WO2022014529A1 - 磁気メモリ素子の層構造、磁気メモリ素子、磁気メモリ装置、および磁気メモリ素子へデータを記憶する方法 - Google Patents

磁気メモリ素子の層構造、磁気メモリ素子、磁気メモリ装置、および磁気メモリ素子へデータを記憶する方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic memory element, and more particularly to a layer structure of a magnetic memory element that transmits information based on domain wall motion, a magnetic memory element, a magnetic memory device, and a method of storing data in the magnetic memory element.
  • a memory device capable of recording information at high density is required.
  • a flash memory is currently widely used.
  • the flash memory has a drawback that the number of writable times is limited due to deterioration of the oxide film and a drawback that the writing speed becomes slow while the information is repeatedly written. For this reason, in recent years, various magnetic memories have been proposed as alternatives to the existing flash memory.
  • Patent Document 1 discloses a linear racetrack memory proposed as a three-dimensional magnetic memory.
  • Patent Document 2 discloses a magnetic storage device using spin transfer torque as a recording method.
  • ferromagnets are separated by magnetic domains and arranged in a stack or a line. Bits are defined for each magnetic domain, and the data is stored according to the direction of magnetization in the magnetic domain.
  • a current is passed from a current source into the stack, and a torque is generated between the magnetic layers adjacent to each position by spin momentum movement to determine the direction of magnetization. I remember a bit.
  • the magnetic domain wall is moved by passing an electric current through a thin wire (magnetic nanowire) of a ferromagnetic material. As a result, the magnetization in the magnetic domain moves in one direction all at once, and data is transmitted.
  • the spin transfer torque is used as the recording method, no magnetic domain wall is generated in the stack memory.
  • Patent Document 1 The type of information transmission method based on the domain wall motion as shown in Patent Document 1 still has the problem that the drive current of the domain wall movement is high and the problem that the controllability of the domain wall movement is poor. is doing. As described above, in the magnetic memory element, it is required to improve the drive current required for the domain wall movement and the controllability of the domain wall movement.
  • An object of the present invention is to provide a layered structure of a magnetic memory element having improved controllability of a drive current and domain wall movement required for domain wall movement, and a magnetic memory element having the layer structure.
  • the present invention for achieving the above object includes, for example, the following aspects.
  • (Item 1) Multiple first ferromagnetic layers with switchable spin states, A boundary layer arranged between a plurality of the first ferromagnetic layers to form a domain wall, Equipped with The boundary layer is a layer structure of a magnetic memory element that causes a ferromagnetic interaction between a plurality of the first ferromagnetic layers.
  • (Item 2) Item 2.
  • the layer structure according to Item 1, wherein the boundary layer is formed by using a non-magnetic material.
  • (Item 3) Item 2.
  • (Item 4) The layer structure according to any one of Items 1 to 3 and A second ferromagnetic layer whose spin state can be switched, which is arranged on the side of the first ferromagnetic layer with the boundary layer interposed therebetween, A first electrode arranged adjacent to the second ferromagnetic layer and for switching the spin state of the second ferromagnetic layer by spin-orbit torque, A magnetic memory element comprising a second electrode located on the side of the first ferromagnetic layer of the other farthest from the one. (Item 5) Item 2. The magnetic memory element according to Item 4, wherein the second ferromagnetic layer has a higher coercive force than the first ferromagnetic layer.
  • Item 6 An insulating film arranged between the first ferromagnetic layer and the second electrode of the other farthest from the one. A third ferromagnetic layer with a fixed spin state, which is arranged between the insulating film and the second electrode, Further prepare Item 4.
  • Item 7 Item 6 and the magnetic memory element A current source for passing a current in the first electrode and from the second electrode to the first electrode, A sensor that reads data represented in a spin state stored in the magnetic memory element, A magnetic memory device.
  • (Item 8) A method of storing data represented in a spin state in the magnetic memory element according to any one of Items 4 to 6.
  • a method of storing data in a magnetic memory element including.
  • the present invention it is possible to provide a layer structure of a magnetic memory element having improved controllability of a drive current and domain wall movement required for domain wall movement, and a magnetic memory element having the layer structure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a magnetic memory element according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic memory element 10 includes a plurality of first ferromagnetic layers 1 (1a to 1d), a plurality of boundary layers 2 (2a to 2d), and a second ferromagnetic layer 3. , A first electrode 4, an insulating film 5, a third ferromagnetic layer 6, and a second electrode 7.
  • the second ferromagnetic layer 3, the layer structure 9 of the plurality of boundary layers 2 and the plurality of first ferromagnetic layers 1, the insulating film 5, and the third ferromagnetic layer 6 are exemplified.
  • the plurality of first ferromagnetic layers 1 (1a to 1d) are ferromagnetic layers whose spin states can be switched.
  • the spin state can have two states in which the spin arrow is, for example, upward or downward, and one first ferromagnetic layer 1 functions as a memory cell for storing 1-bit binary information. do.
  • the first ferromagnetic layer 1 is a single metal such as iron and cobalt, or an alloy of these metals, for example, Fe 1-x Ni x , Fe 1-x Co x , Co 1-x. It can be formed using Pt x and CoFeB.
  • x is the composition ratio of the alloy and takes a value in the range of 0 ⁇ x ⁇ 1.
  • the boundary layer 2 is arranged between the plurality of first ferromagnetic layers 1 to form a domain wall.
  • the spin state of the boundary layer 2 can have three states in which the spin arrow is, for example, upward, downward, and sideways.
  • the spin state of the boundary layer 2 is represented by a horizontal arrow.
  • the spin arrow is oriented horizontally only to the right.
  • the boundary layer 2 is formed by using a non-magnetic material.
  • a simple substance metal such as copper and platinum which is not a ferromagnet, or an alloy of cobalt and platinum whose composition is controlled as described later can be used.
  • the boundary layer 2 is a non-magnetic material, its thickness is reduced, so that the ferromagnetic layer adjacent to the boundary layer 2 (first ferromagnetic layer 1 or second ferromagnet) Due to the influence of layer 3), the exchange stiffness constant becomes a weak ferromagnet due to the proximity effect.
  • the boundary layer 2 causes a ferromagnetic interaction (Magnetic Structure) Ax between a plurality of first ferromagnetic layers 1. More specifically, the boundary layer 2 has a thickness or composition that causes a ferromagnetic interaction Ax between the plurality of first ferromagnetic layers 1. Ferromagnetic interaction Ax is an interaction for aligning the spin directions.
  • the ferromagnetic interaction Ax is generated between the plurality of first ferromagnetic layers 1, the controllability of the drive current and the domain wall movement required for the domain wall movement is improved in the magnetic memory element 10.
  • the ferromagnetic interaction Ax also occurs between the first ferromagnetic layer 1a and the second ferromagnetic layer 3 sandwiching the boundary layer 2.
  • the boundary layer 2 uses a single metal having a thickness that causes a ferromagnetic interaction Ax between the plurality of first ferromagnetic layers 1.
  • the thickness of the boundary layer 2 is preferably in the range of one to three copper atoms. More preferably, the thickness of the boundary layer 2 is in the range of one or two copper atoms.
  • the thickness of the boundary layer 2 is preferably in the range of one to four platinum atoms. More preferably, the thickness of the boundary layer 2 is in the range of one to three platinum atoms.
  • the boundary layer 2 is formed by using an alloy having a composition that causes a ferromagnetic interaction Ax between the plurality of first ferromagnetic layers 1.
  • the composition ratio of the alloy used for forming the boundary layer 2 the size of the ferromagnetic interaction Ax generated between the plurality of first ferromagnetic layers 1 is controlled. Since the Curie temperature Tc is the transition temperature at which a ferromagnet changes to a normal magnetic material, does the alloy exhibit the properties of a ferromagnet by controlling the Curie temperature Tc of the alloy? It is possible to control whether or not it exhibits the properties of the body).
  • the Curie temperature Tc is proportional to the ferromagnetic interaction Ax.
  • the Curie temperature Tc of the alloy can be controlled by controlling the composition ratio of the alloy.
  • SA Ahern, MJC Martin and Willie Sucksmith “The spontaneous magnetization of nickel + copper alloys”, Proc. Math. Phys. Eng. Sci., United Kingdom, The Royal Society, 11 November 1958, Volume 248, Issue 1253, Figure 3 on p.145-152, https://doi.org/10.1098/rspa.1958.0235 describes the composition dependence of the Curie temperature Tc in a Ni 1-x Cu x alloy.
  • the same control can be applied not only to the Ni 1-x Cu x alloy exemplified in this document but also to the Co 1-x Pt x alloy. Therefore, by controlling the composition ratio of the alloy used to form the boundary layer 2, the Curie temperature Tc of the alloy can be controlled to control whether the alloy exhibits properties of a ferromagnetic material or a paramagnetic material. This allows the magnitude of the ferromagnetic interaction Ax to be controlled.
  • the second ferromagnetic layer 3 is a ferromagnetic layer whose spin state can be switched.
  • the second ferromagnetic layer 3 is arranged on the side of the first ferromagnetic layer 1a located on the lower side in the figure in the layer structure 9 with the boundary layer 2 interposed therebetween.
  • the second ferromagnetic layer 3 functions as a layer for writing 1-bit binary information to the first ferromagnetic layer 1a.
  • the second ferromagnetic layer 3 can be formed by using an alloy of cobalt and platinum or an alloy of iron and nickel.
  • various materials used for the magnetization stationary phase referred to in the magnetoresistive memory can be used as the material of the second ferromagnetic layer 3.
  • the second ferromagnetic layer 3 has a higher coercive force than the first ferromagnetic layer 1.
  • the second ferromagnetic layer 3 has a higher coercive force than the first ferromagnetic layer 1 when at least one of the following three conditions is satisfied.
  • the first condition is that even if the second ferromagnetic layer 3 and the first ferromagnetic layer 1 are formed of the same material, the second ferromagnetic layer 3 has the first strength. It is formed thicker than the magnetic layer 1.
  • the second condition is that even if the thickness of the second ferromagnetic layer 3 and the thickness of the first ferromagnetic layer 1 are the same, the second ferromagnetic layer 3 is larger than the first ferromagnetic layer 1.
  • the third condition is that even if the thickness of the second ferromagnetic layer 3 is thinner than the thickness of the first ferromagnetic layer 1, the second ferromagnetic layer 3 is the first ferromagnetic layer 1. It is formed by using a material having a magnetic anisotropy sufficiently higher than that of the first ferromagnetic layer 1, and as a result, the coercive force of the second ferromagnetic layer 3 is higher than that of the first ferromagnetic layer 1.
  • the first electrode 4 is arranged adjacent to the second ferromagnetic layer 3, and the spin state of the second ferromagnetic layer 3 is switched by the spin-orbit torque.
  • the first electrode 4 includes a spin-orbit torque (SOT) layer 41 and two bottom electrodes 42 (42a, 42b) electrically connected to the spin-orbit torque layer 41.
  • SOT spin-orbit torque
  • the write current Iw shown by the one-point chain line in the figure spins.
  • the spin state of the second ferromagnetic layer 3 is switched by the spin-orbit torque that flows through the orbital torque layer 41 and is generated by the spin-orbit interaction.
  • the spin state of the second ferromagnetic layer 3 is determined according to the direction of the write current Iw.
  • the write current Iw is pulsed.
  • the spin-orbit torque layer 41 can be formed by using a heavy metal such as platinum.
  • the bottom electrode 42 can be formed using various conductive metals such as gold and copper.
  • the insulating film 5 and the third ferromagnetic layer 6 are combined with the first ferromagnetic layer 1d located on the upper side in the figure in the layer structure 9 to read out the spin state of the first ferromagnetic layer 1d.
  • the first ferromagnetic layer 1d functions as a free layer for magnetic tunnel junctions.
  • the spin state of the first ferromagnetic layer 1d is read out by measuring the magnitude of the current flowing through the first ferromagnetic layer 1d, the insulating film 5, and the third ferromagnetic layer 6. Since a method of reading out the spin state by magnetic tunnel junction is known, further detailed description in the present specification will be omitted.
  • the insulating film 5 functions as a tunnel layer for magnetic tunnel junctions.
  • the insulating film 5 is arranged between the first ferromagnetic layer 1d and the second electrode 7 located on the upper side in the figure in the layer structure 9.
  • the third ferromagnetic layer 6 is a layer in which the spin state is fixed (upward in the illustrated embodiment), and functions as a fixed layer of the magnetic tunnel junction. In the present embodiment, the spin state of the third ferromagnetic layer 6 is fixed so that the spin arrow points upward.
  • the third ferromagnetic layer 6 is arranged between the insulating film 5 and the second electrode 7.
  • the insulating film 5 can be formed by using an oxide film such as magnesium oxide (MgO).
  • the third ferromagnetic layer 6 can be formed by using, for example, CoFeB, which is an alloy of cobalt, iron, and boron. As the material of the third ferromagnetic layer 6, various materials used for the magnetized stationary phase in MRAM can be used.
  • the second electrode 7 reads out the spin state of the first ferromagnetic layer 1d located on the upper side in the figure in the layer structure 9.
  • the second electrode 7 is arranged adjacent to the third ferromagnetic layer 6 on the side of the first ferromagnetic layer 1d located on the upper side in the drawing.
  • a one-dot chain line is shown in the figure by passing a drive current for moving the domain wall between either one of the terminals 11 and 12 of the first electrode 4 and the terminal 13 of the second electrode 7.
  • the domain wall drive current Id flows between the second electrode 7 and the first electrode 4.
  • the magnetic domain wall can be moved in the plurality of boundary layers 2 (2a to 2d) located between the second electrode 7 and the first electrode 4, and the plurality of first ferromagnetic layers 1 (1a) can be moved.
  • Each spin state in 1d) can be shifted to a race track type and sequentially shifted.
  • the insulating film 5 and the third ferromagnetic layer 6 function as a magnetic tunnel junction for readout.
  • the spin state of the first ferromagnetic layer 1d located on the upper side in the figure in the layer structure 9 is read out via the second electrode 7.
  • the domain wall drive current Id is pulsed.
  • the second electrode 7 can be formed using various conductive metals such as gold and copper.
  • FIG. 2 and 3 are schematic views for explaining the operation of the magnetic memory element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining a procedure for storing data in the magnetic memory element according to the embodiment of the present invention.
  • a current is passed between the bottom electrodes 42a and 42b of the first electrode 4, and the spin state of the second ferromagnetic layer 3 is determined by the spin trajectory torque.
  • a magnetic domain wall drive current Id is passed between the setting step (step S1) and the second electrode 7 and the first electrode 4, and the spin state of the second ferromagnetic layer 3 is brought into the first state by the spin transfer torque.
  • the step (step S2) of shifting to the ferromagnetic layer 1 (1d) is included.
  • the magnetic memory element 10 includes four memory cells (cells No. 1 to No. 4), and stores a total of 4 bits of binary information.
  • the state in which the spin arrow points upward means the value "0”
  • the state in which the spin arrow points downward means the value "1”.
  • FIG. 2A shows a state in which the magnetic memory element 10 is initialized.
  • the spin arrows point upward and the value "0" is stored.
  • the spin arrow also points upward in each of the four boundary layers 2, and the boundary layer 2 does not have a domain wall in the initialized state.
  • the initialization of the magnetic memory element 10 can be performed, for example, by continuously flowing a pulse-shaped domain wall drive current Id from the first electrode 4 to the second electrode 7 a predetermined number of times. Since the spin state of the third ferromagnetic layer 6 is fixed upward in this embodiment, it does not change even with initialization.
  • the domain wall configured in the boundary layer 2a becomes the first ferromagnetism. It moves to the boundary layer 2b located between the layer 1a and the first ferromagnetic layer 1b.
  • the spin states of the second ferromagnetic layer 3 and the four first ferromagnetic layers 1 (1a to 1d) are in the upper part of the figure due to the domain wall movement caused by the spin transfer torque due to the domain wall drive current Id. Sequentially move to layers.
  • the spin state is sequentially transferred by the domain wall movement due to the spin transfer torque, so that the spin state of the second ferromagnetic layer 3 is transferred to the first ferromagnetic layer 1a, and the spin state of the first ferromagnetic layer 1a is transferred.
  • the spin state is switched from the state in which the spin arrow points upward to the state in which the spin arrow points downward.
  • the value "1" set in the second ferromagnetic layer 3 is written in the first ferromagnetic layer 1a, and the cell No.
  • the value "1" is stored in 1.
  • the cell No. The value stored in 1 is the cell No. It is transferred to 2 and stored, and the cell No.
  • the value stored in 2 is the cell No. It is transferred to 3 and stored, and the cell No. 3 is stored.
  • the value stored in 3 is the cell No. Transferred to 4 and stored.
  • the second ferromagnetic layer 3 and the four first ferromagnetic layers are passed.
  • Each of the spin states of 1 (1a to 1d) sequentially shifts to the lower layer in the figure due to the domain wall movement caused by the spin transfer torque due to the domain wall drive current Id.
  • the second ferromagnetic layer 3 used for writing data is arranged below the layer structure 9, and the insulating film 5 and the third ferromagnetic layer 6 used for reading data described later are layered in the layer structure 9.
  • the magnetic wall drive current Id is passed from the second electrode 7 to the first electrode 4 in relation to the arrangement above the above, and the spin state is sequentially transferred to the upper layer in the figure.
  • the domain wall configured in the boundary layer 2b becomes the first. It moves to the boundary layer 2c located between the ferromagnetic layer 1b and the first ferromagnetic layer 1c, and the sequential transition of the spin state described with reference to FIG. 2C continues.
  • the spin state of the first ferromagnetic layer 1a shifts to the first ferromagnetic layer 1b, and the spin state of the first ferromagnetic layer 1b is switched from the state in which the spin arrow points upward to the state in which the spin arrow points downward.
  • the value "1" stored in the first ferromagnetic layer 1a is transferred to the first ferromagnetic layer 1b, and the cell No.
  • the value "1" is stored in 2.
  • the value "1" is set in the second ferromagnetic layer 3
  • the value "1" set in the second ferromagnetic layer 3 is set in the first ferromagnetic layer 1a.
  • cell No. The value "1” is stored in 1.
  • the cell No. The value stored in 2 is the cell No. It is transferred to 3 and stored, and the cell No. 3 is stored.
  • the value stored in 3 is the cell No. Transferred to 4 and stored.
  • Cell No. The values stored in 4 are sequentially read out by passing a domain wall drive current Id from the second electrode 7 to the first electrode 4.
  • the spin state of the second ferromagnetic layer 3 shifts to the first ferromagnetic layer 1a, and the spin state of the first ferromagnetic layer 1a is switched from the state in which the spin arrow points downward to the state in which the spin arrow points upward.
  • the value "0" set in the second ferromagnetic layer 3 is written in the first ferromagnetic layer 1a, and the cell No.
  • the value "0" is stored in 1.
  • the cell No. The value stored in 1 is the cell No. It is transferred to 2 and stored, and the cell No.
  • the value stored in 2 is the cell No. It is transferred to 3 and stored, and the cell No. 3 is stored.
  • the value stored in 3 is the cell No. Transferred to 4 and stored.
  • the value is “0" to the magnetic memory element 10 including the four memory cells (cells No. 1 to No. 4). It is possible to write 4-bit data in the sequence of "1", "1", and "0".
  • the data reading from the magnetic memory element 10 is performed via the insulating film 5 and the third ferromagnetic layer 6.
  • the data can be read out from the cell No. This is performed from the first ferromagnetic layer 1d corresponding to 4.
  • the magnitude of the read current Ir flowing through the first ferromagnetic layer 1d, the insulating film 5, and the third ferromagnetic layer 6 is determined by using a magnetic tunnel junction. It is read out by measuring. Since the sequential transition of the spin state occurs for each pulse, one magnetic tunnel junction for reading the spin state may be used for each memory element 10.
  • the cell No. The value "0" is read out by measuring the spin state of the first ferromagnetic layer 1d corresponding to No. 4 using a magnetic tunnel junction.
  • a pulse-shaped domain wall drive current Id is passed from the second electrode 7 to the first electrode 4.
  • the spin state sequentially shifts to the upper layer in the figure due to the domain wall movement due to the spin transfer torque.
  • Cell No. The value “0" stored in 1 is the cell No. It is transferred to 2 and stored, and the cell No.
  • the value "1" stored in 2 is the cell No. It is transferred to 3 and stored, and the cell No. 3 is stored.
  • the value "1" stored in 3 is the cell No. Transferred to 4 and stored.
  • Cell No. The value stored in 4 is destroyed by passing a pulse-shaped domain wall drive current Id, but the cell No. 4 is destroyed.
  • the value stored in 4 has already been read out using a magnetic tunnel junction before the pulsed domain wall drive current Id is passed.
  • the reading of data from the first ferromagnetic layer 1d is a destructive reading method similar to that of DRAM (Dynamic Random Access Memory), so that the reading operation is performed. It is good to write the data again later.
  • DRAM Dynamic Random Access Memory
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a schematic configuration of a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic memory device 20 includes a magnetic memory element 10, a current source 14, and a sensor 15.
  • the current source 14 passes a current between the bottom electrode 42a and the bottom electrode 42b of the first electrode 4 of the magnetic memory element 10 and from the second electrode 7 to the first electrode 4.
  • the sensor 15 reads the data represented in the spin state stored in the magnetic memory element 10.
  • the sensor 15 can measure the current value of the read current Ir flowing through the magnetic memory element 10, detect the resistance value from the value, and read the spin state of the magnetic memory element.
  • the current source 14 and the sensor 15 are connected to the memory controller 16. By controlling the operations of the current source 14 and the sensor 15, the memory controller 16 performs the write operation to the magnetic memory element 10 and the read operation from the magnetic memory element 10 described with reference to FIGS. 2 and 3. Control.
  • the data read via the sensor 15 is transmitted and received through the data bus 17.
  • the connection from the current source 14 to the first electrode 4 and the second electrode 7 of the magnetic memory element 10 is switched by using, for example, switches 18a and 18b.
  • the operation of the switches 18a and 18b is controlled by, for example, the memory controller 16.
  • a plurality of magnetic memory elements 10 can be arranged in an array to form a memory array. [Numerical simulation of layer structure]
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing a layer structure used in the numerical simulation of the magnetic memory element according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a diagram showing the layer structure of the magnetic memory element according to the embodiment of the present invention. It is a graph which shows the result of the numerical simulation about.
  • the vertical axis of the graph shown in FIG. 7 shows the current density Jc [A / m 2 ] required for the operation of the layer structure, and the horizontal axis of the graph is the ferromagnetic mutual introduced between the plurality of first ferromagnetic layers 1.
  • the magnitude of the action Ax [ ⁇ 10 12 ⁇ J / m] is shown.
  • the magnitude of the current density Jc required for the operation shown on the vertical axis is calculated with the magnitude of the ferromagnetic interaction Ax shown on the horizontal axis as a free parameter.
  • the conditions for numerical simulation are as follows.
  • the simulation parameters assume typical MRAM materials.
  • Each layer is a disk shape having a diameter of 20 nm and a thickness of 3 nm, which is composed of cells of 1 nm ⁇ 1 nm ⁇ 1 nm.
  • the layer structure shown in FIG. 6 is a total of 12 layers.
  • the material parameters for each layer are as follows.
  • Ms means the magnitude of saturation magnetization
  • Ku means the magnitude of magnetic anisotropy
  • Aex means the magnitude of ferromagnetic interaction. Since the value of Ku in the domain wall layer is zero, the domain wall is trapped in the domain wall layer instead of the recording layer. This improves the controllability of the domain wall position.
  • the domain wall layer corresponds to the boundary layer 2 in the magnetic memory element 10 according to the embodiment of the present invention.
  • Ax introduced into the domain wall layer is a free parameter in the simulation and corresponds to the horizontal axis of the graph shown in FIG. 7.
  • -Layer 2, 4, 6, 8, 10, 12 (recording layer) Ms 8 ⁇ 10 5 [A / m]
  • Ku 1 ⁇ 10 6 [J / m 3]
  • Aex 1 ⁇ 10 -11 [J / m]
  • the recording layer corresponds to the first ferromagnetic layer 1 in the magnetic memory element 10 according to the embodiment of the present invention.
  • the magnitude of the operating current density Jc is about 10 14 , and the conventional technique in which the ferromagnetic interaction Ax is not introduced is introduced.
  • the magnitude of the operating current density Jc is on the order of 10 14.
  • the magnitude of the operating current density Jc is 10 10 . It is an order.
  • the operating current density Jc can be reduced to a maximum of about 1 / 10,000, or at least about 100. It is possible to reduce the size to about one-third.
  • the operating current density Jc is reduced, the drive current required for the domain wall movement and the controllability of the domain wall movement are improved.
  • the boundary layer 2 causes a ferromagnetic interaction Ax between a plurality of first ferromagnetic layers 1. Since the ferromagnetic interaction Ax is generated between the plurality of first ferromagnetic layers 1, the controllability of the drive current and the domain wall movement required for the domain wall movement is improved in the magnetic memory element 10.
  • the number of memory cells included in the magnetic memory element 10 is not limited to four, and the magnetic memory element 10 can include a larger number of memory cells.
  • the boundary layer 2 is formed by using a non-magnetic material, but the material of the boundary layer 2 is not limited to the non-magnetic material.
  • the boundary layer 2 constituting the domain wall may be formed by using a ferromagnet of a different type from that of the first ferromagnet 1 or a ferromagnet having a different composition.
  • a CoFeB alloy can be used to form the first ferromagnetic layer 1
  • a simple substance of cobalt can be used to form the boundary layer 2.
  • the boundary layer 2 can be expressed as a fourth ferromagnetic layer in the magnetic memory element 10 according to the above-described embodiment.
  • Examples of the ferromagnet that can be used as the material of the boundary layer 2 include a Ni 1-x Cu x alloy, a Co 1-x Cu x alloy, and a Co 1-x Pt x alloy. As described above, these Ni 1-x Cu x alloys and Co 1-x Pt x alloys control the Curie temperature Tc of the alloy by controlling the composition ratio of the alloy, and the alloy is always a ferromagnet. It is possible to control which property of the magnetic material is exhibited, and it is possible to control the magnitude of the ferromagnetic interaction Ax. Therefore, these alloys whose composition ratio is controlled so as to exhibit the properties of a ferromagnet and have an appropriate size of the ferromagnetic interaction Ax can be used as the material of the boundary layer 2.
  • the data read from the magnetic memory element 10 is a destructive read method, but the data read is a non-destructive read method by changing the arrangement of the insulating film 5 and the third ferromagnetic layer 6.
  • a third ferromagnetic layer 6 formed in a ring shape concentric with the layer structure 9 is arranged at the center in the height direction of the layer structure 9, and the wall of the layer structure 9 and the third ferromagnetic layer 6 are arranged.
  • An insulating film 5 can be arranged between them.
  • the first ferromagnetic layer 1 in the layer structure 9 located below the third ferromagnetic layer 6 can function as a data buffer.
  • the data when the data is read from the magnetic memory element 10, the data is moved by one memory cell by the pulsed magnetic wall drive current Id, and the value stored in the memory cell is joined by a magnetic tunnel.
  • the procedure for reading data from the magnetic memory element 10 is not limited to this.
  • multiple pulsed domain wall drive currents Id multiple data stored in multiple memory cells can be moved at once, and the domain wall drive currents Id can be used to sequentially transfer multiple data in a magnetic tunnel junction. It can also be read.
  • the time change of the magnitude of the domain wall drive current Id can be used, and when the magnitude of the domain wall drive current Id does not change with time, the voltage of the magnetic tunnel junction is large. You can take advantage of the change over time.
  • the magnetic memory element 10 includes the insulating film 5, and the spin state of the first ferromagnetic layer 1d is read out by the TMR (tunnel magnetoresistive) effect, but the first ferromagnetic layer 1d is read out.
  • the method of reading the spin state of is not limited to this.
  • a layer of a non-magnetic metal such as copper may be provided in the magnetic memory element, and the spin state of the first ferromagnetic layer 1d may be read out by the GMR (giant magnetoresistive) effect.
  • GMR giant magnetoresistive
  • the structure of the magnetic memory element 10 is a three-dimensional three-dimensional structure in which various layers are vertically laminated, but the structure of the magnetic memory element is a region corresponding to various layers in the horizontal direction.
  • the structure can be arranged side by side and mounted on a plane.
  • the layer structure described in the claims does not mean only a three-dimensional structure in which various layers are vertically laminated, but various regions are arranged horizontally in this way and mounted on a plane. It also means structure.

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Abstract

磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性を改善した磁気メモリ素子の層構造および当該層構造を備える磁気メモリ素子を提供する。磁気メモリ素子（１０）の層構造（９）は、スピン状態が切り替え可能な複数の第１の強磁性層（１）と、複数の第１の強磁性層（１）間に配置されて磁壁を構成する境界層（２）と、備え、境界層（２）は、複数の第１の強磁性層（１）間に強磁性相互作用（Ａｅｘ）を生じさせる。

Description

磁気メモリ素子の層構造、磁気メモリ素子、磁気メモリ装置、および磁気メモリ素子へデータを記憶する方法
　本発明は、磁気メモリ素子に関し、より詳細には、磁壁運動に基づく情報の伝達を行う磁気メモリ素子の層構造、磁気メモリ素子、磁気メモリ装置、および磁気メモリ素子へデータを記憶する方法に関する。
　情報量の飛躍的な増加に伴って、高密度で情報を記録することができるメモリ装置が必要とされている。そのようなメモリ装置として、現在はフラッシュメモリが広く用いられている。しかし、フラッシュメモリは、その動作原理上、酸化膜の劣化により書き込み可能回数が限られるという欠点や、情報の書き込みを繰り返す間に書き込み速度が遅くなるという欠点を有している。このことから、近年では、既存のフラッシュメモリの代わりとなる種々の磁気メモリが提案されている。
　例えば特許文献１には、三次元の磁気メモリとして提案されている線状のレーストラックメモリが開示されている。また特許文献２には、記録方式にスピントランスファートルクを用いた磁気記憶装置が開示されている。
　特許文献１のレーストラックメモリでは、強磁性体が磁区で区切られて、スタック状にまたは線状に配置されている。ビットは磁区毎に定義されており、データは磁区における磁化の向きにより記憶されている。特許文献２の磁気記憶装置では、電流源からスタック内に電流を流して、スピン運動量移動により、各位置の隣の磁気層の間にトルクを発生させて磁化の方向を決めることにより、データ・ビットを記憶している。
米国特許第６８３４００５号明細書 特開２００９－２３９２８２号公報
　特許文献１のレーストラックメモリでは、強磁性体の細線（磁気ナノワイヤ）に電流を流すことにより磁壁を移動させる。これにより磁区における磁化が一斉に一方向に移動しデータが伝達される。特許文献２の磁気記憶装置では、記録方式にスピントランスファートルクを用いるものの、スタック・メモリ内に磁壁は生じていない。
　特許文献１に示されているような磁壁運動（ｄｏｍａｉｎ　ｗａｌｌ　ｍｏｔｉｏｎ）に基づくタイプの情報伝達方式には、磁壁移動の駆動電流が高いという問題や、磁壁移動の制御性が悪いという問題が依然として存在している。このように、磁気メモリ素子において、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性を改善することが求められている。
　本発明は、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性を改善した磁気メモリ素子の層構造および当該層構造を備える磁気メモリ素子を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するための本発明は、例えば以下に示す態様を含む。
（項１）
　スピン状態が切り替え可能な複数の第１の強磁性層と、
　複数の前記第１の強磁性層間に配置されて磁壁を構成する境界層と、
を備え、
　前記境界層は、複数の前記第１の強磁性層間に強磁性相互作用を生じさせる、磁気メモリ素子の層構造。
（項２）
　前記境界層は非磁性体を用いて形成されている、項１に記載の層構造。
（項３）
　前記境界層は、前記第１の強磁性層とは異なる強磁性体を用いて形成されている、項１に記載の層構造。
（項４）
　項１から３のいずれか一項に記載の層構造と、
　一方の前記第１の強磁性層の側に、前記境界層を挟んで配置される、スピン状態が切り替え可能な第２の強磁性層と、
　前記第２の強磁性層に隣接して配置され、スピン軌道トルクにより前記第２の強磁性層の前記スピン状態を切り替えるための第１の電極と、
　前記一方から最も離れた他方の前記第１の強磁性層の側に配置される第２の電極と、を備える、磁気メモリ素子。
（項５）
　前記第２の強磁性層は、前記第１の強磁性層よりも高い保磁力を有している、項４に記載の磁気メモリ素子。
（項６）
　前記一方から最も離れた他方の前記第１の強磁性層と前記第２の電極との間に配置される絶縁膜と、
　前記絶縁膜と前記第２の電極との間に配置される、スピン状態が固定された第３の強磁性層と、
をさらに備え、
　前記第２の電極を介して、前記他方の前記第１の強磁性層の前記スピン状態が読み出される、項４または５に記載の磁気メモリ素子。
（項７）
　項６に記載の磁気メモリ素子と、
　前記第１の電極内および前記第２の電極から前記第１の電極に電流を流す電流源と、
　前記磁気メモリ素子に記憶されている、スピン状態で表されるデータを読み取るセンサと、
を備える、磁気メモリ装置。
（項８）
　項４から６のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子へスピン状態で表されるデータを記憶する方法であって、
　前記第１の電極内に電流を流して、スピン軌道トルクにより前記第２の強磁性層のスピン状態を設定する工程と、
　前記第２の電極と前記第１の電極との間に電流を流して、スピントランスファートルクにより前記第２の強磁性層の前記スピン状態を一方の前記第１の強磁性層へ移行させる工程と、
を含む、磁気メモリ素子へデータを記憶する方法。
　本発明によると、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性を改善した磁気メモリ素子の層構造および当該層構造を備える磁気メモリ素子を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子の概略的な構成を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子の動作を説明するための模式的な図である。 本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子の動作を説明するための模式的な図である。 本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子へデータを記憶する手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る磁気メモリ装置の概略的な構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子の数値シミュレーションに用いた層構造を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子の層構造に関する数値シミュレーションの結果を示すグラフである。
　以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する重複した説明を省略する。
［メモリ素子の構成］
　図１は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子の概略的な構成を模式的に示す断面図である。
　本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子１０は、複数の第１の強磁性層１（１ａ～１ｄ）と、複数の境界層２（２ａ～２ｄ）と、第２の強磁性層３と、第１の電極４と、絶縁膜５と、第３の強磁性層６と、第２の電極７と、を備える。例示する磁気メモリ素子１０では、第２の強磁性層３と、複数の境界層２および複数の第１の強磁性層１の層構造９と、絶縁膜５と、第３の強磁性層６とが図中下側から順番に、第１の電極４と第２の電極７との間に積層された三次元構造を有している。
　複数の第１の強磁性層１（１ａ～１ｄ）は、スピン状態が切り替え可能な強磁性層である。図示する態様では、スピン状態は、スピンの矢印が例えば上向きまたは下向きの２つの状態を有することができ、一つの第１の強磁性層１は、１ビットのバイナリ情報を記憶するメモリセルとして機能する。例示的には、第１の強磁性層１は、鉄およびコバルト等の単体の金属や、これらの金属の合金である例えばＦｅ１－ｘＮｉｘ，Ｆｅ１－ｘＣｏｘ，Ｃｏ１－ｘＰｔｘ，ＣｏＦｅＢを用いて形成することができる。ここで、ｘは合金の組成比であり、０＜ｘ＜１の範囲の値をとる。
　境界層２は、複数の第１の強磁性層１間に配置されて磁壁を構成する。図示する態様では、境界層２のスピン状態は、スピンの矢印が例えば上向き、下向き、および横向きの３つの状態を有することができる。境界層２に磁壁が構成されている場合、境界層２のスピン状態は横向きの矢印で表される。なお説明の便宜上、スピンの矢印が横向きの状態は右向きのみとする。本実施形態では、境界層２は非磁性体を用いて形成されている。例示的には、境界層２の非磁性体には、銅および白金等の強磁性体ではない単体の金属や、後述するように組成が制御されたコバルトと白金との合金を用いることができる。本実施形態において、境界層２は非磁性体であっても、その厚さが薄くされているので、境界層２に隣接する強磁性層（第１の強磁性層１または第２の強磁性層３）の影響により、近接効果により交換スティフネス定数が弱い強磁性体になる。
　層構造９において、一つの境界層２と、この境界層２を挟む一対の第１の強磁性層１（１ａ，１ｂ）とに着目して説明する。一実施形態に係る磁気メモリ素子１０の層構造９では、境界層２は、複数の第１の強磁性層１間に強磁性相互作用（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）Ａｅｘを生じさせる。より詳細には、境界層２は、複数の第１の強磁性層１間に強磁性相互作用Ａｅｘを生じさせる厚さまたは組成を有している。強磁性相互作用Ａｅｘとは、スピンの向きを揃えるための相互作用である。複数の第１の強磁性層１間に強磁性相互作用Ａｅｘが生じていることにより、磁気メモリ素子１０において、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性は改善される。なお、強磁性相互作用Ａｅｘは、境界層２を挟む第１の強磁性層１ａと第２の強磁性層３との間にも生じている。
　境界層２の非磁性体に単体の金属を用いる場合には、境界層２は、複数の第１の強磁性層１間に強磁性相互作用Ａｅｘを生じさせる厚さの単体の金属を用いて形成する。例えば銅を用いて境界層２を形成する場合、好ましくは、境界層２の厚さは銅原子が１個分～３個分の範囲内の厚さである。より好ましくは、境界層２の厚さは銅原子が１個分～２個分の範囲内の厚さである。例えば白金を用いて境界層２を形成する場合、好ましくは、境界層２の厚さは白金原子が１個分～４個分の範囲内の厚さである。より好ましくは、境界層２の厚さは白金原子が１個分～３個分の範囲内の厚さである。
　境界層２の非磁性体に合金を用いる場合には、境界層２は、複数の第１の強磁性層１間に強磁性相互作用Ａｅｘを生じさせる組成の合金を用いて形成する。境界層２の形成に用いる合金の組成比を制御することにより、複数の第１の強磁性層１間に生じる強磁性相互作用Ａｅｘの大きさを制御する。キュリー温度Ｔｃは、強磁性体が常磁性体に変化する転移温度であることから、合金のキュリー温度Ｔｃを制御することにより、合金が強磁性体の性質を示すのか常磁性体（つまり非磁性体）の性質を示すのかを制御することができる。キュリー温度Ｔｃと強磁性相互作用Ａｅｘとは比例する。一方で、合金のキュリー温度Ｔｃは合金の組成比を制御することにより制御することができる。例えば、S. A. Ahern, M. J. C. Martin and Willie Sucksmith, “The spontaneous magnetization of nickel + copper alloys”, Proc. Math. Phys. Eng. Sci., United Kingdom, The Royal Society, 11 November 1958, Volume 248, Issue 1253, p.145-152, https://doi.org/10.1098/rspa.1958.0235 の Fig.3 には、Ｎｉ１－ｘＣｕｘ合金におけるキュリー温度Ｔｃの組成依存性が記載されている。この文献に例示されているＮｉ１－ｘＣｕｘ合金に限らず、Ｃｏ１－ｘＰｔｘ合金についても同様の制御が適用可能である。よって、境界層２の形成に用いる合金の組成比を制御することにより、合金のキュリー温度Ｔｃを制御して、合金が強磁性体および常磁性体のどちらの性質を示すのかを制御することができ、これにより強磁性相互作用Ａｅｘの大きさを制御することができる。
　第２の強磁性層３は、スピン状態が切り替え可能な強磁性層である。第２の強磁性層３は、層構造９中の図中下側に位置する第１の強磁性層１ａの側に、境界層２を挟んで配置される。第２の強磁性層３は、第１の強磁性層１ａに１ビットのバイナリ情報を書き込むための層として機能する。例示的には、第２の強磁性層３は、コバルトと白金との合金や、鉄とニッケルとの合金を用いて形成することができる。第２の強磁性層３の材料には、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）でいうところの磁化固定相に用いる種々の材料を用いることができる。
　第２の強磁性層３は、第１の強磁性層１よりも高い保磁力を有している。例えば次の３つの条件の少なくともいずれかを満たしている場合には、第２の強磁性層３は第１の強磁性層１よりも高い保磁力を有している。第１の条件は、第２の強磁性層３と第１の強磁性層１とが同じ材料を用いて形成されている場合であっても、第２の強磁性層３が第１の強磁性層１よりも厚く形成されていることである。第２の条件は、第２の強磁性層３の厚さと第１の強磁性層１の厚さとが同じであっても、第２の強磁性層３が第１の強磁性層１よりも高い磁気異方性を有する材料を用いて形成されていることである。第３の条件は、第２の強磁性層３の厚さが第１の強磁性層１の厚さよりも薄い場合であっても、第２の強磁性層３が第１の強磁性層１よりも十分に高い磁気異方性を有する材料を用いて形成されており、結果として、第２の強磁性層３の保磁力が第１の強磁性層１よりも高い場合である。
　第１の電極４は、第２の強磁性層３に隣接して配置され、スピン軌道トルクにより第２の強磁性層３のスピン状態を切り替える。第１の電極４は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）層４１と、スピン軌道トルク層４１に電気的に接続される２つの底部電極４２（４２ａ，４２ｂ）とを備えている。
　第１の電極４の端子１１と端子１２との間に、第２の強磁性層３のスピン状態を切り替えるための駆動電流を流すことにより、図中に一点鎖線で示す書込電流Ｉｗがスピン軌道トルク層４１に流れ、スピン軌道相互作用により生じるスピン軌道トルクにより、第２の強磁性層３のスピン状態が切り替えられる。第２の強磁性層３のスピン状態は、書込電流Ｉｗの向きに応じて決定される。本実施形態では、書込電流Ｉｗはパルス状である。例示的には、スピン軌道トルク層４１は、白金等の重金属を用いて形成することができる。底部電極４２は、例えば金および銅等の種々の導電体金属を用いて形成することができる。
　絶縁膜５および第３の強磁性層６は、層構造９中の図中上側に位置する第１の強磁性層１ｄと組み合わされて、この第１の強磁性層１ｄのスピン状態を読み出すための、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）として機能する。第１の強磁性層１ｄは、磁気トンネル接合の自由層として機能する。第１の強磁性層１ｄのスピン状態は、第１の強磁性層１ｄ、絶縁膜５、および第３の強磁性層６を流れる電流の大きさを測定することにより読み出される。磁気トンネル接合によりスピン状態を読み出す方法は公知であるので、本明細書におけるこれ以上の詳細な説明は省略する。
　絶縁膜５は、磁気トンネル接合のトンネル層として機能する。絶縁膜５は、層構造９中の図中上側に位置する第１の強磁性層１ｄと第２の電極７との間に配置される。第３の強磁性層６は、スピン状態が固定（図示する態様では矢印の上向き）された層であり、磁気トンネル接合の固定層として機能する。本実施形態では、第３の強磁性層６のスピン状態は、スピンの矢印が上向きの状態に固定されていることとする。第３の強磁性層６は、絶縁膜５と第２の電極７との間に配置される。絶縁膜５は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の酸化膜を用いて形成することができる。第３の強磁性層６は、例えばコバルトと鉄とホウ素との合金であるＣｏＦｅＢを用いて形成することができる。第３の強磁性層６の材料には、ＭＲＡＭでいうところの磁化固定相に用いる種々の材料を用いることができる。
　第２の電極７は、層構造９中の図中上側に位置する第１の強磁性層１ｄのスピン状態を読み出す。第２の電極７は、図中上側に位置する第１の強磁性層１ｄの側に、第３の強磁性層６に隣接して配置される。
　第１の電極４の端子１１および端子１２のいずれか一方と、第２の電極７の端子１３との間に、磁壁を移動させるための駆動電流を流すことにより、図中に一点鎖線で示す磁壁駆動電流Ｉｄが、第２の電極７と第１の電極４との間を流れる。これにより、第２の電極７と第１の電極４との間に位置する複数の境界層２（２ａ～２ｄ）において磁壁を移動させることができ、複数の第１の強磁性層１（１ａ～１ｄ）におけるそれぞれのスピン状態を、レーストラック式にシフトして順次移行することができる。絶縁膜５および第３の強磁性層６は、読み出し用の磁気トンネル接合として機能する。これにより、層構造９中の図中上側に位置する第１の強磁性層１ｄのスピン状態は、第２の電極７を介して読み出される。本実施形態では、磁壁駆動電流Ｉｄはパルス状である。例示的には、第２の電極７は、金および銅等の種々の導電体金属を用いて形成することができる。
［メモリ素子の動作］
　図２および図３は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子の動作を説明するための模式的な図である。図４は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子へデータを記憶する手順を説明するためのフローチャートである。
　一実施形態に係る磁気メモリ素子１０へデータを記憶する方法は、第１の電極４の底部電極４２ａと４２ｂ間に電流を流して、スピン軌道トルクにより第２の強磁性層３のスピン状態を設定する工程（ステップＳ１）と、第２の電極７と第１の電極４との間に磁壁駆動電流Ｉｄを流して、スピントランスファートルクにより第２の強磁性層３のスピン状態を第１の強磁性層１（１ｄ）へ移行させる工程（ステップＳ２）とを含む。
　以下、図２および図３を参照して、一実施形態に係る磁気メモリ素子１０へデータを記憶する図４に示す手順と、磁気メモリ素子１０からデータを読み出す手順とを説明する。例示する態様では、磁気メモリ素子１０は、４つのメモリセル（セルＮｏ．１～セルＮｏ．４）を備えており、合計で４ビットのバイナリ情報を記憶する。以下では説明の便宜上、スピンの矢印が上向きの状態が値「０」を意味し、下向きの状態が値「１」を意味することとする。
・データの初期化
　図２の（Ａ）は、磁気メモリ素子１０を初期化した状態を示している。４つの第１の強磁性層１と第２の強磁性層３とのそれぞれにおいて、スピンの矢印は上向きとなっており値「０」が記憶されている。４つの境界層２のそれぞれにおいてもスピンの矢印は上向きとなっており、初期化された状態では境界層２には磁壁は構成されていない。磁気メモリ素子１０の初期化は、例えば、第１の電極４から第２の電極７に、パルス状の磁壁駆動電流Ｉｄを所定の回数流し続けることにより行うことができる。なお、第３の強磁性層６のスピン状態は、本実施形態では上向きに固定されているので、初期化によっても変化しない。
・データの書き込み
　磁気メモリ素子１０へのデータの書き込みは、第２の強磁性層３を介して行う。本実施形態では、第２の強磁性層３を層構造９の下方に配置している関係で、データの書き込みは、セルＮｏ１に対応する第１の強磁性層１ａから行う。セルＮｏ．１に値「１」を書き込もうとする場合には、まず、第２の強磁性層３に値「１」を設定する。次いで、第２の強磁性層３に設定した値「１」をセルＮｏ．１に転送する。
　図２の（Ｂ）に示すように、第１の電極４に右向きに書込電流Ｉｗを流すと、第２の強磁性層３のスピン状態は、書込電流Ｉｗによるスピン軌道トルクにより、スピンの矢印が上向きの状態から下向きの状態に切り替えられる。第２の強磁性層３には値「１」が設定され記憶される。これに伴い、第２の強磁性層３と第１の強磁性層１ａとの間に位置する境界層２ａには磁壁が構成される。
　図２の（Ｃ）に示すように、第２の電極７から第１の電極４にパルス状の磁壁駆動電流Ｉｄを流すと、境界層２ａに構成されている磁壁は、第１の強磁性層１ａと第１の強磁性層１ｂとの間に位置する境界層２ｂに移動する。これにより、第２の強磁性層３および４つの第１の強磁性層１（１ａ～１ｄ）のそれぞれのスピン状態は、磁壁駆動電流Ｉｄによるスピントランスファートルクにより生じる磁壁移動によって、図中上側の層へ順次移行する。このように、スピントランスファートルクによる磁壁移動によってスピン状態が順次移行することにより、第２の強磁性層３のスピン状態は第１の強磁性層１ａに移行し、第１の強磁性層１ａのスピン状態は、スピンの矢印が上向きの状態から下向きの状態に切り替えられる。第１の強磁性層１ａには、第２の強磁性層３に設定されている値「１」が書き込まれ、セルＮｏ．１には値「１」が記憶される。同様に、スピン状態が順次移行することにより、セルＮｏ．１に記憶されていた値はセルＮｏ．２に転送されて記憶され、セルＮｏ．２に記憶されていた値はセルＮｏ．３に転送されて記憶され、セルＮｏ．３に記憶されていた値はセルＮｏ．４に転送されて記憶される。
　なお、図示する向きとは逆方向に、第１の電極４から第２の電極７にパルス状の磁壁駆動電流Ｉｄを流すと、第２の強磁性層３および４つの第１の強磁性層１（１ａ～１ｄ）のそれぞれのスピン状態は、磁壁駆動電流Ｉｄによるスピントランスファートルクにより生じる磁壁移動によって、図中下側の層へ順次移行する。本実施形態では、データの書込に用いる第２の強磁性層３を層構造９の下方に配置し、後述するデータの読み出しに用いる絶縁膜５および第３の強磁性層６を層構造９の上方に配置している関係で、第２の電極７から第１の電極４に磁壁駆動電流Ｉｄを流し、スピン状態を図中上側の層へ順次移行させている。
　引き続き、図３の（Ｄ）に示すように、第２の電極７から第１の電極４にパルス状の磁壁駆動電流Ｉｄを流すと、境界層２ｂに構成されている磁壁は、第１の強磁性層１ｂと第１の強磁性層１ｃとの間に位置する境界層２ｃに移動し、図２の（Ｃ）を参照して説明したスピン状態の順次移行も引き続き継続する。第１の強磁性層１ａのスピン状態は第１の強磁性層１ｂに移行し、第１の強磁性層１ｂのスピン状態は、スピンの矢印が上向きの状態から下向きの状態に切り替えられる。第１の強磁性層１ｂには、第１の強磁性層１ａに記憶されている値「１」が転送され、セルＮｏ．２には値「１」が記憶される。
　このように、第２の強磁性層３に値「１」が設定されている間、第１の強磁性層１ａには、第２の強磁性層３に設定されている値「１」が書き込まれ、セルＮｏ．１には値「１」が記憶される。同様に、スピン状態が順次移行することにより、セルＮｏ．２に記憶されていた値はセルＮｏ．３に転送されて記憶され、セルＮｏ．３に記憶されていた値はセルＮｏ．４に転送されて記憶される。セルＮｏ．４に記憶されている値は、第２の電極７から第１の電極４に磁壁駆動電流Ｉｄを流すことにより順次読み出される。
　セルＮｏ．１に値「０」を書き込もうとする場合には、まず、第２の強磁性層３に値「０」を設定する。次いで、第２の強磁性層３に設定した値「０」をセルＮｏ．１に転送する。
　図３の（Ｅ）に示すように、第１の電極４に左向きに書込電流Ｉｗを流すと、第２の強磁性層３のスピン状態は、書込電流Ｉｗによるスピン軌道トルクにより、スピンの矢印が下向きの状態から上向きの状態に切り替えられる。第２の強磁性層３には値「０」が設定され記憶される。これに伴い、第２の強磁性層３と第１の強磁性層１ａとの間に位置する境界層２ａには磁壁が構成される。
　図３の（Ｆ）に示すように、第２の電極７から第１の電極４にパルス状の磁壁駆動電流Ｉｄを流すと、境界層２ａに構成されている磁壁は境界層２ｂに移動し、境界層２ｃに構成されている磁壁は、第１の強磁性層１ｃと第１の強磁性層１ｄとの間に位置する境界層２ｄに移動する。これにより、第２の強磁性層３および４つの第１の強磁性層１（１ａ～１ｄ）のそれぞれのスピン状態は、磁壁駆動電流Ｉｄによるスピントランスファートルクにより生じる磁壁移動によって、図中上側の層へ順次移行する。第２の強磁性層３のスピン状態は第１の強磁性層１ａに移行し、第１の強磁性層１ａのスピン状態は、スピンの矢印が下向きの状態から上向きの状態に切り替えられる。第１の強磁性層１ａには、第２の強磁性層３に設定されている値「０」が書き込まれ、セルＮｏ．１には値「０」が記憶される。同様に、スピン状態が順次移行することにより、セルＮｏ．１に記憶されていた値はセルＮｏ．２に転送されて記憶され、セルＮｏ．２に記憶されていた値はセルＮｏ．３に転送されて記憶され、セルＮｏ．３に記憶されていた値はセルＮｏ．４に転送されて記憶される。
　以上に説明したような、磁気メモリ素子１０への書込動作を順次適用することにより、４つのメモリセル（セルＮｏ．１～セルＮｏ．４）を備える磁気メモリ素子１０へ、値が「０」「１」「１」「０」の並びの４ビットのデータを書き込むことができる。
・データの読み出し
　磁気メモリ素子１０からのデータの読み出しは、絶縁膜５および第３の強磁性層６を介して行う。本実施形態では、絶縁膜５および第３の強磁性層６を層構造９の上方に配置している関係で、データの読み出しは、セルＮｏ．４に対応する第１の強磁性層１ｄから行う。第１の強磁性層１ｄのスピン状態は、第１の強磁性層１ｄと、絶縁膜５と、第３の強磁性層６とを流れる読み出し電流Ｉｒの大きさを、磁気トンネル接合を用いて測定することにより読み出される。なお、スピン状態の順次移行はパルス毎に生じるので、スピン状態を読み出すための磁気トンネル接合はメモリ素子１０毎に一つでよい。
　図３の（Ｆ）に示す磁気メモリ素子１０の状態において、まず、セルＮｏ．４に対応する第１の強磁性層１ｄのスピン状態について、磁気トンネル接合を用いて測定することにより、値「０」を読み出す。
　次いで、第２の電極７から第１の電極４にパルス状の磁壁駆動電流Ｉｄを流す。これにより、スピントランスファートルクによる磁壁移動によってスピン状態が図中上側の層へ順次移行する。セルＮｏ．１に記憶されていた値「０」はセルＮｏ．２に転送されて記憶され、セルＮｏ．２に記憶されていた値「１」はセルＮｏ．３に転送されて記憶され、セルＮｏ．３に記憶されていた値「１」はセルＮｏ．４に転送されて記憶される。セルＮｏ．４に記憶されていた値は、パルス状の磁壁駆動電流Ｉｄを流すことにより破壊されるが、セルＮｏ．４に記憶されていた値は、パルス状の磁壁駆動電流Ｉｄを流す前に磁気トンネル接合を用いて既に読み出されている。
　以後、セルＮｏ．４に対応する第１の強磁性層１ｄのスピン状態について、磁気トンネル接合を用いて測定する工程と、第２の電極７から第１の電極４にパルス状の磁壁駆動電流Ｉｄを流す工程とを含む読み出し動作を繰り返し適用することにより、値が「０」「１」「１」「０」の並びの４ビットのデータをメモリ素子１０から読み出すことができる。
　なお、以上に説明した磁気メモリ素子１０の動作の一例では、第１の強磁性層１ｄからのデータの読み出しは、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）と同様の破壊読み出し方式となるため、読み出し動作の後で再度データを書き込むと良い。
［磁気メモリ装置の構成］
　図５は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ装置の概略的な構成を模式的に示す図である。
　一実施形態に係る磁気メモリ装置２０は、磁気メモリ素子１０と、電流源１４と、センサ１５とを備える。
　電流源１４は、磁気メモリ素子１０の第１の電極４の底部電極４２ａと底部電極４２ｂとの間および第２の電極７から第１の電極４に電流を流す。センサ１５は、磁気メモリ素子１０に記憶されている、スピン状態で表されるデータを読み取る。センサ１５は、磁気メモリ素子１０を流れる読み出し電流Ｉｒの電流値を測定し、その値から抵抗値を検知して磁気メモリ素子のスピン状態を読み出すことができる。電流源１４およびセンサ１５は、メモリコントローラ１６に接続されている。メモリコントローラ１６は、電流源１４およびセンサ１５の動作を制御することにより、図２および図３を参照して説明した、磁気メモリ素子１０への書込動作および磁気メモリ素子１０からの読み出し動作を制御する。センサ１５を介して読み取られるデータは、データバス１７を通じて送受信される。電流源１４から磁気メモリ素子１０の第１の電極４および第２の電極７への接続は、例えばスイッチ１８ａ,１８ｂを用いて切り替えられる。スイッチ１８ａ,１８ｂの動作は、例えばメモリコントローラ１６により制御される。磁気メモリ素子１０は、複数がアレイ状に配置されてメモリアレイを構成することができる。
［層構造に関する数値シミュレーション］
　図６は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子の数値シミュレーションに用いた層構造を模式的に示す図であり、図７は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子の層構造に関する数値シミュレーションの結果を示すグラフである。
　図７に示すグラフの縦軸は、層構造の動作に要する電流密度Ｊｃ［Ａ／ｍ２］を示し、グラフの横軸は、複数の第１の強磁性層１間に導入する強磁性相互作用Ａｅｘ［×１０１２・Ｊ／ｍ］の大きさを示している。数値シミュレーションでは、横軸に示す強磁性相互作用Ａｅｘの大きさをフリーパラメータとして、縦軸に示す動作に要する電流密度Ｊｃの大きさを計算する。
　数値シミュレーションの条件は次の通りである。シミュレーションのパラメータは、典型的なＭＲＡＭの材料を仮定している。
［層の形状およびサイズ］
　それぞれの層（レイヤー）は、１ｎｍ×１ｎｍ×１ｎｍのセルで構成された、直径が２０ｎｍで厚さが３ｎｍの円盤形状である。
［層の数および層構造］
　図６に示す層構造であり合計１２層である。それぞれの層についての材料パラメータは次の通り。ここで、Ｍｓは飽和磁化の大きさを意味し、Ｋｕは磁気異方性の大きさを意味し、Ａｅｘは強磁性相互作用の大きさを意味する。磁壁層におけるＫｕの値がゼロであるので、磁壁は記録層ではなく磁壁層にトラップされる。これにより、磁壁位置の制御性が向上する。
・レイヤー３，５，７，９，１１（磁壁層）
　Ｍｓ＝８×１０５［Ａ／ｍ］、Ｋｕ＝０
　磁壁層は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子１０における境界層２に対応する。磁壁層に導入するＡｅｘは、シミュレーションにおけるフリーパラメータであり、図７に示すグラフの横軸に対応している。
・レイヤー２，４，６，８，１０，１２（記録層）
　Ｍｓ＝８×１０５［Ａ／ｍ］、Ｋｕ＝１×１０６［Ｊ／ｍ３］、Ａｅｘ＝１×１０－１１［Ｊ／ｍ］
　記録層は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子１０における第１の強磁性層１に対応する。
・レイヤー１（ピン層）
　Ｍｓ＝８×１０５［Ａ／ｍ］、Ｋｕ＝１×１０７［Ｊ／ｍ３］、Ａｅｘ＝１×１０－１１［Ｊ／ｍ］
　ピン層は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子１０における第２の強磁性層３に対応する。
　図７に示すグラフについて考察する。数値シミュレーションの結果を示す図７のグラフにおいて、強磁性相互作用Ａｅｘの値がゼロの場合は、動作電流密度Ｊｃの大きさは約１０１４であり、強磁性相互作用Ａｅｘが導入されていない従来の磁気メモリ素子では、動作電流密度Ｊｃの大きさは１０１４のオーダである。これに対し、複数の第１の強磁性層１間に強磁性相互作用Ａｅｘが導入される、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ素子１０では、動作電流密度Ｊｃの大きさは１０１０のオーダである。このことから、複数の第１の強磁性層１間に強磁性相互作用Ａｅｘを導入することにより、動作電流密度Ｊｃを従来から最大で約１００００分の１程度の大きさに、または少なくとも約１００分の１程度の大きさに低減することが可能となる。動作電流密度Ｊｃが低減すると、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性は改善される。
　以上、本発明によると、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性を改善した磁気メモリ素子の層構造および当該層構造を備える磁気メモリ素子を提供することができる。一実施形態に係る磁気メモリ素子１０の層構造９では、境界層２は、複数の第１の強磁性層１間に強磁性相互作用Ａｅｘを生じさせる。複数の第１の強磁性層１間に強磁性相互作用Ａｅｘが生じていることにより、磁気メモリ素子１０において、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性は改善される。
［その他の形態］
　以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。
　磁気メモリ素子１０が備えるメモリセルの数は４つに制限されず、磁気メモリ素子１０はより多くの複数のメモリセルを備えることができる。
　上記した実施形態では、境界層２は非磁性体を用いて形成されているが、境界層２の材料は非磁性体に限定されない。磁壁を構成する境界層２は、第１の強磁性層１とは異なる種類の強磁性体または異なる組成の強磁性体を用いて形成してもよい。例えば、ＣｏＦｅＢ合金を用いて第１の強磁性層１を形成し、コバルトの単体金属を用いて境界層２を形成することができる。このような場合には、境界層２は、上記した実施形態に係る磁気メモリ素子１０において、第４の強磁性層と表現することができる。境界層２の材料として用いることが可能な強磁性体の例としては、Ｎｉ１－ｘＣｕｘ合金や、Ｃｏ１－ｘＣｕｘ合金、Ｃｏ１－ｘＰｔｘ合金を例示することができる。上述したように、これらＮｉ１－ｘＣｕｘ合金およびＣｏ１－ｘＰｔｘ合金は、合金の組成比を制御することにより、合金のキュリー温度Ｔｃを制御して、合金が強磁性体および常磁性体のどちらの性質を示すのかを制御することができ、強磁性相互作用Ａｅｘの大きさを制御することができる。よって、強磁性体の性質を示しかつ適切な強磁性相互作用Ａｅｘの大きさを有するように組成比が制御されたこれら合金を、境界層２の材料として用いることができる。
　上記した実施形態では、磁気メモリ素子１０からのデータの読み出しは破壊読み出し方式であるが、絶縁膜５および第３の強磁性層６の配置を変更することにより、データの読み出しを非破壊読み出し方式にすることができる。例えば、層構造９の高さ方向の中央に、層構造９と同心のリング状に形成した第３の強磁性層６を配置し、層構造９の壁と第３の強磁性層６との間に、絶縁膜５を配置することができる。このような構造によると、第３の強磁性層６の下方に位置する層構造９内の第１の強磁性層１は、データバッファとして機能することができる。
　上記した実施形態では、磁気メモリ素子１０からデータを読み出す際に、パルス状の磁壁駆動電流Ｉｄによりメモリセル１つ分ずつデータを移動させて、メモリセルに記憶されている値を、磁気トンネル接合において１つずつ読み出しているが、磁気メモリ素子１０からデータを読み出す手順はこれに限定されない。パルス状の磁壁駆動電流Ｉｄを複数流すことにより、複数のメモリセルに記憶されている複数のデータを一気に移動させて、磁壁駆動電流Ｉｄを利用して、磁気トンネル接合において複数のデータをシーケンシャルに読み出すこともできる。データの読み出しを電流により行う場合には、磁壁駆動電流Ｉｄの大きさの時間変化を利用することができ、磁壁駆動電流Ｉｄの大きさが時間変化しない場合には、磁気トンネル接合の電圧の大きさの時間変化を利用することができる。
　上記した実施形態では、磁気メモリ素子１０は絶縁膜５を備えており、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）効果により第１の強磁性層１ｄのスピン状態を読み出しているが、第１の強磁性層１ｄのスピン状態を読み出す方法はこれに限定されない。例えば、絶縁膜５に代えて銅などの非磁性金属の層を磁気メモリ素子に設け、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）効果により第１の強磁性層１ｄのスピン状態を読み出してもよい。スピン状態の読み出しにＧＭＲ効果を利用することにより、比較的大きな電流を流すことが可能となる。
　上記した実施形態では、磁気メモリ素子１０の構造は、種々の層を垂直方向に積層した三次元の立体構造であるが、磁気メモリ素子の構造は、種々の層に相当する領域を水平方向に並べて平面上に実装した構造とすることもできる。特許請求の範囲に記載する層構造とは、種々の層を垂直方向に積層した三次元の立体構造のみを意味するのではなく、種々の領域をこのように水平方向に並べて平面上に実装した構造をも意味する。
１（１ａ～１ｄ）　第１の強磁性層
２　境界層
３　第２の強磁性層
４　第１の電極
５　絶縁膜
６　第３の強磁性層
７　第２の電極
９　層構造
１０　磁気メモリ素子
１１～１３　端子
１４　電流源
１５　センサ
１６　メモリコントローラ
１７　データバス
１８（１８ａ，１８ｂ）　スイッチ
２０　磁気メモリ装置
４１　スピン軌道トルク層
４２（４２ａ，４２ｂ）　底部電極
Ａｅｘ　強磁性相互作用
Ｉｄ　磁壁駆動電流
Ｉｗ　書込電流
Ｉｒ　読み出し電流 

Claims (8)

  1. 　スピン状態が切り替え可能な複数の第１の強磁性層と、
    　複数の前記第１の強磁性層間に配置されて磁壁を構成する境界層と、
    を備え、
    　前記境界層は、複数の前記第１の強磁性層間に強磁性相互作用を生じさせる、磁気メモリ素子の層構造。
  2. 　前記境界層は非磁性体を用いて形成されている、請求項１に記載の層構造。
  3. 　前記境界層は、前記第１の強磁性層とは異なる強磁性体を用いて形成されている、請求項１に記載の層構造。
  4. 　請求項１から３のいずれか一項に記載の層構造と、
    　一方の前記第１の強磁性層の側に、前記境界層を挟んで配置される、スピン状態が切り替え可能な第２の強磁性層と、
    　前記第２の強磁性層に隣接して配置され、スピン軌道トルクにより前記第２の強磁性層の前記スピン状態を切り替えるための第１の電極と、
    　前記一方から最も離れた他方の前記第１の強磁性層の側に配置される第２の電極と、を備える、磁気メモリ素子。
  5. 　前記第２の強磁性層は、前記第１の強磁性層よりも高い保磁力を有している、請求項４に記載の磁気メモリ素子。
  6. 　前記一方から最も離れた他方の前記第１の強磁性層と前記第２の電極との間に配置される絶縁膜と、
    　前記絶縁膜と前記第２の電極との間に配置される、スピン状態が固定された第３の強磁性層と、
    をさらに備え、
    　前記第２の電極を介して、前記他方の前記第１の強磁性層の前記スピン状態が読み出される、請求項４または５に記載の磁気メモリ素子。
  7. 　請求項６に記載の磁気メモリ素子と、
    　前記第１の電極内および前記第２の電極から前記第１の電極に電流を流す電流源と、
    　前記磁気メモリ素子に記憶されている、スピン状態で表されるデータを読み取るセンサと、
    を備える、磁気メモリ装置。
  8. 　請求項４から６のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子へスピン状態で表されるデータを記憶する方法であって、
    　前記第１の電極内に電流を流して、スピン軌道トルクにより前記第２の強磁性層のスピン状態を設定する工程と、
    　前記第２の電極と前記第１の電極との間に電流を流して、スピントランスファートルクにより前記第２の強磁性層の前記スピン状態を一方の前記第１の強磁性層へ移行させる工程と、
    を含む、磁気メモリ素子へデータを記憶する方法。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002208681A (ja) * 2001-01-11 2002-07-26 Canon Inc 磁気薄膜メモリ素子、磁気薄膜メモリおよび情報記録方法
JP2012212715A (ja) * 2011-03-30 2012-11-01 Toshiba Corp 磁気記憶素子、磁気記憶装置、磁壁移動方法
JP2018026481A (ja) * 2016-08-10 2018-02-15 Tdk株式会社 磁気抵抗効果素子、熱履歴センサおよびスピングラス利用型磁気メモリ
WO2019203132A1 (ja) * 2018-04-18 2019-10-24 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ装置並びに磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法
JP2019204948A (ja) * 2018-05-16 2019-11-28 Tdk株式会社 スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002208681A (ja) * 2001-01-11 2002-07-26 Canon Inc 磁気薄膜メモリ素子、磁気薄膜メモリおよび情報記録方法
JP2012212715A (ja) * 2011-03-30 2012-11-01 Toshiba Corp 磁気記憶素子、磁気記憶装置、磁壁移動方法
JP2018026481A (ja) * 2016-08-10 2018-02-15 Tdk株式会社 磁気抵抗効果素子、熱履歴センサおよびスピングラス利用型磁気メモリ
WO2019203132A1 (ja) * 2018-04-18 2019-10-24 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ装置並びに磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法
JP2019204948A (ja) * 2018-05-16 2019-11-28 Tdk株式会社 スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ

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