JP6820572B2 - 磁気記憶装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、磁気記憶装置に関する。

記憶される情報に応じて磁性層の磁化方向を変化させる磁気素子が知られている。磁気素子において、安定した動作が得られることが望ましい。

国際公開第２００９／１３３６５０号 特開２０１４−６７９２９号公報

本発明の実施形態は、動作安定性を向上できる磁気記憶装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、磁気記憶装置は、第１磁性層と、第１非磁性層と、制御部と、を含む。前記第１磁性層に電圧および磁界が実質的に印加されていない状態で、前記第１非磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と、前記第１磁性層の磁化方向と、の間の角度θ_０は、０°＜θ_０＜９０°または９０°＜θ_０＜１８０°を満たす。前記第１非磁性層の面積抵抗は、１０Ωμｍ^２以上である。前記制御部は、前記第１非磁性層を介して前記第１磁性層に電圧を印加することで、前記第１磁性層の磁化方向を制御する。

本発明の実施形態によれば、動作安定性を向上できる磁気記憶装置が提供できる。

図１は、実施形態に係る磁気素子を例示する模式的斜視図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施形態に係る磁気素子の特性を例示する模式的斜視図である。 図３は、実施形態に係る磁気素子を例示する模式的断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１磁性層の特性を例示する模式図である。 図５は、第１磁性層の特性を例示する模式図である。 図６は、第１磁性層に関するシミュレーション結果を表す図である。 図７は、第１磁性層に関するシミュレーション結果を表す図である。 図８（ａ）〜図８（ｃ）は、第１磁性層に関するシミュレーション結果を表す図である。 図９は、第１磁性層に関する別のシミュレーション結果を表す図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第１磁性層に関する別のシミュレーション結果を表す図である。 図１１は、スイッチング様式を表す相図である。 図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、実施形態に係る磁気記憶装置の動作を例示する模式図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。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率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る磁気素子を例示する模式的斜視図である。
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１実施形態に係る磁気素子の特性を例示する模式図である。
図３は、実施形態に係る磁気素子を例示する模式的断面図である。

実施形態に係る第１磁気素子１１０は、第１磁性層１１、第１非磁性層２１、及び第２磁性層１２を含む。

第１非磁性層２１から第１磁性層１１に向かう第１方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向（第２方向）とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向（第３方向）とする。Ｚ軸からはかった角度を極角θとし、Ｘ軸からはかったＸＹ平面上での角度を方位角φとする。

第２磁性層１２は、第１非磁性層２１を介して第１磁性層１１と反対側に設けられる。第１非磁性層２１は、Ｚ軸方向において、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に位置する。第１磁性層１１、第１非磁性層２１、及び第２磁性層１２は、例えば、Ｘ−Ｙ平面に平行に広がる。

Ｚ軸方向に対して交差する面内の第１磁性層１１の異方性磁界Ｈ_ｋは、Ｈ_ｋ≠０を満たす。例えば、図１に表したように、Ｘ軸方向における第１磁性層１１の長さＬ１は、Ｙ軸方向における第１磁性層１１の長さＬ２と異なる。これにより、第１磁性層１１に形状磁気異方性磁界が生じ、Ｈ_ｋ≠０となる。

第１磁性層１１に電圧および磁界が実質的に印加されていない状態で、Ｚ軸方向と、第１磁性層１１の磁化方向ｍと、の間の角度θ_０は、図２（ａ）に表したように、０°＜θ_０＜９０°または９０°＜θ_０＜１８０°を満たし、Ｚ軸方向から傾斜している。Ｘ軸方向と磁化方向ｍとの間の角度φは、Ｈ_ｋ≠０の場合ではＨ_ｋと同じ方位角である。

第１磁性層１１は、強磁性材料を含む。第１磁性層１１に含まれる強磁性材料のｃ軸は、例えばＺ軸方向に沿う。例えば微細加工前でＨ_ｋ＝０の状態では、第１磁性層１１の磁化方向ｍは、図２（ｂ）に表したように、ｃ軸（Ｚ軸方向）に対して角度θ_０傾斜した円錐面上のいずれかの位置にある。このような、０°＜θ_０＜９０°または９０°＜θ_０＜１８０°を満たす磁化状態は、コーン磁化状態と呼ばれる。

第１非磁性層２１は、例えばトンネル絶縁層である。第１非磁性層２１の面積抵抗（ＲＡ：Resistance area product）は、１０Ωμｍ^２以上であることが好ましい。これにより、例えば、電圧書き込み動作において、低い消費電力が得られる。第１非磁性層２１の面積抵抗に関する情報は、例えば、素子の抵抗の測定結果と、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）またはＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）などによる素子のサイズの測定結果、などから得られる。

第１非磁性層２１の面積抵抗は、例えば、２０Ωμｍ^２よりも大きくてもよい。これにより、例えば、電流書き込み動作の場合の１／２の、低い消費電力が得られる。第１非磁性層２１の面積抵抗は、例えば、１００Ωμｍ^２以上でもよい。これにより、例えば、電流書き込み動作の場合の１／１０の、さらに低い消費電力が得られる。第１非磁性層２１の面積抵抗は、例えば、５００Ωμｍ^２以上でもよい。これにより、例えば、電流書き込み動作の場合の１／５０の、さらに低い消費電力が得られる。第１非磁性層２１の面積抵抗が２０Ωμｍ^２以下になると、書き込みに要するエネルギーが急激に増大する。第１非磁性層２１の面積抵抗が１０Ωμｍ^２未満になると、書き込みに要するエネルギーの増大は、さらに加速する。

一方、電圧読み出し動作においては、第１非磁性層２１の面積抵抗が大きいほど、読み出しに要する時間は長くなる。例えば、第１非磁性層２１の面積抵抗が２０Ωμｍ^２、１００Ωμｍ^２、５００Ωμｍ^２である場合、読み出しに要する時間はそれぞれ２倍、１０倍、５０倍と長くなる。このため、高速読み出しの観点からは、第１非磁性層２１の面積抵抗は、前記の値よりも低い方が好ましい。実際の磁気記憶装置においては、個々の応用で要求される消費電力と読み出し速度を両立するために最適な第１非磁性層２１の面積抵抗を用いればよい。

図３に表した例では、第１磁気素子１１０は、磁気記憶装置２１０に含まれる。磁気記憶装置２１０は、例えば、第２磁気素子１２０、第１導電層３１、第２導電層３２、第３導電層３３、第４導電層３４、絶縁部４０、制御部７０、第１配線７１、及び第２配線７２をさらに含む。第２磁気素子１２０は、第３磁性層１３、第４磁性層１４、及び第２非磁性層２２を含む。

第３磁性層１３は、Ｘ軸方向において、第１磁性層１１から離間している。第３磁性層１３は、例えば、第１磁性層１１と同様の構造を有する。すなわち、Ｚ軸方向に対して交差する面内の第３磁性層１３の異方性磁界は、０よりも大きい。第３磁性層１３に電圧および磁界が実質的に印加されていない状態で、Ｚ軸方向と第３磁性層１３の磁化方向との間の角度は、０°よりも大きく９０°よりも小さいか、もしくは９０°よりも大きく１８０°よりも小さい。

第４磁性層１４は、Ｘ軸方向において第２磁性層１２から離間している。第２非磁性層２２は、Ｚ軸方向において、第３磁性層１３と第４磁性層１４との間に設けられる。

第１磁性層１１は、Ｚ軸方向において、第１導電層３１と第１非磁性層２１との間に設けられる。第１導電層３１は、例えば、第１磁性層１１と接する。第２磁性層１２は、Ｚ軸方向において、第２導電層３２と第１非磁性層２１との間に設けられる。

第３磁性層１３は、Ｚ軸方向において、第３導電層３３と第２非磁性層２２との間に設けられる。第３導電層３３は、例えば、第３磁性層１３と接する。第４磁性層１４は、Ｚ軸方向において、第４導電層３４と第２非磁性層２２との間に設けられる。

磁気記憶装置２１０には、第１磁性層１１及び第３磁性層１３の磁化方向に実質的な影響を与えない範囲で、地磁気などの微弱な磁界が印加されていても良い。ここでは、地磁気などの微弱な磁界が印加された状態も、実質的に磁界が印加されていない状態に含む。

絶縁部４０は、Ｘ軸方向において、第１磁気素子１１０と第２磁気素子１２０との間に設けられる。

第１導電層３１及び第３導電層３３は、第１配線７１と電気的に接続される。第２導電層３２及び第４導電層３４は、第２配線７２と電気的に接続される。第２導電層３２と第２配線７２との間には、例えば第１スイッチ７２ａが設けられる。第４導電層３４と第２配線７２との間には、例えば第２スイッチ７２ｂが設けられる。第１スイッチ７２ａと第２スイッチ７２ｂは、例えば選択トランジスタである。このように、電流経路上にスイッチなどが設けられている状態も、電気的に接続される状態に含まれる。第１スイッチ７２ａ及び第２スイッチ７２ｂは、それぞれ、第１導電層３１と第１配線７１との間および第３導電層３３と第１配線７１との間に設けられていても良い。

制御部７０は、第１配線７１と第２配線７２との間に電圧を印加し、第１スイッチ７２ａまたは第２スイッチ７２ｂをオンさせることで、第１磁気素子１１０または第２磁気素子１２０に選択的に電圧を印加する。第１磁気素子１１０に適切な極性の電圧が印加されると、第１磁性層１１の磁化方向がＸ軸方向を中心に歳差運動し、磁化方向のＺ軸方向成分は正負の反転を繰り返す。第１磁気素子１１０への電圧の印加時間を適切に制御することで、第１磁性層１１の磁化方向を所望の方向に制御することができる。すなわち、磁気記憶装置２１０では、第１非磁性層２１を介して第１磁性層１１に単極性の電圧を印加することにより、双方向の情報書き込みを行うことが可能である。

本実施形態によれば、Ｚ軸方向と第１磁性層１１の磁化方向ｍとの間の角度θ_０は、０°＜θ_０＜９０°または９０°＜θ_０＜１８０°を満たす。第１磁性層１１に電圧が印加された際に、例えば第１磁性層１１の異方性磁界Ｈ_ｋにより、第１磁性層１１の磁化方向を変化させるトルクが与えられる。この結果、電圧印加時に外部磁界が実質的に無い状態で、第１磁性層１１の磁化方向が変化する。

従って、実施形態に係る磁気記憶装置２１０は、第１磁性層１１に面内方向の磁界を印加するための磁性層等を含んでいる必要は無い。例えば、磁気記憶装置２１０は、面内方向に磁化容易軸を有する磁性層を含んでいない。第１磁性層１１に磁界を印加するための構成を含んでいないことで、磁気記憶装置２１０の製造が容易となる。さらに、外部磁界の強度のばらつきに基づく、第１磁性層１１の磁化方向の変化のばらつきを抑制できるため、磁気記憶装置２１０の動作安定性を向上させることができる。

以上で説明した磁気記憶装置２１０に含まれる各磁性層の磁化方向は、例えば、スピン偏極ＳＥＭを用いて観察することができる。

以下で、各構成要素の具体的な例について説明する。
第１磁性層１１、第２磁性層１２、第３磁性層１３、及び第４磁性層１４は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｓｍ、及びＴｂからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１磁性層１１、第２磁性層１２、第３磁性層１３、及び第４磁性層１４のそれぞれの厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

または、第１磁性層１１及び第３磁性層１３は、第１領域と第２領域を含んでいても良い。第１領域はＣｏを含み、第２領域はＰｔ及びＰｄからなる群より選択された少なくとも１つを含む。この場合、第１領域は、第１非磁性層２１と第２領域との間に設けられる。
または、第１磁性層１１及び第３磁性層１３は、Ｚ軸方向において交互に設けられた複数の第１領域および複数の第２領域を含んでいても良い。この場合、第１領域は、六方最密充填構造（ｈｃｐ）構造または面心立方格子（ｆｃｃ）（１１１）構造を有することが望ましい。第２領域は、ｆｃｃ（１１１）構造を有することが好ましい。または、第１領域はｆｃｃ（００１）構造を有し、第２領域はｆｃｃ（００１）構造を有していても良い。Ｐｔを含む第２領域の上に積層される第１領域の１層の厚さ（Ｚ軸方向における長さ）は、Ｃｏ原子の大きさの１０〜１５個分に相当することが好ましい。Ｐｄを含む第２領域の上に積層される第１領域の１層の厚さは、Ｃｏ原子の大きさの４．５〜６個分に相当することが好ましい。

第１領域はＣｏを含み、第２領域はＰｔを含んでいても良い。例えば、この場合、第１領域の厚さは０．９ｎｍ以上１．１ｎｍ以下であり、第２領域の厚さは２ｎｍである。一例として、第１領域と第２領域は、Ｚ軸方向において交互に８つずつ設けられる。または、第１領域は、１または２原子層のＣｏであり、第２領域は、１または２原子層のＰｔであっても良い。この場合、第１領域と第２領域は、例えば、Ｚ軸方向において交互に数層から数十層ずつ設けられても良い。
または、第１磁性層１１及び第３磁性層１３は、ｈｃｐ構造のＣｏを含んでいても良い。

または、第１磁性層１１及び第３磁性層１３は、Ｚ軸方向に磁化容易軸を有する第１磁性膜と、面内方向に磁化容易軸を有する第２磁性膜と、を積み重ねることで構成されていても良い。この場合、第１磁性層１１及び第３磁性層１３の磁化方向が全体としてＺ軸方向から傾くように、第１磁性膜及び第２磁性膜は比較的薄いことが好ましい。

第２磁性層１２及び第４磁性層１４の磁化方向は、変化し難い。第１磁性層１１及び第３磁性層１３の磁化方向は、第２磁性層１２及び第４磁性層１４の磁化方向に比べて、変化し易い。

第１非磁性層２１及び第２非磁性層２２は、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｒ、及びＢａからなる群から選択された少なくとも１つを含む酸化物または窒化物またはフッ化物を含む。第１非磁性層２１及び第２非磁性層２２のそれぞれの厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下である。

第１導電層３１、第２導電層３２、第３導電層３３、及び第４導電層３４は、非磁性である。第１導電層３１、第２導電層３２、第３導電層３３、及び第４導電層３４は、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、Ｗ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｔ、及びＰｄからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１導電層３１、第２導電層３２、第３導電層３３、及び第４導電層３４のそれぞれの厚さは、例えば、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。より好ましくは、これらの導電層の厚さは、第１磁性層１１の長さＬ１または長さＬ２より長く、２００ｎｍ以下である。これにより、良好な平坦性と、低い抵抗値と、が得られる。

絶縁部４０は、例えば、非磁性の絶縁性化合物を含む。この絶縁性化合物は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、及びＴａからなる群より選択された少なくともいずれかの元素の、酸化物、窒化物、または弗化物である。

以下で、第１磁性層１１について具体的に説明する。
図４（ａ）、図４（ｂ）、及び図５は、第１磁性層の特性を例示する模式図である。
図４（ａ）、図４（ｂ）、及び図５は、第１磁気素子１１０に電圧が実質的に印加されていない状態における第１磁性層１１の特性を表す。

図４（ａ）及び図４（ｂ）において、横軸は、第１磁性層１１の磁化方向とＺ軸方向との間の角度θを表し、縦軸は、異方性エネルギーε_ｕを表している。図４（ａ）において、実線は、異方性エネルギーの１次の項ε_１を表し、破線は、異方性エネルギーの２次の項ε_２を表している。１次の項のＫ_{１，ｅｆｆ}は、実効的な１次の異方性定数である。Ｋ_{１，ｅｆｆ}では一軸性の１次の異方性定数Ｋ_ｕ１から反磁界エネルギーの寄与が差し引かれている。２次の項のＫ_ｕ２は一軸性の２次の異方性定数である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に表した、異方性エネルギーの１次の項ε_１及び２次の項ε_２の和を表す。

図４（ｂ）に表したように、第１磁性層１１において、異方性エネルギーε_ｕが極小となる角度θが複数存在する。具体的には、０°＜θ＜９０°及び９０°＜θ＜１８０°において、異方性エネルギーε_ｕが極小となる角度θが存在する。ε_ｕが極小となる角度θをθ_０と表す。すなわち、第１磁性層１１の磁化方向は、これらの磁性層に電圧および磁界が実質的に印加されていない状態において、Ｚ軸方向から傾いている。

図５は、第１磁性層１１の磁化方向とＺ軸方向との間の角度θ_０のＫ_{１，ｅｆｆ}とＫ_ｕ２に対する依存性を等高線図として示している。図５において、下側の横軸は、実効的な１次の異方性定数Ｋ_{１，ｅｆｆ}を表し、縦軸は、一軸性の２次の異方性定数Ｋ_ｕ２を表す。右側のカラーバーは、θ_０の大きさを表している。θ_０は９０°＜θ_０≦１８０°にもなりえるが、図５では０°≦θ_０≦９０°の範囲に着目して表示している。また、θ_０と３６０°−θ_０は等価であるので、１８０°＜θ_０≦３６０°の場合については説明を割愛する。

図５は、１次の異方性定数がＫ_{１，ｅｆｆ}＜０を満たし、２次の異方性定数がＫ_ｕ２＞−（１／２）Ｋ_{１，ｅｆｆ}を満たすときに、０°＜θ_０＜９０°を満たすことを表している。すなわち、これらの条件を満たすことで、第１磁性層１１のコーン磁化状態が得られる。

θ_０が９０°に近いほど、後述するようにプリセッショナルスイッチングがより安定して起こりやすく、安定した書き込みが可能になる。たとえば５°≦θ_０＜９０°あるいは９０°＜θ_０≦１７５°の場合、比較的安定した書き込みが可能となる。１５°≦θ_０＜９０°あるいは９０°＜θ_０≦１６５°の場合、より安定した書き込みが可能となる。３０°≦θ_０＜９０°あるいは９０°＜θ_０≦１５０°の場合、さらに安定した書き込みが可能となる。４５°≦θ_０＜９０°あるいは９０°＜θ_０≦１３５°の場合、さらに一層安定した書き込みが可能となる。

一方、読み出し時の出力信号の大きさはｃｏｓθ_０の絶対値に比例する。このため、θ_０が０°あるいは１８０°に近いほど読み出し出力信号が大きくなり、より高速な読み出しが可能となる。このため、高速読み出しの観点では、たとえば０°＜θ_０≦６０°あるいは１２０°≦θ_０＜１８０°の場合、比較的高速な読み出しが可能となる。０°＜θ_０≦４５°あるいは１３５°≦θ_０＜１８０°の場合、より高速な読み出しが可能となる。０°＜θ_０≦３０°あるいは１５０°≦θ_０＜１８０°の場合、さらに高速な読み出しが可能となる。０°＜θ_０≦１５°あるいは１６５°≦θ_０＜１８０°の場合、さらに一層高速な読み出しが可能となる。

磁気記憶装置２１０においては、各応用で要求される書き込みの安定性と読み出し速度を上手くバランスできるθ_０を実現するために、各構成要素の材料および構造を調整すればよい。

（実施例）
図６から図１１は、第１磁性層に関するシミュレーション結果を表す図である。
ここでは、磁気記憶装置２１０に電圧が実質的に印加されていない状態における、第１磁性層１１の磁気エネルギー密度ε^（０）を、以下の「式１」で表した。ここで、μ_０は透磁率、Ｍ_ｓは飽和磁化、である。（Ｎ_ｘ，Ｎ_ｙ，Ｎ_ｚ）は反磁界係数、（ｍ_ｘ，ｍ_ｙ，ｍ_ｚ）は単位磁化ベクトルであり、添え字のｘ、ｙ、ｚは、Ｘ軸方向成分、Ｙ軸方向成分、Ｚ軸方向成分をそれぞれ表す。（ｍ_ｘ，ｍ_ｙ，ｍ_ｚ）と（θ, φ）とは、（ｍ_ｘ，ｍ_ｙ，ｍ_ｚ）＝（ｓｉｎθｃｏｓφ，ｓｉｎθｓｉｎφ，ｃｏｓθ）の関係にある。Ｋ_ｕ１ ^（０）及びＫ_ｕ２ ^（０）は、それぞれ、電圧が実質的に印加されていない状態における１次と２次の異方性定数である。有限の電圧を印加した状態における第１磁性層１１の磁気エネルギー密度εを、以下の「式２」で表した。「式２」におけるＫ_ｕ１及びＫ_ｕ２は、それぞれ、電界効果を考慮した１次と２次の異方性定数である。Ｋ_ｕ１及びＫ_ｕ２が電界Ｅに対して線形に変化する場合は、Ｋ_ｕ１及びＫ_ｕ２は、それぞれ、「式３」及び「式４」で表される。Ｅは電界を表す。η_１とη_２は、それぞれ、Ｋ_ｕ１とＫ_ｕ２に対する電界効果を表す。ｔ_１１は第１磁性層１１の厚さを表す。
(式１)

(式２)

(式３)

(式４)

図６から図１１の計算では、第１磁性層１１の条件は以下の通りに設定した。
第１磁性層１１の厚さｔ_１１＝１［ｎｍ］、第１磁性層１１の長さＬ１＝６０［ｎｍ］、第１磁性層１１の長さＬ２＝４６［ｎｍ］、Ｎ_ｘ＝０．０２４２、Ｎ_ｙ＝０．０３５１、Ｎ_ｚ＝０．９４０７、面内の形状磁気異方性磁界Ｈ_ｋ＝Ｍ_ｓ（Ｎ_ｙ−Ｎ_ｘ）＝１５．２［ｋＡ／ｍ］（１９２［Ｏｅ］）、第１磁性層１１の第１非磁性層２１と接する面の面積Ａ＝π（ｄ_１／２）（ｄ_２／２）［ｎｍ^２］、第１磁性層１１の飽和磁化Ｍ_ｓ＝１４００［ｋＡ／ｍ］（＝１４００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］）、第１磁気素子１１０への印加電圧Ｖ＝０における第１磁性層１１の界面及び結晶の磁気異方性定数について、１次の異方性定数Ｋ_ｕ１ ^（０）＝１１０９［ｋＪ／ｍ^３］、２次の異方性定数Ｋ_ｕ２ ^（０）＝１３５［ｋＪ／ｍ^３］、温度３００［Ｋ］では熱耐性Δ_０＝６０．６、第１非磁性層２１の厚さｔ_２１ｎ＝１［ｎｍ］、電界の大きさＥ＝Ｖ／ｔ_２１ｎ［Ｖ／ｍ］、外部磁界Ｈ_ｅｘｔ＝０［ｋＡ／ｍ］。磁化方向（ｍ_ｘ，ｍ_ｙ，ｍ_ｚ）の時間発展の計算には、ＬＬＧ方程式を用いた。

図６は、上記条件における印加電圧Ｖ＝０のときの、磁気エネルギー密度ε^（０）の等高線を表すシミュレーション結果である。ｍ_ｚ＝０付近で最もエネルギー密度が高く、ｍ_ｚが−１または１付近に近づくと、エネルギー密度が低下しているように見える。より正しくは、（ｍ_ｘ，ｍ_ｙ，ｍ_ｚ）＝（ｍ_ｘ ^（０），ｍ_ｙ ^（０），ｍ_ｚ ^（０））＝（ｓｉｎθ_０ｃｏｓφ_０，ｓｉｎθ_０ｓｉｎφ_０，ｃｏｓθ_０）でエネルギー密度は最低値を取っており、ｍ_ｚ ^（０）＝ｃｏｓθ_０は０．９６または−０．９６である。φ_０は０°か１８０°である。シミュレーション結果から、第１磁性層１１の磁化方向θ_０は、Ｚ軸方向からＸ軸方向に１５．８°か１６４．２°傾くことがわかる。すなわち、コーン磁化状態が実現されていることが分かる。図６において、初期磁化状態で磁化は、例えば、位置Ｐ０を向く。図７から図１０では、初期磁化方向をＰ０とした。図６、図７（ａ）、図８、図９、図１０（ａ）ではＰ０を白丸で表している。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、図６に表した状態の第１磁気素子１１０に電圧を印加したときのシミュレーション結果を表す。図７（ａ）は、磁化方向の変化の軌跡を表す。０ｎｓから５０ｎｓまでの時間範囲の軌跡を示している。図７（ｂ）において、横軸は時間を表し、縦軸は磁化方向のＸ軸方向成分ｍ_ｘ及びＺ軸方向成分ｍ_ｚを表す。実線は、Ｚ軸方向成分ｍ_ｚを表し、破線は、Ｘ軸方向成分ｍ_ｘを表す。このシミュレーションにおいて、条件を以下の通りに設定した。
Ｋ_ｕ１に対する電界効果はη_１＝−２０ｆＪ／（Ｖ・ｍ）、Ｋ_ｕ２に対する電界効果はη_２＝１５０ｆＪ／（Ｖ・ｍ）、第１磁性層１１のギルバートダンピング定数はα＝０．００５。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように、電圧が印加されると、第１磁性層１１の磁化方向がＸ軸方向を中心に歳差運動する。図７（ｂ）に表したように、電圧が印加されると、Ｚ軸方向成分ｍ_ｚは、正と負の間で周期的に反転していることが分かる。すなわち、このシミュレーション結果から、外部磁界Ｈ_ｅｘｔ＝０［ｋＡ／ｍ］において電圧を印加することで、第１磁性層１１の磁化方向が、Ｚ軸方向において反転していることが分かる。

図８（ａ）〜図８（ｃ）は、印加電圧を変化させたときの、エネルギー等高線の変化を表すシミュレーション結果である。ここでエネルギーは「式２」で表した磁気エネルギー密度εである。図７と同様に、Ｋ_ｕ１に対する電界効果はη_１＝−２０ｆＪ／（Ｖ・ｍ）、Ｋ_ｕ２に対する電界効果はη_２＝１５０ｆＪ／（Ｖ・ｍ）と設定した。
図８（ａ）〜図８（ｃ）は、それぞれ、印加電圧Ｖ＝０．８８Ｖ、０．８９Ｖ、及び０．９０Ｖのときのエネルギー等高線を表している。各図において、太い実線は、初期磁化方向でのεと等しいエネルギー等高線を表している。

図８（ａ）では、初期磁化方向を通るエネルギー等高線が、ｍ_ｚ＜０の領域を通っておらず、磁化方向が反転しない。図８（ｂ）及び図８（ｃ）では、初期磁化方向を通るエネルギー等高線が、ｍ_ｚ＜０の領域を通り、磁化方向が反転しうる。この結果から、磁化方向の反転が生じる閾電圧はＶ_ｃ＝０．８９Ｖであることが分かる。閾電圧Ｖ_ｃは、初期磁化方向を通るエネルギー等高線が、（ｍ_ｘ，ｍ_ｙ，ｍ_ｚ）＝（１，０，０）を通る電圧として求めることができる。

閾電圧Ｖ_ｃは、閾電界Ｅ_ｃに第１非磁性層２１の厚さｔ_２１ｎを掛けた値で表すこともできる。すなわち、Ｖ_ｃ＝Ｅ_ｃ・ｔ_２１ｎよりも大きな電圧を第１磁気素子１１０に印加することで、第１磁性層１１の磁化方向を反転させることができる。閾電界Ｅ_ｃは、以下の「式５」及び「式６」を用いて表すことができる。
(式５)

(式６)

図９、図１０（ａ）、及び図１０（ｂ）は、第１磁性層に関する別のシミュレーション結果を表す図である。印加電圧はＶ＝０．７８Ｖである。図１０（ａ）は０ｎｓから５０ｎｓまでの時間範囲の軌跡を示している。
ここでは、Ｋ_ｕ１に対する電界効果η_１＝１０ｆＪ／（Ｖ・ｍ）、Ｋ_ｕ２に対する電界効果η_２＝１５０ｆＪ／（Ｖ・ｍ）に設定した。このとき「式５」を用いて見積もられる閾電圧は０．７３Ｖであり、印加電圧は閾電圧より大きい。さらに図１０では、第１磁性層１１のギルバートダンピング定数をα＝０．００５に設定した。その他の条件は、図６及び図７に表したシミュレーション結果と同じである。したがって、印加電圧Ｖ＝０のときの磁気エネルギー密度ε^（０）の等高線図は、図６と同じである。

図９は、上記条件における印加電圧Ｖ＝０．７８Ｖのときの、エネルギー等高線を表すシミュレーション結果である。ここでエネルギーは、「式２」で表した磁気エネルギー密度εである。ｍ_ｙ＝１または−１、かつｍ_ｚ＝０で最もエネルギー密度が高い。太い実線は、初期磁化方向でのεと等しいエネルギー等高線を表している。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に表したように、このシミュレーション結果では、第１磁性層１１の磁化方向が、まずＺ軸方向を中心に回転した後、Ｚ軸方向において反転していることが分かる。この場合、図１０（ｂ）に表したように、磁化反転が生じるまでの時間が、図７（ｂ）に表したシミュレーション結果よりも遅い。すなわち、図７に表したシミュレーション結果は、反転速度の観点から、図１０に表したシミュレーション結果よりも好ましい。図７に表したスイッチングは、プリセッショナルスイッチング（precessional switching）と呼ばれる。

図１１は、スイッチング様式を表す相図である。
図１１において、横軸は、Ｋ_ｕ１に対する電界効果η_１を表し、縦軸は、Ｋ_ｕ２に対する電界効果η_２を表す。図１１において、灰色の領域は、プリセッショナルスイッチングが起こる領域を表し、白い領域は、プリセッショナルスイッチングが起こらない領域を表す。図１１において、破線は、Ｄ＝０となる（η_１，η_２）を表す。Ｄは、以下の「式７」及び「式８」を用いて表すことができる。「式７」及び「式８」では、Ｋ_ｕ１およびＫ_ｕ２は、「式５」で求められる閾電界Ｅ_ｃにおける異方性定数である。また、図１１において、実線は、以下の「式９」を表す。
(式７)

(式８)

(式９)

これらの「式７」〜「式９」及び図１１から、閾電圧において、初期磁化状態を通るエネルギーεｉの等高線がｍ_ｘ＝０に到達しなければ、プリセッショナルスイッチングが起こることが分かる。この条件を満たすためには、例えば、Ｄ＜０であれば良い。上述した通り、プリセッショナルスイッチングは、別のスイッチングに比べて反転速度が速く、さらに一定のパルス幅の電圧印加に対して安定してスイッチングに成功するため、図１１に表した灰色の領域に含まれるように、η_１及びη_２を設定することが好ましい。

η_１及びη_２の設定だけでなく、θ_０の設定によっても書き込みの安定性を向上させることができる。「式９」から、Ｋ_ｕ２ ^（０）が小さいほど図１１の実線の傾きの絶対値が小さくなり、灰色の領域が広がることがわかる。Ｋ_ｕ２ ^（０）が小さくなることは、θ_０が９０°に近づくことに対応することは図５からわかる。「式７」及び「式８」を用いた計算からも、θ_０が９０°に近い状態ほど図１１の破線の傾きの絶対値が小さくなり、灰色の領域が広がる結果が得られる。また、電界Ｅに対してＫ_ｕ１及びＫ_ｕ２が線形に変化しない場合であっても、θ_０が９０°に近いほどより広い（Ｋ_ｕ１, Ｋ_ｕ２）の範囲でプリセッショナルスイッチングが起こる。したがって、θ_０が９０°に近いほど、プリセッショナルスイッチングが起こりやすく、安定した書き込みが可能になる。

以上では、第１磁性層１１の具体例について説明したが、第３磁性層１３が同様の特性を有していても良い。

（動作例）
実施形態に係る磁気記憶装置の動作例について説明する。
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、実施形態に係る磁気記憶装置の動作を例示する模式図である。
これらの図の横軸は、時間を表す。これらの図の縦軸は、第１配線７１と第２配線７２との間に加わる信号Ｓ１の電位を表す。信号Ｓ１は、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間または第３磁性層１３と第４磁性層１４との間に加わる信号に実質的に対応する。

図１２（ａ）に表したように、制御部７０は、第１配線７１と第２配線７２との間に、第１パルスＰ１（例えば書き変えパルス）を印加する第１動作ＯＰ１を実施する。第１動作ＯＰ１において、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に、第１パルスＰ１が供給される。例えば、第１パルスＰ１により、記憶された情報が書き換えられる。これにより、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の電気抵抗が変化する。

例えば、第１動作ＯＰ１の後における第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の第２電気抵抗は、第１動作ＯＰ１の前における第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の第１電気抵抗とは、異なる。

この電気抵抗の変化は、例えば、第１パルスＰ１（書き変えパルス）による第１磁性層１１の磁化方向の変化に基づく。第１磁性層１１と第２磁性層１２との間において、磁化方向の相対関係が、第１パルスＰ１（書き変えパルス）により変化する。電気抵抗が異なる複数の状態は、それぞれ、記憶される情報に対応する。

図１２（ａ）に示すように、制御部７０は、第２動作ＯＰ２をさらに実施しても良い。第２動作ＯＰ２において、制御部７０は、第１動作ＯＰ１の前に第１磁性層１１と第２磁性層１２との間（第１配線７１と第２配線７２との間）に、第２パルスＰ２（読み出しパルス）を印加する。読み出しパルスにより得られた第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の第３電気抵抗は、第１動作の後の第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の第２電気抵抗は、とは異なる。第３電気抵抗は、書き換え前の電気抵抗である。第２電気抵抗は、書き換え後の電気抵抗である。第３電気抵抗は、例えば、第１電気抵抗と同じである。

例えば、第２パルスＰ２（読み出しパルス）の極性は、第１パルスＰ１（書き変えパルス）の極性に対して逆である。このような逆極性の第２パルスＰ２（読み出しパルス）を用いる場合、第２パルスＰ２の第２パルス高さＨ２の絶対値は、第１パルスＰ１（書き変えパルス）の第１パルス高さＨ１の絶対値よりも小さくても良く、同じでも良く、大きくても良い。磁性層の磁気異方性が電圧により制御される場合は、逆極性の読み出しパルスを用いることで、読み出し時に磁性層の磁化方向が変化することを抑制できる。

磁気記憶装置２１０が上記特性を有する場合には、以下のようになる。
制御部７０は、第１動作ＯＰ１において、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に、第１パルスＰ１を印加する。第１動作ＯＰ１の後における第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の第２電気抵抗は、第１動作ＯＰ１の前における第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の第１電気抵抗とは、異なる。第１パルスＰ１は、第１極性と、第１パルス幅Ｔ１と、第１パルス高さＨ１と、を有する。

このとき、第１極性とは逆の第２極性と、第１パルス幅Ｔ１と、第１パルス高さＨ１と同じ絶対値のパルス高さと、を有する別のパルスを印加した場合に、以下となる。
この別のパルスを第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に印加した後の第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の第３電気抵抗と、この別のパルスを第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に印加する前の第４電気抵抗と、の差の絶対値は、第２電気抵抗と第１電気抵抗との差の絶対値よりも小さい。すなわち、第１パルスＰ１の印加により情報の書き換えが実行され、別のパルスの印加によっては情報の書き換えが生じない。

第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の電気抵抗は、第１磁性層１１と電気的に接続されている第１配線７１と、第２磁性層１２と電気的に接続されている第２配線７２と、の間の電気抵抗に対応する。

記憶されている情報を書き換えないときには、図１２（ｂ）に示すように、制御部７０は、第２動作ＯＰ２の後に第３動作ＯＰ３を実施する。第３動作ＯＰ３においては、上記の第１パルスＰ１が印加されない。このときには、書き換えが生じない。

適切な第１パルスＰ１が印加されたときに、情報の書き換えが可能になる。適切な第１パルスＰ１が印加されると、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の電気抵抗は、高抵抗状態から低抵抗状態に、又は、低抵抗状態から高抵抗状態に、変化する。一方、適切ではないパルスが印加された場合は、高抵抗状態は、所望の低抵抗状態にならない。適切ではないパルスが印加された場合は、低抵抗状態は、所望の高抵抗状態にならない。

適切ではないパルスのパルス幅は、例えば、適切な第１パルス幅Ｔ１の約２倍である。適切ではないパルスが第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に印加された場合には、抵抗の変化が生じる確率が低い。

例えば、制御部７０は、第１動作ＯＰ１において、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に上記の第１パルスＰ１を印加する。第１パルスＰ１は、第１パルス幅Ｔ１と、第１パルス高さＨ１と、を有する。この第１パルスＰ１により、書き換えが適切に行われる。すなわち、第１動作ＯＰ１の後における第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の第２電気抵抗は、第１動作ＯＰ１の前における第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の第１電気抵抗とは、異なる。このとき、図１２（ｃ）に示すような別のパルスＰ１ｘが印加される場合には、電気抵抗の変化が実質的に生じない。別のパルスＰ１ｘは、第１パルス幅Ｔ１の２倍のパルス幅と、第１パルス高さＨ１と、を有する。

このような別のパルスＰ１ｘを第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に印加した後の第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の第３電気抵抗と、別のパルスＰ１ｘを第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に印加する前の第４電気抵抗と、の差の絶対値は、第２電気抵抗と第１電気抵抗との差の絶対値よりも小さい。すなわち、別のパルスＰ１ｘを印加したときには、電気抵抗は実質的に変化しない。または、別のパルスＰ１ｘを印加したときの電気抵抗の変化は、第１パルスＰ１を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さい。

複数回の動作における平均値を用いることで、上記の電気抵抗の変化を、より確実に比較できる。例えば、上記の第１パルスＰ１を印加し、その前後の電気抵抗の変化を検出するプロセスを複数回実施する。このときの電気抵抗の変化の絶対値の平均値を求める。一方、上記の別のパルスＰ１ｘを印加し、その前後の電気抵抗の変化を検出するプロセスを複数回実施する。このときの電気抵抗の変化の絶対値の平均値を求める。上記の２つの平均値を比較することで、別のパルスＰ１ｘを印加したときの電気抵抗の変化が第１パルスＰ１を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さいことが、より確実に分かる。

実施形態に係る磁気記憶装置２１０においては、例えば、上記の別のパルスＰ１ｘを印加したときの電気抵抗の変化が、上記の第１パルスＰ１を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さい。

以上で説明した各実施形態によれば、動作安定性が向上した磁気記憶装置を提供することができる。

実施形態は、以下の構成（案）を含んでも良い。
（構成１）
第１磁性層と、
第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層に電圧および磁界が実質的に印加されていない状態で、前記第１非磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と、前記第１磁性層の磁化方向と、の間の角度θ_０は、０°＜θ_０＜９０°または９０°＜θ_０＜１８０°を満たし、
前記第１非磁性層の面積抵抗が１０Ωμｍ^２以上であることを特徴とする、磁気素子。
（構成２）
第１磁性層と、
第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層に電圧および磁界が実質的に印加されていない状態で、前記第１非磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と、前記第１磁性層の磁化方向と、の間の角度θ_０は、０°＜θ_０＜９０°または９０°＜θ_０＜１８０°を満たし、
前記第１非磁性層を介して前記第１磁性層に単極性の電圧を印加することにより双方向の情報書き込みを行うことを特徴とする、磁気素子。
（構成３）
第１磁性層と、
第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層に電圧および磁界が実質的に印加されていない状態で、前記第１非磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と、前記第１磁性層の磁化方向と、の間の角度θ_０は、０°＜θ_０＜９０°または９０°＜θ_０＜１８０°を満たし、
前記第１非磁性層の面積抵抗が１０Ωμｍ^２以上であり、
前記第１非磁性層を介して前記第１磁性層に単極性の電圧を印加することにより双方向の情報書き込みを行うことを特徴とする、磁気素子。
（構成４）
前記第１方向に対して交差する面内の前記第１磁性層の異方性磁界Ｈ_ｋが、Ｈ_ｋ≠０を満たすことを特徴とする、構成１〜３のいずれか１つに記載の磁気素子。
（構成５）
前記第１非磁性層がトンネル絶縁層であることを特徴とする、構成１〜４のいずれか１つに記載の磁気素子。
（構成６）
前記第１非磁性層が、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｒ、及びＢａからなる群から選択された少なくとも１つを含む酸化物または窒化物またはフッ化物を含むことを特徴とする、構成１〜５のいずれか１つに記載の磁気素子。
（構成７）
前記第１非磁性層を介して前記第１磁性層と反対側に設けられた第２磁性層をさらに備えたことを特徴とする、構成１〜６のいずれか１つに記載の磁気素子。
（構成８）
前記第１磁性層がコーン磁化状態を持つことを特徴とする、構成１〜７のいずれか１つに記載の磁気素子。

本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気記憶装置に含まれる第１磁性層、第１非磁性層、第２磁性層、第３磁性層、第２非磁性層、第４磁性層、第１導電層、第２導電層、第３導電層、第４導電層、絶縁部、制御部、第１配線、第２配線、第１スイッチ、第２スイッチなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した磁気記憶装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気記憶装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

１１ 第１磁性層、 １２ 第２磁性層、 １３ 第３磁性層、 １４ 第４磁性層、 ２１ 第１非磁性層、 ２２ 第２非磁性層、 ３１ 第１導電層、 ３２ 第２導電層、 ３３ 第３導電層、 ３４ 第４導電層、 ４０ 絶縁部、 ７０ 制御部、 ７１ 第１配線、 ７２ 第２配線、 ７２ａ 第１スイッチ、 ７２ｂ 第２スイッチ、 １１０ 第１磁気素子、 １２０ 第２磁気素子、 ２１０ 磁気記憶装置、 ｍ 磁化方向

Claims (8)

1. 第１磁性層と、
   第１非磁性層と、
   制御部と、
   を備え、
   前記第１磁性層に電圧および磁界が実質的に印加されていない状態で、前記第１非磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と、前記第１磁性層の磁化方向と、の間の角度θ_０は、０°＜θ_０＜９０°または９０°＜θ_０＜１８０°を満たし、
   前記第１非磁性層の面積抵抗が１０Ωμｍ^２以上であり、
   前記制御部は、前記第１非磁性層を介して前記第１磁性層に電圧を印加することで、前記第１磁性層の磁化方向を制御することを特徴とする、磁気記憶装置。
2. 第１磁性層と、
   第１非磁性層と、
   制御部と、
   を備え、
   前記第１磁性層に電圧および磁界が実質的に印加されていない状態で、前記第１非磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と、前記第１磁性層の磁化方向と、の間の角度θ_０は、０°＜θ_０＜９０°または９０°＜θ_０＜１８０°を満たし、
   前記第１非磁性層の面積抵抗が１０Ωμｍ^２以上であり、
   前記制御部は、前記第１非磁性層を介して前記第１磁性層に単極性の電圧を印加することにより双方向の情報書き込みを行うことを特徴とする、磁気記憶装置。
3. 前記第１方向に対して交差する面内の前記第１磁性層の異方性磁界Ｈ_ｋが、Ｈ_ｋ≠０を満たすことを特徴とする、請求項１または２に記載の磁気記憶装置。
4. 前記第１方向に対して垂直な第２方向における前記第１磁性層の長さは、前記第１方向及び前記第２方向に対して垂直な第３方向における前記第１磁性層の長さと異なることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
5. 前記第１非磁性層がトンネル絶縁層であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
6. 前記第１非磁性層が、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｒ、及びＢａからなる群から選択された少なくとも１つを含む酸化物または窒化物またはフッ化物を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
7. 前記第１非磁性層を介して前記第１磁性層と反対側に設けられた第２磁性層をさらに備えたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
8. 前記第１磁性層がコーン磁化状態を持つことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。