(57)【要約】  読出し時に熱的に安定で、かつ書き込み時の電流を低減した、スピントルク磁化反転応用の磁気ランダムアクセスメモリを提供する。  固定層、非磁性障壁層、記録層が順次積層された磁気抵抗効果素子をメモリ素子として用い、記録層を積層フェリ構造とする。ボルツマン定数をｋB、磁気メモリの動作温度をＴ、磁気抵抗効果素子膜面に平行な面積をＳ、積層フェリ構造を構成する二層の強磁性層のうち膜厚が薄い方の強磁性層の膜厚及び飽和磁化をそれぞれｔ，Ｍs、記録層の短辺の長さをｗ、磁気メモリの熱安定性指数をΔ、記録層の二つの強磁性層間に働く交換結合エネルギーをＪexとするとき、次式を満足する。      Ｍs２（ｔ／ｗ）＞｜Ｊex｜＞（２ｋBＴΔ）／Ｓ
2010100728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定層と非磁性障壁層と記録層とが順次積層された磁気抵抗効果素子を備え、
前記記録層は第１の強磁性層と、非磁性層と、第２の強磁性層とを有し、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層が前記非磁性層を介して反強磁性結合しており、
前記第１と第２の強磁性層のうち前記非磁性障壁層側に配置された前記第１の強磁性層の磁化方向と前記固定層の磁化方向の関係によって情報を記録し、
前記記録層の磁化方向を、前記記録層の膜面に垂直な方向に通電するスピン偏極した電流でスイッチングする磁気メモリにおいて、
ボルツマン定数をｋB、当該磁気メモリの動作温度をＴ、前記磁気抵抗効果素子の膜面に平行な面積をＳ、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層のうち膜厚が薄い方の強磁性層の膜厚及び飽和磁化をそれぞれｔ，Ｍs、前記記録層の短辺の長さをｗ、当該磁気メモリの熱安定性指数をΔ、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の間に働く交換結合エネルギーをＪexとするとき、次式を満足することを特徴とする磁気メモリ。
Ｍs２（ｔ／ｗ）＞｜Ｊex｜＞（２ｋBＴΔ）／Ｓ
【請求項２】
固定層と非磁性障壁層と記録層とが順次積層された磁気抵抗効果素子を備え、
前記記録層は第１の強磁性層と、非磁性層と、第２の強磁性層とを有し、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層が前記非磁性層を介して反強磁性結合しており、
前記第１と第２の強磁性層のうち前記非磁性障壁層側に配置された前記第１の強磁性層の磁化方向と前記固定層の磁化方向の関係によって情報を記録し、
前記記録層の磁化方向を、前記記録層の膜面に垂直な方向に通電するスピン偏極した電流でスイッチングする磁気メモリにおいて、
前記第２の強磁性層の前記非磁性障壁層と反対側の面、もしくは前記固定層より下面に、平均凹凸Ｒａが０．１５ｎｍ以下である構造が、前記記録層の磁気容易軸方向と略平行に形成されていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項３】
固定層と非磁性障壁層と記録層とが順次積層された磁気抵抗効果素子を備え、
前記記録層は第１の強磁性層と、非磁性層と、第２の強磁性層とを有し、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層が前記非磁性層を介して反強磁性結合しており、
前記第１と第２の強磁性層のうち前記非磁性障壁層側に配置された前記第１の強磁性層の磁化方向と前記固定層の磁化方向の関係によって情報を記録し、
前記記録層の磁化方向を、前記記録層の膜面に垂直な方向に通電するスピン偏極した電流でスイッチングする磁気メモリにおいて、
前記記録層の上に非磁性のスペーサ層を介して第３の強磁性層が形成され、前記第３の強磁性層の磁化方向は、前記第２の強磁性層の磁化方向と略反平行であることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の磁気メモリにおいて、前記固定層の前記記録層と反対側の面に接して反強磁性層が形成されていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項５】
請求項４記載の磁気メモリにおいて、前記固定層は、非磁性の中間層を挟んだ２層の強磁性層で構成され、前記２層の強磁性層が非磁性層を介した反強磁性結合していることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載の磁気メモリにおいて、前記固定層はＣｏＦｅＢ、前記非磁性障壁層はＭｇＯ、前記第１の強磁性層はＣｏＦｅＢ、前記第２の強磁性層はＣｏxＦｅ(1-x)からなり、ｘの範囲が０．３から０．７であることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項７】
請求項２記載の磁気メモリにおいて、前記記録層の上に、前記記録層と接してＲｕ又はＴａからなる層が形成されていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項８】
請求項３記載の磁気メモリにおいて、前記第３の強磁性層は、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅの合金で構成されていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の磁気メモリにおいて、前記磁気抵抗効果素子の一端に、前記磁気抵抗効果素子に通電するためのトランジスタが接続されていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１０】
請求項９記載の磁気メモリにおいて、前記トランジスタの一端が第一の書込みドライバー回路に接続されたソース線に接続され、前記磁気抵抗効果素子の前記トランジスタに接続されていない側の一端が、第二の書込みドライバーと読出し信号を増幅するアンプに接続されたビット線に接続され、前記トランジスタの抵抗を制御するワード線を備え、前記ワード線が第三の書込みドライバーに接続されていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１１】
請求項１０記載の磁気メモリにおいて、前記記録層の磁化容易軸が、前記ビット線が延伸している方向と略垂直であることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１２】
請求項１０記載の磁気メモリにおいて、
前記ビット線の一端に接続された第一の可変抵抗素子と、
前記ビット線の他端に接続された第二の可変抵抗素子と、
前記第一の可変抵抗素子の抵抗を変化せしめるために用いられる第一の電圧印加手段と、
前記第二の可変抵抗素子の抵抗を変化せしめるために用いられる第二の電圧印加手段と、を備え、
書込み動作時には、前記第一の電圧印加手段と前記第二の電圧印加手段との間に電流を流し、前記ビット線と前記ソース線との間にスピン偏極した電流を流すことで生じるスピントルクを用いて前記記録層の磁化を反転させることを特徴とする磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピントルク磁化反転を応用した磁気メモリ及び磁気ランダムアクセスメモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来のダイナミック・ランダム・アクセスメモリ（ＤＲＡＭ）を置きかえる可能性を有する磁気ランダム・アクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が注目されている。従来のＭＲＡＭでは、例えば米国特許第５７３４６０５号明細書に記載されているように、磁性膜／非磁性絶縁膜／磁性膜の多層構造を有するトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子の一方の磁化を、ＴＭＲ素子の上下に互いに直交する方向に設けられた２つの金属配線に流れる電流が作る合成磁界を用いて反転させることにより記録を行う方式が採用されている。しかしながら、ＭＲＡＭにおいても、大容量化のためＴＭＲ素子のサイズを小さくすると磁化反転に要する磁界の大きさが大きくなり、たくさんの電流を金属配線に流すことが必要となり、消費電力の増加、ひいては配線の破壊を招いてしまうという課題が指摘されている。【０００３】
磁界を用いずに磁化反転する方法として、たとえば、Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-6 (1996)に記載されているように、磁気再生ヘッドで用いられる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜やトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜に、一定以上の電流を流すだけで磁化反転が可能であることが理論的に示された。その後、例えばPhysical Review Letters, Vol.84, No.14, pp.2149-2152 (2000)には、二つのＣｕの電極の間にＣｏ／Ｃｕ／Ｃｏの多層膜（ＧＭＲ膜）を含む直径１３０ｎｍのピラーを形成し、そのピラーに電流を流し、流れる電流のスピンからＣｏ層の磁化に与えられるスピントルクを用いて、Ｃｏ層の磁化を反転する記録方式の実験例が報告されている。さらに、近年では、たとえば、Applied Physics Letters, Vol.84, pp.2118-2120 (2004)に記載されているように、ＴＭＲ膜を用いたナノピラーを用いて、スピントルク磁化反転が実証された。特にＴＭＲ膜を用いたスピントルク磁化反転では、従来のＭＲＡＭと同等以上の出力が得られるため、大いに注目を集めている。【０００４】
以上言及したスピントルク磁化反転の模式図を図１に示す。図１において、ビット線１に、磁化方向が変化する第１の強磁性層（記録層）２、中間層３、磁化方向が固定された第２の強磁性層（固定層）４からなる磁気抵抗効果素子と、ゲート電極５で伝導を制御されたトランジスタ６が接続され、トランジスタのもう一方の端子はソース線７に接続されている。図１（ａ）のように、固定層４と記録層２の磁化を反平行（高抵抗）状態から平行（低抵抗）状態に変化させる場合には、電流８はビット線１からソース線７に流す。このとき、電子９はソース線７からビット線１に流れる。一方、図１（ｂ）のように、固定層４と自由層２の磁化を平行（低抵抗）状態から反平行（高抵抗）状態に変化させる場合には、電流８はソース線７からビット線１の方向に流せばよい。このとき、電子９はビット線１からソース線７の方向に流れる。【０００５】
その後、例えば特開２００５−２９４３７６号公報に記載されているように、記録層２を非磁性層２２をはさんだ２層の強磁性層２１と２３で構成し、その磁化の向きをお互いに反対方向になるように配置させ、外部からの侵入磁界に関して安定化させる積層フェリ構造と呼ばれる構造が提案された。
【特許文献１】米国特許第５７３４６０５号明細書
【特許文献２】特開２００５−２９４３７６号公報
【非特許文献１】Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-6 (1996)
【非特許文献２】Physical Review Letters, Vol.84, No.14, pp.2149-2152 (2000)
【非特許文献３】Applied Physics Letters, Vol.84, pp.2118-2120 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のこれらのＭＲＡＭには、以下のような問題がある。【０００７】
スピントルク磁化反転を応用した磁気メモリでは、書換え電流の低減と不揮発性を保証する熱安定性の確保が極めて重要である。スピントルク磁化反転の書換え電流は電流密度で決まることが知られており、例えばPhysical Review B, Vol.62, No.1, pp.570-578によれば、しきい電流密度Ｊc0は式（１）で与えられることが知られている。【０００８】
Ｊc0∝(αＭst/g)(Ｈk+Ｍeff/2μ0)〜(αＭeffＭst)/(2μ0g)  (Ｈk≪Ｍeff/2μ0)    (１)
ここで、αはギルバートのダンピング定数、Ｍsは記録層の飽和磁化、ｔは記録層の膜厚、ｇはスピントルクの効率、Ｈkは記録層の異方性磁界、Ｍeffは膜面に垂直方向に働く反磁界の効果を差し引いた記録層の有効磁化、μ0は真空の透磁率である。【０００９】
一方、熱安定性を特徴づけるエネルギー障壁、すなわち二つの安定な磁化方向の間で磁化反転をするために必要なエネルギーは、式（２）で与えられる。ここで、Ｓは磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）の膜面に平行な面積である。【００１０】
Ｅ〜（１／２）×（ＭsＨkＳｔ）                  （２）
式（１）、式（２）からわかるように、Ｊc0，ＥともにＭs・ｔに比例する量である。したがって熱安定性を確保するためにＭs・ｔを増加させるとＪc0も大きくなり、書き込みに要する消費電力が増える。他方、しきい電流を減らすためにＭs・ｔを減少させるとＥも減少し、熱安定性が損なわれる。すなわち、Ｊc0とＥはトレードオフの関係にある。【００１１】
一方、特開２００５−２９４３７６公報には積層フェリ記録層を用いたＭＲＡＭが記載されている。積層フェリ記録層を用いたＭＲＡＭは、図２に示すように、記録層２が非磁性層２２を挟んで反平行結合する２層の磁性層２１，２３で構成されている。この場合、記録層を構成する二つの磁性層２１，２３の磁化の向きがお互いに反対向きであるため、スピントルク磁化反転に効く、ベクトル的作用を有する正味の磁化Ｍs・ｔの値が小さくなり、Ｊc0が小さく出来るという利点を有する。一方で、熱安定性を表す式（２）のＭs・ｔは二つの磁性層２１，２３の全磁化の和が効くので、磁性層２の体積が増大した分、熱的に安定となる。すなわち、積層フェリ記録層は、低いＪc0と高いＥを兼ね備えた構造である。しかし、これらの効果は積層フェリ記録層２の二つの磁性層２１，２３の磁化がきちんと反平行になっていないと実現しない。しかし実際の素子では、固定層４からの漏洩磁界や、固定層４と記録層２の間に働く層間結合等の影響で、積層フェリ記録層２の二つの磁性層２１，２３の磁化はきちんと反平行になっていないことが多く、また磁化のなす角度も、メモリアレイを構成するＴＭＲ素子ごとにばらついてしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の磁気メモリは、固定層と非磁性障壁層と記録層とが順次積層された磁気抵抗効果素子を備え、記録層を第１の強磁性層と第２の強磁性層が非磁性層を介して反強磁性結合した積層フェリ構造とする。情報の記録は、記録層を構成する第１と第２の強磁性層のうち非磁性障壁層に近い側に配置された第１の強磁性層の磁化方向と固定層の磁化方向の関係（平行、反平行）によって行い、記録層の磁化方向は、記録層の膜面に垂直な方向に通電するスピン偏極した電流でスイッチングする。ここで、ボルツマン定数をｋB、磁気メモリの動作温度をＴ、磁気抵抗効果素子の膜面に平行な面積をＳ、第１の強磁性層と第２の強磁性層のうち膜厚が薄い方の強磁性層の膜厚及び飽和磁化をそれぞれｔ，Ｍs、前記記録層の短辺の長さをｗ、当該磁気メモリの熱安定性指数をΔ、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の間に働く交換結合エネルギーをＪexとするとき、次式（３）を満足するようにする。【００１３】
Ｍs2（ｔ／ｗ）＞|Ｊex|＞（２ｋBＴΔ）／Ｓ        （３）
あるいは、積層フェリ記録層を構成する二層の強磁性層のうち、非磁性障壁層から遠い側に配置された第２の強磁性層の非磁性障壁層と反対側の面、もしくは固定層より下面に、平均凹凸Ｒａが０．１５ｎｍ以下である構造を、記録層の磁気容易軸方向と略平行に形成する。【００１４】
あるいは、積層フェリ記録層の上に非磁性のスペーサ層を介して第３の強磁性層を形成する。第３の強磁性層の磁化方向は、積層フェリ記録層を構成する二層の強磁性層のうち非磁性障壁層から遠い側に配置された第２の強磁性層の磁化方向と略反平行である。第３の強磁性層は、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅの合金で構成することができる。【００１５】
固定層の磁化は、記録層とは反対側の面に固定層と接触して設けられた反強磁性層からの交換結合力で固定することができる。また、固定層を、積層フェリ構造としてもよい。【００１６】
固定層をＣｏＦｅＢ、障壁層をＭｇＯ、記録層の障壁層に近い側の強磁性層をＣｏＦｅＢ、障壁層から遠い側の強磁性層をＣｏxＦｅ(1-x)で構成してもよい。ｘの範囲は３０から７０％である。【００１７】
さらに、記録層の上に、記録層と境界を接してＲｕ又はＴａからなるキャップ層を形成してもよい。【００１８】
磁気抵抗効果素子の一端には、磁気抵抗効果素子に通電するためのトランジスタが接続される。トランジスタの一端は、第一の書込みドライバー回路に接続されたソース線に電気的に接続し、磁気抵抗効果素子のトランジスタに接続されていない側の一端を、第二の書込みドライバーと読出し信号を増幅するアンプに接続されたビット線に接続し、トランジスタの抵抗を制御するワード線を設け、ワード線を第三の書込みドライバーに接続する。記録層の磁化容易軸は、ビット線が延伸している方向と略垂直に設置するのが好ましい。【００１９】
さらにまた、ビット線の一端に接続された第一の可変抵抗素子と、ビット線の他端に接続された第二の可変抵抗素子と、第一の可変抵抗素子の抵抗を変化せしめるために用いられる第一の電圧印加手段と、第二の可変抵抗素子の抵抗を変化せしめるために用いられる第二の電圧印加手段とを設け、書込み動作時には、第一の電圧印加手段と第二の電圧印加手段との間に電流を流し、ビット線とソース線との間にスピン偏極した電流を流すことで生じるスピントルクを用いて記録層の磁化を反転させる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、読出し時に熱的に安定で、かつ書き込み時の電流を低減した、積層フェリ記録層を応用したスピントルク磁化反転応用の磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】スピントルク磁化反転の原理を示す図であり、（ａ）は反平行状態から平行状態への磁化反転を示す図、（ｂ）は平行状態から反平行状態への磁化反転を示す図。
【図２】積層フェリ記録層を用いた従来のＭＲＡＭの模式図。
【図３】積層フェリ記録層の磁化角度とエネルギーを表す図。
【図４】積層フェリ記録層のＲｕの膜厚と交換結合エネルギーの関係を示す図。
【図５】積層フェリ記録層のＲｕの膜厚と交換結合エネルギーの関係を示す図。
【図６】本発明の第一の実施例を示す図。
【図７】積層フェリ記録層で二つの強磁性層の磁化が反平行にならない原因を説明する図。
【図８】本発明の第二の実施例を示す図。
【図９】本発明の第二の実施例を示す図。
【図１０】本発明の第二の実施例を示す図。
【図１１】本発明の第三の実施例を示す図。
【図１２】本発明におけるメモリアレイ回路の一例を表す図。
【図１３】ＲａとＴＭＲ比の関係を示す図。
【図１４】反磁界が磁性膜端部の磁化の向きに及ぼす影響を説明する図。
【符号の説明】
【００２２】
１  ビット線
２  記録層
３  非磁性障壁層
４  固定層
５  ゲート電極
６  トランジスタ
７  ソース線
２１  強磁性層
２２  非磁性層
２３  強磁性層
６１  下地層
６２  基板
６３  保護膜
８１  キャップ層
９１  基板
９２  下地層
１０２  積層フェリ固定層
１０１  積層フェリ記録層
１０３  反強磁性層
１０４  キャップ層
１１１  キャップ層
１１２  付加磁性層
１１３  金属中間層
１２１  ＴＭＲ素子
１２２  ワード線
１２３，１２５  抵抗制御素子
１２４，１２６  抵抗制御素子制御用ワード線
１２７  メモリセル
１０１１  強磁性層
１０１２  非磁性層
１０１３  強磁性層
１０２１  強磁性層
１０２２  非磁性層
１０２３  強磁性層
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
まず、本発明で高い熱安定性と小さなＪc0を両立するＴＭＲ素子を得るための原理を述べる。【００２４】
図３は、図２の積層フェリ記録層のエネルギーの模式図である。通常、ＴＭＲ素子の形状は、図３の下部に示したように一辺が他辺より長い楕円、長方形等の構造に加工されるが、このときの長辺方向が磁化容易軸、すなわち磁化の向きが安定な方向となる。積層フェリ記録層の磁化と、この磁化容易軸との角度をｑ1，ｑ2とすると、ｑ1＝０度、ｑ2＝−１８０度、又はｑ1＝１８０度、ｑ2＝０度と、二つの磁性層の磁化がともに磁化容易軸方向を向き、かつ互いに１８０度の角度をなすとき（図３のＡ点及びＢ点）、記録層のエネルギーは最小となる。また磁化反転は、図３に示した経路、すなわちｑ1＝ｑ2＋１８０を保ちつつ起こる。すなわち、図３のＣ点はいわゆる鞍点となっており、点Ａ，Ｂよりエネルギーが高いが、まわりのエネルギーの峰（点Ｄ，Ｅなど）に比べれば、エネルギーが低い。点Ａ，Ｂと点Ｃのエネルギー差が式（２）のＥとなる。しかし、何らかの磁界によって二つの磁性層の磁化の向きが、ｑ1＝ｑ2＋１８０の関係を満たさなくなると、図３の矢印の方向にエネルギーが上昇する。すると、点Ｃを越えるために必要なエネルギーは、磁化が点Ａ，Ｂにあるときに比べ小さくなり、熱安定性が低下するのである。一方Ｊc0は、すでに述べたように、記録層の二つの磁化のベクトル的な和が最小のときに最小となるので、やはりｑ1＝ｑ2＋１８０の関係が満たされているときに最小になる。したがって、積層フェリ記録層を磁気メモリに応用する際には、いかにｑ1＝ｑ2＋１８０の関係を精度よく実現するかが極めて重要になる。【００２５】
ｑ1＝ｑ2＋１８０の関係を精度よく実現する方法には、磁化容易軸方向にかかる実効的な磁界（二つの強磁性層２１，２３の間に働く交換結合磁界、強磁性層２１，２３の異方性磁界）を大きくする方法や、素子の作製誤差で生じた磁気困難軸方向の磁界を補償する磁界を供給する等の方法がある。以下、それぞれについて詳細に述べる。【００２６】
［実施例１］
交換結合磁界とは、積層フェリ記録層２を構成する二つの強磁性膜２１，２３の磁化の方向を反平行に保とうとする磁界であり、交換結合磁界を増加するためには強磁性膜２１，２３に挟まれた非磁性膜２２の膜厚を最適に設定する必要がある。この膜厚は、強磁性膜の材料、組成、及び非磁性層の材料、及び膜形成後の熱処理温度によって変わってくる。以下では、強磁性層２１，２３の材料としてＣｏxＦｅyＢzを用い、非磁性層２２の材料としてＲｕを用いた場合を示す。特にｚが略２０％のＣｏＦｅ合金は、非磁性障壁層３の材料としてＭｇＯを用いたとき、高いＴＭＲ比が得られる。【００２７】
図４は、強磁性層２１，２３としていずれもＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20を、非磁性層２２としてＲｕを用いた場合の、交換結合エネルギーとＲｕ膜厚の関係を示した図である。強磁性膜２１，２３の膜厚はいずれも３ｎｍである。熱処理温度を３００℃とした場合の最適なＲｕ膜厚は０．６ｎｍ、３５０℃とした場合の最適な膜厚は０．８ｎｍである。図５は、強磁性膜２３のみをＣｏ50Ｆｅ50とした場合の交換結合係数と非磁性層Ｒｕの膜厚の関係を示す図である。強磁性膜２１，２３の膜厚はいずれも３ｎｍである。この場合、交換結合係数の値自体が大きく、また熱処理温度を３５０℃とした場合の最適なＲｕ膜厚が０．７ｎｍであることがわかる。【００２８】
次に、実際のスピントルク磁化反転特性を確認するため、図６のような交換バイアス型のＴＭＲ素子を作製し、特性を評価した。交換バイアス型のＴＭＲ素子では、適当な下地層６２の上に、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＭｎ，ＦｅＭｎ，ＩｒＣｒＭｎなどの反強磁性膜６１を製膜する。さらに反強磁性層６１の上に、積層フェリ構造の固定層４を製膜する。ここで４１，４３は強磁性層、４２は非磁性層である。本実験では、強磁性層４１にＣｏ50Ｆｅ50、非磁性層４２にＲｕ、強磁性層４３にＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20を用いた例を示す。固定層４は必ずしも積層フェリ構造にする必要はないが、積層フェリ固定層を用いると積層フェリ固定層からの漏れ磁界が小さくなり、記録層２への余分の磁界印加を減らすことができるので、スピントルク磁化反転の特性をさらに向上させることができる。積層フェリ固定層４の上に非磁性障壁層３として厚さ１ｎｍのＭｇＯ層を形成し、その上に種々の材料からなる積層フェリ記録層２を形成し、最後に保護層６３を製膜する。製膜後、電子線描画とイオンビームエッチングでＴＭＲ膜を１００ｎｍ×２００ｎｍの長方形に加工して測定素子とした。【００２９】
次に、どの程度のＪexがあれば、ｑ1〜ｑ2＋１８０が実現できるのか検討した。発明者らは詳細な検討により、反強磁性膜６１を着磁するときに用いる磁界の向きと、ＴＭＲ素子の長軸方向のずれが、作製誤差により生じることに着目した。固定層４の磁化を一方向にきちんと固定するには、大きな磁界を印加して、反強磁性膜６１を一方向に着磁することが必要である。しかし、磁場印加に用いる磁石の大きさを２００ｍｍΦ、３００ｍｍΦの範囲で均一にするには、大きな磁界を発生する極めてサイズの大きな磁石を用意しなくてはならず、通常の製造ラインではエネルギー的、コスト的に不可能である。したがって、より小型の磁石を用いる必要があり、ウェハ面内で着磁方向が変化することは避けられない。【００３０】
作製したＴＭＲ素子の長辺方向と着磁方向にずれが生じている場合として、図７（ａ）のように非磁性障壁層を挟んだ固定層４と強磁性層２１の磁化の方向が平行な場合、二つの磁化の間に働く静磁界結合は弱いので、強磁性層２１の磁化は素子の長辺方向を向いてしまう。一方、記録層を構成するもう一方の強磁性層２３の磁化は、固定層４からの漏洩磁界の影響を受け、固定層の磁化と反平行に向きやすい。したがって強磁性層２１と強磁性層２３の磁化の角度が１８０度からずれてしまう。一方、図７（ｂ）のように、非磁性障壁層をはさんだ固定層４と強磁性層２１の磁化の方向が反平行な場合、二つの磁化の間に働く静磁界結合は強いので、強磁性層２１の磁化は固定層４の磁化と反平行方向に向く。一方、記録層を構成するもう一方の強磁性層２３の磁化は、固定層４からの漏洩磁界の影響がほとんどなくなるので、素子の長辺の方向を向き易い。したがって、強磁性層２１と強磁性層２３の磁化の角度が１８０度からずれてしまう。【００３１】
これを防ぐには、強磁性記録層２１，２３の異方性磁界Ｈkより、交換結合磁界Ｈex＝Ｊex／（μ0・Ｍs・ｔ）（ただしμ0は真空の透磁率、Ｍsは強磁性層２１，２３の飽和磁化、ｔは厚さ）の方を大きくし、どのような状態でも必ずｑ1〜ｑ2＋１８０が実現できるようにすることが重要である。強磁性記録層の異方性磁界Ｈkは、熱安定性を保証するエネルギーＥとＥ＝（ μ0・Ｍs・Ｈk・Ｓ・ｔ）／２という関係があるので、熱安定性指数Ｅ／ｋBＴを素子面積Ｓの減少、すなわち小さなメモリ素子に対して一定にするには、ＨkをＳに反比例して増加させなくてはならない。【００３２】
以上を纏めると、あるＴＭＲ素子面積Ｓに対して必要とされる交換結合エネルギーＪexは、スピントルク磁化反転を応用した磁気ランダムアクスセメモリで不揮発性を保証するために必要なＥ／ｋBＴの設計値Δに対して、次のように書くことができる。【００３３】
|Ｊex|＞（２ｋBＴΔ）／Ｓ
一方、Ｊexの値が大きすぎると他の障害が生じる。Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-6 (1996)によれば、スピントルク磁化反転に寄与するスピントルクの大きさは、固定層側の強磁性層４３の磁化と記録層側の強磁性層２１の磁化のなす角度をθとするとsinθに比例する。したがって、固定層側の強磁性層４３の磁化と記録層側の強磁性層２１の磁化が互いに完全に平行、又は反平行である場合、スピントルク磁化反転は起こりえない。通常記録層が単層である場合、図１４のように記録層の端部の磁化は、反磁界Ｈdの影響を受けて容易軸から少し傾いている。従って、この端部からスピントルク磁化反転が始まり、それが記録層全体に拡がっていく。ところが、積層フェリ記録層の場合、大きな交換結合力が働いている場合には、磁化の向きは端部まで容易軸方向を向く。したがって、スピントルクの大きさは記録層のすべての領域で小さく、スピントルク磁化反転が起こりにくい。磁化を傾ける反磁界の大きさは、Ｈd〜（Ｍs／μ0）（ｗ／ｔ）（ここでｗは記録層の短辺の長さ）と表されるので、交換結合エネルギーＪexは、
Ｍs２（ｔ／ｗ）＞|Ｊex|
を満足する必要がある。こうして、前掲の式（３）が交換結合エネルギーＪexが満たすべき値の範囲として導かれる。【００３４】
次に、作製した素子の電気特性を測定した。結果を表１に示す。表１において、膜構成の（）内の数値は膜厚であり、単位はｎｍである。なお、電流方向のプラスは固定層４から記録層２の方向に電流が流れる方向で、このとき固定層４と非磁性障壁層３を介して対向している強磁性膜２１の磁化方向は、固定層４の磁化方向に対し、平行方向から反平行方向に磁化反転する。逆に電流をマイナス方向に流すと、固定層４と非磁性障壁層３を介して対向している強磁性膜２１の磁化方向は、固定層４の磁化方向に対し、反平行方向から平行方向に磁化反転する。表１に示したＪc0の値は、平行方向から反平行方向への磁化反転と、反平行方向から平行方向への磁化反転の両者のスピントルク磁化反転におけるＪc0の相加平均である。熱処理温度はいずれも３５０℃である。このときＴＭＲ比はいずれの素子もほぼ２００％であり、面積抵抗ＲＡは約１０Ωμｍ2となった。また、表１には３５０℃の熱処理した素子の測定結果のみを載せたが、別途３００℃で熱処理した素子のＴＭＲ比を測定したところ、１００％前後となった。図４と図５の比較では、交換結合エネルギーにおいては３００℃で熱処理した素子の方が大きいといえるが、ＴＭＲ比では３５０℃で熱処理した素子の方が大きい。【００３５】
システムに必要とされるΔを６０とすると、素子サイズ（素子面積）Ｓが１００ｎｍ×２００ｎｍ＝２００００ｎｍ2の場合、式（３）よりＪexの値は０．０２５ｍＪ／ｍ2以上である必要がある。また、Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20の飽和磁化は１．４Ｔであり、膜厚は２ｎｍなので、式（３）よりＪexの値は３９．２ｍＪ／ｍ2以下である必要がある。表１の右の欄には、式（３）の二つの条件を満足するものを○で、満足しないものを×で示した。磁気メモリの動作温度は、Ｔ＝３００Ｋとした。
【表１】
2010100728.tif 000003
【００３６】
この結果からわかるように、交換結合エネルギーが強いほどＪc0は低下し、Ｅ／ｋBＴが増加し、式（３）を満たす場合のみ、Δが６０以上という仕様を満たすことができることがわかる。これは、交換結合エネルギーが強い場合、強い交換結合の力によって積層フェリ記録層を形成する二つの強磁性層２１，２３の磁化がきちんと平行になったためと考えられる。なお、表１には、特に材料をＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20／Ｒｕ／Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20とＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20／Ｒｕ／Ｃｏ50Ｆｅ50に限って示したが、強磁性層の材料をＣｏxＦｅyＢzとし、非磁性膜にはＲｕのほか、Ｉｒ，Ｏｓ，Ｃｒ等の材料を用いてもよい。【００３７】
表２には、Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20／Ｒｕ／Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20の場合の例を示す。素子サイズはいずれも１００ｎｍ×２００ｎｍで、熱処理温度は３５０℃である。システムに必要とされるΔを６０とすると、素子サイズＳが１００ｎｍ×２００ｎｍ＝２００００ｎｍ2の場合、式（３）よりＪexの値は０．０２５ｍＪ／ｍ2以上である必要がある。また、Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20の飽和磁化は１．０Ｔであり、膜厚は２ｎｍなので、式（３）よりＪexの値は２８ｍＪ／ｍ2以下である必要がある。この二つの条件を満足するかどうかが、表２の右の欄に示してある。
【表２】
2010100728.tif 000004
【００３８】
表２では、すべての素子で式（３）は満たされているが、交換結合エネルギーが強いほどＪc0は低下し、Ｅ／ｋBＴが増加する傾向は変わらないことがわかる。ただしＪc0の値は、Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20を用いた場合にはＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20を用いた場合より大きいことがわかる。【００３９】
次に、素子サイズＳが６５×１３０ｎｍの素子を、表１と同じ膜構成で作製し、評価した。熱処理温度は３５０℃である。結果を表３に示す。式（３）よりＪexの値は０．０６６ｍＪ／ｍ2以上である必要がある。また、Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20の飽和磁化は１．４Ｔであり、膜厚は２ｎｍなので、式（３）よりＪexの値は３９．２ｍＪ／ｍ2以下である必要がある。この二つの条件を満足するかどうかが、表３の右の欄に示してある。
【表３】
2010100728.tif 000005
【００４０】
さらに詳細な検討より、強磁性層にＢを添加する場合には、Ｂの含有量がｚ＝２０％近傍（１７％〜２２％）であることが望ましいことが分かった。また、上部の強磁性層２３に関しては、Ｂを含まず（ｚ＝０）かつｘの値が３０〜７０％の範囲で大きな交換結合エネルギーＪexが得られることがわかった。実際、記録層のＭｇＯ側の磁性層２１を小さなＪc0が得られるＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20に固定し、ｘの値を変え、Ｒｕの膜厚を変えながら交換結合エネルギーが最大になるＲｕ膜厚を求め、最適化されたＲｕ膜厚における交換結合エネルギーを求めたところ、ｘ＝０％のときＪex＝−０．０４（ｍＪ／ｍ2）、ｘ＝２０％のときＪex＝−０．０４（ｍＪ／ｍ2）、ｘ＝３０％のときＪex＝−０．０８（ｍＪ／ｍ2）、ｘ＝５０％のときＪex＝−０．１５（ｍＪ／ｍ2）、ｘ＝７０％のときＪex＝−０．０８（ｍＪ／ｍ2）、ｘ＝９０％のときＪex＝−０．０８（ｍＪ／ｍ2）となった。【００４１】
また、３インチ（８０ｍｍ）ウェハ内でのＪc0とＥ／ｋBＴのばらつきを評価したところ、最もＪc0が小さくかつＪexの大きかったＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（２）／Ｒｕ（０．８）／Ｃｏ50Ｆｅ50（１．８）を搭載したＴＭＲ素子のばらつきは、Ｊexの小さいＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（２）／Ｒｕ（０．７）／Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20（１．８）を搭載したＴＭＲのばらつきにくらべ、半分以下に減少していた。このことから、交換結合の増大は積層フェリ記録層のウェハ面内ばらつき低減にも大きな効果があることがわかった。【００４２】
［実施例２］
積層フェリ記録層の上部強磁性層２３にテクスチャーをつけた実施例について説明する。図８はその例であり、強磁性層２３の磁化容易軸方向に適当な手段でテクスチャーがつけられており、その上に金属材料からなるキャップ層８１が設けられている。テクスチャーの溝の周期構造の方向は、強磁性層２３の磁化容易軸方向と略垂直である。【００４３】
このようにすると、この微細な構造による反磁界が、磁化容易軸方向と垂直な方向（すなわち磁化困難軸方向）に磁化を回転させることを妨げる働きをし、磁気異方性が増加する。キャップ層の材料としては、Ｒｕ，Ｔａなどの高融点で抵抗の低い材料が望ましい。テクスチャーの凹凸の大きさは、平均粗さＲａで評価することができる。Ｒａは、原子間力顕微鏡のラインスキャンで測定した凹凸の大きさをスキャンしたラインの長さで平均した量である。本実施例では、テクスチャーをつける前のＲａは約０．０８ｎｍであった。これにテクスチャーをつけるために、軽いイオンビームエッチングを、ＴＭＲ素子の斜め上方からビームを入射させて行って形成する。【００４４】
図１３は、Ｒａの値とＴＭＲの特性の関係を示したものである。ＴＭＲ比はＲａの増大によって急激に減少することがわかる。Ｒａが０．１５ｎｍ以上の凹凸をつけると、強磁性層２３にダメージを与えるだけでなく、強磁性層２１や非磁性障壁層３にもダメージを与え、ＴＭＲ素子の特性が大きく劣化してしまうので、好ましくない。特開２００７−３１７７３４号公報には、Ｒａを１．１ｎｍ以上にすることにより、磁気異方性を増加させることができることが開示されているが、発明者らが素子作製プロセスを詳細に検討した結果、Ｒａ＝０．１５ｎｍ以下とすることで、磁気異方性の増加と大きなＴＭＲ比の維持の両立が可能であることがわかった。【００４５】
このようなテクスチャーをつけた場合、前記のように、強磁性膜２３はテクスチャーの溝と垂直方向に強い磁気異方性を持つ。従って、固定層４等からの漏洩磁界などの外乱の影響を受けても、必ず磁化はテクスチャーの溝の周期構造の方向と垂直な方向に向いている。したがって、たとえ図７（ａ）のように固定層４の磁化が素子の長辺方向からずれた角度に着磁されても、強磁性層２３の磁化は必ず容易軸方向に向く。さらにテクスチャーの周期を調整することにより、記録層２１と強磁性層２３の交換結合エネルギーを増大させる効果もある。以上により、強磁性層２３と強磁性層２１の磁化の向きは、ｑ1〜ｑ2＋１８０を満足するようになる。一方、図７（ｂ）の場合は、直接強磁性層２１の磁化を、磁化容易軸方向に向かせる効果は少ないが、適度の交換結合エネルギーにより、強磁性層２１の磁化の向きを、テクスチャーにより磁化の向きがＴＭＲ素子の長辺、すなわち磁化容易軸方向に向けられた強磁性層２３と反平行な方向に向けることができるのは、図７（ａ）と同じである。【００４６】
このような素子を作製するには、ＴＭＲ素子の長辺方向とエッチング処理で用いるイオンビームの方向をきちんと平行にすることが重要となる。しかし、イオンビームエッチング装置では、イオンガンと素子との距離を離すことによりイオンビームの素子への入射角を一様にすることができるので、精密な基板回転機構をつければ、ウェハ全面で、ＴＭＲ素子の長辺方向とエッチング処理で用いるイオンビームの方向をきちんと平行にすることは、ＴＭＲ素子の長辺方向と反強磁性膜を着磁する磁界の面内分布を一様にすることよりずっと容易である。これにより、Ｊc0やＥ／ｋBＴの面内ばらつきの少ない、積層フェリ記録層を用いたＴＭＲ素子を形成することができる。【００４７】
さらに、テクスチャリングをした強磁性層２３を用いると、Ｅ／ｋBＴの値自身を増加できるという効果がある。すなわち、強磁性層２３の磁気異方性が向上するため、積層フェリ記録層全体のＥ／ｋBＴが増加するのである。【００４８】
以下、３５０℃で熱処理をした表１と同じ膜構成を有する積層フェリ記録層に関して詳述する。強磁性層２３とキャップ層以外の部分の構造は、実施例１の構造（図６）と同一である。イオンビームと基板の角度は６０度に設定し、イオンビーム照射時間は１００秒とした。製膜、イオンビーム照射を行った試料を、１００ｎｍ×２００ｎｍの長方形に加工して、電気特性を測定した。表４に特性を示す。
【表４】
2010100728.tif 000006
【００４９】
式（３）から見積もられる|Ｊex|の必要値は０．０６２（ｍＪ／ｍ2）であり、式（３）の条件を満足しているものでΔ＝Ｅ／ｋBＴ＞６０の条件を満たすことが確認された。すなわち、実施例１で示した式（３）を満足するＪexを実現し、さらに本実施例のようにテクスチャーを加えた構造を加えると、記録層の二つの磁化の方向が反平行の状態に極めて安定化され、大きな熱安定性を得ることができる。また、３インチ（８０ｍｍ）ウェハ内でのＪc0とＥ／ｋBＴのばらつきを評価したところ、テクスチャーのないＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（２）／Ｒｕ（０．８）／Ｃｏ50Ｆｅ50（１．８）を搭載したＴＭＲ素子のばらつきとほぼ同程度であり、イオンビームの照射がばらつきに対し悪い影響を与えないことも確認できた。ここでは特に材料をＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20／Ｒｕ／Ｃｏ50Ｆｅ50に限って示したが、強磁性層の材料をＢの含有量がｚ＝２０％近傍のＣｏxＦｅyＢzとし、非磁性膜をＲｕのほか、Ｉｒ，Ｏｓ，Ｃｒ等の材料を用いても、効果はかわらなかった。ただし、検討の結果から、Ｂを添加する場合には、Ｂの含有量がｚ＝２０％近傍（１７％〜２２％）であることが望ましいことが分かった。また、上部の強磁性層２３に関しては、Ｂを含まず（ｚ＝０）かつｘの値が３０〜７０％の範囲で大きな交換結合エネルギーＪexが得られることがわかった。【００５０】
以上は、積層フェリ自由層の最上層にテクスチャーをつける実施例であったが、図９にように、基板９１ないし下地膜９２にテクスチャーをつけることによっても、ｑ1〜ｑ2＋１８０を満足させる効果がある。この効果は、図９のように積層フェリ記録層２が非磁性障壁層３の上にある場合でも実現できるが、図１０のように積層フェリ記録層１０１が非磁性障壁層３の下にある場合に、より効果的である。この場合具体的な材料の構成としては、たとえばテクスチャーをつけた下地膜９２上に、強磁性層１０１１、非磁性層１０１２、強磁性層１０１３を積層したＣｏ50Ｆｅ50／Ｒｕ／Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20からなる積層フェリ自由層１０１を形成する。その上にＭｇＯからなる非磁性障壁層３を形成し、強磁性層１０２１、非磁性層１０２２、強磁性層１０２３を積層したＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20／Ｒｕ／Ｃｏ50Ｆｅ50からなる積層フェリ固定層１０２を形成し、さらに例えばＩｒＭｎからなる反強磁性層１０３、キャップ層１０４を形成する。熱処理温度３５０℃で熱処理を行い、１００ｎｍ×２００ｎｍの長方形に加工して電気特性を測定したところ、図８の試料と同等の特性の素子が得られた。【００５１】
［実施例３］
次に、ＴＭＲ素子の上に付加磁性層を設け、付加磁性層の漏洩磁界を利用して積層フェリ自由層の二つの磁化角度をｑ1〜ｑ2＋１８０とする方法について説明する。【００５２】
図１１において、１１１はキャップ層、１１２は付加磁性層、１１３は導電性の中間層、１１６はビット線１を流れる電流、１１５はビット線１の電流によって発生した磁界、１１４は付加磁性層１１２の磁化によって発生した磁界である。そのほかの構成は、図６と同一である。付加磁性層１１２の材料としてはＮｉＦｅのような軟磁性材料が望ましいが、さらに広くはＣｏ，Ｎｉ，Ｆｅの合金を用いる。これは後述するように、磁性付加層１１２の磁化をビット線１に流す電流１１６の方向を切り替えることで１８０度スイッチさせる必要があるためである。図１１では、積層フェリ記録層２の非磁性障壁層３側の磁性層２１の磁化と、固定層４の非磁性障壁層３側の磁性層４３の磁化が、反平行から平行になる場合の書込み動作を示している。すなわちトランジスタ６のゲート５をオンにし、電流８をビット線１からソース線７に流す。このときビット線１には矢印１１６方向に電流が流れるようする。するとスピントルク磁化反転により、磁性層２１の磁化が図１１のように磁性層４３の磁化と平行方向になるとともに、付加磁性層の磁化１１２が、ビット線を流れる電流１１６が発生する磁界１１５によって図１１のように着磁される。ゲートをオフして電流を切って後も、付加磁性層４２の磁化の方向は保たれ、付加磁性層４２から積層フェリ自由層の容易軸方向に磁界１１４が印加される。この効果で、たとえ、作製誤差でｑ1〜ｑ2＋１８０の関係が成立たなくなっていたとしても、磁界１１４の効果により磁性層２３の磁化は磁化容易軸方向を向く。この磁界は、直接強磁性層２１の磁化を、磁化容易軸方向に向かせる効果は少ないが、適度の交換結合エネルギーにより、強磁性層２１の磁化の向きを、磁化容易軸方向に向けられた強磁性層２３と反平行な方向に向けることができる。【００５３】
一方、積層フェリ記録層２の非磁性障壁層３側の磁性層２１の磁化と、固定層４の非磁性障壁層３側の磁性層４３の磁化が、平行から反平行になる場合の書込み動作を行う場合は、トランジスタ６のゲート５をオンにし、電流８をソース線７からビット線１に流す。このときビット線１には矢印１１６と反対方向に電流を流す。すると、スピントルク磁化反転により、磁性層２１の磁化が図１１の状態から磁性層４３の磁化と反平行方向になるとともに、付加磁性層の磁化１１２が、ビット線を流れる電流１１６が発生する磁界１１５（この場合は向きは反対、すなわち時計回り）によって、図１１に示した付加磁性層１１２の磁化の向きと反対に着磁される。ゲートをオフして電流を切って後も、付加磁性層１１２の磁化の方向は保たれ、付加磁性層１１２から積層フェリ自由層２の容易軸方向に磁界１１４（ただし向きは反対：反時計回り）が印加される。この効果で、たとえ、作製誤差でｑ1〜ｑ2＋１８０の関係が成り立たなくなっていたとしても、磁界１１４の効果により磁性層２３の磁化は磁化容易軸方向を向く。この磁界は、直接強磁性層２１の磁化を、磁化容易軸方向に向かせる効果は少ないが、適度の交換結合エネルギーにより、強磁性層２１の磁化の向きを、磁化容易軸方向に向けられた強磁性層２３と反平行な方向に向けることができるのは、実施例２と同じである。【００５４】
付加磁性層１１２、キャップ層１１１の厚さは、本実施例において強磁性層２３を磁化容易軸方向へ向ける効果を左右する重要なパラメータである。付加磁性層１１２の材料としては、既に述べたようにＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの合金を主として用いる。例えばＮｉ80Ｆｅ20を用いた場合、付加磁性層１１２は熱的に安定である必要があるため、膜厚は１０ｎｍ以上にすることが望ましい。導電性の中間層１１３の材料としては、Ｃｕ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｎｂなどの金属、ないしその合金を用いる。キャップ層１１１の厚さは、付加磁性層１１２と強磁性層２３とが反強磁性的な結合を生じない厚さ、具体的には少なくとも２ｎｍ以上であり、また十分な磁界を付加磁性層１１２から強磁性層２３へ供給するために、１０ｎｍ以下とすることが望ましい。【００５５】
［実施例４］
次に、図１２を用いて本発明のメモリ回路の一例を説明する。図１２において、１はビット線、１２１は本発明の実施例１から３のいずれかの構造を有するＴＭＲ素子であり、７はソース線、６はセル選択トランジスタ、１２２はワード線、１２７は一つのメモリセルを表す。１２３と１２５はビット線に流す電流の大きさを制御する抵抗変化素子（この例の場合はトランジスタ）、１２４と１２６は抵抗変化素子１２３と１２５の伝導状態を制御する抵抗制御用のワード線である。【００５６】
本構成の場合の書込みは、例えばセル１２７への書き込みを行う場合、まず、電流を流したいビット線１に接続された書き込みドライバーにライトイネーブル信号を送って昇圧し、次に抵抗制御ドライバーの電圧を制御して、ビット線１に所定の電流を流す。電流の向きに応じ、抵抗変化素子１２３に接続されている書き込みドライバーないし、抵抗変化素子１２５に接続されている書き込みドライバーのいずれかをグランドに落として、電位差を調節して電流方向を制御する。次に所定時間経過後、ワード線に接続された書き込みドライバーにライトイネーブル信号を送り、書き込みドライバーを昇圧して、トランジスタ６をオンにする。これによりＴＭＲ素子に電流が流れ、スピントルク磁化反転が行われる。所定の時間、トランジスタ６をオンにしたのち、書込みドライバーへの信号を切断し、トランジスタ６をオフにする。読出しの際は、読出したいメモリセルにつながったビット線１のみを読出し電圧Ｖに昇圧し、選択トランジスタ６につながっているソース線のみを他方の書込みドライバーで選択してトランジスタ６をオンにして電流を流し、ＴＭＲ素子の抵抗の両端にかかる電圧差をセンスアンプで増幅することで読出しを行う。この場合、読出し時の電流方向は、常にソース線７からビット線１の方向になるようにする。これによって読出し電流による誤書込みを減らし、より大きな読出し電流を流すことが可能として、高速の読み出しが可能とする。この構造は最も単純な１トランジスタ＋１メモリセルの配置なので、単位セルの占める面積は２Ｆ×４Ｆ＝８Ｆ２と高集積なものにすることができる。
【図１】
2010100728.tif 000007
【図２】
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【図３】
2010100728.tif 000009
【図４】
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【図５】
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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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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