(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔をあけて配置されて、それぞれ選択的に直流電流が流される複数本の第１の書き込み導体線と、
所定の間隔をあけて配置され且つ前記複数本の第１の書き込み導体線と交差するように配置されて、それぞれ選択的に高周波電流が流される複数本の第２の書き込み導体線と、
選択された１以上の前記第１の書き込み導体線に前記直流電流を流し、選択された１以上の前記第２の書き込み導体線に前記高周波電流を流して、前記第１及び第２の書き込み導体線の交差点に前記直流電流及び前記高周波電流に基いて合成磁場を発生する合成磁場発生用電流通電回路と、
前記複数の第１の書き込み導体線と前記複数の第２の書き込み導体線とが交差して作られる複数の交差点に１つずつ対応して配置された、情報を保持するための磁性層を備えた複数の磁気記憶セルとを備え、
１つの前記磁気記憶セルに対してその周囲にある他の複数の磁気記憶セルから漏洩した漏洩磁界の影響によって、前記１つの磁気記憶セルが最も大きな順方向磁化作用を受ける状態において、前記直流電流が流れているときにおける前記１つの磁気記憶セルの強磁性共鳴周波数を最大強磁性共鳴周波数とした場合に、前記高周波電流の周波数は、前記直流電流が流れているときに、前記複数の磁気記憶セルごとにそれぞれ定まる複数の前記最大強磁性共鳴周波数の中で最も高い前記最大強磁性共鳴周波数よりも高く設定されており、
前記高周波電流の前記周波数とその電流値は、前記直流電流が流れておらず且つ前記高周波電流が流れている１以上の前記交差点に対応して配置された１以上の前記磁気記憶セルの前記情報を保持させる磁性層のみを磁化反転させることがない相関関係を有していることを特徴とする磁気メモリ装置。
【請求項２】
前記第１の書き込み導体線が、前記情報を保持するための磁性層の磁化容易軸と平行な前記第２の書き込み導体線に対して、４５°傾けた状態で配置されており、
前記高周波電流の周波数が、前記直流電流が流れておらず且つ前記高周波電流が流れている１以上の前記交差点に対応して配置された１以上の前記磁気記憶セルの前記情報を保持させる磁性層のみを磁化反転させることができる磁化反転臨界周波数よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ装置。
【請求項３】
前記複数の磁気記憶セルのそれぞれのギルバートのダンピング定数が、０．０３以下であり、
前記高周波電流の周波数が、前記最大強磁性共鳴周波数から高周波側に０．６９％以上増加させた値であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気メモリ装置。
【請求項４】
所定の間隔をあけて配置されて、それぞれ選択的に直流電流が流される複数本の第１の書き込み導体線と、
所定の間隔をあけて配置され且つ前記複数本の第１の書き込み導体線と交差するように配置されて、それぞれ選択的に高周波電流が流される複数本の第２の書き込み導体線と、
選択された１以上の前記第１の書き込み導体線に前記直流電流を流し、選択された１以上の前記第２の書き込み導体線に前記高周波電流を流して、前記第１及び第２の書き込み導体線の交差点に前記直流電流及び前記高周波電流に基いて合成磁場を発生する合成磁場発生用電流通電回路と、
前記複数の第１の書き込み導体線と前記複数の第２の書き込み導体線とが交差して作られる複数の交差点に１つずつ対応して配置された、情報を保持するための磁性層を備えた複数の磁気記憶セルとを備えた磁気メモリ装置の書き込み方法であって、
１つの前記磁気記憶セルに対してその周囲にある他の複数の磁気記憶セルから漏洩した漏洩磁界の影響によって、前記１つの磁気記憶セルが最も大きな順方向磁化作用を受ける状態において、前記直流電流が流れているときにおける前記１つの磁気記憶セルの強磁性共鳴周波数を最大強磁性共鳴周波数とした場合に、
前記高周波電流の周波数を、前記直流電流が流れているときに、前記複数の磁気記憶セルごとにそれぞれ定まる複数の前記最大強磁性共鳴周波数の中で最も高い前記最大強磁性共鳴周波数よりも高く設定し、
前記高周波電流の電流値を、前記直流電流が流れておらず且つ前記高周波電流が流れている１以上の前記交差点に対応して配置された１以上の前記磁気記憶セルの前記情報を保持させる磁性層のみを磁化反転させることがない値に設定することを特徴とする磁気メモリ装置の書き込み方法。
【請求項５】
前記第１の書き込み導体線を、前記情報を保持するための磁性層の磁化容易軸と平行な前記第２の書き込み導体線に対して４５°傾けた状態で配置し、
前記高周波電流の周波数を、前記直流電流が流れておらず且つ前記高周波電流が流れている１以上の前記交差点に対応して配置された１以上の前記磁気記憶セルの前記情報を保持させる磁性層のみを磁化反転させることができる磁化反転臨界周波数よりも高くすることを特徴とする請求項４に記載の磁気メモリ装置の書き込み方法。
【請求項６】
前記複数の磁気記憶セルのそれぞれのギルバートのダンピング定数が、０．０３以下であり、
前記高周波電流の周波数を、前記最大強磁性共鳴周波数から高周波側に０．６９％以上増加させた値に設定することを特徴とする請求項４または５に記載の磁気メモリ装置の書き込み方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記憶セルを用いた磁気メモリ装置及び強磁性共鳴現象を用いた磁気メモリ装置の書き込み方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特表２００４−５２６２７０号公報（国際公開番号ＷＯ０２／５４４０７：ＵＳＰ６，３５１，４０９）には、強磁性共鳴効果を用いることによりエネルギー効率を高くしたＭＲＡＭ書き込み装置が開示されている。この書き込み装置では、強磁性共鳴のＱ値（直流磁界による磁化振幅に対する与えられた周波数での振幅の比）が１以上の磁気材料からなる自由層を含むＭＲＡＭセル（磁気記憶セル）を用いる。そして困難軸書き込み導体線に、対応共振周波数（ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を含む書き込み信号（高周波電流）を流し、同時に容易軸書き込み導体線に直流電流を流すことにより、１つの磁気記憶セルのスイッチング（磁化状態の変更）を行う。この公報には、「対応共振周波数」とこの「対応共振周波数を含む書き込み信号」については、明確に説明されていない。しかし対応共振周波数とは、強磁性共鳴周波数を意味するものであると考えられる。また、対応共振周波数を含む書き込み信号とは、公報に記載の説明から推測すると、磁気記憶セルの強磁性共鳴周波数または磁気記憶セルの磁化状態が単磁区構造ではなく且つ不均一な磁化構造が形成されている場合の高次の共鳴周波数を有する高周波電流を意味するものと考えられる。この従来の書き込み装置では、直流パルス電流だけで発生した磁界を用いる従来の書き込み装置よりも、低電力でＭＲＡＭセルの磁化方向のスイッチングを行うことができる。
【０００３】
具体的には、この磁気メモリ装置では、絶縁層で分離した２系統の書き込み導体線の交差部に、一軸磁気異方性を有する磁気記憶セルが配置されている。そして２系統の書き込み導体線の１本（困難軸書き込み導体線）に高周波電流（交流電流）を流し、交差部直下に配置された磁気記憶セルに交流磁界Ｈａｃを印加する。高周波電流の周波数を磁気記憶セルの強磁性共鳴周波数または磁気記憶セルが不均一な磁化状態にあるときの共鳴周波数に相当する高次の強磁性共鳴周波数に設定することにより、磁気記憶セルの磁化が困難軸方向に振動する。このとき、２系統の書き込み導体線の他方の書き込み導体線に直流電流のパルス電流を流し、磁化方向と反転方向にパルス磁界Ｈｓｗｔを発生させる。交流磁界とパルス磁界の共同作用によりセルの磁化方向をスイッチングさせる。一般に、困難軸方向への磁化方向の回転角が大きければ大きいほど、より小さな磁界で磁化方向のスイッチングを行うことができる（臨界スイッチング特性）。
【特許文献１】特表２００４−５２６２７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特表２００４−５２６２７０号公報に記載の技術では、１つの磁気記憶セルをスイッチングすることしか検討されていない。また強磁性共鳴周波数も一定のものとして検討がなされている。しかしながら実際に製造される磁気メモリ装置では、磁気記憶セルは多数存在する。また１つの磁気記憶セルについてみると、その磁気記憶セルの周囲にある他の複数の磁気記憶セルからの漏洩磁界の影響を受けて、強磁性共鳴周波数も変動することが発明者の研究により判った。そのため特表２００４−５２６２７０号公報に記載の技術だけでは、複数の磁気記憶セルを有する磁気メモリ装置において、確実な書き込みを達成することは難しい。
【０００５】
またこの公報に記載の書き込み方法では、実施例レベルで見る限り、非常に電流を大きくしなければ、１ナノ秒以下での磁化反転を起こすことができない。この公報の図７のシミュレーション結果を見ると、磁化反転までに２ナノ秒を要している。
【０００６】
本発明の目的は、複数の磁気記憶セルについて、それぞれ確実に書き込みを行うことができる磁気メモリ装置及びその書き込み方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、使用する高周波電流の周波数及び電流値に多少のバラツキがあっても、確実に書き込みを行うことができる磁気メモリ装置及びその書き込み方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、上記目的に加えて書き込み速度を速くすることができる磁気メモリ装置及びその書き込み方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、上記目的に加えて１ナノ秒以下の書き込み速度を実現することができる磁気メモリ装置及びその書き込み方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の磁気メモリ装置は、所定の間隔をあけて配置されて、それぞれ選択的に直流電流が流される複数本の第１の書き込み導体線と、所定の間隔をあけて配置され且つ複数本の第１の書き込み導体線と交差するように配置されて、それぞれ選択的に高周波電流が流される複数本の第２の書き込み導体線と、合成磁場発生用電流通電回路と、複数の磁気記憶セルとを有する。合成磁場発生用電流通電回路は、選択された１以上の第１の書き込み導体線に直流電流を流し、選択された１以上の第２の書き込み導体線に高周波電流を流して、第１及び第２の書き込み導体線の交差点に直流電流及び高周波電流に基いて合成磁場を発生する。複数の磁気記憶セルは、情報を保持させる磁性層（磁性薄膜パターン）の磁化方向をスイッチング（磁化反転）することができる構造を有するものである。ＭＲＡＭでは、例えば、(a) フリー層とピン層とを非磁性層を介して積層したスピンバルブ膜を有するセル、また(b)低保磁力層と高保磁力層とを非磁性層を介して積層した擬スピンバルブ膜を有するセル、のように多層構造の磁気記憶セルを用いることができる。そして読み出しの際には、情報を保持させる磁性層と隣接する他の磁性層の磁化方向が平行状態にあるときの電気抵抗と反平行状態にあるときの電気抵抗の差（変化）を読み出しに利用する。書き込み動作では、上記(a)の構造の場合ではフリー層を、そして上記(b)の場合には低保磁力層または高保磁力層のどちらかの磁化を反転（スイッチング）させる。すなわちＭＲＡＭの書き込みでは、情報を保持させる任意の磁性層のみを磁化反転（スイッチング）する。
【００１１】
複数の磁気記憶セルは、複数の第１の書き込み導体線と複数の第２の書き込み導体線とが交差して作られる複数の交差点に１つずつ対応して配置される。
【００１２】
本発明では、１つの磁気記憶セルに対してその周囲にある他の複数の磁気記憶セルから漏洩した漏洩磁界の影響によって、この１つの磁気記憶セルが最も大きな順方向磁化作用を受ける状態において、直流電流が流れているときにおけるこの１つの磁気記憶セルの強磁性共鳴周波数を最大強磁性共鳴周波数と定義する。そして高周波電流の周波数を、直流電流が流れているときに、複数の磁気記憶セルごとにそれぞれ定まる複数の最大強磁性共鳴周波数の中で最も高い最大強磁性共鳴周波数よりも高く設定する。そして高周波電流の周波数とその電流値は、直流電流が流れておらず且つ高周波電流が流れている１以上の交差点に対応して配置された１以上の磁気記憶セルの情報を保持させる磁性層のみを磁化反転させることがない相関関係を有している。
【００１３】
このように本発明では、使用する全ての磁気記憶セルについての変動する強磁性共鳴周波数を考慮する。そして、複数の磁気記憶セルに関して、最も大きくなる強磁性共鳴周波数（最大強磁性共鳴周波数）よりも、高周波電流の周波数を高く設定する。その結果、複数の磁気記憶セルのすべてを書き込むことができる。
【００１４】
しかしながら発明者の研究によると、高周波電流の周波数を上述のように設定した場合でも、書き込みを制御できない状況（制御不可能に書き込みが行われる状況）が、生まれる場合があることが判った。そこで、本発明では、第１の書き込み導体線に直流電流が流れておらず且つ第２の書き込み導体線に高周波電流が流れている１以上の交差点に対応して配置された１以上の磁気記憶セルの磁化状態を反転させることがないように、第２の書き込み導体線に流される高周波電流の周波数とその電流値に相関関係を持たせている。この相関関係は、予め試験を行って確認するか、シミュレーションによって確認することができる。高周波電流の周波数とその電流値が、この相関関係を有していれば、書き込みの制御は可能になる。
【００１５】
第１の書き込み導体線を、情報を保持する磁性層を備えた磁気記憶セルの磁化容易軸に平行な第２の書き込み導体線に対して４５°傾けた状態で配置する場合に、高周波電流の周波数とその電流値が、上記相関関係を有している場合においては、第１の書き込み導体線に直流電流が流れておらず且つ第２の書き込み導体線に高周波電流が流れている１以上の交差点に対応して配置された１以上の磁気記憶セルの磁化状態を反転させることができる磁化反転臨界周波数よりも高く高周波電流の周波数をするのが好ましい。発明者の研究によると、上記相関関係においては、高周波電流の周波数が磁化反転臨界周波数よりも低い値に設定された場合でも、書き込みを制御できる相関領域があることが判っている。しかしながらこの相関領域の使用可能な周波数の幅（マージン）及び電流値の幅（マージン）は狭い。製造のバラツキが大きくなると、書き込み制御ができない磁気メモリ装置も出てくる。これに対して、高周波電流の周波数を前述の磁化反転臨界周波数よりも高い周波数にした場合に使用可能な相関領域の周波数の幅（マージン）及び電流値の幅（マージン）は、広くなることが発明者の研究によって判っている。したがって製品のバラツキが大きい場合でも、確実に制御性を確保するためには、高周波電流の周波数を前述の磁化反転臨界周波数よりも高い周波数（上部の周波数領域）にするのが好ましい。
【００１６】
なお第１の書き込み導体線と第２の書き込み導体線とが直交して配置されている場合には、上記に説明した上部の高周波領域にはスイッチング領域がない。上部の高周波領域を用いることは、動作マージンの確保および安定書き込み動作の観点からはメリットがある。しかしながら、低周波領域を用いる場合よりも大きなスイッチング電流が必要になる。そのため実デバイス化に向けて、低電流化と動作マージン確保のどちらの要求が厳しいかによって、どちらの周波数領域を用いるべきかを決めればよい。なお発明者の研究によると、現時点においては、低周波領域側に動作点を設定した場合には、どちらかというと直交導体線を用いた方が、電流強度を低減することができ、動作マージンを確保できるという結果が得られている。したがって、高周波電流の動作周波数は、マージン確保の観点からは高周波領域を用いることが好ましく、書き込み電流低減の観点からは低周波領域を用いるのが好ましい。
【００１７】
本発明で使用する複数の磁気記憶セルの特性は、特に限定されるものではない。しかしながら複数の磁気記憶セルとして、ギルバートのダンピング定数が、０．０３以下になるものを用いることが好ましい。そして高周波電流の周波数を、最大強磁性共鳴周波数から高周波側に０．６９％以上増加させた値に設定することが好ましい。このようにすると、書き込み速度を速くすることができる。具体的には、書き込みに必要な時間を１ナノ秒以下にすることも可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、複数の磁気記憶セルについて、それぞれ確実に書き込みを行うことができる。また磁気記憶セルのダンピング定数と高周波電流の周波数を適宜に選択することにより、書き込みに必要な時間を１ナノ秒以下にすることも可能になる利点が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。強磁性共鳴現象を用いた磁気記憶セル装置の書き込みにおいて、書き込み電流の動作マージンの確保と、電流強度の低減、および高速書き込み特性をすべて満足させるための条件を探索するため、以下のような計算機シミュレーションを行った。シミュレーションを簡単化するために、磁気記憶セル１の磁化は単磁区であると仮定した。図１（Ａ）に示すように、磁気記憶セル１の形状は0.1mm×0.1mmの正方形とし、膜厚を3 nmとした。磁性層の磁気特性は、飽和磁化が４πＭs=１０kGであり、 一軸磁気異方性定数ＫuはＫu=5×105erg/cm3が標準値となるものと定めた。磁気記憶セルの磁化容易軸方向および困難軸方向の磁界を発生させるための電流を流す２本の導体線６及び７を磁気記憶セル１の上下に配置した。導体線６及び７の断面形状および導体線と磁気記憶セルとの間の距離は、図１（Ａ）に示すとおりである。容易軸磁界を発生する直流電流をＩｗ、困難軸磁界を発生する高周波電流のピーク値をＩａとする。ここで仮定した設計における磁界発生効率は、直流電流Ｉｗおよび高周波電流Ｉａに対して、それぞれ6.4 Oe/mAおよび12 Oe/mAである。このような系に対し、図１（Ｂ）に示すような台形状の直流パルス電流Ｉｗおよび周波数fの高周波電流Ｉａをそれぞれ流した場合の磁気記憶セルの磁化スイッチング特性をLandau-Lifshitz-Gibert (LLG)方程式を解くことにより求めた。
【００２０】
図２は、Ｉｗ=10 mA, Ｉａ=7 mA(ピーク値), f=9.09 GHz, パルス幅tw=10 ナノ秒の電流を通電した際の磁化容易軸を基準とした磁化回転角qの時間遷移である。磁化が、困難軸方向の交流磁界により周期的に振動している様子がわかる。図２を見ると、電流を通電してから5 ナノ秒（ns）経過するまでの間は、うなりのような波形を示している。この条件では5 ナノ秒以上経過すると、定常的な振動（振幅が一定）に移行する。うなりの第１ピークでの磁化回転角の振幅をqmax、定常状態に達した後の磁化回転角の振幅をqFMRとし、電流を通電してから、うなりの第１ピークが出現するまでにかかる時間をtbeatとする。ここで注目すべき点は、qmax > qFMRとなっている点にある。したがって、このようなうなり現象が生じれば、うなりの第１ピークにより、磁気記憶セル１を磁化反転させることができる。
【００２１】
そこで、磁気記憶セルのギルバートのダンピング定数α（磁化の運動の摩擦項に相当）を変化させた際における、第１ピークの出現時間tbeatおよび定常状態での磁化振幅に対するうなりによる磁化振幅の増加率qmax / qFMRを求めた。これらを図３及び図４にそれぞれ示す。これらの図の結果から、ダンピング定数αが０．０３よりも大きいと、図２に示すような、うなり波形が発生しないことがわかった。さらに、ダンピング定数αが０．０３よりも小さくなるにつれて、１ナノ秒以下でうなりの第１ピークが出現し、その振幅も増大することがわかった。したがって、磁気記憶セルのダンピング定数αを０．０３以下に設定することにより、より小さな電流でかつ１ナノ秒以下の時間で磁化反転（スイッチング）可能なことが確かめられた。
【００２２】
図５は、高周波電流Ｉａの周波数ｆを変化させた際の第１ピークの出現時間tbeatの変化の様子を計算により求めた結果を示すものである。図５においてｆ１は、直流電流Ｉｗ及び高周波電流Ｉａを通電したことにより発生する直流磁界と交流磁界とによって決まる磁気記憶セルの共鳴周波数である。図５の例では、ｆ１＝８．５２５１GHｚである。ｆrgは１ナノ秒以内にうなりの第１ピークが出現する周波数領域であり、ｆ２は１ナノ秒以内にうなりの第１ピークが出現する最低周波数である。この例ではｆ２＝８．５８３７GHｚである。
【００２３】
また図６に，うなりの第１ピークにおける磁化回転角振幅qmaxの交流電流周波数ｆ依存性を示す。図６に示したのグラフでqmaxの値が最大となる周波数が強磁性共鳴周波数である。図６は、交流磁界強度の異なる場合の結果を示している。図６において、ａは高周波電流Ｉａの通電により発生する高周波磁界強度が９６Oeのときの共鳴周波数（８．３７GHｚ）を示している。またｂは、高周波電流Ｉａの通電により発生する高周波磁界強度が７２Oeのときの共鳴周波数（８．７１GHｚ）を示している。さらにｃは、高周波電流Ｉａの通電により発生する高周波磁界強度が４８Oeのときの共鳴周波数（９．１６GHｚ）を示している。そしてｄは、高周波電流Ｉａの通電により発生する高周波磁界強度が２４Oeのときの共鳴周波数（９．７７GHｚ）を示している。これを見てもわかるように強磁性共鳴周波数frが交流磁界強度の増加に伴い低周波側にシフトしている。一般に強磁性共鳴周波数frは
【数１】
0004825975.tif 000002
【００２４】
で与えられる。ここでＨeasyは、容易軸方向に印加したバイアス磁界を示しており、直流電流Ｉｗによって形成された磁界に相当する。また、Ｈkは磁気異方性定数Ｋuによる一軸磁気異方性の強さを示すパラメータであり、磁化を磁化容易軸方向に戻そうとする復元力に相当する。交流磁界強度の増加は、図６を見てもわかるように困難軸方向への磁化回転角を増加させる。磁化回転角の増加は前記復元力を減少させる方向に働くため、強磁性共鳴周波数が減少したのである。図５を計算した条件における強磁性共鳴周波数は、8.5251 GHzであり、ちょうどその周波数で第１ピークの出現時間tbeatが最も大きくなる。図５のｆrgおよびｆ２で示すように、１ナノ秒以下で第１ピークを出現させるためには、換言すると１ナノ秒以下で磁化をスイッチングさせるためには、交流磁界の周波数fを共鳴周波数よりも０．６９％高い8.5837 GHz以上に設定しなければならないことがわかった。以上より、1ナノ秒以下の時間で磁化スイッチングを完了させるためには、磁気記憶セル１のダンピング定数αを０．０３以下にするとともに、通電する高周波電流Ｉａの周波数を、直流電流Ｉｗおよび高周波電流Ｉａの大きさによって決まる磁気記憶セルの強磁性共鳴周波数ｆｒよりも０．６９％以上高く設定することが重要であることが判った。前述の特表２００４−５２６２７０号公報に記載の従来技術では、磁気記憶セルの強磁性共鳴周波数、または不均一磁化状態（スピン波）励起に起因する高次の強磁性共鳴周波数を含む高周波電流を通電している。上記のシミュレーション結果と照らし合わせると、従来の技術には、磁化スイッチングの高速性に問題がある。実際に、特表２００４−５２６２７０号公報の図７を参照すると、高周波電流を通電し始めてから磁化スイッチングが生じるまでに2 ナノ秒を必要としている。図７に、ダンピング定数αおよび高周波電流の周波数を最適化した場合の磁化曲線を示す。図７を見てもわかるように、0.6 ナノ秒での磁化反転に成功している。さらに、うなり現象を有効に利用することにより、特表２００４−５２６２７０号公報に記載の技術よりもより小さな電流でのスイッチングを可能にしている。
【００２５】
なおスイッチングを高速化するために、高周波電流Ｉａの周波数を、磁気記憶セルの強磁性共鳴周波数ｆｒよりも０．６９％以上高く設定する場合においても、後に詳しく説明するように、１つの磁気記憶セルに対してその周囲にある他の複数の磁気記憶セルから漏洩した漏洩磁界の影響を考慮する必要がある。この影響を考慮すると、基準とする強磁性共鳴周波数ｆｒの定め方は、複数の磁気記憶セルごとにそれぞれ定まる複数の最大強磁性共鳴周波数の中で最も高い最大強磁性共鳴周波数よりも高く設定することになる。
【００２６】
図８及び図９は、本発明の一実施の形態の磁気メモリ装置の構成と書き込み動作を説明するために用いる図である。図８において、１は前述の記憶セルとして用いられる磁気記憶セルである。前述のように、複数の磁気記憶セル１は、複数本の第１の書き込み導体線６と複数本の第２の書き込み導体線７との交差点に対応して配置されている。複数本の第１の書き込み導体線６は、所定の間隔をあけて配置されており、第１の書き込み導体線６にはそれぞれ選択的にパルス状の直流電流Ｉｗが流される。また第２の書き込み導体線７も、所定の間隔をあけて配置されており、複数本の第１の書き込み導体線６と交差するように配置されている。複数本の第２の書き込み導体線７には、それぞれ選択的に高周波電流（交流電流）Ｉａが流される。直流電流Ｉｗ及び高周波電流Ｉａは、合成磁場発生用電流通電回路８から選択的に第１の書き込み導体線６と第２の書き込み導体線７とに通電される。合成磁場発生用電流通電回路８は、選択された１以上の第１の書き込み導体線６に直流電流Ｉｗを流し、選択された１以上の第２の書き込み導体線７に高周波電流Ｉａを流して、第１及び第２の書き込み導体線６及び７の交差点に直流電流Ｉｗに基く直流磁場と高周波電流Ｉａに基く交流磁場との合成磁場を発生する。直流電流Ｉｗと高周波電流Ｉａのそれぞれの電流波形の例は、図１（Ｂ）に示すものと同様である。
【００２７】
図９においては、読み出し用の電磁波が流れる伝送線路（センス線）９と、読み出しに使用されるＭＯＳ−ＦＥＴのゲート１０と、接続線１１とが示されている。この磁気メモリ装置では、反平行状態にある磁気記憶セル１の強磁性共鳴周波数と同じ周波数の電磁波を読み出し用の電磁波として伝送線路９に流す。伝送線路９に電磁波が流されたときに、各磁気記憶セル１の磁気抵抗効果の発現による抵抗値の相違により、各磁気記憶セル１に対応して設けられたＭＯＳ−ＦＥＴの出力が、ＨｉｇｈまたはＬｏｗになる。そこでこれを、読み取って、読み出し結果とする。なお読み取り方式は、これに限定されるものではなく、磁気記憶セルの構造に応じて任意に選択できるものである。
【００２８】
本発明では、１つの磁気記憶セルに対してその周囲にある他の複数の磁気記憶セルから漏洩した漏洩磁界の影響を考慮する必要があるため、合成磁場発生用電流通電回路８から供給する高周波電流Ｉａの周波数を、次のように定めている。すなわちまず１つの磁気記憶セルに対してその周囲にある他の複数の磁気記憶セルから漏洩した漏洩磁界の影響によって、この１つの磁気記憶セルが最も大きな順方向磁化作用を受ける状態を考える。この状態において、直流電流Ｉｗが流れているときにおけるこの１つの磁気記憶セルの強磁性共鳴周波数を最大強磁性共鳴周波数と定義する。そして高周波電流Ｉａの周波数を、第１の書き込み導体線６に直流電流Ｉｗが流れているときに、複数の磁気記憶セル１ごとにそれぞれ定まる複数の最大強磁性共鳴周波数の中で最も高い最大強磁性共鳴周波数よりも高く設定する。
【００２９】
この例でも、高周波電流（交流電流）を書き込み導体線７に流す点は、特許文献１に記載の発明と同じである。しかしながら高周波電流の周波数を対応共鳴周波数とはせずに、意図的に対応共鳴周波数よりも高い周波数（前述の最も高い最大強磁性共鳴周波数よりも高い周波数）を用いる点で相違する。後に詳しく説明するように、高周波電流の周波数をこのように高くすると、実用的な動作マージンを確保できる。また前述の所定の条件下では、１ナノ秒以下での高速な磁化スイッチングを全ての磁気記憶セルについて実現することができる。本発明は、特許文献１のように１つの記憶セルについてピンポイント的に得たデータのみからは明らかにならないものであり、図８に示すように、多数の磁気記憶セルとの関係を検討して、初めて見出されたものである。
【００３０】
図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、選択された中心の１つの磁気記憶セル１´は、その周囲にある他の複数の磁気記憶セルから漏洩した漏洩磁界の影響を受ける。図１０（Ａ）の状態は、１つの磁気記憶セル１´が、その周囲にある他の複数の磁気記憶セルから漏洩した漏洩磁界の影響を受けて、最も大きな逆方向磁化作用を受けている状態を示している。また図１０（Ｂ）の状態は、１つの磁気記憶セル１´が、その周囲にある他の複数の磁気記憶セルから漏洩した漏洩磁界の影響を受けて、最も大きな順方向磁化作用を受けている状態を示している。図１１に示された曲線Ａ及びＢは、図１１の右側に示した条件の磁気記憶セルと通電条件とを用いた場合における、図１０（Ａ）のパターンＡ（Ｐａｔｔｅｒｎ  Ａ）と図１０（Ｂ）のパターンＢ（Ｐａｔｔｅｒｎ  Ｂ）における中心の磁気記憶セル１´の高周波電流の周波数ｆと磁化方向の最大回転角度θの変化を示している。使用した磁気記憶セルは、幅寸法が０．１μｍ、長さＬと幅Ｗの比率Ｌ／Ｗ＝１、厚みｔ＝３ｎｍ、一軸磁気異方性定数Ｋｕ＝５×１０５ｅｒｇ／ｃｃである。通電条件は、直流電流Ｉｗ＝０Ａ、高周波電流Ｉａ＝９ｍＡである。そして図１１の横軸は、高周波電流Ｉａの周波数を示し、縦軸は中心の磁気記憶セル１´の磁化方向の最大回転角度θを示している。
【００３１】
図１１から判るように、最も大きな順方向磁化作用を受けている選択された１つの磁気記憶セル１´の強磁性共鳴周波数ｆｒ（波形Ｂのピークに対応する周波数）は、最も大きな逆方向磁化作用を受けている選択された１つの磁気記憶セル１´の強磁性共鳴周波数ｆｒ（波形Ａのピークに対応する周波数）よりも高くなっている。そのため、高周波電流Ｉａの周波数を決定するためには、まずすべての磁気記憶セル１について、最も大きな順方向磁化作用を受ける状態において、第１の書き込み導体線に直流電流Ｉｗが流れているときにおける強磁性共鳴周波数を確認する。この確認した強磁性共鳴周波数がその磁気記憶セルにおける最大強磁性共鳴周波数である。この確認は、シミュレーションおよび実デバイスの書き込み動作テストにより実行できる。そして高周波電流Ｉａの周波数を、直流電流Ｉｗが流れているときに、複数の磁気記憶セルごとにそれぞれ定まる複数の最大強磁性共鳴周波数の中で最も高い最大強磁性共鳴周波数よりも高く設定する。すなわち確認した複数の磁気記憶セルの複数の最大強磁性共鳴周波数の中で、最も大きな強磁性共鳴周波数よりも高い周波数に、高周波電流Ｉａの周波数を設定する。このようにすると、使用するすべての磁気記憶セル１に対して、それぞれ磁化状態の回転に必要な合成磁場を与えることが可能になる。
【００３２】
発明者の研究によれば、高周波電流Ｉａの周波数のみで、すべての磁気記憶セル１の書き込みを制御できるわけではないことが判った。図１２は、図１１に示した条件の複数の磁気記憶セルを図８に示すパターンで配置して構成した磁気メモリ装置に関して、図８の第１の書き込み導体線６を第２の書き込み導体線７に対して４５°傾斜させて交差させた状態で、第１の書き込み導体線６に流す直流電流Ｉｗを一定としたとき（この例では２０ｍＡ：パルス幅１．２ナノ秒）における、高周波電流Ｉａの周波数ｆと高周波電流Ｉａの電流値（ピーク値）と、選択された磁気記憶セル１´の磁化状態が変わったか否か（磁化状態が反転したか否か）をシミュレーションした結果を示している。図１２において、境界線Ｌ１は、第１の書き込み導体線６に直流電流Ｉｗを流したときにおいて、磁化反転が可能な最大強磁性共鳴周波数ｆｒと高周波電流Ｉａの電流値との相関関係を示している。また境界線Ｌ２は、第１の書き込み導体線６に直流電流Ｉｗを流さない（Ｉｗ＝０）ときにおいて、磁化反転可能な最大強磁性共鳴周波数ｆroと高周波電流Ｉａの電流値との相関関係を示している。また境界線Ｌ３は、直流電流Ｉｗを流さない（Ｉｗ＝０）ときにおいて、磁化反転が発生しなくなる高周波電流Ｉａの臨界周波数［Ｉｗ＝０のときの磁化反転臨界周波数（ｆto）］である。そして境界線Ｌ４は、直流Ｉｗを流したときにおいて、磁化反転が発生しなくなる高周波電流Ｉａの臨界周波数［Ｉｗ＝２０ｍＡのときの磁化反転臨界周波数（ｆso）］である。そして破線で示した境界線Ｌ５は、直流電流Ｉｗ＝０のときの高周波電流Ｉａの磁化反転臨界電流値（Ｉao）である。
【００３３】
ここで境界線Ｌ２と境界線Ｌ３とによって囲まれた領域では、直流電流Ｉｗ＝０のときでも、磁化反転が発生する。したがってこの領域においては、直流電流Ｉｗと高周波電流Ｉａとを同時に流すことにより書き込みを行う選択的書き込み制御をすることができない。よってこの領域に入る高周波電流Ｉａの周波数及び電流値は、選択できない。このような現象があることは、発明者の研究によって初めて判明したことである。なお境界線Ｌ１と境界線Ｌ２とによって挟まれた領域Ｂ内、境界線Ｌ３と境界線Ｌ４とによって挟まれた領域Ｃ内、そして境界線Ｌ１と境界線Ｌ４とによって挟まれた領域Ａ内においては、直流電流Ｉｗ＝０のときでも、磁化反転が発生することはなく、磁化反転の制御が可能である。なお領域Ａは、Ｉａ＜Ｉaoを満足する部分であり、領域ＢはＩａ＞Ｉao及びｆｒ＜ｆ＜ｆroを満足する部分であり、領域ＣはＩａ＞Ｉao及びｆto＜ｆ＜ｆｔを満足する部分である。領域Ａは、高周波電流の周波数と電流値の相関関係として使用可能な領域ではある。そしてこの領域Ａは、領域Ａ乃至Ｃのうち、最も小さい電流で書き込みを行える領域である。ただし、この領域Ａでは、高周波電流Ｉａの電流値を選択できる範囲（マージン）がかなり狭い。また反転・非反転の周波数条件が、僅かな周波数変化で現れるため、制御性が少し悪い。また領域Ｂも、周波数と電流値の相関関係として使用可能な領域ではある。しかしながら領域Ｂは、領域Ａと同様に、強磁性共鳴周波数に近い周波数で動作を行うため、制御性は少し悪い。領域Ａ及びＢと比べて、領域Ｃの高周波電流の周波数と電流値の相関関係は、周波数が強磁性共鳴周波数からかなり離れた領域であり、周波数及び高周波電流の電流値を選択できる範囲（マージン）が広く、制御性が良い。しかしながら、高周波電流の周波数は、安定動作、実用的な動作マージンの確保、および電流強度の低減の要求を満足するように決められるべきものである。したがって前述の例の領域ＡおよびＢを使用する場合は、電流強度を低減することができ、また領域Ｃを用いる場合には、安定動作と、実用的な動作マージン確保にそれぞれメリットを有すると見ることができる。よって必要に応じて各領域を使い分ければよい。
【００３４】
このようなことから本発明では、高周波電流Ｉａの周波数とその電流値は、直流電流Ｉｗが流れておらず且つ高周波電流Ｉａが流れている１以上の交差点に対応して配置された１以上の磁気記憶セルの磁化状態を反転させることがない相関関係（高周波電流Ｉａの周波数とその電流値が、Ａ乃至Ｃの領域に入る関係を有していること）を必須の要件とする。なおこの相関関係は、第１の書き込み導体線を第２の書き込み導体線に対する傾き角度を変更すれば、当然にして変わるし、また直流電流Ｉｗの値を変えた場合にも当然にして変わる。
【００３５】
第１の書き込み導体線を第２の書き込み導体線に対して４５°傾けた状態で配置する場合において、高周波電流の周波数とその電流値は、上記相関関係を有している。そこでこの場合に、制御に関して広いマージンが取れる状況を考えると、高周波電流Ｉａの周波数は、直流電流Ｉｗが流れておらず且つ高周波電流Ｉａが流れている１以上の交差点に対応して配置された１以上の磁気記憶セル１の磁化状態を反転させることができる磁化反転臨界周波数ｆtoよりも高いことが好ましい。
【００３６】
Ａ乃至Ｃの領域では、高周波電流Ｉａの周波数とその電流値は、直流電流Ｉｗが流れておらず且つ高周波電流Ｉａが流れている１以上の交差点に対応して配置された１以上の磁気記憶セル１の磁化状態を反転させることがない相関関係を有している。したがって実際に、書き込みを行う場合には、直流電流Ｉｗを第１の書き込み導体線６に流しているときに、複数の磁気記憶セル１ごとに定まる複数の最大強磁性共鳴周波数の中で最も高い最大強磁性共鳴周波数よりも高く設定する。このようにすれば、複数の磁気記憶セルがどのような磁化状態にあったとしても、書き込みの制御は可能になる。その上で、高周波電流Ｉａの電流値および周波数を、直流電流Ｉｗが流れておらず且つ高周波電流Ｉａが流れている１以上の交差点に対応して配置された１以上の磁気記憶セル１の磁化状態を反転させることがない値とする。このようにすれば、勝手に磁化状態が反転する磁気記憶セルが現れることはないため、複数の磁気記憶セルの全ての書き込みを制御することができる。
【００３７】
なお図１２に示した特性は、直流電流Ｉｗの大きさ、使用する磁気記憶メモリ１のダンピング定数α、磁気異方性定数Ｋｕによって異なる。したがって実際に高周波電流Ｉａの周波数と電流値とを決定するためには、使用する磁気記憶メモリ１を形成するために使用する材料毎に図１２と同様の特性をシミュレーションをして仮の周波数と電流値とを決め、実際に確認試験を行って、実際に使用する周波数と電流値とを決定する。
【００３８】
本実施の形態の磁気メモリ装置で書き込み動作を行う場合には、第１の書き込み導体線にパルス状の直流電流Ｉｗを流し、同時に第２の書き込み導体線に高周波電流Ｉａを流す。磁化を逆向きに反転させたい場合には、直流電流Ｉｗの極性を逆にすればよい。
【００３９】
第１の書き込み導体線６と第２の書き込み導体線７の配線パターンは、任意であり、図１３（Ａ）乃至（Ｃ）に示すようような配線パターンも用いることができる。図１３（Ａ）の配線パターンは、図８に示した直交パターンと異なって、第１の書き込み導体線６を第２の書き込み導体線７に対して斜めにしている。また図１３（Ｂ）の配線パターンでは、第２の書き込み導体線７を第１の書き込み導体線６に対して斜めにしている。そして図１３（Ｃ）の配線パターンでは、第１の書き込み導体線６と第２の書き込み導体線７とを斜めにしている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】（Ａ）はシミュレーションに使用した条件を説明するための図である、（Ｂ）は高周波電流と直流電流の波形を示す図である。
【図２】電流を通電した際の磁化容易軸を基準とした磁化回転角qの時間遷移である。
【図３】磁気記憶セルのギルバートのダンピング定数αを変化させた際における、第１ピークの出現時間tbeatを示す図である。
【図４】磁気記憶セルのギルバートのダンピング定数αを変化させた際における、定常状態での磁化振幅に対するうなりによる磁化振幅の増加率qmax / qFMRを求めた結果を示す図である。
【図５】高周波電流の周波数を変化させた際の第１ピークの出現時間tbeatの変化の様子を計算した結果を示す図である。
【図６】うなりの第１ピークにおける磁化回転角振幅qmaxの交流電流周波数ｆ依存性を示す図である。
【図７】ダンピング定数αおよび高周波電流の周波数を最適化した場合の磁化曲線を示す図である。
【図８】本発明の磁気メモリ装置の書き込みために必要な構成の概要を示す図である。
【図９】１つの磁気記憶セルを中心にして書き込みと読み出しに必要な構成を示す立体模擬図である。
【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）は、周囲の磁気記憶セルの影響を説明するために用いる図である。
【図１１】図１０（Ａ）のパターンＡと図１０（Ｂ）のパターンＢにおける中心の磁気記憶セルの強磁性共鳴周波数ｆと磁化方向の回転角度θの変化を示す図である。
【図１２】高周波電流の周波数ｆと高周波電流Ｉａの電流値と、選択された磁気記憶セルの磁化状態が変わったか否か（磁化状態が反転したか否か）をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
【図１３】（Ａ）乃至（Ｃ）は、第１及び第２の書き込み導体線の配置パターンの変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  磁気記憶セル
３  磁性層
５  非磁性層
６  第１の書き込み導体線
７  第２の書き込み導体線
８  合成磁場発生用電流通電回路  
９  伝送線路
１０  ゲート
１１  接続線
【図１】
0004825975.tif 000003
【図２】
0004825975.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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【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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