(57)【要約】【課題】  書き込み電流を小さくすることを可能にするとともに熱擾乱耐性を確保することを可能にする。【解決手段】  磁化の向きが固着された磁性層からなる磁化固着層と、磁化の向きが可変の磁性層からなる記録層と、磁化固着層と記録層との間に設けられた非磁性層とを有する磁気抵抗効果素子６と、電流による誘導磁場を発生し、誘導磁場により記録層の磁化の向きを反転可能な書き込み配線と、書き込み配線を被覆し、磁気抵抗効果素子に対向する側に磁気抵抗効果素子の幅と実質的に同じ幅を有するギャップ５が設けられたヨーク４と、磁気抵抗効果素子の一端に電気的に接続される読み出し配線と、を備え、ギャップの幅が前記書き込み配線の幅の０．２倍以下である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが固着された磁性層からなる磁化固着層と、磁化の向きが可変の磁性層からなる記録層と、前記磁化固着層と前記記録層との間に設けられた非磁性層とを有する磁気抵抗効果素子と、
電流による誘導磁場を発生し、前記誘導磁場により前記記録層の磁化の向きを反転可能な書き込み配線と、
前記書き込み配線を被覆し、前記磁気抵抗効果素子に対向する側に前記磁気抵抗効果素子の幅と実質的に同じ幅を有するギャップが設けられたヨークと、
前記磁気抵抗効果素子の一端に電気的に接続される読み出し配線と、
を備え、前記ギャップの幅が前記書き込み配線の幅の０．２倍以下であることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項２】
一端が前記書き込み配線に電気的に接続される書き込み用選択トランジスタを備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ。
【請求項３】
前記磁気抵抗効果素子の他端は前記書き込み配線に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の磁気メモリ。
【請求項４】
前記磁気抵抗効果素子の他端に接続された引き出し配線と、この引き出し配線に一端が電気的に接続された読み出し用選択トランジスタとを備えていることを特徴とする請求項１または２記載の磁気メモリ。
【請求項５】
前記記憶層は異方性定数が１×１０３より大きく１×１０６以下の結晶磁気異方性材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項６】
前記非磁性層はトンネルバリア層であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体磁気記憶メモリとして、巨大磁気抵抗効果を示す磁気素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリが提案されており、特に、磁気素子として強磁性トンネル接合を用いた磁気メモリに注目が集まっている。
【０００３】
強磁性トンネル接合は、主に、第１強磁性層/絶縁層/第２強磁性層の３層膜で構成され、絶縁層をトンネルして電流が流れる。この場合、接合抵抗値は第１および第２強磁性層の磁化の相対角の余弦に比例して変化する。したがって、抵抗値は、第１および第２強磁性層の磁化が平行のときに極小値、反平行のときに極大値をとる。これは、トンネル磁気抵抗(TMR)効果と呼ばれている。例えば、TMR効果による抵抗値変化は室温において４９．７％にもなることが報告されている。
【０００４】
強磁性トンネル接合をメモリセルとして含む磁気メモリ素子においては、二つの強磁性層のうち一方の強磁性層の磁化を固定して基準層とし、他方の強磁性層を記憶層とする。このセルにおいて、基準層と記憶層の磁化の配置が平行または反平行に対し２進情報 “０”、“１” を対応づけることで情報が記憶される。記録情報の書き込みは、このセルに対し別に設けた書き込み配線に電流を流して発生する磁場により記憶層の磁化を反転させる。また、読み出しは、強磁性トンネル接合に電流を流し、TMR効果による抵抗変化を検出することで行われる。磁気メモリは、このようなメモリセルを多数配置することで大容量のメモリとして構成される。
【０００５】
実際の構成については、任意の一つのセルを選択できるように、例えばDRAMと同様に各セルに対しスイッチングトランジスタを配置し、周辺回路を組み込んで構成される。また、ワード線とビット線が交差する位置にダイオードと合わせて強磁性トンネル接合を組み込む方式も提案されている。
【０００６】
さて、強磁性トンネル接合をメモリセルとして用いる磁気メモリを考える場合、高集積化すると、メモリセルの大きさは小さくなり、セルを構成する強磁性体の大きさも必然的に小さくなる。このような有限の大きさの磁性薄膜においては、一般に、磁気的状態として複数の磁区からなる複雑な磁区構造をとる。特に、長方形のセルの場合、その長軸方向の端部の領域に中央部とは異なる方向に向いた磁化をもつ、いわゆるエッジドメインがあることが知られている。このようなエッジドメインの領域があると、セル全体の磁化が低下し、その結果、TMR効果の抵抗変化率が低下することになる。また、磁化反転における磁気的構造パターンの変化が複雑になるため、ノイズの発生原因となるばかりでなく、保磁力が大きくなり、スイッチング磁場が増大する。
【０００７】
また、強磁性トンネル接合をメモリセルとして用いる磁気メモリの高集積化を考えると、メモリセルの大きさは小さくなり、セルを構成する強磁性体の大きさも必然的に小さくなる。一般に、強磁性体が小さくなると、その保磁力は大きくなる。保磁力の大きさは磁化を反転するために必要なスイッチング磁場の大きさの目安となるので、これはスイッチング磁場の増大を意味する。よって、ビット情報を書き込む際には、より大きな電流を書き込み配線に流さなければならなくなり、消費電力の増加，配線寿命の短命化など、好ましくない結果をもたらす。従って、磁気メモリのメモリセルに用いられる強磁性体の保磁力を低減することは高集積化磁気メモリの実用化において重要な課題である。
【０００８】
この課題を解決するために、書き込み電流によって誘導される磁場を効率よく記憶層に印加する方法として、磁性体被覆配線が考えられている。これは、書き込み配線において記憶層に対向している面以外の面の周りに、軟磁気特性にすぐれた磁性体が近接して置かれた構造を持つ、配線の周りに近接しておかれた磁性体として、透磁率が大きいものを用いるために、磁束を集めることができる。一方、メモリセルの記憶層に対向した面では前記磁性体は置かれておらず、ギャップ構造を形成しているため、上記磁性体内に集中した磁束が磁性体先端部より記憶層に向かって放出されるような分布を示す。従って、磁性体被覆のない配線に比べて、磁性体被覆配線からの磁場は、記憶層に効率的に印加することができる。
【０００９】
書き込み配線の周囲に高透磁率材料からなる薄膜を備えた磁気メモリ素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これらの素子においては、書き込み配線の周囲にある高透磁率薄膜により書き込み電流により発生する磁束を収束することができるため、書き込み時において発生する磁場を強くすることができ、その結果、より小さな電流でビット情報を書き込むことができるようになる。
【００１０】
また、配線を被覆している磁性体は、前述のように磁束を集中するため、被覆磁性体に関して配線の反対側の領域に漏れ出す磁束を小さくする、いわゆる、磁気シールド効果も併せ持つ。これにより、隣接セルへの磁場の漏れは最小限に抑えることが可能となり、隣接セルへの誤書き込みの発生が抑えられるという効果もある。
【特許文献１】米国特許第５，６５９，４９９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記のように、書き込み配線の周りに軟磁気特性に優れた磁性体を近接しておくことで、メモリセルの記憶層に磁場が効率的に印加され、かつ書き込み電流を低減することができ、消費電力の少ないメモリデバイスを提供することが可能となる。
【００１２】
しかし、メモリセルの記憶層の反転磁場は、記憶層の幅がサブミクロン領域になると数十エルステッドあるため、書き込み配線には例えば１０ｍＡ以上の電流を流す必要がある。前述のように磁性体被覆を行って磁場生成効率を上げることは可能であるが、書き込み配線に流す必要な電流は４ｍＡから６ｍＡ程度と予想され、ＤＲＡＭなどで通常利用されている電流値（数百μＡ程度）に比べると、依然として書き込み電流は大きいといわざるを得ない。
【００１３】
さらに、メモリデバイスが年を追うごとに高集積化され、微細化されていくことを考えると、ＭＲＡＭも例外なく微細化されていくことになる。この場合、メモリセルもその幅はサブミクロンからさらに小さな領域へと進むことになることが予想される。この場合、記憶層の幅が小さくなるにつれて、反磁場が増大することにより記憶層のスイッチング磁場が増大することが知られている。
【００１４】
また、メモリセルの微細化によって、記憶層に用いている磁性層が、熱揺らぎにより磁化反転してしまうという問題がある。これは、一軸異方性エネルギーを最小化するように磁化が安定方向をとるので、通常は、温度による熱エネルギーがランダムに加算されているため、磁化は、上記安定方向を中心としてある振幅で振動している。熱エネルギーが一軸異方性エネルギーより大きくなると、この振動の振幅が大きくなり、ついには反対方向にむいてしまう。反対方向へ向いてしまう確率は一軸異方性エネルギーが小さいと大きくなる。一般に、一軸異方性エネルギーは一軸異方性係数と磁性体の体積の積に比例するため、メモリセルの微細化により一軸異方性エネルギーは減少する。これを避けるためには、磁性体の体積を増やすか、一軸異方性係数を大きくしなければならない。この場合は、必然的にスイッチング磁場も大きくなってしまう。このことは、スイッチング磁場を熱擾乱に耐えるだけの大きさにできないくらいに微細化することはできないということを意味し、メモリデバイスとしてスケーリングが成り立たないという致命的な欠陥を持つことになる。
【００１５】
従って、メモリの微細化を考慮した場合、情報の書き込みに必要な電流はますます増大していくことになる。書き込み電流がこのように増大してしまう場合には、メモリデバイスとしての利用価値が半減してしまう。
【００１６】
上記のように、書き込み電流を小さくすること、特に微小なメモリセルに対して書き込み電流を小さくすることは、デバイス応用の観点からみても大変重要な課題である。書き込み電流を小さくするためには、上記のように、書き込み配線を軟磁性体で被覆することが提案されており、一定の効果が認められている。しかし、特に微小メモリセルにおいてはその効果は十分ではない。
【００１７】
本発明の目的は、書き込み電流を小さくすることができるとともに熱擾乱耐性を確保することのできる磁気ランダムアクセス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】
【００１８】
本発明の一態様による磁気メモリは、磁化の向きが固着された磁性層からなる磁化固着層と、磁化の向きが可変の磁性層からなる記録層と、前記磁化固着層と前記記録層との間に設けられた非磁性層とを有する磁気抵抗効果素子と、電流による誘導磁場を発生し、前記誘導磁場により前記記録層の磁化の向きを反転可能な書き込み配線と、前記書き込み配線を被覆し、前記磁気抵抗効果素子に対向する側に前記磁気抵抗効果素子の幅と実質的に同じ幅を有するギャップが設けられたヨークと、前記磁気抵抗効果素子の一端に電気的に接続される読み出し配線と、を備え、前記ギャップの幅が前記書き込み配線の幅の０．２倍以下であることを特徴とする。
【００１９】
なお、一端が前記書き込み配線に電気的に接続される書き込み用選択トランジスタを備えていてもよい。
【００２０】
なお、前記磁気抵抗効果素子の他端は前記書き込み配線に接続されていてもよい。
【００２１】
なお、前記磁気抵抗効果素子の他端に接続された引き出し配線と、この引き出し配線に一端が電気的に接続された読み出し用選択トランジスタとを備えていてもよい。
【００２２】
なお、前記記憶層は異方性定数が１×１０３より大きく１×１０６以下の結晶磁気異方性材料で構成されていてもよい。
【００２３】
なお、前記非磁性層はトンネルバリア層であってもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、書き込み電流を小さくすることができるとともに熱擾乱耐性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気メモリを、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図である。この実施形態による磁気メモリは、磁気ランダムアクセスメモリであって、複数のメモリセルを備えている。各メモリセルは、書き込み配線２と、この書き込み配線を被覆する磁性体からなるヨーク４と、磁気抵抗効果素子６と、読み出し配線８と、メモリセルを選択するための選択トランジスタ２０とを備えている。
【００２７】
選択トランジスタ２０および駆動回路等が形成された基板（図示せず）上に絶縁膜１００が形成され、この絶縁膜１００上に書き込み配線２が形成されている。ヨーク４は、軟磁気特性の優れた磁性体から構成され、書き込み配線２の絶縁膜１００側の面および書き込み配線２の側面を被覆するヨーク４ａと、書き込み配線２の絶縁膜１００と反対側の面を被覆するヨーク４ｂとを備えている。ヨーク４ｂは、磁気抵抗効果素子６が書き込み配線２に直接に接続するためのギャップ５が設けられている。なお、ギャップ５の幅ＷGは、磁気抵抗効果素子６の幅と実質的に同じ幅を有する。ここで、実質的に同じ幅を有するとは、磁気抵抗効果素子６がヨーク４ｂと接触しない程度の幅であり、本実施形態においては、ギャップ５の幅ＷGは磁気抵抗効果素子６の幅ＷMTJよりも１０ｎｍ程度大きく形成される。
【００２８】
磁気抵抗効果素子６は、２つの強磁性層６ａ、６ｃと、これらの強磁性層６ａ、６ｃに挟まれたトンネルバリア層６ｂと、電極層６ｄとを備えている。２つの強磁性層６ａ、６ｃのうちの一方、例えば強磁性層６ａは磁化が固着された磁化固着層であり、他方、例えば強磁性層６ｃは磁化が反転可能な記憶層となる磁化自由層である。電極６ｄは、磁化自由層６ｃと読み出し配線８とを電気的に接続する。なお、磁化固着層６ａのトンネルバリア層６ｂとは反対側の面に、磁化固着層６ｃの磁化を固着するための反強磁性層（図示せず）が通常設けられる。なお、記憶層となる磁化自由層６ｃは、書き込み配線２を流れる電流によって誘導される磁場方向に磁化容易軸を有している。本実施形態においては、磁化固着層６ａは、書き込み配線２に電気的に接続されている。なお、本実施形態においては、磁気抵抗効果素子６は、書き込み配線２上に磁化固着層６ａ、トンネルバリア層６ｂ、磁化自由層６ｃの順に積層されているが、磁化自由層６ｃ、トンネルバリア層６ｂ、磁化固着層６ａの順に積層してもよい。
【００２９】
上記ヨーク４に用いられる軟磁気特性に優れた磁性体としては、Fe−Ni、Fe−Si、Fe−Al、センダストと呼ばれるFe−Si−Al合金、Fe−Ni合金にMo、Cu、Crなどを添加したパーマロイ系の合金、Ni−Fe−Co合金、ソフトフェライトと呼ばれるFe2O3を主成分とするフェリ磁性酸化物、YIGなどのガーネット型フェライト，BaFeOなどの六方晶系フェライトなどがあげられる。
【００３０】
また、ビット情報を読み出すための読み出し配線８の配線材料としては、Al、Al−Cu合金、Cuなど、通常用いられる材料でよい。なお、ここでは読み出し配線としているが、書き込みの際に、読み出し配線にも電流を流すことで、二つの方向から磁場を印加して書き込みを行うことも可能である。この場合には、記憶層の磁化反転はアステロイドと呼ばれる曲線で表されることが知られている。
【００３１】
本実施形態においては、書き込み配線２には、書き込むビットを選択するための選択トランジスタ２０が備えられている。
【００３２】
次に、磁気抵抗効果素子６の幅ＷMTJ、すなわち磁気抵抗効果素子６の幅ＷMTJに実質的に等しいギャップ５の幅ＷGを変えた、上述した構成の磁気メモリを、各種製作し、実験を行った。これを、以下に説明する。
【００３３】
書き込み配線２は、幅５００ｎｍ、厚さ４００ｎｍであり、読み出し配線８は幅６００ｎｍ、厚さ５００ｎｍである。磁気抵抗効果素子６は、Co−Feからなる磁化固着層６ａと、アルミナからなるトンネルバリア層６ｂと、膜厚２ｎｍのCo−Fe−Ni からなる記憶層６ｃを有している。Co−Fe からなる磁化固着層６ａには、トンネルバリア層６ｂと反対側にIr−Mnからなる反強磁性層６ｅが近接して設けられている。磁化固着層６ａと反強磁性層６ｅの間には交換相互作用が働いており、この交換相互作用によってCo−Feからなる磁化固着層６ａの磁化が固着される。記憶層６ｃは、トンネルバリア層６ｂと反対側の面に設けられた電極６ｄを介して読み出し配線８に電気的に接続される。ギャップ５の幅ＷGは、書き込み配線２の幅ＷWLに対し、０．８〜０．０５倍までの６種類を用意した。
【００３４】
書き込み配線２は、Ni−Fe合金からなる磁性体からなるヨーク４で被覆されている。特に、書き込み配線２の磁気抵抗効果素子６に対向していない面および側部側では、厚さ５０ｎｍのヨーク４ａで完全に覆われている。磁気抵抗効果素子６に対向している面側のヨーク４ｂにおいては、磁気抵抗効果素子６の幅ＷMTJに対して１０ｎｍ大きい幅ＷGを有するギャップ５が設けられている。
【００３５】
この系について、書き込みテストを行ったところ、図２に示すような結果が得られた。すなわち、図２は、一定幅の書き込み配線２に対し、一定電流ＩWを流したときに誘導される磁場Ｈをプロットしたものであり、横軸はギャップ５の幅ＷGを書き込み配線２の幅ＷWLで割った値で、縦軸は誘導磁場Ｈを書き込み電流ＩWで割った値である。誘導磁場Ｈは、ギャップ５の幅ＷGが０．８倍から狭くなるにつれて徐々に大きくなり、特に、０．２倍以下になる急激に大きくなることがわかる。
【００３６】
なお、上記では、磁気抵抗効果素子６の記憶層の磁化容易軸は、書き込み配線２に流れる電流が誘導する磁場の方向と一致する方向であることを述べた。この磁気異方性を実現するには、例えば、磁気抵抗効果素子６の平面形状（膜面形状）を、書き込み配線２に流れる電流による誘導磁場の方向に延びているアスペクトをもつようにすればよい。この場合は、記憶層の形状磁気異方性により磁化容易軸が設定される。
【００３７】
しかし、磁気抵抗効果素子が微細化されると、反磁場の影響が大きくなり、スイッチング磁場が大きくなることが知られている。この様子を図３に示す。図３は、横軸にギャップ５の幅ＷGの逆数を取り、縦軸にスイッチング磁場、すなわち記憶層の磁化の向きを反転することのできる最小な磁場を取ってある。なお、図３においてはギャップ５の幅ＷGは、磁気抵抗効果素子６の幅ＷMTJに対して１０ｎｍ大きい値である。図３のグラフｇ１は、記憶層のスイッチング磁場の特性を示している。また、グラフｇ２は、ギャップ５の幅ＷGと書き込み配線２の幅との比が１である場合、すなわち図１に示すヨーク４ａは存在するがヨーク４ｂが存在しない場合に、電流密度が１０６Ａ／ｃｍ２の電流を流したときに誘導される誘導磁場の特性を示す。グラフｇ３は、ギャップ５の幅ＷGと書き込み配線２の幅との比が０．２である場合に、電流密度が１０６Ａ／ｃｍ２の電流を流したときに誘導される誘導磁場の特性を示す。ギャップ５の幅ＷGと書き込み配線２の幅との比を所定値にして書き込み配線２に流れる電流の電流密度を一定にした場合、磁気抵抗効果素子６の幅ＷMTJを狭くすれば、すなわちギャップ５の幅が狭くすれば、書き込み配線２の幅も狭くなるので、書き込み配線２に流れる電流は小さくなる。また、ギャップ５の幅が広くすれば、書き込み配線２の幅も広くなるので、書き込み配線２に流れる電流は大きくなる。これにより、グラフｇ２、ｇ３は、右下がりとなる。
【００３８】
図３のグラフｇ１から、ギャップ５の幅の逆数に対して、スイッチング磁場がほぼ線形に増加していることが示されている。特に、ギャップ５の幅ＷGが０．１μｍより小さくなると、スイッチング磁場は１００Ｏｅを超えることがわかる。グラフｇ１とグラフｇ２から、ギャップ５の幅ＷGと書き込み配線２の幅との比が１である場合に、ギャップ幅が約 ０．１３μｍ、すなわち書き込み配線２の幅が約 ０．１３μｍより小さくなるとスイッチングできなくなることがわかる。また、グラフｇ１とグラフｇ３から、ギャップ５の幅ＷGと書き込み配線２の幅との比が０．２である書き込み配線２では、ギャップ幅ＷGが ０．１μｍより小さくなるとスイッチングできなくなることがわかる。
【００３９】
ギャップ幅ＷGが０．１μｍより小さくても、書き込み配線２の幅ＷWLを広くすれば、すなわちギャップ幅ＷGと書き込み配線２の幅ＷWLとの比を０．２より小さくすれば、図２に示すグラフからわかるように、書き込み配線２に流れる電流による誘導磁場Ｈが上昇するため、書き込み配線２による磁場の特性を示す図３のグラフｇ２は、右上方に移動することになり、記憶層の磁化を、より容易にスイッチングすることができることになる。
【００４０】
以上説明したことにより、本実施形態においては、ギャップ幅ＷGと書き込み配線２の幅ＷWLとの比を０．２以下にすることにより、書き込み電流を小さくすることができるとともに熱擾乱耐性を確保することができる。
【００４１】
なお、上記説明においては、磁気抵抗効果素子６の記憶層に、形状磁気異方性を持たせていたが、形状磁気異方性ではなく、結晶磁気異方性を持たせることにより磁化容易軸を規定することも可能である。この場合には、磁気抵抗効果素子６の平面形状を等方的にすることで、図３に示されるような磁気抵抗効果素子の微細化によるスイッチング磁場の増大はない。従って、微細化に対しては、この方法を用いるのが効果的である。なお、結晶磁気異方性の強い材料としては、Coやその合金であるCo−Cr、Co−Mn、Co−Fe、Co−Ni、Co−Cuなど、Mnやその化合物MnSb、MnBi、MnCrSb、MnGeなど通常知られているものを用いることができる。
【００４２】
なお、磁気抵抗効果素子６の記憶層に、結晶磁気異方性を持たせた場合でも、図２からわかるように、ギャップ幅ＷGと書き込み配線２の幅ＷWLとの比は０．２以下にすることが好ましい。
【００４３】
また、図１に示す第１実施形態では、磁気抵抗効果素子を有するメモリセルをアレイ状に配置すると、読み出しのときに回り込み電流が生じる。このため、読み出し動作が遅くなってしまうが、構造が単純なため、例えばメモリセルを積層して大容量メモリを実現することが可能となる。
【００４４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気メモリを、図４を参照して説明する。図４は、第２実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図である。この実施形態による磁気メモリは、第１実施形態による磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子６を書き込み配線２に直接接続する代わりに、引き出し配線３０を介して読み出し用選択トランジスタ４０に直接接続するように構成したものである。このため、磁気抵抗効果素子６はヨーク４のギャップ５には挿入されない状態となる。なお、ギャップ５の幅ＷGは、磁気抵抗効果素子６の幅と実質的に同じ幅を有する。ここで、実質的に同じ幅を有するとは、磁気抵抗効果素子６がヨーク４ｂと接触しない程度の幅であり、本実施形態においては、ギャップ５の幅ＷGは磁気抵抗効果素子６の幅ＷMTJよりも１０ｎｍ程度大きく形成される。
【００４５】
第１実施形態と同様に、磁気抵抗効果素子６の幅ＷMTJ、すなわち磁気抵抗効果素子６の幅ＷMTJに実質的に等しいギャップ５の幅ＷGを変えた、上述した構成の磁気メモリを、各種製作し、実験を行った。これを、以下に説明する。
【００４６】
書き込み配線２は、幅５００ｎｍ、厚さ４００ｎｍであり、読み出し配線８は幅６００ｎｍ、厚さ５００ｎｍである。磁気抵抗効果素子６は、Co−Feからなる磁化固着層６ａと、アルミナからなるトンネルバリア層６ｂと、膜厚２ｎｍのCo−Fe−Ni からなる記憶層６ｃとを有している。Co−Fe からなる磁化固着層６ａには、トンネルバリア層６ｂと反対側にIr−Mnからなる反強磁性層６ｅが近接して設けられている。磁化固着層６ａと反強磁性層６ｅの間には交換相互作用が働いており、この交換相互作用によってCo−Feからなる磁化固着層６ａの磁化が固着される。記憶層６ｃは、トンネルバリア層６ｂと反対側の面に設けられた電極６ｄを介して読み出し配線８に電気的に接続される。磁気抵抗効果素子６の幅ＷMTJ、すなわちギャップ５の幅ＷGは、書き込み配線２の幅ＷWLに対し、０．８〜０．０５倍までの６種類を用意した。
【００４７】
この系について、書き込みテストを行ったところ、図５に示すような結果が得られた。すなわち、図５は、一定幅の書き込み配線２に対し、一定電流ＩWを流したときに誘導される磁場Ｈをプロットしたものであり、横軸はギャップ５の幅ＷGを書き込み配線２の幅で割った値で、縦軸は誘導磁場Ｈを書き込み電流ＩWで割った値である。誘導磁場Ｈは、ギャップ５の幅ＷGが０．８倍から狭くなるにつれて徐々に大きくなり、特に、０．２倍以下になると急激に大きくなることがわかる。
【００４８】
なお、上記では、磁気抵抗効果素子６の記憶層の磁化容易軸は、書き込み配線２に流れる電流が誘導する磁場の方向と一致する方向であることを述べた。この磁気異方性を実現するには、例えば、磁気抵抗効果素子６の平面形状（膜面形状）を、書き込み配線２にながれる電流による誘導磁場の方向に延びているアスペクトをもつようにすればよい。この場合は、記憶層の形状磁気異方性により磁化容易軸が設定される。
【００４９】
本実施形態において、第１実施形態と同様に磁気抵抗効果素子が微細化されるにつれて、スイッチング磁場が大きくなる。これを図６に示す。図６は、横軸にギャップ５の幅の逆数を取り、縦軸にスイッチング磁場、すなわち記憶層の磁化の向きを反転することのできる最小な磁場を取ってある。なお、図６においてはギャップ５の幅ＷGは、磁気抵抗効果素子６の幅ＷMTJに対して１０ｎｍ大きい値である。図６のグラフｇ１は、記憶層のスイッチング磁場の特性を示している。また、グラフｇ２は、ギャップ５の幅ＷGと書き込み配線２の幅との比が１である場合、すなわち図４に示すヨーク４ａは存在するがヨーク４ｂが存在しない場合に、電流密度が１０６Ａ／ｃｍ２の電流を流したときに誘導される誘導磁場の特性を示す。グラフｇ３は、ギャップ５の幅ＷGと書き込み配線２の幅との比が０．２である場合に、電流密度が１０６Ａ／ｃｍ２の電流を流したときに誘導される誘導磁場の特性を示す。第１実施形態で説明した図３の場合と同様にグラフｇ２、ｇ３は、右下がりとなる。
【００５０】
図６のグラフｇ１から、ギャップ５の幅、すなわち磁気抵抗効果素子６の幅の逆数に対して、スイッチング磁場がほぼ線形に増加していることが示されている。特に、ギャップ５の幅ＷGが０．１μｍより小さくなると、スイッチング磁場は１００Ｏｅを超えることがわかる。グラフｇ１とグラフｇ２から、ギャップ５の幅ＷGと書き込み配線２の幅との比が１である場合に、ギャップ幅が約 ０．１７μｍより小さくなるとスイッチングできなくなることがわかる。また、グラフｇ１とグラフｇ３から、ギャップ５の幅ＷGと書き込み配線２の幅との比が０．２である場合に、ギャップ幅ＷGが ０．１２μｍより小さくなるとスイッチングできなくなることがわかる。
【００５１】
ギャップ幅ＷGが０．１２μｍより小さくても、書き込み配線２の幅ＷWLを広くすれば、すなわちギャップ幅ＷGと書き込み配線２の幅ＷWLとの比を０．２より小さくすれば、図５に示すグラフからわかるように、書き込み配線２に流れる電流による誘導磁場Ｈが上昇するため、書き込み配線２による磁場の特性を示す図６のグラフｇ３は、右上方に移動することになり、記憶層の磁化を、より容易にスイッチングすることができることになる。
【００５２】
以上説明したことから、本実施形態においては、ギャップ幅ＷGと書き込み配線２の幅ＷWLとの比は、０．２４以下にすることにより、書き込み電流を小さくすることができるとともに熱擾乱耐性を確保することができる。
【００５３】
本実施形態においては、引き出し配線３０があるために、磁気抵抗効果素子６の記憶層が書き込み配線からわずかに遠くなるため、磁場印加効率が第１実施形態に比べて多少落ちることになる。しかし、磁気抵抗効果素子６にスイッチングトランジスタ４０が接続されていることで、第１実施形態で生じる回り込み電流がゼロとなるために、メモリとして高速な応答が可能となるという利点がある。従って、システムＬＳＩなどの用途に好適である。
【００５４】
なお、第１実施形態で説明したように、磁気抵抗効果素子６の記憶層に、形状磁気異方性ではなく、結晶磁気異方性を持たせることにより磁化容易軸を規定することも可能である。この場合には、磁気抵抗効果素子６の平面形状を等方的にすることで、図６に示されるような磁気抵抗効果素子の微細化によるスイッチング磁場の増大はない。
【００５５】
なお、第１および第２実施形態において、記憶層に結晶磁気異方性の材料を用いる場合は、結晶磁気異方性の大きな材料を用いればよい。特に、異方性定数が１×１０３より大きいことが好ましい。異方性定数が１×１０３のとき、その保磁力は２Oe〜３Oe程度であるため、記憶素子として用いるためにはより大きな異方性定数をもつほうが好ましい。しかし、異方性定数が大きいと、反転に必要な磁場が大きくなりすぎて、書き込み電流が増加してしまう。例えば異方性定数が１×１０６より大きくなると保磁力は１ｋOeを超えるようになり、実用的ではない。異方性定数が適切な値（１×１０３より大きく１×１０６以下の値）を有する材料としてＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉやそれらの合金はもちろんのこと、Ｆｅ３Ｏ４、ＮｉＦｅ２Ｏ４、ＭｎＦｅ２Ｏ４などのフェライト、ＹＩＧ、ＧｄＩＧなどがあげられる。また、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｅｒなどの４ｆ金属や、それらの合金などはより大きな異方性定数をもつが、薄膜化することにより異方性定数をコントロールして好ましい値をもつようにすることができる。異方性定数は、トルク磁力計または振動型試料磁力計（ＶＳＭ）によりトルク曲線を測定することにより得られる。また、異方性定数は、ＶＳＭなどにより磁化曲線を測定すること、または共鳴法により共鳴磁場を測定することによりも求めることができる。
【００５６】
なお、磁気抵抗効果素子６の記憶層に、結晶磁気異方性を持たせた場合でも、図２および図５からわかるように、ギャップ幅ＷGと書き込み配線２の幅ＷWLとの比は０．２以下にすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。
【図２】第１実施形態による磁気メモリの書き込み電流による誘導磁場の、ヨークのギャップ依存性を示す図。
【図３】第１実施形態による磁気メモリのスイッチング磁場の、ヨークのギャップ依存性を示す図。
【図４】本発明の第２実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。
【図５】第２実施形態による磁気メモリの書き込み電流による誘導磁場の、ヨークのギャップ依存性を示す図。
【図６】第２実施形態による磁気メモリのスイッチング磁場の、ヨークのギャップ依存性を示す図。
【符号の説明】
【００５８】
２  書き込み配線
４  ヨーク
４ａ  ヨーク
４ｂ  ヨーク
５  ヨークのギャップ
６  磁気抵抗効果素子
６ａ  磁気固着層
６ｂ  トンネルバリア層
６ｃ  磁化自由層（記憶層）
６ｄ  電極
８  読み出し配線
２０  選択トランジスタ
３０  引き出し配線
４０  読み出し用選択トランジスタ
１００  絶縁膜
【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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