(57)【要約】  磁気ランダムアクセスメモリは、磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層１０を具備する。磁化記録層１０は、実質的に磁化の固定された二つの磁化固定領域１１ａ、１１ｂと、反転可能な磁化を有する複数の磁化反転領域１３ａ、１３ｂとを備える。二つの磁化固定領域１１ａ、１１ｂの各々は、二つの磁化固定領域１１ａ、１１ｂの他方及び複数の磁化反転領域１３ａ、１３ｂの各々に、複数の磁化反転領域１３ａ、１３ｂの他のものを経由せずに接続されている。複数の磁化反転領域１３ａ、１３ｂの各々は、一端において、二つの磁化固定領域１１ａ、１１ｂ及び複数の磁化反転領域１３ａ、１３ｂの他のものと接続していない。
2009037909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を具備し、
前記磁化記録層は、
実質的に磁化の固定された二つの磁化固定領域と、
反転可能な磁化を有する複数の磁化反転領域と
を備え、
前記二つの磁化固定領域の各々は、前記二つの磁化固定領域の他方及び前記複数の磁化反転領域の各々に、前記複数の磁化反転領域の他のものを経由せずに接続され、
前記複数の磁化反転領域の各々は、一端において、前記二つの磁化固定領域及び前記複数の磁化反転領域の他のものと接続していない
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２】
請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記複数の磁化反転領域の各々上に設けられたトンネルバリヤ層と、
前記トンネルバリヤ層上に設けられたピン磁性層と
を更に具備し、
前記複数の磁化反転領域の各々と前記トンネルバリヤ層と前記ピン磁性層とが磁気トンネル接合を形成する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項３】
請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記複数の磁化反転領域の各々は、前記一端において、端部が先細り形状になっている
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項４】
請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記磁化記録層は、垂直磁気異方性を有する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項５】
請求の範囲４に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記二つの磁化固定領域の一方の磁化方向と前記二つの磁化固定領域の他方の磁化方向とが反平行である
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項６】
請求の範囲４に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記二つの磁化固定領域の一方に隣接して設けられた強磁性層を更に具備する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項７】
請求の範囲４に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記二つの磁化固定領域の一方を形成する辺の傾きの符号と、前記二つの磁化固定領域の他方を形成する辺の傾きの符号とは反対である
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項８】
請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記磁化記録層は、面内磁気異方性を有する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項９】
請求の範囲８に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記前記二つの磁化固定領域のいずれか一方、又は、両方に反強磁性層が隣接しいている
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１０】
請求の範囲９に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記複数の磁化反転領域の各々上に設けられたトンネルバリヤ層と、
前記トンネルバリヤ層上に設けられたピン磁性層と
を更に具備し、
前記複数の磁化反転領域の各々と前記トンネルバリヤ層と前記ピン磁性層とが磁気トンネル接合を形成し、
前記反強磁性層の結合磁界の方向が、前記ピン磁性層の固定方向と同方向である
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１１】
磁気ランダムアクセスメモリの書込み方法であって、
ここで、磁気ランダムアクセスメモリは、磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を具備し、
前記磁化記録層は、
実質的に磁化の固定された二つの磁化固定領域と、
反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域から第Ｎ磁化反転領域（Ｎ≧２：Ｎは整数）と
を備え、
前記第１磁化反転領域から前記第Ｎ磁化反転領域までのグループの第ｉ磁化反転領域（１≦ｉ≦Ｎ：ｉは整数）は、前記二つの磁化固定領域の各々と、前記グループの第ｊ磁化反転領域（１≦ｊ≠ｉ≦Ｎ：ｊは整数）及び前記二つの磁化固定領域の他方を経由せずに接続され、
前記第ｉ磁化反転領域は、一端において、前記二つの磁化固定領域及び前記第ｊ磁化反転領域と接続せず、
前記磁気ランダムアクセスメモリの書込み方法は、
前記第ｉ磁化反転領域へのデータ“０”の書込みのとき、前記第ｉ磁化反転領域の一端から前記二つの磁化固定領域の一方に電流を印加し、
前記第ｉ磁化反転領域へのデータ“１”の書込みのとき、前記第ｉ磁化反転領域の一端から前記二つの磁化固定領域の他方に電流を印加する
磁気ランダムアクセスメモリの書込み方法。
【請求項１２】
磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を具備し、
前記磁化記録層は、
実質的に磁化の固定された二つの磁化固定領域と、
反転可能な磁化を有する複数の磁化反転領域と
を備え、
前記二つの磁化固定領域の各々は、前記二つの磁化固定領域の他方及び前記複数の磁化反転領域の各々に、前記複数の磁化反転領域の他のものを経由せずに接続され、
前記複数の磁化反転領域の各々は、一端において、前記二つの磁化固定領域及び前記複数の磁化反転領域の他のものと接続していない
磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
請求の範囲１２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記複数の磁化反転領域の各々上に設けられたトンネルバリヤ層と、
前記トンネルバリヤ層上に設けられたピン磁性層と
を更に具備し、
前記複数の磁化反転領域の各々と前記トンネルバリヤ層と前記ピン磁性層とが磁気トンネル接合を形成する
磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
請求の範囲１２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記複数の磁化反転領域の各々は、前記一端において、端部が先細り形状になっている
磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
請求の範囲１２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化記録層は、垂直磁気異方性を有する
磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
請求の範囲１５に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記二つの磁化固定領域の一方の磁化方向と前記二つの磁化固定領域の他方の磁化方向とが反平行である
磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
請求の範囲１５に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記二つの磁化固定領域の一方に隣接して設けられた強磁性層を更に具備する
磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
請求の範囲１５に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記二つの磁化固定領域の一方を形成する辺の傾きの符号と、前記二つの磁化固定領域の他方を形成する辺の傾きの符号とは反対である
磁気抵抗効果素子。
【請求項１９】
請求の範囲１２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化記録層は、面内磁気異方性を有する
磁気抵抗効果素子。
【請求項２０】
請求の範囲１９に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記二つの磁化固定領域のいずれか一方、又は、両方に反強磁性層が隣接しいている
磁気抵抗効果素子。
【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）に関する。特に、本発明は、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」を示す磁気抵抗効果素子が利用される。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）から構成される。【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を有する磁気抵抗効果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（対応米国特許７，１９３，２８４号）、“Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”，Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ＆  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１５９，Ｌ１−Ｌ７（１９９６）参照）。この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６，８３４，００５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”，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号公報やＷＯ２００７／０２０８２３公報に記載されている。【０００８】
特開２００５−１９１０３２号公報の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とを含んでいるので、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号公報に記載された磁化記録層の構造を示す平面図である。図中の矢印は、各層における磁化方向を示している。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部１０１、１０２を有する。一対の磁化固定部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、一対の磁化固定部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、一方の磁化固定部１０１、一方のくびれ部１０４、接合部１０３、他方のくびれ部１０４及び他方の磁化固定部１０２を貫通する電流が流れる。【０００９】
図２は、ＷＯ２００７／０２０８２３公報に記載された磁化記録層の構造を示す平面図である。図中の矢印は、各層における磁化方向を示している。磁化記録層１１０は、略Ｕ字型の形状を有している。具体的には、磁化記録層１１０は、磁化固定領域１１１、磁化固定領域１１２、及び磁化反転領域１１３を有している。磁化反転領域１１３は、ピン層１３０とオーバーラップしている。磁化固定領域１１１、１１２は、Ｙ方向に延びるように形成されている。それらの磁化の向きは同じ方向（図では＋Ｙ方向）に固定されている。一方、磁化反転領域１１３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、磁化固定領域１１１と磁化反転領域１１３との境界Ｂ１、又は、磁化固定領域１１２と磁化反転領域１１３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る。それにより、初期磁界を除いた後に、磁化固定領域１１１、１１２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１１１、１１２は、電流供給端子１１５及び１１６のそれぞれに接続されている。これら電流供給端子１１５、１１６を用いることにより、磁化記録層１１０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１１３中を移動する。この磁壁移動により、磁化反転領域１１３の磁化方向を制御することができる。【００１１】
関連する技術として特開２００５−１５０３０３号公報に磁気抵抗効果素子および磁気メモリが開示されている。この磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性層／トンネル障壁層／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。前記第１の強磁性層は前記第２の強磁性層よりも保磁力が大きく、前記２つの強磁性層の磁化の相対的角度によりトンネルコンダクタンスが変化する。この磁気抵抗効果素子は、前記第２の強磁性層の端部の磁化が前記第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。【００１２】
しかしながら、発明者は以下の事実を発見した。図１、図２に示したスピントルクによる磁壁移動を利用した磁気記憶装置の書込み動作においては、書込み電流に上限があるという課題がある。図３Ａ〜図３Ｃは、図２の略Ｕ字形状の磁気抵抗効果素子における書込み動作を示した平面図である。図３Ａに示されるような初期状態において、左下の境界Ｂ１に磁壁が形成されているとする。このとき、書込み電流を端子１１６から端子１１５に印加する。すなわち、電子を端子１１５から端子１１６に流す。そうすると、スピントルク効果により磁壁は右方向（＋Ｘ方向）に移動する。その結果、書込み電流を切断した後、図３Ｂに示しされるように右下の境界Ｂ２に磁壁が形成される。この磁壁移動が成功するためには、磁壁が左下の境界Ｂ１に生成されたピンポテンシャルから抜け出すのに十分大きな書込み電流が印加される必要がある。しかし、この書込み電流が大きすぎると磁壁は右下のピンポテンシャルからも抜け出してしまい、図３Ｃに示されるように磁壁が右上から抜けてしまう。一旦磁壁が抜けてしまうと、電流の印加だけで磁壁を生成することは困難であるので、磁化状態が固定された不良ビットとなってしまう。したがって、書込み電流の大きさの制御を非常に正確に行う必要があり、書込みマージンが小さいという課題がある。
【発明の開示】
【００１３】
本発明の目的は、書込み電流の上限がなく、書込みマージンを大きくすることが可能な磁壁移動を利用した磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。
【００１４】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を具備する。磁化記録層は、実質的に磁化の固定された二つの磁化固定領域と、反転可能な磁化を有する複数の磁化反転領域とを備える。二つの磁化固定領域の各々は、二つの磁化固定領域の他方及び複数の磁化反転領域の各々に、複数の磁化反転領域の他のものを経由せずに接続されている。複数の磁化反転領域の各々は、一端において、二つの磁化固定領域及び複数の磁化反転領域の他のものと接続していない。
【００１５】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの書込み方法において、ここで、磁気ランダムアクセスメモリは、磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を具備する。磁化記録層は、実質的に磁化の固定された二つの磁化固定領域と、反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域から第Ｎ磁化反転領域（Ｎ≧２：Ｎは整数）とを備える。第１磁化反転領域から第Ｎ磁化反転領域までのグループの第ｉ磁化反転領域（１≦ｉ≦Ｎ：ｉは整数）は、二つの磁化固定領域の各々と、グループの第ｊ磁化反転領域（１≦ｊ≠ｉ≦Ｎ：ｊは整数）及び二つの磁化固定領域の他方を経由せずに接続される。第ｉ磁化反転領域は、一端において、二つの磁化固定領域及び第ｊ磁化反転領域と接続していない。磁気ランダムアクセスメモリの書込み方法は、第ｉ磁化反転領域へのデータ“０”の書込みのとき、第ｉ磁化反転領域の一端から二つの磁化固定領域の一方に電流を印加し、第ｉ磁化反転領域へのデータ“１”の書込みのとき、第ｉ磁化反転領域の一端から二つの磁化固定領域の他方に電流を印加する磁気ランダムアクセスメモリの書込み方法。
【００１６】
本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を具備する。磁化記録層は、実質的に磁化の固定された二つの磁化固定領域と、反転可能な磁化を有する複数の磁化反転領域とを備える。二つの磁化固定領域の各々は、二つの磁化固定領域の他方及び複数の磁化反転領域の各々に、複数の磁化反転領域の他のものを経由せずに接続される。複数の磁化反転領域の各々は、一端において、二つの磁化固定領域及び複数の磁化反転領域の他のものと接続していない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
この発明の前記及びそれ以外の他の目的と特徴は、添付図面と併せて説明される以降の実施の形態の記載からより明確になるであろう。ただし、当該添付図面において、
【図１】図１は、特開２００５−１９１０３２号公報に記載された磁化記録層の構造を示す平面図である。
【図２】図２は、ＷＯ２００７／０２０８２３公報に記載された磁化記録層の構造を示す平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図２の略Ｕ字形状の磁気抵抗効果素子における書込み動作を示した平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図２の略Ｕ字形状の磁気抵抗効果素子における書込み動作を示した平面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図２の略Ｕ字形状の磁気抵抗効果素子における書込み動作を示した平面図である。
【図４】図４は、本発明の実施例に係るＭＲＡＭの磁気メモリセルに用いられる磁気抵抗効果素子の一例を示す斜視図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施例に係る磁化記録層の変形例を示した平面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施例に係る磁化記録層の変形例を示した平面図である。
【図６】図６は、本発明の実施例に係る磁化記録層の別の変形例を示した平面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の実施例に係る磁化記録層として垂直異方性を有する磁化記録層を用いた場合の磁化を示す平面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の実施例に係る磁化記録層として面内異方性を有する磁化記録層を用いた場合の磁化を示す平面図である。
【図８】図８は、本発明の実施例に係る磁化記録層の他の変形例の磁化記録層を示した平面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の実施例における面内異方性を有する磁化記録層の初期化過程を示した平面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の実施例における面内異方性を有する磁化記録層の初期化過程を示した平面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の実施例における磁化固定領域の磁化を固定する構造を付加した磁化記録層を示す平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の実施例における磁化固定領域の磁化を固定する構造を付加した他の磁化記録層を示す平面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施例の垂直磁気異方性をもつ磁化記録層において、磁化固定領域を初期化するための構造を付加した構成を示す平面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の実施例の垂直磁気異方性をもつ磁化記録層において、初期化が容易になる形状を有する磁化記録層の初期化過程を説明するための平面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の実施例の垂直磁気異方性をもつ磁化記録層において、初期化が容易になる形状を有する磁化記録層の初期化過程を説明するための平面図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、本発明の実施例の垂直磁気異方性をもつ磁化記録層において、初期化が容易になる形状を有する磁化記録層の初期化過程を説明するための平面図である。
【図１３】図１３は本発明の実施例に係るＭＲＡＭの磁気メモリセルにおけるデータの書込み原理を示した平面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、図１３の磁気メモリセルにおけるデータの読出し原理を説明する平面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１３の磁気メモリセルにおけるデータの他の読出し原理を説明する平面図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施例に係るＭＲＡＭの構成の一例を示す回路図である。
【図１６】図１６は、書込み電流に上限のない磁壁移動を利用したメモリセルの磁化記録層を示す平面図である。
【図１７】図１７は、Ｙ字形状の磁化記録層の書込み動作を示す平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例に係るＭＲＡＭを説明する。本実施例に係るＭＲＡＭは磁壁移動方式のＭＲＡＭである。【００１９】
１．基本構成
図４は、本発明の実施例に係るＭＲＡＭの磁気メモリセルに用いられる磁気抵抗効果素子の一例を示す斜視図である。磁気抵抗効果素子２は、強磁性体層である磁化記録層１０とピン層３０、及び非磁性体層であるトンネルバリヤ層３２を備えている。ピン層３０は、ピン層３０ａ及びピン層３０ｂの２つの領域に分かれて形成されている。同様に、トンネルバリヤ層３２は、トンネルバリヤ層３２ａ及びトンネルバリヤ層３２ｂの２つの領域に分かれて形成されている。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。【００２０】
図４に示されるように、磁化記録層１０は略十字形状を有している。その磁化記録層１０は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び第１磁化反転領域１３ａ、第２磁化反転領域１３ｂを有している。第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び第１磁化反転領域１３ａ、第２磁化反転領域１３ｂの端部には、それぞれビア層１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが接続されている。第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、第１磁化反転領域１３ａ、及び第２磁化反転領域１３ｂは、略十字形状の交差点を中心にそれぞれ異なる方向に放射状に延びている。図４の例では、交差点を挟んで相対する位置に、第１磁化固定領域１１ａと第１磁化反転領域１３ａとが配置されている。同様に、交差点を挟んで相対する位置に、第２磁化固定領域１１ｂと第２磁化反転領域１３ｂとが配置されている。ただし、交差点を中心とした各領域の配置は任意である。【００２１】
磁化反転領域１３ａ上には、ピン層３０ａがトンネルバリヤ層３２ａを介して積層されている。すなわち、磁化反転領域１３ａ、トンネルバリヤ層３２ａ及びピン層３０ａが一つの磁気トンネル接合を形成している。また、磁化反転領域１３ｂ上には、ピン層３０ｂがトンネルバリヤ層３２ｂを介して積層されている。すなわち、磁化反転領域１３ｂ、トンネルバリヤ層３２ｂ及びピン層３０ｂが別の磁気トンネル接合を形成している。【００２２】
本実施例では、１つの磁気メモリセルの磁気抵抗効果素子は２つの磁気トンネル接合を有する。そして、２つの磁気トンネル接合の各々に“０”又は“１”のビット情報を記録させることができる。したがって、１つの磁気メモリセルあたり、４値の情報を蓄えることができる。なお、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化は、特定の方向に固定されている。ここで、「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。すなわち、書き込み動作中に、各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。【００２３】
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の実施例に係る磁化記録層の変形例を示した平面図である。図において、トンネルバリヤ層３２、ビア層１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは省略されている。図５Ａでは、磁気記録層１０ａは、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂ、及び、第１磁化反転領域１３ａと第２磁化反転領域１３ｂがそれぞれ対向するように配置されている。図５Ｂでは、磁気記録層１０ｂは、磁化記録層１０の各領域の成す角が９０度以外の例である。このような変形をおこなっても本発明の実施には何ら問題は生じない。すなわち、各領域の成す角は任意である。【００２４】
図６は、本発明の実施例に係る磁化記録層の別の変形例を示した平面図である。図において、ピン層３０等が省略されている。磁気記録層１０ｃでは、第１磁化反転領域１３ａ及び第２磁化反転領域１３ｂの端部の形状を先細り形状にしている。それにより、後述されるように、第１磁化反転領域１３ａ及び第２磁化反転領域１３ｂの端部から磁壁が抜けるとき、抜け易くなっている。【００２５】
本発明の実施例で用いる磁性層としては垂直異方性を持つ材料、及び、面内異方性を持つ材料のいずれも用いることができる。【００２６】
図７Ａは、本発明の実施例に係る磁化記録層として垂直異方性を有する磁化記録層を用いた場合の磁化を示す平面図である。ただし、図中の白丸バツ印及び白丸黒点印は、それぞれ−Ｚ方向（紙面に向かう方向）及び＋Ｚ方向（紙面から出る方向）の各層、各領域における磁化を示す。また、図において、トンネルバリヤ層３２は省略されている。【００２７】
磁化記録層１０ａ’は、基板面に垂直な方向（±Ｚ方向）の異方性を有する。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を含むことで垂直異方性を安定化させることができる。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。【００２８】
ピン層３０ａ、３０ｂも磁化記録層１０ａ’と同様な材料が用いられる。ピン層３０ａ、３０ｂ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。図の例では、−Ｚ方向に固定されている。そのため、ピン層３０の磁気異方性は磁化記録層１０ａ’よりも大きいことが望ましい。これは、磁化記録層１０ａ’とピン層３０ａ、３０ｂの材料、組成を異なるものとすることにより実現される。また、ピン層３０ａ、３０ｂ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される。さらに、ピン層３０ａ、３０ｂを強磁性層、非磁性層、強磁性層からなる積層膜にすることもできる。ここで、非磁性層としてはＲｕ、Ｃｕなどが用いられる。この場合、２つの強磁性層の磁化は互いに反平行になり、２つの強磁性層の磁化を等しくすれば、ピン層からの漏洩磁界を抑制することができる。【００２９】
図７Ａにおいて、磁化記録層が基板面に垂直な方向の異方性を有する場合、第１磁化固定領域１１ａ、及び第２磁化固定領域１１ｂの磁化は互いに反対方向に磁化し、実質的に固定されることが好ましい。図の例では、第１磁化固定領域１１ａは＋Ｚ方向に、及び第２磁化固定領域１１ｂは−Ｚ方向にそれぞれ固定されている。一方、第１磁化反転領域１３ａ、第２磁化反転領域１３ｂの磁化は、記録されるデータに応じて互いに独立に＋Ｚ方向及び−Ｚ方向のいずれかの方向をとる。【００３０】
なお、交差点を挟んで相対する位置に、第１磁化固定領域１１ａと第１磁化反転領域１３ａ、及び、第２磁化固定領域１１ｂと第２磁化反転領域１３ｂが配置される図４のような構成においても、磁化記録層１０として垂直異方性を有する磁化記録層を用いることが可能である。【００３１】
図７Ｂは、本発明の実施例に係る磁化記録層として面内異方性を有する磁化記録層を用いた場合の磁化を示す平面図である。磁化記録層１０ａの材料としては、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。典型的にはＮｉＦｅが用いられる。また、ＣｏＦｅＢはＭｇＯバリヤと組み合わせることにより高いＭＲ比が得られることが知られている。図７Ｂにおいて、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの磁化は、それぞれ中央部に向かう方向及び中央部から離れる方向（いずれも−Ｙ方向）に磁化していることが好ましい。一方、第１磁化反転領域１３ａ及び第２磁化反転領域１３ｂの磁化は、記録されるデータに応じて互いに独立に＋Ｘ方向及び−Ｘ方向いずれかの方向をとる。なお、ピン層３０ａ、３０ｂ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。図の例では、−Ｘ方向に固定されている。【００３２】
図８は、本発明の実施例に係る磁化記録層の他の変形例の磁化記録層を示した平面図である。磁化記録層１０ｄは第１の磁化固定領域１１ａ、第２の磁化固定領域１１ｂ、及び、第１の磁化反転領域１３ａ、第２の磁化反転領域１３ｂ、第３の磁化反転領域１３ｃ、第４の磁化反転領域１３ｄを備える。各磁化反転領域にはトンネルバリヤ層（図示されず）を介してピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄが接続され磁気トンネル接合が形成されている。【００３３】
本発明の実施例に係るＭＲＡＭの磁気メモリセルを一般化すると以下のようになる。すなわち、ＭＲＡＭの磁気メモリセルは、磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を具備している。磁化記録層は、実質的に磁化の固定された二つの磁化固定領域と、反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域から第Ｎ磁化反転領域（Ｎ≧２：Ｎは整数）とを備えている。第１磁化反転領域から第Ｎ磁化反転領域までのグループの中の第ｉ磁化反転領域（１≦ｉ≦Ｎ：ｉは整数）は、二つの磁化固定領域の各々と、グループの中の他の第ｊ磁化反転領域（１≦ｊ≠ｉ≦Ｎ：ｊは整数）及び二つの磁化固定領域の他方を経由せずに、接続されている。第ｉ磁化反転領域は、一端において、二つの磁化固定領域及び第ｊ磁化反転領域と接続していない。第１磁化反転領域から第Ｎ磁化反転領域の各々にはトンネルバリヤ層を介してピン層が接続され磁気トンネル接合が形成されている。【００３４】
図８の場合、Ｎ＝４であるから、上記一般化に当てはめると以下のようになる。磁気メモリセルは、磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層１０ｄを具備している。磁化記録層１０ｄは、実質的に磁化の固定された二つの磁化固定領域１１ａ、１１ｂと、反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域１３ａから第４磁化反転領域１３ｄとを備えている。【００３５】
ここで、第１磁化反転領域１３ａから第４磁化反転領域１３ｄまでのグループの第ｉ磁化反転領域（１≦ｉ≦Ｎ：ｉは整数）、例えば第２磁化反転領域１３ｂについて考える。この第２磁化反転領域１３ｂは、二つの磁化固定領域１１ａ、１１ｂの各々と接続されている。そのとき、そのグループの残りの全ての第ｊ磁化反転領域（１≦ｊ≠ｉ≦Ｎ：ｊは整数）、すなわち、第１磁化反転領域１３ａと第３磁化反転領域１３ｃと第４磁化反転領域１３ｄ及び第１磁化固定領域１１ａを経由せずに、第２磁化固定領域１１ｂに接続されている。それと同時に、第１磁化反転領域１３ａと第３磁化反転領域１３ｃと第４磁化反転領域１３ｄ及び第２磁化固定領域１１ｂを経由せずに、第１磁化固定領域１１ａに接続されている。また、第２磁化反転領域１３ｂは、一端において、二つの磁化固定領域１１ａ、１１ｂ及び第１磁化反転領域１３ａと第３磁化反転領域１３ｃと第４磁化反転領域１３ｄとに接続していない。【００３６】
磁壁の位置は、第１磁化反転領域１３ａから第４磁化反転領域１３ｄに書き込まれているデータや、直前の書き込み動作がどの磁化反転領域に対して行われたかにより、Ｍ１からＭ８の位置（複数）に発生する。ただし、斜めになる場合もある。【００３７】
本変形例においては、４つの磁気トンネル接合にビット情報を記録させることができるので、１つの磁気メモリセルあたり１６値の情報を蓄えることができる。このように磁気トンネル接合を有する磁化反転領域の数は任意に増やすことができ、かつ、任意の場所とすることができる。以下の説明では簡単のため、磁化反転領域が２つである場合に限定することにする。【００３８】
２．初期化
次に本発明の実施例に係る磁気メモリセル１の初期化方法について説明する。磁化反転領域の磁化方向を初期化する方法は磁化記録層の磁気異方性の方向により異なっている。最初に磁気異方性が面内である場合について説明する。
図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の実施例における面内異方性を有する磁化記録層の初期化過程を示した平面図である。図９Ａ及び図９Ｂにおいて、第１磁化固定領域１１ａ、及び、第２磁化固定領域１１ｂは隣り合って配置されている。この配置は、図４の場合と同様である。最初に、図９Ａに示すように、この二つの磁化固定領域の対称軸７１に垂直な方向（白抜き矢印方向；図の紙面では左下の方向）に十分大きな磁界Ｈ０を印加する。それにより、磁化記録層１０の磁化を図の左下の方向に磁化する。その後、図９Ｂに示すように、この磁界Ｈ０を取り除く。そうすると、形状異方性により、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの磁化は−Ｘ方向に向いて初期化される。【００３９】
なお、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂが互いに対向する領域に配置されている場合（例示：図５Ａ、図７Ｂ）でも、上記図９Ａ及び図９Ｂの場合と同様に初期化することができる。すなわち、２つの磁化固定領域の対称軸に垂直な方向に磁界Ｈ０を印加し、その後その磁化Ｈ０を取り除く。それにより、二つの磁化固定領域の磁化の初期化を行うことができる。【００４０】
図１０Ａは、本発明の実施例における磁化固定領域の磁化を固定する構造を付加した磁化記録層を示す平面図である。図１０Ａにおいて、磁化記録層１０ａの第１磁化固定領域１１ａに隣接して反強磁性層４１ａ（破線で表示）が設けられている。同様に、第２磁化固定領域１１ｂに隣接して反強磁性層４１ｂ（破線で表示）が設けられている。反強磁性層としてはＰｔＭｎ、ＩｒＭｎなどが用いられる。反強磁性層４１ａ及び反強磁性層４１ｂは、それぞれ第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの磁化を−Ｙ方向に固定している。【００４１】
ところで、図１０Ａでは磁化反転領域１３ａ、１３ｂの磁化はＸ方向を向いている。そのため、ピン層３０ａ、３０ｂの磁化も＋Ｘ方向又は−Ｘ方向に固定されていることが望ましい。このピン層の固定の方向（Ｘ方向）は磁化固定領域の磁化の固定の方向（−Ｙ方向）と直交している。したがって、ピン層の磁化を反強磁性層により固定する場合、磁化固定領域の磁化の固定に用いる反強磁性層４１ａ、４１ｂと比較して、ブロッキング温度などの特性が異なる材料系を用いる必要がある。図１０Ｂはこの点を改良した構成である。【００４２】
図１０Ｂは、本発明の実施例における磁化固定領域の磁化を固定する構造を付加した他の磁化記録層を示す平面図である。磁化記録層１０ｅの第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂが途中で約９０度屈曲した形状をしている。その屈曲した部分に各磁化固定領域を固定するための反強磁性層４１ａ、４１ｂが隣接して設けられている。各磁化固定領域の屈曲した部分の磁化方向は、ピン層の磁化の固定方向と同じＸ方向になる。そのため、反強磁性材料として同じ材料を用いることができるという長所がある。【００４３】
次に、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である場合の初期化について説明する。図１１は、本発明の実施例の垂直磁気異方性をもつ磁化記録層において、磁化固定領域を初期化するための構造を付加した構成を示す平面図である。図１１において、垂直磁気異方性を持つ磁化記録層１０’は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、第１磁化反転領域１３ａ、及び第２磁化反転領域１３ｂを備える。第１磁化反転領域１３ａ及び第２磁化反転領域１３ｂには、それぞれトンネルバリヤ層（図示されず）を介してピン層３０ａ、３０ｂが接続されている。第１磁化反転領域１３ａ、トンネルバリヤ層（図示されず）及びピン層（図示されず）は、磁気トンネル接合を形成している。同様に、第２磁化反転領域１３ｂ、トンネルバリヤ層（図示されず）及びピン層（図示されず）は、磁気トンネル接合を形成している。【００４４】
第１磁化固定領域１１ａの少なくとも一部には強磁性層４２ａ（破線で表示）が接続されている。強磁性層４２ａの役割は第１磁化固定領域１１ａの磁化が反転するための磁界、すなわち、保磁力を第１磁化固定領域１１ａ以外の部分に対して変えることである。強磁性層４２ａはＰｔＭｎ、ＩｒＭｎのような反強磁性材料であっても、Ｃｏ／Ｐｔ、ＣｏＰｔＣｒなどの垂直異方性を持つ強磁性材料であっても、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅなどの面内異方性を持つ強磁性材料であってもよい。強磁性層４２ａは第１磁化固定領域１１ａと同じ材料であっても良い。また、強磁性層４２ａを積層するかわりに、第１磁化固定領域１１ａの少なくとも一部の下面、あるいは上面の構造を変化させることにより、実効的に保磁力を変化させてもよい。例えば、第１磁化固定領域１１ａの少なくとも一部にＧａなどをイオン注入してもよい。【００４５】
上記いずれかの方法により、第１磁化固定領域１１ａの保磁力を、それ以外の部分よりも大きくした場合の初期化方法は以下のとおりである。すなわち、最初に＋Ｚ方向に十分大きな磁界を印加した後、−Ｚ方向に第１磁化固定領域１１ａの保磁力以下かつそれ以外の部分の保磁力よりも大きい磁界を印加する。これにより、磁化固定領域の磁化方向は初期化され、第１磁化固定領域１１ａは＋Ｚ方向、第２磁化固定領域１１ｂは−Ｚ方向を向く。一方、第１磁化固定領域１１ａの保磁力を、それ以外の部分よりも小さくした場合の初期化方法は以下のとおりである。すなわち、最初に＋Ｚ方向に十分大きな磁界を印加した後、−Ｚ方向に第１磁化固定領域１１ａの保磁力以上かつそれ以外の部分の保磁力以下の磁界を印加する。これにより、磁化固定領域の磁化方向は初期化され、第１磁化固定領域１１ａは−Ｚ方向、第２磁化固定領域１１ｂは＋Ｚ方向を向く。【００４６】
図１２Ａ〜図１２Ｃは、本発明の実施例の垂直磁気異方性をもつ磁化記録層において、初期化が容易になる形状を有する磁化記録層の初期化過程を説明するための平面図である。図１２Ａ〜図１２Ｃにおいて、垂直磁気異方性を持つ磁化記録層１０ｆは、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、第１磁化反転領域１３ａ、及び第２磁化反転領域１３ｂを備える。第１磁化反転領域１３ａ及び第２磁化反転領域１３ｂには、それぞれトンネルバリヤ層（図示されず）を介してピン層（図示されず）が接続されている。第１磁化反転領域１３ａ、トンネルバリヤ層（図示されず）及びピン層（図示されず）は、磁気トンネル接合を形成している。同様に、第２磁化反転領域１３ｂ、トンネルバリヤ層（図示されず）及びピン層（図示されず）は、磁気トンネル接合を形成している。【００４７】
第１磁化固定領域１１ａを構成する各辺は、ＸＹ平面において負の傾きを持っている（−Ｘ方向に辿ると＋Ｙ方向にも進む）。第２磁化固定領域１２ｂを構成する各辺は、ＸＹ平面において正の傾きを持っている（＋Ｘ方向に辿ると＋Ｙ方向にも進む）。図１２Ａは、この磁化記録層１０ｆに＋Ｙ方向の十分大きな磁界Ｈｙを印加して各磁化領域の磁化を＋Ｙ方向に飽和させたときの磁極１８、及びそれによる反磁界１９を示した図である。各辺に生じた磁極１８（＋）による反磁界１９は各辺に垂直な方向を向く。したがって、図の（（＋）→（−））に示されるように、第１磁化固定領域１１ａの辺近傍における磁化は−Ｘ方向、第２磁化固定領域１１ｂの辺近傍における磁化は＋Ｘ方向の磁界成分をそれぞれ持つ。【００４８】
図１２Ｂは、この反磁界による磁化に対するトルクの方向を示したものである。トルクは磁界方向と磁化方向の外積に比例する。したがって、第１磁化固定領域１１ａの辺近傍におけるトルクＴ１は−Ｚ方向となる。第２磁化固定領域１１ｂの辺近傍におけるトルクＴ２は＋Ｚ方向となる。＋Ｙ方向の磁界Ｈｙを取り去った後は、各領域の磁化はこれらのトルクＴ１、Ｔ２によって駆動される。最終的には、図１２Ｃに示されるように、第１磁化固定領域１１ａは−Ｚ方向、第２磁化固定領域１１ｂは＋Ｚの方向にそれぞれ初期化される。なお、このとき、第１磁化反転領域１３ａ、第２磁化反転領域１３ｂには大きなトルクが発生しない。そのため、磁化方向が＋Ｚ方向及び−Ｚ方向のいずれになるかは不定である。ただし、磁化固定領域から電流を印加することにより、磁化反転領域を初期化することが可能である。また、磁化反転領域も磁化固定領域と同様に各辺を規則的に傾けることにより、初期化磁界印加後の磁化状態を特定させることもできる。【００４９】
３．書込み動作、及び、読出し動作
次に、本発明の実施例のＭＲＡＭにおけるデータの書き込み、読出し原理を説明する。【００５０】
図１３は、本発明の実施例に係るＭＲＡＭの磁気メモリセルにおけるデータの書込み原理を示した平面図である。図１３では、磁化記録層が垂直異方性を持ち、２つの磁化固定領域が隣接して形成され、かつ、磁化反転領域の数が２である場合を示している。しかし、これ以外の磁化記録層を用いた場合の磁気メモリセルにおいても、書込み原理は本質的には同様である。【００５１】
なお、図中の白丸バツ印及び白丸黒点印は、それぞれ−Ｚ方向（紙面に向かう方向）及び＋Ｚ方向（紙面から出る方向）の各磁化記録層における磁化を示す。“０”，“０”；“１”，“０”；“１”，“１”；“０”，“１”は、それぞれ第２磁化反転領域１３ｂと第１磁化反転領域１３ａとに記憶されたデータを示す。白矢印は、状態変化の方向を示す。矢印に付記されている小さな磁気記録層には、その状態変化のとき、電子の流れる向き（細矢印で表示）と発生する磁壁（Ｍで表示）とを示している。ただし、既述のように磁壁の位置は、磁化反転領域１３に書き込まれているデータや、直前の書き込み動作がどの磁化反転領域１３に対して行われたかにより異なるので、図１３はその磁壁の一例を示している。また、図において、トンネルバリヤ層３２は省略されている。【００５２】
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。書き込み電流は、磁気トンネル接合を貫通する方向ではなく、磁化記録層１０内を平面的に流れる。その書き込み電流は、２つの磁化固定領域（１１ａ、１１ｂ）に接続した端子１４ａ、１４ｂのいずれか一方と、２つの磁化反転領域（１３ａ、１３ｂ）に接続した端子１４ｃ、１４ｄのいずれか一方との間に、書込みデータに応じて供給される。【００５３】
ここでは、第１磁化反転領域１３ａ、第２磁化反転領域１３ｂに隣接したピン層３０ａ、３０ｂの磁化方向が−Ｚ方向に固定されている（図示されず）とする。また、磁化反転領域の磁化方向がピン層の磁化方向と平行である状態をデータ“０”、反平行である状態をデータ“１”に対応づけるとする。例えば、図１３での左上の図においては、第１磁化反転領域１３ａ、第２磁化反転領域１３ｂの磁化は共に−Ｚ方向を向いている。すなわち、第１磁化反転領域１３ａ、第２磁化反転領域１３ｂの磁化はいずれもピン層３０ａ、３０ｂの磁化と平行の状態である。したがって、それぞれのデータは“０”、“０”に対応する。【００５４】
各磁化反転領域にデータ“１”を書込むためには、磁化が＋Ｚ方向を向いている第１磁化固定領域１１ａに接続する端子１４ａから電子を流し込めばよい。すなわち、第２磁化反転領域１３ｂに“１”を書き込むためには端子１４ａから端子１４ｄに電子を流せば良い（図１３での左上の図から図１３での右上の図へ）。これにより、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化反転領域１３ｂとの間の磁壁は、電子の移動により第２磁化反転領域１３ｂの先端から抜け出る。すなわち、第２磁化反転領域１３ｂの磁化は第１磁化固定領域１１ａの磁化の向きに反転し、ピン層３０ｂの磁化と反平行になる。同様に、第１磁化反転領域１３ａに“１”を書き込むためには端子１４ａから端子１４ｃに電子を流せばよい（図１３での右上の図から図１３での右下の図へ）。これにより、第１磁化固定領域１１ａと第１磁化反転領域１３ａとの間の磁壁は、電子の移動により第１磁化反転領域１３ａの先端から抜け出る。すなわち、第１磁化反転領域１３ａの磁化は第１磁化固定領域１１ａの磁化の向きに反転し、ピン層３０ａの磁化と反平行になる。【００５５】
第２磁化反転領域１３ｂへの書込みと、第１磁化反転領域１３ａへの書込みとは互いに独立に行うことが出来る。それぞれの場合について、電流の流れは電子の流れと反対になることに注意されたい。データ“０”、“０”を初期状態として、端子１４ａから端子１４ｄに、その後、端子１４ａから端子１４ｃに連続的に電子を流すと、第２磁化反転領域１３ｂ、第１磁化反転領域１３ａは共に反転し、データは“１”、“１”となる。【００５６】
各磁化反転領域にデータ“０”を書込むためには、磁化が−Ｚ方向を向いている第２磁化固定領域１１ｂに接続する端子１４ｂから電子を流し込めばよい。すなわち、第２磁化反転領域１３ｂに“０”を書き込むためには端子１４ｂから端子１４ｄに電子を流せば良い（図１３での右下の図から図１３での左下の図へ）。これにより、第２磁化固定領域１１ｂと第２磁化反転領域１３ｂとの間の磁壁は、電子の移動により第２磁化反転領域１３ｂの先端から抜け出る。すなわち、第２磁化反転領域１３ｂの磁化は第２磁化固定領域１１ｂの磁化の向きに反転し、ピン層３０ｂの磁化と平行になる。同様に、第１磁化反転領域１３ａに“０”を書き込むためには端子１４ｂから端子１４ｃに電子を流せばよい（図１３での左下の図から図１３での左上の図へ）。これにより、第２磁化固定領域１１ｂと第１磁化反転領域１３ａとの間の磁壁は、電子の移動により第２磁化反転領域１３ｂの先端から抜け出る。すなわち、第１磁化反転領域１３ａの磁化は第２磁化固定領域１１ｂの磁化の向きに反転し、ピン層３０ａの磁化と平行になる。【００５７】
データ“１”、“１”を初期状態として、端子１４ｂから端子１４ｄに、その後、端子１４ｂから端子１４ｃに連続的に電子を流すと、第２磁化反転領域１３ｂ、第１磁化反転領域１３ａは共に反転し、データは“０”、“０”となる。【００５８】
なお、本発明の書込み動作においてデータが“０”である磁化反転領域に、データ“０”を書き込む電流を印加した場合、データ“０”が保持される。例えば、第１磁化反転領域１３ａが“０”であって、端子１４ｂから端子１４ｃに電子を流した場合、第１磁化反転領域１３ａの磁化は変化せず、データ“０”が保持される。従って、本発明の書込み動作においては、書込み動作の前に、保持データを確認する必要はない。【００５９】
また、上記書込み動作において、図６のような磁気記録層の構成を有している場合、第２磁化反転領域１３ｂや第１磁化反転領域１３ａの先端から磁壁が抜け易く好ましい。【００６０】
図１４Ａは、図１３の磁気メモリセルにおけるデータの読出し原理を説明する平面図である。
データ読み出し時、読み出し電流は、ピン層と磁化反転領域との間を流れるように供給される。すなわち、第１磁化反転領域１３ａのデータを読み出す場合、読み出し電流は、ピン層３０ａに接続された配線Ｒａから、ピン層３０ａ、トンネルバリヤ層（図示されず）及び第１磁化反転領域１３ａを介して、端子１４ｃに接続された配線Ｗｃに流れる。その読み出し電流あるいは読み出し電位に基づいて、磁気抵抗効果素子（磁気トンネル接合）の抵抗値が検出される。それにより、第１磁化反転領域１３ａの磁化の向きがセンスされる。この場合、配線Ｗｃの変わりに他の端子１４ａ、１４ｂ、１４ｄに接続された配線Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｄを用いても良い。【００６１】
同様に、第２磁化反転領域１３ｂのデータを読み出す場合、読み出し電流は、ピン層３０ｂに接続された配線Ｒｂから、ピン層３０ｂ、トンネルバリヤ層（図示されず）及び第２磁化反転領域１３ｂを介して、端子１４ｄに接続された配線Ｗｄに流れる。その読み出し電流あるいは読み出し電位に基づいて、磁気抵抗効果素子（磁気トンネル接合）の抵抗値が検出される。それにより、第２磁化反転領域１３ｂの磁化の向きがセンスされる。この場合、配線Ｗｄの変わりに他の端子１４ａ、１４ｂ、１４ｃに接続された配線Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃを用いても良い。【００６２】
図１４Ｂは、図１３の磁気メモリセルにおけるデータの他の読出し原理を説明する平面図である。ここでは、図１４Ａの磁気メモリセルにおいてピン層３０ａとピン層３０ｂが電気的に接続されている。この場合、第１磁化反転領域１３ａ及び第２磁化反転領域１３ｂのいずれを読み出すときにも、ピン層３０ａ、３０ｂに接続された配線Ｒと、配線Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗａ、Ｗｂのいずれかとの間に読出し電流を印加することにより行われる。読み出される抵抗は、磁第１磁化反転領域に接続したトンネルバリヤ抵抗と第２磁化反転領域に接続したトンネルバリヤ抵抗の並列抵抗値となる。【００６３】
両者のトンネルバリヤ抵抗を区別するためには、トンネルバリヤの面積を変えることにより抵抗値の絶対値を変えることが有効である。また、抵抗値を読出し後、特定データの書き込みと読出しをおこない、書込み前後の抵抗を比較することによりデータを読み出す自己リファレンス方式を採用してもよい。例えば、読出し後、“０”を書き込んで再び読出しを行ったとき、その“０”の書込み前後で読出し結果が同じであれば、元々記憶していたデータは“０”であり、読出し結果が異なれば、元々記憶していたデータは“１”と認定する方法である。読出し結果が異なっていた場合、後でデータ“１”を書き戻す。【００６４】
このような書込み原理及び読出し原理は、図８のように複数の磁化反転領域を有する磁気メモリセルに対しても同様に適用できる。すなわち、第ｉ磁化反転領域にデータ“０”を書き込むとき、第ｉ磁化反転領域の一端から二つの磁化固定領域の一方に電流を印加する。一方、第ｉ磁化反転領域にデータ“１”を書き込むとき、第ｉ磁化反転領域の一端から二つの磁化固定領域の他方に電流を印加する。例えば、第２磁化反転領域１３ｂにデータ“０”を書き込むとき、第２磁化反転領域１３ｂの一端から第２磁化固定領域１１ｂに電流を印加する。一方、第２磁化反転領域１３ｂにデータ“１”を書き込むとき、第２磁化反転領域１３ｂの一端から第１磁化固定領域１１ａに電流を印加する。それにより、上記図１３の場合と同様に書き込むことができる。【００６５】
一方、第ｉ磁化反転領域のデータを読み出す場合には以下のようにする。すなわち、第ｉ磁化反転領域を含む磁気トンネル接合のピン層と、第ｉ磁化反転領域における二つの磁化固定領域や他の磁化反転領域に接続していない端部との間に読出し電流を供給する。それにより、上記図１４Ａや図１４Ｂの場合と同様に読み出すことができる。【００６６】
上述のように、本発明の磁気ランダムアクセスメモリでは、磁気メモリセルの磁気抵抗効果素子は、磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層１０（ただし、１０’、１０ａ、１０ａ’、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆについても同様）を具備している。そして、その磁化記録層１０の二つの磁化固定領域１１ａ、１１ｂの各々が、複数の磁化反転領域１３ａ、１３ｂの各々に接続されている。そのため、磁化反転領域１３ａ、１３ｂのいずれか一方、例えば磁化反転領域１３ａに書込みを行う場合、二つの磁化固定領域１１ａ、１１ｂのうちの書き込むデータに対応した磁化固定領域、例えば磁化固定領域１１ａから、当該磁化反転領域１３ａへ電子を供給する。その電子の供給により、磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３ａとの間の磁壁が、磁化反転領域１３ａの先端から抜け出すようにする。それにより、他の磁化反転領域１３ｂから独立して、磁化反転領域１３ａに書込みを行うことができる。加えて、磁壁を無くすように電流を流すので、電流の上限を気にする必要がなくなる。更に、一つの磁気メモリセルに含まれる磁気記録層１０に複数の磁化反転領域１３ａ、１３ｂを有している。一つの磁化反転領域は、１ビットのデータを格納することができる。そのため、この磁気記録層１０は、極めて小さな面積で複数ビットのデータを格納することができる。【００６７】
４．ＭＲＡＭの構成
図１５は、本発明の実施例に係るＭＲＡＭの構成の一例を示す回路図である。ＭＲＡＭ９０は、複数の磁気メモリセル１と、第１ビット線１４１ａ、第２ビット線１４１ｂ、第３ワード線１４１ｃ、第４ワード線１４１ｄ、第１ワード線１４２ａ、第２ワード線１４２ｂ、第３ビット線１４２ｃ、第４ビット線１４２ｄ、第５ビット線１４３ａ、第６ビット線１４３ｂを備えている。これら、各ビット線及びワード線の動作を制御するビット線制御部及びワード線制御部については、図示を省略している。【００６８】
磁気メモリセル１は、磁気抵抗効果素子２、第１書込みトランジスタ１４０ａ、第２書込みトランジスタ１４０ｂ、第３書込みトランジスタ１４０ｃ、第４書込みトランジスタ１４０ｄ、第１読出しトランジスタ１４５ａ、第２読出しトランジスタ１４５ｂを備えている。磁気抵抗効果素子２は、磁化記録層１０と、磁気トンネル接合１３０ａと磁気トンネル接合１３０ｂを含む。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、第１磁化反転領域１３ａ及び第２磁化反転領域１３ｂを有する。磁気トンネル接合１３０ａは、第１磁化反転領域１３ａに接続している。磁気トンネル接合１３０ｂは、第２磁化反転領域１３ｂに接続している。【００６９】
第１書込みトランジスタ１４０ａのソース／ドレインの一方は第１磁化固定領域１１ａの端子に、他方は第１ワード線１４２ａにそれぞれ接続されている。ゲートは第１ビット線１４１ａに接続されている。
第２書込みトランジスタ１４０ｂのソース／ドレインの一方は第２磁化固定領域１１ｂの端子に、他方は第２ワード線１４２ｂにそれぞれ接続されている。ゲートは第２ビット線１４１ｂに接続されている。
第３書込みトランジスタ１４０ｃのソース／ドレインの一方は第１磁化反転領域１３ａの端子に、他方は第３ビット線１４２ｃ、にそれぞれ接続されている。ゲートは第３ワード線１４１ｃに接続されている。
第４書込みトランジスタ１４０ｄのソース／ドレインの一方は第２磁化反転領域１３ｂの端子に、他方は第４ビット線１４２ｄにそれぞれ接続されている。ゲートは第４ワード線１４１ｄに接続されている。【００７０】
第１読出しトランジスタ１４５ａのソース／ドレインの一方は磁気トンネル接合１３０ａの端子に、他方は第５ビット線１４３ａにそれぞれ接続されている。ゲートは第３ワード線１４１ｃに接続されている。
第２読出しトランジスタ１４５ｂのソース／ドレインの一方は磁気トンネル接合１３０ｂの端子に、他方は第６ビット線１４３ｂにそれぞれ接続されている。ゲートは第４ワード線１４１ｄに接続されている。【００７１】
第１磁化固定領域１１ａから第１磁化反転領域１３ａに電子を流してデータの書き込む場合の動作は次のようになる。まず、第１ビット線１４１ａを高電位にすることにより第１書込みトランジスタ１４０ａをＯＮにし、同時に第１ワード線１４２ａをグランドに接続する。このとき、第２書込みトランジスタ１４０ｂはＯＦＦ、第２ワード線１４７２ｂはオープン状態とする。また、第３ワード線１４１ｃを高電位にすることにより第３書込みトランジスタ１４０ｃをＯＮにし、同時に第３ビット線１４２ｃに必要な電流値に応じた電位を印加する。このとき、第４書込みトランジスタ１４０ｄはＯＦＦとし、第４ビット線１４２ｄはオープンとする。これらのトランジスタ、ビット線、ワード線の設定により、書込み電流はビット線１４２ｃから第１磁化反転領域１３ａ、第１磁化固定領域１１ａを経由して、第１ワード線１４２ａに流れる。すなわち、電子は、第１磁化固定領域１１ａから第１磁化反転領域１３ａへ流れる。【００７２】
第１磁化反転領域１３ａを含む磁気トンネル接合１３０ａのデータを読み出す場合の動作は次のようになる。まず、第３ワード線１４１ｃを高電位にすることにより第３書込みトランジスタ１４０ｃ、及び、第１読出しトランジスタ１４５ａをＯＮにする。このとき、上記以外のトランジスタ、すなわち、第１書込みトランジスタ１４０ａ、第２書込みトランジスタ１４０ｂ、第４書込みトランジスタ１４０ｄ、第２読出しトランジスタ１４５ｂはＯＦＦになるように対応するビット線、ワード線は設定される。読出し電圧を第３ビット線１４２ｃと第５ビット線１４３ａに印加する。それにより、磁気トンネル接合１３０ａの読出し電流を感知し、情報を読み出すことができる。【００７３】
図１５においては６つのトランジスタが使用されているが、このうち第１読出しトランジスタ１４５ａ、及び、第２読出しトランジスタ１４５ｂは省略することが可能である。ただし、この場合は読出し時に他のセルを経由した回り込み電流が発生するので、自己リファレンス方式などにより、その影響を除去することが望ましい。【００７４】
図１６は、書込み電流に上限のない磁壁移動を利用したメモリセルの磁化記録層を示す平面図である。磁化記録層２１０は、Ｙ字型の形状を有している。具体的には、磁化記録層２１０は、第１磁化固定領域２１１、第２磁化固定領域２１２、及び磁化反転領域１１３を有している。磁化反転領域２１３は、ピン層２３０とオーバーラップしている。磁化固定領域２１１、２１２は、斜めＹ方向に延びるように形成されており、その磁化の向きは領域の延伸方向に沿って固定されている。一方、磁化反転領域２１３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。磁化状態の初期化は、例えば、−Ｙ方向に十分大きな初期磁界を印加することにより行うことができる。図１７は、Ｙ字形状の磁化記録層２１０の書込み動作を示す平面図である。図１７での左側の図に示したように磁化反転領域２１３の磁化Ｍ３は左に向いているとする。このとき、磁壁は磁化反転領域２１３と第１磁化固定領域２１１の境界に位置している。書込み電流を端子２１７から端子２１５に印加、すなわち、電子が端子２１５から端子２１７に流れると磁壁はスピントルクにより駆動され磁化反転領域２１３中を移動していき、最終的には磁化反転領域２１３の右側から抜ける。結果として、図１７での右側の図に示したように磁化反転領域２１３の磁化方向は反転し、磁化反転領域２１３と第２磁化固定領域２１２の境界に新たな磁壁が形成される。磁化反転領域の方向を再び左向きにするためには、端子２１６から端子２１７に電子を流せばよい。【００７５】
このようにＹ字形状の磁化記録層を有するメモリセルにおいては、書込み動作において、磁壁が磁化反転領域の一端から抜けるため、書込み電流に上限がないという長所がある。しかしながら、Ｙ字形状の場合、２つの磁化固定領域が磁化反転領域を基準として、反対側に位置しているため、磁化記録層の外枠２４０（図１７での右側の図に記載）の面積がＵ字形状と比較して大きくなり、セルサイズが大きくなる。【００７６】
一方、図４に例示される本発明の磁気メモリセルでは、二つの磁化反転領域で一対の磁化固定領域を共有しているので、Ｙ字型（一つの磁化反転領域で一対の磁化固定領域）と比較してビットあたりのセル面積を小さくすることができる。【００７７】
以上のように、本発明の磁壁移動方式のＭＲＡＭにおいて、書込み電流の上限をなくすことができる。加えて、ビット当たりのセル面積を小さすることができる。そして、書込みマージンが大きく、高速動作可能であり、大容量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。【００７８】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリでは、二つの磁化固定領域の各々が、複数の磁化反転領域の各々に接続されている。そのため、一つの磁化反転領域に書込みを行う場合、二つの磁化固定領域のうちの書き込むデータに対応した磁化固定領域から、当該一つの磁化反転領域へ電子を供給する。その電子の供給により、対応する磁化固定領域と当該一つの磁化反転領域との間の磁壁が、当該一つの磁化反転領域の先端から抜け出すようにする。それにより、他の磁化反転領域から独立して、当該一つの磁化反転領域に書込みを行うことができる。加えて、磁壁を無くすように電流を流すので、電流の上限を気にする必要がなくなる。更に、一つの磁気メモリセルに含まれる磁気記録層に複数の磁化反転領域を有している。一つの磁化反転領域は、１ビットのデータを格納することができる。そのため、この磁気記録層は、極めて小さな面積で複数ビットのデータを格納することができる。それにより、本発明によれば、磁壁移動方式のＭＲＡＭにおいて、書込み電流の上限をなくすことができる。加えて、ビット当たりのセル面積を小さすることができる。そして、書込みマージンが大きく、高速動作可能であり、大容量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。【００７９】
以上、実施形態（及び実施例）を本発明を説明したが、本発明は上記実施形態（及び実施例）に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。【００８０】
この出願は、２００７年９月１９日に出願された特許出願番号２００７−２４２６７３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】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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