(57)【要約】【課題】充分な出力電圧を得ることができると共に、記憶層となる磁性層の磁化の反転を容易に行うことができる磁気記憶素子、及びこの磁気記憶素子を備えた磁気記憶装置を提供する。【解決手段】磁化の向きが固定された第１の磁性層１と、磁化の向きが可変で記憶担体となる第２の磁性層２とが、非磁性導体層４を挟んで積層され、第２の磁性層と磁化の向きが固定された第３の磁性層３とが磁気トンネル接合を形成して成る磁気記憶素子１０を構成する。また、この磁気記憶素子１０と、第１の磁性層１側に接続された配線と、第２の磁性層２側に接続された配線と、第３の磁性層３側に接続された配線とを有し、これら配線の交差点付近に磁気記憶素子１０が配置された磁気記憶装置を構成する。【選択図】  図２
2004288844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも磁化の向きが固定された第１の磁性層と、磁化の向きが可変であり記憶担体となる第２の磁性層と、磁化の向きが固定された第３の磁性層とを含む積層構造を有し、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とが、非磁性導体層を挟んで積層され、
前記第２の磁性層と前記第３の磁性層とが、磁気トンネル接合を形成して成る
ことを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項２】
外部の回路から、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に電流を流して、前記第２の磁性層の磁化の向きを変更可能であり、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間の抵抗を測定することにより、前記第２の磁性層の磁化の向きを検出可能であることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項３】
非線形な電流−電圧特性を有する回路要素が、前記磁気トンネル接合と並列に、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項４】
前記非線形な電流−電圧特性を有する回路要素が、ツェナーダイオードにより構成されていることを特徴とする請求項３に記載の磁気記憶素子。
【請求項５】
少なくとも磁化の向きが固定された第１の磁性層と、磁化の向きが可変であり記憶担体となる第２の磁性層と、磁化の向きが固定された第３の磁性層とを含む積層構造を有し、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とが、非磁性導体層を挟んで積層され、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層とが、磁気トンネル接合を形成して成る磁気記憶素子と、
前記第１の磁性層側に接続された配線と、
前記第２の磁性層側に接続された配線と、
前記第３の磁性層側に接続された配線とを有し、
前記第１の磁性層側に接続された配線及び前記第３の磁性層側に接続された配線と前記第２の磁性層側に接続された配線との交差点付近に、それぞれ前記磁気記憶素子が配置されて成る
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項６】
少なくとも磁化の向きが固定された第１の磁性層と、磁化の向きが可変であり記憶担体となる第２の磁性層と、磁化の向きが固定された第３の磁性層とを含む積層構造を有し、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とが、非磁性導体層を挟んで積層され、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層とが、磁気トンネル接合を形成して成り、非線形な電流−電圧特性を有する回路要素が、前記磁気トンネル接合と並列に、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層に接続されている磁気記憶素子と、
前記第１の磁性層側に接続された配線と、
前記第３の磁性層側に接続された配線とを有し、
前記第１の磁性層側に接続された配線と前記第３の磁性層側に接続された配線との交差点付近に、それぞれ前記磁気記憶素子が配置されて成る
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気記憶素子及び磁気記憶素子を用いて構成された磁気記憶装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ等の情報機器においては、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度のＤＲＡＭが広く使用されている。
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、不揮発メモリとして、磁性体の磁化状態により情報を記録する磁気記憶素子を用いた磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）の開発が進められている（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
このような磁気記憶素子を、大規模固体集積回路（ＬＳＩ）の中で利用するために、様々な試みがなされている。
そして、大規模固体集積回路（ＬＳＩ）のさらなる集積化を図るためには、磁気記憶素子も微細化することが求められる。
【０００５】
しかしながら、例えば上述のＭＲＡＭにおいては、このような配線を流れる電流が作る磁場により、メモリ要素である磁性層の磁化を反転する駆動を行っているため、磁気記憶素子の微細化に伴い、配線の断面積が小さくなることにより、発生することのできる磁場の強度が小さくなってしまう。そのため、ある程度以上に素子を微細化すると、磁化反転を起こせなくなる限界がある。
【０００６】
このような素子の微細化の限界を克服する手段として、一定した磁化の向きをもつ第１の磁性層と磁化の向きが変更可能な第２の磁性層とを積層した構造を用い、両磁性層を貫くように電流を流すことによって、磁場によらずに第２の磁性層の磁化の向きを変えることが試みられるようになった。
こうして磁化の向きが変えられる現象は、『スピン注入』あるいは『スピン輸送トルク』の効果と呼ばれる（例えば、非特許文献２参照）。
【０００７】
この効果を得るために、第１の磁性層から第２の磁性層へ、又はその逆方向に流される電流密度は、１０６〜１０７Ａ／ｃｍ２  程度に大きい。
この大きい電流密度を許容する構造として、非磁性金属中間層を挟んで金属磁性層を配置し、この積層膜に垂直方向に電流を流す巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）の構造、即ちいわゆるＣＰＰ−ＧＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  Ｐｌａｎｅ  ＧＭＲ）素子構造が用いられている。
そして、このＣＰＰ−ＧＭＲ素子構造を採用することにより、スピン輸送トルクによる磁化反転がなされることが実証されている。
【０００８】
ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、磁気センサとして利用されている素子であり、２つの磁性層を有する積層膜を貫いて流れる電流に対する電気抵抗が、２つの磁性層の磁化の相対的な向きに依存する。
従って、スピン輸送トルク作用によって第２の磁性層の磁化の向きを変えてしまうことがない程度の電流を流すことにより、素子の抵抗を測定して、磁化の向きが変更可能な第２の磁性層の磁化の方向を知ることができる。
このような構成の磁気記憶素子が、スピン注入型ＭＲＡＭとして提唱されている。
【０００９】
【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）
【非特許文献２】
日経エレクトロニクス  ２００３．１．２０号（第１００頁）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の出力電圧は、在来型のＭＲＡＭ、即ち配線を流れる電流が作る磁場で書き込みを行うＭＲＡＭにおいて主に用いられているＴＭＲ素子（トンネル磁気抵抗効果素子）と比較して、劣っているという問題がある。
そのため、磁気記憶素子に記録された情報を読み出す際に、情報の内容を正しく検出するために必要な出力電圧を得ることが困難になる。
【００１１】
一方、素子構造として、ＴＭＲ素子の構造、即ちトンネル絶縁層を磁性層で挟んだ構造を採用した場合には、トンネル絶縁層の抵抗が高いために、両磁性層の間に磁化反転に充分なスピン輸送トルクが働くほどの電流を流すことが困難である。
そのため、ＴＭＲ素子は、スピン輸送トルク作用を用いて、情報の記録を行う磁気記憶素子として適していない。
【００１２】
上述した問題の解決のために、本発明においては、充分な出力電圧を得ることができると共に、記憶層となる磁性層の磁化の反転を容易に行うことができる磁気記憶素子、及びこの磁気記憶素子を備えた磁気記憶装置を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気記憶素子は、少なくとも磁化の向きが固定された第１の磁性層と、磁化の向きが可変であり記憶担体となる第２の磁性層と、磁化の向きが固定された第３の磁性層とを含む積層構造を有し、第１の磁性層と第２の磁性層とが非磁性導体層を挟んで積層され、第２の磁性層と第３の磁性層とが磁気トンネル接合を形成して成るものである。
【００１４】
上述の本発明の磁気記憶素子の構成によれば、第１の磁性層と第２の磁性層とが非磁性導体層を挟んで積層されていることにより、第１の磁性層と第２の磁性層との間に比較的大きい電流密度で電流を流すことができ、この電流により記憶担体となる第２の磁性層の磁化の向きを変更することが可能になる。また、第２の磁性層と第３の磁性層とが磁気トンネル接合を形成して成ることにより、これら第２の磁性層と第３の磁性層との間の抵抗を測定すれば、磁気トンネル接合により高い抵抗を有するので、第２の磁性層の磁化の向きに対応した抵抗の変化を検出することが充分可能な出力電圧が得られる。
【００１５】
本発明の磁気記憶装置は、少なくとも磁化の向きが固定された第１の磁性層と、磁化の向きが可変であり記憶担体となる第２の磁性層と、磁化の向きが固定された第３の磁性層とを含む積層構造を有し、第１の磁性層と第２の磁性層とが非磁性導体層を挟んで積層され、第２の磁性層と第３の磁性層とが磁気トンネル接合を形成して成る磁気記憶素子と、第１の磁性層側に接続された配線と、第２の磁性層側に接続された配線と、第３の磁性層側に接続された配線とを有し、第１の磁性層側に接続された配線及び第３の磁性層側に接続された配線と第２の磁性層側に接続された配線との交差点付近に、それぞれ磁気記憶素子が配置されて成るものである。
【００１６】
上述の本発明の磁気記憶装置の構成によれば、上述の本発明の磁気記憶素子と、第１の磁性層側に接続された配線と、第２の磁性層側に接続された配線と、第３の磁性層側に接続された配線とを有し、第１の磁性層側に接続された配線及び第３の磁性層側に接続された配線と第２の磁性層側に接続された配線との交差点付近に、それぞれ磁気記憶素子が配置されていることにより、磁気記憶素子に対して、第１の磁性層と第２の磁性層との間に比較的大きい電流密度の電流を流して、第２の磁性層の磁化の向きを変更して、磁気記憶素子に情報を記録することが可能になる。また、第２の磁性層と第３の磁性層との間の抵抗を測定することにより、充分な出力電圧が得られ、第２の磁性層の磁化の向きに対応した抵抗の変化を検出して、磁気記憶素子に記録された情報を読み出すことができる。
【００１７】
本発明の磁気記憶装置は、少なくとも磁化の向きが固定された第１の磁性層と、磁化の向きが可変であり記憶担体となる第２の磁性層と、磁化の向きが固定された第３の磁性層とを含む積層構造を有し、第１の磁性層と第２の磁性層とが非磁性導体層を挟んで積層され、第２の磁性層と第３の磁性層とが磁気トンネル接合を形成して成り、非線形な電流−電圧特性を有する回路要素が、磁気トンネル接合と並列に、第２の磁性層と第３の磁性層に接続されている磁気記憶素子と、第１の磁性層側に接続された配線と、第３の磁性層側に接続された配線とを有し、第１の磁性層側に接続された配線と第３の磁性層側に接続された配線との交差点付近に、それぞれ磁気記憶素子が配置されて成るものである。
【００１８】
上述の本発明の磁気記憶装置の構成によれば、磁気記憶素子の磁気トンネル接合と並列に、非線形な電流−電圧特性を有する回路要素が第２の磁性層と第３の磁性層に接続され、第１の磁性層側に接続された配線と、第３の磁性層側に接続された配線とを有し、第１の磁性層側に接続された配線と第３の磁性層側に接続された配線との交差点付近に、それぞれ磁気記憶素子が配置されていることにより、磁気記憶素子に対して、非線形な電流−電圧特性を有する回路要素の作用により、比較的大きい電圧を印加したときに電流量が多く流れ、この回路要素を通じて第１の磁性層と第２の磁性層との間に比較的大きい電流密度の電流を流して、第２の磁性層の磁化の向きを変更して、磁気記憶素子に情報を記録することが可能になる。また、第２の磁性層と第３の磁性層との間の抵抗を測定することにより、非線形な電流−電圧特性を有する回路要素の作用により、磁気トンネル接合側で充分な出力電圧が得られ、第２の磁性層の磁化の向きに対応した抵抗の変化を検出して、磁気記憶素子に記録された情報を読み出すことができる。これにより、第２の磁性層側にアドレス用配線を接続しなくても、非線形な電流−電圧特性を有する回路要素の作用により情報の記録及び情報の読み出しの動作が可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の磁気記憶素子は、少なくとも磁化の向きが固定された第１の磁性層と、磁化の向きが可変であり記憶担体となる第２の磁性層と、磁化の向きが固定された第３の磁性層とを含む積層構造を有し、第１の磁性層と第２の磁性層とが非磁性導体層を挟んで積層され、第２の磁性層と第３の磁性層とが磁気トンネル接合を形成して成る磁気記憶素子である。
【００２０】
また、上記本発明の磁気記憶素子において、外部の回路から第１の磁性層と第２の磁性層との間に電流を流して、第２の磁性層の磁化の向きを変更可能であり、第２の磁性層と第３の磁性層との間の抵抗を測定することにより第２の磁性層の磁化の向きを検出可能である構成を可能とする。
【００２１】
また、上記本発明の磁気記憶素子において、非線形な電流−電圧特性を有する回路要素が、磁気トンネル接合と並列に、第２の磁性層と第３の磁性層に接続されている構成を可能とする。
【００２２】
また、上記本発明の磁気記憶素子において、さらに非線形な電流−電圧特性を有する回路要素をツェナーダイオードにより構成することを可能とする。
【００２３】
即ち、本発明の磁気記憶素子の概念図を図１に示すように、第１の磁性層１と第２の磁性層２とが非磁性導体層４を挟んで積層されていると共に、第２の磁性層２と第３の磁性層３とにより磁気トンネル接合ＭＴＪが形成されている。
また、第１の磁性層１及び第３の磁性層３は、磁化の向きが固定されていて磁化固定層（固定層）となるものであり、第２の磁性層２は、磁化の向きが可変であることから記憶層（記憶担体）となるものである。
【００２４】
従って、磁化の向きが可変である記憶用の磁性層と、一定の磁化の向きを保つ参照用の磁性層との２層から成る従来のＭＲＡＭ用積層構造とは、一線を画す新規な構造となっている。
【００２５】
第１の磁性層１と第２の磁性層２との間に、非磁性導体層４を挟んでいることにより、これら第１の磁性層１・非磁性導体層４・第２の磁性層２は、抵抗が低くなっており、充分な電流密度で電流を流すことができる。これにより、前述したスピン輸送トルク作用により第２の磁性層２の磁化を反転させるために必要な電流を流すことが可能になる。
【００２６】
一方、第２の磁性層２と第３の磁性層３とにより磁気トンネル接合ＭＴＪが形成されていることにより、この部分の抵抗が高くなっており、積層方向に電流を流したときの出力電圧を大きくすることができる。これにより、第２の磁性層２の磁化の向きと、第３の磁性層３の固定された磁化の向きとの関係に従って、トンネル磁気抵抗効果による抵抗の変化を検出することが容易になるような出力電圧が得られる。
【００２７】
続いて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
本発明の磁気記憶素子の一実施の形態の概略構成図を図２に示す。
この磁気記憶素子１０は、前述した構成の第１の磁性層１と第２の磁性層２とが非磁性導体層４を挟んで配置されており、また第２の磁性層２と第３の磁性層３とがトンネル絶縁膜５を挟んで配置されて磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が構成されている。
第１の磁性層１は、その上の反強磁性層６により、磁化の方向が固定されている。第３の磁性層３は、その下の反強磁性層７により、磁化の方向が固定されている。
そして、例えば、図中左右方向（ｘ方向）が各磁性層１，２，３の磁化容易軸方向になり、紙面に垂直な方向（ｙ方向）が各磁性層１，２，３の磁化困難軸方向になるように配置する。
【００２８】
各磁性層１，２，３に用いられる磁性材料は、特に限定されず、従来のＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）やＴＭＲ素子（トンネル磁気抵抗効果素子）に用いられている磁性材料を用いることが可能である。
非磁性導体層４には、ＧＭＲ素子に用いられている非磁性導体材料、例えば金、銀、銅、アルミニウム等非磁性の金属を用いることができる。
トンネル絶縁膜５には、例えばアルミ酸化膜、アルミ窒化膜、ジルコニウム酸化膜、亜鉛酸化膜、タンタル酸化膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等を用いることができ、ＴＭＲ素子のトンネル絶縁膜に用いられている絶縁材料と同様の材料を用いることが可能である。
【００２９】
さらに、上述した構成の積層構造体に対して、第２の磁性層２の磁化状態、即ち磁化の向きの切り替え（磁気記憶素子１０がメモリ用途である場合には情報の書き込みに相当する）と、第２の磁性層２の磁化状態の電気的検出（磁気記憶素子１０がメモリ用途である場合には記録された情報の読み出しに相当する）を実現できるように磁気記憶素子を構成する。
【００３０】
そのために、この積層構造体の外部に接続された電気回路を用いて、第１の磁性層１と第２の磁性層２とを貫いて流れる電流を供給して、第２の磁性層２の磁化の向きを変化させることができると共に、第２の磁性層２と第３の磁性層３との間のトンネル抵抗を測定して、第２の磁性層２の磁化の向きを知ることができるように構成する。
【００３１】
この動作を実現するために、各磁性層１，２，３に、それぞれ電位を印加することができるように構成する。
具体的には、例えば図３に示すように、第１の磁性層１側に、即ち反強磁性層６に第１の端子Ｔ１を接続し、第３の磁性層３側に、即ち反強磁性層７に第２の端子Ｔ２を接続し、第２の磁性層２に第３の端子Ｔ３を接続する。そして、各端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は、それぞれ外部回路に接続され、外部回路からそれぞれに電位を印加することが可能であるように構成する。
【００３２】
第１の端子Ｔ１と第３の端子Ｔ３の間にある各層１，４，２がすべて導体層であるため低抵抗であり、第１の端子Ｔ１と第３の端子Ｔ３との間に、スピン輸送トルク作用により第２の磁性層２の磁化の向きを変更する（反転させる）のに充分な電流密度の電流を流すことができる。
【００３３】
なお、積層構造の途中にある第２の磁性層２と第３の端子Ｔ３との具体的な接続方法は、特に限定されるものではない。
例えば、第２の磁性層２の外側に第３の端子Ｔ３となる導電層を形成して、接続を行ってもよい。
また、例えば、第２の磁性層２を積層構造の他の層よりも広いパターンに形成し、この第２の磁性層２の広がった部分の上に、第３の端子Ｔ３を接続してもよい。この場合は、パターニングや成膜工程がやや複雑になるが、第２の磁性層２が薄くなっても容易に端子Ｔ３を接続することができる利点を有する。
【００３４】
続いて、本実施の形態の磁気記憶素子１０に対して、情報の記録を行う駆動動作を説明する。
【００３５】
まず、図４Ａに示すように、図３に示した磁気記憶素子１０の構成において、第１の磁性層１の磁化Ｍ１及び第３の磁性層３の磁化Ｍ３が図中右向きに固定され、第２の磁性層の磁化Ｍ２がその反対の左向きになっている状態から、記録を行うものとして説明する。
【００３６】
次に、図４Ｂに示すように、第１の磁性層１側の第１の端子Ｔ１と、第２の磁性層２に接続された第３の端子Ｔ３とに、それぞれ電位を印加して、これら第１の端子Ｔ１と第３の端子Ｔ３との間に、第１の端子Ｔ１から第３の端子Ｔ３に向かうキャリア流（荷電担体の流れ）Ｊを流す。
必要なキャリア流は、例えば次のようにして実現される。荷電が負の電子がキャリアである金属の場合、キャリアの流れは電流と逆向きになる。従って、電流が第３の端子Ｔ３から第１の端子に向かって流れるように、第３の端子Ｔ３が第１の端子Ｔ１よりも高電位になるような電圧を印加すればよい。
これにより、キャリア流Ｊによるスピン駆動トルクの作用が生じて、第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きが動いていく。
【００３７】
そして、このキャリア流Ｊにより、第２の磁性層２の磁化Ｍ２が右向きに反転される。
最終的には、キャリア流Ｊを停止した後も、図４Ｃに示すように第２の磁性層２の磁化Ｍ２が右向きに保持される。
このようにして、第２の磁性層２の磁化Ｍ２が、左向きから右向きに反転され、情報の記録がなされる。
【００３８】
一方、図４Ｃに示す状態から、情報の内容を変更する場合には、第２の磁性層２の磁化Ｍ２を、右向きから左向きに反転させる。その場合には、図４Ｂとは逆に、第３の端子Ｔ３から第１の端子Ｔ１に向かうキャリア流を流せばよい。
【００３９】
そして、第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きを、電気信号として読み出すためには、第１の端子Ｔ１側を開放し、第２の端子Ｔ２と第３の端子Ｔ３との間の電気抵抗を測定する。
第２の端子Ｔ２と第３の端子Ｔ３との間には、第２の磁性層２・トンネル絶縁膜５・第３の磁性層３を構成要素とする磁気トンネル接合ＭＴＪが形成されており、第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きと、参照用の第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きとの正逆によって大きな抵抗値の差異が現れる。
これにより、高い感度で、第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きを検出することができる。
【００４０】
以上のようにして、スピン輸送トルク（又はスピン注入）による第２の磁性層２の磁化Ｍ２の反転と、磁気トンネル接合ＭＴＪによる第２の磁性層２の磁化状態の検出とを行うことができる。
これにより、磁気記憶素子１０に対して、情報の記録と、記録された情報の読み出しとを、正しく行うことができる。
【００４１】
上述の本実施の形態の磁気記憶素子１０の構成によれば、磁化Ｍ１の向きが固定された第１の磁性層１と、磁化Ｍ２の向きが反転可能とされた第２の磁性層２とが、間に非磁性導体層４を挟んで配置されていることにより、第１の端子Ｔ１と第３の端子Ｔ３との間に大きい電流密度で電流を流すことができ、スピン輸送トルク（又はスピン注入）による第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きの反転を行って、情報の記録を行うことができる。
そして、磁化Ｍ２の向きが反転可能である第２の磁性層２と、磁化Ｍ３の向きが固定された第３の磁性層３とが、間にトンネル絶縁膜５を挟んで配置されていることにより、第２の端子Ｔ２と第３の端子Ｔ３との間の抵抗を測定することにより、高い出力電圧が得られ、第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きに応じて変化する抵抗変化を容易に検出することができる。
従って、情報の記録及び記録された情報の読み出しを、容易に行うことができる。
【００４２】
また、本実施の形態の磁気記憶素子１０では、スピン輸送トルク（又はスピン注入）により、記録を行うようにしているため、磁気記憶素子１０を微細化するのに従って、記録に必要な電流量を低減することができる利点を有する。
これは、第２の磁性層２の磁化Ｍ２を反転させるには、一定以上の電流密度があればよいが、素子が微細化して電流の流れる断面積が低減されると必要な電流量も低減されるからである。
本実施の形態において、積層された膜の大きさ（基板面内の広がり）を４０ｎｍ×１２０ｎｍとしたところ、スピン輸送トルクでの磁化反転が３．８ｍＡの電流で達成された。電流が発生する磁場によって書き込みを行う従来型のＭＲＡＭでの典型的な書き込み電流は数ｍＡであるから、本実施の形態の構成では、上記の素子寸法で既に従来型よりも低めの書き込み所要電流が実現されている。前述したように、スピン輸送トルクによる磁化反転に必要な電流密度は素子寸法に依らないから、素子がより小さくなれば所要書き込み電流はさらに小さくなる。
従って、磁気記憶素子を微細化する場合に好適である。
【００４３】
なお、上述の実施の形態の磁気記憶素子１０では、第１の磁性層１、第２の磁性層２、第３の磁性層３をこの順に積層した構成であったが、例えば図５及び図６に示すように、第２の磁性層２を広く形成して、それぞれ第１の磁性層１と対向する部分２Ａと第３の磁性層３と対向する部分２Ｂとを振り分けた磁気記憶素子２０を構成してもよい。
このように構成することにより、第３の端子Ｔ３を通り第２の磁性層２から流れ出す、又は第２の磁性層２に流れ込む電流路として、最大の場合には第２の磁性層２の底面全体を利用できる（図６において第３の端子Ｔ３に向かう配線は一本の直線で模式的に表されているが、実際の構造としては、例えば第２の磁性層２と同じ又はそれ以上の底面積を有する柱状導体を用いることができる）。このようにして、第２の磁性層２の側方に第３の端子Ｔ３への配線を設ける場合に較べて、電流の集中を避けることが可能になる。電流の極度の集中は、局所的な過熱やエレクトロマイグレーションによって素子の劣化をもたらすが、図６のような構成によれば、その危険を避けることが可能になる利点を有する。
【００４４】
なお、第１の磁性層１と第３の磁性層３の磁化の向きを固定するためには、上述の実施の形態のように反強磁性層６，７を積層する、従来知られた方法の他にも可能であり、例えば磁性層の横に高保磁力磁性層を隣接させたアバット構造（ａｂｕｔｔｅｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ）を設けてもよい。
【００４５】
上述の実施の形態の磁気記憶素子１０を多数マトリクス状に配置することにより、磁気記憶装置を構成することができる。上述の実施の形態の磁気記憶素子１０を用いることにより、安定して情報の記録及び情報の読み出しを行うことができる磁気記憶装置を構成することができる。
【００４６】
次に、本発明の磁気記憶装置の一実施の形態として、上述の実施の形態の磁気記憶素子１０を用いて構成した磁気記憶装置の概略構成図（平面図）を図７に示す。なお、多数配置された磁気記憶素子１０のうち、図７では縦４個・横４個分を図示している。
【００４７】
この磁気記憶装置１０１は、ｘ方向に延びる第１の配線１１１と、ｙ方向に延びる第２の配線１１２と、ｘ方向に延びる第３の配線１１３とが、それぞれ多数格子状に配置されている。そして、第１の配線１１１及び第３の配線１１３と第２の配線１１２との各交差点付近に、図３に示した構成の磁気記憶素子１０が設けられて構成されている。
また、第１の配線１１１は、各磁気記憶素子１０の第２の端子Ｔ２に接続されている。第２の配線１１２は、各磁気記憶素子１０の第３の端子Ｔ３に接続されている。第３の配線１１３は、各行の磁気記憶素子１０上に配置され、各磁気記憶素子１０の第１の端子Ｔ１に接続されている。
従って、第１の配線１１１及び第３の配線１１３により、記録を行う磁気記憶素子１０の行を指定すると共に、第２の配線１１２により、記録を行う磁気記憶素子１０の列を指定することができる。
これら第１の配線１１１、第２の配線１１２、第３の配線１１３は、それぞれ異なる３層の配線層、即ち例えば第１層の配線層、第２層の配線層、第３層の配線層により形成されている。
【００４８】
このように磁気記憶装置を構成した場合、例えば次のようにして磁気記憶素子１０に対して記録を行う。
まず、多数ある第２の配線１１２及び第３の配線１１３からそれぞれ書き込み対象とする１個の磁気記憶素子１０に達する１本ずつを選択し、これら第２の配線１１２が指定する１つの列及び第３の配線１１３が指定する１つの行の交差点付近にある磁気記憶素子１０に記録する情報の内容（「０」或いは「１」）に対応して、第２の配線１１２及び第３の配線１１３から磁気記憶素子１０へ流す電流の向きを設定し、対象の磁気記憶素子１０に充分な電流を流すに足る電位差を２本の配線の間に与える。例えば、書き込みに適した閾値電圧（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  ｖｏｌｔａｇｅ  ）をＶｔｈとすれば、対象とする磁気記憶素子１０に達する第２の配線１１２の電位を（１／２）Ｖｔｈとし、同じく対象とする磁気記憶素子１０に達する第３の配線１１３の電位を−（１／２）Ｖｔｈとする。これにより、第２の配線１１２に接続された第３の端子Ｔ３と第３の配線１１３に接続された第１の端子Ｔ１との間には両配線の電位差であるＶｔｈの印加電圧に相応した電流が流れ、図３の反強磁性層６・第１の磁性層１・非磁性導体層４・第２の磁性層２に電流が流れるので、スピン輸送トルク（又はスピン注入）により第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きを反転させて、情報を記録することができる。
そして、選択する第２の配線１１２及び第３の配線１１３の組を次の組に変えて、第２の配線１１２及び第３の配線１１３から磁気記憶素子１０へ電流を流すことにより、記録をしようとする全ての磁気記憶素子１０に情報の記録を行うことができる。
【００４９】
上述したように記録を行うことにより、選択された磁気記憶素子１０、即ち対応する第２の配線１１２及び第３の配線１１３から電流を流した磁気記憶素子１０では、スピン輸送トルク（又はスピン注入）により第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きが反転して、情報を記録することができる。
これに対して、選択されていない磁気記憶素子１０では、対応する第２の配線１１２及び第３の配線１１３のうちの一方或いは両方の電位は０であり、最大でも（１／２）Ｖｔｈの電位差しかないため、磁気記憶素子１０内には、第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きを反転するような電流密度の電流が流れない。これにより、選択されていない磁気記憶素子１０に誤って記録されることがない。
【００５０】
また、記録されている情報を読み出す場合には、情報を読み出そうとする磁気記憶素子１０に対応する第１の配線１１１及び第２の配線１１２を選択し、第１の配線１１１に接続された第２の端子Ｔ２と、第２の配線１１２に接続された第３の端子Ｔ３との間の抵抗を測定する。これにより、第２の端子Ｔ２と第３の端子Ｔ３との間、即ち図３の反強磁性層７・第３の磁性層３・トンネル絶縁膜５・第２の磁性層２の抵抗を測定することができる。トンネル絶縁膜５を通して抵抗を測定しているため、第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きの違いによる抵抗値の変化を判別するのに必要な、充分高い出力電圧を得ることができる。
そして、選択する第１の配線１１１及び第２の配線１１２の組を次の組に変えて、磁気記憶素子１０の第２の端子Ｔ２と第３の端子Ｔ３との間の抵抗を測定することにより、情報を読み出そうとする全ての磁気記憶素子１０の情報の読み出しを行うことができる。
【００５１】
上述の本実施の形態の磁気記憶装置１０１の構成によれば、誤って目的以外の磁気記憶素子１０に記録してしまうことがなく、第２の配線１１２と第３の配線１１３から磁気記憶素子１０に充分大きい電流密度で電流を流すことができ、スピン輸送トルク（又はスピン注入）により安定して正確に記録を行うことが可能になる。
そして、記憶容量を大きくするために、磁気記憶素子を微小化するほど、スピン輸送トルク（又はスピン注入）による記録が有利になり、記録に必要な電流量を素子の微小化に従って低減することができるため、本実施の形態の磁気記憶装置１０１は、記憶容量を増大させるために好適である。また、磁気記憶装置１０１の消費電力を低減することができる。
また、第１の配線１１１と第２の配線１１２とを選択して、磁気記憶素子１０の第２の端子Ｔ２と第３の端子Ｔ３との間の抵抗を測定することにより、高い出力電圧により、容易に磁気記憶素子１０に記録された情報の読み出しを行うことができる。
【００５２】
次に、本発明の磁気記憶素子の他の実施の形態の概略構成図を図８に示す。
この磁気記憶素子３０は、磁化の向きを変更することが可能である第２の磁性層２を、上側磁性層２１とスペーサー層２２と下側磁性層２３の３層を積層した複合構造としている。
【００５３】
スペーサー層２２は、比較的大きな厚さを持ち、磁化は低いがその上下にある上側磁性層２１の磁化Ｍ２Ａ及び下側磁性層２３の磁化Ｍ２Ｂの相対的方向を常に一定に保つ作用を有するものである。
例えば、銀Ａｇ中に鉄Ｆｅのナノクラスターを分散させた材料を用いて、スペーサー層２２を構成することができる。この場合、Ｆｅナノクラスターを介して、スペーサー層２２の上下の磁性層２１，２３に強磁性的な層間結合が形成されることが確かめられた。
この他、電気伝導率の比較的高い金属である、Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｃｒと、磁性金属であるＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉとの組み合わせをスパッタリングにより堆積した薄膜で同様の作用が期待される。そして、Ａｇ−Ｃｏ，Ａｇ−Ｎｉ，Ａｕ−Ｎｉ，Ｃｕ−Ｆｅ，Ａｌ−Ｃｏ，Ａｌ−Ｆｅ，Ｃｒ−Ｃｏの各組み合わせにおいて強磁性的な層間結合が得られた。
なお、同様の作用が得られる材料であれば、その他の材料を用いてスペーサー層２２を構成してもよい。
ここで、図２や図５に示した構造の磁気記憶素子の各層の典型的な膜厚は次のようなものである。即ち、磁化が固定された第１の磁性層１は１０ｎｍないし５０ｎｍと相対的に厚く、磁化方向が可変である第２の磁性層２は１．５ｎｍないし１０ｎｍと相対的に薄い。これらの中間の非磁性導体層４は、あまり厚すぎるとキャリアが流れる間にスピンを乱す散乱を受ける不利があるため、５ｎｍないし３０ｎｍである。
これに対して、図８に示したようにスペーサー層２２を用いて第２の磁性層２を複合化した場合には、複合構造の上部磁性層２１および下部磁性層２３の膜厚は１．５ｎｍないし１０ｎｍの範囲に選定される（複合構造の中で上部磁性層２１が主、下部磁性層２３が従となって両方が向く磁化方向が決まるように、下部磁性層２３の膜厚は上部磁性層２１の膜厚よりも小さく選定される）。また、スペーサー層２２の膜厚は２０ｎｍないし１００ｎｍの範囲に選定することができる。
上述した膜厚範囲から、単層膜と複合構造の場合について第２の磁性層の厚さを比較すると、単層膜の場合には１．５ｎｍないし１０ｎｍであるが、上部磁性層２１・スペーサー層２２・下部磁性層２３の複合構造の厚さは２３ｎｍないし１２０ｎｍとなり、かなり厚い。
【００５４】
そして、スペーサー層２２の作用により、上側磁性層２１の磁化Ｍ２Ａ及び下側磁性層２３の磁化Ｍ２Ｂが、図８に示すように、同じ向き（例えば図中左向き）に揃えられる。
【００５５】
本実施の形態の磁気記憶素子３０の構成によれば、先の実施の形態の磁気記憶素子１０と同様に、記録の際の電流密度を大きくしてスピン輸送トルク（又はスピン注入）による記録を容易に行うことができ、記録を読み出す際に出力電圧を大きくして容易に記録内容の判別を行うことができる効果を有する。
【００５６】
さらに、本実施の形態の磁気記憶素子３０によれば、第２の磁性層２が上述の複合構造とされていることにより、次のような利点を有している。
【００５７】
まず第１に、スペーサー層２２によって第２の磁性層２全体が充分な厚さを有しているため、第３の端子Ｔ３を設ける加工が容易になる。また、単層の磁性層に第３の端子Ｔ３を接続した場合には、第３の端子Ｔ３付近の電流路の断面積が積層膜の面積に較べて小さくなるのに対して、上述の複合構造により、第３の端子Ｔ３付近の電流路の断面積を比較的大きくすることができ、第２の磁性層２の第３の端子Ｔ３に近い側での過剰な電流の集中が確実に緩和できるようになる。
【００５８】
第２に、スピン輸送トルク作用を発揮するには、磁性層全面を電流が一様に貫き流れることが望ましい。スペーサー層２２がない場合は、例えば第１の端子Ｔ１から第２の磁性層２に流れ込んだキャリアが絶縁層（トンネル絶縁膜）に衝突して散乱されるが、スペーサー層２２を設けた場合は、スペーサー層２２中の磁性原子の濃度が低いため、論文等（例えば、Ｌ．Ｂｅｒｇｅｒ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ，Ｖｏｌ．Ｂ５４，９３５３（１９９６）又はＪ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．１５９，Ｌ１，（１９９６））に記載された理想的な構造のように、キャリアが散乱をあまり受けることなく、上側磁性層２１を貫通することができる。
【００５９】
第３に、こうして理想的に駆動された上側磁性層２１の磁化Ｍ２Ａの向きは、スペーサー層２２を介した層間結合によってトンネル接合面に対向した下側磁性層２３の磁化Ｍ２Ｂの向きに引き継がれるので、トンネル磁気抵抗によりその磁化の向きを検出することができる。さらに、下側磁性層２３として、スピン偏極の高い材料を用いれば、トンネル磁気抵抗効果を効果的に増大させることができる。
【００６０】
従って、第３の端子Ｔ３を設ける加工を容易にして、第３の端子Ｔ３付近の電流の集中を緩和することができる。
また、電流を上側磁性層２１全体に流して、絶縁層における散乱を抑制することにより、充分な電流密度の電流を上側磁性層２１に流して、上側磁性層２１の磁化Ｍ２Ａの向きを容易に反転することができる。
【００６１】
続いて、本発明の磁気記憶素子のさらに他の実施の形態の概略構成図を図９に示す。
この磁気記憶素子４０は、第２の磁性層２及び第３の磁性層３による磁気トンネル接合ＭＴＪと並列して、非線形回路要素３１が設けられて構成されている。
即ち、この非線形回路要素３１は、一方が第２の磁性層２と接続され、他方が第３の磁性層３側に接続された第２の端子Ｔ２と接続されている。
その他の構成は、図２に示した磁気記憶素子１０と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００６２】
ＭＲＡＭのメモリセルに能動素子を含ませるという概念は、例えば特開２００１−２０３３３２号に記載されているが、本発明においては、スピン輸送トルクを利用した磁気記憶素子に能動素子を組み込む点で新しく、また非線形回路要素の有用な接続箇所を限定した点で新規である。
また、従来は、多数ある磁気記憶素子の選択や、抵抗出力の増幅のために、能動素子を使用することが考えられていたのに対して、本発明では、情報の記録の動作を行うための駆動用に、能動素子を使用している。
【００６３】
次に、非線形回路要素３１を、具体的な回路部品で構成した形態をいくつか示す。
【００６４】
図１０に示す磁気記憶素子４１は、非線形回路要素として、ＭＯＳ型のトランジスタ３２を接続した形態である。
第２の磁性層２に接続された第３の端子Ｔ３に、トランジスタ３２のソース・ドレインのうちの一方が接続されている。
また、第３の磁性層３側の反強磁性層７に接続された第２の端子Ｔ２に、トランジスタ３２のソース・ドレインのうちの他方が接続されている。
そして、トランジスタ３２のゲートには、第４の端子Ｔ４が接続されており、この第４の端子Ｔ４を通じて、トランジスタ３２のＯＮとＯＦＦの制御のための電圧が印加される。
【００６５】
このように磁気記憶素子４１を構成していることにより、次のように動作させて、情報の記録を行うことができる。
【００６６】
まず、第２の磁性層２の磁化を反転させて情報を記録するときには、トランジスタ３２をＯＮ状態にして、第２の端子Ｔ２と第３の端子Ｔ３との間を短絡する。これにより、第１の端子Ｔ１−反強磁性層６−第１の磁性層１−第２の磁性層−第３の端子Ｔ３−トランジスタ３２のチャネル−第２の端子Ｔ３という、いずれも導体層又は導電性の高い半導体層（トランジスタ３２のチャネル）による電流路が形成されるため、第１の端子Ｔ１と第３の端子Ｔ３との間に高い電流密度の電流を無理なく流すことができ、容易に情報の記録を行うことができる。
【００６７】
また、磁気トンネル接合の抵抗を測定して情報を読み出すときには、トランジスタ３２をＯＦＦ状態にして第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２の間の抵抗を測定すれば、トンネル絶縁膜５を挟んで高い出力電圧が得られ、第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２との間で容易に抵抗を測定できる。
【００６８】
このように、トランジスタ３２のＯＮ／ＯＦＦにより磁気トンネル接合ＭＴＪの並列インピーダンスを変える操作を行うことによって、図３の構成では第１の端子Ｔ１及び第３の端子Ｔ３の組、又は第２の端子Ｔ２及び第３の端子Ｔ３の組を使い分けなければならなかった操作が、いずれも第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２だけを用いて実現されるようになる。
【００６９】
図１１に示す磁気記憶素子４２は、非線形回路要素として、２つのダイオード３３Ａ，３３Ｂを互いに並列に、かつ逆向きに接続したダイオード回路３３を用いた形態である。
【００７０】
図１０に示した磁気記憶素子４１の形態では、トランジスタ３２のゲート電圧を外部から制御することが必要であったが、本形態の磁気記憶素子４２では、ダイオード回路３３の非線形性によって、第２の端子Ｔ２と第３の端子Ｔ３の間の並列インピーダンスが印加電圧に応じて自動的に変わるため、外部から見れば第１の端子Ｔ１及び第２の端子Ｔ２だけの擬２端子素子で同じ動作（即ち、充分大きな電流密度でスピン輸送トルクを利用した情報の書き込みを実現し、かつトンネル磁気抵抗効果を利用した充分大きな出力電圧での情報の読み出しを行うこと）が達成される。
【００７１】
即ち、第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２との間に電圧Ｖを印加したときに、第２の端子Ｔ２と第３の端子Ｔ３との間に印加される電圧Ｖ２３がダイオード３３Ａ，３３Ｂの順方向電圧を超えた場合には、２つのダイオード３３Ａ，３３Ｂのいずれかが短絡されるため、第１の端子Ｔ１と第３の端子Ｔ３との間、即ち第１の磁性層１・非磁性導体層４・第２の磁性層２に大きな電流が流れ、第２の磁性層２の磁化の向きを制御することができる。
一方、第２の端子Ｔ２と第３の端子Ｔ３との間に印加される電圧Ｖ２３がダイオード３３Ａ，３３Ｂの順方向電圧未満の場合には、ダイオード３３Ａ，３３Ｂの抵抗が比較的大きくなっているため、トンネル絶縁膜５を介した磁気トンネル接合側にトンネル電流を流して、磁気トンネル接合の抵抗測定を行うことが可能になる。
【００７２】
そして、ダイオード３３Ａ，３３Ｂの順方向電圧は、通常０．５Ｖ  程度であり、それ以上ではダイオード回路３３側が短絡されるので、磁気トンネル接合を破壊するような電圧が加わることを自動的に避けることができる、という利点も有している。
【００７３】
次に、２個のダイオード３３Ａ，３３Ｂを用いる代わりに、１個のツェナーダイオード３４を用いて非線形回路要素を構成した形態の磁気記憶素子４３を図１２Ａに示す。また、ツェナーダイオード３４の電流−電圧特性を図１２Ｂに示す。
本形態においても、ツェナーダイオード３４の非線形性によって、第２の端子Ｔ２と第３の端子Ｔ３の間の並列インピーダンスが自動的に変わるため、外部から見れば第１の端子Ｔ１及び第２の端子Ｔ２だけの擬２端子素子で同じ動作（即ち、充分大きな電流密度でスピン輸送トルクを利用した情報の書き込みを実現し、かつトンネル磁気抵抗効果を利用した充分大きな出力電圧での情報の読み出しを行うこと）が達成される。
【００７４】
そして、例えば、図１２Ｂの順バイアス電圧側にある第１の書き込み動作点ＰＷ１において、例えば「１」の情報を書き込み、逆バイアス電圧側にある第２の書き込み動作点ＰＷ２において、例えば「０」の情報を書き込むことができる。
また、図１２Ｂの逆バイアス電圧側の抵抗が高い（電圧の絶対値が閾値電圧より小さい）部分にある読み出し動作点ＰＲ１において、磁気トンネル接合の抵抗を測定することにより、記録された情報を読み出すことができる。
【００７５】
この形態の場合の利点は、読み出し動作時の磁気トンネル接合への印加電圧を必要に応じて高めに設定できることである。
例えば、破壊耐圧が２Ｖの磁気トンネル接合を用いた場合には、読み出し動作時に、図１１のダイオード回路３３では０．５Ｖ程度の電圧しか印加することができないのに対して、本形態の構成でツェナー電圧が１．５Ｖのツェナーダイオード３４を用いることにより、例えば図１２Ｂの読み出し動作点ＰＲ１において、１Ｖの印加電圧で容易にかつ正確に磁気トンネル接合部の抵抗の測定ができる。
また、ツェナーダイオード３４に順方向電圧を加える場合には、蓄積容量が生じて速い応答が阻害されるが、読み出し動作点ＰＲ１を逆バイアス側としていることにより、速い応答がなされ、高速な読み出しに適している。
【００７６】
なお、本形態ではツェナーダイオード３４を用いたが、同様に作用するものであれば、その他の構成も可能であり、例えばアバランシェ作用を利用したダイオードを用いてもよい。
【００７７】
次に、磁気トンネル接合に並列接続される非線形回路要素の電流−電圧特性を対称化した形態を示す。
具体的には、磁気記憶素子４４の概略構成図を図１３Ａに示すように、非線形回路要素として、ダイオード３５Ａとツェナーダイオード３６Ａとを互いに順方向が逆になるように直列接続した第１の部分と、ダイオード３５Ｂとツェナーダイオード３６Ｂとを互いに順方向が逆になるように直列接続した第２の部分とを有し、第１の部分と第２の部分とが並列に接続されている。なお、ダイオード３５Ａとダイオード３５Ｂ、並びにツェナーダイオード３６Ａとツェナーダイオード３６Ｂは、いずれも互いに順方向が逆になっている。
【００７８】
このように非線形回路要素を構成したことにより、非線形回路要素の電流−電圧特性を図１３Ｂに示すように、電流−電圧特性を、順バイアス電圧のときと逆バイアス電圧のときとで対称にすることができる。
【００７９】
これによって、読み出し時に第１の読み出し動作点ＰＲ１或いは第２の読み出し動作点ＰＲ２のいずれか一方において、ある特定の情報（「０」又は「１」）を書き込んだときの前後の磁気トンネル接合の抵抗を測定して、抵抗を比較することにより、いわゆる自己参照的検出（例えば『日経エレクトロニクス』２００３．２．１７，  ２８ページ参照）を行うことが可能になる。
書き込んだ後の抵抗が書き込む前と同じ場合には、書き込んだ情報と同じ情報が記録されていたことがわかり、書き込んだ後の抵抗が書き込む前と異なる場合には、書き込んだ情報と異なる情報が記録されていたことがわかる。
【００８０】
なお、図９の非線形回路要素３１として、１個のダイオードを用いて磁気記憶素子４０を構成してもよい。この場合は、情報の書き込みのための電流が一方向にしか流せなくなるが、例えばライトワンスの磁気メモリや、ＥＥＰＲＯＭのように全体を消去してから各メモリセルに情報を書き込む磁気メモリ等の、一方の情報（例えば「１」のみ）の書き込みが可能であればよい構成の磁気記憶装置に用いることができる。
【００８１】
次に、本発明の磁気記憶装置の一実施の形態として、図９に示した構成の磁気記憶素子４０を用いて構成した磁気記憶装置の概略構成図（平面図）を図１４に示す。なお、多数配置された磁気記憶素子４０のうち、図１４では縦４個・横４個分を図示している。
【００８２】
この磁気記憶装置１０２は、ｘ方向に延びる第１の配線１１１と、ｙ方向に延びる第２の配線１１２とが、それぞれ多数格子状に配置されている。そして、第１の配線１１１と第２の配線１１２との各交差点付近に、図９に示した構成の磁気記憶素子４０が設けられて構成されている。
また、第１の配線１１１は、各磁気記憶素子４０の第２の端子Ｔ２及び非線形回路要素３１に接続されている。第２の配線１１２は、各行の磁気記憶素子４０上に配置され、各磁気記憶素子４０の第１の端子Ｔ１に接続されている。
従って、第１の配線１１１により、記録を行う磁気記憶素子４０の行を指定すると共に、第２の配線１１２により、記録を行う磁気記憶素子４０の列を指定することができる。
これら第１の配線１１１、第２の配線１１２は、それぞれ異なる配線層、即ち例えば第１層の配線層、第２層の配線層により形成されている。
【００８３】
このように磁気記憶装置を構成した場合、例えば次のようにして磁気記憶素子４０に対して記録を行う。
まず、多数ある第１の配線１１１及び第２の配線１１２からそれぞれ書き込み対象とする１個の磁気記憶素子４０に達する１本ずつを選択し、これら第１の配線１１１が指定する１つの行及び第２の配線１１２が指定する１つの列の交差点付近にある磁気記憶素子４０に記録する情報の内容（「０」或いは「１」）に対応して、第１の配線１１１及び第２の配線１１２から磁気記憶素子４０へ流す電流の向きを設定し、対象の磁気記憶素子４０に充分な電流を流すに足る電位差を２本の配線の間に与える。例えば、書き込みに適した閾値電圧（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  ｖｏｌｔａｇｅ  ）を第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２の間に対してＶｔｈだとすれば、対象とする磁気記憶素子４０に達する第１の配線１１１の電位を（１／２）Ｖｔｈとし、同じく対象素子に達する第２の配線１１２の電位を−（１／２）Ｖｔｈとする。この場合、閾値Ｖｔｈの電圧が印加されたときに、非線形回路要素３１を経由し磁気トンネル接合ＭＴＪのバイパスとなる電流路がＯＮ状態（低インピーダンス状態）になるように、非線形回路要素３１の特性（例えば、ツェナーダイオードの降伏電圧（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ  ｖｏｌｔａｇｅ  ）Ｖｂが選択されていることが重要である。これにより、非線形回路要素３１の特性から、磁気記憶素子４０の磁気トンネル接合ＭＴＪ側よりも非線形回路要素３１側に大きい電流密度の電流が流れ、即ち第１の配線１１１に接続された非線形回路要素３１と第２の配線１１２に接続された第１の端子Ｔ１との間には両配線の電位差であるＶｔｈの印加電圧に相応した電流が流れ、図９の第１の磁性層１・非磁性導体層４・第２の磁性層２に電流が流れるので、スピン輸送トルク（又はスピン注入）により第２の磁性層２の磁化の向きを反転させて、情報を記録することができる。
そして、選択する第１の配線１１１及び第２の配線１１２の組を次の組に変えて、第１の配線１１１及び第２の配線１１２から磁気記憶素子４０へ電流を流すことにより、記録をしようとする全ての磁気記憶素子４０に情報の記録を行うことができる。
【００８４】
上述したように記録を行うことにより、選択された磁気記憶素子４０、即ち対応する第１の配線１１１及び第２の配線１１２から電流を流した磁気記憶素子４０では、スピン輸送トルク（又はスピン注入）により第２の磁性層２の磁化の向きが反転して、情報を記録することができる。
これに対して、選択されていない磁気記憶素子４０では、対応する第１の配線１１１及び第２の配線１１２のうちの一方或いは両方の電位は０であり、最大でも（１／２）Ｖｔｈの電位差しかないため、磁気記憶素子４０内には、第２の磁性層２の磁化の向きを反転するような電流密度の電流が流れない。これにより、選択されていない磁気記憶素子４０に誤って記録されることがない。
特に、スピン輸送トルクによる書き込みの閾値電圧の絶対値｜Ｖｔｈ｜と、非線形回路要素３１がＯＮになる電圧の絶対値｜Ｖｂ｜との間に、｜Ｖｔｈ｜＞｜Ｖｂ｜＞｜（１／２）Ｖｔｈ｜の大小関係があるときには、非線形回路要素が書き込み対象素子の選択性を高める効果もある。即ち、上述のように選択された行又は列の配線のみに（１／２）Ｖｔｈ及び−（１／２）Ｖｔｈの電位を与え、それ以外の配線には０電位を与えた場合、非線形回路要素３１がＯＮになるのは書き込み対象として選択された１個の磁気記憶素子４０においてだけである。従って、この素子においてのみ、第１の磁性層１と第２の磁性層２を貫く大きな電流が流れる。
この事情を、前述した図７の構成で、３端子素子１０に対して第２の配線１１２と第３の配線１１３にそれぞれ（１／２）Ｖｔｈと−（１／２）Ｖｔｈを与えた場合の状況と比較すると、選択性が向上していることが分かる。即ち、前述した３端子素子の場合、書き込み対象の素子自体ではないが０電位ではない（１／２）Ｖｔｈ又は−（１／２）Ｖｔｈの電位が与えられた配線に接している素子においては、その第１の磁性層１と第２の磁性層２とを貫いて、そこに印加された電圧の大きさ｜（１／２）Ｖｔｈ｜に比例して書き込み閾値の半分の大きさの電流が流れる。
一方、本形態の擬２端子素子の場合、印加電圧が｜（１／２）Ｖｔｈ｜では非線形回路要素３１がＯＮにならないため、そこを流れる電流、ひいては第１の磁性層１と第２の磁性層２を貫いて流れる電流は著しく抑圧される。こうしてただ１個の素子だけを確実に選択した書き込みが達成される。
【００８５】
また、記録されている情報を読み出す場合には、情報を読み出そうとする磁気記憶素子４０に対応する第１の配線１１１及び第２の配線１１２を選択し、第１の配線１１１に接続された第２の端子Ｔ２と、第２の配線１１２に接続された第１の端子Ｔ１との間の抵抗を測定する。これにより、第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２との間、即ち図９の第１の磁性層１・非磁性導体層４・第２の磁性層２・磁気トンネル接合ＭＴＪ・第３の磁性層３の抵抗と、非線形回路要素３１の抵抗との合成抵抗が得られる。非線形回路要素３１の抵抗は、非線形回路要素３１の電流−電圧特性に従って非線形回路要素３１への印加電圧により決まる。非線形回路要素３１への印加電圧は第１の端子Ｔ１と非線形回路要素３１との間が導体層でほとんど電圧が生じないので、第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２との間の電圧とほぼ同じである。抵抗測定の際の第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２との間の印加電圧を、非線形回路要素３１がＯＮになる電圧Ｖｂより小さく選定しておけば、非線形回路要素３１はＯＦＦ状態にあり、その抵抗は磁気トンネル接合ＭＴＪの抵抗に較べて高い。このように高い抵抗が並列接続された場合の合成抵抗の値に対しては低い方の抵抗値が支配的になるので、第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２との間の抵抗値は磁気トンネル接合ＭＴＪの抵抗値をよく反映する。磁気トンネル接合ＭＴＪを通して抵抗を測定しているため、第２の磁性層２の磁化の向きの違いによる抵抗値の変化を判別するのに必要な、充分高い出力電圧を得ることができる。
そして、選択する第１の配線１１１及び第２の配線１１２の組を次の組に変えて、磁気記憶素子４０の第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２との間の抵抗を測定することにより、情報を読み出そうとする全ての磁気記憶素子４０の情報の読み出しを行うことができる。
【００８６】
上述の本実施の形態の磁気記憶装置１０２の構成によれば、誤って目的以外の磁気記憶素子４０に記録してしまうことがなく、第１の配線１１１と第２の配線１１２から磁気記憶素子４０に充分大きい電流密度で電流を流すことができ、スピン輸送トルク（又はスピン注入）により安定して正確に記録を行うことが可能になる。
そして、記憶容量を大きくするために、磁気記憶素子を微小化するほど、スピン輸送トルク（又はスピン注入）による記録が有利になり、記録に必要な電流量を素子の微小化に従って低減することができるため、本実施の形態の磁気記憶装置１０２は、記憶容量を増大させるために好適である。また、磁気記憶装置１０２の消費電力を低減することができる。
また、第１の配線１１１と第２の配線１１２とを選択して、磁気記憶素子４０の第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２との間の抵抗を測定することにより、高い出力電圧により、容易に磁気記憶素子４０に記録された情報の読み出しを行うことができる。
【００８７】
特に、この磁気記憶装置１０２の場合は、第１の配線（第１層の配線層）１１１と第２の配線（第２層の配線層）１１２の２つの配線で、記録を行うメモリセルの磁気記憶素子４０を選択する操作を行うことができる。
従って、磁気記憶装置１０２の製造プロセスの簡略化や製造歩留まりの向上を図ることができる。
【００８８】
また、図１０〜図１３に示した各形態の磁気記憶素子４１，４２，４３を用いて、図１４の磁気記憶装置１０２と同様に、配線の数を２種類に低減することができる磁気記憶装置を構成することができる。
【００８９】
なお、上述した各実施の形態の磁気記憶素子では、非磁性導体層４がトンネル絶縁膜５よりも上方にあり、磁気トンネル接合が磁気記憶素子の下半分に配置されているが、逆に磁気トンネル接合が磁気記憶素子の上半分に配置され、非磁性導体層がトンネル絶縁膜よりも下方にある配置も可能である。
特に、図１等に示したように、磁気トンネル接合を磁気記憶素子の下半分（基板に近い側）に配置した場合には、薄いトンネル絶縁膜として、良質の膜を成膜しやすい、という利点がある。
【００９０】
また、本発明において、磁気記憶素子の第１の磁性層、第２の磁性層、第３の磁性層は、単層に限定されるものではなく、図８に示したスペーサー層を設けた構成の他、複数の磁性層を積層した構成や複数の磁性層の間に非磁性層を挟んだフェリ磁性層等、複数層により形成してもよい。
【００９１】
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。
【００９２】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、磁気記憶素子の第１の磁性層と第２の磁性層との間に比較的大きい電流密度で電流を流して、第２の磁性層の磁化の向きを容易に反転して、磁気記憶素子に情報の記録を行うことができるため、磁気記憶素子を微小化したときでも記録に必要な電流密度を確保することができる。さらに、一定以上の電流密度があれば記録を行うことができるため、磁気記憶素子を微小化するほど、必要な電流を低減することができる。
また、本発明によれば、磁気記憶素子の第２の磁性層と第３の磁性層との間の磁気トンネル接合により、第２の磁性層と第３の磁性層との間の抵抗を測定することにより、記録された情報即ち第２の磁性層の磁化の向きを判別するのに充分な出力電圧が得られる。
【００９３】
従って、本発明により、磁気記憶素子に対して、正しくかつ容易に情報の記録を行い、容易に記録された情報の読み出しを行うことができる。
また、磁気記憶素子の微小化に適しているため、磁気記憶素子を多数配置して磁気記憶装置を構成することにより、磁気記憶装置の集積化（高密度化）や小型化を図ることができる。
さらに、磁気記憶素子に情報を記録するために必要な電流量を低減して、磁気記憶装置全体の消費電力を低減することも可能になる。
【００９４】
さらに、特に磁気記憶素子の第２の磁性層と第３の磁性層とに、磁気トンネル接合と並列に非線形の電圧−電流特性を有する回路要素を接続した構成としたときには、非線形の電圧−電流特性を有する回路要素の作用により、第１の磁性層と第２の磁性層との間に大きい電流密度で電流を流して、磁気記憶素子に情報を記録することができ、また磁気記憶素子の抵抗を測定したときに充分な出力電圧を得て磁気記憶素子に記録された情報を読み出すことができる。
そして、非線形の電圧−電流特性を有する回路要素を磁気記憶素子に設けたことにより、磁気記憶装置において外部から第２の磁性層側に接続された配線を設ける必要がなくなるため、配線層の数を低減して、磁気記憶装置の製造工程の簡略化や製造歩留まりの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気記憶素子の概念図である。
【図２】本発明の磁気記憶素子の一実施の形態の概略構成図である。
【図３】図２の磁気記憶素子において、各磁性層に端子を接続した構成を示す図である。
【図４】Ａ〜Ｃ  図３に示す磁気記憶素子に対する記録動作を説明する図である。
【図５】第２の磁性層を広く形成し、第１の磁性層と対向する部分と第３の磁性層と対向する部分とに分けた形態を示す図である。
【図６】図５の磁気記憶素子において、各磁性層に端子を接続した構成を示す図である。
【図７】図３の磁気記憶素子を用いた磁気記憶装置の概略構成図（平面図）である。
【図８】本発明の磁気記憶素子の他の実施の形態の概略構成図である。
【図９】本発明の磁気記憶素子のさらに他の実施の形態の概略構成図である。
【図１０】非線形回路要素にトランジスタを用いた形態の磁気記憶素子の概略構成図である。
【図１１】非線形回路要素に２つのダイオードを用いた形態の磁気記憶素子の概略構成図である。
【図１２】Ａ  非線形回路要素にツェナーダイオードを用いた形態の磁気記憶素子の概略構成図である。
Ｂ  図１２Ａの磁気記憶素子の非線形回路要素の電流−電圧特性を示す図である。
【図１３】Ａ  非線形回路要素の電流−電圧特性を対称にした形態の磁気記憶素子の概略構成図である。
Ｂ  図１３Ａの磁気記憶素子の非線形回路要素の電流−電圧特性を示す図である。
【図１４】図９の磁気記憶素子を用いた磁気記憶装置の概略構成図（平面図）である。
【符号の説明】
１  第１の磁性層、２  第２の磁性層、３  第３の磁性層、４  非磁性導体層、５  トンネル絶縁膜、６，７  反強磁性層、１０，３０，４０，４１，４２，４３，４４  磁気記憶素子、２１  上側磁性層、２２  スペーサー層、２３  下側磁性層、３１  非線形回路要素、３２  トランジスタ、３３Ａ，３３Ｂ，３５Ａ，３５Ｂ  ダイオード、３４，３６Ａ，３６Ｂ  ツェナーダイオード、１０１，１０２  磁気記憶装置、１１１  第１の配線、１１２  第２の配線、１１３  第３の配線、ＭＴＪ  磁気トンネル接合
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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