(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ層の強磁性層（Ｎは３以上の整数）と、その間に介設されたＮ−１層の非磁性層とを備えた積層フェリ構造体の前記Ｎ層の強磁性層の磁化の方向を、前記積層フェリ構造体に反強磁性体を接合させずに制御するための磁化方向制御方法であって、
（ａ）前記積層フェリ構造体に外部磁場を印加して、前記Ｎ層の強磁性層の磁化を実質的に同一方向に向ける工程と、
（ｂ）前記外部磁化を減少させて、前記Ｎ層の強磁性層の一部の強磁性層の磁化を反転させる工程
とを備え、
前記積層フェリ構造体は、前記Ｎ層の強磁性層の磁化が同一方向に向いた状態にされているときに前記Ｎ層の強磁性層のうちの一の強磁性層の磁化が他の強磁性層の磁化よりも反転しやすくなるように構成されている
磁化方向制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の磁化方向制御方法であって、
前記Ｎ層の強磁性層の奇数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積の和は、実質的に、偶数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積の和と同一である
磁化方向制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の磁化方向制御方法であって、
前記積層フェリ構造体は、前記一の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積が、前記他の強磁性層よりも小さくなるように構成されている
磁化方向制御方法。
【請求項４】
請求項１に記載の磁化方向制御方法であって、
前記Ｎ層の強磁性層は、同一の強磁性体で形成され、
前記一の強磁性層の膜厚は、前記他の強磁性層の膜厚よりも薄い
磁化方向制御方法。
【請求項５】
請求項１に記載の磁化方向制御方法であって、
前記一の強磁性層は、前記Ｎ層の強磁性層の奇数番目の強磁性層から選択され、
前記奇数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積は、前記Ｎ層の強磁性層の偶数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積よりも小さい
磁化方向制御方法。
【請求項６】
請求項１に記載の磁化方向制御方法であって、
前記一の強磁性層は、前記Ｎ層の強磁性層の偶数番目の強磁性層から選択され、
前記偶数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積は、前記Ｎ層の強磁性層の奇数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積よりも小さい
磁化方向制御方法。
【請求項７】
請求項１に記載の磁化方向制御方法であって、
前記積層フェリ構造体は、前記Ｎ−１層の非磁性層のうちの一の非磁性層を介する反強磁性的結合の結合係数が、他の非磁性層を介する反強磁性的結合の結合係数と異なることにより、前記一の強磁性層の磁化が前記他の強磁性層の磁化よりも反転しやすくなるように構成されている
磁化方向制御方法。
【請求項８】
請求項７に記載の磁化方向制御方法であって、
前記Ｎ−１層の非磁性層は、前記一の強磁性層と隣接する強磁性層との間の反強磁性的結合の強さが、前記他の強磁性層と隣接する強磁性層との間の反強磁性的結合の強さよりも強くなるように構成されている
磁化方向制御方法。
【請求項９】
請求項１に記載の磁化方向制御方法であって、
Ｎは３であり、
前記一の強磁性層は、前記積層フェリ構造体の端の強磁性層である
磁化方向制御方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の磁化方向制御方法であって、
Ｎは４であり、
前記一の強磁性層は、前記積層フェリ構造体の中間の２つの強磁性層のうちから選択されている
磁化方向制御方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の磁化方向制御方法であって、
Ｎは５であり、
前記一の強磁性層は、前記積層フェリ構造体の３番目の強磁性層である
磁化方向制御方法。
【請求項１２】
（ｃ）Ｎ層の強磁性層（Ｎは３以上の整数）と、その間に介設された非磁性層とを備えた積層フェリ構造体を固定層として含み、且つ、反強磁性体が前記積層フェリ構造体に接触していない構成を有するＭＲＡＭメモリセルを形成する工程と、
（ｄ）前記積層フェリ構造体に外部磁場を印加して、前記Ｎ層の強磁性層の磁化を実質的に同一方向に向ける工程と、
（ｅ）前記外部磁化を減少させて、前記Ｎ層の強磁性層の一部の強磁性層の磁化を反転させる工程
とを備え、
前記積層フェリ構造体は、前記Ｎ層の強磁性層の磁化が同一方向に向いた状態にされているときに前記Ｎ層の強磁性層のうちの一の強磁性層の磁化が他の強磁性層の磁化よりも反転しやすくなるように構成されている
ＭＲＡＭ製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載のＭＲＡＭ製造方法であって、
前記Ｎ層の強磁性層の奇数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積の和は、実質的に、偶数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積の和と同一である
ＭＲＡＭ製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載のＭＲＡＭ製造方法であって、
前記積層フェリ構造体は、前記一の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積が、前記他の強磁性層よりも小さくなるように構成されている
ＭＲＡＭ製造方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載のＭＲＡＭ製造方法であって、
前記積層フェリ構造体は、前記Ｎ−１層の非磁性層のうちの一の非磁性層を介する反強磁性的結合の結合係数が、他の非磁性層を介する反強磁性的結合の結合係数と異なることにより、前記一の強磁性層の磁化が前記他の強磁性層の磁化よりも反転しやすくなるように構成されている
ＭＲＡＭ製造方法。
【請求項１６】
第１方向に延設された複数の第１配線と、
前記第１方向と垂直な第２方向に延設された複数の第２配線と、
前記第１配線と前記第２配線とが交差する位置のそれぞれに設けられたメモリセルと、
前記複数の第１配線から選択された第１選択配線に第１書き込み電流を供給し、前記複数の第２配線から選択された第２選択配線に第２書き込み電流を供給する書き込み回路
とを備え、
前記メモリセルのそれぞれは、
固定層と、
Ｎ層の強磁性層（Ｎは３以上の整数）と、その間に介設された非磁性層とを具備する積層フェリ構造体で形成された自由層と、
前記自由層と前記固定層との間に介設されたスペーサ層
とを含み、
前記Ｎ層の強磁性層の容易軸は、前記第１方向及び前記第２方向の両方に対して斜めであり、
前記積層フェリ構造体は、前記Ｎ層の強磁性層の磁化が同一方向に向いた状態にされているときに、前記Ｎ層の強磁性層のうちの一の強磁性層の磁化が他の強磁性層の磁化よりも反転しやすくなるように構成され、
前記第１書き込み電流と前記第２書き込み電流とは、前記第１選択配線と前記第２選択配線との両方が交差する前記メモリセルの前記積層フェリ構造体を構成する前記Ｎ層の強磁性層の磁化を実質的に同一方向に揃えるような強さを有する合成磁場が、前記容易軸に平行な方向に発生するように生成される
ＭＲＡＭ。
【請求項１７】
請求項１６に記載のＭＲＡＭであって、
前記容易軸の方向は、前記第１方向及び前記第２方向の両方に対して４５°の角をなす
ＭＲＡＭ。
【請求項１８】
請求項１６に記載のＭＲＡＭであって、
前記第１書き込み電流と前記第２書き込み電流との供給は、実質的に同時に開始される
ＭＲＡＭ。
【請求項１９】
請求項１６に記載のＭＲＡＭであって、
前記Ｎ層の強磁性層の奇数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積の和は、実質的に、偶数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積の和と同一である
ＭＲＡＭ。
【請求項２０】
請求項１６に記載のＭＲＡＭであって、
前記積層フェリ構造体は、前記一の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積が、前記他の強磁性層よりも小さくなるように構成されている
ＭＲＡＭ。
【請求項２１】
請求項２０に記載のＭＲＡＭであって、
前記Ｎ層の強磁性層は、同一の強磁性体で形成され、
前記一の強磁性層の膜厚は、前記他の強磁性層の膜厚よりも薄い
ＭＲＡＭ。
【請求項２２】
請求項１６に記載のＭＲＡＭであって、
前記一の強磁性層は、前記Ｎ層の強磁性層の奇数番目の強磁性層から選択され、
前記奇数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積は、前記Ｎ層の強磁性層の偶数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積よりも小さい
ＭＲＡＭ。
【請求項２３】
請求項１６に記載のＭＲＡＭであって、
前記一の強磁性層は、前記Ｎ層の強磁性層の偶数番目の強磁性層から選択され、
前記偶数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積は、前記Ｎ層の強磁性層の奇数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積よりも小さい
ＭＲＡＭ。
【請求項２４】
請求項１６に記載のＭＲＡＭであって、
前記積層フェリ構造体は、前記Ｎ−１層の非磁性層のうちの一の非磁性層を介する反強磁性的結合の結合係数が、他の非磁性層を介する反強磁性的結合の結合係数と異なることにより、前記一の強磁性層の磁化が前記他の強磁性層の磁化よりも反転しやすくなるよう
に構成されている
ＭＲＡＭ。
【請求項２５】
請求項２４に記載のＭＲＡＭであって、
前記Ｎ−１層の非磁性層は、前記一の強磁性層と隣接する強磁性層との間の反強磁性的結合の強さが、前記他の強磁性層と隣接する強磁性層との間の反強磁性的結合の強さよりも強くなるように構成されている
ＭＲＡＭ。
【請求項２６】
第１方向に延設された複数の第１配線と、
前記第１方向と垂直な第２方向に延設された複数の第２配線と、
前記第１配線と前記第２配線とが交差する位置のそれぞれに設けられたメモリセル
とを含み、
前記メモリセルが、
固定層と、
Ｎ層の強磁性層（Ｎは３以上の整数）と、その間に介設されたＮ−１層の非磁性層とを具備する積層フェリ構造体で形成された自由層と、
前記自由層と前記固定層との間に介設されたスペーサ層
とを具備し、且つ、
前記積層フェリ構造体が、前記Ｎ層の強磁性層の磁化が同一方向に向いた状態にされているときに前記Ｎ層の強磁性層のうちの一の強磁性層の磁化が他の強磁性層の磁化よりも反転しやすくなるように構成されているＭＲＡＭの動作方法であって、
前記複数の第１配線から選択された第１選択配線に第１書き込み電流を供給するステップと、
複数の第２配線から選択された第２選択配線に第２書き込み電流を供給するステップ
とを備え、
前記第１書き込み電流と前記第２書き込み電流とは、前記第１選択配線と前記第２選択配線との両方が交差する前記メモリセルの前記積層フェリ構造体を構成する前記Ｎ層の強磁性層の磁化を実質的に同一方向に揃えるような強さの合成磁場が発生するように生成される
ＭＲＡＭ動作方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載のＭＲＡＭ動作方法であって、
前記第１書き込み電流と前記第２書き込み電流との供給は、実質的に同時に開始される
ＭＲＡＭ動作方法。
【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）に関し、特に、積層フェリ構造を固定層及び／又は自由層に採用するＭＲＡＭメモリセルの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層フェリ構造とは、複数の強磁性体層と、それらの間に介設された中間非磁性層とからなる構造体である。積層フェリ構造では、隣接する強磁性体層が反強磁性的に結合されるように構成される。具体的には、各中間非磁性層は、隣接する強磁性体層が反強磁性的に結合されるような材料及び膜厚を有するように形成される。中間非磁性層の材料及び膜厚を適切に決定することにより、隣接する強磁性体層を反強磁性的に結合させることができることは、ＭＲＡＭの当業者に周知である。【０００３】
例えば、特表２００３−５３６２６７号に開示されているように、積層フェリ構造は、しばしば、ＭＲＡＭのメモリセルの固定層（ピン層）として用いられる。ＭＲＡＭメモリセルの固定層として積層フェリ構造を採用することの一つの利点は、当該ＭＲＡＭメモリセルの自由層に印加される不所望なバイアス磁場を小さくすることができることである。これは、積層フェリ構造は、そのトータルの磁気モーメントを小さくする、理想的には０にすることができることに起因している。積層フェリ構造が発生する磁場は、磁気モーメントの大きさに比例するから、固定強磁性層として積層フェリ構造を採用することにより、固定層が自由層に印加する磁場を小さくできる。【０００４】
近年では、積層フェリ構造を、ＭＲＡＭメモリセルの自由層（フリー層）として使用する技術も検討されている。特許文献２は、積層フェリ構造を自由層に適用することにより、メモリセルの選択性を向上し、データリテンション特性を向上し、更に、反転磁場の形状依存性を抑制する技術を開示している。【０００５】
積層フェリ構造をＭＲＡＭメモリセルに採用するためには、積層フェリ構造に含まれる強磁性体層の磁化を所望の方向に向ける技術が必要である。固定層については、積層フェリ構造の磁化を、ＭＲＡＭの製造工程において所定の方向に向ける必要がある。一方、自由層であれば、ＭＲＡＭメモリセルに書き込まれるべきデータに応じた方向に、積層フェリ構造の磁化を向ける必要がある。【０００６】
積層フェリ構造が固定層として用いられる場合、積層フェリ構造に含まれる強磁性層の磁化の向きは、最も典型的には、反強磁性層を使用することによって制御される。図１は、積層フェリ構造を固定層として用いるＭＲＡＭメモリセルの、典型的な構造を示す断面図である。ＭＲＡＭメモリセル１０００は、固定層１１００と自由層１２００と、その間に介設されたトンネルバリア層１３００とを備えている。固定層１１００は、積層フェリ構造体で形成される；具体的には、固定層１１００は、強磁性層１１０１〜１１０３と、その間に介設された非磁性層１１１１、１１１２とで構成される。固定層１１００には、反強磁性体層１４００が接合され、これにより、強磁性層１１０１〜１１０３の磁化が固定される。【０００７】
強磁性層１１０１〜１１０３の磁化の方向の制御は、強い外部磁場を印加しながらアニールを行うことによって行われる。具体的には、まず、強磁性層１１０１〜１１０３の磁化を同一方向に揃えるような強い外部磁場がＭＲＡＭメモリセル１０００に印加される。その外部磁場が取り除かれると、強磁性層１１０１〜１１０３の一部の強磁性層の磁化が反転し、これにより、強磁性層１１０１〜１１０３の磁化は、積層フェリ構造をエネルギー的に安定化させるような向きに再構築される。この再構築の際、強磁性層１１０３の磁化は反強磁性層１４００からの交換相互作用によって反転が妨げられるから反転しない；即ち、強磁性層１１０３の磁化は外部磁場の方向に固定される。従って、積層フェリ構造をエネルギー的に安定化するためには、強磁性層１１０２は外部磁場と反対方向に反転し、強磁性層１１０１は反転せずに外部磁場と同一方向に向くことになる。これは、強磁性層１１０１、１１０３の磁化が向けられるべき方向に外部磁場を印加することにより、強磁性層１１０１〜１１０３の磁化を所望の向きに向けることができることを意味している。【０００８】
このような磁化の方向の制御では、反強磁性層１４００が積層フェリ構造体に接合されていることによって、最終的に強磁性層１１０１〜１１０３の磁化が向く方向が確定する。反強磁性層１４００は、磁化の方向の制御において重要な役割を果たしている。【０００９】
一方、米国特許６、５４５、９０６号は、積層フェリ構造が自由層として用いられる場合に、積層フェリ構造に含まれる強磁性層の磁化の向きを所望の向きに反転させる方法、即ち、積層フェリ構造へのデータ書き込み方法を開示している。この特許公報は、２つの積層フェリ構造へのデータ書き込み方式：トグル書き込み方式（toggle writing method）及び直接書き込み方法（direct writing method）を開示している。【００１０】
図２は、米国特許６、５４５、９０６号に開示されたＭＲＡＭメモリアレイの構成を示す断面図であり、図３は、当該ＭＲＡＭメモリアレイの構成を示す平面図である。図２に示されているように、当該ＭＲＡＭメモリアレイは、ワード線２４００と、ビット線２５００と、その間に介設されたメモリセル２０００とを備えている。メモリセル２０００は、固定層２１００と、自由層２２００と、その間に介設されたトンネルバリア層２３００とから構成される。固定層２１００と自由層２２００は、いずれも、積層フェリ構造体で構成される；固定層２１００は、強磁性層２１０１、２１０２と、その間に介設された非磁性層２１０３とで構成され、自由層２２００は、強磁性層２２０１、２２０２と、その間に介設された非磁性層２２０３とで構成される。【００１１】
図３に示されているように、強磁性層２２０１、２２０２の容易軸方向は、ワード線２４００とビット線２５００の両方に４５°の角をなす方向に向けられている。強磁性層２２０１の磁化Ｍ１と強磁性層２２０２の磁化Ｍ２とは、容易軸方向に平行に、且つ、互いに反対の方向に向いている。【００１２】
図４、図５は、米国特許６、５４５、９０６号に開示された、トグル書き込み方式の手順を示す図である。図５を参照して、以下では、説明を容易にするためにｘ−ｙ座標系が導入されることに留意されたい。当該ｘ−ｙ座標系では、ｘ軸は、ワード線２４００と平行な方向に、ｙ軸は、ビット線２５００と平行な方向に規定されている。【００１３】
図４に示されているように、トグル書き込み方式では、まず、ワード線２４００に＋ｘ方向の電流ＩＷＬが印加される（時刻ｔ１）。図５に示されているように、電流ＩＷＬの印加によって＋ｙ方向に磁場ＨＷＬが発生し、この磁場ＨＷＬにより、強磁性層２２０１の磁化Ｍ１と強磁性層２２０２の磁化Ｍ２とが＋ｙ方向に少し回転する。磁化Ｍ１、Ｍ２が回転する角度は、その合成磁化（resultant magnetization）ＭＲが＋ｙ方向に平行になるような角度である。【００１４】
続いて、ビット線２５００に＋ｘ方向の電流ＩＢＬが印加される（時刻ｔ２）。電流ＩＢＬの印加により、ｘ軸、ｙ軸の両方に４５°の角をなす合成磁場ＨＷＬ＋ＨＢＬが発生する。この合成磁場ＨＷＬ＋ＨＢＬにより、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とは、その合成磁化ＭＲが合成磁場ＨＷＬ＋ＨＢＬに平行になるように時計回り方向に回転する。【００１５】
続いて、ワード線２４００に印加されている電流ＩＷＬが遮断される（時刻ｔ３）。電流ＩＷＬの遮断により、強磁性層２２０１、２２０２には、＋ｘ方向の磁場ＨＢＬのみが印加されるようになる。この磁場ＨＢＬにより、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とは、その合成磁化ＭＲが磁場ＨＢＬに平行になるように更に時計回り方向に回転する。【００１６】
最後に、ビット線２５００に印加されている電流ＩＢＬが遮断される（時刻ｔ４）。電流ＩＢＬの遮断により、磁化Ｍ１、Ｍ２には磁場が印加されなくなり、磁化Ｍ１、Ｍ２は最も近い容易軸方向に戻る。この結果、磁化Ｍ１、Ｍ２は、元の方向と反対の方向に反転される。【００１７】
このトグル書き込み方式の一つの特徴は、元の磁化Ｍ１、Ｍ２の方向に依存せず、磁化Ｍ１、Ｍ２が、トグル書き込みを行う毎に反転することにある。【００１８】
一方、直接書き込み方法は、図６、図７に示されているように、磁化Ｍ１、Ｍ２が反転するか否かが、磁化Ｍ１、Ｍ２の元の方向に依存する方式である。直接書き込み方法は、磁化Ｍ１、Ｍ２が平衡していないことによって初期的に積層フェリ構造に存在する合成磁化ＭＲを利用して、磁化Ｍ１、Ｍ２の反転の発生を制御する。具体的には、図６に示されているように、電流ＩＷＬの印加によって発生する磁場ＨＷＬの方向が、磁場が印加されていないときの合成磁化ＭＲとの方向と鈍角をなす場合には、磁場ＨＷＬの印加によって磁化Ｍ１、Ｍ２が大きく時計回りに回転する。この場合には、それに続く磁場ＨＢＬの印加によって磁化Ｍ１、Ｍ２は、反転する。一方、図７に示されているように、磁場ＨＷＬの方向が、磁場が印加されていないときの合成磁化ＭＲとの方向と鋭角をなす場合には、磁化Ｍ１、Ｍ２の反転は発生しない。直接書き込み方法では、初期的な合成磁化ＭＲの存在が重要であることに留意されたい。【００１９】
上述された公知の技術には、以下の点において改善の余地が残されている。反強磁性層を使用して積層フェリ構造の強磁性層の磁化を制御する技術は、反強磁性層に含まれる材料の拡散という問題を抱えている。ＭＲＡＭで使用される反強磁性体は、一般に、Ｍｎを含む。しかし、反強磁性体のＭｎは、高温の熱処理で拡散する。Ｍｎの拡散は、ＭＲＡＭのメモリセルの特性を劣化させるため好ましくない。【００２０】
一方、米国特許６、５４５、９０６号に開示されているトグル書き込みは、書き込み動作の前に、読み出し動作の実行を必要とするという欠点を有している。トグル書き込みを実行すると、元の状態に関わらず、積層フェリ構造の強磁性層の磁化は反転する。したがって、所望の方向に磁化を向けるためには、積層フェリ構造にデータを書き込む前に、その積層フェリ構造の強磁性層の磁化の向きを確認する、即ち、読み出し動作の実行が必要である。従って、トグル書き込みは、本質的に、固定層として使用される積層フェリ構造の強磁性層の磁化を制御するためには適しない。自由層として使用される場合でも、書き込み動作の前に読み出し動作の実行が必要であることは、ライトサイクルタイムを増大させるため好ましくない。【００２１】
加えて、米国特許６、５４５、９０６号に開示された直接書き込み方式は、本質的に、積層フェリ構造の磁化が平衡していない、即ち、合成磁化が初期的に存在することを必要とするという欠点がある。合成磁化の存在は、積層フェリ構造が磁気モーメントを有し、従って、積層フェリ構造が磁場を発生することを意味している。これは、隣接するＭＲＡＭメモリセルの間に磁気的な干渉を発生させる。これは、積層フェリ構造の利点をある意味で失わせ、好ましくない。【００２２】
特開２００３−８１００号公報、及び特開２００３−３０９３０５号公報は、積層フェリ構造をフリー層として利用する他の技術を開示している。しかし、これらの技術は、磁気ヘッドの再生出力の向上を目的としている；これらの文献は、ＭＲＡＭのデータ書き込みや固定層の磁化の方向の制御について何ら言及していない。【００２３】
加えて、特開２００３−１６６２４号公報は、積層フェリ構造を備えた磁気記録媒体を開示している。しかし、この文献は、ＭＲＡＭのデータ書き込みや固定層の磁化の方向の制御について何ら言及していない。【００２４】
このような背景から、積層フェリ構造の強磁性体の磁化の方向を制御するための新たな技術の提供が望まれている。
【発明の開示】
【００２５】
本発明は、概略的には、積層フェリ構造体の強磁性層の磁化の方向を制御するための新たな技術を提供することを、その目的としている。
具体的には、本発明の一の目的は、積層フェリ構造体の強磁性層の磁化の方向を反強磁性体を使用せずに制御する技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、積層フェリ構造の強磁性層の磁化の元の状態に依存せずに、積層フェリ構造体の強磁性層の磁化の方向を所望の方向に向けることができる技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、積層フェリ構造体の全体の磁気モーメントを０に保ちつつ、積層フェリ構造体の強磁性層の磁化の方向を所望の方向に向けることができる技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、積層フェリ構造体の強磁性層の磁化の方向を制御するための新たな技術を用いて、書き込み動作におけるメモリセルの選択性が高いＭＲＡＭを実現することにある。
【００２６】
本発明の基本的原理は、積層フェリ構造の強磁性層の磁化が同一方向に揃えられた状態における各強磁性層の磁化の反転のし易さを制御することにより、所望の強磁性層の磁化を所望の方向に向ける、というものである。本発明では、積層フェリ構造の強磁性層の磁化は、一旦、外部磁場の印加によって同一方向に揃えられ、その後、外部磁場が減少される。外部磁場が減少されるときに、積層フェリ構造の強磁性層の一部の強磁性層の磁化は、隣接する強磁性層の間に働く反強磁性的結合によって反転する。本発明は、外部磁場が減少される間の各強磁性層の磁化の反転し易さを制御することによって所望の強磁性層の磁化を所望の方向に向ける。この原理による積層フェリ構造の強磁性層の磁化の方向の制御は、本質的に、反強磁性層の存在を必要としない。
【００２７】
具体的には、本発明は、上記の目的を達成するために下記の技術を採用する：本発明の一の観点において、磁化方向制御方法は、Ｎ層の強磁性層（Ｎは３以上の整数）と、その間に介設されたＮ−１層の非磁性層とを備えた積層フェリ構造体のＮ層の強磁性層の磁化の方向を、反強磁性体を接合させずに制御するための磁化方向制御方法である。当該磁化方向制御方法は、
（ａ）積層フェリ構造体に外部磁場を印加して、前記Ｎ層の強磁性層の磁化を実質的に同一方向に向ける工程と、
（ｂ）外部磁化を減少させて、Ｎ層の強磁性層の一部の強磁性層の磁化を反転させる工程
とを備えている。積層フェリ構造体は、Ｎ層の強磁性層の磁化が同一方向に向いた状態にされているときにＮ層の強磁性層のうちの一の強磁性層の磁化が他の強磁性層の磁化よりも反転しやすくなるように構成されている。
【００２８】
当該磁化方向制御方法では、外部磁化を減少させる過程（（ｂ）工程）において、一の強磁性層の磁化が最初に反転すると決定されている。したがって、該一の強磁性層の磁化の方向は、外部磁化と反対方向に定まる。該一の強磁性層の磁化の方向が定まれば、少なくともそれに隣接する強磁性層の磁化の方向が定まり、理想的な場合には、全ての強磁性層の磁化の方向が定まる。このように、ある一の強磁性層が、外部磁化を減少させる過程において最初に反転すると決定されていることは、積層フェリ構造体の強磁性層の磁化の方向を所望の方向に向けるために有効である。
【００２９】
ある一の強磁性層を最初に反転するように積層フェリ構造体を形成するためには、２つの手法がある：一つは、各強磁性層の膜厚と磁化の大きさの最適化であり、もう一つは、各強磁性層の間に働く反強磁性的結合の強さの最適化である。前者が採用される場合、積層フェリ構造体は、該一の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積が、他の強磁性層よりも小さくなるように構成される。一方、後者が採用される場合、各非磁性層の材料及び膜厚
の最適化が行われる。これらの２つの手法の両方が使用されることも可能である。
【００３０】
いずれの場合でも、積層フェリ構造体に含まれる強磁性層の数が３以上であることは重要である。膜厚と磁化の大きさの最適化がなされる場合に強磁性層の数が２であると、積層フェリ構造体の全体としての磁気モーメントを０にすることができなくなる；なぜなら、強磁性層の数が２である積層フェリ構造体を、該一の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積が他の強磁性層よりも小さくなるように構成することは、全体としての磁気モーメントが０でないことを意味するからである。一方、反強磁性的結合の強さの最適化は、本質的に３以上の強磁性層を必要とする；なぜなら、強磁性層が２層の積層フェリ構造体における反強磁性的結合の強さの最適化は、強磁性層が反転される順序に影響しないからである。
【００３１】
膜厚と磁化の大きさの最適化がなされる場合、Ｎ層の強磁性層は、同一の強磁性体で形成されることがある。この場合には、該一の強磁性層は、その膜厚が該他の強磁性層の膜厚よりも薄くなるように形成される。このような構造は、製造コストの低減に有効である。
【００３２】
該一の強磁性層がＮ層の強磁性層の奇数番目の強磁性層から選択される場合には、奇数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積は、偶数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積よりも小さいことが好適である。これにより、外部磁場を減少させる工程において奇数番目の強磁性層のみを選択的に反転させることができる。
【００３３】
同様に、該一の強磁性層が前記Ｎ層の強磁性層の偶数番目の強磁性層から選択される場合には、偶数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積は、奇数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積よりも小さいことが好適である。
【００３４】
積層フェリ構造体の強磁性層の数が３であり、且つ、該一の強磁性層は、その膜厚が該他の強磁性層の膜厚よりも薄くなるように形成される場合には、該一の強磁性層は、積層フェリ構造体の端の強磁性層であることが好適である。このような構造は、積層フェリ構造体の全体としての磁気モーメントを０にするために重要である；該一の強磁性層が中間の強磁性層であると、全体としての磁気モーメントは決して０にならない。
【００３５】
反強磁性的結合の強さの最適化が行われる場合には、積層フェリ構造体は、Ｎ−１層の非磁性層のうちの一の非磁性層を介する反強磁性的結合の結合係数が、他の非磁性層を介する反強磁性的結合の結合係数と異なることにより、前記一の強磁性層の磁化が前記他の強磁性層の磁化よりも反転しやすくなるように構成されることが好適である。
【００３６】
好適な実施例では、Ｎ−１層の非磁性層は、該一の強磁性層と隣接する強磁性層との間の反強磁性的結合の強さが、該他の強磁性層と隣接する強磁性層との間の反強磁性的結合の強さよりも強くなるように構成される。
【００３７】
積層フェリ構造体に含まれる強磁性層の数が４である場合、該一の強磁性層は、積層フェリ構造体の中間の２つの強磁性層のうちから選択されていることが好適である。このような構成を採用することにより、該一の強磁性層が最初に反転することにより、残りの強磁性層の方向が確定する。これは、各強磁性層の磁化を所望の方向に向ける上で好適である。
【００３８】
同様に、積層フェリ構造体に含まれる強磁性層の数が５である場合、前記一の強磁性層は、積層フェリ構造体の３番目の強磁性層であることが好適である。かかる構成を採用することにより、該一の強磁性層が最初に反転することによって残りの強磁性層の方向が確定する。
【００３９】
他の観点において、本発明によるＭＲＡＭ製造方法は、
（ｃ）Ｎ層の強磁性層（Ｎは３以上の整数）と、その間に
介設された非磁性層とを備えた積層フェリ構造体を固定層として含み、且つ、反強磁性体が前記積層フェリ構造体に接触していない構成を有するメモリセルを形成する工程と、
（ｄ）積層フェリ構造体に外部磁場を印加して、Ｎ層の強磁性層の磁化を実質的に同一方向に向ける
工程と、
（ｅ）外部磁化を減少させて、Ｎ層の強磁性層の一部の強磁性層の磁化を反転させる工程
とを備えている。
積層フェリ構造体は、Ｎ層の強磁性層の磁化が同一方向に向いた状態にされているときに前記Ｎ層の強磁性層
のうちの一の強磁性層の磁化が他の強磁性層の磁化よりも反転しやすくなるように構成されている。
【００４０】
当該ＭＲＡＭ製造方法は、上記の磁化方向制御方法を採用することにより、反強磁性層を使用せずに固定層として用いられる積層フェリ構造体の強磁性層の磁化の方向を所望の方向に向けることができる。
【００４１】
更に他の観点において、本発明のＭＲＡＭは、第１方向に延設された複数の第１配線と、第１方向と垂直な第２方向に延設された複数の第２配線と、第１配線と第２配線とが交差する位置のそれぞれに設けられたメモリセルと、複数の第１配線から選択された第１選択配線に第１書き込み電流を供給し、複数の第２配線から選択された第２選択配線に第２書き込み電流を供給する書き込み回路とを備えている。メモリセルのそれぞれは、固定層と、Ｎ層の強磁性層）（Ｎは３以上の整数）と、その間に介設された非磁性層とを具備する積層フェリ構造体で形成された自由層と、自由層と固定層との間に介設されたスペーサ層とを含む。Ｎ層の強磁性層の容易軸は、第１方向及び第２方向の両方に対して斜めに向けられている。積層フェリ構造体は、Ｎ層の強磁性層の磁化が同一方向に向いた状態にされているときに、Ｎ層の強磁性層のうちの一の強磁性層の磁化が他の強磁性層の磁化よりも反転しやすくなるように構成されている。第１書き込み電流と第２書き込み電流とは、第１選択配線と第２選択配線との両方が交差する前記メモリセルの前記積層フェリ構造体を構成する前記Ｎ層の強磁性層の磁化を実質的に同一方向に揃えるような強さを有する合成磁場が、容易軸に平行な方向に発生するように生成される。
【００４２】
当該ＭＲＡＭは、上記の磁化方向制御方向を使用することにより、強磁性層の磁化の初期状態に依存しないデータ書き込みを、自由層の全体としての磁気モーメントを０にしながら実現することができる。加えて、当該ＭＲＡＭは、積層フェリ構造体を自由層として採用することにより、メモリセルの選択性を向上することができる。
【００４３】
容易軸の方向は、第１方向及び第２方向の両方に対して４５°の角をなすことが好適である。このような構造は、メモリセルの選択性を最も高くする。
【００４４】
好適な実施形態では、第１書き込み電流と第２書き込み電流との供給は、実質的に同時に開始される；上述の公知のＭＲＡＭとは異なり、第１の電流の供給を開始した後、第２の電流の供給を開始する必要はない。これは、ライトアクセスタイムの低減に有効である。
【００４５】
更に他の観点において、本発明によるＭＲＡＭ動作方法は、第１方向に延設された複数の第１配線と、第１方向と垂直な第２方向に延設された複数の第２配線と、第１配線と第２配線とが交差する位置のそれぞれに設けられたメモリセルとを含み、メモリセルが、固定層と、Ｎ層の強磁性層（Ｎは３以上の整数）と、その間に介設されたＮ−１層の非磁性層とを具備する積層フェリ構造体で形成された自由層と、自由層と固定層との間に介設されたスペーサ層とを具備し、積層フェリ構造体が、前記Ｎ層の強磁性層の磁化が同一方向に向いた状態にされているときに前記Ｎ層の強磁性層のうちの一の強磁性層の磁化が他の強磁性層の磁化よりも反転しやすくなるように構成されているＭＲＡＭの動作方法である。当該ＭＲＡＭ動作方法は、
複数の第１配線から選択された第１選択配線に第１書き込み電流を供給するステップと、
複数の第２配線から選択された第２選択配線に第２書き込み電流を供給するステップ
とを備えている。第１書き込み電流と第２書き込み電流とは、前記第１選択配線と前記第２選択配線との両方が交差する前記メモリセルの前記積層フェリ構造体を構成する前記Ｎ層の強磁性層の磁化を実質的に同一方向に揃えるような強さの合成磁場が発生するように生成される。このようなＭＲＡＭ動作方法は、上記の磁化方向制御方向を使用することにより、強磁性層の磁化の初期状態に依存しないデータ書き込みを、自由層の全体としての磁気モーメントを０にしながら実現することができる。加えて、当該ＭＲＡＭは、積層フェリ構造体を自由層として採用することにより、メモリセルの選択性を向上することができる。
【００４６】
以上に述べられているように、本発明により、積層フェリ構造体の強磁性層の磁化の方向を反強磁性体を使用せずに制御することが可能になる。
また、本発明により、積層フェリ構造の強磁性層の磁化の元の状態に依存せずに、積層フェリ構造体の強磁性層の磁化の方向を所望の方向に向けることが可能になる。
また、本発明により、積層フェリ構造体の全体の磁気モーメントを０に保ちつつ、積層フェリ構造体の強磁性層の磁化の方向を所望の方向に向けることが可能になる。
また、本発明により、書き込み動作におけるメモリセルの選択性が高いＭＲＡＭを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、積層フェリ構造を固定層として採用する従来のＭＲＡＭメモリセルの構造を示す。
【図２】図２は、公知のＭＲＡＭメモリアレイの構成を示す断面図である。
【図３】図３は、公知のＭＲＡＭメモリアレイの構成を示す平面図である。
【図４】図４は、公知のトグル書き込みを図示するタイミングチャートである。
【図５】図５は、公知のトグル書き込みにおける強磁性層の磁化の方向の変化を図示するダイアグラムである。
【図６】図６は、公知の直接書き込みにおける強磁性層の磁化の方向の変化を図示するダイアグラムである。
【図７】図７は、公知の直接書き込みにおける強磁性層の磁化の方向の変化を図示するダイアグラムである。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の磁化方向制御方法の実施の第１形態が適用される積層フェリ構造体の断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の磁化方向制御方法の実施の第１形態が適用される他の積層フェリ構造体の断面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、本発明の磁化方向制御方法の実施の第１形態が適用される更に他の積層フェリ構造体の断面図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、本発明の磁化方向制御方法の実施の第１形態が適用される更に他の積層フェリ構造体の断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、実施の第１形態において各強磁性層の磁化が外部磁場ＨＥの方向に揃えられる過程を示すダイアグラムである。
【図９Ｂ】図９Ｂは、実施の第１形態において各強磁性層の磁化が外部磁場ＨＥの方向に揃えられる過程を示すダイアグラムである。
【図９Ｃ】図９Ｃは、実施の第１形態において一部の強磁性層の磁化が外部磁場ＨＥと反対方向に反転する過程を示すダイアグラムである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、外部磁場ＨＥが容易軸と平行である場合の、外部磁場ＨＥと各強磁性層の磁化Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３との関係を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、外部磁場ＨＥが容易軸と平行でない場合の、外部磁場ＨＥと各強磁性層の磁化Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３との関係を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の磁化方向制御方法の実施の第２形態が適用される積層フェリ構造体の断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の磁化方向制御方法の実施の第２形態が適用される他の積層フェリ構造体の断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明の磁化方向制御方法の実施の第２形態が適用される更に他の積層フェリ構造体の断面図である。
【図１２】図１２は、非磁性層の膜厚に依存する反強磁性的結合の結合係数の変化を示すグラフである。
【図１３】図１３は、本発明の磁化方向制御方法が適用される積層フェリ構造体を固定層として含むＭＲＡＭメモリセルの断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の磁化方向制御方法が適用される積層フェリ構造体を固定層として含む他のＭＲＡＭメモリセルの断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の磁化方向制御方法が適用される積層フェリ構造体を固定層として含む更に他のＭＲＡＭメモリセルの断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の磁化方向制御方法が適用される積層フェリ構造体を固定層として含む更に他のＭＲＡＭメモリセルの断面図である。
【図１７】図１７は、本発明の磁化方向制御方法が適用される積層フェリ構造体を自由層として含むＭＲＡＭメモリセルの断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の磁化方向制御方法が適用される積層フェリ構造体を自由層として含むＭＲＡＭメモリセルの平面図である。
【図１９】図１９は、選択セルへの書き込み動作を示すタイミングチャートである。
【図２０】図２０は、非選択セルの動作を示すタイミングチャートである。
【図２１】図２１は、本発明の磁化方向制御方法が適用される積層フェリ構造体を自由層として含む他のＭＲＡＭメモリセルの断面図である。
【図２２】図２２は、本発明の磁化方向制御方法が適用される積層フェリ構造体を自由層として含む更に他のＭＲＡＭメモリセルの断面図である。
【図２３】図２３は、本発明の磁化方向制御方法が適用される積層フェリ構造体を自由層として含む更に他のＭＲＡＭメモリセルの断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
実施の第１形態：
図８Ａを参照して、本発明の磁化方向制御方法の実施の第１形態では、ＭＲＡＭ用積層フェリ構造体１０Ａが、第１〜第３強磁性層１１〜１３と、第１、第２非磁性層２１、２２とを備えている。第１〜第３強磁性層１１〜１３は、強磁性体、典型的には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びその合金で形成される。第１〜第３強磁性層１１〜１３は、＋Ｘ方向に長い形状を有するように形成され、これにより、その容易軸は、＋Ｘ方向に平行に向けられている。第１非磁性層２１は、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２との間に介設され、第２非磁性層２２は、第２強磁性層１２と第３強磁性層１３との間に介設されている。第１、第２非磁性層２１、２２は、導電性の非磁性体、典型的には、Ｒｕで形成されている。第１、第２非磁性層２１、２２は、それぞれが隣接する強磁性層を強磁性的に結合するような膜厚を有している。【００４９】
第１強磁性層１１は、その膜厚と磁化の大きさの積が、他の強磁性層：第２強磁性層１２及び第３強磁性層１３よりも小さくなるように形成されている。即ち、積層フェリ構造体１０Ａは、下記式（１ａ）、（１ｂ）：
Ｍ１・ｔ１＜Ｍ２・ｔ２、        ・・・（１ａ）
Ｍ１・ｔ１＜Ｍ３・ｔ３、        ・・・（１ｂ）
が成立するように形成されている；ここでＭ１、Ｍ２、Ｍ３は、第１、第２、第３強磁性層１１、１２、１３の磁化の大きさであり、ｔ１、ｔ２、ｔ３は、第１、第２、第３強磁性層１１、１２、１３の膜厚である。【００５０】
第１〜第３強磁性層１１〜１３は、奇数番目の強磁性層：第１強磁性層１１、第３強磁性層１３の膜厚と磁化の大きさの積の和が、偶数番目の強磁性層：第２強磁性層１２の膜厚と磁化の大きさの積に一致するように形成されている。即ち、積層フェリ構造体１０Ａは、各強磁性層の膜厚及び磁化の大きさが、下記式（２）：
Ｍ１・ｔ１＋Ｍ３・ｔ３＝Ｍ２・ｔ２、      ・・・（２）
を満足するように形成されている。これにより、積層フェリ構造体１０Ａの全体としての磁気モーメントは０になる。既述のとおり、全体としての磁気モーメントが０であることは、積層フェリ構造体１０Ａが他の素子に磁場を作用することを防止し、積層フェリ構造体１０ＡをＭＲＡＭメモリセルに集積化する上で重要である。【００５１】
製造コストを低減させるためには、第１〜第３強磁性層１１〜１３は、同一の材料で形成されることが好適である。この場合、第１〜第３強磁性層１１〜１３は、下記式（１’）、（２’）：
ｔ１＜ｔ２、ｔ３        ・・・（１’）
ｔ１＋ｔ３＝ｔ２、      ・・・（２’）
を満足するように形成される。本実施の形態では、第１〜第３強磁性層１１〜１３は同一の材料で形成され、且つ、その膜厚の比が０．５：２．０：１．５であるように形成されている。【００５２】
本実施の形態では、積層フェリ構造の強磁性層の磁化が外部磁場の印加によって同一方向に揃えられた状態における各強磁性層の磁化の反転のし易さが、各強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積によって制御される。これにより、外部磁場が除去された後の第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化の方向の制御が行われる。具体的には、第１強磁性層１１は、その膜厚と磁化の大きさとの積が第１〜第３強磁性層１１〜１３のうちで最小になるように形成され、これにより、外部磁場が除去された後の各強磁性層の磁化の方向が制御される。以下、図９Ａ、図９Ｂを参照しながら、積層フェリ構造体１０Ａの各強磁性層の磁化を所望の方向に向ける手順が具体的に説明される。以下の説明では、第１強磁性層１１、第３強磁性層１３の磁化が向けられるべき方向は、−Ｘ方向であり、第２強磁性層１２の磁化が向けられるべき方向は、＋Ｘ方向であると仮定されることに留意されたい。【００５３】
まず、図９Ａ、図９Ｂに示されているように、第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化をいずれも＋Ｘ方向に向けるような大きな外部磁場ＨＥが印加される。この外部磁場ＨＥの向きは、膜厚と磁化の大きさとの積が最も小さい第１強磁性層１１の磁化が向けられるべき方向と逆であることに留意されたい。初期的には、第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化の向きは、２つの状態があり得る；図９Ａは、第１、第３強磁性層１１、１３の磁化が
初期的に−Ｘ方向に、第２強磁性層１２の磁化が＋Ｘ方向に向いている場合を示し、図９Ｂは、第１〜第３強磁性層１１〜１３の向きが、その逆である場合を示している。第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化が＋Ｘ方向に向けられる過程は、第１〜第３強磁性層１１〜１３の状態によって異なる。図９Ａの場合、外部磁場ＨＥがフロップ磁場Ｈｆ２まで増加されると、第３強磁性層１３の磁化が＋Ｘ方向に反転され、外部磁場ＨＥがフロップ磁場Ｈｆ４まで増加されると、第１強磁性層１３の磁化も＋Ｘ方向に反転される。これにより、第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化が＋Ｘ方向に揃う。図９Ｂの場合、外部磁場がフロップ磁場Ｈｆ５まで増加されると、第２強磁性層１２の磁化が＋Ｘ方向に反転され、第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化が＋Ｘ方向に揃う。【００５４】
外部磁場ＨＥは、フロップ磁場Ｈｆ４、Ｈｆ５をはるかに超える程度にまで増加される。これは、第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化を同一方向に揃えるために重要である。図９Ａ、９Ｂに示されているように、第１〜第３強磁性層１１〜１３の間の反強磁性的結合のために、フロップ磁場Ｈｆ４、Ｈｆ５を少し超えた程度の外部磁場では、磁化が完全に飽和しない、即ち、磁化が、完全には容易軸方向（＋Ｘ方向）に向かない（図１０Ａ参照）。【００５５】
第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化の向きが＋Ｘ方向に揃えられた後、その向きが容易軸の方向（＋Ｘ方向）に保たれたまま外部磁場ＨＥが減少される。外部磁場ＨＥがフロップ磁場Ｈｆ３まで減少されると、図９Ｃに示されているように、膜厚と磁化との積が最も小さい第１強磁性層１１が最初に反転する。これは、第１強磁性層１１が有する磁気モーメントが最も小さいからである。外部磁場ＨＥが減少すると、第１〜第３強磁性層１１〜１３が有する静磁的エネルギー（magnetostatic energy）は減少していく。静磁的エネルギーの減少の際、磁気モーメントが最も小さい第１強磁性層１１が有する静磁的エネルギーは、ある外部磁場ＨＥにおいて（即ち、フロップ磁場Ｈｆ３において）、最初に、反強磁性結合エネルギーとつりあうようになる。この外部磁場ＨＥでは、第２強磁性層１２及び第３強磁性層１３は、外部磁場ＨＥの方向に向いている方が、エネルギー的に安定である。このため、第１強磁性層１１のみが反転する。【００５６】
更に、外部磁場が減少されつづけると、第１強磁性層１１と隣接しない第３強磁性層１３が−Ｘ方向に反転する。これは、第１強磁性層１１の磁化の反転により、それに隣接する第２強磁性層１２の磁化の方向は、第１強磁性層１１との磁化との反強磁性結合によって安定化されるからである。第３強磁性層１３は、外部磁場ＨＥがフロップ磁場Ｈｆ３よりも小さいフロップ磁場Ｈｆ１まで減少されたときに反転する。【００５７】
以上に述べられているように、本実施の形態の磁化方向制御方法は、反強磁性層を使用せずに各強磁性層の磁化を所望の方向に向けることが可能である。加えて、本実施の形態の磁化方向制御方法は、最終的な各強磁性層の磁化の向きが、初期的な磁化の方向に依存しない。これは、書き込み動作の前に読み出し動作を行う必要性をなくす。更に、本実施の形態の磁化方向制御方法は、全体としての磁気モーメントを実質的に０であるような構造の積層フェリ構造体を使用可能である。【００５８】
外部磁場ＨＥを減少させる間、外部磁場ＨＥを磁化容易軸の方向に維持することは重要である。図１０Ａ、１０Ｂは、その理由を説明する概念図である。図１０Ａに示されているように、外部磁場ＨＥが容易軸の方向（＋Ｘ方向）を向いている限り、外部磁場ＨＥの減少の際に第１強磁性層１１の磁化Ｍ１が所望のとおりに最初に反転する。第１強磁性層１１は最も小さい磁気モーメントを有するため、隣接する強磁性層に働く反強磁性的結合が磁化の向きに及ぼす影響は、相対的に、第１強磁性層１１が最も大きい。このため、第１強磁性層１１の磁化Ｍ１が外部磁場ＨＥの方向となす角度θ１は、第２強磁性層１２の磁化Ｍ２が外部磁場ＨＥの方向となす角度θ２、及び第３強磁性層１２の磁化Ｍ３が外部磁場ＨＥの方向となす角度θ３よりも大きくなる。外部磁場ＨＥの方向が磁化容易軸の方向と一致している場合には、これは、第１強磁性層１１の磁化Ｍ１が磁化容易軸の方向となす角度θ１が最も大きくなることと同義である。したがって、第１強磁性層１１の磁化Ｍ１は、最初に反転する。【００５９】
一方、図１０Ｂに示されているように外部磁場ＨＥが斜めに向いている場合には、そうはならない可能性がある。外部磁場ＨＥが斜め方向に向いていると、図１０Ｂに示されているように、第２強磁性層１２の磁化Ｍ２が容易軸となす角度θ２が、第１〜第３強磁性層１１〜１３のうちで最も大きくなる可能性が発生するからである。第２強磁性層１２の磁化Ｍ２が容易軸となす角度θ２が第１〜第３強磁性層１１〜１３のうちで最も大きくなると、第２強磁性層１２の磁化Ｍ２が最先に反転する。これは、第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化が所望の向きに向かないという結果を招く。このように、第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化を所望の向きに向けるためには、外部磁場ＨＥを減少させる間に外部磁場ＨＥを磁化容易軸の方向に維持することは重要である。【００６０】
積層フェリ構造体１０Ａに含まれる強磁性体の数が３である本実施の形態では、膜厚と磁化の大きさの積が最も小さい強磁性層が、積層フェリ構造体１０Ａの奇数番目に位置することは重要であることに留意されたい。積層フェリ構造体１０Ａが、第２強磁性層１２の膜厚と磁化の大きさの積を最も小さくするように構成されることは好適でない。確かに、第２強磁性層１２を膜厚と磁化の大きさの積が最も小さい強磁性層として選択しても、各強磁性層の磁化を所望の方向に向けることは可能である。しかし、膜厚と磁化の大きさの積が最も小さい強磁性層として第２強磁性層１２を選択することは、積層フェリ構造体１０Ａのトータルの磁気モーメントを０にすることを不可能にする。【００６１】
本実施の形態の概念は、４以上の強磁性層を含む積層フェリ構造体に適用可能である。４以上の強磁性層を含む積層フェリ構造体に対しても、強磁性層の膜厚と磁化の大きさの積を制御することにより、所望の順序で強磁性層を反転させ、所望の方向に強磁性層の向きを向けることが可能である。【００６２】
強磁性層の数が４である場合には、膜厚と磁化の大きさの積が最も小さい強磁性層が、積層フェリ構造体の中間、即ち、２番目又は３番目に位置することが好適である。これは、膜厚と磁化の大きさの積が最も小さい強磁性層が、積層フェリ構造体の中間に位置することにより、最初の反転によって全ての強磁性層の磁化の方向が決定されるからである。強磁性層の磁化の最初の反転の影響は、最初に磁化が反転する強磁性層に隣接する２つの強磁性層に及ぶことに留意されたい。上端（１番目）に位置する強磁性層の膜厚と磁化の大きさの積が最小である場合には、３番目、４番目に位置する強磁性層の磁化の方向は確定しない。同様に、膜厚と磁化の大きさの積が最小である強磁性層が下端に位置する場合も同様である。【００６３】
例えば、図８Ｂに図示された、４の強磁性層を含む積層フェリ構造体１０Ｂについて考察する。積層フェリ構造体１０Ｂは、第１強磁性層１１〜第４強磁性層１４と、それらの間に介設された第１〜第３非磁性層２１〜２３とから構成される。第１〜第４強磁性層１１〜１４は、同一の材料で構成され、その磁化の大きさは実質的に同一である。更に、積層フェリ構造体１０Ｂは、第１〜第４強磁性層１１〜１４の膜厚の比が１．５：１．０：０．５：１．０となるように構成されている。第３強磁性層１３の膜厚と磁化の大きさの積は、第１〜第４強磁性層１１〜１４のうちで最小であり、積層フェリ構造体１０Ｂの全体としての磁気モーメントは０である。【００６４】
このような積層フェリ構造体１０Ｂは、第３強磁性層１３の磁化を最初に反転させることによって、第１強磁性層１１及び第３強磁性層１３の磁化を選択的に反転させ、各強磁性層の磁化を所望の方向に向けることができる。第３強磁性層１３の膜厚と磁化の大きさの積は第１〜第４強磁性層１１〜１４のうちで最も小さいから、外部磁場ＨＥを減少させる工程では、第３強磁性層１３の磁化が最初に反転する。第３強磁性層１３の磁化が最初に反転することによって残りの全ての強磁性層の磁化の方向も決定される；第３強磁性層１３の磁化が反転すると、その第３強磁性層１３に隣接する第２強磁性層１２、第４強磁性層１４の磁化の方向は反強磁性的結合によって安定化される。従って、更に外部磁場ＨＥを減少させると次に反転するのは第１強磁性層１１である。このように、所望のとおり、第１強磁性層１１、第３強磁性層１３は外部磁場ＨＥと反対方向に、第２強磁性層１２、第４強磁性層１４の磁化は外部磁場ＨＥと同一方向に向く。【００６５】
同様に、図８Ｃに示されているように、強磁性層の数が５である場合には、３番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさの積が最小であることが好適である。図８Ｃの例では、積層フェリ構造体１０Ｃは、第１〜第５強磁性層１１〜１５と、その間に介設される第１〜第４非磁性層２１〜２４とで構成される。積層フェリ構造体１０Ｃは、第３強磁性層１３の膜厚と磁化の大きさの積が第１〜第５強磁性層１１〜１５のうちで最小であるように構成される。これにより、外部磁場ＨＥを減少させる工程において、第３強磁性層１３の磁化が最初に反転する。第３強磁性層１３の磁化が最初に反転すれば、残りの強磁性層の磁化の方向が確定することは、容易に理解されよう。【００６６】
強磁性層の磁化の最初の反転によっても、全強磁性層の磁化の方向が決定されない場合も存在する。下記の３つの場合：
（ａ）強磁性層の数が６以上である場合、
（ｂ）強磁性層の数が４であり、最初に反転する強磁性層が上端又は下端である場合、
（ｃ）強磁性層の数が５であり、最初に反転する強磁性層が３番目の強磁性層でない場合
がこれに該当する。このような場合には、各強磁性層の膜厚と磁化の大きさの積を、奇数番目の強磁性層の磁化のみが反転するように、又は、偶数番目の強磁性層の磁化のみが反転するように適切に決定される必要がある。【００６７】
外部磁場ＨＥを減少させる工程で奇数番目の強磁性層の磁化のみを反転させるためには、積層フェリ構造体が、
（ａ）膜厚と磁化の大きさの積が最も小さい強磁性層が、奇数番目の強磁性層のうちから選択され、且つ、
（ｂ）任意の奇数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさの積が、全ての偶数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積よりも小さい
ように構成されていればよい。かかる構造の積層フェリ構造体は、外部磁場を減少させる工程において奇数番目の強磁性層の磁化のみを反転させ、各強磁性層の磁化の向きを所望の方向に向けることができる。例えば、図８Ｄに示されている積層フェリ構造体１０Ｄを考える。図８Ｄの例では、積層フェリ構造体１０Ｄは、第１強磁性層１１〜第５強磁性層１５と、それらの間に介設された第１〜第４非磁性層２１〜２４とから構成される。第１〜第５強磁性層１１〜１５は、同一の材料で構成され、その磁化の大きさは実質的に同一である。更に、積層フェリ構造体１０Ｄは、第１〜第５強磁性層１１〜１５の膜厚の比が０．７５：１．５：１．２５：１．５：１．０となるように構成されている。この積層フェリ構造体１０Ｄでは、膜厚が最小である、即ち、最初に反転する第１強磁性体１１が上端に位置するから、最初の反転によっては、残りの強磁性層の磁化の向きは決定されない。しかし、積層フェリ構造体１０Ｄは、上記の条件（ａ）、（ｂ）を満足しているから、奇数番目の強磁性層の磁化のみを選択的に反転させ、各強磁性層の磁化を所望の方向に向けることができる。【００６８】
積層フェリ構造体が上記の条件（ａ）（ｂ）を満足するように構成される場合には、強磁性層の数が奇数であることが好適である。かかる構造は、全体としての積層フェリ構造体の磁気モーメントを０にしつつ、奇数番目の強磁性体の磁化を選択的に反転可能にする。強磁性層の数が奇数であれば、奇数番目の強磁性体の数は、偶数番目の強磁性層の数よりも１だけ多い。これは、任意の奇数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさの積が、任意
の偶数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさの積よりも小さくても、全体としての積層フェリ構造体の磁気モーメントを０にできることを意味している。【００６９】
図８Ｄに示された構造は、上記の条件（ａ）（ｂ）を満足し、且つ、強磁性層の数が奇数である構造の一つである。図８Ｄに示された構造では、強磁性層の数は奇数であり、第１〜第５強磁性層１１〜１５の膜厚の比が０．７５：１．５：１．２５：１．５：１．０である；即ち、奇数番目の強磁性層：第１、第３、第５強磁性層１１、１３、１５の膜厚の和は、偶数番目の強磁性層：第２、第４強磁性層１２、１４の膜厚の和と同一であり、積層フェリ構造体１０Ｄの全体の磁気モーメントは０である。【００７０】
一方、外部磁場ＨＥを減少させる工程で奇数番目の強磁性層の磁化のみを反転させるためには、積層フェリ構造体が、
（ａ’）膜厚と磁化の大きさの積が最も小さい強磁性層が、偶数番目の強磁性層のうちから選択され、且つ、
（ｂ’）任意の偶数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさの積が、全ての奇数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさとの積よりも小さい
ように構成されていればよい。これにより、外部磁場を減少させる工程において偶数番目の強磁性層の磁化のみを選択的に反転させ、各強磁性層の磁化の向きを所望の方向に向けることができる。【００７１】
実施の第２形態：
図１１Ａは、本発明の実施の第２形態におけるＭＲＡＭ用積層フェリ構造体３０Ａの構成を示す断面図である。本実施の形態では、外部磁場を減少させる間に強磁性層の磁化が反転する順序が、隣接する２つの強磁性層の間の反強磁性的結合の強さを用いて制御される。反強磁性的結合の強さは、その間に介設される非磁性層の膜厚によって制御される。図１２に示されているように、隣接する強磁性層の間に働く反強磁性的結合の強さが、その間に介設される非磁性層の膜厚に依存することは当業者に周知である。【００７２】
具体的には、図１１Ａに示されているように、本実施の形態の積層フェリ構造体３０Ａは、第１〜第３強磁性層３１〜３３と、第１、第２非磁性層４１、４２とを備えている。実施の第１形態と同様に、第１〜第３強磁性層３１〜３３は、強磁性体、典型的には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びその合金で形成され、更に、その容易軸は、＋Ｘ方向に平行に向けられている。第１非磁性層４１、第２非磁性層４２は、非磁性体、典型的には、Ｒｕで形成されている。第１非磁性層４１は、第１強磁性層３１と第２強磁性層３２との間に介設され、第２非磁性層４２は、第２強磁性層３２と第３強磁性層３３との間に介設されている。【００７３】
積層フェリ構造体３０Ａは、第１、第３強磁性層３１、３３の膜厚と磁化の大きさの積が第２強磁性層３２のそれよりも小さくなるように形成されている。これは、外部磁場の減少のとき、第１、第３強磁性層３１、３３の磁化を、第２強磁性層３２の磁化よりも反転しやすくする。【００７４】
加えて、積層フェリ構造体３０Ａは、第１、第３強磁性層３１、３３の膜厚と磁化の大きさの積の和が、第２強磁性層３２の膜厚と磁化の大きさの積と同一になるように形成されている。これは、積層フェリ構造体３０Ａの全体としての磁気モーメントを０にする。【００７５】
より具体的には、本実施の形態では、第１〜第３強磁性層３１〜３３が同一の材料で形成され、第１強磁性層３１、第３強磁性層３３は、その膜厚ｔ１、ｔ３が第２強磁性層３２の膜厚ｔ２よりも薄く形成されている。加えて、第１、第３強磁性層３１、３３は、その膜厚ｔ１、ｔ３の和が、第２強磁性層３２の膜厚ｔ２と同一になるように形成されてい
る。【００７６】
実施の第１形態とは異なり、本実施の形態では、第１強磁性層３１と第３強磁性層３３の膜厚が同一である；即ち、第１強磁性層３１の膜厚と磁化の大きさの積は、第３強磁性層３３と同一であり、即ち、膜厚と磁化の大きさの積では、第１強磁性層３１と第３強磁性層３３とのいずれが反転しやすいかは決定されない。【００７７】
その代りに、本実施の形態では、第２強磁性層３２と第３強磁性層３３との間の反強磁性的結合の強さが、第１強磁性層３１と第２強磁性層３２との間の反強磁性的結合よりも強くなるように積層フェリ構造体３０Ａが構成されている；即ち、第２非磁性層４２を介する第２強磁性層３２と第３強磁性層３３との間の反強磁性的結合の結合定数は、第１非磁性層４１を介する第１強磁性層３１と第２強磁性層３２との間の反強磁性的結合の結合定数よりも大きい。より具体的には、第２非磁性層４２の膜厚Ｔ２は、結合係数が極大値をとる膜厚のうちで最小の膜厚に定められ、第１非磁性層４１の膜厚Ｔ１は、２番目に小さい膜厚に定められている（図１２参照）。この結果、第３強磁性層３３の磁化は、外部磁場の減少の際、第１強磁性層３１の磁化よりも反転しやすくなる。【００７８】
以下、積層フェリ構造体３０Ａの各強磁性層の磁化を所望の方向に向ける手順が具体的に説明される。以下の説明では、第１強磁性層３１、第３強磁性層３３の磁化が向けられるべき方向は、−Ｘ方向であり、第２強磁性層３２の磁化が向けられるべき方向は、＋Ｘ方向であると仮定されることに留意されたい。【００７９】
まず、第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化を＋Ｘ方向に揃えるような大きな外部磁場ＨＥが印加される。この外部磁場ＨＥの向きは、第３強磁性層３３の磁化が向けられるべき方向と逆であることに留意されたい。【００８０】
続いて、外部磁場ＨＥが減少される。外部磁場ＨＥの減少の間、その向きは容易軸の方向（＋Ｘ方向）に保たれる。【００８１】
外部磁場ＨＥが減少される工程では、膜厚と磁化の大きさとの積の大きさ（即ち、磁気モーメントの大きさ）、及び、隣接する強磁性層から受ける反強磁性的結合の強さにより、最初に磁化が反転する強磁性層が決定される。本実施の形態では、膜厚と磁化の大きさとの積が第２強磁性層３２よりも小さく、且つ、第１強磁性層３１よりも強く反強磁性的結合の作用を受ける第３強磁性層３３の磁化が最初に反転する。【００８２】
更に外部磁場ＨＥが減少されると、第１強磁性層３１と隣接しない第３強磁性層３３が−Ｘ方向に反転する。これは、第１強磁性層３１の磁化の反転により、それに隣接する第２強磁性層３２の磁化の方向は、第１強磁性層３１との反強磁性結合によって安定化されているからである。【００８３】
以上に述べられた方法により、本実施の形態では、所望のとおり、第１強磁性層１１と第３強磁性層１３の磁化が−Ｘ方向に、第２強磁性層１２の磁化が＋Ｘ方向に向けられる。【００８４】
本実施の形態の概念は、４以上の強磁性層を含む積層フェリ構造体に適用可能である。例えば、図１１Ｂには、４の強磁性層を含む積層フェリ構造体３０Ｂが開示されている。積層フェリ構造体１０Ｂは、第１強磁性層３１〜第４強磁性層３４と、それらの間に介設された第１〜第３非磁性層４１〜４３とから構成される。【００８５】
積層フェリ構造体３０Ｂでは、第１強磁性層３１〜第４強磁性層３４は、その材料も膜厚も同一であるように形成される。これは、奇数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさの積の和を、偶数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさの積の和と一致させ、積層フェリ構造体１０Ｂの全体としての磁気モーメントを０にする。【００８６】
しかし、このような積層フェリ構造体３０Ｂでは、外部磁場ＨＥが減少されるときに各強磁性層の磁化が反転される順序が、膜厚と磁化の大きさの積によって決定されない。【００８７】
その代りに、積層フェリ構造体３０Ｂは、第１非磁性層４１を介する反強磁性的結合の結合定数が第２及び第３非磁性層４２、４３を介する反強磁性的結合の結合定数よりも小さくなるように構成されている。より具体的には、第２非磁性層４２、第３非磁性層４３が同一の膜厚Ｔ２を有し、且つ、膜厚Ｔ２は、結合係数が極大値をとる膜厚のうちで最小の膜厚に定められている；一方、第１非磁性層４１の膜厚Ｔ１は、２番目に小さい膜厚に定められている。【００８８】
これにより、外部磁場ＨＥを減少させる工程において、第３強磁性層３３が最初に反転する強磁性層になる。詳細に説明すれば、積層フェリ構造体３０Ｂの構造により、第３強磁性層３３が隣接する強磁性層から受ける反強磁性的結合の強さは、他の強磁性層が隣接する強磁性層から受ける反強磁性的結合の強さよりも強くなる；即ち、第３強磁性層３３が第２強磁性層３２、第４強磁性層３４から受ける反強磁性的結合の強さは、
（１）第１強磁性層３１が第２強磁性層３２から受ける反強磁性的結合の強さ；
（２）第２強磁性層３２が第１強磁性層３１及び第３強磁性層３３から受ける反強磁性的
結合の強さ；及び
（３）第４強磁性層３４が第３強磁性層３３から受ける反強磁性的結合の強さ
のいずれよりも強くなる。この結果、第３強磁性層３３の磁化は、外部磁場ＨＥの減少の際、他の強磁性層の磁化よりも反転しやすくなる。【００８９】
中間の強磁性層である第３強磁性層３３の磁化が最初に反転することにより、残りの強磁性層の磁化の方向も自動的に決定される。強磁性層の数が４である場合に、中間の強磁性層が、外部磁場ＨＥの減少の工程において最初に反転することの重要性は、実施の第１形態で説明したとおりである。即ち、第３強磁性層３３の磁化が最初に反転することによって残りの全ての強磁性層の磁化の方向も決定される。第３強磁性層１３の磁化が反転すると、その第３強磁性層３３に隣接する第２強磁性層３２、第４強磁性層３４の磁化の方向は反強磁性的結合によって安定化される。従って、更に外部磁場ＨＥを減少させると次に反転するのは第１強磁性層３１である。このように、所望のとおり、第１強磁性層３１、第３強磁性層３３は外部磁場ＨＥと反対方向に、第２強磁性層３２、第４強磁性層３４の磁化は外部磁場ＨＥと同一方向に向く。【００９０】
このように、積層フェリ構造体３０Ｂは、充分に大きな外部磁場ＨＥを第１強磁性層３１及び第３強磁性層３３の磁化が向けられるべき方向と逆の方向に印加することにより、各強磁性層の磁化を所望の方向に向けることができる。【００９１】
更に図１１Ｃには、５の強磁性層を含む積層フェリ構造体３０Ｃが図示されている。積層フェリ構造体３０Ｃは、第１強磁性層３１〜第５強磁性層３５と、それらの間に介設された第１〜第４非磁性層４１〜４４とから構成される。第１強磁性層３１〜第５強磁性層３５は、その材料が同一であり、その膜厚比が、１．０：１．５：１．０：１．５：１．０となるように形成される。これは、奇数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさの積の和を、偶数番目の強磁性層の膜厚と磁化の大きさの積の和と一致させ、積層フェリ構造体１０Ｂの全体としての磁気モーメントを０にする。【００９２】
しかし、このような積層フェリ構造体３０Ｃでは、外部磁場ＨＥが減少されるときに各強磁性層の磁化が反転される順序は、膜厚と磁化の大きさの積によって決定されない；なぜなら、第１強磁性層３１、第３強磁性層３３、第５強磁性層３５は、膜厚と磁化の大きさの積が同一であるからである。【００９３】
その代りに、積層フェリ構造体３０Ｂは、第１非磁性層４１、第４非磁性層４４を介する反強磁性的結合の結合定数が第２及び第３非磁性層４２、４３を介する反強磁性的結合の結合定数よりも小さくなるように構成されている。より具体的には、第２非磁性層４１、第３非磁性層４２が同一の膜厚Ｔ２を有し、且つ、膜厚Ｔ２は、結合係数が極大値をとる膜厚のうちで最小の膜厚に定められている；一方、第１非磁性層４１、第４非磁性層４４が同一の膜厚Ｔ１を有し、且つ、膜厚Ｔ１は、結合係数が極大値をとる膜厚のうちで２番目に小さい膜厚に定められている。【００９４】
これにより、外部磁場ＨＥを減少させる工程において、第３強磁性層３３の磁化が最初に反転する。第３強磁性層３３の磁化が最初に反転すれば、残りの強磁性層の磁化の方向が確定することは、容易に理解されよう。【００９５】
上述された磁化方向制御方法は、ＭＲＡＭメモリセルの固定層及び自由層のいずれにも適用可能である。以下では、積層フェリ構造体の固定層及び自由層への応用について説明される。【００９６】
本発明による磁化方向制御方法の固定層への適用：
図１３は、本発明による磁化方向制御方法を固定層に適用するためのメモリセル７００Ａの構造を示す断面図である。メモリセル７００Ａは、固定層１１０と自由層２００とその間に介設されたトンネルバリア層３００とを備えている。固定層１１０は、図８Ａの積層フェリ構造体１０Ａと同一の構造を有している。【００９７】
固定層１１０に含まれる第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化は、ＭＲＡＭ製造工程において外部磁場ＨＥが印加された状態でアニールされることにより、所望の向きに向けられる。この外部磁場ＨＥの向きは、第１〜第３強磁性層１１〜１３の容易軸と平行であり、且つ、第１、第３強磁性層１１、１３が向けられるべき方向と反対に定められる。更に、外部磁場ＨＥの強さは、第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化を同一方向に揃える程度に充分に強くなるように制御される。このような外部磁場ＨＥを印加した後、外部磁場ＨＥを除去することにより、第１強磁性層１１と第３強磁性層１３の磁化が選択的に反転される。このような過程により、第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化を所望の方向に向けることができる。【００９８】
本発明による磁化方向制御方法を固定層に適用することは、ＭＲＡＭメモリセルから反強磁性層を排除することを可能にし、ＭＲＡＭメモリセルの特性向上に好適である。【００９９】
上述の他の積層フェリ構造体も同様に、ＭＲＡＭメモリセルの固定層として使用され得る。例えば、図１４は、図８Ｂの積層フェリ構造体１０Ｂを固定層１２０として含む、メモリセル７００Ｂの構造を示している。図１５は、図１１Ａの積層フェリ構造体３０Ａを固定層１３０として含む、メモリセル７００Ｃの構造を示している。図１６は、図１１Ｂの積層フェリ構造体３０Ｂを固定層１４０として含む、メモリセル７００Ｄの構造を示している。【０１００】
本発明による磁化方向制御方法の自由層への適用：
図１７は、本発明による磁化方向制御方法を自由層に適用するためのＭＲＡＭメモリアレイの構造を示す断面図である。当該ＭＲＡＭメモリアレイは、ワード線４００と、ビット線５００と、メモリセル８００Ａを備えている。メモリセル８００Ａは、ワード線４００とビット線５００との間に介設されている。図１８に示されているように、ワード線４００とビット線５００とは直交している。メモリセル８００Ａは、ワード線４００とビット線５００とが交差する位置に設けられている。以下の説明では、ワード線４００に平行にｘ軸が、ビット線５００に平行にｙ軸が規定されることに留意されたい。図１７、図１８には、ワード線４００、ビット線５００、及びメモリセル８００Ａは、一つずつしか図示されていないが、通常のＭＲＡＭがそうであるように、複数のワード線４００、ビット線５００、メモリセル８００Ａがメモリアレイをなすように配置されていると理解されなくてはならない。ワード線４００、ビット線５００には、データの書き込み及び読み出しを行うための書き込み／読み出し回路（図示されない）が接続される。書き込み／読み出し回路は、通常、ワード線デコーダ、ビット線デコーダ、センスアンプ、ライトアンプ、リードアンプで構成される。【０１０１】
図１７に示されているように、メモリセル８００Ａは、固定層１００と、自由層２１０と、それらの間に介設されたトンネルバリア層３００とを備えている。固定層１００は、従来の積層フェリ構造と同一の構成を有している；即ち、固定層１００は、強磁性層１０１、１０２と、その間に介設された非磁性層１０３とを備えており、強磁性層１０２は、反強磁性層１０４に接合されている。自由層２１０は、図８Ａの積層フェリ構造体１０Ａと同一の構造を有している。なお、固定層１００としては、上述された、本発明の積層フェリ構造体も使用され得る。本発明の積層フェリ構造体の固定層への適用は、ＭＲＡＭメモリアレイから反強磁性層を排除することを可能にし、メモリセル８００Ａの特性向上に好適である。この場合には、自由層のフロップ磁場は、固定層のフロップ磁場よりも充分に小さくされることが好ましい。【０１０２】
図１８に示されているように、メモリセル８００Ａは、ワード線４００、ビット線５００のいずれにも４５°をなす方向に長い形状を有している；このようなメモリセル８００Ａの形状により、自由層２１０を構成する第１〜第３強磁性層１１〜１３の容易軸は、ｘ軸とｙ軸とのいずれにも４５°の角度をなす方向に向く。以下の説明では、第１〜第３強磁性層１１〜１３の容易軸と平行にＸ軸が、それに垂直にＹ軸が規定される。Ｘ軸はｘ軸と４５°の角をなし、Ｙ軸はｙ軸と４５°の角をなしている。ｘ−ｙ座標系とＸ−Ｙ座標系とは別の座標系であることに留意されたい。【０１０３】
図１９は、メモリセル８００Ａへの書き込み動作を示すタイミングチャートである。メモリセル８００Ａへのデータ書き込みは、以下のようにして行われる。初期的には、書き込みが行われるメモリセル８００Ａ（以下、「選択セル」という。）の第１、第３強磁性層１１、１３の磁化Ｍ１、Ｍ３は＋Ｘ方向に向いており、第２強磁性層１２の磁化Ｍ２は、−Ｘ方向に向いている。以下に述べられるデータ書き込みにより、これらの磁化の方向が反転される。【０１０４】
まず、選択セルに対応するワード線４００、ビット線５００が選択される。以下では、選択されたワード線４００は、選択ワード線と記載され、選択されたビット線５００は、選択ビット線と記載される。【０１０５】
続いて、書き込み／読み出し回路により、選択ビット線及び選択ワード線に、それぞれ、書き込み電流ＩＷＬ、ＩＢＬが印加される。電流ＩＷＬ、ＩＢＬの向きは、選択セルに書き込まれるべきデータに応じて決定される。本実施の形態では、電流ＩＷＬ、ＩＢＬの向きは、それぞれ、＋ｘ方向、＋ｙ方向である。書き込み電流ＩＷＬ、ＩＢＬの供給の開始は、実質的に同時である。【０１０６】
電流ＩＷＬ、ＩＢＬにより、それぞれ、＋ｙ方向の磁場ＨＷＬと、＋ｘ方向の磁場ＨＢＬが発生する。電流ＩＷＬ、ＩＢＬの大きさは、磁場ＨＷＬと磁場ＨＢＬとの合成磁場ＨＷＬ＋ＨＢＬの方向が、第１〜第３強磁性層１１〜１３の容易軸と平行になり、且つ、合成磁場ＨＷＬ＋ＨＢＬが第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化を同一方向に向けるのに充
分な大きさに調整される。合成磁場ＨＷＬ＋ＨＢＬの印加により、第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化Ｍ１〜Ｍ３は、いずれも、容易軸に平行な方向、即ち、＋Ｘ方向に揃えられる。【０１０７】
続いて、電流ＩＷＬ、ＩＢＬの供給が遮断される。電流ＩＷＬ、ＩＢＬの供給が遮断されると、積層フェリ構造体を構成する第１〜第３強磁性層１１〜１３に磁場が印加されなくなる。第１〜第３強磁性層１１〜１３への磁場の印加が停止されると、上述されている過程により、第１強磁性層１１、第３強磁性層１３の磁化が選択的に反転する。これにより、所望のとおり、第１強磁性層１１、第３強磁性層１３の磁化Ｍ１、Ｍ３は−Ｘ方向に反転され、第２強磁性層１２の磁化Ｍ２は＋Ｘ方向に反転される。【０１０８】
このような書き込み動作は、自由層２１０の強磁性層の元の磁化の方向に無関係に、所望の方向に磁化を向けることができる；即ち、読み出し動作を行うことなく、書き込み動作を実行することができる。【０１０９】
加えて、かかる書き込み動作は、メモリセルの選択性が良いという利点を有している。図２０は、選択ビット線に接続されたメモリセル８００Ａのうち非選択のメモリセルの動作を示す図である。電流ＩＢＬが印加されることにより、該非選択のメモリセルには、＋ｘ方向に、即ち、容易軸と４５°の方向に磁場ＨＢＬが印加される。従って、磁場ＨＢＬの印加により、非選択のメモリセルの第１〜第３強磁性層１１〜１３の磁化Ｍ１〜Ｍ３は、その合成磁化ＭＲが磁場ＨＢＬの方向に向くような方向に回転する。しかし、この状態では、磁化Ｍ２（熱擾乱の影響を無視すれば）磁化Ｍ２の方向と、磁化Ｍ１、Ｍ３の方向とが入れ替わることはあり得ない。従って、非選択のメモリセルでは、磁化の反転は発生しない。これは、メモリセルの選択性が良いことを意味している。【０１１０】
このように、本発明による磁化方向制御方法を自由層に適用することにより、読み出し動作が不要で、自由層の磁気モーメントが０で、且つ、メモリセルの選択性が高い書き込み動作を実現することができる。【０１１１】
上述の他の積層フェリ構造体も同様に、ＭＲＡＭメモリセルの自由層として使用され得る。例えば、図２１は、図８Ｂの積層フェリ構造体１０Ｂを自由層２２０として含む、メモリセル８００Ｂの構造を示している。図２２は、図１１Ａの積層フェリ構造体３０Ａを自由層２３０として含む、メモリセル８００Ｃの構造を示している。図２３は、図１１Ｂの積層フェリ構造体３０Ｂを自由層２４０として含む、メモリセル８００Ｄの構造を示している。【０１１２】
なお、図１７、図２１〜２３では、クロスポイントセルアレイに対応した磁気抵抗素子の構造、即ち、磁気抵抗素子８００Ａ〜８００Ｄが、ワード線４００、ビット線５００に電気的に接続されている構造が示されているが、本発明は、クロスポイントセルアレイにのみに適用されると解釈されてはならない。トランジスタによってメモリセルが選択されるＭＲＡＭメモリアレイに本発明が適用される場合には、ワード線４００が磁気抵抗素子８００Ａ〜８００Ｄから電気的に絶縁される。この場合でも、ワード線４００は、磁気抵抗素子８００Ａ〜８００Ｄに磁場を印加させるように近接されると理解されなくてはならない。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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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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【図２３】
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