WO2013171947A1 - 記憶装置、記憶素子 - Google Patents

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WO2013171947A1
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layer
magnetization
storage
current
ferromagnetic layer
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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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Definitions

  • This technology relates to a storage device and a storage element.
  • a dynamic random access memory that operates at high speed and has a high density is widely used as a random access memory.
  • the DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, a nonvolatile memory in which information does not disappear is desired.
  • Magnetic random access memory which records information by magnetization of a magnetic material, has attracted attention and is being developed as a candidate for nonvolatile memory.
  • MRAM Magnetic random access memory
  • As a method of performing recording on the MRAM there are a method of reversing magnetization by a current magnetic field, and a method of causing magnetization reversal by injecting spin-polarized electrons directly into the recording layer (see, for example, Patent Document 1).
  • attention is focused on spin injection magnetization reversal, which can reduce the recording current as the element size decreases.
  • Non-Patent Document 1 discloses an equation of reversal time of a spin-injection magnetization reversal element using a perpendicular magnetization film.
  • Non-Patent Document 1 the spin-injection magnetization reversal element using the perpendicular magnetization film is magnetized compared to the spin-injection magnetization reversal element not using the perpendicular magnetization film. There is a possibility that the inversion time becomes longer.
  • the present technology is configured to configure the storage device as follows. That is, the storage device of the present technology is arranged 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.
  • a storage element having a layer structure including at least an intermediate layer made of a non-magnetic material and configured to allow a current to flow in the stacking direction of the layer structure.
  • a wiring portion that supplies current flowing in the stacking direction to the memory element is provided.
  • a storage control unit that stores information by changing the magnetization direction of the storage layer by flowing a recording current with a large current through the wiring unit.
  • the memory element is configured as follows. That is, the storage element of the present technology is arranged 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 storage layer is A first ferromagnetic layer, a coupling layer, and a second ferromagnetic layer are stacked in the same order, and the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are magnetically coupled via the coupling layer.
  • the first ferromagnetic layer is in contact with the intermediate layer
  • the second ferromagnetic layer is in contact with the cap layer
  • one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer Is an in-plane magnetization layer in which in-plane magnetization is dominant, and the other is a perpendicular magnetization layer in which perpendicular magnetization is dominant
  • the magnetization directions of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are both perpendicular to the film surface, and the recording is performed on the storage element.
  • the magnetization direction of the storage layer is inclined from the direction perpendicular to the film surface, and the first ferromagnetic layer via the coupling layer
  • the coupling strength with the second ferromagnetic layer is set.
  • the storage layer is supplied with a recording current in a state where the magnetization direction of the ferromagnetic layer of the storage layer is inclined from the direction perpendicular to the film surface by supplying the standby current.
  • Information is stored by changing the direction of magnetization of. Since the magnetization direction of the storage layer is inclined from the direction perpendicular to the film surface before recording, the magnetization direction of the storage layer is compared with the conventional configuration in which the recording current is passed in a state where the magnetization direction is not inclined. It is possible to shorten the inversion time required for recording information by inverting the information.
  • the magnetization direction of the storage layer in the equilibrium state where the current in the stacking direction is not passed through the storage element, can be directed to the direction perpendicular to the film surface. If the magnetization direction of the storage layer in the equilibrium state is tilted from the direction perpendicular to the film surface, the amplitude of the read signal will be reduced. A decrease in amplitude can be effectively suppressed.
  • the magnetization direction of the storage layer is in a direction perpendicular to the film surface in an equilibrium state, and the magnetization direction of the storage layer is perpendicular to the film surface by flowing a standby current. Can be provided.
  • the present technology it is possible to reduce the reversal time required for recording information by reversing the magnetization direction of the storage layer as compared with the conventional configuration using a perpendicular magnetization film, Variation in inversion time can also be reduced. As a result, the amount of current at the time of recording information can be reduced, and information can be recorded in a short time. As a result, a storage device that can operate at high speed with a small current can be realized. In addition, in such a memory device that can operate at high speed with a small current, it is possible to suppress a decrease in amplitude of the read signal.
  • the magnetization direction of the storage layer is in a direction perpendicular to the film surface in an equilibrium state, and the magnetization direction of the storage layer is perpendicular to the film surface by flowing a standby current. Can be provided.
  • FIG. 1 It is a schematic perspective view of the memory
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of a bit line driving method in the embodiment. It is explanatory drawing about the memory element of 2nd Embodiment. It is the figure which showed the time change of perpendicular
  • FIGS. 1 Schematic Configuration of Storage Device of Embodiment>
  • FIGS. 2 Schematic diagrams of the storage device of the embodiment are shown in FIGS. 1 is a perspective view
  • FIG. 2 is a cross-sectional view
  • FIG. 3 is a plan view. 1 to 3, illustration of the peripheral circuit portion included in the memory device of the embodiment is omitted.
  • 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 referred to as reversal current or recording current.
  • 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 desirable to design the thermal stability so as to be ensured even if the volume is reduced.
  • the conventional memory 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 insulation) on an underlayer 11. Layer) 13, a storage layer (free magnetic layer) 14 in which the direction of 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 this case, it is assumed that the magnetization direction of the magnetization fixed layer 12 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.
  • the time until the magnetization reversal depends on how far the magnetization M14 is from the easy magnetization axis, and the reversal is faster as the magnetization M14 is farther from the easy magnetization axis. Since the angle between the magnetization M14 of the storage layer 14 and the easy axis of magnetization is randomly distributed depending on the thermal fluctuation as described above, the inversion time varies. Further, even when the magnetization M14 is at a position (angle) close to the easy axis of magnetization, it is necessary to flow a large current accordingly in order to reverse at high speed.
  • the present inventors have made extensive studies in order to operate the memory element at a high speed with a small current.
  • the storage layer 14 has a configuration in which a perpendicular magnetization layer with superior perpendicular magnetization and an in-plane magnetization layer with superior in-plane magnetization are magnetically coupled via a coupling layer. It has been found that both magnetizations are tilted from a direction perpendicular to the film surface by a magnetic interaction between the magnetization of the in-plane magnetization layer and the magnetization of the perpendicular magnetization layer (for example, see References 1 and 2 below).
  • the recording layer (reversal current) is passed to reverse the magnetization by comparing with the conventional example in which the magnetization direction of the storage layer 14 is directed in the vertical direction.
  • the reversal time required for recording can be shortened. Further, the problem of variation in inversion time that the conventional configuration has can be solved. As a result, the amount of current at the time of recording information can be reduced, and information can be recorded in a short time. As a result, a storage device that can operate at high speed with a small current can be realized.
  • the ferromagnetic layer whose magnetization direction is inclined from the direction perpendicular to the film surface as described above is hereinafter referred to as a “gradient magnetization layer”.
  • Co—Fe—B can be used as a magnetic material for obtaining the gradient magnetic layer.
  • a ferromagnetic layer used for a memory layer or the like has a very small film thickness compared to its film area.
  • the demagnetizing field energy hereinafter referred to as Ed
  • Ed the demagnetizing field energy
  • the ferromagnetic layer may have perpendicular magnetic anisotropy depending on the material and the interface state.
  • perpendicular magnetic anisotropy energy hereinafter referred to as Ea
  • Ea perpendicular magnetic anisotropy energy
  • the demagnetizing field energy is net Ed-Ea.
  • the demagnetizing field energy is negative, that is, when Ed ⁇ Ea, the magnetization can be stably oriented in the vertical direction.
  • such a ferromagnetic layer is referred to as a “perpendicular magnetization layer with superior perpendicular magnetization”.
  • an in-plane magnetization layer having superior in-plane magnetization is referred to as “an in-plane magnetization layer having superior in-plane magnetization”.
  • a ferromagnetic layer using Co—Fe—B is usually an in-plane magnetization layer with superior in-plane magnetization.
  • Co—Fe—B can be a perpendicular magnetization layer in which perpendicular magnetization is dominant.
  • the perpendicular magnetization has a superior perpendicular magnetization.
  • the origin of perpendicular magnetic anisotropy that causes perpendicular magnetization is said to be interface anisotropy at the MgO / Co—Fe—B interface. Further, when both interfaces of the Co—Fe—B film are in contact with the MgO film, such as MgO / Co—Fe—B / MgO, the perpendicular magnetic anisotropy increases (for example, Japanese Patent Application No. 2010-). See 2015526).
  • the ferromagnetic layer using Co—Fe—B can be an in-plane magnetization layer in which in-plane magnetization is dominant or a perpendicular magnetization layer in which perpendicular magnetization is dominant. This is suitable for obtaining a gradient magnetic film.
  • FIG. 5 a schematic configuration of a storage element 3 ′′ using an STT-MRAM as a prior example using a gradient magnetic layer will be described.
  • the memory layer 14 included in the memory element 3 ′′ as the preceding example also has a configuration different from that of the memory layer 14 of the embodiment, but “14” is used for the reference here for convenience.
  • the memory element 3 ′′ includes a magnetization fixed layer (reference layer) 12 in which the direction of the magnetization M12 is fixed, an intermediate layer 13 (nonmagnetic layer: tunnel insulating layer), and a magnetization M14 on the base layer 11.
  • a storage layer (free magnetic layer) 14 whose cap direction is variable and a cap layer 15 are laminated in the same order.
  • the direction of the magnetization M12 is fixed in the direction perpendicular to the film surface (upward in the figure).
  • the storage element 3 ′′ is obtained by changing the structure of the storage layer 14 to a multilayer structure having a ferromagnetic layer and a coupling layer as compared with the previous storage element 3 ′.
  • the memory layer 14 in this case has a three-layer structure in which a ferromagnetic layer 14i, a coupling layer 14c, and a ferromagnetic layer 14p are stacked in the same order.
  • the ferromagnetic layer 14i is an in-plane magnetization layer in which in-plane magnetization is dominant.
  • the ferromagnetic layer 14p is a perpendicular magnetization layer in which perpendicular magnetization is dominant.
  • the ferromagnetic layer 14 i is in contact with the intermediate layer 13, and the ferromagnetic layer 14 p is in contact with the cap layer 15.
  • the magnetization Mi of the ferromagnetic layer 14i and the magnetization Mp of the ferromagnetic layer 14p are magnetically coupled via the coupling layer 14c.
  • Reading of information is performed using the magnetoresistive effect as in the case of the storage element 3 ′. That is, as in the case of the information recording operation 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 memory element 3 ′′ changes depending on the relative angle between the magnetization M12 of the magnetization fixed layer 12 and the magnetization Mi of the ferromagnetic layer 14i.
  • FIG. 6 shows the configuration of the memory layer 14 included in the memory element 3 ′′ as the preceding example shown in FIG. 5 in more detail.
  • the coupling layer 14c is omitted for simplicity.
  • the shape of the memory layer 14 is cylindrical.
  • the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 are defined as follows. That is, when the axis passing through the memory layer 14 in the vertical direction is the vertical axis aV as shown in the figure, the angle formed by the magnetization Mi and the vertical axis aV is ⁇ 1. In addition, an angle formed by the magnetization Mp and the vertical axis aV is ⁇ 2.
  • the magnetization Mi has an in-plane magnetization
  • the magnetization Mp has a perpendicular magnetization.
  • the angle ⁇ 1 is larger than the angle ⁇ 2. That is, the magnetization Mi is larger and tilted from the vertical axis aV.
  • the spin torque increases as the relative angle between the magnetization M12 and the magnetization Mi of the magnetization fixed layer 12 increases. Therefore, according to the configuration of the memory layer 14 as the preceding example as described above, the magnetization can be reversed at a higher speed accordingly. It becomes.
  • the amplitude of the read signal can be rephrased as the difference in the electric resistance value between the storage element when the storage element is in the parallel state and the anti-parallel state. is there.
  • the angle formed by the magnetization M12 and the magnetization Mi in the parallel state is approximately 0 °
  • the angle formed by the magnetization M12 and the magnetization Mi in the antiparallel state is approximately 180 °.
  • the magnetization Mi is inclined from the vertical axis aV as described above, the angle formed by the magnetization M12 and the magnetization Mi is larger than 0 °.
  • the electric resistance value in the parallel state in the case of the preceding example is larger than that in the case of the conventional memory element 3 ′.
  • the magnetization Mi is inclined from the vertical axis aV, and therefore the angle formed with the magnetization M12 is less than 180 °.
  • the electrical resistance value in the antiparallel state in the case of the preceding example is smaller than in the case of the conventional memory element 3 ′.
  • the difference in the electrical resistance value of the memory element 3 ′′ between the parallel state and the antiparallel state in the case of the preceding example is smaller than that in the case of the conventional memory element 3 ′. That is, from this, the amplitude of the read signal is reduced in the preceding example as compared with the conventional example.
  • the magnetization of the storage layer in the equilibrium state in which no current flows through the storage element, the magnetization of the storage layer is directed in the vertical direction, while the recording operation is performed. Before the current is supplied, a current smaller than the recording current is supplied to the storage element, and the storage layer is changed to the standby state. That is, the storage layer transitions to a state in which the magnetization of the storage layer faces a direction inclined from the vertical direction. By doing so, it is possible to achieve both high-speed magnetization reversal and a large read signal.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of the storage element 3 as the first embodiment.
  • FIG. 7A shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of the memory element 3 of 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 storage element 3 has the same stacking order of the base layer 11, the magnetization fixed layer 12, the intermediate layer 13, the storage layer 14, and the cap layer 15 as the storage element 3 ′′ of the preceding example.
  • the memory layer 14 included in the memory element 3 includes a ferromagnetic layer 14i, a coupling layer 14c, and a ferromagnetic layer 14p in the same manner as the memory layer 14 in the previous example, and the stacking order is the same as in the previous example.
  • Co—Fe—B is used for the ferromagnetic layer 14i and the ferromagnetic layer 14p.
  • the storage element 14 is configured such that the magnetizations Mi and Mp are oriented in the vertical direction in an equilibrium state where no current is passed through the storage element 3. Different from 3 ''. This is the strength of the magnetic interaction between the magnetization of the ferromagnetic layer 14i (in-plane magnetization layer) and the magnetization of the ferromagnetic layer 14p (perpendicular magnetization layer) via the coupling layer 14c (hereinafter referred to as coupling strength). ) Is made larger than in the case of the storage element 3 ′′.
  • the coupling strength between the ferromagnetic layer 14i and the ferromagnetic layer 14p is set so that the magnetizations Mi and Mp are directed in the vertical direction in an equilibrium state.
  • the coupling strength between the ferromagnetic layer 14i and the ferromagnetic layer 14p can be adjusted by the thickness of the coupling layer 14c.
  • the direction of magnetization Mi and Mp depends on the coupling strength. When the coupling strength exceeds a certain threshold, the directions of magnetization Mi and magnetization Mp are aligned in the same direction. At this time, both directions may be in the in-plane direction and in the perpendicular direction. However, by increasing the perpendicular magnetic anisotropy of the perpendicular magnetization layer in which perpendicular magnetization is dominant, it is aligned in the perpendicular direction. Is possible.
  • both magnetizations can be directed in the vertical direction.
  • the amplitude of the read signal can be made as large as that of the conventional storage element 3 ′ using the perpendicular magnetization film.
  • FIG. 7B schematically shows a state in which the standby current Is is supplied to the storage element 3 and the storage element 3 is changed to the standby state.
  • the standby current Is a current in the stacking direction of the memory elements 3 is passed.
  • Joule heat is generated in the memory element 3 and the temperature of the memory layer 14 rises.
  • the bond strength depends on the temperature, and the bond strength tends to decrease as the temperature increases.
  • the coupling strength in the standby state becomes smaller than the threshold value, the directions of the magnetizations Mi and Mp change from the vertical direction to the inclined direction.
  • the storage element 3 is set in the standby state as described above, and information is stored by supplying a recording current.
  • the storage layer 14 is tilted in the standby state, high-speed magnetization reversal can be realized in the same manner as the storage element 3 ′′ of the preceding example by storing the information by flowing the recording current in the standby state. it can.
  • the magnetization Mp and the magnetization Mi are in the vertical direction in the equilibrium state, the situation where the amplitude of the read signal is not reduced unlike the case of the preceding example does not occur.
  • a nonmagnetic metal such as Ta or Ru can be used for the coupling layer 14c.
  • an insulating material (various oxides or the like) for forming a tunnel insulating film, or a magnetic layer of the magnetoresistive effect element A non-magnetic metal used in between can be used. If an insulating material is used as the material of the intermediate layer 13, as described above, a higher read signal (resistance change rate) can be obtained, and recording can be performed with a lower current.
  • an oxide such as MgO can be used for the cap layer 15 in order to make the ferromagnetic layer 14p a perpendicular magnetization layer with superior perpendicular magnetization.
  • the cap layer 15 has a structure in which a nonmagnetic metal such as Ta or Ru is laminated on the MgO layer to enhance the electrical conductivity.
  • various magnetic materials used in a conventional STT-MRAM storage element can be used.
  • NiFe, TePt, CoPt, TbFeCo, GdFeCo, CoPd, MnBi, MnGa, PtMnSb, Co—Fe—B, and Co—Cr based materials can be used.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram of the time change of the current flowing in the stacking direction of the memory element 3 and the vertical component (mz) of the magnetization Mi and the magnetization Mp.
  • the storage layer 14 is in an equilibrium state, and the vertical component mz of the magnetization Mi and the magnetization Mp is “1”, that is, the vertical direction.
  • a standby current Is is supplied to the storage element 3 from the end of the time region T1 in order to shift to the standby state.
  • FIG. 9 is a block diagram showing the overall configuration of the storage device according to the present embodiment, including the configuration for storing information after setting the storage element 3 to the standby state as described above.
  • the word lines 1 and the bit lines 6 are wired in a matrix, and the storage element 3 is located at the intersection of the word lines 1 and the bit lines 6. Is placed.
  • a plurality of word lines 1 are denoted by 1a, 1b, 1c, 1d,...
  • a plurality of bit lines 6 are assigned in order from the left side of the drawing by 6a, 6b, 6c, 6d,. ⁇ ⁇
  • the sign are attached.
  • the memory device includes a word line driving circuit 51 that drives each word line 1, a bit line driving circuit 52 that drives each bit line 6 according to input data, and a control unit 50. It is done.
  • the control unit 50 controls the driving timing of the word line 1 by the word line driving circuit 51 and also controls the driving timing of the bit line 6 by the bit line driving circuit 52.
  • the bit line driving circuit 52 causes the bit line 6 to be driven in accordance with the input data in a state where a certain word line 1 is driven (selected) by the word line driving circuit 51.
  • the control is executed by sequentially changing the selected word line 1. Thereby, data can be stored in a desired storage element 3.
  • control unit 50 controls the bit line driving circuit 52 so that a standby current as shown in FIG. Specifically, the bit line driving circuit 52 is controlled so that the standby current Is flows before the recording current Iw is supplied. As is clear from this figure, the level of the standby current Is is lower than the level of the recording current Iw (comparison in absolute value).
  • FIG. 10 only one polarity (positive polarity) is shown as the polarity of the standby current Is and the recording current Iw. However, as described above, the division of 0/1 is realized by the direction of the current flowing through the storage element 3. Is. Therefore, for example, if the polarity shown in FIG. 10 corresponds to the writing of data “1”, the writing of data “0” is performed by passing a current whose polarity is reversed from that in FIG.
  • the supply period of the standby current Is shown as “Ts” in FIG. 10A (the period from the time when the standby current Is starts to flow to the time when the recording current Iw starts to flow) is from the description of FIG.
  • this does not deny that the supply of the recording current Iw is started before the directions of the magnetizations Mi and Mp are stabilized, but before the stable standby state is entered (in the time region T2 in the previous FIG. 8). It is also possible to start the recording operation by supplying the recording current Iw at an arbitrary time.
  • FIG. 11A is a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of the memory element 20.
  • FIG. 11A the magnetizations Mi and Mp in the equilibrium state of the storage element 20 and the magnetization M12 of the magnetization fixed layer 12 are shown together.
  • the memory element 20 of the second embodiment is different in the stacking order of the memory layers 14 from the memory element 3 of the first embodiment.
  • the ferromagnetic layer 14p, the coupling layer 14c, and the ferromagnetic layer 14i are laminated in the same order.
  • the ferromagnetic layer 14 p is in contact with the intermediate layer 13
  • the ferromagnetic layer 14 i is in contact with the cap layer 15.
  • an oxide such as MgO is used for the intermediate layer 13 in order to make the ferromagnetic layer 14p a perpendicular magnetization layer with superior perpendicular magnetization.
  • the spin torque is determined by the relative angle between the magnetization M12 of the magnetization fixed layer 12 and the magnetization Mp of the ferromagnetic layer 14p.
  • FIG. 11B shows the magnetization Mi of the ferromagnetic layer 14i and the magnetization Mp of the ferromagnetic layer 14p when the standby current Is is passed through the storage element 20 to enter the standby state.
  • the angle ⁇ 2 (angle formed by the magnetization Mp and the vertical axis aV) is smaller than the angle ⁇ 1 (angle formed by the magnetization Mi and the vertical axis aV).
  • the spin torque is smaller in the memory element 20 than in the memory element 3 of the first embodiment.
  • the direction of magnetization of the storage layer 14 is oblique, so that high-speed magnetization reversal during the recording operation is possible.
  • the storage device of the second embodiment is a storage device having the configuration shown in FIG. 9, in which a storage element 20 is provided instead of the storage element 3.
  • the memory device of the second embodiment including the memory element 20 as described above can also suppress a decrease in amplitude of the read signal while realizing a memory device that can operate at a high speed with a small current.
  • FIG. 12 shows a simulation result of the temporal change of the perpendicular component (mz) of magnetization when a current is passed.
  • FIG. 12A shows a simulation result for the conventional memory element 3 ′
  • FIG. 12B shows a simulation result for the memory element of the embodiment.
  • the memory element 20 of the second embodiment is used as the “memory element of the embodiment”.
  • the horizontal axis indicates the time elapsed after the current is passed
  • the vertical axis indicates the perpendicular component mz of the magnetization.
  • the upward direction is 1, and the downward direction is -1.
  • the current flow time (also referred to as current supply time) was 20 ns. The origin of the time is when the recording current starts to flow through the storage layer 14 in the standby state.
  • the magnetization M14 of the memory layer 14 is in the vertical direction in an equilibrium state. Therefore, since the spin torque does not work as it is, the calculation is performed with a shift of 0.01 degrees from the vertical axis aV.
  • the magnetization Mp of the ferromagnetic layer 14p is 29 degrees from the vertical direction in the standby state
  • the magnetization Mi of the ferromagnetic layer 14i is 73 degrees from the vertical direction in the standby state. It is suitable.
  • the spin torque is correspondingly small, and the change in the magnetization motion is small with respect to the time change.
  • the time region T11 of FIG. 12A there is a region where the magnetization direction hardly changes even when the current starts to flow.
  • the length of the time region T11 changes at each recording operation according to the initial magnetization angle. Therefore, the time until the magnetization reversal varies, and a sufficiently long recording time is required to surely reverse the magnetization.
  • the magnetization Mp of the ferromagnetic layer 14p in the standby state, the magnetization Mp of the ferromagnetic layer 14p is oriented in a direction inclined from an axis perpendicular to the film surface. For this reason, the magnetization Mp of the ferromagnetic layer 14p receives a certain amount of spin torque at the same time as the recording current flows, and starts the reversal operation quickly (time region T15). At this time, since the magnetization Mi of the ferromagnetic layer 14i is also magnetically coupled to the magnetization Mp, a reversal movement is started in accordance with the movement of the magnetization Mp. As described above, according to the memory element of the embodiment, high-speed inversion operation is possible.
  • the memory element of the embodiment it can be confirmed that there is no time domain where the change in magnetization motion is small, such as the time domain T11 in FIG. 12A. This means that according to the memory element of the embodiment, it is possible to shorten the time for supplying the recording current, and at the same time, it is possible to reduce the variation in the inversion time.
  • the magnetization Mp and the magnetization Mi are directed away from the vertical direction due to the effect of the temperature rise and the spin torque.
  • the angle of the magnetization Mp was 156 degrees
  • the angle of the magnetization Mi was 112 degrees.
  • the simulation of FIG. 12 shows the result when the memory element 20 is used as the memory element of the embodiment, but the conventional memory element 3 ′ is also obtained when the memory element 3 of the first embodiment is used. Further, an improvement effect can be obtained by comparison with the memory element 3 ′′ of the previous example.
  • the storage device of the embodiment shifts the storage element to the standby state before the recording operation. For this reason, the time required for the recording operation itself is shortened, but it takes time to shift to the standby state. In order to shorten this time, it is possible to adopt a method of continuously performing a recording operation on a plurality of storage elements as follows.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of a method for shortening the recording time.
  • recording is continuously performed in the order of the storage elements 3a, 3b, 3c, and 3d, and current waveforms to be supplied to the storage elements 3a to 3d are illustrated.
  • the storage elements 3a to 3d mean the storage elements 3 arranged continuously on a certain word line 1.
  • the word line 1 on which these storage elements 3a to 3d are arranged is set to HIGH so that a current can flow through the storage elements 3.
  • the word line 1 on which these storage elements 3a to 3d are arranged is set to HIGH so that a current can flow through the storage elements 3.
  • Each current with a simple waveform is supplied. Specifically, the period (Tw) in which the recording current Iw is supplied to the storage element 3 to be recorded and the period (Ts) in which the standby current Is is supplied to the storage element 3 to be recorded next are exceeded. The current is supplied to each bit line 6 so as to be wrapped.
  • the recording operation is separately performed on the four storage elements 3a to 3b, 4 ⁇ (Ts + Tw) time is required, but the pipeline type recording as shown in FIG. 13 is performed. By doing so, the required time can be shortened to Ts + 4 ⁇ Tw. In this way, the overhead period required to shift to the standby state before the recording operation can be reduced by performing continuous recording in which the standby current supply period and the recording current supply period overlap. it can.
  • the pipeline-type recording operation as described above is the next recording target after the control unit 50 shown in FIG. 9 supplies the recording current Iw to the storage element 3 that is the recording target as described above, for example.
  • This can be realized by generating a timing signal for overlapping the period in which the standby current Is is supplied to the storage element 3 to be supplied and supplying the timing signal to the bit line driving circuit 52.
  • FIG. 13 illustrates the case where the storage element 3 is used, when the storage element 20 is used, the same pipeline recording can be performed to shorten the recording time.
  • the material of the coupling layer 14c is not limited to Ta or Ru, and may be made of a material capable of inducing magnetic coupling between the ferromagnetic layers such as Zr, V, Cr, Nb, Mo, W, and Mg.
  • the base layer 11 and the cap layer 15 may be a single material or a laminated structure of a plurality of materials.
  • the magnetization fixed layer 12 may have a single layer structure or a laminated ferripin structure including two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer. Furthermore, it can also be set as the structure which provided the antiferromagnetic film
  • the film configuration of the storage element may be a configuration in which the storage layer is disposed on the upper side of the magnetization fixed layer or a configuration on the lower side. Furthermore, a so-called dual structure in which the magnetization fixed layer exists above and below the storage layer can be employed.
  • the structure of the memory elements 3 and 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, but also a magnetic head.
  • the present invention can be applied to a hard disk drive, an integrated circuit chip mounted with this magnetic head, and various electronic devices such as personal computers, portable terminals, mobile phones, and magnetic sensor devices, and electric devices.
  • FIG. 14A and 14B 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 as an example.
  • 14A is a perspective view of the composite magnetic head 100 with a part cut away so that the internal structure can be seen.
  • FIG. 14B 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 the same film configuration (layer structure) as the memory elements 3 and 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.
  • 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.
  • 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 configuration exemplified so far that is, the first ferromagnetic layer, the coupling layer, and the second ferromagnetic layer are stacked in the same order
  • One of the second ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer should be limited to a configuration in which an in-plane magnetization layer in which in-plane magnetization is dominant and the other is a perpendicular magnetization layer in which perpendicular magnetization is dominant is not.
  • setting of the coupling strength between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer via the coupling layer is set.
  • a storage element in which the magnetization direction of the storage layer is in a direction perpendicular to the film surface in an equilibrium state and the magnetization direction of the storage layer is tilted from the direction perpendicular to the film surface by flowing a standby current can be realized.
  • the storage element used in the storage device of the present technology should not be limited to this, and may be configured as follows.
  • a storage layer in which the magnetization direction is changed corresponding to information a magnetization fixed layer in which the magnetization direction is fixed, and a non-magnetic medium disposed between the storage layer and the magnetization fixed layer
  • a storage element configured to allow a current to flow in the stacking direction of the layer structure, wherein the storage layer has a magnetization direction of the storage layer in an equilibrium state. It is in a direction perpendicular to the film surface, and the magnetization direction of the storage layer is inclined from the direction perpendicular to the film surface by passing a standby current.
  • the present technology can also take the following configurations.
  • a storage layer in which the magnetization direction is changed according to information a magnetization fixed layer in which the magnetization direction is fixed, and an intermediate layer made of a nonmagnetic material disposed between the storage layer and the magnetization fixed layer,
  • a memory element configured to allow a current to flow in the stacking direction of the layer structure,
  • a wiring portion for supplying a current flowing in the stacking direction to the memory element; By passing a standby current at a predetermined level through the wiring portion to the storage element, the level is higher than the standby current in a state where the magnetization direction of the storage layer is inclined from the direction perpendicular to the film surface.
  • a storage control unit that stores information by changing the magnetization direction of the storage layer by causing a recording current to flow through the wiring unit.
  • a plurality of the memory elements are arranged, The storage control unit The current to the storage element via the wiring section is such that the period in which the recording current flows through the storage element to be recorded overlaps the period in which the standby current flows through the storage element to be recorded next.
  • the memory element has a cap layer, The memory layer is A first ferromagnetic layer, a coupling layer, and a second ferromagnetic layer are stacked in the same order, and the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are magnetically coupled via the coupling layer.
  • the first ferromagnetic layer is in contact with the intermediate layer
  • the second ferromagnetic layer is in contact with the cap layer
  • one is an in-plane magnetic layer having superior in-plane magnetization
  • the other is a perpendicular magnetic layer having superior perpendicular magnetization.
  • the memory layer is The coupling is performed so that the magnetization directions of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are both perpendicular to the film surface in an equilibrium state in which no current in the stacking direction flows through the memory element.
  • the storage device wherein a coupling strength between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer via a layer is set.
  • the storage device wherein the first ferromagnetic layer is the in-plane magnetization layer, and the second ferromagnetic layer is the perpendicular magnetization layer.
  • the angle between the magnetization of the first ferromagnetic layer and the direction perpendicular to the film surface is greater than the angle between the magnetization of the second ferromagnetic layer and the direction perpendicular to the film surface.
  • the angle between the magnetization of the first ferromagnetic layer and the direction perpendicular to the film surface is greater than the angle between the magnetization of the second ferromagnetic layer and the direction perpendicular to the film surface.
  • the cap layer includes an oxide layer.
  • the storage device according to any one of (3) to (10), wherein the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer include a Co—Fe—B layer.

Abstract

【課題】少ない電流で高速に動作可能な記憶装置を、読み出し信号の振幅低下の抑制を図りつつ実現する。 【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が可能に構成された記憶素子と、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、上記記憶素子に対して上記配線部を介して所定レベルによる待機電流を流すことで上記記憶層の磁化の向きを膜面に垂直な方向から傾斜させた状態で、上記待機電流よりもレベルが大となる記録電流を上記配線部を介して流すことで上記記憶層の磁化方向を変化させて情報を記憶させる記憶制御部とを備える。

Description

記憶装置、記憶素子
　本技術は、記憶装置及び記憶素子に関する。
特開２００４－１９３５９５号公報 特開２００９－８１２１５号公報
R.H.Koch et al, Phys. Rev. Lett. 92, 088302(2004)
　コンピュータ等の情報処理装置では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で高密度なＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）が広く使われている。
　しかしながら、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発性のメモリが望まれている。
　不揮発性メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている。
　ＭＲＡＭに対する記録を行う方法としては、電流磁場によって磁化を反転させる方法や、スピン分極した電子を直接記録層に注入して磁化反転を起こさせる方法（例えば上記特許文献１を参照）がある。
　これらの方法のうち、素子のサイズが小さくなるのに伴い記録電流を小さくすることができる、スピン注入磁化反転が注目されている。
　さらに、素子を微細化するために、磁性体の磁化方向を垂直方向に向けた、垂直磁化膜を用いた方法（例えば上記特許文献２を参照）が検討されている。
　上記非特許文献１には、垂直磁化膜を用いたスピン注入磁化反転素子の反転時間の式が開示されている。
　しかしながら、上記非特許文献１に示されている反転時間の式によれば、垂直磁化膜を用いたスピン注入磁化反転素子は、垂直磁化膜を用いないスピン注入磁化反転素子と比較して、磁化の反転時間が長くなる可能性がある。
　本技術は、このような垂直磁化膜を用いた場合の問題を解消し、少ない電流で高速に動作させることが可能な記憶装置を提供することをその課題とする。
　また併せて、このように少ない電流で高速に動作させることが可能な記憶装置について、読み出し信号の振幅低下の抑制が図られるようにすることを課題とする。
　上記課題の解決のため、本技術では記憶装置を以下のように構成することとした。
　すなわち、本技術の記憶装置は、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が可能に構成された記憶素子を備える。
　また、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を備える。
　また、上記記憶素子に対して上記配線部を介して所定レベルによる待機電流を流すことで上記記憶層の磁化の向きを膜面に垂直な方向から傾斜させた状態で、上記待機電流よりもレベルが大となる記録電流を上記配線部を介して流すことで上記記憶層の磁化方向を変化させて情報を記憶させる記憶制御部を備えるものである。
　また、本技術では記憶素子を以下のように構成することとした。
　つまり、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、キャップ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が可能に構成されていると共に、
　上記記憶層が、
　第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層されて上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層とが上記結合層を介して磁気的に結合され、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第２の強磁性層が上記キャップ層に接しており、上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされていると共に、
　上記記憶素子に電流が流されていない平衡状態においては上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層の磁化の向きが共に膜面に垂直な方向を向き、上記記憶素子に上記記録電流よりも小レベルによる待機電流が流された待機状態においては上記記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜するように、上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との結合強度が設定されているものである。
　上記本技術の記憶装置によれば、上記待機電流を流すことで上記記憶層の強磁性層の磁化の向きを膜面に垂直な方向から傾斜させた状態で、記録電流を流して上記記憶層の磁化の向きを変化させて情報の記憶が行われるものとなる。
　記録前に記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しているので、磁化の向きが傾斜していない状態で記録電流を流す従来構成との比較で、記憶層の磁化の向きを反転させて情報の記録を行う際に要する反転時間を短縮化できる。また同時に、磁化の向きが傾斜していない状態で記録電流を流す従来構成で生じていた反転時間のばらつきも低減できる。
　そして上記本技術の記憶装置によれば、記憶素子に上記積層方向の電流を流していない平衡状態においては、記憶層の磁化の向きは膜面に垂直な方向を向くようにできる。仮に、平衡状態における記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜していたとすると、読み出し信号の振幅低下を招くことになるが、上記本技術によれば、そのような読み出し信号の振幅低下を効果的に抑制できる。
　また上記本技術の記憶素子によれば、平衡状態にて記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向にあり、待機電流を流すことで記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜する記憶素子を提供できる。
　上記のように本技術によれば、単に垂直磁化膜を用いた従来構成との比較で、記憶層の磁化の向きを反転させて情報の記録を行う際に要する反転時間を短縮化できると共に、反転時間のばらつきも低減できる。これにより、情報の記録の際の電流量を低減でき、かつ、短い時間で情報の記録を行うことができ、結果、少ない電流で高速動作可能な記憶装置を実現できる。
　また、このように少ない電流で高速動作可能な記憶装置について、読み出し信号の振幅低下の抑制を図ることができる。
　また、本技術の記憶素子によれば、平衡状態にて記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向にあり、待機電流を流すことで記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜する記憶素子を提供できる。
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。 先行例としての記憶素子の概略構成図（断面図）である。 先行例としてのとしての記憶素子が備える記憶層の概略構成図（斜視図）である。 第１の実施の形態の記憶素子についての説明図である。 記憶素子の積層方向に流す電流と磁化Ｍｉ及び磁化Ｍｐの垂直成分（ｍｚ）の時間変化の概念図である。 第１の実施の形態の記憶装置の全体的な構成を示したブロック図である。 実施の形態におけるビット線の駆動手法についての説明図である。 第２の実施の形態の記憶素子についての説明図である。 従来の記憶素子の記憶層の磁化と実施の形態の記憶素子の記憶層の磁化（磁化Ｍｉ）の垂直成分の時間変化を示した図である。 記録時間を短縮化するための手法についての説明図である。 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、本技術に係る実施の形態について説明する。
　なお、説明は以下の順序で行う。
　＜１．実施の形態の記憶装置の概略構成＞
　＜２．従来及び先行例としての記憶素子＞
　＜３．実施の形態の記憶素子の概要＞
　＜４．第１の実施の形態＞
　＜５．第２の実施の形態＞
　＜６．シミュレーション結果＞
　＜７．記録時間の短縮化のための工夫＞
　＜８．変形例＞
　＜１．実施の形態の記憶装置の概略構成＞
　先ず、実施の形態の記憶装置の概略構成について説明する。
　実施の形態の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。なおこれら図１～３では、実施の形態の記憶装置が有する周辺回路部については図示を省略している。
　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、記録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ことが望ましい。
　＜２．従来及び先行例としての記憶素子＞
　実施の形態の記憶素子３についての説明に先立ち、先ずは図４の断面図を参照して、記憶層の磁化の向き（平衡状態における磁化の向き）が膜面に垂直な方向とされた従来の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、記憶層１４の構成が従来例の場合とは異なる。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’が備える記憶層の符号として「１４」を用いる。
　図４に示すように、従来の記憶素子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。この場合、磁化固定層１２の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。
　ここで、磁化反転が起きるまでの時間（反転時間）は、磁化Ｍ１４が磁化容易軸からどれだけ離れているかに依存し、磁化容易軸から離れているほど高速に反転する。
　記憶層１４の磁化Ｍ１４と磁化容易軸の角度は前述のように熱揺らぎに依ってランダムに分布するために、反転時間にばらつきが生じることとなる。
　また、磁化Ｍ１４が磁化容易軸に近い位置（角度）にある場合であっても、高速に反転させるためには、その分大きな電流を流す必要が生じる。
　そこで、少ない電流で記憶素子を高速に動作させるために、先に本発明者らは、鋭意検討を重ねた。
　その結果、記憶層１４の構成を、垂直磁化が優位な垂直磁化層と、膜面内磁化が優位な面内磁化層とを結合層を介して磁気的結合させた構成とすることにより、上記面内磁化層の磁化と上記垂直磁化層の磁化との磁気的相互作用によって両磁化を膜面に垂直な方向から傾斜させることを見出した（例えば下記参考文献１，２を参照）。
　記憶層１４の磁化の向きが垂直方向から傾斜しているので、記憶層１４の磁化の向きが垂直方向を向く従来例との比較で、記録電流（反転電流）を流して磁化反転させて情報の記録を行う際に要する反転時間を短縮化できる。また、従来構成が有していた反転時間のばらつきの問題も解消できる。これにより、情報の記録の際の電流量を低減でき、かつ、短い時間で情報の記録を行うことができ、結果、少ない電流で高速動作可能な記憶装置を実現できる。
　なお、上記のように磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜された強磁性層のことを、以下「傾斜磁化層」と表記する。
　・参考文献１：特願２０１１－２６１５２２
　・参考文献２：特願２０１１－２６１８５３
　ここで、傾斜磁化層を得るための磁性材料としては、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂを用いることができる。
　通常、記憶層等に用いられる強磁性層は、その膜面積に比べて膜厚が非常に小さい。このような場合に強磁性層の磁化が膜面に対して垂直方向を向くと、大きな反磁界を受ける。反磁界と磁化の相互作用により、反磁界エネルギー（以下、Ｅｄとする）が大きくなるため、磁化は安定して垂直方向を向くことができず、平衡状態において膜面内方向を向くことになる。
　ところが、強磁性層は、材料や界面状態によっては、垂直磁気異方性を持つ場合がある。このような場合には、強磁性層には、垂直磁気異方性によって誘起される垂直磁気異方性エネルギー（以下、Ｅａとする）が働く。そして、強磁性層の磁化が膜面に対して垂直方向を向くと、反磁界エネルギーは正味Ｅｄ－Ｅａとなる。
　この反磁界エネルギーが負となるとき、すなわち、Ｅｄ＜Ｅａとなるとき、磁化は安定して垂直方向を向くことができるようになる。以下、このような強磁性層を「垂直磁化が優位な垂直磁化層」と呼ぶ。
　逆に、反磁界エネルギーが正となるとき、すなわち、Ｅｄ＞Ｅａとなるとき、磁化は安定して垂直方向を向くことができない。以下、このような強磁性層を「膜面内磁化が優位な面内磁化層」と呼ぶ。
　Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂを用いた強磁性層は、通常は、膜面内磁化が優位な面内磁化層である。
　ところが条件を満たせば、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂは垂直磁化が優位な垂直磁化層となり得る。
　具体的には、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ膜の組成と膜厚が或る範囲内にあって、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ膜が酸化膜（例えばＭｇＯ膜）と接するとき、垂直磁化が優位な垂直磁化層となる（例えば特願２０１０－２００９８３を参照）。
　なお、垂直磁化をもたらす垂直磁気異方性の起源は、ＭｇＯ／Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ界面での界面異方性であるとされる。
　さらに、ＭｇＯ／Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ／ＭｇＯというようにＣｏ－Ｆｅ－Ｂ膜の両方の界面がＭｇＯ膜に接する場合には、垂直磁気異方性が増加することになる（例えば特願２０１０－２０１５２６を参照）。
　このようにＣｏ－Ｆｅ－Ｂを用いた強磁性層は、膜面内磁化が優位な面内磁化層にも垂直磁化が優位な垂直磁化層にもなることができるために、上述のような傾斜磁化膜を得るために好適なものである。
　図５の断面図を参照して、傾斜磁化層を用いた先行例としてのＳＴＴ－ＭＲＡＭによる記憶素子３''の概略構成を説明する。
　なお、先行例としての記憶素子３''が備える記憶層１４についても、実施の形態の記憶層１４とは構成が異なるものとなるが、ここでも便宜上、その符号については「１４」を用いる。
　図５において、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）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。
　なお、前述のように本例の磁化固定層１２は、膜面に垂直な方向（図中上向き）に磁化Ｍ１２の向きが固定されている。
　記憶素子３''は、先の記憶素子３’と比較して、記憶層１４の構造が強磁性層と結合層とを有する多層構造に変更されたものとなる。
　具体的に、この場合の記憶層１４は、強磁性層１４ｉ、結合層１４ｃ、強磁性層１４ｐが同順で積層された３層構造で構成されている。
　強磁性層１４ｉは、膜面内磁化が優位な面内磁化層である。
　強磁性層１４ｐは、垂直磁化が優位な垂直磁化層である。
　強磁性層１４ｉは中間層１３と接しており、強磁性層１４ｐはキャップ層１５と接している。
　上記構成においては、強磁性層１４ｉの磁化Ｍｉと強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐとが、結合層１４ｃを介して磁気的に結合している。
　情報の読み出しは、先の記憶素子３’の場合と同様に、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動作の場合と同様に、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、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２と強磁性層１４ｉの磁化Ｍｉの相対角度によって、記憶素子３''の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
　ただし、図５に示す先行例としての記憶素子３''の場合、磁化Ｍｉは垂直方向から傾斜しているために、磁化Ｍｉの相対角度が大きくなり、垂直磁化膜を用いた従来例の記憶素子３’と比較すると、読み出し信号の振幅が小さくなってしまう。
　図５に示す先行例としての記憶素子３''が備える記憶層１４の構成をさらに詳しく示したのが図６である。
　ここでは簡単のため、結合層１４ｃは省略している。
　先ず、記憶素子３''においては、記憶層１４の形状は円柱状とされる。
　ここで、磁化Ｍｉ及び磁化Ｍｐの方向を記述するために、次のように角度θ１、θ２を定義する。すなわち、記憶層１４を垂直方向に貫く軸を図のように垂直軸ａＶとしたとき、磁化Ｍｉとこの垂直軸ａＶとがなす角度をθ１とする。また、磁化Ｍｐと垂直軸ａＶとがなす角度をθ２とする。
　ここで、前述のように磁化Ｍｉは面内磁化が優位であり、磁化Ｍｐは垂直磁化が優位である。
　このため、結合層１４ｃを介した結合によって磁化方向が垂直軸ａＶから斜めになるとき、角度θ１のほうが角度θ２よりも大きくなる。すなわち、磁化Ｍｉのほうがより大きく垂直軸ａＶから傾斜していることになる。
　スピントルクは、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２と磁化Ｍｉの相対角度が大きいほど大となるので、上記のような先行例としての記憶層１４の構成によれば、その分高速な磁化反転が可能となる。
　しかしながら、上記のように磁化Ｍｉを垂直軸ａＶから傾斜させることは、読み出し信号の振幅が低下するという副作用を生む。
　これまでの説明からも理解されるように、読み出し信号の振幅は、記憶素子が平行状態にあるときと反平行状態にあるときとでの該記憶素子の電気抵抗値の差と換言できるものである。
　従来の記憶素子３’では、平行状態では磁化Ｍ１２と磁化Ｍｉとのなす角度が略０°、また反平行状態での磁化Ｍ１２と磁化Ｍｉとのなす角度は略１８０°である。これに対し先行例の記憶素子３''では、上記のように磁化Ｍｉが垂直軸ａＶから傾斜しているため、磁化Ｍ１２と磁化Ｍｉとのなす角度は０°よりも大となる。結果、先行例の場合における平行状態での電気抵抗値は、従来の記憶素子３’の場合よりも大となる。また、反平行状態においても、磁化Ｍｉは垂直軸ａＶから傾斜することとなるため、磁化Ｍ１２とのなす角度は１８０°に満たないものとなる。この結果、先行例の場合における反平行状態での電気抵抗値は従来の記憶素子３’の場合よりも小となる。
　これらの結果として、先行例の場合における平行状態と反平行状態とでの記憶素子３''の電気抵抗値の差は、従来の記憶素子３’の場合よりも小となる。つまりこのことより、先行例においては、従来例との比較で読み出し信号の振幅が低下するものである。
　このような先行例の有する問題点に鑑み、本実施の形態では、記憶素子に電流を流さない平衡状態においては記憶層の磁化が垂直方向を向くようにしつつ、記録動作の際には、記録電流を流す前に該記録電流よりも小さい電流を記憶素子に流して、記憶層を待機状態に遷移させる。すなわち、記憶層の磁化が垂直方向から傾斜した方向を向く状態に遷移させるものである。
　このようにすることで、高速な磁化反転と大きな読み出し信号とを両立させることができる。
　＜４．第１の実施の形態＞
　以下、本技術の具体的な実施の形態について説明する。
　図７は、第１の実施の形態としての記憶素子３についての説明図である。
　この図７において、図７Ａは、第１の実施の形態の記憶素子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７Ａにおいて、記憶素子３は、下地層１１、磁化固定層１２、中間層１３、記憶層１４、及びキャップ層１５の各層の積層順については、先行例の記憶素子３''と同様となる。また、記憶素子３が備える記憶層１４は、先行例の記憶層１４と同様に強磁性層１４ｉ、結合層１４ｃ、強磁性層１４ｐを備え、その積層順も先行例の場合と同様である。
　本例においても、強磁性層１４ｉ及び強磁性層１４ｐにはＣｏ－Ｆｅ－Ｂを用いるものとしている。
　ただし、本実施の形態の記憶素子３では、該記憶素子３に電流が流されていない平衡状態において、磁化Ｍｉ及びＭｐが垂直方向を向くように記憶層１４が構成されている点が記憶素子３''と異なる。
　これは、結合層１４ｃを介した強磁性層１４ｉ（面内磁化層）の磁化と強磁性層１４ｐ（垂直磁化層）の磁化との磁気的相互作用の強さ（以下、結合強度と呼ぶ。）を記憶素子３''の場合よりも大きくすることによって実現できる。換言すれば、本実施の形態の記憶素子３は、平衡状態において磁化Ｍｉ及びＭｐが垂直方向を向くように強磁性層１４ｉと強磁性層１４ｐとの結合強度が設定されているものである。なお、強磁性層１４ｉと強磁性層１４ｐとの結合強度は、結合層１４ｃの膜厚により調整可能なものである。
　磁化ＭｉとＭｐの向きは結合強度に依存する。結合強度がある閾値以上になると、磁化Ｍｉと磁化Ｍｐの向きは同一方向に揃う。このとき、両者の向きが膜面内方向になる場合と垂直方向になる場合とがあるが、垂直磁化が優位な垂直磁化層の垂直磁気異方性を大きくすることによって、垂直方向に揃えることが可能である。
　このように、平衡状態における結合強度を閾値以上にすることにより、両磁化が垂直方向を向くようにすることができる。
　このことで、読み出し信号の振幅は、垂直磁化膜を用いた従来の記憶素子３’と同程度に大きくすることができる。
　図７Ｂは、記憶素子３に待機電流Ｉｓを流し、該記憶素子３を待機状態に遷移させた様子を模式的に示している。
　この図７Ｂに示されるように、待機電流Ｉｓとしては、記憶素子３の積層方向への電流を流す。このような待機電流Ｉｓを流すと、記憶素子３にジュール熱が発生し、記憶層１４の温度が上昇する。結合強度は温度に依存するものであり、温度が上昇すると結合強度は減少する傾向となる。
　このとき、待機状態での結合強度が閾値よりも小さくなると、磁化ＭｉとＭｐの向きは垂直方向から傾斜した方向に変化する。
　本実施の形態では、このように記憶素子３を待機状態とした上で、記録電流を流して情報を記憶させる。上述のように待機状態では記憶層１４が傾斜磁化となるので、待機状態にて記録電流を流して情報記憶を行うことにより、先行例の記憶素子３''と同様に高速な磁化反転を実現できる。
　一方、本実施の形態では平衡状態にて磁化Ｍｐと磁化Ｍｉとが垂直方向を向いているので、先行例の場合のように読み出し信号の振幅が低下する事態は生じないものとなる。
　ここで、記憶素子３を構成する各積層膜に用いることのできる材料の一例について説明しておく。なお、先行例としての記憶素子３''と重複する部分については説明を省略する。
　先ず、結合層１４ｃには、Ｔａ，Ｒｕ等の非磁性の金属を使用することができる。
　また、磁化固定層１２と記憶層１４との間の中間層（非磁性層）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）、又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。
　第１の実施の形態では、強磁性層１４ｐを垂直磁化が優位な垂直磁化層とするために、キャップ層１５にＭｇＯ等の酸化物を用いることができる。図示しないが、キャップ層１５はＭｇＯ層の上にＴａ，Ｒｕ等の非磁性金属を積層させた構成とすることにより、電気伝導性を高めることが望ましい。
　磁化固定層１２の材料には、従来のＳＴＴ－ＭＲＡＭの記憶素子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、ＮｉＦｅ，ＴｅＰｔ，ＣｏＰｔ，ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＣｏＰｄ，ＭｎＢｉ，ＭｎＧａ，ＰｔＭｎＳｂ，Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ，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可能である。
　図８を参照し、平衡状態から待機状態→記録状態の遷移について具体的に説明しておく。
　図８は、記憶素子３の積層方向に流す電流と磁化Ｍｉ及び磁化Ｍｐの垂直成分（ｍｚ）の時間変化の概念図である。
　時間領域Ｔ１において、記憶層１４は平衡状態にあり、磁化Ｍｉ及び磁化Ｍｐの垂直成分ｍｚは「１」、すなわち垂直方向である。
　記録動作に先立ち、待機状態に遷移させるために時間領域Ｔ１の終了点から記憶素子３に待機電流Ｉｓを流す。すると、記憶素子３の温度上昇とともに結合強度が弱くなり、磁化Ｍｉ及びＭｐの垂直成分は「１」から減少していく（時間領域Ｔ２）。その後、記憶素子３の温度が一定となり、そのときの結合強度で決定される向きに、磁化Ｍｉ及びＭｐの向きが定まる（時間領域Ｔ３）。すなわち、待機状態として安定な状態が得られる。
　このように安定な待機状態が得られた後（つまり時間領域Ｔ３のうち任意の時点）に、記録電流を流して実際の記録を行う。
　図９は、上記のように記憶素子３を待機状態とした上で情報を記憶させるための構成を含めた、本実施の形態の記憶装置の全体的な構成を示したブロック図である。
　先ず、先の図３でも説明したように、実施の形態の記憶装置では、ワード線１とビット線６とがマトリクス状に配線され、これらワード線１とビット線６の交点に、記憶素子３が配置される。
　なおこの図では便宜上、複数のワード線１を紙面上側から順に１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ・・・と符号を付し、複数のビット線６を紙面左側から順に６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ・・・と符号を付している。
　実施の形態の記憶装置には、それぞれのワード線１を駆動するワード線駆動回路５１と、それぞれのビット線６を入力データに応じて駆動するビット線駆動回路５２と、制御部５０とが設けられる。
　制御部５０は、ワード線駆動回路５１によるワード線１の駆動タイミングを制御すると共に、ビット線駆動回路５２によるビット線６の駆動タイミングを制御する。具体的には、ワード線駆動回路５１により或る１つのワード線１を駆動させた（選択させた）状態で、ビット線駆動回路５２により入力データに応じたビット線６の駆動を実行させるという制御を、順次、選択するワード線１を変化させるようにして実行する。これにより、所望の記憶素子３にデータを記憶させることができる。
　このとき、制御部５０は、データの記録時に対応して、ビット線駆動回路５２から各ビット線６に対して次の図１０に示されるような待機電流が流れるように制御を行う。具体的には、記録電流Ｉｗを流す前に、待機電流Ｉｓが流れるようにビット線駆動回路５２を制御する。なおこの図からも明らかなように、待機電流Ｉｓのレベルは記録電流Ｉｗのレベルよりも低いものである（絶対値での比較）。
　なお、図１０では待機電流Ｉｓ・記録電流Ｉｗの極性として一方の極性（正極性）のみを示したが、前述のように０／１の書き分けは、記憶素子３に流す電流の向きにより実現されるものである。従って、例えば図１０に示す極性がデータ「１」の書き込みに対応したものであるとすれば、データ「０」の書き込みは、図１０とは極性の反転した電流を流して行うことになる。
　ここで、図１０Ａに「Ｔｓ」と示す、待機電流Ｉｓの供給期間（待機電流Ｉｓを流し始めた時点から記録電流Ｉｗを流し始めた時点までの期間）としては、先の図８による説明からも理解されるように、待機電流Ｉｓの供給開始後に記憶素子３の温度が一定となって磁化Ｍｉ及びＭｐの向きが安定するまでの期間を確保することが望ましいものとなる。
　ただしこのことは、磁化Ｍｉ及びＭｐの向きが安定する前に記録電流Ｉｗの供給を開始することを否定するものではなく、安定した待機状態となる前（先の図８における時間領域Ｔ２のうち任意の時点）に記録電流Ｉｗを流して記録動作を開始させることも可能である。
　＜５．第２の実施の形態＞
　続いて、図１１を参照して、第２の実施の形態としての記憶素子２０について説明する。
　図１１において、図１１Ａは、記憶素子２０の概略構成図（断面図）である。なお図１１Ａでは記憶素子２０の平衡状態における磁化Ｍｉ，Ｍｐと磁化固定層１２の磁化Ｍ１２を併せて示している。
　第２の実施の形態の記憶素子２０は、第１の実施の形態の記憶素子３と比較して、記憶層１４の積層順が異なるものである。具体的には、強磁性層１４ｐ、結合層１４ｃ、強磁性層１４ｉが同順で積層されたものである。この場合、強磁性層１４ｐは中間層１３と接しており、強磁性層１４ｉはキャップ層１５と接している。
　強磁性層１４ｐを垂直磁化が優位な垂直磁化層とするために、この場合は中間層１３にＭｇＯ等の酸化物を用いるものとしている。
　上記構成による記憶素子２０においては、スピントルクは、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２と強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐとの相対角度で決まる。
　図１１Ｂは、記憶素子２０に待機電流Ｉｓを流して待機状態となった際の強磁性層１４ｉの磁化Ｍｉと強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐとを示している。
　記憶素子２０においては、角度θ２（磁化Ｍｐと垂直軸ａＶとがなす角度）が角度θ１（磁化Ｍｉと垂直軸ａＶとがなす角度）よりも小さくなる。このため、記憶素子２０においては、第１の実施の形態の記憶素子３よりもスピントルクが小さくなる。ただし、従来の記憶素子３’との比較では、記憶層１４の磁化（待機状態における磁化）の向きが斜めになることから、その分記録動作時における高速な磁化反転が可能となる。
　なお確認のため述べておくと、第２の実施の形態の記憶装置は、先の図９に示した構成による記憶装置において、記憶素子３に代えて記憶素子２０を設けたものとなる。
　上記のような記憶素子２０を備える第２の実施の形態の記憶装置によっても、少ない電流で高速に動作な可能な記憶装置を実現しつつ、読み出し信号の振幅低下の抑制を図ることができる。
　＜６．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（３，２０）の奏する効果を立証するために、マクロスピンモデルによる磁化反転のシミュレーションを行った。
　図１２は、電流を流したときの磁化の垂直成分（ｍｚ）の時間変化についてのシミュレーション結果を示している。
　図１２Ａが従来の記憶素子３’、図１２Ｂが実施の形態の記憶素子についてのシミュレーション結果をそれぞれ示す。なお、図１２Ｂにおいて、「実施の形態の記憶素子」としては第２の実施の形態の記憶素子２０を用いた。
　これら図１２Ａ、図１２Ｂにおいて、横軸は電流を流した後の時間経過を示し、縦軸は磁化の垂直成分ｍｚを示しており、上向きが１で、下向きが－１である。また、電流を流す時間（電流供給時間とも表記）は２０ｎｓとした。時刻の原点は、待機状態とされた記憶層１４に記録電流を流し始めた時点である。
　なお、従来の記憶素子３’においては、記憶層１４の磁化Ｍ１４は平衡状態では垂直方向を向いている。従ってそのままではスピントルクが働かないために、垂直軸ａＶから０．０１度ずらして計算を行った。
　また、図１２Ｂの計算例では、強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐは待機状態では垂直方向から２９度の方向を、強磁性層１４ｉの磁化Ｍｉは待機状態では垂直方向から７３度の方向を、それぞれ向いている。
　従来の記憶素子３’では、磁化Ｍ１４の向きが膜面に垂直な方向の近傍にあるため、その分スピントルクが小さく、時間変化に対して磁化運動の変化が小さくなる。このため、図１２Ａの時間領域Ｔ１１に示すように、電流を流し始めても磁化方向にほとんど変化がない領域が見られる。
　ここで、この時間領域Ｔ１１の長さは、磁化の初期角度に応じて記録動作のたびに変化するものである。従って、磁化反転が起こるまでの時間にばらつきが生じ、確実に磁化を反転させるためには十分に長い記録時間が必要とされていたものである。
　時間領域Ｔ１１を過ぎると、磁化Ｍ１４の向きが急激に変化して磁化反転が生ずる（時間領域Ｔ１２）。電流供給の続く時間領域Ｔ１３を過ぎて、時間領域Ｔ１４において電流がゼロになる。
　これに対し、実施の形態の記憶素子においては、待機状態にて強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐは膜面に垂直な軸から傾斜した方向に向いている。このため、強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐは、記録電流を流すと同時にある程度のスピントルクを受けて、速やかに反転動作を開始することとなる（時間領域Ｔ１５）。なおこのとき、強磁性層１４ｉの磁化Ｍｉも、磁化Ｍｐと磁気的に結合しているために、磁化Ｍｐの運動に合わせて反転運動を開始する。
　このように、実施の形態の記憶素子によれば、高速な反転動作が可能となる。
　また、実施の形態の記憶素子の場合は、図１２Ａの時間領域Ｔ１１のような磁化運動の変化が小さい時間領域が存在しないことが確認できる。これは、実施の形態の記憶素子によれば、記録電流を流す時間を短縮化できることを意味すると同時に、反転時間のばらつきを少なくできるということも意味している。
　ここで、電流供給の続く時間領域Ｔ１６の間は、温度上昇の効果及びスピントルクを受けて磁化Ｍｐ及び磁化Ｍｉは垂直方向からずれた向きを向く。
　図１２Ｂの計算では、磁化Ｍｐの角度は１５６度、磁化Ｍｉの角度は１１２度であった。
　時間領域Ｔ１７において電流がゼロとなると、結合強度が元の大きさに戻り、垂直方向を向いた平衡状態に遷移する。
　この結果からも、実施の形態の記憶素子によれば、少ない電流で高速な書き込みが可能とされつつ、平衡状態にて記憶層１４の磁化Ｍ１４が垂直方向を向くことから読み出し信号の振幅低下の抑制が図られることが分かる。
　なお、図１２のシミュレーションでは実施の形態の記憶素子として記憶素子２０を用いた場合の結果を示したが、第１の実施の形態の記憶素子３を用いた場合にも従来の記憶素子３’や先行例の記憶素子３''との比較で改善効果が得られるものである。
　＜７．記録時間の短縮化のための工夫＞
　ここで、これまでの説明から理解されるように、実施の形態の記憶装置は、記録動作の前に記憶素子を待機状態に遷移させるものである。そのために、記録動作自体に必要な時間は短くなるものの、待機状態に遷移させる分の時間を要することになる。この時間を短縮化するために、以下のように複数の記憶素子に連続して記録動作を行う手法を採ることができる。
　図１３は、記録時間を短縮化するための手法についての説明図である。
　この図１３では、記憶素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの順で連続して記録を行うことを想定し、これら記憶素子３ａ～３ｄに供給されるべき電流波形を例示している。なお、記憶素子３ａ～３ｄは、或るワード線１上に連続して配置された記憶素子３を意味している。
　先ず前提として、記録にあたっては、これら記憶素子３ａ～３ｄが配置されたワード線１をＨＩＧＨとしてそれらの記憶素子３に電流を流すことが可能な状態とする。
　このようにワード線１を選択して記憶素子３ａ～３ｄに電流を流すことが可能な状態とした上で、記憶素子３ａ～３ｄが接続された各ビット線６に対し、図１３に示すような波形による電流をそれぞれ供給する。
　具体的には、記録対象としている記憶素子３に対して記録電流Ｉｗを流す期間（Ｔｗ）と、次に記録対象とされるべき記憶素子３に待機電流Ｉｓを流す期間（Ｔｓ）とをオーバーラップさせるようにして、各ビット線６への電流供給を行う。
　ここで、仮に、記憶素子３ａ～３ｂの４つの記憶素子３に別々に記録動作を行うものとすると、４×（Ｔｓ＋Ｔｗ）の時間を要するが、図１３に示すようなパイプライン式の記録を行うことによって、必要な時間はＴｓ＋４×Ｔｗに短縮化できる。
　このようにして、記録動作前に待機状態に遷移させるために必要となるオーバーヘッド期間を、待機電流供給期間と記録電流供給期間とをオーバーラップさせた連続的な記録を行うことによって低減することができる。
　上記のようなパイプライン式の記録動作は、先の図９に示した制御部５０が、例えば上述のように記録対象としている記憶素子３に記録電流Ｉｗを流す期間と次に記録対象とされるべき記憶素子３に待機電流Ｉｓを流す期間とをオーバーラップさせるためのタイミング信号を生成し、これをビット線駆動回路５２に対して与えることで実現できる。
　なお、図１３では記憶素子３を用いた場合を例示したが、記憶素子２０を用いた場合にも同様のパイプライン式の記録を行って記録時間の短縮化を図ることができる。
　＜８．変形例＞
　以上、本技術に係る実施の形態について説明してきたが、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、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ膜に垂直磁気異方性を誘起する材料として、ＭｇＯなどの酸化物を例示したが、酸化物に限らず種々の材料を用いることが可能である。
　また、結合層１４ｃの材料はＴａやＲｕに限らず、例えばＺｒ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｇなど、強磁性層間に磁気的結合を誘起可能な材料で構成されればよい。
　また、下地層１１やキャップ層１５は、単一材料でも複数材料の積層構造でも良い。
　また、磁化固定層１２は単層構造としても２層の強磁性層と非磁性層から成る積層フェリピン構造としても良い。さらに、積層フェリピン構造膜に反強磁性膜を付与した構造とすることもできる。
　また本技術において、記憶素子の膜構成は、記憶層が磁化固定層の上側に配置される構成でも、下側に配置される構成でもよい。
　さらには、磁化固定層が記憶層の上下に存在する、いわゆるデュアル構造を採用することもできる。
　また、本技術に係る記憶素子３，２０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１４Ａ、図１４Ｂに、上記記憶素子３，２０の構造による磁気抵抗効果素子１０１を複合型磁気ヘッド１００に適用した例を示す。なお、図１４Ａ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１４Ｂ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３，２０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、本技術において、記憶装置に用いる記憶素子としては、これまでで例示した構成、すなわち、第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層され、上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされた構成に限定されるべきものではない。
　これまでの説明からも理解されるように、このような構成による記憶素子であれば、上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との結合強度の設定によって、平衡状態にて記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向にあり且つ待機電流を流すことで記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜する記憶素子を実現できるが、本技術の記憶装置で用いる記憶素子はこれに限定されるべきものではなく、次のように構成されたものであればよい。すなわち、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が可能に構成された記憶素子であって、上記記憶層が、平衡状態にて記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向にあり、待機電流を流すことで記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜するように構成されたものである。
　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が可能に構成された記憶素子と、
　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、
　上記記憶素子に対して上記配線部を介して所定レベルによる待機電流を流すことで上記記憶層の磁化の向きを膜面に垂直な方向から傾斜させた状態で、上記待機電流よりもレベルが大となる記録電流を上記配線部を介して流すことで上記記憶層の磁化方向を変化させて情報を記憶させる記憶制御部と
　を備える記憶装置。
（２）
　上記記憶素子が複数配列されており、
　上記記憶制御部は、
　記録対象とされた上記記憶素子に上記記録電流を流す期間と次に記録対象とされる上記記憶素子に上記待機電流を流す期間とが重なるように上記配線部を介した上記記憶素子への電流供給制御を行う
　上記（１）に記載の記憶装置。
（３）
　上記記憶素子はキャップ層を有し、
　上記記憶層は、
　第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層されて上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層とが上記結合層を介して磁気的に結合され、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第２の強磁性層が上記キャップ層に接しており、
　上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされている
　上記（１）又は（２）何れかに記載の記録装置。
（４）
　上記記憶層は、
　上記記憶素子に上記積層方向の電流が流されていない平衡状態において上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層の磁化の向きが共に膜面に垂直な方向を向くように上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との結合強度が設定されている
　上記（３）に記載の記憶装置。
（５）
　上記第１の強磁性層が上記面内磁化層であり、上記第２の強磁性層が上記垂直磁化層である
　上記（４）に記載の記憶装置。
（６）
　上記待機電流が流された状態において、上記第１の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度が上記第２の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度よりも大きい
　上記（５）に記載の記憶装置。
（７）
　上記第１の強磁性層が上記垂直磁化層であり、上記第２の強磁性層が上記面内磁化層である
　上記（４）に記載の記憶装置。
（８）
　上記待機電流が流された状態において、上記第１の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度が上記第２の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度よりも小さい
　上記（７）に記載の記憶装置。
（９）
　上記中間層がトンネル絶縁層である上記（１）乃至（８）何れかに記載の記憶装置。
（１０）
　上記キャップ層が酸化物層を含む上記（３）乃至（９）何れかに記載の記憶装置。
（１１）
　上記第１の強磁性層及び上記第２の強磁性層がＣｏ－Ｆｅ－Ｂ層を含む上記（３）乃至（１０）何れかに記載の記憶装置。
　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　磁化固定層、１３　中間層、１４　記憶層、１４ｉ,１４ｐ　強磁性層、１４ｃ　結合層、１５　キャップ層（垂直磁気異方性誘起層）

Claims (12)

  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が可能に構成された記憶素子と、
    　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、
    　上記記憶素子に対して上記配線部を介して所定レベルによる待機電流を流すことで上記記憶層の磁化の向きを膜面に垂直な方向から傾斜させた状態で、上記待機電流よりもレベルが大となる記録電流を上記配線部を介して流すことで上記記憶層の磁化方向を変化させて情報を記憶させる記憶制御部と
    　を備える記憶装置。
  2. 　上記記憶素子が複数配列されており、
    　上記記憶制御部は、
    　記録対象とされた上記記憶素子に上記記録電流を流す期間と次に記録対象とされる上記記憶素子に上記待機電流を流す期間とが重なるように上記配線部を介した上記記憶素子への電流供給制御を行う
    　請求項１に記載の記憶装置。
  3. 　上記記憶素子はキャップ層を有し、
    　上記記憶層は、
    　第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層されて上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層とが上記結合層を介して磁気的に結合され、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第２の強磁性層が上記キャップ層に接しており、
    　上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされている
    　請求項１に記載の記録装置。
  4. 　上記記憶層は、
    　上記記憶素子に上記積層方向の電流が流されていない平衡状態において上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層の磁化の向きが共に膜面に垂直な方向を向くように上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との結合強度が設定されている
    　請求項３に記載の記憶装置。
  5. 　上記第１の強磁性層が上記面内磁化層であり、上記第２の強磁性層が上記垂直磁化層である
    　請求項４に記載の記憶装置。
  6. 　上記待機電流が流された状態において、上記第１の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度が上記第２の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度よりも大きい
    　請求項５に記載の記憶装置。
  7. 　上記第１の強磁性層が上記垂直磁化層であり、上記第２の強磁性層が上記面内磁化層である
    　請求項４に記載の記憶装置。
  8. 　上記待機電流が流された状態において、上記第１の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度が上記第２の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度よりも小さい
    　請求項７に記載の記憶装置。
  9. 　上記中間層がトンネル絶縁層である請求項１に記載の記憶装置。
  10. 　上記キャップ層が酸化物層を含む請求項３に記載の記憶装置。
  11. 　上記第１の強磁性層及び上記第２の強磁性層がＣｏ－Ｆｅ－Ｂ層を含む請求項３に記載の記憶装置。
  12. 　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、
    　キャップ層と
    　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が可能に構成されていると共に、
    　上記記憶層が、
    　第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層されて上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層とが上記結合層を介して磁気的に結合され、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第２の強磁性層が上記キャップ層に接しており、上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされていると共に、
    　上記記憶素子に電流が流されていない平衡状態においては上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層の磁化の向きが共に膜面に垂直な方向を向き、上記記憶素子に上記記録電流よりも小レベルによる待機電流が流された待機状態においては上記記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜するように、上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との結合強度が設定されている
    　記憶素子。
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