(57)【要約】【課題】  ＭＲＡＭの書き込み電流の低減と書き込み電流のマージンの拡大とを同時に実現する。【解決手段】  本発明による磁性メモリは、磁気抵抗効果素子（１０）と、データを書き込むための書き込み磁場を磁気抵抗効果素子（１０）に作用させる書き込み電流が流される配線構造（２１〜２４）とを具備する。磁気抵抗効果素子（１０）は、それにデータを書き込み可能な前記書き込み電流の上限である上限書き込み電流値を有している。配線構造（２１〜２４）は、前記書き込み電流が変化点電流値よりも大きい場合の前記書き込み磁場の前記書き込み電流に対する比が、前記書き込み電流が前記変化点電流値よりも小さい場合の前記書き込み磁場の前記書き込み電流に対する比よりも小さくなるように、且つ、前記変化点電流値は、前記上限書き込み電流値よりも小さくなるように構成されている。【選択図】  図３Ａ
2006278887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗効果素子と、
データを書き込むための書き込み磁場を前記磁気抵抗効果素子に作用させる書き込み電流が流されるための配線構造
とを具備し、
前記磁気抵抗効果素子は、前記磁気抵抗効果素子にデータを書き込み可能な前記書き込み電流の上限である上限書き込み電流値を有し、
前記配線構造は、前記書き込み電流が変化点電流値よりも大きい場合の前記書き込み磁場の前記書き込み電流に対する比が、前記書き込み電流が前記変化点電流値よりも小さい場合の前記書き込み磁場の前記書き込み電流に対する比よりも小さくなるように構成され、
前記変化点電流値は、前記上限書き込み電流値よりも小さい
磁気メモリ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気メモリであって、
前記磁気抵抗効果素子は、前記磁気抵抗効果素子にデータを書き込み可能な前記書き込み電流の下限である下限書き込み電流値を有し、
前記変化点電流値は、前記下限書き込み電流値よりも大きい
磁気メモリ。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気メモリであって、
前記変化点電流値は、前記配線構造に実際に流される設定書き込み電流値と前記上限書き込み電流値の間である
磁気メモリ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の磁気メモリであって、
前記配線構造は、
配線と、
前記配線の、前記磁気抵抗効果素子に対向する面を除く面の少なくとも一部を被覆する強磁性体層
とを備える
磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリに関し、特に、書き込み電流が流される配線が磁性体膜によって被覆されている配線構造を採用する磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＭＲ効果（トンネル磁気抵抗効果）やＧＭＲ効果（巨大磁気抵抗効果）のような磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子をメモリセルとして使用する磁気メモリ（ＭＲＡＭ）は高速書き込みが可能であり、かつ大きな書き換え回数を持つ有力な不揮発性メモリの一つである。ＭＲＡＭのメモリセルには、最も典型的には、２つの強磁性体層と、それらを分離するトンネルバリア層とで構成された強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）が組み込まれる。強磁性体層の一方は、その磁化が反転可能であるように形成され、他方は、その磁化が固定される。磁化が反転可能な強磁性層は、磁化自由層と呼ばれ、磁化が固定された強磁性層は磁化固定層と呼ばれる。ＭＲＡＭメモリセルは、磁化自由層の磁化の向きとしてデータを記憶する。
【０００３】
ＭＲＡＭメモリセルからのデータの読み出しは、強磁性トンネル接合の接合抵抗が磁化自由層と磁化固定層の磁化の相対方向に依存するということを利用して行われる。接合抵抗は、磁化自由層と磁化固定層の方向が同一の場合に最小となり、逆の場合に最大になる。強磁性トンネル接合の接合抵抗の大きさが、電圧信号又は電流信号に変換され、その電圧信号又は電流信号からメモリセルに記憶されているデータが識別される。
【０００４】
一方、データの書き込みは、磁化自由層に書き込み磁場を外部的に印加して磁化自由層の磁化を所望の向きに向けることによって行われる。書き込み磁場の発生は、メモリセルの近傍に設けられた書き込み配線に書き込み電流を流されることによって行われる。最も典型的なＭＲＡＭでは、メモリセルがワード線とビット線とが交差する位置に設けられ、ワード線とビット線に書き込み電流を流すことにより磁化自由層の磁化が反転される。
【０００５】
ＭＲＡＭでは、多数のメモリセルのうちの任意のセルに選択的にデータ書き込みが行えることが必要である。最も典型的には、選択書き込みは、強磁性体層の磁化反転がアステロイド特性を発現することを利用して実現されている。図１は、磁化反転のアステロイド特性を説明する図面であり、磁化自由層の磁化反転特性を表すアステロイド曲線の一部を模式的に示している。図１において、ＨＷは、ワード線が磁化自由層に作用する書き込み磁場を示しており、Ｈｂは、ビット線が磁化自由層に作用する書き込み磁場を示している。このアステロイド曲線の外側の領域に対応する磁場が加わると、磁化自由層の磁化が反転する。選択書き込みのためには、ワード線またはビット線のいずれか片方のみの書き込み電流が発生する磁場がアステロイド曲線の内部の領域にあり、かつ、ワード線とビット線の両方に書き込み電流を流したときの合成磁場がアステロイド曲線の外側の領域にあるように、ワード線とビット線に流される書き込み電流の電流レベルが設定される。これにより、書き込み電流が流れているワード線とビット線が交差する位置のメモリセルの磁化自由層の磁化が選択的に反転され、希望するメモリセルに選択的に書き込みが行われる。ワード線またはビット線のいずれかのみしか書き込み電流が流されていないメモリセルでは磁化自由層の磁化は反転しない。選択書き込みが可能なのは、ワード線が発生する磁場とビット線が発生する磁場の合成磁場が、図１の斜線の領域（選択書き込み可能領域）にある場合である。ワード線及びビット線が発生する磁場が選択書き込み可能領域で規定される上限を超えると、上限を超える磁場を発生した配線を共有するメモリセルのすべてに書き込みが行われてしまう。磁化反転アステロイド曲線に対応した磁化反転書き込み電流曲線は、概略的には、図１で、磁場を電流に置き換えたものとなる。例えば、Ｉｗは書き込み磁場Ｈｗを発生させる電流に対応し、Ｉｂは、書き込み磁場Ｈｂを発生させる電流に対応する。
【０００６】
ＭＲＡＭでは、書き込み磁場の発生に使用される書き込み電流の低減が重要である。書き込み電流が大きいことは、様々な問題を生じさせる。例えば、書き込み電流の増大は、電流制御に必要な周辺回路のサイズを増大させ、更に、書き込み配線に許容される電流密度の制限により書き込み配線の細線化を妨げる。これらは、ＭＲＡＭの大規模集積化のためには好ましくない。更に、書き込み電流の増大は、ＭＲＡＭの消費電力を不所望に増大させる。
【０００７】
書き込み電流を低減させるアプローチの一つは、書き込み配線の表面（の一部）を磁性体膜で被覆することである（例えば、米国特許第５，６５９，４９９号、米国特許第５，９４０，３１９号、特開平９−２０４７７０号公報、特開平１１−２３８３７７号公報、特開２００２−１１０９３８号公報、特開２００２−２４６５６６号公報、特開２００３−１９７８７５号公報、特開２００３−２０９２２６号公報、特開２００３−２０９２２７号公報、特開２００３−２４９６３０号公報、特開２００３−２８２８３６号公報、特開２００３−３１９３６５号公報、特開２００３−３１９３６６号公報、特開２００４−０３１６４０号公報、特開２００４−１２８４３０号公報、特開２００４−２３５５１０号公報、特開２００４−２４１６７２号公報参照）。書き込み配線を磁性体膜で被覆することにより、書き込み電流が発生する磁場をメモリセルに集中させ、少ない書き込み電流で大きな書き込み磁場をメモリセルに印加することができる。
【０００８】
書き込み配線を被覆する磁性体膜の好適な材料及び特性が、様々に提案されている。特開２００３−２０９２２７号公報は、書き込み配線を被覆する磁性体膜が、下記材料：「鉄（Ｆｅ）」、「鉄アルミニウム（Ｆｅ−Ａｌ）」、「鉄シリコン（Ｆｅ−Ｓｉ）」、「鉄シリコンアルミニウム（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ）合金」、「ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）」、「酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）を含むソフトフェライト材料」、「鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）とボロン（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）のアモルファス合金」で形成されることを開示している。この文献は、更に、磁性体膜の飽和磁束密度は０．０５Ｔ以上、好ましくは０．１Ｔ以上であることを開示している。強磁性体層の厚さは、特開２００３−２０９２２６号公報では０．０５μｍ以下、米国特許第５，９４０，３１９号では、０．０１μから０．０５μｍの範囲が好ましいとされている。
【０００９】
図２は、磁性体膜で被覆された書き込み配線が磁化自由層に印加する書き込み磁場の、書き込み電流の大きさに対する依存性の一例を示すグラフである。図２のグラフは、下記の条件の下で行われたシミュレーションによって得られている。メモリセルは書き込み配線の上方に位置しており、書き込み配線は、上面を除く面（即ち、メモリセルに対向する面以外の三面）が強磁性膜によって被覆されている。書き込み配線の幅は、０．５μｍであり、厚さは０．２５μｍである。更に、磁性体膜は、透磁率が２５００、飽和磁束密度が１Ｔの材料で形成され、その厚さは、０．０５μｍである。また、書き込み磁場は、磁化自由層に対応する位置について算出されており、書き込み磁場が算出される位置は、書き込み配線の中心線の上方で、且つ、書き込み配線の上面から０．１μｍ離れていると仮定されている。図２において、実線は、磁性体膜によって書き込み配線が被覆されている場合についての書き込み磁場の書き込み電流に対する依存性を表しており、破線は、書き込み配線が磁性体膜によって被覆されていない場合についての書き込み磁場の書き込み電流に対する依存性を表している。
【００１０】
図２から理解されるように、強磁性体層を持たない配線構造と比較して、磁性体膜によって書き込み配線が被覆されている配線構造では、強い磁場が磁化自由層に印加される。これは、少ない書き込み電流で大きな書き込み磁場をメモリセルに印加できることを意味している。メモリセルに印加される書き込み磁場は、書き込み電流が約６０ｍＡに達するまで書き込み電流に比例して増加するが、６０ｍＡを超えるとその増加率が低くなる。これは、磁性体膜の磁化が飽和するためである。書き込み電流がある領域まで増大すると磁性体膜の磁化が飽和し、従って、その透磁率が低下する。このため、書き込み電流が大きい領域での書き込み磁場の増加率は、書き込み電流が小さい領域での書き込み磁場の増加率よりも小さくなる。
【００１１】
ＭＲＡＭに対するもう一つの重要な要求は、書き込み電流のマージンが大きいことである。書き込み電流に大きなマージンを提供するためには、多数のメモリセルの磁化反転特性のばらつきが少ないことが好ましい。選択書込みが可能な書き込み電流の上限は、最も磁化反転しやすいメモリセルによって規定され、下限は最も磁化反転しにくいメモリセルによって規定されるから、メモリセル間の磁化反転ばらつきを小さくすることにより、書き込み電流のマージンを増大させることができる。しかしながら、製造ばらつきをなくすことは実質的に不可能であり、多数のメモリセルの磁化反転特性のばらつきを完全に排除することは現実的でない。書き込み電流のマージンの拡大には、他のアプローチが必要である。
【００１２】
このような背景から、書き込み電流の低減と書き込み電流のマージンの拡大とを同時に実現するための技術の提供が望まれている。
【特許文献１】米国特許第５，６５９，４９９号
【特許文献２】米国特許第５，９４０，３１９号
【特許文献３】特開平９−２０４７７０号公報
【特許文献４】特開平１１−２３８３７７号公報
【特許文献５】特開２００２−１１０９３８号公報
【特許文献６】特開２００２−２４６５６６号公報
【特許文献７】特開２００３−１９７８７５号公報
【特許文献８】特開２００３−２０９２２６号公報
【特許文献９】特開２００３−２０９２２７号公報
【特許文献１０】特開２００３−２４９６３０号公報
【特許文献１１】特開２００３−２８２８３６号公報
【特許文献１２】特開２００３−３１９３６５号公報
【特許文献１３】特開２００３−３１９３６６号公報
【特許文献１４】特開２００４−０３１６４０号公報
【特許文献１５】特開２００４−１２８４３０号公報
【特許文献１６】特開２００４−２３５５１０号公報
【特許文献１７】特開２００４−２４１６７２号公報
【特許文献１８】米国特許第６，５４５，９０６号
【非特許文献１】アプライドフィジックスレターズ（Applied Physics Letters）第８４巻第４５５９頁〜第４５６１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、ＭＲＡＭの書き込み電流の低減と書き込み電流のマージンの拡大とを同時に実現するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段を構成する技術的事項の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。
【００１５】
本発明による磁性メモリは、磁気抵抗効果素子（１０）と、データを書き込むための書き込み磁場を磁気抵抗効果素子（１０）に作用させる書き込み電流が流される配線構造（２１〜２４）とを具備する。磁気抵抗効果素子（１０）は、それにデータを書き込み可能な前記書き込み電流の上限である上限書き込み電流値を有している。配線構造（２１〜２４）は、前記書き込み電流が変化点電流値よりも大きい場合の前記書き込み磁場の前記書き込み電流に対する比が、前記書き込み電流が前記変化点電流値よりも小さい場合の前記書き込み磁場の前記書き込み電流に対する比よりも小さくなるように、且つ、前記変化点電流値が、前記上限書き込み電流値よりも小さくなるように構成されている。
【００１６】
このような磁性メモリでは、変化点電流値が上限書き込み電流値よりも小さいために、そうでない場合と比較して上限の書き込み磁場を発生させるビット線電流の電流値を増大させることができる。これは、書き込み電流のマージンを有効に拡大させる。
【００１７】
磁気抵抗効果素子（１０）が磁気抵抗効果素子（１０）にデータを書き込み可能な前記書き込み電流の下限である下限書き込み電流値を有している場合には、前記変化点電流値は、前記下限書き込み電流値よりも大きいことが望ましい。
【００１８】
また、前記変化点電流値は、前記配線構造（２１〜２４）に実際に流される設定書き込み電流値と前記上限書き込み電流値の間であることが望ましい。
【００１９】
配線構造（２１〜２４）は、典型的には、配線（２１、２２）と、配線（２１、２２）の磁気抵抗効果素子（１０）に対向する面を除く面の少なくとも一部を被覆する強磁性体層（２３、２４）とを備えている。これは、強磁性体層（２３、２４）は、書き込み電流の低減に有効である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、ＭＲＡＭの書き込み電流の低減と書き込み電流のマージンの拡大とを同時に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図３Ａ、図３Ｂは、本発明の実施の一形態に係るＭＲＡＭの構造を示す断面図である。本実施形態のＭＲＡＭは、ビット線２２と、ワード線２１と、それらが交差する位置に設けられたメモリセル１０とを具備している。ワード線２１、ビット線２２は、メモリセル１０にデータを書き込むときに書き込み電流が流される配線である。以下では、ワード線２１に流される書き込み電流は、ワード線電流と呼ばれ、ビット線２２に流される書き込み電流は、ビット線電流と呼ばれる。
【００２２】
メモリセル１０は、図４に示されているように、表面被覆層１１と、磁化自由層１２と、トンネルバリア層１３と、磁化固定層１４と、反強磁性体層１５と、下地層１６とを備えている。磁化自由層１２、トンネルバリア層１３、及び磁化固定層１４は、強磁性トンネル接合として機能する。磁化自由層１２は、その磁化が反転可能であるように形成され、磁化固定層１４は、その磁化が反強磁性体層１５によって固定される。
【００２３】
図３Ａに戻り、ワード線２１のメモリセル１０に対向する面を除く三面は、強磁性体層２３で被覆されている。同様に、図３Ｂに示されているように、ビット線２２のメモリセル１０に対向する面を除く三面は、強磁性体層２４で被覆されている。このような構成を採用することにより、ワード線２１、ビット線２２が発生する書き込み磁場は、空間に広がらずに強磁性体層２３、２４の内部に収束される。収束された磁場は強磁性体層２３、２４の端面から空間に放出され、メモリセル１０に大きな磁場が加わる。これは、書き込み磁場を発生するのに必要なワード線電流及びビット線電流を有効に低減する。
【００２４】
図２を参照して上述されているように、ワード線２１、ビット線２２のそれぞれが磁化自由層１２に印加する書き込み磁場は、ワード線電流、ビット線電流が増大するほど増大するが、ある電流を超えると書き込み磁場の増大率が低下する。即ち、書き込み磁場の増加率には、ある電流において変化が現れる。これは、強磁性体層２３、２４の磁化が飽和するためである。
【００２５】
本実施形態のＭＲＡＭでは、ワード線２１、ビット線２２が発生する書き込み磁場の増加率に変化が現れる電流値と、メモリセル１０の上限書き込み電流値及び下限書き込み電流値との関係が最適化され、これにより、書き込み電流の低減と書き込み電流のマージンの拡大とが同時に実現されている。ここで、上限書き込み電流値とは、メモリセル１０の書き込みを正しく行える書き込み電流の上限値であり、下限書き込み電流値とは、メモリセル１０の書き込みを正しく行える書き込み電流の下限値である。
【００２６】
より具体的には、図５Ａに示されているように、本実施形態のＭＲＡＭは、ワード線電流の変化点電流値ＩＷＴＨが、ワード線電流の上限書き込み電流値ＩＷＭＡＸよりも小さくなるように構成されている。ここで、変化点電流値ＩＷＴＨとは、ワード線２１が磁化自由層１２に作用する書き込み磁場の増加率に変化が現れるワード線電流の電流値である。言い換えれば、ワード線電流が上限書き込み電流値を超える場合の、ワード線電流が磁化自由層１２に作用する書き込み磁場のワード電流に対する比は、ワード線電流が変化点電流値ＩＷＴＨよりも小さい場合のワード線電流が磁化自由層１２に作用する書き込み磁場のワード電流に対する比よりも小さい。同様に、図５Ｂに示されているように、本実施形態のＭＲＡＭは、ビット線２２が磁化自由層１２に作用する書き込み磁場の増加率に変化が現れる変化点電流値ＩＢＴＨが、ビット線電流の上限書き込み電流ＩＢＭＡＸよりも小さくなるように構成されている。
【００２７】
このようにＭＲＡＭが構成されていることにより、ワード線電流及びビット線電流のマージンを増大させることができる。本実施形態のＭＲＡＭでは、ワード線電流が変化点電流値ＩＷＴＨを超えるとワード線２１が磁化自由層１２に作用する書き込み磁場の増加率は小さくなるため、ワード線電流が増加してもワード線２１が磁化自由層１２に作用する書き込み磁場は、許容される書き込み磁場の上限を超えにくくなる。言い換えれば、上限の書き込み磁場を発生させるワード線電流の電流値が増大する。ビット線電流についても同様である。ビット線電流が変化点電流値ＩＢＴＨを超えるとビット線２２が磁化自由層１２に作用する書き込み磁場の増加率は小さくなり、上限の書き込み磁場を発生させるビット線電流の電流値が増大する。従って、磁化が反転される書き込み電流の範囲を表す磁化反転書き込み電流曲線は、変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨがそれぞれ上限書き込み電流ＩＷＭＡＸ、ＩＢＭＡＸよりも大きい場合と比較して図６に示されているように変化し、書き込み電流のマージンが増大する。
【００２８】
図５Ａに戻り、書き込み電流の低減の効果を損なわないためには、ワード線電流の変化点電流値ＩＷＴＨが、ワード線電流の下限書き込み電流ＩＷＭＩＮよりも大きいことが好ましい。書き込み電流の低減の効果を損なわないためには、強磁性体層２３を飽和させないことが望ましい。しかし、変化点電流値ＩＷＴＨが下限書き込み電流ＩＷＭＩＮよりも小さいと、データ書き込みが正しく行われるようなワード線電流をワード線２１に印加したときに強磁性体層２３が飽和することが避けられず、書き込み電流の低減の効果が低下する。強磁性体層２３を飽和させずにデータ書き込みを行うためには、ワード線電流の変化点電流値ＩＷＴＨが、ワード線電流の下限書き込み電流ＩＷＭＩＮよりも大きくなるようにＭＲＡＭが構成されることが好ましい。この場合、データ書き込みに実際に使用されるワード線電流の電流値（以下、「設定ワード線電流値ＩＷＳＥＴ」という。）が、下限書き込み電流ＩＷＭＩＮよりも大きく、変化点電流値ＩＷＴＨよりも小さくなるように選択されることが好ましい。これにより、書き込み電流の低減の効果が大きい範囲でデータ書き込み動作を行うことができる。
【００２９】
ビット線電流についても同様である。図５Ｂを参照して、書き込み電流の低減の効果を損なわないためには、ビット線電流の変化点電流値ＩＢＴＨが、ビット線電流の下限書き込み電流ＩＢＭＩＮよりも大きいことが好ましい。
【００３０】
現実には、図５Ｃに示されているように、書き込み磁場のワード線電流に対する依存性のグラフには、明確な変曲点は現れにくい。このような場合には、ワード線電流が充分に小さい領域及び充分に小さい領域では書き込み磁場とワード線電流とが線形の関係にあることを利用して、ワード線電流の変化点電流値ＩＷＴＨは、ワード線電流が充分に小さい領域の書き込み磁場を表す直線の外挿線と、ワード線電流が充分に大きい領域の書き込み磁場を表す直線の外挿線との交点におけるワード線電流の電流値と定義される。
【００３１】
ビット線電流についても同様である。図５Ｄに示されているように、ビット線電流の変化点電流値ＩＢＴＨは、ワード線電流が充分に小さい領域の書き込み磁場を表す直線の外挿線と、ワード線電流が充分に大きい領域の書き込み磁場を表す直線の外挿線との交点におけるビット線電流の電流値として定義される。
【００３２】
変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨ、即ち、ワード線２１、ビット線２２を被覆する強磁性体層２３、２４が飽和する電流値は、配線の形状、強磁性体層２３、２４の膜厚、及び強磁性体層２３、２４の飽和磁束密度によって制御可能である。例えば、強磁性体層２３、２４の膜厚を薄くする、又は、飽和磁束密度を小さくすることにより、変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨを小さくすることができる。飽和磁束密度は、強磁性体層２３、２４を構成する材料の種類及び組成比によって制御可能であることに留意されたい。また、ワード線２１、ビット線２２の断面の周囲長を変える、即ち、ワード線２１、ビット線２２の長手方向に対して垂直な断面の形状を変えることでも変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨを制御可能である。許容される配線抵抗、電流密度、素子の集積度などによって、ワード線２１、ビット線２２のサイズは決定されるから、本実施形態の発現のためには、ワード線２１、ビット線２２の断面形状に応じて好ましい強磁性体層２３、２４の飽和磁束密度、厚さを決定する必要がある。
【００３３】
例えば、断面の一辺が０．５μｍ以下のワード線２１、ビット線２２で数ｍＡオーダーのワード線電流、ビット線電流で書き込みを行うMRAMを考える。書き込み電流の低減と書き込み電流マージンの拡大とを好適に実現するためには、厚さ５０ｎｍの強磁性体層２３、２４でワード線２１、ビット線２２が被覆される場合、飽和磁束密度が０．１Ｔ以下の磁性体が強磁性体層２３、２４として好適に使用される。飽和磁束密度が０．５Ｔを超える磁性体、たとえばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、又はＮｉＦｅＣｏ合金が強磁性体層２３、２４として使用される場合には、強磁性体層２３、２４の膜厚は１０ｎｍ未満にすることが望ましい。しかし、単純に強磁性体層２３、２４の飽和磁束密度や膜厚を小さくしすぎると、書き込み電流の低減効果が損なわれるので、適切な値が選択されることが望ましい。例えば、ガーネット型あるいはスピネル型フェライトや、Ｎｉ、Ｆｅ，Ｃｏなどの強磁性金属と非磁性金属の合金のような、飽和磁束密度が０．１Ｔ以下の磁性体の極薄膜を強磁性体層２３、２４として用いると、設定書き込み電流よりも小さい電流で強磁性体層２３、２４が飽和し、書き込み電流の低減効果が低くなる。
【００３４】
強磁性体層２３、２４を、単一材料の層ではなく飽和磁束密度が異なる磁性体の積層構造とすることによっても、変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨを制御することができる。この構成では、積層された磁性体の一部の層の磁化が飽和することで、強磁性体層２３、２４全体として書き込み電流に対する書き込み磁場の比を、ある電流値以上で低下させることが可能である。積層する磁性体層の間の結合を調整するためには非磁性層を挟むことで可能である。
【００３５】
本発明は、書き込み配線の特性に対するものであり、磁気記憶素子の構成には依存しないことに留意されたい。最近、米国特許第６，５４５，９０６号に提示されているような、いわゆるトグル動作によって低抵抗状態と高抵抗状態をスイッチするＭＴＪ素子が提案されている。この形式のＭＴＪ素子にも、アプライドフィジックスレターズ（Applied Physics Letters）第８４巻第４５５９頁〜第４５６１頁に述べられているように、書き込み磁場に上限が存在する。そのため、本発明により書き込み電流マージン拡大の効果を得ることができる。
【実施例】
【００３６】
（実施例１〜実施例３）
実施例１乃至実施例３では、ワード線２１、ビット線２２を被覆する強磁性体層２３、２４の膜厚の制御によって本発明の効果が得られている。ワード線２１、ビット線２２としては、幅０．５μｍ、膜厚０．２５μｍの断面形状を持つ配線が使用される。ワード線２１及びビット線２２の、メモリセル１０と対向する面を除く三面が飽和磁束密度０．５Ｔ、透磁率１０００の強磁性体層２３、２４で被覆されている。強磁性体層２３、２４の膜厚は、比較例1では０ｎｍ、実施例1では１ｎｍ、実施例２では３ｎｍ、実施例３では５ｎｍ、比較例２では７ｎｍ、比較例３では１０ｎｍである。強磁性体層２３、２４はＮｉＦｅ合金で形成されている。ワード線２１、ビット線２２と強磁性体層２３、２４の界面には厚さ５ｎｍのＴａ膜が設けられ、強磁性体層２３、２４の最表面は、厚さ５ｎｍのＴａ膜で保護されている。ワード線２１、ビット線２２は、０．２μｍ離れて直交するように配置され、その中間に磁化自由層１２が位置するようにメモリセル１０が配置されている。磁化自由層１２のデータ書き込みに必要な最小の書き込み磁場は、ワード線方向及びビット線方向のいずれも、２４００Ａ／ｍ（約３０Ｏｅ）、選択書き込み可能な上限の書き込み磁場はワード線方向及びビット線方向のいずれも４０００Ａ／ｍ（約５０Ｏｅ）である。
【００３７】
図７は、ワード線電流及びビット線電流の電流値が変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨである場合に磁化自由層１２に加わる書き込み磁場を、実施例１〜３及び比較例１〜３のそれぞれについて示すグラフである。実施例１から実施例３は、４０００Ａ／ｍに対応する書き込み電流よりも小さな電流値で、書き込み電流に対する書き込み磁場の傾きが変化している。即ち、変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨは、上限書き込み電流ＩＷＭＡＸ、ＩＢＭＡＸよりも小さい。加えて、実施例３では、書き込み電流に対する書き込み磁場の傾きが変化する電流値が、２４００Ａ／ｍに対応する書き込み電流よりも大きい。即ち、実施例３では、変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨが下限書き込み電流ＩＷＭＩＮ、ＩＢＭＩＮよりも大きい。
【００３８】
図８は、実施例１〜３及び比較例１〜３のそれぞれについて、ワード線２１、及びビット線２２が、それぞれ単独で２４００Ａ／ｍと４０００Ａ／ｍの磁場を発生させるために必要な電流を示す表である。この表から明らかであるように、実施例１から実施例３は、ワード線２１及びビット線２２が強磁性体層２３、２４で被覆されているため、比較例1よりも書き込みに必要な電流が減少する。更に、書き込み電流マージンは、実施例１〜実施例３が、比較例２、比較例３よりも大きい。また、最小書き込み電流の低減効果を変化させずに書き込み電流マージンが増えているのは実施例３であることが分かる。これは、実施例３では変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨが、２４００Ａ／ｍと４０００Ａ／ｍのそれぞれに対応する電流値（即ち、下限書き込み電流値及び上限書き込み電流値）の間に位置しているためである。
【００３９】
なお、ワード線２１及びビット線２２から磁化自由層１２までの距離が０．１μｍよりも大きくなると、磁化自由層１２に作用する磁場が弱くなるため、より大きい書き込み電流が必要である。そのため、他の構成が同一ならば、本発明の効果が得られる強磁性体層２３、２４の膜厚の上限は大きくなる。逆に、距離が０．１μｍよりも小さくなる場合には、強磁性体層２３、２４の膜厚の上限は小さくなる。
【００４０】
（実施例４及び実施例５）
実施例４及び実施例５では、ワード線２１及びビット線２２を被覆する強磁性体層２３、２４の飽和磁束密度の制御によって本発明の効果が得られている。この方法は、ワード線２１及びビット線２２の幅を優先的に規定する場合に有効である。
【００４１】
ワード線２１及びビット線２２としては、幅０．５μｍ、膜厚０．２５μｍの断面形状を持つ配線が使用される。ワード線２１及びビット線２２のメモリセル１０と対向する面を除く三面が、１０ｎｍの膜厚を有する強磁性体層２３、２４で被覆されている。強磁性体層２３、２４の主成分はＮｉＦｅであり、その透磁率は１０００である。飽和磁束密度の制御は、強磁性体層２３、２４のＮｉとＦｅの組成比、及び非磁性金属の添加によって調節可能である。強磁性体層２３、２４は、実施例１乃至実施例３と同様に、その２面がＴａ膜で被覆されている。ワード線２１及びビット線２２は、０．２μｍ離れて直交するように配置されており、メモリセル１０は、その中間に磁化自由層１２が位置するように配置されている。磁化自由層１２のデータ書き込みに必要な最小の書き込み磁場は、ワード線方向及びビット線方向のいずれも、２４００Ａ／ｍ（約３０Ｏｅ）、選択書き込み可能な上限の書き込み磁場はワード線方向及びビット線方向のいずれも４０００Ａ／ｍ（約５０Ｏｅ）である。強磁性体層２３、２４の飽和磁束密度は、実施例4では０．１５Ｔ，実施例５では０．２５Ｔ、比較例４では０．３Ｔ、比較例５では０．５Ｔである。
【００４２】
図９は、ワード線電流及びビット線電流の電流値が変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨである場合に磁化自由層１２に加わる書き込み磁場を、実施例４、５及び比較例４、５のそれぞれについて示すグラフである。実施例４、５は、４０００Ａ／ｍに対応する書き込み電流よりも小さな電流値で、書き込み電流に対する書き込み磁場の傾きが変化している。即ち、変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨは、上限書き込み電流ＩＷＭＡＸ、ＩＢＭＡＸよりも小さい。加えて、実施例５では、書き込み電流に対する書き込み磁場の傾きが変化する電流値が、２４００Ａ／ｍに対応する書き込み電流よりも大きい。即ち、実施例５では、変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨが下限書き込み電流ＩＷＭＩＮ、ＩＢＭＩＮよりも大きい。
【００４３】
図１０は、実施例４、５及び比較例４、５のそれぞれについて、ワード線２１、及びビット線２２が、それぞれ単独で２４００Ａ／ｍと４０００Ａ／ｍの磁場を発生させるために必要な電流を示す表である。この表から明らかであるように、書き込み電流マージンは、実施例４、５が、比較例４、５よりも大きい。また、最小書き込み電流の低減効果を変化させずに書き込み電流マージンが増えているのは実施例５であることが分かる。これは、実施例５では変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨが、２４００Ａ／ｍと４０００Ａ／ｍのそれぞれに対応する電流値（即ち、下限書き込み電流値及び上限書き込み電流値）の間に位置しているためである。
【００４４】
なお、ワード線２１、ビット線２２から磁化自由層１２までの距離が０．１μｍよりも大きくなると磁化自由層１２に作用する磁場が弱くなるため、より大きい書き込み電流が必要である。そのため、他の構成が同じならば、本発明の効果が得られる強磁性体層２３、２４の飽和磁束密度の上限は、高くなる。逆に、距離が０．１μｍよりも小さくなる場合には、本発明の効果が得られる強磁性体層２３、２４の飽和磁束密度の上限は低くなる。
【００４５】
（実施例６及び実施例７）
実施例６及び実施例７では、設定ワード線電流値ＩＷＳＥＴ、設定ビット線電流値ＩＢＳＥＴと、変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨの関係について議論される。実施例６及び実施例７の目的は、変化点電流値ＩＷＴＨが、設定ワード線電流値ＩＷＳＥＴと上限書き込み電流値ＩＷＭＡＸの間にあることが好適であり、且つ、変化点電流値ＩＢＴＨが、設定ビット線電流値ＩＢＳＥＴと上限書き込み電流値ＩＢＭＡＸの間にあることが好適であることを示すことにある。
【００４６】
ワード線２１、ビット線２２としては、幅０．５μｍ、膜厚０．２５μｍの断面形状を持つ配線が用いられる。ワード線２１、ビット線２２のメモリセル１０と対向する面を除く三面が、飽和磁束密度が０．５Ｔ、透磁率が１０００の強磁性体層２３、２４で被覆される。強磁性体層２３、２４の主成分は、ＮｉＦｅであり、実施例１乃至実施例５と同様に、その表面がＴａ膜によって被覆されている。ワード線２１、ビット線２２は、０．２μｍ離れて直交するように配置されて降り、メモリセル１０は、その中間に磁化自由層１２が位置するように配置されている。磁化自由層１２のデータ書き込みに必要な最小の書き込み磁場は、ワード線方向及びビット線方向のいずれも、２４００Ａ／ｍ（約３０Ｏｅ）、選択書き込み可能な上限の書き込み磁場はワード線方向及びビット線方向のいずれも４０００Ａ／ｍ（約５０Ｏｅ）である。
【００４７】
ワード線２１、ビット線２２を被覆する配線を被覆する強磁性体層２３、２４の膜厚は、比較例６では０ｎｍ、実施例６では３ｎｍ、実施例７では、５ｎｍ、比較例７では７ｎｍである。図７から理解されるように、実施例６、７は、４０００Ａ／ｍに対応する書き込み電流よりも小さな電流値で、書き込み電流に対する書き込み磁場の傾きが変化している。即ち、変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨは、上限書き込み電流ＩＷＭＡＸ、ＩＢＭＡＸよりも小さい。加えて、実施例７では、書き込み電流に対する書き込み磁場の傾きが変化する電流値が、２４００Ａ／ｍに対応する書き込み電流よりも大きい。即ち、実施例７では、変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨが下限書き込み電流ＩＷＭＩＮ、ＩＢＭＩＮよりも大きい。
【００４８】
磁化自由層１２に対するデータ書き込みに実際に使用される書き込み磁場（設定書き込み磁場）は、ワード線方向及びビット線方向のいずれも、３３００Ａ／ｍに設定されている。従って、設定書き込み磁場に対応する設定ワード線電流値ＩＷＳＥＴ、設定ビット線電流値ＩＢＳＥＴは、同一であり、以下では、これらを区別せずに（設定書き込み磁場に対応する）設定書き込み電流と記載することがある。
【００４９】
図１１は、３３００Ａ／ｍの書き込み磁場（設定書き込み磁場）に対応する設定書き込み電流と４０００Ａ／ｍの書き込み磁場に対応する電流値（上限書き込み電流）を、実施例６、７、及び比較例６、７のそれぞれについて示す表である。実施例６、７、比較例７では、ワード線２１及びビット線２２が強磁性体層２３、２４で被覆されているため、比較例６よりも設定書き込み電流が減少する。しかし、比較例7は、設定書き込み電流は減少するものの、設定書き込み電流と上限書き込み電流の比は比較例６と変わらず、書き込み電流マージンの増加効果は得られていない。実施例６、実施例７は、設定書き込み磁場に対応する設定書き込み電流は比較例６よりも小さく、さらに、設定書き込み電流と上限書き込み電流の比が比較例６、比較例７よりも大きい。特に、実施例７は、実施例６よりも書き込み電流が少なく、かつ、設定書き込み電流と上限書き込み電流の比が実施例６よりも大きい。これは、図７に示されているように、実施例７は、変化点電流値が、設定書き込み電流と上限書き込み電流の間に位置しているためである。このように、変化点電流値が、設定書き込み電流と上限書き込み電流の間に位置するような配線構造が本発明の効果を特に発現することが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、磁気抵抗効果素子のアステロイド特性を説明する模式図である。
【図２】図２は、磁性体膜で被覆された配線と被覆されていない配線のそれぞれについて、書き込み磁場の書き込み電流に対する依存性を示すグラフである。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の一実施形態に係る磁性メモリの構造を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の一実施形態に係る磁性メモリの構造を示す他の断面図である。
【図４】図４は、本実施形態におけるメモリセルの構造を示す断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、ワード線が発生する書き込み磁場の、ワード線電流に対する依存性を示すグラフである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、ビット線が発生する書き込み磁場の、ビット線電流に対する依存性を示すグラフである。
【図５Ｃ】図５Ｃは、ワード線が発生する書き込み磁場の、ワード線電流に対する依存性を示す他のグラフである。
【図５Ｄ】図５Ｄは、ビット線が発生する書き込み磁場の、ビット線電流に対する依存性を示す他のグラフである。
【図６】図６は、変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨがそれぞれ上限書き込み電流ＩＷＭＡＸ、ＩＢＭＡＸよりも小さい本実施形態の磁気メモリのアステロイド曲線と、変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨがそれぞれ上限書き込み電流ＩＷＭＡＸ、ＩＢＭＡＸよりも大きい場合のアステロイド曲線とを示す模式図である。
【図７】図７は、ワード線電流及びビット線電流の電流値が変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨである場合に磁化自由層に加わる書き込み磁場を、実施例１〜３、及び比較例１〜３のそれぞれについて示すグラフである。
【図８】図８は、実施例１〜３及び比較例１〜３のそれぞれについて、ワード線及びビット線が、それぞれ単独で２４００Ａ／ｍと４０００Ａ／ｍの磁場を発生させるために必要な電流を示す表である。
【図９】図９は、ワード線電流及びビット線電流の電流値が変化点電流値ＩＷＴＨ、ＩＢＴＨである場合に磁化自由層に加わる書き込み磁場を、実施例４、５及び比較例４、５のそれぞれについて示すグラフである。
【図１０】図１０は、実施例４、５及び比較例４、５のそれぞれについて、ワード線及びビット線が、それぞれ単独で２４００Ａ／ｍと４０００Ａ／ｍの磁場を発生させるために必要な電流を示す表である。
【図１１】図１１は、３３００Ａ／ｍの書き込み磁場（設定書き込み磁場）に対応する設定書き込み電流と４０００Ａ／ｍの書き込み磁場に対応する電流値（上限書き込み電流）を、実施例６、７、及び比較例６、７のそれぞれについて示す表である。
【符号の説明】
【００５１】
１０：メモリセル
１１：表面被覆層
１２：磁化自由層
１３：トンネルバリア層
１４：磁化固定層
１５：反強磁性体層
１６：下地層
２１：ワード線
２２：ビット線
２３、２４：強磁性体層
【図１】
2006278887.tif 000003
【図２】
2006278887.tif 000004
【図３Ａ】
2006278887.tif 000005
【図３Ｂ】
2006278887.tif 000006
【図４】
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【図５Ａ】
2006278887.tif 000008
【図５Ｂ】
2006278887.tif 000009
【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
2006278887.tif 000011
【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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