(57)【要約】【課題】少ない電流で高速に動作可能な記憶装置を、読み出し信号の振幅低下の抑制を図りつつ実現する。【解決手段】情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層とを少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことが可能に構成された記憶素子と、上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、上記記憶素子に対して上記配線部を介して所定レベルによる待機電流を流すことで上記記憶層の磁化の向きを膜面に垂直な方向から傾斜させた状態で、上記待機電流よりもレベルが大となる記録電流を上記配線部を介して流すことで上記記憶層の磁化方向を変化させて情報を記憶させる記憶制御部とを備える。【選択図】図７
2013171947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層とを少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことが可能に構成された記憶素子と、
上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、
上記記憶素子に対して上記配線部を介して所定レベルによる待機電流を流すことで上記記憶層の磁化の向きを膜面に垂直な方向から傾斜させた状態で、上記待機電流よりもレベルが大となる記録電流を上記配線部を介して流すことで上記記憶層の磁化方向を変化させて情報を記憶させる記憶制御部と
を備える記憶装置。
【請求項２】
上記記憶素子が複数配列されており、
上記記憶制御部は、
記録対象とされた上記記憶素子に上記記録電流を流す期間と次に記録対象とされる上記記憶素子に上記待機電流を流す期間とが重なるように上記配線部を介した上記記憶素子への電流供給制御を行う
請求項１に記載の記憶装置。
【請求項３】
上記記憶素子はキャップ層を有し、
上記記憶層は、
第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層されて上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層とが上記結合層を介して磁気的に結合され、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第２の強磁性層が上記キャップ層に接しており、
上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされている
請求項１に記載の記録装置。
【請求項４】
上記記憶層は、
上記記憶素子に上記積層方向の電流が流されていない平衡状態において上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層の磁化の向きが共に膜面に垂直な方向を向くように上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との結合強度が設定されている
請求項３に記載の記憶装置。
【請求項５】
上記第１の強磁性層が上記面内磁化層であり、上記第２の強磁性層が上記垂直磁化層である
請求項４に記載の記憶装置。
【請求項６】
上記待機電流が流された状態において、上記第１の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度が上記第２の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度よりも大きい
請求項５に記載の記憶装置。
【請求項７】
上記第１の強磁性層が上記垂直磁化層であり、上記第２の強磁性層が上記面内磁化層である
請求項４に記載の記憶装置。
【請求項８】
上記待機電流が流された状態において、上記第１の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度が上記第２の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度よりも小さい
請求項７に記載の記憶装置。
【請求項９】
上記中間層がトンネル絶縁層である請求項１に記載の記憶装置。
【請求項１０】
上記キャップ層が酸化物層を含む請求項３に記載の記憶装置。
【請求項１１】
上記第１の強磁性層及び上記第２の強磁性層がＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層を含む請求項３に記載の記憶装置。
【請求項１２】
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と、
キャップ層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことが可能に構成されていると共に、
上記記憶層が、
第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層されて上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層とが上記結合層を介して磁気的に結合され、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第２の強磁性層が上記キャップ層に接しており、上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされていると共に、
上記記憶素子に電流が流されていない平衡状態においては上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層の磁化の向きが共に膜面に垂直な方向を向き、上記記憶素子に上記記録電流よりも小レベルによる待機電流が流された待機状態においては上記記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜するように、上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との結合強度が設定されている
記憶素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、記憶装置及び記憶素子に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】特開２００４−１９３５９５号公報
【特許文献２】特開２００９−８１２１５号公報
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】R.H.Koch et al, Phys. Rev. Lett. 92, 088302(2004)
【背景技術】
【０００４】
コンピュータ等の情報処理装置では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で高密度なＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）が広く使われている。
しかしながら、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発性のメモリが望まれている。【０００５】
不揮発性メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている。
ＭＲＡＭに対する記録を行う方法としては、電流磁場によって磁化を反転させる方法や、スピン分極した電子を直接記録層に注入して磁化反転を起こさせる方法（例えば上記特許文献１を参照）がある。
これらの方法のうち、素子のサイズが小さくなるのに伴い記録電流を小さくすることができる、スピン注入磁化反転が注目されている。【０００６】
さらに、素子を微細化するために、磁性体の磁化方向を垂直方向に向けた、垂直磁化膜を用いた方法（例えば上記特許文献２を参照）が検討されている。
上記非特許文献１には、垂直磁化膜を用いたスピン注入磁化反転素子の反転時間の式が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記非特許文献１に示されている反転時間の式によれば、垂直磁化膜を用いたスピン注入磁化反転素子は、垂直磁化膜を用いないスピン注入磁化反転素子と比較して、磁化の反転時間が長くなる可能性がある。【０００８】
本技術は、このような垂直磁化膜を用いた場合の問題を解消し、少ない電流で高速に動作させることが可能な記憶装置を提供することをその課題とする。
また併せて、このように少ない電流で高速に動作させることが可能な記憶装置について、読み出し信号の振幅低下の抑制が図られるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題の解決のため、本技術では記憶装置を以下のように構成することとした。
すなわち、本技術の記憶装置は、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層とを少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことが可能に構成された記憶素子を備える。
また、上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部を備える。
また、上記記憶素子に対して上記配線部を介して所定レベルによる待機電流を流すことで上記記憶層の磁化の向きを膜面に垂直な方向から傾斜させた状態で、上記待機電流よりもレベルが大となる記録電流を上記配線部を介して流すことで上記記憶層の磁化方向を変化させて情報を記憶させる記憶制御部を備えるものである。【００１０】
また、本技術では記憶素子を以下のように構成することとした。
つまり、本技術の記憶素子は、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と、キャップ層とを少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことが可能に構成されていると共に、
上記記憶層が、
第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層されて上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層とが上記結合層を介して磁気的に結合され、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第２の強磁性層が上記キャップ層に接しており、上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされていると共に、
上記記憶素子に電流が流されていない平衡状態においては上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層の磁化の向きが共に膜面に垂直な方向を向き、上記記憶素子に上記記録電流よりも小レベルによる待機電流が流された待機状態においては上記記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜するように、上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との結合強度が設定されているものである。【００１１】
上記本技術の記憶装置によれば、上記待機電流を流すことで上記記憶層の強磁性層の磁化の向きを膜面に垂直な方向から傾斜させた状態で、記録電流を流して上記記憶層の磁化の向きを変化させて情報の記憶が行われるものとなる。
記録前に記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しているので、磁化の向きが傾斜していない状態で記録電流を流す従来構成との比較で、記憶層の磁化の向きを反転させて情報の記録を行う際に要する反転時間を短縮化できる。また同時に、磁化の向きが傾斜していない状態で記録電流を流す従来構成で生じていた反転時間のばらつきも低減できる。
そして上記本技術の記憶装置によれば、記憶素子に上記積層方向の電流を流していない平衡状態においては、記憶層の磁化の向きは膜面に垂直な方向を向くようにできる。仮に、平衡状態における記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜していたとすると、読み出し信号の振幅低下を招くことになるが、上記本技術によれば、そのような読み出し信号の振幅低下を効果的に抑制できる。
また上記本技術の記憶素子によれば、平衡状態にて記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向にあり、待機電流を流すことで記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜する記憶素子を提供できる。
【発明の効果】
【００１２】
上記のように本技術によれば、単に垂直磁化膜を用いた従来構成との比較で、記憶層の磁化の向きを反転させて情報の記録を行う際に要する反転時間を短縮化できると共に、反転時間のばらつきも低減できる。これにより、情報の記録の際の電流量を低減でき、かつ、短い時間で情報の記録を行うことができ、結果、少ない電流で高速動作可能な記憶装置を実現できる。
また、このように少ない電流で高速動作可能な記憶装置について、読み出し信号の振幅低下の抑制を図ることができる。【００１３】
また、本技術の記憶素子によれば、平衡状態にて記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向にあり、待機電流を流すことで記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜する記憶素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態の記憶装置の概略斜視図である。
【図２】実施の形態の記憶装置の断面図である。
【図３】実施の形態の記憶装置の平面図である。
【図４】磁化の向きが膜面に垂直とされた従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭによる記憶素子の概略構成についての説明図（断面図）である。
【図５】先行例としての記憶素子の概略構成図（断面図）である。
【図６】先行例としてのとしての記憶素子が備える記憶層の概略構成図（斜視図）である。
【図７】第１の実施の形態の記憶素子についての説明図である。
【図８】記憶素子の積層方向に流す電流と磁化Ｍｉ及び磁化Ｍｐの垂直成分（ｍｚ）の時間変化の概念図である。
【図９】第１の実施の形態の記憶装置の全体的な構成を示したブロック図である。
【図１０】実施の形態におけるビット線の駆動手法についての説明図である。
【図１１】第２の実施の形態の記憶素子についての説明図である。
【図１２】従来の記憶素子の記憶層の磁化と実施の形態の記憶素子の記憶層の磁化（磁化Ｍｉ）の垂直成分の時間変化を示した図である。
【図１３】記録時間を短縮化するための手法についての説明図である。
【図１４】実施の形態の記憶素子（磁気抵抗効果型素子）の複合型磁気ヘッドへの適用例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本技術に係る実施の形態について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
＜１．実施の形態の記憶装置の概略構成＞
＜２．従来及び先行例としての記憶素子＞
＜３．実施の形態の記憶素子の概要＞
＜４．第１の実施の形態＞
＜５．第２の実施の形態＞
＜６．シミュレーション結果＞
＜７．記録時間の短縮化のための工夫＞
＜８．変形例＞
【００１６】
＜１．実施の形態の記憶装置の概略構成＞
先ず、実施の形態の記憶装置の概略構成について説明する。
実施の形態の記憶装置の模式図を図１、図２及び図３に示す。図１は斜視図、図２は断面図、図３は平面図である。なおこれら図１〜３では、実施の形態の記憶装置が有する周辺回路部については図示を省略している。
【００１７】
図１に示すように、実施の形態の記憶装置は、互いに直交する２種類のアドレス配線（例えばワード線とビット線）の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができるＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque - Magnetic Random Access Memory）による記憶素子３が配置されて成る。
すなわち、シリコン基板等の半導体基体１０の素子分離層２により分離された部分に、各記憶素子３を選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域８、ソース領域７、並びにゲート電極１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極１は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線（ワード線）を兼ねている。
【００１８】
ドレイン領域８は、図１中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域８には、配線９が接続されている。
そして、ソース領域７と、上方に配置された、図１中左右方向に延びるビット線６との間に、スピントルク磁化反転により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子３が配置されている。この記憶素子３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。
【００１９】
図２に示すように、記憶素子３は２つの磁性層１２、１４を有する。この２層の磁性層１２、１４のうち、一方の磁性層を磁化Ｍ１２の向きが固定された磁化固定層１２とし、他方の磁性層を磁化Ｍ１４の向きが変化する自由磁化層すなわち記憶層１４とする。
また、記憶素子３は、ビット線６とソース領域７とに、それぞれ上下のコンタクト層４を介して接続されている。
これにより、２種類のアドレス配線１、６を通じて、記憶素子３に上下方向（積層方向）の電流を流して、スピントルク磁化反転により記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きを反転させることができる。
【００２０】
図３に示すように、記憶装置はマトリクス状に直交配置させたそれぞれ多数の第１の配線（ワード線）１及び第２の配線（ビット線）６の交点に、記憶素子３を配置して構成されている。
記憶素子３は、その平面形状が円形状とされ、図２に示した断面構造を有する。
また、記憶素子３は、図２に示したように磁化固定層１２と記憶層１４とを有している。
そして、各記憶素子３によって、記憶装置のメモリセルが構成される。
【００２１】
ここで、このような記憶装置では、選択トランジスタの飽和電流以下の電流で書き込みを行う必要があり、トランジスタの飽和電流は微細化に伴って低下することが知られているため、記憶装置の微細化のためには、スピントランスファの効率を改善して、記憶素子３に流す電流を低減させることが好適である。
【００２２】
また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには上述のようなＭＴＪ構造を採用すること、すなわち２層の磁性層１２、１４の間に中間層をトンネル絶縁層（トンネルバリア層）とした記憶素子３の構成とすることが効果的である。
このように中間層としてトンネル絶縁層を用いた場合には、トンネル絶縁層が絶縁破壊することを防ぐために、記憶素子３に流す電流量に制限が生じる。すなわち記憶素子３の繰り返し書き込みに対する信頼性の確保の観点からも、スピントルク磁化反転に必要な電流を抑制することが好ましい。なお、スピントルク磁化反転に必要な電流は、反転電流、記録電流などとも呼ばれる。
【００２３】
また、実施の形態の記憶装置は不揮発メモリ装置であるから、電流によって書き込まれた情報を安定に記憶する必要がある。つまり、記憶層１４の磁化の熱揺らぎに対する安定性（熱安定性）を確保する必要がある。
記憶層１４の熱安定性が確保されていないと、反転した磁化の向きが、熱（動作環境における温度）により再反転する場合があり、保持エラーとなってしまう。
本記憶装置における記憶素子３（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）は、従来のＭＲＡＭと比較して、スケーリングにおいて有利、すなわち体積を小さくすることは可能であるが、体積が小さくなることは、他の特性が同一であるならば、熱安定性を低下させる方向にある。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭの大容量化を進めた場合、記憶素子３の体積は一層小さくなるので、熱安定性の確保は重要な課題となる。
そのため、ＳＴＴ−ＭＲＡＭにおける記憶素子３において、熱安定性は非常に重要な特性であり、体積を減少させてもこの熱安定性が確保されるように設計することが望ましい。
【００２４】
＜２．従来及び先行例としての記憶素子＞
実施の形態の記憶素子３についての説明に先立ち、先ずは図４の断面図を参照して、記憶層の磁化の向き（平衡状態における磁化の向き）が膜面に垂直な方向とされた従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭによる記憶素子３’の概略構成を説明する。
なお、後の説明からも理解されるように、本実施の形態の記憶素子３においては、記憶層１４の構成が従来例の場合とは異なる。この図４を参照して行う説明においては、便宜上、従来の記憶素子３’が備える記憶層の符号として「１４」を用いる。
【００２５】
図４に示すように、従来の記憶素子３’は、下地層１１の上に、磁化Ｍ１２の向きが固定された磁化固定層（参照層とも呼ばれる）１２、中間層（非磁性層：トンネル絶縁層）１３、磁化Ｍ１４の向きが可変である記憶層（自由磁化層）１４、キャップ層１５が同順に積層されている。
このうち、磁化固定層１２は、高い保磁力等によって、磁化Ｍ１２の向きが固定されている。この場合、磁化固定層１２の磁化の向きは膜面に対して垂直方向に固定されているとする。
【００２６】
記憶素子３’においては、一軸異方性を有する記憶層１４の磁化（磁気モーメント）Ｍ１４の向きにより、情報の記憶が行われる。
記憶素子３’への情報の書き込みは、記憶素子３’の各層の膜面に垂直な方向（すなわち、各層の積層方向）に電流を流して、記憶層１４にスピントルク磁化反転を起こさせることにより行う。
【００２７】
ここで、スピントルク磁化反転について簡単に説明しておく。
電子は、２種類のスピン角運動量をもつ。仮にこれを上向き、下向きと定義する。
非磁性体の場合、その内部では、上向きのスピン角運動量を持つ電子と、下向きのスピン角運動量を持つ電子の両者が同数となる。これに対し強磁性体の場合、その内部では両者の数に差がある。
【００２８】
まず、中間層１３を介して積層された２層の強磁性体（磁化固定層１２及び記憶層１４）において、互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４の向きが反平行状態にあり、電子を磁化固定層１２から記憶層１４に移動させる場合について考える。
磁化固定層１２を通過した電子は、スピン偏極、すなわち、上向きと下向きの数に差が生じている。
トンネル絶縁層としての中間層１３の厚さが十分に薄いと、スピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極（上向きと下向きが同数）状態になる前に、他方の磁性体、すなわち、記憶層（自由磁化層）１４に達する。
そして、２層の強磁性体（磁化固定層１２及び記憶層１４）のスピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系のエネルギーを下げるために、一部の電子は、反転する、すなわち、スピン角運動量の向きが変わる。このとき、系の全角運動量は保存されなくてはならないため、向きを変えた電子による角運動量変化の合計と等価な反作用が、記憶層１４の磁化Ｍ１４にも与えられる。
【００２９】
電流量、すなわち、単位時間に通過する電子の数が少ない場合には、向きを変える電子の総数も少ないため、記憶層１４の磁化Ｍ１４に発生する角運動量変化も小さいが、電流が増えると、多くの角運動量変化を単位時間内に与えることができる。
角運動量の時間変化はトルクであり、トルクがある閾値を超えると、記憶層１４の磁化Ｍ１４は、歳差運動を開始して、記憶層１４の一軸異方性により、１８０度回転したところで安定となる。すなわち、反平行状態から平行状態への反転が起こる。
【００３０】
一方、２層の強磁性体１２，１４の互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４が平行状態にあるとき、電流を逆に記憶層１４から磁化固定層１２へ電子を送る向きに流すと、今度は磁化固定層１２で電子が反射される。
そして、反射されてスピンの向きが反転した電子が、記憶層１４に進入する際にトルクを与えて、記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きを反転させるので、互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４を反平行状態へと反転させることができる。
ただし、この際に反転を起こすのに必要な電流量は、反平行状態から平行状態へと反転させる場合よりも多くなる。
【００３１】
平行状態から反平行状態への反転は、直感的な理解が困難であるが、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２が固定されているために反転できず、系全体の角運動量を保存するために記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが反転する、と考えてもよい。
【００３２】
このように、０／１の情報の記録は、磁化固定層（参照層）１２から記憶層１４への方向、又はその逆方向に、それぞれの極性に対応する、ある閾値以上の電流を流すことによって行われる。
【００３３】
情報の読み出しは、従来型のＭＲＡＭと同様に、磁気抵抗効果を用いて行われる。
すなわち、先に説明した情報の記録の場合と同様に、各層の膜面に垂直な方向（各層の積層方向）に電流を流す。そして、記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが磁化固定層（参照層）１２の磁化Ｍ１２の向きに対して、平行であるか反平行であるかに従って、記憶素子３’の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
【００３４】
さて、トンネル絶縁層としての中間層１３に用いる材料は、金属でも絶縁体でも構わないが、より高い読み出し信号(抵抗の変化率)が得られ、かつ、より低い電流によって記録が可能とされるのは、中間層１３に絶縁体を用いた場合である。このときの素子を、強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）素子と呼ぶ。
【００３５】
前述したスピントルクは、記憶層１４の磁化Ｍ１４と磁化固定層（参照層）１２の磁化Ｍ１２との角度によって、大きさが変化する。
磁化Ｍ１４の向きを表す単位ベクトルをｍ１とし、磁化Ｍ１２の向きを表す単位ベクトルをｍ２とすると、スピントルクの大きさは、ｍ１×（ｍ１×ｍ２）に比例する。ここで、"×"はベクトルの外積である。
【００３６】
通常、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２は、記憶層１４の磁化容易軸方向に固定されている。記憶層１４の磁化Ｍ１４は、記憶層１４自身の磁化容易軸方向に向く傾向にある。このとき、ｍ１とｍ２は、０度（平行）もしくは１８０度（反平行）の角をなす。
図４ではｍ１とｍ２のなす角度が０度である場合の磁化Ｍ１２と磁化Ｍ１４の向きを例示している。
【００３７】
このようにｍ１とｍ２のなす角度が０度もしくは１８０度である場合、前述のスピントルクの式に従えば、スピントルクは全く働かないことになる。
但し現実には、記憶層１４の磁化Ｍ１４は、熱揺らぎによって磁化容易軸の周りにランダムに分布しているために、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２とのなす角度が、０度もしくは１８０度から離れたときに、スピントルクが働き、磁化反転を起こすことができる。
【００３８】
ここで、磁化反転が起きるまでの時間（反転時間）は、磁化Ｍ１４が磁化容易軸からどれだけ離れているかに依存し、磁化容易軸から離れているほど高速に反転する。
記憶層１４の磁化Ｍ１４と磁化容易軸の角度は前述のように熱揺らぎに依ってランダムに分布するために、反転時間にばらつきが生じることとなる。
また、磁化Ｍ１４が磁化容易軸に近い位置（角度）にある場合であっても、高速に反転させるためには、その分大きな電流を流す必要が生じる。
【００３９】
そこで、少ない電流で記憶素子を高速に動作させるために、先に本発明者らは、鋭意検討を重ねた。
その結果、記憶層１４の構成を、垂直磁化が優位な垂直磁化層と、膜面内磁化が優位な面内磁化層とを結合層を介して磁気的結合させた構成とすることにより、上記面内磁化層の磁化と上記垂直磁化層の磁化との磁気的相互作用によって両磁化を膜面に垂直な方向から傾斜させることを見出した（例えば下記参考文献１，２を参照）。
記憶層１４の磁化の向きが垂直方向から傾斜しているので、記憶層１４の磁化の向きが垂直方向を向く従来例との比較で、記録電流（反転電流）を流して磁化反転させて情報の記録を行う際に要する反転時間を短縮化できる。また、従来構成が有していた反転時間のばらつきの問題も解消できる。これにより、情報の記録の際の電流量を低減でき、かつ、短い時間で情報の記録を行うことができ、結果、少ない電流で高速動作可能な記憶装置を実現できる。
なお、上記のように磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜された強磁性層のことを、以下「傾斜磁化層」と表記する。
・参考文献１：特願２０１１−２６１５２２
・参考文献２：特願２０１１−２６１８５３
【００４０】
ここで、傾斜磁化層を得るための磁性材料としては、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂを用いることができる。
通常、記憶層等に用いられる強磁性層は、その膜面積に比べて膜厚が非常に小さい。このような場合に強磁性層の磁化が膜面に対して垂直方向を向くと、大きな反磁界を受ける。反磁界と磁化の相互作用により、反磁界エネルギー（以下、Ｅｄとする）が大きくなるため、磁化は安定して垂直方向を向くことができず、平衡状態において膜面内方向を向くことになる。
【００４１】
ところが、強磁性層は、材料や界面状態によっては、垂直磁気異方性を持つ場合がある。このような場合には、強磁性層には、垂直磁気異方性によって誘起される垂直磁気異方性エネルギー（以下、Ｅａとする）が働く。そして、強磁性層の磁化が膜面に対して垂直方向を向くと、反磁界エネルギーは正味Ｅｄ−Ｅａとなる。
この反磁界エネルギーが負となるとき、すなわち、Ｅｄ＜Ｅａとなるとき、磁化は安定して垂直方向を向くことができるようになる。以下、このような強磁性層を「垂直磁化が優位な垂直磁化層」と呼ぶ。
逆に、反磁界エネルギーが正となるとき、すなわち、Ｅｄ＞Ｅａとなるとき、磁化は安定して垂直方向を向くことができない。以下、このような強磁性層を「膜面内磁化が優位な面内磁化層」と呼ぶ。
【００４２】
Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂを用いた強磁性層は、通常は、膜面内磁化が優位な面内磁化層である。
ところが条件を満たせば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂは垂直磁化が優位な垂直磁化層となり得る。
具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ膜の組成と膜厚が或る範囲内にあって、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ膜が酸化膜（例えばＭｇＯ膜）と接するとき、垂直磁化が優位な垂直磁化層となる（例えば特願２０１０−２００９８３を参照）。
なお、垂直磁化をもたらす垂直磁気異方性の起源は、ＭｇＯ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ界面での界面異方性であるとされる。
さらに、ＭｇＯ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／ＭｇＯというようにＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜の両方の界面がＭｇＯ膜に接する場合には、垂直磁気異方性が増加することになる（例えば特願２０１０−２０１５２６を参照）。
このようにＣｏ−Ｆｅ−Ｂを用いた強磁性層は、膜面内磁化が優位な面内磁化層にも垂直磁化が優位な垂直磁化層にもなることができるために、上述のような傾斜磁化膜を得るために好適なものである。
【００４３】
図５の断面図を参照して、傾斜磁化層を用いた先行例としてのＳＴＴ−ＭＲＡＭによる記憶素子３''の概略構成を説明する。
なお、先行例としての記憶素子３''が備える記憶層１４についても、実施の形態の記憶層１４とは構成が異なるものとなるが、ここでも便宜上、その符号については「１４」を用いる。
【００４４】
図５において、記憶素子３''は、下地層１１の上に、磁化Ｍ１２の向きが固定された磁化固定層（参照層）１２、中間層１３（非磁性層：トンネル絶縁層）、磁化Ｍ１４の向きが可変とされた記憶層（自由磁化層）１４、及びキャップ層１５が同順に積層されている。
なお、前述のように本例の磁化固定層１２は、膜面に垂直な方向（図中上向き）に磁化Ｍ１２の向きが固定されている。
記憶素子３''は、先の記憶素子３’と比較して、記憶層１４の構造が強磁性層と結合層とを有する多層構造に変更されたものとなる。
具体的に、この場合の記憶層１４は、強磁性層１４ｉ、結合層１４ｃ、強磁性層１４ｐが同順で積層された３層構造で構成されている。
強磁性層１４ｉは、膜面内磁化が優位な面内磁化層である。
強磁性層１４ｐは、垂直磁化が優位な垂直磁化層である。
強磁性層１４ｉは中間層１３と接しており、強磁性層１４ｐはキャップ層１５と接している。
上記構成においては、強磁性層１４ｉの磁化Ｍｉと強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐとが、結合層１４ｃを介して磁気的に結合している。
【００４５】
情報の読み出しは、先の記憶素子３’の場合と同様に、磁気抵抗効果を用いて行われる。すなわち、先に説明した情報の記録動作の場合と同様に、各層の膜面に垂直な方向（各層の積層方向）に電流を流す。そして、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２と強磁性層１４ｉの磁化Ｍｉの相対角度によって、記憶素子３''の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
【００４６】
ただし、図５に示す先行例としての記憶素子３''の場合、磁化Ｍｉは垂直方向から傾斜しているために、磁化Ｍｉの相対角度が大きくなり、垂直磁化膜を用いた従来例の記憶素子３’と比較すると、読み出し信号の振幅が小さくなってしまう。
【００４７】
図５に示す先行例としての記憶素子３''が備える記憶層１４の構成をさらに詳しく示したのが図６である。
ここでは簡単のため、結合層１４ｃは省略している。
先ず、記憶素子３''においては、記憶層１４の形状は円柱状とされる。
ここで、磁化Ｍｉ及び磁化Ｍｐの方向を記述するために、次のように角度θ１、θ２を定義する。すなわち、記憶層１４を垂直方向に貫く軸を図のように垂直軸ａＶとしたとき、磁化Ｍｉとこの垂直軸ａＶとがなす角度をθ１とする。また、磁化Ｍｐと垂直軸ａＶとがなす角度をθ２とする。
【００４８】
ここで、前述のように磁化Ｍｉは面内磁化が優位であり、磁化Ｍｐは垂直磁化が優位である。
このため、結合層１４ｃを介した結合によって磁化方向が垂直軸ａＶから斜めになるとき、角度θ１のほうが角度θ２よりも大きくなる。すなわち、磁化Ｍｉのほうがより大きく垂直軸ａＶから傾斜していることになる。
スピントルクは、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２と磁化Ｍｉの相対角度が大きいほど大となるので、上記のような先行例としての記憶層１４の構成によれば、その分高速な磁化反転が可能となる。
【００４９】
しかしながら、上記のように磁化Ｍｉを垂直軸ａＶから傾斜させることは、読み出し信号の振幅が低下するという副作用を生む。
これまでの説明からも理解されるように、読み出し信号の振幅は、記憶素子が平行状態にあるときと反平行状態にあるときとでの該記憶素子の電気抵抗値の差と換言できるものである。
従来の記憶素子３’では、平行状態では磁化Ｍ１２と磁化Ｍｉとのなす角度が略０°、また反平行状態での磁化Ｍ１２と磁化Ｍｉとのなす角度は略１８０°である。これに対し先行例の記憶素子３''では、上記のように磁化Ｍｉが垂直軸ａＶから傾斜しているため、磁化Ｍ１２と磁化Ｍｉとのなす角度は０°よりも大となる。結果、先行例の場合における平行状態での電気抵抗値は、従来の記憶素子３’の場合よりも大となる。また、反平行状態においても、磁化Ｍｉは垂直軸ａＶから傾斜することとなるため、磁化Ｍ１２とのなす角度は１８０°に満たないものとなる。この結果、先行例の場合における反平行状態での電気抵抗値は従来の記憶素子３’の場合よりも小となる。
これらの結果として、先行例の場合における平行状態と反平行状態とでの記憶素子３''の電気抵抗値の差は、従来の記憶素子３’の場合よりも小となる。つまりこのことより、先行例においては、従来例との比較で読み出し信号の振幅が低下するものである。
【００５０】
このような先行例の有する問題点に鑑み、本実施の形態では、記憶素子に電流を流さない平衡状態においては記憶層の磁化が垂直方向を向くようにしつつ、記録動作の際には、記録電流を流す前に該記録電流よりも小さい電流を記憶素子に流して、記憶層を待機状態に遷移させる。すなわち、記憶層の磁化が垂直方向から傾斜した方向を向く状態に遷移させるものである。
このようにすることで、高速な磁化反転と大きな読み出し信号とを両立させることができる。
【００５１】
＜４．第１の実施の形態＞
以下、本技術の具体的な実施の形態について説明する。
図７は、第１の実施の形態としての記憶素子３についての説明図である。
この図７において、図７Ａは、第１の実施の形態の記憶素子３の概略構成図（断面図）を示している。
なお以下の説明において、既に説明済みとなった部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００５２】
図７Ａにおいて、記憶素子３は、下地層１１、磁化固定層１２、中間層１３、記憶層１４、及びキャップ層１５の各層の積層順については、先行例の記憶素子３''と同様となる。また、記憶素子３が備える記憶層１４は、先行例の記憶層１４と同様に強磁性層１４ｉ、結合層１４ｃ、強磁性層１４ｐを備え、その積層順も先行例の場合と同様である。
本例においても、強磁性層１４ｉ及び強磁性層１４ｐにはＣｏ−Ｆｅ−Ｂを用いるものとしている。
【００５３】
ただし、本実施の形態の記憶素子３では、該記憶素子３に電流が流されていない平衡状態において、磁化Ｍｉ及びＭｐが垂直方向を向くように記憶層１４が構成されている点が記憶素子３''と異なる。
これは、結合層１４ｃを介した強磁性層１４ｉ（面内磁化層）の磁化と強磁性層１４ｐ（垂直磁化層）の磁化との磁気的相互作用の強さ（以下、結合強度と呼ぶ。）を記憶素子３''の場合よりも大きくすることによって実現できる。換言すれば、本実施の形態の記憶素子３は、平衡状態において磁化Ｍｉ及びＭｐが垂直方向を向くように強磁性層１４ｉと強磁性層１４ｐとの結合強度が設定されているものである。なお、強磁性層１４ｉと強磁性層１４ｐとの結合強度は、結合層１４ｃの膜厚により調整可能なものである。
【００５４】
磁化ＭｉとＭｐの向きは結合強度に依存する。結合強度がある閾値以上になると、磁化Ｍｉと磁化Ｍｐの向きは同一方向に揃う。このとき、両者の向きが膜面内方向になる場合と垂直方向になる場合とがあるが、垂直磁化が優位な垂直磁化層の垂直磁気異方性を大きくすることによって、垂直方向に揃えることが可能である。
【００５５】
このように、平衡状態における結合強度を閾値以上にすることにより、両磁化が垂直方向を向くようにすることができる。
このことで、読み出し信号の振幅は、垂直磁化膜を用いた従来の記憶素子３’と同程度に大きくすることができる。
【００５６】
図７Ｂは、記憶素子３に待機電流Ｉｓを流し、該記憶素子３を待機状態に遷移させた様子を模式的に示している。
この図７Ｂに示されるように、待機電流Ｉｓとしては、記憶素子３の積層方向への電流を流す。このような待機電流Ｉｓを流すと、記憶素子３にジュール熱が発生し、記憶層１４の温度が上昇する。結合強度は温度に依存するものであり、温度が上昇すると結合強度は減少する傾向となる。
このとき、待機状態での結合強度が閾値よりも小さくなると、磁化ＭｉとＭｐの向きは垂直方向から傾斜した方向に変化する。
【００５７】
本実施の形態では、このように記憶素子３を待機状態とした上で、記録電流を流して情報を記憶させる。上述のように待機状態では記憶層１４が傾斜磁化となるので、待機状態にて記録電流を流して情報記憶を行うことにより、先行例の記憶素子３''と同様に高速な磁化反転を実現できる。
一方、本実施の形態では平衡状態にて磁化Ｍｐと磁化Ｍｉとが垂直方向を向いているので、先行例の場合のように読み出し信号の振幅が低下する事態は生じないものとなる。
【００５８】
ここで、記憶素子３を構成する各積層膜に用いることのできる材料の一例について説明しておく。なお、先行例としての記憶素子３''と重複する部分については説明を省略する。
【００５９】
先ず、結合層１４ｃには、Ｔａ，Ｒｕ等の非磁性の金属を使用することができる。
また、磁化固定層１２と記憶層１４との間の中間層（非磁性層）１３には、トンネル絶縁膜を形成するための絶縁材料（各種酸化物等）、又は磁気抵抗効果素子の磁性層の間に用いられる非磁性の金属を使用することができる。
この中間層１３の材料として、絶縁材料を用いると、前述したように、より高い読み出し信号（抵抗の変化率）が得られ、かつ、より低い電流によって記録が可能となる。
【００６０】
第１の実施の形態では、強磁性層１４ｐを垂直磁化が優位な垂直磁化層とするために、キャップ層１５にＭｇＯ等の酸化物を用いることができる。図示しないが、キャップ層１５はＭｇＯ層の上にＴａ，Ｒｕ等の非磁性金属を積層させた構成とすることにより、電気伝導性を高めることが望ましい。
【００６１】
磁化固定層１２の材料には、従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭの記憶素子において使用されている、各種の磁性材料を使用することができる。
例えば、ＮｉＦｅ，ＴｅＰｔ，ＣｏＰｔ，ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＣｏＰｄ，ＭｎＢｉ，ＭｎＧａ，ＰｔＭｎＳｂ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ，Ｃｏ−Ｃｒ系材料等を用いることができる。また、これらの材料以外の、磁性材料を使用することが可能である。
【００６２】
図８を参照し、平衡状態から待機状態→記録状態の遷移について具体的に説明しておく。
図８は、記憶素子３の積層方向に流す電流と磁化Ｍｉ及び磁化Ｍｐの垂直成分（ｍｚ）の時間変化の概念図である。
時間領域Ｔ１において、記憶層１４は平衡状態にあり、磁化Ｍｉ及び磁化Ｍｐの垂直成分ｍｚは「１」、すなわち垂直方向である。
記録動作に先立ち、待機状態に遷移させるために時間領域Ｔ１の終了点から記憶素子３に待機電流Ｉｓを流す。すると、記憶素子３の温度上昇とともに結合強度が弱くなり、磁化Ｍｉ及びＭｐの垂直成分は「１」から減少していく（時間領域Ｔ２）。その後、記憶素子３の温度が一定となり、そのときの結合強度で決定される向きに、磁化Ｍｉ及びＭｐの向きが定まる（時間領域Ｔ３）。すなわち、待機状態として安定な状態が得られる。
このように安定な待機状態が得られた後（つまり時間領域Ｔ３のうち任意の時点）に、記録電流を流して実際の記録を行う。
【００６３】
図９は、上記のように記憶素子３を待機状態とした上で情報を記憶させるための構成を含めた、本実施の形態の記憶装置の全体的な構成を示したブロック図である。
先ず、先の図３でも説明したように、実施の形態の記憶装置では、ワード線１とビット線６とがマトリクス状に配線され、これらワード線１とビット線６の交点に、記憶素子３が配置される。
なおこの図では便宜上、複数のワード線１を紙面上側から順に１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ・・・と符号を付し、複数のビット線６を紙面左側から順に６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ・・・と符号を付している。
【００６４】
実施の形態の記憶装置には、それぞれのワード線１を駆動するワード線駆動回路５１と、それぞれのビット線６を入力データに応じて駆動するビット線駆動回路５２と、制御部５０とが設けられる。
制御部５０は、ワード線駆動回路５１によるワード線１の駆動タイミングを制御すると共に、ビット線駆動回路５２によるビット線６の駆動タイミングを制御する。具体的には、ワード線駆動回路５１により或る１つのワード線１を駆動させた（選択させた）状態で、ビット線駆動回路５２により入力データに応じたビット線６の駆動を実行させるという制御を、順次、選択するワード線１を変化させるようにして実行する。これにより、所望の記憶素子３にデータを記憶させることができる。
【００６５】
このとき、制御部５０は、データの記録時に対応して、ビット線駆動回路５２から各ビット線６に対して次の図１０に示されるような待機電流が流れるように制御を行う。具体的には、記録電流Ｉｗを流す前に、待機電流Ｉｓが流れるようにビット線駆動回路５２を制御する。なおこの図からも明らかなように、待機電流Ｉｓのレベルは記録電流Ｉｗのレベルよりも低いものである（絶対値での比較）。
【００６６】
なお、図１０では待機電流Ｉｓ・記録電流Ｉｗの極性として一方の極性（正極性）のみを示したが、前述のように０／１の書き分けは、記憶素子３に流す電流の向きにより実現されるものである。従って、例えば図１０に示す極性がデータ「１」の書き込みに対応したものであるとすれば、データ「０」の書き込みは、図１０とは極性の反転した電流を流して行うことになる。
【００６７】
ここで、図１０Ａに「Ｔｓ」と示す、待機電流Ｉｓの供給期間（待機電流Ｉｓを流し始めた時点から記録電流Ｉｗを流し始めた時点までの期間）としては、先の図８による説明からも理解されるように、待機電流Ｉｓの供給開始後に記憶素子３の温度が一定となって磁化Ｍｉ及びＭｐの向きが安定するまでの期間を確保することが望ましいものとなる。
ただしこのことは、磁化Ｍｉ及びＭｐの向きが安定する前に記録電流Ｉｗの供給を開始することを否定するものではなく、安定した待機状態となる前（先の図８における時間領域Ｔ２のうち任意の時点）に記録電流Ｉｗを流して記録動作を開始させることも可能である。
【００６８】
＜５．第２の実施の形態＞
続いて、図１１を参照して、第２の実施の形態としての記憶素子２０について説明する。
図１１において、図１１Ａは、記憶素子２０の概略構成図（断面図）である。なお図１１Ａでは記憶素子２０の平衡状態における磁化Ｍｉ，Ｍｐと磁化固定層１２の磁化Ｍ１２を併せて示している。
【００６９】
第２の実施の形態の記憶素子２０は、第１の実施の形態の記憶素子３と比較して、記憶層１４の積層順が異なるものである。具体的には、強磁性層１４ｐ、結合層１４ｃ、強磁性層１４ｉが同順で積層されたものである。この場合、強磁性層１４ｐは中間層１３と接しており、強磁性層１４ｉはキャップ層１５と接している。
強磁性層１４ｐを垂直磁化が優位な垂直磁化層とするために、この場合は中間層１３にＭｇＯ等の酸化物を用いるものとしている。
【００７０】
上記構成による記憶素子２０においては、スピントルクは、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２と強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐとの相対角度で決まる。
図１１Ｂは、記憶素子２０に待機電流Ｉｓを流して待機状態となった際の強磁性層１４ｉの磁化Ｍｉと強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐとを示している。
記憶素子２０においては、角度θ２（磁化Ｍｐと垂直軸ａＶとがなす角度）が角度θ１（磁化Ｍｉと垂直軸ａＶとがなす角度）よりも小さくなる。このため、記憶素子２０においては、第１の実施の形態の記憶素子３よりもスピントルクが小さくなる。ただし、従来の記憶素子３’との比較では、記憶層１４の磁化（待機状態における磁化）の向きが斜めになることから、その分記録動作時における高速な磁化反転が可能となる。
【００７１】
なお確認のため述べておくと、第２の実施の形態の記憶装置は、先の図９に示した構成による記憶装置において、記憶素子３に代えて記憶素子２０を設けたものとなる。
【００７２】
上記のような記憶素子２０を備える第２の実施の形態の記憶装置によっても、少ない電流で高速に動作な可能な記憶装置を実現しつつ、読み出し信号の振幅低下の抑制を図ることができる。
【００７３】
＜６．シミュレーション結果＞
上記により説明した各実施の形態の記憶素子（３，２０）の奏する効果を立証するために、マクロスピンモデルによる磁化反転のシミュレーションを行った。
図１２は、電流を流したときの磁化の垂直成分（ｍｚ）の時間変化についてのシミュレーション結果を示している。
図１２Ａが従来の記憶素子３’、図１２Ｂが実施の形態の記憶素子についてのシミュレーション結果をそれぞれ示す。なお、図１２Ｂにおいて、「実施の形態の記憶素子」としては第２の実施の形態の記憶素子２０を用いた。
これら図１２Ａ、図１２Ｂにおいて、横軸は電流を流した後の時間経過を示し、縦軸は磁化の垂直成分ｍｚを示しており、上向きが１で、下向きが−１である。また、電流を流す時間（電流供給時間とも表記）は２０ｎｓとした。時刻の原点は、待機状態とされた記憶層１４に記録電流を流し始めた時点である。
【００７４】
なお、従来の記憶素子３’においては、記憶層１４の磁化Ｍ１４は平衡状態では垂直方向を向いている。従ってそのままではスピントルクが働かないために、垂直軸ａＶから０．０１度ずらして計算を行った。
また、図１２Ｂの計算例では、強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐは待機状態では垂直方向から２９度の方向を、強磁性層１４ｉの磁化Ｍｉは待機状態では垂直方向から７３度の方向を、それぞれ向いている。
【００７５】
従来の記憶素子３’では、磁化Ｍ１４の向きが膜面に垂直な方向の近傍にあるため、その分スピントルクが小さく、時間変化に対して磁化運動の変化が小さくなる。このため、図１２Ａの時間領域Ｔ１１に示すように、電流を流し始めても磁化方向にほとんど変化がない領域が見られる。
ここで、この時間領域Ｔ１１の長さは、磁化の初期角度に応じて記録動作のたびに変化するものである。従って、磁化反転が起こるまでの時間にばらつきが生じ、確実に磁化を反転させるためには十分に長い記録時間が必要とされていたものである。
【００７６】
時間領域Ｔ１１を過ぎると、磁化Ｍ１４の向きが急激に変化して磁化反転が生ずる（時間領域Ｔ１２）。電流供給の続く時間領域Ｔ１３を過ぎて、時間領域Ｔ１４において電流がゼロになる。
【００７７】
これに対し、実施の形態の記憶素子においては、待機状態にて強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐは膜面に垂直な軸から傾斜した方向に向いている。このため、強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐは、記録電流を流すと同時にある程度のスピントルクを受けて、速やかに反転動作を開始することとなる（時間領域Ｔ１５）。なおこのとき、強磁性層１４ｉの磁化Ｍｉも、磁化Ｍｐと磁気的に結合しているために、磁化Ｍｐの運動に合わせて反転運動を開始する。
このように、実施の形態の記憶素子によれば、高速な反転動作が可能となる。
【００７８】
また、実施の形態の記憶素子の場合は、図１２Ａの時間領域Ｔ１１のような磁化運動の変化が小さい時間領域が存在しないことが確認できる。これは、実施の形態の記憶素子によれば、記録電流を流す時間を短縮化できることを意味すると同時に、反転時間のばらつきを少なくできるということも意味している。
【００７９】
ここで、電流供給の続く時間領域Ｔ１６の間は、温度上昇の効果及びスピントルクを受けて磁化Ｍｐ及び磁化Ｍｉは垂直方向からずれた向きを向く。
図１２Ｂの計算では、磁化Ｍｐの角度は１５６度、磁化Ｍｉの角度は１１２度であった。
【００８０】
時間領域Ｔ１７において電流がゼロとなると、結合強度が元の大きさに戻り、垂直方向を向いた平衡状態に遷移する。
【００８１】
この結果からも、実施の形態の記憶素子によれば、少ない電流で高速な書き込みが可能とされつつ、平衡状態にて記憶層１４の磁化Ｍ１４が垂直方向を向くことから読み出し信号の振幅低下の抑制が図られることが分かる。
【００８２】
なお、図１２のシミュレーションでは実施の形態の記憶素子として記憶素子２０を用いた場合の結果を示したが、第１の実施の形態の記憶素子３を用いた場合にも従来の記憶素子３’や先行例の記憶素子３''との比較で改善効果が得られるものである。
【００８３】
＜７．記録時間の短縮化のための工夫＞
ここで、これまでの説明から理解されるように、実施の形態の記憶装置は、記録動作の前に記憶素子を待機状態に遷移させるものである。そのために、記録動作自体に必要な時間は短くなるものの、待機状態に遷移させる分の時間を要することになる。この時間を短縮化するために、以下のように複数の記憶素子に連続して記録動作を行う手法を採ることができる。
【００８４】
図１３は、記録時間を短縮化するための手法についての説明図である。
この図１３では、記憶素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの順で連続して記録を行うことを想定し、これら記憶素子３ａ〜３ｄに供給されるべき電流波形を例示している。なお、記憶素子３ａ〜３ｄは、或るワード線１上に連続して配置された記憶素子３を意味している。
【００８５】
先ず前提として、記録にあたっては、これら記憶素子３ａ〜３ｄが配置されたワード線１をＨＩＧＨとしてそれらの記憶素子３に電流を流すことが可能な状態とする。
このようにワード線１を選択して記憶素子３ａ〜３ｄに電流を流すことが可能な状態とした上で、記憶素子３ａ〜３ｄが接続された各ビット線６に対し、図１３に示すような波形による電流をそれぞれ供給する。
具体的には、記録対象としている記憶素子３に対して記録電流Ｉｗを流す期間（Ｔｗ）と、次に記録対象とされるべき記憶素子３に待機電流Ｉｓを流す期間（Ｔｓ）とをオーバーラップさせるようにして、各ビット線６への電流供給を行う。
【００８６】
ここで、仮に、記憶素子３ａ〜３ｂの４つの記憶素子３に別々に記録動作を行うものとすると、４×（Ｔｓ＋Ｔｗ）の時間を要するが、図１３に示すようなパイプライン式の記録を行うことによって、必要な時間はＴｓ＋４×Ｔｗに短縮化できる。
このようにして、記録動作前に待機状態に遷移させるために必要となるオーバーヘッド期間を、待機電流供給期間と記録電流供給期間とをオーバーラップさせた連続的な記録を行うことによって低減することができる。
【００８７】
上記のようなパイプライン式の記録動作は、先の図９に示した制御部５０が、例えば上述のように記録対象としている記憶素子３に記録電流Ｉｗを流す期間と次に記録対象とされるべき記憶素子３に待機電流Ｉｓを流す期間とをオーバーラップさせるためのタイミング信号を生成し、これをビット線駆動回路５２に対して与えることで実現できる。
【００８８】
なお、図１３では記憶素子３を用いた場合を例示したが、記憶素子２０を用いた場合にも同様のパイプライン式の記録を行って記録時間の短縮化を図ることができる。
【００８９】
＜８．変形例＞
以上、本技術に係る実施の形態について説明してきたが、本技術は上記により例示した具体例に限定されるべきものではない。
例えばこれまでの説明では、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ膜に垂直磁気異方性を誘起する材料として、ＭｇＯなどの酸化物を例示したが、酸化物に限らず種々の材料を用いることが可能である。
【００９０】
また、結合層１４ｃの材料はＴａやＲｕに限らず、例えばＺｒ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｇなど、強磁性層間に磁気的結合を誘起可能な材料で構成されればよい。
【００９１】
また、下地層１１やキャップ層１５は、単一材料でも複数材料の積層構造でも良い。
【００９２】
また、磁化固定層１２は単層構造としても２層の強磁性層と非磁性層から成る積層フェリピン構造としても良い。さらに、積層フェリピン構造膜に反強磁性膜を付与した構造とすることもできる。
【００９３】
また本技術において、記憶素子の膜構成は、記憶層が磁化固定層の上側に配置される構成でも、下側に配置される構成でもよい。
さらには、磁化固定層が記憶層の上下に存在する、いわゆるデュアル構造を採用することもできる。
【００９４】
また、本技術に係る記憶素子３，２０の構造は、ＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子の構成となるが、このＴＭＲ素子としての磁気抵抗効果素子は、上述の記憶装置のみならず、磁気ヘッド及びこの磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブ、集積回路チップ、さらにはパーソナルコンピュータ、携帯端末、携帯電話、磁気センサ機器をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。
【００９５】
一例として図１４Ａ、図１４Ｂに、上記記憶素子３，２０の構造による磁気抵抗効果素子１０１を複合型磁気ヘッド１００に適用した例を示す。なお、図１４Ａは、複合型磁気ヘッド１００について、その内部構造が分かるように一部を切り欠いて示した斜視図であり、図１４Ｂは複合型磁気ヘッド１００の断面図である。
【００９６】
複合型磁気ヘッド１００は、ハードディスク装置等に用いられる磁気ヘッドであり、基板１２２上に、本技術に係る磁気抵抗効果型磁気ヘッドが形成されてなるとともに、当該磁気抵抗効果型磁気ヘッド上にインダクティブ型磁気ヘッドが積層形成されてなる。ここで、磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、再生用ヘッドとして動作するものであり、インダクティブ型磁気ヘッドは、記録用ヘッドとして動作する。すなわち、この複合型磁気ヘッド１００は、再生用ヘッドと記録用ヘッドを複合して構成されている。
【００９７】
複合型磁気ヘッド１００に搭載されている磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、いわゆるシールド型ＭＲヘッドであり、基板１２２上に絶縁層１２３を介して形成された第１の磁気シールド１２５と、第１の磁気シールド１２５上に絶縁層１２３を介して形成された磁気抵抗効果素子１０１と、磁気抵抗効果素子１０１上に絶縁層１２３を介して形成された第２の磁気シールド１２７とを備えている。絶縁層１２３は、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2等のような絶縁材料からなる。
第１の磁気シールド１２５は、磁気抵抗効果素子１０１の下層側を磁気的にシールドするためのものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等のような軟磁性材からなる。この第１の磁気シールド１２５上に、絶縁層１２３を介して磁気抵抗効果素子１０１が形成されている。
【００９８】
磁気抵抗効果素子１０１は、この磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおいて、磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子として機能する。そして、この磁気抵抗効果素子１０１は、上述した記憶素子３，２０と同様な膜構成（層構造）とされる。
この磁気抵抗効果素子１０１は、略矩形状に形成されてなり、その一側面が磁気記録媒体対向面に露呈するようになされている。そして、この磁気抵抗効果素子１０１の両端にはバイアス層１２８，１２９が配されている。またバイアス層１２８，１２９と接続されている接続端子１３０，１３１が形成されている。接続端子１３０，１３１を介して磁気抵抗効果素子１０１にセンス電流が供給される。
さらにバイアス層１２８，１２９の上部には、絶縁層１２３を介して第２の磁気シールド層１２７が設けられている。
【００９９】
以上のような磁気抵抗効果型磁気ヘッドの上に積層形成されたインダクティブ型磁気ヘッドは、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２によって構成される磁気コアと、当該磁気コアを巻回するように形成された薄膜コイル１３３とを備えている。
上層コア１３２は、第２の磁気シールド１２２と共に閉磁路を形成して、このインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアとなるものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等のような軟磁性材からなる。ここで、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２は、それらの前端部が磁気記録媒体対向面に露呈し、且つ、それらの後端部において第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２が互いに接するように形成されている。ここで、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２の前端部は、磁気記録媒体対向面において、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２が所定の間隙ｇをもって離間するように形成されている。
すなわち、この複合型磁気ヘッド１００において、第２の磁気シールド１２７は、磁気抵抗効果素子１２６の上層側を磁気的にシールドするだけでなく、インダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアも兼ねており、第２の磁気シールド１２７と上層コア１３２によってインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアが構成されている。そして間隙ｇが、インダクティブ型磁気ヘッドの記録用磁気ギャップとなる。
【０１００】
また、第２の磁気シールド１２７上には、絶縁層１２３に埋設された薄膜コイル１３３が形成されている。ここで、薄膜コイル１３３は、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２からなる磁気コアを巻回するように形成されている。図示していないが、この薄膜コイル１３３の両端部は、外部に露呈するようになされ、薄膜コイル１３３の両端に形成された端子が、このインダクティブ型磁気ヘッドの外部接続用端子となる。すなわち、磁気記録媒体への磁気信号の記録時には、これらの外部接続用端子から薄膜コイル１３２に記録電流が供給されることとなる。
【０１０１】
以上のように本技術の記憶素子としての積層構造体は、磁気記録媒体についての再生用ヘッド、すなわち磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子としての適用が可能である。
【０１０２】
また、本技術において、記憶装置に用いる記憶素子としては、これまでで例示した構成、すなわち、第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層され、上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされた構成に限定されるべきものではない。
これまでの説明からも理解されるように、このような構成による記憶素子であれば、上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との結合強度の設定によって、平衡状態にて記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向にあり且つ待機電流を流すことで記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜する記憶素子を実現できるが、本技術の記憶装置で用いる記憶素子はこれに限定されるべきものではなく、次のように構成されたものであればよい。すなわち、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層とを少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことが可能に構成された記憶素子であって、上記記憶層が、平衡状態にて記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向にあり、待機電流を流すことで記憶層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜するように構成されたものである。
【０１０３】
また、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層とを少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことが可能に構成された記憶素子と、
上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、
上記記憶素子に対して上記配線部を介して所定レベルによる待機電流を流すことで上記記憶層の磁化の向きを膜面に垂直な方向から傾斜させた状態で、上記待機電流よりもレベルが大となる記録電流を上記配線部を介して流すことで上記記憶層の磁化方向を変化させて情報を記憶させる記憶制御部と
を備える記憶装置。
（２）
上記記憶素子が複数配列されており、
上記記憶制御部は、
記録対象とされた上記記憶素子に上記記録電流を流す期間と次に記録対象とされる上記記憶素子に上記待機電流を流す期間とが重なるように上記配線部を介した上記記憶素子への電流供給制御を行う
上記（１）に記載の記憶装置。
（３）
上記記憶素子はキャップ層を有し、
上記記憶層は、
第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層されて上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層とが上記結合層を介して磁気的に結合され、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第２の強磁性層が上記キャップ層に接しており、
上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされている
上記（１）又は（２）何れかに記載の記録装置。
（４）
上記記憶層は、
上記記憶素子に上記積層方向の電流が流されていない平衡状態において上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層の磁化の向きが共に膜面に垂直な方向を向くように上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との結合強度が設定されている
上記（３）に記載の記憶装置。
（５）
上記第１の強磁性層が上記面内磁化層であり、上記第２の強磁性層が上記垂直磁化層である
上記（４）に記載の記憶装置。
（６）
上記待機電流が流された状態において、上記第１の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度が上記第２の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度よりも大きい
上記（５）に記載の記憶装置。
（７）
上記第１の強磁性層が上記垂直磁化層であり、上記第２の強磁性層が上記面内磁化層である
上記（４）に記載の記憶装置。
（８）
上記待機電流が流された状態において、上記第１の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度が上記第２の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度よりも小さい
上記（７）に記載の記憶装置。
（９）
上記中間層がトンネル絶縁層である上記（１）乃至（８）何れかに記載の記憶装置。
（１０）
上記キャップ層が酸化物層を含む上記（３）乃至（９）何れかに記載の記憶装置。
（１１）
上記第１の強磁性層及び上記第２の強磁性層がＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層を含む上記（３）乃至（１０）何れかに記載の記憶装置。
【符号の説明】
【０１０４】
１  ゲート電極、２  素子分離層、３，２０  記憶素子、４  コンタクト層、６  ビット線、７  ソース領域、８  ドレイン領域、９  配線、１０  半導体基体、１１  下地層、１２  磁化固定層、１３  中間層、１４  記憶層、１４ｉ,１４ｐ  強磁性層、１４ｃ  結合層、１５  キャップ層（垂直磁気異方性誘起層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図７】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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