WO2013080438A1 - 記憶素子、記憶装置 - Google Patents

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magnetic
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肥後　豊
細見　政功
大森　広之
別所　和宏
徹哉 浅山
一陽 山根
裕行 内田
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ソニー株式会社
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    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets

Definitions

  • the present technology relates to a storage element and a storage device that have a plurality of magnetic layers and perform recording using spin torque magnetization reversal.
  • MRAM stores data according to the magnetization direction of the magnetic material, so it can be rewritten at high speed and can be rewritten almost infinitely (over 10 15 times). It is used in such fields. MRAM is expected to expand to code storage and working memory in the future because of its high-speed operation and reliability.
  • MRAM has problems in reducing power consumption and capacity. This is an essential problem due to the recording principle of the MRAM, that is, the method of reversing the magnetization by the current magnetic field generated from the wiring.
  • the memory element of spin torque magnetization reversal is configured by MTJ (Magnetic Tunnel Junction) as in MRAM. Then, when spin-polarized electrons passing through a magnetic layer fixed in a certain direction enter another free (non-fixed direction) magnetic layer, torque is applied to the magnetic layer. If a current exceeding a certain threshold is passed, the magnetization direction of the free magnetic layer (storage layer) is reversed. The rewriting of 0/1 is performed by changing the polarity of the current flowing through the memory element.
  • MTJ Magnetic Tunnel Junction
  • the absolute value of the current for reversing the magnetization direction of the free magnetic layer is 1 mA or less for a storage element having a scale of about 0.1 ⁇ m.
  • the current value decreases in proportion to the volume of the memory element, scaling is possible.
  • a word line for generating a recording current magnetic field required in the MRAM is unnecessary, there is an advantage that the cell structure is simplified.
  • STT-MRAM Spin Transfer Torque-Magnetic Random Access Memory
  • the magnitude of the spin torque that causes magnetization reversal changes depending on the direction of magnetization.
  • the time required for magnetization reversal becomes very large. Therefore, there may be a case where the magnetization reversal is not completed within the write time. If the inversion is not completed within the write time, the write operation fails (write error), and a normal write operation cannot be performed.
  • An object of the present technology is to provide a memory element and a memory device that can effectively suppress the occurrence of errors and perform a write operation in a short time.
  • the present technology is configured as a memory element as follows. That is, the storage element of the present technology is disposed between the storage layer in which the magnetization direction is changed according to information, the magnetization fixed layer in which the magnetization direction is fixed, and the storage layer and the magnetization fixed layer.
  • the layer structure includes at least an intermediate layer made of a nonmagnetic material, and when a current is passed in the stacking direction of the layer structure, the magnetization direction of the storage layer is changed to record information.
  • the magnetization fixed layer is formed by laminating two ferromagnetic layers through a coupling layer, and the ferromagnetic layer is magnetically coupled through the coupling layer.
  • the magnetization direction of the ferromagnetic layer is It is inclined from the direction perpendicular to the film surface.
  • a storage device of the present technology includes the storage element of the present technology, a wiring unit that supplies a current that flows in the stacking direction to the storage element, and the storage element that is connected to the storage element via the wiring unit. And a current supply control unit that performs current supply control.
  • the magnetization direction of the ferromagnetic layer constituting the magnetization fixed layer is inclined from the direction perpendicular to the film surface. This effectively suppresses the divergence of the magnetization reversal time due to the magnetization directions of the storage layer and the magnetization fixed layer being substantially parallel or antiparallel. That is, information can be written by reversing the magnetization direction of the storage layer within a predetermined finite time.
  • a current in the stacking direction can flow through the storage element through the wiring portion, and information can be recorded by magnetization reversal of the storage layer.
  • information can be written by reversing the magnetization direction of the storage layer within a predetermined time, so that a write error can be reduced and a write operation can be performed in a shorter time. It can be carried out. Since the write error can be reduced, the reliability of the write operation can be improved. Further, since the writing operation can be performed in a shorter time, the operation speed can be increased. Therefore, according to the present technology, it is possible to realize a memory element and a memory device that have high reliability in writing operation and operate at high speed.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a memory element as a first embodiment. It is the figure which showed in detail the structure of the magnetization fixed layer of 1st Embodiment. It is the figure which plotted the range of the magnetic coupling energy. It is a schematic block diagram (sectional drawing) of the memory element of 2nd Embodiment.
  • FIGS. 1 Schematic Configuration of Storage Device of Embodiment>
  • FIGS. 2 Schematic diagrams of the storage device are shown in FIGS. 1 is a perspective view
  • FIG. 2 is a cross-sectional view
  • FIG. 3 is a plan view.
  • the storage device has an STT-MRAM (information storage device) that can hold information in a magnetized state near the intersection of two types of address lines (for example, a word line and a bit line) orthogonal to each other.
  • the storage element 3 is arranged by Spin Transfer Torque-Magnetic Random Access Memory. That is, the drain region 8, the source region 7, and the gate electrode 1 constituting a selection transistor for selecting each storage element 3 are formed in a portion separated by the element isolation layer 2 of the semiconductor substrate 10 such as a silicon substrate. , Each is formed. Of these, the gate electrode 1 also serves as one address wiring (word line) extending in the front-rear direction in the figure.
  • the drain region 8 is formed in common to the left and right selection transistors in FIG. 1, and a wiring 9 is connected to the drain region 8.
  • a storage element 3 having a storage layer whose magnetization direction is reversed by spin torque magnetization reversal is disposed between the source region 7 and the bit line 6 disposed above and extending in the left-right direction in FIG. Yes.
  • the storage element 3 is constituted by, for example, a magnetic tunnel junction element (MTJ element).
  • the memory element 3 has two magnetic layers 12 and 14. Of these two magnetic layers 12, 14, one magnetic layer is a fixed magnetization layer 12 in which the direction of magnetization M12 is fixed, and the other magnetic layer is a free magnetic layer, that is, a storage layer 14 in which the direction of magnetization M14 changes. And
  • the storage element 3 is connected to the bit line 6 and the source region 7 via upper and lower contact layers 4, respectively.
  • a current in the vertical direction can be passed through the memory element 3 through the two types of address wirings 1 and 6, and the direction of the magnetization M14 of the memory layer 14 can be reversed by spin torque magnetization reversal.
  • the storage device has storage elements 3 arranged at the intersections of a large number of first wirings (word lines) 1 and second wirings (bit lines) 6 arranged in a matrix. It is configured.
  • the memory element 3 has a circular planar shape, and has the cross-sectional structure shown in FIG. Further, the storage element 3 includes a fixed magnetization layer 12 and a storage layer 14 as shown in FIG. Each memory element 3 constitutes a memory cell of the memory device.
  • the above-described MTJ structure is employed, that is, an intermediate between the two magnetic layers 12 and 14. It is effective to adopt a configuration of the memory element 3 in which the layer is a tunnel insulating layer (tunnel barrier layer).
  • tunnel insulating layer tunnel barrier layer
  • the amount of current flowing through the memory element 3 is limited in order to prevent the tunnel insulating layer from being broken down. That is, it is preferable to suppress the current necessary for the spin torque magnetization reversal from the viewpoint of ensuring the reliability of the memory element 3 against repeated writing.
  • the current required for spin torque magnetization reversal is also called reversal current, storage current, and the like.
  • the storage device of the embodiment is a nonvolatile memory device, it is necessary to stably store information written by current. That is, it is necessary to ensure the stability (thermal stability) against the thermal fluctuation of the magnetization of the storage layer 14. If the thermal stability of the memory layer 14 is not ensured, the reversed magnetization direction may be reversed again by heat (temperature in the operating environment), resulting in a holding error.
  • the storage element 3 (STT-MRAM) in the present storage device is advantageous in scaling compared to the conventional MRAM, that is, it is possible to reduce the volume, but the decrease in the volume has the same other characteristics. If it is, it exists in the direction which reduces thermal stability.
  • the thermal stability is a very important characteristic, and it is necessary to design the thermal stability to be ensured even if the volume is reduced.
  • the storage element 3 ′ includes a magnetization fixed layer (also referred to as a reference layer) 12 in which the direction of the magnetization M ⁇ b> 12 is fixed, an intermediate layer (nonmagnetic layer: tunnel insulating layer) on the base layer 11. 13, a storage layer (free magnetic layer) 14 in which the direction of the magnetization M14 is variable, and a cap layer 15 are laminated in the same order.
  • the magnetization fixed layer 12 has the direction of the magnetization M12 fixed by a high coercive force or the like. In the description of this figure, it is assumed that the direction of magnetization is fixed in a direction perpendicular to the film surface.
  • information is stored according to the direction of the magnetization (magnetic moment) M14 of the memory layer 14 having uniaxial anisotropy.
  • Information is written to the storage element 3 ′ by causing a current to flow in a direction perpendicular to the film surface of each layer of the storage element 3 ′ (that is, the stacking direction of each layer) to cause spin torque magnetization reversal in the storage layer 14. To do.
  • Electrons have two types of spin angular momentum. This is defined as upward and downward.
  • the number of electrons having an upward spin angular momentum and the number of electrons having a downward spin angular momentum are the same.
  • there is a difference in the number of both inside in the case of a ferromagnetic material.
  • the directions of the magnetizations M12 and M14 are in an antiparallel state, and electrons are magnetized.
  • the electrons that have passed through the magnetization fixed layer 12 have a difference in spin polarization, that is, the upward and downward numbers.
  • the spin polarization is relaxed and the other magnetic material is not yet turned into the non-polarized state (the same number of upwards and downwards) in a normal non-magnetic material. That is, the storage layer (free magnetic layer) 14 is reached.
  • the amount of current that is, the number of electrons passing per unit time
  • the total number of electrons that change direction is also small, so the change in angular momentum generated in the magnetization M14 of the storage layer 14 is small, but when the current increases, Many angular momentum changes can be given within a unit time.
  • the time change of the angular momentum is torque, and when the torque exceeds a certain threshold value, the magnetization M14 of the memory layer 14 starts precession and is stable when rotated 180 degrees due to the uniaxial anisotropy of the memory layer 14. It becomes. That is, inversion from the antiparallel state to the parallel state occurs.
  • the magnetizations M12 and M14 of the two layers of the ferromagnetic bodies 12 and 14 are in a parallel state, if a current is made to flow in the direction of sending electrons from the storage layer 14 to the magnetization fixed layer 12, the magnetization is fixed this time.
  • the layer 12 reflects the electrons.
  • the electrons reflected and reversed in spin direction give a torque when entering the storage layer 14 to reverse the direction of the magnetization M14 of the storage layer 14, so that the magnetizations M12 and M14 are in an antiparallel state. Can be reversed.
  • the amount of current required to cause reversal at this time is larger than when reversing from the antiparallel state to the parallel state.
  • a current of a certain threshold value or more corresponding to each polarity is passed in the direction from the magnetization fixed layer (reference layer) 12 to the storage layer 14 or in the opposite direction. Is done by.
  • Information is read out using the magnetoresistive effect as in the conventional MRAM. That is, as in the case of the information recording described above, a current is passed in the direction perpendicular to the film surface of each layer (the stacking direction of each layer).
  • the electrical resistance indicated by the storage element 3 ′ changes depending on whether the direction of the magnetization M14 of the storage layer 14 is parallel or antiparallel to the direction of the magnetization M12 of the magnetization fixed layer (reference layer) 12. Use the phenomenon.
  • the material used for the intermediate layer 13 as the tunnel insulating layer may be either a metal or an insulator, but a higher read signal (resistance change rate) can be obtained and recording can be performed with a lower current. This is a case where an insulator is used for the intermediate layer 13.
  • the element at this time is referred to as a ferromagnetic tunnel junction (Magnetic-Tunnel-Junction: MTJ) element.
  • MTJ ferromagnetic tunnel junction
  • the magnitude of the spin torque described above changes depending on the angle between the magnetization M14 of the storage layer 14 and the magnetization M12 of the magnetization fixed layer (reference layer) 12. If the unit vector representing the direction of the magnetization M14 is m1, and the unit vector representing the direction of the magnetization M12 is m2, the magnitude of the spin torque is proportional to m1 ⁇ (m1 ⁇ m2).
  • ⁇ is an outer product of vectors.
  • the magnetization M12 of the magnetization fixed layer 12 is fixed in the easy axis direction of the storage layer.
  • the magnetization M14 of the storage layer 14 tends to be in the direction of the easy axis of magnetization of the storage layer 14 itself.
  • m1 and m2 form an angle of 0 degrees (parallel) or 180 degrees (antiparallel).
  • FIG. 4 illustrates the directions of the magnetization M12 and the magnetization M14 when the angle formed by m1 and m2 is 0 degree.
  • the spin torque does not work at all according to the above-described formula of spin torque.
  • the angle formed with the magnetization M12 of the magnetization fixed layer 12 is from 0 degrees or 180 degrees.
  • Magnetic material has magnetic energy according to its magnetization direction.
  • the direction in which the magnetic energy is lowest is the easy axis.
  • the magnetization When there is no thermal fluctuation, the magnetization is directed to the easy magnetization axis by a force (torque) that tries to minimize the magnetic energy.
  • the magnetic energy when the magnetization direction is away from the easy magnetization axis due to thermal fluctuation is larger than when the magnetization is in the easy magnetization axis direction. This difference is referred to as excitation energy E.
  • excitation energy E When the direction of magnetization is further away from the easy axis of magnetization and the excitation energy E exceeds a certain threshold, magnetization reversal occurs. This threshold is called ⁇ .
  • the above ⁇ can be regarded as energy necessary for reversing the magnetization.
  • the unit of the excitation energy E and the threshold ⁇ is Joule (J), but in the following, it is treated as a dimensionless quantity divided by thermal energy (product of Boltzmann constant and absolute temperature).
  • ⁇ can be regarded as an index indicating the stability of magnetization with respect to thermal energy, ⁇ is sometimes referred to as an index of thermal stability.
  • the excitation energy E of the magnetization M14 of the memory layer 14 and the thermal stability index ⁇ are used, the current I passed through the memory layer 14 and the time (reversal time) ts required for the spin torque magnetization reversal caused thereby are given by Fulfill.
  • Ic0 is a threshold current required for spin torque magnetization reversal
  • ⁇ is the spin polarization rate of current I
  • e is the charge of electrons
  • Ms is the saturation magnetization of magnetization M14
  • V is the volume of storage layer 14
  • ⁇ B is a Bohr magneton.
  • the left side corresponds to the number of spins injected into the storage layer 14.
  • the right side corresponds to the number of spins present in the storage layer 14. However, the number is scaled by a logarithmic term.
  • the excitation energy E uses a value corresponding to the magnetization direction at the time when the current is passed.
  • the excitation energy E when there is thermal fluctuation will be described.
  • the excitation energy E becomes a finite value due to thermal fluctuation.
  • the probability that the excitation energy E will be smaller than a certain value X is given by 1-exp (-X).
  • exp is an exponential function. From the above [Expression 1], let X be the value of the excitation energy E required for inversion at the inversion time ts when a certain current I is passed. Then, when a certain current I is allowed to flow for a time ts, magnetization reversal does not occur with probability 1-exp ( ⁇ X). That is, the write error rate is 1-exp ( ⁇ X). Thus, the excitation energy E is closely related to the write error rate.
  • the magnetization fixed layer has a configuration in which at least two ferromagnetic layers are stacked via a coupling layer. Two adjacent ferromagnetic layers are magnetically coupled via a coupling layer inserted therebetween.
  • the magnetization direction of the fixed magnetization layer can be tilted from the direction perpendicular to the film surface by the magnetic coupling between the ferromagnetic layers constituting the fixed magnetization layer, and the storage layer and the magnetization Divergence of time required for magnetization reversal due to the magnetization directions of the fixed layer being substantially parallel or anti-parallel can be suppressed.
  • information can be written by reversing the magnetization direction of the storage layer within a predetermined finite time.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of the memory element 3 as the first embodiment.
  • parts that are the same as the parts that have already been described are assigned the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the magnetization fixed layer (reference layer) 12 the intermediate layer 13 (nonmagnetic layer: tunnel insulating layer), and the magnetization M ⁇ b> 14 are oriented on the base layer 11.
  • a variable storage layer (free magnetic layer) 14 and a cap layer 15 are laminated in the same order.
  • the storage layer 14 has a direction in which the easy axis of magnetization is perpendicular to the film surface (in this case, upward in the figure), and the magnetization M14 of the storage layer 14 is directed to a direction perpendicular to the film surface. Up to this point, the configuration is the same as that of the memory element 3 ′ shown in FIG.
  • the magnetization fixed layer 12 is configured by a multilayer film in which a plurality of ferromagnetic layers and a coupling layer are stacked.
  • the magnetization fixed layer 12 in this case has a three-layer structure including a ferromagnetic layer 12a, a coupling layer 12b, and a ferromagnetic layer 12c as shown in the figure.
  • the magnetization M1 of the ferromagnetic layer 12a and the magnetization M2 of the ferromagnetic layer 12c are magnetically coupled via the coupling layer 12b.
  • Nonmagnetic metals such as Ta and Ru can be used for the coupling layer 12b.
  • the intermediate layer 13 between the magnetization fixed layer 12 and the storage layer 14 is used between an insulating material (various oxides or the like) for forming a tunnel insulating film, or a magnetic layer of a magnetoresistive effect element.
  • insulating material various oxides or the like
  • Non-magnetic metals can be used.
  • various magnetic materials used in the MTJ of the conventional STT-MRAM can be used.
  • CoFe or CoFeB can be used for the magnetization fixed layer 12 and the storage layer 14.
  • NiFe, TePt, CoPt, TbFeCo, GdFeCo, CoPd, MnBi, MnGa, PtMnSb, Co—Cr-based materials, and the like can be used.
  • magnetic materials other than these materials can be used.
  • Information is read using the magnetoresistive effect. That is, as in the case of the information recording described above, a current is passed in the direction perpendicular to the film surface of each layer (the stacking direction of each layer). Then, a phenomenon is used in which the electrical resistance indicated by the storage element changes depending on the relative angle between the magnetization M2 of the ferromagnetic layer 12c adjacent to the intermediate layer 13 and the magnetization M14 of the storage layer.
  • FIG. 6 shows the configuration of the magnetization fixed layer 12 of this example in more detail. Specifically, FIG. 6A is a perspective view of the magnetization fixed layer 12, and FIG. 6B is a top view of the magnetization fixed layer 12. Here, for the sake of simplicity, the coupling layer 12b is omitted.
  • the magnetization fixed layer 12 has a cylindrical shape. However, other shapes such as an ellipse and a rectangle may be used.
  • the angles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 1, and ⁇ 2 are defined as follows. First, in the perspective view of FIG. 6A, the vertical axis aV penetrating the magnetization fixed layer 12 in the vertical direction is shown. The vertical axis aV coincides with the easy magnetization axis of the storage layer 14. The angle between the magnetization M1 and the vertical axis aV is ⁇ 1, and the angle between the magnetization M2 and the vertical axis is ⁇ 2.
  • FIG. 6B shows a reference line aH passing through the centers of the strong magnetic layers 12a and 12c. Since the cross-sectional shapes of the strong magnetic layers 12a and 12c are circular, the direction of the reference line aH can be arbitrarily selected.
  • the angles formed with the reference line aH when the magnetization M1 and the magnetization M2 are projected onto the film surface are ⁇ 1 and ⁇ 2, respectively.
  • the magnetic material has magnetic energy corresponding to the direction of magnetization.
  • the unit of ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ ex is Joule (J), but as a dimensionless quantity divided by thermal energy (product of Boltzmann constant and absolute temperature) as in the case of the excitation energy E and the thermal stability index ⁇ described above. deal with.
  • the magnetization direction of the magnetization fixed layer 12 is fixed in the easy axis direction of the storage layer 14 (see the magnetization M 12 in FIG. 4 above). For this reason, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 12 and the magnetization direction of the storage layer 14 coincide with each other, resulting in an increase in inversion time.
  • the angles of the magnetization M ⁇ b> 1 and the magnetization M ⁇ b> 2 are the easy axis of the storage layer 14, That is, it has been found that the angle can be other than parallel (0 degree) and antiparallel (180 degrees) with respect to the vertical axis aV. In other words, the directions of the magnetizations M1 and M2 can be diagonal. In such a case, since the direction of the magnetization M12 of the magnetization fixed layer 12 and the magnetization M14 of the storage layer 14 has a finite angle, the spin torque does not become zero, and the increase in the reversal time is suppressed. I can expect.
  • the value of ⁇ 1 is arbitrary.
  • the magnetization easy axis of the magnetization M2 is perpendicular to the film surface, and the magnetization M2 is oriented in a direction perpendicular to the film surface.
  • the magnetization easy axis of the magnetization M2 is in the film plane, and the magnetization M2 is in the film plane.
  • the value of ⁇ 2 is arbitrary.
  • the magnetization angle is parallel to the vertical axis regardless of the size of ⁇ ex. This is the same as the storage element 3 ′ having the magnetization fixed layer 12 described with reference to FIG. 4, and an increase in inversion time is inevitable.
  • the magnetization angle is in the film plane regardless of the magnitude of ⁇ ex.
  • the relative angle between the magnetization M2 of the ferromagnetic layer 12c and the magnetization M14 of the storage layer 14 is a constant 90 degrees, so that the resistance change due to the magnetoresistance effect does not occur. Cannot be read out and cannot be used as a storage element constituting the STT-MRAM.
  • the signs of ⁇ 1 and ⁇ 2 must be different.
  • the magnetization of one ferromagnetic layer has its easy axis perpendicular to the film surface, and the magnetization of the other ferromagnetic layer is Its easy axis is in the film plane.
  • the two magnetizations whose directions are competing with each other can be inclined in an oblique direction by coupling through ⁇ ex.
  • ⁇ ex has an upper limit. If ⁇ ex has an infinite magnitude, the magnetization M1 and the magnetization M2 must be parallel, and the entire easy axis of magnetization is perpendicular to the film surface according to the magnitude relationship between ⁇ 1 and ⁇ 2. Either it is in the film plane. Even if ⁇ ex is not infinite, the magnetization M1 and the magnetization M2 become parallel if they are larger than a certain size.
  • FIG. 7 shows an example of the result.
  • ⁇ 2 is fixed to ⁇ 40, and ⁇ 1 is swung from 0 to 100.
  • the white circle is the upper limit value of ⁇ ex obtained by calculation. If ⁇ ex is smaller than this value, the magnetization M1 and the magnetization M2 can be oblique.
  • the ⁇ 1 dependency of ⁇ exmax differs depending on whether ⁇ 1 + ⁇ 2 is smaller or larger than zero.
  • a curve C41 is ⁇ 1 dependency of ⁇ exmax when ⁇ 1 + ⁇ 2 is smaller than zero.
  • curve C42 shows ⁇ 1 dependency of ⁇ exmax when ⁇ 1 + ⁇ 2 is greater than zero.
  • the magnetization fixed layer 12 having magnetization inclined in an oblique direction with respect to the easy axis of the storage layer 14 can be realized.
  • the magnetization fixed layer 12 of the present embodiment is configured such that ⁇ 1, ⁇ 2 and ⁇ ex satisfy the condition of [Equation 3] with different signs of ⁇ 1 and ⁇ 2. .
  • the magnetization fixed layer 12 has a laminated structure of the ferromagnetic layer 12a, the coupling layer 12b, and the ferromagnetic layer 12c. It has become.
  • the magnetization M1 of the ferromagnetic layer 12a and the magnetization M2 of the ferromagnetic layer 12c can be inclined with respect to an axis perpendicular to the film plane. Thereby, it is possible to avoid a phenomenon in which the spin torque for the magnetization M1 and the magnetization M2 does not work. That is, information can be recorded by reversing the directions of the magnetization M1 and the magnetization M2 within a predetermined finite time.
  • information can be written by reversing the magnetization direction of the storage layer within a predetermined time, so that write errors can be reduced and the time can be shortened.
  • a write operation can be performed. Since write errors can be reduced, the reliability of the write operation can be improved. Further, since the writing operation can be performed in a shorter time, the operation speed can be increased. That is, it is possible to realize a memory element and a memory device that have high reliability of writing operation and operate at high speed.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of the memory element 20 according to the second embodiment.
  • the memory element 20 of the second embodiment is different from the memory element 3 of the first embodiment shown in FIG. 5 in that the magnetization fixed layer 12 is changed to the magnetization fixed layer 21.
  • the magnetization fixed layer 21 of the storage element 20 has a four-layer structure in which an antiferromagnetic layer 21p, a ferromagnetic layer 12a, a coupling layer 12b, and a ferromagnetic layer 12c are stacked in the same order.
  • the antiferromagnetic layer 21p is provided to fix the magnetization direction in the film plane of the magnetization fixed layer 21.
  • the direction vector Mp in the figure indicates the direction in which the magnetization is fixed, and the direction is in the film plane.
  • the strength of the magnetic coupling energy between the magnetization M1 and the magnetization M2 is ⁇ ex.
  • the strength of the magnetic coupling energy between the magnetization M1 and the antiferromagnetic layer 21p is ⁇ pin.
  • This ⁇ pin is also treated as a dimensionless quantity divided by thermal energy (product of Boltzmann constant and absolute temperature).
  • FIG. 9 shows the configuration of the magnetization fixed layer 21 in more detail.
  • FIG. 9A is a perspective view of the magnetization fixed layer 21, and
  • FIG. 9B is a top view of the magnetization fixed layer 21.
  • the coupling layer 12b is omitted here for simplicity.
  • the magnetization fixed layer 21 has a cylindrical shape. However, other shapes such as an ellipse and a rectangle may be used.
  • the angles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 1, and ⁇ 2 are defined as follows.
  • a vertical axis aV penetrating the magnetization fixed layer 21 in the vertical direction is shown.
  • the vertical axis aV coincides with the easy magnetization axis of the storage layer 14.
  • the angle between the magnetization M1 and the vertical axis aV is ⁇ 1, and the angle between the magnetization M2 and the vertical axis aV is ⁇ 2.
  • 9A and 9B show a reference line aH passing through the centers of the ferromagnetic layers 21a and 22c.
  • the reference line aH is selected so as to coincide with the direction vector Mp.
  • the angles formed with the reference line aH when the magnetization M1 and the magnetization M2 are projected onto the film surface are ⁇ 1 and ⁇ 2, respectively.
  • the magnetizations M1 and M2 of the magnetization fixed layer 12 are fixed at angles ⁇ 1 and ⁇ 2 with respect to the vertical axis aV, but the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 around the vertical axis aV are fixed.
  • the annular dotted line shown in the perspective view of FIG. 9A shows the trajectories of the magnetizations M1 and M2.
  • the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 around the vertical axis aV of the magnetization M1 and the magnetization M2 of the magnetization fixed layer 21 are fixed by the antiferromagnetic layer 21p.
  • the angles around the vertical axis aV of the magnetization M1 and the magnetization M2 of the magnetization fixed layer 21 can be fixed in a certain direction. .
  • the magnitude of the reversal current can be reduced. That is, the threshold current value (Ic0 in [Expression 1]) necessary for spin torque magnetization reversal can be reduced.
  • FIG. 10 shows the relationship between the excitation energy E and the inversion time ts at a certain current.
  • the horizontal axis is ln [( ⁇ / 2) ( ⁇ / E) 1/2 ] according to [Formula 1].
  • ⁇ of the storage layer 14 was set to 60.
  • the excitation energy E a value calculated from the magnetization direction when a current is passed through the memory element is used.
  • the magnetization direction deviates from the equilibrium state due to thermal fluctuation, but the larger the excitation energy E (in the left direction in FIG. 10), the larger the deviation.
  • a curve C1 shows a simulation result for the conventional memory element 3 '.
  • the curve C1 is almost a straight line. And it turns out that it reverses in a short time, so that the excitation energy E is large.
  • the current supply time is 20 ns. Then, the intersection with the curve C1 becomes a point P3. The value on the horizontal axis at this time is about 11.5. When the excitation energy E is obtained from this, and the write error rate is further obtained, it becomes 1.5 ⁇ 10 ⁇ 8 . Since the number of writes required in the random access memory is about 10 15 times, this write error rate is not a negligible value. At another current supply time, the position of the point P3 changes, and the write error rate changes accordingly.
  • the write error rate changes depending on the current supply time, and the write error rate increases as the current supply time decreases.
  • the relationship between the excitation energy E and the inversion time ts when the memory element according to the embodiment of the present technology is used is indicated by a curve C2.
  • storage element 20 of 2nd Embodiment is shown.
  • the direction of the magnetization M2 of the ferromagnetic layer 12c is assumed to be inclined by 5 degrees from the vertical axis.
  • the inversion time ts is constant at about 10 ns. This means that the reversal time ts does not exceed 10 ns regardless of the orientation of the magnetization M14 of the storage layer 14 at the time when the current is passed.
  • the upper limit (10 ns in the calculation example of FIG. 10) of the inversion time ts is determined regardless of the direction of magnetization at the time when the current is passed. If the current supply time is set to the upper limit value or more, writing can be performed without causing a writing error. Also from this point, according to the memory element of the embodiment, it can be seen that a write operation in a shorter time than the conventional memory element 3 ′ can be realized without causing a write error.
  • FIG. 10 shows the simulation result when the memory element 20 of the second embodiment is used, the same result can be obtained when the memory element 3 of the first embodiment is used.
  • the embodiments according to the present technology have been described above, but the present technology should not be limited to the specific examples illustrated above.
  • the three-layer structure of the ferromagnetic layer 12a, the coupling layer 12b, and the ferromagnetic layer 12c is applied to the laminated structure of the ferromagnetic layer and the coupling layer of the magnetization fixed layer 12 included in the storage elements 3 and 20.
  • a laminated structure having an arbitrary number of layers other than the three-layer structure can be applied.
  • the entire storage element has a stacked structure in which at least the magnetization fixed layer 12 (21), the intermediate layer 13, and the storage layer 14 are arranged in this order from the lower layer side.
  • the memory element an arrangement in which the order of each layer is reversed upside down is also possible.
  • the structure of the memory element 3 or the memory element 20 according to the present technology is a configuration of a magnetoresistive effect element such as a TMR element.
  • the magnetoresistive effect element as the TMR element is not limited to the above-described memory device,
  • the present invention can be applied to a magnetic head, a hard disk drive equipped with this magnetic head, an integrated circuit chip, and various electronic devices such as personal computers, portable terminals, mobile phones, and magnetic sensor devices, and electric devices.
  • FIGS. 11A and 11B show an example in which the magnetoresistive effect element 101 having the structure of the storage elements 3 and 20 is applied to the composite magnetic head 100.
  • FIG. FIG. 11A is a perspective view showing the composite magnetic head 100 with a part cut away so that the internal structure of the composite magnetic head 100 can be understood.
  • FIG. 11B is a cross-sectional view of the composite magnetic head 100.
  • the composite magnetic head 100 is a magnetic head used in a hard disk device or the like, and includes a magnetoresistive effect type magnetic head according to the present technology formed on a substrate 122, and an inductive effect on the magnetoresistive effect type magnetic head.
  • a type magnetic head is laminated.
  • the magnetoresistive head is operated as a reproducing head
  • the inductive magnetic head is operated as a recording head. That is, the composite magnetic head 100 is configured by combining a reproducing head and a recording head.
  • the magnetoresistance effect type magnetic head mounted on the composite type magnetic head 100 is a so-called shield type MR head, and includes a first magnetic shield 125 formed on a substrate 122 via an insulating layer 123, and a first magnetic shield 125.
  • the magnetoresistive effect element 101 formed on the magnetic shield 125 via the insulating layer 123 and the second magnetic shield 127 formed on the magnetoresistive effect element 101 via the insulating layer 123 are provided.
  • the insulating layer 123 is made of an insulating material such as Al 2 O 3 or SiO 2 .
  • the first magnetic shield 125 is for magnetically shielding the lower layer side of the magnetoresistive element 101 and is made of a soft magnetic material such as Ni—Fe.
  • a magnetoresistive effect element 101 is formed on the first magnetic shield 125 with an insulating layer 123 interposed therebetween.
  • the magnetoresistive effect element 101 functions as a magnetosensitive element that detects a magnetic signal from the magnetic recording medium.
  • the magnetoresistive effect element 101 has a film configuration (layer structure) similar to that of the memory element 3 or the memory element 20 described above.
  • the magnetoresistive effect element 101 is formed in a substantially rectangular shape, and one side surface thereof is exposed to the magnetic recording medium facing surface.
  • Bias layers 128 and 129 are disposed at both ends of the magnetoresistive effect element 101. Further, connection terminals 130 and 131 connected to the bias layers 128 and 129 are formed. A sense current is supplied to the magnetoresistive effect element 101 via the connection terminals 130 and 131. Further, a second magnetic shield layer 127 is provided on the bias layers 128 and 129 via an insulating layer 123.
  • the inductive magnetic head laminated on the magnetoresistive effect magnetic head as described above has a magnetic core constituted by the second magnetic shield 127 and the upper core 132, and is wound around the magnetic core. And a formed thin film coil 133.
  • the upper layer core 132 forms a closed magnetic path together with the second magnetic shield 122 and becomes a magnetic core of this inductive magnetic head, and is made of a soft magnetic material such as Ni—Fe.
  • the front end of the second magnetic shield 127 and the upper core 132 are exposed to the surface facing the magnetic recording medium, and the second magnetic shield 127 and the upper core 132 are in contact with each other at their rear ends. It is formed as follows.
  • the front end portions of the second magnetic shield 127 and the upper core 132 are formed so that the second magnetic shield 127 and the upper core 132 are separated from each other with a predetermined gap g on the surface facing the magnetic recording medium. That is, in this composite magnetic head 100, the second magnetic shield 127 not only magnetically shields the upper layer side of the magnetoresistive effect element 126 but also serves as the magnetic core of the inductive magnetic head.
  • the magnetic shield 127 and the upper core 132 constitute the magnetic core of the inductive magnetic head.
  • the gap g becomes a recording magnetic gap of the inductive magnetic head.
  • a thin film coil 133 embedded in the insulating layer 123 is formed on the second magnetic shield 127.
  • the thin film coil 133 is formed so as to wind a magnetic core composed of the second magnetic shield 127 and the upper layer core 132.
  • both ends of the thin film coil 133 are exposed to the outside, and terminals formed at both ends of the thin film coil 133 serve as external connection terminals of the inductive magnetic head. That is, when a magnetic signal is recorded on the magnetic recording medium, a recording current is supplied to the thin film coil 132 from these external connection terminals.
  • the laminated structure as a storage element of the present technology can be applied as a reproducing head for a magnetic recording medium, that is, as a magnetosensitive element for detecting a magnetic signal from the magnetic recording medium.
  • the present technology can also take the following configurations.
  • a storage layer whose magnetization direction is changed in response to information;
  • a magnetization fixed layer in which the direction of magnetization is fixed;
  • a non-magnetic intermediate layer disposed between the storage layer and the magnetization pinned layer, and the magnetization direction of the storage layer is changed by passing a current in the stacking direction of the layer structure.
  • the magnetization fixed layer is Two ferromagnetic layers are laminated via a coupling layer, and the ferromagnetic layer is magnetically coupled via the coupling layer, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer is inclined from the direction perpendicular to the film surface.
  • a memory element is used to take the following configurations.
  • the magnetization fixed layer is The first ferromagnetic layer, the coupling layer, and the second ferromagnetic layer are stacked in the same order,
  • the magnetic energy of the first ferromagnetic layer, and the magnetization of the first ferromagnetic layer is perpendicular to the film surface from the magnetic energy when the magnetization of the first ferromagnetic layer is in the film surface.
  • the magnetic energy defined as a value obtained by subtracting the magnetic energy at a certain time is defined as the first magnetic energy, the magnetic energy of the second ferromagnetic layer, and the magnetization of the second ferromagnetic layer is within the film plane.
  • the magnetic energy defined as a value obtained by subtracting the magnetic energy when the magnetization of the second ferromagnetic layer is perpendicular to the film surface from the magnetic energy when the second magnetic energy is The memory element according to (1), wherein the signs of the first magnetic energy and the second magnetic energy are different.
  • the magnetic coupling energy between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer via the coupling layer is an interlayer magnetic coupling energy
  • the absolute value of the interlayer magnetic coupling energy is twice the value obtained by dividing the product of the first magnetic energy and the second magnetic energy by the sum of the first magnetic energy and the second magnetic energy.
  • the magnetization fixed layer is An antiferromagnetic layer, a first ferromagnetic layer, a coupling layer, and a second ferromagnetic layer are stacked in the same order, The magnetic energy of the first ferromagnetic layer, and the magnetization of the first ferromagnetic layer is perpendicular to the film surface from the magnetic energy when the magnetization of the first ferromagnetic layer is in the film surface.
  • the magnetic energy defined as a value obtained by subtracting the magnetic energy at a certain time is defined as the first magnetic energy
  • the magnetic energy of the second ferromagnetic layer is such that the magnetization of the second ferromagnetic layer is within the film plane.
  • the magnetic energy defined as a value obtained by subtracting the magnetic energy when the magnetization of the second ferromagnetic layer is perpendicular to the film surface from the magnetic energy when the second magnetic energy is The memory element according to (4), wherein the signs of the first magnetic energy and the second magnetic energy are different.
  • the magnetization of the antiferromagnetic layer and the first ferromagnetic layer are magnetically coupled, and the direction of magnetization in the film surface of the first ferromagnetic layer is fixed. Memory element.
  • a storage layer whose magnetization direction is changed in response to information A magnetization fixed layer in which the direction of magnetization is fixed; A non-magnetic intermediate layer disposed between the storage layer and the magnetization pinned layer, and the magnetization direction of the storage layer is changed by passing a current in the stacking direction of the layer structure.
  • the magnetization fixed layer is Two ferromagnetic layers are laminated via a coupling layer, and the ferromagnetic layer is magnetically coupled via the coupling layer, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer is inclined from the direction perpendicular to the film surface.
  • a storage element A wiring portion for supplying a current flowing in the stacking direction to the memory element; And a current supply control unit that controls supply of the current to the storage element via the wiring unit.

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Abstract

【課題】書き込みエラーを生じることなく、短い時間で書き込み動作を行うことができる記憶素子及び記憶装置を提供する。 【解決手段】情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層とを含む層構造を有する記憶素子を構成する。そして上記磁化固定層が、少なくとも２つの強磁性層が結合層を介して積層され、上記２つの強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合し、上記２つの強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している。このような構成により、上記記憶層及び上記磁化固定層のそれぞれの磁化の向きがほぼ平行又は反平行とされてしまうことによる磁化反転時間の発散を効果的に抑えることができ、書き込みエラーを低減し、より短い時間で書き込みができる。

Description

記憶素子、記憶装置
　本技術は、複数の磁性層を有し、スピントルク磁化反転を利用して記録を行う記憶素子及び記憶装置に関する。
　モバイル端末から大容量サーバに至るまで、各種情報機器の飛躍的な発展に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子においても、高集積化、高速化、低消費電力化等、さらなる高性能化が追求されている。
　特に、半導体不揮発性メモリの進歩は著しく、中でも大容量ファイルメモリとしてのフラッシュメモリはハードディスクドライブを駆逐する勢いで普及が進んでいる。
　一方、コードストレージ用さらにはワーキングメモリへの展開を睨み、現在一般に用いられているＮＯＲフラッシュメモリ、ＤＲＡＭ等を置き換えるべく、半導体不揮発性メモリの開発が進められている。例えば、ＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）、ＰＣＲＡＭ（相変化ＲＡＭ）等が挙げられる。これらのうち、一部はすでに実用化されている。
　これらの不揮発性メモリの中でも、ＭＲＡＭは、磁性体の磁化方向によりデータ記憶を行うために、高速の書き換え、かつ、ほぼ無限（１０15回以上）の書き換えが可能であり、既に産業オートメーションや航空機等の分野で使用されている。
　ＭＲＡＭは、その高速動作と信頼性から、今後、コードストレージやワーキングメモリへの展開が期待されている。
　しかしながら、ＭＲＡＭは、低消費電力化や大容量化に課題を有している。
　これは、ＭＲＡＭの記録原理、すなわち、配線から発生する電流磁界によって磁化を反転させる、という方式に起因する本質的な課題である。
　この問題を解決するための一つの方法として、電流磁界によらない記録（すなわち、磁化反転）方式が検討されており、中でもスピントルク磁化反転に関する研究は活発である（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照）。
　スピントルク磁化反転の記憶素子は、ＭＲＡＭと同じく、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）により構成されている。
　そして、ある方向に固定された磁性層を通過するスピン偏極電子が、他の自由な（方向を固定されない）磁性層に進入する際に、その磁性層にトルクを与えることを利用したもので、ある閾値以上の電流を流せば、自由磁化層（記憶層）の磁化の向きが反転する。
　０／１の書換えは、記憶素子に流す電流の極性を変えることにより行う。
　自由磁化層の磁化の向きの反転のための電流の絶対値は、０．１μｍ程度のスケールの記憶素子で１ｍＡ以下である。しかも、この電流値は、記憶素子の体積に比例して減少するため、スケーリングが可能である。
　さらにまた、ＭＲＡＭで必要であった記録用電流磁界を発生させるためのワード線が不要であるため、セル構造が単純になるという利点もある。
　以下、スピントルク磁化反転を利用したＭＲＡＭを、ＳＴＴ－ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque - Magnetic Random Access Memory）と呼ぶことにする。
　高速かつ書換え回数がほぼ無限大である、というＭＲＡＭの利点を保ったまま、低消費電力化や大容量化を可能とする不揮発メモリとして、ＳＴＴ－ＭＲＡＭに大きな期待が寄せられている。
特開２００３－１７７８２号公報 米国特許第５６９５８６４号明細書
　ＳＴＴ－ＭＲＡＭにおいて、磁化反転を引き起こすスピントルクは、磁化の向きに依存してその大きさが変化する。
　通常のＳＴＴ－ＭＲＡＭの記憶素子の構造では、スピントルクがゼロとなる磁化角度が存在する。
　初期状態の磁化角度がこの角度に一致した時、磁化反転に必要な時間が非常に大きくなる。そのため、書き込み時間内に磁化反転が完了しない場合も有り得る。
　書き込み時間内に反転が完了しないと、その書き込み動作は失敗（書き込みエラー）となり、正常な書き込み動作を行えないことになる。
　本技術の課題は、エラーの発生を効果的に抑制し、短い時間で書き込み動作を行うことができる記憶素子及び記憶装置を提供することにある。
　上記課題の解決のため、本技術では記憶素子として以下のように構成することとした。
　すなわち、本技術の記憶素子は、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層とを少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われるものである。
　そして、上記磁化固定層が、２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しているものである。
　また、本技術の記憶装置は、上記本技術の記憶素子を備えると共に、上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部とを備えるものである。
　上記のように本技術の記憶素子では、上記磁化固定層を構成する上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している。このことで、上記記憶層及び上記磁化固定層のそれぞれの磁化の向きがほぼ平行又は反平行とされてしまうことによる磁化反転時間の発散を効果的に抑えることができる。すなわち、所定の有限の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことが可能になる。
　また、本技術の記憶装置によれば、上記配線部を通じて、上記記憶素子に積層方向の電流が流すことができ、上記記憶層の磁化反転による情報の記録を行うことができる。
　本技術によれば、所定の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことが可能になることから、書き込みエラーを低減することができ、より短い時間で書き込み動作を行うことができる。
　書き込みエラーを低減できるので、書き込み動作の信頼性を向上できる。
 
　また、より短い時間で書き込み動作を行うことができるので、動作の高速化を図ることができる。
　従って、本技術により、書き込み動作の信頼性が高く、高速に動作する記憶素子及び記憶装置を実現できる。
実施の形態の記憶装置の概略斜視図である。 実施の形態の記憶装置の断面図である。 実施の形態の記憶装置の平面図である。 磁化の向きが膜面に垂直とされた従来のＳＴＴ－ＭＲＡＭによる記憶素子の概略構成についての説明図（断面図）である。 第１の実施の形態としての記憶素子の概略構成図（断面図）である。 第１の実施の形態の磁化固定層の構成を詳しく示した図である。 磁気結合エネルギーの範囲をプロットした図である。 第２の実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。 第２の実施の形態の磁化固定層の構成を詳しく示した図である。 或る電流における励起エネルギーと反転時間の関係を示した図である。 実施の形態の記憶素子（磁気抵抗効果型素子）の複合型磁気ヘッドへの適用例を示した図である。
　以下、本発明の実施の形態を次の順序で説明する。
　＜１．実施の形態の記憶装置の概略構成＞
　＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
　＜３．第１の実施の形態（具体的構成例１）＞
　＜４．第２の実施の形態（具体的構成例２）＞
　＜５．シミュレーション結果＞
　＜６．変形例＞
　＜１．実施の形態の記憶装置の概略構成＞
　まず、記憶装置の概略構成について説明する。
　記憶装置の模式図を図１、図２及び図３に示す。図１は斜視図、図２は断面図、図３は平面図である。
　図１に示すように、実施の形態の記憶装置は、互いに直交する２種類のアドレス配線（例えばワード線とビット線）の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができるＳＴＴ－ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque - Magnetic Random Access Memory）による記憶素子３が配置されて成る。
　すなわち、シリコン基板等の半導体基体１０の素子分離層２により分離された部分に、各記憶素子３を選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域８、ソース領域７、並びにゲート電極１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極１は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線（ワード線）を兼ねている。
　ドレイン領域８は、図１中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域８には、配線９が接続されている。
　そして、ソース領域７と、上方に配置された、図１中左右方向に延びるビット線６との間に、スピントルク磁化反転により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子３が配置されている。この記憶素子３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。
　図２に示すように、記憶素子３は２つの磁性層１２、１４を有する。この２層の磁性層１２、１４のうち、一方の磁性層を磁化Ｍ１２の向きが固定された磁化固定層１２とし、他方の磁性層を磁化Ｍ１４の向きが変化する自由磁化層すなわち記憶層１４とする。
　また、記憶素子３は、ビット線６とソース領域７とに、それぞれ上下のコンタクト層４を介して接続されている。
　これにより、２種類のアドレス配線１、６を通じて、記憶素子３に上下方向（積層方向）の電流を流して、スピントルク磁化反転により記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きを反転させることができる。
　図３に示すように、記憶装置はマトリクス状に直交配置させたそれぞれ多数の第１の配線（ワード線）１及び第２の配線（ビット線）６の交点に、記憶素子３を配置して構成されている。
　記憶素子３は、その平面形状が円形状とされ、図２に示した断面構造を有する。
　また、記憶素子３は、図２に示したように磁化固定層１２と記憶層１４とを有している。
　そして、各記憶素子３によって、記憶装置のメモリセルが構成される。
　ここで、このような記憶装置では、選択トランジスタの飽和電流以下の電流で書き込みを行う必要があり、トランジスタの飽和電流は微細化に伴って低下することが知られているため、記憶装置の微細化のためには、スピントランスファの効率を改善して、記憶素子３に流す電流を低減させることが好適である。
　また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには上述のようなＭＴＪ構造を採用すること、すなわち２層の磁性層１２、１４の間に中間層をトンネル絶縁層（トンネルバリア層）とした記憶素子３の構成とすることが効果的である。
　このように中間層としてトンネル絶縁層を用いた場合には、トンネル絶縁層が絶縁破壊することを防ぐために、記憶素子３に流す電流量に制限が生じる。すなわち記憶素子３の繰り返し書き込みに対する信頼性の確保の観点からも、スピントルク磁化反転に必要な電流を抑制することが好ましい。なお、スピントルク磁化反転に必要な電流は、反転電流、記憶電流などとも呼ばれる。
　また、実施の形態の記憶装置は不揮発メモリ装置であるから、電流によって書き込まれた情報を安定に記憶する必要がある。つまり、記憶層１４の磁化の熱揺らぎに対する安定性（熱安定性）を確保する必要がある。
　記憶層１４の熱安定性が確保されていないと、反転した磁化の向きが、熱（動作環境における温度）により再反転する場合があり、保持エラーとなってしまう。
　本記憶装置における記憶素子３（ＳＴＴ－ＭＲＡＭ）は、従来のＭＲＡＭと比較して、スケーリングにおいて有利、すなわち体積を小さくすることは可能であるが、体積が小さくなることは、他の特性が同一であるならば、熱安定性を低下させる方向にある。
　ＳＴＴ－ＭＲＡＭの大容量化を進めた場合、記憶素子３の体積は一層小さくなるので、熱安定性の確保は重要な課題となる。
　そのため、ＳＴＴ－ＭＲＡＭにおける記憶素子３において、熱安定性は非常に重要な特性であり、体積を減少させてもこの熱安定性が確保されるように設計する必要がある。
　＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
　続いて、実施の形態の記憶素子３の概要について説明する。
　先ずは図４の断面図を参照して、磁化の向きが膜面に垂直とされた従来のＳＴＴ－ＭＲＡＭによる記憶素子３’の概略構成を説明する。
　なお、後の説明からも理解されるように、本実施の形態の記憶素子３においては、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２の向きは膜面に垂直な方向とはならない。この図４を参照して行う説明においては、便宜上、従来の記憶素子３’が備える磁化固定層の符号として「１２」を用いる。
　図４に示すように、記憶素子３’は、下地層１１の上に、磁化Ｍ１２の向きが固定された磁化固定層（参照層とも呼ばれる）１２、中間層（非磁性層：トンネル絶縁層）１３、磁化Ｍ１４の向きが可変である記憶層（自由磁化層）１４、キャップ層１５が同順に積層されている。
　このうち、磁化固定層１２は、高い保磁力等によって、磁化Ｍ１２の向きが固定されている。この図の説明では、磁化の向きは膜面に対して垂直方向に固定されているとする。
　記憶素子３’においては、一軸異方性を有する記憶層１４の磁化（磁気モーメント）Ｍ１４の向きにより、情報の記憶が行われる。
　記憶素子３’への情報の書き込みは、記憶素子３’の各層の膜面に垂直な方向（すなわち、各層の積層方向）に電流を流して、記憶層１４にスピントルク磁化反転を起こさせることにより行う。
　ここで、スピントルク磁化反転について簡単に説明しておく。
　電子は、２種類のスピン角運動量をもつ。仮にこれを上向き、下向きと定義する。
　非磁性体の場合、その内部では、上向きのスピン角運動量を持つ電子と、下向きのスピン角運動量を持つ電子の両者が同数となる。これに対し強磁性体の場合、その内部では両者の数に差がある。
　まず、中間層１３を介して積層された２層の強磁性体（磁化固定層１２及び記憶層１４）において、互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４の向きが反平行状態にあり、電子を磁化固定層１２から記憶層１４に移動させる場合について考える。
　磁化固定層１２を通過した電子は、スピン偏極、すなわち、上向きと下向きの数に差が生じている。
　トンネル絶縁層としての中間層１３の厚さが十分に薄いと、スピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極（上向きと下向きが同数）状態になる前に、他方の磁性体、すなわち、記憶層（自由磁化層）１４に達する。
　そして、２層の強磁性体（磁化固定層１２及び記憶層１４）のスピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系のエネルギーを下げるために、一部の電子は、反転する、すなわち、スピン角運動量の向きが変わる。このとき、系の全角運動量は保存されなくてはならないため、向きを変えた電子による角運動量変化の合計と等価な反作用が、記憶層１４の磁化Ｍ１４にも与えられる。
　電流量、すなわち、単位時間に通過する電子の数が少ない場合には、向きを変える電子の総数も少ないため、記憶層１４の磁化Ｍ１４に発生する角運動量変化も小さいが、電流が増えると、多くの角運動量変化を単位時間内に与えることができる。
　角運動量の時間変化はトルクであり、トルクがある閾値を超えると、記憶層１４の磁化Ｍ１４は、歳差運動を開始して、記憶層１４の一軸異方性により、１８０度回転したところで安定となる。すなわち、反平行状態から平行状態への反転が起こる。
　一方、２層の強磁性体１２，１４の互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４が平行状態にあるとき、電流を逆に記憶層１４から磁化固定層１２へ電子を送る向きに流すと、今度は磁化固定層１２で電子が反射される。
　そして、反射されてスピンの向きが反転した電子が、記憶層１４に進入する際にトルクを与えて、記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きを反転させるので、互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４を反平行状態へと反転させることができる。
　ただし、この際に反転を起こすのに必要な電流量は、反平行状態から平行状態へと反転させる場合よりも多くなる。
　平行状態から反平行状態への反転は、直感的な理解が困難であるが、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２が固定されているために反転できず、系全体の角運動量を保存するために記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが反転する、と考えてもよい。
　このように、０／１の情報の記録は、磁化固定層（参照層）１２から記憶層１４への方向、又はその逆方向に、それぞれの極性に対応する、ある閾値以上の電流を流すことによって行われる。
　情報の読み出しは、従来型のＭＲＡＭと同様に、磁気抵抗効果を用いて行われる。
　すなわち、先に説明した情報の記録の場合と同様に、各層の膜面に垂直な方向（各層の積層方向）に電流を流す。そして、記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが磁化固定層（参照層）１２の磁化Ｍ１２の向きに対して、平行であるか反平行であるかに従って、記憶素子３’の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
　さて、トンネル絶縁層としての中間層１３に用いる材料は、金属でも絶縁体でも構わないが、より高い読み出し信号(抵抗の変化率)が得られ、かつ、より低い電流によって記録が可能とされるのは、中間層１３に絶縁体を用いた場合である。このときの素子を、強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）素子と呼ぶ。
　前述したスピントルクは、記憶層１４の磁化Ｍ１４と磁化固定層（参照層）１２の磁化Ｍ１２との角度によって、大きさが変化する。
　磁化Ｍ１４の向きを表す単位ベクトルをｍ１とし、磁化Ｍ１２の向きを表す単位ベクトルをｍ２とすると、スピントルクの大きさは、ｍ１×（ｍ１×ｍ２）に比例する。ここで、"×"はベクトルの外積である。
　通常、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２は、記憶層１４の磁化容易軸方向に固定されている。記憶層１４の磁化Ｍ１４は、記憶層１４自身の磁化容易軸方向に向く傾向にある。このとき、ｍ１とｍ２は、０度（平行）もしくは１８０度（反平行）の角をなす。
　図４ではｍ１とｍ２のなす角度が０度である場合の磁化Ｍ１２と磁化Ｍ１４の向きを例示している。
　このようにｍ１とｍ２のなす角度が０度もしくは１８０度である場合、前述のスピントルクの式に従えば、スピントルクは全く働かないことになる。
　但し現実には、記憶層１４の磁化Ｍ１４は、熱揺らぎによって磁化容易軸の周りにランダムに分布しているために、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２とのなす角度が、０度もしくは１８０度から離れたときに、スピントルクが働き、磁化反転を起こすことができる。
　磁性体は、その磁化の向きに応じた磁気エネルギーを持つ。磁気エネルギーが最も低くなる方向が磁化容易軸である。
　熱揺らぎがない場合には、磁気エネルギーを最小にしようとする力（トルク）によって、磁化は磁化容易軸を向く。
　一方、熱揺らぎによって磁化の向きが磁化容易軸から離れているときの磁気エネルギーは、磁化が磁化容易軸方向にあるときに比べて大きくなる。この差を励起エネルギーＥと呼ぶことにする。そして、磁化の向きがさらに磁化容易軸から離れ、励起エネルギーＥがある閾値を超えたとき、磁化反転が起きる。
　この閾値のことをΔと呼ぶことにする。
　上記Δは、磁化を反転させるために必要なエネルギーとみなすことができる。励起エネルギーＥ及び閾値Δの単位はジュール（Ｊ）であるが、以下では熱エネルギー（ボルツマン定数と絶対温度の積）で割った無次元量として扱う。このようにすると、Δは熱エネルギーに対する磁化の安定性を示す指標とみなせることから、Δを熱安定性の指標と呼ぶこともある。
　記憶層１４の磁化Ｍ１４の励起エネルギーＥ及び熱安定性の指標Δを用いると、記憶層１４に流した電流Ｉと、それによって起きるスピントルク磁化反転に要する時間（反転時間）ｔｓは次式を満たす。

Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ここで、Ｉｃ０はスピントルク磁化反転が生じるのに必要な閾値電流、ηは電流Ｉのスピン偏極率、ｅは電子の電荷、Ｍｓは磁化Ｍ１４の飽和磁化、Ｖは記憶層１４の体積、μＢはボーア磁子である。
　左辺は、記憶層１４に注入されるスピンの個数に対応する。右辺は記憶層１４に存在するスピンの個数に対応する。ただし、その個数は対数項によってスケーリングされている。なお、励起エネルギーＥは電流を流した時点での磁化の方向に対応した値を用いる。
　上記［式１］を見て分かるように、励起エネルギーＥが０に近づくにつれて、反転時間ｔｓは無限大に発散する。前述したように、磁化Ｍ１４は熱揺らぎがない場合にはＥ＝０となる磁化容易軸を向くため、反転時間の発散が問題となる。
　ここで、熱揺らぎがある時の励起エネルギーＥについて説明する。熱揺らぎによって励起エネルギーＥは有限の値となる。記憶層が単一の強磁性層で構成される場合において、励起エネルギーＥがある値Ｘより小さくなる確率は、１－ｅｘｐ（－Ｘ）で与えられる。
　ここで、ｅｘｐは指数関数である。上記［式１］より、ある電流Ｉを流した時に反転時間ｔｓで反転するために必要な励起エネルギーＥの値をＸとする。すると、ある電流Ｉを時間ｔｓだけ流した時に、確率１－ｅｘｐ（－Ｘ）で磁化反転が起きないことになる。すなわち、書き込みエラー率が１－ｅｘｐ（－Ｘ）となる。このように、励起エネルギーＥは書き込みエラー率と密接な関連がある。
　本技術は、上記のような反転時間の発散を抑制するために、磁化固定層を、少なくとも２つ以上の強磁性層が結合層を介して積層した構成とする。隣接する２つの強磁性層は、間に挿入された結合層を介して磁気的に結合している。
　このような本技術の構成によれば、磁化固定層を構成する強磁性層間の磁気的結合によって、磁化固定層の磁化の向きを膜面に垂直な方向から傾けることができ、記憶層及び磁化固定層のそれぞれの磁化の向きがほぼ平行又は反平行になることによる磁化反転に要する時間の発散を抑えることができる。
　これにより、所定の有限の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことができる。
　＜３．第１の実施の形態（具体的構成例１）＞
　以下、本技術の具体的な実施の形態について説明する。
　実施の形態としては、具体的な構成例として第１の構成例（第１の実施の形態）と第２の構成例（第２の実施の形態）を挙げる。
　図５は、第１の実施の形態としての記憶素子３の概略構成図（断面図）を示している。
　なお以下の説明において、既に説明済みとなった部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
　図５において、第１の実施の形態の記憶素子３は、下地層１１の上に、磁化固定層（参照層）１２、中間層１３（非磁性層：トンネル絶縁層）、磁化Ｍ１４の向きが可変とされた記憶層（自由磁化層）１４、及びキャップ層１５が同順に積層されている。
　記憶層１４は、磁化容易軸が膜面に垂直な方向（この場合は図中上向き）であり、記憶層１４の磁化Ｍ１４は膜面に垂直な方向を向く。
　ここまでは、図４に示した記憶素子３’の構成と同様である。
　さらに、本実施の形態の記憶素子３では、磁化固定層１２が、複数の強磁性層と結合層を積層した多層膜で構成される。具体的に、この場合の磁化固定層１２は、図のように強磁性層１２ａ、結合層１２ｂ、強磁性層１２ｃからなる３層構造で構成されている。
　このような構成では、強磁性層１２ａの磁化Ｍ１と強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２は結合層１２ｂを介して磁気的に結合している。結合層１２ｂには、Ｔａ，Ｒｕ等の非磁性の金属を使用することができる。
　磁化固定層１２と記憶層１４との間の中間層１３には、トンネル絶縁膜を形成するための絶縁材料（各種酸化物等）、もしくは、磁気抵抗効果素子の磁性層の間に用いられる、非磁性の金属を使用することができる。
　この中間層１３の材料として絶縁材料を用いると、前述したように、より高い読み出し信号（抵抗の変化率）が得られ、かつ、より低い電流によって記録が可能となる。
　磁化固定層１２及び記憶層１４には、従来のＳＴＴ－ＭＲＡＭのＭＴＪにおいて使用されている、各種の磁性材料を使用することができる。
　例えば、磁化固定層１２及び記憶層１４にＣｏＦｅ若しくはＣｏＦｅＢを使用することができる。
　或いは、ＮｉＦｅ，ＴｅＰｔ，ＣｏＰｔ，ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＣｏＰｄ，ＭｎＢｉ，ＭｎＧａ，ＰｔＭｎＳｂ，Ｃｏ－Ｃｒ系材料等を用いることができる。また、これらの材料以外の、磁性材料を使用することができる。
　情報の読み出しは、磁気抵抗効果を用いて行われる。
　すなわち、先に説明した情報の記録の場合と同様に、各層の膜面に垂直な方向（各層の積層方向）に電流を流す。そして、中間層１３を介して隣接する強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２と記憶層１４の磁化Ｍ１４の相対角度によって、記憶素子の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
　本例の磁化固定層１２の構成をさらに詳しく示したのが図６である。
　具体的に、図６Ａは磁化固定層１２の斜視図、図６Ｂは磁化固定層１２の上面図である。ここでは簡単のため、結合層１２ｂは省略している。
　本実施の形態の記憶素子３においては、磁化固定層１２の形状は円柱状とされる。ただし、楕円や矩形などその他の形状とすることもできる。ここで、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の方向を記述するために、以下のように角度θ１、θ２、φ１、φ２を定義する。
　先ず、図６Ａの斜視図では、磁化固定層１２を垂直方向に貫く垂直軸ａＶを示している。この垂直軸ａＶは記憶層１４の磁化容易軸に一致する。磁化Ｍ１と垂直軸ａＶがなす角度をθ１、磁化Ｍ２と垂直軸がなす角度をθ２とする。
　また図６Ｂの上面図には、強磁化層１２ａ、１２ｃの中心を通る基準線ａＨを示している。強磁化層１２ａ、１２ｃの断面形状が円形であるために、基準線ａＨの方向は任意に選べる。磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２を膜面に投影したときに、基準線ａＨとなす角をそれぞれφ１及びφ２とする。
　前述したように、磁性体は磁化の向きに応じた磁気エネルギーを持つ。磁気エネルギーを記述するために以下の値を定義する。
　すなわち、磁化Ｍ１が面内方向を向いているとき（θ１＝９０度）の磁気エネルギーから垂直方向を向いているとき（θ１＝０度）の磁気エネルギーを引いたエネルギー差をΔ１とする。
　また、磁化Ｍ２が面内方向を向いているとき（θ２＝９０度）の磁気エネルギーから垂直方向を向いているとき（θ２＝０度）の磁気エネルギーを引いたエネルギー差をΔ２とする。
　さらに、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２との磁気的結合エネルギーの強さをΔｅｘとする。
　Δ１、Δ２、Δｅｘの単位はジュール（Ｊ）であるが、前述の励起エネルギーＥ及び熱安定性の指標Δと同様に、熱エネルギー（ボルツマン定数と絶対温度の積）で割った無次元量として扱う。
　従来の記憶素子３’においては、磁化固定層１２の磁化の向きは、記憶層１４の磁化容易軸方向に固定されていた（先の図４の磁化Ｍ１２を参照）。そのため、磁化固定層１２の磁化の向きと記憶層１４の磁化の向きが一致し、反転時間の増大を招いていたものである。
　ところが、種々の検討を行った結果、図５に示したような本実施の形態に係る磁化固定層１２の構成によれば、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の角度が、記憶層１４の磁化容易軸、すなわち垂直軸ａＶに対して平行（０度）及び反平行（１８０度）以外の角度になり得ることが分かった。換言すれば、磁化Ｍ１，Ｍ２の向きが斜め方向になり得るものである。
　このようなとき、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２と記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが有限の角度を持つために、スピントルクが０になることがなく、反転時間の増大が抑制されることが期待できる。
　ここで、磁化の向きが斜めとなる条件について諸々の検討を行った結果、以下のことが明らかになった。
　まず、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２の磁気的結合エネルギーの強さΔｅｘが０である場合、すなわち磁化Ｍ１と磁化Ｍ２がそれぞれ独立に運動する場合を考える。
　定義より、Δ１が正のとき、磁化Ｍ１の磁化容易軸は膜面に垂直となり、磁化Ｍ１は膜面に垂直な方向を向く。逆に、Δ１が負のとき、磁化Ｍ１の磁化容易軸は膜面内となり、磁化Ｍ１は膜面内を向く。このとき、強磁性層１２ａは垂直軸周りの回転に対して等方的であるので、φ１の値は任意である。
　同様に、Δ２が正のとき、磁化Ｍ２の磁化容易軸は膜面に垂直となり、磁化Ｍ２は膜面に垂直な方向を向く。逆に、Δ２が負のとき、磁化Ｍ２の磁化容易軸は膜面内となり、磁化Ｍ２は膜面内を向く。このとき、強磁性層１２ｃは垂直軸周りの回転に対して等方的であるので、φ２の値は任意である。
　次に、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２の磁気的結合エネルギーの強さΔｅｘが０以外であって、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２がそれぞれ結合して運動する、本技術本来の場合を考える。
　定義より、Δｅｘが正のとき、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２の向きは平行になろうとする。逆に、Δｅｘが負のとき、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２の向きは反平行になろうとする。前者を強磁性結合、後者を反強磁性結合と呼ぶこともある。
　以下では説明を簡単にするために、Δｅｘが正のときのみを考慮するが、同様の議論はΔｅｘが負の時にも成り立つ。
　なお、Δｅｘが正のときには、φ１－φ２＝０となり、Δｅｘが負のときには、φ１－φ２＝１８０度となる。
　Δ１及びΔ２がともに正であれば、Δｅｘの大きさによらず、磁化角度は垂直軸に平行となる。これでは、図４にて説明した磁化固定層１２を有する記憶素子３’と同じであって、反転時間の増大は免れない。
　一方、Δ１及びΔ２がともに負であれば、Δｅｘの大きさによらず、磁化角度は膜面内となる。このとき、φ２がどのような値をとっても、強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２と記憶層１４の磁化Ｍ１４の相対角度は一定の９０度となるため、磁気抵抗効果による抵抗の変化が起きず、情報を読み出すことができないので、ＳＴＴ－ＭＲＡＭを構成する記憶素子として用いることはできない。
　以上のように、本技術に係る記憶素子においては、Δ１とΔ２の符号が異なっていなければならない。
　このように、Δ１とΔ２の符号が異なっている場合には、片方の強磁性層の磁化は、その磁化容易軸が膜面に対して垂直であり、もう片方の強磁性層の磁化は、その磁化容易軸が膜面内にある。そしてこれら互いに向きが競合する２つの磁化を、Δｅｘを通した結合によって、斜め方向に傾けることが可能となる。
　ただし、Δｅｘには上限がある。仮にΔｅｘが無限大の大きさを持っていたとすると、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２は平行でなければならず、Δ１とΔ２の大小関係に応じて、全体の磁化容易軸が膜面に対して垂直であるか膜面内であるかのどちらかとなる。Δｅｘが無限大とならずとも、ある一定の大きさ以上となれば、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２は平行になってしまう。
　そこで、Δｅｘの上限を求めるために、様々なΔ１、Δ２の組み合わせに対して、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２が平行となる上限値Δｅｘｍａｘを計算した。
　図７は、その結果の一例を示している。
　図７においては、Δ２を－４０に固定し、Δ１を０から１００まで振った。白い丸が計算で求めたΔｅｘの上限値である。Δｅｘがこの値よりも小さければ、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２は斜め方向となることができる。ΔｅｘｍａｘのΔ１依存性は、Δ１＋Δ２が０よりも小さいか大きいかで異なる。曲線Ｃ４１はΔ１＋Δ２が０よりも小さいときにおける、ΔｅｘｍａｘのΔ１依存性である。一方、曲線Ｃ４２はΔ１＋Δ２が０よりも大きいときにおける、ΔｅｘｍａｘのΔ１依存性である。
　これらの曲線にうまく適合する式を探索したところ、曲線Ｃ４１と曲線Ｃ４２はともに、
　　Δｅｘｍａｘ＝ａｂｓ（２×Δ１×Δ２／（Δ１＋Δ２））　　　　・・・［式２］
　と書けることが分かった。ここで、ａｂｓは絶対値を返す関数である。今、Δｅｘが正のときのみを考えているが、同様の式はΔｅｘが負のときにも成り立つ。
　結局のところ、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２が斜め方向になるための条件は、上記［式２］より、
　　ａｂｓ（Δｅｘ）＜ａｂｓ（２×Δ１×Δ２／（Δ１＋Δ２））　　・・・［式３］
　となる。
　以上より、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２が斜め方向になるための条件が明らかとなった。この条件を満たすΔ１、Δ２、Δｅｘが与えられれば、記憶層１４の磁化容易軸に対して斜め方向に傾いた磁化を持つ磁化固定層１２を実現できる。
　換言すれば、本実施の形態の磁化固定層１２は、Δ１とΔ２の符号が異なり且つ、上記［式３］の条件を満たすΔ１、Δ２、Δｅｘが与えられるように構成されているものである。
　上記により説明した第１の実施の形態によれば、記憶装置のメモリセルを構成する各記憶素子３において、磁化固定層１２が強磁性層１２ａ、結合層１２ｂ、強磁性層１２ｃの積層構造となっている。
　該積層構造とすることで、強磁性層１２ａの磁化Ｍ１及び強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２が膜面内に垂直な軸に対して傾いた方向とすることができる。
　これによって、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２に対するスピントルクが働かなくなる現象を回避することができる。
　すなわち、所定の有限の時間内で磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の向きを反転させて、情報を記録することが可能になる。
　従って、本実施の形態によれば、所定の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことが可能になることから、書き込みエラーを低減することができ、より短い時間で書き込み動作を行うことができる。
　書き込みエラーを低減することができるので、書き込み動作の信頼性を向上できる。
　また、より短い時間で書き込み動作を行うことができるので、動作の高速化を図ることができる。
　すなわち、書き込み動作の信頼性が高く、高速に動作する記憶素子及び記憶装置を実現できる。
　＜４．第２の実施の形態（具体的構成例２）＞
　続いて、第２の実施の形態について説明する。
　図８は、第２の実施の形態の記憶素子２０の概略構成図（断面図）である。
　第２の実施の形態の記憶素子２０は、先の図５に示した第１の実施の形態の記憶素子３と比較して、磁化固定層１２が磁化固定層２１に変更された点が異なる。
　この記憶素子２０の磁化固定層２１は、反強磁性層２１ｐ、強磁性層１２ａ、結合層１２ｂ、強磁性層１２ｃが同順で積層された４層構造で構成されている。
　反強磁性層２１ｐは、磁化固定層２１の膜面内における磁化の向きを固定させるために設けられる。図中の方向ベクトルＭｐは、磁化を固定させる方向を示したものであり、その方向は膜面内にある。
　前述のように、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２との磁気的結合エネルギーの強さはΔｅｘとした。同様に磁化Ｍ１と反強磁性層２１ｐとの磁気的結合エネルギーの強さをΔｐｉｎとする。このΔｐｉｎについても、熱エネルギー（ボルツマン定数と絶対温度の積）で割った無次元量として扱う。
　磁化固定層２１の構成をさらに詳しく示したのが図９である。図９Ａは磁化固定層２１の斜視図、図９Ｂは磁化固定層２１の上面図である。先の図６の場合と同様、ここでは簡単のため結合層１２ｂは省略している。
　磁化固定層１２と同様、磁化固定層２１の形状は円柱状とされる。ただし、楕円や矩形などその他の形状とすることもできる。
　ここで、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の方向を記述するために、以下のように角度θ１、θ２、φ１、φ２を定義する。図９Ａの斜視図において、磁化固定層２１を垂直方向に貫く垂直軸ａＶが示されている。この垂直軸ａＶは記憶層１４の磁化容易軸に一致する。磁化Ｍ１と垂直軸ａＶがなす角度をθ１、磁化Ｍ２と垂直軸ａＶがなす角度をθ２とする。
　また、図９Ａ・図９Ｂにおいては、強磁性層２１ａ、２２ｃの中心を通る基準線ａＨが示されている。基準線ａＨは、方向ベクトルＭｐに一致するように選ぶ。そして、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２を膜面に投影したときに、基準線ａＨとなす角をそれぞれφ１及びφ２とする。
　先の第１の実施の形態においては、磁化固定層１２の磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２は、垂直軸ａＶとの角度θ１、θ２が固定されていたが、垂直軸ａＶ周りの角度φ１、φ２は固定されていなかった。
　ここで、図９Ａの斜視図に示した環状の点線は、磁化Ｍ１およびＭ２の軌跡を示したものである。磁化Ｍ１およびＭ２は該点線上であれば、どの方向でも向くことができる。（ただし、Δｅｘが正のときには、φ１－φ２＝０、Δｅｘが負のときには、φ１－φ２＝１８０度の条件を満たす。）
　そこで第２の実施の形態では、反強磁性層２１ｐによって磁化固定層２１の磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の垂直軸ａＶ周りの角度φ１、φ２を固定する。
　図９Ｂにおいて、垂直軸ａＶ周りの角度φ１、φ２は、磁化の固定方向を表す方向ベクトルＭｐを基準にする。そして、磁化Ｍ１は反強磁性層２１ｐによって方向ベクトルＭｐの方向に固定されるために、φ１＝０となる。磁化Ｍ２は結合層１２ｂを介して磁化Ｍ１と磁気的結合しているので、Δｅｘが正のときにはφ２＝０、Δｅｘが負のときにはφ２＝１８０度となる。
　このように第２の実施の形態の記憶素子２０では、磁化固定層２１の磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の垂直軸ａＶ周りの角度（膜面内の角度）をある方向に固定することが可能となる。
　磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の垂直軸ａＶ周りの角度が固定されることで、反転電流の大きさを小とすることができる。すなわち、スピントルク磁化反転が生じるのに必要な閾値電流の値（［式１］におけるＩｃ０）を小とできるものである。
　＜５．シミュレーション結果＞
　上記により説明した各実施の形態の記憶素子（３及び２０）が奏する効果を明らかにすべくシミュレーションを行った。
　図１０は、或る電流における励起エネルギーＥと反転時間ｔｓの関係を示したものである。横軸は［式１］に従い、ｌｎ［（π／２）（Δ／Ｅ）1/2］とした。また、記憶層１４のΔは６０とした。
　励起エネルギーＥは記憶素子に電流を流した時点における磁化方向から計算される値を用いる。磁化方向は熱揺らぎによって平衡状態からずれるが、励起エネルギーＥが大きいほど（図１０で言えば左側に行くほど）そのずれが大きいことを意味する。
　従来の記憶素子３’においては、励起エネルギーＥと反転時間ｔｓの関係は先の［式１］で表される。曲線Ｃ１は、従来の記憶素子３’についてのシミュレーション結果を示すものである。横軸が励起エネルギーＥの対数でスケールされるとき、曲線Ｃ１はほぼ直線となる。そして、励起エネルギーＥが大きいほど、短い時間で反転することが分かる。
　今、電流の供給時間が２０ｎｓだとする。すると、曲線Ｃ１との交点は点Ｐ３となる。このときの横軸の値は約１１．５である。ここから励起エネルギーＥを求め、さらに書き込みエラー率を求めると、１．５×１０-8となる。
　ランダムアクセスメモリで要求される書き込み回数は１０15回程度であるので、この書き込みエラー率は無視できる値ではない。別の電流の供給時間では、点Ｐ３の位置が変化して、それに応じて書き込みエラー率も変化する。
　このように、従来の記憶素子３’では、電流の供給時間によって書き込みエラー率が変化し、電流の供給時間が短くなるほど書き込みエラー率は大きくなる。
　一方、本技術の実施の形態に係る記憶素子を用いた場合の励起エネルギーＥと反転時間ｔｓの関係が曲線Ｃ２で示されている。
　なお、この曲線Ｃ２については、第２の実施の形態の記憶素子２０を用いた場合の計算例を示している。このとき、強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２の向きが垂直軸よりも５度傾いているとした。
　この曲線Ｃ２を参照すると、従来の記憶素子３’に対する曲線Ｃ１とは異なり、励起エネルギーＥが減少したときに、反転時間ｔｓの増加が約１０ｎｓで止まっていることが確認できる。これは、励起エネルギーＥが０（図１０の横軸では正の無限大）のときでも、磁化Ｍ２の向きが記憶層１４の磁化Ｍ１４の向き（垂直軸）から傾いているために、有限のスピントルクが働くためである。
　図１０の曲線Ｃ２で示した計算例では、横軸の値が概ね５以上であれば、反転時間ｔｓは約１０ｎｓで一定である。このことは、電流を流した時点において、記憶層１４の磁化Ｍ１４がどのような向きにあっても、反転時間ｔｓが１０ｎｓを超えることがないことを意味している。
　このように、実施の形態としての記憶素子は、電流を流した時点での磁化の向きに係わらず、反転時間ｔｓの上限（図１０の計算例においては１０ｎｓ）が決まる。そして、電流の供給時間をこの上限値以上にすれば、書き込みエラーを生ずることなく、書き込みを行うことができる。
　この点からも、実施の形態の記憶素子によれば、書き込みエラーを生ずることなく、従来の記憶素子３’よりも短い時間での書き込み動作を実現可能であることが分かる。
　なお図１０では第２の実施の形態の記憶素子２０を用いた場合のシミュレーション結果を示したが、第１の実施の形態の記憶素子３を用いた場合にも概ね同様の結果が得られる。
　＜６．変形例＞
　以上、本技術に係る実施の形態について説明したが、本技術は上記により例示した具体例に限定されるべきものではない。
　例えばこれまでの説明では、記憶素子３，２０が有する磁化固定層１２の強磁性層、結合層の積層構造に関して、強磁性層１２ａ、結合層１２ｂ、強磁性層１２ｃの３層構造を適用する場合を例示したが、３層構造以外でも任意の層数の積層構造を適用することができる。
　また、これまでの説明では、記憶素子全体の積層構造として、下層側から少なくとも磁化固定層１２（２１）、中間層１３、記憶層１４の順で配置された積層構造としたが、本技術の記憶素子としては、これら各層の順序を上下逆にした配置も可能である。
　また、本技術に係る記憶素子３もしくは記憶素子２０の構造は、ＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子の構成となるが、このＴＭＲ素子としての磁気抵抗効果素子は、上述の記憶装置のみならず、磁気ヘッド及びこの磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブ、集積回路チップ、さらにはパーソナルコンピュータ、携帯端末、携帯電話、磁気センサ機器をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。
　一例として図１１Ａ、図１１Ｂに、上記記憶素子３、２０の構造の磁気抵抗効果素子１０１を複合型磁気ヘッド１００に適用した例を示す。なお、図１１Ａは、複合型磁気ヘッド１００について、その内部構造が分かるように一部を切り欠いて示した斜視図であり、図１１Ｂは複合型磁気ヘッド１００の断面図である。
　複合型磁気ヘッド１００は、ハードディスク装置等に用いられる磁気ヘッドであり、基板１２２上に、本技術に係る磁気抵抗効果型磁気ヘッドが形成されてなるとともに、当該磁気抵抗効果型磁気ヘッド上にインダクティブ型磁気ヘッドが積層形成されてなる。ここで、磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、再生用ヘッドとして動作するものであり、インダクティブ型磁気ヘッドは、記録用ヘッドとして動作する。すなわち、この複合型磁気ヘッド１００は、再生用ヘッドと記録用ヘッドを複合して構成されている。
　複合型磁気ヘッド１００に搭載されている磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、いわゆるシールド型ＭＲヘッドであり、基板１２２上に絶縁層１２３を介して形成された第１の磁気シールド１２５と、第１の磁気シールド１２５上に絶縁層１２３を介して形成された磁気抵抗効果素子１０１と、磁気抵抗効果素子１０１上に絶縁層１２３を介して形成された第２の磁気シールド１２７とを備えている。絶縁層１２３は、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2等のような絶縁材料からなる。
　第１の磁気シールド１２５は、磁気抵抗効果素子１０１の下層側を磁気的にシールドするためのものであり、Ｎｉ－Ｆｅ等のような軟磁性材からなる。この第１の磁気シールド１２５上に、絶縁層１２３を介して磁気抵抗効果素子１０１が形成されている。
　磁気抵抗効果素子１０１は、この磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおいて、磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子として機能する。そして、この磁気抵抗効果素子１０１は、上述した記憶素子３もしくは記憶素子２０と同様な膜構成（層構造）とされる。
　この磁気抵抗効果素子１０１は、略矩形状に形成されてなり、その一側面が磁気記録媒体対向面に露呈するようになされている。そして、この磁気抵抗効果素子１０１の両端にはバイアス層１２８，１２９が配されている。またバイアス層１２８，１２９と接続されている接続端子１３０，１３１が形成されている。接続端子１３０，１３１を介して磁気抵抗効果素子１０１にセンス電流が供給される。
　さらにバイアス層１２８，１２９の上部には、絶縁層１２３を介して第２の磁気シールド層１２７が設けられている。
　以上のような磁気抵抗効果型磁気ヘッドの上に積層形成されたインダクティブ型磁気ヘッドは、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２によって構成される磁気コアと、当該磁気コアを巻回するように形成された薄膜コイル１３３とを備えている。
　上層コア１３２は、第２の磁気シールド１２２と共に閉磁路を形成して、このインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアとなるものであり、Ｎｉ－Ｆｅ等のような軟磁性材からなる。ここで、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２は、それらの前端部が磁気記録媒体対向面に露呈し、且つ、それらの後端部において第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２が互いに接するように形成されている。ここで、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２の前端部は、磁気記録媒体対向面において、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２が所定の間隙ｇをもって離間するように形成されている。
　すなわち、この複合型磁気ヘッド１００において、第２の磁気シールド１２７は、磁気抵抗効果素子１２６の上層側を磁気的にシールドするだけでなく、インダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアも兼ねており、第２の磁気シールド１２７と上層コア１３２によってインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアが構成されている。そして間隙ｇが、インダクティブ型磁気ヘッドの記録用磁気ギャップとなる。
　また、第２の磁気シールド１２７上には、絶縁層１２３に埋設された薄膜コイル１３３が形成されている。ここで、薄膜コイル１３３は、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２からなる磁気コアを巻回するように形成されている。図示していないが、この薄膜コイル１３３の両端部は、外部に露呈するようになされ、薄膜コイル１３３の両端に形成された端子が、このインダクティブ型磁気ヘッドの外部接続用端子となる。すなわち、磁気記録媒体への磁気信号の記録時には、これらの外部接続用端子から薄膜コイル１３２に記録電流が供給されることとなる。
　以上のように本技術の記憶素子としての積層構造体は、磁気記録媒体についての再生用ヘッド、すなわち磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子としての適用が可能である。
　また、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）
　情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
　磁化の向きが固定された磁化固定層と、
　上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と
　を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
　上記磁化固定層が、
　２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している
　記憶素子。
（２）
　上記磁化固定層は、
　第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順で積層されて成り、
　上記第１の強磁性層が有する磁気エネルギーであって、上記第１の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第１の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第１の磁気エネルギーとし、上記第２の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第２の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第２の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第２の磁気エネルギーとしたとき、
　上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーの符号が異なっている
　上記（１）に記載の記憶素子。
（３）
　上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との磁気的結合エネルギーを層間磁気結合エネルギーとしたとき、
　該層間磁気結合エネルギーの絶対値が、上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの積を上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの和で割った値を２倍したものの絶対値より小とされる
　上記（２）に記載の記憶素子。
（４）
　上記磁化固定層がさらに反強磁性層を有する上記（１）に記載の記憶素子。
（５）
　上記磁化固定層は、
　反強磁性層と第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順で積層されて成り、
　上記第１の強磁性層が有する磁気エネルギーであって、上記第１の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第１の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第１の磁気エネルギーとし、上記第２の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第２の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第２の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第２の磁気エネルギーとしたとき、
　上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーの符号が異なっている
　上記（４）に記載の記憶素子。
（６）
　上記反強磁性層と上記第１の強磁性層の磁化が磁気的に結合して、上記第１の強磁性層の膜面内の磁化の向きが固定されている
　上記（５）に記載の記憶素子。
（７）
　情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
　磁化の向きが固定された磁化固定層と、
　上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と
　を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
　上記磁化固定層が、
　２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している記憶素子
　を備えると共に、
　上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、
　上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部と
　を備える記憶装置。
　１　ゲート電極、２　素子分離層、３,２０　記憶素子、４　コンタクト層、６　ビット線、７　ソース領域、８　ドレイン領域、９　配線、１０　半導体基体、１１　下地層、１２,２１　磁化固定層、１２ａ,１２ｃ　強磁性層、１２ｂ　結合層、１３　中間層、１４　記憶層、１５　キャップ層、２１ｐ　反強磁性層

Claims (7)

  1. 　情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
    　磁化の向きが固定された磁化固定層と、
    　上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と
    　を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
    　上記磁化固定層が、
    　２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している
    　記憶素子。
  2. 　上記磁化固定層は、
    　第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順で積層されて成り、
    　上記第１の強磁性層が有する磁気エネルギーであって、上記第１の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第１の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第１の磁気エネルギーとし、上記第２の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第２の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第２の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第２の磁気エネルギーとしたとき、
    　上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーの符号が異なっている
    　請求項１に記載の記憶素子。
  3. 　上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との磁気的結合エネルギーを層間磁気結合エネルギーとしたとき、
    　該層間磁気結合エネルギーの絶対値が、上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの積を上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの和で割った値を２倍したものの絶対値より小とされる
    　請求項２に記載の記憶素子。
  4. 　上記磁化固定層がさらに反強磁性層を有する請求項１に記載の記憶素子。
  5. 　上記磁化固定層は、
    　反強磁性層と第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順で積層されて成り、
    　上記第１の強磁性層が有する磁気エネルギーであって、上記第１の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第１の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第１の磁気エネルギーとし、上記第２の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第２の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第２の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第２の磁気エネルギーとしたとき、
    　上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーの符号が異なっている
    　請求項４に記載の記憶素子。
  6. 　上記反強磁性層と上記第１の強磁性層の磁化が磁気的に結合して、上記第１の強磁性層の膜面内の磁化の向きが固定されている
    　請求項５に記載の記憶素子。
  7. 　情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
     
    　磁化の向きが固定された磁化固定層と、
    　上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と
    　を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
    　上記磁化固定層が、
    　２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している記憶素子
    　を備えると共に、
    　上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、
    　上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部と
    　を備える記憶装置。
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