JP2006156477A - 記憶素子、メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】 静電破壊を発生することなく情報の記録を行うことができると共に、情報の読み出しの際の出力を充分な大きさで得ることを可能にする記憶素子を提供する。
【解決手段】 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層１３と、磁化固定層１１と、その間の非磁性層１２とを有し、記憶層１３の磁化固定層１１とは反対側に、中間層１４を介して、それぞれ独立したパターンで形成された、２つのスピン注入層２１，２２が設けられ、２つのスピン注入層２１，２２の磁化Ｍ２１，Ｍ２２の向きが互いに反対の向きであり、一方のスピン注入層から他方のスピン注入層へ、記憶層１３を通じて電流を流すことにより、記憶層１３の磁化の向きが変化して、情報の記録が行われる記憶素子１０を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、電流を流すことにより記憶層の磁化の向きを変化させる、いわゆるスピントランスファー方式により情報を記録する記憶素子及びこの記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発性メモリに適用して好適なものである。

情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型情報機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子には、高集積化、高速化、低消費電力化等、さらなる高性能化が要請されている。

そして、特に、不揮発性メモリは、機器の高機能化に必要不可欠な部品と考えられている。
電源の消耗やトラブル、サーバーとネットワークが何らかの障害により切断された場合でも、不揮発性メモリは、システムや個人の重要な情報を保護することができる。
また、最近の携帯機器は、使用していない回路ブロックをスタンバイ状態にして、できるだけ消費電力を抑えるよう設計されているが、高速のワークメモリと大容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリを実現することができれば、消費電力とメモリの無駄を無くすことができる。
その他、高速で大容量の不揮発性メモリが実現できれば、電源を入れると瞬時に起動できる「インスタント・オン」機能も可能になってくる。

不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ、強磁性体を利用したＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）等が挙げられる。

ＭＲＡＭでは、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）から成る記憶素子をマトリクス状に配列するとともに、その素子配列のうちの特定素子に情報を記録するために素子配列を縦横に横切るワード書き込み線とビット書き込み線を有しており、ワード書き込み線と及びビット書き込み線の交差領域に位置する記憶素子のみに、選択的に情報の書き込みを行うように構成されている。

ＭＲＡＭにおいて、記憶素子に記録されている情報を書き換えるための方法としては、アステロイド特性を利用したアステロイド方式（例えば、特許文献１参照）とスイッチング特性を利用したトグル方式（特許文献２参照）がある。

アステロイド方式は、選択度が素子毎の保磁力特性に依存するために、素子の寸法や磁気特性のばらつきに弱いという欠点があった。
これに対して、トグル方式は、素子選択に使える磁界範囲が広いので、素子毎の特性のばらつきが多少あっても、大規模なメモリを実現しやすい利点がある。

しかしながら、アステロイド方式及びトグル方式においては、いずれも、情報を書き込む際に、数ｍＡ〜数十ｍＡの書き込み電流を記憶素子に流す必要があり、書き込み電流ドライバの巨大化に伴うセル占有率の低下や、消費電力が増加する等の問題があった。

アステロイド方式及びトグル方式以外には、スピン偏極した電流を記憶素子に注入した際に生じるスピントランスファー効果により磁化の向きのスイッチングが起こる現象を利用した、いわゆるスピントランスファー方式（例えば、非特許文献１参照）がある。
このスピントランスファー方式においては、アステロイド方式及びトグル方式と比較して、書き込み電流を減少させることができる点、書き込み時にいわゆる半選択状態が生じないために誤書き込みが起こらない点、等の利点により、新たな書き込み方式として注目を集めている。

特開平１０−１１６４９０号公報 米国特許公開第２００３／００７２１７４明細書 J.Slonczewski，J.Magn.Magn.Mater.，159，１９９６年，L1

ここで、従来のスピントランスファー方式により書き込みを行う記憶素子の概略構成図を、図７に示す。
この記憶素子１００は、下層から、磁化固定層１０１、スペーサ層（非磁性層）１０２、記憶層１０３の各層が積層されて構成されている。なお、図示した各層以外にも、必要に応じて下地層や反強磁性層、キャップ層等が設けられる。
記憶層１０３は、一軸磁気異方性を有する強磁性体から成り、この記憶層１０３の磁化状態、即ち記憶層１０３の磁化Ｍ１１２の向きによって、記憶素子１００に情報を記憶させることができる。
また、記憶層１０３に対して、スペーサ層（非磁性層）１０２を介して、強磁性体から成り磁化Ｍ１１１の向きが固定されている磁化固定層１０１が設けられている。
磁化固定層１０１及び記憶層１０３には、それぞれ下部配線１０４及び上部配線１０５が接続され、両配線１０４，１０５間に電圧を印加することにより、記憶素子１００に電流が注入される。

磁化固定層１０１及び記憶層１０３は、単層の磁性層又は複数の磁性層を積層して構成される。特に、磁化固定層１０１では、反強磁性体との交換結合や非磁性層を介したシンセティック反強磁性結合により、磁化の固定特性を向上させる手段がとられる。
また、スペーサ層１０２には、Ｃｕ等の非磁性金属層を用いても、酸化アルミニウム等のトンネル絶縁層を用いてもよい。前者の場合は、記憶素子１００がＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）となり、後者の場合は、記憶素子１００がＴＭＲ素子（トンネル磁気抵抗効果素子）となる。

磁化固定層１０１の磁化Ｍ１１１の向きと記憶層１０３の磁化Ｍ１１２の向きとが反平行状態（以下この状態を情報「０」とする）であるとき、電流を記憶層１０３側から磁化固定層１０１側に注入する、即ち電子を磁化固定層１０１側から記憶層１０３側に注入すると、いわゆるスピントランスファー効果が生じることにより、記憶層１０３の磁化Ｍ１１２が反転して、磁化固定層１０１の磁化Ｍ１１１の向きと記憶層１０３の磁化Ｍ１１２の向きとが平行状態（以下この状態を情報「１」とする）に変化する。この変化は、情報「１」の書き込みに相当する。
一方、情報「１」から情報「０」に変化させる、情報「０」の書き込みは、電流を磁化固定層１０１側から記憶層１０３側に注入する、即ち電子を記憶層１０３側から磁化固定層１０１側に注入する、即ち電子を磁化固定層１０１側から記憶層１０３側に注入することによって行われる。
このように、情報「０」の書き込みと情報「１」の書き込みにおいて、注入する電流の向きが反対になる。

ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子と比較して、大きい磁気抵抗効果が得られる。このため、通常、ＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子によって記憶素子１００を構成している。
ところが、ＴＭＲ素子は、スペーサ層１０２にトンネル絶縁層を用いるために、静電破壊電圧以上の電圧を印加すると、トンネル絶縁層が破壊されてしまい、トンネル磁気抵抗効果が得られなくなる。なお、静電破壊電圧の大きさは、トンネル絶縁層の材料に依存する。
従って、記憶素子１００に印加することのできる電圧にも限界があり、記憶素子１００の層構成によっては、記憶層１０３の磁化Ｍ１１２の向きを反転させるために必要となる量の電流を流すことができなくなる、という問題がある。

記憶素子１００に流すことが可能な電流量を増大させるためには、例えば、トンネル絶縁層の抵抗値を下げて、多くの電流を流してもトンネル絶縁層にかかる電圧が静電破壊電圧に達しないようにすることが考えられる。
しかしながら、トンネル絶縁層の抵抗値を低減させると、磁気抵抗効果も減少してしまい読み出し出力が低下すること、絶縁性が低下することにより静電破壊しやすくなって静電破壊電圧自体も減少すること、トンネル絶縁層内の欠陥いわゆるピンホールが増加すること、等の理由により、トンネル絶縁層の抵抗値をむやみに下げることは好ましくない。

上述した問題の解決のために、本発明においては、静電破壊を発生することなく情報の記録を行うことができると共に、情報の読み出しの際の出力を充分な大きさで得ることを可能にする記憶素子及び記憶素子を用いたメモリを提供するものである。

本発明の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、記憶層及び磁化固定層との間に挟まれた非磁性層とを有し、記憶層の磁化固定層とは反対側に、中間層を介して、それぞれ独立したパターンで形成され、記憶層にスピンを注入するための２つのスピン注入層が設けられ、これら２つのスピン注入層の磁化の向きが互いに反対の向きであり、一方のスピン注入層から他方のスピン注入層へ、記憶層を通じて電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるものである。

本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、記憶層及び磁化固定層との間に挟まれた非磁性層とを有し、記憶層の磁化固定層とは反対側に、中間層を介して、それぞれ独立したパターンで形成され、記憶層にスピンを注入するための２つのスピン注入層が設けられ、これら２つのスピン注入層の磁化の向きが互いに反対の向きであり、一方のスピン注入層から他方のスピン注入層へ、記憶層を通じて電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子と、この記憶素子に対して電流を流す電流供給手段とを備え、記憶素子によりメモリセルが構成され、複数のメモリセルが配置されて成るものである。

上述の本発明の記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、記憶層及び磁化固定層との間に挟まれた非磁性層とを有し、記憶層の磁化固定層とは反対側に、中間層を介して、それぞれ独立したパターンで形成され、記憶層にスピンを注入するための２つのスピン注入層が設けられ、これら２つのスピン注入層の磁化の向きが互いに反対の向きであることから、２つのスピン注入層のうち、一方のスピン注入層から他方のスピン注入層へ、記憶層を通じて電流を流せば、記憶層にスピン（スピンを有する電子）を注入して、記憶層の磁化に対してトルクを働かせることができる。このとき、電流の向きによりトルクも反対向きになるため、電流の向きを制御すれば、記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
そして、一方のスピン注入層から他方のスピン注入層へ、記憶層を通じて電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われることにより、スピントランスファー方式による情報の記録を行うことができる。これにより、情報を記録する際の電流経路と記録された情報を読み出す際の電流経路とが異なり、磁化固定層や非磁性層には、記録用の電流を流す必要がないため、非磁性層の静電破壊が発生しなくなる。これにより、例えば、非磁性層を大きい磁気抵抗効果が得られるような構成として、記録された情報を読み出す際の出力を大きくすることが可能になる。

さらに、情報の記録の際に、他方のスピン注入層から注入されて記憶層を通過した電子により記憶層の磁化に働くトルクと、一方のスピン注入層の界面で反射されて記憶層側に戻された電子により記憶層の磁化に働くトルクとが同じ向きであるため、２つのスピン注入層の両方から、記憶層の磁化の向きを反転させるトルクが働くため、スピン注入層が１つの場合と比較して、２倍の書き込み効率を有する。
これにより、情報の記録の際の電流（書き込み電流）を低減することができる。

上述の本発明のメモリの構成によれば、上記本発明の記憶素子と、この記憶素子に対して電流を流す電流供給手段とを備え、記憶素子によりメモリセルが構成され、複数のメモリセルが配置されて成ることにより、電流供給手段を通じて記憶素子の２つのスピン注入層間に電流を流して、スピントランスファー方式による情報の記録を行うことができる。

また、上記本発明の記憶素子において、２つのスピン注入層が、それぞれ独立した中間層を介して記憶層に接続され、２つの中間層が電気的に絶縁されている構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、２つの中間層が電気的に絶縁されているため、一方のスピン注入層から他方のスピン注入層に流れる書き込み電流は、必ず記憶層を経由して流れることになる。これにより、書き込み電流を全て記憶層への書き込みに寄与させることができ、書き込みの効率をさらに向上させることができる。

また、上記本発明のメモリにおいて、中間層が、隣接する複数のメモリセルの記憶素子で共有されている構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、複数のメモリセルで共有されていることから、中間層のパターンが大きくなるため、中間層のパターニング工程が容易になる。

上述の本発明によれば、情報の記録の際の電流を低減することができるため、メモリの消費電力を低減することが可能になる。

また、記憶素子において、情報を記録する際の電流経路と記録された情報を読み出す際の電流経路とが異なるため、静電破壊を生じることなく情報の記録を行うことができる。そして、情報の記録と読み出しを独立して行うことができ、非磁性層と中間層をそれぞれ情報の記録と情報の読み出しに適した構成とすることが可能になる。

本発明の一実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を図１に示す。
この記憶素子１０は、下層から、磁化固定層１１、スペーサ層（非磁性層）１２、記憶層１３の各層が積層されて構成されている。なお、図示した各層以外にも、必要に応じて下地層や反強磁性層、キャップ層等が設けられる。
記憶層１３は、一軸磁気異方性を有する強磁性体から成り、この記憶層１３の磁化状態、即ち記憶層１３の磁化Ｍ２の向きによって、記憶素子１０に情報を記憶させることができる。
また、記憶層１３に対して、スペーサ層（非磁性層）１２を介して、強磁性体から成り磁化Ｍ１の向きが固定されている磁化固定層１１が設けられている。図１の記憶素子１０では、磁化固定層１１の磁化Ｍ１の向きが右向きに固定されている。この磁化固定層１１には、下部配線１５が接続されている。

本実施の形態の記憶素子１０においては、特に、記憶層１３に対して、磁化固定層１１とは反対側即ち上層側に、中間層１４を介して、２つのスピン注入層、即ち図中左の第１のスピン注入層２１及び右の第２のスピン注入層２２が設けられている。
第１のスピン注入層２１及び第２のスピン注入層２２は、いずれも磁性層により構成され、互いに独立してパターン形成され、かつ磁化Ｍ２１，Ｍ２２の向きが互いに逆向き（反平行）となっている。左の第１のスピン注入層２１の磁化Ｍ２１は左向きであり、右の第２のスピン注入層２２の磁化Ｍ２２は右向きであり、矢印が互いに離れる方を向いている。
そして、左の第１のスピン注入層２１には、上部配線２３が接続され、右の第２のスピン注入層２２には、上部配線２４が接続されている。

また、図１の記憶素子１０の平面図を図２に示す。
図１及び図２に示すように、磁化固定層１１、スペーサ層１２、記憶層１３、中間層１４の各層は、同一平面パターンにパターニングされ、楕円柱状の積層膜２０となっている。また、第１のスピン注入層２１及び第２のスピン注入層２２は、この積層膜２０に一部重なるように形成され、重なった部分で積層膜２０と接続されている。

スピン注入層２１，２２は、記憶層１３よりも磁気的に重くして、磁化Ｍ２１，Ｍ２２の向きが反転しないようにする。
例えば、記憶層１３よりも膜厚を厚くすることや、保磁力が比較的大きい磁性材料を用いることが考えられる。
これにより、小さい電流では、スピン注入層２１，２２の磁化Ｍ２１，Ｍ２２は反転せず、記憶層１３の磁化Ｍ２だけが反転する。

記憶層１３、磁化固定層１１、スピン注入層２１，２２は、複数層の強磁性層から構成されていてもよく、いずれも少なくとも１層の強磁性層からなる構成とする。
特に、磁化固定層１１及びスピン注入層２１，２２は、反強磁性体との交換結合や非磁性層を介した反強磁性結合により、磁化の固定特性を向上させてもよい。
また、スペーサ層１２は、Ｃｕ等の非磁性金属層を用いても、酸化アルミニウム等のトンネル絶縁層を用いてもよい。トンネル絶縁層の方が非磁性金属層よりも大きい磁気抵抗効果が得られる。
また、中間層１４は、スペーサ層１２と同様の各種非磁性材料を用いることができる。特に、非磁性金属層を用いることにより、書き込み電流に対する抵抗が小さくなるため、ロスが少なく、効率良く記憶層１３へ電子を注入することができる。

記憶素子１０が上述した構成となっているため、電流を一方のスピン注入層から他方のスピン注入層に流すことにより、電流の向きに応じて、記憶層１３の磁化Ｍ２の向きを制御して、記憶層１３に情報の記録（書き込み）を行うことができる。

次に、本実施の形態の記憶素子１０における、スピントランスファー方式により情報を書き込む動作について、図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明する。
ここでも、図７の従来の記憶素子１００の説明と同様に、記憶層１３の磁化Ｍ２の向きが、磁化固定層１１の磁化Ｍ１の向きに対して、反平行である状態を情報「０」として、平行である状態を情報「１」とする。

図３Ａでは、図１と同様に、磁化固定層１１の磁化Ｍ１は右向き、左の第１のスピン注入層２１の磁化Ｍ２１は左向き、右の第２のスピン注入層２２の磁化Ｍ２２は右向きになっている。また、図３Ａでは、記憶層１３の磁化Ｍ２の向きが、磁化固定層１１の磁化Ｍ１と同じ右向きになっており、記憶層１３に情報「１」が記憶されている状態とみなすことができる。

この図３Ａの状態において、上部配線２３，２４を通じて、電流を右の第２のスピン注入層２２から左の第１のスピン注入層２１に流す、即ち電子ｅを第１のスピン注入層２１から第２のスピン注入層２２に流すと、第１のスピン注入層２１を通過した電子ｅが、第１のスピン注入層２１の磁化Ｍ２１の向きと同じ左方向のスピンを持つようになる。
第２のスピン注入層２２に達する前に、電子ｅの一部は記憶層１３を通過するが、このときに、左方向のスピンが記憶層１３の磁化Ｍ２に伝達され、磁化Ｍ２を左方向に向けようとするトルクが働く。
一方、第２のスピン注入層２２を通過しようとする電子ｅのうち、第２のスピン注入層２２の磁化Ｍ２２の向きと反対の左向きのスピンをもつ電子ｅは、その界面で反射され、記憶層１３側に戻される。この界面で反射された電子ｅによっても、記憶層１３の磁化Ｍ２を左向きに向けようとするトルクが働く。
これらのトルクにより、記憶層１３の磁化Ｍ２が反転して左向き（図３Ｂ参照）になり、記憶層１３の磁化Ｍ２の向きが、磁化固定層１１の磁化Ｍ１とは反平行の向きになり、記憶層１３に情報「０」が記録されたことになる。
このとき、両方のスピン注入層２１，２２から、記憶層１３の磁化Ｍ２を左向きに反転させようとするトルクが働くため、２倍の書き込み効率が得られる。

次に、図３Ｂでは、記憶層１３の磁化Ｍ２の向きが、磁化固定層１１の磁化Ｍ１と反平行の左向きになっており、記憶層１３に情報「０」が記憶されている状態とみなすことができる。
この図３Ｂの状態において、上部配線２３，２４を通じて、電流を左の第１のスピン注入層２１から右の第１のスピン注入層２２に流す、即ち電子ｅを第２のスピン注入層２２から第１のスピン注入層２１に流すと、第２のスピン注入層２２を通過した電子ｅが、第２のスピン注入層２２の磁化Ｍ２２の向きと同じ右方向のスピンを持つようになる。
第１のスピン注入層２１に達する前に、電子ｅの一部は記憶層１３を通過するが、このときに、右方向のスピンが記憶層１３の磁化Ｍ２に伝達され、磁化Ｍ２を右方向に向けようとするトルクが働く。
一方、第１のスピン注入層２１を通過しようとする電子ｅのうち、第１のスピン注入層２１の磁化Ｍ２１の向きと反対の右向きのスピンをもつ電子ｅは、その界面で反射され、記憶層１３側に戻される。この界面で反射された電子ｅによっても、記憶層１３の磁化Ｍ２を右向きに向けようとするトルクが働く。
これらのトルクにより、記憶層１３の磁化Ｍ２が反転して右向き（図３Ａ参照）になり、記憶層１３の磁化Ｍ２の向きが、磁化固定層１１の磁化Ｍ１と同じ向きになり、記憶層１３に情報「１」が記録されたことになる。
このとき、両方のスピン注入層２１，２２から、記憶層１３の磁化Ｍ２を右向きに反転させようとするトルクが働くため、２倍の書き込み効率が得られる。

なお、第１のスピン注入層２１の磁化及び第２のスピン注入層２２の磁化の向きをそれぞれ図１〜図３とは逆の向き（矢印が向かい合う向き）にした場合も、上部配線２３，２４に流す電流の向き及び電子ｅが流れる向きが、それぞれ図３Ａ及び図３Ｂとは逆になるだけであり、図３Ａ及び図３Ｂに示したと同様の動作により情報の記録（書き込み）を行うことができる。

そして、図３Ａ及び図３Ｂに示した情報の書き込み動作においては、磁化固定層１１に接続された下部配線１５には電流を流す必要がないため、スペーサ層１２にはほとんど電流が流れない。
従って、書き込み電流によるスペーサ層１２の静電破壊が発生しない。

記憶層１３に記録されている情報が、「０」と「１」のどちらであるかを読み出す方法は、図３Ａ及び図３Ｂを用いて、以下のように説明される。
即ち、２つの上部配線２３及び２４のうち、片方もしくは両方の配線に接続された電極と、下部配線１５に接続された電極との間の、抵抗値により、記憶層１３の磁化Ｍ２の向きを検知することができる。
なぜなら、記憶層１３の磁化Ｍ２と磁化固定層１１の磁化Ｍ１との相対角度によって抵抗値が変化する、磁気抵抗効果を生じるためである。即ち、図３Ａに示したように、記憶層１３の磁化Ｍ２の向きと磁化固定層１１の磁化Ｍ１の向きとが平行である状態では第１の抵抗状態（抵抗値が低い状態）にあり、図３Ｂに示したように、記憶層１３の磁化Ｍ２の向きと磁化固定層１１の磁化Ｍ１の向きとが反平行である状態では第２の抵抗状態（抵抗値が高い状態）にあるから、この抵抗値の違いによって、記憶層１３の磁化Ｍ２の向き、即ち記憶層１３に情報「０」と情報「１」のどちらが記憶されているかを読み出すことができる。
上述した記憶層１３に記録された情報の読み出しは、２つのスピン注入層２１，２２のどちら側を用いても可能である。

なお、２つのスピン注入層２１，２２の磁化Ｍ２１，Ｍ２２の向きが互いに逆向きになるように設定する方法は、特に限定されるものではない。
ここで、その１つの方法を、図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。

まず、図４Ａの斜視図及び図４Ｂの断面図に示すように、それぞれのスピン注入層２１，２２の上方にそれぞれ配線２５，２６を設ける。この配線２５，２６は、スピン注入層２１，２２の主面に略平行であり、かつスピン注入層２１，２２の磁化困難軸方向に沿って延びるように形成するとよい。
そして、例えばメモリの製造時において、それぞれの配線２５，２６に電流Ｉ１，Ｉ２を流して、電流磁界Ｈ１，Ｈ２によりスピン注入層２１，２２の磁化Ｍ２１，Ｍ２２の向きを設定する。即ち、第１のスピン注入層２１に対しては、配線２５に奥へ向かう電流Ｉ１を流して右回りの電流磁界Ｈ１を発生させることにより、第１のスピン注入層２１の磁化Ｍ２１の向きを左向きに設定することができる。また、第２のスピン注入層２２に対しては、配線２６に手前に向かう電流Ｉ２を流して左回りの電流磁界Ｈ２を発生させることにより、第２のスピン注入層２２の磁化Ｍ２２の向きを右向きに設定することができる。

なお、図４Ａ及び図４Ｂに示した電流磁界Ｈ１，Ｈ２を印加するための配線２５，２６は、各記憶素子１０の上部配線２３，２４とは独立して設けることも可能であるが、配線２５，２６を上部配線２３，２４に接続して形成して、上部配線２３，２４に電流を供給するための配線を兼ねるようにすれば、メモリの構成を簡略化することができる。

また、この他にも、２つのスピン注入層２１，２２のうち、少なくとも１つのスピン注入層について、中間層１４とは反対の側で反強磁性層に隣接させることによって、そのスピン注入層の磁化の向きが固定されるように構成してもよい。

上述の本実施の形態の記憶素子１０の構成によれば、記憶層１３に対して、磁化固定層１１とは反対側に、中間層１４を介して、２つのスピン注入層２１，２２が設けられ、これら２つのスピン注入層２１，２２の磁化Ｍ２１，Ｍ２２の向きが互いに逆向きであることにより、一方のスピン注入層から他方のスピン注入層へ電流を流す、即ち他方のスピン注入層から一方のスピン注入層へ電子を注入することにより、スピントランスファー効果により、記憶層１３の磁化Ｍ２の磁化の向きを反転させて、情報の記録（書き込み）を行うことができる。

そして、この情報の記録（書き込み）において、他方のスピン注入層から注入されて記憶層１３を通過した電子ｅにより記憶層１３の磁化Ｍ２に働くトルクと、一方のスピン注入層の界面で反射されて記憶層１３側に戻された電子ｅにより記憶層１３の磁化Ｍ２に働くトルクとが同じ向きであるため、書き込み効率を向上させることができる。
これにより、図７に示した従来の記憶素子１００と比較して、より小さい電流でも記憶層１３に情報を記録することが可能になる。

さらに、情報の書き込みの際の電流経路は、スピン注入層−中間層１４及び記憶層１３−スピン注入層であり、情報の読み出しの際の電流経路は、スピン注入層−記憶層１３−スペーサ層１２−磁化固定層１１である。これらの電流経路が異なっているため、それぞれの動作特性に適したように、記憶素子１０の各層を設計することができる。
とりわけ、情報の書き込みの際に、スペーサ層１２が電流経路とならないため、書き込み電流によってスペーサ層１２が静電破壊することがない。
従って、スペーサ層１２を抵抗値が高くなる構成とすることが可能になり、これにより大きな磁気抵抗効果が得られることから、情報の読み出しの際の出力を大きくすることができる。

図１に示した本実施の形態の記憶素子１０を用いてメモリセルを構成し、このメモリセルを多数配置する（例えばマトリクス状にメモリセルを配置する）ことにより、メモリ（記憶装置）を構成することができる。

そして、メモリセルを構成する記憶素子１０が、スピントランスファー方式により情報の記録を行う構成なので、記憶素子１０が微細化されても、電流を増やさずに情報の記録を行うことができる利点を有している。これにより、メモリセルを高密度に集積してメモリを構成することが可能になる。即ち、メモリを小型化したり、高密度化して記憶容量を大きくしたりすることが容易に可能になる。
また、小さい電流で記憶素子１０に情報の記録を行うことができるため、メモリの消費電力を低減することができる。

次に、本発明の他の実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を図５に示す。
本実施の形態の記憶素子３０では、特に、記憶層１３と２つのスピン注入層２１，２２との間に、隣接する複数のメモリセルの記憶素子３０で共通に形成された中間層３１が設けられている。
その他の構成は、図１に示した記憶素子１０と同様であるので、重複説明を省略する。

本実施の形態の記憶素子３０によれば、図１に示した先の実施の形態の記憶素子１０と同様に、書き込み効率を向上させて、より小さい電流でも記憶層１３に情報を記録することが可能になり、また記憶素子３０の各層を情報の記録と情報の読み出しにそれぞれ適した構成に設計することができる。

また、本実施の形態の記憶素子３０では、特に、中間層３１を複数のメモリセルで共通に形成していることにより、中間層３１のパターンが大きくなり、中間層３１のパターニング工程が容易になる利点を有する。

なお、中間層３１を共通に形成する範囲は特に限定されない。
例えば、隣接する２つのメモリセル、同一行や同一列のメモリセル、隣接する複数行又は複数列のメモリセル、メモリの全てのメモリセル等、様々な範囲が可能である。

次に、本発明のさらに他の実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を図６に示す。
本実施の形態の記憶素子４０では、特に、左の第１のスピン注入層２１の下の中間層４１と、右の第２のスピン注入層２２の下の中間層４２とが、それぞれ上層のスピン注入層２１，２２と同一の平面パターンで、かつ互いに独立して形成されている。即ち、これら中間層４１と中間層４２は、互いに絶縁されている。
その他の構成は、図１に示した記憶素子１０と同様であるので、重複説明を省略する。

本実施の形態の記憶素子４０によれば、図１に示した先の実施の形態の記憶素子１０と同様に、書き込み効率を向上させて、より小さい電流でも記憶層１３に情報を記録することが可能になり、また記憶素子４０の各層を情報の記録と情報の読み出しにそれぞれ適した構成に設計することができる。

図１に示した記憶素子１０では、一方のスピン注入層から中間層１４に注入された書き込み電流の一部が、記憶層１３には達しないで直接他方のスピン注入層に流れることがある。このとき、電流の一部は記憶層１３への書き込みに寄与しないことになる。
これに対して、本実施の形態の記憶素子４０では、左の第１のスピン注入層２１の下の中間層４１と、右の第２のスピン注入層２２の下の中間層４２とが互いに絶縁されているため、一方のスピン注入層から他方のスピン注入層に流れる書き込み電流は、必ず記憶層１３を経由して流れることになる。これにより、書き込み電流を全て記憶層１３への書き込みに寄与させることができ、書き込みの効率を向上させることができる。

上述の各実施の形態の記憶素子１０，３０，４０では、磁性層１１，１３，２１，２２の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ２１，Ｍ２２が各磁性層１１，１３，２１，２２の面内方向（主面に略平行な方向）になっているが、本発明の記憶素子においては、磁化の向きは面内方向に限定されるものではなく、例えば、積層方向（主面に垂直な方向）であってもよい。
このように磁化の向きが面内方向ではない場合にも、図３Ａ及び図３Ｂに示した情報の書き込みの動作を、スピンの向きを適宜読み替えることにより、適用することができる。

なお、本発明において、記憶層、磁化固定層、スペーサ層、中間層、スピン注入層は、それぞれ単層として構成してもよく、また、複数の層を積層した構成としてもよい。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明の一実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。 図１の記憶素子の平面図である。 Ａ、Ｂ 図１の記憶素子に情報を記録する方法を説明する図である。 Ａ、Ｂ スピン注入層の磁化の向きを設定する１つの方法を説明する図である。 本発明の他の実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。 本発明のさらに他の実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。 従来のスピントランスファー方式を用いた記憶素子の概略構成図（断面図）である。

符号の説明

１０，３０，４０ 記憶素子、１１ 磁化固定層、１２ スペーサ層（非磁性層）、１３ 記憶層、１４，３１，４１，４２ 中間層、１５ 下部配線、２１，２２ スピン注入層、２３，２４ 上部配線

Claims (6)

1. 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
   磁化の向きが固定された磁化固定層と、
   前記記憶層及び前記磁化固定層との間に挟まれた非磁性層とを有し、
   前記記憶層の前記磁化固定層とは反対側に、中間層を介して、それぞれ独立したパターンで形成され、前記記憶層にスピンを注入するための２つのスピン注入層が設けられ、
   ２つの前記スピン注入層の磁化の向きが互いに反対の向きであり、
   一方の前記スピン注入層から他方の前記スピン注入層へ、前記記憶層を通じて電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる
   ことを特徴とする記憶素子。
2. ２つの前記スピン注入層は、それぞれ独立した前記中間層を介して前記記憶層に接続され、２つの前記中間層が電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
3. 前記磁化固定層は、前記非磁性層とは反対の側で反強磁性層に隣接することによって、その磁化の向きが固定されていることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
4. ２つの前記スピン注入層のうち、少なくとも１つの前記スピン注入層は、前記中間層とは反対の側で反強磁性層に隣接することによって、その磁化の向きが固定されていることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
5. 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
   磁化の向きが固定された磁化固定層と、
   前記記憶層及び前記磁化固定層との間に挟まれた非磁性層とを有し、
   前記記憶層の前記磁化固定層とは反対側に、中間層を介して、それぞれ独立したパターンで形成され、前記記憶層にスピンを注入するための２つのスピン注入層が設けられ、
   ２つの前記スピン注入層の磁化の向きが互いに反対の向きであり、
   一方の前記スピン注入層から他方の前記スピン注入層へ、前記記憶層を通じて電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子と、
   前記記憶素子に対して電流を流す電流供給手段とを備え、
   前記記憶素子によりメモリセルが構成され、
   複数の前記メモリセルが配置されて成る
   ことを特徴とするメモリ。
6. 前記中間層が、隣接する複数のメモリセルの前記記憶素子で共有されていることを特徴とする請求項５に記載のメモリ。

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