記磁気記憶素子の一方の端子が接続され書き込み時は前記書き込み電流パルスが流れ、読み出し時は前記読み出し電流が流れる第１配線と、前記磁気記憶素子の他方の端子が接続され書き込み時は前記書き込み電流パルスが流れ、読み出し時に前記読み出し電流が流れる第２配線と、を備えていることを特徴とする。

上述の本発明によれば、読み出し時に誤書き込みを防止することができる。

本発明の実施形態を、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メモリの駆動方法を説明する。この実施形態の駆動方法は、スピン注入型のＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory)に用いられる。このＭＲＡＭは、複数のメモリセルを有し、各メモリセルは、ＴＭＲ素子を磁気記憶素子として備えている。ＴＭＲ素子の一般的な構成を図１に示す。このＴＭＲ素子１は、磁化の向きが可変の磁性層（磁化自由層（磁気記憶層））２と、磁化の向きが固着された磁性層（磁化固着層）６と、これらの磁性層間に設けられたトンネルバリア層４とを備えており、２つの磁性層２、６の磁化の向きが平行であるか反平行であるかによって“１”情報または“０”情報が割り当てられる。このＴＭＲ素子１の２つの磁性層２、６の磁化の向きの２つの状態を図２（ａ）、２（ｂ）に示す。図２（ａ）に示すように、２つの磁性層２、６の磁化の向き（図面上で矢印の向き）が平行の場合（同じ向きの場合）は、２つの磁性層２、６に挟まれたトンネルバリア層４のトンネル抵抗は最も低くなる（すなわち、トンネル電流が最も大きくなる）。また、図２（ｂ）に示すように、２つの磁性層２、６の磁化の向きが反平行である場合（互いに反対の場合）は、２つの磁性層２、６に挟まれたトンネルバリア層４のトンネル抵抗は最も高くなる（すなわち、トンネル電流が最も小さくなる）。ただし、図２（ａ）、２（ｂ）においては、磁化の向きは膜面に垂直となっているが、膜面に平行であっても良い。

このように、ＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子の抵抗値が異なる２つの状態を、“１”情報の記憶状態（“１”状態）および“０”情報の記憶状態（“０”状態）に対応させている。

次に、ＴＭＲ素子１に書き込みを行う際の電流と読み出しを行う際の電流を図３に示す。ＴＭＲ素子１の磁性層２、６の磁化の向きを反平行な状態から平行な状態に変えるときの書き込み電流をＩ_１、平行な状態から反平行な状態に変えるときの書き込み電流をＩ_２とすると、書き込み電流Ｉ_１は磁性層（磁気記憶層）２からトンネルバリア層４を介して磁性層（磁化固着層）６に流れ、書き込み電流Ｉ_２は磁性層（磁化固着層）６からトンネルバリア層４を介して磁性層（磁気記憶層）２に流れる。また、ＴＭＲ素子１に記憶された情報を読み出す電流をＩ_３とすると、読み出し電流Ｉ_３は磁性層（磁化固着層）６からトンネルバリア層４を介して磁性層（磁気記憶層）２に流れる。このように、ＭＲＡＭにおいては、書き込み電流Ｉ_２と、読み出し電流Ｉ_３はＴＭＲ素子１に対して同じ方向に電流が流れる。読み出し電流Ｉ_３は磁気記憶層２に対してスピントルクを与えるため、磁気記憶層２は読み出し電流Ｉ_３によって擾乱を受ける。

例えば１ＧｂｉｔｓのＭＲＡＭにおける、読み出し電流Ｉ_３、書き込み電流Ｉ_１、Ｉ_２の分布を図４に示す。図４において、横軸は電流を示し、縦軸は、読み出しの場合はその電流によって読み出される確率を、書き込みの場合はその電流によって書き込まれる確率を示す。図４の読み出し電流Ｉ_３の左側の分布はＴＭＲ素子の磁気記憶層と磁化固着層の磁化の向きが反平行な場合（高抵抗の場合）を示し、読み出し電流Ｉ_３の右側の分布はＴＭＲ素子の磁気記憶層と磁化固着層の磁化の向きが平行な場合（低抵抗な場合）を示している。なお、図４においては、電流Ｉ_２、Ｉ_３の流れる方向を正に、電流Ｉ_１の流れる方向を負としている。

図４に示すように、書き込み電流Ｉ_２と読み出し電流Ｉ_３は、ばらついて分布し、読み出し電流値Ｉ_３の最大値Ｉ_３ｍａｘと、書き込み電流Ｉ_２の最小値Ｉ_２ｍｉｎとの比Ｉ_３ｍａｘ／Ｉ_２ｍｉｎが１に近づくと、読み出し時に磁気記憶層２に誤書き込みが生じる。
誤書き込みが生じる場合の読み出し電流と書き込み電流の比Ｉ_３ｍａｘ／Ｉ_２ｍｉｎは以下の条件によって決められる。以降の議論においてＩ_３ｍａｘのことをＩ_{ｒｅａｄ１}と、Ｉ_２ｍｉｎのことをＩ_{ｗｒｉｔｅ１}と呼ぶが同義である。

１ＧｂｉｔｓのＭＲＡＭにおいて１ＧＨｚ駆動で１０年間動作させた場合の熱揺らぎによる記憶情報の消失するビット数ｎは以下の式で示される。
ｎ＝Ｎ・ｆ・τ・ｅ^−β ・・・ （１）

上記式においてｎ≦１となるとき、１０年間の動作において情報が消失するビット数を１ｂｉｔｓ以下にすることができる。（１）式において、ＮはＭＲＡＭの規模（ｂｉｔｓ）、ｆは動作周波数（Ｈｚ）、τは緩和時間（ｓｅｃ）を示し、それぞれに以下の条件を与えることによってβの値を求めることができる。例えばＮ＝１Ｇｂｉｔｓ、ｆ＝１ＧＨｚ、τ＝１０年（３．１５×１０^８ｓｅｃ）のときｎ≦１の条件を満たすβの値としてβ≧６１が求まる。

一方、βの値は熱擾乱の関係より、
β＝ΔＥ／ｋ_ＢＴ＝α_therm（１−Ｉ_{ｒｅａｄ１}／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ１}） ・・・ （２）
と表される。ここで、Ｔは動作温度（Ｋ）、Ｋ_Ｂはボルツマン定数（１．３８×１０^２２ｅｒｇ／Ｋ）、ΔＥはエネルギーバリアの大きさを示し、ΔＥ以上のエネルギーが外部から加えられるとスピンは磁化の情報を保てなくなる。Ｉ_{ｒｅａｄ１}は読み出しを行うときの電流値を示し、Ｉ_{ｗｒｉｔｅ１}は書き込み電流値を示している。先の見積もりより『１ＧｂｉｔｓのＭＲＡＭにおいて１ＧＨｚ駆動で１０年間動作させた場合の熱揺らぎによる記憶情報の消失の確率を１ビット以下にする』条件を満たすβの最小値は６１として与えられるため、Ｉ_{ｒｅａｄ１}とＩ_{ｗｒｉｔｅ１}が決まればα_thermの値も決定する。

また、α_thermは以下の式で示される。
α_therm＝Ｋ_ｕＶ／Ｋ_ＢＴ ・・・ （３）
ここで、Ｋ_ｕは磁気異方性定数（ｅｒｇ／ｃｍ^３）、Ｖは磁気記憶層の体積（ｃｍ^３）である。α_thermは磁気記憶層の磁気的エネルギーＫ_ｕＶと熱エネルギーＫ_ＢＴとの比を表している。

また、磁気記憶層の面積Ａ（ｃｍ^２）はＭＲＡＭの規模と集積度によって一意に決定されるため磁気記憶層の膜厚をｔ（ｃｍ）とおくと、磁気記憶層の体積は磁気記憶層の面積Ａと磁気記憶層の膜厚tとの積Ａ×ｔと与えられる。例えば、動作保障する温度を８５℃と決めると、式（２）と式（３）より、式（４）
Ｋ_ｕＡｔ（１−Ｉ_{ｒｅａｄ１}／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ１}）／（Ｋ_Ｂ×３５８）
＝６１ ・・・（４）
の関係が求まり、Ａは設計環境により一意に決まるため、ｔ、Ｋ_ｕおよびＩ_{ｒｅａｄ１}／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ１}の値によって『１ＧｂｉｔｓのＭＲＡＭにおいて１ＧＨｚ駆動で１０年間動作させた場合の熱揺らぎによる記憶情報の消失の確率を１ビット以下にする』の条件が決められる。

ｔ、Ｋ_ｕの増加は書き込み電流の増加を引き起こす。このため（１−Ｉ_{ｒｅａｄ１}／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ１}）をなるべく大きくしなければならない。換言するとＩ_{ｒｅａｄ１}をＩ_{ｗｒｉｔｅ１}よりできるだけ小さくしなければばらない。しかし、前述したように、読み出し電流および書き込み電流はそれぞれ、センスアンプの感度およびＴＭＲ素子のトンネルバリア層のブレークダウン電圧の大きさによって下限および上限が決定されるため、Ｉ_{ｒｅａｄ１}とＩ_{ｗｒｉｔｅ１}の差を広げるには限界がある。

また、読み出し電流の下限と、書き込み電流の上限とが決められた状態でＩ_{ｒｅａｄ１}とＩ_{ｗｒｉｔｅ１}の比を大きくする方法として、読み出し電流値と書き込み電流値のばらつきを低減する方法が考えられるが、スピン注入素子のばらつきは大容量化に伴い増加するため、ばらつき低減は非常に困難である。

一方、書き込みもしくは読み出し電流の通電時間（τ）と、スピン注入による磁化反転が生じる電流値Ｉ_ｃの関係には磁化反転物理の起源の違いにより２つの領域に分別される。第１の起源はτ＞τ_０の関係を満たす場合で、この場合スピンは熱擾乱の影響を受け反転する。またτ_０（本発明では初期反転に関連した切り替え時間：Initial reversal-related switching timeと呼ぶ）は書き込みもしくは読み出し電流によってスピン注入トルクを与えられたスピンが歳差運動を行いながら反転するために必要とする時間を示している（K. Yagami, A. A. Tulapurkar, A. Fukushima, and Y. Suzuki, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL. 41, NO. 10, 2615 (2005)参照）。図５にτ＞τ_０の関係を満たす場合の書き込みもしくは読み出し電流の通電時間と、スピン注入による磁化反転が生じる電流値Ｉ_ｃの関係を示す。図５の横軸は、電流を通電する時間τを示し、縦軸はスピン注入による磁化反転が生じる電流値Ｉ_ｃを示す。τ＞τ_０の関係を満たす場合、スピン注入磁化反転は熱擾乱の影響により下記の式で示される。
Ｉ_ｃ＝Ｉ_ｃ０｛１−（ｋ_ＢＴ／ΔＥ）ｌｎ（τ／τ_０）｝ ・・・ （５）
Ｉ_ｃ０はτ_０の時間でスピン注入磁化反転が生じる電流値を示している。式（５）および図５よりスピン注入により磁化反転が生じる電流値Ｉ_ｃは電流を通電する時間τの対数に比例して減少することがわかる。読み出し電流の通電時間τ_ｒｅａｄを、書き込み電流の通電時間τ_{ｗｒｉｔｅ}より短くすることにより、読み出し時にスピン注入による磁化反転によって誤書き込みが生じる電流値Ｉ_{ｒｅａｄ２}が、書き込みを行うために必要な電流値Ｉ_{ｗｒｉｔｅ２}より大きくなる（図５）。先に述べた読み出し時の誤書き込み防止条件、Ｉ_{ｒｅａｄ１}／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ１}を1より小さくするためにはＩ_{ｗｒｉｔｅ１}をＩ_{ｒｅａｄ１}より大きな値に設計しなければならない。これはＩ_{ｗｒｉｔｅ１}とＩ_{ｒｅａｄ１}の大きさに十分な差をつけないと、Ｉ_{ｒｅａｄ１}に熱擾乱エネルギーが付加されることによってＩ_{ｗｒｉｔｅ１}に相当するエネルギーが読み出し時に生じ、読み出し時に誤書き込みが生じることを意味している。そこで書き込み時より早い時間で読み出しを行うことによって読み出し時に誤書き込みが生じる電流値をＩ_{ｒｅａｄ２}で与えることができたとすると、読み出し電流に熱擾乱が加わり読み出し時にＩ_{ｗｒｉｔｅ１}に相当するエネルギーが付加されても、スピン注入磁化反転に必要な電流はＩ_{ｒｅａｄ２}以上であるため誤書き込みは生じない。

つまり、磁気記憶層に書き込みを行うための書き込み電流の通電時間より、読み出しを行うための読み出し電流の通電時間を短く設定すれば、見かけ上のＩ_{ｒｅａｄ１}／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ１}の値が小さくなり、読み出し時に生じる誤書き込みを防ぐことができる。これは、本発明者達によって初め知見されたものである。

また、比Ｉ_{ｒｅａｄ１}／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ１}の値が小さくなると（１−Ｉ_{ｒｅａｄ１}／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ１}）の値が大きくなるため、ｔ、Ｋ_ｕの値を小さくできる。その結果、消費電力の値も低減できる。

一方、書き込みもしくは読み出し電流の通電時間（τ）とτ_０がτ＜τ_０の関係を満たす場合（第２の起源）、磁気回転の効果によりスピン注入による磁化反転に必要となる電流値が急激に上昇する。τ＝τ_０の時、スピンは書き込みもしくは読み出し電流によってトルクを受け歳差運動を行いながら一定の軌道を通り反転する。歳差運動の軌道は材料パラメータである減衰定数α_damp、ジャイロ磁気因子γおよび有効磁場Ｈ_ｅｆｆの値で決められる。

τをτ_０以下にするためには歳差運動の軌道を変えスピンの制動を大きくする必要があるため、大きなスピン注入磁化反転電流が必要となる。この現象のことを本文では磁化回転の効果と呼んでいる。これを、図６を参照して説明する。図６のグラフｇ_１にパルス幅τ_ｏ付近での電流の通電時間τと、スピン注入による磁化反転に必要な電流値Ｉ_ｃとの関係を示す。通電時間τが初期反転に関連した切換時間τ_０(Initial reversal-related switching time)より小さくなると磁気回転の効果により磁化反転に必要な電流値Ｉ_ｃが急激に上昇する。図６に示す通電時間τ_１（＞τ_０）のパルス幅で書き込みを行い、通電時間τ_２（＜τ_０）の時間で読み出しを行えば、書き込み電流値がＩ_ｃ１になり、読み出し時に誤書き込みが生じる電流値がＩ_ｃ２になる。図６のケースにおける（１−Ｉ_{ｒｅａｄ１}／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ１}）を考えると、Ｉ_{ｒｅａｄ１}を書き込み電流値より小さい電流値もしくは書き込み電流値と同等の値Ｉ_ｃ１とすると、読み出し時に誤書き込みが生じる電流値Ｉ_{ｗｒｉｔｅ１}はＩ_ｃ２で与えられるため（１−Ｉ_{ｒｅａｄ１}／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ１}）は（１−Ｉ_ｃ１／Ｉ_ｃ２）となる。このためＩ_{ｒｅａｄ１}／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ１}は飛躍的に小さくなり、逆に（１−Ｉ_{ｒｅａｄ１}／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ１}）は理想的な１に近い値となる。その結果、読み出し時の誤書き込みを防いだ状態で、『１ＧｂｉｔｓのＭＲＡＭにおいて１ＧＨｚ駆動で１０年間動作させた場合の熱揺らぎによる記憶情報の消失の確率を１ビット以下にする』を満たす条件の下で、ｔ、Ｋ_ｕを低減でき、その結果α_thermを低減できることを、本発明者達は見出した。

図７にＩ_ｒｅａｄ／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ}とα_thermの関係を示す。スピン注入による磁化反転に必要とされる書き込み電流Ｉ_{ｗｒｉｔｅ}の大きさはα_thermに正比例して大きくなるため、スピン注入による磁化反転電流の低減にはα_thermの低減が必要である。Ｉ_ｒｅａｄ／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ}が０．８のときαが３０５必要であるものが、磁気回転の効果を利用して読み出しを行えば、Ｉ_ｒｅａｄ／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ}が飛躍的に低下して０．４以下にすることも可能となる。Ｉ_ｒｅａｄ／Ｉ_{ｗｒｉｔｅ}が０．４のときの必要なαは１０２であるため、スピン注入磁化反転に必要とされる電流値は１／３程度に低減可能になる。

τ_０の大きさを１ｎｓｅｃ以下にする場合、τ_０は磁気記憶層の磁気異方性磁界とスピンの向きによって決められるため、実際の設計では磁気異方性磁界の値は５０Ｏｅ以上にする必要がある。逆に異方性磁界の大きさが大きくなりすぎるとτ_０が極めて小さくなるため、読み出し時に磁気回転の効果を利用するため読み出し時間をτ_０以下に設計するには読み出し時間が極めて短くなる。その結果、読み出し電流値を十分に確保することが困難になる。それゆえ異方性磁界の大きさは５０Ｏｅ〜５０００Ｏｅが最適である。

以上説明したように、本実施形態によれば、図９に示すように、磁気記憶層から情報（データ）を読み出すための読み出しパルスの幅（通電時間）を、書き込むための書き込みパルスの幅より小さくすることにより、読み出し時の誤書き込みを防ぐことができる。図９においては、パルスの幅を比較するため、読み出しパルスと書き込みパルスの立ち上がりを揃えて表示している。なお、読み出しパルスの幅とは１回のパルスで生じる読み出し時間の長さを示し、書き込みパルスの幅とは１回のパルスで生じる書き込み時間の長さを示す。

読み出しパルスの幅が短くなると、読み出し電流値が小さくなるため“１”と“０”の情報を取得するために必要な出力が十分に得られなくなる。このため、図９に示すように、パルス幅の短いパルスの読み出し電流を複数回に分け、積算した読み出し電流値によって情報を取得すれば、十分な出力を得ることができる。

また、図１０に示すように、パルス幅の短いパルスの読み出し電流の大きさを、書き込み電流の大きさに比べて大きくして、十分な出力を得てもよい。なお、この場合、読み出し電流は、読み出し電流のパルス幅τ_ｒｅａｄによって決定される図５に示す電流値Ｉ_{ｒｅａｄ２}もしくは図６に示す電流値Ｉ_ｃ２よりも小さくする必要がある、さもないと、読み出し時に誤書き込みが生じる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気メモリを図１１乃至図１４を参照して説明する。本実施形態の磁気メモリは、スピン注入型のＭＲＡＭであって、図１１に示すように、複数のメモリセル４０_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）と、各メモリセル４０_ｉｊに接続されたワード線ＷＬ_ｉと、各メモリセル４０_ｉｊに接続された２本のビット線ＢＬ_ｊ１、ＢＬ_ｊ２と、ワード線ＷＬ_ｉを選択するロウ・デコーダ６０と、２本のビット線ＢＬ_ｊ１、ＢＬ_ｊ２を選択するカラム・デコーダ／書き込み回路／読み出し回路７０とを備えている。

各メモリセル４０_ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）は、磁気記憶素子１０と、選択トランジスタ５０とを備えている。メモリセル４０_ｉｊの磁気記憶素子１０の一端はビット線ＢＬ_ｊ２に接続され、他端は選択トランジスタ５０の一端（ソースおよびドレインの一方）に接続されている。メモリセル４０_ｉｊの選択トランジスタ５０の他端はビット線ＢＬ_ｊ１に接続され、ゲートがワード線ＷＬ_ｉに接続されている。

本実施形態の磁気メモリに用いられる磁気記憶素子１０は、図１２に示すように磁化固着層１２と、この磁化固着層１２上に設けられたトンネルバリア層１４と、このトンネルバリア層１４上に設けられた磁気記憶層１６と、磁気記憶層１６上に設けられたスピンフィルタ層１８と、スピンフィルタ層１８上に設けられた磁化固着層２２と、磁化固着層２２上に設けられた非磁性層２４と、非磁性層２４上に設けられた磁化固着層２６とを備えている。なお、磁気記憶層１６、磁化固着層１２，２２，２６は結晶磁気異方性エネルギー密度の高い材料からなることが好ましい。

本実施形態に係る磁気記憶素子１０は、スピン（磁化）の向きが膜面に実質的に垂直であり、スピンの向きを図中において矢印で示す。磁化固着層１２、２６のスピンの向きは下向き、磁化固着層２２のスピンの向きが上向きとなっている。ただし、磁化固着層１２、２６、２２のスピンの方向は１８０°反転した方向を向いていても良い。

本実施形態に係る磁気記憶素子１０は、スピン（磁化）の向きが膜面に実質的に平行であっても良い。平行の場合のスピンの向きは磁化固着層１２、２６が同じ方向を向き、磁化固着層２２のスピンの向きが磁化固着層１２、２６に対して逆向きを向いていれば良い。

スピンフィルタ層１８は、結晶磁気異方性を有するナノサイズの磁性体２０を非磁性層１９中に分散させたいわゆるグラニュラー構造となっている。この場合、磁性体２０の結晶磁気異方性の方向は粒子間で分散した状態にあり、磁気記憶素子の動作温度（例えば、−２０℃以上８０℃以下）かつ無磁場（外部磁場がない状態）では、スピンフィルタ層１８中の磁性体２０の磁化はおおよそゼロとなっている。すなわち、磁性体２０は超常磁性である。また、スピンフィルタ層１８の磁性体２０は、後述するように、磁気異方性エネルギー密度が磁気記憶層１６の磁気異方性エネルギー密度より小さいことが望ましい。

また、スピンフィルタ層１８は図１３に示すように、磁気異方性を有する磁性層２０ａを２つの非磁性層１９ａ、１９ｂで挟んだ構造を有していてもよい。この場合、磁性層２０ａは、磁気記憶素子の動作温度（例えば、−２０℃以上８０℃以下）かつ無磁場（外部磁場がない状態）では、磁化はおおよそゼロとなっている。すなわち、磁性層２０ａは超常磁性である。また、磁性層２０ａは、磁気異方性エネルギー密度が磁気記憶層１６の磁気異方性エネルギー密度より小さく、磁気記憶層１６の膜厚よりも薄いことが望ましい。

次に、本実施形態による磁気メモリの動作を説明する。

メモリセルに情報を書き込む場合は、書き込みを行うべきメモリセル４０に接続されているワード線をロウ・デコーダ６０によって選択し、上記メモリセル４０の選択トランジスタ５０をオンにする。その後、上記メモリセル４０に接続されている２本のビット線をカラム・デコーダ／書き込み回路／読み出し回路７０のカラム・デコーダによって選択し、カラム・デコーダ／書き込み回路／読み出し回路７０の書き込み回路によって書き込み電流を選択されたビット線を介して上記メモリセル４０の磁気記憶素子１０に電流を流し、書き込みを行う。

また、読み出しの場合は、読み出しを行うべきメモリセル４０に接続されているワード線をロウ・デコーダ６０によって選択し、上記メモリセル４０の選択トランジスタ５０をオンにする。その後、上記メモリセル４０に接続されている２本のビット線をカラム・デコーダ／書き込み回路／読み出し回路７０のカラム・デコーダによって選択し、カラム・デコーダ／書き込み回路／読み出し回路７０の読み出し回路によって、読み出し電流を選択されたビット線を介して上記メモリセル４０の磁気記憶素子１０に電流を流し、選択されたビット線間の電位をカラム・デコーダ／書き込み回路／読み出し回路７０の読み出し回路によって検知することにより、読み出しを行う。

次に、本実施形態に係る磁気記憶素子１０の書き込み方法を説明する。

図１２において磁気記憶層１６の磁化の向きが下方向を向いている場合に、磁化を上方向に反転させるためには磁化固着層１２から磁化固着層２６の方向に向かって電流を流す。このとき、磁化固着層２２から上向きのスピンがスピンフィルタ層１８の磁性体２０に注入される。

図１４のグラフｇ_１にスピンフィルタ層１８の磁性体２０の磁化を一方向に揃えるための電流密度Ｊ_ｃと電流パルスの幅との関係を示し、図１４のグラフｇ_２に磁気記憶層１６の書き込み電流密度Ｊ_ｃと電流パルスの幅との関係を示す。グラフｇ_１は、スピンフィルタ層１８の磁性体２０のαが２で、パルス幅が初期反転に関連した切換時間τ_０となるときの磁化が反転する電流密度Ｊ_ｃ０が５．０×１０^６Ａ／ｃｍ^２の場合を示し、グラフｇ_２は、磁気記憶層１６のαが１００で、パルス幅が初期反転に関連した切換時間τ_０となるときの磁化が反転する電流密度Ｊ_ｃ０が１．０×１０^６Ａ／ｃｍ^２の場合を示している。

磁化固着層１２から磁化固着層２６の方向に向かって流れた電流の電流密度が１×１０^６Ａ／ｃｍ^２程度の場合、電流パルスの幅が５ｎｓｅｃ以上になるとスピンフィルタ層１８の磁性体２０のスピンの向きが磁化固着層２２から与えられたスピントルクにより上向きに向く。さらにスピンフィルタ層１８の磁性体２０から磁気記憶層１６に上向きのスピントルクが与えられ、磁気記憶層１６のスピンの向きは下向きから上向きに反転する。

逆に、磁気記憶層１６のスピンの向きが上方向を向いている場合、上向きに向かっている磁化を下方向に反転させるために、磁化固着層２６から磁化固着層１２の方向に向かって電流を流す。磁化固着層２６から磁化固着層１２の方向に向かって流した電流の電流密度が１×１０^６Ａ／ｃｍ^２程度の場合、磁化固着層１２から磁気記憶層１６に向かって下向きのスピンが注入され磁気記憶層１６の磁化は下向きを向く。

読み出しは磁化固着層１２から磁化固着層２６の方向に向かって電流を流すことによって行う。例えば、読み出し時間が２ｎｓｅｃ〜３ｎｓｅｃで、磁気記憶層１６の磁化の向きが下向きの場合において読み出し電流の電流密度が１×１０^６Ａ／ｃｍ^２程度の場合ではスピンフィルタ層１８の磁性体２０のスピンの向きがランダムな方向を向いたままとなるため、読み出し時に磁気記憶層１６へ与えられるスピントルクが低減し、読み出し時における誤書き込みを防ぐことができる。

このように、本実施形態においては、読み出しの場合に、スピンフィルタ層１８の磁性体２０（または磁性層２０ａ）のスピンの向きがランダムな方向を向いたままとなる必要がある。このため、スピンフィルタ層１８の磁性体２０（または磁性層２０ａ）は、外部磁場がないときは、磁化がほぼゼロであることが望ましい。

また、本実施形態においては、スピンフィルタ層１８の磁性体２０（または磁性層２０ａ）のα_thermは、磁気記憶層１６のα_thermよりも小さいことが望ましい。このことから、本実施形態においては、スピンフィルタ層１８の磁性体２０は磁気記憶層１６よりも熱擾乱の影響を受けやすい。スピンフィルタ層１８の磁性体２０のα_therm１の値と磁気記憶層１６のα_therm２の値はそれぞれα_therm１＜２５、α_therm２＞６０が望ましい。

また、本実施形態においても、読み出し電流パルスのパルス幅が初期反転に関連した切換時間τ_０よりも狭く、書き込み電流パルスのパルス幅が初期反転に関連した切換時間τ_０以上であることが好ましい。

本実施形態の磁気記憶素子１０の磁気記憶層１６、および磁化固着層１２，２２，２６に用いられる磁性材料は、垂直磁気異方性を有する磁性材料であることが望ましい。垂直磁化を実現する磁気記録層１６および磁化固着層１２，２２，２６の磁性材料としては、例えば５×１０^５ｅｒｇ／ｃｃ以上の高い磁気異方性エネルギー密度をもつ材料が望ましく、具体例を以下にあげる。

（１）不規則合金の場合
Ｃｏを主成分とし、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む合金であってもよい。例えば、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＴａ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金等があげられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。

（２）規則合金の場合
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素とＰｔ、Ｐｄのうち１つ以上の元素とからなる合金であり、この合金の結晶構造がＬ１０型の規則合金であってもよい。例えば、Ｆｅ_５０Ｐｔ_５０、Ｆｅ_５０Ｐｄ_５０、Ｃｏ_５０Ｐｔ_５０、Ｆｅ_３０Ｎｉ_２０Ｐｔ_５０、Ｃｏ_３０Ｆｅ_２０Ｐｔ_５０、Ｃｏ_３０Ｎｉ_２０Ｐｔ_５０等があげられる。これらの規則合金に、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ、Ａｇ（銀）等の不純物元素あるいはその合金、絶縁物を加えて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を低く調整することができる。

（３）人工格子の場合
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素あるいはこの１つの元素を含む磁性層と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅのうち１つの非磁性元素あるいはこの１つの非磁性元素を含む非磁性層とが交互に積層された構造を有していてもよい。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ人工格子等があげられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層の膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。

（４）フェリ磁性体の場合
希土類金属と遷移金属との合金からなるフェリ磁性体であってもよい。例えば、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）と、遷移金属のうちのうち１つ以上の元素とからなるアモルファス合金であってもよい。例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ等があげられる。これらの合金は、組成を調整することで磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。

なお、磁性層は、非磁性体部が偏析することにより、磁性体部と非磁性体部とが分離した構造としてもよい。例えば、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ等の酸化物、窒化物、炭化物を非磁性体部としてもよいし、例えばＣｒ濃度が２５ａｔ％以上と大きい非磁性ＣｏＣｒ合金のような合金でもよい。

また、トンネルバリア層１４に接する磁性層（磁気記憶層１６、磁化固着層１２）と、トンネルバリア層１４との界面には、高分極率材料として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素あるいはこの１つの元素を含む合金からなる磁性金属層を配置して、磁気抵抗比（ＭＲ(Magneto Resistive)比）を上昇させた構成でもよい。但し、通常、これらの磁性層は単層では面内磁化となるため、垂直磁化の安定性を損なわないように積層する垂直磁気異方性材料との磁気的な膜厚比を調整する必要がある。

また、本実施形態では、磁気固定層１２，２２，２６および磁気記憶層１６の磁化の向きは膜面に垂直であったが、膜面に対して平行であってもよい。この場合、以下の構成となることが好ましい。

磁化固着層２２／非磁性層２４／磁化固着層２６で構成される積層膜および磁化固着層１２のどちらか一方は、反強磁性層／第１強磁性層／非磁性層／第２強磁性層からなる積層膜が望ましく、他方は磁気記憶層１６に比べ保磁力が大きい単層の第３強磁性層であることが望ましい。それぞれ、以下の材料で構成される。

反強磁性層はＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ等のいずれかの材料から構成される。

第１乃至第３強磁性層および磁気記憶層１６の材料には高分極率材料として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素あるいはこの１つの元素を含む合金からなる磁性金属からなっていてもよい。または、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ_２、ＲＸＭｎＯ_３−Ｙ（Ｒ：希土類、Ｘ：Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ）等の酸化物の他、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ等のホイスラー合金等を用いてもよい。また、これら金属には、強磁性を失わない限り、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ等の非磁性元素が多少含まれていても良い。

上記非磁性層および図１２に示す非磁性層２４の材料として、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｃｒ等の貴金属材料を用いることが望ましい。

磁化の向きが膜面に垂直であっても膜面に平行な場合であっても、磁気記憶層１６は強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる積層膜であってもよい。その場合、磁化固着層２２／非磁性層２４／磁化固着層２６で構成される積層膜と、磁化固着層１２は反強磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる積層構造をもつことが望ましい。ただし、磁化固着層２２／非磁性層２４／磁化固着層２６で構成される積層膜と磁化固着層１２は磁気記憶層１６に比べ保磁力が大きい単層の強磁性層であってもよい。

図１２に示すスピンフィルタ層１８の磁性体２０の材料としては、磁気記憶層１６および磁化固着層１２，２２，２６で挙げた材料を用い、結晶磁気異方性エネルギー密度は材料の組成比をコントロールすることにより調整する。また、図１２に示すスピンフィルタ層１８の非磁性層１９の材料としてはＲｕ、Ｃｕ、Ｃｒ等の貴金属材料を用いることが望ましい。

また、図１３に示すスピンフィルタ層１８の磁性層２０ａの材料としては、磁気記憶層１６および磁化固着層１２，２２，２６で挙げた材料を用い、結晶磁気異方性エネルギー密度は材料の組成比をコントロールすることにより調整する。また、図１３に示すスピンフィルタ層１８の非磁性層１９ａ、１９ｂの材料としてはＲｕ、Ｃｕ、Ｃｒ等の貴金属材料を用いることが望ましい。

トンネルバリア膜１４の材料としては、ＡｌＯ_ｘ（例えばＡｌ_２Ｏ_３）、ＭｇＯ_ｘ、ＳｉＯ_２、ＡｌＮ、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＴｉＯ_２、ＡｌＬａＯ_３等のさまざまな誘電体を使用することができる。これらの誘電体には、酸素、窒素、フッ素欠損が存在していてもかまわない。あるいは、層１４はトンネルバリアではなくとも導電性金属、半金属、半導体などの磁気抵抗効果を発現する磁気抵抗層であればよい。

なお、第１実施形態で説明した図１に示すＴＭＲ素子１の磁気記憶層２および磁化固着層６の材料としては、第２実施形態で説明した磁気記憶層１６および磁化固着層１２，２２，２６の磁性材料と同じ材料を用いることができる。また、図１に示すＴＭＲ素子１のトンネルバリア層４は、第２実施形態で説明したトンネルバリア層１４の材料と同じ材料を用いることができる。

なお、図１１に示す第２実施形態の磁気メモリにおいて、磁気記憶素子１０を第１実施形態で説明したＴＭＲ素子１に置き換えれば、第１実施形態の駆動方法が用いられる磁気メモリとなる。

また、第２実施形態の磁気メモリに第１実施形態の駆動方法を用いて読み出し、書き込みを行ってもよい。

ＭＲＡＭのメモリセルのＴＭＲ素子の概略の断面図。 ＴＭＲ素子の磁化の向きを示す図。 スピン注入型のＴＭＲ素子に書き込みを行う際の電流方向と読み出しを行う際の電流方向を示した図。 読み出しディスターブを説明するための図。 パルス幅（通電時間）によってディスターブを受ける反転電流Ｉｃの大きさが変化することを説明した図。 パルス幅によってディスターブを受ける反転電流Ｉｃの大きさが変化することを説明した図。 読み出し電流と書き込み電流の比に対する磁気記憶層に要求されるα_thermの値を説明した図。 第１実施形態によるＭＲＡＭの駆動方法を説明した図。 第１実施形態の駆動方法の第１変形例を説明した図。 第１実施形態の駆動方法の第２変形例を説明した図。 本発明の第２実施形態による磁気メモリを示す回路図。 第２実施形態の磁気メモリに係る磁気記憶素子を示す断面図。 第２実施形態に係るスピンフィルタ層の他の例を示す断面図。 第２実施形態における電流のパルス幅と電流密度との関係を示す図。

符号の説明

１ ＴＭＲ素子
２ 磁気記憶層
４ トンネルバリア層
６ 磁化固着層
１０ 磁気記憶素子
１２ 磁化固着層
１４ トンネルバリア層
１６ 磁気記憶層
１８ スピンフィルタ層
１９ 非磁性層
１９ａ 非磁性層
１９ｂ 非磁性層
２０ 磁性体
２０ａ 磁性層
２２ 磁化固着層
２４ 非磁性層
２６ 磁化固着層
５０ 選択トランジスタ
６０ ロウ・デコーダ
７０ カラム・デコーダ／書き込み回路／読み出し回路

Claims (4)

1. 膜面に略垂直方向の磁化を有し磁化の向きが固着された磁化固着層と、膜面に略垂直方向の磁化を有し磁化の向きが可変の磁気記憶層と、前記磁化固着層と前記磁気記憶層との間に設けられたトンネルバリア層と、を備え、前記磁気記憶層に電流パルスを流してスピン偏極した電子を注入することにより前記磁気記憶層の磁化の向きが反転可能である磁気記憶素子を有するメモリセルを備えた磁気メモリの駆動方法であって、
   前記磁気記憶層に情報を書き込むための書き込み電流パルスの幅が初期反転に関連した切換時間τ _０ 以上であり、前記磁気記憶層から情報を読み出すための読み出し電流パルスの幅が前記初期反転に関連した切換時間τ _０ より小さく、かつ
   前記磁気記憶層の磁気異方性磁界Ｈｋは５０Ｏｅ〜５０００Ｏｅであることを特徴とする磁気メモリの駆動方法。
2. 前記書き込み電流よりもパルス幅の短いパルスを有する前記読み出し電流の印加を複数回行い、これらの複数回印加した前記読み出し電流の積算によって読み出し情報を取得することを特徴とする請求項１記載の磁気メモリの駆動方法。
3. 膜面に略垂直方向の磁化を有し磁化の向きが固着された磁化固着層と、膜面に略垂直方向の磁化を有し磁化の向きが可変の磁気記憶層と、前記磁化固着層と前記磁気記憶層との間に設けられたトンネルバリア層と、を備え、前記磁気記憶層に電流パルスを流すことにより前記磁気記憶層の磁化の向きが反転可能である磁気記憶素子を有するメモリセルと、
   初期反転に関連した切換時間τ _０ よりも小さなパルス幅を有する、前記磁気記憶層から情報を読み出すための読み出し電流パルスを発生する読み出し回路と、
   前記初期反転に関連した切換時間τ _０ 以上であるパルス幅を有する、前記磁気記憶層に情報を書き込むための書き込み電流パルスを発生する書き込み回路と、
   前記磁気記憶素子の一方の端子が接続され書き込み時は前記書き込み電流パルスが流れ、読み出し時は前記読み出し電流が流れる第１配線と、
   前記磁気記憶素子の他方の端子が接続され書き込み時は前記書き込み電流パルスが流れ、読み出し時に前記読み出し電流が流れる第２配線と、
   を備え、
   前記磁気記憶層の磁気異方性磁界Ｈｋは５０Ｏｅ〜５０００Ｏｅであることを特徴とする磁気メモリ。
4. 前記書き込み電流よりもパルス幅の短いパルスを有する前記読み出し電流の印加を複数回行い、これらの複数回印加した前記読み出し電流の積算によって読み出し情報を取得することを特徴とする請求項３記載の磁気メモリ。

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