特開 2023-114349 磁気抵抗素子を備える磁気記憶装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023114349

(43)【公開日】2023-08-17

(54)【発明の名称】磁気抵抗素子を備える磁気記憶装置

(51)【国際特許分類】

   H10B 61/00 20230101AFI20230809BHJP

   H10N 50/10 20230101ALI20230809BHJP

   G11C 11/16 20060101ALI20230809BHJP

【ＦＩ】

H01L27/105 447

H01L43/08 Z

G11C11/16 240

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022016669

(22)【出願日】2022-02-04

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２０年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「高効率・高速処理を可能とするＡＩチップ・次世代コンピューティングの技術開発／次世代コンピューティング技術の開発／電圧駆動不揮発性メモリを用いた超省電力ブレインモルフィックシステムの研究開発」委託研究開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(72)【発明者】

【氏名】松本 利映

(72)【発明者】

【氏名】湯浅 新治

(72)【発明者】

【氏名】今村 裕志

【テーマコード（参考）】

4M119

5F092

【Ｆターム（参考）】

4M119AA01

4M119AA05

4M119AA11

4M119BB01

4M119CC01

4M119CC05

4M119DD17

4M119DD25

4M119DD32

4M119DD45

4M119JJ03

4M119JJ04

5F092AA03

5F092AA04

5F092AB08

5F092AC12

5F092AD03

5F092AD05

5F092AD23

5F092AD25

5F092AD28

5F092BB23

5F092BB34

5F092BB35

5F092BB36

5F092BB38

5F092BB43

5F092BC04

5F092BC07

5F092CA02

5F092CA03

(57)【要約】

【課題】高速で低消費電力の書込みが可能で、かつ書込みエラー率の低減が可能な磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】第１の磁性層を含む記録層１３と、トンネル障壁層１４と、第２の磁性層を含む参照層１５との積層構造を有する磁気抵抗素子１１と、制御部１２と、を備え、上記記録層１３の面内形状は、該面内形状に外接し面積が最小となる長方形が互いに異なる長さの短辺および長辺を有する形状であり、上記記録層１３に書込み時に、有効磁界を上記記録層１３の面内の上記短辺方向に印加しながら、上記制御部１２が上記磁気抵抗素子１１に電圧パルスを印加する、磁気記憶装置１０が提供される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の磁性層を含む記録層と、トンネル障壁層と、第２の磁性層を含む参照層との積層構造を有する磁気抵抗素子と、
制御部と、を備え、
前記記録層の面内形状は、該面内形状に外接し面積が最小となる長方形が互いに異なる長さの短辺および長辺を有する形状であり、
前記記録層に書込み時に、有効磁界を前記記録層の面内の前記短辺方向に印加しながら、前記制御部が前記磁気抵抗素子に電圧パルスを印加する、磁気記憶装置。

【請求項2】

前記記録層に書込み時の前記電圧パルスが単極性のパルス電圧であり、該単極性の電圧パルスの印加により前記記録層に双方向の磁化反転を生じさせる、請求項１記載の磁気記憶装置。

【請求項3】

前記記録層がＨｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕのうちいずれか一つ以上を含む、請求項１または２記載の磁気記憶装置。

【請求項4】

前記有効磁界が前記記録層の膜面に対して垂直な成分をさらに有する、請求項１～３のうちいずれか一項記載の磁気記憶装置。

【請求項5】

前記記録層が垂直磁気異方性を有する、請求項１～４のうちいずれか一項記載の磁気記憶装置。

【請求項6】

前記記録層がＣｏ－Ｆｅ－Ｂを含む、請求項１～５のうちいずれか一項記載の磁気記憶装置。

【請求項7】

前記トンネル障壁層がＭｇを含む酸化物である、請求項１～６のうちいずれか一項記載の磁気記憶装置。

【請求項8】

前記トンネル障壁層がＭｇとＡｌを含む酸化物である、請求項１～７のうちいずれか一項記載の磁気記憶装置。

【請求項9】

前記トンネル障壁層の厚さが１．２ｎｍ以上である、請求項１～８のうちいずれか一項記載の磁気記憶装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁性薄膜を含む薄膜積層体の磁気抵抗素子を備えた磁気記憶装置に関する。

【背景技術】

【0002】

磁気抵抗素子は、磁化固定層、中間層および磁化自由層の積層体からなる素子である。磁気抵抗素子は、磁化固定層と磁化自由層の磁化の相対的な角度で抵抗値が変化するという特徴を持つ。磁化の異方性をもたせることにより、磁気抵抗素子は、磁化自由層において、磁化の角度に対してエネルギーの極大・極小値をもたせることができる。例えば磁化固定層と磁化自由層の磁化が１軸で正の異方性を有する場合、磁化の相対的な角度が平行または反平行のときに磁化のエネルギーが極小になり、二つの安定状態を取ることができる。磁気抵抗素子の抵抗値は磁化の向きが平行のときに最も低くなり、反平行のとき最も高くなる。磁気抵抗素子をメモリとして応用する場合、磁化自由層を記録層に用いる。

【0003】

電圧書込み方式では、磁気抵抗素子に電圧パルスを印加することによって、記録層内の磁化自由層の磁化の向きを反転させることができる。これが電圧磁化反転と呼ばれる現象である。この反転をデータの書込み法として用いた不揮発メモリが電圧制御型・磁気抵抗メモリー（ＶＣ－ＭＲＡＭ）である。電圧磁化反転は、数十ｋ_BＴのエネルギー障壁で隔てられた２つの磁化状態間を、サブナノ秒～数ナノ秒の時間幅の電圧パルスの印加によってエネルギー障壁を低くすることで移動し易くし、高速で消費電力の極めて低いスイッチングである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１８／０１５８５２５号明細書

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Y. Shiota, et al., Appl. Phys. Lett. 111, 022408 (2017)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

電圧書込み方式では、書込みエラーを引き起こす原因の一つとして、書込み前の始状態と書込み後の終状態とにおいて記録層の磁化が受ける熱揺らぎがあり、磁化が絶対零度での平衡状態での方向からずれてその向きがばらつく。磁化の向きのばらつきを抑制するためには記録層の垂直磁気異方性を大きくすることが考えられ、リバースバイアス法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。リバースバイアス法は、記録層の磁化の反転のための書込み電圧を印加する前および後に、書込み電圧と逆の極性のバイアス電圧を磁気抵抗素子に印加する。バイアス電圧を印加すると垂直磁気異方性エネルギーが増加して膜面に対して垂直方向に作用して、熱エネルギーが相対的に小さくなり、磁化の向きのばらつきが抑制される。しかしながら、リバースバイアス法では、書込み前から書込み後まで磁気抵抗素子に電圧を印加するので、消費電力が増加するという好ましくない現象が発生する。

【0007】

書込みエラーを引き起こす他の原因として、書込み中に歳差反転する記録層の磁化が受ける熱擾乱があり、磁化の向きが反転しない終状態となる場合がある。熱擾乱の影響を抑制するために、記録層の膜面に対して平行方向に印加する外部磁場を大きくすることで、書込みエラー率が低減できることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、この手法では、外部磁場が大きいほど電圧パルス幅が短くて済む分高速かつ低消費電力の書込みが行えるが、垂直磁気異方性エネルギーに比して過度に外部磁界が大きい場合書込みエラー率が十分低減できないという好ましくない現象が発生する。

【0008】

本発明の目的は、高速で低消費電力の書込みが可能で、かつ書込みエラー率の低減が可能な磁気記憶装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様によれば、第１の磁性層を含む記録層と、トンネル障壁層と、第２の磁性層を含む参照層との積層構造を有する磁気抵抗素子と、制御部と、を備え、上記記録層の面内形状は、該面内形状に外接し面積が最小となる長方形が互いに異なる長さの短辺および長辺を有する形状であり、上記記録層に書込み時に、有効磁界を上記記録層の面内の上記短辺方向に印加しながら、上記制御部が上記磁気抵抗素子に電圧パルスを印加する、磁気記憶装置が提供される。

【0010】

上記態様によれば、磁気抵抗素子の記録層は、その面内形状に外接し面積が最小となる長方形が互いに異なる長さの短辺および長辺を有する形状とし、有効磁界を上記記録層の面内の上記短辺方向に印加しながら、制御部が磁気抵抗素子に電圧パルスを印加することで、高速で低消費電力の書込みが可能で、かつ、記録層の形状磁気異方性により、書込み前および後で記録層の磁化の熱揺らぎを抑制するとともに、書込み中の熱擾乱の影響を抑制することで、書込みエラー率の低減が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施形態に係る磁気記憶装置の要部の概略構成図である。

【図2】磁気抵抗素子の記録層の平面図であり、面内形状を説明するための図である。

【図3】磁気抵抗素子の記録層の磁化の挙動の説明図である。

【図4】電圧パルス印加の書込みモデルのシーケンスの説明図である。

【図5】磁気抵抗素子の記録層の磁化の始状態の分布の計算例を示す図である。

【図6】磁気抵抗素子の記録層の磁化の始状態のエネルギー密度を示す図である。

【図7】第１の実施形態に係る磁気記憶装置の書込みエラー率の計算例を示す図（その１）である。

【図8】第１の実施形態の書込み電圧パルスの時間幅と書込みエラー率との関係を示す図である。

【図9】第１の実施形態に係る磁気記憶装置の書込みエラー率の計算例を示す図（その２）である。

【図10】第２の実施形態の書込み電圧パルスの時間幅と書込みエラー率との関係を示す図である。

【図11】本発明の一実施形態に係る磁気記憶装置の概略構成図である。

【図12】本発明の一実施形態に係る磁気記憶装置の動作例の説明図（その１）である。

【図13】本発明の一実施形態に係る磁気記憶装置の動作例の説明図（その２）である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。なお、複数の図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。

【0013】

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る磁気記憶装置の要部の概略構成図である。図２は、磁気抵抗素子の記録層の平面図であり、面内形状を説明するための図である。図１および図２のＸＹ平面は、記録層の面内と平行な面である。Ｘ軸は記録層の楕円形の面内形状の長軸方向であり、Ｙ軸は記録層の楕円形の面内形状の短軸方向であり、Ｚ軸は記録層に対する垂直方向である。

【0014】

図１および図２を参照するに、磁気記憶装置１０は、２つの安定な磁化状態を利用して情報を記憶する磁気抵抗素子１１と、磁気抵抗素子１１に電圧パルスを印加して情報の書込みを行うとともに読出しを制御する制御部１２とを有する。磁気抵抗素子１１は、記録層１３と、参照層１５と、記録層１３と参照層１５とに挟まれるトンネル障壁層１４とを有する。

【0015】

本実施形態の磁気記憶装置１０は、従来の、磁界による書込方式いわゆるトグル磁気抵抗メモリ（トグルＭＲＡＭ）および電流による書込み方式いわゆるスピントルク書込型磁気メモリ（ＳＴＴ－ＲＡＭ）とは異なり、電圧パルスを磁気抵抗素子１１に印加して記録層１３の磁化の方向を反転させる電圧制御型磁気メモリ（ＶＣ－ＭＲＡＭ）である。磁気記憶装置１０は、サブナノ秒～ナノ秒のオーダの短い電圧パルスによって記録層１３の２つの安定な磁化状態間に存在するエネルギー障壁の高さを制御してジュール損失が少ない磁化反転を行うので、高速で低消費電力の書込みが可能になる。

【0016】

磁気記憶装置１０は、電圧磁化反転のため、例えば書込み時に記録層１３の面内の所定の方向に有効磁界を印加する。なお、書込み時だけでなく書込み時以外にも有効磁界を印加したままでもよい。有効磁界の所定の方向は、面内形状の短辺方向（Ｙ軸方向）である。短辺方向について以下説明する。図２に示す記録層１３の面内形状は、その面内形状（輪郭）に外接する長方形で面積が最小となる長方形ＲＴＧが一意的に決まる。記録層１３の面内形状は、長方形ＲＴＧの互いに異なる長さの短辺ＳＳおよび長辺ＬＳを有する形状であり、短辺ＳＳと長辺ＬＳとが同じ長さになる場合、すなわち、長方形ＲＴＧが正方形の場合を含まない。このように、有効磁界は、記録層１３の面内形状について上記のようにして特定した長方形ＲＴＧの短辺方向（ＳＳ方向）に印加する。

【0017】

図１に示す磁気抵抗素子１１の一例として楕円柱の立体形状とすると、図２に示すように、記録層１３の面内形状は楕円形となり、楕円形の短軸が長方形ＲＴＧの短辺ＳＳに対応し、楕円形の長軸が長辺ＬＳに対応する。記録層１３が製造工程中の影響等を受けて面内形状が変形している場合も、有効磁界は上記の通りに特定された長方形の短辺方向に印加される。

【0018】

短辺ＳＳの長さは、長いほど、記録層１３の体積が大きくなり記憶の安定性が増す点で好ましいが、素子面積が増すので１つの基板に配置できる素子数が減り単位面積当たりのメモリ容量が少なくなる点で好ましくない。このため、短辺ＳＳの長さは５ｎｍ以上５００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることがより好ましい。

【0019】

有効磁界は、記録層１３の磁化ｍ_recに作用する磁界の一部であり、磁気抵抗素子１１の外部から印加される外部磁界、記録層１３の誘導磁気異方性による磁界、層間交換結合による磁界、交換バイアス磁界、記録層１３以外の磁性層からの漏洩磁界等の合成磁界である。

【0020】

磁気抵抗素子１１の外部から印加される外部磁界としては、磁気抵抗素子１１の近傍に永久磁石を配置して永久磁石の静磁界を用いてもよい。また、磁気抵抗素子１１の近傍に配線を配置して直流電流を流して発生した磁界を用いてもよい。

【0021】

記録層１３の誘導磁気異方性は、記録層１３を磁界中成膜した場合や磁界中熱処理した場合に形成される磁気異方性である。記録層１３は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびこれらの元素からなる合金に、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、ＰおよびＣｒの群からなる少なくとも１つの元素を添加した材料からなる場合、磁界中成膜または磁界中熱処理を行うことで、誘導磁気異方性が生じる。記録層１３には誘導磁気異方性による内部磁界が生じる。

【0022】

層間交換結合は、記録層１３の参照層１５とは反対側に非磁性層を介して磁化固定層を設けることで、磁化固定層の磁化と記録層１３の磁化との間に磁界が生じ、互いに反平行または平行になろうとする現象である。層間交換結合による磁界はこの作用により記録層１３に生じる磁界である。

【0023】

交換バイアス磁界は、記録層１３の参照層１５とは反対側に接してバイアス層を設けることで、バイアス層から記録層１３が受ける磁界である。バイアス層は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉの群から選択された少なくとも一つの元素と、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕの群から選択された少なくとも一つの元素と、を含む合金からなる。この合金は反強磁性を有することが好ましい。バイアス層を構成する合金の例としては、Ｐｔ－Ｍｎ合金、Ｉｒ－Ｍｎ合金、Ｆｅ－Ｍｎ合金が挙げられる。

【0024】

記録層１３以外の磁性層からの漏洩磁界とは、記録層１３以外の磁性層から漏洩する磁界である。磁気抵抗素子１１の積層体の一部として漏洩磁界を生じさせるための磁性層を設けてもよい。

【0025】

記録層１３の磁化ｍ_recには、有効磁界の他に、垂直の異方性磁界や形状磁気異方性による磁界も作用する。形状磁気異方性による磁界は、記録層１３の面内形状に起因する磁界、つまり反磁界である。記録層１３は、面内形状が、その面内形状に外接する長方形で面積が最小となる長方形ＲＴＧが互いに異なる長さの短辺ＳＳおよび長辺ＬＳを有する形状である。このような形状の場合、記録層１３が磁化している場合、その磁化と反対方向に内部磁界である反磁界が生じる。

【0026】

磁気抵抗素子１１の記録層１３および参照層１５は磁性層である。磁性層は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｇｄ、Ｎｄ、ＳｍおよびＴｂからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む。磁性層の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲で設定されることが好ましい。

【0027】

記録層１３は、参照層１５の磁化ｍ_refと比較して磁化ｍ_recの方向が変化し易い磁性層（磁化自由層と称する。）を含む。参照層１５は、磁化方向が変化し難い磁化固定層を含む。

【0028】

記録層１３は、垂直磁気異方性を有することが好ましい。記録層１３の磁化は、電圧パルスが印加されていない状態では、垂直磁気異方性と有効磁界の競合により膜面から垂直方向に傾いた方向を向く。

【0029】

記録層１３は、Ｃｏを含む磁性層、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂであることが、磁気抵抗効果が他の磁性材料よりも比較的大きい点で好ましい。

【0030】

記録層１３は、Ｃｏを含む磁性層とＰｔおよびＰｄの少なくとも１つを含む磁性層とが積層された積層体を用いることができる。記録層１３は、Ｃｏを含む磁性層とＰｔおよびＰｄの少なくとも１つを含む磁性層とが交互に積層された積層体を用いることができる。

【0031】

参照層１５は、積層フェリ（ＳＡＦ）構造の強磁性層／中間層／強磁性層を有してもよい。ＳＡＦ構造は２つの強磁性層が反強磁性的に結合し、各々の磁化が反平行に向いている構造である。中間層は薄膜の導電層である。参照層１５の磁化の向きはほぼ時間変化することなく同じ方向で固定されている。磁化の向きが積層方向に一致する場合を垂直磁化膜と呼び、磁化の向きが積層方向と直交する場合を面内磁化膜と呼ぶ。参照層１５は、例えば、トンネル障壁層１４から近い順に、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂを含む垂直磁化の積層膜／Ｒｕ層／ＣｏＰｔを含む積層膜である。

【0032】

トンネル障壁層１４は、記録層１３と参照層１５との間に配置される。トンネル障壁層１４は、トンネル障壁層として知られる非磁性材料の絶縁体、半導体、誘電体のいずれかを用いることができる。トンネル障壁層は、例えば、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｒ、ＢｉおよびＢａからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む酸化物、窒化物またはフッ化物を含む。具体的には、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｔａ－Ｏ、Ａｌ－Ｚｒ－Ｏ、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＭｇＦ₂、ＣａＦ₂、ＳｒＴｉＯ₃、ＡｌＬａＯ₃、Ａｌ－Ｎ－Ｏ、Ｓｉ－Ｎ－Ｏ等である。トンネル障壁層１４は、例えば、非磁性半導体（ＺｎＯｘ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯｘ、Ｚｎ、Ｔｅまたはこれらに遷移金属がドープされたもの）等を用いることもできる。

【0033】

トンネル障壁層１４は、Ｍｇを含む酸化物であることが磁気抵抗効果が他の磁性材料よりも比較的大きい点で好ましい。トンネル障壁層１４は、ＭｇとＡｌを含む酸化物であることが磁気抵抗効果がさらに大きい点で好ましい。

【0034】

トンネル障壁層１４の厚さは、１．２ｎｍ以上であることがジュール損失を抑制する点で好ましく、１．３ｎｍ以上であることがより好ましく、１．４ｎｍ以上であることがよりいっそう好ましく、１．５ｎｍ以上であることがさらに好ましく、１．６ｎｍ以上であることが特に好ましい。トンネル障壁層１４の厚さは、４ｎｍ以下であることが高速読み出しの点で好ましい。

【0035】

本実施形態の磁気記憶装置１０についてシミュレーションを行った。シミュレーションは、図１に示した記録層１３の磁化の方向（単位ベクトルｍ＝（ｍ_x，ｍ_y，ｍ_z）＝（sinθ cosφ，sinθsinφ，cosθ））の時間発展を表す下記式（１）のランジュバン方程式を用いた。

【数1】

ここで、αはギルバートダンピング定数、γ₀は磁気回転比、Ｈ_recは記録層１３に作用する全ての磁界を合成した合成磁界（ベクトル）、ｈは熱擾乱磁界（ベクトル）である。熱擾乱磁界ｈは下記式（２）の関係を満たす。

【数2】

ここで、下添え字ι，κ＝ｘ，ｙ，ｚであり、ｋ_Bはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、μ₀は透磁率、Ｍ_sは飽和磁化、Ｖ_Fは記録層１３の体積、δ_ικはクロネッカーのデルタ、δ（ｔ―ｔ’）はディラックのデルタ関数であり、< >は時間平均を表す。ｔおよびｔ’は時刻である。式（２）の後半は、ある時刻ｔのランダム磁界は他の時刻ｔ’のランダム磁界によらず、ランダム磁界の成分ι，κが異なる場合には、それらの間の相関はないことを意味している。

【0036】

合成磁界Ｈ_recは、下記式（３）で定義される。

【数3】

ここで、∇（ナブラ）はｘ、ｙおよびｚ軸方向の勾配を求めるベクトル演算子である。Ｅはエネルギー密度であり、下記式（４）で表される。

【数4】

ここで、右辺の第１項は反磁界エネルギー、第２項は異方性エネルギー、第３項はゼーマンエネルギーであり、（Ｎ_x，Ｎ_y，Ｎ_z）は反磁界係数、Ｋ_uは垂直磁気異方性定数、Ｈ_effは有効磁界を表す。上記式（３）および（４）によれば、記録層１３の磁化には合成磁界Ｈ_recが作用し、記録層１３の磁化は、平衡状態では、エネルギー密度が最低となる方向ｍ⁽⁰⁾＝（ｍ_x ⁽⁰⁾，ｍ_y ⁽⁰⁾，ｍ_z ⁽⁰⁾）を向く。

【0037】

図３は、磁気抵抗素子の記録層の磁化の挙動の説明図である。ｘ方向は、記録層１３の長軸（長辺）方向であり、ｙ方向は記録層１３の短軸（短辺）方向である。磁化ｍは磁化の方向を示す単位ベクトルである。図３を図１と合わせて参照するに、有効磁界Ｈ_effがｙ軸方向に印加され、記録層の磁化ｍは書込みの始状態ではｚ成分が正（ｍ_z＞０）であるとする。図３に示すように、記録層１３の磁化の方向を球面座標系で表すと、ｚ軸方向から角度θを有して緯度方向に倒れている。電圧パルス印加中に作用するトルクが、磁化ｍの矢印の先を始点とした矢印で示されている。磁化ｍにはダンピングトルクが合成磁界Ｈ_recへ向かう方向に生じ、歳差トルクが合成磁界Ｈ_recを軸として磁化を回転させる方向に生じる。

【0038】

磁気抵抗素子１１への電圧パルス印加の書込みモデルのシーケンスを以下のように設定した。この書込みモデルの書込みエラー率を上記（１）式のランジュバン方程式を用いてシミュレーションにより計算した。

【0039】

図４は、電圧パルス印加の書込みモデルのシーケンスの説明図である。（ａ）および（ｂ）の横軸は時間を表す。（ａ）の縦軸は磁気抵抗素子１１に印加される電圧を表す。（ｂ）の縦軸は記録層１３に作用する実効的な垂直磁気異方性定数Ｋ_effを表し、Ｋ_eff＝Ｋ_u－（１／２）μ₀Ｍ_s ²（Ｎ_z－Ｎ_x）とした。

【0040】

最初に、温度が０Ｋ（ケルビン）において、磁気抵抗素子１１に印加する電圧をゼロ、ｍ_z＞０と仮定して平衡状態における磁化ｍの方向をシミュレーションにより求める。次いで、図４を参照するに、（ａ）に示すように、室温（３００Ｋ）において、磁気抵抗素子１１への印加電圧ゼロの状態１で１０ナノ秒（ｎｓ）間緩和させた後、磁気抵抗素子１１に電圧パルス（時間幅ｔ_p、印加電圧Ｖ₁）を印加（状態２）し、その後印加電圧ゼロの状態３で１０ナノ秒（ｎｓ）緩和させる。（ｂ）に示すように、状態１および状態３における実効的な垂直磁気異方性定数Ｋ_effはＫ_eff ⁽⁰⁾、状態２における実効的な垂直磁気異方性定数Ｋ_effはＫ_eff ^(+V ₁ ⁾として磁化ｍを求める。状態３の１０ｎｓの緩和終了時点の磁化ｍがｍ_z＜０の場合は磁化反転が生じたと判定する。ｍ_z＞０の場合は最終的に磁化反転が生じていないため書込みエラーと判定する。書込みエラー率は、（エラーの頻度）／試行回数で定義する。本計算例では、試行回数は１０⁵～１０⁶回とした。

【0041】

第１の実施形態に係る磁気記憶装置のシミュレーションにおいて、磁気抵抗素子１１および書込み条件について以下の各種パラメータを適用した。
－記録層の膜厚：１．１ｎｍ
－磁気抵抗素子の接合面積：２８９πｎｍ²（＝１７²πｎｍ²）
－記録層の面内形状、アスペクト比（Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｔｉｏ（ＡＲ）＝長軸／短軸）：
例１：円形、ＡＲ＝１（比較例として）、例２：楕円形、ＡＲ＝２、
例３：楕円形、ＡＲ＝３、例４：楕円形、ＡＲ＝４、例５：楕円形、ＡＲ＝５
－反磁界係数（Ｎ_x，Ｎ_y，Ｎ_z）：
例１（０．０４４４７，０．０４４４７，０．９１１０６）、
例２（０．０２６０８，０．０６８３６，０．９０５５６）、
例３（０．０１８１７，０．０８４４５，０．８９７３８）、
例４（０．０１３７７８，０．０９６７６６，０．８８９４５６）、
例５（０．０１１０，０．１０６９，０．８８２１）
－記録層の飽和磁化Ｍ_s：０．９５５×１０⁶Ａ／ｍ
－磁気摩擦定数（ギルバートダンピング定数）α＝０．１
－有効磁界Ｈ_eff（記録層面内短軸方向）：２００Ｏｅ～１６００Ｏｅ
－実効的な垂直磁気異方性定数Ｋ_eff：
印加電圧がゼロの時、Ｋ_eff ⁽⁰⁾＝１１０ｋＪ／ｍ³、
電圧パルス（印加電圧Ｖ₁）印加時、Ｋ_eff ^(+V ₁ ⁾ ＝－２００～５０ｋＪ／ｍ³
－電圧パルスの時間幅ｔ_p：０．０１ｎｓ～１．００ｎｓ

【0042】

図５は、磁気抵抗素子の記録層の磁化の始状態の分布の計算例を示す図である。図５は、図４に示した状態１経過後の記録層１３の磁化の分布を示す。磁化方向の分布は、状態１での緩和までのシミュレーションを１０万回試行し、各回の状態１経過後の磁化方向を計算で求めたものである。Ｋ_eff ⁽⁰⁾＝１１０ｋＪ／ｍ³、Ｈ_eff＝８００Ｏｅとした。図５の（ａ）は面内形状が例１の場合において有効磁界Ｈ_effを面内方向に印加したとき、（ｂ）は面内形状が例３の場合において有効磁界Ｈ_effを面内の長軸方向に印加したとき、（ｃ）は面内形状が例３の場合において有効磁界Ｈ_effを面内の短軸方向に印加したときである。（ａ）～（ｃ）の上段の球面図は磁化ｍの先端の位置を球面上に表したものである。（ａ）および（ｂ）では、奥行方向がｍのｘ成分（ｍ_x）、横軸はｍのｙ成分（ｍ_y）、縦軸はｍのｚ成分（ｍ_z）を表す。（ｃ）では、奥行方向がｍのｙ成分（ｍ_ｙ）、横軸はｍのｘ成分（ｍ_ｘ）、縦軸はｍのｚ成分（ｍ_z）を表す。（ａ）～（ｃ）の下段の図はｍ_zのヒストグラムであり、横軸がｍのｚ成分（ｍ_z）を表し、縦軸が計数値を表す。

【0043】

図５（ａ）を参照するに、記録層１３の面内形状が円（例１）の場合、球面図とヒストグラムではｍ_zがマイナスの状態も存在して電圧パルスを印加前の緩和時間内に反転してしまう試行が存在することが分かる。磁化ｍのｚ成分ｍ_zの標準偏差は０．０８００である。図５（ｂ）を参照するに、記録層がＡＲ＝３（例３）の面内形状であっても有効磁界Ｈ_effが長軸方向に印加されている場合は、球面図とヒストグラムではｍ_zがマイナスの状態も存在して電圧パルスを印加前の緩和時間内に反転してしまう試行があることが分かる。磁化ｍのｚ成分ｍ_zの標準偏差は０．０７７７である。これらに対して、図５（ｃ）を参照するに、記録層がＡＲ＝３（例３の面内形状であり有効磁界Ｈ_effが短軸方向に印加されている場合は、球面図とヒストグラムではｍ_zがマイナスの状態が存在しない。磁化ｍのｚ成分ｍ_zの標準偏差は０．０３８９となり、例１の場合よりも極めてばらつきが小さくなっていることが分かる。さらに、例３の面内長軸方向に有効磁界を印加した場合よりも極めてばらつきが小さくなっていることが分かる。これにより、記録層１３の面内形状が楕円形で有効磁界Ｈ_effを面内の短軸方向に印加することで、記録層１３の磁化の始状態の分布の広がりを抑制できることが分かった。

【0044】

図６は、磁気抵抗素子の記録層の磁化の始状態のエネルギー密度を示す図である。（ａ）は記録層の面内形状が例１の場合において有効磁界Ｈ_effを面内方向に８００Ｏｅ印加したときを示す。（ｂ）は記録層の面内形状が例３の場合において有効磁界Ｈ_effを面内の短軸方向に８００Ｏｅ印加したときを示す。横軸は記録層の磁化のｚ成分ｍ_zを示し、縦軸は記録層１３のエネルギー密度を示す。（ａ）においては有効磁界Ｈ_effはｘ方向で、始状態で磁化ｍはｙ方向に向きにくいため、ｍ_ｙ＝０として（４）式のエネルギー密度Ｅをｍ_z依存性としてプロットしたものである。（ｂ）においては有効磁界Ｈ_effはｙ方向で、始状態で磁化ｍはｘ方向に向きにくいため、ｍ_x＝０として（４）式のエネルギー密度Ｅをｍ_z依存性としてプロットしたものである。

【0045】

図６（ａ）を参照するに、ｍ_zが－０．９および０．９付近でエネルギー密度が極小値をとり、ｍ_zが０付近でエネルギー密度が最大値をとっている。最大値と極小値との差は、４７ｋＪ／ｍ³である。図６（ｂ）を参照するに、ｍ_zが－０．９５および０．９５付近でエネルギー密度が極小値をとり、ｍ_zが０付近でエネルギー密度が最大値をとっている。最大値と極小値との差は、８１ｋＪ／ｍ³である。これらのことから、記録層１３の面内形状が楕円形で有効磁界Ｈ_effを面内の短軸方向に印加した場合は、記録層１３の面内形状が円形で面内方向に印加した場合よりも、形状磁気異方性によって、ｍ_zが０付近で最大となるエネルギー障壁が高いので、記録層１３の磁化の始状態の分布の広がりを抑制できる。

【0046】

図７は、本発明の一実施形態に係る磁気記憶装置の書込みエラー率の計算例を示す図（その１）である。横軸は有効磁界Ｈ_effであり、縦軸は書込みエラー率の最小値（ＷＥＲ）_minである。例１～例５のそれぞれの面内形状と有効磁界の組み合わせにおいて、書込みエラー率（ＷＥＲ）の電圧パルス時間幅ｔ_p依存性をＫ_eff ^(+V ₁ ⁾＝－２００～５０ｋＪ／ｍ³の範囲で計算して書込みエラー率の最小値（ＷＥＲ）_minを得た。例２～例５について、記録層１３の面内の反磁界の大きさを示す指標（Ｍ_s（Ｎ_y－Ｎ_x））は、それぞれ、５１０、８００、１０００、１１５０Ｏｅである。垂直磁気異方性による実効的な垂直磁界をＨ_k ^eff （＝２Ｋ_eff／（μ₀Ｍ_s））とすると、０．２×Ｈ_k ^effは４６０Ｏｅになる。図７は、例２～例５について、０．２×Ｈ_k ^eff＜Ｍ_s（Ｎ_y－Ｎ_x）の場合である。

【0047】

図７を参照するに、書込みエラー率の最小値は、例１よりも例２～例５の最小値の方が小さい。すなわち、記録層１３の面内形状が楕円形である場合に面内の短軸方向に有効磁界Ｈ_effを印加することで、円形の場合よりも書込みエラー率を低減することができる。さらに、書込みエラー率の最小値は、例１から例５へとアスペクト比が増加するに従って減少していることが分かる。このため、アスペクト比は大きい方が好ましい。一方で、アスペクト比が大きすぎると記録層が多磁区状態となりやすく記録の安定性が損なわれる。したがって、アスペクト比、すなわち図２におけるＬ２／Ｌ１は、１よりも大きく５以下の範囲が好ましく、１．５以上４以下の範囲がより好ましく、２以上３．５以下の範囲がさらに好ましい。また、図７に示す例２～例５の計算結果から、有効磁界Ｈ_effは、０．２×Ｈ_k ^eff＜｜Ｈ_eff｜＜Ｍ_s（Ｎ_y－Ｎ_x）の関係を満たすことが好ましい。

【0048】

図８は、書込み電圧パルスの時間幅と書込みエラー率との関係を示す図である。図８（ａ）は例１のＫ_eff ^(+V ₁ ⁾が０ｋＪ／ｍ³の場合を示し、図８（ｂ）は例３のＫ_eff ^(+V ₁ ⁾が－６０ｋＪ／ｍ³の場合を示す。横軸は電圧パルスの時間幅を表し、縦軸は書込みエラー率を表す。

【0049】

図８（ａ）を参照するに、例１の円形の記録層の場合、書込み電圧パルスの時間幅が０．４３ｎｓで書込みエラー率が最小（２．６×１０^-4）となっている。これに対して、図８（ｂ）を参照するに、例３の楕円形の記録層１３の場合で面内の短軸方向に外部磁界を印加した場合は、書込み電圧パルスの時間幅が約０．２０ｎｓで書込みエラー率が最小（３．２×１０^-5）となっている。例３は例１よりも書込みエラー率が１桁低下していることが分かる。また、書込みエラー率が最小になる書込み電圧パルスの時間幅が例３は例１に対して５０％程度になっており、高速書込みが可能であることが分かる。

【0050】

図９は、本発明の一実施形態に係る磁気記憶装置の書込みエラー率の計算例を示す図（その２）である。横軸は有効磁界Ｈ_effであり、縦軸は書込みエラー率の最小値（ＷＥＲ）_minである。図９は、記録層１３の面内の反磁界の大きさを示す指標（Ｍ_s（Ｎ_y－Ｎ_x））が垂直磁気異方性による実効的な垂直磁界Ｈ_k ^effについての０．２×Ｈ_k ^effよりも小さい場合、すなわちＭ_s（Ｎ_y－Ｎ_x）＜０．２×Ｈ_k ^effの場合のシミュレーションを行った。記録層の膜厚を０．５ｎｍ、磁気抵抗素子の接合面積を９００πｎｍ²、記録層の面内形状は例２と相似形のアスペクト比２の楕円形とした。この場合は、Ｍ_s（Ｎ_y－Ｎ_x）は１８０Ｏｅであり、０．２×Ｈ_k ^effは４６０Ｏｅである。

【0051】

図９を参照するに、書込みエラー率は、有効磁界Ｈ_effが約４５０Ｏｅ～約５２０Ｏｅ付近で最小値をとることが分かる。このことから、Ｍ_s（Ｎ_y－Ｎ_x）＜０．２×Ｈ_k ^effの場合は、有効磁界Ｈ_effは、０．２×Ｈ_k ^effとほぼ等しいこと、すなわち、Ｍ_s（Ｎ_y－Ｎ_x）＜｜Ｈ_eff｜≒０．２×Ｈ_k ^effの関係を満たすことが好ましいことが分かる。

【0052】

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る磁気記憶装置は、書込み電圧パルスの時間幅の精度について第１の実施形態よりも低い場合でも低い書込みエラー率が得られる磁気抵抗素子を備える。第２の実施形態に係る磁気記憶装置の要部の概略構成および磁気抵抗素子の記録層の平面図は、各々、第１の実施形態の図１、図２と同様であるので構成要素について同じ符号を用いて、図示およびその説明を省略する。

【0053】

第２の実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗素子１１は、記録層１３の磁気摩擦定数（ギルバートダンピング定数）αが比較的大きな場合である。ギルバートダンピング定数αが大きな記録層１３を含む磁気抵抗素子１１では、始状態の熱揺らぎを抑制することで書込みエラー率を低減できる。また、書込みエラー率が書込み電圧パルスの時間幅の長い範囲に亘って低いので、書込み電圧パルスに対して高精度な時間幅を必要としないという効果がある。

【0054】

第２の実施形態に係る磁気記憶装置のシミュレーションにおいて、磁気抵抗素子１１および書込み条件について以下の各種パラメータを適用した。
－記録層の膜厚：２ｎｍ
－磁気抵抗素子の接合面積：１９６００πｎｍ²（＝１４０²πｎｍ²）
－記録層の面内形状、アスペクト比（Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｔｉｏ（ＡＲ）＝長軸／短軸）：
例６：円形、ＡＲ＝１（比較例として）、例７：楕円形、ＡＲ＝３（第２の実施形態）
－反磁界係数（Ｎ_x，Ｎ_y，Ｎ_z）：
例６（０．０１３２５，０．０１３２５，０．９７３５０）、
例７（０．００５３５，０．０２５７４，０．９６８９１）
－記録層の飽和磁化Ｍ_s：１．４００×１０⁶Ａ／ｍ
－磁気摩擦定数（ギルバートダンピング定数）α：
例６：α＝０．１７、例７：α＝０．２０
－有効磁界Ｈ_eff（記録層面内短軸方向）：４００Ｏｅ
－実効的な垂直磁気異方性定数Ｋ_eff：
印加電圧がゼロの時、Ｋ_eff ⁽⁰⁾＝７０ｋＪ／ｍ³、
電圧パルス（印加電圧Ｖ₁）印加時、Ｋ_eff ^(+V ₁ ⁾：
例６：Ｋ_eff ^(+V ₁ ⁾ ＝３３ｋＪ／ｍ³、例７：Ｋ_eff ^(+V ₁ ⁾ ＝１０ｋＪ／ｍ³
－電圧パルスの時間幅ｔ_p：０．５ｎｓ～１０．０ｎｓ

【0055】

図１０は、第２の実施形態の書込み電圧パルスの時間幅と書込みエラー率との関係を示す図である。図１０を参照するに、例６および例７の両方で書込み電圧パルスの時間幅ｔ_pが１．０ｎｓ～１０．０ｎｓの長い範囲に亘って書込みエラー率が低い。これは、図８に示した例１および例３の場合と異なり、時間幅ｔ_pの高精度な制御を必要としない。このような書込み手法を制動書込みと呼ぶ。制動書き込みにおいては、磁気ダンピング（磁化運動の摩擦）を利用して書込み後の状態へ短時間で緩和させるため、αは０．０５以上０．５以下であることが好ましい。この比較的大きなαを得るため、記録層１３は、５ｄ遷移金属であるＨｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕのうちいずれか一つ以上を含むことが好ましい。

【0056】

例６と例７とを比較すると、例６の記録層の面内形状が円形で有効磁界Ｈ_effが記録層の面内方向に印加した場合よりも、例７の記録層１３の面内形状が楕円形であり有効磁界Ｈ_effが記録層の面内短軸方向に印加した場合の方が、書込みエラー率が２桁程低い。例７では、第１の実施形態と同様の効果を用いて例６よりも書込みエラー率が低減される。したがって、制動書込みにおいても０．２×Ｈ_k ^eff＜Ｍ_s（Ｎ_y－Ｎ_x）の場合、有効磁界Ｈ_effは、０．２×Ｈ_k ^eff＜｜Ｈ_eff｜＜Ｍ_s（Ｎ_y－Ｎ_x）の関係を満たすことが好ましい。Ｍ_s（Ｎ_y－Ｎ_x）＜０．２×Ｈ_k ^effの場合は、有効磁界Ｈ_effは、０．２×Ｈ_k ^effとほぼ等しいこと、すなわち、Ｍ_s（Ｎ_y－Ｎ_x）＜｜Ｈ_eff｜≒０．２×Ｈ_k ^effの関係を満たすことが好ましい。

【0057】

例７では、Ｋ_eff ⁽⁰⁾＝７０ｋＪ／ｍ³、Ｋ_eff ^(+V ₁ ⁾ ＝３３ｋＪ／ｍ³の例を示したが、記録層１３の面内形状が楕円形である場合、以下の関係を満たすＫ_eff ⁽⁰⁾、Ｋ_eff ^(+V ₁ ⁾が制動書込みを起こすために好ましい。

【0058】

（１）ｈ_eff≦Ｎ_y－Ｎ_xの場合、

【数5】

（２）Ｎ_y－Ｎ_x＜ｈ_eff≦２κ_eff ⁽⁰⁾＋Ｎ_y－Ｎ_xの場合、

【数6】

なお、磁気エネルギーのスケールに依存しないため、ここでは次の無次元化パラメータを用いた。

【数7】

【0059】

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る磁気記憶装置は、磁気抵抗素子１１の記録層１３に印加する有効磁界が記録層１３の面内の短辺方向（記録層１３が楕円形の場合の短軸方向）に加えて、膜面に垂直成分、つまり面直成分を有する。第３の実施形態に係る磁気記憶装置の要部の概略構成および磁気抵抗素子の記録層の平面図は、各々、第１の実施形態の図１、図２と同様であるので構成要素について同じ符号を用いて、図示およびその説明を省略する。

【0060】

第３の実施形態に係る磁気記憶装置のシミュレーションにおいて、磁気抵抗素子１１および書込み条件について以下の各種パラメータを適用した。
－記録層の膜厚：１．１ｎｍ
－磁気抵抗素子の接合面積：２８９πｎｍ²（＝１７²πｎｍ²）
－記録層の面内形状、アスペクト比（Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｔｉｏ（ＡＲ）＝長軸／短軸）：
例８：円形、ＡＲ＝１（比較例として）、
例９：楕円形、ＡＲ＝３
－反磁界係数（Ｎ_x，Ｎ_y，Ｎ_z）：
例８（０．０４４４７，０．０４４４７，０．９１１０６）、
例９（０．０１８１７，０．０８４４５，０．８９７３８）
－記録層の飽和磁化Ｍ_s：０．９５５×１０⁶Ａ／ｍ
－磁気摩擦定数（ギルバートダンピング定数）α＝０．１
－有効磁界Ｈ_eff：
記録層面直（－ｚ）方向の成分：１００Ｏｅ、
記録層面内短軸方向の成分：
例８：４００Ｏｅ、例９：８００Ｏｅ
－実効的な垂直磁気異方性定数Ｋ_eff：
印加電圧がゼロの時、Ｋ_eff ⁽⁰⁾＝１１０ｋＪ／ｍ³、
電圧パルス（印加電圧Ｖ₁）印加時、Ｋ_eff ^(+V ₁ ⁾ ：
例８、＋ｚ方向から－ｚ方向への磁化反転：Ｋ_eff ^(+V ₁ ⁾＝３８ｋＪ／ｍ³
例９、＋ｚ方向から－ｚ方向への磁化反転：Ｋ_eff ^(+V ₁ ⁾＝２６ｋＪ／ｍ³
例８、－ｚ方向から＋ｚ方向への磁化反転：Ｋ_eff ^(+V ₁ ⁾＝－１０ｋＪ／ｍ³
例９、－ｚ方向から＋ｚ方向への磁化反転：Ｋ_eff ^(+V ₁ ⁾＝－８０ｋＪ／ｍ³
－電圧パルスの時間幅ｔ_p：
例８と例９、＋ｚ方向から－ｚ方向への磁化反転：ｔ_p＝１０ｎｓ
例８、－ｚ方向から＋ｚ方向への磁化反転：ｔ_p＝０．３７ｎｓ
例９、－ｚ方向から＋ｚ方向への磁化反転：ｔ_p＝０．１８ｎｓ
以下、＋ｚ方向から－ｚ方向への磁化反転方向を第１磁化反転方向、－ｚ方向から＋ｚ方向への磁化反転方向を第２磁化反転方向と称する。本実施形態では、有効磁界Ｈ_effの面直成分を－ｚ方向に設定した形態について説明する。

【0061】

第１磁化反転方向が生じる書込みでは、有効磁界Ｈ_effの－ｚ方向の成分により終状態の磁化方向が安定化され、制動書き込みが起こり、例８ではＷＥＲは０．０３７８、例９ではＷＥＲは０．０５４２であり、ＷＥＲは同程度である。

【0062】

一方、第２磁化反転方向が生じる書込みでは、有効磁界Ｈ_effの－ｚ方向の成分により終状態の磁化方向が不安定化される。例８では、Ｋ_eff ^(+V ₁ ⁾＝－１０ｋＪ／ｍ³、ｔ_p＝０．３７ｎｓにおいて（ＷＥＲ）_min＝０．００６３３が得られる。有効磁界Ｈ_effが－ｚ方向の成分を含まない例１での（ＷＥＲ）_min＝０．０００２６と比較すると、約２４倍も（ＷＥＲ）_minが増加している。それに対し、例９では、Ｋ_eff ^(+V ₁ ⁾ ＝－８０ｋＪ／ｍ³、ｔ_p ＝０．１８ｎｓにおいて（ＷＥＲ）_min＝０．０００１４が得られる。有効磁界Ｈ_effが－ｚ方向の成分を含まない例３での（ＷＥＲ）_min＝０．００００３２と比較すると、（ＷＥＲ）_minは増加するものの増加は約４．３倍だけにとどまる。

【0063】

なお、本実施形態では、有効磁界Ｈ_effの面直成分を＋ｚ方向に設定してもよく、その場合は、－ｚ方向から＋ｚ方向への磁化反転方向が第１磁化反転方向、＋ｚ方向から－ｚ方向への磁化反転方向が第２磁化反転方向となり、上述した本実施形態の作用および効果が奏される。

【0064】

図１１は、本発明の一実施形態に係る磁気記憶装置の概略構成図である。図１１を図１と合わせて参照するに、磁気記憶装置１００は、図１に示した磁気抵抗素子１１の構成を有する複数の磁気抵抗素子１１０と、各々の磁気抵抗素子１１０とを絶縁分離する絶縁部１２０と、制御部１２と、第１配線１２１と、第２配線１２２と、スイッチ１２３とを含む。制御部１２は、第１配線１２１、第２配線１２２およびスイッチ１２３を介して各々の磁気抵抗素子１１０に書込み用の電圧パルスを印加して書込みを行い、また、読出し用の電圧パルスを印加して読出しを行う。制御部１２は、書込み用の電圧パルスは単極性のパルスであることが好ましく、これによって磁気抵抗素子１１０の双方向の書込みが可能である。

【0065】

磁気抵抗素子１１０は、記録層を含む多層膜１１１と、参照層１１２と、多層膜１１１と参照層１１２とに挟まれるトンネル障壁層１１３と、多層膜１１１の上側に接する第１電極１１４と、参照層１１２の下側に接する第２電極１１５とを含む。第１電極１１４には第１配線１２１が電気的に接続される。第２電極１１５には、スイッチ１２３の一方の端子１２３ａが電気的に接続される。スイッチ１２３の他方の端子１２３ｂは第２配線１２２に電気的に接続される。

【0066】

多層膜１１１は、例えば、磁化自由層／非磁性層／磁化固定層の積層構造（不図示）を有してもよいし、磁化自由層の単層であっても構わない。磁気抵抗素子１１０は、キャップ層、保護膜、シード層、バッファ層等（不図示）を適宜設けることができる。

【0067】

磁気記憶装置１００は、基板上に、スパッタ法、真空蒸着法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等により、第１電極１１４または第２電極１１５、シード層、バッファ層等を積層し、その上に多層膜１１１、トンネル障壁層１１３、参照層１１２等を積層して形成してもよい。また、図１１では、記録層を含む多層膜１１１は参照層１１２よりも上側にあるが、参照層１１２の下側に多層膜１１１を積層してもよい。

【0068】

磁気記憶装置１００は、基板上に磁気抵抗素子１１０を形成し、次いで他の基板に形成された第１配線１２１、第２配線１２２、スイッチ１２３等を含む回路に、磁気抵抗素子１１側を回路に圧着して接合し、最後に磁気抵抗素子１１０から基板を除去するプロセス技術、いわゆる３次元積層プロセス技術を用いて形成してもよい。

【0069】

第１電極１１４および第２電極１１５は、非磁性の導電材料からなり、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、Ｗ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、ＰｔおよびＰｄからなる群から選択された少なくとも１つ元素を含む。第１電極１１４および第２電極１１５の厚さは、１ｎｍ以上２００ｎｍであることが好ましい。第１電極１１４および第２電極１１５の厚さ（ｔｈ_el）は、図２に示した記録層１３の面内形状における短辺ＳＳの長さＬ１または長辺ＬＳの長さＬ２よりも大きくかつ２００ｎｍ以下、すなわち、Ｌ１またはＬ２＜ｔｈ_el≦２００ｎｍであることがさらに好ましい。これにより、第１電極１１４および第２電極１１５は、良好な平坦性と十分低い抵抗値とが得られる。

【0070】

絶縁部１２０は、非磁性の絶縁性化合物を含む。絶縁性化合物は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、ＭｇおよびＴａからなる群より選択された少なくとも一つの元素の、酸化物、窒化物またはフッ化物である。

【0071】

図１２は、本発明の一実施形態に係る磁気記憶装置の動作例の説明図（その１）である。以下、図１１を合わせて参照して説明する。図１２（ａ）および（ｂ）の横軸は時間を表し、縦軸は第１配線１２１と第２配線１２２との間に印加される信号の電圧Ｖを表す。信号は、磁気抵抗素子１１０の記録層を含む多層膜１１１と参照層１１２との間に印加される信号に実質的に対応する。

【0072】

［書込みおよび読出し動作例］
図１２（ａ）を参照するに、情報の書込み動作の一例として、磁気記憶装置１００の制御部１２は、スイッチをオン（ＯＮ）にして第１配線１２１と第２配線１２２との間に第１パルスＰ１（パルス高さＨ１、パルス幅Ｔ１）を印加する第１動作ＯＰ１を行う。第１動作ＯＰ１において記録層を含む多層膜１１１と参照層１１２との間に第１パルスＰ１が供給される。記録層１３には図１および図２で述べた有効磁界を印加する。有効磁界は第１動作ＯＰ１の動作時間に関わらず印加したままの状態でもよく、第１動作ＯＰ１を行うよりも前から印加し始めてもよく、第１パルスＰ１と同時に印加してもよい。第１パルスＰ１により、多層膜１１１に含まれる記録層の磁化が反転して多層膜１１１と参照層１１２との間の電気抵抗値が変化し、磁気抵抗素子１１０に記憶された情報が書き換えられる。なお、多層膜１１１と参照層１１２との間の電気抵抗値の変化は、第１電極１１４と第２電極１１５との間の電気抵抗値の変化（つまり磁気抵抗素子１１０の電気抵抗値の変化）に対応し、さらに第１配線１２１と第２配線１２２との間の電気抵抗値の変化に対応するに対応する。

【0073】

第１パルスＰ１を供給前の電気抵抗値Ｒを第１電気抵抗値Ｒ１、供給後の電気抵抗値Ｒを第２電気抵抗値Ｒ２とすると、第２電気抵抗値Ｒ２は第１電気抵抗値Ｒ１とは異なる。これらの電気抵抗値Ｒ１，Ｒ２は、多層膜１１１に含まれる記録層の磁化と参照層１１２の磁化との相対的な方向に基づく。例えば、磁化の相対的な方向が平行である場合よりも反平行の場合の方が電気抵抗値Ｒが高い。電気抵抗値Ｒが互いに異なる複数の状態は、各々記憶される情報に対応する。第１動作ＯＰ１によって、磁化の相対的な方向が変化して多層膜１１１と参照層１１２との間の電気抵抗値Ｒが変化する。

【0074】

図１２（ｂ）を参照するに、制御部１２は、第１動作ＯＰ１を行う前に、記憶された情報の読出し動作として、スイッチ１２３をオンにして第１配線１２１と第２配線１２２との間に第２パルスＰ２（パルス高さＨ２）を印加する第２動作ＯＰ２を行ってもよい。第２パルスＰ２の極性は、第１パルスＰ１の極性と同じ極性でもよく逆極性でもよい。第２パルスＰ２の極性が第１パルスＰ１の極性と逆極性の場合は誤書き込み防止の観点から好ましい。なお、第２パルスＰ２の極性が第１パルスＰ１の極性と同極性の場合はパルス高さＨ２を｜Ｈ２｜＜｜Ｈ１｜の関係となるように設定する。第２動作ＯＰ２の後の多層膜１１１と参照層１１２との間の電気抵抗値（第３電気抵抗値Ｒ３）は、第１動作ＯＰ１の後の第２電気抵抗値Ｒ２とは異なる。第３電気抵抗値Ｒ３は、例えば第１電気抵抗値Ｒ１と同じである。

【0075】

このように逆極性を有する第２パルスＰ２を用いる場合、第２パルスＰ２の高さの絶対値（｜Ｈ２｜）は、第１パルスＰ１（書込みパルス）の高さの絶対値（｜Ｈ１｜）よりも小さくてもよく、大きくてもよく、同じでもよい。これにより、本実施形態では記録層の磁気異方性を電圧により制御しているので、第１パルスＰ１に対して逆極性の第２パルスを用いることで、読出し時に記録層の磁化方向が変化することを抑制できる。

【0076】

例えば、第２パルスＰ２の高さの絶対値を第１パルスの高さの絶対値と同じにした場合でも、第２動作ＯＰ２の第２パルスＰ２の印加前後の電気抵抗値Ｒの差の絶対値（つまり、第１電気抵抗値Ｒ１と第３電気抵抗値Ｒ３との差の絶対値）は、第１動作ＯＰ１の第１パルスの印加前後の電気抵抗値の差の絶対値（つまり、第１電気抵抗値Ｒ１と第２電気抵抗値Ｒ２との差の絶対値）よりも小さい。すなわち、第１パルスＰ１とは逆極性の第２パルスＰ２を第１パルスＰ１と同じ高さの電圧パルスを印加しても情報の書き換えが生じない。

【0077】

なお、制御部１２は、情報を書き換えない場合は、第２動作ＯＰ２を行い、その後は第１動作ＯＰ１を行わないという動作を行ってもよい。

【0078】

制御部１２は、パルス高さＨ１、時間幅Ｔ１の第１パルスＰ１を磁気抵抗素子１１０に印加することで、磁気抵抗素子１１０の情報の書き換えが可能となり、磁気抵抗素子１１０は、高抵抗状態から低抵抗状態、または低抵抗状態から高抵抗状態に変化する。適切なパルス高さＨ１は複数回またはより多くの回数の第１動作ＯＰ１を行ってその前後の電気抵抗値Ｒ１，Ｒ２を測定して所望の変化が得られた確率を求めることで決定できる。パルス高さＨ１は、低いほど消費電力が小さくなる。制御部１２が出力可能なパルス高さＨ１の最高値は１．８Ｖ以下が好ましく、１．５Ｖ以下がより好ましく、１．２Ｖ以下がよりいっそう好ましく、０．９Ｖ以下がさらに好ましく、０．７Ｖ以下が特に好ましい。

【0079】

第１の実施形態の書込みと第３の実施形態の第２磁化反転方向の磁化反転が生じる書込みにおいては、適切な時間幅Ｔ１の２倍、つまり２×Ｔ１の時間幅の第１パルスＰ１を印加すると、印加前後で電気抵抗値の変化が生じる確率が低下するので適切ではない。一方、第２の実施形態の書込みと第３の実施形態の第１磁化反転方向の磁化反転が生じる書込みにおいては、第１パルスＰ１の時間幅は適切な時間幅Ｔ１よりも長くても構わない。しかし時間幅が長くなるほど消費電力が大きくなるので不必要にパルス時間幅を長くすることは好ましくない。また、第１～第３の実施形態において、適切な時間幅Ｔ１よりも短い時間幅、例えばＴ１の３０％以下の時間幅は好ましくない。

【0080】

図１３は、本発明の一実施形態に係る磁気記憶装置の動作例の説明図（その２）である。以下、図１１を合わせて参照して説明する。図１３の横軸および縦軸は図１２と同様である。

【0081】

図１３を参照するに、第１動作ＯＰ１の書込みパルスは、時間幅Ｔ１のパルスであるが、所定の高さＨ１に達する立ち上がりにかかる時間τ_Rと、電圧０への立ち下がりにかかる時間τ_Fを有する。例えば、第１の実施形態と第２の実施形態と第３の実施形態の第２磁化反転方向２においては、時間τ_Rは、時間τ_Fと同じかそれよりも小さいことが好ましい。時間τ_Rは、書込み安定化の観点から短いほど好ましく、ゼロに近いことが好ましい。第１～第３の実施形態において、時間τ_Fは、長い方が好ましいが消費電力の観点からは過度に長くならないことが好ましく、実質的に０ｎｓ以上で１０ｎｓ以下であることが好ましい。なお、図示を省略するが、図１２（ｂ）で示した第２動作ＯＰ２の第２パルスＰ２の立ち上がりにかかる時間および立ち下がりにかかる時間も第１パルスＰ１の立ち下がりにかかる時間と同様である。

【0082】

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上記複数の実施形態を互いに組み合わせてもよい。なお、上記のマクロスピン・シミュレーションは、Ｃ言語で作成したシミュレーションプログラムを用いて実施した。

【符号の説明】

【0083】

１０，１００ 磁気記憶装置
１１，１１０ 磁気抵抗素子
１２ 制御部
１３ 記録層
１４，１１３ トンネル障壁層
１５，１１２ 参照層
１１１ 多層膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】