(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗効果素子を有する記憶領域を１又は複数配置してなる磁気メモリにおいて、
個々の前記磁気抵抗効果素子は、
フリー層と、
強磁性体からなる固定層と、
前記フリー層と前記固定層との間に介在する中間非磁性層と、
前記固定層とは逆の磁化の向きを有し、前記固定層との間の電流経路内に前記フリー層が位置し、且つ、前記フリー層との間の電流経路内に第１非磁性層が位置するように設けられた書き込み用強磁性体と、
前記固定層と同一の磁化の向きを有し、前記固定層との間の電流経路内に前記フリー層が位置し、且つ、前記フリー層との間の電流経路内に第２非磁性層が位置するように設けられた読み出し用強磁性体と、
を備えることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項２】
個々の前記記憶領域は、
前記フリー層を通る第１電流経路の一端に設けられた書き込み用端子と、
前記フリー層を通る第２電流経路の一端に設けられた読み出し用端子と、
前記第１又は第２電流経路の他端に設けられた共通端子と、
を備え、
前記第１電流経路内において、
前記フリー層から前記書き込み用端子へ向かう間に存在するグループＷに属する強磁性体の数と、前記フリー層から前記共通端子へ向かう間に存在するグループＣに属する強磁性体の数とは同一であり、且つ、前記グループＷに属する強磁性体の磁化の向きの配列と、前記グループＣに属する強磁性体の磁化の向きの配列とは、前記フリー層からみて互いに逆であり、
前記第２電流経路内において、
前記フリー層から前記読み出し用端子へ向かう間に存在するグループＲに属する強磁性体の数と、前記グループＣに属する強磁性体の数とは同一であり、且つ、前記グループＲに属する強磁性体の磁化の向きの配列と、前記グループＣに属する強磁性体の磁化の向きの配列とは、前記フリー層からみて同一である、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
【請求項３】
前記グループＣに属する強磁性体は、
前記固定層と、
前記固定層とは反平行に磁化した第１強磁性層と、
であり、
前記固定層、前記第１強磁性層、及び前記第１強磁性層と前記固定層との間に介在する第３非磁性層はシンセティック構造を構成しており、
前記グループＷに属する強磁性体は、
前記固定層とは逆の磁化の向きを有する前記書き込み用強磁性体と、
前記第１強磁性層とは逆の磁化の向きを有する第２強磁性層と、
であり、
前記書き込み用強磁性体と前記第２強磁性層との間には第４非磁性層が介在し、
前記グループＲに属する強磁性体は、
前記固定層と同一の磁化の向きを有する前記読み出し用強磁性体と、
前記第１強磁性層と同一の磁化の向きを有する第３強磁性層と、
であり、
前記読み出し用強磁性体と前記第３強磁性層との間には第５非磁性層が介在している、
ことを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ。
【請求項４】
個々の前記記憶領域は、
半導体層と、
前記半導体層上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層上に設けられた前記磁気抵抗効果素子と、
を有しており、
前記書き込み用端子は、第１半導体スイッチ部を介して第１ビット線に接続され、
前記読み出し用端子は、第２半導体スイッチ部を介して第２ビット線に接続され、
前記第１及び第２半導体スイッチ部の制御端子は、第１及び第２コントロール線にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
不揮発性メモリとしてＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）が注目されている。ＭＲＡＭは、フリー層（感磁層）の磁化の向きを制御することで情報を記憶し、このフリー層を透過する電子量を測定することで、記憶された情報を読み出す記憶素子である。当初、記憶素子への書き込みにおいては、記憶素子近傍に電線を配置し、電流を流すことによって生じる誘導磁界によって、フリー層の磁化の向きを変化させていた。しかしながら、誘導磁界による書き込みは、隣接する記憶素子への誤書き込みが生じやすい。この手法では、空間へ磁気エネルギーが発散するため、書き込み効率が悪く、書き込み電流が大きくなるという欠点がある。
【０００３】
そこで、軟磁性体等により磁路を構築し、この磁路内に磁界を通して、磁界を集中的に記憶素子へ供給すると、書き込み効率を改善することも可能である。しかしながら、軟磁性体そのものを駆動するために、大きなエネルギーが必要であり、書き込み効率を大きく上げることは困難である。
【０００４】
そこで、近年、スピン注入法による書き込み方法に注目が集まっている。すなわち、フリー層の磁化の向きは、スピン注入法によって変化させることができる。なお、磁化とは、磁性材料中の電子スピンの向きが揃った状態のことである。磁性体内に逆向きのスピンを有する電子を注入すると、注入スピンに応じて磁性材料内の磁化の向きが反転する（スピン注入磁化反転）。スピン注入磁化反転を生じさせるためには、一般には比較的大きな電流が必要と思われていたが、比較的小さな電流であっても磁化反転が生じること知られるようになった。
【０００５】
この分野における学術的な研究としては、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３に記載のものが知られている。非特許文献１では、複数の磁性体層を有するデバイスについて説明されており、鏡対称構造の場合にトルクについて議論されている。また、非特許文献２にはスピントランジスタが開示されているが、このトランジスタにおける磁化反転は外部磁場を用いて行っている。非特許文献３では、２つの磁性膜が非磁性膜を介して積層された系のスピントルクが示されている。
【０００６】
次に、スピン注入を用いた書き込み方法について説明する。
【０００７】
図１１は、スピン注入を用いた従来の磁気抵抗効果素子（メモリ素子）の断面図である。
【０００８】
メモリ素子１０は、フリー層３と、強磁性体からなる固定層１と、フリー層３と固定層１との間に介在する中間非磁性層２とを備えている。フリー層３の中間非磁性層２とは反対側の面には、非磁性層４及び強磁性層５からなるスピンフィルタが設けられている。
【０００９】
データの書き込み時において、端子Ａと端子Ｂとの間にバイアス電圧を与えると、各層の厚み方向に電流が流れる。電流を流すことにより、スピンフィルタを介して或いはスピンフィルタで反射されてフリー層３内に注入された特定の極性のスピンが、フリー層３の磁化の向きにトルクを与え、この磁化の向きが注入されたスピンの極性に一致してくる。
【００１０】
データの読み出し時において、固定層１の磁化の向きとフリー層３の磁化の向きが一致している場合、中間非磁性層２を通過するスピン分極電流は大きく、この場合、例えば「１」が書き込まれている。また、固定層１の磁化の向きとフリー層３の磁化の向きが逆転している場合、中間非磁性層２を通過するスピン分極電流は小さく、この場合、例えば「０」が書き込まれている。
【００１１】
ここで、固定層１の磁化の向きと、強磁性層５の磁化の向きとは反対である。
【００１２】
図１２は、上述のメモリ素子１０を複数配列してなる磁気メモリの回路図である。
【００１３】
ワード線Ｗ１にＨレベルの制御信号を与えると、トランジスタＱ１がＯＮし、ビット線Ｂ１からメモリ素子１０及びトランジスタＱ１を介してグランドに電流が流れる。Ｘ座標指定回路２０によってビット線Ｂ１の電位を制御し、Ｙ座標指定回路３０によってワード線Ｗ１の電位を制御する。
【００１４】
データの読み出し時において、これらの回路によって、特定のアドレスのワード線Ｗ１とビット線Ｂ１の電位を共に上昇させると、トランジスタＱ１がＯＮし、このアドレスに位置するメモリ素子１０の抵抗値に応じた電流がビット線Ｂ１に流れる。この電流を抵抗に流し、この抵抗の電圧降下をコンパレータに入力すれば、コンパレータからは、電流の大きさに応じたデジタル値、すなわち、メモリ素子１０に記憶された情報が出力される。
【００１５】
デジタル値の書き込み時において、上記回路によって、特定のアドレスのワード線Ｗ１の電位を上昇させるとトランジスタＱ１がＯＮし、このときビット線Ｂ１の電位を大きく上昇又は下降させると、このアドレスに位置するメモリ素子１０に電流が流れる。このときの電流は読み出し時よりも大きく設定される。したがって、メモリ素子１０の内部においてスピン注入が行われ、注入されたスピンの極性に応じてフリー層の磁化の向きが決定される。
【００１６】
図１３は、メモリ素子１０に流す電流ＩとＭＲ比（抵抗変化率）との関係を示すグラフである。
【００１７】
このグラフにはヒステリシス曲線が描かれている。図から理解できるように、絶対値が閾値ＩＴＨ以上の大きさの電流を流すと、フリー層の磁化の向きを反転させることができる。すなわち、データの書き込みには、スピン注入磁化反転が生じる大きさ電流（ΔＩＲ以上ΔＩＷ以下）をメモリ素子１０に供給し、データ読み出しにはスピン注入磁化反転が生じない大きさの電流（ΔＩＲ未満）を、メモリ素子１０に供給する。
【非特許文献１】Ｌ．Ｂｅｒｇｅｒ，  「Ｓｐｉｎ−ｗａｖｅ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ  ａｎｄ  ｓｐｉｎ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｉｎ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ」，  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．  Ｍａｇ．  Ｖｏｌ．３４，  Ｉｓｓｕｅ  ６，  ｐ．３８３７−３８４１，  １９９８
【非特許文献２】Ｍ．  Ｊｏｈｎｓｏｎ，  「Ｂｉｐｏｌａｒ  ｓｐｉｎ  ｓｗｉｔｃｈ」，  Ｓｃｉｅｎｃｅ，  Ｖｏｌ．２６０，  ｐｐ．３２０−３２２，  １９９３
【非特許文献３】Ｊ．  Ｃ．  Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，  「Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ」，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  ｖｏｌ．  １５９，  ｐ  １５９，  Ｌ１−Ｌ５，１９９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上述の構造の素子の場合、例えば、読み出し電流は書き込み電流の１／１０以下の値に設定するが、小さな電流は測定が困難であるので、読み出し時には０．２〜０．５ｍＡ以上の電流が必要となる。この場合、書き込み電流は５ｍＡ程度に設定する必要がある。上述の構造の場合、書き込み電流は基本的には、これ以上小さくすることができない。なお、集積度を高めるために素子寸法を小さくすると、書き込み電流は低下させることが可能であるが、読み出し電流は検出限界よりも小さくなってしまう。
【００１９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、書き込み電流の大きさを低減可能な磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述の課題を解決するため、本発明に係る磁気メモリは、磁気抵抗効果素子を有する記憶領域を１又は複数配置してなる磁気メモリにおいて、個々の磁気抵抗効果素子は、フリー層と、強磁性体からなる固定層と、フリー層と固定層との間に介在する中間非磁性層と、固定層とは逆の磁化の向きを有し、固定層との間の電流経路内にフリー層が位置し、且つ、フリー層との間の電流経路内に第１非磁性層が位置するように設けられた書き込み用強磁性体と、固定層と同一の磁化の向きを有し、固定層との間の電流経路内にフリー層が位置し、且つ、フリー層との間の電流経路内に第２非磁性層が位置するように設けられた読み出し用強磁性体とを備えることを特徴とする。
【００２１】
磁気抵抗効果素子は、フリー層の磁化の向きと、固定層の磁化の向きに応じて、デジタルデータを記憶する。すなわち、固定層の磁化の向きとフリー層の磁化の向きが一致している場合、中間非磁性層を通過するスピン分極電流は大きく、この場合、例えば「１」が書き込まれているとする。固定層の磁化の向きとフリー層の磁化の向きが逆転している場合、中間非磁性層を通過するスピン分極電流は小さく、この場合、例えば「０」が書き込まれているとする。
【００２２】
この素子においては、フリー層への注入電流を与える書き込み時の電流経路内に、第１非磁性層及び書き込み用強磁性体が位置している。これらはスピンフィルタとして機能し、フリー層へ注入されるスピン分極電流を生成する。
【００２３】
この素子においては、フリー層への注入電流を与える読み出し時の電流経路内に、第２非磁性層及び読み出し用強磁性体が位置している。これらもスピンフィルタとして機能し、フリー層を通過するスピン分極電流を生成する。
【００２４】
ここで、読み出し時のスピンフィルタを構成する読み出し用強磁性体の磁化の向きは、固定層の磁化の向きと同一である。この場合、スピン分極電流によってフリー層のスピンに働くトルクが「零」となる。すなわち、読み出し電流を大きくしても、スピン注入磁化反転が生じない。換言すれば、書き込み時のスピンフィルタを構成する書き込み用磁性体の磁化の向きは、固定層の磁化の向きとは逆であり、スピン分極電流によってフリー層のスピンにトルクが働くこととなる。このように、この素子では、素子寸法を小さくして書き込み電流の大きさを低減しても、従来のように読み出し電流を検出限界以下まで低減させる必要がないため、書き込み電流の大きさを低減することができる。
【００２５】
この素子が、固定層と読み出し及び書き込み用の強磁性体だけでなく、他の強磁性層を備えている場合においても、読み出し電流を低減しないですむ構造を採用することができる。
【００２６】
すなわち、本発明の磁気メモリにおいて、個々の前記記憶領域は、フリー層を通る第１電流経路の一端に設けられた書き込み用端子と、フリー層を通る第２電流経路の一端に設けられた読み出し用端子と、第１又は第２電流経路の他端に設けられた共通端子とを備えている。
【００２７】
ここで、各層は以下の対称性の条件を満たしている。
【００２８】
すなわち、第１電流経路内において、フリー層から書き込み用端子へ向かう間に存在するグループＷ（書き込み）に属する強磁性体の数と、フリー層から共通端子へ向かう間に存在するグループＣ（共通）に属する強磁性体の数とは同一であり、且つ、グループＷに属する強磁性体の磁化の向きの配列と、グループＣに属する強磁性体の磁化の向きの配列とは、フリー層からみて互いに逆である。
【００２９】
また、第２電流経路内において、フリー層から読み出し用端子へ向かう間に存在するグループＲ（読み出し）に属する強磁性体の数と、グループＣに属する強磁性体の数とは同一であり、且つ、グループＲに属する強磁性体の磁化の向きの配列と、グループＣに属する強磁性体の磁化の向きの配列とは、フリー層からみて同一である。
【００３０】
この場合、データの読み出し時においては、グループＲの強磁性層とグループＣの強磁性層の磁化の向きの配列は、フリー層からみて同一であるため、フリー層のスピンに働くトルクを「零」とすることができる。一方、データ書き込み時においては、グループＷの強磁性層とグループＣの強磁性層の磁化の向きの配列は、フリー層からみて逆であるため、フリー層のスピンに効果的にトルクを与えることができる。
【００３１】
なお、固定層をシンセティック型の構造としてもよい。
【００３２】
すなわち、グループＣに属する強磁性体は、固定層と、固定層とは反平行に磁化した第１強磁性層とであり、第１強磁性層と固定層との間には第３非磁性層が介在している。固定層、第１強磁性層、及び第１強磁性層と固定層との間に介在する第３非磁性層はシンセティック構造を構成している。この場合、２つの強磁性膜（固定層、第１強磁性層）が互いに反平行に磁化配向されて反強磁性的に強く結合し、かつ両強磁性膜の磁気モーメントが互いに打ち消し合うことにより、フリー層への静磁的作用による悪影響が解消され又は低減される。
【００３３】
このようなシンセティック型の構造を採用する場合、スピンフィルタは上述の対称性の条件を満たすため、以下の構造を採用する。
【００３４】
すなわち、グループＷに属する強磁性体は、固定層とは逆の磁化の向きを有する書き込み用強磁性体と、第１強磁性層とは逆の磁化の向きを有する第２強磁性層とであり、書き込み用強磁性体と第２強磁性層との間には第４非磁性層が介在し、グループＲに属する強磁性体は、固定層と同一の磁化の向きを有する読み出し用強磁性体と、第１強磁性層と同一の磁化の向きを有する第３強磁性層とであり、読み出し用強磁性体と第３強磁性層との間には第５非磁性層が介在していることを特徴とする。
【００３５】
すなわち、上述の対称性の条件を満たすように、シンセティック型の構造における第１強磁性層の磁化の向きは、書き込み時においては、第２強磁性層の磁化の向きと逆であり、第３非磁性層に対応して第４非磁性層が位置している。したがって、書き込み時においては、フリー層のスピンにトルクが働く。
【００３６】
一方、シンセティック型の構造における第１強磁性層の磁化の向きは、読み出し時においては、第３強磁性層の磁化の向きと同一であり、対称性の観点から、第３非磁性層に対応して第５非磁性層が位置している。したがって、書き込み時においては、フリー層のスピンに働くトルクが「零」となる。
【００３７】
また、個々の記憶領域は、半導体層と、半導体層上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられた磁気抵抗効果素子とを有しており、書き込み用端子は、第１半導体スイッチ部を介して第１ビット線に接続され、読み出し用端子は、第２半導体スイッチ部を介して第２ビット線に接続され、第１及び第２半導体スイッチ部の制御端子は、第１及び第２コントロール線にそれぞれ接続されている。
【００３８】
この構造の場合、第１ビット線を介して書き込み用端子に書き込み電流を供給することができ、第２ビット線を介して読み出し用端子に読み出し電流を供給することができる。各ビット線を流れる電流の有無は、制御端子に接続された第１及び第２コントロール線の電位を制御し、第１及び第２半導体スイッチ部をＯＮ／ＯＦＦ制御することによって制御することができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の磁気メモリによれば、書き込み電流の大きさを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、実施の形態に係る磁気メモリについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。実施の形態に係る磁気メモリは、１又は複数の記憶領域を配置してなり、各記憶領域はデジタル値を記憶する磁気抵抗効果素子（メモリ素子）を有している。
【００４１】
図１は、各記憶領域が有するメモリ素子１０の断面図である。
【００４２】
このメモリ素子１０は、フリー層３と、固定層１と、フリー層３と固定層１との間に接触して介在する中間非磁性層２とを備えている。フリー層３の中間非磁性層２とは反対側の面には、非磁性層４が接触しており、非磁性層４のフリー層３とは反対側の面には、書き込み用強磁性体５Ｗと読み出し用強磁性体５Ｒとが接触している。固定層１には共通端子ＴＣが電気的に接続され、書き込み用強磁性体５Ｗには書き込み用端子ＴＷが電気的に接続され、読み出し用強磁性体５Ｒには読み出し用端子ＴＲが電気的に接続されている。
【００４３】
詳説すれば、この記憶領域は、フリー層３を通る第１電流経路ＰＷの一端に設けられた書き込み用端子ＴＷと、フリー層３を通る第２電流経路ＰＲの一端に設けられた読み出し用端子ＴＲと、第１又は第２電流経路の他端に設けられた共通端子ＴＣとを備えている。
【００４４】
各層の属性は以下の通りである。なお、層の厚み方向をＸ軸方向とし、これに垂直な方向をＺ軸方向する。
・固定層１：磁化の向きが−Ｚ軸方向に固定された強磁性体であり、Ｃｏなどからなる。
・中間非磁性層２：トンネル効果が生じる厚さ（数ｎｍ）の非磁性絶縁層（Ａｌ２Ｏ３又はＭｇＯ）又はスピンフィルタとして機能するＣｕなどの導電層
・フリー層３：軟磁性の強磁性体からなり、磁化の向きは注入されたスピンに応じて自由に回転可能な磁性層
・非磁性層４：Ｃｕ又はＲｕなどの導電体（又はトンネル効果が生じる厚さの絶縁体）
・書き込み用強磁性体５Ｗ：磁化の向きが＋Ｚ軸方向に固定された強磁性体
・読み出し用強磁性体５Ｒ：磁化の向きが−Ｚ軸方向に固定された強磁性体
【００４５】
なお、強磁性とは、隣り合うスピンが同一の方向を向いて整列し、全体として大きな磁気モーメントを持つ物質の磁性であり、強磁性体は外部磁場が無い場合においても自発磁化を有する。室温で強磁性を示す物質としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＧｄがある。強磁性体としては、Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ合金を好適に用いることができる。
【００４６】
書き込み用強磁性体５Ｗは、固定層１とは逆の磁化の向き（＋Ｚ）を有しており、書き込み用強磁性体５Ｗと固定層１との間の電流経路ＰＷ内にフリー層３が位置し、且つ、書き込み用強磁性体５Ｗとフリー層３との間の電流経路ＰＷ内に、非磁性層４における書き込み側の部分（第１非磁性層４Ｗ）が位置するように設けられている。
【００４７】
読み出し用強磁性体５Ｒは、固定層１と同一の磁化の向き（−Ｚ）を有しており、読み出し用強磁性体５Ｒと固定層１との間の電流経路ＰＲ内にフリー層３が位置し、且つ、読み出し用強磁性体５Ｒとフリー層３との間の電流経路ＰＲ内に、非磁性層４における読み出し側の部分（第２非磁性層４Ｒ）が位置するように設けられている。
【００４８】
メモリ素子１０は、フリー層３の磁化の向きと、固定層１の磁化の向きに応じて、デジタルデータを記憶する。すなわち、固定層１の磁化の向きとフリー層３の磁化の向きが一致している場合、中間非磁性層２を通過するスピン分極電流は大きくなり、この場合、例えば「１」が書き込まれていることとなる。固定層１の磁化の向きとフリー層３の磁化の向きが逆転している場合、中間非磁性層２を通過するスピン分極電流は小さく、この場合、例えば「０」が書き込まれていることとなる。
【００４９】
メモリ素子１０においては、フリー層３への注入電流を与える書き込み時の電流経路ＰＷ内に、第１非磁性層４Ｗ及び書き込み用強磁性体５Ｗが位置している。これらはスピンフィルタとして機能し、スピンフィルタは端子ＴＷから入力された電子のうち特定の極性のスピンを透過させてフリー層３内へ注入する又は端子ＴＣから入力された電子のうち逆極性のスピンをフリー層３内へ反射して注入する。このように、スピンフィルタは、スピン分極電流を生成している。
【００５０】
メモリ素子１０においては、フリー層３への注入電流を与える読み出し時の電流経路ＰＲ内に、第２非磁性層４Ｒ及び読み出し用強磁性体５Ｒが位置している。これらも同様にスピンフィルタとして機能し、フリー層３を通過するスピン分極電流を生成する。
【００５１】
ここで、読み出し時のスピンフィルタを構成する読み出し用強磁性体５Ｒの磁化の向きは、固定層１の磁化の向きと同一である。この場合、スピン分極電流によってフリー層３のスピンに働くトルクが「零」となる。すなわち、共通端子ＴＣと読み出し用端子ＴＲとの間に流れる読み出し電流を大きくしても、フリー層３においてスピン注入磁化反転が生じない。換言すれば、書き込み時のスピンフィルタを構成する書き込み用磁性体５Ｗの磁化の向きは、固定層１の磁化の向きとは逆であり、スピン分極電流によってフリー層３のスピンにトルクが働くこととなる。
【００５２】
上述のメモリ素子１０においては、磁気メモリの集積度を向上させるように、素子寸法を小さくすると、スケーリング則に従って、書き込み電流を小さくすることができるが、読み出し電流によるスピン注入磁化反転に対する耐性が高くなっているため、従来のように、書き込み電流に併せて読み出し電流を検出限界以下まで低減させる必要がない。したがって、書き込み電流の大きさを低減することができる。
【００５３】
図２は、別の実施形態に係るメモリ素子１０の断面図である。
【００５４】
この実施形態のメモリ素子１０は、図１に示したものと比較して、書き込み用強磁性体５Ｗと読み出し用強磁性体５Ｒの取り付け位置のみが異なり、他の構成は同一である。すなわち、
書き込み用強磁性体５Ｗは、非磁性層４のフリー層３とは反対側の面の全面に接触して設けられており、読み出し用強磁性体５Ｒは、非磁性層４の前記全面に垂直な側面に接触して設けられている。このように、本例では書き込み用強磁性体５Ｗと読み出し用強磁性体５Ｒの取り付け位置のみが異なり、機能は上述のものと同一であり、書き込み電流の低減効果を奏する。
【００５５】
なお、メモリ素子１０が、固定層１、書き込み用強磁性体５Ｗ及び読み出し用強磁性体５Ｒだけでなく、他の強磁性層を備えている場合においても、読み出し電流を低減しないですむ構造を採用することができる。
【００５６】
次に、固定層１からのフリー層への影響を抑制するため、シンセティック型の構造を採用したものについて説明する。
【００５７】
図３は、図１に示したメモリ素子にシンセティック型の固定層を付加したメモリ素子の断面図である。なお、この素子の機能は図１のものと同一である。
【００５８】
シンセティック型の固定層Ｓは、上述の固定層１と、固定層１とは反平行に磁化した第１強磁性層１ｂを備えており、第１強磁性層１ｂと固定層１との間には第３非磁性層１ａが介在している。この場合、２つの強磁性膜（固定層１、第１強磁性層１ｂ）が互いに反平行に磁化配向されて反強磁性的に強く結合し、かつ両強磁性膜の磁気モーメントが互いに打ち消し合うことにより、フリー層３への静磁的作用による悪影響が解消され又は低減される。
【００５９】
ここで、複数の強磁性層を有するメモリ素子において、フリー層３のスピンへのトルクが零となる対称性について説明する。
【００６０】
フリー層３からみて、共通端子ＴＣ側の材料層をグループＣ、書き込み用端子ＴＷ側の材料層をグループＷ、読み出し用端子ＴＲ側の材料層をグループＲとする。
【００６１】
シンセティック型の固定層を採用する場合、グループＣに属する強磁性体は、固定層１と、固定層１とは反平行に磁化した第１強磁性層１ｂであり、第１強磁性層１ｂと固定層１との間には非磁性層（第３非磁性層）１ａが介在している。
【００６２】
ここで、各層は以下の対称性の条件を満たしている。
【００６３】
すなわち、第１電流経路ＰＷ内において、フリー層３から書き込み用端子ＴＷへ向かう間に存在するグループＷ（書き込み）に属する強磁性体の数と、フリー層３から共通端子ＴＣへ向かう間に存在するグループＣ（共通）に属する強磁性体の数とは同一であり、且つ、グループＷに属する強磁性体の磁化の向きの配列と、グループＣに属する強磁性体の磁化の向きの配列とは、フリー層３からみて互いに逆である。
【００６４】
また、第２電流経路ＰＲ内において、フリー層３から読み出し用端子ＴＲへ向かう間に存在するグループＲ（読み出し）に属する強磁性体の数と、グループＣに属する強磁性体の数とは同一であり、且つ、グループＲに属する強磁性体の磁化の向きの配列と、グループＣに属する強磁性体の磁化の向きの配列とは、フリー層３からみて同一である。
【００６５】
この場合、データの読み出し時においては電流経路ＰＲを用いるが、グループＲの強磁性層とグループＣの強磁性層の磁化の向きの配列は、フリー層からみて同一であって対称性を有しているため、フリー層３のスピンに働くトルクを「零」とすることができる。一方、データ書き込み時においては電流経路ＰＷを用いるが、グループＷの強磁性層とグループＣの強磁性層の磁化の向きの配列は、フリー層３からみて逆であるため、フリー層のスピンに効果的にトルクを与えることができる。
【００６６】
シンセティック構造を採用する本例の場合、グループＷに属する強磁性体は、固定層１とは逆の磁化の向きを有する書き込み用強磁性体５Ｗと、第１強磁性層１ｂとは逆の磁化の向きを有する第２強磁性層５Ｗｂであり、書き込み用強磁性体５Ｗと第２強磁性層５Ｗｂとの間には第４非磁性層５Ｗａが介在している。
【００６７】
また、グループＲに属する強磁性体は、固定層１と同一の磁化の向きを有する読み出し用強磁性体５Ｒと、第１強磁性層１ｂと同一の磁化の向きを有する第３強磁性層５Ｒｂとであり、読み出し用強磁性体５Ｒと第３強磁性層５Ｒｂとの間には第５非磁性層５Ｒａが介在している。
【００６８】
この場合、上述の対称性の条件が満たされている。すなわち、シンセティック型の構造における第１強磁性層１ｂの磁化の向き（＋Ｚ）は、書き込み時においては、第２強磁性層５Ｗｂの磁化の向き（−Ｚ）と逆であり、第３非磁性層１ａに対応して第４非磁性層５Ｗａが位置している。したがって、書き込み時においては、フリー層３のスピンにトルクが働く。
【００６９】
一方、シンセティック型の構造における第１強磁性層１ｂの磁化の向きは、読み出し時においては、第３強磁性層５Ｒｂの磁化の向きと同一であり、対称性の観点から、第３非磁性層１ａに対応して第５非磁性層５Ｒａが位置している。したがって、書き込み時においては、フリー層３のスピンに働くトルクが「零」となる。
【００７０】
図４は、別の実施形態に係るメモリ素子１０の断面図である。
【００７１】
この実施形態のメモリ素子１０は、図３に示したものと比較して、グループＷの材料層とグループＲの材料層の取り付け位置のみが異なり、他の構成は同一である。すなわち、書き込み用強磁性体５Ｗは、非磁性層４のフリー層３とは反対側の面の全面に接触して設けられており、読み出し用強磁性体５Ｒは、非磁性層４の前記全面に垂直な側面に接触して設けられている。
【００７２】
更に、グループＷの非磁性層５Ｗａが書き込み用強磁性体５Ｗの非磁性層４とは反対側の面に接触しており、強磁性層５Ｗｂが非磁性層５Ｗａの書き込み用強磁性体５Ｗとは反対側の面に接触している。また、グループＲの非磁性層５Ｒａが、読み出し用強磁性体５Ｒの非磁性層４との界面とは反対側の面に接触しており、強磁性層５Ｒｂが非磁性層５Ｒａの読み出し用強磁性体５Ｒとは反対側の面に接触している。
【００７３】
このように、本例ではグループＷの材料層とグループＲの材料層の取り付け位置のみが異なり、機能は上述のものと同一であり、書き込み電流の低減効果を奏する。
【００７４】
図５は、磁気メモリの回路図である。
【００７５】
磁気メモリは、１又は複数の記憶領域Ｍを備えている。個々の記憶領域Ｍは、上述のメモリ素子１０を備えており、書き込み用端子ＴＷは、第１半導体スイッチ部（トランジスタ）ＱＷを介して第１ビット線Ｂ１に接続され、読み出し用端子ＴＲは、第２半導体スイッチ部（トランジスタ）ＱＲを介して第２ビット線Ｂ２に接続されている。また、トランジスタＱＷ，ＱＲの制御端子（ゲート）は、第１コントロール線（ワード線）Ｗ１及び第２コントロール線（ワード線）Ｗ２にそれぞれ接続されている。
【００７６】
この構造の場合、第１ビット線Ｂ１して書き込み用端子ＴＷに書き込み電流を供給することができ、第２ビット線Ｂ２を介して読み出し用端子ＴＲに読み出し電流を供給することができる。各ビット線を流れる電流の有無は、制御端子に接続されたワード線Ｗ１，Ｗ２の電位を制御し、トランジスタＱＷ，ＱＲをＯＮ／ＯＦＦ制御することによって制御することができる。
【００７７】
ワード線Ｗ１にＨレベルの制御信号を与えると、トランジスタＱＷがそれぞれＯＮし、ビット線Ｂ１から、トランジスタＱＷ及び書き込み用端子ＴＷを介してメモリ素子１０に電流が流れ、この電流は共通端子ＴＣを介してグランドに電流が流れる。Ｘ座標指定回路２０によってビット線Ｂ１の電位を制御し、Ｙ座標指定回路３０によってワード線Ｗ１の電位を制御する。
【００７８】
デジタル値の書き込み時において、Ｘ座標指定回路２０及びＹ座標指定回路３０によって、特定のアドレスのワード線Ｗ１の電位を上昇させるとトランジスタＱＷがＯＮし、このときビット線Ｂ１の電位を大きく上昇又は下降させると、このアドレスに位置するメモリ素子１０に書き込み用端子ＴＷを介して電流が流れる。したがって、メモリ素子１０の内部においてスピン注入が行われ、注入されたスピンの極性に応じてフリー層３の磁化の向きが決定される。
【００７９】
データの読み出し時において、Ｘ座標指定回路２０及びＹ座標指定回路３０によって、特定のアドレスのワード線Ｗ２とビット線Ｂ２の電位を共に上昇させると、トランジスタＱＲがＯＮし、このアドレスに位置するメモリ素子１０の抵抗値に応じた電流が、読み出し用端子ＴＲを介してビット線Ｂ２に流れる。この電流をビット線Ｂ２に直接に接続された抵抗Ｒ１に流し、この抵抗Ｒ１の電圧降下を基準電位Ｖｒｅｆと比較するコンパレータＣＯＭＰに入力すれば、コンパレータＣＯＭＰからは、電流の大きさに応じたデジタル値、すなわち、メモリ素子１０に記憶された情報が出力される。
【００８０】
図６は、記憶領域Ｍの断面図である。
【００８１】
この記憶領域Ｍは、半導体層１００と、半導体層１００上に設けられた絶縁層２００と、絶縁層２００上に設けられたメモリ素子１０とを有している。半導体層１００には、ＭＯＳトランジスタＱＲとＱＷが形成されており、これらのゲートは半導体層１００上に設けられたＳｉＯ２層１０１上に形成され、それぞれワード線Ｗ２、Ｗ１を兼用している。なお、ビット線Ｂ１，Ｂ２は絶縁層２００内に埋設されている。トランジスタＱＲ，ＱＷのドレイン（又はソース領域ＲＲ，ＲＷ）からは絶縁層２００の厚み方向に沿って、絶縁層２００内を貫通する垂直電極Ｐ１、Ｐ２が延びており、垂直電極Ｐ１、Ｐ２はそれぞれメモリ素子１０の端子ＴＲ、ＴＷに電気的に接続されている。
【００８２】
次に、上述の対称性の原理について若干の補足説明をしておく。
【００８３】
本発明は多層膜のトルクを利用するが、従来、多層膜に適用できる精密な理論は知られていない。本発明は積層膜構造に対する群論を適用して考案され、対称性だけを用いているため、理論の詳細には拠らない一般的な結論を拠り所とし、それを実験的に確認して本発明がなされた。
【００８４】
図７は２つの強磁性膜を有する素子を示す図である。また、図８は３つの強磁性膜を有する素子を示す図である。
【００８５】
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は強磁性体を示し、Ｎ、Ｎ１、Ｎ２は非磁性導電体を示す。図７（ａ）に示すように、積層中心となる非磁性体Ｎに対して対称に強磁性体Ｆ１，Ｆ２を配置する。
図８（ａ）では、積層中心となる強磁性体Ｆ２に対して対称に強磁性体Ｆ１，Ｆ３及び非磁性体Ｎ１，Ｎ２を配置する。図７では２枚、図８では３枚の強磁性体を示すが、それぞれ任意の偶数枚、奇数枚であってもよい。対称関係にある膜は、厚さ、組成、磁気異方性が等しいものとする。中心軸Ｏをはさんで向かい合う面に働くスピントルクの関係を、対称性を使って一般的に調べる。
【００８６】
図７（ａ）、図８（ａ）において座標系を積層方向Ｘ、面内の磁化容易軸をＺと定義する。磁化ベクトルはＸＺ面内で回転する。Ｚ方向から（−Ｚ）方向に磁化反転する際、Ｚ軸の周りに歳差運動で回転するが、磁化反転は任意の角で歳差運動を停止して扱ってよいことがＬＬＧ（ランダウ−リフシッツ−ギルバート）方程式から証明されているので、ここではＺＸ面で反転するとして、一般性を失わない。中心の膜面の位置における鏡映対称操作をσｘとする。Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚは、それぞれＸ、Ｙ，Ｚ軸回りの回転対称操作を示し、Ｔは時間反転操作を示す。ＴＲｘ、ＴＲｙ、ＴＲｚは、それぞれ、Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚの回転対称操作（１８０度回転）させた後の時間反転操作を示す。なお、物理現象の検討においては、磁化と電流の不変性を同時に満たさねばならない。
【００８７】
図９に、対称操作を施したときのＸ方向の電流Ｉｘ、Ｘ方向の磁化Ｓｘ、Ｙ方向の磁化Ｓｚ、Ｘ方向のトルクＴｘ、Ｚ方向のトルクＴｚを示す。これらのパラメータの変換性が異なる理由は、電流は時間反転奇のベクトル、磁化は時間反転奇の擬ベクトル、トルクは時間反転偶の擬ベクトルであることによる。パラメータが反転すればマイナスとなる。１次元表現なので、変換はプラスまたはマイナス符号が付くだけである。正しい対称操作はＩｘが不変であること、３層膜ではＳｘ、Ｓｚが不変になるものである。
【００８８】
図９において、Ｒｘは向かい合う面の情報を与えないので除かれる。結論として、２層膜ではＴσｘ、ＴＲｚが適用され、３層膜ではＳｘとＳｚが不変のＴＲｙが適用される。
【００８９】
図７（ｂ）に示すように、電流Ｉｘを流すと、強磁性体Ｆ２内のスピン（ｓｐｉｎ）に対してトルク（ｔｏｒｑｕｅ）が働く。これに、対称操作Ｔσｘを行うと、図７（ｃ）に示すように、等価な強磁性体Ｆ１のスピンには同じ大きさ、同じ向き（左回転）のトルクが働く。また、図７（ｅ）に示すように、図７（ｄ）のものに、対称操作ＴＲｚを行うと、等価な強磁性体Ｆ１には同じ大きさで同じ向き（右回り）のトルクが働く。図７（ｂ）〜図７（ｅ）の結果は、Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉの理論と一致する。
【００９０】
図８（ｂ）のものに対称操作ＴＲｙを適用すると、図８（ｃ）に示すように、強磁性体Ｆ１とＦ３のスピンが平行な場合、中心の強磁性体Ｆ２において、大きさが同じで逆向きのトルクが働く。この原理は、今回初めて発見した。
【００９１】
本発明は、図８の構造において、向かい合った層のスピンを平行にすると、中心の膜（強磁性体Ｆ２）においてトルクが打ち消しあうことを利用する。すなわち、図８における中心の膜Ｆ２をフリー層とし場合、それに対して鏡映対称の関係にある層の磁化を平行にすることによって、フリー層のトルクをゼロにできる。この原理は任意の奇数層の磁性多層膜に適用できる。さらに、この原理は磁性層や非磁性層の材質によらない。また、非磁性層Ｎ１．Ｎ２はＣｕのような金属膜でもアルミナやＭｇＯのような絶縁トンネル膜でもかまわない。
【００９２】
ここで、図１１の層構造モデルにおいてスピン注入磁化反転を考えると、フィルタ層（強磁性体５）の磁化の向きが、固定層１の磁化の向きと異なる方向である場合には、電流Ｉｘを流すとフリー層３のスピンにトルクがはたらき、磁化方向が反転する。しかし、フィルタ層（強磁性体５）の磁化の向きが固定層１の磁化の向きと同方向である場合には、トルクが相殺するため磁化方向が反転しない。
【００９３】
この現象は、図１に示した３層構造ばかりでなく、フリー層３を対称軸とした鏡面構造であれば成立する。磁化の向きも含めて鏡面対称であれば、フリー層３においてトルクは発生せず、磁化反転しない。しかしながら、層構造は対称であっても、軸の向きが反対方向を向いているとトルクが発生して磁化反転する。
【００９４】
この現象を用いると、固定層１の磁化の向きとフィルタ層（強磁性体５）の磁化の向きを調整することにより、図１３に示したヒステリシスに影響されず、書き込み電流を下げつつ読み出し電流を精度よく読みとることが可能である。
【００９５】
図１（第１実施形態）、図２（第２実施形態）、図３（第３実施形態）、図４（第４実施形態）に示したメモリ素子を作製した。電子線リソグラフイとイオンミリングを用いて大きさ６０〜１５０ｎｍの楕円形の試料を作製した。この試料はリフトオフ法により絶縁膜で被覆し、最後に絶縁膜上に電極膜を成膜した。試料は磁性膜（強磁性体）と非磁性膜からなる。磁性膜はＣｏとし、非磁性膜はＣｕとした。
【００９６】
図１０は、この試料に１ｍＡを通電したときの磁化反転の有無を示す。いずれの場合も書き込み時は磁化反転を起こし、読み出しでは磁化反転が起こらなかった。また、強磁性体の材料をＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢとした場合も同様の結果が得られた。したがって、本発明は強磁性体や非磁性体の材料によらず適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】各記憶領域が有するメモリ素子１０の断面図である。
【図２】別の実施形態に係るメモリ素子１０の断面図である。
【図３】図１に示したメモリ素子にシンセティック型の固定層を付加したメモリ素子の断面図である。
【図４】別の実施形態に係るメモリ素子１０の断面図である。
【図５】磁気メモリの回路図である。
【図６】記憶領域Ｍの断面図である。
【図７】２つの強磁性膜を有する素子を示す図である。
【図８】３つの強磁性膜を有する素子を示す図である。
【図９】対称操作を施したときのＸ方向の電流Ｉｘ、Ｘ方向の磁化Ｓｘ、Ｙ方向の磁化Ｓｚ、Ｘ方向のトルクＴｘ、Ｚ方向のトルクＴｚを示す表である。
【図１０】この試料に１ｍＡを通電したときの磁化反転の有無を示す。
【図１１】スピン注入を用いた従来の磁気抵抗効果素子（メモリ素子）の断面図である。
【図１２】上述のメモリ素子１０を複数配列してなる磁気メモリの回路図である。
【図１３】メモリ素子１０に流す電流ＩとＭＲ比（抵抗変化率）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９８】
１・・・固定層、１ａ・・・非磁性層、２・・・中間非磁性層、３・・・フリー層、４・・・・非磁性層、４Ｗ・・・非磁性層、４Ｒ・・・非磁性層、５・・・強磁性層、５Ｗ・・・書き込み用強磁性体、５Ｒ・・・読み出し用強磁性体、５Ｗｂ・・・強磁性層、５Ｒｂ・・・強磁性層、５Ｗａ・・・非磁性層、５Ｒａ・・・非磁性層、１０・・・メモリ素子、２０・・・Ｘ座標指定回路、３０・・・Ｙ座標指定回路、１００・・・半導体層、２００・・・絶縁層、Ｂ１，Ｂ２・・・ビット線、ＣＯＭＰ・・・コンパレータ、Ｍ・・・記憶領域、Ｐ１・・・垂直電極、ＰＲ・・・電流経路、ＰＷ・・・電流経路、Ｑ１・・・トランジスタ、ＱＲ，ＱＷ・・・トランジスタ、Ｒ１・・・抵抗、ＴＣ・・・共通端子、ＴＲ・・・端子、ＴＷ・・・端子、Ｗ１，Ｗ２・・・ワード線。
【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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