JP6674167B2 - 磁気メモリ及び磁気メモリ素子へのデータ書き込み方法 - Google Patents

磁気メモリ及び磁気メモリ素子へのデータ書き込み方法 Download PDF

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Description

本発明は、磁気メモリ及び磁気メモリ素子へのデータ書き込み方法に関し、特に、データを保持する記録層として垂直磁化膜（垂直磁気異方性を有する磁性膜）を用いる磁気メモリ素子を備えた磁気メモリ及びこのような構成の磁気メモリ素子へのデータ書き込み方法に関する。
磁気ランダムアクセスメモリ（magnetic random access memory）その他の磁気メモリは、磁性膜の磁化の向きとしてデータを記録するメモリである。磁化の向きとしてデータを記録する磁性膜は、以下において、記録層と呼ぶことがある。磁気メモリは、低電圧・高速動作、不揮発性、高い書き換え耐性などのメモリとして望ましい特徴を持っているため、精力的に開発が進められている。
初期の磁気メモリでは、データの書き込みは、記録層の近傍に設けられた配線に電流を流して電流磁場（エルステッド磁場）を発生し、その電流磁場で磁化を所望の向きに反転させることで行われていた（例えば、特許文献１、２参照）。しかしながら、電流磁場で磁化を反転する手法では、メモリセルサイズを小さくすると書き込み電流が増大するという問題がある。
近年では、磁気メモリへのより効率的な書き込み手法として、電子の持つスピンを利用した書き込み手法が提案されている。このような書き込み手法の一つが、スピン偏極電流を記録層の面内方向に流すことで磁壁を移動させることにより磁化を反転する手法である。垂直磁化膜を記録層として用いる磁気メモリでは、スピン偏極電流で磁壁を移動させる手法は、特に有用であると考えられている。近年では、電子のスピンを利用するデバイスが様々に提案され、このような技術は、スピントロニクスと呼ばれることがある。
スピントロニクスにおける近年の一つの成果は、垂直磁化膜の磁化反転を実現する方法として、垂直磁化膜に面内方向の磁場を印加すると共に、該垂直磁化膜に接合された重金属膜（例えば、Ｐｔ膜及びＴａ膜）に磁場と平行な方向の電流を流すことにより、垂直磁化膜の磁化が反転する現象が見出されたことである（例えば、非特許文献１、２参照）。この磁化の反転現象は、ラシュバ（Rashba）場による効果、スピンホール効果によるスピン注入、又は、これらの両方に起因すると考えられている。この磁化反転を、以下では、「面内電流誘起垂直磁化反転」（in-plane current-induced perpendicular switching of magnetization）と呼ぶことがある。
図１は、面内電流誘起垂直磁化反転を説明する概念図である。ここでは、非特許文献３に従い、面内電流誘起垂直磁化反転の現象は、スピンホール効果によるスピン注入に起因したとして説明する。図１には、垂直磁化膜１０２に隣接層１０１が接合された構造が図示されている。垂直磁化膜１０２は、垂直磁化（膜厚方向の磁化）を有しており、該垂直磁化は、符号１０２ａで示されている。隣接層１０１としては、スピンホール効果を強く発現する重金属膜、例えば、Ｐｔ膜、Ｔａ膜が用いられる。図１においては、ｘ軸及びｙ軸が、隣接層１０１、垂直磁化膜１０２の面内方向、ｚ軸が隣接層１０１、垂直磁化膜１０２の膜厚方向に規定されたｘｙｚ直交座標系が定義されており、以下の説明では、このｘｙｚ直交座標系が方向を示すために用いられることがある。
図１の構造において、垂直磁化膜１０２にｙ軸方向に平行に磁場Ｈｙを印加しながら隣接層１０１にｙ軸方向に平行に電流Ｉｙを流すと、磁化反転が発生する。垂直磁化膜１０２の磁化が反転する向きは、磁場Ｈｙ、電流Ｉｙ、及び、スピンホール効果によって発生するスピン流の向きに依存する。スピン流の向きは、電流Ｉｙの方向及び隣接層１０１のスピンホール角の符号に依存する。例えば、初期的に垂直磁化膜１０２の磁化が＋ｚ方向に向いており、隣接層１０１としてＰｔ膜を用いた場合、垂直磁化膜１０２に＋ｙ方向に磁場Ｈｙ（＞０）を印加しながら隣接層１０１に＋ｙ方向に電流Ｉｙ（＞０）を流すと、垂直磁化膜１０２の磁化は、＋ｚ方向から−ｚ方向に反転する。このような磁化反転は、隣接層１０１に電流が流れることで発生する電流磁場による磁化反転やスピン偏極電流の注入による磁化反転としては説明できない。
非特許文献３によれば、上述されたような面内電流誘起垂直磁化反転は、理論的には、下記のように説明されている。磁化膜の磁化の振る舞いは、下記のＬＬＧ方程式（Landau-Lifshitz-Gilbert Equation）に従うことが期待される：
Figure 0006674167
 ここで、ｍは、単位磁化ベクトルであり、ｘｙｚ直交座標系における単位磁化ベクトルｍの各成分はｍ＝（ｍｘ、ｍｙ、ｍｚ）である。γは磁気回転比、αはダンピング定数、τｔｏｔは磁化に作用する全トルクである。
全トルクτｔｏｔは、下記式（２）によって得られる：
Figure 0006674167
 即ち、全トルクτｔｏｔは、電流によって誘起されるスピンホール効果からの寄与を含むSlonczewski-likeトルクτｓｔ、外部磁場によるトルクτｅｘｔ、磁気異方性によるトルクτａｎの和として表される。
ここで、上記式（２）の各項は、それぞれ、下記式（３）、式（４）、および式（５）のように表される：
Figure 0006674167
 ここで、τ０ ｓｔはSlonczewski-likeトルクであり、書き込み電流に比例する。Ｂｅｘｔは外部磁場のベクトルであり、ｘｙｚ直交座標系におけるベクトルの各成分はＢｅｘｔ＝（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）である。また、ｘはｘ方向の単位ベクトル、ｙはｙ方向の単位ベクトル、ｚは、ｚ方向の単位ベクトルである。Ｂ０ ａｎは異方性磁場である。非特許文献３は、式（１）により面内電流誘起垂直磁化反転をよく説明できることを報告している。尚、Slonczewski-likeトルクとして、スピンホール効果による寄与以外に、非特許文献１によれば、記録層に流れる電流により発生するラシュバ場からの寄与が示唆されている。
本発明者らは、上述された面内電流誘起垂直磁化反転を磁気メモリのメモリセルの記録層へのデータ書き込み（即ち、磁化反転）に利用することを検討している。面内電流誘起垂直磁化反転を利用してデータ書き込みを行うことにより、データ書き込み特性を向上できる可能性がある。
面内電流誘起垂直磁化反転を利用したデータ書き込みの一つの問題は、記録層に中間状態（“０”か“１”のいずれを示すか不定な状態）が存在し得ることである。例えば、非特許文献３は、面内電流誘起垂直磁化反転を利用した磁化反転を行う場合、中間状態が存在し得ることを開示している。中間状態の存在は、データ書き込みにおいて好ましくない。
なお、非特許文献４は、面内電流誘起垂直磁化反転を利用した書き込み手法に関し、ダンピング定数を増大させることで、誤書き込みを低減できることをシミュレーションにより明らかにしている。
また、特許文献３は、強磁性体に対して外部から弱磁場を印加しつつ、パルス電流を印加することで強磁性体の磁化状態を制御する技術を開示している。
特開２００３−２０９２２６号公報 特開２００６−３１０４２３号公報 特開２００９−２６３５４号公報
I. M. Miron，et al., "Perpendicular switching of a single ferromagnetic layer induced by in-plane current injection", Nature, 11 August 2011, vol. 476, p. 189. L. Liu，et al., "Spin-Torque Switching with the Giant Spin Hall Effect of Tantalum", Science, 4 May 2012, vol. 336, p. 555. L. Liu，et al., "Current-Induced Switching of Perpendicularly Magnetized Magnetic Layers Using Spin Torque from the Spin Hall Effect", Phys. Rev. Lett., 109, 096602 (2012). Ki-Seung Lee，et al., "Threshold current for switching of a perpendicular magnetic layer induced by spin Hall effect", Applied Physics Letters, 102, 112410 (2013) T. D. Skinner，et al., "Spin-orbit torque opposing the Oersted torque in ultrathin Co/Pt bilayers", Applied Physics Letters, 104, 062401 (2014)
したがって、本発明の目的は、面内電流誘起垂直磁化反転を用いてデータ書き込みを行う磁気メモリについて、データを安定に書き込むことを容易にするための技術を提供することにある。
本発明の一の観点では、磁気メモリが、垂直磁化膜として形成された記録層と、記録層の上面又は下面に接合される隣接層と、記録層の面内方向である第１方向に記録層に第１外部磁場を印加するように構成された外部磁場印加部と、第１方向又は第１方向と逆の第２方向に隣接層に書き込み電流を流すように構成された電流印加部とを具備する。記録層と隣接層と外部磁場印加部とは、第１乃至第３磁場印加方向のいずれかを、書き込み電流の方向に応じて反転するように構成されている。第１磁場印加方向は、第１方向に垂直な方向に印加される第２外部磁場の方向である。第２磁場印加方向は、書き込み電流が隣接層と記録層とに流れることによって生じるfield-likeトルクによる有効磁場と書き込み電流が隣接層に流れることによって生成されるエルステッド磁場との和の方向である。第３磁場印加方向は、第２外部磁場と有効磁場とエルステッド磁場との和である実効磁場の方向である。
本発明の他の観点では、垂直磁化膜として形成された記録層と記録層の上面又は下面に接合される隣接層とを含む磁気メモリ素子へのデータ書き込み方法が提供される。当該データ書き込み方法は、記録層の面内方向である第１方向に記録層に第１外部磁場を印加することと、第１方向又は第１方向と逆の第２方向に隣接層に書き込み電流を流すことと、第１方向に垂直な方向に第２外部磁場を印加することとを具備する。第２外部磁場の方向、又は、書き込み電流が隣接層と記録層とに流れることによって生じるfield-likeトルクによる有効磁場と書き込み電流が隣接層に流れることによって生成されるエルステッド磁場と第２外部磁場との和である実効磁場の方向が、書き込み電流の方向に応じて反転される。
このとき、第２外部磁場を印加せずにデータ書き込みを行ってもよい。この場合、隣接層と記録層とは、書き込み電流が隣接層と記録層とに流れることによって生じるfield-likeトルクによる有効磁場と書き込み電流が隣接層に流れることによって生成されるエルステッド磁場との和の方向が、書き込み電流の方向に応じて反転されるように形成される。
本発明によれば、面内電流誘起垂直磁化反転を用いてデータ書き込みを行う磁気メモリについて、データを安定に書き込むことを容易にするための技術を提供することができる。
面内電流誘起垂直磁化反転を説明する概念図である。 本発明の第１の実施形態の磁気メモリの構成を示す平面図である。 第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の図２Ａの断面Ａ−Ａにおける断面構造を示す断面図である。 第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の図２Ａの断面Ｂ−Ｂにおける断面構造を示す断面図である。 第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の変形例の図２Ａの断面Ａ−Ａにおける断面構造を示す断面図である。 第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の変形例の図２Ａの断面Ｂ−Ｂにおける断面構造を示す断面図である。 第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の第１の状態を概念的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の第１の状態を概念的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の第２の状態を概念的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の第２の状態を概念的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る磁気メモリのデータ“１”の書き込み動作を概念的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る磁気メモリのデータ“０”の書き込み動作を概念的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る磁気メモリのデータ“１”の書き込み動作の書き込みウィンドウを示す図である。 第１の実施形態に係る磁気メモリのデータ“０”の書き込み動作の書き込みウィンドウを示す図である。 field-likeトルクτＦとエルステッド磁場によるトルクτＯｅとを概念的に示すグラフである。 本発明の第２の実施形態の磁気メモリの構成を示す平面図である。 第２の実施形態に係る磁気メモリ素子の図８Ａの断面Ａ−Ａにおける断面構造を示す断面図である。 第２の実施形態に係る磁気メモリ素子の図８Ａの断面Ｂ−Ｂにおける断面構造を示す断面図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明において、同一又は対応する構成要素は、同一又は類似の参照符号によって参照されることに留意されたい。
（第１の実施形態）
図２Ａは、本発明の第１の実施形態の磁気メモリ１０の構成を示す平面図である。なお、以下の磁気メモリ１０についての説明においては、ｘｙｚ直交座標を用いて方向を示すことがある。
磁気メモリ１０は、磁気メモリ素子１とｙ方向磁場印加構造２とｘ方向磁場印加構造３と電流印加回路４とを備えている。図２Ｂ、図２Ｃは、磁気メモリ素子１の構造を示す断面図である。ここで、図２Ｂは、図２Ａに図示された断面Ａ−Ａにおける磁気メモリの断面構造を示しており、図２Ｃは、図２Ａに図示された断面Ｂ−Ｂにおける磁気メモリの断面構造を示している。
磁気メモリ素子１は、隣接層１１と記録層１２とＭＴＪ(magnetic tunnel junction)１３とを備えている。図２Ａ〜図２Ｃにおいて、ｘ軸及びｙ軸は、隣接層１１と記録層１２の面内方向に、互いに直交であるように定義されている。一方、ｚ軸は、隣接層１１と記録層１２の膜厚方向、即ち、ｘ軸及びｙ軸の両方に直交する方向に定義されている。
隣接層１１は、スピンホール効果を強く発現する金属膜で形成される。例えば、内因性スピンホール効果を期待する場合には、隣接層１１は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｂ、又は、これらのうちの２以上を含む合金で形成された金属膜で形成されていることが好ましい。スピンホール効果を強く発現するという観点では、これらの材料の金属膜の中でも、Ｐｔ膜を隣接層１１として用いることが望ましい。また、外因性スピンホール効果を期待する場合には、Ｍｎ、Ｉｒ、Ｂｉ、Ｂ、Ｃ、Ｎのうちから選択される少なくとも１つ以上の元素がドープされた金属膜（例えば、Ｍｎ、Ｉｒ、Ｂｉ、Ｂ、Ｃ、Ｎのうちから選択される少なくとも１つ以上の元素がドープされたＣｕ膜）で形成されることが好ましい。
隣接層１１の両端の付近には、第１および第２の端子Ｔ１、Ｔ２が接続されている。第１および第２の端子Ｔ１、Ｔ２は、図示されない選択トランジスタ及びセレクタを介して電流印加回路４に接続され、隣接層１１と記録層１２とにｙ軸方向（＋ｙ方向又は−ｙ方向）に書き込み電流Ｉｗを流すために用いられる。
記録層１２は、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜で形成される。即ち、記録層１２の磁化は、＋ｚ方向と−ｚ方向との間で反転可能である。記録層１２としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一以上を含むフェロ磁性体又はフェリ磁性体の膜が用いられることが望ましい。記録層１２として用いられ得るフェロ磁性体の膜の例としては、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜（即ち、複数のＣｏ膜と複数のＮｉ膜とが交互に積層された積層膜）、Ｃｏ／Ｐｄ積層膜（即ち、複数のＣｏ膜と複数のＰｄ膜とが交互に積層された積層膜）、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜（即ち、複数のＣｏ膜と複数のＰｔ膜とが交互に積層された積層膜）、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ合金膜、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜などが例示される。記録層１２として用いられ得るフェリ磁性体の膜としては、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｇｄ−Ｃｏ合金、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金膜などが例示される。
記録層１２の隣接層１１と反対側の面には、絶縁性の膜、例えば、Ｍｇ−Ｏや、Ａｌ−Ｏなどの酸化金属の膜（図示していない）が形成されてもよい。
ＭＴＪ１３は、センス層１４と、リファレンス層１５と、トンネルバリア層１６とを備えている。
センス層１４は、フェロ磁性体、より詳細には、面内磁気異方性を有する面内磁化膜で形成される。センス層１４の材料は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの内から選択される少なくとも１つ以上を含むことが望ましく、センス層１４は、例えば、ＮｉＦｅ合金膜、ＣｏＦｅＢ合金膜、ＣｏＦｅ合金膜などで形成される。センス層１４は、その磁化方向が＋ｘ方向と−ｘ方向との間で反転可能である。
リファレンス層１５も、フェロ磁性体、より詳細には、面内磁気異方性を有する面内磁化膜で形成される。リファレンス層１５は、センス層１４と同様の材料で形成される。リファレンス層１５の磁化は固定され、書き込み、及び、読み出し動作によって反転しない。本実施形態では、図２Ｃに図示されているように、リファレンス層１５は、−ｘ方向に固定される。一実施形態では、リファレンス層１５の磁化を固定するために、リファレンス層１５に反強磁性層（図示されない）が積層されていてもよい。また、リファレンス層１５は、第１のフェロ磁性膜、非磁性膜、第２のフェロ磁性膜が順次に積層された積層膜であってもよい。この場合、第１及び第２のフェロ磁性膜の磁化は、反強磁性結合によって互いに反平行に向くように設定してもよい。
トンネルバリア層１６は、絶縁性の非磁性層である。トンネルバリア層１６の材料としてはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ，Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏが例示される。このトンネルバリア層１６は、センス層１４とリファレンス層１５に挟まれており、これらセンス層１４、トンネルバリア層１６、リファレンス層１５によってＭＴＪ１３が形成されている。
図２Ａ、図２Ｃに図示されているように、ＭＴＪ１３のセンス層１４は、そのｘｙ面内の重心が記録層１２の中心線１２ａから−ｘ方向にずれて配置されると共に、記録層１２と磁気的に結合されている。このような配置により、センス層１４の磁化方向は、記録層１２の磁化方向に依存して反転する。
センス層１４は、第３の端子Ｔ３に接続されており、リファレンス層１５は第４の端子Ｔ４に接続されている。後述されるように、読み出し動作においては、第３および第４の端子Ｔ３、Ｔ４の間に電圧を印加することにより、ＭＴＪ１３に読み出し電流Ｉｒが流される。ＭＴＪ１３の抵抗値は、磁気トンネル効果により、センス層１４とリファレンス層１５の磁化の相対方向に依存している。上述のように、センス層１４の磁化方向は、記録層１２の磁化方向に依存して反転するから、ＭＴＪ１３に読み出し電流Ｉｒを流すことで、記録層１２の磁化方向、即ち、記録層１２に書き込まれたデータを表す電流信号又は電圧信号を得ることができる。
なお、センス層１４が隣接層１１及び記録層１２に電気的に接続されている場合には（例えば、センス層１４と記録層１２の間に導電層が設けられ、センス層１４が該導電層を挟んで記録層１２に接合されている場合）、第３の端子Ｔ３が設けられず、第１の端子Ｔ１と第４の端子Ｔ４の間、又は、第２の端子Ｔ２と第４の端子Ｔ４の間に読み出し電流Ｉｒが流されてもよい。
また、図２Ａ〜図２Ｃでは、センス層１４がリファレンス層１５よりも記録層１２に近接している構造が図示されているが、センス層１４とリファレンス層１５の位置は逆でもよい。センス層１４及びリファレンス層１５について所望の磁気特性を得るためには、リファレンス層１５の上面にトンネルバリア層１６が設けられ、そのトンネルバリア層１６の上面にセンス層１４が設けられる方がよい場合がある。
また、図２Ｂ、図２Ｃでは、記録層１２の下面に隣接層１１が接合されている構造（即ち、隣接層１１の上面に記録層１２が接合されている構造）が図示されているが、図２Ｄ、図２Ｅに図示されているように、隣接層１１と記録層１２の位置が逆でもよい。図２Ｄ、図２Ｅの構造では、記録層１２の下面に隣接層１１が接合される。この場合も、記録層１２とセンス層１４とは、それらが磁気的に結合されるように配置される。
図２Ａを再度参照して、ｙ方向磁場印加構造２とｘ方向磁場印加構造３とは、記録層１２の面内方向に外部磁場を印加するための外部磁場印加部を構成している。詳細には、ｙ方向磁場印加構造２は、磁気メモリ素子１の記録層１２に、ｙ軸方向に平行な方向（＋ｙ方向又は−ｙ方向）に第１外部磁場Ｂｙを印加するように構成されている。一実施形態では、ｙ方向磁場印加構造２として磁気メモリ素子１の近傍に配線が配置され、当該配線に電流を流すことにより、記録層１２にｙ軸方向に平行にエルステッド磁場（電流磁場）が印加されてもよい。また、ｙ方向磁場印加構造２としてフェロ磁性体を配置し、該フェロ磁性体によってｙ軸方向に平行な方向（＋ｙ方向又は−ｙ方向）に第１外部磁場Ｂｙを印加してもよい。尚、＋ｙ方向は第１方向とも呼ばれ、−ｙ方向は第２方向とも呼ばれる。
一方、ｘ方向磁場印加構造３は、記録層１２に、ｘ軸方向に平行な方向（＋ｘ方向又は−ｘ方向）に第２外部磁場Ｂｘを印加するための構造である。一実施形態では、ｘ方向磁場印加構造３として磁気メモリ素子１の近傍に配線が配置され、当該配線に電流を流すことにより、記録層１２にｘ軸方向に平行にエルステッド磁場が印加されてもよい。後述されるように、本実施形態では、ｘ方向磁場印加構造３によって印加される第２外部磁場Ｂｘの方向が、＋ｘ方向又は−ｘ方向のうちから、書き込み電流Ｉｗの向きに応じて選択される。なお、第２外部磁場Ｂｘの方向は、「第１磁場印加方向」とも呼ばれる。
電流印加回路４は、選択トランジスタやセレクタ（いずれも図示されない）を介して隣接層１１の第１および第２の端子Ｔ１、Ｔ２に接続されており、隣接層１１と記録層１２とに書き込み電流Ｉｗを流す。隣接層１１と記録層１２とを流れる書き込み電流Ｉｗの向きは、書き込むデータに対応付けられる。一実施形態では、データ“１”を書き込む場合、書き込み電流Ｉｗが＋ｙ方向に流され、データ“０”を書き込む場合、書き込み電流Ｉｗが−ｙ方向に流される。
（磁気メモリ素子１の状態とデータ読み出し）
図３Ａ、図３Ｂは、本実施形態において磁気メモリ素子１がとりうる２つの状態のうちの一方の状態（第１の状態）を示し、図４Ａ、図４Ｂは、該２つの状態のうちの他方の状態（第２の状態）を示している。該２つの状態の一方がデータ“０”に対応づけられ、他方がデータ“１”に対応付けられる。
より具体的には、図３Ａ、図３Ｂに示されるように記録層１２の磁化が＋ｚ方向に向けられている場合、記録層１２からの漏洩磁場は、センス層１４の位置において、−ｘ方向の成分を有し、センス層１４の磁化は、漏洩磁場の方向にしたがって、−ｘ方向に向く。この場合、センス層１４とリファレンス層１５の磁化は平行であり、ＭＴＪ１３の抵抗値は低くなる（低抵抗状態）。この低抵抗状態は、例えばデータ“０”に対応付けられる。
一方、図４Ａ、図４Ｂに示されるように記録層１２の磁化が−ｚ方向に向けられている場合、記録層１２からの漏洩磁場は、センス層１４の位置において、＋ｘ方向の成分を有し、センス層１４の磁化は、漏洩磁場の方向にしたがって、＋ｘ方向に向く。この場合、センス層１４とリファレンス層１５の磁化は反平行であり、ＭＴＪ１３の抵抗値は高くなる（高抵抗状態）。この高抵抗状態は、例えばデータ“１”に対応付けられる。
データ読み出しは、第３および第４の端子Ｔ３、Ｔ４の間に読み出し電流Ｉｒが流されることによって行われる。読み出し電流Ｉｒは、トンネルバリア層１６を貫通するようにＭＴＪ１３を流れる。上述の通り、ＭＴＪ１３の抵抗値は、センス層１４とリファレンス層１５の磁化の相対方向、即ち、記録層１２に記憶されたデータを表しているので、その読み出し電流Ｉｒ又は読み出し電流Ｉｒから生成される読み出し電圧に基づいて、記録層１２に記憶されたデータを識別することができる。
（書き込み動作）
図５Ａ及び図５Ｂは、本実施形態に係る記憶素子の書き込み動作の一例を示す概念図である。なお、以下では書き込み動作を説明するため、図５Ａ、図５Ｂにおいては、書き込み動作に関係しないＭＴＪ１３は図示していない。
一例として、図５Ａ、図５Ｂに図示されているように、記録層１２の下面に隣接層１１が接合され、隣接層１１としてスピンホール角が正であるような材料の薄膜（例えば、Ｐｔ膜）が用いられ、且つ、記録層１２にｙ方向磁場印加構造２によって＋ｙ方向に第１外部磁場Ｂｙが印加される場合を考える。
データ“０”を記憶している状態の磁気メモリ素子１にデータ“１”を書き込む場合、図５Ａに図示されているように、電流印加回路４により、書き込み電流Ｉｗが隣接層１１と記録層１２とに＋ｙ方向に（即ち、第１の端子Ｔ１から第２の端子Ｔ２に）流される。これにより、Slonczewski-likeトルクτｓｔとして、＋ｘ方向のトルクが発生する。書き込み電流Ｉｗの大きさが反転閾値電流を超えると、記録層１２の磁化は＋ｚ方向から、−ｚ方向へ反転する。図５Ａには、書き込み後のデータ“１”の磁化状態が示されている。
一方、データ“１”を記憶している状態の磁気メモリ素子１にデータ“０”を書き込む場合、図５Ｂに図示されているように、電流印加回路４により、書き込み電流Ｉｗが隣接層１１と記録層１２とに−ｙ方向に（即ち、第２の端子Ｔ２から第１の端子Ｔ１に）流される。これにより、Slonczewski-likeトルクτｓｔとして、−ｘ方向のトルクが発生する。書き込み電流Ｉｗの大きさが反転閾値電流を超えると、記録層１２の磁化は−ｚ方向から、＋ｚ方向へ反転する。図５Ｂには、書き込み後のデータ“０”の磁化状態が示されている。
本発明者らの一つの発見は、ｘ軸方向に第２外部磁場Ｂｘを印加することで、書き込みウィンドウを拡大できるということである。ここで、書き込みウィンドウとは、磁気メモリ素子１が中間状態とならないような書き込み電流及び面内方向に印加される外部磁場の大きさ及び方向の範囲を意味している。第２外部磁場Ｂｘの方向（第１磁場印加方向）は、記録層１２の磁化に作用するSlonczewski-likeトルクτｓｔと同一の方向に選択される。
より具体的には、磁気メモリ素子１にデータ“１”を書き込む場合（即ち、記録層１２の磁化を−ｚ方向に反転させる場合）、書き込み電流Ｉｗが隣接層１１と記録層１２とに＋ｙ方向に流れることにより、Slonczewski-likeトルクτｓｔとして、＋ｘ方向のトルクが発生する。この場合、ｘ方向磁場印加構造３によって＋ｘ方向に第２外部磁場Ｂｘが印加される。ここで第２外部磁場Ｂｘは、正の値である。これにより、外部磁場Ｂｅｘｔ＝（Ｂｘ、Ｂｙ、０）の下、上記式（１）に従って記録層１２の磁化の向きが変化し、記録層１２の磁化の−ｚ方向への反転が促進される。その結果、書き込みウィンドウを拡大することができる。
一方、磁気メモリ素子１にデータ“０”を書き込む場合（即ち、記録層１２の磁化を＋ｚ方向に反転させる場合）、書き込み電流Ｉｗが隣接層１１と記録層１２とに−ｙ方向に流れることにより、Slonczewski-likeトルクτｓｔとして、−ｘ方向のトルクが発生する。この場合、ｘ方向磁場印加構造３によって−ｘ方向に第２外部磁場｜Ｂｘ｜が印加される。ここで第２外部磁場Ｂｘは負の値である。これにより、外部磁場Ｂｅｘｔ＝（Ｂｘ、Ｂｙ、０）の下、上記式（１）に従って記録層１２の磁化の向きが変化し、記録層１２の磁化の＋ｚ方向への反転が促進される。その結果、書き込みウィンドウを拡大することができる。
なお、書き込み電流Ｉｗを流すべき方向（＋ｙ方向又は−ｙ方向）は、下記の３つの要因に依存して決定される。
（ａ）隣接層１１の材料のスピンホール角の符号
（ｂ）ｙ軸方向に印加する第１外部磁場Ｂｙの方向（＋ｙ方向又は−ｙ方向）
（ｃ）隣接層１１と記録層１２の位置関係
例えば、スピンホール角の符号が負であるような材料の膜（例えば、Ｔａ膜）が隣接層１１として用いられる場合、書き込み電流Ｉｗの方向は、図５Ａ、図５Ｂに図示した方向と逆にされる。即ち、磁気メモリ素子１にデータ“１”を書き込む場合には、書き込み電流Ｉｗが−ｙ方向に流され、磁気メモリ素子１にデータ“０”を書き込む場合には、書き込み電流Ｉｗが＋ｙ方向に流される。
また、ｙ軸方向に印加する第１外部磁場Ｂｙの方向が図５Ａ、図５Ｂに図示されている方向と逆の場合（即ち、−ｙ方向に第１外部磁場｜Ｂｙ｜が印加される場合（Ｂｙ＜０））、書き込み電流Ｉｗの方向は、図５Ａ、図５Ｂに図示した方向と逆にされる。
更に、隣接層１１と記録層１２の位置が、図５Ａ、図５Ｂに図示した隣接層１１と記録層１２の位置と逆である構成（即ち、隣接層１１が記録層１２の上面に接合されている構成）については、書き込み電流Ｉｗを流す方向も、図５Ａ、図５Ｂに図示した方向と逆にされる。
上記の（ａ）〜（ｃ）の要因によって書き込み電流Ｉｗの方向が反転される場合には、ｘ軸方向に印加する第２外部磁場Ｂｘの方向（第１磁場印加方向）は、Slonczewski-likeトルクτｓｔの方向に応じて反転される。例えば、スピンホール角の符号が負であるような材料の膜（例えば、Ｔａ膜）が隣接層１１として用いられる場合、磁気メモリ素子１へのデータ“１”の書き込みでは書き込み電流Ｉｗが−ｙ方向に流されると共に＋ｘ方向に第２外部磁場Ｂｘが印加される（Ｂｘ＞０）。一方、磁気メモリ素子１へのデータ“０”の書き込みでは書き込み電流Ｉｗが＋ｙ方向に流されると共に−ｘ方向に第２外部磁場｜Ｂｘ｜が印加される（Ｂｘ＜０）。
また、ｙ軸方向に印加する第１外部磁場Ｂｙの方向が図５Ａ、図５Ｂに図示されている方向と逆の場合、書き込み電流Ｉｗの方向は、図５Ａ、図５Ｂに図示した方向と逆にされ、ｘ軸方向に印加する第２外部磁場Ｂｘの方向（第１磁場印加方向）も逆にされる。
更に、隣接層１１と記録層１２の位置が、図５Ａ、図５Ｂに図示した隣接層１１と記録層１２の位置と逆である構成（即ち、隣接層１１が記録層１２の上面に接合されている構成）の場合、書き込み電流Ｉｗの方向は、図５Ａ、図５Ｂに図示した方向と逆にされ、ｘ軸方向に印加する第２外部磁場Ｂｘの方向（第１磁場印加方向）は、図５Ａ、図５Ｂに図示した方向と同一にされる。
（書き込みウィンドウの拡大の効果の検証）
本発明者らは、ｘ軸方向への第２外部磁場Ｂｘの印加による書き込みウィンドウの拡大の効果をシミュレーションにより確認した。
図６Ａ及び図６Ｂは、シミュレーションによって得られた、本実施形態における磁気メモリ素子１の書き込みウィンドウの一例を示す図である。図６Ａ及び図６Ｂのシミュレーションは、異方性磁場Ｂ０ ａｎで規格化した外部磁場｜Ｂｅｘｔ｜／Ｂ０ ａｎの値が０．２、ダンピング定数αの値が０．０１として行われた。図６Ａ及び図６Ｂの横軸は面内磁場方位角Φであり、下記式（６ａ）
ｔａｎΦ＝Ｂｙ／Ｂｘ， ・・・（６ａ）
即ち、下記式（６ｂ）
Φ＝ａｒｃｔａｎ（Ｂｙ／Ｂｘ） ・・・（６ｂ）
で定義される。なお、第２および第１外部磁場Ｂｘ、Ｂｙは、それぞれ、図２Ａ〜図２Ｃに図示された＋ｘ方向、＋ｙ方向の向きが正であると定義されている。図６Ａ及び図６Ｂの縦軸は異方性磁場の大きさで規格化されたSlonczewski-likeトルクであり、書き込み電流Ｉｗの大きさに対応している。
図６Ａは、データ“０”からデータ“１“への書き込み後の記録層１２の磁化のｚ軸方向の成分の、面内磁場方位角ΦとSlonczewski-likeトルクとに対する依存性、即ち、正常にデータ“１”の書き込みを行うことができる書き込みウィンドウを示している。図６Ａの各位置の濃淡は、書き込み後における記録層１２の磁化のｚ方向の成分ｍｚを−１以上１以下の値に規格化して得られる値を表しており、成分ｍｚが“−１”又は“−１”に近い値になるような領域が、データ“１”の書き込み動作における書き込みウィンドウを表している。
図６Ａから理解されるように、データ“１”の書き込みウィンドウは、面内磁場方位角Φが０からπ／２の範囲に分布していることが分かる。面内磁場方位角Φが０からπ／２の範囲にある場合、＋ｘ方向に第２外部磁場Ｂｘ（Ｂｘ＞０）が印加されることに留意されたい。データ“１”の書き込みウィンドウの上端より大きなSlonczewski-likeトルクを与えると（即ち、過大な書き込み電流Ｉｗを供給すると）、中間状態になり、誤書き込みの恐れがある。また、面内磁場方位角Φが、データ“１”の書き込みウィンドウの右端に対応する角度、即ち、π／２より大きな角度になると、中間状態になり、誤書き込みの恐れがある。
ｘ軸方向に第２外部磁場Ｂｘを印加しない場合、即ち、Ｂｘ＝０の場合、面内磁場方位角ΦがΦ＝π／２又はその近傍でデータ書き込みを行うことになり、この場合、書き込み動作の動作点は、データ“１”の書き込みウィンドウの右端に位置する。したがって、ｘ軸方向に第２外部磁場Ｂｘを印加しない場合、外部磁場Ｂｙのミスアライメントや記録層１２の磁気異方性のばらつきなどの影響により、磁気メモリ素子１の書き込み条件が書き込みウィンドウから外れてしまう恐れがある。
一方で、ｘ方向磁場印加構造３を有している本実施形態の磁気メモリ１０では、ｘ軸方向（図６Ａの例では、＋ｘ方向）に第２外部磁場Ｂｘを印加することができ、面内磁場方位角Φを０からπ／２の間の所望の値に調節することができる。そのため、第１外部磁場Ｂｙのミスアライメントや記録層１２の磁気異方性のばらつきなどが生じたとしても安定してデータを書き込めることが期待される。
図６Ｂは、データ“１”からデータ“０”への書き込み後の記録層１２の磁化のｚ軸方向の成分の、面内磁場方位角ΦとSlonczewski-likeトルクとに対する依存性、即ち、正常にデータ“０”の書き込みを行うことができる書き込みウィンドウを示している。図６Ａと同様に、図６Ｂの各位置の濃淡は、書き込み後における記録層１２の磁化のｚ方向の成分ｍｚを−１以上１以下の値に規格化して得られる値を表しており、成分ｍｚが“＋１”又は“＋１”に近い値になるような領域が、データ“０”の書き込み動作における書き込みウィンドウを表している。
図６Ｂから理解されるように、データ“０”の書き込みウィンドウは、面内磁場方位角Φがπ／２からπの範囲に分布していることが分かる。面内磁場方位角Φがπ／２からπの範囲にある場合、−ｘ方向に第２外部磁場｜Ｂｘ｜（Ｂｘ＜０）が印加されることに留意されたい。データ“０”の書き込みウィンドウの上端より大きなSlonczewski-likeトルクを与えると（即ち、過大な書き込み電流Ｉｗを供給すると）、中間状態になり、誤書き込みの恐れがある。また、面内磁場方位角Φが、データ“０”の書き込みウィンドウの左端に対応する角度、即ち、π／２より小さな角度になると、中間状態になり、誤書き込みの恐れがある。
ｘ軸方向に第２外部磁場Ｂｘを印加しない場合、即ち、Ｂｘ＝０の場合、面内磁場方位角ΦがΦ＝π／２又はその近傍でデータ書き込みを行うことになり、この場合、書き込み動作の動作点は、データ“０”の書き込みウィンドウの左端に位置する。したがって、ｘ軸方向に磁場を印加しない場合、第１外部磁場Ｂｙのミスアライメントや記録層１２の磁気異方性のばらつきなどにより、磁気メモリ素子１の書き込み条件が書き込みウィンドウから外れてしまう恐れがある。
一方、ｘ方向磁場印加構造３を有している本実施形態の磁気メモリ１０では、ｘ軸方向（図６Ｂの例では、−ｘ方向）に第２外部磁場Ｂｘを印加することができ、面内磁場方位角Φをπ／２からπの所望の値に調節することができる。そのため、第１外部磁場Ｂｙのミスアライメントや記録層の磁気異方性のばらつきなどが生じたとしても安定してデータを書き込めることが期待される。
なお、上述されているように、ｙ軸方向に印加される第１外部磁場Ｂｙの向きが反転される場合、書き込み電流Ｉｗを流す方向がそれぞれ反転される。これに伴い、ｘ軸方向に印加される第２外部磁場Ｂｘの方向も反転される。この場合、データ“０”の書き込みウィンドウは、面内磁場方位角Φがπから３π／２の範囲に分布し、データ“１”の書き込みウィンドウは、面内磁場方位角Φが３π／２から２πの範囲に分布する。第２外部磁場Ｂｘの方向（第１磁場印加方向）は、データ“０”を書き込む場合に面内磁場方位角Φがπから３π／２の範囲にあり、データ“１”を書き込む場合に面内磁場方位角Φがπから３π／２の範囲にあるように設定される。
なお、上述されているように、データ“０”、“１”は、磁気メモリ素子１の２つの一方の状態と他方の状態に対応づけられているに過ぎないことに留意されたい。データ“０”、“１”の定義が入れ替えられる場合には（即ち、記録層１２の磁化が−ｚ方向に向けられた状態がデータ“０”と定義され、記録層１２の磁化が＋ｚ方向に向けられた状態がデータ“１”と定義される場合には）、データ“０”の書き込みウィンドウの定義とデータ“１”の書き込みウィンドウの定義も入れ替えられる。
以上に説明されているように、本実施形態の磁気メモリは、面内電流誘起垂直磁化反転を用いてデータ書き込みを行う際に、データを安定に書き込むことができる。
（第２の実施形態）
上記の式（２）によれば、磁化に作用する全トルクτｔｏｔは、電流によって誘起されるラシュバ場とスピンホール効果からの寄与を含むSlonczewski-likeトルクτｓｔと、外部磁場によるトルクτｅｘｔと、磁気異方性によるトルクτａｎとの和として表される。
しかしながら、本発明者らの検討によれば、隣接層１１を流れる書き込み電流Ｉｗは、エルステッド磁場（電流磁場）を発生させるとともに、隣接層１１と記録層１２とを流れる書き込み電流Ｉｗは、ラシュバ場とスピンホール効果からの寄与を含むfield-likeトルクを発生させるから、磁化の運動をより正確に表すためには、エルステッド磁場及びfield-likeトルクを考慮すべきである。エルステッド磁場及びfield-likeトルクを考慮すると全トルクτｔｏｔを表す上記式（２）は、次式（７）のように変更される：
Figure 0006674167
 ここで、τＦは書き込み電流Ｉｗが隣接層１１と記録層１２とを流れることによって生じるfield-likeトルクであり、τＯｅは書き込み電流Ｉｗが隣接層１１を流れることによってエルステッド磁場によるトルクであり、下記の式（８）、および式（９）で与えられる。
Figure 0006674167
 ここで、Ｂ０ Ｆはfield-likeトルクの符号を含む大きさ、Ｂ０ Ｏｅはエルステッド磁場の符号を含む大きさである。field-likeトルク及びエルステッド磁場の向きは、いずれも、書き込み電流の向きに依存していることに留意されたい。
上記式（８）、および式（９）から、Ｂ０ Ｆ及びＢ０ Ｏｅは、外部からｘ軸方向に印加される第２外部磁場Ｂｘ（即ち、ｘ方向磁場印加構造３によって印加される第２外部磁場Ｂｘ）と等価であることが理解される。以下では、Ｂ０ Ｆをfield-likeトルクによる有効磁場と呼ぶこととする。field-likeトルクによる有効磁場Ｂ０ Ｆとエルステッド磁場Ｂ０ Ｏｅとを用いてｘ軸方向の実効磁場Ｂｘ’を、下記式（１０）：
Ｂｘ’＝Ｂｘ＋Ｂ０ Ｆ＋Ｂ０ Ｏｅ ・・・（１０）
で定義したとき、第２外部磁場Ｂｘの代わりに実効磁場Ｂｘ’を用いれば、第１の実施形態に提示した議論よりも一層に正確な議論が成立する。即ち、ｘ方向磁場印加構造３によって印加される第２外部磁場Ｂｘの大きさと方向を、実効磁場Ｂｘ’の方向が＋ｘ方向又は−ｘ方向のうちの書き込み電流Ｉｗの向きに応じた所望の方向になるように決定することで、データ書き込みにおける書き込みウィンドウを拡大することができる。ここで、ｘ方向磁場印加構造３によって印加される第２外部磁場Ｂｘの方向は、必ずしも、実効磁場Ｂｘ’の方向に一致しないことに留意されたい。なお、実効磁場Ｂｘ’の方向は、「第３磁場印加方向」とも呼ばれる。
より具体的には、記録層１２の下面に隣接層１１が接合され、隣接層１１としてスピンホール角が正であるような材料の薄膜（例えば、Ｐｔ膜）が用いられ、且つ、記録層１２にｙ方向磁場印加構造２によって＋ｙ方向に第１外部磁場Ｂｙが印加される場合は、下記のようにして書き込み動作が行われる。
磁気メモリ素子１にデータ“１”を書き込む場合（即ち、記録層１２の磁化を−ｚ方向に反転させる場合）、書き込み電流Ｉｗが＋ｙ方向に流され、Slonczewski- likeトルクτｓｔとして、＋ｘ方向のトルクが発生する。この場合、実効磁場Ｂｘ’（Ｂｘ’＞０）の方向（第３磁場印加方向）が＋ｘ方向になるように、ｘ方向磁場印加構造３によって第２外部磁場Ｂｘが印加される。一方、磁気メモリ素子１にデータ“０”を書き込む場合（即ち、記録層１２の磁化を＋ｚ方向に反転させる場合）、書き込み電流Ｉｗが−ｙ方向に流され、Slonczewski-likeトルクτｓｔとして、−ｘ方向のトルクが発生する。この場合、実効磁場Ｂｘ’の方向（第３磁場印加方向）が−ｘ方向になるように、ｘ方向磁場印加構造３によって第２外部磁場Ｂｘが印加される。これにより、書き込みウィンドウを拡大することができる。
また、第１の実施形態の面内磁場方位角Φについての議論についても、下記式（１１ａ）：
ｔａｎΦ’＝Ｂｙ／Ｂｘ’ ・・・（１１ａ）
即ち、下記式（１１ｂ）
Φ’＝ａｒｃｔａｎ（Ｂｙ／Ｂｘ’） ・・・（１１ｂ）
で定義された実効面内磁場方位角Φ’を面内磁場方位角Φの代わりに適用することにより、第１の実施形態と同様の議論が妥当する。
ここで、例えば、非特許文献５に記載されているように、field-likeトルクによる有効磁場Ｂ０ Ｆとエルステッド磁場Ｂ０ Ｏｅとの和は、隣接層１１及び記録層１２の材質及び膜厚によって調節可能であることに留意されたい。これは、隣接層１１及び記録層１２の材質及び膜厚によってfield-likeトルクによる有効磁場Ｂ０ Ｆとエルステッド磁場Ｂ０ Ｏｅとの和を制御すれば、第２外部磁場Ｂｘをｘ方向磁場印加構造３によって印加しなくても、所望の実効磁場Ｂｘ’を実現し得ることを意味している。
例えば、図７は、非特許文献５に開示されている、Ｃｏ膜とＰｔ膜とが積層された構造における、field-likeトルクτＦとエルステッド磁場によるトルクτＯｅの和のＣｏ膜に対する依存性の一例を概念的に示す図である。非特許文献５には、field-likeトルクτＦとエルステッド磁場によるトルクτＯｅの和が、Ｃｏ膜の膜厚ｄＣｏの増加に伴って増大することが開示されている。上記式（８）、および式（９）から理解されるように、これは、field-likeトルクによる有効磁場Ｂ０ Ｆとエルステッド磁場Ｂ０ Ｏｅとの和がＣｏ膜の膜厚ｄＣｏの増加に伴って増大することと等価である。有効磁場Ｂ０ Ｆとエルステッド磁場Ｂ０ Ｏｅとの和の方向は、「第２磁場印加方向」とも呼ばれる。
図８Ａ〜図８Ｃは、第２外部磁場Ｂｘをｘ軸方向に印加するｘ方向磁場印加構造３を用いずに所望の実効磁場Ｂｘ’を実現する磁気メモリ１０Ａの構造の例を示す平面図である。図８Ａ〜図８Ｃに図示された磁気メモリ１０Ａでは、ｘ方向磁場印加構造３は設けられていない。その代わりに、磁気メモリ素子１Ａの隣接層１１及び記録層１２の材質及び膜厚によってfield-likeトルクによる有効磁場Ｂ０ Ｆとエルステッド磁場Ｂ０ Ｏｅとの和が調節され、実効的には、所望の実効磁場Ｂｘ’が実現されている。このような構成でも、書き込みウィンドウを広げ、データを安定に書き込むことができる。加えて、ｘ方向磁場印加構造３を有しない図８Ａ〜図８Ｃの構造は、磁気メモリ１０Ａの面積を低減するために有効である。
以上には、本発明の実施形態が具体的に記述されているが、本発明は、上記の実施形態には限定されない。本発明が、様々な変更と共に実施され得ることは、当業者には自明的であろう。
この出願は、２０１４年１０月２１日に出願された日本出願特願２０１４−２１４７２９を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１０、１０Ａ：磁気メモリ
１、１Ａ ：磁気メモリ素子
２ ：ｙ方向磁場印加構造
３ ：ｘ方向磁場印加構造
４ ：電流印加回路
１１ ：隣接層
１２ ：記録層
１２ａ ：中心線
１３ ：ＭＴＪ
１４ ：センス層
１５ ：リファレンス層
１６ ：トンネルバリア層
１０１ ：隣接層
１０２ ：垂直磁化膜

Claims (10)

  1. 垂直磁化膜として形成された記録層と、
    前記記録層の上面又は下面に接合される隣接層と、
    前記記録層の面内方向である第１方向に前記記録層に第１外部磁場を印加する第１外部磁場印加構造と、前記記録層の面内方向であって前記第１方向に垂直な方向に前記記録層に第２外部磁場を印加する第２外部磁場印加構造とから構成された外部磁場印加部と、
    前記隣接層と前記記録層とに、前記第１方向又は前記第１方向と逆の第２方向に書き込み電流を流すように構成された電流印加部と
    を具備し、
    前記記録層と前記隣接層と前記外部磁場印加部とは、第１磁場印加方向を、前記書き込み電流の方向に応じて反転するように構成されており、前記第１磁場印加方向は前記第２外部磁場の方向である
    磁気メモリ。
  2. 請求項１に記載の磁気メモリであって、
    前記第２外部磁場は、前記書き込み電流が前記隣接層と前記記録層とに流れることによって生じるSlonczewski-likeトルクと同一の方向に印加される
    磁気メモリ。
  3. 請求項１に記載の磁気メモリであって、
    面内磁場角度Φを、ａｒｃｔａｎ（Ｂｙ／Ｂｘ）で定義したとき（Ｂｙは、前記第１方向に向く場合を正としたときの前記第１外部磁場であり、Ｂｘは、前記第２外部磁場である）、
    前記第１外部磁場Ｂｙが正のとき、前記第２外部磁場印加構造は、データ“０”又はデータ“１”のうち一方のデータを前記記録層に書き込む場合には前記面内磁場角度Φが０より大きくπ／２未満であり、他方のデータを書き込む場合には前記面内磁場角度Φがπ／２より大きくπ未満であるように前記第２外部磁場を印加し、
    前記第１外部磁場Ｂｙが負のとき、前記第２外部磁場印加構造は、データ“０”又はデータ“１”のうち一方のデータを前記記録層に書き込む場合には前記面内磁場角度Φがπより大きく、３π／２未満であるように前記第２外部磁場を印加し、他方のデータを書き込む場合には３π／２より大きく、２π未満であるように前記第２外部磁場を印加する
    磁気メモリ。
  4. 垂直磁化膜として形成された記録層と、
    前記記録層の上面又は下面に接合される隣接層と、
    前記記録層の面内方向である第１方向に前記記録層に第１外部磁場を印加する第１外部磁場印加構造と、前記記録層の面内方向であって前記第１方向に垂直な方向に前記記録層に第２外部磁場を印加する第２外部磁場印加構造とから構成された外部磁場印加部と、
    前記隣接層と前記記録層とに、前記第１方向又は前記第１方向と逆の第２方向に書き込み電流を流すように構成された電流印加部と
    を具備し、
    前記記録層と前記隣接層と前記外部磁場印加部とは、第３磁場印加方向を、前記書き込み電流の方向に応じて反転するように構成されており、前記第３磁場印加方向は前記書き込み電流が前記隣接層と前記記録層とに流れることによって生じるfield-likeトルクによる有効磁場と前記書き込み電流が前記隣接層に流れることによって生成されるエルステッド磁場と前記第２外部磁場との和である実効磁場の方向であり、
    前記第２外部磁場印加構造は、前記第３磁場印加方向が前記書き込み電流の方向に応じて反転されるように前記第２外部磁場を生成する
    磁気メモリ。
  5. 請求項４に記載の磁気メモリであって、
    実効面内磁場角度Φ’を、ａｒｃｔａｎ（Ｂｙ／Ｂｘ’）で定義したとき（Ｂｙは、前記第１方向に向く場合を正としたときの前記第１外部磁場であり、Ｂｘ’は、前記実効磁場である）、
    前記第１外部磁場Ｂｙが正のとき、前記第２外部磁場印加構造は、データ“０”又はデータ“１”のうち一方のデータを前記記録層に書き込む場合には前記実効面内磁場角度Φ’が０より大きくπ／２未満であり、他方のデータを書き込む場合には前記実効面内磁場角度Φ’がπ／２より大きくπ未満であるように前記第２外部磁場を印加し、
    前記第１外部磁場Ｂｙが負のとき、前記第２外部磁場印加構造は、データ“０”又はデータ“１”のうち一方のデータを前記記録層に書き込む場合には前記実効面内磁場角度Φ’がπより大きく、３π／２未満であるように前記第２外部磁場を印加し、他方のデータを書き込む場合には前記実効面内磁場角度Φ’が３π／２より大きく、２π未満であるように前記第２外部磁場を印加する
    磁気メモリ。
  6. 垂直磁化膜として形成された記録層と、
    前記記録層の上面又は下面に接合される隣接層と、
    前記記録層の面内方向である第１方向に前記記録層に第１外部磁場を印加するように構成された外部磁場印加部と、
    前記隣接層と前記記録層とに、前記第１方向又は前記第１方向と逆の第２方向に書き込み電流を流すように構成された電流印加部と
    を具備し、
    前記記録層と前記隣接層と前記外部磁場印加部とは、第２磁場印加方向を、前記書き込み電流の方向に応じて反転するように構成されており、前記第２磁場印加方向は前記書き込み電流が前記隣接層と前記記録層とに流れることによって生じるfield-likeトルクによる有効磁場と前記書き込み電流が前記隣接層に流れることによって生成されるエルステッド磁場との和の方向であり、
    前記記録層には、前記第１方向に垂直な方向の外部磁場は印加されない
    磁気メモリ。
  7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気メモリであって、
    前記記録層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一以上を含むフェロ磁性体又はフェリ磁性体の膜を含む
    磁気メモリ。
  8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気メモリであって、
    前記隣接層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｂ、又は、これらのうちの２以上を含む合金で形成された金属膜を含む
    磁気メモリ。
  9. 垂直磁化膜として形成された記録層と前記記録層の上面又は下面に接合される隣接層とを含む磁気メモリ素子へのデータ書き込み方法であって、
    前記記録層の面内方向である第１方向に前記記録層に第１外部磁場を印加することと、
    前記隣接層と前記記録層とに、前記第１方向又は前記第１方向と逆の第２方向に書き込み電流を流すことと、
    前記第１方向に垂直な方向に第２外部磁場を印加することと
    を具備し、
    前記第２外部磁場の方向、又は、前記書き込み電流が前記隣接層と前記記録層とに流れることによって生じるfield-likeトルクによる有効磁場と前記書き込み電流が前記隣接層に流れることによって生成されるエルステッド磁場と前記第２外部磁場との和である実効磁場の方向が、前記書き込み電流の方向に応じて反転される
    磁気メモリ素子へのデータ書き込み方法。
  10. 垂直磁化膜として形成された記録層と前記記録層の上面又は下面に接合される隣接層とを含む磁気メモリ素子へのデータ書き込み方法であって、
    前記記録層の面内方向である第１方向に前記記録層に第１外部磁場を印加することと、
    前記隣接層と前記記録層とに、前記第１方向又は前記第１方向と逆の第２方向に書き込み電流を流すことと
    を具備し、
    前記書き込み電流が前記隣接層と前記記録層とに流れることによって生じるfield-likeトルクによる有効磁場と前記書き込み電流によって生成されるエルステッド磁場との和の方向が、前記書き込み電流の方向に応じて反転される
    磁気メモリ素子へのデータ書き込み方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10475988B2 (en) * 2016-07-27 2019-11-12 National University Of Singapore High efficiency spin torque switching using a ferrimagnet
WO2018044127A1 (ko) * 2016-09-02 2018-03-08 한양대학교 산학협력단 뉴로모픽 소자 및 그 구동 방법
CN108886061B (zh) * 2017-02-27 2021-11-16 Tdk株式会社 自旋流磁化旋转元件、磁阻效应元件及磁存储器
US10347310B2 (en) * 2017-06-02 2019-07-09 Sandisk Technologies Llc Composite free layer for magnetoresistive random access memory
US10276784B1 (en) * 2017-10-30 2019-04-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. Semiconductor structure and associated operating and fabricating method
CN111183480B (zh) * 2017-11-21 2023-10-03 闪迪技术有限公司 用于磁阻随机存取存储器的复合自由层
US10891999B1 (en) * 2019-06-19 2021-01-12 Western Digital Technologies, Inc. Perpendicular SOT MRAM

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4157707B2 (ja) 2002-01-16 2008-10-01 株式会社東芝 磁気メモリ
JP2006310423A (ja) 2005-04-27 2006-11-09 Nec Corp 磁気メモリ及びその製造方法
JP5152712B2 (ja) 2007-07-17 2013-02-27 独立行政法人理化学研究所 磁化状態制御装置および磁気情報記録装置
JP2010003850A (ja) * 2008-06-19 2010-01-07 Tohoku Univ 磁気素子及び集積回路並びに磁気ランダムアクセスメモリ
US8941196B2 (en) * 2012-07-10 2015-01-27 New York University Precessional reversal in orthogonal spin transfer magnetic RAM devices
JP6191941B2 (ja) * 2013-01-24 2017-09-06 日本電気株式会社 磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ

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