(57)【要約】【課題】  比較的単純な層構成でスピン注入磁化反転効率を上げることができ、微細加工が容易であり、高密度に集積可能な記憶素子を提供する。【解決手段】  情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層１７と、この記憶層１７に対して非磁性層１６を介して設けられた磁化固定層２１とを少なくとも有し、非磁性層１６を通じて、記憶層１７と磁化固定層２１との間に電流を流すことにより情報の記録が行われ、記憶層１７に対して、磁化固定層２１とは反対側に、非磁性層１８を介して磁化の向きを変化させることが可能な磁化自由層１９が設けられている記憶素子１０を構成する。【選択図】        図３
2006093320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
前記記憶層に対して非磁性層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有し、
前記非磁性層を通じて、前記記憶層と前記磁化固定層との間に電流を流すことにより情報の記録が行われる記憶素子であって、
前記記憶層に対して、前記磁化固定層とは反対側に、非磁性層を介して、磁化の向きを変化させることが可能な磁化自由層が設けられている
ことを特徴とする記憶素子。
【請求項２】
記憶素子に膜厚方向の電流を流したときの、前記記憶層の磁化の向きを反転させるための最小電流値よりも、前記磁化自由層の磁化の向きを反転させるための最小電流値の方が小さいことを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
前記磁化自由層の飽和磁束密度と厚さの積が、前記記憶層の飽和磁束密度と厚さの積よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、記憶素子に係わり、不揮発性メモリ等に用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ等の情報機器では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なＤＲＡＭが広く使われている。
しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。
【０００３】
そして、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている。
【０００４】
ＭＲＡＭは直交する２種類のアドレス配線（ワード線、ビット線）にそれぞれ電流を流して、各アドレス配線から発生する電流磁場によって、アドレス配線の交点にある磁気記憶素子の磁性層の磁化を反転して情報の記録を行うものである。
【０００５】
しかしながら、記録した情報を安定に保持するためには、情報を記録する磁性層（記憶層）において一定の保磁力が必要である。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流さなければならない。
そして、ＭＲＡＭを構成する素子の微細化に従い、アドレス配線も細くなるため、充分な電流が流せなくなってくる。
【０００６】
そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成の磁気メモリが注目されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。
そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、少ない電流で磁化反転を実現することができる利点を有している。
【０００７】
さらに、スピン注入による磁化反転の効率を上げるために、記憶層を２つの磁化固定層で挟んだ構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１７７８２号公報
【特許文献２】特開２００４−１９３５９５号公報
【非特許文献１】Ｆ．Ｊ．Ａｌｂｅｒｔ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌ  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７７，２００２年，ｐ．３８０９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献２に記載されているように、記憶層の上下にそれぞれ磁化固定層を配置する場合には、上下両方の磁化固定層の磁化を決められた方向に向けるために、それぞれの磁化固定層に反強磁性層を設ける必要がある。
このように記憶層の上下に反強磁性層を設けると、記憶素子全体が厚くなることから、記憶素子を微細加工してパターニングすることが難しくなる。このため、記憶素子の微細化が難しくなることから、メモリの高密度化を図る上で課題となる。
特に、反強磁性層は、磁化固定層や記憶層を構成する磁性層よりも厚く形成する必要があるため、上下にそれぞれ反強磁性層を設けると、一方のみに反強磁性層を設けた場合よりも、記憶素子全体がかなり厚くなる。
【０００９】
また、スピン注入による磁化反転の効率を上げるためには、記憶層の下層にある磁化固定層の磁化の向きと、記憶層の上層にある磁化固定層の磁化の向きとを、互いに反対向きにしなければならないことから、記憶素子の層構造が複雑になる。
そのため、複雑な層構造による素子抵抗の増大や、スピン分極率の低下による記録電流の増加や、再生出力の低下が起こる。
【００１０】
上述した問題の解決のために、本発明においては、比較的単純な層構成でスピン注入磁化反転効率を上げることができ、微細加工が容易であり、高密度に集積可能な記憶素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、この記憶層に対して非磁性層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有し、非磁性層を通じて、記憶層と磁化固定層との間に電流を流すことにより情報の記録が行われ、記憶層に対して、磁化固定層とは反対側に、非磁性層を介して磁化の向きを変化させることが可能な磁化自由層が設けられているものである。
【００１２】
上述の本発明の記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、この記憶層に対して非磁性層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有し、非磁性層を通じて、記憶層と磁化固定層との間に電流を流すことにより情報の記録が行われることから、記憶層と磁化固定層との間に電流を流すことにより、いわゆるスピン注入により記憶層の磁化状態（磁化の向き）を変化させて、情報の記録を行うことができる。
そして、記憶層に対して、磁化固定層とは反対側に、非磁性層を介して磁化の向きを変化させることが可能な磁化自由層が設けられていることにより、記憶素子の積層方向に電流を流して、磁化自由層と磁化固定層とから、それぞれ記憶層に対してスピン注入によるトルクを発生させ、これらのスピン注入によるトルクを互いに強め合うようにすることができるため、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させる効率を向上させることが可能になる。
これにより、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させて情報を記録するための電流（記録電流）を低減させることができる。
【００１３】
そして、上述の本発明の記憶素子の構成により、記憶層の上下両側に磁化固定層及び反強磁性層を設けなくても、スピン注入による磁化反転の効率を向上して、記録電流を低減させることが可能になるため、記憶層の上下両側に磁化固定層及び反強磁性層を設けた構成と比較して、記憶素子の厚さの増大を抑えることができ、記憶素子の層構造を単純化することができる。
【００１４】
また、上記本発明の記憶素子において、記憶素子に膜厚方向の電流を流したときの、記憶層の磁化の向きを反転させるための最小電流値よりも、磁化自由層の磁化の向きを反転させるための最小電流値の方が小さい構成とすることにより、磁化自由層の方が記憶層と比較して、より小さい電流で磁化の向きが反転する。
これにより、記憶層の磁化の向きを反転させる前に、磁化自由層の磁化の向きを磁化固定層の磁化の向きに対して反平行にして、磁化自由層から記憶層へのスピン注入トルクと、磁化固定層から記憶層へのスピン注入トルクとが互いに強め合うようにすることができる。
【００１５】
また、上記本発明の記憶素子において、磁化自由層の飽和磁束密度と厚さの積が、記憶層の飽和磁束密度と厚さの積よりも小さい構成とすることにより、磁化自由層の方が記憶層よりも磁気的に軽くなり、より小さい電流で磁化の向きが反転する。
これにより、上述のように、記憶層の磁化の向きを反転させる前に、磁化自由層から記憶層へのスピン注入トルクと、磁化固定層から記憶層へのスピン注入トルクとが互いに強め合うようにすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
上述の本発明の記憶素子によれば、記録電流を低減させることができ、少ない電流量で情報の記録を行うことが可能である。
これにより、消費電力を低減することができる。
【００１７】
また、記憶素子の厚さの増大を抑えることができるため、記憶素子を微細加工により容易に微細化することができる。
これにより、本発明の記憶素子をメモリセルに用いてメモリを構成すれば、メモリを小型化したり、高密度化して記憶容量を大きくしたりすることが容易に可能になる。
そして、記憶素子の層構造を単純化することができるため、記憶素子の抵抗の増大を抑制することや、スピン分極率の低下を抑制することや、再生出力の低下を抑制することも可能になると考えられる。
【００１８】
従って、本発明によれば、省電力動作可能な高密度の不揮発性メモリを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
【００２０】
前述した目的、即ち比較的単純な層構成でスピン注入磁化反転効率を上げることができ、微細加工が容易であり、高密度に集積可能であることを達成するために最適な構造を検討した結果、磁化の向き（磁化状態）を情報として保持する記憶層と磁化の向きが固定された磁化固定層（情報の基準となる参照層を有する）との少なくとも２つの磁性層とそれらに挟まれた非磁性層からなり、非磁性層を介して流れる電流により情報の記録と読み出しを行う記憶素子において、さらに記憶層に対して磁化固定層とは反対側に、非磁性層を介して、比較的容易に磁化の向きが変化する磁化自由層を設けた構成とすると、記憶層の磁化の向きを少ない電流で反転できることを見い出した。
【００２１】
即ち、本発明では、磁化の向き（磁化状態）を情報として保持する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層（情報の基準となる参照層を有する）とを有し、記憶層と磁化固定層との間に非磁性層（絶縁層又は非磁性導電層）を設け、さらに記憶層に対して磁化固定層とは反対側に、非磁性層を介して、磁化の向きを比較的容易に変化させることが可能な磁化自由層を設けて、記憶素子を構成する。
また、記憶層に対して、前述したスピン注入による磁化反転を用いて、記憶層を構成する磁性層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行う。
【００２２】
ここで、図１Ａに模式図を示すように、磁化固定層１の上に非磁性層２を介して記憶層３が形成され、記憶層３の上に非磁性層４を介して磁化自由層５が形成された記憶素子を構成する。また、磁化固定層１の磁化Ｍ１の向きは右向きに固定されている。
なお、この模式図では、磁化固定層１・記憶層３・磁化自由層５がいずれも単層の磁性膜から成り、磁性膜の磁化の向きと電子のスピン分極の向きとが同じ向きである場合を示している。
【００２３】
そして、このような構成の記憶素子の記憶層３に対して、情報の記録を行う際の動作を、図１Ａ〜図２Ｆに示す。
まず、２つの記憶状態を、それぞれ図１Ａ及び図２Ｄに示す。これらの状態を初期状態として、以下、磁化を反転する過程を説明する。なお、この初期状態では、磁化自由層５の磁化Ｍ５は、右向き・左向きのどちらを向いていても構わない。
【００２４】
次に、図１Ａに示すように、記憶層３の磁化Ｍ３が右向きの状態において、適当な電流量の上向きの電流６を流した場合、記憶層３には磁化自由層５と磁化の向きが平行になるようなスピン注入トルクが働き、その反作用として、磁化自由層５は記憶層３と磁化の向きが反平行になるような力が働く。
ここで、磁化自由層５の飽和磁束密度と厚さとの積を、記憶層３の飽和磁束密度と厚さとの積よりも小さい構成とすると、磁化自由層５の方が磁気的に軽くなるため、磁化自由層５の磁化Ｍ５の向きが変化して、図１Ｂに示すように、磁化自由層５の磁化Ｍ５と記憶層３の磁化Ｍ３は反平行になる。
このとき、記憶層３は磁化固定層１からもスピン注入によるトルクを受けるが、記憶層３は磁気的に重いため、記憶層３の磁化Ｍ３の向きが反転しない。
なお、上述のように、磁化自由層５の飽和磁束密度と厚さとの積を、記憶層３の飽和磁束密度と厚さとの積よりも小さい構成とすると、磁化自由層５の磁化Ｍ５の向きを反転させるための最小電流値が、記憶層３の磁化Ｍ３の向きを反転させるための最小電流値よりも小さくなる。
【００２５】
さらに、上向きの電流６の電流量を増やすと、記憶層３は、磁化固定層１側から磁化固定層１と反平行になるような力を受けると共に、磁化自由層５からは磁化自由層５と平行になるような力を受ける。これにより、記憶層３の磁化Ｍ３を、図１Ｂの状態の右向きから左向きに磁化を変えるような力が働き、記憶層３の磁化Ｍ３が左向きに反転する。
このとき、磁化自由層５は磁気的に軽いため、記憶層３の磁化Ｍ３の反転と同時に磁化自由層５の磁化Ｍ５も左向きから右向きに反転し、最終的に図１Ｃに示す状態となる。
【００２６】
同様に、図２Ｄに示すように、初期状態の記憶層３の磁化Ｍ３が左向きの状態において、適当な電流量の下向きの電流７を流した場合、磁化自由層５は記憶層３と磁化の向きが平行になるような力を受け、記憶層３は磁化固定層１と磁化の向きが平行になるように力を受ける。
これにより、磁化自由層５の方が記憶層３よりも磁気的に軽いため、磁化自由層５の磁化Ｍ５の向きが変化して、図２Ｅに示すように、磁化自由層５の磁化Ｍ５と記憶層３の磁化Ｍ３は平行になる。このとき、記憶層３は磁化固定層１からもスピン注入によるトルクを受けるが、記憶層３は磁気的に重いため、記憶層３の磁化Ｍ３の向きが反転しない。
【００２７】
さらに、下向きの電流７の電流量を増やすと、記憶層３は、磁化固定層１側から磁化固定層１と平行になるような力を受けると共に、磁化自由層５からは磁化自由層５と反平行になるような力を受ける。これにより、記憶層３の磁化Ｍ３を、図２Ｅの状態の左向きから右向きに磁化を変えるような力が働き、記憶層３の磁化Ｍ３が右向きに反転する。
このとき、磁化自由層５は磁気的に軽いため、記憶層３の磁化Ｍ３の反転と同時に磁化自由層５の磁化Ｍ５も左向きから右向きに反転し、最終的に図２Ｆに示す状態となる。
【００２８】
どちらの状態でも、情報の記録過程の途中では、図１Ｂや図２Ｅに示したように、磁化固定層１の磁化Ｍ１と磁化自由層５の磁化Ｍ５の向きが反平行となり、それぞれの層１，５から記憶層３へのスピン注入トルクが強め合うように働くため、記録電流の低減が可能となる。
この磁化過程が成立するためには、磁化自由層５の磁化Ｍ５を反転させるために必要な電流量（最小反転電流）が、記憶層３の最小反転電流よりも小さい必要がある。そのためには、例えば、前述したように、磁化自由層５の飽和磁束密度と膜厚との積を、記憶層３の飽和磁束密度と膜厚との積よりも小さくすればよい。
【００２９】
なお、図１Ａの初期状態において下向きの電流７を流した場合や、図２Ｄの初期状態において上向きの電流６を流した場合には、磁化自由層５から記憶層３へのスピン注入トルクと磁化固定層１から記憶層３へのスピン注入トルクとが打ち消し合うように働くため、大きい電流を流さないと記憶層３の磁化Ｍ３の向きが反転しない。即ち、小さい電流では記憶層３の磁化Ｍ３の向きが反転しない。
特に、磁化固定層１から記憶層３へのスピン注入トルクの方が大きいと、このスピン注入トルクが記憶層３の磁化Ｍ３の向きを維持するように働くので、記憶層３の磁化Ｍ３の向きが反転することはない。
【００３０】
以上の説明から、図１及び図２に示したように、磁化固定層１が記憶層３の下層にあり、磁化固定層１の磁化Ｍ１が右向きである構成においては、記憶層３の磁化Ｍ３を左向きにする場合には上向きの電流６を流し、記憶層３の磁化Ｍ３を右向きにする場合には下向きの電流７を流すようにすれば、記録電流を低減することが可能になる。
そして、このことを一般的に表現すると、記憶層の磁化を磁化固定層の磁化と反平行にする場合には磁化固定層から記憶層に向かう電流を流し、記憶層の磁化を磁化固定層の磁化と平行にする場合には記憶層から磁化固定層に向かう電流を流すようにすれば、記録電流を低減することが可能である、ということである。なお、これらの電流の向きは、通常の磁化自由層を設けていない構成において、記憶層の磁化の向きを反転させるために流す電流の向きと同じである。
【００３１】
また、図１及び図２に示したように、磁化固定層１が記憶層３の下層にあり、磁化固定層１の磁化Ｍ１が右向きである構成においては、記憶層３の磁化Ｍ３が右向きのときに下向きの電流７を流した場合や、記憶層３の磁化Ｍ３が左向きのときに上向きの電流６を流した場合には、小さい電流では記憶層３の磁化Ｍ３の向きが反転しない。
そして、このことを一般的に表現すると、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとが平行であるときに記憶層から磁化固定層に向かう電流を流した場合や、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとが反平行であるときに磁化固定層から記憶層に向かう電流を流した場合には、小さい電流では記憶層の磁化の向きが反転しない。
【００３２】
即ち、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとの関係（平行或いは反平行）と、記憶素子に流す電流の向きとの組み合わせにより、小さい電流で記憶層の磁化の向きが反転する（反転電流が小さい）場合と、小さい電流では記憶層の磁化の向きが反転しない（反転電流が大きい）場合とがあり、これら大小の反転電流の間となる量の電流を流すことにより、反転電流が小さくなる組み合わせの場合だけ、記憶層の磁化の向きが反転することになる。
このような反転電流が小さくなる組み合わせは、前述したように、通常の磁化自由層を設けていない構成において、記憶層の磁化の向きを反転させるために流す電流の向きと同じである。
【００３３】
従って、通常の磁化自由層を設けていない構成と同様に、記憶層に記録すべき情報の内容に対応する、記憶層の磁化の向きに合わせて、記憶素子に流す電流の向きを選定すれば、記憶層に記録すべき情報の内容と既に記憶層に記録されている情報の内容が異なる場合には、反転電流が小さくなるために記憶層の磁化の向きが反転し、既に記憶層に記録されている情報の内容と一致する場合には、反転電流が大きくなるために記憶層の磁化の向きは反転せずそのままとなる。
【００３４】
上述のように、記憶層と磁化固定層とその間に非磁性層を有する構成に対して、さらに記憶層に対して磁化固定層とは反対側に非磁性層を介して磁化自由層を設けることにより、これら磁性層の積層方向に電流を流して非磁性層を介したそれぞれの磁性層の間でスピントルク力が働くようにすると、磁化自由層が比較的弱い電流で磁化固定層と磁化の向きが反平行になり、さらに電流量を増やすと、磁化固定層と磁化自由層との双方からのスピントルクによって、比較的少ない電流量で記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
【００３５】
記憶層及び磁化自由層の材料としては、分極率が適当に高く、磁気制動の小さいものが望ましいので、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの３ｄ遷移金属元素や、この３ｄ遷移金属元素を主成分とした合金から成る磁性体を基本とした合金が望ましい。
特に、磁化自由層の材料には、飽和磁束密度と厚さの積を小さくするために、飽和磁束密度Ｍｓが小さいものを用いることが望ましい。
【００３６】
また、より好ましくは、磁化自由層は、記憶層との相互作用ができるだけ小さく、ほとんどないように構成する。これは、記憶層との相互作用があると、記憶層の磁化の向きの影響を受けて、磁化自由層の磁化の向きが動きにくくなるからである。
なお、磁化自由層と記憶層とに相互作用があっても、外部磁場等の何らかの方法で相互作用を打ち消すことにより、磁化自由層の磁化の向きを自由に動かすことが可能であるため、情報を記録する際に相互作用を打ち消すようにすれば、相互作用がないか微小である構成と同様の動作が可能である。
【００３７】
非磁性層の材料としては、スピン分極率を低下させない材料が望ましく、ＣｕやＡｌ等の金属材料、Ｓｉ等の半導体材料、ＴｉＮ等の導電性窒化物材料、及び薄い酸化Ａｌ等のトンネル絶縁膜を用いることが可能である。
【００３８】
なお、磁化自由層、記憶層、磁化固定層は、それぞれ上述の説明のように１層ずつでも良いし、複数層の磁性層を積層して構成しても良い。
また、非磁性膜を磁性膜で挟み込んで両側の磁性膜の磁化を反平行に磁気結合させた積層フェリ結合膜を用いても良い。特に、磁化固定層は、磁化方向を安定させるために、積層フェリ結合膜を用いるのが望ましい。
【００３９】
また、図１Ａ〜図２Ｆの動作説明は、磁化自由層５・記憶層３・磁化固定層１が、いずれも、スピン注入電子の分極の向きと磁化の向きとが同一である磁性膜を用いた場合であるが、磁化の向きとスピン注入電子の分極の極性とが異なる磁性膜を用いても、各層の磁化の向きが逆になるのみで、本発明の効果は変わらない。
【００４０】
続いて、上述した本発明の構成を満足する具体的な本発明の実施の形態について説明する。
【００４１】
図３は、本発明の一実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を示す。
この記憶素子１０は、下層から、下地層１１、反強磁性層１２、磁性層１３、非磁性層１４、磁性層（参照層）１５、トンネル絶縁層１６、記憶層１７、非磁性層１８、磁化自由層１９、保護層２０が積層されて成る。
【００４２】
記憶層１７は、磁性体から成り、情報を磁化状態（磁化の向き）で保持することができるように構成される。
磁性層１３・非磁性層１４・磁性層（参照層）１５の３層により、積層フェリ構造の磁化固定層２１が構成される。磁性層１３は、反強磁性層１２により磁化の向きが固定されるものであり、磁性層（参照層）１５は、記憶層１７に対する磁化の向きの基準となるものである。磁性層１３と磁性層（参照層）１５とは、非磁性層１４によって、磁化の向きが反平行に結合している。
トンネル絶縁層１６は、スピン偏極電子を注入すると共に、記憶層１７の磁化状態を強磁性トンネル効果によって読み出すためのものである。
【００４３】
本実施の形態の記憶素子１０は、スピン注入によって情報の記録が行われる記憶素子の通常の構成に対して、さらに記憶層１７の上に非磁性層１８及び磁化自由層１９が追加された構成となっている。
記憶層１７の上の非磁性層１８は、スピン偏極電子を注入するための非磁性層である。
磁化自由層１９は、前述したように、飽和磁束密度と厚さとの積を、記憶層１７の飽和磁束密度と厚さとの積よりも小さい構成として、記憶層１７よりも磁気的に軽くすることが望ましい。
【００４４】
そして、下地層１１及び保護層２０の間に電流を流すことにより、スピン注入による記憶層１７の磁化の向きの反転を行うことができる。
保護層２０から下地層１１に向けて、即ち記憶層１７から磁性層（参照層）１５に向けて電流を流すと、磁性層（参照層）１５から記憶層１７に偏極電子が注入され、また記憶層１７から磁化自由層１９に偏極電子が注入される。これにより、参照層１５と磁化自由層１９とからそれぞれスピン注入トルクを受けて、これらのスピン注入トルクが互いに強め合うことにより、記憶層１７の磁化の向きが参照層１５の磁化の向きと平行になる。
下地層１１から保護層２０に向けて、即ち参照層１５から記憶層１７に向けて電流を流すと、記憶層１７から参照層１５に偏極電子が注入され、また磁化自由層１９から記憶層１７に偏極電子が注入される。これにより、参照層１５と磁化自由層１９とからそれぞれスピン注入トルクを受けて、これらのスピン注入トルクが互いに強め合うことにより、記憶層１７の磁化の向きが参照層１５の磁化の向きと反平行になる。
このようにして、電流を流す向きによって、記録する情報を選択することができる。
【００４５】
そして、磁性層（参照層）１５の磁化の向きと記憶層１７の磁化の向きが、平行の状態ではトンネル絶縁層１６を通る電流の抵抗が小さくなり、反平行の状態ではトンネル絶縁層１６を通る電流の抵抗が大きくなる。このことを利用して、抵抗値から記憶層１７に記録された情報の内容を読み出すことができる。
なお、読み出し時に流す電流は、スピン注入による記憶層１７の磁化反転が生じないように、反転電流よりも小さくする。
【００４６】
そして、本実施の形態の記憶素子１０によってメモリセルを構成し、このメモリセルを多数、列状やマトリクス状に配置することにより、メモリを構成することができる。
このようなメモリにおいては、各メモリセルの記憶素子１０に対して、電流を流すために、下地層１１及び保護層２０に、それぞれ配線等を接続する。そして、情報の記録や読み出しを行う際には、駆動回路から配線等を通して対象となるメモリセルの記憶素子１０に電流を供給する。
【００４７】
上述の本実施の形態の記憶素子１０の構成によれば、記憶層１７に対して、上層（下層の磁化固定層２１とは反対側）に、非磁性層１８を介して磁化自由層１９が設けられていることにより、記憶素子１０の積層方向に電流を流して、磁化自由層１９と磁化固定層２１とから、それぞれ記憶層に対してスピン注入によるトルクを発生させ、これらのスピン注入によるトルクを互いに強め合うようにすることができるため、スピン注入により記憶層１７の磁化の向きを反転させる効率を向上させることができる。これにより、スピン注入により記憶層１７の磁化の向きを反転させて情報を記録するための電流（記録電流）を低減させることができる。
このように情報を記録するための電流を低減させることができるため、少ない電流量で情報の記録を行うことが可能である。
これにより、消費電力を低減することができる。
【００４８】
また、本実施の形態の記憶素子１０の構成によれば、記憶層１７の上下両側に磁化固定層及び反強磁性層を設けなくても、スピン注入による磁化反転の効率を向上して、記録電流を低減させることが可能になるため、記憶層の上下両側に磁化固定層及び反強磁性層を設けた構成と比較して、記憶素子１０の厚さの増大を抑えることができ、記憶素子１０の層構造を単純化することができる。
記憶素子１０の厚さの増大を抑えることができるため、記憶素子１０を微細加工により容易に微細化することができる。
これにより、本実施の形態の記憶素子１０によりメモリセルを構成したメモリを小型化したり、高密度化して記憶容量を大きくしたりすることが容易に可能になる。
そして、記憶素子１０の層構造を単純化することができるため、記憶素子の抵抗の増大を抑制することや、スピン分極率の低下を抑制することや、再生出力の低下を抑制することも可能になると考えられる。
【００４９】
従って、本実施の形態の記憶素子１０を備えてメモリを構成すれば、比較的単純な層構成の記憶素子１０によっても、省電力動作可能な高密度の不揮発性メモリを実現することができる。
【００５０】
上述の実施の形態の記憶素子１０では、反強磁性層１２と参照層１５を含む磁化固定層２１とを記憶層１７に対して下層に設けた場合であったが、記憶層に対して、磁化固定層及び反強磁性層を上層に設けて記憶素子を構成してもよい。
また、記憶層と磁化固定層との間に、トンネル絶縁層１６の代わりに非磁性導電層を設けて記憶素子を構成してもよい。
【００５１】
（実施例）
ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に記憶層の寸法や組成等を設定して、特性がどのようになるか検討を行った。
【００５２】
そして、各層の材料及び膜厚を、次のように設定して、図３に示した構成の記憶素子１０を作製した。
即ち、膜厚１０ｎｍのＴａ膜から成る下地層１１の上に、膜厚３０ｎｍのＰｔＭｎ膜から成る反強磁性層１２、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る磁性層１３、膜厚０．７ｎｍのＲｕ膜から成る非磁性層１４、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る磁性層（参照層）１５、膜厚０．５ｎｍの酸化アルミニウム膜から成るトンネル絶縁層１６、膜厚６ｎｍのＮｉＦｅ膜から成る記憶層１７、膜厚２ｎｍのＴｉＮ膜から成る非磁性層１８、ＧｄＦｅＣｏ膜（膜厚ｔ［ｎｍ］）から成る磁化自由層１９、膜厚５ｎｍのＴａ膜から成る保護層２０を、順次積層形成した。
また、記憶素子１０の各層を、長軸約２００ｎｍ・短軸約１５０ｎｍの楕円形状のパターンとなるようにパターニングした。
【００５３】
なお、磁化自由層１９には、記憶層１７への磁気的な影響を少なくするために、飽和磁束密度の小さなＧｄＦｅＣｏを使用している。
そして、磁化自由層１９の膜厚ｔを変えて、それぞれ記憶素子１０の試料を作製した。
また、比較対照として、非磁性層及び磁化自由層を省略して、記憶層の上に保護層を形成した記憶素子の試料を作製した。
【００５４】
（反転電流Ｉｃの測定）
下地層１１と保護層２０との間に流す電流量を掃引しながら記憶素子１０の抵抗を測定し、抵抗が変化したときの電流値から、反転電流Ｉｃを求めた。
記憶層１７の磁化の向きが、参照層１５の磁化の向きに対して、平行状態から反平行状態に変化する電流値と、反平行状態から平行状態に変化する電流値とをそれぞれ測定し、これら電流値の絶対値の平均を反転電流Ｉｃの値とした。
そして、記憶素子１０に流す電流の極性を、記憶素子１０の下層から上層へ、即ち下地層１１から保護層２０へ流す場合を正として、記憶層１７の磁化の向きが参照層１５の磁化の向きに対して平行状態から反平行状態に変化して、記憶素子１０の抵抗値が低抵抗から高抵抗に変化する電流をＩｃ＋、記憶層１７の磁化の向きが参照層１５の磁化の向きに対して反平行状態から平行状態に変化して、記憶素子１０の抵抗値が高抵抗から低抵抗に変化する電流をＩｃ−と定義した。
【００５５】
（磁化自由層の有無と記憶素子の抵抗値の変化との関係）
磁化自由層１９として膜厚２ｎｍのＧｄＦｅＣｏ膜を形成した記憶素子１０と、磁化自由層がない比較対照の記憶素子とにおいて、それぞれ電流を掃引したときの記憶素子の抵抗値の変化を測定した。測定結果を図４に示す。
【００５６】
図４より、磁化自由層１９がある記憶素子１０では、磁化自由層がない記憶素子に比べて、正負の反転電流Ｉｃ＋，Ｉｃ−がいずれも約半分になっていることがわかる。
即ち、磁化自由層１９を設けることにより、反転電流を低減することができることがわかる。
なお、磁化自由層１９がある記憶素子１０では、図４中に矢印で示すように、電流の小さい領域で小さな抵抗変化が見られる。これは、磁化自由層１９の磁化反転による抵抗変化である。
【００５７】
（磁化自由層の膜厚と特性の変化）
次に、磁化自由層１９の膜厚ｔ（ｎｍ）の異なる試料について、それぞれ反転電流を測定した。
測定結果として、磁化自由層１９の膜厚と反転電流の関係を図５に示す。なお、図５では、負の反転電流Ｉｃ−については、−Ｉｃ−即ち絶対値を示している。また、膜厚０ｎｍの所は、比較対照である磁化自由層のない記憶素子の反転電流の値を示している。
【００５８】
図５より、磁化自由層１９の膜厚２ｎｍ付近において、反転電流が最小となり、最も効果が高いことがわかる。
また、膜厚０．５ｎｍ〜４ｎｍの比較的広い範囲で、反転電流を低減する効果が得られることがわかる。
【００５９】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】Ａ〜Ｃ 本発明の記憶素子の一例において、電流を流したときの磁化の変化を説明する模式図である。
【図２】Ｄ〜Ｆ 本発明の記憶素子の一例において、電流を流したときの磁化の変化を説明する模式図である。
【図３】本発明の一実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。
【図４】電流に対する記憶素子の抵抗値の変化を、磁化自由層がある記憶素子と磁化自由層がない記憶素子とを比較して示す図である。
【図５】磁化自由層の厚さを変えたときの反転電流の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１，２１  磁化固定層、２，４，１４，１８  非磁性層、３，１７  記憶層、５，１９  磁化自由層、１０  記憶素子，１２  反強磁性層、１３  磁性層、１５  磁性層（参照層）、１６  トンネル絶縁層
【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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