(57)【要約】【課題】書き込み電流が小さく、メモリセルの選択性に優れた磁気メモリを提供する。【解決手段】本発明の磁気メモリは、磁気抵抗素子４と、書き込み配線５とを具備する。磁気抵抗素子４は、固定強磁性層１と、自由強磁性層３と、固定強磁性層１と自由強磁性層３との間に介設された非磁性層２とを備えており、自由強磁性層３にデータを記憶するように構成されている。自由強磁性層３は、磁壁移動領域６２と、磁壁移動領域６２に接合され、磁壁移動領域６２よりも磁化が反転しやすいように形成された反転核形成領域６１とを備えている。書き込み配線５は、反転核形成領域６１の近傍に位置し、且つ、反転核形成領域６１の磁化を反転する磁場を発生するために使用される第１書き込み電流が流される。【選択図】図６
2008192711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由強磁性層と、固定強磁性層と、前記自由強磁性層と前記固定強磁性層との間に介設された非磁性層とを備え、前記自由強磁性層にデータを記憶する磁気抵抗素子と、
第１書き込み配線
とを具備し、
前記自由強磁性層は、
磁壁移動領域と、
前記磁壁移動領域に接合され、前記磁壁移動領域よりも磁化が反転しやすいように形成された反転核形成領域
とを備え、
前記第１書き込み配線は、前記反転核形成領域の近傍に位置し、且つ、前記反転核形成領域の磁化を反転する磁場を発生するために使用される第１書き込み電流が流される
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、
更に、前記磁壁移動領域の磁化を反転させるための磁化反転機構を具備する
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、
前記自由強磁性層の磁化は、第１方向に平行又は反平行に反転可能に構成され、
前記反転核形成領域の前記第１方向に垂直な第２方向における幅は、前記磁壁移動領域よりも広い
磁気メモリ。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気メモリであって、
前記磁壁移動領域の前記第２方向における幅は、前記反転核形成領域から遠いほど狭い
磁気メモリ。
【請求項５】
請求項２に記載の磁気メモリであって、
前記磁化反転機構は、前記磁壁移動領域の磁化を反転させる磁場を発生するための第２書き込み電流が流される第２書き込み配線を備える
磁気メモリ。
【請求項６】
請求項５に記載の磁気メモリであって、
前記第１書き込み配線は、前記反転核形成領域にのみ対向するように設けられ、
前記第２書き込み配線は、前記反転核形成領域と前記磁壁移動領域とに対向するように設けられた
磁気メモリ。
【請求項７】
請求項５に記載の磁気メモリであって、
前記第１書き込み電流と前記第２書き込み電流とは、実質的に平行な方向に流される
磁気メモリ。
【請求項８】
請求項７に記載の磁気メモリであって、
更に、
ワード線と、
第１ビット線と第２ビット線とからなるビット線対と、
前記ワード線と前記ビット線対とが交差する位置に対応して設けられ、それぞれが、第１トランジスタと、第２トランジスタと、前記磁気抵抗素子と、前記第２書き込み配線とを含むメモリセル
とを具備し、
前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとは、前記ワード線の電圧レベルに応じてオンオフされ、
前記第２書き込み配線は、前記第１トランジスタを介して前記第１ビット線に接続され、且つ、前記第２トランジスタを介して前記第２ビット線に接続された
磁気メモリ。
【請求項９】
請求項２に記載の磁気メモリであって、
前記磁化反転機構は、スピン偏極された電子が前記反転核形成領域から前記磁壁移動領域に注入されるように、前記自由強磁性層に第２書き込み電流を供給する供給機構を含む
磁気メモリ。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁気メモリであって、
前記第１書き込み配線は、前記反転核形成領域にのみ対向するように設けられた
磁気メモリ。
【請求項１１】
請求項９に記載の磁気メモリであって、
更に、
ワード線と、
第１ビット線と第２ビット線とからなるビット線対と、
前記ワード線と前記ビット線対とが交差する位置に対応して設けられ、それぞれが、第１トランジスタと、第２トランジスタと、前記磁気抵抗素子とを含むメモリセル
とを具備し、
前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとは、前記ワード線の電圧レベルに応じてオンオフされ、
前記磁壁移動領域は、前記第１トランジスタを介して前記第１ビット線に接続され、
前記反転核形成領域は、前記第２トランジスタを介して前記第２ビット線に接続され、
前記第２書き込み電流は、前記第１ビット線から前記第２ビット線に流され、これにより、スピン偏極された電子が前記反転核形成領域から前記磁壁移動領域に注入される
磁気メモリ。
【請求項１２】
請求項２に記載の磁気メモリであって、
前記磁化反転機構は、前記第１書き込み電流が流されることによって、前記磁壁移動領域の磁化を反転させる磁場を発生する第２書き込み配線を備える
磁気メモリ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の磁気メモリであって、
前記第１書き込み配線は、前記反転核形成領域にのみ対向するように設けられ、
前記第２書き込み配線は、前記反転核形成領域と前記磁壁移動領域とに対向するように設けられた
磁気メモリ。
【請求項１４】
請求項１２に記載の磁気メモリであって、
更に、
ワード線と、
第１ビット線と第２ビット線とからなるビット線対と、
前記ワード線と前記ビット線対とが交差する位置に対応して設けられ、それぞれが、第１トランジスタと、第２トランジスタと、前記磁気抵抗素子と、前記第１書き込み配線と、前記第２書き込み配線とを含むメモリセル
とを具備し、
前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとは、前記ワード線の電圧レベルに応じてオンオフされ、
前記第１書き込み配線は、その一方の端部が前記第１トランジスタを介して第１ビット線に接続され、他方の端部がコンタクトを介して前記第２書き込み配線の一方の端部に接続され、
前記第２書き込み配線の他方の端部は、前記第２トランジスタを介して第２ビット線に接続され、
前記第１書き込み配線と前記第２書き込み配線とは、前記自由強磁性層を挟んで反対の位置に設けられている
磁気メモリ。
【請求項１５】
請求項２に記載の磁気メモリであって、
前記磁化反転機構は、前記第１書き込み電流を前記反転核形成領域と前記磁壁移動領域とに流し、これにより、スピン偏極した電子を前記反転核形成領域から前記磁壁移動領域に注入するメモリセル内配線を備える
磁気メモリ。
【請求項１６】
請求項２に記載の磁気メモリであって、
更に、前記第１書き込み電流が流される第３書き込み配線を具備し、
前記自由強磁性層は、更に、前記磁壁移動領域に接合され、前記磁壁移動領域よりも磁化が反転しやすいように形成された他の反転核形成領域を備え、
前記反転核形成領域と前記他の反転核形成領域とは、前記磁壁移動領域を挟んで反対に位置し、
前記第３書き込み配線は、前記他の反転核形成領域の近傍に位置し、
前記第１書き込み電流は、前記第１書き込み配線と、前記反転核形成領域と、前記磁壁移動領域と、前記他の反転核形成領域と、前記第３書き込み配線とを流れる
磁気メモリ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の磁気メモリであって、
更に、
ワード線と、
第１ビット線と第２ビット線とからなるビット線対と、
前記ワード線と前記ビット線対とが交差する位置に対応して設けられ、それぞれが、第１トランジスタと、第２トランジスタと、前記磁気抵抗素子と、前記第１書き込み配線と、前記第３書き込み配線とを含むメモリセル
とを具備し、
前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとは、前記ワード線の電圧レベルに応じてオンオフされ、
前記第１書き込み配線の一方の端部が前記第１トランジスタを介して前記第１ビット線に接続され、他方の端部が前記反転核形成領域に接続され、
前記第３書き込み配線の一方の端部が前記第２トランジスタを介して前記第２ビット線に接続され、他方の端部が前記他の反転核形成領域に接続された
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、ＭＲＡＭ（magnetic random access memory）のように、磁気抵抗効果を発現する素子（磁気抵抗素子）をメモリセルとして集積化している磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭは、強磁性体で形成された強磁性層の自発磁化（以下、単に「磁化」という。）の方向として、データを記憶するメモリである。従来のＭＲＡＭのメモリセル１１０は、図１に示されているように、固定された磁化を有する固定強磁性層１０１と、反転可能な磁化を有する自由強磁性層１０３、固定強磁性層１０１と自由強磁性層１０３との間に介設された非磁性層１０２とにより構成される磁気抵抗素子１０４を含む。自由強磁性層１０３は、その磁化の向きが、固定強磁性層１０１の磁化の向きと平行又は反平行に向くことが許されるように、反転可能に形成される。
【０００３】
磁気抵抗素子１０４は、１ビットのデータを、自由強磁性層１０３の磁化の方向として記憶する機能を有している。メモリセル１１０は、自由強磁性層１０３の自発磁化と固定強磁性層１０１の磁化とが平行である“平行”状態と、自由強磁性層１０３の磁化と固定強磁性層１０１の磁化とが反平行である“反平行”状態の２つの状態を取りうる。メモリセル１１０は、“平行”状態と“反平行”状態とのうちの一方を“０”に、他方を“１”に対応付けることにより、１ビットのデータを記憶する。
【０００４】
磁気抵抗素子１０４からのデータの読み出しは、磁気抵抗効果による磁気抵抗素子１０４の抵抗の変化を検知することによって行われる。固定強磁性層１０１及び自由強磁性層１０３の磁化の方向は、磁気抵抗素子１０４の抵抗に影響を及ぼす。固定強磁性層１０１と自由強磁性層１０３の磁化の向きが平行である場合には、磁気抵抗素子１０４の抵抗は、第１の抵抗値Ｒとなり、反平行である場合には、磁気抵抗素子１０４の抵抗は、第２の抵抗値Ｒ＋ΔＲになる。固定強磁性層１０１及び自由強磁性層１０３の磁化の方向、即ち、磁気抵抗素子１０４に記憶されているデータは、磁気抵抗素子１０４の抵抗を検知することにより判別することができる。
【０００５】
一方、磁気抵抗素子１０４へのデータの書き込みは、磁気抵抗素子１０４の近傍に位置する配線に書き込み電流を流し、該書き込み電流により生じる磁場によって、自由強磁性層１０３の自発磁化の方向を所望の方向に反転させることによって行われる。
【０００６】
図２は、磁気抵抗素子をメモリセルに集積化した従来のＭＲＡＭの典型的な構成を示すブロック図である。従来のＭＲＡＭは、メモリセルアレイ１３１と、Ｘ側セレクタ１３８と、Ｘ側電流源回路１３９と、Ｘ側終端回路１４０と、Ｙ側セレクタ１４１と、Ｙ側電流源回路１４２と、読み出し電流負荷回路１４３と、Ｙ側終端回路１４４と、センスアンプ１４５とを具備する。
【０００７】
メモリセルアレイ１３１は、行列に配列されたメモリセル１１０と、複数の書き込みワード線１２６と、複数の読み出しワード線１２５と、複数のビット線１２７とを備えている。メモリセル１１０は、読み出しワード線１２５及び書き込みワード線１２６と、ビット線１２７との交点に対応して設けられている。メモリセル１１０は、磁気抵抗素子１０４と、メモリセル１１０の選択時にオンされるＭＯＳトランジスタ１０５とを含み、磁気抵抗素子１０４とＭＯＳトランジスタ１０５とは、各メモリセル１１０において直列に接続されている。図２において、磁気抵抗素子１０４は、データが「１」と「０」とで実効的な抵抗値が変わるので可変抵抗記号で示している。読み出しワード線１２５及び書き込みワード線１２６は、Ｘ軸方向（ワード線方向）に延設され、ビット線１２７は、Ｙ軸方向（ビット線方向）に延設されている。
【０００８】
メモリセルアレイ１３１には、更に、Ｙ軸方向に並べられたリファレンスセル１１０ｒと、Ｙ軸方向に延設されたリファレンスビット線１２７ｒとが設けられている。リファレンスセル１１０ｒは、リファレンス電圧を生成するために使用され、リファレンスビット線１２７ｒは、リファレンスセル１１０ｒからセンスアンプ１４５にリファレンス電圧を供給するために使用される。リファレンスセル１１０ｒは、メモリセル１１０と同様に、それぞれが磁気抵抗素子１０４とＭＯＳトランジスタ１０５とを備えている。
【０００９】
Ｘ側セレクタ１３８は、読み出し動作時には複数の読み出しワード線１２５から所望の一の読み出しワード線（選択読み出しワード線）を選択し、書き込み動作時には複数の書き込みワード線１２６から所望の一の書き込みワード線（選択書き込みワード線）を選択する。Ｘ側電流源回路１３９は、メモリセル１１０の磁気抵抗素子１０４へのデータの書き込み動作時に、定電流を供給する定電流源である。Ｘ側終端回路１４０は、複数の書き込みワード線１２６を終端する。Ｙ側セレクタ１４１は、複数のビット線１２７から、所望の一のビット線（選択ビット線）を選択する。Ｙ側電流源回路１４２は、メモリセル１１０へのデータ書き込み動作時に、定電流を供給する定電流源である。読み出し電流負荷回路１４３は、メモリセル１１０からのデータ読み出し動作時に、選択されたメモリセル１１０と、リファレンスセル１１０ｒに所定の電流を供給する定電流源である。Ｙ側終端回路１４４は、ビット線１２７を終端する。センスアンプ１４５は、リファレンスセル１１０ｒにつながるリファレンスビット線１２７ｒの電圧と、選択ビット線の電圧との差に基づいて、選択されたメモリセル１１０のデータを識別し、識別したデータを出力する。
【００１０】
選択メモリセルからのデータの読み出しは、以下のようにして行われる、読み出し電流負荷回路１４３は、Ｘ側セレクタ１３８で選択された選択読み出しワード線と、Ｙ側セレクタ１４１で選択された選択ビット線との交点に対応するメモリセル１１０（即ち、選択メモリセル）の磁気抵抗素子１０４に、定電流を供給する。それにより、選択ビット線が、選択メモリセルの磁気抵抗素子１０４の自由強磁性層１０３の状態に対応した電圧レベルになる。一方、読み出しワード線１２５とで選択されるリファレンスセル１１０ｒに対しても同様に定電流が供給され、リファレンスビット線１２７ｒが所定のリファレンス電圧となる。そして、センスアンプ１４５は、選択ビット線とリファレンスビット線１２７ｒの電圧レベルを比較し、例えば、選択ビット線の電圧レベルがリファレンス電圧より高ければ選択メモリセルのデータは「１」、小さければ「０」と判定する。
【００１１】
メモリセルへのデータの書き込みは、以下のようにして行われる。Ｘ側電流源回路１３９は、Ｘ側セレクタ１３８で選択された選択書き込みワード線に書き込み電流を流し、これにより、磁界Ｈｙ０を発生する。同時に、Ｙ側電流源回路１４２は、選択ビット線に書き込みデータに対応する向きの書き込み電流を流し、これにより、磁界Ｈｘ０を発生する。選択書き込みワード線と選択ビット線の交点に対応する選択メモリセルには、磁界Ｈｙ０、磁界Ｈｘ０の両方が印加される。即ち、選択メモリセルには、磁界Ｈｙ０、磁界Ｈｘ０の合成磁界Ｈ０が印加される。磁気抵抗素子１０４は、合成磁界Ｈ０を受け、書き込むデータに対応する向きに磁化の方向を反転する。
【００１２】
図３は、磁気抵抗素子１０４へのデータの書き込みの原理を示す図である。縦軸は、Ｙ軸方向の磁場であり、横軸はＸ軸方向の磁場である。自由強磁性層１０３の抗磁力は、アステロイドカーブ（磁化反転磁場曲線）１０５と呼ばれる特性を示す。アステロイドカーブ１０６の外側の領域にある磁場を印加することは、その磁場が抗磁力を超え、従って、自由強磁性層１０３の自発磁化が反転されることを意味する。図３のアステロイドカーブ１０６は、Ｘ軸及びＹ軸の両方に対して、４５度の方向を向く合成磁場が自由強磁性層１０３に印加されると、自由強磁性層１０３の磁化は、もっとも容易に反転されることを示している。図２のＭＲＡＭは、選択書き込みワード線に流れる書き込み電流と選択ビット線に流れる書き込み電流とで形成される合成磁場Ｈ０によりメモリセル１１０へデータを書き込むように構成されている。
【００１３】
ＭＲＡＭに求められる性能の一つは、データの書き込みに使用される電流（書き込み電流）が小さいことである。書き込み電流の低減は、ＭＲＡＭの消費電力の低減の観点から重要である。また、書き込み電流を低減すると、書き込み用トランジスタを小さく設計できる。従って、書き込み電流の低減は、書き込み用トランジスタの面積を縮小するので、チップサイズの縮小の観点からも重要である。
【００１４】
特開２００４−１０４０２７号公報（特許文献１）は、書き込み電流を低減するための、ＭＲＡＭメモリセル及び磁化反転促進方法が開示されている。特許文献１に開示されているＭＲＡＭメモリセルは、書き込み電流が流れる配線が、自由強磁性層の外縁部に強い磁界がかかるようにずらして配置されている。この技術は、自由強磁性層の磁化を外縁部のドメインから反転させることで、自由強磁性層の磁化を小さな電流で反転させることができる。
【００１５】
書き込み電流を低減するための構造を有する他のＭＲＡＭが、米国特許第５７４２０１６号公報（特許文献２）に開示されている。特許文献２に開示されているＭＲＡＭでは、書き込み電流が流される配線としてコイルが使用され、磁気抵抗素子は、該コイルの中に挿入されている。磁気抵抗素子に印加される磁場は、該コイルのターン数に比例するため、より小さな書き込み電流でデータの書き込みを行うことができる。
【００１６】
更に、書き込み電流を低減するための他のメモリセルの構造が、特開２００６−７３９３０号公報（特許文献３）に開示されている。特許文献３に開示されているメモリセルは、２つの磁性層とその間に設けられた中間層を備えている。少なくとも一方の磁性層には、磁化方向が互いに反平行である磁区と、当該磁区を隔てる磁壁とが定常的に形成される。磁化方向は、磁性層の膜面に垂直な方向である。この磁壁を電流及び／又は熱によって磁性層内で移動させることによって情報が記録される。
【００１７】
また、書き込み電流を低減するための磁気抵抗素子の構造が、特開２００６−１８５９６１号公報（特許文献４）に開示されている。特許文献４に開示されている磁気抵抗素子は、その自由強磁性層が、ある方向に長軸を有する本体部と、長軸とは異なる方向に突出する１つの突出部とから構成されている。突出部は、本体部の長軸とは異なる方向に磁気異方性を有するように構成されている。このような構成の磁気抵抗素子では、磁場が与えられると、まず、突出部の磁化反転が進行し、突出部の磁化反転が本体部の磁化反転を有記する。従って、本体部の磁化反転に必要なスイッチング磁場、即ち、書き込み電流が低減される。
【００１８】
ＭＲＡＭに求められるもう一つの性能は、データ書き込みを行うときのメモリセル選択性が高いことである。書き込み電流は、小さすぎるとデータの書き込みができず、また、逆に大きすぎると、選択メモリセルだけでなく、同一の選択書き込みワード線又は同一の選択ビット線につながる他のメモリセル１１０にもデータが書き込まれる可能性がある。データ書き込みにおけるセル選択性を高めるためには、選択されたメモリセル以外のメモリセルに対して与える影響が小さいこと、及び、書き込み電流のマージンが大きいことが望ましい。選択されたメモリセル以外のメモリセルに対して与える影響が大きかったり、又は、書き込み電流のマージンが小さかったりすると、選択書き込みワード線に流れる書き込み電流及び選択ビット線に流れる書き込み電流の電流レベルに高い正確性が必要になる。
【００１９】
特開２００４−３４８９３４号公報（特許文献５）は、メモリセルの選択性を高めるための磁気ランダムアクセスメモリの技術を公開している。この技術の磁気ランダムアクセスメモリは、ビット線対とワード線とメモリセルを備える。ビット線対はＹ方向に延設された第１ビット線と第２ビット線を含む。ワード線は、Ｘ方向に延設されている。メモリセルは、ビット線対とワード線とが交差する位置に設けられ、第１トランジスタと第２トランジスタと磁気抵抗素子とを含む。第１トランジスタは、ゲートがワード線に、ソースが第１ビット線に接続される。第２トランジスタは、ゲートがワード線に、ソースが第２ビット線に、ドレインが第１トランジスタのドレインに接続される。磁気抵抗素子は、記憶されるデータに応じて磁化方向が反転可能に構成されており、接地端子と第１トランジスタとの間に介設される。この技術は、選択されたメモリセルのみに書きこみ電流を流すことにより、メモリセルの選択性を高め、書き込み電流のマージンを大きくすることができる。
【００２０】
しかしながら、発明者の検討によれば、上記の技術には更なる改良の余地がある。
【特許文献１】特開２００４−１０４０２７号公報
【特許文献２】米国特許第５７４２０１６号公報
【特許文献３】特開２００６−７３９３０号公報
【特許文献４】特開２００６−１８５９６１号公報
【特許文献５】特開２００４−３４８９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
したがって、本発明の目的は、書き込み電流が小さく、メモリセルの選択性に優れた磁気メモリを提供することにある
【課題を解決するための手段】
【００２２】
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。
【００２３】
本発明の磁気メモリは、磁気抵抗素子（４）と、第１書き込み配線（５）（６Ａ）、（５５）、（５７）とを具備する。磁気抵抗素子（４）は、自由強磁性層（３）と、固定強磁性層（１）と、前記自由強磁性層（３）と前記固定強磁性層（１）との間に介設された非磁性層（２）とを備えており、自由強磁性層（３）にデータを記憶するように構成されている。自由強磁性層（３）は、磁壁移動領域（６２）と、磁壁移動領域（６２）に接合され、前記磁壁移動領域（６２）よりも磁化が反転しやすいように形成された反転核形成領域（６１）とを備えている。第１書き込み配線（５）（６Ａ）、（５５）、（５７）は、反転核形成領域（６１）の近傍に位置し、且つ、前記反転核形成領域（６１）の磁化を反転する磁場を発生するために使用される第１書き込み電流が流される。磁壁移動領域（６２）の磁化は、磁化反転機構（６）（５１〜５４）（６Ｂ）（１１〜１４、５６、５８）によって反転される。
【００２４】
本発明の磁気メモリは、第1書き込み配線（５）（６Ａ）（５５）が自由強磁性層（３）の反転核形成領域（６１）の近傍に配置され、実質的に反転核形成領域（６１）にのみ磁場を印加するように構成される。第１書き込み配線（５）（６Ａ）、（５５）、（５７）は、自由強磁性層（３）全体に磁場を印加する場合に比べて配線幅を細くできるから、小さい第１書き込み電流で大きな磁場を反転核形成領域（６１）に作用させることができる。加えて、第１書き込み電流は、磁化が反転しやすいように形成された反転核形成領域（６１）の磁化を反転させるのに充分な程度の大きさでよい。従って、自由強磁性層（３）の反転核形成領域（６１）の磁化を反転するのに必要な第１書き込み電流の大きさは小さい。加えて、反転核形成領域（６１）の磁化の反転によって磁壁移動領域（６２）の磁化の反転が促進されるから、磁化反転機構（６）（５１〜５４）（６Ｂ）（１１〜１４、５６、５８）が磁壁移動領域（６２）の磁化を反転させるのに必要な電流の大きさも小さい。ゆえに、本発明の磁気メモリは、自由強磁性層（３）の磁化を反転するのに必要な書き込み電流を低減できる。加えて、第１書き込み配線（５）（６Ａ）、（５５）、（５７）は、実質的に反転核形成領域（６１）にのみ磁場を印加するように配置されるから、第１書き込み電流の電流レベルの許容範囲は広い。したがって、本発明の磁気メモリは、メモリセルの選択性に優れている。
【００２５】
自由強磁性層（３）の磁化が、第１方向に平行又は反平行に反転可能に構成される場合、一実施形態では、自由強磁性層（３）は、反転核形成領域（６１）の前記第１方向に垂直な第２方向における幅が、磁壁移動領域（６２）よりも広くなるように形成される。これにより、反転核形成領域（６１）の磁化は、磁壁移動領域（６２）の磁化よりも反転しやすくなる。一実施形態では、自由強磁性層（３）は、磁壁移動領域（６２）の前記第２方向における幅は、反転核形成領域（６１）から遠いほど狭くなるように構成される。このような構成では、小さな電流で磁壁移動領域（６２）を反転させることが可能である。
【００２６】
前記磁化反転機構は、磁壁移動領域（６２）の磁化を反転させる磁場を発生するための第２書き込み電流が流される第２書き込み配線（６）を備えることがある。この場合、第１書き込み配線（５）は、反転核形成領域（６１）にのみ対向するように設けられ、第２書き込み配線（６）は、反転核形成領域（６１）と磁壁移動領域（６２）とに対向するように設けられることが好ましい。この場合、前記第１書き込み電流と前記第２書き込み電流とは、実質的に平行な方向に流される。
【００２７】
一実施形態では、当該磁気メモリは、更に、ワード線（２１）と、第１ビット線（２２）と第２ビット線（２３）とからなるビット線対と、前記ワード線（２１）と前記ビット線対とが交差する位置に対応して設けられ、それぞれが、第１トランジスタ（５１）と、第２トランジスタ（５２）と、前記磁気抵抗素子（４）と、前記第２書き込み配線とを含むメモリセル（１０）とを具備する。第１トランジスタ（５１）と前記第２トランジスタ（５２）とは、前記ワード線（２１）の電圧レベルに応じてオンオフされる。第２書き込み配線（６）は、前記第１トランジスタ（５１）を介して第１ビット線（２２）に接続され、且つ、第２トランジスタ（５２）を介して第２ビット線（２３）に接続されている。
【００２８】
他の実施形態では、前記磁化反転機構は、スピン偏極された電子が反転核形成領域（６１）から磁壁移動領域（６２）に注入されるように、自由強磁性層（３）に第２書き込み電流を供給する供給機構（５１〜５４）を含む。この場合、第１書き込み配線（５）は、反転核形成領域（６１）にのみ対向するように設けられることが好ましい。
【００２９】
この場合、当該磁気メモリは、更に、ワード線（２１）と、第１ビット線（２２）と第２ビット線（２３）とからなるビット線対と、ワード線（２１）と前記ビット線対とが交差する位置に対応して設けられ、それぞれが、第１トランジスタ（５１）と、第２トランジスタ（５２）と、前記磁気抵抗素子（４）とを含むメモリセル（１０）とを具備することが好ましい。第１トランジスタ（５１）と第２トランジスタ（５２）とは、前記ワード線（２１）の電圧レベルに応じてオンオフされる。磁壁移動領域（６２）は、前記第１トランジスタ（５１）を介して前記第１ビット線（２２）に接続され、反転核形成領域（６１）は、前記第２トランジスタ（５２）を介して前記第２ビット線（２３）に接続される。前記第２書き込み電流は、前記第１ビット線（２２）から前記第２ビット線（２３）に流され、これにより、スピン偏極された電子が前記反転核形成領域（６１）から前記磁壁移動領域（６２）に注入される。
【００３０】
更に他の実施形態では、前記磁化反転機構は、前記第１書き込み電流が流されることによって、前記磁壁移動領域（６２）の磁化を反転させる磁場を発生する第２書き込み配線（６Ｂ）を備える。
【００３１】
この場合、第１書き込み配線（６Ａ）は、前記反転核形成領域（６１）にのみ対向するように設けられ、第２書き込み配線（６Ｂ）は、前記反転核形成領域（６１）と前記磁壁移動領域（６２）とに対向するように設けられることが好ましい。
【００３２】
この場合、当該磁気メモリは、更に、ワード線（２１）と、第１ビット線（２２）と第２ビット線（２３）とからなるビット線対と、ワード線（２１）と前記ビット線対とが交差する位置に対応して設けられ、それぞれが、第１トランジスタ（５１）と、第２トランジスタ（５２）と、前記磁気抵抗素子（４）と、第１書き込み配線（６Ａ）と、第２書き込み配線（６Ｂ）とを含むメモリセルとを具備することが好ましい。第１トランジスタ（５１）と第２トランジスタ（５２）とは、前記ワード線（２１）の電圧レベルに応じてオンオフされる。第１書き込み配線（６Ａ）は、その一方の端部が前記第１トランジスタ（５１）を介して第１ビット線（２２）に接続され、他方の端部がコンタクトを介して前記第２書き込み配線（６Ｂ）の一方の端部に接続される。第２書き込み配線（６Ｂ）の他方の端部は、前記第２トランジスタ（５２）を介して第２ビット線（２３）に接続される。第１書き込み配線（６Ａ）と第２書き込み配線（６Ｂ）とは、自由強磁性層（３）を挟んで反対の位置に設けられている。
【００３３】
更に他の実施形態では、前記磁化反転機構は、前記第１書き込み電流を前記反転核形成領域（６１Ａ）と前記磁壁移動領域（６２）とに流し、これにより、スピン偏極した電子を前記反転核形成領域（６１Ａ）から前記磁壁移動領域（６２）に注入するメモリセル内配線（５６〜５８）を備える。
【００３４】
当該磁気メモリは、更に、前記第１書き込み電流が流される第３書き込み配線（５７）を具備し、自由強磁性層（３）は、更に、前記磁壁移動領域（６２）に接合され、前記磁壁移動領域（６２）よりも磁化が反転しやすいように形成された他の反転核形成領域（６１Ｂ）を備えることが好ましい。反転核形成領域（６１Ａ）と前記他の反転核形成領域（６１Ｂ）とは、前記磁壁移動領域（６２）を挟んで反対に位置している。前記第３書き込み配線（５７）は、前記他の反転核形成領域（６１）の近傍に位置する。前記第１書き込み電流は、前記第１書き込み配線（５５）と、前記反転核形成領域（６１）と、前記磁壁移動領域（６２）と、前記他の反転核形成領域（６１）と、前記第３書き込み配線（５７）とを流れる。
【００３５】
詳細には、当該磁気メモリは、更に、ワード線（２１）と、第１ビット線（２２）と第２ビット線（２３）とからなるビット線対と、前記ワード線（２１）と前記ビット線対とが交差する位置に対応して設けられ、それぞれが、第１トランジスタ（５１）と、第２トランジスタ（５２）と、前記磁気抵抗素子（４）と、前記第１書き込み配線（５５）と、前記第３書き込み配線（５７）とを含むメモリセル（１０）とを具備する。第１トランジスタ（５１）と第２トランジスタ（５２）とは、前記ワード線（２１）の電圧レベルに応じてオンオフされる。第１書き込み配線（５５）は、その一方の端部が第１トランジスタ（５１）を介して前記第１ビット線（２２）に接続され、他方の端部が前記反転核形成領域（６１）に接続される。第３書き込み配線（５７）は、その一方の端部が第２トランジスタ（５２）を介して前記第２ビット線（２３）に接続され、他方の端部が前記他の反転核形成領域（６１）に接続される。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、書き込み電流が小さく、メモリセルの選択性に優れた磁気メモリを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の磁気メモリの実施形態を、添付図面を参照して説明する。
【００３８】
１．第１の実施形態
（全体構成）
図４は、本発明の第１の実施形態の磁気メモリの構成を示すブロック図である。本実施形態の磁気メモリは、メモリセルアレイ３１と、Ｘ側セレクタ３８と、Ｘ側電流源回路３９と、Ｘ側終端回路４０と、Ｙ側セレクタ４１と、Ｙ側電流源回路４２と、読み出し電流負荷回路４３と、Ｙ側終端回路４４と、センスアンプ４５とを具備する。
【００３９】
メモリセルアレイ３１は、行列に配列されたメモリセル１０と、複数のグローバル書き込み配線５と、複数のワード線２１と、複数の第１ビット線２２と、複数の第２ビット線２３と、を備えている。グローバル書き込み配線５は、Ｘ軸方向へ延伸して設けられている。各グローバル書き込み配線５は、一端がＸ側セレクタ３８に接続され、他端がＸ側終端回路４０に接続されている。同様に、ワード線２１は、Ｘ軸方向へ延伸して設けられており、各ワード線２１は、その一端がＸ側セレクタ３８に、他端がＸ側終端回路４０に接続されている。一方、複数の第１ビット線２２と、複数の第２ビット線２３とは、Ｘ軸方向に実質的に垂直なＹ軸方向に延伸して設けられている。一本の第１ビット線２２に対して一本の第２ビット線２３が設けられており、第１ビット線２２と第２ビット線２３とは、ビット線対をなしている。第１ビット線２２は、Ｙ側セレクタ４１に接続され、第２ビット線２３は、Ｙ側終端回路４４に接続されている。メモリセル１０は、ワード線２１とビット線対との交点に対応して設けられている。メモリセル１０の構成については後述される。
【００４０】
メモリセルアレイ３１には、更に、Ｙ方向に並べられたリファレンスセル１０ｒと、第１リファレンスビット線２２ｒと、第２リファレンスビット線２３ｒとが設けられている。第１リファレンスビット線２２ｒと、第２リファレンスビット線２３ｒとは、リファレンスビット線対をなしている。第１リファレンスビット線２２ｒは、センスアンプ４５に接続され、第２リファレンスビット線２３ｒは、Ｙ側終端回路４４に接続されている。リファレンスセル１０ｒは、ワード線２１とリファレンスビット線対との交点に対応して設けられている。
【００４１】
Ｘ側セレクタ３８は、複数のワード線２１及び複数のグローバル書き込み配線５を選択する機能を有している。詳細には、データ読み出しの際には、Ｘ側セレクタ３８は、複数のワード線２１のうちから所望の選択ワード線を選択する。一方、データ書き込みの際には、Ｘ側セレクタ３８は、複数のワード線２１のうちから所望の選択ワード線を選択し、複数のグローバル書き込み配線５のうちから所望の選択グローバル書き込み配線を選択する。Ｘ側電流源回路３９は、データの書き込み動作時に、選択グローバル書き込み配線に所定のレベルの書き込み電流を所望の向きに流す。Ｘ側終端回路４０は、複数のグローバル書き込み配線５を終端する。
【００４２】
Ｙ側セレクタ４１は、読み出し動作時及び書き込み動作時のいずれの場合にも、複数の第１ビット線２２から、一つの選択第１ビット線を選択する。Ｙ側電流源回路４２は、データの書き込み動作時に、所定のレベルの書き込み電流を選択第１ビット線に所望の向きに流す電流源である。Ｙ側電流源回路４２によって生成される書き込み電流は、ローカル書き込み配線６を介して選択第１ビット線と選択第２ビット線との間を流れ、その向きは、書き込むデータに応じて決定される。選択第１ビット線に流れる書き込み電流の向きは、Ｙ側セレクタ４１へ流れ込む方向、又はＹ側セレクタ４１から流れ出す方向であり得る。
読み出し電流負荷回路４３は、データの読み出し動作時に、選択第１ビット線へ所定の電流を流す。Ｙ側終端回路４４は、複数の第２ビット線２３を終端する。
【００４３】
センスアンプ４５は、リファレンスセル１０ｒにつながる第１リファレンスビット線２２ｒの電圧と、選択メモリセルにつながる選択第１ビット線の電圧との差に基づいて、選択メモリセルのデータを識別し、識別したデータを出力する。
【００４４】
（メモリセルの構成）
続いて、各メモリセル１０の構成を説明する。各メモリセル１０は、第１トランジスタ５１と、第２トランジスタ５２と、ローカル書き込み配線６と、磁気抵抗素子４とを備えている。第１トランジスタ５１は、そのゲートがワード線２１に、ソースが第１ビット線２２に、ドレインがローカル書き込み配線６に接続されている。一方、第２トランジスタ５２は、そのゲートがワード線２１に、ソースが第２ビット線２３に、ドレインがローカル書き込み配線６に接続されている。各磁気抵抗素子４は、その一端がローカル書き込み配線６に接続され、他端が接地されている。
【００４５】
図５は、各メモリセル１０の構成を示す断面図である。図５に示されているように、メモリセル１０の磁気抵抗素子４は、固定強磁性層１と、非磁性層２と、自由強磁性層３とを備えている。固定強磁性層１は、ローカル書き込み配線６の上に形成されており、Ｙ軸方向に固定された磁化を有する。非磁性層２は、固定強磁性層１の上に形成されている。本実施形態では、非磁性層２としては、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＭｇＯのような絶縁体が使用される。非磁性層２の膜厚は、トンネル電流が流れる程度に薄い。自由強磁性層３は、非磁性層２の上に形成されており、その磁化は、Ｙ軸方向に平行に反転可能である。自由強磁性層３の磁化は、固定強磁性層１の磁化と同一の向きを向く“平行”状態と、逆の向きを向く“反平行”状態とをとることが許されている。自由強磁性層３は、コンタクト８を介して、接地配線７に電気的に接続されている。グローバル書き込み配線５は、ローカル書き込み配線６の下方に、Ｘ軸方向に延伸して設けられ、接地配線７は、自由強磁性層３の上方にＹ軸方向に延伸して設けられる。図５において、記号”Ｄ”は、グローバル書き込み配線５と自由強磁性層３との間の距離を示している。
【００４６】
このように構成された磁気抵抗素子４は、自由強磁性層３の磁化の向きとしてデータを記憶する。非磁性層２の厚さ方向の抵抗は、自由強磁性層３の磁化の向きに応じて変化するので、磁気抵抗素子４の抵抗の変化によって、磁気抵抗素子４に記憶されているデータが判別可能である。後述されるように、読み出し動作時には選択されたメモリセル１０の磁気抵抗素子４に定電流が流され、これにより、選択されたメモリセル１０が接続された第１ビット線２２の電圧レベルは、選択されたメモリセル１０に記憶されているデータに対応する電圧レベルになる。
【００４７】
図６は、メモリセル１０の構成を示す平面図である。本実施形態のメモリセル１０では自由強磁性層３は、反転核が形成されやすく、磁化が反転されやすい反転核形成領域６１と、磁壁の移動によって磁化が反転される磁壁移動領域６２から構成されている。磁壁移動領域６２は、反転核形成領域６１と比較して磁化が反転されにくいように形成される。後述されるように、（磁壁移動領域６２と比較して）反転核形成領域６１の磁化が反転されやすいように自由強磁性層３が構成されることは、書き込み電流を低減し、また、メモリセル１０の選択性を向上するために重要である。
【００４８】
反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２とは、磁気的に結合されており、外部磁場が印加されない状態では、反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２の磁化には、それらの向きが揃うような力が働く。反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２との間の磁気的な結合は、下記の２つの作用を引き起こす。第１に、本来磁化が反転されにくく形成された磁壁移動領域６２の磁化の反転が、反転核形成領域６１の磁化の反転によって誘導されることである。外部磁場によって反転核形成領域６１の磁化が反転されると、反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２との間の磁気的な結合により、磁壁移動領域６２の磁化が反転しやすくなる。第２に、外部磁場が印加されない状態で、反転核形成領域６１の磁化と磁壁移動領域６２の磁化が反対であるような状態になると、反転核形成領域６１の磁化は、磁壁移動領域６２の磁化と同一の方向になるように反転されることである。磁壁移動領域６２は、反転核形成領域６１と比較して磁化が反転されにくいから、反転核形成領域６１が反転される方が、エネルギー的に安定である。これらの作用は、本実施形態の磁気メモリの書き込み動作において重要である。
【００４９】
本実施形態では、反転核形成領域６１において反転核が形成されやすくするために、自由強磁性層３は、反転核形成領域６１のＸ軸方向の幅（即ち、自由強磁性層３の磁化の方向と垂直な方向における幅）が磁壁移動領域６２のＸ軸方向の幅に比べて広くなるような形状に形成されている。これにより、反転核形成領域６１の磁気異方性が磁壁移動領域６２の磁気異方性よりも小さくなり、反転核形成領域６１において反転核が形成されやすくなる。即ち、反転核形成領域６１の磁化が、磁壁移動領域６２の磁化と比べて反転しやすくなる。図６には、反転核形成領域６１が略円形であるような自由強磁性層３の形状が図示されているが、自由強磁性層３の形状は、図６に図示されたものに限定されない。
【００５０】
グローバル書き込み配線５は、自由強磁性層３の反転核形成領域６１の近傍に配置されている。グローバル書き込み配線５は、その中心線５ａが反転核形成領域６１にオーバーラップするように配置されている。これにより、書き込み電流がグローバル書き込み配線５に流されたときに最も大きな書き込み磁場が発生する場所が、反転核形成領域６１内に位置するようになる。即ち、グローバル書き込み配線５によって発生された書き込み磁場は、主として反転核形成領域６１に印加され、磁壁移動領域６２には殆ど印加されない。グローバル書き込み配線５には、書き込みデータに応じて＋Ｘ方向又は−Ｘ方向のいずれかに書き込み電流が流され、これにより、＋Ｙ方向又は−Ｙ方向のいずれかに、書き込み磁場Ｈ１が発生される。
【００５１】
一方、ローカル書き込み配線６は、自由強磁性層３の反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２の両方に対向するように配置される。ローカル書き込み配線６によって発生された書き込み磁場は、反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２の両方に印加される。ローカル書き込み配線６は、その一端が第１トランジスタ５１のドレインに接続され、他端が第２トランジスタ５２のドレインに電気的に接続されている。ローカル書き込み配線６には、書き込みデータに応じて＋Ｘ方向又は−Ｘ方向のいずれかに書き込み電流が流され、これにより、＋Ｙ方向又は−Ｙ方向のいずれかに、書き込み磁場Ｈ２が発生される。本実施形態では、グローバル書き込み配線５に流される書き込み電流と、ローカル書き込み配線６に流される書き込み電流の向きが同一であることに留意されたい。
【００５２】
リファレンスセル１０ｒは、基本的には、メモリセル１０と同様の構成を有している。リファレンスセル１０ｒに記憶されるデータは、”１”、又は”０”のいずれかに固定され、従って、磁気抵抗素子４の抵抗も所定値に固定される。後述されるように、選択されたメモリセル１０からデータを読み出す際には、リファレンスセル１０ｒに定電流が流され、第１リファレンスビット線２２ｒに所定のリファレンス電圧が生成される。
【００５３】
（読み出し動作）
図４に戻り、本実施形態の磁気メモリでは、下記のようにして読み出し動作が行われる。Ｘ側セレクタ３８によってワード線２１のうちから一のワード線（選択ワード線）が選択され、更に、Ｙ側セレクタ４１によって第１ビット線２２のうちから一のワード線（選択第１ビット線）が選択される。これにより、選択ワード線と選択第１ビット線との交点に対応するメモリセル１０が、選択メモリセルとして選択され、選択ワード線と第１リファレンスビット線２２ｒとの交点に対応するリファレンスセル１０ｒが、選択リファレンスセルとして選択される。加えて、選択ワード線が活性化され、選択ワード線に接続されたメモリセル１０及びリファレンスセル１０ｒの第１トランジスタ５１がターンオンされる。これにより、選択メモリセル及び選択リファレンスセルの磁気抵抗素子４が、それぞれ、選択第１ビット線及び第１リファレンスビット線２２ｒに接続される。読み出し電流負荷回路４３は、選択第１ビット線を介して、選択メモリセルの磁気抵抗素子４に所定の電流レベルを有する定電流を供給する。これにより、選択第１ビット線が、選択メモリセルの磁気抵抗素子４の自由強磁性層３の磁化の向きに対応した電圧レベルになる。同様に、読み出し電流負荷回路４３は、第１リファレンスビット線２２ｒを介して、選択リファレンスセルの磁気抵抗素子４に所定の電流レベルを有する定電流を供給する。これにより、第１リファレンスビット線２２ｒに、リファレンス電圧が生成される。センスアンプ４５は、選択第１ビット線の電圧レベルとリファレンス電圧とに基づいて選択メモリセルのデータを判別する。
【００５４】
（書き込み動作）
一方、本実施形態の磁気メモリの書き込み動作は、下記のようにして行われる。Ｘ側セレクタ３８により、一のグローバル書き込み配線５（選択グローバル書き込み配線）と一のワード線２１（選択ワード線）とが選択される。更に、Ｙ側セレクタ４１により、一の第１ビット線２２（選択第１ビット線）が選択される。これにより、選択ワード線と選択第１ビット線との交点に対応するメモリセル１０が、選択メモリセルとして選択される。
【００５５】
更に、選択ワード線が活性化され、選択ワード線に接続されたメモリセル１０の第１トランジスタ５１及び第２トランジスタ５２がターンオンされる。これにより、選択メモリセルのローカル書き込み配線６が、選択第１ビット線と、それと対を成す第２ビット線２３（選択第２ビット線）に電気的に接続される。
【００５６】
図６に示されているように、選択グローバル書き込み配線には、Ｘ側電流源回路３９によって書き込みデータに対応した向きの書き込み電流Ｉ１が流され、これにより、書き込み磁場Ｈ１が発生される。
【００５７】
加えて、選択メモリセルのローカル書き込み配線６には、Ｙ側電流源回路４２によって選択第１ビット線を介して書き込みデータに対応した向きの書き込み電流Ｉ２が流され、これにより、書き込み磁場Ｈ２が発生される。選択メモリセルのローカル書き込み配線６に流される書き込み電流Ｉ２の向きは、選択グローバル書き込み配線に流される書き込み電流Ｉ１の向きと、実質的に同一である。書き込み電流Ｉ２は、選択メモリセルにのみ流されることに留意されたい。本実施形態の磁気メモリでは、メモリセル１０の選択性は、選択メモリセルのローカル書き込み配線６のみに書き込み電流Ｉ２を流すことによって確立されている。
【００５８】
このように、書き込み電流Ｉ１、Ｉ２が流されることによって、選択メモリセルの自由強磁性層３には書き込み磁場Ｈ１、Ｈ２の両方が印加され、書き込み磁場Ｈ１、Ｈ２により、自由強磁性層３の磁化が書き込むデータに対応する方向に反転される。
【００５９】
書き込み電流Ｉ１の大きさは、自由強磁性層３の反転核形成領域６１の磁化が反転される一方で、磁壁移動領域６２の磁化が反転されない程度の大きさに選ばれる。これは、選択グローバル書き込み配線に対応している選択メモリセル以外のメモリセル１０（以下、「半選択メモリセル」という。）において自由強磁性層３の磁化を反転させないためである。選択グローバル書き込み配線に書き込み電流Ｉ１を流すと、半選択メモリセルの自由強磁性層３では、反転核形成領域６１の磁化が反転される。しかしながら、書き込み電流Ｉ１を磁壁移動領域６２の磁化が反転されない程度の大きさに選択しておけば、書き込み電流Ｉ１の供給を停止したときに反転核形成領域６１の磁化が元の方向に戻る。即ち、半選択メモリセルの自由強磁性層３の磁化は、書き込み電流Ｉ１の供給によっては、反転されない。
【００６０】
グローバル書き込み配線５が反転核形成領域６１のみに対向するように設けられているから、書き込み電流Ｉ１のマージンは大きいことに留意されたい。書き込み電流Ｉ１が発生する書き込み磁場Ｈ１は、その大部分が反転核形成領域６１に印加され、磁壁移動領域６２には印加されない。このように、メモリセル１０は、原理的に、書き込み電流Ｉ１が発生する書き込み磁場Ｈ１によっては磁壁移動領域６２が反転されにくいように構成されている。したがって、書き込み電流Ｉ１に許容されるマージンは大きい。
【００６１】
加えて、書き込み電流Ｉ１の電流レベルは、小さくてもよいことにも留意されたい。上述のように、書き込み電流Ｉ１の電流レベルは、反転核形成領域６１の磁化のみを反転するように選択される。その一方で、反転核形成領域６１は、その磁化が反転しやすいように形成されているから、大きな書き込み電流Ｉ１は必要ない。書き込み電流Ｉ１の決定方法については、後に詳細に説明される。
【００６２】
一方、書き込み電流Ｉ２の大きさは、好適には、書き込み電流Ｉ１によって反転核形成領域６１の磁化が反転された状態にある場合に、自由強磁性層３の全体の磁化が反転可能であるような大きさに選択される。反転核形成領域６１の磁化が反転されない状態でも自由強磁性層３の全体の磁化が反転可能であるような電流レベルを有する書き込み電流Ｉ２をローカル書き込み配線６に流すことは、本実施形態の磁気メモリの書き込み動作としては許容されるが、書き込み電流Ｉ２の低減という観点からは好適でない。
【００６３】
このような書き込み動作によれば、メモリセル１０の選択性を向上させることができる。本実施形態の磁気メモリでは、選択メモリセルのみのローカル書き込み配線６に書き込み電流Ｉ２が流されるため、メモリセル１０の選択性が高い。確かに、選択グローバル書き込み配線に書き込み電流Ｉ１が流されるため、半選択メモリセルの自由強磁性層３の反転核形成領域６１の磁化が反転されるが、これは、半選択メモリセルの自由強磁性層３全体の磁化の反転を引き起こさない。なぜなら、書き込み電流Ｉ１が除去されると、反転核形成領域６１の磁化は元に戻るからである。
【００６４】
加えて、本実施形態の書き込み動作によれば、書き込み電流を小さくすることができる。書き込み電流Ｉ１には、磁化が反転されやすく形成された反転核形成領域６１の磁化を反転させるのに必要な電流レベルしか要求されないので、書き込み電流Ｉ１の電流レベルは小さくてもよい。加えて、書き込み電流Ｉ１によって反転核形成領域６１の磁化が反転され、反転核形成領域６１に磁気的に結合された磁壁移動領域６２の磁化が反転されやすくなるため、書き込み電流Ｉ２の電流レベルも小さくすることができる。このように、本実施形態の書き込み動作では、書き込み電流Ｉ１、Ｉ２の両方の電流レベルを小さくすることができ、したがって、全体として必要な書き込み電流も低減することができる。
【００６５】
以下では、本実施形態の書き込み動作が、書き込み電流を有効に低減することをシミュレーションの結果に基づいて説明する。図７は、グローバル書き込み配線５によって生成される書き込み磁場Ｈ１を様々に変化させた場合における、自由強磁性層３の磁化を反転させるのに必要な、ローカル書き込み配線６によって生成される書き込み磁場Ｈ２の大きさを示すグラフである。図７は、シミュレーションによって得られており、当該シミュレーションでは、書き込み磁場Ｈ１は、グローバル書き込み配線５の自由強磁性層３への投影に対応する、幅Ｗの領域において一定であり、且つ、書き込み磁場Ｈ２は、自由強磁性層３において一定であると近似されている。自由強磁性層３のＹ軸方向における長さＬは、ローカル書き込み配線６のＹ軸方向における幅と同一であることに留意されたい。図７において、書き込み磁場Ｈ１、Ｈ２は、Ｙ軸方向にのみ磁場が存在するときの自由強磁性層３の反転磁場Ｈｃ（抗磁場）で規格化されて示されている。グローバル書き込み配線５の幅Ｗは、自由強磁性層３の長さＬと同一である。比較例として、グローバル書き込み配線５の幅Ｗが自由強磁性層３の長さＬと同一であり、自由強磁性層３の全体に磁場が印加される場合に自由強磁性層３の磁化を反転させるのに必要な書き込み磁場Ｈ２を白抜き四角及び破線で図示している。
【００６６】
図７に示されているように、グローバル書き込み配線５が反転核形成領域６１のみに近接して配置された（Ｗ＝Ｌ／３）第１の実施形態の磁気メモリは、グローバル書き込み配線５が自由強磁性層３の全体に磁場を印加するように配置されている比較例と比べ、自由強磁性層３の磁化を反転させるのに必要な書き込み磁場Ｈ２が大きい。これは、一見、第１の実施形態の磁気メモリが、比較例の磁気メモリよりも書き込み特性に劣る結果に理解されるかもしれない。
【００６７】
しかし、このような理解は正しくない。グローバル書き込み配線５の幅Ｗが細く形成されていることにより、本実施形態の磁気メモリでは、グローバル書き込み配線５によって発生される書き込み磁場Ｈ１が反転核形成領域６１において局所的に大きくなる。この効果により、本実施形態の磁気メモリは、小さな書き込み電流で自由強磁性層３の磁化を反転させることができる。
【００６８】
図８は、グローバル書き込み配線５に流される書き込み磁場Ｉ１を様々に変化させた場合における、自由強磁性層３の磁化を反転させるのに必要な、ローカル書き込み配線６に流される書き込み磁場Ｉ２の大きさを示すグラフである。図８のグラフはシミュレーションによって得られており、当該シミュレーションでは、同一の磁界を発生させるのに必要な電流は、配線の幅に比例すると近似されている。横軸は、グローバル書き込み配線５に流される書き込み磁場Ｉ１を現しており、縦軸は、ローカル書き込み配線６に流される書き込み磁場Ｉ２を現している。図８のグラフにおいて、書き込み電流Ｉ１は、グローバル書き込み配線５の幅Ｗが自由強磁性層３の長さＬと等しい場合において、グローバル書き込み配線５のみに電流を流したときに、自由強磁性層３の磁化を反転させるのに必要な電流（反転電流）の大きさＩｃ１で規格化され、書き込み電流Ｉ２は、ローカル書き込み配線６の幅が自由強磁性層３の長さＬと等しい場合において、ローカル書き込み配線６のみに電流を流したときに、自由強磁性層３の磁化を反転させるのに必要な電流（反転電流）の大きさＩｃ２で規格化されている。
【００６９】
図８に示されているように、書き込み電流Ｉ１がＩ１／Ｉｃ１＜０．５の範囲にある場合、グローバル書き込み配線５を反転核形成領域６１のみに近接して配置した場合（Ｗ＝Ｌ／３）のほうが、磁気抵抗素子４の全体に磁場を印加した場合（Ｗ＝Ｌ）と比べ、自由強磁性層３の磁化を反転させるのに必要な書き込み電流Ｉ２の値は小さい。例えば、本実施形態において（Ｗ＝Ｌ／３）、グローバル書き込み配線５に流される書き込み電流Ｉ１が電流Ｉｃ１の約２０％である場合には、自由強磁性層３の磁化を反転させるのに必要な書き込み電流Ｉ２は、電流Ｉｃ２の約６０％である。本実施形態において自由強磁性層３の磁化を反転させるのに必要な書き込み電流Ｉ２の大きさは、磁気抵抗素子４の全体に磁場を印加した場合の書き込み電流Ｉ２の大きさの約７６％に低減されている。このように、本実施形態の磁気メモリは、グローバル書き込み配線５を反転核形成領域６１のみに近接して配置することにより、データ書き込みに必要な書き込み電流を低減することができる。
【００７０】
続いて、選択グローバル書き込み配線に流される書き込み電流Ｉ１の電流レベルの決定方法について、書き込み電流Ｉ１と自由強磁性層３の磁化の関係を示すグラフである図９を参照しながら説明する。図９において、自由強磁性層３の磁化Ｍは、飽和磁化Ｍｓによって規格化されている。Ｍ／Ｍｓが−１であることは、自由強磁性層３の磁化が完全に−Ｙ方向を向いていることを意味しており、Ｍ／Ｍｓが１であることは、自由強磁性層３の磁化が完全に＋Ｙ方向を向いていることを意味している。加えて、図９においては自由強磁性層３の磁化反転の様子が、模式図によって示されている。図９のグラフは、シミュレーションによって得られている。
【００７１】
グローバル書き込み配線５に書き込み電流Ｉ１を印加する前に、−Ｙ方向（図９の左方向）を向いていたとする。グローバル書き込み配線５に流される書き込み電流Ｉ１を次第に増大させると、自由強磁性層３の磁化は、書き込み電流Ｉ１が電流レベルＩ１ａ、電流レベルＩ１ｂ、電流レベルＩ１ｃのときに急峻な変化を示す。電流レベルＩ１ａは、反転核形成領域６１の中間に磁壁が形成される電流レベルであり、電流レベルＩ１ｂは、反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２との境界に磁壁が形成され始める最小の電流レベルであり、電流レベルＩ１ｃは、自由強磁性層３全体の磁化が反転される最小の電流レベルである。書き込み電流Ｉ１が電流レベルＩ１ｃを超えると、自由強磁性層３の磁化が完全に＋Ｙ方向を向き、書き込み電流Ｉ１を０に戻しても磁化の向きは＋Ｙ軸方向に維持される。
【００７２】
グローバル書き込み配線５に流される書き込み電流Ｉ１が、電流レベルＩ１ｂと電流レベルＩ１ｃとの間の電流レベルである場合、反転核形成領域６１の磁化は反転し、反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２との境界に磁壁を生じる。書き込み電流Ｉ１を電流レベルＩ１ｃ以下の電流レベルまで増加させた後、書き込み電流Ｉ１を０に戻すと、自由強磁性層３の磁化の方向は−Ｙ方向に戻り、書き込み電流Ｉ１を印加する前の状態に戻る。これは、反転核形成領域６１の磁化と磁壁移動領域６２の磁化が互いに平行に向いた方が交換エネルギーを低下できるので、磁化が反転しやすい反転核形成領域６１の磁化が磁壁移動領域６２の磁化の向きに揃うためである。
【００７３】
図９のグラフに示された特性から、半選択メモリセルへのデータの誤書き込みを防止するための書き込み電流Ｉ１の上限は、電流レベルＩ１ｃであることがわかる。書き込み電流Ｉ１が電流レベルＩ１ｃ以下であれば、たとえ半選択メモリセル１０の反転核形成領域６１の磁化が反転しても、グローバル書き込み配線５への書き込み電流Ｉ１の供給を停止すると、半選択メモリセルの反転核形成領域６１の磁化は書き込み電流Ｉ１を印加する前の向きに戻る。グローバル書き込み配線５に、反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２との境界に磁壁が生成される電流レベルＩ１ｂ程度の書き込み電流Ｉ１を流せば、前記した書き込み電流の低減効果を得ることができる。したがって、グローバル書き込み配線５に流される書き込み電流Ｉ１の書き込みマージンは、おおよそ電流レベルＩ１ｂから電流レベルＩ１ｃの領域である。
【００７４】
メモリセル１０の選択性を高めるためには、グローバル書き込み配線５によって発生される書き込み磁場Ｈ１を、反転核形成領域６１に集中させることが有効である。書き込み磁場Ｈ１を、反転核形成領域６１に集中させる一つの手段は、グローバル書き込み配線５と自由強磁性層３の距離Ｄを小さくすることである。グローバル書き込み配線５と自由強磁性層３の距離Ｄを小さくすることにより、メモリセル１０の選択性を高めることができる。
【００７５】
このことは、上述された電流レベルＩ１ａ、電流レベルＩ１ｂ、電流レベルＩ１ｃと、グローバル書き込み配線５と自由強磁性層３の距離Ｄの間の関係を示すグラフである図１０から理解される。ここで、電流レベルＩ１ａは、反転核形成領域６１の中間に磁壁が形成される電流レベルであり、電流レベルＩ１ｂは、反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２との境界に磁壁が形成され始める最小の電流レベルであり、電流レベルＩ１ｃは、自由強磁性層３全体の磁化が反転される最小の電流レベルである。
【００７６】
図１０から、グローバル書き込み配線５と自由強磁性層３の距離Ｄが近づくと、反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２との境界に磁壁が形成される電流レベルＩ１ｂは減少すると同時に、自由強磁性層３全体の磁化が反転する電流レベルＩ１ｃは増加することがわかる。これは、グローバル書き込み配線５と自由強磁性層３の距離Ｄを近づけると、グローバル書き込み配線５によって発生された書き込み磁場Ｈ１が反転核形成領域６１に一層に集中されるためである。グローバル書き込み配線５によって発生される書き込み磁場Ｈ１は反転核形成領域６１においては大きくなり、かつ、磁壁移動領域６２においては小さくなる。したがって、反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２との境界に磁壁が形成される電流レベルＩ１ｂが小さくなると同時に、磁壁移動領域６２に磁壁を広げるのに必要な電流レベルＩ１ｃが大きくなる。グローバル書き込み配線５によって発生される書き込み磁場Ｈ１を反転核形成領域６１に集中させることにより、書き込み磁場Ｈ１によって半選択メモリセルにデータを誤って書き込まないための書き込みマージンを大きくできる。つまり、グローバル書き込み配線５と自由強磁性層３の距離Ｄを近づけることにより、メモリセルの選択性を向上させることができる。
【００７７】
グローバル書き込み配線５によって発生される書き込み磁場Ｈ１を、反転核形成領域６１に集中させるためには、他の手法も採用され得る。１つの手法は、グローバル書き込み配線５の幅Ｗを細くすることである。他の手法は、グローバル書き込み配線５の自由強磁性層３に対向する面以外の３つ面に軟磁性体で形成されたヨーク層を設けることである。
【００７８】
書き込みマージンを大きくする更に他の方法としては、反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２の間の境界部に、自由強磁性層３の短軸方向に延伸する凹部や凸部を設けることである。このようにすることで、磁壁がその凹部または凸部で止まりやすくなり、自由強磁性層３全体の磁化が反転する電流レベルＩ１ｃを大きくすることができる。
【００７９】
２．第２の実施形態
図１１は、本発明の第２の実施形態の磁気メモリのメモリセル１０（及びリファレンスセル１０ｒ）の構成を示す断面図である。第２の実施形態のメモリセル１０は、スピン偏極電流を用いて自由強磁性層３の磁化を反転させる。当業者に知られているように、スピン偏極電流を用いて自由強磁性層３の磁化を反転させる技術は、特に磁気メモリの集積度が高い場合に、書き込み電流を低減させるために有効である。スピン偏極電流を用いて自由強磁性層３の磁化を反転させるために、第２の実施形態のメモリセル１０は、第１の実施形態のメモリセル１０とは異なる構成を有している。第２の実施形態の磁気メモリのその他の回路の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００８０】
図１１に示されているように、第２の実施形態のメモリセル１０は、磁気抵抗素子４と、第１トランジスタ５１と、第２トランジスタ５２と、第１ローカル配線５３と、第２ローカル配線５４と、コンタクト８、１１、１２とを含む。
【００８１】
磁気抵抗素子４は、固定強磁性層１と、非磁性層２と、自由強磁性層３とを備えている。本実施形態では、第１の実施形態とは異なり、自由強磁性層３の上に非磁性層２が形成され、非磁性層２の上に固定強磁性層１が形成されている。固定強磁性層１は、Ｙ軸方向に固定された自発磁化を有しており、コンタクト８を介して、接地配線７に電気的に接続されている。自由強磁性層３は、その一端の付近に設けられたコンタクト１１を介して第１ローカル配線５３に接続され、他端の付近に設けられたコンタクト１２を介して第２ローカル配線５４に接続されている。自由強磁性層３は、Ｙ軸方向に平行に反転可能な自発磁化を有している。即ち、自由強磁性層３の磁化は、固定強磁性層１の自発磁化と同一の向きを向く“平行”状態と、逆の向きを向く“反平行”状態とをとることが許されている。メモリセル１０は、自由強磁性層３の自発磁化の向きとしてデータを記憶する。非磁性層２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＭｇＯのような絶縁体で形成される。非磁性層２の厚さは、厚さ方向にトンネル電流が流れる程度に薄い。非磁性層２の厚さ方向の抵抗は、自由強磁性層３の自発磁化の向きに応じて変化する。従って、磁気抵抗素子４の抵抗の変化によって、磁気抵抗素子４に記憶されているデータを判別可能である。磁気抵抗素子４は、グローバル書き込み配線５の近傍に設けられているが、グローバル書き込み配線５からは層間絶縁膜によって電気的に絶縁されている。
【００８２】
第１トランジスタ５１は、第１ビット線２２と第１ローカル配線５３の間に設けられ、ワード線２１の電圧レベルに応じてオンオフされる。同様に、第２トランジスタ５２は、第２ビット線２３と第２ローカル配線５４の間に設けられ、ワード線２１の電圧レベルに応じてオンオフされる。対応するワード線２１が選択されると、第１トランジスタ５１は、自由強磁性層３を第１ビット線２２に接続し、第２トランジスタ５２は、自由強磁性層３を第２ビット線２３に接続する。
【００８３】
図１２は、第２の実施形態のメモリセル１０（及びリファレンスセル１０ｒ）の構成を示す平面図である。第１の実施形態と同様に、第２の実施形態でも、自由強磁性層３は、反転核が形成されやすい反転核形成領域６１と磁壁が移動して反転が起こりやすい磁壁移動領域６２から構成されている。磁壁移動領域６２よりも反転核形成領域６１の磁化反転を起こりやすくするために、自由強磁性層３は、反転核形成領域６１のＸ軸方向の幅が磁壁移動領域６２よりも広くなるような形状に形成されている。図１２に示された自由強磁性層３の形状では、反転核形成領域６１は、略円形に形成されているが、反転核形成領域６１の形状は、図１２に示された形状に限定されない。グローバル書き込み配線５は、自由強磁性層３の反転核形成領域６１の近傍に、反転核形成領域６１に対向するように配置される。このような配置によりグローバル書き込み配線５によって発生された磁場は、その大部分が反転核形成領域６１に印加される。
【００８４】
自由強磁性層３の反転核形成領域６１は、コンタクト１２を介して第１トランジスタ５１のドレインに接続され、磁壁移動領域６２は第２トランジスタ５２のドレインに電気的に接続されている。第１トランジスタ５１、第２トランジスタ５２がターンオンされると、自由強磁性層３の磁壁移動領域６２が第１ビット線２２に接続され、反転核形成領域６１が第２ビット線２３に接続される。この状態で、第１ビット線２２から第２ビット線２３に電流が流されると、スピン偏極電子が反転核形成領域６１から磁壁移動領域６２に注入される。即ち、自由強磁性層３の磁壁移動領域６２にスピン偏極電流が流れる。
【００８５】
第２の実施形態では、メモリセル１０へのデータ書き込みは、グローバル書き込み配線５に書き込み電流Ｉ１を書き込みデータに応じた方向に流し、自由強磁性層３に、−Ｙ軸方向に書き込み電流Ｉ２を流すことによって行われる。本実施形態では、書き込み電流Ｉ１の向きは、書き込みデータの値に応じて決定される一方で、書き込み電流Ｉ２の向きは、固定されている。
【００８６】
図１３は、第２の実施形態におけるメモリセル１０へのデータ書き込みを示す図である。選択メモリセルでは、選択グローバル書き込み配線に流される書き込み電流Ｉ１によってＹ軸方向に平行に書き込み磁場Ｈ１が発生され、書き込み磁場Ｈ１により、反転核形成領域６１の磁化は、書き込まれるべきデータに応じた方向に向けられる。加えて、選択メモリセルの自由強磁性層３に、−Ｙ方向に（即ち、磁壁移動領域６２から反転核形成領域６１に）書き込み電流Ｉ２が流され、反転核形成領域６１の磁化によってスピン偏極された電子が反転核形成領域６１から磁壁移動領域６２に注入される。これにより、磁壁移動領域６２の磁化が反転核形成領域６１の向きと同じ方向に向けられる。このようにして、自由強磁性層３の磁化は、書き込みデータに応じた方向に反転される。
【００８７】
第１の実施形態と同様に、書き込み電流Ｉ１の大きさは、自由強磁性層３の反転核形成領域６１の磁化が反転される一方で、磁壁移動領域６２の磁化が反転されない程度の大きさに選ばれる。これにより、半選択メモリセルの自由強磁性層３の磁化は、反転されない。即ち、半選択メモリセルへの誤書き込みが有効に防止される。反転核形成領域６１の磁化は反転しやすいため、大きな書き込み電流Ｉ１は必要ないことに留意されたい。
【００８８】
一方、書き込み電流Ｉ２は、選択メモリセルにのみ供給されるため、選択メモリセル以外のメモリセル１０のデータを書き換えることがほとんどない。即ち、本実施形態の磁気メモリは、メモリセル１０の選択性が良好である。書き込み電流Ｉ２の大きさは、好適には、書き込み電流Ｉ１によって反転核形成領域６１の磁化が反転された状態にある場合に、自由強磁性層３の全体の磁化が反転可能であるような大きさに選択される。反転核形成領域６１の磁化が反転されない状態でも自由強磁性層３の全体の磁化が反転可能であるような電流レベルを有する書き込み電流Ｉ２をローカル書き込み配線６に流すことは、本実施形態の磁気メモリの書き込み動作としては許容されるが、書き込み電流Ｉ２の低減という観点からは好適でない。
【００８９】
第２の実施形態の磁気メモリでも、第１の実施形態と同様に、メモリセルの選択性を向上させながら、書き込み電流を小さくすることができる。第２の実施形態の磁気メモリでは、選択メモリセルのみの自由強磁性層３に書き込み電流Ｉ２が流されるため、メモリセル１０の選択性が高い。加えて、書き込み電流Ｉ１には、磁化が反転されやすく形成された反転核形成領域６１の磁化を反転させるのに必要な電流レベルしか要求されないので、書き込み電流Ｉ１の電流レベルは小さくてよく、また、書き込み電流Ｉ１によって反転核形成領域６１の磁化が反転され、反転核形成領域６１に磁気的に結合された磁壁移動領域６２の磁化が反転されやすくなるため、書き込み電流Ｉ２の電流レベルも小さくてよい。従って、全体として必要な書き込み電流も低減することができる。
【００９０】
３．第３の実施形態
図１４は、本発明の第３の実施形態の磁気メモリの構成を示すブロック図である。第３の実施形態の磁気メモリは、複数のメモリセル１０に共用されるグローバル書き込み配線５を排除することによってメモリセル１０の選択性を向上させることを目的としている。第１の実施形態、第２の実施形態では、選択されたグローバル書き込み配線５に書き込み電流Ｉ１を流すと、半選択メモリセルの自由強磁性層３に、書き込み磁場Ｈ１が印加されてしまう。確かに、書き込み電流Ｉ１の電流レベルを適切に決定することにより、半選択メモリセルへのデータの誤書き込みを避けることは可能であるが、半選択メモリセルの自由強磁性層３に書き込み磁場Ｈ１が印加されない構成を採用することは、メモリセル１０の選択性の向上のために好ましい。第３の実施形態の磁気メモリは、グローバル書き込み配線５を排除することにより、半選択メモリセルの自由強磁性層３に書き込み磁場が印加されることを防ぎ、もってメモリセル１０の選択性を向上させる。これに伴い、メモリセル１０（及びリファレンスセル１０ｒ）の構成が変更される。加えて、グローバル書き込み配線５に書き込み電流を供給するＸ側電流源回路３９が除去される。
【００９１】
図１５は、第３の実施形態におけるメモリセル１０（及びリファレンスセル１０ｒ）の構成を示す断面図である。第３の実施形態のメモリセル１０は、磁気抵抗素子４と、第１ローカル書き込み配線６Ａと、第２ローカル書き込み配線６Ｂと、コンタクト８とを備えている。磁気抵抗素子４は、固定強磁性層１と、非磁性層２と、自由強磁性層３とを備えている。固定強磁性層１は、第２ローカル書き込み配線６Ｂの上に形成されており、Ｙ軸方向に固定された磁化を有する。非磁性層２は、固定強磁性層１の上に形成されている。本実施形態では、非磁性層２としては、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＭｇＯのような絶縁体が使用される。非磁性層２の膜厚は、トンネル電流が流れる程度に薄い。自由強磁性層３は、非磁性層２の上に形成されており、その磁化は、Ｙ軸方向に平行に反転可能である。自由強磁性層３の磁化は、固定強磁性層１の磁化と同一の向きを向く“平行”状態と、逆の向きを向く“反平行”状態とをとることが許されている。自由強磁性層３は、コンタクト８を介して、接地配線７に電気的に接続されている。第１ローカル書き込み配線６Ａは、自由強磁性層３の上方に、自由強磁性層３に対向するように設けられている。本実施形態では、第１ローカル書き込み配線６Ａと第２ローカル書き込み配線６Ｂとは、自由強磁性層３に対して反対の位置にあることに留意されたい。第１ローカル書き込み配線６Ａと第２ローカル書き込み配線６Ｂとに互いに反対の方向の電流を流すと、自由強磁性層３には磁場が同一の方向に印加されることになる。
【００９２】
図１６は、本発明のＭＲＡＭの第３の実施の形態におけるメモリセル近傍の平面図である。第１、第２の実施形態と同様に、自由強磁性層３は、反転核が形成されやすい反転核形成領域６１と磁壁が移動して反転が起こりやすい磁壁移動領域６２から構成される。磁壁移動領域６２よりも反転核形成領域６１の磁化反転を起こりやすくするために、自由強磁性層３は、反転核形成領域６１のＸ軸方向の幅が磁壁移動領域６２よりも広くなるような形状に形成されている。図１２に示された自由強磁性層３の形状では、反転核形成領域６１は、略円形に形成されているが、反転核形成領域６１の形状は、図１２に示された形状に限定されない。
【００９３】
第１ローカル書き込み配線６Ａと第２ローカル書き込み配線６Ｂとは、コンタクト１３を介して電気的に接続されている。コンタクト１３は、第１ローカル書き込み配線６Ａと第２ローカル書き込み配線６Ｂの一方の端部（即ち、一方の端の近傍）に設けられる。コンタクト１３は、第２ローカル書き込み配線６Ｂから非磁性層２を貫通して固定強磁性層１に到達するように形成されてもよく、非磁性層２及び固定強磁性層１を貫通して第２ローカル書き込み配線６Ｂに到達するように形成されてもよい。第１ローカル書き込み配線６Ａのコンタクト１３と反対側の端部は、第１トランジスタ５１を介して第１ビット線２２に接続され、第２ローカル書き込み配線６Ｂのコンタクト１３と反対側の端部は、第２トランジスタ５２を介して第２ビット線２３に接続されている。
【００９４】
第１ローカル書き込み配線６Ａは、自由強磁性層３の反転核形成領域６１の近傍に、反転核形成領域６１のみに対向するように配置されるのに対し、第２ローカル書き込み配線６Ｂが、自由強磁性層３の全体に対向するように設けられる。このような配置により、第１ローカル書き込み配線６Ａによって発生される書き込み磁場Ｈ１は、その大部分が反転核形成領域６１に印加される一方、第２ローカル書き込み配線６Ｂによって発生される書き込み磁場Ｈ２は、自由強磁性層３の全体に印加される。
【００９５】
第３の実施形態では、書き込み動作は、以下のようにして行われる。Ｘ側セレクタ３８によってワード線２１のうちから選択ワード線が選択され、Ｙ側セレクタ４１により、第１ビット線２２のうちから選択第１ビット線が選択される。これにより、選択ワード線と選択第１ビット線との交点に対応するメモリセル１０が、選択メモリセルとして選択される。
【００９６】
更に、選択ワード線が活性化され、選択ワード線に接続されたメモリセル１０の第１トランジスタ５１及び第２トランジスタ５２がターンオンされる。これにより、選択メモリセルの第１ローカル書き込み配線６Ａが、選択第１ビット線に電気的に接続され、選択メモリセルの第２ローカル書き込み配線６Ｂが選択第１ビット線と対を成す第２ビット線２３（選択第２ビット線）に電気的に接続される。
【００９７】
加えて、更に、選択メモリセルの第１ローカル書き込み配線６Ａ、第２ローカル書き込み配線６Ｂには、Ｙ側電流源回路４２によって選択第１ビット線及び選択第２ビット線を介して書き込み電流Ｉ３が流される。書き込み電流Ｉ３の向きは、書き込みデータの値に対応して決定される。例えば、書き込みデータが”１”である場合には、書き込み電流Ｉ３が選択第１ビット線から第１ローカル書き込み配線６Ａ及び第２ローカル書き込み配線６Ｂを経て選択第２ビット線に流され、書き込みデータが”０”である場合には、書き込み電流Ｉ３が選択第２ビット線から第２ローカル書き込み配線６Ｂ及び第１ローカル書き込み配線６Ａを経て選択第１ビット線に流される。第１ローカル書き込み配線６Ａ、第２ローカル書き込み配線６Ｂにおいて書き込み電流Ｉ３が流れる方向は、互いに逆であることに留意されたい。
【００９８】
第１ローカル書き込み配線６Ａに書き込み電流Ｉ３が流されると、第１ローカル書き込み配線６Ａによって書き込み磁場Ｈ１が、第２ローカル書き込み配線６Ｂによって書き込み磁場Ｈ２が発生される。発生された書き込み磁場Ｈ１、Ｈ２によって自由強磁性層３の磁化が反転される。第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、書き込み磁場Ｈ１は、実質的に反転核形成領域６１にのみ印加され、書き込み磁場Ｈ２は、自由強磁性層３の全体に印加されるから、第１の実施形態と同様に、書き込み磁場Ｈ１、Ｈ２を発生させる電流（即ち、書き込み電流Ｉ３）を低減することができる。
【００９９】
加えて、第３の実施形態では、複数のメモリセル１０によって共用されるグローバル書き込み配線５をメモリセルアレイ３１に設ける代わりに、メモリセル１０のそれぞれに第１ローカル書き込み配線６Ａが集積化されている。書き込み電流Ｉ３は、選択メモリセルのみの第１ローカル書き込み配線６Ａ、第２ローカル書き込み配線６Ｂに流される。これにより、選択メモリセル以外のメモリセルには書き込み磁場が印加されず、選択メモリセル以外のメモリセル１０のデータは、誤って書き換えられることがほとんどない。
【０１００】
以上に説明されているように、第３の実施形態の磁気メモリは、書き込み電流が小さい上、メモリセルの選択性に一層に優れている。
【０１０１】
図１７は、第３の実施形態の変形例における自由強磁性層３の形状を示す平面図である。図１７の自由強磁性層３は、磁壁移動領域６２のＸ軸方向の幅が、反転核形成領域６１から遠ざかるほど細くなるような形状を有している。磁壁移動領域６２をこのような形状に形成することにより、反転核形成領域６１で形成された磁壁が磁壁移動領域６２を通過して自由強磁性層３の全体の磁化が反転するのに必要な磁場を小さくすることができる。これは、系のエネルギーが、磁壁の（Ｘ軸方向の）幅が小さいほど小さくなるからである。磁壁移動領域６２が反転核形成領域６１から遠ざかるほど細い場合、磁壁の幅は、磁壁の位置が反転核形成領域６１から遠ざかるほど狭くなる。これは、系のエネルギーが、磁壁の位置が反転核形成領域６１から遠ざかるほど小さくなることを意味している。従って、図１７に図示されている形状の自由強磁性層３では、反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２との境界に磁壁が到達すると、磁壁は自動的に磁壁移動領域６２を通過し、自由強磁性層３の全体の磁化が反転する。したがって、自由強磁性層３の全体の磁化が反転するのに必要な磁場が小さくなる。
【０１０２】
発明者は、このような現象を、シミュレーションによって検証している。図１８は、図１７に図示されている自由強磁性層３の磁化反転をシュミレーションした結果を示すグラフであり、具体的には、第１ローカル書き込み配線６Ａに流される書き込み電流Ｉ３と、自由強磁性層３の磁化Ｍとの関係を示すグラフである。図１８には、磁化反転の様子が模式図で示されている。図１８において、自由強磁性層３の磁化Ｍは、飽和磁化Ｍｓによって規格化されている。Ｍ／Ｍｓが−１であることは、自由強磁性層３の磁化が完全に−Ｙ方向を向いていることを意味しており、Ｍ／Ｍｓが１であることは、自由強磁性層３の磁化が完全に＋Ｙ方向を向いていることを意味している。
【０１０３】
図１８のシミュレーションでは、初期状態において、自由強磁性層３の全体の磁化が−Ｙ方向に向いていると仮定されている。書き込み電流Ｉ３が増大されると、電流レベルＩ１ａ、Ｉ１ｂで自由強磁性層３の磁化に急峻な変化が現れ、最終的には、自由強磁性層３の全体の磁化が、＋Ｙ方向に反転する。電流レベルＩ１ａは、反転核形成領域６１の中間に磁壁が生成される最小の書き込み電流である。
【０１０４】
図１８のグラフには、反転核形成領域６１と磁壁移動領域６２との境界に磁壁が生成される最小の書き込み電流である電流レベルＩ１ｂと、自由強磁性層３全体の磁化が反転される最小の電流レベルＩ１ｃとが分離して現れない。これは、図１７に示されている形状の自由強磁性層３では、磁壁が磁壁移動領域６２を移動するのに必要な磁場が充分に小さいことを意味している。このような現象が現れるのは、磁壁移動領域６２が反転核形成領域６１から遠ざかるほど細いため、系のエネルギーが下がるように、磁壁の幅が細くなるように方向に磁壁が自律的に移動するためである。
【０１０５】
上記のように、本発明のＭＲＡＭの第３の実施の形態の変形例では、反転核形成領域６１から遠ざかるほど細い磁壁移動領域６２を有する自由強磁性層３が用いられる。これにより、反転核形成領域６１で形成された磁壁が磁壁移動領域６２を移動するのに必要な磁場を小さくし、これにより、データを書き込むのに必要な書き込み電流を小さくすることができる。
【０１０６】
４．第４の実施形態
第４の実施形態の磁気メモリは、図１４に図示されている第３の実施形態の回路構成と同様の回路構成を採用し、これにより、メモリセル１０で共有されるグローバル書き込み配線５を排除している。上述のように、グローバル書き込み配線５を排除することは、メモリセル１０の選択性を向上させるために重要である。
【０１０７】
加えて、第４の実施形態の磁気メモリは、スピン偏極電流によってメモリセル１０の自由強磁性層３の磁化を反転するように構成される。当業者に知られているように、スピン偏極電流を用いて自由強磁性層３の磁化を反転させる技術は、特に磁気メモリの集積度が高い場合に、書き込み電流を低減させるために有効である。スピン偏極電流を用いて自由強磁性層３の磁化を反転させるために、第４の実施形態では、第３の実施形態と異なる構成のメモリセル１０が使用される。
【０１０８】
図１９は、本発明の第４の実施形態の磁気メモリのメモリセル１０の構成を示す断面図である。第４の実施形態のメモリセル１０は、磁気抵抗素子４と、第１書き込み配線５５と、第２書き込み配線５６と、第３書き込み配線５７と、第４書き込み配線５８と、第１トランジスタ５１と、第２トランジスタ５２と、接地配線７と、コンタクト８、１１、１２、１３、１４をと含む。
【０１０９】
磁気抵抗素子４は、固定強磁性層１と、非磁性層２と、自由強磁性層３とを備えている。本実施形態では、第３の実施形態とは異なり、自由強磁性層３の上に非磁性層２が形成され、非磁性層２の上に固定強磁性層１が形成されている。固定強磁性層１は、Ｙ軸方向に固定された自発磁化を有しており、コンタクト８を介して接地配線７に電気的に接続されている。自由強磁性層３は、その一端の付近に設けられたコンタクト１１を介して第４書き込み配線５８に接続され、他端の付近に設けられたコンタクト１２を介して第２書き込み配線５６に接続されている。自由強磁性層３は、Ｙ軸方向に平行に反転可能な自発磁化を有している。即ち、自由強磁性層３の磁化は、固定強磁性層１の自発磁化と同一の向きを向く“平行”状態と、逆の向きを向く“反平行”状態とをとることが許されている。メモリセル１０は、自由強磁性層３の自発磁化の向きとしてデータを記憶する。非磁性層２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＭｇＯのような絶縁体で形成される。非磁性層２の厚さは、厚さ方向にトンネル電流が流れる程度に薄い。非磁性層２の厚さ方向の抵抗は、自由強磁性層３の自発磁化の向きに応じて変化する。従って、磁気抵抗素子４の抵抗の変化によって、磁気抵抗素子４に記憶されているデータを判別可能である。
【０１１０】
第１書き込み配線５５及び第３書き込み配線５７は、磁気抵抗素子４の近傍に配置され、自由強磁性層３の上面に対向するように配置されている。第１書き込み配線５５は、第１トランジスタ５１を介して第１ビット線２２に接続され、第３書き込み配線５７は、第２トランジスタ５２を介して第２ビット線２３に接続されている。
【０１１１】
図２０は、メモリセル１０の平面レイアウトを示す平面図である。本実施形態のメモリセル１０の自由強磁性層３は、反転核が形成されやすい反転核形成領域６１Ａ、６１Ｂと磁壁が移動して反転が起こりやすい磁壁移動領域６２とを含む。本実施形態では、磁壁移動領域６２の両端に反転核形成領域６１Ａ、６１Ｂが接続されていることに留意されたい。反転核形成領域６１Ａは、磁壁移動領域６２の−Ｙ方向の端に接合され、反転核形成領域６１Ｂは、磁壁移動領域６２の＋Ｙ方向の端に接合されている。反転核形成領域６１Ａ、６１Ｂの（磁化の向きと直交する方向である）Ｘ軸方向の幅は、磁壁移動領域６２の幅より広く、したがって、反転核形成領域６１Ａ、６１Ｂの磁化は、磁壁移動領域６２の磁化よりも反転されやすい。図２０のメモリセル１０では、反転核形成領域６１Ａ、６１Ｂが略円形の形状を有しているが、反転核形成領域６１Ａ、６１Ｂの形状は、略円形に限定されない。第１書き込み配線５５及び第３書き込み配線は、Ｘ軸方向に延伸するように設けられており、且つ、それぞれ、反転核形成領域６１Ａ、６１Ｂにのみ対向するように設けられている。
【０１１２】
図２１は、メモリセル１０の構成、特に、第１乃至第４書き込み配線５５〜５８の配置を示す斜視図である。第１書き込み配線５５の一方の端部は、第１トランジスタ５１に接続され、他方の端部は、コンタクト１３を介して第２書き込み配線５６に接続されている。第２書き込み配線５６の一方の端部は、コンタクト１３に接続され、他方の端部は、コンタクト１２を介して自由強磁性層３の反転核形成領域６１Ａに接続されている。第３書き込み配線５７の一方の端部は、第２トランジスタ５２に接続され、他方の端部は、コンタクト１４を介して第４書き込み配線５８に接続されている。第４書き込み配線５８の一方の端部は、コンタクト１４に接続され、他方の端部は、コンタクト１１を介して自由強磁性層３の反転核形成領域６１Ｂに接続されている。
【０１１３】
このような構成のメモリセル１０では、第１乃至第４書き込み配線５５〜５８を介して、第１ビット線２２と第２ビット線２３との間に書き込み電流Ｉ３を流すことができる。詳細には、第１ビット線２２から第２ビット線２３に書き込み電流Ｉ３が流される場合、書き込み電流Ｉ３は、第１ビット線２２から、順に第１トランジスタ５１、第１書き込み配線５５、コンタクト１３、第２書き込み配線５６、コンタクト１２、自由強磁性層３、コンタクト１１、第４書き込み配線５８、コンタクト１４、第３書き込み配線５７及び第２トランジスタ５２を通過して第２ビット線２３に到達する。一方、書き込み電流Ｉ３が第２ビット線２３から第１ビット線２２に流される場合には、書き込み電流Ｉ３は、逆の経路を通過する。後述されるように、書き込み電流Ｉ３の向きは、メモリセル１０に書き込むべきデータに応じて決定される。
【０１１４】
第１書き込み配線５５と第２書き込み配線５６とは、コイル構造をなしており、書き込み電流Ｉ３が流されると反転核形成領域６１Ａに同一の方向に磁場を作用することに留意されたい。書き込み電流Ｉ３は、第１書き込み配線５５及び第２書き込み配線５６において逆方向に流れるが、第１書き込み配線５５及び第２書き込み配線５６は、反転核形成領域６１Ａを挟んで逆に位置している。従って、第１書き込み配線５５及び第２書き込み配線５６は、反転核形成領域６１Ａに同一の方向に磁場を作用する。同様に、第３書き込み配線５７と第４書き込み配線５８とは、コイル構造をなしており、書き込み電流Ｉ３が流されると反転核形成領域６１Ｂに同一の方向に磁場を作用する。
【０１１５】
このメモリセル１０に対してデータの書き込みが行われる場合、選択されたワード線２１が活性化され、選択されたメモリセル１０の第１トランジスタ５１、第２トランジスタ５２がターンオンされる。更に、選択された第１ビット線２２、第２ビット線２３の間に書き込み電流Ｉ３が流される。これにより、選択されたメモリセル１０の第１乃至第４書き込み配線５５〜５８に、書き込み電流Ｉ３が、書き込まれるデータに応じた方向に流される。書き込み電流Ｉ３は、選択されたメモリセル１０しか流れないことに留意されたい。
【０１１６】
図２２に示されているように、書き込み電流Ｉ３が流されると、第１書き込み配線５５と第２書き込み配線５６によって発生された磁場によって反転核形成領域６１Ａの磁化が書き込まれるべきデータに応じた方向に向けられ、更に、第３書き込み配線５７と第４書き込み配線５８によって発生された磁場によって反転核形成領域６１Ｂの磁化が書き込まれるべきデータに応じた方向に向けられる。
【０１１７】
書き込み電流Ｉ３は、更に、反転核形成領域６１Ａ、６１Ｂを通って磁壁移動領域６２に流される。これにより、スピン偏極された電子が反転核形成領域６１Ａ又は６１Ｂから磁壁移動領域６２に注入され、自由強磁性層３の全体の磁化が所望の方向に向けられる。例えば、自由強磁性層３の磁化が−Ｙ方向に向けられた状態をデータ”０”、＋Ｙ方向に向けられた状態をデータ”１”と定義して、書き込み動作を説明する。
【０１１８】
選択されたメモリセル１０がデータ”０”からデータ”１”に書き換えられる場合、反転核形成領域６１Ａ（及び６１Ｂ）の磁化が、第１書き込み配線５５と第２書き込み配線５６によって発生される磁場によって＋Ｙ方向に向けられる。更に、反転核形成領域６１Ｂから反転核形成領域６１Ａに向かう方向に書き込み電流Ｉ３が流されると、スピン偏極された電子が反転核形成領域６１Ａから磁壁移動領域６２に注入され、これにより、磁壁移動領域６２の磁化が（反転核形成領域６１Ａと同じ）＋Ｙ方向に反転される。
【０１１９】
一方、選択されたメモリセル１０が、データ”１”からデータ”０”に書き換えられる場合、反転核形成領域６１Ｂ（及び６１Ａ）の磁化が、第３書き込み配線５７と第４書き込み配線５８によって発生される磁場によって−Ｙ方向に向けられる。更に、反転核形成領域６１Ａから反転核形成領域６１Ｂに向かう方向に書き込み電流Ｉ３が流されると、スピン偏極された電子が反転核形成領域６１Ｂから磁壁移動領域６２に注入され、これにより、磁壁移動領域６２の磁化が（反転核形成領域６１Ｂと同じ）−Ｙ方向に反転される。
【０１２０】
以上に説明されているように、第４の実施形態では、自由強磁性層３に書き込み電流Ｉ３を流して反転核形成領域６１Ａ又は６１Ｂからスピン偏極された電子を磁壁移動領域６２に注入することにより、データの書き込みを行うことができる。本実施形態の磁気メモリでは、反転核形成領域６１Ａ、６１Ｂが、その磁化が反転されやすいように構成され、且つ、反転核形成領域６１Ａ、６１Ｂによって磁壁移動領域６２の磁化の反転が促進されるため、データ書き込みに必要な電流を小さくすることができる。
【０１２１】
更に、本実施形態では、書き込み電流Ｉ３が選択されたメモリセル１０以外のメモリセル１０には流されないため、メモリセル１０の選択性を向上させることができる。
【０１２２】
本発明は上記の各実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適宜変更され得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】図１は、典型的な磁気抵抗素子の構造を示す断面図である。
【図２】図２は、従来の磁気メモリの構成を示す回路図である。
【図３】図３は、アステロイドカーブを示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態の磁気メモリの構成を示す回路図である。
【図５】図５は、第１の実施形態におけるメモリセルの構成を示す断面図である。
【図６】図６は、第１の実施形態におけるメモリセルの構成を示す平面図である。
【図７】図７は、第１の実施形態の磁気メモリの反転に必要な磁場を示すグラフである。
【図８】図８は、第１の実施形態の磁気メモリの反転に必要な書き込み電流を示すグラフである。
【図９】図９は、書き込み電流と自由強磁性層の磁化の大きさとの関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、自由強磁性層と書き込み配線の距離と、磁化を所定の状態にするために必要な書き込み電流との関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、第２の実施形態におけるメモリセルの構成を示す断面図である。
【図１２】図１２は、第２の実施形態におけるメモリセルの構成を示す平面図である。
【図１３】図１３は、第２の実施形態における、自由強磁性層の磁化反転メカニズムを説明する図である。
【図１４】図１４は、第３の実施形態の磁気メモリの構成を示す回路図である。
【図１５】図１５は、第３の実施形態におけるメモリセルの構成を示す断面図である。
【図１６】図１６は、第３の実施形態におけるメモリセルの構成を示す平面図である。
【図１７】図１７は、第３の実施形態における自由強磁性層の構造の変形例を示す平面図である。
【図１８】図１８は、図１７に示された構造の自由強磁性層の磁化の大きさとの関係を示すグラフである。
【図１９】図１９は、第４の実施形態におけるメモリセルの構成を示す断面図である。
【図２０】図２０は、第４の実施形態におけるメモリセルの構成を示す平面図である。
【図２１】図２１は、第４の実施形態におけるメモリセルの、特に第１乃至第４書き込み配線の構造を示す斜視図である。
【図２２】図２２は、第４の実施形態における、自由強磁性層の磁化反転メカニズムを説明する図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１：固定強磁性層
２：非磁性層
３：自由強磁性層
４：磁気抵抗素子
５：グローバル書き込み配線
６：ローカル書き込み配線
６Ａ：第１ローカル書き込み配線
６Ｂ：第２ローカル書き込み配線
７：接地配線
８：コンタクト
１０、１１０：メモリセル
１０ｒ、１１０ｒ：リファレンスセル
１１、１２、１３、１４：コンタクト
２１：ワード線
２２：第１ビット線
２３：第２ビット線
２２ｒ：第１リファレンスビット線
２３ｒ：第２リファレンスビット線
３１、１３１：メモリセルアレイ
３８、１３８：Ｘ側セレクタ
３９、１３９：Ｘ側電流源回路
４０、１４０：Ｘ側終端回路
４１、１４１：Ｙ側セレクタ
４２、１４２：Ｙ側電流源回路
４３、１４３：読み出し電流負荷回路
４４、１４４：Ｙ側終端回路
４５、１４５：センスアンプ
５１：第１トランジスタ
５２：第２トランジスタ
５３：第１ローカル配線
５４：第２ローカル配線
５５：第１書き込み配線
５６：第２書き込み配線
５７：第３書き込み配線
５８：第４書き込み配線
６１、６１Ａ、６１Ｂ：反転核形成領域
６２：磁壁移動領域
１０１：固定強磁性層
１０２：非磁性層
１０３：自由強磁性層
１０４：磁気抵抗素子
１０５：ＭＯＳトランジスタ
１０６：アステロイドカーブ
１１０：メモリセル
１１０ｒ：リファレンスセル
１２５：読み出しワード線
１２６：書き込みワード線
１２７：ビット線
１２７ｒ：リファレンスビット線
【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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【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２０】
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【図２１】
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【図２２】
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