JP5077019B2

JP5077019B2 - 磁気記憶装置

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Publication number: JP5077019B2
Application number: JP2008089601A
Authority: JP
Inventors: 裕二柿沼; 啓治古賀
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009245500A

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を備えた磁気記憶装置に関するものである。

この種の磁気メモリデバイスとして、特開２００４−１７９４８３号公報に開示された不揮発性磁気メモリ（以下、磁気メモリデバイスともいう）が知られている。この磁気メモリデバイスは、スピン注入磁化反転型記憶素子を含む記憶セルを備えた磁気ランダムアクセスメモリ（以下、「ＭＲＡＭ：ＭａｇｎｅｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ」ともいう）であって、一例として、第１の強磁性層、非磁性層、第２の強磁性層、トンネルバリアおよび第３の強磁性層がこの順に積層された１つの積層体で構成されたメモリセル（以下、記憶セルともいう）を複数有している。また、磁気メモリデバイスは、並設された複数のビット線と、これらビット線に対して直交するように配設された複数のワード線とを備え、ビット線とワード線の各交差部分に上記した記憶セルが１つずつ配設されると共に、その積層方向の一端側でビット線に接続され、かつ他端側でワード線に接続されている。この場合、第１の強磁性層、非磁性層および第２の強磁性層は、巨大磁気抵抗効果素子を構成し、第２の強磁性層、トンネルバリアおよび第３の強磁性層は、トンネル型磁気抵抗効果素子を形成している。さらに、巨大磁気抵抗効果素子のうち、第１の強磁性層と非磁性層はスピン注入磁化反転層として機能し、第２の強磁性層は巨大磁気抵抗効果素子／トンネル型磁気抵抗効果素子の強磁性自由層として機能し、また第１の強磁性層は巨大磁気抵抗効果素子の固定層、第３の強磁性層はトンネル型磁気抵抗効果素子の自由層として機能する。

この磁気メモリデバイスでは、ビット線およびワード線を介して記憶セルに流す書込電流の方向により、第２の強磁性層（自由層）の磁化方向を、第３の強磁性層（固定層）の磁化方向に対して平行（同一方向）および反平行（逆方向）の一方に任意に配置することで、記憶セルに情報（「０」または「１」の１ビットの情報）を記憶する。一方、記憶セルに記憶されている情報を読み出すときには、ビット線およびワード線を介して記憶セルに所定電圧を印加したときに流れる電流の大きさを検出する。記憶セルは、その抵抗値が第３の強磁性層（固定層）の磁化方向に対する第２の強磁性層（自由層）の磁化方向によって変化する。したがって、第３の強磁性層（固定層）の磁化方向に対する第２の強磁性層（自由層）の磁化方向によって記憶セルに流れる電流の大きさも変化するため、この電流の大きさを検出することで、記憶セルに記憶されている情報を読み出すことが可能となっている。

ところで、上述のような第２の強磁性層（自由層）の磁化方向を任意の方向に配置すべく、元の状態から反転させるため（スピン注入磁化反転を起こすため）には、磁気メモリデバイスの強磁性体に対して、あるしきい値以上の大きさのスピン偏極電流を流す必要がある。このスピン注入磁化反転を起こすのに必要なスピン偏極電流の大きさのしきい値（以下、「磁化反転しきい値」という。）が大きいと、磁気デバイスの消費電力の増大や、磁気デバイスの短寿命化といった問題が発生する。

この問題に対して、本願出願人は、磁化固定層、磁化自由層、および磁化固定層と磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサ層を有する磁気抵抗効果素子の磁化固定層と磁化自由層との間に交流電流（磁化自由層の磁化方向の固有振動数に対応する周波数の交流電流）が重畳された直流電流を供給して、磁気抵抗効果素子内にスピン偏極交流電流が重畳されたスピン偏極直流電流を発生させ、このスピン偏極交流電流によって誘起される磁化自由層の磁化の歳差運動を利用して、より少ないスピン偏極直流電流で磁化自由層の磁化方向を反転させる方法を見出している。
特開２００４−１７９４８３号公報（第５−６頁、第１図）

ところで、本願出願人が見出したこの方法では、上記したように、直流電流に重畳させる交流電流の周波数を、磁化自由層の磁化の固有振動数に対応する周波数に規定する必要がある。しかしながら、製造プロセスのばらつきに起因して、磁化自由層のアスペクト比や結晶構造が変化したり、また磁場印加部から磁化自由層に印加される磁場の強さが変化したりしたときに、磁化自由層の磁化の固有振動数も変化する。このため、本願出願人が見出したこの方法には、直流電流に重畳させる交流電流の周波数が磁化自由層の磁化の固有振動数と完全には一致しないことがあることに起因して、スピン偏極電流を低減できないおそれがあるという課題が存在している。

本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、直流電流に重畳させる交流電流の周波数と磁化自由層の磁化の固有振動数とを完全に一致させてスピン偏極電流を確実に低減し得る磁気記憶装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく本発明に係る磁気記憶装置は、磁化固定層、磁化自由層、および前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサー層を備えた磁気抵抗効果素子と、前記磁化自由層に磁場を印加する磁場印加部と、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に交流電流が重畳された直流電流を供給する電流供給部とを備え、前記電流供給部は、前記磁気抵抗効果素子についての前記磁化自由層の磁化の固有振動数を含む周波数範囲内で前記交流電流の周波数をスイープさせる。

また、磁気記憶装置は、前記磁気抵抗効果素子を複数備え、前記電流供給部は、当該各磁気抵抗効果素子についての前記固有振動数を含む周波数範囲内で前記交流電流の周波数をスイープさせる。

また、磁気記憶装置は、前記磁場印加部は、永久磁石を備えて構成されて、前記磁場の強さを一定に維持する。

本発明に係る磁気記憶装置では、電源供給部が、直流電圧に重畳される交流電圧の周波数を、磁気抵抗効果素子についての磁化自由層の磁化の固有振動数を含む周波数範囲内でスイープ（掃引）させる。したがって、この磁気記憶装置によれば、交流電圧の周波数を固定周波数とする磁化反転方法と比較して、磁化自由層の磁化の歳差運動における固有振動数がばらついたとしても、磁化自由層の磁化に対する歳差運動を確実に誘起させて磁化自由層の磁化方向を、直流電流だけで磁化反転を行う場合の電流値よりも電流値の小さな直流電流で確実に磁化反転させることができる。

また、本発明に係る磁気記憶装置では、磁気抵抗効果素子を複数備え、電流供給部は、各磁気抵抗効果素子についての固有振動数を含む周波数範囲内で交流電流の周波数をスイープさせる。したがって、この磁気記憶装置によれば、すべての磁気抵抗効果素子について、磁化自由層の磁化に対する歳差運動を確実に誘起させて磁化自由層の磁化方向を、直流電流だけで磁化反転を行う場合の電流値よりも電流値の小さな直流電流で確実に磁化反転させることができる。

また、本発明に係る磁気記憶装置によれば、永久磁石を用いて磁場印加部を構成して、磁気抵抗効果素子の磁化自由層に印加される磁場の強さを一定に維持するようにしたことにより、磁場印加部を簡易に構成することができる。

まず、本発明に係る磁気記憶装置１の構成について図面を参照して説明する。

磁気記憶装置１は、図１に示すように、磁気抵抗効果素子２、磁場印加部３および電源供給部４を備えている。

磁気抵抗効果素子２は、一例として、図２，３に示すように、磁化自由層２１を含むＴＭＲ素子で構成されている。具体的には、磁気抵抗効果素子２は、磁化自由層２１、スペーサ層２２、磁化固定層２３および反強磁性層２４を備え、この順に積層された状態で、上部電極２５と下部電極２６との間に、磁化自由層２１が上部電極２５に接続され、かつ反強磁性層２４が下部電極２６に接続された状態で配設されている。この場合、磁化自由層２１は、強磁性材料で感磁層として構成されている。スペーサ層２２は、本発明における非磁性スペーサ層であって、絶縁性を有する非磁性材料で構成されて、トンネルバリア層として機能する。なお、スペーサ層２２は、通常１ｎｍ以下の厚みで形成される。また、下部電極２６はグランドに接続されている。

磁化固定層２３は、一例として、図２に示すように、磁化方向が固定された強磁性層（第２磁性層）２３ａ、Ｃｕなどの金属からなる非磁性層２３ｂ、および磁化方向が強磁性層２３ａと逆向きとなるように固定された他の強磁性層（第１磁性層）２３ｃとを備え、強磁性層２３ｃが反強磁性層２４の上部に位置するように各層がこの順に積層されて構成されている。この場合、一対の強磁性層２３ａ，２３ｃは、その磁化方向２３ＡＭ，２３ＣＭが磁気抵抗効果素子２の厚み方向（Ｚ軸方向）と垂直に設定されている。また、反強磁性層２４は、下側の強磁性層２３ｃに交換結合されている。

また、磁気抵抗効果素子２は、磁化自由層２１において磁化の向きの共振が発生し易いように、図４に示すように、磁化自由層２１における容易磁化軸Ｆの向きと、後述する磁場印加部３から印加される磁場Ｈの向きとが、Ｘ−Ｙ平面内において、所定の角度θ（好ましくは５°〜１７５°の範囲の角度）で交差するように、磁気抵抗効果素子２と磁場印加部３との位置関係が予め規定されている。

磁場印加部３は、一例として、図２，３に示すように、一対の永久磁石（例えば白金コバルト製の磁石）３１，３２を備えている。一対の永久磁石３１，３２は、磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２１を挟むようにして配設されている。この場合、永久磁石３１は、同図に示すように、その磁気抵抗効果素子２方向の端部側が磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２１における一方の側面近傍に達している。また、永久磁石３２も、その磁気抵抗効果素子２方向の端部側が磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２１における他方の側面近傍に達している。この構成により、磁場印加部３は、磁化自由層２１に対して強さが一定の磁場Ｈを印加する。

電源供給部４は、書込み電流発生用の電源部４１、読出し電流発生用の電源部４２、出力制御バッファ４３，４４およびバッファ選択部４５を備えている。本例では、書込み電流発生用の電源部４１は、直流電源４１ａ，４１ｂ、交流電源４１ｃ、スイッチ４１ｄおよびコンデンサ４１ｅを有している。この場合、直流電源４１ａ，４１ｂは、出力電圧Ｖ_ＤＣＷが同一電圧に規定されると共に出力制御バッファ４３の入力端子に対して互いに極性が逆となるように接続されて、スイッチ４１ｄによっていずれか一方の出力電圧Ｖ_ＤＣＷが直流電圧Ｖ_ＤＣＷとして制御バッファ４３に選択的に出力可能に構成されている。交流電源４１ｃは、スイッチ４１ｄによって直流電源４１ａ，４１ｂのいずれか一方が選択されたときには、それに同期（連動）して交流電圧Ｖ_ＡＣＷを出力する。具体的には、スイッチ４１ｄによって選択された直流電源４１ａ，４１ｂのいずれか一方による直流電圧Ｖ_ＤＣＷの出力開始に同期して交流電圧Ｖ_ＡＣＷの出力を開始し、直流電圧Ｖ_ＤＣＷの出力終了に同期して交流電圧Ｖ_ＡＣＷの出力を停止させる。この場合、交流電源４１ｃは、交流電圧Ｖ_ＡＣＷの出力期間中において、交流電圧Ｖ_ＡＣＷの周波数ｆ_ＡＣを予め設定された周波数範囲内（下限周波数ｆ_Ｌから上限周波数ｆ_Ｈまでの範囲内）でスイープ（掃引）させる。また、交流電源４１ｃから出力された交流電圧Ｖ_ＡＣＷは、直流電源４１ａ，４１ｂのいずれか一方から出力される直流電圧Ｖ_ＤＣＷにコンデンサ４１ｅを介して重畳されて、電源部４１から出力制御バッファ４３に出力される。

読出し電流発生用の電源部４２は、直流電源４２ａとスイッチ４２ｂとを備えている。直流電源４２ａは、出力制御バッファ４４の入力端子に接続されて、スイッチ４２ｂがオン状態になったときにその直流電圧Ｖ_ＤＣＲを出力制御バッファ４４に出力する。なお、直流電源４２ａの極性は、図１に示す状態とは逆であってもよい。各出力制御バッファ４３，４４は、バッファ選択部４５に接続されており、バッファ選択部４５によって通電状態または非通電状態に制御される。

以上の構成により、電源供給部４は、出力制御バッファ４３が通電状態で、かつ出力制御バッファ４４が非通電状態のときであって、スイッチ４１ｄによって直流電源４１ａ側が選択されたときには、交流電圧Ｖ_ＡＣＷが重畳した直流電圧Ｖ_ＤＣＷを交流重畳直流電圧Ｖｄｄとして出力制御バッファ４３の出力端子から出力する。この状態では、交流重畳直流電圧Ｖｄｄの磁気抵抗効果素子２への印加に起因して、磁気抵抗効果素子２には交流電流が重畳された直流電流（交流重畳直流電流）がＺ軸の負方向（図２参照）に流れる。一方、電源供給部４は、出力制御バッファ４３，４４がこの状態であって、スイッチ４１ｄによって直流電源４１ｂ側が選択されたときには、交流電圧Ｖ_ＡＣＷが重畳した逆極性の直流電圧Ｖ_ＤＣＷを交流重畳直流電圧Ｖｄｄとして出力制御バッファ４３の出力端子から出力する。この状態では、交流重畳直流電圧Ｖｄｄの磁気抵抗効果素子２への印加に起因して、磁気抵抗効果素子２には交流電流が重畳された直流電流（交流重畳直流電流）がＺ軸の正方向に流れる。

また、電源供給部４は、出力制御バッファ４３が非通電状態で、かつ出力制御バッファ４４が通電状態のときであって、スイッチ４２ｂをオンしたときには、直流電圧Ｖ_ＤＣＲを直流電圧Ｖｄｄとして出力制御バッファ４３の出力端子から出力する。この状態では、この直流電圧Ｖｄｄの磁気抵抗効果素子２への印加に起因して、磁気抵抗効果素子２には直流電流がＺ軸の正方向に流れる。このように、電源供給部４は、磁気抵抗効果素子２に交流重畳直流電流または直流電流を供給可能であり、交流重畳直流電流については、磁気抵抗効果素子２に流れる極性を変更可能となっている。

次に、磁気記憶装置１の情報の記憶動作、すなわち磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍの反転方法について、本願出願人が既に見出している磁化反転方法と比較しつつ説明する。なお、交流電源４１ｃから出力される交流電圧Ｖ_ＡＣＷの周波数ｆ_ＡＣは、磁気抵抗効果素子２の製造プロセス上のばらつきに起因した磁化自由層２１の磁化の歳差運動の固有振動数ｆ_Ｆのばらつきを考慮して、下限周波数ｆ_Ｌから上限周波数ｆ_Ｈまでの間に固有振動数ｆ_Ｆを必ず含むように設定されている。

図３に示す磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを反転させる場合、本願出願人の見出している磁化反転方法では、図５に示すように、磁化反転しきい値Ｉｃ（スピン偏極直流電流だけで磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを反転させ得る最小の直流電流値）よりも電流値の小さなスピン偏極直流電流に、磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍの固有振動数ｆ_Ｆと同じ一定の周波数のスピン偏極交流電流を重畳させたスピン偏極電流を供給している。

一方、本例では、図３に示す磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを反転させる場合、図６に示す交流重畳直流電流をＺ軸の負方向に流す。この交流重畳直流電流は、図１において、出力制御バッファ４３を通電状態にし、かつ出力制御バッファ４４を非通電状態にした状態において、スイッチ４１ｄによって直流電源４１ａ側を選択することで流すことができる。この場合、磁化自由層２１内に供給されるスピン偏極電流は、スピン偏極交流電流が重畳されたスピン偏極直流電流となる。なお、交流電流が重畳される直流電流とは、直流パルス電流や矩形波電流などであってもよい。

磁化自由層２１内にこのスピン偏極交流電流が供給されると、このスピン偏極交流電流には磁化自由層２１の磁化の歳差運動の固有振動数ｆ_Ｆが常に含まれるため、スピン偏極交流電流の周波数がこの固有振動数ｆ_Ｆに一致した時点で磁化自由層２１の磁化に対する歳差運動が誘起されて、磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍは容易に反転する。また、この反転した磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを再度反転させる場合には、出力制御バッファ４３を通電状態にし、かつ出力制御バッファ４４を非通電状態にした状態で、スイッチ４１ｄによって直流電源４１ｂ側を選択する。これにより、図６に示す交流重畳直流電流をＺ軸の正方向に流すことができる、すなわち、スピン偏極直流電流を上記の場合とは逆向きに流した状態で磁化自由層２１の磁化に対する歳差運動を誘起させることができるため、磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍは容易に再び反転する。このように、本例の磁気記憶装置１では、交流電源４１ｃから出力される交流電圧Ｖ_ＡＣＷは、その周波数ｆ_ＡＣが、上記のように予め規定された下限周波数ｆ_Ｌから上限周波数ｆ_Ｈまでの間をスイープするため、周波数が一定のスピン偏極交流電流をスピン偏極直流電流に重畳させる出願人が見出している磁化反転方法と比較して、磁化自由層２１の磁化の固有振動数ｆ_Ｆが変化した場合であっても、磁化自由層２１の磁化に対する歳差運動を確実に誘起させて磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを容易に反転させることができる。このため、直流電流だけで磁化反転を行う場合の磁化反転しきい値Ｉｃよりも小さな直流電流で磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを確実に磁化反転させることができる。したがって、本例の磁気記憶装置１では、磁気抵抗効果素子２への情報の書き込みが常に低消費電力で可能となっている。

また、情報の読み出しの際には、従来の読出し方法や出願人が見出している読出し方法と同様にして、図７に示すように、磁気抵抗効果素子２に磁化反転しきい値Ｉｃよりも小さな直流電流を流すが、この場合には、磁化方向２１Ｍは反転しない。このような電流は、出力制御バッファ４３を非通電状態にすると共にスイッチ４１ｄを非選択状態（直流電源４１ａ，４１ｂのいずれも選択されていない状態（オフ状態））とし、かつ出力制御バッファ４４を通電状態にしてスイッチ４２ｂをオンにすることで、出力制御バッファ４４の出力端子から磁気抵抗効果素子２に流すことができる。この磁気記憶装置１では、磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍと強磁性層２３ａの磁化の向き２３ＡＭとの相対的な角度に応じて磁気抵抗効果素子２の抵抗値が所定の値を示すことから、一例として、磁化方向２１Ｍと磁化の向き２３ＡＭとが平行な場合に情報「０」が記憶され、反平行な場合に情報「１」が記憶されるとすれば、直流電流を流している際に磁気抵抗効果素子２の積層方向の抵抗値を測定することにより、測定した抵抗値に基づいて磁気抵抗効果素子２に記憶されている情報を読み出すことができる。

このように、この磁気記憶装置１では、電源供給部４が、直流電圧Ｖ_ＤＣＷに重畳される交流電圧Ｖ_ＡＣＷの周波数ｆ_ＡＣを、磁化自由層２１の磁化の歳差運動における固有振動数ｆ_Ｆを含む周波数範囲内（下限周波数ｆ_Ｌから上限周波数ｆ_Ｈまでの範囲内）でスイープ（掃引）させる。したがって、磁化自由層２１の磁化の歳差運動における固有振動数ｆ_Ｆのばらつきを考慮して下限周波数ｆ_Ｌおよび上限周波数ｆ_Ｈを規定することにより、交流電圧Ｖ_ＡＣＷの周波数ｆ_ＡＣを固定周波数とする磁化反転方法と比較して、磁化自由層２１の磁化に対する歳差運動を確実に誘起させて磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを、直流電流だけで磁化反転を行う場合の磁化反転しきい値Ｉｃよりも小さな直流電流で確実に磁化反転させることができる。

また、この磁気記憶装置１によれば、永久磁石３１，３２を用いて磁場印加部３を構成して、磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２１に印加される磁場Ｈの強さを一定に維持することにより、磁場印加部３を簡易に構成することができる。

次に、磁気抵抗効果素子２を複数備えた構成の磁気記憶装置１Ａについて、図８を参照して説明する。

磁気記憶装置１Ａは、磁気抵抗効果素子２および選択トランジスタ５１をそれぞれ備えた複数の磁気メモリ素子Ｍ００，Ｍ０１，Ｍ０２，Ｍ１０，Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ２０，Ｍ２１，Ｍ２２（以下、特に区別しないときには「磁気メモリ素子Ｍ」ともいう）がマトリックス状に配置されている。また、磁気記憶装置１Ａでは、ロウ方向に並べられた各磁気メモリ素子を選択するための選択トランジスタ５１のゲート電極には、共通のワード線ＷＬ_０，ＷＬ_１，ＷＬ_２（以下、特に区別しないときには「ＷＬ」ともいう）が接続されている。具体的には、磁気メモリ素子Ｍ００，Ｍ１０，Ｍ２０の各選択トランジスタ５１のゲート電極にはワード線ＷＬ_０が接続され、磁気メモリ素子Ｍ０１，Ｍ１１，Ｍ２１の各選択トランジスタ５１のゲート電極にはワード線ＷＬ_１が接続され、磁気メモリ素子Ｍ０２，Ｍ１２，Ｍ２２の各選択トランジスタ５１のゲート電極にはワード線ＷＬ_２が接続されている。

また、カラム方向に並べられた各磁気メモリ素子の磁気抵抗効果素子２には、共通の上部ビット線ＢＬｕ_０，ＢＬｕ_１，ＢＬｕ_２（以下、特に区別しないときには「ＢＬｕ」ともいう）が接続されている。具体的には、磁気メモリ素子Ｍ００，Ｍ０１，Ｍ０２の各磁気抵抗効果素子２には上部ビット線ＢＬｕ_０が接続されており、磁気メモリ素子Ｍ１０，Ｍ１１，ＭＩ２の各磁気抵抗効果素子２には上部ビット線ＢＬｕ_１が接続されており、磁気メモリ素子Ｍ２０，Ｍ２１，Ｍ２２の各磁気抵抗効果素子２には上部ビット線ＢＬｕ_２が接続されている。また、各上部ビット線ＢＬｕ_０，ＢＬｕ_１，ＢＬｕ_２は、読み出し用スイッチ５２０，５２１，５２２を介して後述のコンパレータ５２の非反転入力端子にそれぞれ接続されている。

また、カラム方向に並べられた各選択トランジスタ５１のソース電極には、共通の下部ビット線ＢＬｄ_０，ＢＬｄ_１，ＢＬｄ_２（以下、特に区別しないときには「ＢＬｄ」ともいう）が接続されている。具体的には、磁気メモリ素子Ｍ００，Ｍ０１，Ｍ０２の各選択トランジスタ５１のソース電極には下部ビット線ＢＬｄ_０が接続されており、磁気メモリ素子Ｍ１０，Ｍ１１，ＭＩ２の各選択トランジスタ５１のソース電極には下部ビット線ＢＬｄ_１が接続されており、磁気メモリ素子Ｍ２０，Ｍ２１，Ｍ２２の各選択トランジスタ５１のソース電極には下部ビット線ＢＬｄ_２が接続されている。

また、上部ビット線ＢＬｕ_０には、電源供給部４の電源出力部（出力制御バッファ４３，４４の各出力端子）がビット電圧スイッチ４１０ａを介して接続されると共に、グランド電位がビット電圧スイッチ４２０ａを介して接続されている。同様にして、上部ビット線ＢＬｕ_１には、電源供給部４の電源出力部およびグランド電位が、ビット電圧スイッチ４１１ａ，４２１ａを介して接続され、上部ビット線ＢＬｕ_２には、電源供給部４の電源出力部およびグランド電位が、ビット電圧スイッチ４１２ａ，４２２ａを介して接続されている。一方、下部ビット線ＢＬｄ_０には、電源供給部４の電源出力部がビット電圧スイッチ４１０ｂを介して接続されると共に、グランド電位がビット電圧スイッチ４２０ｂを介して接続されている。同様にして、下部ビット線ＢＬｄ_１には、電源供給部４の電源出力部およびグランド電位が、ビット電圧スイッチ４１１ｂ，４２１ｂを介して接続され、下部ビット線ＢＬｄ_２には、電源供給部４の電源出力部およびグランド電位が、ビット電圧スイッチ４１２ｂ，４２２ｂを介して接続されている。なお、磁気記憶装置１Ａでは、電源供給部４の電源部４１は、直流電源４１ａ，４１ｂのうちの一方の直流電源のみ（本例では直流電源４１ａのみ）を備えて構成されている。

また、この磁気記憶装置１Ａでは、各電源供給部４の交流電源４１ｃから出力される交流電圧Ｖ_ＡＣＷの周波数ｆ_ＡＣは、各磁気抵抗効果素子２の製造プロセス上のばらつきに起因した磁化自由層２１の磁化の歳差運動についての固有振動数ｆ_Ｆのばらつきを考慮して、下限周波数ｆ_Ｌから上限周波数ｆ_Ｈまでの間にすべての磁気抵抗効果素子２の固有振動数ｆ_Ｆを必ず含むように設定されている。また、図示はしないが、この磁気記憶装置１Ａでも、磁場印加部３が設けられており、各磁気抵抗効果素子２には一定の磁場Ｈが印加されている。

この磁気記憶装置１Ａでは、１つの磁気メモリ素子Ｍが１ビットの情報をそれぞれ記憶する。以下、磁気記憶装置１Ａへの情報の書き込み方法および読み出し方法について、磁気メモリ素子Ｍ００への情報の書き込み方法および読み出し方法を例に挙げて説明する。この場合、磁気メモリ素子Ｍ００は、自身が有する磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍ（図３参照）が磁化固定層２３の磁化の向き２３ＡＭと平行の状態と反平行の状態の２つの状態を１ビットの情報（「０」，「１」）に対応させている。したがって、情報の書き込みは磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを反転させることで行う。

磁気メモリ素子Ｍ００の磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを反転させる場合、各ビット電圧スイッチ４１０ａ，４２０ｂをオンにし、各ビット電圧スイッチ４２０ａ，４１０ｂをオフにする。また、ワード線ＷＬ_０に選択トランジスタ５１をオンにする電圧を印加する。次いで、各電源供給部４のうちのビット電圧スイッチ４１０ａに接続されている電源供給部４のみを作動させて、その出力端子から交流重畳直流電圧Ｖｄｄ（交流電圧Ｖ_ＡＣＷが重畳した直流電圧Ｖ_ＤＣＷ）を出力させることにより、電源供給部４から磁気メモリ素子Ｍ００に対して、磁気抵抗効果素子２から選択トランジスタ５１に向かう方向の交流重畳直流電流を供給する。この際に、電源供給部４から供給される交流重畳直流電流は、上記したように、重畳されている交流電圧Ｖ_ＡＣＷの周波数ｆ_ＡＣが、上記のように予め規定された下限周波数ｆ_Ｌから上限周波数ｆ_Ｈまでの間をスイープするため、磁気抵抗効果素子２の固有振動数ｆ_Ｆと必ず一致する。このため、この磁気記憶装置１では、スピン偏極交流電流によって誘起される磁化自由層２１の磁化の歳差運動を常に利用して、より少ないスピン偏極直流電流で磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを常に確実に反転させることができる。つまり、磁気記憶装置１Ａは、磁化反転しきい値がより低くなった磁気メモリとなっている。

また、上述のように反転させた磁気メモリ素子Ｍ００の磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを再び反転させる場合、ワード線ＷＬ_０に選択トランジスタ５１をオンにする電圧を印加し、各ビット電圧スイッチ４１０ａ，４２０ｂをオフにし、各ビット電圧スイッチ４２０ａ，４１０ｂをオンにする。次いで、各電源供給部４のうちのビット電圧スイッチ４１０ｂに接続されている電源供給部４のみを作動させて、その出力端子から交流重畳直流電圧Ｖｄｄ（交流電圧Ｖ_ＡＣＷが重畳した直流電圧Ｖ_ＤＣＷ）を出力させることにより、電源供給部４から磁気メモリ素子Ｍ００に対して、選択トランジスタ５１から磁気抵抗効果素子２に向かう方向の交流重畳直流電流を供給する。以上により、スピン偏極交流電流によって誘起される磁化自由層２１の磁化の歳差運動を常に利用して、より少ないスピン偏極直流電流で磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを常に確実に再度反転させることで、磁気メモリ素子Ｍ００に異なる情報を書き込むことができる。また、同様にして他の磁気メモリ素子Ｍにも情報を書き込むことができる。

一方、磁気メモリ素子Ｍ００に記録されている情報を読み出す場合、各ビット電圧スイッチ４１０ａ，４２０ｂをオンにし、各ビット電圧スイッチ４２０ａ，４１０ｂをオフにする。次いで、各電源供給部４のうちのビット電圧スイッチ４１０ａに接続されている電源供給部４のみを作動させて、その出力端子から交流重畳直流電圧Ｖｄｄ（直流電圧Ｖ_ＤＣＲ）を出力させることにより、電源供給部４から磁気メモリ素子Ｍ００に対して、磁化反転しきい値Ｉｃよりも電流値が小さい直流電流を磁気抵抗効果素子２から選択トランジスタ５１に向かう方向に供給する。磁気メモリ素子Ｍ００の抵抗値は、磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍ（図３参照）が磁化固定層２３の磁化の向き２３ＡＭと平行の状態と反平行の状態で異なるため、これらの向きが平行の場合と反平行の場合とで上部ビット線ＢＬｕ_０の電圧が異なることとなる。このため、上部ビット線ＢＬｕ_０の電圧をコンパレータ５２によって基準電圧Ｖｒｅｆよりも高いか低いかを判定することにより、磁気メモリ素子Ｍ００に記憶されている情報の読み出しを行うことができる。同様にして他の磁気メモリ素子に記録されている情報の読み出しも行うことができる。

また、磁気抵抗効果素子２を複数備えた構成の磁気記憶装置としては、上記の磁気記憶装置１Ａの他に、図９に示す磁気記憶装置１Ｂのように構成することもできる。なお、同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。この磁気記憶装置１Ｂは、磁気記憶装置１Ａと比較して、各ワード線ＷＬにビット電圧スイッチが接続されている点で相違している。具体的には、磁気記憶装置１Ｂでは、ワード線ＷＬ_０にビット電圧スイッチ４１０ａ，４２０ａが接続され、ワード線ＷＬ_１にビット電圧スイッチ４１１ａ，４２１ａが接続され、ワード線ＷＬ_２にビット電圧スイッチ４１２ａ，４２２ａが接続されている。この磁気記憶装置１Ｂにおいても、上述の磁気記憶装置１Ａと同様にして、各磁気抵抗効果素子２への情報の書き込み、および各磁気抵抗効果素子２からの情報の読み出しが可能である。

具体的に磁気メモリ素子Ｍ００への情報の書き込み方法および読み出し方法を例に挙げて説明する。まず、磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを反転させる場合、各ビット電圧スイッチ４１０ａ，４２０ｂをオンにし、各ビット電圧スイッチ４２０ａ，４１０ｂをオフにする。また、上部ビット線ＢＬｕ_０に選択トランジスタ５１をオンにする電圧を印加する。これにより、上記の磁気記憶装置１Ａと同様にして、電源供給部４から磁気メモリ素子Ｍ００に対して、磁気抵抗効果素子２から選択トランジスタ５１に向かう方向に交流重畳直流電流が供給されて、磁化自由層２１が反転される。

また、上述のように反転させた磁気メモリ素子Ｍ００の磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを再び反転させる場合には、上記の磁気記憶装置１Ａと同様にして、上部ビット線ＢＬｕ_０に選択トランジスタ５１をオンにする電圧を印加し、各ビット電圧スイッチ４１０ａ，４２０ｂをオフにし、各ビット電圧スイッチ４２０ａ，４１０ｂをオンにする。これにより、電源供給部４から磁気メモリ素子Ｍ００に対して、選択トランジスタ５１から磁気抵抗効果素子２に向かう方向に交流重畳直流電流が供給されて、磁化自由層２１が再度反転される。このようにして磁気メモリ素子Ｍ００に情報を書き込むことができる。この磁気記憶装置１Ｂでも、磁気記憶装置１Ａと同様の電源供給部４から交流重畳直流電流を磁気抵抗効果素子２に対して供給するため、スピン偏極交流電流によって誘起される磁化自由層２１の磁化の歳差運動を常に利用して、より少ないスピン偏極直流電流で磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを常に確実に再度反転させて情報を書き込むことができる。

一方、磁気メモリ素子Ｍ００に記憶されている情報を読み出す場合には、上記の磁気記憶装置１Ａと同様にして、各ビット電圧スイッチ４１０ａ，４２０ｂをオンにし、各ビット電圧スイッチ４２０ａ，４１０ｂをオフにする。次いで、電源供給部４から磁気メモリ素子Ｍ００に対して、磁化反転しきい値Ｉｃよりも小さい電流を磁気抵抗効果素子２から選択トランジスタ５１に向かう方向に供給する。この状態において、ワード線ＷＬ_０の電圧をコンパレータ５２によって基準電圧Ｖｒｅｆよりも高いか低いかを判定することにより、磁気メモリ素子Ｍ００に記録されている情報の読み出しを行うことができる。同様にして他の磁気メモリ素子へ記録された情報の読み出しも行うことができる。

なお、上記の磁気記憶装置１Ａ，１Ｂは、それぞれ磁気メモリ素子Ｍを９個備えて構成されているが、この磁気メモリ素子数は特に制限されず、任意の所望数に規定することができる。

磁気記憶装置１の回路図である。図１の磁気抵抗効果素子２近傍の構造を示す斜視図である。図２におけるＷ−Ｗ線断面図である。磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２１近傍の斜視図である。本願出願人が既に見出している磁化反転方法における磁化反転時の電流波形図である。磁気記憶装置１，１Ａ，１Ｂにおける磁化反転時の電流波形図である。磁気記憶装置１，１Ａ，１Ｂにおける磁化非反転時の電流波形図である。磁気記憶装置１Ａの回路図である。磁気記憶装置１Ｂの回路図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ磁気記憶装置
２磁気抵抗効果素子
３磁場印加部
４電源供給部
２１磁化自由層
２２スペーサ層
２３磁化固定層

Claims

磁化固定層、磁化自由層、および前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサー層を備えた磁気抵抗効果素子と、前記磁化自由層に磁場を印加する磁場印加部と、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に交流電流が重畳された直流電流を供給する電流供給部とを備え、
前記電流供給部は、前記磁気抵抗効果素子についての前記磁化自由層の磁化の固有振動数を含む周波数範囲内で前記交流電流の周波数をスイープさせる磁気記憶装置。
前記磁気抵抗効果素子を複数備え、前記電流供給部は、当該各磁気抵抗効果素子についての前記固有振動数を含む周波数範囲内で前記交流電流の周波数をスイープさせる請求項１記載の磁気記憶装置。
前記磁場印加部は、永久磁石を備えて構成されて、前記磁場の強さを一定に維持する請求項１または２記載の磁気記憶装置。