JP5695451B2 - 磁気メモリ及び磁気メモリ装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、磁気メモリ及び磁気メモリ装置に関する。
メモリの一つに磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が挙げられる。ＭＲＡＭは、情報を記録する部分に強磁性体を用いて、強磁性体磁化の向きを制御することで長時間情報を記録する。ＭＲＡＭの記録は、磁界印加又はスピン偏極電流注入を用いて磁化を反転させることで行われる。
H. Ohno et al., Nature 408, 944 (2000).
T. Nozaki et al., Appl. Phys. Lett. 96, 022506 (2010).
しかしながら、ＭＲＡＭでは、磁化の制御は電流だけによっておこなわれ、書き込む情報量に比例して、回路に流す電流の大きさも増加する。
そこで本発明の実施形態は、低電流で書き込み動作を行うことができる大容量の磁気メモリ及び磁気メモリ装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る磁気メモリは、第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを結ぶ第１の方向において前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第３の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第２の中間層と、前記第１の方向に直交する第２の方向において前記第３の磁性層に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜の前記第３の磁性層が設けられた側とは反対側に設けられた電極と、を備え、前記電極に正の電圧を与え、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に第１の電流値で電流を流すことで前記第２の磁性層に情報を書き込むことを特徴とする。
また、本発明の一態様に係る磁気メモリは、第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを結ぶ第１の方向において前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第３の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第２の中間層と、前記第１の方向に直交する第２の方向において前記第３の磁性層に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜の前記第３の磁性層が設けられた側とは反対側に設けられた電極と、を備え、前記電極に負の電圧を与え前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に第１の電流値の電流を流すこと、又は前記電極に正の電圧を与え前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に前記第１の電流値よりも小さな第２の電流値を流すことで前記第２の磁性層の情報を読み出すことを特徴とする。
以下図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
（第１の実施形態）
（第１の実施形態）
図１（Ａ）は、磁気メモリ１００を示す図である。
磁気メモリ１００は、第１の磁性層１０と、第１の中間層４０と、第３の磁性層３０と、第２の中間層５０と、第２の磁性層２０と、絶縁膜６０と、電極７０とを備える。
ここで、図１（Ａ）に示すようにｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸はそれぞれ直交している。ｚ軸方向は積層方向を示し、ｘ軸方向及びｙ軸方向は積層方向に対して垂直な方向を示す。
第１の磁性層１０、第１の中間層４０、第３の磁性層３０、第２の中間層５０、及び第２の磁性層２０は、ｚ軸方向に積層されている。
ｙ軸方向において、第３の磁性層３０に絶縁膜６０が設けられている。絶縁膜６０の第３の磁性層３０が設けられていない側には電極７０が設けられている。電極７０には、電流の切換えを行うトランジスタＴｒ＿ｇ−ｉのドレイン端子が接続されている。
第１の磁性層１０、第２の磁性層２０、及び第３の磁性層３０は、強磁性体又はフェリ磁性体である。強磁性体には、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及びロジウム（Ｒｈ）から選択される少なくとも一つの元素との合金を用いることができる。例えばＣｏＰｔやＮｉＦｅ、ＣｏＣｒＰｔなどを用いることができる。上記した材料の特性は、組成の変更、又は熱処理によって変化させることができる。
フェリ磁性体には、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏなど、希土類と遷移金属のアモルファス合金を用いることができる。これらの材料はスパッタ装置で薄膜として堆積すると磁化がｚ軸方向に向き易くなる傾向があり、磁化を垂直にしたい場合に用いることができる。
フェリ磁性体のほかにもＣｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、又はＣｏ／Ｎｉの積層構造を用いると第１の磁性層１０、第２の磁性層２０、及び第３の磁性層３０の磁化をｚ軸方向に向けることができる。これらの積層構造は、最密六方構造の＜０００１＞配向又は、面心立方構造の＜１１１＞配向を有する傾向がある。
第１の磁性層１０は、磁化が固定されている。また、第１の磁性層１０の磁化は、積層方向に向いている。第１の磁性層１０の膜厚は、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。第１の磁性層１０は、第１の中間層４０を通じて第３の磁性層３０の磁化を第１の磁性層１０の磁化の向きに揃えようとする働きを有する。
第２の磁性層２０は、磁化が第１の磁性層１０及び第３の磁性層３０の磁化と比較して弱く固定されている。このため、磁化がある程度自由に回転することができる（可変であるともいう）。また、第２の磁性層２０の磁化は、積層方向に向いている。第２の磁性層２０の膜厚は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
第３の磁性層３０は、磁化が固定されている。また、第３の磁性層３０の磁化は、積層方向に対して垂直方向を向いている。第３の磁性層３０の膜厚は、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
第３の磁性層３０は電流を流した際に第２の磁性層２０に発生するスピントルクの反作用によって磁化の方向が変わらないように、第２の磁性層２０と比較して大きなダンピング係数を有することが望ましい。
ダンピング係数が大きい磁性材料においては磁化の歳差運動が強く妨げられる。したがって、スピントルクによる磁化反転に必要な時間が長くなる。
第１の中間層４０を第１の磁性層１０と第３の磁性層３０との間に設けることで、第１の磁性層１０と第３の磁性層３０との間で交換結合を生じさせる。また、第１の中間層４０を第１の磁性層１０と第３の磁性層３０との間に設けることで、第１の磁性層１０の磁化と第３の磁性層３０の磁化の向きをそれぞれ独立に向けることができる。第１の中間層４０には、非磁性金属を用いることができる。非磁性金属としては、例えば銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、及びイリジウム（Ｉｒ）から選択される少なくとも一つの元素を用いることができる。また、これらの元素を組み合わせて合金として用いてもよい。第１の中間層４０の膜厚は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。
第２の中間層５０は、第２の磁性層２０と第３の磁性層３０が直接的に磁気結合するのを防ぐ。第２の中間層５０には、導電性材料又は絶縁性材料を用いることができる。導電性材料としては、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、及びアルミニウム（Ａｌ）から選択される少なくとも一つの元素を用いることができる。また、これらの元素を組み合わせて合金として用いてもよい。係る場合の第２の中間層５０の膜厚は、１．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。係る場合には、第２の磁性層２０と第３の磁性層３０との間には、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果が観測される。絶縁性材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、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）から選択される少なくとも一つの元素を含む酸化物、窒化物、フッ化物、又は酸窒化物等を用いることができる。具体的には、例えばアルミ酸化物（Ａｌ２Ｏ３）を用いることができる。また、絶縁性材料としては、ＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、又はＺｎＯ等の大きなエネルギーギャップを有する半導体を用いることもできる。係る場合の第２の中間層５０の膜厚は、０．２ｎｍ以上２．０ｎｍ以下である。係る場合には、第２の磁性層２０と第３の磁性層３０との間にＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｒｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果が観測される。
絶縁膜６０には、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、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）から選択される少なくとも一つの元素を含む酸化物、窒化物、フッ化物、又は酸窒化物等を用いることができる。具体的には、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いることができる。また、絶縁膜６０の比誘電率は、できるだけ大きいことが好ましい。これは、電極７０に電圧を印加した際に第３の磁性層３０と電極７０との間に電荷が分布しやすくなるためである。また、第２の中間層５０と絶縁膜６０に同じ材料を用いた場合には、第３の磁性層３０と絶縁膜６０との間に白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及びロジウム（Ｒｈ）の層、又はこれらの元素を組み合わせた合金の層を設ける。このときの層厚は、１原子層又は２原子層である。このようにすることで、第３の磁性層３０の磁化の制御に必要な電圧を下げることができる。
また、磁気メモリ１００は、図１（Ｂ）のように絶縁体６５が設けられていてもよい。この場合、ｙ軸方向において第１の磁性層１０、第１の中間層４０、第３の磁性層３０、第２の中間層５０、及び第２の磁性層２０には、絶縁体６５が設けられている。また、ｚ軸方向において絶縁膜６０及び電極７０にも絶縁体６５が設けられている。このとき、絶縁膜６０の比誘電率は絶縁体６５が有する比誘電率よりも大きい。これは、電極７０に電圧を印加した際に第３の磁性層３０と電極７０との間に電荷が分布しやすくなるためである。
次に、磁気メモリ１００の動作原理について説明する。
磁気メモリ１００の書き込み動作について説明する。
図２は、磁気メモリ１００に電圧・電流が印加されていない状態（平衡状態）を示す図である。第１の磁性層１０、第２の磁性層２０、及び第３の磁性層３０に示す矢印は磁化の向きを示している。第１の磁性層１０の磁化の向きは、紙面下向きである。第２の磁性層２０の磁化の向きは紙面上向きである。第３の磁性層３０の磁化の向きは紙面右向きである。磁気メモリ１００のデータは、例えば第２の磁性層２０の磁化が紙面上向きであれば‘１’とし、紙面下向きであれば‘０’として扱う。書き込みは、第２の磁性層２０の磁化を反転させることで行う。第１の磁性層１０から第３の磁性層３０、又は第３の磁性層３０から第１の磁性層１０に向かって電流を流すことで第２の磁性層２０の磁化の向きを反転させる。しかしながら、第３の磁性層３０の磁化が傾いていない場合（平衡状態という）には、第２の磁性層２０の磁化は反転しにくい。これは、第３の磁性層３０と第２の磁性層２０の二つの層の磁化のなす角が90度に近ければ近いほど、第２の磁性層２０の磁化を反転させる働きをするスピントルクが小さいためである。
平衡状態から電極７０の電位が第３の磁性層３０の電位より高くなるように第３の磁性層３０と電極７０との間に電圧Ｖｇ（Ｖｇ＞０Ｖ）を印加すると第３の磁性層３０の磁化は紙面下方向に傾く。これは、図３に示すように、第３の磁性層３０の電荷の一部（図３では負の電荷を示している）が絶縁膜６０との界面付近に移動したために、第３の磁性層３０の磁化が固定される強さが弱まり、第１の磁性層１０の磁化の影響を受けやすくなったからであると考えられる。第３の磁性層３０の磁化の傾きの度合いは電極７０から印加されるＶｇの大きさを変えることで調整できる。図４は、Ｖｇを２．５Ｖではなく、５Ｖに設定した場合に第２の磁性層２０の磁化が反転している様子を示す。Ｖｇを２．５Ｖ印加したときの第３の磁性層３０の磁化の傾きをθ１（図４（Ａ）とし、Ｖｇを５Ｖ印加したときの第３の磁性層３０の磁化の傾きをθ２（図４（Ｂ））としている。θ１はθ２より小さい。
このように、磁気メモリ１００は電極７０に電圧を印加して第３の磁性層３０の磁化を傾け、第２の磁性層２０に電流を流すことで第２の磁性層２０の磁化を容易に反転させることができる。電極７０の印加されるＶｇの値を大きくすると、第３の磁性層３０の磁化の傾きが大きくなるので第２の磁性層２０の磁化を反転させる時間を短くすることができる。
磁気メモリ１００の読み出し動作について説明する。
読み出しは、第１の磁性層１０と第２の磁性層２０との間に電流を流したときの抵抗変化量を検出することで行う。このときの抵抗変化量は、第２の磁性層２０の磁化と第３の磁性層３０の磁化とがなす相対的な角度に依存する。平衡状態では、第２の磁性層２０の磁化と第３の磁性層３０の磁化は直交している。このために、この状態で第１の磁性層１０と第３の磁性層３０との間に電流を流しても、第２の磁性層２０の磁化が紙面上向きであろうと紙面下向きであろうと第２の磁性層２０の磁化と第３の磁性層３０の磁化との相対的な角度は変化しないので磁気メモリ１００の抵抗変化量は変化しない。
そこで、電極７０の電位が第３の磁性層３０の電位より高くなるように第３の磁性層３０と電極７０との間に電圧Ｖｇ（Ｖｇ＞０Ｖ）を印加することで第３の磁性層３０の磁化を傾けて第２の磁性層２０の磁化と第３の磁性層３０の磁化とのなす相対的な角度を変化させる。この相対的な角度の大きさで抵抗値が変化するので、磁気メモリ１００の読み出し動作を行うことができる。図５は、第２の磁性層２０の磁化の向きが紙面上向き（図５（Ａ））の場合と紙面下向き（図５（Ｂ））の場合を示す。図５（Ｃ）は、第３の磁性層３０の磁化の傾きθと磁気メモリ１００の抵抗変化量ΔＲとの関係を示す図である。実線は図５（Ａ）に示す第２の磁性層２０の磁化が紙面上向きの場合を示す。破線は図５（Ｂ）に示す第２の磁性層２０の磁化が紙面下向きの場合を示す。θが大きくなるにつれてΔＲが大きくなっていることがわかる。また、第２の磁性層２０の磁化の向きが紙面下向きの場合と紙面上向きの場合でΔＲの変化の挙動が反対であることがわかる。よって、第３の磁性層３０の磁化を傾けて電流を磁気メモリ１００に流すことで第２の磁性層２０の磁化の向きがわかるので、読み出しを行うことができる。
磁気メモリ１００に流す電流値は書き込み時の電流値より小さくする。また、書き込み時に印加する電圧と逆の電圧を印加してもよい。すなわち、書き込み時の電圧が正であれば、読み出し時の電圧は負である
（変形例１）
（変形例１）
図６は、磁気メモリ１００の変形例を示す図である。第１の磁性層１０の磁化は紙面左向きである。第２の磁性層２０の磁化は紙面右向きである。第３の磁性層３０の磁化は紙面上向きである。図６（Ａ）は平衡状態を示す。図６（Ｂ）は電極７０の電位よりも第３の磁性層３０の電位が高くなるように第３の磁性層３０と電極７０との間に電圧Ｖｇ（Ｖｇ＜０Ｖ）を印加した状態を示す。電極７０に電圧を印加することで、第３の磁性層３０の磁化が固定される強さが弱まり、第１の磁性層１０の磁化の影響を受けて第３の磁性層３０の磁化が傾く。
（変形例２）
（変形例２）
図７は、磁気メモリ１００の変形例を示す図である。第１の磁性層１０上に第３の中間層４１を設けている。第３の中間層４１上には第４の磁性層４２が設けられている。
第３の中間層４１はＲｕを含む層である。第４の磁性層４２はＩｒＭｎ等を含む反強磁性層である。従って、これらの層を設けることで第１の磁性層１０の磁化をより強く固定できる。
（変形例３）
（変形例３）
図８は、磁気メモリ１００の変形例を示す図である。複数の磁気メモリ１００が直列に接続されることで磁気メモリ装置２００となっている。それぞれの磁気メモリ１００の間は金属配線で接続されている。紙面上方の磁気メモリ１００から第１番目、第ｉ番目、第Ｎ番目とする。ｉとＮは自然数で１＜ｉ＜Ｎである。Ｎは最後尾の磁気メモリ１００である。第１番目の磁気メモリ１００の第１の磁性層１０は、トランジスタＴｒ＿Ｃのソース端子又はドレイン端子と金属配線で接続されている。それぞれの磁気メモリ１００の電極７０は、トランジスタのソース端子又はドレイン端子が接続されている。第Ｎ番目の磁気メモリ１００の第２の磁性層２０は、金属配線によって外部回路（図示せず）の共通端子と接続されている。
磁気メモリ装置２００を複数並べて記録装置として用いた場合に、それぞれの磁気メモリ装置２００の第ｉ番目の磁気メモリ１００の電極７０に接続されているトランジスタＴｒ＿ｇ＿ｉを共通のトランジスタとして用いることができる。このために、磁気メモリ装置２００は、外部回路の配線を簡単にできる。
（第２の実施形態）
（第２の実施形態）
磁気メモリ１００の製造方法について説明する。
図９に示すように、磁気メモリは下部リード線と第２の磁性層２０との間には、電極の働きをする金属多層膜が設けられている。下部リード線上にＴａ層、Ｒｕ層、Ｃｕ層が設けられている。一方で上部リード線と第１の磁性層１０との間にも金属多層膜が設けられている。第１の磁性層１０上にＣｕ層、Ｔａ層が設けられている。
図９に示す磁気メモリ１００は、以下のようにして作製する。
まず、基板上に絶縁体を積層し、マスクを用いて絶縁体をエッチングすることで基板表面の一部を露出させる。露出した部分に下部リード線を埋め込む。次に、超高真空スパッタ装置を用いて下部リード線上及び絶縁体上にＴａ層、Ｒｕ層、Ｃｕ層、第２の磁性層２０、第２の中間層５０、第３の磁性層３０、第１の中間層４０、第１の磁性層１０、Ｃｕ層、Ｔａ層の順に積層する（図１０）。
次に積層した構造上にネガレジストを塗布し、電子線露光装置を用いて下部リード線上に積層した構造のみを露光・現像することでネガレジストを残す。残ったネガレジストをパターンとしてイオンミリングを行い、下部リード線上にのみ積層した構造を残す。このとき、イオンミリングの条件によっては下部リード線上に積層された構造がテーパー形状となる。その後、ネガレジストを除去する（図１１）。
次に、超高真空スパッタ装置を用いてＴａ層上及び絶縁体上に絶縁体を積層する。そして、化学機械研磨（ＣＭＰ）を行って平坦化をおこなったのち、反応性イオンエッチングを用いてＴａ層をマスクとして絶縁体の上面が第３の磁性層３０の下側に位置するように絶縁体をエッチングする（図１２）。
次に、イオンミリングを用いて下部リード線上に積層された構造の側壁部分の化合物を取り除いた後、不活性ガスで封止しながら原子層堆積装置に試料を搬入し、下部リード線上に積層された構造の側面に絶縁膜６０を堆積する（図１３）。
次に、超高真空スパッタ装置を用いてＴａ層上、絶縁体上、及び絶縁膜６０上に電極７０となる金属層を堆積する。そして、図８及び図９で説明したのと同様の方法で、Ｔａ層上にネガレジスト残す。Ｔａ層上のネガレジストをパターンとして金属層の上面が第３の磁性層３０の上側に位置するように金属層をエッチングする。その後、ネガレジストを除去する。次に、Ｔａ層上、絶縁膜６０上、及び金属層上にポジレジストを堆積する。ＫｒＦ露光装置を用いて磁気メモリ１００とその周辺に設けられた配線に対応したポジレジストのパターンを形成し、イオンミリングを用いてポジレジスト以外の部分を削る。この時点で、第１の中間層４０や第１の磁性層１０の側壁にも電極７０の一部が掛かってしまうことがある（図１４）。しかしながら、第１の磁性層１０の磁気異方性エネルギーは、十分に大きいので第１の磁性層１０に電圧が印加されても磁気メモリ１００の動作に問題は生じない。
次に、超高真空スパッタ装置を用いて絶縁体を全体に堆積し、化学機械研磨（ＣＭＰ）を行って平坦化を行う。最後に電子露光とイオンミリングを用いてＴａ層の上面を露出させ、上部リード線となる金属層を超高真空スパッタ装置で堆積させ、ＫｒＦ露光装置とイオンミリングを用いて配線を形成する（図８）このとき、Ｔａ層上面の面積よりも小さな面積で上部リード線をＴａ層上に形成すると、電極７０と上部リード線の短絡を抑制することができる。
（第１の実施例）
（第１の実施例）
磁気メモリ１００に対して数値解析によるシミュレーションを行った。
初期状態における、第１の磁性層１０の磁化の向きはｚ軸方向下向き、第２の磁性層２０の磁化方向はｚ軸方向上向き、第３の磁性層３０の磁化方向はｚ軸にほぼ直交となっている。
第３の磁性層３０は構成材料の磁気特性と素子の形状による効果によって、ｚ軸を磁化容易軸とする磁気異方性を元来持っている。その大きさは１×10４ J/m３である。第1の磁性層１０は第１の中間層４０を介して第３の磁性層３０に静磁エネルギーに換算して0.5×103 J/m３の交換バイアスを与えており、第３の磁性層３０の磁化はｚ軸方向に直交した状態からわずか（〜１°）にｚ軸方向下方向に傾いている。電極７０と第３の磁性層３０との間に第３の磁性層を基準とした電圧を印加すると、第３の磁性層３０のｚ軸に直交した方向を容易軸とする磁気異方性は１.5×103 J/m３/Vの割合で変化する。
第２の磁性層２０は厚さ３ｎｍであり、ｚ軸方向を磁化容易軸とする一軸磁気異方性を有している。その磁気異方性エネルギーは4.8×105 J/m３、磁化の大きさは８００emu/cc、ダンピング定数は0.007である。また、このシミュレーションでは第２の磁性層と第３の磁性層の間を行き来する電流のスピン偏極率は５０％である。
図１５は、電極７０の電位が第３の磁性層３０の電位よりも高くなるように第３の磁性層３０と電極７０との間に電圧Ｖｇ（Ｖｇ＞０Ｖ）を印加したときの第３の磁性層３０の磁化の傾きを示した結果である。横軸が電極７０に印加した電圧（Ｖ）を示し、縦軸が第３の磁性層３０の磁化の傾き（θ）を示す。
図１５からわかるように、電圧を印加するに連れて第３の磁性層３０の磁化が傾いていることがわかる。例えば、電極７０に５Ｖ印加すると、磁化は６°傾くことがわかる。
図１６は、電極７０の電位が第３の磁性層３０の電位よりも高くなるように第３の磁性層３０と電極７０との間に電圧Ｖｇ（Ｖｇ＞０Ｖ）を印加しつつ磁気メモリ１００に７×10６ A/cm2の電流を流したときの第３の磁性層３０の磁化の積層方向成分を示した結果である。横軸は経過時間（ｎｓｅｃ）示し、縦軸は第３の磁性層３０の磁化の積層方向成分を示す。
電極７０に２．５Ｖを印加して第３の磁性層３０の磁化を平衡状態から３°傾けた場合には、２０ｎｓｅｃの間では第２の磁性層２０の磁化は反転しない。
一方、電極７０に５Ｖを印加して第３の磁性層３０の磁化を平衡状態から６°傾けた場合には、１５ｎｓｅｃ位で第２の磁性層２０の磁化が反転する。このことから、第３の磁性層３０に電圧を印加することで第２の磁性層２０の磁化を反転させることがわかる。また、電極７０に印加する電圧を大きくすることで、容易に第３の磁性層３０の磁化を反転させることができる。
（第３の実施形態）
（第３の実施形態）
複数の磁気メモリ１００を直列接続した場合の磁気メモリ装置２００の動作原理について説明する。説明のために、磁気メモリ１００の個数を１０個とする。図１７にその構成を示す。第１番目の磁気メモリ１００の第１の磁性層１０は、正の電流のＯｎ／Ｏｆｆを行うトランジスタＴｒ＿Ｃｐと負の電流のＯｎ／Ｏｆｆを行うＴｒ＿Ｃｍと磁気メモリ１００に記録されている情報を読み取る容量端子が接続されている。それぞれの磁気メモリ１００の電極７０にはトランジスタＴｒ＿Ｇ１〜Ｔｒ＿ｇ１０が接続さている。第１０番目の磁気メモリ１００の第２の磁性層２０は外部回路の共通端子が接続されている。第２の磁性層２０の磁化の向きが紙面上向きである場合のデータを‘１’とし、紙面下向きである場合のデータを‘０’とする。第１の磁性層１０、第２の磁性層２０、及び第３の磁性層３０の磁化の向きはそれぞれ図１７に示すとおりである。
始めに書き込み動作について説明する。
それぞれの磁気メモリ１００への書き込みは電流・電圧の印加によって行われる。電極７０の電位が第３の磁性層３０の電位よりも高くなるように第３の磁性層３０と電極７０との間に電圧Ｖｇ（Ｖｇ＞０Ｖ）が印加されている磁気メモリ１００に電流を流すことで選択的に書き込み動作を行う。電流の方向によって、第２の磁性層２０の磁化反転の向きが決定される。
トランジスタＴｒ＿ＣｐをＯｎにして正の電流を第１番目から第１０番目の磁気メモリ１００に流すと、電極７０に電圧が印加され、かつデータが‘０’の磁気メモリ１００の第２の磁性層２０の磁化が反転しデータが‘１’の磁気メモリ１００となる。一方で、負の電流を流した場合には、電極７０に電圧が印加され、かつデータが‘１’の磁気メモリ１００の第２の磁性層２０の磁化が反転しデータが‘０’となる。
図１８は、第i番目の磁気メモリ１００の電極７０に電圧を印加した状態で、Ｔｒ＿ＣｍをＯｎにして負の電流−Ｉｃ（Ｉｃ＞０）を流し、第i番目の磁気メモリ１００のデータを‘１’から‘０’に書き換えている。図１８（Ａ）は、磁気メモリ装置２００の概略図を示す。図１８（Ｂ）は、電圧を印加するタイミングを示している。
図１９は、第１０番目の磁気メモリ１００の電極７０に電圧を印加した状態で、Ｔｒ＿ＣｐをＯｎにして正の電流Ｉｃを流し、第１０番目の磁気メモリ１００のデータを‘０’から‘１’に書き換えている。図１９（Ａ）は、磁気メモリ装置２００の概略図を示す。図１９（Ｂ）は、電圧を印加するタイミングを示している。
次に読み出し動作について説明する。
磁気メモリ装置２００の読み出しは、第１番目の磁気メモリ１００の電極７０から第１０番目の磁気メモリ１００の電極７０まで順々に電圧を印加していき、そのときの磁気メモリ１００の抵抗変化が正か負かを判断することで行う。例えば、抵抗変化が正の場合には、‘１’のデータが記録されていることを示し、抵抗変化が負の場合には、‘０’のデータが記録されていることを示す。磁気メモリ１００に流す電流値は書き込み時の電流値より小さくする。また、書き込み時に印加する電圧と逆の電圧を印加してもよい。すなわち、書き込み時の電圧が正であれば、読み出し時の電圧は負である。抵抗変化を直接読み出しても良いが、図２０（Ａ）に示すように容量接合を設けて抵抗変化を読み出してもよい。このとき、電極７０の電圧をパルス状に印加して第３の磁性層３０の磁化が時間的に変化する際に生じる電圧降下分の微分信号を計測することで磁気メモリ１００を読み出すことができる。
なお、第１の実施形態から第３の実施形態まで第１の磁性層１０及び第３の磁性層３０の磁化は固定され、第２の磁性層２０の磁化は第１の磁性層１０及び第３の磁性層３０の磁化と比べて弱く固定されていることを前提として説明した。しかしながら、書き込み・読み込み動作においては、第１の磁性層１０及び第２の磁性層２０の磁化が固定され、第３の磁性層３０の磁化が第１の磁性層１０及び第２の磁性層２０の磁化と比べて弱く固定されているとしてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…第１の磁性層、２０…第２の磁性層、３０…第３の磁性層３０、４０…第１の中間層、５０…第２の中間層、６０…絶縁膜、６５…絶縁体、７０…電極
Claims (10)
- 第１の磁性層と、
第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを結ぶ第１の方向において前記第１の磁性層と
前記第２の磁性層との間に設けられた第３の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
前記第１の方向に直交する第２の方向において前記第３の磁性層に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記第３の磁性層が設けられた側とは反対側に設けられた電極と、
を備え、
前記第１の磁性層の磁化が固定され、かつ前記第一の方向に向いており、
前記第２の磁性層の磁化が可変であり、かつ前記第一の方向に向いており、
前記第３の磁性層の磁化が固定され、かつ前記第一の方向に対して垂直な方向に向いており、
前記電極に正の電圧を与え、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に第１の電流値で電流を流すことで前記第２の磁性層に情報を書き込むことを特徴とする磁気メモリ装置。 - 第１の磁性層と、
第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを結ぶ第１の方向において前記第１の磁性層と
前記第２の磁性層との間に設けられた第３の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
前記第１の方向に直交する第２の方向において前記第３の磁性層に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記第３の磁性層が設けられた側とは反対側に設けられた電極と、
を備え、
前記第１の磁性層の磁化が固定され、かつ前記第一の方向に対して垂直な方向に向いており、
前記第２の磁性層の磁化が可変であり、かつ前記第一の方向に対して垂直な方向に向いており、
前記第３の磁性層の磁化が固定され、かつ前記第一の方向に向いており、
前記電極に正の電圧を与え、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に第１の電流値で電流を流すことで前記第２の磁性層に情報を書き込むことを特徴とする磁気メモリ装置。 - 前記電極に負の電圧を与え前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に前記第１の電流値の電流を流すこと、又は前記電極に正の電圧を与え前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に前記第１の電流値よりも小さな第２の電流値を流すことで前記第２の磁性層の情報を読み出すことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気メモリ装置。
- 第１の磁性層と、
第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを結ぶ第１の方向において前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第３の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
前記第１の方向に直交する第２の方向において前記第３の磁性層に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記第３の磁性層が設けられた側とは反対側に設けられた電極と、
を備え、
前記第１の磁性層の磁化が固定され、かつ前記第一の方向に対して垂直な方向に向いており、
前記第２の磁性層の磁化が可変であり、かつ前記第一の方向に対して垂直な方向に向いており、
前記第３の磁性層の磁化が固定され、かつ前記第一の方向に向いており、
前記電極に電圧を与え、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に電流を流すことで前記第２の磁性層の情報を読み出すことを特徴とする磁気メモリ装置。 - 第１の磁性層と、
第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを結ぶ第１の方向において前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第３の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
前記第１の方向に直交する第２の方向において前記第３の磁性層に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記第３の磁性層が設けられた側とは反対側に設けられた電極と、
を備え、
前記第１の磁性層の磁化が固定され、かつ前記第一の方向に向いており、
前記第２の磁性層の磁化が可変であり、かつ前記第一の方向に向いており、
前記第３の磁性層の磁化が固定され、かつ前記第一の方向に対して垂直な方向に向いており、
前記電極に電圧を与え、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に電流を流すことで前記第２の磁性層の情報を読み出すことを特徴とする磁気メモリ装置。 - 第１の磁性層と、
第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを結ぶ第１の方向において前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第３の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
前記第１の方向に直交する第２の方向において前記第３の磁性層に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記第３の磁性層が設けられた側とは反対側に設けられた電極と、
を備え、前記第１の磁性層の磁化が固定され、かつ前記第一の方向に向いており、
前記第２の磁性層の磁化が可変であり、かつ前記第一の方向に向いており、
前記第３の磁性層の磁化が固定され、かつ前記第一の方向に対して垂直な方向に向いていることを特徴とする磁気メモリ。 - 第１の磁性層と、
第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを結ぶ第１の方向において前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第３の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
前記第１の方向に直交する第２の方向において前記第３の磁性層に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記第３の磁性層が設けられた側とは反対側に設けられた電極と、
を備え、前記第１の磁性層の磁化が固定され、かつ前記第一の方向に対して垂直な方向に向いており、
前記第２の磁性層の磁化が可変であり、かつ前記第一の方向に対して垂直な方向に向いており、
前記第３の磁性層の磁化が固定され、かつ前記第一の方向に向いていることを特徴とする磁気メモリ。 - 前記第１の磁性層、前記第２の磁性層、及び前記第３の磁性層は、最密六方構造の＜０００１＞配向又は、面心立方の＜１１１＞配向を有することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の磁気メモリ。
- 前記第３の磁性層のダンピング係数は、前記第２の磁性層のダンピング係数よりも大きいことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の磁気メモリ。
- 前記第１の方向において前記絶縁膜及び前記電極を挟み、かつ前記第２の方向において前記第１の磁性層、前記第２の磁性層、前記第３の磁性層、前記第１の中間層、前記第２の中間層を挟む絶縁体と、
を更に備え、
前記絶縁膜の比誘電率は、前記絶縁体の比誘電率よりも大きいことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の磁気メモリ。
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