(57)【要約】  クロスポイント型メモリを実現するために、フリー層５と、非磁性層４と、ピン層３とを備えるスピンバルブ構造を有する磁気メモリー素子１０であり、フリー層５の一方の面に別の非磁性層６を備え、さらにその別の非磁性層６をフリー層５ともに挟むように磁気特性が温度に応じて変化する磁性材料の磁気変化層７を備える。磁気変化層は、温度に応じて磁化が増大し、かつ磁化方向が膜面に斜めとなる磁性層を設けるものとすることもできる。
2009078202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面および第２の面により規定されるある厚みを有し強磁性を示すフリー層と、該第１の面に一方の面を向けて配置された第１の非磁性層と、前記フリー層とともに前記第１の非磁性層を挟む強磁性を示すピン層とを備えるスピンバルブ構造を有してなり、電気パルスを印加することにより該スピンバブル構造に情報を記憶させる磁気メモリー素子であって、
前記フリー層の前記第２の面の側に配置される第２の非磁性層と、
前記フリー層とともに該第２の非磁性層を挟み、磁気特性が温度に応じて変化する磁性材料を含む磁気変化層と
をさらに備えるメモリー素子。
【請求項２】
前記磁気変化層が所定の温度を境界にして低温側と高温側で反転する見かけの値をもつような磁気特性を有するか、低温側と高温側のどちらかにおいてのみ発現するある磁気的性質を有するかの少なくともいずれかの性質を持つ磁性材料を含む、請求項１に記載の磁気メモリー素子。
【請求項３】
前記第２の非磁性層の抵抗値が前記第１の非磁性層の抵抗値よりも大きい請求項２に記載の磁気メモリー素子。
【請求項４】
前記所定の温度である磁気補償温度Ｔｃｏｍｐが、前記磁気メモリー素子を動作させる動作温度範囲にあり、前記磁気変化層が、該磁気補償温度Ｔｃｏｍｐより高温側において前記スピンバルブ構造の積層面の垂直方向に磁化を示すＮ型フェリ磁性層を含むものである、請求項２または３に記載の磁気メモリー素子。
【請求項５】
前記所定の温度である磁気補償温度Ｔｃｏｍｐが、前記磁気メモリー素子を動作させる動作温度範囲よりも高い温度であり、前記磁気変化層が、磁気補償温度Ｔｃｏｍｐより低温側と高温側で互いに逆向きの磁化を示すＮ型フェリ磁性層を含むものである、請求項２または３に記載の磁気メモリー素子。
【請求項６】
前記フリー層に流れる電流の通過領域を制限する電流狭窄構造をさらに備える請求項２〜５のいずれかに記載の磁気メモリー素子。
【請求項７】
前記磁気変化層が、温度に応じて磁化が増大し、磁化方向が斜めになる磁性材料を含む、請求項１に記載のメモリー素子。
【請求項８】
前記磁気変化層の磁化の面内成分が前記ピン層の磁化方向と平行である請求項７に記載の磁気メモリー素子。
【請求項９】
前記磁気変化層の磁化の面内成分が前記ピン層の磁化方向と反平行である請求項７に記載の磁気メモリー素子。
【請求項１０】
第１の面および第２の面により規定されるある厚みを有し強磁性を示すフリー層と、該第１の面に一方の面を向けて配置された第１の非磁性層と、前記フリー層とともに前記第１の非磁性層を挟む強磁性を示すピン層とを備えるスピンバルブ構造を有し、前記フリー層の前記第２の面の側に配置される第２の非磁性層と、前記フリー層とともに該第２の非磁性層を挟み、磁気特性が温度に応じて変化する磁性材料を含む磁気変化層とをさらに備える磁気メモリー素子の駆動方法であって、
前記スピンバルブ構造に単極性のパルスである電気パルスを印加し、該スピンバブル構造に情報を記録する記録ステップを含む磁気メモリー素子の駆動方法。
【請求項１１】
前記単極性電気パルスの立ち上がり期間における振幅を、当該単極性電気パルスの振幅をパルス幅全体にわたって平均した値よりも大きくするステップをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の磁気メモリー素子の駆動方法。
【請求項１２】
前記単極性電気パルスのパルス幅を制御するステップをさらに含み、制御されたパルス幅をもつ単極性電気パルスによってスピンバルブ素子のフリー層の磁化を制御してフリー層の磁化の向きと前記ピン層の磁化の向きの組合せとして前記情報を記録する、請求項１０または１１に記載の磁気メモリー素子の駆動方法。
【請求項１３】
前記単極性電気パルスのパルス数を制御するステップをさらに含み、所定のパルス幅をもつ単極性電気パルスのパルス数によってスピンバルブ素子のフリー層の磁化を制御して、フリー層の磁化の向きと前記ピン層の磁化の向きの組合せとして前記情報を記録する、請求項１０または１１に記載の磁気メモリー素子の駆動方法。
【請求項１４】
前記単極性電気パルスの極性が前記スピンバルブ構造のフリー側の電位をピン層側の電位より高くする極性である、請求項１０または１１に記載の磁気メモリー素子の駆動方法。
【請求項１５】
前記単極性電気パルスを印加する前に予め記録された情報を読出すステップをさらに含み、
前記記録ステップにおいて、該読み出しステップによって読み出された情報を変更する場合のみ電気パルスを印加することを特徴とする請求項１０または１１に記載の磁気メモリー素子の駆動方法。
【請求項１６】
請求項８に記載の磁気メモリー素子を駆動する駆動方法であって、
前記ピン層側から正の極性の単極性電気パルスを印加して前記フリー層の磁化と前記ピン層の磁化とによる磁化配置を反平行にするステップと、
前記ピン層側から正の極性の単極性電気パルスを印加して前記磁化配置を平行にするステップと
を含み、磁化配置を反平行にする単極性電気パルスの電流値である電流量ＩＡＰと該磁化配置を平行にする単極性電気パルスの電流値である電流量ＩＰとがＩＡＰ＞ＩＰの関係を満たすことを特徴とする磁気メモリー素子の駆動方法。
【請求項１７】
前記磁化配置を平行にするステップの後に、ＩＰ以下の電流量の前記単極性パルスと同極性の電気パルスを印加するステップをさらに含む請求項１６に記載の磁気メモリー素子の駆動方法。
【請求項１８】
請求項９に記載の磁気メモリー素子を駆動する駆動方法であって、
前記フリー層側から正の極性の単極性電気パルスを印加して前記フリー層の磁化と前記ピン層の磁化とによる磁化配置を反平行にするステップと、
前記フリー層側から正の極性の単極性電気パルスを印加して前記磁化配置を平行にするステップと
を含み、磁化配置を反平行にする単極性電気パルスの電流値である電流量ＩＡＰと該磁化配置を平行にする単極性電気パルスの電流値である電流量ＩＰとがＩＡＰ＜ＩＰの関係を満たすことを特徴とする磁気メモリー素子の駆動方法。
【請求項１９】
前記磁化配置を平行にするステップの後に、ＩＡＰ以下の電流量の前記単極性パルスと同極性の電気パルスを印加するステップをさらに含む請求項１８に記載の磁気メモリー素子の駆動方法。
【請求項２０】
請求項１〜９のいずれか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された整流素子と
を備えてなり、前記スピンバルブ構造に単極性のパルスである電気パルスを印加し、該スピンバブル構造に情報を記録することにより書き込み及び消去を行う情報書き換え手段と、
磁気メモリー素子を流れる電気量から記録された情報を読み出す手段と
を備えてなることを特徴とする不揮発性記憶装置。
【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録可能な磁気メモリー素子とその駆動方法及び不揮発性記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラッシュメモリに代表される不揮発性半導体記憶装置の大容量化は著しく、３２Ｇバイト程度の容量の製品リリースがアナウンスされるに至っている。特にＵＳＢメモリや携帯電話用のストレージとしての商品価値は増しており、携帯音楽プレイヤー用ストレージとしても耐振動性や高信頼性、また低消費電力といった固体素子メモリならではの原理的な優位性を生かし、上記の音楽及び画像用の携帯型或いは可搬型商品用ストレージとして主流になりつつある。【０００３】
また、上記のストレージ向け応用以外の用途として、情報機器のメインメモリとして現在使用されているＤＲＡＭを不揮発性にすることによって、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所謂「インスタント・オン・コンピュータ」実現に向けた研究も精力的に行われている。このためには、メインメモリに用いられるＤＲＡＭに要求される（１）５０ｎｓ未満のスイッチング速度、および、（２）１０１６回を超える書換え回数をともに満足し、なおかつ（３）不揮発性を有するようなメモリが必要と言われている。【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（ＦｅＲＡＭ）、磁気メモリ（ＭＲＡＭ）、相変化メモリ（ＰＲＡＭ）等、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が、上記のようなＤＲＡＭの代替として用いるための性能要件を満たすものはＭＲＡＭしかないと考えられている。但し、上記性能要件として挙げられている書換え回数（＞１０１６）は３０ｎｓごとの書き換えを１０年間の行った場合のアクセス回数を想定したものであり、不揮発性を備えるメモリの場合にはリフレッシュサイクルが不要となるためこれほどの回数が必要にはならない。既にＭＲＡＭは１０１２以上の書換え回数性能をクリアした技術開発例もあり、スイッチング速度も高速（＜１０ｎｓ）であることから、他の不揮発性記憶装置の候補技術と比較して高い実現性があるものと見られている。【０００５】
このＭＲＡＭを実用化する際の最大の問題点は、セル面積の大きさとビットあたりのコストの高さ（ビットコスト）である。現在商品化されている小容量４Ｍｂｉｔ程度のＭＲＡＭは電流磁場書換え型でありセル面積が２０〜３０Ｆ２（Ｆは製造プロセスの最小加工寸法）以上であり、ビットあたりの面積が大きすぎる。このためＤＲＡＭを置換えることは現実的には困難といえる。【０００６】
このような状況に対して、二つのブレークスルーとなりうる技術開発がＭＲＡＭの技術分野においてなされている。一つはＭｇＯトンネル絶縁膜を用いたＭＴＪ（磁気トンネル接合）であり、これにより２００％以上の磁気抵抗が容易に得られている（非特許文献１）。もう一つは電流注入磁化反転方式である。この電流注入磁化反転方式は、電流磁場書換え方式において致命的であった微細セルにおける書き換え（磁化の反転）に要する磁場（反転磁場）が増大する問題を回避するばかりか、むしろ、スケーリング則に応じた書込みエネルギーの低減、つまり、微細化に伴って書き込みエネルギーも少なくなるという利点をも有する書き換え方式である。この電流磁化反転方式により、１つのトランジスターによって１つのＭＴＪを動作させる構成（１Ｔ１ＭＴＪ構成）が可能となるため、理想的にはセル面積も６〜８Ｆ２程度と現在のＤＲＡＭ並みになると見られている（非特許文献２）。
【非特許文献１】D.D. Djayaprawira 他、”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他、”Current-induced magnetization switching in MgO barrier based magnetic tunnel junctions with CoFeB/Ru/CoFeB synthetic ferrimagnetic free layer”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.45, L1057-L1060,2006年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、それでもなお、ＭＲＡＭのビットコストは、現行のＤＲＡＭを代替するメインメモリーとして応用することを考えた場合に、ＤＲＡＭのビットコストを凌ぐことは難しい。これは、磁性多層膜や極薄の均一なトンネル絶縁膜を形成する必要があるためである。また、ストレージとして応用することに目を向けてみても、ビットコストが低く、かつセル面積が４Ｆ２程度と小さいという特徴を有するフラッシュメモリに対して十分に対抗しうる状況とはならない。このためＭＲＡＭは、原理的な利点を生かした用途展開の目処がつかず開発が進まないという問題に直面している。【０００８】
上述のブレークスルーとなる技術の一つである電流注入磁化反転方式を用いたとしても、ＭＴＪを選択するため、つまりメモリーセルをアドレッシングして目的の状態に書き換えるためには、メモリーセル毎にトランジスタを用いる必要がある。かかる問題は、メモリのスイッチングのために電流の極性（電流の流れる方向）の切り替えが必要であるため、その電流の切り替えの回路がトランジスタを必要とする点に原因がある。このため、電流注入磁化反転方式を用いる従来の手法では、スイッチングの原理上４Ｆ２程度の面積にセルを収めることが困難になり、集積密度を高める際の大きな障害となっている。【０００９】
本発明は、上記間題点に鑑みてなされたものであり、上記課題の少なくともいくつかを解決することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願の発明者等は、電流磁化反転方式の原理的な側面を再検討し、メモリーセルの面積を小さくする用途に最適なメモリー素子の構造とその駆動方法を検討した。その結果、以下に示す磁気メモリー素子とその駆動方法及び不揮発性記憶装置の発明に至った。【００１１】
即ち、上記の課題を解決するために、本発明によって、第１の面および第２の面により規定されるある厚みを有し強磁性を示すフリー層と、該第１の面に一方の面を向けて配置された第１の非磁性層と、前記フリー層とともに前記第１の非磁性層を挟む強磁性を示すピン層とを備えるスピンバルブ構造を有してなり、電気パルスを印加することにより該スピンバブル構造に情報を記憶させる磁気メモリー素子であって、前記フリー層の前記第２の面の側に配置される第２の非磁性層と、前記フリー層とともに該第２の非磁性層を挟み、磁気特性が温度に応じて変化する磁性材料を含む磁気変化層とをさらに備えるメモリー素子が提供される。ここで、スピンバルブ構造とは強磁性層（ピン層）／非磁性層／強磁性層（フリー層）からなる構造であり、ピン層はフリー層よりも磁化の方向が変化しづらくなるように構成する。なお、斜線（／）によって仕切って複数の層を列記する表記は、そこに記載された複数の層をその記載順に積層して配置する構成を示しており、これは、記載されているものが膜の組成であっても同様である。【００１２】
磁気特性が温度に応じて変化する磁性材料は、温度に応じて磁気的な性質が変化する際に、温度に応じて磁性材料の磁気的物性が変化するものである。このように、磁気変化層の磁気特性の温度による変化に応じて少なくとも二つの温度においてフリー層の磁化が異なる状態となる。この磁化の変化を利用してフリー層の磁化状態をさらに変化させると、外部磁場を用いなくてもスイッチングを行うことができる。【００１３】
上記のピン層に対しては、磁場によるスイッチングを行う場合と同様に、ピン層に直接または間接に接するように反強磁性層を積層して、これらの層の間の交換結合に基づくピン層の保磁力増大の効果を利用することができる。例えば、ある大きさの外部磁場を印加した際に、ピン層の磁化方向は変化せず、フリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に対してなす角度が相対的に変化することを利用することができる。この例では、外部磁場に対応して抵抗値が変わる現象（平行配置で抵抗が最も低く、反平行配置で抵抗が最も高くなる現象）を利用する磁気抵抗素子の構造が得られる。また、非磁性層は、強磁性層（ピン層とフリー層）の間の相互の磁気結合を切断する役割を果たしており、その非磁性層が金属である場合には巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子として、また、その非磁性層が絶縁体である場合にはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子として動作する。但し、電流でスイッチングを行なう従来の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）が大きいものとする必要はなくむしろ飽和磁化（Ｍｓ）が十分大きくスピンの歳差運動が起こりにくいようにすることが重要であり、この点は本発明においても同様である。【００１４】
上記特徴を有する磁気メモリー素子は、動作させる際に、電気パルス印加によりスピンバルブ構造の温度が上昇すること、そして、その温度上昇にしたがって、フリー層に別の非磁性層（第２の非磁性層）を挟んで設けた磁気変化層の磁気特性が変化することを利用する。この磁気変化層の磁化が磁場を生じさせてフリー層の磁化に作用するため、電流を単に流したのみでは励起が難しいフリー層の磁化にプリセッション（歳差運動）を起こさせることができ、反転が容易に可能となる。このため、ピン層の磁化方向にかかわらず、フリー層の磁化の相対角度を平行、反平行とスイッチすることができるようになる。【００１５】
この磁気変化層は、ある温度（所定の温度）より低温側と高温側とで磁気特性が変化するが、その変化は、例えば、その所定の温度を境界にして低温側と高温側で見かけの磁気特性が反転するようなものや、低温側と高温側のどちらかのみにおいて発現する磁気特性をもつものとすることができる。ある温度を境にして何らかの相転移が生じたり、相転移を伴わずに温度に応じて変化する性質の２つの材質がそれぞれの変化を示すことによりある温度を境にしてその性質の差や和の値が逆転するなどの任意の原因によって、このような変化を実現することができる。この一例としては、異方性磁場がある温度を境に低温側で生じて高温側で消失したり、その逆に低温側でみられなかった異方性磁場が高温側でみられるようになるような材料を用いることができる。【００１６】
このような特徴を有する磁気メモリー素子は、温度の上昇によって起こる磁気変化層の変化が明瞭であり、したがって、フリー層の磁化が受ける影響も明確なものとなるため、スイッチング動作が安定することとなる。【００１７】
また、本発明の磁気メモリー素子は第２の非磁性層の抵抗値が第１の非磁性層の抵抗値よりも大きいことを特徴とする。【００１８】
上記特徴の構成によれば、第２の非磁性層の発熱が第１の非磁性層の発熱より多くなり、目的とするフリー層と磁気変化層との両方の層の温度の上昇量が大きくなる。その結果、より低電圧、低電流でのフリー層のスイッチングが可能となる。【００１９】
本発明の磁気メモリー素子は、前記所定の温度である磁気補償温度Ｔｃｏｍｐが、前記磁気メモリー素子を動作させる動作温度範囲にあり、前記磁気変化層が、該磁気補償温度Ｔｃｏｍｐより高温側において前記スピンバルブ構造の積層面の垂直方向に磁化を示すＮ型フェリ磁性層を含むものとすることができる。このとき、フリー層は、例えば面内の磁化によって情報を記憶することができる。【００２０】
上記特徴の構成によれば、ピン層の磁化およびフリー層の磁化がともに面内である状態を保って、平行及び反平行のスイッチングを起こす素子である場合には、電気パルスの印加により磁気変化層であるＮ型フェリ磁性層の温度が磁気補償温度Ｔｃｏｍｐから上昇するにつれて膜面に垂直な磁化（垂直磁化）が発生し、この垂直磁化が生成する磁場がフリー層へ作用するため、通常電流のみでは励起が困難なフリー層のプリセッション（歳差運動）が容易に可能となる。つまり、温度上昇によって磁化変化層の垂直の磁化がフリー層付近に漏洩磁束として垂直磁場を生じさせ、これによって、フリー層の磁化のプリセッションが起こる。こうしてプリセッションしているフリー層の磁化は、反転させるのが容易になる。その一方、電気パルスによる温度上昇がない場合には磁気変化層から漏洩磁束が発生しないためフリー層の記憶状態は安定に保たれる。このような構成では、ピン層の構成を、フリー層における磁化の反転を可能にしつつ記憶を安定化するように構成するようなバランスをとる際に、記憶をより安定化するように構成しても、磁気変化層の助けによって必要な反転動作をおこなうことができる。よって、フリー層の記憶状態を一層安定なものとするようなピン層の構成をとることができることとなり、データ保持特性を向上させることができる。なお、本発明では、磁気メモリー素子を動作させる動作温度との記載を用いているが、これは、作製されたメモリー素子が実際に使用される場合の温度であることを意味しており、電子機器の内部の温度や、その影響を受けたり実際の動作状態の影響を受けて室内の温度より上昇している環境において用いられる磁気メモリー素子では、そのような温度を含み、磁気メモリー素子が例えば記憶装置の一部となっていて機器に用いられる場合においては、機器を停止させた状態から起動させて用いる場合の起動直後の温度から、過熱して停止するまでの温度などを含むみ、意図的に電気パルスによって意図的にメモリー素子の温度を高くする状況におけるメモリー素子の示す温度より低くされる。このような温度範囲を示せば、磁気メモリー素子が用いられる記憶装置の動作時または保存時の機能を保障するための温度範囲、例えば、下限の温度を、−４０℃、−３０℃、−２５℃、−２０℃、−１０℃などのいずれかとし、上限の温度は、６０℃、８０℃、８５℃、１００℃、１２０℃などのいずれかとし、これらの任意の組み合わせによって得られる温度範囲にすることができる。上記特徴は、例えばこれらの温度範囲がメモリー素子が実際に使用される場合の温度として選択され、その温度の範囲に磁気補償温度Ｔｃｏｍｐがあることを示している。なお、意図的に電気パルスによって温度を上昇させると、メモリー素子の磁気変化層の温度は、局所的に２５０℃程度の温度を示す場合があり、磁気変化層がＮ型フェリ磁性層である場合には、磁気変化層の磁気特性を十分に変化させることができる。【００２１】
このような磁気変化層の材料としては希土類と遷移金属のアモルファス合金材料が使用可能である。特にＴｂＦｅＣｏやＧｄＦｅＣｏなどが好適である。このようなアモルファス材料は、結晶構造が異なる磁性多層膜の積層構造を作製するプロセスマッチングの観点からも好適である。何故なら、例えばトンネル絶縁膜をＭｇＯによって作製し、そのトンネル絶縁膜を挟むために用いられるアモルファス金属材料（例えばＣｏＦｅＢ）も堆積時はアモルファスであり素子作製後のアニールによりＭｇＯ界面から結晶化が進むためである。上記希土類と遷移金属のアモルファス合金はこのような観点から従来の素子構造の作製に障害になることがないという観点からもより好ましい。【００２２】
また、本発明の磁気メモリー素子は、前記所定の温度である磁気補償温度Ｔｃｏｍｐが、前記磁気メモリー素子を動作させる動作温度範囲よりも高い温度であり、前記磁気変化層が、磁気補償温度Ｔｃｏｍｐより低温側と高温側で互いに逆向きの磁化を示すＮ型フェリ磁性層を含むものとすることができる。この場合に、Ｎ型フェリ磁性層がフリー層に作る磁場は膜面に垂直な方向の磁場とすることができ、フリー層が膜面の面内に磁化して記憶するものとすることができる。上記特徴の温度範囲は、先に記載したものと同様である。【００２３】
上記特徴の構成によれば、電気パルスの印加により磁気変化層であるＮ型フェリ磁性層の温度が上昇し、磁気補償温度Ｔｃｏｍｐを横切ると磁気変化層の垂直磁化が反転し、反転磁場がフリー層へ作用する。このため、フリー層のプリセッション（歳差運動）がより容易に可能となる。この場合にも、上述のような種々の動作温度範囲から電気パルスによって磁気変化層の温度を上昇させることにより、磁気変化層の磁化を逆向きの磁化にすることができる。【００２４】
また、本発明の磁気メモリー素子は、フリー層に流れる電流の通過領域を制限する電流狭窄構造をさらに備えることができる。【００２５】
上記特徴の構成によれば、電流狭窄構造近傍で温度が上昇するため容易に磁気変化層の温度を上昇させることが可能となる。電流狭窄構造は、それに対応する磁気変化層の領域から温度を上昇させるため、温度の上昇が狭い領域ですばやく起こり、フリー層の磁化を反転させる際にも、電流狭窄構造に対応するフリー層の領域への漏洩磁場が大きくなり、その部分が反転しやすい状況になる。フリー層の全ての領域の全体を一様に反転させるより、一部を反転させてその影響をメモリーセルにあるフリー層の全領域に及ぼすほうが反転のための閾値が下がり、安定したスイッチングが行えるため、電流狭窄構造を設けることにより、メモリー素子としてのスイッチング動作が安定し、また、記憶安定性は電流が流れる領域の大きさではなくメモリーセルにあるフリー層の領域の大きさが影響するため、記憶の安定性を高めても、電流狭窄構造によってスイッチングに影響しないようにすることができる。【００２６】
また、本発明の磁気メモリー素子は、上記の課題を解決するために、磁気変化層が、温度に応じて磁化が増大し、磁化方向が斜めになる磁性材料を含むものとすることができる。このような磁性層としては、一例として、Ｎ型フェリ磁性体である希土類遷移金属アモルファス合金、より具体的にはＧｄＦｅＣｏが望ましい。後述するように磁気補償温度を略室温にし温度が上昇するにつれまず垂直磁化成分、次いで面内磁化成分が増大しその後再び垂直磁化成分が増加し、さらにＴｃに向けてトータルの磁化が減少するという温度依存性を示すからである。ここで、スピンバルブ構造とは強磁性層（ピン層）／非磁性層／強磁性層（フリー層）からなる構造であり、ピン層はフリー層よりも磁化方向が変化しづらくなるようにしてある。磁場によるスイッチングの場合にはピン層と反強磁性層との交換結合により保磁力を増大させる手法などがよく用いられている。例えば、ある大きさの外部磁場を印加した際にピン層の磁化方向は変化せず、フリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に対してなす角度が相対的に変化する。それに対応して抵抗値が変わる現象（平行配置で抵抗が最も低く、反平行配置で抵抗が最も高くなる現象）を利用する磁気抵抗素子の構造である。また、非磁性層は強磁性層間（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抵抗（ＧＭＲ）素子として、絶縁体が用いられた場合にはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子として動作する。【００２７】
上記特徴の磁気メモリー素子の構成によれば、パルス高さの異なる単極性の電気パルスによるピン層の磁化反転が可能となるため磁化配置を平行、反並行とスイッチングできる。従ってメモリーセル選択素子として整流素子（ダイオード）を直列に接続することが可能となり、セル面積として最小の４Ｆ２を備えたクロスポイント型メモリが実現される。【００２８】
また、本発明の磁気メモリー素子は、磁気変化層の面内磁化成分がピン層の磁化方向と平行となるようにすることができる。また、本発明の磁気メモリー素子は、磁気変化層の面内磁化成分がピン層の磁化方向と反平行となるようにすることができる。【００２９】
上記特徴の構成によれば、後述するスピンプリセッション方式によりフリー層の磁化をピン層の磁化に平行に、あるいは反平行にスイッチする動作がより安定に行える。【００３０】
また、本発明は、第１の面および第２の面により規定されるある厚みを有し強磁性を示すフリー層と、第１の面に一方の面を向けて配置された第１の非磁性層と、フリー層とともに第１の非磁性層を挟む強磁性を示すピン層とを備えるスピンバルブ構造を有し、フリー層の第２の面の側に配置される第２の非磁性層と、フリー層とともに第２の非磁性層を挟み、磁気特性が温度に応じて変化する磁性材料を含む磁気変化層とをさらに備える磁気メモリー素子の駆動方法であって、スピンバルブ構造に単極性のパルスである電気パルスを印加し、スピンバブル構造に情報を記録する記録ステップを含む磁気メモリー素子の駆動方法を提供する。【００３１】
上記特徴の構成によれば、単極性の電気パルスのみを使用するためセル選択スイッチとして整流素子が使用可能となる。その結果、４Ｆ２という最小セル寸法でのメモリー素子が実現可能となる。【００３２】
また、単極性電気パルスの立ち上がり期間における振幅を、当単極性電気パルスの振幅をパルス幅全体にわたって平均した値よりも大きくするステップをさらに備えるものとすることができる。【００３３】
上記特徴の構成によれば、電気パルス印加時に速やかに磁気変化層の温度を上昇せしめることが可能となりフリー層のプリセッション（歳差運動）が高速に可能となる。【００３４】
また、本発明の磁気メモリー素子の駆動方法は、単極性電気パルスのパルス幅を制御するステップをさらに含み、制御されたパルス幅をもつ単極性電気パルスによってスピンバルブ素子のフリー層の磁化を制御してフリー層の磁化の向きとピン層の磁化の向きの組合せ（「磁化配置」という）として情報を記録するものとすることができる。【００３５】
上記特徴の構成によれば、フリー層のプリセッションの半周期（すなわち平行から反平行、あるいは反平行から平行へのスイッチング時問τ）の幅を持つ電気パルス印加によりスイッチングが可能となる。また、この奇数倍周期のパルスを用いてもスイッチングが可龍となる。【００３６】
また、本発明の磁気メモリー素子の駆動方法は、単極性電気パルスのパルス数を制御するステップをさらに含み、所定のパルス幅をもつ単極性電気パルスのパルス数によってスピンバルブ素子のフリー層の磁化を制御して、フリー層の磁化の向きとピン層の磁化の向きの組合せとして情報を記録することができる。【００３７】
上記特徴の構成によれば、フリー層の磁化方向を変更して磁化配置を変更したい場合には上記パルス幅τを有するパルスを奇数回、変更したくない場合には偶数回印加することにより所望のディジタルデータの記録が可能となる。【００３８】
また、本発明の磁気メモリー素子の駆動方法においては、単極性電気パルスの極性がスピンバルブ構造のフリー側の電位をピン層側の電位より高くする極性とすることができる。【００３９】
上記特徴の構成によれば、先ずピン層側に配置されている磁気変化層の温度が上昇するため、フリー層のプリセッション（歳差運動）が容易になるという利点がある。特に、フリー層側に電流狭窄構造が形成されている素子においてはこの効果が顕著になる。【００４０】
また、本発明の磁気メモリー素子の駆動方法においては、単極性電気パルスを印加する前に予め記録された情報を読出すステップをさらに含み、記録ステップにおいて、読み出しステップによって読み出された情報を変更する場合のみ電気パルスを印加することができる。【００４１】
上記特徴の構成によれば、記録情報変更時のみ電気パルスを印加すればよいため消費電力を低減することが可能となる。【００４２】
また、本発明の磁気メモリー素子の駆動方法は、ピン層側から正の極性の単極性電気パルスを印加してフリー層の磁化とピン層の磁化とによる磁化配置を反平行にするステップと、ピン層側から正の極性の単極性電気パルスを印加して磁化配置を平行にするステップとを含み、磁化配置を反平行にする単極性電気パルスの電流値である電流量ＩＡＰと磁化配置を平行にする単極性電気パルスの電流値である電流量ＩＰとがＩＡＰ＞ＩＰの関係を満たすことができる。一方、磁気メモリー素子が、磁気変化層の面内磁化成分がピン層の磁化方向と反平行となるものである場合には、この逆に、ＩＡＰ＜ＩＰの関係を満たすようにしてもよい。【００４３】
上記の各駆動方法によれば、単極性電気パルスを用いて電流注入磁化反転方式により磁化配置をそれぞれ反平行および平行にし、スピンプリセッション方式によりフリー層の磁化をピン層の磁化に対してそれぞれ平行および反平行にスイッチすることができる。【００４４】
前者の場合、さらに、磁化配置を平行にするステップの後に、ＩＰ以下の電流量の単極性パルスと同極性の電気パルスを印加するステップをさらに含むものとすることができる。同様に、後者の場合には、このステップをＩＡＰ以下の電流量の単極性パルスと同極性の電気パルスを印加するステップとすることができる。【００４５】
これらのいずれかの駆動方法によれば、素子形状のばらつきなどにより素子毎にスピンプリセッションによる磁化反転周期にばらつきが発生し、単極性電気パルスの印加後に磁化配置が完全には平行にならなかった場合にも磁化の向きを補正して完全に平行にすることが可能となる。これにより平行状態に対応する低抵抗状態の抵抗値が十分低くなるため情報読み出し時のマージンが確保され信頼性の高い読み出し動作が可能となる。【００４６】
本発明の不揮発性記憶装置は磁気メモリー素子と、磁気メモリー素子に直列に接続された整流素子とを備えてなり、請求項１０〜１９のいずれかに記載の駆動方法による書き込み及び消去を行う情報書き換え手段と、磁気メモリー素子を流れる電気量から記録された情報を読み出す手段とを備えてなることを特徴とする。【００４７】
上記特徴の不揮発性記憶装置によれば、単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からなるメモリーセルが構成可能となりフラッシュメモリと同等のセル面積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性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性記憶装置を低コストで提供できる。
【発明の効果】
【００４８】
以上のように、本発明のある実施形態の磁気メモリー素子及びその駆動方法を備えた不揮発性記憶装置は、単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からなる４Ｆ２サイズのメモリーセルが構成可能となる。また、本発明のある実施形態の磁気メモリー素子及びその駆動方法は、記憶した情報の読み出し動作の信頼性を高めるという効果を奏する。これらにより、低コストで高性能、高集積な不揮発性記憶装置が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施態様に係る磁気メモリー素子の断面図である。
【図２】本発明の実施態様に係る磁気メモリー素子を構成する磁気変化層として用いる場合の磁気変化層の磁化と温度の関係を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施態様に係る磁気メモリー素子を構成する磁気変化層として用いる場合の磁化と温度の関係を模式的に示す図である。
【図４】本発明の実施態様に係る磁気メモリー素子の駆動方法を示す説明図である。
【図５】本発明の実施態様に係る磁気メモリー素子の駆動方法を示す説明図である。
【図６】本発明の実施態様に係る磁気メモリー素子の駆動方法の一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施態様に係る不揮発性記憶装置の一実施例の構成を模式的に示す図である。
【図８】本発明の実施態様に係る磁気メモリー素子の駆動方法である、電流注入磁化反転により磁化配置を反平行にし、スピンプレセッションにより平行にする方法を模式的に示す図である。電流の極性方向を直列に接続した整流素子により表している。
【図９】本発明の実施態様に係る磁気メモリー素子の駆動方法である、電流注入磁化反転により磁化配置を平行にし、スピンプレセッションにより反平行にする方法を模式的に示す図である。電流の極性方向を直列に接続した整流素子により表している。
【符号の説明】
【００５０】
１  基板
２  下部電極（Ｃｕ／Ｔａ）
３  ピン層（ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎ）
４  非磁性層（ＭｇＯトンネル絶縁膜）
５  フリー層（ＣｏＦｅＢ）
６  非磁性層（Ｐｔ）
７  磁気変化層（ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ）
８  層間絶縁膜（Ｓｉ０２）
９  上部電極（Ｃｕ／Ｔａ）
１０  メモリーセル
１１  整流素子
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、本発明の磁気メモリー素子、その駆動方法、及び、不揮発性記憶装置の実施形態を図面に基づいて説明する。【００５２】
＜第１実施形態＞
本発明にかかる磁気メモリー素子、その駆動方法及び不揮発性記憶装置の第１実施形態を、図１〜図６に基づいて説明する。【００５３】
上述したように、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なるようにする操作は、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により実現される。逆に反平行にする操作は、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ことにより実現される。この反平行にする操作の場合には、ピン層の磁化と平行なスピンを有する電子のみが非磁性層を透過し、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て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と考えられる。すなわち局在スピンを含めた角運動量が保存するように電子を注入する方式である。【００５４】
一方、ピン層のスピン角運動量とは独立にフリー層の磁化を回転させることが可能であり、これはスピンプリセッション方式と呼ばれている。この方式を用いた場合には電気パルスは単極性であってよいため、磁気メモリー素子を構成する際に必要となる選択スイッチとしてトランジスタではなく整流素子（ダイオード素子）が利用可能となる。従ってセルサイズが４Ｆ２となり、原理的には最小のセルサイズのクロスポイント型メモリが実現可能となる。しかしながらスピンプリセッションを電流のみで励起するには比較的大きな電流が必要でありトンネル絶縁膜を必要とするような磁気メモリー素子に適用することは不可能である。【００５５】
本願発明者は、スピンプリセッションの原理を再度検討してみた。その検討に拠れば、フリー層の膜の面内磁化が歳差運動する期間は、磁化困難方向である膜面に垂直な方向に磁化が成分を有している期間、即ち磁化が膜面の方向から立ち上がっている（起き上がっている）成分を有するような期間であり、その歳差運動は膜面に垂直な軸周りである。そして、電気パルス印加によるスイッチング時に膜面に垂直な方向にフリー層の磁化を向けることが可能であればこのような歳差運動は電気パルスによって引き起こすことができる。このようにして、スピンプリセッション方式により単極性のパルスを用いたスイッチングが可能となることを見出した。【００５６】
そこで、本願発明者は、さらに磁化をいかにして垂直方向に立たせるかについて検討した。そしてその一つとして熱ゆらぎを利用することができることを見出した。すなわち、ごく短時間の電気パルス印加によりフリー層の温度を上昇させれば、面内の磁化が膜面垂直方向にも揺らぐことを利用することができる。この手法を用いるためには、より具体的には、まず温度上昇を起こさせる目的でパルスの立ち上がり時に短時間の振幅の大きい電気信号パルスを印加し、それに次いで歳差運動を励起するに必要な振幅や期間を持つ電気信号パルスを印加するという電気信号の印加手法を用いることができる。【００５７】
また、別の特徴として、一層効率的にフリー層の温度を上昇させるには電流狭窄構造を設けることが好適である。より具体的には、フリー層側へのコンタクトホールをピン層側よりも狭く形成することができる。この狭窄構造によって狭窄された領域の近傍に電流を集中させて、熱の発生箇所を集中させることができるためである。【００５８】
次に、上記熱ゆらぎとは別の手法、すなわちスイッチング時にフリー層へ膜面に垂直な方向の磁場を印加する手法を図面を参照して説明する。図１は本実施の形態に係る磁気メモリー素子の断面図である。各層の材質や構成を括弧書きで示せば、基板１上に下部電極２（Ｃｕ／Ｔａ）、ピン層３（ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎ）、非磁性層４（第１の非磁性層）としてのトンネル絶縁膜（ＭｇＯ）、フリー層５（ＣｏＦｅＢ）、非磁性金属層６（第２の非磁性層）（Ｐｔ）、磁気変化層７（ＴｂＦｅＣｏ）を順次形成する。次に、Ａｒイオンミリングなどの手法により１００×１００ｎｍの接合サイズになるように加工して、その上に層間絶縁膜９（ＳｉＯ２）を形成する。そして、接合部用コンタクトホール８Ａと下部電極用コンタクトホール８Ｂとなる開口をパターニングした後、層間絶縁膜８を介して上部電極９（Ｃｕ／Ｔａ）を形成してパターニングした。この磁気変化層７の温度変化を電気パルスによりもたらすのである。【００５９】
この磁気変化層７としては、上記のようにＴｂＦｅＣｏ等のＮ型フェリ磁性体を用いるのが好適である。Ｎ型フェリ磁性体とは、反平行な２種類の磁化Ａ，Ｂが存在し、これらの温度依存性が異なるため見かけ上の磁化（Ａ−Ｂ）が消失する磁気補償温度Ｔｃｏｍｐが存在する物質であり、実際、上述のＴｂＦｅＣｏも、Ｔｂの磁化とＦｅＣｏの磁化という区別できる２種類の磁化を有しておりそれぞれの温度依存性が異なっている。従って磁気補償温度Ｔｃｏｍｐを境にして高温側と低温側では、磁気変化層７の全体の見かけ上の磁化（Ａ−Ｂ）の符号を反転させることができることになる。このような物質を磁気変化層７として採用する場合であってもさらに２つの動作を考えることができる。図２および
図３を用いてその点についてさらに説明する。【００６０】
図２および図３は、本実施形態の磁気変化層の磁化率の温度変化を示す特性図であり、図２は、室温近傍の磁気補償温度を示すＮ型フェリ磁性体の磁化と温度の関係を示し、図３は、磁気補償温度が室温近傍にある場合を示す。本実施の形態において図２に示したように磁気補償温度を室温近傍とすることは好適である。この場合、まず、通常の動作では磁気変化層７から磁束が漏洩しない（あるいは漏洩する磁束が弱い）ため、フリー層５の磁化が磁気変化層７によって影響されない。そして、昇温用の電気パルスを印加すると、そのパルスによる電流が磁気変化層７の温度を上昇させて、その温度が上昇するのに伴って磁気変化層から磁束が漏洩するようになる。このときの磁束を膜面に垂直な方向に向くようにしておくことにより、その影響を受けるフリー層の磁化が垂直方向に揺らぐことになる。このため、昇温用の電気パルスを印加した場合にスピンプリセッションが可能となる。このような通常動作とスピンプリセッション動作を切り替える動作に適した構造の磁気変化層として好適な物質には、希土類遷移金属アモルファス合金がある。上記のＴｂＦｅＣｏは、希土類遷移金属アモルファス合金の一つであり、合金の組成を調整することによって垂直に磁化する垂直磁化膜としたまま磁気補償温度を室温近傍にするよう設計することができる。【００６１】
本実施の形態では、さらに図３に示した、室温以上に磁気補償温度を示すようなＮ型フェリ磁性体とすることも好適である。これは室温すなわち磁気補償温度以下で発生する膜面垂直方向の磁束が、電気パルス印加により磁気変化層７の温度が磁気補償温度以上に上昇した場合に反転するため、フリー層の磁化の膜面垂直方向への揺らぎをより大きくすることができるためである。【００６２】
次に、上記の原理に基づいて本発明の磁気メモリー素子を駆動する方法を説明する。図４は本発明に係る磁気メモリー素子の駆動方法である、パルス幅により情報を記録する方法を示す図である。図上段にはパルス幅τ、２τ、３τの電圧パルスＰを示した。図４に示すように、本実施形態においては、パルス幅により情報を記録するし、図４の上段はパルス幅τ、２τ、３τの電圧パルスを示し、図４の下段は初期状態からそれぞれパルス幅τ、２τ、３τの電圧パルス印加後の素子抵抗値を示している。高抵抗状態は磁気メモリー素子の磁化が反平行状態、低抵抗状態は平行状態に対応する。ここで、スピンプリセッションによりフリー層の磁化が１８０°回転するのに必要な周期をτとしている。パルス立上りでの振幅（電圧）ＰＡはその後のパルス全体の電圧ＰＢまで含めた場合の平均振幅値よりも大きくなるように設定してある。これはパルスＰ印加の初期に、熱ゆらぎによってプリセッションを起こすとともに、磁気変化層の温度を上昇させて磁気変化層による垂直磁束も反転させてプリセッションをより起こしやすくするためである。図４の下段には初期状態（平行状態）からそれぞれパルス幅τ、２τ、３τの電圧パルスＰ印加後の素子抵抗値を示した。τの奇数倍のパルス幅を有する電気パルス印加により反平行状態すなわち高抵抗状態となり、τの偶数倍のパルス幅を有する電気パルスを印加した場合には３６０°回転するため初期状態が保存される。磁気メモリー素子の磁化が反平行状態、低抵抗状態は平行状態に対応する。繰り返しになるが、フリー層の磁化の反転は図に示したように単極性の電圧パルス印加により可能となる。【００６３】
また、図５に示したようにパルス幅τを有するパルスの数により情報を記録することが可能である。本実施形態では、パルス数により情報を記録することができ、図５の上段はパルス幅τの電圧パルスであり、図５の下段は初期状態からパルス幅τの電圧パルスを逐次１、２、３、４パルス印加後の素子抵抗値を示している。図上段にはパルス幅τの電圧パルスを４つ示した。このように、本実施の形態の磁気メモリー素子においてはパルス印加毎に反平行（高抵抗）、平行（低抵抗）状態へとスイッチするようにも動作させることができる。【００６４】
上記のようにスピンプレセッション方式ではトグルスイッチとなるため、情報を書き換える必要がない場合には電気パルスを印加する必要がない。図６はこの処理を簡易に表したフローチャートである。【００６５】
まず、セルの記憶状態を読み出し（ステップＳ１）、書き込み情報と一致するか確認する（ステップＳ２）。書き込み情報と一致する揚合には電気パルスを印加せず次のセルの書き込み処理へと移行する（ステップＳ４）。書き込み情報と一致しない場合には電気パルスを印加し情報の書き換えを完了し（ステップＳ３）、その後次のセルヘの書き込み処理へ移行する（ステップＳ４）。【００６６】
以上説明したように、本発明の磁気メモリー素子とその駆動方法により単極性電気パルスでフリー層の磁化反転が可能でありスイッチングが可能となる。【００６７】
＜第２実施形態＞
次に、本発明素子をメモリーセルとして使用した不揮発性記憶装置の一構成例について図７を用いて説明する。【００６８】
図７は、本実施態様に係る不揮発性記憶装置の一実施例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であり、本発明に係る不揮発性記憶装置の一実施例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各々の磁気メモリー素子１０と整流素子１１を模式的に示している。既に説明したように本発明の磁気メモリー素子１０とその駆動方法により単極性の電気パルスでのスイッチングが可能となる。そこで素子の選択スイッチとして整流素子１１（ここではダイオードを例示した）を直列に接続し、上部電極、下部電極をそれぞれストライプ上に構成して上部電極株電極の方向を互いに異なる平面で交差する向きにしておき、その交差する点付近にメモリを形成して、アレイ状のクロスポイント型のメモリが構成される。例えば、あらかじめシリコン基板上にダイオードを形成しその上部に本発明の磁気メモリー素子を形成することが可能である。電気パルスは図１に示したのと同様にフリー層側から印加することで効率的に磁気変化層の温度を上昇させることが可能である。【００６９】
また、本発明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温度として必要な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。また配線も上記アニール温度には耐えるためこの組み合わせを３次元的に積層しメモリ容量を増加させることも可能である。【００７０】
＜第３実施形態＞
本発明のさらに別の実施の形態について、図８および図９に基づいて本発明素子及びその駆動方法について説明する。図８は、本実施の形態に係る磁気メモリー素子の駆動方法であり、電流注入磁化反転により磁化配置を反平行にし、スピンプレセッションにより平行にする方法を模式的に示している（図８ａ）。また、電流の極性方向を直列に接続した整流素子により表している（図８ｂ）。また、図９は、本実施態様に係る磁気メモリー素子の駆動方法を示しており、電流注入磁化反転により磁化配置を平行にし、スピンプレセッションにより反平行にするような形態の動作を模式的に示す図である。【００７１】
この実施の形態は、単極性の電圧パルスでのスイッチングを実現するために、本願発明者が電流注入磁化反転方式とスピンプリセッションという異なるスイッチング原理を組み合わせて得られたものである。原理面を検討するため、まず、そのような組み合わせが実現可能であるかどうかを検討する。どのような条件を満たせば上記の組み合わせによって所望の動作が実現されるかを検討することから始める。【００７２】
作製した素子が意図どおりに動作するか（動作可能性）については、本願発明者の検討では、Ｉｓｐ＜Ｉｓｔｔが実現できるかどうかに帰着される。ここで、スピンプリセッションの閾値電流をＩｓｐとし電流注入磁化反転の閾値電流をＩｓｔｔとした。電流注入磁化反転によりフリー層の磁化がピン層の磁化と反平行あるいは平行となるように操作するためには、電流印加方向を各々ピン層側およびフリー層側からとなるように素子を作製することができること、および、電流注入磁化反転を起こさない限り、ピン層側からでもフリー層側からでも、どちら側から電流を印加しても、スピンプリセッションによるフリー層の磁化反転が可能であることを考慮することによって、検討すべきケースを整理することができる。その結果、動作可能性は、以下の２通りのケースのそれぞれについて検討すればよいこととなる。すなわち、（１）電流注入磁化反転により反平行配置を実現する場合と、（２）電流注入磁化反転により平行配置を実現する場合である。電流注入磁化反転により反平行配置を実現する（１）の場合には、スピンプリセッションによって反平行配置から平行配置へと遷移させる。この逆に、電流注入磁化反転により平行配置を実現する（２）の場合は、スピンプリセッションによって平行配置から反平行配置へと遷移させる。【００７３】
電流注入磁化反転により反平行配置を実現する（１）の場合にはＩｓｐ＜ＩｓｔｔすなわちＩｐ＜ＩＡＰを満たすようにすることにより、スピンプリセッションと電流注入磁化反転とを組み合わせて動作可能となる。これは、スピンプリセッションの電流が電流注入磁化反転を起こさないための条件からＩｓｐ＜Ｉｓｔｔが導き出されるが、ＩｓｐとＩｓｔｔが、それぞれ平行配置と反平行配置とを実現するための電流だからである。同様に、流注入磁化反転により平行配置を実現する（２）の場合には、Ｉｓｐ＜Ｉｓｔｔ、すなわちＩｐ＞ＩＡＰを満たすことにより、スピンプリセッションと電流注入磁化反転とを組み合わせて動作可能となる。なお、一般に、Ｉｓｐ＜Ｉｓｔｔを満たすような素子構造は、常に作製可能である。【００７４】
そしてスピンプリセッションを励起するには膜面垂直方向の磁界が必要となるが、そのような磁界は、磁気変化層を、温度に応じて磁化が増大し、かつ磁化方向が膜面に斜めとなるような性質のものとすることにより実現される。このため、本実施形態においては、磁気変化層の磁界が斜めに成る性質を用いる。このときの磁気メモリー素子の構造は、図１に示した実施の形態１のものと同様であるが、磁気変化層７は、ＧｄＦｅＣｏによって作製する。このため、Ｎ型フェリ磁性体である磁気変化層７の磁化は、反平行な２種類の磁化を担うＧｄの磁化と、ＦｅＣｏの磁化の２種類が担う。ＧｄＦｅＣｏも温度依存性が異なるため見かけ上の磁化（Ａ−Ｂ）が消失する磁気補償温度Ｔｃｏｍｐが存在する物質である。この実施形態において用いるＧｄは、希土類元素で最も磁気モーメントが大きいため反磁界も大きい。従ってキュリー温度近傍でトータルの磁化が小さくなるまでは磁化は面内にあり、温度上昇に伴い垂直磁化成分が発生し結果として磁化方向が膜面に斜めとなる。【００７５】
次に、この磁気変化層の面内磁化成分の役割を説明する。素子形状には加工ばらつきがあるため上記（１）のケースではスピンプリセッションにより平行配置にスイッチさせる時問が素子毎にばらつく。ここで、スピンプリセッションによりフリー層の磁化が１８０度回転するに必要な周期をτとする。すなわちパルス幅τの電気パルスを印加しスピンプリセッションにより平行配置にスイッチ動作した場合、最適なτが素子毎にばらつくため、全ての素子に同じパルス幅の信号を用いても完全な平行配置にならず少しずれる素子が生じることになる。その結果、記憶情報を読み出す際のマージンが減少するといった問題につながる。【００７６】
ここで上記磁気変化層の面内磁化がピン層の磁化配置に平行である場合、スピンプリセッションを励起する閾値電流Ｉｓｐ以下の電流となる電気パルスを印加し上記磁気変化層の面内磁化からの漏洩磁束が発生することにより、平行配置からずれていたフリー層の磁化配置を完全に平行にすることができる。すなわち上記のような素子毎の加工ばらつきによるスピンプリセッション周期τのずれに起因する読み出しマージン減少の問題を解決し信頼性の高い読み出し動作が可能となる。この様子を図８に示した。【００７７】
図８（ａ）は、上記動作の原理を説明する説明図である。ここでは、電流はピン層側から供給される向きを正となるように記載している。図この状況を明示するために直列に整流素子との接続関係で示せば、図８（ｂ）のようになり、実際にクロスポイント型メモリーを構成する場合の一つのメモリーセルに用いるメモリー素子１０の構成と同等となるため、本実施形態においても不揮発性記憶装置を実現することができる。電流注入磁化反転の閾値電流ＩＳＴＴ＝ＩＡＰ以上の電流を電気パルスＰ１により供給することにより完全に反平行配置すなわち高抵抗状態にスイッチする。次に、平行配置にするにはＩｓｐ＝Ｉｐ＜ＩＡＰの電流を同極性でパルス幅τをもつ電気パルスＰ２を供給する。これにより、フリー層の磁化は平行配置すなわち低抵抗状態にスイッチする。このとき、上述のように素子毎のばらつきがあるため素子によっては完全に平行にはならないものも生じる。次いで、Ｉｓｐ＝Ｉｐより小さい電流を電気パルスＰ３により供給し磁気変化層の面内磁化成分を発生させる。この時面内磁化成分はピン層の磁化と平行であるから、この漏洩磁束によりフリー層の磁化を完全に平行配置にすることができる。【００７８】
上記（２）の場合はこれと全く逆のプロセスとなる。この様子を図９に示した。上記（１）の場合との違いは、図９（ａ）に示したように、電流注入磁化反転を起こすためのパルス電流Ｐ１によって平行配置が実現すること、その逆に、スピンプリセッションを起こすパルス電流Ｐ２によって反平行配置が実現すること、それらを実現するために、図９（ｂ）に示したように電流の向きが逆であることである。それ以外の動作については、上述の（１）の場合と対応した動作となる。このような構成により、スピンプリセッションでも完全な反平行状態が可能となるため、高抵抗状態の読み出しマージンが減少するという問題を解決することができる。【００７９】
以上の各実施形態に即して説明したように、本発明の磁気メモリー素子とその駆動方法により、単極性電気パルスを用いてもフリー層の磁化反転が可能となる。ひいては、単極性電気パルスを生成するための二端子素子を用いた構成であっても、適切に書き込みが可能なメモリー素子や、そのようなメモリー素子を有する記憶装置を実現することが可能となる。【００８０】
以上、本発明の実施の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、変更および組み合わせが可能である。また、本実施形態で例示した本発明素子の構成例として示した材料や形成方法は、上記実施形態に限定されるものではない。
【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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【国際調査報告】
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