(57)【要約】【課題】スピン軌道相互作用によって、磁性層中の磁壁を低い電流で移動させると共に、ラチェット駆動させることで低消費電力・高記憶密度を実現する磁気メモリセルを提供する。【解決手段】本発明は、基準層として磁化状態が固定されている第１磁性層１０と、データ記憶層として磁化状態が変化する第２磁性層３０と、第１磁性層１０と第２磁性層３０との間に挟まれたトンネル障壁層２０と、を有する磁気メモリセル１において、第２磁性層３０の磁化状態を変化させるときに第２磁性層３０のスピン軌道相互作用を制御することを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準層として磁化状態が固定されている第１磁性層と、
データ記憶層として磁化状態が変化する第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に挟まれたトンネル障壁層と、を有する磁気メモリセルにおいて、
前記第２磁性層の磁化状態を変化させるときに前記第２磁性層のスピン軌道相互作用を制御することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項２】
前記第２磁性層にはスピン軌道相互作用を制御するための電圧を印加するスピン軌道相互作用制御電極が設けられることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリセル。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の磁気メモリセルをアレイ状に接続したことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項４】
磁性層中の磁化状態を変化させることで情報を記憶する磁気記憶方法であって、前記磁性層の磁化状態を変化させるときに前記磁性層のスピン軌道相互作用を制御することを特徴とする磁気記憶方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性層中におけるスピン軌道相互作用の制御を行うことによって、磁性層中の磁壁を低い電流で移動させると共に、ラチェット駆動させることで低消費電力・高記憶密度を実現する磁気メモリセル、及びそのような磁気メモリセルを用いた磁気記憶装置、磁気記憶方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータや電子機器に利用されるメモリ素子においては、激しい技術開発競争が繰り広げられている。日進月歩のスピードで技術が進展し、様々な新しいメモリデバイスが提案されている。近年、非磁性層を強磁性層の間にはさみ込んだ磁気抵抗膜で巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｇｉｓｔａｎｃｅ）が発見され、この現象を利用した磁気センサー、メモリ素子が注目を集めつつある。以下において磁気抵抗膜を利用したメモリ素子の総称をＭＲＡＭとする。
【０００３】
ＭＲＡＭでは、二つの強磁性層とその間に挟んだ薄い非磁性層の三層構造が情報を記録する基本構造単位となる。非磁性層をはさみ込んだ、二つの強磁性層の間で、その磁化方向がそろっている場合と反平行な場合とでは、抵抗値が異なる現象を利用して、“０”、“１”の状態を記録する。一方の磁性層における磁化方向を変化させるために所定の誘導磁場が加えられる。
【０００４】
記録されている情報を読み出す際には、書き込みの際より弱い交流磁場を印加して、一方の強磁性層だけ、その磁化方向の向きを変化させ、その際に抵抗値変化を測定して、“０”、“１”の状態を読み出す。ＭＲＡＭは、情報が磁気的に記録されるため、放射線耐性に優れ、原理的に不揮発であり高速で書き込み回数の制限がない利点がある。既存の半導体技術を流用することで高密度記録が容易に行えるので、将来的にはＤＲＡＭの置き換えが期待される。
【０００５】
上記のような誘導磁場によらずに磁化反転を実現する技術も提案されている。例えば、積層方向にキャリアスピンを注入することにより磁化反転を行うキャリアスピン注入磁化反転型磁気抵抗効果膜も提案されている。上記のキャリアスピン注入磁化反転型磁気抵抗効果膜では、注入層から反転層へスピン偏極したキャリアが電気的に注入されると、キャリアが磁性体の磁化にもたらすトルクによって、ある反転電流以上で磁化反転膜の磁化回転が起こる。このようなキャリアスピン注入磁化反転型ＭＲＡＭについては、例えば特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１９５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のＭＲＡＭなどにおける磁気記憶の基本単位となる磁気メモリセルでは、磁性層中の磁壁を移動させるのに必要な電流値が大きく、従来の磁気メモリセルを用いてデバイスを構成すると消費電力が大きくなる、という問題があった。
【０００７】
また、従来の磁気メモリセルでは、磁性層中の磁壁の移動を再現性よく制御することが困難であり、従来の磁気メモリセルを用いたデバイスの記憶密度を向上する障害となる、という問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記のような課題を解決するために、請求項１に係る発明は、基準層として磁化状態が固定されている第１磁性層と、データ記憶層として磁化状態が変化する第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に挟まれたトンネル障壁層と、を有する磁気メモリセルにおいて、前記第２磁性層の磁化状態を変化させるときに前記第２磁性層のスピン軌道相互作用を制御することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の磁気メモリセルにおいて、前記第２磁性層にはスピン軌道相互作用を制御するための電圧を印加するスピン軌道相互作用制御電極が設けられることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の磁気メモリセルをアレイ状に接続したことを特徴とする磁気記憶装置である。
【００１１】
また、請求項４に係る発明は、磁性層中の磁化状態を変化させることで情報を記憶する磁気記憶方法であって、前記磁性層の磁化状態を変化させるときに前記磁性層のスピン軌道相互作用を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の磁気メモリセルによれば、第２磁性層にスピン軌道相互作用を与えるので、従来より低い電流で磁壁を移動することができるようになる。
【００１３】
本発明の磁気メモリセルによれば、第２磁性層にスピン軌道相互作用によって、第２磁性層における磁壁をラチェット駆動させることができるようになるために、第２磁性層により高密度に情報を記録することができるようになる。
【００１４】
また、本発明の磁気記憶装置によれば、第２磁性層に与えられるスピン軌道相互作用によって、それぞれの磁気メモリセルが記憶動作を行うときに消費する電流が小さくなるので、消費電力を低減することができる。
【００１５】
また、本発明の磁気記憶装置によれば、スピン軌道相互作用によって、それぞれのメモリセルの第２磁性層における磁壁をラチェット駆動させることができるようになるために、より高密度に情報を記録することができるようになる。
【００１６】
また、本発明の磁気記憶方法によれば、磁性層にスピン軌道相互作用を与えることによって、より低い電流で磁壁を移動させると共に、磁壁をラチェット駆動させることができるようになるので、低消費電力・高記憶密度を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す図である。なお、以下、本実施形態においては、当該磁気メモリセルからの情報の読み出しについては、例えば巨大磁気抵抗効果などの周知の方法によることができるので、本発明の特徴点である当該磁気メモリセルに対する情報の書き込みについて説明する。
【００１８】
図１において、１は磁気メモリセル、１０は第１磁性層（基準層）、２０はトンネル障壁層、３０は第２磁性層（データ記憶層）、５１、５２はスピン注入磁化反転制御電極、６１、６２はスピン軌道相互作用制御電極、７０はスピン注入磁化反転制御電流源Ｊ１、８０はスピン軌道相互作用制御電圧源V２、ＳＷ１、ＳＷ２はスイッチをそれぞれ示して
いる。
【００１９】
図１に示すように、磁気メモリセル１は、２層の強磁体層である第１磁性層（基準層）１０及び第２磁性層（データ記憶層）３０の間にトンネル障壁層２０を挟んだ構造を有している。
第１磁性層（基準層）１０にはスピン注入磁化反転制御電極５１が、また、第２磁性層（データ記憶層）３０にはスピン注入磁化反転制御電極５２が図示するように設けられており、スイッチＳＷ１の開閉によって、スピン注入磁化反転制御電流源７０による電流Ｊ１を、第１磁性層（基準層）１０−トンネル障壁層２０−第２磁性層（データ記憶層）３０に流すことができるようになっている。
【００２０】
また、図示するようにスピン軌道相互作用制御電極６１、６２が第２磁性層（データ記憶層）３０両端を挟むように設けられており、スイッチＳＷ２の開閉によって、スピン軌道相互作用制御電圧源８０による電圧Ｖ２を第２磁性層（データ記憶層）３０に印加することができるようになっている。
【００２１】
第１磁性層（基準層）１０は磁化状態を変化させることができない磁化固定層を構成しているのに対して、第２磁性層（データ記憶層）３０は、電流Ｊ１及電圧Ｖ２をスイッチＳＷ１、ＳＷ２で制御することによって磁化状態を変化させることができる磁化自由層を構成している。
【００２２】
磁気メモリセル１は、第１磁性層（基準層）１０と第２磁性層（データ記憶層）３０の間の磁化状態の関係が、平行磁化状態（低抵抗）又は反平行磁化状態（高抵抗）のいずれであるかに起因する電気抵抗の差を記憶情報として読み出す不揮発性のメモリセルである。
【００２３】
本実施形態の磁気メモリセル１は、第２磁性層（データ記憶層）３０は、キャリアスピンを注入することにより磁化反転を行うキャリアスピン注入磁化反転型磁気抵抗効果を有するものとする。また、本実施形態の磁気メモリセル１の第２磁性層（データ記憶層）３０に対しては電圧Ｖ２の印加によって、スピン軌道相互作用を与えるように制御するものである。
【００２４】
スピン軌道相互作用は、電子が運動するときに、その電子の運動と同時にスピンを変化させる相互作用であり、電子の運動方向に対して垂直に電場などを作用させることによってスピン軌道相互作用を与えることができる。本実施形態では、第２磁性層（データ記憶層）３０に、先の電圧Ｖ２によって、スピン軌道相互作用を与える。
【００２５】
所定の材料にスピン軌道相互作用を与えることで、特徴的な磁壁の移動が行われることが発明者らの鋭意研究により明らかになった。本発明は、スピン軌道相互作用下における特徴的な磁壁の移動を用いる。なお、スピン軌道相互作用下における特徴的な磁壁の移動の詳細については、小幡一智「Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｒａｓｈｂａ  ｓｐｉｎ−ｏｒｉｂｉｔ  ｓｙｓｔｅｍ」（首都大学東京修士論文）に詳しいので、本明細書ではこの内容を援用することとする。
【００２６】
図２はスピン軌道相互作用下における磁壁の移動の類型を示す図である。所定の材料に電圧Ｖ２を印加したときの磁壁位置Ｘを示す図である。図２には、λ＝０（スピン軌道相互作用なし）のものと、スピン軌道相互作用下での異なる３つの特徴的な磁壁移動パターンを示すものが示されている。これらの特徴的な磁壁移動パターンを示すものを、Ｂｌｏｃｈ（ｚ）、Ｎｅｅｌ（ｘ）、Ｂｌｏｃｈ（ｙ）として定義する。なお、図２はλ＝０のものが磁壁移動を開始する電流を１として規格化したものである。
【００２７】
第２磁性層（データ記憶層）３０に用いる材料として、Ｂｌｏｃｈ（ｚ）、Ｎｅｅｌ（
ｘ）、Ｂｌｏｃｈ（ｙ）は、磁気容易軸の方向によって定義することができる。図３は、磁化容易軸と磁化構造との対応を示す図である。また、本明細書においては、それぞれの磁壁の構造を「Ｂｌｏｃｈ（ｚ）  ｗａｌｌ」、「Ｎｅｅｌ（ｘ）  ｗａｌｌ」、「Ｂｌｏｃｈ（ｙ）  ｗａｌｌ」と称することとする。
【００２８】
図２において、λ＝０（スピン軌道相互作用なし）の場合、Ｊ１＝１を基点として図示するように磁壁位置が立ち上がるのに対して、Ｂｌｏｃｈ（ｚ）、Ｎｅｅｌ（ｘ）は共に、Ｊ１＝０．８で磁壁位置がステップ的に立ち上がり、しばらく平坦な特性が続き、Ｊ１＝１．３で再び増加に転ずる。また、Ｂｌｏｃｈ（ｙ）では、磁壁位置はＪ１＝０から立ち上がり、Ｊ１＝０．２あたりでピークを示した後、いったん減少しその後Ｊ１＝０．４あたりから漸増する。
【００２９】
このようにスピン軌道相互作用がない場合に比べて、スピン軌道相互作用を与えると、より少ない電流によって、磁壁を移動することが可能となる。これは、Ｂｌｏｃｈ（ｚ）、Ｎｅｅｌ（ｘ）、Ｂｌｏｃｈ（ｙ）のいずれのものの場合でも当てはまるが、特に図示するようにＢｌｏｃｈ（ｙ）で顕著である。本発明においては、この現象を磁気メモリセル１の低消費電力化に利用する。
【００３０】
また、Ｂｌｏｃｈ（ｚ）、Ｎｅｅｌ（ｘ）のものでは、Ｊ１＝０．８〜.１．３の電流
範囲では磁壁位置は一定で止まる。本発明では、この現象を磁気メモリセル１の磁壁制御に利用するものである。
【００３１】
図４は本発明の実施の形態に係る磁気メモリセル１における第２磁性層（データ記憶層）３０を抜き出して示す図である。ここでは、低電流で磁壁移動を可能とするＢｌｏｃｈ（ｙ）の物質を図示するような座標系で配置し、スピン注入磁化反転制御電流Ｊ１及びスピン軌道相互作用制御電圧Ｖ２によって磁壁を上下に移動させ、第２磁性層（データ記憶層）３０中の磁化状態を、第１磁性層（基準層）１０と平行磁化状態又は反平行磁化状態のいずれかにする。図４は磁壁の移動中の様子を示している。また、第２磁性層（データ記憶層）３０の中に示された矢印は磁化の方向を示している。
【００３２】
このような本発明の実施の形態に係る磁気メモリセル１によれば、第２磁性層（データ記憶層）３０にスピン軌道相互作用を与えるので、従来より低い電流で磁壁を移動することができるようになる。
【００３３】
図５はこのような磁気メモリセル１、１’、１’’をアレイ状にした磁気記憶装置２を示す図である。本実施形態に係る磁気記憶装置２では、磁気メモリセル１に共通するようにして設けられているスピン注入磁化反転制御電極５１と、磁気メモリセル１それぞれに独立して設けられているスピン注入磁化反転制御電極５２とによって、記憶させるメモリセルに対して、選択的にスピン注入磁化反転制御電流Ｊ１を印加し、かつその際にスピン軌道相互作用制御電圧Ｖ２を印加することによって磁壁を上下に移動させ、第２磁性層（データ記憶層）３０、３０’、３０’’中の磁化状態を変化させるようにする。
【００３４】
以上のような本発明の実施の形態に係る磁気記憶装置２によれば、高密度化した場合においても、それぞれの磁気メモリセルが記憶動作を行うときに消費する電流は小さくなるので、消費電力を低減することができる。
【００３５】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図６は本発明の他の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す図である。図１に示す実施形態においては、第２磁性層（データ記憶層）３０の磁化状態が平行磁化状態又は反平行磁化状態のいずれであったのに対して、図６に示す実施形態の第２磁性層（データ記憶層）４０の磁化状態は、２つ以上の
状態をとることができるように構成されている。
【００３６】
図７は本発明の他の実施の形態に係る磁気メモリセル３における第２磁性層（データ記憶層）３０を抜き出して示す図であり、図８は本発明の他の実施の形態に係る磁気メモリセル３における第２磁性層（データ記憶層）３０の磁化パターンを示す図である。
【００３７】
本実施形態の磁気メモリセル３には、磁壁移動の制御を行いやすいＢｌｏｃｈ（ｚ）の物質を図示するような座標系で配置し、スピン注入磁化反転制御電流Ｊ１及びスピン軌道相互作用制御電圧Ｖ２を印加することによって磁壁を間隔ｄの単位で上下に移動させ、第２磁性層（データ記憶層）３０中の磁化状態を、図８に示す（Ａ）乃至（Ｅ）の５パターンとり得るようにして、磁気メモリセル３ひとつに対して１ビットより多くの情報を記憶させるものである。なお、図７及び図８に示す例では、磁化状態を５パターンとしたが、本発明はこのパターン数に限定されるものではない。
【００３８】
本実施形態においては、第２磁性層（データ記憶層）４０として、例えばＢｌｏｃｈ（ｚ）の物質を用いることで、図２のＦで示される領域を利用することで、磁壁をｄ間隔でステップ的に移動させる（磁壁をラチェット駆動させる）ようにするものである。なお、本実施形態においては、第２磁性層（データ記憶層）４０として、例えばＢｌｏｃｈ（ｚ）の物質を用いる場合について説明するが、Ｎｅｅｌ（ｘ）を用いることも可能である。
【００３９】
Ｂｌｏｃｈ（ｚ）、Ｎｅｅｌ（ｘ）のタイプの磁壁では、磁壁が一定の距離を動いてとどまる挙動を示すが、これをポテンシャル図に基づいて説明する。図９はスピン軌道相互作用による磁壁のポテンシャルの変化を示す図である。図９（Ａ）はスピン軌道相互作用がない場合の磁壁のポテンシャルを示し、図９（Ｂ）はスピン軌道相互作用がある場合の磁壁のポテンシャルを示している。また、図９において、横軸のφは磁壁の立ち上がり角、縦軸のＶ（φ）は立ち上がり角φに対するポテンシャルを示している。また、いずれの図９のいずれの図も、Ｊ１＝１．２であるときの磁壁のポテンシャルを示している。
【００４０】
図９（Ａ）はスピン軌道相互作用がない場合の磁壁のポテンシャルで、これに対してスピン軌道相互作用がかけられると、図９（Ｂ）に示すように図示ａ近傍が押し下げられ、図示ｂ近傍が押し上げられるようにカーブが変移し、図示ｄ近傍にポテンシャルＶ（φ）のくぼみ部分が形成される。このくぼみ部分で、磁壁がトラップされるような形となるために、磁壁をラチェット駆動させることができるようになる。
【００４１】
図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）に示す状態にさらにスピン軌道相互作用制御電圧に負の電圧を印加つつ、スピン注入磁化反転制御電流Ｊ１を流したときの磁壁のポテンシャルを示している。このとき、図示ｄ近傍が押し下げられ、図示ｅ近傍が押し上げられるようにカーブが変移し、図示ｆ近傍にポテンシャルＶ（φ）のくぼみ部分が形成される。すなわち、磁壁は当該くぼみ部分に移動するようなイメージとなる。このようなスピン軌道相互作用制御電圧により、第２磁性層（データ記憶層）４０の磁壁をラチェット駆動させることができるようになるために、磁気メモリセル３の第２磁性層（データ記憶層）４０ひとつにより多くの情報量を書き込めるようになる。また、他の実施の形態に係る磁気メモリセル３によれば、低い電流で磁壁を移動することができるようになるというメリットもある。
【００４２】
図１０は、Ｊ１＝１．２としてスピン軌道相互作用制御電圧を印加して磁壁位置を制御したときの様子を示す図であり、図１０（Ａ）は３００ｎｓのパルス電圧を１回印加したきの磁壁位置の移動の様子を示す図であり、図１０（Ｂ）は３００ｎｓのパルス電圧を２回印加したきの磁壁位置の移動の様子を示す図であり、図１０（Ｃ）は３００ｎｓのパルス電圧を３回印加したきの磁壁位置の移動の様子を示す図であり、図１０（Ｄ）は３００ｎｓのパルス電圧を４回印加したきの磁壁位置の移動の様子を示す図である。図１０のい
ずれの図においても、横軸は時間、縦軸は磁壁位置を表している。
【００４３】
図１０から、第２磁性層（データ記憶層）４０においては、パルス電圧を印加する回数に応じて、磁壁位置がラチェット駆動されることがわかる。また、図１０からは、パルス電圧を印加し終わった後に、電流Ｊ１をとめた場合でも磁壁位置がとどまることもわかる。このように、本実施形態にかかる磁気メモリセル２によれば、スピン軌道相互作用制御電圧により、第２磁性層（データ記憶層）４０の磁壁をラチェット駆動させることができるようになる。このために、磁気メモリセル３の第２磁性層（データ記憶層）４０に１ビットより多くの情報を書き込むこと可能となり、記録密度の向上を果たすことができる。
【００４４】
図１１は上記のような磁気メモリセル３、３’、３’’をアレイ状にした磁気記憶装置４を示す図である。本実施形態に係る磁気記憶装置４では、磁気メモリセル３に共通するようにして設けられているスピン注入磁化反転制御電極５１と、磁気メモリセル３それぞれに独立して設けられているスピン注入磁化反転制御電極５２とによって、記憶させるメモリセルに対して、選択的にスピン注入磁化反転制御電流Ｊ１を印加し、かつその際にスピン軌道相互作用制御電圧Ｖ２を印加することによって磁壁を上下に移動させ、第２磁性層（データ記憶層）４０、４０’４０’’中の磁化状態を変化させるようにする。そして、このような磁化状態の変化はステップ的となるために、それぞれの第２磁性層（データ記憶層）中に１ビットより多い情報を記憶させることが可能となる。
【００４５】
以上のような本発明の他の実施の形態に係る磁気記憶装置４によれば、それぞれのメモリセルの第２磁性層（データ記憶層）における磁壁をラチェット駆動させることができるようになるために、より高密度に情報を記録することができるようになる。
【００４６】
また、スピン軌道相互作用を制御することで、高密度化した場合においても、それぞれの磁気メモリセルが記憶動作を行うときに消費する電流は小さくなるので、消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す図である。
【図２】スピン軌道相互作用下における磁壁の移動の類型を示す図である。
【図３】磁化容易軸と磁化構造との対応を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る磁気メモリセル１における第２磁性層（データ記憶層）３０を抜き出して示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る磁気記憶装置の構造を示す図である。
【図６】本発明の他の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す図である。
【図７】本発明の他の実施の形態に係る磁気メモリセル３における第２磁性層（データ記憶層）３０を抜き出して示す図である。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る磁気メモリセル３における第２磁性層（データ記憶層）３０の磁化パターンを示す図である。
【図９】スピン軌道相互作用による磁壁のポテンシャルの変化を示す図である。
【図１０】スピン軌道相互作用制御電圧を印加したときの磁壁位置の移動の様子を示す図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態に係る磁気記憶装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１、３・・・磁気メモリセル
２、４・・・磁気記憶装置
１０・・・第１磁性層（基準層）
２０・・・トンネル障壁層
３０、４０・・・第２磁性層（データ記憶層）
５１、５２・・・スピン注入磁化反転制御電極
６１、６２・・・スピン軌道相互作用制御電極
７０・・・スピン注入磁化反転制御電流源Ｊ１
８０・・・スピン軌道相互作用制御電圧源V２
ＳＷ１、ＳＷ２・・・スイッチ
【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】
2009239135.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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