(57)【要約】【課題】磁壁移動方式に基づく磁気抵抗効果素子の面積を縮小すること。【解決手段】本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固定された少なくとも２つの第１磁化固定層１ａ，１ｂと、ＸＹ面上に形成され磁化の向きが可変な磁化自由層２と、非磁性層３を介して磁化自由層２に接続された第２磁化固定層４とを備える。２つの第１磁化固定層１ａ，１ｂは、磁化自由層２を挟んで第２磁化固定層４と対向するように配置され、また、磁化自由層２と磁気的に結合している。２つの第１磁化固定層１ａ，１ｂの磁化は共に、ＸＹ面に直角なＺ方向の成分を有する。データ書き込み時、書き込み電流が、ＸＹ面内において、磁化自由層２の一端から他端に流される。【選択図】図２
2008147488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが固定された少なくとも２つの第１磁化固定層と、
第１平面上に形成され、磁化の向きが可変な磁化自由層と、
非磁性層を介して前記磁化自由層に接続され、磁化の向きが固定された第２磁化固定層と
を備え、
前記２つの第１磁化固定層は、前記磁化自由層を挟んで前記第２磁化固定層と対向するように配置され、また、前記磁化自由層と磁気的に結合しており、
前記２つの第１磁化固定層の磁化は共に、前記第１平面に直角な第１方向の成分を有し、
データ書き込み時、書き込み電流が、前記第１平面内において、前記磁化自由層の一端から他端に流される
磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記２つの第１磁化固定層の一方は、前記磁化自由層の前記一端の側に配置され、
前記２つの第１磁化固定層の他方は、前記磁化自由層の前記他端の側に配置され、
前記一方の第１磁化固定層の磁化は、前記磁化自由層の磁化に対して、前記第１方向に直角な第２方向の磁気力を与え、
前記他方の第１磁化固定層の磁化は、前記磁化自由層の磁化に対して、前記第２方向と反平行な第３方向の磁気力を与える
磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記一方の第１磁化固定層は、前記磁化自由層の前記一端に接続されており、
前記他方の第１磁化固定層は、前記磁化自由層の前記他端に接続されている
磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記一方の第１磁化固定層は、第１導電層を介して、前記磁化自由層の前記一端に接続されており、
前記他方の第１磁化固定層は、第２導電層を介して、前記磁化自由層の前記他端に接続されている
磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記データ書き込み時、前記書き込み電流は、前記一方の第１磁化固定層から前記磁化自由層を通って前記他方の第１磁化固定層に流れる
磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１方向から見た場合、
前記一方の第１磁化固定層の平面形状は、前記他端から離れる方向に、前記磁化自由層の平面形状の外にはみ出しており、
前記他方の第１磁化固定層の平面形状は、前記一端から離れる方向に、前記磁化自由層の平面形状の外にはみ出している
磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記２つの第１磁化固定層は、前記磁化自由層から離れて配置されている
磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項７に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記一方の第１磁化固定層は、前記他端から離れる方向に、前記磁化自由層から離れて配置され、
前記他方の第１磁化固定層は、前記一端から離れる方向に、前記磁化自由層から離れて配置されている
磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化自由層の前記一端に接続された第１導電層と、
前記磁化自由層の前記他端に接続された第２導電層と
を更に備え、
前記データ書き込み時、前記書き込み電流は、前記第１導電層から前記磁化自由層を通って前記第２導電層に流れる
磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
請求項２乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記２つの第１磁化固定層は、前記磁化自由層に近づくにつれて拡がるテーパー構造を有している
磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
請求項２乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記２つの第１磁化固定層は、長手方向が前記第１平面に対して斜めになるように形成されている
磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
請求項２乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化自由層は、前記２つの第１磁化固定層に近づくにつれて拡がるテーパー構造を有している
磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記２つの第１磁化固定層は、前記第１方向に形状磁気異方性を有する
磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記２つの第１磁化固定層は、前記第１方向に結晶磁気異方性を有する
磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化自由層は、
前記一端と前記他端との中央に対して前記一端側に位置し、前記中央での断面積と異なる断面積を有する第１領域と、
前記中央に対して前記他端側に位置し、前記中央での断面積と異なる断面積を有する第２領域と
を含む
磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを具備し、
前記複数の磁気メモリセルの各々は、
請求項１乃至１５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、
前記データ書き込み時、前記書き込み電流を前記磁化自由層に供給するためのトランジスタと
を備える
ＭＲＡＭ。
【請求項１７】
請求項１６に記載のＭＲＡＭであって、
前記データ書き込み時、前記書き込み電流の供給と同時に、外部磁界が前記磁化自由層に印加される
ＭＲＡＭ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のＭＲＡＭであって、
前記磁化自由層に対して前記書き込み電流を供給するための配線を更に具備し、
前記データ書き込み時、前記配線を流れる前記書き込み電流により、前記外部磁界が同時に生成される
ＭＲＡＭ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気抵抗効果素子をメモリセルとして用いる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、磁壁移動方式に基づくＭＲＡＭ、及びそのＭＲＡＭで用いられる磁気抵抗効果素子に関する。
【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、メモリセルとして利用される。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層の強磁性体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層の強磁性体層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層：pinned layer）と、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層：free layer）から構成される。
【０００３】
磁化固定層と磁化自由層の磁化の向きが“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。室温でのＭＲ比（＝ΔＲ／Ｒ）は、数１０〜数１００％になる。ＭＲＡＭのメモリセルは、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。データの読み出しは、ＭＴＪを貫通するように読み出し電流を流し、ＭＴＪの抵抗値を測定することにより行なわれる。一方、データの書き込みは、磁化自由層の磁化の向きを反転させることによって行われる。
【０００４】
代表的なデータ書き込み方式として、「電流磁界方式」が知られている。電流磁界方式によれば、磁気抵抗効果素子の近傍に配置された書き込み配線に書き込み電流が流される。そして、その書き込み電流により発生する書き込み磁界が磁化自由層に印加され、それにより磁化自由層の磁化の向きが変化させられる。この時、１ｍＡの書き込み電流により発生する磁界は、数Ｏｅ〜十数Ｏｅ程度である。一方、熱擾乱（ディスターバンス）による記憶データの書き換えを防止するためには、磁化自由層の磁化反転に必要な反転磁界は、数十Ｏｅ程度に設計されることが望ましい。従って、１ｍＡ以下の書き込み電流でデータ書き込みを実現することは非常に難しい。この点において、電流磁界方式のＭＲＡＭは、他のＲＡＭよりも不利である。更に、磁気抵抗効果素子のサイズにほぼ反比例して、磁化自由層の磁化反転に必要な反転磁界は大きくなる。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してしまうという問題点がある。
【０００５】
特許文献１（特開２００５−１５０３０３号公報）には、電流磁界方式のＭＲＡＭに関して、熱擾乱耐性を向上させ、且つ、反転磁界を低減することを目的とした技術が記載されている。当該従来技術に係る磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性層／トンネルバリヤ層／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。第１の強磁性層は、第２の強磁性層よりも保磁力が大きい。更に、第２の強磁性層の端部の磁化が、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。
【０００６】
最近、電流磁界方式に代わるデータ書き込み方式として、スピン注入（spin transfer）を利用した「スピン注入方式」が提案されている（例えば、非特許文献１、特許文献２参照）。スピン注入方式によれば、磁化自由層にスピン偏極電流（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。その磁化反転は電流密度が大きいほど起こりやすくなるため、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、書き込み電流を低減させることが可能となる。
【０００７】
非特許文献１（M. Hosomi et al.）に記載されたスピン注入方式によれば、ＭＴＪを貫通するように書き込み電流が流される。つまり、当該従来技術に係るスピン注入方式は、所謂ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）方式により実現されており、以下「垂直スピン注入方式」と参照される。垂直スピン注入方式では、磁化固定層と同じスピン状態を有するスピン偏極電子が、磁化固定層から磁化自由層へ供給される、あるいは、磁化自由層から磁化固定層に引き抜かれる。その結果、スピントランスファー効果により、磁化自由層の磁化が反転する。このように、ＭＴＪを貫通する書き込み電流の方向により、磁化自由層の磁化方向を規定することができる。更に、メモリセルの微細化に伴い、書き込み電流を小さくすることも可能である。
【０００８】
但し、垂直スピン注入方式では、読み出し電流より大きい書き込み電流がＭＴＪを貫通するため、次のような問題が生ずると考えられる。ＭＴＪのトンネルバリヤ層としては一般的には絶縁膜が用いられ、その絶縁膜の耐圧の限界から書き込み電流の上限値が決まってしまう。このことは、書き込みの観点から好ましくない。一方で、その上限値を増加させるためにトンネルバリヤ層の抵抗値を低くすると、読み出し信号が小さくなってしまう。このことは、読み出しの観点から好ましくない。すなわち、書き込みは、磁化反転が起こる電流以上、読み出しの制約を満たす絶縁膜の耐圧以下というマージン内で行わなければならず、これは大容量化には不利である。更に、書き込み動作のたびに絶縁膜に書き込み電流を流すことは、素子の耐久性の観点からも好ましくない。
【０００９】
一方、特許文献２（特開２００５−１９１０３２号公報）に記載されたスピン注入方式によれば、書き込み電流はＭＴＪを貫通せず、磁化自由層内で平面的に流される。このようなスピン注入方式は、以下「水平スピン注入方式」と参照される。より詳細には、当該従来技術に係る磁化自由層は、トンネルバリヤ層と重なる接合部、接合部の両端に隣接するくびれ部、及びくびれ部に隣接形成された一対の磁化固定部を有する。一対の磁化固定部には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。その結果、磁化自由層は、上記接合部内に磁壁（Domain Wall）を有することになる。
【００１０】
このように構成された磁化自由層内で、書き込み電流が平面的に流される。この時、一対の磁化固定部は、異なるスピン偏極電子の供給源としての役割を果たす。書き込み電流の方向は書き込みデータに応じて制御され、その方向に応じて、いずれかの磁化固定部から接合部にスピン偏極電子が供給される。その結果、スピントランスファー効果により、磁化自由層の磁化が反転する。この磁化反転は、上述の磁壁の位置の変化を意味する。すなわち、書き込み電流の方向に応じて、磁壁が一対のくびれ部間を移動する。その意味で、特許文献２に記載されたような水平スピン注入方式を、「磁壁移動方式」と呼ぶこともできる。
【００１１】
このような電流駆動磁壁移動（Current-Driven Domain Wall Motion）は、強磁性体細線中で実際に観測されている（非特許文献２参照）。磁壁を有する幅数十ナノメートル〜数マイクロメートルの磁性細線に磁壁を横切るような電流が流れたとき、伝導電子の持つスピン磁気モーメントによって磁壁が動かされる。磁壁移動に必要な電流値も、素子の微細化に伴い小さくなる。従って、磁壁移動を利用した水平スピン注入方式（磁壁移動方式）は、大容量・低電流動作ＭＲＡＭを実現するために非常に重要な技術である。
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−１５０３０３号公報
【特許文献２】特開２００５−１９１０３２号公報
【非特許文献１】M. Hosomi et al., "A Novel Nonvolatile Memory with Spin Torque Transfer Magnetization Switching: Spin-RAM", International Electron Devices Meeting (IEDM), Technical Digest, pp.459-562, 2005.
【非特許文献２】Yamaguchi et. al., "Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires", PRL, vol. 92, pp. 077205-1, 2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本願発明者は、次の点に着目した。特許文献２に記載された技術によれば、磁化自由層は、磁化方向が可変な接合部の両側に一対の磁化固定部を有している。それら一対の磁化固定部は、異なるスピン偏極電子の導入源であり、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。そして、それら接合部と一対の磁化固定部は、同一の磁性層内に直線状に配置されている。同一の磁性層内に、磁化方向が可変な領域に加えて一対の磁化固定部を設けることは、次のような問題点を生じさせる。
【００１４】
まず、同一の磁性層内において、一対の磁化固定部の磁化を、互いに反対向きに固定する必要がある。このことは、複雑な製造プロセスを必要としてしまう。また、磁化方向が可変な領域と磁化方向が固定された領域とでは、求められる磁気特性も異なってくる。しかしながら、それら領域が同一の磁性層内に存在する場合、領域ごとに磁気特性を調整することが困難である。すなわち、設計の自由度が悪い。更に、磁化固定部の固定磁化を安定的に維持するためには、磁化固定部をある程度大きく設計する必要がある。このことは、メモリセルの面積の増大を招く。
【００１５】
本発明の目的は、磁壁移動方式に基づく新たな磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭを提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、磁気抵抗効果素子の設計の自由度を向上させることができる技術を提供することにある。
【００１７】
本発明の更に他の目的は、磁気抵抗効果素子の面積を縮小し、大容量ＭＲＡＭを実現することができる技術を提供することにある。
【００１８】
本発明の更に他の目的は、磁化固定層の磁化の向きを容易に固定することができる磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号・符号は、［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］との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００２０】
本発明の第１の観点において、磁壁移動方式に基づく磁気抵抗効果素子が提供される。その磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固定された少なくとも２つの第１磁化固定層（１ａ，１ｂ）と、第１平面（ＸＹ）上に形成され磁化の向きが可変な磁化自由層（２）と、非磁性層（３）を介して磁化自由層（２）に接続された第２磁化固定層（４）とを備える。２つの第１磁化固定層（１ａ，１ｂ）は、磁化自由層（２）を挟んで第２磁化固定層（４）と対向するように配置され、また、磁化自由層（２）と磁気的に結合している。２つの第１磁化固定層（１ａ，１ｂ）の磁化は共に、第１平面（ＸＹ）に直角な第１方向（Ｚ）の成分を有する。データ書き込み時、書き込み電流が、第１平面（ＸＹ）内において、磁化自由層（２）の一端から他端に流される。
【００２１】
本発明の第２の観点において、磁壁移動方式に基づくＭＲＡＭ（１００）が提供される。そのＭＲＡＭ（１００）は、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセル（１１０）を具備する。複数の磁気メモリセル（１１０）の各々は、上記磁気抵抗効果素子と、データ書き込み時、書き込み電流を磁化自由層（２）に供給するためのトランジスタ（１０ａ，１０ｂ）とを備える。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、第１磁化固定層と磁化自由層は、同一平面上に形成されておらず、立体的に配置されている。その結果、磁気抵抗効果素子の設計の自由度が向上する。また、磁気抵抗効果素子の面積が縮小される。更に、第１磁化固定層の磁化の向きを容易に固定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭを説明する。
【００２４】
１．第１の実施の形態
１−１．基本構造
図１Ａ及び図１Ｂは、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図及び平面図である。磁気抵抗効果素子は、第１磁化固定層１ａ、１ｂ、磁化自由層２、トンネルバリヤ層３、及び第２磁化固定層４を備えている。磁化自由層２、トンネルバリヤ層３、及び第２磁化固定層４は、順番に積層されている。図１Ａ及び図１Ｂにおいて、その積層方向が「Ｚ方向」として定義されている。つまり、各層の主面に直角な方向がＺ方向である。各層は、Ｚ方向に直角なＸＹ面上に形成されている。
【００２５】
磁化自由層（フリー層）２は、強磁性層を含んでおり、その磁化の向きは可変である。図１Ｂに示されるように、磁化自由層２はＸＹ面上に形成されており、その長手方向はＸ方向である。つまり、磁化自由層２の磁化容易軸はＸ方向に一致しており、磁化自由層２の磁化は＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向になることが許される。
【００２６】
トンネルバリヤ層３は、非磁性層である。例えば、トンネルバリヤ層３は、絶縁膜で形成されている。このトンネルバリヤ層３は、磁化自由層２と第２磁化固定層４に挟まれている。図１Ｂにおいて、トンネルバリヤ層３は、磁化自由層２と同じ幅を有しているが、第２磁化固定層４と同じ幅を有していてもよい。あるいは、トンネルバリヤ層３の幅は、第２磁化固定層４と同じ幅から磁化自由層２と同じ幅に途中で変化していてもよい。
【００２７】
第２磁化固定層（ピン層）４は、トンネルバリヤ層３に接触する強磁性層を含んでおり、その磁化の向きは、図示されない反強磁性層等によって面内の一方向に固定されている。例えば図１Ａにおいて、トンネルバリヤ層３に接触する第２磁化固定層４の磁化の向きは、＋Ｘ方向に固定されている。尚、第２磁化固定層４は、複数の強磁性層が非磁性層を介して磁気的に結合した積層構造を有していてもよい。その場合、例えば、隣接する強磁性層同士は非磁性層を介して反強磁性的に結合している。これにより、第２磁化固定層４からの漏れ磁界が低減され、また、固定磁化もより強固となる。
【００２８】
このように、磁化自由層２及び第２磁化固定層４は、トンネルバリヤ層３を介して接続されている。それら磁化自由層２、トンネルバリヤ層３、及び第２磁化固定層４によって、ＭＴＪが形成されている。
【００２９】
更に、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、ＭＴＪを構成する第２磁化固定層４とは別に、第１磁化固定層１ａ、１ｂを備えている。第１磁化固定層１ａ、１ｂは、磁化自由層２を挟んで、第２磁化固定層４と対向するように配置されている。より詳細には、図１Ｂに示されるように、第１磁化固定層１ａは磁化自由層２の一端の側に配置されており、第１磁化固定層１ｂは磁化自由層２の他端の側に配置されている。特に、本実施の形態によれば、図１Ａに示されるように、第１磁化固定層１ａは磁化自由層２の一端に接続されており、第１磁化固定層１ｂは磁化自由層２の他端に接続されている。第１磁化固定層１ａ、１ｂの長手方向（磁化容易軸）は、ＸＹ面に直角なＺ方向であり、それらはＺ方向に形状磁気異方性を有している。
【００３０】
第１磁化固定層１ａ、１ｂは強磁性層であり、磁化自由層２と磁気的に結合している。第１磁化固定層１ａ、１ｂの磁化の向きは、一方向に固定されている。具体的には、第１磁化固定層１ａ、１ｂは、その固定磁化が少なくともＺ方向の成分を有するように形成される。例えば、図１Ａに示されるように、第１磁化固定層１ａ、１ｂの磁化の向きは、同じ＋Ｚ方向に固定されている。あるいは、第１磁化固定層１ａ、１ｂの磁化の向きは、同じ−Ｚ方向に固定されていてもよい。つまり、第１磁化固定層１ａ、１ｂの磁化は、共に、磁化自由層２に向かう方向、あるいは、磁化自由層２から離れる方向に固定されている。磁化の固定は、形状磁気異方性や結晶磁気異方性、ピニング層の配置などにより実現される。これら第１磁化固定層１ａ、１ｂの固定磁化は、磁化自由層２の端部周辺の磁化に対して磁気的に影響を及ぼす。
【００３１】
１−２．動作原理
図２は、本実施の形態に係る磁化自由層２が取り得る２種類の磁化状態を示している。磁化自由層２の磁化の向きが−Ｘ方向である場合、つまり、その向きが第２磁化固定層４の磁化の向き（＋Ｘ方向）と反平行である場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きい。この反平行状態が、例えばデータ“１”に対応付けられている。一方、磁化自由層２の磁化の向きが＋Ｘ方向である場合、つまり、その向きが第２磁化固定層４の磁化の向き（＋Ｘ方向）と平行である場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的小さい。この平行状態が、例えばデータ“０”に対応付けられている。
【００３２】
データ“１”の場合、磁化自由層２の磁化（−Ｘ方向）は、第１磁化固定層１ｂから連続的につながる。他方の第１磁化固定層１ａの磁化が磁化自由層２へ向かう方向に固定されているため、図２に示されるように、磁壁ＤＷが、第１磁化固定層１ａ近傍の磁化自由層２中に存在することになる。一方、データ“０”の場合、磁化自由層２の磁化（＋Ｘ方向）は、第１磁化固定層１ａから連続的につながる。他方の第１磁化固定層１ｂの磁化が磁化自由層２へ向かう方向に固定されているため、図２に示されるように、磁壁ＤＷが、第１磁化固定層１ｂ近傍の磁化自由層２中に存在することになる。このように、第１磁化固定層１ａ、１ｂが設けられることにより、磁化自由層２内に磁壁ＤＷが導入される。そして、その磁壁ＤＷの位置によって、データ“１”と“０”が区別され得る。尚、それら２つの状態は、エネルギー的には等価である。
【００３３】
図３は、第１磁化固定層１ａと磁化自由層２との接続領域近傍の磁気モーメントの分布を示している。上述の通り、磁壁ＤＷが、第１磁化固定層１ａ近傍の磁化自由層２中に存在している。尚、Ｈｅａｄ−ｔｏ−Ｈｅａｄ型の磁壁ＤＷが例として示されているが、磁壁ＤＷはＴａｉｌ−ｔｏ−Ｔａｉｌ型であってもよい。また、磁壁ＤＷ中の磁気モーメントがＺ軸成分を有するＴｒａｎｓｖｅｒｓｅ型が示されているが、磁壁ＤＷ中の磁気モーメントはＹ軸成分を有していてもよい。あるいは、Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ型の磁壁ではなく、Ｖｏｌｔｅｘ型の磁壁が形成されていてもよい。
【００３４】
図３に示されるように、第１磁化固定層１ａの磁化は、磁化自由層２の端部の磁化に影響を及ぼしており、磁化自由層２の端部の磁化は、概ね＋Ｚ方向を向いている。この時、第１磁化固定層１ａの固定磁化により生成されるダイポール磁場ＢＴは、図３の破線で表されるように分布している。従って、第１磁化固定層１ａの端部の磁化ＭＡや、その直上の磁化自由層２の磁化ＭＢは、＋Ｘ方向の成分を有することになる。逆に、磁化自由層２の最端部の磁化ＭＣは、−Ｘ方向の成分を有することになる。これら磁化ＭＡ、ＭＢ、ＭＣの方向は、第１磁化固定層１ａと磁化自由層２の形状、大小関係、位置関係等によっても影響されるが、基本的な傾向は同じである。
【００３５】
このように、第１磁化固定層１ａの磁化が、磁化自由層２の一端の磁化に対して少なくとも＋Ｘ方向の磁気力を与える結果、＋Ｘ方向の成分を有する磁化ＭＡ、ＭＢが発生する。後述されるように、これら磁化ＭＡ、ＭＢが、＋Ｘ方向の磁気モーメントを有する電子（＋Ｘ方向スピン偏極電子）の供給において重要な役割を果たす。他方の第１磁化固定層１ｂに関しても、同様の議論が適用され得る。第１磁化固定層１ｂの磁化が、磁化自由層２の他端の磁化に対して少なくとも−Ｘ方向の磁気力を与える結果、−Ｘ方向の成分を有する磁化が発生する。後述されるように、そのような磁化が、−Ｘ方向の磁気モーメントを有する電子（−Ｘ方向スピン偏極電子）の供給において重要な役割を果たす。
【００３６】
データの書き込みは、「水平スピン注入方式」により行なわれる。すなわち、書き込み電流は、ＭＴＪを貫通せず、磁化自由層２内で平面的に流される。具体的には、磁化自由層２の一端から他端に流される。
【００３７】
例えば、データ“１”が“０”に書き換えられる場合、書き込み電流は、第１磁化固定層１ｂから磁化自由層２を通って第１磁化固定層１ａに流される。この場合、図２に示されるように、電子は、第１磁化固定層１ａから磁化自由層２を通って第１磁化固定層１ｂに流れる。この時、図３で示された磁化ＭＡ、ＭＢにより、電子の＋Ｘ方向へのスピン偏極は大きくなる。つまり、磁化ＭＡ、ＭＢにより、＋Ｘ方向スピン偏極電子が効率的に生成される。その＋Ｘ方向スピン偏極電子が磁化自由層２に流れ込むため、スピントランスファー効果により、磁化自由層２の磁化が＋Ｘ方向に反転する。尚、図３で示されたように、磁化自由層２の最端部には、−Ｘ方向の成分を有する磁化ＭＣが存在する。しかしながら、磁化ＭＣの領域には書き込み電流は流れにくいため、磁化ＭＣの影響はほとんど現れない。
【００３８】
一方、データ“０”が“１”に書き換えられる場合、書き込み電流は、第１磁化固定層１ａから磁化自由層２を通って第１磁化固定層１ｂに流される。従って、図２に示されるように、電子は、第１磁化固定層１ｂから磁化自由層２を通って第１磁化固定層１ａに流れる。この場合も同様に、第１磁化固定層１ｂの端部近傍の磁化により、−Ｘ方向スピン偏極電子が効率的に生成される。その−Ｘ方向スピン偏極電子が磁化自由層２に流れ込むため、スピントランスファー効果により、磁化自由層２の磁化が−Ｘ方向に反転する。このように、磁化自由層２中を流れる書き込み電流の方向を制御することにより、データ書き込みを実現することが可能である。
【００３９】
データ書き込みは、磁壁移動の観点から述べることもできる。データ“１”から“０”への書き換え時、＋Ｘ方向スピン偏極電子が、磁壁ＤＷに対して＋Ｘ方向のスピントルクを与える。その結果、磁壁ＤＷは、第１磁化固定層１ａ側から＋Ｘ方向に移動する。その磁壁移動は、他方の第１磁化固定層１ｂによる＋Ｚ方向の磁化によって止められる。一方、データ“０”から“１”への書き換え時、−Ｘ方向スピン偏極電子が、磁壁ＤＷに対して−Ｘ方向のスピントルクを与える。その結果、磁壁ＤＷは、第１磁化固定層１ｂ側から−Ｘ方向に移動する。その磁壁移動は、他方の第１磁化固定層１ａによる＋Ｚ方向の磁化によって止められる（図３参照）。本実施の形態において、データ書き込みは、「磁壁移動方式」によって実現されていると言える。
【００４０】
磁壁移動の特性は、第１磁化固定層１ａ、１ｂと磁化自由層２の材質や形状によって決定される。後述されるように、第１磁化固定層１ａ、１ｂと磁化自由層２に関して、材料の磁気特性、形状、大小関係、位置関係を適切に調整することによって、磁壁移動の特性を向上させることができる。
【００４１】
データの読み出しは、ＭＴＪの抵抗値を検出することによって行なわれる。具体的には、ＭＴＪを貫通するように、読み出し電流が磁化自由層２と第２磁化固定層４との間に流される。その読み出し電流に基づいてＭＴＪの抵抗値が検出され、データ“１”あるいは“０”がセンスされる。
【００４２】
１−３．様々な平面形状
図４は、第１磁化固定層１（１ａ、１ｂ）の様々なＸＹ平面形状（切断面）を示している。第１磁化固定層１の平面形状としては、円、楕円、四角形、多角形などが挙げられる。その平面形状の種類により、磁化自由層２に形成される磁壁のタイプや位置をコントロールすることができる。
【００４３】
図５Ａは、磁化自由層２の様々なＸＹ平面形状を示している。磁化自由層２の平面形状のアスペクト比（長軸／短軸）は１より大きい。その平面形状としては、楕円、長方形、多角形などが挙げられる。
【００４４】
図５Ｂ及び図５Ｃは、磁化自由層２の様々な変形例を示している。いずれの変形例においても、磁化自由層２は、中央部に対して一端側に位置する第１領域Ｂ１と、中央部に対して他端側に位置する第２領域Ｂ２とを含んでいる。第１領域Ｂ１及び第２領域Ｂ２の断面積は、中央部の断面積と異なっている。エネルギーの観点から言えば、磁壁ＤＷは、その面積が小さいほど安定となる。図５Ｂに示された例では、中央部が、第１領域Ｂ１及び第２領域Ｂ２よりも太くなっている。この場合、磁壁ＤＷが中央部付近で停止することが防止される。図５Ｃに示された例では、第１領域Ｂ１と第２領域Ｂ２の側部に凹部または凸部が形成されている。凹部の場合、第１領域Ｂ１と第２領域Ｂ２の断面積は、中央部の断面積よりも小さい。結果として、データ書き込み時、磁壁ＤＷは、第１領域Ｂ１あるいは第２領域Ｂ２で止まりやすくなる。凸部の場合、第１領域Ｂ１と第２領域Ｂ２の断面積は、中央部の断面積よりも大きい。結果として、データ書き込み時、磁壁ＤＷは、第１領域Ｂ１あるいは第２領域Ｂ２の手前で止まりやすくなる。このように、磁化自由層２に第１領域Ｂ１と第２領域Ｂ２を設けることによって、動作特性が向上する。
【００４５】
１−４．様々な平面位置関係
図６Ａ〜図６Ｃは、第１磁化固定層１（１ａ，１ｂ）と磁化自由層２との様々な位置関係を示している。その位置関係は、Ｚ方向から見た場合の平面位置関係である。
【００４６】
図６Ａに示されるように、２つの第１磁化固定層１は、磁化自由層２の両端に設けられている。２つの第１磁化固定層１は、その両端の少し内側に位置していてもよいし、その両端の少し外側に位置していてもよい。特に、２つの第１磁化固定層１が、両端から少し外側に位置していると好適である。より詳細には、一方の第１磁化固定層１ａの平面形状が、磁化自由層２の平面形状から−Ｘ方向にはみ出しており、他方の第１磁化固定層１ｂの平面形状が、磁化自由層２の平面形状から＋Ｘ方向にはみ出している。その結果、図６Ａに示されるように、はみ出し部Ｐｂが現れる。この場合、図３で示された−Ｘ方向の成分を有する磁化ＭＣが少なくなり、好適である。同時に、＋Ｘ方向の成分を有する磁化ＭＢの寄与が相対的に多くなり、好適である。すなわち、＋Ｘ方向スピン偏極電子の供給効率を増加させ、また、磁壁ＤＷを適切な位置に安定的に止めることが可能となる。
【００４７】
また、図６Ｂに示されるように、第１磁化固定層１のＹ方向の幅は、磁化自由層２のＹ方向の幅より大きくても小さくても構わない。但し、上述のはみ出し部Ｐｂの観点から言えば、第１磁化固定層１のＹ方向の幅が、磁化自由層２のＹ方向の幅より大きいことが好適である。また、図６Ｃに示されるように、３つ以上の第１磁化固定層１が設けられてもよい。その場合、磁化自由層２の１つの端部近傍には、少なくとも１つの第１磁化固定層１が設けられる。図６Ｃに示された例の場合、４つの第１磁化固定層１が、磁化自由層２の四隅のそれぞれにはみ出し部Ｐｂが現れるように設けられており、好適である。
【００４８】
１−５．様々な側面形状
図７Ａ〜図７Ｄは、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の様々な側面形状を示している。図７Ａに示された例では、磁化自由層２及びトンネル絶縁層３は、第１磁化固定層１に近づくにつれて拡がるテーパー構造を有している。つまり、磁化自由層２及びトンネル絶縁層３の側面ＳＴが、テーパー状に加工されている。テーパー加工は、エッチング条件やミリング条件を制御することにより行われる。既出の図３を参照すると、磁化自由層２の側面ＳＴがテーパー状となっている場合、磁化自由層２の端部の磁化が＋Ｘ方向に向きやすくなることがわかる。つまり、テーパー構造により、磁化自由層２内の＋Ｘ方向の磁化成分が増加する。これにより、＋Ｘ方向スピン偏極電子の供給効率が増加するため、磁壁移動に要する書き込み電流を低減することが可能となる。
【００４９】
図７Ｂ及び図７Ｃに示された例では、第１磁化固定層１ａ、１ｂは、磁化自由層２に近づくにつれて拡がるテーパー構造を有している。つまり、第１磁化固定層１ａ、１ｂの側面ＳＴが、テーパー状に加工されている。この場合、第１磁化固定層１及び磁化自由層２内の＋Ｘ方向の磁化成分が増加する。これにより、＋Ｘ方向スピン偏極電子の供給効率が増加するため、磁壁移動に要する書き込み電流を低減することが可能となる。
【００５０】
更に、図７Ｄに示された例では、第１磁化固定層１ａ、１ｂの長手方向が、ＸＹ面に対して斜めである。つまり、第１磁化固定層１ａ、１ｂの磁化容易軸がＺ軸からずれている。第１磁化固定層１ａの固定磁化は＋Ｘ方向の成分を有しており、第１磁化固定層１ｂの固定磁化は−Ｘ方向の成分を有している。その結果、磁壁移動に適したスピン偏極電子の供給効率が著しく増加し、好適である。
【００５１】
１−６．材料
第１磁化固定層１、磁化自由層２及び第２磁化固定層４の材料として、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、またはそれらを主成分とする合金を用いることができる。特に、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏが望ましい。また、これら磁性体に非磁性元素を添加することにより、磁気特性、結晶性、機械的特性、化学的特性などの特性を調整してもよい。添加される非磁性元素としては、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｐ（リン）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｏ（モリブテン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）などが挙げられる。その場合、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｚｒ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどの材料が例示される。
【００５２】
磁化自由層２は、磁壁が移動する層であり、スムーズな磁壁移動を実現できる結晶構造を有することが好適である。格子欠陥や粒界等は、スムーズな磁壁移動を妨げるピニングサイトとなる。従って、磁化自由層２は、アモルファス構造や単結晶構造といった、ピンニングサイトを多く含まない構造を有することが望ましい。アモルファス構造は、磁性材料にＰ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃなどを添加したり、窒素雰囲気中で成膜を行ったり、成膜レートをコントロールしたり、あるいは基板を冷却して成膜したりするなどして実現できる。また、基板を加熱して成膜したり、結晶成長のためのシード層を適切に選択したりすることによって、単結晶性を高めることも可能である。また、垂直方向の磁気異方性をコントロールすることによって、磁壁ＤＷ中の磁気モーメントのＺ方向への向きやすさを調整することもできる。
【００５３】
第２磁化固定層４に関しては、磁化反転を防止するために、保持力の大きな材料が用いられることが望ましい。また、読み出し動作時に広い動作マージン、高い信号雑音比（ＳＮ比）を得るためには、高いＭＲ比が得られる磁性材料を選択することが望ましい。具体的には、第２磁化固定層４の材料として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはそれらからなる合金が選択されるとよい。そのような磁性材料に４ｄ、５ｄ遷移金属元素や希土類元素などを添加することにより、その磁気特性を調整することができる。
【００５４】
第１磁化固定層１に関しては、磁化反転が起こりにくく、また、磁壁が移動しにくいことが望ましい。よって、第１磁化固定層１の材料として、保持力の大きな材料が用いられることが望ましい。また、第１磁化固定層１は、格子欠陥や粒界を多く含む構造を有することが望ましい。更に、低電流で磁壁ＤＷを移動させるためには、書き込み時の伝導電子のスピン偏極率が高いことが望ましい。そのためには、第１磁化固定層１、磁化自由層２の材料はスピン分極率の高い材料であることが望ましい。
【００５５】
トンネルバリヤ層３の材料として、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの絶縁体を用いることができる。また、トンネルバリヤ層３の材料として、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｎ（亜鉛）などの非磁性金属を用いることもできる。
【００５６】
１−７．回路構成
図８は、上述の磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリセルの一例を示す回路図である。図８において、書き込み電流を供給するための選択トランジスタ１０ａ、１０ｂが、第１磁化固定層１ａ、１ｂに接続されている。具体的には、選択トランジスタ１０ａのソース／ドレインの一方は、第１磁化固定層１ａに接続され、その他方は、第１ビット線１１ａに接続されている。同様に、選択トランジスタ１０ｂのソース／ドレインの一方は、第１磁化固定層１ｂに接続され、その他方は、第２ビット線１１ｂに接続されている。選択トランジスタ１０ａ、１０ｂのゲートは、ワード線１２に接続されている。更に、第２磁化固定層４は、アース線１３に接続されている。
【００５７】
データ書き込み時、ワード線１２がＯＮされ、アース線１３がＯＦＦされ、ビット線１１ａ、１１ｂ間に所定の電位差が与えられる。その結果、書き込み電流は、例えば「第１ビット線１１ａ−選択トランジスタ１０ａ−第１磁化固定層１ａ−磁化自由層２−第１磁化固定層１ｂ−選択トランジスタ１０ｂ−第２ビット線１１ｂ」の経路を流れる。逆の電流経路も可能である。これにより、既出の実施の形態で示されたデータ書き込みが実現される。
【００５８】
データ読み出し時、ワード線１２がＯＮされ、アース線１３がＯＮされ、ビット線１１ａ、１１ｂが等電位に設定される。その結果、読み出し電流は、「ビット線１１ａ、１１ｂ−選択トランジスタ１０ａ、１０ｂ−第１磁化固定層１ａ、１ｂ−磁化自由層２−トンネルバリヤ層３−第２磁化固定層４−アース線１３」の経路を流れる。その読み出し電流に基づいて、記憶データをセンスすることができる。
【００５９】
図９は、複数の磁気メモリセル１１０がアレイ状に配置されたＭＲＡＭ１００の構成の一例を示している。各磁気メモリセル１１０は、図８に示された構成を有している。ワード線１２はＸセレクタ１２０に接続されており、Ｘセレクタ１２０は、アクセス対象の磁気メモリセル１１０につながるワード線１２を選択する。ビット線１１ａ、１１ｂは、Ｙセレクタ１３０、Ｙ側電流終端回路１４０に接続されている。Ｙセレクタ１３０は、アクセス対象の磁気メモリセル１１０につながるビット線１１ａ（あるいは１１ｂ）を選択する。選択されたビット線を通して、書き込み電流が、アクセス対象の磁気メモリセル１１０に供給される、あるいは、引き抜かれる。
【００６０】
１−８．レイアウト
図１０は、図８に示された磁気メモリセルの断面構造の一例を示している。図１１Ａ〜図１１Ｅは、図１０中の層ＬＡ〜ＬＥのそれぞれに対するＸＹ面レイアウト例を示している。逆に、図１１Ａ〜図１１Ｅ中の線Ａ−Ａ’に沿った断面構造が、図１０に示されている。
【００６１】
図１０を参照して、半導体基板１６中に素子分離構造１７が形成されている。素子分離構造１７の両側の素子領域のそれぞれに、選択トランジスタ１０ａ、１０ｂが形成されている。各選択トランジスタは、半導体基板１６上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極（ワード線）１２と、半導体基板１６の表面に形成された拡散層（ソース／ドレイン）１８ａ、１８ｂを有している。拡散層１８ａは、ビア１５、メタル層１４、及び電極層１９を介して、第１磁化固定層１ａ、１ｂに接続されている。一方、拡散層１８ｂは、ビア１５及びメタル層１４を介して、最上層でビット線１１ａ、１１ｂに接続されている。また、第２磁化固定層４は、電極層１９及びビア１５を介して、アース線１３に接続されている。
【００６２】
図１１Ａ〜図１１Ｅに示されるように、図１０で示された各構造は、無駄なくレイアウトされている。選択トランジスタ１０を用いて書き込み電流を磁化自由層２に供給するという本実施の形態に係る書き込み方式は、電流磁界方式で必要とされる書き込み配線を必要としない。且つ、当該書き込み方式は、半導体基板上に設けられるトランジスタを、無駄なく有効に利用することができる。また、図１１Ａに示されるように、選択トランジスタ１０ａ、１０ｂのゲート電極（ワード線）１２は共通化されている。
【００６３】
更に、本実施の形態によれば、第１磁化固定層１ａ、１ｂと磁化自由層２は、同一平面上に形成されておらず、立体的に組み合わされている。第１磁化固定層１ａ、１ｂの固定磁化を安定的に維持するためには、第１磁化固定層１ａ、１ｂとしてある程度のボリュームが必要である。本実施の形態によれば、第１磁化固定層１ａ、１ｂはＺ方向に延びるように形成されるため、それらのＸＹ平面形状を縮小することができる（図４参照）。更に、第１磁化固定層１ａ、１ｂと磁化自由層２はオーバーラップしている（図１１Ｂ参照）。従って、従来技術と比較して、磁気メモリセルの面積が低減される。図１１Ａ〜図１１Ｅで示された例の場合、セル面積は１２．８Ｆ２となる。
【００６４】
１−９．効果
本実施の形態により得られる主な効果は、次の通りである。
【００６５】
まず、データ書き込みがスピン注入方式で行われるため、素子の微細化に伴って、書き込み電流をより小さくすることが可能である。言い換えれば、データ書き込みに必要な最低限の電流値がより小さくなる。これは、書き込みマージンが広くなることを意味する。
【００６６】
また、データ書き込みが水平スピン注入方式で行われるため、書き込み電流はＭＴＪを貫通しない。書き込み毎に書き込み電流をトンネルバリヤ層３に流す必要がないため、トンネルバリヤ層３の劣化が抑制される。更に、読み出し特性がトンネルバリヤ層３を含むＭＴＪの性質に依存するのに対し、書き込み特性は磁化自由層２の性質に主に依存する。従って、読み出し特性と書き込み特性をほぼ独立して設計することが可能となる。言い換えれば、読み出し特性に大きく制約されることなく、書き込み特性を設計することが可能となる。すなわち、書き込み特性の設計自由度が向上する。このことも、書き込みマージンの拡大に寄与する。
【００６７】
更に、本実施の形態によれば、第１磁化固定層１と磁化自由層２は、同一平面上に形成されておらず、立体的に配置されている。その結果、次のような効果が更に得られる。
【００６８】
磁化方向が可変な領域と磁化方向が固定された領域とでは、求められる磁気特性も異なってくる。しかしながら、それら領域が同一の磁性層内に存在する場合、領域ごとに磁気特性を調整することが困難である。本実施の形態によれば、第１磁化固定層１と磁化自由層２を、独立して設計することが可能である。すなわち、設計の自由度が高い。その結果、第１磁化固定層１と磁化自由層２のそれぞれを、求められる磁気特性に応じて最適化することが可能となる。
【００６９】
また、第１磁化固定層１ａ、１ｂの磁化の向きは、反対のスピン偏極電子を供給できるように固定されなければならない。一対の第１磁化固定層１ａ、１ｂと磁化自由層２が同一平面上で直線状に形成される場合、その一対の第１磁化固定層１ａ、１ｂの磁化を互いに反対向きに固定する必要がある。このことは、複雑な製造プロセスを必要としてしまう。本実施の形態では、第１磁化固定層１ａ、１ｂの磁化は、同じ方向（＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向）に固定される。従って、複雑な製造プロセスが不要となる。
【００７０】
更に、上記第１−８節で説明されたように、磁気抵抗素子及び磁気メモリセルの面積を縮小することが可能となる。このことは、大容量ＭＲＡＭの実現に寄与する。
【００７１】
２．第２の実施の形態
第２の実施の形態において、第１の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
【００７２】
図１２は、第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施の形態によれば、上述の第１磁化固定層１ａ、１ｂの代わりに、第１磁化固定層２０ａ、２０ｂが設けられている。第１磁化固定層２０ａ、２０ｂは、Ｚ方向の「結晶磁気異方性」を有する材料で形成されている。そのため、第１磁化固定層２０ａ、２０ｂの磁化を容易に固定することができる。また、第１磁化固定層２０ａ、２０ｂのＺ方向のアスペクト比を大きくする必要がない。
【００７３】
第１磁化固定層２０ａ、２０ｂの材料として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの遷移金属やそれらからなる合金で、垂直磁気異方性を示す材料を用いることができる。例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの遷移金属元素とＰｄ、Ｐｔ、Ｔｂ、Ｇｄなどの非磁性元素からなる合金、特に規則合金が好適である。また、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの遷移金属やそれらからなる合金による人工格子を材料として用いることもできる。また、これら磁性金属や磁性合金に非磁性元素を添加することにより、磁気特性、結晶性、機械的特性、化学的特性などの特性を調整してもよい。第１磁化固定層２０ａ、２０ｂに関しては、磁気異方性が適度に大きく、またスピン分極率が高いことが望ましい。
【００７４】
書き込み動作及び読み出し動作は、第１の実施の形態と同様である（図２、図３参照）。また、第１の実施の形態と同様に、第１磁化固定層２０ａ、２０ｂや磁化自由層２の平面形状、側面形状、位置関係等は、様々なパターンを取り得る（図４、図５Ａ〜図５Ｃ、図６Ａ〜図６Ｃ、図７Ａ〜図７Ｄ参照）。回路構成やレイアウトも、第１の実施の形態と同様である（図８〜図１０、図１１Ａ〜図１１Ｅ参照）。本実施の形態に係る構造によっても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
３．第３の実施の形態
第３の実施の形態において、既出の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
【００７６】
図１３は、第３の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施の形態によれば、第１磁化固定層１ａ（２０ａ）は、導電層３０ａを介して磁化自由層２の一端に接続されている。第１磁化固定層１ｂ（２０ｂ）は、導電層３０ｂを介して磁化自由層２の他端に接続されている。導電層３０の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｉ、ＺｒＮ、ＴｉＮなどの電気抵抗が低い金属元素や化合物を用いることができる。導電層３０は、磁化自由層２の結晶成長のためのシード層としての役割も兼ねる。
【００７７】
図１４は、磁化自由層２の磁化状態の一例を示している。第１磁化固定層１（２０）の固定磁化が磁化自由層２の端部の磁化に影響を及ぼしており、図３で示された磁化状態と同様の磁化状態が得られる。従って、既出の実施の形態と同様の手法で、データ書き込みが実現される。この時、導電層３０は、書き込み電流の供給による磁化自由層２の温度上昇を防ぐ役割も果たす。
【００７８】
４．第４の実施の形態
第４の実施の形態において、既出の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
【００７９】
図１５は、第４の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施の形態によれば、第１磁化固定層１ａ、１ｂ（２０ａ、２０ｂ）は、磁化自由層２から電気的に隔離されて配置されている。その代わり、磁化自由層２の一端には第１導電層３０ａが接続され、その他端には第２導電層３０ｂが接続されている。導電層３０ａ、３０ｂの材料は、第３の実施の形態と同様である。
【００８０】
第１磁化固定層１ａ、１ｂ（２０ａ、２０ｂ）は、磁化自由層２から離れているが、磁化自由層２と磁気的には結合している。既出の実施の形態と同様に、第１磁化固定層１ａ（２０ａ）は、磁化自由層２の一端の側に配置されており、その固定磁化は、磁化自由層２の一端の磁化に影響を及ぼしている。また、第１磁化固定層１ｂ（２０ｂ）は、磁化自由層２の他端の側に配置されており、その固定磁化は、その磁化自由層２の他端の磁化に影響を及ぼしている。その結果、図３で示された磁化状態と同様の磁化状態が得られる。
【００８１】
特に、図１５に示されるように、第１磁化固定層１ａ、１ｂ（２０ａ、２０ｂ）は、導電層３０ａ、３０ｂの外側に設けられることが好適である。つまり、第１磁化固定層１ａ（２０ａ）は、磁化自由層２から−Ｘ方向に離れて配置され、第２磁化固定層１ｂ（２０ｂ）は、磁化自由層２から＋Ｘ方向に離れて配置される。その場合、既出の図６Ａ〜図６Ｃで示された「はみだし部Ｐｂ」と同様の効果が得られる。図３で示された例で言えば、−Ｘ方向の成分を有する磁化ＭＣがほぼ無くなり、逆に、＋Ｘ方向の成分を有する磁化ＭＢが増える。また、磁化ＭＢの＋Ｘ方向の成分自体も増大する。これらのことは、＋Ｘ方向スピン偏極電子の供給効率が増加することを意味する。
【００８２】
図１６は、磁化自由層２の磁化状態の一例を示している。データ書き込み時、書き込み電流は、導電層３０ａ、３０ｂの一方から他方へ磁化自由層２を通って流される。この時、導電層３０は、書き込み電流の供給による磁化自由層２の温度上昇を防ぐ役割も果たす。図１６に示されるように、磁化自由層２の端部において、磁化のＸ方向成分が強まっている。その結果、既出の実施の形態と比較して、Ｘ方向スピン偏極電子の供給効率が増加する。従って、書き込み電流を更に低減することが可能となる。
【００８３】
５．第５の実施の形態
第５の実施の形態において、既出の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
【００８４】
図１７は、第５の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。本実施の形態によれば、磁気抵抗効果素子の近傍にアシスト配線４０が設けられている。データ書き込み時、このアシスト配線には所定の電流が流れ、それによりアシスト磁界が発生する。そのアシスト磁界は、磁化自由層２に印加され、磁壁の移動をアシストする。すなわち、データ書き込み時、磁化自由層２における磁壁移動をアシストするような向きのアシスト磁界が発生するように、アシスト配線に電流が流される。
【００８５】
例えば図１７において、Ｙ方向に延びるアシスト配線４０が、磁気抵抗効果素子の磁化自由層２の下方に配置されている。磁壁を＋Ｘ方向に移動させる際、アシスト配線４０には＋Ｙ方向の電流が流される。その結果、＋Ｘ方向のアシスト磁界が、磁化自由層２に印加されることになる。そのアシスト磁界により磁化自由層２の磁化は＋Ｘ方向に向きやすくなる、すなわち、アシスト磁界によって＋Ｘ方向への磁壁移動がアシストされる。逆に、磁壁を−Ｘ方向に移動させる際、アシスト配線４０には−Ｙ方向の電流が流される。尚、アシスト配線４０の位置や本数は、図１７に示されたものに限られない。
【００８６】
このように、本実施の形態によれば、磁化自由層２に対する書き込み電流の供給と同時に、アシスト配線４０により生成されるアシスト磁界が、磁化自由層２に印加される。そのアシスト磁界によって磁壁移動がアシストされるため、磁化自由層２に供給すべき書き込み電流の量を低減することが可能となる。すなわち、磁壁移動に最低限必要な書き込み電流の値が小さくなる。これは、書き込みマージンが広くなることを意味する。
【００８７】
図１８は、アシスト配線４０のレイアウトの一例を示している。図１８において、アシスト配線４０は、図１１Ａ及び図１１Ｂで示された２層間に配置されている。このアシスト配線４０はＹ方向に延びるように形成されており、Ｙ方向に沿って配置された一列の磁気メモリセルに対して共通に設けられている。
【００８８】
図１９は、アシスト配線４０のレイアウトの他の例を示している。図１９において、アシスト配線４０は、一方の第１磁化固定層１ｂ（２０ｂ）に接続されている。この場合、アシスト配線４０は、アシスト磁界を発生させるだけでなく、磁化自由層２に書き込み電流を供給する役割をも果たす。逆に言えば、書き込み電流を供給するための配線が、アシスト配線４０として併用されている。データ書き込み時、書き込み電流は、アシスト配線４０を通して第１磁化固定層１ｂに供給される、又は、そこから引き抜かれる。同時に、その書き込み電流によって生成されたアシスト磁界が、磁化自由層２に印加される。このような構成により、配線数を削減し、回路面積を縮小することが可能となる。
【００８９】
図２０Ａ及び図２０Ｂは、アシスト配線４０の変形例を示している。図２０Ａ及び図２０Ｂに示されるアシスト配線４０は、ヨーク構造を有している。すなわち、アシスト配線４０の面のうち、磁化自由層２と対向していない面の一部が、磁性体４１によって覆われている。図２０Ａにおいては、アシスト配線４０の底面が磁性体４１で覆われており、図２０Ｂにおいては、アシスト配線４０の側面及び底面が磁性体４１で覆われている。このようなヨーク構造によってアシスト磁界が増大し、書き込み電流を更に低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す平面図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みを説明するための図である。
【図３】図３は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みを説明するための図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第１磁化固定層の形状の例を示す平面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化自由層の形状の例を示す平面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化自由層の形状の他の例を示す平面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化自由層の形状の更に他の例を示す平面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第１磁化固定層と磁化自由層との位置関係の例を示す平面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第１磁化固定層と磁化自由層との位置関係の他の例を示す平面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第１磁化固定層と磁化自由層との位置関係の更に他の例を示す平面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例を示す側面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他の変形例を示す側面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の更に他の変形例を示す側面図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の更に他の変形例を示す側面図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの構成を概略的に示す回路図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成を概略的に示す回路図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図１０中の層ＬＡにおける構造を示す平面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１０中の層ＬＢにおける構造を示す平面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１０中の層ＬＣにおける構造を示す平面図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、図１０中の層ＬＤにおける構造を示す平面図である。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、図１０中の層ＬＥにおける構造を示す平面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第３の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。
【図１４】図１４は、第３の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みを説明するための図である。
【図１５】図１５は、本発明の第４の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。
【図１６】図１６は、第４の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みを説明するための図である。
【図１７】図１７は、本発明の第５の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を概略的に示す側面図である。
【図１８】図１８は、第５の実施の形態におけるアシスト配線のレイアウト例を示す平面図である。
【図１９】図１９は、第５の実施の形態におけるアシスト配線の他のレイアウト例を示す平面図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、第５の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例を示す側面図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、第５の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他の変形例を示す側面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１，１ａ，１ｂ    第１磁化固定層
２    磁化自由層（フリー層）
３    トンネルバリヤ層
４    第２磁化固定層（ピン層）
１０，１０ａ，１０ｂ    選択トランジスタ
１１，１１ａ，１１ｂ    ビット線
１２    ワード線
１３    アース線
１４    メタル層
１５    ビア
１６    半導体基板
１７    素子分離構造
１８    拡散層
１９    電極層
２０    第１磁化固定層
３０    導電層
４０    アシスト配線
４１    磁性体
１００    ＭＲＡＭ
１１０    磁気メモリセル
１２０    Ｘセレクタ
１３０    Ｙセレクタ
１４０    Ｙ側電流終端回路
ＤＷ    磁壁
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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