特許 6485588 データの書き込み方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6485588

(24)【登録日】2019年3月1日

(45)【発行日】2019年3月20日

(54)【発明の名称】データの書き込み方法

(51)【国際特許分類】

   G11C 11/16 20060101AFI20190311BHJP

   G11C 7/04 20060101ALI20190311BHJP

   H01L 21/8239 20060101ALI20190311BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20190311BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20190311BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20190311BHJP

【ＦＩ】

   G11C11/16 240

   G11C7/04

   H01L27/105 447

   H01L29/82 Z

   H01L43/08 Z

【請求項の数】4

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2018-243583(P2018-243583)

(22)【出願日】2018年12月26日

(62)【分割の表示】特願2018-531684(P2018-531684)の分割

【原出願日】2018年2月1日

【審査請求日】2018年12月26日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100163496

【弁理士】

【氏名又は名称】荒 則彦

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100169694

【弁理士】

【氏名又は名称】荻野 彰広

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 智生

(72)【発明者】

【氏名】塩川 陽平

【審査官】 後藤 彰

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−４５１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第６２７１６５４（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ１１Ｃ １１／１６

Ｇ１１Ｃ ７／０４

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記スピン軌道トルク配線側から第１強磁性層と非磁性層と第２強磁性層とを備える機能部と、を備えるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、
前記スピン軌道トルク配線の前記第１の方向に印加する電圧を、環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値以下とし、
前記所定値は、
環境温度が−４０℃、２０℃及び１００℃においては、前記第１強磁性層の磁化を反転させる際の書き込みエラーレートが、前記臨界書き込み電圧をかけた際の書き込みエラーレートと等しくなる限界書き込み電圧である、データの書き込み方法。

【請求項2】

第１の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記スピン軌道トルク配線側から第１強磁性層と非磁性層と第２強磁性層とを備える機能部と、を備えるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、
前記スピン軌道トルク配線の前記第１の方向に印加する電圧を、環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値以下とし、
前記所定値は、
環境温度が−４０℃、２０℃及び１００℃においては、前記第１強磁性層の磁化を反転させる際の書き込みエラーレートが、前記臨界書き込み電圧をかけた際の書き込みエラーレートと等しくなる限界書き込み電圧であり、
環境温度が２０℃未満の温度領域においては、−４０℃における限界書き込み電圧と２０℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧である、データの書き込み方法。

【請求項3】

第１の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記スピン軌道トルク配線側から第１強磁性層と非磁性層と第２強磁性層とを備える機能部と、を備えるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、
前記スピン軌道トルク配線の前記第１の方向に印加する電圧を、環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値以下とし、
前記所定値は、
環境温度が−４０℃、２０℃及び１００℃においては、前記第１強磁性層の磁化を反転させる際の書き込みエラーレートが、前記臨界書き込み電圧をかけた際の書き込みエラーレートと等しくなる限界書き込み電圧であり、
環境温度が２０℃以上の温度領域においては、２０℃における限界書き込み電圧と１００℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧である、データの書き込み方法。

【請求項4】

第１の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記スピン軌道トルク配線側から第１強磁性層と非磁性層と第２強磁性層とを備える機能部と、を備えるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、
前記スピン軌道トルク配線の前記第１の方向に印加する電圧を、環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値以下とし、
前記所定値は、以下の関係式（２）において、Ｐ_２＝１０^−３のときのＶ_０’である、データの書き込み方法；

【数1】

前記関係式（２）において、
Ｐ_２は、反平衡状態（データとして「１」）または平衡状態（データとして「０」）から平衡状態と反平衡状態のいずれになるか不安定な状態（データとして「０．５」）に移行する確率であり、
ｔ_ｐは印加パルス時間であり、
ｔ_０は理論的に磁化反転に必要な時間であり、
Δ_{Ｐ（ＡＰ）}＝ＫＶ／ｋ_ＢＴ（Ｋは一軸磁気異方性、Ｖは体積、ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）、である。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、データの書き込み方法に関する。

【背景技術】

【0002】

二つの強磁性層の磁化の相対角の変化に基づく抵抗値変化（磁気抵抗変化）を利用した素子として、強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、及び、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子等が知られている。

【0003】

ＭＲＡＭは、絶縁層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きが変化するとＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子の素子抵抗が変化するという特性を利用してデータを読み書きする。ＭＲＡＭの書き込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式や磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式が知られている。

【0004】

ＳＴＴを用いた磁気抵抗効果素子の磁化反転は、データを書き込む際に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がある。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性を劣化させる場合がある。

【0005】

そこで近年、書き込み時に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さなくてもよい方法に注目が集まっている。その一つの方法が、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した書込み方法である（例えば、非特許文献１）。ＳＯＴは、スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流又は異種材料の界面におけるラシュバ効果により誘起される。磁気抵抗効果素子内にＳＯＴを誘起するための電流は、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に流す。すなわち、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がなく、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】S.Fukami, T.Anekawa, C.Zhang and H.Ohno, Nature Nano Tec (2016). DOI:10.1038/NNANO.2016.29.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子はデータを記録する。記録したデータの信頼性を十分確保するためには、磁気抵抗効果素子の書き込みエラーレートは１０^−７以下であることが求められている。

【0008】

上述のように、ＳＯＴを利用してデータの書き込みを行うスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さない。そのため、磁気抵抗効果素子の絶縁破壊をほとんど考慮する必要がなく、原理的には大きな書き込み電流を流すことができる。印加される書き込み電流量が多くなると、多数のスピンが強磁性体に磁気抵抗効果素子に注入されることになる。つまり、大きな書き込み電流を流すことで、磁気抵抗効果素子の書き込みエラーレートをより小さくすることができると考えられていた。

【0009】

しかしながら、本発明者らは鋭意検討の結果、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子であっても所定の電圧値又は電流値以上を印加すると、磁気抵抗効果素子の書き込みエラーレートが悪化してしまうことを見出した。

【0010】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、磁気メモリに安定的にデータを書き込むことができるデータの書き込み方法を提供する。また安定的にデータを書き込むことができる磁気メモリを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0011】

すなわち本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

【0012】

（１）第１の態様にかかるデータの書き込み方法は、第１の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記スピン軌道トルク配線側から第１強磁性層と非磁性層と第２強磁性層とを備える機能部と、を備えるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記スピン軌道トルク配線の前記第１の方向に印加する電圧を、環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値以下とし、前記所定値は、環境温度が−４０℃、２０℃及び１００℃においては、前記第１強磁性層の磁化を反転させる際の書き込みエラーレートが、前記臨界書き込み電圧をかけた際の書き込みエラーレートと等しくなる限界書き込み電圧であり、環境温度が２０℃未満の温度領域においては、−４０℃における限界書き込み電圧と２０℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧であり、環境温度が２０℃以上の温度領域においては、２０℃における限界書き込み電圧と１００℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧である。

【0013】

（２）上記態様にかかるデータの書き込み方法において、環境温度が２０℃以上の温度領域の場合は、前記スピン軌道トルク配線の前記第１の方向に、２０℃における臨界書き込み電圧の１．０１倍以上の電圧をデータ書き込み時に印加し、環境温度が２０℃未満の温度領域の場合は、前記スピン軌道トルク配線の前記第１の方向に、２０℃における臨界書き込み電圧の１．０５倍以上の電圧をデータ書き込み時に印加してもよい。

【0014】

（３）上記態様にかかるデータの書き込み方法において、環境温度が２０℃以上の場合は、前記スピン軌道トルク配線の前記第１の方向に、前記環境温度における臨界書き込み電圧以上２０℃における臨界書き込み電圧の１．６５倍以下の電圧をデータ書き込み時に印加し、環境温度が２０℃未満の場合は、前記スピン軌道トルク配線の前記第１の方向に、前記環境温度における臨界書き込み電圧以上２０℃における臨界書き込み電圧の１．５４倍以下の電圧をデータ書き込み時に印加してもよい。

【0015】

（４）上記態様にかかるデータの書き込み方法において、−４０℃以上１００℃以下の温度領域においてデータを書き込む際に、前記スピン軌道トルク配線の前記第１の方向に、臨界書き込み電圧の１．２倍以上１．５４倍以下の電圧を印加してもよい。

【0016】

（５）上記態様にかかるデータの書き込み方法において、前記スピン軌道トルク配線がタングステンであり、前記所定値Ｖは、２０℃における前記臨界書き込み電圧をＶ_０、環境温度をｔ（℃）とした場合に、環境温度が２０℃未満の温度領域においては、Ｖ＝（２．０×１０^−３×ｔ＋１．６２）×Ｖｏを満たし、環境温度が２０℃以上の温度領域においては、Ｖ＝（１．３×１０^−３×ｔ＋１．６３５）×Ｖｏを満たしてもよい。

【0017】

（６）上記態様にかかるデータの書き込み方法において、前記スピン軌道トルク配線がタンタルであり、前記所定値Ｖは、２０℃における前記臨界書き込み電圧をＶ_０、環境温度をｔ（℃）とした場合に、環境温度が２０℃未満の温度領域においては、Ｖ＝（０．８×１０^−３×ｔ＋１．６３）×Ｖｏを満たし、環境温度が２０℃以上の温度領域においては、Ｖ＝１．６５×Ｖｏを満たしてもよい。

【0018】

（７）上記態様にかかるデータの書き込み方法において、前記スピン軌道トルク配線がイリジウムであり、前記所定値Ｖは、２０℃における前記臨界書き込み電圧をＶ_０、環境温度をｔ（℃）とした場合に、環境温度が２０℃未満の温度領域においては、Ｖ＝（０．２×１０^−３×ｔ＋１．７１６７）×Ｖｏを満たし、環境温度が２０℃以上の温度領域においては、Ｖ＝（１．９×１０^−３×ｔ＋１．６８２５）×Ｖｏを満たしてもよい。

【0019】

（８）上記態様にかかるデータの書き込み方法において、前記スピン軌道トルク配線がプラチナであり、前記所定値Ｖは、２０℃における前記臨界書き込み電圧をＶ_０、環境温度をｔ（℃）とした場合に、環境温度が２０℃未満の温度領域においては、Ｖ＝（０．８×１０^−３×ｔ＋１．６３３３）×Ｖｏを満たし、環境温度が２０℃以上の温度領域においては、Ｖ＝（０．３×１０^−３×ｔ＋１．６４５）×Ｖｏを満たしてもよい。

【0020】

（９）第２の態様にかかる磁気メモリは、第１の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記スピン軌道トルク配線側から第１強磁性層と非磁性層と第２強磁性層とを備える機能部と、前記スピン軌道トルク配線に接続され、前記第１の方向に環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値以下の電圧を印加できる電圧源と、備え、前記所定値は、環境温度が−４０℃、２０℃及び１００℃の場合は、前記第１強磁性層の磁化を反転させる際の書き込みエラーレートが、前記臨界書き込み電圧をかけた際の書き込みエラーレートと等しくなる限界書き込み電圧であり、環境温度が２０℃未満の温度領域においては、−４０℃における限界書き込み電圧と２０℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧であり、環境温度が２０℃以上の温度領域においては、２０℃における限界書き込み電圧と１００℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧である。

【0021】

（１０）上記態様にかかる磁気メモリは、前記スピン軌道トルク配線に接続され、前記スピン軌道トルク配線の抵抗値から前記スピン軌道トルク配線の温度を換算する温度計をさらに備えてもよい。

【発明の効果】

【0022】

本実施形態にかかるデータの書き込み方法及び磁気メモリによれば、データを安定的に書き込むことができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本実施形態にかかる磁気メモリの模式図である。

【図2】スピン軌道トルク配線のｘ方向に印加する書き込み電圧値を変更した際における機能部のＭＲ比の変化を示した図である。

【図3】本実施形態にかかる磁気メモリの別の例の模式図である。

【図4A】書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例１の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。

【図4B】書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例１の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。

【図5A】書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例６の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。

【図5B】書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例６の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。

【図6A】書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例９の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。

【図6B】書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例９の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。

【図7A】書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例１２の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。

【図7B】書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例１２の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

【0025】

（磁気メモリ）
図１は、本実施形態にかかる磁気メモリ１００の模式図である。磁気メモリ１００は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０と電圧源２０とを備える。

【0026】

＜スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子＞
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０は、機能部１とスピン軌道トルク配線２とを備える。スピン軌道トルク配線２の機能部１を挟む位置には、導電性を有する第１電極３及び第２電極４を備える。第１電極３及び第２電極４は、スピン軌道トルク配線２に直接接続されていてもよいし、絶縁層を介して接続されてもよい。これらがスピン軌道トルク配線２と直接接続された場合は電流駆動となり、これらがスピン軌道トルク配線２と絶縁体を介して接続された場合は電圧駆動となる。
以下、スピン軌道トルク配線２が延在する第１の方向をｘ方向、機能部１の積層方向（第２の方向）をｚ方向、ｘ方向及びｚ方向のいずれにも直交する方向をｙ方向と規定して説明する。

【0027】

［スピン軌道トルク配線］
スピン軌道トルク配線２は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２は、機能部１のｚ方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線２は、機能部１に直接接続されていてもよいし、他の層を介し接続されていてもよい。

【0028】

スピン軌道トルク配線２は、電流Ｉが流れるとスピンホール効果によってスピン流が生成される材料からなる。かかる材料としては、スピン軌道トルク配線２中にスピン流が生成される構成のものであれば足りる。従って、単体の元素からなる材料に限らないし、スピン流を生成しやすい材料で構成される部分とスピン流を生成しにくい材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。

【0029】

スピンホール効果とは、材料に電流Ｉを流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流Ｉの向きと直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果によりスピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。

【0030】

スピン軌道トルク配線２の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線２に沿って電流Ｉが流れる。電流Ｉが流れると、一方向に配向した第１スピンＳ１と、第１スピンＳ１と反対方向に配向した第２スピンＳ２とが、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、第１スピンＳ１は進行方向に対しｚ方向に曲げられ、第２スピンＳ２は進行方向に対して−ｚ方向に曲げられる。

【0031】

通常のホール効果とスピンホール効果とは運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通する。一方で、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しなくても、電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）でスピンの移動方向が曲げられる点が大きく異なる。

【0032】

非磁性体（強磁性体ではない材料）では第１スピンＳ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しいので、図中で＋ｚ方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と−ｚ方向に向かう第２スピンＳ２の電子数が等しい。この場合、電荷の流れは互いに相殺され、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。

【0033】

第１スピンＳ１の電子の流れをＪ↑、第２スピンＳ２の電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑−Ｊ↓で定義される。スピン流ＪＳは、図中のｚ方向に流れる。図１において、スピン軌道トルク配線２の上面には後述する第１強磁性層１Ａが存在する。そのため、第１強磁性層１Ａにスピンが注入される。

【0034】

スピン軌道トルク配線２は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかによって構成される。

【0035】

スピン軌道トルク配線２の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。これらの非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きい。

【0036】

電子は、一般にそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動く。これに対し、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きく、スピンホール効果が強く作用する。そのため、電子の動く方向は、電子のスピンの向きに依存する。従って、これらの非磁性の重金属中ではスピン流ＪＳが発生しやすい。

【0037】

またスピン軌道トルク配線２は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピンの散乱因子となる。スピンが散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。スピン軌道トルク配線２の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。

【0038】

一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる場合がある。そのため、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。

【0039】

スピン軌道トルク配線２は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。この物質にはスピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。そこで外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。これがトポロジカル絶縁体であり、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。

【0040】

トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ_１．５Ｓｂ_０．５Ｔｅ_１．７Ｓｅ_１．３、ＴｌＢｉＳｅ_２、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、Ｂｉ_１−ｘＳｂ_ｘ、（Ｂｉ_１−ｘＳｂ_ｘ）_２Ｔｅ_３などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。

【0041】

［機能部］
機能部１は、第１強磁性層１Ａと第２強磁性層１Ｂとこれらに挟まれた非磁性層１Ｃとを備える。機能部１は、スピン軌道トルク配線２と交差する第２の方向（ｚ方向）に積層されている。

【0042】

機能部１は、第１強磁性層１Ａの磁化Ｍ１Ａと第２強磁性層１Ｂの磁化Ｍ１Ｂの相対角が変化することにより抵抗値が変化する。第２強磁性層１Ｂの磁化Ｍ１Ｂは一方向（ｚ方向）に固定され、第１強磁性層１Ａの磁化Ｍ１Ａの向きが、磁化Ｍ１Ｂに対して相対的に変化する。第２強磁性層１Ｂは固定層、参照層などと表記され、第１強磁性層１Ａは自由層、記録層などと表記されることがある。保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層１Ｂの保磁力を第１強磁性層１Ａの保磁力よりも大きくする。交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層１Ｂの磁化Ｍ１Ｂを反強磁性層との交換結合によって固定する。

【0043】

機能部１は、非磁性層１Ｃが絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、金属からなる場合は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。

【0044】

機能部１の積層構成は、公知の磁気抵抗効果素子の積層構成を採用できる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第２強磁性層１Ｂの磁化方向を固定するための反強磁性層等の他の層を備えてもよい。第２強磁性層１Ｂは固定層や参照層、第１強磁性層１Ａは自由層や記憶層などと呼ばれる。

【0045】

第１強磁性層１Ａ及び第２強磁性層１Ｂは、磁化Ｍ１Ａ，Ｍ１Ｂの磁化容易軸がｚ方向に配向した垂直磁化膜でも、磁化容易軸がｘｙ面内方向に配向した面内磁化膜でもよい。

【0046】

第１強磁性層１Ａ及び第２強磁性層１Ｂは、強磁性材料を適用できる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅを例示できる。また第１強磁性層１Ａが面内磁化膜の場合は、例えば、Ｃｏ−Ｈｏ合金（ＣｏＨｏ_２）、Ｓｍ−Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ_１２）等を用いることが好ましい。

【0047】

第１強磁性層１Ａと第２強磁性層１Ｂとのうち少なくとも一方にＣｏ２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を用いると、磁気抵抗効果がより強く発現する。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１−ｃＧａ_ｃ等が挙げられる。

【0048】

第２強磁性層１Ｂには、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料からなる層を積層してもよい。シンセティック強磁性結合の構造とすることで、第２強磁性層１Ｂの漏れ磁場が、第１強磁性層１Ａに与える影響を軽減できる。

【0049】

非磁性層１Ｃには、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層１Ｃが絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等を用いることができる。これらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ_２Ｏ_４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。非磁性層１Ｃが金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層１Ｃが半導体からなる場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２等を用いることができる。

【0050】

機能部１は、その他の層を有していてもよい。第１強磁性層１Ａの非磁性層１Ｃと反対側の面に下地層を有していてもよい。スピン軌道トルク配線２と第１強磁性層１Ａとの間に配設される層は、スピン軌道トルク配線２から伝播するスピンを散逸しないことが好ましい。例えば、銀、銅、マグネシウム、及び、アルミニウム等は、スピン拡散長が１００ｎｍ以上と長く、スピンが散逸しにくいことが知られている。この層の厚みは、層を構成する物質のスピン拡散長以下であることが好ましい。層の厚みがスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線２から伝播するスピンを第１強磁性層１Ａに十分伝えることができる。

【0051】

＜電圧源＞
電圧源２０は、スピン軌道トルク配線２に接続され、スピン軌道トルク配線２のｘ方向に電圧を印加する。電圧源２０は、スピン軌道トルク配線２のｘ方向に電圧を印加できれば、スピン軌道トルク配線２と直接接続されてもよいし、間接的に接続されていてもよい。

【0052】

電圧源２０は、スピン軌道トルク配線２のｘ方向に、環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値倍以下の電圧をデータ書き込み時に印加する。ここで環境温度とは、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０の温度であり、より具体的にはスピン軌道トルク配線２の温度である。

【0053】

臨界書き込み電圧Ｖ_０は、以下の関係式により求められる。

【0054】

【数1】

【0055】

スピントルク軌道配線２に臨界書き込み電圧Ｖ_０を印加した際に、機能部１に生じる書き込みエラーレート（機能部１の第１強磁性層１Ａの磁化Ｍ１Ａを反転させる際に、所望の方向に磁化Ｍ１Ａが配向せず書き込みエラーが生じる確率）は１０^−３から１０^−４の範囲内となる。本明細書では、臨界書き込み電圧を印加した際の書き込みエラーレートは１０^−３とする。第１強磁性層１Ａの磁気異方性は温度によって異なり、またスピン軌道トルク配線２の抵抗値も温度によって異なるため、臨界書き込み電圧は環境温度によって異なる。

【0056】

電圧源２０が印加できる下限値である環境温度における臨界書き込み電圧は各温度で実測してもよいが、−４０℃、２０℃及び１００℃における臨界書き込み電圧から他の温度領域における臨界書き込み電圧の概略値を算出してもよい。

【0057】

まず−４０℃、２０℃及び１００℃における臨界書き込み電圧を求める。そして、それぞれの臨界書き込み電圧を横軸が温度、縦軸が電圧のグラフ上にプロットする。プロットされた−４０℃における臨界書き込む電圧値と、２０℃における臨界書き込む電圧値とを直線で結ぶ。同様に、プロットされた２０℃における臨界書き込む電圧値と、１００℃における臨界書き込む電圧値とを直線で結ぶ。これらの直線上に位置する電圧を各温度における概算された臨界書き込み電圧として用いることができる。すなわち、概算された臨界書き込み電圧は、−４０℃より高く２０℃より低い温度領域においては、−４０℃における臨界書き込み電圧と２０℃における臨界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧であり、２０℃より高く１００℃より低い温度領域においては、２０℃における臨界書き込み電圧と１００℃における臨界書き込み電圧とを結ぶ直線上である。

【0058】

電圧源２０が印加できる上限値である所定値は、以下の関係を満たす。

【0059】

環境温度が−４０℃、２０℃及び１００℃の場合は、所定値は第１強磁性層１Ａの磁化Ｍ１Ａを反転させる際の書き込みエラーレートが、臨界書き込み電圧Ｖ_０をかけた際の書き込みエラーレート（１０^−３）と等しくなる限界書き込み電圧である。

【0060】

環境温度が２０℃未満の温度領域の場合は、所定値は−４０℃における限界書き込み電圧と２０℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧である。

【0061】

環境温度が２０℃以上の温度領域の場合は、所定値は２０℃における限界書き込み電圧と１００℃における限界書き込み電圧とを結ぶ直線上に位置する電圧である。

【0062】

ＳＯＴを利用してデータの書き込みを行う磁気メモリ１００において、スピン軌道トルク配線２のｘ方向に印加する電圧値に原理的には上限はない。大きな電圧を印加すれば、スピン軌道トルク配線２に大きな書き込み電流を流すことができ、原理的には磁気抵抗効果素子の書き込みエラーレートをより小さくすることができる。

【0063】

しかしながら、実際にスピン軌道トルク配線２のｘ方向に印加する電圧値を変動させると、所定の電圧値以上の電圧を印加すると、データを安定的に記録できなくなった。すなわち印加可能な電圧の上限値（限界書き込み電圧）があることが分かった。

【0064】

図２は、スピン軌道トルク配線２のｘ方向に印加する書き込み電圧値を変更した際における機能部（磁気抵抗効果素子）１のＭＲ比の変化を示した図である。ここで示すＭＲ比は、（Ｒ−Ｒｐ）／Ｒｐであり、Ｒは測定された抵抗値であり、Ｒｐは第１強磁性層１Ａの磁化Ｍ１Ａと第２強磁性層１Ｂの磁化Ｍ１Ｂとが完全平衡状態とした場合の理論抵抗値である。

【0065】

図２に示すように、スピン軌道トルク配線２のｘ方向に印加する電圧値を０．０５Ｖ近傍まで上昇させると、ＭＲ比が急激に大きくなる。この変化は、第１強磁性層１Ａの磁化Ｍ１Ａと第２強磁性層１Ｂの磁化Ｍ１Ｂとが平衡状態から反平衡状態に移行したことを意味する。すなわち、所定値以上の電圧を印加することで、データが書き込まれたことを意味する。

【0066】

これに対し、スピン軌道トルク配線２のｘ方向に印加する電圧値を０．０８Ｖ近傍まで上昇させると、ＭＲ比が高い状態と低い状態との間で振動し始める。第１強磁性層１Ａの磁化Ｍ１Ａと第２強磁性層１Ｂの磁化Ｍ１Ｂとが反平衡状態となるように、書き込み電圧を印加しているにもかかわらず、平衡状態と反平衡状態との間で状態が安定化しなくなっている。つまり、所定値以上の電圧を印加するとデータを安定的に記録できなくなる。

【0067】

言い換えると図２に示すように、所定値以下の電圧をスピン軌道トルク配線２のｘ方向に印加すると、磁気メモリ１００に安定的にデータを書き込むことができる。

【0068】

電圧源２０が印加できる上限値である所定値は、環境温度が２０℃以上の場合は、環境温度における臨界書き込み電圧以上２０℃における臨界書き込み電圧の１．６５倍以下の電圧であることが好ましく、環境温度が２０℃未満の場合は、環境温度における臨界書き込み電圧以上２０℃における臨界書き込み電圧の１．５４倍以下の電圧であることが好ましい。

【0069】

またスピン軌道トルク配線２がタングステンの場合は、所定値Ｖは、環境温度が２０℃未満の温度領域においては、Ｖ＝（２．０×１０^−３×ｔ＋１．６２）×Ｖｏを満たし、環境温度が２０℃以上の温度領域においては、Ｖ＝（１．３×１０^−３×ｔ＋１．６３５）×Ｖｏを満たすことが好ましい。

【0070】

またスピン軌道トルク配線２がタンタルの場合は、所定値Ｖは、環境温度が２０℃未満の温度領域においては、Ｖ＝（０．８×１０^−３×ｔ＋１．６３）×Ｖｏを満たし、環境温度が２０℃以上の温度領域においては、Ｖ＝１．６５×Ｖｏを満たすことが好ましい。

【0071】

またスピン軌道トルク配線２がイリジウムの場合は、所定値Ｖは、環境温度が２０℃未満の温度領域においては、Ｖ＝（０．２×１０^−３×ｔ＋１．７１６７）×Ｖｏを満たし、環境温度が２０℃以上の温度領域においては、Ｖ＝（１．９×１０^−３×ｔ＋１．６８２５）×Ｖｏを満たすことが好ましい。

【0072】

またスピン軌道トルク配線２がプラチナの場合は、所定値Ｖは、環境温度が２０℃未満の温度領域においては、Ｖ＝（０．８×１０^−３×ｔ＋１．６３３３）×Ｖｏを満たし、環境温度が２０℃以上の温度領域においては、Ｖ＝（０．３×１０^−３×ｔ＋１．６４５）×Ｖｏを満たすことが好ましい。

【0073】

なお、上記関係式においてＶ_０は２０℃における臨界書き込み電圧であり、ｔは環境温度（℃）である。

【0074】

また２０℃以上の温度領域においてデータを書き込む際には、スピン軌道トルク配線２のｘ方向に、臨界書き込み電圧の１．０１倍以上の電圧を印加することが好ましく、臨界書き込み電圧の１．０８倍以上の電圧を印加することがより好ましく、臨界書き込み電圧の１．１５倍以上の電圧を印加することがさらに好ましい。２０℃未満の温度領域においてデータを書き込む際に、スピン軌道トルク配線２のｘ方向に、臨界書き込み電圧の１．０５倍以上の電圧を印加することが好ましい。また電圧源２０はこれらの電圧を印加できることが好ましい。

【0075】

臨界書き込み電圧を超える電圧をスピン軌道トルク配線２のｘ方向に印加できれば、第１強磁性層１Ａの磁化反転は生じるが、書き込みエラーレートは十分小さいとは言えない。各温度域において上記の値以上の電圧を印加すると、第１強磁性層１Ａの磁化をより安定的に反転させることができる。すなわち、より安定的なデータの書き込みを実現できる。上記の値以上の電圧を印加すれば、磁気メモリ１００の書き込みエラーレートを１０−７以下に抑えることができる。

【0076】

またスピン軌道トルク配線２がタングステンの場合は、以下の下限電圧Ｖｍｉｎ以上の電圧を印加することが好ましい。下限電圧Ｖｍｉｎは、環境温度が２０℃未満の温度領域においては、Ｖ_ｍｉｎ＝（１．２×１０^−３×ｔ＋０．９９６７）×Ｖｏを満たし、環境温度が２０℃以上の温度領域においては、Ｖ_ｍｉｎ＝（９．３×１０^−３×ｔ＋０．８３５）×Ｖｏを満たすことが好ましい。

【0077】

またスピン軌道トルク配線２がタンタルの場合は、以下の下限電圧Ｖｍｉｎ以上の電圧を印加することが好ましい。下限電圧Ｖｍｉｎは、環境温度が２０℃未満の温度領域においては、Ｖ_ｍｉｎ＝（０．５×１０^−３×ｔ＋１．０１）×Ｖｏを満たし、環境温度が２０℃以上の温度領域においては、Ｖ_ｍｉｎ＝（０．８×１０^−３×ｔ＋１．００５）×Ｖｏを満たすことが好ましい。

【0078】

またスピン軌道トルク配線２がイリジウムの場合は、以下の下限電圧Ｖｍｉｎ以上の電圧を印加することが好ましい。下限電圧Ｖｍｉｎは、環境温度が２０℃未満の温度領域においては、Ｖ_ｍｉｎ＝（０．２×１０^−３×ｔ＋１．０５６７）×Ｖｏを満たし、環境温度が２０℃以上の温度領域においては、Ｖ_ｍｉｎ＝（１．１×１０^−３×ｔ＋１．０３７５）×Ｖｏを満たすことが好ましい。

【0079】

またスピン軌道トルク配線２がプラチナの場合は、以下の下限電圧Ｖｍｉｎ以上の電圧を印加することが好ましい。下限電圧Ｖｍｉｎは、環境温度が２０℃未満の温度領域においては、Ｖ_ｍｉｎ＝（０．３×１０^−３×ｔ＋１．００３３）×Ｖｏを満たし、環境温度が２０℃以上の温度領域においては、Ｖ_ｍｉｎ＝（０．２×１０^−３×ｔ＋１．００５）×Ｖｏを満たすことが好ましい。

【0080】

なお、上記関係式においてＶ_０は２０℃における臨界書き込み電圧であり、ｔは環境温度（℃）である。

【0081】

またスピン軌道トルク配線２のｘ方向に印加する電圧は、臨界書き込み電圧の１．２倍以上１．５４倍以下であることが好ましい。磁気メモリ１００が曝される環境温度は、ユーザーの使用状態によって変わる。そのため、−４０℃以上１００℃以下という広い温度域でのデータの保証が求められる場合がある。スピン軌道トルク配線２のｘ方向に臨界書き込み電圧の１．２倍以上１．５４倍以下の電圧を印加すれば、−４０℃以上１００℃以下の広い温度域でデータを安定的に書き込むことができる。

【0082】

＜温度計＞
図３は、本実施形態にかかる磁気メモリの別の例の断面模式図である。図３に示すように、磁気メモリ１０１は温度計３０を備えてもよい。温度計３０は、スピン軌道トルク配線２の抵抗値からスピン軌道トルク配線２の温度を換算する。換算された温度は、電圧制御部４０に送られる。電圧制御部４０は、温度をもとに電圧源２０がスピン軌道トルク配線２に印加する電圧を決定する。

【0083】

温度計３０により使用時の温度を測定すれば、磁気メモリが使用される環境温度域全体に渡って制御可能な範囲まで書き込み電圧の範囲を限定する必要がなくなる。実際に使用される環境温度に合わせて、書き込み電圧を決定することができ、より最適なデータ書き込みを行うことができる。

【0084】

温度計３０は、一つに限られず複数あってもよい。例えば、スピン軌道トルク配線２をｚ方向から見た際の４つの角となる位置にそれぞれ温度計３０を設置してもよい。

【0085】

図１及び図３では、機能部１とスピン軌道トルク配線２とからなるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０が磁気メモリ１００、１０１中に一つの場合を例示したが、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０は複数あってもよい。磁気メモリ１００、１０１の集積性を高めるためには、隣接するスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０間の距離は極力近づけることが好ましい。そのため、隣接するスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０の発熱等が書き込み電圧値に影響を及ぼす場合がある。この場合、複数の温度計３０で各スピン軌道トルク配線２の温度を精密に測定することで、より最適なデータ書き込みを行うことができる。

【0086】

上述のように、本実施形態にかかる磁気メモリによれば、データを安定的に書き込むことができる。

【0087】

（データの書き込み方法）
本実施形態にかかるデータの書き込み方法は、上述のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０のスピン軌道トルク配線２のｘ方向に印加する書き込み電圧を制御する。

【0088】

書き込み電圧は、環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値以下とする。所定値は、上記と同様にして求められる。

【0089】

書き込み電圧は、環境温度が２０℃以上の温度領域の場合は、環境温度における臨界書き込み電圧以上２０℃における臨界書き込み電圧の１．６５倍以下であることが好ましく、環境温度が２０℃未満の温度領域の場合は、環境温度における臨界書き込み電圧以上２０℃における臨界書き込み電圧の１．５４倍以下であることが好ましい。

【0090】

また書き込み電圧は、２０℃以上の温度領域において臨界書き込み電圧の１．０１倍以上であること好ましく、臨界書き込み電圧の１．０８倍以上であることより好ましく、臨界書き込み電圧の１．１５倍以上であることがさらに好ましい。２０℃未満の温度領域においては、書き込み電圧は臨界書き込み電圧の１．０５倍以上であることが好ましい。さらに、書き込み電圧は−４０℃以上１００℃以下の温度領域において、臨界書き込み電圧の１．２倍以上１．５４倍以下であることがより好ましい。

【0091】

またスピン軌道トルク配線２の材料が特定されている場合は、上記の関係式に基づいて、データ書き込み時に印加する上限値及び下限値を決定することが好ましい。

【0092】

環境温度における臨界書き込み電圧は各温度で実測してもよいし、−４０℃、２０℃及び１００℃における臨界書き込み電圧から他の温度領域における臨界書き込み電圧の概略値を算出してもよい。

【0093】

上述のように、本実施形態にかかるデータ書き込み方法によれば、磁気メモリにデータを安定的に書き込むことができる。

【0094】

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【実施例】

【0095】

（実施例１）
図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０を作製した。熱酸化Ｓｉ基板上にタングステン（Ｗ）を３ｎｍ積層した。そしてこのタングステンからなる層を幅５０ｎｍ、長さ３００ｎｍに加工し、スピン軌道トルク配線２とした。そしてその周囲を、酸化シリコンからなる絶縁膜で被覆した。

【0096】

次いで、スピン軌道トルク配線２及び絶縁膜上に、ＣｏＦｅＢ（厚み１ｎｍ）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（厚み３ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（厚み１ｎｍ）、Ｔａ（厚み０．４ｎｍ）、［Ｃｏ（厚み０．４ｎｍ）／Ｐｔ（厚み０．８ｎｍ）］_４、Ｃｏ（厚み０．４ｎｍ）、Ｒｕ（厚み０．４ｎｍ）、［Ｃｏ（厚み０．４ｎｍ）／Ｐｔ（厚み０．８ｎｍ）］_５、Ｃｏ（厚み０．４ｎｍ）、Ｐｔ（厚み１０ｎｍ）の順で層を形成した。そして、作製した層を３５０℃でアニールしたのち、５０ｎｍ×５０ｎｍの角形に加工し、機能部１を作製した。最初に積層したＣｏＦｅＢが第１強磁性層１Ａに対応し、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４が非磁性層１Ｃに対応し、ＳＡＦ（synthetic antiferromagnetic）構造が第２強磁性層１Ｂに対応する。第１強磁性層１Ａは垂直磁化膜である。

【0097】

スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０を１０×１０でアレイ配置し、それぞれのスピン軌道トルク配線２を電圧源２０と接続し、磁気メモリを完成させた。そしてスピン軌道トルク配線２に書き込みパルスを印加し、書き込みエラーレートの変化を評価した。書き込み時にはｘ方向に１００Ｏｅの磁場を印加した。書き込みパルスは、パルス幅を１０ｎｓｅｃとした。書き込み１０ｎｓｅｃ、待機１０ｎｓｅｃ、読み出し２０ｎｓｅｃ、待機１０ｎｓｅｃの６０ｎｓｅｃを一つのサイクルタイムとした。書き込みエラーレートは、各素子の低抵抗状態と高抵抗状態の抵抗値を測定し、それぞれの平均抵抗を「０」、「１」のデータ書き込みの基準とし、目的の書き込み状態を実現できないものをエラーしてカウントした。データの読み出し時には、機能部１の積層方向に１ｍＶの電圧を印加した。

【0098】

図４Ａは、書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例１の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。印加電圧が小さい状態では、書き込みが始まっていないので、目的の書き込み状態が実現されておらず、エラーとして出力されている。一方で、印加電圧値を大きくしていくと書き込みが始まり、書き込みエラーレートが小さくなっている。臨界書き込み電圧Ｖ_０は０．０４８４２Ｖであり、０．０４８９０Ｖを印加した時点で書き込みエラーレートは１０^−７となった。書き込みエラーレートは１０^−７以下となった電圧を下限電圧Ｖ_１とする。下限電圧Ｖ_１は、臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．０１倍であった。

【0099】

図４Ｂは、書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例１の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。印加電圧が所定値を超えると、書き込みエラーレートが増加している。書き込みエラーレートは１０^−７以上となった電圧を上限電圧Ｖ_２とすると、上限電圧Ｖ_２は、０．０８０３８Ｖであった。この上限電圧Ｖ_２は、臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．６６倍であった。

【0100】

図４Ａに示すグラフは、以下の関係式（１）でフィッティングできる。以下の関係式において、Ｐ_１は反平衡状態（データとして「１」）から平衡状態（データとして「０」）または平衡状態（データとして「０」）から反平衡状態（データとして「１」）に移行する確率であり、ｔ_ｐは印加パルス時間であり、ｔ_０は理論的に磁化反転に必要な時間であり、Δ_{Ｐ（ＡＰ）}は熱安定性を示す値であり、Ｖ_０は臨界書き込み電圧である。なお、Δ_{Ｐ（ＡＰ）}はＫＶ／ｋＢＴ（Ｋは一軸磁気異方性、Ｖは体積、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）で求められる。

【0101】

【数2】

【0102】

また図４Ｂに示すグラフは、以下の関係式（２）でフィッティングできる。以下の関係式において、Ｐ２は反平衡状態（データとして「１」）または平衡状態（データとして「０」）から平衡状態と反平衡状態のいずれになるか不安定な状態（データとして「０．５」）に移行する確率であり、ｔ_ｐは印加パルス時間であり、ｔ_０は理論的に磁化反転に必要な時間であり、一般的に１ｎｓｅｃである。Δ_{Ｐ（ＡＰ）}は熱安定性を示す値であり、Ｖ_０’は限界書き込み電圧である。なお、Δ_{Ｐ（ＡＰ）}はＫＶ／ｋ_ＢＴ（Ｋは一軸磁気異方性、Ｖは体積、ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）で求められる。限界書き込み電圧Ｖ_０’は、安定的にデータを書き込めていた状態から書き込みエラーレートが１０^−３に至った際の電圧である。

【0103】

【数3】

【0104】

（実施例２）
実施例２では、磁気メモリが曝される環境温度を−４０℃にした点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同様とした。スピン軌道トルク配線２の抵抗率は、２０℃で５３．８μΩｃｍであったものが、４０μΩｃｍとなった。

【0105】

実施例２における磁気メモリの−４０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０は０．０４５５４Ｖであり、下限電圧Ｖ_１は０．０４６００Ｖであり、上限電圧Ｖ_２は０．０７４５７Ｖであった。すなわち、下限電圧Ｖ_１は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の０．９５倍であり、上限電圧Ｖ_２は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．５４倍であった。

【0106】

（実施例３）
実施例３では、磁気メモリが曝される環境温度を１００℃にした点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同様とした。スピン軌道トルク配線２の抵抗率は、２０℃で５３．８μΩｃｍであったものが、７３μΩｃｍとなった。

【0107】

実施例３における磁気メモリの１００℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０は０．０５１７８Ｖであり、下限電圧Ｖ_１は０．０５２２９Ｖであり、上限電圧Ｖ_２は０．０８５２２Ｖであった。すなわち、下限電圧Ｖ_１は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．０８倍であり、上限電圧Ｖ_２は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．７６倍であった。

【0108】

（実施例４）
実施例４では、磁気メモリが曝される環境温度を０℃にした点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同様とした。０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０は、−４０℃の結果と２０℃の結果から概算し、０．０４７４６Ｖであった。

【0109】

実施例４における磁気メモリの下限電圧Ｖ_１は０．０４７９４Ｖであり、上限電圧Ｖ_２は０．０７８４４Ｖであった。すなわち、下限電圧Ｖ_１は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の０．９９倍であり、上限電圧Ｖ_２は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ０の１．６２倍であった。この値は、スピン軌道トルク配線２がタングステンの場合の関係式を満たす。また概算された臨界書き込み電圧でも、上限電圧Ｖ_２が所定の範囲内に存在することで、データを安定的に書き込むことができることを確認した。

【0110】

（実施例５）
実施例５では、磁気メモリが曝される環境温度を５０℃にした点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同様とした。５０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０は、２０℃の結果と１００℃の結果から概算し、０．０４９６８Ｖであった。

【0111】

実施例５における磁気メモリの下限電圧Ｖ_１は０．０５０１８Ｖであり、上限電圧Ｖ_２は０．０８２１９Ｖであった。すなわち、下限電圧Ｖ１は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．０４倍であり、上限電圧Ｖ_２は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．７０倍であった。この値は、スピン軌道トルク配線２がタングステンの場合の関係式を満たす。また概算された臨界書き込み電圧でも、上限電圧Ｖ_２が所定の範囲内に存在することで、データを安定的に書き込むことができることを確認した。

【0112】

（実施例６）
実施例６は、スピン軌道トルク配線２を構成する材料をタングステン（Ｗ）からタンタル（Ｔａ）に変えた点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同様とした。

【0113】

図５Ａ及び図５Ｂは、書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例６の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。図５Ａに示すグラフは、上記の関係式（１）でフィッティングすることができ、図５Ｂに示すグラフは、上記の関係式（２）でフィッティングすることができた。臨界書き込み電圧Ｖ_０は０．１４２３Ｖであり、下限電圧Ｖ_１は０．１４３８Ｖであった。下限電圧Ｖ_１は、臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．０１倍であった。上限電圧Ｖ_２は、０．２３４９Ｖであった。上限電圧Ｖ_２は、臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．６５倍であった。

【0114】

（実施例７）
実施例７では、磁気メモリが曝される環境温度を−４０℃にした点が実施例６と異なる。その他の条件は、実施例６と同様とした。スピン軌道トルク配線２の抵抗率は、２０℃で１３１．８μΩｃｍであったものが、１０２μΩｃｍとなった。

【0115】

実施例７における磁気メモリの−４０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０は０．１３９５Ｖであり、下限電圧Ｖ_１は０．１４０９Ｖであり、上限電圧Ｖ_２は０．２２７８Ｖであった。すなわち、下限電圧Ｖ_１は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ０の０．９９倍であり、上限電圧Ｖ_２は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．６０倍であった。

【0116】

（実施例８）
実施例８では、磁気メモリが曝される環境温度を１００℃にした点が実施例６と異なる。その他の条件は、実施例６と同様とした。スピン軌道トルク配線２の抵抗率は、２０℃で１３１．８μΩｃｍであったものが、１６７μΩｃｍとなった。

【0117】

実施例８における磁気メモリの１００℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０は０．１４２３Ｖであり、下限電圧Ｖ_１は０．１４３８Ｖであり、上限電圧Ｖ_２は０．２３４９Ｖであった。すなわち、下限電圧Ｖ_１は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．０１倍であり、上限電圧Ｖ_２は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．６５倍であった。

【0118】

（実施例９）
実施例９は、スピン軌道トルク配線２を構成する材料をタングステン（Ｗ）からイリジウム（Ｉｒ）に変えた点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同様とした。

【0119】

図６Ａ及び図６Ｂは、書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例９の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。図６Ａに示すグラフは、上記の関係式（１）でフィッティングすることができ、図６Ｂに示すグラフは、上記の関係式（２）でフィッティングすることができた。臨界書き込み電圧Ｖ_０は０．０４０３６Ｖであり、下限電圧Ｖ_１は０．０４０７６Ｖであった。下限電圧Ｖ_１は、臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．０６倍であった。上限電圧Ｖ_２は、０．０６９８２Ｖであった。上限電圧Ｖ_２は、臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．７２倍であった。

【0120】

（実施例１０）
実施例１０では、磁気メモリが曝される環境温度を−４０℃にした点が実施例９と異なる。その他の条件は、実施例９と同様とした。スピン軌道トルク配線２の抵抗率は、２０℃で４７．２μΩｃｍであったものが、３９μΩｃｍとなった。

【0121】

実施例１０における磁気メモリの−４０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０は０．０４０３６Ｖであり、下限電圧Ｖ_１は０．０４２３７Ｖであり、上限電圧Ｖ_２は０．０６９０１Ｖであった。すなわち、下限電圧Ｖ_１は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．０５倍であり、上限電圧Ｖ_２は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．７１倍であった。

【0122】

（実施例１１）
実施例１１では、磁気メモリが曝される環境温度を１００℃にした点が実施例９と異なる。その他の条件は、実施例９と同様とした。スピン軌道トルク配線２の抵抗率は、２０℃で４７．２μΩｃｍであったものが、６８μΩｃｍとなった。

【0123】

実施例１１における磁気メモリの１００℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０は０．０４５９５Ｖであり、下限電圧Ｖ_１は０．０４６４１Ｖであり、上限電圧Ｖ_２は０．０７５４７Ｖであった。すなわち、下限電圧Ｖ_１は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ０の１．１５倍であり、上限電圧Ｖ_２は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．８７倍であった。

【0124】

（実施例１２）
実施例１２は、スピン軌道トルク配線２を構成する材料をタングステン（Ｗ）からプラチナ（Ｐｔ）に変えた点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同様とした。

【0125】

図７Ａ及び図７Ｂは、書き込みパルスの印加電圧値を変えた際における実施例１２の磁気メモリの書き込みエラーレートの変化を示す。図７Ａに示すグラフは、上記の関係式（１）でフィッティングすることができ、図７Ｂに示すグラフは、上記の関係式（２）でフィッティングすることができた。臨界書き込み電圧Ｖ_０は０．１０４６Ｖであり、下限電圧Ｖ_１は０．１０５７Ｖであった。下限電圧Ｖ_１は、臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．０１倍であった。上限電圧Ｖ_２は、０．１７２６Ｖであった。上限電圧Ｖ_２は、臨界書き込み電圧Ｖ０の１．６５倍であった。

【0126】

（実施例１３）
実施例１３では、磁気メモリが曝される環境温度を−４０℃にした点が実施例１２と異なる。その他の条件は、実施例１３と同様とした。スピン軌道トルク配線２の抵抗率は、２０℃で１０５．７μΩｃｍであったものが、８２μΩｃｍとなった。

【0127】

実施例１３における磁気メモリの−４０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０は０．１０２５Ｖであり、下限電圧Ｖ_１は０．１０３６Ｖであり、上限電圧Ｖ_２は０．１６７４Ｖであった。すなわち、下限電圧Ｖ_１は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．０倍であり、上限電圧Ｖ_２は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．６０倍であった。

【0128】

（実施例１４）
実施例１４では、磁気メモリが曝される環境温度を１００℃にした点が実施例１２と異なる。その他の条件は、実施例１２と同様とした。スピン軌道トルク配線２の抵抗率は、２０℃で１０５．７μΩｃｍであったものが、１３６．０μΩｃｍとなった。

【0129】

実施例１４における磁気メモリの１００℃における臨界書き込み電圧Ｖ０は０．１０６７Ｖであり、下限電圧Ｖ_１は０．１０７８Ｖであり、上限電圧Ｖ_２は０．１７４７Ｖであった。すなわち、下限電圧Ｖ_１は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．０３倍であり、上限電圧Ｖ_２は２０℃における臨界書き込み電圧Ｖ_０の１．６７倍であった。

【0130】

なお、各材料において温度変化させた結果においても、それぞれ関係式（１）及び関係式（２）を用いてフィッティングすることができた。

【符号の説明】

【0131】

１ 機能部
１Ａ 第１強磁性層
１Ｂ 第２強磁性層
１Ｃ 非磁性層
２ スピン軌道トルク配線
３ 第１電極
４ 第２電極
１０ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
２０ 電圧源
３０ 温度計
４０ 電圧制御部
１００、１０１ 磁気メモリ

【要約】

【課題】磁気メモリに安定的にデータを書き込むことができるデータの書き込み方法を提供することである。
【解決手段】本発明のデータの書き込み方法は、第１の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記スピン軌道トルク配線側から第１強磁性層と非磁性層と第２強磁性層とを備える機能部と、を備えるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記スピン軌道トルク配線の前記第１の方向に印加する電圧を、環境温度における臨界書き込み電圧以上所定値以下とし、前記所定値は、環境温度が−４０℃、２０℃及び１００℃においては、前記第１強磁性層の磁化を反転させる際の書き込みエラーレートが、前記臨界書き込み電圧をかけた際の書き込みエラーレートと等しくなる限界書き込み電圧である。
【選択図】なし

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】