JPWO2016021468A1 - 磁気抵抗効果素子、及び磁気メモリ装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子、及び磁気メモリ装置 Download PDF

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Abstract

磁気抵抗効果素子（１００）は、重金属から構成され、第１の方向に延伸された形状を有する重金属層（１１）と、強磁性体から構成され、重金属層（１１）に隣接して設けられた記録層（１２）と、絶縁体から構成され、記録層（１２）に重金属層（１１）とは反対側の面に隣接して設けられた障壁層（１３）と、強磁性体から構成され、障壁層（１３）の記録層（１２）とは反対側の面に隣接して設けられた参照層（１４）と、を備える。参照層（１４）の磁化の方向は第１の方向に実質的に固定された成分を有し、記録層（１２）の磁化の方向は第１の方向に対し可変な成分を有する。重金属層（１１）に第１の方向と同じ向きの電流を導入することで記録層（１２）の磁化が反転可能である。

Description

この発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置に関する。
高速性と高書き換え耐性が得られる次世代不揮発メモリとして、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Ｓｐｉｎ−Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）が注目されている。ＳＴＴ−ＭＲＡＭは、抵抗変化型の記憶素子である磁気トンネル接合素子（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ素子：ＭＴＪ素子）を使用したメモリである。
特許文献１には、３端子型のＳＴＴ−ＭＲＡＭのメモリセルに適した積層体が開示されている。この積層体は、非磁性体からなる第１外層と、磁性体からなる中心層（記録層）と、非磁性体からなる第２外層とが積層された構造を有する。第１外層には、読み出しのために磁性体からなる参照層が積層されている。データを書き込むため、中心層に平行な書き込み電流を第２外層（導電層）に流して、ＳＴＴにより中心層の磁化を反転させる。なお、中心層、参照層の磁化の方向はいずれも第２外層の面内方向に対して垂直である。
また、特許文献２には、３端子型のＳＴＴ−ＭＲＡＭのメモリセルに適した積層体が開示されている。この積層体は、特許文献１と同様に、非磁性体からなる第１外層と、磁性体からなる中心層（記録層）と、非磁性体からなる第２外層とが積層された構造を有する。さらに、第１外層には、データの読み出しのための参照層が積層されている。書き込みの際には、中心層に平行な書き込み電流を第２外層（導電層）に流して、ＳＴＴにより中心層の磁化を反転させる。なお、中心層、参照層の磁化の方向はいずれも、第２外層の面内方向に対して平行であり、書き込み電流の流入方向に対して垂直である。
米国特許出願公開第２０１２／００１８８２２号明細書 特表２０１３−５４１２１９号公報 国際公開第２０１３／０２５９９４号
特許文献１に開示されている構成においては、参照層から漏洩する磁場が第１外層を通過し、中心層に到達してしまうことがある。この場合、参照層からの漏洩磁場により、中心層の磁化状態が影響を受ける。このため、対称性の高い書き換え特性を得ることが難しい。さらに、参照層からの漏洩磁場により、保持されているデータが書き換わる場合もある。よって、対称性の高い保持特性を得ることが難しい。
また、特許文献２に開示されている構成においては、中心層が、書き込み電流の流入方向（第２外層の長手方向）に対して垂直の磁化方向を有する。このため、中心層は第２外層の短手方向に長く形成される必要があり、メモリセルのサイズが大きくなる。さらに、特許文献２の構成においては、歳差運動で磁化の向きが反転するため、ナノ秒領域でしきい電流が増大し、高速の書き込みが難しいという問題がある。
特許文献３も、特許文献２と同様に、書き込み電流と記録層の磁化の方向が垂直な例を開示しており、特許文献２のメモリと同様の問題を有する。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、小型で、対称性の高い書き換え特性、保持特性を得られ、高速書き込みが可能な磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、
重金属から構成され、第１の方向に延伸された形状を有する重金属層と、
強磁性体から構成され、前記重金属層に隣接して設けられた記録層と、
絶縁体から構成され、前記記録層に前記重金属層とは反対側の面に隣接して設けられた障壁層と、
強磁性体から構成され、前記障壁層の前記記録層とは反対側の面に隣接して設けられた参照層と、を備え、
前記参照層の磁化の方向は前記第１の方向に実質的に固定された成分を有し、
前記記録層の磁化の方向は前記第１の方向において可変な成分を有し、
前記重金属層に、前記第１の方向と同じ向きの電流を導入することで前記記録層の磁化が反転可能である。
前記重金属層に電流を導入することで前記記録層に加わる縦磁場によって前記記録層の磁化が反転することが望ましい。
前記重金属層に導入する電流のパルス幅が１０ナノ秒未満であることが望ましい。
前記記録層の磁化容易軸が前記第１の方向に対し±２５度以内の方向を向いていることが望ましい。
前記記録層は、層面内において実質的に２回対称性のある形状を有し、その長手方向が前記第１の方向の成分を有することが望ましい。
前記記録層の層面に垂直な方向の磁化を有する補助磁性層をさらに備えてもよい。
前記記録層は、前記重金属層の上下に１つずつ配置されてもよい。
前記記録層は、磁化容易軸が異なる方向を向く複数の領域を有してもよい。
前記記録層はＣｏＦｅＢ又はＦｅＢから構成され、前記障壁層はＭｇＯから構成されてもよい。
前記記録層は、例えば、ＣｏＦｅＢから構成され、その膜厚が１．４ｎｍより厚くてもよい。
前記重金属層に導入する電流のパルス幅が０．３ナノ秒以上１．２ナノ秒未満であってもよい。
前記記録層の磁化容易軸が前記第１の方向に対し±３度以上±２５度以内の方向を向いていてもよい。
本発明の磁気メモリ装置は、
上述の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に、前記第１の方向の成分を含む方向に書き込み電流を流すことにより、前記磁気抵抗効果素子にデータを書き込む書き込み手段と、
前記重金属層と前記参照層との間の抵抗を求めることにより、前記磁気抵抗効果素子に書き込まれているデータを読み出す読み出し手段と、
を備える。
本発明によれば、小型で、対称性の高い書き換え特性、保持特性を得られ、高速書き込みが可能な磁気抵抗効果素子、及び磁気メモリ装置を提供することができる。
本発明の実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子の正面図である。 実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子の側面図である。 実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子の上面図である。 磁気抵抗効果素子がデータ”０”を記憶している状態を示す図である。 磁気抵抗効果素子がデータ”１”を記憶している状態を示す図である。 磁気抵抗効果素子にデータを書き込む動作を説明するための図であり、データ“１”を書き込む前の磁気抵抗効果素子を示す図である。 データ“１”を書き込むための書き込み電流の波形図である。 データ“１”を書き込んだ後の磁気抵抗効果素子を示す図である。 データ“０”を書き込む前の磁気抵抗効果素子を示す図である。 データ“０”を書き込むための書き込み電流の波形図である。 データ“０”を書き込んだ後の磁気抵抗効果素子を示す図である。 書き込み電流と重金属層から参照層までの抵抗Ｒの変化を示す図である。 スピン流を説明する図である。 （ｉ）〜（ｉｖ）は、スピン軌道トルクによる磁化の回転を説明する図である。 実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子を使用した１ビット分のメモリセル回路の回路構成を示す例である。 図７に示すメモリセル回路を複数個配置した磁気メモリ装置のブロック図である。 実施の形態２に係る、参照層を多層構造とした磁気抵抗効果素子の正面図である。 実施の形態２に係る磁気抵抗効果素子の側面図である。 実施の形態２に係る磁気抵抗効果素子の上面図である。 実施の形態２に係る磁気抵抗効果素子の磁化方向が反転する経緯を示す図である。 実施の形態２に係る磁気抵抗効果素子の実効磁気異方性磁場依存性を示す図である。 実施の形態２に係る磁気抵抗効果素子のダンピング定数依存性を示す図である。 実施の形態２に係る磁気抵抗効果素子の外部磁場を変えたときの磁化の反転に要するしきい電流の計算結果を示す図である。 実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子と垂直型の磁気抵抗効果素子の漏洩磁場を比較するための図であり、素子構造を示す図である。 実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子と垂直型の磁気抵抗効果素子の漏洩磁場を比較するための図であり、漏洩磁場の強度分布を示す図である。 変形例２に係る、参照層上に反強磁性層を配置した磁気抵抗効果素子の正面図である。 変形例２に係る磁気抵抗効果素子の側面図である。 変形例２に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。 変形例３に係る、重金属層上に補助磁性層を配置した構造の正面図である。 変形例３に係る重金属層上に補助磁性層を配置した構造の側面図である。 変形例３に係る参照層上に補助磁性層を配置した構造の正面図である。 変形例３に係る参照層上に補助磁性層を配置した構造の側面図である。 （ａ）〜（ｉ）は、重金属層と記録層の平面構成と、記録層の磁化及び磁化容易軸の方向の例を示す図である。 変形例５に係る、記録層を多層化した磁気抵抗効果素子の構造を示す図である。 変形例５に係る磁気抵抗効果素子にデータ“０”が記録された状態を示す図である。 変形例５に係る磁気抵抗効果素子にデータ“１”が記録された状態を示す図である。 磁化の方向が異なる複数の領域を含む記録層を備える磁気抵抗効果素子の構成を例示する図である。 変形例４に係る、記録層の磁化容易軸が重金属層の長手方向に対して角度をもって形成された磁気抵抗効果素子の構造を示す図である。 変形例４に係る磁気抵抗効果素子における、磁化の容易軸方向成分の時間変化の容易軸角度依存性を示す図である。 変形例８に係る、基板側から参照層、障壁層、記録層、重金属層が順に積層された構成を有する磁気抵抗効果素子の構造を示す図である。 変形例８に係る磁気抵抗効果素子の端子の配置の一例を示す図である。 変形例８に係る磁気抵抗効果素子の端子の配置の他の例を示す図である。 実施例に係る磁気抵抗効果素子の構造を示す図である。 実施例に係る磁気抵抗効果素子の磁気トンネル接合抵抗と印加電流の関係に関する測定結果を示す図である。 実施例に係る磁気抵抗効果素子の磁気トンネル接合抵抗と印加電流の関係の垂直方向の外部磁場依存性の測定結果を示す図である。 実施例に係る磁気抵抗効果素子の反転電流と垂直方向の外部磁場依存性の測定結果を示す図である。 実施例に係る磁気抵抗効果素子のしきい電圧とパルス幅の関係の測定結果を示す図である。 実施例に係る磁気抵抗効果素子のしきい電流とパルス幅（ナノ・サブナノ秒領域）の関係の測定結果を示す図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子及び該磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ装置を説明する。
（実施の形態１）
以下、図１〜図５を参照して、実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子を説明する。実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子１００の、正面図を図１Ａに、側面図を図１Ｂに、平面図（上面図）を図１Ｃに示す。磁気抵抗効果素子１００は、重金属層１１、記録層１２、障壁層１３、参照層１４が積層された構成を有する。重金属層１１の長手（延伸）方向（図１（ａ）の紙面左右方向）をＸ軸方向とする。重金属層１１の短手方向（図１（ａ）の紙面奥行方向）をＹ軸方向とする。磁気抵抗効果素子１００の各層が積層された高さ方向（図１（ａ）の紙面上下方向）をＺ軸方向とする。
重金属層（導電層）１１は、重金属からなり、第１の方向（Ｘ軸方向）に延伸された（長い）平面形状を有する。重金属層（導電層）１１は、厚さ０．５ｎｍ〜２０ｎｍ、望ましくは、１ｎｍ〜１０ｎｍ、Ｘ軸方向に長さ６０ｎｍ〜２６０ｎｍ、望ましくは、１００ｎｍ〜１５０ｎｍ、Ｙ軸方向に幅２０〜１５０ｎｍ、望ましくは、６０ｎｍ〜１２０ｎｍ程度に形成された層である。
後述するように、重金属層１１に書き込み電流を流して発生するスピンによって、記録層１２の磁化の方向が書き換えられる。書き込み電流は、重金属層１１の長手方向（Ｘ軸方向）に流される。重金属層１１は、スピン軌道相互作用の大きい重金属、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｂ、あるいは、これらの合金から構成される。また、重金属層１１として、導電性の材料に、これらの重金属又は合金をドープしたものを使用してもよい。また、所望の電気特性や構造を得るため、適宜、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ等の材料を重金属層１１に添加してもよい。
記録層１２は、重金属層１１の上に積層された強磁性体の層であり、厚さ０．５ｎｍ〜５ｎｍ、望ましくは、１ｎｍ〜２ｎｍ、Ｘ軸方向に長さ１５ｎｍ〜３００ｎｍ程度、望ましくは、６０ｎｍ〜２００ｎｍ、Ｙ軸方向に幅２０〜１５０ｎｍ、望ましくは、２０ｎｍ〜１２０ｎｍ程度に形成された層である。記録層１２は、Ｘ軸方向に磁化容易軸を有する。後述するスピン軌道トルクにより、矢印Ｍ１２で示す磁化の方向が＋Ｘ軸方向と−Ｘ軸方向とで変化する。
記録層１２には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む材料を使用することが望ましい。具体的には、記録層１２には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の３ｄ遷移金属、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｆｅ−Ｂ、Ｃｏ−Ｂ等の３ｄ遷移金属を含む合金、Ｆｅ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ等の交互積層膜等を使用することができる。また、所望の電気特性や構造を得るため、記録層１２に、適宜、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ等の材料を添加してもよい。
障壁層１３は、記録層１２の上に積層され、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮなどの絶縁体から構成される。障壁層１３は、例えば、その厚さが０．１ｎｍ〜５ｎｍ、望ましくは、０．５ｎｍ〜２ｎｍとなるように形成されている。
本発明においては、記録層１２が面内磁化であることを対象とする。記録層１２と障壁層１３の材質及び厚さの組み合わせにより、記録層１２が界面異方性効果により垂直磁化となる場合があるため、記録層１２は、障壁層１３との関係で界面異方性効果による垂直磁化を避けることができる厚さとすることが望ましい。例えば、障壁層１３がＭｇＯで、記録層１２がＣｏＦｅＢの場合、記録層１２は、１．４ｎｍより厚いことが望ましい。
参照層１４は、障壁層１３の上に積層された強磁性体から構成され、その磁化方向Ｍ１４が固定された層である。データ（情報）の読み出しの際には、参照層１４と記録層１２の磁化方向に基づいて記録されたデータが読み出される。参照層１４の磁化の方向は、Ｘ軸方向に固定されている。
磁気抵抗効果素子１００の各層の構成の具体例を示すと、以下のようになる。重金属層１１：Ｔａ、厚さ５ｎｍ、記録層１２：ＣｏＦｅＢ、厚さ１．５ｎｍ、障壁層１３：ＭｇＯ、厚さ１．２ｎｍ、参照層１４：ＣｏＦｅＢ、厚さ１．５ｎｍ。
重金属層１１〜参照層１４は、それぞれ、図示せぬ基板上に、超真空スパッタリング法等により成膜され、その後、適当な形状にパターニングして形成される。
なお、ここで例示された膜厚や寸法に関する好適な範囲は、現在の半導体集積回路の技術水準に照らし合わせて設定されたものである。将来の加工技術の進歩に伴い、本発明の効果が得られる膜厚や寸法の範囲は変更されうる。
磁気抵抗効果素子１００（より正確には、記録層１２）には、永久磁石、電磁石などの外部磁場印加装置３１により、磁場（外部磁場Ｈｏ）が加えられている。外部磁場Ｈｏは、−Ｚ軸方向、または＋Ｚ方向に加えられている。外部磁場Ｈｏは、記録層１２の磁化の方向の変化を制御するためのものである。外部磁場Ｈｏは、少なくとも書き込み動作時に磁気抵抗効果素子１００に印加される。あるいは、定常的に外部磁場Ｈｏが磁気抵抗効果素子１００に印加されてもよい。外部磁場Ｈｏについては、スピン軌道トルクと併せて後述する。外部磁場Ｈｏは、例えば、１〜５００ｍＴ、望ましくは、５〜２００ｍＴ程度の強度を有する。
重金属層１１を流れる書き込み電流により記録層１２の磁化Ｍ１２の向きが＋Ｘ軸方向と−Ｘ軸方向とで反転する。これにより、重金属層１１〜参照層１４の電流経路の抵抗状態が高抵抗状態と低抵抗状態との間で変化する。磁化Ｍ１２の方向（即ち、抵抗状態）に“０”と“１”の１ビットデータを割り当てることにより、磁気抵抗効果素子１００にデータを記憶させることができる。磁気抵抗効果素子１００からデータを読み出す際には、参照層１４上に設けられた電極（図示せず）と重金属層１１との間に読み出し電流Ｉｒを流し、磁気抵抗効果素子１００の抵抗状態（高抵抗状態と低抵抗状態の別）を検出する。このようにして、参照層１４の磁化Ｍ１４の向きに対する磁化Ｍ１２の向きを求め、記録データを読み出す。
この読み出し動作と書き込み動作を詳細に説明する。
まず、図２Ａ〜図２Ｃを参照して、読み出し動作を説明する。
図２Ａの状態においては、記録層１２の磁化Ｍ１２の方向は、−Ｘ軸方向であり、参照層１４の磁化Ｍ１４と向きが揃っている（平行状態）。このとき、磁気抵抗効果素子１００は、重金属層１１から参照層１４に至る電流路の抵抗が相対的に小さい低抵抗状態である。一方、図２Ｂの状態においては、記録層１２の磁化Ｍ１２の方向は、＋Ｘ軸方向であり、参照層１４の磁化Ｍ１４の向きとは、反対である（反平行状態）。このとき、磁気抵抗効果素子１００は、重金属層１１から参照層１４に至る電流路の抵抗が相対的に大きい高抵抗状態である。低抵抗状態と高抵抗状態の２つの状態をそれぞれ“０”、“１”と対応付け、記録層１２の磁化Ｍ１２の向きをスイッチさせることで、磁気抵抗効果素子１００をメモリとして動作させることができる。本実施の形態では、図２Ａに示す低抵抗状態を“０”とし、図２Ｂに示す高抵抗状態を“１”と定義している。記憶データの割り当ては逆でもよい。ここでは読み出し電流Ｉｒが＋Ｚ軸方向に流れる例を図示したが、読み出し電流Ｉｒの向きは逆向きでも構わない。
次に、図３Ａ〜図３Ｃ、図４Ａ〜図４Ｃを参照して、書き込み動作を説明する。
データ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子１０にデータ“１”を書き込む例を説明する。図３Ａに示すように、外部磁場Ｈｏを維持した状態で、重金属層１１の長手方向に、且つ、記録層１２の磁化Ｍ１２と同一の向きに書き込み電流Ｉｗを流す。書き込み電流Ｉｗは図３Ｂに示すようなパルス状電流である。すると、スピンホール効果等によって発生するスピン流（スピン角運動の流れ）Ｊｓは、＋Ｚ軸方向となる。このため、スピンが偏在し、スピン軌道トルクが記録層１２に作用する。これにより、図３Ｃに示すように、記録層１２の磁化Ｍ１２の向きが反転し、磁気抵抗効果素子１００は反平行状態となる。このとき、磁気抵抗効果素子１００は高抵抗状態である。即ち、磁気抵抗効果素子１００の記憶データ“０”が“１”に書き換えられる。記録層１２の磁化Ｍ１２の向きは、書き込み電流Ｉｗが０になっても、また、外部磁場Ｈ０が０になっても、維持される。書き込み電流Ｉｗのパルスのパルス高は、後述する順方向の閾値ＩＣ１以上である。書き込み電流Ｉｗのパルス幅Ｔｗは書き換えに要する時間以上の時間であり、本実施の形態においては、３０ナノ秒未満の時間、例えば、０．１ナノ秒以上１０ナノ秒未満である。
一方、データ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子１００にデータ“０”を書き込む際には、図４Ａに示すように、外部磁場Ｈｏを維持した状態で、重金属層１１の長手方向に、且つ、記録層１２の磁化Ｍ１２と同一の向きに書き込み電流Ｉｗをパルス状に流す。書き込み電流Ｉｗは図４Ｂに示すようにパルス状電流である。この場合、スピンホール効果等によって、−Ｚ軸方向のスピン流Ｊｓが発生する。このため、スピンが偏在し、スピン軌道トルクが記録層１２に作用する。これにより、図４Ｃに示すように、記録層１２の磁化Ｍ１２の向きが反転し、磁気抵抗効果素子１００は平行状態となる。このとき、磁気抵抗効果素子１００は低抵抗状態となる。即ち、磁気抵抗効果素子１００の記憶データ“１”が“０”に書き換えられる。記録層１２の磁化Ｍ１２の向きは、書き込み電流Ｉｗが０になっても、また、外部磁場Ｈ０が０になっても、維持される。書き込み電流Ｉｗのパルスのパルス高は、後述する逆方向の閾値ＩＣ０以上である。書き込み電流Ｉｗのパルス幅Ｔｗはデータの書き換えに要する時間以上の時間であり、本実施の形態においては、３０ナノ秒未満の時間、例えば、０．１ナノ秒以上１０ナノ秒未満である。
このようにして、磁気抵抗効果素子１００が保持するデータを書き換えることが可能になる。
なお、データ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子１００の重金属層１１にデータ“０”を書き込む書き込み電流Ｉｗを流した場合、スピン軌道トルクが外部磁場Ｈｏと相殺するため、データの書き換えは起こらない。データ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子１００の重金属層１１にデータ“１”を書き込む書き込み電流Ｉｗを流した場合も同様である。
書き込み電流Ｉｗと重金属層１１と参照層１４との間の抵抗値Ｒとの関係を、図５に示す。図示するように、閾値Ｉｃ１以上の順方向（−Ｘ軸方向）の書き込み電流Ｉｗにより、記録層１２の磁化Ｍ１２の向きが参照層１４の磁化Ｍ１４の向きと反対となる（反平行）。このとき、磁気抵抗Ｒは相対的に大きな値ＲＡＰとなる。一方、閾値Ｉｃ０以上の逆方向（＋Ｘ軸方向）の書き込み電流Ｉｗにより、記録層１２の磁化Ｍ１２の向きが参照層１４の磁化Ｍ１４の向きと同一となる（平行）。このとき、磁気抵抗Ｒは相対的に小さな値ＲＰとなる。記憶データの書き換えが起こる書き込み電流Ｉｗの閾値Ｉｃ１とＩｃ０は、その絶対値がほぼ等しい。
なお、書き込み電流Ｉｗの向きとスピン流の向きとの関係は、重金属層１１と記録層１２と障壁層１３に使用される材料とその組み合わせにより変化する。
また、書き込みの際には、定常的に外部磁場Ｈｏを加える必要がある。図３Ａ、図３Ｃ、図４Ａ、図４Ｃでは、−Ｚ軸方向の向きの外部磁場Ｈｏを図示しているが、外部磁場Ｈｏの向きは＋Ｚ軸方向であってもかまわない。
次に、上述したようにスピン軌道トルクによって記録層１２の磁化Ｍ１２の向きが反転する仕組みを図６Ａ、図６Ｂを参照して詳細に説明する。ここでは、スピンホール効果によって、スピン軌道トルクが働く場合の磁化Ｍ１２の反転のメカニズムを説明する。
図６Ａは重金属層１１に＋Ｘ軸方向の書き込み電流Ｉｗが流れたときのスピン流Ｊｓの運動を模式的に示している。＋Ｘ軸方向に書き込み電流Ｉｗが流れると、＋Ｙ軸方向にスピン偏極した電子は−Ｚ軸方向に散乱され、−Ｙ軸方向にスピン偏極した電子は＋Ｚ軸方向に散乱される。これによって記録層１２には―Ｙ軸方向にスピン偏極した電子が蓄積する。なお、電流の符号と偏極スピンの散乱される方向や大きさはスピンホール角の符号で決まり、上記と逆となることもあり得る。
―Ｙ軸方向にスピン偏極した電子は記録層１２の磁化Ｍ１２にトルクを及ぼす。これがスピン軌道トルクである。スピン軌道トルクには２種類の働き方があり、それぞれ、縦磁場と横磁場で表すことができる。縦磁場はトルクの種類としてはアンチダンピングライクトルク、あるいはスロンチェフスキートルクに対応する。横磁場はフィールドライクトルクに対応する。
図６Ｂ（ｉ）〜（ｉｖ）は、記録層１２の磁化Ｍ１２が４つの方向を向いているときの縦磁場、横磁場の方向を模式的に示している。
横磁場は常に＋Ｙ軸方向を向く。一方、縦磁場は磁化Ｍ１２をＸ−Ｚ面内で回転させる方向を向く。なお、縦磁場と横磁場の方向は用いる材料の組み合わせによって変化する。
ここで、図６Ａに示すように、−Ｚ軸方向に外部磁場Ｈｏが印加されていると仮定する。このとき、図６Ｂ（ｉ）の状態、即ち、磁場Ｍ１２が＋Ｘ軸方向を向いている状態においては、縦磁場によって磁化Ｍ１２が−Ｚ軸方向に回転し、図６Ｂ（ｉｉ）の状態を経由して図６Ｂ（ｉｉｉ）の磁場Ｍ１２が−Ｘ軸方向を向いた状態になる。図６Ｂ（ｉｉｉ）の状態では縦磁場は＋Ｚ軸方向に働いているが、−Ｚ軸方向への外部磁場Ｈｏがあるのでこれ以上の磁化Ｍ１２の向きの回転は起こらない。従って、図６Ｂ（ｉｉｉ）に示す状態が終状態となる。
一方、図６Ｂ（ｉｉｉ）の状態において重金属層１１に流す書き込み電流Ｉｗの向きを変えた場合、縦磁場の方向は１８０°変わる。これによって、磁化Ｍ１２は、図６Ｂ（ｉｉｉ）の状態から、図６Ｂ（ｉｉ）の状態を経由して図６Ｂ（ｉ）の終状態に変化し、この状態で落ち着く。
一方、外部磁場Ｈｏの方向が＋Ｚ軸方向で、図示された書き込み電流Ｉｗや有効磁場の場合には、図６Ｂ（ｉｉ）に示す状態は許されない状態となる。書き込み電流Ｉｗの向きに応じて、図６Ｂ（ｉｉｉ）の状態から図６Ｂ（ｉｖ）の状態を経て図６Ｂ（ｉ）の状態へと変化し、また、図６Ｂ（ｉ）の状態から図６Ｂ（ｉｖ）の状態を経て図６Ｂ（ｉｉｉ）の状態へ変化する。これによって、図６Ｂ（ｉ）の状態と図６Ｂ（ｉｉｉ）の状態とを行き来させることができる。
上記はスピンホール効果に基づいた説明であるが、ラシュバ効果であっても縦磁場と横磁場の両方が磁化Ｍ１２に作用する。よって磁化の反転過程は同じとなる。また、電流によって縦磁場を生じさせることができれば、スピンホール効果やラシュバ効果以外でであっても、上述の方式により磁化方向を制御することができる。
なお本発明では磁化反転の主要な駆動力が縦磁場（アンチダンピングライクトルク、あるいはスロンチェフスキートルク）であり、磁化に直交する方向にスピン偏極した電子が磁化に作用するという点で特許文献１と共通している。一方、本発明は、磁化と平行、又は反平行に偏極した電子が磁化に作用する構成を開示している特許文献２とは異なる。磁化と反平行に偏極した電子スピンが作用する場合には歳差運動により磁化が反転するため、ナノ秒領域で磁化反転を起こすためには大きな電流を要する。一方、磁化と直交する方向に偏極した電子スピンが作用する場合には、パルス幅が小さくなってもしきい電流がほとんど増大しない。よって、高速動作を実現する上で好適である（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ． １０４，０７２４１３ （２０１４）．参照）。一般的に、反平行な電子スピンでデータを書き換える場合には書き込み電流Ｉｗは１０ナノ秒以上のパルス幅を有する必要がある。これに対して、上記実施の形態の構成によれば、直交する電子スピンでデータを書き換えるため、０．１ナノ秒〜１０ナノ秒未満のパルス幅の書き込み電流Ｉｗで書き換えが可能となる。発明者らの実験により高速書き換え性能を得られることが示されている（詳細は後述する）。なお、書き込み電流Ｉｗのパルス幅を１０ナノ秒〜３０ナノ秒の範囲とした場合でも、従来の反平行な電子スピンによる歳差運動を介した書き換えと遜色ない書き換え速度が確保できる。また、本発明は、定常状態での磁化方向が面内方向であるが、この点が特許文献１とは異なっており、特許文献２とは同じである。
次に、上記構成を有する磁気抵抗効果素子１００を、記憶素子として使用するメモリセル回路の構成例を図７を参照して説明する。図７は、１ビット分の磁気メモリセル回路２００の構成を示している。この磁気メモリセル回路２００は、１ビット分のメモリセルを構成する磁気抵抗効果素子１００と、一対のビット線ＢＬ１とＢＬ２、ワード線ＷＬと、グラウンド線ＧＮＤと、第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２とを備える。
磁気抵抗効果素子１００は、重金属層１１の一端部に第１端子Ｔ１、他端部に第２端子Ｔ２が接続され、参照層１４に第３端子Ｔ３が配置された３端子構造を有する。
第３端子Ｔ３はグラウンド線ＧＮＤに接続されている。第１端子Ｔ１は第１トランジスタＴｒ１のドレインに接続されている。第２端子Ｔ２は第２トランジスタＴｒ２のドレインに接続されている。第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２のゲート電極はワード線ＷＬに接続されている。第１トランジスタＴｒ１のソースは第１ビット線ＢＬ１に接続されている。第２トランジスタＴｒ２のソースは第２ビット線ＢＬ２に接続されている。
磁気抵抗効果素子１００にデータを書き込む方法は次の通りである。まず、磁気抵抗効果素子１００を選択するため、ワード線ＷＬにトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２をオンさせるアクティブレベルの信号を印加する。ここでは、トランジスタＴｒ１とＴｒ２がＮチャネルＭＯＳトランジスタから構成されているものとする。この場合、ワードラインＷＬはＨｉｇｈレベルに設定される。これによって第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２はオン状態になる。一方、書き込み対象のデータに応じて、第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２の一方をＨｉｇｈレベルに設定し、他方をグランドレベルに設定する。
具体的には、データ“１”を書き込む場合は、第１ビット線ＢＬ１をＬｏｗレベルとし、第２ビット線ＢＬ２をＨｉｇｈレベルとする。これにより、図３Ａに示すように、順方向に書き込み電流Ｉｗが流れ、図３Ｃに示すように、データ“１”が書き込まれる。一方、データ“０”を書き込む場合は、第１ビット線ＢＬ１をＨｉｇｈレベルとし、第２ビット線ＢＬ２をＬｏｗレベルとする。これにより、図４Ａに示すように、逆方向書き込み電流Ｉｗが流れ、図４Ｃに示すように、データ“０”が書き込まれる。
このようにして、磁気抵抗効果素子１００へのビットデータの書き込みが行われる。
磁気抵抗効果素子１００に記憶されているデータを読み出す方法は次の通りである。まず、ワード線ＷＬをアクティブレベルに設定し、第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２とをオン状態とする。第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２の両方をＨｉｇｈレベルに設定する、或いは、ビット線ＢＬ１とＢＬ２の一方をＨｉｇｈレベルに、他方を開放状態に設定する。Ｈｉｇｈレベルとなったビット線より重金属層１１→記録層１２→障壁層１３→参照層１４→第３端子Ｔ３→グラウンド線ＧＮＤと電流が流れる。この電流の大きさを測定することにより、重金属層１１から参照層１４に至る経路の抵抗の大きさ、即ち、記憶データを判別することができる。
なお、磁気メモリセル回路２００の構成や回路動作は一例であって、適宜変更されうる。例えば、グラウンドをグラウンド電圧以外の基準電圧に設定してもよい。また、第３端子Ｔ３をグラウンド線ＧＮＤではなく、第３ビット線（図示せず）に接続してもよい。この場合、データを読み出すため、ワード線ＷＬをＨｉｇｈレベルにセットするとともに、第３ビット線をＨｉｇｈレベルにセットし、第１ビット線と第２のビット線の一方又は両方をグラウンドレベルとする。このようにして、電流を第３ビット線から第１ビット線ＢＬ１、第２ビット線ＢＬ２に流すように構成してもよい。
次に、図７に例示した磁気メモリセル回路２００を複数備える磁気メモリ装置３００の構成を図８を参照して説明する。
磁気メモリ装置３００は、図８に示すように、メモリセルアレイ３１１、Ｘドライバ３１２、Ｙドライバ３１３、コントローラ３１４を備えている。メモリセルアレイ３１１はＮ行Ｍ列のアレイ状に配置された磁気メモリセル回路２００を有している。各列の磁気メモリセル回路２００は対応する列の第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２の対に接続されている。また、各行の磁気メモリセル回路２００は、対応する行のワード線ＷＬとグラウンド線ＧＮＤに接続されている。
Ｘドライバ３１２は、複数のワード線ＷＬに接続されており、受信したローアドレスをデコードして、アクセス対象の行のワード線ＷＬをアクティブレベルに駆動する。例えば、第１第２トランジスタＴ１１、Ｔｒ２がＮチャネルＭＯＳトランジスタの場合、Ｘドライバ３１２はワード線ＷＬをＨｉｇｈレベルにする。
Ｙドライバ３１３は、磁気抵抗効果素子１００にデータを書き込む書き込み手段及び磁気抵抗効果素子１００からデータを読み出す読み出し手段として機能する。Ｙドライバ３１３は、複数の第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２に接続されている。Ｙドライバ３１３は、受信したカラムアドレスをデコードして、アクセス対象の磁気メモリセル回路２００に接続されている第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２をデータ書き込み状態或いは読み出し状態に設定する。データ“１”の書き込みにおいて、Ｙドライバ３１３は書き込み対象の磁気メモリセル回路２００に接続された第１ビット線ＢＬ１をＬｏｗレベルとし、第２ビット線ＢＬ２をＨｉｇｈレベルとする。また、データ“０”の書き込みにおいてＹドライバ３１３は、書き込み対象の磁気メモリセル回路２００に接続された第１ビット線ＢＬ１をＨｉｇｈレベルとし、第２ビット線ＢＬ２をＬｏｗレベルとする。さらに、磁気メモリセル回路２００に記憶されているデータの読み出しにおいて、Ｙドライバ３１３は、まず、読み出し対象の磁気メモリセル回路２００に接続された第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２の両方をＨｉｇｈレベルに、或いは、ビット線ＢＬ１とＢＬ２の一方をＨｉｇｈレベルに、他方を開放状態に設定する。そして、Ｙドライバ３１３は、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２を流れる電流と基準値とを比較して、各列の磁気メモリセル回路２００の抵抗状態を判別し、これにより、記憶データを読み出す。
コントローラ３１４は、データ書き込み、あるいはデータ読み出しに応じて、Ｘドライバ３１２とＹドライバ３１３のそれぞれを制御する。
なお、磁気抵抗効果素子１００の参照層１４に接続されるグラウンド線ＧＮＤはＸドライバ３１２に接続されているが、これは、前述のように、Ｙドライバ３１３に接続される読み出しビット線によって代用することも可能である。
（実施の形態２）
実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子１００において、記憶データを安定して書き込み且つ読み出すためには、参照層１４の磁化Ｍ１４の方向を安定的に固定する必要がある。参照層１４の磁化Ｍ１４を安定させるため参照層１４を積層フェリ結合層から構成することが有効である。
以下、図９Ａ〜図９Ｃを参照して、参照層１４を積層フェリ結合層から構成した磁気抵抗効果素子１０１の実施の形態を説明する。
本実施の形態において、参照層１４は、強磁性層１４ａと結合層１４ｂと強磁性層１４ｃとが積層され、積層フェリ結合した積層構造を有する。強磁性層１４ａと強磁性層１４ｃとは、結合層１４ｂによって反強磁的に結合している。その他の点は、基本的に実施の形態１と同様である。
強磁性層１４ａと強磁性層１４ｃとして、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む強磁性材料を使用することが望ましい。また、結合層１４ｂには、Ｒｕ、Ｉｒ等を使用することが望ましい。
この構成では、記録層１２の磁化Ｍ１２の向きと、参照層１４のうちの記録層１２に近接する強磁性層１４ａの磁化Ｍ１４ａの向きが一致したときに、磁気抵抗効果素子１０１は、平行状態となり、低抵抗状態となる。一方、記録層１２の磁化Ｍ１２の向きと、強磁性層１４ａの磁化Ｍ１４ａの向きが反対方向となったときに、磁気抵抗効果素子１０１は、反平行状態となり、高抵抗状態となる。
図９Ａ〜図９Ｃに示す構成の磁気抵抗効果素子１０１の特性を求めるため、Ｌａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ方程式（ＬＬＧ方程式）に基づいた各種数値計算を行った。
図１０Ａは、磁気抵抗効果素子１０１の磁化の軌跡の時間発展を計算した結果を示す。計算は０秒から５ナノ秒まで行った。図１０Ａにおいて、軸ｍｘ、ｍｙ、ｍｚは、それぞれ、＋Ｘ軸方向、＋Ｙ軸方向、＋Ｚ軸方向における磁化の強さを示す。負の値は、各軸の負方向であることを示す。この例では、開始状態（Ｓｔａｒｔ）で（ｍｘ、ｍｙ、ｍｚ）＝（１，０，０）で＋Ｘ軸方向を向いていた記録層の磁化が、終状態（Ｅｎｄ）では（ｍｘ、ｍｙ、ｍｚ）＝（−１，０，０）と−Ｘ軸方向に反転していることがわかる。パラメータを変えて計算を行ったところ概ね１００ピコ秒のオーダーで磁化は反転することが分かった。従って、非常に高速でデータの書き込み・書き換えが可能であることがわかった。
図１０Ｂ〜図１０Ｄは、記録層のＸ軸方向の実効磁気異方性磁場、ダンピング定数、及び外部磁場を変えたときの磁化の反転に要するしきい電流の計算結果を示している。なお、電流と縦磁場には線形関係があるので、図１０Ｂ〜図１０Ｄでは、縦軸を縦磁場ＨＬとして表している。なお、縦磁場ＨＬと書き込み電流Ｉｗの間の変換効率は用いる材料の組み合わせに依存して変化する。
図１０Ｂに示すように、実効磁気異方性磁場を大きくすると、しきい電流は線形に増大する。実際には素子の記録情報の保持特性の指標となる熱安定性は実効磁気異方性磁界と線形関係にあるので、実効磁気異方性磁界は必要な値に適当に調整される。
図１０Ｃに示すように、しきい電流のダンピング定数依存性はほぼない。また、ダイナミクスの計算によれば、ダンピング定数が大きいほど磁化方向の終状態への収束が速いことがわかった。よって、ダンピング定数は大きいことが望ましい。例えばダンピング定数が０．０５以上であれば約１００ピコ秒での磁化の操作が可能となる。
図１０Ｄに示すように、外部磁場は大きいほどしきい電流は減少する。このため、なるべく大きい外部磁場を印加することが望ましい。
これらの計算結果は、実施の形態２に係る磁気抵抗効果素子１０１をナノ秒クラスの速度で動作させることができることを意味している。実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子１００も同様の特性が得られるので、高速動作が可能である。
また、上記実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１００、１０１は、対称性の高い書き込み特性、情報保持特性を得ることができる。この点を説明する。
ここでは、図１１Ａに示すように、参照層１４が単層の磁性層からなる場合を考える。参照層１４、障壁層１３、記録層１２の膜厚はそれぞれ２ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の長さを１００ｎｍとする。参照層１４の飽和磁化は１Ｔとする。参照層１４の磁化の方向が＋Ｚ軸方向（垂直磁化）の場合と−Ｘ軸方向（面内磁化）の場合に記録層１２に形成される漏洩磁場を比較する。漏洩磁場は＋Ｘ軸方向に沿って計算し、その原点を記録層１２の中心にとる。
図１１Ｂに示すように、参照層１４の飽和磁化の方向が＋Ｚ軸方向の場合（Ｐｅｒｐ）も−Ｘ軸方向の場合（Ｉｎ−ｐｌａｎｅ）も、±５０ｎｍを超える近傍エリア（磁気抵抗効果素子の周辺部）においては強い漏洩磁場（Ｈｓｔｒ）が発生している。しかし、記録層１２上では、Ｉｎ−ｐｌａｎｅの方がＰｅｒｐよりも漏洩磁場の大きさは小さい。原点付近（パターン中央部）においては、Ｐｅｒｐの漏洩磁場の大きさは、Ｉｎ−ｐｌａｎｅの漏洩磁場の大きさの２倍程度である。
これは、垂直磁化容易ＭＴＪからなる磁気抵抗効果素子の構造よりも、面内磁化容易ＭＴＪからなる実施の形態１の構造の方が、記録層１２にかかる参照層１４からの漏洩磁場を小さくできることを意味している。参照層１４からの漏洩磁場は、記録層１２における一方の状態（例えば、０を記録している状態）を安定化させる。その一方で、参照層１４からの漏洩磁場は、記録層１２における他方の状態（例えば、１を記録している状態）を不安定化する。従って、書き込み特性や保持特性に非対称性が生じる。これは好ましくない。以上より、実施の形態１及び２に係る面内磁化容易ＭＴＪを用いることで対称性の高い書き込み特性、保持特性が得やすくなると言える。なお、図９Ａ〜図９Ｃに示すような参照層１４を積層フェリ結合を有する積層構造とする場合でも上記の参照層１４からの漏洩磁場の大小関係は変わらない。
以上より、実施の形態１及び実施の形態２による磁気抵抗効果素子１００、１０１は、高いＴＭＲ比が得られ、読み出し特性において優れていることがわかる。また、対称性の高い書き換え特性、保持特性が得られることがわかる。さらに、記録層１２の磁化の反転が歳差運動を介した磁化反転ではないので、高速での書き込みが可能となる。
また、重金属層１１の短手方向であるＹ軸方向を記録層１２の長手方向としないので、重金属層の長手方向と記録層の長手方向とをほぼ垂直方向とする構成（書き込み電流と記録層の磁化の方向が直角な構成）に比較して、セル面積を小さくすることができる。
この発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。以下、変形例・応用例について説明する。
（変形例１）
磁気抵抗効果素子の抵抗とデータの割り当ては任意であり、低抵抗状態にデータ“１”、高抵抗状態にデータ“０”を割り当てても良い。
（変形例２）
参照層１４の磁化を安定化させるため、図１２Ａ〜図１２Ｃに示すように、参照層１４の上に反強磁性層１４ｄを配置してもよい。反強磁性層１４ｄの材料として、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ合金等を使用することができる。反強磁性層１４ｄを配置する事で、より強固に参照層１４の磁化を固定することができる。また、参照層１４をフェリ結合構造にする場合、強磁性層の数は任意であり、例えば、強磁性層の数は３以上でもよい。
（変形例３）
上記実施の形態においては、外部磁場印加装置３１により、外部磁場Ｈｏを印加したが、磁気抵抗効果素子１００、１０１自体が垂直磁場を印加する構成を備えてもよい。
例えば、図１３Ａ、図１３Ｂに示す磁気抵抗効果素子１０３は、実施の形態１及び２で示した基本構造に加えて補助磁性層１５を備える。図１３Ｃ、図１３Ｄに示す磁気抵抗効果素子１０４は、実施の形態１及び２で示した基本構造に加えて補助磁性層１７を備える。補助磁性層１５、１７はＺ軸方向に固定された磁化Ｍ１５、Ｍ１７を有している。磁化の方向は＋Ｚ軸方向でもよいし―Ｚ軸方向でもよい。
図１３Ａ、図１３Ｂに示す磁気抵抗効果素子１０３の補助磁性層１５は重金属層１１の、記録層１２が設けられた面の反対側の面に配置される。図１３Ｃ、図１３Ｄに示す磁気抵抗効果素子１０４の補助磁性層１７は参照層１４の上に配置される。この場合には参照層１４との交換結合を防ぐために導電性の非磁性体から構成される導電層１６を補助磁性層１７と参照層１４との間に配置する。補助磁性層１５又は補助磁性層１７は記録層１２に垂直方向の定常磁場Ｈｏを安定的に印加する。従って、この構成の場合、外部磁場Ｈｏを印加する機構は不要である。
図１１Ｂに示したように、垂直磁化容易軸においては比較的大きな漏洩磁場を出すことができる。図１１Ｂの例では、パターン中央部においても２０ｍＴ程度の漏洩磁場が出ている。この磁場の大きさは図１０Ｄに示したしきい電流の低減効果が見られている磁場の大きさと同じオーダーである。このことからも、外部磁場を印加する構成が不要となることが理解できる。
実施の形態１及び２では、記録層１２を重金属層１１と同一の幅で短い矩形形状とした。しかしながら、記録層１２の磁化容易軸方向がＸ軸成分を有するのであれば、その形状は任意である。ただし、記録層１２はＸ−Ｙ面内においてプロセスにおいて生じる不均一性の範囲内において実質的に２回対称性を有していることが望ましい。
例えば、図１４（ａ）〜（ｉ）に記録層１２の平面形状を例示する。記録層１２の平面形状は、長方形（（ａ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｉ））、楕円（（ｂ）、（ｆ））、菱形（（ｃ）、（ｇ）、（ｈ））など任意である。また、記録層１２は、図１４（ｄ）、（ｇ）のように、その幅が重金属層１１の幅より小さくてもよい。重金属層１１に対する記録層１２の位置も任意である。
さらに、記録層１２の磁化Ｍ１２の方向、換言すると、記録層１２の磁化容易軸の方向は純粋にＸ軸方向である必要はない。記録層１２の磁化容易軸はＹ軸成分を有していてもよく、むしろＹ軸成分を有していた方がよい。
（変形例４）
図１７に、記録層１２の磁化容易軸が純粋にＸ軸方向でない場合の磁気抵抗効果素子１０７の構成を示す。ここでは、重金属層１１の平面形状が矩形、記録層１２〜参照層１４の平面形状が楕円形である例を示す。記録層１２の磁化容易軸は、楕円形の長軸方向によって規定されている。記録層１２の磁化容易軸は、Ｘ−Ｙ面内において、Ｘ軸（重金属層１１の長手方向）に対し角度θの方向を向いている。記録層１２の磁化容易軸がＹ軸成分を有している場合、外部磁場印加装置３１、補助磁性層１５、１７は不要となる。これは、スピン軌道トルクの働き方に非対称性が生ずること、及び横磁場が作用することの２つの理由による。このような理由から、記録層１２の磁化容易軸は、その方向が純粋なＸ軸方向ではなく、Ｙ軸成分も有していた方がなおよい。
図１８に、角度θが０度、１度、１５度、２５度のそれぞれの場合における記録層１２の容易軸成分ｍｘの時間発展の様子をマクロスピンシミュレーションにより計算した結果を示す。具体的には、磁気抵抗効果素子１０７に、５ｎｓの電流パルスを印加し、電流パルスの印加中（ＯＮ）、及び電流パルスの印加後（ＯＦＦ）の記録層１２の容易軸成分ｍｘの時間的変化を求めた。なお、ｚ方向へは磁場を印加していない。
角度θが０度の場合には電流パルスの印加後に容易軸成分ｍｘは元の値（１）に戻っている。一方、θが１度、１５度、２５度の場合には容易軸成分ｍｘが初期状態とは反対の値（−１）に変化している。なお、磁気抵抗効果素子を小型化するためには、記録層１２の磁化容易軸のＹ軸成分が大きいことは望ましくない。プロセスによって生じる不可避な角度の揺らぎは３度程度であることを鑑みると、記録層１２の磁化容易軸のＸ−Ｙ面内の角度の好適な範囲としては、Ｘ軸方向を０度と定義したとき、±３度〜±２５度、さらには、±３度〜±１５度となるように設定することが望ましい。この場合も、記録層１２の平面形状は任意である。
図１４（ａ）、（ｈ）のような構造の場合、記録層１２をセルフアラインプロセスでパターニングすることが可能という利点がある。また、記録層１２は、その磁化容易軸がＸ軸方向成分を有するのであれば、Ｘ軸方向が長手方向となるような形状にパターニングされる必要はない。例えば、図１４（ｉ）に示すように、Ｘ軸方向の長さが、Ｙ軸方向の長さよりも短くてもかまわない。例えば、記録層１２のＸ軸方向の長さから独立して、結晶磁気異方性や磁歪を介した応力誘起の誘導磁気異方性によってＸ軸方向を磁化容易軸とすることもできる。
（変形例５）
上記実施の形態においては、重金属層１１と参照層１４との間のみに記録層１２を配置した。あるいは、図１５Ａ〜図１５Ｃに示すように、記録層１２を重金属層１１の上下に配置してもよい。この場合、記録層１２は、重金属層１１を挟んだ一対の記録層１２ａと１２ｂから構成される。記録層１２ａと１２ｂの磁化Ｍ１２ａとＭ１２ｂの方向は上下の記録層１２ａと１２ｂとで反平行に結合している必要がある。この構成では、図６Ａを参照して説明したように、重金属層１１の上下で逆向きの偏極スピンからなる電子が記録層１２ａと１２ｂに蓄積される。このため、記録層１２ａと１２ｂの磁化方向は上下の記録層で反平行となり、問題は生じない。
この場合、重金属層１１の上下の記録層１２ａと１２ｂとは静磁界によって磁気結合する。これによって、熱安定性が増大する一方で書き換えに必要なしきい電流は増大しない。従って書き込み電流Ｉｗを増大させることなく熱安定性を向上させることができる。また、図１３Ａ〜図１３Ｄに示したように、補助磁性層１５、１７を配置することにより、定常的な外部磁場を不要とすることが可能である。
（変形例６）
記録層１２の磁化容易軸（磁化の方向）が記録層内で均質である必要はなく、向きの異なる磁化を有する複数の領域を備えていてもよい。例えば図１６に示す記録層１２ｃのように、一部の領域は垂直磁化容易となっており、その方向が固定されていてもよい。即ち、記録層１２内に、磁化容易軸或いは磁化の方向が異なる領域が含まれていてもよい。ただし、記録層１２内にＸ軸方向成分を有する磁化容易軸を有する領域が存在する必要がある。この場合も記録層の面内磁化容易領域において交換結合を介して実効的な垂直方向の磁場が作用するので、外部磁場印加装置３１は不要となる。
（変形例７）
なお、上記実施の形態及び変形例において、磁気抵抗効果素子が自らＺ軸方向の磁界を発生する能力を有する場合でも、外部磁界印加装置３１により外部磁界を印加してもよい。また、上記実施の形態及び変形例において、Ｘ軸方向を重金属層１１の長軸（延伸）方向に設定し、Ｚ軸方向に外部磁界を印加したが、座標の取り方は任意である。
（変形例８）
上記実施の形態においては、磁気抵抗効果素子１００は、基板側から重金属層１１、記録層１２、障壁層１３、参照層１４の順に積層されて形成されているが、この積層順序は逆であっても構わない。図１９Ａに積層順序を逆にした場合の磁気抵抗効果素子１０８の構成を示す。磁気抵抗効果素子１０８は、基板側から参照層１４、障壁層１３、記録層１２、重金属層１１の順に積層されて形成されている。この場合も参照層１４は方向が固定された磁化Ｍ１４を有し、記録層１２は反転可能な磁化Ｍ１２を有する。また外部磁場印加機構３１によって膜面垂直方向の外部磁場Ｈｏが磁気抵抗効果素子１００に印加されている。
磁気抵抗効果素子１０８においては端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の配置として２種類のバリエーションがある。図１９Ｂに示されるように重金属層１１の一端部に接続される第１端子Ｔ１、他端部に接続される第２端子Ｔ２、及び参照層１４に接続される第３端子Ｔ３のいずれもが基板側に設けられてもよい。あるいは、図１９Ｃに示されるように第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２は基板とは反対側に設けられ、第３端子Ｔ３は基板側に設けられてもよい。図１９Ｂのようにすべての端子を基板側に設けることによって、磁気抵抗効果素子１００の上部には配線が不要となり、セルサイズを小さくすることができる。図１９Ｃのような構成とすると、入力信号が磁気抵抗効果素子１００の上部から供給される場合に、効率的にレイアウトすることができる。
磁気抵抗効果素子１０８は、記録層１２、障壁層１３、参照層１４からなる磁気トンネル接合はいわゆるボトムピン型の構造を有する。一般にボトムピン型の構造はトップピン型構造に比べて参照層１４の磁化の固定をより強固にすることができることから、磁気トンネル接合膜の設計の自由度の観点からは変形例８に示されたボトムピン型構造がより好適である。
なお、磁気抵抗効果素子１０８を作製するため、初めに参照層１４、障壁層１３、記録層１２からなる磁気トンネル接合部分をパターニングし、その後重金属層１１を別途形成する。この際、より効率的にスピン軌道トルクが記録層１２に働くように、最初の磁気トンネル接合部分のパターニングの際に、記録層１１の上部にスピンホール角の大きな重金属材料をキャップ層として形成し、一括でパターニングすることが望ましい。この重金属材料は後に形成される重金属層１１と同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。
（実施例）
以下、発明者らが本発明に係る磁気抵抗効果素子１００を試作して評価した結果を示す。
図２０は試作した磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示している。積層膜は酸化膜付きのＳｉ基板上に堆積した。膜構成は、基板側から次のようになっている。（）内の数字は実際に試作した素子に用いた膜厚の値である。［］内の数字は、磁化曲線の測定から、同等の効果が得られることが明らかになった膜厚の範囲である。Ta (5 or 10 nm) [1 - 20 nm]、CoFeB (1.48 or 1.56 nm) [1.40 - 1.80 nm]、MgO (1.8 nm) [1.1 - 2.4 nm]、CoFeB (1.5 nm) [1.0 - 2.5 nm]、Co (1.0 nm) [0.5 - 2.5 nm]、Ru (0.92 nm) [0.85 - 1.05 nm]、Co (2.4 nm) [1.5 - 3.5 nm]、Ru (5 nm) [1 - 20 nm]。
Ruの上と下の層（Co層）として、Coの代わりにFeを用いることができる。あるいは、この層には、CoとFeの合金を用いることができる。上記の膜構成のうちMgOのみは、RFマグネトロンスパッタリングにより堆積した。MgO以外の他の層はDCマグネトロンスパッタリングにより堆積した。堆積した薄膜は３００度で１時間の熱処理を行った。熱処理の温度は２００℃以上４５０℃以下に設定されることが望ましく、より好適には２５０℃から４００℃の範囲に設定されることが望ましい。
堆積した薄膜は、電子線リソグラフィーとArイオンミリングによって、図２０に示される構造に加工した。図２０に示すように、最下層のTaのみ、その平面形状が短辺がＷＣＨの矩形（長方形）にパターニングされた。Taの上の磁気トンネル接合に相当する層は、その平面形状が短辺がW、長辺がLの楕円形にパターニングされた。試作した素子のWCH、W、Lの値は次の通りである。WCH：640 nm or 1200 nm、W：60 - 160 nm、L : 120 - 640 nm。
なお、WCHはWと近い値とすることが好ましい。また、薄膜の加工のため、発明者らは電子線リソグラフィーを用いたが、実際にはArFレーザー、KrFレーザーなどによるフォトリソグラフィーを用いることもできる。また、Arイオンミリングではなく、反応性イオンエッチングを用いることもできる。特にメタノールを用いてエッチングする場合には、最下層のTaがエッチングのストッパーとなるので、精度よく素子を形成することができる。
作製した磁気抵抗効果素子において、Ta層は重金属層１１に相当し、CoFeBは記録層１２に、MgOは障壁層１３に相当する。MgOの上のCoFeB / Co / Ru / Coは参照層１４に相当する。参照層１４の上部電極にスイッチを接続し、図２０に示されるように直流電源と直流電圧計を接続して磁化反転特性を測定した。
図２１に垂直磁場が−１５ｍＴ印加された状態、及び＋１５ｍＴ印加された状態での磁気トンネル接合の抵抗と重金属層に導入された電流の関係（Ｒ−Ｉ特性）を示す。用いた電流のパルス幅は０．５秒である。上述の説明の通り、電流によって記録層１２の磁化が反転したことに伴い、磁気トンネル接合の抵抗が変化していることが分かる。
図２２に、垂直磁場を変えてＲ−Ｉ特性を測定した結果を示す。図２２Ａにはそれぞれの垂直磁場におけるＲ−Ｉループの測定結果を示す。図２２Ｂには反転しきい電流密度と垂直磁場の関係を示す。垂直磁場（Ｈｏ）が正負１１ｍＴ〜２９ｍＴの範囲において磁化反転が起きていることがわかる。複数の素子で測定したところ、外部磁場Ｈｏが８ｍＴ以上のときに磁化反転を確認できた。反転電流密度は１０１１Ａ／ｍ２台である。これは信頼性を保証する上で十分に小さい値である。なお、図２１、図２２に示されたようなＲ−Ｉ特性、すなわち電流による書き換え特性は、抵抗不良の素子を除き、作製したすべての素子で観測された。またいくつかの素子について熱安定指数Ｅ／ｋＢＴを測定したところ、その値は４６程度であった。これは、１０年間の情報保持特性を保証する値である４０を上回る。
図２３に、電流パルスの幅を１ｓから２ｎｓまで変えて、磁化反転に必要なパルス電流の大きさを評価した結果を示す。ここでは、本発明に係る磁気抵抗効果素子（Ｔｙｐｅ Ｘ）と、特許文献２に開示されているのと同様の磁気抵抗効果素子（Ｔｙｐｅ Ｙ）と、を作製し、これらを測定対象とした。本発明に係る磁気抵抗効果素子（Ｔｙｐｅ Ｘ）は、記録層１２の磁化容易軸が膜面内方向にあり、かつ書き込み電流と平行方向である構成を有する。一方でＴｙｐｅ Ｙの磁気抵抗効果素子は特許文献２に開示されているのと同様の磁気抵抗効果素子であり、記録層１２の磁化容易軸が膜面内方向にあり、かつ書き込み電流と直交する方向である構成を有する。なお、グラフの横軸は、電流パルスの幅、縦軸は、パルスジェネレータの出力設定電圧である。また、白抜きのプロットはこれ以下の電流パルスでは磁化の反転が確認されなかったことを意味している。
パルス幅が１０ｎｓ付近まではＴｙｐｅ Ｙの方が小さな電流で磁化を反転させることができている。これに対し、パルス幅が２ｎｓではＴｙｐｅ Ｘの方が小さな電流で磁化を反転させることができている。
図２４に、本発明に係る磁気抵抗効果素子について、ナノ秒付近でパルス幅依存性を評価した結果を示す。ここでは、垂直方向の外部磁場Ｈｏを１５ｍＴ、２５ｍＴ、３５ｍＴと変えた。測定は５０回行い、測定値の平均値をプロットした。エラーバーは標準偏差を表している。横軸は、パルス幅を示す。パルス幅はオシロスコープによって読み取った５０％−５０％の値である。縦軸は電流値を示す。電流値はオシロスコープで読み取られた透過電圧を内部インピーダンスの５０Ωで除算して得られた値である。図２４に示されるようにしきい電流はパルス幅に対して振動していることが分かる。これはパルス電流をオフした後に、磁化が、記録層１２の異方性磁場と垂直方向の外部磁場Ｈｏからなる合成磁場まわりに起こる歳差運動に対応しているものと考えられる。これより、電流パルスの幅を制御することによって、書き換えに要する電流をより小さく低減することができる。より具体的には、今回試作した本発明に係る磁気抵抗効果素子に矩形に近い電流パルスを印加し、電流パルスの幅を０．３ｎｓ〜１．２ｎｓに設定することで効率的に磁化反転を誘起できることが分かった。
得られた実験結果をもとに、最先端の半導体製造ラインで本発明に係る磁気抵抗効果素子を形成した場合の特性を概算した。見積もられた数値は以下のとおりである。
書き込み電流：０．０６±０．０３ｍＡ
書き込みパスの抵抗：１０００±４００Ω
書き込み電圧：６０±３０ｍＶ
書き込み時間：４５０±１００ｐｓ
書き込みエネルギー：１．６±１．０ｐＪ
これはＳＲＡＭなどの現行の半導体ベースのメモリと同等以上のパフォーマンスを、現行の半導体ベースのメモリと同等あるいはそれ以下のセル面積及びエネルギーコストで実現することができることを示す。このことから本発明の有用性は明らかである。
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
本出願は、２０１４年８月８日に出願された、日本国特許出願特願２０１４−１６３１７６号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１４−１６３１７６号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
１００ 磁気抵抗効果素子
１１ 重金属層
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 記録層
１３ 障壁層
１４ 参照層
１４ａ、１４ｃ 強磁性層
１４ｂ 結合層
１４ｄ 反強磁性層
１５、１７ 補助磁性層
１６ 導電層
３１ 外部磁場印加装置
１０１〜１０８ 磁気抵抗効果素子
２００ 磁気メモリセル回路
３００ 磁気メモリ装置
３１１ メモリセルアレイ
３１２ Ｘドライバ
３１３ Ｙドライバ
３１４ コントローラ
上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、
重金属から構成され、第1の方向に延伸された形状を有する重金属層と、
強磁性体から構成され、前記重金属層に隣接して設けられた記録層と、
絶縁体から構成され、前記記録層に前記重金属層とは反対側の面に隣接して設けられた障壁層と、
強磁性体から構成され、前記障壁層の前記記録層とは反対側の面に隣接して設けられた参照層と、
重金属層の一端部に接続された第１端子と、
重金属層の他端部に接続された第２端子と、
参照層に接続された第３端子と、
を備え、
前記参照層の磁化の方向は前記第１の方向に実質的に固定された成分を有し、
前記記録層の磁化の方向は前記第１の方向において可変な成分を有し、
前記重金属層に、前記第１の方向と同じ向きの電流を導入することで前記記録層の磁化が反転可能である。
上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、
重金属から構成され、第１の方向に延伸された形状を有する重金属層と、
強磁性体から構成され、前記重金属層に隣接して設けられた記録層と、
絶縁体から構成され、前記記録層に前記重金属層とは反対側の面に隣接して設けられた障壁層と、
強磁性体から構成され、前記障壁層の前記記録層とは反対側の面に隣接して設けられた参照層と、
前記記録層の層面に垂直な方向の磁化を有する補助磁性層と、
を備え、
前記参照層の磁化の方向は前記第１の方向に実質的に固定された成分を有し、
前記記録層の磁化の方向は前記第１の方向において可変な成分を有し、
前記重金属層に、前記第１の方向と同じ向きの電流を導入することで前記記録層の磁化が反転可能である。
上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、
重金属から構成され、第１の方向に延伸された形状を有する重金属層と、
強磁性体から構成され、前記重金属層に隣接して設けられた記録層と、
絶縁体から構成され、前記記録層に前記重金属層とは反対側の面に隣接して設けられた障壁層と、
強磁性体から構成され、前記障壁層の前記記録層とは反対側の面に隣接して設けられた参照層と、
を備え、
前記参照層の磁化の方向は前記第１の方向に実質的に固定された成分を有し、
前記記録層の磁化の方向は前記第１の方向において可変な成分を有し、
前記重金属層に、前記第１の方向と同じ向きの電流を導入することで前記記録層の磁化が反転可能であり、
前記記録層は、前記重金属層の上下に１つずつ配置されている。
上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、
重金属から構成され、第１の方向に延伸された形状を有する重金属層と、
強磁性体から構成され、前記重金属層に隣接して設けられた記録層と、
絶縁体から構成され、前記記録層に前記重金属層とは反対側の面に隣接して設けられた障壁層と、
強磁性体から構成され、前記障壁層の前記記録層とは反対側の面に隣接して設けられた参照層と、
を備え、
前記参照層の磁化の方向は前記第１の方向に実質的に固定された成分を有し、
前記記録層の磁化の方向は前記第１の方向において可変な成分を有し、
前記重金属層に、前記第１の方向と同じ向きの電流を導入することで前記記録層の磁化が反転可能であり、
前記記録層は、磁化容易軸が異なる方向を向く複数の領域を有する。

Claims (13)

  1. 重金属から構成され、第１の方向に延伸された形状を有する重金属層と、
    強磁性体から構成され、前記重金属層に隣接して設けられた記録層と、
    絶縁体から構成され、前記記録層に前記重金属層とは反対側の面に隣接して設けられた障壁層と、
    強磁性体から構成され、前記障壁層の前記記録層とは反対側の面に隣接して設けられた参照層と、を備え、
    前記参照層の磁化の方向は前記第１の方向に実質的に固定された成分を有し、
    前記記録層の磁化の方向は前記第１の方向において可変な成分を有し、
    前記重金属層に、前記第１の方向と同じ向きの電流を導入することで前記記録層の磁化が反転可能である、磁気抵抗効果素子。
  2. 前記重金属層に電流を導入することで前記記録層に加わる縦磁場によって前記記録層の磁化が反転する、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 前記重金属層に導入する電流のパルス幅が１０ナノ秒未満である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 前記記録層の磁化容易軸が前記第１の方向に対し±２５度以内の方向を向いている、請求項１乃至３の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 前記記録層は、層面内において実質的に２回対称性のある形状を有し、その長手方向が前記第１の方向の成分を有する、請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 前記記録層の層面に垂直な方向の磁化を有する補助磁性層をさらに備える、請求項１乃至５の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 前記記録層は、前記重金属層の上下に１つずつ配置されている、請求項１乃至６の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 前記記録層は、磁化容易軸が異なる方向を向く複数の領域を有する、請求項１乃至７の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 前記記録層はＣｏＦｅＢ又はＦｅＢから構成され、
    前記障壁層はＭｇＯから構成される、
    請求項１乃至８の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 前記記録層は、ＣｏＦｅＢから構成され、その膜厚が１．４ｎｍより厚い、
    請求項１乃至８の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  11. 前記重金属層に導入する電流のパルス幅が０．３ナノ秒以上１．２ナノ秒未満である、ことを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
  12. 前記記録層の磁化容易軸が前記第１の方向に対し±３度以上±２５度以内の方向を向いている、請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
  13. 請求項１乃至１２の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子と、
    前記磁気抵抗効果素子に、前記第１の方向の成分を含む方向に書き込み電流を流すことにより、前記磁気抵抗効果素子にデータを書き込む書き込み手段と、
    前記重金属層と前記参照層との間の抵抗を求めることにより、前記磁気抵抗効果素子に書き込まれているデータを読み出す読み出し手段と、
    を備える磁気メモリ装置。
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