(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  一対の制御用端子ＴＣ１，ＴＣ２に制御電流を供給すると、第1非磁性層６に隣接する薄膜強磁性体５には、制御電流ＩＣの向きに応じて特定の極性のスピンＳが染み出していく。第1強磁性体７の磁化の向きと同じスピンが第1非磁性層６に流れ、その一部のスピンＳが薄膜強磁性体５内にも染み出していく。薄膜強磁性体５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、対称性に起因して、スピン分極電流によってフリー層３のスピンに働かなくなり、書き込み電流を小さくしても、読み出し電流を増加させることができる。【選択図】  図１
2007317797.tif 000002
【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所定の非磁性層が位置するように設けられ、スピン拡散長以下の厚みの薄膜強磁性体と、
磁化の向きが固定された第1強磁性体と、
前記薄膜強磁性体と前記第1強磁性体との間に介在する第１非磁性層と、
前記固定層及び前記薄膜強磁性体にそれぞれ電気的に接続され、前記固定層、前記フリー層、及び前記薄膜強磁性体を流れる電流を供給する一対の読み出し電流／書き込み電流供給用端子と、
前記第1非磁性層及び前記第1強磁性体にそれぞれ電気的に接続され、前記第１非磁性層と前記第1強磁性体との間に制御電流を供給し、前記薄膜強磁性体の磁化の向きを制御する一対の制御用端子と、
を備えることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項２】
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、
スピン拡散長以下の厚みのフリー層と、
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1非磁性層が位置するように設けられた第1強磁性体と、
前記固定層及び前記第1強磁性体にそれぞれ電気的に接続され、前記固定層、前記フリー層、及び前記第1強磁性体を流れる電流を供給するための一対の読み出し電流供給用端子と、
前記第1非磁性層に電気的に接続され、前記第１非磁性層と前記第1強磁性体との間に書き込み電流を供給するための書き込み電流供給用端子と、
を備えることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項３】
前記固定層、前記固定層とは反平行に磁化した第２強磁性体、及び前記第２強磁性体と前記固定層との間に介在する第２非磁性層からなるシンセティック構造と、
前記第２強磁性体と同一方向に磁化した第３強磁性体と、
前記第１及び第３強磁性体間に介在する第３非磁性層と、
を備え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）。
【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】
また、非特許文献４には、スピン依存伝導現象の新たな解析結果が示されている。近年、スピン依存伝導現象の解析が進み、スピントルクによる外部磁場を用いない磁化方向制御技術が知られるようになった。この文献ではスピン流のみを用いてナノスケール磁性微粒子の磁化反転を実現した実験について紹介されている。なお、通常、非磁性体中で伝導電子のスピンが緩和して向きを変えてしまう距離（スピン拡散長：数１００ｎｍ以下）は、平均自由行程よりも長いことが知られている。
【０００７】
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。
【０００８】
図１０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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
図１１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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
図１２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。
【００１８】
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
【非特許文献４】大谷義近、木村崇、「スピン流を用いた磁化状態操作」、社団法人日本応用磁気学会、第１４５回研究会資料、スピン流駆動デバイスの最前線、ｐ．３１−３６、２００６年１月３０日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
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。
【００２０】
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】
【００２１】
上述の課題を解決するため、本発明に係る第1のタイプの磁気メモリは、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所定の非磁性層が位置するように設けられ、スピン拡散長以下の厚みの薄膜強磁性体と、磁化の向きが固定された第1強磁性体と、薄膜強磁性体と第1強磁性体との間に介在する第１非磁性層と、固定層及び薄膜強磁性体にそれぞれ電気的に接続され、固定層、フリー層、及び薄膜強磁性体を流れる電流を供給する一対の読み出し電流／書き込み電流供給用端子と、第1非磁性層及び前記第1強磁性体にそれぞれ電気的に接続され、第１非磁性層と第1強磁性体との間に制御電流を供給し、薄膜強磁性体の磁化の向きを制御する一対の制御用端子と備えることを特徴とする。
【００２２】
第1強磁性体と第1非磁性層とはスピンフィルタを構成している。制御用端子は、第1強磁性体と第1非磁性層にそれぞれ設けられており、閉回路を構成しているので、薄膜強磁性体内には電流は流れない。しかしながら、一対の制御用端子に制御電流を供給すると、第１非磁性層に隣接する薄膜強磁性体には、制御電流の向きに応じて特定の極性のスピンが染み出していく。すなわち、制御電流を第1強磁性体側から供給した場合には、第1強磁性体の磁化の向きと同じスピンが第1非磁性層に流れ、その一部が薄膜強磁性体内にも染み出していく。
【００２３】
スピン拡散長をλとし、薄膜強磁性体と第1非磁性層との界面位置をｘ＝０とし、ｘ＝０から薄膜強磁性体に向かう方向を正とすると、この界面から染み出したスピン量Ｃはexp（−ｘ／λ)のように、距離の指数関数に従って減衰し、０に収束していく。このスピンは、スピン拡散長以下の厚みの薄膜強磁性体内に蓄積され、その磁化の向きが注入されたスピンの極性に揃ってくる。すなわち、薄膜強磁性体の磁化の向きが制御される。
【００２４】
ここで、薄膜強磁性体の磁化の向きが、固定層の磁化の向きとは逆の場合を、書き込みモードとし、固定層の磁化の向きと同一の場合を、読み出しモードとする。
【００２５】
書き込みモードにおいて、一対の読み出し電流／書き込み電流供給用端子間に電流を流すと、例えば、固定層を通過したスピン分極電流をフリー層内に注入すると、固定層の磁化の向きに揃ったスピンがフリー層内に蓄積される。なお、逆方向に電流を流すと、これとは逆向きのスピン分極電流がフリー層内に注入され、この逆向きのスピンがフリー層内に蓄積される。これらの場合、書き込み電流を流すと、注入されたスピンの向きに、フリー層の磁化の向きが揃うように内部のスピンにトルクが働く。
【００２６】
ここで、書き込みモードにおいては、フリー層からみて、固定層の磁化の向きと、薄膜強磁性体の磁化の向きとが逆であるため、トルクが有効に働き、元の磁化の向きが蓄積されたスピンとは逆向きである場合には、スピン注入磁化反転が生じる。
【００２７】
一方、読み出しモードにおいては、フリー層からみて、固定層の磁化の向きと、薄膜強磁性体の磁化の向きとが同一であるため、トルクが有効に働かず、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。すなわち、固定層の磁化の向きと、薄膜強磁性層の磁化の向きとが、フリー層に対して鏡対称である場合、これを数学的に解析すると、フリー層において逆向きのトルクが働くことが分かる。
詳説すれば、読み出しモードにおいて、フリー層の一方側に存在するグループ（Ｒとする）に属する強磁性体の数と、フリー層の他方側に存在するグループ（Ｃとする）に属する強磁性体の数とが同一であり、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が、フリー層からみて同一である場合、フリー層のスピンにはトルクが働かない。上記強磁性体の数が若干異なる場合、トルクは働きにくくなる。なお、これらの配列が逆である場合には、フリー層のスピンにトルクが働き、また、上記強磁性体の数が若干異なる場合にはトルクが働き易くなる。この現象はＳｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉの理論とも一致している。
【００２８】
すなわち、読み出し電流の大きさに、書き込み電流の大きさの最小値が制限されないため、書き込み電流を小さくすることができる。
【００２９】
なお、固定層及び薄膜強磁性体の磁化の向きと、フリー層の磁化の向きが同一である場合には、磁気抵抗は小さく、スピン分極電流は大きいため、例えば「１」が記憶されているものと判定することができる。また、逆に、固定層及び薄膜強磁性体の磁化の向きと、フリー層の磁化の向きが逆向きである場合には、磁気抵抗は大きく、スピン分極電流は小さいため、例えば「０」が記憶されているものと判定することができる。
【００３０】
なお、中間非磁性層は、固定層と共にスピンの透過選択性を有するスピンフィルタを構成する非磁性層であり、好適には、トンネル効果の生じる厚みのＭｇＯやＡｌ２Ｏ３などのトンネルバリア層の他、Ｃｕなどの導電層を適用することもできる。
【００３１】
ここで、薄膜強磁性体とフリー層を共通にしたような構造の第２のタイプの磁気メモリも考えられる。
【００３２】
すなわち、上述の課題を解決するため、本発明に係る第２のタイプの磁気メモリは、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、スピン拡散長以下の厚みのフリー層と、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1非磁性層が位置するように設けられた第1強磁性体と、固定層及び第1強磁性体にそれぞれ電気的に接続され、固定層、フリー層、及び第1強磁性体を流れる電流を供給するための一対の読み出し電流供給用端子と、第1非磁性層に電気的に接続され、第１非磁性層と第1強磁性体との間に書き込み電流を供給するための書き込み電流供給用端子とを備えることを特徴とする。
【００３３】
第1強磁性体と第1非磁性層とはスピンフィルタを構成している。
【００３４】
書き込み電流供給用端子によって、第1強磁性体と第1非磁性層の間に書き込み電流を流すと、これは閉回路を構成しているので、フリー層内には電流は流れない。しかしながら、書き込み電流を供給すると、第１非磁性層に隣接するフリー層には、書き込み電流の向きに応じて特定の極性のスピンが染み出していく。すなわち、書き込み電流を第1強磁性体側から書き込み電流供給用端子に供給した場合には、第1強磁性体の磁化の向きと同じスピンが第1非磁性層に流れ、その一部がフリー層内にも染み出していく。
【００３５】
スピン拡散長をλとし、フリー層と第1非磁性層との界面位置をｘ＝０とし、ｘ＝０からフリー層に向かう方向を正とすると、この界面から染み出したスピン量Ｃはexp（−ｘ／λ)のように、距離の指数関数に従って減衰し、０に収束していく。このスピンは、スピン拡散長以下の厚みのフリー層内に蓄積され、その磁化の向きが注入されたスピンの極性に揃ってくる。すなわち、フリー層の磁化の向きが制御される。
【００３６】
ここで、第1強磁性体の磁化の向きと、固定層の磁化の向きとは同一であり、一対の読み出し電流供給用端子間に電流を流す場合には、フリー層のスピンにトルクが働きにくい。すなわち、読み出しモードにおいては、フリー層からみて、固定層の磁化の向きと、第1強磁性体の磁化の向きとが同一であるため、トルクが有効に働かず、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。
【００３７】
すなわち、読み出し電流の大きさに、書き込み電流の大きさの最小値が制限されないため、書き込み電流を小さくすることができる。
【００３８】
なお、固定層及び第1強磁性体の磁化の向きと、フリー層の磁化の向きが同一である場合には、磁気抵抗は小さく、スピン分極電流は大きいため、例えば「１」が記憶されているものと判定することができる。また、逆に、固定層及び第1強磁性体の磁化の向きと、フリー層の磁化の向きが逆向きである場合には、磁気抵抗は大きく、スピン分極電流は小さいため、例えば「０」が記憶されているものと判定することができる。
【００３９】
なお、本発明に係る磁気メモリは、上記固定層、この固定層とは反平行に磁化した第２強磁性体、及び前記第２強磁性体と前記固定層との間に介在する第２非磁性層からなるシンセティック構造と、前記第２強磁性体とは同一方向に磁化した第３強磁性体と、第１及び第３強磁性体間に介在する第３非磁性層とを備えることを特徴とする。
【００４０】
この場合、２つの強磁性膜（固定層、第２強磁性体）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。また、フリー層から見た、固定層側の強磁性体の磁化の向きの配列と、固定層とは逆側の強磁性体の磁化の向きの配列とは、同一であるため、上述の読み出しモードの構造が実現されており、読み出し電流の供給によっても、フリー層の磁化注入反転が容易には生じない構造となっている。
【発明の効果】
【００４１】
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】
【００４２】
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。
【００４３】
図１は、各記憶領域が有する第１のタイプのメモリ素子１０の断面図である。
【００４４】
このメモリ素子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を備えており、これら接触している。フリー層３の固定層１とは反対側には所定の非磁性層４が接触しており、非磁性層４のフリー層３とは反対側には薄膜強磁性体５が接触している。すなわち、薄膜強磁性体５と固定層１との間の読み書き時の電流経路内にフリー層３が位置しており、薄膜強磁性体５とフリー層３との間の電流経路内に所定の非磁性層４が位置している。
【００４５】
薄膜強磁性体５の非磁性層４とは反対側には第１非磁性層６が接触し、続いて第１強磁性体７が位置している。すなわち、このメモリ素子１０は、磁化の向きが固定された第1強磁性体７と、薄膜強磁性体５と第1強磁性体７との間に介在する第1非磁性層６を備えている。薄膜強磁性体５はスピン拡散長以下の厚み（数１００ｎｍ以下）を有している。
【００４６】
一対の読み出し電流／書き込み電流供給用端子ＴＲＷ１，ＴＲＷ２は、固定層１及び薄膜強磁性体５にそれぞれ電気的に接続され、固定層１、フリー層３、及び薄膜強磁性体５を流れる電流を供給する。
【００４７】
一対の制御用端子ＴＣ１，ＴＣ２は、第1非磁性層６及び第1強磁性体７にそれぞれ電気的に接続されており、第1非磁性層６と第1強磁性体７との間に制御電流ＩＣを供給し、第１非磁性層６からのスピンの染み出しによって、薄膜強磁性体５の磁化の向きを制御する。
【００４８】
以下、詳説する。
【００４９】
第1強磁性体７と第1非磁性層６とはスピンフィルタを構成している。制御用端子ＴＣ１，ＴＣ２は、第1非磁性層６と第1強磁性体７にそれぞれ設けられており、これらの端子に接続される制御回路と共に閉回路を構成しているので、これらの端子から薄膜強磁性体５内には電流は流れない。しかしながら、一対の制御用端子ＴＣ１，ＴＣ２に制御電流を供給すると、第1非磁性層６に隣接する薄膜強磁性体５には、制御電流ＩＣの向きに応じて特定の極性のスピンＳが染み出していく。すなわち、制御電流ＩＣを第1強磁性体７側から供給した場合には、第1強磁性体７の磁化の向きと同じスピンが第1非磁性層６に流れ、その一部のスピンＳが薄膜強磁性体５内にも染み出していく。
【００５０】
スピン拡散長をλとし、各層の厚み方向をｘ軸の方向とする。薄膜強磁性体５と第1非磁性層６との界面位置をｘ＝０とし、ｘ＝０から薄膜強磁性体５に向かう方向を正とすると、この界面から染み出したスピン量Ｃはexp（−ｘ／λ)のように、距離の指数関数に従って減衰し、０に収束していく。このスピンＳは、スピン拡散長以下の厚みの薄膜強磁性体５内に蓄積され、その磁化の向きが注入されたスピンＳの極性に揃ってくる。すなわち、薄膜強磁性体５の磁化の向きが制御される。
【００５１】
ここで、薄膜強磁性体５の磁化の向き（±ｙ）が、固定層１の磁化の向き（＋ｙ）とは逆の場合（−ｙ）を、書き込みモードとし、固定層１の磁化の向きと同一の場合（＋ｙ）を、読み出しモードとする。
【００５２】
書き込みモードにおいて、一対の読み出し電流／書き込み電流供給用端子ＴＲＷ１，ＴＲＷ２間に電流を流す。非磁性層４と薄膜強磁性体５とはスピンフィルタを構成しており、特定の極性のスピンを透過又は反射させる。このスピンフィルタを介して、或いは、固定層１を通過したスピン分極電流を中間非磁性層２を介して、フリー層３内に注入すると、固定層１の磁化の向き（＋ｙ）に揃ったスピンがフリー層３内に蓄積される。なお、逆方向に電流を流すと、これとは逆向きのスピン分極電流がフリー層３内に注入され、この逆向きのスピンがフリー層３内に蓄積される。これらの場合、書き込み電流ＩＷを流すと、注入されたスピンの向きに、フリー層３の磁化の向きが揃うように内部のスピンにトルクが働く。
【００５３】
ここで、書き込みモードにおいては、フリー層３からみて、固定層１の磁化の向き（＋ｙ）と、薄膜強磁性体５の磁化の向き（−ｙ）とが逆であるため、トルクが有効に働き、元の磁化の向きが蓄積されたスピンとは逆向きである場合には、スピン注入磁化反転が生じる。
【００５４】
一方、読み出しモードにおいては、フリー層３からみて、固定層１の磁化の向き（＋ｙ）と、薄膜強磁性体５の磁化の向き（＋ｙ）とが同一であるため、トルクが有効に働かず、読み出し電流ＩＲを大きくしてもスピン注入磁化反転が生じない。すなわち、固定層の磁化の向きと、薄膜強磁性層の磁化の向きとが、フリー層に対して鏡対称である場合、これを数学的に解析すると、フリー層において逆向きのトルクが働くことが分かる。
詳説すれば、読み出しモードにおいて、フリー層の一方側に存在するグループ（Ｒとする）に属する強磁性体の数と、フリー層の他方側に存在するグループ（Ｃとする）に属する強磁性体の数とが同一であり、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が、フリー層からみて同一である場合、フリー層のスピンにはトルクが働かない。強磁性体の数が若干異なる場合、トルクは働きにくくなる。なお、これらの配列が逆である場合には、フリー層のスピンにトルクが働き、また、強磁性体の数が若干異なる場合にはトルクが働き易くなる。この現象はＳｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉの理論とも一致している。
【００５５】
すなわち、読み出し電流ＩＲの大きさに、書き込み電流ＩＷの大きさの最小値が制限されないため、書き込み電流ＩＷを小さくすることができる。
【００５６】
なお、固定層１及び薄膜強磁性体５の磁化の向き（＋ｙ）と、フリー層３の磁化の向き（＋ｙ）が同一である場合には、磁気抵抗は小さく、スピン分極電流は大きいため、例えば「１」が記憶されているものと判定することができる。また、逆に、固定層１及び薄膜強磁性体５の磁化の向き（＋ｙ）と、フリー層３の磁化の向き（−ｙ）が逆向きである場合には、磁気抵抗は大きく、スピン分極電流は小さいため、例えば「０」が記憶されているものと判定することができる。
【００５７】
なお、中間非磁性層２は、固定層と共にスピンの透過選択性を有するスピンフィルタを構成する非磁性層であり、好適には、トンネル効果の生じる厚みのＭｇＯやＡｌ２Ｏ３などのトンネルバリア層の他、Ｃｕなどの導電層を適用することもできる。非磁性層はＲｕやＣｕなどの導電体からなる。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。
【００５８】
図２は、図１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。
【００５９】
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、一方の端子ＴＲＷ１は、第１半導体スイッチ部（トランジスタ）Ｑを介して第１ビット線Ｂ１に接続され、他方の端子ＴＲＷ２は、第２ビット線Ｂ２に接続されている。また、トランジスタＱの制御端子（ゲート）は、コントロール線（ワード線）Ｗ１に接続されている。
【００６０】
この構造の場合、データの書き込み時、第１ビット線Ｂ１と第２ビット線Ｂ２との間に位置するメモリ素子１０に、端子ＴＲＷ１，ＴＲＷ２を介して電流を供給することができ。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の電位を制御し、トランジスタＱをＯＮ／ＯＦＦ制御することによって制御することができる。第１ビット線Ｂ１と第２ビット線Ｂ２との間の電位差の正負を制御することで、メモリ素子１０内に流れる電流の方向、すなわち、メモリ素子１０内に書き込まれる情報「１」、「０」を制御することができる。
【００６１】
データの「書き込みモード」において、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ＱがＯＮし、ビット線Ｂ１から、トランジスタＱ及び端子ＴＲＷ１を介してメモリ素子１０に電流が流れ、この電流は端子ＴＲＷ２を介してビット線Ｂ２に流れる。Ｘ座標指定回路２０によってビット線Ｂ１のビット線Ｂ２に対する相対的な電位を制御し、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。
【００６２】
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Ｑ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ＴＲＷ１を介して電流が流れる。したがって、メモリ素子１０の内部のフリー層３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。
【００６３】
データの「読み出しモード」の場合、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とビット線Ｂ１の電位を共に上昇させると、トランジスタＱ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端子ＴＲＷ１を流れる。この電流をビット線Ｂ１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。
【００６４】
図３は、上述のモードを変換するための制御回路１５のブロック図である。
【００６５】
制御回路１５は、モード変換指令入力端子ＴＭと、上述の制御端子ＴＣ１、ＴＣ２にそれぞれ接続される出力端子ＴＣ１’，ＴＣ２’を備えている。
【００６６】
モード変換指令入力端子ＴＭにハイレベル（書き込みモード指令信号とする）の信号が入力されると、制御回路１５は、制御端子ＴＣ１からＴＣ２に電子が流れ、ダウンスピンが薄膜強磁性体５内に染み出して、「書き込みモード」となるように、出力端子ＴＣ１’，ＴＣ２’から電流を出力する。
【００６７】
モード変換指令入力端子ＴＭにローレベル（読み出しモード指令信号とする）の信号が入力されると、制御回路１５は、制御端子ＴＣ２からＴＣ１に電子が流れ、アップスピンが薄膜強磁性体５内に染み出して、「読み出しモード」となるように、出力端子ＴＣ２’，ＴＣ１’から電流を出力する。
【００６８】
このような制御回路１５は、例えば、モード変換指令入力端子ＴＭにハイレベルの信号が入力された場合には、端子ＴＣ１の電位を高電位に接続し、端子ＴＣ２を低電位に接続し、モード変換指令入力端子ＴＭにローレベルの信号が入力された場合には、ハイレベル時の接続関係を切断し、端子ＴＣ１の電位を低電位に接続し、端子ＴＣ２を高電位に接続するようにトランジスタを配置した構造とすればよい。
【００６９】
また、上述の薄膜強磁性体５とフリー層３を共通にしたような構造の第２のタイプの磁気メモリも考えられる。
【００７０】
以下、詳説する。
【００７１】
図４は、各記憶領域が有する第２のタイプのメモリ素子１０の断面図である。
【００７２】
このメモリ素子１０は、スピン拡散長以下の厚みのフリー層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とを備えており、これらは接触している。
【００７３】
固定層１には第1非磁性層６を介して第1強磁性体７が設けられている。第1強磁性体７は、固定層１と同一の磁化の向き（＋ｙ）を有している。第1強磁性体７と固定層１との間の電流ＩＲの経路内にフリー層３が位置しており、第1強磁性体７とフリー層３との間の電流経路内に第1非磁性層６が位置し、これは接触している。
【００７４】
一対の読み出し電流供給用端子ＴＲ１、ＴＲ２は、固定層１及び第1強磁性体７にそれぞれ電気的に接続されており、固定層１、フリー層３、及び第1強磁性体７を流れる電流を供給する。また、一方の書き込み電流供給用端子ＴＷ１は、第1非磁性層６に電気的に接続されており、第1非磁性層６と第1強磁性体７との間に書き込み電流を供給する。他方の書き込み電流供給用端子ＴＷ２は、読み出し電流供給用端子ＴＲ２と共通であり、第1強磁性体７に電気的に接続されている。
【００７５】
第1強磁性体７と第1非磁性層６とはスピンフィルタを構成している。書き込み電流供給用端子ＴＷ１とＴＷ２との間にバイアス電圧を印加すると、第1強磁性体７と第1非磁性層６の間に書き込み電流ＩＷを流れるが、これは外部に接続される制御回路と共に閉回路を構成しているので、フリー層３内には電流は流れない。しかしながら、書き込み電流ＩＷを供給すると、第1非磁性層６に隣接するフリー層３には、書き込み電流ＩＷの向きに応じて特定の極性のスピンＳが染み出していく。すなわち、書き込み電流ＩＷを第1強磁性体７側から書き込み電流供給用端子ＴＷ１に供給した場合には、第1強磁性体７の磁化の向きと同じスピンが第1非磁性層６に流れ、その一部のスピンＳがフリー層３内にも染み出していく。
【００７６】
スピン拡散長をλとし、フリー層３と第1非磁性層６との界面位置をｘ＝０とし、ｘ＝０からフリー層３に向かう方向を正とすると、この界面から染み出したスピン量Ｃはexp（−ｘ／λ)のように、距離の指数関数に従って減衰し、０に収束していく。このスピンは、スピン拡散長以下の厚みのフリー層３内に蓄積され、その磁化の向きが注入されたスピンの極性に揃ってくる。すなわち、フリー層３の磁化の向きが制御される。
【００７７】
ここで、第1強磁性体７の磁化の向きと、固定層１の磁化の向きとは同一であり、一対の読み出し電流供給用端子ＴＲ１、ＴＲ２間に電流を流す場合には、フリー層３のスピンにトルクが働きにくい。すなわち、読み出しモードにおいては、フリー層３からみて、固定層１の磁化の向き（＋ｙ）と、第1強磁性体７の磁化の向き（＋ｙ）とが同一であるため、トルクが有効に働かず、読み出し電流ＩＲを大きくしてもスピン注入磁化反転が生じない。
【００７８】
すなわち、読み出し電流ＩＲの大きさに、書き込み電流ＩＷの大きさの最小値が制限されないため、書き込み電流ＩＲを小さくすることができる。
【００７９】
なお、固定層１及び第1強磁性体７の磁化の向き（＋ｙ）と、フリー層３の磁化の向きが同一である場合には、磁気抵抗は小さく、スピン分極電流は大きいため、例えば「１」が記憶されているものと判定することができる。また、逆に、固定層１及び第1強磁性体７の磁化の向き（＋ｙ）と、フリー層３の磁化の向き（−ｙ）が逆向きである場合には、磁気抵抗は大きく、スピン分極電流は小さいため、例えば「０」が記憶されているものと判定することができる。
【００８０】
図５は、図４のメモリ素子１０を備えた磁気メモリの回路図である。
【００８１】
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ＴＷ１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ＴＲ１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。
【００８２】
この構造の場合、第１ビット線Ｂ１して書き込み用端子ＴＷ１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ＴＲ１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。
【００８３】
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、この電流は端子ＴＷ２（ＴＲ２）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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
なお、本例では図中のビット線Ｂ３及び端子ＴＷ２’は使用しない。
【００８７】
図６は、図４に示したメモリ素子１０の変形例の断面図である。
【００８８】
この磁気メモリは、シンセティック構造を有している。シンセティック構造は、固定層１と、固定層１とは反平行に磁化した第２強磁性体１ａと、第２強磁性体１ａと固定層１との間に介在する第２非磁性層１ｂとからなる。フリー層３に対する強磁性体の磁化の向きの対称性を維持するため、このメモリ素子１０は、第２強磁性体１ａとは同一方向に磁化した第３強磁性体９と、第１強磁性体７と第３強磁性体９との間に介在する第３非磁性層８とを備えている。
【００８９】
この場合、２つの強磁性膜（固定層１、第２強磁性体１ａ）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。また、フリー層３から見た、固定層１側の強磁性体の磁化の向きの配列と、固定層１とは逆側の強磁性体の磁化の向きの配列とは、同一であるため、上述のスピントルクが働きにくい構造、換言すれば、読み出しモードの構造が実現されており、読み出し電流ＩＲの供給によっても、フリー層３の磁化注入反転が容易には生じない構造となっている。
【００９０】
詳説すれば、読み出し電流ＩＲの経路内において、フリー層３から一方の読み出し用端子ＴＲ１へ向かう間に存在するグループＲ１に属する強磁性体の数と、フリー層３から他方の読み出し用端子ＴＲ２のへ向かう間に存在するグループＲ２に属する強磁性体の数とは同一であり、且つ、グループＲ１に属する強磁性体の磁化の向きの配列と、グループＲ２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。
【００９１】
但し、書き込み用端子ＴＷ２’と読み出し用端子ＴＲ２とは、上述の例とは異なり、電気的に独立した構成となっている。他の機能は上述のものと同一である。
【００９２】
なお、読み出し電流供給用端子ＴＲ１は、第２強磁性体１ａを介して固定層１に電気的に接続され、読み出し電流供給用端子ＴＲ２は第３強磁性体９を介して第1強磁性体７に電気的に接続されている。これらの端子ＴＲ１，ＴＲ２は、第２強磁性体１ａ、固定層１、フリー層３、第1強磁性体７及び第３強磁性体９を流れる電流ＩＲを供給する。一方の書き込み電流供給用端子ＴＷ１は、第1非磁性層６に電気的に接続されており、第1非磁性層６と第1強磁性体７との間に書き込み電流を供給する。他方の書き込み電流供給用端子ＴＷ２’は、第1強磁性体７に電気的に直接接続されている。
【００９３】
本例の場合、データの読み出し工程は上述の通りであるが、データの書き込み時においては、図５に示したビット線Ｂ３を用いる。すなわち、書き込み電流ＩＷは、書き込む情報の内容によって、その向きを変える必要がある。図４に示した構造の場合、ビット線Ｂ１の電位をグランドに対して相対的に上下させることで、書き込み電流ＩＷの向きを変更した。本例では、１つの書き込み電流供給用端子ＴＷ２’が第３のビット線Ｂ３に接続されており、ビット線Ｂ３の電位をビット線Ｂ１の電位に対して相対的に上下させることで、書き込み電流ＩＷの向きを変更する。なお、各非磁性層の厚みはスピン拡散長より小さく構成する。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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最差運動で回転するが、磁化反転は任意の角で歳差運動最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、Ｔσｘ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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
ここで、図１０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。
【０１０５】
この現象は、図１に示した構造ばかりでなく、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。
【０１０６】
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１２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。
【０１０７】
上述の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。この場合、各試料に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。
【０１０８】
以上、説明したように、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。本発明では、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、書き込み電流の最低地に制限がなく、その大きさを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】各記憶領域が有する第１のタイプのメモリ素子１０の断面図である。
【図２】図１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３】モードを変換するための制御回路１５のブロック図である。
【図４】各記憶領域が有する第２のタイプのメモリ素子１０の断面図である。
【図５】図４のメモリ素子１０を備えた磁気メモリの回路図である。
【図６】図４に示したメモリ素子１０の変形例の断面図である。
【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】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１１】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１２】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】
【０１１０】
１ａ・・・強磁性体、１・・・固定層、１ｂ・・・非磁性層、２・・・中間非磁性層、３・・・フリー層、４・・・非磁性層、５・・・強磁性層、６・・・非磁性層、７・・・強磁性体、８・・・非磁性層、９・・・強磁性体、１０・・・メモリ素子、１５・・・制御回路、Ｓ・・・スピン、ＴＣ１，ＴＣ２・・・制御用端子、ＴＭ・・・モード変換指令入力端子、ＴＲ１，ＴＲ２・・・電流供給用端子。
【図１】
2007317797.tif 000003
【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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