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磁阻效应元件以及 磁性随机存取 存储器

阅读：897发布：2020-05-12

专利汇可以提供磁阻效应元件以及磁性随机存取存储器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实施方式的磁阻效应元件具备:第1 铁磁性层(12)，磁化相对于膜面大致垂直且可变；第2 铁磁性层(16)，磁化相对于膜面大致垂直且不变；第1非磁性层(14)，设于第1铁磁性层与第2铁磁性层之间；第3铁磁性层(20)，设于相对于第2铁磁性层的与第1非磁性层的相反侧，具有与膜面大致平行的磁化，通过注入被自旋极化后的电子来产生旋转磁场；以及第2非磁性层(18)，设于第2铁磁性层与第3铁磁性层之间，使第1 电流沿着从第3铁磁性层经由第2铁磁性层朝向第1铁磁性层的方向以及从第1铁磁性层经由第2铁磁性层朝向第3铁磁性层的方向中的一个方向流过，由此，通过由第3铁磁性层产生的旋转磁场，第1铁磁性层的磁化能够反转，并使具有与第1电流不同的电流密度的第2电流向一个方向流过，借助于通过第2铁磁性层被自旋极化后的电子，第1铁磁性层的磁化能够向与流过第1电流的情况不同的方向反转。，下面是磁阻效应元件以及磁性随机存取存储器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种磁阻效应元件，其特征在于，具备：
第1 铁磁性层，磁化相对于膜面垂直且可变；
第2铁磁性层，磁化相对于膜面垂直且不变；
第1非磁性层，设于上述第1铁磁性层与上述第2铁磁性层之间；
第3铁磁性层，设于相对于上述第2铁磁性层的与上述第1非磁性层相反一侧，具有与膜面平行的磁化，通过注入被自旋极化后的电子来产生旋转磁场；以及
第2非磁性层，设于上述第2铁磁性层与上述第3铁磁性层之间，
使第1电流向沿着从上述第3铁磁性层经由上述第2铁磁性层朝向上述第1铁磁性层的方向以及从上述第1铁磁性层经由上述第2铁磁性层朝向上述第3铁磁性层的方向中的一个方向流动，由此，通过由上述第3铁磁性层产生的上述旋转磁场，上述第1铁磁性层的磁化能够反转，
使具有与上述第1电流不同的电流密度的第2电流向上述一个方向流动，借助于通过上述第2铁磁性层而被自旋极化后的电子，上述第1铁磁性层的磁化能够向与流过上述第
1电流的情况不同的方向反转。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
上述第3铁磁性层具有层叠构造，该层叠构造具有磁化方向彼此平行于膜面的第1及第2铁磁性膜和设于上述第1及第2铁磁性膜之间的第3非磁性层，上述第1及第2铁磁性膜夹着上述第3非磁性层反铁磁耦合。
3.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
在相对于上述第1铁磁性层的与上述第1非磁性层相反一侧或者相对于上述第3铁磁性层的与上述第2非磁性层相反一侧，隔着第3非磁性层设有第4铁磁性层，该第4铁磁性层具有上述第2铁磁性层的磁化方向的相反方向的磁化。
4.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
上述第1非磁性层为包含Mg、Al、Ti或Hf中的任一元素的氧化物。
5.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
上述第2非磁性层为包含Cu、Au、Ru或Ag中的任一元素的金属。
6.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
上述第1铁磁性层具备包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和Pt、Pd中的至少一个元素的具有L10型结晶构造的磁性体、或者包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和Cr、Ta、Pt、Pd中的至少一个元素的具有六方晶型结晶构造的磁性体中的任一个。
7.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
上述第1铁磁性层具备层叠构造，该层叠构造包含：
包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和Pt、Pd中的至少一个元素的具有L10型结晶构造的磁性体；以及
包含Fe、Co、Ni、Mn中的至少一个元素的合金。
8.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
上述第1铁磁性层具备层叠构造，该层叠构造包含：
包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和Cr、Ta、Pt、Pd中的至少一个元素的具有六方晶型结晶构造的磁性体；以及
包含Fe、Co、Ni、Mn中的至少一个元素的合金。
9.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
上述旋转磁场的频率在包含上述第1铁磁性层的谐振频率在内的规定范围内。
10.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
上述旋转磁场为微波磁场。
11.一种磁性随机存取存储器，其特征在于，具备：
权利要求1所述的磁阻效应元件；
第1布线，经由第1 电极电连接于上述磁阻效应元件的上述第1铁磁性层；以及第2布线，经由第2电极电连接于上述磁阻效应元件的上述第3铁磁性层。
12.根据权利要求11所述的磁性随机存取存储器，其特征在于，
还具有设于上述第1电极与上述第1布线之间或上述第2电极与上述第2布线之间的选择晶体管。
13.根据权利要求11所述的磁性随机存取存储器，其特征在于，
还具有设于上述第1电极与上述第1布线之间或上述第2电极与上述第2布线之间的整流元件。
14.根据权利要求11所述的磁性随机存取存储器，其特征在于，
上述第3铁磁性层具有层叠构造，该层叠构造具备磁化方向彼此平行于膜面的第1及第2铁磁性膜和设于上述第1及第2铁磁性膜之间的第3非磁性层，上述第1及第2铁磁性膜夹着上述第3非磁性层反铁磁耦合。
15.根据权利要求11所述的磁性随机存取存储器，其特征在于，
在相对于上述第1铁磁性层的与上述第1非磁性层的相反一侧或者相对于上述第3铁磁性层的与上述第2非磁性层的相反一侧，隔着第3非磁性层设有第4铁磁性层，该第4铁磁性层具有上述第2铁磁性层的磁化方向的相反方向的磁化。
16.根据权利要求11所述的磁性随机存取存储器，其特征在于，
上述第1非磁性层为包含Mg、Al、Ti或Hf中的任一元素的氧化物。
17.根据权利要求11所述的磁性随机存取存储器，其特征在于，
上述第2非磁性层为包含Cu、Au、Ru或Ag中的任一元素的金属。
18.根据权利要求11所述的磁性随机存取存储器，其特征在于，
上述第1铁磁性层具备包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和Pt、Pd中的至少一个元素的具有L10型结晶构造的磁性体、或者包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和Cr、Ta、Pt、Pd中的至少一个元素的具有六方晶型结晶构造的磁性体中的任一个。
19.根据权利要求11所述的磁性随机存取存储器，其特征在于，
上述第1铁磁性层具备层叠构造，该层叠构造包含：
包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和Pt、Pd中的至少一个元素的具有L10型结晶构造的磁性体；以及
包含Fe、Co、Ni、Mn中的至少一个元素的合金。
20.根据权利要求11所述的磁性随机存取存储器，其特征在于，
上述第1铁磁性层具备层叠构造，该层叠构造包含：
包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和Cr、Ta、Pt、Pd中的至少一个元素的具有六方晶型结晶构造的磁性体；以及
包含Fe、Co、Ni、Mn中的至少一个元素的合金。
21.根据权利要求11所述的磁性随机存取存储器，其特征在于，
上述旋转磁场的频率在包含上述第1铁磁性层的谐振频率在内的规定范围内。
22.根据权利要求11所述的磁性随机存取存储器，其特征在于，
上述旋转磁场为微波磁场。

说明书全文

磁阻效应元件以及 磁性随机存取 存储器

技术领域

[0001] 本发明的实施方式涉及磁阻效应元件以及磁性随机存取存储器。

背景技术

[0002] 以往，提出了各种类型的固体磁性存储器。近年，提出了使用了表示巨磁阻（GMR：Giant Magneto Resistive）效应的磁阻效应元件的磁性随机存取存储器（MRAM：Magnetic Random Access Memory），特别是，使用了表示隧道磁阻（TMR：Tunneling Magneto Resistive）效应的铁磁性隧道结的磁性随机存取存储器受到关注。

[0003] 铁磁性隧道结的MTJ（Magnetic Tunnel Junction）元件主要由第1铁磁性层、绝缘层、第2铁磁性层的3层膜构成。而且，在读出时，电流隧穿绝缘层地流过。该情况下，铁磁性隧道结的阻值根据第1以及第2铁磁性层的磁化的相对角的余弦变化。例如，铁磁性隧道结的阻值在第1以及第2铁磁性层的磁化的朝向平行（相同朝向）时取极小值，在反平行（相反朝向）时取极大值。将此称为上述的TMR效应。还存在通过该TMR效应产生的阻值的变化在室温下超过300％的情况。

[0004] 在包含作为存储单元的铁磁性隧道结的MTJ元件的磁性存储器装置中，将至少一个铁磁性层视为基准层，使其磁化方向固定，并将其他铁磁性层设为记录层。在该单元，将2进制信息的“0”或“1”与基准层和记录层的磁化的配置的平行状态或反平行状态建立对应，由此，对信息进行存储。另外，也可以将“1”或“0”与基准层和记录层的磁化的配置的平行状态或反平行状态建立对应。

[0005] 以往，记录信息的写入采取的方式是，通过使电流流通相对于该单元另外设置的写入布线而产生的磁场来使记录层的磁化反转（以下，称为电流磁场写入方式）。但是，在电流磁场写入方式中存在的问题点是，伴随着存储单元的细微化，写入所需的电流增加，大容量化变得困难。

[0006] 近年，作为不同于电流磁场写入方式的磁性体的反转方式，提出了通过向MTJ元件直接通电，借助于从基准层注入的自旋转矩来使记录层的磁化反转的方式（以下称为自旋转矩写入方式）（例如，参照专利文献1）。自旋转矩写入方式具有的特征是：存储单元越被细微化，写入所需的电流越减少，大容量化很容易。从存储单元的信息读出是通过使电流流通铁磁性隧道结并检测通过TMR效应产生的阻抗变化来进行的。

[0007] 通过配置多个这样的存储单元来构成磁性存储器。对于实际的构成，例如与DRAM相同地构成为以能够选择任意单元的方式对各存储单元配置开关晶体管并嵌入周边电路。自旋转矩写入方式适合于如上所述地减少信息写入所需的电流，但为了使磁化反转，需要向两个方向流通的电流，存在驱动所需的周边电路数增加的问题。

[0008] 这是因为实际上实现大容量存储还需要削减存储单元部分以外的周边电路面积。作为解决该问题的方法，提案的方式是：使电流向一个方向流动，并使电流的大小以及脉冲宽度变化，由此，利用各条件下的自旋转矩写入电流的差别来产生朝向分别对应于信息“0”、“1”的方向的磁化反转（例如，参照专利文献2、3）。在使用这些技术的情况下，使脉冲宽度变化是决定磁化反转方向所需的参数。

[0009] 因此，在为了进行没有误写入的稳定的写入而向与信息“0”、“1”的某一方对应的方向写入信息时，需要使脉冲宽度足够长。从存储器的高速工作的观点来看，这成为问题。而且，如果使专利文献2中记载的磁性体的进动的整数倍与脉冲宽度一致，则需要对存储单元内的各元件进行脉冲宽度的精密控制。但是，在实际的存储单元中，存在由布线电容的偏差产生的迟延或脉冲波形的偏差等，因此，所存在的问题是：一般很难高精度地控制元件间的脉冲宽度。所以，不能进行没有误写入的稳定的写入。

[0010] 现有技术文献

[0011] 专利文献

[0012] 专利文献1：美国专利第6，256，223号说明书

[0013] 专利文献2：日本特开2009-152258号公报

[0014] 专利文献3：美国专利申请公开第2009/0213642号说明书。

发明内容

[0015] 发明所要解决的课题

[0016] 本实施方式是考虑了上述情况而形成的，其目的在于提供一种能够使用单一方向电流进行没有误写入的稳定写入的磁阻效应元件以及磁性随机存取存储器。

[0017] 用于解决课题的手段

[0018] 本实施方式的磁阻效应元件的特征在于，具备：第1铁磁性层，磁化相对于膜面大致垂直且可变；第2铁磁性层，磁化相对于膜面大致垂直且不变；第1非磁性层，设于上述第1铁磁性层与上述第2铁磁性层之间；第3铁磁性层，设于相对于上述第2铁磁性层的与上述第1非磁性层相反一侧，具有与膜面大致平行的磁化，通过注入被自旋极化后的电子来产生旋转磁场；以及第2非磁性层，设于上述第2铁磁性层与上述第3铁磁性层之间，使第1电流沿着从上述第3铁磁性层经由上述第2铁磁性层朝向上述第1铁磁性层的方向以及从上述第1铁磁性层经由上述第2铁磁性层朝向上述第3铁磁性层的方向中的一个方向流动，由此，通过由上述第3铁磁性层产生的上述旋转磁场，上述第1铁磁性层的磁化能够反转，并使具有与上述第1电流不同的电流密度的第2电流向上述一个方向流动，借助于通过上述第2铁磁性层而被自旋极化后的电子，上述第1铁磁性层的磁化能够向与流过上述第1电流的情况不同的方向反转。附图说明

[0019] 图1（a）、1（b）是表示通过磁性体的高频磁场产生的谐振现象的图。

[0020] 图2是表示磁化垂直成分的频率依存性的曲线图。

[0021] 图3是表示向通过微波磁场进行的谐振磁场写入时的磁化状态的模拟结果的图。

[0022] 图4是表示附加了顺时针微波磁场时的磁化状态的模拟结果的图。

[0023] 图5是表示第1实施方式的磁阻效应元件的剖面图。

[0024] 图6是附加第1实施方式的磁阻效应元件中的微波磁场时的模式图。

[0025] 图7是表示磁旋转层的旋转频率的电流依存性的图。

[0026] 图8（a）、8（b）是对第1实施方式的磁阻效应元件中从平行状态向反平行状态的磁化反转进行说明的图。

[0027] 图9（a）、9（b）是对第1实施方式的磁阻效应元件中从反平行状态向平行状态的磁化反转进行说明的图。

[0028] 图10（a）、10（b）是表示第1实施方式的磁阻效应元件的磁化反转的模拟结果的图。

[0029] 图11（a）、11（b）是表示第1实施方式的磁阻效应元件的磁化反转的模拟结果的图。

[0030] 图12是表示第2实施方式的磁阻效应元件的剖面图。

[0031] 图13是第2实施方式的变形例的磁阻效应元件的剖面图。

[0032] 图14是第3实施方式的磁阻效应元件的剖面图。

[0033] 图15是第4实施方式的磁阻效应元件的剖面图。

[0034] 图16是第4实施方式的变形例的磁阻效应元件的剖面图。

[0035] 图17是表示第5实施方式的MRAM的电路图。

[0036] 图18是表示第6实施方式的MRAM的电路图。

具体实施方式

[0037] 在对各实施方式加以说明之前，对用于各实施方式的谐振磁场写入的原理加以说明。

[0038] 在一实施方式的磁阻效应元件中，为了使用单一方向的电流来没有误写入地、稳定地进行向对应于信息“0”、“1”的方向的磁化反转写入，不仅使用自旋转矩写入方式，也使用通过附加微波磁场来进行的谐振磁场写入方式。

[0039] 一般来讲，对应于各向异性能量和饱和磁化，磁性体具有与微波磁场谐振的固有的谐振频率。若在平行于膜面的方向上，使对应于谐振频率的微波磁场作用于具有垂直于膜面方向的磁化（以下，也称为垂直磁化）的磁性体，则产生谐振现象，垂直磁化急速地向平行于膜面的方向倾斜，并开始进动。

[0040] 另外，所谓膜面是指磁性体的上面。准备直径30nm的圆板状磁记录层，该磁记录层具有饱和磁化Ms为800emu／cc、各向异性能量Ku为1．0×107erg／cc的磁参数，并具有垂直磁化。考虑在平行于该磁记录层的膜面的方向上具有旋转面，并且将从上方观察时沿逆时针方向旋转的微波磁场附加到了上述磁记录层的情况。该情况下，图1（a）、1（b）中分别示出对垂直于磁记录层的膜面的方向的磁化成分进行了模拟计算的结果。

[0041] 图1（a）、1（b）分别表示微波磁场的旋转频率（以下，也仅称为频率）为3GHz、6GHz，振幅同为200Oe的情况的模拟计算结果。在各图1（a）、1（b）中，横轴表示磁化，纵轴表示垂直于磁记录层的膜面的方向的磁化成分Mz。在图1（a）、1（b）中，Mz的值为1．0是表示磁记录层的磁化朝向为向上的情况，Mz的值为-1．0是表示磁记录层的磁化朝向为向下的情况。

[0042] 该模拟计算中，如图1（a）所示，在所附加的微波磁场的频率为3GHz的情况下，磁记录层的磁化的朝向为与附加微波磁场之前的初始状态相同地向下，磁化的朝向几乎不变化。与此相对，在所附加的微波磁场的频率为6GHz的情况下，磁记录层的磁化明确地变为谐振状态，可知磁化自垂直于膜面的方向向平行方向倾斜。

[0043] 接着，在图2中示出使微波磁场的频率变化而获得的、关于垂直于膜面的方向的磁化成分Mz的最小值的微波磁场的频率依存性。在此，所谓垂直于膜面的方向的磁化成分Mz的最小值是指附加微波磁场，使磁化为谐振状态，并且磁化倾斜角度最大时的、垂直于膜面的磁化成分Mz的绝对值。从图1（a）、1（b）可知，对于该磁记录层，在6GHz附近产生谐振现象，磁化倾斜。在此，重要的是：若通过微波磁场，垂直于膜面的磁化成分Mz横切零值，即，从正变化到负或者从负变化到正，则意味着能够使磁化产生反转。

[0044] 准备具有饱和磁化Ms为500emu／cc、各向异性能量Ku为2．0×106erg／cc的垂直磁化的磁记录层。而且，图3中示出附加了在平行于该磁记录层的膜面的方向上具有旋转面的微波磁场的情况下的、磁化的时间依存性的模拟结果。在该模拟中，附加微波磁场之前的磁记录层的磁化的朝向为大致垂直于膜面并且向下，微波磁场为从上方观察磁记录层时沿逆时针方向旋转的旋转磁场。图3表示将磁化矢量分解为垂直于膜面的成分（垂直磁化成分）和平行于膜面的成分（平行磁化成分）。用曲线图g1表示垂直磁化成分，用曲线图g2表示平行磁化成分。若附加微波磁场，则平行磁化成分明确地开始进动，垂直磁化成分随时间倾斜，垂直磁化成分的符号以1500psec左右的速度从负变成正，即磁化的方向从向下变成向上，表示发生了磁化的反转。这表示：若如以上说明地向具有垂直磁化的磁记录层附加与磁记录层的磁化谐振的频率（谐振频率）的微波磁场，则产生磁化的反转。

[0045] 而且，在谐振磁场写入中重要的一点是：磁记录层的磁化的反转方向与微波磁场的旋转方向一一对应。图4中示出以与图3所示的模拟相同的条件，对将微波磁场的旋转方向设为了顺时针的情况下的磁化的时间依存性进行了模拟计算的结果。从图4可知，很明显，仅使旋转方向反向的话，垂直磁化成分（用曲线图g1表示）几乎不发生变化，而平行磁化成分（用曲线图g2所示）则在振动。综上所述，若对磁记录层附加具有规定的旋转频率以及规定的旋转方向的微波磁场，则能够使磁记录层的磁化向所希望的方向反转。另外，对于磁记录层，只要能够附加与谐振频率对应的旋转磁场即可，此磁场并不限于微波磁场。

[0046] 以下，参照附图，对本发明的实施方式加以说明。

[0047] （第1实施方式）

[0048] 图5中示出第1实施方式的磁阻效应元件。本实施方式的磁阻效应元件1具备层叠构造，该层叠构造由磁化方向可变的磁记录层12、隧道阻挡层14、磁化方向实质上被固定的磁参照层16、隔离层18和磁旋转层20依此顺序或与此相反的顺序层叠而成。

[0049] 磁记录层12具有铁磁性层，该铁磁性层能够在磁化的方向大致垂直于膜面且向磁阻效应元件1通了电流的情况下，使通电前后的磁化的朝向可变。磁参照层16具有铁磁性层，该铁磁性层即使磁化的方向大致垂直于膜面且向磁阻效应元件1通了电流，通电前后的磁化的朝向也不变。另在，在本实施方式中，如图5所示，磁参照层16的磁化向下。磁旋转层20具有铁磁性层，该铁磁性层在磁化的方向大致平行于膜面且向磁阻效应元件1通了电流的情况下，磁化在大致平行面内旋转。

[0050] 隧道阻挡层14由包含能够使电子穿过来获得所希望的磁阻变化的、例如Mg、Al、Ti或Hf的任一元素的氧化物或氮化物构成。隔离层18为使自旋极化之后的电子透过的非磁性层，作为其材料，可以使用仅由例如Cu、Au、Ru或Ag的任一元素构成的金属或包含至少一个前述这些元素的合金。此外，也可以使用包含例如Mg、Al、Ti或Hf的任一元素的氧化物或氮化物。

[0051] 另外，在本实施方式的磁阻效应元件1中，为了在磁记录层12的磁化方向记录信息，需要通过具有足够大的垂直磁各向异性的磁性体来形成，并确保相对于热扰动的稳定性。因此，作为磁记录层12最适合的磁性材料优选包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和Cr、Pt、Pd、Ta中的至少一个元素的有序晶格结构合金或无序晶格结构合金。例如，磁记录层12优选由包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和Pt、Pd中的至少一个元素的具有L10型结晶构造的磁性体形成。此外，磁记录层12优选由包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和Cr、Pt、Pd、Ta中的至少一个元素的具有六方晶型结晶构造的磁性体形成。此外，作为磁记录层12，也可以由包含稀土类金属Sm、Gd、Tb、Dy中的一个以上的元素的有序晶格结构合金或无序晶格结构合金形成。

[0052] 在本实施方式中，使用磁旋转层20作为微波磁场的发生源。该磁旋转层20若被注入已被自旋极化的电子，则在设为向注入到磁旋转层20的已自旋极化的电子的自旋朝向左旋拧进的情况下，磁旋转层20的磁化沿左旋的旋转方向旋转。在本实施方式中考虑使写入电流从磁记录层12经由隧道阻挡层14、磁参照层16、隔离层18向磁旋转层20流动的情况，即，使电子从磁旋转层20经由隔离层18、磁参照层16、隧道阻挡层14向磁记录层12流动的情况。该情况下，磁参照层16的磁化的朝向变为向下，因此，通过了磁旋转层20的电子通过磁参照层16被自旋极化，并被分离为具有与磁参照层16的磁化朝向相同的自旋的已被自旋极化的电子和具有与磁参照层16的磁化朝向相反的自旋的已被自旋极化的电子。具有与磁参照层16的磁化朝向相同的自旋的已被自旋极化的电子通过磁参照层16。但是，具有与磁参照层16的磁化朝向相反的自旋的已被自旋极化的电子被磁参照层16反射，并经由隔离层18被注入磁旋转层20，磁旋转层20的磁化开始旋转。关于此时的旋转方向，由于被注入到了磁旋转层20的已自旋极化的电子的朝向是向上的，因此磁旋转层20的磁化为从上方观察磁旋转层20时的顺时针方向。

[0053] 在本实施方式中，若使电流沿着与上述情况相反的方向流动，即若使电子经由磁记录层12、隧道阻挡层14、磁参照层16、隔离层18向磁旋转层20流动，则被注入磁旋转层20的已自旋极化的电子具有与磁参照层16的磁化同样向下的自旋。因此，磁旋转层20的磁化沿着从上方观察磁旋转层20时的逆时计方向旋转。

[0054] 图6中示出通过磁旋转层20的磁化旋转所产生的微波磁场被附加到磁记录层12的情况。将已自旋极化的电子注入到了磁旋转层20的情况的旋转频率fi是通过求解LLG（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式来由以下的式子表示的（例如，参照M.Mansuripur,J.Appl.Phys.,63:5809,1988）。

[0055] [数式1]

[0056]

[0057]

[0058]

[0059]

[0060] 在此，γ表示回转磁常数，α表示阻尼常数，h-bar表示狄拉克常数，该狄拉克常数是用2π除以普朗克常数h所得的值，e表示元电荷，Ms表示饱和磁化，t表示磁旋转层的膜厚，J表示流过磁旋转层的电流密度，P表示极化度，Hz表示附加于磁旋转层20的磁场（例如，来自磁参照层的漏磁场），Hk表示磁旋转层20的各向异性磁场。

[0061] 在本实施方式中，图7中示出使用上述式子所求出的、使电流流过了磁旋转层20时的旋转频率（岁差频率）的电流密度依存性。在此，旋转频率将沿着从上方观察磁旋转层20时的顺时针方向旋转的情况设为正，将沿着逆时针方向旋转的情况设为负，电流密度J将使电流从磁记录层12经由隧道阻挡层14、磁参照层16以及隔离层18向磁旋转层20流动的方向设为正，将反方向流动的情况设为负。从图7可知，通过调节电流密度J、磁旋转层20的磁参数（例如，饱和磁化Ms或极化度P），能够对磁旋转层20的旋转频率进行调节。
例如，通过增大电流密度J的绝对值，能够使旋转频率的绝对值上升，此外，如果电流密度J一定，则通过增大极化度P，能够使旋转频率的绝对值上升。在此，重要的是，若所希望的电流密度J的磁旋转层20的旋转频率与磁记录层12的谐振频率一致，则能够如前所述地进行谐振磁场的写入，若使电流密度变化并使旋转频率与磁记录层12的谐振频率错开，则不发生谐振磁场的写入。若利用该性质，则能够使用作为本发明的一实施方式的特征的单一方向的电流，使对应于信息“0”、“1”的磁记录层的磁化方向反转。

[0062] 通过热扰动指数和谐振频率的依存性求出磁记录层的谐振频率的优选值。磁记录层的谐振频率由下面的Kittel算式表示。

[0063] [数式2]

[0064]

[0065] 在此，f为谐振频率，Ku为磁记录层的磁各向异性能量，Ms为磁记录层的饱和磁化，γ为回转磁常数，Kueff为考虑了退磁磁场的实效磁各向异性能量。

[0066] 另一方面，热扰动指数由实效磁各向异性能量Kueff和磁阻效应元件的体积的乘积表示。在磁存储器中，考虑到磁阻效应元件的偏差，需要以不发生由热量产生的异常反转的方式来设定热扰动指数，优选热扰动指数为30至120。在热扰动指数为30至120的情况下的、为了发生谐振磁场的写入的磁记录层的优选谐振频率的范围是2GHz～40GHz。

[0067] 为了提高磁旋转层的旋转效率，优选极化率大的面内磁膜，并优选使用包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和B、Si、C中的至少一个元素的磁性体或包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素的合金（例如，CoFe、Fe、CoFeNi）等。

[0068] 为了对磁记录层以及磁旋转层进行稳定的自旋注入并为了提高旋转效率，优选磁参照层具有大的垂直磁各向异性，并优选使用包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和Cr、Ta、Pt、Pd中的至少一个元素的具有垂直磁各向异性的磁性体。此外，也可以使用包含Tb、Dy、Gd、Ho等的稀土类元素的至少一个元素和Fe、Co、Ni中的至少一个元素的具有垂直磁各向异性的磁性体。此外，对于磁记录层以及磁旋转层，需要大的极化率，因此，也可以使用使上面列举的磁参照层的磁性体与包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素以及B、Si、C的至少一个元素的磁性体层叠的层叠构造型磁参照层，或使上面列举的磁参照层的磁性体与包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素的合金（例如，CoFe、Fe、CoFeNi）层叠的层叠构造型磁参照层。

[0069] 本实施方式的磁阻效应元件1的特征在于具有在磁记录层12产生磁化的反转的两个不同的写入机构。一个是自旋注入写入，其为在使写入电流从磁记录层12经由隧道阻挡层14、磁参照层16以及隔离层18流过了磁旋转层20时，将来自磁参照层16的已自旋极化的电子经由隧道阻挡层14注入到磁记录层12来进行的。另一个是谐振磁场写入，其为通过将由磁参照层16反射的已自旋极化的电子经由隔离层18注入到磁旋转层20，向磁记录层12附加由磁旋转层20产生的微波磁场来进行的。该谐振磁场写入在向附加于磁记录层12的微波磁场的旋转方向左旋旋转的情况下，写入与左旋拧进方向相同方向的磁化。若以自旋注入写入与谐振磁场写入的反转方向不同且各写入机构的反转电流值不同的方式进行元件设计，则通过使不同电流值的单一方向的电流流动，能够使对应于信息“0”、“1”的磁化方向反转。

[0070] 特别是，对于谐振磁场写入，通过使如上所述的磁旋转层20的磁化、极化度P等的磁参数变化，能够使谐振磁场写入所需的电流值自由地变化，并且通过使磁参照层16的朝向相反或如后述第3实施方式所示地使用反铁磁耦合膜（Synthetic Anti-Ferromagnetic Coupling）来作为磁旋转层20，能够改变磁化的旋转方向。

[0071] 参照图8（a）、8（b）说明本实施方式的磁阻效应元件1中，相对于磁参照层16的磁化方向的磁记录层12的磁化方向从平行状态向反平行状态的磁化反转的情况。图8（a）中，磁记录层12以及磁参照层16的磁化方向平行且设为向下。该状态下，作为磁旋转层20产生旋转频率等于磁记录层12的谐振频率或位于谐振频率附近的微磁场的电流密度的第1写入电流从磁记录层12经由隧道阻挡层14、磁参照层16、隔离层18流向磁旋转层20。该情况下，第1写入电流形成的电流值使得由通过磁参照层16被自旋极化并具有与磁参照层
16的磁化相同朝向的自旋的电子作用于磁记录层12所产生的自旋转移力矩比通过谐振磁场在磁记录层12产生的反转力矩小。因此，即使流过第1写入电流，也不发生自旋注入写入，而是发生谐振磁场写入。由此，通过谐振磁场写入，相对于磁参照层16的磁化方向的磁记录层12的磁化方向从平行状态变化到反平行状态（图8（b））。即发生磁化的反转。

[0072] 另一方面，参照图9（a）、9（b）说明本实施方式的磁阻效应元件1中，相对于磁参照层16的磁化方向的磁记录层12的磁化方向从反平行状态向平行状态的磁化反转的情况。图9（a）中，磁记录层12以及磁参照层16的磁化方向反平行且磁记录层12的磁化方向设为向上。该状态下，使第2写入电流流过。选择该第2写入电流，以便通过该电流从磁旋转层20所产生的微波磁场的旋转频率与磁记录层12的谐振频率错开。因此，即使流过第2写入电流，也不会发生谐振磁场写入。但是，第2写入电流形成的电流值使得由通过磁参照层16被自旋极化并具有与磁参照层16的磁化相同朝向的自旋的已自旋极化的电子被注入磁记录层12，由此产生自旋注入反转。通过该自旋注入反转，相对于磁参照层16的磁化方向的磁记录层12的磁化方向从反平行状态向平行状态变化（图9（b））。即发生磁化的反转。在此，提请注意的是，通过使磁旋转层20或磁记录层12的磁参数变化，能够使微波磁场的频率或谐振频率变化。

[0073] 接下来，图10（a）、10（b）中示出以本实施方式的磁阻效应元件1为模型并使用了通过LLG模拟而计算出的单一方向电流的写入结果。图10（a）和图10（b）分别表示电2 2
流密度为2MA／cm和4MA／cm 的模拟结果。

[0074] 另外，图10（a）、10（b）的各自上下部分的箭头组为表示磁参照层16和磁记录层12的磁化的朝向的组。在各组中，上面的箭头表示磁参照层16的磁化的朝向，下面的箭头表示磁记录层12的磁化的朝向。由图10（a）、10（b）可知，很明显，通过自旋注入写入，以
2
电流密度2MA／cm产生从反平行状态向平行状态的磁化反转，通过谐振磁场写入，以电流
2
密度4MA／cm产生从平行状态向反平行状态的磁化反转。另外，在图10（b）中，写入的过程中，通过谐振磁场写入产生的反转力矩与通过自旋注入写入产生的反转力矩彼此相反地工作，磁记录层的磁化的朝向摆动，渐渐地通过谐振磁场写入产生的反转力矩胜出，并进行谐振磁场写入。这表示，在本实施方式的磁阻效应元件1中，通过使单一方向的电流的电流密度变化，能够使对应于信息“0”、“1”的磁化方向反转。因此，不需要对脉冲宽度进行精密控制等，便能够进行没有误写入的稳定的写入。

[0075] 另外，在图10（a）、10（b）中，作为一例，使磁参照层16的磁化方向在附图上向下，但即使在使磁参照层16的磁化方向反向向上，并使流向磁阻效应元件的电流的朝向也反向的情况下，也能够获得相同的效果。

[0076] 图10（a）、10（b）中示出了自旋注入电流写入所需的电流比谐振磁场写入所需的电流小的情况的模拟结果，但通过变更磁旋转层的磁参数，能够降低谐振磁场写入所需的电流。如算式（1）所示的那样，相对于所附加的电流密度的磁旋转层的旋转频率与磁旋转层的回转磁常数γ成比例，与阻尼常数α、极化率P、饱和磁化Ms和膜厚t成反比。因此，对磁旋转层的磁参数进行优化，以比自旋注入写入所需的电流密度小的电流使磁旋转层的旋转频率达到磁记录层的谐振频率的程度，由此，能够使谐振磁场写入所需的电流低于自旋注入写入所需的电流。

[0077] 图11（a）、11（b）中示出通过LLG模拟计算出的、对磁旋转层的磁参数进行优化并且谐振磁场写入的电流密度小的情况下的使用了单一方向电流的写入结果。从图11（a）、2
11（b）可知，很明显，通过谐振磁场写入，以电流密度1．6MA／cm产生从平行状态向反平
2
行状态的磁化反转，通过自旋注入电流写入，以电流密度2．5MA／cm产生从反平行状态向平行状态的磁化反转，这表示：即使在谐振磁场写入所需的电流密度比自旋注入电流写入的电流密度小的情况下，在本实施方式的磁阻效应元件1中，通过使单一方向的电流的电流密度变化，也能够使对应于信息“0”、“1”的磁化方向反转。谐振磁场写入的电流密度比自旋注入写入的电流密度小的情况下，比起与此相反的情况，也能够使磁阻效应元件的写入电流减小。

[0078] 如以上说明的那样，根据本实施方式，能够提供一种能够使用单一方向电流来进行没有误写入的稳定的写入的磁阻效应元件。

[0079] （第2实施方式）

[0080] 一般地，在使用了具有垂直磁化的磁性膜（垂直磁化膜）的磁阻效应元件中，来自于磁参照层的漏磁场作用于磁记录层，信息“0”、“1”的稳定性不对称。因此，为了降低来自磁参照层的漏磁场的影响，第2实施方式的磁阻效应元件构成为设置了具有与磁参照层的磁化反方向的磁化的磁场调整层。图12中示出该第2实施方式的磁阻效应元件。在图5所示的第1实施方式的磁阻效应元件中，该第2实施方式的磁阻效应元件1构成为在磁记录层12的设置了隧道阻挡层14侧的相反侧隔着非磁性金属层11设有磁场调整层10。作为非磁性金属层11的材料，可以使用仅由Cu、Au、Ag或Ru的任一元素构成的金属或包含这些元素的至少一个的合金。

[0081] 另外，如图13所示的第2实施方式的变形例的磁阻效应元件1那样，在图5所示的第1实施方式中，也可以构成为在磁旋转层20的设置了隔离层18侧的相反侧隔着非磁性层11A设有磁场调整层10。作为该变形例中的非磁性层11A，可以是使自旋极化电子不透过的金属或隧道阻挡层。但是，作为该非磁性层11A，优选由使自旋极化电子透过的非磁性层构成，例如由仅由Cu、Au、Ag或Ru的任一元素构成的金属、包含这些元素中的至少一个的合金或例如包含Mg、Al、Ti或Hf的任一元素的氧化物或氮化物构成。这是因为，通过将这些材料作为非磁性层11A使用，相对于磁化旋转层的自旋注入量增加，因此，能够产生高效的磁化旋转层的旋转。

[0082] 该第2实施方式以及其变形例也与第1实施方式相同，能够使用单一方向电流进行没有误写入的稳定的写入。此外，与第1实施方式相比，能够减少来自磁参照层16的漏磁场的影响，并能够使记录于磁记录层12的信息更稳定。

[0083] （第3实施方式）

[0084] 图14中示出第3实施方式的磁阻效应元件。该第3实施方式的磁阻效应元件1构成为在图5所示的第1实施方式的磁阻效应元件中，使用反铁磁耦合膜20A来作为磁旋转层20。该反铁磁耦合膜20A具有在隔离层18上依次层叠了铁磁性层20a、非磁性层20b以及铁磁性层20c的层叠构造，铁磁性层20a和铁磁性层20c隔着非磁性层20b反铁磁耦合。

[0085] 在第1～第2实施方式的磁阻效应元件中，使用具有面内磁化的磁性膜（面内磁化膜）作为磁旋转层20，因此，会有产生涡流磁畴结构等的复杂磁畴结构的情况。若存在磁畴结构，则进行了来自磁参照层16的自旋注入时的旋转彼此阻碍，旋转效率下降，因此，优选在磁旋转层20不产生磁畴结构。一般地，通过减小元件尺寸，面内磁化膜形成单磁畴化，具有不产生磁畴结构的性质。而且，为了在作为面内磁化膜的磁旋转层中不产生磁畴结构，如第3实施方式那样，使用反铁磁耦合膜作为磁旋转层20A即可。

[0086] 因此，第3实施方式的磁阻效应元件1能够防止磁旋转层20A的旋转效率低下。此外，第3实施方式的磁阻效应元件1也能够与第1实施方式同样地使用单一方向电流进行没有误写入的稳定的写入。

[0087] 另外，在第3实施方式中，通过使反铁磁耦合膜20A的铁磁性层20a、20c的膜厚形成差异，还能够使从磁旋转层20A向磁记录层12附加的微波磁场的旋转方向与由单一膜形成的磁旋转层的情况相反。

[0088] （第4实施方式）

[0089] 图15中示出第4实施方式的磁阻效应元件。第4实施方式的磁阻效应元件1构成为在图5所示的第1实施方式的磁阻效应元件中，使用在垂直磁化膜12a上层叠面内磁化膜12b而成的层叠型的磁记录层12A来作为磁记录层12。

[0090] 在第1～第3实施方式的磁阻效应元件中，磁记录层的谐振频率成为对于谐振磁场写入的重要参数。磁记录层的谐振频率如Kittel算式，即算式（5）所示地依存于磁各向异性能量。因此，通过如第4实施方式那样地使用层叠型的磁记录层12A作为磁记录层，能够使谐振频率自由地变化。此时，面内磁化膜12b不具有垂直磁各向异性，但通过与垂直磁化膜12a交换结合，磁化方向如图15所示地朝向垂直方向。一般地，若在垂直磁化膜层叠面内磁化膜，则整体的磁各向异性能量降低。因此，能够使第4实施方式的磁记录层12A的谐振频率成为所希望的频率。另外，作为垂直磁化膜12a，优选使用包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和Pt、Pd中的至少一个元素的具有L10型结晶构造的磁性体，或者使用包含Fe、Co、Ni中的至少一个元素和Cr、Ta、Pt、Pd中的至少一个元素的具有六方晶型结晶构造的磁性体。该情况下，可以使用包含Fe、Co、Ni、Mn中的至少一个元素的合金作为面内磁化膜12b。

[0091] 此外，如图16所示的变形例的磁阻效应元件1那样，即使使用在垂直磁化膜12a与垂直磁化膜12d之间设置包含Cu、Au、Ag或Ru的任一元素的隔离层12c并使之反铁磁耦合后的垂直型SAF结合膜12B，与第1～第3实施方式相比，也能够制作使谐振频率变化了的磁记录层12B。

[0092] 该第4实施方式以及其变形例也能够与第1实施方式同样地使用单一方向电流进行没有误写入的稳定的写入。

[0093] 另外，对第2～第4实施方式适当地进行组合也能够与第1实施方式同样地使用单一方向电流进行没有误写入的稳定的写入。

[0094] （第5实施方式）

[0095] 接下来，图17中示出第5实施方式的磁性随机存取存储器（MRAM）。

[0096] 本实施方式的MRAM具备具有矩阵状排列的存储单元MC的存储单元阵列100。而且，各存储单元MC具备第1～第4实施方式以及其变形例的任一个或其组合而成的磁阻效应元件1。

[0097] 此外，在存储单元阵列100，以分别沿列（column）方向延伸的方式配置有多个位线对BL，／BL。此外，在存储单元阵列100，以分别沿行（row）方向延伸的方式配置有多个字线WL。

[0098] 在位线BL与字线WL的交差部分配置有存储单元MC。各存储单元MC具有磁阻效应元件1和选择晶体管40。磁阻效应元件1的一端连接于位线BL。磁阻效应元件1的另一端连接于选择晶体管40的漏极端子。选择晶体管40的栅极端子连接于字线WL。选择晶体管40的源极端子连接于位线／BL。

[0099] 在字线WL连接有行译码器50。在位线对BL，／BL连接有写入电路以及读出电路60。在写入电路以及读出电路60连接有列译码器70。通过行译码器50以及列译码器70来选择各存储单元MC。

[0100] 向存储单元MC的数据写入是如下进行的。首先，为了选择进行数据写入的存储单元MC，激活连接于该存储单元MC的字线WL。由此，开启选择晶体管40。

[0101] 在此，向磁阻效应元件1供给仅单一方向的写入电流即可。具体地讲，在向磁阻效应元件1供给附图上从左向右的写入电流Iw的情况下，写入电路以及读出电路60中的写入电路向位线BL附加正电位，向位线／BL附加接地电位。这样一来，能够向存储单元MC写入数据“0”或数据“1”。

[0102] 从存储单元MC的数据读出是如下进行的。首先，选择存储单元MC。写入电路以及读出电路60中的读出电路向磁阻效应元件1供给例如附图上从右向左流动的读出电流Ir。然后，上述读出电路基于该读出电流Ir，检测磁阻效应元件1的阻值。这样一来，能够读出存储于磁阻效应元件1的信息。在该第5实施方式的MRAM中，无需搭载用于使写入电流向两个方向流动的周边电路，因此，容易实现单元占有率高的大容量的MRAM。

[0103] （第6实施方式）

[0104] 图18中示出第6实施方式的MRAM。第6实施方式的MRAM具有交叉点型架构。即，第6实施方式的MRAM构成为在位线BL与字线WL之间具备包含第1～第4实施方式的任一磁阻效应元件1和二极管80的存储单元MC。另外，作为二极管80，可以使用PN二极管或肖特基二极管。此外，取代二极管80，也可以使用具有仅使电流在单一方向流动的整流功能的整流元件。另外，在图18中，二极管80设在了位线侧，但也可以设在字线WL侧。

[0105] 在第6实施方式中，只能使电流在单一方向流动，因此，优选将第1实施方式中说明的第1以及第2写入电流用于写入，并且作为读出电流，使用磁旋转层20产生具有与磁记录层12的谐振频率错开的旋转频率的电流值且磁记录层12的磁化方向不会通过自旋注入发生反转的电流值。

[0106] 该情况下，通过行译码器以及列译码器的组合，能够选择进行写入以及读出的存储单元。在该第6实施方式的MRAM中，无需在各存储单元搭载选择晶体管，因此，能够实现单元占有率高的大容量的MRAM。

[0107] 另外，如图18所示，第6实施方式的MRAM采用在下层和上层分别具备交叉点型架构的构成，若以共有与下层以及上层的交叉点型架构的同一位置对应的布线，例如，位线BL的方式进行配置，则能够形成层叠型的MRAM。此外，若将图18所示的电路构成设为单位阶层，原理上，进行N次层叠，能够形成使各单位面积的容量增为N倍的超大容量存储器。

[0108] 虽对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子公开的，其意图并不在于限定发明的范围。这些实施方式能够通过其他的各种形态实施，在不脱离发明主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式和其变形包含于发明的范围和主旨中，同样，包含于权利要求中所记载的发明和其均等范围内。

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