JP7360121B2 - 高速磁化反転方法、高速磁化反転デバイス、及び磁気メモリ装置 - Google Patents

Description

本発明は、スピン軌道トルクを用いた高速磁化反転方法、高速磁化反転デバイス、及び磁気メモリ装置に関する。

ナノサイズの磁性体の磁化を反転制御する方法として「スピン注入磁化反転法」が提案され、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory、磁気ランダムアクセスメモリ）等にすでに実用されている。初期のＭＲＡＭは電流が作る磁界によってＭＲＡＭ素子の磁性膜の磁化方向を反転させることで情報を書き込んだが、高集積化に伴うＭＲＡＭ素子の微細化に伴って、磁化反転には大きな電流が必要となり消費電力にも課題があった。ここで、ＭＲＡＭでは、情報を記憶するビット１つに対応する構造が、第１の強磁性金属、非磁性体、及び第２の強磁性金属の３層構造で構成されている。

この課題を改善した「スピン注入磁化反転法」は、強磁性金属から非磁性体へ電子が流れるときその電子流が「スピン偏極」していることから、このスピン偏極した電子を第１の強磁性金属から非磁性体を介して第２の強磁性金属に移動させると第２の強磁性金属の磁気モーメントを反転させることができるという技術である。ここで、「スピン偏極」とは、上向きスピンの電子の数と下向きスピンの電子の数とが同数でなく一方に偏っている状態を意味する。

このスピン偏極電流を第２の強磁性金属に流すことで第２の強磁性金属の磁気モーメントを反転させるトルクは「スピントランスファートルク（ＳＴＴ、Spin transfer torque）」と呼ばれる。このＳＴＴによって磁化反転がもたらされるものである。ＳＴＴを磁化の反転（情報の書き込み）に用いたＭＲＡＭ（ＳＴＴ－ＲＡＭ）によればスピン偏極電流を流すだけで磁化反転ができるので、素子が微細化しても電流密度も小さくなるので省電力化がはかれ、ＭＲＡＭの高集積化も可能になった。

一方、磁気メモリの高密度化と共に大量の記録情報を高速に処理するために、磁気記録情報の記録・再生のアクセスタイムの高速化も求められており、書き込み（磁化反転）および読み出し（磁気抵抗）の原理的な高速化も開発課題になっている。また素子の微細化に伴い、書き込みにおいては磁化反転の為の書き込み電流が大きくなり、消費電力が高くなるという問題があった。

近年、ＳＴＴのようなスピン偏極電流を介したスピン注入ではなく、強磁性金属中への電流（正味の電荷の移動）を伴わないスピン注入（「純スピン流」）による磁化反転方法として、「スピン軌道トルク（ＳＯＴ、Spin orbit torque）」とよばれる原理の方法が提唱されてきた。非磁性金属を流れる電子の一つ一つは磁化の担い手となるスピンを持っている。非磁性金属を流れる電流のスピンは様々な向きを向いているため、非磁性金属を流れる電流が持つ正味の磁化はゼロである。ところが，電流が持つスピンの向きに偏りがあると、電流が磁化をもつ。つまり、電流が電荷と供に磁化の流れにもなる。このような磁化の流れはスピン流と呼ばれる。特に電子の流れの正味の量がゼロで電流をともなわず、磁化だけが流れるスピン流のことを純スピン流と呼ぶ。

スピン軌道相互作用（Spin orbit coupling）が大きな非磁性金属中を電流が流れると、電流を構成する伝導電子の移動方向が、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果（Spin Hall effect）によって曲げられる。この曲げられる方向が伝導電子のスピンの向きに依存する。つまり、非磁性金属中の電流で非磁性金属に接している強磁性金属の方向へ曲げられた電子群がつくる流れはスピン流になる。また、強磁性金属の方向へ曲げられた流れ(スピン流)は，そのまま強磁性金属へと入る。したがって、強磁性金属と非磁性金属との積層構造において非磁性金属に電流が流れると、非磁性金属から強磁性金属へ伝導電子のスピンが注入される。これをスピン注入と呼ぶ。強磁性金属と非磁性金属との間で電位差は生じないため、スピン流は純スピン流となる。強磁性金属に注入されたスピンは、強磁性金属内で散乱し、スピン角運動量を強磁性金属の磁化に与える。その結果、強磁性金属の磁化の向きが変化する。この変化を利用して強磁性金属の磁化を反転させる技術をＳＯＴによる磁化反転と呼んでおり、その磁化反転を情報の書き換え（書き込み）に利用した磁気メモリをＳＯＴ－ＲＡＭと呼んでいる。

ここで、非磁性金属内でスピンが曲げられる量はスピンホール角と呼ばれる物理量で与えられている。また、スピンが曲げられる向きは、電子が移動している向き、及び、電子が持つスピンの向きに垂直な向きである。スピンホール角の絶対値が大きな非磁性金属ほど、非磁性金属中を流れる電子のスピンが曲げられる量が大きくなる。強磁性金属に接している非磁性金属のスピンホール角の絶対値が大きいほど、非磁性金属から強磁性金属へ多くのスピンが注入される。

電流が流れるとスピン流が生成されてＳＯＴを誘起するように構成されたスピン軌道トルク配線と、スピン軌道トルク配線の上に配置された強磁性金属層とを備え、このスピン流によるＳＯＴ効果によって強磁性金属層の磁化の向きが変化させる構成が知られている（特許文献１、非特許文献１）。

特開2019-9478号公報（2019年1月17日公開）

深見俊輔，スピン軌道トルクを用いた新規磁化制御方式の研究と３端子磁気メモリ素子への応用，https://kaken.nii.ac.jp/ja/file/KAKENHI-PROJECT-15K13964/15K13964seika.pdf，科学研究費助成費用 研究成果報告書 平成29年6月12日

上述のような従来のＳＯＴ－ＲＡＭにおける磁化の反転技術は、ターゲットの強磁性金属に接して設置された非磁性金属リードからスピンホール効果等によって強磁性金属にスピンが注入され，強磁性金属の磁化にＳＯＴが働く。そのＳＯＴの大きさが十分大きければ強磁性金属に磁化反転が誘起され、注入されたスピンの向きに磁化が反転する。ＳＯＴでは、強磁性金属に注入されるスピンの量が多くなれば、ＳＯＴの大きさも大きくなる。また、非磁性金属リードに流す電流と非磁性金属でのスピンホール角に注入されるスピンの量とは比例する。

しかしながら、実用上は、低電流で高速に強磁性金属の磁化を反転できることが必要であり、従来のＳＯＴを用いた磁化反転では、低電流での磁化反転が観測されていない。従って、低電流で高速に強磁性金属の磁化を反転させるための素子の構成指針を明らかにすることが課題となっている。低電流ＳＯＴによる磁化反転が起こらない原因の一つに、強磁性金属の磁化変化の初動が起こらないことがあり、これを解決する素子が構成されることが望まれている。磁化反転時に外部磁場とＳＯＴを同時に強磁性金属へ印加させる方法や、ＳＴＴとＳＯＴを同時に強磁性金属へ印加させる方法 によって、低電流での磁化反転を可能にしている。

本発明の一態様は、ＳＯＴを用いて低電流で高速に強磁性金属の磁化を反転させることができる高速磁化反転方法、高速磁化反転デバイス、及び磁気メモリ装置を実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法は、ひとつまたはふたつの非磁性金属層と、強磁性金属層とを積層した金属層構造における強磁性金属層の磁化をスピン軌道トルクにより反転させる高速磁化反転方法であって、強磁性金属層には特定の方向が磁化容易軸になるように予め一軸磁気異方性を付与されており、強磁性金属層の磁化容易軸上での磁化反転を誘起するために非磁性金属層から強磁性金属層に反転スピン流を注入するスピン注入磁化反転工程と、これと同一または別の非磁性金属層から強磁性金属薄膜に補助スピン流を短時間の間注入する補助スピン流注入工程とを有し、スピン流が持つ磁化の向きが互いに異なる反転スピン流と補助スピン流との２種類のスピン流を強磁性金属層へ時間差で注入することを特徴とする。

この特徴によれば、強磁性金属層の磁化の向き（第１方向）に交差する交差方向に磁化されたスピン流（補助スピン流）が強磁性金属薄膜に注入される。このため、第１方向と反対の方向に磁化された反転スピン流による強磁性金属薄膜の磁化方向の反転行程（スピン注入磁化反転行程）が、第１方向に交差する交差方向に磁化された補助スピン流を注入する行程（補助スピン注入行程）により補助される。

補助スピン流は短時間の間だけ強磁性金属薄膜へ注入される。反転スピン流は磁化反転中の全体の時間の間に強磁性金属薄膜へ注入され、補助スピン流はスピン流が強磁性金属層へ注入されている間に注入される。もしくは、補助スピン流を注入中、又は注入直後に、反転スピン流が、強磁性金属薄膜へ注入され始め、磁化反転が終了する前後まで注入される。磁化反転が半分以上起こるまで反転スピン流を注入すれば、磁化反転終了前に反転スピン流を止めたとしても磁化反転は起こる。しかし、その場合、反転スピン流を止める時間が早いほど反転に要する時間が増加する。また、磁化反転が終了した後も反転スピン流を注入し続けてもよいが消費電力の無駄になる。

この結果、高速もしくは低消費電力で強磁性金属の磁化方向を反転させることができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、ひとつまたはふたつの非磁性金属層が、ひとつの非磁性金属層であり、
補助スピン流注入工程が、同一の非磁性金属層から補助スピン流を注入することが好ましい。

上記構成によれば、非磁性金属層から補助スピン流を注入する構成が簡素になる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、ひとつまたはふたつの非磁性金属層が、ふたつの非磁性金属層であり、
補助スピン流注入工程が、別の非磁性金属層から補助スピン流を注入することが好ましい。

上記構成によれば、非磁性金属層から補助スピン流を注入する構成のバリエーションを豊富にすることができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、スピン注入磁化反転工程に加えて補助スピン流注入工程を実行する先後の適当なタイミングとして、スピン注入磁化反転工程の反転スピン流は磁化反転中の全体の時間を通じて強磁性金属層へ注入し、補助スピン流は反転スピン流が強磁性金属層へ注入されている間に注入することが好ましい。

上記構成によれば、磁化反転中の全体の時間を通じてスピン流が強磁性金属層へ注入される間に注入される補助スピン流により、スピン流による強磁性金属層の磁化方向の反転が補助される。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、補助スピン流は、スピン注入磁化反転工程の開始直後、若しくは、同時に強磁性金属層へ注入し始めることが好ましい。

上記構成によれば、スピン注入磁化反転工程の開始直後、若しくは、同時に強磁性金属層へ注入し始められる補助スピン流により、スピン流による強磁性金属層の磁化方向の反転が補助される。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、補助スピン流は、スピン注入磁化反転工程の開始直前に強磁性金属層へ注入し始めることが好ましい。

上記構成によれば、スピン注入磁化反転工程の開始直前に強磁性金属層へ注入し始められる補助スピン流により、スピン流による強磁性金属層の磁化方向の反転が補助される。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法のスピン注入磁化反転工程の非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向と平行な方向の磁化の向きを持つ反転スピン流が注入されることが好ましい。

上記構成によれば、強磁性金属層の磁化容易軸方向と直交する方向に延伸する主リード層を通して反転スピン流を強磁性金属層へ注入することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、非磁性金属層が、磁化容易軸と直交する方向に延伸する主リード層を含むことが好ましい。

上記構成によれば、主リード層に平行な方向に流れる電流を、主リード層を介して非磁性金属層に流すことで、非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向と平行な方向の磁化の向きを持つ反転スピン流を注入することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、主リード層が、非磁性金属層と同じ素材、金属、もしくは、その他の電気抵抗が小さい材料で構成されることが好ましい。

上記構成によれば、簡素な構成で主リード層を実現することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法の補助スピン流注入工程の非磁性金属層と別の非磁性金属層との何れかから強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向に直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流が注入されることが好ましい。

上記構成によれば、強磁性金属層の磁化容易軸方向に対して平行な方向に延伸する補助リード層を通して補助スピン流を強磁性金属層へ注入することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、非磁性金属層と別の非磁性金属層との何れかが、強磁性金属層の磁化容易軸方向に対して平行な方向に延伸する補助リード層を含むことが好ましい。

上記構成によれば、強磁性金属層の磁化容易軸方向に対して平行な方向に延伸する補助リード層に平行な方向に流れる電流を、補助リード層を介して別の非磁性金属層に流すことで、別の非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向に直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流を注入することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、補助スピン流注入工程の別の非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向と直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流が注入されることが好ましい。

上記構成によれば、強磁性金属層の磁化容易軸方向と直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流を、別の非磁性金属層に流すことで、別の非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向と直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流を注入することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、別の非磁性金属層が、強磁性金属層の磁化容易軸方向に対して直交する方向であって、且つ、反転スピン流の注入方向に対しても直交する方向に延伸する補助リード層を含むことが好ましい。

上記構成によれば、強磁性金属層の磁化容易軸方向に対して直交する方向であって、且つ、反転スピン流の注入方向に対しても直交する方向に延伸する補助リード層に平行な方向に流れる電流を、補助リード層を介して別の非磁性金属層に流すことで、別の非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向と直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流を注入することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、非磁性金属層および別の非磁性金属層は、強磁性金属層の主面若しくは側面に当接して強磁性金属層に接合されることが好ましい。

上記構成によれば、強磁性金属層の主面若しくは側面に当接して強磁性金属層に接合される非磁性金属層を通して反転スピン流を強磁性金属層へ注入することができ、強磁性金属層の主面若しくは側面に当接して強磁性金属層に接合される別の非磁性金属層を通して補助スピン流を強磁性金属層へ注入することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転デバイスは、ひとつまたはふたつの非磁性金属層と、強磁性金属層とを積層した金属層構造における前記強磁性金属層の磁化をスピン軌道トルクにより反転させる高速磁化反転方法であって、前記強磁性金属層には特定の方向が磁化容易軸になるように予め一軸磁気異方性を付与されており、前記強磁性金属層の前記磁化容易軸上での磁化反転を誘起するために前記非磁性金属層から前記強磁性金属層に反転スピン流を注入するスピン注入磁化反転工程と、これと同一または別の前記非磁性金属層から前記強磁性金属層に補助スピン流を短時間の間注入する補助スピン流注入工程とを有し、スピン流が持つ磁化の向きが互いに異なる前記反転スピン流と前記補助スピン流との２種類のスピン流を前記強磁性金属層へ時間差で注入することを特徴とする。

この特徴によれば、高速もしくは低消費電力で強磁性金属の磁化方向を反転させることができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転デバイスでは、強磁性金属層が、ＮｉＦｅ系二元合金、ＣｏＦｅＢ合金、又は、室温近傍で有限のスピン偏極率を有する強磁性体を含み、非磁性金属層と別の非磁性金属層との少なくとも一方が、Ｐｔ、Ｒｕ、及び、その他のスピンホール角の絶対値が大きい金属の少なくとも一つを含むことが好ましい。

上記構成によれば、強磁性金属層の材質、主リード層の非磁性金属層の材質、及び補助リード層の非磁性金属層の材質により、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果に基づいて強磁性金属薄膜に作用するスピン軌道トルクが増大する。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転デバイスでは、強磁性金属層の上に積層された絶縁層と、絶縁層の上に積層されて磁化容易軸の方向に磁化された固定層と、強磁性金属層の磁化方向を読み出すために固定層に接合された読出しリード線と、反転スピン流のための電流の非磁性金属層への供給と、補助スピン流のための電流の別の非磁性金属層への供給と、強磁性金属層の磁化方向の読出しリード線からの読出しとを制御する制御回路とをさらに備えることが好ましい。

上記構成によれば、主リード層への反転電流の供給と、補助リード層への補助電流の供給と、読出しリード線からの強磁性金属薄膜の磁化方向の読出しとが制御され、高速磁化反転デバイスへの情報の書込み及び読出しが可能になる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る磁気メモリ装置は、マトリックス状に配置された複数個のトンネル磁気抵抗効果素子を備え、トンネル磁気抵抗効果素子が、固定層と自由層と固定層及び自由層の間に形成された絶縁層とを含み、自由層の磁化容易軸に対応する第１方向と反対の反転方向に磁化された反転スピン流を自由層に注入するために、第１方向に交差する交差方向に沿って延伸して各自由層と接合する複数本の反転リード線と、交差方向に磁化された補助スピン流を自由層に注入するために、第１方向に沿って延伸して各自由層と接合する複数本の補助リード線と、各自由層の磁化方向を読出すために、第１方向又は交差方向に沿って延伸して各固定層と接合する複数本の読出しリード線とを備えることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、低電流で高速に強磁性金属の磁化を反転させることができる。

（ａ）実施形態１に係る高速磁化反転デバイスの斜視図であり、（ｂ）はその平面図であり、（ｃ）はその正面図である。 （ａ）実施形態１に係る他の高速磁化反転デバイスの斜視図であり、（ｂ）はその平面図であり、（ｃ）はその正面図である。 （ａ）実施形態１に係るさらに他の高速磁化反転デバイスの斜視図であり、（ｂ）はその平面図であり、（ｃ）はその正面図である。 上記高速磁化反転デバイスに設けられた強磁性金属薄膜の磁化の反転時間のシミュレーション結果を示す図である。 上記高速磁化反転デバイスのスピン注入時間と磁化との間の関係を示すグラフである。 （ａ）は上記強磁性金属薄膜の補助スピン流と上記強磁性金属薄膜の磁化反転に要した時間との間の関係を示すグラフであり、（ｂ）は上記強磁性金属薄膜と上記反転リード線とを示す斜視図であり、（ｃ）は上記強磁性金属薄膜と上記反転リード線と上記補助リード線とを示す斜視図である。 （ａ）は比較例に係る強磁性金属薄膜の磁化方向を示す斜視図であり、（ｂ）～（ｅ）は上記強磁性金属薄膜と反転リード線との関係を示す斜視図であり、（ｆ）は上記強磁性金属薄膜の他の磁化方向を示す斜視図であり、（ｇ）～（ｊ）は上記強磁性金属薄膜と反転リード線との関係を示す斜視図であり、（ｋ）は上記強磁性金属薄膜のさらに他の磁化方向を示す斜視図であり、（ｌ）～（ｏ）は上記強磁性金属薄膜と反転リード線との関係を示す斜視図である。 （ａ）は上記高速磁化反転デバイスに設けられた強磁性金属薄膜と反転リード線との関係を示す斜視図であり、（ｂ）～（ｉ）は上記強磁性金属薄膜及び反転リード線に対する補助リード線の種々の配置態様を示す斜視図である。 （ａ）は上記強磁性金属薄膜の態様を示す斜視図であり、（ｂ）は上記強磁性金属薄膜の他の態様を示す斜視図である。 （ａ）は実施形態２に係る高速磁化反転デバイスの実験装置の斜視図であり、（ｂ）は上記高速磁化反転デバイスの斜視図であり、（ｃ）は上記高速磁化反転デバイスの回路図である。 実施形態２に係る磁気メモリ装置の概略平面図である。 実施形態２に係る磁気メモリ装置の書込み動作に関連する回路図である。 上記磁気メモリ装置の書込み動作を示すフローチャートである。 （ａ）は実施形態２に係る磁気メモリ装置の読出し動作に関連する箇所も含めた回路図であり、（ｂ）は上記磁気メモリ装置のＴＭＲ素子を示す斜視図である。 上記磁気メモリ装置の書込み動作の変形例に関連する回路図である。

以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。

〔実施形態１〕
図１（ａ）は実施形態１に係る高速磁化反転デバイス１の斜視図であり、（ｂ）はその平面図であり、（ｃ）はその正面図である。

高速磁化反転デバイス１は、磁化容易軸に対応するｙ方向（第１方向）に磁化された強磁性金属薄膜２（強磁性金属層）と、強磁性金属薄膜２の磁化方向を反転させるために、－ｙ方向（反転方向）に磁化された反転スピン流を強磁性金属薄膜２に注入するための反転リード線３（非磁性金属層、主リード層）と、強磁性金属薄膜２の磁化方向の反転を補助するために、ｙ方向に直交するｘ方向（交差方向）に磁化された補助スピン流を強磁性金属薄膜２に注入するための補助リード線４（非磁性金属層、補助リード層）とを備える。強磁性金属薄膜２は、ｙ方向が磁化容易軸になるように予め一軸磁気異方性が付与されている。

反転リード線３は、ｘ方向に延伸する非磁性金属層から構成される。補助リード線４は、ｙ方向に延伸する非磁性金属層から構成される。反転リード線３及び補助リード線４は、強磁性金属薄膜２に接合する箇所で互いに交差して、同一の非磁性金属層により一体に構成される。

このように、補助スピン流を強磁性金属薄膜２に注入するための補助リード線４は、強磁性金属薄膜２の磁化容易軸方向に対して平行な方向又は垂直な方向に延伸する。そして、反転スピン流を強磁性金属薄膜２に注入するための反転リード線３は、上記磁化容易軸と直交する方向に延伸する。補助スピン流は、強磁性金属薄膜２の磁化容易軸方向に直交する方向の磁化の向きを持つ。反転スピン流は、強磁性金属薄膜２の磁化容易軸方向と平行な方向の磁化の向きを持つ。

強磁性金属薄膜２は、ＮｉＦｅ系二元合金（パーマロイ）、ＣｏＦｅＢ合金、及びその他の室温近傍で有限のスピン偏極率を有する強磁性体を含む。反転リード線３と補助リード線４との少なくとも一方は、Ｐｔ、Ｒｕ、及びその他のスピンホール角の絶対値が大きい金属のうちの少なくとも一つを含む。

このように構成された高速磁化反転デバイス１は、以下のように動作する。

まず、ｙ方向に磁化された強磁性金属薄膜２の磁化方向を反転させるために、－ｙ方向に磁化された反転スピン流を強磁性金属薄膜２に注入するための反転電流が反転リード線３に供給される。そして、強磁性金属薄膜２の磁化方向の反転を補助するために、ｙ方向に直交するｘ方向（交差方向）に磁化された補助スピン流が補助リード線４から強磁性金属薄膜２へ供給される。次に、反転リード線３に供給された反転電流に基づく反転スピン流が、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果に基づいて、反転リード線３から強磁性金属薄膜２に注入される。そして、補助リード線４に供給された補助電流に基づく補助スピン流が、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果に基づいて、補助リード線４から強磁性金属薄膜２に注入される。

その後、強磁性金属薄膜２のｙ方向の磁化方向が、－ｙ方向に磁化されて反転リード線３から強磁性金属薄膜２に注入された反転スピン流と、ｘ方向に磁化されて補助リード線４から強磁性金属薄膜２に注入された補助スピン流とにより、ｙ方向から－ｙ方向に高速で反転する。

このように、異なる方向に磁化した２種類の反転スピン流及び補助スピン流を強磁性金属薄膜２に同一の非磁性金属層から注入することにより、強磁性金属薄膜２の磁化反転をより容易になるように支援し、１方向から１種類のスピン流を注入する従来の技術に比較して１０％程度の短時間で高速に強磁性金属薄膜２を磁化反転させることができる。

なお、上述した実施形態では、反転スピン流の磁化方向と補助スピン流の磁化方向とが互いに直交する例を示したが、本発明はこれに限定されない。反転スピン流の磁化方向と補助スピン流の磁化方向とは互いに異なっていればよく、両者のなす角度は０度よりも大きく１８０度よりも小さければよい。後述する実施形態でも同様である。

図２（ａ）実施形態１に係る他の高速磁化反転デバイス１Ａの斜視図であり、（ｂ）はその平面図であり、（ｃ）はその正面図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

図１で前述した高速磁化反転デバイス１と異なる点は、補助リード線４が、強磁性金属薄膜２の反転リード線３と反対側の面に接合される点である。このように、反転リード線３及び補助リード線４は、強磁性金属薄膜２に異なる箇所で接合しており、互いに異なる非磁性金属層により別個に構成される。

この構成によれば、ｙ方向に磁化された強磁性金属薄膜２の磁化方向を反転させるために－ｙ方向に磁化された反転スピン流と、強磁性金属薄膜２の磁化方向の反転を補助するためにｘ方向に磁化された補助スピン流とが、強磁性金属薄膜２の互いに対向する異なる二面を通して強磁性金属薄膜２に注入される。

そして、反転リード線３側から強磁性金属薄膜２に注入された反転スピン流と、補助リード線４側から強磁性金属薄膜２に注入された補助スピン流とにより、強磁性金属薄膜２のｙ方向の磁化方向が－ｙ方向に高速で反転する。

図３（ａ）実施形態１に係るさらに他の高速磁化反転デバイス１Ｂの斜視図であり、（ｂ）はその平面図であり、（ｃ）はその正面図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

図１で前述した高速磁化反転デバイス１と異なる点は、補助リード線４が、強磁性金属薄膜２のｙ方向に平行な側面に接合される点である。このように、反転リード線３及び補助リード線４は、図２に示す構成と同様に、強磁性金属薄膜２に異なる箇所で接合しており、互いに異なる非磁性金属層により別個に構成される。

この構成によれば、強磁性金属薄膜２の互いに隣接する異なる二面を通して、－ｙ方向に磁化された反転スピン流と、ｘ方向に磁化された補助スピン流とが強磁性金属薄膜２に注入される。そして、反転スピン流と補助スピン流とにより、強磁性金属薄膜２のｙ方向の磁化方向が－ｙ方向に高速で反転する。

図４は高速磁化反転デバイス１に設けられた強磁性金属薄膜２の磁化の反転時間のシミュレーション結果を示す図である。

補助スピン流による磁化反転の支援が無く、－ｙ方向に磁化された反転スピン流のみが３０ｎｍ×３０ｎｍ×７．５ｎｍの寸法の強磁性金属薄膜２に注入される場合のＳＯＴによる強磁性金属薄膜２の磁化の反転時間のシミュレーション結果は１７ｎｓｅｃであった。これに対して、ｘ方向に磁化された補助スピン流が反転スピン流に加えて強磁性金属薄膜２に注入される場合の強磁性金属薄膜２の磁化の反転時間は約０．８ｎｓｅｃに短縮された。

図５は高速磁化反転デバイス１Ａのスピン注入時間と磁化反転との間の関係を示すグラフである。図２で前述した高速磁化反転デバイス１Ａの強磁性金属薄膜２がセルサイズＸ＝１０ｎｍ、Ｙ＝１０ｎｍ、Ｚ＝２０ｎｍのパーマロイにより構成される条件で、高速磁化反転のシミュレーションを行った。

反転リード線３の反転スピン流のみによるスピン注入では、曲線Ｓ１に示すように、磁化反転までのスピン注入時間は約４ｎｓｅｃであった。これに対して、反転リード線３の反転スピン流によるスピン注入と、補助リード線４の補助スピン流によるスピン注入とを組み合わせ、補助スピン流を０．１ｎｓｅｃ注入した直後に反転スピン流を注入した場合は、曲線Ｓ２に示すように、磁化反転までのスピン注入時間は約１ｎｓｅｃに短縮された。また、補助スピン流を２ｎｓｅｃ注入した直後に反転スピン流を注入した場合も、曲線Ｓ３に示すように、磁化反転までのスピン注入時間は約１ｎｓｅｃに短縮された。

なお、補助リード線４の補助スピン流のみによるスピン注入では、曲線Ｓ４に示すように、磁化反転を起こすことができなかった。

図６（ａ）は強磁性金属薄膜２の補助スピン流と強磁性金属薄膜２の磁化反転に要した時間との間の関係を示すグラフであり、（ｂ）は強磁性金属薄膜２と反転リード線３とを示す斜視図であり、（ｃ）は強磁性金属薄膜２と反転リード線３と補助リード線４とを示す斜視図である。図１で前述した高速磁化反転デバイス１の強磁性金属薄膜２がセルサイズＸ＝１０ｎｍ、Ｙ＝２０ｎｍ、Ｚ＝１０ｎｍのパーマロイにより構成される条件で、高速磁化反転のシミュレーションを行った。

反転リード線３のみに電流密度３．０×１０^１１Ａ／ｍ^２の主書込電流（反転電流）を印加した場合には、図６（ａ）のポイントＰ１に示すように、約１００ｎｓで強磁性金属薄膜２の磁化が反転した。主書込電流を印加すると同時に補助リード線４に１．０ｎｓだけ補助書込のための主書込電流よりも印加時間が短い短時間電流を流し強磁性金属薄膜２に補助スピン流を注入したところ、シミュレーションの範囲内では、ポイントＰ２に示すように、最短で１０ｎｓで磁化が反転した。

主書込電流密度と補助書込電流密度の大きさがどちらも３．０×１０^１１Ａ／ｍ^２で等しい場合に、補助書込のための短時間電流によるスピンの注入時間を変えたところ１ｎｓでは、図６（ａ）のポイントＰ３に示すように、約２０ｎｓで磁化が反転した。そして、補助書込電流によるスピンの注入時間が０．１ｎｓでは約１５ｎｓで磁化が反転した。

強磁性金属薄膜２の磁化の反転時間は、主書込電流の電流密度と補助書込のための短時間電流の電流密度が増えると、強磁性金属薄膜２の種類・形状・補助書込線（補助リード線４）の位置などに依存せずに短縮される。しかしながら、補助書込のための短時間電流からのスピン注入時間は、長ければ良いわけではなく、強磁性金属薄膜２の種類・形状・補助書込線（補助リード線４）の位置などに基づく最適値が存在する。

図７（ａ）は比較例に係る強磁性金属薄膜２の磁化方向を示す斜視図であり、（ｂ）～（ｅ）は強磁性金属薄膜２と反転リード線３との関係を示す斜視図であり、（ｆ）は強磁性金属薄膜２の他の磁化方向を示す斜視図であり、（ｇ）～（ｊ）は強磁性金属薄膜２と反転リード線３との関係を示す斜視図であり、（ｋ）は強磁性金属薄膜２のさらに他の磁化方向を示す斜視図であり、（ｌ）～（ｏ）は強磁性金属薄膜２と反転リード線３との関係を示す斜視図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

１方向注入に係る反転リード線３の強磁性金属薄膜２に対する位置と方向との１２種類のパターンを図７は示している。図７（ａ）に示される強磁性金属薄膜２のｚ方向の磁化の向きを逆の－ｚ方向に反転させるための反転リード線３の強磁性金属薄膜２に対する位置と方向のパターンは、図７（ｂ）～（ｅ）にそれぞれ示される４パターン存在する。

そして、図７（ｆ）に示される強磁性金属薄膜２の－ｘ方向の磁化の向きを逆のｘ方向に反転させるための反転リード線３の強磁性金属薄膜２に対する位置と方向のパターンは、図７（ｇ）～（ｊ）にそれぞれ示される４パターン存在する。図７（ｋ）に示される強磁性金属薄膜２のｙ方向の磁化の向きを逆の－ｙ方向に反転させるための反転リード線３の強磁性金属薄膜２に対する位置と方向のパターンは、図７（ｌ）～（ｏ）にそれぞれ示される４パターン存在する。

図８（ａ）は上記高速磁化反転デバイスに設けられた強磁性金属薄膜２と反転リード線３との関係を示す斜視図であり、（ｂ）～（ｉ）は強磁性金属薄膜２及び反転リード線３に対する補助リード線４の種々の配置態様を示す斜視図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

２方向注入に係る反転リード線３及び補助リード線４の強磁性金属薄膜２に対する位置と方向との８種類のパターンを図８は示している。図８（ａ）に示される強磁性金属薄膜２のｙ方向の磁化の向きを逆の－ｙ方向に反転させるための補助リード線４の強磁性金属薄膜２及び反転リード線３に対する位置と方向のパターンは、図８（ｂ）～（ｉ）にそれぞれ示される端子番号２～９の８パターン存在する。

図９（ａ）は強磁性金属薄膜２の態様を示す斜視図であり、（ｂ）は強磁性金属薄膜２の他の態様を示す斜視図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

形状による磁化異方性を有し、強磁性体としてパーマロイ（Ｐｙ：ＦｅＮｉ合金）を想定した図９（ａ）に示す１０ｎｍ×２０ｎｍ×６ｎｍの寸法の強磁性金属薄膜２について、図８（ａ）～（ｉ）に示す端子番号１～９の９種類の端子構造の場合の磁化の反転時間のシミュレーション結果を（表１）に示す。

（表１）に示すように、端子番号２～９の端子構造の相異に応じて磁化の反転時間に若干差があるが、端子番号１の１端子のときの磁化の反転時間と比べると、端子番号２～９のどれも磁化の反転が著しく短縮されている。

内因生の磁化異方性で、磁化の軸を固定し、強磁性体として（ＣｏＦｅ合金）を想定した図９（ｂ）に示す１０ｎｍ×１０ｎｍ×６ｎｍの寸法の強磁性金属薄膜２について、図８（ａ）～（ｉ）に示す端子番号１～９の９種類の端子構造の場合の磁化の反転時間のシミュレーション結果を（表２）に示す。端子番号１の１端子での反転時間を（表１）のシミュレーション結果（約１０ｎｓ）とそろえるため、反転リード線３に供給する反転スピン流の値を調整した。

（表２）に示すように、磁気異方性の種類や、磁性体形状によらず、本実施形態に係る端子番号２～９の端子構造で強磁性金属薄膜２の磁化の反転時間が、端子番号１の１端子ときの磁化の反転時間と比べて著しく短縮されている。

〔実施形態２〕
図１０（ａ）は高速磁化反転デバイス１の実験装置の斜視図であり、（ｂ）は高速磁化反転デバイス１の斜視図であり、（ｃ）は高速磁化反転デバイス１の回路図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

高速磁化反転デバイス１の実験装置はシリコン基板１７を備える。シリコン基板１７の上に膜厚１０ｎｍの白金からなる反転リード線３及び補助リード線４が互いに直交するように形成される。そして、縦２μｍ、横１μｍ、膜厚１０ｎｍ以下のニッケル鉄合金からなる強磁性金属薄膜２が、反転リード線３と補助リード線４とが交差する位置に形成される。反転リード線３の両端に金／チタンを含む電極１１が形成される。補助リード線４の両端に電極１６が形成される。強磁性金属薄膜２の磁化方向を判定するために強磁性金属薄膜２の異方性磁気抵抗効果を測定するための一対の測定電極１５が強磁性金属薄膜２に連結される。

高速磁化反転デバイス１の実験装置には電流生成装置１２が設けられる。電流生成装置１２は、反転電流を生成して反転リード線３に供給するための反転電流生成器１３と、補助電流を生成して補助リード線４に供給するための補助電流生成器１４とを含む。

反転リード線３の一端はコイル２１の一端に接続される。反転リード線３の他端はコイル２０の一端に接続される。補助リード線４の一端はコンデンサ１９の一端に接続される。補助リード線４の他端はコンデンサ２２の一端に接続される。電源２３の正極はコイル２１の他端及びコンデンサ１９の他端に接続される。スイッチ１８の一端はコイル２０の他端及びコンデンサ２２の他端に接続される。スイッチ１８の他端は電源２３の負極に接続される。

スイッチ１８をオンにすると、コンデンサ１９・２２に電荷が蓄えられるまでは補助リード線４に補助電流が流れる。また、反転リード線３ではコイル２０・２１によって、スイッチ１８をオンに入れた直後には反転電流が抑制される。

図１１は実施形態２に係る磁気メモリ装置１０の概略平面図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

磁気メモリ装置１０は、マトリックス状に配置された複数個の強磁性金属薄膜２と、強磁性金属薄膜２の磁化容易軸に対応するｙ方向と反対の－ｙ方向に磁化された反転スピン流を各強磁性金属薄膜２に注入するために、ｘ方向に延伸して各強磁性金属薄膜２と接合する複数本の反転リード線３と、ｘ方向に磁化された補助スピン流を各強磁性金属薄膜２に注入するために、ｙ方向に沿って延伸して各強磁性金属薄膜２と接合する複数本の補助リード線４とを備える。

図１２は実施形態２に係る磁気メモリ装置１０の書込み動作に関連する回路図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

説明を簡素にするために、磁気メモリ装置１０が２行２列の４個の強磁性金属薄膜ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２を備える場合を例に挙げて説明する。強磁性金属薄膜ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２は、図１１に示す強磁性金属薄膜２に相当する。

強磁性金属薄膜ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２は、磁化容易軸に対応するｙ方向に磁化されている。磁気メモリ装置１０には、強磁性金属薄膜ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２の磁化方向を反転させるために、－ｙ方向に磁化された反転スピン流を強磁性金属薄膜ｍ１－１・ｍ１－２に注入するための反転リード線３ａと、－ｙ方向に磁化された反転スピン流を強磁性金属薄膜ｍ２－１・ｍ２－２に注入するための反転リード線３ｂと、強磁性金属薄膜ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２の磁化方向の反転を補助するために、ｘ方向に磁化された補助スピン流を強磁性金属薄膜ｍ２－１・ｍ２－１に注入するための補助リード線４ｃと、ｘ方向に磁化された補助スピン流を強磁性金属薄膜ｍ１－２・ｍ２－２に注入するための補助リード線４ｄとが設けられる。

磁気メモリ装置１０は、反転リード線３ａ・３ｂに反転電流を供給するための主線２４・２５と、補助リード線４ｃ・４ｄに補助電流を供給するための補助線２６・２７とをさらに備える。

反転リード線３ａと主線２４との間にトランジスタａ１が配置され、反転リード線３ａと主線２５との間にトランジスタａ２が配置される。そして、反転リード線３ｂと主線２４との間にトランジスタｂ１が配置され、反転リード線３ｂと主線２５との間にトランジスタｂ２が配置される。

補助リード線４ｃの一部と補助リード線４ｃの他の一部との間にトランジスタｃ２が配置される。補助リード線４ｄの一部と補助リード線４ｄの他の一部との間にトランジスタｄ２が配置される。

補助リード線４ｃの一部と補助線２６との間にトランジスタｃ１が配置され、補助リード線４ｃの他の一部と補助線２７との間にトランジスタｃ３が配置される。そして、補助リード線４ｄの一部と補助線２６との間にトランジスタｄ１が配置され、補助リード線４ｄの他の一部と補助線２７との間にトランジスタｄ３が配置される。

トランジスタａ１のゲートとトランジスタａ２のゲートとに端子ａが接続される。トランジスタｂ１のゲートとトランジスタｂ２のゲートとに端子ｂが接続される。そして、トランジスタｃ１のゲートとトランジスタｃ２のゲートとトランジスタｃ３のゲートとに端子ｃが接続される。トランジスタｄ１のゲートとトランジスタｄ２のゲートとトランジスタｄ３のゲートとに端子ｄが接続される。

このように構成された磁気メモリ装置１０は以下のように書込み動作を実行する。図１３は磁気メモリ装置１０の書込み動作を示すフローチャートである。

磁化反転をさせたいターゲットの強磁性金属薄膜ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２の何れか一つに接している反転リード線３ａ又は３ｂの何れか１本の両端側に配置された二つのトランジスタａ１及びａ２、又は、トランジスタｂ１及びｂ２をオンにすることで、反転電流を流す。ターゲットの強磁性金属薄膜に接している補助リード線４ｃ又は４ｄの何れか１本に配置されたトランジスタｃ１、ｃ２及びｃ３、又は、トランジスタｄ１、ｄ２及びｄ３をオンにすることで、補助電流を流す。

以下、図１２の強磁性金属薄膜ｍ１－１を書込みターゲットの強磁性金属とした場合の書込み動作の例を示す。まず、主線２４と補助線２６の電圧を高電圧（ハイ）にして主線２５と補助線２７の電圧を低電圧（ロー）にする（ステップＳ１）。そして、端子cに電圧を印加してトランジスタｃ１・ｃ２・ｃ３をオンにする。すると、補助電流が補助リード線４ｃに流れる。次に、ｘ方向に向いた補助スピン流が強磁性金属薄膜ｍ１－１・ｍ２－１に注入される（ステップＳ２）。なお、上記ハイ／ローは，ＣＭＯＳやデジタル回路で使われるハイ／ローと同じ意味である。

その後、端子ａに電圧を印加してトランジスタａ１・ａ２をオンにする。すると、反転電流が反転リード線３ａに流れる。次に、－ｙ方向を向いた反転スピン流が強磁性金属薄膜ｍ１－１・ｍ１－２に注入される（ステップＳ３）。この動作の開始直前又は開始直後に端子cへの電圧印加を止めてトランジスタｃ１・ｃ２・ｃ３をオフにする。すると、最初に強磁性金属薄膜ｍ１－１の磁化方向が－ｙ方向に反転する（ステップＳ４）。

そして、端子ａへの電圧の印加を継続すると強磁性金属薄膜ｍ１－２の磁化方向が－ｙ方向に反転するので、強磁性金属薄膜ｍ１－２の磁化方向が－ｙ方向に反転する前に端子ａへの電圧の印加を止めてトランジスタａ１・ａ２をオフにする（ステップＳ５）。

主線２４・２５のハイ／ローの向きは反転リード線３ａの素材がもつスピンホール角の符号によって定まる。

トランジスタｃ２・ｃ３、及び、トランジスタｄ２・ｄ３は、反転リード線３ａを流れる反転電流が他の強磁性金属薄膜へ回り込まないようにするために必要である。つまり、この例ではトランジスタａ１→強磁性金属薄膜ｍ１－１→強磁性金属薄膜ｍ１－２→トランジスタａ２と電流を流したいが、トランジスタｃ２の部分がトランジスタｃ２で無く金属リードであった場合、トランジスタａ１→強磁性金属薄膜ｍ１－１→強磁性金属薄膜ｍ２－１→強磁性金属薄膜ｍ２－２→強磁性金属薄膜ｍ１－２→トランジスタａ２と流れる電流のパスも出現してしまうので、このような電流のパスの出現を防止するためである。

補助リード線４ｃに補助電流を流すための端子cへの電圧印加時間は、０．５ｎｓｅｃ程度である。この電圧印加時間は、周波数換算で２ＧＨｚ程度であり、磁気メモリ装置１０の内部のクロックで制御可能である。

強磁性金属薄膜ｍ１－１の磁化方向を－ｙ方向からｙ方向に反転させるには、主線２４をローにし主線２５をハイにして主線２４・２５のハイ・ロー関係を逆にし、上記のステップＳ２からステップＳ５を実行する。

図１４（ａ）は実施形態２に係る磁気メモリ装置１０の読出し動作に関連する箇所も含めた回路図であり、（ｂ）は磁気メモリ装置１０のＴＭＲ素子９を示す斜視図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

強磁性金属薄膜ｍ１－１の上に絶縁層５が積層され、絶縁層５の上に固定層６が積層される。強磁性金属薄膜ｍ１－１、絶縁層５、及び固定層６は、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果、Tunnel Magneto Resistance Effect）素子９を構成する。同様に、強磁性金属薄膜ｍ１－２・２－１・２－２の上に絶縁層５が積層され、各絶縁層５の上に固定層６が積層される。強磁性金属薄膜ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２、絶縁層５、及び固定層６は、それぞれＴＭＲ素子９を構成する。

強磁性金属薄膜ｍ１－１・ｍ２－１の磁化方向を読み出すためにｙ方向に延伸して対応する固定層６に接合された読出しリード線７ａと、強磁性金属薄膜ｍ１－２・ｍ２－２の磁化方向を読み出すためにｙ方向に延伸して対応する固定層６に接合された読出しリード線７ｂとが設けられる。そして、強磁性金属薄膜ｍ１－１・ｍ２－１・ｍ１－１・ｍ２－１の磁化方向を読み出すためにｘ方向に延伸する読線２８が設けられる。読出しリード線７ａと読線２８との間にトランジスタｅ１が配置され、読出しリード線７ｂと読線２８との間にトランジスタｆ１が配置される。トランジスタｅ１のゲートに端子ｅが接続され、トランジスタｆ１のゲートに端子ｆが接続される。

磁気メモリ装置１０は、反転リード線３ａ・３ｂへの反転電流の供給と、補助リード線４ｃ・４ｄへの補助電流の供給と、読出しリード線７ａ・７ｂからの強磁性金属薄膜ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２の磁化方向の読出しとを制御する制御回路２９を備える。

主線２５は、読線としても兼用される。

図１４に示す例では、強磁性金属薄膜ｍ１－１の磁化の向きは、対応する固定層６の磁化の向きと逆であるので、ＴＭＲ素子９の磁気抵抗が高く、強磁性金属薄膜ｍ１－１と固定層６との間に電流は流れない。これに対して、他の三つの強磁性金属薄膜ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２の磁化の向きは、固定層６の磁化の向きと平行であるので、ＴＭＲ素子９の磁気抵抗が低く、固定層６との間に電流が流れる。

このように構成された磁気メモリ装置１０は以下のように動作する。

読線２８の電圧はハイになっている。主線２４の電圧はハイになっている。補助線２６の電圧はハイになっており、補助線２７の電圧はローになっている。そして、読線として兼用される主線２５の電圧をローにする。

強磁性金属薄膜ｍ１－１に記憶された情報を読み出す場合は、端子ｅ及び端子ｇに電圧を印加してトランジスタｅ１及びトランジスタａ２をそれぞれオンにする。すると、強磁性金属薄膜ｍ１－１に対応するＴＭＲ素子９は高抵抗であるので電流が流れない。そして、強磁性金属薄膜ｍ２－１に対応するＴＭＲ素子９は低抵抗であるが、トランジスタｂ２・ｃ２・ｃ３・ｄ２・ｄ３がオフであるため、強磁性金属薄膜ｍ２－１のＴＭＲ素子９を介した電流は流れない。読線として兼用される主線２５の電位が読線２８の電位よりも低くなる（ローになる）。これにより、強磁性金属薄膜ｍ１－１に記憶された情報が「０」と読み出せる。

強磁性金属薄膜ｍ２－２に記憶された情報を読み出す場合は、端子ｆ及び端子ｈに電圧を印加してトランジスタｆ１及びトランジスタｂ２をそれぞれオンにする。すると、強磁性金属薄膜ｍ１－２に対応するＴＭＲ素子９は低抵抗であるが、トランジスタａ２・ｃ２・ｃ３・ｄ２・ｄ３がオフであるため、強磁性金属薄膜ｍ１－２のＴＭＲ素子９を介した電流は流れない。強磁性金属薄膜ｍ２－２に対応するＴＭＲ素子９は低抵抗であるので、トランジスタｆ１から強磁性金属薄膜ｍ２－２を介してトランジスタｂ２を通って読線として兼用される主線２５へと電流が流れる。この結果、読線として兼用される主線２５の電位が、読線２８の電位と同じハイになる。これにより、強磁性金属薄膜ｍ２－２に記憶された情報が「１」であると判定される。

電圧がハイの状態は「１」に対応し、電圧がローの状態は「０」に対応するものとした。読線として兼用される主線２５の動作はＤＲＡＭ読出し時のビット線の動作と同様である。図１４に示すようにトランジスタａ２・ｂ２及び主線２５を書込み動作と読出し動作とで兼用させずに、別途並列に他のトランジスタ及び他の読線を設けるように構成してもよい。図１４では、図１２で前述したトランジスタｃ２・ｄ２の図示は簡素化のため省略している。

図１５は、図１２で前述した書込み動作の変形例に関連する回路図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

図１２で示した磁気メモリ装置１０の書込回路は、図１５に示される書込み回路によっても代用可能である。図１２の書込回路と異なる点は、トランジスタａ１・ｂ１・ｃ１・ｄ１が共通の主線２４Ａに接続される点、トランジスタａ２・ｂ２・ｃ３・ｄ３が共通の主線２５Ａに接続される点、トランジスタａ１・ａ２に個別の端子ｇ１・ｇ２がそれぞれ接続される点、トランジスタｂ１・ｂ２に個別の端子ｈ１・ｈ２がそれぞれ接続される点、トランジスタｃ１・ｃ２・ｃ３に個別の端子ｅ１・ｅ２・ｅ３がそれぞれ接続される点、及び、トランジスタｄ１・ｄ２・ｄ３に個別の端子ｆ１・ｆ２・ｆ３がそれぞれ接続される点である。

図１５に示す磁気メモリ装置１０Ａの書込回路は、補助電流の経路に存在するトランジスタの数が図１２の書込回路よりも少なく、図１２の書込回路よりも低消費電力である。図１５の書込回路での反転電流と補助電流は以下のように流す。

磁化反転をさせたいターゲットの強磁性金属薄膜ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２の何れか一つに接している反転リード線３ａ又は３ｂの何れか１本の両端側に配置された二つのトランジスタａ１及びａ２、又は、トランジスタｂ１及びｂ２をＯＮにすることで、図１２の書込回路と同様に反転電流を流す。ターゲットの強磁性金属薄膜ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２の何れか一つの強磁性金属薄膜から紙面一つ上の反転リード線の左端のトランジスタと一つ下の反転リード線の右端のトランジスタ、ターゲットの強磁性薄膜に接する補助リード線に設置されたターゲット強磁性薄膜に近い位置にある紙面上下二つのトランジスタの計４つのトランジスタをＯＮにすることで、補助電流を流す。ただし、最上段列の強磁性薄膜や、最下段列の強磁性薄膜がターゲットの場合には、ＯＮにするトランジスタの数が図１５に示すように一つ減る。

例えば、磁化反転をさせたいターゲットが強磁性金属薄膜ｍ２－１である場合には、反転リード線３ｂの両端側に配置されたトランジスタｂ１及びｂ２をＯＮにすることで反転電流を流す。そして、反転リード線３ｂの一つ上の反転リード線３ａの左端のトランジスタａ１と一つ下の反転リード線３ｂの右端のトランジスタｂ２、ターゲットの強磁性薄膜ｍ２－１に近い位置にある上下二つのトランジスタｃ２・ｃ３の計４つのトランジスタａ１・ｂ２・ｃ２・ｃ３をＯＮにすることで補助電流を流す。

図１５の書込回路の場合には各トランジスタａ１・ａ２・ｂ１・ｂ２・ｃ１・ｃ２・ｃ３・ｄ１・ｄ２・ｄ３のゲートは全て独立に制御する必要がある。また、図１２で示されていた補助線２６・２７は図１５の書込回路では不要になる。

（まとめ）
本発明の態様１に係る高速磁化反転方法は、ひとつまたはふたつの非磁性金属層と、強磁性金属層とを積層した金属層構造における前記強磁性金属層の磁化をスピン軌道トルクにより反転させる高速磁化反転方法であって、前記強磁性金属層には特定の方向が磁化容易軸になるように予め一軸磁気異方性を付与されており、前記強磁性金属層の前記磁化容易軸上での磁化反転を誘起するために前記非磁性金属層から前記強磁性金属層に反転スピン流を注入するスピン注入磁化反転工程と、これと同一または別の前記非磁性金属層から前記強磁性金属層に補助スピン流を短時間の間注入する補助スピン流注入工程とを有し、スピン流が持つ磁化の向きが互いに異なる前記反転スピン流と前記補助スピン流との２種類のスピン流を前記強磁性金属層へ時間差で注入する。

本発明の態様２に係る高速磁化反転方法では、ひとつまたはふたつの非磁性金属層が、ひとつの非磁性金属層であり、補助スピン流注入工程が、同一の非磁性金属層から補助スピン流を注入することが好ましい。

本発明の態様３に係る高速磁化反転方法では、ひとつまたはふたつの非磁性金属層が、ふたつの非磁性金属層であり、補助スピン流注入工程が、別の非磁性金属層から補助スピン流を注入することが好ましい。

本発明の態様４に係る高速磁化反転方法では、スピン注入磁化反転工程に加えて補助スピン流注入工程を実行する先後の適当なタイミングとして、スピン注入磁化反転工程の反転スピン流は磁化反転中の全体の時間を通じて強磁性金属層へ注入し、補助スピン流は反転スピン流が強磁性金属層へ注入されている間に注入することが好ましい。

本発明の態様５に係る高速磁化反転方法では、補助スピン流は、スピン注入磁化反転工程の開始直後、若しくは、同時に強磁性金属層へ注入し始めることが好ましい。

本発明の態様６に係る高速磁化反転方法では、補助スピン流は、スピン注入磁化反転工程の開始直前に強磁性金属層へ注入し始めることが好ましい。

本発明の態様７に係る高速磁化反転方法では、スピン注入磁化反転工程の非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向と平行な方向の磁化の向きを持つ反転スピン流が注入されることが好ましい。

本発明の態様８に係る高速磁化反転方法では、非磁性金属層が、磁化容易軸と直交する方向に延伸する主リード層を含むことが好ましい。

本発明の態様９に係る高速磁化反転方法では、主リード層が、非磁性金属層と同じ素材、金属、もしくは、その他の電気抵抗が小さい材料で構成されることが好ましい。

本発明の態様９に係る高速磁化反転方法では、主リード層が、非磁性金属層と同じ素材、金属、もしくは、その他の電気抵抗が小さい材料で構成されることが好ましい。

本発明の態様１０に係る高速磁化反転方法では、補助スピン流注入工程の非磁性金属層と別の非磁性金属層との何れかから強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向に直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流が注入されることが好ましい。

本発明の態様１１に係る高速磁化反転方法では、非磁性金属層と別の非磁性金属層との何れかが、強磁性金属層の磁化容易軸方向に対して平行な方向に延伸する補助リード層を含むことが好ましい。

本発明の態様１２に係る高速磁化反転方法では、補助スピン流注入工程の別の非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向と直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流が注入されることが好ましい。

本発明の態様１３に係る高速磁化反転方法では、別の非磁性金属層が、強磁性金属層の磁化容易軸方向に対して直交する方向であって、且つ、反転スピン流の注入方向に対しても直交する方向に延伸する補助リード層を含むことが好ましい。

本発明の態様１４に係る高速磁化反転方法では、非磁性金属層および別の非磁性金属層は、強磁性金属層の主面若しくは側面に当接して強磁性金属層に接合されることが好ましい。

本発明の態様１５に係る高速磁化反転デバイスは、ひとつまたはふたつの非磁性金属層と、前記非磁性金属層と積層した強磁性金属層とを備え、前記非磁性金属層と前記強磁性金属層との金属層構造における前記強磁性金属層の磁化をスピン軌道トルクにより反転させる高速磁化反転デバイスであって、前記強磁性金属層は、特定の方向が磁化容易軸になるように一軸磁気異方性を有し、前記強磁性金属層の前記磁化容易軸上での磁化反転を誘起するために前記非磁性金属層から前記強磁性金属層に反転スピン流を注入するスピン注入磁化反転工程と、これと同一または別の前記非磁性金属層から前記強磁性金属層に補助スピン流を短時間の間注入する補助スピン流注入工程とを実行し、スピン流が持つ磁化の向きが互いに異なる前記反転スピン流と前記補助スピン流との２種類のスピン流を前記強磁性金属層へ時間差で注入する。

本発明の態様１６に係る高速磁化反転デバイスでは、強磁性金属層が、ＮｉＦｅ系二元合金、ＣｏＦｅＢ合金、又は、室温近傍で有限のスピン偏極率を有する強磁性体を含み、非磁性金属層と別の非磁性金属層との少なくとも一方が、Ｐｔ、Ｒｕ、及び、その他のスピンホール角の絶対値が大きい金属の少なくとも一つを含むことが好ましい。

本発明の態様１７に係る高速磁化反転デバイスでは、強磁性金属層の上に積層された絶縁層と、絶縁層の上に積層されて磁化容易軸の方向に磁化された固定層と、強磁性金属層の磁化方向を読み出すために固定層に接合された読出しリード線と、反転スピン流のための電流の非磁性金属層への供給と、補助スピン流のための電流の別の非磁性金属層への供給と、強磁性金属層の磁化方向の読出しリード線からの読出しとを制御する制御回路とをさらに備える好ましい。

本発明の態様１８に係る磁気メモリ装置は、マトリックス状に配置された複数個のトンネル磁気抵抗効果素子を備え、トンネル磁気抵抗効果素子が、固定層と自由層と固定層及び自由層の間に形成された絶縁層とを含み、自由層の磁化容易軸に対応する第１方向と反対の反転方向に磁化された反転スピン流を自由層に注入するために、第１方向に交差する交差方向に沿って延伸して各自由層と接合する複数本の反転リード線と、交差方向に磁化された補助スピン流を自由層に注入するために、第１方向に沿って延伸して各自由層と接合する複数本の補助リード線と、各自由層の磁化方向を読出すために、第１方向又は交差方向に沿って延伸して各固定層と接合する複数本の読出しリード線とを備える。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 高速磁化反転デバイス
２ 強磁性金属薄膜（強磁性金属層）
３ 反転リード線（非磁性金属層、主リード層）
４ 補助リード線（非磁性金属層、別の非磁性金属層、補助リード層）
５ 絶縁層
６ 固定層
７ａ 読出しリード線
７ｂ 読出しリード線
９ ＴＭＲ素子（トンネル磁気抵抗効果素子）
１０ 磁気メモリ装置
２９ 制御回路

Claims (13)

1. 磁化容易軸を第１方向とする強磁性金属層と、前記第１方向と交差する方向に延伸されて前記強磁性金属層に接合された第１の非磁性金属層と、前記第１方向と平行な方向又は前記第１方向と垂直な方向に延伸されて前記強磁性金属層に接合された第２の非磁性金属層と、からなる金属層構造における前記強磁性金属層の磁化をスピン軌道トルクにより反転させる高速磁化反転方法であって、
   前記強磁性金属層の前記磁化容易軸上での磁化反転を誘起するために前記第１の非磁性金属層から前記強磁性金属層に、前記第１方向と平行な方向に磁化された反転スピン流を注入するスピン注入磁化反転工程と、
   前記第２の非磁性金属層から前記強磁性金属層に前記第１方向に交差する交差方向に磁化された補助スピン流を注入する補助スピン流注入工程とを有する、高速磁化反転方法。
2. 前記第１の非磁性金属層の一部と前記第２の非磁性金属層の一部は共通している請求項１に記載の高速磁化反転方法。
3. 前記スピン注入磁化反転工程の前記反転スピン流は磁化反転中の全体の時間を通じて前記強磁性金属層へ注入し、前記補助スピン流は前記反転スピン流が前記強磁性金属層へ注入されている間に注入することを特徴とする請求項１に記載の高速磁化反転方法。
4. 前記補助スピン流は、前記スピン注入磁化反転工程と同時に前記強磁性金属層へ注入し始めることを特徴とする請求項３に記載の高速磁化反転方法。
5. 前記補助スピン流は、前記スピン注入磁化反転工程の開始直前に前記強磁性金属層へ注入し始めることを特徴とする請求項１に記載の高速磁化反転方法。
6. 前記第１の非磁性金属層は、前記強磁性金属層の前記第１方向と交差する方向に延伸する主リード層を含む請求項１に記載の高速磁化反転方法。
7. 前記第２の非磁性金属層は、前記強磁性金属層の前記第１方向に対して平行な方向に延伸する補助リード層を含む請求項１に記載の高速磁化反転方法。
8. 前記第１の非磁性金属層および前記第２の非磁性金属層は、前記強磁性金属層の主面若しくは側面に当接して前記強磁性金属層に接合されることを特徴とする請求項１に記載の高速磁化反転方法。
9. 磁化容易軸を第１方向とする強磁性金属層と、
   前記第１方向と交差する方向に延伸されて前記強磁性金属層に接合された第１の非磁性金属層と、
   前記第１方向と平行な方向又は前記第１方向と垂直な方向に延伸されて前記強磁性金属層に接合された第２の非磁性金属層と、を備え、
   前記第１の非磁性金属層から、前記第１方向と平行な方向に磁化された反転スピン流が前記強磁性金属層に注入され、
   前記第２の非磁性金属層から、磁化反転を補助するために前記第１方向に交差する交差方向に磁化された補助スピン流が前記強磁性金属層に注入され、
   前記反転スピン流と前記補助スピン流により、前記強磁性金属層の磁化がスピン軌道トルクにより反転する高速磁化反転デバイス。
10. 前記強磁性金属層が、ＮｉＦｅ系二元合金、ＣｏＦｅＢ合金、又は、室温近傍で有限のスピン偏極率を有する強磁性体を含み、
    前記第１の非磁性金属層と前記第２の非磁性金属層との少なくとも一方が、Ｐｔ、Ｒｕ、及び、その他のスピンホール角の絶対値が大きい金属の少なくとも一つを含む請求項９に記載の高速磁化反転デバイス。
11. 前記第１の非磁性金属層の一部と前記第２の非磁性金属層の一部は共通している請求項９に記載の高速磁化反転デバイス。
12. 請求項９に記載の高速磁化反転デバイスと、
    前記高速磁化反転デバイスの前記強磁性金属層の上に積層された絶縁層と、
    前記絶縁層の上に積層されて前記磁化容易軸の方向に磁化された固定層と、
    前記強磁性金属層の磁化方向を読み出すために前記固定層に接合された読出しリード線と、
    前記反転スピン流のための電流の前記第１の非磁性金属層への供給と、前記補助スピン流のための電流の前記第２の非磁性金属層への供給と、前記強磁性金属層の磁化方向の前記読出しリード線からの読出しとを制御する制御回路と、
    を備える磁気メモリ装置。
13. マトリックス状に配置された複数個のトンネル磁気抵抗効果素子を備え、
    前記トンネル磁気抵抗効果素子が、固定層と自由層と前記固定層及び前記自由層の間に形成された絶縁層とを含み、
    前記自由層の磁化容易軸に対応する第１方向と反対の反転方向に磁化された反転スピン流を前記自由層に注入するために、前記第１方向に交差する交差方向に沿って延伸して各自由層と接合する複数本の反転リード線と、
    前記交差方向に磁化された補助スピン流を前記自由層に注入するために、前記第１方向に沿って延伸して各自由層と接合する複数本の補助リード線と、
    各自由層の磁化方向を読出すために、前記第１方向又は前記交差方向に沿って延伸して各固定層と接合する複数本の読出しリード線とを備えることを特徴とする磁気メモリ装置。

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