(57)【要約】  トンネル磁気記録素子及びそれを用いた低消費電力不揮発性メモリに関し、磁気情報読み出し時の誤書込みの発生を低減することを目的とする。  情報読出し時に、電界印加あるいは光照射により交換結合磁界を変調し、磁気記録層２００２のダンピング定数αを増大させることにより、読出し時の誤書込み率を低減する。交換結合磁界を変調させる手段は、トンネル磁気記録素子の磁気記録層にマルチフェロイックス層を隣接させ電界を印加することにより、あるいは、磁気記録層に反強磁性層を介してレーザダイオードを備えレーザ光を照射することによって行う。書込みは、磁気固定層、トンネル障壁層、磁気記録層に流れる電流によって作用するスピントランスファートルクにより行い、読出しは、磁気記録層の磁化方向をトンネル磁気抵抗効果によって電気的に検出することにより行う。
2010100678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気記録層と、
前記磁気記録層に隣接する障壁層と、
前記障壁層に隣接する磁気固定層と、
前記磁気記録層の他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、
前記磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、
前記マルチフェロイックス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第３の電極とを有し、
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、
前記磁気固定層と前記磁気記録層の磁化方向に応じて電気抵抗が変化し、
前記磁気記録層の磁気情報を読み出す際に、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回転の確率を低減させて、前記第１の電極層と前記第3の電極との間の電気抵抗を検出して読み出し、
前記磁気記録層に磁気情報を書き込む際に、前記第１の電極層と前記第３の電極を介して電流を印加することにより、磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込むものであるトンネル磁気記録素子。
【請求項２】
請求項１記載のトンネル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２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トンネル磁気記録素子。
【請求項３】
請求項１記載のトンネル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の少なくとも一つの元素と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トンネル磁気記録素子。
【請求項４】
請求項１記載のトンネル磁気記録素子において、
前記磁気記録層と前記磁気固定層の少なくとも一方の磁化方向が膜面垂直方向であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１記載のトンネル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トンネル磁気記録素子。
【請求項６】
請求項１記載のトンネル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トンネル磁気記録素子。
【請求項７】
反強磁性層と、
前記反強磁性層に隣接する磁気記録層と、
前記磁気記録層に隣接する障壁層と、
前記障壁層に隣接する磁気固定層と、
前記反強磁性層の他方の面に隣接して設けられたレーザダイオード層と、
前記磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、
前記レーザダイオード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第３の電極とを有し、
前記磁気記録層は、前記反強磁性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、
前記磁気固定層と前記磁気記録層の磁化方向に応じて電気抵抗が変化し、
前記磁気記録層の磁気情報を読み出す際に、前記レーザダイオード層からレーザを照射することにより、前記磁気記録層の磁化回転の確率を低減させて、前記第１の電極層と前記第３の電極との間の電気抵抗を検出して読み出し、
前記磁気記録層に磁気情報を書き込む際に、前記第１の電極層と前記第３の電極を介して電流を印加することにより、磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込むものであるトンネル磁気記録素子。
【請求項８】
請求項７記載のトンネル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の少なくとも一つの元素と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トンネル磁気記録素子。
【請求項９】
請求項７記載のトンネル磁気記録素子において、
前記磁気記録層と前記磁気固定層の少なくとも一方の磁化方向が膜面垂直方向であることを特徴とするトンネル磁気記録素子。
【請求項１０】
請求項７記載のトンネル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トンネル磁気記録素子。
【請求項１１】
請求項７記載のトンネル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トンネル磁気記録素子。
【請求項１２】
磁気記録層と、前記磁気記録層に隣接する障壁層と、前記障壁層に隣接する磁気固定層と、前記磁気記録層の他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、前記磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、前記マルチフェロイックス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第３の電極とを有し、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、前記磁気固定層と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トンネル磁気記録素子と、
第１の電源と当該第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、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗を読み出す際に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回転の確率を低減させ、第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・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１の電極層と前記磁気記録層に接続された第3の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗に応じた信号を得る読出し回路と、
前記第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・オフ制御する前記第２のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と前記磁気記録層に接続された前記第３の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込む書込み回路とを有する磁気メモリセル。
【請求項１３】
請求項１２記載の磁気メモリセルにおいて、前記トンネル磁気記録素子は、前記マルチフェロイックス層と前記第２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１４】
反強磁性層と、前記反強磁性層に隣接する磁気記録層と、前記磁気記録層に隣接する障壁層と、前記障壁層に隣接する磁気固定層と、前記反強磁性層の他方の面に隣接して設けられたレーザダイオード層と、前記磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、前記レーザダイオード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第３の電極とを有し、前記磁気記録層は、前記反強磁性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、前記磁気固定層と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トンネル磁気記録素子と、
第１の電源と当該第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、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗を読み出す際に前記レーザダイオード層に電圧を印加し、レーザダイオード層から前記トンネル磁気記録素子にレーザが照射されることにより、前記磁気記録層の磁化回転の確率を低減させ、第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・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１の電極層と前記磁気記録層に接続された前記第３の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗に応じた信号を得る読出し回路と、
前記第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・オフ制御する前記第２のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と前記磁気記録層に接続された前記第３の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込む書込み回路とを有する磁気メモリセル。
【請求項１５】
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、
磁気記録層と、前記磁気記録層に隣接する障壁層と、前記障壁層に隣接する磁気固定層と、前記磁気記録層の他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、前記磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、前記マルチフェロイックス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第３の電極とを有し、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、前記磁気固定層と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トンネル磁気記録素子と、
第１の電源と当該第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、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗を読み出す際に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回転の確率を低減させ、第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・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１の電極層と前記磁気記録層に接続された第３の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗に応じた信号を得る読出し回路と、
前記第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・オフ制御する前記第２のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と前記磁気記録層に接続された前記第３の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込む書込み回路とを有するものである磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１６】
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、
反強磁性層と、前記反強磁性層に隣接する磁気記録層と、前記磁気記録層に隣接する障壁層と、前記障壁層に隣接する磁気固定層と、前記反強磁性層の他方の面に隣接して設けられたレーザダイオード層と、前記磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、前記レーザダイオード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第３の電極とを有し、前記磁気記録層は、前記反強磁性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、前記磁気固定層と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トンネル磁気記録素子と、
第１の電源と当該第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、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗を読み出す際に前記レーザダイオード層に電圧を印加し、レーザダイオード層から前記トンネル磁気記録素子にレーザが照射されることにより、前記磁気記録層の磁化回転の確率を低減させ、第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・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１の電極層と前記磁気記録層に接続された前記第３の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗に応じた信号を得る読出し回路と、
前記第２の電源と当該第２の電源による電圧又は電流印加をオン・オフ制御する前記第２のスイッチング素子とを有して前記第１の電極層と前記磁気記録層に接続された前記第３の電極に接続され、前記トンネル磁気記録素子の磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込む書込み回路とを有するものである磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１７】
請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
任意の複数個の磁気メモリセルにレーザを照射させるレーザダイオードを備え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、電流により磁気情報の書込みを行うトンネル磁気記録素子及びそれを装備した低消費電力不揮発性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、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)（非特許文献１）や特開２００７−５９８７９号公報（特許文献１）に開示されている。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（特許文献２）あるいは特開２００２−３０５３３７号公報（特許文献３）に開示されている。強磁性膜の磁気特性をレーザ光で変調し電気的な手段を用いない方式として、M. C. Weber et al., Journal of Applied Physics 95, 6613 (2004) （非特許文献２）が開示されている。【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１】S. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868 (2004)
【非特許文献２】M. C. Weber et al., Journal of Applied Physics 95, 6613 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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が最も大きな開発要素の一つである。しかし、通常はこれら２つの特性を同時に実現することは困難とされてきた。本発明は、磁気記録層に必要とされる熱安定の大きさを従来よりも低減できるトンネル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。特に、スピントランスファートルク磁化反転による磁気書込みが可能なトンネル磁気記録素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、磁気記録層に反強磁性層あるいはマルチフェロイックス層を隣接させ、磁気記録層と反強磁性層あるいはマルチフェロイックス層との間に働く交換結合磁界の大きさを電界あるいは光照射により読出し時に変調増大させることにより、磁気記録層のダンピング定数αを増大させ、読出し時の実効的な誤書込を１０桁以上低減させることができる。ここで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。【０００６】
本発明のトンネル磁気記録素子は、磁気記録層、トンネル障壁層、磁気固定層がこの順に隣接し、磁気記録層の他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、磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、マルチフェロイックス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第３の電極とを有し、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、磁気固定層と前記磁気記録層の磁化方向に応じて変化する電気抵抗を読出しの信号として検出し、その電気抵抗を読み出す際に、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、磁気記録層の磁化回転の確率を低減させるものである。【０００７】
さらに、本発明のもう一つのトンネル磁気記録素子は、反強磁性層、磁気記録層、トンネル障壁層、磁気固定層がこの順に隣接し、反強磁性層の他方の面に隣接して設けられたレーザダイオード層と、磁気固定層側に設けられた第１の電極層と、レーザダイオード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第３の電極とを有し、磁気記録層は反強磁性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、磁気固定層と磁気記録層の磁化方向に応じて変化する電気抵抗を読出しの信号として検出し、その電気抵抗を読み出す際に、レーザダイオードからレーザを照射することにより、磁気記録層の磁化回転の確率を低減させるものである。【０００８】
これらのトンネル磁気記録素子においては、特に、第１の電極層と第３の電極を介して電流を印加することにより、スピントランスファートルク磁化反転による磁気書込みが可能なトンネル磁気記録素子を提供する。【０００９】
また、本発明の磁気メモリセルは、上記のトンネル磁気記録素子と、当該トンネル磁気記録素子の電気抵抗を読み出す際にマルチフェロイックス層に電界を印加することにより、磁気記録層の磁化回転の確率を低減させて、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗に応じた信号を得る読出し回路と、前記トンネル磁気記録素子の磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込む書込み回路とを有するものである。【００１０】
さらに、本発明のもう一つの磁気メモリセルは、上記もう一つのトンネル磁気記録素子と、当該トンネル磁気記録素子の電気抵抗を読み出す際にレーザダイオード層に電圧を印加し、レーザダイオード層からトンネル磁気記録素子にレーザが照射されることにより、磁気記録層の磁化回転の確率を低減させて、前記トンネル磁気記録素子の電気抵抗に応じた信号を得る読出し回路と、前記トンネル磁気記録素子の磁気記録層の磁化方向をスピントランスファートルクにより回転して磁気情報を書込む書込み回路とを有するものである。【００１１】
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ものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、磁気情報の読出し時の誤書込みの発生確率を従来に比べ１／１０低減することが可能である。本発明のトンネル磁気記録素子は、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】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１のトンネル磁気記録素子の構成例を示した図である。
【図２】本発明の実施例１のトンネル磁気記録素子の変形例を示した図である。
【図３】本発明の実施例１のトンネル磁気記録素子の変形例を示した図である。
【図４】本発明の実施例１のトンネル磁気記録素子の変形例を示した図である。
【図５】本発明の実施例２のトンネル磁気記録素子の構成例を示した図である。
【図６】本発明の実施例２のトンネル磁気記録素子の変形例を示した図である。
【図７】本発明の実施例２のトンネル磁気記録素子の変形例を示した図である。
【図８】印加電圧と交換結合磁界の関係を示す図である。
【図９】交換結合磁界と磁気記録層のダンピング定数の関係を示す図である。
【図１０】熱安定定数（Ｅ／ｋＢＴ）と反転確率の関係を示す図である。
【図１１】レーザ光照射時間と交換結合磁界の関係を示す図である。
【図１２】本発明のトンネル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】本発明のトンネル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１４】本発明の実施例１のトンネル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。
【図１５】本発明の実施例２のトンネル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。
【図１６】本発明の実施例２のトンネル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。
【符号の説明】
【００１４】
１〜７・・・トンネル磁気記録素子、１０・・・第１の電源、１１・・・第１のスイッチング素子、２０・・・第２の電源、２１・・・第２のスイッチング素子、２２・・・検出器、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、１４１〜１４５，１４７・・・電極、２００・・・トンネル磁気記録素子、２０１・・・磁気固定層、２０２・・・トンネル障壁層、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・・・第１の電極層、５０２・・・第２の電極層、５０３・・・第３の電極、５０４・・・電極線、５０５・・・ビット線、６０１・・・反強磁性層、６０２・・・反強磁性層、７００・・・磁気メモリセル、７０１・・・電界制御ドライバー、７０２・・・レーザダイオード制御ドライバー、７０３・・・レーザ照射部、８００・・・レーザダイオード。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明によるトンネル磁気記録素子の一例を示す断面模式図である。本実施例のトンネル磁気記録素子は、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。【００１７】
トンネル磁気記録素子１は、第１の電極層５０１側から、磁気固定層２０１、トンネル障壁層２０２、磁気記録層２００２、マルチフェロイックス層３０１、第２の電極層５０２がこの順に積層された構造を有する。第２の電極層５０２は、トンネル磁気記録素子１の磁気情報を電気的に読み出す際に使用する。図１に示した積層順とは逆に、第２の電極５０２を基板側に配置し、マルチフェロイックス層３０１、磁気記録層２００２、トンネル障壁層２０２、磁気固定層２０１、第１の電極層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。第２の電極層５０２には、第１の電源１０と第１のスイッチング素子１１を含む回路が接続されており、読出し時に使用される。読出し時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて第２の電源２０からトンネル磁気記録素子１の磁気記録層２００２に接続する第３の電極５０３を通じて電流印加を行い検出器２２でトンネル磁気記録素子１の抵抗を電流あるいは電圧出力で読み出す。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。この際に、第１のスイッチング素子１１は閉じられており、マルチフェロイック層３０１と磁気記録層２００２に第１の電源１０から電圧または電界が印加された状態になっている。一方、書込み時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて、第２の電源２０からトンネル磁気記録素子１の磁気記録層２００２に接続する第３の電極５０３を通じてトンネル磁気記録素子に電流供給を行いスピントランスファーにより磁気記録層２００２の磁化方向を任意の方向に向ける。この際に、第１のスイッチング素子１１は開いた状態にしておくことが望ましい。【００１８】
図２は、図１に示したトンネル磁気記録素子の変形例を示すものである。図２に示した素子は第２の電極５０２とマルチフェロイック層３０１の間に絶縁層４０１を形成することにより第１の電源１０から電界を効率良くかつ安定にマルチフェロイックス層３０１に印加できる。また、所望最適化された電界値になるように絶縁層４０１の膜厚を設定することが可能となる。【００１９】
図３は、図１に示したトンネル磁気記録素子の変形例を示すものである。図３に示したトンネル磁気記録素子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に示したトンネル磁気記録素子４は、図３に示したトンネル磁気記録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１に示すトンネル磁気記録素子の典型的な作製方法について説明する。  
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。本発明の磁気記録層に電界印加機構を備えたトンネル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む材料を用いるが、特にトンネル障壁層２０２にＭｇＯを使用した場合には、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。【００２２】
【表１】
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【００２３】
また、磁気記録層２００２と磁気固定層２０１は、その磁化方向が素子の膜面垂直方向に向いた強磁性層を用いることも可能である。例えば、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＦｅＢＰｔ、ＣｏＦｅＢＣｒ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔＢ、ＦｅＰｔＢ、ＣｏＧｄ、ＣｏＦｅＢＣｒなどの材料を適用することができる。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜などを使用することが可能である。  
次に、トンネル障壁層２０２の材料選択について述べる。トンネル障壁層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、トンネル障壁層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。  
図２のトンネル磁気記録素子２に備えた絶縁層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。
第１の電極層５０１及び第２の電極層５０２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に示したトンネル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。  
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の面積をもつトンネル磁気記録素子に形成されるが、さらに微細化された素子においても動作が可能である。【００２４】
次に、本実施例のトンネル磁気記録素子の書込み、読出し方法について説明する。図８は、トンネル磁気記録素子のマルチフェロイックス層３０１と磁気記録層２００２に電界を印加したとき、その２層間に働く交換結合磁界Ｈｅｘの挙動について示す。Ｈｅｘは電界に対して比例して増大する。ここで、Ｈｅｘは交換結合エネルギーの大きさを磁界で表した値と定義し、ＶＳＭ（試料振動型磁化測定装置）などを用いて磁化の外部磁界依存性を測定することにより評価ができる。【００２５】
次に図９に、磁気記録層２００２にＮｉＦｅを使用した場合のＨｅｘと磁気記録層のダンピング定数αの関係を示す。αはＨｅｘに比例して増大することがわかる。例えば、１２０Ｏｅ程度のＨｅｘを生じるとＨｅｘ＝０に比べて、５倍ほどαを増大させることができる。スピントランスファートルクによる磁化反転電流Ｉｃは、磁気記録層２００２のαに比例する。したがって、αが大きい状態は磁気記録層２００２のＩｃが大きい状態であることを意味しており、電流を印加したときに磁気記録層２００２の磁化が反転しにくいことを示す。読出しは、通常書込み電流以下の電流値をトンネル磁気記録素子に印加し、そのときの素子の電流あるいは電圧出力を検出することにより実施されるが、読出し時に電流を印加されるため、読出し電流が微小な電流でもスピントランスファートルクが磁気記録層２００２に作用し、確率的に磁気記録層２００２の磁化方向が反転してしまう。これをいわゆるリードディスターブという。リードディスターブを回避するため従来は磁気記録層２００２の熱安定性を向上させる試みがなされてきたが材料の限界などもあり非常に困難な一面があった。本発明では、特に読出し時にマルチフェロイックス層３０１と磁気記録層２００２に電界を印加し上記のとおり磁気記録層のダンピング定数αをＨｅｘをとおして増大することによりリードディスターブを回避する。読出し時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて第２の電源２０から電流印加を行い検出器２２でトンネル磁気記録素子１の抵抗を電流あるいは電圧出力で読み出す。この際に、第１のスイッチング素子１１は閉じられており、マルチフェロイック層３０１と磁気記録層２００２に第１の電源１０から電圧または電界が印加された状態になり、磁気記録層２００２のダンピング定数αが増大し磁化反転電流Ｉｃが増大された状態になっている。一方、書込み時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて、第２の電源２０からトンネル磁気記録素子に電流供給を行いスピントランスファーにより磁気記録層２００２の磁化方向を任意の方向に向ける。この際に、第１のスイッチング素子１１は開いた状態にしておくことが望ましい。【００２６】
ここで、本発明の効果について図１０を使って述べる。図１０は、上記のトンネル磁気記録素子１〜４について磁気記録層２００２の磁化の反転確率の熱安定定数Ｅ／ｋＢＴ依存性を示したものである。ここで、Ｅは磁化反転エネルギー、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは温度を表す。図中の実線ａは、マルチフェロイック層３０１に電界を印加しない場合の特性を示す。一方点線ｂは、電界を印加し、ダンピング定数が５〜５０倍間で増大した状態の特性を示す。これによると、例えばＥ／ｋＢＴが６０の磁気記録層２００２をもつトンネル磁気記録素子においてダンピング常数αを５倍にすると読出し時の反転確率が１桁以上低減できる。
【実施例２】
【００２７】
本発明によるトンネル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、レーザダイオードを用いてトンネル磁気記録素子の反強磁性層と磁気記録層にレーザ光を照射することにより磁気記録層のダンピング定数αを制御し、リードディスターブを回避するタイプの磁気記録素子である。【００２８】
図５に示すトンネル磁気記録素子５は、第１の電極層５０１側から、磁気固定層２０１、トンネル障壁層２０２、磁気記録層２００２、反強磁性層６０２、レーザダイオード８００、第２の電極層５０２がこの順に積層された構造を有する。第２の電極層５０２は、トンネル磁気記録素子５の磁気情報を電気的に読み出す際に使用する。図５に示した積層順とは逆に、第２の電極５０２を基板側に配置し、レーザダイオード８００、反強磁性層６０２、磁気記録層２００２、トンネル障壁層２０２、磁気固定層２０１、第１の電極層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。従って、磁気記録層２００２の磁化は、反強磁性体６０２との磁気交換結合により一定方向に固定される。第２の電極層５０２には、第１の電源１０と第１のスイッチング素子１１を含む回路が接続されており、読出し時に使用される。読出し時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて第２の電源２０からトンネル磁気記録素子５の磁気記録層２００２に接続する第３の電極５０３を通じて電流印加を行い検出器２２でトンネル磁気記録素子５の抵抗を電流あるいは電圧出力で読み出す。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。この際に、第１のスイッチング素子１１は閉じられており、第１の電源１０からレーザダイオードに電圧が印加された状態になり反強磁性層６０２と磁気記録層２００２にレーザ光が照射された状態になっている。一方、書込み時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて、第２の電源２０からトンネル磁気記録素子５の磁気記録層２００２に接続する第３の電極５０３を通じてトンネル磁気記録素子に電流供給を行いスピントランスファーにより磁気記録層２００２の磁化方向を任意の方向に向ける。この際に、第１のスイッチング素子１１は開いた状態にし、レーザダイオードからレーザ光照射がオフされた状態にしておくことが望ましい。【００２９】
図６は、図５に示したトンネル磁気記録素子の変形例を示すものである。図６に示したトンネル磁気記録素子６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。【００３０】
図７に示したトンネル磁気記録素子７は、図６に示したトンネル磁気記録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。【００３１】
ここで、図５に示すトンネル磁気記録素子の典型的な作製方法について説明する。  
まず、レーザダイオード８００について述べる。レーザダイオードは電圧印加によりレーザ発振する機能を有する。例えばＭｇＯ／ＺｎＯ／ＭｇＯ、ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓなどの半導体へテロ接合を用いることができる。  
反強磁性層６０２には、ＭｎＩｒ，ＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＩｒ，ＭｎＦｅなどの材料を用いることが可能である。  
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む材料を用いるが、特にトンネル障壁層２０２にＭｇＯを使用した場合には、それらにＢを含有する材料を用いることが望ましく、その例を前記表１に示す。  
また、磁気記録層２００２と磁気固定層２０１は、その磁化方向が素子の膜面垂直方向に向いた強磁性層を用いることも可能である。例えば、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＦｅＢＰｔ、ＣｏＦｅＢＣｒ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔＢ、ＦｅＰｔＢ、ＣｏＧｄ、ＣｏＦｅＢＣｒなどの材料を適用することができる。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜などを使用することが可能である。  
次に、トンネル障壁層２０２の材料選択について述べる。トンネル障壁層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、トンネル障壁層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。  
第１の電極層５０１及び第２の電極層５０２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７に示したトンネル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。  
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の面積をもつトンネル磁気記録素子に形成されるが、さらに微細化された素子においても動作が可能である。【００３２】
次に、本実施例のトンネル磁気記録素子の書込み、読出し方法について説明する。図１１に、トンネル磁気記録素子の反強磁性層６０２と磁気記録層２００２にレーザ光を照射したとき、照射時間に対する２層間に働く交換結合磁界Ｈｅｘの挙動について示す。照射時間が１０００ピコ秒（＝１ナノ秒）以下の領域で照射時間ｐｓとともにＨｅｘは増大し、その後飽和する。したがって、照射時間を調整することによりＨｅｘを制御することができる。Ｈｅｘを制御することにより、実施例１で述べたと同様に、磁気記録層２００２のダンピング定数αを増大させることが可能であり、リードディスターブを回避する。読出し時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて第２の電源２０から電流印加を行い検出器２２でトンネル磁気記録素子５の抵抗を電流あるいは電圧出力で読み出す。この際に、第１のスイッチング素子１１は閉じられており、第１の電源１０からレーザダイオードに電圧が印加された状態になり反強磁性層６０２と磁気記録層２００２にレーザ光が照射され、磁気記録層２００２のダンピング定数αが増大し磁化反転電流Ｉｃが増大された状態になっている。一方、書込み時には、第２のスイッチング素子２１を閉じて、第２の電源２０からトンネル磁気記録素子に電流供給を行いスピントランスファーにより磁気記録層２００２の磁化方向を任意の方向に向ける。この際に、第１のスイッチング素子１１は開いた状態にし、レーザダイオードからレーザ光照射がオフされた状態にしておくことが望ましい。【００３３】
本実施例の効果については実施例１と同様であり、読出し時にレーザを照射し、照射しないときに比べてαを５〜５０倍増大した状態にすることにより読出し時の反転確率が１桁以上低減できる。
【実施例３】
【００３４】
図１２と図１３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に示したトンネル磁気記録素子２００を搭載したものである。図１２は、トンネル磁気記録素子２００が電極１４２の直上から電極層５０１を介してずらして配置された構造を有する磁気メモリセルの構成例を示す。また図１３は、トンネル磁気記録素子２００が電極１４２の直上に電極層５０１を介して配置された構造を有する磁気メモリセルの構成例を示したものである。【００３５】
Ｃ−ＭＯＳトランジスタ１００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、トンネル磁気記録素子２００が接続されている。【００３６】
ビット線５０５はトンネル磁気記録素子２００の磁気記録層２００２に接続されている。ビット線５０５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、トンネル磁気記録素子２００の電極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。【００３７】
図１４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り、磁気メモリセルとして実施例１のトンネル磁気記録素子を搭載した磁気ランダムアクセスメモリである。ゲート電極１２３とビット線５０５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。特に、この読出し動作のときに電界制御ドライバー７０１と電極線５０４により磁気メモリセルに電界を印加することにより、磁気メモリセルの磁気記録層のダンピング定数を制御して、読出し動作時の誤書込みを抑制する。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。【００３８】
図１５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り、磁気メモリセルとして実施例２のトンネル磁気記録素子を搭載した磁気ランダムアクセスメモリである。ゲート電極１２３とビット線５０５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。特に、この読出し動作のときにレーザダイオード制御ドライバー７０２と電極線５０４により磁気メモリセルにレーザ照射することにより、磁気メモリセルの磁気記録層のダンピング定数を制御して、読出し動作時の誤書込みを抑制する。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誤書込み率が従来の磁気ランダムアクセスメモリに比べて１桁以上提言された高速・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。【００３９】
図１６は、図１５の磁気ランダムアクセスメモリにおいてレーザダイオードを任意のサブアレイ単位で具備し、磁気情報読出し時にサブアレイ単位でレーザ光照射を行う方式の磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。レーザ照射は、図１６のようにレーザ照射部７０３に覆われた複数個の磁気メモリセルに同時に照射される。レーザ照射は、任意の単位の読出しを行いたい磁気メモリセルを含むエリアに行われる。レーザ照射中に、目的とする磁気メモリセルの磁気記録状態をトランジスタ１００とビット線５０５のパスにより読み取る。レーザ照射中は、レーザ照射された任意の磁気メモリセルの磁気記録層のダンピング定数が増大し、その磁気メモリセルにおける読出し時の誤書込みの確率が低減できる。誤書込みの低減の程度は図１１に示した程度であり、約２桁の誤書込み低減の効果が可能である。この構成により、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ランダムアクセスメモリを実現可能である。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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