(57)【要約】  書換え時の電流方向の切り替えが不要で、かつ高集積のスピントルク磁化反転応用の磁気メモリを提供する。  強磁性体からなる固定層、非磁性層、強磁性体からなる記録層、非磁性層、強磁性体からなる磁化回転アシスト層が順次積層されたメモリセルを備え、固定層の磁化方向に対する記録層の磁化方向が略平行か、略反平行かによって記録を行う磁気メモリにおいて、固定層、記録層、磁化回転アシスト層の磁化の向きがすべて磁性層の略面内方向を向いており、磁化回転アシスト層の磁化の方向を固定層の磁化の方向と略９０度の方向とする。書込み電流は、記録層の磁化方向を固定層の磁化方向と平行な方向から反平行な方向に書き換える場合も、反平行な方向から平行な方向に書き換える場合も、固定層から記録層の方向に流す。
2009145161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体からなる固定層、非磁性層、強磁性体からなる記録層、非磁性層、強磁性体からなる磁化回転アシスト層が順次積層された磁気抵抗効果素子を備え、
前記固定層、記録層、磁化回転アシスト層の磁化はすべて面内方向を向き、前記磁化回転アシスト層の磁化の方向は前記固定層の磁化の方向と略直交しており、
前記固定層の磁化方向に対する前記記録層の磁化方向が略平行か、略反平行かによって情報の記録を行うことを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項２】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記固定層の前記記録層とは反対側の面に反強磁性層が接触して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３】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記磁化回転アシスト層の前記記録層とは反対側の面に反強磁性層が接触して設けられていることを特著とする磁気メモリセル。
【請求項４】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記磁気抵抗効果素子に、前記固定層から前記記録層の方向に電流を通電可能なダイオードが接続されていることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項５】
請求項４記載の磁気メモリセルにおいて、前記記録層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と平行な方向から反平行な方向に書き換える場合も、反平行な方向から平行な方向に書き換える場合も、前記固定層から記録層の方向に電流を流すことを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項６】
請求項５記載の磁気メモリセルにおいて、前記書き換えのための電流は、前記記録層の磁化の歳差運動の周期をＴとするとき、書き換え開始からＴ／４まで通電し、その後ゼロに低減することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項７】
請求項６記載の磁気メモリセルにおいて、その後、前記書き換えのための電流を３Ｔ／４から５Ｔ／４まで通電することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項８】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記磁気抵抗効果素子に電流を通電するためのトランジスタが接続されてい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、前記記録層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と平行な方向から反平行な方向に書き換える場合も、反平行な方向から平行な方向に書き換える場合も、前記固定層から記録層の方向に電流を流し、前記磁気メモリの情報を読み出すときは、読出し電流を前記記録層から固定層の方向へ流すことを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１０】
請求項９記載の磁気メモリセルにおいて、前記書き換えのための電流は、前記記録層の磁化の歳差運動の周期をＴとするとき、書き換え開始からＴ／４まで通電し、その後ゼロに低減することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１１】
請求項１０記載の磁気メモリセルにおいて、その後、前記書き換えのための電流を３Ｔ／４から５Ｔ／４まで通電することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１２】
複数のソース線が接続された第一のドライバ回路と、
複数のビット線が接続された第二のドライバ回路と、
前記ソース線と前記ビット線の交差領域にそれぞれ配置された複数の磁気メモリセルと、
前記複数のビット線にそれぞれ接続され前記磁気メモリセルからの読み出し信号を増幅する複数のアンプとを有し、
前記磁気メモリセルは、強磁性体からなる固定層、非磁性層、強磁性体からなる記録層、非磁性層、強磁性体からなる磁化回転アシスト層が順次積層された磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に一端が接続されたダイオードとを備え、前記固定層、記録層、磁化回転アシスト層の磁化はすべて面内方向を向き、前記磁化回転アシスト層の磁化の方向は前記固定層の磁化の方向と略直交しており、前記固定層の磁化方向に対する前記記録層の磁化方向が略平行か、略反平行かによって情報の記録を行い、
前記ダイオードは、前記磁気抵抗効果素子に、前記固定層から前記記録層の方向に電流を通電可能に他端が前記ソース線に接続され、
前記磁気抵抗効果素子の前記磁化回転アシスト層は前記ビット線に接続さ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。
【請求項１３】
複数のソース線が接続された第一のドライバ回路と、
複数のビット線が接続された第二のドライバ回路と、
複数のワード線が接続された第三のドライバ回路と、
前記ソース線と前記ビット線と前記ワード線の交差領域にそれぞれ配置された複数の磁気メモリセルと、
前記複数のビット線にそれぞれ接続され前記磁気メモリセルからの読み出し信号を増幅する複数のアンプとを有し、
前記磁気メモリセルは、強磁性体からなる固定層、非磁性層、強磁性体からなる記録層、非磁性層、強磁性体からなる磁化回転アシスト層が順次積層された磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に一端が接続されたトランジスタとを備え、前記固定層、記録層、磁化回転アシスト層の磁化はすべて面内方向を向き、前記磁化回転アシスト層の磁化の方向は前記固定層の磁化の方向と略直交しており、前記固定層の磁化方向に対する前記記録層の磁化方向が略平行か、略反平行かによって情報の記録を行い、
前記トランジスタの他端は前記ソース線に接続され、
前記磁化回転アシスト層は前記ビット線に接続され、
前記ワード線によって前記トランジスタの抵抗が制御され、
情報の書き込み時には、前記第一のドライバ回路によって書き込みを行う磁気メモリセルが接続されたソース線を書き込み電圧に昇圧すると共に、前記第三のドライバ回路で当該磁気メモリセルのトランジスタを通電制御し、
情報の読み出し時には、前記第二のドライバ回路によって読み出しを行う磁気メモリセルが接続されたビット線を読み出し電圧に昇圧すると共に、前記第三のドライバ回路で当該磁気メモリセルのトランジスタを通電制御す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、スピントルク磁化反転を応用した磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来のダイナミック・ランダム・アクセスメモリ（ＤＲＡＭ）を置きかえる可能性を有する磁気ランダム・アクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が注目されている。従来のＭＲＡＭでは、例えば米国特許第５７３４６０５号明細書に記載されているように、磁性膜／非磁性絶縁膜／磁性膜の多層構造を有するトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子の一方の磁化を、ＴＭＲ素子の上下に互いに直交する方向に設けられた２つの金属配線に流れる電流が作る合成磁界を用いて反転させることにより記録を行う方式が採用されている。しかしながら、ＭＲＡＭにおいても、大容量化のためＴＭＲ素子のサイズを小さくすると磁化反転に要する磁界の大きさが大きくなり、たくさんの電流を金属配線に流すことが必要となり、消費電力の増加、ひいては配線の破壊を招いてしまうという課題が指摘されている。【０００３】
磁界を用いずに磁化反転する方法として、磁気再生ヘッドで用いられる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜やトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜に、一定以上の電流を流すだけで磁化反転が可能であることが理論的に示され、たとえば、Applied Physics Letters, Vol.84, pp.3118-3120(2004)に記載されているように、ＴＭＲ膜を用いたナノピラーを用いて、スピントルク磁化反転が実証された。特にＴＭＲ膜を用いたスピントルク磁化反転では、従来のＭＲＡＭと同等以上の出力が得られるため、大いに注目を集めている。【０００４】
以上言及したスピントルク磁化反転の模式図を図１に示す。図１において、ビット線１に、磁化方向が変化する第１の強磁性層（記録層）２、中間層３、磁化方向が固定された第２の強磁性層（固定層）４からなる磁気抵抗効果素子と、ゲート電極５で伝導を制御されたトランジスタ６が接続され、トランジスタのもう一方の端子はソース線７に接続されている。図１（ａ）のように、固定層４と記録層２の磁化を反平行（高抵抗）状態から平行（低抵抗）状態に変化させる場合には、電流８はビット線１からソース線７に流す。このとき、電子９はソース線７からビット線１に流れる。一方、図１（ｂ）のように、固定層４と自由層２の磁化を平行（低抵抗）状態から反平行（高抵抗）状態に変化させる場合には、電流８はソース線７からビット線１の方向に流せばよい。このとき、電子９はビット線１からソース線７の方向に流れる。【０００５】
Applied Physics Letters, Vol.84, pp.3897-3899(2004)には、磁性膜面に垂直な磁化を用いて、電流方向を変えることなく、スピントルク磁化反転を行う方法が提案されている。この例においては、図２に示すように、膜面に垂直な磁化方向を有する固定層２１、非磁性の第一の中間層２２、膜面内の磁化方向を有する記録層２３、非磁性の第二の中間層２４、膜面内に磁化方向を有する参照層２５を積層してなる磁気抵抗効果素子を用いる。例えば記録層２３の磁化が参照層２５の磁化と平行の場合、まず正の電流２６を流し記録層の磁化にスピントルクを与える。正の電流を流す時間は、スピントルクによる磁化の歳差運動の周期Ｔの１／４の時間である。その後は電流の向きを反対の方向２７に切り替え、磁化の運動を止めるトルクを与えて、僅かＴ／２の時間でスピントルク磁化反転が可能であることを示している。【０００６】
特開２００６−１２８５７９号に記載には、図３のように、膜面内方向に磁化を固定層３１、非磁性層３２、膜面内方向に磁化を有する自由層（記録層）３３、非磁性層３４、膜面に垂直な磁化を有するスピントルク駆動層３５を有する磁気抵抗効果素子を用い、電流８を流すだけで、自由層３３の磁化の方向を、固定層３１の磁化方向と平行な方向から反平行な方向へ、あるいは反平行な方向から平行な方向へ、いずれの方向にも反転させることが可能であることが開示されている。磁化反転を行うか行わないかは、パルス時間を制御することにより行うことも合わせて開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５７３４６０５号明細書
【特許文献２】特開２００６−１２８５７９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-6 (1996)
【非特許文献２】Applied Physics Letters, Vol.84, pp.3118-3120(2004)
【非特許文献３】Applied Physics Letters, Vol.84, pp.3897-3899(2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来のスピントルク磁化反転を応用したＴＭＲ型のＭＲＡＭには、以下のような問題がある。【００１０】
スピントルク磁化反転を応用して磁気メモリの情報の書換えを行う場合、図１に示したように平行状態から反平行状態への書換えの場合と、反平行状態から平行状態への書換えの場合で電流方向を反対にしなければならない。これには、電流方向切り替え用のスイッチなどの特別な回路を要する。また図２の場合も、動作は高速になるものの、やはり電流切り替えのスイッチ、しかも極めて高速に動作するスイッチが必要となる。また電流の向きを切り替える書換え方式を採用すると、ダイオードを素子選択のために使用することができない。これはセル面積の低減を妨げる要因となる。【００１１】
一方、図３に示される構造では、電流の向きを変えることなく、平行状態から反平行状態の書換え、及び反平行状態から平行状態の書換えの双方を行うことができる。しかしながら、磁性膜面に垂直に磁化したスピントルク駆動層３５が最上層にあるため、磁性膜３５の磁気異方性の制御が容易でないばかりでなく、磁性膜の磁化の方向を一定に保つことも難しいという課題がある。【００１２】
本発明の目的は、現実的に作製が可能であり、かつ情報書換え時の電流方向の切り替えが不要な、スピントルク磁化反転を応用した磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセルメモリを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明では、強磁性体からなる固定層、非磁性層、強磁性体からなる記録層、非磁性層、強磁性体からなる磁化回転アシスト層が順次積層されたメモリセルを構成する。固定層、記録層、磁化回転アシスト層の磁化の向きはすべて磁性層の略面内方向とし、磁化回転アシスト層の磁化の方向は固定層の磁化の方向と略９０度とする。かつまた、固定層の磁化を記録層とは反対の面に固定層と接触して設けられた反強磁性層からの交換結合力で固定する。あるいはまた、磁化回転アシスト層の磁化を記録層とは反対の面に磁化回転アシスト層と接触して設けられた反強磁性層からの交換結合力で固定する。【００１４】
さらに磁気メモリセルに、固定層から記録層の方向に電流を通電可能なダイオード素子を接続する。あるいは、磁気メモリセルに電流を通電するためのトランジスタを接続する。【００１５】
ダイオードが接続された磁気メモリセルにおいては、ダイオードの一端を第一の書込みドライバ回路に接続されたソース線に電気的に接続し、磁化回転アシスト層を、第二の書込みドライバ回路と読出し信号を増幅するアンプに接続されたビット線に接続する。磁気メモリセルにトランジスタを接続する場合には、トランジスタの一端を第一の書込みドライバ回路に接続されたソース線に電気的に接続し、磁化回転アシスト層の一端を、第二の書込みドライバ回路と読出し信号を増幅するアンプに接続されたビット線に接続し、トランジスタの抵抗を制御するワード線を備え、ワード線を第三の書込みドライバ回路に接続するようにする。【００１６】
ダイオードを接続した磁気メモリセルにおいては、記録層の磁化方向を固定層の磁化方向と平行な方向から反平行な方向に書き換える場合も、反平行な方向から平行な方向に書き換える場合も、固定層から記録層の方向に電流を流すようにする。【００１７】
一方、トランジスタを接続した磁気メモリセルにおいては、記録層の磁化方向を固定層の磁化方向と平行な方向から反平行な方向に書き換える場合も、反平行な方向から平行な方向に書き換える場合も、固定層から記録層の方向に電流を流し、かつまた磁気メモリセルの情報を読み出す場合は、読出し電流を記録層から固定層の方向へ流すようにする。【００１８】
磁気メモリセルへ情報を書き込む電流波形に関しては、電流パルスを印加しはじめてからの時間ｔに対し、次の形で制御する。ここでＩ0は所定の書込み電流、Ｔは記録層の磁化の歳差運動の周期である。【００１９】
Ｉ＝Ｉ0（０≦ｔ≦Ｔ／４）
０ （Ｔ／４＜ｔ≦３Ｔ／４）
Ｉ0（３Ｔ／４＜ｔ≦５Ｔ／４）
：
０（Ｔ／４＋（ｎ−１）Ｔ＜ｔ≦３Ｔ／４＋（ｎ−１）Ｔ）
Ｉ0（３Ｔ／４＋（ｎ−１）Ｔ＜ｔ≦５Ｔ／４＋（ｎ−１）Ｔ）
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、書換え時の電流方向の切り替えが不要で、かつ高集積のスピントルク磁化反転応用の磁気メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】スピントルク磁化反転の原理を示す図であり、（ａ）は反平行状態から平行状態への磁化反転を示す図、（ｂ）は平行状態から反平行状態への磁化反転を示す図。
【図２】公知例の説明図。
【図３】他の公知例の説明図。
【図４】本発明で用いる磁気抵抗効果素子の構成例を示す図。
【図５】平行状態から反平行状態への書き込み方法を示す図。
【図６】反平行状態から平行状態への書き込み方法を示す図。
【図７】本発明の磁気抵抗効果素子の磁化回転アシスト層からの漏洩磁界を示す図。
【図８】本発明において、磁化反転が終了するまでの磁化の回転数を、時間ゼロにおける記録層の磁化が磁化容易軸となす角度θの正弦（sinθ）と、電流の値の関数としてプロットした図。
【図９】従来例において、磁化反転が終了するまでの磁化の回転数を、時間ゼロにおける記録層の磁化が磁化容易軸となす角度θの正弦（sinθ）と、電流の値の関数としてプロットした図。
【図１０】ダイオードを用いた磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図。
【図１１】トランジスタを用いた磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
【００２３】
図４に、本発明を用いた磁気メモリセルの主要な構成例を示す。本発明の磁気抵抗効果素子は、下地膜４１、反強磁性膜４２、固定層４３、絶縁障壁層４４、記録層４５、非磁性の中間層４６、磁化反転アシスト層４７、反強磁性層４８、適当なキャップ層４９を順次積層した構造を有する。固定層４３の磁化の向きは、反強磁性膜４２からの交換結合力によって膜面内の所定の方向に固定されている。記録層４５の磁化は、膜面に平行で、固定層４３の磁化の向きと略平行、又は反平行である。非磁性の中間層４６としては、通常は絶縁層が用いられる。磁化反転アシスト層４７は、磁化の向きが膜面に平行でかつ固定層４３の磁化の向きと略垂直であり、反強磁性層４８により磁化の向きが固定されている。ダイオード５０は、ソース線７からビット線１に流れる電流８（電子は方向９に流れる）をオン、オフするためのスイッチとして用いられる。
【００２４】
次に、この磁気メモリセルの書込み動作について説明する。図５は、図４に示した磁気抵抗効果素子において、記録層４５の磁化方向を固定層４３の磁化方向に対して平行（低抵抗状態）から反平行（高抵抗状態）に変化させる場合の電流値の時間変化と、それに伴う記録層の磁化方向の変化の一例を示した図である。まず時間ゼロで電流を所定の大きさまで増加させ、その後、記録層４５の磁化の歳差運動の周期Ｔの１／４の時間まで、その電流値を保ち、その後ゼロまで低減する。この電流から記録層の磁化に与えられるスピントルクにより、図５（ｂ）のように記録層の磁化の歳差運動が励起される。この歳差運動は、電流がオフになっている時間Ｔ／４から３Ｔ／４の間も図５（ｃ）、（ｄ）のように継続する。再び時間３Ｔ／４で電流を所定の値まで増加させ、時間５Ｔ／４まで一定の値に保つ。この間再びこの電流から記録層の磁化にスピントルクが作用し、記録層の磁化の歳差運動が図５（ｅ）、（ｆ）のように増幅され、電流を切ったのち図５（ｇ）のように磁化が初期状態と反対の方向にスイッチングして歳差運動が停止する。
【００２５】
図６は、図４に示した磁気抵抗効果素子において、記録層４５の磁化方向を固定層４３の磁化方向に対して反平行（高抵抗状態）から平行（低抵抗状態）の向きに変化させる場合の電流値の時間変化と、それに伴う記録層の磁化方向の変化の一例を示した図である。この場合も図５の場合と同じように、まず時間ゼロで電流を所定の大きさまで増加させ、その後、記録層の磁化の歳差運動の周期Ｔの１／４の時間まで、その電流値を保ち、その後ゼロまで低減する。この電流から記録層の磁化に与えられるスピントルクにより、図６（ｂ）のように記録層の磁化の歳差運動が励起される。その後この歳差運動は、電流がオフになっている時間Ｔ／４から３Ｔ／４の間も図６（ｃ）、（ｄ）のように継続する。再び時間３Ｔ／４で電流を所定の値まで増加させ、時間５Ｔ／４まで一定の値に保つ。この間再びこの電流から記録層の磁化にスピントルクが作用し、記録層の磁化の歳差運動が図６（ｅ）、（ｆ）のように増幅され、電流を切ったのち図６（ｇ）のように磁化が初期状態と反対の方向にスイッチングして歳差運動が停止する。
【００２６】
図５と図６では、歳差運動での記録層の磁化の回転方向が反対になっていることに注意されたい。すなわち、電流の向きを図４の矢印８の方向、すなわち電子の向きを図４の矢印９の方向に向ける場合、時間ゼロからＴ／４までは、通電電流の電子の持つスピンから記録層４５の磁化に作用するスピントルクは、記録層４５の磁化の向きを磁化回転アシスト層４７の磁化の向きにそろえようとする方向に働く。したがって図５（ｂ）、図６（ｂ）に示されたような歳差運動が励起される。しかし、もし時間Ｔ／４以降も電流を切らずに持続させたとすると、時間Ｔ／４から時間３Ｔ／４の間は、図５においても図６においても、スピントルクは記録層４５の磁化を磁化回転アシスト層４７の方向にそろえる方向、すなわち歳差運動をダンピングする方向に働いてしまい、結果として電流を無駄にしてしまうことになる。そこで、この時間の間は電流をオフにする。再び時間３Ｔ／４で電流をオンにすると、時間５Ｔ／４まで、再びスピントルクは記録層の磁化の歳差運動を励起する方向に働くことなり、結果としてスピントルクによる記録層磁化の反転を完了する。このように、記録層４５の磁化方向を固定層４３の磁化方向に対して平行（低抵抗状態）から反平行（高抵抗状態）の向きに変化させる場合でも、記録層４５の磁化方向を固定層４３の磁化方向に対して反平行（高抵抗状態）から平行（低抵抗状態）の向きに変化させる場合でも、同一の電流方向と電流パルスの時間軸上の波形を用いることができることが、本発明の第一の特徴である。
【００２７】
次に、本発明の第二の特徴を説明する。例えば、Applied Physics Letters, Vol.88, p.152505 (2006)に記載されているように、一般にスピントルクによる磁化反転は、
（１）パルス幅が１０ｎｓ以下の領域で、パルス幅の減少とともに急速に書込み電流が増大する
（２）磁化反転が確率的に生じ、スイッチング時間に分布が生じる
ということが示されている。上記（１）は消費電力の増大という観点から、（２）はメモリの安定な書込み動作を阻害するという観点で好ましくない。パルス幅が１０ｎｓ以下の領域では、書き込みに必要な電流Ｉは次式で表される。
【００２８】
Ｉ＝Ｉc0 ＋Ｉc0 ln(π/２θ)(αγHeff)-1/τp       (1)
Ｉc0∝ sinθ [ｐ/２ / (1＋ｐ2cosθ)]−１    (2)
ここでαは記録層磁化膜のダンピング定数、γは磁気回転比、Ｈeffは記録層４５にかかる実効磁界、τpは電流パルス幅、ｐは記録層及び磁化回転アシスト層の磁性膜のスピン分極率、θはパルス電流が与えられる前の記録層と磁化回転アシスト層の磁化のなす角である。式(2)で表されるＩc0は、記録層や磁化回転アシスト層の磁性膜の材料や形状で決まるイントリンシックなしきい電流値、すなわち直流電流を用いた場合のしきい電流値である。本実施例では、θが略９０度であるので、式(2)より、同一の材料や構造の素子におけるイントリンシックなしきい電流値Ｉc0を最小にすることができる。さらに式(1)においても、θが略９０度であることにより、式(1)の第２項が小さくなるので、上記（１）の問題点が大いに緩和されるという効果がある。
【００２９】
また本発明では、図７のように、磁化回転アシスト層４７の磁化は記録層４５の磁化と垂直な方向に向いているため、磁化回転アシスト層４７から発生される漏洩磁界７１は、記録層４５の磁化方向と略垂直方向を向いている。よく知られているように、本発明のような磁気メモリにおいて、図４に示されている記録層４５の磁化方向のエネルギー的に安定な方向は、磁化容易軸と呼ばれている。一方、この方向と垂直な方向は磁化困難軸と呼ばれている。本実施例のように記録層の磁化困難軸方向に磁界をかけた場合、例えば、Physical Review B, Vol.75, p.064402(2007)に記載されているように、スイッチング確率の分布を大きく低減することが可能である。したがって本発明は、上記課題（１）（２）を同時に解決する効果があることがわかる。
【００３０】
次に、電流パルスの時間波形をどのように決めるかという点について述べる。図８は、磁化回転アシスト層からの漏洩磁界Ｈが、記録層の磁化を磁化容易軸方向から磁化困難軸方向へ向けるのに必要な磁界Ｈｋ（これを異方性磁界と呼ぶ）の１／４であった場合の、磁化反転が終了するまでの磁化の回転数を、時間ゼロにおける記録層の磁化が磁化容易軸となす角度θの正弦（sinθ）と、電流の値の関数としてプロットしたものである。この場合、たとえば電流の値をＩc0とした場合、熱擾乱によって記録層の磁化が磁化容易軸となす角度が図８に示す範囲Ａで揺らいでいたとしても、必ず図５、図６で示したように、５／４回転で磁化反転が終了することがわかる。このように、磁化反転までに要する歳差運動の回転数は、磁化回転アシスト層からの漏洩磁界Ｈと与えられる電流値で一義的に決めることができるので、それに応じてパルス波形を決めることができる。すなわち、一般的に磁化反転が終了するまでの記録層の磁化の歳差運動の回転数が１／４＋ｎ（ｎは１以上の整数）である場合は、電流波形は時間ｔに対し以下のようにすればよい。
【００３１】
Ｉ＝Ｉ0（０≦ｔ≦Ｔ／４）
０ （Ｔ／４＜ｔ≦３Ｔ／４）
Ｉ0（３Ｔ／４＜ｔ≦５Ｔ／４）
：                (3)
０（Ｔ／４＋（ｎ−１）Ｔ＜ｔ≦３Ｔ／４＋（ｎ−１）Ｔ）
Ｉ0（３Ｔ／４＋（ｎ−１）Ｔ＜ｔ≦５Ｔ／４＋（ｎ−１）Ｔ）
ただし、Ｉ0は図８から決められる複数の領域をまたがない通電電流の値、Ｔは歳差運動の１回転に要する時間である。式(3)では、電流はパルス状にＯＮ／ＯＦＦするように記述されているが、回路の容量による波形のなまりがあるので、実際の波形は図５、図６のように必ずしもパルス状にはならない。一般的に、ｎはゼロないし１の場合がほとんどであり、必要な電流Ｉ0もほぼＩc0と小さくできる。すなわち本発明によれば、与えられた磁気抵抗効果素子の構造や材料に対して適切な電流のパルス波形を設定することで、極めて精度よくスピントルク磁化反転の過程を制御できる。
【００３２】
図９は、図１（従来例）のスピントルク磁化反転の場合の、磁化反転が終了するまでの磁化の回転数を、時間ゼロにおける記録層の磁化が磁化容易軸となす角度θの正弦（sinθ）と、電流の値の関数としてプロットしたものである。例えば、書込み電流を３Ｉc0とした場合、熱擾乱によって記録層の磁化が磁化容易軸となす角度が図９に範囲Ｂで示す程度ばらつくので、スピントルク磁化反転が終了するまでに要する回転数は８／４回転から１８／４回転の広い回転数の間に分布し、それにともなって磁化反転に要する時間も大きくばらつく。図８と図９を比較すると、本実施例の場合、磁化反転に要する電流を極めて小さくでき、かつ極めて精度よくスピントルク磁化反転に要する時間を制御できることがわかる。
【００３３】
以上、本発明によれば、上記で述べた困難軸磁界印加によるスイッチング確率のばらつきの一般的な低減効果以上に、スピントルク磁化反転の反転確率を完全に制御し、反転確率ばらつきの課題を根本的に解決する効果があることがわかる。
【００３４】
次に、本発明による磁気メモリセルの膜構造の例と、磁気メモリセルアレイの構成例について説明する。
【００３５】
（１）磁気メモリセルの膜構造の例
以下、具体的な磁気メモリセルの構造について説明する。
【００３６】
第一の膜構成例：図４において、下地膜４１としてＴａ、反強磁性膜４２としてＭｎＩｒ、固定層４３としてＣｏＦｅＢ、絶縁障壁層４４としてＭｇＯ、記録層４５としてＣｏＦｅＢ、非磁性の中間層４６としてＭｇＯ、磁化反転アシスト層４７としてＣｏＦｅＢ、反強磁性層４８としてＰｔＭｎ、キャップ層４９としてＴａを用いる。この構成は基本構成であり、上記で述べたすべての効果を達成しうる構成である。
【００３７】
第二の膜構成例：図４において、下地膜４１としてＴａ、反強磁性膜４２としてＭｎＩｒ、固定層４３としてＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢの積層フェリ構造（ＣｏＦｅとＣｏＦｅＢとがＲｕ膜を介して反交換結合している構造）、絶縁障壁層４４としてＭｇＯ、記録層４５としてＣｏＦｅＢ、非磁性の中間層４６としてＭｇＯ、磁化反転アシスト層４７としてＣｏＦｅＢ、反強磁性層４８としてＰｔＭｎ、キャップ層４９としてＴａを用いる。この構成では、固定層の磁化が互いに反平行結合して反対の向きを向いているため、固定層４３からの漏洩磁束が記録層４５にかかることがないため、記録層４５の性能を決める磁界−抵抗ヒステリシスの磁界に対するオフセット（ヒステリシスの中心がゼロ磁界からずれること）を低減することができる。
【００３８】
第三の膜構成例：図４において、下地膜４１としてＴａ、反強磁性膜４２としてＭｎＩｒ、固定層４３としてＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢの積層フェリ構造、絶縁障壁層４４としてＭｇＯ、記録層４５としてＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢの積層フェリ構造、非磁性の中間層４６としてＭｇＯ、磁化反転アシスト層４７としてＣｏＦｅＢ、反強磁性層４８としてＰｔＭｎ、キャップ層４９としてＴａを用いる。この構成では、固定層４３の磁化が互いに反平行結合して反対の向きを向いているため、固定層４３からの漏洩磁束が記録層４５にかかることがなくなることに加え、記録層自身の漏洩磁界も記録層を構成する２枚の磁化膜内で閉じるため、記録層の磁界−抵抗ヒステリシスの磁界に対するオフセットをほとんどゼロにすることができる。また、記録層全体の体積を増大させ、かつ記録層を構成する２枚の磁化膜の膜厚を近づけることで記録層の保磁力を増大させることができるので、熱的に安定な磁気メモリセルを提供することができる。
【００３９】
第四の膜構成例：図４において、下地膜４１としてＴａ、反強磁性膜４２としてＭｎＩｒ、固定層４３としてＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢの積層フェリ構造、絶縁障壁層４４としてＭｇＯ、記録層４５としてＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅの積層フェリ構造、非磁性の中間層４６としてＣｕ、磁化反転アシスト層４７としてＣｏＦｅ、反強磁性層４８としてＰｔＭｎ、キャップ層４９としてＴａを用いる。この構成では、上記第三の膜構成に比べ中間層４６に金属のＣｕを用いていることで、素子全体の抵抗を減少させることができる。
【００４０】
以上において、反強磁性膜４２，４８としてＭｎＩｒ，ＰｔＭｎ以外の反強磁性材料を用いても、本発明の基本的な効果は変わらない。また固定層４３の材料にＣｏＦｅベースの材料を用いても、本発明の基本的な効果は変わらない、また固定層４３の材料にＣｏ2ＭｎＳｉなどのいわゆるホイスラー合金を用いて、さらに分極率ｐを高めると、さらにＩc0を低減する効果がある。障壁層材料４４としては、Ａｌの酸化物、Ｔｉの酸化物や、ＴｉＮやＡｌＮなどの窒化物材料を用いても本発明の基本的な効果は変わらない。
【００４１】
（２）磁気ランダムアクセスメモリの構成例
（２−１）ダイオードを用いた磁気ランダムアクセスメモリの構成例
図１０に、本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す。図１０において、１はソース線、５０はダイオード、９１は本発明の磁気抵抗効果素子あり、７はビット線、９２は一つの磁気メモリセルを表す。ソース線１とビット線７は、別々の書き込みドライバ回路で駆動される。ビット線７には磁気メモリセルからの読み出し信号を増幅するセンスアンプが接続されている。図示の例では、ダイオード５０は、磁気抵抗効果素子９１に、固定層から記録層の方向に電流を通電可能に接続されている。また、ダイオードの一端はソース線に電気的に接続され、磁気抵抗効果素子９１の磁化回転アシスト層がビット線に接続されている。
【００４２】
書き込みの際には、ソース線書き込みドライバで１つのソース線１のみを書込み電圧Ｖに昇圧し、その他のソース線はグランドに落としておき、ビット線書込みドライバでは１つのビット線７のみグランドに落とし、そのほかを電圧Ｖに維持しておく。このようにすれば選択されたメモリセル９２のみに電流が流れるので、選択された磁気抵抗素子９１にのみに書き込みが行われる。読出しの際は、同様の手順でメモリセル９１のみに通電をするが、流す電流はＩc0より十分小さい値として、誤書き込みを防止する。この構造は最も単純なクロスポイント配置なので、単位セルの占める面積は２Ｆ×２Ｆ＝４Ｆ２と高集積なものにすることができる。
【００４３】
（２−２）トランジスタを用いた磁気ランダムアクセスメモリの構成例
図１１に、本発明による磁気ランダムアクセスメモリの他の構成例を示す。図１１において、１はソース線、１０１は本発明の磁気抵抗効果素子であり、７はビット線、１０２はセル選択トランジスタ、１０３はワード線、１０４は一つの磁気メモリセルを表す。ビット線７には磁気メモリセルからの読み出し信号を増幅するセンスアンプが接続されている。図示の例では、トランジスタ１０２の一端がソース線１に電気的に接続され、磁気抵抗効果素子１０１の磁化回転アシスト層がビット線７に接続され、トランジスタ１０２はワード線１０３によって制御される。
【００４４】
本構成の場合の書込みは、書込みドライバで書込みたいメモリセルにつながった１つのソース線１のみを書込み電圧Ｖに昇圧し、そのメモリセルのセル選択トランジスタ１０２につながっているワード線のみを他方の書込みドライバで選択してトランジスタ１０２をＯＮにして電流を流し、書込みを行う。
【００４５】
読出しの際は、上記とは逆に、読出したいメモリセルにつながったビット線７のみを読出し電圧Ｖに昇圧し、選択トランジスタ１０２につながっているワード線のみを他方の書込みドライバで選択してトランジスタ１０２をＯＮにして電流を流して、読出しを行う。この場合、読出し時の電流方向が書込み時の電流方向と逆なので、読出し電流による誤書込みの心配がない。したがってより大きな読出し電流を流すことが可能となり、高速の読み出しが可能となる。この構造は最も単純な１トランジスタ＋１メモリセルの配置なので、単位セルの占める面積は２Ｆ×４Ｆ＝８Ｆ2と高集積なものにすることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１…ビット線、２…強磁性層（記録層）、３…中間層、４…強磁性層（固定層）、５…ゲート電極、６…トランジスタ、７…ソース線、８…電流方向、９…電子が移動する方向、２１…磁性膜に垂直な磁化方向を有する強磁性固定層、２２…非磁性中間層、２３…強磁性層（記録層）、２４…非磁性中間層、２５…参照層、２６、２７…電流の方向、３１…固定層、３２…非磁性層、３３…記録層、３４…非磁性層、３５…スピントルク駆動層、４１…下地膜、４２…反強磁性膜、４３…固定層、４４…絶縁障壁層、４５…記録層、４６…中間層、４７…磁化回転アシスト層、４８…反強磁性層、４９…キャップ層、５０…ダイオード、７１…漏洩磁束、９１…磁気抵抗効果素子、９２…メモリセル、１０１…メモリセル、１０２…トランジスタ、１０３…ワード線、１０４…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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【国際調査報告】
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