(57)【要約】  磁気メモリは、下地層と、磁化自由層と、バリア層と、磁化参照層とを具備している。磁化自由層は、下地層を覆うように設けられ、反転可能な磁化を有し、ほぼ一様に磁化されている。バリア層は、磁化自由層を覆うように設けられ、下地層の材料と異なる材料で形成されている。磁化参照層は、バリア層上に設けられ、固定された磁化を有する。磁化自由層の磁化を反転させるとき、磁化参照層を介さずに、磁化自由層をその面内方向に一方の端部から他方の端部へ第１書き込み電流を流す。
2012127722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地層と、
前記下地層を覆うように設けられ、反転可能な磁化を有し、ほぼ一様に磁化された磁化自由層と、
前記磁化自由層を覆うように設けられ、前記下地層の材料と異なる材料で形成されたバリア層と、
前記バリア層上に設けられ、固定された磁化を有する磁化参照層と
を具備し、
前記磁化自由層の磁化を反転させるとき、前記磁化参照層を介さずに、前記磁化自由層をその面内方向に一方の端部から他方の端部へ第１書き込み電流を流す
磁気メモリ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、
前記下地層の両端に設けられた第１電極及び第２電極を更に具備し、
前記第１書き込み電流は前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方から他方へ流れる
磁気メモリ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化自由層の近傍に設けられた配線を更に具備し、
前記磁化自由層の磁化を反転させるとき、更に、前記配線に流れる第２書き込み電流により、前記磁化自由層近傍に電流誘起磁界を発生させる
磁気メモリ。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化自由層は垂直磁気異方性を有し、
前記配線は、前記磁化自由層の上方の位置からずれた位置に配置されている
磁気メモリ。
【請求項５】
請求項３に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化自由層は面内磁気異方性を有し、
前記配線は、前記磁化自由層の上方の位置に配置されている
磁気メモリ。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化自由層は面内磁気異方性を有し、
前記磁化自由層の膜厚方向のベクトルと、前記第１書き込み電流の方向のベクトルとの外積は、前記磁化自由層の磁化の方向と平行な成分を有する
磁気メモリ。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化自由層は垂直磁気異方性を有し、
前記磁化自由層は、前記第１書き込み電流が前記磁化自由層内で不均一に分布する形状を有する
磁気メモリ。
【請求項８】
請求項１又は２に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化自由層は垂直磁気異方性を有し、
前記磁化自由層は、前記磁化自由層の一部に反転核が生成しやすい領域を有する
磁気メモリ。
【請求項９】
請求項２に記載の磁気メモリにおいて、
前記第１電極及び前記第２電極は、前記磁化自由層に対して非対称に設けられている
磁気メモリ。
【請求項１０】
請求項１又は２に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化自由層は、磁化容易軸が、前記磁化自由層の膜面に対して垂直と面内との中間に向いている
磁気メモリ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化自由層は、垂直異方性材料膜と面内異方性材料膜とを積層させた積層膜である
磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリに関し、特にスピン軌道相互作用を用いた磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を用いた磁気メモリの研究開発が盛んに行われている。その磁気メモリは高速書き込み、無制限の書換え回数、及び不揮発という優れた特性を有している。そのため、単体メモリだけではなく、マイコン等の混載メモリ用途にも応用が期待されている。磁気メモリとしては、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が例示される。【０００３】
典型的なＭＲＡＭのメモリセルとして、特開平１０−４２２７号公報（特許文献１；対応米国特許ＵＳ５６５０９５８号）に、磁気応答が制御可能な磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が開示されている。この磁気トンネル接合素子は、第１の電極と、第２の電極と、絶縁トンネル層とを含む。第１の電極は、基板と、拘束強磁性層（磁化参照層）と、反強磁性層とを有する。拘束強磁性層は、前記基板上に形成され平坦である。反強磁性層は、前記拘束強磁性層に隣接してそれと接触し、前記拘束強磁性層の磁化方向を好適な方向に拘束し、印加磁場の存在の下で、前記磁化方向の回転を阻止する。第２の電極は、印加磁場の存在の下で、磁化方向を自由に回転することができる平坦なフリー強磁性層（磁化自由層）を有する。絶縁トンネル層（バリア層）は、前記拘束強磁性層と前記フリー強磁性層との間に配置され、前記拘束強磁性層及び前記フリー強磁性層に垂直な方向のトンネル電流を許可する。前記絶縁トンネル層は、前記拘束強磁性層または前記フリー強磁性層が、前記絶縁トンネル層の側部周囲を越えて延びることのない側部周囲を有し、前記拘束強磁性層及び前記フリー強磁性層が前記絶縁トンネル層とオーバラップすること無く、間隔をあけた別の平面内に保持される。【０００４】
このようなメモリセルは、１ビットのデータを磁化自由層の自発磁化の方向として記憶する。例えば、磁化自由層の自発磁化と磁化参照層の磁化の方向が平行である状態を“０”、反平行である状態を“１”と対応づけることができる。メモリセルからのデータの読出しは、磁気抵抗効果によるメモリセルの抵抗の変化を検知することによりおこなわれる。すなわち、磁気トンネル接合の膜面に垂直な方向に電流を印加して抵抗を検知した際に、例えば、状態“０”は低抵抗、状態“１”は高抵抗になる。従って、例えば、この低抵抗と高抵抗の中間の値となる参照抵抗を用意し、この参照抵抗値との大小関係により、データの状態を判別することができる。【０００５】
メモリセルへのデータの書き込みは、メモリセルアレイに配置される配線に書き込み電流を印加し、その書き込み電流により生じる電流誘起磁界によって行われる。例えば、ＭＴＪの上下に直交して配置されるワード線、およびビット線に書き込み電流を流し、２つの電流による合成磁界により磁化自由層の磁化を反転させる。この方式は２軸書き込み方式といわれている。この書き込み方式においては、メモリセルアレイ内で選択されたワード線、及び、ビット線の交点に位置するメモリセルのみが磁化反転する。【０００６】
書き込み用の配線が１本でもメモリセルにデータを書込むことができる。例えば、ＭＴＪの下部にビット線が配置され、ビット線電流による磁界によって磁化自由層の磁化が反転する。この方式は１軸書き込み方式といわれている。ただし、この書き込み方式においては、書き込みするメモリセルをメモリセル内のスイッチにより選択する必要がある。例えば、特許第３８８８４６３号公報（特許文献２；対応米国特許ＵＳ７１８４３０１号）にメモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリが開示されている。このメモリセルは、第１トランジスタと、磁気抵抗素子とを具備する。第１トランジスタは、第１ゲートと、前記第１ゲート以外の一方の端子としての第１端子と、他方の端子としての第２端子とを含む。磁気抵抗素子（ＭＴＪ）は、記憶されるデータに応じて磁化方向が反転される自発磁化を有し、一方の端子としての第３端子と、他方の端子としての第４端子とを含む。前記第１端子は第１ビット線に接続され、前記第２端子は第２ビット線に接続され、前記第１ゲートは第１ワード線に接続され、前記第３端子は第２ワード線に接続され、前記第４端子は前記第２端子に接続される。更に、前記第１トランジスタと前記第２ビット線との間に設けられ、第２ゲートと、前記第２ゲート以外の一方の端子としての第５端子と、他方の端子としての第６端子とを含む第２トランジスタを更に具備していても良い。そのとき、前記第５端子は前記第２ビット線に接続され、前記第６端子は前記第２端子に接続され、前記第２ゲートは前記第１ワード線に接続され、前記第３端子は、前記第２ワード線に代えて、接地に接続される。すなわち、メモリセルにおいて２個のトランジスタと１個のＭＴＪを用いる２トランジスタ−１ＭＴＪ型の構成が開示されている。【０００７】
メモリセルへのデータの書き込みに電流誘起磁界以外の原理を用いる方法として、スピン軌道相互作用を用いた磁化反転方法がある。例えば、特開２００９−２３９１３５号公報（特許文献３）に、磁気メモリセル及びそれを用いた磁気記憶装置、磁気記憶方法が開示されている。この磁気メモリセルは、基準層として磁化状態が固定されている第１磁性層（磁化参照層）と、データ記憶層として磁化状態が変化する第２磁性層（磁化自由層）と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に挟まれたトンネル障壁層（バリア層）とを有する。この磁気メモリセルにおいて、前記第２磁性層の磁化状態を変化させるときに前記第２磁性層のスピン軌道相互作用を制御する。前記第２磁性層にはスピン軌道相互作用を制御するための電圧を印加するスピン軌道相互作用制御電極が設けられていても良い。すなわち、メモリセルにおいて、磁化自由層の側面方向の両端にスピン軌道相互作用を制御する電極を設け、スピン軌道相互作用によって、磁性層中の磁壁を、側面方向と垂直な上下方向に流す低い電流で移動させる構成が開示されている。スピン軌道相互作用に基づく実効磁界や磁壁の移動に関しては、非特許文献１（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖ．Ｂ，ｖｏｌ．７７，２１４４２９（２００８））や、非特許文献２（Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔ．，ｖｏｌ．９，ｐ２３０（２０１０））にも記載されている。【０００８】
関連する技術として、特開２００８−１６６６８９号公報（特許文献４；対応米国出願ＵＳ７６０８９０１号）に漏れ磁場を用いたスピントランジスタが開示されている。この漏れ磁場を用いたスピントランジスタは、半導体基板部と、第１電極及び第２電極と、ソース及びドレインと、ゲートとを含む。半導体基板部は、チャネル層を有する。第１電極及び第２電極は、前記基板部上に前記チャネルの長さ方向に沿って所定の間隔に離隔配置されている。ソース及びドレインは、前記第１電極と第２電極との間に前記チャネルの長さ方向に沿って所定の間隔に離隔配置され磁化された強磁性体からなる。ゲートは、前記ソースとドレインとの間の前記基板部上に形成され前記チャネルを通過する電子のスピン方向を調節する。チャネル層を通る電子のスピンは、前記ソースの下部で前記ソースの漏れ磁場により整列され、前記ドレインの下部で前記ドレインの漏れ磁場によりフィルタリングされる。【０００９】
また、特開２００７−８１３５９号公報（特許文献５；対応米国出願ＵＳ７３０７２９９号）に、スピン−軌道結合誘導磁場を利用したスピントランジスターが開示されている。このスピントランジスターは、基板部とソース及びドレーンとゲートを含む。基板部はチャンネルが形成された。ソース及びドレーンは、上記基板部上に相互離隔されて配置され磁化方向が相互同一強磁性体である。ゲートは、上記基板部上に形成され、上記チャンネルを通過する電子のスピン方向を調節する。上記ソース及びドレーンの磁化方向は上記チャンネルの長さ方向と垂直である。【００１０】
また、ＷＯ２００７／１１１３１９号公報（特許文献６）にスピン注入書き込み方式のＭＲＡＭが開示されている。このＭＲＡＭは、第１磁気抵抗素子と、読み出し回路とを具備している。第１磁気抵抗素子は、第１固定強磁性層（磁化参照層）、第１非磁性層（バリア層）及び第１自由強磁性層（磁化自由層）が順次積層され、スピン注入により変更される前記第１自由強磁性層の磁化の向きでデータを書き込み可能である。読み出し回路は、読み出し動作時において、前記第１固定強磁性層と前記第１自由強磁性層との間に読み出し電流を流して得られる前記第１磁気抵抗素子の抵抗値に基づいて、前記第１磁気抵抗素子のデータの読み出しを行う。前記読み出し回路は、前記読み出し電流の印加及び前記データの読み出しを複数回行うことで、一つの読み出しデータを決定し、前記複数回のうち２回目以降の前記読み出し電流の印加方向を、前回読み出された前記データに基づいて、前記第１自由強磁性層の磁化が反転しないように決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−４２２７号公報
【特許文献２】特許第３８８８４６３号公報
【特許文献３】特開２００９−２３９１３５号公報
【特許文献４】特開２００８−１６６６８９号公報
【特許文献５】特開２００７−８１３５９号公報
【特許文献６】ＷＯ２００７／１１１３１９号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｋ．Ｏｂａｔａ  ｅｔ．ａｌ．，“Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｄｏｍａｉｎ  ｗａｌｌ  ｍｏｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｒａｓｈｂａ  ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ  ｓｙｓｔｅｍ”，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖ．Ｂ，ｖｏｌ．７７，２１４４２９（２００８）．
【非特許文献２】Ｉ．Ｍ．Ｍｉｒｏｎ  ｅｔ．ａｌ．，“Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ  ｓｐｉｎ  ｔｏｒｑｕｅ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｂｙ  ｔｈｅ  Ｒａｓｈｂａ  ｅｆｆｅｃｔ  ｉｎ  ａ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｅｔａｌ  ｌａｙｅｒ”，Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔ．，ｖｏｌ．９，ｐ２３０（２０１０）．
【発明の概要】
【００１３】
上記の配線の電流誘起磁界を用いる２軸書き込み方式（特許文献１）や１軸書き込み方式（特許文献２）には、書き込みに必要な電流が大きいという課題がある。幅Ｗ、厚さＴの配線に流れる電流Ｉによりその直下に発生する磁界Ｈはアンペールの法則により、Ｈ＝Ｉ／（２（Ｗ＋Ｔ））と表される。例えば、幅Ｗ＝１００ｎｍ、厚さＴ＝１００ｎｍの配線の場合、これは１ｍＡあたり３１Ｏｅの磁界Ｈが発生することに相当する。熱擾乱に対する保持性を考慮した場合、磁化自由層を反転させるために必要な磁界は素子の微細化に伴い増大する傾向にあるので、書き込みには数ｍＡオーダーの電流が必要となる。書き込み電流が大きいことは、消費電力の増大の原因となる。加えて、２軸書き込み方式の場合には、セルアレイ外に設けられたセル選択トランジスタ面積の増大によるセル占有率の低下の原因となる。一方、１軸書き込み方式の場合には、セルアレイ内に設けられたセル選択トランジスタ面積の増大によるセルアレイ面積の増大の原因となる。このように、書き込み電流が大きいことは、デバイス仕様の劣化の原因となる。
【００１４】
一方、スピン軌道相互作用を用いた磁壁移動による磁化反転方式（特許文献３）では、磁壁導入をいかに行うかという課題がある。
【００１５】
本発明の磁気メモリは、下地層と、磁化自由層と、バリア層と、磁化参照層とを具備している。磁化自由層は、下地層を覆うように設けられ、反転可能な磁化を有し、ほぼ一様に磁化されている。バリア層は、磁化自由層を覆うように設けられ、下地層の材料と異なる材料で形成されている。磁化参照層は、バリア層上に設けられ、固定された磁化を有している。磁化自由層の磁化を反転させるとき、磁化参照層を介さずに、磁化自由層をその面内方向に一方の端部から他方の端部へ第１書き込み電流を流す。
【００１６】
本発明の磁気メモリは、磁化自由層の両側の界面が異なる構造を有している。すなわち、磁化自由層は空間的な対称性が破れている。このような場合、磁化自由層の面内方向に第１書き込み電流を流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層内の磁化を担う局在電子には、第１書き込み電流の方向とこの対称性の破れている方向との外積の方向に実効磁界が印加される。したがって、少なくともそのラシュバ磁界を用いることにより、ほぼ一様に磁化した磁化自由層の磁化を反転させることができ、それにより、磁化自由層へデータを書き込むことができる。ラシュバ磁界を発生させる第１書き込み電流は、従来の書き込み電流に比較して著しく小さい。すなわち、書き込み電流を小さくすることができる。また、磁化自由層は、ほぼ一様に磁化し、磁壁を導入する必要が無い。したがって、初期化も不要となる。
【００１７】
本発明により、磁壁の導入が不要であり、書き込み電流の小さい磁気メモリを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明の前記及びその他の目的、長所及び特徴は、添付の図面を考慮して次の実施の形態（実施例）の記載によって、より詳細に分かるであろう。
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す側面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す平面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す側面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す側面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す平面図である。
【図４】図４は、データの書き込みにおける反転閾値の概略を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリの構成の一例を示すブロック図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリの書き込み動作を示すフローチャートである。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリのレイアウト構成を示す部分断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリのレイアウト構成を示す部分断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す側面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す平面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す側面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す側面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す側面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す平面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す側面図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す平面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す側面図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す平面図である。
【図１４】図１４は、本発明の第３の実施の形態に係る磁気メモリの構成の一例を示すブロック図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す側面図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す平面図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す側面図である。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す平面図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す側面図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す平面図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本発明の第４の実施の形態に係る磁化自由層の構成例を示す平面図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、本発明の第４の実施の形態に係る磁化自由層の構成例を示す平面図である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、本発明の第４の実施の形態に係る磁化自由層の構成例を示す平面図である。
【図１８Ｄ】図１８Ｄは、本発明の第４の実施の形態に係る磁化自由層の構成例を示す平面図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、本発明の第５の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、本発明の第５の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す側面図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、本発明の第５の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、本発明の第５の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す側面図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは、本発明の第５の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、本発明の第５の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す側面図である。
【図２２】図２２は、データの書き込みにおける反転閾値の概略を示すグラフである。
【図２３Ａ】図２３Ａは、本発明の第６の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図である。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、本発明の第６の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す平面図である。
【図２４】図２４は、本発明の第６の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図２５】図２５は、本発明の第６の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図２６】図２６は、本発明の第６の実施の形態に係る磁気メモリの構成の一例を示すブロック図である。
【図２７Ａ】図２７Ａは、本発明の第７の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図である。
【図２７Ｂ】図２７Ｂは、本発明の第７の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す平面図である。
【図２８】図２８は、本発明の第７の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図２９】図２９は、本発明の第７の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図３０】図３０は、本発明の第８の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図である。
【図３１】図３１は、本発明の第８の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図３２】図３２は、本発明の第８の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図３３】図３３は、本発明の第８の実施の形態に係る磁気メモリの構成の一例を示すブロック図である。
【図３４】図３４は、本発明の第９の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図である。
【図３５Ａ】図３５Ａは、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図である。
【図３５Ｂ】図３５Ｂは、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す側面図である。
【図３６Ａ】図３６Ａは、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図３６Ｂ】図３６Ｂは、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す側面図である。
【図３７Ａ】図３７Ａは、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。
【図３７Ｂ】図３７Ｂは、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す側面図である。
【図３８】図３８は、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気メモリの構成の一例を示すブロック図である。
【図３９】図３９は、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気記憶素子の変形例の構成を示す部分側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の磁気メモリの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリついて、添付図面を参照して説明する。
本実施の形態では、２軸書き込み方式において、２本の配線による電流誘起磁界を用いる代わりに、１本の配線による電流誘起磁界とスピン軌道相互作用に基づく実効磁界（ラシュバ磁界：後述）とを用いることにより、書き込み電流を低減している。
【００２１】
まず、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子の構成について説明する。図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図、側面図及び平面図である。磁気記憶素子９は、下地層４と、磁化自由層３と、バリア層２と、磁化参照層１と、上部電極１１と、下部電極５ａ、５ｂとを具備している。
【００２２】
下地層４は、基板（図示されず）の表面（ｘｙ平面）に平行に設けられている。磁化自由層３は、下地層４を覆うように、その上側（＋ｚ側）に設けられている。バリア層２は、磁化自由層３を覆うように、その上側（＋ｚ側）に設けられている。磁化参照層１は、バリア層２の上側（＋ｚ側）に設けられている。必ずしもバリア層２の全面を覆っている必要はない。磁化自由層３、バリア層２及び磁化参照層１はＭＴＪ（磁気トンネル接合）７を構成している。磁気記憶素子９は、ＭＴＪ７の磁化自由層３の磁化方向によりデータを記憶する。
【００２３】
上部電極１１は、磁化参照層１と接続されている。上部電極１１は、磁化自由層３の近傍に電流誘起磁界を発生させる書き込み電流用の配線であり、ビット線に例示される。下部電極５ａは下地層４の一方側（−ｘ側）の端部の下側（−ｚ側）に、下部電極５ｂは下地層４の他方側（＋ｘ側）の端部の下側（−ｚ側）にそれぞれ接続している。下部電極５ａ、５ｂは、それぞれ選択トランジスタＴｒ（後述）に接続され、下地層４を介して磁化自由層３にその一方から他方へ電流を印加することができる。
【００２４】
下地層４は、磁化自由層３においてラシュバ磁界（後述）を発生させるべく、バリア層２の材料とは異なる材料で形成される。また、下部電極５ａ、５ｂと磁化自由層３との間に設けられることから、電流が通過容易なように導電性の膜であることが好ましい。ただし、磁化自由層３ではなく下地層４に選択的に書き込み電流が流れる、ということが無いような材質であることが好ましい。下地層４としては、Ｔａ膜、Ｐｔ膜、及び、これらの積層膜が例示される。
【００２５】
磁化自由層３は、面内磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化自由層３は、反転可能な磁化Ｍ１を有している。この図の例では、＋ｘ方向の磁化状態と、−ｘ方向の磁化状態とを取ることができる。磁化自由層３は、ほぼ一様に磁化されている。すなわち、磁化自由層３には、実質的に磁壁がない。磁化自由層３は、ＮｉＦｅ膜、ＣｏＦｅ膜、ＣｏＦｅＢ膜、及び、これらの積層膜に例示される。磁化自由層３は、ラシュバ磁界を発生させるべく、極めて薄く形成することが好ましい。例えば、約０．５ｎｍ〜約１．５ｎｍが好ましい。０．５ｎｍ未満は成膜の制御が困難である。この膜厚は、通常のＭＴＪにおける磁化自由層（又はフリー層）の数ｎｍ程度（例示：約５ｎｍ）に比較して数分の１という薄さである。
【００２６】
バリア層２は、磁化自由層３においてラシュバ磁界を発生させるべく、下地層４の材料とは異なる材料で形成される。また、ＭＴＪ７におけるトンネルバリア層として設けられることから、非磁性膜で形成される。バリア層２としては、Ａｌ２Ｏ３膜、ＭｇＯ膜のような絶縁膜が例示される。バリア層２は、上記例示された磁化自由層３の膜厚に対して、例えば、約１．０〜約２．０ｎｍが好ましい。すなわち、磁化自由層３の膜厚と同程度である。
【００２７】
磁化参照層１は、面内磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化参照層１は、磁化Ｍ０が固定されている。この図の例では、−ｘ方向に磁化Ｍ０が固定されている。磁化参照層１は、ＮｉＦｅ膜、ＣｏＦｅ膜、ＣｏＦｅＢ膜、及び、これらの積層膜に例示される。
【００２８】
磁気記憶素子９では、磁化自由層３の両側の界面が異なる構造を有している。この図の例では、磁化自由層３の下側（−ｚ側）の界面には下地層４が結合し、上側（＋ｚ側）の界面には下地層４と異なる材料を用いたバリア層２が結合している。すなわち、磁化自由層３において、ｚ方向に関して空間的な対称性が破れている。このような場合、磁化自由層３に面内方向（例示：ｘ方向）に電流を流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子には、その電流の方向（ｘ方向）とこの対称性の破れている方向（ｚ方向）との外積の方向、すなわち、ｙ方向に実効磁界が発生する。この実効磁界はラシュバ磁界と呼ばれている。本実施の形態では、このラシュバ磁界と、上部電極１１による電流誘起磁界とを利用することにより、ＭＴＪ７へのデータの書き込み、すなわち磁化自由層３の磁化反転を行う。
【００２９】
以下、本実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子のデータ読み出し及びデータ書き込みについて説明する。ただし、説明のために、磁化参照層１の磁化Ｍ０は−ｘ方向に固定されているものとする。また、ＭＴＪ７の磁化自由層３の磁化Ｍ１が−ｘ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ１とが平行（低抵抗）の場合、データ“０”が格納されているものとする。また、ＭＴＪ７の磁化自由層３の磁化Ｍ１が＋ｘ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ１とが反平行（高抵抗）の場合、データ“１”が格納されているものとする。
【００３０】
磁気記憶素子９へのデータ書き込みについて説明する。
まず、磁気記憶素子９にデータ“１”が格納されている状態で、データ“０”を書き込む場合について説明する。図２Ａ〜図２Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図、側面図及び平面図である。図２Ａ〜図２Ｃは、磁気記憶素子９にデータ“１”が格納されている状態において、データ“０”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【００３１】
磁気記憶素子９にデータ“０”を書き込むためには、まず、下部電極５ｂから磁化自由層３を介して下部電極５ａへ向けて、−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣを流す。それと共に、上部電極１１に＋ｙ方向の書き込み電流ＩＷＢを流す。この時、既述のように、磁化自由層３の下側（−ｚ側）の界面には下地層４が結合し、上側（＋ｚ側）の界面にはバリア層２が結合しているというように、磁化自由層３の両側の界面が異なる構造を有している。すなわち、磁化自由層３において、ｚ方向に関して空間的な対称性が破れている。そのため、磁化自由層３の面内で−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣを流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子には、その書き込み電流ＩＷＣの方向（ｘ方向）とこの対称性の破れている方向（ｙ方向）との外積の方向（ｚ方向）に磁界ＨＩＷＣ（ラシュバ磁界）が印加される。例えば、下地層４／磁化自由層３／バリア層２＝Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯとしたとき、−ｘ方向に書き込み電流ＩＷＣを流した場合、−ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ（ラシュバ磁界）が発生する（第１例、以下同じ）。また、下地層４／磁化自由層３／バリア層２＝Ｐｔ／Ｃｏ／ＡｌＯｘとしたとき、−ｘ方向に書き込み電流ＩＷＣを流した場合、＋ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ（ラシュバ磁界）が発生する（第２例、以下同じ）。このように、−ｙ方向か＋ｙ方向かは材料系に依存している。本図の例では、−ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ（ラシュバ磁界）が発生する例を示している。この磁界ＨＩＷＣは、磁化自由層３の＋ｘ方向の磁化Ｍ１に対して、−ｙ方向へ向かせるように作用する。また、上部電極１１の書き込み電流ＩＷＢにより、磁化自由層３付近において磁界ＨＩＷＢが誘起される。この磁界ＨＩＷＢは、磁化自由層３の＋ｘ方向の磁化Ｍ１に対して、−ｘ方向へ向かせるように作用する。これら二つの磁界の作用により、磁化自由層３の＋ｘ方向の磁化Ｍ１が、矢印Ｒ１に示すように回転して、−ｘ方向へ向くことになる。すなわち、図２Ａ〜図２Ｃのデータ“１”の状態から、後述される図３Ａ〜図３Ｃのデータ“０”の状態に書き込みが行われる。
【００３２】
次に、磁気記憶素子９にデータ“０”が格納されている状態で、データ“１”を書き込む場合について説明する。図３Ａ〜図３Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図、側面図及び平面図である。図３Ａ〜図３Ｃは、磁気記憶素子９にデータ“０”が格納されている状態において、データ“１”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【００３３】
磁気記憶素子９にデータ“１”を書き込むためには、まず、下部電極５ｂから磁化自由層３を介して下部電極５ａへ向けて、−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣを流す。それと共に、上部電極１１に−ｙ方向の書き込み電流ＩＷＢを流す。この時、上述のように（本図では第１例を示す）、磁化自由層３の面内で−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣを流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子に−ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＣは、磁化自由層３の−ｘ方向の磁化Ｍ１に対して、−ｙ方向へ向かせるように作用する。また、上部電極１１の書き込み電流ＩＷＢにより、磁化自由層３付近において磁界ＨＩＷＢが誘起される。この磁界ＨＩＷＢは、磁化自由層３の−ｘ方向の磁化Ｍ１に対して、＋ｘ方向へ向かせるように作用する。これら二つの磁界の作用により、磁化自由層３の−ｘ方向の磁化Ｍ１が、矢印Ｒ２に示すように回転して、＋ｘ方向へ向くことになる。すなわち、図３Ａ〜図３Ｃのデータ“０”の状態から、図２Ａ〜図２Ｃのデータ“１”の状態に書き込みが行われる。
【００３４】
なお、上記データ書き込みの方法から容易に理解できるように、磁気記憶素子９にデータ“０”が格納されている状態においてデータ“０”を書き込んだり、データ“１”が格納されている状態においてデータ“１”を書き込んだりする上書き動作も可能である。また、上記データ書き込みの方法から容易に理解できるように、書き込み電流ＩＷＣを流す方向は、−ｘ方向であっても、＋ｘ方向であっても良い。
【００３５】
次に、磁気記憶素子９へのデータ読み出しについて説明する。データ読み出しは、磁化自由層３、バリア層２及び磁化参照層１で構成されるＭＴＪ７に対する通常の読み出し方法と同様である。例えば、上部電極１１と下部電極５ａとの間、すなわちＭＴＪ７に定電流の読み出し電流を流す。そして、読み出し電流により生じた上部電極１１と下部電極５ａとの間の電圧と参照電圧との比較により、ＭＴＪ７の磁気抵抗の大きさ、すなわち磁化自由層３の磁化の向きであるデータを読み出す。
【００３６】
ここで、磁気記憶素子９へのデータの書き込みにおける反転閾値（反転に必要な電流）について説明する。図４は、データの書き込みにおける反転閾値の概略を示すグラフ（アステロイド曲線）である。縦軸は書き込み電流ＩＷＣ（磁化自由層３に流す電流）を示し、横軸は書き込み電流ＩＷＢ（上部電極１１に流す電流）をそれぞれ示している。この図は、アステロイド曲線Ａ上及びその外側でデータの書き込みが起こることを示している。ただし、この図において、縦軸は１０２程度拡大して示している。すなわち、書き込み電流ＩＷＣは、書き込み電流ＩＷＢと比較して、１０２程度小さい値となる。これは、スピン軌道相互作用に基づく実効磁界（ラシュバ磁界）ＨＩＷＢが、書き込み電流ＩＷＣ＝１．０×１０１２／Ａ／ｍ２あたりｋＯｅオーダーと大きいためである。
【００３７】
例えば、データ“１”の状態から第１象限及び第４象限の電流を印加した場合、データ“１”となる（上書きされる）。一方、データ“１”の状態から第２象限及び第３象限の電流を印加した場合、データ“０”となる（書き換えられる）。磁化自由層３に印加する電流（書き込み電流ＩＷＣ）の方向は正負どちらでもよい。このとき、Ｙ軸に近い場合、すなわち書き込み電流ＩＷＣを増加させ、書き込み電流ＩＷＢを著しく減少させる場合を考える。既述のように、書き込み電流ＩＷＣは書き込み電流ＩＷＢと比較して１０２程度小さいため、書き込み電流ＩＷＣの増加の効果は、書き込み電流ＩＷＢの減少の効果と比較して、ごくわずかと考えることができる。すなわち、書き込み電流ＩＷＢの減少の効果が極めて大きく、その結果、書き込み電流の合計値を著しく小さくすることができる。したがって、書き込み電流ＩＷＣ、ＩＷＢはアステロイド曲線Ａ上又はその外側の、できるだけ縦軸近くの値にすることが好ましい。
【００３８】
なお、磁化自由層３の平面形状としては、図１Ｃに示したような長方形の他に、楕円型、オーバル型、それらの長手方向の一部が窪んだ形状などを用いることができる。その際、磁化自由層３の磁化の方向は完全に一様に一方向に向いているわけではないが、明確な磁壁がないという意味で、本実施の形態では一様に磁化していると記すことにする。
【００３９】
また、上記説明においては磁化自由層３の磁気異方性の方向を上部電極１１の電流誘起磁界ＨＩＷＢの方向（ｘ方向）と平行と仮定している。しかし、本実施の形態はその例に限定されるものではない。磁化自由層３の磁気異方性の方向をラシュバ磁界ＨＩＷＣの方向と平行（ｙ方向）と仮定してもよい。この場合には、磁化自由層３に流れる書き込み電流ＩＷＣの極性によりデータ“０”及びデータ“１”の書き込みを制御することになる。
【００４０】
図５は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリの構成の一例を示すブロック図である。磁気メモリ５０は、メモリセルアレイ５９と、Ｘセレクタ５１と、Ｙセレクタ５２と、ビット線セレクタ５３と、Ｙ電流源回路５４と、ビット線電流源回路５５とを具備している。これらは、後述される機能と同様の機能を有していれば、これらに限定されるものではない。
【００４１】
メモリセルアレイ５９は、複数のメモリセル１０と、複数のビット線１１と、複数の第１書き込み線１２と、複数の第２書き込み線１３と、複数のワード線１４とを備えている。ワード線１４は、一端をＸセレクタ５１に接続され、ｘ方向に延在している。ビット線１１は、一端をビット線セレクタ５３に、他端をビット線電流源回路５５にそれぞれ接続され、ｙ方向に延在している。第１書き込み線１２は、一端をＹ電流源回路５４に接続され、ｙ方向に延在している。第２書き込み線１３は、一端をＹセレクタ５２に接続され、ｙ方向に延在している。複数のメモリセル１０は、複数のワード線１４と複数のビット線１１との交点の各々に対応して、行列状に配置されている。メモリセル１０は、二つの選択トランジスタＴｒと、磁気記憶素子９とを含んでいる。一方の選択トランジスタＴｒは、ソース・ドレインの一方を第１書き込み線１２に、他方を磁気記憶素子９の下部電極５ａに、ゲートをワード線１４にそれぞれ接続されている。他方の選択トランジスタＴｒは、ソース・ドレインの一方を第２書き込み線１３に、他方を磁気記憶素子９の下部電極５ｂに、ゲートをワード線１４にそれぞれ接続されている。磁気記憶素子９の磁化参照層１は、上部電極としてのビット線１１に接続されている。
【００４２】
Ｘセレクタ５１は、書き込み動作及び読み出し動作のとき、複数のワード線１４から選択ワード線１４を選択する。Ｙセレクタ５２は、書き込み動作及び読み出し動作のとき、複数の第２書き込み線１３から選択第２書き込み線１３を選択する。ビット線セレクタ５３は、書き込み動作のとき、複数のビット線１１から選択ビット線１１を選択する。Ｙ電流源回路５４は、書き込み動作のとき、複数の第１書き込み線１２から選択第１書き込み線１２を選択し、書き込み電流ＩＷＣの供給又は引き込みを行う。ビット線電流源回路５５は、書き込み動作及び読み出し動作のとき、複数のビット線１１から選択ビット線１１を選択し（ビット線セレクタ５３による選択ビット線１１と同一）、書き込み電流ＩＷＢの供給又は引き込み、及び、読み出し電流ＩＲの供給又は引き込みを行う。選択ビット線１１に流れる書き込み電流ＩＷＢによる磁界は選択ビット線１１に接続された全てのメモリセル１０に印加され、書き込み対象のメモリセル１０以外は半選択状態（半選択セル）となる。Ｘセレクタ５１と、Ｙセレクタ５２と、ビット線セレクタ５３と、Ｙ電流源回路５４と、ビット線電流源回路５５とは、書き込み対象のメモリセル１０に書き込み電流を印加する書き込み電流制御回路とみなすこともできる。
【００４３】
このような磁気メモリは、単体メモリ（ＭＲＡＭ）として用いられても良いし、メモリ混載型マイコン（メモリ部とロジック部とを含む半導体装置（図示されず））のメモリ部として用いられても良い。
【００４４】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリの動作について説明する。図６は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリの書き込み動作を示すフローチャートである。書き込み動作において、まず、Ｘセレクタ５１が選択ワード線１４を選択する（Ｓ０１）。それにより、選択ワード線１４にゲートを接続された選択トランジスタＴｒがオンになる。次に、Ｙセレクタ５２が選択第２書き込み線１３を選択する。更に、ビット線セレクタ５３が選択ビット線１１を選択する。以上により、データを書き込む対象のメモリセル１０である書き込みセル１０が選択される（Ｓ０２）。次に、Ｙ電流源回路５４が選択第１書き込み線１２を選択し、書き込みセル１０に対して書き込み電流ＩＷＣの供給又は引き込みを行う（Ｓ０３）。このときの電流経路は、Ｙ電流源回路５４−選択第１書き込み線１２−書き込みセル１０−選択第２書き込み線１３−Ｙセレクタ５２となる。これにより、書き込みセル１０の磁化自由層３に書き込み電流ＩＷＣが印加され、実効磁界ＨＩＷＣが印加される。それと共に、ビット線電流源回路５５が選択ビット線１１に書き込み電流ＩＷＢの供給又は引き込みを行う（Ｓ０４）。このときの電流経路は、ビット線電流源回路５５−選択ビット線１１−ビット線セレクタ５３である。これにより、書き込みセル１０の磁化自由層３に電流誘起磁界ＨＩＷＢが印加される。これらにより、選択され書き込みセル１０の磁化自由層３の磁化を反転させることができる。ただし、Ｓ０３及びＳ０４は、時間的に重なりを有するように実行される。その限りにおいて、Ｓ０３及びＳ０４はこの順番に限定されるものではない。
【００４５】
本実施の形態においては、スピン軌道相互作用に基づく電流磁界変換効率が高いことを利用し、書き込み動作点を図４でいうところの縦軸寄り（書き込み電流ＩＷＣ軸寄り）に設定することができる。そのため、ビット線１１に流す書き込み電流ＩＷＢを低減することができる。その結果、書き込みセル１０と同一のビット線１１上に配列された半選択セルが誤反転してしまうこと（半選択ディスターブ）のリスクを小さくすることができる。また、本回路構成においては、Ｘ方向のメモリセル１０については、半選択の問題は生じない。
【００４６】
次に、磁気メモリの読み出し動作について説明する。読み出し動作において、Ｘセレクタ５１が選択ワード線１４を選択する。それにより、選択ワード線１４にゲートを接続された選択トランジスタＴｒがオンになる。次に、Ｙセレクタ５２が選択第２書き込み線１３を選択する。更に、ビット線電流源回路５５が選択ビット線１１を選択する。以上により、データを読み出す対象のメモリセル１０である読み出しセル１０が選択される。ビット線電流源回路５５は、読み出し電流ＩＲの供給又は引き込みを行う。このときの電流経路は、ビット線電流源回路５５−選択ビット線１１−読み出しセル１０−選択第２書き込み線１３−Ｙセレクタ５２である。これにより、読み出しセル１０のＭＴＪ７に読み出し電流が流れる。これらにより、例えば、Ｙセレクタ５２の先に接続されたセンスアンプ（図示されず）などにより、ＭＴＪ７の抵抗が検知され、データが読み出される。
【００４７】
図７Ａ〜図７Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリのレイアウトを示す部分断面図である。磁気記憶素子９（ＭＴＪ７を含む）は、Ｖ１層に形成されている。その磁気記憶素子９の下部電極５ａ、５ｂは、Ｍ１層の配線７２及びコンタクト６２を介して、それぞれ基板６０の表面領域に形成された選択トランジスタＴｒのソース・ドレインの一方に接続されている。選択トランジスタＴｒのゲートは、ワード線１４に接続されている。また、選択トランジスタＴｒのソース・ドレインの他方は、コンタクト６１、Ｍ１層の配線７１及びＶ１層のビア６３を介して第１書き込み線１２、又は、第２書き込み配線１３に接続されている。磁気記憶素子９の磁化参照層１は、この図の場合、コンタクト６４を介して上部電極としてのビット線１１に接続されている。
【００４８】
以上のように、本実施の形態の磁気メモリは、磁化自由層３の両側の界面が異なる構造（一方側がバリア層２、他方側が下地層４）を有している。すなわち、磁化自由層３は空間的な対称性が破れている。このような場合、磁化自由層３の面内方向に書き込み電流ＩＷＣを流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子には、書き込み電流ＩＷＣの方向（ｘ方向）とこの対称性の破れている方向（ｚ方向）との外積の方向（ｙ方向）に実効磁界（ラシュバ磁界）ＨＩＷＣが印加される。したがって、そのラシュバ磁界ＨＩＷＣと上部電極（ビット線）１１の書き込み電流ＩＷＢによる磁界ＨＩＷＢとを用いることにより、ほぼ一様に磁化した（実質的な磁壁が無い）磁化自由層３の磁化を反転させることができる。すなわち、磁化自由層３へデータを書き込むことができる。このとき、書き込み電流ＩＷＣと書き込み電流ＩＷＢとを併せて用いることで、書き込み電流ＩＷＢを小さくできる。ここで、スピン軌道相互作用に基づく電流磁界変換効率が高いことから、書き込み電流ＩＷＣは、従来の書き込み電流に比較して著しく小さい。すなわち、総合的な書き込み電流を小さくすることができる。また、磁化自由層３は、ほぼ一様に磁化し、磁壁を導入する必要が無い。したがって、初期化も不要とすることができる。
【００４９】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリついて、添付図面を参照して説明する。
本実施の形態では、磁化参照層１及び磁化自由層３が、垂直磁気異方性を有している点で、面内磁気異方性を有する第１の実施の形態と異なる。以下、第１の実施の形態との相違点について主に説明する。
【００５０】
まず、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子の構成について説明する。図８Ａ〜図８Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図、側面図及び平面図である。磁気記憶素子９ａは、下地層４と、磁化自由層３と、バリア層２と、磁化参照層１と、上部電極１１と、下部電極５ａ、５ｂとを具備している。
【００５１】
上述のように、第１の実施の形態と異なり、磁化参照層１及び磁化自由層３が垂直磁気異方性を有している。すなわち、磁化自由層３は、垂直磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化自由層３は、反転可能な磁化Ｍ２を有している。この図の例では、−ｚ方向の磁化状態と、＋ｚ方向の磁化状態とを取ることができる。磁化自由層３は、Ｃｏ膜、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、ＣｏＦｅＢ膜に例示される。一方、磁化参照層１も、垂直磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化参照層１は、磁化Ｍ０が固定されている。この図の例では、＋ｚ方向に磁化Ｍ０が固定されている。磁化参照層１は、Ｃｏ膜、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、ＣｏＦｅＢ膜に例示される。
【００５２】
上部電極１１は、磁化参照層１と配線１１ａを介して接続されている。上部電極１１は、磁化自由層３の近傍に電流誘起磁界を発生させる書き込み電流用の配線であり、ビット線に例示される。本実施の形態では、磁化自由層３が垂直磁気異方性を有しているので、上部電極１１に流れる書き込み電流による磁界がｚ方向成分を有する必要がある。そのため、上部電極１１が、磁化自由層３に対してｙ方向又はｘ方向にずれて配置される。この図の例では、＋ｙ方向にずれ、ｘ方向に延在するように配置されている。例えば、ｘ方向にずれ、ｙ方向に延在するように配置することも可能である。
【００５３】
磁化参照層１、磁化自由層３及び上部電極１１の他の構成、その他の要素の構成、及び、それらの効果については、第１の実施の形態と同様である。
【００５４】
次に、本実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子のデータ書き込みについて説明する。ただし、説明のために、磁化参照層１の磁化Ｍ０は＋ｚ方向に固定されているものとする。また、ＭＴＪの磁化自由層３の磁化Ｍ２が＋ｚ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ２とが平行（低抵抗）の場合、データ“０”が格納されているものとする。また、ＭＴＪの磁化自由層３の磁化Ｍ２が−ｚ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ２とが反平行（高抵抗）の場合、データ“１”が格納されているものとする。
【００５５】
磁気記憶素子９ａへのデータ書き込みについて説明する。
まず、磁気記憶素子９ａにデータ“１”が格納されている状態で、データ“０”を書き込む場合について説明する。図９Ａ〜図９Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図及び側面図である。図９Ａ〜図９Ｂは、磁気記憶素子９ａにデータ“１”が格納されている状態において、データ“０”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【００５６】
磁気記憶素子９ａにデータ“０”を書き込むためには、まず、下部電極５ｂから磁化自由層３を介して下部電極５ａへ向けて、−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣを流す。それと共に、上部電極１１に−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＢを流す。この時、第１の実施の形態で記載したように（本図では第１例を示す）、磁化自由層３の面内で−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣを流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子に−ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＣは、磁化自由層３の−ｚ方向の磁化Ｍ２に対して、−ｙ方向へ向かせるように作用する。また、上部電極１１の書き込み電流ＩＷＢにより、磁化自由層３付近において磁界ＨＩＷＢが誘起される。この磁界ＨＩＷＢは、磁化自由層３の−ｚ方向の磁化Ｍ２に対して、＋ｚ方向へ向かせるように作用する。これら二つの磁界の作用により、磁化自由層３の−ｚ方向の磁化Ｍ２が、矢印Ｒ３に示すように回転して、＋ｚ方向へ向くことになる。すなわち、図９Ａ〜図９Ｂのデータ“１”の状態から、後述される図１０Ａ〜図１０Ｂのデータ“０”の状態に書き込みが行われる。
【００５７】
次に、磁気記憶素子９ａにデータ“０”が格納されている状態で、データ“１”を書き込む場合について説明する。図１０Ａ〜図１０Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図及び側面図である。図１０Ａ〜図１０Ｂは、磁気記憶素子９ａにデータ“０”が格納されている状態において、データ“１”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【００５８】
磁気記憶素子９ａにデータ“１”を書き込むためには、まず、下部電極５ｂから磁化自由層３を介して下部電極５ａへ向けて、−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣを流す。それと共に、上部電極１１に＋ｘ方向の書き込み電流ＩＷＢを流す。この時、第１の実施の形態で記載したように（本図では第１例を示す）、磁化自由層３の面内で−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣを流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子に−ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＣは、磁化自由層３の＋ｚ方向の磁化Ｍ２に対して、−ｙ方向へ向かせるように作用する。また、上部電極１１の書き込み電流ＩＷＢにより、磁化自由層３付近において磁界ＨＩＷＢが誘起される。この磁界ＨＩＷＢは、磁化自由層３の＋ｚ方向の磁化Ｍ２に対して、−ｚ方向へ向かせるように作用する。これら二つの磁界の作用により、磁化自由層３の＋ｚ方向の磁化Ｍ２が、矢印Ｒ４に示すように回転して、−ｚ方向へ向くことになる。すなわち、図１０Ａ〜図１０Ｂのデータ“０”の状態から、図９Ａ〜図９Ｂのデータ“１”の状態に書き込みが行われる。
【００５９】
なお、上記データ書き込みの方法から容易に理解できるように、磁気記憶素子９ａにデータ“０”が格納されている状態においてデータ“０”を書き込んだり、データ“１”が格納されている状態においてデータ“１”を書き込んだりする上書き動作も可能である。また、上記データ書き込みの方法から容易に理解できるように、書き込み電流ＩＷＣを流す方向は、−ｘ方向であっても、＋ｘ方向であっても良い。
【００６０】
磁気記憶素子９ａへのデータ読み出しについては、第１の実施の形態と同様である。また、データの書き込みにおける反転閾値（図４）や、磁気メモリの構成（図５）や、磁気メモリの書き込み動作を示すフローチャート（図６）や、磁気メモリのレイアウト（図７Ａ〜図７Ｂ）、及び、それらの効果についても、第１の実施の形態と同様である。
【００６１】
本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。加えて、垂直磁気異方性材料を用いることで、反転に要する書き込み電流をより小さくすることができる。
【００６２】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る磁気メモリついて、添付図面を参照して説明する。
本実施の形態では、１軸書き込み方式において、１本の配線による電流誘起磁界を用いる代わりに、主にスピン軌道相互作用に基づく実効磁界（ラシュバ磁界：後述）を用いることにより、書き込み電流を低減している。すなわち、上部電極（ビット線）を流れる電流による電流誘起磁界を用いない点で、第１の実施の形態と異なる。以下、第１の実施の形態との相違点について主に説明する。
【００６３】
まず、本発明の第３の実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子の構成について説明する。図１１Ａ〜図１１Ｃは、本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図、側面図及び平面図である。磁気記憶素子９ｂは、下地層４と、磁化自由層３と、バリア層２と、磁化参照層１と、上部電極１１と、下部電極５ａ、５ｂとを具備している。
【００６４】
磁化自由層３は、面内磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化自由層３は、反転可能な磁化Ｍ１を有している。この図の例では、＋ｙ方向の磁化状態と、−ｙ方向の磁化状態とを取ることができる。すなわち、磁化容易軸はｙ方向である。磁化容易軸をｙ方向にする方法としては形状異方性を用いる方法、すなわち、磁化自由層３の長軸をｙ方向にする方法、結晶磁気異方性、歪誘導磁気異方性を用いる方法がある。なお、磁化容易軸の方向は正確にｙ方向である必要はなく、例えば、ｙ軸と４５度をなす面内方向であってもよい。磁化参照層１は、面内磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化参照層１は、磁化Ｍ０が固定されている。この図の例では、−ｙ方向に磁化Ｍ０が固定されている。上部電極１１は、磁化自由層３の近傍に、磁化自由層３の磁化に対して影響を与えるような電流誘起磁界を発生させないように形成、配置される。
【００６５】
磁化参照層１、磁化自由層３及び上部電極１１の他の構成、その他の要素の構成、及び、それらの効果については、第１の実施の形態と同様である。
【００６６】
次に、本実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子のデータ書き込みについて説明する。ただし、説明のために、磁化参照層１の磁化Ｍ０は−ｙ方向に固定されているものとする。また、ＭＴＪの磁化自由層３の磁化Ｍ１が−ｙ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ１とが平行（低抵抗）の場合、データ“０”が格納されているものとする。また、ＭＴＪの磁化自由層３の磁化Ｍ１が＋ｙ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ１とが反平行（高抵抗）の場合、データ“１”が格納されているものとする。
【００６７】
磁気記憶素子９ｂへのデータ書き込みについて説明する。
まず、磁気記憶素子９ｂにデータ“１”が格納されている状態で、データ“０”を書き込む場合について説明する。図１２Ａ〜図１２Ｃは、本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図、側面図及び平面図である。図１２Ａ〜図１２Ｃは、磁気記憶素子９ｂにデータ“１”が格納されている状態において、データ“０”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【００６８】
磁気記憶素子９ｂにデータ“０”を書き込むためには、まず、下部電極５ｂから磁化自由層３を介して下部電極５ａへ向けて、−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣ１を流す。この時、第１の実施の形態で記載したように（本図では第１例を示す）、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子に−ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ１（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＣ１は、磁化自由層３の＋ｙ方向の磁化Ｍ１に対して、−ｙ方向へ向かせるように作用する。この磁界ＨＩＷＣ１の作用により、磁化自由層３の＋ｙ方向の磁化Ｍ１が反転して、−ｙ方向へ向くことになる。すなわち、図１２Ａ〜図１２Ｃのデータ“１”の状態から、後述される図１３Ａ〜図１３Ｃのデータ“０”の状態に書き込みが行われる。
【００６９】
次に、磁気記憶素子９ｂにデータ“０”が格納されている状態で、データ“１”を書き込む場合について説明する。図１３Ａ〜図１３Ｃは、本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図、側面図及び平面図である。図１０Ａ〜図１０Ｂは、磁気記憶素子９ｂにデータ“０”が格納されている状態において、データ“１”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【００７０】
磁気記憶素子９ｂにデータ“１”を書き込むためには、まず、下部電極５ａから磁化自層３を介して下部電極５ｂへ向けて、＋ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣ２を流す。この時、第１の実施の形態で記載したように（本図では第１例を示す）、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子に＋ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ２（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＣ２は、磁化自由層３の−ｙ方向の磁化Ｍ１に対して、＋ｙ方向へ向かせるように作用する。この磁界ＨＩＷＣ２の作用により、磁化自由層３の−ｙ方向の磁化Ｍ１が反転して、＋ｙ方向へ向くことになる。すなわち、図１３Ａ〜図１３Ｃのデータ“０”の状態から、図１２Ａ〜図１２Ｃのデータ“１”の状態に書き込みが行われる。
【００７１】
上記書き込みにおいて、磁化自由層３の膜厚方向（ｚ方向）のベクトルと、書き込み電流ＩＷＣ１、ＩＷＣ２方向（ｘ方向）のベクトルとの外積は、磁化自由層３の磁化Ｍ１の方向（ｙ方向）と平行な成分を有している。なお、上記データ書き込みの方法から容易に理解できるように、磁気記憶素子９ｂにデータ“０”が格納されている状態においてデータ“０”を書き込んだり、データ“１”が格納されている状態においてデータ“１”を書き込んだりする上書き動作も可能である。
【００７２】
磁気記憶素子９ｂへのデータ読み出しについては、第１の実施の形態と同様である。また、データの書き込みにおける反転閾値（図４）、及び、それらの効果についても、第１の実施の形態と同様である。
【００７３】
図１４は、本発明の第３の実施の形態に係る磁気メモリの構成の一例を示すブロック図である。磁気メモリ５０は、メモリセルアレイ５９と、Ｘセレクタ５１と、Ｙ電流源回路５４と、Ｙセレクタ及び電源回路５６と、ＧＮＤ（接地）５７とを具備している。これらは、後述される機能と同様の機能を有していれば、これらに限定されるものではない。
【００７４】
メモリセルアレイ５９は、複数のメモリセル１０と、複数のビット線１１と、複数の第１書き込み線１２と、複数の第２書き込み線１３と、複数のワード線１４とを備えている。ワード線１４は、一端をＸセレクタ５１に接続され、ｘ方向に延在している。ビット線１１は、一端をＧＮＤ（接地）５７に接続され、ｙ方向に延在している。第１書き込み線１２は、一端をＹ電流源回路５４に接続され、ｙ方向に延在している。第２書き込み線１３は、一端をＹセレクタ及び電源回路５６に接続され、ｙ方向に延在している。複数のメモリセル１０は、複数のワード線１４と複数のビット線１１との交点の各々に対応して、行列状に配置されている。メモリセル１０は、二つの選択トランジスタＴｒと、磁気記憶素子９ｂとを含んでいる。一方の選択トランジスタＴｒは、ソース・ドレインの一方を第１書き込み線１２に、他方を磁気記憶素子９の下部電極５ａに、ゲートをワード線１４にそれぞれ接続されている。他方の選択トランジスタＴｒは、ソース・ドレインの一方を第２書き込み線１３に、他方を磁気記憶素子９の下部電極５ｂに、ゲートをワード線１４にそれぞれ接続されている。磁気記憶素子９の磁化参照層１は、上部電極としてのビット線１１に接続されている。
【００７５】
Ｘセレクタ５１は、書き込み動作及び読み出し動作のとき、複数のワード線１４から選択ワード線１４を選択する。Ｙセレクタ及び電源回路５６は、書き込み動作及び読み出し動作のとき、複数の第２書き込み線１３から選択第２書き込み線１３を選択し、書き込み電流ＩＷＣ１の供給、及び、読み出し電流ＩＲの供給又は引き込みを行う。Ｙ電流源回路５４は、書き込み動作のとき、複数の第１書き込み線１２から選択第１書き込み線１２を選択し、書き込み電流ＩＷＣ２の供給を行う。Ｘセレクタ５１と、Ｙ電流源回路５４と、Ｙセレクタ及び電源回路５６と（、ＧＮＤ（接地）５７）とは、書き込み対象のメモリセル１０に書き込み電流を印加する書き込み電流制御回路とみなすこともできる。
【００７６】
このような磁気メモリは、単体メモリ（ＭＲＡＭ）として用いられても良いし、メモリ混載型マイコン（メモリ部とロジック部とを含む半導体装置（図示されず））のメモリ部として用いられても良い。
【００７７】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る磁気メモリの動作について説明する。書き込み動作において、まず、Ｘセレクタ５１が選択ワード線１４を選択する。それにより、選択ワード線１４にゲートを接続された選択トランジスタＴｒがオンになる。次に、Ｙセレクタ及び電源回路５６が選択第２書き込み線１３を選択する。更に、Ｙ電流源回路５４が選択第１書き込み線１２を選択する。以上により、データを書き込む対象のメモリセル１０である書き込みセル１０が選択される。続いて、Ｙセレクタ及び電源回路５６が、書き込みセル１０に対して書き込み電流ＩＷＣ１の供給を行う。又は、Ｙ電流源回路５４が、書き込みセル１０に対して書き込み電流ＩＷＣ２の供給を行う。これらの場合での電流経路は、Ｙセレクタ及び電源回路５６−選択第２書き込み線１３−書き込みセル１０−選択第１書き込み線１２−Ｙ電流源回路５４となる。これにより、書き込みセル１０の磁化自由層３に書き込み電流ＩＷＣ１又は書き込み電流ＩＷＣ２が印加され、実効磁界ＨＩＷＣ１又は実効磁界ＨＩＷＣ２が印加される。これらにより、選択され書き込みセル１０の磁化自由層３の磁化を反転させることができる。
【００７８】
本実施の形態においては、スピン軌道相互作用に基づく電流磁界変換効率が高いことを利用し、書き込み動作点を図４でいうところの実質的に縦軸上（書き込み電流ＩＷＣ軸上）に設定することができる。そのため、ビット線１１に流す書き込み電流ＩＷＢを無くすことができる。その結果、半選択セルが無くなるので、半選択ディスターブのリスクを無くすことができる。また、本回路構成においては、Ｘ方向のメモリセル１０については、半選択の問題は生じない。
【００７９】
次に、磁気メモリの読み出し動作について説明する。読み出し動作において、Ｘセレクタ５１が選択ワード線１４を選択する。それにより、選択ワード線１４にゲートを接続された選択トランジスタＴｒがオンになる。次に、Ｙセレクタ及び電源回路５６が選択第２書き込み線１３を選択する。以上により、データを読み出す対象のメモリセル１０である読み出しセル１０が選択される。Ｙセレクタ及び電源回路５６は、読み出し電流ＩＲの供給又は引き込みを行う。このときの電流経路は、Ｙセレクタ及び電源回路５６−選択第２書き込み線１３−読み出しセル１０Ｙ−ビット線１１−ＧＮＤ（接地）５７である。これにより、読み出しセル１０のＭＴＪ７に読み出し電流が流れる。これらにより、例えば、Ｙセレクタ電源回路５６の先に接続されたセンスアンプ（図示されず）などにより、ＭＴＪ７の抵抗が検知され、データが読み出される。
【００８０】
磁気メモリのレイアウト（図７Ａ〜図７Ｂ）については、第１の実施の形態と同様である。
【００８１】
本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。加えて、ビット線を流れる電流による磁界を用いないため、ビット線を流れる電流分だけ、書き込み電流を更に低減することができる。
【００８２】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る磁気メモリついて、添付図面を参照して説明する。
本実施の形態では、磁化参照層１及び磁化自由層３が、垂直磁気異方性を有している点で、面内磁気異方性を有する第３の実施の形態と異なる。以下、第３の実施の形態との相違点について主に説明する。
【００８３】
まず、本発明の第４の実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子の構成について説明する。図１５Ａ〜図１５Ｃは、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図、側面図及び平面図である。磁気記憶素子９ｃは、下地層４と、磁化自由層３と、バリア層２と、磁化参照層１と、上部電極１１と、下部電極５ａ、５ｂとを具備している。
【００８４】
上述のように、第３の実施の形態と異なり、磁化参照層１及び磁化自由層３が垂直磁気異方性を有している。すなわち、磁化自由層３は、垂直磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化自由層３は、反転可能な磁化Ｍ２を有している。この図の例では、−ｚ方向の磁化状態と、＋ｚ方向の磁化状態とを取ることができる。磁化自由層３は、Ｃｏ膜、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、ＣｏＦｅＢ膜に例示される。
【００８５】
磁化自由層３において、スピン軌道相互作用による実効磁界（ラシュバ磁界）は面内方向（ｘ方向又はｙ方向）である。そのため、この実効磁界のみで、垂直方向（ｚ方向）に向いた磁化自由層３の磁化Ｍ２を反転させることはできない。そこで、本実施の形態では、磁化自由層３に流れる書き込み電流（ＩＷＣ）について、その流れる方向に垂直な断面での電流分布を不均一にすることにより、垂直方向（ｚ方向）の電流誘起磁界（ＨＩ０：後述）を発生させ、これとスピン軌道相互作用による実効磁界（ＨＩＷＣ）とを組み合わせて書き込みを行う。そのために、磁化自由層３は、ｘｙ平面図（図１５Ｃ）において、磁化自由層３に非対称な突起部Ｄ１を設けている。その作用効果については後述する。
【００８６】
磁化参照層１も、垂直磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化参照層１は、磁化Ｍ０が固定されている。この図の例では、＋ｚ方向に磁化Ｍ０が固定されている。磁化参照層１は、Ｃｏ膜、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、ＣｏＦｅＢ膜に例示される。
【００８７】
磁化参照層１及び磁化自由層３の他の構成、その他の要素の構成、及び、それらの効果については、第３の実施の形態と同様である。
【００８８】
次に、本実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子のデータ書き込みについて説明する。ただし、説明のために、磁化参照層１の磁化Ｍ０は＋ｚ方向に固定されているものとする。また、ＭＴＪの磁化自由層３の磁化Ｍ２が＋ｚ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ２とが平行（低抵抗）の場合、データ“０”が格納されているものとする。また、ＭＴＪの磁化自由層３の磁化Ｍ２が−ｚ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ２とが反平行（高抵抗）の場合、データ“１”が格納されているものとする。
【００８９】
磁気記憶素子９ｃへのデータ書き込みについて説明する。
まず、磁気記憶素子９ｃにデータ“１”が格納されている状態で、データ“０”を書き込む場合について説明する。図１６Ａ〜図１６Ｃは、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図、側面図及び平面図である。図１６Ａ〜図１６Ｃは、磁気記憶素子９ｃにデータ“１”が格納されている状態において、データ“０”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【００９０】
磁気記憶素子９ｃにデータ“０”を書き込むためには、まず、下部電極５ｂから磁化自由層３を介して下部電極５ａへ向けて、−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣ１を流す。この時、第１の実施の形態で記載したように（本図では第１例を示す）、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子に−ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ１（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＣ１は、磁化自由層３の−ｚ方向の磁化Ｍ２に対して、−ｙ方向へ向かせるように作用する。また、磁化自由層３の突起部Ｄ１により、磁化自由層３に流れる書き込み電流ＩＷＣ１は不均一になり、突起部Ｄ１での電流密度は低下する。言い換えると、突起部Ｄ１には他の領域よりも強い＋ｚ方向の電流誘起磁界ＨＩ０がかかることになる。したがって、突起部Ｄ１は、電流誘起磁界ＨＩ０により反転核生成の起点となる。これら突起部Ｄ１での電流誘起磁界ＨＩ０による反転核生成と、実効磁界ＨＩＷＣ１とを組み合わせることにより、磁化自由層３の−ｚ方向の磁化Ｍ２が反転して、＋ｚ方向へ向くことになる。すなわち、図１６Ａ〜図１６Ｃのデータ“１”の状態から、後述される図１７Ａ〜図１７Ｃのデータ“０”の状態に書き込みが行われる。
【００９１】
次に、磁気記憶素子９ｃにデータ“０”が格納されている状態で、データ“１”を書き込む場合について説明する。図１７Ａ〜図１７Ｃは、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図、側面図及び平面図である。図１７Ａ〜図１７Ｃは、磁気記憶素子９ｃにデータ“０”が格納されている状態において、データ“１”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【００９２】
磁気記憶素子９ｃにデータ“１”を書き込むためには、まず、下部電極５ａから磁化自由層３を介して下部電極５ｂへ向けて、＋ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣ２を流す。この時、第１の実施の形態で記載したように（本図では第１例を示す）、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子に＋ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ２（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＣ２は、磁化自由層３の＋ｚ方向の磁化Ｍ２に対して、＋ｙ方向へ向かせるように作用する。また、磁化自由層３の突起部Ｄ１により、磁化自由層３に流れる書き込み電流ＩＷＣ２は不均一になり、突起部Ｄ１での電流密度は低下する。言い換えると、突起部Ｄ１には他の領域よりも強い−ｚ方向の電流誘起磁界ＨＩ０がかかることになる。したがって、突起部Ｄ１は、電流誘起磁界ＨＩ０により反転核生成の起点となる。これら突起部Ｄ１での電流誘起磁界ＨＩ０による反転核生成と、実効磁界ＨＩＷＣ２とを組み合わせることにより、磁化自由層３の＋ｚ方向の磁化Ｍ２が反転して、−ｚ方向へ向くことになる。すなわち、図１７Ａ〜図１７Ｃのデータ“０”の状態から、図１６Ａ〜図１６Ｃのデータ“１”の状態に書き込みが行われる。
【００９３】
なお、上記データ書き込みの方法から容易に理解できるように、磁気記憶素子９ｃにデータ“０”が格納されている状態においてデータ“０”を書き込んだり、データ“１”が格納されている状態においてデータ“１”を書き込んだりする上書き動作も可能である。
【００９４】
本実施の形態において、電流分布を不均一にする磁化自由層３の構成としては他に、図１８Ａ〜図１８Ｄに示すような構成が考えられる。図１３Ａ〜図１３Ｂは、下部電極５ａ、５ｂを磁化自由層３の長手方向（電流の流れる方向）に対して非対称に配置する方法である。例えば、図１３Ａは、下部電極５ａ、５ｂを一方向に磁化自由層３の外側まで伸ばしている。図１３Ｂは、下部電極５ａ、５ｂを磁化自由層３内で偏った位置に配置している。図１３Ｃは、磁化自由層３を、凹型形状を有する構成としている。また、図１３Ｄのように、磁化自由層３の一部に反転核を生成し易い領域３ｐを設けた構成も同様な効果が期待できる。領域３ｐは、例えば、エッチングをした領域、イオン注入をした領域、段差を有する領域などである。また、上部電極１１や下部電極５ａ、５ｂの引き回しにより、それらに流れる電流で誘起される磁界により、磁化自由層３に垂直磁界が印加されるようにすることも可能である。
【００９５】
磁気記憶素子９ｃへのデータ読み出しについては、第３の実施の形態と同様である。また、データの書き込みにおける反転閾値（図４）や、磁気メモリの構成（図１４）や、磁気メモリのレイアウト（図７Ａ〜図７Ｂ）、及び、それらの効果についても、第３の実施の形態と同様である。
【００９６】
本実施の形態においても、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。加えて、垂直磁気異方性材料を用いることで、反転に要する書き込み電流をより小さくすることができる。
【００９７】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係る磁気メモリついて、添付図面を参照して説明する。
本実施の形態では、磁化参照層１及び磁化自由層３が、ｘｙ平面に対して斜め方向に磁気異方性を有している点で、面内磁気異方性を有する第３の実施の形態と異なる。以下、第３の実施の形態との相違点について主に説明する。
【００９８】
まず、本発明の第５の実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子の構成について説明する。図１９Ａ〜図１９Ｂは、本発明の第５の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図及び側面図である。磁気記憶素子９ｄは、下地層４と、磁化自由層３と、バリア層２と、磁化参照層１と、上部電極１１と、下部電極５ａ、５ｂとを具備している。
【００９９】
上述のように、第３の実施の形態と異なり、磁化参照層１及び磁化自由層３がｘｙ平面に対して斜め方向に磁気異方性を有している。すなわち、磁化自由層３は、面内と垂直との中間の方向の磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化自由層３は、反転可能な磁化Ｍ３を有している。この図の例では、磁化自由層３の磁化容易軸をｙｚ面内に傾け、−ｚかつ−ｙ方向の磁化状態と、＋ｚかつ＋ｙ方向の磁化状態とを取ることができる。磁化自由層３の磁化容易軸をｙｚ面内に傾ける方法としては、結晶磁気異方性や歪誘導磁気異方性を用いる方法がある。また、垂直異方性を示す材料と面内異方性を示す材料を交互に積層する方法がある。垂直異方性を示す材料としては、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＴａ、ＦｅＰｔが例示される。面内異方性を示す材料としては、ＮｉＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅが例示される。
【０１００】
磁化参照層１も、面内と垂直との中間の方向の磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化参照層１は、磁化Ｍ０が固定されている。この図の例では、ｙｚ面内に傾けた−ｚかつ−ｙ方向に磁化Ｍ０が固定されている。磁化参照層１も、磁化自由層３と同様の方法、材料で形成することができる。
【０１０１】
磁化参照層１及び磁化自由層３の他の構成、その他の要素の構成、及び、それらの効果については、第３の実施の形態と同様である。
【０１０２】
次に、本実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子のデータ書き込みについて説明する。ただし、説明のために、磁化参照層１の磁化Ｍ０は−ｚかつ−ｙ方向に固定されているものとする。また、ＭＴＪの磁化自由層３の磁化Ｍ２が−ｚかつ−ｙ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ２とが平行（低抵抗）の場合、データ“０”が格納されているものとする。また、ＭＴＪの磁化自由層３の磁化Ｍ２が＋ｚかつ＋ｙ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ２とが反平行（高抵抗）の場合、データ“１”が格納されているものとする。
【０１０３】
磁気記憶素子９ｄへのデータ書き込みについて説明する。
まず、磁気記憶素子９ｄにデータ“１”が格納されている状態で、データ“０”を書き込む場合について説明する。図２０Ａ〜図２０Ｂは、本発明の第５の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図及び側面図である。図２０Ａ〜図２０Ｂは、磁気記憶素子９ｄにデータ“１”が格納されている状態において、データ“０”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【０１０４】
磁気記憶素子９ｄにデータ“０”を書き込むためには、まず、下部電極５ｂから磁化自由層３を介して下部電極５ａへ向けて、−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣ１を流す。この時、第１の実施の形態で記載したように（本図では第１例を示す）、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子に−ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ１（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＣ１は、磁化自由層３の＋ｚかつ＋ｙ方向の磁化Ｍ２に対して、−ｙ方向へ向かせるように作用する。その結果、磁化自由層３の＋ｚかつ＋ｙ方向の磁化Ｍ２が矢印Ｒ５のように回転して、−ｚかつ−ｙ方向へ向くことになる。すなわち、図２０Ａ〜図２０Ｂのデータ“１”の状態から、後述される図２１Ａ〜図２１Ｂのデータ“０”の状態に書き込みが行われる。
【０１０５】
次に、磁気記憶素子９ｄにデータ“０”が格納されている状態で、データ“１”を書き込む場合について説明する。図２１Ａ〜図２１Ｂは、本発明の第５の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図及び側面図である。図２１Ａ〜図２１Ｂは、磁気記憶素子９ｄにデータ“０”が格納されている状態において、データ“１”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【０１０６】
磁気記憶素子９ｄにデータ“１”を書き込むためには、まず、下部電極５ａから磁化自由層３を介して下部電極５ｂへ向けて、＋ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣ２を流す。この時、第１の実施の形態で記載したように（本図では第１例を示す）、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子に＋ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ２（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＣ２は、磁化自由層３の−ｚかつ−ｙ方向の磁化Ｍ２に対して、＋ｙ方向へ向かせるように作用する。その結果、磁化自由層３の−ｚかつ−ｙ方向の磁化Ｍ２が矢印Ｒ６のように回転して、＋ｚかつ＋ｙ方向へ向くことになる。すなわち、図２１Ａ〜図２１Ｂのデータ“０”の状態から、図２０Ａ〜図２０Ｂのデータ“１”の状態に書き込みが行われる。
【０１０７】
なお、上記データ書き込みの方法から容易に理解できるように、磁気記憶素子９ｄにデータ“０”が格納されている状態においてデータ“０”を書き込んだり、データ“１”が格納されている状態においてデータ“１”を書き込んだりする上書き動作も可能である。
【０１０８】
磁気記憶素子９ｄへのデータ読み出しについては、第３の実施の形態と同様である。
【０１０９】
ここで、磁気記憶素子９ｄへのデータの書き込みにおける反転閾値（反転に必要な電流）について説明する。図２２は、データの書き込みにおける反転閾値の概略を示すグラフ（アステロイド曲線）である。縦軸は磁化自由層３に流す電流を示し、横軸はＺ方向外部磁界をそれぞれ示している。ただし、縦軸の磁化自由層３に流す電流は、書き込み電流ＩＷＣ１、ＩＷＣ２であり、（Ｙ方向）実効磁界ＨＩＷＣ１、ＨＩＷＣ２を示すと見ることもできる。また、横軸のＺ方向外部磁界は、本実施の形態では用いておらず、実質的にゼロ（０）である。この図は、アステロイド曲線上及びその外側でデータの書き込みが起こることを示している。この図に示されるように、磁化自由層３の磁化容易軸と磁化自由層３を流れる電流（ＩＷＣ１、ＩＷＣ２）による実効磁界（ＨＩＷＣ１、ＨＩＷＣ２）の方向とが平行でなければ、磁化自由層３を流れる正負の電流により磁化自由層３の磁化を反転させることが可能になる。
【０１１０】
磁気メモリの構成（図１４）や、磁気メモリのレイアウト（図７Ａ〜図７Ｂ）、及び、それらの効果については、第３の実施の形態と同様である。
【０１１１】
本実施の形態においても、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１１２】
（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態に係る磁気メモリついて、添付図面を参照して説明する。
本実施の形態では、磁化自由層として垂直磁気異方性を持つ材料を用いたスピントルク書き込み方式において、スピン軌道相互作用に基づく実効磁界（ラシュバ磁界：後述）を補助磁界として用いることにより書き込み電流を低減している。
【０１１３】
まず、本発明の第６の実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子の構成について説明する。図２３Ａ〜図２３Ｂは、本発明の第６の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図及び平面図である。磁気記憶素子９は、下地層４と、磁化自由層３と、バリア層２と、磁化参照層１と、上部電極１１と、下部電極５を具備している。
【０１１４】
下地層４は、基板（図示されず）の表面（ｘｙ平面）に平行に設けられている。磁化自由層３は、下地層４を覆うように、その上側（＋ｚ側）に設けられている。バリア層２は、磁化自由層３を覆うように、その上側（＋ｚ側）に設けられている。磁化参照層１は、バリア層２の＋ｘ側の端部の上側（＋ｚ側）に設けられている。下地層４、磁化自由層３、及びバリア層２は、磁化参照層１よりもｘ方向に延伸した形状を有している。磁化自由層３、バリア層２及び磁化参照層１はＭＴＪ（磁気トンネル接合）７を構成している。磁気記憶素子９は、ＭＴＪ７の磁化自由層３の磁化方向によりデータを記憶する。
【０１１５】
上部電極１１は、磁化参照層１の＋ｘ側の端部の上側（＋ｚ側）に接続されている。上部電極１１は、ビット線に例示される。下部電極５は下地層４の−ｘ側の端部の下側（−ｚ側）に接続されている。すなわち、下部電極５は磁化参照層１の直下ではなく、下地層４（、磁化自由層３、及びバリア層２）の延伸した部分に接続されている。これは、書き込み電流（後述）が単にｚ方向に磁化自由層３を貫通するのではなく、磁化自由層３のｘｙ平面内の面内方向に確実に流れるようにすることで、ラシュバ磁界を確実に発生させるためである。なお、端部は、全体として端の方であればよく、厳密に末端である必要はない。また、下部電極５は、選択トランジスタＴｒ（後述）に接続されている。上部電極１１及び下部電極５は、磁化自由層３にその一方から他方へ電流を印加することができる。
【０１１６】
下地層４は、磁化自由層３においてラシュバ磁界（後述）を発生させるべく、バリア層２の材料とは異なる材料で形成される。また、下部電極５と磁化自由層３との間に設けられることから、電流が通過容易なように導電性の膜であることが好ましい。ただし、磁化自由層３ではなく下地層４に選択的に書き込み電流が流れる、ということが無いような材質であることが好ましい。下地層４としては、Ｔａ膜、Ｐｔ膜、及び、これらの積層膜が例示される。
【０１１７】
磁化自由層３は、垂直磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化自由層３は、反転可能な磁化Ｍ１を有している。この図の例では、＋ｚ方向の磁化状態と、−ｚ方向の磁化状態とを取ることができる。磁化自由層３は、ほぼ一様に磁化されている。すなわち、磁化自由層３には、実質的に磁壁がない。磁化自由層３は、ＣｏＣｒＰｔ膜、Ｃｏ／Ｐｔ膜、Ｃｏ／Ｎｉ膜、Ｆｅ／Ｐｔ膜、ＣｏＦｅＢ膜、及び、これらの積層膜に例示される。磁化自由層３は、ラシュバ磁界を発生させるべく、極めて薄く形成することが好ましい。例えば、約０．５ｎｍ〜約１．５ｎｍが好ましい。０．５ｎｍ未満は成膜の制御が困難である。この膜厚は、通常のＭＴＪにおける磁化自由層（又はフリー層）の数ｎｍ程度（例示：約５ｎｍ）に比較して数分の１という薄さである。また、磁化自由層３は、そのｘｙ平面形状は、磁化参照層１のｘｙ平面形状より（磁化自由層３、下地層４、及びバリア層２の延伸した部分だけ）大きい。それにより、磁化参照層１から供給される又は引き込まれる書き込み電流（後述）が、単に磁化自由層３を貫通するのではなく、磁化自由層３のｘｙ平面内を面内方向に確実に移動することができ、確実にラシュバ磁界を発生させることができる。
【０１１８】
バリア層２は、磁化自由層３においてラシュバ磁界を発生させるべく、下地層４の材料とは異なる材料で形成される。また、ＭＴＪ７におけるトンネルバリア層として設けられることから、非磁性膜で形成される。バリア層２としては、Ａｌ２Ｏ３膜、ＭｇＯ膜のような絶縁膜が例示される。バリア層２は、上記例示された磁化自由層３の膜厚に対して、例えば、約１．０〜約２．０ｎｍが好ましい。すなわち、磁化自由層３の膜厚と同程度である。
【０１１９】
磁化参照層１は、垂直磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化参照層１は、磁化Ｍ０が固定されている。この図の例では、＋ｚ方向に磁化Ｍ０が固定されている。磁化参照層１は、ＣｏＣｒＰｔ膜、Ｃｏ／Ｐｔ膜、Ｃｏ／Ｎｉ膜、Ｆｅ／Ｐｔ膜、ＣｏＦｅＢ膜、及び、これらの積層膜に例示される。磁化参照層１は、磁化自由層３の一方側（＋ｘ側）の端部に対応するバリア層２の端部（＋ｘ側の端部）の上側（＋ｚ側）に設けられているともいうことができる。
【０１２０】
磁気記憶素子９では、磁化自由層３の両側の界面が異なる構造を有している。この図の例では、磁化自由層３の下側（−ｚ側）の界面には下地層４が結合し、上側（＋ｚ側）の界面には下地層４と異なる材料を用いたバリア層２が結合している。すなわち、磁化自由層３において、ｚ方向に関して空間的な対称性が破れている。このような場合、磁化自由層３に面内方向（例示：ｘ方向）に電流を流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子には、その電流の方向（ｘ方向）とこの対称性の破れている方向（ｚ方向）との外積の方向、すなわち、ｙ方向に実効磁界が発生する。この実効磁界はラシュバ磁界と呼ばれ、磁化自由層３に流す電流１．０×１０１２／Ａ／ｍ２あたりｋＯｅオーダーと大きいことが知られている。本実施の形態では、このラシュバ磁界により、磁化参照層１を用いたスピン注入磁化反転をアシストすることにより、ＭＴＪ７へのデータの書き込み、すなわち磁化自由層３の磁化反転を行う。
【０１２１】
以下、本実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子のデータ読み出し及びデータ書き込みについて説明する。ただし、説明のために、磁化参照層１の磁化Ｍ０は＋ｚ方向に固定されているものとする。また、ＭＴＪ７の磁化自由層３の磁化Ｍ１が＋ｚ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ１とが平行（低抵抗）の場合、データ“０”が格納されているものとする。また、ＭＴＪ７の磁化自由層３の磁化Ｍ１が−ｚ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ１とが反平行（高抵抗）の場合、データ“１”が格納されているものとする。
【０１２２】
磁気記憶素子９へのデータ書き込みについて説明する。
まず、磁気記憶素子９にデータ“０”が格納されている状態で、データ“１”を書き込む場合について説明する。図２４は、本発明の第６の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。図２４は、磁気記憶素子９にデータ“０”が格納されている状態において、データ“１”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【０１２３】
磁気記憶素子９にデータ“１”を書き込むためには、まず、上部電極１１から、磁化参照層１及び磁化自由層３を介して、下部電極５へ向けて書き込み電流ＩＷＣ１を流す。この時、既述のように、磁化自由層３の下側（−ｚ側）の界面には下地層４が結合し、上側（＋ｚ側）の界面にはバリア層２が結合しているというように、磁化自由層３の両側の界面が異なる構造を有している。すなわち、磁化自由層３において、ｚ方向に関して空間的な対称性が破れている。そのため、磁化自由層３の面内で−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣ１を流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子には、その書き込み電流ＩＷＣ１の方向（ｘ方向）とこの対称性の破れている方向（ｚ方向）との外積の方向（ｙ方向）に磁界ＨＩＷＣ１（ラシュバ磁界）が印加される。例えば、下地層４／磁化自由層３／バリア層２＝Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯとしたとき、−ｘ方向に書き込み電流ＩＷＣ１を流した場合、−ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ１（ラシュバ磁界）が発生する（第１例、以下同じ）。また、下地層４／磁化自由層３／バリア層２＝Ｐｔ／Ｃｏ／ＡｌＯｘとしたとき、−ｘ方向に書き込み電流ＩＷＣ１を流した場合、＋ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ１（ラシュバ磁界）が発生する（第２例、以下同じ）。このように、−ｙ方向か＋ｙ方向かは材料系に依存している。本図の例では、−ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ１（ラシュバ磁界）が発生する例を示している。この磁界ＨＩＷＣ１は、磁化自由層３の＋ｚ方向の磁化Ｍ１に対して、−ｙ方向へ向かせるように作用する。また、書き込み電流ＩＷＣ１が磁化参照層１から磁化自由層３へ流れるとき、伝導電子が磁化自由層３から磁化参照層１へ流れる。その結果、スピントルクにより、磁化自由層３の磁化Ｍ１が磁化参照層１の磁化Ｍ０に対して平行から反平行へ遷移する。すなわち、＋ｚ方向から−ｚ方向への遷移が起こる。この時、ラシュバ磁界ＨＩＷＣ１のアシストがあるので、従来よりも低い書き込み電流ＩＷＣ１により、磁化自由層３の＋ｚ方向の磁化Ｍ１が反転して、−ｚ方向へ向くことになる。すなわち、図２４のデータ“０”の状態から、後述される図２５のデータ“１”の状態に書き込みが行われる。
【０１２４】
次に、磁気記憶素子９にデータ“１”が格納されている状態で、データ“０”を書き込む場合について説明する。図２５は、本発明の第６の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。図２５は、磁気記憶素子９にデータ“１”が格納されている状態において、データ“０”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【０１２５】
磁気記憶素子９にデータ“０”を書き込むためには、まず、下部電極５から、磁化自由層３及び磁化参照層１を介して、上部電極１１へ向けて、書き込み電流ＩＷＣ２を流す。この時、上述のように（本図では第１例を示す）、磁化自由層３の面内で＋ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣ２を流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子に＋ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ２（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＣ２は、磁化自由層３の−ｚ方向の磁化Ｍ１に対して、＋ｙ方向へ向かせるように作用する。また、書き込み電流ＩＷＣ２が磁化自由層３から磁化参照層１へ流れるとき、伝導電子が磁化参照層１から磁化自由層３へ流れる。その結果、スピントルクにより、磁化自由層３の磁化Ｍ１が磁化参照層１の磁化Ｍ０に対して反平行から平行へ遷移する。すなわち、−ｚ方向から＋ｚ方向への遷移が起こる。この時、ラシュバ磁界ＨＩＷＣ２のアシストがあるので、従来よりも低い書き込み電流ＩＷＣ２により、磁化自由層３の−ｚ方向の磁化Ｍ１が反転して、＋ｚ方向へ向くことになる。すなわち、図２５のデータ“１”の状態から、図２４のデータ“０”の状態に書き込みが行われる。
【０１２６】
なお、上記データ書き込みの方法から容易に理解できるように、磁気記憶素子９にデータ“０”が格納されている状態においてデータ“０”を書き込んだり、データ“１”が格納されている状態においてデータ“１”を書き込んだりする上書き動作も可能である。
【０１２７】
次に、磁気記憶素子９へのデータ読み出しについて説明する。データ読み出しは、磁化自由層３、バリア層２及び磁化参照層１で構成されるＭＴＪ７に対する通常の読み出し方法と同様である。例えば、上部電極１１と下部電極５との間、すなわちＭＴＪ７に定電流の読み出し電流を流す。そして、読み出し電流により生じた上部電極１１と下部電極５との間の電圧と参照電圧との比較により、ＭＴＪ７の磁気抵抗の大きさ、すなわち磁化自由層３の磁化の向きであるデータを読み出す。
【０１２８】
なお、磁化自由層３の平面形状としては、図２３Ｂに示したような長方形の他に、楕円型、オーバル型、それらの長手方向の一部が窪んだ形状などを用いることができる。その際、磁化自由層３の磁化の方向は完全に一様に一方向に向いているわけではないが、明確な磁壁がないという意味で、本実施の形態では一様に磁化していると記すことにする。
【０１２９】
図２６は、本発明の第６の実施の形態に係る磁気メモリの構成の一例を示すブロック図である。磁気メモリ５０は、メモリセルアレイ５１と、電流源回路５２と、Ｘデコーダ５３と、Ｙデコーダ５４とを具備している。これらは、後述される機能と同様の機能を有していれば、これらに限定されるものではない。
【０１３０】
メモリセルアレイ５１は、複数のメモリセル１０と、複数のビット線１１と、複数の書き込み線１２と、複数のワード線１４とを備えている。ワード線１４は、一端をＹデコーダ５４に接続され、ｙ方向に延在している。ビット線１１は、一端をＸデコーダ５３に接続され、ｘ方向に延在している。書き込み線１２は、一端をＸデコーダ５３に接続され、ｘ方向に延在している。メモリセル１０は、選択トランジスタＴｒと、磁気記憶素子９とを含んでいる。選択トランジスタＴｒは、ソース・ドレインの一方を書き込み線１２に、他方を磁気記憶素子９の下部電極５に、ゲートをワード線１４にそれぞれ接続されている。磁気記憶素子９の磁化参照層１は、上部電極としてのビット線１１に接続されている。
【０１３１】
Ｘデコーダ５３は、書き込み動作及び読み出し動作のとき、複数のビット線１１及び複数の書き込み線１２から選択ビット線１１及び選択書き込み線１２の組を選択する。Ｙデコーダ５４は、書き込み動作及び読み出し動作のとき、複数のワード線１４から選択ワード線１４を選択する。電流源回路５２は、書き込み動作及び読み出し動作のとき、書き込み電流ＩＷＢの供給又は引き込み、及び、読み出し電流ＩＲの供給又は引き込みを行う。Ｘデコーダ５３と、Ｙデコーダ５４と、電流源回路５２とは、書き込み対象のメモリセル１０に書き込み電流を印加する書き込み電流制御回路とみなすこともできる。
【０１３２】
このような磁気メモリは、単体メモリ（ＭＲＡＭ）として用いられても良いし、メモリ混載型マイコン（メモリ部とロジック部とを含む半導体装置（図示されず））のメモリ部として用いられても良い。
【０１３３】
次に、本発明の第６の実施の形態に係る磁気メモリの動作について説明する。書き込み動作において、まず、Ｙデコーダ５４が、選択ワード線１４を選択する。それにより、選択ワード線１４にゲートを接続された選択トランジスタＴｒがオンになる。次に、Ｘデコーダ５３が選択ビット線１１及び選択書き込み線１２の組を選択する。以上により、データを書き込む対象のメモリセル１０である書き込みセル１０が選択される。次に、電流源回路５２が、書き込みセル１０に対して書き込み電流ＩＷＣ１又はＩＷＣ２の供給又は引き込みを行う。このときの電流経路は、（電流源回路５２−）Ｘデコーダ５３−選択ビット線１１−書き込みセル１０−選択書き込み線１２−Ｘデコーダ５３となる。これにより、書き込みセル１０の磁化参照層１のスピントルクによる磁化反転作用と、磁化自由層３に書き込み電流ＩＷＣ１又はＩＷＣ２が印加されることによる実効磁界ＨＩＷＣ１又はＨＩＷＣ２の作用とにより、選択された書き込みセル１０の磁化自由層３の磁化を反転させることができる。
【０１３４】
本実施の形態においては、書き込み電流（ＩＷＣ１又はＩＷＣ２）がＭＴＪ７に垂直な方向だけでなく、磁化自由層３のｘｙ面内をその面内方向にも流れる。そのため、書き込み電流がスピントルクによる磁化反転作用だけでなく、スピン軌道相互作用に基づく電流磁界変換にも適用することができる。その結果、スピン軌道相互作用を磁化反転のアシストとして用いることができ、書き込み電流を小さくすることが可能となる。なお上記の回路構成においては、ｘ方向のセルに半選択の問題は生じない。
【０１３５】
次に、磁気メモリの読み出し動作について説明する。読み出し動作において、Ｙデコーダ５４が、選択ワード線１４を選択する。それにより、選択ワード線１４にゲートを接続された選択トランジスタＴｒがオンになる。次に、Ｘデコーダ５３が選択ビット線１１及び選択書き込み線１２の組を選択する。以上により、データを読み出す対象のメモリセル１０である読み出しセル１０が選択される。次に、電流源回路５２が、読み出しセル１０に対して読み出し電流ＩＲの供給又は引き込みを行う。このときの電流経路は、（電流源回路５２−）Ｘデコーダ５３−選択ビット線１１−書き込みセル１０−選択書き込み線１２−Ｘデコーダ５３となる。これにより、読み出しセル１０のＭＴＪ７に読み出し電流が流れる。これらにより、例えば、Ｘデコーダ５３に接続されたセンスアンプ（図示されず）などにより、ＭＴＪ７の抵抗が検知され、データが読み出される。
【０１３６】
以上のように、本実施の形態の磁気メモリは、磁化自由層３の両側の界面が異なる構造（一方側がバリア層２、他方側が下地層４）を有している。すなわち、磁化自由層３は空間的な対称性が破れている。このような場合、磁化自由層３の面内方向に書き込み電流ＩＷＣを流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子には、書き込み電流ＩＷＣの方向（ｘ方向）とこの対称性の破れている方向（ｚ方向）との外積の方向（ｙ方向）に実効磁界（ラシュバ磁界）ＨＩＷＣが印加される。したがって、そのラシュバ磁界ＨＩＷＣと、伝導電子が磁化参照層１及び磁化自由層３の一方から他方へ流れることによるスピントルク磁化反転作用とを用いることにより、ほぼ一様に磁化した（実質的な磁壁が無い）磁化自由層３の磁化を反転させることができる。すなわち、磁化自由層３へデータを書き込むことができる。このとき、そのラシュバ磁界ＨＩＷＣとスピントルク磁化反転作用とを併せて用いることで、書き込み電流ＩＷＣを小さくできる。また、磁化自由層３は、ほぼ一様に磁化し、磁壁を導入する必要が無い。したがって、初期化も不要とすることができる。
【０１３７】
（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態に係る磁気メモリついて、添付図面を参照して説明する。
本実施の形態は、磁化参照層１及び磁化自由層３が、面内磁気異方性を有している点で、垂直磁気異方性を有する第６の実施の形態と異なる。以下、第６の実施の形態との相違点について主に説明する。
【０１３８】
まず、本発明の第７の実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子の構成について説明する。図２７Ａ〜図２７Ｂは、本発明の第７の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図及び平面図である。磁気記憶素子９ａは、下地層４と、磁化自由層３と、バリア層２と、磁化参照層１と、上部電極１１と、下部電極５とを具備している。
【０１３９】
上述のように、第６の実施の形態と異なり、磁化参照層１及び磁化自由層３が面内磁気異方性を有している。すなわち、磁化自由層３は、面内磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化自由層３は、反転可能な磁化Ｍ２を有している。この図の例では、−ｘ方向の磁化状態と、＋ｘ方向の磁化状態とを取ることができる。磁化自由層３は、ＮｉＦｅ膜、ＣｏＦｅ膜、ＣｏＦｅＢ膜、及び、これらの積層膜に例示される。一方、磁化参照層１も、面内磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化参照層１は、磁化Ｍ０が固定されている。この図の例では、−ｘ方向に磁化Ｍ０が固定されている。磁化参照層１は、ＮｉＦｅ膜、ＣｏＦｅ膜、ＣｏＦｅＢ膜、及び、これらの積層膜に例示される。
【０１４０】
磁化参照層１及び磁化自由層３の他の構成、その他の要素の構成、及び、それらの効果については、第６の実施の形態と同様である。
【０１４１】
次に、本実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子のデータ読み出し及びデータ書き込みについて説明する。ただし、説明のために、磁化参照層１の磁化Ｍ０は−ｘ方向に固定されているものとする。また、ＭＴＪ７の磁化自由層３の磁化Ｍ２が−ｘ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ１とが平行（低抵抗）の場合、データ“０”が格納されているものとする。また、ＭＴＪ７の磁化自由層３の磁化Ｍ２が＋ｘ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ２とが反平行（高抵抗）の場合、データ“１”が格納されているものとする。
【０１４２】
磁気記憶素子９ａへのデータ書き込みについて説明する。
まず、磁気記憶素子９ａにデータ“０”が格納されている状態で、データ“１”を書き込む場合について説明する。図２８は、本発明の第７の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。図２８は、磁気記憶素子９ａにデータ“０”が格納されている状態において、データ“１”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【０１４３】
磁気記憶素子９ａにデータ“１”を書き込むためには、まず、上部電極１１から、磁化参照層１及び磁化自由層３を介して、下部電極５へ向けて書き込み電流ＩＷＣ１を流す。この時、第６の実施の形態で記載したように（本図では第１例を示す）、磁化自由層３の面内で−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣ１を流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子には、−ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ１（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＣ１は、磁化自由層３の−ｘ方向の磁化Ｍ２に対して、−ｙ方向へ向かせるように作用する。また、書き込み電流ＩＷＣ１が磁化参照層１から磁化自由層３へ流れるとき、伝導電子が磁化自由層３から磁化参照層１へ流れる。その結果、スピントルクにより、磁化自由層３の磁化Ｍ２が磁化参照層１の磁化Ｍ０に対して平行から反平行へ遷移する。すなわち、−ｘ方向から＋ｘ方向への遷移が起こる。この時、ラシュバ磁界ＨＩＷＣ１のアシストがあるので、従来よりも低い書き込み電流ＩＷＣ１により、磁化自由層３の−ｘ方向の磁化Ｍ２が反転して、＋ｘ方向へ向くことになる。すなわち、図２８のデータ“０”の状態から、後述される図２９のデータ“１”の状態に書き込みが行われる。
【０１４４】
次に、磁気記憶素子９ａにデータ“１”が格納されている状態で、データ“０”を書き込む場合について説明する。図２９は、本発明の第６の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。図２９は、磁気記憶素子９ａにデータ“１”が格納されている状態において、データ“０”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【０１４５】
磁気記憶素子９ａにデータ“０”を書き込むためには、まず、下部電極５から、磁化自由層３及び磁化参照層１を介して、上部電極１１へ向けて、書き込み電流ＩＷＣ２を流す。この時、第６の実施の形態で記載したように（本図では第１例を示す）、磁化自由層３の面内で＋ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣ２を流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子に＋ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ２（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＣ２は、磁化自由層３の＋ｘ方向の磁化Ｍ２に対して、＋ｙ方向へ向かせるように作用する。また、書き込み電流ＩＷＣ２が磁化自由層３から磁化参照層１へ流れるとき、伝導電子が磁化参照層１から磁化自由層３へ流れる。その結果、スピントルクにより、磁化自由層３の磁化Ｍ２が磁化参照層１の磁化Ｍ０に対して反平行から平行へ遷移する。すなわち、＋ｘ方向から−ｘ方向への遷移が起こる。この時、ラシュバ磁界ＨＩＷＣ２のアシストがあるので、従来よりも低い書き込み電流ＩＷＣ２により、磁化自由層３の＋ｘ方向の磁化Ｍ２が反転して、−ｘ方向へ向くことになる。すなわち、図２９のデータ“１”の状態から、図２８のデータ“０”の状態に書き込みが行われる。
【０１４６】
なお、上記データ書き込みの方法から容易に理解できるように、磁気記憶素子９ａにデータ“０”が格納されている状態においてデータ“０”を書き込んだり、データ“１”が格納されている状態においてデータ“１”を書き込んだりする上書き動作も可能である。
【０１４７】
磁気記憶素子９ａへのデータ読み出しについては、第６の実施の形態と同様である。また、磁気メモリの構成（図２６）や、磁気メモリの書き込み動作及び読み出し動作や、それらの効果についても、第６の実施の形態と同様である。
【０１４８】
本実施の形態においても、第６の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１４９】
（第８の実施の形態）
本発明の第８の実施の形態に係る磁気メモリついて、添付図面を参照して説明する。
本実施の形態は、下地層４、磁化自由層３及びバリア層２が磁化参照層１を中心としてｘ軸方向の両側に延伸した形状を有している点で、一方側にしか延伸していない形状を有する第６の実施の形態と異なる。以下、第６の実施の形態との相違点について主に説明する。
【０１５０】
まず、本発明の第８の実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子の構成について説明する。図３０は、本発明の第８の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図である。磁気記憶素子９ｂは、下地層４と、磁化自由層３と、バリア層２と、磁化参照層１と、上部電極１１と、下部電極５ａ、５ｂとを具備している。
【０１５１】
上述のように、第６の実施の形態と異なり、下地層４、磁化自由層３及びバリア層２が磁化参照層１を中心としてｘ軸方向の両側（＋ｘ側及び−ｘ側）に延伸した形状を有している。それに伴い、下部電極５ａ、５ｂがこの延伸した両方の端部に接続されている。すなわち、下部電極５ａは、−ｘ側の延伸部分に接続されている。下部電極５ｂは、＋ｘ側の延伸部分に接続されている。下部電極５ａ、５ｂの各々は、それぞれ選択トランジスタＴｒに接続されている。本実施の形態では、この下部電極５ａ、５ｂの一方から他方へ、更に別の書き込み電流を流す。
【０１５２】
このような形状により、選択トランジスタＴｒを介して下部電極５ａ、５ｂの一方から他方へ流す書き込み電流により実効磁界（ラシュバ磁界）を制御し、上部電極１１及び下部電極５ａ、５ｂのいずれか、又は両方、の一方から他方へ流す書き込み電流によりスピントルクを制御することができる。すなわち、本実施の形態の場合には、実効磁界をスピントルクと独立に制御することができる。
【０１５３】
下地層４、磁化自由層３、バリア層２、磁化参照層１及び下部電極５ａ、５ｂの他の構成、その他の要素の構成、及び、それらの効果については、第６の実施の形態と同様である。
【０１５４】
以下、本実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子のデータ読み出し及びデータ書き込みについて説明する。ただし、説明のために、磁化参照層１の磁化Ｍ０は＋ｚ方向に固定されているものとする。また、ＭＴＪ７の磁化自由層３の磁化Ｍ１が＋ｚ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ１とが平行（低抵抗）の場合、データ“０”が格納されているものとする。また、ＭＴＪ７の磁化自由層３の磁化Ｍ１が−ｚ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ１とが反平行（高抵抗）の場合、データ“１”が格納されているものとする。
【０１５５】
磁気記憶素子９ｂへのデータ書き込みについて説明する。
まず、磁気記憶素子９ｂにデータ“０”が格納されている状態で、データ“１”を書き込む場合について説明する。図３１は、本発明の第８の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。図３１は、磁気記憶素子９ｂにデータ“０”が格納されている状態において、データ“１”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【０１５６】
磁気記憶素子９ｂにデータ“１”を書き込むためには、まず、上部電極１１から、磁化参照層１及び磁化自由層３を介して、下部電極５ａへ向けて書き込み電流ＩＷＣ１を流す。併せて、下部電極５ｂから磁化自由層３を介して下部電極５ａへ向けて書き込み電流ＩＷＲ１を流す。この時、第６の実施の形態で記載したように（本図では第１例を示す）、磁化自由層３の面内で−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＲ１を流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子に−ｙ方向に磁界ＨＩＷＲ１（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＲ１は、磁化自由層３の＋ｚ方向の磁化Ｍ１に対して、−ｙ方向へ向かせるように作用する。また、書き込み電流ＩＷＣ１が磁化参照層１から磁化自由層３へ流れるとき、伝導電子が磁化自由層３から磁化参照層１へ流れる。その結果、スピントルクにより、磁化自由層３の磁化Ｍ１が磁化参照層１の磁化Ｍ０に対して平行から反平行へ遷移する。すなわち、＋ｚ方向から−ｚ方向への遷移が起こる。この時、ラシュバ磁界ＨＩＷＲ１のアシストがあるので、従来よりも低い書き込み電流ＩＷＣ１により、磁化自由層３の＋ｚ方向の磁化Ｍ１が反転して、−ｚ方向へ向くことになる。すなわち、図３１のデータ“０”の状態から、後述される図３２のデータ“１”の状態に書き込みが行われる。
【０１５７】
次に、磁気記憶素子９ｂにデータ“１”が格納されている状態で、データ“０”を書き込む場合について説明する。図３２は、本発明の第８の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図である。図３２は、磁気記憶素子９ｂにデータ“１”が格納されている状態において、データ“０”を書き込む動作が行われている状態を示している。
【０１５８】
磁気記憶素子９にデータ“０”を書き込むためには、まず、下部電極５ａから、磁化自由層３及び磁化参照層１を介して、上部電極１１へ向けて、書き込み電流ＩＷＣ２を流す。併せて、下部電極５ａから磁化自由層３を介して下部電極５ｂへ向けて書き込み電流ＩＷＲ２を流す。この時、第６の実施の形態で記載したように（本図では第１例を示す）、磁化自由層３の面内で−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＲ２を流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化自由層３内の磁化を担う局在電子に＋ｙ方向に磁界ＨＩＷＲ２（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＲ２は、磁化自由層３の−ｚ方向の磁化Ｍ１に対して、＋ｙ方向へ向かせるように作用する。また、書き込み電流ＩＷＣ２が磁化自由層３から磁化参照層１へ流れるとき、伝導電子が磁化参照層１から磁化自由層３へ流れる。その結果、スピントルクにより、磁化自由層３の磁化Ｍ１が磁化参照層１の磁化Ｍ０に対して反平行から平行へ遷移する。すなわち、−ｚ方向から＋ｚ方向への遷移が起こる。この時、ラシュバ磁界ＨＩＷＲ２のアシストがあるので、従来よりも低い書き込み電流ＩＷＣ２により、磁化自由層３の−ｚ方向の磁化Ｍ１が反転して、＋ｚ方向へ向くことになる。すなわち、図３２のデータ“１”の状態から、図３１のデータ“０”の状態に書き込みが行われる。
【０１５９】
なお、上記データ書き込みの方法から容易に理解できるように、磁気記憶素子９ｂにデータ“０”が格納されている状態においてデータ“０”を書き込んだり、データ“１”が格納されている状態においてデータ“１”を書き込んだりする上書き動作も可能である。
【０１６０】
磁気記憶素子９ｂへのデータ読み出しについては、第６の実施の形態と同様である。
【０１６１】
図３３は、本発明の第８の実施の形態に係る磁気メモリの構成の一例を示すブロック図である。磁気メモリ５０ａは、メモリセルアレイ５１と、Ｘセレクタ５５と、Ｙセレクタ５６と、Ｙ電流源回路５７と、ビット線セレクタ５８と、ビット線電流源回路５９とを具備している。これらは、後述される機能と同様の機能を有していれば、これらに限定されるものではない。なお、本図におけるｘ、ｙ方向は、図３０〜図３２におけるｘ、ｙ方向と逆であっても良い。
【０１６２】
メモリセルアレイ５１は、複数のメモリセル１０と、複数のビット線１１と、複数の第１書き込み線１２と、複数の第２書き込み線１３、複数のワード線１４とを備えている。ワード線１４は、一端をＸセレクタ５５に接続され、ｘ方向に延在している。ビット線１１は、一端をビット線セレクタ５８に接続され、ｙ方向に延在している。第１書き込み線１２は、一端をＹ電流源回路５７に接続され、ｙ方向に延在している。第２書き込み線１３は、一端をＹセレクタ５６に接続され、ｙ方向に延在している。メモリセル１０は、一対の選択トランジスタＴｒと、磁気記憶素子９ｂとを含んでいる。一方の選択トランジスタＴｒは、ソース・ドレインの一方を第１書き込み線１２に、他方を磁気記憶素子９ｂの下部電極５ｂに、ゲートをワード線１４にそれぞれ接続されている。他方の選択トランジスタＴｒは、ソース・ドレインの一方を第２書き込み線１３に、他方を磁気記憶素子９ｂの下部電極５ａに、ゲートをワード線１４にそれぞれ接続されている。磁気記憶素子９ｂの磁化参照層１は、上部電極としてのビット線１１に接続されている。
【０１６３】
Ｘセレクタ５５は、書き込み動作及び読み出し動作のとき、複数のワード線１４から選択ワード線１４を選択する。Ｙセレクタ５６は、書き込み動作及び読み出し動作のとき、複数の第２書き込み線１３から選択第２書き込み線１３を選択する。Ｙ電流源回路５７は、書き込み動作のとき、書き込み電流ＩＷＲを供給する又は引き込む。ビット線セレクタ５８は、書き込み動作及び読み出し動作のとき、複数のビット線１１から選択ビット線１１を選択する。ビット線電流源回路５９は、ビット線セレクタ５８を介して、書き込み動作のとき、書き込み電流ＩＷＣを供給する又は引き込み、読み出し動作のとき、読み出し電流ＩＲを供給する又は引き込む。Ｘセレクタ５５と、Ｙセレクタ５６と、Ｙ電流源回路５７と、ビット線セレクタ５８と、ビット線電流源回路５９とは、書き込み対象のメモリセル１０に書き込み電流を印加する書き込み電流制御回路とみなすこともできる。
【０１６４】
このような磁気メモリは、単体メモリ（ＭＲＡＭ）として用いられても良いし、メモリ混載型マイコン（メモリ部とロジック部とを含む半導体装置（図示されず））のメモリ部として用いられても良い。
【０１６５】
次に、本発明の第８の実施の形態に係る磁気メモリの動作について説明する。書き込み動作において、まず、Ｘセレクタ５５が、選択ワード線１４を選択する。それにより、選択ワード線１４にゲートを接続された選択トランジスタＴｒがオンになる。また、Ｙセレクタが、選択第２書き込み線１３を選択する。更に、ビット線セレクタ５８が、選択ビット線１１を選択する。以上により、データを書き込む対象のメモリセル１０である書き込みセル１０が選択される。次に、Ｙ電流源回路５７が、書き込みセル１０に対応する選択第１書き込み線１２を選択し、書き込み電流ＩＷＲ１又はＩＷＲ２の供給又は引き込みを行う。このときの電流経路は、（Ｙ電流源回路５７−）選択第１書き込み線１２−書き込みセル１０−選択第２書き込み線１３−Ｙセレクタ５６となる。併せて、ビット線電流源回路５９がビット線セレクタ５８を介して、書き込み電流ＩＷＣ１又はＩＷＣ２の供給又は引き込みを行う。このときの電流経路は、（ビット線電流源回路５９−ビット線セレクタ５８−）選択ビット線１１−書き込みセル１０−選択第２書き込み線１３−Ｙセレクタ５６となる。これにより、書き込みセル１０の磁化参照層１のスピントルクによる磁化反転作用と、磁化自由層３に書き込み電流ＩＷＲ１又はＩＷＲ２が印加されることによる実効磁界ＨＩＷＲ１又はＨＩＷＲ２の作用とにより、選択された書き込みセル１０の磁化自由層３の磁化を反転させることができる。
【０１６６】
本実施の形態においては、スピントルクによる磁化反転作用を担う書き込み電流ＩＷＣ１又はＩＷＣ２と、スピン軌道相互作用を担う書き込み電流ＩＷＲ１又はＩＷＲ２とを別々に制御することができる。そのため、書き込み電流ＩＷＲ１又はＩＷＲ２を適切な値に制御することで、書き込み電流ＩＷＣ１又はＩＷＣ２をより低減することができる。
【０１６７】
次に、磁気メモリの読み出し動作について説明する。読み出し動作において、Ｘセレクタ５５が、選択ワード線１４を選択する。それにより、選択ワード線１４にゲートを接続された選択トランジスタＴｒがオンになる。また、Ｙセレクタが、選択第２書き込み線１３を選択する。更に、ビット線セレクタ５８が、選択ビット線１１を選択する。以上により、データを書き込む対象のメモリセル１０である書き込みセル１０が選択される。次に、ビット線電流源回路５９がビット線セレクタ５８を介して、読み出し電流ＩＲの供給又は引き込みを行う。このときの電流経路は、（ビット線電流源回路５９−ビット線セレクタ５８−）選択ビット線１１−書き込みセル１０−選択第２書き込み線１３−Ｙセレクタ５６となる。これにより、読み出しセル１０のＭＴＪ７に読み出し電流が流れる。これらにより、例えば、Ｙセレクタ５６に接続されたセンスアンプ（図示されず）などにより、ＭＴＪ７の抵抗が検知され、データが読み出される。
【０１６８】
本実施の形態においても、第６の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態においては、スピントルクによる磁化反転作用を担う書き込み電流と、スピン軌道相互作用を担う書き込み電流とを別々に制御することで、総合的な書き込み電流の値をより低減することができる。
【０１６９】
（第９の実施の形態）
本発明の第９の実施の形態に係る磁気メモリついて、添付図面を参照して説明する。
本実施の形態は、磁化参照層１及び磁化自由層３が、面内磁気異方性を有している点で、垂直磁気異方性を有する第８の実施の形態と異なる。以下、第８の実施の形態との相違点について主に説明する。
【０１７０】
まず、本発明の第９の実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子の構成について説明する。図３４は、本発明の第９の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図である。磁気記憶素子９ｃは、下地層４と、磁化自由層３と、バリア層２と、磁化参照層１と、上部電極１１と、下部電極５ａ、５ｂとを具備している。
【０１７１】
上述のように、第６の実施の形態と異なり、磁化参照層１及び磁化自由層３が面内磁気異方性を有している。すなわち、磁化自由層３は、面内磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化自由層３は、反転可能な磁化Ｍ２を有している。この図の例では、−ｘ方向の磁化状態と、＋ｘ方向の磁化状態とを取ることができる。磁化自由層３は、ＮｉＦｅ膜、ＣｏＦｅ膜、ＣｏＦｅＢ膜、及び、これらの積層膜に例示される。一方、磁化参照層１も、面内磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化参照層１は、磁化Ｍ０が固定されている。この図の例では、−ｘ方向に磁化Ｍ０が固定されている。磁化参照層１は、ＮｉＦｅ膜、ＣｏＦｅ膜、ＣｏＦｅＢ膜、及び、これらの積層膜に例示される。
【０１７２】
磁化参照層１及び磁化自由層３の他の構成、その他の要素の構成、及び、それらの効果については、第６の実施の形態と同様である。
【０１７３】
磁化参照層１及び磁化自由層３の他の構成、その他の要素の構成、及び、それらの効果については、第６の実施の形態と同様である。
【０１７４】
また、本実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子のデータ読み出し及びデータ書き込み、磁気メモリの構成（図３３）や、磁気メモリの書き込み動作及び読み出し動作や、それらの効果についても、第８の実施の形態と同様である。
【０１７５】
本実施の形態においても、第８の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１７６】
本発明により、磁壁の導入が不要であり、書き込み電流の小さい磁気メモリを提供できる。
【０１７７】
（第１０の実施の形態）
本実施の形態では、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の磁化自由層の磁化反転を、磁気書き込み部からの漏洩磁界で行い、かつ、磁気書き込み部の漏洩磁界をスピン軌道相互作用に基づく実効磁界（ラシュバ磁界：後述）を用いて作り出すことにより、書き込み電流を低減している。
【０１７８】
まず、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子の構成について説明する。図３５Ａ〜図３５Ｂは、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す正面図及び側面図である。磁気記憶素子９は、磁気トンネル結合部２１と、磁気書き込み部２２と、上部電極１１と、下部電極８ａ、８ｂとを具備している。
【０１７９】
磁気トンネル結合部２１は、磁化の方向によりデータを記憶する。磁気トンネル結合部２１は、磁化自由層３と、バリア層２と、磁化参照層１とを備えている。磁化自由層３は、反転可能な磁化Ｍ１を有している。バリア層２は、磁化自由層３上に設けられている。磁化参照層１は、バリア層２上に設けられ、固定された磁化Ｍ０を有している。磁化自由層３と、バリア層２と、磁化参照層１とは、ＭＴＪ（磁気トンネル接合）２１を構成している。磁気トンネル結合部２１は、磁化自由層３の磁化Ｍ１の向きと磁化参照層１の磁化Ｍ０の向きとの相対的な関係によりデータを記憶する。磁化自由層３の磁化Ｍ１は、磁気書き込み部２２の漏洩磁界により変更される。その詳細は後述される。
【０１８０】
磁気書き込み部２２は、磁気トンネル結合部２１の近傍に設けられている。磁気書き込み部２２は、磁化自由層３の磁化反転を担う漏洩磁界を発生する。磁気書き込み部２２は、シード層７と、磁化書き込み層６と、キャップ層５とを備えている。シード層７は、基板（図示されず）の表面（ｘｙ平面）に平行に設けられている。磁化書き込み層６は、シード層７を覆うように、その上側（＋ｚ側）に設けられている。キャップ層５は、磁化書き込み層６を覆うように、その上側（＋ｚ側）に設けられている。なお、磁気書き込み部２２は、その上側（＋ｚ側）に設けられる磁気トンネル接合部２１の下地として、下地層４を備えていても良い。下地層４は、キャップ層５を覆うように、その上側（＋ｚ側）に設けられる。
【０１８１】
なお、磁気トンネル結合部２１において、磁化自由層３と磁化参照層１との上下の配置関係は逆であっても良い。また、磁気書き込み部２２と磁気トンネル結合部２１との上下の配置関係も逆であっても良い。
【０１８２】
上部電極１１は、磁化参照層１と接続されている。上部電極１１は、ビット線に例示される。下部電極８ａはシード層７の一方側（−ｘ側）の端部の下側（−ｚ側）に、下部電極８ｂはシード層７の他方側（＋ｘ側）の端部の下側（−ｚ側）にそれぞれ接続されている。下部電極８ａ、８ｂは、それぞれ選択トランジスタＴｒ（図示されず）に接続され、シード層７を介して磁化書き込み層６にその一方から他方へ電流を印加することができる。
【０１８３】
シード層７は、磁化書き込み層６においてラシュバ磁界（後述）を発生させるべく、キャップ層５の材料とは異なる材料（又は異なる膜厚）で形成される。また、下部電極８ａ、８ｂと磁化書き込み層６との間に設けられることから、電流が通過容易なように導電性の膜（例示：金属膜）であることが好ましい。ただし、磁化書き込み層６ではなくシード層７に選択的に書き込み電流が流れる、ということが無いような材質であることが好ましい。シード層７は、Ｔａ膜、Ｐｔ膜、Ｃｒ膜、Ｔｉ膜、及び、これらの積層膜に例示される。なお、シード層７が十分薄ければ、電流通過に支障が無いため非導電性の膜（例示：絶縁膜）であっても良い。
【０１８４】
磁化書き込み層６は、垂直磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化書き込み層６は、概ね一様でラシュバ磁界によりその方向が変動可能な磁化Ｍ２を有している。この図の例では、概ね＋ｚ方向の磁化方向を有しているが、多少±ｙ方向の成分をもつように磁化方向を変動可能である。磁化書き込み層６は、ほぼ一様に磁化されている。すなわち、磁化書き込み層６には、実質的に磁壁がない。磁化書き込み層６は、Ｃｏ膜、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、ＣｏＦｅＢ膜、ＦｅＰｔ膜、ＣｏＰｔ系合金膜に例示される。磁化自由層３は、ラシュバ磁界を発生させるべく、極めて薄く形成することが好ましい。例えば、約０．５ｎｍ〜約１．５ｎｍが好ましい。０．５ｎｍ未満は成膜の制御が困難である。この膜厚は、通常のＭＴＪにおける磁化自由層（又はフリー層）の数ｎｍ程度（例示：約５ｎｍ）に比較して数分の１という薄さである。あるいは、通常のＭＴＪにおけるバリア層と同程度である。
【０１８５】
キャップ層５は、磁化書き込み層６においてラシュバ磁界を発生させるべく、シード層７の材料とは異なる材料（又は異なる膜厚）で形成される。シード層７が導電性の膜（例示：金属膜）である場合、キャップ層５としては非導電性の膜（例示：絶縁膜）であることが好ましい。キャップ層５は、Ａｌ２Ｏ３膜、ＭｇＯ膜、及びその他の酸化物に例示される。なお、シード層７が非導電性の膜であれば、キャップ層５は導電性の膜であることが好ましい。
【０１８６】
磁化自由層３は、面内磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化自由層３は、磁化Ｍ１が反転可能である。この図の例では、＋ｙ方向の磁化状態と−ｙ方向の磁化状態を取ることができる。磁化自由層３は、ＮｉＦｅ膜、ＣｏＦｅ膜、ＣｏＦｅＢ膜、ＮｉＦｅＣｏ膜、及び、これらの積層膜に例示される。磁化自由層３の磁化容易軸をｙ方向にする方法としては形状異方性を用いる方法、すなわち、磁化自由層３の長軸をｙ方向にする方法、結晶磁気異方性、歪誘導磁気異方性を用いる方法がある。なお、磁化容易軸の方向は正確にｙ方向である必要はなく、例えば、ｙ軸と４５度をなす面内方向であってもよい。
【０１８７】
磁化参照層１は、面内磁気異方性を有する強磁性膜である。磁化参照層１は、磁化Ｍ０が固定されている。この図の例では、−ｙ方向に磁化Ｍ０が固定されている。磁化参照層１は、磁化自由層３と同様の材料が用いられ、更にＰｔＭｎ膜、ＩｒＭｎ膜、ＦｅＭｎ膜、ＮｉＯ膜などの反強磁性材料により磁化の固定化がなされる。また、磁化参照層１はＣｏＦｅ膜などの磁性層をＲｕ膜などを介して積層した積層フェリ構造とすることもできる。この積層フェリ構造は磁化参照層１からの漏洩磁界を低減するために有用である。ＮｉＦｅ膜、ＣｏＦｅ膜、ＣｏＦｅＢ膜、ＮｉＦｅＣｏ膜、及び、これらの積層膜に例示される。
【０１８８】
磁化自由層３の下地層４としては、Ｔａ膜などが例示される。ただし、下地層４を設けなくても良い。更に必要に応じて上部電極１１と磁気トンネル接合部２１との間に金属層を挿入することも可能である。
【０１８９】
磁気記憶素子９では、磁化書き込み層６の両側の界面が異なる構造を有している。この図の例では、磁化書き込み層６の下側（−ｚ側）の界面にはシード層７が結合し、上側（＋ｚ側）の界面にはシード層７と異なる材料を用いたキャップ層５が結合している。すなわち、磁化書き込み層６において、ｚ方向に関して空間的な対称性が破れている。このような場合、磁化書き込み層６に面内方向（例示：ｘ方向）に電流を流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化書き込み層６内の磁化を担う局在電子には、その電流の方向（ｘ方向）とこの対称性の破れている方向（ｚ方向）との外積の方向、すなわち、ｙ方向に実効磁界が発生する。この実効磁界はラシュバ磁界と呼ばれている。
【０１９０】
本実施の形態では、このラシュバ磁界で磁化書き込み層６の磁化方向を変動させ、磁化自由層３の磁化を反転させる。すなわち、磁気トンネル結合部２１へのデータの書き込みを行う。したがって、磁化書き込み層６を流れる電流が書き込み電流となる。この実効磁界を発生させる効果は、シード層７及びキャップ層５のいずれか一方を酸化物とすることにより大きくすることができる。例えば、シード層７／磁化書き込み層６／キャップ層５＝Ｐｔ膜／Ｃｏ膜／ＡｌＯｘ膜の構成では、このスピン軌道相互作用に基づく実効磁界は１０８Ａ／ｃｍ２あたりｋＯｅオーダーと大きいことが知られている。従って、書き込み電流を低減することが可能になる。
【０１９１】
以下、本実施の形態に係る磁気メモリの磁気記憶素子のデータ読み出し及びデータ書き込みについて説明する。ただし、説明のために、磁化参照層１の磁化Ｍ０は−ｙ方向に固定されているものとする。また、磁気トンネル接合部２１の磁化自由層３の磁化Ｍ１が−ｙ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ１とが平行（低抵抗）の場合、データ“０”が格納されているものとする。また、磁化自由層３の磁化Ｍ１が＋ｙ方向、すなわち、磁化参照層１の磁化Ｍ０と磁化自由層３の磁化Ｍ１とが反平行（高抵抗）の場合、データ“１”が格納されているものとする。
【０１９２】
磁気記憶素子９へのデータ書き込みについて説明する。
まず、磁気記憶素子９にデータ“１”を書き込む場合について説明する。図３６Ａ〜図３６Ｂは、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図及び側面図である。図３６Ａ〜図３６Ｂは、磁気記憶素子９にデータ“１”を書き込む動作が行われた後の状態を示している。
【０１９３】
磁気記憶素子９にデータ“１”を書き込むためには、まず、下部電極８ｂから磁化書き込み層６を介して下部電極８ａへ向けて、−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣ１を流す。この時、既述のように、磁化書き込み層６の下側（−ｚ側）の界面にはシード層７が結合し、上側（＋ｚ側）の界面にはキャップ層５が結合しているというように、磁化書き込み層６の両側の界面が異なる構造を有している。すなわち、磁化書き込み層６において、ｚ方向に関して空間的な対称性が破れている。そのため、磁化書き込み層６の面内で−ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣ１を流すと、スピン軌道相互作用のために、磁化書き込み層６内の磁化を担う局在電子には、その書き込み電流ＩＷＣ１の方向（ｘ方向）とこの対称性の破れている方向（ｚ方向）との外積の方向（ｙ方向）に磁界ＨＩＷＣ１（ラシュバ磁界）が印加される。例えば、下地層４／磁化自由層３／バリア層２＝Ｐｔ／Ｃｏ／ＡｌＯｘとしたとき、−ｘ方向に書き込み電流ＩＷＣ１を流した場合、＋ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ１（ラシュバ磁界）が発生する。ただし、−ｙ方向か＋ｙ方向かは材料系に依存している。本図の例では、−ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ１（ラシュバ磁界）が発生する例を示している。この磁界ＨＩＷＣ１は、磁化書き込み層６の＋ｚ方向の磁化Ｍ２に対して、−ｙ方向へ向かせるように作用する。その結果、磁化書き込み層６の＋ｚ方向の磁化Ｍ２が−ｙ方向に傾く（−ｙ方向の成分を有する）ようになる。それにより、磁化書き込み層６の−ｙ方向の側面に磁極（＋）が発生する。この磁極による漏洩磁界ＨＬ１、言い換えると、この磁極と磁化自由層３の磁化Ｍ１との静磁結合により、ｙ方向に磁化容易軸を持つ磁化自由層３の磁化Ｍ１を反転させることが可能になる。このようにして、図３６Ａ〜図３６Ｂのデータ“１”の状態に書き込みが行われる。
【０１９４】
次に、磁気記憶素子９にデータ“０”を書き込む場合について説明する。図３７Ａ〜図３７Ｂは、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気記憶素子のデータ書き込み方法を示す正面図及び側面図である。図３７Ａ〜図３７Ｂは、磁気記憶素子９にデータ“０”を書き込む動作が行われた後の状態を示している。
【０１９５】
磁気記憶素子９にデータ“０”を書き込むためには、まず、下部電極８ａから磁化書き込み層６を介して下部電極８ｂへ向けて、＋ｘ方向の書き込み電流ＩＷＣ２を流す。この時、上述のように（本図では−ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ１が発生する例）、スピン軌道相互作用のために、磁化書き込み層６内の磁化を担う局在電子に＋ｙ方向に磁界ＨＩＷＣ２（ラシュバ磁界）が印加される。この磁界ＨＩＷＣ２は、磁化書き込み層６の＋ｚ方向の磁化Ｍ２に対して、＋ｙ方向へ向かせるように作用する。その結果、磁化書き込み層６の＋ｚ方向の磁化Ｍ２が＋ｙ方向に傾く（＋ｙ方向の成分を有する）ようになる。それにより、磁化書き込み層６の＋ｙ方向の側面に磁極（＋）が発生する。この磁極による漏洩磁界ＨＬ２、言い換えると、この磁極と磁化自由層３の磁化Ｍ１との静磁結合により、ｙ方向に磁化容易軸を持つ磁化自由層３の磁化Ｍ１を反転させることが可能になる。このようにして、図３７Ａ〜図３７Ｂのデータ“０”の状態に書き込みが行われる。
【０１９６】
なお、上記データ書き込みの方法から容易に理解できるように、磁気記憶素子９にデータ“０”が格納されている状態においてデータ“０”を書き込んだり、データ“１”が格納されている状態においてデータ“１”を書き込んだりする上書き動作も可能である。なお、電流ＩＷＣの方向と磁化Ｍ２の傾く方向との関係はシード層７及びキャップ層５の材料の選択に依存する。
【０１９７】
次に、磁気記憶素子９へのデータ読み出しについて説明する。データ読み出しは、磁化自由層３、バリア層２及び磁化参照層１で構成される磁気トンネル接合部２１（ＭＴＪ）に対する通常の読み出し方法と同様である。例えば、上部電極１１と下部電極８ａとの間、すなわち磁気トンネル接合部２１に定電流の読み出し電流を流す。そして、読み出し電流により生じた上部電極１１と下部電極８ａとの間の電圧と参照電圧との比較により、磁気トンネル接合部２１の磁気抵抗の大きさ、すなわち磁化自由層３の磁化の向きであるデータを読み出す。
【０１９８】
なお、磁化書き込み層６の平面形状としては、長方形の他に、楕円型、オーバル型、それらの長手方向の一部が窪んだ形状などを用いることができる。その際、磁化書き込み層６の磁化の方向は完全に一様に一方向に向いているわけではないが、明確な磁壁がないという意味で、本実施の形態では一様に磁化していると記すことにする。
【０１９９】
図３８は、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気メモリの構成の一例を示すブロック図である。磁気メモリ５０は、メモリセルアレイ５９と、Ｘセレクタ５１と、Ｙ電流源回路５４と、Ｙセレクタ及び電源回路５６と、ＧＮＤ（接地）５７とを具備している。これらは、後述される機能と同様の機能を有していれば、これらに限定されるものではない。
【０２００】
メモリセルアレイ５９は、複数のメモリセル１０と、複数のビット線１１と、複数の第１書き込み線１２と、複数の第２書き込み線１３と、複数のワード線１４とを備えている。ワード線１４は、一端をＸセレクタ５１に接続され、ｘ方向に延在している。ビット線１１は、一端をＧＮＤ（接地）５７に接続され、ｙ方向に延在している。第１書き込み線１２は、一端をＹ電流源回路５４に接続され、ｙ方向に延在している。第２書き込み線１３は、一端をＹセレクタ及び電源回路５６に接続され、ｙ方向に延在している。複数のメモリセル１０は、複数のワード線１４と複数のビット線１１との交点の各々に対応して、行列状に配置されている。メモリセル１０は、二つの選択トランジスタＴｒと、磁気記憶素子９とを含んでいる。一方の選択トランジスタＴｒは、ソース・ドレインの一方を第１書き込み線１２に、他方を磁気記憶素子９の下部電極８ａに、ゲートをワード線１４にそれぞれ接続されている。他方の選択トランジスタＴｒは、ソース・ドレインの一方を第２書き込み線１３に、他方を磁気記憶素子９の下部電極８ｂに、ゲートをワード線１４にそれぞれ接続されている。磁気記憶素子９の磁化参照層１は、上部電極としてのビット線１１に接続されている。
【０２０１】
Ｘセレクタ５１は、書き込み動作及び読み出し動作のとき、複数のワード線１４から選択ワード線１４を選択する。Ｙセレクタ及び電源回路５６は、書き込み動作及び読み出し動作のとき、複数の第２書き込み線１３から選択第２書き込み線１３を選択し、書き込み電流ＩＷＣ１の供給、及び、読み出し電流ＩＲの供給又は引き込みを行う。Ｙ電流源回路５４は、書き込み動作のとき、複数の第１書き込み線１２から選択第１書き込み線１２を選択し、書き込み電流ＩＷＣ２の供給を行う。Ｘセレクタ５１と、Ｙ電流源回路５４と、Ｙセレクタ及び電源回路５６と（、ＧＮＤ（接地）５７）とは、書き込み対象のメモリセル１０に書き込み電流を印加する書き込み電流制御回路とみなすこともできる。
【０２０２】
このような磁気メモリは、単体メモリ（ＭＲＡＭ）として用いられても良いし、メモリ混載型マイコン（メモリ部とロジック部とを含む半導体装置（図示されず））のメモリ部として用いられても良い。
【０２０３】
次に、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気メモリの動作について説明する。書き込み動作において、まず、Ｘセレクタ５１が選択ワード線１４を選択する。それにより、選択ワード線１４にゲートを接続された選択トランジスタＴｒがオンになる。次に、Ｙセレクタ及び電源回路５６が選択第２書き込み線１３を選択する。更に、Ｙ電流源回路５４が選択第１書き込み線１２を選択する。以上により、データを書き込む対象のメモリセル１０である書き込みセル１０が選択される。続いて、Ｙセレクタ及び電源回路５６が、書き込みセル１０に対して書き込み電流ＩＷＣ１の供給を行う。又は、Ｙ電流源回路５４が、書き込みセル１０に対して書き込み電流ＩＷＣ２の供給を行う。これらの場合での電流経路は、Ｙセレクタ及び電源回路５６−選択第２書き込み線１３−書き込みセル１０−選択第１書き込み線１２−Ｙ電流源回路５４となる。これにより、書き込みセル１０の磁化書き込み層６に書き込み電流ＩＷＣ１又は書き込み電流ＩＷＣ２が印加され、実効磁界ＨＩＷＣ１又は実効磁界ＨＩＷＣ２が印加される。そして、これらに基づく磁化書き込み層６の漏洩磁界ＨＬ１又はＨＬ２により、選択され書き込みセル１０の磁化自由層３の磁化を反転させることができる。本回路構成においては半選択の問題は生じない。
【０２０４】
次に、磁気メモリの読み出し動作について説明する。読み出し動作において、Ｘセレクタ５１が選択ワード線１４を選択する。それにより、選択ワード線１４にゲートを接続された選択トランジスタＴｒがオンになる。次に、Ｙセレクタ及び電源回路５６が選択第２書き込み線１３を選択する。以上により、データを読み出す対象のメモリセル１０である読み出しセル１０が選択される。Ｙセレクタ及び電源回路５６は、読み出し電流ＩＲの供給又は引き込みを行う。このときの電流経路は、Ｙセレクタ及び電源回路５６−選択第２書き込み線１３−読み出しセル１０−ビット線１１−ＧＮＤ（接地）５７である。これにより、読み出しセル１０の磁気トンネル接合部２１に読み出し電流が流れる。これらにより、例えば、Ｙセレクタ電源回路５６の先に接続されたセンスアンプ（図示されず）などにより、磁気トンネル接合部２１の抵抗が検知され、データが読み出される。
【０２０５】
次に、本実施の形態に係る磁気記憶素子の変形例について説明する。図３９は、本発明の第１０の実施の形態に係る磁気記憶素子の変形例の構成を示す部分側面図である。この図は、磁気記憶素子９のうち磁気書き込み部２２の部分のみを示している。磁気書き込み部２２は、複数の磁気書き込み部２２−１、…、２２−（ｎ−１）、２２−ｎ（ｎは自然数）を備えている。各磁気書き込み部２２−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、シード層７、磁化書き込み層６、及びキャップ層５を含んでいる。このように、磁気書き込み部２２がシード層／磁化書込み層／キャップ層を複数回積層した構造を有することにより、磁気書き込み部２２の磁気モーメントが増加するため、ラシュバ効果が働いたときの漏洩磁界の総量を増加させることができる。その結果、磁化自由層３を反転し易くすることができる。
【０２０６】
本発明の原理、すなわち、スピン軌道相互作用による磁化書き込み層６の磁化変化を磁化自由層３の磁化反転に用いることは、上述の１軸書込み方式だけではなく、２軸書込み方式、あるいは、スピン注入書込み方式における補助磁界にも応用できることは言うまでもない。例えば、ＭＴＪの上下に２つの磁気書き込み部２２を設けることにより、低電流の２軸書込み方式が実現できる。また、磁化書き込み層２２と磁化自由層３の結合は上述の静磁的なものに限定されず、例えば、強磁性結合を用いることもできる。
【０２０７】
本発明により、磁壁の導入が不要であり、書き込み電流の小さい磁気メモリを提供できる。
【０２０８】
第６〜第９の実施の形態の構成をまとめると、以下のようになる。ただし、第６〜第９の実施の形態はこの例に限定されるものではない。
（１）下地層と、
前記下地層を覆うように設けられ、反転可能な磁化を有し、ほぼ一様に磁化された磁化自由層と、
前記磁化自由層を覆うように設けられ、前記下地層の材料と異なる材料で形成されたバリア層と、
前記磁化自由層の一方の端部に対応する前記バリア層の端部に設けられ、固定された磁化を有する磁化参照層と
を具備し、
前記磁化自由層の磁化を反転させるとき、前記磁化参照層を介して、前記磁化自由層の面内方向に前記一方の端部から他方の端部へ第１書き込み電流を流す
磁気メモリ。
（２）上記（１）に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化自由層の前記他方の端部に対応する前記下地層の端部に設けられた第１電極を更に具備し、
前記第１書き込み電流は、前記磁化自由層をその面内方向に通り、前記磁化参照層及び前記第１電極のいずれか一方から他方へ流れる
磁気メモリ。
（３）上記（２）に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化参照層及び前記磁化自由層は垂直磁気異方性を有する
磁気メモリ。
（４）上記（２）の磁気メモリにおいて、
前記磁化参照層及び前記磁化自由層は面内磁気異方性を有し、
前記磁化自由層の膜厚方向のベクトルと、前記第１書き込み電流の方向のベクトルとの外積は、前記磁化自由層の磁化の方向と平行な成分を有する
磁気メモリ。
（５）上記（１）に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化自由層の前記一方の端部及び前記他方の端部に対応する前記下地層の一方の端部及び他方の端部に設けられた第１電極及び第２電極を更に具備し、
前記磁化自由層の磁化を反転させるとき、前記第１書き込み電流に加えて、前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方から他方へ流れる第２書き込み電流を流す
磁気メモリ。
（６）上記（５）に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化参照層及び前記磁化自由層は垂直磁気異方性を有する
磁気メモリ。
（７）上記（５）に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化参照層及び前記磁化自由層は面内磁気異方性を有し、
前記磁化自由層の膜厚方向のベクトルと、前記第１書き込み電流の方向のベクトルとの外積は、前記磁化自由層の磁化の方向と平行な成分を有する
磁気メモリ。
【０２０９】
第１０の実施の形態の構成をまとめると、以下のようになる。ただし、第１０の実施の形態はこの例に限定されるものではない。
（１）磁気トンネル結合部と、
前記磁気トンネル結合部の近傍に設けられた磁気書き込み部と
を具備し、
前記磁気トンネル結合部は、
反転可能な磁化を有する磁化自由層と、
前記磁化自由層上に設けられたバリア層と、
前記バリア層上に設けられ、固定された磁化を有する磁化参照層と
を備え、
前記磁気書き込み部は、
シード層と、
前記シード層を覆うように設けられ、ほぼ一様に磁化された磁化書き込み層と、
前記磁化書き込み層を覆うように設けられ、前記シード層の材料と異なる材料で形成されたキャップ層と
を備え、
前記磁化自由層の磁化を反転させるとき、前記磁化書き込み層の面内方向に一方の端部から他方の端部へ書き込み電流を流す
磁気メモリ。
（２）上記（１）に記載の磁気メモリにおいて、
前記シード層の両端に設けられた第１電極及び第２電極を更に具備し、
前記書き込み電流は前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方から他方へ流れる
磁気メモリ。
（３）上記（１）又は（２）に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化自由層及び前記磁化参照層は面内磁気異方性を有し、
前記磁化書き込み層は垂直磁気異方性を有する
磁気メモリ。
（４）上記（３）に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化自由層と前記磁化書込み層とは磁気的に磁結合し、
前記磁化自由層は前記磁化書込み層からの漏洩磁界により反転可能である
磁気メモリ。
（５）上記（１）乃至（４）のいずれか一項に記載の磁気メモリにおいて、
前記シード層及び前記キャップ層のいずれか一方は金属材料を含み、他方は酸化物材料
を含む
磁気メモリ。
（６）上記（１）乃至（５）のいずれか一項に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁気書き込み部は、前記シード層、前記磁化書込み層及び前記キャップ層が複数回積層されている
磁気メモリ。
【０２１０】
本発明の磁気メモリは、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に例示され、単体メモリだけではなく、メモリ混載型マイコン（メモリ部とロジック部とを含む半導体装置（図示されず））等にも用いることができる。
【０２１１】
本発明はいくつかの実施の形態と併せて上述されたが、これらの実施の形態は本発明を説明するために単に提供されたものであることは当業者にとって明らかであり、意義を限定するように添付のクレームを解釈するために頼ってはならない。
【０２１２】
本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。また、各実施の形態に記載された技術は、矛盾の発生しない限り、他の実施の形態に適用可能である。
【０２１３】
この出願は、２０１１年３月２２日に出願された特許出願番号２０１１−０６１９３０号の日本特許出願、２０１１年３月２２日に出願された特許出願番号２０１１−０６１９３９号の日本特許出願、及び２０１１年３月３０日に出願された特許出願番号２０１１−０７６３６１号の日本特許出願に基づいており、その出願による優先権の利益を主張し、その出願の開示は、引用することにより、そっくりそのままここに組み込まれている。
【図１Ａ】
2012127722.tif 000003
【図１Ｂ】
2012127722.tif 000004
【図１Ｃ】
2012127722.tif 000005
【図２Ａ】
2012127722.tif 000006
【図２Ｂ】
2012127722.tif 000007
【図２Ｃ】
2012127722.tif 000008
【図３Ａ】
2012127722.tif 000009
【図３Ｂ】
2012127722.tif 000010
【図３Ｃ】
2012127722.tif 000011
【図４】
2012127722.tif 000012
【図５】
2012127722.tif 000013
【図６】
2012127722.tif 000014
【図７Ａ】
2012127722.tif 000015
【図７Ｂ】
2012127722.tif 000016
【図８Ａ】
2012127722.tif 000017
【図８Ｂ】
2012127722.tif 000018
【図８Ｃ】
2012127722.tif 000019
【図９Ａ】
2012127722.tif 000020
【図９Ｂ】
2012127722.tif 000021
【図１０Ａ】
2012127722.tif 000022
【図１０Ｂ】
2012127722.tif 000023
【図１１Ａ】
2012127722.tif 000024
【図１１Ｂ】
2012127722.tif 000025
【図１１Ｃ】
2012127722.tif 000026
【図１２Ａ】
2012127722.tif 000027
【図１２Ｂ】
2012127722.tif 000028
【図１２Ｃ】
2012127722.tif 000029
【図１３Ａ】
2012127722.tif 000030
【図１３Ｂ】
2012127722.tif 000031
【図１３Ｃ】
2012127722.tif 000032
【図１４】
2012127722.tif 000033
【図１５Ａ】
2012127722.tif 000034
【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
2012127722.tif 000039
【図１７Ａ】
2012127722.tif 000040
【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
2012127722.tif 000042
【図１８Ａ】
2012127722.tif 000043
【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
2012127722.tif 000046
【図１９Ａ】
2012127722.tif 000047
【図１９Ｂ】
2012127722.tif 000048
【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
2012127722.tif 000050
【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
2012127722.tif 000067
【図３５Ａ】
2012127722.tif 000068
【図３５Ｂ】
2012127722.tif 000069
【図３６Ａ】
2012127722.tif 000070
【図３６Ｂ】
2012127722.tif 000071
【図３７Ａ】
2012127722.tif 000072
【図３７Ｂ】
2012127722.tif 000073
【図３８】
2012127722.tif 000074
【図３９】
2012127722.tif 000075
【手続補正書】
【提出日】平成26年1月21日(2014.1.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地層と、
前記下地層を覆うように設けられ、反転可能な磁化を有し、ほぼ一様に磁化された磁化自由層と、
前記磁化自由層を覆うように設けられ、前記下地層の材料と異なる材料で形成されたバリア層と、
前記バリア層上に設けられ、固定された磁化を有する磁化参照層と
を具備し、
前記磁化自由層の磁化を反転させるとき、前記磁化参照層を介さずに、前記磁化自由層をその面内方向に一方の端部から他方の端部へ第１書き込み電流を流し、
前記磁化自由層は垂直磁気異方性を有し、
前記磁化自由層は、前記第１書き込み電流が前記磁化自由層内で不均一に分布する形状を有する
磁気メモリ。
【請求項２】
下地層と、
前記下地層を覆うように設けられ、反転可能な磁化を有し、ほぼ一様に磁化された磁化自由層と、
前記磁化自由層を覆うように設けられ、前記下地層の材料と異なる材料で形成されたバリア層と、
前記バリア層上に設けられ、固定された磁化を有する磁化参照層と
を具備し、
前記磁化自由層の磁化を反転させるとき、前記磁化参照層を介さずに、前記磁化自由層をその面内方向に一方の端部から他方の端部へ第１書き込み電流を流し、
前記磁化自由層は垂直磁気異方性を有し、
前記磁化自由層は、前記磁化自由層の一部に反転核が生成しやすい領域を有する
磁気メモリ。
【請求項３】
下地層と、
前記下地層を覆うように設けられ、反転可能な磁化を有し、ほぼ一様に磁化された磁化自由層と、
前記磁化自由層を覆うように設けられ、前記下地層の材料と異なる材料で形成されたバリア層と、
前記バリア層上に設けられ、固定された磁化を有する磁化参照層と、
前記下地層の両端に設けられた第１電極及び第２電極と
を具備し、
前記磁化自由層の磁化を反転させるとき、前記磁化参照層を介さずに、前記磁化自由層をその面内方向に一方の端部から他方の端部へ第１書き込み電流を流し、
前記第１書き込み電流は前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方から他方へ流れ、
前記第１電極及び前記第２電極は、前記磁化自由層に対して非対称に設けられている
磁気メモリ。
【請求項４】
下地層と、
前記下地層を覆うように設けられ、反転可能な磁化を有し、ほぼ一様に磁化された磁化自由層と、
前記磁化自由層を覆うように設けられ、前記下地層の材料と異なる材料で形成されたバリア層と、
前記バリア層上に設けられ、固定された磁化を有する磁化参照層と
を具備し、
前記磁化自由層の磁化を反転させるとき、前記磁化参照層を介さずに、前記磁化自由層をその面内方向に一方の端部から他方の端部へ第１書き込み電流を流し、
前記磁化自由層は、磁化容易軸が、前記磁化自由層の膜面に対して垂直と面内との中間に向いている
磁気メモリ。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁化自由層は、垂直異方性材料膜と面内異方性材料膜とを積層させた積層膜である
磁気メモリ。
【国際調査報告】
2012127722.tif 000076
2012127722.tif 000077
2012127722.tif 000078
2012127722.tif 000079