(57)【要約】【課題】情報の記録を少ない電流量で安定して行うことができる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３と、この記憶層３に対してトンネル絶縁層１５を介して、磁化の向きが固定された磁化固定層２とを有し、積層方向に電流Ｉｚを流すことにより、記憶層３の磁化Ｍ１の向きが変化して、記憶層３に対して情報の記録が行われ、磁化固定層２が非磁性層１３を介して積層された複数層の強磁性層１２，１４から成り、記憶層３及び磁化固定層２の磁化Ｍ１，Ｍ１１，Ｍ１２の向きが積層方向であり、磁化固定層２の少なくとも最も記憶層３側に配置された強磁性層１４において、両端部にそれぞれ、強磁性層の膜面方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化Ｍ１２ａ，Ｍ１２ｂを有する、磁化領域が形成されている記憶素子１を構成する。【選択図】図１
2008211059.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、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、
積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子であって、
前記磁化固定層が、非磁性層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、
前記記憶層及び前記磁化固定層の複数層の強磁性層は、いずれも磁化の向きが前記積層方向であり、
前記磁化固定層は、前記複数層の強磁性層のうち少なくとも最も前記記憶層側に配置された前記強磁性層において、両端部にそれぞれ、前記強磁性層の膜面方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、磁化領域が形成されている
ことを特徴とする記憶素子。
【請求項２】
前記磁化固定層の膜面方向の両側に、非磁性層を介して、膜面方向で互いに反対の向きの磁化を有する強磁性層が設けられ、この膜面方向の磁化を有する強磁性層から生じる磁界により、前記磁化固定層の前記強磁性層の両端部に、前記膜面方向の磁化成分を有する磁化領域が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
前記複数層の強磁性層のうち最も前記記憶層側に配置された前記強磁性層の磁化の向きに対して、前記記憶層の磁化の向きを平行にするために、磁界を印加した場合に必要となる磁界の大きさが、８ｋＯｅ以下であることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項４】
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、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、
積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子であって、
前記磁化固定層が、非磁性層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、
前記記憶層及び前記磁化固定層の複数層の強磁性層は、いずれも磁化の向きが前記積層方向であり、
前記磁化固定層の膜面方向の両側に、それぞれ非磁性層を介して、積層方向に電流が流れる配線が設けられている
ことを特徴とする記憶素子。
【請求項５】
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、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子を備え、
前記記憶素子の前記磁化固定層が、非磁性層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、
前記記憶層及び前記磁化固定層の複数層の強磁性層は、いずれも磁化の向きが前記積層方向であり、
前記磁化固定層は、前記複数層の強磁性層のうち少なくとも最も前記記憶層側に配置された前記強磁性層において、強磁性層の両端部に、それぞれ前記強磁性層の膜面方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、磁化領域が形成されている
ことを特徴とするメモリ。
【請求項６】
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、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子を備え、
前記記憶素子の前記磁化固定層が、非磁性層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、
前記記憶層及び前記磁化固定層の複数層の強磁性層は、いずれも磁化の向きが前記積層方向であり、
前記磁化固定層の膜面方向の両側に、それぞれ非磁性層を介して、積層方向に電流が流れる配線が設けられ、
少なくとも情報の書き込みの際に、前記配線に電流が供給されて、前記磁化固定層の前記強磁性層に電流磁界が印加される
ことを特徴とするメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成り、電流を流すことにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子及びこの記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子に対して、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。
特に、不揮発性メモリは、機器の高機能化に必要不可欠な部品と考えられている。
【０００３】
不揮発性メモリとしては、半導体フラッシュメモリやＦｅＲＡＭ（強誘電体不揮発メモリ）等が実用化されており、さらなる高性能化に向けて活発な研究開発が行われている。
【０００４】
最近、磁性体を利用した新しい不揮発メモリとして、トンネル磁気抵抗効果を利用したＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory ）の開発進捗が著しく、注目を集めている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
このＭＲＡＭは、情報の記録を行う微小な記憶素子を規則的に配置し、その各々にアクセスできるように、配線例えばワード線及びビット線を設けた構造を有している。
それぞれの磁気メモリ素子は、情報を強磁性体の磁化の向きとして記録させる記憶層を有して構成される。
【０００６】
そして、磁気メモリ素子の構成としては、上述の記憶層と、トンネル絶縁膜（非磁性スペーサ膜）と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成る、いわゆる磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）を用いた構造が採用されている。磁化固定層の磁化の向きは、例えば反強磁性層を設けることにより固定することができる。
【０００７】
このような構造においては、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとのなす角度に応じて、トンネル絶縁膜を流れるトンネル電流に対する抵抗値が変化する、いわゆるトンネル磁気抵抗効果を生じるため、このトンネル磁気抵抗効果を利用して、情報の書き込み（記録）を行うことができる。この抵抗値の大きさは、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最大値をとり、平行であるときに最小値をとる。
【０００８】
このように構成した磁気メモリ素子において、磁気メモリ素子への情報の書き込み（記録）は、ワード線及びビット線の両方に電流を流すことにより発生する合成電流磁界により、磁気メモリ素子の記憶層の磁化の向きを制御することにより行うことができる。一般的には、このときの磁化の向き（磁化状態）の違いを、「０」情報と「１」情報とにそれぞれ対応させて記憶させる。
そして、記憶素子に情報の記録（書き込み）を行う方法には、アステロイド特性を利用した方法（例えば、特許文献１参照）とスイッチング特性を利用した方法（例えば、特許文献２参照）がある。
一方、記録された情報の読み出しは、トランジスタ等の素子を用いてメモリセルの選択を行い、磁気メモリ素子のトンネル磁気抵抗効果を利用して、記憶層の磁化の向きの違いを電圧信号の差として検出することにより、記録された情報を検知することができる。
【０００９】
このＭＲＡＭを他の不揮発メモリと比較した場合、最大の特長は、強磁性体から成る記憶層の磁化の向きを反転させることにより、「０」情報と「１」情報とを書き換えるため、高速かつほぼ無限(＞１０１５回)の書き換えが可能であることである。
【００１０】
しかしながら、ＭＲＡＭにおいては、記録された情報を書き換えるために、比較的大きい電流磁界を発生させる必要があり、アドレス配線にある程度大きい（例えば数ｍＡ〜数十ｍＡ）電流を流さなければならない。そのため消費電力が大きくなる。
【００１１】
また、ＭＲＡＭにおいては、書き込み用のアドレス配線と読み出し用のアドレス配線をそれぞれ必要とするため、構造的にメモリセルの微細化が困難であった。
さらに、素子の微細化に従って、アドレス配線も細くなり、充分な電流を流すことが難しくなる問題や、保磁力が大きくなるため必要となる電流磁界が増大して、消費電力が増えてしまう問題等を、生じることになる。
従って、素子の微細化が困難であった。
【００１２】
そこで、この問題を解決するための一つの方法として、電流磁界によらないで記録を行う構成が研究されており、なかでも、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピントランスファによる磁化反転を利用する構成のメモリが注目されている（例えば、特許文献３参照）。
スピントランスファ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（例えば、特許文献４参照）。
即ち、磁化の向きが固定された磁性層（磁化固定層）を通過したスピン偏極電子が、磁化の向きが固定されない他の磁性層（磁化自由層）に進入する際に、この磁性層の磁化にトルクを与えるという現象である。そして、ある閾値以上の電流を流せば、磁性層（磁化自由層）の磁化の向きを反転させることができる。
【００１３】
例えば、磁化固定層と磁化自由層とを有する、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）や磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。
【００１４】
これにより、磁化固定層と磁化自由層（記憶層）とを有する記憶素子を構成し、記憶素子に流す電流の極性を変えることにより、記憶層の磁化の向きを反転させ、「０」情報と「１」情報との書き換えを行う。
記録された情報の読み出しは、磁化固定層と磁化自由層（記憶層）との間にトンネル絶縁層を設けた構成とすることにより、ＭＲＡＭと同様にトンネル磁気抵抗効果を利用することができる。
【００１５】
そして、スピントランスファによる磁化反転は、素子が微細化されても、電流を増やさずに磁化反転を実現することができる利点を有している。
磁化反転のために記憶素子に流す電流の絶対値は、例えば０．１μｍ程度のスケールの記憶素子で１ｍＡ以下であり、しかも記憶素子の体積に比例して減少するため、スケーリング上有利である。
【００１６】
しかも、ＭＲＡＭで必要であった記録用ワード線が不要となるため、メモリセルの構成が単純になるという利点もある。
【００１７】
以下、スピントランスファを利用した記憶素子をＳｐＲＡＭ(Spin transfer Random Access Memory)と呼び、スピントランスファを引き起こすスピン偏極電子流をスピン注入電流(Spin injection current)と呼ぶことにする。
【００１８】
高速かつ書換え回数がほぼ無限大であるというＭＲＡＭの利点を保ったまま、低消費電力化、大容量化を可能とした不揮発メモリとして、ＳｐＲＡＭには大きな期待が寄せられている。
【００１９】
ここで、従来のスピントランスファを使用するメモリ（ＳｐＲＡＭ）のメモリセルの模式的断面図を図６に示す。
メモリセルに記録された情報を読み出すために、メモリセルを電気的に選択するためには、ダイオードまたはＭＯＳトランジスタ等を用いることができるが、図６に示すメモリセルはＭＯＳトランジスタを用いている。
【００２０】
まず、ＳｐＲＡＭのメモリセルを構成する記憶素子１０１の構成を説明する。
強磁性層１１２及び強磁性層１１４は、非磁性層１１３を介して配置されていることにより、反強磁性結合している。さらに、下層側の強磁性層１１２は、反強磁性層１１１と接して配置されており、これらの層間に働く交換相互作用によって、強い一方向の磁気異方性を有する。そして、これら４層１１１，１１２，１１３，１１４により磁化固定層１０２が構成される。即ち、磁化固定層１０２は、２層の強磁性層１１２，１１４を有している。
強磁性層１１６は、その磁化Ｍ１の向きが比較的容易に回転するように構成されており、この強磁性層１１６によって記憶層（磁化自由層）１０３が構成される。
磁化固定層１０２の強磁性層１１４と強磁性層１１６との間、即ち磁化固定層１０２と記憶層（磁化自由層）１０３との間には、トンネル絶縁層１１５が形成されている。このトンネル絶縁層１１５は、上下の磁性層１１６及び１１４の磁気的結合を切ると共に、トンネル電流を流す役割を担う。これにより、磁性層の磁化の向きが固定された磁化固定層１０２と、トンネル絶縁層１１５と、磁化の向きを変化させることが可能な記憶層（磁化自由層）１０３とにより、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子が構成されている。
そして、上述の各層１１１〜１１６と、下地膜１１０及びトップコート層１１７により、ＴＭＲ素子から成る記憶素子１０１が構成されている。
【００２１】
また、シリコン基板１２０中に選択用ＭＯＳトランジスタ１２１が形成され、この選択用ＭＯＳトランジスタ１２１の一方の拡散層１２３上に接続プラグ１０７が形成されている。この接続プラグ１０７上に、記憶素子１０１の下地膜１１０が接続されている。選択用ＭＯＳトランジスタ１２１のもう一方の拡散層１２２は、図示しないが、接続プラグを介してセンス線に接続されている。選択用ＭＯＳトランジスタのゲート１０６は、選択信号線と接続されている。
記憶素子１０１のトップコート層１１７は、その上のビット線（ＢＬ）１０５に接続されている。
【００２２】
定常状態において、非磁性層１１３を介した強い反強磁性結合により、強磁性層１１２の磁化Ｍ１１と強磁性層１１４の磁化Ｍ１２は、ほぼ完全な反平行状態にある。
通常、強磁性層１１２と強磁性層１１４とは、飽和磁化膜厚積が等しい構成とされるため、磁極磁界の漏洩成分は無視できるくらい小さい。
【００２３】
そして、トンネル絶縁層１１５を挟む、記憶層１０３の強磁性層１１６の磁化Ｍ１の向きと、磁化固定層１０２の強磁性層１１４の磁化Ｍ１２の向きとが、平行状態にあるか反平行状態にあるかによって、これらの層１１４，１１５，１１６から成るＴＭＲ素子の抵抗値が変化する。２つの磁化Ｍ１，Ｍ１２が平行状態では抵抗値が低くなり、反平行状態では抵抗値が高くなる。ＴＭＲ素子（１１４，１１５，１１６）の抵抗値が変化すると、記憶素子１０１全体の抵抗値も変化する。このことを利用して、情報を記録することや、記録した情報を読み出すことができる。即ち、例えば、抵抗値が低い状態を「０」情報に割り当て、抵抗値が高い状態を「１」情報に割り当てることにより、２値（１ビット）の情報を記録することができる。
なお、磁化固定層１０２のうち記憶層１０３側の強磁性層１１４は、記録した情報を読み出す際に、記憶層１０３の磁化Ｍ１の向きの基準となり参照される強磁性層であるため、参照層とも称される。
メモリセルの情報を書き換えたり、メモリセルに記録した情報を読み出したりするためには、スピン注入電流Ｉｚを流す必要がある。このスピン注入電流Ｉｚは、記憶素子１０１及び拡散層１２３及びビット線１０５を通過する。
【００２４】
このスピン注入電流Ｉｚの極性を変えることにより、記憶素子１０１を流れるスピン注入電流Ｉｚを、上向きから下向きに、或いは下向きから上向きに、変えることができる。
これにより、記憶素子１０１の記憶層１０３の磁化Ｍ１の向きを変化させて、メモリセルの情報を書き換えることができる。
【００２５】
ところで、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させるために、記憶素子にスピン注入電流を流すだけでなく、記憶素子の他にバイアス電流磁界を印加するＳｐＲＡＭの構成が提案されている（特許文献５参照）。
具体的には、例えば図６に示す構成において、ビット線１０５を通じて記憶素子１０１にスピン注入電流Ｉｚを流すと共に、ビット線１０５を流れる電流（スピン注入電流Ｉｚに等しい）により発生したバイアス電流磁界Ｈｘ（図示せず）を、記憶素子１０１の記憶層１０３に印加する。
これにより、記憶層１０３の磁化Ｍ１の向きを、効率良く変化させることが可能になる。
【００２６】
以下、スピン注入電流Ｉｚを縦軸にして、バイアス電流磁界Ｈｘを横軸にして、メモリセルの状態を表現した状態図を、ｐｈａｓｅ  ｄｉａｇｒａｍと呼ぶ。なお、スピン注入電流Ｉｚや、バイアス電流磁界Ｈｘを発生させるバイアス電流を、パルス電流とする場合には、パルス電流の波高値を用いてｐｈａｓｅ  ｄｉａｇｒａｍを作製する。
【００２７】
【非特許文献１】J.Nahas et al.,IEEE/ISSCC 2004 Visulas Supplement,p.22
【特許文献１】特開平１０−１１６４９０号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／００７２１７４号明細書
【特許文献３】米国特許第５６９５８６４号明細書
【特許文献４】特開２００３−１７７８２号公報
【特許文献５】特開２００５−２７７１４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
図６に示した構成の記憶素子１０１において、記憶層（磁化自由層）１０３の磁化Ｍfree（＝Ｍ１）に作用するスピントルクの大きさは、ベクトル三重積Ｍfree×Ｍfree×Ｍrefに比例する。ただし、Ｍrefは、参照層（強磁性層）１１４の磁化（＝Ｍ１２）である。
初期状態では、記憶層（磁化自由層）１０３の磁化Ｍfreeと参照層（強磁性層）１１４の磁化Ｍrefとが反平行状態にあるので、最初に作用するスピントルクは非常に小さい。
このようにスピントルクが小さいため、磁化反転電流が大きくなる。
【００２９】
一般的なｐｈａｓｅ  ｄｉａｇｒａｍは、ヒステリシス領域と、初期磁化状態に関わらずメモリセルを低抵抗状態即ち０状態にする領域（０状態の領域）と、初期磁化状態に関わらずメモリセルを高抵抗状態即ち１状態にする領域（１状態の領域）と、前述した３領域が混在した不安定動作領域とを含む。
ＳｐＲＡＭが現実的な余裕（動作マージン）を有するメモリとして機能するためには、３つの領域（ヒステリシス領域、０状態の領域、及び１状態の領域）が充分に広く独立して存在している必要がある。
ヒステリシス領域を、双安定動作領域とも呼ぶことができる。また、０状態の領域及び１状態の領域を、単安定動作領域とも呼ぶことができる。
【００３０】
ここで、図６に示した記憶素子１０１において、測定したｐｈａｓｅ  ｄｉａｇｒａｍの一例を、図７に示す。図７は、スピン注入電流Ｉｚの電流パルスのパルス幅を１ｎｓ（ナノ秒）とした場合である。
この図７に示すｐｈａｓｅ  ｄｉａｇｒａｍは、スピン注入電流Ｉｚのパルス波高値を縦軸に、バイアス電流磁界Ｈｘのパルス波高値を横軸にして、メモリセルの状態を示した状態図である。
【００３１】
ｐｈａｓｅ  ｄｉａｇｒａｍにおいては、双安定動作領域（ヒステリシス領域８０）と単安定動作領域（０状態の領域８１及び１状態の領域８２）とが分離されていることにより、安定した動作が可能になる。
図７に示すように、図中右上（第一象限）及び左下（第三象限）の端部に、３つの状態８０，８１，８２が混在した不安定動作領域８３が現れている。
このように不安定動作領域８３が現れる場合には、この不安定動作領域８３にかからないように、磁化反転の動作を行う際のスピン注入電流Ｉｚ及びバイアス電流磁界Ｈｘを設定する。
しかしながら、図７に示すｐｈａｓｅ  ｄｉａｇｒａｍでは、双安定動作領域８０が広範囲に現れているため、スピン注入電流Ｉｚ及びバイアス電流磁界Ｈｘを大きくしないと、単安定動作領域８１，８２にかからない。そのため、前述したように、磁化反転電流を大きくする必要があることがわかる。
【００３２】
上述した問題の解決のために、本発明においては、情報の記録を少ない電流量で安定して行うことができる記憶素子、及び記憶素子を備えたメモリを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
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、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成であって、磁化固定層が、非磁性層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、記憶層及び磁化固定層の複数層の強磁性層は、いずれも磁化の向きが積層方向であり、磁化固定層は、複数層の強磁性層のうち少なくとも最も記憶層側に配置された強磁性層において、両端部にそれぞれ、強磁性層の膜面方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、磁化領域が形成されているものである。
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を有し、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子を備え、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であるものである。
【００３４】
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を有し、この記憶層に対して非磁性層を介して磁化固定層が設けられ、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成であるので、積層方向に電流を流すことによってスピン注入により記憶層の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、磁化固定層が、非磁性層を介して積層された複数層の強磁性層から成るため、いわゆる積層フェリ構造となっており、積層された各強磁性層の磁化の向きが互い違いになり、逆向きの磁界が互いに相殺されて、磁化固定層から記憶層への漏れ磁界の大きさを小さくすることができる。
さらに、記憶層及び磁化固定層の複数層の強磁性層は、いずれも磁化の向きが積層方向であり、磁化固定層の複数層の強磁性層（積層フェリ構造）のうち少なくとも最も記憶層側に配置された強磁性層において、強磁性層の両端部にそれぞれ、強磁性層の膜面方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、磁化領域が形成されている。これにより、（磁化固定層の）強磁性層の両端部の磁化領域から、記憶層に対して向きの異なる２つのスピントルクが作用する。これにより、少ない電流量で記憶層の磁化の向きを反転することができる。また、スピン注入電流のパルス幅によらず、磁化の向きを変化させるスイッチングを安定して行うことが可能になる。
【００３５】
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を有し、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子を備え、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であることにより、記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、少ない電流量で情報の記録を行うことができると共に、スピン注入電流のパルス幅によらず、情報の記録を安定して行うことが可能になる。
【００３６】
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、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成であって、磁化固定層が、非磁性層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、記憶層及び磁化固定層の複数層の強磁性層は、いずれも磁化の向きが積層方向であり、磁化固定層の膜面方向の両側に、それぞれ非磁性層を介して、積層方向に電流が流れる配線が設けられているものである。
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を有し、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子を備え、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であり、少なくとも情報の書き込みの際に、配線に電流が供給されて、磁化固定層の強磁性層に電流磁界が印加されるものである。
【００３７】
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を有し、この記憶層に対して非磁性層を介して磁化固定層が設けられ、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成であるので、積層方向に電流を流すことによってスピン注入により記憶層の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、磁化固定層が、非磁性層を介して積層された複数層の強磁性層から成るため、いわゆる積層フェリ構造となっており、積層された各強磁性層の磁化の向きが互い違いになり、逆向きの磁界が互いに相殺されて、磁化固定層から記憶層への漏れ磁界の大きさを小さくすることができる。
さらに、記憶層及び磁化固定層の複数層の強磁性層は、いずれも磁化の向きが積層方向であり、磁化固定層の膜面方向の両側に、それぞれ非磁性層を介して、積層方向に電流が流れる配線が設けられていることにより、この配線に電流を流して電流磁界を磁化固定層に作用させれば、磁化固定層の各強磁性層の両端部にそれぞれ、膜面方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、磁化領域を形成することが可能になる。これにより、磁化固定層の強磁性層の両端部の磁化領域から、記憶層に対して向きの異なる２つのスピントルクが作用するので、少ない電流量で記憶層の磁化の向きを反転することができる。また、スピン注入電流のパルス幅によらず、磁化の向きを変化させるスイッチングを安定して行うことが可能になる。
【００３８】
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を有し、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子を備え、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であることにより、記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、少なくとも情報の書き込みの際に、配線に電流が供給されて、磁化固定層の強磁性層に電流磁界が印加されることにより、電流磁界の作用によって、磁化固定層の各強磁性層の両端部にそれぞれ、膜面方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、磁化領域を形成することが可能になる。これにより、磁化固定層の強磁性層の両端部の磁化領域から、記憶層に対して向きの異なる２つのスピントルクが作用するので、少ない電流量で記憶層の磁化の向きを反転することができるので、少ない電流量で情報の記録を行うことができると共に、スピン注入電流のパルス幅によらず、情報の記録を安定して行うことが可能になる。
【発明の効果】
【００３９】
上述の本発明によれば、少ない電流量で記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。
これにより、情報の記録に要する電力を低減して、消費電力の少ないメモリを実現することができる。
【００４０】
また、スピン注入電流のパルス幅によらず、スイッチングを安定して行うことが可能になることにより、スピン注入電流のパルス幅に対するマージンが広くなる。
これにより、情報の記録を安定して行うことができ、高い信頼性を有する記憶素子を実現することができる。
【００４１】
また、パルス幅に対するマージンが広くなるので、メモリセル毎の特性に若干のばらつきがあっても安定して動作させることができるので、メモリセルの数の多い大容量メモリでも安定して動作させることが可能になる。
即ち、本発明により、安定して動作する記憶容量の大きい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】
【００４２】
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。
スピントランスファを使用するメモリ（ＳｐＲＡＭ）では、記憶層（磁化自由層）の磁化が熱揺らぎに対して安定になるように、充分に大きな異方性が設けられる。
【００４３】
上述の熱揺らぎに対する記憶層の磁化の安定性の度合い、即ち熱安定性の指標は、一般に、熱安定性パラメーター（Δ）で表すことができる。
Δは、Δ＝ＫｕＶ／ｋＢＴ（Ｋｕ：異方性エネルギー、Ｖ：記憶層の体積、ｋＢ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）で与えられる。
【００４４】
従来のＳｐＲＡＭでは、磁化固定層を構成する強磁性層を薄く形成しているので、飽和磁界Ｈｓが大きくなる。この飽和磁界Ｈｓは、２Ｊ／（Ｍｓ・ｄ）で表すことができる。ただし、Ｊは（複数層の強磁性層が）反強磁性結合した磁化固定層の反強磁性結合の大きさであり、Ｍｓは磁化固定層の各強磁性層の飽和磁化である。
飽和磁界Ｈｓが大きいと、記憶層の磁化の向きを反転させるための電流、即ち磁化反転電流を多くする必要がある。
【００４５】
そして、スピントランスファを使用するメモリ（ＳｐＲＡＭ）において、熱安定性の指標（熱安定性パラメーター）Δをある程度以上確保することと、磁化反転電流を低減することとを、両立することが要求される。
【００４６】
そこで、本願の発明者等が種々の検討を行った結果、非磁性層を介して複数の強磁性層が積層され、反強磁性結合した磁化固定層において、少なくとも記憶層に最も近い強磁性層の両端部に、それぞれ積層方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、磁化領域を形成することにより、磁化反転電流を低減すると共に、充分な熱安定性を得ることができ、安定したメモリを形成することができることを、見出した。
【００４７】
記憶層及び磁化固定層の強磁性層の磁化の向きを、図６の記憶素子１０１と同様に膜面方向とした場合には、上述のように、積層方向の磁化成分を有する磁化領域を形成することが有効である。
これに対して、記憶層及び磁化固定層の強磁性層の磁化の向きを、いずれも積層方向とした、いわゆる垂直磁化膜とした場合には、磁化固定層の両端部に、それぞれ膜面方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、磁化領域を形成することが、有効である。
【００４８】
好ましくは、磁化固定層の強磁性層のうち、記憶層に最も近い強磁性層の厚さを２ｎｍ以上とする。
より好ましくは、磁化固定層のそれぞれの強磁性層の厚さを２ｎｍ以上とする。
【００４９】
磁化固定層の強磁性層の両端部に、それぞれ膜面方向の磁化成分を有し、かつ向きが互いに異なる磁化を有する、磁化領域を形成することにより、これら両端部の磁化領域から、記憶層の両端部に向きの異なる膜面方向の２つのスピントルクが作用する。
これら膜面方向の２つのスピントルクにより、積層方向である記憶層の磁化の向きを容易に反転させることが可能になるため、少ない電流量で記憶層の磁化の向きを反転することができる。また、スピン注入電流のパルス幅によらず、磁化の向きを変化させるスイッチングを安定して行うことが可能になる。
【００５０】
続いて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
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、図１に示す。
この記憶素子１は、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子から構成されている。
強磁性層１２及び強磁性層１４が、非磁性層１３を介して配置されていることにより、反強磁性結合している。さらに、強磁性層１２は、反強磁性層１１と接して配置されており、これらの層間に働く交換相互作用によって、強い一方向の磁気異方性を有する。そして、これら４層１１，１２，１３，１４により磁化固定層２が構成される。即ち、磁化固定層２は、２層の強磁性層１２，１４を有している。
強磁性層１６は、その磁化Ｍ１の向きが比較的容易に回転するように構成されており、この強磁性層１６によって記憶層（磁化自由層）３が構成される。
強磁性層１４と強磁性層１６との間、即ち磁化固定層２と記憶層（磁化自由層）３との間には、トンネル絶縁層１５が形成されている。このトンネル絶縁層１５は、上下の磁性層１６及び１４の磁気的結合を切ると共に、トンネル電流を流す役割を担う。これにより、磁性層の磁化の向きが固定された磁化固定層２と、トンネル絶縁層１５と、磁化の向きを変化させることが可能な記憶層（磁化自由層）３とにより、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子が構成されている。
そして、上述の各層１１〜１６と、下地膜１０及びトップコート層１７により、ＴＭＲ素子から成る記憶素子１が構成されている。
【００５１】
非磁性層１３を介した強い反強磁性結合により、強磁性層１２の磁化Ｍ１１と強磁性層１４の磁化Ｍ１２とは、反平行の向きになっている。
そして、トンネル絶縁層１５を挟む、記憶層３の強磁性層１６の磁化Ｍ１の向きと、磁化固定層２の強磁性層１４の磁化Ｍ１２の向きとが、平行状態にあるか反平行状態にあるかによって、これらの層１４，１５，１６から成るＴＭＲ素子の抵抗値が変化する。２つの磁化Ｍ１，Ｍ１２が平行状態では抵抗値が低くなり、反平行状態では抵抗値が高くなる。ＴＭＲ素子（１４，１５，１６）の抵抗値が変化すると、記憶素子１全体の抵抗値も変化する。このことを利用して、情報を記録することや、記録した情報を読み出すことができる。即ち、例えば、抵抗値が低い状態を「０」情報に割り当て、抵抗値が高い状態を「１」情報に割り当てることにより、２値（１ビット）の情報を記録することができる。
なお、磁化固定層２のうち最も記憶層３に近い強磁性層１４は、記録した情報を読み出す際に、記憶層３の磁化Ｍ１の向きの基準となり参照される強磁性層であるため、参照層とも称される。
【００５２】
メモリセルの情報を書き換えたり、メモリセルに記録した情報を読み出したりするためには、記憶素子１の積層方向にスピン注入電流Ｉｚを流す必要がある。
このスピン注入電流Ｉｚの極性を変えることにより、記憶素子１を流れるスピン注入電流Ｉｚを、上向きから下向きに、或いは下向きから上向きに、変えることができる。
これにより、記憶素子１の記憶層３の磁化Ｍ１の向きを変化させて、メモリセルの情報を書き換えることができる。
【００５３】
なお、本実施の形態の記憶素子１も、図６に示した従来の記憶素子１０１と同様に、シリコン基板に形成した選択用ＭＯＳトランジスタに接続して、メモリセルの読み出しを行う構成とすることができる。
また、配線に記憶素子１を接続して、この配線を通じて記憶素子１の積層方向にスピン注入電流Ｉｚを流す構成とすることができる。
【００５４】
本実施の形態の記憶素子１においては、特に、磁化固定層２の２つの強磁性層１２，１４及び記憶層３の強磁性層１６の磁化Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１の向きが、記憶素子１の積層膜の積層方向（図１中上下方向）になっている。
このように磁化固定層２の２つの強磁性層１２，１４及び記憶層３の強磁性層１６の磁化Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１の向きが積層方向であっても、磁化の向きが膜面方向である場合と同様に、記憶素子１に積層方向のスピン注入電流Ｉｚを流すことにより、記憶層３の磁化Ｍ１の向きを反転させることができる。
【００５５】
また、本実施の形態の記憶素子１においては、磁化固定層２の左右に、それぞれ図示しない非磁性層を介して、強磁性層１８，１９を有している。そして、これら強磁性層１８，１９の磁化Ｍ１３，Ｍ１４の向きが記憶素子１の積層膜の膜面方向であり、かつ互いに反対の向きとなっている。強磁性層１８の磁化Ｍ１３は左向きであり、強磁性層１９の磁化Ｍ１４は右向きとなっている。
これらの強磁性層１８，１９の静磁界によって、磁化固定層２の強磁性層１２及び１４において、積層方向の磁化Ｍ１１，Ｍ１２の他に、両端部において膜面方向の磁化成分を有する磁化Ｍ１１ａ，Ｍ１２ａ及びＭ１１ｂ，Ｍ１２ｂを生じる。
図中左側の磁化Ｍ１１ａ及び磁化Ｍ１２ａは左向きとなっており、図中右側の磁化Ｍ１１ｂ及び磁化Ｍ１２ｂは右向きとなっており、これらは互いにほぼ逆向きとなっている。
【００５６】
上述のように膜面方向の磁化成分を有する磁化Ｍ１１ａ，Ｍ１２ａ及びＭ１１ｂ，Ｍ１２ｂを生じることにより、特に、磁化固定層２の強磁性層１２，１４のうち、記憶層３に最も近い強磁性層（参照層）１４の磁化Ｍ１２ａ及びＭ１２ｂによって、前述した記憶層３の磁化Ｍ１とのベクトル三重積Ｍfree×Ｍfree×Ｍrefを、初期状態で大きくすることができる。
従って、記憶層３の磁化Ｍ１の、強磁性層１４の磁化対Ｍ１２ａ，Ｍ１２ｂの直上にある極めて狭い領域に対して、非常に大きいスピントルクが加わる。
【００５７】
図１の記憶素子１において、記憶層３の磁化Ｍ１に加わるスピントルクの状態を、図２に示す。
図２に示すように、磁化対から記憶層３の磁化Ｍ１に対して、互いに逆向きのスピントルクＴａ，Ｔｂが作用する。
そのため、記憶層３の磁化Ｍ１を一斉回転させるのに都合が良い。
これにより、記憶層３の磁化Ｍ１の向きを、容易に反転させることができる。
【００５８】
そして、例えば、強磁性層１２，１４の反強磁性結合Ｊが１ｅｒｇ／ｃｍ２程度であり、記憶層３（１６）の飽和磁化Ｍｓが１２００ｅｍｕ／ｃｃ程度のとき、飽和磁界の大きさが８ｋＯｅ以下に減少する。この飽和磁界とは、磁化固定層２のうち最も記憶層３側に配置された強磁性層１４の磁化Ｍ１２の向きに対して、記憶層３の磁化Ｍ１の向きを平行にするために、磁界を印加した場合、必要となる飽和磁界のことである。
【００５９】
本実施の形態では、磁化固定層２の強磁性層１２，１４に膜面方向の磁化成分を有する磁化Ｍ１１ａ，Ｍ１２ａ及びＭ１１ｂ，Ｍ１２ｂを生じているが、記憶層３の磁化Ｍ１の向きの制御は、図６に示した記憶素子１０１と同様に、スピン注入電流Ｉｚの向き（極性）によって行うことができる。
【００６０】
なお、左側の磁化Ｍ１１ａ及び磁化Ｍ１２ａと、右側の磁化Ｍ１１ｂ及び磁化Ｍ１２ｂとのなす角度は、図１ではほぼ１８０度となっているが、強磁性層１８、１９の飽和磁化の大きさによって、角度を制御することが可能である。
この角度は、図１のような１８０度近傍ではなくても、記憶層３の磁化Ｍ１に異なる向きのスピントルクを作用させて、記憶層３の磁化Ｍ１の向きを容易に反転させることができる。
【００６１】
本実施の形態において、記憶素子１を構成する各層の材料には、従来の記憶素子と同様の材料を用いることができる。
反強磁性層１１の材料としては、例えばＰｔＭｎを用いることができる。
磁化固定層２の強磁性層１２，１４の材料としては、ＣｏＰｔ，ＦｅＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＮｉＣｒ，ＧｄＦｅＣｏ，ＴｂＦｅＣｏ，ＣｏＰｔＰｄ，ＣｏＣｒＴｉ等の強磁性材料を用いることができる。
非磁性層１３の材料としては、例えば、Ｒｕ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｃｕ等を用いることができる。
トンネル絶縁層１５の材料としては、例えばＭｇＯを用いることができる。
記憶層３の強磁性層１６の材料としては、ＣｏＰｔ，ＦｅＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＮｉＣｒ，ＧｄＦｅＣｏ，ＴｂＦｅＣｏ，ＣｏＰｔＰｄ，ＣｏＣｒＴｉ等の強磁性材料を用いることができる。
強磁性層１８，１９の材料としては、磁化の大きい強磁性材料、例えば、ＮｄＦｅＢ等を用いることができる。
【００６２】
本実施の形態の記憶素子１において、磁化固定層２の横の強磁性層１８，１９の磁化Ｍ１３，Ｍ１４の向きが膜面方向であり、磁化固定層２の強磁性層１２，１４の磁化Ｍ１１，Ｍ１２の向きが積層方向であり、これらが異なる方向となっているため、記憶素子１を製造する際に、工夫が必要になる。
例えば、磁化固定層２の強磁性層１２，１４は、反強磁性層１１と共に積層方向に着磁させて、一方、磁化固定層２の横の強磁性層１８，１９は、膜面方向に形状異方性を持たせて膜面方向の磁化を形成すればよい。
【００６３】
上述の本実施の形態の記憶素子１の構成によれば、磁化固定層２の横に膜面方向の磁化Ｍ１３，Ｍ１４を有する強磁性層１８，１９を配置したことにより、磁化固定層２の強磁性層１２，１４の両端部において膜面方向の磁化成分を有し、逆向きの磁化Ｍ１１ａ，Ｍ１２ａ及びＭ１１ｂ，Ｍ１２ｂを生じさせている。この膜面方向の磁化Ｍ１１ａ，Ｍ１２ａ及びＭ１１ｂ，Ｍ１２ｂを有する磁化領域によって、記憶層３の磁化Ｍ１の両端部に対して、互いに逆向きの大きいスピントルクＴａ，Ｔｂを作用させることができる。
このように互いに逆向きの大きいスピントルクＴａ，Ｔｂを作用させることにより、記憶層３の磁化Ｍ１の向きを容易に反転させることができるので、少ない電流量のスピン注入電流Ｉｚで記憶層３の磁化Ｍ１の向きを反転することができる。
従って、情報の記録に要するスピン注入電流Ｉｚを低減して、消費電力を低減することができる。
【００６４】
例えば、熱安定性の指標Δ＝６０である構成の記憶素子１において、スピン注入電流Ｉｚのパルス幅を１ｎｓ（ナノ秒）と比較的長くしても、０．３ｍＡ以下の小さい電流量で磁化反転が可能になる。
これに対して、図６に示した従来の構成の記憶素子１０１において、熱安定性の指標Δ＝６０である構成とすると、パルス幅１ｎｓで磁化反転させるためには、２ｍＡ以上の電流量が必要となる。
【００６５】
また、本実施の形態の記憶素子１によれば、記憶層３の磁化Ｍ１の両端部に対して、互いに逆向きの大きいスピントルクＴａ，Ｔｂを作用させることができるため、スピン注入電流Ｉｚのパルス幅によらず、安定してスイッチングを行うことが可能になる。
これにより、情報の記録を安定して行うことができ、高い信頼性を有する記憶素子１を実現することができる。
また、スピン注入電流Ｉｚのパルス幅に対するマージンが広くなるため、メモリセル毎の特性に若干のばらつきがあっても安定して動作させることができ、メモリセルの数の多い大容量メモリでも安定して動作させることが可能になる。
【００６６】
従って、図１に示す記憶素子１から成るメモリセルを多数有するメモリを構成することにより、消費電力が少なく、かつ安定して動作する記憶容量の大きいメモリを実現することができる。
【００６７】
上述の実施の形態の記憶素子１では、磁化固定層２を記憶層３より下層に形成しているので、参照層１４の膜面方向の磁化成分を有する磁化領域が記憶層３よりも下層側に配置されているが、磁化固定層を記憶層より上層に形成して、磁化領域を記憶層よりも上層側に配置した構成としても良い。
【００６８】
続いて、本発明の他の実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を、図３に示す。
この記憶素子２０は、先の実施の形態の記憶素子１と同様に、下層から、下地膜１０、反強磁性層１１、強磁性層１２、非磁性層１３、強磁性層１４、トンネル絶縁層１５、強磁性層１６、トップコート層１７が積層形成され、反強磁性層１１と強磁性層１２と非磁性層１３と強磁性層（参照層）１４によって磁化固定層２が構成され、強磁性層１６により記憶層（磁化自由層）３が構成されている。磁化固定層２とトンネル絶縁層１５と記憶層３とにより、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子が構成されている。
【００６９】
また、本実施の形態の記憶素子２０では、先の実施の形態の記憶素子１と同様に、磁化固定層２の２つの強磁性層１２，１４及び記憶層の強磁性層１６の磁化Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１の向きが積層方向になっている。
【００７０】
本実施の形態の記憶素子２０も、図６に示した従来の記憶素子１０１と同様に、シリコン基板に形成した選択用ＭＯＳトランジスタに接続して、メモリセルの読み出しを行う構成とすることができる。
【００７１】
本実施の形態の記憶素子２０においては、特に、磁化固定層２の外側に、図示しない非磁性層を介して、配線２１及び２２を有している。
これらの配線１２，２２は、磁化固定層２等の横の部分が積層方向（上下方向）となっており、さらに記憶素子２０の積層膜１０〜１７の上又は下を過ぎると、方向を変えて水平方向（図中左右方向）に延長されており、それぞれ積層膜１０〜１７の上端のトップコート層１７や下端の下地膜１０と接続されている。
【００７２】
また、図３の記憶素子２０を、上から見た平面図を図４に示す。
図３及び図４に示すように、平面パターンが楕円形である強磁性層１４の長軸の延長上に、配線２１，２２が配置されている。
そして、２本の配線２１，２２の積層方向の部分を流れる電流Ｉａ，Ｉｂが作る電流磁界Ｈａ，Ｈｂにより、磁化固定層２の強磁性層１２及び１４において積層方向の磁化Ｍ１１，Ｍ１２の他に、両端部において膜面方向の磁化成分を有する磁化Ｍ１１ａ，Ｍ１２ａ及びＭ１１ｂ，Ｍ１２ｂを生じる。
図中左側の磁化Ｍ１１ａ及び磁化Ｍ１２ａは膜面方向で紙面に垂直の手前向きとなっており、図中右側の磁化Ｍ１１ｂ及び磁化Ｍ１２ｂは紙面に垂直の奥向きとなっており、これらは互いにほぼ逆向きとなっている。
なお、図３の電流Ｉａ，Ｉｂの矢印は、通常の回路図と同様に、正電位から負電位へ向かう表記となっている。
【００７３】
配線２１には、図１の記憶素子１と同様のスピン注入電流Ｉｚと、上述の電流磁界Ｈａを生じるための電流Ｉａとを合成した、電流Ｉｚ＋Ｉａ＝Ｉ１が供給される。
配線２２には、スピン注入電流Ｉｚと、上述の電流磁界Ｈｂを生じるための電流Ｉｂとを合成した、電流Ｉｚ＋Ｉｂ＝Ｉ２が供給される。
【００７４】
好ましくは、配線２１及び配線２２の積層方向の部分を、強磁性層１２，１４から等しい距離に配置すると共に、配線２１の電流Ｉａと配線２２の電流Ｉｂとを等しい電流量とする。
このように構成すれば、記憶層３の磁化Ｍ１に互いに逆向きで大きさが等しいスピントルクを作用させることができるため、効率良く記憶層３の磁化Ｍ１の向きを反転させることができる。
【００７５】
次に、本実施の形態において、図３の３つの電流Ｉｚ，Ｉａ，Ｉｂの印加のタイミングの形態を示す、タイミングチャートを、図５Ａ及び図５Ｂに示す。
【００７６】
図５Ａに示すタイミングチャートは、３つの電流Ｉｚ，Ｉａ，Ｉｂの電流パルスの立ち上がり及び立ち下がりを同時にした形態である。
このように、電流パルスの立ち上がりと立ち上がりを同時にすることにより、配線２１，２２へ電流を流すための電位を供給する駆動を共通化して、メモリの構成を簡略化することも、可能になる。
【００７７】
図５Ｂに示すタイミングチャートは、電流Ｉａ，Ｉｂの電流パルスが、スピン注入電流Ｉｚの電流パルスよりも、先に立ち上がるようにした形態である。
このように、電流Ｉａ，Ｉｂの電流パルスが先に立ち上がることにより、スピン注入電流Ｉｚを流す前に、予め膜面方向の磁化成分を有する磁化領域を形成しておくことができるため、さらに容易に、記憶層３の磁化Ｍ１の向きを反転させることができる。
これにより、スピン注入電流Ｉｚを小さくしたり、スピン注入電流Ｉｚの電流パルスの幅をより短くしたりしても、記憶素子２０に書き込みを行うことが可能になる。
【００７８】
このように、スピン注入電流Ｉｚの電流パルスと電流Ｉａ，Ｉｂの電流パルスの立ち上がりのタイミングを異ならせるためには、配線２１，２２の左右端への電位の供給を、異なるタイミングとすればよい。
【００７９】
なお、スピン注入電流Ｉｚの電流パルスと電流Ｉａ，Ｉｂの電流パルスの立ち下がりのタイミングの関係は、図５Ａ及び図５Ｂのように同時に立ち下げても、どちらかを先に立ち下げても、いずれでも構わない。もちろん、これらの電流Ｉｚ及びＩａ，Ｉｂの電流パルスが少なくとも一部重なっていて、これらの電流Ｉｚ及びＩａ，Ｉｂを同時に流す期間があり、少なくともスピン注入電流Ｉｚが流れる書き込み時に配線２１，２２の電流Ｉａ，Ｉｂが流れるようにする。
【００８０】
上述の本実施の形態の記憶素子２０の構成によれば、磁化固定層２の横に積層方向の配線２１，２２を配置して、少なくとも書き込み時に、この配線２１，２２に電流Ｉａ，Ｉｂを流す。
これにより、配線２１，２２から電流Ｉａ，Ｉｂによる電流磁界Ｈａ，Ｈｂを作用させることにより、磁化固定層２の強磁性層１２，１４の両端部において膜面方向の磁化成分を有し、逆向きの磁化Ｍ１１ａ，Ｍ１２ａ及びＭ１１ｂ，Ｍ１２ｂを生じさせることができる。この膜面方向の磁化Ｍ１１ａ，Ｍ１２ａ及びＭ１１ｂ，Ｍ１２ｂを有する磁化領域によって、記憶層３の磁化Ｍ１の両端部に対して、互いに逆向きの大きいスピントルクを作用させることができる。
このように互いに逆向きの大きいスピントルクを作用させることにより、記憶層３の磁化Ｍ１の向きを容易に反転させることができるので、少ない電流量のスピン注入電流Ｉｚで記憶層３の磁化Ｍ１の向きを反転することができる。
従って、情報の記録に要するスピン注入電流Ｉｚを低減して、消費電力を低減することができる。
【００８１】
また、記憶層３の磁化Ｍ１の両端部に対して、互いに逆向きの大きいスピントルクを作用させることができるため、スピン注入電流Ｉｚのパルス幅によらず、安定してスイッチングを行うことが可能になる。
これにより、情報の記録を安定して行うことができ、高い信頼性を有する記憶素子２０を実現することができる。
また、スピン注入電流Ｉｚのパルス幅に対するマージンが広くなるため、メモリセル毎の特性に若干のばらつきがあっても安定して動作させることができ、メモリセルの数の多い大容量メモリでも安定して動作させることが可能になる。
【００８２】
従って、図３に示す記憶素子２０から成るメモリセルを多数有するメモリを構成することにより、消費電力が少なく、かつ安定して動作する記憶容量の大きいメモリを実現することができる。
【００８３】
図４では、配線２０，２１が強磁性層１４の長軸の延長上に配置されている。このような配置とすれば、配線２０，２１から強磁性層１４の両端部に、電流磁界Ｈａ，Ｈｂを効率よく作用させることができる。
本発明では、記憶層の積層方向の磁化に対して、膜面方向のスピントルクが作用すればよいので、２つの配線の位置は、記憶素子の積層膜の長軸の延長上以外の位置とすることも可能である。例えば、図４の楕円形の積層膜に対して、斜めの位置や短軸の延長上に配線を設けても、記憶層の磁化にスピントルクを作用させることができる。
また、図３及び図４では、左側の磁化Ｍ１１ａ及び磁化Ｍ１２ａと、右側の磁化Ｍ１１ｂ及び磁化Ｍ１２ｂとのなす角度がほぼ１８０度となっているが、２つの配線の位置によって、角度を制御することが可能である。
この角度は、図３及び図４のような１８０度近傍ではなくても、記憶層３の磁化Ｍ１に異なる向きのスピントルクを作用させて、記憶層３の磁化Ｍ１の向きを容易に反転させることができる。
【００８４】
上述の各実施の形態では、磁化固定層２を、非磁性層１３を介して積層された２層の強磁性層１２及び１４から成る構成としたが、本発明では、非磁性層を介して積層された３層以上の強磁性層によって磁化固定層を構成してもよい。
【００８５】
上述の各実施の形態では、記憶層３を、単層の強磁性層１６により構成しているが、本発明では、記憶層を、強磁性結合或いは反強磁性結合した、複数層の強磁性層により構成しても良い。複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層した構成や、複数層の強磁性層が直接積層した構成（この構成の場合、隣接する強磁性層は材料又は組成が異なる）が考えられる。
【００８６】
上述の各実施の形態では、磁化固定層２と記憶層３との間をトンネル絶縁層１５として、ＴＭＲ素子を構成しているが、本発明では、磁化固定層と記憶層との間の非磁性層を非磁性導体層として、ＧＭＲ素子を構成しても構わない。
【００８７】
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】
【００８８】
【図１】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２】図１の記憶層の磁化に加わるスピントルクを示す図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。
【図４】図３の記憶素子を上から見た平面図である。
【図５】Ａ、Ｂ  図３の電流の印加のタイミングの形態を示す、タイミングチャートである。
【図６】従来のスピントランスファを利用するメモリのメモリセルの模式的断面図である。
【図７】図６の記憶素子のｐｈａｓｅ  ｄｉａｇｒａｍである。
【符号の説明】
【００８９】
１，２０  記憶素子、２  磁化固定層、３  記憶層（磁化自由層）、１１  反強磁性層、１２，１４，１６，１８，１９  強磁性層、１３  非磁性層、１５  トンネル絶縁層、２１，２２  配線
【図１】
2008211059.tif 000003
【図２】
2008211059.tif 000004
【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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