クラスター並びにこれを用いたスピンＲＡＭ及びスピントルク発振器
【課題】スピンＲＡＭ、スピントルク発振器などに適用できるクラスターを提案する。
【解決手段】本発明の例に係わるクラスターは、磁性発振素子としての第一磁気抵抗効果素子MTJ１と、メモリセルとしての第二磁気抵抗効果素子MTJ２とを備える。第一及び第二磁気抵抗効果素子MTJ１，MTJ２は、磁化方向が可変の磁気フリー層１１−１，１１−２、磁化方向が不変の磁気ピンド層１２−１，１２−２、及び、これらの間に配置されるスペーサー層１３−１，１３−２を基本構造とする。第一磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層１１−１は、第一磁気抵抗効果素子MTJ１に発振閾値電流よりも大きい電流を流したときに、第二磁気抵抗効果素子MTJ２の磁気フリー層１１−２と磁気ピンド層１２−２との残留磁化の磁化方向に依存した周波数で磁化振動する。
【解決手段】本発明の例に係わるクラスターは、磁性発振素子としての第一磁気抵抗効果素子MTJ１と、メモリセルとしての第二磁気抵抗効果素子MTJ２とを備える。第一及び第二磁気抵抗効果素子MTJ１，MTJ２は、磁化方向が可変の磁気フリー層１１−１，１１−２、磁化方向が不変の磁気ピンド層１２−１，１２−２、及び、これらの間に配置されるスペーサー層１３−１，１３−２を基本構造とする。第一磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層１１−１は、第一磁気抵抗効果素子MTJ１に発振閾値電流よりも大きい電流を流したときに、第二磁気抵抗効果素子MTJ２の磁気フリー層１１−２と磁気ピンド層１２−２との残留磁化の磁化方向に依存した周波数で磁化振動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の磁気抵抗効果素子から構成されるクラスター並びにこれを用いたスピンＲＡＭ及びスピントルク発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
主に、L. Berger（例えば、非特許文献１を参照）及びJ. C. Slonczewski（例えば、非特許文献２を参照）により、「電流による磁化操作」というパラダイムがもたらされ、２０００年ごろにパラダイムシフトが起こって以来、電流による磁化操作という概念の精密化に関する研究やその概念を応用するという研究が活発に行なわれている。
【０００３】
その応用面においては、電流による磁化操作において中心的な役割を演ずる物理量の一つがスピントルクであることから、スピントルクデバイス、或いは、スピン注入デバイスと呼ばれる一群のデバイスに関する開発が盛んに行なわれている(スピントロニクスの勃興)。
【０００４】
金属強磁性体を用いるスピントルクデバイスの基本構造は、フリー層、スペーサー層、ピンド層の３層積層構造である。その代表的なデバイスとして、スピン注入磁化反転を活かしたスピン注入磁気ランダムアクセスメモリ（スピンＲＡＭ）や、スピン注入自励発振を活かした磁性発振素子(スピントルク発振器；Spin-Torque Oscillator)などがある。
【０００５】
フリー層の磁化を大きさが普遍な単磁区磁化とし、その方向２自由度の動力学を考えると、Poincare-Bendixson定理の見地から、スピンＲＡＭは静的状態を活かしたデバイス、磁性発振素子はリミットサイクルを活かしたデバイス、と見做すことができる。
【０００６】
スピンＲＡＭは、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子に関し、フリー層の磁化とピンド層の磁化が平行であるか反平行であるかに応じて、素子抵抗が小さくなったり大きくなったりすることを利用して磁気データを記憶する。
【０００７】
しかし、スピンＲＡＭでは、通常、一つのメモリセルに一つの選択トランジスタが付加されている。また、書き込み（磁化反転）をスピントルクにより行うに当って、そのために必要なスピン注入電流の電流密度を十分に下げられず、メモリセルが微細化されても、選択トランジスタが微細化できない、という事態が発生している。
【０００８】
このため、一つのメモリセルに一つの選択トランジスタを付加する 1 to 1のセル構造ではなく、複数のメモリセルに一つの選択トランジスタを付加する many to 1の新たなセル構造の開発が望まれている。
【０００９】
これが実現できれば、スピンＲＡＭ全体の体積を減らすことができ、その分、更なるメモリ容量の大容量化を図ることができる。
【００１０】
また、スピンＲＡＭでは、通常、読み出し或いは書き込みは、メモリセル毎に行われる。ここで、複数のメモリセルに対して同時に読み出し或いは書き込みができれば、高速かつ省電力のスピンＲＡＭとすることができる。
【００１１】
一方、磁性発振素子は、数〜数十GHzの磁化振動を活かしたサブミクロンサイズの高周波発振器であり、さまざまな用途が考案されている。
【００１２】
例えば、高周波出力の周波数（磁化振動の周波数に他ならない）が外部磁場によって変調する特徴を生かして磁気センサーへの適用が提案されている（例えば、特願2007-249650、特願2008-222294を参照）。
【００１３】
また、高周波出力の周波数が素子に通電する電流に依存する特徴を生かしてカレントチューナブル発振器への適用が提案されている（例えば、非特許文献３及び非特許文献４を参照）。
【００１４】
さらに、磁化の振動に由来する振動磁場が素子から発生する特徴を生かして振動磁場発生器が提案されている。この振動磁場発生器としての磁性発振素子を磁気記録装置の高周波書き込み時のアシスト用素子として用いる、といった用途も検討されている（例えば、特許文献１を参照）。
【００１５】
そこで、例えば、このような磁性発振素子を発振器として使用する場合、発振周波数をオンデマンドにチューンすることができれば、非常に好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第4050245号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】L. Berger: Journal of Applied Physics 3, 2156 (1978).
【非特許文献２】J. C. Slonczewski: J. Magn. Magn. Mat., 159, L1 (1996).
【非特許文献３】S.I. Kiselev et al., Nature (London) 425, 380 (2003).
【非特許文献４】W. H. Rippard et al., Phys. Rev. Lett. 92, 027201 (2004).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、例えば、many to 1のセル構造に対応可能なスピンＲＡＭのメモリセルユニットとして、発振周波数をオンデマンドにチューンできる発振器として使用可能な複数の磁気抵抗効果素子から構成される新たなユニット（クラスター）について提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
(1) 本発明の例に係わるクラスターは、磁性発振素子としての第一磁気抵抗効果素子と、前記第一磁気抵抗効果素子に隣接して配置されるメモリセルとしての第二磁気抵抗効果素子とを備える。前記第一及び第二磁気抵抗効果素子は、磁化方向が可変の磁気フリー層、磁化方向が不変の磁気ピンド層、及び、これらの間に配置されるスペーサー層を基本構造とする。前記第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向は、平行又は反平行に設定される。前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層は、前記第一磁気抵抗効果素子に発振閾値電流よりも大きい電流を流したときに、前記第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向に依存した周波数で磁化振動する。これは、前記第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層の残留磁化による磁場は、前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層にとっての外部磁場であること、及び、スピン注入自励発振の磁化振動を起源とする高周波発振周波数は、外部磁場に依存するという特徴を有すること、に起因する。
【００２０】
(2) 本発明の例に係わるクラスターは、磁性発振素子としての第一磁気抵抗効果素子と、前記第一磁気抵抗効果素子に隣接して配置されるメモリセルとしての複数の第二磁気抵抗効果素子とを備える。前記第一及び第二磁気抵抗効果素子は、磁化方向が可変の磁気フリー層、磁化方向が不変の磁気ピンド層、及び、これらの間に配置されるスペーサー層を基本構造とする。前記複数の第二磁気抵抗効果素子は、前記第一磁気抵抗効果素子に対して静磁気的に非対称に配置される。前記複数の第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向は、平行又は反平行に設定される。前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層は、前記第一磁気抵抗効果素子に発振閾値電流よりも大きい電流を流したときに、前記複数の第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向に依存した周波数で磁化振動する。前記複数の第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層の残留磁化による重ね合わせ磁場は、前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層にとっての外部磁場であるためである。
【００２１】
(3) 本発明の例に係わるスピンＲＡＭは、上述の(2)のクラスターと、前記クラスターの前記第一磁気抵抗効果素子に接続される読み出し回路とを備える。前記読み出し回路は、前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層の磁化振動の周波数に基づいて、前記複数の第二磁気抵抗効果素子のそれぞれに記憶されたデータを判定する。
【００２２】
また、本発明の例に係わるスピンＲＡＭは、上述の(2)のクラスターと、前記クラスターの前記複数の第二磁気抵抗効果素子のうち選択された磁気抵抗効果素子にデータを書き込む書き込み回路とを備える。前記選択された磁気抵抗効果素子にデータを書き込んでいるときに、前記第一磁気抵抗効果素子に前記発振閾値電流よりも大きい電流を流す。
【００２３】
(4) 本発明の例に係わるスピントルク発振器は、上述の(2)のクラスターと、前記クラスターの前記第一磁気抵抗効果素子に接続される変換回路とを備える。前記変換回路は、前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層の磁化振動に由来する出力の高周波成分を取り出す。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、複数の磁気抵抗効果素子から構成される新たなユニット（クラスター）により、例えば、many to 1のセル構造のスピンＲＡＭや、発振周波数をオンデマンドにチューンできる発振器などを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係わるクラスターを示す図である。
【図２】本発明に係わるクラスターを示す図である。
【図３】第一実施例のクラスターを示す図である。
【図４】第二実施例のクラスターを示す図である。
【図５】第三実施例のクラスターを示す図である。
【図６】静磁結合を説明する図である。
【図７】静磁結合を説明する図である。
【図８】磁化状態と発振周波数との関係を示す図である。
【図９】静磁気的対称性を示す図である。
【図１０】静磁気的非対称性の例を示す図である。
【図１１】クロスポイント型スピンＲＡＭを示す図である。
【図１２】１トラ１セル型スピンＲＡＭを示す図である。
【図１３】振動磁場アシストを示す図である。
【図１４】many to 1のセル構造を示す図である。
【図１５】発振器を備えた磁気ランダムアクセスメモリを示す図である。
【図１６】磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００２７】
１． 原理
本発明は、複数の磁気抵抗効果素子から構成される新たなユニット（以下、クラスターと称する）を提案するものである。
【００２８】
図１及び図２は、本発明に係わるクラスターの原理を示している。
【００２９】
クラスター１０は、互いに隣接して配置される複数の磁気抵抗効果素子MTJ１，MTJ２から構成される。
【００３０】
磁気抵抗効果素子MTJ１は、磁化方向が可変の磁気フリー層１１−１、磁化方向が不変の磁気ピンド層１２−１、及び、これらの間に配置されるスペーサー層１３−１を基本構造とし、磁性発振素子として機能する。
【００３１】
即ち、磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層１１−１は、読み出し回路１４を用いて、磁気抵抗効果素子MTJ１に発振閾値電流よりも大きい電流を流したときに、磁化振動する。
【００３２】
ここで、図１のクラスター１０は、磁気フリー層１１−１と磁気ピンド層１２−１との残留磁化の磁化方向が平行の状態で磁化振動（平行発振）するクラスターである。
【００３３】
また、図２のクラスター１０は、磁気フリー層１１−１と磁気ピンド層１２−１との残留磁化の磁化方向が反平行の状態で磁化振動（反平行発振）するクラスターである。
【００３４】
ところで、平行とは、磁気フリー層と磁気ピンド層との磁化方向の相対角度θが０°≦θ＜９０°の範囲内にあることを意味し、反平行とは、磁気フリー層と磁気ピンド層との磁化方向の相対角度θが９０°＜θ≦１８０°の範囲内にあることを意味する。
【００３５】
磁気抵抗効果素子MTJ２は、磁化方向が可変の磁気フリー層１１−２、磁化方向が不変の磁気ピンド層１２−２、及び、これらの間に配置されるスペーサー層１３−２を基本構造とし、メモリセルとして機能する。
【００３６】
即ち、磁気抵抗効果素子MTJ２の磁気フリー層１１−２と磁気ピンド層１２−２との残留磁化の磁化方向は、書き込み回路１５により、平行又は反平行に設定される。
【００３７】
書き込み回路１５は、磁気抵抗効果素子MTJ２にスピン注入電流を流して磁気フリー層１１−２にスピントルクを発生させることにより、又は、磁気抵抗効果素子MTJ２に磁場を与えることにより、書き込み（平行又は反平行の設定）を行う。
【００３８】
この状態において、磁気抵抗効果素子MTJ１に作用する外部磁場Ｈextは、磁気抵抗効果素子MTJ２の磁気フリー層１１−２と磁気ピンド層１２−２との残留磁化の磁化方向に依存する。
【００３９】
従って、磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層１１−１は、磁気抵抗効果素子MTJ１に発振閾値電流よりも大きい電流を流したときに、磁気抵抗効果素子MTJ２の磁気フリー層１１−２と磁気ピンド層１２−２との残留磁化の磁化方向に依存した周波数で磁化振動する。
【００４０】
そして、例えば、この周波数を読み出し回路１４により測定することにより、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２の磁気フリー層１１−２と磁気ピンド層１２−２との残留磁化の磁化方向を確認することができる。
【００４１】
即ち、クラスター１０を利用してスピンＲＡＭを構成することができる。
【００４２】
また、例えば、書き込み回路１５を用いて、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２の磁気フリー層１１−２と磁気ピンド層１２−２との残留磁化の磁化方向を決めることにより、この周波数をオンデマンドにチューンすることができる。
【００４３】
即ち、読み出し回路１４に、磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層１１−１の磁化振動に由来する出力の高周波成分を取り出す変換回路としての機能を持たせれば、クラスター１０を利用して発振器を構成することができる。
【００４４】
このクラスター１０の特徴は、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１と、これに外部磁場Ｈextを作用させるメモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２とがほぼ同一の積層基本構造を有している点にある。各素子の個性は、その形状、大きさ等で付与される。
【００４５】
このため、例えば、従来型磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)プロセスに類似のプロセスを用いて、半導体基板上に本発明に係わるクラスターを容易に形成することができる。
【００４６】
また、図１及び図２は、本発明の原理を説明するための基本構造であり、例えば、これを応用することにより、高速化、省電力化及び大容量化が可能なスピンＲＡＭや、発振周波数を細かく制御可能なスピントルク発振器を構成することができる。
【００４７】
具体的には、一つの磁性発振素子に複数のメモリセルを対応させる。
【００４８】
即ち、一つのクラスターを一つの磁性発振素子と複数のメモリセルとから構成し、これらの間に静磁気的な相互作用を発生させる。
【００４９】
このようにすれば、磁性発振素子からの高周波出力は、クラスター内の複数のメモリセルが有するデータを反映したものになるため、複数のメモリセルのデータをまとめて一気に読み出し、高速化を実現できる。
【００５０】
また、読み出しに際して、複数のメモリセルのそれぞれに電流を流す必要がないため、省電力化を実現できる。
【００５１】
さらに、このクラスターを用いれば、複数のメモリセルに一つの選択トランジスタを付加する many to 1の新たなセル構造により、大容量化を実現できる。
【００５２】
また、磁性発振素子を振動磁場発生器として機能させれば、クラスター内の選択されたメモリセルにデータを書き込んでいるときに振動磁場を発生させ、この振動磁場を選択されたメモリセルの磁化反転のアシストとして用いることが可能になる。
【００５３】
この振動磁場は、書き込み対象となるメモリセルの選択に用いることもできる。
【００５４】
さらに、一つのクラスター内のメモリセルの数が多ければ多いほど、発振器の発振周波数を細かく制御することができる。
【００５５】
本発明に係わるクラスターにより発振器を構成するときは、発振器は、高出力化及び発振周波数の安定化を図るため、複数のクラスターから構成するのが好ましい。
【００５６】
２． 実施形態
(1) クラスターの構成例
本発明に係わるクラスターの最小限の要件は、磁性発振素子としての一つの磁気抵抗効果素子とメモリセルとしての一つの磁気抵抗効果素子であるが、実用上は、一つのクラスターを複数のメモリセルから構成するのが好ましい。
【００５７】
以下では、実用上好ましいクラスターの例のいくつかについて説明する。
【００５８】
図３は、クラスターの第一例を示している。
【００５９】
クラスター１０は、磁性発振素子として機能する１個の磁気抵抗効果素子MTJ１と、メモリセルとして機能する４個の磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４から構成される。
【００６０】
クラスター１０を構成する磁気抵抗効果素子MTJ１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４の基本構造は、図１及び図２に示すように、磁気フリー層／スペーサー層／磁気ピンド層の積層構造である。
【００６１】
また、同図に示す構造は、基本構造であるから、例えば、磁気フリー層又は磁気ピンド層が複数の層からなる応用構造なども、当然に本発明の範疇に含まれる。
【００６２】
メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４は、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に隣接し、かつ、これを取り囲むように配置される。
【００６３】
ここで、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４は、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に対して非対称に配置される。
【００６４】
非対称とは、静磁気的に非対称であることを意味する。
【００６５】
このように配置することにより、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４に記憶されたデータに依存した周波数（２４＝１６通り）で、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層を磁化振動させることができるからである。これについては後に詳述する。
【００６６】
静磁気的に非対称にするには、磁気抵抗効果素子MTJ１と磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４との距離を異ならせたり、磁気抵抗効果素子MTJ１, MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４の材料、形状、構造及び一軸異方性の方向のうちの少なくとも一つを異ならせたりすればよい。
【００６７】
このようなクラスター１０を、例えば、スピンＲＡＭに適用すれば、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４に記憶された４ビットデータを一度に読み出すことができる。
【００６８】
また、このようなクラスター１０を、例えば、発振器に適用すれば、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４に記憶された４ビットデータに応じて、１６通りの高周波出力を得ることができる。
【００６９】
図４は、クラスターの第二例を示している。
【００７０】
クラスター１０は、磁性発振素子として機能する１個の磁気抵抗効果素子MTJ１と、メモリセルとして機能する８個の磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８から構成される。
【００７１】
クラスター１０を構成する磁気抵抗効果素子MTJ１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８の基本構造は、図１及び図２に示すように、磁気フリー層／スペーサー層／磁気ピンド層の積層構造である。
【００７２】
メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８は、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に隣接し、かつ、これを取り囲むように配置される。
【００７３】
ここで、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８は、第一例と同様に、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に対して、静磁気的に非対称に配置される。
【００７４】
このように配置することにより、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８に記憶されたデータに依存した周波数（２８＝２５６通り）で、磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層を磁化振動させることができる。
【００７５】
このようなクラスター１０を、例えば、スピンＲＡＭに適用すれば、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８に記憶された８ビットデータを一度に読み出すことができる。
【００７６】
また、このようなクラスター１０を、例えば、発振器に適用すれば、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８に記憶された８ビットデータに応じて、２５６通りの高周波出力を得ることができる。
【００７７】
図５は、クラスターの第三例を示している。
【００７８】
クラスター１０は、磁性発振素子として機能する１個の磁気抵抗効果素子MTJ１と、メモリセルとして機能する１２個の磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８，MTJ２−９，MTJ２−１０，MTJ２−１１，MTJ２−１２から構成される。
【００７９】
クラスター１０を構成する磁気抵抗効果素子MTJ１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８，MTJ２−９，MTJ２−１０，MTJ２−１１，MTJ２−１２の基本構造は、磁気フリー層／スペーサー層／磁気ピンド層の積層構造である。
【００８０】
メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８，MTJ２−９，MTJ２−１０，MTJ２−１１，MTJ２−１２は、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に隣接し、かつ、これを取り囲むように配置される。
【００８１】
ここで、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８，MTJ２−９，MTJ２−１０，MTJ２−１１，MTJ２−１２は、第一例と同様に、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に対して、静磁気的に非対称に配置される。
【００８２】
このように配置することにより、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８，MTJ２−９，MTJ２−１０，MTJ２−１１，MTJ２−１２に記憶されたデータに依存した周波数（２１２＝４０９６通り）で、磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層を磁化振動させることができる。
【００８３】
このようなクラスター１０を、例えば、スピンＲＡＭに適用すれば、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８，MTJ２−９，MTJ２−１０，MTJ２−１１，MTJ２−１２に記憶された１２ビットデータを一度に読み出すことができる。
【００８４】
また、このようなクラスター１０を、例えば、発振器に適用すれば、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８，MTJ２−９，MTJ２−１０，MTJ２−１１，MTJ２−１２に記憶された１２ビットデータに応じて、４０９６通りの高周波出力を得ることができる。
【００８５】
(2) 磁性発振素子と複数のメモリセルとの静磁結合について
次に、クラスターを構成する磁性発振素子と複数のメモリセルとの静磁結合について説明する。ここでは、図４のクラスターを例とする。
【００８６】
図６は、図４のクラスターを示している。
【００８７】
同図に示すように、メモリセルとしての複数の磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８には、データが記憶される。
【００８８】
例えば、磁気抵抗効果素子MTJ２−１の磁気フリー層と磁気ピンド層との磁化方向は、反平行の関係にあり、磁気抵抗効果素子MTJ２−２の磁気フリー層と磁気ピンド層との磁化方向は、平行の関係にある。
【００８９】
ここで、クラスター１０を構成する磁気抵抗効果素子MTJ１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８は、アレイ状に配置されている。
【００９０】
即ち、このような配置は、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)のメモリセルアレイの配置と同じである。
【００９１】
従って、クラスター１０内の磁気抵抗効果素子MTJ１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８は、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイと同様に、各メモリセル内の磁化に起因する磁場によって互いに静磁結合している。本発明では、従来型MRAMでは望まれない、メモリセルが互いに磁気的結合するという“クロストーク”を積極利用する。
【００９２】
図７は、磁性発振素子と複数のメモリセルとの静磁結合を示している。
模式的に、静磁結合を矢印で示す。但し、複数のメモリセル間の静磁結合については省略する。
【００９３】
磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１には、その周囲に配置されるメモリセルとしての複数の磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８の磁化状態に依存した外部磁場Ｈextが作用する。
【００９４】
従って、磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層は、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８に記憶されたデータに依存した周波数（２８＝２５６通り）で磁化振動する。
【００９５】
例えば、図８のＡに示すように、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８の磁化状態が、それぞれ、反平行、平行、平行、反平行、反平行、反平行、反平行、平行であれば、磁気抵抗効果素子MTJ１からの高周波出力の発振周波数は、ｆＡとなる。
【００９６】
また、図８のＢに示すように、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８の磁化状態が、それぞれ、反平行、平行、平行、平行、平行、反平行、反平行、反平行であれば、磁気抵抗効果素子MTJ１からの高周波出力の発振周波数は、ｆＢとなる。
【００９７】
即ち、例えば、ｆＢ＞ｆＡとすれば、ｆＡとｆＢは、区別される。
【００９８】
このように、磁性発振素子と複数のメモリセルとが静磁結合することにより、磁性発振素子の高周波出力の発振周波数は、それに作用する複数のメモリセルからの外部磁場Ｈextの大きさによって変化する。
【００９９】
なお、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８が、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に対して静磁気的に非対称であることが好ましい。
【０１００】
なぜなら、複数のメモリセルが磁性発振素子に対して静磁気的に対称に配置されていると、例えば、図９のＡの磁化状態と図９のＢの磁化状態とを区別することができなくなるためである。これは、データの縮退を意味し、大容量化という観点からは好ましくない。
【０１０１】
即ち、図９のＡでは、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，２−８の磁化状態が平行であり、磁気抵抗効果素子MTJ２−４，２−５の磁化状態が反平行である。また、図９のＢでは、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，２−８の磁化状態が反平行であり、磁気抵抗効果素子MTJ２−４，２−５の磁化状態が平行である。
【０１０２】
しかし、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，２−８と磁気抵抗効果素子MTJ２−４，２−５とは、磁気抵抗効果素子MTJ１に対して静磁気的に対称に配置されているため、図９Ａの磁化状態から得られる発振周波数と図９Ｂの磁化状態から得られる発振周波数とは、同じになる。
【０１０３】
従って、図９のＡの磁化状態と図９のＢの磁化状態とを区別することができない（データの縮退）。
【０１０４】
そこで、例えば、図１０に示すように、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８を、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に対して静磁気的に非対称に配置する。
【０１０５】
ここでは、磁気抵抗効果素子MTJ１と磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８との距離及び磁気抵抗効果素子MTJ１の形状により、非対称性を持たせているが、これに限られることはない。
【０１０６】
(3) まとめ
このように、本発明の例によれば、複数の磁気抵抗効果素子から構成されるクラスターにより、例えば、高速化、省電力化及び大容量化が可能なスピンＲＡＭや、発振周波数をオンデマンドにチューンできる発振器などを実現できる。
【０１０７】
３． 適用例
本発明に係わるクラスターは、スピンＲＡＭ及び発振器に適用することができる。
【０１０８】
(1) スピンＲＡＭ
・ クロスポイント型スピンＲＡＭ
図１１は、クロスポイント型スピンＲＡＭを示している。
【０１０９】
ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，ＷＬ３，ＷＬ４，ＷＬ５は、第一方向に延び、その一端は、ロウ選択スイッチ１６を介してワード線ドライバ／シンカー１７に接続される。
【０１１０】
ビット線ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＬ３，ＢＬ４，ＢＬ５，ＢＬ６は、第一方向に交差する第二方向に延び、その一端は、カラム選択スイッチ１８を介してビット線ドライバ／シンカー（読み出し回路）１９に接続される。
【０１１１】
そして、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，ＷＬ３，ＷＬ４，ＷＬ５とビット線ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＬ３，ＢＬ４，ＢＬ５，ＢＬ６の交点には、磁気抵抗効果素子が配置される。
【０１１２】
ここまでは、一般的なクロスポイント型スピンＲＡＭと全く同じである。
【０１１３】
このようなスピンＲＡＭに本発明を適用すると、例えば、互いに隣接する９個（＝３×３）の磁気抵抗効果素子によりクラスター１０が構成される。
【０１１４】
クラスター１０を構成する９個の磁気抵抗効果素子のうち、中央の１つは、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１である。残りの８個は、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８である。
【０１１５】
データの読み出しは、クラスター１０単位で行う。
【０１１６】
例えば、選択されたクラスター１０(select)内の８個の磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８のデータを読み出す場合を考える。
【０１１７】
まず、ロウ選択スイッチ１６によりロウＲＯＷ３を選択し、カラム選択スイッチ１８によりカラムＣＯＬ５を選択する。
【０１１８】
そして、読み出し回路１９を用いて、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ１に、発振閾値電流よりも大きい電流を流す。
【０１１９】
この時、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１は、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８のデータ（磁化状態：平行／反平行）に応じた周波数で磁化振動する。
【０１２０】
従って、この周波数を読み出し回路１９で判定することにより、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８のデータをまとめて一度に読み出すことができる。
【０１２１】
また、データの書き込みは、メモリセル単位で行う。
【０１２２】
一般的なクロスポイント型スピンＲＡＭの書き込みと同様に、スピン注入磁化反転を利用する。即ち、選択されたメモリセル（磁気抵抗効果素子）に書き込みデータに応じた向きのスピン注入電流を流すことによりスピントルクを発生させ、その磁化状態（平行／反平行）を制御することで書き込みを実行する。
【０１２３】
例えば、選択されたメモリセルが、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−１である場合を考える。
【０１２４】
まず、ロウ選択スイッチ１６によりロウＲＯＷ４を選択し、カラム選択スイッチ１８によりカラムＣＯＬ５を選択する。
【０１２５】
そして、ワード線ドライバ／シンカー１７及びビット線ドライバ／シンカー１９を用いて、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−１に、書き込みデータに応じた向きのスピン注入電流を流す。
【０１２６】
これにより、磁気抵抗効果素子MTJ２−１の磁化状態（平行／反平行）は、スピン注入電流の向きに応じた状態になり、書き込みが完了する。
【０１２７】
ここで、スピン注入電流の大きさは、スピントルクによる磁化反転を行うために、磁化反転閾値電流よりも大きいことが必要である。
【０１２８】
また、スピン注入電流による書き込み時に、磁性発振素子から振動磁場を発生させ、これを磁化反転のアシストとして使用する（共鳴励起スピン注入磁化反転の利用）ことも可能である。
【０１２９】
例えば、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−１に対するデータの書き込み時に、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ１を磁化振動させる。
【０１３０】
これにより、例えば、図１３に示すように、スピントルクによる書き込み時に、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１の磁化振動２０Ａによる振動磁場２０Ｂが、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１に作用するため、磁化反転閾値電流が小さくなる。
【０１３１】
即ち、スピン注入電流Ｉｓの値を小さくすることができ、スピンＲＡＭの省電力化に貢献することができる。
【０１３２】
・ １トラ１セル型スピンＲＡＭ
図１２は、１トラ１セル型スピンＲＡＭを示している。
【０１３３】
ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，ＷＬ３，ＷＬ４，ＷＬ５，ＷＬ６は、第一方向に延び、その一端は、ワード線ドライバ（デコーダ）２１に接続される。
【０１３４】
上部ビット線ＢＬｕ１，ＢＬｕ２，ＢＬｕ３，ＢＬｕ４，ＢＬｕ５，ＢＬｕ６，ＢＬｕ７は、第一方向に交差する第二方向に延び、その一端は、カラム選択スイッチ２２を介してビット線ドライバ／シンカー２３に接続される。
【０１３５】
下部ビット線ＢＬｄ１，ＢＬｄ２，ＢＬｄ３，ＢＬｄ４，ＢＬｄ５，ＢＬｄ６，ＢＬｄ７は、第一方向に交差する第二方向に延び、その一端は、カラム選択スイッチ２４を介してビット線ドライバ／シンカー（読み出し回路）２５に接続される。
【０１３６】
そして、上部ビット線ＢＬｕ１，ＢＬｕ２，ＢＬｕ３，ＢＬｕ４，ＢＬｕ５，ＢＬｕ６，ＢＬｕ７と下部ビット線ＢＬｄ１，ＢＬｄ２，ＢＬｄ３，ＢＬｄ４，ＢＬｄ５，ＢＬｄ６，ＢＬｄ７との間には、磁気抵抗効果素子と選択トランジスタＴｒが配置される。
【０１３７】
選択トランジスタＴｒは、電界効果トランジスタから構成され、そのゲートは、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，ＷＬ３，ＷＬ４，ＷＬ５，ＷＬ６に接続される。
【０１３８】
ここまでは、一般的な１トラ１セル型スピンＲＡＭと全く同じである。
【０１３９】
このようなスピンＲＡＭに本発明を適用すると、例えば、互いに隣接する９個（＝３×３）の磁気抵抗効果素子によりクラスター１０が構成される。
【０１４０】
クラスター１０を構成する９個の磁気抵抗効果素子のうち、中央の１つは、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１である。残りの８個は、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８である。
【０１４１】
データの読み出しは、クラスター１０単位で行う。
【０１４２】
例えば、選択されたクラスター１０(select)内の８個の磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８のデータを読み出す場合を考える。
【０１４３】
まず、ワード線ドライバ（デコーダ）２１によりロウＲＯＷ５を選択し、カラム選択スイッチ２２，２４によりカラムＣＯＬ３を選択する。
【０１４４】
そして、読み出し回路２５を用いて、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ１に、発振閾値電流よりも大きい電流を流す。
【０１４５】
この時、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１は、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８のデータ（磁化状態：平行／反平行）に応じた周波数で磁化振動する。
【０１４６】
従って、この周波数を読み出し回路２５で判定することにより、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８のデータをまとめて一度に読み出すことができる。
【０１４７】
また、データの書き込みは、メモリセル単位で行う。
【０１４８】
一般的な１トラ１セル型スピンＲＡＭの書き込みと同様に、スピン注入磁化反転を利用する。即ち、選択されたメモリセル（磁気抵抗効果素子）に書き込みデータに応じた向きのスピン注入電流を流すことによりスピントルクを発生させ、その磁化状態（平行／反平行）を制御することで書き込みを実行する。
【０１４９】
例えば、選択されたメモリセルが、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−１である場合を考える。
【０１５０】
まず、ワード線ドライバ（デコーダ）２１によりロウＲＯＷ５を選択し、カラム選択スイッチ２２，２４によりカラムＣＯＬ４を選択する。
【０１５１】
そして、ビット線ドライバ／シンカー２３，２５を用いて、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−１に、書き込みデータに応じた向きのスピン注入電流を流す。
【０１５２】
これにより、磁気抵抗効果素子MTJ２−１の磁化状態（平行／反平行）は、スピン注入電流の向きに応じた状態になり、書き込みが完了する。
【０１５３】
ここで、スピン注入電流の大きさは、スピントルクによる磁化反転を行うために、磁化反転閾値電流よりも大きいことが必要である。
【０１５４】
また、スピン注入電流による書き込み時に、磁性発振素子から振動磁場を発生させ、これを磁化反転のアシストとして使用する（共鳴励起スピン注入磁化反転の利用）ことも可能である。
【０１５５】
例えば、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−１に対するデータの書き込み時に、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ１を磁化振動させる。
【０１５６】
これにより、例えば、図１３に示すように、スピントルクによる書き込み時に、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１の磁化振動２０Ａによる振動磁場２０Ｂが、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１に作用するため、磁化反転閾値電流が小さくなる。
【０１５７】
即ち、スピン注入電流Ｉｓの値を小さくすることができ、スピンＲＡＭの省電力化に貢献することができる。
【０１５８】
・ many to 1のセル構造
図１４は、many to 1のセル構造を有するスピンＲＡＭを示している。
クラスター１０は、図１１及び図１２のスピンＲＡＭのクラスターと同じである。
【０１５９】
このスピンＲＡＭの特徴は、複数のクラスター１０内のメモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−ｉ（ｉは、１〜８のうちの一つ）に共通に一つの選択トランジスタＳＷが接続されている点にある。
【０１６０】
但し、同図では、図面の複雑化を回避するため、複数のクラスター１０内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６に共通に接続される選択トランジスタＳＷのみを示す。
【０１６１】
このようにすることで、例えば、図１２の１トラ１セル型スピンＲＡＭに比べて、選択トランジスタの数を減らすことができ、メモリ容量の大容量化に貢献できる。
【０１６２】
このスピンＲＡＭの読み出し動作は、例えば、図１１及び図１２の場合と同様に、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ１に、発振閾値電流よりも大きい電流を流すことにより行う。
【０１６３】
また、書き込み動作では、磁性発振素子を用いて書き込み対象となるメモリセル（磁気抵抗効果素子）を選択する。
【０１６４】
例えば、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６にデータを書き込む場合を考える。
【０１６５】
この場合、制御信号φを“Ｈ”にし、選択トランジスタＳＷをオンにする。
【０１６６】
この時、全てのクラスター１０内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６にスピン注入電流Ｉｓが流れる。
【０１６７】
また、選択されたクラスター１０(select)内の磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に、発振閾値電流よりも大きい電流を流す。これにより、磁気抵抗効果素子MTJ１からは、振動磁場２０Ｂが発生する。
【０１６８】
選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６には、この振動磁場２０Ｂが作用するため、磁化反転（平行→反平行、又は、反平行→平行）に必要な磁化反転閾値電流は、小さくなる。
【０１６９】
これに対し、非選択のクラスター１０内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６には、この振動磁場２０Ｂが作用しないため、非選択のクラスター１０内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６の磁化反転閾値電流は、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６の磁化反転閾値電流よりも大きくなる。
【０１７０】
従って、スピン注入電流Ｉｓの大きさを、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６の磁化反転閾値電流よりも大きく、非選択のクラスター１０内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６の磁化反転閾値電流よりも小さくすれば、書き込み時において、磁性発振素子を用いて書き込み対象となるメモリセル（磁気抵抗効果素子）を選択することができる。
【０１７１】
(2) スピントルク発振器
本発明に係わるクラスターは、磁気抵抗効果素子から構成される。このため、このクラスターを、磁気ランダムアクセスメモリの動作を制御するクロック発振器に適用することは非常に有効である。
【０１７２】
図１５は、磁気ランダムアクセスメモリを示している。
【０１７３】
メモリセルアレイ３１は、アレイ状に配置された複数の磁気抵抗効果素子から構成される。メモリセルアレイ構造は、クロスポイント型、１トラ１セル型などがよく知られているが、これに限定されることはない。
【０１７４】
メモリセルアレイ３１の第一方向の一端には、ワード線ドライバ（デコーダ）３４が配置される。また、メモリセルアレイ３１の第二方向の両端には、それぞれ、ビット線ドライバ／シンカー３５が配置される。読み出し回路３６は、メモリセルアレイ３１の第二方向の一端に配置される。
【０１７５】
制御回路３３は、ワード線ドライバ３４、ビット線ドライバ／シンカー３５及び読み出し回路３６の動作を制御する。
【０１７６】
発振器３２は、本発明に係わるクラスターから構成される。
【０１７７】
また、高出力化及び発振周波数の安定化を図るため、発振器３２は、複数のクラスターから構成するのが好ましい。
【０１７８】
本発明に係わるクラスターは、磁気抵抗効果素子から構成されるため、メモリセルアレイ３１内のメモリセル（磁気抵抗効果素子）と同時に発振器３２内の磁気抵抗効果素子を形成することができる。
【０１７９】
また、発振器３２は、発振周波数をオンデマンドにチューンできるため、磁気ランダムアクセスメモリとしての用途が広がる。
【０１８０】
(3) その他
本発明に係わるクラスターから出力される高周波出力は、アナログ信号である。このアナログ信号をデジタル信号に変換する変換回路を設けてもよいし、このアナログ信号を用いてそのまま演算を行うロジックデバイスを構成してもよい。
【０１８１】
４． 製造方法
磁気抵抗効果素子の製造方法と材料例について、図１６を参照しながら説明する。
【０１８２】
まず、ＣＶＤ法により、半導体基板４１上に、例えば、ＳｉＯ２から構成される絶縁層４２を形成する。また、スパッタリング法により、絶縁層４２上に、例えば、Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａの積層構造から構成される下部電極４３を形成する。
【０１８３】
この後、下部電極４３上に磁気抵抗効果素子５１を形成する。
【０１８４】
磁気抵抗効果素子５１は、下部電極４３上に、強磁性層４８、非磁性層４９及び強磁性層５０の積層構造を形成することにより形成される。
【０１８５】
磁気抵抗効果素子５１をボトムピン型にするときは、強磁性層４８は、磁気ピンド層になり、強磁性層５０は、磁気フリー層になる。また、磁気抵抗効果素子５１をトップピン型にするときは、強磁性層４８は、磁気フリー層になり、強磁性層５０は、磁気ピンド層になる。
【０１８６】
ここでは、磁気抵抗効果素子５１をボトムピン型にする場合について説明する。
この場合、強磁性層４８は、例えば、反強磁性層４４／強磁性層４５／非磁性層４６／強磁性層４７の積層構造から構成される。
【０１８７】
反強磁性層４４は、例えば、ＩｒＭｎから構成される。
【０１８８】
強磁性層４５、非磁性層４６及び強磁性層４７は、例えば、二つの強磁性層が磁気交換結合するＳＡＦ(synthetic anti-ferromagnetic)構造を有する。強磁性層４５は、例えば、ＣｏＦｅから構成され、非磁性層４６は、例えば、Ｒｕから構成され、強磁性層４７は、例えば、ＣｏＦｅＢから構成される。
【０１８９】
非磁性層４９は、例えば、ＭｇＯから構成され、トンネルバリア層となる。
【０１９０】
そして、強磁性層４８、非磁性層４９及び強磁性層５０の積層構造は、フォトリソグラフィーとＲＩＥにより、パターニングされる。その結果、例えば、平面形状が長方形又は楕円形の磁気抵抗効果素子５１が形成される。
【０１９１】
また、この磁気抵抗効果素子５１の周囲を取り囲む絶縁層５２を形成する。絶縁層５２は、例えば、ＳｉＯ２から構成される。
【０１９２】
最後に、スパッタリング法により、磁気抵抗効果素子５１上に、例えば、Ａｕ／Ｃｕの積層構造から構成される上部電極５３を形成する。
【０１９３】
５． その他
本発明に係わるクラスターを構成する磁気抵抗効果素子に関し、磁気フリー層及び磁気ピンド層は、例えば、面内磁化を有するが、垂直磁化を有していてもよい。
【０１９４】
磁気フリー層に関して、面内磁化とは、磁化方向が磁気フリー層とスペーサー層との接合面に対して平行であることを意味し、垂直磁化とは、磁化方向が磁気フリー層とスペーサー層との接合面に対して垂直であることを意味する。
【０１９５】
磁気ピンド層に関して、面内磁化とは、磁化方向が磁気ピンド層とスペーサー層との接合面に対して平行であることを意味し、垂直磁化とは、磁化方向が磁気ピンド層とスペーサー層との接合面に対して垂直であることを意味する。
【０１９６】
また、磁気フリー層及び磁気ピンド層は、例えば、一軸磁気異方性を有する。
【０１９７】
一軸磁気異方性は、結晶磁気異方性の高い材料を一様磁場内で成膜することにより、又は、成膜後に一様磁場内でアニールすることにより発生させることができる。これを結晶磁気異方性と呼ぶ。また、一軸磁気異方性は、強磁性体の形状を長方形又は楕円形にすることにより発生させることもできる。これを形状磁気異方性と呼ぶ。
【０１９８】
磁気フリー層の平面形状は、例えば、磁気フリー層の一軸磁気異方性の方向を長軸とする楕円形とすることができる。磁気ピンド層の平面形状は、磁気フリー層の平面形状と同じであっても、異なっていてもよい。
【０１９９】
磁気フリー層の平面形状とは、磁気フリー層とスペーサー層との接合面に平行な平面内での磁気フリー層の形状のことを意味する。また、磁気ピンド層の平面形状とは、磁気ピンド層とスペーサー層との接合面に平行な平面内での磁気ピンド層の形状のことを意味する。
【０２００】
６． むすび
本発明によれば、複数の磁気抵抗効果素子から構成される新たなユニット（クラスター）により、例えば、many to 1のセル構造のスピンＲＡＭや、発振周波数をオンデマンドにチューンできる発振器などを実現できる。
【０２０１】
本発明の例は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【０２０２】
なお、図面、発明の詳細な説明において、便宜上、磁気抵抗効果素子に対してMTJというラベルを用いたが、本発明は、スペーサー層がトンネル型の素子に限定されるものではない。本発明の構成要素に含まれる磁気抵抗効果素子は、スペーサー層がメタル型の素子（いわゆるGMR素子）であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【０２０３】
本発明は、スピンRAM、スピントルク発振器、それを応用した、携帯用電子機器におけるリファレンスクロック、単一の送受信回路チップ内リファレンスクロック、単一チップRFスペクトラムアナライザ用局部発振器、無線通信用送受信器、高周波アシスト記録用素子、磁気センサーなどに対して、産業上のメリットは多大である。
【符号の説明】
【０２０４】
１０： クラスター、 １１−１，１１−２： 磁気フリー層、 １２−１，１２−２： 磁気ピンド層、 １３−１，１３−２： スペーサー層、 １４： 読み出し回路、 １５： 書き込み回路、 １６： ロウ選択スイッチ、 １７： ワード線ドライバ／シンカー、 １８： カラム選択スイッチ、 １９，２５： ビット線ドライバ／シンカー（読み出し回路）、 ２０Ａ： 磁化振動、 ２０Ｂ： 振動磁場、 ２１，３４： ワード線ドライバ（デコーダ）、 ２２，２４： カラム選択スイッチ、 ２３，３５： ビット線ドライバ／シンカー、 ３１： メモリセルアレイ、 ３２： 発振器、 ３３： 制御回路、 ３６： 読み出し回路、 ４１： 半導体基板、 ４２, ５２： 絶縁層、 ４３： 下部電極、 ４４： 反強磁性層、 ４５, ４７, ４８, ５０： 強磁性層、 ４６, ４９： 非磁性層、 ５１： 磁気抵抗効果素子、 ５３： 上部電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の磁気抵抗効果素子から構成されるクラスター並びにこれを用いたスピンＲＡＭ及びスピントルク発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
主に、L. Berger（例えば、非特許文献１を参照）及びJ. C. Slonczewski（例えば、非特許文献２を参照）により、「電流による磁化操作」というパラダイムがもたらされ、２０００年ごろにパラダイムシフトが起こって以来、電流による磁化操作という概念の精密化に関する研究やその概念を応用するという研究が活発に行なわれている。
【０００３】
その応用面においては、電流による磁化操作において中心的な役割を演ずる物理量の一つがスピントルクであることから、スピントルクデバイス、或いは、スピン注入デバイスと呼ばれる一群のデバイスに関する開発が盛んに行なわれている(スピントロニクスの勃興)。
【０００４】
金属強磁性体を用いるスピントルクデバイスの基本構造は、フリー層、スペーサー層、ピンド層の３層積層構造である。その代表的なデバイスとして、スピン注入磁化反転を活かしたスピン注入磁気ランダムアクセスメモリ（スピンＲＡＭ）や、スピン注入自励発振を活かした磁性発振素子(スピントルク発振器；Spin-Torque Oscillator)などがある。
【０００５】
フリー層の磁化を大きさが普遍な単磁区磁化とし、その方向２自由度の動力学を考えると、Poincare-Bendixson定理の見地から、スピンＲＡＭは静的状態を活かしたデバイス、磁性発振素子はリミットサイクルを活かしたデバイス、と見做すことができる。
【０００６】
スピンＲＡＭは、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子に関し、フリー層の磁化とピンド層の磁化が平行であるか反平行であるかに応じて、素子抵抗が小さくなったり大きくなったりすることを利用して磁気データを記憶する。
【０００７】
しかし、スピンＲＡＭでは、通常、一つのメモリセルに一つの選択トランジスタが付加されている。また、書き込み（磁化反転）をスピントルクにより行うに当って、そのために必要なスピン注入電流の電流密度を十分に下げられず、メモリセルが微細化されても、選択トランジスタが微細化できない、という事態が発生している。
【０００８】
このため、一つのメモリセルに一つの選択トランジスタを付加する 1 to 1のセル構造ではなく、複数のメモリセルに一つの選択トランジスタを付加する many to 1の新たなセル構造の開発が望まれている。
【０００９】
これが実現できれば、スピンＲＡＭ全体の体積を減らすことができ、その分、更なるメモリ容量の大容量化を図ることができる。
【００１０】
また、スピンＲＡＭでは、通常、読み出し或いは書き込みは、メモリセル毎に行われる。ここで、複数のメモリセルに対して同時に読み出し或いは書き込みができれば、高速かつ省電力のスピンＲＡＭとすることができる。
【００１１】
一方、磁性発振素子は、数〜数十GHzの磁化振動を活かしたサブミクロンサイズの高周波発振器であり、さまざまな用途が考案されている。
【００１２】
例えば、高周波出力の周波数（磁化振動の周波数に他ならない）が外部磁場によって変調する特徴を生かして磁気センサーへの適用が提案されている（例えば、特願2007-249650、特願2008-222294を参照）。
【００１３】
また、高周波出力の周波数が素子に通電する電流に依存する特徴を生かしてカレントチューナブル発振器への適用が提案されている（例えば、非特許文献３及び非特許文献４を参照）。
【００１４】
さらに、磁化の振動に由来する振動磁場が素子から発生する特徴を生かして振動磁場発生器が提案されている。この振動磁場発生器としての磁性発振素子を磁気記録装置の高周波書き込み時のアシスト用素子として用いる、といった用途も検討されている（例えば、特許文献１を参照）。
【００１５】
そこで、例えば、このような磁性発振素子を発振器として使用する場合、発振周波数をオンデマンドにチューンすることができれば、非常に好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第4050245号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】L. Berger: Journal of Applied Physics 3, 2156 (1978).
【非特許文献２】J. C. Slonczewski: J. Magn. Magn. Mat., 159, L1 (1996).
【非特許文献３】S.I. Kiselev et al., Nature (London) 425, 380 (2003).
【非特許文献４】W. H. Rippard et al., Phys. Rev. Lett. 92, 027201 (2004).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、例えば、many to 1のセル構造に対応可能なスピンＲＡＭのメモリセルユニットとして、発振周波数をオンデマンドにチューンできる発振器として使用可能な複数の磁気抵抗効果素子から構成される新たなユニット（クラスター）について提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
(1) 本発明の例に係わるクラスターは、磁性発振素子としての第一磁気抵抗効果素子と、前記第一磁気抵抗効果素子に隣接して配置されるメモリセルとしての第二磁気抵抗効果素子とを備える。前記第一及び第二磁気抵抗効果素子は、磁化方向が可変の磁気フリー層、磁化方向が不変の磁気ピンド層、及び、これらの間に配置されるスペーサー層を基本構造とする。前記第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向は、平行又は反平行に設定される。前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層は、前記第一磁気抵抗効果素子に発振閾値電流よりも大きい電流を流したときに、前記第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向に依存した周波数で磁化振動する。これは、前記第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層の残留磁化による磁場は、前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層にとっての外部磁場であること、及び、スピン注入自励発振の磁化振動を起源とする高周波発振周波数は、外部磁場に依存するという特徴を有すること、に起因する。
【００２０】
(2) 本発明の例に係わるクラスターは、磁性発振素子としての第一磁気抵抗効果素子と、前記第一磁気抵抗効果素子に隣接して配置されるメモリセルとしての複数の第二磁気抵抗効果素子とを備える。前記第一及び第二磁気抵抗効果素子は、磁化方向が可変の磁気フリー層、磁化方向が不変の磁気ピンド層、及び、これらの間に配置されるスペーサー層を基本構造とする。前記複数の第二磁気抵抗効果素子は、前記第一磁気抵抗効果素子に対して静磁気的に非対称に配置される。前記複数の第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向は、平行又は反平行に設定される。前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層は、前記第一磁気抵抗効果素子に発振閾値電流よりも大きい電流を流したときに、前記複数の第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向に依存した周波数で磁化振動する。前記複数の第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層の残留磁化による重ね合わせ磁場は、前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層にとっての外部磁場であるためである。
【００２１】
(3) 本発明の例に係わるスピンＲＡＭは、上述の(2)のクラスターと、前記クラスターの前記第一磁気抵抗効果素子に接続される読み出し回路とを備える。前記読み出し回路は、前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層の磁化振動の周波数に基づいて、前記複数の第二磁気抵抗効果素子のそれぞれに記憶されたデータを判定する。
【００２２】
また、本発明の例に係わるスピンＲＡＭは、上述の(2)のクラスターと、前記クラスターの前記複数の第二磁気抵抗効果素子のうち選択された磁気抵抗効果素子にデータを書き込む書き込み回路とを備える。前記選択された磁気抵抗効果素子にデータを書き込んでいるときに、前記第一磁気抵抗効果素子に前記発振閾値電流よりも大きい電流を流す。
【００２３】
(4) 本発明の例に係わるスピントルク発振器は、上述の(2)のクラスターと、前記クラスターの前記第一磁気抵抗効果素子に接続される変換回路とを備える。前記変換回路は、前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層の磁化振動に由来する出力の高周波成分を取り出す。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、複数の磁気抵抗効果素子から構成される新たなユニット（クラスター）により、例えば、many to 1のセル構造のスピンＲＡＭや、発振周波数をオンデマンドにチューンできる発振器などを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係わるクラスターを示す図である。
【図２】本発明に係わるクラスターを示す図である。
【図３】第一実施例のクラスターを示す図である。
【図４】第二実施例のクラスターを示す図である。
【図５】第三実施例のクラスターを示す図である。
【図６】静磁結合を説明する図である。
【図７】静磁結合を説明する図である。
【図８】磁化状態と発振周波数との関係を示す図である。
【図９】静磁気的対称性を示す図である。
【図１０】静磁気的非対称性の例を示す図である。
【図１１】クロスポイント型スピンＲＡＭを示す図である。
【図１２】１トラ１セル型スピンＲＡＭを示す図である。
【図１３】振動磁場アシストを示す図である。
【図１４】many to 1のセル構造を示す図である。
【図１５】発振器を備えた磁気ランダムアクセスメモリを示す図である。
【図１６】磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００２７】
１． 原理
本発明は、複数の磁気抵抗効果素子から構成される新たなユニット（以下、クラスターと称する）を提案するものである。
【００２８】
図１及び図２は、本発明に係わるクラスターの原理を示している。
【００２９】
クラスター１０は、互いに隣接して配置される複数の磁気抵抗効果素子MTJ１，MTJ２から構成される。
【００３０】
磁気抵抗効果素子MTJ１は、磁化方向が可変の磁気フリー層１１−１、磁化方向が不変の磁気ピンド層１２−１、及び、これらの間に配置されるスペーサー層１３−１を基本構造とし、磁性発振素子として機能する。
【００３１】
即ち、磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層１１−１は、読み出し回路１４を用いて、磁気抵抗効果素子MTJ１に発振閾値電流よりも大きい電流を流したときに、磁化振動する。
【００３２】
ここで、図１のクラスター１０は、磁気フリー層１１−１と磁気ピンド層１２−１との残留磁化の磁化方向が平行の状態で磁化振動（平行発振）するクラスターである。
【００３３】
また、図２のクラスター１０は、磁気フリー層１１−１と磁気ピンド層１２−１との残留磁化の磁化方向が反平行の状態で磁化振動（反平行発振）するクラスターである。
【００３４】
ところで、平行とは、磁気フリー層と磁気ピンド層との磁化方向の相対角度θが０°≦θ＜９０°の範囲内にあることを意味し、反平行とは、磁気フリー層と磁気ピンド層との磁化方向の相対角度θが９０°＜θ≦１８０°の範囲内にあることを意味する。
【００３５】
磁気抵抗効果素子MTJ２は、磁化方向が可変の磁気フリー層１１−２、磁化方向が不変の磁気ピンド層１２−２、及び、これらの間に配置されるスペーサー層１３−２を基本構造とし、メモリセルとして機能する。
【００３６】
即ち、磁気抵抗効果素子MTJ２の磁気フリー層１１−２と磁気ピンド層１２−２との残留磁化の磁化方向は、書き込み回路１５により、平行又は反平行に設定される。
【００３７】
書き込み回路１５は、磁気抵抗効果素子MTJ２にスピン注入電流を流して磁気フリー層１１−２にスピントルクを発生させることにより、又は、磁気抵抗効果素子MTJ２に磁場を与えることにより、書き込み（平行又は反平行の設定）を行う。
【００３８】
この状態において、磁気抵抗効果素子MTJ１に作用する外部磁場Ｈextは、磁気抵抗効果素子MTJ２の磁気フリー層１１−２と磁気ピンド層１２−２との残留磁化の磁化方向に依存する。
【００３９】
従って、磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層１１−１は、磁気抵抗効果素子MTJ１に発振閾値電流よりも大きい電流を流したときに、磁気抵抗効果素子MTJ２の磁気フリー層１１−２と磁気ピンド層１２−２との残留磁化の磁化方向に依存した周波数で磁化振動する。
【００４０】
そして、例えば、この周波数を読み出し回路１４により測定することにより、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２の磁気フリー層１１−２と磁気ピンド層１２−２との残留磁化の磁化方向を確認することができる。
【００４１】
即ち、クラスター１０を利用してスピンＲＡＭを構成することができる。
【００４２】
また、例えば、書き込み回路１５を用いて、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２の磁気フリー層１１−２と磁気ピンド層１２−２との残留磁化の磁化方向を決めることにより、この周波数をオンデマンドにチューンすることができる。
【００４３】
即ち、読み出し回路１４に、磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層１１−１の磁化振動に由来する出力の高周波成分を取り出す変換回路としての機能を持たせれば、クラスター１０を利用して発振器を構成することができる。
【００４４】
このクラスター１０の特徴は、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１と、これに外部磁場Ｈextを作用させるメモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２とがほぼ同一の積層基本構造を有している点にある。各素子の個性は、その形状、大きさ等で付与される。
【００４５】
このため、例えば、従来型磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)プロセスに類似のプロセスを用いて、半導体基板上に本発明に係わるクラスターを容易に形成することができる。
【００４６】
また、図１及び図２は、本発明の原理を説明するための基本構造であり、例えば、これを応用することにより、高速化、省電力化及び大容量化が可能なスピンＲＡＭや、発振周波数を細かく制御可能なスピントルク発振器を構成することができる。
【００４７】
具体的には、一つの磁性発振素子に複数のメモリセルを対応させる。
【００４８】
即ち、一つのクラスターを一つの磁性発振素子と複数のメモリセルとから構成し、これらの間に静磁気的な相互作用を発生させる。
【００４９】
このようにすれば、磁性発振素子からの高周波出力は、クラスター内の複数のメモリセルが有するデータを反映したものになるため、複数のメモリセルのデータをまとめて一気に読み出し、高速化を実現できる。
【００５０】
また、読み出しに際して、複数のメモリセルのそれぞれに電流を流す必要がないため、省電力化を実現できる。
【００５１】
さらに、このクラスターを用いれば、複数のメモリセルに一つの選択トランジスタを付加する many to 1の新たなセル構造により、大容量化を実現できる。
【００５２】
また、磁性発振素子を振動磁場発生器として機能させれば、クラスター内の選択されたメモリセルにデータを書き込んでいるときに振動磁場を発生させ、この振動磁場を選択されたメモリセルの磁化反転のアシストとして用いることが可能になる。
【００５３】
この振動磁場は、書き込み対象となるメモリセルの選択に用いることもできる。
【００５４】
さらに、一つのクラスター内のメモリセルの数が多ければ多いほど、発振器の発振周波数を細かく制御することができる。
【００５５】
本発明に係わるクラスターにより発振器を構成するときは、発振器は、高出力化及び発振周波数の安定化を図るため、複数のクラスターから構成するのが好ましい。
【００５６】
２． 実施形態
(1) クラスターの構成例
本発明に係わるクラスターの最小限の要件は、磁性発振素子としての一つの磁気抵抗効果素子とメモリセルとしての一つの磁気抵抗効果素子であるが、実用上は、一つのクラスターを複数のメモリセルから構成するのが好ましい。
【００５７】
以下では、実用上好ましいクラスターの例のいくつかについて説明する。
【００５８】
図３は、クラスターの第一例を示している。
【００５９】
クラスター１０は、磁性発振素子として機能する１個の磁気抵抗効果素子MTJ１と、メモリセルとして機能する４個の磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４から構成される。
【００６０】
クラスター１０を構成する磁気抵抗効果素子MTJ１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４の基本構造は、図１及び図２に示すように、磁気フリー層／スペーサー層／磁気ピンド層の積層構造である。
【００６１】
また、同図に示す構造は、基本構造であるから、例えば、磁気フリー層又は磁気ピンド層が複数の層からなる応用構造なども、当然に本発明の範疇に含まれる。
【００６２】
メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４は、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に隣接し、かつ、これを取り囲むように配置される。
【００６３】
ここで、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４は、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に対して非対称に配置される。
【００６４】
非対称とは、静磁気的に非対称であることを意味する。
【００６５】
このように配置することにより、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４に記憶されたデータに依存した周波数（２４＝１６通り）で、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層を磁化振動させることができるからである。これについては後に詳述する。
【００６６】
静磁気的に非対称にするには、磁気抵抗効果素子MTJ１と磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４との距離を異ならせたり、磁気抵抗効果素子MTJ１, MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４の材料、形状、構造及び一軸異方性の方向のうちの少なくとも一つを異ならせたりすればよい。
【００６７】
このようなクラスター１０を、例えば、スピンＲＡＭに適用すれば、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４に記憶された４ビットデータを一度に読み出すことができる。
【００６８】
また、このようなクラスター１０を、例えば、発振器に適用すれば、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４に記憶された４ビットデータに応じて、１６通りの高周波出力を得ることができる。
【００６９】
図４は、クラスターの第二例を示している。
【００７０】
クラスター１０は、磁性発振素子として機能する１個の磁気抵抗効果素子MTJ１と、メモリセルとして機能する８個の磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８から構成される。
【００７１】
クラスター１０を構成する磁気抵抗効果素子MTJ１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８の基本構造は、図１及び図２に示すように、磁気フリー層／スペーサー層／磁気ピンド層の積層構造である。
【００７２】
メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８は、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に隣接し、かつ、これを取り囲むように配置される。
【００７３】
ここで、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８は、第一例と同様に、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に対して、静磁気的に非対称に配置される。
【００７４】
このように配置することにより、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８に記憶されたデータに依存した周波数（２８＝２５６通り）で、磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層を磁化振動させることができる。
【００７５】
このようなクラスター１０を、例えば、スピンＲＡＭに適用すれば、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８に記憶された８ビットデータを一度に読み出すことができる。
【００７６】
また、このようなクラスター１０を、例えば、発振器に適用すれば、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８に記憶された８ビットデータに応じて、２５６通りの高周波出力を得ることができる。
【００７７】
図５は、クラスターの第三例を示している。
【００７８】
クラスター１０は、磁性発振素子として機能する１個の磁気抵抗効果素子MTJ１と、メモリセルとして機能する１２個の磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８，MTJ２−９，MTJ２−１０，MTJ２−１１，MTJ２−１２から構成される。
【００７９】
クラスター１０を構成する磁気抵抗効果素子MTJ１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８，MTJ２−９，MTJ２−１０，MTJ２−１１，MTJ２−１２の基本構造は、磁気フリー層／スペーサー層／磁気ピンド層の積層構造である。
【００８０】
メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８，MTJ２−９，MTJ２−１０，MTJ２−１１，MTJ２−１２は、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に隣接し、かつ、これを取り囲むように配置される。
【００８１】
ここで、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８，MTJ２−９，MTJ２−１０，MTJ２−１１，MTJ２−１２は、第一例と同様に、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に対して、静磁気的に非対称に配置される。
【００８２】
このように配置することにより、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８，MTJ２−９，MTJ２−１０，MTJ２−１１，MTJ２−１２に記憶されたデータに依存した周波数（２１２＝４０９６通り）で、磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層を磁化振動させることができる。
【００８３】
このようなクラスター１０を、例えば、スピンＲＡＭに適用すれば、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８，MTJ２−９，MTJ２−１０，MTJ２−１１，MTJ２−１２に記憶された１２ビットデータを一度に読み出すことができる。
【００８４】
また、このようなクラスター１０を、例えば、発振器に適用すれば、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８，MTJ２−９，MTJ２−１０，MTJ２−１１，MTJ２−１２に記憶された１２ビットデータに応じて、４０９６通りの高周波出力を得ることができる。
【００８５】
(2) 磁性発振素子と複数のメモリセルとの静磁結合について
次に、クラスターを構成する磁性発振素子と複数のメモリセルとの静磁結合について説明する。ここでは、図４のクラスターを例とする。
【００８６】
図６は、図４のクラスターを示している。
【００８７】
同図に示すように、メモリセルとしての複数の磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８には、データが記憶される。
【００８８】
例えば、磁気抵抗効果素子MTJ２−１の磁気フリー層と磁気ピンド層との磁化方向は、反平行の関係にあり、磁気抵抗効果素子MTJ２−２の磁気フリー層と磁気ピンド層との磁化方向は、平行の関係にある。
【００８９】
ここで、クラスター１０を構成する磁気抵抗効果素子MTJ１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８は、アレイ状に配置されている。
【００９０】
即ち、このような配置は、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)のメモリセルアレイの配置と同じである。
【００９１】
従って、クラスター１０内の磁気抵抗効果素子MTJ１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８は、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイと同様に、各メモリセル内の磁化に起因する磁場によって互いに静磁結合している。本発明では、従来型MRAMでは望まれない、メモリセルが互いに磁気的結合するという“クロストーク”を積極利用する。
【００９２】
図７は、磁性発振素子と複数のメモリセルとの静磁結合を示している。
模式的に、静磁結合を矢印で示す。但し、複数のメモリセル間の静磁結合については省略する。
【００９３】
磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１には、その周囲に配置されるメモリセルとしての複数の磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８の磁化状態に依存した外部磁場Ｈextが作用する。
【００９４】
従って、磁気抵抗効果素子MTJ１の磁気フリー層は、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８に記憶されたデータに依存した周波数（２８＝２５６通り）で磁化振動する。
【００９５】
例えば、図８のＡに示すように、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８の磁化状態が、それぞれ、反平行、平行、平行、反平行、反平行、反平行、反平行、平行であれば、磁気抵抗効果素子MTJ１からの高周波出力の発振周波数は、ｆＡとなる。
【００９６】
また、図８のＢに示すように、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８の磁化状態が、それぞれ、反平行、平行、平行、平行、平行、反平行、反平行、反平行であれば、磁気抵抗効果素子MTJ１からの高周波出力の発振周波数は、ｆＢとなる。
【００９７】
即ち、例えば、ｆＢ＞ｆＡとすれば、ｆＡとｆＢは、区別される。
【００９８】
このように、磁性発振素子と複数のメモリセルとが静磁結合することにより、磁性発振素子の高周波出力の発振周波数は、それに作用する複数のメモリセルからの外部磁場Ｈextの大きさによって変化する。
【００９９】
なお、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８が、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に対して静磁気的に非対称であることが好ましい。
【０１００】
なぜなら、複数のメモリセルが磁性発振素子に対して静磁気的に対称に配置されていると、例えば、図９のＡの磁化状態と図９のＢの磁化状態とを区別することができなくなるためである。これは、データの縮退を意味し、大容量化という観点からは好ましくない。
【０１０１】
即ち、図９のＡでは、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，２−８の磁化状態が平行であり、磁気抵抗効果素子MTJ２−４，２−５の磁化状態が反平行である。また、図９のＢでは、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，２−８の磁化状態が反平行であり、磁気抵抗効果素子MTJ２−４，２−５の磁化状態が平行である。
【０１０２】
しかし、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，２−８と磁気抵抗効果素子MTJ２−４，２−５とは、磁気抵抗効果素子MTJ１に対して静磁気的に対称に配置されているため、図９Ａの磁化状態から得られる発振周波数と図９Ｂの磁化状態から得られる発振周波数とは、同じになる。
【０１０３】
従って、図９のＡの磁化状態と図９のＢの磁化状態とを区別することができない（データの縮退）。
【０１０４】
そこで、例えば、図１０に示すように、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８を、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に対して静磁気的に非対称に配置する。
【０１０５】
ここでは、磁気抵抗効果素子MTJ１と磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８との距離及び磁気抵抗効果素子MTJ１の形状により、非対称性を持たせているが、これに限られることはない。
【０１０６】
(3) まとめ
このように、本発明の例によれば、複数の磁気抵抗効果素子から構成されるクラスターにより、例えば、高速化、省電力化及び大容量化が可能なスピンＲＡＭや、発振周波数をオンデマンドにチューンできる発振器などを実現できる。
【０１０７】
３． 適用例
本発明に係わるクラスターは、スピンＲＡＭ及び発振器に適用することができる。
【０１０８】
(1) スピンＲＡＭ
・ クロスポイント型スピンＲＡＭ
図１１は、クロスポイント型スピンＲＡＭを示している。
【０１０９】
ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，ＷＬ３，ＷＬ４，ＷＬ５は、第一方向に延び、その一端は、ロウ選択スイッチ１６を介してワード線ドライバ／シンカー１７に接続される。
【０１１０】
ビット線ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＬ３，ＢＬ４，ＢＬ５，ＢＬ６は、第一方向に交差する第二方向に延び、その一端は、カラム選択スイッチ１８を介してビット線ドライバ／シンカー（読み出し回路）１９に接続される。
【０１１１】
そして、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，ＷＬ３，ＷＬ４，ＷＬ５とビット線ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＬ３，ＢＬ４，ＢＬ５，ＢＬ６の交点には、磁気抵抗効果素子が配置される。
【０１１２】
ここまでは、一般的なクロスポイント型スピンＲＡＭと全く同じである。
【０１１３】
このようなスピンＲＡＭに本発明を適用すると、例えば、互いに隣接する９個（＝３×３）の磁気抵抗効果素子によりクラスター１０が構成される。
【０１１４】
クラスター１０を構成する９個の磁気抵抗効果素子のうち、中央の１つは、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１である。残りの８個は、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８である。
【０１１５】
データの読み出しは、クラスター１０単位で行う。
【０１１６】
例えば、選択されたクラスター１０(select)内の８個の磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８のデータを読み出す場合を考える。
【０１１７】
まず、ロウ選択スイッチ１６によりロウＲＯＷ３を選択し、カラム選択スイッチ１８によりカラムＣＯＬ５を選択する。
【０１１８】
そして、読み出し回路１９を用いて、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ１に、発振閾値電流よりも大きい電流を流す。
【０１１９】
この時、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１は、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８のデータ（磁化状態：平行／反平行）に応じた周波数で磁化振動する。
【０１２０】
従って、この周波数を読み出し回路１９で判定することにより、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８のデータをまとめて一度に読み出すことができる。
【０１２１】
また、データの書き込みは、メモリセル単位で行う。
【０１２２】
一般的なクロスポイント型スピンＲＡＭの書き込みと同様に、スピン注入磁化反転を利用する。即ち、選択されたメモリセル（磁気抵抗効果素子）に書き込みデータに応じた向きのスピン注入電流を流すことによりスピントルクを発生させ、その磁化状態（平行／反平行）を制御することで書き込みを実行する。
【０１２３】
例えば、選択されたメモリセルが、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−１である場合を考える。
【０１２４】
まず、ロウ選択スイッチ１６によりロウＲＯＷ４を選択し、カラム選択スイッチ１８によりカラムＣＯＬ５を選択する。
【０１２５】
そして、ワード線ドライバ／シンカー１７及びビット線ドライバ／シンカー１９を用いて、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−１に、書き込みデータに応じた向きのスピン注入電流を流す。
【０１２６】
これにより、磁気抵抗効果素子MTJ２−１の磁化状態（平行／反平行）は、スピン注入電流の向きに応じた状態になり、書き込みが完了する。
【０１２７】
ここで、スピン注入電流の大きさは、スピントルクによる磁化反転を行うために、磁化反転閾値電流よりも大きいことが必要である。
【０１２８】
また、スピン注入電流による書き込み時に、磁性発振素子から振動磁場を発生させ、これを磁化反転のアシストとして使用する（共鳴励起スピン注入磁化反転の利用）ことも可能である。
【０１２９】
例えば、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−１に対するデータの書き込み時に、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ１を磁化振動させる。
【０１３０】
これにより、例えば、図１３に示すように、スピントルクによる書き込み時に、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１の磁化振動２０Ａによる振動磁場２０Ｂが、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１に作用するため、磁化反転閾値電流が小さくなる。
【０１３１】
即ち、スピン注入電流Ｉｓの値を小さくすることができ、スピンＲＡＭの省電力化に貢献することができる。
【０１３２】
・ １トラ１セル型スピンＲＡＭ
図１２は、１トラ１セル型スピンＲＡＭを示している。
【０１３３】
ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，ＷＬ３，ＷＬ４，ＷＬ５，ＷＬ６は、第一方向に延び、その一端は、ワード線ドライバ（デコーダ）２１に接続される。
【０１３４】
上部ビット線ＢＬｕ１，ＢＬｕ２，ＢＬｕ３，ＢＬｕ４，ＢＬｕ５，ＢＬｕ６，ＢＬｕ７は、第一方向に交差する第二方向に延び、その一端は、カラム選択スイッチ２２を介してビット線ドライバ／シンカー２３に接続される。
【０１３５】
下部ビット線ＢＬｄ１，ＢＬｄ２，ＢＬｄ３，ＢＬｄ４，ＢＬｄ５，ＢＬｄ６，ＢＬｄ７は、第一方向に交差する第二方向に延び、その一端は、カラム選択スイッチ２４を介してビット線ドライバ／シンカー（読み出し回路）２５に接続される。
【０１３６】
そして、上部ビット線ＢＬｕ１，ＢＬｕ２，ＢＬｕ３，ＢＬｕ４，ＢＬｕ５，ＢＬｕ６，ＢＬｕ７と下部ビット線ＢＬｄ１，ＢＬｄ２，ＢＬｄ３，ＢＬｄ４，ＢＬｄ５，ＢＬｄ６，ＢＬｄ７との間には、磁気抵抗効果素子と選択トランジスタＴｒが配置される。
【０１３７】
選択トランジスタＴｒは、電界効果トランジスタから構成され、そのゲートは、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，ＷＬ３，ＷＬ４，ＷＬ５，ＷＬ６に接続される。
【０１３８】
ここまでは、一般的な１トラ１セル型スピンＲＡＭと全く同じである。
【０１３９】
このようなスピンＲＡＭに本発明を適用すると、例えば、互いに隣接する９個（＝３×３）の磁気抵抗効果素子によりクラスター１０が構成される。
【０１４０】
クラスター１０を構成する９個の磁気抵抗効果素子のうち、中央の１つは、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１である。残りの８個は、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８である。
【０１４１】
データの読み出しは、クラスター１０単位で行う。
【０１４２】
例えば、選択されたクラスター１０(select)内の８個の磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８のデータを読み出す場合を考える。
【０１４３】
まず、ワード線ドライバ（デコーダ）２１によりロウＲＯＷ５を選択し、カラム選択スイッチ２２，２４によりカラムＣＯＬ３を選択する。
【０１４４】
そして、読み出し回路２５を用いて、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ１に、発振閾値電流よりも大きい電流を流す。
【０１４５】
この時、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１は、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８のデータ（磁化状態：平行／反平行）に応じた周波数で磁化振動する。
【０１４６】
従って、この周波数を読み出し回路２５で判定することにより、磁気抵抗効果素子MTJ２−１，MTJ２−１，MTJ２−２，MTJ２−３，MTJ２−４，MTJ２−５，MTJ２−６，MTJ２−７，MTJ２−８のデータをまとめて一度に読み出すことができる。
【０１４７】
また、データの書き込みは、メモリセル単位で行う。
【０１４８】
一般的な１トラ１セル型スピンＲＡＭの書き込みと同様に、スピン注入磁化反転を利用する。即ち、選択されたメモリセル（磁気抵抗効果素子）に書き込みデータに応じた向きのスピン注入電流を流すことによりスピントルクを発生させ、その磁化状態（平行／反平行）を制御することで書き込みを実行する。
【０１４９】
例えば、選択されたメモリセルが、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−１である場合を考える。
【０１５０】
まず、ワード線ドライバ（デコーダ）２１によりロウＲＯＷ５を選択し、カラム選択スイッチ２２，２４によりカラムＣＯＬ４を選択する。
【０１５１】
そして、ビット線ドライバ／シンカー２３，２５を用いて、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−１に、書き込みデータに応じた向きのスピン注入電流を流す。
【０１５２】
これにより、磁気抵抗効果素子MTJ２−１の磁化状態（平行／反平行）は、スピン注入電流の向きに応じた状態になり、書き込みが完了する。
【０１５３】
ここで、スピン注入電流の大きさは、スピントルクによる磁化反転を行うために、磁化反転閾値電流よりも大きいことが必要である。
【０１５４】
また、スピン注入電流による書き込み時に、磁性発振素子から振動磁場を発生させ、これを磁化反転のアシストとして使用する（共鳴励起スピン注入磁化反転の利用）ことも可能である。
【０１５５】
例えば、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−１に対するデータの書き込み時に、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ１を磁化振動させる。
【０１５６】
これにより、例えば、図１３に示すように、スピントルクによる書き込み時に、磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１の磁化振動２０Ａによる振動磁場２０Ｂが、メモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−１に作用するため、磁化反転閾値電流が小さくなる。
【０１５７】
即ち、スピン注入電流Ｉｓの値を小さくすることができ、スピンＲＡＭの省電力化に貢献することができる。
【０１５８】
・ many to 1のセル構造
図１４は、many to 1のセル構造を有するスピンＲＡＭを示している。
クラスター１０は、図１１及び図１２のスピンＲＡＭのクラスターと同じである。
【０１５９】
このスピンＲＡＭの特徴は、複数のクラスター１０内のメモリセルとしての磁気抵抗効果素子MTJ２−ｉ（ｉは、１〜８のうちの一つ）に共通に一つの選択トランジスタＳＷが接続されている点にある。
【０１６０】
但し、同図では、図面の複雑化を回避するため、複数のクラスター１０内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６に共通に接続される選択トランジスタＳＷのみを示す。
【０１６１】
このようにすることで、例えば、図１２の１トラ１セル型スピンＲＡＭに比べて、選択トランジスタの数を減らすことができ、メモリ容量の大容量化に貢献できる。
【０１６２】
このスピンＲＡＭの読み出し動作は、例えば、図１１及び図１２の場合と同様に、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ１に、発振閾値電流よりも大きい電流を流すことにより行う。
【０１６３】
また、書き込み動作では、磁性発振素子を用いて書き込み対象となるメモリセル（磁気抵抗効果素子）を選択する。
【０１６４】
例えば、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６にデータを書き込む場合を考える。
【０１６５】
この場合、制御信号φを“Ｈ”にし、選択トランジスタＳＷをオンにする。
【０１６６】
この時、全てのクラスター１０内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６にスピン注入電流Ｉｓが流れる。
【０１６７】
また、選択されたクラスター１０(select)内の磁性発振素子としての磁気抵抗効果素子MTJ１に、発振閾値電流よりも大きい電流を流す。これにより、磁気抵抗効果素子MTJ１からは、振動磁場２０Ｂが発生する。
【０１６８】
選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６には、この振動磁場２０Ｂが作用するため、磁化反転（平行→反平行、又は、反平行→平行）に必要な磁化反転閾値電流は、小さくなる。
【０１６９】
これに対し、非選択のクラスター１０内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６には、この振動磁場２０Ｂが作用しないため、非選択のクラスター１０内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６の磁化反転閾値電流は、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６の磁化反転閾値電流よりも大きくなる。
【０１７０】
従って、スピン注入電流Ｉｓの大きさを、選択されたクラスター１０(select)内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６の磁化反転閾値電流よりも大きく、非選択のクラスター１０内の磁気抵抗効果素子MTJ２−６の磁化反転閾値電流よりも小さくすれば、書き込み時において、磁性発振素子を用いて書き込み対象となるメモリセル（磁気抵抗効果素子）を選択することができる。
【０１７１】
(2) スピントルク発振器
本発明に係わるクラスターは、磁気抵抗効果素子から構成される。このため、このクラスターを、磁気ランダムアクセスメモリの動作を制御するクロック発振器に適用することは非常に有効である。
【０１７２】
図１５は、磁気ランダムアクセスメモリを示している。
【０１７３】
メモリセルアレイ３１は、アレイ状に配置された複数の磁気抵抗効果素子から構成される。メモリセルアレイ構造は、クロスポイント型、１トラ１セル型などがよく知られているが、これに限定されることはない。
【０１７４】
メモリセルアレイ３１の第一方向の一端には、ワード線ドライバ（デコーダ）３４が配置される。また、メモリセルアレイ３１の第二方向の両端には、それぞれ、ビット線ドライバ／シンカー３５が配置される。読み出し回路３６は、メモリセルアレイ３１の第二方向の一端に配置される。
【０１７５】
制御回路３３は、ワード線ドライバ３４、ビット線ドライバ／シンカー３５及び読み出し回路３６の動作を制御する。
【０１７６】
発振器３２は、本発明に係わるクラスターから構成される。
【０１７７】
また、高出力化及び発振周波数の安定化を図るため、発振器３２は、複数のクラスターから構成するのが好ましい。
【０１７８】
本発明に係わるクラスターは、磁気抵抗効果素子から構成されるため、メモリセルアレイ３１内のメモリセル（磁気抵抗効果素子）と同時に発振器３２内の磁気抵抗効果素子を形成することができる。
【０１７９】
また、発振器３２は、発振周波数をオンデマンドにチューンできるため、磁気ランダムアクセスメモリとしての用途が広がる。
【０１８０】
(3) その他
本発明に係わるクラスターから出力される高周波出力は、アナログ信号である。このアナログ信号をデジタル信号に変換する変換回路を設けてもよいし、このアナログ信号を用いてそのまま演算を行うロジックデバイスを構成してもよい。
【０１８１】
４． 製造方法
磁気抵抗効果素子の製造方法と材料例について、図１６を参照しながら説明する。
【０１８２】
まず、ＣＶＤ法により、半導体基板４１上に、例えば、ＳｉＯ２から構成される絶縁層４２を形成する。また、スパッタリング法により、絶縁層４２上に、例えば、Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａの積層構造から構成される下部電極４３を形成する。
【０１８３】
この後、下部電極４３上に磁気抵抗効果素子５１を形成する。
【０１８４】
磁気抵抗効果素子５１は、下部電極４３上に、強磁性層４８、非磁性層４９及び強磁性層５０の積層構造を形成することにより形成される。
【０１８５】
磁気抵抗効果素子５１をボトムピン型にするときは、強磁性層４８は、磁気ピンド層になり、強磁性層５０は、磁気フリー層になる。また、磁気抵抗効果素子５１をトップピン型にするときは、強磁性層４８は、磁気フリー層になり、強磁性層５０は、磁気ピンド層になる。
【０１８６】
ここでは、磁気抵抗効果素子５１をボトムピン型にする場合について説明する。
この場合、強磁性層４８は、例えば、反強磁性層４４／強磁性層４５／非磁性層４６／強磁性層４７の積層構造から構成される。
【０１８７】
反強磁性層４４は、例えば、ＩｒＭｎから構成される。
【０１８８】
強磁性層４５、非磁性層４６及び強磁性層４７は、例えば、二つの強磁性層が磁気交換結合するＳＡＦ(synthetic anti-ferromagnetic)構造を有する。強磁性層４５は、例えば、ＣｏＦｅから構成され、非磁性層４６は、例えば、Ｒｕから構成され、強磁性層４７は、例えば、ＣｏＦｅＢから構成される。
【０１８９】
非磁性層４９は、例えば、ＭｇＯから構成され、トンネルバリア層となる。
【０１９０】
そして、強磁性層４８、非磁性層４９及び強磁性層５０の積層構造は、フォトリソグラフィーとＲＩＥにより、パターニングされる。その結果、例えば、平面形状が長方形又は楕円形の磁気抵抗効果素子５１が形成される。
【０１９１】
また、この磁気抵抗効果素子５１の周囲を取り囲む絶縁層５２を形成する。絶縁層５２は、例えば、ＳｉＯ２から構成される。
【０１９２】
最後に、スパッタリング法により、磁気抵抗効果素子５１上に、例えば、Ａｕ／Ｃｕの積層構造から構成される上部電極５３を形成する。
【０１９３】
５． その他
本発明に係わるクラスターを構成する磁気抵抗効果素子に関し、磁気フリー層及び磁気ピンド層は、例えば、面内磁化を有するが、垂直磁化を有していてもよい。
【０１９４】
磁気フリー層に関して、面内磁化とは、磁化方向が磁気フリー層とスペーサー層との接合面に対して平行であることを意味し、垂直磁化とは、磁化方向が磁気フリー層とスペーサー層との接合面に対して垂直であることを意味する。
【０１９５】
磁気ピンド層に関して、面内磁化とは、磁化方向が磁気ピンド層とスペーサー層との接合面に対して平行であることを意味し、垂直磁化とは、磁化方向が磁気ピンド層とスペーサー層との接合面に対して垂直であることを意味する。
【０１９６】
また、磁気フリー層及び磁気ピンド層は、例えば、一軸磁気異方性を有する。
【０１９７】
一軸磁気異方性は、結晶磁気異方性の高い材料を一様磁場内で成膜することにより、又は、成膜後に一様磁場内でアニールすることにより発生させることができる。これを結晶磁気異方性と呼ぶ。また、一軸磁気異方性は、強磁性体の形状を長方形又は楕円形にすることにより発生させることもできる。これを形状磁気異方性と呼ぶ。
【０１９８】
磁気フリー層の平面形状は、例えば、磁気フリー層の一軸磁気異方性の方向を長軸とする楕円形とすることができる。磁気ピンド層の平面形状は、磁気フリー層の平面形状と同じであっても、異なっていてもよい。
【０１９９】
磁気フリー層の平面形状とは、磁気フリー層とスペーサー層との接合面に平行な平面内での磁気フリー層の形状のことを意味する。また、磁気ピンド層の平面形状とは、磁気ピンド層とスペーサー層との接合面に平行な平面内での磁気ピンド層の形状のことを意味する。
【０２００】
６． むすび
本発明によれば、複数の磁気抵抗効果素子から構成される新たなユニット（クラスター）により、例えば、many to 1のセル構造のスピンＲＡＭや、発振周波数をオンデマンドにチューンできる発振器などを実現できる。
【０２０１】
本発明の例は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【０２０２】
なお、図面、発明の詳細な説明において、便宜上、磁気抵抗効果素子に対してMTJというラベルを用いたが、本発明は、スペーサー層がトンネル型の素子に限定されるものではない。本発明の構成要素に含まれる磁気抵抗効果素子は、スペーサー層がメタル型の素子（いわゆるGMR素子）であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【０２０３】
本発明は、スピンRAM、スピントルク発振器、それを応用した、携帯用電子機器におけるリファレンスクロック、単一の送受信回路チップ内リファレンスクロック、単一チップRFスペクトラムアナライザ用局部発振器、無線通信用送受信器、高周波アシスト記録用素子、磁気センサーなどに対して、産業上のメリットは多大である。
【符号の説明】
【０２０４】
１０： クラスター、 １１−１，１１−２： 磁気フリー層、 １２−１，１２−２： 磁気ピンド層、 １３−１，１３−２： スペーサー層、 １４： 読み出し回路、 １５： 書き込み回路、 １６： ロウ選択スイッチ、 １７： ワード線ドライバ／シンカー、 １８： カラム選択スイッチ、 １９，２５： ビット線ドライバ／シンカー（読み出し回路）、 ２０Ａ： 磁化振動、 ２０Ｂ： 振動磁場、 ２１，３４： ワード線ドライバ（デコーダ）、 ２２，２４： カラム選択スイッチ、 ２３，３５： ビット線ドライバ／シンカー、 ３１： メモリセルアレイ、 ３２： 発振器、 ３３： 制御回路、 ３６： 読み出し回路、 ４１： 半導体基板、 ４２, ５２： 絶縁層、 ４３： 下部電極、 ４４： 反強磁性層、 ４５, ４７, ４８, ５０： 強磁性層、 ４６, ４９： 非磁性層、 ５１： 磁気抵抗効果素子、 ５３： 上部電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性発振素子としての第一磁気抵抗効果素子と、前記第一磁気抵抗効果素子に隣接して配置されるメモリセルとしての第二磁気抵抗効果素子とを具備し、
前記第一及び第二磁気抵抗効果素子は、磁化方向が可変の磁気フリー層、磁化方向が不変の磁気ピンド層、及び、これらの間に配置されるスペーサー層を基本構造とし、
前記第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向は、平行又は反平行に設定され、
前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層は、前記第一磁気抵抗効果素子に発振閾値電流よりも大きい電流を流したときに、前記第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向に依存した周波数で磁化振動する
ことを特徴とするクラスター。
【請求項２】
磁性発振素子としての第一磁気抵抗効果素子と、前記第一磁気抵抗効果素子に隣接して配置されるメモリセルとしての複数の第二磁気抵抗効果素子とを具備し、
前記第一及び第二磁気抵抗効果素子は、磁化方向が可変の磁気フリー層、磁化方向が不変の磁気ピンド層、及び、これらの間に配置されるスペーサー層を基本構造とし、
前記複数の第二磁気抵抗効果素子は、前記第一磁気抵抗効果素子に対して静磁気的に非対称に配置され、
前記複数の第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向は、平行又は反平行に設定され、
前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層は、前記第一磁気抵抗効果素子に発振閾値電流よりも大きい電流を流したときに、前記複数の第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向に依存した周波数で磁化振動する
ことを特徴とするクラスター。
【請求項３】
請求項２に記載のクラスターと、前記クラスターの前記第一磁気抵抗効果素子に接続される読み出し回路とを具備し、前記読み出し回路は、前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層の磁化振動の周波数に基づいて、前記複数の第二磁気抵抗効果素子のそれぞれに記憶されたデータを判定することを特徴とするスピンＲＡＭ。
【請求項４】
請求項２に記載のクラスターと、前記クラスターの前記複数の第二磁気抵抗効果素子のうち選択された磁気抵抗効果素子にデータを書き込む書き込み回路とを具備し、前記選択された磁気抵抗効果素子にデータを書き込んでいるときに、前記第一磁気抵抗効果素子に前記発振閾値電流よりも大きい電流を流すことを特徴とするスピンＲＡＭ。
【請求項５】
請求項２に記載のクラスターと、前記クラスターの前記第一磁気抵抗効果素子に接続される変換回路とを具備し、前記変換回路は、前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層の磁化振動に由来する出力の高周波成分を取り出すことを特徴とするスピントルク発振器。
【請求項１】
磁性発振素子としての第一磁気抵抗効果素子と、前記第一磁気抵抗効果素子に隣接して配置されるメモリセルとしての第二磁気抵抗効果素子とを具備し、
前記第一及び第二磁気抵抗効果素子は、磁化方向が可変の磁気フリー層、磁化方向が不変の磁気ピンド層、及び、これらの間に配置されるスペーサー層を基本構造とし、
前記第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向は、平行又は反平行に設定され、
前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層は、前記第一磁気抵抗効果素子に発振閾値電流よりも大きい電流を流したときに、前記第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向に依存した周波数で磁化振動する
ことを特徴とするクラスター。
【請求項２】
磁性発振素子としての第一磁気抵抗効果素子と、前記第一磁気抵抗効果素子に隣接して配置されるメモリセルとしての複数の第二磁気抵抗効果素子とを具備し、
前記第一及び第二磁気抵抗効果素子は、磁化方向が可変の磁気フリー層、磁化方向が不変の磁気ピンド層、及び、これらの間に配置されるスペーサー層を基本構造とし、
前記複数の第二磁気抵抗効果素子は、前記第一磁気抵抗効果素子に対して静磁気的に非対称に配置され、
前記複数の第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向は、平行又は反平行に設定され、
前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層は、前記第一磁気抵抗効果素子に発振閾値電流よりも大きい電流を流したときに、前記複数の第二磁気抵抗効果素子の磁気フリー層と磁気ピンド層との残留磁化の磁化方向に依存した周波数で磁化振動する
ことを特徴とするクラスター。
【請求項３】
請求項２に記載のクラスターと、前記クラスターの前記第一磁気抵抗効果素子に接続される読み出し回路とを具備し、前記読み出し回路は、前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層の磁化振動の周波数に基づいて、前記複数の第二磁気抵抗効果素子のそれぞれに記憶されたデータを判定することを特徴とするスピンＲＡＭ。
【請求項４】
請求項２に記載のクラスターと、前記クラスターの前記複数の第二磁気抵抗効果素子のうち選択された磁気抵抗効果素子にデータを書き込む書き込み回路とを具備し、前記選択された磁気抵抗効果素子にデータを書き込んでいるときに、前記第一磁気抵抗効果素子に前記発振閾値電流よりも大きい電流を流すことを特徴とするスピンＲＡＭ。
【請求項５】
請求項２に記載のクラスターと、前記クラスターの前記第一磁気抵抗効果素子に接続される変換回路とを具備し、前記変換回路は、前記第一磁気抵抗効果素子の磁気フリー層の磁化振動に由来する出力の高周波成分を取り出すことを特徴とするスピントルク発振器。
【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】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−２０６０２３（Ｐ２０１０−２０６０２３Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５１２０９（Ｐ２００９−５１２０９）
【出願日】平成２１年３月４日（２００９．３．４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月４日（２００９．３．４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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