WO2011096312A1 - トンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

トンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリ Download PDF

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WO2011096312A1
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ferromagnetic
layer
ferromagnetic resonance
resonance frequency
recording layer
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路彦 山ノ内
宏昌 高橋
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株式会社日立製作所
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    • H—ELECTRICITY
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    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a tunnel magnetoresistive effect element that exhibits a large resistance change in accordance with the magnetization direction of a recording layer, a nonvolatile magnetic memory cell using the same, and a magnetic random access memory.
  • Patent Literature 1 discloses a nonvolatile magnetic memory in which magnetic information is written by spin transfer torque.
  • This nonvolatile magnetic memory includes a magnetoresistive element in which a ferromagnetic layer (fixed layer) having a fixed magnetization direction and a ferromagnetic layer (recording layer) having a variable magnetization direction are stacked via a nonmagnetic layer. Used for.
  • This magnetoresistive effect element has a low resistance (high resistance) in a parallel (antiparallel) state according to the relative magnetization directions of the recording layer and the fixed layer.
  • Binary information is assumed.
  • a current is passed through the magnetoresistive effect element, spin transfer torque is applied to the magnetization of the recording layer, and the magnetization direction is rotated.
  • a current smaller than the write current is supplied to detect the resistance of the magnetoresistive element.
  • a tunnel magnetoresistive effect element which shows a large resistance change according to the magnetization direction of the recording layer is used.
  • the nonmagnetic layer laminated between the recording layer and the fixed layer is an insulating layer, and a write current flows through the insulating layer at the time of writing. Therefore, when the write current is large, the insulating layer breaks down due to writing.
  • the magnitude of the write current when writing with the spin transfer torque is almost proportional to the damping constant, the square of the magnitude of the magnetization of the ferromagnetic recording layer, and the volume of the ferromagnetic recording layer.
  • the thermal stability index E / kT of the stored information is proportional to the magnitude of magnetization, the anisotropic magnetic field, and the volume of the ferromagnetic recording layer. When this value is small, the stored information is unexpectedly stored. The probability of rewriting increases.
  • the write current and E / kT have a correlation because they depend on a common parameter.
  • An object of the present invention is to provide a tunnel magnetoresistive effect element capable of reducing a write current without affecting the thermal stability index E / kT of information, a non-volatile magnetic memory cell using the same, and a magnetic random access memory.
  • the difference between the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic resonance layer and the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic recording layer is within ⁇ 10% of the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic recording layer.
  • a tunnel magnetoresistive effect element is characterized.
  • a tunnel magnetoresistive effect element includes an insulating layer, a ferromagnetic recording layer and a ferromagnetic fixed layer provided between the insulating layers, a nonmagnetic layer and a ferromagnetic resonance layer sequentially provided on the ferromagnetic recording layer.
  • the magnetization of the ferromagnetic recording layer can be reversed by a spin transfer torque, and the difference between the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic resonance layer and the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic recording layer is the ferromagnetic recording layer.
  • the magnetic memory cell is characterized by being within ⁇ 10% of the ferromagnetic resonance frequency of the layer.
  • a plurality of magnetic memory cells means for selecting a desired magnetic memory cell from the plurality of magnetic memory cells; and means for reading or writing information from or to the selected magnetic memory cell.
  • the magnetic memory cell performs on / off control of a tunnel magnetoresistive effect element, an electrode for passing a current through the tunnel magnetoresistive effect element, and a current flowing through the tunnel magnetoresistive effect element.
  • the tunnel magnetoresistive element includes an insulating layer, a ferromagnetic recording layer provided between the insulating layers, a ferromagnetic pinned layer, and a nonmagnetic layer provided sequentially on the ferromagnetic recording layer.
  • the ferromagnetic recording layer, and the magnetization of the ferromagnetic recording layer can be reversed by a spin transfer torque.
  • a magnetic random access memory wherein a difference between the ferromagnetic resonance frequency of the magnetic resonance frequency and the ferromagnetic recording layer is within ⁇ 10% of the ferromagnetic resonance frequency of said ferromagnetic recording layer.
  • a tunnel magnetoresistive effect element capable of reducing a write current without affecting the thermal stability index E / kT of information, a nonvolatile magnetic memory cell using the same, and a magnetic random access memory are provided. Can be provided.
  • FIG. 3A is a diagram showing how the write current changes depending on the difference in ferromagnetic resonance frequency between the ferromagnetic recording layer and the ferromagnetic resonance layer in FIG.
  • FIG. 4C is a schematic diagram when the magnetization direction of the ferromagnetic recording layer changes with time
  • FIG. 4C is a schematic diagram when the magnetization direction of the ferromagnetic resonance layer changes with time due to the spin current flowing out of the ferromagnetic recording layer.
  • FIG. (A) is a calculation result showing the normalized current dependence of the ferromagnetic resonance frequency in the ferromagnetic recording layer
  • (b) is a method of adjusting the ferromagnetic resonance frequency by utilizing the change in the ferromagnetic resonance frequency due to the current.
  • FIG. (A) is schematic sectional drawing of the tunnel magnetoresistive effect element provided with the heating layer based on a 4th Example
  • (b) is the relationship between the electric current which supplied the heating layer, and the ferromagnetic resonance frequency of a ferromagnetic resonance layer
  • FIG. It is a schematic principal part sectional drawing of the tunnel magnetoresistive effect element which has a magnetic field application means based on a 5th Example.
  • It is a schematic block diagram of the magnetic memory cell and magnetic random access memory which concern on a 6th Example.
  • It is the schematic of the magnetic random access memory provided with the magnetic field generator based on the 7th Example.
  • the write current I c0 is substantially proportional to the damping constant ⁇ , the square of the magnitude of the magnetization of the recording layer, and the volume of the recording layer (I c0 ⁇ M 2 V).
  • the thermal stability index E / kT of the stored information is proportional to the product of the magnetization M of the recording layer, the anisotropic magnetic field H K , and the volume V of the recording layer (E / kT ⁇ MH K V). Therefore, in this embodiment, by reducing the damping constant ⁇ that can be controlled independently of E / kT, I c0 is reduced without affecting E / kT.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of spin pumping in a structure in which a nonmagnetic layer is laminated on a ferromagnetic layer.
  • FIG. 1 when the ferromagnetic layer 100 and the nonmagnetic layer 101 are laminated, if the direction of the magnetization 103 of the ferromagnetic layer 100 changes with time due to application of a magnetic field, spin transfer torque, etc., the phenomenon called spin pumping causes strong A spin current 102 represented by I pump ⁇ M ⁇ dM / dt flows from the magnetic layer 100 to the nonmagnetic layer 101.
  • M is a magnetization vector.
  • the damping constant of the ferromagnetic layer 100 is the damping constant ⁇ 0 inherent to the material of the ferromagnetic layer 100. Increased compared to Therefore, if the spin current 102 is prevented from flowing out of the ferromagnetic layer 100, the effective damping constant of the ferromagnetic layer 100 can be reduced.
  • the damping constant ⁇ 0 of the ferromagnet is inherent to the material, but generally has an effective value of ⁇ that is larger than ⁇ 0 due to the material and laminated structure laminated around the ferromagnet. .
  • the write current I c0 is reduced by bringing the effective damping constant ⁇ closer to the material-specific damping constant ⁇ 0 .
  • the tunnel magnetoresistive element 300 has a laminated structure of a ferromagnetic pinned layer 301, an insulating layer 302, a ferromagnetic recording layer 303, a nonmagnetic layer 304, and a ferromagnetic resonance layer 305, and applies a voltage / current.
  • the electrode 306 and the electrode 307 are provided.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layer 301, the ferromagnetic recording layer 303, and the ferromagnetic resonance layer 305 are in-plane directions of the laminated structure.
  • the ferromagnetic resonance frequencies of the ferromagnetic recording layer 303 and the ferromagnetic resonance layer 305 are f0 and f1, respectively.
  • f0 f1.
  • the damping constant of the ferromagnetic recording layer 303 is approximately twice ⁇ 0 .
  • the tunnel magnetoresistive effect element 308 has a laminated structure of a ferromagnetic pinned layer 309, an insulating layer 310, and a ferromagnetic recording layer 311, and includes an electrode 312 and an electrode 313 for applying a voltage / current.
  • 3A and 3B the materials of the insulating layer 302 and the insulating layer 310, the ferromagnetic fixed layer 301 and the ferromagnetic fixed layer 309, and the ferromagnetic recording layer 303 and the ferromagnetic recording layer 311.
  • the film thickness was the same.
  • the write current in the tunnel magnetoresistive effect element 308 having the conventional structure is substantially equal to the write current when
  • the write current can be reduced to about 1 ⁇ 2 of the conventional one.
  • the write current reduction effect can be obtained even if (f0 ⁇ f1) is within ⁇ 10% of f0, but in order to fully exhibit this effect ( It is desirable that f0-f1) be within ⁇ 3% of f0.
  • FIG. 5A shows the structure of a tunnel magnetoresistive element 500 according to this embodiment.
  • the direction of the magnetization 506 in the ferromagnetic pinned layer 501 is fixed, but the direction of the magnetization 507 in the ferromagnetic recording layer 503 is variable by the spin transfer torque and the external magnetic field.
  • the direction of the magnetization 508 of the ferromagnetic resonance layer 505 is substantially parallel or antiparallel to the magnetization 507, and the magnetostatic interaction between the magnetization 507 of the ferromagnetic recording layer 503 and the magnetization 508 of the ferromagnetic resonance layer 505, and non-
  • the exchange interaction through the magnetic layer 504 is negligible compared to the effect of the anisotropic magnetic field inherent in the ferromagnetic resonance layer 505.
  • the ferromagnetic resonance frequency f0 of the ferromagnetic recording layer 503 and the ferromagnetic resonance frequency f1 of the ferromagnetic resonance layer 505 are (f0 ⁇ f1) within ⁇ 10% of f0, the effect of reducing the write current can be obtained.
  • (f0 ⁇ f1) be within ⁇ 3% of f0 in order to fully exhibit this effect.
  • a current 509 is applied to the tunnel magnetoresistive element 500 (corresponding to a write current)
  • a spin is applied to the magnetization 507 of the ferromagnetic recording layer 503 due to the interaction between the ferromagnetic fixed layer 501 and the ferromagnetic recording layer 503 via the insulating layer 502.
  • Transfer torque acts.
  • the direction of the magnetization 507 changes with time at a frequency close to the ferromagnetic resonance frequency f 0 of the ferromagnetic recording layer 503.
  • the spin current 510 flows from the ferromagnetic recording layer 503 to the nonmagnetic layer 504 as shown in FIG.
  • the direction component perpendicular to the magnetization 508 is vibrating at a frequency close to f 0, and f1 for is close to f0, the magnetization 508 absorbs the spin current FIG 5 (c) As shown, the direction changes with time.
  • the tunnel magnetoresistive effect element according to the present embodiment has a simple configuration in which a ferromagnetic layer is added to a conventional structure via a nonmagnetic layer, so that the write current can be reduced as compared with the conventional structure. Contributes to reliability and low power consumption.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the tunnel magnetoresistive element according to this embodiment.
  • the tunnel magnetoresistive effect element 600 includes an orientation control layer 601, an antiferromagnetic layer 602, a ferromagnetic fixed layer 603, an insulating layer 604, a ferromagnetic recording layer 605, a first nonmagnetic layer 606, and a ferromagnetic resonance layer 607.
  • the magnetoresistance ratio is optimized by heat treatment at an appropriate temperature.
  • the ferromagnetic pinned layer 603 includes a first ferromagnetic layer 608, a second nonmagnetic layer 609, and a second ferromagnetic layer 610. As the ferromagnetic pinned layer 603, a configuration including only the second ferromagnetic layer 610 can also be used.
  • the orientation control layer 601 is, for example, NiFe or a stacked film of Ta and NiFe, and other materials may be used as long as the orientation of the antiferromagnetic layer 602 can be improved and stable antiferromagnetic coupling can be realized.
  • the antiferromagnetic layer 602 is preferably MnIr with a thickness of 8 nm. MnPt and MnFe can also be used.
  • the film thickness is desirably a film thickness larger than a sufficient film thickness to exhibit antiferromagnetism.
  • the first ferromagnetic layer 608 is preferably CoFe
  • the second nonmagnetic layer 609 is Ru
  • the second ferromagnetic layer 610 is preferably body-centered cubic CoFeB.
  • the first ferromagnetic layer 608, the second nonmagnetic layer 609, and the second ferromagnetic layer 610 have antiferromagnetic coupling between the magnetizations of the first ferromagnetic layer 608 and the second ferromagnetic layer 610, and
  • the material and film thickness are selected so that the magnitudes of magnetization of the first ferromagnetic layer 608 and the second ferromagnetic layer 610 are substantially equal.
  • the insulating layer 604 is a magnesium oxide crystal film having a rock salt structure, and a film oriented in the (100) direction is desirable.
  • the film thickness is desirably 0.8 to 1.5 nm.
  • the ferromagnetic recording layer 605 is preferably CoFeB having a body-centered cubic lattice structure.
  • the first nonmagnetic layer 606 can be made of Cu, Al, Ag, Au, Cr, Ta, Ru, Ir, Pt, W, Mo, or an alloy thereof.
  • the film thickness is desirably 1.5 nm or more so that the magnetostatic interaction and exchange interaction between the ferromagnetic recording layer 605 and the ferromagnetic resonance layer 607 are sufficiently small.
  • the difference between the ferromagnetic resonance frequency f1 of the ferromagnetic resonance layer 607 and the ferromagnetic resonance frequency 01 of the ferromagnetic recording layer 605 may be within ⁇ 10% of f0, but more preferably within ⁇ 3%. Further, it is desirable that the ferromagnetic recording layer 605 and the ferromagnetic resonance layer 607 have the same magnetization magnitude.
  • the ferromagnetic resonance frequency f 0 is substantially proportional to (H d ⁇ H h ) 1/2 .
  • H d is a demagnetizing field
  • H h is an anisotropic magnetic field in the hard axis direction in the film plane.
  • H d is proportional to the magnitude of magnetization of the ferromagnetic layer, and H h depends on the shape, the orientation direction of the magnetic elements constituting the ferromagnetic layer, and the like.
  • the magnitudes of the magnetizations of the ferromagnetic recording layer 605 and the ferromagnetic resonance layer 607 are substantially equal.
  • the resonance frequency is determined by the shape of the element.
  • the ferromagnetic resonance layer 607 and the ferromagnetic recording layer 605 are close in position, and when processed using the same mask, they are considered to have substantially the same shape.
  • the control of the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic resonance layer 607 can be realized relatively easily.
  • the ferromagnetic resonance layer 607 is made of a ferromagnetic material different from that of the ferromagnetic recording layer 605 (Co, Fe, Ni alloy, and B, Cr, C, Ta, Mg, V, Mo, Si, Ru, Ti, Hf, Mg, Pt, etc.) may be used. In that case, the material and film thickness of the ferromagnetic resonance layer 607 are selected so that the magnetization size is the same as that of the ferromagnetic recording layer 605.
  • the ferromagnetic resonance layer 607 includes not only the structure of the single ferromagnetic layer described above but also antiferromagnetic materials MnIr, MnPt, MnFe, etc. whose anisotropy can be controlled by the composition and film thickness on the ferromagnetic layer. A stacked structure can be used.
  • the effect of reducing the write current according to this example was confirmed by calculation.
  • Fe having a thickness of 2.4 nm is used as a ferromagnetic recording layer.
  • the material-specific damping constant ⁇ 0 is 0.0044.
  • increase ⁇ damping constant from alpha 0 is about 0.004. Therefore, the effective damping constant is about 0.0084 of the sum thereof.
  • the above-described ⁇ can be made zero, so that the effective damping constant is 0.0044, and the write current can be reduced to about 1 ⁇ 2 of the conventional structure.
  • ⁇ is inversely proportional to the film thickness of the ferromagnetic recording layer, so the write current can be significantly reduced compared to the conventional structure. It is.
  • the magnetization direction of the ferromagnetic layer is the in-plane direction of the multilayer structure, but the magnetization direction may be the direction perpendicular to the film plane of the multilayer structure.
  • the antiferromagnetic layer 602 is preferably 8 nm thick MnIr. MnPt and MnFe can also be used.
  • the film thickness is desirably a film thickness larger than a sufficient film thickness to exhibit antiferromagnetism.
  • the antiferromagnetic layer 602 need not be used.
  • the first ferromagnetic layer 608, the second ferromagnetic layer 610, the ferromagnetic recording layer 605, and the ferromagnetic resonance layer 607 include one or more elements of Fe, Co, Ni, Mn, and Cr and Pt, Pd. , Ir, Ru, and Rh can be used. Moreover, alloys such as GdFe, GdCo, GdFeCo, TbFe, TbCo, TbFeCo, GdTbFe, GdTbCo, DyFe, DyCo, and DyFeCo containing rare earth elements can also be used.
  • the insulating layer 604 is a magnesium oxide crystal film having a rock salt structure, and a film oriented in the (100) direction is desirable. In that case, it is desirable to insert a CoFeB layer having a body-centered cubic structure at the junction between the second ferromagnetic layer 610 and the ferromagnetic recording layer 605 and the insulating layer 604 side. However, if a sufficient magnetoresistance ratio is obtained, the CoFeB layer is unnecessary.
  • the second nonmagnetic layer 609 and the first nonmagnetic layer 606 are the same as in the case where the magnetization direction of the ferromagnetic layer is in the in-plane direction of the laminated structure.
  • the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic resonance layer 607 is within ⁇ 3% of the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic recording layer 605, and the magnetization magnitudes of the ferromagnetic recording layer 605 and the ferromagnetic resonance layer 607 are equal. Is desirable.
  • the ferromagnetic resonance frequency is substantially proportional to (H d ⁇ H u ).
  • Hu is a uniaxial anisotropic magnetic field.
  • H d is proportional to the magnitude of magnetization of the ferromagnetic layer, and H u depends on the orientation direction of the magnetic element.
  • the magnetization direction of the ferromagnetic resonance layer 607 described above is the film surface.
  • the ferromagnetic resonance frequency can be easily controlled as compared with the case of being in the inward direction.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the tunnel magnetoresistive element according to this example.
  • the tunnel magnetoresistive element 700 includes an orientation control layer 701, an antiferromagnetic layer 702, a ferromagnetic pinned layer 703, an insulating layer 704, a ferromagnetic recording layer 705, a second nonmagnetic layer 706, and a ferromagnetic resonance layer 707.
  • the magnetoresistance ratio is optimized by heat treatment at an appropriate temperature.
  • the ferromagnetic recording layer 705 includes a first ferromagnetic layer 708, a first nonmagnetic layer 709, and a second ferromagnetic layer 710.
  • the ferromagnetic pinned layer 703 includes a third ferromagnetic layer 711, a third nonmagnetic layer 712, and a fourth ferromagnetic layer 713. As the ferromagnetic pinned layer 703, a configuration including only the fourth ferromagnetic layer 713 can also be used.
  • the orientation control layer 701 is, for example, NiFe or a stacked film of Ta and NiFe, and other materials may be used as long as the orientation of the antiferromagnetic layer 702 can be improved and stable antiferromagnetic coupling can be realized.
  • the antiferromagnetic layer 702 is preferably MnIr with a thickness of 8 nm. MnPt and MnFe can also be used.
  • the film thickness is desirably a film thickness larger than a sufficient film thickness to exhibit antiferromagnetism.
  • the third ferromagnetic layer 711 is CoFe
  • the third nonmagnetic layer 712 is Ru
  • the fourth ferromagnetic layer 713 is body-centered cubic CoFeB.
  • the third ferromagnetic layer 711, the third nonmagnetic layer 712, and the fourth ferromagnetic layer 713 are connected to the third ferromagnetic layer 711 and the fourth ferromagnetic layer 713 via the third nonmagnetic layer 712.
  • the material and film thickness are selected so that the magnetizations of the third ferromagnetic layer 711 and the fourth ferromagnetic layer 713 are approximately equal in magnitude, and the magnetizations of the third ferromagnetic layer 711 and the fourth ferromagnetic layer 713 are substantially equal.
  • the insulating layer 704 is a magnesium oxide crystal film having a rock salt structure, and a film oriented in the (100) direction is desirable.
  • the film thickness is desirably 0.8 to 1.5 nm.
  • the first ferromagnetic layer 708 is preferably CoFeB having a body-centered cubic lattice structure. CoFeB can be used for the second ferromagnetic layer 710 and Ru can be used for the first nonmagnetic layer 709.
  • the first ferromagnetic layer 708, the first nonmagnetic layer 709, and the second ferromagnetic layer 710 are composed of the first ferromagnetic layer 708 and the second ferromagnetic layer 710 via the first nonmagnetic layer 709.
  • the material and the film thickness are selected so that the magnetizations of the first and second ferromagnetic layers 708 and 710 are almost equal in magnitude and are antiferromagnetically coupled.
  • the second nonmagnetic layer 706 can be made of Cu, Al, Ag, Au, Cr, Ta, Ru, Ir, Pt, W, Mo, or an alloy thereof.
  • the film thickness is preferably 1.5 nm or more so that the magnetostatic interaction and exchange interaction between the ferromagnetic resonance layer 707 and the second ferromagnetic layer 710 are sufficiently small.
  • the difference between the ferromagnetic resonance frequency f1 of the ferromagnetic resonance layer 707 and the ferromagnetic resonance frequency f0 of the ferromagnetic recording layer 705 may be within ⁇ 10% of f0, but more preferably within ⁇ 3%. Further, it is desirable that the second ferromagnetic layer 710 and the ferromagnetic resonance layer 707 have the same magnitude of magnetization.
  • the method for adjusting the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic resonance layer 707 is the same as in the first embodiment.
  • the magnetization direction of the ferromagnetic layer is the in-plane direction of the multilayer structure, but the magnetization direction may be the direction perpendicular to the film plane of the multilayer structure.
  • the antiferromagnetic layer 702 is preferably MnIr with a thickness of 8 nm. MnPt and MnFe can also be used.
  • the film thickness is desirably a film thickness larger than a sufficient film thickness to exhibit antiferromagnetism.
  • the antiferromagnetic layer 702 need not be used.
  • the first ferromagnetic layer 708, the second ferromagnetic layer 710, the ferromagnetic resonance layer 707, the third ferromagnetic layer 711, and the fourth ferromagnetic layer 713 include Fe, Co, Ni, Mn, and Cr. And an alloy composed of one or more elements of Pt, Pd, Ir, Ru, and Rh. Moreover, alloys such as GdFe, GdCo, GdFeCo, TbFe, TbCo, TbFeCo, GdTbFe, GdTbCo, DyFe, DyCo, and DyFeCo containing rare earth elements can also be used.
  • the insulating layer 704 is a magnesium oxide crystal film having a rock salt structure, and a film oriented in the (100) direction is desirable. In that case, it is desirable to insert a CoFeB layer having a body-centered cubic structure at the junction between the first ferromagnetic layer 708 and the fourth ferromagnetic layer 713 and the insulating layer 704 side. However, if a sufficient magnetoresistance ratio can be obtained, the CoFeB layer is unnecessary.
  • the first nonmagnetic layer 709, the second nonmagnetic layer 706, and the third nonmagnetic layer 712 are the same as those in the case where the magnetization direction of the ferromagnetic layer is in the in-plane direction of the laminated structure. .
  • the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic resonance layer 707 is within ⁇ 3% of the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic recording layer 705, and the magnitude of magnetization of the second ferromagnetic layer 710 and the ferromagnetic resonance layer 707 is as follows. It is desirable to be equal.
  • the ferromagnetic resonance frequency is substantially proportional to (H d ⁇ H u ).
  • Hu is a uniaxial anisotropic magnetic field.
  • H d is proportional to the magnitude of magnetization of the ferromagnetic layer, and H u depends on the orientation direction of the magnetic element. Since H d and H u are not easily affected by the element shape, the ferromagnetic resonance frequency can be easily controlled as compared with the case where the magnetization direction of the ferromagnetic resonance layer 707 is in the in-film direction.
  • the thermal stability index E / kT it is possible to provide a tunnel magnetoresistive element capable of reducing the write current without affecting the information thermal stability index E / kT. Further, by applying two antiferromagnetically coupled ferromagnetic layers to the ferromagnetic recording layer, the leakage magnetic field from the ferromagnetic recording layer can be reduced, so that the thermal stability can be improved.
  • the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic recording layer hardly changed during writing.
  • the resonance frequency of the ferromagnetic recording layer changes.
  • I c is a threshold current for spin transfer torque magnetization reversal.
  • the ferromagnetic resonance frequency increases with increasing current. Considering the case where the current required for magnetization reversal is 1 ⁇ 2 of I c in the structure of this embodiment, the ferromagnetic resonance frequency in that state increases by about 2% compared to when no current is applied. . Therefore, the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic resonance layer is designed in consideration of the effect of increasing the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic recording layer due to the current.
  • the difference in the ferromagnetic resonance frequency between the ferromagnetic recording layer and the ferromagnetic resonance layer can be further reduced by adjusting the write current waveform as described below. is there.
  • a gradually rising write current 801 is applied to the tunnel magnetoresistive effect element 800 according to this embodiment. Since the time required for the current rising needs to be sufficiently longer than the precession cycle of magnetization of the ferromagnetic recording layer, 1 ns or more is desirable.
  • the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic recording layer changes depending on the current value, so that the maximum amplitude is at the time when the write current 801 rises and the ferromagnetic recording layer and the ferromagnetic resonance layer.
  • the ferromagnetic resonance frequency is designed so that the magnetization reversal of the ferromagnetic recording layer takes place at the current value
  • the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic recording layer and the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic resonance layer are applied by applying a current.
  • the difference in resonance frequency is smaller than that before applying the current, and the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic recording layer and the ferromagnetic resonance layer can be made to substantially coincide with each other. It is possible to use.
  • the write current of the tunnel magnetoresistive element can be more effectively reduced. Can be reduced.
  • Example 1 to Example 3 and not described in this example can also be applied to this example.
  • FIG. 9A is a schematic cross-sectional view of the tunnel magnetoresistive effect element according to this example.
  • a ferromagnetic resonance auxiliary layer 902 and a heating layer 903 are provided on the ferromagnetic resonance layer 901 of the tunnel magnetoresistive effect element 900.
  • the tunnel magnetoresistive effect element 600 according to the first embodiment is used as the tunnel magnetoresistive effect element.
  • the tunnel magnetoresistive effect element 700 shown in the second embodiment can also be used.
  • the ferromagnetic resonance auxiliary layer 902 is a material whose ferromagnetic resonance frequency changes when heated, and exchange coupled with the ferromagnetic resonance layer 901.
  • a ferrimagnetic material made of an alloy of a rare earth transition metal such as Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, or Dy and a transition metal such as Fe, Co, or Ni can be used.
  • the size and direction of the magnetization of the ferrimagnetic material changes depending on the temperature, and the apparent magnetization becomes zero at the compensation temperature.
  • the compensation temperature can be controlled by adjusting the composition of the rare earth transition metal and the transition metal. Further, at the compensation temperature ⁇ 30 ° C., the ferromagnetic resonance frequency of the ferrimagnetic material varies greatly with temperature, and the magnitude of magnetization is small.
  • the ferromagnetic resonance layer 901 and the ferromagnetic resonance auxiliary layer 902 are exchange-coupled, when the heating layer 903 is energized and the ferromagnetic resonance auxiliary layer 902 is heated, the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic resonance layer 901 is increased. It changes as shown in FIG. Therefore, if the design is made so that the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic recording layer and the ferromagnetic resonance layer 901 substantially coincide with each other due to the heat generation of the heating layer 903 due to the write current, the write current reduction effect can be fully utilized. .
  • the heating layer 903 may not be used when the ferromagnetic resonance auxiliary layer 902 can be heated to a desired temperature by Joule heat generation when energized.
  • a tunnel magnetoresistive element capable of reducing the write current without affecting the information thermal stability index E / kT. Also, by providing a ferromagnetic resonance auxiliary layer and a heating layer having a material whose ferromagnetic resonance frequency changes when heated, the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic recording layer and the ferromagnetic resonance layer can be easily matched, and the write current can be reduced. It can be effectively reduced.
  • Example 1 to Example 4 The fifth embodiment will be described with reference to FIG. It should be noted that matters described in any of the modes for carrying out the invention, Example 1 to Example 4 and not described in this example can also be applied to this example.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a main part of a tunnel magnetoresistive element having magnetic field applying means according to the present embodiment. Even if it is difficult to adjust the ferromagnetic resonance frequencies of the ferromagnetic recording layer 1000 and the ferromagnetic resonance layer 1002 by the methods described in the first, second, and third embodiments, the adjustment is performed. be able to.
  • the ferromagnetic recording layer 1000, the first nonmagnetic layer 1001, and the ferromagnetic resonance layer 1002 are those described in Example 1, Example 2, and Example 3.
  • the ferromagnetic layer 1004 is disposed on the ferromagnetic resonance layer 1002 via the second nonmagnetic layer 1003.
  • An effective magnetic field 1005 is applied from the ferromagnetic layer 1004 to the ferromagnetic resonance layer 1002 to correct the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic resonance layer 1002.
  • the effective magnetic field 1005 utilizes a leakage magnetic field from the ferromagnetic layer 1004, a magnetostatic interaction between the ferromagnetic layer 1004 and the ferromagnetic resonance layer 1002 via the second nonmagnetic layer 1003, and an exchange interaction. can do.
  • the second nonmagnetic layer 1003 can be made of Cu, Al, Ag, Au, Cr, Ta, Ru, Ir, Pt, W, Mo, or an alloy thereof. The material and film thickness are adjusted so as to obtain the required magnitude and direction of the effective magnetic field 1005.
  • the ferromagnetic layer 1004 As the ferromagnetic layer 1004, an alloy of Co, Fe, Ni, and an alloy obtained by adding B, Cr, C, Ta, Mg, V, Mo, Si, Ru, Ti, Hf, Mg, Pt or the like to the alloy is used. be able to. In order to fix the direction of the effective magnetic field 1005, the magnetization direction is preferably fixed. This can be realized by sufficiently increasing the thickness of the ferromagnetic layer 1004 or arranging an antiferromagnetic material such as MnIr, MnPt, MnFe so as to be in contact with the ferromagnetic layer 1004.
  • the tunnel magnetoresistive element capable of reducing the write current without affecting the information thermal stability index E / kT. Further, by providing a magnetic field applying means to the ferromagnetic resonance layer, the ferromagnetic resonance frequency of the ferromagnetic resonance layer is corrected, and the write current can be effectively reduced.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a magnetic memory using a tunnel magnetoresistive element and a magnetic random access memory.
  • the magnetic memory cell 1100 is connected to the tunnel magnetoresistive effect element 1102, the tunnel magnetoresistive effect element 1102 described in Example 1-5, the electrode 1103 connected to the tunnel magnetoresistive effect element 1102, and the tunnel magnetoresistive effect element 1102.
  • a selection transistor (switching element) 1101 that controls ON / OFF of the flowing current and a gate electrode 1104 for transmitting a signal that controls ON / OFF of the current of the selection transistor (switching element) 1101 are configured.
  • the memory array 1105 includes a plurality of magnetic memory cells 1100 arranged in an array.
  • a bit line 1106 and a word line 1107 are connected to the electrode 1103 and the gate electrode 1104 of each magnetic memory cell 1100, respectively.
  • a bit line driver 1108 and a word line driver 1109 are connected to the bit line 1106 and the word line 1107, respectively, and a control signal is sent from the word line driver 1109 to a desired selection transistor to turn on the selection transistor.
  • a read or write current can flow from the bit line driver 1108 to a desired memory cell.
  • the magnetic memory cell and the magnetic random access memory using the tunnel magnetoresistive effect element capable of reducing the write current without affecting the thermal stability index E / kT of information. Can be provided.
  • Example 1 to Example 6 The seventh embodiment will be described with reference to FIG.
  • the matter described in any of the modes for carrying out the invention, Example 1 to Example 6 and not described in this example can be applied to this example.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of the magnetic random access memory according to the present embodiment.
  • a magnetic field generator 1201 is provided outside the memory array 1200. This is used to apply a magnetic field 1202 to the ferromagnetic resonance layer and the ferromagnetic recording layer in the tunnel magnetoresistive effect element according to Example 1-5 and correct the resonance frequency of both. Since the magnetic field 1202 is also applied to the ferromagnetic recording layer, the magnetic field generator 1201 is preferably an electromagnet that can generate the magnetic field 1202 only when writing to the magnetic memory cell. good.
  • a magnetic random access memory using a tunnel magnetoresistive effect element capable of reducing a write current without affecting the information thermal stability index E / kT. Can do. Further, by providing the magnetic field generator, the write current of the tunnel magnetoresistive effect element can be effectively reduced and the magnetic memory cell can be reduced, so that the memory array portion of the magnetic random access memory can be densified.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Ferromagnetic layer, 101 ... Nonmagnetic layer, 102 ... Spin current, 103 ... Magnetization, 201 ... First ferromagnetic layer, 202 ... Nonmagnetic layer, 203 ... Second ferromagnetic layer, 204 ... Magnetization, 205 ... Magnetization, 206 ... Spin current, 207 ... Spin current, 300 ... Tunnel magnetoresistive effect element, 301 ... Ferromagnetic fixed layer, 302 ... Insulating layer, 303 ... Ferromagnetic recording layer, 304 ... Nonmagnetic layer, 305 ... Ferromagnetic Resonant layer, 306 ... electrode, 307 ... electrode, 308 ...
  • tunnel magnetoresistive element 309 ... ferromagnetic pinned layer, 310 ... insulating layer, 311 ... ferromagnetic recording layer, 312 ... electrode, 313 ... electrode, 500 ... tunnel magnetism Resistance effect element 501, Ferromagnetic pinned layer 502, Insulating layer 503 Ferromagnetic recording layer 504 Nonmagnetic layer 505 Ferromagnetic resonance layer 506 Magnetization 507 Magnetization 50 ... Magnetization, 509 ... Current, 510 ... Spin current, 511 ... Spin current, 600 ... Tunnel magnetoresistive effect element, 601 ... Orientation control layer, 602 ... Antiferromagnetic layer, 603 ... Ferromagnetic fixed layer, 604 ... Insulating layer, 605 ...
  • ferromagnetic recording layer 606 ... first nonmagnetic layer, 607 ... ferromagnetic resonance layer, 608 ... first ferromagnetic layer, 609 ... second nonmagnetic layer, 610 ... second ferromagnetic layer, 700: Tunnel magnetoresistive effect element, 701: Orientation control layer, 702 ... Antiferromagnetic layer, 703 ... Ferromagnetic fixed layer, 704 ... Insulating layer, 705 ... Ferromagnetic recording layer, 706 ... Second nonmagnetic layer, 707 ... ferromagnetic resonance layer, 708 ... first ferromagnetic layer, 709 ... first nonmagnetic layer, 710 ... second ferromagnetic layer, 711 ...

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Abstract

　情報の熱安定性指標Ｅ／ｋＴに影響を与えることなく書き込み電流を低減可能なトンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリを提供するために、トンネル磁気抵抗効果素子において、強磁性記録層６０５上に非磁性層６０６を介して、強磁性記録層６０５の強磁性共鳴周波数の±１０％以内の強磁性共鳴周波数を有する強磁性共鳴層６０７を設ける。また、このトンネル磁気抵抗効果素子を磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリに適用する。

Description

トンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリ
　本発明は、記録層の磁化方向に応じて大きな抵抗変化を示すトンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリに関する。
　近年、低消費電力化の要求から、情報保持に電力を必要としない不揮発性メモリの開発が進められている。その一つとして、スピントランスファトルクにより磁気情報の書き込みを行う不揮発性磁気メモリが、例えば特許文献１、特許文献２あるいは特許文献３に開示されている。この不揮発性磁気メモリは、磁化方向の固定された強磁性層（固定層）と磁化方向の可変な強磁性層（記録層）とを非磁性層を介して積層した磁気抵抗効果素子をメモリセルに用いる。この磁気抵抗効果素子は、記録層と固定層の相対的な磁化方向に応じて、互いに平行（反平行）な状態で低抵抗（高抵抗）になるため、不揮発性磁気メモリではこの２状態を２値情報とする。書き込みでは、磁気抵抗効果素子に電流を流し、記録層の磁化にスピントランスファトルクを作用させて、その磁化方向を回転させる。また、読み出しでは、書き込み電流より小さな電流を流し、磁気抵抗効果素子の抵抗を検出する。
　この磁気抵抗効果素子として、記録層の磁化方向に応じて大きな抵抗変化を示す、トンネル磁気抵抗効果素子が用いられる。トンネル磁気抵抗効果素子は、前述の記録層と固定層間に積層した非磁性層が絶縁層であり、書き込みの際、この絶縁層に書き込み電流が流れる。そのため、書き込み電流が大きい場合、書き込みによって絶縁層は絶縁破壊する。
　スピントランスファトルクで書き込みを行う際の書き込み電流の大きさはダンピング定数、強磁性記録層の磁化の大きさの２乗、強磁性記録層の体積にほぼ比例する。一方、記憶されている情報の熱安定性の指標Ｅ／ｋＴは磁化の大きさ、異方性磁界、強磁性記録層の体積に比例し、この値が小さい場合、予期せずに記憶情報が書き変わる確率が増加する。書き込み電流とＥ／ｋＴは共通するパラメータに依存するため相関がある。
米国特許第５，６９５，８６４号明細書 米国特許第６，２５６，２２３号明細書 特開２００２－３０５３３７号公報
　不揮発性磁気メモリでは、書き込み電流の低減と情報の熱安定性指標Ｅ／ｋＴの向上が必須であるが、両者は互いに相関があるため、それらの両立は困難であった。
　本発明は、情報の熱安定性指標Ｅ／ｋＴに影響を与えることなく書き込み電流を低減可能なトンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリの提供を目的とする。
　上記目的を達成するための一実施形態として、絶縁層と、前記絶縁層を挟んで設けられた強磁性記録層と強磁性固定層と、前記強磁性記録層上に順次設けられた非磁性層と強磁性共鳴層とを有し、前記強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数と前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の差が前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の±１０％以内にあることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子とする。
　また、トンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を備えた磁気メモリセルにおいて、前記トンネル磁気抵抗効果素子は、絶縁層と、前記絶縁層を挟んで設けられた強磁性記録層と強磁性固定層と、前記強磁性記録層上に順次設けられた非磁性層と強磁性共鳴層とを有し、前記強磁性記録層の磁化はスピントランスファトルクにより反転可能であり、前記強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数と前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の差が前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の±１０％以内にあることを特徴とする磁気メモリセルとする。
　また、複数の磁気メモリセルと、前記複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、前記選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段とを備えた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、トンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を備え、前記トンネル磁気抵抗効果素子は、絶縁層と、前記絶縁層を挟んで設けられた強磁性記録層と強磁性固定層と、前記強磁性記録層上に順次設けられた非磁性層と強磁性共鳴層とを有し、前記強磁性記録層の磁化はスピントランスファトルクにより反転可能であり、前記強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数と前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の差が前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の±１０％以内にあることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリとする。
　上記構成とすることにより、情報の熱安定性指標Ｅ／ｋＴに影響を与えることなく書き込み電流を低減可能なトンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。
強磁性層上に非磁性層を積層した構造におけるスピンポンピングの模式図である。 非磁性層を２つの強磁性層で挟んだ構造におけるスピンポンピングの模式図である。 （ａ）強磁性記録層上に非磁性層を介して強磁性共鳴層を配置したトンネル磁気抵抗効果素子の模式図、（ｂ）従来構造のトンネル磁気抵抗効果素子の模式図である。 図３（ａ）において、強磁性記録層と強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数の差によって書き込み電流がどのように変化するかを示した図である。 実施の形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子の構造と動作を示した模式図であり、（ａ）はトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図、（ｂ）はトンネル磁気抵抗効果素子に電流が流れ、強磁性記録層の磁化方向が時間変化した時の模式図、（ｃ）は強磁性記録層から流れ出たスピンカレントによって強磁性共鳴層の磁化方向が時間変化した時の模式図である。 第１の実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。 第２の実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。 （ａ）は強磁性記録層における強磁性共鳴周波数の規格化電流依存性を示した計算結果、（ｂ）は電流による強磁性共鳴周波数の変化を利用して、強磁性共鳴周波数を調整する方法の模式図である。 （ａ）は第４の実施例に係る加熱層を備えたトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図、（ｂ）は加熱層に通電した電流と強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数との関係を示す図である。 第５の実施例に係る、磁場印加手段を有するトンネル磁気抵抗効果素子の概略要部断面図である。 第６の実施例に係る磁気メモリセルと磁気ランダムアクセスメモリの概略構成図である。 第７の実施例に係る、磁場発生装置を備えた磁気ランダムアクセスメモリの概略図である。
　スピントランスファトルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリにおいて、書き込み電流Ｉｃ０は、ダンピング定数α、記録層の磁化の大きさの２乗、記録層の体積にほぼ比例する（Ｉｃ０∝αＭ２Ｖ）。一方、記憶されている情報の熱安定性指標Ｅ／ｋＴは、記録層の磁化の大きさＭ、異方性磁界ＨＫ、記録層の体積Ｖの積に比例する（Ｅ／ｋＴ∝ＭＨＫＶ）。したがって、本実施の形態ではＥ／ｋＴと独立に制御可能なダンピング定数αを低減することにより、Ｅ／ｋＴに影響を与えることなくＩｃ０を低減する。
　次に、ダンピング定数αを低減する方法について説明する。図１は強磁性層上に非磁性層を積層した構造におけるスピンポンピングの模式図である。図１に示すように強磁性層１００と非磁性層１０１を積層した場合、磁場、スピントランスファトルクなどの印加によって強磁性層１００の磁化１０３の方向が時間変化すると、スピンポンピングという現象により、強磁性層１００からＩｐｕｍｐ∝Ｍ×ｄＭ／ｄｔで表されるスピンカレント１０２が非磁性層１０１に流れる。ここでＭは磁化ベクトルである。
　強磁性層１００から流れ出たスピンカレント１０２が非磁性層１０１で全て失われたとすると、磁化１０３にトルクが作用し、強磁性層１００のダンピング定数は強磁性層１００の材料固有のダンピング定数α０に比べて増加する。したがって、スピンカレント１０２が強磁性層１００から流れ出ないようにすれば、強磁性層１００の実効的なダンピング定数を低減することが可能である。強磁性体のダンピング定数α０は、材料固有のものであるが、一般的には強磁性体の周囲に積層した材料や積層構造によりα０よりも大きなαという実効的な値となっている。本実施の形態では、この実効的なダンピング定数αを材料固有のダンピング定数α０に近づけることにより書き込み電流Ｉｃ０の低減を図るものである。
　これを実現するための構造として、図２のように非磁性層２０２を介して第一の強磁性層２０１と第二の強磁性層２０３とを積層した構造とする。第一の強磁性層２０１の磁化２０４と第二の強磁性層２０３の磁化２０５の時間変化が同じ場合、スピンポンピングによって第一の強磁性層２０１から流れ出るスピンカレント２０６と第二の強磁性層２０３から流れ出るスピンカレント２０７は相殺する。そのため、第一の強磁性層２０１、及び第二の強磁性層２０３のダンピング定数は、積層構造であるにも関わらず強磁性層の材料固有の値α０まで低減する。
　上記をもとに、図３（ａ）に示すトンネル磁気抵抗効果素子３００における書き込み電流を調べた。トンネル磁気抵抗効果素子３００は、強磁性固定層３０１、絶縁層３０２、強磁性記録層３０３、非磁性層３０４、強磁性共鳴層３０５の積層構造で構成されており、電圧・電流を印加するために電極３０６と電極３０７を備えている。強磁性固定層３０１、強磁性記録層３０３、強磁性共鳴層３０５の磁化方向は積層構造の膜面内方向である。また、強磁性記録層３０３、及び強磁性共鳴層３０５の強磁性共鳴周波数はそれぞれ、ｆ０、ｆ１である。
　強磁性共鳴周波数ｆ０とｆ１の差（ｆ０－ｆ１）に対して、スピントランスファトルクによる書き込み電流を検討した結果を図４に示す。強磁性共鳴周波数ｆ０とｆ１が一致する時に書き込み電流は最小値をとることを見出した。これは、図２で説明したように、強磁性記録層３０３、及び強磁性共鳴層３０５から流れ出るスピンカレントが、ｆ０＝ｆ１において非磁性層３０４内で相殺し、強磁性記録層３０３のダンピング定数が材料固有のダンピング定数α０まで低減するためである。
　一方、強磁性共鳴周波数ｆ０とｆ１の差の絶対値｜ｆ０－ｆ１｜がｆ０の１０％より大きい（｜ｆ０－ｆ１｜＞０．１×ｆ０）場合の書き込み電流は、ｆ０＝ｆ１の場合の約２倍になる。これは、強磁性記録層３０３、及び強磁性共鳴層３０５から流れ出るスピンカレントが互いの層に吸収され、強磁性記録層３０３のダンピング定数がα０の約２倍になるためである。
　続いて、比較のために図３（ｂ）に示すような、従来構造のトンネル磁気抵抗効果素子３０８における書き込み電流についても調べた。トンネル磁気抵抗効果素子３０８は強磁性固定層３０９、絶縁層３１０、強磁性記録層３１１の積層構造であり、電圧・電流を印加するために電極３１２と電極３１３を備えている。ここで、図３（ａ）と図３（ｂ）において、絶縁層３０２と絶縁層３１０、強磁性固定層３０１と強磁性固定層３０９、及び強磁性記録層３０３と強磁性記録層３１１の材料、膜厚は同じとした。強磁性記録層３１１と電極３１３との界面では、欠陥などにより強磁性記録層３１１から流れ出たスピンカレントが失われる可能性が高い。そこで、その界面でスピンカレントが全て失われるとすると、従来構造のトンネル磁気抵抗効果素子３０８における書き込み電流は、図４において｜ｆ０－ｆ１｜がｆ０の１０％より大きい場合の書き込み電流にほぼ等しくなった。
　したがって、強磁性共鳴周波数ｆ０＝ｆ１の強磁性共鳴層３０５をもつトンネル磁気抵抗効果素子３００の適用により、書き込み電流を従来の約１／２に低減可能である。ここで、強磁性共鳴の周波数には幅があるので、（ｆ０－ｆ１）がｆ０の±１０％以内であっても書き込み電流低減効果が得られるが、この効果を十分発揮するためには（ｆ０－ｆ１）をｆ０の±３％以内にすることが望ましい。
　図５（ａ）（ｂ）（ｃ）を用いて本実施の形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子の構造、及び素子の動作について説明する。下記では、磁化方向が積層構造の膜面内方向にある場合について説明するが、磁化方向が膜面垂直方向の場合についても同様である。本実施の形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子５００の構造を図５（ａ）に示す。
　強磁性固定層５０１における磁化５０６の方向は固定されているが、強磁性記録層５０３の磁化５０７の方向は、スピントランスファトルク、及び外部磁場により可変である。強磁性共鳴層５０５の磁化５０８の方向は磁化５０７とほぼ平行または反平行であり、強磁性記録層５０３の磁化５０７と強磁性共鳴層５０５の磁化５０８との静磁気的な相互作用、及び非磁性層５０４を介した交換相互作用は、強磁性共鳴層５０５に固有の異方性磁場の効果に比べて無視できる。また、強磁性記録層５０３の強磁性共鳴周波数ｆ０と強磁性共鳴層５０５の強磁性共鳴周波数ｆ１は、（ｆ０－ｆ１）がｆ０の±１０％以内であっても書き込み電流低減の効果が得られるが、この効果を十分発揮するためには（ｆ０－ｆ１）をｆ０の±３％以内にすることが望ましい。
　トンネル磁気抵抗効果素子５００に電流５０９を印加（書き込み電流相当）すると、絶縁層５０２を介した強磁性固定層５０１と強磁性記録層５０３の相互作用により、強磁性記録層５０３の磁化５０７にスピントランスファトルクが作用する。その結果、磁化５０７の方向が強磁性記録層５０３の強磁性共鳴周波数ｆ０に近い周波数で時間変化する。そうすると、図５（ｂ）のように、強磁性記録層５０３から非磁性層５０４にスピンカレント５１０が流れ出す。スピンカレント５１０の中で、磁化５０８に垂直な方向の成分はｆ０に近い周波数で振動しており、かつｆ1はｆ０に近いため、磁化５０８はこのスピンカレントを吸収して図５（ｃ）のように、その方向が時間変化する。
　この磁化５０８の方向の時間変化は、スピンカレント５１１を生じる。スピンカレント５１１はスピンカレント５１０とは逆方向なので、強磁性記録層５０３から流れ出すスピンカレントが実効的に減少する。そのため、強磁性記録層５０３のダンピング定数は強磁性記録層５０３の材料固有の値まで減少し、書き込み電流を低減することができる。
　本実施の形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、従来構造に非磁性層を介して強磁性層を付加するというシンプルな構成で従来構造よりも書き込み電流を低減可能なので、不揮発性磁気メモリの高信頼化、及び低消費電力化に寄与する。
　以下、実施例により説明する。
　第１の実施例について、図６を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態に記載され本実施例に未記載の事項は、本実施例にも適用することができる。
　図６は本実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。このトンネル磁気抵抗効果素子６００は、配向制御層６０１、反強磁性層６０２、強磁性固定層６０３、絶縁層６０４、強磁性記録層６０５、第一の非磁性層６０６、強磁性共鳴層６０７により構成され、適当な温度で熱処理することにより磁気抵抗比が最適化される。前記の強磁性固定層６０３は第一の強磁性層６０８、第二の非磁性層６０９、第二の強磁性層６１０で構成される。強磁性固定層６０３としては第二の強磁性層６１０だけの構成も用いることができる。
　配向制御層６０１は例えばＮｉＦｅやＴａとＮｉＦｅの積層膜などであり、反強磁性層６０２の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現することができれば他の材料を用いてもよい。反強磁性層６０２は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。
　第一の強磁性層６０８にはＣｏＦｅ、第二の非磁性層６０９にはＲｕ、第二の強磁性層６１０には体心立方構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第一の強磁性層６０８、第二の非磁性層６０９、第二の強磁性層６１０は、第一の強磁性層６０８と第二の強磁性層６１０の磁化が反強磁性結合し、かつ第一の強磁性層６０８と第二の強磁性層６１０の磁化の大きさがほぼ等しくなるように材料と膜厚を選択する。
　絶縁層６０４は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。膜厚は０．８から１．５ｎｍが望ましい。
　強磁性記録層６０５は体心立方格子構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第一の非磁性層６０６はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏまたはそれらの合金を用いることができる。膜厚は強磁性記録層６０５と強磁性共鳴層６０７の間の静磁気的な相互作用、及び交換相互作用が十分小さくなるように、１．５ｎｍ以上にすることが望ましい。強磁性共鳴層６０７の強磁性共鳴周波数ｆ１と強磁性記録層６０５の強磁性共鳴周波数０１の差はｆ０の±１０％以内であれば良いが、±３％以内にすることがより望ましい。また、強磁性記録層６０５と強磁性共鳴層６０７の磁化の大きさは等しいことが望ましい。
　強磁性記録層６０５、及び強磁性共鳴層６０７の磁化方向が、該膜面内方向にある場合、強磁性共鳴周波数ｆ０は（Ｈｄ×Ｈｈ）１／２にほぼ比例する。ここで、Ｈｄは反磁場、Ｈｈは膜面内での困難軸方向の異方性磁場である。Ｈｄは強磁性層の磁化の大きさに比例し、Ｈｈは形状、強磁性層を構成する磁性元素の配向方向などに依存する。したがって、強磁性共鳴層６０７に強磁性記録層６０５と同じＣｏＦｅＢを適用し、膜厚を同じに設計すれば、強磁性記録層６０５と強磁性共鳴層６０７の磁化の大きさはほぼ等しいので、共鳴周波数は素子の形状で決まる。強磁性共鳴層６０７と強磁性記録層６０５は位置的に近く、同一のマスクを用いて加工した場合、ほぼ同じ形状と考えられる。
　また、強磁性共鳴周波数ｆ０のばらつきをδｆ、ＨｈのばらつきをδＨｈとすると、δｆ／ｆ０～δＨｈ／（２×Ｈｈ）であり、δＨｈはδｆに現れにくい。したがって、強磁性共鳴層６０７の強磁性共鳴周波数の制御は比較的容易に実現可能である。強磁性共鳴層６０７の強磁性共鳴周波数をさらに調整するためには、ＣｏＦｅＢに結晶磁気異方性をもつＣｏＦｅや反強磁性材料ＭｎＩｒ、ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを積層した構造も用いることができる。強磁性共鳴層６０７は、強磁性記録層６０５と異なる強磁性材料（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの合金、及びその合金にＢ、Ｃｒ、Ｃ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｖ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｐｔなどを添加したもの）であっても良い。その場合には、強磁性記録層６０５と磁化の大きさが等しくなるように強磁性共鳴層６０７の材料と膜厚を選択する。また、強磁性共鳴層６０７には、前述の強磁性層単層の構造だけでなく、強磁性層上に組成、膜厚により異方性を制御可能な反強磁性材料ＭｎＩｒ、ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅなどを積層した構造を用いることができる。
　次に本実施例による書き込み電流低減の効果を計算により確認した。膜厚２．４ｎｍのＦｅを強磁性記録層として用いた場合を考える。材料固有のダンピング定数α０は０．００４４である。一方、強磁性記録層から流れ出たスピンカレントが全て緩和する可能性のある従来構造の場合、α０からのダンピング定数の増加分Δαは０．００４程度である。したがって、実効的なダンピング定数は、それらの和の０．００８４程度となる。本実施例により、前述のΔαをゼロにすることが可能なので、実効的なダンピング定数は０．００４４となり、書き込み電流を従来構造の約１／２に低減することが可能である。書き込み電流の低減を目的として、さらに強磁性記録層の薄膜化が進んだ場合、Δαは強磁性記録層の膜厚に反比例するため、書き込み電流を従来構造に比べて大幅に低減することが可能である。
　以上では、強磁性層の磁化方向は積層構造の概膜面内方向であったが、磁化方向は積層構造の該膜面垂直方向であっても良い。その場合、反強磁性層６０２は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。しかし、第一の強磁性層６０８の一軸異方性エネルギが十分大きい場合には、反強磁性層６０２を使用しなくてもよい。
　第一の強磁性層６０８、第二の強磁性層６１０、強磁性記録層６０５、強磁性共鳴層６０７にはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒの中の一つ以上の元素とＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈの中の一つ以上の元素からなる合金を用いることができる。また、希土類元素を含むＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、ＤｙＦｅＣｏなどの合金も用いることができる。
　絶縁層６０４は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。その場合、第二の強磁性層６１０、及び強磁性記録層６０５と絶縁層６０４側との接合部分には、体心立方構造のＣｏＦｅＢ層を挿入することが望ましい。しかし、十分な磁気抵抗比が得られれば、ＣｏＦｅＢ層は不要である。第二の非磁性層６０９、及び第一の非磁性層６０６については、前述の強磁性層の磁化方向が積層構造の概膜面内方向にある場合と同様である。
　強磁性共鳴層６０７の強磁性共鳴周波数は強磁性記録層６０５の強磁性共鳴周波数の±３％以内にあり、また、強磁性記録層６０５と強磁性共鳴層６０７の磁化の大きさは等しいことが望ましい。強磁性記録層６０５、及び強磁性共鳴層６０７の磁化方向が、膜面垂直方向にある場合、強磁性共鳴周波数は（Ｈｄ-Ｈｕ）にほぼ比例する。ここでＨｕは一軸異方性磁場である。Ｈｄは強磁性層の磁化の大きさに比例し、Ｈｕは磁性元素の配向方向などに依存する。Ｈｄ、Ｈｕは素子形状の影響を受けにくいため、強磁性記録層６０５と強磁性共鳴層６０７の磁化の大きさが等しい場合、前述の強磁性共鳴層６０７の磁化方向が、該膜面内方向にある場合に比べて、強磁性共鳴周波数の制御が容易である。
　以上述べたように、本実施例によれば、情報の熱安定性指標Ｅ／ｋＴに影響を与えることなく書き込み電流を低減可能なトンネル磁気抵抗効果素子を提供することができる。
　第２の実施例について、図７を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態又は実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は、本実施例にも適用することができる。
　図７は本実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。このトンネル磁気抵抗効果素子７００は、配向制御層７０１、反強磁性層７０２、強磁性固定層７０３、絶縁層７０４、強磁性記録層７０５、第二の非磁性層７０６、強磁性共鳴層７０７により形成され、適当な温度で熱処理することにより磁気抵抗比が最適化される。前記の強磁性記録層７０５は第一の強磁性層７０８、第一の非磁性層７０９、第二の強磁性層７１０で構成される。また、前記の強磁性固定層７０３は第三の強磁性層７１１、第三の非磁性層７１２、第四の強磁性層７１３で構成される。強磁性固定層７０３としては第四の強磁性層７１３だけの構成も用いることができる。
　配向制御層７０１は例えばＮｉＦｅやＴａとＮｉＦｅの積層膜などであり、反強磁性層７０２の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現することができれば他の材料を用いてもよい。反強磁性層７０２は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。第三の強磁性層７１１にはＣｏＦｅ、第三の非磁性層７１２にはＲｕ、第四の強磁性層７１３には体心立方構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第三の強磁性層７１１、第三の非磁性層７１２、第四の強磁性層７１３は、第三の非磁性層７１２を介して第三の強磁性層７１１と第四の強磁性層７１３の磁化が反強磁性結合し、かつ第三の強磁性層７１１と第四の強磁性層７１３の磁化の大きさがほぼ等しくなるように材料と膜厚を選択する。
　絶縁層７０４は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。膜厚は０．８から１．５ｎｍが望ましい。
　第一の強磁性層７０８は体心立方格子構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第二の強磁性層７１０にはＣｏＦｅＢ、第一の非磁性層７０９にはＲｕを用いることができる。第一の強磁性層７０８、第一の非磁性層７０９、第二の強磁性層７１０は、第一の非磁性層７０９を介して第一の強磁性層７０８と第二の強磁性層７１０の磁化が反強磁性結合し、かつ第一の強磁性層７０８と第二の強磁性層７１０の磁化の大きさがほぼ等しくなるように材料と膜厚を選択する。
　第二の非磁性層７０６はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏまたはそれらの合金を用いることができる。膜厚は強磁性共鳴層７０７と第二の強磁性層７１０の間の静磁気的な相互作用、及び交換相互作用が十分小さくなるように、１．５ｎｍ以上にすることが望ましい。
　強磁性共鳴層７０７の強磁性共鳴周波数ｆ１と強磁性記録層７０５の強磁性共鳴周波数ｆ０の差はｆ０の±１０％以内であれば良いが、±３％以内にすることがより望ましい。また、第二の強磁性層７１０と強磁性共鳴層７０７の磁化の大きさは等しいことが望ましい。強磁性共鳴層７０７の強磁性共鳴周波数の調整方法は実施例１と同様である。
　以上では、強磁性層の磁化方向は積層構造の概膜面内方向であったが、磁化方向は積層構造の該膜面垂直方向であっても良い。その場合、反強磁性層７０２は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。しかし、第三の強磁性層７１１の一軸異方性エネルギが十分大きい場合には、反強磁性層７０２を使用しなくてもよい。
　第一の強磁性層７０８、第二の強磁性層７１０、強磁性共鳴層７０７、第三の強磁性層７１１、第四の強磁性層７１３にはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒの中の一つ以上の元素とＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈの中の一つ以上の元素からなる合金を用いることができる。また、希土類元素を含むＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、ＤｙＦｅＣｏなどの合金も用いることができる。
　絶縁層７０４は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。その場合、第一の強磁性層７０８、及び第四の強磁性層７１３と絶縁層７０４側との接合部分には、体心立方構造のＣｏＦｅＢ層を挿入することが望ましい。しかし、十分な磁気抵抗比を得られれば、ＣｏＦｅＢ層は不要である。第一の非磁性層７０９、第二の非磁性層７０６、第三の非磁性層７１２については、前述の強磁性層の磁化方向が積層構造の概膜面内方向にある場合と同様である。
　強磁性共鳴層７０７の強磁性共鳴周波数は強磁性記録層７０５の強磁性共鳴周波数の±３％以内にあり、また、第二の強磁性層７１０と強磁性共鳴層７０７の磁化の大きさは等しいことが望ましい。強磁性記録層７０５、及び強磁性共鳴層７０７の磁化方向が、積層構造の該膜面垂直方向にある場合、強磁性共鳴周波数は（Ｈｄ-Ｈｕ）にほぼ比例する。ここでＨｕは一軸異方性磁場である。Ｈｄは強磁性層の磁化の大きさに比例し、Ｈｕは磁性元素の配向方向などに依存する。Ｈｄ、Ｈｕは素子形状の影響を受けにくいため、前述の強磁性共鳴層７０７の磁化方向が、膜面内方向にある場合に比べて、強磁性共鳴周波数の制御が容易である。
　以上述べたように、本実施例によれば、情報の熱安定性指標Ｅ／ｋＴに影響を与えることなく書き込み電流を低減可能なトンネル磁気抵抗効果素子を提供することができる。また、反強磁性結合した２つの強磁性層を強磁性記録層へ適用することにより、強磁性記録層からの漏えい磁場を低減可能なため、熱安定性を改善することができる。
　第３の実施例について、図８（ａ）（ｂ）を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態、実施例１、実施例２のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は、本実施例にも適用することができる。
　実施例１、実施例２に記載のトンネル磁気抵抗効果素子では、書き込みの際に強磁性記録層の強磁性共鳴周波数はほとんど変化しない場合であった。しかし、強磁性記録層にスピントランスファトルクが作用すると、強磁性記録層の共鳴周波数は変化する。
　図８（ａ）に強磁性記録層の磁化方向が膜面内方向にあり、反磁場Ｈｄ＝１．３８（Ｔ）、困難軸方向の異方性磁場Ｈｈ＝０．０２（Ｔ）、ダンピング定数α＝０．１の場合における強磁性共鳴周波数の規格化電流Ｉ／Ｉｃ依存性を示す。ここでＩｃはスピントランスファトルク磁化反転の閾値電流である。強磁性共鳴周波数は電流の増加とともに増加する。本実施例の構造で磁化反転に必要な電流がＩｃの１／２になった場合を考えると、その状態における強磁性共鳴周波数は、電流を印加しない場合に比べて、２％程度増加する。したがって、強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数を、強磁性記録層の強磁性共鳴周波数が電流により増加する効果を考慮して設計する。
　この電流による強磁性共鳴周波数の増加を利用すると、下記のように書き込み電流波形を調整することにより、強磁性記録層と強磁性共鳴層における強磁性共鳴周波数の差をさらに小さくすることが可能である。図８（ｂ）に示すように本実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子８００に、立ち上がりの緩やか書き込み電流８０１を印加する。電流の立ち上がりに要する時間は、強磁性記録層の磁化の歳差運動周期より十分長いことが必要なので、１ｎｓ以上が望ましい。
　また、図８（ａ）のように強磁性記録層の強磁性共鳴周波数は電流値により変化するので、最大振幅は、書き込み電流８０１の立ち上がりのある時点で、強磁性記録層と強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数が一致するように設計する。さらに、その電流値で強磁性記録層の磁化反転が起こるように強磁性共鳴周波数を設計すれば、電流を印加することにより、強磁性記録層の強磁性共鳴周波数と強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数の差が電流を印加する前に比して小さくなり、強磁性記録層と強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数をほぼ一致させることができ、本実施例による書き込み電流低減効果を十分に利用することが可能である。
　以上述べたように、本実施例によれば、情報の熱安定性指標Ｅ／ｋＴに影響を与えることなく書き込み電流を低減可能なトンネル磁気抵抗効果素子を提供することができる。また、強磁性記録層の強磁性共鳴周波数が書き込み電流による変化する現象を考慮して強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数を決定することにより、トンネル磁気抵抗効果素子の書込み電流を更に効果的に低減することができる。
　第４の実施例について、図９（ａ）（ｂ）を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態、実施例１から実施例３のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は、本実施例にも適用することができる。
　図９（ａ）は本実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。トンネル磁気抵抗効果素子９００の強磁性共鳴層９０１上に、強磁性共鳴補助層９０２と加熱層９０３を備えている。なお、本実施例ではトンネル磁気抵抗効果素子として実施例１に係るトンネル磁気抵抗効果素子６００を用いたが、実施例２に示したトンネル磁気抵抗効果素子７００を用いることもできる。
　強磁性共鳴補助層９０２は、加熱すると強磁性共鳴周波数が変化する材料であり、強磁性共鳴層９０１と交換結合している。強磁性共鳴補助層９０２として、例えば、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、などの希土類遷移金属とＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの遷移金属の合金からなるフェリ磁性体を用いることができる。フェリ磁性体はその磁化の大きさと方向が温度に依存して変化し、補償温度において見かけ上の磁化がゼロとなる。また、補償温度は、前記の希土類遷移金属と遷移金属の組成を調整することにより制御することが可能である。さらに、補償温度±３０℃では、フェリ磁性体の強磁性共鳴周波数は温度により大きく変化し、かつ磁化の大きさは小さい。
　強磁性共鳴層９０１と強磁性共鳴補助層９０２は交換結合しているので、加熱層９０３に通電し、強磁性共鳴補助層９０２を加熱することにより、強磁性共鳴層９０１の強磁性共鳴周波数は図９（ｂ）のように変化する。したがって、書き込み電流による加熱層９０３の発熱で強磁性記録層と強磁性共鳴層９０１の強磁性共鳴周波数がほぼ一致するように設計すれば、書き込み電流低減効果を十分に利用することが可能となる。
　以上では、加熱層９０３に通電した際のジュール発熱を利用して、強磁性共鳴補助層９０２を加熱する場合について述べた。しかし、強磁性共鳴補助層９０２に通電した際のジュール発熱により所望の温度まで加熱可能な場合には、加熱層９０３を使用しなくても良い。
　以上述べたように、本実施例によれば、情報の熱安定性指標Ｅ／ｋＴに影響を与えることなく書き込み電流を低減可能なトンネル磁気抵抗効果素子を提供することができる。また、加熱すると強磁性共鳴周波数が変化する材料を有する強磁性共鳴補助層及び加熱層を備えることにより、強磁性記録層と強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数を一致させ易くなり、書き込み電流を効果的に低減することができる。
　第５の実施例について図１０を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態、実施例１から実施例４のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は、本実施例にも適用することができる。
　図１０は、本実施例に係る、磁場印加手段を有するトンネル磁気抵抗効果素子の概略要部断面図である。実施例１、実施例２、実施例３に記載の方法で、強磁性記録層１０００と強磁性共鳴層１００２の強磁性共鳴周波数を調整することが困難な場合であっても、それを調整することができる。強磁性記録層１０００、及び第一の非磁性層１００１、強磁性共鳴層１００２は、実施例１、実施例２、実施例３に記載のものである。本実施例では、強磁性共鳴層１００２の上に、第二の非磁性層１００３を介して強磁性層１００４を配置する。
　強磁性層１００４から強磁性共鳴層１００２に有効磁場１００５を印加し、強磁性共鳴層１００２の強磁性共鳴周波数を補正する。その際、磁場の印加により、強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数と強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の差が、磁場の印加の無い場合に比し小さくなる構成とする。有効磁場１００５は、強磁性層１００４からの漏洩磁場、第二の非磁性層１００３を介した強磁性層１００４と強磁性共鳴層１００２の間の静磁気的な相互作用、及び交換相互作用を利用することができる。
　第二の非磁性層１００３はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏまたはそれらの合金を用いることができる。材料と膜厚は、必要な有効磁場１００５の大きさ、方向が得られるように調整する。
　強磁性層１００４としてはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉの合金、及びその合金にＢ、Ｃｒ、Ｃ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｖ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｐｔなどを添加したものを用いることができる。有効磁場１００５の方向を固定するため、その磁化方向は固定されていることが望ましい。これは強磁性層１００４の厚さを十分厚くする、または強磁性層１００４に接するようにＭｎＩｒ、ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅなどの反強磁性体を配置することにより、実現可能である。
　以上述べたように、本実施例によれば、情報の熱安定性指標Ｅ／ｋＴに影響を与えることなく書き込み電流を低減可能なトンネル磁気抵抗効果素子を提供することができる。また、強磁性共鳴層への磁場印加手段を備えることにより、強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数が補正され、書き込み電流を効果的に低減することができる。
　第６の実施例について図１１を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態、実施例１から実施例５のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は、本実施例にも適用することができる。
　図１１はトンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ並びに磁気ランダムアクセスメモリの概略構成図である。磁気メモリセル１１００は実施例１－５に記載のトンネル磁気抵抗効果素子１１０２、トンネル磁気抵抗効果素子１１０２に接続された電極１１０３、トンネル磁気抵抗効果素子１１０２に接続され、トンネル磁気抵抗効果素子１１０２に流れる電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する選択トランジスタ（スイッチング素子）１１０１、選択トランジスタ（スイッチング素子）１１０１の電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する信号を伝達するためのゲート電極１１０４で構成される。メモリアレイ１１０５は磁気メモリセル１１００をアレイ状に複数配置したもので、各磁気メモリセル１１００の電極１１０３およびゲート電極１１０４にはそれぞれビット線１１０６およびワード線１１０７が接続されている。
　各ビット線１１０６およびワード線１１０７には、それぞれビット線ドライバ１１０８およびワード線ドライバ１１０９が接続されており、ワード線ドライバ１１０９から所望の選択トランジスタに制御信号を送り選択トランジスタをＯＮにすること、またビット線ドライバ１１０８から所望のメモリセルに読み出し又は書き込み電流を流すことが可能である。このようにして目的のメモリセルに接続されているワード線１１０７およびビット線１１０６を選択することにより、所望の磁気メモリセル１１００への書き込み、読み出しが可能となる。磁気メモリセルへ書き込み電流等が低減された上記トンネル磁気抵抗効果素子を用いることにより、選択トランジスタを小さくすることが可能となり、微細な磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。
　以上述べたように、本実施例によれば、情報の熱安定性指標Ｅ／ｋＴに影響を与えることなく書き込み電流を低減可能なトンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。
　第7の実施例について図１２を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態、実施例１から実施例６のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は、本実施例にも適用することができる。
　図１２は本実施例に係る磁気ランダムアクセスメモリの概略図である。メモリアレイ１２００の外部に、磁場発生装置１２０１を備えている。これは、実施例１－５に係るトンネル磁気抵抗効果素子における強磁性共鳴層と強磁性記録層に磁場１２０２を印加し、両者の共鳴周波数を補正するために用いる。強磁性記録層にも磁場１２０２が印加されてしまうため、磁場発生装置１２０１としては、磁気メモリセルへの書き込みの際にだけ磁場１２０２を発生可能な電磁石が望ましいが、永久磁石により実現しても良い。
　以上述べたように、本実施例によれば、情報の熱安定性指標Ｅ／ｋＴに影響を与えることなく書き込み電流を低減可能なトンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。また、磁場発生装置を備えることにより、トンネル磁気抵抗効果素子の書き込み電流を効果的に低減でき、磁気メモリセルを縮小できるため、磁気ランダムアクセスメモリのメモリアレイ部を高密度化することができる。
１００…強磁性層、１０１…非磁性層、１０２…スピンカレント、１０３…磁化、２０１…第一の強磁性層、２０２…非磁性層、２０３…第二の強磁性層、２０４…磁化、２０５…磁化、２０６…スピンカレント、２０７…スピンカレント、３００…トンネル磁気抵抗効果素子、３０１…強磁性固定層、３０２…絶縁層、３０３…強磁性記録層、３０４…非磁性層、３０５…強磁性共鳴層、３０６…電極、３０７…電極、３０８…トンネル磁気抵抗効果素子、３０９…強磁性固定層、３１０…絶縁層、３１１…強磁性記録層、３１２…電極、３１３…電極、５００…トンネル磁気抵抗効果素子、５０１…強磁性固定層、５０２…絶縁層、５０３…強磁性記録層、５０４…非磁性層、５０５…強磁性共鳴層、５０６…磁化、５０７…磁化、５０８…磁化、５０９…電流、５１０…スピンカレント、５１１…スピンカレント、６００…トンネル磁気抵抗効果素子、６０１…配向制御層、６０２…反強磁性層、６０３…強磁性固定層、６０４…絶縁層、６０５…強磁性記録層、６０６…第一の非磁性層、６０７…強磁性共鳴層、６０８…第一の強磁性層、６０９…第二の非磁性層、６１０…第二の強磁性層、７００…トンネル磁気抵抗効果素子、７０１…配向制御層、７０２…反強磁性層、７０３…強磁性固定層、７０４…絶縁層、７０５…強磁性記録層、７０６…第二の非磁性層、７０７…強磁性共鳴層、７０８…第一の強磁性層、７０９…第一の非磁性層、７１０…第二の強磁性層、７１１…第三の強磁性層、７１２…第三の非磁性層、７１３…第四の強磁性層、８００…トンネル磁気抵抗効果素子、８０１…書き込み電流、９００…トンネル磁気抵抗効果素子、９０１…強磁性共鳴層、９０２…強磁性共鳴補助層、９０３…加熱層、１０００…強磁性記録層、１００１…第一の非磁性層、１００２…強磁性共鳴層、１００３…第二の非磁性層、１００４…強磁性層、１００５…有効磁場、１１００…磁気メモリセル、１１０１…選択トランジスタ（スイッチング素子）、１１０２…トンネル磁気抵抗効果素子、１１０３…電極、１１０４…ゲート電極、１１０５…メモリアレイ、１１０６…ビット線、１１０７…ワード線、１１０８…ビット線ドライバ、１１０９…ワード線ドライバ、１２００…メモリアレイ、１２０１…磁場発生装置、１２０２…磁場。

Claims (10)

  1. 　絶縁層と、
      前記絶縁層を挟んで設けられた強磁性記録層と強磁性固定層と、
      前記強磁性記録層上に順次設けられた非磁性層と強磁性共鳴層とを有し、
      前記強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数と前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の差が前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の±１０％以内にあることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  2. 　請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、
      前記強磁性固定層と前記強磁性共鳴層との間に電流を印加することにより、前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数と、前記強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数の差が前記電流を印加する前に比して小さくなることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  3. 　請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、
      前記強磁性共鳴層に磁場を印加する磁場印加手段を備え、
      前記磁場の印加により、前記強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数と前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の差が、前記磁場の印加の無い場合に比し小さくなることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  4. 　トンネル磁気抵抗効果素子と、
      前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、
    前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を備えた磁気メモリセルにおいて、
      前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
      絶縁層と、
      前記絶縁層を挟んで設けられた強磁性記録層と強磁性固定層と、
      前記強磁性記録層上に順次設けられた非磁性層と強磁性共鳴層とを有し、
      前記強磁性記録層の磁化はスピントランスファトルクにより反転可能であり、
      前記強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数と前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の差が前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の±１０％以内にあることを特徴とする磁気メモリセル。
  5. 　請求項４記載の磁気メモリセルにおいて、
      前記トンネル磁気抵抗効果素子の前記強磁性固定層と前記強磁性共鳴層との間に電流を印加することにより、前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数と前記強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数の差が前記電流を印加する前に比して小さくなることを特徴とする磁気メモリセル。
  6. 　請求項４記載の磁気メモリセルにおいて、
      前記トンネル磁気抵抗効果素子の前記強磁性共鳴層に磁場を印加する手段を備え、
      前記磁場の印加により、前記強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数と前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の差が、前記磁場の印加の無い場合に比し小さくなることを特徴とする磁気メモリセル。
  7. 　複数の磁気メモリセルと、前記複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、前記選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段とを備えた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、トンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を備え、
      前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
      絶縁層と、
      前記絶縁層を挟んで設けられた強磁性記録層と強磁性固定層と、
      前記強磁性記録層上に順次設けられた非磁性層と強磁性共鳴層とを有し、
      前記強磁性記録層の磁化はスピントランスファトルクにより反転可能であり、
      前記強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数と前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の差が前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の±１０％以内にあることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
  8. 　請求項７記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
      前記トンネル磁気抵抗効果素子の前記強磁性固定層と前記強磁性共鳴層との間に電流を印加することにより、前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数と前記強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数の差が前記電流を印加する前に比して小さくなることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
  9. 　請求項７記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
      前記トンネル磁気抵抗効果素子の前記強磁性共鳴層に磁場を印加する手段を備え、
      前記磁場の印加により、前記強磁性共鳴層の強磁性共鳴周波数と前記強磁性記録層の強磁性共鳴周波数の差が、前記磁場の印加の無い場合に比し小さくなることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
  10. 　請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、
      前記強磁性固定層は、第一の強磁性層と非磁性層と第二の強磁性層とが順次積層されたものであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
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