(57)【要約】  フリー層５、非磁性層４、ピン層３からなるスピンバルブ構造を有する磁気メモリー素子８であり、フリー層５が、前記非磁性層４側から第１磁性層５１、中間層５２、第２磁性層５３の３層構造からなり、第１磁性層５１が強磁性体、中間層５２が非磁性体、第２磁性層５３が、記憶保持温度域において磁気補償点を有するＮ型フェリ磁性体からなり、第１磁性層と前記第２磁性層の磁化の向きが、前記磁気補償点Ｔｃｏｍｐより低温において互いに平行である。
2010064476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリー層と、非磁性層と、前記フリー層とともに前記非磁性層を挟むピン層とを備えるスピンバルブ構造を有してなる磁気メモリー素子であって、
前記スピンバルブ構造の前記フリー層と前記ピン層との間に、前記フリー層の磁化と前記ピン層の磁化との組み合わせを制御するためのいくつかの書き込みパルスを印加することによって書き込みパルスに応じた情報が記録され、
前記フリー層が、前記非磁性層側から第１磁性層と中間層と第２磁性層とを積層した３層構造からなり、
前記第１磁性層は強磁性体からなり、
前記中間層は非磁性体からなり、
前記第２磁性層は、前記磁気メモリー素子の記憶保持動作温度域に磁気補償点Ｔｃｏｍｐを有するＮ型フェリ磁性体を含み、
前記第１磁性層と前記第２磁性層の磁化の向きが、前記磁気補償点Ｔｃｏｍｐより低温において互いに平行であることを特徴とする磁気メモリー素子。
【請求項２】
前記非磁性層は、ＲｕまたはＣｕを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリー素子。
【請求項３】
前記中間層の厚さが２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリー素子。
【請求項４】
前記第１磁性層の容易磁化軸は該第１磁性層の膜面内のいずれかの方向であり、前記第２磁性層の容易磁化軸は該第１磁性層の膜面に垂直な成分を有する方向であることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリー素子。
【請求項５】
前記非磁性層が酸化マグネシウムからなり、
前記第１磁性層がＣｏＦｅＢ合金またはＣｏＦｅ合金からなり、
前記第２磁性層は、ＴｂおよびＧｄからなる群から選択される少なくとも一の希土類金属と、ＦｅおよびＣｏからなる群から選択される少なくとも一の遷移金属との組み合わせからなる２元または３元の希土類遷移金属合金からなることを特徴とする請求項３に記載の磁気メモリー素子。
【請求項６】
前記Ｎ型フェリ磁性体の磁気補償点Ｔｃｏｍｐが、一の書き込みパルスを印加したときに到達する前記第２磁性層の温度よりも低く、他の書き込みパルスを印加したときに到達する前記前記第２磁性層の温度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリー素子。
【請求項７】
請求項１〜６に記載の磁気メモリー素子と、
該磁気メモリー素子に直列に接続した整流素子と、
前記磁気メモリー素子のスピンバルブ構造におけるフリー層の磁化とピン層の磁化との組み合わせを第１の組み合わせ状態にするための第１の書き込みパルスと、
前記組み合わせを第２の組み合わせ状態にするための、前記第１の書き込みパルスと同一の極性の第２の書き込みパルスとを生成して前記整流素子と前記磁気メモリー素子とに印加して書込及び消去を行う情報書換え手段と、
磁気メモリー素子を流れる電流量から記憶された情報を読出す読み出し手段と
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することができる磁気メモリー素子及びそれを用いる不揮発記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラッシュメモリーに代表される不揮発性半導体記憶装置の大容量化が著しく、３２Ｇバイト程度の容量の製品のリリースがアナウンスされるに至っている。不揮発性半導体記憶装置は、特にＵＳＢメモリーや携帯電話用のストレージとして商品価値が増しており、耐振動性、高信頼性、低消費電力といった固体素子メモリーならではの原理的な優位性が注目されて、音楽および画像用の携帯音楽プレイヤー用ストレージなどの可搬型電子機器用の主流のストレージデバイスとなりつつある。【０００３】
一方、上記のストレージデバイス向けの応用とは別に、不揮発性半導体記憶装置に情報機器のメインメモリーとして現在使用されているＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリー）と同様の性能をも実現することを目指した研究も精力的に行われている。その研究は、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コンピュータ、いわゆる「インスタント・オン・コンピュータ」の実現を目標としている。このための不揮発性半導体記憶素子のメモリー素子は、ＤＲＡＭに要求される技術仕様である（１）スイッチング速度が５０ｎｓ未満であること、および、（２）書換え回数が１０１６を超えること、という要件を満たす必要があると言われている。なお、上記技術仕様に挙げた書換え回数の下限（１０１６）は、３０ｎｓあたり１回のアクセスを１０年間続ける場合のアクセス回数に基づいて想定されている数値である。不揮発性記憶装置をメインメモリーとして用いる場合にはリフレッシュサイクルが不要となるため、これよりも少ない書換え回数でも現在のＤＲＡＭと同様の用途に利用できる可能性がある。【０００４】
このような次世代不揮発性半導体記憶装置の候補として強誘電体メモリー（ＦｅＲＡＭ）、磁気メモリー（ＭＲＡＭ）、相変化メモリー（ＰＲＡＭ）等の各種の原理に基づく不揮発性メモリー素子の研究開発が行われている。しかしながら、上述の技術仕様を満たしＤＲＡＭを代替するための候補としては、磁気抵抗素子をメモリー素子として用いるＭＲＡＭが有望と見られている。以下、磁気抵抗素子を用いるメモリー素子を「磁気メモリー素子」という。ＭＲＡＭは、試作レベルではあるものの、１０１２以上の書換え回数性能を既にクリアしており、そのスイッチング速度も１０ｎｓ未満と高速であることから、不揮発性記憶装置のうちの他の技術と比較して実現性がとりわけ高いと見られている。【０００５】
このＭＲＡＭの一番の問題点は、メモリーセル１つの占める面積（セル面積）が大きいことと、それに伴ってビットコストが高いことである。具体的には、現在商品化されている４Ｍｂｉｔ程度の小容量のＭＲＡＭは、電流磁場書換型であり、製造プロセスの最小加工寸法をＦとすると、セル面積が２０〜３０Ｆ２以上となりセル自体の微細化が難しい。また、電流磁場書換型のＭＲＡＭでは、セル面積を微細化する場合に、反転磁場（すなわち、磁化を反転させるための外部磁場としての最小の値）が増大してしまい、集積度を上げてセルを微細化するにつれて反転のために必要な電流値が増大するという問題がある。これらの問題のため、電流磁場書換型のＭＲＡＭによってＤＲＡＭを置換えることは現実的とはいえない。【０００６】
この状況に対して、２つのブレークスルーとなる技術が状況を変えつつある。一つはＭｇＯトンネル絶縁膜を用いたＭＴＪ（磁気トンネル接合）を用いる方式であり、２００％以上の磁気抵抗比が容易に得られる（非特許文献１）。もう一つは電流注入磁化反転方式である。特に、電流注入磁化反転方式では、上述のセルの微細化に伴う反転磁場の増大のような微細化に対する原理的困難はなく、逆に、微細化すると、スケーリング則に従う反転電流の低減がみられるため、微細化に伴って書込みエネルギーの低減が可能となる。この電流磁化反転方式により、１つの磁気トンネル接合（ＭＴＪ）あたり１つのトランジスタを用いるメモリーセルの構成とすることが可能となるため、セル面積は、理想的には６〜８Ｆ２、つまり、ＤＲＡＭ並みのセル面積にすることができると予測されている（非特許文献２）。以下、１つの磁気トンネル接合（ＭＴＪ）あたり１つのトランジスタを用いるメモリーセルの構成を、「１トランジスタ−１ＭＴＪ構成」と記載する。また、フラッシュメモリーなみに小さいセル面積（〜４Ｆ２）を目指して、１つのＭＴＪあたり１つのダイオードを用いるメモリーセルの構成（「１ダイオード−１ＭＴＪ構成」）の提案もなされている（特許文献１）。さらに、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、電流の極性を一方のみとすることによってトランジスタを２種類から１種類に減らして回路の簡素化を図り、１トランジスタ−１ＭＴＪの回路を実現してＤＲＡＭと同等のセルサイズの縮小を行うという提案もある（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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】
【０００８】
【非特許文献１】Ｄ．  Ｄ．  Ｄｊａｙａｐｒａｗｉｒａ  ｅｔ  ａｌ．、“２３０％  ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．８６，  ０９２５０２，  ２００５年
【非特許文献２】Ｊ．  Ｈａｙａｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．、“Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｉｎ  ＭｇＯ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ  ｗｉｔｈ  ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ  ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ｆｅｒｒｉｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｒｅｅ  ｌａｙｅｒ”，  Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏ１．４５，  Ｌ１０５７−Ｌ１０６０，  ２００６年
【非特許文献３】Ｄ．  Ｈ．  Ｌｅｅ他、“Ｉｎｃｒｅａｓｅ  ｏｆ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｄｕｅ  ｔｏ  Ｊｏｕｌｅ  ｈｅａｔｉｎｇ  ｄｕｒｉｎｇ  ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  ａｎ  ＭｇＯ−ｂａｓｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．９２，  ２３３５０２，  ２００８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示される上記１ダイオード−１ＭＴＪ構成の提案は、ダイオードを介した順方向バイアスと逆方向バイアスの両方向の電流によりスイッチングを行うものである。すなわち、順方向バイアスにおける電流（順方向電流）と逆方向バイアスにおけるリーク電流とによりスイッチングを行うものであり、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い。ここで、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（クロストーク）なしに行うために形成するものであり、リーク電流は逆方向のみならず順方向にも流れる。逆方向バイアスにおけるリーク電流によってスイッチングが生じることを動作原理としている上記提案に従えば、そのスイッチングに用いられるのに十分な値の電流が順方向バイアスの際の低電圧時においても流れてしまう。そのため、上記動作原理では、ディスターブを防止する効果が不十分となる。つまり、逆バイアスのリーク電流によってスイッチングすることができるような場合には、順方向バイアスにおける低電圧時にも電流が流れ、素子選択スイッチのない単純マトリクス型メモリーと同様のディスターブの問題が避けられず、そのため、高集積化素子は実現不可能となる。このように、最小のセル面積４Ｆ２を有する１ダイオード−１ＭＴＪ構成によるクロスポイント型メモリーの実現には、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を採用することはできない。【００１０】
また、特許文献２に開示される提案、すなわち、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を用いる１トランジスタ−１ＭＴＪ構成の提案は、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（歳差運動）を誘起しスイッチングを行う方式である。しかしながら、駆動層からのスピン注入によりスピンプリセッションを誘起する動作原理では、フリー層（記憶層）とピン層（磁化固定層）の磁化の向きが平行あるいは反平行であるかという磁化配置（磁化の方向の組み合わせ）が、平行または反平行のどちらか一方に偏りやすくなってしまうという問題がある。また、その提案では、ピン層（磁化固定層）の磁化の向きが変わるといった懸念もあり、ＤＲＡＭ並みの書き換え回数を実現する上でも信頼性が低下するという問題が生じる。このため、電流の極性が一方のみでスイッチングするという１トランジスタ−１ＭＴＪ構成も実現困難である。【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、単一極性の電気パルスによりスイッチング動作を行える１ダイオード−１ＭＴＪ構成のメモリーセルを実現し得る磁気メモリー素子、およびそれを用いる記憶装置を提供することにより、不揮発性半導体記憶装置におけるストレージデバイスの更なる小型化、大容量化、書換え回数の上限の増大に寄与するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願の発明者らは、ＭＲＡＭに用いられる磁性材料の磁化の基本的な特性に立ち返って上記課題を吟味し、メモリー素子として動作するための要件を再検討した。【００１３】
すなわち、本願発明者は、電流パルスの極性を反転させることなくフリー層の磁化を何らかの手段によって反転させることが可能であるならば、必要な情報を書き込むスイッチング動作を行うことが可能なはずであるということに注目した。これは一見逆説的ではあるが、本発明のポイントはこの点にある。考えるべきことは、フリー層の磁化を、スピンバルブ素子への情報の書き込み（セット時・リセット動作時）と読み出し（再生時）のうち、必要な動作時（セット時またはリセット時のいずれか一方のみ）にのみ反転させることができ、それが終わると元の磁化配置に戻るようにすることができて、セット時またはリセット時のもう一方と再生時とにはフリー層の磁化が反転しないようにすることが可能かどうかである。このような一見不可能と思われてきた動作原理を可能とする本発明の態様は以下のとおりである。【００１４】
本発明の一つの態様は、スピンバルブ構造の非磁性層側から、強磁性体による第１磁性層、非磁性体からなる中間層、Ｎ型フェリ磁性体からなる第２磁性層、という３層構造のフリー層を用い、そのＮ型フェリ磁性体の磁気補償点（見かけの磁化が反転する温度）と、そのＮ型フェリ磁性体を有する第２磁性層の動作時の温度との間の関係を適切に設定し、なおかつ、第１磁性層と第２磁性層の磁化が常温では平行になるように中間層の膜厚を適切に設定する態様である。つまり、Ｎ型フェリ磁性体からなる第２磁性層の温度が、セット動作時（低抵抗の状態に磁気メモリー素子をする動作）の書き込みパルスを印加する際か、リセット動作時（高抵抗の状態に磁気メモリー素子をする動作）の書き込みパルスを印加する際のいずれかの場合に磁気補償点を越え、もう一方の場合に磁気補償点以下であればよい。本願の開示においては、説明を明確にする目的で「セット動作」を、低抵抗の状態に磁気メモリー素子をする動作、つまり、任意の磁化配置から平行の磁化配置を得る動作とし、「リセット動作」を、高抵抗の状態に磁気メモリー素子をする動作、つまり、任意の磁化配置から反平行の磁化配置を得る動作として説明する。しかしながら、どのような磁化配置をセット、リセットに割り当てるかは任意に決められ、これまで及びこれ以降の説明において、セットとリセットとの用語を入れ替えても、本出願の動作の説明は同様に成り立つ点に注意が必要である。【００１５】
すなわち、本発明のある態様の磁気メモリー素子は、上記の課題を解決するために、フリー層と、非磁性層と、前記フリー層とともに前記非磁性層を挟むピン層とを備えるスピンバルブ構造を有してなる磁気メモリー素子であって、前記スピンバルブ構造の前記フリー層と前記ピン層との間に、前記フリー層の磁化と前記ピン層の磁化との組み合わせを制御するためのいくつかの書き込みパルスを印加することによって書き込みパルスに応じた情報が記録され、前記フリー層が、前記非磁性層側から第１磁性層と中間層と第２磁性層とを積層した３層構造からなり、前記第１磁性層は強磁性体からなり、前記中間層は非磁性体からなり、前記第２磁性層は、前記磁気メモリー素子の記憶保持動作温度域に磁気補償点Ｔｃｏｍｐを有するＮ型フェリ磁性体を含み、前記第１磁性層と前記第２磁性層の磁化の向きが、前記磁気補償点Ｔｃｏｍｐより低温において互いに平行であることを特徴とする。【００１６】
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、ピン層の磁化は、フリー層の磁化よりも電流注入磁化反転などの反転を起こさせる作用に対して反転しづらくなるようにしてある。ピン層の磁化を反転しづらくするためには、ピン層に近接するように反強磁性体の層を設けて、当該ピン層と反強磁性層との間における磁化同士の交換結合相互作用によってピン層の実効的な保磁力を増大させる手法を用いることができる。また、別の態様として、ピン層の層厚を十分に厚くして磁化の変化をしづらくするにようにもできるし、ピン層の磁気的性質をフリー層のものとは異なるようにしてもよい。いずれの場合であっても、情報の読み出しに用いる原理は、フリー層の磁化が、ピン層の磁化に対してなす角度が相対的に変化した場合に、その角度に対応して抵抗値が変わる現象である。すなわち、情報を読み出すためには、フリー層の磁化とピン層の磁化が平行となる配置（平行配置）の場合に抵抗が最も低く、フリー層の磁化とピン層の磁化が反平行となる配置（反平行配置）で抵抗が最も高くなる現象を利用することができる。フリー層が前記非磁性層側から見て第１磁性層、中間層、第２磁性層の３層構造からなる場合には、フリー層における第１磁性層の磁化とピン層の磁化とが互いに平行であるか、反平行であるかの配置を電気的に検出することにより、情報の読み出しを行うことができる。【００１７】
ここで、非磁性層は、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、絶縁体が用いられた場合には、磁気メモリー素子はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子として動作する。但し、電流によってスイッチングを行な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。また、Ｎ型フェリ磁性体とは、その中に互いに反平行な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）が消失する温度（磁気補償点Ｔｃｏｍｐ）が存在する物質である。この磁気補償点Ｔｃｏｍｐを境にして低温側と高温側とでは、Ｎ型フェリ磁性体の見かけ上の磁化（正味の磁化）が互いに逆向きになる。【００１８】
本願における記憶保持動作温度域とは、３層構造のフリー層のうち、Ｎ型フェリ磁性体からなる第２磁性層がとりうる温度範囲のうち、パルスを印加して書込み動作を行うことによってＮ型フェリ磁性体が磁気補償温度となる温度よりも低い温度であって、スピンバルブ素子によって記憶した情報を保持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。この温度の範囲の具体的な例としては、例えば−２０℃〜１５０℃となる。これは、本発明のスピンバルブ素子を利用する記憶装置を使用する環境の温度範囲が電子機器内部の温度として想定されることが多い温度範囲（−２０℃〜８０℃）を動作保証温度範囲とするときに、記憶装置自体の温度が−２０℃〜１２０℃程度で動作し、その中の局所的なスピンバブル素子が、記憶を保持する動作をするために示しうる温度範囲が−２０℃〜１５０℃となることに対応している。上記の温度の具体例は単なる例示に過ぎず、具体的なアプリケーションに応じて記憶保持動作の温度域はさまざまに設定される。【００１９】
Ｎ型フェリ磁性体からなる第２磁性層の磁化と、中間層（例えば、ＲｕあるいはＣｕ）を介して形成される第１磁性層（強磁性体の層）の磁化との関係は、ＲＫＫＹ相互作用に基づいて中間層の厚みを適切に、例えば２ｎｍ以下となるように選択することにより、第２磁性層の磁化と強磁性的に結合（すなわち磁化は平行配置）するように制御することができる。いずれの書き込みパルス印加時においても、第１磁性層と第２磁性層との磁化を平行にする交換結合力と、ピン層から第１磁性層を介した第２磁性層へのスピン注入とにより、フェリ磁性体からなる第２磁性層の磁化の向きは、第１磁性層の磁化と平行となるように制御される。書き込み動作の後の読み出し時には、電流は電流注入磁化反転の閾値以下しか流さないため、第１磁性層と第２磁性層との交換結合力が支配的となり、第１磁性層の磁化の向きは第２磁性層の磁化と平行に維持される。こうして、３層構造からなるフリー層における第１磁性層および第２磁性層の磁化とピン層の磁化との組み合わせを制御することができ、また、単一極性の電気パルスを用いた電流注入磁化反転によるスイッチングが可能となる。ここでの書き込みパルスは、フリー層の第１磁性層および第２の磁性層の磁化とピン層の磁化との組み合わせの状態として情報を記録する際に、例えば、二つの異なる情報に応じた二つの磁化の組み合わせ状態を書き込むような二つのパルスとすることができる。本願の磁気メモリー素子においては、その書き込みパルスにしたがい、必要であればその直前の状態を消去するように電流注入磁化反転を起こさせて、所望の磁化の組み合わせの状態を実現しこれを情報の記録に用いることができる。【００２０】
また、上記特徴の構成によれば、磁気抵抗比の大きさは、フリー層またはピン層の磁性層のうちの非磁性層界面近傍（〜１ｎｍ程度）の部分のスピン分極率によって決まるため、磁気抵抗比の大きさを第１磁性層に使用する強磁性体に担わせ、Ｎ型フェリ磁性体からなる第２磁性層の磁気特性（磁気補償点等）をスピン分極率とは独立に設計することが可能となる。【００２１】
本発明の磁気メモリー素子においては、前記非磁性層は、ＲｕまたはＣｕを含むと好適である。非磁性層には、一般には磁性を示さない金属を用いることができ、特にＲｕまたはＣｕを用いると、第２磁性層の磁化を、第１磁性層の磁化に対して磁気補償点Ｔｃｏｍｐより低温において平行にすることができるため、好ましい。【００２２】
また、本発明の磁気メモリー素子は、前記中間層の厚さが２ｎｍ以下であることが好適である。【００２３】
上記特徴の構成によれば、ＲＫＫＹ相互作用により中間層の膜厚に応じて第１磁性層と第２磁性層の結合を強磁性的に制御することができる。また、２ｎｍ以下の膜厚はスピン緩和長よりも短いため、ピン層から第１磁性層を介した第２磁性層へのスピン注入により電流注入磁化反転が可能となる。さらに、第１磁性層と第２磁性層形成時に界面で混ざり磁気特性が劣化することを防止できるという利点もある。【００２４】
また、本発明の磁気メモリー素子は、前記第１磁性層の容易磁化軸は該第１磁性層の膜面内のいずれかの方向であり、前記第２磁性層の容易磁化軸は該第１磁性層の膜面に垂直な成分を有する方向であると好適である。【００２５】
上記特徴の構成によれば、膜面垂直方向の異方性磁界を利用することが可能となるため素子形状に面内異方性を付与せずにすむ。これにより、セル面内形状を長方形にする必要がなくなるためセルサイズを小さくできるという利点を有する。【００２６】
また、本発明の磁気メモリー素子は、前記非磁性層が酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなり、前記第１磁性層がＣｏＦｅＢ合金あるいはＣｏＦｅ合金からなり、前記第２磁性層が希土類としてＴｂあるいはＧｄ、遷移金属としてＦｅあるいはＣｏの組み合わせからなる二元または三元の希土類遷移金属合金からなること好適である。【００２７】
上記特徴の構成によれば、高い磁気抵抗比を示す構成を得ることができる。そのようなものの一例を挙げるならば、１００％以上の磁気抵抗比を示すＭｇＯまたはＣｏＦｅＢ構造を挙げることができる。ＴｂＦｅＣｏ合金は、テルビウム（Ｔｂ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）を０でない任意の割合で含む合金であり、各元素の相対的な成分比を変更することにより、室温から２５０℃程度の範囲に磁気補償点を連続的な組成変化により調整することが可能であるため、動作条件、すなわち書き込みに用いる電気パルスの高さやパルス幅、の調整が容易となるという利点を有する。【００２８】
本発明の磁気メモリー素子においては、前記Ｎ型フェリ磁性体の磁気補償点Ｔｃｏｍｐが、一の書き込みパルスを印加したときに到達する前記第２磁性層の温度よりも低く、他の書き込みパルスを印加したときに到達する前記前記第２磁性層の温度よりも高いこと、すなわち、Ｎ型フェリ磁性体からなる第２磁性層の温度が磁気補償点Ｔｃｏｍｐより高くはならないような書き込みパルスと、磁気補償点Ｔｃｏｍｐより高くなるような書き込みパルスとを使い分けることが好適である。これにより、フェリ磁性層の見かけの磁化を所望の方向に向けた状態で書き込みを行うことができる。【００２９】
本発明は、不揮発記憶装置として実施することもできる。すなわち、上述の何れかの磁気メモリー素子と、それに直列に接続した整流素子と、前記磁気メモリー素子のスピンバルブ構造におけるフリー層（より具体的にはフリー層を構成する第１磁性層）の磁化とピン層の磁化との組み合わせを第１の組み合わせ状態にするための第１の書き込みパルスと、前記組み合わせを第２の組み合わせ状態にするための、前記第１の書き込みパルスと同一の極性の第２の書き込みパルスとを生成して前記整流素子と前記磁気メモリー素子とに印加して書込及び消去を行う情報書換え手段と、磁気メモリー素子を流れる電流量から記憶された情報を読出す読み出し手段とを備えてなることを特徴とする不揮発記憶装置は前記磁気メモリー素子とそれに直列に接続した整流素子とを備え、前記駆動方法による書込及び消去を行う情報書換え手段と磁気メモリー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。【００３０】
上記特徴の不揮発記憶装置によれば、単一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構成のメモリーセルを作製することができ、フラッシュメモリーと同等のセル面積４Ｆ２が実現可能となる。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することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の磁気メモリー素子及びその駆動方法を備えた不揮発記憶装置においては、以上のように、スピン注入に加えて交換相互作用も協力的に作用させることで単一極性の電気パルスによる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４Ｆ２サイズのメモリーセルを作製し、また、それを用いる記憶装置を作製することができる。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】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係る（ａ）磁気メモリー素子のリセット動作時の動作原理と、（ｂ）第２磁性層の磁化の向きと素子温度の関係を模式的に示す図。
【図２】本発明の実施形態に係る磁気メモリー素子を構成する第２磁性層として用いる磁気補償点を示すＮ型フェリ磁性体の磁化と温度の関係を模式的に示す図。
【図３】本発明の実施形態に係る（ａ）磁気メモリー素子のセット動作時の動作原理と（ｂ）第２磁性層の磁化の向きと素子温度の関係を模式的に示す図。
【図４】本発明の実施形態に係る磁気メモリー素子の断面図。
【図５】本発明の実施形態に係る不揮発記憶装置であるクロスポイント型メモリーセルアレイを構成する磁気メモリー素子と整流素子を模式的に示す図。
【図６】本発明の実施形態に係る不揮発記憶装置であるクロスポイント型メモリーセルアレイの回路構成のブロックダイアグラム。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態の磁気メモリー素子を、図１〜図６に基づいて説明する。
【００３４】
上述のように、電流注入磁化反転方式は、電流の極性（電流の向き）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両者の磁化を平行にするには、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で実現される。逆に反平行にする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。反平行になる理由については、ピン層の磁化と平行なスピンを有する電子のみが、フリー層からピヘと非磁性層と透過することができ、ピン層の磁化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、その結果、フリー層の磁化はピン層と反平行配置になるためと考えられる。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（スピン）を注入する方式である。
【００３５】
ここで、電流注入磁化反転方式の原理から、スピンバルブ素子に情報を記録する際の電流極性をセット動作とリセット動作とで同一とする（単一極性パルスを用いる）ために必要となる条件について説明する。これまで行われてきた電流注入磁化反転方式はフリー層の磁化配置（磁化の向き）が同一極性の電流下では一定であるという条件が暗黙に想定されており、そのため電流注入磁化反転は全て電流の極性によりスイッチングを行ってきている。１ダイオード−１ＭＴＪからなる最小のセル面積４Ｆ２を実現するためには、磁気メモリー素子を選択・駆動するための回路要素にも高い集積度が要求される。本願発明者は、同一極性の電流下ではフリー層の磁化配置が不変であるという条件（これを限定された磁化配置の条件と呼ぶ）は、電流注入磁化反転方式の必須の構成とはいえないこと、すなわち、従来の電流注入磁化反転の技術が、実際には限定された磁化配置の条件を暗黙に仮定した場合のみにおいて検討されてきていることに着目し、上述の本発明の構成を見出すに至った。
【００３６】
本願の開示では、上記と同様のセット動作、リセット動作と磁化配置や抵抗値との間の対応を守ったとしても、なお、フェリ磁性層の温度がＮ型フェリ磁性体の磁気補償点を超えるのが、セット動作とすることも、リセット動作とすることもできる。以後、まず、リセット動作時にフェリ磁性層の温度がＮ型フェリ磁性体の磁気補償点を超える場合を説明し、最後に逆の場合を説明する。
【００３７】
リセット動作時の磁化方向をそれ以外の動作時の磁化方向と逆にするためには、フェリ磁性層の温度がリセット動作時には磁気補償点を超えて、リセット動作時が終了した後には磁気補償点より下がればよい。電流注入磁化反転に用いる素子は集積度の観点からも接合面積が例えば１００ｎｍ×２００ｎｍよりも小さいために、スイッチング時に電気パルスを印加するとジュール熱によって素子の温度は上昇する。本発明の各実施形態においては、この温度上昇を積極的に利用し、電流の極性で規定されてきた動作原理に温度という新たな設計パラメータを導入することにより単一極性電気パルスによるスイッチングが可能となる。上述のように、Ｎ型フェリ磁性体は見かけ上の磁化（Ａ−Ｂ）が消失する磁気補償点Ｔｃｏｍｐが存在する物質である。従って図２に示すように磁気補償点より高温あるいは低温では見かけ上の磁化（Ａ−Ｂ）の符号が反転することになる。なお、この磁気補償点は組成により調整可能である。
【００３８】
上記構造を有する磁気メモリー素子の構造とその動作原理を説明する。まず、図３を用いて磁気メモリー素子の構造を説明する。磁気メモリー素子８は、フリー層５と非磁性層４とピン層３の積層構造を有している。フリー層５は、第１磁性層５１を非磁性層４側に有し、中間層５２をその第１磁性層５１と第２磁性層５３とによって挟むようになっている。この磁気メモリー素子８には、外部から単一極性の電流パルスを流して動作させる。
【００３９】
次に、動作原理のうち、まず、セット動作、すなわちピン層３とフリー層５の磁化配置を平行にする動作を説明する。なお、フリー層５を構成する第１磁性層５１と第２磁性層５３の磁化の向きは平行である。図３（ａ）（１）に示したように、フリー層５側からピン層３に向かって正の電流（パルス）を印加すると、従来と同様にピン層３からのスピン注入によるトルクが第１磁性層５１の磁化に対して作用し、その向きは第１磁性層５１の磁化をピン層３の磁化に平行にするような向きとなる。そして、第２磁性層５３の磁化は、第１磁性層５１を介した第２磁性層５３へのスピン注入によるトルクの作用と、第１磁性層５１と第２磁性層５３の磁化との間の交換結合力の作用とを受ける。ここでは中間層５２の厚みは、第１磁性層５１の磁化と第２磁性層５３の磁化とが互いに平行になるように選択しているため、交換結合力による作用はスピン注入によるトルクの作用と同様に第２磁性層５３の磁化の向きを第１磁性層５１の磁化の向きと平行にするように働く。このようにして３層構造からなるフリー層５の磁化はピン層３の磁化と平行になる（図３（ａ）（２））。このとき、電流が流れることによってジュール熱が生じるため、磁気メモリー素子の温度は上昇するが、その温度が磁気補償点以下であれば、矢印１０２と１０２Ａによって図３（ａ）および（ｂ）に示すように、第２磁性層５３の磁化配置は変わらないため通常と同様なセット動作が行われる。したがってこの正の電流パルスは、フェリ磁性層の温度を、Ｎ型フェリ磁性体の磁気補償点にまで到達させないように用いられる書き込みパルスである。
【００４０】
さて次に、リセット動作、すなわちピン層３とフリー層５の磁化配置を反平行にする動作を、図１（ａ）を用いて説明する。単一極性動作を行うためには、図２のセット動作時と同様にフリー層５側から正の電流（パルス）を印加するという点は変更しない。このとき、電流パルスの電流値（あるいは電圧値）をセット動作時よりも大きくすると、電流によるジュール熱により必然的に磁気メモリー素子８の温度がセット動作のときよりも上昇し、到達温度が磁気補償点Ｔｃｏｍｐを越えるようにすることが可能である。図１（ａ）（１）はその温度が上昇する前を示しており、図１（ａ）（２）がその温度が上昇した後の状態を示している。磁気補償点Ｔｃｏｍｐを超えて温度が上昇すると、第１磁性層５１の磁化はピン層３と平行であるが、第２磁性層５３の磁化の向きは図１（ｂ）の矢印１０２Ｂによって示したように、磁気補償点に到達するまでの磁化の向きからみて反転したものとなる。これがＮ型フェリ磁性体の性質である。
【００４１】
引き続き電流が流れているので、磁気メモリー素子のうちの第２磁性層５３は磁気補償点以上の温度に維持され、第１磁性層５１を介して第２磁性層５３にも電流注入磁化反転が行なわれることになる。従って、図１（ａ）（３）の矢印１０２Ｃに示すように、第２磁性層５３の磁化は、第１磁性層５１ならびにピン層３の磁化と平行な配置になる。この配置になる際に、上記の電流注入磁化反転に加えて第１磁性層５１と第２磁性層５３の間の交換結合力が第１磁性層５１と第２磁性層５３の磁化を平行にするように作用していることも、安定なスイッチングに寄与する。電流パルスを切ると、電流注入の停止によって、まず電流注入磁化反転の動作が完了し、このあとフリー層５の温度を磁気補償点以下に低下させて、磁気メモリー素子８の温度（フリー層５の温度）が磁気補償点以下になる。その結果、図１（ａ）（４）のように第２磁性層５３の磁化の向きが反転する。
【００４２】
この時点においても、第１磁性層５１の磁化と第２磁性層５３の磁化には交換結合力が作用しており、これらの磁化が互いに同じ向きになろうとする。この際、第１磁性層５１および第２磁性層５３の磁化はピン層３の磁化に対して平行または反平行のどちらの配置もとりうる可能性がある。ここで、リセット動作を完了することは、第１磁性層５１の磁化の向きが第２磁性層５３の磁化の向きに合わせて同じ向きになることを意味しているため、第１磁性層５１の磁化と膜厚の積が第２磁性層５３の磁化と膜厚の積よりも小さくなるようにフリー層５の構造をして第２の磁性層５３の磁化よりも第１の磁性層５１の磁化が反転しやすくすることによって、リセット動作を完了することができる。以上のようにして、図１（ａ）（５）のように第１磁性層５１の磁化が第２磁性層５３の磁化に平行になると、フリー層の磁化が電流パルス印加前の状態とは反転しているため、リセット動作が完了する。つまり、単一極性電気パルスを用いた電流注入磁化反転によるリセット動作が可能となるのである。
【００４３】
以下では、より具体的な素子構造およびその作製方法を図面を用いて説明する。図４は本発明の実施形態に係る磁気メモリー素子の断面図である。基板１上に下部電極２（Ｃｕ／Ｔａ）とピン層３（ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎ）、非磁性層としてトンネル絶縁膜４（ＭｇＯ／Ｍｇ）、フリー層５（ＧｄＦｅＣｏ（符号５３）／Ｒｕ（符号５２）／ＣｏＦｅＢ（符号５１））を順次形成する。１００×１００ｎｍの接合サイズにＡｒイオンミリングなどの手法により加工し層間絶縁膜６（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６Ａを介して上部電極７（Ｃｕ／Ｔａ）を形成する。
【００４４】
ここで、３層構造のフリー層５の各層には、上述のように、第１磁性層５１としてＣｏＦｅＢ、中間層５２としてＲｕ、第２磁性層５３としてＧｄＦｅＣｏを選択している。第１磁性層５１としてＣｏＦｅＢを選択した理由は以下の通りである。既に知られているように、接合部のＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢは、素子作製時にはＭｇＯのみが結晶化膜であり、ＣｏＦｅＢはアモルファスである。後述するアニール処理により、この構造は、磁気抵抗比が１００％以上の値となっており、不揮発メモリーに用いるには十分である。また、上記の構成例のようにＭｇＯとの界面で磁性層が酸化し磁気特性が劣化する（スピン分極率などが直接磁気抵抗比に効く）ことを防止するため、ＭｇＯ層に接する面にＭｇ金属を薄く（１〜２ｎｍ以下）形成する場合もある。これは、特にＧｄＦｅＣｏ、ＧｄＣｏ、あるいはＴｂＦｅＣｏなどの希土類遷移金属からなるアモルファス合金を用いる場合には希土類が酸化しやすいため好ましい。
【００４５】
本実施形態において、中間層５２としてはＲｕを選択する。Ｒｕのスピン緩和長が約２ｍ以下であるので、中間層５２の膜厚は、第１磁性層５１と後述する第２磁性層５３との間の交換結合が強磁性的になるように選べばよい。この交換結合はＲＫＫＹ相互作用によるものと考えられており、その結合の性質が磁性体間の距離によって強磁性的になったり反強磁性的になったりと周期的に振動すること、および、その振動の周期が１／（２ｋＦ）（ｋＦはフェルミ波数）となることが知られている。本実施形態では、中間層５２の膜厚は約１ｎｍとした。なお、Ｒｕ膜厚の条件設定は、３層構造のみを作製して磁気ヒステリシスを測定することにより、強磁性的なヒステリシスが得られることを確認することによって行うことができる。
【００４６】
最後に、第２磁性層５３としてはＧｄＦｅＣｏ合金を選択する。その理由は、これまで述べてきたデバイス動作温度範囲に第２磁性層５３の磁気補償点を設定することが可能であり、かつ、ＧｄＦｅＣｏ合金の組成を調整することによって、容易磁化軸を面内としたり、あるいは、容易磁化軸が垂直成分も含む（すなわち面内にはない）ようにしたりすることが可能となるためである。また、素子形成後にＣｏＦｅＢを結晶化させる上記アニール処理を２００℃から３５０℃程度の温度によって行うが、このときＣｏＦｅＢは結晶膜であるＭｇＯ界面から結晶化が促進されることが知られている。また、中間層５２としてＲｕを用いていることから、第２磁性層５３としてＧｄＦｅＣｏを採用することには、ＣｏＦｅＢが結晶化を完了しても直接界面を形成しないＧｄＦｅＣｏが結晶化しないようにアニール時間を選択することが十分に容易となるといったプロセス上の利点もある。また、第１磁性層５１の磁化と膜厚の積は第２磁性層５３の磁化と膜厚の積よりも小さいように構成する。例えば、第１磁性層５１にＣｏＦｅＢを使用し、第２磁性層５３にＧｄＦｅＣｏを使用している場合には、第１磁性層５１の膜厚を約２ｎｍ以下とし、第２磁性層５３の膜厚を約６ｎｍ以上とすることが好ましい。というのは、合金の成分を調整して、ＣｏＦｅＢの磁化をＧｄＦｅＣｏの約３倍程度となるようにしたためである。このような３層構造のフリー層５においては、ＭｇＯ界面に形成することで高い磁気抵抗比を示すＣｏＦｅＢを採用することが可能であり、第２磁性層５３としてのＮ型フェリ磁性体をその磁気特性の温度依存性や容易磁化軸といった指標から独立に選択できるといったメリットがある。
【００４７】
なお、上記のようにＧｄＦｅＣｏの容易磁化軸が面内にないようにその組成を選択すれば、これはすなわち垂直磁化成分を含んでいることからフリー層の安定な２値のスイッチングのために形状異方性を付与することが必要なくなるため素子面積を等方的に（具体的には円あるいは正方形）することができる。すなわち、集積度向上やスイッチングの閾値電流低減の点で有用となる。
【００４８】
以上説明したように、上記の本実施形態の磁気メモリー素子により、単一極性電気パルスでのフリー層の磁化反転が可能であり、セットおよびリセットの双方のスイッチングが可能となる。なお、本実施形態で例示した材料やその組成、形成方法は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００４９】
［第２実施形態］
次に、本発明の他の実施形態のとして、上記の磁気メモリー素子を使用した不揮発記憶装置の一構成例について図５および図６を用いて説明する。
【００５０】
図６は本発明の実施形態に係る不揮発記憶装置であるクロスポイント型メモリーセルアレイを構成する磁気メモリー素子と整流素子を模式的に示している。既に説明したように本発明の実施形態の磁気メモリー素子とその駆動方法により単一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、磁気メモリー素子８の選択スイッチとして整流素子（ここではダイオード９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ーが形成される。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実施形態の磁気メモリー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。
【００５１】
また、本発明の実施形態の磁気メモリー素子作製に必要なプロセス温度の最高値は、アニール処理のために必要な高々３５０℃程度であり、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、配線もアニール処理の上記温度には耐えることができるため、１ダイオード−１ＭＴＪからなるメモリーセルの組み合わせを３次元的に積層しメモリー容量を増加させることも可能である。
【００５２】
そして、図７は、図６の磁気メモリー素子と整流素子とを用いたメモリーセルをワード線とビット線とによって駆動する不揮発性記憶装置１００のメモリーアレイの構造を示すブロックダイアグラムである。メモリーの内容が書き込まれる際には、ワードラインデコーダ１１０によって、ワードラインＷＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）のうちのアクセスされるワードに対応するラインが選択される。選択されたワードラインに接続されたメモリーセルの行に対しては、書き込むべきデータに対応する信号がビットラインデコーダ１２０からビットラインＢＬｊ（ｊ＝１〜ｍ）を通じて対応するメモリーセルに対して印加される。例えば、アクセスされないワードのワードラインは高い電圧に維持されてアクセスされてダイオード９の作用によって電流が磁気メモリー素子８に流れないようにされ、アクセスされるワードのワードラインのみがＧＮＤに接続される。そして、ビットラインの電圧との差を取ると、アクセスされるワードラインに接続されたメモリーセルのそれぞれに対して、必要なデータに応じてセット動作またはリセット動作が実現するような信号がビットラインデコーダ１２０から印加される。セット動作とリセット動作の信号の違いは、磁気メモリー素子のＭＴＪ部の到達温度を制御するような任意の違いとすることができるが、好ましくは、上述のように、パルス幅が互いに異なる単一極性のパルスとすることができる。
【００５３】
メモリーの内容が読み出される際には、ビットラインデコーダ１２０に含まれ、各ビットラインに対応して設けられる電流検出部（図示しない）が、書き込み時と同様に動作するワードラインデコーダによって選択されるワードラインに対して各ビットラインが流す電流を検出し、アクセスされるワードのあるワードラインにおいて各ビットラインに対応する磁気メモリー素子８の抵抗に応じた電圧値を検出して、磁気メモリー素子８の状態を読み出す。
【００５４】
以上、本発明の実施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。
【符号の説明】
【００５５】
１  基板
２  下部電極（Ｃｕ／Ｔａ）
３  ピン層（ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎ）
４  非磁性層（ＭｇＯ／Ｍｇ）
５  フリー層
５１  第１磁性層（ＣｏＦｅＢ）
５２  中間層（Ｒｕ）
５３  第２磁性層（ＧｄＦｅＣｏ）
６  層間絶縁膜（Ｓｉ０２）
６Ａ  コンタクトホール
７  上部電極（Ｃｕ／Ｔａ）
８  磁気メモリー素子
９  整流素子
１００  不揮発性記憶装置
１１０  ワードラインデコーダ
１２０  ビットラインデコーダ
【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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【国際調査報告】
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