(57)【要約】【課題】磁気メモリにおいて、書き込み電流と読み出し電流のマージンを小さくすることを可能にする。【解決手段】磁化方向が反転可能な第１磁性層４Ａ、磁化方向が固定された第２磁性層４Ｃ、及び第１磁性層４Ａと第２磁性層４Ｃに挟みこまれた非磁性層４Ｂを備えた磁気記憶素子４に対して、読み書き兼用配線５によって積層方向に書き込み及び読み出し電流を供給する。また、磁気記憶素子４の近傍には、読み出し時に第１磁性層４Ａにバイアス磁界を印加可能なバイアス配線１８を配置する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が反転可能な第１磁性層、磁化方向が固定された第２磁性層、及び前記第１磁性層と前記第２磁性層に挟みこまれた非磁性層を備えた磁気記憶素子と、
前記磁気記憶素子の積層方向に書き込み及び読み出し電流を供給する読み書き兼用配線と、
前記磁気記憶素子の近傍に配置され、読み出し時に前記第１磁性層にバイアス磁界を印加するバイアス配線と、
を備えることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項２】
前記バイアス磁界の磁化方向が、前記第１磁性層の磁化容易軸と同方向に設定されることを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ。
【請求項３】
前記読み出し電流による前記第１磁性層の磁化反転方向に対して、前記バイアス磁界の磁化方向が反対に設定されることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気メモリ。
【請求項４】
前記第１磁性層における前記第２磁性層の反対側に、非磁性層を介して第３磁性層が配置されることを特徴とする請求項１、２又は３記載の磁気メモリ。
【請求項５】
前記第３磁性層の磁化方向が固定されており、前記第３磁性層の磁化方向に対して前記バイアス磁界の磁化方向が反対に設定されていることを特徴とする請求項４記載の磁気メモリ。
【請求項６】
前記バイアス配線における少なくとも前記磁気記憶素子の近傍が、ヨークによって覆われていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の磁気メモリ。
【請求項７】
磁化方向が反転可能な第１磁性層、磁化方向が固定された第２磁性層、及び前記第１磁性層と前記第２磁性層に挟みこまれた非磁性層を備えた磁気記憶素子の情報読み書き方法であって、
書き込み時には、前記磁気記憶素子の積層方向に書き込み電流を流すことで、スピン偏極された電子により前記第１磁性層の磁化方向を反転させるようにし、
読み出し時には、前記第１磁性層にバイアス磁界を印加し、更に、前記磁気記憶素子の積層方向に読み出し電流を流すことで前記磁気記憶素子の抵抗値を検出することを特徴とする磁気記憶素子の情報読み書き方法。
【請求項８】
前記読み出し電流による前記第１磁性層の磁化反転方向に対して、前記バイアス磁界の磁化方向が反対に設定されることを特徴とする請求項７記載の磁気記憶素子の情報読み書き方法。
【請求項９】
書き込み時には前記バイアス磁界をカットすることを特徴とする請求項７又は８記載の磁気記憶素子の情報読み書き方法。
【請求項１０】
前記バイアス磁界の磁力が、前記第１磁性層の磁化反転に必要な磁力の８０％以下に設定されていることを特徴とする請求項７、８又は９記載の磁気記憶素子の情報読み書き方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気によって情報の読み書きを行う磁気メモリに関し、特に、電子のスピンによって磁化反転を行う際に好適な情報読み書き技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータや通信機器等の情報処理装置に用いられる記憶デバイスとして、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）が注目されている。ＭＲＡＭは、磁気によってデータを記憶することから、電気的な手段を用いなくてもその磁化方向を維持することができるので、揮発性メモリであるＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ  ＲＡＭ）のように電源断によって情報が失われるといった不都合がなくなる。また、従来のフラッシュＥＥＰＲＯＭやハードディスク装置のような不揮発性記憶手段と比較して、ＭＲＡＭはアクセス速度、信頼性、消費電力等において優れている。従って、ＭＲＡＭは、ＤＲＡＭやＳＲＡＭなどの揮発性メモリの機能、及びフラッシュＥＥＰＲＯＭやハードディスク装置などの不揮発性記憶手段の機能をすべて代替できると言われている。
【０００３】
例えば、どこにいても情報処理を可能とするいわゆるユビキタスコンピューティングを目指した情報機器を開発する場合、高速処理に対応可能としながらも消費電力を小さくし、そして、電源断が生じても情報消失を回避できるような記憶装置が求められる。ＭＲＡＭは、このような要求を同時に満足できる可能性があり、今後、多くの情報機器に採用されることが期待されている。
【０００４】
特に、日常持ち歩くカードや携帯情報端末等については、十分な電源を確保できない場合が多い。従って、厳しい利用環境において大量の情報処理を実行するには、低消費電力とされるＭＲＡＭであっても、情報処理中の電力消費を一層低減させることが求められている。
【０００５】
ＭＲＡＭにおける低消費電力化を進展される技術の一例として、例えば文献１〜文献４に記載されているような、スピン注入磁化反転方式の磁気メモリがある。スピン注入磁化反転方式とは、例えばトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）を備えた磁気記憶素子の本体に電流を流し、電子スピンのトルクによって自由層の磁化反転を直接的に行う方式である。従って、磁気記憶素子のサイズを小さくしても、反磁界等の影響を受けにくいので、小さい電流で書き込みが可能となる。
【０００６】
図１０に示されるように、この磁気メモリ５００は、各記憶領域（メモリセル）毎に磁気記憶素子５０１が配置されており、この記憶素子５０１の両端に読み書き兼用配線５１０を備える。
【０００７】
磁気記憶素子５０１は、磁化方向が反転自在となっている第１磁性層（自由層）５０２と、磁化方向が固定された第２磁性層（固定層）５０４と、第１磁性層５０２と第２磁性層５０４に挟み込まれた非磁性層５０６を備える。なお、第２磁性層５０４の外側には更に反強磁性層５０８が積層されており、この反強磁性層５０８によって第２磁性層５０４の磁化方向が矢印Ｋ方向にピン止めされる。
【０００８】
図１１（Ａ）のように、読み書き兼用配線５１０を介して磁気記憶素子５０１に矢印Ａ方向に書き込み電流を流すと、第２磁性層５０４の磁化固定方向Ｋと同じ向きのスピンをもった電子ｅ（スピン偏極電子）が、この第２磁性層５０４を通過して第１磁性層５０２に注入される。電流値がある程度の臨界点を超えると、電子ｅによって、この第１磁性層５０２の磁化方向Ｇが第２磁性層５０４の磁化方向Ｋと同方向に反転する。
【０００９】
一方、図１１（Ｂ）のように、磁気記憶素子５０１に矢印Ｂ方向に書き込み電流を流すと、第１磁性層５０２を経由した電子ｅのうち、第２磁性層５０４の磁化固定方向Ｋと反対の向きのスピンをもった電子ｅが非磁性層５０６と第２磁性層５０４の境界で反射される。一方、磁化固定方向Ｋと同方向のスピンをもった電子ｅは第２磁性層５０４を通過して磁気記憶素子５０１から流れ出す。従って、第１磁性層５０２では、磁化固定方向Ｋと反対方向にスピン偏極された電子ｅが集中する。この電子ｅによって、第１磁性層５０２の磁化方向Ｇが、第２磁性層５０４の磁化方向Ｋと反対方向に反転する。
【００１０】
磁気記憶素子５０１では、第１磁性層５０２と第２磁性層５０４の磁化方向が平行の時と、反平行の時によって抵抗値が異なる。従って、読み書き兼用配線５１０に読み出し電流を流すことで、磁気記憶素子５０１の抵抗値を検出すれば、上記図１１（Ａ）（Ｂ）の違いを利用した２値の読み出しが可能となる。
【００１１】
この磁気メモリ５００では、磁気記憶素子５０１に流し込んだ書き込み電流により、直接的に第１磁性層５０２の磁化状態を反転させることが出来るので、書き込み電流の値を減らすことが可能になる。
【非特許文献１】日経エレクトロニクス  ２００３  ９８頁〜１０５頁
【非特許文献２】日経エレクトロニクス  ２００４  ８５頁〜８７頁
【非特許文献３】Spin-torque transfer in batch-fabricated spin-valve magnetic nanojunctions, J.Z.Sun, D.J.Monsma, T.S.Kuan, M.J.Rooks and D.W.Abraham, B.Oezyilmaz and A.D.Kent, R.H.Koch, J.Appl.Phys.,Vol.93,No.10,Parts2&3,15 May 2003.
【非特許文献４】強磁性体／非磁性体接合におけるスピンポンピング  水上成美・安藤康雄・宮崎照宣  日本応用磁気学界誌  Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．９，２００３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、スピン注入磁化反転方式の磁気メモリ５００では、その構造上、読み出し電流と書き込み電流の双方を、同じ経路を利用して磁気記憶素子５０１に流し込まなければならない。従って、書き込み電流値を大きくし、読み出し電流値を小さくすることで、読み書き電流の差（マージン）を大きく設定しなければならない。マージンが小さすぎると、読み出し電流によっても、誤書き込みが行われてしまうからである。具体的には、書き込み電流に対して読み出し電流の値は半分以下、望ましくは１０分の１以下に設定する必要があった。
【００１３】
例えば、書き込み電流を１ｍＡに設定すると、読み出し電流を１００μＡ程度に小さくする必要がある。また、近い将来、書き込み電流が１００μＡとなった場合には、読み出し電流を１０μＡ程度に設定する必要がある。しかしながら、磁気記憶素子５０１の読み出し感度を上げることが難しいため、微弱な読み出し電流では、磁気記憶素子５０１の抵抗値を正確に検出する事が困難になるという問題があった。
【００１４】
結局、書き込み電流の低減に関しては技術的に可能であっても、読み出し動作時の後書き込み（自由層の磁化反転）を防止するためには、ある程度、書き込み電流を大きく設定しなければならず、消費電流の低減に限界が生じるという問題があった。
【００１５】
本発明は、斯かる実情に鑑みてなされたものであり、書き込み電流の低減を達成しながらも、情報の読み書きを安定且つ確実に行うことが可能な磁気メモリを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、鋭意研究によって、磁気記憶素子に対して読み出し用のバイアス磁界を印加することで、書き込み電流と読み出し電流のマージンを小さくすることを可能とした。即ち、下記の手段によって、上記目的は達成される。
【００１７】
（１）磁化方向が反転可能な第１磁性層、磁化方向が固定された第２磁性層、及び前記第１磁性層と前記第２磁性層に挟みこまれた非磁性層を備えた磁気記憶素子と、前記磁気記憶素子の積層方向に書き込み及び読み出し電流を供給する読み書き兼用配線と、前記磁気記憶素子の近傍に配置され、読み出し時に前記第１磁性層にバイアス磁界を印加するバイアス配線と、を備えることを特徴とする磁気メモリ。
【００１８】
（２）前記バイアス磁界の磁化方向が、前記第１磁性層の磁化容易軸と同方向に設定されることを特徴とする上記（１）記載の磁気メモリ。
【００１９】
（３）前記読み出し電流による前記第１磁性層の磁化反転方向に対して、前記バイアス磁界の磁化方向が反対に設定されることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の磁気メモリ。
【００２０】
（４）前記第１磁性層における前記第２磁性層の反対側に、非磁性層を介して第３磁性層が配置されることを特徴とする上記（１）、（２）又は（３）記載の磁気メモリ。
【００２１】
（５）前記第３磁性層の磁化方向が固定されており、前記第３磁性層の磁化方向に対して前記バイアス磁界の磁化方向が反対に設定されていることを特徴とする上記（４）記載の磁気メモリ。
【００２２】
（６）前記バイアス配線における少なくとも前記磁気記憶素子の近傍が、ヨークによって覆われていることを特徴とする上記（１）乃至（５）のいずれか記載の磁気メモリ。
【００２３】
（７）磁化方向が反転可能な第１磁性層、磁化方向が固定された第２磁性層、及び前記第１磁性層と前記第２磁性層に挟みこまれた非磁性層を備えた磁気記憶素子の情報読み書き方法であって、書き込み時には、前記磁気記憶素子の積層方向に書き込み電流を流すことで、スピン偏極された電子により前記第１磁性層の磁化方向を反転させるようにし、読み出し時には、前記第１磁性層にバイアス磁界を印加し、更に、前記磁気記憶素子の積層方向に読み出し電流を流すことで前記磁気記憶素子の抵抗値を検出することを特徴とする磁気記憶素子の情報読み書き方法。
【００２４】
（８）前記読み出し電流による前記第１磁性層の磁化反転方向に対して、前記バイアス磁界の磁化方向が反対に設定されることを特徴とする上記（７）記載の磁気記憶素子の情報読み書き方法。
【００２５】
（９）書き込み時には前記バイアス磁界をカットすることを特徴とする上記（７）又は（８）記載の磁気記憶素子の情報読み書き方法。
【００２６】
（１０）前記バイアス磁界の磁力が、前記第１磁性層の磁化反転に必要な磁力の８０％以下に設定されていることを特徴とする上記（７）、（８）又は（９）記載の磁気記憶素子の情報読み書き方法。
【００２７】
上記手段によれば、バイアス磁界を利用して、読み出し動作時の第１磁性層の磁化状態を安定化することができるので、読み出し電流を大きく設定することが可能になる。この結果、相対的に書き込み電流を小さくし、読み出し電流とのマージンを小さく設定しても、読み書き動作を確実に行うことが可能になる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、書き込み電流を減少させても、読み出し電流を大きくすることができ、読み出し動作時の誤書き込みを低減できるという優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、添付図面を参照しながら本発明による磁気メモリの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３０】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ１の全体構成を示す概念図である。この磁気メモリ１は、記憶部２、ビット選択回路１１、ワード選択回路１２、ビット配線１４、ワード配線１６、バイアス配線１８を備える。記憶部２には、複数の記憶領域３がｍ行ｎ列（ｍ、ｎは２以上の整数）の二次元状（アレイ状）に配列されている。各記憶領域３は、磁気記憶素子４、読み書き兼用配線５を有する。なお、読み書き兼用配線５は、ビット配線１４とワード配線１６を連結するように配置されており、その途中には磁気記憶素子４が介在している。即ち、読み書き兼用配線５は、ビット配線１４から引き込まれて磁気記憶素子４の一方に接続されると共に、ワード配線１６からも引き込まれて磁気記憶素子４の他方に接続される。
【００３１】
磁気記憶素子４は、内部の自由層の磁化方向を変化させると、ＴＭＲ効果（磁気抵抗効果）によって抵抗値が変化する。この抵抗値の変化状態によって、磁気記憶素子４に二値データが書き込まれる。また、この磁気記憶素子４は、スピン注入磁化反転方式を採用しており、読み書き兼用配線５を利用して磁気記憶素子４に書き込み電流を流し込むと、電子のスピン偏極作用によって自由層の磁化方向が反転する。
【００３２】
ビット配線１４は、アレイ状に配置される複数の記憶領域３の行毎に配設されており、対応行の各記憶領域３の読み書き兼用配線５に接続されている。ワード配線１６も同様に、アレイ状に配置される複数の記憶領域３の列毎に配設されており、対応列の各記憶領域３の読み書き兼用配線５に接続されている。
【００３３】
ビット選択回路１１及びワード選択回路１２は、各記憶領域３の読み書き兼用配線５に正または負の書き込み電流及び読み出し電流を流す機能を備える。また、ワード選択回路１２はバイアス配線１８に電流を流す機能を備える。
【００３４】
具体的にビット選択回路１１は、内部または外部から指示されたアドレスに応じて、アレイ状に配置される記憶領域３から所定行を選択するアドレスデコーダ回路と、この選択した所定行に対応するビット配線１４に正または負の電位を供給するカレントドライブ回路を含んでいる。
【００３５】
ワード選択回路１２は、内部または外部から指示されたアドレスに応じて、アレイ状に配置される記憶領域３から所定列を選択するアドレスデコーダ回路と、この所定列に対応するワード配線１６に所定の電圧を供給するカレントドライブ回路を含んでいる。
【００３６】
従って、読み書き兼用配線５に読み書き電流を流すには、ビット選択回路１１において、内部または外部から指示されたアドレスに対応する行をアドレスデコーダ回路によって選択し、そのビット配線１３に所定電圧を印加する。これと同時に、ワード選択回路１２では、アドレスデコーダ回路によってアドレスに対応する列を選択して、その列に対応するワード配線１６に所定電圧を印加する。この結果、選択されたビット配線１４とワード配線１６のクロスポイントに位置する記憶領域３の読み書き兼用配線５に電位差が生じ、書き込み電流又は読み出し電流が流れる。
【００３７】
バイアス配線１８は、アレイ状の配置される複数の記憶領域３の列毎に配設されており、対応列の各記憶領域３の磁気記憶素子４の近傍を通過するようになっている。このバイアス配線１８は、ワード選択回路１２に接続されており、両端間に電位差が付与される事で、バイアス電流が流れる。従って、読み出し動作の為に、アドレスデコーダ回路が、アレイ状に配置される記憶領域３から所定列を選択すると、この選択した所定行に対応するバイアス配線１８に電流が流れ、バイアス磁界を磁気記憶素子４に印加可能となっている。なお、書き込み動作時には、このバイアス配線１８に電流を流さないようにする。
【００３８】
次に、図２の断面図を参照して、この磁気メモリ１における記憶領域３の具体的構造について説明する。記憶領域３は、上部層３Ａにビット配線１４が形成されると共に、下部層３Ｃにはワード配線１６が形成されている。また、中間層３Ｂには、バイアス配線１８、垂直方向に延在する読み書き兼用配線５、磁気記憶素子４が形成されている。なおここでは、読み書き兼用配線５がビット配線１４及びワード配線１６から垂直方向に分岐している場合を示すが、ビット配線１４及びワード配線１６を磁気記憶素子４に直接的に当接させても良い。この場合はビット配線１４及びワード配線１６自体が読み書き兼用配線となる。また、上記部材を除いた領域はすべて絶縁領域によって占められる。この絶縁領域の材料としては、半導体層の絶縁領域と同様にＳｉＯ２といった絶縁性材料を用いる。配線の材料としては例えばＷやＡｌを用いることができる。
【００３９】
図３に拡大して示されるように、磁気記憶素子４は、メモリ積層部４Ｘとフィルタ積層部４Ｙを備えている。メモリ積層部４Ｘは、第１磁性層（自由層／感磁層）４Ａ、非磁性絶縁層（絶縁体層）４Ｂ、第２磁性層（固定層）４Ｃ、反強磁性層４Ｄがこの順に積層されて構成される。また、フィルタ積層部４Ｙは、メモリ積層部４Ｘの第１磁性層４Ａ側に配置されており、非磁性導電層４Ｅとフィルタ磁性層４Ｆをこの順に備えている。
【００４０】
第１磁性層４Ａは、積層方向に流れるスピン偏極された電子により、磁化方向（ａ）が磁化容易軸に沿って反転する。また、反強磁性層４Ｄは、第２磁性層４Ｃの磁化方向（ｃ）を一方向に固定（ピン止め）する。この第２磁性層４Ｃの磁化方向（ｃ）は、第１磁性層４Ａの磁化容易軸と同方向となっている。
【００４１】
第１磁性層４Ａの材料としては、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＰｔなどの強磁性材料を用いることができる。また、第２磁性層４Ｃの材料としては、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＰｔなどの強磁性材料を単独で或いは複合させて用いることができる。
【００４２】
非磁性絶縁層４Ｂは、非磁性且つ絶縁性の材料からなる層であり、第１磁性層４Ａと第２磁性層４Ｃとの間に介在して、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）が生じるようにしている。詳細には、第１磁性層４Ａの磁化方向（ａ）と第２磁性層４Ｃの磁化方向（ｃ）との相対関係（即ち、平行または反平行）によって、電気抵抗値が異なる特性を有している。非磁性絶縁層４Ｂの材料としては、例えばＡｌ、Ｚｎ、Ｍｇといった金属の酸化物または窒化物が好適である。また、反強磁性層４Ｄの材料としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＮｉＯまたはこれらを任意に組み合わせた材料を用いることができる。また、この反強磁性層４Ｄには、読み書き兼用配線５が電気的に接続されている。
【００４３】
従って、メモリ積層部４Ｘでは、スピン偏極された電子によって第１磁性層４Ａの磁化方向（ａ）が変化すると、第１磁性層４Ａと第２磁性層４Ｃの磁化方向が、平行状態又は反平行状態に切り替えられてメモリ積層部４Ｘの抵抗値が変化する。この抵抗値の差によって、二値データを記録することができる。
【００４４】
フィルタ積層部４Ｙにおけるフィルタ磁性層４Ｆの磁化方向（ｆ）は、第１磁性層４Ａの磁化容易軸と同方向になっている。なお、この磁化方向（ｆ）は、第２磁性層４Ｃの磁化方向（ｃ）と反対方向に設定される。なお、このフィルタ磁性層４Ｆの材料としては、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＰｔなどの強磁性材料を単独で或いは複合させて用いることができる。また、非磁性導電層４Ｅの材料としては、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｇなどが好適であるが、ここではＣｕを採用している。フィルタ磁性層４Ｆには、読み書き兼用配線５が電気的に接続されている。
【００４５】
次に、本磁気メモリ１の磁気記憶素子４への情報の読み書き動作について説明する。なお説明の前提として、磁気記憶素子４における第２磁性層４Ｃの磁化方向（ｃ）と第１磁性層４Ａの磁化方向（ａ）が平行の場合、二値データの１が書き込まれていると定義する。
【００４６】
図４には、磁気記憶素子４に読み書きを行う際の周辺回路が模式的に示されている。書き込み動作時には、ビット配線１４とワード配線１６間に電圧Ｋを印加して、磁気記憶素子４に、フィルタ磁性層側４Ｆまたは反強磁性層４Ｄ側から書き込み電流を流す。また、読み出し時には、ビット配線１４とワード配線１６間に電圧Ｙ１を印加して磁気記憶素子４に読み出し電流を流し、検出抵抗Ｒを利用して磁気記憶素子４の抵抗値を検出する。また、読み出し動作時には、バイアス配線１８の両端間に電圧Ｙ２を印加して、磁気記憶素子４にバイアス磁界を印加するようになっている。
【００４７】
図５に示されるように、読み書き兼用配線５において、磁気記憶素子４のフィルタ積層部４Ｙからメモリ積層部４Ｘ側に書き込み電流Ｉ１が流れると、電子ｅが、メモリ積層部４Ｘ側からフィルタ積層部４Ｙに向かって注入される。この電子ｅのスピン方向は様々であるが、第２磁性層４Ｃでは、自身の磁化固定方向（ｃ）と同じ方向のスピンを有する電子ｅが主として通過し、他の電子ｅはこの第２磁性層４Ｃで反射されてしまう。従って、第１磁性層４Ａには、磁化固定方向（ｃ）にスピン偏極された電子ｅが注入される事になる。更に、第１磁性層４Ａを通過した電子ｅは、フィルタ積層部４Ｙにおける非磁性導電層４Ｅとフィルタ磁性層４Ｆの境界において反射される。Ｃｕ等の非磁性導電層４ＥとＣｏＦｅ等のフィルタ磁性層４Ｆの境界では、フィルタ磁性層４Ｆの磁化固定方向（ｆ）と反対方向のスピンを有する電子ｅを選択的に反射する特性がある。
【００４８】
結局、磁化固定方向（ｃ）にスピン偏極された電子ｅが第１磁性層４Ａに集中するので、電子ｅのトルクを受けて第１磁性層４Ａの磁化方向が反転する。第２磁性層４Ｃの磁化方向（ｃ）と第１磁性層４Ａの磁化方向（ａ）が平行となり、二値データの１が書き込まれたことになる。
【００４９】
次に、図６に示されるように、読み書き兼用配線５において、磁気記憶素子４のメモリ積層部４Ｘからフィルタ積層部４Ｙ側に書き込み電流Ｉ２が流れると、フィルタ積層部４Ｙからメモリ積層部４Ｘ側に向かって電子ｅが注入される。フィルタ磁性層４Ｆと非磁性導電層４Ｅの境界では、フィルタ磁性層４Ｆの磁化固定方向（ｆ）と反対方向のスピンを有する電子ｅが反射され、磁化固定方向（ｆ）と同方向のスピンを有する電子ｅが主として通過する。従って、第１磁性層４Ａには、磁化固定方向（ｆ）と同方向にスピン偏極された電子ｅが注入される。更にこの電子ｅは、第２磁性層４Ｃで反射される。第２磁性層４Ｃでは、自身の磁化固定方向（ｃ）と反対方向のスピン有する電子ｅを反射するからである。
【００５０】
結局、磁化固定方向（ｃ）と反対方向にスピン偏極された電子ｅが第１磁性層４Ａに集中するので、この電子ｅのトルクを受けて第１磁性層４Ａの磁化方向（ａ）が反転する。第２磁性層４Ｃの磁化方向（ｃ）と第１磁性層４Ａの磁化方向（ａ）が反平行となり、二値データの０が書き込まれる。
【００５１】
読み出し動作時は、図７に示されるように、読み書き兼用配線５において、磁気記憶素子４のメモリ積層部４Ｘからフィルタ積層部４Ｙ側に向かって読み出し電流Ｉ３を流す。また、バイアス配線１８にもバイアス電流Ｉ４を流して、バイアス磁界Ｐを第１磁性層４Ａに印加する。読み出し電流Ｉ３の経路上には抵抗Ｒ（図４参照）が配置されており、これにより磁気記憶素子４の抵抗値を検出する。例えば、第１磁性層４Ａの磁化方向（ａ）が第２磁性層４Ｃの磁化方向（ｃ）と同方向である場合、非磁性絶縁層４Ｂにおけるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）によって、第１磁性層４Ａと第２磁性層４Ｃとの間の抵抗値が比較的小さくなる。反対に、磁化方向（ａ）と磁化方向（ｃ）が反平行となる場合、トンネル磁気抵抗効果によって、第１磁性層４Ａと第２磁性層４Ｃとの間の抵抗値が比較的大きくなる。この結果、磁気記憶素子４に１が記録されているか、０が記録されているかを読み出すことが可能になる。
【００５２】
一方、読み出し電流Ｉ３は、磁気記憶素子４に対して書き込み電流Ｉ２と同じ経路に流れるので、フィルタ積層部４Ｙからメモリ積層部４Ｘ側に向かって電子ｅが注入されてしまう。フィルタ磁性層４Ｆと非磁性導電層４Ｅの境界では、フィルタ磁性層４Ｆの磁化固定方向（ｆ）と反対方向のスピンを有する電子ｅが反射され、同磁化固定方向（ｆ）と同方向のスピンを有する電子ｅが主として通過し、第１磁性層４Ａに注入される。つまり、書き込み電流Ｉ２と同様に、読み出し電流Ｉ３においても、磁化固定方向（ｃ）と同方向にスピン偏極された電子ｅが第１磁性層４Ａに集中する事になる。この結果、読み出し電流Ｉ３の電子ｅのトルクを受けた第１磁性層４Ａは、磁化方向（ａ）を、第２磁性層４Ｃの磁化方向（ｃ）と反平行となるように反転しようとする。
【００５３】
一方、本実施形態では、バイアス配線１８にバイアス電流Ｉ４が流されることで、周方向のバイアス磁界Ｐが第１磁性層４Ａに印加される。具体的には、第１磁性層４Ａに印加されるバイアス磁界Ｐの磁化方向が、第２磁性層４Ｃの磁化方向（ｃ）と平行に設定される。この結果、第１磁性層４Ａの磁化状態が、第２磁性層４Ｃの磁化方向（ｃ）と同方向にオフセットされる。読み出し電流Ｉ３は、既に述べたように、第１磁性層４Ａの磁化方向（ａ）を磁化方向（ｃ）と反対方向に反転させようとするが、バイアス磁界Ｐは、第１磁性層４Ａの磁化方向（ａ）を、第２磁性層４Ｃの磁化方向（ｃ）と同方向に反転させようとする。この結果、読み出し電流Ｉ３の磁化反転作用とバイアス磁界Ｐの磁化反転作用が相互に打ち消しあう。
【００５４】
また、第１磁性層４Ａの磁化方向を反転するために必要となる外部磁界を想定した場合、バイアス電流Ｉ４により生じるバイアス磁界Ｐは、この外部磁界の８０％以下に設定されている。従って、バイアス磁界Ｐによって第１磁性層４Ａの磁化状態をオフセットするとしても、それのみによって第１磁性層４Ａの磁界が反転しないようになっている。
【００５５】
このバイアス磁界Ｐの作用を、読み書き兼用配線５の電流値の観点から考察する。バイアス磁界Ｐが印加されることで、図８に示されるように、第１磁性層４の磁化方向（ａ）を反転するために必要な読み書き兼用配線５の電流値Ｉｗがオフセットされる。具体的には、メモリ積層部４Ｘからフィルタ積層部４Ｙ側に向かう電流（書き込み電流Ｉ２と同方向の電流）は磁化反転が生じにくく、これと反対の電流（書き込み電流Ｉ１と同方向の電流）は磁化反転が生じやすい状態となる。
【００５６】
従って、読み出し動作時には、第１磁性層４Ａの磁化方向（ａ）の反転が難しい方向（書き込み電流Ｉ２と同方向／メモリ積層部４Ｘからフィルタ積層部４Ｙ側に流れる方向）に読み出し電流Ｉ３を流すことで、読み出し電流Ｉ３による第１磁性層４Ａの磁化反転を防止する。
【００５７】
本実施形態の磁気メモリ１によれば、磁気記憶素子４に読み出し電流を流す際にバイアス磁界を印加するようにしているので、読み出し電流による誤書き込みを低減することが可能になる。特に、バイアス磁界の磁化方向が、第１磁性層４Ａの磁化容易軸方向に設定されると共に、読み出し電流による第１磁性層４Ａの磁化反転方向に対して、バイアス磁界の磁化方向が反対に設定されているので、読み出し電流による磁化反転作用をバイアス磁界によって打ち消すことが可能となる。また、本実施形態のように、磁気記憶素子４が、Ｃｕ等の非磁性層を介した第３の磁性層となるフィルタ磁性層４Ｆを利用した構造である場合、バイアス磁界をこのフィルタ磁性層４Ｆの磁化方向と反対方向に設定することで、読み出し電流Ｉ３による磁化反転作用を効率的に相殺することが可能となる。
【００５８】
更に、本磁気メモリ１によれば、バイアス磁界の磁力が、第１磁性層４Ａが磁化反転を引き起こす外部磁界の磁力の８０％以下に設定されている。従って、読み出し電流Ｉ３による磁化反転を抑制しながらも、バイアス磁界自体による誤書き込みも防止される。
【００５９】
次に、図９を参照しながら本発明の第２実施形態の磁気メモリ１０１について説明する。なお、ここでは第１実施形態の磁気メモリ１と異なる点を中心に説明をすることにし、本磁気メモリ１０１において、第１実施形態の磁気メモリ１と同一又は類似する部分については、同磁気メモリ１で使用した符号と下二桁を一致させることで説明を省略する。
【００６０】
この磁気メモリ１０１では、読み書き兼用配線１０５の一部にトランジスタ１０６が介在している。このトランジスタ１０６は、読み書き兼用配線１０５における書き込み電流及び読み出し電流の導通（ＯＮ・ＯＦＦ）を制御するためのスイッチ手段として機能する。トランジスタ１０６のドレイン１０６Ａ及びソース１０６Ｂには、読み書き兼用配線１０５が接続され、ゲート１０６Ｃには、トランジスタ制御用のワード配線１１５が接続される。書き込み電流又は読み出し電流を流すには、ビット配線１１４とワード配線１１６間に電圧を印加した状態で、ワード配線１１５に電流を流す。この結果、トランジスタ１０６によって導通が許可されるので、読み書き兼用配線５に電流が流れるようになる。
【００６１】
更にこの磁気メモリ１０１では、バイアス配線１１８における磁気記憶素子１０４の近傍に、このバイアス配線１１８を覆うヨーク１３０が形成されている。このヨーク１３０は、バイアス配線１１８によるバイアス磁界Ｐを強めると共に、このバイアス磁界Ｐが外部に漏洩することを防止し、磁気記憶素子１０４側に集中させることが可能となっている。
【００６２】
本第２実施形態の磁気メモリ１０１によれば、読み書き兼用配線１０５の電流の導通をトランジスタ１０６によって構造的に制御できるので、回り込み電流等が回避され、読み書き精度を高める事が可能になる。また、バイアス配線１１８にヨーク１３０が形成されているので、バイアス配線１１８に流すバイアス電流を小さくしても、十分なバイアス磁界Ｐを得ることが可能になり、読み取り時の消費電流を低減することが可能となる。
【００６３】
以上、第１及び第２実施形態に係る磁気メモリを説明したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では磁気記憶素子としてＴＭＲ素子を用いているが、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果を利用したＧＭＲ素子を用いてもよい。ＧＭＲ効果とは、非磁性層を挟んだ２つの磁性層の磁化方向のなす角度により、積層方向と直交する方向における磁性層の抵抗値が変化する現象である。ＧＭＲ素子においては、２つの磁性層の磁化方向が互いに平行である場合に磁性層の抵抗値が最小となり、２つの磁性層の磁化方向が互いに反平行である場合に磁性層の抵抗値が最大となる。なお、ＴＭＲ素子やＧＭＲ素子には、２つの磁性層の保磁力の差を利用して書き込み／読み出しを行う疑似スピンバルブ型と、一方の磁性層の磁化方向を反強磁性層との交換結合により固定するスピンバルブ型とがある。
【００６４】
また、第１及び第２実施形態では、ビット配線及びワード配線を用いた配線構造に限って示したが、本発明はそれに限定されず、磁気記憶素子の積層方向に電流を流すことが可能であれば他の構造でも可能である。例えば、読み書き兼用配線の電流の導通を制御できる構造であれば、この読み書き兼用配線の一端は単に接地しても構わない。
【００６５】
また、本発明の磁気メモリは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、磁気記憶素子によって各種情報を記録・保持するような分野で広く利用する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る磁気メモリの全体構成を示す概念図
【図２】同磁気メモリの記憶領域の内部構造を拡大して示す断面図
【図３】同記憶領域に配置される磁気記憶素子の積層構造を拡大して示す側面図
【図４】同磁気記憶素子の周囲の配線構造を簡略化して示す斜視図
【図５】同磁気記憶素子に書き込み電流Ｉ１を流した時の磁気記憶素子の磁化状態を示す側面図
【図６】同磁気記憶素子に書き込み電流Ｉ２を流した時の磁気記憶素子の磁化状態を示す側面図
【図７】同磁気記憶素子に読み出し電流Ｉ３を流した時の磁気記憶素子の磁化状態を示す側面図
【図８】読み出し動作時の同磁気記憶素子の電流／抵抗値変化特性を示すグラフ図
【図９】本発明の第２実施形態に係る磁気メモリの記憶領域の構造を拡大して示す断面図
【図１０】従来の磁気メモリにおける磁気記憶素子の構造を模式的に示す側面図
【図１１】従来の磁気メモリにおける磁気記憶素子の磁化状態を模式的に示す側面図
【符号の説明】
【００６８】
１、１０１                ・・・磁気メモリ
４、１０４                ・・・磁気記憶素子
４Ａ                      ・・・第１磁性層
４Ｂ                      ・・・非磁性絶縁層
４Ｃ                      ・・・第２磁性層
４Ｄ                      ・・・反強磁性層
４Ｅ                      ・・・非磁性導電層
４Ｆ                      ・・・フィルタ磁性層
５、１０５                ・・・読み書き兼用配線
１４                      ・・・ビット配線
１６、１１５、１１６      ・・・ワード配線
１８、１１８              ・・・バイアス配線
１３０                    ・・・ヨーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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