(57)【要約】  電界書込み磁気記録素子を用いた低消費電力不揮発性メモリを提供する。  マルチフェロイックス層３０１を磁気記録層２００２に隣接させ、マルチフェロイックス層に電界を印加しマルチフェロイックスの誘電状態を制御することにより磁気記録層の磁化方向を制御し、情報書込みを行う。読み出しは、磁気記録層の磁化方向を磁気抵抗効果によって電気的に検出することによって行う。
2010032574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気記録層と、
前記磁気記録層の一方の面に隣接して設けられたマルチフェロイックス層と、
前記磁気記録層の他方の面に隣接して設けられた読み出し層と、
前記マルチフェロイックス層側に設けられた第１の電極層と、
前記読み出し層側に設けられた第２の電極層と、
前記磁気記録層に接続された電極とを有し、
前記磁気記録層は、前記マルチフェロイックス層との間に作用する磁気交換結合により、磁化方向が固定され、
前記読み出し層は前記磁気記録層の磁化方向に応じて電気抵抗が変化し、
前記第１の電極層と第２の電極層を介して前記マルチフェロイックス層に電界を印加することにより、前記磁気記録層の磁化方向を回転して磁気情報を書込み、
前記第２の電極層と前記磁気記録層に接続された電極を介して前記読み出し層の電気抵抗に応じた信号を得ることを特徴とする磁気記録素子。
【請求項２】
請求項１記載の磁気記録素子において、前記マルチフェロイックス層と前記第１の電極層との間に絶縁層が設けられていることを特徴とする磁気記録素子。
【請求項３】
請求項１記載の磁気記録素子において、前記読み出し層は、前記磁気記録層に隣接した障壁層と、前記障壁層と前記第２の電極層の間に設けられた磁気固定層とを備えることを特徴とする磁気記録素子。
【請求項４】
請求項３記載の磁気記録素子において、
前記障壁層はＭｇＯからなり、
前記磁気記録層は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｂを含有する体心立方格子の膜であることを特徴とする磁気記録素子。
【請求項５】
請求項３記載の磁気記録素子において、前記磁気記録層は、非磁性層を挟んで設けられた第一の磁性層と第二の磁性層を有し、前記第一の磁性層と第二の磁性層の磁化が反平行に結合していることを特徴とする磁気記録素子。
【請求項６】
請求項３記載の磁気記録素子において、前記磁気固定層は、非磁性層を挟んで設けられた第一の磁性層と第二の磁性層を有し、前記第一の磁性層と第二の磁性層の磁化が反平行に結合していることを特徴とする磁気記録素子。
【請求項７】
請求項１記載の磁気記録素子において、前記マルチフェロイックス層は、酸化物からなることを特徴とする磁気記録素子。
【請求項８】
磁気記録層、前記磁気記録層の一方の面に隣接して設けられたマルチフェロイックス層、前記磁気記録層の他方の面に隣接して設けられ前記磁気記録層の磁化方向に応じて電気抵抗が変化する読み出し層、前記マルチフェロイックス層側に設けられた第１の電極層、前記読み出し層側に設けられた第２の電極層、及び前記磁気記録層に接続された電極を有し、前記磁気記録層は、前記マルチフェロイックス層との間に作用する磁気交換結合により、磁化方向が固定された磁気記録素子と、
第１の電源と前記第１の電源による電圧印加をオン・オフ制御する第１のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と第２の電極層に接続され、前記マルチフェロイックス層に電界を印加することにより、前記磁気記録層の磁化方向を回転して磁気情報を書込む書き込み回路と、
第２の電源と前記第２の電源による電圧又は電圧印加をオン・オフ制御する第２のスイッチング素子とを有して前記第２の電極層と前記磁気記録層に接続された電極に接続され、前記読み出し層の電気抵抗に応じた信号を得る読み出し回路と、
を有することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項９】
請求項８記載の磁気メモリセルにおいて、前記磁気記録素子は、前記マルチフェロイックス層と前記第１の電極層の間に絶縁層が設けられていることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１０】
複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備える磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルは、
磁気記録層、前記磁気記録層の一方の面に隣接して設けられたマルチフェロイックス層、前記磁気記録層の他方の面に隣接して設けられ前記磁気記録層の磁化方向に応じて電気抵抗が変化する読み出し層、前記マルチフェロイックス層側に設けられた第１の電極層、前記読み出し層側に設けられた第２の電極層、及び前記磁気記録層に接続された電極を有し、前記磁気記録層は、前記マルチフェロイックス層との間に作用する磁気交換結合により、磁化方向が固定された磁気記録素子と、
第１の電源と前記第１の電源による電圧印加をオン・オフ制御する第１のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と第２の電極層に接続され、前記マルチフェロイックス層に電界を印加することにより、前記磁気記録層の磁化方向を回転して磁気情報を書込む書き込み回路と、
第２の電源と前記第２の電源による電圧又は電圧印加をオン・オフ制御する第２のスイッチング素子とを有して前記第２の電極層と前記磁気記録層に接続された電極に接続され、前記前記読み出し層の電気抵抗に応じた信号を得る読み出し回路と、
を有することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１１】
請求項１０記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記磁気記録素子は、前記マルチフェロイックス層と前記第１の電極層の間に絶縁層が設けられていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界により磁気情報の書込みを行う磁気記録素子及びそれを装備した低消費電力不揮発磁気メモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
将来の高集積磁気メモリに適用されるトンネル磁気抵抗効果素子として、Ａｌの酸化物を絶縁体に用いたトンネル磁気抵抗効果素子よりも数倍大きい磁気抵抗比が得られる、絶縁膜に酸化マグネシウムを用いたトンネル磁気抵抗効果素子がS. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868(2004)や特開２００７−５９８７９号公報が開示されている。また、従来の不揮発性磁気メモリは、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成したメモリセルにより構成される。スイッチングはＭＯＳＦＥＴを利用し、ビット線とワード線に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってトンネル磁気抵抗効果素子の磁化方向を回転させて情報を書込み、トンネル磁気抵抗効果素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより磁化を回転させるいわゆるスピントランスファートルク磁化反転あるいは同義であるスピン注入磁化反転方式があり、例えば米国特許第５，６９５，８６４号明細書あるいは特開２００２−３０５３３７号公報に開示されている。さらに、電界を用いて磁化反転を行う方式として、マルチフェロイックスを用いた例がV. Laukhin et al., Physical Review Letters 97, 227201 (2006)に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−５９８７９号公報
【特許文献２】米国特許第５，６９５，８６４号明細書
【特許文献３】特開２００２−３０５３３７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Nature Material 3, 868 (2004)
【非特許文献２】Physical Review Letters 97, 227201 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
汎用性不揮発性磁気メモリの実現には、低消費電力と高い熱安定性とを同時に満足する技術を開発する必要がある。【０００６】
本発明は、このような要請に応えることのできる電界磁気書込みが可能な磁気記録素子とそれを用いた不揮発性磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、絶縁体を介してあるいは直接マルチフェロイックス層を磁気記録層に隣接させ、マルチフェロイックス層に電界を印加しマルチフェロイックスの誘電状態を制御することにより磁気記録層の磁化方向を制御して情報書込みを行う磁気記録素子、及びそれを用いた磁気メモリ及び磁気ランダムアクセスメモリを提供する。当該素子及びメモリでは、磁気記録層の磁化方向を電気的に読出す読出し層を有する。マルチフェロイックス層は、反強磁性体の性質と強誘電体の性質を併せ持つ層である。【０００８】
本発明の磁気記録素子は、磁気記録層と、磁気記録層の一方の面に隣接して設けられたマルチフェロイックス層と、磁気記録層の他方の面に隣接して設けられた読み出し層と、マルチフェロイックス層側に設けられた第１の電極層と、読み出し層側に設けられた第２の電極層と、磁気記録層に接続された電極とを有し、磁気記録層は、マルチフェロイックス層との間に作用する磁気交換結合により、磁化方向が固定され、読み出し層は磁気記録層の磁化方向に応じて電気抵抗が変化し、第１の電極層と第２の電極層を介してマルチフェロイックス層に電界を印加することにより、磁気記録層の磁化方向を回転して磁気情報を書込み、第２の電極層と磁気記録層に接続された電極を介して読み出し層の電気抵抗に応じた信号を得る。マルチフェロイックス層と第１の電極層との間には、絶縁層が設けられていてもよい。【０００９】
本発明の磁気メモリセルは、磁気記録層、磁気記録層の一方の面に隣接して設けられたマルチフェロイックス層、磁気記録層の他方の面に隣接して設けられ磁気記録層の磁化方向に応じて電気抵抗が変化する読み出し層、マルチフェロイックス層側に設けられた第１の電極層、読み出し層側に設けられた第２の電極層、及び磁気記録層に接続された電極を有し、磁気記録層は、マルチフェロイックス層との間に作用する磁気交換結合により、磁化方向が固定された磁気記録素子と、第１の電源と第１の電源による電圧印加をオン・オフ制御する第１のスイッチング素子とを有して第１の電極層と第２の電極層に接続され、マルチフェロイックス層に電界を印加することにより、磁気記録層の磁化方向を回転して磁気情報を書込む書き込み回路と、第２の電源と第２の電源による電圧又は電圧印加をオン・オフ制御する第２のスイッチング素子とを有して第２の電極層と磁気記録層に接続された電極に接続され、読み出し層の電気抵抗に応じた信号を得る読み出し回路と、を有する。【００１０】
また、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備え、磁気メモリセルとして上記した本発明の磁気メモリセルを用いる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、数十ミリボルト程度の電圧により、磁気記録層への磁気情報の書込みを可能とする。また、磁気記録層において１０００以上の熱安定性定数を実現できることが期待される。本発明の磁気記録素子は、磁気メモリセルや磁気ランダムアクセスメモリに適用し、汎用性低消費電力不揮発性磁気メモリを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の電界書込み磁気記録素子の構成例を示した図である。
【図２】本発明の電界書込み磁気記録素子の構成例を示した図である。
【図３】本発明の電界書込み磁気記録素子の構成例を示した図である。
【図４】本発明の電界書込み磁気記録素子の構成例を示した図である。
【図５】書込み電圧と磁気記録層の厚さの関係を示す図である。
【図６】（ａ）はマルチフェロイックス層と磁気記録層の積層構造を示す図、（ｂ）（ｃ）は電界書込みの特性原理の一例を示す図である。
【図７】電界書込みの原理を示す図である。
【図８】熱安定性定数Ｅ／ｋBＴと磁気記録層の厚さの関係を示す図である。
【図９】本発明の電界書込み磁気記録素子の構成例を示した図である。
【図１０】本発明の電界書込み磁気記録素子の構成例を示した図である。
【図１１】本発明の電界書込み磁気記録素子を用いた磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図１２】本発明の電界書込み磁気記録素子を用いた磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図１３】本発明の電界書込み磁気記録素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に述べる電界書込み磁気記録素子では、マルチフェロイックス層と磁気記録層の間に働く磁気交換結合の大きさをマルチフェロイックス層に電界を印加することにより制御し、磁気記録層の磁化の方向を制御する。以下では、磁化反転の起こる電界（電圧）の閾値をＥc（Ｖc）と定義した。
【００１４】
［実施例１］
図１は、本発明による電界書込み磁気記録素子の一例を示す断面模式図である。本実施例の磁気記録素子は、スパッタリング法を用いて作製したが、分子線原子層成長法など他の方法を用いて作製してもかまわない。
【００１５】
電界書込み磁気記録素子１は、電極層５０１側から、読出し層２００１、磁気記録層２００２、マルチフェロイックス層３０１、絶縁層４０１、書込み電極層５０２がこの順に積層された構造を有する。なお、図１に示した積層順とは逆に、書込み電極５０２を基板側に配置し、その上に絶縁層４０１、マルチフェロイックス層３０１、磁気記録層２００２、読出し層２００１、電極層５０１、がこの順に積層された構成を用いることも可能である。マルチフェロイックス層３０１は、反強磁性体の性質と強誘電体の性質を併せ持つ材料層である。従って、磁気記録層２００２の磁化は、反強磁性体としてのマルチフェロイックス層３０１との磁気交換結合により一定方向に固定される。
【００１６】
電極層５０１と書き込み電極層５０２には、電源１０とスイッチ素子１１を含む書き込み回路が接続されている。書き込み時には、スイッチ１１を閉じてマルチフェロイック層３０１に電圧あるいは電流を印加する。また、電極層５０１と磁気記録層２００２には、電源２０、スイッチ素子２１及び電圧あるいは電流を検出する検出器２２を備える読み出し回路が接続され、読出し層２００１の電気信号を電圧あるいは電流により読み出す。検出器２２としては、電圧計あるいは電流計を用いることができる。
【００１７】
読出し層２００１は、磁気記録層２００２の磁化方向の変化を電気抵抗の変化として検出できる機能を有し、例えば異方性磁気抵抗効果、巨大磁気抵抗効果、トンネル磁気抵抗効果など磁気抵抗効果の発現する材料を用いることができる。
【００１８】
図２は、図１に示した電界書込み素子の変形例を示すものである。図２に示した電界書き込み素子２は、読み出し層を、磁気記録層２００２に接する障壁層２０２と障壁層２０２に接する磁気固定層２０１で構成し、トンネル磁気抵抗効果により磁気記録層２００２の磁化状態を電気的に読み出す素子の構成例を示している。
【００１９】
また、図３は、図２に示した電界書込み素子の変形例を示している。図３に示す電界書込み素子３は、磁気固定層２０１の磁化方向を固定する手段として、ＭｎＩｒ，ＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＩｒ，ＭｎＦｅなどの反強磁性層６０１を用いて、磁気固定層と反強磁性層の間に交換結合を働かせることにより、磁気固定層の磁化の固定力を安定させたものである。また、磁気固定層２０１を、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅのような、非磁性層２０１２を挟んで第１の磁性層２０１１と第２の磁性層２０１３が積層され、２層の磁性層２０１１，２０１３の磁化が反平行に結合した積層フェリ構造として磁気固定層の磁化の固定力を安定させる構造としている。
【００２０】
図４に示した電界書込み素子４は、図３に示した電界書込み素子の変形例を示し、磁気記録層２００２に、２層の磁性層２００２１，２００２３で非磁性層２００２２を挟んだ構造を有し、２層の磁性層２００２１，２００２３の磁化が反平行に結合した積層フェリ構造を適用したものである。このときに使用する非磁性層としてはＲｕなどを用いることが望ましい。
【００２１】
ここで、図２に示すトンネル磁気抵抗素子を用いた電界書込み磁気記録素子の典型的な作製方法について説明する。
【００２２】
まず、マルチフェロイックス層３０１について述べる。マルチフェロイックスは、磁気的性質と誘電体の性質の両方を合わせ持つ材料を指し、主として酸化物により形成される。本発明の電界書き込み磁気記録素子に用いるマルチフェロイックス層としては、ＢｉＦｅＯ3，ＹＭｎＯ3，ＣｏＦｅＯ2，Ｃｒ2Ｏ3など、反強磁性と強誘電的性質の両方を備える材料が望ましい。磁気記録層２００２及び磁気固定層２０１には、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素を含み、それらにＢを含有する材料を用いることが望ましく、その例を表１に示す。
【表１】
2010032574.tif 000003
【００２３】
次に、障壁層２０２の材料選択について述べる。障壁層２０２としては、ＭｇＯを用いることが最も望ましいが、ＡｌＯ，ＳｉＯ2のような酸化物、あるいはＧａＡｓやＺｎＳｅなどの半導体材料、ＡｌＮ，ＳｉＮなどの窒化物を用いてもよい。特に、障壁層２０２にＭｇＯを用いた場合、磁気記録層２００２及び磁気固定層２０１に体心立方格子構造のＣｏＦｅＢを用いることにより、大きなトンネル磁気抵抗効果つまり読出し出力信号を得ることができる。この場合、ＭｇＯもＣｏＦｅＢも（１００）配向性の高い薄膜で構成し、ＣｏＦｅＢの組成をＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20とするのが最も望ましい。絶縁層４０１に用いる材料は、ＳｉＯやＡｌ2Ｏ3のようなＳｉ又はＡｌの酸化物など、誘電率の大きい材料を用いることが望ましい。他の材料として、ＳｉＮなどの窒化物を用いてよい。書込み電極層５０２及び電極層５０１は、ＷやＴｉＮ又はＴｉＮとＡｌＣｕなどの２層膜あるいは多層膜で形成してもよい。図４に示した電界書き込み磁気記録素子の磁気記録層２００２に使用する磁性層の材料としても、表１に示した材料を用いることが望ましい。
【００２４】
このように形成した電界書込み磁気記録膜は、フォトリソグラフィーとイオンミリング、反応性エッチング法などを用いることによって、０．１μｍ×０．１５μｍの面積をもつ電界書込み磁気記録素子に形成される。
【００２５】
次に、本発明による電界書込み磁気記録素子の書込み、読出し方法について説明する。書込みに際しては、電極層５０１と書込み電極層５０２の間に電圧を印加することによりマルチフェロイックス層に電界を印加する。すると、マルチフェロイックス層３０１と磁気記録層２００２の間に作用する交換結合エネルギーの大きさが変化し、磁気記録層２００２の磁化方向が制御される。マルチフェロイックスの界面では、誘電分極の方向と磁化の方向に相関があり、誘電分極の方向が反転することにより磁化も反転する。マルチフェロイックス層と磁気記録層の界面では、磁気的な交換結合が働くため、マルチフェロイックス層の界面の磁化方向に合わせて磁気記録層の磁化方向が配列する。したがって、マルチフェロイックス層に外部から電界を印加することにより、その誘電分極の方向を反転させることにより、磁気記録層の磁化方向も回転することになる。
【００２６】
図５（ａ）、（ｂ）に、マルチフェロイックス層にＢｉＦｅＯ3，磁気記録層にＣｏＦｅＢを用いた場合について、書込み電圧（Ｖc）の磁気記録層の厚さ依存性を示す。図５（ａ）は、磁気記録層と磁気固定層の磁化方向が反平行から平行にスイッチする場合の特性、図５（ｂ）は磁気記録層と磁気固定層の磁化方向が平行から反平行にスイッチする場合の特性を示す。いずれの場合も、記録層の厚さが変わっても書き込み電圧にはほとんど変化がないことが分かる。
【００２７】
本発明の電界書込みの原理の詳細を図６、図７を用いて説明する。図６（ａ）のようにマルチフェロイックス層３０１と磁気記録層２００２を隣接して積層し、その間に電圧を印加してマルチフェロイックス層に電界Ｅを印加する。ここでは、記録層２００２に対してマルチフェロイックス層３０１に高い正電圧を印加して発生される電界方向を正の電界方向とした。電界Ｅを変化させると、図６（ｂ）のように、閾値（＋Ｅc，−Ｅc）において磁気記録層２００２の磁化Ｍの大きさの符号が反転する。つまり、閾値電界により磁気記録層２００２の磁化方向が反転する。＋Ｅc以上の電界では、マルチフェロイックス層３０１の誘電分極ｐの方向が薄膜の下から上に向き、その誘電分極方向に依存して磁気記録層２００２の磁化方向ｍが右に向く。一方、−Ｅc以下の電界では、マルチフェロイックス層３０１の誘電分極ｐの方向が薄膜の上から下に向き、その誘電分極方向に依存して磁気記録層２００２の磁化方向ｍが左に向く。これは、マルチフェロイックス層３０１と磁気記録層２００２の間に作用する磁気交換結合の大きさが、マルチフェロイックス層３０１の誘電分極の大きさと方向に依存するためである。
【００２８】
電界が印加されないとき、つまり電界Ｅ＝０のとき、磁気記録層２００２の磁化Ｍの外部磁界Ｈに対する応答は図７（ｂ）のようになり、磁気記録層２００２の保磁力（Ｈc，−Ｈc）において、磁気記録層２００２の磁化方向は反転する。ここで、図６（ｂ）のように磁気記録層の磁化が右向きになる磁界方向を正の磁界とした。このとき、マルチフェロイックス層３０１と磁気記録層２００２の間には、磁気交換結合が働くので、その磁気交換結合磁界Ｈex分だけ、磁気記録層２００２の磁化−外部磁界曲線がゼロからシフトする。
【００２９】
図７（ａ）に示すように、マルチフェロイックス層３０１に負の電界が印加されると、電界の大きさに比例して磁気交換結合磁界Ｈexの大きさがΔＨexだけ変化し、その結果、磁気記録層２００２の磁化−外部磁界曲線が、外部磁界Ｈの負方向にシフトする。電界が閾値電界−Ｅcに達すると、磁気記録層２００２の磁化は負から正にスイッチし、白丸の状態になる。一方、図７（ｃ）に示すように、正の電界が印加されると、その電界の大きさに比例して磁気交換結合磁界Ｈexの大きさがΔＨexだけ変化し、その結果、磁気記録層２００２の磁化−外部磁界曲線が、電界の大きさに比例して外部磁界Ｈの正方向にシフトする。電界が閾値電界＋Ｅcに達すると、磁気記録層２００２の磁化は正から負にスイッチし、白丸の状態になる。
【００３０】
したがって、マルチフェロイックス層３０１に印加する電界の大きさと方向を変化させることにより、磁気記録層２００２の磁化方向がスイッチする。磁化反転の電界閾値（Ｅc）の大きさは、磁気記録層２００２の保磁力Ｈcの大きさにより決まる。図６（ｃ）に示すように、磁気記録層２００２の保磁力Ｈcの大きさに相当する磁気交換結合磁界Ｈexの変化ΔＨexを起こす電界が、磁気記録層２００２の反転電界閾値Ｅcとなる。
【００３１】
次に、読出し方法としては、磁気記録層２００２の磁化方向の変化を電気抵抗の変化として検出できる機能を有する異方性磁気抵抗効果素子、巨大磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果素子など磁気抵抗効果の発現する材料を用いることが望ましい。ここでは、大きい磁気抵抗効果を安定に示すトンネル磁気抵抗効果を採用した例について述べる。
【００３２】
障壁層２０２を介して磁気記録層２００２と磁気固定層２０１の間に電流(電圧)を印加し、磁気記録層２００２と磁気固定層２０１の磁化方向の相対角度に依存して電気抵抗が変化するトンネル磁気抵抗効果により読出しを行う。磁気記録層２００２と磁気固定層２０１にＣｏＦｅＢ、障壁層２０２にＭｇＯを用いた場合、磁気記録層２００２と磁気固定層２０１の間の磁化方向が平行と反平行のときの電気抵抗が最大で６００％変化する。この変化を読み出し回路によって検知し、磁気記録層２００２の磁化方向を検出する。
【００３３】
ここで、本発明が磁気記録層２００２の熱安定性（Ｅ／ｋBＴ）に与える効果について説明する。Ｅは、磁化反転に必要なエネルギーの大きさを示し、熱エネルギーｋBＴに対して十分大きい値をもつことにより、安定かつ信頼性のある磁気情報保持が可能となる。書込み方式にスピントランスファートルク磁化反転を用いた磁気記録素子では、その磁気記録層のＥ／ｋBＴを増大させるとスピントランスファートルク磁化反転電流密度も増大し、問題となっていた。
【００３４】
図８は、本発明の電界書き込み磁気記録素子の磁気記録層２００２にＣｏＦｅＢを用いた場合の、磁気記録層２００２の厚さに対するＥ／ｋBＴをプロットした図である。Ｅ／ｋBＴは、磁気記録層２００２の厚さに対して比例して増大し、たとえば２５ｎｍ以上の磁気記録層２００２に対してＥ／ｋBＴ＞１０００の実現が可能となる。一方、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示したように、書込み電圧は、磁気記録層２００２の厚さにほとんど依存しない。従って、書込み電圧の増大なしに、Ｅ／ｋBＴの大きさを、磁気記録層２００２の厚さにより自由に選択できる。
【００３５】
［実施例２］
本発明による電界書き込み磁気記録素子の実施例２について説明する。実施例２のシリーズは、実施例１のシリーズの構成において絶縁層４０１が省略された構成である。本実施例の場合、マルチフェロイックス層３０１に直接電界を印加することにより、その印加電界の制御性が向上するため、マルチフェロイックス層の厚さを厚くすることにより耐圧性を向上できる。
【００３６】
図９に示した電界書き込み磁気記録素子５は、実施例１の図１に示した素子に対応し、電極層５０１側から、読出し層２００１、磁気記録層２００２、マルチフェロイックス層３０１書込み電極層５０２がこの順に積層された構造を有する。読出し層２００１には、異方性磁気抵抗効果、巨大磁気抵抗効果、トンネル磁気抵抗効果など磁気抵抗効果の発現する材料が用いられる。また、図１０に示した電界書き込み磁気記録素子６は、実施例１の図２に示した素子に対応し、読み出し層を磁気記録層２００２に接する障壁層２０２と障壁層２０２に接する磁気固定層２０１で構成したものである。なお、実施例１の図３，４に示した素子構造において、絶縁層４０１を省略した構造の素子も本実施例の範疇に属する。
【００３７】
本実施例においても、各層を構成する具体的材料の選択は実施例１で述べた形態と同様である。
【００３８】
［実施例３］
図１１及び図１２は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。この磁気メモリセルは、メモリセルとして実施例１あるいは実施例２に示した電界書込み磁気記録素子２００を搭載している。
【００３９】
Ｃ−ＭＯＳ１００は、２つのｎ型半導体１０１，１０２と一つのｐ型半導体１０３からなる。ｎ型半導体１０１にドレインとなる電極１２１が電気的に接続され、電極１４１，１４７を介してグラウンドに接続されている。ｎ型半導体１０２には、ソースとなる電極１２２が電気的に接続されている。ゲート電極１２３のＯＮ／ＯＦＦによりソース電極１２２とドレイン電極１２１の間の電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する。ソース電極１２２には電極１４５，１４４，１４３，１４２，５０１が積層され、電界書込み磁気記録素子２００が接続されている。
【００４０】
ビット線５０３は電界書込み磁気記録素子２００の磁気記録層２００２に接続されている。ビット線５０３からトランジスタ１００を介して電流あるいは電圧を印加することにより読出しを行う。特に、読出し層として障壁層と磁気固定層を適用したときは、トンネル磁気抵抗効果により読出しを行う。本実施例の磁気メモリセルでは、電界書込み磁気記録素子２００の書込み電極５０２に印加する電圧により、磁気記録層２００２の磁化方向を制御する。
【００４１】
図１３は、上記磁気メモリセルを配置した磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。ゲート電極１２３とビット線５０３が磁気メモリセル７００に電気的に接続されている。記録動作は、ゲート電極とビット線により選択されたメモリセルに電圧あるいは電流を印加することにより行う。また、トランジスタで選択されたメモリセルにおいて、ビット線とトランジスタ１００の間の電圧あるいは抵抗変化によりメモリセルの情報を読み出す。上記実施例に記載した磁気メモリセルを配置することにより高速・低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１〜６  電界書込み磁気記録素子
１００  トランジスタ
１０１  第一のｎ型半導体
１０２  第二のｎ型半導体
１０３  ｐ型半導体
１２１  ドレイン電極
１２２  ソース電極
１２３  ゲート電極
２００  電界書込み磁気記録素子
２０１  磁気固定層
２０２  障壁層
２００１  読出し層
２００２  磁気記録層
２０１１  第１の磁性層
２０１２  第１の非磁性層
２０１３  第２の磁性層
２００２１  第３の磁性層
２００２２  第２の非磁性層
２００２３  第４の磁性層
３０１  マルチフェロイックス層
４０１  絶縁層
５０１  電極層
５０２  書込み電極層
５０３  ビット線
６０１  反強磁性層
７００  磁気メモリセル
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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