JP5260040B2

JP5260040B2 - 単一方向電流磁化反転磁気抵抗効果素子と磁気記録装置

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Publication number: JP5260040B2
Application number: JP2007326700A
Authority: JP
Inventors: 勝哉三浦; 純早川; 宏昌高橋; 顕知伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2013-08-14
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Description

本発明は、スピントランスファートルクによる磁化反転技術を用い、単一方向電流で磁化反転する磁気抵抗効果素子を備えた磁気記録・再生メモリに関する。

現在、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）に代表されるメモリの分野では、高速、高集積、低消費電力という要求を満たし、さらに不揮発であることを特徴とするユニバーサルメモリの研究開発が世界中で行われている。ユニバーサルメモリの候補として、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は非常に期待されている。

このＭＲＡＭは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果素子をアレイ状に並べた構造になっている。ＴＭＲ素子は二つの強磁性層で、トンネル障壁として用いられる絶縁層を挟んだ構造が基本となっている。ＴＭＲ効果とは、この２つの強磁性体の磁化の向きが、平行・反平行の場合でＴＭＲ素子の抵抗が大きく変わるというものである。１９９０年代は絶縁層に酸化アルミニウムを用いたＴＭＲ素子が研究されてきたが、近年になって注目されつつある酸化マグネシウムを絶縁層に用いた場合では５００％もの抵抗変化率が報告されている。これらは非特許文献1などに記載されている。さらに、非特許文献２によると、書き込みの際、スピントランスファートルクによる磁化反転を用いた電流による書き込みもアレイレベルで検証されている。

Luc Thomas, Masamitsu Hayashi, Xin Jiang, Rai Moriya, Charles Rettner, and Stuart S. P. Parkin, "Oscillatory dependence of current-driven magnetic domain wall motion on current pulse length", Nature 443, 197 (2006). Luc Thomas, Masamitsu Hayashi, Xin Jiang, Rai Moriya, Charles Rettner, and Stuart Parkin, "Resonant Amplification of Magnetic Domain-Wall Motion by a Train of Current Pulses", Science 315, 1553 (2007).

ＴＭＲ素子をメモリセルに用いたＭＲＡＭでは、書き込みの対象とされる「０」と「１」のビット情報に応じて、スピントランスファートルクによる電流磁化反転を用いて書き込みを行う。「０」を「１」に書き換える際は、電子は自由層から固定層に向かって移動する向きに電流を印加する。

この場合、自由層を通過して固定層に到達した電子は、固定層の磁化方向と同じ向きにスピン分極している電子のみ固定層を通過し、逆向きにスピン分極した電子は反射される。この反射された電子が自由層にトルクを与えるため、自由層の磁化は、固定層と逆向きになる。従って、ＴＭＲ素子は高抵抗になる。

逆に「１」を「０」に書き換える際は、電子は固定層から自由層に向かって移動する向きに電流を印加する。固定層を通過した電子は、固定層と同じ向きにスピン分極されている。この電子が自由層にトルクを与えるため、自由層の磁化は、固定層と同じ向きになる。従って、ＴＭＲ素子は低抵抗になる。

この書き込み動作を実現するためには、ＴＭＲ素子の膜厚方向に対して、上向きと下向きの電流を印加することが必要である。従って、ＴＭＲ素子をメモリセルとして用いたＭＲＡＭでは、電流を双方向に流す回路が必要になる。このような回路を作製するためには、トランジスタによるスイッチング回路が不可欠であり、１つのメモリセルに対して１つのトランジスタを備える必要がある。その結果、ＭＲＡＭのセルサイズは大きくなりメモリの集積度を下げてしまう。現状のＭＲＡＭでは、集積度がＤＲＡＭ相当であり、ＮＡＮＤフラッシュメモリのような大容量化が困難である。

上述の目的を達成するために、本発明に係るメモリ素子は、磁化方向が固定されている第１の強磁性層と、磁化方向が可変である第２の強磁性層と、磁化方向が可変である第３の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間にある第１の非磁性層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間にある第２の非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を印加する手段とを備え、前記第２の強磁性層の磁化方向と前記第３の強磁性層の磁化方向は略反平行であり、書き込み動作時には、電流パルス幅の異なる電流を前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に印加して、前記第２の強磁性層または前記第３の強磁性層のいずれか一方にスピントランスファートルクが働き磁化反転させることを特徴とする。

また、本発明に係るメモリ素子は、略平行に配置された複数の第１の配線と、前記第１の配線と交差し且つ略平行に配置された複数の第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との交差部分に配置された複数の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子と前記第１の配線との間に配置されたスイッチング素子とを備え、前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定されている第１の強磁性層と、磁化方向が可変である第２の強磁性層と、磁化方向が可変である第３の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間にある第１の非磁性層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間にある第２の非磁性層とを備え、前記第２の強磁性層の磁化方向と前記第３の強磁性層との磁化方向は略反平行であり、前記第３の強磁性層は、前記第２の配線に電気的に接続され、前記第１の強磁性層は、前記スイッチング素子を介して前期第１の配線と電気的に接続され、書き込み動作時には、パルス幅の異なる電流を前記磁気抵抗効果素子を通るように前記第１の配線と前記第２の配線との間に印加して、前記第２の強磁性層または前記第３の強磁性層のいずれか一方の磁化方向をスピントランスファートルク磁化反転させることを特徴とする。

また、本発明に係るスピントランスファートルクによって情報を記録する書き込み動作方法は、前記磁気メモリ素子は、磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を印加する手段とを備え、前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定されている第１の強磁性層と、磁化方向が可変である第２の強磁性層と、磁化方向が可変である第３の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間にある第１の非磁性層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間にある第２の非磁性層とを備え、前記第２の強磁性層の磁化方向と前記第３の強磁性層との磁化方向は略反平行であり、パルス幅の異なる電流を前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に印加して、前記第２の強磁性層または前記第３の強磁性層のいずれか一方の磁化方向をスピントランスファートルク磁化反転させることを特徴とする。

また、書き込みたい情報に応じて電流パルス幅が異なり、前記第２の強磁性層及び前記第３の強磁性層は電流パルス幅に対応した設計とされていることが好ましい。

本発明によれば、磁気抵抗効果素子に対する電流印加が、従来技術のような双方向に電流を印加する必要がなくなり、単一方向の書き込みパルス電流で書き込みを行うメモリが実現できる。そして、双方向に電流を印加する回路を搭載する必要がなくなると、メモリセルの面積は、例えば２分の１から３分の１程度まで減少する。

また、書き込みパルス電流のパルス幅を歳差運動周期の整数倍に一致させることにより、書き込み電流の大きさを下げることが可能である。これにより、メモリの更なる低消費電力化が可能になる。

以下、本発明を適用した単一方向電流磁化反転磁気抵抗効果素子と磁気記録装置について、図面を参照して詳細に説明する。
＜実施例１＞
図１に、本発明を適用した磁気メモリ１００を示す。磁気メモリ１００は、相互に平行に並べられた複数のビット線１０１と、ビット線１０１と交差し且つ互いに平行に並べられた複数のワード線１０２とを有する。ビット線１０１とワード線１０２とが交差する部分には、メモリ素子１０３およびスイッチング素子１０４が配置されている。これらは図１にあるように、ビット線１０１からメモリ素子１０３、スイッチング素子１０４を介してソース線に電気的に接続されている。

図２は、磁気抵抗効果素子１０３の概念図である。磁気抵抗効果素子１０３は、第１の強磁性層２０１、第１の非磁性層２０２、第２の強磁性層２０３、第２の非磁性層２０４、第３の強磁性層２０５をこの順に積層した構造を有する。第１の強磁性層２０１の磁化２０６は一方向に固定されている。従って、第１の強磁性層２０１は、磁気抵抗効果素子１０３の固定層として動作する。第２の強磁性層２０３の磁化２０７と第３の強磁性層２０５の磁化２０８は第２の非磁性層２０４を介して互いに反平行に結合している。従って、第２の強磁性層２０３と第２の非磁性層２０４と第３の強磁性層２０５が、磁気抵抗効果素子１０３の自由層２０９として動作する（いわゆる積層フェリ自由層の構造）。

第２の強磁性層２０３と第３の強磁性層２０５は、それぞれの磁化の歳差運動周期が互いに異なるように制御されている。ここで、磁化の歳差運動周期はそれぞれの強磁性層の膜厚、保磁力の大きさ、磁化の大きさなどに依存する。従って、第２の強磁性層２０３と第３の強磁性層２０５の歳差運動周期は、膜厚、材料で制御することが可能である。なお、図４に示す磁気抵抗効果素子１０３では、第２の強磁性層の膜厚と第３の強磁性層の膜厚とを異なる関係としている。

さて、第２の強磁性層２０３の膜厚をｔ１、歳差運動の周期をＰ１とし、第３の強磁性層２０５の膜厚をｔ２、歳差運動の周期をＰ２としたとき、ｔ１／ｔ２が大きくなると、Ｐ１／Ｐ２も大きくなる。従って、第２の強磁性層２０３と第３の強磁性層２０５の膜厚差を大きくすれば、歳差運動周期の差を大きくすることができる。

さて、磁気抵抗効果素子１０３は、第１の強磁性層２０１の磁化２０６と、第２の強磁性層２０３の磁化２０７の向きとが平行に配置しているとき低抵抗状態に、反平行に配置しているとき高抵抗になる。

ここで、図４（ａ）にあるように、第１の強磁性層２０１の磁化２０６と、第２の強磁性層２０３の磁化２０７の向きとが平行に配置している場合を考える。書き込み時には、第３の強磁性層２０５から第１の強磁性層２０１の向きに書き込みパルス電流４００を印加する。

電子は第１の強磁性層２０１から第３の強磁性層２０５へ伝導する。ここで、電子４０１は第１の強磁性層２０１の磁化２０６と同じ方向に分極し、第１の非磁性層２０２を介して第２の強磁性層２０３を通過する。このとき、伝導電子のスピンは第２の強磁性層２０３の磁化２０７と同じ向きであるので、スピントランスファートルクによる磁化反転は起こらない。さらに伝導電子は、第２の非磁性層２０４を介して第３の強磁性層２０５に到達する。ここで、伝導電子のスピンは第３の強磁性層２０５の磁化２０８と逆向きであるため、磁化２０８にはスピントランスファートルクによる磁化反転が起こる。

ここで、書き込みパルス電流のパルス幅Ｐ_１は、第３の強磁性層２０５の磁化２０８の歳差運動周期の整数倍に一致させている。ここで、非特許文献１及び非特許文献２にあるように、パルス幅Ｐ_１は（Ｈ_ｋｔ_１／Ｍ_ｓ）^−１／２に比例する。Ｈ_ｋは保磁力、Ｍ_ｓは飽和磁化であるため、磁化の歳差運動周期は材料と膜厚に依存する。磁化の歳差運動周期の整数倍に一致したパルス幅の印加パルス電流によって、ＴＭＲ素子を膜厚方向に伝導する電子のスピンは、磁化に対して効率良くトルクを与えることができる。従って、この書き込みパルス電流は第３の強磁性層２０５の磁化２０８にのみ効率良くトルクを与えることができる。

非特許文献１及び非特許文献２によると、書き込みパルス電流のパルス幅を歳差運動の周期の整数倍と一致させた場合、書き込みパルス電流のパルス幅を歳差運動の周期の整数倍と一致させていない場合と比べて、電流値を５分の１の低減できる。ここで、第２の強磁性層２０３の磁化２０７は、第３の強磁性層２０５の磁化２０８と反強磁性結合している。従って、第３の強磁性層２０５の磁化２０８の磁化反転と同時に第２の強磁性層２０３の磁化２０７も反転する。結果として、第１の強磁性層２０１の磁化２０６と、第２の強磁性層２０３の磁化２０７の向きとは反平行に配置される。

この配置の変化後に書き込み電流が流れ続けた場合、第２の強磁性層２０３の磁化２０７にスピントランスファーによるトルクが働く。しかし、第２の強磁性層２０３の磁化２０７が反転するためには、前述のように５倍の電流が必要であるため、第２の強磁性層１０３の磁化１０７が反転することはない。

次に、図４（ｂ）にあるように、第１の強磁性層２０１の磁化２０６と、第２の強磁性層２０３の磁化２０７の向きとが反平行に配置している場合を考える。書き込み時には、第３の強磁性層２０５から第１の強磁性層２０１の向きに書き込みパルス電流４０２を印加する。このとき、伝導電子４０３のスピンは第２の強磁性層２０３の磁化２０７と逆向きであるので、スピントランスファートルクが働く。さらに、書き込みパルス電流のパルス幅Ｐ_２は、第２の強磁性層２０３の磁化２０７の歳差運動周期の整数倍に一致させている。従って、この書き込みパルス電流は第２の強磁性層２０３の磁化２０７にのみ効率良くトルクを与えることができる。

このトルクによって第２の強磁性層２０３の磁化２０７は反転し、第１の強磁性層２０１の磁化２０６と平行に配置される。この配置の変化後に書き込み電流が流れている場合、第３の強磁性層２０５の磁化２０８にスピントランスファーによるトルクが働く。しかし、書き込みパルス電流のパルス幅は、第３の強磁性層２０５の磁化２０８の歳差運動周期の整数倍とは一致していないので、前述のように５倍の電流が必要であるため、第３の強磁性層２０５の磁化２０８が反転することはない。以上のように、Ｐ_１とＰ_２とが異なる値を持つように第２の強磁性層２０３と第３の強磁性層２０５を設計することにより、どちらか一方の強磁性層のみ選択的にスピントランスファートルクによって磁化反転することが可能になる。

また、図２は第２の強磁性層２０３が、第３の強磁性層２０５より厚い場合を図示しているが、２つの強磁性層の歳差運動の周期が異なっていれば、この構成でなくても前述の動作が可能となる。

さて、読み出し時には、書き込みパルス電流よりも小さく、書き込みが行われない程度の読み出しパルス電流を印加する。さらに、読み出しパルス電流のパルス幅は、第２の強磁性層２０３の磁化２０７及び第３の強磁性層２０５の磁化２０８の歳差運動周期の整数倍と一致させない。このパルス幅を採用することによって、読み出し中に誤って書き込みが行われることを防ぐことが可能になる。

ここで、第１の強磁性層２０１、第２の強磁性層２０３、第３の強磁性層２０５の材料はあらゆる強磁性体が候補として挙げられる。例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＢなどがある。平行配置または反平行配置を実現するための書き込みパルス電流の間のマージンを大きくするためには、第２の強磁性層２０３の磁化２０７、第３の強磁性層２０５の磁化２０８の歳差運動周期の差を大きくすることが望ましい。このためには、保磁力の大きさおよび磁化の大きさの差が大きい材料を第２の強磁性層２０３及び第３の強磁性層２０５の材料としてそれぞれ適用する。第１の非磁性層２０２の材料としては、あらゆる非磁性体が候補に挙げられるが、スピン拡散長が大きい材料が望ましい。例えばＣｕ、Ｒｕなどがある。

また、第１の非磁性層２０２が、トンネル障壁として作用する絶縁層で作製しても良い。この場合、磁気抵抗効果素子１０３の抵抗変化率が大きくなる。絶縁層の材料としては、あらゆる絶縁体が候補に挙げられる。例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯなどが挙げられる。ＭｇＯを絶縁層に用いた場合の磁気抵抗効果素子の抵抗変化率は、室温で５００％に達する。第２の非磁性層２０４の材料としては、あらゆる非磁性体が候補に挙げられるが、第２の強磁性層２０３の磁化２０７、第３の強磁性層２０５の磁化２０８が強く反強磁性結合する材料が望ましい。例えばＣｕ、Ｒｕなどがある。

ここで、以上を纏めると、磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性層、第１の非磁性層、第２の強磁性層、第２の非磁性層、第３の強磁性層をこの順に積層した構造を有する。第１の強磁性層の磁化は一方向に固定されており、第２の強磁性層の磁化と第３の強磁性層の磁化は第２の非磁性層を介して互いに反平行に結合している。第２の強磁性層と第３の強磁性層は、それぞれの磁化の歳差運動周期が互いに異なるように制御されている。書き込みパルス電流は、磁気抵抗効果素子に対して単一方向に印加する。この書き込みパルス電流のパルス幅は、書き込みたい情報に応じて、第２の強磁性層の磁化の歳差運動周期の整数倍または第３の強磁性層化の歳差運動周期の整数倍に一致させている。磁化の歳差運動周期の整数倍のパルス幅をもった書き込みパルス電流によって、第２の強磁性層または第３の強磁性層に選択的にスピントランスファートルクが働き磁化反転が起こる。第２の強磁性層の磁化と第３の強磁性層の磁化とは常に反平行に結合しているので、結果として単一方向の電流でＴＭＲ素子に書き込むことができる。この磁気抵抗効果素子を備えた磁気記録装置は、相互に平行に延びる複数の第１の配線と、第１の配線と交差し且つ相互に平行に延びる複数の第２の配線の各交差点部分にそれぞれ磁気抵抗効果素子を備えた構造を有する。磁気抵抗効果素子には、スイッチング素子が直列に電気的に接続されている。このスイッチング素子は単一方向に電流を流す整流特性を示す素子であり、トランジスタほど大きくない。第１の強磁性層は、スイッチング素子を介して第１の配線に電気的に接続されている。第３の強磁性層は第２の配線と電気的に接続されている。この構造を備えた磁気記録装置では、選択されたスイッチング素子のみ順バイアスにパルス駆動されるため、単一方向の書き込みパルス電流を印加することが可能である。

さて、図５に示すように、第１の反強磁性層５０１、第４の強磁性層５０２、第３の非磁性層５０３をこの順に積層した構造を有する積層体５００の上に、磁気抵抗効果素子１０３を用いても良い。この場合、第４の強磁性層５０３と第１の強磁性層２０１が接続されている。この構造を用いることによって、第４の強磁性層の磁化方向５０４は第１の反強磁性層５０１によって強く固定される。

また、第４の強磁性層５０２の磁化５０４と第１の強磁性層２０１の磁化２０６とは前記第３の非磁性層５０３によって互いに反平行に結合している。このため、磁力線が第１の強磁性層２０１の磁化２０６と第４の強磁性層５０２の磁化５０４の間で閉じる構造になる。このため、第１の強磁性層２０１と第４の強磁性層５０２からの漏れ磁場の影響が少なくすることができる。第１の反強磁性層５０１の材料としては、あらゆる反強磁性体が候補として挙げられる。例えば、ＰｔＭｎやＭｎＩｒなどがある。第４の強磁性層５０２の材料はあらゆる強磁性体が候補として挙げられる。例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＢなどがある。第３の非磁性層５０３の材料としては、あらゆる非磁性体が候補に挙げられるが、第１の強磁性層２０１の磁化２０６、第４の強磁性層５０２の磁化５０４とが強く反強磁性結合する材料が望ましい。例えばＣｕ、Ｒｕなどがある。

この書き込み動作を実現するためのスイッチング素子１０４は、図６に示すようにＰＮダイオード６００であっても良い。ＰＮダイオード６００は、Ｐ型半導体６０１（アノード）とＮ型半導体６０２（カソード）が接合した構造になっている。Ｐ型半導体６０１は、磁気抵抗効果素子１０３の第１の強磁性層２０１と電気的の接続されている。Ｎ型半導体６０２は、ワード線１０２と電気的に接続されている。読み出し時または書き込み時には、選択されたビット線１０１とワード線１０２の交差する点にあるＰＮダイオード６００のみが順バイアスとなるようにパルス駆動される。この場合は、ビット線が書き込み電圧レベルになり、ワード線が接地される。このため、選択された磁気抵抗効果素子にのみ、ビット線１０１からワード線１０２に向かう方向に電流が流れる。

＜実施例２＞
実施例１の磁気抵抗効果素子１０３において、読み出し及び書き込み時に電流を第１の強磁性層２０１から第３の強磁性層２０５の向きにパルス電流を印加する。電子は第３の強磁性層２０５から第１の強磁性層２０１へ伝導する。このとき第１の強磁性層２０１に到達した電子のうち、第１の強磁性層２０１の磁化２０６と同じ向きのスピン電子は第１の強磁性層２０１を通過する。しかし、第１の強磁性層２０１の磁化２０６と逆向きのスピン電子は第１の強磁性層２０１で反射される。

ここで、第１の強磁性層２０１の磁化２０６と、第２の強磁性層２０３の磁化２０７の向きとが平行に配置している場合を考える。このとき、第１の強磁性層２０１で反射された電子のスピンは第１の強磁性層２０１の磁化２０６と逆向きである。従って、第２の強磁性層２０３の磁化２０７にスピントランスファートルクが働く。このときの印加パルス電流のパルス幅は、第２の強磁性層２０３の磁化２０７の歳差運動周期の整数倍と一致させておく。その結果、第２の強磁性層２０３の磁化２０７は反転し、第１の強磁性層２０１の磁化２０６と反平行配置となる。

次に、第１の強磁性層２０１の磁化２０６と、第２の強磁性層２０３の磁化２０７の向きとが反平行に配置している場合を考える。このとき、第１の強磁性層２０１で反射された電子のスピンは第１の強磁性層２０１の磁化２０６と逆向きである。従って、第３の強磁性層２０５の磁化２０８にスピントランスファートルクが働く。このときの印加パルス電流のパルス幅は、第３の強磁性層２０５の磁化２０８の歳差運動周期の整数倍と一致させておく。その結果、第３の強磁性層２０５の磁化２０８は反転する。第３の強磁性層２０５の磁化２０８と反強磁性結合している第２の強磁性層２０３の磁化２０７も反転するため、第１の強磁性層２０１の磁化２０６と平行配置となる。また、実施例１と同様に、磁気抵抗効果素子１０３を磁気抵抗効果素子５００としてもよい。

この書き込み動作を実現するためのスイッチング素子１０４は、ＰＮダイオード６００であっても良い。ＰＮダイオード６００において、Ｐ型半導体６０１は、ワード線１０２と電気的に接続されている。Ｎ型半導体６０２は、磁気抵抗効果素子１０３の第１の強磁性層２０１と電気的に接続されている。

読み出し時または書き込み時には、選択されたビット線１０１とワード線１０２により選択されるＰＮダイオード６００のみが順バイアスとなるようにパルス駆動される。結果として、選択された磁気抵抗効果素子にのみ、ワード線１０２からビット線１０１に向かう方向に電流が流れる。

＜実施例３＞
書き込み時において、書き換えパルス電流が単一パルス印加ではなく、図３に示すように数回連続でパルス電流を印加（矩形波を印加）しても良い（一般的に、パルス幅はパルスを印加している時間、パルス間隔はパルスを印加していない時間に相当する）。連続的にパルス電流を印加する場合は、パルス幅及びパルス間隔が第２の強磁性層２０３の磁化２０７または第３の強磁性層２０５の磁化２０８の歳差運動周期の整数倍になるように固定することで、選択的に第２の強磁性層２０３と第３の強磁性層２０５に選択的にスピントランスファートルクによって磁化反転させることができる。

非特許文献２によると、このような連続的なパルス電流の印加によって、磁化反転が起こりやすくなり書き込み電流値を下げることが可能である。このような電流の印加、ビット線１０１およびワード線１０２を連続的にパルス駆動させることによって実現することが可能である。

＜実施例４＞
磁気記録装置１０３において、スイッチング素子１０４はショットキーダイオードであっても良い。ショットキーダイオードのアノードは、磁気抵抗効果素子１０３の第１の強磁性層２０１と電気的の接続されている。カソードは、ワード線１０２と電気的に接続されている。読み出し時または書き込み時には、選択されたビット線１０１とワード線１０２の交差する点にあるショットキーダイオードのみが順バイアスとなるようにパルス駆動される。

この場合は、ビット線が書き込み電圧レベルになり、ワード線が接地される。結果として、選択された磁気抵抗効果素子にのみ、ビット線１０１からワード線１０２に向かう方向に電流が流れることになるため、実施例1記載の動作方法が可能となる。ショットキーダイオードは一般に、ＰＮダイオードより高周波特性に優れている。従って、高速な磁気メモリ１００の動作が可能になる。

＜実施例５＞
ショットキーダイオードにおいて、アノードは、ワード線１０２と電気的に接続されている。カソードは、磁気抵抗効果素子１０３の第１の強磁性層２０１と電気的の接続されている。読み出し時または書き込み時には、選択されたビット線１０１とワード線１０２の交差する点にあるショットキーダイオードのみが順バイアスとなるようにパルス駆動される。結果として、選択された磁気抵抗効果素子にのみ、ワード線１０２からビット線１０１に向かう方向に電流が流れることになるため、実施例２記載の動作方法が可能となる。

（ａ）本発明を適用した実施例１の磁気メモリの模式図。（ｂ）磁気メモリの回路図。図１に示す磁気抵抗効果素子の断面図。連続的にパルス電流を印加した場合のパルス波形の模式図。図２に示す磁気抵抗効果素子の動作原理の模式図。反強磁性層を備えた場合の図２に示す磁気抵抗効果素子の断面図。ＰＮ接合を備えた場合の図２に示す磁気抵抗効果素子の断面図。

符号の説明

１００磁気メモリ、１０１ビット線、１０２ワード線、１０３磁気抵抗効果素子、１０４スイッチング素子、２０１第１の強磁性層、２０２第１の非磁性層、２０３第２の強磁性層、２０４第２の非磁性層、２０５第３の強磁性層、２０６第１の強磁性層１０１の磁化、２０７第２の強磁性層２０３の磁化、２０８第３の強磁性層２０５の磁化、２０９磁気抵抗効果素子１０３の自由層、４００第１の強磁性層２０１の磁化２０６と第２の強磁性層２０３の磁化２０７の向きとが平行に配置している場合の書き込みパルス電流、４０１書き込みパルス電流４００を印加しているときの伝導電子、４０２第１の強磁性層２０１の磁化２０６と第２の強磁性層２０３の磁化２０７の向きとが反平行に配置している場合の書き込みパルス電流、４０３書き込みパルス電流４０２を印加しているときの伝導電子、５００反強磁性層を用いた場合の磁気抵抗効果素子、５０１第１の反強磁性層、５０２第４の強磁性層、５０３第３の非磁性層、５０４第４の強磁性層の磁化方向、６００ＰＮダイオード、６０１Ｐ型半導体、６０２Ｎ型半導体。

Claims

磁化方向が固定されている第１の強磁性層と、磁化方向が可変である第２の強磁性層と、磁化方向が可変である第３の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間にある第１の非磁性層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間にある第２の非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を印加する手段とを備え、
前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層とは、前記第２の非磁性層を介して反平行結合をしており、
書き込み動作時には、
前記第３の強磁性層の磁化方向をスピントランスファートルク磁化反転させる場合、第１のパルス幅の電流を前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に印加し、前記第１のパルス幅は、前記第３の強磁性層の歳差運動周期の整数倍であり、
前記第２の強磁性層の磁化方向をスピントランスファートルク磁化反転させる場合、第２のパルス幅の電流を前記膜厚方向に印加し、前記第２のパルス幅は、前記第２の強磁性層の歳差運動周期の整数倍である
ことを特徴とするメモリ素子。
前記第３の強磁性層の歳差運動周期は、前記第３の強磁性層の膜厚によって制御されており、
前記第２の強磁性層の歳差運動周期は、前記第２の強磁性層の膜厚によって制御されていることを特徴とする請求項１記載のメモリ素子。
前記膜厚方向は、前記第３の強磁性層から前記第１の強磁性層の方向であることを特徴とする請求項１記載のメモリ素子。
前記書き込み動作時において、前記電流を印加すると、
前記第１の強磁性層の磁化方向と略平行のスピン電子が、前記第１の強磁性層から前記第１の非磁性層を介して、前記第２の強磁性層、前記第２の非磁性層及び前記第３の強磁性層に伝導することを特徴とする請求項３記載のメモリ素子。
前記膜厚方向は、前記第１の強磁性層から前記第３の強磁性層の方向であることを特徴とする請求項１記載のメモリ素子。
前記書き込み動作時において、前記電流を印加すると、
伝導電子が前記第３の強磁性層から前記第１の強磁性層の方向へ伝導し、
前記第１の強磁性層の磁化方向と略反平行のスピン電子が、前記第１の強磁性層において反射されて、前記第２の強磁性層、前記第２の非磁性層及び前記第３の強磁性層に伝導することを特徴とする請求項５記載のメモリ素子。
前記第１の強磁性層の磁化方向と前記第２の強磁性層の磁化方向が平行である場合、前記第３の強磁性層にスピントランスファートルクが働き、
前記第１の強磁性層の磁化方向と前記第２の強磁性層の磁化方向が反平行である場合、前記第２の強磁性層にスピントランスファートルクが働き、磁化反転させることを特徴とする請求項３記載のメモリ素子。
読み出し動作時には、前記書き込み動作時に印加する電流よりも小さな電流を印加することを特徴とする請求項１記載のメモリ素子。
前記磁気抵抗効果素子において、更に、前記第１の強磁性層の前記第１の非磁性層と対向する面とは反対側の面に形成された第３の非磁性層と、第１の反強磁性層と、前記第３の非磁性層と第１の反強磁性層との間に形成された第４の強磁性層とを備え、
前記第４の強磁性層の磁化方向は前記第１の反強磁性層により固定され、
前記第１の強磁性層と第４の強磁性層とは、前記第３の非磁性層を介して反平行結合をしていることを特徴とする請求項１に記載のメモリ素子。
前記第１の非磁性層は、絶縁トンネル障壁層であることを特徴とする請求項１記載のメモリ素子。
前記書き込み動作時における前記電流は、単一パルスであることを特徴とする請求項１記載のメモリ素子。
前記書き込み動作時における前記電流は、連続パルスであることを特徴とする請求項１記載のメモリ素子。
前記連続パルスのパルス間隔は、前記第２の強磁性層及び前記第３の強磁性層の歳差運動周期の整数倍であることを特徴とする請求項１２記載のメモリ素子。
略平行に配置された複数の第１の配線と、前記第１の配線と交差し且つ略平行に配置された複数の第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との交差部分に配置された複数の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子と前記第１の配線との間に配置されたスイッチング素子とを備え、
前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定されている第１の強磁性層と、磁化方向が可変である第２の強磁性層と、磁化方向が可変である第３の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間にある第１の非磁性層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間にある第２の非磁性層とを備え、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層とは、前記第２の非磁性層を介して反平行結合をしており、
前記第３の強磁性層は、前記第２の配線に電気的に接続され、前記第１の強磁性層は、前記スイッチング素子を介して前記第１の配線と電気的に接続され、
書き込み動作時には、
前記第３の強磁性層の磁化方向をスピントランスファートルク磁化反転させる場合、第１のパルス幅の電流を前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に印加し、前記第１のパルス幅は、前記第３の強磁性層の歳差運動周期の整数倍であり、
前記第２の強磁性層の磁化方向をスピントランスファートルク磁化反転させる場合、第２のパルス幅の電流を前記膜厚方向に印加し、前記第２のパルス幅は、前記第２の強磁性層の歳差運動周期の整数倍である
ことを特徴とするメモリ。
前記スイッチング素子は、ダイオードであることを特徴とする請求項１４記載のメモリ。
磁気メモリ素子にスピントランスファートルクによって情報を記録する書き込み動作方法であって、
前記磁気メモリ素子は、磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を印加する手段とを備え、
前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定されている第１の強磁性層と、磁化方向が可変である第２の強磁性層と、磁化方向が可変である第３の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間にある第１の非磁性層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間にある第２の非磁性層とを備え、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層とは、前記第２の非磁性層を介して反平行結合をしており、
前記第３の強磁性層の磁化方向をスピントランスファートルク磁化反転させる場合、第１のパルス幅の電流を前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に印加し、前記第１のパルス幅は、前記第３の強磁性層の歳差運動周期の整数倍であり、
前記第２の強磁性層の磁化方向をスピントランスファートルク磁化反転させる場合、第２のパルス幅の電流を前記膜厚方向に印加し、前記第２のパルス幅は、前記第２の強磁性層の歳差運動周期の整数倍である
ことを特徴とする書き込み動作方法。