磁気メモリセル及び磁気メモリ
【課題】電気的手段により磁気情報の書込みを行う磁気メモリセル及びそれを装備した大容量多値磁気メモリを提供する。
【解決手段】スピン蓄積層１上に配置した複数の磁気記録ビット３１〜３４と、１つの検出部によって磁気メモリセルを構成し、その磁気メモリセルを多数組み合わせて大容量磁気メモリを構成する。磁気記録ビットは、スピン蓄積層上に中間層、磁気記録層、障壁層、固定層、電極保護層を積層した構造を有し、検出部はスピン蓄積層上に中間層、固定層、電極保護層を積層した構造を有する。検出部は、各記録ビットを構成する磁気記録層の磁化方向の組合せを多値情報として電気的に検出する。
【解決手段】スピン蓄積層１上に配置した複数の磁気記録ビット３１〜３４と、１つの検出部によって磁気メモリセルを構成し、その磁気メモリセルを多数組み合わせて大容量磁気メモリを構成する。磁気記録ビットは、スピン蓄積層上に中間層、磁気記録層、障壁層、固定層、電極保護層を積層した構造を有し、検出部はスピン蓄積層上に中間層、固定層、電極保護層を積層した構造を有する。検出部は、各記録ビットを構成する磁気記録層の磁化方向の組合せを多値情報として電気的に検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的手段により磁気情報の書込みを行う磁気メモリセル及びそれを装備した大容量多値磁気メモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
不揮発性磁気メモリや磁気記録装置では、その大容量化に向けて記録磁気情報を多値情報として記録し、読み出す技術が必要とされている。例えば、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗効果素子を２つ以上積層した多値磁気メモリが特表２００７−５０４６５１号公報に開示されている。また、特開２００６−２３７１８３号公報には、磁性細線に磁壁で分離して配列された多数の磁気ビット情報を一つの磁気抵抗効果素子で読み出す大容量の磁気記録装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５０４６５１号公報
【特許文献２】特開２００６−２３７１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
磁気メモリや磁気記録装置の抜本的な大容量化の実現には、１ビットの磁気情報を多値で読み出す技術を開発する必要がある。
【０００５】
本発明は、このような要請に応えることのできる磁気メモリセル及び大容量不揮発性磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、１つのスピン蓄積層上に複数の磁気記録ビットと、その記録ビットを構成する磁気記録層の磁化方向の組合せを多値情報として電気的に検出可能な検出部とを配置した磁気メモリセル、及びその磁気メモリセルをアレイ状に多数組み合わせた大容量磁気メモリを提供する。
【０００７】
本発明の磁気メモリセルは、スピン蓄積層と、スピン蓄積層上に接して設けられた複数の記録ビットと一つ又は複数の検出部を有する。一つの記録ビットは、スピン蓄積層に隣接する中間層と磁気記録層と障壁層と固定層と電極保護層がこの順に形成され、電極保護層とスピン蓄積層の間に電流あるいは電圧を印加するとき磁気記録層に作用するスピントランスファートルクにより磁気記録層の磁化方向を反転して記録ビットの書き込みを行う。固定層は、その上に磁化を固定するための反強磁性層を積層してもよい、一方、検出部は、スピン蓄積層に隣接する中間層と固定層と電極保護層によって構成される。中間層を介してスピン蓄積層に隣接している記録ビットの磁気記録層からスピン蓄積層にスピン電流が流れ、スピン蓄積層に偏極したスピンが蓄積される。蓄積される偏極スピンの向きと量が、記録ビットの磁気記録層の磁化方向に依存する。その蓄積された偏極スピンの向きと量、さらに、記録ビットと検出部の間の距離に応じて、検出部で検出される電気的信号の大きさと符合が決定される。検出される電気的信号の大きさと符合の組合せの数が、記録ビットの数以上に存在することから、多値情報として読み出すことが可能な磁気メモリセルを提供できる。
【０００８】
スピン蓄積効果は、非磁性層の上に中間層を介して積層された強磁性層を有するデバイスで生じる効果である。非磁性層の異なる位置にそれぞれ中間層を介して一対の強磁性層を積層し、一方の強磁性層の磁化を固定し、もう一方の磁化が固定されていない強磁性層から中間層を通して非磁性層に電流を流すと、その強磁性層から偏極したスピン電流が非磁性層へ流れ込み、非磁性層の中に偏極スピンが蓄積される。磁化が固定されていない強磁性層の磁化方向に応じて蓄積される上向きスピンと下向きスピンの量が異なる。磁化が固定された強磁性層と非磁性層との間の電圧は、上向きスピンと下向きスピンの量の差に依存する量として検出される。ここで、一対の強磁性層の間の距離をｄとすると、その検出電圧はexp(−ｄ)に比例して減少する。
【０００９】
したがって、複数の記録ビットを共通の非磁性層の上に形成し、任意の位置に検出部を備えるとその検出部には、各々の記録ビットの磁気記録層の向きと検出部までの距離に応じた電圧が生じる。
【００１０】
また、スピン蓄積層と隣接する中間層と磁気記録層とマルチフェロイックス層と電極保護層をこの順に積層して記録ビットを構成することもできる。この場合、電極保護層とマルチフェロイックス層の間に電界を印加して磁気記録層の磁化方向を反転する。マルチフェロイックス層は、反強磁性体の性質と強誘電体の性質を併せ持つ層である。
【００１１】
また、本発明の磁気メモリセルを複数個同一平面上に配置し、各々の記録ビットを書込みワード線で接続し、また磁気メモリセル間の検出部を読出し線で接続すると大容量磁気メモリが得られる。
【００１２】
本発明の一実施態様による磁気メモリセルは、スピン蓄積層と、スピン蓄積層上に互いに離間して形成された複数の記録ビット及び１又は複数の検出部とを有し、記録ビットは、スピン蓄積層上に、中間層、磁気記録層、障壁層、固定層、第１の電極保護層を順に積層した構造を有し、第１の電極保護層とスピン蓄積層の間に流す電流の向きによって磁気記録層の磁化方向を反転可能であり、検出部は、スピン蓄積層上に、中間層、固定層、第２の電極保護層を順に積層した構造を有し、検出部は、第２の電極保護層とスピン蓄積層の間に電流を流すことにより、複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせに依存するレベルの信号を出力する。
【００１３】
上記実施態様の磁気メモリセルを複数配列した本発明の磁気メモリは、各記録ビットの第１の電極保護層上で２本が交差して当該第１の電極保護層に接続された複数の書込みワード線と、書込みワード線に接続された書込み制御部と、検出部の第２の電極保護層に接続された読出し線と、読出し線に接続された読出し制御部とを備え、書込み制御部は、所望の記録ビットの第１の電極保護層上で交差する一対の書込みワード線を選択し、当該一対の書込みワード線から所望の記録ビットの第１の電極保護層とスピン蓄積層の間に電流を印加することにより所望の記録ビットの磁気記録層の磁化方向を反転して書き込みを行い、読出し制御部は、選択したい検出部の第２の電極保護層上で交差する一対の読出し線を選択し、当該一対の読出し線から所望の第２の電極保護膜からスピン蓄積層の間に読出し線から電流を供給し、複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせを読み取る。
【００１４】
また、本発明の他の実施態様による磁気メモリセルは、スピン蓄積層と、スピン蓄積層上に互いに離間して形成された複数の記録ビット及び１又は複数の検出部とを有し、記録ビットは、スピン蓄積層上に、中間層、磁気記録層、マルチフェロイックス層、第１の電極保護層を順に積層した構造を有し、第１の電極保護層とスピン蓄積層の間に印加する電圧の符号によって磁気記録層の磁化方向を反転可能であり、検出部は、スピン蓄積層上に、中間層、固定層、第２の電極保護層を順に積層した構造を有し、検出部は、第２の電極保護層とスピン蓄積層の間に電流を流すことにより、複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせに依存する信号レベルを出力する。
【００１５】
上記実施態様の磁気メモリセルを複数配列した本発明の磁気メモリは、各記録ビットの第１の電極保護層上で２本が交差して当該第１の電極保護層に接続された複数の書込みワード線と、書込みワード線に接続された書込み制御部と、検出部の第２の電極保護層に接続された読出し線と、読出し線に接続された読出し制御部とを備え、書込み制御部は、所望の記録ビットの第１の電極保護層上で交差する一対の書込みワード線を選択し、当該一対の書込みワード線から所望の記録ビットの電極保護層とマルチフェロイックス層の間に電界を印加することにより所望の記録ビットの磁気記録層の磁化方向を反転して書き込を行う。その方法では、２本のワード線の交点の記録ビットにのみ反転電圧を印加し、その２本のワード線に接続されている他の記録ビットには反転電圧を印加しない。読出し制御部は、選択したい検出部の第２の電極保護層上で交差する一対の読出し線を選択し、当該一対の読出し線から所望の第２の電極保護膜からスピン蓄積層の間に読出し線から電流を供給し、複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせを読み取る。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、従来の２倍以上の容量をもつ磁気メモリを提供でき、大容量化を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の磁気メモリセルの構成例を示す平面模式図である。
【図２Ａ】本発明の磁気メモリセルの検出部の構成例を示す断面模式図である。
【図２Ｂ】本発明の磁気メモリセルの検出部の他の構成例を示す断面模式図である。
【図２Ｃ】本発明の磁気メモリセルの検出部の他の構成例を示す断面模式図である。
【図２Ｄ】本発明の磁気メモリセルの検出部の他の構成例を示す断面模式図である。
【図３】本発明の磁気メモリセルの記録ビットの構成例を示す断面模式図である。
【図４】本発明の磁気メモリセルの記録ビットの他の構成例を示す断面模式図である。
【図５】本発明の磁気メモリセルの記録ビットの他の構成例を示す断面模式図である。
【図６】本発明の磁気メモリセルの書込みと読出し方式を示す説明図である。
【図７】本発明の磁気メモリセルの読出し信号レベルを示した図である。
【図８】本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図９】本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図１０】本発明の他の磁気メモリセルの書込みと読出し方式を示す説明図である。
【図１１】本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図１２】本発明の磁気メモリの構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
［実施例１］
図１は、本発明による磁気メモリセルの一例を示す平面模式図である。ここには、４つの記録ビットで構成される磁気メモリセルの例を示す。磁気メモリセルは、一つのスピン蓄積層１の上に、４つの記録ビット３１〜３４と１つの検出部２を形成している。記録ビットと検出部は、図示するように記録ビット３１，３２の中心と記録ビット３３，３４の中心の間の距離をｄ１、記録ビット３１，３２の中心と検出部の中心の間の距離をｄ２とするとき、ｄ２＝２×ｄ１の関係に配置した。なお、記録ビットの個数は４個に限られず、また記録ビットの配置も図示した配置には限られない。その場合、検出部と記録ビットとの間の距離が少なくとも２種類以上あるように複数の記録ビットを設けることが必要である。
【００１９】
図２Ａから図２Ｄは、検出部２の種々の構成例を説明する断面摸式図である。図２Ａに示した検出部には、スピン蓄積層１側から中間層２１と固定層２２と電極保護層２３がこの順に積層されている。また、図２Ｂに示すように、固定層２２は、中間層２２２を介して積層された２層の磁性層２２１，２２３により構成されていてもよい。この場合、２層の磁性層２２１，２２３の磁化方向は反平行配置することが望ましい。さらに図２Ｃに示すように、固定層２２に反強磁性層２４を隣接させて、固定層２２の磁化方向を一方向に固定してもよい。また、図２Ｄに示すように、図２Ｂの固定層２２を構成する磁性層２２３に反強磁性層２４を隣接させた構造とすることも可能である。
【００２０】
ここで、固定層２２や固定層を構成する磁性層２２１，２２３には、表１に掲げたＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉを基本とする強磁性材料を用いることができる。その他に、ホイスラー合金や、ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，ＦｅＰｄ，ＣｏＦｅＢＰｔ，ＣｏＦｅＢＣｒ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒ，ＣｏＰｔＢ，ＦｅＰｔＢ，ＣｏＧｄ，ＣｏＦｅＢＣｒなどの材料を用いてもよい。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜などを使用することが可能である。中間層２１には、ＭｇＯを用いることが望ましいが、ＺｎＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2のような酸化物、あるいはＧａＡｓやＺｎＳｅなどの半導体材料、ＡｌＮ，ＳｉＮなどの窒化物を用いてもよい。特に、中間層２１にＭｇＯを用いた場合、固定層２２や磁性層２２１に体心立方格子構造のＣｏＦｅＢを用いることにより、大きな読出し出力信号を得ることができる。この場合、ＭｇＯもＣｏＦｅＢも（１００）配向性の高い薄膜で構成し、ＣｏＦｅＢの組成をＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20とするのが望ましい。電極保護層２３には、ＴａやＲｕなどの非磁性金属層を用いるとよいが、伝導率の大きな材料を使用することも可能である。ここで、電極保護層とは、保護層であり電極を兼ねる層であることを意味する。
【００２１】
【表１】
【００２２】
次に、図１に示した記録ビットの積層構成について説明する。図１に示した４個の記録ビット３１〜３４は全て同じ積層構造を有し、ここでは代表して記録ビット３１について説明する。
【００２３】
図３は、記録ビットの積層構成例を示す断面摸式図である。図示した記録ビット３１は、スピン蓄積層１側から中間層３１１、磁気記録層３１２、障壁層３１３、固定層３１４、反強磁性層３１５、電極保護層３１６をこの順に積層した構造を有する。ただし、反強磁性層３１５は、固定層３１４に保磁力の大きな磁性層を用いた場合には必ずしも必要がない。
【００２４】
磁気記録層３１２と固定層３１４には、表１に掲げたＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉを基本とする強磁性材料の他に、ホイスラー合金や、ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，ＦｅＰｄ，ＣｏＦｅＢＰｔ，ＣｏＦｅＢＣｒ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒ，ＣｏＰｔＢ，ＦｅＰｔＢ，ＣｏＧｄ，ＣｏＦｅＢＣｒなどの材料を適用することができる。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜などを使用することが可能である。さらには、ここに挙げた材料を用いて２層以上の記録層を構成することも可能である。２層以上の構成とすることにより、磁気特性の制御を容易に行うことができる。
【００２５】
中間層３１１と障壁層３１３には、ＭｇＯを用いることが望ましいが、ＺｎＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2のような酸化物、あるいはＧａＡｓやＺｎＳｅなどの半導体材料、ＡｌＮ，ＳｉＮなどの窒化物、あるいはＣｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕなどの非磁性の金属材料を用いてもよい。特に、中間層３１１と障壁層３１３にＭｇＯを用いた場合、磁気記録層３１２と固定層３１４に体心立方格子構造のＣｏＦｅＢを用いることにより、大きな読出し出力信号を得ることができる。この場合、ＭｇＯもＣｏＦｅＢも（１００）配向性の高い薄膜で構成し、ＣｏＦｅＢの組成をＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20とするのが望ましい。記録ビット３２〜３４についても、用いる材料は記録ビット３１と同様である。電極保護層３１６には、ＴａやＲｕなどの非磁性金属層を用いるのがよいが、伝導率の大きな材料を使用することも可能である。
【００２６】
スピン蓄積層１の材料としては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌや、これらの元素を含むスピン拡散長の長い導電性材料や、ＧａＡｓやＺｎＳｅなどの半導体材料を用いることができる。また磁気記録層３１２に体心立方格子のＣｏＦｅＢを用い、中間層３１１にＭｇＯを用いた場合には、スピン蓄積層１にＣｒやＶや、これらの元素を含む体心立方格子の導電性材料を用いることが可能である。
【００２７】
図４は、記録ビットの他の構成例を示す断面模式図である。図４の記録ビットは、図３に示した記録ビット３１の磁気記録層３１２を、中間層３１２２を介して積層された２層の磁性層３１２１，３１２３で構成した例である。ここで、磁性層３１２１と磁性層３１２３の磁化方向は互いに反平行あるいは平行に配置していることが望ましい。
【００２８】
図５は、記録ビットの更に他の構成例を示す断面模式図である。図５の記録ビットは、図３に示した記録ビット３１の磁気記録層３１２を、隣接する２層の磁気記録層３１３１，３１３２で構成したものである。図４、図５に示した例においても、各々の層には図３の実施例に例示した材料を用いることができる。
【００２９】
図６は、記録ビットへの情報の書き込みと、検出部での情報の読み出しの原理を説明する図であり、図１のＡ−Ｂに沿った断面模式図である。記録ビットには図３に示した積層構造を用い、検出部には図２Ａに示した積層構造を用いた例によって説明する。
【００３０】
例えば記録ビット３１の書込み動作において、磁気記録層３１２の磁化方向を固定層３１４の磁化方向に対して平行にする場合、スピン蓄積層１から電極保護膜３１６の方向に書込み電流６１を流す。それにより固定層３１４の磁化方向と同じ方向に磁気記録層３１２の磁化を揃えようとするスピントランスファートルクが作用する。一方、磁気記録層３１２の磁化方向を固定層３１４の磁化方向と反平行にするには、電極保護層３１６からスピン蓄積層１の方向に書込み電流６２を流す。このようにして記録ビット３１〜３４の磁気記録層の磁化をそれぞれ所望の方向に向けることが可能である。
【００３１】
ランダムに配置した記録ビット３１〜３４の磁気記録層の磁化方向の組み合わせのパターンを検出部２で読み出す。この場合、検出部２において、スピン蓄積層１と電極保護層２３の間に読出し電流６３あるいは電圧を印加することにより電気的信号として読み出す。この際に、各記録ビットには、スピン蓄積層１と電極保護層の間に、それぞれの磁気記録層の磁化方向が反転しないレベルの電流を書込み時に流した電流方向と同じ方向に流しておくのが望ましい。
【００３２】
図７は、各記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組合せと検出部で検出される出力信号のレベルの関係をまとめて示したものである。出力信号のレベルは相対値である。
【００３３】
例えば、パターン１は、記録ビット３１〜３４の磁気記録層の磁化方向がすべて右向きの場合であり、出力信号レベルは最大となる。一方、パターン２は、記録ビット３４の磁気記録層の磁化方向のみ左向きで他の記録ビット３１〜３３の磁気記録層の磁化方向が右向きの場合であり、パターン１に比べて３分の１の信号レベルとして検出される。その理由は、パターン２の場合、検出部２から等距離に位置する記録ビット３３の磁気記録層からスピン蓄積層１に拡散してきた偏極スピンと記録ビット３４の磁気記録層から拡散してきた偏極スピンに起因する信号が相殺されるため、記録ビット３１，３２の磁気記録層からスピン蓄積層１に拡散してきた偏極スピンに起因する信号が検出部２で検出される。ここで、パターン３とパターン４の信号レベルの差に現れているように、記録ビット３１，３２は、検出部２からみて記録ビット３３，３４より遠くに位置し、スピン蓄積層１内での偏極スピンの拡散距離が長いため、記録ビット３３，３４に比較して検出信号への寄与率が小さい。従って、パターン２の場合、パターン１に比べて３分の１の信号レベルとなるのである。
【００３４】
さらに、パターン１２のような磁化配列の場合、信号レベルは、パターン２の信号と符合が逆転して大きさが２倍になる。このように、４つの記録ビットから１６パターンの磁化配列の組合せが可能であり、結果的に６，４，２，０，−２，−４，−６の７値の検出信号を得ることが可能である。このため、従来の磁気メモリに比べて２倍の容量を形成可能となる。
【００３５】
本実施例では、スピン蓄積層１上に４つの記録ビットと１つの検出部を装備して７値を検出できる例を示したが、図８に示すように、検出部を４つ設けることにより、さらに４倍の２８値の多値情報を得ることが可能となる。すなわち、図７に示した各パターンに対して、検出部２０１〜２０４の位置で、それぞれ独立した信号レベルが得られる。例えばパターン１の場合、４つの検出部２０１〜２０４の信号レベルは全て６となる。一方、パターン２の場合、４個の記録ビットの各検出部の間の距離の違いを反映して、検出部２０１と２０２の信号レベルは２、検出部２０２と２０４の信号レベルは４となり、さらに多値の情報読出しが可能となる。このようにして、記録ビットと検出部の数を増加させることにより、図９に示すような記録ビットアレイ７０と複数個の検出部７１ａ〜７１ｄを併せ持つ大容量磁気メモリセルを構成することが可能となる。
【００３６】
［実施例２］
図１０は、記録ビット３１〜３４にマルチフェロイックス層を適用して、電界により記録ビットの磁気記録層の磁化方向を制御する方式の例を示したものである。図１０は、図１のＡ−Ｂに沿う断面模式図である。
【００３７】
記録ビット３１は、スピン蓄積層１側から、中間層３１１、磁気記録層３１２、マルチフェロイックス層４１、電極保護層３１６を順に積層して形成される。記録ビット３２〜３４も、記録ビット３１と同様の層構造を有する。この場合、スピン蓄積層１に対して電極保護層３１６に正の電界を印加すると磁気記録層３１２の磁化方向は左に向き、逆に負の電界を印加すると磁気記録層３１２の磁化方向は右に向く。
【００３８】
図１０には、検出部２として図２Ａに示した構造を採用した例を示した。しかし、実施例１と同様に、検出部２としては図２Ａに示した構造以外に、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄに示した構造のものも適用可能である。
【００３９】
本実施例は、電界による書込み方式であり、電流を用いないため実施例１に比べて１桁以下小さい消費電力で動作可能となる。マルチフェロイックス層は、広義には磁性と誘電性を併せ持つ材料であるが、特に本実施例のマルチフェロイックス層には、ＢｉＦｅＯ3，ＹＭｎＯ3，ＣｏＦｅＯ2，Ｃｒ2Ｏ3など、反強磁性と強誘電性の両方の性質を備える材料を用いる。本実施例の磁気記録層には、実施例１と同様に、表１に掲げたＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉを基本とする強磁性材料の他に、ホイスラー合金、あるいはＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，ＦｅＰｄ，ＣｏＦｅＢＰｔ，ＣｏＦｅＢＣｒ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒ，ＣｏＰｔＢ，ＦｅＰｔＢ，ＣｏＧｄ，ＣｏＦｅＢＣｒなどの材料を適用することができる。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜などを使用することもできる。また、マルチフェロイックス層と電極保護層３１６の間に絶縁層を設けてもよい。それによりマルチフェロイックス層に均一に大きな電界を印加することが可能となり、磁気記録層の磁化反転を円滑に制御することができる。
【００４０】
［実施例３］
図１１は、各記録ビットと検出部に接続される配線を設けた磁気メモリセルの構成例を示したものである。この磁気メモリセルを複数個配置することにより、図１２に示した磁気メモリが構成され、大容量の磁気記録層を実現することが可能になる。
【００４１】
Ｘ方向の書込みワード線５１とＹ方向の書込みワード線５２が、電極保護膜を介して記録ビット上で交差するように形成されている。書込みワード線の端部には書込み制御ドライバ５４，５５が備えられており、その書込み制御ドライバ５４，５５で書込みワード線５１，５２に印加する電気信号パターンを与えて任意の記録ビットへ電流又は電圧を印加して記録ビットの磁気記録層の磁化方向を変化させて磁気情報を書込む。この電気信号パターンでは、例えば＋１Ｖを与えられたＸ方向に伸びる書込みワード線５１と、同時に＋１Ｖを与えられたＹ方向に伸びる書込みワード線５２の交点の記録ビットが選択されて、磁気情報が書き込まれる。
【００４２】
一方、Ｘ方向の読出し線５３とＹ方向の読出し線５３２が、電極保護膜を介して検出部上で交差するように形成されている。読出し線の端部には読出し制御ドライバ５６，５７が備えられており、その読出し制御ドライバ５６，５７で読出し線５３，５３２に印加する電気信号パターンを与えて任意の検出部へ電流又は電圧を印加して検出部で検出される電圧をどちらか一方の読出し制御ドライバで読出し、記録の電圧パターンを演算認識する。
【００４３】
この電気信号パターンでは、例えば＋１Ｖを与えられたＸ方向に伸びる読出し線５３と、同時に＋１Ｖを与えられたＹ方向に伸びる読出し線５３２の交点の検出部が選択されて出力信号が読みだされる。
各メモリセルに属する記録ビットの選択の管理は、書込み制御ドライバにて行っているが、メモリセル単位で記録ビットの管理を行う場合とメモリセルによるよらずチップ内でランダムに管理する場合のどちらを採用してもよい。検出部の検出信号を読み取る際に、隣のメモリセルの記録ビットによる干渉はない。
【符号の説明】
【００４４】
１…スピン蓄積層
２…検出部
２１…中間層
２２…固定層
２３…電極保護層
２４…反強磁性層
３１〜３４…記録ビット
４１…マルチフェロイックス層
５０…書込みワード線
５１…Ｘ方向の書込みワード線
５２…Ｙ方向の書込みワード線
５３…読出し線
５４，５５…書込み制御ドライバ
５６…読出し制御部
７０…記録ビットアレイ
７１ａ〜７１ｄ…検出部
２０１〜２０４…検出部
３１１…中間層
３１２…磁気記録層
３１３…障壁層
３１４…固定層
３１５…反強磁性層
３１６…電極保護層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的手段により磁気情報の書込みを行う磁気メモリセル及びそれを装備した大容量多値磁気メモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
不揮発性磁気メモリや磁気記録装置では、その大容量化に向けて記録磁気情報を多値情報として記録し、読み出す技術が必要とされている。例えば、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗効果素子を２つ以上積層した多値磁気メモリが特表２００７−５０４６５１号公報に開示されている。また、特開２００６−２３７１８３号公報には、磁性細線に磁壁で分離して配列された多数の磁気ビット情報を一つの磁気抵抗効果素子で読み出す大容量の磁気記録装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５０４６５１号公報
【特許文献２】特開２００６−２３７１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
磁気メモリや磁気記録装置の抜本的な大容量化の実現には、１ビットの磁気情報を多値で読み出す技術を開発する必要がある。
【０００５】
本発明は、このような要請に応えることのできる磁気メモリセル及び大容量不揮発性磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、１つのスピン蓄積層上に複数の磁気記録ビットと、その記録ビットを構成する磁気記録層の磁化方向の組合せを多値情報として電気的に検出可能な検出部とを配置した磁気メモリセル、及びその磁気メモリセルをアレイ状に多数組み合わせた大容量磁気メモリを提供する。
【０００７】
本発明の磁気メモリセルは、スピン蓄積層と、スピン蓄積層上に接して設けられた複数の記録ビットと一つ又は複数の検出部を有する。一つの記録ビットは、スピン蓄積層に隣接する中間層と磁気記録層と障壁層と固定層と電極保護層がこの順に形成され、電極保護層とスピン蓄積層の間に電流あるいは電圧を印加するとき磁気記録層に作用するスピントランスファートルクにより磁気記録層の磁化方向を反転して記録ビットの書き込みを行う。固定層は、その上に磁化を固定するための反強磁性層を積層してもよい、一方、検出部は、スピン蓄積層に隣接する中間層と固定層と電極保護層によって構成される。中間層を介してスピン蓄積層に隣接している記録ビットの磁気記録層からスピン蓄積層にスピン電流が流れ、スピン蓄積層に偏極したスピンが蓄積される。蓄積される偏極スピンの向きと量が、記録ビットの磁気記録層の磁化方向に依存する。その蓄積された偏極スピンの向きと量、さらに、記録ビットと検出部の間の距離に応じて、検出部で検出される電気的信号の大きさと符合が決定される。検出される電気的信号の大きさと符合の組合せの数が、記録ビットの数以上に存在することから、多値情報として読み出すことが可能な磁気メモリセルを提供できる。
【０００８】
スピン蓄積効果は、非磁性層の上に中間層を介して積層された強磁性層を有するデバイスで生じる効果である。非磁性層の異なる位置にそれぞれ中間層を介して一対の強磁性層を積層し、一方の強磁性層の磁化を固定し、もう一方の磁化が固定されていない強磁性層から中間層を通して非磁性層に電流を流すと、その強磁性層から偏極したスピン電流が非磁性層へ流れ込み、非磁性層の中に偏極スピンが蓄積される。磁化が固定されていない強磁性層の磁化方向に応じて蓄積される上向きスピンと下向きスピンの量が異なる。磁化が固定された強磁性層と非磁性層との間の電圧は、上向きスピンと下向きスピンの量の差に依存する量として検出される。ここで、一対の強磁性層の間の距離をｄとすると、その検出電圧はexp(−ｄ)に比例して減少する。
【０００９】
したがって、複数の記録ビットを共通の非磁性層の上に形成し、任意の位置に検出部を備えるとその検出部には、各々の記録ビットの磁気記録層の向きと検出部までの距離に応じた電圧が生じる。
【００１０】
また、スピン蓄積層と隣接する中間層と磁気記録層とマルチフェロイックス層と電極保護層をこの順に積層して記録ビットを構成することもできる。この場合、電極保護層とマルチフェロイックス層の間に電界を印加して磁気記録層の磁化方向を反転する。マルチフェロイックス層は、反強磁性体の性質と強誘電体の性質を併せ持つ層である。
【００１１】
また、本発明の磁気メモリセルを複数個同一平面上に配置し、各々の記録ビットを書込みワード線で接続し、また磁気メモリセル間の検出部を読出し線で接続すると大容量磁気メモリが得られる。
【００１２】
本発明の一実施態様による磁気メモリセルは、スピン蓄積層と、スピン蓄積層上に互いに離間して形成された複数の記録ビット及び１又は複数の検出部とを有し、記録ビットは、スピン蓄積層上に、中間層、磁気記録層、障壁層、固定層、第１の電極保護層を順に積層した構造を有し、第１の電極保護層とスピン蓄積層の間に流す電流の向きによって磁気記録層の磁化方向を反転可能であり、検出部は、スピン蓄積層上に、中間層、固定層、第２の電極保護層を順に積層した構造を有し、検出部は、第２の電極保護層とスピン蓄積層の間に電流を流すことにより、複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせに依存するレベルの信号を出力する。
【００１３】
上記実施態様の磁気メモリセルを複数配列した本発明の磁気メモリは、各記録ビットの第１の電極保護層上で２本が交差して当該第１の電極保護層に接続された複数の書込みワード線と、書込みワード線に接続された書込み制御部と、検出部の第２の電極保護層に接続された読出し線と、読出し線に接続された読出し制御部とを備え、書込み制御部は、所望の記録ビットの第１の電極保護層上で交差する一対の書込みワード線を選択し、当該一対の書込みワード線から所望の記録ビットの第１の電極保護層とスピン蓄積層の間に電流を印加することにより所望の記録ビットの磁気記録層の磁化方向を反転して書き込みを行い、読出し制御部は、選択したい検出部の第２の電極保護層上で交差する一対の読出し線を選択し、当該一対の読出し線から所望の第２の電極保護膜からスピン蓄積層の間に読出し線から電流を供給し、複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせを読み取る。
【００１４】
また、本発明の他の実施態様による磁気メモリセルは、スピン蓄積層と、スピン蓄積層上に互いに離間して形成された複数の記録ビット及び１又は複数の検出部とを有し、記録ビットは、スピン蓄積層上に、中間層、磁気記録層、マルチフェロイックス層、第１の電極保護層を順に積層した構造を有し、第１の電極保護層とスピン蓄積層の間に印加する電圧の符号によって磁気記録層の磁化方向を反転可能であり、検出部は、スピン蓄積層上に、中間層、固定層、第２の電極保護層を順に積層した構造を有し、検出部は、第２の電極保護層とスピン蓄積層の間に電流を流すことにより、複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせに依存する信号レベルを出力する。
【００１５】
上記実施態様の磁気メモリセルを複数配列した本発明の磁気メモリは、各記録ビットの第１の電極保護層上で２本が交差して当該第１の電極保護層に接続された複数の書込みワード線と、書込みワード線に接続された書込み制御部と、検出部の第２の電極保護層に接続された読出し線と、読出し線に接続された読出し制御部とを備え、書込み制御部は、所望の記録ビットの第１の電極保護層上で交差する一対の書込みワード線を選択し、当該一対の書込みワード線から所望の記録ビットの電極保護層とマルチフェロイックス層の間に電界を印加することにより所望の記録ビットの磁気記録層の磁化方向を反転して書き込を行う。その方法では、２本のワード線の交点の記録ビットにのみ反転電圧を印加し、その２本のワード線に接続されている他の記録ビットには反転電圧を印加しない。読出し制御部は、選択したい検出部の第２の電極保護層上で交差する一対の読出し線を選択し、当該一対の読出し線から所望の第２の電極保護膜からスピン蓄積層の間に読出し線から電流を供給し、複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせを読み取る。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、従来の２倍以上の容量をもつ磁気メモリを提供でき、大容量化を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の磁気メモリセルの構成例を示す平面模式図である。
【図２Ａ】本発明の磁気メモリセルの検出部の構成例を示す断面模式図である。
【図２Ｂ】本発明の磁気メモリセルの検出部の他の構成例を示す断面模式図である。
【図２Ｃ】本発明の磁気メモリセルの検出部の他の構成例を示す断面模式図である。
【図２Ｄ】本発明の磁気メモリセルの検出部の他の構成例を示す断面模式図である。
【図３】本発明の磁気メモリセルの記録ビットの構成例を示す断面模式図である。
【図４】本発明の磁気メモリセルの記録ビットの他の構成例を示す断面模式図である。
【図５】本発明の磁気メモリセルの記録ビットの他の構成例を示す断面模式図である。
【図６】本発明の磁気メモリセルの書込みと読出し方式を示す説明図である。
【図７】本発明の磁気メモリセルの読出し信号レベルを示した図である。
【図８】本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図９】本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図１０】本発明の他の磁気メモリセルの書込みと読出し方式を示す説明図である。
【図１１】本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図１２】本発明の磁気メモリの構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
［実施例１］
図１は、本発明による磁気メモリセルの一例を示す平面模式図である。ここには、４つの記録ビットで構成される磁気メモリセルの例を示す。磁気メモリセルは、一つのスピン蓄積層１の上に、４つの記録ビット３１〜３４と１つの検出部２を形成している。記録ビットと検出部は、図示するように記録ビット３１，３２の中心と記録ビット３３，３４の中心の間の距離をｄ１、記録ビット３１，３２の中心と検出部の中心の間の距離をｄ２とするとき、ｄ２＝２×ｄ１の関係に配置した。なお、記録ビットの個数は４個に限られず、また記録ビットの配置も図示した配置には限られない。その場合、検出部と記録ビットとの間の距離が少なくとも２種類以上あるように複数の記録ビットを設けることが必要である。
【００１９】
図２Ａから図２Ｄは、検出部２の種々の構成例を説明する断面摸式図である。図２Ａに示した検出部には、スピン蓄積層１側から中間層２１と固定層２２と電極保護層２３がこの順に積層されている。また、図２Ｂに示すように、固定層２２は、中間層２２２を介して積層された２層の磁性層２２１，２２３により構成されていてもよい。この場合、２層の磁性層２２１，２２３の磁化方向は反平行配置することが望ましい。さらに図２Ｃに示すように、固定層２２に反強磁性層２４を隣接させて、固定層２２の磁化方向を一方向に固定してもよい。また、図２Ｄに示すように、図２Ｂの固定層２２を構成する磁性層２２３に反強磁性層２４を隣接させた構造とすることも可能である。
【００２０】
ここで、固定層２２や固定層を構成する磁性層２２１，２２３には、表１に掲げたＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉを基本とする強磁性材料を用いることができる。その他に、ホイスラー合金や、ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，ＦｅＰｄ，ＣｏＦｅＢＰｔ，ＣｏＦｅＢＣｒ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒ，ＣｏＰｔＢ，ＦｅＰｔＢ，ＣｏＧｄ，ＣｏＦｅＢＣｒなどの材料を用いてもよい。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜などを使用することが可能である。中間層２１には、ＭｇＯを用いることが望ましいが、ＺｎＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2のような酸化物、あるいはＧａＡｓやＺｎＳｅなどの半導体材料、ＡｌＮ，ＳｉＮなどの窒化物を用いてもよい。特に、中間層２１にＭｇＯを用いた場合、固定層２２や磁性層２２１に体心立方格子構造のＣｏＦｅＢを用いることにより、大きな読出し出力信号を得ることができる。この場合、ＭｇＯもＣｏＦｅＢも（１００）配向性の高い薄膜で構成し、ＣｏＦｅＢの組成をＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20とするのが望ましい。電極保護層２３には、ＴａやＲｕなどの非磁性金属層を用いるとよいが、伝導率の大きな材料を使用することも可能である。ここで、電極保護層とは、保護層であり電極を兼ねる層であることを意味する。
【００２１】
【表１】
【００２２】
次に、図１に示した記録ビットの積層構成について説明する。図１に示した４個の記録ビット３１〜３４は全て同じ積層構造を有し、ここでは代表して記録ビット３１について説明する。
【００２３】
図３は、記録ビットの積層構成例を示す断面摸式図である。図示した記録ビット３１は、スピン蓄積層１側から中間層３１１、磁気記録層３１２、障壁層３１３、固定層３１４、反強磁性層３１５、電極保護層３１６をこの順に積層した構造を有する。ただし、反強磁性層３１５は、固定層３１４に保磁力の大きな磁性層を用いた場合には必ずしも必要がない。
【００２４】
磁気記録層３１２と固定層３１４には、表１に掲げたＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉを基本とする強磁性材料の他に、ホイスラー合金や、ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，ＦｅＰｄ，ＣｏＦｅＢＰｔ，ＣｏＦｅＢＣｒ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒ，ＣｏＰｔＢ，ＦｅＰｔＢ，ＣｏＧｄ，ＣｏＦｅＢＣｒなどの材料を適用することができる。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜などを使用することが可能である。さらには、ここに挙げた材料を用いて２層以上の記録層を構成することも可能である。２層以上の構成とすることにより、磁気特性の制御を容易に行うことができる。
【００２５】
中間層３１１と障壁層３１３には、ＭｇＯを用いることが望ましいが、ＺｎＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2のような酸化物、あるいはＧａＡｓやＺｎＳｅなどの半導体材料、ＡｌＮ，ＳｉＮなどの窒化物、あるいはＣｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕなどの非磁性の金属材料を用いてもよい。特に、中間層３１１と障壁層３１３にＭｇＯを用いた場合、磁気記録層３１２と固定層３１４に体心立方格子構造のＣｏＦｅＢを用いることにより、大きな読出し出力信号を得ることができる。この場合、ＭｇＯもＣｏＦｅＢも（１００）配向性の高い薄膜で構成し、ＣｏＦｅＢの組成をＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20とするのが望ましい。記録ビット３２〜３４についても、用いる材料は記録ビット３１と同様である。電極保護層３１６には、ＴａやＲｕなどの非磁性金属層を用いるのがよいが、伝導率の大きな材料を使用することも可能である。
【００２６】
スピン蓄積層１の材料としては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌや、これらの元素を含むスピン拡散長の長い導電性材料や、ＧａＡｓやＺｎＳｅなどの半導体材料を用いることができる。また磁気記録層３１２に体心立方格子のＣｏＦｅＢを用い、中間層３１１にＭｇＯを用いた場合には、スピン蓄積層１にＣｒやＶや、これらの元素を含む体心立方格子の導電性材料を用いることが可能である。
【００２７】
図４は、記録ビットの他の構成例を示す断面模式図である。図４の記録ビットは、図３に示した記録ビット３１の磁気記録層３１２を、中間層３１２２を介して積層された２層の磁性層３１２１，３１２３で構成した例である。ここで、磁性層３１２１と磁性層３１２３の磁化方向は互いに反平行あるいは平行に配置していることが望ましい。
【００２８】
図５は、記録ビットの更に他の構成例を示す断面模式図である。図５の記録ビットは、図３に示した記録ビット３１の磁気記録層３１２を、隣接する２層の磁気記録層３１３１，３１３２で構成したものである。図４、図５に示した例においても、各々の層には図３の実施例に例示した材料を用いることができる。
【００２９】
図６は、記録ビットへの情報の書き込みと、検出部での情報の読み出しの原理を説明する図であり、図１のＡ−Ｂに沿った断面模式図である。記録ビットには図３に示した積層構造を用い、検出部には図２Ａに示した積層構造を用いた例によって説明する。
【００３０】
例えば記録ビット３１の書込み動作において、磁気記録層３１２の磁化方向を固定層３１４の磁化方向に対して平行にする場合、スピン蓄積層１から電極保護膜３１６の方向に書込み電流６１を流す。それにより固定層３１４の磁化方向と同じ方向に磁気記録層３１２の磁化を揃えようとするスピントランスファートルクが作用する。一方、磁気記録層３１２の磁化方向を固定層３１４の磁化方向と反平行にするには、電極保護層３１６からスピン蓄積層１の方向に書込み電流６２を流す。このようにして記録ビット３１〜３４の磁気記録層の磁化をそれぞれ所望の方向に向けることが可能である。
【００３１】
ランダムに配置した記録ビット３１〜３４の磁気記録層の磁化方向の組み合わせのパターンを検出部２で読み出す。この場合、検出部２において、スピン蓄積層１と電極保護層２３の間に読出し電流６３あるいは電圧を印加することにより電気的信号として読み出す。この際に、各記録ビットには、スピン蓄積層１と電極保護層の間に、それぞれの磁気記録層の磁化方向が反転しないレベルの電流を書込み時に流した電流方向と同じ方向に流しておくのが望ましい。
【００３２】
図７は、各記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組合せと検出部で検出される出力信号のレベルの関係をまとめて示したものである。出力信号のレベルは相対値である。
【００３３】
例えば、パターン１は、記録ビット３１〜３４の磁気記録層の磁化方向がすべて右向きの場合であり、出力信号レベルは最大となる。一方、パターン２は、記録ビット３４の磁気記録層の磁化方向のみ左向きで他の記録ビット３１〜３３の磁気記録層の磁化方向が右向きの場合であり、パターン１に比べて３分の１の信号レベルとして検出される。その理由は、パターン２の場合、検出部２から等距離に位置する記録ビット３３の磁気記録層からスピン蓄積層１に拡散してきた偏極スピンと記録ビット３４の磁気記録層から拡散してきた偏極スピンに起因する信号が相殺されるため、記録ビット３１，３２の磁気記録層からスピン蓄積層１に拡散してきた偏極スピンに起因する信号が検出部２で検出される。ここで、パターン３とパターン４の信号レベルの差に現れているように、記録ビット３１，３２は、検出部２からみて記録ビット３３，３４より遠くに位置し、スピン蓄積層１内での偏極スピンの拡散距離が長いため、記録ビット３３，３４に比較して検出信号への寄与率が小さい。従って、パターン２の場合、パターン１に比べて３分の１の信号レベルとなるのである。
【００３４】
さらに、パターン１２のような磁化配列の場合、信号レベルは、パターン２の信号と符合が逆転して大きさが２倍になる。このように、４つの記録ビットから１６パターンの磁化配列の組合せが可能であり、結果的に６，４，２，０，−２，−４，−６の７値の検出信号を得ることが可能である。このため、従来の磁気メモリに比べて２倍の容量を形成可能となる。
【００３５】
本実施例では、スピン蓄積層１上に４つの記録ビットと１つの検出部を装備して７値を検出できる例を示したが、図８に示すように、検出部を４つ設けることにより、さらに４倍の２８値の多値情報を得ることが可能となる。すなわち、図７に示した各パターンに対して、検出部２０１〜２０４の位置で、それぞれ独立した信号レベルが得られる。例えばパターン１の場合、４つの検出部２０１〜２０４の信号レベルは全て６となる。一方、パターン２の場合、４個の記録ビットの各検出部の間の距離の違いを反映して、検出部２０１と２０２の信号レベルは２、検出部２０２と２０４の信号レベルは４となり、さらに多値の情報読出しが可能となる。このようにして、記録ビットと検出部の数を増加させることにより、図９に示すような記録ビットアレイ７０と複数個の検出部７１ａ〜７１ｄを併せ持つ大容量磁気メモリセルを構成することが可能となる。
【００３６】
［実施例２］
図１０は、記録ビット３１〜３４にマルチフェロイックス層を適用して、電界により記録ビットの磁気記録層の磁化方向を制御する方式の例を示したものである。図１０は、図１のＡ−Ｂに沿う断面模式図である。
【００３７】
記録ビット３１は、スピン蓄積層１側から、中間層３１１、磁気記録層３１２、マルチフェロイックス層４１、電極保護層３１６を順に積層して形成される。記録ビット３２〜３４も、記録ビット３１と同様の層構造を有する。この場合、スピン蓄積層１に対して電極保護層３１６に正の電界を印加すると磁気記録層３１２の磁化方向は左に向き、逆に負の電界を印加すると磁気記録層３１２の磁化方向は右に向く。
【００３８】
図１０には、検出部２として図２Ａに示した構造を採用した例を示した。しかし、実施例１と同様に、検出部２としては図２Ａに示した構造以外に、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄに示した構造のものも適用可能である。
【００３９】
本実施例は、電界による書込み方式であり、電流を用いないため実施例１に比べて１桁以下小さい消費電力で動作可能となる。マルチフェロイックス層は、広義には磁性と誘電性を併せ持つ材料であるが、特に本実施例のマルチフェロイックス層には、ＢｉＦｅＯ3，ＹＭｎＯ3，ＣｏＦｅＯ2，Ｃｒ2Ｏ3など、反強磁性と強誘電性の両方の性質を備える材料を用いる。本実施例の磁気記録層には、実施例１と同様に、表１に掲げたＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉを基本とする強磁性材料の他に、ホイスラー合金、あるいはＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，ＦｅＰｄ，ＣｏＦｅＢＰｔ，ＣｏＦｅＢＣｒ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒ，ＣｏＰｔＢ，ＦｅＰｔＢ，ＣｏＧｄ，ＣｏＦｅＢＣｒなどの材料を適用することができる。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜などを使用することもできる。また、マルチフェロイックス層と電極保護層３１６の間に絶縁層を設けてもよい。それによりマルチフェロイックス層に均一に大きな電界を印加することが可能となり、磁気記録層の磁化反転を円滑に制御することができる。
【００４０】
［実施例３］
図１１は、各記録ビットと検出部に接続される配線を設けた磁気メモリセルの構成例を示したものである。この磁気メモリセルを複数個配置することにより、図１２に示した磁気メモリが構成され、大容量の磁気記録層を実現することが可能になる。
【００４１】
Ｘ方向の書込みワード線５１とＹ方向の書込みワード線５２が、電極保護膜を介して記録ビット上で交差するように形成されている。書込みワード線の端部には書込み制御ドライバ５４，５５が備えられており、その書込み制御ドライバ５４，５５で書込みワード線５１，５２に印加する電気信号パターンを与えて任意の記録ビットへ電流又は電圧を印加して記録ビットの磁気記録層の磁化方向を変化させて磁気情報を書込む。この電気信号パターンでは、例えば＋１Ｖを与えられたＸ方向に伸びる書込みワード線５１と、同時に＋１Ｖを与えられたＹ方向に伸びる書込みワード線５２の交点の記録ビットが選択されて、磁気情報が書き込まれる。
【００４２】
一方、Ｘ方向の読出し線５３とＹ方向の読出し線５３２が、電極保護膜を介して検出部上で交差するように形成されている。読出し線の端部には読出し制御ドライバ５６，５７が備えられており、その読出し制御ドライバ５６，５７で読出し線５３，５３２に印加する電気信号パターンを与えて任意の検出部へ電流又は電圧を印加して検出部で検出される電圧をどちらか一方の読出し制御ドライバで読出し、記録の電圧パターンを演算認識する。
【００４３】
この電気信号パターンでは、例えば＋１Ｖを与えられたＸ方向に伸びる読出し線５３と、同時に＋１Ｖを与えられたＹ方向に伸びる読出し線５３２の交点の検出部が選択されて出力信号が読みだされる。
各メモリセルに属する記録ビットの選択の管理は、書込み制御ドライバにて行っているが、メモリセル単位で記録ビットの管理を行う場合とメモリセルによるよらずチップ内でランダムに管理する場合のどちらを採用してもよい。検出部の検出信号を読み取る際に、隣のメモリセルの記録ビットによる干渉はない。
【符号の説明】
【００４４】
１…スピン蓄積層
２…検出部
２１…中間層
２２…固定層
２３…電極保護層
２４…反強磁性層
３１〜３４…記録ビット
４１…マルチフェロイックス層
５０…書込みワード線
５１…Ｘ方向の書込みワード線
５２…Ｙ方向の書込みワード線
５３…読出し線
５４，５５…書込み制御ドライバ
５６…読出し制御部
７０…記録ビットアレイ
７１ａ〜７１ｄ…検出部
２０１〜２０４…検出部
３１１…中間層
３１２…磁気記録層
３１３…障壁層
３１４…固定層
３１５…反強磁性層
３１６…電極保護層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン蓄積層と、前記スピン蓄積層上に互いに離間して形成された複数の記録ビット及び１又は複数の検出部とを有し、
前記記録ビットは、前記スピン蓄積層上に、中間層、磁気記録層、障壁層、固定層、第１の電極保護層を順に積層した構造を有し、前記第１の電極保護層と前記スピン蓄積層の間に流す電流の向きによって前記磁気記録層の磁化方向を反転可能であり、
前記検出部は、前記スピン蓄積層上に、中間層、固定層、第２の電極保護層を順に積層した構造を有し、
前記検出部は、前記第２の電極保護層と前記スピン蓄積層の間に電流を流すことにより、前記複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせに依存するレベルの信号を出力することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項２】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記記録ビットは前記固定層と前記第１の電極保護層の間に反強磁性層を有することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項３】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記磁気記録層は中間層を挟んで形成された２層の磁性層からなり、前記２層の磁性層の磁化方向は互いに反平行あるいは平行であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項４】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記磁気記録層は２層以上の磁性層からなることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項５】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記検出部の前記固定層は中間層を挟んで形成された２層の磁性層からなり、前記２層の磁性層の磁化方向は互いに反平行であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項６】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記検出部は前記固定層と前記第２の電極保護層の間に反強磁性層を備えていることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項７】
スピン蓄積層と、前記スピン蓄積層上に互いに離間して形成された複数の記録ビット及び１又は複数の検出部とを有し、
前記記録ビットは、スピン蓄積層上に、中間層、磁気記録層、マルチフェロイックス層、第１の電極保護層を順に積層した構造を有し、前記第１の電極保護層と前記スピン蓄積層の間に印加する電圧の符号によって前記磁気記録層の磁化方向を反転可能であり、
前記検出部は、前記スピン蓄積層上に、中間層、固定層、第２の電極保護層を順に積層した構造を有し、
前記検出部は、前記第２の電極保護層と前記スピン蓄積層の間に電流を流すことにより、前記複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせに依存する信号レベルを出力することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項８】
請求項７記載の磁気メモリセルにおいて、前記検出部の前記固定層は中間層を挟んで形成された２層の磁性層からなり、前記２層の磁性層の磁化方向は互いに反平行であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項９】
請求項７記載の磁気メモリセルにおいて、前記検出部は前記固定層と前記第２の電極保護層の間に反強磁性層を備えていることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１０】
請求項７記載の磁気メモリセルにおいて、前記マルチフェロイックス層と前記第１の電極保護層の間に絶縁層が設けられていることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１１】
複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルに対して選択的に書き込みあるいは読出しを行う手段とを備える磁気メモリであって、
前記磁気メモリは、スピン蓄積層と、前記スピン蓄積層上に互いに離間して形成された複数の記録ビットと１又は複数の検出部とを有し、前記記録ビットは、前記スピン蓄積層上に、中間層、磁気記録層、障壁層、固定層、第１の電極保護層を順に積層した構造を有し、前記検出部は、前記スピン蓄積層上に、中間層、固定層、第２の電極保護層を順に積層した構造を有するものであり、
各記録ビットの第１の電極保護層上で２本が交差して当該第１の電極保護層に接続された複数の書込みワード線と、
前記書込みワード線に接続された書込み制御部と、
前記検出部の第２の電極保護層に接続された読出し線と、
前記読出し線に接続された読出し制御部とを備え、
前記書込み制御部は、所望の記録ビットの第１の電極保護層上で交差する一対の書込みワード線を選択し、当該一対の書込みワード線から前記所望の記録ビットの第１の電極保護層と前記スピン蓄積層の間に電流を印加することにより前記所望の記録ビットの磁気記録層の磁化方向を反転して書き込みを行い、
前記読出し制御部は、選択された検出部の第２の電極保護層とスピン蓄積層の間に前記読出し線から電流を供給し読出し制御部は、所望の検出部の第２の電極保護層上で交差する一対の読出し線を選択し、当該一対の読出し線から前記所望の検出部の第２の電極保護膜とスピン蓄積層の間に読出し線から電流を供給し、複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせを読み取る、
ことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１２】
複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルに対して選択的に書き込みあるいは読出しを行う手段とを備える磁気メモリであって、
前記磁気メモリセルは、スピン蓄積層と、前記スピン蓄積層上に互いに離間して形成された複数の記録ビットと１又は複数の検出部とを有し、前記記録ビットは、スピン蓄積層上に、中間層、磁気記録層、マルチフェロイックス層、第１の電極保護層を順に積層した構造を有し、前記検出部は、前記スピン蓄積層上に、中間層、固定層、第２の電極保護層を順に積層した構造を有し、
各記録ビットの第１の電極保護層上で２本が交差して当該第１の電極保護層に接続された複数の書込みワード線と、
前記書込みワード線に接続された書込み制御部と、
前記検出部の第２の電極保護層に接続された読出し線と、
前記読出し線に接続された読出し制御部とを備え、
前記書込み制御部は、所望の記録ビットの第１の電極保護層上で交差する一対の書込みワード線を選択し、当該一対の書込みワード線から前記所望の記録ビットの電極保護層とマルチフェロイックス層の間に電界を印加することにより前記所望の記録ビットの磁気記録層の磁化方向を反転して書き込を行い、
読出し制御部は、所望の検出部の第２の電極保護層上で交差する一対の読出し線を選択し、当該一対の読出し線から前記所望の検出部の第２の電極保護膜とスピン蓄積層の間に読出し線から電流を供給し、複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせを読み取る
ことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１３】
請求項１２記載の磁気メモリにおいて、前記マルチフェロイックス層と前記電極保護層の間に絶縁層が設けられていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１】
スピン蓄積層と、前記スピン蓄積層上に互いに離間して形成された複数の記録ビット及び１又は複数の検出部とを有し、
前記記録ビットは、前記スピン蓄積層上に、中間層、磁気記録層、障壁層、固定層、第１の電極保護層を順に積層した構造を有し、前記第１の電極保護層と前記スピン蓄積層の間に流す電流の向きによって前記磁気記録層の磁化方向を反転可能であり、
前記検出部は、前記スピン蓄積層上に、中間層、固定層、第２の電極保護層を順に積層した構造を有し、
前記検出部は、前記第２の電極保護層と前記スピン蓄積層の間に電流を流すことにより、前記複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせに依存するレベルの信号を出力することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項２】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記記録ビットは前記固定層と前記第１の電極保護層の間に反強磁性層を有することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項３】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記磁気記録層は中間層を挟んで形成された２層の磁性層からなり、前記２層の磁性層の磁化方向は互いに反平行あるいは平行であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項４】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記磁気記録層は２層以上の磁性層からなることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項５】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記検出部の前記固定層は中間層を挟んで形成された２層の磁性層からなり、前記２層の磁性層の磁化方向は互いに反平行であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項６】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記検出部は前記固定層と前記第２の電極保護層の間に反強磁性層を備えていることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項７】
スピン蓄積層と、前記スピン蓄積層上に互いに離間して形成された複数の記録ビット及び１又は複数の検出部とを有し、
前記記録ビットは、スピン蓄積層上に、中間層、磁気記録層、マルチフェロイックス層、第１の電極保護層を順に積層した構造を有し、前記第１の電極保護層と前記スピン蓄積層の間に印加する電圧の符号によって前記磁気記録層の磁化方向を反転可能であり、
前記検出部は、前記スピン蓄積層上に、中間層、固定層、第２の電極保護層を順に積層した構造を有し、
前記検出部は、前記第２の電極保護層と前記スピン蓄積層の間に電流を流すことにより、前記複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせに依存する信号レベルを出力することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項８】
請求項７記載の磁気メモリセルにおいて、前記検出部の前記固定層は中間層を挟んで形成された２層の磁性層からなり、前記２層の磁性層の磁化方向は互いに反平行であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項９】
請求項７記載の磁気メモリセルにおいて、前記検出部は前記固定層と前記第２の電極保護層の間に反強磁性層を備えていることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１０】
請求項７記載の磁気メモリセルにおいて、前記マルチフェロイックス層と前記第１の電極保護層の間に絶縁層が設けられていることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１１】
複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルに対して選択的に書き込みあるいは読出しを行う手段とを備える磁気メモリであって、
前記磁気メモリは、スピン蓄積層と、前記スピン蓄積層上に互いに離間して形成された複数の記録ビットと１又は複数の検出部とを有し、前記記録ビットは、前記スピン蓄積層上に、中間層、磁気記録層、障壁層、固定層、第１の電極保護層を順に積層した構造を有し、前記検出部は、前記スピン蓄積層上に、中間層、固定層、第２の電極保護層を順に積層した構造を有するものであり、
各記録ビットの第１の電極保護層上で２本が交差して当該第１の電極保護層に接続された複数の書込みワード線と、
前記書込みワード線に接続された書込み制御部と、
前記検出部の第２の電極保護層に接続された読出し線と、
前記読出し線に接続された読出し制御部とを備え、
前記書込み制御部は、所望の記録ビットの第１の電極保護層上で交差する一対の書込みワード線を選択し、当該一対の書込みワード線から前記所望の記録ビットの第１の電極保護層と前記スピン蓄積層の間に電流を印加することにより前記所望の記録ビットの磁気記録層の磁化方向を反転して書き込みを行い、
前記読出し制御部は、選択された検出部の第２の電極保護層とスピン蓄積層の間に前記読出し線から電流を供給し読出し制御部は、所望の検出部の第２の電極保護層上で交差する一対の読出し線を選択し、当該一対の読出し線から前記所望の検出部の第２の電極保護膜とスピン蓄積層の間に読出し線から電流を供給し、複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせを読み取る、
ことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１２】
複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルに対して選択的に書き込みあるいは読出しを行う手段とを備える磁気メモリであって、
前記磁気メモリセルは、スピン蓄積層と、前記スピン蓄積層上に互いに離間して形成された複数の記録ビットと１又は複数の検出部とを有し、前記記録ビットは、スピン蓄積層上に、中間層、磁気記録層、マルチフェロイックス層、第１の電極保護層を順に積層した構造を有し、前記検出部は、前記スピン蓄積層上に、中間層、固定層、第２の電極保護層を順に積層した構造を有し、
各記録ビットの第１の電極保護層上で２本が交差して当該第１の電極保護層に接続された複数の書込みワード線と、
前記書込みワード線に接続された書込み制御部と、
前記検出部の第２の電極保護層に接続された読出し線と、
前記読出し線に接続された読出し制御部とを備え、
前記書込み制御部は、所望の記録ビットの第１の電極保護層上で交差する一対の書込みワード線を選択し、当該一対の書込みワード線から前記所望の記録ビットの電極保護層とマルチフェロイックス層の間に電界を印加することにより前記所望の記録ビットの磁気記録層の磁化方向を反転して書き込を行い、
読出し制御部は、所望の検出部の第２の電極保護層上で交差する一対の読出し線を選択し、当該一対の読出し線から前記所望の検出部の第２の電極保護膜とスピン蓄積層の間に読出し線から電流を供給し、複数の記録ビットの磁気記録層の磁化方向の組み合わせを読み取る
ことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１３】
請求項１２記載の磁気メモリにおいて、前記マルチフェロイックス層と前記電極保護層の間に絶縁層が設けられていることを特徴とする磁気メモリ。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１３８９２４（Ｐ２０１１−１３８９２４Ａ）
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９７８５５（Ｐ２００９−２９７８５５）
【出願日】平成２１年１２月２８日（２００９．１２．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２８日（２００９．１２．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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