(57)【要約】磁気ランダムアクセスメモリは、磁化記録層とピン層とバイアス磁性層とを具備する。磁化記録層は垂直磁気異方性を有する強磁性層である。ピン層は非磁性バリア層を介して磁化記録層に接続されている。バイアス磁性層は非磁性バリア層を介して磁化記録層に接続されている。磁化記録層は、磁化反転領域と第１磁化固定領域と第２磁化固定領域とを備える。磁化反転領域は反転可能な磁化を有しピン層とオーバーラップする。第１磁化固定領域は磁化反転領域の第１境界に接続され磁化の向きが第１方向に固定されている。第２磁化固定領域は磁化反転領域の第２境界に接続され磁化の向きが第２方向に固定されている。第１磁化固定領域とバイアス磁性層とがオーバーラップしている。
2009078244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直磁気異方性を有する強磁性層である磁化記録層と、
非磁性バリア層を介して前記磁化記録層に接続されたピン層と、
非磁性バリア層を介して前記磁化記録層に接続されたバイアス磁性層と
を具備し、
前記磁化記録層は、
反転可能な磁化を有し前記ピン層とオーバーラップする磁化反転領域と、
前記磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
前記磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域と
を備え、
前記第１磁化固定領域と前記バイアス磁性層とがオーバーラップしている
磁気メモリセル。
【請求項２】
請求の範囲１に記載の磁気メモリセルであって、
前記第１磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界、前記第２磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界にそれぞれ磁壁をピン止めするためのピンサイトが設けられている
磁気メモリセル。
【請求項３】
請求の範囲２に記載の磁気メモリセルであって、
前記第１磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界、及び、前記第２磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界の各々において、前記第１磁化固定領域、及び、前記第２磁化固定領域の幅は前記磁化反転領域の幅よりも広い
磁気メモリセル。
【請求項４】
請求の範囲１乃至３のいずれか一項に記載の磁気メモリセルであって、
前記ピン層は、
第１ピン磁性層と、
前記第１ピン磁性層と互いに反平行な磁化方向を持つ第２ピン磁性層と、
前記第１ピン磁性層と前記第２ピン磁性層との間に設けられた非磁性層と
を備え、
前記バイアス磁性層は、前記第１ピン磁性層及び前記第２ピン磁性層のいずれかと同じ材料である
磁気メモリセル。
【請求項５】
請求の範囲４に記載の磁気メモリセルであって、
前記第１ピン磁性層と前記第２ピン磁性層の間に反強磁性的な結合がある
磁気メモリセル。
【請求項６】
請求の範囲４又は５に記載の磁気メモリセルであって、
前記バイアス磁性層は、
前記第１ピン磁性層と同じ材料の場合、前記第１ピン磁性層と同時に形成され、
前記第２ピン磁性層と同じ材料の場合、前記第２ピン磁性層と同時に形成される
磁気メモリセル。
【請求項７】
請求の範囲１乃至６のいずれか一項に記載の磁気メモリセルであって、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の磁化の方向が実質的に反平行である
磁気メモリセル。
【請求項８】
請求の範囲１乃至７のいずれか一項に記載の磁気メモリセルであって、
前記バイアス磁性層と前記磁化自由層の間に絶縁層が配置されている
磁気メモリセル。
【請求項９】
行列状に配置された請求の範囲１乃至８のいずれか一項に記載の複数の磁気メモリセルを具備する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１０】
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
前記磁気ランダムアクセスメモリは、行列状に配置された複数の磁気メモリセルを備え、
前記複数の磁気メモリセルの各々は、
垂直磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層と、
非磁性バリア層を介して前記磁化記録層に接続されたピン層と、
非磁性バリア層を介して前記磁化記録層に接続されたバイアス磁性層と
を具備し、
前記磁化記録層は、
反転可能な磁化を有し前記ピン層とオーバーラップする磁化反転領域と、
前記磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
前記磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域と
備え、
前記ピン層は、互いに反平行な磁化方向を持つ第１ピン磁性層と第２ピン磁性層とを備え、
前記第１磁化固定領域と前記バイアス磁性層とがオーバーラップし、
前記磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法は、
前記磁化記録層から前記ピン層へ向かう第１方向に十分に大きな第１磁界を印加して、前記第１ピン磁性層を除く前記第２ピン磁性層、前記磁化記録層、及び前記バイアス磁性層の磁化を、前記第１方向に向けるステップと、
前記第１方向と反対の第２方向に、前記第１磁界よりも小さい第２磁界を印加して、前記磁化記録層のうち、前記第１磁化固定領域内における前記バイアス磁性層近傍以外の領域の磁化を、前記第２方向に向けるステップと、
前記第１方向に前記第１磁界よりも小さい第３磁界を印加して、前記第１磁化固定領域における前記バイアス磁性層近傍に形成された磁壁を移動させ、前記磁化反転領域と前記第２磁化固定領域との境界に前記磁壁を初期化するステップと
を具備する
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
【請求項１１】
請求の範囲１０に記載の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
前記磁化記録層は、
前記第１磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界、及び、前記第２磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界の各々において、前記第１磁化固定領域、及び、前記第２磁化固定領域の幅は前記磁化反転領域の幅よりも広い
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）に関し、特に、磁壁移動方式のＭＲＡＭに関する。
【背景技術】
【０００２】
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」を示す磁気抵抗素子が利用される。その磁気抵抗素子には、例えばトンネルバリヤ層が二層の強磁性層で挟まれた磁気トンネル接合（ＭＴＪ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）が形成される。その二層の強磁性層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層）と、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層）とを有している。【０００３】
ピン層とフリー層の磁化の向きが“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。ＭＲＡＭは、このＭＴＪを有する磁気抵抗素子をメモリセルとして用い、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。例えば、反平行状態はデータ“１”に対応付けられ、平行状態はデータ“０”に対応付けられる。メモリセルに対するデータの書き込みは、フリー層の磁化の向きを反転させることによって行われる。【０００４】
ＭＲＡＭに対するデータの書き込み方法として、従来、「アステロイド方式」や「トグル方式」が知られている。これらの書き込み方式によれば、メモリセルサイズにほぼ反比例して、フリー層の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。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する傾向にある。【０００５】
微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、「スピン注入（ｓｐｉｎ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）方式」が提案されている（例えば、特開２００５−９３４８８号公報、“Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”，Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ＆  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１５９，Ｌ１−Ｌ７（１９９６）、を参照）。スピン注入方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流（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（以下、「スピン注入磁化反転：Ｓｐｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ」と参照される）。【０００６】
米国特許第６８３４００５号公報には、スピン注入を利用した磁気シフトレジスタが開示されている。この磁気シフトレジスタは、磁性体中の磁壁（ｄｏｍａｉｎ  ｗａｌｌ）を利用して情報を記憶する。多数の領域（磁区）に分けられた磁性体において、磁壁を通過するように電流が注入され、その電流により磁壁が移動する。各領域の磁化の向きが、記録データとして扱われる。このような磁気シフトレジスタは、例えば、大量のシリアルデータの記録に利用される。尚、磁性体中の磁壁の移動は、“Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ  Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｗａｌｌ  Ｍｏｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｗｉｒｅｓ”，Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９２，ｐｐ．０７７２０５−１−４（２００４）にも報告されている。【０００７】
このようなスピン注入による磁壁移動（Ｄｏｍａｉｎ  Ｗａｌｌ  Ｍｏｔｉｏｎ）を利用した「磁壁移動方式のＭＲＡＭ」が、特開２００５−１９１０３２号公報、及びＷＯ２００７／０２０８２３号公報に記載されている。【０００８】
特開２００５−１９１０３２号公報に記載されたＭＲＡＭは、磁化が固定された磁化固定層と、磁化固定層上に積層されたトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層に積層された磁化記録層とを備える。磁化記録層には、磁化の向きが反転可能な部分と実質的に変化しない部分も含まれているため、磁化自由層ではなく、磁化記録層と呼ぶことにする。図１は、特開２００５−１９１０３２号公報の磁化記録層の構造を示す概略平面図である。図１において、磁化記録層１００は、直線形状を有している。具体的には、磁化記録層１００は、トンネル絶縁層及び磁化固定層と重なる接合部１０３、接合部１０３の両端に隣接するくびれ部１０４、及びくびれ部１０４に隣接形成された一対の磁化固定領域１０１、１０２を有する。一対の磁化固定領域１０１、１０２には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。更に、ＭＲＡＭは、一対の磁化固定領域１０１、１０２に電気的に接続された一対の書き込み用端子１０５、１０６を備える。この書き込み用端子１０５、１０６により、磁化記録層１００の接合部１０３、一対のくびれ部１０４及び一対の磁化固定領域１０１、１０２を貫通する電流が流れる。【０００９】
図２は、ＷＯ２００７／０２０８２３号公報の磁気記録層１２０の構造を示す概略平面図である。図２において、磁気記録層１２０は、Ｕ字型の形状を有している。具体的には、磁気記録層１２０は、第１磁化固定領域１２１、第２磁化固定領域１２２、及び磁化反転領域１２３を有している。磁化反転領域１２３は、ピン層１３０とオーバーラップしている。磁化固定領域１２１、１２２は、Ｙ方向に延びるように形成されており、その磁化の向きは同じ方向に固定されている。一方、磁化反転領域１２３は、Ｘ方向に延びるように形成されており、反転可能な磁化を有している。従って、磁壁が、第１磁化固定領域１２１と磁化反転領域１２３との境界Ｂ１、あるいは、第２磁化固定領域１２２と磁化反転領域１２３との境界Ｂ２に形成される。磁化状態の初期化は、例えば、ＸＹ面内で斜め４５度方向に十分大きな初期磁界を印加することにより行われ、初期磁界を除いた後に、磁化固定領域の磁化が＋Ｙ方向、磁化反転領域の磁化が＋Ｘ方向を向き、磁壁が境界Ｂ１に形成された状態が実現される。【００１０】
磁化固定領域１２１、１２２は、電流供給端子１２５、１２６のそれぞれに接続されている。これら電流供給端子１２５、１２６を用いることにより、磁気記録層１２０に書き込み電流を流すことが可能である。その書き込み電流の方向に応じて、磁壁は磁化反転領域１２３中を移動する。この磁壁移動により、磁化反転領域１２３の磁化方向を制御することができる。【００１１】
しかし、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書き込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうことが懸念される。前掲のＰｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９２，ｐｐ．０７７２０５−１−４（２００４）のほかにも、電流駆動磁壁移動の観測は数多く報告されている。しかし、磁壁移動には概ね１×１０８Ａ／ｃｍ２程度の閾値電流密度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる層の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合でも書き込み電流は１ｍＡとなる。これ以下に書き込み電流を低減するためには膜厚を薄くすればよいが、この場合には書き込みに要する電流密度は更に上昇してしまうことが知られている（例えば、“Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｆｏｒ  Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｗａｌｌ  Ｍｏｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  Ｓｈａｐｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ”，Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．５Ａ，ｐｐ．３８５０−３８５３（２００６）参照）。
電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭにおいて、書込み電流を低減できる技術が期待される。 【００１２】
一方、磁化記録層の磁気異方性が基板面に垂直である垂直磁気異方性材料を用いた素子においては、１０６Ａ／ｃｍ２台の閾値電流密度が観測されている（例えば、“Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  ｃｕｒｒｅｎｔｓ  ｔｏ  ｍｏｖｅ  ｄｏｍａｉｎ  ｗａｌｌｓ  ｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ｗｉｔｈ  ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，Ｄ．Ｒａｖｅｌｏｓｏｎａ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９０，０７２５０８（２００７）参照）。【００１３】
関連する技術として特開２００５−１９４６４号公報に磁気ランダムアクセスメモリ、電子カードおよび電子装置が開示されている。この磁気ランダムアクセスメモリは、磁気抵抗素子と、書き込む書き込み配線とを具備する。磁気抵抗素子は、非磁性層を狭持した二層の磁性層を有し、磁性層の磁化方向が膜面垂直方向を向く垂直型のものである。書き込み配線は、前記磁気抵抗素子の厚さ方向に垂直な方向に配設され、書き込み電流を流して発生する磁界を前記磁気抵抗素子の磁性層の磁化方向に印加し、前記磁気抵抗素子の２つの磁性層のうちの一方の記録層の磁化方向を変化させて情報を書き込む。前記磁気抵抗素子を厚さ方向から狭持し、前記書き込み配線による発生磁界を前記磁気抵抗素子の磁性層に印加する磁性ヨークをさらに具備していても良い。【００１４】
また、特開２００６−７３９３０号公報に磁壁移動を利用した磁気抵抗効果素子の磁化状態の変化方法及び該方法を用いた磁気メモリ素子、固体磁気メモリが開示されている。この磁気メモリ素子は、第一の磁性層と中間層と第二の磁性層とを有し、情報を第一の磁性層と、第二の磁性層との磁化の方向で記録する。この磁気メモリ素子は、少なくとも一方の磁性層内に互いに反平行磁化となる磁区とそれらの磁区を隔てる磁壁を定常的に形成し、前記磁壁を磁性層内で移動させることで、隣り合う磁区の位置を制御して情報記録を行うことを特徴とする。前記第二の磁性層は膜面垂直方向に磁気異方性を有していても良い。【００１５】
発明者は、今回以下のような問題点を発見した。
既述のように、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書き込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうことが懸念される。従って、発明者は、以下に示すように、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭにおいて、磁化記録層として垂直磁気異方性材料を用いることにより、書込み電流を低減できることを検討した。 【００１６】
図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ想定しうる垂直磁気異方性材料を用いた磁気抵抗素子の平面図及び断面図である。磁化記録層２１０は、磁化反転領域２１３と、一対の磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂとを備える。ただし、図３Ａ及び図３Ｂにおいて、白丸と点の記号、白丸とバツの記号、白矢印は、それらが記載された磁化反転領域２１３や磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂの磁化方向を示している。【００１７】
磁化反転領域２１３は、トンネル絶縁層２３２及びピン層２３０と重なり、フリー層としての機能を有する。磁化固定領域２１１ａは磁化反転領域２１３の一端に、磁化固定領域２１１ｂは磁化反転領域２１３の他端にそれぞれ隣接されている。磁化反転領域２１３と磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂとの接合部にはくびれ部２１５が設けられる。一対の磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂには、互いに反対向きの固定磁化が付与されなければならない。また、くびれ部２１５は磁壁に対するピンポテンシャルとして機能し、磁壁はくびれ部２１５付近の磁壁２１２ａ、又は、磁壁２１２ｂとなるように初期化されなければならない。【００１８】
ここで、磁化記録層の磁気異方性が面内であり、磁化が面内方向に向いている場合、図２に示されるように、磁化記録層の形状をＵ字型にすることにより、磁化固定部の磁化方向と磁壁位置を所望の状態に初期化することが容易にできた。しかし、磁化記録層の磁気異方性が垂直である場合、Ｕ字形状を採用しても、外部磁界により初期化をおこなうことは困難である。 
【発明の開示】
【００１９】
本発明の目的は、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である電流駆動磁壁移動型ＭＲＡＭにおいて、磁化固定部、及び、磁壁位置の初期化を容易に行うことが可能な磁気ランダムアクセスメモリ、及び、磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法を提供することである。 
【００２０】
この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。
【００２１】
本発明の磁気メモリセルは、磁化記録層と、ピン層と、バイアス磁性層とを具備する。磁化記録層は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。ピン層は、非磁性バリア層を介して磁化記録層に接続されている。バイアス磁性層は、非磁性バリア層を介して磁化記録層に接続されている。磁化記録層は、磁化反転領域と、第１磁化固定領域と、第２磁化固定領域とを備える。磁化反転領域は、反転可能な磁化を有しピン層とオーバーラップする。第１磁化固定領域は、磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定されている。第２磁化固定領域は、磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定されている。第１磁化固定領域とバイアス磁性層とがオーバーラップしている。
【００２２】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、行列状に配置された上記の本発明の複数の磁気メモリセルを具備する。
【００２３】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法は、以下に示す方法である。ただし、磁気ランダムアクセスメモリは、行列状に配置された複数の磁気メモリセルを備える。複数の磁気メモリセルの各々は、磁化記録層と、ピン層と、バイアス磁性層とを具備する。磁化記録層は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。ピン層は、非磁性バリア層を介して磁化記録層に接続されている。バイアス磁性層は、非磁性バリア層を介して磁化記録層に接続されている。磁化記録層は、磁化反転領域と、第１磁化固定領域と、第２磁化固定領域とを備える。磁化反転領域は、反転可能な磁化を有しピン層とオーバーラップする。第１磁化固定領域は、磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定されている。第２磁化固定領域は、磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定されている。第１磁化固定領域とバイアス磁性層とがオーバーラップしている。
そして、磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法は、磁化記録層からピン層へ向かう第１方向に十分に大きな第１磁界を印加して、第１ピン磁性層を除く第２ピン磁性層、磁化記録層、及びバイアス磁性層の磁化を、第１方向に向けるステップと；第１方向と反対の第２方向に、第１磁界よりも小さい第２磁界を印加して、磁化記録層のうち、第１磁化固定領域内におけるバイアス磁性層近傍以外の領域の磁化を、第２方向に向けるステップと；第１方向に第１磁界よりも小さい第３磁界を印加して、第１磁化固定領域におけるバイアス磁性層近傍に形成された磁壁を移動させ、磁化反転領域と第２磁化固定領域との境界に記磁壁を初期化するステップとを具備する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、特開２００５−１９１０３２号公報の磁化記録層の構造を示す概略平面図である。
【図２】図２は、ＷＯ２００７／０２０８２３号公報の磁気記録層１２０の構造を示す概略平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、想定しうる垂直磁気異方性材料を用いた磁気抵抗素子の平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、想定しうる垂直磁気異方性材料を用いた磁気抵抗素子の断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の一例を示す平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の一例を示す断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の第１の初期化方法を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の第１の初期化方法を示す断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の第１の初期化方法を示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の第２の初期化方法を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の第２の初期化方法を示す断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の第２の初期化方法を示す断面図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の第２の初期化方法を示す断面図である。
【図７】図７は、本実施の形態に係る磁気抵抗素子に対するデータの書込み原理を示す断面図である。
【図８】図８は、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の変形例を示す断面図である。
【図９】図９は本実施の形態に係る磁気抵抗素子の別の変形例を示す断面図である。
【図１０】図１０は、本実施の形態に係るＭＲＡＭの構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセル及びＭＲＡＭについて説明する。本実施の形態に係る磁気メモリセル及びＭＲＡＭは垂直磁気異方性を持つ磁性層を用いた磁壁移動方式の磁気メモリセル及びＭＲＡＭである。【００２６】
１．磁気メモリセルの構成
図４Ａ及び図４Ｂは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子（磁気メモリセル）の一例を示す平面図及び断面図である。その磁気抵抗素子２を磁気メモリセルに用いた例について説明する。図４Ｂは例えば“０”を記憶した場合を示す。ただし、図４Ａ及び図４Ｂにおいて、白丸と点及び白丸とバツの記号や白矢印は、各層における磁化方向（紙面に対し垂直上方及び垂直下方や矢印方向）を示している（以下同じ）。【００２７】
磁気抵抗素子２は、強磁性体層である磁化記録層１０、ピン層３０、及び、非磁性体層であるトンネルバリヤ層３２、トンネルバリヤ層３２ａ、バイアス磁性層３４ａを備えている。トンネルバリヤ層３２は、磁化記録層１０とピン層３０に挟まれている。これら磁化記録層１０、トンネルバリヤ層３２、及びピン層３０により磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。
ピン層３０は第１ピン磁性層３４、非磁性層３１、第２ピン磁性層３３から構成されている。第１ピン磁性層３４の磁化方向と第２ピン磁性層３３の磁化方向とは互いに反平行である。この反平行の磁化は、非磁性層としてはＲｕ、Ｃｕなど用い、２つの磁性層間に反強磁性的な結合を作用させることにより得ることができる。また、２つの磁性層の保磁力を異ならせることによっても得ることができる。反平行な磁化配置においては、２つの強磁性層の磁化を最適化することにより、ピン層３０から磁化記録層１０への漏洩磁界を抑制することができる。【００２８】
ピン層３０の磁化の向き（第１ピン磁性層３４と第２ピン磁性層３３の磁化の向き）は、書込み、及び、読出し動作によって変化しない。そのため、ピン層３０の磁気異方性は磁化記録層１０よりも大きいことが望ましい。これは、磁化記録層１０とピン層３０とについて、材料及び／又は組成を互いに変えることにより実現することができる。また、ピン層３０におけるトンネルバリヤ層３２とは反対側の面に反強磁性体層を積層し、磁化をピン止めすることによっても実現することができる。 【００２９】
磁化記録層１０は基板面に垂直な方向（±Ｚ方向）の異方性を持ち、材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つ以上の材料を含むことが望ましい。さらに、ＰｔやＰｄを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的にはＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏなどが例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む層が、異なる層と積層されることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜などが例示される。【００３０】
バイアス磁性層３４ａ、ピン層３０における第１ピン磁性層３４及び第２ピン磁性層３３、は、磁化記録層１０と同様な材料を用いることが出来る。そして、バイアス磁性層３４ａ、ピン層３０における第１ピン磁性層３４及び第２ピン磁性層３３は、垂直磁気異方性を持つことが望ましい。【００３１】
トンネルバリヤ層３２、は、Ａｌ２Ｏ３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜である。非磁性層３１は、上述のようにＲｕ膜やＣｕ膜やなどの薄い絶縁膜である。磁化記録層１０及びピン層３０の一部、特にトンネルバリヤ層３２と接する部分にＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどＴＭＲ効果の大きな材料を用いても良い。 【００３２】
図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、本実施の形態に係る磁化記録層１０は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化反転領域１３を有している。この磁化反転領域１３は、ピン層３０とオーバーラップするように形成されている。言い換えれば、磁化記録層１０の磁化反転領域１３の一部が、トンネルバリヤ層３２を介してピン層３０に接続されている。一方、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの少なくとも一方には、バイアス磁性層３４ａがオーバーラップするように形成されている。言い換えれば、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの少なくとも一方がトンネルバリヤ層３２ａを介してバイアス磁性層３４ａに接続されている。【００３３】
バイアス磁性層３４ａからの漏洩磁界は後述のように磁化固定領域の磁化を初期化し、磁壁位置を初期化するために利用される。なお、バイアス磁性層３４ａはピン層３０を構成する磁性層の一方である第２ピン磁性層３４と同層として形成することができる。例えば、まず、磁化記録層用膜、バリア層用膜、第１ピン磁性層用膜、非磁性層用膜、第２ピン磁性層用膜を連続成膜する。その後、ピン層３０及びバイアス磁性層３４ａを残す領域を同時にパターニングする。続いて、バイアス磁性層３４ａを残す領域のみ第２ピン磁性層用膜をエッチングする。そのようなプロセスにより、図４Ａ及び図４Ｂのような構成が得られる。すなわち、第１ピン磁性層３４とバイアス磁性層３４ａとは、同じ第１ピン磁性層用膜を用いて、同時に形成される。このとき、バイアス磁性層３４ａを残す領域の非磁性層用膜はエッチングしてもしなくてもよい。なお、このようにして作成した磁気抵抗素子２においては、バイアス磁性層３４ａと磁化記録層１０との間にピン層３０部分と同様にバリア層３２ａが形成されることに注意されたい。 【００３４】
後述する初期化動作により、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化は、互いに反平行な方向に固定される。尚、「磁化が固定されている」とは、書き込み動作の前後で磁化の方向が変わらないことを意味する。書き込み動作中に、それら磁化固定領域の一部の磁化の方向が変化しても、書き込み動作終了後には元に戻る。 【００３５】
一方、磁化反転領域１３の磁化の向きは反転可能であり、＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向である。つまり、磁化反転領域１３の磁化は第１ピン磁性層３４の磁化と平行あるいは反平行になることが許される。図４Ｂのように磁化反転領域１３の磁化の向きが−Ｚ方向の場合、磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１ａが１つの磁区（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｄｏｍａｉｎ）を形成し、第２磁化固定領域１１ｂが別の磁区を形成する。つまり、第２磁化固定領域１１ｂと磁化反転領域１３との間に磁壁（ｄｏｍａｉｎ  ｗａｌｌ）１２が形成される。一方、磁化反転領域１３の磁化の向きが＋Ｚ方向の場合、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂが１つの磁区を形成し、第１磁化固定領域１１ａが別の磁区を形成する。つまり、第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３との間に磁壁（図示されず）が形成される。 【００３６】
なお、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとは、図４Ａに示されるように磁化反転領域１３と比較して幅広い形状をしている。これは第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂと磁化反転領域１３との境界に磁壁１２のピンニングサイトを形成するためである。すなわち、磁壁のエネルギーは素子（磁気記録層１０）の幅にほぼ比例するので、磁化固定領域１１ａ、１１ｂ（幅が大きくエネルギーが大きい）に生じた磁壁は磁化反転領域１３（幅が小さくエネルギーが小さい）に移動することは容易である。それに対し、磁化反転領域１３（エネルギーが小さい）に生じた磁壁は磁化固定領域１１ａ、１１ｂ（エネルギーが大きい）に移動することは困難である。したがって、磁壁１２の移動は、磁化反転領域１３内に限定される。また、磁化固定領域１１ａ、１１ｂにおける磁化反転領域１３からはみ出した部分（磁化固定領域１１ａ、１１ｂにおける磁化反転領域１３よりも幅広な部分）からの静磁界により、磁壁１２は第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂのいずれか一方と磁化反転領域１３との境界にピン止めされる。
なお、ピンニングサイトは、図３Ａで示したようなくびれを用いることにより形成することもできる。 【００３７】
２．磁化固定領域の初期化 
次に、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の初期化方法について、図面を参照して説明する。ここでは、第１ピン磁性層３４、第２ピン磁性層３３、磁化記録層１０の磁性膜の特性に応じて、（１）第１の初期化方法、及び、（２）第２の初期化方法について説明する。【００３８】
（１）第１の初期化方法
図５Ａ〜図５Ｃは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子（磁気メモリセル）の第１の初期化方法を示す断面図である。第１の初期化方法として、第１ピン磁性層３４と第２ピン磁性層３３との間の反強磁性結合が十分大きく、かつ、各ピン磁性層３４、３３、バイアス磁性層３４ａの磁性膜の保磁力が磁化記録層１０の保磁力よりも大きい場合について述べる。【００３９】
まず、図５Ａに示されるように、＋Ｚ方向に十分に大きな磁界Ｈ１を印加する。その後、その磁界Ｈ１を取り除く。それにより、第１ピン磁性層３４以外の各層（第２ピン磁性層３３、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化反転領域１３、バイアス磁性層３４ａ）の磁化を＋Ｚ方向に向ける（Ｓｔｅｐ１）。このとき、第１ピン磁性層３４は第２ピン磁性層３３との反強磁性結合のため−Ｚ方向を向く。なお、第１ピン磁性層３４及び第２ピン磁性層３３のうち、いずれが−Ｚ方向を向き、いずれが＋Ｚ方向を向くかは２つのピン磁性層の磁気モーメントの大きさにより定まる。磁化自由層としての磁化反転領域１３への漏洩磁界を低減する観点からは、第２ピン磁性層３３の磁気モーメントは、第１ピン磁性層３４の磁気モーメントよりも大きいことが望ましい。この場合、第１ピン磁性層３４の磁化が−Ｚ方向を向く。【００４０】
次に、図５Ｂに示されるように、−Ｚ方向に磁界Ｈ２（＜Ｈ１）を印加して行く。それにより、磁化記録層１０のうち、第１磁化固定領域１１ａ内のバイアス磁性層３４ａ近傍を除いた領域において磁化が反転し、−Ｚ方向を向く（Ｓｔｅｐ２）。バイアス磁性層３４ａの磁化が反転しないのは、バイアス磁性層３４ａの保磁力が十分大きく、磁界Ｈ２では反転させられないからである。第１磁化固定領域１１ａ内のバイアス磁性層３４ａ近傍の磁化が反転しないのは、バイアス磁性層３４ａからの正（＋Ｚ方向）の漏洩磁界のため反転し難いためである。これにより、第１磁化固定領域１１ａのバイアス磁性層３４ａ近傍の磁化が反転していない領域と、第１磁化固定領域１１ａの磁化が反転した領域との間に磁壁１２が形成される。【００４１】
次に、図５Ｃに示されるように、＋Ｚ方向に磁界Ｈ３（＜Ｈ１）を印加する。それにより、第１磁化固定領域１１ａ内のバイアス磁性層３４ａ近傍に形成された磁壁１２は磁化記録層１０の中を＋Ｘ方向に移動して行く。既述のように、幅の大きい磁化固定領域１１ａの磁壁１２は幅の小さい磁化反転領域１３に移動することは容易であり、幅の小さい磁化反転領域１３の磁壁１２は幅の大きい磁化固定領域１１ｂへ移動することは困難である。したがって、磁壁１２は、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとの境界にあるピンニングサイトにより拘束され停止する（Ｓｔｅｐ３）。このとき、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化は互いに反平行になり、磁壁１２は磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの境界にのみ形成され、初期化が実現される。【００４２】
（２）第２の初期化方法
図６Ａ〜図６Ｄは、本実施の形態に係る磁気抵抗素子（磁気メモリセル）の第２の初期化方法を示す断面図である。第２の初期化方法として、第１ピン磁性層３４と第２ピン磁性層３３との間の反強磁性結合が小さく、かつ、保磁力は第２ピン磁性層３３＞第１ピン磁性層３４、バイアス磁性層３４ａ＞磁化記録層１０の順に大きい場合について述べる。【００４３】
まず、図６Ａに示されるように、＋Ｚ方向に十分大きな磁界Ｈ４を印加する。その後、その磁界Ｈ４を取り除く。それにより、全ての層（第２ピン磁性層３３、第１ピン磁性層３４、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化反転領域１３、バイアス磁性層３４ａ）の磁化を＋Ｚ方向に向ける（Ｓｔｅｐ１）。【００４４】
次に、図６Ｂに示されるように、−Ｚ方向に磁界Ｈ５（＜Ｈ４）を印加する。それにより、第２ピン磁性層３３以外の層（第１ピン磁性層３４、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化反転領域１３、バイアス磁性層３４ａ）の磁化が反転し、−Ｚ方向を向く（Ｓｔｅｐ２）。第２ピン磁性層３３の磁化が反転しないのは、第２ピン磁性層３３の保磁力が十分大きく、磁界Ｈ５では反転させられないからである。【００４５】
次に、図６Ｃに示されるように、＋Ｚ方向に磁界Ｈ６（＜Ｈ５）を印加する。それにより、磁化記録層のうち、第１磁化固定領域１１ａ内のバイアス磁性層３４ａ近傍を除いた領域において磁化が反転し、＋Ｚ方向を向く（Ｓｔｅｐ３）。バイアス磁性層３４ａの磁化が反転しないのは、バイアス磁性層３４ａの保磁力が十分大きく、磁界Ｈ６では反転させられないからである。第１磁化固定領域１１ａ内のバイアス磁性層３４ａ近傍の磁化が反転しないのは、バイアス磁性層３４ａからの負（−Ｚ方向）の漏洩磁界のため反転し難いためである。これにより、第１磁化固定領域１１ａのバイアス磁性層３４ａ近傍の磁化が反転していない領域と、第１磁化固定領域１１ａの磁化が反転した領域との間に磁壁１２が形成される。【００４６】
次に、図６Ｄに示されるように、−Ｚ方向に磁界Ｈ７（＜Ｈ４）を印加する。それにより、第１磁化固定領域１１ａ内のバイアス磁性層３４ａ近傍に形成された磁壁１２は磁化記録層１０の中を＋Ｘ方向に移動して行く。既述のように、幅の大きい磁化固定領域１１ａの磁壁１２は幅の小さい磁化反転領域１３に移動することは容易であり、幅の小さい磁化反転領域１３の磁壁１２は幅の大きい磁化固定領域１１ｂへ移動することは困難である。したがって、磁壁１２は、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとの境界にあるピンポテンシャルにより拘束され停止する（Ｓｔｅｐ４）。このとき、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域の磁化は互いに反平行になり、磁壁１２は磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの境界にのみ形成され、初期化が実現される。【００４７】
以上述べた第１の初期化動作及び第２の初期動作において、磁界方向を全て反対方向に設定しても、所望の初期状態が得られることは言うまでもない。【００４８】
３．書込み動作
次に、磁気抵抗素子（磁気メモリセル）に対するデータの書込み原理を説明する。
図７は、本実施の形態に係る磁気抵抗素子（磁気メモリセル）に対するデータの書込み原理を示す断面図である。データ書き込みは、スピン注入を利用した磁壁移動方式で行われる。書き込み電流Ｉｗは、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、磁気記録層１０内を平面的に流れる。その書き込み電流Ｉｗは、第１磁気固定領域１１ａに接続された電流供給端子１４ａ、及び、第２磁気固定領域１１ｂに接続された電流供給端子１４ｂのいずれか一方から磁気記録層１０に供給される。図７における（ａ）に示されるように、磁化反転領域１３と第１ピン磁性層３４の磁化の向きが平行である状態が、データ“０”に対応付けられている。データ“０”状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは−Ｚ方向である。磁壁１２は、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとの境界に存在する。一方、図７における（ｃ）に示されるように、磁化反転領域１３と第１ピン磁性層３４の磁化の向きが反平行である状態が、データ“１”に対応付けられている。データ“１”状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｚ方向である。磁壁１２は、磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１ａとの境界に存在する。【００４９】
データ“１”の書き込み動作時、第１書き込み電流Ｉｗ１が、電流供給端子１４ａから供給され、第１磁化固定領域１１ａから磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１１ｂに流れ、電流供給端子１４ｂから送出される（図７における（ｂ））。この場合、磁化反転領域１３には、第２磁化固定領域１１ｂからスピン電子が注入される。注入された電子のスピンは、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとの境界にある磁壁１２を第１磁化固定領域１１ａの方向に駆動する。その結果、磁化反転領域１３の磁化の向きは、＋Ｚ方向へスイッチする。つまり、スピントランスファー効果により、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが＋Ｚ方向に変わる。そして、磁壁１２は、磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１ａとの境界に移動する（図７における（ｃ））。【００５０】
一方、データ“０”の書き込み動作時、第２書き込み電流Ｉｗ２が、電流供給端子１４ｂから供給され、第２磁化固定領域１１ｂから磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１ａに流れ、電流供給端子１４ａから送出される（図７における（ｄ））。この場合、磁化反転領域１３には、第１磁化固定領域１１ａからスピン電子が注入される。注入された電子のスピンは、磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１ａとの境界にある磁壁１２を第２磁化固定領域１１ｂの方向に駆動する。その結果、磁化反転領域１３の磁化の向きは、−Ｚ方向へスイッチする。つまり、スピントランスファー効果により、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが−Ｚ方向に変わる。そして、磁壁１２は、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとの境界に移動する（図７における（ａ））。【００５１】
このように、磁気記録層１０内を平面的に流れる書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２によって、磁化反転領域１３の磁化の方向がスイッチする。第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂは、異なるスピンを有する電子の供給源の役割を果たしている。【００５２】
この場合、磁気記録層１０は、垂直磁気異方性材料により形成されている。そのため、書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２に対して磁気記録層１０の各領域の磁化方向は垂直である。従って、書き込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２の大きさを著しく低減することができる。【００５３】
４．読出し動作
次に、磁気抵抗素子（磁気メモリセル）に対するデータの読出し原理を説明する。データ読み出し動作時、読み出し電流は、ピン層３０（第１ピン磁性層３４、非磁性層３１、第２ピン磁性層３３）と磁化反転領域１３との間を流れるように供給される。例えば、読み出し電流は、電流供給端子１４ａ、１４ｂのいずれか一方から供給される。そして、磁化固定領域１１ａ、１１ｂのいずれか一方、磁化反転領域１３、及びトンネルバリヤ層３２を経由してピン層３０（第１ピン磁性層３４、非磁性層３１、第２ピン磁性層３３）へ流れ、第２ピン磁性層３３上部の端子（図示されず）から送出される。あるいは、読み出し電流は、第２ピン磁性層３３上部の端子から供給される。そして、ピン層３０（第２ピン磁性層３３、非磁性層３１、第１ピン磁性層３４）、トンネルバリヤ層３２、及び磁化反転領域１３を経由して磁化固定領域１１ａ、１１ｂのいずれか一方へ流れ、電流供給端子１４ａ、１４ｂのいずれか一方から送出される。【００５４】
データ“０”が記憶されている（図７における（ａ）参照）場合、第１ピン磁性層３４の磁化は−Ｚ方向に固定されている。磁化反転領域１３の磁化方向も同様に−Ｚ方向である。すなわち、両磁化方向は平行である。したがって、上記読出し電流を流すことにより、磁気抵抗素子のデータとして、低抵抗値すなわちデータ“０”読み出される。一方、データ“１”が記憶されている（図７における（ｄ）参照）場合、第１ピン磁性層３４の磁化は−Ｚ方向に固定されている。磁化反転領域１３の磁化方向は＋Ｚ方向である。すなわち、両磁化方向は反平行である。したがって、上記読出し電流を流すことにより、磁気抵抗素子のデータとして、高抵抗値すなわちデータ“１”読み出される。【００５５】
５． 変形例
図８は、本実施の形態に係る磁気抵抗素子（磁気メモリセル）の変形例を示す断面図である。磁気抵抗素子２ａは、強磁性体層である磁化記録層１０、ピン層３０ｂ、及び、非磁性体層であるトンネルバリヤ層３２ｂを備えている。トンネルバリヤ層３２ｂは、磁化記録層１０とピン層３０ｂに挟まれている。これら磁化記録層１０、トンネルバリヤ層３２ｂ、及びピン層３０ｂによって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。さらに、ピン層３０ｂは第１ピン磁性層３４ｂ、非磁性層３１ｂ、第２ピン磁性層３３ｂから構成されている。第１ピン磁性層３４ｂと第２ピン磁性層３３ｂの磁化方向は互いに反平行である。また、第１ピン磁性層３４ｂ（及びトンネルバリヤ層３２ｂ）は、磁化自由層１０のほぼ全領域とオーバーラップしている。しかし、第２ピン磁性層３３ｂは磁化自由層１０の一部においてオーバーラップしていない。ここで、バイアス磁性層は、第１ピン磁性層３４ｂと一体であるとみなすことが出来る。また、この磁気抵抗素子２ａの磁化記録層１０の平面形状は、図４Ａと概ね同じである。【００５６】
本変形例の磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化方向の初期化は、図５Ａ〜図５Ｃに示した方法と同様に行うことができる。本変形例においては、図４Ａ及び図４Ｂに示した例と比較して、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の領域が大きくなるという特長がある。ピン層３０ｂからの漏洩磁界はピン層３０ｂの面積に反比例して大きくなるので、本変形例においては磁化固定領域１１ａ、１１ｂの初期化が容易であることに加え、漏洩磁界の影響がより小さいという効果がある。【００５７】
図９は本実施の形態に係る磁気抵抗素子（磁気メモリセル）の別の変形例を示す断面図である。磁気抵抗素子２ｂは、第２ピン磁性層３４ｃ、非磁性層３１ｃ、磁化記録層１０、トンネルバリヤ層３２ｃ、第１ピン磁性層３３ｃが順次積層されている。磁気トンネル接合（ＭＴＪ）は磁化記録層１０、トンネルバリヤ層３２ｃ、第１ピン磁性層３３ｃから構成される。第１ピン磁性層３３ｃと第２ピン磁性層３４ｃは互いに反平行な磁化をもち、磁化記録層１０と第２ピン磁性層３４ｃは全体で、第１ピン磁性層３３ｃは一部を除いてオーバーラップしている。ここで、バイアス磁性層は、第１ピン磁性層３４ｂと一体であるとみなすことが出来る。また、この磁気抵抗素子２ａの磁化記録層１０の平面形状は、図４Ａと概ね同じである。【００５８】
本変形例の磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化方向の初期化は、図６Ａ〜図６Ｄに示した方法と同様に行うことができる。本変形例においては、磁化記録層１０に対して、第１ピン磁性層３３ｃ、及び、第２ピン磁性層３４ｃを対称に配置することが可能になるので、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの初期化が容易であることに加え、磁化記録層１０へのピン磁性層からの漏洩磁界の影響がより小さいという効果がある。【００５９】
６．ＭＲＡＭの構成 
図１０は、本実施の形態に係るＭＲＡＭの構成の一例を示すブロック図である。図１０において、ＭＲＡＭ６０は、複数の磁気メモリセル１がマトリックス状に配置されたメモリセルアレイ６１を有している。このメモリセルアレイ６１は、データの記録に用いられる磁気メモリセル１と共に、データ読み出しの際に参照されるリファレンスセル１ｒを含んでいる。リファレンスセル１ｒの構造は、磁気メモリセル１と同じである。【００６０】
各磁気メモリセル１は、図４Ａ及び図４Ｂ（図８、図９）に示された磁気抵抗素子２（２ａ〜２ｂを含む）に加え、選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２を有している。選択トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方は、第１磁化固定領域１１ａの電流供給端子１４ａに接続され、他方は第１ビット線ＢＬ１に接続されている。選択トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの一方は、第２磁化固定領域１１ｂの電流供給端子１４ｂに接続され、他方は第２ビット線ＢＬ２に接続されている。選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２のゲートはワード線ＷＬに接続されている。磁気メモリセル１のピン層３０は、配線６９を介して図のようにグランド線Ｇに接続されている。【００６１】
ワード線ＷＬは、Ｘセレクタ６２に接続されている。Ｘセレクタ６２は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、対象メモリセル１ｓにつながるワード線ＷＬを選択ワード線ＷＬｓとして選択する。第１ビット線ＢＬ１はＹ側電流終端回路６４に接続されており、第２ビット線ＢＬ２はＹセレクタ６３に接続されている。Ｙセレクタ６３は、対象メモリセル１ｓにつながる第２ビット線ＢＬ２を選択第２ビット線ＢＬ２ｓとして選択する。Ｙ側電流終端回路６４は、対象メモリセル１ｓにつながる第１ビット線ＢＬ１を選択第１ビット線ＢＬ１ｓとして選択する。【００６２】
Ｙ側電流源回路６５は、データ書込み動作時、選択第２ビット線ＢＬ２ｓに対し、所定の書き込み電流（Ｉｗ１，Ｉｗ２）の供給又は引き込みを行う。Ｙ側電源回路６６は、データ書き込み動作時、Ｙ側電流終端回路６４に所定の電圧を供給する。その結果、書き込み電流（Ｉｗ１，Ｉｗ２）は、Ｙセレクタ６３へ流れ込む、あるいは、Ｙセレクタ６３から流れ出す。これらＸセレクタ６２、Ｙセレクタ６３、Ｙ側電流終端回路６４、Ｙ側電流源回路６５、及びＹ側電源回路６６は、磁気メモリセル１に書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２を供給するための「書き込み電流供給回路」を構成している。【００６３】
データ読み出し動作時、第１ビット線ＢＬ１は“Ｏｐｅｎ”に設定される。読み出し電流負荷回路６７は、選択第２ビット線ＢＬ２ｓに所定の読み出し電流を流す。また、読み出し電流負荷回路６７は、リファレンスセル１ｒにつながるリファレンス第２ビット線ＢＬ２ｒに所定の電流を流す。センスアンプ６８は、リファレンス第２ビット線ＢＬ２ｒの電位と選択第２ビット線ＢＬ２ｓの電位の差に基づいて、対象メモリセル１ｓからデータを読み出し、そのデータを出力する。【００６４】
以上述べたように、本発明では、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である電流駆動磁壁移動型ＭＲＡＭにおいて、上記構成を用いることによりピン層、磁化記録層の磁化固定領域及び磁壁の位置の初期化を容易に行うことが可能となる。それにより、上記初期化方法を用いることで、磁化記録層の磁化固定領域及び磁壁の位置の初期化を容易に行うことができる。【００６５】
本発明によれば、垂直磁気異方性を持つ磁性層を用いた磁壁移動方式のＭＲＡＭにおいて、磁化固定領域、及び、磁壁位置の初期化が容易におこなうことが可能になる。その結果、書込み電流が低減された低消費電力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。【００６６】
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。【００６７】
また、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請求項を解釈するために用いてはならない。【００６８】
この出願は、２００７年１２月１８日に出願された特許出願番号２００７−３２６２０４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１】
2009078244.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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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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【国際調査報告】
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