(57)【要約】  本発明に係るＭＲＡＭは、強磁性層である磁気記録層と、非磁性層を介して磁気記録層に接続されたピン層と、を備えている。磁気記録層は、磁化反転領域と、第１磁化固定領域と、第２磁化固定領域とを有している。磁化反転領域は、反転可能な磁化を有し、ピン層とオーバーラップしている。第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域は共に、その磁化反転領域の同じ一端に接続されている。また、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域は、向きが固定された第１固定磁化及び第２固定磁化をそれぞれ有している。第１固定磁化と第２固定磁化の一方が、上記一端へ向かう方向に固定され、他方が上記一端から離れる方向に固定されている。
2007119446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性層である磁気記録層と、
非磁性層を介して前記磁気記録層に接続されたピン層と
を備え、
前記磁気記録層は、
反転可能な磁化を有し前記ピン層とオーバーラップする磁化反転領域と、
第１固定磁化を有し前記磁化反転領域の一端に接続された第１磁化固定領域と、
第２固定磁化を有し前記一端に接続された第２磁化固定領域と
を有し、
前記第１固定磁化と前記第２固定磁化の一方が前記一端へ向かう方向に固定され、他方が前記一端から離れる方向に固定された
ＭＲＡＭ。
【請求項２】
請求の範囲１に記載のＭＲＡＭであって、
前記磁化反転領域、前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域は、三叉路を形成する
ＭＲＡＭ。
【請求項３】
請求の範囲１に記載のＭＲＡＭであって、
前記磁気記録層は、Ｙ字状に形成され、
前記磁化反転領域の長手方向は第１方向であり、
前記第１磁化固定領域の長手方向は第２方向であり、
前記第２磁化固定領域の長手方向は第３方向である
ＭＲＡＭ。
【請求項４】
請求の範囲３に記載のＭＲＡＭであって、
前記第１方向と前記第２方向のなす角は、前記第１方向と前記第３方向のなす角と等しい
ＭＲＡＭ。
【請求項５】
請求の範囲３に記載のＭＲＡＭであって、
前記磁気記録層は、前記第１方向に沿った軸に関して、鏡面対称な形状を有する
ＭＲＡＭ。
【請求項６】
請求の範囲３乃至５のいずれかに記載のＭＲＡＭであって、
前記磁気記録層は、
前記磁化反転領域と前記第１磁化固定領域にわたる第１側面と、
前記磁化反転領域と前記第２磁化固定領域にわたる第２側面と、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域にわたる第３側面と
を有し、
前記第１側面、前記第２側面、及び前記第３側面のうち少なくとも１つが滑らかに形成された
ＭＲＡＭ。
【請求項７】
請求の範囲１乃至６のいずれかに記載のＭＲＡＭであって、
前記磁化反転領域、前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域は、同一平面上に形成された
ＭＲＡＭ。
【請求項８】
請求の範囲１乃至７のいずれかに記載のＭＲＡＭであって、
交換結合と静磁結合のいずれかにより、前記第１固定磁化及び前記第２固定磁化の向きを固定するピニング層を更に備える
ＭＲＡＭ。
【請求項９】
請求の範囲８に記載のＭＲＡＭであって、
前記ピニング層は、少なくとも前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域とオーバーラップするように設けられ、
前記ピニング層の磁化の向きは、前記第１磁化固定領域から前記第２磁化固定領域へ向かう方向、あるいは、前記第２磁化固定領域から前記第１磁化固定領域へ向かう方向である
ＭＲＡＭ。
【請求項１０】
請求の範囲８に記載のＭＲＡＭであって、
前記ピニング層は、
前記第１固定磁化の向きを固定する第１ピニング層と、
前記第２固定磁化の向きを固定する第２ピニング層と
を含む
ＭＲＡＭ。
【請求項１１】
請求の範囲１乃至７のいずれかに記載のＭＲＡＭであって、
前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域は、前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域が並ぶ方向に沿って結晶磁気異方性を有するように形成された
ＭＲＡＭ。
【請求項１２】
請求の範囲１乃至７のいずれかに記載のＭＲＡＭであって、
前記第１磁化固定領域から前記第２磁化固定領域へ向かう方向、あるいは、前記第２磁化固定領域から前記第１磁化固定領域へ向かう方向に外部磁界が印加される
ＭＲＡＭ。
【請求項１３】
請求の範囲１乃至１２のいずれかに記載のＭＲＡＭであって、
前記磁気記録層は、磁気的に結合した複数の強磁性層からなり、
前記複数の強磁性層のうち少なくとも１つが、前記磁化反転領域、前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域を有する
ＭＲＡＭ。
【請求項１４】
請求の範囲１乃至１３のいずれかに記載のＭＲＡＭであって、
アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを具備し、
前記複数の磁気メモリセルの各々は、前記磁気記録層と前記ピン層を備える
ＭＲＡＭ。
【請求項１５】
請求の範囲１４に記載のＭＲＡＭであって、
前記複数の磁気メモリセルは、第１軸に沿って配置された第１磁気メモリセルと第２磁気メモリセルを含み、
前記第１磁気メモリセルの前記磁気記録層の形状と前記第２磁気メモリセルの前記磁気記録層の形状は、前記第１軸に対して線対称の関係を有する
ＭＲＡＭ。
【請求項１６】
請求の範囲１乃至１５のいずれかに記載のＭＲＡＭであって、
第１書き込み動作時、第１書き込み電流が、前記磁化反転領域から前記一端を通って前記第１磁化固定領域に流され、
第２書き込み動作時、第２書き込み電流が、前記磁化反転領域から前記一端を通って前記第２磁化固定領域に流される
ＭＲＡＭ。
【請求項１７】
請求の範囲１６に記載のＭＲＡＭであって、
前記第１固定磁化は、前記一端へ向かう方向に固定され、
前記第２固定磁化は、前記一端から離れる方向に固定され、
前記第１書き込み動作により、前記磁化反転領域の磁化は、前記一端から離れる方向へ向き、
前記第２書き込み動作により、前記磁化反転領域の磁化は、前記一端へ向かう方向へ向く
ＭＲＡＭ。
【請求項１８】
請求の範囲１６に記載のＭＲＡＭであって、
前記第１固定磁化は、前記一端から離れる方向に固定され、
前記第２固定磁化は、前記一端へ向かう方向に固定され、
前記第１書き込み動作により、前記磁化反転領域の磁化は、前記一端へ向かう方向へ向き、
前記第２書き込み動作により、前記磁化反転領域の磁化は、前記一端から離れる方向へ向く
ＭＲＡＭ。
【請求項１９】
請求の範囲１７に記載のＭＲＡＭであって、
更に、前記磁化反転領域と交差するように形成されたアシスト配線を備え、
前記第１書き込み動作時、前記アシスト配線を流れる電流によって前記磁化反転領域に印加される磁界の向きは、前記一端から離れる方向を向き、
前記第２書き込み動作時、前記アシスト配線を流れる電流によって前記磁化反転領域に印加される磁界の向きは、前記一端へ向かう方向を向く
ＭＲＡＭ。
【請求項２０】
請求の範囲１８に記載のＭＲＡＭであって、
更に、前記磁化反転領域と交差するように形成されたアシスト配線を具備し、
前記第１書き込み動作時、前記アシスト配線を流れる電流によって前記磁化反転領域に印加される磁界の向きは、前記一端へ向かう方向を向き、
前記第２書き込み動作時、前記アシスト配線を流れる電流によって前記磁化反転領域に印加される磁界の向きは、前記一端から離れる方向を向く
ＭＲＡＭ。
【請求項２１】
請求の範囲１９又は２０に記載のＭＲＡＭであって、
複数の磁気メモリセルを具備し、
前記複数の磁気メモリセルの各々が、前記磁気記録層と前記ピン層を備え、
前記アシスト配線は、前記複数の磁気メモリセルのそれぞれの前記磁化反転領域に対して共通に設けられた
ＭＲＡＭ。
【請求項２２】
請求の範囲１６乃至２１のいずれかに記載のＭＲＡＭであって、
読み出し動作時、読み出し電流は、前記非磁性層を介して、前記ピン層と前記磁気記録層との間を流れる
ＭＲＡＭ。
【請求項２３】
ＭＲＡＭのデータ読み書き方法であって、
前記ＭＲＡＭは、
強磁性層である磁気記録層と、
非磁性層を介して前記磁気記録層に接続されたピン層と
を備え、
前記磁気記録層は、
反転可能な磁化を有し前記ピン層とオーバーラップする磁化反転領域と、
第１固定磁化を有する第１磁化固定領域と、
第２固定磁化を有する第２磁化固定領域と
を備え、
前記磁化反転領域、前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域は、三叉路を形成し、
前記第１固定磁化と前記第２固定磁化の一方が前記磁化反転領域へ向かう方向に固定され、他方が前記磁化反転領域から離れる方向に固定され、
前記データ読み書き方法は、
（Ａ）第１データを書き込む場合、第１書き込み電流を、前記磁化反転領域から前記第１磁化固定領域に流すステップと、
（Ｂ）第２データを書き込む場合、第２書き込み電流を、前記磁化反転領域から前記第２磁化固定領域に流すステップと
を有する
ＭＲＡＭのデータ読み書き方法。
【請求項２４】
請求の範囲２３に記載のＭＲＡＭのデータ読み書き方法であって、
（Ｃ）前記第１データあるいは前記第２データを読み出す場合、読み出し電流を、前記非磁性層を介して前記ピン層と前記磁気記録層の間に流すステップ
を更に有する
ＭＲＡＭのデータ読み書き方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）に関する。特に、本発明は、スピン注入方式に基づくＭＲＡＭ及びそのＭＲＡＭのデータ読み書き方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭは、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。ＭＲＡＭにおいては、ＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance）効果などの「磁気抵抗効果」を示す磁気抵抗素子が利用される。その磁気抵抗素子には、例えばトンネルバリヤ層が２層の強磁性体層で挟まれた磁気トンネル接合（MTJ; Magnetic Tunnel Junction）が形成される。その２層の強磁性体層は、磁化の向き（direction of magnetization）が固定されたピン層（pinned layer）と、磁化の向きが反転可能なフリー層（free layer）から構成される。【０００３】
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）よりも大きくなることが知られている。ＭＲＡＭは、このＭＴＪを有する磁気抵抗素子をメモリセルとして用い、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。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】
ＭＲＡＭに対するデータの書き込み方法として、従来、「アステロイド方式」や「トグル方式」が知られている。これらの書き込み方式によれば、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反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する傾向にある。【０００５】
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ている。例えば、スピン注入方式は下記文献に記載されている：Yagami and Suzuki, Research Trends in Spin Transfer Magnetization Switching （スピン注入磁化反転の研究動向），日本応用磁気学会誌，Vol. 28, No. 9, 2004。スピン注入（spin transfer）方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流（spin-polarized current）が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する（以下、「スピン注入磁化反転：Spin Transfer Magnetization Switching」と参照される）。スピン注入磁化反転の概略を、図１を参照することによって説明する。【０００６】
図１において、磁気抵抗素子は、フリー層１０１、ピン層１０３、及びフリー層１０１とピン層１０３に挟まれた非磁性層であるトンネルバリヤ層１０２を備えている。ここで、磁化の向きが固定されたピン層１０３は、フリー層１０１よりも厚くなるように形成されており、スピン偏極電流を作る機構（スピンフィルター）としての役割を果たす。フリー層１０１とピン層１０３の磁化の向きが平行である状態は、データ“０”に対応付けられ、それらが反平行である状態は、データ“１”に対応付けられている。【０００７】
図１に示されるスピン注入磁化反転は、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）方式により実現され、書き込み電流は膜面に垂直に注入される。具体的には、データ“０”からデータ“１”への遷移時、電流はピン層１０３からフリー層１０１へ流れる。この場合、スピンフィルターとしてのピン層１０３と同じスピン状態を有する電子が、フリー層１０１からピン層１０３に移動する。そして、スピントランスファー（スピン角運動量の授受）効果により、フリー層１０１の磁化が反転する。一方、データ“１”からデータ“０”への遷移時、電流の方向は逆転し、電流はフリー層１０１からピン層１０３へ流れる。この場合、スピンフィルターとしてのピン層１０３と同じスピン状態を有する電子が、ピン層１０３からフリー層１０１に移動する。スピントランスファー効果により、フリー層１０１の磁化が反転する。【０００８】
このように、スピン注入磁化反転では、スピン電子の移動によりデータの書き込みが行われる。膜面に垂直に注入されるスピン偏極電流の方向により、フリー層１０１の磁化の向きを規定することが可能である。ここで、書き込み（磁化反転）の閾値は電流密度に依存することが知られている。従って、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、磁化反転に必要な書き込み電流が減少する。メモリセルの微細化に伴って書き込み電流が減少するため、スピン注入磁化反転は、ＭＲＡＭの大容量化の実現にとって重要である。【０００９】
関連する技術として、特開２００５−１９１０３２号公報には磁壁移動方式の磁気記憶装置が開示されている。この磁気記憶装置は、磁化が固定された磁化固定層と、磁化固定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化自由層とを備える。磁化自由層は、トンネル絶縁層及び磁化固定層と重なる接合部、接合部の両端に隣接するくびれ部、及びくびれ部に隣接形成された一対の磁化固定部を有する。一対の磁化固定部には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。更に、磁気記憶装置は、一対の磁化固定部に電気的に接続された一対の磁気情報書き込み用端子を備える。この一対の磁気情報書き込み用端子により、磁化自由層の接合部、一対のくびれ部及び一対の磁化固定部を貫通する書き込み電流が流れる。その書き込み電流の方向は、書き込みデータに応じて制御され、第１方向あるいは第１方向と反対の第２方向のいずれかとなる。その書き込み電流の方向に応じて、磁壁が一対のくびれ部間を移動する。
【発明の開示】
【００１０】
本発明の目的は、スピン注入方式を用いる新たなＭＲＡＭを提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、スピン注入方式を用いたＭＲＡＭにおいて、書き込み電流を供給するための周辺回路を簡略化することができる技術を提供することにある。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、ＭＴＪにおけるトンネルバリヤ層の劣化を抑制することができるＭＲＡＭ及びデータ書き込み方式を提供することにある。
【００１３】
本発明の更に他の目的は、メモリセルサイズの縮小に伴い書き込み電流を低減することができるＭＲＡＭ及びデータ書き込み方式を提供することにある。
【００１４】
本発明の第１の観点において、ＭＲＡＭが提供される。そのＭＲＡＭは、強磁性層である磁気記録層と、非磁性層を介して磁気記録層に接続されたピン層と、を備えている。磁気記録層は、磁化反転領域と、第１磁化固定領域と、第２磁化固定領域とを有している。磁化反転領域は、反転可能な磁化を有し、ピン層とオーバーラップしている。第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域は共に、その磁化反転領域の同じ一端に接続されている。また、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域は、向きが固定された第１固定磁化及び第２固定磁化をそれぞれ有している。第１固定磁化と第２固定磁化の一方が、上記一端へ向かう方向に固定され、他方が上記一端から離れる方向に固定されている。
【００１５】
本発明に係るＭＲＡＭにおいて、磁化反転領域、第１磁化固定領域、及び第２磁化固定領域は、“三叉路”を形成している。典型的には、磁気記録層は、Ｙ字状に形成されている。この場合、磁化反転領域の長手方向は第１方向であり、第１磁化固定領域の長手方向は第２方向であり、第２磁化固定領域の長手方向は第３方向である。好適には、第１方向と第２方向のなす角は、第１方向と第３方向のなす角と等しい。また、磁気記録層は、第１方向に沿った軸に関して、鏡面対称な形状を有してもよい。
【００１６】
磁気記録層は、磁化反転領域と第１磁化固定領域にわたる第１側面と、磁化反転領域と第２磁化固定領域にわたる第２側面と、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域にわたる第３側面とを有する。これら第１側面、第２側面、及び第３側面のうち少なくとも１つが滑らかに形成されていてもよい。
【００１７】
上述の磁化反転領域、第１磁化固定領域、及び第２磁化固定領域は、同一平面上に形成されていると好ましい。
【００１８】
本発明に係るＭＲＡＭは、強磁性体及び反強磁性体の少なくとも１つを含むピニング層を更に備えてもよい。そのピニング層は、交換結合と静磁結合のいずれかにより、第１固定磁化及び第２固定磁化の向きを固定する。ピニング層は、少なくとも第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域とオーバーラップするように設けられる。そのピニング層の磁化の向きは、第１磁化固定領域から第２磁化固定領域へ向かう方向、あるいは、第２磁化固定領域から第１磁化固定領域へ向かう方向である。また、ピニング層は、第１固定磁化の向きを固定する第１ピニング層と、第２固定磁化の向きを固定する第２ピニング層とを含んでいてもよい。
【００１９】
本発明に係るＭＲＡＭにおいて、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域は、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域が並ぶ方向に沿って結晶磁気異方性を有するように形成されていてもよい。また、本発明に係るＭＲＡＭにおいて、第１磁化固定領域から第２磁化固定領域へ向かう方向、あるいは、第２磁化固定領域から第１磁化固定領域へ向かう方向に外部磁界が印加されていてもよい。
【００２０】
本発明に係るＭＲＡＭにおいて、磁気記録層は、磁気的に結合した複数の強磁性層から構成されていてもよい。その複数の強磁性層のうち少なくとも１つが、上述の磁化反転領域、第１磁化固定領域、及び第２磁化固定領域を有している。
【００２１】
本発明に係るＭＲＡＭは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを備える。その複数の磁気メモリセルの各々が、上述の磁気記録層とピン層を備えている。複数の磁気メモリセルは、第１軸に沿って配置された第１磁気メモリセルと第２磁気メモリセルを含む。第１磁気メモリセルの磁気記録層の形状と第２磁気メモリセルの磁気記録層の形状は、その第１軸に対して線対称の関係を有していてもよい。
【００２２】
本発明に係るＭＲＡＭにおいて、第１書き込み動作時、第１書き込み電流が、磁化反転領域から上記一端を通って第１磁化固定領域に流される。一方、第２書き込み動作時、第２書き込み電流が、磁化反転領域から上記一端を通って第２磁化固定領域に流される。
【００２３】
例えば、第１固定磁化は、上述の一端へ向かう方向に固定され、第２固定磁化は、その一端から離れる方向に固定されている。この場合、第１書き込み動作により、磁化反転領域の磁化は、その一端から離れる方向へ向く。一方、第２書き込み動作により、磁化反転領域の磁化は、その一端へ向かう方向へ向く。このＭＲＡＭは、更に、磁化反転領域と交差するように形成されたアシスト配線を備えてもよい。第１書き込み動作時、アシスト配線を流れる電流によって磁化反転領域に印加される磁界の向きは、その一端から離れる方向を向く。一方、第２書き込み動作時、アシスト配線を流れる電流によって磁化反転領域に印加される磁界の向きは、その一端へ向かう方向を向く。
【００２４】
あるいは、第１固定磁化は、上述の一端から離れる方向に固定され、第２固定磁化は、その一端へ向かう方向に固定されている。この場合、第１書き込み動作により、磁化反転領域の磁化は、その一端へ向かう方向へ向く。一方、第２書き込み動作により、磁化反転領域の磁化は、その一端から離れる方向へ向く。このＭＲＡＭは、更に、磁化反転領域と交差するように形成されたアシスト配線を備えてもよい。第１書き込み動作時、アシスト配線を流れる電流によって磁化反転領域に印加される磁界の向きは、その一端へ向かう方向を向く。一方、第２書き込み動作時、アシスト配線を流れる電流によって磁化反転領域に印加される磁界の向きは、その一端から離れる方向を向く。
【００２５】
アシスト配線は、複数の磁気メモリセルのそれぞれの磁化反転領域に対して、共通に設けられていてもよい。
【００２６】
本発明に係るＭＲＡＭにおいて、読み出し動作時、読み出し電流は、非磁性層を介してピン層と磁気記録層との間を流れる。
【００２７】
本発明の第２の観点において、ＭＲＡＭのデータ読み書き方法が提供される。そのＭＲＡＭは、強磁性層である磁気記録層と、非磁性層を介して磁気記録層に接続されたピン層と、を備える。磁気記録層は、反転可能な磁化を有しピン層とオーバーラップする磁化反転領域と、第１固定磁化を有する第１磁化固定領域と、第２固定磁化を有する第２磁化固定領域とを備える。これら磁化反転領域、第１磁化固定領域、及び第２磁化固定領域は、三叉路を形成している。また、第１固定磁化と第２固定磁化の一方が磁化反転領域へ向かう方向に固定され、他方が磁化反転領域から離れる方向に固定されている。
【００２８】
この時、本発明に係るデータ書き込み方法は、（Ａ）第１データを書き込む場合、第１書き込み電流を、磁化反転領域から第１磁化固定領域に流すステップと、（Ｂ）第２データを書き込む場合、第２書き込み電流を、磁化反転領域から第２磁化固定領域に流すステップとを有する。また、本発明に係るデータ読み出し方法は、（Ｃ）第１データあるいは第２データを読み出す場合、読み出し電流を、非磁性層を介してピン層と磁気記録層との間に流すステップを有する。
【００２９】
本発明によれば、スピン注入方式を用いる新たなＭＲＡＭが提供される。そのＭＲＡＭによれば、書き込み電流は、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、磁気記録層内を平面的に流れる。スピン電子によるスピントランスファー効果により、磁気記録層中の磁化反転領域の磁化が反転する。本発明によれば、その書き込み電流は、磁気記録層に対して一方向から供給される。従って、書き込み電流の制御及び周辺回路の構成を簡略化することが可能となる。また、書き込み時に、書き込み電流がＭＴＪを貫通しないため、ＭＴＪにおけるトンネルバリヤ層の劣化が抑制される。更に、スピン注入方式でデータ書き込みが行われるため、メモリセルサイズの縮小に伴い、書き込み電流が低減される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、従来のスピン注入方式によるデータ書き込みを説明するための図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す斜視図である。
【図３】図３は、図２に示された磁気メモリセルの構造を示す平面図である。
【図４】図４は、図３に示された磁気メモリセルに対するデータ書き込みの原理を示す平面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、シミュレーションにより得られた磁気記録層における磁化の分布を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、シミュレーションにより得られた磁気記録層における磁化の分布を示す図である。
【図６】図６は、第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の他の例と、その磁気メモリセルに対するデータ書き込みの原理を示す平面図である。
【図７】図７は、第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの回路構成の一例を示す回路図である。
【図８】図８は、第１の実施の形態に係るデータ読み書き方法を要約的に示す図表である。
【図９】図９は、第１の実施の形態に係るメモリセルアレイの回路構成の一例を示す平面図である。
【図１０】図１０は、第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの回路構成の他の例を示す回路図である。
【図１１】図１１は、磁化固定領域における磁化の向きを固定するための方法の一例を示す側面図である。
【図１２】図１２は、磁化固定領域における磁化の向きを固定するための方法の他の例を示す側面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、磁化固定領域における磁化の向きを固定するための方法の更に他の例を示す平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、磁化固定領域における磁化の向きを固定するための方法の更に他の例を示す平面図である。
【図１４】図１４は、磁化固定領域における磁化の向きを固定するための方法の更に他の例を示す平面図である。
【図１５】図１５は、本発明に係る磁気メモリセルの構造の他の例を示す平面図である。
【図１６】図１６は、本発明に係る磁気メモリセルの構造の更に他の例を示す平面図である。
【図１７】図１７は、本発明に係る磁気メモリセルの構造の更に他の例を示す平面図である。
【図１８】図１８は、本発明に係る磁気メモリセルの構造の更に他の例を示す平面図である。
【図１９】図１９は、本発明の第３の実施の形態に係るＭＲＡＭの構造を示す平面図である。
【図２０】図２０は、第３の実施の形態に係る構造の一例を示す側面図である。
【図２１】図２１は、第３の実施の形態に係る構造の他の例を示す側面図である。
【図２２】図２２は、本発明の第４の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す側面図である。
【図２３】図２３は、第４の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の他の例を示す側面図である。
【図２４】図２４は、本発明の第５の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す側面図である。
【図２５Ａ】図２５Ａは、本発明の第６の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す側面図である。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、第６の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の他の例を示す側面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
添付図面を参照して、本発明に係るＭＲＡＭ及びそのデータ読み書き方法を説明する。ＭＲＡＭは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを有しており、各磁気メモリセルがＭＴＪを有している。【００３２】
１．第１の実施の形態
１−１．磁気メモリセルの構造及び書き込み原理
図２は、第１の実施の形態に係る磁気メモリセル１（磁気抵抗素子）の構造を示している。磁気メモリセル１は、強磁性体層である磁気記録層１０とピン層３０、及び非磁性体層であるトンネルバリヤ層２０を備えている。トンネルバリヤ層２０は、磁気記録層１０とピン層３０に挟まれており、これら磁気記録層１０、トンネルバリヤ層２０、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、フリー層に相当する役割を果たす。【００３３】
磁気記録層１０は、軟磁性材料で形成されており、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉから選択される少なくとも１種類の元素を含んでいる。例えば、磁気記録層１０は、ＮｉＦｅで形成されている。更に、磁気記録層１０は、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｐｄ，及びＰｔから選択される少なくとも１種類の元素を含んでいてもよい。トンネルバリヤ層２０は、例えば、薄い絶縁層である。トンネルバリヤ層２０としては、Ａｌ２Ｏ３膜、ＳｉＯ２膜、ＭｇＯ膜、ＡｌＮ膜等の絶縁膜が例示される。またその他に、トンネルバリヤ層２０として、Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｕ，Ａｇ，Ａｌなどの非磁性金属を用いることもできる。ピン層３０は、磁化が実質的に一方向に固定された強磁性層を含み、その強磁性層はトンネルバリヤ層２０に隣接して設けられる。尚、ピン層３０は、強磁性層と非磁性層が交互に積層された積層膜であることが望ましい。また、その積層膜のうち少なくとも一層の強磁性層には反強磁性層が隣接しており、それら強磁性層と反強磁性層は交換結合していることが望ましい。例えば、ピン層３０は、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎの積層膜である。【００３４】
図２に示されるように、本実施の形態に係る磁気記録層１０は、３つの異なる領域である第１磁化固定領域１１、第２磁化固定領域１２、及び磁化反転領域１３を有している。第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２の磁化は、それぞれ所定の向きに固定されている。一方、磁化反転領域（磁化自由領域）１３の磁化は、反転可能である。その反転可能な磁化を有する磁化反転領域１３が、ピン層３０とオーバーラップするように形成されている。言い換えれば、磁気記録層１０のうち磁化反転領域１３が、トンネルバリヤ層２０を介してピン層３０に接続されている。第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２は共に、磁化反転領域１３の端部のうち同じ端部（一端）に接続されている。すなわち、第１磁化固定領域１１、第２磁化固定領域１２、及び磁化反転領域１３は、“三叉路”を形成している。【００３５】
好適には、第１磁化固定領域１１、第２磁化固定領域１２、及び磁化反転領域１３は、同一平面（ＸＹ面）上に形成される。そのＸＹ面における磁気記録層１０の形状の一例が、図３に示されている。図３において、磁化反転領域１３は、Ｘ方向（Ｘ軸）に沿って形成されており、その長手方向はＸ方向である。また、第１磁化固定領域１１は、Ｓ方向（Ｓ軸）に沿って形成されており、その長手方向はＳ方向である。また、第２磁化固定領域１２は、Ｔ方向（Ｔ軸）に沿って形成されており、その長手方向はＴ方向である。Ｓ軸やＴ軸は、Ｘ軸やＹ軸に対して斜めであり、Ｓ軸やＴ軸がＸ軸となす角度は９０度より大きくなっている。すなわち、本実施の形態において、磁気記録層１０は、“Ｙ字状”に形成されている。【００３６】
図３には、各領域の磁化の向きも矢印によって示されている。更に、ピン層３０の投影及びその磁化の向きも、点線及び点線矢印によって示されている。ピン層３０の磁化の向きは、−Ｘ方向に固定されているとする。一方、ピン層３０とオーバーラップする磁化反転領域１３の磁化の向きは、反転可能であり、形状磁気異方性により＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向となる。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ている。【００３７】
第１磁化固定領域１１は、Ｓ軸に沿って向きが固定された第１固定磁化Ｍ１を有している。第２磁化固定領域１２は、Ｔ軸に沿って向きが固定された第２固定磁化Ｍ２を有している。より詳細には、第１固定磁化Ｍ１の向きは、磁化反転領域１３へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向に、すなわち、第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３との境界へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向に固定されている。一方、第２固定磁化Ｍ２の向きは、磁化反転領域１３から離れる（Ａｗａｙ）方向に、すなわち、第２磁化固定領域１２と磁化反転領域１３との境界から離れる（Ａｗａｙ）方向に固定されている。第１磁化固定領域１１から第２磁化固定領域１２への遷移領域において、磁化の向きは滑らかに変化していると言える。尚、“磁化の固定”に関しては後述される（第１−３節）。【００３８】
以下、磁気メモリセル１に対するデータの書き込み原理が説明される。本実施の形態によれば、スピン注入（spin transfer）方式でデータの書き込みが行われる（スピン注入データ書き込み：Spin Transfer Data Writing）。【００３９】
（構造例１）
図３に示された構造に対するデータの書き込み原理が、図４に示されている。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。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。【００４０】
データ「１」の書き込み時（第１書き込み）、第１書き込み電流ＩＷ１が、磁化反転領域１３から第１磁化固定領域１１に流れる。この場合、電子（スピン電子）は、第１磁化固定領域１１から、境界（入り口）ＥＮＴを通して磁化反転領域１３に注入される。注入された電子のスピンは、磁化反転領域１３の磁気モーメントに影響を及ぼす。第１磁化固定領域１１の磁化の向きは磁化反転領域１３に向かう方向（右向き）であるため、磁化反転領域１３には右向きのスピントルクが与えられる。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが境界ＥＮＴから離れる方向（＋Ｘ方向）に変わる（スピン注入磁化反転：Spin Transfer Magnetization Switching）。【００４１】
一方、データ「０」の書き込み時（第２書き込み）、第２書き込み電流ＩＷ２が、磁化反転領域１３から第２磁化固定領域１２に流れる。この場合、電子（スピン電子）は、第２磁化固定領域１２から、境界（入り口）ＥＮＴを通して磁化反転領域１３に注入される。注入された電子のスピンは、磁化反転領域１３の磁気モーメントに影響を及ぼす。第２磁化固定領域１２の磁化の向きは磁化反転領域１３から離れる方向（左向き）であるため、磁化反転領域１３には左向きのスピントルクが与えられる。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが境界ＥＮＴへ向かう方向（−Ｘ方向）に変わる。【００４２】
このように、磁気記録層１０内を平面的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する。書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２がＭＴＪを貫通しないため、ＭＴＪにおけるトンネルバリヤ層２０の劣化が抑制される。また、スピン注入方式でデータ書き込みが行われるため、メモリセルサイズの縮小に伴い、書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２が低減される。【００４３】
第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２は、異なるスピンを有する電子の供給源の役割を果たしていると言える。本実施の形態によれば、異なるスピンを有する電子は、同じ境界（入り口）ＥＮＴを通して磁化反転領域１３に注入される。言い換えれば、書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２は、磁化反転領域１３中で同じ方向に流れる。この場合、書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２を、磁気記録層１０の磁化反転領域１３に対して一方向から供給するだけで十分である。従って、書き込み電流の制御や周辺回路の構成を簡略化することが可能となる。【００４４】
更に、第１書き込み時、書き込み電流ＩＷ１は、スピン電子の供給に関係しない第２磁化固定領域１２には流れず、スピントルクの授受に関係する磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１だけを流れる。また、第２書き込み時、書き込み電流ＩＷ２は、スピン電子の供給に関係しない第１磁化固定領域１１には流れず、スピントルクの授受に関係する磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１２だけを流れる。このように、スピン電子の供給源ではない磁化固定領域には書き込み電流ＩＷが流れないため、その磁化固定領域の固定磁化は全く影響を受けない。よって、磁化固定領域の固定磁化が他の領域からのスピン注入により反転してしまうことが防止される。【００４５】
図５Ａ及び図５Ｂは、磁気記録層１０における磁化の分布を示している。図５Ａは、データ「０」に対応しており、図５Ｂはデータ「１」に対応している。これら磁化の分布は、マイクロマグネティックシミュレーションにより得られる。図５Ａにおいて、磁化の向きは、第１磁化固定領域１１から第２磁化固定領域１２へ、また、磁化反転領域１３から第２磁化固定領域１２へ滑らかに変化している。第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３との間には短い磁壁が形成されている。一方、図５Ｂにおいて、磁化の向きは、第１磁化固定領域１１から第２磁化固定領域１２へ、また、第１磁化固定領域１１から磁化反転領域１３へ滑らかに変化している。第２磁化固定領域１２と磁化反転領域１３との間には短い磁壁が形成されている。【００４６】
尚、データの読み出しに関しては、次の通りである。データ読み出し時、読み出し電流は、ＭＴＪを流れるように供給される。例えば、読み出し電流はピン層３０に供給され、トンネルバリヤ層２０を経由して磁気記録層１０へ流れ込む。その読み出し電流あるいは読み出し電位に基づいて、ＭＴＪ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。あるいは、読み出し電流は、磁気記録層１０からトンネルバリヤ層２０を経由してピン層３０に流れてもよい。但し、読み出し電流の方向を書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２の方向と一致させるには、前者が好ましい。その場合、書き込み／読み出し電流の制御や周辺回路の構成を簡略化することが可能となる。【００４７】
（構造例２）
第１磁化固定領域１１の磁化の向きと第２磁化固定領域１２の磁化の向きは、図３や図４に示された方向に限られない。本実施の形態に係る他の構造、及びその構造に対するデータの書き込み原理が、図６に示されている。図６は図４に相当する図であり、重複する説明は適宜省略される。【００４８】
第１磁化固定領域１１の第１固定磁化Ｍ１の向きは、磁化反転領域１３から離れる（Ａｗａｙ）方向に、すなわち、境界ＥＮＴから離れる（Ａｗａｙ）方向に固定されている。一方、第２磁化固定領域１２の第２固定磁化Ｍ２の向きは、磁化反転領域１３へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向に、すなわち、境界ＥＮＴへ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向に固定されている。また、ピン層３０の磁化の向きは、＋Ｘ方向に固定されているとする。データ「０」状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｘ方向であり、データ「１」状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは−Ｘ方向である。【００４９】
データ「１」の書き込み時（第１書き込み）、第１書き込み電流ＩＷ１が、磁化反転領域１３から第１磁化固定領域１１に流れる。この場合、電子（スピン電子）は、第１磁化固定領域１１から、境界（入り口）ＥＮＴを通して磁化反転領域１３に注入される。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが境界ＥＮＴへ向かう方向（−Ｘ方向）に変わる。一方、データ「０」の書き込み時（第２書き込み）、第２書き込み電流ＩＷ２が、磁化反転領域１３から第２磁化固定領域１２に流れる。この場合、電子（スピン電子）は、第２磁化固定領域１２から、境界（入り口）ＥＮＴを通して磁化反転領域１３に注入される。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが境界ＥＮＴから離れる方向（＋Ｘ方向）に変わる。【００５０】
図６に示された構造によっても、上述の構造例１と同じ効果が得られる。また、データの読み出しに関しても、上述の構造例１と同様である。【００５１】
１−２．回路構成
次に、本実施の形態に係る磁気メモリセル１に書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２を流すための回路構成を説明する。【００５２】
図７は、磁気メモリセル１の回路構成の一例を示している。図７において、１つの磁気メモリセル１に対して２つのＭＯＳトランジスタＴＲ１、ＴＲ２が設けられている。第１ＭＯＳトランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方がグラウンド線ＧＮＤに接続されており、他方が第１磁化固定領域１１の一端（境界ＥＮＴと反対側）に接続されている。また、第２ＭＯＳトランジスタＴＲ２のソース／ドレインの一方がグラウンド線ＧＮＤに接続されており、他方が第２磁化固定領域１２の一端（境界ＥＮＴと反対側）に接続されている。第１ＭＯＳトランジスタＴＲ１のゲートは、第１ワード線ＷＬ１に接続されており、第２ＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲートは、第２ワード線ＷＬ２に接続されている。【００５３】
また、磁化反転領域１３の一端（境界ＥＮＴと反対側）には、第１ビット線ＢＬ１が接続されている。この第１ビット線ＢＬ１は、書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２を磁化反転領域１３に供給するための書き込み配線である（図４、図６参照）。また、ＭＴＪの一端であるピン層３０には、第２ビット線ＢＬ２が接続されている。この第２ビット線ＢＬ２は、ＭＴＪに読み出し電流を供給するための読み出し配線である。【００５４】
図８は、図７に示された回路構成の場合のデータ読み書き方法を要約的に示している。データ「１」の書き込みの場合、第１ワード線ＷＬ１及び第２ワード線ＷＬ２の電位は、それぞれ“Ｈｉｇｈ”及び“Ｌｏｗ”に設定される。これにより、第１ＭＯＳトランジスタＴＲ１がオンし、第２ＭＯＳトランジスタＴＲ２がオフする。更に、第１ビット線ＢＬ１（書き込み配線）が選択され、その電位が“Ｈｉｇｈ”に設定される。一方、第２ビット線ＢＬ２は“Ｏｐｅｎ”に設定される。その結果、第１書き込み電流ＩＷ１が、第１ビット線ＢＬ１から、磁化反転領域１３、第１磁化固定領域１１及び第１ＭＯＳトランジスタＴＲ１を経由して、グラウンド線ＧＮＤに流れる。【００５５】
データ「０」の書き込みの場合、第１ワード線ＷＬ１及び第２ワード線ＷＬ２の電位は、それぞれ“Ｌｏｗ”及び“Ｈｉｇｈ”に設定される。これにより、第１ＭＯＳトランジスタＴＲ１がオフし、第２ＭＯＳトランジスタＴＲ２がオンする。更に、第１ビット線ＢＬ１（書き込み配線）が選択され、その電位が“Ｈｉｇｈ”に設定される。一方、第２ビット線ＢＬ２は“Ｏｐｅｎ”に設定される。その結果、第２書き込み電流ＩＷ２が、第１ビット線ＢＬ１から、磁化反転領域１３、第２磁化固定領域１２及び第２ＭＯＳトランジスタＴＲ２を経由して、グラウンド線ＧＮＤに流れる。【００５６】
データ読み出し時、第１ワード線ＷＬ１及び第２ワード線ＷＬ２の少なくとも一方の電位が“Ｈｉｇｈ”に設定される。これにより、第１ＭＯＳトランジスタＴＲ１と第２ＭＯＳトランジスタＴＲ２の少なくとも一方がオンする。更に、第２ビット線ＢＬ２（読み出し配線）が選択され、その電位が“Ｈｉｇｈ”に設定される。一方、第１ビット線ＢＬ１は“Ｏｐｅｎ”に設定される。その結果、読み出し電流が、第２ビット線ＢＬ２から、ＭＴＪ及び磁気記録層１０を経由して、グラウンド線ＧＮＤに流れる。尚、読み出し電流の大きさは、磁化反転領域１３の磁化の向きが変わらない程度に小さく設定されている。【００５７】
図９は、複数の磁気メモリセル１がアレイ状に配置されたメモリセルアレイを示している。各磁気メモリセル１は、図７に示された構成と同じ構成を有している。例えば、磁気メモリセル１ａは、ワード線ＷＬ１ａ、ＷＬ２ａ、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２、及びグラウンド線に接続されている。また、磁気メモリセル１ｂは、ワード線ＷＬ１ｂ、ＷＬ２ｂ、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２、及びグラウンド線に接続されている。ワード線ＷＬは、Ｘ軸に沿って配置された磁気メモリセル群によって共有されている。また、ビット線ＢＬは、Ｙ軸に沿って配置された磁気メモリセル群によって共有されている。【００５８】
また、磁気メモリセル１ａは、磁化反転領域１３が右側（＋Ｘ方向）に突出した「第１パターン」を有している。一方、磁気メモリセル１ｂは、磁化反転領域１３が左側（−Ｘ方向）に突出した「第２パターン」を有している。すなわち、Ｙ軸に沿って配置された磁気メモリセル１ａ及び１ｂは、Ｙ軸に対して線対称の関係を有している。図９に示されたメモリセルアレイは、第１パターンと第２パターンが交互に現れるように設計されている。その場合、いずれかのパターンだけが現れる場合と比較して、セルアレイの面積を縮小することが可能となり、好適である。【００５９】
図１０は、磁気メモリセル１の回路構成の他の例を示している。図１０において、第１ＭＯＳトランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方が第１グラウンド線ＧＮＤ１に接続されており、他方が第１磁化固定領域１１の一端に接続されている。また、第２ＭＯＳトランジスタＴＲ２のソース／ドレインの一方が第２グラウンド線ＧＮＤ２に接続されており、他方が第２磁化固定領域１２の一端に接続されている。ＭＯＳトランジスタＴＲ１、ＴＲ２のゲートは、共通のワード線ＷＬに接続されている。また、磁化反転領域１３の一端には、第１ビット線ＢＬ１（書き込み配線）が接続されている。また、ＭＴＪの一端であるピン層３０には、第２ビット線ＢＬ２（読み出し配線）が接続されている。このような構成によっても、データの読み書きが実現される。【００６０】
１−３．磁化の固定
次に、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の磁化を固定するための方法を説明する。例として、上述の構造例１の場合の磁化固定を説明する。構造例２の場合は、磁化の向きが正反対に固定されればよい。【００６１】
（交換結合）
図１１は、磁化固定手段を備えた磁気メモリセル１を示す側面図である。この磁気メモリセル１は、第１ピニング層４１と第２ピニング層４２を磁化固定手段として備えている。第１ピニング層４１は、第１磁化固定領域１１に−Ｓ方向のバイアス磁界を印加する。一方、第２ピニング層４２は、第２磁化固定領域１２に＋Ｔ方向のバイアス磁界を印加する。【００６２】
例えば、第１ピニング層４１は、−Ｓ方向に磁化が固定された強磁性体層を含んでおり、その強磁性体層は、第１磁化固定領域１１に密着するように形成されている。この第１ピニング層４１は、「交換結合（exchange coupling）」によって、第１磁化固定領域１１の固定磁化Ｍ１の向きを−Ｓ方向に固定している。一方、第２ピニング層４２は、＋Ｔ方向に磁化が固定された強磁性体層を含んでおり、その強磁性体層は、第２磁化固定領域１２に密着するように形成されている。この第２ピニング層４２も、交換結合によって、第２磁化固定領域１２の固定磁化Ｍ２の向きを＋Ｔ方向に固定している。ピニング層４１、４２は、例えば、交換バイアスを利用したＣｏＦｅ／ＰｔＭｎの積層膜である。【００６３】
尚、ピニング層４１、４２の構成は、図１１に示された構成に限られない。ピニング層４１、４２は、強磁性体層（ＣｏＦｅ等）だけを含んでいてもよいし、反強磁性体層（ＰｔＭｎ等）だけを含んでいてもよい。ピニング層４１、４２は、強磁性体層と反強磁性体層の両方を含んでいてもよい。また、ピニング層４１、４２は、更に、強磁性体層と磁化固定領域１１、１２との間に設けられた中間層（Ｒｕ等）を含んでいてもよい。強磁性体層と磁化固定領域１１、１２とは、強磁性的に結合していてもよいし、反強磁性的に結合していてもよい。また、強磁性体層は、中間層（Ｒｕ等）を介して磁気的に結合した多層膜であってもよい。【００６４】
（静磁結合）
図１２は、磁化固定手段を備えた磁気メモリセル１を示す側面図である。この磁気メモリセル１は、第１ピニング層４１と第２ピニング層４２を磁化固定手段として備えている。第１ピニング層４１は、第１磁化固定領域１１に−Ｓ方向のバイアス磁界を印加する。一方、第２ピニング層４２は、第２磁化固定領域１２に＋Ｔ方向のバイアス磁界を印加する。【００６５】
例えば、第１ピニング層４１は、＋Ｓ方向に磁化が固定された強磁性体層を含んでおり、その強磁性体層は、第１磁化固定領域１１から離れて形成されている。この第１ピニング層４１は、「静磁結合（static coupling）」によって、第１磁化固定領域１１の固定磁化Ｍ１の向きを−Ｓ方向に固定している。一方、第２ピニング層４２は、−Ｔ方向に磁化が固定された強磁性体層を含んでおり、その強磁性体層は、第２磁化固定領域１２から離れて形成されている。この第２ピニング層４２も、静磁結合によって、第２磁化固定領域１２の固定磁化Ｍ２の向きを＋Ｔ方向に固定している。ピニング層４１、４２は、例えば、交換バイアスを利用したＣｏＦｅ／ＰｔＭｎの積層膜である。【００６６】
尚、ピニング層４１、４２の構成は、図１２に示された構成に限られない。ピニング層４１、４２は、強磁性体層（ＣｏＦｅ等）だけを含んでいてもよい。ピニング層４１、４２は、強磁性体層と反強磁性体層の両方を含んでいてもよい。また、強磁性体層は、中間層（Ｒｕ等）を介して磁気的に結合した多層膜であってもよい。【００６７】
図１１や図１２において、第１ピニング層４１及び第２ピニング層４２は、それぞれ第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の下方に設けられている。第１ピニング層４１及び第２ピニング層４２は、それぞれ第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の下方や側方に設けられていてもよい。【００６８】
また、図１３Ａや図１３Ｂに示されるように、第１ピニング層４１と第２ピニング層４２の代わりに、１つのピニング層４０が設けられていてもよい。そのピニング層４０は、少なくとも第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２とオーバーラップするように設けられている。ピニング層４０の磁化の向きは、−Ｙ方向（第１磁化固定領域１１から第２磁化固定領域１２へ向かう方向）に固定されている。このピニング層４０の磁化は、交換結合あるいは静磁結合によって磁化固定領域１１、１２に影響を及ぼす。そして、磁化固定領域１１、１２の磁化は、形状磁気異方性によって、それぞれ長手方向に沿って安定化する。その結果、図に示されるように、磁化固定領域１１、１２の磁化の向きが固定される。【００６９】
逆に言えば、本実施の形態に係る構造だからこそ、図１３Ａや図１３Ｂに示された磁化固定方法が可能である。本実施の形態によれば、磁化固定領域１１、１２の磁化が共に−Ｙ方向の成分を有するように設計を行う必要がある。つまり、Ｙ成分に関して言えば、磁化固定領域１１、１２の磁化の向きは、逆ではなく同じである。従って、磁化固定領域１１、１２の磁化を別々に固定する必要はない。上述の１つのピニング層４０を用いることによって、磁化固定領域１１、１２の磁化の向きを固定することが可能である。【００７０】
（その他）
図１４は、その他の磁化固定方法を要約的に示している。例えば、磁化固定領域１１、１２は、Ｙ軸方向（第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２が並ぶ方向）に沿って結晶磁気異方性を有するように形成される。具体的には、Ｙ軸方向に沿った磁界中でスパッタリング及びアニーリングが行われ、磁化固定領域１１、１２が形成される。磁化固定領域１１、１２の磁化は、結晶磁気異方性及び形状磁気異方性によって、それぞれ長手方向に沿って安定化する。また、Ｙ方向の外部磁界が、磁気メモリセル１に均一に印加されてもよい。例えば、数Ｏｅの磁石がパッケージに設けられるとよい。【００７１】
また、図１４に示されるように、隣接する磁気メモリセル１ａ、１ｂ同士を磁気的に相互作用させてもよい。図１４に示される例の場合、磁気メモリセル１ａの第２磁化固定領域１２ａの固定磁化と、隣接する磁気メモリセル１ｂの第１磁化固定領域１１ｂの固定磁化とは、互いに影響を及ぼし合っている。これにより、磁化の固定が安定し、熱擾乱耐性が向上する。影響を大きくするためには、隣接する磁気メモリセル１ａ、１ｂ間の距離を小さくすればよい。また、上述の各種磁化固定方法は、組み合わされて適用されてもよい。その場合、磁化の固定は更に安定し、熱擾乱耐性は更に向上する。【００７２】
１−４．効果
以上に説明されたように、本発明によれば、ランダムアクセス可能なＭＲＡＭに関して、新たなデータ読み書き方式が提供される。データ書き込みは、磁気記録層１０における一方向のスピン注入によって実現される。データ読み出しは、ＭＴＪを用いることによって実現される。これによる効果は以下の通りである。【００７３】
まず、アステロイド方式と比較して、優れたメモリセルの選択性が確保される。アステロイド方式の場合、書き込み磁界の閾値のばらつきが、２次元メモリセルアレイにおけるメモリセルの選択性を低下させる。しかしながら、スピン注入方式によれば、書き込み電流が対象メモリセルだけに作用する。従って、ディスターバンスが大幅に低減される。すなわち、選択書き込み性が向上する。【００７４】
また、アステロイド方式やトグル方式と比較して、書き込み電流のスケーリング性が向上する。アステロイド方式やトグル方式の場合、メモリセルサイズにほぼ反比例して、磁化反転領域の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する傾向にある。しかしながら、スピン注入方式によれば、磁化反転の閾値は電流密度に依存する。メモリセルサイズが縮小されるにつれて電流密度は増加するので、メモリセルの微細化に伴い書き込み電流を低減することが可能である。言い換えれば、メモリセルサイズが縮小されても、書き込み電流を大きくする必要がなくなる。その意味で、書き込み電流のスケーリング性が向上する。このことは、大容量のＭＲＡＭを実現にとって重要である。【００７５】
また、アステロイド方式やトグル方式と比較して、電流磁界変換効率が増加する。アステロイド方式やトグル方式の場合、書き込み電流はジュール熱で消費される。電流磁界変換効率を向上させるためには、フラックスキーパーやヨーク構造といった書き込み専用配線を設ける必要があった。これは、製造プロセスの複雑化や配線インダクタンスの増加を招く。しかしながら、スピン注入方式によれば、書き込み電流が、スピントランスファーに直接寄与する。従って、電流磁界変換効率が増加する。これにより、製造プロセスの複雑化や配線インダクタンスの増加が防止される。【００７６】
更に、従来のスピン注入方式と比較して、ＭＴＪ（トンネルバリヤ層２０）の劣化が抑制される。従来のスピン注入磁化反転は、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）方式により実現され、書き込み電流は膜面に垂直に注入される。データ書き込み時の書き込み電流は、読み出し電流よりもはるかに大きく、その大電流がトンネルバリヤ層２０を破壊する恐れがあった。しかしながら、本発明に係る書き込み方式によれば、読み出し時の電流経路と書き込み時の電流経路が分離されている。具体的には、データ書き込み時、書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２は、ＭＴＪを貫通せず、磁気記録層１０の面内を流れる。データ書き込み時、大電流をＭＴＪ膜面に垂直に注入する必要がない。従って、ＭＴＪにおけるトンネルバリヤ層２０の劣化が抑制される。【００７７】
更に、従来のスピン注入方式と比較して、書き込み電流の制御が容易になる。従来のスピン注入方式、特に「磁壁移動方式」によれば、書き込みデータに応じて、書き込み電流の方向を反転させる必要がある。このことは、書き込み電流の制御や周辺回路の構成を複雑にする。しかしながら、本発明によれば、異なるスピンを有する電子は、同じ境界ＥＮＴを通して磁化反転領域１３に注入され、書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２は同じ方向に流れる（図４、図６参照）。書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２は、磁気記録層１０の磁化反転領域１３に対して一方向から供給される。従って、書き込み電流の制御や周辺回路の構成が簡略化される。【００７８】
更に、従来の磁壁移動方式と比較して、磁化固定領域の磁化が安定化する。従来の磁壁移動方式によれば、書き込み電流は、スピン電子の供給源ではない磁化固定領域にも流されていた。一方、本発明によれば、スピン電子の供給源ではない磁化固定領域には、書き込み電流は流れない。よって、その磁化固定領域の固定磁化が他の領域からのスピン注入により反転してしまうことが防止される。【００７９】
本発明によれば、上述の効果が同時に得られる。高集積・高速動作・低消費電力のＭＲＡＭを実現するために、本発明に係る技術は極めて有用である。【００８０】
２．第２の実施の形態
磁気記録層１０の形状として、更に他のパターンも考えられる。図１５は、磁気記録層１０の形状を規定する各パラメータを示している。第１磁化固定領域１１の長さ及び幅は、それぞれｌ１及びｗ１で表されるとする。第２磁化固定領域１２の長さ及び幅は、それぞれｌ２及びｗ２で表されるとする。磁化反転領域１３の長さ及び幅は、それぞれｌ３及びｗ３で表されるとする。また、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２のなす角、すなわち、Ｓ軸とＴ軸のなす角は、θ１で表されるとする。第２磁化固定領域１２と磁化反転領域１３のなす角、すなわち、Ｔ軸とＸ軸のなす角は、θ２で表されるとする。磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１のなす角、すなわち、Ｘ軸とＳ軸のなす角は、θ３で表されるとする。【００８１】
パラメータｌ、ｗは、それぞれ任意の値に設定されてよい。また、パラメータθ２、θ３も、それぞれ９０度〜１８０度の範囲で任意に設定されてよい。ただし、好ましくは、パラメータθ２、θ３は同じ値に設定される。これにより、第１書き込み動作と第２書き込み動作の間で、スピン電子の注入効率の差が抑制される。更に、幅ｗ１と幅ｗ２は同じ値に設定され、長さｌ１と長さｌ２も同じ値に設定されることが好適である。すなわち、磁気記録層１０がＸ軸に関して鏡面対称な形状を有していることが好適である。これにより、第１書き込み電流ＩＷ１と第２書き込み電流ＩＷ２の大きさが一致することが期待される。【００８２】
図１６は、磁気記録層１０の他の形状を示している。図１６において、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２は、湾曲するように形成されている。具体的には、第１磁化固定領域１１の延伸方向は、磁化反転領域１３に近づくにつれて、Ｙ方向からＸ方向に変化している。同様に、第２磁化固定領域１２の延伸方向は、磁化反転領域１３に近づくにつれて、Ｙ方向からＸ方向に変化している。このような形状によれば、磁化固定領域１１，１２から磁化反転領域１３に流れ込むスピン電子の磁気モーメントのＸ成分が多くなる。従って、書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２が低減される。【００８３】
図１７は、磁気記録層１０の更に他の形状を示している。図１７において、磁化反転領域１３は、他の領域に比べて幅広に形成されており、その幅ｗ３は、幅ｗ１と幅ｗ２の合計程度となるように設計されている。磁化固定領域１１，１２は、磁化反転領域１３の境界ＥＮＴに接続されており、その境界ＥＮＴは直線状に形成されている。このような形状も、“Ｙ字形状”に含まれる。【００８４】
図１８は、磁気記録層１０の更に他の形状を示している。図１８において、磁気記録層１０の各領域は互いに滑らかに接続されており、磁気記録層１０の側面は丸みを帯びている。より詳細には、磁気記録層１０は、磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１にわたる第１側面Ｊ１３と、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１２にわたる第２側面Ｊ２３と、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２にわたる第３側面Ｊ１２とを有している。図１８において、これら側面Ｊ１３，Ｊ２３，Ｊ１２が滑らかに形成されている。その結果、スピン電子の供給がスムーズに行われ、書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２が低減される。また、磁化固定領域１１，１２の間で固定磁化の向きが滑らかに変化するため、その固定磁化の状態が安定化する。尚、第１側面Ｊ１３、第２側面Ｊ２３、及び第３側面Ｊ１２のうち少なくとも１つが滑らかに形成されていれば、効果が期待される。【００８５】
３．第３の実施の形態
書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２を更に低減するため、磁化反転領域１３における磁化反転は、外部から印加される磁界によってアシストされてもよい。例えば、図１９は、磁化反転をアシストするためのアシスト配線５０が設けられた構成の一例を示している。このアシスト配線５０は、磁気メモリセル１の磁化反転領域１３と交差するように設けられる。図１９においては、複数の磁気メモリセル１がＹ軸に沿って配置されており、１本のアシスト配線５０が、その複数の磁気メモリセル１のそれぞれの磁化反転領域１３に対して共通に設けられている。【００８６】
書き込み動作時、書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２が流されると同時に、アシスト配線５０にアシスト電流Ｉａｓが流される。このアシスト電流Ｉａｓによって磁化反転領域１３に印加される磁界（アシスト磁界）の向きは、磁化反転をアシストする向きである。例えば、ある書き込み動作により、磁化反転領域１３の磁化の向きが＋Ｘ方向に変化する場合、アシスト磁界の向きも＋Ｘ方向に設定される。逆に言えば、磁化反転がアシストされるように、アシスト電流Ｉａｓの方向が制御される。このようなアシスト配線５０を設けることによって、書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２を低減することが可能となる。【００８７】
図２０は、図１９に示された構造の側面図である。図２０において、アシスト配線５０は、磁化反転領域１３と交差するように、磁化反転領域１３の下方に設けられている。アシスト配線５０は、磁化反転領域１３の上方に設けられていてもよい。また、図２０に示されるように、アシスト配線５０はヨーク配線構造を有していてもよい。この場合、アシスト配線５０は、メタル配線５１と磁性層５２から構成され、メタル配線５１の面のうち磁化反転領域１３と対向していない面が、磁性層５２によって覆われている。磁性層５２は、メタル配線５１の底面だけを覆っていてもよい。このようなヨーク配線構造によってアシスト磁界が増大し、書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２を更に低減することが可能となる。【００８８】
図２１においては、磁化反転領域１３とアシスト配線５０との間に、更に補助磁性層５３が設けられている。この場合、アシスト配線５０にアシスト電流Ｉａｓが流れると、それにより発生する磁界が補助磁性層５３を磁化する。その補助磁性層５３の磁化が、磁気的相互作用（交換結合、静磁結合）により、磁化反転をアシストする。補助磁性層５３は、アシスト磁界を増幅する役割を果たしている。【００８９】
アシスト配線５０は、磁気メモリセル１ごとに別々に設けられてもよい。アシスト配線５０の本数を減らすためには、図１９に示されるように、複数の磁気メモリセル１に対して１本のアシスト配線５０が共通に設けられることが好適である。但し、その場合、非選択セルにもアシスト磁界が印加される。そのため、スピン注入とアシスト磁界の組み合わせにより磁化反転が起こるように、磁化反転領域１３の磁性が設計される。【００９０】
４．第４の実施の形態
磁気記録層１０は、磁気的に結合した複数の強磁性層から構成されていてもよい。つまり、磁気記録層１０は、積層構造（多層構造）を有していてもよい。磁気的な結合としては、強磁性的結合、反強磁性的結合、静磁的結合、ＲＫＫＹ的結合などが挙げられる。以下、例として、磁気記録層１０がシンセティック反強磁性（SAF: Synthetic Anti-Ferromagnetic）層から構成される場合が説明される。【００９１】
図２２において、磁気記録層１０は、中間層１４を介して反強磁性的に結合した第１強磁性層１０ａと第２強磁性層１０ｂを含んでいる。中間層１４は非磁性層であり、例えばＲｕ層である。第１強磁性層１０ａは、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１２ａ、及び磁化反転領域１３ａを有している。一方、第２強磁性層１０ｂは、磁化反転領域１３ｂだけを有している。この磁化反転領域１３ｂが、トンネルバリヤ層２０を介してピン層３０に隣接している。磁化反転領域１３ａ、１３ｂは反強磁性的に結合しており、それらの磁化の向きは逆になる。よって、磁化反転領域１３ａ、１３ｂの一方の磁化が反転した場合、他方の磁化も反転する。【００９２】
データ書き込み時、第１強磁性層１０ａに書き込み電流が流れる。既出の実施の形態と同様に、スピン注入によって、磁化反転領域１３ａの磁化が反転する。それに伴い、第２強磁性層１０ｂの磁化反転領域１３ｂの磁化も反転する。データ読み出しは、ピン層３０を用い、磁化反転領域１３ｂの磁化方向をセンスすることによって行われる。【００９３】
このような構造によっても、既出の実施の形態と同様の効果が得られる。また、積層構造により磁気記録層１０の実効的な体積が増加するため、熱擾乱耐性が向上する。更に、次の理由により、素子設計の自由度が高まる。磁気記録層１０が第１強磁性層１０ａと第２強磁性層１０ｂと中間層１４からなる場合、書き込み特性は主に第１強磁性層１０ａに支配され、読み出し特性（ＭＲ比など）は主に第２強磁性層１０ｂに支配される。よって、トンネルバリヤ層２０に隣接する第２強磁性層１０ｂの材料として、読み出し特性を高めるような材料（ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなど）を用い、一方、書き込み電流が流れる第１強磁性層１０ａの材料として、書き込み特性を高めるような材料（ＮｉＦｅなど）を用いることができる。つまり、所望の特性に応じて、それぞれの強磁性層の特性を独立して自由にコントロールすることが可能となる。書き込み特性と読み出し特性を別々に向上させることが可能となる。このように、磁気記録層１０を多層化することによって、素子設計の自由度が向上する。このメリットは、ＣＰＰスピン注入方式では実現できない。それは、ＣＰＰスピン注入方式の場合、書き込み特性も読み出し特性も、トンネルバリヤ層に隣接する強磁性層によって支配されるからである。【００９４】
尚、図２２において、中間層１４は、第１強磁性層１０ａと同じ平面形状を有するように作製されている。この場合、中間層１４は、製造プロセス中の酸化やエッチングから第１強磁性層１０ａを保護する役割も果たしている。【００９５】
図２３は変形例を示している。図２３において、第１強磁性層１０ａは、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１２ａ、及び磁化反転領域１３ａを有している。また、第２強磁性層１０ｂも、第１磁化固定領域１１ｂ、第２磁化固定領域１２ｂ、及び磁化反転領域１３ｂを有している。第１磁化固定領域１１ａ、１１ｂの固定磁化の向きは逆である。第２磁化固定領域１２ａ、１２ｂの固定磁化の向きは逆である。また、磁化反転領域１３ａ、１３ｂの磁化の向きは逆になる。よって、磁化反転領域１３ａ、１３ｂの一方の磁化が反転した場合、他方の磁化も反転する。【００９６】
データ書き込み／読み出しは、図２２の場合と同様に行われる。得られる効果も、図２２の場合と同様である。尚、図２３において、トンネルバリヤ層２０は、磁気記録層１０と同じ平面形状を有するように作製されている。この場合、トンネルバリヤ層２０は、製造プロセス中の酸化やエッチングから磁気記録層１０を保護する役割も果たしている。【００９７】
５．第５の実施の形態
図２４は、本発明の第５の実施の形態に係る磁気メモリセル１の構造を示す側面図である。図２４において、磁気記録層１０は、シード層６０の上に形成されている。このシード層６０は、磁気記録層１０の形成時の結晶成長をコントロールするための層である。シード層６０を用いることによって、書き込み特性及び読み出し特性が向上するように、磁気記録層１０の結晶性を制御することが出来る。尚、書き込み電流がシード層６０だけに選択的に流れないように、シード層６０の材料としては、電気抵抗の高い材料が用いられる。【００９８】
６．第６の実施の形態
図２５Ａ及び図２５Ｂは、本発明の第６の実施の形態に係る磁気メモリセル１の構造を示す側面図である。本実施の形態において、トンネルバリヤ層２０は、磁気記録層１０と同じ平面形状を有している。図２５Ａにおいて、トンネルバリヤ層２０の膜厚は均一である。また、図２５Ｂに示されるように、ピン層３０の形成時のエッチングにより、トンネルバリヤ層２０の一部が除去されていてもよい。いずれの場合においても、トンネルバリヤ層２０は、製造プロセス中の酸化やエッチングから磁気記録層１０を保護する役割を果たしている。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【国際調査報告】
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