WO2019150528A1 - データの書き込み方法及び磁気メモリ - Google Patents

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智生 佐々木
陽平 塩川
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    • G01R33/098Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors

Definitions

  • the present invention relates to a data writing method and a magnetic memory.
  • a giant magnetoresistive (GMR) element composed of a multilayer film of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer as an element utilizing a resistance value change (magnetoresistive change) based on a change in relative angle of magnetization of two ferromagnetic layers
  • a tunnel magnetoresistive (TMR) element using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) as a nonmagnetic layer is known.
  • the MRAM reads and writes data using the characteristic that the element resistance of the GMR element or the TMR element changes when the directions of magnetization of the two ferromagnetic layers sandwiching the insulating layer change.
  • writing magnetization reversal
  • writing is performed using spin transfer torque (STT) generated by flowing current in the stacking direction of the magnetoresistive effect element.
  • STT spin transfer torque
  • SOT spin orbit torque
  • Non-Patent Document 1 a writing method using spin orbit torque (SOT) (for example, Non-Patent Document 1).
  • SOT is induced by a pure spin current generated by spin orbit interaction or a Rashba effect at the interface between different materials.
  • a current for inducing SOT in the magnetoresistive effect element flows in a direction crossing the stacking direction of the magnetoresistive effect element. That is, there is no need to pass a current in the stacking direction of the magnetoresistive effect element, and the life of the magnetoresistive effect element is expected to be extended.
  • the magnetoresistive effect element records data.
  • the write error rate of the magnetoresistive effect element is required to be 10 ⁇ 7 or less.
  • the spin orbit torque type magnetoresistive effect element that writes data using SOT does not pass a current in the stacking direction of the magnetoresistive effect element. Therefore, there is almost no need to consider the dielectric breakdown of the magnetoresistive effect element, and a large write current can be flowed in principle. As the amount of write current applied increases, a large number of spins are injected into the ferromagnetic material into the magnetoresistive element. That is, it has been considered that the write error rate of the magnetoresistive element can be further reduced by flowing a large write current.
  • the present inventors have found that the write error rate of the magnetoresistive element deteriorates when a predetermined voltage value or current value is applied even if it is a spin orbit torque type magnetoresistive element. I found.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a data writing method capable of stably writing data to a magnetic memory.
  • a magnetic memory capable of stably writing data is provided.
  • this invention provides the following means in order to solve the said subject.
  • a data writing method includes a spin orbit torque wiring extending in a first direction and a layer on one surface of the spin orbit torque wiring, and the first strong orbit from the spin orbit torque wiring side.
  • a spin orbit torque type magnetoresistive effect element including a functional portion including a magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic layer
  • a voltage applied in the first direction of the spin orbit torque wiring is set to an environmental temperature.
  • the predetermined write value is not less than a predetermined value and not more than a predetermined value at an ambient temperature of ⁇ 40 ° C., 20 ° C., and 100 ° C., and the write error rate when reversing the magnetization of the first ferromagnetic layer is the critical value.
  • the limit write voltage that is equal to the write error rate when the write voltage is applied, and the limit write at ⁇ 40 ° C. in the temperature range where the ambient temperature is less than 20 ° C.
  • the voltage is located on a straight line connecting the pressure and the limit writing voltage at 20 ° C., and in a temperature region where the environmental temperature is 20 ° C. or higher, on the line connecting the limit writing voltage at 20 ° C. and the limit writing voltage at 100 ° C. Is the voltage located at.
  • the critical write voltage at 20 ° C. or higher in the first direction of the spin orbit torque wiring in the first direction when the environmental temperature is 20 ° C. or higher, the critical write voltage at 20 ° C. or higher in the first direction of the spin orbit torque wiring in the first direction. Is applied at the time of data writing, and when the environmental temperature is less than 20 ° C., the critical write voltage at the environmental temperature is higher than the critical write voltage at the environmental temperature in the first direction of the spin orbit torque wiring. You may apply the voltage 1.54 times or less of the writing voltage at the time of data writing.
  • a magnetic memory according to a second aspect is formed by stacking a spin orbit torque wiring extending in a first direction and one surface of the spin orbit torque wiring, and the first ferromagnetic layer from the spin orbit torque wiring side.
  • a voltage source connected to the spin orbit torque wiring and capable of applying a voltage not lower than a critical write voltage at an ambient temperature and not higher than a predetermined value in the first direction, and a functional unit including a nonmagnetic layer and a second ferromagnetic layer;
  • the environmental temperature is ⁇ 40 ° C., 20 ° C., and 100 ° C.
  • the limit write voltage at -40 ° C is connected to the limit write voltage at 20 ° C.
  • a voltage located on the straight line, in the temperature range of the ambient temperature is 20 ° C. or higher, a voltage located on the straight line connecting the limit writing voltage at the limit writing voltage and 100 ° C. at 20 ° C..
  • the magnetic memory according to the above aspect may further include a thermometer connected to the spin orbit torque wiring and converting the temperature of the spin orbit torque wiring from a resistance value of the spin orbit torque wiring.
  • data can be stably written.
  • FIG. 6 shows changes in the write error rate of the magnetic memory of Example 1 when the applied voltage value of the write pulse is changed. 6 shows changes in the write error rate of the magnetic memory of Example 1 when the applied voltage value of the write pulse is changed. The change of the write error rate of the magnetic memory of Example 6 when changing the applied voltage value of the write pulse is shown. The change of the write error rate of the magnetic memory of Example 6 when changing the applied voltage value of the write pulse is shown.
  • the change of the write error rate of the magnetic memory of Example 9 when changing the applied voltage value of the write pulse is shown.
  • the change of the write error rate of the magnetic memory of Example 9 when changing the applied voltage value of the write pulse is shown.
  • the change of the write error rate of the magnetic memory of Example 12 when changing the applied voltage value of the write pulse is shown.
  • the change of the write error rate of the magnetic memory of Example 12 when changing the applied voltage value of the write pulse is shown.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a magnetic memory 100 according to the present embodiment.
  • the magnetic memory 100 includes a spin orbit torque type magnetoresistance effect element 10 and a voltage source 20.
  • the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 10 includes a functional unit 1 and a spin orbit torque wiring 2.
  • a conductive first electrode 3 and a second electrode 4 are provided at positions sandwiching the functional unit 1 of the spin orbit torque wiring 2.
  • the first electrode 3 and the second electrode 4 may be directly connected to the spin orbit torque wiring 2 or may be connected via an insulating layer. When these are directly connected to the spin orbit torque wiring 2, current driving is performed, and when these are connected to the spin orbit torque wiring 2 via an insulator, voltage driving is performed.
  • the first direction in which the spin orbit torque wiring 2 extends is the x direction
  • the stacking direction (second direction) of the functional unit 1 is the z direction
  • the direction perpendicular to both the x direction and the z direction is the y direction. It is prescribed and explained.
  • the spin orbit torque wiring 2 extends in the x direction.
  • the spin orbit torque wiring 2 is connected to one surface of the functional unit 1 in the z direction.
  • the spin orbit torque wiring 2 may be directly connected to the functional unit 1 or may be connected via another layer.
  • the spin orbit torque wiring 2 is made of a material that generates a spin current by the spin Hall effect when the current I flows. As such a material, any material that can generate a spin current in the spin orbit torque wiring 2 is sufficient. Therefore, the material is not limited to a material composed of a single element, and may be composed of a portion composed of a material that easily generates a spin current and a portion composed of a material that hardly generates a spin current.
  • the spin Hall effect is a phenomenon in which a spin current is induced in a direction orthogonal to the direction of the current I based on the spin-orbit interaction when the current I is passed through the material.
  • the mechanism by which spin current is generated by the spin Hall effect will be described.
  • a current I flows along the spin orbit torque wiring 2.
  • the first spin S1 oriented in one direction and the second spin S2 oriented in the opposite direction to the first spin S1 are bent in directions orthogonal to the current, respectively.
  • the first spin S1 is bent in the z direction with respect to the traveling direction
  • the second spin S2 is bent in the ⁇ z direction with respect to the traveling direction.
  • the normal Hall effect and the spin Hall effect are common in that the moving (moving) charge (electrons) can bend in the moving (moving) direction.
  • the normal Hall effect charged particles moving in a magnetic field receive the Lorentz force and bend the direction of movement, whereas in the Spin Hall effect, electrons move only even when no magnetic field exists (currents). The only difference is that the spin movement direction is bent.
  • the number of electrons of the first spin S1 is equal to the number of electrons of the second spin S2 in a non-magnetic material (a material that is not a ferromagnetic material), the number of electrons of the first spin S1 directed in the + z direction and the ⁇ z direction in the figure.
  • the number of electrons of the second spin S2 going to is equal. In this case, the charge flows cancel each other, and the amount of current becomes zero.
  • a spin current without an electric current is particularly called a pure spin current.
  • the electron flow of the first spin S1 is J ⁇
  • the electron flow of the second spin S2 is J ⁇
  • the spin current J S flows in the z direction in the figure.
  • a first ferromagnetic layer 1 ⁇ / b> A described later is present on the upper surface of the spin orbit torque wiring 2. Therefore, spin is injected into the first ferromagnetic layer 1A.
  • the spin orbit torque wiring 2 is made of any one of a metal, an alloy, an intermetallic compound, a metal boride, a metal carbide, a metal silicide, and a metal phosphide having a function of generating a spin current by a spin Hall effect when a current flows. Composed.
  • the main configuration of the spin orbit torque wiring 2 is preferably a nonmagnetic heavy metal.
  • the heavy metal means a metal having a specific gravity equal to or higher than yttrium.
  • the nonmagnetic heavy metal is preferably a nonmagnetic metal having an atomic number of 39 or more having d electrons or f electrons in the outermost shell. These nonmagnetic metals have a large spin-orbit interaction that causes a spin Hall effect.
  • Electrons generally move in the opposite direction of current, regardless of their spin direction.
  • a nonmagnetic metal having d electrons or f electrons in the outermost shell and having a large atomic number has a large spin orbit interaction and a strong spin Hall effect. For this reason, the direction in which electrons move depends on the direction of spin of electrons. Therefore, spin current JS is likely to occur in these nonmagnetic heavy metals.
  • the spin orbit torque wiring 2 may include a magnetic metal.
  • the magnetic metal refers to a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal. If a non-magnetic metal contains a trace amount of magnetic metal, it becomes a spin scattering factor. When the spin is scattered, the spin-orbit interaction is enhanced, and the generation efficiency of the spin current with respect to the current is increased.
  • the main configuration of the spin orbit torque wiring 2 may be composed only of an antiferromagnetic metal.
  • the molar ratio of the magnetic metal added is preferably sufficiently smaller than the total molar ratio of the elements constituting the spin orbit torque wiring.
  • the molar ratio of the magnetic metal to be added is preferably 3% or less.
  • the spin orbit torque wiring 2 may include a topological insulator.
  • a topological insulator is a substance in which the inside of the substance is an insulator or a high-resistance substance, but a spin-polarized metal state is generated on the surface thereof. This material generates an internal magnetic field due to spin-orbit interaction. Therefore, even without an external magnetic field, a new topological phase appears due to the effect of spin-orbit interaction. This is a topological insulator, and a pure spin current can be generated with high efficiency by strong spin-orbit interaction and breaking inversion symmetry at the edge.
  • topological insulator examples include SnTe, Bi 1.5 Sb 0.5 Te 1.7 Se 1.3 , TlBiSe 2 , Bi 2 Te 3 , Bi 1-x Sb x , (Bi 1-x Sb x ) 2 Te 3 and the like are preferable. These topological insulators can generate a spin current with high efficiency.
  • the functional unit 1 includes a first ferromagnetic layer 1A, a second ferromagnetic layer 1B, and a nonmagnetic layer 1C sandwiched between them.
  • the functional unit 1 is stacked in a second direction (z direction) intersecting with the spin orbit torque wiring 2.
  • the resistance value is changed by the relative angle of the magnetization M 1B of the magnetization M 1A and the second ferromagnetic layer 1B of the first ferromagnetic layer 1A is changed.
  • Magnetization M 1B of the second ferromagnetic layer 1B is fixed in one direction (z-direction), the direction of magnetization M 1A of the first ferromagnetic layer 1A is varied relative to the magnetization M 1B.
  • the second ferromagnetic layer 1B may be referred to as a fixed layer, a reference layer, or the like, and the first ferromagnetic layer 1A may be referred to as a free layer, a recording layer, or the like.
  • the coercivity of the second ferromagnetic layer 1B is made larger than the coercivity of the first ferromagnetic layer 1A.
  • an exchange bias type spin valve type MRAM
  • the magnetization M 1B of the second ferromagnetic layer 1B is fixed by exchange coupling with the antiferromagnetic layer.
  • the functional unit 1 When the nonmagnetic layer 1C is made of an insulator, the functional unit 1 has the same configuration as a tunneling magnetoresistive (TMR) element, and when it is made of a metal, the magnetoresistive effect (GMR: Giant Magnetoresistance).
  • TMR tunneling magnetoresistive
  • GMR Giant Magnetoresistance
  • the laminated structure of the functional unit 1 can employ a laminated structure of a known magnetoresistive element.
  • each layer may be composed of a plurality of layers, or may be provided with other layers such as an antiferromagnetic layer for fixing the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 1B.
  • the second ferromagnetic layer 1B is called a fixed layer or a reference layer
  • the first ferromagnetic layer 1A is called a free layer or a storage layer.
  • the in-plane magnetization in which the easy magnetization axis is oriented in the xy in-plane direction may be a membrane.
  • a ferromagnetic material can be applied to the first ferromagnetic layer 1A and the second ferromagnetic layer 1B.
  • a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, and Ni, an alloy containing one or more of these metals, these metals and at least one element of B, C, and N are included. Alloys that can be used can be used. Specifically, Co—Fe, Co—Fe—B, and Ni—Fe can be exemplified.
  • the first ferromagnetic layer 1A is an in-plane magnetization film, it is preferable to use, for example, a Co—Ho alloy (CoHo 2 ), an Sm—Fe alloy (SmFe 12 ), or the like.
  • the Heusler alloy includes an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ, where X is a transition metal element or noble metal element of Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table, and Y is Mn, V , Cr or Ti group transition metal or X element species, and Z is a group III to group V typical element.
  • X is a transition metal element or noble metal element of Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table
  • Y is Mn, V , Cr or Ti group transition metal or X element species
  • Z is a group III to group V typical element.
  • Co 2 FeSi, Co 2 FeGe , Co 2 FeGa, Co 2 MnSi, Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b, Co 2 FeGe 1-c Ga c and the like.
  • a layer made of an antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn may be laminated on the second ferromagnetic layer 1B.
  • a known material can be used for the nonmagnetic layer 1C.
  • the nonmagnetic layer 1C is made of an insulator (when it is a tunnel barrier layer), as the material, Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MgAl 2 O 4, or the like can be used.
  • a material in which a part of Al, Si, Mg is substituted with Zn, Be, or the like can also be used.
  • MgO and MgAl 2 O 4 are materials that can realize a coherent tunnel, spin can be injected efficiently.
  • the nonmagnetic layer 1C is made of a metal, Cu, Au, Ag, or the like can be used as the material thereof.
  • the nonmagnetic layer 1C is made of a semiconductor, Si, Ge, CuInSe 2 , CuGaSe 2 , Cu (In, Ga) Se 2 or the like can be used as the material.
  • the functional unit 1 may have other layers.
  • An underlayer may be provided on the surface of the first ferromagnetic layer 1A opposite to the nonmagnetic layer 1C. It is preferable that the layer disposed between the spin orbit torque wiring 2 and the first ferromagnetic layer 1 ⁇ / b> A does not dissipate the spin propagating from the spin orbit torque wiring 2.
  • the layer disposed between the spin orbit torque wiring 2 and the first ferromagnetic layer 1 ⁇ / b> A does not dissipate the spin propagating from the spin orbit torque wiring 2.
  • silver, copper, magnesium, aluminum, and the like have a long spin diffusion length of 100 nm or more and are difficult to dissipate spin.
  • the thickness of this layer is preferably less than or equal to the spin diffusion length of the material constituting the layer. If the thickness of the layer is less than or equal to the spin diffusion length, the spin propagating from the spin orbit torque wiring 2 can be sufficiently transmitted to the first ferromagnetic layer 1A.
  • the voltage source 20 is connected to the spin orbit torque wiring 2 and applies a voltage in the x direction of the spin orbit torque wiring 2.
  • the voltage source 20 may be directly connected to the spin orbit torque wiring 2 or may be indirectly connected as long as a voltage can be applied in the x direction of the spin orbit torque wiring 2.
  • the voltage source 20 applies a voltage that is greater than or equal to the critical write voltage at the ambient temperature and less than or equal to a predetermined value in the x direction of the spin orbit torque wiring 2 during data write.
  • the environmental temperature is the temperature of the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 10, and more specifically, the temperature of the spin orbit torque wiring 2.
  • the critical write voltage V 0 is obtained by the following relational expression.
  • a write error rate occurring in functional unit 1 (when reversing the magnetization M 1A of the first ferromagnetic layer 1A of the functional unit 1, in the desired direction
  • the probability that the magnetization M 1A is not oriented and a writing error occurs) is in the range of 10 ⁇ 3 to 10 ⁇ 4 .
  • the write error rate when a critical write voltage is applied is 10 ⁇ 3 . Since the magnetic anisotropy of the first ferromagnetic layer 1A varies depending on the temperature, and the resistance value of the spin orbit torque wiring 2 also varies depending on the temperature, the critical write voltage varies depending on the environmental temperature.
  • the critical write voltage at the ambient temperature which is the lower limit value that can be applied by the voltage source 20
  • each critical write voltage is plotted on a graph with the horizontal axis representing temperature and the vertical axis representing voltage.
  • the plotted critical writing voltage value at ⁇ 40 ° C. and the critical writing voltage value at 20 ° C. are connected by a straight line.
  • the plotted critical writing voltage value at 20 ° C. and the critical writing voltage value at 100 ° C. are connected by a straight line.
  • the voltage located on these lines can be used as the estimated critical write voltage at each temperature. That is, the estimated critical write voltage is a voltage located on a straight line connecting the critical write voltage at ⁇ 40 ° C. and the critical write voltage at 20 ° C.
  • the predetermined value that is the upper limit value that can be applied by the voltage source 20 satisfies the following relationship.
  • the predetermined value is the write error rate when the magnetization M 1A of the first ferromagnetic layer 1A is reversed, and the write when the critical write voltage V 0 is applied This is a limit write voltage equal to the error rate (10 ⁇ 3 ).
  • the predetermined value is a voltage located on a straight line connecting the limit write voltage at ⁇ 40 ° C. and the limit write voltage at 20 ° C.
  • the predetermined value is a voltage located on a straight line connecting the limit write voltage at 20 ° C. and the limit write voltage at 100 ° C.
  • the voltage value applied in the x direction of the spin orbit torque wiring 2 has no upper limit in principle. If a large voltage is applied, a large write current can be passed through the spin orbit torque wiring 2, and in principle, the write error rate of the magnetoresistive effect element can be further reduced.
  • FIG. 2 is a diagram showing a change in MR ratio of the functional unit (magnetoresistance effect element) 1 when the write voltage value applied in the x direction of the spin orbit torque wiring 2 is changed.
  • the MR ratio shown here is (R ⁇ Rp) / Rp, R is the measured resistance value, and Rp is the magnetization M 1A of the first ferromagnetic layer 1A and the magnetization M 1B of the second ferromagnetic layer 1B.
  • the MR ratio starts to vibrate between a high state and a low state.
  • the magnetization M 1B of the magnetization M 1A and the second ferromagnetic layer 1B of the first ferromagnetic layer 1A is anti equilibrium, despite the application of a write voltage, the equilibrium state and the reaction equilibrium The state is no longer stable between. That is, when a voltage higher than a predetermined value is applied, data cannot be recorded stably.
  • the predetermined value that is the upper limit value that can be applied by the voltage source 20 is preferably a voltage that is not lower than the critical write voltage at the environmental temperature and not higher than 1.65 times the critical write voltage at 20 ° C.
  • the voltage is preferably not less than the critical writing voltage at the environmental temperature and not more than 1.54 times the critical writing voltage at 20 ° C.
  • V 0 is a critical write voltage at 20 ° C.
  • t is an environmental temperature (° C.).
  • the voltage source 20 can apply these voltages.
  • the magnetization reversal of the first ferromagnetic layer 1A occurs, but the write error rate cannot be said to be sufficiently small.
  • the magnetization of the first ferromagnetic layer 1A can be more stably reversed. That is, more stable data writing can be realized. If a voltage higher than the above value is applied, the write error rate of the magnetic memory 100 can be suppressed to 10 ⁇ 7 or less.
  • the spin orbit torque wiring 2 is tungsten, it is preferable to apply a voltage equal to or higher than the lower limit voltage V min below.
  • V min (9.3 ⁇ 10 ⁇ 3 ⁇ t + 0.835) ⁇ V o .
  • the spin orbit torque wiring 2 is tantalum, it is preferable to apply a voltage equal to or higher than the lower limit voltage V min below.
  • V min (0.8 ⁇ 10 ⁇ 3 ⁇ t + 1.005) ⁇ V o .
  • the spin orbit torque wiring 2 is iridium, it is preferable to apply a voltage equal to or higher than the lower limit voltage V min below.
  • V min (1.1 ⁇ 10 ⁇ 3 ⁇ t + 1.0375) ⁇ V o .
  • the spin orbit torque wiring 2 is platinum, it is preferable to apply a voltage equal to or higher than the following lower limit voltage V min .
  • V min (0.2 ⁇ 10 ⁇ 3 ⁇ t + 1.005) ⁇ V o .
  • V 0 is a critical write voltage at 20 ° C.
  • t is an environmental temperature (° C.).
  • the voltage applied in the x direction of the spin orbit torque wiring 2 is preferably 1.2 times or more and 1.54 times or less the critical writing voltage.
  • the environmental temperature to which the magnetic memory 100 is exposed varies depending on the use state of the user. Therefore, there is a case where guarantee of data in a wide temperature range from ⁇ 40 ° C. to 100 ° C. is required. If a voltage 1.2 to 1.54 times the critical write voltage is applied in the x direction of the spin orbit torque wiring 2, data can be stably written in a wide temperature range from -40 ° C to 100 ° C. it can.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of another example of the magnetic memory according to the present embodiment.
  • the magnetic memory 101 may include a thermometer 30.
  • the thermometer 30 converts the temperature of the spin orbit torque wiring 2 from the resistance value of the spin orbit torque wiring 2.
  • the converted temperature is sent to the voltage control unit 40.
  • the voltage control unit 40 determines the voltage that the voltage source 20 applies to the spin orbit torque wiring 2 based on the temperature.
  • thermometer 30 If the temperature at the time of use is measured by the thermometer 30, it becomes unnecessary to limit the write voltage range to a controllable range over the entire environmental temperature range in which the magnetic memory is used.
  • the write voltage can be determined in accordance with the environmental temperature actually used, and more optimal data writing can be performed.
  • thermometers 30 are not limited to one and may be plural.
  • the thermometer 30 may be installed at each of four corner positions when the spin orbit torque wiring 2 is viewed from the z direction.
  • the spin memory torque type magnetoresistive effect element 10 including the functional unit 1 and the spin orbit torque wiring 2 is one in the magnetic memories 100 and 101.
  • the distance between adjacent spin orbit torque type magnetoresistive elements 10 be as close as possible. Therefore, the heat generation of the adjacent spin orbit torque type magnetoresistive effect element 10 may affect the write voltage value. In this case, more accurate data writing can be performed by accurately measuring the temperature of each spin orbit torque wiring 2 with a plurality of thermometers 30.
  • data can be stably written.
  • the data writing method according to the present embodiment controls the write voltage applied in the x direction of the spin orbit torque wiring 2 of the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 10 described above.
  • the writing voltage should be above the critical writing voltage at the ambient temperature and below the specified value.
  • the predetermined value is obtained in the same manner as described above.
  • the writing voltage is preferably not less than 1.65 times the critical writing voltage at the environmental temperature and not lower than 20 ° C., and the environmental temperature is less than 20 ° C.
  • the critical writing voltage is preferably not less than the critical writing voltage at ambient temperature and not more than 1.54 times the critical writing voltage at 20 ° C.
  • the write voltage is preferably 1.01 or more times the critical write voltage in the temperature region of 20 ° C. or more, more preferably 1.08 or more times the critical write voltage, and 1.15 times or more the critical write voltage. More preferably. In the temperature region below 20 ° C., the write voltage is preferably 1.05 times or more the critical write voltage. Further, the writing voltage is more preferably 1.2 times or more and 1.54 times or less of the critical writing voltage in a temperature range of ⁇ 40 ° C. or more and 100 ° C. or less.
  • the material of the spin orbit torque wiring 2 is specified, it is preferable to determine the upper limit value and the lower limit value applied at the time of data writing based on the above relational expression.
  • the critical write voltage at the ambient temperature may be measured at each temperature, or an approximate value of the critical write voltage in other temperature ranges may be calculated from the critical write voltages at ⁇ 40 ° C., 20 ° C., and 100 ° C.
  • data can be stably written in the magnetic memory.
  • Example 1 A spin orbit torque type magnetoresistive element 10 shown in FIG. 1 was produced. 3 nm of tungsten (W) was laminated on the thermally oxidized Si substrate. Then, the layer made of tungsten was processed to have a width of 50 nm and a length of 300 nm to form a spin orbit torque wiring 2. The periphery was covered with an insulating film made of silicon oxide.
  • CoFeB (thickness 1 nm), MgAl 2 O 4 (thickness 3 nm), CoFeB (thickness 1 nm), Ta (thickness 0.4 nm), [Co (thickness 0.4 nm) / Pt (thickness 0.8 nm)] 4 , Co (thickness 0.4 nm), Ru (thickness 0.4 nm), [Co (thickness 0.4 nm) / Pt (thickness 0.8 nm)] 5 , Co (thickness 0) .4 nm) and Pt (thickness 10 nm) in this order.
  • CoFeB deposited first corresponds to the first ferromagnetic layer 1A
  • MgAl 2 O 4 corresponds to the nonmagnetic layer 1C
  • SAF (synthetic antiferromagnetic) structure corresponds to the second ferromagnetic layer 1B.
  • the first ferromagnetic layer 1A is a perpendicular magnetization film.
  • the spin orbit torque type magnetoresistive effect elements 10 were arranged in an array of 10 ⁇ 10, and each spin orbit torque wiring 2 was connected to the voltage source 20 to complete the magnetic memory. Then, a write pulse was applied to the spin orbit torque wiring 2 to evaluate a change in the write error rate. At the time of writing, a magnetic field of 100 Oe was applied in the x direction. The write pulse has a pulse width of 10 nsec. A cycle time of 60 nsec of 10 nsec for writing, 10 nsec for standby, 20 nsec for reading, and 10 nsec for standby was defined as one cycle time.
  • the resistance value of each element is measured in the low resistance state and the high resistance state, and the average resistance of each element is used as a reference for writing data of “0” and “1”, and the target write state cannot be realized. Counted in error. At the time of reading data, a voltage of 1 mV was applied in the stacking direction of the functional unit 1.
  • FIG. 4A shows a change in the write error rate of the magnetic memory of Example 1 when the applied voltage value of the write pulse is changed.
  • the critical write voltage V 0 was 0.04842V, and the write error rate became 10 ⁇ 7 when 0.04890V was applied.
  • the voltage at which the write error rate is 10 ⁇ 7 or less is set as the lower limit voltage V 1 .
  • the lower limit voltage V 1 was 1.01 times the critical write voltage V 0 .
  • FIG. 4B shows a change in the write error rate of the magnetic memory of Example 1 when the applied voltage value of the write pulse is changed.
  • the applied voltage exceeds a predetermined value, the write error rate increases.
  • the upper limit voltage V 2 When the voltage at which the write error rate is 10 ⁇ 7 or more is defined as the upper limit voltage V 2 , the upper limit voltage V 2 is 0.08038V. This upper limit voltage V 2 was 1.66 times the critical write voltage V 0 .
  • the graph shown in FIG. 4A can be fitted by the following relational expression (1).
  • P 1 is an anti-equilibrium state (data “1”) to an equilibrium state (data “0”) or an equilibrium state (data “0”) to an anti-equilibrium state (data “1”).
  • Tp is the applied pulse time
  • t 0 is the time required for the theoretical magnetization reversal
  • ⁇ P (AP) is a value indicating thermal stability
  • V 0 is the critical Write voltage.
  • ⁇ P (AP) is obtained by KV / k B T (K is uniaxial magnetic anisotropy, V is volume, k B is Boltzmann constant, and T is absolute temperature).
  • the graph shown in FIG. 4B can be fitted by the following relational expression (2).
  • P 2 is an anti-equilibrium state (data “1”) or an equilibrium state (data “0”), and is in an unstable state (data “0”). a probability of transition to .5 ")
  • t p is the applied pulse time
  • t 0 is the time required to theoretically magnetization reversal, it is generally 1 nsec.
  • ⁇ P (AP) is a value indicating thermal stability
  • V 0 ′ is a limit writing voltage.
  • ⁇ P (AP) is obtained by KV / k B T (K is uniaxial magnetic anisotropy, V is volume, k B is Boltzmann constant, and T is absolute temperature).
  • the limit write voltage V 0 ′ is a voltage when the write error rate reaches 10 ⁇ 3 from the state where data can be stably written.
  • Example 2 The second embodiment is different from the first embodiment in that the environmental temperature to which the magnetic memory is exposed is set to ⁇ 40 ° C. Other conditions were the same as in Example 1.
  • the resistivity of the spin orbit torque wiring 2 was 53.8 ⁇ cm at 20 ° C., but became 40 ⁇ cm.
  • the critical write voltage V 0 at ⁇ 40 ° C. of the magnetic memory in Example 2 was 0.04554V, the lower limit voltage V 1 was 0.04600V, and the upper limit voltage V 2 was 0.07457V. That is, the lower limit voltage V 1 was 0.95 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C., and the upper limit voltage V 2 was 1.54 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C.
  • Example 3 The third embodiment is different from the first embodiment in that the environmental temperature to which the magnetic memory is exposed is set to 100 ° C. Other conditions were the same as in Example 1.
  • the resistivity of the spin orbit torque wiring 2 was 53.8 ⁇ cm at 20 ° C., but became 73 ⁇ cm.
  • the critical write voltage V 0 at 100 ° C. of the magnetic memory in Example 3 was 0.05178V, the lower limit voltage V 1 was 0.05229V, and the upper limit voltage V 2 was 0.08522V. That is, the lower limit voltage V 1 was 1.08 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C., and the upper limit voltage V 2 was 1.76 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C.
  • Example 4 The fourth embodiment is different from the first embodiment in that the environmental temperature to which the magnetic memory is exposed is set to 0 ° C. Other conditions were the same as in Example 1.
  • the critical writing voltage V 0 at 0 ° C. was estimated from the results of ⁇ 40 ° C. and 20 ° C., and was 0.04746V.
  • Lower limit voltage V 1 of the magnetic memory in Embodiment 4 is 0.04794V
  • the upper limit voltage V 2 was 0.07844V. That is, the lower limit voltage V 1 was 0.99 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C., and the upper limit voltage V 2 was 1.62 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C. This value satisfies the relational expression when the spin orbit torque wiring 2 is tungsten. Also an estimated been critical write voltage, that upper limit voltage V 2 is within the predetermined range, it was confirmed that data can be written stably.
  • Example 5 The fifth embodiment is different from the first embodiment in that the environmental temperature to which the magnetic memory is exposed is 50 ° C. Other conditions were the same as in Example 1.
  • the critical writing voltage V 0 at 50 ° C. was estimated from the results at 20 ° C. and the results at 100 ° C., and was 0.04968V.
  • Lower limit voltage V 1 of the magnetic memory according to the fifth embodiment is 0.05018V
  • the upper limit voltage V 2 was 0.08219V. That is, the lower limit voltage V 1 was 1.04 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C., and the upper limit voltage V 2 was 1.70 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C. This value satisfies the relational expression when the spin orbit torque wiring 2 is tungsten. Also an estimated been critical write voltage, that upper limit voltage V 2 is within the predetermined range, it was confirmed that data can be written stably.
  • Example 6 is different from Example 1 in that the material constituting the spin orbit torque wiring 2 is changed from tungsten (W) to tantalum (Ta). Other conditions were the same as in Example 1.
  • FIG. 5A and 5B show changes in the write error rate of the magnetic memory of Example 6 when the applied voltage value of the write pulse is changed.
  • the graph shown in FIG. 5A could be fitted with the above relational expression (1), and the graph shown in FIG. 5B could be fitted with the above relational expression (2).
  • the critical writing voltage V 0 was 0.1423V
  • the lower limit voltage V 1 was 0.1438V
  • the lower limit voltage V 1 was 1.01 times the critical write voltage V 0 .
  • Upper limit voltage V 2 was 0.2349V.
  • Upper limit voltage V 2 was 1.65 times the critical write voltage V 0.
  • Example 7 The seventh embodiment is different from the sixth embodiment in that the environmental temperature to which the magnetic memory is exposed is set to -40 ° C. Other conditions were the same as in Example 6.
  • the resistivity of the spin orbit torque wiring 2 was 131.8 ⁇ cm at 20 ° C., but was 102 ⁇ cm.
  • the critical write voltage V 0 at ⁇ 40 ° C. of the magnetic memory in Example 7 was 0.1395 V, the lower limit voltage V 1 was 0.1409 V, and the upper limit voltage V 2 was 0.2278 V. That is, the lower limit voltage V 1 was 0.99 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C., and the upper limit voltage V 2 was 1.60 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C.
  • Example 8 The eighth embodiment is different from the sixth embodiment in that the environmental temperature to which the magnetic memory is exposed is set to 100 ° C. Other conditions were the same as in Example 6.
  • the resistivity of the spin orbit torque wiring 2 was 131.8 ⁇ cm at 20 ° C., but was 167 ⁇ cm.
  • the critical write voltage V 0 at 100 ° C. of the magnetic memory in Example 8 was 0.1423 V
  • the lower limit voltage V 1 was 0.1438 V
  • the upper limit voltage V 2 was 0.2349 V. That is, the lower limit voltage V 1 was 1.01 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C.
  • the upper limit voltage V 2 was 1.65 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C.
  • Example 9 is different from Example 1 in that the material constituting the spin orbit torque wiring 2 is changed from tungsten (W) to iridium (Ir). Other conditions were the same as in Example 1.
  • FIG. 6A and 6B show changes in the write error rate of the magnetic memory of Example 9 when the applied voltage value of the write pulse is changed.
  • the graph shown in FIG. 6A could be fitted with the above relational expression (1), and the graph shown in FIG. 6B could be fitted with the above relational expression (2).
  • the critical writing voltage V 0 was 0.04036V
  • the lower limit voltage V 1 was 0.04076V.
  • the lower limit voltage V 1 was 1.06 times the critical write voltage V 0 .
  • Upper limit voltage V 2 was 0.06982V.
  • Upper limit voltage V 2 was 1.72 times the critical write voltage V 0.
  • Example 10 The tenth embodiment differs from the ninth embodiment in that the ambient temperature to which the magnetic memory is exposed is set to -40 ° C. Other conditions were the same as in Example 9.
  • the resistivity of the spin orbit torque wiring 2 was 47.2 ⁇ cm at 20 ° C. to 39 ⁇ cm.
  • the critical write voltage V 0 at ⁇ 40 ° C. of the magnetic memory in Example 10 was 0.04036 V, the lower limit voltage V 1 was 0.04237 V, and the upper limit voltage V 2 was 0.06901 V. That is, the lower limit voltage V 1 was 1.05 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C., and the upper limit voltage V 2 was 1.71 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C.
  • Example 11 differs from Example 9 in that the ambient temperature to which the magnetic memory is exposed is set to 100 ° C. Other conditions were the same as in Example 9.
  • the resistivity of the spin orbit torque wiring 2 was 47.2 ⁇ cm at 20 ° C., but became 68 ⁇ cm.
  • the critical write voltage V 0 at 100 ° C. of the magnetic memory in Example 11 was 0.04595V, the lower limit voltage V 1 was 0.04641V, and the upper limit voltage V 2 was 0.075547V. That is, the lower limit voltage V 1 was 1.15 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C., and the upper limit voltage V 2 was 1.87 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C.
  • Example 12 differs from Example 1 in that the material constituting the spin orbit torque wiring 2 is changed from tungsten (W) to platinum (Pt). Other conditions were the same as in Example 1.
  • FIG. 7A and 7B show changes in the write error rate of the magnetic memory of Example 12 when the applied voltage value of the write pulse is changed.
  • the graph shown in FIG. 7A could be fitted with the above relational expression (1), and the graph shown in FIG. 7B could be fitted with the above relational expression (2).
  • the critical writing voltage V 0 was 0.1046V
  • the lower limit voltage V 1 was 0.1057V.
  • the lower limit voltage V 1 was 1.01 times the critical write voltage V 0 .
  • Upper limit voltage V 2 was 0.1726V.
  • Upper limit voltage V 2 was 1.65 times the critical write voltage V 0.
  • Example 13 differs from Example 12 in that the ambient temperature to which the magnetic memory is exposed is set to ⁇ 40 ° C. Other conditions were the same as in Example 13.
  • the resistivity of the spin orbit torque wiring 2 was 105.7 ⁇ cm at 20 ° C. and now 82 ⁇ cm.
  • the critical write voltage V 0 at ⁇ 40 ° C. of the magnetic memory in Example 13 was 0.1025 V
  • the lower limit voltage V 1 was 0.1036 V
  • the upper limit voltage V 2 was 0.1674 V. That is, the lower limit voltage V 1 was 1.0 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C., and the upper limit voltage V 2 was 1.60 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C.
  • Example 14 differs from Example 12 in that the environmental temperature to which the magnetic memory is exposed is 100 ° C. Other conditions were the same as in Example 12.
  • the resistivity of the spin orbit torque wiring 2 was 105.7 ⁇ cm, which was 105.7 ⁇ cm at 20 ° C.
  • the critical write voltage V 0 at 100 ° C. of the magnetic memory in Example 14 was 0.1067V
  • the lower limit voltage V 1 was 0.1078V
  • the upper limit voltage V 2 was 0.1747V. That is, the lower limit voltage V 1 was 1.03 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C.
  • the upper limit voltage V 2 was 1.67 times the critical write voltage V 0 at 20 ° C.

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Abstract

本発明の一態様にかかるデータの書き込み方法は、第1の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記スピン軌道トルク配線側から第1強磁性層と非磁性層と第2強磁性層とを備える機能部と、を備えるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記スピン軌道トルク配線の前記第1の方向に印加する電圧を、環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値以下の電圧を印加する。

Description

データの書き込み方法及び磁気メモリ
本発明は、データの書き込み方法及び磁気メモリに関する。
二つの強磁性層の磁化の相対角の変化に基づく抵抗値変化(磁気抵抗変化)を利用した素子として、強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗(GMR)素子、及び、非磁性層に絶縁層(トンネルバリア層、バリア層)を用いたトンネル磁気抵抗(TMR)素子等が知られている。
MRAMは、絶縁層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きが変化するとGMR素子又はTMR素子の素子抵抗が変化するという特性を利用してデータを読み書きする。MRAMの書き込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書き込み(磁化反転)を行う方式や磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク(STT)を利用して書き込み(磁化反転)を行う方式が知られている。
STTを用いた磁気抵抗効果素子の磁化反転は、データを書き込む際に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がある。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性を劣化させる場合がある。
そこで近年、書き込み時に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さなくてもよい方法に注目が集まっている。その一つの方法が、スピン軌道トルク(SOT)を利用した書込み方法である(例えば、非特許文献1)。SOTは、スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流又は異種材料の界面におけるラシュバ効果により誘起される。磁気抵抗効果素子内にSOTを誘起するための電流は、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に流す。すなわち、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がなく、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。
S.Fukami, T.Anekawa, C.Zhang and H.Ohno, Nature Nano Tec (2016). DOI:10.1038/NNANO.2016.29.
 磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子はデータを記録する。記録したデータの信頼性を十分確保するためには、磁気抵抗効果素子の書き込みエラーレートは10-7以下であることが求められている。
上述のように、SOTを利用してデータの書き込みを行うスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さない。そのため、磁気抵抗効果素子の絶縁破壊をほとんど考慮する必要がなく、原理的には大きな書き込み電流を流すことができる。印加される書き込み電流量が多くなると、多数のスピンが強磁性体に磁気抵抗効果素子に注入されることになる。つまり、大きな書き込み電流を流すことで、磁気抵抗効果素子の書き込みエラーレートをより小さくすることができると考えられていた。
しかしながら、本発明者らは鋭意検討の結果、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子であっても所定の電圧値又は電流値以上を印加すると、磁気抵抗効果素子の書き込みエラーレートが悪化してしまうことを見出した。
 本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、磁気メモリに安定的にデータを書き込むことができるデータの書き込み方法を提供する。また安定的にデータを書き込むことができる磁気メモリを提供する。
すなわち本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
(1)第1の態様にかかるデータの書き込み方法は、第1の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記スピン軌道トルク配線側から第1強磁性層と非磁性層と第2強磁性層とを備える機能部と、を備えるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記スピン軌道トルク配線の前記第1の方向に印加する電圧を、環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値以下とし、前記所定値は、環境温度が-40℃、20℃及び100℃においては、前記第1強磁性層の磁化を反転させる際の書き込みエラーレートが、前記臨界書き込み電圧をかけた際の書き込みエラーレートと等しくなる限界書き込み電圧であり、環境温度が20℃未満の温度領域においては、-40℃における限界書き込み電圧と20℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧であり、環境温度が20℃以上の温度領域においては、20℃における限界書き込み電圧と100℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧である。
(2)上記態様にかかるデータの書き込み方法において、環境温度が20℃以上の温度領域の場合は、前記スピン軌道トルク配線の前記第1の方向に、20℃における臨界書き込み電圧の1.01倍以上の電圧をデータ書き込み時に印加し、環境温度が20℃未満の温度領域の場合は、前記スピン軌道トルク配線の前記第1の方向に、20℃における臨界書き込み電圧の1.05倍以上の電圧をデータ書き込み時に印加してもよい。
(3)上記態様にかかるデータの書き込み方法において、環境温度が20℃以上の場合は、前記スピン軌道トルク配線の前記第1の方向に、前記環境温度における臨界書き込み電圧以上20℃における臨界書き込み電圧の1.65倍以下の電圧をデータ書き込み時に印加し、環境温度が20℃未満の場合は、前記スピン軌道トルク配線の前記第1の方向に、前記環境温度における臨界書き込み電圧以上20℃における臨界書き込み電圧の1.54倍以下の電圧をデータ書き込み時に印加してもよい。
(4)上記態様にかかるデータの書き込み方法において、-40℃以上100℃以下の温度領域においてデータを書き込む際に、前記スピン軌道トルク配線の前記第1の方向に、臨界書き込み電圧の1.2倍以上1.54倍以下の電圧を印加してもよい。
(5)上記態様にかかるデータの書き込み方法において、前記スピン軌道トルク配線がタングステンであり、前記所定値Vは、20℃における前記臨界書き込み電圧をV、環境温度をt(℃)とした場合に、環境温度が20℃未満の温度領域においては、V=(2.0×10-3×t+1.62)×Vを満たし、環境温度が20℃以上の温度領域においては、V=(1.3×10-3×t+1.635)×Vを満たしてもよい。
(6)上記態様にかかるデータの書き込み方法において、前記スピン軌道トルク配線がタンタルであり、前記所定値Vは、20℃における前記臨界書き込み電圧をV、環境温度をt(℃)とした場合に、環境温度が20℃未満の温度領域においては、V=(0.8×10-3×t+1.63)×Vを満たし、環境温度が20℃以上の温度領域においては、V=1.65×Vを満たしてもよい。
(7)上記態様にかかるデータの書き込み方法において、前記スピン軌道トルク配線がイリジウムであり、前記所定値Vは、20℃における前記臨界書き込み電圧をV、環境温度をt(℃)とした場合に、環境温度が20℃未満の温度領域においては、V=(0.2×10-3×t+1.7167)×Vを満たし、環境温度が20℃以上の温度領域においては、V=(1.9×10-3×t+1.6825)×Vを満たしてもよい。
(8)上記態様にかかるデータの書き込み方法において、前記スピン軌道トルク配線がプラチナであり、前記所定値Vは、20℃における前記臨界書き込み電圧をV、環境温度をt(℃)とした場合に、環境温度が20℃未満の温度領域においては、V=(0.8×10-3×t+1.6333)×Vを満たし、環境温度が20℃以上の温度領域においては、V=(0.3×10-3×t+1.645)×Vを満たしてもよい。
(9)第2の態様にかかる磁気メモリは、第1の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記スピン軌道トルク配線側から第1強磁性層と非磁性層と第2強磁性層とを備える機能部と、前記スピン軌道トルク配線に接続され、前記第1の方向に環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値以下の電圧を印加できる電圧源と、備え、前記所定値は、環境温度が-40℃、20℃及び100℃の場合は、前記第1強磁性層の磁化を反転させる際の書き込みエラーレートが、前記臨界書き込み電圧をかけた際の書き込みエラーレートと等しくなる限界書き込み電圧であり、環境温度が20℃未満の温度領域においては、-40℃における限界書き込み電圧と20℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧であり、環境温度が20℃以上の温度領域においては、20℃における限界書き込み電圧と100℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧である。
(10)上記態様にかかる磁気メモリは、前記スピン軌道トルク配線に接続され、前記スピン軌道トルク配線の抵抗値から前記スピン軌道トルク配線の温度を換算する温度計をさらに備えてもよい。
 本実施形態にかかるデータの書き込み方法及び磁気メモリによれば、データを安定的に書き込むことができる。
本実施形態にかかる磁気メモリの模式図である。 スピン軌道トルク配線のx方向に印加する書き込み電圧値を変更した際における機能部のMR比の変化を示した図である。 本実施形態にかかる磁気メモリの別の例の模式図である。 書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例1の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。 書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例1の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。 書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例6の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。 書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例6の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。 書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例9の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。 書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例9の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。 書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例12の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。 書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例12の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
(磁気メモリ)
 図1は、本実施形態にかかる磁気メモリ100の模式図である。磁気メモリ100は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子10と電圧源20とを備える。
<スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子>
 スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子10は、機能部1とスピン軌道トルク配線2とを備える。スピン軌道トルク配線2の機能部1を挟む位置には、導電性を有する第1電極3及び第2電極4を備える。第1電極3及び第2電極4は、スピン軌道トルク配線2に直接接続されていてもよいし、絶縁層を介して接続されてもよい。これらがスピン軌道トルク配線2と直接接続された場合は電流駆動となり、これらがスピン軌道トルク配線2と絶縁体を介して接続された場合は電圧駆動となる。
以下、スピン軌道トルク配線2が延在する第1の方向をx方向、機能部1の積層方向(第2の方向)をz方向、x方向及びz方向のいずれにも直交する方向をy方向と規定して説明する。

[スピン軌道トルク配線]
 スピン軌道トルク配線2は、x方向に延在する。スピン軌道トルク配線2は、機能部1のz方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線2は、機能部1に直接接続されていてもよいし、他の層を介し接続されていてもよい。
 スピン軌道トルク配線2は、電流Iが流れるとスピンホール効果によってスピン流が生成される材料からなる。かかる材料としては、スピン軌道トルク配線2中にスピン流が生成される構成のものであれば足りる。従って、単体の元素からなる材料に限らないし、スピン流を生成しやすい材料で構成される部分とスピン流を生成しにくい材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。
 スピンホール効果とは、材料に電流Iを流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流Iの向きと直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果によりスピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。
 スピン軌道トルク配線2の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線2に沿って電流Iが流れる。電流Iが流れると、一方向に配向した第1スピンS1と、第1スピンS1と反対方向に配向した第2スピンS2とが、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、第1スピンS1は進行方向に対しz方向に曲げられ、第2スピンS2は進行方向に対して-z方向に曲げられる。
通常のホール効果とスピンホール効果とは運動(移動)する電荷(電子)が運動(移動)方向を曲げられる点で共通する。一方で、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しなくても、電子が移動するだけ(電流が流れるだけ)でスピンの移動方向が曲げられる点が大きく異なる。
 非磁性体(強磁性体ではない材料)では第1スピンS1の電子数と第2スピンS2の電子数とが等しいので、図中で+z方向に向かう第1スピンS1の電子数と-z方向に向かう第2スピンS2の電子数が等しい。この場合、電荷の流れは互いに相殺され、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
第1スピンS1の電子の流れをJ、第2スピンS2の電子の流れをJ、スピン流をJと表すと、J=J-Jで定義される。スピン流Jは、図中のz方向に流れる。図1において、スピン軌道トルク配線2の上面には後述する第1強磁性層1Aが存在する。そのため、第1強磁性層1Aにスピンが注入される。
スピン軌道トルク配線2は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかによって構成される。
スピン軌道トルク配線2の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号39以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。これらの非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きい。
電子は、一般にそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動く。これに対し、最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きく、スピンホール効果が強く作用する。そのため、電子の動く方向は、電子のスピンの向きに依存する。従って、これらの非磁性の重金属中ではスピン流Jが発生しやすい。
またスピン軌道トルク配線2は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピンの散乱因子となる。スピンが散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。スピン軌道トルク配線2の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。
一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる場合がある。そのため、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。添加される磁性金属のモル比は、全体の3%以下であることが好ましい。
スピン軌道トルク配線2は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。この物質にはスピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。そこで外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。これがトポロジカル絶縁体であり、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。
トポロジカル絶縁体としては例えば、SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe、BiTe、Bi1-xSb、(Bi1-xSbTeなどが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。
[機能部]
 機能部1は、第1強磁性層1Aと第2強磁性層1Bとこれらに挟まれた非磁性層1Cとを備える。機能部1は、スピン軌道トルク配線2と交差する第2の方向(z方向)に積層されている。
 機能部1は、第1強磁性層1Aの磁化M1Aと第2強磁性層1Bの磁化M1Bの相対角が変化することにより抵抗値が変化する。第2強磁性層1Bの磁化M1Bは一方向(z方向)に固定され、第1強磁性層1Aの磁化M1Aの向きが、磁化M1Bに対して相対的に変化する。第2強磁性層1Bは固定層、参照層などと表記され、第1強磁性層1Aは自由層、記録層などと表記されることがある。保磁力差型(擬似スピンバルブ型;Pseudo spin valve 型)のMRAMに適用する場合には、第2強磁性層1Bの保磁力を第1強磁性層1Aの保磁力よりも大きくする。交換バイアス型(スピンバルブ;spin valve型)のMRAMに適用する場合には、第2強磁性層1Bの磁化M1Bを反強磁性層との交換結合によって固定する。
機能部1は、非磁性層1Cが絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗効果(TMR:Tunneling Magnetoresistance)素子と同様の構成であり、金属からなる場合は巨大磁気抵抗効果(GMR:Giant Magnetoresistance)素子と同様の構成である。
 機能部1の積層構成は、公知の磁気抵抗効果素子の積層構成を採用できる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第2強磁性層1Bの磁化方向を固定するための反強磁性層等の他の層を備えてもよい。第2強磁性層1Bは固定層や参照層、第1強磁性層1Aは自由層や記憶層などと呼ばれる。
第1強磁性層1A及び第2強磁性層1Bは、磁化M1A,M1Bの磁化容易軸がz方向に配向した垂直磁化膜でも、磁化容易軸がxy面内方向に配向した面内磁化膜でもよい。
第1強磁性層1A及び第2強磁性層1Bは、強磁性材料を適用できる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、これらの金属を1種以上含む合金、これらの金属とB、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Feを例示できる。また第1強磁性層1Aが面内磁化膜の場合は、例えば、Co-Ho合金(CoHo)、Sm-Fe合金(SmFe12)等を用いることが好ましい。
第1強磁性層1Aと第2強磁性層1Bとのうち少なくとも一方にCoFeSi等のホイスラー合金を用いると、磁気抵抗効果がより強く発現する。ホイスラー合金は、XYZの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Xは、周期表上でCo、Fe、Ni、あるいはCu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Yは、Mn、V、CrあるいはTi族の遷移金属又はXの元素種であり、Zは、III族からV族の典型元素である。例えば、CoFeSi、CoFeGe、CoFeGa、CoMnSi、CoMn1-aFeAlSi1-b、CoFeGe1-cGa等が挙げられる。
 第2強磁性層1Bには、IrMn,PtMnなどの反強磁性材料からなる層を積層してもよい。シンセティック強磁性結合の構造とすることで、第2強磁性層1Bの漏れ磁場が、第1強磁性層1Aに与える影響を軽減できる。
 非磁性層1Cには、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層1Cが絶縁体からなる場合(トンネルバリア層である場合)、その材料としては、Al、SiO、MgO、及び、MgAl等を用いることができる。これらの他にも、Al、Si、Mgの一部が、Zn、Be等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAlはコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。非磁性層1Cが金属からなる場合、その材料としては、Cu、Au、Ag等を用いることができる。さらに、非磁性層1Cが半導体からなる場合、その材料としては、Si、Ge、CuInSe、CuGaSe、Cu(In,Ga)Se等を用いることができる。
 機能部1は、その他の層を有していてもよい。第1強磁性層1Aの非磁性層1Cと反対側の面に下地層を有していてもよい。スピン軌道トルク配線2と第1強磁性層1Aとの間に配設される層は、スピン軌道トルク配線2から伝播するスピンを散逸しないことが好ましい。例えば、銀、銅、マグネシウム、及び、アルミニウム等は、スピン拡散長が100nm以上と長く、スピンが散逸しにくいことが知られている。この層の厚みは、層を構成する物質のスピン拡散長以下であることが好ましい。層の厚みがスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線2から伝播するスピンを第1強磁性層1Aに十分伝えることができる。
<電圧源>
 電圧源20は、スピン軌道トルク配線2に接続され、スピン軌道トルク配線2のx方向に電圧を印加する。電圧源20は、スピン軌道トルク配線2のx方向に電圧を印加できれば、スピン軌道トルク配線2と直接接続されてもよいし、間接的に接続されていてもよい。
電圧源20は、スピン軌道トルク配線2のx方向に、環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値倍以下の電圧をデータ書き込み時に印加する。ここで環境温度とは、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子10の温度であり、より具体的にはスピン軌道トルク配線2の温度である。
 臨界書き込み電圧Vは、以下の関係式により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 スピントルク軌道配線2に臨界書き込み電圧Vを印加した際に、機能部1に生じる書き込みエラーレート(機能部1の第1強磁性層1Aの磁化M1Aを反転させる際に、所望の方向に磁化M1Aが配向せず書き込みエラーが生じる確率)は10-3から10-4の範囲内となる。本明細書では、臨界書き込み電圧を印加した際の書き込みエラーレートは10-3とする。第1強磁性層1Aの磁気異方性は温度によって異なり、またスピン軌道トルク配線2の抵抗値も温度によって異なるため、臨界書き込み電圧は環境温度によって異なる。
 電圧源20が印加できる下限値である環境温度における臨界書き込み電圧は各温度で実測してもよいが、-40℃、20℃及び100℃における臨界書き込み電圧から他の温度領域における臨界書き込み電圧の概略値を算出してもよい。
 まず-40℃、20℃及び100℃における臨界書き込み電圧を求める。そして、それぞれの臨界書き込み電圧を横軸が温度、縦軸が電圧のグラフ上にプロットする。プロットされた-40℃における臨界書き込む電圧値と、20℃における臨界書き込む電圧値とを直線で結ぶ。同様に、プロットされた20℃における臨界書き込む電圧値と、100℃における臨界書き込む電圧値とを直線で結ぶ。これらの直線上に位置する電圧を各温度における概算された臨界書き込み電圧として用いることができる。すなわち、概算された臨界書き込み電圧は、-40℃より高く20℃より低い温度領域においては、-40℃における臨界書き込み電圧と20℃における臨界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧であり、20℃より高く100℃より低い温度領域においては、20℃における臨界書き込み電圧と100℃における臨界書き込み電圧とを結ぶ直線上である。
電圧源20が印加できる上限値である所定値は、以下の関係を満たす。
環境温度が-40℃、20℃及び100℃の場合は、所定値は第1強磁性層1Aの磁化M1Aを反転させる際の書き込みエラーレートが、臨界書き込み電圧Vをかけた際の書き込みエラーレート(10-3)と等しくなる限界書き込み電圧である。
環境温度が20℃未満の温度領域の場合は、所定値は-40℃における限界書き込み電圧と20℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧である。
環境温度が20℃以上の温度領域の場合は、所定値は20℃における限界書き込み電圧と100℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧である。
SOTを利用してデータの書き込みを行う磁気メモリ100において、スピン軌道トルク配線2のx方向に印加する電圧値に原理的には上限はない。大きな電圧を印加すれば、スピン軌道トルク配線2に大きな書き込み電流を流すことができ、原理的には磁気抵抗効果素子の書き込みエラーレートをより小さくすることができる。
しかしながら、実際にスピン軌道トルク配線2のx方向に印加する電圧値を変動させると、所定の電圧値以上の電圧を印加すると、データを安定的に記録できなくなった。すなわち印加可能な電圧の上限値(限界書き込み電圧)があることが分かった。
図2は、スピン軌道トルク配線2のx方向に印加する書き込み電圧値を変更した際における機能部(磁気抵抗効果素子)1のMR比の変化を示した図である。ここで示すMR比は、(R-Rp)/Rpであり、Rは測定された抵抗値であり、Rpは第1強磁性層1Aの磁化M1Aと第2強磁性層1Bの磁化M1Bとが完全平衡状態とした場合の理論抵抗値である。
図2に示すように、スピン軌道トルク配線2のx方向に印加する電圧値を0.05V近傍まで上昇させると、MR比が急激に大きくなる。この変化は、第1強磁性層1Aの磁化M1Aと第2強磁性層1Bの磁化M1Bとが平衡状態から反平衡状態に移行したことを意味する。すなわち、所定値以上の電圧を印加することで、データが書き込まれたことを意味する。
 これに対し、スピン軌道トルク配線2のx方向に印加する電圧値を0.08V近傍まで上昇させると、MR比が高い状態と低い状態との間で振動し始める。第1強磁性層1Aの磁化M1Aと第2強磁性層1Bの磁化M1Bとが反平衡状態となるように、書き込み電圧を印加しているにもかかわらず、平衡状態と反平衡状態との間で状態が安定化しなくなっている。つまり、所定値以上の電圧を印加するとデータを安定的に記録できなくなる。
 言い換えると図2に示すように、所定値以下の電圧をスピン軌道トルク配線2のx方向に印加すると、磁気メモリ100に安定的にデータを書き込むことができる。
 電圧源20が印加できる上限値である所定値は、環境温度が20℃以上の場合は、環境温度における臨界書き込み電圧以上20℃における臨界書き込み電圧の1.65倍以下の電圧であることが好ましく、環境温度が20℃未満の場合は、環境温度における臨界書き込み電圧以上20℃における臨界書き込み電圧の1.54倍以下の電圧であることが好ましい。
またスピン軌道トルク配線2がタングステンの場合は、所定値Vは、環境温度が20℃未満の温度領域においては、V=(2.0×10-3×t+1.62)×Vを満たし、環境温度が20℃以上の温度領域においては、V=(1.3×10-3×t+1.635)×Vを満たすことが好ましい。
またスピン軌道トルク配線2がタンタルの場合は、所定値Vは、環境温度が20℃未満の温度領域においては、V=(0.8×10-3×t+1.63)×Vを満たし、環境温度が20℃以上の温度領域においては、V=1.65×Vを満たすことが好ましい。
またスピン軌道トルク配線2がイリジウムの場合は、所定値Vは、環境温度が20℃未満の温度領域においては、V=(0.2×10-3×t+1.7167)×Vを満たし、環境温度が20℃以上の温度領域においては、V=(1.9×10-3×t+1.6825)×Vを満たすことが好ましい。
またスピン軌道トルク配線2がプラチナの場合は、所定値Vは、環境温度が20℃未満の温度領域においては、V=(0.8×10-3×t+1.6333)×Vを満たし、環境温度が20℃以上の温度領域においては、V=(0.3×10-3×t+1.645)×Vを満たすことが好ましい。
なお、上記関係式においてVは20℃における臨界書き込み電圧であり、tは環境温度(℃)である。
 また20℃以上の温度領域においてデータを書き込む際には、スピン軌道トルク配線2のx方向に、臨界書き込み電圧の1.01倍以上の電圧を印加することが好ましく、臨界書き込み電圧の1.08倍以上の電圧を印加することがより好ましく、臨界書き込み電圧の1.15倍以上の電圧を印加することがさらに好ましい。20℃未満の温度領域においてデータを書き込む際に、スピン軌道トルク配線2のx方向に、臨界書き込み電圧の1.05倍以上の電圧を印加することが好ましい。また電圧源20はこれらの電圧を印加できることが好ましい。
 臨界書き込み電圧を超える電圧をスピン軌道トルク配線2のx方向に印加できれば、第1強磁性層1Aの磁化反転は生じるが、書き込みエラーレートは十分小さいとは言えない。各温度域において上記の値以上の電圧を印加すると、第1強磁性層1Aの磁化をより安定的に反転させることができる。すなわち、より安定的なデータの書き込みを実現できる。上記の値以上の電圧を印加すれば、磁気メモリ100の書き込みエラーレートを10-7以下に抑えることができる。
またスピン軌道トルク配線2がタングステンの場合は、以下の下限電圧Vmin以上の電圧を印加することが好ましい。下限電圧Vminは、環境温度が20℃未満の温度領域においては、Vmin=(1.2×10-3×t+0.9967)×Vを満たし、環境温度が20℃以上の温度領域においては、Vmin=(9.3×10-3×t+0.835)×Vを満たすことが好ましい。
またスピン軌道トルク配線2がタンタルの場合は、以下の下限電圧Vmin以上の電圧を印加することが好ましい。下限電圧Vminは、環境温度が20℃未満の温度領域においては、Vmin=(0.5×10-3×t+1.01)×Vを満たし、環境温度が20℃以上の温度領域においては、Vmin=(0.8×10-3×t+1.005)×Vを満たすことが好ましい。
またスピン軌道トルク配線2がイリジウムの場合は、以下の下限電圧Vmin以上の電圧を印加することが好ましい。下限電圧Vminは、環境温度が20℃未満の温度領域においては、Vmin=(0.2×10-3×t+1.0567)×Vを満たし、環境温度が20℃以上の温度領域においては、Vmin=(1.1×10-3×t+1.0375)×Vを満たすことが好ましい。
またスピン軌道トルク配線2がプラチナの場合は、以下の下限電圧Vmin以上の電圧を印加することが好ましい。下限電圧Vminは、環境温度が20℃未満の温度領域においては、Vmin=(0.3×10-3×t+1.0033)×Vを満たし、環境温度が20℃以上の温度領域においては、Vmin=(0.2×10-3×t+1.005)×Vを満たすことが好ましい。
なお、上記関係式においてVは20℃における臨界書き込み電圧であり、tは環境温度(℃)である。
 またスピン軌道トルク配線2のx方向に印加する電圧は、臨界書き込み電圧の1.2倍以上1.54倍以下であることが好ましい。磁気メモリ100が曝される環境温度は、ユーザーの使用状態によって変わる。そのため、-40℃以上100℃以下という広い温度域でのデータの保証が求められる場合がある。スピン軌道トルク配線2のx方向に臨界書き込み電圧の1.2倍以上1.54倍以下の電圧を印加すれば、-40℃以上100℃以下の広い温度域でデータを安定的に書き込むことができる。
<温度計>
 図3は、本実施形態にかかる磁気メモリの別の例の断面模式図である。図3に示すように、磁気メモリ101は温度計30を備えてもよい。温度計30は、スピン軌道トルク配線2の抵抗値からスピン軌道トルク配線2の温度を換算する。換算された温度は、電圧制御部40に送られる。電圧制御部40は、温度をもとに電圧源20がスピン軌道トルク配線2に印加する電圧を決定する。
 温度計30により使用時の温度を測定すれば、磁気メモリが使用される環境温度域全体に渡って制御可能な範囲まで書き込み電圧の範囲を限定する必要がなくなる。実際に使用される環境温度に合わせて、書き込み電圧を決定することができ、より最適なデータ書き込みを行うことができる。
 温度計30は、一つに限られず複数あってもよい。例えば、スピン軌道トルク配線2をz方向から見た際の4つの角となる位置にそれぞれ温度計30を設置してもよい。
図1及び図3では、機能部1とスピン軌道トルク配線2とからなるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子10が磁気メモリ100、101中に一つの場合を例示したが、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子10は複数あってもよい。磁気メモリ100、101の集積性を高めるためには、隣接するスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子10間の距離は極力近づけることが好ましい。そのため、隣接するスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子10の発熱等が書き込み電圧値に影響を及ぼす場合がある。この場合、複数の温度計30で各スピン軌道トルク配線2の温度を精密に測定することで、より最適なデータ書き込みを行うことができる。
上述のように、本実施形態にかかる磁気メモリによれば、データを安定的に書き込むことができる。
(データの書き込み方法)

 本実施形態にかかるデータの書き込み方法は、上述のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子10のスピン軌道トルク配線2のx方向に印加する書き込み電圧を制御する。
 書き込み電圧は、環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値以下とする。所定値は、上記と同様にして求められる。
 書き込み電圧は、環境温度が20℃以上の温度領域の場合は、環境温度における臨界書き込み電圧以上20℃における臨界書き込み電圧の1.65倍以下であることが好ましく、環境温度が20℃未満の温度領域の場合は、環境温度における臨界書き込み電圧以上20℃における臨界書き込み電圧の1.54倍以下であることが好ましい。
 また書き込み電圧は、20℃以上の温度領域において臨界書き込み電圧の1.01倍以上であること好ましく、臨界書き込み電圧の1.08倍以上であることより好ましく、臨界書き込み電圧の1.15倍以上であることがさらに好ましい。20℃未満の温度領域においては、書き込み電圧は臨界書き込み電圧の1.05倍以上であることが好ましい。さらに、書き込み電圧は-40℃以上100℃以下の温度領域において、臨界書き込み電圧の1.2倍以上1.54倍以下であることがより好ましい。
 またスピン軌道トルク配線2の材料が特定されている場合は、上記の関係式に基づいて、データ書き込み時に印加する上限値及び下限値を決定することが好ましい。
 環境温度における臨界書き込み電圧は各温度で実測してもよいし、-40℃、20℃及び100℃における臨界書き込み電圧から他の温度領域における臨界書き込み電圧の概略値を算出してもよい。
上述のように、本実施形態にかかるデータ書き込み方法によれば、磁気メモリにデータを安定的に書き込むことができる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
(実施例1)
 図1に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子10を作製した。熱酸化Si基板上にタングステン(W)を3nm積層した。そしてこのタングステンからなる層を幅50nm、長さ300nmに加工し、スピン軌道トルク配線2とした。そしてその周囲を、酸化シリコンからなる絶縁膜で被覆した。
次いで、スピン軌道トルク配線2及び絶縁膜上に、CoFeB(厚み1nm)、MgAl(厚み3nm)、CoFeB(厚み1nm)、Ta(厚み0.4nm)、[Co(厚み0.4nm)/Pt(厚み0.8nm)]、Co(厚み0.4nm)、Ru(厚み0.4nm)、[Co(厚み0.4nm)/Pt(厚み0.8nm)]、Co(厚み0.4nm)、Pt(厚み10nm)の順で層を形成した。そして、作製した層を350℃でアニールしたのち、50nm×50nmの角形に加工し、機能部1を作製した。最初に積層したCoFeBが第1強磁性層1Aに対応し、MgAlが非磁性層1Cに対応し、SAF(synthetic antiferromagnetic)構造が第2強磁性層1Bに対応する。第1強磁性層1Aは垂直磁化膜である。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子10を10×10でアレイ配置し、それぞれのスピン軌道トルク配線2を電圧源20と接続し、磁気メモリを完成させた。そしてスピン軌道トルク配線2に書き込みパルスを印加し、書き込みエラーレートの変化を評価した。書き込み時にはx方向に100Oeの磁場を印加した。書き込みパルスは、パルス幅を10nsecとした。書き込み10nsec、待機10nsec、読み出し20nsec、待機10nsecの60nsecを一つのサイクルタイムとした。書き込みエラーレートは、各素子の低抵抗状態と高抵抗状態の抵抗値を測定し、それぞれの平均抵抗を「0」、「1」のデータ書き込みの基準とし、目的の書き込み状態を実現できないものをエラーしてカウントした。データの読み出し時には、機能部1の積層方向に1mVの電圧を印加した。
図4Aは、書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例1の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。印加電圧が小さい状態では、書き込みが始まっていないので、目的の書き込み状態が実現されておらず、エラーとして出力されている。一方で、印加電圧値を大きくしていくと書き込みが始まり、書き込みエラーレートが小さくなっている。臨界書き込み電圧Vは0.04842Vであり、0.04890Vを印加した時点で書き込みエラーレートは10-7となった。書き込みエラーレートは10-7以下となった電圧を下限電圧Vとする。下限電圧Vは、臨界書き込み電圧Vの1.01倍であった。
図4Bは、書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例1の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。印加電圧が所定値を超えると、書き込みエラーレートが増加している。書き込みエラーレートは10-7以上となった電圧を上限電圧Vとすると、上限電圧Vは、0.08038Vであった。この上限電圧Vは、臨界書き込み電圧Vの1.66倍であった。
図4Aに示すグラフは、以下の関係式(1)でフィッティングできる。以下の関係式において、Pは反平衡状態(データとして「1」)から平衡状態(データとして「0」)または平衡状態(データとして「0」)から反平衡状態(データとして「1」)に移行する確率であり、tは印加パルス時間であり、tは理論的に磁化反転に必要な時間であり、ΔP(AP)は熱安定性を示す値であり、Vは臨界書き込み電圧である。なお、ΔP(AP)はKV/kT(Kは一軸磁気異方性、Vは体積、kはボルツマン定数、Tは絶対温度)で求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
また図4Bに示すグラフは、以下の関係式(2)でフィッティングできる。以下の関係式において、Pは反平衡状態(データとして「1」)または平衡状態(データとして「0」)から平衡状態と反平衡状態のいずれになるか不安定な状態(データとして「0.5」)に移行する確率であり、tは印加パルス時間であり、tは理論的に磁化反転に必要な時間であり、一般的に1nsecである。ΔP(AP)は熱安定性を示す値であり、V’は限界書き込み電圧である。なお、ΔP(AP)はKV/kT(Kは一軸磁気異方性、Vは体積、kはボルツマン定数、Tは絶対温度)で求められる。限界書き込み電圧V’は、安定的にデータを書き込めていた状態から書き込みエラーレートが10-3に至った際の電圧である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
(実施例2)
 実施例2では、磁気メモリが曝される環境温度を-40℃にした点が実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様とした。スピン軌道トルク配線2の抵抗率は、20℃で53.8μΩcmであったものが、40μΩcmとなった。
実施例2における磁気メモリの-40℃における臨界書き込み電圧Vは0.04554Vであり、下限電圧Vは0.04600Vであり、上限電圧Vは0.07457Vであった。すなわち、下限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの0.95倍であり、上限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.54倍であった。
(実施例3)
 実施例3では、磁気メモリが曝される環境温度を100℃にした点が実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様とした。スピン軌道トルク配線2の抵抗率は、20℃で53.8μΩcmであったものが、73μΩcmとなった。
実施例3における磁気メモリの100℃における臨界書き込み電圧Vは0.05178Vであり、下限電圧Vは0.05229Vであり、上限電圧Vは0.08522Vであった。すなわち、下限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.08倍であり、上限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.76倍であった。
(実施例4)
 実施例4では、磁気メモリが曝される環境温度を0℃にした点が実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様とした。0℃における臨界書き込み電圧Vは、-40℃の結果と20℃の結果から概算し、0.04746Vであった。
実施例4における磁気メモリの下限電圧Vは0.04794Vであり、上限電圧Vは0.07844Vであった。すなわち、下限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの0.99倍であり、上限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.62倍であった。この値は、スピン軌道トルク配線2がタングステンの場合の関係式を満たす。また概算された臨界書き込み電圧でも、上限電圧Vが所定の範囲内に存在することで、データを安定的に書き込むことができることを確認した。
(実施例5)
 実施例5では、磁気メモリが曝される環境温度を50℃にした点が実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様とした。50℃における臨界書き込み電圧Vは、20℃の結果と100℃の結果から概算し、0.04968Vであった。
実施例5における磁気メモリの下限電圧Vは0.05018Vであり、上限電圧Vは0.08219Vであった。すなわち、下限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.04倍であり、上限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.70倍であった。この値は、スピン軌道トルク配線2がタングステンの場合の関係式を満たす。また概算された臨界書き込み電圧でも、上限電圧Vが所定の範囲内に存在することで、データを安定的に書き込むことができることを確認した。
(実施例6)
 実施例6は、スピン軌道トルク配線2を構成する材料をタングステン(W)からタンタル(Ta)に変えた点が実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様とした。
図5A及び図5Bは、書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例6の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。図5Aに示すグラフは、上記の関係式(1)でフィッティングすることができ、図5Bに示すグラフは、上記の関係式(2)でフィッティングすることができた。臨界書き込み電圧Vは0.1423Vであり、下限電圧Vは0.1438Vであった。下限電圧Vは、臨界書き込み電圧Vの1.01倍であった。上限電圧Vは、0.2349Vであった。上限電圧Vは、臨界書き込み電圧Vの1.65倍であった。
(実施例7)
 実施例7では、磁気メモリが曝される環境温度を-40℃にした点が実施例6と異なる。その他の条件は、実施例6と同様とした。スピン軌道トルク配線2の抵抗率は、20℃で131.8μΩcmであったものが、102μΩcmとなった。
実施例7における磁気メモリの-40℃における臨界書き込み電圧Vは0.1395Vであり、下限電圧Vは0.1409Vであり、上限電圧Vは0.2278Vであった。すなわち、下限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの0.99倍であり、上限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.60倍であった。
(実施例8)
 実施例8では、磁気メモリが曝される環境温度を100℃にした点が実施例6と異なる。その他の条件は、実施例6と同様とした。スピン軌道トルク配線2の抵抗率は、20℃で131.8μΩcmであったものが、167μΩcmとなった。
実施例8における磁気メモリの100℃における臨界書き込み電圧Vは0.1423Vであり、下限電圧Vは0.1438Vであり、上限電圧Vは0.2349Vであった。すなわち、下限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.01倍であり、上限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.65倍であった。
(実施例9)
 実施例9は、スピン軌道トルク配線2を構成する材料をタングステン(W)からイリジウム(Ir)に変えた点が実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様とした。
図6A及び図6Bは、書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例9の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。図6Aに示すグラフは、上記の関係式(1)でフィッティングすることができ、図6Bに示すグラフは、上記の関係式(2)でフィッティングすることができた。臨界書き込み電圧Vは0.04036Vであり、下限電圧Vは0.04076Vであった。下限電圧Vは、臨界書き込み電圧Vの1.06倍であった。上限電圧Vは、0.06982Vであった。上限電圧Vは、臨界書き込み電圧Vの1.72倍であった。
(実施例10)
 実施例10では、磁気メモリが曝される環境温度を-40℃にした点が実施例9と異なる。その他の条件は、実施例9と同様とした。スピン軌道トルク配線2の抵抗率は、20℃で47.2μΩcmであったものが、39μΩcmとなった。
実施例10における磁気メモリの-40℃における臨界書き込み電圧Vは0.04036Vであり、下限電圧Vは0.04237Vであり、上限電圧Vは0.06901Vであった。すなわち、下限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.05倍であり、上限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.71倍であった。
(実施例11)
 実施例11では、磁気メモリが曝される環境温度を100℃にした点が実施例9と異なる。その他の条件は、実施例9と同様とした。スピン軌道トルク配線2の抵抗率は、20℃で47.2μΩcmであったものが、68μΩcmとなった。
実施例11における磁気メモリの100℃における臨界書き込み電圧Vは0.04595Vであり、下限電圧Vは0.04641Vであり、上限電圧Vは0.07547Vであった。すなわち、下限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.15倍であり、上限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.87倍であった。
(実施例12)
 実施例12は、スピン軌道トルク配線2を構成する材料をタングステン(W)からプラチナ(Pt)に変えた点が実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様とした。
図7A及び図7Bは、書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例12の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。図7Aに示すグラフは、上記の関係式(1)でフィッティングすることができ、図7Bに示すグラフは、上記の関係式(2)でフィッティングすることができた。臨界書き込み電圧Vは0.1046Vであり、下限電圧Vは0.1057Vであった。下限電圧Vは、臨界書き込み電圧Vの1.01倍であった。上限電圧Vは、0.1726Vであった。上限電圧Vは、臨界書き込み電圧Vの1.65倍であった。
(実施例13)
 実施例13では、磁気メモリが曝される環境温度を-40℃にした点が実施例12と異なる。その他の条件は、実施例13と同様とした。スピン軌道トルク配線2の抵抗率は、20℃で105.7μΩcmであったものが、82μΩcmとなった。
実施例13における磁気メモリの-40℃における臨界書き込み電圧Vは0.1025Vであり、下限電圧Vは0.1036Vであり、上限電圧Vは0.1674Vであった。すなわち、下限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.0倍であり、上限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.60倍であった。
(実施例14)
 実施例14では、磁気メモリが曝される環境温度を100℃にした点が実施例12と異なる。その他の条件は、実施例12と同様とした。スピン軌道トルク配線2の抵抗率は、20℃で105.7μΩcmであったものが、136.0μΩcmとなった。
実施例14における磁気メモリの100℃における臨界書き込み電圧Vは0.1067Vであり、下限電圧Vは0.1078Vであり、上限電圧Vは0.1747Vであった。すなわち、下限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.03倍であり、上限電圧Vは20℃における臨界書き込み電圧Vの1.67倍であった。
なお、各材料において温度変化させた結果においても、それぞれ関係式(1)及び関係式(2)を用いてフィッティングすることができた。
1 機能部
1A 第1強磁性層
1B 第2強磁性層
1C 非磁性層
2 スピン軌道トルク配線
3 第1電極
4 第2電極
10 スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
20 電圧源
30 温度計
40 電圧制御部
100、101 磁気メモリ

Claims (10)

  1.  第1の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記スピン軌道トルク配線側から第1強磁性層と非磁性層と第2強磁性層とを備える機能部と、を備えるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、
     前記スピン軌道トルク配線の前記第1の方向に印加する電圧を、環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値以下とし、
     前記所定値は、
    環境温度が-40℃、20℃及び100℃においては、前記第1強磁性層の磁化を反転させる際の書き込みエラーレートが、前記臨界書き込み電圧をかけた際の書き込みエラーレートと等しくなる限界書き込み電圧であり、
     環境温度が20℃未満の温度領域においては、-40℃における限界書き込み電圧と20℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧であり、
     環境温度が20℃以上の温度領域においては、20℃における限界書き込み電圧と100℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧である、データの書き込み方法。
  2.  環境温度が20℃以上の温度領域の場合は、前記スピン軌道トルク配線の前記第1の方向に、20℃における臨界書き込み電圧の1.01倍以上の電圧をデータ書き込み時に印加し、
    環境温度が20℃未満の温度領域の場合は、前記スピン軌道トルク配線の前記第1の方向に、20℃における臨界書き込み電圧の1.05倍以上の電圧をデータ書き込み時に印加する、請求項1に記載のデータの書き込み方法。
  3.  環境温度が20℃以上の場合は、前記スピン軌道トルク配線の前記第1の方向に、前記環境温度における臨界書き込み電圧以上20℃における臨界書き込み電圧の1.65倍以下の電圧をデータ書き込み時に印加し、
    環境温度が20℃未満の場合は、前記スピン軌道トルク配線の前記第1の方向に、前記環境温度における臨界書き込み電圧以上20℃における臨界書き込み電圧の1.54倍以下の電圧をデータ書き込み時に印加する、請求項1または2に記載のデータの書き込み方法。
  4. -40℃以上100℃以下の温度領域においてデータを書き込む際に、前記スピン軌道トルク配線の前記第1の方向に、臨界書き込み電圧の1.2倍以上1.54倍以下の電圧を印加する、請求項1~3のいずれか一項に記載のデータの書き込み方法。
  5.  前記スピン軌道トルク配線がタングステンであり、
     前記所定値Vは、20℃における前記臨界書き込み電圧をV、環境温度をt(℃)とした場合に、
     環境温度が20℃未満の温度領域においては、
    V=(2.0×10-3×t+1.62)×Vを満たし、
    環境温度が20℃以上の温度領域においては、
    V=(1.3×10-3×t+1.635)×Vを満たす、請求項1に記載のデータの書き込み方法。
  6.  前記スピン軌道トルク配線がタンタルであり、
     前記所定値Vは、20℃における前記臨界書き込み電圧をV、環境温度をt(℃)とした場合に、
     環境温度が20℃未満の温度領域においては、
    V=(0.8×10-3×t+1.63)×Vを満たし、
    環境温度が20℃以上の温度領域においては、
    V=1.65×Vを満たす、請求項1に記載のデータの書き込み方法。
  7.  前記スピン軌道トルク配線がイリジウムであり、
     前記所定値Vは、20℃における前記臨界書き込み電圧をV、環境温度をt(℃)とした場合に、
     環境温度が20℃未満の温度領域においては、
    V=(0.2×10-3×t+1.7167)×Vを満たし、
    環境温度が20℃以上の温度領域においては、
    V=(1.9×10-3×t+1.6825)×Vを満たす、請求項1に記載のデータの書き込み方法。
  8.  前記スピン軌道トルク配線がプラチナであり、
     前記所定値Vは、20℃における前記臨界書き込み電圧をV、環境温度をt(℃)とした場合に、
     環境温度が20℃未満の温度領域においては、
    V=(0.8×10-3×t+1.6333)×Vを満たし、
    環境温度が20℃以上の温度領域においては、
    V=(0.3×10-3×t+1.645)×Vを満たす、請求項1に記載のデータの書き込み方法。
  9.  第1の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、
    前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記スピン軌道トルク配線側から第1強磁性層と非磁性層と第2強磁性層とを備える機能部と、
    前記スピン軌道トルク配線に接続され、前記第1の方向に環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値以下の電圧を印加できる電圧源と、備え、
     前記所定値は、
    環境温度が-40℃、20℃及び100℃の場合は、前記第1強磁性層の磁化を反転させる際の書き込みエラーレートが、前記臨界書き込み電圧をかけた際の書き込みエラーレートと等しくなる限界書き込み電圧であり、
     環境温度が20℃未満の温度領域においては、-40℃における限界書き込み電圧と20℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧であり、
     環境温度が20℃以上の温度領域においては、20℃における限界書き込み電圧と100℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧である、磁気メモリ。
  10. 前記スピン軌道トルク配線に接続され、前記スピン軌道トルク配線の抵抗値から前記スピン軌道トルク配線の温度を換算する温度計をさらに備える、請求項9に記載の磁気メモリ。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021057357A (ja) * 2019-09-26 2021-04-08 国立大学法人東京工業大学 磁気抵抗メモリ

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11004465B2 (en) * 2016-06-24 2021-05-11 National Institute For Materials Science Magneto-resistance element in which I-III-VI2 compound semiconductor is used, method for manufacturing said magneto-resistance element, and magnetic storage device and spin transistor in which said magneto-resistance element is used
EP4131271A1 (en) * 2018-02-01 2023-02-08 TDK Corporation Data writing method and magnetic memory
US10763430B2 (en) * 2018-02-28 2020-09-01 Tdk Corporation Method for stabilizing spin element and method for manufacturing spin element
US11793001B2 (en) 2021-08-13 2023-10-17 International Business Machines Corporation Spin-orbit-torque magnetoresistive random-access memory
US12020736B2 (en) 2021-08-13 2024-06-25 International Business Machines Corporation Spin-orbit-torque magnetoresistive random-access memory array
US11915734B2 (en) 2021-08-13 2024-02-27 International Business Machines Corporation Spin-orbit-torque magnetoresistive random-access memory with integrated diode

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014045196A (ja) * 2012-08-26 2014-03-13 Samsung Electronics Co Ltd スイッチングに基づいたスピン軌道相互作用を使用する磁気トンネルリング接合と、磁気トンネルリング接合を利用するメモリを提供するための方法及びシステム
JP6271654B1 (ja) * 2016-08-05 2018-01-31 株式会社東芝 不揮発性メモリ

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2963153B1 (fr) 2010-07-26 2013-04-26 Centre Nat Rech Scient Element magnetique inscriptible
US9105832B2 (en) 2011-08-18 2015-08-11 Cornell University Spin hall effect magnetic apparatus, method and applications
JP5987302B2 (ja) * 2011-11-30 2016-09-07 ソニー株式会社 記憶素子、記憶装置
US9378792B2 (en) * 2011-12-15 2016-06-28 Everspin Technologies, Inc. Method of writing to a spin torque magnetic random access memory
JP5486048B2 (ja) * 2012-06-26 2014-05-07 株式会社日立製作所 磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリ
US9088243B2 (en) * 2012-09-10 2015-07-21 Indian Institute Of Technology Bombay Magnetic field feedback based spintronic oscillator
US9711215B2 (en) * 2013-09-27 2017-07-18 Intel Corporation Apparatus and method to optimize STT-MRAM size and write error rate
US10008248B2 (en) * 2014-07-17 2018-06-26 Cornell University Circuits and devices based on enhanced spin hall effect for efficient spin transfer torque
US9941468B2 (en) 2014-08-08 2018-04-10 Tohoku University Magnetoresistance effect element and magnetic memory device
KR102238647B1 (ko) * 2014-10-01 2021-04-09 삼성전자주식회사 저항성 메모리 장치, 저항성 메모리 시스템 및 저항성 메모리 장치의 동작방법
US20170126249A1 (en) * 2015-10-30 2017-05-04 Intel Corporation Temperature dependent multiple mode error correction
EP4131271A1 (en) * 2018-02-01 2023-02-08 TDK Corporation Data writing method and magnetic memory

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014045196A (ja) * 2012-08-26 2014-03-13 Samsung Electronics Co Ltd スイッチングに基づいたスピン軌道相互作用を使用する磁気トンネルリング接合と、磁気トンネルリング接合を利用するメモリを提供するための方法及びシステム
JP6271654B1 (ja) * 2016-08-05 2018-01-31 株式会社東芝 不揮発性メモリ

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
S. FUKAMI; T. ANEKAWA; C. ZHANG; H. OHNO, NATURE NANO TEC, vol. 29, 2016

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021057357A (ja) * 2019-09-26 2021-04-08 国立大学法人東京工業大学 磁気抵抗メモリ

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