(57)【要約】【課題】データ書き込み時の消費電力を低減するために適した構造の不揮発性磁気抵抗メモリを提供する。【解決手段】電極１１、磁化状態が固定されている磁化固定層１２、厚さ方向にトンネル電流を流し得るトンネル絶縁層１３、電流の印加により磁化状態を変更可能な磁化自由層１４、及び電極１５が、この順に積層されてなるメモリ構造体と、磁化自由層１４を前記メモリ構造体の積層方向と交差する方向に挟む一対の絶縁層１６、１７と、絶縁層１６、１７を介在して磁化自由層１４と対向し、かつ前記メモリ構造体と絶縁されている一対の電極１８、１９と、を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極、磁化状態が固定されている磁化固定層、厚さ方向にトンネル電流を流し得るトンネル絶縁層、電流の印加により磁化状態を変更可能な磁化自由層、及び第２電極が、この順に積層されてなるメモリ構造体と、
前記磁化自由層を前記メモリ構造体の積層方向と交差する方向に挟む一対の絶縁層と、
前記絶縁層を介在して前記磁化自由層と対向し、かつ前記メモリ構造体と絶縁されている一対の制御電極と、
を備える不揮発性磁気抵抗メモリ素子。
【請求項２】
前記磁化自由層は、前記一対の絶縁層で挟まれた膜状に形成され、面内方向に磁化された状態における前記磁化自由層の内部エネルギーと面直方向に磁化された状態における前記磁化自由層の内部エネルギーとの差である磁気異方性エネルギーが、前記磁化自由層に印加される電界の極性と大きさとに依存して変化する材料で構成される、
請求項１に記載の不揮発性磁気抵抗メモリ素子。
【請求項３】
前記磁化自由層は、鉄パラジウム合金、鉄プラチナ合金、鉄、及び鉄コバルト合金のうちのいずれかで構成される、
請求項２に記載の不揮発性磁気抵抗メモリ素子。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の不揮発性磁気抵抗メモリ素子と、
前記不揮発性磁気抵抗メモリ素子の第１電極と第２電極とを介して磁化自由層に電流を印加するための第１の電源と、
前記不揮発性磁気抵抗メモリ素子の第２電極を基準として制御電極の各々に制御電圧を印加するための第２の電源と、
コントローラと、を備え、
前記コントローラは、
前記第２電源を用いて、前記第２電極を基準として前記制御電極の各々に、前記不揮発性磁気抵抗メモリ素子の磁化自由層の磁気異方性エネルギーの絶対値を減少させる極性及び大きさの制御電圧を印加し、
前記制御電圧が印加されている状態で、前記第１電源を用いて、前記第１電極と前記第２電極とを介して前記磁化自由層に電流を印加する
不揮発性磁気抵抗メモリ装置。
【請求項５】
請求項２又は３に記載の不揮発性磁気抵抗メモリ素子の書き込み方法であって、
前記不揮発性磁気抵抗メモリ素子の第２電極を基準として制御電極の各々に、前記不揮発性磁気抵抗メモリ素子の磁化自由層の磁気異方性エネルギーの絶対値を減少させる極性及び大きさの制御電圧を印加する工程と、
前記制御電圧が印加されている状態で、前記不揮発性磁気抵抗メモリ素子の第１電極と第２電極とを介して前記磁化自由層に電流を印加する工程と、
を含む不揮発性磁気抵抗メモリ素子の書き込み方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不揮発性磁気抵抗メモリに関し、特に、データの書き込みに必要な電力を低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体を記憶要素として用いた不揮発性磁気抵抗メモリの開発が進んでいる。不揮発性磁気抵抗メモリは、高密度実装に適する、応答が速い、データを保持するための電力が不要、エンデュランス特性が良好といった数々の特長を有しており、今までよりも大容量、高速、低消費電力、長寿命な不揮発性記憶装置への応用が期待されている。
【０００３】
原理的な不揮発性磁気抵抗メモリは、第１電極、磁化状態が固定されている磁化固定層、厚さ方向にトンネル電流を流し得るトンネル絶縁層、電流の印加により磁化状態を変更可能な磁化自由層、及び第２電極を、この順に積層してなる積層体である。
【０００４】
このような積層体の積層方向に電流（スピン流）を印加して磁化自由層の磁化状態を変更することで、磁化自由層の磁化状態に対応するデータが書き込まれる。書き込まれたデータの読み出しは、磁化固定層及び磁化自由層のそれぞれのスピン（磁化）の向きに依存して積層体の積層方向の電気抵抗が変化する性質、すなわち、磁気トンネル接合のトンネル磁気抵抗効果を利用して、電気的に行われる。
【０００５】
従来、不揮発性磁気抵抗メモリの低消費電力化及び制御性の向上を目的として、いくつかの提案がなされている（例えば、特許文献１、２）。
【０００６】
特許文献１は、第２磁性層（本明細書の磁化自由層）のスピン軌道相互作用を制御することで第２磁性層中の磁壁をより少ない電流の印加で移動させ、消費電力を低減する磁気メモリセルを開示している。特許文献１には、１対のスピン軌道相互作用制御電極を前記第２磁性層の両端を挟むように設けた構造において、前記１対のスピン軌道相互作用制御電極を介して前記第２磁性層に電圧を印加することによって、前記第２磁性層のスピン軌道相互作用を制御することが記載されている。
【０００７】
また、特許文献２は、磁化反転制御層からの漏洩磁場の補助によって、より少ない電流の印加で前記磁化反転層（本明細書の磁化自由層）の磁化方向を反転させる不揮発性磁気メモリ素子を開示している。特許文献２には、補助に用いられる漏洩磁場の方向に選択性を持たせるため、前記磁化反転層の両側に磁化方向が異なる１対の磁化反転制御層を設け、磁化固定層（本明細書の磁化固定層）と一方の磁化反転制御層との間に電流を流すことで、当該一方の磁化反転制御層の磁場をジュール加熱によって弱めることが記載されている。
【０００８】
特許文献１、２に開示されている不揮発性磁気抵抗メモリは、磁化自由層の磁化方向を反転させる際に補助的な電流が流れる構造を有している点で共通している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−２３９１３５号公報
【特許文献２】特開２００９−１７６８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の不揮発性磁気抵抗メモリでは、磁化自由層の磁化方向を反転させる際に補助的な電流が流れることから、データ書き込みの際の消費電力を低減する効果が必ずしも十分ではない懸念がある。
【００１１】
そこで、本発明は、データ書き込み時の消費電力を低減するために適した構造の不揮発性磁気抵抗メモリ及び不揮発性磁気抵抗メモリの書き込み方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の課題を解決するために、開示される不揮発性磁気抵抗メモリ素子の１つの態様は、第１電極、磁化状態が固定されている磁化固定層、厚さ方向にトンネル電流を流し得るトンネル絶縁層、電流の印加により磁化状態を変更可能な磁化自由層、及び第２電極が、この順に積層されてなるメモリ構造体と、前記磁化自由層を前記メモリ構造体の積層方向と交差する方向に挟む一対の絶縁層と、前記絶縁層を介在して前記磁化自由層と対向し、かつ前記メモリ構造体と絶縁されている一対の制御電極と、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本開示に係る不揮発性磁気抵抗メモリ素子の態様によれば、磁化自由層の磁気異方性エネルギーＭＡＥの絶対値を電界効果に基づいて減少させることにより、磁化自由層の磁化方向をより少ない量のスピン電流で変更可能にした状態で、不揮発性磁気抵抗メモリ素子にデータを書き込むことができる。その結果、データ書き込みの際の低消費電力化が実現する。
【００１４】
磁気異方性エネルギーＭＡＥの制御は、第２電極と各制御電極とを介して各絶縁層への電界の印加によって制御されるため、第２電極と各制御電極との間には定常的な電流は流れない。このことから、磁気異方性エネルギーＭＡＥを制御するために要するエネルギーは極めて小さいと考えられる。
【００１５】
また、磁化自由層に対して、磁化自由層と絶縁層の各々との２つの界面から電界を印加するので、磁化自由層の磁気異方性エネルギーＭＡＥの電界効果を効率的に発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る磁気異方性エネルギーの定義を説明する図
【図２】磁気異方性エネルギーの電界効果の一例を示すグラフ
【図３Ａ】磁気異方性エネルギーを算出するための分子シミュレーションに用いたモデルの一例を示す図
【図３Ｂ】磁気異方性エネルギーを算出するための分子シミュレーションに用いたモデルの一例を示す図
【図４Ａ】磁気異方性エネルギーのシミュレーション結果の一例を示すグラフ
【図４Ｂ】磁気異方性エネルギーのシミュレーション結果の一例を示すグラフ
【図５】本発明の実施の形態に係る不揮発性磁気抵抗メモリの構造の一例を示す模式図
【図６】本発明の実施の形態に係る不揮発性磁気抵抗メモリの動作の一例を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（本発明の基礎となった知見）
本発明者らは、磁化自由層の磁気異方性エネルギーを制御することによって不揮発性磁気抵抗メモリのデータ書き込みに要する消費電力を低減するという着想を得て、本発明を行った。磁気異方性エネルギーとは、一般的に、磁化の方向によって内部エネルギーが異なる性質を言う。
【００１８】
本発明者らは、本発明をするにあたり、シミュレーションによっていくつかの材料の磁気異方性エネルギーを確認するとともに、磁化自由層の磁気異方性エネルギーをより効率的に制御できる不揮発性磁気抵抗メモリの構造を検討した。
【００１９】
本発明の実施の形態を説明する準備として、磁化自由層の磁気異方性エネルギーの制御によって不揮発性磁気抵抗メモリの書き込み電力が低減する原理、及び本発明者らが行ったシミュレーションについて説明し、その後、本発明の一態様における不揮発性磁気抵抗メモリの構造、及び不揮発性磁気抵抗メモリの書き込み方法について説明する。
【００２０】
図１は、本明細書で用いる磁気異方性エネルギーＭＡＥの定義を説明する図である。
【００２１】
本明細書では、図１に示されるように、膜状の磁性体における磁気異方性エネルギーＭＡＥを、当該磁性体が面内方向に磁化された状態における内部エネルギーＥ面内から、当該磁性体が面直方向に磁化された状態における内部エネルギーＥ面直を減じた値として定義する。
【００２２】
この定義から、磁気異方性エネルギーＭＡＥが正である膜状の磁性体は面直方向に磁化され易く、磁気異方性エネルギーＭＡＥが負である膜状の磁性体は面内方向に磁化され易い。また、磁気異方性エネルギーＭＡＥの絶対値が大きいほど、磁化状態がより安定であると同時に磁化状態を変更するためにより大きなエネルギーが必要になる。つまり、磁化状態の変更のし易さと磁化状態の保持の安定性とは、磁気異方性エネルギーＭＡＥに基づいて相反する。
【００２３】
そこで、不揮発性磁気抵抗メモリにデータを書き込むときの磁気異方性エネルギーＭＡＥの絶対値を、データを保持する期間における磁気異方性エネルギーＭＡＥの絶対値と比べて小さくなるように制御すれば、より小さなエネルギーでデータの書き込みを行い、かつ書き込まれたデータをより安定に保持できる可能性がある。すなわち、磁気異方性エネルギーＭＡＥの絶対値を制御することによって、データの書き込みにおける省電力化と、データ保持の安定性とを両立できる可能性がある。
【００２４】
本発明者らは、そのような制御を行うために、磁気異方性エネルギーＭＡＥの電界効果、すなわち、磁性体に印加される電界の大きさに応じて磁気異方性エネルギーＭＡＥの大きさが変化する現象（磁気異方性転移とも言う）に着目する。
【００２５】
図２は、磁気異方性エネルギーＭＡＥの電界効果の一例を示すグラフである。図２には、印加される電界εが正方向に大きくなるほど、磁気異方性エネルギーＭＡＥが小さくなる例が示されている。磁気異方性エネルギーＭＡＥのグラフの切片Ｅ０及び傾きγはそれぞれ、材料によって正値を取ることも負値を取ることもある。磁気異方性エネルギーＭＡＥのグラフの傾きγの絶対値が大きい材料ほど、つまり、電界効果が大きい材料ほど、電界によって磁気異方性エネルギーＭＡＥを大きく変化させることができるので、磁化状態の変更のし易さと磁化状態の保持の安定性との両立が求められる磁化自由層として好適な材料であると言える。
【００２６】
本発明者らは、分子シミュレーションによって、鉄パラジウム合金で構成される磁性体、鉄プラチナ合金で構成される磁性体、及び鉄で構成される磁性体のそれぞれの磁気異方性エネルギーＭＡＥを算出した。
【００２７】
図３Ａは、鉄パラジウム合金及び鉄プラチナ合金のそれぞれの磁気異方性エネルギーの分子シミュレーションに用いたモデル６０の一例を示す図である。モデル６０は、鉄パラジウム合金又は鉄プラチナ合金で構成される磁性体６１、誘電体（例えば、真空）６２、及び有効遮蔽体６３からなり、磁性体６１の（００１）面と有効遮蔽体６３とを対向させて配置し、磁性体６１と有効遮蔽体６３との間の誘電体６２に電界εを設定している。磁性体６１の磁気異方性エネルギーＭＡＥは、磁性体６１と誘電体６２との界面近傍の電界により制御される。このようなモデル６０において、異なる複数の大きさの電界εについて、磁性体６１の磁気異方性エネルギーＭＡＥをそれぞれ算出した。
【００２８】
図３Ｂは、鉄の磁気異方性エネルギーの分子シミュレーションに用いたモデル７０の一例を示す図である。モデル７０は、鉄で構成される磁性体７１、酸化マグネシウムで構成される誘電体７２ａ、真空７２ｂ、及び有効遮蔽体７３から成り、誘電体７２ａの（００１）面と有効遮蔽体７３とを対向させて配置し、磁性体７１と有効遮蔽体７３との間の誘電体７２ａ、７２ｂに電界εを設定している。磁性体７１の磁気異方性エネルギーＭＡＥは、磁性体７１と誘電体７２ａとの界面近傍の電界により制御される。このようなモデル７０において、異なる複数の大きさの電界εについて、磁性体７１の磁気異方性エネルギーＭＡＥをそれぞれ算出した。
【００２９】
図４Ａは、鉄パラジウム合金及び鉄プラチナ合金に関するシミュレーション結果の一例をプロットしたグラフである。図４Ａには、鉄パラジウム合金で構成される磁性体６１について算出されたＭＡＥ（右縦軸）のグラフと、鉄プラチナ合金で構成される磁性体６１について算出されたＭＡＥ（左縦軸）のグラフとが示されている。図４Ａに示されるそれぞれのグラフの切片と傾き（電界効果）を、表１に示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
図４Ｂは、鉄に関するシミュレーション結果の一例をプロットしたグラフである。図４Ｂには、鉄で構成される磁性体７１について算出されたＭＡＥのグラフが示されている。当該グラフに当てはめた３次曲線の各次の係数Ａ〜Ｄが示されている。これらの係数のうち、主として１次の係数Ｃが電界効果を表す。
【００３２】
本発明者らは、磁化自由層の磁気異方性エネルギーを制御することによって不揮発性磁気抵抗メモリのデータ書き込みに要する消費電力を低減するという着想、及び上述したシミュレーションの結果に基づいて本発明を行った。
【００３３】
開示される不揮発性磁気抵抗メモリの１つの態様は、第１電極、磁化状態が固定されている磁化固定層、厚さ方向にトンネル電流を流し得るトンネル絶縁層、電流の印加により磁化状態を変更可能な磁化自由層、及び第２電極が、この順に積層されてなるメモリ構造体と、前記磁化自由層を前記メモリ構造体の積層方向と交差する方向に挟む一対の絶縁層と、前記絶縁層を介在して前記磁化自由層と対向し、かつ前記メモリ構造体と絶縁されている一対の制御電極と、を備える。
【００３４】
また、前記磁化自由層は、前記一対の絶縁層で挟まれた膜状に形成され、面内方向に磁化された状態における前記磁化自由層の内部エネルギーと面直方向に磁化された状態における前記磁化自由層の内部エネルギーとの差である磁気異方性エネルギーが、前記磁化自由層に印加される電界の極性と大きさとに依存して変化する材料で構成されてもよい。
【００３５】
また、前記磁化自由層は、鉄パラジウム合金、鉄プラチナ合金、鉄、及び鉄コバルト合金のうちのいずれかで構成されてもよい。
【００３６】
本態様によれば、前記磁化自由層の磁気異方性エネルギーＭＡＥの絶対値を電界効果に基づいて減少させることにより、より少ない量のスピン電流で前記磁化自由層の磁化方向を変更可能にした状態で、前記不揮発性磁気抵抗メモリ素子にデータを書き込むことができる。その結果、データ書き込みの際の低消費電力化が実現する。
【００３７】
磁気異方性エネルギーＭＡＥの制御は、前記第２電極と前記各制御電極とを介して前記各絶縁層への電界の印加によって制御されるため、前記第２電極と前記各制御電極との間には定常的な電流は流れない。このことから、磁気異方性エネルギーＭＡＥを制御するために要するエネルギーは極めて小さいと考えられる。
【００３８】
また、前記磁化自由層に対して、前記磁化自由層と前記絶縁層の各々との２つの界面から電界を印加するので、前記磁化自由層の磁気異方性エネルギーＭＡＥの電界効果を効率的に発生させることができる。
【００３９】
本発明は、このような不揮発性磁気抵抗メモリ素子として実現できるだけでなく、不揮発性磁気抵抗メモリ装置や不揮発性磁気抵抗メモリ素子の書き込み方法として実現することができる。
【００４０】
以下、本発明の実施の形態に係る不揮発性磁気抵抗メモリについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４１】
なお、以下で説明する実施の形態は、本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００４２】
図５は、本発明の実施の形態に係る不揮発性磁気抵抗メモリを含む不揮発性磁気抵抗メモリ装置の構造の一例を示す模式図である。
【００４３】
不揮発性磁気抵抗メモリ装置１は、電極１１、磁化状態が固定されている磁化固定層１２、トンネル絶縁層１３、電流の印加により磁化状態を変更可能な磁化自由層１４、及び電極１５が、この順に積層されてなるメモリ構造体と、磁化自由層１４を前記メモリ構造体の積層方向と交差する方向に挟む一対の絶縁層１６、１７と、絶縁層１６、１７を介在して磁化自由層１４と対向し、かつ前記メモリ構造体と絶縁されている一対の電極１８、１９と、を備えている。これらの構成要素から、不揮発性磁気抵抗メモリ素子１０が構成される。
【００４４】
電極１１、１５は、それぞれ第１電極、第２電極の一例であり、電極１８、１９は１対の制御電極の一例である。電極１１、１５、１８、及び１９は、例えば、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）などの導電体で構成される。
【００４５】
磁化固定層１２及び磁化自由層１４は、導電性の磁性体で構成される。磁化固定層１２は、例えば鉄（Ｆｅ）で構成され、磁化自由層１４は、例えば、鉄パラジウム（Ｆｅ／Ｐｄ）合金、鉄プラチナ（Ｆｅ／Ｐｔ）合金、鉄（Ｆｅ）、及び鉄コバルト（Ｆｅ／Ｃｏ）合金のうちのいずれかで構成されてもよい。
【００４６】
鉄パラジウム合金、鉄プラチナ合金、及び鉄の磁気異方性ＭＡＥに電界効果があることは、発明者らによる上述のシミュレーション結果から確認されている。また、鉄コバルト合金の磁気異方性ＭＡＥに電界効果があることは、例えば、（非特許文献１）Ｍ．  Ｅｎｄｏ  ｅｔ．ａｌ，“Ｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｎ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ  ｏｆ  ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ  ＭｇＯ／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０／Ｔａ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ９６，  ２１２５０３（２０１０）、及び（非特許文献２）Ｓ．  Ｉｋｅｄａ  ｅｔ．ａｌ，“Ａ  ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ  ＣｏＦｅＢ−ＭｇＯ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ”，  ＮＡＴＵＲＥ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，  ＶＯＬ．  ９，ｐｐ．７２１−７２４，  ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ  ２０１０において報告されている。
【００４７】
したがって、少なくとも上述した４種類の材料は、印加する電界に応じて磁気異方性ＭＡＥを制御することができる磁化自由層１４を構成する上で好適な材料である。
【００４８】
トンネル絶縁層１３、絶縁層１６、１７は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの絶縁体で構成される。トンネル絶縁層１３は、厚さ方向にトンネル電流を流し得る程度に薄い膜状に形成される。
【００４９】
不揮発性磁気抵抗メモリ装置１は、さらに、電極１１、１５を介して磁化自由層１４に電流を印加し、かつ電極１５を基準として電極１８、１９の各々に制御電圧を印加するための電源２０と、電源２０による電圧の印加を制御するコントローラ３０と、を備えている。
【００５０】
不揮発性磁気抵抗メモリ装置１は、さらに、不揮発性磁気抵抗メモリ素子１０を選択するためのスイッチ素子３１、不揮発性磁気抵抗メモリ素子１０の状態を検出するためのセンスアンプ４０、ビット線５１、５２、ワード線５３、５４、５５を備えている。
【００５１】
図６は、不揮発性磁気抵抗メモリ装置１における不揮発性磁気抵抗メモリ素子１０の書き込み動作の一例を説明するための図である。図６において、電源２１、２２、２３が図５の電源２０に対応し、スイッチ素子３２が新たに示されている。ここで、電源２１は第１電源の一例であり、電源２２、２３は第２電源の一例である。
【００５２】
電源２１は、スイッチ素子３１を介して、電極１１、１５に接続されている。電源２１は、スイッチ素子３１がオン状態のとき、磁化自由層１４に磁化方向を変更するためのスピン電流を印加する。磁化固定層１２の磁化方向は、このスピン電流では変化せず一定である。図６において、磁化固定層１２、磁化自由層１４のそれぞれの磁化方向は白抜きの矢印で示されている。
【００５３】
電源２２、２３は、スイッチ素子３２を介して、電極１５と、電極１８、１９とに接続されている。電源２２、２３は、スイッチ素子３２がオン状態のとき、電極１５を基準として電極１８、１９に、磁化自由層１４の磁気異方性エネルギーの絶対値を減少させる極性及び大きさの制御電圧を印加する。
【００５４】
例えば、図６において黒矢印で示されている方向の電界εが印加されると（つまり、電極１５を基準として電極１８、１９の各々に正の電圧が印加されると）磁化自由層１４の磁気異方性エネルギーＭＡＥの絶対値が減少し、電界εが消失すると磁化自由層１４の磁気異方性エネルギーＭＡＥの絶対値が増大するものとしてもよい。
【００５５】
データの書き込みの際、コントローラ３０は、スイッチ素子３２をオン状態にすることにより電源２２、２３を用いて、電極１５を基準として電極１８、１９に、磁化自由層１４の磁気異方性エネルギーＭＡＥの絶対値を減少させる極性及び大きさの制御電圧を印加する。これにより、磁化自由層１４は、より少ない量のスピン電流で、磁化方向を変更できる状態になる。
【００５６】
コントローラ３０は、前記制御電圧が印加されている状態で、スイッチ素子３１をオン状態にする（つまり、前記制御電圧が印加される期間とスピン電流が印加される期間とに重複を持たせる）ことにより電源２１を用いて、電極１１、１５を介して磁化自由層１４にスピン電流を印加する。
【００５７】
このように構成された不揮発性磁気抵抗メモリ装置１における書き込み方法によれば磁化自由層１４の磁気異方性エネルギーＭＡＥの絶対値を電界効果に基づいて減少させることにより、より少ない量のスピン電流で磁化自由層１４の磁化方向を変更可能にした状態で、不揮発性磁気抵抗メモリ素子１０にデータを書き込むことができる。その結果、データ書き込みの際の低消費電力化が実現する。
【００５８】
磁気異方性エネルギーＭＡＥの制御は、電極１５と電極１８、１９とを介して絶縁層１６、１７への電界の印加によって制御されるため、電極１５と電極１８、１９との間には定常的な電流は流れない。このことから、磁気異方性エネルギーＭＡＥを制御するために要するエネルギーは極めて小さいと考えられる。
【００５９】
また、磁化自由層１４に対して、磁化自由層１４と絶縁層１６、１７の各々との２つの界面から電界を印加するので、磁化自由層１４の磁気異方性エネルギーＭＡＥの電界効果を効率的に発生させることができる。
【００６０】
以下では、不揮発性磁気抵抗メモリ装置１とその書き込み方法に基づいて、データの書き込みの際の消費電力量（エネルギー）の見積もりの一例を述べる。なお、この見積もりに用いた、素子の寸法、電圧値、電流値は、現時点での一般的な技術に基づく想定値である。
【００６１】
データの書き込みの際の消費電力量として、書き込みエネルギーＥＡとアシストエネルギーＥＢとを考える。ここで、書き込みエネルギーＥＡは、磁化自由層１４を磁化反転させるためのスピン電流によって消費されるエネルギーであり、アシストエネルギーＥＢは、磁化自由層１４、絶縁層１６、電極１８からなる構造体、及び磁化自由層１４、絶縁層１７、電極１９からなる構造体を、それぞれコンデンサとみなした場合に、電界を印加するための制御電圧によってこれらのコンデンサに蓄積されるエネルギーである。
【００６２】
書き込みエネルギーＥＡについて、図５における磁化自由層１４の水平断面積（磁化自由層１４とトンネル絶縁層１３及び電極１５の各々との接続面積）を１０ｎｍ２とし、電流密度ＪＣ＝１．４ＭＡ／ｃｍ２、電圧ＶＡ＝０．４Ｖ、パルス幅ｔ＝１０ｎｓの書き込みパルス（スピン電流）の印加にて磁化自由層１４を磁化反転させる場合を想定する。この場合、電流Ｉ＝１．４ＭＡ／ｃｍ２×１０ｎｍ２＝０．１４μＡ、電力Ｐ＝０．１４μＡ×０．４Ｖ＝５．６×１０−２μＷ、パルス幅ｔ＝１０ｎｓより、書き込みエネルギーＥＡは、ＥＡ＝５．６×１０−２μＷ×１０ｎｓ＝５．６×１０−１６Ｗｓ＝５．６×１０−１６Ｊ＝３．５×１０３ｅＶと見積もられる。
【００６３】
アシストエネルギーＥＢについて、図５における磁化自由層１４と絶縁層１６、１７の各々との接続面積、及び磁化自由層１４と電極１８、１９の各々との接続面積（いずれもコンデンサの電極面積に相当）を１００ｎｍ２とし、絶縁層１６、１７の各々の厚さ（いずれもコンデンサの電極間距離に相当）Ｔ＝４０ｎｍ、比誘電率εｒ＝１０（例えば、酸化マグネシウムの場合）として、制御電圧ＶＢ＝４Ｖを各コンデンサに印加する場合を想定する。この場合、真空の誘電率ε０＝８．９×１０−１２Ｆ／ｍ、各コンデンサの容量Ｃ＝ε０εｒ×１００ｎｍ２／４０ｎｍ＝２．２×１０−１９Ｆより、２つのコンデンサに蓄積される電荷エネルギーであるアシストエネルギーＥＢは、ＥＢ＝２×（（１／２）ＣＶＢ２）＝２２ｅＶと見積もられる。
【００６４】
このような見積もりの結果から、アシストエネルギーＥＢは、書き込みエネルギーＥＡに比べて無視できる程度に小さいことが分かる。書き込みエネルギーＥＡ及びアシストエネルギーＥＢは、今後、より大きな電界効果を示す好適材料の発見によってさらに小さくできることが期待される。
【００６５】
以上、本発明の態様に係る不揮発性磁気抵抗メモリ素子及び不揮発性磁気抵抗メモリ装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、不揮発性磁気抵抗メモリを用いたあらゆる電子機器に利用できる。
【符号の説明】
【００６７】
１  不揮発性磁気抵抗メモリ装置
１０  不揮発性磁気抵抗メモリ素子
１１、１５、１８、１９  電極
１２  磁化固定層
１３  トンネル絶縁層
１４  磁化自由層
１６、１７  絶縁層
２０、２１、２２、２３  電源
３０  コントローラ
３１、３２  スイッチ素子
４０  センスアンプ
５１、５２  ビット線
５３、５４、５５  ワード線
６０、７０  モデル
６１、７１  磁性体
６２、７２ｂ  真空
７２ａ  誘電体
６３、７３  有効遮蔽体
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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