(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直磁気異方性をもつ強磁性層である磁気記録層と、
ピン層と、
前記磁気記録層と前記ピン層との間に設けられた非磁性のトンネルバリア層
とを具備し、
前記磁気記録層は、
磁化が反転可能であり、前記トンネルバリア層を介してピン層に接合される磁化反転領域と、
第１境界において前記磁化反転領域に接続され、磁化の向きが固定される第１磁化固定領域と、
第２境界において前記磁化反転領域に接続され、磁化の向きが固定される第２磁化固定領域
とを有し、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の形状が異なっており、
前記第１境界から前記第１磁化固定領域の内部への磁壁のデピン磁界と、前記第２境界から前記第２磁化固定領域の内部への磁壁のデピン磁界とが異なっており、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の磁化の方向が反平行である
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記磁化反転領域の第１エッジの延長線と、前記第１エッジに接続する前記第１磁化固定領域の第２エッジとがなす角である第１後退角と、前記第１エッジの延長線と、前記第１エッジに接続する前記第２磁化固定領域の第３エッジとがなす角である第２後退角とが
異なる
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第１磁化固定領域の前記第１境界の近傍における幅と、前記第２磁化固定領域の前記第２境界の近傍における幅とが異なる
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項４】
請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記磁化反転領域は、第１エッジ及び第２エッジを有し、
前記第１磁化固定領域は、前記第１境界において前記第１エッジに接続する第３エッジと、前記第１境界において前記第２エッジに接続する第４エッジとを有し、
前記第２磁化固定領域は、前記第２境界において前記第１エッジに接続する第５エッジと、前記第２境界において前記第２エッジに接続する第６エッジとを有し、
前記第１磁化固定領域の前記第３エッジは、前記第１エッジと同一直線上にある一方で、前記第４エッジは、前記第２エッジと同一直線上になく、
前記第２磁化固定領域の前記第５エッジは、前記第１エッジと同一直線上になく、且つ、前記第６エッジは、前記第２エッジと同一直線上にない
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記磁気記録層には、前記第１境界及び前記第２境界にくびれが形成され、
前記第１境界におけるくびれの深さが前記第２境界におけるくびれの深さと異なる
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
更に、前記ピン層に接続された配線を具備し
前記配線は、グランド線に接続され、且つ、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の初期化の際に初期化電圧を供給するための初期化電圧源に接続されている
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項７】
垂直磁気異方性をもつ強磁性層である磁気記録層と、
ピン層と、
前記磁気記録層と前記ピン層との間に設けられた非磁性のトンネルバリア層
とを具備し、
前記磁気記録層が、
前記トンネルバリア層を介してピン層に接合される磁化反転領域と、
第１境界において前記磁化反転領域に接続された第１磁化固定領域と、
第２境界において前記磁化反転領域に接続された第２磁化固定領域
とを有し、
前記第１境界から前記第１磁化固定領域の内部への第１デピン磁界が前記第２境界から前記磁化固定領域への第２デピン磁界よりも小さい磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
（ａ）前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の磁化を前記磁気記録層の膜面に垂直な第１方向に向け、前記磁化反転領域の磁化を前記第１方向と反対の第２方向に向けるステップと、
（ｂ）前記第１デピン磁界より大きく、前記第２デピン磁界よりも小さい磁界を印加することにより前記第１磁化固定領域の磁化を前記第２方向に反転させるステップ
とを具備する
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
【請求項８】
請求項７に記載の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
前記（ａ）ステップは、
（ａ１）前記磁気記録層の全体の磁化を前記第１方向に向けるステップと、
（ａ２）前記磁化反転領域の一部分の磁化を前記第２方向に反転させて逆磁区を生成するステップと、
（ａ３）前記逆磁区を前記磁化反転領域の全体に拡大するステップ
とを備える
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
【請求項９】
請求項８に記載の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
前記（ａ２）ステップにおいて、前記ピン層に接続された配線層に初期化電流が流される
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
前記（ａ）ステップは、
（ａ４）前記ピン層の磁化と、前記磁気記録層の全体の磁化とを、前記第２方向に向けるステップと、
（ａ５）前記磁気記録層の保磁力よりも大きく、前記磁気記録層の保磁力と前記ピン層の漏洩磁界との和よりも小さい磁界を前記第１方向に印加することにより、前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の磁化を前記第１方向に向けると共に、前記磁化反転領域の前記ピン層に近接する一部分の磁化を前記第２方向に維持しながら、残りの部分の磁化を前記第１方向にむけ、これにより、前記一部分に逆磁区を生成するステップと、
（ａ６）前記逆磁区を前記磁化反転領域の全体に拡大するステップ
とを備える
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
【請求項１１】
請求項７に記載の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
前記（ａ）ステップは、
（ａ７）前記ピン層の磁化を、前記第２方向に向けるステップと、
（ａ８）前記磁気記録層の全体の磁化を前記第１方向に向けるステップと、
（ａ９）前記磁気記録層の保磁力と前記ピン層の漏洩磁界との差より大きく、前記磁気記録層の保磁力よりも小さい磁界を前記第２方向に印加することにより、前記磁化反転領域の前記ピン層に近接する一部分の磁化を反転し、これにより、前記一部分に逆磁区を生成するステップと、
（ａ１０）前記逆磁区を前記磁化反転領域の全体に拡大するステップ
とを備える
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
【請求項１２】
垂直磁気異方性をもつ強磁性層である磁気記録層と、
ピン層と、
前記磁気記録層と前記ピン層との間に設けられた非磁性のトンネルバリア層と、
配線層
とを具備し、
前記磁気記録層は、
反転可能な磁化を有し、且つ、前記トンネルバリア層を介して前記ピン層に接合される磁化反転領域と、
第１境界において前記磁化反転領域に接続され、磁化の向きが固定された第１磁化固定領域と、
第２境界において前記磁化反転領域に接続され、磁化の向きが固定された第２磁化固定領域
とを有し、
前記第１境界から前記第１磁化固定領域の内部への磁壁のデピン磁界と、前記第２境界から前記第２磁化固定領域の内部への磁壁のデピン磁界とが異なっており、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の磁化の方向が反平行であり、
前記配線層は、前記第１磁化固定領域に対向するように配置された
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１３】
垂直磁気異方性をもつ強磁性層である磁気記録層と、
ピン層と、
前記磁気記録層と前記ピン層との間に設けられた非磁性のトンネルバリア層
第２ピン層
とを具備し、
前記磁気記録層は、
反転可能な磁化を有し、且つ、前記トンネルバリア層を介して前記ピン層に接合される磁化反転領域と、
第１境界において前記磁化反転領域に接続され、磁化の向きが固定された第１磁化固定領域と、
第２境界において前記磁化反転領域に接続され、磁化の向きが固定された磁化固定領域
とを有し、
前記第１境界から前記第１磁化固定領域の内部への磁壁のデピン磁界と、前記第２境界から前記第２磁化固定領域の内部への磁壁のデピン磁界とが異なっており、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の磁化の方向が反平行であり、
前記第２ピン層は、前記第１磁化固定領域に対向するように設けられた
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１４】
垂直磁気異方性をもつ強磁性層である磁気記録層と、
ピン層と、
前記磁気記録層と前記ピン層との間に設けられた非磁性のトンネルバリア層と、
配線層
とを具備し、
前記磁気記録層が、
前記トンネルバリア層を介してピン層に接合される磁化反転領域と、
第１境界において前記磁化反転領域に接続された第１磁化固定領域と、
第２境界において前記磁化反転領域に接続された第２磁化固定領域
とを有し、前記第１境界から前記第１磁化固定領域の内部への磁壁のデピン磁界と、前記第２境界から前記第２磁化固定領域の内部への磁壁のデピン磁界とが異なっている磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
（ａ）前記磁気記録層の全体の磁化を第１方向に向けるステップと、
（ｂ）前記第１磁化固定領域の少なくとも一部を前記第１方向に反対の第２方向に反転して、逆磁区を生成するステップと、
（ｃ）磁界を印加することによって前記逆磁区を拡大し、前記第１磁化固定領域の全体の磁化を反転させるステップとを具備する
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
前記磁気ランダムアクセスメモリが、前記第１磁化固定領域に対向するように配置された配線層を具備し、
前記（ｂ）ステップにおいて、前記配線層に電流が印加される
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
【請求項１６】
垂直磁気異方性をもつ強磁性層である磁気記録層と、
第１ピン層と、
前記磁気記録層と前記第１ピン層との間に設けられた非磁性のトンネルバリア層と、
第２ピン層
とを具備し、
前記磁気記録層が、
前記トンネルバリア層を介して前記第１ピン層に接合される磁化反転領域と、
第１境界において前記磁化反転領域に接続された第１磁化固定領域と、
第２境界において前記磁化反転領域に接続された第２磁化固定領域
とを有し、
前記第２ピン層が前記第１磁化固定領域に対向するように位置し、前記第１境界から前記第１磁化固定領域の内部への磁壁のデピン磁界と、前記第２境界から前記第２磁化固定領域の内部への磁壁のデピン磁界とが異なっている磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
（ａ）前記第１ピン層及び前記第２ピン層の磁化と、前記磁気記録層の全体の磁化とを、第１方向に向けるステップと、
（ｂ）前記磁気記録層の保磁力よりも大きく、前記磁気記録層の保磁力と前記第２ピン層の漏洩磁界との和よりも小さい磁界を前記第２方向に印加することにより、前記第２磁化固定領域の磁化を前記第２方向に向けると共に、前記第１磁化固定領域の前記第２ピン層に近接する部分の磁化を前記第１方向に維持しながら、残りの部分の磁化を前記第２方向にむけ、これにより、前記第２ピン層に近接する部分に第１逆磁区を生成するステップと、
（ｃ）磁界を前記第１方向に印加することにより、前記第１逆磁区を前記第１磁化固定領域の全体に拡大するステップ
とを備える
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
前記（ｂ）ステップでは、前記磁化反転領域の前記第１ピン層に近接する部分の磁化を前記第１方向に維持しながら、残りの部分の磁化が前記第２方向に向けられ、これにより、前記第１ピン層に近接する部分に第２逆磁区が生成され、
前記（ｃ）ステップでは、前記第２逆磁区が前記磁化反転領域の全体に拡大する
磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ： Magnetic Random Access Memory）に関しており、特に、書き込み動作において磁壁移動方式を採用するＭＲＡＭ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、ＧＭＲ（Giant MagnetoResistance）効果などの「磁気抵抗効果」を示す磁気抵抗素子がメモリセルとして利用される。磁気トンネル接合（MTJ; Magnetic Tunnel Junction）を有する磁気抵抗素子は、最も典型的な磁気抵抗素子である。磁気トンネル接合は、典型的には、２層の強磁性層と、それらに挟まれたトンネルバリア層とで構成される。その２層の強磁性層の一方は、磁化の向きが固定されたピン層（磁化固定層）であり、他方は、磁化の向きが反転可能なフリー層（磁化自由層）である。
【０００３】
ＭＲＡＭにおいては、ピン層とフリー層の磁化の相対方向としてデータが記憶される。例えば、ピン層とフリー層の磁化が「反平行」である状態がデータ“１”に対応付けられ、ピン層とフリー層の磁化が「平行」である状態がデータ“０”に対応付けられる。メモリセルに対するデータの書き込みは、フリー層の磁化の向きを反転させることによって行われる。
【０００４】
データの読み出しには、磁気抵抗素子の抵抗値の変化が利用される。ピン層とフリー層の磁化の向きが“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）よりも大きいことが知られている。ＭＲＡＭは、このような磁気抵抗素子の抵抗値の変化を、電圧信号又は電流信号として読み取り、その電圧信号又は電流信号からメモリセルに記憶されているデータを識別する。
【０００５】
ＭＲＡＭに対するデータの書き込み方法としては、「アステロイド方式」や「トグル方式」が知られている。アステロイド方式及びトグル方式では、電流磁界によってフリー層の磁化が反転される。これらの書き込み方式の不利な点は、メモリセルサイズにほぼ反比例して、フリー層の磁化を反転させるために必要な磁界（反転磁界）が大きくなる点である。これらの方式では、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する傾向にある。
【０００６】
微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、「スピン注入方式」が提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。スピン注入方式では、強磁性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強磁性層の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって強磁性層の磁化が反転される；以下では、この現象を、「スピントランスファー（spin transfer）効果」ということがある。
【０００７】
特許文献２には、スピントランスファー効果を利用した磁気シフトレジスタが開示されている。この磁気シフトレジスタは、磁性体中の磁壁（domain wall）を利用して情報を記憶する。特許文献２の技術では、多数の領域に分けられた磁性体において、磁壁を通過するように電流が注入され、その電流により磁壁が移動する。各領域の磁化の向きが、記録データとして扱われる。このような磁気シフトレジスタは、例えば、大量のシリアルデータの記録に利用される。磁性体中の磁壁の移動は、非特許文献２にも報告されている。
【０００８】
このようなスピントランスファー効果による磁壁移動（Domain Wall Motion）を利用した磁壁移動方式のＭＲＡＭが、特許文献３、特許文献４に開示されている。特許文献３に記載されたＭＲＡＭのメモリセルの磁気抵抗素子は、磁化が固定されたピン層と、ピン層上に積層されたトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層に積層された磁気記録層とを備える。磁気記録層は、フリー層と同様に、磁化の向きによってデータを記録する強磁性層である。しかしながら、後述されているように、磁気記録層は、磁化の向きが反転可能な部分と実質的に変化しない部分とを含んでいるため、フリー層ではなく磁気記録層と呼ぶことにする。
【０００９】
図１は、特許文献３に開示された磁気記録層の構造を示す平面図である。図１の磁気記録層１００は、直線形状を有している。具体的には、磁気記録層１００は、トンネル絶縁層及び磁化固定層と重なる磁化反転領域１０３と、磁化反転領域１０３に隣接して形成された一対の磁化固定領域１０１、１０２を有する。磁化反転領域１０３と磁化固定領域１０１、１０２との境界には、くびれ１０４が形成されている。磁化固定領域１０１、１０２には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。
【００１０】
磁化固定領域１０１、１０２には、それぞれ、電流供給端子１０５、１０６が接合されている。この電流供給端子１０５、１０６を介して、磁気記録層１００の磁化反転領域１０３、及び磁化固定領域１０１、１０２を貫通する書き込み電流が流される。
【００１１】
図２は、磁気記録層の構造の他の例を示す平面図である；図２の構造は、例えば、非特許文献３に開示されている。図２の磁気記録層１１０は、Ｕ字型の形状を有している。具体的には、磁気記録層１１０は、磁化固定領域１１１、１１２、及び磁化反転領域１１３を有している。更にピン層１３０が、磁化反転領域１１３と対向するように配置されている。磁化固定領域１１１、１１２は、Ｙ軸方向に延伸するように形成されており、その磁化の向きは同じ方向に固定されている。一方、磁化反転領域１１３は、Ｘ軸方向に延伸するように形成されており、反転可能な磁化を有している。従って、磁壁が、磁化固定領域１１１と磁化反転領域１１３との境界Ｂ１、あるいは、磁化固定領域１１２と磁化反転領域１１３との境界Ｂ２に形成される。磁化状態の初期化は、例えば、ＸＹ面内で斜め４５度方向に十分大きな初期磁界を印加することによりおこなわれ、初期磁界を除いた後に、磁化固定領域の磁化が＋Ｙ方向、磁化反転領域の磁化が＋Ｘ方向を向き、磁壁が境界Ｂ１に形成された状態が実現される。
【００１２】
磁化固定領域１１１、１１２には、それぞれ、電流供給端子１１５、１１６が接続されている。これら電流供給端子１１５、１１６を用いることにより、磁気記録層１１０に書き込み電流を流すことが可能である。その書き込み電流の方向に応じて、磁壁は磁化反転領域１１３の中を移動する。この磁壁移動により、磁化反転領域１１３の磁化方向を制御することができる。
【００１３】
しかしながら磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書き込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうことが懸念される。非特許文献２のほかにも、磁壁移動の観測は数多く報告されているが、概ね磁壁移動には１×１０８Ａ／ｃｍ２付近の閾値電流密度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる層の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合でも書き込み電流は１ｍＡとなる。これ以下に書き込み電流を低減するためには膜厚を薄くすればよいが、この場合には書き込みに要する電流密度は更に上昇してしまうことが知られている（例えば、非特許文献４参照）。
【００１４】
一方、磁気記録層として磁気異方性が基板面に垂直である垂直磁気異方性材料を用いた磁気抵抗素子においては、１０6Ａ／ｃｍ２台の閾値電流密度が観測されている（例えば、非特許文献５参照）。磁壁移動を利用したＭＲＡＭにおいては、磁気記録層として垂直磁気異方性材料を用いることにより、書き込み電流を低減できることが期待される。
【００１５】
図３Ａは、垂直磁気異方性材料を用いた磁気記録層の構造例を示す平面図であり、図３Ｂは、断面図である。磁気記録層２１０は、トンネルバリア層を介してピン層に接合する磁化反転領域２１３と、磁化反転領域２１３に隣接して形成された一対の磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂを有する。磁化反転領域２１３と磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂとの境界には、くびれ２１５が形成されている。
【００１６】
図３Ａ、図３Ｂに示されている磁気記録層２１０の一つの問題点は、製造工程において初期化を行うことが困難である点である。ここで初期化とは、（１）磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂの磁化を所望の方向に向けること、及び、（２）磁壁を磁気記録層１０の所望の位置に位置させることをいう。図３Ａ、図３Ｂの一対の磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂには、互いに反対向きの固定磁化が製造工程において付与されていなくてはならない。また、磁壁２１２ａ、２１２ｂは、くびれ２１５付近の位置にあるように初期化されなければならない。磁気記録層が面内方向に磁気異方性を有している場合（即ち、磁化が面内方向に向いている場合）、磁気記録層の形状として図２に示されているようなＵ字形状を採用すれば、外部磁界の印加によって磁化固定部の磁化方向と磁壁位置を所望の状態に初期化することが容易にできる。しかしながら、磁気記録層が膜面に垂直方向に磁気異方性を有している場合は、Ｕ字形状を採用しても、外部磁界によって初期化をおこなうことはできない。
【特許文献１】特開２００５−９３４８８号公報
【特許文献２】米国特許第６８３４００５号
【特許文献３】特開２００５−１９１０３２号公報
【特許文献４】特願２００６−０８８０６８号
【非特許文献１】J.C. Slonczewski, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-L7 (1996)
【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. 077205-1-4, 2004.
【非特許文献３】Numata et al., "Magnetic Configuration of A New Memory Cell Utilizing Domain Wall Motion", Intermag 2006 Digest, HQ-03.
【非特許文献４】Japanese Journal of Applied Physics, vol.45, No.5A, pp.3850-3853, (2006)
【非特許文献５】Applied Physics Letters 90, 072508(2007)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、磁壁移動によって磁気記録層へのデータ書き込みを行い、且つ磁気記録層の磁気異方性が垂直方向である磁気ランダムアクセスメモリに対して、磁気記録層の磁化固定領域及び磁壁位置の初期化を容易に行うための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
一の観点において、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、垂直磁気異方性をもつ強磁性層である磁気記録層と、ピン層と、前記磁気記録層と前記ピン層との間に設けられた非磁性のトンネルバリア層とを具備する。前記磁気記録層は、反転可能な磁化を有し、前記トンネルバリア層を介して前記ピン層に接合される磁化反転領域と、前記磁化反転領域に接続され、磁化の向きが固定された第１磁化固定領域と、前記磁化反転領域に接続され、磁化の向きが固定された第２磁化固定領域とを有している。前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域とは、その形状が異なっている。
【００１９】
他の観点において、本発明の初期化方法は、垂直磁気異方性をもつ強磁性層である磁気記録層と、ピン層と、前記磁気記録層と前記ピン層との間に設けられた非磁性のトンネルバリア層とを具備し、前記磁気記録層が、前記トンネルバリア層を介してピン層に接合される磁化反転領域と、第１境界において前記磁化反転領域に接続された第１磁化固定領域と、第２境界において前記磁化反転領域に接続された第２磁化固定領域とを有し、前記第１境界から前記第１磁化固定領域の内部への第１デピン磁界が前記第２境界から前記磁化固定領域への第２デピン磁界よりも小さい磁気ランダムアクセスメモリのための初期化方法である。本発明の初期化方法は、
（ａ）前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の磁化を前記磁気記録層の膜面に垂直な第１方向に向け、前記磁化反転領域の磁化を前記第１方向と反対の第２方向に向けるステップと、
（ｂ）前記第１デピン磁界より大きく、前記第２デピン磁界よりも小さい磁界を印加することにより前記第１磁化固定領域の磁化を前記第２方向に反転させるステップ
とを具備する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、磁壁移動によって磁気記録層へのデータ書き込みを行い、且つ磁気記録層の磁気異方性が垂直方向である磁気ランダムアクセスメモリに対して、磁化固定部及び磁壁位置の初期化を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。
【００２２】
（第１実施例）
１．磁気抵抗素子の構成
図４Ａは、第１実施例のＭＲＡＭのメモリセルに集積化される磁気抵抗素子１の構造を示す平面図であり、図４Ｂは断面図である。図４Ｂに示されているように、磁気抵抗素子１は、磁気記録層１０と、ピン層３０と、トンネルバリア層３２と、金属配線層３１とを備えている。磁気記録層１０及びピン層３０は、強磁性体で形成され、トンネルバリア層３２は、非磁性の絶縁体で形成される。トンネルバリア層３２は、磁気記録層１０とピン層３０とに挟まれており、これら磁気記録層１０、トンネルバリア層３２、及びピン層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。
【００２３】
磁気記録層１０は、その膜面に垂直な方向に磁気異方性を持つ。磁気記録層１０の材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）のうちから選択される少なくとも一つ以上の材料を含むことが望ましい。さらに、磁気記録層１０が白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）を含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。これらに加え、磁気記録層１０の材料にＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的には、磁気記録層１０は、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏで構成され得る。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む層と、異なる層とが積層されることにより磁気記録層１０に垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的には、磁気記録層１０として、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｆｅ／Ａｕの積層体が使用され得る。ピン層３０も磁気記録層１０と同様な材料を用い、垂直磁気異方性を持つことが望ましい。トンネルバリア層３２は、Ａｌ２Ｏ３膜やＭｇＯ膜のような絶縁体で形成される。トンネルバリア層３２は、トンネル電流が流れる程度に膜厚が薄い。磁気記録層１０、ピン層３０の一部、特にトンネルバリア層３２と接する部分に、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどの大きなＴＭＲ効果を発現させる材料を用いても良い。
【００２４】
書き込み動作、及び、読み出し動作におけるピン層３０の磁化の向きの反転を防ぐために、ピン層３０の保磁力Ｈｃｐは、磁気記録層１０の保磁力Ｈｃｒよりも大きいことが望ましい。これは、磁気記録層１０とピン層３０の材料、及びその組成を変えることにより実現される。また、ピン層３０のトンネルバリア層３２とは反対側の面に反強磁性体層を積層することにより、反強磁性体層とピン層３０との間に交換相互作用を発現させ、これにより、ピン層３０の磁化を固定してもよい。さらに、ピン層３０として、２層の強磁性層、及びそれらに挟まれた導電性の非磁性層からなるＳＡＦ（synthetic antiferromagnet)を使用することもできる。ここで、ＳＡＦの非磁性層の材料及び膜厚は、２層の強磁性層を反強磁性的に結合するように選択される；２層の強磁性層の磁化は互いに反平行になる。ＳＡＦの非磁性層としては、例えば、Ｒｕ膜、Ｃｕ膜などが用いられる。２つの強磁性層の磁化を等しくすれば、ピン層３０からの漏洩磁界を抑制することができる。なお、後述のように、ピン層３０から意図的に磁界を漏洩させ、ピン層３０からの漏洩磁界を初期化の際に利用することもできる。
【００２５】
図４Ａを参照して、磁気記録層１０は、磁化固定領域１１ａ、１１ｂと磁化反転領域１３とを有している。図４Ｂに示されているように、上述のピン層３０は、磁化反転領域１３に対向するように位置している。言い換えれば、磁化反転領域１３の一部が、トンネルバリア層３２を介してピン層３０に接続されている。磁化固定領域１１ａには、電流供給端子１４ａが接続されており、磁化固定領域１１ｂには電流供給端子１４ｂが接続されている。後述されるように、電流供給端子１４ａ、１４ｂは、磁気記録層１０に書き込み電流を流すために使用される。
【００２６】
磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化は、互いに反平行な方向に固定される。図４Ｂの例では、磁化固定領域１１ａの磁化は、−Ｚ方向（基板に対して垂直下向き）に固定され、磁化固定領域１１ｂの磁化は、＋Ｚ方向（基板に対して垂直上向き）に固定されている。なお、「磁化が固定されている」とは、書き込み動作の前後で磁化の方向が変わらないことを意味する。書き込み動作中に、磁化固定領域１１ａ、磁化固定領域１１ｂの一部の磁化の方向が変化しても、書き込み動作終了後には元に戻る。
【００２７】
一方、磁化反転領域１３の磁化の向きは、＋Ｚ方向と−Ｚ方向との間で反転可能である。つまり、磁化反転領域１３の磁化はピン層３０の磁化と平行あるいは反平行になることが許される。図４Ｂのように磁化反転領域１３の磁化の向きが−Ｚ方向の場合、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ａとが１つの磁区（magnetic domain）を形成し、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ｂとが別の磁区を形成する。つまり、磁化固定領域１１ｂと磁化反転領域１３の間の境界に磁壁（domain wall）が形成される。一方、磁化反転領域１３の磁化の向きが＋Ｚ方向の場合、磁化固定領域１１ｂと磁化反転領域１３とが１つの磁区を形成し、磁化固定領域１１ａが別の磁区を形成する。つまり、磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３の間の境界に磁壁が形成される。
【００２８】
配線層３１は、ピン層３０に電気的に接続されており、読み出し動作時に、磁気抵抗素子１にアクセスする際に用いられる。また、後述のように磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化と、磁気記録層１０における磁壁の位置を初期化する際に用いることができる。配線層３１はＣｕ、Ａｌ、Ｗなどにより形成される。
【００２９】
図５Ａに示されているように、磁化固定領域１１ａ、１１ｂは、異なった形状を有している。これは後述するように、磁気記録層１０の初期化を行う際に、磁壁が磁化反転領域１３との境界Ｂ１、Ｂ２から磁化固定領域１１ａ、１１ｂの内部に動くためのデピン磁界を制御するためである。磁化固定領域１１ａ、１１ｂの形状は、デピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２が異なるように決定される；ここで、デピン磁界Ｈｄ１とは、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ａとの境界Ｂ１にピンニングされた磁壁が、デピンされて磁化固定領域１１ａの内部に移動する磁界であり、デピン磁界Ｈｄ２とは、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ｂとの境界Ｂ２にピンニングされた磁壁が、デピンされて磁化固定領域１１ｂの内部に移動する磁界である。後述のように、デピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２が異なるように磁化固定領域１１ａ、１１ｂの形状が決定されていることは、磁気記録層１０の初期化を容易にするために重要である。磁化固定領域１１ａ、１１ｂの形状、及び、形状によるデピン磁界への影響の詳細については、後に詳細に説明する。
【００３０】
２．磁化固定領域の初期化
次に本実施例における、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの初期化について説明する。上述されているように、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化を所望の方向に向け、更に、磁壁を磁気記録層１０の所望の位置に位置させることをいう。磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化は、最終的には、互いに反対方向に向けられなくてはならない。
【００３１】
初期化は、概略的には、下記のようにして行われる：
まず、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化が同一の方向に向けられ、更に、磁化反転領域１３の磁化を磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化と反対の方向に向けられる。この状態では、磁壁が磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ａ、１１ｂの境界Ｂ１、Ｂ２に位置している。続いて、磁化反転領域１３の磁化と同一の方向の磁界が印加される。印加される磁界の大きさは、デピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２の一方よりも大きく他方よりも小さくなるように選ばれる；上述のように、デピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２が互いに相違していることに留意されたい。デピン磁界Ｈｄ１がデピン磁界Ｈｄ２よりも小さい場合には、磁界の印加によって磁壁が境界Ｂ１からデピンされて磁化固定領域１１ａの磁化が選択的に反転される；磁化固定領域１１ｂの磁化は反転されない。一方、デピン磁界Ｈｄ２がデピン磁界Ｈｄ１よりも小さい場合には、磁界の印加によって磁壁が境界Ｂ２からデピンされて磁化固定領域１１ｂの磁化が選択的に反転される；磁化固定領域１１ａの磁化は反転されない。いずれの場合でも、磁界の印加により、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化は互いに反対方向に向けられ、初期化が完了する。以下では、初期化において、磁化固定領域１１ａの磁化を−Ｚ方向に向け、磁化固定領域１１ｂの磁化を＋Ｚ方向に向ける場合について説明する。
【００３２】
図６は、本実施例における初期化動作の手順の一例を示す断面図である。最初に磁気記録層１０の保磁力Ｈｃｒよりも十分大きな磁界を＋Ｚ方向に印加した後、それを取り除くことにより、磁気記録層１０の全体の磁化が＋Ｚ方向に向けられる（ステップ１）。
【００３３】
次に−Ｚ方向に磁界が印加され、磁化反転領域１３の少なくとも一部の領域の磁化が−Ｚ方向に反転される（ステップ２）。これにより、磁化反転領域１３に、磁化が反転された逆磁区が形成される。このとき、逆磁区（磁化が反転された領域）の両側には磁壁１２ｃ、１２ｄが形成される。さらに−Ｚ方向の磁界を大きくしていくと、逆磁区は磁化反転領域１３の全体に拡大し、磁壁１２ｃ、１２ｄが磁化固定領域１１ａとの境界Ｂ１、及び、磁化固定領域１１ｂとの境界Ｂ２にまで達する（ステップ３）。磁壁１２ｃ、１２ｄは、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ａとの形状の違い、あるいは、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ｂとの形状の違いにより境界Ｂ１、Ｂ２においてピンニングされる。
【００３４】
磁化固定領域１１ａの磁化を−Ｚ方向に向けるためには、磁壁を磁化固定領域１１ａに進入させて磁化固定領域１１ａの磁化を反転する必要があり、このためには、境界Ｂ１にピンニングされた磁壁をデピンさせるために大きな磁界を印加することが必要である。ただし、過剰に大きな磁界を印加すると、＋Ｚ方向に向けられるべき磁化固定領域１１ｂの磁化も−Ｚ方向に反転されてしまう。
【００３５】
磁化固定領域１１ａの磁化のみを選択的に−Ｚ方向に向けることを可能にするために、本実施例では、デピン磁界Ｈｄ１がデピン磁界Ｈｄ２よりも小さくなるようにデピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２が調節されている。デピン磁界Ｈｄ１がデピン磁界Ｈｄ２よりも小さい場合、デピン磁界Ｈｄ１よりも大きくデピン磁界Ｈｄ２よりも小さい磁界を−Ｚ方向に印加することにより、磁化固定領域１１ｂの磁化のみを選択的に−Ｚ方向に向けることができる（ステップ４）。このとき、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化は互いに反平行になり、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ｂの境界にのみ磁壁１２ｂが形成され、初期化が実現される。
【００３６】
図５Ａ〜図５Ｅに示されているように、本実施例では、デピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２を相違させるために磁化固定領域１１ａ、１１ｂが異なる形状に形成されている。磁化固定領域１１ａ、１１ｂの形状によるデピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２の制御としては、様々な手法がある。
【００３７】
一つの手法は、図５Ａ、図５Ｂに示されているように、磁化固定領域１１ａの後退角θ１と、磁化固定領域の後退角θ２とを相違させ、これによりデピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２を相違させることである。ここで、磁化固定領域１１ａの後退角θ１とは、磁化反転領域１３のエッジ２１の延長線と、エッジ２１に接続する磁化固定領域１１ａのエッジ２２とがなす角であり、磁化固定領域１１ｂの後退角θ２とは、磁化反転領域１３のエッジ２１の延長線と、エッジ２１に接続する磁化固定領域１１ｂのエッジ２２とがなす角である。
【００３８】
図７は、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの後退角θ１、θ２と、境界Ｂ１、Ｂ２にピンニングされた磁壁をデピンさせるのに必要なデピン磁界との関係を示すグラフである。図７のグラフは、マイクロマグネティクスシミュレーションによって得られている。ここで、磁化固定領域１１ａ、１１ｂが台形形状又は矩形であると仮定されている；後退角θ１、θ２が９０°である場合は、磁化固定領域１１ａ、１１ｂが矩形である場合に相当している。図５Ａの構成では、磁化固定領域１１ａが台形形状であり、磁化固定領域１１ｂが矩形である。一方、図５Ｂの構成では、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの両方が台形形状である。図７の黒丸は、磁壁が境界Ｂ１、Ｂ２から磁化固定領域１１ａ、１１ｂの内部に移動する場合のデピン磁界を示しており、白四角は、磁壁が境界Ｂ１、Ｂ２から磁化反転領域１３の内部に移動する場合のデピン磁界を示している。磁壁を磁化固定領域１１ａ、１１ｂの内部に移動させるためのデピン磁界は、磁壁を磁化反転領域１３の内部に移動させるためのデピン磁界と比較して、数倍以上大きい。初期化動作においては、磁壁を境界Ｂ１、Ｂ２から磁化固定領域１１ａ、１１ｂの内部に移動させる場合のデピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２が重要である。一方、書き込み動作では、磁壁を境界Ｂ１、Ｂ２から磁化反転領域１３の内部に移動させる場合のデピン磁界が重要である。
【００３９】
図７に示されているように、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの内部へのデピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２は、後退角θ１、θ２が小さくなるほど低下する。例えば、後退角が４５度以下である場合、デピン磁界は、後退角が９０度である場合のデピン磁界と比較して約７０％以下になる。よって、磁化固定領域１１ａの後退角θ１を磁化固定領域１１ｂの後退角θ２よりも小さくすることにより、デピン磁界Ｈｄ１をデピン磁界Ｈｄ２よりも小さくすることができる。上述のように、デピン磁界Ｈｄ１がデピン磁界Ｈｄ２よりも小さい場合、デピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２の中間の磁界を−Ｚ方向に印加することにより、磁化固定領域１１ａの磁化のみを選択的に反転することができる。例えば、図５Ａのように、磁化固定領域１１ａの後退角θ１が２０度、磁化固定領域１１ｂの後退角θ２が９０度の場合、後退角が９０度である場合のデピン磁界の８０％程度の磁界を印加することにより、磁化固定領域１１ａの磁化のみを選択的に反転することができる。
【００４０】
図７の白四角から理解されるように、磁壁を境界Ｂ１、Ｂ２から磁化反転領域１３の内部に移動させる場合のデピン磁界は、後退角θ１、θ２に余り依存しない。これは、磁壁を境界Ｂ１からＢ２に移動させるのに必要な書き込み電流と、磁壁を境界Ｂ２からＢ１に移動させるのに必要な書き込み電流とが大きく相違しないことを意味しており、書き換え電流の対称性を向上させるために有効である。
【００４１】
デピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２を制御する他の手法は、図５Ｃに示されているように、境界Ｂ１、Ｂ２の近傍における磁化固定領域１１ａ、１１ｂの（Ｙ軸方向における）幅Ｗ１、Ｗ２を相違させることである。デピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２は、主として境界Ｂ１、Ｂ２の近傍における磁化固定領域１１ａ、１１ｂの幅Ｗ１、Ｗ２に依存する。磁化固定領域１１ａ、１１ｂの幅Ｗ１、Ｗ２が小さい程、デピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２は小さくなる。図５Ｃの構成では、磁化固定領域１１ａの幅Ｗ１を磁化固定領域１１ｂの幅Ｗ２よりも狭くすることにより、デピン磁界Ｈｄ１がデピン磁界Ｈｄ２よりも小さくなるように調節されている。図５Ｃには、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの幅がＷ１、Ｗ２で一定であるような磁化固定領域１１ａ、１１ｂの形状が図示されているが、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの幅は、一定でなくてもよい。
【００４２】
デピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２を制御する更に他の手法は、図５Ｄに示されているように、磁化反転領域１３のエッジ２１Ａ、２１Ｂと磁化固定領域１１ａのエッジ２２Ａ、２２Ｂの接続態様と、磁化反転領域１３のエッジ２１Ａ、２１Ｂと磁化固定領域１１ｂのエッジ２３Ａ、２３Ｂの接続態様とを相違させることである。詳細には、磁化固定領域１１ａについては、一方のエッジ２２Ａが磁化反転領域１３のエッジ２１Ａに対して垂直であり、且つ、他方のエッジ２２Ｂが磁化反転領域１３のエッジ２１Ｂに対して同一直線上にあるのに対し、磁化固定領域１１ｂについては、両方のエッジ２３Ａ、２３Ｂが、磁化反転領域１３のエッジ２１Ａ、２１Ｂに対して垂直である。このような構造によれば、デピン磁界Ｈｄ１がデピン磁界Ｈｄ２よりも小さくなる。具体的には、デピン磁界Ｈｄ１は、デピン磁界Ｈｄ２の約６０％に低下する。
【００４３】
デピン磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２を制御する更に他の手法は、図５Ｅに示されているように、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ａ、１１ｂとの境界Ｂ１、Ｂ２の近傍に設けられたくびれ１５ａ、１５ｂの深さを調節することである。くびれ１５ａ、１５ｂの深さが浅いほど、デピン磁界は小さくなる。磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ａとの境界Ｂ１に設けられたくびれ１５ａの深さを、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ｂとの境界Ｂ２に設けられたくびれ１５ｂの深さよりも浅くすることにより、デピン磁界Ｈｄ１をデピン磁界Ｈｄ２より小さくすることができる。
【００４４】
磁化固定領域１１ａ、１１ｂの形状の組み合わせは図５Ａ〜図５Ｅに示された組み合わせに限定されない。例えば、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの一方を、後退角を有する台形形状に形成し、他方をくびれを有する形状に形成してもよい。また、図５Ａ〜図５Ｅでは、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの各エッジは直線的に形成されているが、曲線状のなだらかな形状にしてもよい。
【００４５】
図５Ａ〜図５Ｅでは、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの平面形状が相違する場合が図示されているが、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの立体形状（例えば、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの膜厚）が相違していてもよい。磁化固定領域１１ａ、１１ｂの平面形状を相違させることは、フォトリソグラフィーにおけるパターニングの際に使用されるマスクをそのように設計することによって実現可能である。一方、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの立体形状を相違させるためには、追加のフォトリソグラフィープロセスを行えばよい。
【００４６】
図６のステップ２において、磁化反転領域１３の磁化の反転を促進するためにピン層３０に接続された配線層３１を利用することができる。図８は、配線層３１を利用した初期化動作のステップ２’を示す断面図である。ステップ１、ステップ３、ステップ４は図６と同様である。ステップ１で磁気記録層１０の磁化全体を＋Ｚ方向に向けた後、ステップ２’では、配線層３１に初期化電流３５が流される。初期化電流３５が流れることによって発生するジュール熱により、配線層３１に隣接した磁化反転領域１３の一部分の温度が上昇する。この温度上昇により、当該部分の磁化及び異方性磁界は低下し、周囲からの反磁界により当該部分の磁化が反転する。磁化の反転を促進するために、初期化電流３５を流すと同時に、図６のステップ２と同様に−Ｚ方向に磁界を印加することもできる。
【００４７】
また、磁化反転領域１３の磁化の反転を促進するために、ピン層３０からの漏洩磁界を利用することもできる。図９は、ピン層３０からの漏洩磁界を利用した初期化動作の一例を示す断面図である：ステップ３以降は図６と同様である。ステップ１において、−Ｚ方向に充分に大きな磁界を印加することにより、ピン層３０、磁化固定領域１１ａ、１１ｂ、磁化反転領域１３の磁化が−Ｚ方向に向けられる。印加される磁界の大きさは、ピン層３０の保磁力Ｈｃｐ、及び、磁気記録層１０の保磁力Ｈｃｒよりも大きくなるように調節される。ステップ２では、磁気記録層１０の一部の磁化が＋Ｚ方向に向くように＋Ｚ方向に磁界が印加される。このとき、印加磁界が磁気記録層１０の保磁力Ｈｃｒとピン層３０の保磁力Ｈｃｐの中間であり、かつ、ピン層３０からの漏洩磁界Ｈｓと磁気記録層の保磁力Ｈｃｒの和よりも小さければ、図９に示されているように、磁化反転領域１３の漏洩磁界がかかっている領域を除いた部分の磁化が＋Ｚ方向に向く。その後、図６のステップ３以降の手順で磁界印加をおこなうことにより、磁壁位置の初期化をおこなうことができる。即ち、−Ｚ方向に磁界を印加することによって、磁化が反転された磁区が磁化反転領域１３の全体に拡大される。これにより、磁壁が磁化固定領域１１ａとの境界Ｂ１、及び、磁化固定領域１１ｂとの境界Ｂ２にまで達する（ステップ３）。更に、磁界が増大されてデピン磁界Ｈｄ１よりも大きくデピン磁界Ｈｄ２よりも小さい磁界が−Ｚ方向に印加され、磁化固定領域１１ｂの磁化のみが選択的に−Ｚ方向に向けられる（ステップ４）。
【００４８】
図１０に示されているように、図９のステップ２を２段階でおこなうこともできる。すなわち、ステップ１において、ピン層３０、磁化固定領域１１ａ、１１ｂ、磁化反転領域１３の磁化が−Ｚ方向に向けられた後、ステップ２ａにおいて、磁気記録層１０の全体の磁化が＋Ｚ方向に向くように、磁界が＋Ｚ方向に印加される。このときの印加磁界の大きさは、磁気記録層１０の保磁力Ｈｃｒとピン層３０の保磁力Ｈｃｐの中間で、かつ、ピン層３０からの漏洩磁界３６と磁気記録層１０の保磁力Ｈｃｒの和よりも大きくなるように調節される。次にステップ２ｂにおいて、磁界が−Ｚ方向に印加される、磁化反転領域１３のうちの漏洩磁界がかかっている領域の磁化のみが−Ｚ方向に反転される。このときの印加磁界の大きさは、磁気記録層１０の保磁力Ｈｃｒからピン層３０からの漏洩磁界Ｈｓを減じた差よりも大きく、磁気記録層１０の保磁力Ｈｃｒよりも小さくなるように設定される。ステップ２ｂでは、配線層３１に電流を流し、そのジュール熱により磁化反転領域１３の一部の温度を上昇させ、その反転を促進することもできる。その後、図６のステップ３以降の手順で磁界印加をおこなうことにより、磁壁位置の初期化をおこなうことができる。
【００４９】
３．書き込み動作、及び、読み出し動作
次に、磁気抵抗素子１に対するデータの書き込み原理を説明する。
図１１は、図４で示された構造に対するデータの書き込み原理を示している。データ書き込みは、スピン注入を利用した磁壁移動方式で行われる。書き込み電流は、磁気抵抗素子１に形成されたＭＴＪを貫通する方向ではなく、磁気記録層１０の面内方向に流される。その書き込み電流は、電流供給端子１４ａ、１４ｂから磁気記録層１０に供給される。磁化反転領域１３とピン層３０の磁化の向きが平行である状態が、データ“０”に対応付けられている。データ“０”状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは−Ｚ方向であり、磁壁ＤＷは磁化固定領域１１ｂとの境界に存在する。一方、磁化反転領域１３とピン層３０の磁化の向きが反平行である状態が、データ“１”に対応付けられている。データ“１”状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｚ方向であり、磁壁ＤＷは磁化固定領域１１ａとの境界Ｂ１に存在する。
【００５０】
データ“１”の書き込み時、書き込み電流ＩＷ１が、磁化固定領域１１ａから磁化反転領域１３を通って磁化固定領域１１ｂに流される。この場合、磁化反転領域１３には、磁化固定領域１１ｂからスピン偏極電子が注入される。注入された電子のスピンは、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ｂの境界Ｂ２にある磁壁を磁化固定領域１１ａの方向に駆動する。その結果、磁化反転領域１３の磁化の向きは、＋Ｚ方向へスイッチする。つまり、スピントランスファー効果により、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが＋Ｚ方向に変わる。
【００５１】
一方、データ“０”の書き込み時、書き込み電流ＩＷ２が、磁化固定領域１１ｂから磁化反転領域１３を通って磁化固定領域１１ａに流される。この場合、磁化反転領域１３には、磁化固定領域１１ａからスピン電子が注入される。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが−Ｚ方向に変わる。このように、磁気記録層１０を面内方向に流れる書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２によって、磁化反転領域１３の磁化の方向がスイッチされる。磁化固定領域１１ａ、１１ｂは、異なる方向のスピンを有する電子の供給源の役割を果たしている。
【００５２】
一方、データの読み出しは、下記の手順で行われる：データ読み出し時、読み出し電流は、ピン層３０と磁化反転領域１３との間を流れるように供給される。例えば、読み出し電流は、磁化固定領域１１ａ、１１ｂのいずれかから、磁化反転領域１３及びトンネルバリア層３２を経由して、ピン層３０へ流れる。あるいは、読み出し電流は、ピン層３０から、トンネルバリア層３２及び磁化反転領域１３を経由して、磁化固定領域１１ａ、１１ｂのいずれかへ流れる。その読み出し電流あるいは読み出し電位に基づいて、磁気抵抗素子の抵抗値が検出され、磁化反転領域１３の磁化の向きがセンスされる。
【００５３】
（第２実施例）
図１２Ａは、第２実施例における磁気抵抗素子１Ａの構成を示す平面図であり、図１２Ｂは、断面図である。第２実施例の磁気抵抗素子１Ａは、第１実施例の磁気抵抗素子１と同様に、磁気記録層１０と、ピン層３０と、トンネルバリア層３２と、金属配線層３１とを備えている。トンネルバリア層３２は、磁気記録層１０とピン層３０に挟まれており、磁気記録層１０、トンネルバリア層３２、及びピン層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。磁気記録層１０は、磁化固定領域１１ａ、磁化固定領域１１ｂ、及び磁化反転領域１３を有している。ピン層３０は、この磁化反転領域１３に対向するように位置している。言い換えれば、磁気記録層１０の磁化反転領域１３の一部が、トンネルバリア層３２を介してピン層３０に接合されている。磁化固定領域１１ａ、１１ｂには、それぞれ、電流供給端子１４ａ、１４ｂが接合されている。
【００５４】
第２実施例の磁気抵抗素子１Ａと第１実施例の磁気抵抗素子１の相違点は、第２実施例の磁気抵抗素子１Ａにおいては、磁化固定領域１１ａの上に、第２トンネルバリア層３９、第２ピン層３７、第２配線層３８が順次に形成されている点にある。第２ピン層３７及び第２配線層３８は、磁化固定領域１１ａに対向するように設けられている。第２ピン層３７及び第２配線層３８は、以下に述べられているように、磁壁位置の初期化の際に磁化固定領域１１ａの磁化を反転させるために使用される。
【００５５】
図１３は、本実施例における初期化の手順の一例を示す断面図である。本実施例における初期化では、まず、十分大きな磁界が＋Ｚ方向に印加された後、それを取り除くことにより、磁気記録層１０の全体の磁化が＋Ｚ方向に向けられる（ステップ１）。次に第２配線層３８に、初期化電流４０が流される。初期化電流４０が流されることにより発生するジュール熱により、第２配線層３８に隣接した磁化固定領域１１ａの一部分の温度が上昇する。この温度上昇により、この部分の磁化及び異方性磁界は低下し、周囲からの反磁界により磁化が反転して逆磁区が形成される。逆磁区の両側には磁壁１２ｃ、１２ｄが形成される（ステップ２）。磁化の反転を促進するために、初期化電流を印加すると同時に、−Ｚ方向に磁界を印加してもよい。さらに−Ｚ方向の磁界を印加していくと、逆磁区が磁化固定領域１１ａの全体に拡大し、一方の磁壁１２ｄが磁化反転領域１３との境界Ｂ１にまで達し、他方の磁壁１２ｃは端面から抜ける（ステップ３）。印加磁界が、境界Ｂ１から磁化反転領域１３の内部へ磁壁が移動するときのデピン磁界Ｈｄ１’よりも小さい場合、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ａとの形状差により、境界Ｂ１において磁壁がピンニングされる。さらに磁界を−Ｚ方向にデピン磁界Ｈｄ１’よりも大きく印加すると、磁壁が磁化反転領域１３の中を移動し、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ｂとの境界Ｂ２に到達してピンニングされる（ステップ４）。磁壁位置の初期化状態としては、ステップ３の後の状態、ステップ４の後の状態のいずれも用いることができる。
【００５６】
図１４は、本実施例における別の初期化動作のステップを示した断面図である。最初に十分大きな磁界を−Ｚ方向に印加した後、それを取り除くことにより、磁気記録層１０、ピン層３０、及び第２ピン層３７の磁化が−Ｚ方向に向けられる（ステップ１）。続いてステップ２では、磁気記録層１０の一部分のみが＋Ｚ方向に向くように＋Ｚ方向に磁界を印加する。このとき、印加磁界が磁気記録層１０の保磁力Ｈｃｒとピン層３０の保磁力Ｈｃｐの中間であり、かつ、ピン層３０及び第２ピン層３７からの漏洩磁界Ｈｓと磁気記録層の保磁力Ｈｃｒの和よりも小さければ、図１４に示されているように、磁化固定領域１１ａ、１１ｂ及び磁化反転領域１３のうち、漏洩磁界がかかっている領域（ピン層３０、第２ピン層３７の近傍の部分）を除いた部分の磁化が＋Ｚ方向に向く。これにより、ピン層３０、第２ピン層３７の近傍の部分に、逆磁区が形成される。その後、ステップ３において、−Ｚ方向に磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ａの境界Ｂ１にある磁壁のデピン磁界よりも小さな磁界を印加することにより、磁壁位置を磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ｂの境界Ｂ２に初期化することもできる。
【００５７】
なお、第２実施例では、図１３、図１４のいずれの初期化動作においても、２つの磁化固定領域１１ａ、１１ｂの形状を相違させ、磁壁のデピン磁界に差異をもたせることは必須ではないことに留意されたい。磁化固定領域１１ａ、１１ｂと磁化反転領域１３の間の境界Ｂ１、Ｂ２に磁壁がピンニングされるように構成されていれば、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの形状は任意に選択可能である。
【００５８】
（ＭＲＡＭの構成）
上述された第１実施例、第２実施例の磁気抵抗素子１、１Ａは、ＭＲＡＭのメモリセルとして好適に使用される。図１５は、ＭＲＡＭの構成の一例を示している。図１５において、ＭＲＡＭ６０は、データの記録に用いられるメモリセル２がマトリックス状に配置されたメモリセルアレイ６１を備えている。このメモリセルアレイ６１には、磁気メモリセル２に加え、データ読み出しの際に参照されるリファレンスセル２ｒを備えている。リファレンスセル２ｒの構造は、メモリセル２と同じである。
【００５９】
各メモリセル２は、図４Ａ、図４Ｂに示された第１実施例の磁気抵抗素子１に加え、選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２を有している。選択トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方は、磁化固定領域１１ａの電流供給端子１４ａに接続され、他方は第１ビット線ＢＬ１に接続されている。選択トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの一方は、磁化固定領域１１ｂの電流供給端子１４ｂに接続され、他方は第２ビット線ＢＬ２に接続されている。選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２のゲートはワード線ＷＬに接続されている。磁気抵抗素子１のピン層３０に接続されている金属配線層３１は、一端が初期化電圧源７０に接続され、他端が一端がグランド線７１に接続されている。
【００６０】
ワード線ＷＬは、Ｘセレクタ６２に接続されている。Ｘセレクタ６２は、データの書き込み・読み出しにおいて、アクセス対象のメモリセル２（以下、選択メモリセルという。）につながるワード線ＷＬを選択ワード線として選択する。第１ビット線ＢＬ１はＹ側電流終端回路６４に接続されており、第２ビット線ＢＬ２はＹセレクタ６３に接続されている。Ｙセレクタ６３は、選択メモリセルにつながる第２ビット線ＢＬ２を選択第２ビット線として選択する。Ｙ側電流終端回路６４は、選択メモリセルにつながる第１ビット線ＢＬ１を選択第１ビット線として選択する。
【００６１】
Ｙ側電流源回路６５は、データ書き込み時、選択第２ビット線に対し、所定の書き込み電流（ＩＷ１、ＩＷ２）の供給又は引き込みを行う。Ｙ側電源回路６６は、データ書き込み時、Ｙ側電流終端回路６４に所定の電圧を供給する。その結果、書き込み電流（ＩＷ１，ＩＷ２）は、Ｙセレクタ６３へ流れ込む、あるいは、Ｙセレクタ６３から流れ出す。これらＸセレクタ６２、Ｙセレクタ６３、Ｙ側電流終端回路６４、Ｙ側電流源回路６５、及びＹ側電源回路６６は、磁気抵抗素子１に書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２を供給するための「書き込み電流供給回路」を構成している。
【００６２】
データ読み出し時、全ての第１ビット線ＢＬ１は”Ｏｐｅｎ”（即ち、フローティング状態）に設定される。一方、第２ビット線ＢＬ２のうちの選択第２ビット線には読み出し電流負荷回路６７によって所定の読み出し電流が流される。また、リファレンスセル２ｒにつながるリファレンス第２ビット線ＢＬ２ｒには、読み出し電流負荷回路６７によって所定の電流が流される。センスアンプ６８は、リファレンス第２ビット線ＢＬ２ｒの電位と選択第２ビット線の電位の差に基づいて、選択メモリセルからデータを読み出し、そのデータを出力する。
【００６３】
本実施例において、図８に示されているように、初期化動作において配線層３１に初期化電流を印加する際には、初期化電圧源７０に適当な電圧を印加すれば良い。なお、初期化動作はＭＲＡＭ製造時に１回のみおこなえばよいので、初期化電圧源７０をチップ内に設ける必要はない。外部の電圧源を初期化電圧源７０として用い、ＭＲＡＭチップには、初期化電圧源７０に接続するための外部接続端子のみを形成することも可能である。
【００６４】
なお、図１５のようにメモリセル２が配線層３１に沿ってシリアルに並んでいると、配線抵抗が大きくなりすぎ、十分な電流が印加されない場合がある。これを防ぐためには図１６、図１７に示されているように配線層３１をメッシュ状に形成することが有効である。
【００６５】
図１２Ａ、図１２Ｂに示された第２実施例の磁気抵抗素子１Ａも、ＭＲＡＭに集積化することが可能である。この場合、配線層３１に加え、第２配線層３８がメモリセルアレイ６１に設けられる。第２配線層３８は、図１６、図１７の配線層３１のように、メッシュ状に形成されることが好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】公知の磁気抵抗素子の磁気記録層の構造を示す平面図である。
【図２】公知の他の磁気抵抗素子の磁気記録層の構造を示す平面図である。
【図３Ａ】垂直磁気異方性を持つ磁気記録層の構造の一例を示す平面図である。
【図３Ｂ】垂直磁気異方性を持つ磁気記録層の構造の一例を示す断面図である。
【図４Ａ】本発明の第１実施例における磁気抵抗素子の構造を示す平面図である。
【図４Ｂ】本発明の第１実施例における磁気抵抗素子の構造を示す断面図である。
【図５Ａ】第１実施例における磁気記録層の構造の一例を示す平面図である。
【図５Ｂ】第１実施例における磁気記録層の構造の他の例を示す平面図である。
【図５Ｃ】第１実施例における磁気記録層の構造の更に他の例を示す平面図である。
【図５Ｄ】第１実施例における磁気記録層の構造の更に他の例を示す平面図である。
【図５Ｅ】第１実施例における磁気記録層の構造の更に他の例を示す平面図である。
【図６】第１実施例における磁気抵抗素子の初期化動作の一例を示す断面図である。
【図７】磁化固定領域の後退角とデピン磁界との関係を示すグラフである。
【図８】第１実施例における磁気抵抗素子の初期化動作の他の例を示す断面図である。
【図９】第１実施例における磁気抵抗素子の初期化動作の更に他の例を示す断面図である。
【図１０】第１実施例における磁気抵抗素子の初期化動作の更に他の例を示す断面図である。
【図１１】第１実施例における磁気抵抗素子の書き込み手順を示す断面図である。
【図１２Ａ】本発明の第２実施例における磁気抵抗素子の構造を示す平面図である。
【図１２Ｂ】本発明の第２実施例における磁気抵抗素子の構造を示す断面図である。
【図１３】第２実施例における磁気抵抗素子の初期化動作の一例を示す断面図である。
【図１４】第２実施例における磁気抵抗素子の初期化動作の他の例を示す断面図である。
【図１５】本発明の第１実施例の磁気抵抗素子がメモリセルに集積化されている磁気ランダムアクセスメモリの構成の一例を示すブロック図である。
【図１６】本発明の第１実施例の磁気抵抗素子がメモリセルに集積化されている磁気ランダムアクセスメモリの構成の他の例を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第１実施例の磁気抵抗素子がメモリセルに集積化されている磁気ランダムアクセスメモリの構成の他の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６７】
１、１Ａ：磁気抵抗素子
２：メモリセル
２ｒ：リファレンスセル
１０：磁気記録層
１１ａ：磁化固定領域
１１ｂ：磁化固定領域
１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ：磁壁
１３：磁化反転領域
１４ａ、１４ｂ：電流供給端子
１５ａ、１５ｂ：くびれ
３０：ピン層
３１：配線層
３２：トンネルバリア層
３５：初期化電流
３７：第２ピン層
３８：第２配線層
３９：第２トンネルバリア層
４０：初期化電流
６０：ＭＲＡＭ
６１：メモリセルアレイ
６２：Ｘセレクタ
６３：Ｙセレクタ
６４：Ｙ側電流終端回路
６５：Ｙ側電流源回路
６６：Ｙ側電源回路
６７：読み出し電流負荷回路
６８：センスアンプ
７０：初期化電圧源
１００：磁気記録層
１０１：磁化固定領域
１０２：磁化固定領域
１０３：磁化反転領域
１０４：くびれ
１０５、１０６：電流供給端子
１１０：磁気記録層
１１１：磁化固定領域
１１２：磁化固定領域
１１３：磁化反転領域
１１５、１１６：電流供給端子
１３０：ピン層
２１０：磁気記録層
２１１ａ：磁化固定領域
２１１ｂ：磁化固定領域
２１２ａ、２１２ｂ：磁壁
２１３：磁化反転領域
２１５：くびれ
Ｂ１、Ｂ２：境界
ＤＷ：磁壁
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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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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