以下、本発明を、図面を用いて詳細に説� ��する。

 図4に、本発明を用いた磁気メモリセルの 主要な構成例を示す。本発明の磁気抵抗効果 素子は、下地膜41、反強磁性膜42、固定層43、 絶縁障壁層44、記録層45、非磁性の中間層46、 磁化反転アシスト層47、反強磁性層48、適当� �キャップ層49を順次積層した構造を有する。 固定層43の磁化の向きは、反強磁性膜42から� �交換結合力によって膜面内の所定の方向に� �定されている。記録層45の磁化は、膜面に平 行で、固定層43の磁化の向きと略平行、又は� ��平行である。非磁性の中間層46としては、� �常は絶縁層が用いられる。磁化反転アシス� �層47は、磁化の向きが膜面に平行でかつ固定 層43の磁化の向きと略垂直であり、反強磁性� ��48により磁化の向きが固定されている。ダ� �オード50は、ソース線7からビット線1に流れ� ��電流8(電子は方向9に流れる)をオン、オフす るためのスイッチとして用いられる。

 次に、この磁気メモリセルの書込み動作� ��ついて説明する。図5は、図4に示した磁気� �抗効果素子において、記録層45の磁化方向を 固定層43の磁化方向に対して平行(低抵抗状態 )から反平行(高抵抗状態)に変化させる場合の 電流値の時間変化と、それに伴う記録層の磁 化方向の変化の一例を示した図である。まず 時間ゼロで電流を所定の大きさまで増加させ 、その後、記録層45の磁化の歳差運動の周期T の1/4の時間まで、その電流値を保ち、その後 ゼロまで低減する。この電流から記録層の磁 化に与えられるスピントルクにより、図5(b)� �ように記録層の磁化の歳差運動が励起され� �。この歳差運動は、電流がオフになってい� �時間T/4から3T/4の間も図5(c)、(d)のように継続 する。再び時間3T/4で電流を所定の値まで増� �させ、時間5T/4まで一定の値に保つ。この間� ��びこの電流から記録層の磁化にスピントル� ��が作用し、記録層の磁化の歳差運動が図5(e) 、(f)のように増幅され、電流を切ったのち図 5(g)のように磁化が初期状態と反対の方向に� �イッチングして歳差運動が停止する。

 図6は、図4に示した磁気抵抗効果素子に� �いて、記録層45の磁化方向を固定層43の磁化� ��向に対して反平行(高抵抗状態)から平行(低� ��抗状態)の向きに変化させる場合の電流値の 時間変化と、それに伴う記録層の磁化方向の 変化の一例を示した図である。この場合も図 5の場合と同じように、まず時間ゼロで電流� �所定の大きさまで増加させ、その後、記録� �の磁化の歳差運動の周期Tの1/4の時間まで、� ��の電流値を保ち、その後ゼロまで低減する� ��この電流から記録層の磁化に与えられるス� ��ントルクにより、図6(b)のように記録層の磁 化の歳差運動が励起される。その後この歳差 運動は、電流がオフになっている時間T/4から 3T/4の間も図6(c)、(d)のように継続する。再び� ��間3T/4で電流を所定の値まで増加させ、時間 5T/4まで一定の値に保つ。この間再びこの電� �から記録層の磁化にスピントルクが作用し� �記録層の磁化の歳差運動が図6(e)、(f)のよう� ��増幅され、電流を切ったのち図6(g)のように 磁化が初期状態と反対の方向にスイッチング して歳差運動が停止する。

 図5と図6では、歳差運動での記録層の磁� �の回転方向が反対になっていることに注意� �れたい。すなわち、電流の向きを図4の矢印8 の方向、すなわち電子の向きを図4の矢印9の� ��向に向ける場合、時間ゼロからT/4までは、� ��電電流の電子の持つスピンから記録層45の� �化に作用するスピントルクは、記録層45の磁 化の向きを磁化回転アシスト層47の磁化の向� ��にそろえようとする方向に働く。したがっ� ��図5(b)、図6(b)に示されたような歳差運動が� �起される。しかし、もし時間T/4以降も電流� �切らずに持続させたとすると、時間T/4から� �間3T/4の間は、図5においても図6においても� �スピントルクは記録層45の磁化を磁化回転ア シスト層47の方向にそろえる方向、すなわち� ��差運動をダンピングする方向に働いてしま� ��、結果として電流を無駄にしてしまうこと� ��なる。そこで、この時間の間は電流をオフ� ��する。再び時間3T/4で電流をオンにすると、 時間5T/4まで、再びスピントルクは記録層の� �化の歳差運動を励起する方向に働くことな� �、結果としてスピントルクによる記録層磁� �の反転を完了する。このように、記録層45の 磁化方向を固定層43の磁化方向に対して平行( 低抵抗状態)から反平行(高抵抗状態)の向きに 変化させる場合でも、記録層45の磁化方向を� ��定層43の磁化方向に対して反平行(高抵抗状� ��)から平行(低抵抗状態)の向きに変化させる� ��合でも、同一の電流方向と電流パルスの時� ��軸上の波形を用いることができることが、� ��発明の第一の特徴である。

 次に、本発明の第二の特徴を説明する。例� ��ば、Applied Physics Letters, Vol.88, p.152505 (2006 )に記載されているように、一般にスピント� �クによる磁化反転は、
(1)パルス幅が10ns以下の領域で、パルス幅の� �少とともに急速に書込み電流が増大する
(2)磁化反転が確率的に生じ、スイッチング時 間に分布が生じる
ということが示されている。上記(1)は消費電 力の増大という観点から、(2)はメモリの安定 な書込み動作を阻害するという観点で好まし くない。パルス幅が10ns以下の領域では、書� �込みに必要な電流Iは次式で表される。

I=I _c0  +I _c0  ln(π/2θ)(αγH _eff ) ^-1 /τ _p     (1)
I _c0 ∝ sinθ [p/2 / (1+p ² cosθ)]-1  (2)
 ここでαは記録層磁化膜のダンピング定数� �γは磁気回転比、H _eff は記録層45にかかる実効磁界、τ _p は電流パルス幅、pは記録層及び磁化回転ア� �スト層の磁性膜のスピン分極率、θはパルス 電流が与えられる前の記録層と磁化回転アシ スト層の磁化のなす角である。式(2)で表され るI _c0 は、記録層や磁化回転アシスト層の磁性膜の 材料や形状で決まるイントリンシックなしき い電流値、すなわち直流電流を用いた場合の しきい電流値である。本実施例では、θが略9 0度であるので、式(2)より、同一の材料や構� �の素子におけるイントリンシックなしきい� �流値I _c0 を最小にすることができる。さらに式(1)にお いても、θが略90度であることにより、式(1)� �第2項が小さくなるので、上記(1)の問題点が� ��いに緩和されるという効果がある。

 また本発明では、図7のように、磁化回転 アシスト層47の磁化は記録層45の磁化と垂直� �方向に向いているため、磁化回転アシスト� �47から発生される漏洩磁界71は、記録層45の� �化方向と略垂直方向を向いている。よく知� �れているように、本発明のような磁気メモ� �において、図4に示されている記録層45の磁� �方向のエネルギー的に安定な方向は、磁化� �易軸と呼ばれている。一方、この方向と垂� �な方向は磁化困難軸と呼ばれている。本実� �例のように記録層の磁化困難軸方向に磁界� �かけた場合、例えば、Physical Review B, Vol.75,  p.064402(2007)に記載されているように、スイ� �チング確率の分布を大きく低減することが� �能である。したがって本発明は、上記課題(1 )(2)を同時に解決する効果があることがわか� �。

 次に、電流パルスの時間波形をどのように� ��めるかという点について述べる。図8は、磁 化回転アシスト層からの漏洩磁界Hが、記録� �の磁化を磁化容易軸方向から磁化困難軸方� �へ向けるのに必要な磁界Hk(これを異方性磁� �と呼ぶ)の1/4であった場合の、磁化反転が終� ��するまでの磁化の回転数を、時間ゼロにお� ��る記録層の磁化が磁化容易軸となす角度θ� �正弦(sinθ)と、電流の値の関数としてプロッ� ��したものである。この場合、たとえば電流� ��値をI _c0 とした場合、熱擾乱によって記録層の磁化が 磁化容易軸となす角度が図8に示す範囲Aで揺� ��いでいたとしても、必ず図5、図6で示した� �うに、5/4回転で磁化反転が終了することが� �かる。このように、磁化反転までに要する� �差運動の回転数は、磁化回転アシスト層か� �の漏洩磁界Hと与えられる電流値で一義的に� ��めることができるので、それに応じてパル� ��波形を決めることができる。すなわち、一� ��的に磁化反転が終了するまでの記録層の磁� ��の歳差運動の回転数が1/4+n(nは1以上の整数)� ��ある場合は、電流波形は時間tに対し以下の ようにすればよい。

  I=I ₀ (0≦t≦T/4)
    0 (T/4<t≦3T/4)
    I ₀ (3T/4<t≦5T/4)
       :        (3)
    0(T/4+(n-1)T<t≦3T/4+(n-1)T)
    I ₀ (3T/4+(n-1)T<t≦5T/4+(n-1)T)
 ただし、I ₀ は図8から決められる複数の領域をまたがな� �通電電流の値、Tは歳差運動の1回転に要する 時間である。式(3)では、電流はパルス状にON/ OFFするように記述されているが、回路の容量 による波形のなまりがあるので、実際の波形 は図5、図6のように必ずしもパルス状にはな� ��ない。一般的に、nはゼロないし1の場合が� �とんどであり、必要な電流I ₀ もほぼI _c0 と小さくできる。すなわち本発明によれば、 与えられた磁気抵抗効果素子の構造や材料に 対して適切な電流のパルス波形を設定するこ とで、極めて精度よくスピントルク磁化反転 の過程を制御できる。

 図9は、図1(従来例)のスピントルク磁化反転 の場合の、磁化反転が終了するまでの磁化の 回転数を、時間ゼロにおける記録層の磁化が 磁化容易軸となす角度θの正弦(sinθ)と、電流 の値の関数としてプロットしたものである。 例えば、書込み電流を3I _c0 とした場合、熱擾乱によって記録層の磁化が 磁化容易軸となす角度が図9に範囲Bで示す程� ��ばらつくので、スピントルク磁化反転が終� ��するまでに要する回転数は8/4回転から18/4回 転の広い回転数の間に分布し、それにともな って磁化反転に要する時間も大きくばらつく 。図8と図9を比較すると、本実施例の場合、� ��化反転に要する電流を極めて小さくでき、� ��つ極めて精度よくスピントルク磁化反転に� ��する時間を制御できることがわかる。

 以上、本発明によれば、上記で述べた困� ��軸磁界印加によるスイッチング確率のばら� ��きの一般的な低減効果以上に、スピントル� ��磁化反転の反転確率を完全に制御し、反転� ��率ばらつきの課題を根本的に解決する効果� ��あることがわかる。

 次に、本発明による磁気メモリセルの膜� ��造の例と、磁気メモリセルアレイの構成例� ��ついて説明する。

(1)磁気メモリセルの膜構造の例
 以下、具体的な磁気メモリセルの構造につ� ��て説明する。

 第一の膜構成例:図4において、下地膜41と してTa、反強磁性膜42としてMnIr、固定層43と� �てCoFeB、絶縁障壁層44としてMgO、記録層45と� �てCoFeB、非磁性の中間層46としてMgO、磁化反� ��アシスト層47としてCoFeB、反強磁性層48とし� ��PtMn、キャップ層49としてTaを用いる。この� �成は基本構成であり、上記で述べたすべて� �効果を達成しうる構成である。

 第二の膜構成例:図4において、下地膜41と してTa、反強磁性膜42としてMnIr、固定層43と� �てCoFe/Ru/CoFeBの積層フェリ構造(CoFeとCoFeBとが Ru膜を介して反交換結合している構造)、絶縁 障壁層44としてMgO、記録層45としてCoFeB、非磁 性の中間層46としてMgO、磁化反転アシスト層4 7としてCoFeB、反強磁性層48としてPtMn、キャッ プ層49としてTaを用いる。この構成では、固� �層の磁化が互いに反平行結合して反対の向� �を向いているため、固定層43からの漏洩磁束 が記録層45にかかることがないため、記録層4 5の性能を決める磁界-抵抗ヒステリシスの磁� ��に対するオフセット(ヒステリシスの中心が ゼロ磁界からずれること)を低減することが� �きる。

 第三の膜構成例:図4において、下地膜41と してTa、反強磁性膜42としてMnIr、固定層43と� �てCoFe/Ru/CoFeBの積層フェリ構造、絶縁障壁層4 4としてMgO、記録層45としてCoFeB/Ru/CoFeBの積層� ��ェリ構造、非磁性の中間層46としてMgO、磁� �反転アシスト層47としてCoFeB、反強磁性層48� �してPtMn、キャップ層49としてTaを用いる。こ の構成では、固定層43の磁化が互いに反平行� ��合して反対の向きを向いているため、固定� ��43からの漏洩磁束が記録層45にかかることが なくなることに加え、記録層自身の漏洩磁界 も記録層を構成する2枚の磁化膜内で閉じる� �め、記録層の磁界-抵抗ヒステリシスの磁界� ��対するオフセットをほとんどゼロにするこ� ��ができる。また、記録層全体の体積を増大� ��せ、かつ記録層を構成する2枚の磁化膜の膜 厚を近づけることで記録層の保磁力を増大さ せることができるので、熱的に安定な磁気メ モリセルを提供することができる。

 第四の膜構成例:図4において、下地膜41と してTa、反強磁性膜42としてMnIr、固定層43と� �てCoFe/Ru/CoFeBの積層フェリ構造、絶縁障壁層4 4としてMgO、記録層45としてCoFeB/Ru/CoFeの積層� �ェリ構造、非磁性の中間層46としてCu、磁化� ��転アシスト層47としてCoFe、反強磁性層48と� �てPtMn、キャップ層49としてTaを用いる。この 構成では、上記第三の膜構成に比べ中間層46� ��金属のCuを用いていることで、素子全体の� �抗を減少させることができる。

 以上において、反強磁性膜42,48としてMnIr,PtM n以外の反強磁性材料を用いても、本発明の� �本的な効果は変わらない。また固定層43の材 料にCoFeベースの材料を用いても、本発明の� �本的な効果は変わらない、また固定層43の材 料にCo ₂ MnSiなどのいわゆるホイスラー合金を用いて� �さらに分極率pを高めると、さらにI _c0 を低減する効果がある。障壁層材料44として� ��、Alの酸化物、Tiの酸化物や、TiNやAlNなどの 窒化物材料を用いても本発明の基本的な効果 は変わらない。

(2)磁気ランダムアクセスメモリの構成例
(2-1)ダイオードを用いた磁気ランダムアクセ� ��メモリの構成例
 図10に、本発明による磁気ランダムアクセ� �メモリの構成例を示す。図10において、1は� �ース線、50はダイオード、91は本発明の磁気� ��抗効果素子あり、7はビット線、92は一つの� ��気メモリセルを表す。ソース線1とビット線 7は、別々の書き込みドライバ回路で駆動さ� �る。ビット線7には磁気メモリセルからの読� ��出し信号を増幅するセンスアンプが接続さ� ��ている。図示の例では、ダイオード50は、� �気抵抗効果素子91に、固定層から記録層の方 向に電流を通電可能に接続されている。また 、ダイオードの一端はソース線に電気的に接 続され、磁気抵抗効果素子91の磁化回転アシ� ��ト層がビット線に接続されている。

 書き込みの際には、ソース線書き込みドラ� ��バで1つのソース線1のみを書込み電圧Vに昇� ��し、その他のソース線はグランドに落とし� ��おき、ビット線書込みドライバでは1つのビ ット線7のみグランドに落とし、そのほかを� �圧Vに維持しておく。このようにすれば選択� ��れたメモリセル92のみに電流が流れるので� �選択された磁気抵抗素子91にのみに書き込み が行われる。読出しの際は、同様の手順でメ モリセル91のみに通電をするが、流す電流はI _c0 より十分小さい値として、誤書き込みを防止 する。この構造は最も単純なクロスポイント 配置なので、単位セルの占める面積は2F×2F=4F ² と高集積なものにすることができる。

(2-2)トランジスタを用いた磁気ランダムアク� ��スメモリの構成例
 図11に、本発明による磁気ランダムアクセ� �メモリの他の構成例を示す。図11において、 1はソース線、101は本発明の磁気抵抗効果素� �であり、7はビット線、102はセル選択トラン� ��スタ、103はワード線、104は一つの磁気メモ� ��セルを表す。ビット線7には磁気メモリセル からの読み出し信号を増幅するセンスアンプ が接続されている。図示の例では、トランジ スタ102の一端がソース線1に電気的に接続さ� �、磁気抵抗効果素子101の磁化回転アシスト� �がビット線7に接続され、トランジスタ102は� ��ード線103によって制御される。

 本構成の場合の書込みは、書込みドライ� ��で書込みたいメモリセルにつながった1つの ソース線1のみを書込み電圧Vに昇圧し、その� ��モリセルのセル選択トランジスタ102につな� ��っているワード線のみを他方の書込みドラ� ��バで選択してトランジスタ102をONにして電� �を流し、書込みを行う。

 読出しの際は、上記とは逆に、読出したい� ��モリセルにつながったビット線7のみを読出 し電圧Vに昇圧し、選択トランジスタ102につ� �がっているワード線のみを他方の書込みド� �イバで選択してトランジスタ102をONにして電 流を流して、読出しを行う。この場合、読出 し時の電流方向が書込み時の電流方向と逆な ので、読出し電流による誤書込みの心配がな い。したがってより大きな読出し電流を流す ことが可能となり、高速の読み出しが可能と なる。この構造は最も単純な1トランジスタ+1 メモリセルの配置なので、単位セルの占める 面積は2F×4F=8F ² と高集積なものにすることができる。