JP6724646B2 - Magnetoresistive element, thermal history sensor and magnetic memory using spin glass - Google Patents
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Description
本発明は、磁気抵抗効果素子、熱履歴センサおよびスピングラス利用型磁気メモリに関する。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element, a thermal history sensor, and a spin glass-based magnetic memory.
微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリとして、抵抗変化型素子を利用してデータを記憶する抵抗変化型メモリ例えば、ＭＲＡＭ（Magnetroresistive Random Access Memory）、ＲｅＲＡＭ（Resistancne Random Access Memory）、ＰＣＲＡＭ（Phase Change Random Access Memory）などが注目されている。 As a next-generation non-volatile memory that replaces flash memory, which has reached its limit in miniaturization, resistance change memory that stores data using resistance change elements, such as MRAM (Magnetroresistive Random Access Memory) and ReRAM (Resistancne Random Access Memory), PCRAM (Phase Change Random Access Memory), etc. are receiving attention.
メモリの高密度化（大容量化）の方法としては、メモリを構成する素子自体を小さくする方法の他に、メモリを構成する素子一つあたりの記録ビットを多値化する方法があり、様々な多値化方法が提案されている（例えば、特許文献１〜３）。
As a method for increasing the density (capacity) of a memory, there are various methods such as a method of making the recording bit per one element of the memory multi-valued, in addition to a method of making the element itself of the memory small. Various multi-valued methods have been proposed (for example,
ＭＲＡＭの一つに、磁壁駆動型あるいは磁壁移動型と呼ばれるものがある（例えば、特許文献４）。磁壁駆動型ＭＲＡＭは、電流を磁壁駆動層（磁化自由層）の面内方向に流し、スピン偏極電子によるスピントランスファー効果によって磁壁を移動させ、強磁性膜の磁化を書き込み電流の方向に応じた向きに反転させることでデータ書き込みを行うものである。
特許文献４には、磁壁駆動型ＭＲＡＭについて、多値記録やアナログ記録の方法について記載されている。
ＭＲＡＭでは、データの異なる書き込み方法が提案されており、磁壁駆動型ＭＲＡＭ以外にも、磁場書き込み型、ヨーク磁場書き込み型、ＳＴＴ（Spin Transfer Torque）型、ＳＯＴ（Spin Orbit Torque）型ＭＲＡＭなどが知られている。
One of the MRAMs is a domain wall drive type or a domain wall moving type (for example, Patent Document 4). In the domain wall drive type MRAM, a current is caused to flow in the in-plane direction of the domain wall drive layer (magnetization free layer), the domain wall is moved by the spin transfer effect of spin-polarized electrons, and the magnetization of the ferromagnetic film is adjusted according to the direction of the write current. Data is written by reversing the direction.
Patent Document 4 describes a method of multi-value recording or analog recording of a domain wall drive type MRAM.
In MRAM, different data writing methods have been proposed. In addition to domain wall drive type MRAM, magnetic field writing type, yoke magnetic field writing type, STT (Spin Transfer Torque) type, SOT (Spin Orbit Torque) type MRAM, etc. are known. Has been.
しかしながら、従来の磁壁駆動型ＭＲＡＭでは、読み出し時に磁壁駆動層（磁化自由層）の面内方向に電流を流す必要があるため、読み出し時に流した電流によって磁壁駆動層の磁壁が移動してしまう可能性がある。磁壁駆動層（磁化自由層）と磁気抵抗効果素子とが重なる部分よりも外側に磁壁が移動してしまうと、磁壁駆動型ＭＲＡＭにおいて信号が最終的には０か１のデジタルの信号となり、アナログメモリとして使用することは困難であった。逆に、平面視して、磁壁駆動層（磁化自由層）と磁気抵抗効果素子とが重なる部分よりも外側に磁壁移動が完了していないと、読み込み時に磁壁が移動して誤書き込みや読み出し初期時の信号が変化するなどの問題がある。従って、従来の磁壁駆動型ＭＲＡＭについては、安定的に読み出す手段の開発が望まれる。
一方、これまでにないタイプの多値記録やアナログ記録が可能なＭＲＡＭの開発も望まれている。
However, in the conventional domain wall drive type MRAM, since it is necessary to flow a current in the in-plane direction of the domain wall drive layer (magnetization free layer) at the time of reading, the domain wall of the domain wall driving layer may be moved by the current passed at the time of reading. There is a nature. When the domain wall moves outside the portion where the domain wall drive layer (magnetization free layer) and the magnetoresistive effect element overlap, the signal finally becomes a digital signal of 0 or 1 in the domain wall drive type MRAM, and the analog signal is obtained. It was difficult to use as a memory. On the contrary, if the domain wall movement is not completed outside the portion where the domain wall drive layer (magnetization free layer) and the magnetoresistive effect element overlap in a plan view, the domain wall will move during reading and erroneous writing or initial reading will occur. There is a problem that the time signal changes. Therefore, for the conventional domain wall drive type MRAM, it is desired to develop a stable reading means.
On the other hand, there is also a demand for development of an MRAM capable of unprecedented type multi-value recording and analog recording.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、新規な多値記録やアナログ記録が可能な磁気抵抗効果素子、それを用いた熱履歴センサおよびスピングラス利用型磁気メモリを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a novel magnetoresistive element capable of multilevel recording and analog recording, a thermal history sensor using the same, and a spin glass-using magnetic memory. To aim.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 The present invention provides the following means in order to solve the above problems.
（１）本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、フェリ磁性材料を母体材料とするスピングラス層と、非磁性層と、磁化方向が固定された第１強磁性層とをこの順に備え、前記スピングラス層の磁化の向きと前記第１強磁性層の磁化の向きとが反平行となり得る。 (1) A magnetoresistive effect element according to an aspect of the present invention includes a spin glass layer having a ferrimagnetic material as a base material, a nonmagnetic layer, and a first ferromagnetic layer having a fixed magnetization direction, in this order. The magnetization direction of the spin glass layer and the magnetization direction of the first ferromagnetic layer may be antiparallel.
（２）上記（１）に記載の磁気抵抗効果素子において、前記スピングラス層と前記非磁性層との間に第２強磁性層を備えてもよい。 (2) In the magnetoresistive effect element according to (1) above, a second ferromagnetic layer may be provided between the spin glass layer and the nonmagnetic layer.
（３）上記（１）又は（２）に記載の磁気抵抗効果素子において、前記スピングラス層の、前記非磁性層を備える側の反対側の面にスピン軌道トルク層を備えてもよい。 (3) In the magnetoresistive effect element according to (1) or (2), a spin orbit torque layer may be provided on the surface of the spin glass layer opposite to the side having the nonmagnetic layer.
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の磁気抵抗効果素子において、前記フェリ磁性材料は、ＡＢ２Ｏ４−ｘで表されるスピネル材料、または、ＢＡ２Ｏ４−ｘで表される逆スピネル材料であってもよい。ただし、ＡはＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｇの１つ以上の元素、Ｂは、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｉの一つ以上の元素である。 (4) In the magnetoresistive element according to any one of the above (1) to (3), the ferrimagnetic material, the spinel material is represented by AB 2 O 4-x or,, BA 2 O 4 It may be a reverse spinel material represented by -x . However, A is one or more elements of Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Mg, and B is one or more elements of Fe, Cr, Ti, Mg, Mn, and Ni.
（５）上記（４）に記載の磁気抵抗効果素子において、前記スピングラス層の前記スピネル材料、または、前記逆スピネル材料は酸素欠損していてもよい。 (5) In the magnetoresistive effect element according to (4), the spinel material or the reverse spinel material of the spin glass layer may be oxygen-deficient.
（６）本発明の一態様に係る熱履歴センサは、上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の磁気抵抗効果素子を用いる。 (6) A thermal history sensor according to an aspect of the present invention uses the magnetoresistive effect element described in any one of (1) to (5) above.
（７）本発明の一態様に係るスピングラス利用型磁気メモリは、上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の磁気抵抗効果素子と、該磁気抵抗効果素子に対して積層方向に電流を流す電流源とを備えている。 (7) A spin glass-based magnetic memory according to an aspect of the present invention includes a magnetoresistive effect element according to any one of (1) to (5) above and a stacking direction with respect to the magnetoresistive effect element. And a current source for supplying a current to.
（８）上記（７）に記載のスピングラス利用型磁気メモリにおいて、該が備える磁気抵抗効果素子の抵抗値を多値的又はアナロク的に使用させ得る書き込み電流を流すように制御する制御回路を有する電流源を備えてもよい。 (8) In the magnetic memory using spin glass according to the above (7), a control circuit for controlling the resistance value of the magnetoresistive effect element included therein so as to flow a write current that can be used in a multivalued or analog manner. It may have a current source.
（９）本発明の一態様に係る磁気ニューロン素子は、上記（８）に記載のスピングラス利用型磁気メモリを備え、前記制御回路が、磁気抵抗効果素子の抵抗値の違いで読み出し可能な少なくとも３つの抵抗範囲となるパルス数の書き込み電流を流すように制御できる。 (9) A magnetic neuron element according to an aspect of the present invention includes the spin glass-using magnetic memory according to (8) above, and the control circuit can read at least a difference in resistance value of a magnetoresistive effect element. It can be controlled so that a write current having a pulse number within the three resistance ranges is passed.
本発明の磁気抵抗効果素子によれば、多値記録やアナログ記録が可能な新規な磁気抵抗効果素子を提供することができる。 According to the magnetoresistive effect element of the present invention, it is possible to provide a novel magnetoresistive effect element capable of multi-value recording and analog recording.
以下、本発明を適用した磁気抵抗効果素子、それを用いた熱履歴センサおよびスピングラス利用型磁気メモリについて、図面を用いてその構成を説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。本発明の素子において、本発明の効果を奏する範囲で他の層を備えてもよい。 Hereinafter, the configurations of a magnetoresistive effect element to which the present invention is applied, a thermal history sensor using the same, and a spin glass-based magnetic memory will be described with reference to the drawings. In the drawings used in the following description, the characteristic portions may be enlarged for convenience in order to make the characteristics easy to understand, and the dimensional ratios of the respective constituent elements are not always the same as the actual ones. .. Further, the materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to them, and can be appropriately modified and carried out within a range where the effects of the present invention are exhibited. .. The device of the present invention may be provided with another layer within the range in which the effects of the present invention are exhibited.
（磁気抵抗効果素子）
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の一例の断面模式図である。
図１に示す磁気抵抗効果素子１００は、フェリ磁性材料を母体材料とするスピングラス層１と、非磁性層２と、磁化方向が固定された第１強磁性層３とをこの順に備え、前記スピングラス層１の磁化の向きＭ１と前記第１強磁性層の磁化の向きＭ２とが反平行である。
図１において、各層の積層方向すなわち、各層の主面に直交する方向（面直方向）をＺ方向として定義している。各層はＺ方向に直交するＸＹ面に平行に形成されている。
なお、「フェリ磁性材料を母体材料とするスピングラス層」は、母体材料とするフェリ磁性材料内において、非磁性材料又は磁性材料を母体材料のフェリ磁性を維持できる程度の濃度で含み、その非磁性材料又は磁性材料の局在スピンの周囲にスピングラス領域を有する層である。
また、「磁化方向が固定された」とは、書き込み電流を用いた書き込み前後において磁化方向が変化しない（磁化が固定されている）との意味である。
スピングラス層１及び第１強磁性層３は、磁化方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜でも、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜でもいずれでもよい。
(Magnetoresistive effect element)
FIG. 1 is a schematic sectional view of an example of a magnetoresistive effect element according to an embodiment of the present invention.
The
In FIG. 1, the stacking direction of each layer, that is, the direction (perpendicular direction) orthogonal to the main surface of each layer is defined as the Z direction. Each layer is formed parallel to the XY plane orthogonal to the Z direction.
The "spin glass layer containing a ferrimagnetic material as a base material" contains a nonmagnetic material or a magnetic material in a concentration that can maintain the ferrimagnetism of the base material in the ferrimagnetic material containing the base material. A layer having a spin glass region around a magnetic material or a localized spin of the magnetic material.
Further, “the magnetization direction is fixed” means that the magnetization direction does not change (the magnetization is fixed) before and after writing using the write current.
The
スピングラス層１の母体材料であるフェリ磁性材料とは、反強磁性体のように隣り合う磁気モーメントの向きが逆方向に整列しているが、それらの数（密度）や大きさが異なるために２つの副格子磁化が打ち消しあわず、全体として磁化を示す磁性材料である。なお、副格子とは、磁気モーメントのうち同じ向きのものを取り出した仮想的な格子をいう。
Unlike the ferrimagnetic material that is the base material of the
図２は、フェリ磁性およびスピングラス層について説明するための模式図である。
図２において、符号Ａで示す磁気秩序領域はフェリ磁性領域（スピングラス領域以外の領域）を模式的に示すものである。図２で示す場合には、ｍ１で示す磁気モーメントとｍ２で示す磁気モーメントとは数（密度）は同じであるが、その大きさが異なるために、全体としては右向きの磁化Ｍ１（図１参照）を示すことを模式的に示している。
一方、図２で示す場合において、符号Ｂで示す点線で囲まれた領域は、フェリ磁性材料中に非磁性材料の原子（局在スピン）Ｐがあるためにその周囲の磁気秩序が乱れた領域である。本発明のスピングラス層は、磁気秩序が局所的に乱れた状態で局所的に安定化した領域（スピングラス領域）を有する層をいう。ここで、スピングラスは磁性材料において、局所的な相関が乱れたり、フラストレートを起こした場合に生じる現象である。このようにスピングラスを生じた領域（図２において、符号Ｂの点線で囲まれた部分）のスピンの向きは乱れているため、スピングラス領域を通過したスピン偏極電流はほとんど磁気抵抗効果による散乱は受けない。逆に、スピングラス領域以外を通過したスピンは一般的な磁気抵抗効果による散乱をうけるため、スピングラス層におけるスピングラス領域Ｂの割合によって、磁気抵抗効果の抵抗値が変わることとなる。スピングラス転移温度以下ではスピングラスが安定して存在することができるため、スピングラス層は不揮発な情報を保持する層として機能する。第１強磁性層と、非磁性層に接するスピングラス層あるいは第２強磁性層（後述する）の磁化の向きが逆向きであることで、磁気抵抗効果によって抵抗を読み込む際に、スピングラス領域の割合によって、磁気散乱が抑制され、不揮発でアナログ的な抵抗値を得ることができる。
第１強磁性層とスピングラス層との間に強いスピン偏極電流を流すことで、ＳＴＴ効果によってスピングラスを誘起することができ、素子の抵抗を変化させることができる。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the ferrimagnetism and the spin glass layer.
In FIG. 2, the magnetically ordered region indicated by reference symbol A schematically indicates a ferrimagnetic region (a region other than the spin glass region). In the case shown in FIG. 2, the magnetic moment indicated by m1 and the magnetic moment indicated by m2 have the same number (density), but since their magnitudes are different, the rightward magnetization M1 as a whole (see FIG. 1). ) Is shown schematically.
On the other hand, in the case shown in FIG. 2, the region surrounded by the dotted line indicated by the symbol B is a region where the magnetic order around the region is disturbed because there are atoms (localized spins) P of the non-magnetic material in the ferrimagnetic material. Is. The spin glass layer of the present invention is a layer having a locally stabilized region (spin glass region) in a state where the magnetic order is locally disturbed. Here, spin glass is a phenomenon that occurs in a magnetic material when local correlation is disturbed or frustration occurs. Since the spin direction in the region where the spin glass is generated (the part surrounded by the dotted line B in FIG. 2) is disturbed, the spin polarized current passing through the spin glass region is almost due to the magnetoresistance effect. No scatter. On the other hand, spins that have passed through areas other than the spin glass region are scattered by the general magnetoresistive effect, so that the resistance value of the magnetoresistive effect changes depending on the proportion of the spin glass region B in the spin glass layer. Since the spin glass can stably exist below the spin glass transition temperature, the spin glass layer functions as a layer for holding nonvolatile information. The magnetization directions of the spin glass layer or the second ferromagnetic layer (described later) in contact with the first ferromagnetic layer and the non-magnetic layer are opposite to each other, so that the spin glass region can be read when the resistance is read by the magnetoresistive effect. According to the ratio, magnetic scattering is suppressed, and a nonvolatile analog resistance value can be obtained.
By causing a strong spin polarization current to flow between the first ferromagnetic layer and the spin glass layer, spin glass can be induced by the STT effect and the resistance of the device can be changed.
スピングラス層を構成するフェリ磁性材料は、ＡＢ２Ｏ４−ｘで表されるスピネル材料、または、ＢＡ２Ｏ４−ｘで表される逆スピネル材料であってもよい。ここで、ＡはＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｇの１つ以上の元素、Ｂは、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｉの一つ以上の元素である。
スピネル構造、あるいは、逆スピネル構造の材料はフェリ磁性を示し、高い温度でスピングラスを示すことができる。特許文献５にかかる材料の例が記載されている。
The ferrimagnetic material forming the spin glass layer may be a spinel material represented by AB 2 O 4-x or an inverse spinel material represented by BA 2 O 4-x . Here, A is one or more elements of Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn and Mg, and B is one or more elements of Fe, Cr, Ti, Mg, Mn and Ni.
A material having a spinel structure or an inverse spinel structure exhibits ferrimagnetism and can exhibit spin glass at high temperature. An example of the material according to
フェリ磁性材料を母体とする材料内において、スピングラス領域の起因となる非磁性材料又は磁性材料のうち、Ｃｏ，Ｚｎなどの非磁性材料は数％程度混ぜるだけでスピングラスになり、例えば、１０％程度も混ぜると（添加すると）、母体材料のフェリ磁性を失ってしまう。これに対して、磁性材料を混ぜるときはそれよりも量を多く混ぜることができる。しかしながら、これらの現象は母体材料における磁気相関や置換される材料によって定量的に異なるため、上記の限りではない。 In a material having a ferrimagnetic material as a matrix, among nonmagnetic materials or magnetic materials that cause spin glass regions, nonmagnetic materials such as Co and Zn become spin glasses by mixing about several%, and for example, 10 % (When added), the ferrimagnetism of the base material is lost. On the other hand, when mixing the magnetic material, a larger amount can be mixed. However, these phenomena are not limited to the above because they quantitatively differ depending on the magnetic correlation in the base material and the material to be replaced.
スピングラス層がスピネル酸化物の場合、スピネル酸化物の作成時にＭｇＯトンネル層のＭｇがスピネル酸化物に拡散するため、スピネル酸化物層を作成した後にＭｇＯを形成することが望ましい。また、スピネル酸化物とＭｇＯトンネル層が接した構造でアニールを行うと同様な効果がある。したがって、アニール温度を４００℃以下するか、スピネル酸化物とＭｇＯトンネル層の間に第二強磁性層を挿入してにしてＭｇの拡散を抑制するなどの対応をすることが望ましい。 When the spin glass layer is a spinel oxide, Mg in the MgO tunnel layer diffuses into the spinel oxide when the spinel oxide is formed. Therefore, it is desirable to form MgO after forming the spinel oxide layer. Further, the same effect can be obtained by performing annealing in a structure in which the spinel oxide and the MgO tunnel layer are in contact with each other. Therefore, it is desirable to suppress the diffusion of Mg by setting the annealing temperature at 400° C. or lower, or by inserting the second ferromagnetic layer between the spinel oxide and the MgO tunnel layer.
スピネル酸化物は金属ターゲットをアルゴンおよび酸素のプラズマで成膜する反応性スパッタを用い、また、成膜時の基板温度は少なくとも３５０度以上が好ましく、さらに、４００℃以上であることが好ましい。スピネル酸化物は少なくとも３５０℃以上の反応性スパッタで得ることが可能であり、４００℃以上だと安定的にスピネル酸化物を得ることができる。さらに、スピネル酸化物をターゲットとし、アルゴンおよび酸素のプラズマで成膜する方法も可能である。この方法ではスピネル酸化物の酸化度合の調整が困難であるが、３５０℃でも安定的にスピネル酸化物を得ることができる。 The spinel oxide is formed by reactive sputtering in which a metal target is formed by plasma of argon and oxygen, and the substrate temperature during film formation is preferably at least 350° C. or higher, and more preferably 400° C. or higher. Spinel oxide can be obtained by reactive sputtering at 350° C. or higher, and spinel oxide can be stably obtained at 400° C. or higher. Further, a method of forming a film by plasma of argon and oxygen using a spinel oxide as a target is also possible. Although it is difficult to adjust the oxidation degree of the spinel oxide by this method, the spinel oxide can be stably obtained even at 350°C.
スピングラス層が磁性スピネル材料の場合には、膜厚は３．５ｎｍ以上であることが好ましい。膜厚は３．５ｎｍ以上でないと磁気特性が安定しないからである。 When the spin glass layer is a magnetic spinel material, the film thickness is preferably 3.5 nm or more. This is because the magnetic characteristics are not stable unless the film thickness is 3.5 nm or more.
スピングラス層のスピネル材料、または、逆スピネル材料は酸素欠損していてもよい。
スピングラス層のスピネル材料、または、逆スピネル材料は酸素欠損している構成によって、スピングラス層の抵抗が減少し、磁気抵抗比を大きくすることができる。
例えば、マグネタイト（ＦｅＦｅ２Ｏ４）は酸素欠損させることによって、金属の１００倍程度の抵抗率まで抵抗が減少する。
The spinel material or the reverse spinel material of the spin glass layer may be oxygen-deficient.
The spin glass material of the spin glass layer or the reverse spinel material is oxygen-deficient, so that the resistance of the spin glass layer can be reduced and the magnetoresistive ratio can be increased.
For example, when magnetite (FeFe 2 O 4 ) is deficient in oxygen, the resistance decreases to about 100 times that of metal.
第１強磁性層３の材料には、公知のものを用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。 A known material can be used as the material of the first ferromagnetic layer 3. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, and an alloy containing one or more of these metals and exhibiting ferromagnetism can be used. An alloy containing these metals and at least one element of B, C, and N can also be used. Specifically, Co-Fe and Co-Fe-B are mentioned.
また、より高い出力を得るためにはＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
Further, in order to obtain a higher output, it is preferable to use a Heusler alloy such as Co 2 FeSi. The Heusler alloy includes an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ, X is a transition metal element or a noble metal element of Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table, and Y is Mn or V. , Cr or Ti group transition metals and can take the elemental species of X, and Z is a typical element of group III to group V. For example,
また、第１強磁性層３の保磁力をより大きくするために、第１強磁性層３と接する材料としてＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を用いてもよい。さらに、第１強磁性層３の漏れ磁場をスピングラス層１に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
Further, in order to increase the coercive force of the first ferromagnetic layer 3, an antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn may be used as a material in contact with the first ferromagnetic layer 3. Further, in order to prevent the leakage magnetic field of the first ferromagnetic layer 3 from affecting the
さらに第１強磁性層３の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、第１強磁性層３は［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）とすることができる。 Further, when making the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 3 perpendicular to the stacking plane, it is preferable to use a stacked film of Co and Pt. Specifically, the first ferromagnetic layer 3 is [Co(0.24 nm)/Pt(0.16 nm)] 6 /Ru(0.9 nm)/[Pt(0.16 nm)/Co(0.16 nm). ] 4 / Ta (0.2 nm)/FeB (1.0 nm) can be used.
非磁性層２には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層２が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｍｇ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。またこれらの他にも、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。
また、非磁性層２が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。
A known material can be used for the
For example, when the
When the
また、スピングラス層１上に非磁性層２を形成することで、スピングラス層１の他の元素が拡散せずに積層膜を形成することが可能である。
Further, by forming the
図３に示すように、スピングラス層１と非磁性層２との間に第２強磁性層４を備えてもよい。
磁化固定層である第１強磁性層３に対する磁化自由層としてスピングラス層１の他に第２強磁性層４を備えることで反転可能な磁化をＭ１及びＭ３として、大きな磁気抵抗効果を得ることが可能となる。これはコヒーレントトンネル効果を引き起こす為にはトンネルバリア層と強磁性層の組み合わせが必要であり、スピングラス層１と第２強磁性層４の間のスピン伝導ではコヒーレントトンネルではなく、通常のＴＭＲ効果が生じる可能性があるからである。スピングラス層１と第２強磁性層４は磁気的に結合しているため、第１強磁性層３と第２強磁性層４との間のスピントランスファートルク（ＳＴＴ）効果によって、スピングラス層のスピングラス領域の大きさを調節することが可能となる。
As shown in FIG. 3, a second ferromagnetic layer 4 may be provided between the
By providing the second ferromagnetic layer 4 in addition to the
第２強磁性層４の材料として、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅが挙げられる。あるいは、希土類元素を含んだ合金などが好ましい。例えば、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏなどの合金は自発的に垂直磁気特性を発現することが可能である。 As the material of the second ferromagnetic layer 4, a ferromagnetic material, especially a soft magnetic material can be applied. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, and Ni, an alloy containing one or more of these metals, and these metals and at least one or more elements of B, C, and N are included. The alloy etc. which are used can be used. Specific examples include Co-Fe, Co-Fe-B, and Ni-Fe. Alternatively, an alloy containing a rare earth element or the like is preferable. For example, an alloy such as Tb-Fe-Co can spontaneously exhibit perpendicular magnetic characteristics.
第２強磁性層４の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第２強磁性層の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。第２強磁性層４と非磁性層２の界面で、第２強磁性層４に垂直磁気異方性を付加することができる。また、垂直磁気異方性は第２強磁性層４の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第２強磁性層４の膜厚は薄い方が好ましい。また、スピングラス層１と第２強磁性層４の膜厚が薄いことでスピントランスファーの影響が大きくなり、低いスピン偏極電流でも磁化反転が可能となる。
When the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 4 is perpendicular to the stacking plane, the thickness of the second ferromagnetic layer is preferably 2.5 nm or less. Perpendicular magnetic anisotropy can be added to the second ferromagnetic layer 4 at the interface between the second ferromagnetic layer 4 and the
図４に示すように、図３に示した磁気抵抗効果素子においてさらに、スピングラス層１の、非磁性層２を備える側の反対側の面にスピン軌道トルク層５を備えてもよい。また、図示しないが、図１に示した磁気抵抗効果素子においてさらに、スピングラス層１の、非磁性層２を備える側の反対側の面にスピン軌道トルク層を備えてもよい。
スピン軌道トルク層に電流を流し、純スピン流をスピングラス層１に注入することによって、スピングラス層内にスピングラス領域を誘起することができる。
As shown in FIG. 4, in the magnetoresistive effect element shown in FIG. 3, a spin
A spin glass region can be induced in the spin glass layer by applying a current to the spin orbit torque layer and injecting a pure spin current into the
スピン軌道トルク配線は、磁気抵抗効果素子部（スピングラス層１、非磁性層２、第１強磁性層３及び第２強磁性層４の部分を指す（第２強磁性層４を含まない場合には、スピングラス層１、非磁性層２及び第１強磁性層３の部分））の積層方向に対して交差する方向に延在する。スピン軌道トルク配線は、積層方向に対して直交する方向に延在することが好ましい。スピン軌道トルク配線は、該スピン軌道トルク配線に磁気抵抗効果素子部の積層方向に対して直交する方向に電流を流す電源に電気的に接続され、その電源と共に、磁気抵抗効果素子部に純スピン流を注入するスピン注入手段として機能する。
スピン軌道トルク配線は、スピングラス層１に直接接続されていてもよいし、他の層を介して接続されていてもよい。
The spin orbit torque wiring refers to the magnetoresistive effect element portion (spin
The spin orbit torque wiring may be directly connected to the
スピン軌道トルク配線は、電流が流れるとスピンホール効果によって純スピン流が生成される材料からなる。かかる材料としては、スピン軌道トルク配線中に純スピン流が生成される構成のものであれば足りる。従って、単体の元素からなる材料に限らないし、純スピン流が生成される材料で構成される部分と純スピン流が生成されない材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。
スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。
The spin orbital torque wiring is made of a material in which a pure spin current is generated by the spin Hall effect when a current flows. As such a material, any material having a structure capable of generating a pure spin current in the spin orbit torque wiring is sufficient. Therefore, the material is not limited to a material composed of a single element, and may be a material composed of a material that produces a pure spin current and a material composed of a material that does not produce a pure spin current.
The spin Hall effect is a phenomenon in which a pure spin current is induced in a direction orthogonal to the direction of the current based on the spin-orbit interaction when a current is applied to the material.
図５は、スピンホール効果について説明するための模式図である。図５に基づいてスピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムを説明する。 FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the spin Hall effect. The mechanism by which the pure spin current is generated by the spin Hall effect will be described based on FIG.
図５に示すように、スピン軌道トルク配線５の延在方向に電流Ｉを流すと、上向きスピンＳ＋と下向きスピンＳ−はそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。通常のホール効果とスピンホール効果とは運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通するが、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しないのに電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。
非磁性体（強磁性体ではない材料）では上向きスピンＳ＋の電子数と下向きスピンＳ−の電子数とが等しいので、図中で上方向に向かう上向きスピンＳ＋の電子数と下方向に向かう下向きスピンＳ−の電子数が等しい。そのため、電荷の正味の流れとしての電流はゼロである。この電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
これに対して、強磁性体中に電流を流した場合にも上向きスピン電子と下向きスピン電子が互いに反対方向に曲げられる点は同じであるが、強磁性体中では上向きスピン電子と下向きスピン電子のいずれかが多い状態であるため、結果として電荷の正味の流れが生じてしまう（電圧が発生してしまう）点で異なる。従って、スピン軌道トルク配線の材料としては、強磁性体だけからなる材料は含まれない。
As shown in FIG. 5, when the current I is passed in the extending direction of the spin
Magnetic body and the number of electrons spin-up S + in (ferromagnetic material not) spin-down S - since the number of electrons is equal to the up spin S + number of electrons and downward toward upward in the drawing The number of electrons in the downward spin S − is equal. Therefore, the current as a net flow of charge is zero. The spin current without this current is particularly called a pure spin current.
On the other hand, the same applies to the fact that upward spin electrons and downward spin electrons are bent in opposite directions when a current is passed through the ferromagnetic material, but in the ferromagnetic material, upward spin electrons and downward spin electrons are the same. However, the difference is that a net flow of charges (a voltage is generated) is generated as a result. Therefore, the material of the spin orbit torque wiring does not include the material made of only the ferromagnetic material.
ここで、上向きスピンＳ＋の電子の流れをＪ↑、下向きスピンＳ−の電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑−Ｊ↓で定義される。図５においては、純スピン流としてＪＳが図中の上方向に流れる。ここで、ＪＳは分極率が１００％の電子の流れである。
図５において、スピン軌道トルク配線５の上面に強磁性体を接触させると、純スピン流は強磁性体中に拡散して流れ込むことになる。
この実施形態では、このようにスピン軌道トルク配線に電流を流して純スピン流を生成し、その純スピン流がスピン軌道トルク配線に接するスピングラス層に拡散する構成とすることで、その純スピン流によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果でスピングラス層内にスピングラス領域を誘起するものである。
Here, the electron flow of the upward spin S + is represented by J ↑ , the electron flow of the downward spin S − is represented by J ↓ , and the spin current is represented by J S , which is defined as J S =J ↑ −J ↓ . In FIG. 5, J S flows in the upward direction in the figure as a pure spin current. Here, J S is a flow of electrons having a polarizability of 100%.
In FIG. 5, when a ferromagnetic material is brought into contact with the upper surface of the spin
In this embodiment, the pure spin current is generated by passing an electric current through the spin orbit torque wiring in this manner, and the pure spin current is diffused into the spin glass layer in contact with the spin orbit torque wiring. The spin glass region is induced in the spin glass layer by the spin orbit torque (SOT) effect due to the flow.
（熱履歴センサ）
本発明の一実施形態に係る熱履歴センサは、本発明の磁気抵抗効果素子を用いたものである。
フェリ磁性材料を用いたスピングラス層にスピングラス領域を誘起した後で冷却をすると、温度を上昇させた時に、スピングラス領域を誘起した温度でスピングラス領域が減少するか、あるいは、消失する。この現象はスピングラス領域が誘起された温度で、温度による揺らぎとスピングラス状態が平衡状態となり、安定化するために生じる。したがって、スピングラス領域が誘起された温度になると、平衡状態が非平衡状態に変化してスピングラス領域が減少することとなる。本発明の熱履歴センサは、この熱履歴に起因したスピングラス領域の現象に伴う磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化を検知するものである。
(Thermal history sensor)
A thermal history sensor according to an embodiment of the present invention uses the magnetoresistive effect element of the present invention.
When cooling is performed after inducing a spin glass region in a spin glass layer using a ferrimagnetic material, the spin glass region decreases or disappears at the temperature at which the spin glass region is induced when the temperature is increased. This phenomenon occurs at the temperature at which the spin glass region is induced, because fluctuations due to temperature and the spin glass state are in equilibrium and stabilize. Therefore, when the spin glass region reaches the induced temperature, the equilibrium state changes to the non-equilibrium state and the spin glass region decreases. The thermal history sensor of the present invention detects a change in the resistance value of the magnetoresistive effect element due to the phenomenon of the spin glass region due to this thermal history.
（スピングラス利用型磁気メモリ）
本発明の一実施形態に係るスピングラス利用型磁気メモリは、本発明の一つ又は複数の磁気抵抗効果素子と、各磁気抵抗効果素子に対して磁気抵抗効果素子を構成する層の積層方向に電流を流すための電流源とを備え、前記スピングラス層と前記第１強磁性層との間に、少なくとも前記スピングラス層（第２強磁性層を備える場合には、スピングラス層及び第２強磁性層）のスピン注入磁化反転の臨界電流よりも大きな電流を印可することによって前記磁気抵抗効果素子の抵抗を変化させる。
磁気抵抗効果素子に流れる電流の向きを変えることによって、スピングラス層の割合を増減することが可能である。スピングラス層１から第１強磁性層３に電流を印可すると、スピン偏極した電子は第１強磁性層３からスピングラス層１に流れる。したがって、スピン偏極した電子はスピングラス層１の磁化の向きを第１強磁性層の磁化の向きと同じ方向に変化させるように働く。この時、スピングラスを誘起しやすい場所は、スピングラス層１全体が磁化反転するために必要なスピン流入磁化反転の臨界電流値よりも小さい電流値で磁化方向が変化し、スピングラスを誘起することが可能である。逆に、第１強磁性層３からスピングラス層１に電流を流すと、スピン偏極した電子はスピングラス層１から第１強磁性層３に流れる。したがって、スピン偏極した電子はスピングラス層１の磁化の向きを第１強磁性層の磁化の向きと逆の方向に変化させるように働く。この効果によってスピングラスが誘起された部分はスピングラスが誘起されていない部分と同じ方向に磁化することとなり、スピングラス領域が消失させることが可能である。
(Magnetic memory using spin glass)
A spin glass-based magnetic memory according to an embodiment of the present invention includes one or more magnetoresistive effect elements according to the present invention, and a stacking direction of layers forming the magnetoresistive effect element for each magnetoresistive effect element. A current source for passing an electric current, and at least the spin glass layer (when the second ferromagnetic layer is provided, between the spin glass layer and the first ferromagnetic layer, the spin glass layer and the second ferromagnetic layer). The resistance of the magnetoresistive element is changed by applying a current larger than the critical current of spin injection magnetization reversal of the ferromagnetic layer).
The ratio of the spin glass layer can be increased or decreased by changing the direction of the current flowing through the magnetoresistive effect element. When a current is applied from the
本発明の一実施形態に係るスピングラス利用型磁気メモリは、磁化自由層としてスピングラス層を備える磁気抵抗効果素子を備えるので、磁気抵抗効果素子の抵抗値としてアナログ的な抵抗値を出力できる。この原理について以下に説明する。 Since the spin glass-based magnetic memory according to the embodiment of the present invention includes the magnetoresistive effect element including the spin glass layer as the magnetization free layer, an analog resistance value can be output as the resistance value of the magnetoresistive effect element. This principle will be described below.
図６は、スピングラス層におけるスピングラス領域の割合と磁気抵抗効果素子の抵抗値との関係を概念的に示すグラフである。
スピングラス層にスピングラス領域が発生していない時すなわち、スピングラス層におけるスピングラス領域の割合がゼロのときには、スピングラス層の磁化の向きと第１強磁性層の磁化の向きとが反平行であり、磁気抵抗効果素子部の抵抗値は最大となる。
一方、スピングラス層にスピン偏極電流（書き込み電流）を流して、スピングラス層内にスピングラス領域を発生させると、スピングラス層におけるスピングラス領域の割合が増加する。グラフの横軸（スピングラス領域の割合）は、スピン偏極電流（書き込み電流）をパルスで流す場合には、パルスの回数に相当する。スピングラス領域は磁気秩序が乱れているためにスピングラス層の磁化には寄与しない。従って、スピングラス領域の割合が増加すれば、磁化に寄与する領域が減少し、スピングラス層の磁化は小さくなり、磁気抵抗が低下していく。この磁気抵抗の低下はアナログ的であり、スピングラス領域はスピングラス転移温度以下である限りは安定的に存在する。従って、本発明の磁気抵抗効果素子を備えたスピングラス利用型磁気メモリでは、スピン偏極電流（書き込み電流）の大きさによって、データをアナログ的に書き込むことが可能となる。
FIG. 6 is a graph conceptually showing the relationship between the ratio of the spin glass region in the spin glass layer and the resistance value of the magnetoresistive effect element.
When no spin glass region is generated in the spin glass layer, that is, when the ratio of the spin glass region in the spin glass layer is zero, the magnetization direction of the spin glass layer and the magnetization direction of the first ferromagnetic layer are antiparallel. Therefore, the resistance value of the magnetoresistive effect element section becomes maximum.
On the other hand, when a spin polarized current (writing current) is applied to the spin glass layer to generate a spin glass region in the spin glass layer, the proportion of the spin glass region in the spin glass layer increases. The horizontal axis of the graph (ratio of spin glass regions) corresponds to the number of pulses when the spin polarized current (writing current) is passed in pulses. The spin glass region does not contribute to the magnetization of the spin glass layer because the magnetic order is disturbed. Therefore, as the proportion of the spin glass region increases, the region contributing to the magnetization decreases, the magnetization of the spin glass layer decreases, and the magnetic resistance decreases. This decrease in magnetoresistance is analog, and the spin glass region exists stably as long as it is below the spin glass transition temperature. Therefore, in the magnetic memory using spin glass provided with the magnetoresistive effect element of the present invention, data can be written in an analog manner depending on the magnitude of the spin polarization current (write current).
本発明の磁気抵抗効果素子においては、母体のフェリ磁性の磁気秩序が層全体で維持された状態であることが前提になるので、スピングラス領域の起点となる非母体材料の濃度は母体のフェリ磁性の磁気秩序が維持可能な量になる。そのため、スピングラス領域の割合が増加による、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗の低下の大きさも、その非母体材料の濃度で決まることになる。 In the magnetoresistive effect element of the present invention, it is premised that the magnetic order of ferrimagnetism of the matrix is maintained in the entire layer, so that the concentration of the non-matrix material as the starting point of the spin glass region is the The amount is such that the magnetic order of magnetism can be maintained. Therefore, the magnitude of the decrease in the magnetic resistance of the magnetoresistive effect element due to the increase in the proportion of the spin glass region is also determined by the concentration of the non-base material.
スピングラス領域の発生についてミクロにみると、スピン偏極した電子がスピングラス層に注入されることで、スピングラス層を構成するフェリ磁性材料及び非母体材料の局在スピンはスピン偏極した電子からスピン角運動量を受け取り、スピングラス現象の起点となる非母体材料の局在スピンの周囲ではフェリ磁性材料の局在スピンがフェリ磁性としての磁気秩序を失った状態で固定されて、スピングラス領域が生成されることになる（図２参照）。
スピングラス層の磁化の反転については、臨界電流密度を超える電流密度でかつ十分な時間のスピン偏極電流が流された場合には、この磁化反転トルクによってスピングラス層の磁化は反転する。一方、磁化反転に至らない程度のスピン偏極電流の場合には、スピングラス層の磁化の向きは元のままとなるが、その大きさは、スピングラス領域が発生した分だけ低下する。スピン角運動量の移行（スピントランスファー）は確率的なものなので、スピン偏極電流の電流密度が高いほど、あるいは流される時間の長さ（電流パルスの場合には、パルスの長さ）が長いほど、スピングラス領域の割合は大きくなる。
Microscopically, the spin-glass region is generated by injecting spin-polarized electrons into the spin-glass layer, so that the localized spins of the ferrimagnetic material and the non-matrix material forming the spin-glass layer are spin-polarized electrons. The spin angular momentum is received from the spin glass region, and the localized spin of the ferrimagnetic material is fixed in the spin glass region around the localized spin of the non-matrix material, which is the origin of the spin glass phenomenon. Will be generated (see FIG. 2).
Regarding the reversal of the magnetization of the spin glass layer, the magnetization of the spin glass layer is reversed by this magnetization reversal torque when a spin polarization current having a current density exceeding the critical current density and a sufficient time is applied. On the other hand, in the case of a spin-polarized current that does not lead to magnetization reversal, the magnetization direction of the spin glass layer remains the same, but the magnitude thereof decreases as much as the spin glass region is generated. Since the transfer of spin angular momentum (spin transfer) is probabilistic, the higher the current density of the spin-polarized current, or the longer the flow time (in the case of a current pulse, the pulse length), , The proportion of the spin glass region becomes large.
図１で示した磁気抵抗効果素子を備えたスピングラス利用型磁気メモリについて、書き込み及び読み出しについて以下に説明する。 Writing and reading will be described below for the spin glass-using magnetic memory including the magnetoresistive element shown in FIG.
まず、従来のＭＲＡＭについて説明する。
ＭＲＡＭは、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）効果やＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance）効果などの磁気抵抗効果を利用する磁気抵抗効果素子をメモリセルとして備える。磁気抵抗効果素子は例えば、非磁性層を介して２層の強磁性層が積層された積層構造を有するものである。２層の強磁性層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層）と、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層）である。磁気抵抗効果素子の電気抵抗の値は、磁化固定層と磁化自由層の磁化の向きが反平行であるときの方がそれらが平行であるときよりも大きい。ＭＲＡＭのメモリセルである磁気抵抗効果素子では、この抵抗値の大きさの差を利用して磁化が平行の状態をデータ“０”に、反平行の状態をデータ“１”に対応づけることにより、データを不揮発的に記憶される。データの読み出しは、磁気抵抗効果素子を貫通するように（積層構造を貫くように）読み出し電流を流し、磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定することにより行なわれる。一方、データの書き込みは、スピン偏極電流を流して磁化自由層の磁化の向きを反転させることによって行われる。
First, a conventional MRAM will be described.
The MRAM includes, as a memory cell, a magnetoresistive effect element that utilizes a magnetoresistive effect such as a GMR (Giant Magneto Resistance) effect or a TMR (Tunnel Magneto Resistance) effect. The magnetoresistive effect element has, for example, a laminated structure in which two ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer. The two ferromagnetic layers are a magnetization fixed layer (pin layer) whose magnetization direction is fixed and a magnetization free layer (free layer) whose magnetization direction is reversible. The value of the electric resistance of the magnetoresistive effect element is larger when the magnetization directions of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer are antiparallel than when they are parallel. In the magnetoresistive effect element which is a memory cell of the MRAM, by utilizing the difference in the magnitude of the resistance value, the parallel magnetization state is associated with the data “0” and the antiparallel state is associated with the data “1”. , Data is stored in a non-volatile manner. Data is read by passing a read current through the magnetoresistive effect element (through the laminated structure) and measuring the resistance value of the magnetoresistive effect element. On the other hand, data writing is performed by causing a spin polarization current to flow and reversing the magnetization direction of the magnetization free layer.
現在主流のデータの書き込み方式として、スピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ）を利用した「ＳＴＴ方式」が知られている。ＳＴＴ方式では、磁化自由層にスピン偏極電流が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと磁化自由層の磁気モーメントとの間の相互作用によって、磁化自由層にトルクが発生し、トルクが十分大きい場合に磁化が反転する。この磁化反転は電流密度が大きいほど起こりやすくなるため、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、書き込み電流を低減させることが可能となる。ＳＴＴ方式として、磁気抵抗効果素子を貫通するように書き込み電流を流す方式（例えば、特許文献１）や、磁気抵抗効果素子を貫通させず、磁化自由層の面内方向に書き込み電流を流す方式（例えば、特許文献４）が知られている。
データの読み出しは、磁気抵抗効果素子を貫通するように（積層構造を貫くように）読み出し電流を流し、磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定することにより行なわれる。すなわち、非磁性層を介した磁化固定層と磁化自由層との間で電流を流し、磁化固定層の磁化と磁化自由層の磁化との相対角に応じた抵抗の変化を検出することで行う。
As a current mainstream data writing method, the “STT method” utilizing spin transfer torque is known. In the STT method, a spin-polarized current is injected into the magnetization free layer, and a torque is generated in the magnetization free layer due to the interaction between the spins of the conduction electrons responsible for the current and the magnetic moment of the magnetization free layer. When it is large enough, the magnetization is reversed. This magnetization reversal becomes more likely to occur as the current density increases, so that the write current can be reduced as the memory cell size is reduced. As the STT method, a method of passing a write current through the magnetoresistive effect element (for example, Patent Document 1) or a method of passing a write current in the in-plane direction of the magnetization free layer without penetrating the magnetoresistive effect element ( For example, Patent Document 4) is known.
Data is read by passing a read current through the magnetoresistive effect element (through the laminated structure) and measuring the resistance value of the magnetoresistive effect element. That is, a current is caused to flow between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer via the non-magnetic layer, and the change in resistance according to the relative angle between the magnetization of the magnetization fixed layer and the magnetization of the magnetization free layer is detected. ..
これに対して、本発明のスピングラス利用型磁気メモリは、デジタル的にデータを記憶できる点は、上述の従来のＭＲＡＭと同様であるが、それに加えて、アナログ的にもデータを記憶できる点が従来のＭＲＡＭと異なる。
すなわち、磁気抵抗効果素子を貫通するように、磁化自由層であるスピングラス層（第２強磁性層を備える場合には、スピングラス層及び第２強磁性層）のスピン注入磁化反転の臨界電流よりも大きな書き込み電流を印可して磁化自由層の磁化を反転させることにより、第１強磁性層の磁化と、スピングラス層（あるいは、スピングラス層及び第２強磁性層）の磁化との間の平行又は反平行の状態を作る、換言すると、データ“０”又はデータ“１”を記憶させることができる点は、従来のＭＲＡＭと同様である。
これに加えて、反平行の状態において、磁化自由層を反転しない程度に書き込み電流を流すことでスピングラス層内にスピングラス領域を発生させることで、反平行時の磁気抵抗値よりは低い磁気抵抗値を記憶させることができる。この磁気抵抗値が離散的になるように書き込み電流を制御すると、多値的な記憶が可能となるし、磁気抵抗値が実質的に連続的になるように書き込み電流を制御すると、アナログ的な記憶が可能となる。これは、本発明のスピングラス利用型磁気メモリが、スピングラス利用型磁気メモリが備える磁気抵抗効果素子の抵抗値を多値的又はアナロク的に使用させ得る書き込み電流を流すように制御する制御回路を有する電流源を備えることによって可能となる。
On the other hand, the magnetic memory using spin glass of the present invention is similar to the conventional MRAM described above in that it can store data digitally, but in addition to that, it can store data also in analog. Is different from the conventional MRAM.
That is, the critical current of spin injection magnetization reversal of the spin glass layer (the spin glass layer and the second ferromagnetic layer when the second ferromagnetic layer is provided) that is the magnetization free layer so as to penetrate the magnetoresistive element. Between the magnetization of the first ferromagnetic layer and the magnetization of the spin glass layer (or the spin glass layer and the second ferromagnetic layer) by reversing the magnetization of the magnetization free layer by applying a write current larger than that. Similar to the conventional MRAM, the parallel or anti-parallel state can be created, in other words, data "0" or data "1" can be stored.
In addition to this, in the antiparallel state, by generating a spin glass region in the spin glass layer by flowing a write current to the extent that the magnetization free layer is not inverted, the magnetic resistance lower than that in the antiparallel state is obtained. The resistance value can be stored. If the write current is controlled so that the magnetoresistive value becomes discrete, multi-valued storage becomes possible, and if the write current is controlled so that the magnetic resistance becomes substantially continuous, it becomes an analog value. It becomes possible to remember. This is a control circuit for controlling the spin glass-utilizing type magnetic memory of the present invention so that a write current that allows the resistance value of the magnetoresistive element included in the spin glass-utilizing type magnetic memory to be used in a multivalued or analog manner is passed. It becomes possible by providing the electric current source which has.
発生したスピングラス領域を消失させるためには、スピングラス領域を発生させた方向と逆向きに磁気抵抗効果素子を貫通する電流を流せばよい。
すなわち、第１強磁性層３からスピングラス層１に電流を流すと、スピン偏極した電子はスピングラス層１から第１強磁性層３に流れる。したがって、スピン偏極した電子はスピングラス層１の磁化の向きを第１強磁性層の磁化の向きと逆の方向に変化させるように働く。この効果によってスピングラスが誘起された部分はスピングラスが誘起されていない部分と同じ方向に磁化することとなり、スピングラス領域が消失させることが可能である。
In order to eliminate the generated spin glass region, a current may be passed through the magnetoresistive effect element in the opposite direction to the direction in which the spin glass region was generated.
That is, when an electric current is passed from the first ferromagnetic layer 3 to the
他の方法としては、磁気抵抗効果素子がスピングラス転移温度を超える温度となるようにすればよい。例えば、磁気抵抗効果素子を貫通する電流によるジュール熱によって、磁気抵抗効果素子を、スピングラス転移温度を超える温度にすることで発生したスピングラス領域を消失させることができる。 As another method, the temperature of the magnetoresistive effect element may be set higher than the spin glass transition temperature. For example, the spin glass region generated by heating the magnetoresistive effect element to a temperature exceeding the spin glass transition temperature can be eliminated by Joule heat caused by a current passing through the magnetoresistive effect element.
データの読み出しは上述の従来のＭＲＡＭと同様に、磁気抵抗効果素子を貫通するように（積層構造を貫くように）読み出し電流を流し、磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定することにより行うことができる。 Data can be read out by passing a read current through the magnetoresistive effect element (through the laminated structure) and measuring the resistance value of the magnetoresistive effect element, as in the conventional MRAM described above. it can.
（磁気ニューロン素子）
本発明の磁気ニューロン素子は、本発明のスピングラス利用型磁気メモリを備え、そのスピングラス利用型磁気メモリが備える磁気抵抗効果素子の抵抗値を多値的又はアナロク的に使用させ得る書き込み電流を流すように制御する制御回路を有する電流源を備え、その制御回路が、磁気抵抗効果素子の抵抗値の違いで読み出し可能な少なくとも３つの抵抗範囲となるパルス数の書き込み電流を流すように制御できるものである。
(Magnetic neuron element)
A magnetic neuron element of the present invention includes the spin glass-utilizing type magnetic memory of the present invention, and a write current that allows the resistance value of the magnetoresistive effect element included in the spin glass-utilizing magnetic memory to be used in a multivalued or analog manner. A current source having a control circuit for controlling to flow is provided, and the control circuit can perform control so as to flow a write current having a pulse number within at least three resistance ranges that can be read due to a difference in resistance value of the magnetoresistive effect element. It is a thing.
本発明のスピングラス利用型磁気メモリはシナプスの動作を模擬する素子である磁気ニューロン素子として利用することができる。シナプスでは外部からの刺激に対して線形な出力を持つことが好ましい。また、逆向きの負荷が与えられた際にはヒステリシスがなく、可逆することが好ましい。図６に示したように、本発明の磁気抵抗効果素子では、スピングラス領域の割合が連続的に変化する。図６の横軸は書き込み電流のパルス数と見なすことができ、比較的線形な抵抗変化を示すことができる。また、抵抗変化は電流の大きさと印可される電流パルスの時間に依存して変化させることができるため、電流の大きさと向き、さらに、印可される電流パルスの時間を外部からの負荷として見なすことができる。 The magnetic memory using spin glass of the present invention can be used as a magnetic neuron element which is an element simulating the operation of synapse. It is preferable that the synapse has a linear output with respect to an external stimulus. Further, it is preferable that there is no hysteresis when a reverse load is applied, and the load is reversible. As shown in FIG. 6, in the magnetoresistive effect element of the present invention, the ratio of the spin glass region continuously changes. The horizontal axis of FIG. 6 can be regarded as the number of pulses of the write current, and a relatively linear resistance change can be shown. Since the resistance change can be changed depending on the magnitude of the current and the time of the applied current pulse, consider the magnitude and direction of the current and the time of the applied current pulse as an external load. You can
（主記憶段階）
読出しの抵抗が変化し始めると、電流をさらに流すことで外部からの負荷とし、負荷にある程度比例した読出し時の抵抗変化となる。これが主記憶段階である。すなわち、読出しの抵抗が変化する場合を記憶の主記憶段階と呼ぶことができる。読出しの抵抗が変化し始める直前の段階を記憶、あるいは、無記憶と定義し、読出しの抵抗の変化が止まる段階を無記憶、あるいは、記憶と定義することができる。当然、書き込み電流を逆向きにすると、逆の作用となる。
(Main memory stage)
When the read resistance starts to change, a current is further passed to form a load from the outside, and the read resistance changes in proportion to the load to some extent. This is the main memory stage. That is, the case where the reading resistance changes can be called the main memory stage of memory. The stage immediately before the read resistance starts to change can be defined as memory or no memory, and the stage at which the read resistance stops changing can be defined as no memory or memory. As a matter of course, if the write current is reversed, it will have the opposite effect.
（記憶の忘却段階）
スピングラス領域を消失させることによって、記憶を忘却することができる。本発明のスピングラス利用型磁気メモリでは出力が一定の低抵抗と高抵抗の値を示すため、記憶と無記憶は定義によって決定されなければならない。また、スピングラス領域の生成や消失させる場合にはランダムとなるため、複数のスピングラス利用型磁気メモリ間での情報の相関が失われる。これらを記憶の忘却段階と呼ぶことができる。
(Memory forgetting stage)
Memory can be forgotten by eliminating the spin glass region. Since the output of the magnetic memory using spin glass of the present invention has a constant low resistance value and a high resistance value, the memory and the memoryless must be determined by definition. In addition, since the spin glass regions are randomly generated or disappeared, the correlation of information among a plurality of spin glass-using magnetic memories is lost. These can be called the forgetting stage of memory.
（磁気ニューロン素子を用いた人工的な脳）
本発明の磁気ニューロン素子はシナプスの動きを模擬し、主記憶段階を経ることができるメモリである。本発明のスピングラス利用型磁気メモリを複数回路上に設置し、脳の模擬をすることが可能である。一般的なメモリのように縦横に均等にアレイさせた配置では集積度が高い脳を形成することが可能である。
また、図７に示したように特定の回路を持った複数の磁気ニューロン素子を一つの塊として、アレイさせた配置では、外部負荷からの認識度が異なる脳を形成することが可能である。例えば、色について感度の良い脳や言語の理解度が高い脳などの個性を生むことができる。つまり、外部のセンサから入手された情報を、視覚、味覚、触覚、嗅覚及び聴覚認識に最適化された五感領域で認識の処理を行い、さらに、論理的思考領域で判断することによって、次の行動を決定するというプロセスを形成させることが可能である。さらに、スピングラス層の材料を変化させると、負荷に対するスピングラス領域の発生速度やスピングラス領域の形成方法が変化するため、その変化を個性とした人工的な脳を形成することが可能となる。
(Artificial brain using magnetic neuron element)
The magnetic neuron element of the present invention is a memory that can simulate the movement of synapses and go through the main memory stage. The spin glass-using magnetic memory of the present invention can be installed on a plurality of circuits to simulate a brain. In the case of an array in which the cells are evenly arrayed vertically and horizontally like a general memory, it is possible to form a highly integrated brain.
Further, as shown in FIG. 7, in the arrangement in which a plurality of magnetic neuron elements having a specific circuit are arrayed as one lump, it is possible to form a brain having a different degree of recognition from an external load. For example, it is possible to create an individuality such as a brain that is sensitive to color or a brain that has a high degree of understanding of language. In other words, the information obtained from an external sensor is subjected to recognition processing in the five sense areas optimized for visual, taste, tactile, olfactory and auditory recognition, and further, in the logical thinking area, the following It is possible to create a process of deciding behavior. Furthermore, when the material of the spin glass layer is changed, the generation rate of the spin glass region with respect to the load and the method of forming the spin glass region change, so it is possible to form an artificial brain that is unique to that change. ..
１ スピングラス層
２ 非磁性層
３ 第１強磁性層
４ 第２強磁性層
５ スピン軌道トルク層
１００ 磁気抵抗効果素子
1
Claims (9)
前記スピングラス層の磁化の向きと前記第１強磁性層の磁化の向きとが反平行となり得る磁気抵抗効果素子。 A spin glass layer having a ferrimagnetic material as a base material, a non-magnetic layer, and a first ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed are provided in this order,
A magnetoresistive effect element in which the magnetization direction of the spin glass layer and the magnetization direction of the first ferromagnetic layer can be antiparallel.
前記制御回路が、磁気抵抗効果素子の抵抗値の違いで読み出し可能な少なくとも３つの抵抗範囲となるパルス数の書き込み電流を流すように制御できる磁気ニューロン素子。 The magnetic memory using spin glass according to claim 8,
A magnetic neuron element that can be controlled by the control circuit so that a write current having a pulse number within at least three resistance ranges that can be read due to a difference in resistance value of the magnetoresistive element is passed.
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