JP2007273523A - 磁気メモリ及びスピン注入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小さな電流を簡易な制御で流すことで感磁層の磁化の向きの変更を行うことが可能な磁気メモリ及びスピン注入方法を提供する。
【解決手段】 このスピン注入方法によれば、外部磁界Ｅ_Ｘにアシストされたスピントランスファートルクが働くため、小さな電流で磁化の向きを変更することができ、初期アシストを行う感磁層Ｆ１内の外部磁界Ｅ_Ｘの強度を低下させるだけで感磁層Ｆ１の磁化の向きを制御できるため、精密な電流制御を要せず、したがって、小さな電流を簡易な制御で流すことで感磁層の磁化の向きの変更を行うことができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、磁気メモリ及びスピン注入方法に関する。

ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）は、格子状に配線されたビット線とワード線の交点にＴＭＲ素子（ＴＭＲ；Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を配置した構造を有する。ＴＭＲ素子は、２つの強磁性層間に非磁性層を有する強磁性層／非磁性絶縁層／強磁性層の三層構造からなる。強磁性層は、通常は厚さ１０ｎｍ以下の遷移金属磁性元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）又は遷移金属磁性元素の合金（ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＮｉＦｅ等）からなり、非磁性絶縁層は、Ａｌ_２Ｏ_３やＭｇＯ等からなる。

ＴＭＲ素子を構成する一方の強磁性層（固定層）は、磁化の向きを固定しており、他方の強磁性層（感磁層又は自由層）は磁化の向きが外部磁界に応じて回転する。なお、固定層の構造としては、反強磁性層（ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ等）を一方の強磁性層に付与した交換結合型が良く用いられる。

メモリ情報の「１」、「０」は、ＴＭＲ素子を構成する２つの強磁性体の磁化の向きの状態に応じて、すなわち、磁化の方向が平行であるか、反平行であるかに依存して規定される。これら２つの強磁性体の磁化の向きが反平行の時、磁化の向きが平行の時に比べて、厚み方向の電気抵抗の値が大きい。

したがって、「１」、「０」の情報の読出しは、ＴＭＲ素子の厚み方向に電流を流し、ＭＲ（磁気抵抗）効果によるＴＭＲ素子の抵抗値又は電流値を測定することで行う。

「１」、「０」の情報の書き込みは、ＴＭＲ素子近傍に配置した配線に電流を流すことで形成される磁界の作用によって、ＴＭＲ素子の感磁層の磁化の向きを回転させることで行うことが、従来、行われている。

また、感磁層の磁化方向を情報の「１」、「０」に対応するように変える書き込み動作において、磁性体に磁場を印加することによる磁化反転方法の他、スピン偏極電流によるスピントランスファートルクを用いたスピン注入磁化反転が知られている。情報の読み出し方法としては各セルに読み出し選択トランジスタを設け、選択セルの読み出しトランジスタのみを導通状態にして、選択セルの磁気抵抗効果素子の抵抗を読み取る方式が一般的である。

スピントランスファートルクとは、一方の強磁性体から非磁性層を介して他方の強磁性体に電流を流した場合、他方の強磁性体の磁化方向を変えようとするトルクである。したがって、注入電流のスピンの向きを制御すれば、他方の磁性体の磁化の向きを変更することが可能とされている。

スピントランスファートルクを利用して、強磁性体の磁化の向きを変える方法としては、（Ｉ）緩和スイッチ（Ｒｅｌａｘｉｎｇ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）法、（ＩＩ）歳差スイッチ（Ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎａｌ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）法、（ＩＩＩ）緩和歳差スイッチ（Ｒｅｌａｘｉｎｇ−Ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎａｌ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）法などが知られている。

緩和スイッチ法では、感磁層の磁化の向きを、固定層からのスピントランスファートルクで制御するが、固定層の磁化の向きは膜面内にあり、感磁層の磁化容易軸と平行である。したがって、感磁層の磁化の向きを反転させる場合、反転の初期段階において、スピントランスファートルクと、磁化を有効磁界方向に向けようとするＳｐｉｎ Ｒｅｌａｘｉｎｇが競合する。また、固定層の磁化の向きと感磁層の磁化の向きが平行に近い反転の初期段階では、スピントランスファートルクが小さいため、反転に時間を要する。すなわち、緩和スイッチ法では、これらの力に抗しながら平衡状態へ徐々に磁化の向きを変更させていくので、磁化の向きを反転させるためには、大きな電流が必要となる。磁化反転に必要なスピントランスファートルクの大きさはＬＬＧ（Ｌａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ）方程式に含まれるギルバート減衰定数に比例する。

歳差スイッチ法では、感磁層の磁化の向きを、固定層からのスピントランスファートルクで制御するが、固定層の磁化の向きは、膜面に対して垂直方向であり、感磁層の磁化容易軸に対して垂直である。スピントランスファートルクによって、感磁層の磁化の向きが、膜面に対して垂直成分を持ち、その反磁界によって、膜面内方向に回転を始める。スピントランスファートルクは、感磁層の磁化が面内で回転しても一定であるため、短時間で磁化反転が可能である。しかしながら、スピントランスファートルクは、感磁層の磁化反転後においても電流が流れている限り作用するため、電流の通電時間によっては感磁層の磁化が再反転してしまう。したがって、この方法では、非常に精密な電流の時間制御が要求される。

そこで考えられた緩和歳差スイッチ法は、歳差スイッチ法において、外部磁界を感磁層の磁化困難軸方向に印加する。この場合、歳差スイッチ法で要求された電流の精緻な時間制御を必要としないが、スピントランスファートルクの精密な制御が必要とされる。

このような磁気メモリは、例えば、下記非特許文献、非特許文献２に記載されている。
Ｗ．Ｃ． Ｊｅｏｎｇ， Ｊ．Ｈ．Ｐａｒｋ， Ｊ．Ｈ．Ｏｈ， Ｇ．Ｔ．Ｊｅｏｎｇ， Ｈ．Ｓ． Ｊｅｏｎｇ ａｎｄ Ｋｉｎａｍ Ｋｉｍ、 "Ｈｉｇｈｌｙ ｓｃａｌａｂｌｅ ＭＲＡＭ ｕｓｉｎｇ ｆｉｌｅｄ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｃｕｒｅｎｔ ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ"、Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ， ｐ．１８４−１８５， ２００５ 森瀬博史、中村志保"第２９回日本磁気学会学術講演概要集"、Ｐ１８３、２００５

上述のように、従来の磁気メモリにおいては、大きな書き込み電流や精密なスピントランスファートルクを必要としているため、製品歩留まりの低下など、その実用化には改善すべき点がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、小さな電流を簡易な制御で流すことで感磁層の磁化の向きの変更を行うことが可能な磁気メモリ及びスピン注入方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係るスピン注入方法は、感磁層の磁化の向きを変更する電子を注入するスピン注入方法において、感磁層の磁化容易軸に直交する方向成分を有する外部磁界を感磁層の面内で発生させる第１工程と、膜面に垂直な成分を有する方向に偏極したスピンを有する電子を注入する第２工程と、第２工程の実行期間内に第１工程で発生させた磁界の強度を低下させる第３工程とを備えることを特徴とする。

第１工程では、感磁層の磁化の向きは、外部磁界にアシストされて磁化容易軸に直交する方向（磁化困難軸方向）へと回転する。ここで、第２工程において、偏極スピンを感磁層内に注入すると、スピントランスファートルクも磁化の向きを規定するベクトルに作用し、偏極スピンの偏極方向にベクトルが回転する。その結果、面外方向成分を感磁層の磁化が持つため、膜面内に磁化を向けようとし、磁気異方性によって感磁層の磁化が面に平行で回転する。スピントランスファートルクを加えつつ外部磁界を感磁層に印加し続けると、感磁層の磁化の向きのベクトルが歳差運動をするため、第３工程では、第２工程の実行期間内に第１工程で発生させた磁界の強度を低下させ、好ましくは零とし、感磁層の磁化の向きを磁化方向に収束するようにする。

このスピン注入方法によれば、外部磁界にアシストされたスピントランスファートルクが働くため、小さな電流で磁化の向きを変更することができ、歳差運動による磁化の向きの迷走を抑制するように第１工程で発生させた磁界の強度を低下させるだけで、磁化の向きを制御できるため、精密な電流制御を要せず、したがって、小さな電流を簡易な制御で流すことで感磁層の磁化の向きの変更を行うことができる。

スピン注入と外部磁界印加の重複時間を強磁性共鳴の７５±１０％にするか、外部磁界を逆向きにするか、スピン注入電流を逆向きにする。

また、第１工程の実行期間と第２工程の実行期間の重複期間は、感磁層の強磁性共鳴周期の２５％±１０％であることが好ましい。なお、±１０％は誤差である。すなわち、重複期間が強磁性共鳴周期の約１／４の場合その瞬間に磁化の容易軸方向成分が最も大きく、書込みが確実になる、という効果がある。
なお、重複期間は、２５〜６２．５ピコ秒であることが好ましい。重複期間が強磁性共鳴周期Ｔの約１／４の場合、磁化困難軸からの振れ角度が最大になるので、誤書込みし難いという利点がある。

また、第１工程における外部磁界の立ち上がり期間は、感磁層の強磁性共鳴周期の２５％±１０％であることが好ましい。なお、±１０％は誤差である。すなわち、立ち上がり期間が強磁性共鳴周期の約１／４の場合、歳差運動中の感磁層の磁化の向きが、磁化困難軸に一致する瞬間が生じるため、このときに外部磁界の立ち上がりが完了するように外部磁界を強くすれば、磁化の向きが磁化困難軸に沿って留まる。

なお、この立ち上がり期間は、４０〜６０ピコ秒であることが好ましい。これはスピントランファートルクが有効に作用する感磁層の強磁性共鳴周期が約１００〜２５０ピコ秒であるからである。

また、外部磁界を、感磁層の近傍に設けられたアシスト配線に電流を流すことで発生させることが好ましい。すなわち、外部磁界は、このようにして発生させることができる。

上述の機能を奏する磁気メモリは、複数の記憶領域を備えた磁気メモリにおいて、個々の前記記憶領域は、強磁性体からなる固定層と、非磁性層を介して固定層に対向し面内方向に沿った磁化容易軸を有する感磁層と、感磁層内に磁界反転アシスト磁界を与えるためのアシスト配線と、固定層に接続されたスピン注入用配線とを有しており、この磁気メモリは、アシスト配線に磁界反転アシスト電流を供給して、感磁層の磁化容易軸に直交する方向成分を有する外部磁界を感磁層の面内で発生させるようＯＮする第１スイッチと、第１スイッチをＯＮした後、スピン注入用配線に電子を供給するようＯＮする第２スイッチとを備え、第１スイッチは第２スイッチがＯＮの期間内にＯＦＦし、固定層の磁化の向きは膜面に垂直であることを特徴とする。

偏極スピンは、強磁性体の固定層と非磁性層を有するスピンフィルタによって生成され、この偏極スピンは感磁層内に注入される。感磁層にはアシスト配線によって磁界反転アシスト磁界を発生させることができ、スピン注入用配線及びスピンフィルタを介して偏極スピンを注入することができる。

第１スイッチをＯＮすると、上述のスピン注入方法の第１工程が実行され、第２スイッチをＯＮすると上述の第２工程が実行され、上述の第３工程が実行されるように、第１スイッチは第２スイッチがＯＮの期間内にＯＦＦする。

したがって、この磁気メモリによれば、上述のスピン注入方法の如く、外部磁界にアシストされた状態でスピントランスファートルクが感磁層に働くため、小さな電流で磁化の向きを変更することができ、歳差運動による磁化の向きの迷走を抑制するように第１工程で発生させた磁界の強度を低下させるだけで、磁化の向きを制御できるため、電流値の精密な制御を要せず、したがって、小さな電流を簡易な制御で流すことで感磁層の磁化の向きの変更を行うことができる。

アシスト配線は、行又は列方向に連続した複数の記憶領域に亘って延びた１本の共通配線であり、連続した個々の記憶領域の個々の第２スイッチは同時にＯＮすることができることが好ましい。

第１スイッチをＯＮすると、複数の記憶領域に亘ってアシスト配線に電流が流れるため、このとき同時に第２スイッチをＯＮすると、これらの記憶領域の磁化の向きを同時に変更することができる。

また、個々の記憶領域は、感磁層の前記固定層とは反対側に絶縁層を介して第２の固定層を備え、前記感磁層、前記絶縁層及び前記第２の固定層はＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子を構成していることが好ましい。スピンフィルタを通過した電子は、ＴＭＲ素子に導入されるため、情報の書き込み・読み出しを行うことができる。

また、アシスト配線に供給される磁界反転アシスト電流の大きさは、個々の感磁層内に発生する外部磁界の強さが、感磁層の異方性磁界の強さ以上となるように設定されることが好ましい。

本発明の磁気メモリ及びスピン注入方法によれば、小さな電流を簡易な制御で流すことで感磁層の磁化の向きの変更を行うことができる。

以下、実施の形態に係る磁気メモリ及びスピン注入方法について説明する。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、複数の記憶領域を備えており、各記憶領域は磁気抵抗効果素子を備えている。

図１は、磁気抵抗効果素子１００の縦断面図（磁化の向き平行時）（ａ）、磁気抵抗効果素子１００の縦断面図（磁化の向き反平行時）（ｂ）である。

磁気抵抗効果素子１００は、強磁性体からなる固定層Ｐ０、非磁性層Ｃ１、強磁性体からなる感磁層Ｆ１、トンネルバリア層を構成する絶縁層Ｔ１、第２の固定層Ｐ１を順次積層してなる。強磁性体の固定層Ｐ０と非磁性層Ｃ１はスピンフィルタＦＬを構成している。また、感磁層Ｆ１、絶縁層Ｔ１及び第２の固定層Ｐ１はＴＭＲ素子ＭＲを構成している。

スピンフィルタＦＬを通過した電子は、ＴＭＲ素子ＭＲに導入されるため、感磁層Ｆ１の磁化の向きと第２の固定層Ｐ１の磁化の向きの平行、反平行に応じて、情報の書き込み・読み出しを行うことができる。

メモリ情報の「１」、「０」は、ＴＭＲ素子ＭＲを構成する第２の固定層Ｐ１と感磁層Ｆ１の磁化の向きの状態に応じて、すなわち、磁化の方向が平行であるか（図１（ａ））、反平行であるか（図１（ｂ））に依存して規定される。第２の固定層Ｐ１と感磁層Ｆ１の磁化の向きが反平行の時（図１（ｂ））、磁化の向きが平行の時に比べて（図１（ａ））、厚み方向の電気抵抗Ｒの値が大きい。換言すれば、平行時の抵抗Ｒは閾値Ｒ_０以下であり、反平行時の抵抗Ｒは閾値Ｒ_０よりも大きくなる。したがって、「１」、「０」の情報の読出しは、ＴＭＲ素子ＭＲの厚み方向に電流Ｉ_Ｒを流し、ＭＲ（磁気抵抗）効果によるＴＭＲ素子ＭＲの抵抗値又は電流値を測定することで行う。

図２は、感磁層Ｆ１内の磁化の向きＶ_βを説明するための図である。

この磁気抵抗効果素子１００への「１」、「０」の情報の書き込みは、磁気抵抗効果素子１００の近傍に配置したワード線（アシスト配線）ＷＬに電流（磁界反転アシスト電流）Ｉ_ＡＥを流すことで形成される外部磁界Ｅ_Ｘと、ビット線ＢＬを介した感磁層Ｆ１へのスピン注入（書き込み電流Ｉ_Ｗ）によって磁化の向きＶ_βに働くスピントランスファートルクによって、感磁層Ｆ１の磁化の向きを回転させることで行う。外部磁界Ｅ_Ｘは感磁層Ｆ１の近傍に設けられたワード線ＷＬに電流を流すことで発生させている。

感磁層Ｆ１の磁化の向きＶ_βは磁化容易軸（Ｙ軸）に一致しており、磁化困難軸はＸＹ平面内において磁化容易軸（Ｘ軸）に直交している。

まず、ワード線ＷＬに磁化反転アシスト電流Ｉ_ＡＥを通電すると、ワード線ＷＬの長手方向を囲む方向に外部磁界Ｅ_Ｘが発生し、外部磁界Ｅ_Ｘが感磁層Ｆ１内に与えられる。＋Ｙ方向に電流Ｉ_ＡＥを流した場合には、進行方向に沿って右回りの磁界が発生し、感磁層Ｆ１内において＋Ｘ方向に外部磁界Ｅ_Ｘが向く。すなわち、第１工程では、感磁層Ｆ１の磁化容易軸Ｙに直交する方向成分を有する外部磁界Ｅ_Ｘを感磁層ＭＲの面内で発生させる。

感磁層Ｆ１はＹ方向のアスペクト比が高く、その異方性磁界の向きはＹ軸に一致する。外部磁界Ｅ_Ｘが与えられると、磁化の向きＶ_βはＺ軸を回転中心とし点線Ｐに沿って回転を始める。すなわち、第１工程では、感磁層Ｆ１の磁化の向きＶ_βは、外部磁界Ｅ_Ｘにアシストされて磁化容易軸（Ｙ）に直交する方向（磁化困難軸方向Ｘ）へと回転する。

感磁層Ｆ１の磁化困難軸方向Ｘに印加する外部磁界Ｅ_Ｘの大きさは、感磁層Ｆ１の異方性磁界（Ｙ軸方向）よりも大きく設定されている。この場合、磁化容易軸Ｙに沿った初期の磁化の向きＶ_βは、外部磁界Ｅｘの方向に回転する。

スピンフィルタＦＬは、特定の向きのスピンの電子を透過させ、或いは反射させる。ここでは、アップスピンの電子がスピンフィルタを透過してきたとする。第２工程では、感磁層Ｆ１内に膜面に垂直な成分を有する方向に偏極したスピンを有する電子を注入する。偏極スピンを感磁層Ｆ１内に注入すると、スピントランスファートルクも磁化の向きＶ_βを規定するベクトルに作用し、偏極スピンの偏極方向にベクトルが回転する。スピントランスファートルクを加えつつ外部磁界Ｅ_Ｘを感磁層Ｆ１に印加し続けると、感磁層Ｆ１の磁化の向きＶ_βのベクトルが歳差運動をする。

第３工程では、第２工程の実行期間内に第１工程で発生させた外部磁界Ｅ_Ｘの強度を低下させ、好ましくは零とし、感磁層Ｆ１の磁化の向きＶ_βを磁化困難軸方向（＋Ｘ方向）から、磁化容易軸方向に傾いた方向で、感磁層の有効磁界の方向を磁化容易軸方向に変化させる。なお、書き込み電流Ｉ_Ｗの向きを反転させれば、上記とは逆向きのスピンがスピンフィルタＦＬによって反射され、逆向きのスピントランスファートルクが磁化の向きＶ_βを規定するベクトルに作用し、偏極スピンの偏極方向にベクトルが回転する。

このスピン注入方法によれば、感磁層Ｆ１内において＋Ｘ方向を向いた外部磁界Ｅ_Ｘにアシストされた状態でスピントランスファートルクが働くため、小さな電流で磁化の向きＶ_βを変更することができ、歳差運動による磁化の向きＶ_βの迷走を抑制するように第１工程で発生させた磁界の強度を低下させるだけで磁化の向きＶ_βを制御できるため、電流値の精密な制御を要せず、したがって、小さな電流を簡易な制御で流すことで感磁層Ｆ１の磁化の向きＶ_βを磁化困難軸（Ｘ軸）方向へ変更することができる。

磁化困難軸Ｘから磁化容易軸Ｙの逆向き方向への磁化の向きの変更は容易であり、磁化容易軸Ｙの逆向き方向に沿った外部磁界を発生させればよい。すなわち、磁化困難軸Ｘに磁化の向きＶ_βが固定された状態で、書き込み電流Ｉ_Ｗの向きを同方向にすればよい。書き込み電流Ｉｗを逆方向に流さなくても良いので、回路設計を容易にすることができる。

図３は、上述の磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥ及び書き込み電流Ｉ_Ｗのタイミングチャートである。

外部磁界Ｅ_Ｘを発生させるため、時刻ｔ_１に磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥの立ち上げを開始して第１工程を実行する。第２工程では、第１工程の実行中の時刻ｔ_２おいて、書き込み電流Ｉ_Ｗを感磁層Ｆ１内に流し始め、磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥが零となって外部磁界Ｅ_Ｘの発生が終了する時刻_ｔ３よりも後の時刻ｔ_４において、書き込み電流Ｉ_Ｗの供給を停止する。

第１工程の実行期間と第２工程の実行期間の重複期間（時刻ｔ_２〜時刻ｔ_３）は、感磁層Ｆ１の強磁性共鳴周期Ｔの約１／４（２５％±１０％）である（Δｔ＝ｔ_３−ｔ_２＝Ｔ／４）。なお、±１０％は誤差である。スピントランファートルクが有効に作用する感磁層Ｆ１の強磁性共鳴周期Ｔは約１００〜２５０ピコ秒であるので、重複期間Δｔは２５〜６２．５ピコ秒となる。重複期間Δｔが強磁性共鳴周期Ｔの約１／４の場合、磁化困難軸からの振れ角度が最大になるので、誤書込みし難い。

なお、磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥの維持時間は磁化を困難軸方向に向けるのに必要な時間以上であって、ギルバート減衰定数によって規定されるが、通常は１０ｎｓ程度である。

高速に磁化の向きＶ_βを磁化困難軸（Ｘ）の方向に向けるためには、磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥの立上げ方を工夫する方法が考えられる。

図４は、改良された磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥの立ち上がり時におけるタイミングチャートである。なお、説明においては、図２を適宜参照する。

磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥにより外部磁界Ｅ_Ｘを発生し、外部磁界Ｅ_Ｘと感磁層Ｆ１の異方性磁界との合成有効磁界の向きを、ほぼ４５度方向（＋Ｙ軸から＋Ｘ軸に向かう回転角度）となるようにする。この場合、ＬＬＧ方程式に従って、磁化の向きＶ_βは歳差運動を始め、磁化向きＶ_βが磁化困難軸Ｘに近づく瞬間がある。この瞬間に磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥを増加し、合成有効磁界が完全に磁化困難軸Ｘに向くようにすると、磁化向きＶ_βは磁化困難軸Ｘの方向に留まる。

すなわち、時刻ｔ_１から時刻ｔ_Ｘまでは磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥをＩ_１とした後、時刻ｔ_Ｘにおいて磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥを増加させてＩ_２とする。なお、第１工程における外部磁界Ｅ_Ｘの立ち上がり期間は、感磁層Ｆ１の強磁性共鳴周期Ｔの２５％±１０％である。なお、±１０％は誤差である。立ち上がり期間が強磁性共鳴周期Ｔの約１／４（＝２５％±１０％）の場合、歳差運動中の感磁層Ｆ１の磁化の向きＶ_βが、磁化困難軸Ｘに一致する瞬間が生じるため、このときに外部磁界Ｅ_Ｘの立ち上がりが完了するように外部磁界Ｅ_Ｘを強くすれば、磁化の向きＶ_βが磁化困難軸Ｘに沿って留まる。

なお、二段階ではなく、連続的に磁界反転アシスト電流を増加させていく方法もあり（Ｉ_ＡＥ’で示す）、この場合も磁化の向きＶ_βは同様の運動をする。これらの手法の場合、磁化の向きＶ_βを１ｎｓ以下で磁化困難軸（Ｘ）の方向に向けることができる。磁界反転アシスト電流を連続的に変化させる場合、磁界反転アシスト電流通電開始から、強磁性共鳴周期Ｔの約８分の１で合成有効磁界がほぼ４５度方向を向くようにし、更に約８分の１経過した時点で合成有効磁界が困難軸方向になるようにする。なお、約１／４は２５％±１０％である。スピントランファートルクが有効に作用する感磁層Ｆ１の強磁性共鳴周期Ｔは約１００〜２５０ピコ秒であるので、この立ち上がり期間（ｔ_Ｘ−ｔ_１）は、４０〜６０ピコ秒となる。

図５は、従来の磁気メモリの電流の動作領域を示すグラフである。通常、ワード線電流、ビット線電流は、共に非選択の記憶領域（セル）にも磁界を印加するため、非選択記憶領域に擾乱を与えて、誤動作させる恐れがある。このため、ワード線電流、ビット線電流には上限と下限があり、動作領域が限られている。記憶領域の特性のばらつきにより、動作領域の変動があり、これを考慮すれば、全記憶領域の動作を保証することは困難で、高いビット歩留まりを確保することは難しい。

一方、上述の方法によれば、書込み電流Ｉｗの多寡によって非選択セルに影響を与えないので誤書込みを排除できる。

図６は、磁気メモリを構成する単一の記憶領域の斜視図である。

この記憶領域は、強磁性体からなる固定層Ｐ０と、非磁性層Ｃ１を介して固定層Ｐ０に対向し面内方向に沿った磁化容易軸（Ｙ）を有する感磁層Ｆ１と、感磁層Ｆ１内に磁界反転アシスト磁界Ｅ_Ｘを与えるためのワード線（アシスト配線）ＷＬと、固定層Ｐ０に接続されたスピン注入用配線ＢＬ，ＣＬ，ＲＬとを有している。

さらに、この記憶領域は、ワード線ＷＬに磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥを供給して、感磁層Ｆ１の磁化容易軸Ｙに直交する方向成分を有する外部磁界Ｅ_Ｘを感磁層Ｆ１の面内で発生させるようＯＮする第１スイッチ（ＱＷ（Ｘ）：図９参照）と、第１スイッチをＯＮした後、スピン注入用配線ＢＬ，ＣＬ，ＲＬに電子を供給するようＯＮする第２スイッチＱとを備えている。

第１スイッチ（ＱＷ（Ｘ）：図９参照）をＯＮすると、上述のスピン注入方法の第１工程が実行され、第２スイッチＱをＯＮすると上述の第２工程が実行され、上述の第３工程が実行されるように、第１スイッチは第２スイッチがＯＮの期間内にＯＦＦする。

したがって、この磁気メモリによれば、上述のスピン注入方法の如く、外部磁界にアシストされた状態でスピントランスファートルクが感磁層Ｆ１に働くため、小さな電流で磁化の向きを変更することができ、歳差運動による磁化の向きの迷走を抑制するように第１工程で発生させた磁界の強度を低下させるだけで磁化の向きＶ_βを制御できるため、電流値の精密な制御を要せず、したがって、小さな電流を簡易な制御で流すことで感磁層Ｆ１の磁化の向きＶ_βの変更を行うことができる。

感磁層Ｆ１の固定層Ｐ０とは反対側には絶縁層Ｔ１を介して第２の固定層Ｐ１が設けられており、感磁層Ｆ１、絶縁層Ｔ１及び第２の固定層Ｐ１はＴＭＲ素子ＭＲを構成している。スピンフィルタＦＬを通過した電子は、ＴＭＲ素子ＭＲに導入されるため、感磁層Ｆ１の磁化の向きＶ_βと第２の固定層Ｐ１の磁化の向きＶ_γの平行、反平行に応じて、情報の書き込み・読み出しを行うことができる。第２の固定層Ｐ１の磁化の向きＶ_γは＋Ｙ方向である。また、固定層Ｐ０の磁化の向きＶ_αは膜面に垂直方向である。

図３に示したように、磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥを供給する第１スイッチ（ＱＷ（Ｘ）：図９参照）は、書き込み電流Ｉ_Ｗを供給する第２スイッチＱがＯＮの期間内にＯＦＦする。磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥは、グローバルワード線ＧＷＬから分岐したワード線ＷＬを流れる。書き込み電流Ｉ_Ｗによる偏極スピンは、強磁性体の固定層Ｐ０と非磁性層Ｃ１を有するスピンフィルタＦＬによって生成され、この偏極スピンは感磁層Ｆ１内に注入される。

ゲート線ＧＬの電位によって制御される第２スイッチ（電界効果トランジスタ）ＱをＯＮして、一方向の書き込み電流Ｉ_Ｗをビット線ＢＬからＴＭＲ素子ＭＲに流すと、リターン線ＲＬから、垂直配線ＶＬ２、第２スイッチＱ、垂直配線ＶＬ１、水平配線ＨＬを介して、スピンフィルタＦＬに電子が流れ込み、感磁層Ｆ１内に偏極スピンが注入される。

ゲート線ＧＬの電位によって制御される第２スイッチ（電界効果トランジスタ）ＱをＯＮして、逆方向の書き込み電流Ｉ_Ｗをビット線ＢＬからＴＭＲ素子ＭＲに流すと、逆向きの偏極スピンが感磁層Ｆ１内に注入され、これは水平配線ＨＬ、垂直配線ＶＬ１、第２スイッチＱを介してリターン線ＲＬへと流れる。書き込み電流Ｉ_Ｗの向きは、ビット線ＢＬとリターン線ＲＬの電位を変更することで変えることができるが、ｎＭＯＳスイッチのゲートをＯＮさせるに必要な電圧は大きくなる。しかし、逆方向書込み時に、書込み電流の方向を同一にし、アシスト磁界を逆にする方法をとれば、このような弊害はない。

情報の読み出し時の動作は、書き込み時と同一であるが、ビット線を流れる書き込み電流Ｉ_Ｗに変えて、読み出し電流Ｉｒは小さな電流値であっても良いし、同程度であっても良い。

なお、書込みと読み出し時においては、共にＴＭＲ素子ＭＲに通電するが、読み出し時には外部磁界を印加しなければ、磁化が反転することがないので、読み出し時のＴＭＲ素子ＭＲへの印加電圧を低下させることなく、読み出し時の磁化安定性を確保できるという利点もある。なお、従来のスピントランスファートルクによる書込みの場合、読み出し時に磁化の反転を引き起こさないための配慮として、読み出し時の電圧、電流を書き込み時に対して十分に小さくする結果、読み出しの困難さや、読み出し速度の低下が生じる。また、感磁層Ｆ１のギルバート減衰定数を大きくすれば、読み出し時の安定性はより大きくすることができる。

図７は、磁気抵抗効果素子近傍の斜視図である。

Ｙ軸方向に延びたワード線上に絶縁層１０を介して水平配線ＨＬが設けられ、この水平配線ＨＬはＹ軸方向に沿って延びている。水平配線ＨＬは固定層Ｐ０に接触しており、また、第２の固定層Ｐ１は、Ｘ軸方向に沿って延びたビット線ＢＬに接触している。

なお、感磁層Ｆ１の材料としては、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＰｔ、ＣｏＦｅＢなどの強磁性材料を用いることができる。

ＴＭＲ素子ＭＲを構成する非磁性絶縁層Ｔ１の材料としては、例えばＡｌ、Ｚｎ、Ｍｇといった金属の酸化物または窒化物、例えばＡｌ_２Ｏ_３やＭｇＯが好適である。固定層Ｐ０、第２の固定層Ｐ１の構造としては、反強磁性層を強磁性材料層に付与した交換結合型を用いることができる。また、反強磁性体の材料としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＮｉＯ、またはこれらのうち任意の組み合わせの材料を用いることができる。非磁性層Ｃ１の材料としては、ＣｕやＲｕを用いることができる。

各種配線材料としては、Ｃｕ、ＡｕＣｕ、Ｗ、Ａｌ等を用いることができる。

図８は、図６に示したスイッチ（Ｎ型の電界効果トランジスタ）Ｑの縦断面図である。

ｎ型の基板ＳＵＢ上に、ｐ型半導体層ＰＬが形成あれており、ｐ型半導体層ＰＬは分離領域（浅いトレンチアイソレーション）ＳＴＩによって分離されている。分離領域ＳＴＩの内側のｐ型半導体層ＰＬ内には、ｎ型のソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄが形成されており、それぞれの上にソース電極ＳＥ（垂直配線ＶＬ２）及びドレイン電極ＤＥ（垂直配線ＶＬ１）が形成されている。基板表面には絶縁層２０が設けられており、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄ間の上方の絶縁層２０上にゲート電極ＧＥ（ゲート配線ＧＬ）が設けられている。

図９は、複数の記憶領域（セル）ＣＥＬを備えた磁気メモリの斜視図である。

記憶領域ＣＥＬは、ＸＹ平面内においてマトリックス状に配置されており、各記憶領域ＣＥＬ（ｘ、ｙ）の構造は、図６に示した通りである。ここで、図６に示したワード線ＷＬ（アシスト配線）は、列方向（行方向でもよい）に連続した複数の記憶領域ＣＥＬ（１，１）、ＣＥＬ（１，２）・・・、ＣＥＬ（ｘ，ｙ）に亘って延びた１本の共通配線であり、連続した個々の記憶領域ＣＥＬ（１，１）、ＣＥＬ（１，２）・・・、ＣＥＬ（ｘ，ｙ）の個々の第２スイッチＱは同時にＯＮすることができる。第１スイッチＱＷ（ｘ）をＯＮすると、列方向の複数の記憶領域ＣＥＬ（１，１）、ＣＥＬ（１，２）・・・、ＣＥＬ（ｘ，ｙ）に亘ってワード線ＷＬに電流Ｉ_ＡＥが流れるため、このとき同時に第２スイッチＱをＯＮすると、これらの記憶領域ＣＥＬ（１，１）、ＣＥＬ（１，２）・・・、ＣＥＬ（ｘ，ｙ）の磁化の向きを同時に変更することができる。

また、この列に隣接する列に対応する第１スイッチＱＷ（ｘ＋１）をＯＮすると、列方向の複数の記憶領域ＣＥＬ（２，１）、ＣＥＬ（２，２）・・・、ＣＥＬ（ｘ＋１，ｙ＋１）に亘ってワード線ＷＬに電流Ｉ_ＡＥが流れるため、このとき同時に第２スイッチＱをＯＮすると、これらの記憶領域ＣＥＬ（２，１）、ＣＥＬ（２，２）・・・、ＣＥＬ（ｘ＋１，ｙ＋１）の磁化の向きを同時に変更することができる。なお、１本のワード線ＷＬ上の記憶領域の数は、一度に書き込みが可能な数であり、通常は８、１６、３２、６４などである。

上述のように、この磁気メモリの書き込み時においては、グローバルワード線ＧＷＬに接続された複数のワード線ＷＬに通電し、その後、ビット線ＢＬとリターン線ＲＬ間に書き込む情報に応じて、正または負の電位差を印加し、ゲート線（ゲート電極）ＧＬの電位を正にすることで、スイッチＱを導通状態にして磁気抵抗効果素子１００に電流を供給する。すなわち、リターン線ＲＬに対して、ビット線ＢＬの電位を上げるか下げるという方法で双方向の電流を感磁層Ｆ１に供給している。

なお、上述のように、磁気抵抗効果素子１００に電流を流して、感磁層Ｆ１の強磁性共鳴周期Ｔの４分の１の時間経過後に、ワード線ＷＬの電流Ｉ_ＡＥを切断している。ワード線ＷＬを流れる電流Ｉ_ＡＥは、ワード線選択線ＭＷＬの電位を制御することで制御する。ワード線選択線ＭＷＬとワード線ＷＬとの間には、第１スイッチ（電界効果トランジスタ）ＱＷ（ｘ）、ＱＷ（ｘ＋１）が介在しているが、これらのゲート電極は、共に１本の共通選択ゲート線ＷＬＳに接続されている。したがって、共通選択ゲート線ＷＬＳの電位を上げると、各列のワード線ＷＬの電位を同時に上げることができ、高速の書き込みが実行できる。

読み出し時においては、ゲート線（ゲート電極）ＧＬに正電圧を印加することでトランジスタを導通状態にして、リターン線ＲＬとビット線ＢＬ間の電流を測定することにより、磁気抵抗効果素子１００の抵抗を読み出す。

なお、１ｎｓ以下の時間差での各制御線の制御を実現する方法として、同一のパルス信号を利用してそれから異なる遅延時間の回路を経由して時間差を作り出す方法を用いることができる。更に、この遅延時間を調整する方法として、電気的方法により遅延時間を調整出来る回路を利用する方法を用いることも可能である。

以上、説明したように、上述の磁気メモリ及びスピン注入方法によれば、小さな電流を簡易な制御で流すことで感磁層の磁化の向きの変更を行うことができる。なお、上述の実施形態よれば、スピントランスファートルクの大きさが、他の方式よりも小さくて済む。すなわち、実施形態の方法の場合、スピントランスファートルクの大きさは緩和スイッチ法の４分の１（ギルバート減衰定数が０．０１、面内異方性磁界１００Ｏｅの場合）、歳差スイッチ法の２分の１、緩和歳差スイッチ法と同程度である。

また、上記実施形態によれば、スピントランスファートルクは各セル毎にスイッチトランジスタで制御できるので非選択セルへの誤書込みが生じないという利点がある。更に、上記実施形態の方法によれば、書き込みに必要なスピントランスファートルクを生じさせる電流値が、外部磁界を用いない方式に比べの半分以下にできるという利点もある。

本発明は、スピン注入法及び磁気メモリに利用することができる。

磁気抵抗効果素子の縦断面図（磁化の向き平行時）（ａ）、磁気抵抗効果素子の縦断面図（磁化の向き反平行時）（ｂ）である。 感磁層Ｆ１内の磁化の向きＶ_βを説明するための図である。 磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥ及び書き込み電流Ｉ_Ｗのタイミングチャートである。 改良された磁界反転アシスト電流Ｉ_ＡＥの立ち上がり時におけるタイミングチャートである。 従来の磁気メモリの電流の動作領域を示すグラフである。 磁気メモリを構成する単一の記憶領域の斜視図である。 磁気抵抗効果素子近傍の斜視図である。 図６に示したスイッチ（Ｎ型の電界効果トランジスタ）Ｑの縦断面図である。 複数の記憶領域（セル）ＣＥＬを備えた磁気メモリの斜視図である。

符号の説明

Ｐ０・・・固定層、Ｃ１・・・非磁性層、Ｆ１・・・感磁層、Ｔ１・・・絶縁層、Ｐ１・・・第２の固定層。

Claims (11)

1. 感磁層の磁化の向きを変更する電子を注入するスピン注入方法において、
   前記感磁層の磁化容易軸に直交する方向成分を有する外部磁界を前記感磁層の面内で発生させる第１工程と、
   前記感磁層内に膜面と垂直な成分を有する方向に偏極したスピンを有する電子を注入する第２工程と、
   前記第２工程の実行期間内に前記第１工程で発生させた磁界の強度を低下させる第３工程と、
   を備えることを特徴とするスピン注入方法。
2. 前記第１工程において前記感磁層の磁化困難軸方向に印加する外部磁界の大きさは、前記感磁層の異方性磁界よりも大きく設定することを特徴とする請求項１に記載のスピン注入方法。
3. 前記第１工程の実行期間と前記第２工程の実行期間の重複期間は、前記感磁層の強磁性共鳴周期の２５％±１０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピン注入方法。
4. 前記重複期間は、２５〜６２．５ピコ秒であることを特徴とする請求項３に記載のスピン注入方法。
5. 前記第１工程における前記外部磁界の立ち上がり期間は、前記感磁層の強磁性共鳴周期の２５％±１０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピン注入方法。
6. 前記立ち上がり期間は、４０〜６０ピコ秒であることを特徴とする請求項５に記載のスピン注入方法。
7. 前記外部磁界を、前記感磁層の近傍に設けられたアシスト配線に電流を流すことで発生させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスピン注入方法。
8. 複数の記憶領域を備えた磁気メモリにおいて、
   個々の前記記憶領域は、
   強磁性体からなる固定層と、
   非磁性層を介して前記固定層に対向し面内方向に沿った磁化容易軸を有する感磁層と、
   前記感磁層内に磁界反転アシスト磁界を与えるためのアシスト配線と、
   前記固定層に接続されたスピン注入用配線と、
   を有し、
   前記磁気メモリは、
   前記アシスト配線に磁界反転アシスト電流を供給して、前記感磁層の磁化容易軸に直交する方向成分を有する外部磁界を前記感磁層の面内で発生させるようＯＮする第１スイッチと、
   前記第１スイッチをＯＮした後、前記スピン注入用配線に電子を供給するようＯＮする第２スイッチと、
   を備え、
   前記第１スイッチは前記第２スイッチがＯＮの期間内にＯＦＦし、
   前記固定層の磁化の向きは膜面に垂直であることを特徴とする磁気メモリ。
9. 前記アシスト配線は、行又は列方向に連続した複数の前記記憶領域に亘って延びた１本の共通配線であり、前記連続した個々の前記記憶領域の個々の前記第２スイッチは同時にＯＮすることができることを特徴とする請求項８に記載の磁気メモリ。
10. 個々の前記記憶領域は、
    前記感磁層の前記固定層とは反対側に絶縁層を介して第２の固定層を備え、
    前記感磁層、前記絶縁層及び前記第２の固定層はＴＭＲ素子を構成している、
    ことを特徴とする請求項９に記載の磁気メモリ。
11. 前記アシスト配線に供給される磁界反転アシスト電流の大きさは、個々の前記感磁層内に発生する外部磁界の強さが、前記感磁層の異方性磁界の強さ以上となるように設定されることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の磁気メモリ。
    
    
    

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