(57)【要約】【課題】  高速に情報を記録することができ、かつ信頼性の高いメモリを提供する。【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４と、この記憶層４に対して非磁性層３を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層２とを少なくとも有する記憶素子６と、非磁性層３を介して記憶層４と磁化固定層２との間に電流を流すための電流供給手段７と、記憶素子６に磁場を印加するための磁場印加手段８とを備えたメモリ１０を構成する。【選択図】        図２
2006092626.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する記憶素子と、
前記非磁性層を介して、前記記憶層と前記磁化固定層との間に電流を流すための電流供給手段と、
前記記憶素子に磁場を印加するための磁場印加手段とを備えた
ことを特徴とするメモリ。
【請求項２】
前記磁場印加手段による磁場の方向が、前記記憶素子の前記記憶層の磁化困難軸とほぼ同じ方向であることを特徴とする請求項１に記載のメモリ。
【請求項３】
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する記憶素子と、
前記非磁性層を介して、前記記憶層と前記磁化固定層との間に電流を流すための電流供給手段と、
前記記憶素子に磁場を印加するための磁場印加手段とを備えたメモリにおいて、
情報の記録を行う際に、前記電流供給手段により電流を供給して、前記記憶層と前記磁化固定層との間に電流を流し、前記磁場印加手段によりパルス磁場又は振動磁場を前記記憶素子に印加する
ことを特徴とするメモリの記録方法。
【請求項４】
情報の記録を行う際に、前記電流供給手段によりパルス電流を供給し、前記磁場印加手段によりパルス磁場を前記記憶素子に印加し、前記パルス磁場の終端を前記パルス電流の終端よりも早くするか同時刻とすることを特徴とする請求項３に記載のメモリの記録方法。
【請求項５】
情報の記録を行う際に、前記磁場印加手段により交流磁場を前記記憶素子に印加し、前記交流磁場の周波数を、前記記憶素子に電流を流したときに発生する前記記憶層の磁化の振動の周波数とほぼ同じとすることを特徴とする請求項３に記載のメモリの記録方法。
【請求項６】
前記磁場印加手段による磁場の方向が、前記記憶素子の前記記憶層の磁化困難軸とほぼ同じ方向であることを特徴とする請求項３に記載のメモリの記録方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子を備え、記憶素子に電流を流すことにより記憶層の磁化状態を変化させて情報の記録が行われるメモリ及びその記録方法に係わる。
【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（例えば非特許文献１参照）。
【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】
【非特許文献１】日経エレクトロニクス  ２００１．２．１２号（第１６４頁−１７１頁）
【特許文献１】特開２００３−１７７８２号公報
【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、スピン注入による磁化反転を行うためには、記憶素子に直接電流を流すことから、記録電流による記憶素子の破壊や劣化が起こらないように、なるべく記録電流を小さくする必要がある。
【０００９】
特に、高速で記録を行うために、記録電流のパルス幅を短くすると、記録に必要な電流が増大することから、電流増加による記憶素子の劣化や破壊による故障が増加する。
このため、信頼性の高い高速動作可能な磁気メモリを実現することが困難であった。
【００１０】
上述した問題の解決のために、本発明においては、高速に情報を記録することができ、かつ信頼性の高いメモリ及びその記録方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のメモリは、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する記憶素子と、非磁性層を介して記憶層と磁化固定層との間に電流を流すための電流供給手段と、記憶素子に磁場を印加するための磁場印加手段とを備えたものである。
【００１２】
本発明のメモリの記録方法は、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する記憶素子と、非磁性層を介して記憶層と磁化固定層との間に電流を流すための電流供給手段と、記憶素子に磁場を印加するための磁場印加手段とを備えたメモリにおいて、情報の記録を行う際に、電流供給手段により電流を供給して、記憶層と磁化固定層との間に電流を流し、磁場印加手段によりパルス磁場又は振動磁場を記憶素子に印加するものである。
【００１３】
上述の本発明のメモリの構成によれば、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する記憶素子と、非磁性層を介して記憶層と磁化固定層との間に電流を流すための電流供給手段とを備えているので、電流供給手段によって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。
また、記憶素子に磁場を印加するための磁場印加手段を備えていることにより、情報の記録を行う際に、磁場印加手段によって記憶素子に磁場を印加し、記憶素子の記憶層の磁化の向きを磁場の作用によって磁化容易軸からずらすことが可能になるため、スピン注入による記憶層の磁化の向きの反転を容易に行うことが可能になる。これにより、情報を記録するために必要となる電流を低減させることができ、また記憶層の磁化の向きの反転の前に起こる磁化の振動を経ないで、速やかに磁化反転を行うことが可能になる。
【００１４】
上述の本発明のメモリの記録方法によれば、上記本発明のメモリにおいて、情報の記録を行う際に、電流供給手段により電流を供給して、記憶層と磁化固定層との間に電流を流し、磁場印加手段によりパルス磁場又は振動磁場を記憶素子に印加することにより、磁場印加手段からのパルス磁場又は振動磁場の作用によって、記憶素子の記憶層の磁化の向きを磁場の作用によって磁化容易軸からずらし、スピン注入による記憶層の磁化の向きの反転を容易にする。これにより、情報を記録するために必要となる電流を低減し、また記憶層の磁化の向きの反転の前に起こる磁化の振動を経ないで、速やかに磁化反転を行うことが可能になる。
また、磁場印加手段から記憶素子に印加する磁場が、パルス磁場又は振動磁場であるため、連続磁場を印加する場合と比較して、スピン注入による記憶層の磁化の向きの反転を妨げる作用を小さくすることができる。
【００１５】
上記本発明のメモリ及び上記本発明のメモリの記録方法において、磁場印加手段による磁場の方向が、記憶素子の記憶層の磁化困難軸とほぼ同じ方向である構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、記憶層の磁化困難軸とほぼ同じ方向の磁場により、効率良く、記憶層の磁化の向きを磁化容易軸からずらすことができる。これにより、弱い磁場でも、情報を記録するために必要となる電流を低減し、また速やかに磁化反転を行うことができるという効果が得られる。
【００１６】
上記本発明のメモリの記録方法において、情報の記録を行う際に、電流供給手段によりパルス電流を供給し、磁場印加手段によりパルス磁場を記憶素子に印加し、パルス磁場の終端をパルス電流の終端よりも早くするか同時刻としたときには、パルス磁場による記憶層の磁化の向きを磁化容易軸からずらす作用が、パルス電流による記憶層の磁化の向きを反転する作用を妨げない。これにより、情報を記録するために必要となる電流を大幅に低減することが可能になる。
【００１７】
上記本発明のメモリの記録方法において、情報の記録を行う際に、磁場印加手段により交流磁場を記憶素子に印加し、この交流磁場の周波数を、記憶素子に電流を流したときに発生する記憶層の磁化の振動の周波数とほぼ同じとすることも可能である。
このようにしたときには、交流磁場の周波数が記憶層の磁化の振動の周波数とほぼ同じであることにより、効率良く記憶層の磁化の反転を補助することができるため、記憶層の磁化を反転して情報を記録するために必要となる電流（記録電流）を大幅に低減することが可能になる。また、弱い磁場でも記録電流を低減することが可能になる。
【発明の効果】
【００１８】
上述の本発明によれば、情報を記録するために必要となる電流（記録電流）を低減することが可能になる。
これにより、記憶素子の劣化や破壊による故障を少なくすることができ、メモリの信頼性を向上することが可能になる。また、情報を記録する際の消費電力を低減することができるため、消費電力の少ないメモリを実現することが可能になる。
さらに、電流供給手段によりパルス電流を供給して情報の記録を行う場合には、連続電流を供給する場合よりも記録電流が増大するが、本発明によればパルス電流を供給して情報の記録を行う場合でも記録電流を小さくすることが可能になる。これにより、パルス電流のパルス幅を短くして、短い時間で情報の記録を行い、情報の記録の高速化を図ることも可能になる。
【００１９】
上述の本発明によれば、記憶層の磁化の向きの反転の前に起こる磁化の振動を経ないで、速やかに磁化反転を行うことが可能になるため、情報の記録を高速に行うことが可能になる。
【００２０】
従って、本発明により、高速で情報の記録を行うことができ、かつ信頼性の高いメモリを実現することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。
【００２２】
前述した目的、即ち少ない電流で情報を記録することができ、かつ高速で情報を記録することができるメモリを実現することを達成するために、最適な構造及び記録方法を検討した結果、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が行われる記憶素子において、情報の記録を行う際に同時に磁場を印加することによって、短い幅のパルス電流によっても少ない記録電流で情報の記録が可能となり、記憶素子の劣化や破壊による故障を減らして、信頼性の高いメモリを実現可能であることを見い出した。
【００２３】
ここで、磁場による磁化反転とスピン偏極電流注入による磁化反転のそれぞれの場合について、磁化の軌跡（磁化ベクトルの変化）を計算した。計算結果を図１Ａ及び図１Ｂに示す。図１Ａは、磁場による磁化反転の場合であり、図１Ｂは、スピン偏極電流注入による磁化反転の場合である。また、図１Ａ及び図１Ｂにおいて、ｘ軸は磁性体の膜厚方向であり、ｙ軸は磁性体の磁化困難軸方向であり、ｚ軸は磁性体の磁化容易軸方向である。
【００２４】
図１Ａも図１Ｂも、いずれも最初図中上向き（ｚ軸成分が正）であった磁化が、図中下向き（ｚ軸成分が負）に反転する過程である。最初の磁化ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）は（０，０，＋１）であり、反転した後の磁化ベクトルは（０，０，−１）である。
図１Ａの磁場による磁化反転では、上向きの磁化が下向きになるまでは速やかに動き、反転した後に磁化の振動が見られるが、反転までの動作は早く、短時間で磁化反転が可能である。
これに対して、図１Ｂのスピン偏極電流による磁化反転では、反転するまでに磁化の振動が見られる。特に、電流を流し始めた初期には、磁化容易軸周辺で小さな振動を繰り返すだけで、多くの時間が費やされる。
【００２５】
従って、スピン注入による磁化反転において、より速く磁化反転を行うためには、より多くの電流を流して、反転までの磁化の振動回数を少なくする必要がある。
しかし、多くの電流を流すと、その分消費電力も大きくなってしまう。
【００２６】
消費電力を増大させないで、高速に動作させるためには、電流を増やす方法ではなく、他の方法を採用する必要がある。
そこで、スピン注入による磁化反転の際に、磁場を印加することにより、磁化の向きを記憶層の磁化容易軸からずらす方法が有効と考えられる。この方法により、初期の振動回数を減らして、磁化反転に要する時間を短くすることが可能になる。
【００２７】
このとき、磁化困難軸方向に磁場を印加すれば、最も弱い磁場で磁化の向きを磁化容易軸からずらすことができる。
ただし、連続的な磁場を印加すると、スピン注入による磁化の動きが磁場によって妨げられるので、パルス磁場や交流磁場等とする必要がある。
【００２８】
さらに、パルス磁場を印加する場合に、スピン注入による磁化の動きを妨げないためには、少なくともスピン注入電流のパルスの終端よりも磁場のパルスの終端が早いか同時であることが好ましい。
また、磁場のパルスとスピン注入電流のパルスは、重なっている必要はなく、ある程度までの時間離れていても良いし、２つのパルス幅が異なっていても良い。
【００２９】
また、印加する磁場を、スピン注入による磁化反転の際に観測される、磁化の振動周期とほぼ同じ周期を有する振動磁場（磁場の強度が振動する磁場）とすることにより、効率的に磁化の反転を補助することができるため、より弱い磁場と少ない電流で磁化反転を行うことが可能になる。
振動磁場としては、例えば、交流磁場のように極性が変化する磁場や、同じ極性で強度が変化する磁場が考えられる。
【００３０】
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。
【００３１】
本発明の一実施の形態として、メモリを構成する単位メモリセルの概略構成図（斜視図）を図２に示す。
下層から、反強磁性層１、反強磁性層１により磁化の向きが固定された磁化固定層（参照層）２、非磁性層３、情報を磁化状態（磁化の向き）により保持する記憶層４、上部電極層５とが積層されて、記憶素子６が構成されている。磁化固定層（参照層）２は、記憶層４に対する磁化の向きの基準となるものである。
【００３２】
記憶素子６の上には、記憶素子６に電流を流すための配線（電流線）７が接続されている。
また、記憶素子６から少し離れて上方に、磁場を印加するための配線（アドレス線）８が設けられている。
また、下部電極層を兼ねる反強磁性層１側には、選択用のトランジスタ９が接続されている。
上述した記憶素子６、電流線７、アドレス線８、選択用のトランジスタ９により、メモリセル１０が構成されている。
この図２に示す構成のメモリセル１０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。
【００３３】
反強磁性層１には、ＰｔＭｎ等の反強磁性材料を利用することが可能である。
磁化固定層（参照層）２には、ＣｏＦｅ等のスピン分極の大きな磁性体が適している。磁化固定層２は、単層でも良く、また複数層の磁性層をＲｕ等の非磁性層を介して積層した構成としても良い。
非磁性層３には、スピン注入においてスピン散乱の少ない金属Ｃｕや、Ａｌ酸化物等の絶縁体が適している。
記憶層４には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉを主成分とした、結晶質或いは非晶質の磁性体を用いることができる。
上部電極層５には、導電性の良好な材料、例えばＴａやＷを使用することができる。
電流線７及びアドレス線８は、抵抗の低いＡｌ又はＣｕで構成することが望ましい。
【００３４】
図２において、ｘ，ｙ，ｚの各軸は、図１Ａ及び図１Ｂの各軸と同様に定義され、ｘ軸は記憶層４の厚さ方向であり、ｙ軸は記憶層４の磁化困難軸方向であり、ｚ軸は記憶層４の磁化容易軸方向である。
そして、磁場を印加するためのアドレス線８は、ｚ軸方向即ち記憶層４の磁化容易軸方向に延びるように形成されているので、アドレス線８に電流を流すことにより、記憶層４の磁化困難軸方向（ｙ軸方向）の磁場を印加することができる。
【００３５】
本実施の形態のメモリセル１０において、情報の記録を行う際には、電流線７や選択用のトランジスタ９等を通して、記憶素子６の反強磁性層１と上部電極層５の間に膜厚方向の電流を流し、また、アドレス線８に電流を流して記憶層４の磁化困難軸方向（ｙ軸方向）の磁場を印加する。
記憶素子６の反強磁性層１と上部電極層５の間に膜厚方向の電流を流すことにより、記憶層４と磁化固定層２との間に電流が流れ、スピン偏極電流注入によって記憶層４の磁化の向きを反転させることができる。このとき、記憶層４の磁化困難軸方向の磁場を印加することにより、記憶層４の磁化の向きを磁化容易軸方向からずらして、スピン偏極電流注入によって磁化の向きを容易に反転させることができる。
磁化の向きを容易に反転させることができるので、短い時間で反転させることや、より少ない電流で反転させることが可能になる。
【００３６】
そして、前述したように、連続的な磁場では記憶層４の磁化の動きを妨げてしまうため、パルス磁場や振動磁場（例えば交流磁場）となるように、アドレス線８に流す電流を、パルス電流、電流量が振動する電流、或いは交流とする。
【００３７】
特に、アドレス線８によりパルス磁場を印加し、また、記録電流として、電流線７や選択用のトランジスタ９等を通して、記憶素子６にパルス電流を流す場合には、このパルス電流とパルス磁場とをそれぞれ印加するタイミングの関係が重要になる。
記憶層４の磁化の向きを磁化容易軸方向からずらして、スピン偏極電流注入によって磁化の向きを容易に反転させるためには、パルス磁場の始端を、パルス電流の始端と同時又はパルス電流の始端よりも先行させることが望ましい。
また、パルス磁場の終端は、パルス電流の終端よりも早いか同時刻であることが望ましい。
【００３８】
パルス磁場とパルス電流は、パルスのタイミングが全く同時であっても、重なりを持っていてもよく、両者のパルス幅が同一でも異なっていてもよい。
そして、パルス磁場の終端が、パルス電流の始端よりも先行していても、それらの間隔がある程度より短い場合は、反転電流を低減する効果がある。これは、両者のパルスの間隔が短いので、パルス磁場により記憶層４の磁化の向きが磁化容易軸方向からずれた状態から、磁化容易軸方向に完全に戻る前に、即ちまだずれている状態であるうちに、スピン偏極電流注入により磁化反転が開始されるためである。
【００３９】
また、特に、アドレス線８により交流磁場を印加する場合には、交流磁場の周波数、即ちアドレス線８に流す交流の周波数を、記憶素子６に電流を流したときに発生する記憶層４の磁化の振動の周波数とほぼ同じにすると、磁化反転に必要な電流（反転電流）を低減する効果が大きくなる。
【００４０】
上述の本実施の形態のメモリの構成によれば、アドレス線８に電流を流して電流磁場を発生させることにより、磁場の作用により記憶素子６の記憶層４の磁化の向きを磁化容易軸からずらし、スピン注入による記憶層４の磁化の向きの反転を容易にする。
これにより、情報を記録するために必要となる電流を低減し、また記憶層４の磁化の向きの反転の前に起こる磁化の振動を経ないで、速やかに磁化反転を行うことが可能になる。
【００４１】
情報を記録するために必要となる電流を低減することができるため、記憶素子６の劣化や破壊による故障を少なくすることができ、メモリの信頼性を向上することが可能になる。また、情報を記録する際の消費電力を低減することができるため、消費電力の少ないメモリを実現することが可能になる。
さらに、電流線７によりパルス電流を供給して情報の記録を行う場合には、連続電流を供給する場合よりも記録電流が増大するが、本実施の形態の構成のメモリでは、パルス電流を供給して情報の記録を行う場合でも記録電流を小さくすることが可能になる。これにより、パルス電流のパルス幅を短くして、短い時間で情報の記録を行い、情報の記録の高速化を図ることも可能になる。
また、電流磁場の作用により、速やかに磁化反転を行うことが可能になるため、この点によっても情報の記録の高速化を図ることが可能になる。
【００４２】
従って、高速で情報の記録を行うことができ、かつ信頼性の高いメモリを実現することが可能になる。
【００４３】
また、本実施の形態のメモリの構成によれば、記憶素子６に電流磁場を印加するアドレス線８がｚ軸方向即ち記憶層４の磁化容易軸方向に延びて形成されているので、アドレス線８によって記憶層４の磁化困難軸方向の電流磁場を印加することができる。
この記憶層４の磁化困難軸方向の電流磁場によって、効率良く、記憶層４の磁化の向きを磁化容易軸からずらすことができる。
これにより、アドレス線８からの電流磁場が弱くても、情報を記録するために必要となる電流を低減し、また速やかに磁化反転を行うことができるという効果が得られる。
従って、電流磁場を発生させるためにアドレス線８に流す電流量を、低減することも可能になる。
【００４４】
（実施例）
ここで、本発明のメモリ・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。
【００４５】
そして、実験用として、図３に示す構成のメモリセル２０を作製した。
このメモリセル２０は、図２に示したメモリセル１０とは若干構成が異なっている。即ち、反強磁性層１の下に下部電極層１１が設けられ、選択用のトランジスタ９は省略されている。また、磁化固定層２は、磁性層１２・非磁性層１３・磁性層１４の３層が積層された構成であり、磁性層１４が参照層となる。また、上部電極層５は記憶層４を保護する保護層を兼ねる。
その他の構成は、図２に示したメモリセル１０と同様になっている。
【００４６】
下地の下部電極層１１の上に、膜厚３０ｎｍのＰｔＭｎ膜から成る反強磁性層１、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る磁性層１２、膜厚０．７ｎｍのＲｕ膜から成る非磁性層１３、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る磁性層（参照層）１４、膜厚５ｎｍのＣｕ膜から成る非磁性層３、膜厚５ｎｍのＮｉＦｅ膜から成る記憶層４、膜厚１０ｎｍのＴａ膜から成る上部電極層（保護層）５を順次形成し、記憶素子６を形成した。
次に、記憶素子６の各層を、長辺が約２００ｎｍ、短辺が約１５０ｎｍの楕円形状にパターニングした。
その後、上部電極層（保護層）５の上に電流線７を形成し、さらに絶縁層を介して磁場を印加するための配線８を形成した。
次に、３００℃・１０時間・約１テスラの磁場中熱処理によって、反強磁性層１のＰｔＭｎ膜を規則結晶化して、磁化固定層２１の磁性層（参照層）１４の磁化の向きを一方に向くようにした。
なお、作製された記憶素子６の保磁力は１１０［Ｏｅ］であった。
【００４７】
（反転電流Ｉｃの測定）
下部電極層１１と上部電極層との間に流す電流量を掃引しながら記憶素子６の抵抗を測定し、抵抗が変化したところの電流値から反転電流Ｉｃを求めた。
そして、記憶層４と参照層１４の磁化の向きが平行状態から反平行状態に変化する電流を負の反転電流（−Ｉｃ）とし、反平行状態から平行状態に変化する電流を正の反転電流（＋Ｉｃ）として、これらの反転電流＋Ｉｃ，−Ｉｃを測定し、正の反転電流（＋Ｉｃ）と負の反転電流（−Ｉｃ）との差の１／２を反転電流Ｉｃの平均値とした。
【００４８】
まず、磁場を印加せずに、記憶素子６に流すスピン偏極電流のみによって、記憶層４の磁化の向きを反転させた場合において、反転電流Ｉｃの平均値の実測値及び理論値を求めた。なお、スピン偏極電流を電流パルスとして、そのパルス幅（ｎｓ；ナノ秒）を変えて、同様に反転電流Ｉｃの平均値の実測値及び理論値を求めた。
なお、パルス幅が１０ｎｓ以下のときには、反転に必要な電流が大きくなり過ぎて、大電流を流すことにより記憶素子６が破壊されることから、反転電流の測定ができない。そのため、その部分は理論値により推定することとした。
反転電流Ｉｃの平均値の実測値及び理論値と電流パルス幅との関係を、図４に示す。
図４より、実測値がほぼ理論値に一致しており、またパルス幅が１０ｎｓ以下の理論値から、記録電流のパルス幅が短くなると、反転電流Ｉｃが急激に増大することが予想される。
【００４９】
次に、磁化の向きを反転させる際に、一様な外部磁場を記録層４の磁化困難軸方向に印加した場合において、外部磁場の強度と反転電流との関係を測定した。記憶素子６に、連続して電流を流したときの反転電流と、パルス幅５０ｎｓのパルス電流を流したときの反転電流を調べた。
測定結果を図５に示す。図５では、正の反転電流（＋Ｉｃ）及び負の反転電流（−Ｉｃ）をそれぞれ示している。負の反転電流の方が電流の絶対値が大きくなっている。
【００５０】
図５に示すように、連続電流を流したときも、パルス電流を流したときも、反転電流が、外部磁場強度にほとんど依存しない。
なお、前述したように、パルス電流を流したときの反転電流は、連続電流を流したときの反転電流と比較して、大きい値となっている。
【００５１】
次に、記憶素子６に印加する磁場を、パルス幅１０ｎｓのパルス磁場として、磁場強度と反転電流との関係を調べた。記憶素子６に、連続して電流を流したとき、パルス幅５０ｎｓのパルス電流を流したとき、パルス幅１０ｎｓのパルス電流を流したときにおいて、それぞれパルス磁場の強度を変化させて反転電流を測定した。なお、電流とパルス磁場とのタイミングは、パルス電流を流したときには、パルス磁場の終端をパルス電流の終端よりも１ｎｓ早くして、連続電流を流したときには電流パルスの終端がないので連続電流を流している間の適当なときにパルス磁場を印加した。この測定結果を図６に示す。
【００５２】
図６より、パルス磁場を印加した場合には、連続磁場を印加した場合とは異なり、磁場強度が大きくなるほど反転電流が小さくなることがわかる。特に、電流パルス幅が短い場合に、反転電流の減少が著しく、磁場の効果が顕著であることがわかる。
【００５３】
次に、磁場パルスの強度を５０［Ｏｅ］として、電流パルス及び磁場パルスのパルス幅をいずれも３ｎｓとして、磁場パルスと電流パルスのパルス間隔（パルスの時刻の差）を変えて、それぞれ反転電流Ｉｃの平均値を測定した。測定結果を図７に示す。なお、図７において、横軸のパルス間隔（パルスの時刻の差）は、磁場パルスが先で電流パルスが後の場合を正、電流パルスが先で磁場パルスが後の場合を負としている。
【００５４】
図７より、パルス間隔が正、即ち磁場パルスを先にした方が、反転電流の低減効果が大きいことがわかり、磁場パルスと電流パルスの重なりがないときでも、ある程度までの間隔（例えば、＋４ｎｓ付近）でも、反転電流の低減効果が見られる。
一方、電流パルスを先にした場合には、反転電流を低減する効果がほとんど得られないことがわかる。
【００５５】
次に、記憶素子に交流磁場を印加して、記憶層に対して情報の記録を行った場合について、説明する。
記憶素子６に、記憶層４の磁化困難軸方向に１０［Ｏｅ］の磁場を印加しながら、記憶層４及び参照層１４の磁化の向きが反平行の状態で、０．２ｍＡの連続電流を記憶素子６に流して、記憶素子６の両端で観測される信号を、スペクトルアナライザで周波数解析した。この解析の結果を図８に示す。
図８より、およそ１．０５ＧＨｚに、強いピークが観測される。
また、２．１ＧＨｚ付近に見られるピークは、２次高調波成分である。
従って、スピン注入によって、記憶層４の磁化がおよそ１．０５ＧＨｚで振動している状態が観測されている。
【００５６】
次に、１．０５ＧＨｚの周波数の交流磁場を印加しながら、記憶素子６に電流を流して、磁場強度と反転電流との関係を調べた。記憶素子６に流す電流のパルス幅を１０ｎｓ、交流磁場の周波数を１．０５ＧＨｚとして、交流磁場の方向を、記憶層４の磁化困難軸に平行にした場合と、記憶層４の磁化容易軸に平行にした場合とにおいて、それぞれ測定を行った。測定結果を図９に示す。
【００５７】
図９より、交流磁場を記憶層４の磁化容易軸に平行に印加した場合には、磁場強度を変化させても反転電流がほとんど変化しないが、交流磁場を記憶層４の磁化困難軸に平行に印加した場合には、磁場強度の増大に伴い反転電流が減少することがわかる。
即ち、交流磁場を記憶層４の磁化困難軸に平行な方向に印加することにより、反転電流を低減する効果が大きいことわかる。
なお、交流磁場の方向を、記憶層４の磁化困難軸及び磁化容易軸に対して斜めにした場合には、磁化困難軸に平行な方向とした場合よりも効果は小さくなるが、反転電流を低減することが可能である。
【００５８】
さらに、交流磁場を記憶層４の磁化困難軸に平行に印加した場合において、交流磁場の周波数を０．７ＧＨｚ、１ＧＨｚ、１．５ＧＨｚと変えて、磁場強度と反転電流との関係を調べた。測定結果を図１０に示す。
【００５９】
図１０より、記憶素子６に電流を流したときに観測される周波数（図８参照）のピークに近い１ＧＨｚでは、交流磁場による反転電流を低減する効果が大きいが、ピーク以外の周波数とすると、反転電流の低減効果が小さくなることがわかる。
【００６０】
上述の実施の形態では、反強磁性層１と参照層を含む磁化固定層２とを記憶層４に対して下層に設けた記憶素子６を構成したが、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。
なお、磁化固定層単独で磁化の向きを固定することが可能であれば、反強磁性層を省略しても構わない。
また、磁化固定層や記憶層の各磁性層を、材料や組成の異なる複数の磁性層の積層により構成してもよい。
【００６１】
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】
【００６２】
【図１】計算により求められた磁化反転時の磁化の軌跡である。  Ａ  磁場による磁化反転の場合である。  Ｂ  スピン偏極電流による磁化反転の場合である。
【図２】本発明の一実施の形態のメモリの単位メモリセルの概略構成図（斜視図）である。
【図３】実施例のメモリセルの概略構成図（斜視図）である。
【図４】図３の記憶素子に流す電流パルスのパルス幅と反転電流の平均値の実測値及び理論値との関係を示す図である。
【図５】図３の記憶素子に連続磁場を印加した場合の磁場強度と反転電流との関係を示す図である。
【図６】図３の記憶素子にパルス磁場を印加した場合の磁場強度と反転電流との関係を示す図である。
【図７】図３の記憶素子にパルス幅３ｎｓの電流パルス及び磁場パルスを印加した場合のパルス間隔に対する反転電流の平均の変化を示す図である。
【図８】図３の記憶素子に電流を流したときに観測される信号の周波数スペクトルを示す図である。
【図９】図３の記憶素子に交流磁場を印加した場合の磁場強度と反転電流との関係を示す図である。
【図１０】図３の記憶素子に交流磁場を印加した場合の交流磁場の周波数を変えたときの磁場強度と反転電流との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  反強磁性層、２  磁化固定層、３，１３  非磁性層、４  記憶層、５  上部電極層、６  記憶素子、７  電流線、８  アドレス線（磁場を印加するための配線）、１０，２０  メモリセル、１１  下部電極層、１２  磁性層、１４  磁性層（参照層）
【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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【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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