WO2010100678A1 - トンネル磁気記録素子、磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

トンネル磁気記録素子、磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ Download PDF

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    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
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    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a tunnel magnetic recording element for writing magnetic information by current and a low power consumption nonvolatile magnetic memory equipped with the same.
  • Non-patent Document 1 As a tunnel magnetoresistive element to be applied to highly integrated magnetic memories in the future, a tunnel magnetoresistive element using magnesium oxide as an insulating film is S. Yuasa. Et al., Nature Material 3, 868 (2004) (non-patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-59879 (Patent Document 1).
  • a conventional nonvolatile magnetic memory is constituted by a memory cell in which a tunnel magnetoresistive element is formed on a MOSFET. Switching uses a MOSFET to write information by rotating the magnetization direction of the tunnel magnetoresistive element using the current-induced spatial magnetic field generated by energizing the bit line and the word line, and outputting the tunnel magnetoresistive element This is a method of reading information by voltage.
  • Non-Patent Document 2 M. ⁇ C. Weber et al., Journal of Applied Physics 95, 6613 (2004) (Non-Patent Document 2) is disclosed as a method that modulates the magnetic properties of a ferromagnetic film with laser light and does not use electrical means. ing.
  • An object of the present invention is to provide a tunnel magnetic recording element capable of reducing the amount of thermal stability required for a magnetic recording layer as compared with the conventional one and a nonvolatile magnetic memory using the same.
  • a tunnel magnetic recording element capable of magnetic writing by spin transfer torque magnetization reversal is provided.
  • an antiferromagnetic layer or a multiferroic layer is adjacent to a magnetic recording layer, and the magnitude of the exchange coupling magnetic field acting between the magnetic recording layer and the antiferromagnetic layer or the multiferroic layer is set to an electric field or light irradiation.
  • the damping constant ⁇ of the magnetic recording layer can be increased, and the effective erroneous writing at the time of reading can be reduced by 10 digits or more.
  • the multiferroic layer is a layer having both antiferromagnetic properties and ferroelectric properties.
  • a magnetic recording layer, a tunnel barrier layer, and a magnetic pinned layer are adjacent to each other in this order, and a multiferroic layer provided adjacent to the other surface of the magnetic recording layer and the magnetic pinned layer side
  • the magnetization direction is fixed by magnetic exchange coupling acting between the ferroic layer, and an electric resistance that changes according to the magnetization direction of the magnetic pinned layer and the magnetic recording layer is detected as a read signal, and the electric resistance is detected.
  • an electric field is applied to the multiferroic layer via the first electrode layer and the second electrode layer, thereby reducing the probability of magnetization rotation of the magnetic recording layer.
  • an antiferromagnetic layer, a magnetic recording layer, a tunnel barrier layer, and a magnetic pinned layer are adjacent to each other in this order, and are provided adjacent to the other surface of the antiferromagnetic layer.
  • the magnetization direction of the magnetic recording layer is fixed by magnetic exchange coupling acting between the antiferromagnetic layer, and the electric resistance that changes according to the magnetization direction of the magnetic fixed layer and the magnetic recording layer is detected as a read signal.
  • the laser diode is irradiated with a laser to reduce the probability of magnetization rotation of the magnetic recording layer.
  • tunnel magnetic recording elements in particular, a tunnel magnetic recording element capable of magnetic writing by spin transfer torque magnetization reversal by applying a current through the first electrode layer and the third electrode is provided.
  • the magnetic memory cell of the present invention has the above-described tunnel magnetic recording element and the probability of magnetization rotation of the magnetic recording layer by applying an electric field to the multiferroic layer when reading the electric resistance of the tunnel magnetic recording element.
  • a write circuit for writing magnetic information by rotating the magnetization direction of the magnetic recording layer of the tunnel magnetic recording element by a spin transfer torque, and obtaining a signal corresponding to the electric resistance of the tunnel magnetic recording element It has.
  • another magnetic memory cell of the present invention is configured to apply a voltage to the laser diode layer when reading the electrical resistance of the other tunnel magnetic recording element and the tunnel magnetic recording element.
  • a read circuit that reduces the probability of magnetization rotation of the magnetic recording layer by irradiating the recording element with a laser and obtains a signal corresponding to the electric resistance of the tunnel magnetic recording element, and magnetic recording of the tunnel magnetic recording element
  • a write circuit for writing magnetic information by rotating the magnetization direction of the layer by a spin transfer torque.
  • the magnetic random access memory of the present invention includes a plurality of magnetic memory cells and means for selecting a desired magnetic memory cell, and uses the magnetic memory cell of the present invention as the magnetic memory cell.
  • the tunnel magnetic recording element of the present invention can be applied to a magnetic memory cell or a magnetic random access memory to realize a versatile low power consumption nonvolatile magnetic memory.
  • Second magnetic layer 2012... First nonmagnetic layer, 2013... Second magnetic layer, 20021. ⁇ Second nonmagnetic layer, 20023... Fourth magnet Layer 301... Multiferroic layer 401 401 insulating layer 501 first electrode layer 502 second electrode layer 503 third electrode 504. -Electrode line, 505 ... Bit line, 601 ... Antiferromagnetic layer, 602 ... Antiferromagnetic layer, 700 ... Magnetic memory cell, 701 ... Electric field control driver, 702 ... Laser Diode control driver, 703... Laser irradiation unit, 800.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a tunnel magnetic recording element according to the present invention.
  • the tunnel magnetic recording element of this example was manufactured using the sputtering method, it may be manufactured using other methods such as a molecular beam atomic layer growth method.
  • the tunnel magnetic recording element 1 has a structure in which a magnetic pinned layer 201, a tunnel barrier layer 202, a magnetic recording layer 2002, a multiferroic layer 301, and a second electrode layer 502 are laminated in this order from the first electrode layer 501 side.
  • the second electrode layer 502 is used when electrically reading the magnetic information of the tunnel magnetic recording element 1.
  • the second electrode 502 is arranged on the substrate side, the multiferroic layer 301, the magnetic recording layer 2002, the tunnel barrier layer 202, the magnetic pinned layer 201, the first electrode layer. It is also possible to use a configuration in which 501 are stacked in this order.
  • the multiferroic layer 301 is a material layer having both antiferromagnetic properties and ferroelectric properties. Therefore, the magnetization of the magnetic recording layer 2002 is fixed in a certain direction by magnetic exchange coupling with the multiferroic layer 301 as an antiferromagnetic material.
  • a circuit including the first power supply 10 and the first switching element 11 is connected to the second electrode layer 502 and is used at the time of reading. At the time of reading, the second switching element 21 is closed, current is applied from the second power source 20 through the third electrode 503 connected to the magnetic recording layer 2002 of the tunnel magnetic recording element 1, and the detector 22 uses the tunnel magnetic recording element 1. Is read out by current or voltage output. As the detector 22, a voltmeter or an ammeter can be used.
  • the first switching element 11 is closed, and a voltage or an electric field is applied to the multiferroic layer 301 and the magnetic recording layer 2002 from the first power supply 10.
  • the second switching element 21 is closed, and current is supplied to the tunnel magnetic recording element from the second power source 20 through the third electrode 503 connected to the magnetic recording layer 2002 of the tunnel magnetic recording element 1 to spin.
  • the magnetization direction of the magnetic recording layer 2002 is directed to an arbitrary direction by transfer. At this time, it is desirable to keep the first switching element 11 open.
  • FIG. 2 shows a modification of the tunnel magnetic recording element shown in FIG.
  • the element shown in FIG. 2 can apply an electric field from the first power supply 10 to the multiferroic layer 301 efficiently and stably by forming an insulating layer 401 between the second electrode 502 and the multiferroic layer 301.
  • the thickness of the insulating layer 401 can be set so as to obtain a desired optimized electric field value.
  • FIG. 3 shows a modification of the tunnel magnetic recording element shown in FIG.
  • the tunnel magnetic recording element 3 shown in FIG. 3 uses an antiferromagnetic layer 601 such as MnIr, MnPt, CrMnPt, CrMnIr, or MnFe as a means for fixing the magnetization direction of the magnetic fixed layer 201, and is anti-magnetic with the magnetic fixed layer. By fixing exchange coupling between the ferromagnetic layers, the magnetization pinning force of the magnetic pinned layer is stabilized.
  • the first magnetic layer 2011 and the second magnetic layer 2013 are stacked on the magnetic pinned layer 201 with a nonmagnetic layer 2012, such as CoFeB / Ru / CoFe, between the two magnetic layers 2011 and 2013.
  • a laminated ferrimagnetic structure in which the magnetizations are coupled antiparallel a structure in which the magnetization pinning force of the magnetic pinned layer is stabilized.
  • the tunnel magnetic recording element 4 shown in FIG. 4 shows a modification of the tunnel magnetic recording element shown in FIG. 3, and has a structure in which a nonmagnetic layer 20022 is sandwiched between two magnetic layers 20021 and 20023 in a magnetic recording layer 2002.
  • a laminated ferrimagnetic structure in which the magnetizations of the two magnetic layers 20021 and 20023 are coupled in antiparallel is applied.
  • Ru As the nonmagnetic layer used at this time, it is desirable to use Ru or the like.
  • Multiferroics refers to a material having both magnetic properties and dielectric properties, and is mainly formed of an oxide.
  • the multiferroic layer used in the tunnel magnetic recording element having an electric field application mechanism in the magnetic recording layer of the present invention includes antiferromagnetic and ferroelectric properties such as BiFeO 3 , YMnO 3 , CoFeO 2 and Cr 2 O 3 .
  • a material comprising both is desirable.
  • a material containing at least one element of Co, Fe, and Ni is used for the magnetic recording layer 2002 and the magnetic pinned layer 201.
  • MgO is used for the tunnel barrier layer 202
  • a material containing B therein It is desirable to use and examples are shown in Table 1.
  • the magnetic recording layer 2002 and the magnetic pinned layer 201 may be ferromagnetic layers whose magnetization directions are perpendicular to the film surface of the element.
  • materials such as TbFeCo, GdFeCo, CoPt, FePt, CoFeBPt, CoFeBCr, CoCrPt, CoCr, CoPtB, FePtB, CoGd, and CoFeBCr can be applied.
  • a Co / Pt multilayer film, a CoFe / Pt multilayer film, an Fe / Pt multilayer film, a Co / Pd multilayer film, or the like can be used.
  • material selection for the tunnel barrier layer 202 will be described.
  • the tunnel barrier layer 202 it is most desirable to use MgO, AlO, oxides such as SiO 2, or a semiconductor material such as GaAs or ZnSe, AlN, may be used a nitride such as SiN.
  • MgO is used for the tunnel barrier layer 202
  • a large tunnel magnetoresistance effect that is, a read output signal can be obtained by using CoFeB having a body-centered cubic lattice structure for the magnetic recording layer 2002 and the magnetic pinned layer 201.
  • both MgO and CoFeB are composed of a thin film having a high (100) orientation, and the composition of CoFeB is Co 20 Fe 60 B 20 .
  • the material used for the insulating layer 401 provided in the tunnel magnetic recording element 2 of FIG. 2 is desirably a material having a high dielectric constant such as Si or Al oxide such as SiO or Al 2 O 3 .
  • a nitride such as SiN may be used.
  • the first electrode layer 501 and the second electrode layer 502 may be formed of a two-layer film or a multilayer film such as W, TiN, or TiN and AlCu.
  • the electric field writing magnetic recording film formed in this way is formed into a tunnel magnetic recording element having an area of 0.1 ⁇ m ⁇ 0.15 ⁇ m by using photolithography, ion milling, reactive etching method, etc. Operation is possible even in a miniaturized device.
  • FIG. 8 shows the behavior of the exchange coupling magnetic field Hex acting between the two layers when an electric field is applied to the multiferroic layer 301 and the magnetic recording layer 2002 of the tunnel magnetic recording element.
  • Hex increases in proportion to the electric field.
  • Hex is defined as a value representing the magnitude of exchange coupling energy as a magnetic field, and can be evaluated by measuring the dependence of magnetization on the external magnetic field using a VSM (sample vibration type magnetometer) or the like.
  • FIG. 9 shows the relationship between Hex and the damping constant ⁇ of the magnetic recording layer when NiFe is used for the magnetic recording layer 2002.
  • ⁇ increases in proportion to Hex.
  • the magnetization reversal current Ic due to the spin transfer torque is proportional to ⁇ of the magnetic recording layer 2002. Therefore, a state where ⁇ is large means that Ic of the magnetic recording layer 2002 is large, and indicates that the magnetization of the magnetic recording layer 2002 is not easily reversed when a current is applied.
  • Reading is normally performed by applying a current value equal to or lower than the write current to the tunnel magnetic recording element and detecting the current or voltage output of the element at that time. Even with a very small current, spin transfer torque acts on the magnetic recording layer 2002, and the magnetization direction of the magnetic recording layer 2002 is reversed probabilistically. This is called so-called read disturb.
  • read disturb Conventionally, attempts have been made to improve the thermal stability of the magnetic recording layer 2002 in order to avoid read disturb, but there has been a very difficult aspect due to the limitations of the material.
  • read disturb is avoided by applying an electric field to the multiferroic layer 301 and the magnetic recording layer 2002 during reading and increasing the damping constant ⁇ of the magnetic recording layer through Hex as described above.
  • the second switching element 21 is closed, current is applied from the second power source 20, and the resistance of the tunnel magnetic recording element 1 is read by current or voltage output by the detector 22.
  • the first switching element 11 is closed, and a voltage or an electric field is applied from the first power supply 10 to the multiferroic layer 301 and the magnetic recording layer 2002, so that the damping of the magnetic recording layer 2002 is performed.
  • the constant ⁇ is increased, and the magnetization reversal current Ic is increased.
  • the second switching element 21 is closed, current is supplied from the second power source 20 to the tunnel magnetic recording element, and the magnetization direction of the magnetic recording layer 2002 is directed to an arbitrary direction by spin transfer. At this time, it is desirable to keep the first switching element 11 open.
  • FIG. 10 shows the thermal stability constant E / kBT dependence of the magnetization reversal probability of the magnetic recording layer 2002 for the tunnel magnetic recording elements 1 to 4 described above.
  • E represents magnetization reversal energy
  • kB represents Boltzmann constant
  • T represents temperature.
  • a solid line “a” in the figure indicates characteristics when no electric field is applied to the multiferroic layer 301.
  • the dotted line b shows the characteristic in the state where the electric field is applied and the damping constant increases between 5 and 50 times.
  • the inversion probability at the time of reading can be reduced by one digit or more when the damping constant ⁇ is increased by a factor of 5.
  • Embodiment 2 of the tunnel magnetic recording element according to the present invention will be described.
  • the series of Example 2 is a type in which the damping constant ⁇ of the magnetic recording layer is controlled by irradiating the antiferromagnetic layer and the magnetic recording layer of the tunnel magnetic recording element with a laser diode to avoid read disturb. This is a magnetic recording element.
  • the tunnel magnetic recording element 5 shown in FIG. 5 includes a magnetic pinned layer 201, a tunnel barrier layer 202, a magnetic recording layer 2002, an antiferromagnetic layer 602, a laser diode 800, and a second electrode layer from the first electrode layer 501 side.
  • 502 has a stacked structure in this order.
  • the second electrode layer 502 is used when electrically reading the magnetic information of the tunnel magnetic recording element 5. Contrary to the stacking order shown in FIG. 5, the second electrode 502 is disposed on the substrate side, and the laser diode 800, the antiferromagnetic layer 602, the magnetic recording layer 2002, the tunnel barrier layer 202, the magnetic pinned layer 201, the first It is also possible to use a configuration in which one electrode layer 501 is stacked in this order.
  • the magnetization of the magnetic recording layer 2002 is fixed in a certain direction by magnetic exchange coupling with the antiferromagnetic material 602.
  • a circuit including the first power supply 10 and the first switching element 11 is connected to the second electrode layer 502 and is used at the time of reading.
  • the second switching element 21 is closed, current is applied from the second power source 20 through the third electrode 503 connected to the magnetic recording layer 2002 of the tunnel magnetic recording element 5, and the tunnel magnetic recording element 5 is detected by the detector 22. Is read out by current or voltage output.
  • a voltmeter or an ammeter can be used.
  • the first switching element 11 is closed, and a voltage is applied from the first power supply 10 to the laser diode, and the antiferromagnetic layer 602 and the magnetic recording layer 2002 are irradiated with laser light. It is in a state.
  • the second switching element 21 is closed, and current is supplied from the second power source 20 to the tunnel magnetic recording element through the third electrode 503 connected to the magnetic recording layer 2002 of the tunnel magnetic recording element 5 to spin.
  • the magnetization direction of the magnetic recording layer 2002 is directed to an arbitrary direction by transfer.
  • it is desirable that the first switching element 11 is in an open state and laser light irradiation from the laser diode is turned off.
  • FIG. 6 shows a modification of the tunnel magnetic recording element shown in FIG.
  • the tunnel magnetic recording element 6 shown in FIG. 6 uses an antiferromagnetic layer 601 such as MnIr, MnPt, CrMnPt, CrMnIr, and MnFe as a means for fixing the magnetization direction of the magnetic fixed layer 201, and is opposite to the magnetic fixed layer.
  • an antiferromagnetic layer 601 such as MnIr, MnPt, CrMnPt, CrMnIr, and MnFe
  • the first magnetic layer 2011 and the second magnetic layer 2013 are laminated on the magnetic pinned layer 201 with a nonmagnetic layer 2012, such as CoFeB / Ru / CoFe, between the two magnetic layers 2011 and 2013.
  • a nonmagnetic layer 2012 such as CoFeB / Ru / CoFe
  • the tunnel magnetic recording element 7 shown in FIG. 7 shows a modification of the tunnel magnetic recording element shown in FIG. 6, and has a structure in which a nonmagnetic layer 20022 is sandwiched between two magnetic layers 20021 and 20023 in a magnetic recording layer 2002.
  • a laminated ferrimagnetic structure in which the magnetizations of the two magnetic layers 20021 and 20023 are coupled in antiparallel is applied.
  • Ru As the nonmagnetic layer used at this time, it is desirable to use Ru or the like.
  • the laser diode 800 has a function of oscillating laser when voltage is applied.
  • a semiconductor heterojunction such as MgO / ZnO / MgO or GaAs / GaAlAs can be used.
  • a material such as MnIr, MnPt, CrMnPt, CrMnIr, or MnFe can be used for the antiferromagnetic layer 602.
  • a material containing at least one element of Co, Fe, and Ni is used for the magnetic recording layer 2002 and the magnetic pinned layer 201.
  • the magnetic recording layer 2002 and the magnetic pinned layer 201 may be ferromagnetic layers whose magnetization directions are perpendicular to the film surface of the element.
  • materials such as TbFeCo, GdFeCo, CoPt, FePt, CoFeBPt, CoFeBCr, CoCrPt, CoCr, CoPtB, FePtB, CoGd, and CoFeBCr can be applied.
  • a Co / Pt multilayer film, a CoFe / Pt multilayer film, an Fe / Pt multilayer film, a Co / Pd multilayer film, or the like can be used.
  • material selection for the tunnel barrier layer 202 will be described.
  • the tunnel barrier layer 202 it is most desirable to use MgO, AlO, oxides such as SiO 2, or a semiconductor material such as GaAs or ZnSe, AlN, may be used a nitride such as SiN.
  • the tunnel barrier layer 202 when MgO is used for the tunnel barrier layer 202, a large tunnel magnetoresistance effect, that is, a read output signal can be obtained by using CoFeB having a body-centered cubic lattice structure for the magnetic recording layer 2002 and the magnetic pinned layer 201.
  • both MgO and CoFeB are composed of a thin film having a high (100) orientation, and the composition of CoFeB is Co 20 Fe 60 B 20 .
  • the first electrode layer 501 and the second electrode layer 502 may be formed of a two-layer film or a multilayer film such as W, TiN, or TiN and AlCu.
  • the electric field writing magnetic recording film formed in this way is formed into a tunnel magnetic recording element having an area of 0.1 ⁇ m ⁇ 0.15 ⁇ m by using photolithography, ion milling, reactive etching method, etc. Operation is possible even in a miniaturized device.
  • FIG. 11 shows the behavior of the exchange coupling magnetic field Hex acting between the two layers with respect to the irradiation time when the antiferromagnetic layer 602 and the magnetic recording layer 2002 of the tunnel magnetic recording element are irradiated with laser light.
  • Hex increases with the irradiation time ps and then saturates. Therefore, Hex can be controlled by adjusting the irradiation time.
  • the damping constant ⁇ of the magnetic recording layer 2002 can be increased as described in the first embodiment, and read disturb is avoided.
  • the second switching element 21 is closed, current is applied from the second power source 20, and the resistance of the tunnel magnetic recording element 5 is read by the detector 22 by current or voltage output.
  • the first switching element 11 is closed, a voltage is applied from the first power supply 10 to the laser diode, and the antiferromagnetic layer 602 and the magnetic recording layer 2002 are irradiated with laser light.
  • the damping constant ⁇ of the magnetic recording layer 2002 is increased and the magnetization reversal current Ic is increased.
  • the second switching element 21 is closed, current is supplied from the second power source 20 to the tunnel magnetic recording element, and the magnetization direction of the magnetic recording layer 2002 is directed to an arbitrary direction by spin transfer. At this time, it is desirable that the first switching element 11 is in an open state and laser light irradiation from the laser diode is turned off.
  • the effect of the present embodiment is the same as that of the first embodiment.
  • the inversion probability at the time of reading is one digit or more. Can be reduced.
  • FIG. 12 and 13 are schematic cross-sectional views showing a configuration example of a magnetic memory cell according to the present invention.
  • This magnetic memory cell is one in which the tunnel magnetic recording element 200 shown in the first or second embodiment is mounted as a memory cell.
  • FIG. 12 shows a configuration example of a magnetic memory cell having a structure in which the tunnel magnetic recording element 200 is arranged so as to be shifted from the position immediately above the electrode 142 via the electrode layer 501.
  • FIG. 13 shows a configuration example of a magnetic memory cell having a structure in which the tunnel magnetic recording element 200 is arranged directly above the electrode 142 via the electrode layer 501.
  • the C-MOS transistor 100 is composed of two n-type semiconductors 101 and 102 and one p-type semiconductor 103.
  • An electrode 121 serving as a drain is electrically connected to the n-type semiconductor 101 and is connected to the ground via the electrodes 141 and 147.
  • An electrode 122 serving as a source is electrically connected to the n-type semiconductor 102.
  • ON / OFF of the current between the source electrode 122 and the drain electrode 121 is controlled by ON / OFF of the gate electrode 123.
  • Electrodes 145, 144, 143, 142, and 501 are stacked on the source electrode 122, and the tunnel magnetic recording element 200 is connected thereto.
  • the bit line 505 is connected to the magnetic recording layer 2002 of the tunnel magnetic recording element 200. Reading is performed by applying current or voltage from the bit line 505 through the transistor 100. In particular, when a barrier layer and a magnetic pinned layer are applied as the reading layer, reading is performed by the tunnel magnetoresistance effect. In the magnetic memory cell of this embodiment, the magnetization direction of the magnetic recording layer 2002 is controlled by the voltage applied to the electrode 502 of the tunnel magnetic recording element 200.
  • FIG. 14 is a diagram showing a configuration example of a magnetic random access memory in which the magnetic memory cells are arranged, and is a magnetic random access memory in which the tunnel magnetic recording element of Example 1 is mounted as a magnetic memory cell.
  • the gate electrode 123 and the bit line 505 are electrically connected to the magnetic memory cell 700.
  • the recording operation is performed by applying a voltage or a current to the memory cell selected by the gate electrode and the bit line. Further, in the memory cell selected by the transistor, the information in the memory cell is read by the voltage or resistance change between the bit line and the transistor 100.
  • the damping constant of the magnetic recording layer of the magnetic memory cell is controlled, and erroneous writing at the time of the read operation is performed. Suppress.
  • FIG. 15 is a diagram showing a configuration example of a magnetic random access memory in which the magnetic memory cells are arranged, and is a magnetic random access memory in which the tunnel magnetic recording element of Example 2 is mounted as a magnetic memory cell.
  • the gate electrode 123 and the bit line 505 are electrically connected to the magnetic memory cell 700.
  • the recording operation is performed by applying a voltage or a current to the memory cell selected by the gate electrode and the bit line. Further, in the memory cell selected by the transistor, the information in the memory cell is read by the voltage or resistance change between the bit line and the transistor 100.
  • the laser diode control driver 702 and the electrode wire 504 irradiate the magnetic memory cell with laser during this read operation, thereby controlling the damping constant of the magnetic recording layer of the magnetic memory cell, thereby preventing erroneous writing during the read operation. Suppress.
  • FIG. 16 is a diagram showing a configuration example of a magnetic random access memory of a system in which laser diodes are provided in arbitrary subarray units in the magnetic random access memory of FIG. 15 and laser light irradiation is performed in subarray units when reading magnetic information.
  • Laser irradiation is performed simultaneously on a plurality of magnetic memory cells covered with a laser irradiation unit 703 as shown in FIG.
  • Laser irradiation is performed in an area including a magnetic memory cell to be read out in an arbitrary unit.
  • the magnetic recording state of the target magnetic memory cell is read by the path of the transistor 100 and the bit line 505.
  • the damping constant of the magnetic recording layer of any magnetic memory cell irradiated with the laser increases, and the probability of erroneous writing at the time of reading in the magnetic memory cell can be reduced.
  • the degree of reduction of erroneous writing is the degree shown in FIG. 11, and the effect of reducing erroneous writing by about two digits is possible. With this configuration, operation at high speed and low power consumption is possible, and a gigabit-class high-density magnetic random access memory can be realized.

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Abstract

　トンネル磁気記録素子及びそれを用いた低消費電力不揮発性メモリに関し、磁気情報読み出し時の誤書込みの発生を低減することを目的とする。　情報読出し時に、電界印加あるいは光照射により交換結合磁界を変調し、磁気記録層２００２のダンピング定数αを増大させることにより、読出し時の誤書込み率を低減する。交換結合磁界を変調させる手段は、トンネル磁気記録素子の磁気記録層にマルチフェロイックス層を隣接させ電界を印加することにより、あるいは、磁気記録層に反強磁性層を介してレーザダイオードを備えレーザ光を照射することによって行う。書込みは、磁気固定層、トンネル障壁層、磁気記録層に流れる電流によって作用するスピントランスファートルクにより行い、読出しは、磁気記録層の磁化方向をトンネル磁気抵抗効果によって電気的に検出することにより行う。

Description

トンネル磁気記録素子、磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ
　本発明は、電流により磁気情報の書込みを行うトンネル磁気記録素子及びそれを装備した低消費電力不揮発性磁気メモリに関するものである。
　将来の高集積磁気メモリに適用されるトンネル磁気抵抗効果素子として、絶縁膜に酸化マグネシウムを用いたトンネル磁気抵抗効果素子がS. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868(2004)（非特許文献１）や特開２００７－５９８７９号公報（特許文献１）に開示されている。また、従来の不揮発性磁気メモリは、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成したメモリセルにより構成される。スイッチングはＭＯＳＦＥＴを利用し、ビット線とワード線に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってトンネル磁気抵抗効果素子の磁化方向を回転させて情報を書込み、トンネル磁気抵抗効果素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより磁化を回転させるいわゆるスピントランスファートルク磁化反転あるいは同義であるスピン注入磁化反転方式があり、例えば米国特許第５，６９５，８６４号明細書（特許文献２）あるいは特開２００２－３０５３３７号公報（特許文献３）に開示されている。強磁性膜の磁気特性をレーザ光で変調し電気的な手段を用いない方式として、M. C. Weber et al., Journal of Applied Physics 95, 6613 (2004) （非特許文献２）が開示されている。
特開２００７－５９８７９号公報 米国特許第５，６９５，８６４号明細書 特開２００２－３０５３３７号公報 S. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868 (2004) M. C. Weber et al., Journal of Applied Physics 95, 6613 (2004)
　汎用性不揮発性磁気メモリの実現には、低消費電力と高い熱安定性とを同時に満足する技術が最も大きな開発要素の一つである。しかし、通常はこれら２つの特性を同時に実現することは困難とされてきた。本発明は、磁気記録層に必要とされる熱安定の大きさを従来よりも低減できるトンネル磁気記録素子とそれを用いた不揮発性磁気メモリを提供することを目的とする。特に、スピントランスファートルク磁化反転による磁気書込みが可能なトンネル磁気記録素子を提供する。
　本発明は、磁気記録層に反強磁性層あるいはマルチフェロイックス層を隣接させ、磁気記録層と反強磁性層あるいはマルチフェロイックス層との間に働く交換結合磁界の大きさを電界あるいは光照射により読出し時に変調増大させることにより、磁気記録層のダンピング定数αを増大させ、読出し時の実効的な誤書込を１０桁以上低減させることができる。ここでマルチフェロイックス層は、反強磁性体の性質と強誘電体の性質を併せ持つ層である。
　本発明のトンネル磁気記録素子は、磁気記録層、トンネル障壁層、磁気固定層がこの順に隣接し、磁気記録層の他方の面に隣接して設けられたマルチフェロイックス層と、磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、マルチフェロイックス層側に設けられた第２の電極層と、磁気記録層に接続された第３の電極とを有し、磁気記録層は、前記マルチフェロイックス層との間に作用する磁気交換結合により、磁化方向が固定され、磁気固定層と前記磁気記録層の磁化方向に応じて変化する電気抵抗を読出しの信号として検出し、その電気抵抗を読み出す際に、第１の電極層と第２の電極層を介してマルチフェロイックス層に電界を印加することにより、磁気記録層の磁化回転の確率を低減させるものである。
　さらに、本発明のもう一つのトンネル磁気記録素子は、反強磁性層、磁気記録層、トンネル障壁層、磁気固定層がこの順に隣接し、反強磁性層の他方の面に隣接して設けられたレーザダイオード層と、磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、レーザダイオード層側に設けられた第２の電極層と、磁気記録層に接続された第３の電極とを有し、磁気記録層は反強磁性層との間に作用する磁気交換結合により磁化方向が固定され、磁気固定層と磁気記録層の磁化方向に応じて変化する電気抵抗を読出しの信号として検出し、その電気抵抗を読み出す際に、レーザダイオードからレーザを照射することにより、磁気記録層の磁化回転の確率を低減させるものである。
　これらのトンネル磁気記録素子においては、特に、第１の電極層と第３の電極を介して電流を印加することにより、スピントランスファートルク磁化反転による磁気書込みが可能なトンネル磁気記録素子を提供する。
　また、本発明の磁気メモリセルは、上記のトンネル磁気記録素子と、当該トンネル磁気記録素子の電気抵抗を読み出す際にマルチフェロイックス層に電界を印加することにより、磁気記録層の磁化回転の確率を低減させて、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗に応じた信号を得る読出し回路と、前記トンネル磁気記録素子の磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込む書込み回路とを有するものである。
　さらに、本発明のもう一つの磁気メモリセルは、上記もう一つのトンネル磁気記録素子と、当該トンネル磁気記録素子の電気抵抗を読み出す際にレーザダイオード層に電圧を印加し、レーザダイオード層からトンネル磁気記録素子にレーザが照射されることにより、磁気記録層の磁化回転の確率を低減させて、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗に応じた信号を得る読出し回路と、前記トンネル磁気記録素子の磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込む書込み回路とを有するものである。
　また、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備え、磁気メモリセルとして上記した本発明の磁気メモリセルを用いるものである。
　本発明によると、磁気情報の読出し時の誤書込みの発生確率を従来に比べ１／１０低減することが可能である。本発明のトンネル磁気記録素子は、磁気メモリセルや磁気ランダムアクセスメモリに適用し、汎用性低消費電力不揮発性磁気メモリを実現することが可能となる。
本発明の実施例１のトンネル磁気記録素子の構成例を示した図である。 本発明の実施例１のトンネル磁気記録素子の変形例を示した図である。 本発明の実施例１のトンネル磁気記録素子の変形例を示した図である。 本発明の実施例１のトンネル磁気記録素子の変形例を示した図である。 本発明の実施例２のトンネル磁気記録素子の構成例を示した図である。 本発明の実施例２のトンネル磁気記録素子の変形例を示した図である。 本発明の実施例２のトンネル磁気記録素子の変形例を示した図である。 印加電圧と交換結合磁界の関係を示す図である。 交換結合磁界と磁気記録層のダンピング定数の関係を示す図である。 熱安定定数（Ｅ／ｋＢＴ）と反転確率の関係を示す図である。 レーザ光照射時間と交換結合磁界の関係を示す図である。 本発明のトンネル磁気記録素子を用いた磁気メモリセルの構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気記録素子を用いた磁気メモリセルの構成例を示した図である。 本発明の実施例１のトンネル磁気記録素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示した図である。 本発明の実施例２のトンネル磁気記録素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示した図である。 本発明の実施例２のトンネル磁気記録素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示した図である。
符号の説明
１～７・・・トンネル磁気記録素子、１０・・・第１の電源、１１・・・第１のスイッチング素子、２０・・・第２の電源、２１・・・第２のスイッチング素子、２２・・・検出器、１００・・・トランジスタ、１０１・・・第一のｎ型半導体、１０２・・・第二のｎ型半導体、１０３・・・ｐ型半導体、１２１・・・ドレイン電極、１２２・・・ソース電極、１２３・・・ゲート電極、１４１～１４５，１４７・・・電極、２００・・・トンネル磁気記録素子、２０１・・・磁気固定層、２０２・・・トンネル障壁層、２００２・・・磁気記録層、２０１１・・・第１の磁性層、２０１２・・・第１の非磁性層、２０１３・・・第２の磁性層、２００２１・・・第３の磁性層、２００２２・・・第２の非磁性層、２００２３・・・第４の磁性層、３０１・・・マルチフェロイックス層、４０１・・・絶縁層、５０１・・・第１の電極層、５０２・・・第２の電極層、５０３・・・第３の電極、５０４・・・電極線、５０５・・・ビット線、６０１・・・反強磁性層、６０２・・・反強磁性層、７００・・・磁気メモリセル、７０１・・・電界制御ドライバー、７０２・・・レーザダイオード制御ドライバー、７０３・・・レーザ照射部、８００・・・レーザダイオード。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
　図１は、本発明によるトンネル磁気記録素子の一例を示す断面模式図である。本実施例のトンネル磁気記録素子は、スパッタリング法を用いて作製したが、分子線原子層成長法など他の方法を用いて作製してもかまわない。
　トンネル磁気記録素子１は、第１の電極層５０１側から、磁気固定層２０１、トンネル障壁層２０２、磁気記録層２００２、マルチフェロイックス層３０１、第２の電極層５０２がこの順に積層された構造を有する。第２の電極層５０２は、トンネル磁気記録素子１の磁気情報を電気的に読み出す際に使用する。図１に示した積層順とは逆に、第２の電極５０２を基板側に配置し、マルチフェロイックス層３０１、磁気記録層２００２、トンネル障壁層２０２、磁気固定層２０１、第１の電極層５０１、がこの順に積層された構成を用いることも可能である。マルチフェロイックス層３０１は、反強磁性体の性質と強誘電体の性質を併せ持つ材料層である。従って、磁気記録層２００２の磁化は、反強磁性体としてのマルチフェロイックス層３０１との磁気交換結合により一定方向に固定される。第２の電極層５０２には、第１の電源１０と第１のスイッチング素子１１を含む回路が接続されており、読出し時に使用される。読出し時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて第２の電源２０からトンネル磁気記録素子１の磁気記録層２００２に接続する第３の電極５０３を通じて電流印加を行い検出器２２でトンネル磁気記録素子１の抵抗を電流あるいは電圧出力で読み出す。検出器２２としては、電圧計あるいは電流計を用いることができる。この際に、第１のスイッチング素子１１は閉じられており、マルチフェロイック層３０１と磁気記録層２００２に第１の電源１０から電圧または電界が印加された状態になっている。一方、書込み時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて、第２の電源２０からトンネル磁気記録素子１の磁気記録層２００２に接続する第３の電極５０３を通じてトンネル磁気記録素子に電流供給を行いスピントランスファーにより磁気記録層２００２の磁化方向を任意の方向に向ける。この際に、第１のスイッチング素子１１は開いた状態にしておくことが望ましい。
　図２は、図１に示したトンネル磁気記録素子の変形例を示すものである。図２に示した素子は第２の電極５０２とマルチフェロイック層３０１の間に絶縁層４０１を形成することにより第１の電源１０から電界を効率良くかつ安定にマルチフェロイックス層３０１に印加できる。また、所望最適化された電界値になるように絶縁層４０１の膜厚を設定することが可能となる。
　図３は、図１に示したトンネル磁気記録素子の変形例を示すものである。図３に示したトンネル磁気記録素子３は、磁気固定層２０１の磁化方向を固定する手段として、ＭｎＩｒ，ＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＩｒ，ＭｎＦｅなどの反強磁性層６０１を用いて、磁気固定層と反強磁性層の間に交換結合を働かせることにより、磁気固定層の磁化の固定力を安定させたものである。また、磁気固定層２０１を、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅのような、非磁性層２０１２を挟んで第１の磁性層２０１１と第２の磁性層２０１３が積層され、２層の磁性層２０１１，２０１３の磁化が反平行に結合した積層フェリ構造として磁気固定層の磁化の固定力を安定させる構造としている。
　図４に示したトンネル磁気記録素子４は、図３に示したトンネル磁気記録素子の変形例を示し、磁気記録層２００２に、２層の磁性層２００２１，２００２３で非磁性層２００２２を挟んだ構造を有し、２層の磁性層２００２１，２００２３の磁化が反平行に結合した積層フェリ構造を適用したものである。このときに使用する非磁性層としてはＲｕなどを用いることが望ましい。
　ここで、図１に示すトンネル磁気記録素子の典型的な作製方法について説明する。　
　まず、マルチフェロイックス層３０１について述べる。マルチフェロイックスは、磁気的性質と誘電体の性質の両方を合わせ持つ材料を指し、主として酸化物により形成される。本発明の磁気記録層に電界印加機構を備えたトンネル磁気記録素子に用いるマルチフェロイックス層としては、ＢｉＦｅＯ3，ＹＭｎＯ3，ＣｏＦｅＯ2，Ｃｒ2Ｏ3など、反強磁性と強誘電的性質の両方を備える材料が望ましい。　
　磁気記録層２００２及び磁気固定層２０１には、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素を含む材料を用いるが、特にトンネル障壁層２０２にＭｇＯを使用した場合には、それらにＢを含有する材料を用いることが望ましく、その例を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
また、磁気記録層２００２と磁気固定層２０１は、その磁化方向が素子の膜面垂直方向に向いた強磁性層を用いることも可能である。例えば、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＦｅＢＰｔ、ＣｏＦｅＢＣｒ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔＢ、ＦｅＰｔＢ、ＣｏＧｄ、ＣｏＦｅＢＣｒなどの材料を適用することができる。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜などを使用することが可能である。　
　次に、トンネル障壁層２０２の材料選択について述べる。トンネル障壁層２０２としては、ＭｇＯを用いることが最も望ましいが、ＡｌＯ，ＳｉＯ2のような酸化物、あるいはＧａＡｓやＺｎＳｅなどの半導体材料、ＡｌＮ，ＳｉＮなどの窒化物を用いてもよい。特に、トンネル障壁層２０２にＭｇＯを用いた場合、磁気記録層２００２及び磁気固定層２０１に体心立方格子構造のＣｏＦｅＢを用いることにより、大きなトンネル磁気抵抗効果つまり読出し出力信号を得ることができる。この場合、ＭｇＯもＣｏＦｅＢも（１００）配向性の高い薄膜で構成し、ＣｏＦｅＢの組成をＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20とするのが最も望ましい。　
　図２のトンネル磁気記録素子２に備えた絶縁層４０１に用いる材料は、ＳｉＯやＡｌ2Ｏ3のようなＳｉ又はＡｌの酸化物など、誘電率の大きい材料を用いることが望ましい。他の材料として、ＳｉＮなどの窒化物を用いてよい。
  第１の電極層５０１及び第２の電極層５０２は、ＷやＴｉＮ又はＴｉＮとＡｌＣｕなどの２層膜あるいは多層膜で形成してもよい。　
　図４に示したトンネル磁気記録素子の磁気記録層２００２に使用する磁性層の材料としても、表１に示した材料を用いることが望ましい。　
　このように形成した電界書込み磁気記録膜は、フォトリソグラフィーとイオンミリング、反応性エッチング法などを用いることによって、０．１μｍ×０．１５μｍの面積をもつトンネル磁気記録素子に形成されるが、さらに微細化された素子においても動作が可能である。
　次に、本実施例のトンネル磁気記録素子の書込み、読出し方法について説明する。図８は、トンネル磁気記録素子のマルチフェロイックス層３０１と磁気記録層２００２に電界を印加したとき、その２層間に働く交換結合磁界Ｈｅｘの挙動について示す。Ｈｅｘは電界に対して比例して増大する。ここで、Ｈｅｘは交換結合エネルギーの大きさを磁界で表した値と定義し、ＶＳＭ（試料振動型磁化測定装置）などを用いて磁化の外部磁界依存性を測定することにより評価ができる。
　次に図９に、磁気記録層２００２にＮｉＦｅを使用した場合のＨｅｘと磁気記録層のダンピング定数αの関係を示す。αはＨｅｘに比例して増大することがわかる。例えば、１２０Ｏｅ程度のＨｅｘを生じるとＨｅｘ＝０に比べて、５倍ほどαを増大させることができる。スピントランスファートルクによる磁化反転電流Ｉｃは、磁気記録層２００２のαに比例する。したがって、αが大きい状態は磁気記録層２００２のＩｃが大きい状態であることを意味しており、電流を印加したときに磁気記録層２００２の磁化が反転しにくいことを示す。読出しは、通常書込み電流以下の電流値をトンネル磁気記録素子に印加し、そのときの素子の電流あるいは電圧出力を検出することにより実施されるが、読出し時に電流を印加されるため、読出し電流が微小な電流でもスピントランスファートルクが磁気記録層２００２に作用し、確率的に磁気記録層２００２の磁化方向が反転してしまう。これをいわゆるリードディスターブという。リードディスターブを回避するため従来は磁気記録層２００２の熱安定性を向上させる試みがなされてきたが材料の限界などもあり非常に困難な一面があった。本発明では、特に読出し時にマルチフェロイックス層３０１と磁気記録層２００２に電界を印加し上記のとおり磁気記録層のダンピング定数αをＨｅｘをとおして増大することによりリードディスターブを回避する。読出し時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて第２の電源２０から電流印加を行い検出器２２でトンネル磁気記録素子１の抵抗を電流あるいは電圧出力で読み出す。この際に、第１のスイッチング素子１１は閉じられており、マルチフェロイック層３０１と磁気記録層２００２に第１の電源１０から電圧または電界が印加された状態になり、磁気記録層２００２のダンピング定数αが増大し磁化反転電流Ｉｃが増大された状態になっている。一方、書込み時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて、第２の電源２０からトンネル磁気記録素子に電流供給を行いスピントランスファーにより磁気記録層２００２の磁化方向を任意の方向に向ける。この際に、第１のスイッチング素子１１は開いた状態にしておくことが望ましい。
　ここで、本発明の効果について図１０を使って述べる。図１０は、上記のトンネル磁気記録素子１～４について磁気記録層２００２の磁化の反転確率の熱安定定数Ｅ／ｋＢＴ依存性を示したものである。ここで、Ｅは磁化反転エネルギー、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは温度を表す。図中の実線ａは、マルチフェロイック層３０１に電界を印加しない場合の特性を示す。一方点線ｂは、電界を印加し、ダンピング定数が５～５０倍間で増大した状態の特性を示す。これによると、例えばＥ／ｋＢＴが６０の磁気記録層２００２をもつトンネル磁気記録素子においてダンピング常数αを５倍にすると読出し時の反転確率が１桁以上低減できる。
本発明によるトンネル磁気記録素子の実施例２について説明する。実施例２のシリーズは、レーザダイオードを用いてトンネル磁気記録素子の反強磁性層と磁気記録層にレーザ光を照射することにより磁気記録層のダンピング定数αを制御し、リードディスターブを回避するタイプの磁気記録素子である。
　図５に示すトンネル磁気記録素子５は、第１の電極層５０１側から、磁気固定層２０１、トンネル障壁層２０２、磁気記録層２００２、反強磁性層６０２、レーザダイオード８００、第２の電極層５０２がこの順に積層された構造を有する。第２の電極層５０２は、トンネル磁気記録素子５の磁気情報を電気的に読み出す際に使用する。図５に示した積層順とは逆に、第２の電極５０２を基板側に配置し、レーザダイオード８００、反強磁性層６０２、磁気記録層２００２、トンネル障壁層２０２、磁気固定層２０１、第１の電極層５０１、がこの順に積層された構成を用いることも可能である。従って、磁気記録層２００２の磁化は、反強磁性体６０２との磁気交換結合により一定方向に固定される。第２の電極層５０２には、第１の電源１０と第１のスイッチング素子１１を含む回路が接続されており、読出し時に使用される。読出し時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて第２の電源２０からトンネル磁気記録素子５の磁気記録層２００２に接続する第３の電極５０３を通じて電流印加を行い検出器２２でトンネル磁気記録素子５の抵抗を電流あるいは電圧出力で読み出す。検出器２２としては、電圧計あるいは電流計を用いることができる。この際に、第１のスイッチング素子１１は閉じられており、第１の電源１０からレーザダイオードに電圧が印加された状態になり反強磁性層６０２と磁気記録層２００２にレーザ光が照射された状態になっている。一方、書込み時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて、第２の電源２０からトンネル磁気記録素子５の磁気記録層２００２に接続する第３の電極５０３を通じてトンネル磁気記録素子に電流供給を行いスピントランスファーにより磁気記録層２００２の磁化方向を任意の方向に向ける。この際に、第１のスイッチング素子１１は開いた状態にし、レーザダイオードからレーザ光照射がオフされた状態にしておくことが望ましい。
　図６は、図５に示したトンネル磁気記録素子の変形例を示すものである。図６に示したトンネル磁気記録素子６は、磁気固定層２０１の磁化方向を固定する手段として、ＭｎＩｒ，ＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＩｒ，ＭｎＦｅなどの反強磁性層６０１を用いて、磁気固定層と反強磁性層の間に交換結合を働かせることにより、磁気固定層の磁化の固定力を安定させたものである。また、磁気固定層２０１を、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅのような、非磁性層２０１２を挟んで第１の磁性層２０１１と第２の磁性層２０１３が積層され、２層の磁性層２０１１，２０１３の磁化が反平行に結合した積層フェリ構造として磁気固定層の磁化の固定力を安定させる構造としている。
　図７に示したトンネル磁気記録素子７は、図６に示したトンネル磁気記録素子の変形例を示し、磁気記録層２００２に、２層の磁性層２００２１，２００２３で非磁性層２００２２を挟んだ構造を有し、２層の磁性層２００２１，２００２３の磁化が反平行に結合した積層フェリ構造を適用したものである。このときに使用する非磁性層としてはＲｕなどを用いることが望ましい。
　ここで、図５に示すトンネル磁気記録素子の典型的な作製方法について説明する。　
　まず、レーザダイオード８００について述べる。レーザダイオードは電圧印加によりレーザ発振する機能を有する。例えばＭｇＯ／ＺｎＯ／ＭｇＯ、ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓなどの半導体へテロ接合を用いることができる。　
　反強磁性層６０２には、ＭｎＩｒ，ＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＩｒ，ＭｎＦｅなどの材料を用いることが可能である。　
　磁気記録層２００２及び磁気固定層２０１には、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素を含む材料を用いるが、特にトンネル障壁層２０２にＭｇＯを使用した場合には、それらにＢを含有する材料を用いることが望ましく、その例を前記表１に示す。　
　また、磁気記録層２００２と磁気固定層２０１は、その磁化方向が素子の膜面垂直方向に向いた強磁性層を用いることも可能である。例えば、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＦｅＢＰｔ、ＣｏＦｅＢＣｒ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔＢ、ＦｅＰｔＢ、ＣｏＧｄ、ＣｏＦｅＢＣｒなどの材料を適用することができる。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜などを使用することが可能である。　
　次に、トンネル障壁層２０２の材料選択について述べる。トンネル障壁層２０２としては、ＭｇＯを用いることが最も望ましいが、ＡｌＯ，ＳｉＯ2のような酸化物、あるいはＧａＡｓやＺｎＳｅなどの半導体材料、ＡｌＮ，ＳｉＮなどの窒化物を用いてもよい。特に、トンネル障壁層２０２にＭｇＯを用いた場合、磁気記録層２００２及び磁気固定層２０１に体心立方格子構造のＣｏＦｅＢを用いることにより、大きなトンネル磁気抵抗効果つまり読出し出力信号を得ることができる。この場合、ＭｇＯもＣｏＦｅＢも（１００）配向性の高い薄膜で構成し、ＣｏＦｅＢの組成をＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20とするのが最も望ましい。　
　第１の電極層５０１及び第２の電極層５０２は、ＷやＴｉＮ又はＴｉＮとＡｌＣｕなどの２層膜あるいは多層膜で形成してもよい。　
　図７に示したトンネル磁気記録素子の磁気記録層２００２に使用する磁性層の材料としても、表１に示した材料を用いることが望ましい。　
　このように形成した電界書込み磁気記録膜は、フォトリソグラフィーとイオンミリング、反応性エッチング法などを用いることによって、０．１μｍ×０．１５μｍの面積をもつトンネル磁気記録素子に形成されるが、さらに微細化された素子においても動作が可能である。
　次に、本実施例のトンネル磁気記録素子の書込み、読出し方法について説明する。図１１に、トンネル磁気記録素子の反強磁性層６０２と磁気記録層２００２にレーザ光を照射したとき、照射時間に対する２層間に働く交換結合磁界Ｈｅｘの挙動について示す。照射時間が１０００ピコ秒（＝１ナノ秒）以下の領域で照射時間ｐｓとともにＨｅｘは増大し、その後飽和する。したがって、照射時間を調整することによりＨｅｘを制御することができる。Ｈｅｘを制御することにより、実施例１で述べたと同様に、磁気記録層２００２のダンピング定数αを増大させることが可能であり、リードディスターブを回避する。読出し時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて第２の電源２０から電流印加を行い検出器２２でトンネル磁気記録素子５の抵抗を電流あるいは電圧出力で読み出す。この際に、第１のスイッチング素子１１は閉じられており、第１の電源１０からレーザダイオードに電圧が印加された状態になり反強磁性層６０２と磁気記録層２００２にレーザ光が照射され、磁気記録層２００２のダンピング定数αが増大し磁化反転電流Ｉｃが増大された状態になっている。一方、書込み時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて、第２の電源２０からトンネル磁気記録素子に電流供給を行いスピントランスファーにより磁気記録層２００２の磁化方向を任意の方向に向ける。この際に、第１のスイッチング素子１１は開いた状態にし、レーザダイオードからレーザ光照射がオフされた状態にしておくことが望ましい。
　本実施例の効果については実施例１と同様であり、読出し時にレーザを照射し、照射しないときに比べてαを５～５０倍増大した状態にすることにより読出し時の反転確率が１桁以上低減できる。
　図１２と図１３は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。この磁気メモリセルは、メモリセルとして実施例１あるいは実施例２に示したトンネル磁気記録素子２００を搭載したものである。図１２は、トンネル磁気記録素子２００が電極１４２の直上から電極層５０１を介してずらして配置された構造を有する磁気メモリセルの構成例を示す。また図１３は、トンネル磁気記録素子２００が電極１４２の直上に電極層５０１を介して配置された構造を有する磁気メモリセルの構成例を示したものである。
　Ｃ－ＭＯＳトランジスタ１００は、２つのｎ型半導体１０１，１０２と一つのｐ型半導体１０３からなる。ｎ型半導体１０１にドレインとなる電極１２１が電気的に接続され、電極１４１，１４７を介してグラウンドに接続されている。ｎ型半導体１０２には、ソースとなる電極１２２が電気的に接続されている。ゲート電極１２３のＯＮ／ＯＦＦによりソース電極１２２とドレイン電極１２１の間の電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する。ソース電極１２２には電極１４５，１４４，１４３，１４２，５０１が積層され、トンネル磁気記録素子２００が接続されている。
　ビット線５０５はトンネル磁気記録素子２００の磁気記録層２００２に接続されている。ビット線５０５からトランジスタ１００を介して電流あるいは電圧を印加することにより読出しを行う。特に、読出し層として障壁層と磁気固定層を適用したときは、トンネル磁気抵抗効果により読出しを行う。本実施例の磁気メモリセルでは、トンネル磁気記録素子２００の電極５０２に印加する電圧により、磁気記録層２００２の磁化方向を制御する。
　図１４は、上記磁気メモリセルを配置した磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図であり、磁気メモリセルとして実施例１のトンネル磁気記録素子を搭載した磁気ランダムアクセスメモリである。ゲート電極１２３とビット線５０５が磁気メモリセル７００に電気的に接続されている。記録動作は、ゲート電極とビット線により選択されたメモリセルに電圧あるいは電流を印加することにより行う。また、トランジスタで選択されたメモリセルにおいて、ビット線とトランジスタ１００の間の電圧あるいは抵抗変化によりメモリセルの情報を読み出す。特に、この読出し動作のときに電界制御ドライバー７０１と電極線５０４により磁気メモリセルに電界を印加することにより、磁気メモリセルの磁気記録層のダンピング定数を制御して、読出し動作時の誤書込みを抑制する。上記実施例に記載した磁気メモリセルを配置することにより高速・低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
　図１５は、上記磁気メモリセルを配置した磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図であり、磁気メモリセルとして実施例２のトンネル磁気記録素子を搭載した磁気ランダムアクセスメモリである。ゲート電極１２３とビット線５０５が磁気メモリセル７００に電気的に接続されている。記録動作は、ゲート電極とビット線により選択されたメモリセルに電圧あるいは電流を印加することにより行う。また、トランジスタで選択されたメモリセルにおいて、ビット線とトランジスタ１００の間の電圧あるいは抵抗変化によりメモリセルの情報を読み出す。特に、この読出し動作のときにレーザダイオード制御ドライバー７０２と電極線５０４により磁気メモリセルにレーザ照射することにより、磁気メモリセルの磁気記録層のダンピング定数を制御して、読出し動作時の誤書込みを抑制する。上記実施例に記載した磁気メモリセルを配置することにより誤書込み率が従来の磁気ランダムアクセスメモリに比べて１桁以上提言された高速・低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
　図１６は、図１５の磁気ランダムアクセスメモリにおいてレーザダイオードを任意のサブアレイ単位で具備し、磁気情報読出し時にサブアレイ単位でレーザ光照射を行う方式の磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。レーザ照射は、図１６のようにレーザ照射部７０３に覆われた複数個の磁気メモリセルに同時に照射される。レーザ照射は、任意の単位の読出しを行いたい磁気メモリセルを含むエリアに行われる。レーザ照射中に、目的とする磁気メモリセルの磁気記録状態をトランジスタ１００とビット線５０５のパスにより読み取る。レーザ照射中は、レーザ照射された任意の磁気メモリセルの磁気記録層のダンピング定数が増大し、その磁気メモリセルにおける読出し時の誤書込みの確率が低減できる。誤書込みの低減の程度は図１１に示した程度であり、約２桁の誤書込み低減の効果が可能である。この構成により、高速・低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気ランダムアクセスメモリを実現可能である。

Claims (17)

  1. 　磁気記録層と、
    　前記磁気記録層に隣接する障壁層と、
    　前記障壁層に隣接する磁気固定層と、
    　前記磁気記録層の他方の面に隣接して設けられたマルチフェロイックス層と、
    　前記磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、
    　前記マルチフェロイックス層側に設けられた第２の電極層と、
    　前記磁気記録層に接続された第３の電極とを有し、
    　前記磁気記録層は、前記マルチフェロイックス層との間に作用する磁気交換結合により、磁化方向が固定され、
    　前記磁気固定層と前記磁気記録層の磁化方向に応じて電気抵抗が変化し、
    　前記磁気記録層の磁気情報を読み出す際に、前記第１の電極層と第２の電極層を介して前記マルチフェロイックス層に電界を印加することにより、前記磁気記録層の磁化回転の確率を低減させて、前記第１の電極層と前記第3の電極との間の電気抵抗を検出して読み出し、
    　前記磁気記録層に磁気情報を書き込む際に、前記第１の電極層と前記第３の電極を介して電流を印加することにより、磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込むものであるトンネル磁気記録素子。
  2. 　請求項１記載のトンネル磁気記録素子において、前記マルチフェロイックス層と前記第２の電極層との間に絶縁層が設けられていることを特徴とするトンネル磁気記録素子。
  3. 　請求項１記載のトンネル磁気記録素子において、
    　前記障壁層はＭｇＯからなり、
    　前記磁気記録層は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含有する体心立方格子の膜であることを特徴とするトンネル磁気記録素子。
  4. 　請求項１記載のトンネル磁気記録素子において、
    　前記磁気記録層と前記磁気固定層の少なくとも一方の磁化方向が膜面垂直方向であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  5. 　請求項１記載のトンネル磁気記録素子において、前記磁気記録層は、非磁性層を挟んで設けられた第一の磁性層と第二の磁性層を有し、前記第一の磁性層と第二の磁性層の磁化が反平行に結合していることを特徴とするトンネル磁気記録素子。
  6. 　請求項１記載のトンネル磁気記録素子において、前記磁気固定層は、非磁性層を挟んで設けられた第一の磁性層と第二の磁性層を有し、前記第一の磁性層と第二の磁性層の磁化が反平行に結合していることを特徴とするトンネル磁気記録素子。
  7. 　反強磁性層と、
    　前記反強磁性層に隣接する磁気記録層と、
    　前記磁気記録層に隣接する障壁層と、
    　前記障壁層に隣接する磁気固定層と、
    　前記反強磁性層の他方の面に隣接して設けられたレーザダイオード層と、
    　前記磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、
    　前記レーザダイオード層側に設けられた第２の電極層と、
    　前記磁気記録層に接続された第３の電極とを有し、
    　前記磁気記録層は、前記反強磁性層との間に作用する磁気交換結合により、磁化方向が固定され、
    　前記磁気固定層と前記磁気記録層の磁化方向に応じて電気抵抗が変化し、
    　前記磁気記録層の磁気情報を読み出す際に、前記レーザダイオード層からレーザを照射することにより、前記磁気記録層の磁化回転の確率を低減させて、前記第１の電極層と前記第３の電極との間の電気抵抗を検出して読み出し、
    　前記磁気記録層に磁気情報を書き込む際に、前記第１の電極層と前記第３の電極を介して電流を印加することにより、磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込むものであるトンネル磁気記録素子。
  8. 　請求項７記載のトンネル磁気記録素子において、
    　前記障壁層はＭｇＯからなり、
    　前記磁気記録層は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含有する体心立方格子の膜であることを特徴とするトンネル磁気記録素子。
  9. 　請求項７記載のトンネル磁気記録素子において、
    　前記磁気記録層と前記磁気固定層の少なくとも一方の磁化方向が膜面垂直方向であることを特徴とするトンネル磁気記録素子。
  10. 　請求項７記載のトンネル磁気記録素子において、前記磁気記録層は、非磁性層を挟んで設けられた第一の磁性層と第二の磁性層を有し、前記第一の磁性層と第二の磁性層の磁化が反平行に結合していることを特徴とするトンネル磁気記録素子。
  11. 　請求項７記載のトンネル磁気記録素子において、前記磁気固定層は、非磁性層を挟んで設けられた第一の磁性層と第二の磁性層を有し、前記第一の磁性層と第二の磁性層の磁化が反平行に結合していることを特徴とするトンネル磁気記録素子。
  12. 　磁気記録層と、前記磁気記録層に隣接する障壁層と、前記障壁層に隣接する磁気固定層と、前記磁気記録層の他方の面に隣接して設けられたマルチフェロイックス層と、前記磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、前記マルチフェロイックス層側に設けられた第２の電極層と、前記磁気記録層に接続された第３の電極とを有し、前記磁気記録層は、前記マルチフェロイックス層との間に作用する磁気交換結合により、磁化方向が固定され、前記磁気固定層と前記磁気記録層の磁化方向に応じて電気抵抗が変化するトンネル磁気記録素子と、
    　第１の電源と当該第１の電源による電圧印加をオン・オフ制御する第１のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と第２の電極層に接続され、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗を読み出す際に前記マルチフェロイックス層に電界を印加することにより、前記磁気記録層の磁化回転の確率を低減させ、第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・オフ制御する第２のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と前記磁気記録層に接続された第3の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗に応じた信号を得る読出し回路と、
    　前記第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・オフ制御する前記第２のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と前記磁気記録層に接続された前記第３の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込む書込み回路とを有する磁気メモリセル。
  13. 　請求項１２記載の磁気メモリセルにおいて、前記トンネル磁気記録素子は、前記マルチフェロイックス層と前記第２の電極層の間に絶縁層が設けられていることを特徴とする磁気メモリセル。
  14. 　反強磁性層と、前記反強磁性層に隣接する磁気記録層と、前記磁気記録層に隣接する障壁層と、前記障壁層に隣接する磁気固定層と、前記反強磁性層の他方の面に隣接して設けられたレーザダイオード層と、前記磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、前記レーザダイオード層側に設けられた第２の電極層と、前記磁気記録層に接続された第３の電極とを有し、前記磁気記録層は、前記反強磁性層との間に作用する磁気交換結合により、磁化方向が固定され、前記磁気固定層と前記磁気記録層の磁化方向に応じて電気抵抗が変化するトンネル磁気記録素子と、
    　第１の電源と当該第１の電源による電圧印加をオン・オフ制御する第１のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と第２の電極層に接続され、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗を読み出す際に前記レーザダイオード層に電圧を印加し、レーザダイオード層から前記トンネル磁気記録素子にレーザが照射されることにより、前記磁気記録層の磁化回転の確率を低減させ、第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・オフ制御する第２のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と前記磁気記録層に接続された前記第３の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗に応じた信号を得る読出し回路と、
    　前記第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・オフ制御する前記第２のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と前記磁気記録層に接続された前記第３の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込む書込み回路とを有する磁気メモリセル。
  15. 　複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備える磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
    　前記磁気メモリセルは、
    　磁気記録層と、前記磁気記録層に隣接する障壁層と、前記障壁層に隣接する磁気固定層と、前記磁気記録層の他方の面に隣接して設けられたマルチフェロイックス層と、前記磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、前記マルチフェロイックス層側に設けられた第２の電極層と、前記磁気記録層に接続された第３の電極とを有し、前記磁気記録層は、前記マルチフェロイックス層との間に作用する磁気交換結合により、磁化方向が固定され、前記磁気固定層と前記磁気記録層の磁化方向に応じて電気抵抗が変化するトンネル磁気記録素子と、
    　第１の電源と当該第１の電源による電圧印加をオン・オフ制御する第１のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と第２の電極層に接続され、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗を読み出す際に前記マルチフェロイックス層に電界を印加することにより、前記磁気記録層の磁化回転の確率を低減させ、第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・オフ制御する第２のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と前記磁気記録層に接続された第３の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗に応じた信号を得る読出し回路と、
    　前記第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・オフ制御する前記第２のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と前記磁気記録層に接続された前記第３の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込む書込み回路とを有するものである磁気ランダムアクセスメモリ。
  16. 　複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備える磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
    　前記磁気メモリセルは、
    　反強磁性層と、前記反強磁性層に隣接する磁気記録層と、前記磁気記録層に隣接する障壁層と、前記障壁層に隣接する磁気固定層と、前記反強磁性層の他方の面に隣接して設けられたレーザダイオード層と、前記磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、前記レーザダイオード層側に設けられた第２の電極層と、前記磁気記録層に接続された第３の電極とを有し、前記磁気記録層は、前記反強磁性層との間に作用する磁気交換結合により、磁化方向が固定され、前記磁気固定層と前記磁気記録層の磁化方向に応じて電気抵抗が変化するトンネル磁気記録素子と、
    　第１の電源と当該第１の電源による電圧印加をオン・オフ制御する第１のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と第２の電極層に接続され、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗を読み出す際に前記レーザダイオード層に電圧を印加し、レーザダイオード層から前記トンネル磁気記録素子にレーザが照射されることにより、前記磁気記録層の磁化回転の確率を低減させ、第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・オフ制御する第２のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と前記磁気記録層に接続された前記第３の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗に応じた信号を得る読出し回路と、
    　前記第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・オフ制御する前記第２のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と前記磁気記録層に接続された前記第３の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込む書込み回路とを有するものである磁気ランダムアクセスメモリ。
  17. 　請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
    　任意の複数個の磁気メモリセルにレーザを照射させるレーザダイオードを備えることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
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