JPWO2017018391A1 - メモリ素子 - Google Patents

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Abstract

メモリ素子（１０）は、膜状に形成された磁化自由層（１２）上に非磁性層（１３）、磁化固定層（１４）が積層されている。磁化自由層（１２）は、磁化方向によって１ビット分のデータ「０」または「１」を格納し、磁化方向の反転することでデータを書き換える。磁化自由層（１２）として、異常ホール効果を発現し、かつ磁化方向の反転が可能な反強磁性体が用いられている。磁化自由層（１２）の磁化方向反転は、磁化固定層（１４）を用いてスピントランスファートルク方式で行う。データの読み出しは、一方向に読み出し電流（Ｉｆ）を流して、磁化自由層（１２）に異常ホール効果で発生するホール電圧を磁化自由層（１２）から取り出す。磁化自由層（１２）の磁化方向に応じてホール電圧の正負が反転する。

Description

本発明は、メモリ素子に関するものである。
電子の持つ電荷とスピンの２つの性質を応用したスピントロニクスのデバイスとして、不揮発でありデータの書き換えが可能な磁気抵抗メモリ（以下、ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memoryと呼ぶ）が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
このようなＭＲＡＭは、例えば強磁性層の間に極薄いトンネルバリア（絶縁体層）を挟み込んだ3層構造を持ち、磁気トンネル接合（以下、ＭＴＪ： Magnetic Tunnel Junctionと呼ぶ）が形成された磁気トンネル接合素子（以下、ＭＴＪ素子と呼ぶ）のトンネル磁気抵抗効果（以下、ＴＭＲ：Tunnel Magneto Resistance効果と呼ぶ）を利用してデータを記憶している。２層ある強磁性層のうちの一方は、磁化方向が固定された磁化固定層（ピン層）であり、他方は磁化方向が反転可能な磁化自由層（フリー層）となっている。ＭＴＪ素子は、磁化固定層と磁化自由層との各磁化方向が互いに反対向きの反平行であるか、同じ方向である平行であるかを、データの「１」と「０」に対応付けており、磁化自由層の磁化方向でデータを記憶する。
ＭＴＪ素子へのデータの書き込みは、磁化自由層の磁化方向の反転によって行われる。磁化方向の反転の手法には、いくつかの方式がある。例えば、磁場印加方式やスピントランスファートルク方式（スピン注入方式）などが知られている。磁場印加方式では、磁化自由層に所定の磁場を印加することによって磁化自由層の磁化方向を反転させている。一方、スピントランスファートルク方式では、電子を磁化自由層に入射させることにより、磁化自由層の磁気モーメントにトルクを及ぼし、当該磁化自由層の磁化方向を所望とする方向に反転させている。データの読み出しでは、ＭＴＪ素子に電圧を印加してＭＴＪ素子に電流を流し、当該電流から検出されるＭＴＪ素子の抵抗の大小により、磁化自由層の磁化方向を特定して、データが「１」であるか「０」であるかを判別する。
ウィキペディア「磁気抵抗メモリ」（URL:http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%A3%81%E6%B0%97%E6%8A%B5%E6%8A%97%E3%83%A1%E3%83%A2%E3%83%AA）
ところで、このようなＭＲＡＭは、一部で実用化されているが、データ保持動作が必要なＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などに代わるまでには至っていない。その大きな理由の１つとして、強磁性体を使うことによって大きな漏れ磁場が発生してしまうという点がある。例えばＭＲＡＭの集積度を高め、隣接するＭＴＪ素子の間隔が小さくなったメモリ装置では、ＭＴＪ素子からの漏れ磁場が大きいと、一のＭＴＪ素子における磁化自由層の磁化方向が、隣接するＭＴＪ素子からの漏れ磁場の影響を受けて乱れてしまい、データが消失する原因となる。このため、従来のＭＲＡＭでは、漏れ磁場が高度な集積化の妨げとなっていた。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、漏れ磁場が小さく、高集積化に有利なメモリ素子を提供することを目的とする。
本発明のメモリ素子は、磁化方向が反転可能な反強磁性体により形成された磁化自由層と、書き込むデータに応じて磁化自由層の磁化方向を反転させる磁化反転部と、データを読み出す際に、磁化自由層の磁化方向に応じた電気信号を取り出す読出部とを備えるものである。
また、本発明のメモリ素子は、磁化方向が反転可能な磁化自由層と、磁化自由層の膜面上に積層された非磁性層と、磁化自由層との間に非磁性層を配した状態に積層され、書き込むデータに応じて磁化自由層の磁化方向を反転させる、またはデータを読み出す際に磁化自由層の磁化方向に応じた電気信号を取り出すための磁化固定層とを備え、磁化自由層と磁化固定層との少なくともいずれか一方を反強磁性体としたものである。
本発明によれば、磁化方向が反転可能な反強磁性体を用いて、データに応じて磁化方向が反転される磁化自由層を形成したことにより、磁化自由層に強磁性体を用いたメモリ素子よりも漏れ磁場を格段的に抑制でき、高集積化した際に、隣接する他のメモリ素子に与える漏れ磁場による影響を低減でき、かくして、漏れ磁場が小さく、高集積化に有利なメモリ素子を得ることができる。
また、本発明によれば、磁化自由層と磁化固定層との少なくともいずれか一方が反強磁性体とすることによって、磁化自由層と磁化固定層とに強磁性体を用いたメモリ素子よりも漏れ磁場を抑制でき、高集積化した際に、隣接する他のメモリ素子に与える漏れ磁場による影響を低減でき、かくして、漏れ磁場が小さく、高集積化に有利なメモリ素子を得ることができる。
非共線性の反強磁性体における異常ホール効果の発現する状態を模式的に示す説明図である。 第１実施形態に係るメモリ素子の構成を示す斜視図である。 Ｍｎ３Ｓｎの局在するスピンの方向を示す説明図である。 ＭｎとＮｉの化合物のうち磁化自由層とすることができる範囲を示す状態図である。 Ｍｎ３Ｓｎについてホール抵抗と磁気抵抗を測定したグラフである。 Ｍｎ３Ｓｎについて温度を変えてホール抵抗を測定したグラフである。 Ｍｎ３Ｓｎについての磁気モーメントと磁場の関係を示すグラフである。 Ｍｎ３Ｓｎについての磁気モーメントと磁場との関係の異方性を示すグラフである。 第２実施形態に係るメモリ素子の構成を示す斜視図である。 第３実施形態に係るメモリ素子の構成を示す斜視図である。 第４実施形態に係るメモリ素子の構成を示す斜視図である。 第５実施形態に係るメモリ素子の構成を示す斜視図である。
［第１実施形態］
先ず初めに、非共線性の反強磁性体を用いて作成した本発明のメモリ素子の構成について説明する。なお、本発明のメモリ素子は、例えば行列状に配置されることにより、多数ビットのデータを記憶可能なメモリ装置を構成するが、ここではメモリ装置全体の説明は省略し、メモリ素子に着目して以下説明する。
ここで、非共線性の反強磁性体とは、周知のように、格子点上の原子の磁気モーメント（局在スピンの方向）が互いに傾いて非平行となったスピン構造を有するものである。非共線性の反強磁性体としては、スピン構造における磁気モーメントが同一平面で互いに傾いて存在する共面性のものと、磁気モーメントの方向が同一平面になく立体的に傾いている非共面性のものとがある。いずれの非共線性の反強磁性体においても、磁気モーメントが互い傾いていることに起因して、電流を流したときに異常ホール効果が発現する。
例えば、図１に示すように、非共面性の反強磁性体では、伝導を担う電子すなわち伝導電子Ｄが、格子点上の原子Ａの各磁気モーメントＭ１が互いに立体的に傾いたスピン構造の各サイトを通り抜ける際には、伝導電子ＤのスピンＤａの方向は、磁気モーメントＭ１による影響でその磁気モーメントＭ１の方向に向く。そして、各磁気モーメントＭ１が互いに傾いて非平行になっているため、図中右側に示すように伝導電子Ｄが最近接の格子点を一周する際に、伝導電子ＤのスピンＤａの方向が回転運動をする。この伝導電子ＤのスピンＤａの回転運動は、伝導電子Ｄの軌道運動の回転運動を誘起する。このように誘起される伝導電子Ｄの軌道運動の回転運動は、電流が流されると、その電流とカップルすることにより電流に垂直な方向の電場を形成し、異常ホール効果を発現する。共面性を有する非共線の反強磁性体についても同様な原理で異常ホール効果が発現する。
上記異常ホール効果によって生じる電場の向き（ホール電圧の正負）は、スピンＤａの軌道運動の回転方向によって決まる。スピンＤａの軌道運動の回転方向は、磁気モーメントＭ１の方向を反転させることによって変わる。発明者らは、鋭意研究の結果、磁気モーメントＭ１の方向を反転させることが可能であることを見いだした。
図２に示すように、第１実施形態に係るメモリ素子１０は、素子部２０を備えており、書込電極部１５、読出電極部１６、及び出力電極部１７が素子部２０に設けられた構成を有している。素子部２０は、膜状に形成された磁化自由層（フリー層）１２、非磁性層１３及び磁化固定層（ピン層）１４が順に積層された構成を有し、磁化自由層１２の磁化方向が変化し得る。
この第１実施形態では、非共線性の反強磁性体として、Ｍｎ３Ｓｎを用いて磁化自由層１２を形成した場合について説明する。Ｍｎ３Ｓｎは、六方晶であり、５０Ｋ〜４３０Ｋの間で、図３に示すように、ａ軸（［２−１−１０］）、ｂ軸（［−１２−１０］）としたａｂ面において、隣接するＭｎ間距離に歪があるカゴメ格子を形成している。Ｍｎ（マンガン）の磁気モーメント（局在スピンの向き）Ｍ２は、ゼロ磁場において、ａｂ面に存在し、幾何学的フラストレーションが逆三角形スピン構造として現れる。また、Ｍｎ３Ｓｎは、通常の１２０°スピン構造に対して逆のベクトルカイラリティを持つカイラルスピン構造を構成している。
Ｍｎ３Ｓｎは、三角形に配列した隣接する３つのＭｎの磁気モーメントＭ２のうち、１つの磁気モーメントＭ２が磁化容易軸に平行となるが、他の２つの磁気モーメントＭ２がそれぞれ磁化容易軸から傾いた状態になり、各磁気モーメントＭ２が互いに傾いている。このようにして、非共線反強磁性体であるＭｎ３Ｓｎでは、局在する磁気モーメントＭ２が互いに傾き、小さな強磁性モーメントを誘起する。
この第１実施形態のメモリ素子１０では、例えば、図３に示すように、磁化自由層１２におけるＭｎの磁気モーメントＭ２が所定の方向に向いている状態を第１磁化状態とし、この第１磁化状態にデータ「１」を対応付けている。
ここで、磁化自由層１２を形成するＭｎ３Ｓｎは、Ｍｎの磁気モーメントＭ２が２．７８ｘ１０−２３Ａ・ｍ２（３μＢ）以下である。カイラルスピン構造の３つのＭｎの磁気モーメントＭ２は打ち消しあうが、磁気モーメントは部分的に打ち消されないでのこる。すなわち、カイラルスピン構造における局所的な磁化容易軸に傾いた２つの磁気モーメントＭ２により、２．７８ｘ１０−２６ＪＴ−１／Ｍｎ（０．００３μＢ／Ｍｎ）以下の弱い磁気モーメントが残り、その方向（磁化方向）に磁化自由層１２が磁化された状態になる。このように、Ｍｎ３Ｓｎにより形成した磁化自由層１２は、弱く磁化された状態になるが、それは極めて弱い磁気モーメントによるものであるので従来の強磁性体に比して漏れ磁場を抑制し得る。
かかる構成に加えて、このＭｎ３Ｓｎは、例えばスピントランスファートルク（スピン注入）方式や、磁場印加方式などによって、図３に示すような第１磁化状態にあるＭｎの磁気モーメントＭ２を反転し、また磁気モーメントＭ２を反転した状態から第１磁化状態に戻すことができる。これにより、磁気モーメントＭ２が第１磁化状態とは異なる方向に変化した第２磁化状態とすることができる。第２磁化状態においても、第１磁化状態と同様に、カイラルスピン構造の３つのＭｎの磁気モーメントＭ２が不完全に打ち消し合い、弱い磁気モーメントが残り、その方向（磁化方向）に磁化自由層１２が磁化された状態になるが、その磁化方向は第１磁化状態とは逆向きになる。第１磁化状態と第２磁化状態との間で繰り返し磁気モーメントＭ２を変えることができる。また、この磁気モーメントＭ２の反転による第１磁化状態と第２磁化状態との相互間での磁化状態の変化にともない、磁化自由層１２の伝導電子ＤのスピンＤａの軌道運動の回転方向が反転する。これにより、異常ホール効果による電場の向きが磁化方向に応じて変化する。
図２において、第１実施形態によるメモリ素子１０は、例えば、非磁性層１３、磁化固定層１４及び書込電極部１５により構成された磁化反転部２１を備えており、当該磁化反転部２１によって、スピントランスファートルク方式で磁化自由層１２の磁化方向を反転させている。このメモリ素子１０では、例えば、上述のように磁化自由層１２の第１磁化状態をデータ「１」に対応付けるとともに、第２磁化状態をデータ「０」に対応付けている。
なお、この第１実施形態では、磁化自由層１２の非共線性の反強磁性材体としてＭｎ３Ｓｎを用いているが、これ以外の非共線性の六法晶系の反強磁性体であっても磁化自由層１２とすることができる。このような非共線性の六法晶系の反強磁性体としては、例えばＭｎ３Ｇｅ、Ｍｎ３Ｇａなどがある。また、非共面性を有し、磁化方向が反転可能、すなわちカイラルスピン構造の磁気モーメントを反転させることが可能な反強磁性体を磁化自由層１２とすることもできる。このような反強磁性体としては、立方晶の物質、化合物を挙げることができる。例えば、γ相（ＦＣＣ（face-centered cubic）構造）のＭｎあるいはＦｅを含む立方晶合金、例えば、γ−（Ｆｅ，Ｍｎ）、Ｍｎ３Ｉｒ、Ｍｎ３Ｐｔがある。また、図４の状態図にハッチングで示すように、Ｎｉを一定の比率以上を含み、反強磁性を示す立方晶となるＭｎとＮｉの化合物であってもよい。正方晶となる一部のＭｎとＮｉの化合物も用いることができる。
メモリ素子１０は、上記のように磁化自由層１２の磁化方向に対して、１ビット分のデータ「１」又は「０」を対応付け、当該磁化自由層１２の磁化方向が反転されることによりデータが書き換えられ、その後、書き込まれたデータを読み出し得るように構成されている。本発明を実施したメモリ素子１０では、素子部２０において、異常ホール効果を発現し、かつ磁化方向の反転が可能な反強磁性体により磁化自由層１２を形成したことにより、従来の強磁性体を用いたメモリ素子よりも、漏れ磁場の発生を抑止し得るようになされている。
なお、以下の説明では、図２に示すように、素子部２０の積層方向に沿った方向をＺ方向とし、このＺ方向に対して直交し、かつ互い直交する方向をＸ方向及びＹ方向として規定し、さらに特に一方向を示す場合には、図に示された矢印の方向を正として符号「＋」を付し、逆方向を負として符合「−」を付す。
磁化自由層１２は、例えば膜厚が数ｎｍ〜１００ｎｍ程度に作成されるが、読み出しの際に磁化自由層１２が発生するホール電圧Ｖは、磁化自由層１２の膜厚が薄いほどその電圧が高くなるので、膜厚を薄くすることが好ましい。また、磁化自由層１２を形成する場合、Ｚ方向をａｂ面内が含むように形成される。この磁化自由層１２は、例えば反強磁性体の材料を、この例ではＭｎ３Ｓｎの多結晶をターゲットとしたスパッタリングにより形成することができる。磁化自由層１２は、上記のようにＺ方向、すなわち磁化固定層１４等が積層される方向がａｂ面内にあるように形成されていれば、そのｃ軸がｘｙ面内のいずれの方向を向いていてもよい。磁化自由層１２は、単結晶に限らず多結晶であってもよい。後述する磁化固定層１４についても、磁化自由層１２と同じく、Ｚ方向がａｂ面内にあるように形成されていれば、そのｃ軸がｘｙ面内のいずれの方向を向いていてもよく、単結晶でも多結晶でもよい。
上述のように磁化自由層１２の磁場の漏れは、強磁性体に比べて非常に弱く（１／１０００程度）であり、磁化自由層１２からの漏れ磁場はほとんど存在しない。このため、メモリ素子１０間での漏れ磁場による干渉がなく、細密化して集積度を高くするのに有利な構造となっている。
磁化反転部２１の磁化固定層１４は、例えば、磁化自由層１２の第１磁化状態と同じ磁化方向に固定されている。磁化固定層１４としては、例えば、パーマロイ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔなどの強磁性体を用いることができるが、漏れ磁場の影響の観点からは反強磁性体を用いることが好ましい。磁化固定層１４に用いる反強磁性体は、磁化自由層１２の反強磁性体よりも磁化方向が反転し難い反強磁性体を用いることが好ましく、例えば磁化自由層１２で用いたＭｎ３Ｓｎよりも磁化方向を反転するために大きな磁場が必要となるＭｎ３Ｇｅを用いることができる。磁化固定層１４は、例えば、その厚みを大きくすることで磁化方向を固定することができる。また、磁化固定層１４の非磁性層１３と反対側の面に、例えばＩｒＭｎやＰｔＭｎなどの反強磁性層を積層した構造として、磁化固定層１４の磁化方向を安定的に固定してもよい。
非磁性層１３は、例えば膜厚が数ｎｍ程度に形成されている。非磁性層１３としては、絶縁膜でも導体膜でもよいが、磁化自由層１２の磁化方向を反転させる際の発熱の抑制や効率を高くする観点からは導体膜とすることが好ましい。
書込電極部１５は、一対の電極１５ａ、１５ｂで構成されており、磁化固定層１４の上面（非磁性層１３との接合面と反対側の面）に一の電極１５ａが接続され、磁化自由層１２の下面（（非磁性層１３との接合面と反対側の面）に他の電極１５ｂが接続され、これら電極１５ａ、１５ｂが素子部２０を挟み込むように設けられている。電極１５ａ、１５ｂには、書込制御部（図示省略）が接続されており、データを書き換える際には、この書込制御部によって書き込み電流Ｉｐ１、Ｉｐ２のうちいずれか一方が供給される。電極１５ａ、１５ｂは、書き込み電流Ｉｐ１、Ｉｐ２の一方を素子部２０に対して貫通するように供給することで、磁化自由層１２の磁化方向を所望とする方向に変化させて、磁化自由層１２を第１磁化状態と第２磁化状態とのいずれかにし得る。
例えば、磁化自由層１２を第２磁化状態から第１磁化状態にして、データ「１」を書き込む場合には、書込制御部によって、例えば電極１５ｂから電極１５ａに向けて書き込み電流Ｉｐ１が供給される。これにより電子は、電極１５ａから磁化固定層１４に伝導し、その電子が磁化固定層１４の磁化方向に応じてスピン偏極する。このスピン偏極した電子が磁化自由層１２に入射し、磁化自由層１２の電子のスピンにトルクを及ぼすことによって、磁化自由層１２が第１磁化状態になる。
一方、例えば、磁化自由層１２を第１磁化状態から第２磁化状態に反転させ、データ「０」を書き込む場合には、書込制御部によって、電極１５ａから電極１５ｂに向けて書き込み電流Ｉｐ２が供給される。これにより電子は、電極１５ｂから磁化自由層１２に伝導するが、薄い磁化自由層１２ではほとんど影響を受けることなく通り抜け、非磁性層１３を介して磁化固定層１４に入射する。磁化固定層１４に入射した電子のうち第１磁化状態に応じた向きにスピン偏極している電子は、磁化固定層１４を通り抜けるが、逆向きにスピン偏極している電子は、磁化固定層１４で反射されて磁化自由層１２に再入射する。磁化固定層１４で反射されて磁化自由層１２に再入射するスピン偏極している電子が磁化自由層１２の電子のスピンにトルクを及ぼすことによって、磁化自由層１２の磁化方向が反転して第２磁化状態になる。
後述するように、磁化自由層１２の磁気モーメントは、強磁性体に比べて非常に弱いにも関わらず、磁化方向を反転させるための書き込み電流Ｉｐ１、Ｉｐ２は強磁性体と同程度にすることが可能である。
読出電極部１６と出力電極部１７とは、磁化自由層１２の磁化方向を読み出す読出部２２を構成している。読出電極部１６は、例えば長手方向がＸ方向に延びる電極１６ａ、１６ｂを有し、これら電極１６ａ、１６ｂが磁化自由層１２に接続されている。磁化自由層１２には、Ｘ方向に対向した側面１２ａ、１２ｂのうち、一の側面１２ａに一の電極１６ａが接続され、他の側面１２ｂに他の電極１６ｂが接続されている。
読出電極部１６には、読出制御部（図示せず）が接続されており、データ読み出しの際には、当該読出制御部によって読み出し電流Ｉｆが供給される。これにより、読出電極部１６は、電極１６ａ、１６ｂによって、磁化自由層１２の膜面（Ｘ方向及びＹ方向に直交するＸＹ平面）に平行な方向（以下、面内方向という）において＋Ｘ方向に読み出し電流Ｉｆを流す。
出力電極部１７には、読み出し電流Ｉｆを磁化自由層１２に流したときに磁化自由層１２に生じる異常ホール効果によるホール電圧Ｖが印加される。この例では、出力電極部１７は、例えば長手方向がＹ方向に延びる電極１７ａ、１７ｂを有し、これら電極１７ａ、１７ｂが磁化自由層１２に接続されている。この例では、磁化自由層１２には、Ｙ方向に対向した側面１２ｃ、１２ｄのうち、一の側面１２ｃに一の電極１７ａが接続され、他の側面１２ｄに他の電極１７ｂが接続されている。
これにより出力電極部１７は、磁化自由層１２において、面内方向において、読み出し電流Ｉｆが流れるＸ方向と直交するＹ方向に発生するホール電圧Ｖを取り出す。この例では、出力電極部１７は、磁化自由層１２の一の側面１２ｃに接続された電極１７ａ側の電位Ｖａと、当該磁化自由層１２の他の側面１２ｄに接続された電極１７ｂ側の電位Ｖｂとの差をホール電圧Ｖ（＝Ｖａ―Ｖｂ）として出力する。この例においては、ホール電圧Ｖが磁化自由層１２の磁化方向に応じた電気信号となる。
この実施形態における磁化自由層１２では、読出電極部１６により＋Ｘ方向の読み出し電流Ｉｆが流されると、第１磁化状態に磁化されている場合には、異常ホール効果によって例えば正のホール電圧Ｖ（Ｖａ＜Ｖｂ）が発生し、第２磁化状態に磁化されている場合、異常ホール効果によって負のホール電圧Ｖ（Ｖａ＞Ｖｂ）が発生する。このようにして、出力電極部１７は、磁化自由層１２に発生した異常ホール効果による正または負のホール電圧Ｖを電極１７ａ、１７ｂにより出力する。メモリ素子１０は、ホール電圧Ｖの正負に対して予めデータ「１」又は「０」が対応付けられており、データの読み出し動作時に出力電極部１７から得られたホール電圧Ｖの正負に基づいてデータ「１」又は「０」を判別できる。
なお、磁化自由層１２を形成する際の反強磁性体の結晶構造や結晶軸の方向、読み出し電流Ｉｆを流す方向を適宜選定することによって、ホール電圧Ｖの向き、すなわち磁化自由層１２に発生する異常ホール効果による電場の向きを所望とする方向にすることができる。
このように、本発明を実施したメモリ素子１０では、磁化自由層１２に電流を流す電極１６ａ、１６ｂと、磁化自由層１２のホール電圧Ｖを取り出す電極１７ａ、１７ｂとを設けるだけで、磁化自由層１２からのデータの読み出しを行えることから、従来のＭＲＡＭでは磁気抵抗の大小を判定するために設けられている基準となる磁気抵抗値を示す参照メモリ素子が不要となり、その分、構造が簡素化し得、従来よりも小型化を図り得る。
以下に、反強磁性体の一例であるＭｎ３Ｓｎの特性を調べた結果について説明する。磁化自由層１２として用いたＭｎ３Ｓｎについて、３００Ｋにおける磁場（Ｂ）に対するホール抵抗率ρＨと磁気抵抗率ρの関係を調べたところ、図５に示すような結果が得られた。この検証試験では、Ｍｎ３Ｓｎに対し、Ｍｎ３Ｓｎのａ軸（［２−１−１０］）と平行に電流（Ｉ）を流し、Ｍｎ３Ｓｎの［０１−１０］と平行に磁場（Ｂ）を印加した。図５の結果から、Ｍｎ３Ｓｎは、印加される磁場の変化に対して、ホール抵抗率ρＨがおよそ６（μΩｃｍ）の幅（＋３（μΩｃｍ）〜−３（μΩｃｍ））で変化するヒステリシスが得られた。このホール抵抗率ρＨの変化幅は、反強磁性体としては極めて大きく、また鉄や、コバルト、ニッケルといった遷移金属強磁性体で見られるホール抵抗率の変化幅よりも大きいことが確認できた。また、Ｍｎ３Ｓｎのホール抵抗率ρＨは、０．０３Ｔ（３００ガウス）以下の磁場の範囲で、ホール抵抗率ρＨが変化していた。なお、本明細書では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味している。
次に、１００Ｋ〜４００Ｋの温度範囲内において、Ｍｎ３Ｓｎについて、磁場（Ｂ）に対するホール抵抗率ρＨの関係を調べたところ、図６に示すような結果が得られた。図６に示すように、図５に示した同じようなヒステリシスが、１００Ｋ〜４００Ｋの温度範囲内においても確認できた。なお、図６に示したホール抵抗率ρＨは、Ｍｎ３Ｓｎに対し、Ｍｎ３Ｓｎの［０００１］と平行に電流（Ｉ）を流し、Ｍｎ３Ｓｎの［２−１−１０］と平行に磁界（Ｂ）を印加したときの値である。
上記のホール抵抗率ρＨの測定結果より、Ｍｎ３Ｓｎは、室温などの通常の使用環境の温度において、強磁性体を上回る異常ホール効果が発現することが確認できた。Ｍｎ３Ｓｎの膜厚を１００ｎｍとした場合には、異常ホール効果によるホール抵抗率ρＨが５００（ｍΩ）程度となったことを確認しており、さらに膜厚を５ｎｍ程度とすればホール抵抗率ρＨを１．０（Ω）程度にまで高くできることが確認できている。すなわち、磁化自由層１２に用いるＭｎ３Ｓｎは、十分な大きさの異常ホール効果によって、大きな電圧が得られることが分かった。なお、磁気抵抗率ρは、ホール抵抗率ρＨが急激に変化する磁場の範囲において、スパイク状に変化する他は、ほぼ一定である。このため、通常のホール効果（正常ホール効果などとも呼ばれる）の成分を除いた、Ｍｎ３Ｓｎの異常ホール効果の大きさを容易に知ることができる。
また、上記測定結果からは、Ｍｎ３Ｓｎの磁化方向を反転させることが可能であることも確認できた。さらに０．０３Ｔ（３００ガウス）程度の磁場でＭｎ３Ｓｎの磁化方向を反転させることが可能であることも確認できた。そして、別の検証試験によって、磁化方向を反転させるために、Ｍｎ３Ｓｎの正規組成量に対するＭｎの過剰量を増減にすることによって、０．０２Ｔ（２００ガウス）程度の磁場でＭｎ３Ｓｎの磁化方向を反転させることが可能であることも確認し、さらには０．０１Ｔ（１００ガウス）程度の磁場でＭｎ３Ｓｎの磁化方向を反転させることが可能であることも確認した。
図７は、Ｍｎ３Ｓｎに対し、そのａ軸（［２−ｌ−ｌ０］）と平行に磁場を印加したときに、当該Ｍｎ３Ｓｎの試料に現れる強磁性の磁気モーメントを測定した結果を示している。この測定結果から、１００Ｋ〜４００Ｋの温度範囲内では、Ｍｎ３Ｓｎの試料に現れる強磁性の磁気モーメントが極めて弱いことが分かる。このＭｎ３Ｓｎの試料に現れる磁気モーメントは、上述のように強磁性体の１／１０００程度であることが確認できた。これにより、Ｍｎ３Ｓｎは、従来のメモリ素子に用いられる強磁性体よりも漏れ磁場が小さいことが分かる。
以上の結果から、Ｍｎ３Ｓｎの磁気モーメントは、極めて弱い（４〜７（ｍμＢ／ｆ．ｕ．）が、０．０１Ｔ（１００ガウス）〜０．０３Ｔ（３００ガウス）程度の磁場で反転できることが確認できた。したがって、Ｍｎ３Ｓｎは、強磁性体と同様に外部磁場の影響を受けにくいことも分かる。
なお、Ｍｎ３Ｓｎは、低温側として５０Ｋまで異常ホール効果があることが確認されている。また、図７に示した温度に対する磁気モーメントと磁場との比（Ｍ／Ｂ）の関係から、Ｍｎ３Ｓｎのネール温度が４３０Ｋであることが確認できた。したがって、５０Ｋ〜４３０Ｋの範囲で磁化自由層１２として動作可能であることが確認できた。また、図８に示すように、３００Ｋにおいて、Ｍｎ３Ｓｎに対し、その［０１−１０］と平行に磁場を印加した場合も、上述したＭｎ３Ｓｎに対し、その［２−ｌ−ｌ０］と平行に磁場を印加した場合と同じ結果となり、Ｍｎ３Ｓｎの磁気モーメントに関して面内でほぼ等方性であることが分かった。一方、Ｍｎ３Ｓｎに対し、その［０００１］（ｃ軸）と平行に磁場を印加した場合は、１００Ｋから４５０Ｋの間に測られたすべての温度で磁気モーメントは、直線的な変化となった。
上記Ｍｎ３Ｓｎの試料は、次のように作製したものである。なお、以下の作製方法は、試料の作製として示すものであり、磁化自由層１２を作製する手法を限定するものではない。ここでは、ＭｎとＳｎの混合物を清浄なアルゴン雰囲気中でアーク溶解することにより、複数の多結晶質サンプルを準備した。Ｍｎは、アーク溶解中の損失と結晶の成長とを考慮して、正規組成量を超えた過剰量（１０モル％）を加えた。得られた多結晶質材料は、テトラアーク炉を用いるチョクラルスキー法での結晶成長に用いた。得られた単結晶及び粉末のＸ線回折測定では、格子定数ａ＝５．６６（１）Å、ｃ＝４．５３（１）Åの六方晶のＭｎ３Ｓｎの単相を示唆した。また、走査型電子顕微鏡及びエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＳＥＭ−ＥＤＸ，Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Detector）による分析では、Ｍｎ３Ｓｎがバルク相であることが確認された。また、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ，inductively coupled plasma）分光法によると、複数の単結晶の組成は、Ｍｎ３．０２Ｓｎ０．９８であることが確認された。すなわち、結晶格子当たりのＭｎが３．０２個、Ｓｎが０．９８個であり、Ｍｎが過剰になっていた。抵抗率と磁化の測定のために、成長した状態の複数の単結晶を、ラウエ回折計を用いて配列した後、棒状の試料を作製した。
ホール抵抗率ρＨと磁気抵抗率ρは、物理特性測定装置（ＰＰＭＳ，Quantum Design社製)を用い、標準４−プローブ法により測定した。また、磁気モーメントは、ＳＱＵＩＤ磁化測定装置（ＭＰＭＳ, Quantum Design社製）を用いて測定した。
次に上記構成の作用について説明する。メモリ素子１０では、データを書き換える場合、書き込むデータに応じて書込電極部１５から素子部２０に対し、＋Ｚ方向の書き込み電流Ｉｐ１、又は−Ｚ方向の書き込み電流Ｉｐ２を流す。例えばデータを「０」から「１」に書き変える場合には、電極１５ｂから素子部２０を介して電極１５ａに向けて書き込み電流Ｉｐ１が流される。これにより電極１５ａから磁化固定層１４に伝導した電子は、磁化固定層１４の第１磁化状態の磁化方向に沿った方向にスピン偏極して、磁化自由層１２に入射する。メモリ素子１０では、このようにスピン偏極した電子が磁化自由層１２に入射することによって、その電子が磁化自由層１２にトルクを及ぼし、磁化自由層１２の磁化方向が反転して、磁化自由層１２が第１磁化状態になる。結果として、データ「１」が書き込まれた状態になる。
一方、データを「１」から「０」に書き変える場合には、書込制御部が電極１５ａから素子部２０を介して電極１５ｂに向けて書き込み電流Ｉｐ２を流す。この場合には、電極１５ｂから磁化自由層１２に伝導した電子は、磁化自由層１２にほとんど影響を受けることなく通り抜け、非磁性層１３を介して磁化固定層１４に入射する。そして、磁化固定層１４に入射した電子のうち第２磁化状態の磁化方向に応じた向きにスピン偏極している電子は、磁化固定層１４で反射されて磁化自由層１２に再入射する。そして、この再入射した電子が磁化自由層１２の電子のスピンにトルクを及ぼすことによって、磁化自由層１２の磁化方向が反転して、磁化自由層１２が第２磁化状態になる。結果として、データ「０」が書き込まれた状態になる。
書き込み電流Ｉｐ１またはＩＰ２を停止しても、磁化自由層１２は、上記のように磁化された第１または第２磁化状態を保持している。また、別のメモリ素子１０が近接して配されていても、メモリ素子１０からの漏れ磁場がほとんどないので、磁化自由層１２の磁化方向が変化してデータが消失することはない。
データを読み出す場合には、読出制御部によって電極１６ａから電極１６ｂに向けて読み出し電流Ｉｆを流す。これにより、読み出し電流Ｉｆが磁化自由層１２に流れると、上述したように、局在するスピンが互いに傾いているスピン構造を磁化自由層１２が持っているから、それによって伝導電子の軌道運動の回転運動が誘起されており、異常ホール効果が生じる。
この実施形態では、磁化自由層１２が第１磁化状態になっている場合、＋Ｘ方向に読み出し電流Ｉｆを流すと、異常ホール効果によって例えば＋Ｙ方向の電場が磁化自由層１２に生じる。これにより、電極１７ａ、１７ｂから正のホール電圧Ｖが取り出される。一方、磁化自由層１２が第２磁化状態に磁化されている場合、＋Ｘ方向に読み出し電流Ｉｆを流すと、異常ホール効果によって−Ｙ方向の電場が磁化自由層１２に生じる。これにより、電極１７ａ、１７ｂから負のホール電圧Ｖが取り出される。
上記のようにして取り出されたホール電圧Ｖの正負を調べることで、データ「１」または「０」のいずれかが格納されていることが判断できる。
磁化自由層１２の反強磁性体は、繰り返し磁化方向を反転させることができる。したがって、繰り返し、データの書き換えが可能であり、もちろんデータの読み出しも繰り返し可能である。
［第２実施形態］
図２との対応部分に同一符号を付して示す図９に、第２実施形態に係るメモリ素子３０を示す。このメモリ素子３０は、スピンホール効果を利用して、電流によってスピン流を発生させ磁化自由層１２における反強磁性体の磁化方向を制御するものである。メモリ素子３０は、磁化自由層１２と、読出電極部１６及び出力電極部１７からなる読出部２２と、磁化反転部３１とを備えている。この第２実施形態によるメモリ素子３０は、上述した第１実施形態のメモリ素子１０（図２）の構成とは磁化反転部３１の構成が異なっており、磁化自由層１２の反強磁性体を反転させる手法が相違している。なお、磁化自由層１２は、上述した第１実施形態と同じであり、非共線性の反強磁性体で形成されており、異常ホール効果を発生し、かつ磁化方向の反転が可能になっている。また、読出部２２の構成、さらにこれら磁化自由層１２及び読出部２２による読み出し手順については、上述した第１実施形態と同じであるため、ここではそれらの詳細な説明は省略する。
スピンホール効果は、非磁性体の金属や半導体に電流を流したときに、その非磁性体や半導体内において、スピン軌道相互作用によって、電流方向と直交する方向で上向きスピンの電子と下向きスピンの電子とが互い逆向きに曲げられ、スピンの向きと電流方向のなす平面の法線方向にスピン流が発生し、非磁性体や半導体の端にスピン蓄積をもたらすものである。
磁化反転部３１は、スピンホール効果層３２と書込電極部３３とから構成されている。スピンホール効果層３２は、磁化自由層１２の膜面上に膜状に形成されている。このスピンホール効果層３２は、例えばＰｔ（白金）やＴａ（タンタル）などのように、大きなスピンホール効果を持つ非磁性体により形成されている。Ｘ方向に流す電流の向きを制御することによって、スピンホール効果によってスピンホール効果層３２内で、上向きスピンの電子あるいは下向きスピンの電子を磁化自由層１２側に曲げ、Ｚ方向にスピン流を発生させる。
書込電極部３３は、例えば長手方向がＸ方向に延びる電極３３ａ、３３ｂからなり、これら電極３３ａ、３３ｂがスピンホール効果層３２に接続されている。スピンホール効果層３２には、Ｘ方向で対向した側面のうち、一の側面に一の電極３３ａが接続され、他の側面に他の電極３３ｂが接続されている。これにより書込電極部３３は、スピンホール効果層３２に対してＸ方向に書き込み電流Ｉｐ１、Ｉｐ２を流す。なお、書き込み電流Ｉｐ１は、−Ｘ方向に流れる電流であり、書き込み電流Ｉｐ２は、書き込み電流Ｉｐ１と逆向きの＋Ｘ方向に流れる電流である。
例えば、データ「１」に対応させて磁化自由層１２の磁化方向を反転させ、磁化自由層１２を第２磁化状態から第１磁化状態に変化させる場合には、書込電極部３３によってスピンホール効果層３２に書き込み電流Ｉｐ１を流し、スピンホール効果層３２内において＋Ｘ方向に電子を流す。この際、電子は、スピンホール効果により、そのスピンの向きと電子の流れる方向とに直交する方向に曲げられる。これにより、例えば上向き（＋Ｙ方向）スピンの電子が＋Ｚ方向に曲げられ、下向き（−Ｙ方向）スピンの電子が−Ｚ方向に曲げられる。−Ｚ方向に曲げられた下向きスピンの電子は、スピンホール効果層３２から磁化自由層１２に流入し、磁化自由層１２の磁化にトルクを及ぼす。これにより、磁化自由層１２は、第２磁化状態にある反強磁性体の磁化方向が反転して第１磁化状態に磁化される。
一方、データ「０」に対応させて磁化自由層１２の磁化方向を反転させ、磁化自由層１２を第１磁化状態から第２磁化状態に変化させる場合には、書込電極部３３によってスピンホール効果層３２に書き込み電流Ｉｐ２を流し、スピンホール効果層３２内において−Ｘ方向に電子を流す。この際、電子は、スピンホール効果によってスピンの向きと電子の流れる方向とに直交する方向に曲げられる。これにより、例えば上向き（＋Ｙ方向）スピンの電子が−Ｚ方向に曲げられ、下向き（−Ｙ方向）スピンの電子が＋Ｚ方向に曲げられる。この結果、上向きスピンの電子は、スピンホール効果層３２から磁化自由層１２に流入して、磁化自由層１２の磁化にトルクを及ぼす。これにより、磁化自由層１２は、第１磁化状態にある反強磁性体の磁化方向が反転して第２磁化状態に磁化される。
以上の構成において、この第２実施形態によるメモリ素子３０でも、異常ホール効果を発現し、かつ磁化方向が反転可能な反強磁性体を用いて、データに応じて磁化方向が反転する磁化自由層１２を形成したことにより、強磁性体を用いた従来のメモリ素子よりも漏れ磁場を格段的に抑制でき、高集積化した際に、隣接する他のメモリ素子に与える漏れ磁場による影響を低減でき、かくして、漏れ磁場が小さく、高集積化を図ることができる。
また、データの書き込みには、スピンホール効果層３２と書込電極部３３とを設ければよく、従来のＭＲＡＭに設けられている磁化固定層もが不要となり、その分、構造が簡素化し得、従来よりも小型化を図り得る。
［第３実施形態］
図２との対応部分に同一符号を付して示す図１０に、第３実施形態に係るメモリ素子４０を示す。このメモリ素子４０は、異常ホール効果を利用して磁化自由層１２における反強磁性体の磁化方向を制御するものである。メモリ素子４０は、磁化自由層１２と、読出電極部１６及び出力電極部１７からなる読出部２２と、磁化反転部４１とを備えている。この第３実施形態のメモリ素子４０は、第１実施形態によるメモリ素子１０とは磁化反転部４１の構成が異なっており、磁化自由層１２の反強磁性体を反転させる手法が相違している。なお、磁化自由層１２は、上述した第１実施形態と同じであり、非共線性の反強磁性体で形成されており、異常ホール効果を発生し、かつ磁化方向の反転が可能になっている。また、読出部２２の構成、さらにこれら磁化自由層１２及び読出部２２による読み出し手順については、上述した第１実施形態と同じであるため、ここではそれらの詳細な説明は省略する。
磁化反転部４１は、磁化固定層４２と、非磁性層４３と、書込電極部４４とから構成されている。非磁性層４３は、磁化自由層１２の膜面上に形成されており、磁化自由層１２と磁化固定層４２とに挟まれるように配置されている。磁化固定層４２は、大きな異常ホール効果を有する強磁性体または反強磁性体である。大きな異常ホール効果を有する強磁性体としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔなどが挙げられる。また、大きな異常ホール効果を有する反強磁性体としては、Ｍｎ３Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇｅ、Ｍｎ３Ｇａ、Ｍｎ３Ｉｒ、Ｍｎ３Ｐｔなどが挙げられる。さらに、磁化固定層４２は、強磁性体により形成されている場合、磁化方向が所定の一方向に向けて固定されている。一方、磁化固定層４２を反強磁性体により形成した場合には、磁化自由層１２よりも反転し難い反強磁性体を用いることが好ましく、当該反強磁性体が所定の磁化状態に固定された構成とする。なお、非磁性層４３は、例えば膜厚が数ｎｍ程度に形成されており、第１実施形態の非磁性層１３と同様に絶縁膜でも導体膜でもよい。
書込電極部４４は、例えば長手方向がＸ方向に延びる電極４４ａ、４４ｂからなり、これら電極４４ａ、４４ｂが磁化固定層４２に接続されている。磁化固定４２には、Ｘ方向で対向した側面のうち、一の側面に一の電極４４ａが接続され、他の側面に他の電極４４ｂが接続されている。これにより書込電極部４４は、磁化固定層４２に対して、Ｘ方向に書き込み電流Ｉｐ１、Ｉｐ２を流す。なお、書き込み電流Ｉｐ１は、−Ｘ方向に流れる電流であり、書き込み電流Ｉｐ２は、書き込み電流Ｉｐ１と逆向きの＋Ｘ方向に流れる電流である。
例えば、データ「１」に対応させて磁化自由層１２の磁化方向を反転させ、磁化自由層１２を第２磁化状態から第１磁化状態に変化させる場合には、磁化固定層４２に書き込み電流Ｉｐ１を流し、Ｚ方向にスピン偏極電流（電流をともなうスピン流）を異常ホール効果により発生させる。これにより、所定方向の電子のスピンが磁化自由層１２における反強磁性体の磁化にトルクを及ぼし、磁化自由層１２は、第２磁化状態にある反強磁性体の磁化方向が第１磁化状態に磁化される。
一方、データ「０」に対応させて磁化自由層１２の磁化方向を反転させ、磁化自由層１２を第１磁化状態から第２磁化状態に変化させる場合には、磁化固定層４２に書き込み電流Ｉｐ２を流し、Ｚ方向にスピン偏極電流を異常ホール効果により発生させる。これにより、書き込み電流Ｉｐ１を流した場合と逆向きの電子のスピンが磁化自由層１２における反強磁性体の磁化にトルクを及ぼし、磁化自由層１２は、第１磁化状態にある反強磁性体の磁化方向が第２磁化状態に磁化される。
なお、磁化固定層４２は、第１実施形態の磁化固定層１４と同様に、非磁性層４３と反対側の強磁性体の面に反強磁性層を積層した構造としてもよい。また、この第３実施形態及び後述の第４、第５実施形態についても、漏れ磁場の影響の観点からは、磁化固定層１４として強磁性体よりも反強磁性体を用いることが好ましい。
以上の構成において、この第３実施形態によるメモリ素子４０でも、異常ホール効果を発現し、かつ磁化方向が反転可能な反強磁性体を用いて、データに応じて磁化方向が反転する磁化自由層１２を形成したことにより、強磁性体を用いた従来のメモリ素子よりも漏れ磁場を格段的に抑制でき、高集積化した際に、隣接する他のメモリ素子に与える漏れ磁場による影響を低減でき、かくして、漏れ磁場が小さく、高集積化を図ることができる。
［第４実施形態］
図２との対応部分に同一符号を付して示す図１１に、第４実施形態に係るメモリ素子５０を示す。このメモリ素子５０は、磁場の印加によって磁化自由層１２における反強磁性体の磁化方向を制御するものである。メモリ素子５０は、磁化自由層１２と、読出電極部１６及び出力電極部１７からなる読出部２２と、磁化反転部５１とを備えている。この第４実施形態のメモリ素子５０は、上述した第１実施形態のメモリ素子１０とは磁化反転部５１の構成が異なっており、磁化自由層１２の反強磁性体を反転させる手法が相違している。なお、磁化自由層１２は、上述した第１実施形態と同じであり、非共線性の反強磁性体で形成されており、異常ホール効果を発生し、かつ磁化方向の反転が可能になっている。また、読出部２２の構成、さらに磁化自由層１２及び読出部２２による読み出し手順については、上述した第１実施形態と同じであるため、ここではそれらの詳細な説明は省略する。
磁化反転部５１は、ワード線５２とビット線５３とから構成される。ワード線５２は、例えば長手方向がＹ方向に延びており、ビット線５３は、例えば長手方向がＸ方向に延びている。磁化自由層１２は、これらワード線５２とビット線５３とが交差した位置に設けられ、かつＺ方向においてワード線５２とビット線５３との間に挟まれるようにして配置されている。ワード線５２には、書込制御部（図示省略）によって、＋Ｙ方向に書き込み電流Ｉｗが流される。一方、ビット線５３には、書込制御部（図示省略）によって、書き込み電流Ｉｂ１、Ｉｂ２のいずれか一方が流される。ビット線５３に流れる電流のうち一の書き込み電流Ｉｂ１は、＋Ｘ方向に流れ、ビット線５３に流れる電流のうち他の書き込み電流Ｉｂ２は、−Ｘ方向に流れる。
例えば、データ「１」に対応させて磁化自由層１２の磁化方向を反転させ、磁化自由層１２を第２磁化状態から第１磁化状態に変化させる場合には、ワード線５２に書き込み電流Ｉｗを流すとともに、ビット線５３に書き込み電流Ｉｂ１を流す。これにより、ワード線５２とビット線５３とが交差する位置に配置された磁化自由層１２には、書き込み電流Ｉｗが流れることより発生する磁場と、書き込み電流Ｉｂ１が流れることにより発生する磁場との合成磁場が印加される。かくして、磁化自由層１２は、第２磁化状態にある反強磁性体の磁化方向が第１磁化状態に磁化される。
一方、データ「０」に対応させて磁化自由層１２の磁化方向を反転させ、磁化自由層１２を第１磁化状態から第２磁化状態に変化させる場合には、ワード線５２に書き込み電流Ｉｗを流すとともに、ビット線５３に書き込み電流Ｉｂ２を流す。これにより、磁化自由層１２には、書き込み電流Ｉｗが流れることより発生する磁場と、書き込み電流Ｉｂ２が流れることにより発生する磁場との合成磁場が印加される。かくして、磁化自由層１２は、第１磁化状態にある反強磁性体の磁化方向が第２磁化状態に磁化される。
以上の構成において、この第４実施形態によるメモリ素子５０でも、異常ホール効果を発現し、かつ磁化方向が反転可能な反強磁性体を用いて、データに応じて磁化方向が反転する磁化自由層１２を形成したことにより、強磁性体を用いた従来のメモリ素子よりも漏れ磁場を格段的に抑制でき、高集積化した際に、隣接する他のメモリ素子に与える漏れ磁場による影響を低減でき、かくして、漏れ磁場が小さく、高集積化を図ることができる。
また、このメモリ素子５０では、磁化自由層１２として非共線の反強磁性体を用いているため、強磁性体でなる磁化自由層を用いた従来のメモリ素子に比べて、同程度の磁場で磁化自由層１２の磁化方向を反転させることができる。例えば、ＭＲＡＭを構成する強磁性体を用いたＭＴＪ素子では、その磁化自由層の磁化方向を反転するには０．０１〜０．１Ｔ（１００〜１０００ガウス）の磁場の印加が必要である。これに対して、第４実施形態によるメモリ素子５０では、磁化自由層１２では、０．０１Ｔ〜０．０３Ｔ（１００〜３００ガウス）程度の磁場の印加で磁化自由層１２の磁化方向を反転させることができる。
なお、多数の磁化自由層１２を設ける場合には、複数のワード線５２をＸ方向に並べて配置するとともに、複数のビット線５３をＹ方向に並べて配置し、ワード線５２とビット線５３とが交差した各位置に磁化自由層１２を設ける。磁化を反転したい磁化自由層１２の位置で交差するワード線５２とビット線５３とを選択して、上記のように書き込み電流Ｉｗと、書き込み電流Ｉｂ１またはＩｂ２を流せばよい。
上記各実施形態では、磁化自由層を形成する材料として、非共線性の反強磁性体を用いているが、異常ホール効果を発現し、かつ磁化方向が反転可能な反強磁性体であるならば非共線性の反強磁性体以外の反強磁性体を用いて磁化自由層を形成してもよい。
［第５実施形態］
第５実施形態に係るメモリ素子６０を図１２に示す。このメモリ素子６０では、磁気抵抗効果による電気抵抗の変化を基に、磁化自由層１２における反強磁性体の磁化方向（すなわちデータ）を読み出すものである。磁気抵抗効果としては、トンネル磁気抵抗効果と巨大磁気抵抗効果とがあるが、この例ではトンネル磁気抵抗効果を利用している。なお、この第５実施形態のメモリ素子６０は、上述した第１実施形態のメモリ素子１０とは磁化反転部７１及び読出部７２の構成が異なっており、磁化自由層１２の反強磁性体を反転させる手法及びデータの読み出し手法が相違している。
メモリ素子６０は、素子部７０、磁化反転部７１、及び読出部７２を備えている。素子部７０は、磁化自由層１２、非磁性層１３、及び磁化固定層１４を積層した構成である。磁化自由層１２は、上述した第１実施形態と同様に、磁化方向が反転可能な反強磁性体により形成されているが、異常ホール効果を発現する反強磁性体である必要はない。非磁性層１３及び磁化固定層１４は、メモリ素子６０を磁気トンネル接合素子として機能させるために設けられている。このため、非磁性層１３は、絶縁体で形成されている。磁化固定層１４は、第１実施形態と同様であり、磁化方向が固定されて、例えば第１磁化状態とされた反強磁性体あるいは強磁性体で形成されている。なお、磁化自由層１２、磁化固定層１４は、単結晶でも多結晶でもよい。また、磁化自由層１２、磁化固定層１４における各結晶軸の向きは、第１実施形態のように特に限定されない。
この実施形態では、データ読み出し時に、トンネル磁気抵抗効果を用いた磁気トンネル接合素子としてメモリ素子６０を機能させるが、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ（Giant Magneto Resistive）素子としてメモリ素子６０を機能させることもできる。この場合には、非磁性層１３が金属（導体）で形成されている。
磁化反転部７１は、ワード線７４と、当該ワード線７４と所定距離を設けて対向配置されたビット線７５とから構成される。例えばワード線７４は、その長手方向がＹ方向に延びており、ビット線７５は、Ｙ方向と直交するＸ方向に長手方向が延びている。上記素子部７０は、これらワード線７４とビット線７５とが交差した位置に設けられ、かつＸ方向及びＹ方向と直交するＺ方向において対向配置されたワード線７４とビット線７５との間に挟まれるように配置されている。ワード線７４とビット線７５は、第４実施形態のワード線５２とビット線５３（図１１）と同じであり、ワード線７４とビット線７５とが交差する位置にある素子部７０の磁化自由層１２に合成磁場が印加して、磁化自由層１２の磁化方向を反転させるものである。データ書き込み時、書込制御部（図示省略）によって、ワード線７４には、＋Ｙ方向に書き込み電流Ｉｗが流され、ビット線７５には、書き込み電流Ｉｂ１、Ｉｂ２のいずれか一方が流される。ここで、ビット線７５に流れる一の書き込み電流Ｉｂ１は、＋Ｘ方向に流れ、他の書き込み電流Ｉｂ２は、一の書き込み電流Ｉｂ１とは逆方向の−Ｘ方向に流れる。
読出部７２は、上記ビット線７５と読出電極７７とによって構成されている。なお、ビット線７５は、上記のように磁化反転部７１の電極としても機能する。したがって、ビット線７５は、磁化反転部７１を形成する構成の一部であるとともに、読出部７２の読み出し用の電極としても機能して読出部７２を形成する構成の一部であって、これら磁化反転部７１及び読出部７２の両方の構成に含まれるものである。もちろん、読出部７２の読み出し用の電極として、磁化反転部７１の電極としても機能するビット線７５とは別の電極を読出電極７７とともに設けてもよい。素子部７０の磁化固定層１４には、非磁性層１３が設けられた面と対向した逆側の面に読出電極７７が固定されている。また、素子部７０の磁化自由層１２には、非磁性層１３が設けられた面と対向した逆側の面にプラグ（配線）７８が設けられており、当該プラグ７８にビット線７５が固定されている。これにより、読出電極７７は、素子部７０に電気的に接続され、ビット線７５は、プラグ７８を介して素子部７０に電気的に接続されている。なお、ワード線７４は、読出電極７７の下方側に、当該読出電極７７から所定距離を離して対向配置されている。
読み出し用の電極となる、これらビット線７５及び読出電極７７は、読出制御部（図示省略）に接続されている。読出電極７７と読出制御部との間には、トランジスタ７９が設けられている。データを読み出す際に、読出制御部は、トランジスタ７９をオンとして、ビット線７５及び読出電極７７間の素子部７０に所定の電圧を印加する。読出制御部は、この電圧の印加によって、読出電極７７から素子部７０を介してビット線７５に読み出し電流ＩＲを流す。所定の電圧を印加した際に素子部７０に流れる読み出し電流ＩＲは、磁気抵抗効果によって生じる素子部７０での電気抵抗の大小によって変化する。読出制御部は、磁気抵抗効果によって生じる素子部７０での電気抵抗に応じた読み出し電流ＩＲの大小を判別して、データ「１」又は「０」を判断する。したがって、この例においては、読み出し電流ＩＲが磁化自由層１２の磁化方向に応じた電気信号となる。
上記メモリ素子６０において、データ書き込みの手順は、第４実施形態のメモリ素子５０と同様である。すなわち、例えば、データ「１」に対応させて磁化自由層１２を第１磁化状態に変化させる場合には、ワード線７４に書き込み電流Ｉｗを流すとともに、ビット線７５に書き込み電流Ｉｂ１を流す。これにより、ワード線７４とビット線７５とが交差する位置に配された素子部７０では、直交する書き込み電流Ｉｗと書き込み電流Ｉｂ１とによって生じる合成磁場が磁化自由層１２に印加されて、当該磁化自由層１２の磁化方向が反転して第２磁化状態から第１磁化状態に変化する。
一方、データ「０」に対応させて、磁化自由層１２を第２磁化状態に変化させる場合には、ワード線７４に書き込み電流Ｉｗを流すとともに、一の書き込み電流Ｉｂ１とは逆方向に向けてビット線７５に他の書き込み電流Ｉｂ２を流す。これにより、ワード線７４とビット線７５とが交差する位置に配された素子部７０では、直交する書き込み電流Ｉｗと書き込み電流Ｉｂ２とによって生じる合成磁場が磁化自由層１２に印加されて、当該磁化自由層１２の磁化方向が反転して、第１磁化状態から第２磁化状態に変化する。
データを読み出す際には、読出制御部は、トランジスタ７９をオンとして、読出電極７７とビット線７５とを介して、素子部７０に所定の電圧を印加する。すなわち、素子部７０には、磁化自由層１２及び非磁性層１３の接合面と、非磁性層１３及び磁化固定層１４の接合面とに垂直に電圧を印加する。この電圧の印加によって、素子部７０には、磁化固定層１４から非磁性層１３を介して磁化自由層１２に読み出し電流ＩＲが流れる。磁化自由層１２と磁化固定層１４との磁化方向が同じである場合には、トンネル磁気抵抗効果によって素子部７０での電気抵抗が小さくなり、素子部７０に大きな読み出し電流ＩＲが流れる。一方、磁化自由層１２と磁化固定層１４との磁化方向が互いに異なる場合には、トンネル磁気抵抗効果によって、素子部７０での電気抵抗が、磁化自由層１２及び磁化固定層１４の磁化方向が同じである場合に比べて大きくなり、磁化自由層１２及び磁化固定層１４の磁化方向が同じである場合に素子部７０に流れる読み出し電流ＩＲよりも小さな読み出し電流ＩＲが流れる。この例では、磁化固定層１４が第１磁化状態になっていることから、磁化自由層１２が第１磁化状態である場合に、読み出し電流ＩＲが大きくなり、一方、磁化自由層１２が第２磁化状態である場合に、読み出し電流ＩＲが小さくなる。そして、読出制御部は、素子部７０に流れる読み出し電流ＩＲの大小に基づいてメモリ素子６０に格納されているデータの「１」又は「０」を判定する。
素子部７０では、磁化自由層１２に対して、０．０１Ｔ（１００ガウス）程度の磁場を印加することによって、磁化自由層１２の磁化方向の反転が可能であることを確認した。また素子部７０では、磁化固定層１４に対する磁化自由層１２の磁化方向を判別するために、１〜５ｍＡ程度の読み出し電流ＩＲが流れても磁化自由層１２の磁化方向が変化しないことを確認している。
以上の構成において、この第５実施形態によるメモリ素子６０では、磁化方向が反転可能な反強磁性体を用いて、データに応じて磁化方向が反転する磁化自由層１２を形成したことにより、強磁性体を用いた従来のメモリ素子よりも漏れ磁場を格段的に抑制でき、高集積化した際に、隣接する他のメモリ素子に与える漏れ磁場による影響を低減でき、かくして、漏れ磁場が小さく、高集積化を図ることができる。
上記第５実施形態では、データを書き込む際に、磁化自由層１２に磁場を印加することによって磁化自由層１２の磁化方向を反転しているが、データを書き込む構成は、これに限定されない。例えば第１実施形態と同様に、スピントランスファートルク方式で磁化自由層１２の磁化方向を反転させることもできる。この場合には、データ書き込みの際に、素子部７０を貫通するように、Ｚ方向で向きの異なる書き込み電流Ｉｐ１、Ｉｐ２のうちいずれか一方を、書き込むデータに応じて流せばよい。また、第５実施形態では、第２実施形態のように、スピンホール効果を利用して磁化自由層１２の磁化方向を反転することもできる。この場合には、非磁性層１３と反対側の磁化自由層１２の面にスピンホール効果層を設け、このスピンホール効果層にＸ方向で向きの異なる書き込み電流Ｉｐ１、Ｉｐ２のうちのいずれか一方を書き込むデータに応じて流す。さらに、第５実施形態では、第３実施形態のようにスピン偏極電流を利用してもよい。この場合には、素子部７０の磁化固定層１４として、大きな異常ホール効果を有する強磁性体または反強磁性体を用い、この磁化固定層１４にＸ方向で向きの異なる書き込み電流Ｉｐ１、Ｉｐ２のうちいずれか一方を書き込むデータに応じて流す。
なお、上記第５実施形態では、磁化方向に応じた電気信号を読み出し電流ＩＲとして、読出制御部が読み出し電流ＩＲの大小でデータ「１」又は「０」を判断しているが、読み出し電流ＩＲに代えて電圧の大小でデータ「１」又は「０」を判断することもできる。この場合には、読出制御部は、ビット線７５及び読出電極７７を介して素子部７０に一定の電流を流し、その際に素子部７０に生じる電圧降下、すなわちビット線７５と読出電極７７との間の電位差の大小を判別して、データ「１」又は「０」を判断する。電圧降下の大小は、素子部７０に印加した電圧の大小として判別できる。
上記第１、第３、第５実施形態では、磁化自由層１２を反強磁性体としているが、磁化自由層１２と磁化固定層１４との少なくともいずれか一方を反強磁性体とすることも好ましい態様である。上記第１、第３実施形態では、書き込むデータに応じて磁化自由層１２の磁化方向を反転させるために磁化固定層１４を用いており、第５実施形態では、データを読み出す際に磁化自由層１２の磁化方向に応じた電気信号を取り出すために磁化固定層１４を用いている。また、第５実施形態において、例えばスピントランスファートルク方式で磁化自由層１２の磁化方向を反転させるように構成した場合では、磁化固定層１４は、書き込むデータに応じて磁化自由層１２の磁化方向を反転させるとともに、データを読み出す際に磁化自由層１２の磁化方向に応じた電気信号を取り出すために用いている。このような、磁化固定層１４として反強磁性体を用い、例えば磁化自由層１２に強磁性体を用いた構成としてもよい。この場合、その他の構成は同じであってよい。なお、磁化自由層１２と磁化固定層１４とに反強磁性体を用いることができるのは上述の通りである。このように、磁化自由層１２と磁化固定層１４との少なくともいずれか一方に反強磁性体を用いれば、その両方に強磁性体を用いた構成に比べて漏れ磁場を抑制できる。したがって、このようにしても、高集積化した際に、隣接する他のメモリ素子に与える漏れ磁場による影響を低減でき、かくして、漏れ磁場が小さく、高集積化を図ることができる。
［磁化自由層の磁化方向について］
磁化自由層１２に用いる反強磁性体のうち、例えば上記Ｍｎ３Ｓｎは、三角形に配列した隣接する３つのＭｎの各磁気モーメントＭ２の方向の組み合わせにより、異なる６つの磁化方向を有した状態に変化すると推測される。そのため、磁化自由層１２の異常ホール効果を利用する第１〜第４実施形態では、第１磁化状態と第２磁化状態とにおける磁化方向の反転は、磁化方向が必ずしも１８０度回転したものである必要はなく、一方向の読み出し電流Ｉｆを磁化自由層１２に流した際に、磁化自由層１２の伝導電子ＤのスピンＤａの軌道運動の回転方向が反転し、異常ホール効果によって生じるホール電圧の正負が逆となる変化であればよい。したがって、第１磁化状態から第２磁化状態になる際、第１磁化状態での磁化方向が１８０度以外の所定角度に回転した第２磁化状態に変化してもよい。また、第５実施形態でも、磁気抵抗効果による電気抵抗が変化すれば、第１磁化状態と第２磁化状態とにおける磁化方向の反転が必ずしも１８０度回転したものである必要はない。上記第１〜第５実施形態では、説明の便宜上、図３に示す磁化自由層１２におけるＭｎの磁気モーメントＭ２の状態を第１磁化状態とし、この第１磁化方向から磁気モーメントＭ２が反転（１８０度回転）したものを第２磁化状態としているが、磁化方向が特定されていなくてもよい。Ｍｎ３Ｓｎ以外の反強磁性体を磁化自由層１２とした場合も同様である。
上記各実施形態における磁化反転部２１、３１、４１の書込電極部１５，３３，４４や、読出電極部１６、出力電極部１７、及び読出部７２を構成する各電極は、電圧を取り出す部材、電圧を印加する部材、又は電流を流す部材であれば、他の機能を持つ部材であってもよい。例えば、磁化自由層に他の素子の一部が直接に接続されて電圧が与えられる場合には、その他の素子の一部が電極となる。
１０，３０，４０，５０，６０ メモリ素子
１２ 磁化自由層
１３，４３ 非磁性層
１４，４２ 磁化固定層
１５ 書込電極部
１６ 読出電極部
１７ 出力電極部
２１，３１，４１，５１，７１ 磁化反転部
２２，７２ 読出部
３２ スピンホール効果層

Claims (12)

  1. 磁化方向が反転可能な反強磁性体により形成された磁化自由層と、
    書き込むデータに応じて前記磁化自由層の磁化方向を反転させる磁化反転部と、
    データを読み出す際に、前記磁化自由層の磁化方向に応じた電気信号を取り出す読出部と
    を備えていることを特徴とするメモリ素子。
  2. 前記磁化自由層は、異常ホール効果を発現する反強磁性体により形成され、
    前記読出部は、
    データを読み出す際に、前記磁化自由層の面内方向に沿った一方向に読み出し電流を流す読出電極部と、
    前記磁化自由層に前記読み出し電流が流れることにより前記磁化自由層の前記反強磁性体によって異常ホール効果を発現させ、該異常ホール効果により発生したホール電圧を取り出す出力電極部と
    を備えていることを特徴とする請求項１に記載のメモリ素子。
  3. 前記磁化自由層は、非共線性の反強磁性体で形成されていることを特徴とする請求項２に記載のメモリ素子。
  4. 前記非共線性の反強磁性体は、Ｍｎ３Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇｅ，Ｍｎ３Ｇａのいずれかの反強磁性体であることを特徴とする請求項３に記載のメモリ素子。
  5. 前記非共線性の反強磁性体は、立方晶または正方晶となるＭｎ及びＮｉの化合物と、γ相のＭｎあるいはＦｅを含む立方晶合金とのいずれかであることを特徴とする請求項３に記載のメモリ素子。
  6. 前記磁化反転部は、
    前記磁化自由層の膜面上に積層された非磁性層と、
    磁化方向が固定された磁化固定層とを有し、
    前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に前記非磁性層が配置されており、
    書き込むデータに応じて、前記磁化自由層及び前記磁化固定層間に流す書き込み電流の方向を変え、該書き込み電流の方向に応じて前記磁化自由層における前記反強磁性体の磁化方向が反転することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のメモリ素子。
  7. 前記磁化反転部は、
    前記磁化自由層の膜面上に積層された非磁性層を有し、
    書き込むデータに応じて、前記磁化自由層の膜面と平行な方向で前記非磁性層に流す書き込み電流の方向を変えることにより、前記非磁性層内で発生するスピン流によって前記磁化自由層に流入させる電子のスピンの方向を変え、該電子のスピンの方向に応じて前記磁化自由層における前記反強磁性体の磁化方向が反転することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のメモリ素子。
  8. 前記磁化反転部は、
    前記磁化自由層の膜面上に積層された非磁性層と、
    磁化方向が固定され異常ホール効果を発現する磁化固定層とを有し、
    前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に前記非磁性層が配置されており、
    書き込むデータに応じて、前記磁化自由層の膜面と平行な方向で前記磁化固定層に流す書き込み電流の方向を変えることにより、前記磁化固定層で発生するスピン偏極電流によって、前記磁化自由層における反強磁性体の磁化にトルクを及ぼす電子のスピンの方向を変え、該電子のスピンの方向に応じて前記磁化自由層における前記反強磁性体の磁化方向が反転することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のメモリ素子。
  9. 前記磁化反転部は、ワード線及びビット線を有し、
    前記ワード線には、一方向に電流が流され、前記ビット線は、書き込むデータに応じて電流の方向が変わり、
    前記磁化自由層は、前記ワード線及び前記ビット線が交差する位置に配置され、前記ビット線に流れる電流の方向に応じて前記反強磁性体の磁化方向が反転する
    ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のメモリ素子。
  10. 前記磁化自由層の膜面上に積層された非磁性層と、
    磁化方向が固定された磁化固定層とを有し、
    前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に前記非磁性層が配置されており、
    前記読出部には、前記磁化固定層、前記非磁性層、及び前記磁化自由層に所定の電圧が印加されることで、前記磁化固定層の磁化方向に対する前記磁化自由層の磁化方向に応じた電流が流れる
    ことを特徴とする請求項１に記載のメモリ素子。
  11. 前記磁化自由層の膜面上に積層された非磁性層と、
    磁化方向が固定された磁化固定層とを有し、
    前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に前記非磁性層が配置されており、
    前記読出部には、前記磁化固定層、前記非磁性層、及び前記磁化自由層に所定の電流が流されることで、前記磁化固定層の磁化方向に対する前記磁化自由層の磁化方向に応じた電位差が生じる
    ことを特徴とする請求項１に記載のメモリ素子。
  12. 磁化方向が反転可能な磁化自由層と、
    前記磁化自由層の膜面上に積層された非磁性層と、
    前記磁化自由層との間に前記非磁性層を配した状態に積層され、書き込むデータに応じて前記磁化自由層の磁化方向を反転させる、またはデータを読み出す際に前記磁化自由層の磁化方向に応じた電気信号を取り出すための磁化固定層と
    を備え、
    前記磁化自由層と前記磁化固定層との少なくともいずれか一方が反強磁性体であることを特徴とするメモリ素子。
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