特開 2023-163205 磁気抵抗素子の熱安定性評価装置および評価方法

(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】P2023163205

(43)【公開日】2023-11-10

(54)【発明の名称】磁気抵抗素子の熱安定性評価装置および評価方法

(51)【国際特許分類】

   H10N 50/10 20230101AFI20231102BHJP

   H10B 61/00 20230101ALI20231102BHJP

【ＦＩ】

H01L43/08 A

H01L43/08 Z

H01L27/105 447

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022073948

(22)【出願日】2022-04-28

(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】福島 章雄

【テーマコード（参考）】

4M119

5F092

【Ｆターム（参考）】

4M119AA20

4M119BB01

4M119DD17

4M119DD32

4M119HH20

4M119KK02

5F092AB06

5F092AC12

5F092AD25

5F092BB08

5F092BB53

5F092BC04

5F092GA01

(57)【要約】

【課題】評価対象の磁気抵抗素子の熱安定性を少ない手間で効率良く評価する。
【解決手段】評価対象の磁気抵抗素子１０１の熱安定性を評価する装置１０であって、上記磁気抵抗素子に所定の電流値の電流パルスを複数供給する発振手段１１であって、その電流パルスの供給によって磁気抵抗素子の記録層に磁化反転が誘起され、この磁化反転に基づいて生成される電圧パルスが再帰的に上記磁気抵抗素子に供給される上記電流パルスとなる上記発振手段と、上記発振手段により生成された電圧パルスの周期の統計的ばらつきを算出する測定手段１２と、上記測定手段で算出した上記電圧パルスの周期の統計的ばらつきに基づいて上記磁気抵抗素子の熱安定性を評価する評価手段１３と、を備える、上記装置が提供される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

評価対象の磁気抵抗素子の熱安定性を評価する装置であって、
前記磁気抵抗素子に所定の電流値の電流パルスを複数供給する発振手段であって、該電流パルスの供給によって該磁気抵抗素子の記録層に磁化反転が誘起され、該磁化反転に基づいて生成される電圧パルスが再帰的に該磁気抵抗素子に供給される該電流パルスとなる該発振手段と、
前記発振手段により生成された前記電圧パルスの周期を測定して該周期の統計的ばらつきを算出する測定手段と、
前記測定手段で算出した前記電圧パルスの周期の統計的ばらつきに基づいて前記磁気抵抗素子の熱安定性を評価する評価手段と、を備える、前記装置。

【請求項2】

前記発振手段は、前記磁気抵抗素子と積分回路を構成する抵抗およびコンデンサを有し、
前記積分回路の充放電時間は、前記抵抗および前記コンデンサによる時定数により決まる充放電時間を中心として前記磁気抵抗素子による確率的な磁化反転によるジッタを含み、
前記ジッタにより前記電圧パルスの周期の分散が生じる、請求項１記載の装置。

【請求項3】

前記評価手段は、前記電圧パルスの周期の統計的ばらつきと前記磁気抵抗素子の熱安定性パラメータとの相関情報をさらに有し、該相関情報を参照して前記算出した分散に対応する前記熱安定性パラメータを求める、請求項１または２記載の装置。

【請求項4】

前記統計的ばらつきが標準偏差である、請求項１または２記載の装置。

【請求項5】

前記相関情報は、前記電圧パルスの周期の前記標準偏差と前記磁気抵抗素子の熱安定性パラメータとが負の相関を有するものである、請求項３記載の装置。

【請求項6】

磁気抵抗素子の熱安定性の評価方法であって、
前記磁気抵抗素子に請求項１記載の装置により前記発振手段を接続して電流パルスを複数供給するステップと、
前記磁気抵抗素子への前記電流パルスの供給によって前記発振手段により生成された電圧パルスの周期を測定して該周期の統計的ばらつきを算出するステップと、
前記算出した前記電圧パルスの周期の統計的ばらつきに基づいて前記磁気抵抗素子の熱安定性を評価するステップと、
を含む、前記評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気抵抗素子の熱安定性の評価技術に関する。

【背景技術】

【0002】

不揮発性磁気メモリは、磁気抵抗素子を記録素子として用いる。磁気抵抗素子は、その形状を直径１００ナノメートル以下、記録層の厚さを２ナノメートル程度にすると、記録層を貫く直流電流によって、磁化の向きを反転させることができる。これが電流磁化反転と呼ばれる現象である。この反転をデータの書き込み法として用いた不揮発メモリがスピン注入磁化反転・磁気抵抗変化型メモリ（ＳＴＴ－ＭＲＡＭ）である。ＳＴＴ－ＭＲＡＭは、動作電圧が低く、書き換え時間を１０ｎ秒以下にすることができる。また、ＳＴＴ－ＭＲＡＭは、微細化により消費電力を低減することができ、さらに、ノーマリーオフ動作により待機中の消費電力をゼロにできるので、従来の半導体メモリ、例えばＤＲＡＭよりも極めて消費電力を低減することができる。

【0003】

電流磁化反転において、記録層の磁化を反転させるために必要なエネルギーは数十ｋ_BＴ（ｋ_B：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）であり、室温のエネルギー（ｋ_BＴ）の数十倍である。言い換えると、電流磁化反転とは数十ｋ_BＴのエネルギー障壁で隔てられた２つの磁化状態間のスイッチングとみなすことができる。エネルギー障壁の高さは、熱安定性パラメータである。エネルギー障壁の高さに比べ熱擾乱の大きさが無視できないため、磁化を反転させるための電流（反転電流）の閾値がばらつくことが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

熱安定性パラメータは、磁気抵抗素子のデータ保持時間に対応するため品質上重要なパラメータである。磁気抵抗素子の熱安定性パラメータは、以下の測定手法を用いる。測定または検査対象の磁気抵抗素子に或る最大電流値の電流パルスを供給し、供給前後の磁気抵抗素子の抵抗値を測定して記録層の磁化が反転したか否かを判定し、これを繰り返してその最大電流値における磁化反転の確率を求める。さらに、最大電流値を変えて同様に磁化反転の確率を求める。これにより、電流パルスの最大電流値に対する記録層の磁化反転の確率の関係（曲線）が求まる。一方、電流パルスの最大電流値に対する記録層の磁化反転の確率の関係は、古典的な物理モデルを用いて、熱安定性パラメータΔを含む理論式により表すことができる。測定により得られた曲線に理論式をフィッティングすることで熱安定性パラメータΔが求まる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第４６２５９３６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、磁気抵抗素子の特性評価あるいは品質検査において、サンプリング数が多数である場合、上記の測定手法を行うことは膨大な手間や時間がかかり実務的ではない。

【0007】

本発明の目的は、評価対象の磁気抵抗素子の熱安定性を少ない手間で効率良く評価可能な評価装置およびその評価方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様によれば、評価対象の磁気抵抗素子の熱安定性を評価する装置であって、上記磁気抵抗素子に所定の電流値の電流パルスを複数供給する発振手段であって、その電流パルスの供給によって上記磁気抵抗素子の記録層に磁化反転が誘起され、この磁化反転に基づいて生成される電圧パルスが再帰的に上記磁気抵抗素子に供給される上記電流パルスとなる上記発振手段と、上記発振手段により生成された電圧パルスの周期を測定してその周期の統計的ばらつきを算出する測定手段と、上記測定手段で算出した上記電圧パルスの周期の統計的ばらつきに基づいて上記磁気抵抗素子の熱安定性を評価する評価手段と、を備える、上記装置が提供される。

【0009】

上記態様によれば、発振手段により評価対象の磁気抵抗素子に電流パルスを供給して、その電流パルスの供給によって磁気抵抗素子の記録層に磁化反転が誘起され、この磁化反転に伴う抵抗値の変化から生成される電圧パルスに、確率的に発生する磁化反転によるジッタが含まれる。生成された電圧パルスは次サイクルの電流パルスに用いられるため、発振手段から出力される電圧パルスの周期に統計的ばらつきが発生する。評価手段により電圧パルスの周期の統計的ばらつきに基づいて磁気抵抗素子の熱安定性を評価する。これにより、少ない手間で効率良く磁気抵抗素子の熱安定性を評価可能な装置を提供できる。

【0010】

本発明の他の態様によれば、磁気抵抗素子の熱安定性の評価方法であって、上記磁気抵抗素子に上記態様の装置により上記発振手段を接続して電流パルスを複数供給するステップと、上記磁気抵抗素子への上記電流パルスの供給によって上記発振手段により生成された電圧パルスの周期を測定してその周期の統計的ばらつきを算出するステップと、上記算出した上記電圧パルスの周期の統計的ばらつきに基づいて上記磁気抵抗素子の熱安定性を評価するステップと、を含む、上記評価方法が提供される。

【0011】

上記態様によれば、磁気抵抗素子に発振手段を接続して電流パルスを複数供給して発振手段により生成された電圧パルスの周期の統計的ばらつきを算出し、その統計的ばらつきに基づいて上記磁気抵抗素子の熱安定性を評価するので、少ない手間で効率良く評価可能な評価方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】一実施形態に係る熱安定性評価装置の概略構成図である。

【図2】一実施形態に係る熱安定性評価装置の発振回路の一例を示す図である。

【図3】熱安定性評価装置の評価対象となる磁気メモリおよび磁気抵抗素子の一例を示す概略構成図である。

【図4】図２に示す発振回路のタイミングチャートである。

【図5】磁気抵抗素子の熱安定性パラメータΔと電圧パルスの周期の標準偏差との関係を示す図である。

【図6】一実施形態に係る熱安定性評価装置の発振回路の代替例を示す図である。

【図7】一実施形態に係る熱安定性評価装置の発振回路の他の代替例を示す図である。

【図8】一実施形態に係る磁気抵抗素子の熱安定性評価方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面に基づいて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。

【0014】

図１は、一実施形態に係る熱安定性評価装置の概略構成図である。図２は、一実施形態に係る熱安定性評価装置の発振回路の一例を示す図である。図１および図２を参照するに、熱安定性評価装置１０は、磁気メモリ１００を構成する評価対象の磁気抵抗素子１０１にプローブ１１ｐを接続して所定の電流値の電流パルスを複数供給し、磁気抵抗素子１０１によって生成されたジッタを含む電圧パルスを出力し、この電圧パルスが抵抗２２とコンデンサ２３を介すことで再帰的に電流パルスとして磁気抵抗素子１０１に供給される発振回路１１と、出力された電圧パルスの周期を測定して周期の統計的ばらつきを算出するパルス周期測定部１２と、電圧パルスの周期の統計的ばらつきに基づいて磁気抵抗素子１０１の熱安定性を評価する熱安定性評価部１３とを有する。熱安定性評価装置１０は、磁気抵抗素子１０１を流れる電流値のある範囲において記録層の磁化反転が電流値に対して確率的に発生する現象によって生じる電圧パルスの周期の統計的ばらつきを取得して磁気抵抗素子１０１の熱安定性を評価することができる。

【0015】

図３は、熱安定性評価装置の評価対象となる磁気メモリおよび磁気抵抗素子の一例を示す概略構成図である。図３には熱安定性評価装置の発振回路のプローブを磁気抵抗素子に接続する態様を合わせて示す。図３を図１および図２と合わせて参照するに、磁気メモリ１００は、磁気抵抗素子１０１と、制御部１０２と、第１配線１０３と、第２配線１０４と、スイッチ１０５とを含む。磁気メモリ１００は、複数の磁気抵抗素子１０１を有するが、図３では１個だけを示し、他は同様の構成であるので省略する。制御部１０２は、第１配線１０３、第２配線１０４およびスイッチ１０５を介して磁気抵抗素子１０１に書込み用の電流パルスを供給して書込みを行う。

【0016】

磁気抵抗素子１０１は、記録層１１１と、参照層１１２と、記録層１１１と参照層１１２とに挟まれるトンネル障壁層１１３と、記録層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１０３が電気的に接続される。第２電極１１５には、スイッチ１０５の一方の端子が電気的に接続される。スイッチ１０５の他方の端子は第２配線１０４に電気的に接続される。

【0017】

記録層１１１は、例えば、磁化自由層の単層であってもよく、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。磁気抵抗素子１０１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。

【0018】

磁気抵抗素子１０１は、その形状を、膜面において直径１００ナノメートル以下、記録層１１１の磁化自由層の厚さを２ナノメートル程度に微細化すると、熱安定性評価装置の発振回路１１のプローブ１１ｐを上部電極１１４および下部電極１１５に電気的に接続してこの積層体を貫く電流を流すことで、磁化自由層の磁化を反転させることができる。この現象を電流磁化反転と呼ぶ。電流磁化反転は、上記特許文献１（特許第４６２５９３６号明細書）に記載されているように、熱擾乱の影響を受けるため、電流磁化反転が生じる電流（いわゆる、反転電流）に確率的にばらつきが生じる。

【0019】

図４は、図２に示す発振回路のタイミングチャートである。図４を図２と合わせて参照するに、発振回路１１は、評価対象の磁気抵抗素子１０１を含む積分回路２１を有する。積分回路２１は、直列接続された抵抗２２とコンデンサ２３とを含む。コンデンサ２３にはプローブ１１ｐを介して評価対象の磁気抵抗素子１０１が並列接続される。

【0020】

発振回路１１は、より具体的には、積分回路２１と、２つのコンパレータ２４，２５と、状態検出用記憶素子としてフリップフロップ２６と、積分回路２１のコンデンサ２３の充放電用のスイッチ手段としてトランジスタ２８と、出力端子２９とを有する。発振回路１１は、弛張型の発振回路である。発振回路１１は、積分回路２１以外は、ＮＥ５５５としてよく知られている汎用タイマーＩＣの回路構成と同一とすることができ、ＮＥ５５５を用いてもよい。

【0021】

積分回路２１は、抵抗２２と、抵抗２２に直列接続したコンデンサ２３と、コンデンサ２３にプローブ１１ｐを介して並列接続した評価対象の磁気抵抗素子１０１とにより構成される。積分回路２１は、抵抗２２の一端をトランジスタ２８のコレクタに接続し、抵抗２２の他端をコンデンサ２３および磁気抵抗素子１０１の一端に電気的に接続する。積分回路２１の充放電時間は、抵抗２２およびコンデンサ２３による時定数によって決まる充放電時間を中心として磁気抵抗素子１０１による確率的な磁化反転によるジッタを含む。コンデンサ２３および磁気抵抗素子１０１の他端は接地される。これにより、磁気抵抗素子１０１に印加される最大電圧を正負の両極性でほぼ等しくして、正負の両極性で磁気抵抗素子１０１に電流磁化反転を誘起することができる。なお、コンデンサ２３および磁気抵抗素子１０１の他端の電位は、後述するように２つのコンパレータ２４，２５の各々の閾値との間の電位に設定されればよい。また、この他端の電位を安定化電源回路等で設定してもよい。

【0022】

トランジスタ２８は、ベースにフリップフロップ２６のＱ出力端子が接続され、方形波の発振波形（図４（ａ）に示す。）が供給される。トランジスタ２８は、この方形波によってオン・オフされ、積分回路２１のコンデンサ２３の充放電を行う。トランジスタ２８がオフの場合は、電源電圧＋Ｖｃから抵抗３０および抵抗２２を介してコンデンサ２３および磁気抵抗素子１０１に電流が供給され、コンデンサ２３が充電される。トランジスタ２８がオンの場合は、コンデンサ２３に充電された電荷が抵抗２２およびトランジスタ２８のコレクタおよびエミッタを介して電源電圧－Ｖｃに放電される。この充放電により、磁気抵抗素子１０１は記録層の磁化反転ＳＷが確率的に生じて磁気抵抗素子１０１の電気抵抗値が変化するため、磁化反転ＳＷが生じた時点で信号電圧の曲線に変化が生じる。コンデンサ２３の両端の電位差は、図４（ｂ）に示す波形となり、積分回路２１の出力側（Ｂ点）の電位となる。Ｂ点は、コンパレータ２４の非反転入力端子およびコンパレータ２５の反転入力端子に接続される。コンパレータ２４の反転入力端子は、分圧回路３１のＶｃ／３の電位点に接続され、これが一方の閾値となる。コンパレータ２５の非反転入力端子は、分圧回路３１の－１／３Ｖｃの電位点に接続され、これが他方の閾値となる。コンパレータ２４の出力端子は、フリップフロップ２６のリセット（Ｒｅｓｅｔ）端子に接続され、図４（ｃ）に示す波形が現れる。コンパレータ２５の出力端子は、フリップフロップ２６のセット（Ｓｅｔ）端子に接続され、図４（ｄ）に示す波形が現れる。フリップフロップ２６のＱ出力端子には、図４（ｅ）に示す波形が現れ、これがトランジスタ２８のベースに供給される。なお、コンデンサ２３および磁気抵抗素子１０１の他端は、発振回路１１の発振が連続する電位で、２つのコンパレータ２４，２５の各々の閾値との間の電位に設定される。発振回路１１の出力信号は、トランジスタ２８のコレクタに電気的に接続された出力端子２９から出力され、パルス周期測定部１２に供給される。

【0023】

発振回路１１の出力信号は、磁気抵抗素子１０１の電気抵抗値の変化のタイミングに基づくジッタが重畳するため、出力信号において各電圧パルスの周期は同一ではない。したがって、発振回路１１の各パルスの周期には、積分回路２１の抵抗２２およびコンデンサ２３による時定数Ｃ×Ｒによる決まる電圧パルスの周期を中心として、さらに磁気抵抗素子１０１の確率的な磁化反転によるジッタが重畳するという特性を有する。

【0024】

図１に戻り、パルス周期測定部１２は、発振回路１１から電圧パルスが入力され、電圧パルスの周期を測定する測定器１２ａと、測定した周期の統計的ばらつきを算出する算出器１２ｂとを有する。測定器１２ａは、発振回路１１から入力された複数（多数、１万個～１０万個、例えば８万個）の電圧パルスの周期を測定する。測定器１２ａは、例えば、市販の周波数カウンタ（例えば、キーサイト社製周波数カウンタ５３１３１Ａ）を用いることができる。算出器１２ｂは、測定器１２ａが測定した多数の電圧パルスの周期の統計的ばらつき、例えば標準偏差を算出する。統計的ばらつきは、標準偏差の他、分散でもよい。算出器１２ｂは、例えば市販の周波数カウンタに付属の標準偏差算出機能を用いることができる。パルス周期測定部１２は、電圧パルスの周期の統計的ばらつきを熱安定性評価部１３に出力する。

【0025】

熱安定性評価部１３は、パルス周期測定部１２から電圧パルスの周期の統計的ばらつきに基づいて磁気抵抗素子１０１の熱安定性を評価する機能を有する。熱安定性評価部１３は、例えばパソコン（ＰＣ）を用いることができる。

【0026】

磁気抵抗素子の電流磁化反転の熱安定性を表すパラメータ（「熱安定性パラメータ」とも称する。）Δは、下記式１で定義される。
Δ＝Ｋ_UＶ／ｋ_BＴ・・・（１）
ここで、Ｋ_Uは記録層１１１の単位体積当たりの磁気異方性エネルギー、Ｖは記録層１１１の体積、ｋ_Bはボルツマン定数、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。熱安定性パラメータΔは、１０～１００程度であり、磁気メモリとしては６０程度が一般的に要求されている。磁化状態の保持時間は熱安定性パラメータΔに対して指数関数的に増加する。磁気メモリとして磁気抵抗素子の磁化状態の保持時間は長いことが好ましいから、熱安定性パラメータΔは大きい程好ましい。

【0027】

１個の磁気抵抗素子の熱安定性パラメータΔを求める従来の手法は、磁気抵抗素子に電流パルスを与え、記録層の磁化が反転したか否かを磁気抵抗素子の電気抵抗値から判定する。電流パルスの最大電流値を変えながらこの判定を全体で数百万回行って各最大電流値に対する磁化反転確率を求めて理論式とフィッティングしてΔを求める。磁化反転確率Ｐ_swは、下記式２で定義される。
Ｐ_sw（Ｉ／Ｉ_c0）＝１－exp（－τ_pexp（－Δ（１－Ｉ／Ｉ_c0）））・・・（２）
ここで、τ_pは規格化した電圧パルス幅であり、Ｉ_c0は温度０Kにおける磁化反転電流である。

【0028】

本願発明者は、パルス周期測定部１２から電圧パルスの周期の統計的ばらつき、例えば、標準偏差が磁気抵抗素子の熱安定性パラメータΔと相関関係があることを見出した。

【0029】

図５は、磁気抵抗素子の熱安定性パラメータΔと電圧パルスの周期の標準偏差との関係を示す図である。図５を参照するに、電圧パルスの周期の標準偏差が小さい程、熱安定性パラメータΔが大きくなることが分かる。すなわち、電圧パルスの周期の標準偏差と磁気抵抗素子の熱安定性パラメータΔとは負の相関を有する。これは、電圧パルスの周期の統計的ばらつきが小さい程、熱安定性パラメータΔが大きくなることを示す。このような相関関係を用いて、電圧パルスの周期の統計的ばらつきに基づいて磁気抵抗素子の熱安定性パラメータΔを評価することができる。

【0030】

さらに、評価対象の磁気抵抗素子の一部について、上記の従来の方法によって求めた熱安定性パラメータΔと電圧パルスの周期の統計的ばらつきとの相関関係を予め求めて熱安定性評価部１３の相関情報格納部１３ａに格納しておいてもよい。他の評価対象の磁気抵抗素子１０１について電圧パルスの周期の統計的ばらつきを求めて、相関情報格納部１３ａの相関関係を参照して熱安定性パラメータΔを求めてもよい。電圧パルスの周期の統計的ばらつきは、標準偏差の他に分散でもよい。

【0031】

本実施形態によれば、発振回路１１により評価対象の磁気抵抗素子１０１に電流パルスを供給して発生する磁気抵抗素子１０１の電圧信号により生成される電圧パルスに記録層１１１の磁化反転が電流パルスの電流値に対して確率的に発生する現象によるジッタが含まれ、電圧パルスの周期に統計的ばらつきが発生する。熱安定性評価部１３により電圧パルスの周期に統計的ばらつきに基づいて磁気抵抗素子１０１の熱安定性を評価する。熱安定性評価装置１０は、磁気抵抗素子１０１に電流パルスを供給することで、磁気抵抗素子１０１の熱安定性を評価でき、少ない手間で効率良く磁気抵抗素子１０１の熱安定性を提供できる。

【0032】

熱安定性評価装置１０の変形例として、発振回路１１は、図２に示したように、直列接続された抵抗２２およびコンデンサ２３を含む積分回路２１を有する発振回路であれば、特に限定されない。

【0033】

図６は、一実施形態に係る熱安定性評価装置の発振回路の代替例を示す図である。図６を参照するに、発振回路４０は、評価対象の磁気抵抗素子１０１を含む積分回路４１を有する。発振回路４０は、図２に示した発振回路１１の代替例である。積分回路４１は、直列接続された抵抗４２とコンデンサ４３とを含む。コンデンサ４３にはプローブ１１ｐを介して評価対象の磁気抵抗素子１０１が並列接続される。発振回路４０は、磁気メモリ１００を構成する評価対象の磁気抵抗素子１０１にプローブ１１ｐを接続して所定の電流値の電流パルスを複数供給し、磁気抵抗素子１０１によって生成されたジッタを含む電圧パルスを出力し、この電圧パルスが再帰的に電流パルスとして磁気抵抗素子１０１に供給される。発振回路４０は、弛張型の発振回路である。

【0034】

発振回路４０は、積分回路４１と、オペアンプ４４と、オペアンプ４４の出力端子に接続され、その出力信号の分圧回路を構成する抵抗４５（抵抗値Ｒ２）、抵抗４６（抵抗値Ｒ３）および抵抗４８（抵抗値Ｒ４）とを有する。抵抗４８の他端は接地されている。オペアンプ４４には正負の電源電圧（＋Ｖc、－Ｖc）が供給されている。オペアンプ４４の出力信号は、抵抗４５および抵抗４６と抵抗４８とによって分圧され、抵抗４６と抵抗４８との接続点がオペアンプ４４の非反転入力端子に接続される。抵抗４２（抵抗値Ｒ１）が、オペアンプ４４の出力端子に接続された抵抗４５（抵抗値Ｒ２）ともに積分回路４１の抵抗（Ｒ１＋Ｒ２）を構成する。積分回路４１の並列接続されたコンデンサ４３と磁気抵抗素子１０１と一端は出力端子としてオペアンプ４４の反転入力端子に接続され、他端は接地される。

【0035】

オペアンプ４４は、非反転入力端子に入力される信号と反転入力端子に入力される信号とを比較するコンパレータとして機能し、正負の電源電圧（＋Ｖc、－Ｖc）の２値の方形波を出力する（Ａ点）。オペアンプ４４の出力信号の一方は、抵抗４５，４６，４８の分圧回路によって分圧され、オペアンプ４４の出力信号の電圧をＶとすると、抵抗４５および抵抗４６と抵抗４８とによって分圧された出力信号＋Ｖc（または－Ｖc）×Ｒ４／（Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）は、オペアンプ４４の非反転入力端子に供給される。

【0036】

オペアンプ４４の出力信号の他方は、積分回路４１に入力される。オペアンプ４４の出力信号が－Ｖcから立ち上がると、コンデンサ４３に充電が始まり、コンデンサ４３および磁気抵抗素子１０１の両端子間の電位が増加する。磁気抵抗素子１０１は、確率的に磁化反転を生じ、これによる抵抗値の変化によってコンデンサ４３の充電波形の曲線に折れ曲がりが現れる。充電が続き、Ｃ点における電圧がＢ点における電圧（＋Ｖ1）を超えると、オペアンプ４４の出力信号は、－Ｖcに変化する。これにより、コンデンサ４３の放電が始まり、Ｃ点の電位が減少し始める。磁気抵抗素子１０１に印加される電圧が負電圧になると、磁気抵抗素子１０１は、確率的に磁化反転を生じ、これによる抵抗値の変化によって放電波形の曲線に折れ曲がりが現れる。放電が続き、Ｃ点における電圧がＢ点における電圧（－Ｖ1）を下回ると、オペアンプ４４の出力信号は、＋Ｖcに変化し、コンデンサ４３の充電が始まる。これを繰り返すことで、発振が生じ、発振波形の出力信号が出力端子４９からパルス周期測定部１２へ出力される。

【0037】

発振回路４０は、積分回路４１の抵抗４２および抵抗４５とコンデンサ４３（電気容量Ｃ）による時定数Ｃ×（Ｒ１＋Ｒ２）による決まる周期を中心として磁気抵抗素子１０１による確率的な磁化反転によるジッタが重畳した周期の電圧パルスを出力する。

【0038】

図７は、一実施形態に係る熱安定性評価装置の発振回路の他の代替例を示す図である。図７を参照するに、発振回路５０は、評価対象の磁気抵抗素子１０１を含む積分回路５１を有する。発振回路５０は、図２に示した発振回路１１の代替例である。積分回路５１は、直列接続された抵抗５２とコンデンサ５３とを含む。コンデンサ５３にはプローブ１１ｐを介して評価対象の磁気抵抗素子１０１が並列接続される。発振回路５０は、磁気メモリ１００を構成する評価対象の磁気抵抗素子１０１にプローブ１１ｐを接続して所定の電流値の電流パルスを複数供給し、磁気抵抗素子１０１によって生成されたジッタを含む電圧パルスを出力し、この電圧パルスが再帰的に電流パルスとして磁気抵抗素子１０１に供給される。発振回路５０は、リングオシレータである。

【0039】

発振回路５０は、積分回路５１と、直列に環状に接続された３個の奇数個のインバータ論理回路５４～５６と、出力端子５８を有する。発振回路５０は、リングオシレータを形成する。インバータ論理回路５４～５６のうちの一つ、例えばインバータ論理回路５４の出力端子に積分回路５１の入力端子である抵抗５２の一端を接続し、積分回路５１の出力端子が他のインバータ論理回路５５の入力端子に接続する。積分回路５１のコンデンサ５３および磁気抵抗素子１０１の他端は（１／２）Ｖｃの電位点に接続されている。なお、この他端の電位はインバータ論理回路５５の入力端子における“Ｈ”および“Ｌ”の二つの閾値電圧の間に入っていればよい。この他端の電位は、発振動作中の磁気抵抗素子１０１に印加される最大電圧を正負の両極性でほぼ等しくして正負の両極性で磁気抵抗素子１０１に電流磁化反転を誘起することができる点で（１／２）Ｖｃを用いることが好ましい。発振回路５０は、積分回路５１の抵抗５２（抵抗値Ｒ）およびコンデンサ５３（電気容量Ｃ）による時定数Ｃ×Ｒにより決まる周期を中心として磁気抵抗素子１０１による確率的な磁化反転によるジッタが重畳した周期の電圧パルスを出力する。インバータ論理回路５４～５６は、３個に限定されず、３個以上の奇数個であればよい。

【0040】

なお、発振回路５０は、インバータ論理回路５４をＮＡＮＤゲートに置き換えてもよい。ＮＡＮＤゲートの一方の入力端子に発振回路５１の出力信号を入力し、他方の入力端子に発振スタート信号を入力する。発振スタート信号を“Ｈ”にすることで、ＮＡＮＤゲートは、インバータ論理回路５４と同様に動作し、発振スタート信号を“Ｌ”にすることで発振を停止させることができる。

【0041】

［磁気抵抗素子の熱安定性評価方法］
図８は、一実施形態に係る磁気抵抗素子の熱安定性評価方法のフローチャートである。図８を図１および図２と合わせて参照しつつ、磁気抵抗素子の熱安定性評価方法を説明する。

【0042】

最初に、評価対象の磁気抵抗素子１０１を有する磁気メモリ１００を準備する（Ｓ１００）。

【0043】

次いで、磁気抵抗素子の両方の端子に評価装置の発振回路１１のプローブ１１ｐを接続して、複数（多数）の電流パルスを供給して磁気抵抗素子１０１に電流を流す（Ｓ１１０）。

【0044】

次いで、磁気抵抗素子１０１に電流パルスを流したことにより磁気抵抗素子１０１の両端子間に発生した電圧によって発振回路１１で生成された電圧パルスの周期をパルス周期測定部１２により測定し、電圧パルスの周期の統計的ばらつき、例えば標準偏差を算出する（Ｓ１２０）。具体的には、キーサイト社製周波数カウンタ５３１３１Ａを用いて、例えば１秒間のゲート時間を設け、ゲート時間内で電圧パルスの周期を繰り返し測定し、周期の平均値および標準偏差を求める。発振回路１１の発振周波数が８０ｋＨｚの場合、一回の測定の電圧パルスは、８万個となる。

【0045】

次いで、熱安定性評価部１３により、電圧パルスの周期の統計的ばらつき、例えば標準偏差に基づいて、磁気抵抗素子の熱安定性を評価する（Ｓ１３０）。図５およびその説明に示したように、電圧パルスの周期の統計的ばらつきが小さい程、熱安定性パラメータΔが大きくなる関係を有しているので、この関係を用いて磁気抵抗素子の熱安定性を評価できる。

【0046】

次いで、評価対象の磁気抵抗素子の全てを評価したかを判定する（Ｓ１４０）。評価対象の磁気抵抗素子がある場合（「Ｎｏ」の場合）は、Ｓ１１０に戻り、Ｓ１１０～Ｓ１３０のステップを行う。評価対象の磁気抵抗素子の評価が終わった場合（「Ｙｅｓ」の場合）は終了する。

【0047】

本実施形態によれば、磁気抵抗素子に発振回路１１を接続して電流パルスを複数供給して発振回路１１により生成された電圧パルスの周期の統計的ばらつきを算出し、その統計的ばらつきに基づいて磁気抵抗素子１０１の熱安定性を評価するので、少ない手間で効率良く評価できる。

【0048】

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。

【符号の説明】

【0049】

１０ 熱安定性評価装置
１１，４０，５０ 発振回路
１１ｐ プローブ
１２ パルス周期測定部
１３ 熱安定性評価部
１３ａ 相関情報格納部
２１，４１，５１ 積分回路
１００ 磁気メモリ
１０１ 磁気抵抗素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】