(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリー層と、ピン層と、該フリー層及び該ピン層に挟まれた非磁性層とを有するスピンバルブ構造と、
前記非磁性層とともに前記フリー層を挟むように配置された別の非磁性層と、
前記フリー層とともに前記別の非磁性層を挟むように配置され、温度に応じて磁気特性が変化する磁気変化層と
を備え、前記スピンバルブ構造には、形状の異なる切欠を１つ含む複数の切欠が周縁部に設けられており、前記磁気変化層に、前記磁気変化層の温度変化により膜面内方向から斜めの磁化変化をもたらして前記フリー層の磁化パターンを初期化するような第１の電気パルスと、前記第１の電気パルスに続く第２の電気パルスとを備える単極性電気パルスを印加し、前記第２の電気パルスは前記フリー層に生じさせる回転磁化パターンの渦の中心を所望の位置に指定するパルス高さを備え、前記第２の電気パルスによって前記フリー層に生じた前記回転磁化パターンの渦の中心の位置により情報を記録することを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項２】
前記形状の異なる切欠の延びる方向と前記ピン層の磁化の向きとが互いに直交していることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３】
前記磁気変化層がアモルファス希土類遷移金属合金薄膜からなることを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４】
前記磁気変化層は、膜面内かつ形状の異なる切欠の延びる方向に沿った向きの磁化をある温度において示し、当該温度から昇温することにより磁化に膜面に垂直な成分が生じることを特徴とする請求項３に記載の磁気メモリ素子。
【請求項５】
前記磁気変化層が、磁気補償温度Ｔｃｏｍｐを磁気メモリ素子の記憶保持動作温度域に有するＮ型フェリ磁性体であることを特徴とする請求項３に記載の磁気メモリ素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の磁気メモリ素子を駆動する駆動方法であって、前記第１の電気パルスと前記第２の電気パルスを備える前記単極性電気パルスを印加することにより情報を記録することを特徴とする磁気メモリ素子の駆動方法。
【請求項７】
情報を記憶するに用いる前記単極性電気パルスが互いに異なる高さの２つ以上の電気パルスを備え、前記第２の電気パルスの高さを変えることにより異なる情報を記録することを特徴とする請求項６に記載の磁気メモリ素子の駆動方法。
【請求項８】
磁気メモリ素子の記録状態によらず、記録される多値情報と、該多値情報の記録を行うための単極性電気パルスの種類とが互いに１対１に対応することを特徴とする請求項７に記載の磁気メモリ素子の駆動方法。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれかに記載の磁気メモリ素子と、
該磁気メモリ素子に直列に接続した整流素子と、
前記磁気メモリ素子を駆動するために、前記単極性電気パルスを生成する情報書換え手段と、
前記磁気メモリ素子を流れる電流量から記憶された情報を読出す手段と
を備えてなることを特徴とする不揮発記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的手段によって情報を記憶可能な磁気メモリ素子とその駆動方法及び不揮発記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラッシュメモリに代表される不揮発半導体記憶装置は、その記憶容量の大容量化が著しく、３２Ｇバイト程度の容量の製品リリースがアナウンスされるに至っている。不揮発半導体記憶装置は、特にＵＳＢメモリや携帯電話用のストレージとしての商品価値が増しており、携帯音楽プレイヤー用ストレージとしても耐振動性や高信頼性、また低消費電力といった固体素子メモリならではの原理的な優位性を生かして採用されるとともに、上記の音楽及び画像用の携帯型或いは可搬型商品用ストレージとして主流になりつつある。【０００３】
また、上記のストレージ向け応用とは別に、現在情報機器のメインメモリとして使用されているＤＲＡＭを不揮発にすることによって、使用時には瞬時に起動し待機時には消費電力を限りなく零とするようなコンピュータ、所謂「インスタントオンコンピュータ」実現に向けた研究も精力的に行われている。このためには、ＤＲＡＭとして要求される、（１）スイッチング速度（＜５０ｎｓ）、（２）書換え回数（＞１０１６）、を満足し、なおかつ不揮発なメモリが必要と言われている。【０００４】
このような次世代不揮発半導体記憶装置の候補として強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）、磁気メモリ（ＭＲＡＭ）、相変化メモリ（ＰＲＡＭ）等、夫々独自の原理に基づく不揮発性メモリ素子の研究開発が行われているが、上記のＤＲＡＭ置換えの仕様を満たす候補はＭＲＡＭしかないと考えられている。但し、上記仕様として挙げられている書換え回数（＞１０１６）は３０ｎｓで１０年間のアクセス回数を想定したものであり、不揮発な場合にはリフレッシュサイクルが不要となるためこれほどの回数は不要である。既にＭＲＡＭは、試作レベルではあるが、１０１２以上の書換え回数性能をクリアしていること、および、スイッチング速度が高速（＜１０ｎｓ）であることから、他の不揮発記憶装置の候補技術と比較して最も有望な技術と目されている。【０００５】
このＭＲＡＭの一番の問題点はセル面積とビットコストである。現在商品化されている小容量４Ｍｂｉｔ程度のＭＲＡＭは電流磁場書換え型でありセル面積が２０〜３０Ｆ２（Ｆは製造プロセスの最小加工寸法）以上の大きな面積が必要であり、ＤＲＡＭの置換え技術とするには現実味がなかった。しかしながら２つのブレークスルーが状況をかえつつある。ひとつはＭｇＯトンネル絶縁膜を用いたＭＴＪ（磁気トンネル接合）であり、２００％以上の磁気抵抗比が容易に得られるようになっている（非特許文献１）。もう一つは、電流注入磁化反転方式である。電流磁場書換え方式においては致命的であった微細セルでの反転磁場増大の問題を回避可能とし、逆にスケーリングによる書込みエネルギーの低減を可能とする技術である。この電流注入磁化反転方式により、メモリセルの選択スイッチ素子としてトランジスタを用いるとすれば、セル面積も理想的には１ＭＴＪあたり１トランジスタを用いる構成（「１トランジスタ１ＭＴＪ」という）が可能となるため６〜８Ｆ２となり、ＤＲＡＭ並みになると想定されている（非特許文献２）。さらには、フラッシュメモリなみの小セル面積（〜４Ｆ２）を目指した１ＭＴＪあたり１ダイオードを用いる構成（「１ダイオード１ＭＴＪ」）の提案もなされている（特許文献１）。この１ダイオード１ＭＴＪ構成とすることができればクロスポイント型メモリが実現し、上述のような小さいセル面積が実現する。そして、磁化の方向が積層方向にほぼ固定されている駆動層を設けた素子では、電流の極性が一方のみであるようにすることでトランジスタを２種類から１種類に減らすことにより回路の簡素化を図り、１トランジスタ１ＭＴＪ回路でＤＲＡＭと同等のセルサイズにまでの縮小を行うという提案もある（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００４−１７９４８３号公報
【特許文献２】特開２００６−１２８５７９号公報
【非特許文献１】Ｄ．Ｄ．Ｄｊａｙａｐｒａｗｉｒａ他、”２３０％  ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏ１．８６，０９２５０２，  ２００５年
【非特許文献２】Ｊ．Ｈａｙａｋａｗａ他、”Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｉｎ  ＭｇＯ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ  ｗｉｔｈ  ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ  ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ｆｅｒｒｉｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｒｅｅｌａｙｅｒ”，  Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ＡｐＰｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏ１．４５，  Ｌ１０５７−Ｌ１０６０，２００６年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記１ダイオード１ＭＴＪに関する提案（非特許文献２）では、ダイオードを介した順方向バイアスと逆バイアス下でのリーク電流によりスイッチングを行うものとなっている。すなわち、この提案では、電流の極性によりスイッチングを行うという原理に変わりはなく、順方向バイアスと逆バイアス下でのリーク電流によりスイッチングを行うものである。しかしながら、本来、ダイオードは書き込み、消去、読み出し動作においてＭＴＪの選択をディスターブなしに行うために形成しているのであり、逆バイアス下でのリーク電流をスイッチング動作原理とする上記提案はその原理に反したものである。すなわち、逆バイアス下においては素子選択スイッチのない単純マトリクス型の回路によってアドレスされるメモリと同様にディスターブ（クロストーク）の問題が発生するため、高集積化素子の実現は不可能である。このように、最小セル面積４Ｆ２を有する１ダイオード１ＭＴＪによるクロスポイント型メモリを実現するためには、電流の極性によるスイッチングを動作原理とするこれまでの電流注入磁化反転方式自体が本質的な課題となっていた。また、特許文献２に記載の、磁化の方向が積層方向にほぼ固定されている駆動層を設けた素子による１トランジスタ１ＭＴＪ回路の提案は、駆動層からフリー層へのスピン注入によりスピンプリセッションを誘起しスイッチングを行う方式であり、記憶素子に流す時間を変えることにより「０」及び「１」の情報の記録を行うものである。しかしながら、スピンプリセッションの周期から決まる電流供給時間を制御するこの方式には、素子形状のばらつきやパルス幅のばらつきにより容易にエラーが発生すると考えられ、実現は困難である。【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、単極性の電気パルスによりスイッチング可能な磁気メモリ素子とその駆動方法によりＤＲＡＭのセル面積を凌ぎフラッシュメモリと同等のセル面積４Ｆ２を、さらに多値記録によりそれ以上の高密度化を実現する不揮発記憶装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の発明者等は、スピンプリセッションを用いる方式の原理に立ち返り、上記課題を吟味することにより、以下に示す磁気メモリ素子とその駆動方法及び不揮発記憶装置の発明に至った。【０００９】
即ち、本発明の磁気メモリ素子は、上記の課題を解決するために、フリー層と、ピン層と、該フリー層及び該ピン層に挟まれた非磁性層とを有するスピンバルブ構造と、前記非磁性層とともに前記フリー層を挟むように配置された別の非磁性層と、前記フリー層とともに前記別の非磁性層を挟むように配置され、温度に応じて磁気特性が変化する磁気変化層とを備え、前記スピンバルブ構造には、形状の異なる切欠を１つ含む複数の切欠が周縁部に設けられていることを特徴とする磁気メモリ素子が提供される。ここで、スピンバルブ構造とは磁性層（ピン層）／非磁性層／磁性層（フリー層）からなる構造であり、ピン層はフリー層よりも磁化配置が変化しづらくなるようにしてある。磁場によるスイッチングの場合にはピン層には反強磁性層が近接して配置されていて、その反強磁性層との間での交換結合によりピン層の保磁力を増大させる手法などがよく用いられている。これによって、例えば、ある大きさの外部磁場を印加した際にピン層の磁化配置は変化せず、フリー層の磁化配置がピン層の磁化配置に対してなす角度が相対的に変化する。本発明の磁気メモリ素子においては、それに対応して抵抗値が変わる現象（平行配置で抵抗が最も低く、反平行配置で抵抗が最も高くなる現象）を利用する。また、非磁性層は強磁性層間（ピン層とフリー層との間）の磁気結合を切断する役割を果たしており、金属が用いられた場合には巨大磁気低抗（ＧＭＲ）素子として、また、絶縁体が用いられた場合にはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子として動作する。但し、電流でスイッチングを行う場合にはピン層は必ずしも保磁力（Ｈｃ）あるいは磁気異方性（Ｋｕ）が大きい必要はなくむしろ磁化（Ｍｓ）が十分大きくスピンの才差運動が起こりにくいことが重要となることを断っておく。また、切欠はスピンバルブ構造だけでなく、同時に磁気変化層とそれに接する非磁性層を加工してもよい。なお、本明細書全般に、層の間に記載した斜線（／）の記号は、その前後の層がその順に積層されていることを示している。【００１０】
上記特徴の磁気メモリ素子によれば、後述する駆動方法により磁気変化層から発生する磁場であって、切欠と平行あるいは反平行な面内成分と垂直成分とからなる磁場がフリー層へ作用する。このとき、形状の異なる切欠があることによって、ピン層からのスピン注入によりフリー層の磁化に渦状の部分（ｖｏｒｔｅｘ）を発生させフリー層の磁化をスイッチさせることが可能となる。【００１１】
また、本発明の磁気メモリ素子は、前記形状の異なる切欠の延びる方向とピン層の磁化の向きとが互いに直交していることを特徴とする。【００１２】
上記特徴の構成によれば、読み出し時に、ピン層と平行（最小抵抗値ＲＬ）、ピン層と垂直（中間抵抗値ＲＭ）、および、ピン層と反平行（最大抵抗値ＲＨ）という３状態を異なる記憶状態とする３値を割り当てることが可能となり、多値記録が可能となる（切欠を９０度間隔で４つ形成した場合）。【００１３】
また、本発明の磁気メモリ素子は、前記磁気変化層がアモルファス希土類遷移金属合金薄膜からなることを特徴とする。【００１４】
そして、本発明の磁気メモリ素子は、前記磁気変化層は、膜面内かつ形状の異なる切欠の延びる方向に沿った向きの磁化をある温度において示し、当該温度から昇温することにより磁化に膜面に垂直な成分が生じることを特徴とする。【００１５】
さらに、本発明の磁気メモリ素子は、前記磁気変化層が、磁気補償温度Ｔｃｏｍｐを磁気メモリ素子の記憶保持動作温度域に有するＮ型フェリ磁性体であることを特徴とする。【００１６】
上記特徴の構成によれば、スピンバルブ素子の作製の際の下地にかかわらず、容易に製作することが可能であり、電気パルスの印加による昇温過程でフリー層への斜め方向の磁場印加が可能となる。さらに記憶保持動作温度近傍に磁気補償温度があれば電気パルスを印加しない場合（記憶保持動作の場合）にはフリー層へ余計な磁場の印加をせずにデータの安定性を保つことが可能となる。このような材料としては昇温により面内磁化から垂直磁化へと磁化方向がかわるＧｄＦｅＣｏやＴｂＦｅＣｏが好適である。尚、Ｎ型フェリ磁性体とは反平行な２種類の磁化Ａ，Ｂが存在し（例えばＴｂＦｅＣｏの場合、Ｔｂの磁化とＦｅＣｏの磁化の２種類）、これらの温度依存性が異なるため見かけ上の磁化（Ａ−Ｂ）が消失する磁気補償温度Ｔｃｏｍｐが存在する物質である。
【００１７】
また、本発明の磁気メモリ素子の駆動方法は、上記いずれかの磁気メモリの素子駆動方法であり、単極性電気パルスを印加することにより情報を記録することを特徴とする。【００１８】
上記特徴の構成によれば、別途配線を設けることなく電流注入磁化反転用の電気パルスのみによってフリー層へ磁界を印加してピン層からのスピン注入により回転磁化（ｖｏｒｔｅｘ）モードを誘起し、フリー層のスイッチングが可能となる。【００１９】
また、本発明の磁気メモリ素子の駆動方法は、情報を記憶するに用いる単極性電気パルスが互いに異なる高さの２つ以上のパルスからなり、２つ目のパルス高さを変えることにより異なる情報を記録することを特徴とする。【００２０】
上記特徴の構成によれば、素子への電流供給時間ではなくパルス高さ（電圧値あるいは電流値）により記録内容を書き換えることが可能となるため制御方法が容易になりエラーなく情報の記録が可能となる。【００２１】
また、本発明の磁気メモリ素子の駆動方法は、磁気メモリ素子の記録状態によらず、記録される多値情報と、該多値情報の記録を行うための単極性電気パルスの種類とが互いに１対１に対応することを特徴とすることを特徴とする【００２２】
上記特徴の構成によれば、書き込み前に記憶内容の読み出し動作を不要とし、記憶内容によって書き込み用パルスを変更することなくダイレクトに多値情報を記録することが可能となり、高速な多値記録が実現される。【００２３】
本発明の不揮発記憶装置においては、上記いずれかの磁気メモリ素子と、該磁気メモリ素子に直列に接続した整流素子と、上記いずれかに記載の駆動方法による情報書換え手段と、磁気メモリ素子を流れる電流量から記憶された情報を読出す手段とを備えてなることを特徴とする不揮発記憶装置が実現される。【００２４】
上記特徴の不揮発記憶装置によれば、単極性の電気パルスによりスイッチングが可能となるため１ダイオードと１ＭＴＪからなるメモリセルが構成可能となりフラッシュメモリと同等のセル面積４Ｆ２を、さらに多値記録によりそれ以上の高密度化を実現する不揮発記憶装置を提供する。従って、高速動作、高い書換え回数性能を備えた不揮発記憶装置を高密度に基板上に集積できるため高性能な不揮発記憶装置を低コストで提供できる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の磁気メモリ素子及びその駆動方法を備えた不揮発記憶装置は、以上のように、パルス高さを変えた単極性の電気パルスにより制御性よく多値記録が可能であり１ダイオードと１ＭＴＪからなる４Ｆ２のみならず、より以上の高密度化を実現可能とする。これにより、低コストで高性能、高集積な不揮発記憶装置が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る形状の異なるノッチを含む複数のノッチ（４つ）が外周に設けられたスピンバルブ構造を模式的に示す図。
【図２】本発明に係る磁気メモリ素子の断面図。
【図３】本発明に係る磁気メモリ素子の磁気変化層に用いるＧｄＦｅＣｏの磁化（大きさと向き）と温度の関係を模式的に示す図。
【図４】本発明に係る磁気メモリ素子の駆動方法である、電気パルスとその印加による低抗値（ＲＬ、ＲＭ、ＲＨ）及びフリー層の回転磁化の変化、そしてスピンバルブ構造におけるピン層とフリー層の相対関係を示す図。
【図５】本発明に係る不揮発記憶装置の実施例であるクロスポイント型メモリセルアレイを構成する磁気メモリ素子と整流素子を模式的に示す図。
【図６】本発明に係る不揮発記憶装置の実施例であるクロスポイント型メモリセルアレイを模式的に示す図。
【符号の説明】
【００２７】
１  基板
２  下部電極（Ｃｕ／Ｔａ）
３  ピン層（ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎ）
４  非磁性層（ＭｇＯトンネル絶縁膜）
５  フリー層（ＣｏＦｅＢ）
６  非磁性層（Ｐｔ）
７  磁気変化層（ＧｄＦｅＣｏ）
８  層間絶縁膜（ＳｉＯ２）
９  上部電極（Ｃｕ／Ｔａ）
１０  メモリセル
１１  整流素子
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
［第１実施形態］
本発明の実施形態として、本発明のスピンバルブ素子と該素子の駆動方法を図１〜図４に基づいて説明する。【００２９】
電流注入磁化反転方式は電流の極性によりフリー層の磁化を反転させる方式である。フリー層とピン層の磁化を平行にする動作は、フリー層側から電流を流す、即ちピン層側から非磁性層を介してスピン偏極した電子をフリー層に注入することによって実現される。逆に反平行にするためには、ピン層側から電流を流す、即ちフリー層側から非磁性層を介してスピン偏極した電子をピン層側に注入する。この時、ピン層と平行な電子のみ透過しピン層と平行でないスピンを有する電子は反射されフリー層に蓄積される結果、フリー層の磁化はピン層と反平行配置になると考えられる。すなわち、電流注入磁化反転方式は、局在スピンを含めた角運動量が保存するように電子を注入する方式である。【００３０】
一方、ピン層のスピン角運動量とは独立にフリー層の磁化を回転させることが可能であり、これはスピンプリセッション方式と呼ばれる。この方式を用いた場合には電気パルスは単極性であってよいため、磁気メモリ素子を構成する際に必要となる選択スイッチとしてトランジスタではなく整流素子が利用可能となる。従ってセルサイズが４Ｆ２と原理的には最小の面積のクロスポイント型メモリが実現可能となる。さらに多値記録を実現できれば等価的に４Ｆ２を上回る高密度化が可能となる。【００３１】
本発明者らは、スピンプリセッション方式によって多値の記録が可能であることを見出した。この動作を、形状の異なる切欠（切欠）を１つ含む複数の切欠が周縁部に設けられたスピンバルブ構造を用いることによって説明する。ここでは図１に示すようにほぼ円形の面内形状を有し、４つの矩形の切欠ＮＳ、ＮＥ、ＮＮ、ＮＷが設けられたスピンバルブ構造を用いて説明を行う。【００３２】
切欠ＮＳ、ＮＥ、ＮＮ、ＮＷの形状を矩形とし、９０度間隔で４つ周縁部に形成した場合を説明する。ここで切欠を指定するために東西南北の記号（順に、Ｅ、Ｗ、Ｓ、Ｎと略記する）を導入する。図１に示したようにＳ位置の切欠ＮＳだけ長くしている。スピンバルブ素子の大きさは、直径１００ｎｍを厚み２０ｎｍとし、切欠寸法は幅１２．５ｎｍ、Ｓ位置のものは２８ｎｍ、他は長さ２５ｎｍとする。【００３３】
図２は上記スピンバルブ構造を含む磁気メモリ素子の断面図である（切欠は省略してある）。基板１上に下部電極２（Ｃｕ／Ｔａ）とピン層３（ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎ）、非磁性層としてトンネル絶縁膜４（ＭｇＯ）、フリー層５（ＣｏＦｅＢ）、非磁性金属層５（Ｐｔ）、磁気変化層７（ＧｄＦｅＣｏ）を順次形成する。そして、Ａｒイオンミリングなどの手法により直径１００ｎｍの接合サイズに加工し、その際に周縁部に上記切欠を形成する。層間絶縁膜８（ＳｉＯ２）を形成した後に、接合部及び下部電極へのコンタクトホール８Ａを介して上部電極９（Ｃｕ／Ｔａ）を形成する。このときピン層３の磁化方向は形状の異なる切欠と直交する、すなわち東西方向であり、ここでは西（Ｗ）から東（Ｅ）へと向いていることとする。また、磁気変化層の磁化の向きは南北方向、南（Ｓ）から北（Ｎ）へと向くようにした。このような磁化の向きは、まずピン層３の磁化方向に磁場をかけてアニールをした後、磁場を下げて磁気変化層７の方向を揃える手順により実現できる。なぜならば磁気変化層７はピン層３のように磁化がピン止めされていないからである。【００３４】
図３は磁気変化層７に用いるＧｄＦｅＣｏの磁気特性を示したものである。温度上昇によって磁化が小さくなるにつれて、面内から斜め、最後には垂直方向へと磁化方向が変化する。これは、Ｇｄが希土類元素で最も磁気モーメントが大きいため反磁界が大きく、キュリー温度（Ｔｃ）近傍でトータルの磁化が小さくなるまでは磁化は面内にあること、および、温度上昇に伴い垂直磁化成分が発生することにより、結果として温度上昇の際には磁化方向が膜面に斜めとなるためである。磁気変化層の温度上昇にはスピン注入磁化反転に用いる電気パルスをそのまま利用する。スピン注入磁化反転に用いるような微細な接合に電気パルスを印加すると、微小領域の電流加熱による昇温が発生することからこれを熱源として利用するのである。従って、磁場発生用に別途配線を設ける必要などはないため高密度化に際して障害はない。尚、このような微小接合での昇温・冷却速度は素子構造にもよるが一般にナノ秒以下にできることがわかっているため素子動作速度がこれらに影響されることはない。【００３５】
続いて、本実施の形態の磁気メモリ素子の駆動方法を説明する。図４Ａに、本発明の駆動方法である２つ以上のパルスから構成される単極性電気パルスＰ０Ｐ１、Ｐ０Ｐ２、Ｐ０Ｐ３と、そしてこれらの電気パルスを印加した後の読み出しの際の抵抗値（ＲＬ、ＲＭ、ＲＨ）を示し、図４Ｂ１〜Ｂ３に、電気パルス印加によりフリー層に形成される磁化パターンの模式図を示し、そして図４Ｃ１〜３にスピンバルブ構造のピン層に対するフリー層の磁化方向をあわせて示している。【００３６】
図４Ａに示すように、電気パルスはダイオードを選択素子として直列接続した場合にも駆動できるように単極性のものを用いる。図４Ａに示したそれぞれのパルス列の最初のパルスＰ０は磁化の回転（プリセッション）をフリー層５に生じさせるためのものである。このパルス印加時に磁気変化層の温度が上昇し、磁化方向が膜面内方向から斜めとなるようにする。これにより、フリー層５には、ピン層３からスピンが注入され、それと同時に磁気変化層７から、面内にはＳ→Ｎ向きで垂直方向にも成分を有する磁場が印加される。このため、フリー層５には渦状の磁化（ｖｏｒｔｅｘ）が誘起され、パルスを印加する時点でのフリー層の磁化パターンがどのようなものであっても、一旦、回転（プリセッション）を続ける状態への初期化が行われる。そして、それに続くパルス高さによりフリー層の磁化パターンをスイッチングする。図４ＡのパルスＰ１〜Ｐ３を印加した後に生じる磁化のパターンはそれぞれ図４Ｂ１〜Ｂ３に示している。このように、渦状の回転磁化パターンを渦の位置によって特定すると、渦がＳ位置の切欠を中心とするとき（図４Ｂ１）、Ｅ位置の切欠を中心とするとき（図４Ｂ２）、そしてＮ位置の切欠を中心とするとき（図４Ｂ３）という順に、二つ目のパルスに必要な電圧（電流）値が変わる。このように、本発明の実施形態では、いわば、スピンプリセッション方式でありながら電気パルスのパルス幅ではなくパルス高さでスイッチングを可能とする方式が実現する。スピンプリセッションの周期に対応した記録パルスを制御することは様々なばらつきから容易ではないが、パルス高さ（電圧値あるいは電流値）ならば比較的容易であり、スイッチングエラーのない情報記録が可能となる。  なお、本発明において記憶保持動作温度域とは、磁気変化層が示しうる温度のうち、パルスＰ０を印加して書込み動作をするときの磁気変化層の温度より低いスピンバルブ素子によって情報を記憶するために利用するときの磁気変化層の温度の範囲を指している。このため、例えば、読み出しのために流す電流によって磁気変化層に温度上昇が見られたとしても、そのときの温度が書込み動作をするときの温度より低く、記憶を保持したままのものである限り、その温度は記憶保持動作温度域の範囲である。【００３７】
このフリー層の磁化パターンは図４Ｂ１〜Ｂ３の順にピン層と平行、垂直、反平行となることからトンネル磁気抵抗として読み出される抵抗値はＲＬ（低）、ＲＭ（中）、ＲＨ（大）となり３値（多値）記録が可能であることがわかる。【００３８】
また、本発明の駆動方法では必ず初期化モードを伴うため、多値記録の場合においてもその記録状態を一旦読み出してから記録パルスを変更するような手続きは不要であり読み出し速度が高速に行われるという利点もある。【００３９】
以上説明したように、本発明の磁気メモリ素子とその駆動方法により単極性電気パルスのパルス高さにより多値記録が可能となる。尚、本実施形態で例示した本発明素子の構成例として示した材料や形成方法は、上記実施形態に限定されるものではない。【００４０】
［第２実施形態］
次に、本発明素子をメモリセルとして使用した不揮発記憶装置（本発明装置）の構成例について図５及び図６を用いて説明する。【００４１】
図５は本発明に係る不揮発記憶装置の一実施例であるクロスポイント型メモリセルアレイを構成する磁気メモリ素子を可変抵抗１０によって模式的に示している。既に説明したように本発明の磁気メモリ素子とその駆動方法により単極性の電気パルスでのスイッチングが可能となる。そこで素子の選択スイッチとして整流素子１１（ここではダイオードを例示した）を直列に接続し上部電極、下部電極をアレイ状に形成することによりクロスポイント型メモリが形成される。このようにして構成した不揮発性記憶装置の構成を図６に示している。例えば、あらかじめＳｉ基板上にダイオードを形成しその上部に本発明の磁気メモリ素子を形成することが可能である。正極性の電気パルスをフリー層側から印加することで効率的にスイッチングを行うことが可能である。【００４２】
また、本発明の磁気メモリ素子作製に必要なプロセス温度はアニール温度として必要な３５０℃程度以下であり下部に形成する電気パルス供給用のトランジスタやセル選択スイッチ用に形成するダイオードの性能を損なうことはない。また配線も上記アニール温度には耐えるためこの組み合わせを３次元的に積層しメモリ容量を増加させることも可能である。【００４３】
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形、変更および組合わせが可能である。
【図１】
0005387990.tif 000002
【図２】
0005387990.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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