磁気メモリ素子及び磁気メモリ装置
【課題】電流で書き込み動作を行うことができる大容量の磁気メモリ及び磁気メモリ装置を提供する。
【解決手段】磁化が固定された第１の磁性層１０と、磁化が可変の第２の磁性層３０と、第１の磁性層１０と第２の磁性層３０との間に設けられた第１の中間層２０と、第１の磁性層１０と第２の磁性層３０とを結ぶ第１の方向に直交する第２の方向に延在し、第２の磁性層３０に隣接し、スピン波を伝搬する第１の磁性細線４０と、第１の磁性細線４０の一端に設けられた第１のスピン波入力部と、第１の磁性細線４０の他端に設けられた第１のスピン波検出部と、を備える。
【解決手段】磁化が固定された第１の磁性層１０と、磁化が可変の第２の磁性層３０と、第１の磁性層１０と第２の磁性層３０との間に設けられた第１の中間層２０と、第１の磁性層１０と第２の磁性層３０とを結ぶ第１の方向に直交する第２の方向に延在し、第２の磁性層３０に隣接し、スピン波を伝搬する第１の磁性細線４０と、第１の磁性細線４０の一端に設けられた第１のスピン波入力部と、第１の磁性細線４０の他端に設けられた第１のスピン波検出部と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気メモリ素子及び磁気メモリ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
メモリの一つに磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が挙げられる。ＭＲＡＭは、情報を記録する部分に強磁性体を用いて、強磁性体磁化の向きにより長時間情報を保持する。ＭＲＡＭへの情報の書き込みは、磁界印加又はスピン偏極電流注入によって磁化を反転させることで行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２１３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＲＡＭでは、書き込む情報量に比例して、回路に流す電流の大きさも増加する。また、情報を保持するトンネル磁気抵抗素子が高抵抗であるため、それらを直列に接続し大容量化を図ろうとしても回路全体の抵抗値が大きくなって動作速度を著しく低下させることが問題となっていた。
【０００５】
そこで本発明の実施形態は、低電流で書き込み動作を行うことができ、かつ高速動作が可能な大容量の磁気メモリ素子及び磁気メモリ装置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】
本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子は、磁化が固定された第１の磁性層と、磁化が可変の第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを結ぶ第１の方向に直交する第２の方向に延在し、前記第２の磁性層に隣接し、スピン波を伝搬する第１の磁性細線と、前記第１の磁性細線の一端に設けられた第１のスピン波入力部と、前記第１の磁性細線の他端に設けられた第１のスピン波検出部と、を備え、前記第１のスピン波入力部によって前記第１の磁性細線に第１のスピン波を伝搬させ前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を反転させて書き込みを行い、又は前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を歳差運動させて前記第１の磁性細線に第２のスピン波を生成し伝搬させて前記第１のスピン波検出部で前記第２のスピンを検出することで読み出しを行う。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子を示す図。
【図２】第１の実施形態を説明するための図。
【図３】第１の実施形態を説明するための図。
【図４】第１の実施形態を説明するための図。
【図５】第１の実施形態を説明するための図。
【図６】第１の実施形態を説明するための図。
【図７】第１の実施形態を説明するための図。
【図８】第１の実施形態を説明するための図。
【図９】第１の実施形態を説明するための図。
【図１０】第１の実施形態を説明するための図。
【図１１】第１の実施形態を説明するための図。
【図１２】第１の実施形態を説明するための図。
【図１３】第１の実施形態を説明するための図。
【図１４】第１の実施形態の変形例を説明するための図。
【図１５】第１の実施形態の変形例を説明するための図。
【図１６】本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ装置を示す図。
【図１７】第２の実施形態を説明するための図。
【図１８】第２の実施形態を説明するための図。
【図１９】第２の実施形態を説明するための図。
【図２０】第２の実施形態を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
（第１の実施形態）
【０００９】
図１は磁気メモリ素子（磁気メモリセルともいう）１００を示す図である。
【００１０】
磁気メモリ素子１００は、参照層（第１の磁性層）１０と、中間層２０と、自由層（第２の磁性層）３０と、磁性細線４０とを備える。
【００１１】
図１に示すにようにｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸はそれぞれ直交している。ｚ軸方向は積層方向を示し、ｘ軸方向及びｙ軸方向は積層方向に対して垂直な方向を示す。図１の左図は磁気メモリ素子１００をｘ軸方向から眺めた図である。図１の右図は、磁気メモリ素子１００をｙ軸方向から眺めた図である。
【００１２】
参照層１０、中間層２０、自由層３０は、ｚ軸方向に積層されている。
【００１３】
ｘ軸方向において、自由層３０に隣接してｘ軸方向に延在した磁性細線４０が設けられている。
【００１４】
参照層１０、自由層３０は、強磁性体、フェリ磁性体、又は人工格子である。
【００１５】
強磁性体として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及びロジウム（Ｒｈ）から選択される少なくとも一つの元素との合金を用いることができる。強磁性体として、例えばＣｏＰｔ、ＮｉＦｅ、ＣｏＣｒＰｔ等も用いることができる。強磁性体の特性は、組成の変更、熱処理等によって変化させることができる。
【００１６】
フェリ磁性体として、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏ等の希土類と遷移金属のアモルファス合金を用いることができる。これらの材料は、スパッタ装置で薄膜として条件を選んで堆積すると磁化がｚ軸方向に向きやすくなる傾向があり、磁化を磁性膜に対して垂直にしたい場合に用いることができる。
【００１７】
人工格子として、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、又はＣｏ／Ｎｉの積層構造を用いることができる。これらの積層構造を用いることで、磁化をｚ軸方向に向けることが出来る。これらの積層構造は、最密六方構造の＜０００１＞配向、又は面心立方構造の＜１１１＞配向を有しやすい。
【００１８】
参照層１０は、磁化が一方向に固定されている。参照層１０の磁化は、積層方向に向いている。参照層１０の膜厚は、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。電流を流した際に自由層３０で発生するスピントルクの反作用によって、参照層１０の磁化の向きが変化してしまう可能性がある。このため、参照層１０のダンピング係数は、自由層３０のダンピング係数よりも大きいことが望ましい。この場合、スピントルクによる参照層１０の磁化反転に必要な時間が長くなる。よって、電流を流す時間が短くなるので参照層１０の磁化が反転しにくくなる。
【００１９】
自由層３０は、磁化が参照層１０の磁化よりも弱く固定されている。このため、磁化がある程度自由に回転することができる（可変であるともいう）。自由層３０の磁化は、積層方向に向いている。自由層３０の膜厚は、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【００２０】
中間層２０は、参照層１０と自由層３０との間に設けられることで、参照層１０の磁化と自由層３０の磁化の向きをそれぞれ独立に向けることがきる。中間層２０には、導電性材料を用いることができる。導電性材料としては、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、及びアルミニウム（Ａｌ）から選択される少なくとも一つの元素を用いることができる。また、これらの元素を組み合わせて合金として用いてもよい。中間層２０の膜厚は、１．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【００２１】
磁性細線４０は、スピン波を伝搬するスピン波伝搬配線である。磁性細線４０は、強磁性体、フェリ磁性体、又は絶縁体酸化物のフェリ磁性体である。
【００２２】
強磁性体として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及びロジウム（Ｒｈ）から選択される少なくとも一つの元素との合金を用いることができる。強磁性体には、例えばＣｏＰｔ、ＮｉＦｅ、ＣｏＣｒＰｔ等などもある。強磁性体の特性は、組成の変更、熱処理等によって変化させることができる。
【００２３】
フェリ磁性体として、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏ等の希土類と遷移金属のアモルファス合金を用いることができる。
【００２４】
絶縁体酸化物のフェリ磁性体として、例えばスピネル構造を有するフェライト（Ｍ−Ｆｅ２Ｏ４）、又はガーネット構造を持つ希土類鉄ガーネット（Ｒ３−Ｆｅ５Ｏ１２）を用いることができる。ここで、Ｍはマンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）のいずれか、又はこれらの元素から選択される少なくとも二つの元素の組合せである。また、Ｒはイットリウム（Ｙ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テリビウム（Ｔｂ）、シスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミニウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）から選択される少なくとも一つの元素である。希土類鉄ガーネットには、アルミニウム（Ａｌ）を添加してもよい。
【００２５】
磁性細線４０の磁化は、基本的には形状異方性により磁性細線４０が延在する方向に向いている。しかしながら、組成の変更、熱処理等によって磁化の向きを変化させることができる。
【００２６】
次に、磁気メモリ素子１００の動作原理について説明する。
【００２７】
図２は、参照層１０の磁化と自由層３０の磁化の挙動を説明するための図である。磁気メモリ素子１００に流す電流の強度・通電時間等は同一条件であるとする。
【００２８】
図２（Ａ）では、参照層１０の磁化と自由層３０の磁化はともに紙面上向き（ｚ軸上）である（磁化が膜面に対して垂直方向を向いている）。すなわち、参照層１０の磁化と自由層３０の磁化は平行である。この状態を『平行磁化配置』と呼ぶことにする。図２（Ｂ）では、参照層１０の磁化は紙面上向きであり、自由層３０の磁化は紙面下向きである。すなわち、参照層１０の磁化と自由層３０の磁化は反平行である。この状態を『反平行磁化配置』と呼ぶことにする。
【００２９】
平行磁化配置の状態にある磁気メモリ素子１００に対して、自由層３０から参照層１０に向けて電流を流しても自由層３０の磁化に対するスピントルクは殆ど発生しない。このため、自由層３０の磁化方向は殆ど変化しない（図２（Ａ）の右上図）。一方、参照層１０から自由層３０に向けて電流を流すと参照層１０からスピン注入が行われる。このスピン注入により、自由層３０の磁化を反転させようとするスピントルクが作用する。十分に大きな電流を流した場合にはスピントルクにより自由層３０の磁化が反転する（図２（Ａ）の右下図）。
【００３０】
反平行磁化配置の状態にある磁気メモリ素子１００では、平行磁化配置の状態にある磁気メモリ素子１００の磁化とは反対の挙動を示す。参照層１０から自由層３０に向けて電流を流しても自由層１０の磁化は反転しない。一方、自由層３０から参照層１０に向けて電流を流すと、参照層１０からスピン注入が行われ自由層３０の磁化が反転する。
【００３１】
図３は、自由層３０の磁化反転と時間との関係を説明するための図である。
【００３２】
横軸は時間を示す。ｔ０は電流を流し始めた時間である。図３の上図の縦軸は電流Ｉの大きさを示す。図３の下図の縦軸は、自由層３０の磁化のｚ軸成分ｍｚの大きさを示す。“ｍｚ”は磁化の向きは紙面上向きであることを示す。“−ｍｚ”は磁化の向きが紙面下向きであること示す。なお、ここでは、磁気メモリ素子１００の磁化状態は平行磁化配置である（図２（Ａ）の状態）とする。
【００３３】
自由層３０に電流が流れていない状態では、自由層３０の磁化は熱揺らぎにより磁化の向きが小刻みに変化している。自由層３０に電流を流すと、この状態に対してスピントルクが作用する。そして、ｚ軸方向を回転軸として自由層３０の磁化は歳差運動を始める。この時間をｔ１とする。さらに、時間が経過すると自由層３０の磁化の振幅が大きくなり自由層３０の磁化が反転する（図３（Ａ））。この時間をｔ２とする。なお、自由層３０の磁化が反転するには、反転するのに必要な閾値電流がある。閾値電流を超える電流を流すと自由層３０の磁化は反転する。さらに、自由層３０に流す電流値が大きくなると、時間ｔ１、ｔ２は短くなる。
【００３４】
一方、閾値電流を超える電流を流しても時間ｔ２に到達する前に、電流を切ると自由層３０の磁化は反転しない。よって、磁気メモリ素子１００の磁化状態は平行磁化配置に戻る（図３（Ｂ））。
【００３５】
次に、磁気メモリ素子１００の書込み動作について説明する。
【００３６】
平行磁化配置を”０”信号、反平行磁化配置を”１”信号とする。閾値よりも大きな電流Ｉを参照層１０から自由層３０に向かって時間ｔ２よりも長く流す（この電流を＋Ｉとする）と、信号は”０”から”１”になる。一方で、閾値よりも大きな電流Ｉを自由層３０から参照層１０に向かって時間ｔ２よりも長く流す（この電流を−Ｉとする）と、信号は”１”から”０”になる。
【００３７】
磁性細線４０のある一端に対して、例えば局所的に交番磁界を印加すると磁性細線４０内にスピン波を発生させることができる。スピン波は磁化の歳差運動が伝搬する現象である。このために、磁性細線４０の表面に磁極が発生する。この磁極の発生により磁力線が閉じるように外部に交番磁界を発生させる。従って、図１に示すように自由層３０の近傍に磁性細線４０が存在すると、自由層３０にスピン波由来の交番磁界が印加される。
【００３８】
自由層３０に注入されるスピンの向きと自由層３０の磁化の向きが完全に平行あるいは反平行である場合（コリニアな状態）には、スピントルクは発生しないので自由層３０の磁化は反転しない。しかし、上記したように参照層１０の磁化と自由層３０の磁化は、熱揺らぎによって磁化の方向が絶えず微小な角度で変化している。このため、磁気メモリ素子１００に電流を流すと、偶発的に有限なスピントルクが自由層３０の磁化に作用し自由層３０の磁化が歳差運動を開始する（時間ｔ１）。その結果、自由層３０の磁化が反転する（時間ｔ２）。
【００３９】
図４は、磁性細線４０にスピン波がない場合とスピン波がある場合の自由層３０の磁化反転と時間の関係を説明するための図である。
【００４０】
図４（Ａ）に示すように、自由層３０の磁化が反転する時間ｔ２よりも前に電流Ｉを切ると、自由層３０の磁化は反転しない。
【００４１】
一方、磁気メモリ素子１００では、交番磁界を自由層３０に印加する磁性細線４０を有している。このため、電流を磁気メモリ素子１００に流すよりも前から、熱揺らぎによりも大きなエネルギーを自由層３０の磁化に寄与させることができる。よって、自由層３０の磁化の向きは、熱揺らぎによりも大きく磁化の向きが変化することになる。つまり、電流を磁気メモリ素子１００に流すよりも前にスピン波を磁性細線４０に伝搬させることで、自由層３０の磁化が歳差運動を開始する時間ｔ１及び自由層３０の磁化が反転する時間ｔ２を短くすることができる（図４（Ｂ）の時間ｔ３）。ここでは、磁気メモリ素子１００の磁化状態が平行磁化配置であるとして説明した。しかし、反平行磁化配置の場合は電流の向きを−Ｉとすれば、スピン波素子１００は平行磁化配置の場合と同様の動作を行うことができる。
【００４２】
次に、磁気メモリ素子１００の読み出し動作について説明する。
【００４３】
自由層３０の磁化の磁化反転過程は歳差運動を伴う。この歳差運動によって自由層３０の周りには交番磁界が発生する。この交番磁界が磁性細線４０に印加されると、磁性細線４０内でスピン波が発生する。磁気メモリ素子１００に電流を流したときに、磁性細線４０にスピン波が発生しているか否かを観測することで磁気メモリ素子１００の磁化状態を読み出すことができる。すなわち、＋Ｉの電流を磁気メモリ素子１００に流すと平行磁化配置の場合にはスピン波が磁性細線４０内に発生し、反平行磁化配置の場合にはスピン波は発生しない。
【００４４】
電流を磁気メモリ素子１００に流す時間はｔ２よりも短い。これは、自由層３０の磁化反転を防ぐためである。電流を流す時間の設計値にマージンを与えるため、読み出しに用いる電流値の絶対値は、書込みに用いる電流値の絶対値よりも小さく、自由層３０の磁化が反転する電流閾値よりも大きいことが好ましい。
【００４５】
図５は、自由層３０の磁化の振る舞いを説明するための図である。縦軸は磁化の振幅の大きさを示す。横軸は時間を示す。ｍｚは、磁化が紙面上向き又は紙面下向き（積層方向）を示す。ｍｘは、磁化が紙面右向き又は紙面左向き（面内方向）を示す。自由層３０に電流を流す（電流ＯＮ）と、自由層３０に電流を流すのをやめるまで（電流ＯＦＦ）ｍｘは大きく振動する。このとき、ｍｚは、下に触れ磁化が反転しようとする。しかし、電流ＯＦＦにすると、ｍｘは減衰振動する。このとき、ｍｚは、下に触れ磁化が反転しようとしていたが反転前の状態に戻る。つまり、磁化が反転するには電流を流してからある程度の時間が経過している必要がある。
【００４６】
なお、自由層３０の磁化が安定した歳差運動が行なえるように、磁気メモリ素子１００に電流を流す前に、磁性細線４０にスピン波を伝搬させて自由層３０の磁化歳差運動を共鳴励起させてもよい。これは、熱揺らぎによるバラツキを低減するためである。
【００４７】
図６は、磁性細線４０に接続されている検出部（スピン波検出部ともいう）５０、６０を示す図である。図６（Ａ）は検出部５０を示す。図６（Ｂ）は検出部６０を示す。検出部５０、６０は動作原理が同じであるが、構成が異なる。
【００４８】
検出部５０は、磁性細線４０上に設けられた非磁性層５１、強磁性層５２、反強磁性層５３、電極５４とを備える。
【００４９】
非磁性層５１には、例えばＴａ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ａｌをその構成材料として用いることができる。これらの元素を少なくとも２種類含む合金を用いてもよい。また、これらの元素から少なくとも１つを選択し他の元素と組み合わせた合金でも良い。これらの元素を積層構造を用いてもよい。また、ＭｇＯ、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、又はＳｉＯ２などの非磁性絶縁体を用いることもできる。
【００５０】
強磁性層５２は、面内方向に対して垂直方向（積層方向）に磁化が向いた層である。強磁性層５２には、例えばＦｅＶＰｄ、ＦｅＣｒＰｄ、ＣｏＦｅＰｔ等をその構成材料として用いることができる。すなわち、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）から選択される少なくとも一つの元素との組み合わせによる合金を用いることができる。これらは、構成する磁性材料の組成や熱処理により特性を調整することができる。また、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金、またはＣｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｎｉの積層構造なども望ましい。さらに、非磁性層５１との組み合わせで垂直磁化となる結晶配向を制御したＣｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等の薄膜も用いることができる。強磁性層５２に、イットリウム鉄ガーネットや、マンガンフェライト、又はγ―酸化鉄のようなフェライト系酸化物を用いるとスピン波の損失を少なくすることができる。さらに、磁性半導体を用いることで機能性を向上させることもできる。
【００５１】
反強磁性層５３は、強磁性層５２の磁化方向を固着するために用いられる。反強磁性層５３としては、例えばＩｒＭｎを用いることができる。
【００５２】
電極５４には、導電性の非磁性材料を用いる。
【００５３】
電極５４に用いる非磁性材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）がある。また、これらの元素を組み合わせた合金でももよい。さらに、非磁性材料として、カーボンナノチューブやカーボンナノワイヤ、グラフェン等の材料を用いることもできる。
【００５４】
検出部５０の電気抵抗を測定するとスピン波を検出することができる。これは、強磁性層５２内の磁化が一方向に固着されていてかつスピン波が磁性細線４０内を伝搬してきて磁性細線４０内の磁化が歳差運動すると磁気抵抗効果（ＭＲ：Ｍａｇｎｅｔo-Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）によって検出部５０の電気抵抗が変化するからである。
【００５５】
また、検出部５０は、検出部６０のような構成にもできる。
【００５６】
この場合、検出部６０は、磁性細線４０上に設けられた非磁性層５１、強磁性層５２、中間層６１、強磁性層６２、電極５４とを備える。
【００５７】
強磁性層５２と強磁性層６２は中間層６１を介して反強磁性結合をしている。このようにすることで、強磁性層５２の磁化の向きを強く固着することができる。
【００５８】
強磁性層６２の材料は強磁性層５２の材料と同様である。
【００５９】
中間層６１には、例えばＲｕを用いることができる。
【００６０】
図７は、磁性細線４０に接続されている入力部（スピン波入力部ともいう）７０、８０を示す図である。図７（Ａ）は入力部７０を示す。図７（Ｂ）は入力部８０を示す。入力部７０、８０は動作原理が同じであるが、構成が異なる。
【００６１】
入力部７０は、磁性細線４０上に設けられたスペーサー層７１、強磁性層５２、反強磁性層５３、電極５４とを備える。また、磁性細線４０の入力部７０が設けられた側とは反対側には、電極７２が設けられている。磁性細線４０と電極７２との間に非磁性層等を介しても良い。
【００６２】
スペーサー層７１には、トンネル絶縁膜材料又は非磁性金属材料をその構成材料として用いることができる。
【００６３】
トンネル絶縁膜材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）から選択される少なくとも一つの元素を含む酸化物、窒化物、フッ化物、又は酸窒化物などを用いることができる。また、他にもＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＭｇＯなどの大きなエネルギーギャップを有する半導体材料を用いることもできる。
【００６４】
非磁性金属材料としては、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。また、これらの元素を組み合わせた合金でもよい。
【００６５】
電極７２の材料は、電極５４の材料と同様である。
【００６６】
入力部７０を用いて、磁性細線４０にスピン波を発生させる方法について説明する。
【００６７】
電極５４から電流を電極７２に向けて流す。このとき、磁性細線４０内の磁化にスピントルクが作用するため磁性細線４０内の磁化は歳差運動を始める。この歳差運動が磁性細線４０内で次々と伝わることでスピン波が生じる。また、電極５４と電極７２との間に電圧を印加することで磁性細線４０内の磁化歳差運動を励起してもよい。
【００６８】
また、入力部７０は、入力部８０のような構成にもできる。
【００６９】
この場合、入力部８０は、磁性細線４０上に設けられたスペーサー層７１、強磁性層５２、中間層６１、強磁性層６２、電極５４を備える。
【００７０】
強磁性層５２と強磁性層６２は中間層６１を介して反強磁性結合をしている。このようにすることで、強磁性層５２の磁化の向きを強く固着することができる。
【００７１】
強磁性層６２の材料は強磁性層５２の材料と同様である。
【００７２】
中間層６１には、例えばＲｕを用いることができる。
【００７３】
次に、磁気メモリ素子１００の作製方法の一例について説明する。
【００７４】
図８に示すように、磁気メモリ素子１００は、下部リード線とその上に形成された金属多層膜の上に設けられている。下部リード線上には、Ｔａ層、Ｒｕ層、Ｃｕ層が設けられている。一方で上部リード線と参照層１０との間にも金属多層膜が設けられている。参照層１０上にはＣｕ層、Ｔａ層が設けられている。
【００７５】
まず、基板上に絶縁体を積層し、マスクを用いて絶縁体をエッチングすることで基板表面の一部を露出させる。露出した部分に下部リード線を埋め込む。次に、超高真空スパッタ装置を用いて下部リード線上及び絶縁体上にＴａ層、Ｒｕ層、Ｃｕ層、自由層３０、中間層、参照層１０、Ｃｕ層、Ｔａ層の順に積層する（図９）。
【００７６】
次に積層した構造上にネガレジストを塗布し、電子線露光装置を用いて下部リード線上に積層した構造のうち磁気メモリセル１００となる部分のみを露光・現像することでネガレジストを残す。残ったネガレジストをパターンとしてイオンミリングを行い、レジストパターンの下部にある部分を残す。このとき、イオンミリングの条件によっては下部リード線上に積層された構造がテーパー形状となる。その後、ネガレジストを除去する（図１０）。
【００７７】
次に、超高真空スパッタ装置を用いてＴａ層上及び絶縁体上に絶縁体を積層する。そして、化学機械研磨（ＣＭＰ）を行って平坦化をおこなったのち、ポジレジストを塗布し、電子線露光装置を用いて磁性細線４０の部分のみレジストが剥離されるよう露光・現像し、イオンミリングによりレジストのない部分だけＴａ層を取り除く。そして反応性イオンエッチングを用いてＴａ層をマスクとして絶縁体の上面が自由層３０の下側に位置するように絶縁体をエッチングする（図１１）。
【００７８】
次に、イオンミリングを用いて下部リード線上に積層された構造の側壁部分の化合物を取り除いた後、不活性ガスで封止しながら原子層堆積装置に試料を搬入し、下部リード線上に積層された構造の側面に絶縁膜を堆積し、残りの部分は電子線レジストともに剥離する（図１２）。
【００７９】
次に、超高真空スパッタ装置を用いてＴａ層上、絶縁体上、及び絶縁膜上に磁性細線４０となるとなる磁性層を堆積する。そして、Ｔａ層が出てくるまでＣＭＰにて平坦化を行い、その後ポジレジストを塗布して電子線露光装置により磁気メモリ素子１００とその周辺部だけ露光し現像、これをマスクとして磁性層の上面が自由層３０の上側に位置するように磁性層をイオンミリングにより削り、レジストを除去する。次に、Ｔａ層上、絶縁膜上、及び磁性層上にポジレジストを堆積する。ＫｒＦ露光装置を用いて磁気メモリ素子とその周辺にまで伸びた磁性細線４０に対応したポジレジストのパターンを形成し、イオンミリングを用いてポジレジスト以外の部分を削る（図１３）。
【００８０】
次に、超高真空スパッタ装置を用いて絶縁体を全体に堆積し、化学機械研磨（ＣＭＰ）を行って平坦化を行う。最後に電子露光とイオンミリングを用いてＴａ層の上面を露出させ、上部リード線となる金属層を超高真空スパッタ装置で堆積させ、ＫｒＦ露光装置とイオンミリングを用いて配線を形成する（図８）
（変形例１）
【００８１】
図１４は、磁気メモリ素子１００の変形例を示す図である。
【００８２】
図１４（Ａ）に示す磁気メモリ素子２００は、磁性細線４０の一部が中間層２０にも設けられている点が磁気メモリ素子１００と異なる。このような構成の磁気メモリ素子２００でも、磁性細線４０からの交番磁界が自由層３０の磁化に作用するために、磁気メモリ素子として動作する。
【００８３】
図１４（Ｂ）に示す磁気メモリ素子３００は、磁性細線４０が２本設けられている点が磁気メモリ素子１００と異なる。磁性細線４０が２本あることで、自由層３０の磁化に対して交番磁界をより強く作用させることができる。
（変形例２）
【００８４】
図１５は、磁気メモリ素子１００の変形例を示す図である。
【００８５】
図１５（Ａ）に示す磁気メモリ素子４００は、磁性細線４０と自由層３０との間に絶縁膜４５が設けられている点が磁気メモリ素子１００と異なる。このような磁気メモリ素子４００の構成によって、磁性細線４０と自由層３０との交換結合を低減させることができる。なお、絶縁層４５の部分は空隙としてもよい。
【００８６】
絶縁膜４５には、ＭｇＯ、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、又はＳｉＯ２等を用いることができる。
【００８７】
図１５（Ｂ）に示す磁気メモリ素子５００は、磁性細線４０が２本設けられ、磁性細線４０と自由層３０との間に絶縁膜４５が設けられている点が磁気メモリ素子１００と異なる。磁性細線４０が２本あることで、自由層３０の磁化に対して交番磁界をより強く作用させることができる。また、絶縁膜４５があることで、磁性細線４０と自由層３０との交換結合を低減させることができる。
（第２の実施形態）
【００８８】
図１６は、磁気メモリ装置６００を示す図である。
【００８９】
磁気メモリ装置６００は、複数の磁気メモリ素子が金属配線（電極ともいう）を介して直列に接続されている。ここで、磁気メモリ素子とは、磁気メモリ素子１００、２００、３００、４００、５００、６００を示す。紙面上方の磁気メモリ素子から第１番目、第ｉ番目、第Ｎ番目とする。ｉとＮは自然数で１＜ｉ＜Ｎである。Ｎは最後尾の磁気メモリ素子である。第１番目の磁気メモリ素子の参照層１０は、トランジスタＴｒ＿ＰとＴｒ＿Ｍのソース端子又はドレイン端子と金属配線で接続されている。それぞれの磁気メモリ素子の磁性細線４０の一端にはスピン波を発生させる入力部が接続されている。また、磁性細線４０の他端にはスピン波を検出する検出部が接続されている。第Ｎ番目の磁気メモリ素子の自由層３０は、金属配線によって外部回路（図示せず）の共通端子と接続されている。
【００９０】
なお、図１７に示すように、磁気メモリ装置６００は、ｘ軸方向に沿って磁気メモリ素子が複数並べられ、それぞれの磁気メモリ素子が磁性細線４０を共用していてもよい。このようにすると、磁性細線４０の一端・他端にだけ入力部、検出部、外部回路を設ければよいので、磁気メモリ装置６００を高い空間密度で並べることができる。
【００９１】
次に、磁気メモリ装置６００の書き込み動作について図１８及び図１９を用いて説明する。
【００９２】
説明のために、磁気メモリ素子の個数を１０個とする。第１番目の磁気メモリ素子の参照層１０は、正の電流（＋Ｉｗ）のＯｎ／Ｏｆｆを行うトランジスタＴｒ＿Ｐと負の電流（−Ｉｗ）のＯｎ／Ｏｆｆを行うＴｒ＿Ｍと接続されている。それぞれの磁気メモリ素子の磁性細線４０には入力部と検出部が接続さている（図示せず）。例えば、スピン波の発生検出には、各磁性細線４０に近接したコプレナー線路を用いることができる。第１０番目の磁気メモリ素子の自由層３０には外部回路の共通端子が接続されている。自由層３０の磁化の向きが紙面上向きである場合のデータを”１”とし、紙面下向きである場合のデータを”０”とする。なお、参照層１０の磁化の向きは紙面上向きとする。それぞれの磁気メモリ素子の参照層１０と自由層３０の磁化の向きは、図１８（Ａ）、図１９（Ａ）に示すとおりである。
【００９３】
図１８は、第ｉ番目の磁気メモリ素子の磁性細線４０にスピン波を印加した状態で、Ｔｒ＿ＰをＯｎにして正の電流＋Ｉｗ（Ｉｗ＞０）を流し、第ｉ番目の磁気メモリ素子のデータを”０”から”１”に書き換えている。図１８（Ａ）は、磁気メモリ装置の概略図を示す。図１８（Ｂ）は、スピン波を印加するタイミングを示している。
【００９４】
図１９は、第１０番目の磁気メモリ素子の磁性細線４０にスピン波を印加した状態で、Ｔｒ＿ＭをＯｎにして負の電流−Ｉｗを流し、第１０番目の磁気メモリ素子のデータを”１”から”０”に書き換えている。図１９（Ａ）は、磁気メモリ装置の概略図を示す。図１９（Ｂ）は、スピン波を印加するタイミングを示している。
【００９５】
それぞれの磁気メモリ素子への書き込みは電流とスピン波の印加によって行われる。スピン波が印加された磁気メモリ素子は、スピン波が印加されていない場合に比べて速く磁化反転が起こる。よって、電流を流す時間を適切に設定すると、スピン波によるセル選択が可能になる。自由層３０の磁化反転の向きは電流の方向によって決定される。
【００９６】
トランジスタＴｒ＿ＰをＯｎにして正の電流を第１番目から第１０番目の磁気メモリ素子に流す。このとき、スピン波が印加され、かつデータが”０”の磁気メモリ素子の自由層３０の磁化が反転し、データが”１”に書き換えられる（図１８（Ａ）のi番目のセル）。一方で、負の電流を流した場合には、スピン波が印加され、かつデータが”１”の磁気メモリ素子の自由層３０の磁化が反転しデータが”０”に書き換えられる（図１９（Ａ）の１０番目のセル）。
【００９７】
つまり、流す電流の向きとスピン波の有無によって磁化反転させる磁気メモリセルを選択する。
【００９８】
次に、磁気メモリ装置６００の読み出し動作について図２０を用いて説明する。
【００９９】
図２０（Ａ）は読み出し動作の概要を図示しており、図２０（Ｂ）は１番目と１０番目の磁気メモリ素子のデータが”０”で、ｉ番目の磁気メモリ素子のデータが”１”であるような場合の、各々の検出部が検出するスピン波の振幅を図示している。
【０１００】
読み出しは、読み出し電流ＩＲ（ＩＲ＞０）を印加したときに発生する自由層３０の磁化の歳差運動の有無を判定することで行う。例えば、磁気メモリ素子が平行磁化配置を取っていて”０”のデータが記憶されている場合に、正の電流ＩＲを印加すると自由層３０の磁化は歳差運動を始める。さらにその歳差運動による交番磁界が磁性細線４０に対してスピン波を誘起する。その結果、そのスピン波を磁性細線４０に設けられた検出部で検出することで情報の読み出しを行うことができる。一方、磁気メモリ素子の磁化状態が反平行磁化配置をとっていて”１”のデータが記憶されている場合には自由層３０の磁化は歳差運動を行わない。よって、歳差運動が生じないことをもって”１”のデータが記憶されていることがわかる。データの破壊を防ぐため電流を磁気メモリ素子に流す時間は自由層３０の磁化が反転する時間より短くする。また、電流を流し始めた直後に、スピン波を入力部より与え歳差運動がすぐに起こるようにする。このようにすることで、スピン波がきっかけ（トリガー）となって自由層３０の磁化の熱揺らぎによる効果を小さくすることができる。よって、時間軸方向の揺らぎが抑制され、データの読み出しがより容易になる。
【０１０１】
負の読み出し電流-IR(＜０)でも読み出し動作を行うことができる。その場合、反平行磁化配置になっていてデータ“１”を記憶している磁気メモリ素子からスピン波が誘起され、平行磁化配置になっていてデータ“０”を記憶している磁気メモリ素子からはスピン波が誘起されない。つまり負の読み出し電流を用いると磁気メモリ素子から出力されるスピン波の有無と記憶されているデータとの関係が入れ替わる。
【０１０２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０３】
１０…参照層（第１の磁性層）、２０…中間層、３０…自由層（第２の磁性層）、４０…磁性細線、５０、６０…検出部、７０、８０…入力部、１００…磁気メモリ素子
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気メモリ素子及び磁気メモリ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
メモリの一つに磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が挙げられる。ＭＲＡＭは、情報を記録する部分に強磁性体を用いて、強磁性体磁化の向きにより長時間情報を保持する。ＭＲＡＭへの情報の書き込みは、磁界印加又はスピン偏極電流注入によって磁化を反転させることで行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２１３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＲＡＭでは、書き込む情報量に比例して、回路に流す電流の大きさも増加する。また、情報を保持するトンネル磁気抵抗素子が高抵抗であるため、それらを直列に接続し大容量化を図ろうとしても回路全体の抵抗値が大きくなって動作速度を著しく低下させることが問題となっていた。
【０００５】
そこで本発明の実施形態は、低電流で書き込み動作を行うことができ、かつ高速動作が可能な大容量の磁気メモリ素子及び磁気メモリ装置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】
本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子は、磁化が固定された第１の磁性層と、磁化が可変の第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを結ぶ第１の方向に直交する第２の方向に延在し、前記第２の磁性層に隣接し、スピン波を伝搬する第１の磁性細線と、前記第１の磁性細線の一端に設けられた第１のスピン波入力部と、前記第１の磁性細線の他端に設けられた第１のスピン波検出部と、を備え、前記第１のスピン波入力部によって前記第１の磁性細線に第１のスピン波を伝搬させ前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を反転させて書き込みを行い、又は前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を歳差運動させて前記第１の磁性細線に第２のスピン波を生成し伝搬させて前記第１のスピン波検出部で前記第２のスピンを検出することで読み出しを行う。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子を示す図。
【図２】第１の実施形態を説明するための図。
【図３】第１の実施形態を説明するための図。
【図４】第１の実施形態を説明するための図。
【図５】第１の実施形態を説明するための図。
【図６】第１の実施形態を説明するための図。
【図７】第１の実施形態を説明するための図。
【図８】第１の実施形態を説明するための図。
【図９】第１の実施形態を説明するための図。
【図１０】第１の実施形態を説明するための図。
【図１１】第１の実施形態を説明するための図。
【図１２】第１の実施形態を説明するための図。
【図１３】第１の実施形態を説明するための図。
【図１４】第１の実施形態の変形例を説明するための図。
【図１５】第１の実施形態の変形例を説明するための図。
【図１６】本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ装置を示す図。
【図１７】第２の実施形態を説明するための図。
【図１８】第２の実施形態を説明するための図。
【図１９】第２の実施形態を説明するための図。
【図２０】第２の実施形態を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
（第１の実施形態）
【０００９】
図１は磁気メモリ素子（磁気メモリセルともいう）１００を示す図である。
【００１０】
磁気メモリ素子１００は、参照層（第１の磁性層）１０と、中間層２０と、自由層（第２の磁性層）３０と、磁性細線４０とを備える。
【００１１】
図１に示すにようにｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸はそれぞれ直交している。ｚ軸方向は積層方向を示し、ｘ軸方向及びｙ軸方向は積層方向に対して垂直な方向を示す。図１の左図は磁気メモリ素子１００をｘ軸方向から眺めた図である。図１の右図は、磁気メモリ素子１００をｙ軸方向から眺めた図である。
【００１２】
参照層１０、中間層２０、自由層３０は、ｚ軸方向に積層されている。
【００１３】
ｘ軸方向において、自由層３０に隣接してｘ軸方向に延在した磁性細線４０が設けられている。
【００１４】
参照層１０、自由層３０は、強磁性体、フェリ磁性体、又は人工格子である。
【００１５】
強磁性体として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及びロジウム（Ｒｈ）から選択される少なくとも一つの元素との合金を用いることができる。強磁性体として、例えばＣｏＰｔ、ＮｉＦｅ、ＣｏＣｒＰｔ等も用いることができる。強磁性体の特性は、組成の変更、熱処理等によって変化させることができる。
【００１６】
フェリ磁性体として、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏ等の希土類と遷移金属のアモルファス合金を用いることができる。これらの材料は、スパッタ装置で薄膜として条件を選んで堆積すると磁化がｚ軸方向に向きやすくなる傾向があり、磁化を磁性膜に対して垂直にしたい場合に用いることができる。
【００１７】
人工格子として、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、又はＣｏ／Ｎｉの積層構造を用いることができる。これらの積層構造を用いることで、磁化をｚ軸方向に向けることが出来る。これらの積層構造は、最密六方構造の＜０００１＞配向、又は面心立方構造の＜１１１＞配向を有しやすい。
【００１８】
参照層１０は、磁化が一方向に固定されている。参照層１０の磁化は、積層方向に向いている。参照層１０の膜厚は、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。電流を流した際に自由層３０で発生するスピントルクの反作用によって、参照層１０の磁化の向きが変化してしまう可能性がある。このため、参照層１０のダンピング係数は、自由層３０のダンピング係数よりも大きいことが望ましい。この場合、スピントルクによる参照層１０の磁化反転に必要な時間が長くなる。よって、電流を流す時間が短くなるので参照層１０の磁化が反転しにくくなる。
【００１９】
自由層３０は、磁化が参照層１０の磁化よりも弱く固定されている。このため、磁化がある程度自由に回転することができる（可変であるともいう）。自由層３０の磁化は、積層方向に向いている。自由層３０の膜厚は、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【００２０】
中間層２０は、参照層１０と自由層３０との間に設けられることで、参照層１０の磁化と自由層３０の磁化の向きをそれぞれ独立に向けることがきる。中間層２０には、導電性材料を用いることができる。導電性材料としては、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、及びアルミニウム（Ａｌ）から選択される少なくとも一つの元素を用いることができる。また、これらの元素を組み合わせて合金として用いてもよい。中間層２０の膜厚は、１．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【００２１】
磁性細線４０は、スピン波を伝搬するスピン波伝搬配線である。磁性細線４０は、強磁性体、フェリ磁性体、又は絶縁体酸化物のフェリ磁性体である。
【００２２】
強磁性体として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及びロジウム（Ｒｈ）から選択される少なくとも一つの元素との合金を用いることができる。強磁性体には、例えばＣｏＰｔ、ＮｉＦｅ、ＣｏＣｒＰｔ等などもある。強磁性体の特性は、組成の変更、熱処理等によって変化させることができる。
【００２３】
フェリ磁性体として、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏ等の希土類と遷移金属のアモルファス合金を用いることができる。
【００２４】
絶縁体酸化物のフェリ磁性体として、例えばスピネル構造を有するフェライト（Ｍ−Ｆｅ２Ｏ４）、又はガーネット構造を持つ希土類鉄ガーネット（Ｒ３−Ｆｅ５Ｏ１２）を用いることができる。ここで、Ｍはマンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）のいずれか、又はこれらの元素から選択される少なくとも二つの元素の組合せである。また、Ｒはイットリウム（Ｙ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テリビウム（Ｔｂ）、シスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミニウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）から選択される少なくとも一つの元素である。希土類鉄ガーネットには、アルミニウム（Ａｌ）を添加してもよい。
【００２５】
磁性細線４０の磁化は、基本的には形状異方性により磁性細線４０が延在する方向に向いている。しかしながら、組成の変更、熱処理等によって磁化の向きを変化させることができる。
【００２６】
次に、磁気メモリ素子１００の動作原理について説明する。
【００２７】
図２は、参照層１０の磁化と自由層３０の磁化の挙動を説明するための図である。磁気メモリ素子１００に流す電流の強度・通電時間等は同一条件であるとする。
【００２８】
図２（Ａ）では、参照層１０の磁化と自由層３０の磁化はともに紙面上向き（ｚ軸上）である（磁化が膜面に対して垂直方向を向いている）。すなわち、参照層１０の磁化と自由層３０の磁化は平行である。この状態を『平行磁化配置』と呼ぶことにする。図２（Ｂ）では、参照層１０の磁化は紙面上向きであり、自由層３０の磁化は紙面下向きである。すなわち、参照層１０の磁化と自由層３０の磁化は反平行である。この状態を『反平行磁化配置』と呼ぶことにする。
【００２９】
平行磁化配置の状態にある磁気メモリ素子１００に対して、自由層３０から参照層１０に向けて電流を流しても自由層３０の磁化に対するスピントルクは殆ど発生しない。このため、自由層３０の磁化方向は殆ど変化しない（図２（Ａ）の右上図）。一方、参照層１０から自由層３０に向けて電流を流すと参照層１０からスピン注入が行われる。このスピン注入により、自由層３０の磁化を反転させようとするスピントルクが作用する。十分に大きな電流を流した場合にはスピントルクにより自由層３０の磁化が反転する（図２（Ａ）の右下図）。
【００３０】
反平行磁化配置の状態にある磁気メモリ素子１００では、平行磁化配置の状態にある磁気メモリ素子１００の磁化とは反対の挙動を示す。参照層１０から自由層３０に向けて電流を流しても自由層１０の磁化は反転しない。一方、自由層３０から参照層１０に向けて電流を流すと、参照層１０からスピン注入が行われ自由層３０の磁化が反転する。
【００３１】
図３は、自由層３０の磁化反転と時間との関係を説明するための図である。
【００３２】
横軸は時間を示す。ｔ０は電流を流し始めた時間である。図３の上図の縦軸は電流Ｉの大きさを示す。図３の下図の縦軸は、自由層３０の磁化のｚ軸成分ｍｚの大きさを示す。“ｍｚ”は磁化の向きは紙面上向きであることを示す。“−ｍｚ”は磁化の向きが紙面下向きであること示す。なお、ここでは、磁気メモリ素子１００の磁化状態は平行磁化配置である（図２（Ａ）の状態）とする。
【００３３】
自由層３０に電流が流れていない状態では、自由層３０の磁化は熱揺らぎにより磁化の向きが小刻みに変化している。自由層３０に電流を流すと、この状態に対してスピントルクが作用する。そして、ｚ軸方向を回転軸として自由層３０の磁化は歳差運動を始める。この時間をｔ１とする。さらに、時間が経過すると自由層３０の磁化の振幅が大きくなり自由層３０の磁化が反転する（図３（Ａ））。この時間をｔ２とする。なお、自由層３０の磁化が反転するには、反転するのに必要な閾値電流がある。閾値電流を超える電流を流すと自由層３０の磁化は反転する。さらに、自由層３０に流す電流値が大きくなると、時間ｔ１、ｔ２は短くなる。
【００３４】
一方、閾値電流を超える電流を流しても時間ｔ２に到達する前に、電流を切ると自由層３０の磁化は反転しない。よって、磁気メモリ素子１００の磁化状態は平行磁化配置に戻る（図３（Ｂ））。
【００３５】
次に、磁気メモリ素子１００の書込み動作について説明する。
【００３６】
平行磁化配置を”０”信号、反平行磁化配置を”１”信号とする。閾値よりも大きな電流Ｉを参照層１０から自由層３０に向かって時間ｔ２よりも長く流す（この電流を＋Ｉとする）と、信号は”０”から”１”になる。一方で、閾値よりも大きな電流Ｉを自由層３０から参照層１０に向かって時間ｔ２よりも長く流す（この電流を−Ｉとする）と、信号は”１”から”０”になる。
【００３７】
磁性細線４０のある一端に対して、例えば局所的に交番磁界を印加すると磁性細線４０内にスピン波を発生させることができる。スピン波は磁化の歳差運動が伝搬する現象である。このために、磁性細線４０の表面に磁極が発生する。この磁極の発生により磁力線が閉じるように外部に交番磁界を発生させる。従って、図１に示すように自由層３０の近傍に磁性細線４０が存在すると、自由層３０にスピン波由来の交番磁界が印加される。
【００３８】
自由層３０に注入されるスピンの向きと自由層３０の磁化の向きが完全に平行あるいは反平行である場合（コリニアな状態）には、スピントルクは発生しないので自由層３０の磁化は反転しない。しかし、上記したように参照層１０の磁化と自由層３０の磁化は、熱揺らぎによって磁化の方向が絶えず微小な角度で変化している。このため、磁気メモリ素子１００に電流を流すと、偶発的に有限なスピントルクが自由層３０の磁化に作用し自由層３０の磁化が歳差運動を開始する（時間ｔ１）。その結果、自由層３０の磁化が反転する（時間ｔ２）。
【００３９】
図４は、磁性細線４０にスピン波がない場合とスピン波がある場合の自由層３０の磁化反転と時間の関係を説明するための図である。
【００４０】
図４（Ａ）に示すように、自由層３０の磁化が反転する時間ｔ２よりも前に電流Ｉを切ると、自由層３０の磁化は反転しない。
【００４１】
一方、磁気メモリ素子１００では、交番磁界を自由層３０に印加する磁性細線４０を有している。このため、電流を磁気メモリ素子１００に流すよりも前から、熱揺らぎによりも大きなエネルギーを自由層３０の磁化に寄与させることができる。よって、自由層３０の磁化の向きは、熱揺らぎによりも大きく磁化の向きが変化することになる。つまり、電流を磁気メモリ素子１００に流すよりも前にスピン波を磁性細線４０に伝搬させることで、自由層３０の磁化が歳差運動を開始する時間ｔ１及び自由層３０の磁化が反転する時間ｔ２を短くすることができる（図４（Ｂ）の時間ｔ３）。ここでは、磁気メモリ素子１００の磁化状態が平行磁化配置であるとして説明した。しかし、反平行磁化配置の場合は電流の向きを−Ｉとすれば、スピン波素子１００は平行磁化配置の場合と同様の動作を行うことができる。
【００４２】
次に、磁気メモリ素子１００の読み出し動作について説明する。
【００４３】
自由層３０の磁化の磁化反転過程は歳差運動を伴う。この歳差運動によって自由層３０の周りには交番磁界が発生する。この交番磁界が磁性細線４０に印加されると、磁性細線４０内でスピン波が発生する。磁気メモリ素子１００に電流を流したときに、磁性細線４０にスピン波が発生しているか否かを観測することで磁気メモリ素子１００の磁化状態を読み出すことができる。すなわち、＋Ｉの電流を磁気メモリ素子１００に流すと平行磁化配置の場合にはスピン波が磁性細線４０内に発生し、反平行磁化配置の場合にはスピン波は発生しない。
【００４４】
電流を磁気メモリ素子１００に流す時間はｔ２よりも短い。これは、自由層３０の磁化反転を防ぐためである。電流を流す時間の設計値にマージンを与えるため、読み出しに用いる電流値の絶対値は、書込みに用いる電流値の絶対値よりも小さく、自由層３０の磁化が反転する電流閾値よりも大きいことが好ましい。
【００４５】
図５は、自由層３０の磁化の振る舞いを説明するための図である。縦軸は磁化の振幅の大きさを示す。横軸は時間を示す。ｍｚは、磁化が紙面上向き又は紙面下向き（積層方向）を示す。ｍｘは、磁化が紙面右向き又は紙面左向き（面内方向）を示す。自由層３０に電流を流す（電流ＯＮ）と、自由層３０に電流を流すのをやめるまで（電流ＯＦＦ）ｍｘは大きく振動する。このとき、ｍｚは、下に触れ磁化が反転しようとする。しかし、電流ＯＦＦにすると、ｍｘは減衰振動する。このとき、ｍｚは、下に触れ磁化が反転しようとしていたが反転前の状態に戻る。つまり、磁化が反転するには電流を流してからある程度の時間が経過している必要がある。
【００４６】
なお、自由層３０の磁化が安定した歳差運動が行なえるように、磁気メモリ素子１００に電流を流す前に、磁性細線４０にスピン波を伝搬させて自由層３０の磁化歳差運動を共鳴励起させてもよい。これは、熱揺らぎによるバラツキを低減するためである。
【００４７】
図６は、磁性細線４０に接続されている検出部（スピン波検出部ともいう）５０、６０を示す図である。図６（Ａ）は検出部５０を示す。図６（Ｂ）は検出部６０を示す。検出部５０、６０は動作原理が同じであるが、構成が異なる。
【００４８】
検出部５０は、磁性細線４０上に設けられた非磁性層５１、強磁性層５２、反強磁性層５３、電極５４とを備える。
【００４９】
非磁性層５１には、例えばＴａ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ａｌをその構成材料として用いることができる。これらの元素を少なくとも２種類含む合金を用いてもよい。また、これらの元素から少なくとも１つを選択し他の元素と組み合わせた合金でも良い。これらの元素を積層構造を用いてもよい。また、ＭｇＯ、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、又はＳｉＯ２などの非磁性絶縁体を用いることもできる。
【００５０】
強磁性層５２は、面内方向に対して垂直方向（積層方向）に磁化が向いた層である。強磁性層５２には、例えばＦｅＶＰｄ、ＦｅＣｒＰｄ、ＣｏＦｅＰｔ等をその構成材料として用いることができる。すなわち、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）から選択される少なくとも一つの元素との組み合わせによる合金を用いることができる。これらは、構成する磁性材料の組成や熱処理により特性を調整することができる。また、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金、またはＣｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｎｉの積層構造なども望ましい。さらに、非磁性層５１との組み合わせで垂直磁化となる結晶配向を制御したＣｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等の薄膜も用いることができる。強磁性層５２に、イットリウム鉄ガーネットや、マンガンフェライト、又はγ―酸化鉄のようなフェライト系酸化物を用いるとスピン波の損失を少なくすることができる。さらに、磁性半導体を用いることで機能性を向上させることもできる。
【００５１】
反強磁性層５３は、強磁性層５２の磁化方向を固着するために用いられる。反強磁性層５３としては、例えばＩｒＭｎを用いることができる。
【００５２】
電極５４には、導電性の非磁性材料を用いる。
【００５３】
電極５４に用いる非磁性材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）がある。また、これらの元素を組み合わせた合金でももよい。さらに、非磁性材料として、カーボンナノチューブやカーボンナノワイヤ、グラフェン等の材料を用いることもできる。
【００５４】
検出部５０の電気抵抗を測定するとスピン波を検出することができる。これは、強磁性層５２内の磁化が一方向に固着されていてかつスピン波が磁性細線４０内を伝搬してきて磁性細線４０内の磁化が歳差運動すると磁気抵抗効果（ＭＲ：Ｍａｇｎｅｔo-Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）によって検出部５０の電気抵抗が変化するからである。
【００５５】
また、検出部５０は、検出部６０のような構成にもできる。
【００５６】
この場合、検出部６０は、磁性細線４０上に設けられた非磁性層５１、強磁性層５２、中間層６１、強磁性層６２、電極５４とを備える。
【００５７】
強磁性層５２と強磁性層６２は中間層６１を介して反強磁性結合をしている。このようにすることで、強磁性層５２の磁化の向きを強く固着することができる。
【００５８】
強磁性層６２の材料は強磁性層５２の材料と同様である。
【００５９】
中間層６１には、例えばＲｕを用いることができる。
【００６０】
図７は、磁性細線４０に接続されている入力部（スピン波入力部ともいう）７０、８０を示す図である。図７（Ａ）は入力部７０を示す。図７（Ｂ）は入力部８０を示す。入力部７０、８０は動作原理が同じであるが、構成が異なる。
【００６１】
入力部７０は、磁性細線４０上に設けられたスペーサー層７１、強磁性層５２、反強磁性層５３、電極５４とを備える。また、磁性細線４０の入力部７０が設けられた側とは反対側には、電極７２が設けられている。磁性細線４０と電極７２との間に非磁性層等を介しても良い。
【００６２】
スペーサー層７１には、トンネル絶縁膜材料又は非磁性金属材料をその構成材料として用いることができる。
【００６３】
トンネル絶縁膜材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）から選択される少なくとも一つの元素を含む酸化物、窒化物、フッ化物、又は酸窒化物などを用いることができる。また、他にもＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＭｇＯなどの大きなエネルギーギャップを有する半導体材料を用いることもできる。
【００６４】
非磁性金属材料としては、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。また、これらの元素を組み合わせた合金でもよい。
【００６５】
電極７２の材料は、電極５４の材料と同様である。
【００６６】
入力部７０を用いて、磁性細線４０にスピン波を発生させる方法について説明する。
【００６７】
電極５４から電流を電極７２に向けて流す。このとき、磁性細線４０内の磁化にスピントルクが作用するため磁性細線４０内の磁化は歳差運動を始める。この歳差運動が磁性細線４０内で次々と伝わることでスピン波が生じる。また、電極５４と電極７２との間に電圧を印加することで磁性細線４０内の磁化歳差運動を励起してもよい。
【００６８】
また、入力部７０は、入力部８０のような構成にもできる。
【００６９】
この場合、入力部８０は、磁性細線４０上に設けられたスペーサー層７１、強磁性層５２、中間層６１、強磁性層６２、電極５４を備える。
【００７０】
強磁性層５２と強磁性層６２は中間層６１を介して反強磁性結合をしている。このようにすることで、強磁性層５２の磁化の向きを強く固着することができる。
【００７１】
強磁性層６２の材料は強磁性層５２の材料と同様である。
【００７２】
中間層６１には、例えばＲｕを用いることができる。
【００７３】
次に、磁気メモリ素子１００の作製方法の一例について説明する。
【００７４】
図８に示すように、磁気メモリ素子１００は、下部リード線とその上に形成された金属多層膜の上に設けられている。下部リード線上には、Ｔａ層、Ｒｕ層、Ｃｕ層が設けられている。一方で上部リード線と参照層１０との間にも金属多層膜が設けられている。参照層１０上にはＣｕ層、Ｔａ層が設けられている。
【００７５】
まず、基板上に絶縁体を積層し、マスクを用いて絶縁体をエッチングすることで基板表面の一部を露出させる。露出した部分に下部リード線を埋め込む。次に、超高真空スパッタ装置を用いて下部リード線上及び絶縁体上にＴａ層、Ｒｕ層、Ｃｕ層、自由層３０、中間層、参照層１０、Ｃｕ層、Ｔａ層の順に積層する（図９）。
【００７６】
次に積層した構造上にネガレジストを塗布し、電子線露光装置を用いて下部リード線上に積層した構造のうち磁気メモリセル１００となる部分のみを露光・現像することでネガレジストを残す。残ったネガレジストをパターンとしてイオンミリングを行い、レジストパターンの下部にある部分を残す。このとき、イオンミリングの条件によっては下部リード線上に積層された構造がテーパー形状となる。その後、ネガレジストを除去する（図１０）。
【００７７】
次に、超高真空スパッタ装置を用いてＴａ層上及び絶縁体上に絶縁体を積層する。そして、化学機械研磨（ＣＭＰ）を行って平坦化をおこなったのち、ポジレジストを塗布し、電子線露光装置を用いて磁性細線４０の部分のみレジストが剥離されるよう露光・現像し、イオンミリングによりレジストのない部分だけＴａ層を取り除く。そして反応性イオンエッチングを用いてＴａ層をマスクとして絶縁体の上面が自由層３０の下側に位置するように絶縁体をエッチングする（図１１）。
【００７８】
次に、イオンミリングを用いて下部リード線上に積層された構造の側壁部分の化合物を取り除いた後、不活性ガスで封止しながら原子層堆積装置に試料を搬入し、下部リード線上に積層された構造の側面に絶縁膜を堆積し、残りの部分は電子線レジストともに剥離する（図１２）。
【００７９】
次に、超高真空スパッタ装置を用いてＴａ層上、絶縁体上、及び絶縁膜上に磁性細線４０となるとなる磁性層を堆積する。そして、Ｔａ層が出てくるまでＣＭＰにて平坦化を行い、その後ポジレジストを塗布して電子線露光装置により磁気メモリ素子１００とその周辺部だけ露光し現像、これをマスクとして磁性層の上面が自由層３０の上側に位置するように磁性層をイオンミリングにより削り、レジストを除去する。次に、Ｔａ層上、絶縁膜上、及び磁性層上にポジレジストを堆積する。ＫｒＦ露光装置を用いて磁気メモリ素子とその周辺にまで伸びた磁性細線４０に対応したポジレジストのパターンを形成し、イオンミリングを用いてポジレジスト以外の部分を削る（図１３）。
【００８０】
次に、超高真空スパッタ装置を用いて絶縁体を全体に堆積し、化学機械研磨（ＣＭＰ）を行って平坦化を行う。最後に電子露光とイオンミリングを用いてＴａ層の上面を露出させ、上部リード線となる金属層を超高真空スパッタ装置で堆積させ、ＫｒＦ露光装置とイオンミリングを用いて配線を形成する（図８）
（変形例１）
【００８１】
図１４は、磁気メモリ素子１００の変形例を示す図である。
【００８２】
図１４（Ａ）に示す磁気メモリ素子２００は、磁性細線４０の一部が中間層２０にも設けられている点が磁気メモリ素子１００と異なる。このような構成の磁気メモリ素子２００でも、磁性細線４０からの交番磁界が自由層３０の磁化に作用するために、磁気メモリ素子として動作する。
【００８３】
図１４（Ｂ）に示す磁気メモリ素子３００は、磁性細線４０が２本設けられている点が磁気メモリ素子１００と異なる。磁性細線４０が２本あることで、自由層３０の磁化に対して交番磁界をより強く作用させることができる。
（変形例２）
【００８４】
図１５は、磁気メモリ素子１００の変形例を示す図である。
【００８５】
図１５（Ａ）に示す磁気メモリ素子４００は、磁性細線４０と自由層３０との間に絶縁膜４５が設けられている点が磁気メモリ素子１００と異なる。このような磁気メモリ素子４００の構成によって、磁性細線４０と自由層３０との交換結合を低減させることができる。なお、絶縁層４５の部分は空隙としてもよい。
【００８６】
絶縁膜４５には、ＭｇＯ、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、又はＳｉＯ２等を用いることができる。
【００８７】
図１５（Ｂ）に示す磁気メモリ素子５００は、磁性細線４０が２本設けられ、磁性細線４０と自由層３０との間に絶縁膜４５が設けられている点が磁気メモリ素子１００と異なる。磁性細線４０が２本あることで、自由層３０の磁化に対して交番磁界をより強く作用させることができる。また、絶縁膜４５があることで、磁性細線４０と自由層３０との交換結合を低減させることができる。
（第２の実施形態）
【００８８】
図１６は、磁気メモリ装置６００を示す図である。
【００８９】
磁気メモリ装置６００は、複数の磁気メモリ素子が金属配線（電極ともいう）を介して直列に接続されている。ここで、磁気メモリ素子とは、磁気メモリ素子１００、２００、３００、４００、５００、６００を示す。紙面上方の磁気メモリ素子から第１番目、第ｉ番目、第Ｎ番目とする。ｉとＮは自然数で１＜ｉ＜Ｎである。Ｎは最後尾の磁気メモリ素子である。第１番目の磁気メモリ素子の参照層１０は、トランジスタＴｒ＿ＰとＴｒ＿Ｍのソース端子又はドレイン端子と金属配線で接続されている。それぞれの磁気メモリ素子の磁性細線４０の一端にはスピン波を発生させる入力部が接続されている。また、磁性細線４０の他端にはスピン波を検出する検出部が接続されている。第Ｎ番目の磁気メモリ素子の自由層３０は、金属配線によって外部回路（図示せず）の共通端子と接続されている。
【００９０】
なお、図１７に示すように、磁気メモリ装置６００は、ｘ軸方向に沿って磁気メモリ素子が複数並べられ、それぞれの磁気メモリ素子が磁性細線４０を共用していてもよい。このようにすると、磁性細線４０の一端・他端にだけ入力部、検出部、外部回路を設ければよいので、磁気メモリ装置６００を高い空間密度で並べることができる。
【００９１】
次に、磁気メモリ装置６００の書き込み動作について図１８及び図１９を用いて説明する。
【００９２】
説明のために、磁気メモリ素子の個数を１０個とする。第１番目の磁気メモリ素子の参照層１０は、正の電流（＋Ｉｗ）のＯｎ／Ｏｆｆを行うトランジスタＴｒ＿Ｐと負の電流（−Ｉｗ）のＯｎ／Ｏｆｆを行うＴｒ＿Ｍと接続されている。それぞれの磁気メモリ素子の磁性細線４０には入力部と検出部が接続さている（図示せず）。例えば、スピン波の発生検出には、各磁性細線４０に近接したコプレナー線路を用いることができる。第１０番目の磁気メモリ素子の自由層３０には外部回路の共通端子が接続されている。自由層３０の磁化の向きが紙面上向きである場合のデータを”１”とし、紙面下向きである場合のデータを”０”とする。なお、参照層１０の磁化の向きは紙面上向きとする。それぞれの磁気メモリ素子の参照層１０と自由層３０の磁化の向きは、図１８（Ａ）、図１９（Ａ）に示すとおりである。
【００９３】
図１８は、第ｉ番目の磁気メモリ素子の磁性細線４０にスピン波を印加した状態で、Ｔｒ＿ＰをＯｎにして正の電流＋Ｉｗ（Ｉｗ＞０）を流し、第ｉ番目の磁気メモリ素子のデータを”０”から”１”に書き換えている。図１８（Ａ）は、磁気メモリ装置の概略図を示す。図１８（Ｂ）は、スピン波を印加するタイミングを示している。
【００９４】
図１９は、第１０番目の磁気メモリ素子の磁性細線４０にスピン波を印加した状態で、Ｔｒ＿ＭをＯｎにして負の電流−Ｉｗを流し、第１０番目の磁気メモリ素子のデータを”１”から”０”に書き換えている。図１９（Ａ）は、磁気メモリ装置の概略図を示す。図１９（Ｂ）は、スピン波を印加するタイミングを示している。
【００９５】
それぞれの磁気メモリ素子への書き込みは電流とスピン波の印加によって行われる。スピン波が印加された磁気メモリ素子は、スピン波が印加されていない場合に比べて速く磁化反転が起こる。よって、電流を流す時間を適切に設定すると、スピン波によるセル選択が可能になる。自由層３０の磁化反転の向きは電流の方向によって決定される。
【００９６】
トランジスタＴｒ＿ＰをＯｎにして正の電流を第１番目から第１０番目の磁気メモリ素子に流す。このとき、スピン波が印加され、かつデータが”０”の磁気メモリ素子の自由層３０の磁化が反転し、データが”１”に書き換えられる（図１８（Ａ）のi番目のセル）。一方で、負の電流を流した場合には、スピン波が印加され、かつデータが”１”の磁気メモリ素子の自由層３０の磁化が反転しデータが”０”に書き換えられる（図１９（Ａ）の１０番目のセル）。
【００９７】
つまり、流す電流の向きとスピン波の有無によって磁化反転させる磁気メモリセルを選択する。
【００９８】
次に、磁気メモリ装置６００の読み出し動作について図２０を用いて説明する。
【００９９】
図２０（Ａ）は読み出し動作の概要を図示しており、図２０（Ｂ）は１番目と１０番目の磁気メモリ素子のデータが”０”で、ｉ番目の磁気メモリ素子のデータが”１”であるような場合の、各々の検出部が検出するスピン波の振幅を図示している。
【０１００】
読み出しは、読み出し電流ＩＲ（ＩＲ＞０）を印加したときに発生する自由層３０の磁化の歳差運動の有無を判定することで行う。例えば、磁気メモリ素子が平行磁化配置を取っていて”０”のデータが記憶されている場合に、正の電流ＩＲを印加すると自由層３０の磁化は歳差運動を始める。さらにその歳差運動による交番磁界が磁性細線４０に対してスピン波を誘起する。その結果、そのスピン波を磁性細線４０に設けられた検出部で検出することで情報の読み出しを行うことができる。一方、磁気メモリ素子の磁化状態が反平行磁化配置をとっていて”１”のデータが記憶されている場合には自由層３０の磁化は歳差運動を行わない。よって、歳差運動が生じないことをもって”１”のデータが記憶されていることがわかる。データの破壊を防ぐため電流を磁気メモリ素子に流す時間は自由層３０の磁化が反転する時間より短くする。また、電流を流し始めた直後に、スピン波を入力部より与え歳差運動がすぐに起こるようにする。このようにすることで、スピン波がきっかけ（トリガー）となって自由層３０の磁化の熱揺らぎによる効果を小さくすることができる。よって、時間軸方向の揺らぎが抑制され、データの読み出しがより容易になる。
【０１０１】
負の読み出し電流-IR(＜０)でも読み出し動作を行うことができる。その場合、反平行磁化配置になっていてデータ“１”を記憶している磁気メモリ素子からスピン波が誘起され、平行磁化配置になっていてデータ“０”を記憶している磁気メモリ素子からはスピン波が誘起されない。つまり負の読み出し電流を用いると磁気メモリ素子から出力されるスピン波の有無と記憶されているデータとの関係が入れ替わる。
【０１０２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０３】
１０…参照層（第１の磁性層）、２０…中間層、３０…自由層（第２の磁性層）、４０…磁性細線、５０、６０…検出部、７０、８０…入力部、１００…磁気メモリ素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化が固定された第１の磁性層と、
磁化が可変の第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを結ぶ第１の方向に直交する第２の方向に延在し、前記第２の磁性層に隣接し、スピン波を伝搬する第１の磁性細線と、
前記第１の磁性細線の一端に設けられた第１のスピン波入力部と、
前記第１の磁性細線の他端に設けられた第１のスピン波検出部と、
を備え、
前記第１のスピン波入力部によって前記第１の磁性細線に第１のスピン波を伝搬させ前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を反転させて書き込みを行い、又は前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を歳差運動させて前記第１の磁性細線に第２のスピン波を生成し伝搬させて前記第１のスピン波検出部で前記第２のスピンを検出することで読み出しを行う磁気メモリ素子。
【請求項２】
前記第２の磁性層と前記第１の磁性細線との間に更に第１の絶縁層を備える請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３】
前記第２の磁性層の前記第１の磁性細線が設けられた側とは反対側に設けられ、前記第２の方向に延在しスピン波を伝搬する第２の磁性細線と、
前記第２の磁性細線の一端に設けられた第２のスピン波入力部と、
前記第２の磁性細線の他端に設けられた第２のスピン波検出部と、
を備え、
前記第２のスピン波入力部によって前記第２の磁性細線に第３のスピン波を伝搬させ前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を反転させて書き込みを行い、又は前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を歳差運動させて前記第２の磁性細線に第４のスピン波を生成し伝搬させて前記第２のスピン波検出部で前記第４のスピンを検出することで読み出しを行う請求項２に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４】
前記第２の磁性層と前記第２の磁性細線との間に更に第２の絶縁層を備える請求項３に記載の磁気メモリ素子。
【請求項５】
前記第１の方向において、請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の磁気メモリ素子が金属配線を介して複数接続されている磁気メモリ装置。
【請求項６】
前記第１のスピン波入力部によって前記第１の磁性細線に第１のスピン波を伝搬させ前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を反転させて書き込みを行い、又は前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を歳差運動させて前記第１の磁性細線に第２のスピン波を生成し伝搬させて前記第１のスピン波検出部で前記第２のスピンを検出することで読み出しを行う請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項７】
前記第２のスピン波入力部によって前記第２の磁性細線に第３のスピン波を伝搬させ前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を反転させて書き込みを行い、又は前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を歳差運動させて前記第２の磁性細線に第４のスピン波を生成し伝搬させて前記第２のスピン波検出部で前記第４のスピンを検出することで読み出しを行う請求項３に記載の磁気メモリ素子。
【請求項１】
磁化が固定された第１の磁性層と、
磁化が可変の第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを結ぶ第１の方向に直交する第２の方向に延在し、前記第２の磁性層に隣接し、スピン波を伝搬する第１の磁性細線と、
前記第１の磁性細線の一端に設けられた第１のスピン波入力部と、
前記第１の磁性細線の他端に設けられた第１のスピン波検出部と、
を備え、
前記第１のスピン波入力部によって前記第１の磁性細線に第１のスピン波を伝搬させ前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を反転させて書き込みを行い、又は前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を歳差運動させて前記第１の磁性細線に第２のスピン波を生成し伝搬させて前記第１のスピン波検出部で前記第２のスピンを検出することで読み出しを行う磁気メモリ素子。
【請求項２】
前記第２の磁性層と前記第１の磁性細線との間に更に第１の絶縁層を備える請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３】
前記第２の磁性層の前記第１の磁性細線が設けられた側とは反対側に設けられ、前記第２の方向に延在しスピン波を伝搬する第２の磁性細線と、
前記第２の磁性細線の一端に設けられた第２のスピン波入力部と、
前記第２の磁性細線の他端に設けられた第２のスピン波検出部と、
を備え、
前記第２のスピン波入力部によって前記第２の磁性細線に第３のスピン波を伝搬させ前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を反転させて書き込みを行い、又は前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を歳差運動させて前記第２の磁性細線に第４のスピン波を生成し伝搬させて前記第２のスピン波検出部で前記第４のスピンを検出することで読み出しを行う請求項２に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４】
前記第２の磁性層と前記第２の磁性細線との間に更に第２の絶縁層を備える請求項３に記載の磁気メモリ素子。
【請求項５】
前記第１の方向において、請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の磁気メモリ素子が金属配線を介して複数接続されている磁気メモリ装置。
【請求項６】
前記第１のスピン波入力部によって前記第１の磁性細線に第１のスピン波を伝搬させ前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を反転させて書き込みを行い、又は前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を歳差運動させて前記第１の磁性細線に第２のスピン波を生成し伝搬させて前記第１のスピン波検出部で前記第２のスピンを検出することで読み出しを行う請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項７】
前記第２のスピン波入力部によって前記第２の磁性細線に第３のスピン波を伝搬させ前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を反転させて書き込みを行い、又は前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流を流すことで前記第２の磁性層の磁化を歳差運動させて前記第２の磁性細線に第４のスピン波を生成し伝搬させて前記第２のスピン波検出部で前記第４のスピンを検出することで読み出しを行う請求項３に記載の磁気メモリ素子。
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１３−７３９７９（Ｐ２０１３−７３９７９Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０９９８７（Ｐ２０１１−２０９９８７）
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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