(57)【要約】  本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁化自由層１と、非磁性層２を介して磁化自由層１に接続された磁化固定層３とを備える。磁化自由層１は、磁化反転領域１３と、第１磁化固定領域１１と、第２磁化固定領域１２とを含む。反転可能な磁化を有する磁化反転領域１３は、磁化固定層３とオーバーラップする。第１固定磁化を有する第１磁化固定領域１１は、磁化反転領域１３の一端１３ａに接続される。第２固定磁化を有する第２磁化固定領域１２は、磁化反転領域１３の他端１３ｂに接続される。第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３は１つの三叉路を形成し、第２磁化固定領域１２と磁化反転領域１３は他の三叉路を形成する。
2008072421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化自由層と、
非磁性層を介して前記磁化自由層に接続され、磁化の向きが固定された磁化固定層と
を備え、
前記磁化自由層は、
前記磁化固定層とオーバーラップし、反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、
前記磁化反転領域の磁化容易軸方向の一端に接続され、第１固定磁化を有する第１磁化固定領域と、
前記磁化反転領域の磁化容易軸方向の他端に接続され、第２固定磁化を有する第２磁化固定領域と
を含み、
前記第１磁化固定領域と前記磁化反転領域は１つの三叉路を形成し、
前記第２磁化固定領域と前記磁化反転領域は他の三叉路を形成する
磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求の範囲１に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化固定領域は、
前記磁化容易軸に対して９０度以上の角度をなす第１広角部と、
前記磁化容易軸に対して９０度以下の角度をなす第１狭角部と
を有し、
前記第２磁化固定領域は、
前記磁化容易軸に対して９０度以上の角度をなす第２広角部と、
前記磁化容易軸に対して９０度以下の角度をなす第２狭角部と
を有する
磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求の範囲２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１固定磁化は、前記第１広角部から前記第１狭角部へ向かう方向に固定され、
前記第２固定磁化は、前記第２広角部から前記第２狭角部へ向かう方向に固定された
磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求の範囲２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１固定磁化は、前記第１狭角部から前記第１広角部へ向かう方向に固定され、
前記第２固定磁化は、前記第２狭角部から前記第２広角部へ向かう方向に固定された
磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求の範囲３又は４に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域は、前記磁化反転領域を挟んで鏡面対称である
磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求の範囲２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域は、前記磁化反転領域を中心として回転対称である
磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求の範囲２乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
データ書き込み時、書き込み電流が、前記磁化自由層内において、前記第１広角部から前記磁化反転領域を通って前記第２広角部に流される
磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求の範囲１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化反転領域、前記非磁性層、及び前記磁化固定層の積層方向は、第１方向であり、
前記磁化反転領域、前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域は、前記第１方向に直角な同一平面上に形成された
磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求の範囲１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化反転領域、前記非磁性層、及び前記磁化固定層の積層方向は、第１方向であり、
前記磁化反転領域は、前記第１方向に直角な第１平面上に形成され、
前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域は、それぞれ前記第１平面とは異なる平面上に形成された
磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
請求の範囲１乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１固定磁化の向きを固定するように前記第１磁化固定領域と磁気的に結合する第１強磁性体と、
前記第２固定磁化の向きを固定するように前記第２磁化固定領域と磁気的に結合する第２強磁性体と
を更に備える
磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
請求の範囲１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化反転領域は、
前記一端と前記他端との中央に対して前記一端側に位置し、前記中央での断面積と異なる断面積を有する第１領域と、
前記中央に対して前記他端側に位置し、前記中央での断面積と異なる断面積を有する第２領域と
を含む
磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
請求の範囲１乃至１１のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化自由層は、磁気的に結合した複数の強磁性層を備えており、
前記複数の強磁性層のうち少なくとも１つが、前記磁化反転領域、前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域を有する
磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを具備し、
前記複数の磁気メモリセルの各々は、
請求の範囲１乃至１２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、
データ書き込み時、書き込み電流を前記磁化自由層に供給するためのトランジスタと
を備える
ＭＲＡＭ。
【請求項１４】
請求の範囲１３に記載のＭＲＡＭであって、
前記データ書き込み時、前記書き込み電流の供給と同時に、外部磁界が前記磁化反転領域に印加される
ＭＲＡＭ。
【請求項１５】
請求の範囲１４に記載のＭＲＡＭであって、
前記磁化自由層に対して前記書き込み電流を供給するための配線を更に具備し、
前記データ書き込み時、前記配線を流れる前記書き込み電流により、前記外部磁界が同時に生成される
ＭＲＡＭ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００６年１２月１２日に出願された日本国特許出願２００６−３３４２５９に基づいており、優先権の利益を主張する。当該特許出願の開示内容は全て、参照することによりここに組み込まれる。【０００２】
本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気抵抗効果素子をメモリセルとして用いる磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM: Magnetic Random Access Memory）に関する。特に、本発明は、磁壁移動方式に基づくＭＲＡＭ、及びそのＭＲＡＭで用いられる磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＭＲＡＭは、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。ＭＲＡＭにおいては、ＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance）効果などの磁気抵抗効果を示す「磁気抵抗効果素子」が、メモリセルとして利用される。その磁気抵抗効果素子には、例えばトンネルバリヤ層が２層の強磁性体層で挟まれた磁気トンネル接合（MTJ: Magnetic Tunnel Junction）が形成される。その２層の強磁性体層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層：pinned layer）と、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層：free layer）から構成される。【０００４】
磁化固定層と磁化自由層の磁化の向きが“反平行”である場合のＭＴＪの抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値（Ｒ）よりも大きくなることが知られている。室温でのＭＲ比（＝ΔＲ／Ｒ）は、数１０〜数１００％になる。ＭＲＡＭのメモリセルは、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。データの読み出しは、ＭＴＪを貫通するように読み出し電流を流し、ＭＴＪの抵抗値を測定することにより行なわれる。一方、データの書き込みは、磁化自由層の磁化の向きを反転させることによって行われる。【０００５】
代表的なデータ書き込み方式として、「電流磁界方式」が知られている。電流磁界方式によれば、磁気抵抗効果素子の近傍に配置された書き込み配線に書き込み電流が流される。そして、その書き込み電流により発生する書き込み磁界が磁化自由層に印加され、それにより磁化自由層の磁化の向きが変化させられる。この時、１ｍＡの書き込み電流により発生する磁界は、数Ｏｅ〜十数Ｏｅ程度である。一方、熱擾乱（ディスターバンス）による記憶データの書き換えを防止するためには、磁化自由層の磁化反転に必要な反転磁界は、数十Ｏｅ程度に設計されることが望ましい。従って、１ｍＡ以下の書き込み電流でデータ書き込みを実現することは非常に難しい。この点において、電流磁界方式のＭＲＡＭは、他のＲＡＭよりも不利である。更に、磁気抵抗効果素子のサイズにほぼ反比例して、磁化自由層の磁化反転に必要な反転磁界は大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加してしまうという問題点がある。【０００６】
特開２００５−１５０３０３号公報には、電流磁界方式のＭＲＡＭに関して、熱擾乱耐性を向上させ、且つ、反転磁界を低減することを目的とした技術が記載されている。当該技術に係る磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性層／トンネルバリヤ層／第２の強磁性層の３層構造を含む強磁性トンネル接合を有する。第１の強磁性層は、第２の強磁性層よりも保磁力が大きい。更に、第２の強磁性層の端部の磁化が、第２の強磁性層の磁化容易軸方向と直交する成分を持つ方向に固着されている。【０００７】
最近、電流磁界方式に代わるデータ書き込み方式として、スピン注入（spin transfer）を利用した「スピン注入方式」が提案されている。例えば、特開２００５−１９１０３２号公報や文献（M. Hosomi et al., "A Novel Nonvolatile Memory with Spin Torque Transfer Magnetization Switching: Spin-RAM", International Electron Devices Meeting (IEDM), Technical Digest, pp.459-562, 2005.）を参照されたい。スピン注入方式によれば、磁化自由層にスピン偏極電流（spin-polarized current）が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する。その磁化反転は電流密度が大きいほど起こりやすくなるため、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、書き込み電流を低減させることが可能となる。【０００８】
文献（M. Hosomi et al., "A Novel Nonvolatile Memory with Spin Torque Transfer Magnetization Switching: Spin-RAM", International Electron Devices Meeting (IEDM), Technical Digest, pp.459-562, 2005.）に記載されたスピン注入方式によれば、ＭＴＪを貫通するように書き込み電流が流される。つまり、当該技術に係るスピン注入方式は、所謂ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）方式により実現されており、以下「垂直スピン注入方式」と参照される。垂直スピン注入方式では、磁化固定層と同じスピン状態を有するスピン偏極電子が、磁化固定層から磁化自由層へ供給される、あるいは、磁化自由層から磁化固定層に引き抜かれる。その結果、スピントランスファー効果により、磁化自由層の磁化が反転する。このように、ＭＴＪを貫通する書き込み電流の方向により、磁化自由層の磁化方向を規定することができる。更に、メモリセルの微細化に伴い、書き込み電流を小さくすることも可能である。【０００９】
但し、垂直スピン注入方式では、読み出し電流より大きい書き込み電流がＭＴＪを貫通するため、次のような問題が生ずると考えられる。ＭＴＪのトンネルバリヤ層としては一般的には絶縁膜が用いられ、その絶縁膜の耐圧の限界から書き込み電流の上限値が決まってしまう。このことは、書き込みの観点から好ましくない。一方で、その上限値を増加させるためにトンネルバリヤ層の抵抗値を低くすると、読み出し信号が小さくなってしまう。このことは、読み出しの観点から好ましくない。すなわち、書き込みは、磁化反転が起こる電流以上、読み出しの制約を満たす絶縁膜の耐圧以下というマージン内で行わなければならず、これは不利である。更に、書き込み動作のたびに絶縁膜に書き込み電流を流すことは、素子の耐久性の観点からも好ましくない。【００１０】
一方、特開２００５−１９１０３２号公報に記載されたスピン注入方式によれば、書き込み電流はＭＴＪを貫通せず、磁化自由層内で平面的に流される。このようなスピン注入方式は、以下「水平スピン注入方式」と参照される。より詳細には、当該技術に係る磁化自由層は、トンネルバリヤ層と重なる接合部、接合部の両端に隣接するくびれ部、及びくびれ部に隣接形成された一対の磁化固定部を有する。一対の磁化固定部には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。その結果、磁化自由層は、上記接合部内に磁壁（Domain Wall）を有することになる。【００１１】
このように構成された磁化自由層内で、書き込み電流が平面的に流される。この時、一対の磁化固定部は、異なるスピン偏極電子の供給源としての役割を果たす。書き込み電流の方向は書き込みデータに応じて制御され、その方向に応じて、いずれかの磁化固定部から接合部にスピン偏極電子が供給される。その結果、スピントランスファー効果により、磁化自由層の磁化が反転する。この磁化反転は、上述の磁壁の位置の変化を意味する。すなわち、書き込み電流の方向に応じて、磁壁が一対のくびれ部間を移動する。その意味で、特開２００５−１９１０３２号公報に記載されたような水平スピン注入方式を、「磁壁移動方式」と呼ぶこともできる。【００１２】
このような電流駆動磁壁移動（Current-Driven Domain Wall Motion）は、強磁性体細線中で実際に観測されている（Yamaguchi et. al., "Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires", PRL, vol. 92, pp. 077205-1, 2004、参照）。磁壁を有する幅数十ナノメートル〜数マイクロメートルの磁性細線に磁壁を横切るような電流が流れたとき、伝導電子の持つスピン磁気モーメントによって磁壁が動かされる。磁壁移動に必要な電流値も、素子の微細化に伴い小さくなる。従って、磁壁移動を利用した水平スピン注入方式（磁壁移動方式）は、大容量・低電流動作ＭＲＡＭを実現するために非常に重要な技術である。
【発明の開示】
【００１３】
本願発明者は、次の点に着目した。特開２００５−１９１０３２号公報に記載された技術によれば、磁化自由層は、磁化方向が可変な接合部の両側に一対の磁化固定部を有している。それら一対の磁化固定部は、異なるスピン偏極電子の導入源であり、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。そして、それら接合部と一対の磁化固定部は、直線状に配置されている。そのため、データ書き込み時、スピン偏極電子が過剰に導入されると、磁壁が一方の磁化固定部に侵入してしまう可能性がある。それは、一方の磁化固定部の磁化方向が乱れることを意味する。最悪の場合、一方の磁化固定部の磁化方向が完全に反転してしまい、磁壁が消滅してしまう。このように、上記技術では、書き込み電流が供給される際に、磁化固定部の磁化が不安定になる可能性があった。
【００１４】
本発明の１つの目的は、磁壁移動方式に基づく新たな磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭを提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、磁化自由層に書き込み電流が供給される際に、その磁化自由層中の磁化固定領域の磁化をより安定的に保持することができる技術を提供することにある。
【００１６】
本発明の第１の観点において、磁壁移動方式に基づく磁気抵抗効果素子が提供される。その磁気抵抗効果素子は、磁化自由層と、非磁性層を介して磁化自由層に接続された磁化固定層とを備える。磁化自由層は、磁化反転領域と、第１磁化固定領域と、第２磁化固定領域とを含む。磁化反転領域は、磁化固定層とオーバーラップしており、また、反転可能な磁化を有する。第１磁化固定領域は、磁化反転領域の磁化容易軸方向の一端に接続され、第１固定磁化を有する。第２磁化固定領域は、磁化反転領域の磁化容易軸方向の他端に接続され、第２固定磁化を有する。第１磁化固定領域と磁化反転領域は１つの三叉路を形成し、第２磁化固定領域と磁化反転領域は他の三叉路を形成する。
【００１７】
本発明の第２の観点において、磁壁移動方式に基づくＭＲＡＭが提供される。そのＭＲＡＭは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを具備する。複数の磁気メモリセルの各々は、上記磁気抵抗効果素子と、書き込み電流を磁化自由層に供給するためのトランジスタとを備える。
【００１８】
本発明に係る磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭによれば、磁化自由層に書き込み電流が供給される際に、その磁化自由層中の磁化固定領域の磁化を安定的に保持することが可能となる。その結果、書き込み電流の大きさとして許される上限値が上昇し、書き込みマージンが広がる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、第１の実施例に係る磁気抵抗効果素子の磁化自由層の構造を示す平面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、第１の実施例に係る磁気抵抗効果素子の磁化自由層の構造を示す平面図である。
【図３】図３は、第１の実施例に係る磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みを説明するための図である。
【図４Ａ】図４Ａは、第１の実施例に係る磁化自由層の変形例を示す平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、第１の実施例に係る磁化自由層の他の変形例を示す平面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、第１の実施例に係る磁化自由層の更に他の変形例を示す平面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、第１の実施例に係る磁化自由層の更に他の変形例を示す平面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、磁化自由層に含まれる磁化反転領域の形状の一例を示す平面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、磁化自由層に含まれる磁化反転領域の形状の他の例を示す平面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、磁化自由層に含まれる磁化反転領域の形状の更に他の例を示す平面図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施例に係る磁気抵抗効果素子の磁化自由層の構造を示す平面図である。
【図７】図７は、第２の実施例に係る磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みを説明するための図である。
【図８】図８は、本発明の第３の実施例に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。
【図９】図９は、本発明の第４の実施例に係る磁気抵抗効果素子群の配置例を示す平面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第５の実施例に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、第５の実施例に係る磁気抵抗効果素子の変形例を示す側面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、第５の実施例に係る磁気抵抗効果素子の他の変形例を示す側面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第６の実施例に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、第６の実施例に係る磁気抵抗効果素子の変形例を示す側面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、第６の実施例に係る磁気抵抗効果素子の他の変形例を示す側面図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施例に係る磁気メモリセルの一例を示す回路図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施例に係るＭＲＡＭの構成を概略的に示す回路図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
添付図面を参照して、本発明の実施例に係る磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭを説明する。【００２１】
１．第１の実施例
１−１．構造
図１は、第１の実施例に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。磁気抵抗効果素子は、磁化自由層１、トンネルバリヤ層２、及び磁化固定層３が順に積層された積層構造を有している。図１において、その積層方向が「Ｚ方向」として定義されている。つまり、各層の主面に直角な方向がＺ方向である。各層は、Ｚ方向に直角なＸＹ面上に形成されている。【００２２】
磁化自由層（フリー層）１は、強磁性層を含んでいる。また、後に詳しく説明されるように、磁化自由層１は、磁化の向きが反転可能な領域を有している。【００２３】
トンネルバリヤ層２は、非磁性層である。例えば、トンネルバリヤ層２は、絶縁膜で形成されている。このトンネルバリヤ層２は、磁化自由層１と磁化固定層３に挟まれている。図１において、トンネルバリヤ層２は、磁化自由層１と同じ幅を有しているが、磁化固定層３と同じ幅を有していてもよい。あるいは、トンネルバリヤ層２の幅は、磁化固定層３と同じ幅から磁化自由層１と同じ幅に途中で変化していてもよい。【００２４】
磁化固定層（ピン層）３は、トンネルバリヤ層２に接触する強磁性層を含んでおり、その磁化の向きは、図示されない反強磁性層等によって面内の一方向に固定されている。例えば図１において、トンネルバリヤ層２に接触する磁化固定層３の磁化の向きは、＋Ｘ方向に固定されている。尚、磁化固定層３は、複数の強磁性層が非磁性層を介して磁気的に結合した積層構造を有していてもよい。その場合、例えば、隣接する強磁性層同士は非磁性層を介して反強磁性的に結合している。これにより、磁化固定層３からの漏れ磁界が低減され、また、固定磁化もより強固となる。【００２５】
このように、磁化自由層１及び磁化固定層３は、トンネルバリヤ層２を介して接続されている。それら磁化自由層１、トンネルバリヤ層２、及び磁化固定層３によって、ＭＴＪが形成されている。このようなＭＴＪに加え、電極層やキャップ層（図示されない）が磁気抵抗効果素子に設けられる。【００２６】
図２Ａは、本実施例に係る磁化自由層１の構造を詳細に示す平面図である。図２Ａに示されるように、本実施例に係る磁化自由層１は、第１磁化固定領域１１、第２磁化固定領域１２、及び磁化反転領域１３を含んでいる。それら第１磁化固定領域１１、第２磁化固定領域１２、及び磁化反転領域１３は、同一のＸＹ面上に形成されている。【００２７】
磁化反転領域１３は、トンネルバリヤ層２に接触する領域であり、磁化固定層３（図２Ａ中、破線で示されている）とオーバーラップしている。すなわち、磁化自由層１の磁化反転領域１３、トンネルバリヤ層２、及び磁化固定層３によって、ＭＴＪが形成されている。この磁化反転領域１３の長手方向、すなわち、磁化容易軸は、Ｘ方向に一致している。磁化反転領域１３の磁化の向きは反転可能であり、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向になることが許される。言い換えれば、磁化反転領域１３の磁化方向は、磁化固定層３の磁化方向と「平行」あるいは「反平行」になることができる。【００２８】
第１磁化固定領域１１は、磁化反転領域１３のＸ方向（磁化容易軸方向）の一端（第１端）１３ａに接続されている。言い換えれば、第１磁化固定領域１１の側部と、磁化反転領域１３の第１端１３ａが接触している。すなわち、第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３により、１つの三叉路が形成されている。一方、第２磁化固定領域１２は、磁化反転領域１３のＸ方向の他端（第２端）１３ｂに接続されている。言い換えれば、第２磁化固定領域１２の側部と、磁化反転領域１３の第２端１３ｂが接触している。すなわち、第２磁化固定領域１２と磁化反転領域１３により、別の三叉路が形成されている。【００２９】
より詳細には、図２Ｂに示されるように、第１磁化固定領域１１は、Ｘ軸に交差するＳ軸に沿って形成されている。このとき、上記三叉路において、Ｘ軸とＳ軸との交差により広角と狭角が形成される。第１磁化固定領域１１のうち広角側に延びる部分は、以下「第１広角部１１ａ」と参照され、狭角側に延びる部分は、以下「第１狭角部１１ｂ」と参照される。第１広角部１１ａは、磁化反転領域１３の磁化容易軸に対して、９０度以上の角度をなしている。一方、第１狭角部１１ｂは、磁化反転領域１３の磁化容易軸に対して、９０度以下の角度をなしている。【００３０】
同様に、第２磁化固定領域１２は、Ｘ軸に交差するＴ軸に沿って形成されている。このとき、上記三叉路において、Ｘ軸とＴ軸との交差により広角と狭角が形成される。第２磁化固定領域１２のうち広角側に延びる部分は、以下「第２広角部１２ａ」と参照され、狭角側に延びる部分は、以下「第２狭角部１２ｂ」と参照される。第２広角部１２ａは、磁化反転領域１３の磁化容易軸に対して、９０度以上の角度をなしている。一方、第２狭角部１２ｂは、磁化反転領域１３の磁化容易軸に対して、９０度以下の角度をなしている。【００３１】
第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の磁化は、磁気異方性により、それぞれ長手方向に沿って固定されている。例えば図２Ａ及び図２Ｂにおいて、第１磁化固定領域１１の磁化（第１固定磁化）は、第１広角部１１ａから第１狭角部１１ｂへ向かう方向に固定されており、第２磁化固定領域１２の磁化（第２固定磁化）は、第２広角部１２ａから第２狭角部１２ｂへ向かう方向に固定されている。あるいは、第１磁化固定領域１１の磁化は、第１狭角部１１ｂから第１広角部１１ａへ向かう方向に固定され、第２磁化固定領域１２の磁化は、第２狭角部１２ｂから第２広角部１２ａへ向かう方向に固定されてもよい。いずれの場合でも、固定磁化のＸ成分は、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２とで逆になっている。【００３２】
尚、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の磁化の向きを安定的に固定するために、図示されないピニング層が用いられてもよい。その場合、第１ピニング層が、第１磁化固定領域１１の近傍に、あるいは、第１磁化固定領域１１に隣接して設けられる。第１ピニング層は、強磁性体あるいは反強磁性体で形成され、第１磁化固定領域１１と磁気的に結合している。また、第２ピニング層が、第２磁化固定領域１２の近傍に、あるいは、第２磁化固定領域１２に隣接して設けられる。第２ピニング層は、強磁性体あるいは反強磁性体で形成され、第２磁化固定領域１２と磁気的に結合している。磁気的な結合としては、交換結合や静磁結合が挙げられる。【００３３】
１−２．動作原理
図３は、本実施例に係る磁化自由層１が取り得る２種類の磁化状態を示している。磁化反転領域１３の磁化の向きが−Ｘ方向である場合、つまり、その向きが磁化固定層３の磁化の向き（＋Ｘ方向）と反平行である場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きい。この反平行状態が、例えばデータ“１”に対応付けられている。一方、磁化反転領域１３の磁化の向きが＋Ｘ方向である場合、つまり、その向きが磁化固定層３の磁化の向き（＋Ｘ方向）と平行である場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的小さい。この平行状態が、例えばデータ“０”に対応付けられている。【００３４】
データ“１”の場合、磁化反転領域１３の磁化（−Ｘ方向）は、第２磁化固定領域１２の第２広角部１２ａから連続的につながる。第１磁化固定領域１１の磁化は、三叉路において＋Ｘ方向の成分を有しているため、磁壁ＤＷが、磁化反転領域１３の第１端１３ａに存在することになる。一方、データ“０”の場合、磁化反転領域１３の磁化（＋Ｘ方向）は、第１磁化固定領域１１の第１広角部１１ａから連続的につながる。第２磁化固定領域１２の磁化は、三叉路において−Ｘ方向の成分を有しているため、磁壁ＤＷが、磁化反転領域１３の第２端１３ｂに存在することになる。このように、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２とで固定磁化のＸ成分が逆になっているため、磁化自由層１内に磁壁ＤＷが導入される。そして、その磁壁ＤＷの位置によって、データ“１”と“０”が区別され得る。尚、それら２つの状態は、エネルギー的には等価である。【００３５】
データの読み出しは、ＭＴＪの抵抗値を検出することによって行なわれる。具体的には、ＭＴＪを貫通するように、読み出し電流が磁化固定層３と磁化自由層１との間に流される。その読み出し電流に基づいてＭＴＪの抵抗値が検出され、データ“１”あるいは“０”がセンスされる。【００３６】
データの書き込みは、「水平スピン注入方式」により行なわれる。すなわち、書き込み電流は、ＭＴＪを貫通せず、磁化自由層１内で平面的に流される。具体的には、本実施例によれば、書き込み電流は、一方の磁化固定領域の広角部から、磁化反転領域１３を通って、他方の磁化固定領域の広角部へと流される。この時、第１磁化固定領域１１の第１広角部１１ａは、＋Ｘ方向の磁気モーメントを有する電子（＋Ｘ方向スピン偏極電子）を磁化反転領域１３に供給するスピン供給源としての役割を果たす。一方、第２磁化固定領域１２の第２広角部１２ａは、−Ｘ方向の磁気モーメントを有する電子（−Ｘ方向スピン偏極電子）を磁化反転領域１３に供給するスピン供給源としての役割を果たす。【００３７】
例えば、記憶データが“１”から“０”へ書き換えられる時、書き込み電流が、第２広角部１２ａから第１広角部１１ａへ流される。この場合、図３に示されるように、電子は、第１広角部１１ａから第２広角部１２ａに流れる。この時、第１広角部１１ａから磁化反転領域１３に、＋Ｘ方向スピン偏極電子が流れ込む。その結果、スピントランスファー効果により、磁化反転領域１３の磁化が＋Ｘ方向に反転する。一方、記憶データが“０”から“１”へ書き換えられる時、書き込み電流が、第１広角部１１ａから第２広角部１２ａへ流される。この場合、電子は、第２広角部１２ａから第１広角部１１ａに流れる。この時、第２広角部１２ａから磁化反転領域１３に、−Ｘ方向スピン偏極電子が流れ込む。その結果、スピントランスファー効果により、磁化反転領域１３の磁化が−Ｘ方向に反転する。このように、磁化自由層１中を流れる書き込み電流の方向を制御することにより、データ書き込みを実現することが可能である。【００３８】
データ書き込みは、磁壁移動の観点から述べることもできる。データ“１”から“０”への書き換え時、＋Ｘ方向スピン偏極電子が、磁壁ＤＷを通って磁化反転領域１３に流れ込む。その結果、磁壁ＤＷは、第１端１３ａから＋Ｘ方向に移動し、第２端１３ｂへ到達する。一方、データ“０”から“１”への書き換え時、−Ｘ方向スピン偏極電子が、磁壁ＤＷを通って磁化反転領域１３に流れ込む。その結果、磁壁ＤＷは、第２端１３ｂから−Ｘ方向に移動し、第１端１３ａへ到達する。本実施例において、データ書き込みは、「磁壁移動方式」によって実現されていると言える。【００３９】
尚、広角部１１ａ、１２ａや狭角部１１ｂ、１２ｂと磁化反転領域１３とのなす角度が９０度であっても、上述の書き込みが可能であることが確認されている。但し、広角部１１ａ、１２ａと磁化反転領域１３とのなす角度が９０〜１８０度の範囲内で大きくなるにつれて、磁壁移動に寄与するスピン成分が増加する。その結果、書き込み効率が向上し、書き込み電流をより低減することが可能となる。その意味で、広角部１１ａ、１２ａと磁化反転領域１３とのなす角度は、図面で示されているように９０度より大きいことが好適である。【００４０】
本実施例によれば、磁化固定領域１１、１２の各々と磁化反転領域１３とで三叉路が形成されるため、磁化自由層１は、書き込み電流の流れない狭角部１１ｂ、１２ｂを有している。これら狭角部１１ｂ、１２ｂの役割は、次の通りである。【００４１】
その説明のため、狭角部１１ｂ、１２ｂが存在しない場合を考える。その場合、スピン偏極電子が過剰に供給されると、磁壁ＤＷが、磁化反転領域１３の端部を超えて、一方の磁化固定領域の広角部に侵入してしまう可能性がある。最悪の場合、磁壁ＤＷが、一方の磁化固定領域の端部にまで到達し、広角部の磁化の向きが完全に反転しまう。つまり、磁化自由層１の磁化が、一方の広角部から磁化反転領域１３を通って他方の広角部まで連続的につながってしまう。そうなると、逆方向に電子を流しても、磁化反転領域１３はもはや反転しなくなる。このように、狭角部１１ｂ、１２ｂが存在しない場合、書き込み電流が供給される際に、磁化固定領域１１、１２の固定磁化が不安定になる可能性がある。【００４２】
本実施例によれば、第１磁化固定領域１１の広角部１１ａは、書き込み電流の流れない狭角部１１ｂから磁気的な影響を受ける。広角部１１ａの磁化は、狭角部１１ｂの磁化と連続的につながっており、その狭角部１１ｂの磁化によって安定化されている。従って、データ書き込み時、磁壁ＤＷは、広角部１１ａに侵入しにくくなり、磁化反転領域１３の端部付近で停止する。言い換えれば、狭角部１１ｂにより、広角部１１ａにおける磁壁移動が防止される。狭角部１２ｂに関しても同様である。このように、磁化固定領域１１、１２の各々と磁化反転領域１３とで三叉路を形成することによって、磁化固定領域１１、１２の磁化を安定的に保持することが可能となる。このことは、書き込み電流の大きさとして許される上限値が上昇し、書き込みマージンが広がることを意味する。【００４３】
１−３．磁化自由層の様々な形状
図４Ａ〜図４Ｄは、既出の図２Ｂに対応する図であり、磁化自由層１の様々な変形例を示している。いずれの変形例においても、磁化自由層１は、第１磁化固定領域１１、第２磁化固定領域１２、及び磁化反転領域１３を有している。第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３は三叉路を形成しており、第１磁化固定領域１１は、広角部１１ａと狭角部１１ｂを含んでいる。また、第２磁化固定領域１２と磁化反転領域１３も三叉路を形成しており、第２磁化固定領域１２は、広角部１２ａと狭角部１２ｂを含んでいる。各領域の幅や長さ、角度は、任意に設計され得る。【００４４】
図２Ａで示された例と同様に、いずれの変形例においても、三叉路における固定磁化のＸ成分は、第１広角部１１ａと第２広角部１２ａとで逆になっている。従って、図３で示された手法により、データ書き込みを実現することが可能である。尚、図２Ａ、図４Ａ〜図４Ｄに示された例では、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２は、磁化反転領域１３を挟んで鏡面対称となっている。このことは、データ“１”書き込み時とデータ“０”書き込み時との間で、スピン偏極電子の注入効率がバランスし、書き込み効率のばらつきが抑えられるという点で好適である。【００４５】
１−４．磁化反転領域の様々な形状
図５Ａ〜図５Ｃは、磁化自由層１の磁化反転領域１３の様々な変形例を示している。いずれの変形例においても、磁化反転領域１３は、中央部に対して第１端１３ａ側に位置する第１領域Ｂ１と、中央部に対して第２端１３ｂ側に位置する第２領域Ｂ２とを含んでいる。第１領域Ｂ１及び第２領域Ｂ２の断面積は、中央部の断面積と異なっている。エネルギーの観点から言えば、磁壁ＤＷは、その面積が小さいほど安定となる。【００４６】
図５Ａに示された例では、第１領域Ｂ１と第２領域Ｂ２の側部に凹部が形成されている。そのため、第１領域Ｂ１と第２領域Ｂ２の断面積は、中央部の断面積よりも小さい。結果として、データ書き込み時、磁壁ＤＷは、第１領域Ｂ１あるいは第２領域Ｂ２で止まりやすくなる。図５Ｂに示された例では、第１領域Ｂ１と第２領域Ｂ２の側部に凸部が形成されている。そのため、第１領域Ｂ１と第２領域Ｂ２の断面積は、中央部の断面積よりも大きい。結果として、データ書き込み時、磁壁ＤＷは、第１領域Ｂ１あるいは第２領域Ｂ２の手前で止まりやすくなる。図５Ｃに示された例では、中央部が、第１領域Ｂ１及び第２領域Ｂ２よりも太くなっている。この場合、磁壁ＤＷが中央部付近で停止することが防止される。このように、磁化反転領域１３に第１領域Ｂ１と第２領域Ｂ２を設けることによって、動作特性が向上する。【００４７】
１−５．材料
磁化自由層１及び磁化固定層３の材料として、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、またはそれらを主成分とする合金を用いることができる。特に、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏが望ましい。また、これら磁性体に非磁性元素を添加することにより、磁気特性、結晶性、機械的特性、化学的特性などの特性を調整してもよい。添加される非磁性元素としては、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｐ（リン）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｏ（モリブテン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）などが挙げられる。その場合、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｚｒ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどの材料が例示される。【００４８】
磁化自由層１は、磁壁が移動する層であり、スムーズな磁壁移動を実現できる結晶構造を有することが好適である。格子欠陥や粒界等は、スムーズな磁壁移動を妨げるピニングサイトとなる。従って、磁化自由層１は、アモルファス構造や単結晶構造といった、ピンニングサイトを多く含まない構造を有することが望ましい。アモルファス構造は、磁性材料にＰ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃなどを添加したり、窒素雰囲気中で成膜を行ったり、成膜レートをコントロールしたり、あるいは基板を冷却して成膜したりするなどして実現できる。また、基板を加熱して成膜したり、結晶成長のためのシード層を適切に選択したりすることによって、単結晶性を高めることも可能である。【００４９】
一方、磁化固定層３に関しては、磁化反転を防止するために、保持力の大きな材料が用いられることが望ましい。また、読み出し動作時に広い動作マージン、高い信号雑音比（ＳＮ比）を得るためには、高いＭＲ比が得られる磁性材料を選択することが望ましい。具体的には、磁化固定層３の材料として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはそれらからなる合金が選択されるとよい。そのような磁性材料に４ｄ、５ｄ遷移金属元素や希土類元素などを添加することにより、その磁気特性を調整することができる。【００５０】
トンネルバリヤ層２の材料として、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの絶縁体を用いることができる。また、トンネルバリヤ層２の材料として、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｎ（亜鉛）などの非磁性金属を用いることもできる。【００５１】
１−６．効果
本実施例により得られる主な効果は、次の通りである。【００５２】
まず、データ書き込みがスピン注入方式で行われるため、素子の微細化に伴って、書き込み電流をより小さくすることが可能である。言い換えれば、データ書き込みに必要な最低限の電流値がより小さくなる。これは、書き込みマージンが広くなることを意味する。【００５３】
また、データ書き込みが水平スピン注入方式で行われるため、書き込み電流はＭＴＪを貫通しない。書き込み毎に書き込み電流をトンネルバリヤ層２に流す必要がないため、トンネルバリヤ層２の劣化が抑制される。更に、読み出し特性がトンネルバリヤ層２を含むＭＴＪの性質に依存するのに対し、書き込み特性は磁化自由層１の性質だけに依存する。従って、読み出し特性と書き込み特性をほぼ独立して設計することが可能となる。言い換えれば、読み出し特性に大きく制約されることなく、書き込み特性を設計することが可能となる。すなわち、書き込み特性の設計自由度が向上する。このことも、書き込みマージンの拡大に寄与する。【００５４】
更に、本実施例によれば、磁化固定領域１１、１２の各々と磁化反転領域１３とにより三叉路が形成されている。そのため、磁化自由層１は、狭角部１１ｂ、１２ｂを有することになる。上述の通り、それら狭角部１１ｂ、１２ｂは、広角部１１ａ、１２ａの磁化を安定化させる役割を果たし、磁壁ＤＷが広角部１１ａ、１２ａに侵入することを防止する。すなわち、磁化自由層１に書き込み電流が供給される際に、磁化固定領域１１、１２の磁化を安定的に保持することが可能となる。このことは、書き込み電流の大きさとして許される上限値が上昇し、書き込みマージンが広がることを意味する。【００５５】
２．第２の実施例
第２の実施例において、第１の実施例における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。【００５６】
図６は、第２の実施例に係る磁化自由層１の構造を示す平面図である。本実施例において、第１磁化固定領域１１が形成されるＳ軸と、第２磁化固定領域１２が形成されるＴ軸はほぼ平行である。そして、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２は、磁化反転領域１３を中心として回転対称である。第１磁化固定領域１１の広角部１１ａが第２磁化固定領域１２の狭角部１２ｂと対向しており、第１磁化固定領域１１の狭角部１１ｂが第２磁化固定領域１２の広角部１２ａと対向している。【００５７】
第１磁化固定領域１１の磁化（第１固定磁化）の固定方向、及び第２磁化固定領域１２の磁化（第２固定磁化）の固定方向は、第１の実施例と同様である。つまり、第１固定磁化は、第１広角部１１ａから第１狭角部１１ｂへ向かう方向に固定され、第２固定磁化は、第２広角部１２ａから第２狭角部１２ｂへ向かう方向に固定されている（図６参照）。あるいは、第１固定磁化は、第１狭角部１１ｂから第１広角部１１ａへ向かう方向に固定され、第２固定磁化は、第２狭角部１２ｂから第２広角部１２ａへ向かう方向に固定されてもよい。いずれの場合でも、三叉路における固定磁化のＸ成分は、第１広角部１１ａと第２広角部１２ａとで逆になっている。但し、第１の実施例はと異なり、第１固定磁化の向きと第２固定磁化の向きは反平行である。【００５８】
図７は、本実施例に係る磁化自由層１が取り得る２種類の磁化状態を示している。データ書き込みは、第１の実施例と同様に行われる。すなわち、書き込み電流は、磁化自由層１内で、一方の広角部から他方の広角部へと流される。例えば、記憶データが“１”から“０”へ書き換えられる時、電子は、第１広角部１１ａから第２広角部１２ａに流れる。これにより、磁壁ＤＷが第１端１３ａから＋Ｘ方向に移動し、第２端１３ｂへ到達する。一方、記憶データが“０”から“１”へ書き換えられる時、電子は、第２広角部１２ａから第１広角部１１ａに流れる。これにより、磁壁ＤＷは、第２端１３ｂから−Ｘ方向に移動し、第１端１３ａへ到達する。【００５９】
本実施例に係る構造によっても、第１の実施例の場合と同じ効果が得られる。尚、磁化自由層１の形状として、図４Ａ〜図４Ｄで示された変形例に類似した変形例が考えられる。また、磁化反転領域１３として、図５Ａ〜図５Ｃで示された様々な変形例が適用されてもよい。【００６０】
３．第３の実施例
第３の実施例において、既出の実施例における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。【００６１】
図８は、第３の実施例に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施例によれば、磁化自由層１は、磁気的に結合した複数の強磁性層を備えている。例えば図８において、磁化自由層１は、第１磁化自由層１ａ、非磁性層２０、及び第２磁化自由層１ｂが順に積層された積層構造を有している。このうち第２磁化自由層１ｂが、トンネル絶縁層２と接触している。第１磁化自由層１ａと第２磁化自由層１ｂは、非磁性層２０を介して接続されており、互いに強磁性的あるいは反強磁性的に結合している。【００６２】
磁化自由層１ａ、１ｂのうち少なくとも１つが、既出の実施例で示された磁化固定領域１１、１２及び磁化反転領域１３を有している。例えば、磁化自由層１ａ、１ｂの両方が、磁化固定領域１１、１２及び磁化反転領域１３を有していてもよい。書き込み電流は、磁化自由層１ａ、１ｂの両方に流されてもよいし、一方にだけ流されてもよい。一方の磁化自由層にだけ書き込み電流が流される場合、その磁化反転領域１３の磁化が反転すると、他方の磁化自由層の磁化反転領域１３の磁化も同時に反転する。【００６３】
図８に示された例では、第１磁化自由層１ａが、磁化固定領域１１、１２及び磁化反転領域１３を有しており、第２磁化自由層１ｂは磁化反転領域１３だけを有している。その場合、書き込み電流は、第１磁化自由層１ａにだけ流される。第１磁化自由層１ａの磁化反転領域１３の磁化が反転すると、第２磁化自由層１ｂの磁化反転領域１３の磁化も同時に反転する。書き込み特性は、第１磁化自由層１ａにだけ依存する。一方、第２磁化自由層１ｂは、トンネルバリヤ層２及び磁化固定層３と共にＭＴＪを形成しており、読み出し特性に寄与する。従って、書き込み特性と読み出し特性をそれぞれ独立に制御することが可能である。第１磁化自由層１ａを磁壁移動に適した材料で形成することにより、書き込み特性を最適化することができる。一方、第２磁化自由層１ｂをＭＲ比の大きい材料で形成することにより、読み出し特性を向上させることができる。これらは、水平スピン注入方式だからこそ得られる効果である。【００６４】
また、図８において、非磁性層２０は、第１磁化自由層１ａと同じ幅を有しているが、第２磁化自由層１ｂと同じ幅を有していてもよい。あるいは、非磁性層２０の幅は、第２磁化自由層１ｂと同じ幅から第１磁化自由層１ａと同じ幅に途中で変化していてもよい。この非磁性層２０は、磁壁が移動する第１磁化自由層１ａを、製造プロセス中の酸化やエッチングによるダメージから保護する役割を果たし得る。その観点からは、図８に示されたように、非磁性層２０が第１磁化自由層１ａの表面を完全に覆うように形成されることが好適である。【００６５】
４．第４の実施例
図９は、複数の磁気抵抗効果素子の配置の一例を示す平面図である。図９において、複数の磁気抵抗効果素子（ビット）がアレイ状に配置されている。また、隣接する磁気抵抗効果素子の間で、磁化自由層１の磁化固定領域同士が磁気的に結合している。これにより、磁化固定領域１１、１２の固定磁化を更に安定化することが可能となる。【００６６】
５．第５の実施例
第５の実施例において、既出の実施例における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。【００６７】
図１０は、第５の実施例に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施例において、磁化自由層１は平面的ではなく立体的な形状を有しており、磁化固定領域１１、１２及び磁化反転領域１３は、同一平面上に形成されていない。例えば図１０において、磁化反転領域１３はＸＹ面上に形成されているが、磁化固定領域１１、１２は、ＹＺ面に近い面上に形成されている。【００６８】
図１０には、磁化自由層１のＸＺ面形状の一例が示されているが、そのＸＺ面形状としては、既出の実施例と同様に、様々な変形例が考えられ得る。本実施例に係る磁化自由層１は、図２Ａ、図２Ｂ、図４Ａ〜図４Ｄ、図６で示された磁化自由層１のＸＹ面形状と同様のＸＺ面形状を持ち得る。また、磁化反転領域１３として、図５Ａ〜図５Ｃで示された様々な変形例が適用されてもよい。【００６９】
このような構成においても、第１磁化固定領域１１の磁化（第１固定磁化）の固定方向、及び第２磁化固定領域１２の磁化（第２固定磁化）の固定方向は、既出の実施例と同様である。つまり、第１固定磁化は、第１広角部１１ａから第１狭角部１１ｂへ向かう方向に固定され、第２固定磁化は、第２広角部１２ａから第２狭角部１２ｂへ向かう方向に固定される。あるいは、図１０に示されるように、第１固定磁化は、第１狭角部１１ｂから第１広角部１１ａへ向かう方向に固定され、第２固定磁化は、第２狭角部１２ｂから第２広角部１２ａへ向かう方向に固定される。いずれの場合でも、三叉路における固定磁化のＸ成分は、第１広角部１１ａと第２広角部１２ａとで逆になっている。但し、既出の実施例はと異なり、第１固定磁化と第２固定磁化は、Ｚ成分を含んでいる。【００７０】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、本実施例に係る磁気抵抗効果素子の変形例を示している。図１１Ａにおいて、磁化固定領域１１，１２の外側に反強磁性層３０が設けられている。図１１Ｂにおいて、磁化固定領域１１，１２の内側に反強磁性層３０が設けられている。これら反強磁性層３０は、磁化固定領域１１，１２の磁化の向きを固定するように、磁化固定領域１１，１２のそれぞれと磁気的に結合している。このような構成により、磁化固定領域１１，１２の磁化方向を容易に固定することが可能である。【００７１】
本実施例に係る構造によっても、第１の実施例の場合と同じ効果が得られる。更に、磁化固定領域１１，１２が垂直方向に配置されるため、磁気抵抗効果素子の面積を縮小することが可能となる。【００７２】
６．第６の実施例
第６の実施例において、既出の実施例における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。【００７３】
図１２は、第６の実施例に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施例によれば、磁気抵抗効果素子の近傍にアシスト配線４０が設けられている。データ書き込み時、このアシスト配線には所定の電流が流れ、それによりアシスト磁界が発生する。そのアシスト磁界は、磁化自由層１に印加され、磁壁の移動をアシストする。すなわち、データ書き込み時、磁化自由層１における磁壁移動をアシストするような向きのアシスト磁界が発生するように、アシスト配線に電流が流される。【００７４】
例えば図１２において、Ｙ方向に延びるアシスト配線４０が、磁気抵抗効果素子の磁化反転領域１３の下方に配置されている。磁壁を＋Ｘ方向に移動させる際、アシスト配線４０には＋Ｙ方向の電流が流される。その結果、＋Ｘ方向のアシスト磁界が、磁化自由層１の磁化反転領域１３に印加されることになる。そのアシスト磁界により磁化反転領域１３の磁化は＋Ｘ方向に向きやすくなる、すなわち、アシスト磁界によって＋Ｘ方向への磁壁移動がアシストされる。逆に、磁壁を−Ｘ方向に移動させる際、アシスト配線４０には−Ｙ方向の電流が流される。尚、アシスト配線４０の位置や本数は、図１２に示されたものに限られない。【００７５】
このように、本実施例によれば、磁化自由層１に対する書き込み電流の供給と同時に、アシスト配線４０により生成されるアシスト磁界が、磁化反転領域１３に印加される。そのアシスト磁界によって磁壁移動がアシストされるため、磁化自由層１に供給すべき書き込み電流の量を低減することが可能となる。すなわち、磁壁移動に最低限必要な書き込み電流の値が更に小さくなる。これは、書き込みマージンが更に広くなることを意味する。【００７６】
また、図１２に示されたアシスト配線４０は、磁化自由層１に書き込み電流を供給するための配線であることが好適である。つまり、磁化自由層１に書き込み電流を供給するための配線が、アシスト配線４０として併用されることが好適である。この場合、アシスト配線４０は、磁化自由層１の広角部１１ａあるいは１２ａに接続される。データ書き込み時、書き込み電流は、アシスト配線４０を通して広角部１１ａあるいは１２ａに供給される、又は、そこから引き抜かれる。同時に、その書き込み電流によって生成されたアシスト磁界が、磁化反転領域１３に印加される。このような構成により、配線数を削減し、回路面積を縮小することが可能となる。【００７７】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、アシスト配線４０の変形例を示している。図１３Ａ及び図１３Ｂに示されるアシスト配線４０は、ヨーク構造を有している。すなわち、アシスト配線４０の面のうち、磁化反転領域１３と対向していない面の一部が、磁性体４１によって覆われている。図１３Ａにおいては、アシスト配線４０の底面が磁性体４１で覆われており、図１３Ｂにおいては、アシスト配線４０の側面及び底面が磁性体４１で覆われている。このようなヨーク構造によってアシスト磁界が増大し、書き込み電流を更に低減することが可能となる。【００７８】
７．回路構成
図１４は、上述の磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリセルの一例を示す回路図である。図１４において、書き込み電流を供給するための選択トランジスタ５０ａ、５０ｂが、磁化自由層１に接続されている。具体的には、選択トランジスタ５０ａのソース／ドレインの一方は、第１磁化固定領域１１の第１広角部１１ａに接続され、その他方は、第１ビット線５１ａに接続されている。同様に、選択トランジスタ５０ｂのソース／ドレインの一方は、第２磁化固定領域１２の第２広角部１２ａに接続され、その他方は、第２ビット線５１ｂに接続されている。選択トランジスタ５０ａ、５０ｂのゲートは、ワード線５２に接続されている。更に、磁化固定層３は、アース線５３に接続されている。【００７９】
データ書き込み時、ワード線５２がＯＮされ、アース線５３がＯＦＦされ、ビット線５１ａ、５１ｂ間に所定の電位差が与えられる。その結果、書き込み電流は、例えば「第１ビット線５１ａ−選択トランジスタ５０ａ−第１磁化固定領域１１の第１広角部１１ａ−磁化反転領域１３−第２磁化固定領域１２の第２広角部１２ａ−選択トランジスタ５０ｂ−第２ビット線５１ｂ」の経路を流れる。逆の電流経路も可能である。これにより、既出の実施例で示されたデータ書き込みが実現される。【００８０】
データ読み出し時、ワード線５２がＯＮされ、アース線５３がＯＮされ、ビット線５１ａ、５１ｂが等電位に設定される。その結果、読み出し電流は、「ビット線５１ａ、５１ｂ−選択トランジスタ５０ａ、５０ｂ−磁化自由層１−トンネルバリヤ層２−磁化固定層３−アース線５３」の経路を流れる。その読み出し電流に基づいて、記憶データをセンスすることができる。【００８１】
図１５は、複数の磁気メモリセル１１０がアレイ状に配置されたＭＲＡＭ１００の構成の一例を示している。各磁気メモリセル１１０は、図１４に示された構成を有している。ワード線５２はＸセレクタ１２０に接続されており、Ｘセレクタ１２０は、アクセス対象の磁気メモリセル１１０につながるワード線５２を選択する。ビット線５１ａ、５１ｂは、Ｙセレクタ１３０、Ｙ側電流終端回路１４０に接続されている。Ｙセレクタ１３０は、アクセス対象の磁気メモリセル１１０につながるビット線５１ａ（あるいは５１ｂ）を選択する。選択されたビット線を通して、書き込み電流が、アクセス対象の磁気メモリセル１１０に供給される、あるいは、引き抜かれる。【００８２】
以上、本発明の実施例が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、既出の実施例に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。
【図１】
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【図２Ａ】
2008072421.tif 000004
【図２Ｂ】
2008072421.tif 000005
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年3月11日(2008.3.11)
【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】
選択トランジスタに接続された磁化自由層と、
非磁性層を介して前記磁化自由層に接続され、磁化の向きが固定された磁化固定層と
を備え、
前記磁化自由層は、
前記磁化固定層とオーバーラップし、反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、
前記磁化反転領域の磁化容易軸方向の一端に接続され、第１固定磁化を有する第１磁化固定領域と、
前記磁化反転領域の磁化容易軸方向の他端に接続され、第２固定磁化を有する第２磁化固定領域と
を含み、
前記第１磁化固定領域と前記磁化反転領域は１つの三叉路を形成し、
前記第２磁化固定領域と前記磁化反転領域は他の三叉路を形成する
磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求の範囲１に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化固定領域は、
前記磁化容易軸に対して９０度以上の角度をなす第１広角部と、
前記磁化容易軸に対して９０度以下の角度をなす第１狭角部と
を有し、
前記第２磁化固定領域は、
前記磁化容易軸に対して９０度以上の角度をなす第２広角部と、
前記磁化容易軸に対して９０度以下の角度をなす第２狭角部と
を有する
磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求の範囲２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１広角部は第１選択トランジスタに接続され、
前記第２広角部は第２選択トランジスタに接続された
磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求の範囲２又は３に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１固定磁化は、前記第１広角部から前記第１狭角部へ向かう方向に固定され、
前記第２固定磁化は、前記第２広角部から前記第２狭角部へ向かう方向に固定された
磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求の範囲２又は３に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１固定磁化は、前記第１狭角部から前記第１広角部へ向かう方向に固定され、
前記第２固定磁化は、前記第２狭角部から前記第２広角部へ向かう方向に固定された
磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求の範囲４又は５に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域は、前記磁化反転領域を挟んで鏡面対称である
磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求の範囲２又は３に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域は、前記磁化反転領域を中心として回転対称である
磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求の範囲２乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
データ書き込み時、書き込み電流が、前記磁化自由層内において、前記第１広角部から前記磁化反転領域を通って前記第２広角部に流される
磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求の範囲１乃至８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化反転領域、前記非磁性層、及び前記磁化固定層の積層方向は、第１方向であり、
前記磁化反転領域、前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域は、前記第１方向に直角な同一平面上に形成された
磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
請求の範囲１乃至８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化反転領域、前記非磁性層、及び前記磁化固定層の積層方向は、第１方向であり、
前記磁化反転領域は、前記第１方向に直角な第１平面上に形成され、
前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域は、それぞれ前記第１平面とは異なる平面上に形成された
磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
請求の範囲１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１固定磁化の向きを固定するように前記第１磁化固定領域と磁気的に結合する第１強磁性体と、
前記第２固定磁化の向きを固定するように前記第２磁化固定領域と磁気的に結合する第２強磁性体と
を更に備える
磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
請求の範囲１乃至１１のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化反転領域は、
前記一端と前記他端との中央に対して前記一端側に位置し、前記中央での断面積と異なる断面積を有する第１領域と、
前記中央に対して前記他端側に位置し、前記中央での断面積と異なる断面積を有する第２領域と
を含む
磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
請求の範囲１乃至１２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化自由層は、磁気的に結合した複数の強磁性層を備えており、
前記複数の強磁性層のうち少なくとも１つが、前記磁化反転領域、前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域を有する
磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを具備し、
前記複数の磁気メモリセルの各々は、
請求の範囲１乃至１３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、
データ書き込み時、書き込み電流を前記磁化自由層に供給するためのトランジスタと
を備える
ＭＲＡＭ。
【請求項１５】
請求の範囲１４に記載のＭＲＡＭであって、
前記データ書き込み時、前記書き込み電流の供給と同時に、外部磁界が前記磁化反転領域に印加される
ＭＲＡＭ。
【請求項１６】
請求の範囲１５に記載のＭＲＡＭであって、
前記磁化自由層に対して前記書き込み電流を供給するための配線を更に具備し、
前記データ書き込み時、前記配線を流れる前記書き込み電流により、前記外部磁界が同時に生成される
ＭＲＡＭ。
【国際調査報告】
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