(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも反強磁性層、第１強磁性層、絶縁層、記憶を保持する第２強磁性層を順に積層した磁気トンネル接合素子からなり、且つ該第２強磁性層の該絶縁層積層側と異なる側に、金属層を介するとともに中央部を離間して閉磁路層を設け、該第２強磁性層及び該閉磁路層により閉磁路が構成され、
前記第１強磁性層は、前記反強磁性層と交換結合すると共に、前記第２強磁性層の両端は、該第２強磁性層が前記閉磁路層と反強磁性結合するように膜厚が設定された前記金属層を介して、前記閉磁路層と反強磁性結合しており、
前記閉磁路内で前記中央部の前記金属層と前記閉磁路層の間に第一の電流線を配置し、前記閉磁路外に第二の電流線を配置するとともに、前記第一の電流線に前記閉磁路層の磁化は反転するが前記第２強磁性層の磁化は反転しない電流を流し、前記第二の電流線に単独では前記第２強磁性層の磁化は反転しないが前記第一の電流線との合成磁界は前記第２強磁性層の磁化を反転する電流を流すことにより、前記第２強磁性層の磁化方向を変えることを特徴とする磁気メモリセル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気メモリセルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子は、従来の異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）素子や巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子に比べて大きな出力が得られることから、ＨＤＤ用再生ヘッドや磁気メモリへの応用が考えられている。
【０００３】
特に、磁気メモリにおいては、半導体メモリと同じく稼動部の無い固体メモリであり、電源が断たれても情報を失わない、繰り返し回数が無限回である、放射線が入射しても記録内容が消失する危険性が無い等、半導体メモリと比較して有用である。
【０００４】
従来のＭＴＪ素子の構成例を図４に示す。なお、このような構造はたとえば特開平９―１０６５１４号公報に示されている。
【０００５】
図４のＭＴＪ素子は、反強磁性層４１、強磁性層４２、絶縁層４３、強磁性層４４を積層したものである。強磁性層４２及び強磁性層４４の磁化はいずれも膜面内にあり、平行もしくは反平行となるように実効的な一軸磁気異方性を有している。そして、強磁性層４２の磁化は反強磁性層４１との交換結合により実質的に一方向に固定され、強磁性層４４の磁化の方向で記録を保持する。
【０００６】
反強磁性層４１としてはＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ等の合金が用いられ、強磁性層４２及び強磁性層４４としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ或はこれらの合金が用いられる。また、絶縁層４３としては各種の酸化物や窒化物が検討されているが、現在はＡｌ2Ｏ3膜の場合に最も高い磁気抵抗（ＭＲ）比が得られることが知られている。
【０００７】
また、この他に、反強磁性層４１を除いた構成で、強磁性層４２と強磁性層４４の保磁力差を利用したＭＴＪ素子の提案もなされている。
【０００８】
図４の構造のＭＴＪ素子をランダムアクセス可能な磁気メモリに用いた場合の概略図を図５に示す。トランジスタ５１は読み出し時にＭＴＪ素子５２を選択する役割を有している。“０”、“１”の情報は図４に示すＭＴＪ素子の強磁性層４４の磁化方向によって記録されており、強磁性層４２の磁化方向は固定されている。そして、強磁性層４２と強磁性層４４の磁化が平行の時は抵抗値が低く、反平行の時は抵抗値が高くなるという磁気抵抗効果を利用して情報を読み出す。一方、書込みは、ビット線５３とワード線５４が形成する合成磁界によって強磁性層４４の磁化の向きを反転することで実現される。なお、５５はプレートラインである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記構造のＭＴＪ素子では強磁性層４２及び強磁性層４４の磁化が面内方向であるため、両端部には磁極が発生する。磁気メモリの高密度化を図るにはＭＴＪ素子を微細化する必要があるが、素子の微細化にともない両端部の磁極による反磁界の影響が大きくなる。
【００１０】
強磁性層４２については反強磁性層４１と交換結合していることから、上記の反磁界の影響は少なく、また、米国特許５８４１６９２号公報に開示されているように、強磁性層４２を反強磁性結合する二つの強磁性層で構成することにより、端部に発生する磁極を実質的にゼロにすることができる。
【００１１】
一方、メモリ層となる強磁性層４４については同様の手法を取ることができないことから、パターンが微細化するに連れて端部磁極の影響により磁化が不安定となり、記録の保持が困難となってしまう。
【００１２】
そこで、メモリ層となる強磁性層４４を閉磁路構造とすることで端部磁極の影響を低減することが考えられる。この時、ビット線とワード線を両方ともこの閉磁路内を通る構成とすれば、書込み時に効率よく強磁性層４４の磁化を反転できる効果が得られるが、ビット線とワード線はＭＴＪ素子部で同じ方向に配線されるため、図５に示すような簡単な直交配列を取ることが困難になる。閉磁路構造の例は特開平１０−３０２４５６号公報等に見られるが、その時の最適な磁気メモリセルのアクセス方法については開示されていない。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するために、メモリ層となる強磁性層４４に閉磁路構造を導入しても、磁気メモリのセル密度が低下しない磁気メモリセルを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも反強磁性層、第１強磁性層、絶縁層、記憶を保持する第２強磁性層を順に積層した磁気トンネル接合素子からなり、且つ該第２強磁性層の該絶縁層積層側と異なる側に、金属層を介するとともに中央部を離間して閉磁路層を設け、該第２強磁性層及び該閉磁路層により閉磁路が構成され、前記第１強磁性層は、前記反強磁性層と交換結合すると共に、前記第２強磁性層の両端は、該第２強磁性層が前記閉磁路層と反強磁性結合するように膜厚が設定された前記金属層を介して、前記閉磁路層と反強磁性結合しており、前記閉磁路内で前記中央部の前記金属層と前記閉磁路層の間に第一の電流線を配置し、前記閉磁路外に第二の電流線を配置するとともに、前記第一の電流線に前記閉磁路層の磁化は反転するが前記第２強磁性層の磁化は反転しない電流を流し、前記第二の電流線に単独では前記第２強磁性層の磁化は反転しないが前記第一の電流線との合成磁界は前記第２強磁性層の磁化を反転する電流を流すことにより、前記第２強磁性層の磁化方向を変えることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図をもとに本発明の磁気メモリセルについて詳細に説明する。
【００１８】
本発明の参考例を図１に示す。磁気メモリセル１１はビット線１２とワード線１３の交点に配置されている。磁気メモリセル１１は図面の縦方向に閉磁路構造を有しており、磁化も同じ方向を向いている。図１のＡＢ断面図を図２に示す。簡単化のために一個の磁気メモリセルのみを示している。
【００１９】
図２に示すように、磁気メモリセル１１は反強磁性層２１、強磁性層２２、絶縁層２３、強磁性層２４からなるＭＴＪ素子上に閉磁路層２５が設けられている。そして、反強磁性層２１と強磁性層２２は交換結合している。また、強磁性層２４と閉磁路層２５は両端部で接合し、中央部では離間している。この中央離間部にビット線１２が設けられ、ＭＴＪ素子と電気的に接続し、また、ワード線１３は磁気メモリセル１１上に絶縁層２６を介して設けられている。
【００２０】
従って、ＭＴＪ素子の片側はビット線１２と電気的に接続しており、もう一方は図示されていない選択トランジスタのコレクタに接続されている。また、ワード線はＭＴＪ素子とは電気的に絶縁されており、図示されていない選択トランジスタのゲートに接続されている。その結果、図５に示すランダムアクセスの可能なレイアウトが構成されている。
【００２１】
磁気メモリセルの情報は強磁性層２４の磁化方向で記憶される。一方、強磁性層２２の磁化方向は反強磁性層２１との交換結合で固定されている。従って、強磁性層２２と強磁性層２４の磁化方向が平行、反平行でＭＴＪ素子の抵抗が変化することを利用して、磁気メモリセルに記憶された情報即ち強磁性層の磁化方向を検出する。
【００２２】
磁気メモリセルの情報の書換えはビット線１２とワード線１３に電流を流し、強磁性層２４の磁化方向を変えることで実現される。この時、電流を流すビット線１２とワード線１３の交点にある磁気メモリセル１１以外の磁気メモリセルの強磁性層１２は磁化方向が変わらないことが必要である。これは、以下のようにして実現できる。
【００２３】
強磁性層２４は情報を保持でき、しかも記録電流で書換えが可能な程度の保磁力を有している。一方、閉磁路層２５は、強磁性層２４に比して保磁力が小さい材料で構成されている。磁気メモリセル１１の情報を書換える場合には、閉磁路層２５の磁化は反転するが、強磁性層２４の磁化は反転しない大きさの電流をビット線１２に流す。更に、ビット線１２との合成磁界は強磁性層２４の磁化を反転するが、単独では反転できない大きさの電流をワード線１３に流す。この時、ビット線１２上にある磁気メモリセル１１以外のセルにはワード線１３からの磁界は印加されないため、強磁性層２４の磁化方向は変化しない。一方、ワード線１３上にある磁気メモリセル１１以外のセルにはビット線１２からの磁界は印加されないため、強磁性層２４の磁化方向は変化しない。
【００２４】
上記のように、強磁性層２４及び閉磁路層２５の磁気特性と、ビット線１２及びワード線１３に流す電流の大きさを制御することにより、ビット線１２とワード線１３の交点にある磁気メモリセル１１の磁化方向のみを変えることができる。
【００２５】
本参考例によれば、ビット線１２は強磁性層２４と閉磁路層２５とで構成する閉磁路構造内に有ることから、十分低い電流で閉磁路層２５の磁化を反転させることができ、強磁性層２４に有効に磁界を印可することができる。一方、ワード線１３もまた絶縁層を介して閉磁路層２５に近接して設けられているので、閉磁路層２５を通じて強磁性層２４に有効に磁界を印可することができる。従って、図４に示す従来の構造に比して、十分に低い電流で磁気メモリセル１１の磁化方向を変えることができる。従って、閉磁路層２５を高透磁率材料で構成すれば記録電流の低減化に有効である。
【００２６】
本発明の実施例を図３に示す。図２との相違は強磁性層２４と閉磁路層２５が金属層２７を介して接合していることである。この金属層２７の膜厚は、強磁性層２４と閉磁路層２５とが反強磁性結合するように設定されている。従って、磁気メモリセル１１の情報の書換えが上記と同様に行われた際、磁気メモリセル１１以外の書換えが行われなかったセルにおいて、強磁性層２４と閉磁路層２５の磁化は、金属層２７を介した反強磁性結合により、確実に閉磁路を構成するようになる。
【００２７】
上記の実施例においては、閉磁路構造を有する磁気メモリセルとして、ＭＴＪ素子を用いた二つの例を示したが、その他の閉磁路構造を有する磁気メモリセルを用いることも可能である。また、上記の実施例においては、ワード線はビット線の上に設けられていたが、ＭＴＪ素子の下に設けることも可能である。また、ビット線をＭＴＪ素子から絶縁する、或いは、ビット線とワード線を入れ替える、或いは、記録用と読み出し用にビット線もしくはワード線を別個に設ける等も可能であり、本発明はビット線とワード線及び閉磁路構造について上記の実施例に制限されるものでないことは明らかである。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の磁気メモリセルによれば、強磁性層及び閉磁路層の磁気特性と、ビット線及びワード線に流す電流の大きさを制御することにより、単一の磁気メモリセルのみをアクセスできるとともに記録電流を低減することができる。また、磁気メモリセルの端部磁極の影響を低減できることから、パターンが微細化されても安定した磁化状態を保持することができるとともに、より高い集積度の磁気メモリを実現することができる。また、メモリ層となる強磁性層が閉磁路構造を取ることから、外部漏洩磁界に対して安定となる。更にまた、本発明により磁気メモリの消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例を示す図である。
【図２】本発明の参考例にある磁気メモリセルの断面図である。
【図３】本発明の実施例にある磁気メモリセルの断面図である。
【図４】従来のＭＴＪ素子の構成を示す図である。
【図５】従来の磁気メモリの概略図である。
【符号の説明】
１１ 磁気メモリセル
１２ ビット線
１３ ワード線
２１、４１ 反強磁性層
２２、２４、４２、４４ 強磁性層
２３、４３ 絶縁層
２５ 閉磁路層
２６ 絶縁層
２７ 金属層
５１ トランジスタ
５２ ＭＴＪ素子
５３ ビット線
５４ ワード線
５５ プレートライン
【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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