(57)【要約】磁壁移動型メモリセルは、磁性膜を含んだ記録層を有し、前記記録層は、磁化が反転可能な磁化反転領域と、磁化反転領域にスピン偏極した電子を供給する第１、第２の磁化固定領域と、を有する。前記記録層の膜面に平行な方向に流れる第１の電流と、前記記録層の膜面に平行な方向の第１の磁場成分とによって磁化反転が起こる第１の領域が形成されると共に、磁化反転が起こらない第２の領域が形成されるように構成した。
2014065049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性膜を含んだ記録層を有し、
前記記録層は、
磁化が反転可能な磁化反転領域と、
前記磁化反転領域にスピン偏極した電子を供給する少なくとも２つの磁化固定領域と、を有し、
前記記録層の膜面に平行な方向に流れる第１の電流と、前記記録層の膜面に平行な方向の第１の磁場成分とによって磁化反転が起こる第１の領域が形成されると共に、磁化反転が起こらない第２の領域が形成されるように構成した、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセル。
【請求項２】
磁性膜を含んだ記録層を有し、
前記記録層は、
磁化が反転可能な磁化反転領域と、
前記磁化反転領域にスピン偏極した電子を供給する少なくとも２つの磁化固定領域と、を有し、
前記磁性膜の膜面に平行な方向に流れる第２の電流と、前記磁性膜の膜面に平行な方向の第２の磁場成分とによって第３の領域に第１の方向への磁化反転が誘起されると共に、
前記磁性膜の膜面に平行な方向に流れる第３の電流と、前記磁性膜の膜面に平行な方向の第３の磁場成分とによって第４の領域に前記第１の方向と反平行の第２の方向への磁化反転が誘起されるように構成した、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセル。
【請求項３】
請求項１に記載の磁壁移動型メモリセルにおいて、
前記第１の領域は前記第２の領域に比べて電流密度が高い、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセル。
【請求項４】
請求項２に記載の磁壁移動型メモリセルにおいて、
前記第２の電流と前記第２の磁場成分の内積と、前記第３の電流と前記第３の磁場成分の内積の正負が異なる、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセル。
【請求項５】
請求項３に記載の磁壁移動型メモリセルにおいて、
前記第１の電流の方向に垂直で、かつ、膜面内方向の幅が、前記第１の領域より、前記第２の領域のほうが広い、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセル。
【請求項６】
請求項３に記載の磁壁移動型メモリセルにおいて、
前記第１の電流の方向に垂直で、かつ、膜面に垂直方向の厚みが、前記第１の領域より、前記第２の領域のほうが厚い、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセル。
【請求項７】
請求項２に記載の磁壁移動型メモリセルにおいて、
前記磁性膜の膜面に平行な前記第２の電流の方向と、前記磁性膜の膜面に平行な前記第３の電流の方向が互いに異なる、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセル。
【請求項８】
請求項１に記載の磁壁移動型メモリセルにおいて、
前記第１の電流で前記記録層に磁壁を導入し、
前記第１の電流より小さい書き込み電流で磁壁を移動する、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセル。
【請求項９】
請求項２に記載の磁壁移動型メモリセルにおいて、
前記第２の電流と前記第３の電流で前記記録層に磁壁を導入し、
前記第２の電流及び前記第３の電流より小さい書き込み電流で磁壁を移動する、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセル。
【請求項１０】
請求項１に記載の磁壁移動型メモリセルにおいて、
前記第１の領域と前記第２の領域は同じ膜構成である、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセル。
【請求項１１】
請求項２に記載の磁壁移動型メモリセルにおいて、
前記第３の領域と前記第４の領域は同じ膜構成である、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセル。
【請求項１２】
請求項１又は２に記載の磁壁移動型メモリセルのための初期化処理方法であって、
前記第１、第２の方向に垂直な第３の方向へ磁場を印加して、該第３の方向へ固定領域の磁化を向ける第１のステップと、
前記記録層の膜面に平行な方向に面内電流を流すと共に、前記記録層の膜面に平行な方向の磁場成分を印加する第２のステップと、を有する、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセルの初期化処理方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の磁壁移動型メモリセルの初期化処理方法において、
前記第２のステップに続き、
磁壁が導入されたと判断された素子をパスとし、磁壁が導入されていないと判断された素子をフェイルとする、磁壁が導入されたか否かをテストする第３のステップと、
前記第３のステップでフェイルと判断された素子に対してのみ、前記第１のステップと第２のステップと第３のステップを繰り返す、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセルの初期化処理方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の磁壁移動型メモリセルの初期化処理方法において、
前記第２のステップの面内電流を供給する際に、電源電圧を高く設定し、トランジスタの電流供給能力を高める、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセルの初期化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁壁移動型メモリセル及びその初期化処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、磁性層の磁化の向きで情報を記憶するメモリである。ＭＲＡＭは低電圧動作、不揮発性、書き換え回数が原理上無限大、高速動作などの望ましい特徴を持っているため、開発が進められている。
近年、電子の持つスピンと磁性体に局在している磁気モーメントとの間に働くトルクで記録層の磁化反転を誘起・制御する、磁壁移動型のＭＲＡＭが提案されている。この磁化反転は、以下では、「電流駆動磁壁移動」と参照される。磁壁移動型のＭＲＡＭは、例えば、特許文献１から５に記載されている。
磁壁移動型のＭＲＡＭは、磁壁移動素子を記憶素子として用いる。図１Ａ及び図１Ｂは、典型的な磁壁移動素子の概略平面図及び断面図である。磁壁移動素子は、磁壁ＭＷが移動する記録層１０、及び、記録層１０の磁化と磁気的な結合をした磁性層（第１、第２固定層１６、１７）を備える。記録層１０は、磁化方向が反転可能な反転領域１３と、その反転領域１３の両側に形成された２つの固定領域（第１、第２固定領域１１、１２）とを備える。第１、第２固定領域１１、１２のそれぞれの磁化方向は、互いに逆向きに固定される。その結果、記録層１０において、いずれかの固定領域と反転領域１３との境界に磁壁ＭＷが形成される。尚、図１Ａ及び図１Ｂでは、反転領域１３の磁化の方向を読み出す、読み出し機構を省略している。
磁壁移動素子では、反転領域１３の磁化方向、すなわち、磁壁ＭＷの位置が、記憶データに対応付けられる。記憶データの書き換えは、磁壁ＭＷを移動させて反転領域１３の磁化方向を反転させることにより行われる。その磁壁移動のために、記録層１０において、書き込み電流が面内方向に供給される。その書き込み電流を担う伝導電子の方向に従って、磁壁ＭＷが記録層１０中を移動する。
また、非特許文献１によれば、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜が磁化記録層として用いられる場合、面内磁気異方性を有する面内磁化膜の場合と比較して、書き込み電流が低減されることが理論的に示唆されている。従って、磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、垂直磁化膜を磁化記録層（磁壁移動層）として用いることが好ましい。
また、非特許文献２、３によれば、近年、面内磁場を印加しつつ、磁性膜に電流を流すことで、磁性膜の磁化を制御する新しい手法が報告されている。この手法は、電子を偏極させるための磁性層が不要であり、構造が単純であるという利点を有する。この磁化の反転現象は、重金属層、強磁性層、酸化金属層からなる非対称な三層構造によるラシュバ場、もしくは、重金属層のスピンホール効果によるスピン流注入のいずれかと考えられ、現在、盛んに議論されている。以下では、この磁化反転は、「面内磁場と面内電流により誘起された磁化反転」と参照される。
尚、「面内磁場と面内電流により誘起された磁化反転」によって、最終的に磁化が向く方向は重金属層の種類や積層の順番に依存する。具体的には、強磁性層がＰｔなどの重金属層に積層された場合、Ｚ方向の単位ベクトルＺ、面内磁場Ｈ、面内電流Ｉをそれぞれベクトルとして、ＺＸＩＸＨに最終的に磁化が向く。ここで、Ｘは外積を表す。また、強磁性層がＰｔなどの重金属層の下に積層された場合は、−ＺＸＩＸＨの方向に最終的に磁化が向く。また、強磁性層がＴａなどの重金属層の上に積層された場合は、−ＺＸＩＸＨの方向に最終的に磁化が向く。また、強磁性層がＴａなどの重金属層の下に積層された場合は、ＺＸＩＸＨの方向に最終的に磁化が向く。以下の説明では簡単のため、強磁性層がＰｔなどの重金属層の上に積層された場合について説明するが、適宜変形または変更することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１９１０３２号公報
【特許文献２】特開２００７−１０３６６３号公報
【特許文献３】特開２００９−０９９６２５号公報
【特許文献４】特開２００９−２５２９０９号公報
【特許文献５】特開２０１２−０３９０１５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ  ｅｔ  ａｌ．，ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ，ＶＯＬ．１０３，０７Ｅ７１８，（２００８）．
【非特許文献２】Ｉ．Ｍ．Ｍｉｒｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ，４７６，１８９（２０１１）．
【非特許文献３】Ｌ．Ｌｉｕ，ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１０６，０３６６０１（２０１１）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これまでの磁壁移動型のＭＲＡＭの固定層の１つの役割は、記録層に磁壁を形成（導入）することである。記録層に磁壁を形成（導入）することは、以下では、「初期化」と参照される。
初期化を目的として、典型的な磁壁移動型のＭＲＡＭは、保持力の異なる固定層を記録層中の２つの固定領域のそれぞれに積層している。この場合、適切な強度の一様外部磁界を印加することによって、一方の固定層及び固定領域の磁化方向だけを反転させ、他方の固定層及び固定領域の磁化方向を維持することができる。つまり、２つの固定領域の磁化方向を逆向きにできる。このように、固定層は磁壁移動素子を初期化するために重要な要素のひとつである。
しかしながら、固定層を備えた磁壁移動素子は、固定層の製造プロセスが複雑であるという問題があった。たとえば、固定層を加工する際に、エッチングなどによるダメージが記録層に入ることにより、記録層の磁気特性が変化し、所望の磁気特性を得られなくなるという懸念があった。また、固定層を備えた磁壁移動素子は、固定層からの漏洩磁界が書き込み電流値を増加させる懸念があった。
そこで、本発明は、磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、初期化をするための固定層を不要とすることができる技術を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、磁性膜を含んだ記録層を有し、前記記録層は、磁化が反転可能な磁化反転領域と、前記磁化反転領域にスピン偏極した電子を供給する少なくとも１つ以上の磁化固定領域と、を有し、前記記録層の膜面に平行な方向に流れる第１の電流と、前記記録層の膜面に平行な方向の第１の磁場成分とによって磁化反転が起こる第１の領域が形成されると共に、磁化反転が起こらない第２の領域が形成されるように構成した、ことを特徴とする磁壁移動型メモリセルが提供される。
本発明の第２の態様によれば、磁性膜を含んだ記録層を有し、前記記録層は、磁化が反転可能な磁化反転領域と、前記磁化反転領域にスピン偏極した電子を供給する少なくとも２つの磁化固定領域と、を有し、前記磁性膜の膜面に平行な方向に流れる第２の電流と、前記磁性膜の膜面に平行な方向の第２の磁場成分とによって第３の領域に第１の方向への磁化反転が誘起されると共に、前記磁性膜の膜面に平行な方向に流れる第３の電流と、前記磁性膜の膜面に平行な方向の第３の磁場成分とによって第４の領域に前記第１の方向と反平行の第２の方向への磁化反転が誘起されるように構成した、ことを特徴とする磁壁移動型メモリセルが提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、垂直磁化膜を用いた磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、初期化をするための固定層を不要とすることができるので、製造プロセスを簡単化でき、安価な磁壁移動型のＭＲＡＭを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１Ａは、一般的な磁壁移動素子の構成を示す平面図である。
図１Ｂは、一般的な磁壁移動素子の構成を示す縦断面図である。
図２Ａは、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動素子の構成を示す平面図である。
図２Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動素子の構成を示す縦断面図である。
図３Ａは、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動素子の１つの磁化状態を示す概念図である。
図３Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動素子の他の磁化状態を示す概念図である。
図４Ａは、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動素子に対するデータ書き込み動作を示す概念図である。
図４Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動素子に対するデータ書き込み動作を示す概念図である。
図５は、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動素子に対するデータ読み出し動作を示す概念図である。
図６Ａは、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動素子に対する初期化処理の第１ステップを示す概念図である。
図６Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動素子に対する初期化処理の第２ステップを示す概念図である。
図７Ａは、本発明の第２の実施形態に係る磁壁移動素子の構成を示す平面図である。
図７Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る磁壁移動素子の構成を示す縦断面図である。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る磁壁移動素子に対する初期化処理を示す概念図である。
図９は、本発明の第２の実施形態の変形例に係る磁壁移動素子の構成を示す平面図である。
図１０は、本発明の第２の実施形態の変形例に係る磁壁移動素子に対する初期化処理を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第１の実施形態］
図２Ａ、及び、図２Ｂは本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動素子の概略平面図及び縦断面図である。第１の実施形態に係る磁壁移動素子は、反転領域（磁化反転領域）２３とその両側の第１、第２固定領域２１，２２からなる記録層２０、センス層３１、トンネルバリア層３２、リファレンス層３３、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２、第３端子Ｔ３、第４端子Ｔ４を備える。尚、＋Ｚ方向は、図２Ｂに矢印ｚで示す通り、図示しない基板の裏面から表面へ向かう、基板に垂直な方向で定義される。Ｘ方向及びＹ方向は、図２Ａに矢印ｘ，ｙで示す通り、Ｚ方向に垂直な水平方向として定義される。さらに、Ｘ方向は磁壁移動素子の長手方向であり、Ｙ方向は、Ｘ方向及びＺ方向に垂直な方向として定義される。また、記録層２０中の矢印は各磁性層の磁化方向を示している。また、磁化の状態としては、初期磁化状態を示している。
第１の実施形態に係る磁壁移動素子は、図１Ａ、図１Ｂで説明した磁壁移動素子と比較すると、固定層を不要としている。また、図２Ａで明らかなように、記録層２０の幅（Ｙ方向のサイズ）が、反転領域２３、第１固定領域２１、第２固定領域２２でそれぞれ異なり、膜面内に平行なＸ方向に流れる電流密度がそれぞれの領域で異なる。
記録層２０は強磁性体で形成される。より詳細には、記録層２０は、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜で形成される。記録層２０の材料は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも１つ以上を含むことが望ましい。記録層２０は、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、Ｃｏ／Ｐｄ積層膜、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金などの垂直磁気異方性を有する薄膜を用いる。さらに、記録層２０の上下の層（図示されない）の少なくとも一方はＰｔ、Ｐｄ、Ｔａなどの重金属が望ましい。また、記録層２０の上下の層（図示されない）の他方はＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏなどの酸化金属が望ましい。このような構成により、重金属層、強磁性層、酸化された金属層からなる非対称な三層構造によるラシュバ場、もしくは、重金属層のスピンホール効果によるスピン流注入のいずれかの現象を発現することができる。このように、記録層２０における第１、第２固定領域２１、２２、反転領域２３は、同じ膜構成を持つと言える。
センス層３１は、強磁性体で形成される。より詳細には、センス層３１は、面内磁気異方性を有する面内磁化膜で形成される。センス層３１の材料は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも１つ以上を含むことが望ましい。センス層３１は、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金、Ｃｏ−Ｆｅ合金などの面内磁気異方性を有する薄膜を用いる。センス層３１は、磁化方向が＋Ｙ方向及び−Ｙ方向のいずれか一方に変更可能である。
リファレンス層３３は、強磁性体で形成される。より詳細には、リファレンス層３３は、面内磁気異方性を有する面内磁化膜で形成される。リファレンス層３３の材料は、センス層３１の場合と同様である。尚、リファレンス層３３の磁化は固定されており、書き込み、及び、読み出し動作によって変化しない。そのために、例えばリファレンス層３３に反強磁性層（図示されない）が積層されてもよい。また、リファレンス層３３は、強磁性層、非磁性層、強磁性層からなる積層膜であってもよい。その積層膜の２つの強磁性層の磁化は、反強磁性結合によって互いに反平行に向くように設定してもよい。
トンネルバリア層３２は、非磁性層である。好適には、トンネルバリア層３２は絶縁膜で形成され、その材料としてはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏが例示される。このトンネルバリア層３２はセンス層３１とリファレンス層３３に挟まれており、これらセンス層３１、トンネルバリア層３２、リファレンス層３３によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）が形成されている。尚、トンネルバリア層は、上記材料のほかに、非磁性の半導体や金属材料で形成されても良い。
記録層２０は、その内部を磁壁ＭＷが移動可能である。記録層２０は、第１固定領域２１、第２固定領域２２、反転領域２３を備える。第１固定領域２１は、記録層２０の保持力により＋Ｚ方向に磁化が保持され、書き込み、及び、読み出し動作によって磁化が変化しない。第２固定領域２２は、記録層２０の保持力により−Ｚ方向に磁化が保持され、書き込み、及び、読み出し動作によって磁化が変化しない。反転領域２３は、第１固定領域２１と第２固定領域２２の間に設けられ、磁化方向が＋Ｚ方向及び−Ｚ方向のいずれか一方に変更可能である。
第１端子Ｔ１は、第１固定領域２１に接続された電流端子である。第２端子Ｔ２は、第２固定領域２２に接続された電流端子である。第３端子Ｔ３は、センス層３１に接続された電流端子である。第４端子Ｔ４は、リファレンス層３３に接続された電流端子である。尚、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２の一方と、第３端子Ｔ３、第４端子Ｔ４の一方は兼用してもよい。
（データ”０”と”１”の磁化状態）
図３Ａ及び図３Ｂは、第１の実施形態に係る磁壁移動素子が取りうる２つの磁化状態を示している。それぞれの磁化状態は、記憶データ”０”と”１”に対応付けられる。例として、第１固定領域２１の磁化方向は＋Ｚ方向に保持されている。第２固定領域２２の磁化方向は、−Ｚ方向に保持されている。リファレンス層３３の磁化は＋Ｙ方向（図面の表側から裏側に向う方向）に固定されている。
図３Ａに示されるように反転領域２３の磁化が＋Ｚ方向の場合、反転領域２３と第２固定領域２２の境の近傍位置に磁壁ＭＷが形成される。反転領域２３からの漏洩磁界は、センス層３１の位置において、＋Ｙ方向の成分を有し、センス層３１の磁化は、漏洩磁界の方向に従って、＋Ｙ方向に向く。この場合、センス層３１とリファレンス層３３の磁化は平行であり、ＭＴＪの抵抗値は低くなる（低抵抗状態）。この低抵抗状態は、例えばデータ”０”に対応付けられる。
図３Ｂに示されるように反転領域２３の磁化が−Ｚ方向の場合、反転領域２３と第１固定領域２１の境の近傍位置に磁壁ＭＷが形成される。反転領域２３からの漏洩磁界は、センス層３１の位置において、−Ｙ方向の成分を有し、センス層３１の磁化は、漏洩磁界の方向に従って、−Ｙ方向に向く。この場合、センス層３１とリファレンス層３３の磁化は反平行であり、ＭＴＪの抵抗値は高くなる（高抵抗状態）。この高抵抗状態は、例えばデータ”１”に対応付けられる。
尚、記録層２０中のある位置に存在する磁壁ＭＷは、外力が働かない限り、その位置に安定して留まり続けることができる。それは、垂直磁気異方性を有する材料においては、無数のピニングサイトが存在し、それらが十分な熱安定性を有するためである。
（書き込み動作）
図４Ａ及び図４Ｂは、第１の実施形態に係る磁壁移動素子の書き込み動作を示す概念図である。尚、説明の便宜上、ＭＴＪは図示を省略している。例として、第１固定領域２１の磁化方向は＋Ｚ方向に保持されている。第２固定領域２２の磁化方向は、−Ｚ方向に保持されている。磁壁ＭＷが反転領域２３を移動するのに必要な書き込み電流値をＩＷ＿ＴＨ０、磁壁ＭＷが第１固定領域２１を移動するのに必要な書き込み電流値をＩＷ＿ＴＨ１、磁壁ＭＷが第２固定領域２２を移動するのに必要な書き込み電流値をＩＷ＿ＴＨ２とする。第１の実施形態では、図２Ａで説明したように、反転領域２３、第１固定領域２１、第２固定領域２２のＹ方向の幅が異なるため、各領域の電流密度が異なる。詳しくは、反転領域２３のＹ方向の幅が最も小さいため、磁壁駆動に必要な書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ０は最も小さい。次に、第１固定領域２１のＹ方向の幅が２番目に小さいため、書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ１が２番目に小さい。最後に、第２固定領域２２のＹ方向の幅が最も大きいため、磁壁駆動に必要な書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ２が最も大きい。この場合、反転領域２３の電流密度＞第１固定領域２１の電流密度＞第２固定領域２２の電流密度となる。
図４Ａは、データ”１”からデータ”０”への書き換え時に供給される書き込み電流ＩＷ０を示している。書き込み電流ＩＷ０は端子Ｔ２から、記録層２０を通り、端子Ｔ１へ流れる。この場合、反転領域２３には、第１固定領域２１からスピン偏極した電子が注入される。注入された電子のスピンは、第１固定領域２１と反転領域２３の境にある磁壁ＭＷを第２固定領域２２の方向へ駆動する。書き込み電流ＩＷ０の大きさは、書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ０より大きく、書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ１より小さく設定される。その結果、磁壁ＭＷが第２固定領域２２と反転領域２３の境へ移動し、反転領域２３の磁化方向が＋Ｚ方向へ反転する。
図４Ｂは、データ”０”からデータ”１”への書き換え時に供給される書き込み電流ＩＷ１を示している。書き込み電流ＩＷ１は端子Ｔ１から、記録層２０を通り、端子Ｔ２へ流れる。この場合、反転領域２３には、第２固定領域２２からスピン偏極した電子が注入される。注入された電子のスピンは、第２固定領域２２と反転領域２３の境にある磁壁ＭＷを第１固定領域２１の方向へ駆動する。書き込み電流ＩＷ１の大きさは、書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ０より大きく、書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ１より小さく設定される。その結果、磁壁ＭＷが第１固定領域２１と反転領域２３の境へ移動し、反転領域２３の磁化方向が−Ｚ方向へ反転する。
（読み出し動作）
図５は、第１の実施形態に係る磁壁移動素子の読み出し動作を示す概念図である。尚、説明の便宜上、記録層は図示を省略している。データ読み出し時、読み出し電流ＩＲが、端子Ｔ３と端子Ｔ４との間に供給される。その結果、読み出し電流は、トンネルバリア層３２を貫通するようにＭＴＪを流れる。その読み出し電流ＩＲあるいは、読み出し電流ＩＲに応じた読み出し電圧に基づいて、ＭＴＪの抵抗値が検出され、反転領域の磁化方向がセンスされる。
（初期化）
図６Ａと図６Ｂは、第１の実施形態に係る磁壁移動素子の初期化を示す概念図である。尚、説明の便宜上、ＭＴＪは図示を省略している。第１の実施形態の磁壁移動素子の初期化は、「面内磁場と面内電流により誘起された磁化反転」を利用する。ある面内磁場において、磁化反転領域、第１固定領域、及び、第２固定領域で磁化反転が起こる電流値を、それぞれＩ＿ＩＮＩ＿ＴＨ０、Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ１、Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ２とする。第１の実施形態では、反転領域２３、第１固定領域２１、第２固定領域２２のＹ方向の幅が異なるため、各領域の電流密度が異なる。反転領域２３のＹ方向の幅が最も小さいため、反転領域２３の磁化反転に必要な書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ０は最も小さい。次に、第１固定領域２１のＹ方向の幅が次に小さいため、第１固定領域２１の磁化反転に必要な書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ１が次に小さい。最後に、第２固定領域２２のＹ方向の幅が最も大きいため、第２固定領域２２の磁化反転に必要な書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ２が最も大きい。
初期化は次の２つのステップで実施される。
図６Ａに第１ステップを示す。第１ステップにおいて、−Ｚ方向（第３の方向）の外部磁界が一様に磁壁移動素子に印加される。この外部磁界の値を反転領域２３、第１固定領域２１、第２固定領域２２の保持力より大きく設定することにより、反転領域２３、第１固定領域２１、第２固定領域２２の磁化は−Ｚ方向を向く。
図６Ｂに第２ステップを示す。第２ステップにおいては、−Ｘ方向（記録層の膜面に平行な方向）の外部磁界（第１の磁場成分）が一様に磁壁移動素子に印加される。初期化時に供給される初期化電流Ｉ＿ＩＮＩ（第１の電流）は、端子Ｔ１から記録層２０を通り、端子Ｔ２へ流れる。初期化電流Ｉ＿ＩＮＩは、反転領域２３の磁化反転に必要な書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ０より大きく、第１固定領域２１の磁化反転に必要な書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ１より大きく、第２固定領域２２の磁化反転に必要な書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ２より小さい。この場合、反転領域２３と、第１固定領域２１の磁化は、「面内磁場と面内電流に誘起された磁化反転」の現象により、＋Ｚ方向へ反転する。磁化反転が起こる第１固定領域２１と反転領域２３は第１の領域と呼ばれても良く、磁化反転が起こらない第２固定領域２２は第２の領域と呼ばれても良い。
尚、初期化電流Ｉ＿ＩＮＩは、書き込み電流ＩＷ０及びＩＷ１より大きくなるように設計することが出来る。従って、データ書き込み時に、「面内磁場と面内電流に誘起された磁化反転」は起こらないように設計できる。
また、第１の実施形態では、初期化は２ステップもしくは１ステップで実行されるが、実際に磁壁が導入されたかを試験し、磁壁が導入されていないフェイルした素子に対してのみ、初期化電流と面内磁場を印加することにより、初期化率を高めてもよい。尚、初期化処理は製品として出荷する前に行うことが想定されるので、このようなベリファイ試験を初期化に適用しても、出荷前のテスト時間は長くなるものの、集荷後の磁気ランダムアクセスメモリの動作速度のオーバーヘッドにはならない。
また、第１の実施形態では、初期化電流は、書き込み電流より大きいが、初期化電流を流すことができるように、セルトランジスタサイズを大きくすることは必ずしも必要ない。通常、セルトランジスタは書き込み電流を供給できるように設計されるが、出荷前の初期化処理の際は、電源電圧を高めて、初期化電流を供給するようにすればよい。電源電圧を高めると、トランジスタの破壊が起こりやすくなるものの、高い電圧がかかる時間は出荷前の初期化時のみと短く、トランジスタを破壊しないよう設計することが容易にできる。
以上のように、第１の実施形態によれば、垂直磁化膜を用いた磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、初期化をするための固定層を不要とすることができる。そのため、製造プロセスを簡単化でき、安価な磁壁移動型のＭＲＡＭを提供できる。また、固定層を加工する際に生じていた、エッチングなどによるダメージが記録層に入ることを防ぎ、信頼性の高い磁壁移動型のＭＲＡＭを提供できる。また、固定層からの漏洩磁界が書き込み電流値を増加させる懸念がないため、低電力動作できる磁壁移動型のＭＲＡＭを提供できる。
（第２の実施形態）
図７Ａ、及び、図７Ｂは本発明の第２の実施形態に係る磁壁移動素子の概略平面図及び縦断面図である。第２の実施形態に係る磁壁移動素子は第１の実施形態と、平面構造のみ異なる。それゆえ第１の実施形態と同じ構成要素には同じ参照番号を付し、重複する説明は適宜省略される。
本発明の第２の実施形態によれば、図７Ａに示すように、記録層４０の平面形状において、第１固定領域４１と反転領域４３の一部はＸ軸方向に延伸し、第２固定領域４２と反転領域４３のその他の部分はＹ軸方向に延伸する。さらに第１固定領域４１のＹ軸方向の幅、及び、第２固定領域４２のＸ軸方向の幅は、Ｘ軸方向に延伸する反転領域４３のＹ軸方向の幅と比較して大きい。また、第１固定領域４１のＹ軸方向の幅と、第２固定領域４２のＸ軸方向の幅はほとんど等しい。
なお、第１の実施形態と同様、記録層４０における第１、第２固定領域４１、４２、反転領域４３も、同じ膜構成を持つと言える。
図７Ｂをも参照して、磁壁ＭＷが反転領域４３を移動するのに必要な書き込み電流値をＩＷ＿ＴＨ０、磁壁ＭＷが第１固定領域４１を移動するのに必要な書き込み電流値をＩＷ＿ＴＨ１、磁壁ＭＷが第２固定領域４２を移動するのに必要な書き込み電流値をＩＷ＿ＴＨ２とする。第２の実施形態では、反転領域４３の幅が最も小さいため、磁壁駆動に必要な書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ０は最も小さい。次に、第１固定領域４１と第２固定領域４２の幅が同程度で、かつ、反転領域４３の幅より大きいため、磁壁駆動に必要な書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ１、ＩＷ＿ＴＨ２は同程度であり、書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ０より大きい。データ”１”からデータ”０”への書き換え時に供給される書き込み電流ＩＷ０及びデータ”０”からデータ”１”への書き換え時に供給される書き込みＩＷ１の大きさは、書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ０より大きく、かつ書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ１、ＩＷ＿ＴＨ２より小さく設定することで、反転領域４３において電流による磁壁移動を実現できる。
図８は、第２の実施形態に係る磁壁移動素子の初期化を示す概念図である。第２の実施形態の磁壁移動素子の初期化は、「面内磁場と面内電流により誘起された磁化反転」を利用する。ある面内磁場において、磁化反転領域、第１固定領域、及び、第２固定領域で磁化反転が起こる電流値を、それぞれＩ＿ＩＮＩ＿ＴＨ０、Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ１、Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ２とする。第２の実施形態では、反転領域４３、第１固定領域４１、第２固定領域４２の電流方向（図８にＩ＿ＩＮＩという矢印線で示される方向）に垂直な幅が異なるため、各領域の電流密度が異なる。反転領域４３の幅が最も小さいため、反転領域４３の磁化反転に必要な書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ０は最も小さい。次に、第１固定領域４１の幅と、第２固定領域４２の幅が同程度に小さいため、第１固定領域４１の磁化反転に必要な書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ１とＩ＿ＩＮＩ＿ＴＨ２は同程度であり、書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ０の次に小さい。
初期化は次の１つのステップで実施される。
図８に示すように、初期化時に磁壁移動素子に印加される面内磁場の方向は、ＸＹ平面において、Ｘ軸から時計回りの方向を正として、−１３５度方向である。初期化電流Ｉ＿ＩＮＩは第１固定領域４１−反転領域４３−第２固定領域４２の方向へ流す。初期化電流Ｉ＿ＩＮＩは、反転領域４３の磁化反転に必要な書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ０より大きく、第１固定領域４１の磁化反転に必要な電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ１より大きく、第２固定領域４２の磁化反転に必要な電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ２より大きい。「面内磁場と面内電流により誘起された磁化反転」は、Ｚ方向の単位ベクトルＺ、面内磁場Ｈ、面内電流Ｉをそれぞれベクトルとして、磁化はＺＸＩＸＨの方向に最終的に向く。Ｘは外積である。ここで、ベクトルの三重積の公式と面内電流Ｉと単位ベクトルＺが垂直であることを利用すると、ＺＸＩＸＨ＝−（Ｉ・Ｈ）Ｚ＋（Ｉ・Ｚ）Ｈ＝−（Ｉ・Ｈ）Ｚとなり、面内電流Ｉと面内磁場Ｈの内積で、磁化が最終的に向くＺ方向の正負がわかる。従って、第１固定領域４１と、反転領域４３の一部のＸ軸方向へ延伸した領域では、初期化電流Ｉ＿ＩＮＩ（第２の電流）とＨｘｙ（第２の磁場成分）の内積が負であるため、磁化は＋Ｚ方向に最終的に向く。一方、第２固定領域４２と、反転領域４３のその他のＹ軸方向へ延伸した領域では、初期化電流Ｉ＿ＩＮＩ（第３の電流）とＨｘｙ（第３の磁場成分）の内積が正であるため、磁化は−Ｚ方向に最終的に向く。その結果、反転領域４３に磁壁を導入することができる。また、第１固定領域４１と第２固定領域４２の磁化の向きは互いに反平行にすることができる。この場合、第１固定領域４１とＸ軸方向に延伸した反転領域４３を含む第３の領域に第１の方向への磁化反転が誘起され、Ｙ軸方向に延伸した反転領域４３と第２固定領域４２を含む第４の領域に第１の方向と反平行の第２の方向への磁化反転が誘起されたと言える。なお、第１の実施形態において記載した第３の方向を第１、第２の方向に関連付けて定義すれば、第３の方向は第１、第２の方向に垂直な方向であると言える。
尚、初期化電流Ｉ＿ＩＮＩは、書き込み電流ＩＷ０及びＩＷ１より大きくなるように設計することが出来る。従って、データ書き込み時に、「面内磁場と面内電流に誘起された磁化反転」は起こらないように設計できる。
図９は第２の実施形態の変形例に係る磁壁移動素子の概略平面図である。第２の実施形態の変形例に係る磁壁移動素子は第２の実施形態と、平面構造のみ異なる。それゆえ第２の実施形態と同じ構成要素には同じ参照番号を付し、重複する説明は適宜省略される。
この変形例によれば、記録層５０の平面形状において、反転領域５３はＸ軸方向に延伸し、第１固定領域５１と第２固定領域５２はＹ軸方向に延伸する。さらに第１固定領域５１のＸ軸方向の幅、及び、第２固定領域５２のＸ軸方向の幅は、反転領域５３のＹ軸方向の幅と比較して大きい。また、第１固定領域５１のＸ軸方向の幅と、第２固定領域５２のＸ軸方向の幅はほとんど等しい。
磁壁ＭＷが反転領域５３を移動するのに必要な書き込み電流値をＩＷ＿ＴＨ０、磁壁ＭＷが第１固定領域５１を移動するのに必要な書き込み電流値をＩＷ＿ＴＨ１、磁壁ＭＷが第２固定領域５２を移動するのに必要な書き込み電流値をＩＷ＿ＴＨ２とする。本変形例では、反転領域５３の幅が最も小さいため、磁壁駆動に必要な書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ０は最も小さい。次に、第１固定領域５１と第２固定領域５２の幅が同程度で、かつ、反転領域５３の幅より大きいため、書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ１、ＩＷ＿ＴＨ２は同程度であり、書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ０より大きい。書き込み電流ＩＷ０及びＩＷ１の大きさは、書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ０より大きく、書き込み電流ＩＷ＿ＴＨ１、ＩＷ＿ＴＨ２より小さく設定することで、反転領域５３において電流による磁壁移動を実現できる。
図１０は、第２の実施形態の変形例に係る磁壁移動素子の初期化を示す概念図である。初期化は次の１つのステップで実施される。本変形例に係る磁壁移動素子の初期化は、「面内磁場と面内電流により誘起された磁化反転」を利用する。ある面内磁場において、磁化反転領域、第１固定領域、及び、第２固定領域で磁化反転が起こる電流値を、それぞれＩ＿ＩＮＩ＿ＴＨ０、Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ１、Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ２とする。本変形例では、反転領域５３、第１固定領域５１、第２固定領域５２の電流方向（図１０にＩ＿ＩＮＩという矢印線で示される方向）に垂直な幅が異なるため、各領域の電流密度が異なる。反転領域５３の幅が最も小さいため、反転領域５３の磁化反転に必要な書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ０は最も小さい。次に、第１固定領域５１の幅と、第２固定領域５２の幅が同程度に小さいため、第１固定領域５１の磁化反転に必要な書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ１とＩ＿ＩＮＩ＿ＴＨ２は同程度であり、書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ０の次に小さい。
図１０に示すように、初期化時に磁壁移動素子に印加される面内磁場の方向は、−Ｙ方向である。初期化電流Ｉ＿ＩＮＩは第１固定領域５１−反転領域５３−第２固定領域５２の方向へ流す。初期化電流Ｉ＿ＩＮＩは、第１固定領域５１の磁化反転に必要な書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ１より大きく、第２固定領域５２の磁化反転に必要な書き込み電流Ｉ＿ＩＮＩ＿ＴＨ２より大きい。「面内磁場と面内電流により誘起された磁化反転」は、Ｚ方向の単位ベクトルＺ、面内磁場Ｈ、面内電流Ｉをそれぞれベクトルとして、磁化はＺＸＩＸＨの方向に最終的に向く。ここで、ベクトルの三重積の公式と面内電流Ｉと単位ベクトルＺが垂直であることを利用すると、ＺＸＩＸＨ＝−（Ｉ・Ｈ）Ｚ＋（Ｉ・Ｚ）Ｈ＝−（Ｉ・Ｈ）Ｚとなり、電流Ｉと磁場Ｈの内積で、磁化が最終的に向くＺ方向の正負がわかる。従って、第１固定領域５１は、電流Ｉ＿ＩＮＩとＨｙの内積が負であるため、磁化は最終的に＋Ｚ方向に向く。一方、第２固定領域５２は、電流Ｉ＿ＩＮＩとＨｙの内積が正であるため、磁化は最終的に−Ｚ方向に向く。その結果、第１固定領域５１と第２固定領域５２の磁化の向きは互いに反平行にすることができる。
以上説明されたように、上記第２の実施形態及びその変形例によれば、垂直磁化膜を用いた磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、初期化をするための固定層を不要とすることができる。そのため、製造プロセスを簡単化でき、安価な磁壁移動型のＭＲＡＭを提供できる。また、固定層を加工する際に生じていた、エッチングなどによるダメージが記録層に入ることを防ぎ、信頼性の高い磁壁移動型のＭＲＡＭを提供できる。また、固定層からの漏洩磁界が書き込み電流値を増加させる懸念がないため、低電力動作できる磁壁移動型のＭＲＡＭを提供できる。また、第１の実施形態と比較して、第１固定領域と第２固定領域における、電流が流れる方向に垂直な幅を同程度にしてもよいため、初期化電流のマージンを広くすることができる。
次に、上記第１、第２の実施形態による磁壁移動型のＭＲＡＭに好適な初期化処理の態様を以下に記載する。
（態様１）
第１、第２の実施形態による磁壁移動型のＭＲＡＭのための初期化処理方法であって、
第１、第２の方向に垂直な第３の方向へ磁場を印加して、該第３の方向へ固定領域の磁化を向ける第１のステップと、
前記記録層の膜面に平行な方向に面内電流を流すと共に、前記記録層の膜面に平行な方向の磁場成分を印加する第２のステップと、を有する、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセルの初期化処理方法。
（態様２）
上記態様１の初期化処理方法において、
前記第２のステップに続き、
磁壁が導入されたと判断された素子をパスとし、磁壁が導入されていないと判断された素子をフェイルとする、磁壁が導入されたか否かをテストする第３のステップと、
前記第３のステップでフェイルと判断された素子に対してのみ、前記第１のステップと第２のステップと第３のステップを繰り返す、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセルの初期化処理方法。
（態様３）
上記態様２の初期化処理方法において、
前記第２のステップの面内電流を供給する際に、電源電圧を高く設定し、トランジスタの電流供給能力を高める、
ことを特徴とする磁壁移動型メモリセルの初期化処理方法。
以上、本発明を、複数の実施形態及び変形例を参照して説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施形態は適宜変形又は変更され得ることが明らかである。たとえば、上記実施形態では、反転領域と固定領域の幅の違いで、書き込み及び初期化の閾値電流を設定したが、幅方向だけでなく、厚み方向（Ｚ方向）の違いで書き込み及び初期化の閾値電流を制御しても良い。厚み方向の違いを第１の実施形態に適用する場合、第１固定領域２１よりも第２固定領域２２の厚みを大きくする。
また、上記実施形態では、反転領域と固定領域の幅の違いで、書き込みの閾値電流を設定し、書き込み時に磁壁が固定領域に入ることを抑制したが、例えば、固定領域の下地の表面モフォロジーを反転領域と異なった状態にすることで、磁壁が固定領域に入ることを抑制しても良い。また、このモフォロジーで固定領域への磁壁の侵入を抑制する場合、反転領域と固定領域の電流密度を変えずに、幅もしくは厚み方向を固定領域と反転領域で同じ大きさにしても良い。
また、上記実施形態では、垂直磁気異方性を有する材料における、無数のピニングサイトを利用して、熱的に安定に磁壁を保持したが、より熱安定性を高めるために、固定領域と反転領域の間に段差を設けても良い。
また、上記実施形態では、ＭＴＪは反転領域から物理的に離れた位置に設けられたが、反転領域に接してトンネルバリア膜を形成し、さらに垂直磁気異方性を有するリファレンス層をトンネルバリア膜の反転領域の反対側に形成して、反転領域の磁化を読み出ししてもよい。
また、上記実施形態では、面内磁場は外部から印加したが、磁壁移動素子近傍に配線を設け、その配線に電流を流すことで発生する磁界を利用しても良い。また、第１固定領域の近傍に配線を設け、その配線に電流を流すことで、第１固定領域のみにおいて「面内磁場＋面内電流で誘起された磁化反転」を起こしても良い。また、第１固定領域の近傍に第１配線を設け、第２固定領域に第２配線を設け、第１配線と第２配線に流れる電流の向きを制御することで、第１固定領域と第２固定領域で「面内磁場＋面内電流で誘起された磁化反転」で反転する方向を反平行に設定しても良い。
また、上記実施形態は、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルであるが、他の磁壁移動型メモリ、例えば、レーストラックメモリのスピン偏極領域の書き込みに本技術を利用しても良い。
この出願は、２０１２年１０月２５日に出願された日本出願特願第２０１２−２３５７６３号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
【符号の説明】
【００１０】
１１，２１，４１，５１    第１固定領域
１２，２２，４２，５２    第２固定領域
１３，２３，４３，５３    反転領域
【図１Ａ】
2014065049.tif 000003
【図１Ｂ】
2014065049.tif 000004
【図２Ａ】
2014065049.tif 000005
【図２Ｂ】
2014065049.tif 000006
【図３Ａ】
2014065049.tif 000007
【図３Ｂ】
2014065049.tif 000008
【図４Ａ】
2014065049.tif 000009
【図４Ｂ】
2014065049.tif 000010
【図５】
2014065049.tif 000011
【図６Ａ】
2014065049.tif 000012
【図６Ｂ】
2014065049.tif 000013
【図７Ａ】
2014065049.tif 000014
【図７Ｂ】
2014065049.tif 000015
【図８】
2014065049.tif 000016
【図９】
2014065049.tif 000017
【図１０】
2014065049.tif 000018
【国際調査報告】
2014065049.tif 000019
2014065049.tif 000020