JP2005135495A - 磁気メモリの記録方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 情報の記録を行う際の消費電力を低減することを可能にする磁気メモリの記録方法を提供する。
【解決手段】 情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層が、複数層の磁性層から成る磁気記憶素子と、互いに交差する第１の配線と第２の配線とを備え、第１の配線と第２の配線とが交差する交点付近に、それぞれ磁気記憶素子が配置されて成る磁気メモリに対して、第１の配線の電流Ｉｗのパルスと、第２の配線の電流Ｉｂのパルスとを、ほぼ同じ時刻で印加を開始する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、磁気メモリに情報を記録するための磁気メモリの記録方法に関するものであり、特に不揮発性メモリに用いて好適なものである。

コンピュータ等の情報機器においては、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度のＤＲＡＭが広く使用されている。
しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。

情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子に対して、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。
特に、不揮発性メモリは、機器の高機能化に必要不可欠な部品と考えられている。
例えば、電源の消耗やトラブル、サーバーとネットワークが何らかの障害により切断された場合でも、不揮発性メモリはシステムや個人の重要な情報を保護することができる。
また、最近の携帯機器は、不要の回路ブロックをスタンバイ状態にしてできるだけ消費電力を抑えるように設計されているが、高速のワークメモリと大容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリを実現することができれば、消費電力とメモリの無駄を無くすことができる。
さらに、高速の大容量不揮発性メモリが実現できれば、電源を入れると瞬時に起動できる“インスタント・オン”機能も可能になってくる。

不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ferro electric Random Access Memory ）等が挙げられる。
しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒のオーダーと遅いため、高速なアクセスに向かないという欠点がある。
一方、ＦＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が１０^１２〜１０^１４と有限であるため、完全にＳＲＡＭやＤＲＡＭを置き換えるには耐久性が小さく、また強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという問題が指摘されている。

これらの欠点がない不揮発性メモリとして注目されているのが、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ；Magnetic Random Access Memory ）である（例えば、非特許文献１参照）。

初期のＭＲＡＭは、ＡＭＲ（anisotropic magnetoresistive）効果や、ＧＭＲ（Giant magnetoresistance）効果等を利用した、スピンバルブをベースにした構成であった（非特許文献２及び非特許文献３参照）。
しかし、これらの構成では、負荷のメモリセル抵抗が１０〜１００Ωと低いため、読み出し時のビット当たりの消費電力が大きく大容量化が難しいという欠点があった。

そこで、ＴＭＲ(Tunnel Magnetoresistance)効果を利用した構成のＭＲＡＭが提案されている。
当初は、室温における抵抗変化率が１〜２％しかなかったが（非特許文献４参照）、近年では２０％近くの抵抗変化率が得られるようになり（非特許文献５参照）、ＴＭＲ効果を利用したＭＲＡＭに注目が集まるようになってきている。

ＭＲＡＭでは、マトリクス状に配列されたＴＭＲ効果型の記憶素子を有するとともに、その素子群のうち特定の素子に情報を記録するために、素子群を縦横に横切るワード書き込み線とビット書き込み線を有しており、その交差領域に位置する記憶素子のみに、選択的に情報の記録（書き込み）を行うように構成されている。

そして、記憶素子に情報の記録を行う方法には、アステロイド特性を利用した方法（例えば、特許文献１参照）とスイッチング特性を利用した方法（例えば、特許文献２参照）がある。
アステロイド特性を利用した方法は、選択性が各記憶素子の保磁力特性に依存するために、素子の寸法や磁気特性のばらつきに弱いという欠点があった。
これに対して、スイッチング特性を利用した方法は、素子選択に使える磁界範囲が広いので、素子ごとの特性ばらつきが多少あっても、大規模なメモリを実現しやすい、という利点がある。

ここで、スイッチング特性を利用したＭＲＡＭの模式的断面図を図５に示す。
メモリセルに記録された情報を読み出すために、メモリセルを電気的に選択するためには、ダイオードまたはＭＯＳトランジスタ等を用いることができるが、図５に示す構成はＭＯＳトランジスタを用いている。

まず、ＭＲＡＭのメモリセルを構成する磁気記憶素子１０１の構成を説明する。
第１の磁化固定層１１２及び第２の磁化固定層１１４は、非磁性層１１３を介して配置されていることにより、反強磁性結合している。さらに、第１の磁化固定層１１２は、反強磁性層１１１と接して配置されており、これらの層間に働く交換相互作用によって、強い一方向の磁気異方性を有する。そして、これら４層１１１，１１２，１１３，１１４により固定層１０２が構成される。
第１の記憶層１１６及び第２の記憶層１１８は、非磁性層１１７を介して配置されていることにより、反強磁性結合している。これら第１の記憶層１１６及び第２の記憶層１１８は、それぞれの磁化Ｍ１，Ｍ２の向きが比較的容易に回転するように構成される。そして、これら３層１１６，１１７，１１８により記憶層（自由層）１０３が構成される。
第２の磁化固定層１１４と第１の記憶層１１６との間、即ち固定層１０２と記憶層（自由層）１０３との間には、トンネル絶縁層１１５が形成されている。このトンネル絶縁層１１５は、上下の磁性層１１６及び１１４の磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流す役割を担う。これにより、磁性層の磁化の向きが固定された固定層１０２と、トンネル絶縁層１１５と、磁化の向きを変化させることが可能な記憶層（自由層）１０３とにより、ＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistance ）素子が構成されている。
そして、上述の各層１１１〜１１８と、下地膜１１０及びトップコート膜１１９により、ＴＭＲ素子から成る磁気記憶素子１０１が構成されている。

また、シリコン基板１３０中に選択用ＭＯＳトランジスタ１３１が形成され、この選択用ＭＯＳトランジスタ１３１の一方の拡散層１３３上に接続プラグ１０８を介して、引き出し電極１０９が形成されている。この引き出し電極１０９上に、磁気記憶素子１０１の下地膜１１０が接続されている。選択用ＭＯＳトランジスタ１３１のもう一方の拡散層１３２は、図示しないが、接続プラグを介してセンス線に接続されている。選択用ＭＯＳトランジスタのゲート１３０は、選択信号線と接続されている。
磁気記憶素子１０１のトップコート膜１１９は、その上のビット線（ＢＬ）１０６に接続されている。また、磁気記憶素子１０１の下方には絶縁膜を介して、書き込みワード線（ＷＬ）１０５が配置されている。

定常状態において、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２とは、概ね反平行状態（向きが正反対の状態）にある。同様に、非磁性層１１３を介した強い反強磁性結合により、第１の磁化固定層１１２の磁化Ｍ１１と第２の磁化固定層１１４の磁化Ｍ１２は、ほぼ完全な反平行状態にある。
通常、第１の磁化固定層１１２と第２の磁化固定層１１４とは、飽和磁化膜厚積が等しい構成とされるため、磁極磁界の漏洩成分は無視できるくらい小さい。

また、図５のＭＲＡＭを直上より見た模式的平面図を図６に示す。
磁気記憶素子１０１は、平面形状が楕円形状であり、楕円の長軸方向に磁化容易軸６０があり、楕円の短軸方向に磁化困難軸６１があり、これら磁化容易軸６０と磁化困難軸６１とが直交している。
また、ビット線１０６及びワード線１０５は、格子状に配置され、両者のなす角度αは一定（図６ではほぼ直交している）である。磁気記憶素子１０１は、その磁化容易軸６０がワード線１０５に対して傾斜角度θ（０＜θ＜９０°）を有するように、ワード線１０５及びビット線１０６の交点に配置されている。

この構成のメモリセルにおいて、磁気記憶素子１０１の記憶層１０３に情報を記録する際には、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きを反転させるために、ビット線１０６及びワード線１０５に、それぞれ、ビット電流Ｉｂ及びワード線電流Ｉｗを流す。ビット線電流Ｉｂ及びワード線電流Ｉｗは、それぞれ、ビット線電流磁界Ｈｂ及びワード線電流磁界Ｈｗを誘起する。ワード線電流磁界Ｈｗとビット線電流磁界Ｈｂの合成磁界は、後述するように、時計回りまたは反時計回りに回る回転磁界を形成する。
そして、電流磁界Ｈｂ，Ｈｗの印加によって、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１の向きを変えることにより、記憶層１０３に情報（例えば、情報”１”又は情報”０”）を記録することができる。
また、記録された情報の読み出しは、磁気抵抗効果によるトンネル電流の変化を検出して行うことができる。

ここで、図５に示した構成の磁気記憶素子１０１の磁化容易軸方向に外部磁界Ｈが印加されたときの磁化曲線の例を図７に示す。
第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の合成磁化Ｍの大きさは、外部磁界の大きさによって顕著に変化する。
最初のしきい値はスピンフロッピング磁界Ｈｓｆである。外部磁界Ｈがこのスピンフロッピング磁界Ｈｓｆ以下ならば、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２が、常に反平行状態（↑↓）を保つ。
外部磁界ＨがＨｓｆを超えると、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２が、交差磁化状態をとって外部磁界Ｈに拮抗する。ただし、二つの磁化Ｍ１，Ｍ２がなす角度は１８０度以下である。この状態から外部磁界Ｈを取り去れば、最初の反平行状態に戻ることが多い。
次のしきい値は飽和磁界Ｈｓａｔである。外部磁界Ｈが飽和磁界Ｈｓａｔを超えると、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２は平行状態（↑↑）となる。一旦、飽和磁界Ｈｓａｔ以上の外部磁界Ｈを印加してしまうと、記憶層１０３は最初の反平行状態の記憶を忘却するので、外部磁界を取り去っても最初の磁化状態に戻るとは限らない。

続いて、図５のＭＲＡＭの磁気記憶素子１０１において、外部磁界Ｈとしてワード線電流磁界Ｈｗとビット線電流磁界Ｈｂを印加したとき、記憶層１０３の第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きの変化を説明する。
外部磁界Ｈを印加することにより、図７に示したように、記憶層１０３の第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きが変化するが、外部磁界Ｈを印加する前の状態と、外部磁界Ｈを取り去った後の状態との関係により、３種類の動作に大別することができる。

まず、外部磁界Ｈの印加の前の状態と、外部磁界Ｈを取り去った後の状態とで、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きが反転する（２つの磁化Ｍ１，Ｍ２の向きが入れ替わり、交番的に変化する）動作がある。以下、このような動作を、Ｔｏｇｇｌｅ動作と呼ぶ。
また、外部磁界Ｈの印加の前の状態と、外部磁界Ｈを取り去った後の状態とで、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きが同じ向きになる（２つの磁化Ｍ１，Ｍ２の向きが入れ替わらない）動作がある。以下、このような動作を、Ｎｏ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ動作と呼ぶ。
さらにまた、外部磁界Ｈの印加の前の状態に係わらず、外部磁界Ｈを取り去った後の状態では、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２が、それぞれ決まった向きに変化する動作がある。この動作では、外部磁界Ｈを印加している間に、２層の磁化Ｍ１，Ｍ２が同じ向き（平行）になってしまい、外部磁界Ｈを印加する前の反平行状態の記憶が失われるため、外部磁界Ｈを除去した後の状態では、２層の磁化Ｍ１，Ｍ２が一方通行な磁化回転をして、ある決まった向きに変化する。以下、このような動作を、Ｄｉｒｅｃｔ動作と呼ぶ。

次に、３種類の動作のそれぞれにおいて、ワード線電流Ｉｗ及びビット線電流Ｉｂの電流パルスと、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きの時間変化と、磁化Ｍ１，Ｍ２の変化に伴う磁気記憶素子１０１のＴＭＲ素子の電気抵抗Ｒの時間変化を示す。

まず、Ｔｏｇｇｌｅ動作における、電流パルス、各記憶層の磁化の向きの時間変化、ＴＭＲ素子の電気抵抗の時間変化の一例を、図８に示す。
図８では、１ビットの記録を行うサイクルにおいて、時間原点を時刻Ｔ０として、時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４と時刻が経過して、最後に定常状態に戻るまでの磁化Ｍ１，Ｍ２の向き及びＴＭＲ素子の電気抵抗Ｒの変化を示している。以下、他の動作の場合の図でも同様である。

ワード線電流Ｉｗのパルスは、時間原点Ｔ０からある時間経過した時刻Ｔ１に立ち上がり、時刻Ｔ３に立ち下がる。ビット線電流Ｉｂのパルスは、ワード線電流Ｉｗのパルスより遅れて、時刻Ｔ２に立ち上がり、時刻ｔ４に立ち下がる。
このように電流パルスに時間差を設けることにより、各電流磁界Ｈｗ，Ｈｂの合成磁界を回転磁界として、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きを回転させることができる。
ＴＭＲ素子の電気抵抗Ｒは、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の磁化固定層１１４の磁化Ｍ１２の向きが等しい場合に、低抵抗(これを例えば情報”０”とする)となり、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の磁化固定層１１４の磁化Ｍ１２の向きが反平行である場合に、高抵抗(これを例えば情報”１”とする)となる。

まず、時刻Ｔ０において、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１４の磁化Ｍ２は、反平行状態をとっており、二つの磁化Ｍ１，Ｍ２の向きがなす角度は１８０度となっている。
時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間に、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２とがなす角度が１８０度以下になる。
時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間には、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２とがなす角度が鋭角（９０度以下）になる。
時刻Ｔ３以降で第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２とがスピンフロップし、時刻Ｔ４を過ぎて再び反平行状態に戻る。このとき、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２は、それぞれ初期状態に対して向きが逆転している。

次に、Ｎｏ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ動作における、電流パルス、各記憶層の磁化の向きの時間変化、ＴＭＲ素子の電気抵抗の時間変化の一例を、図９に示す。
この例では、ワード線電流Ｉｗのパルスを図８とは逆の向きにしている。ビット線電流Ｉｂのパルスは図８と同じである。

ワード線電流Ｉｗのパルスは、時間原点の時刻Ｔ０からある時間経過した時刻Ｔ１に立ち上がり、時刻Ｔ３に立ち下がる。ビット線電流Ｉｂのパルスは、ワード線電流Ｉｗのパルスより遅れて、時刻Ｔ２に立ち上がり、時刻ｔ４に立ち下がる。
このように電流パルスに時間差を設けることにより、各電流磁界Ｈｗ，Ｈｂの合成磁界を回転磁界として、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きを回転させることができる。

まず、時刻Ｔ０において、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１４の磁化Ｍ２は、反平行状態をとっており、二つの磁化Ｍ１，Ｍ２の向きがなす角度は１８０度となっている。
時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間に、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２とがなす角度が１８０度以下になる。
この場合は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間で、ワード線電流磁界Ｈｗ及びビット線電流磁界Ｈｂにより形成される回転磁界の向きが、磁気記憶素子１０１の磁化容易軸の方向（正方向または負方向のいずれか）を向かないので、スピンフロッピングが起こらない。 その結果、時刻Ｔ４以降では、磁化状態は初期状態に対して変化しない。

次に、Ｄｉｒｅｃｔ動作における、電流パルス、各記憶層の磁化の向きの時間変化、ＴＭＲ素子の電気抵抗の時間変化の例を、図１０及び図１１にそれぞれ示す。
図１０に示す例では、電流パルスをいずれも図８と同じ向きにしている。一方、図１１に示す例では、電流パルスをいずれも図８とは逆の向きにしている。

図１０及び図１１において、ワード線電流Ｉｗのパルスは、時間原点の時刻Ｔ０からある時間経過した時刻Ｔ１に立ち上がり、時刻Ｔ３に立ち下がる。ビット線電流Ｉｂのパルスは、ワード線電流Ｉｗのパルスより遅れて、時刻Ｔ２に立ち上がり、時刻ｔ４に立ち下がる。
このように電流パルスに時間差を設けることにより、各電流磁界Ｈｗ，Ｈｂの合成磁界を回転磁界として、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きを回転させることができる。

まず、時刻Ｔ０において、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１４の磁化Ｍ２は、反平行状態をとっており、二つの磁化Ｍ１，Ｍ２の向きがなす角度は１８０度となっている。
時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間に、スピンフロッピングが起こり、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２がなす角度は９０度以下になる。
時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間に、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きが、ほぼ同じ向きに揃ってしまい、ワード線電流磁界Ｈｗ及びビット線電流磁界Ｈｂにより形成される回転磁界の向きとほぼ等しくなる。
時刻Ｔ３以降では、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２が、スピンフロップして再び反平行状態に戻るが、その磁化状態は初期状態に依存しない。

続いて、ワード線電流磁界Ｈｗ及びビット線電流磁界Ｈｂの各振幅・向きを変化させたときに、３種類の磁化回転動作のそれぞれの発生状況を表す磁化回転モード図を、図１２に示す。

図１２に示すように、ビット線電流磁界Ｈｂ及びワード線電流磁界Ｈｗの合成磁界がスピンフロッピング磁界Ｈｓｆ以下ならば、その領域は全てＮｏ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ動作の領域８１である。ビット線電流磁界Ｈｂ及びワード線電流磁界Ｈｗの合成磁界が磁化容易軸方向以外になる、第二象限及び第四象限も、概ねＮｏ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ動作の領域８１である。
一方、ビット線電流磁界Ｈｂ及びワード線電流磁界Ｈｗの合成磁界が飽和磁界Ｈｓａｔを超えたところは、Ｄｉｒｅｃｔ動作の領域８２となることが多い。
そして、ビット線電流磁界Ｈｂ及びワード線電流磁界Ｈｗの合成磁界がスピンフロッピング磁界Ｈｓｆ以上飽和磁界Ｈｓａｔ未満であり、かつ、第一象限及び第三象限に属する範囲は、Ｔｏｇｇｌｅ動作の領域８０となることが期待できる。

なお、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２のなす２つの安定状態（↑↓及び↓↑）に非対称性がある場合は、Ｔｏｇｇｌｅ動作の領域８０とＮｏ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ動作の領域８１の境界に、Ｄｉｒｅｃｔ動作の領域が現れることがある。

マトリクス状に配列されたメモリセル群において、ワード線とビット線の交点に配置された特定のメモリセルのみを選択的に磁化反転させるには、選択されたメモリセルが所属するワード線及びビット線に電流を流す。

このとき、選択されたメモリセルに印加される合成磁界が、Ｔｏｇｇｌｅ動作の領域８０又はＤｉｒｅｃｔ動作の領域８２の範囲内に含まれている必要がある。
一方、ワード線またはビット線を共有する選択されていないメモリセルが磁化反転するのを避けるには、非選択メモリセルへ印加される合成磁界が、Ｎｏ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ動作の領域８１の範囲に含まれていることが必要である。

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上述したように、スイッチング特性を利用したＭＲＡＭの従来の構成においては、記憶層１０３として２層以上の強磁性層を用いて、ビット情報の記録を行っている。

従来のスイッチング特性を利用したＭＲＡＭでは、図８に示したように、Ｔｏｇｇｌｅ動作を行うために、ワード線電流Ｉｗのパルスの印加を開始する時刻Ｔ１とビット線電流Ｉｂのパルスの印加を開始する時刻Ｔ２とに、時間差が設けてあった。
そして、この時間差、即ち遅延時間（Ｔ１〜Ｔ２）は、各電流Ｉｗ，Ｉｂのパルスを印加する前の反平行磁化状態から交差磁化状態に遷移するよりも長い時間が必要である。

しかしながら、各電流Ｉｗ，Ｉｂのパルスの持続時間に比例して、消費電力が大きくなる。
このため、遅延時間であっても、その時間はできるだけ短いことが望ましい。

上述した問題の解決のために、本発明においては、情報の記録を行う際の消費電力を低減することを可能にする磁気メモリの記録方法を提供するものである。

本発明の磁気メモリの記録方法は、情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層が、複数層の磁性層から成る磁気記憶素子と、互いに交差する第１の配線と第２の配線とを備え、第１の配線と第２の配線とが交差する交点付近に、それぞれ磁気記憶素子が配置されて成る磁気メモリに対して、第１の配線の電流のパルスと、第２の配線の電流のパルスとを、ほぼ同じ時刻で印加を開始するものである。

上述の本発明の磁気メモリの記録方法によれば、情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層が、複数層の磁性層から成る磁気記憶素子と、互いに交差する第１の配線と第２の配線とを備え、第１の配線と第２の配線とが交差する交点付近に、それぞれ磁気記憶素子が配置されて成る磁気メモリに対して、第１の配線の電流のパルスと、第２の配線の電流のパルスとを、ほぼ同じ時刻で印加を開始することにより、これらの電流のパルスの印加の開始時刻の時間差がなくなり、その分、記憶層の各磁性層の磁化を反転させる動作（前述したＴｏｇｇｌｅ動作）に関わる電流パルスの持続時間を全体として短縮することが可能になる。

上述の本発明によれば、記憶層の各磁性層の磁化を反転させる動作、即ち記憶層に情報を記録する動作に関わる電流パルスの持続時間を全体として短縮することが可能になるので、従来よりも、情報の記録に必要となる消費電力量を低減することができる。
また、本発明によれば、書き込みが短時間で終了するため、磁気メモリの書き込み性能が大幅に向上する。

従って、本発明により、磁気メモリの高性能化、低消費電力化を容易に図ることが可能になる。

まず、本発明の記録方法を適用するスイッチング特性を利用したＭＲＡＭの一形態の概略構成図（模式的断面図）を図１に示す。
本実施の形態においても、図５に示した従来の構成と同様に、メモリセルの読み出しのために選択用ＭＯＳトランジスタを用いている。

まず、ＭＲＡＭのメモリセルを構成する磁気記憶素子１の構成を説明する。
第１の磁化固定層１２及び第２の磁化固定層１４は、非磁性層１３を介して配置されていることにより、反強磁性結合している。さらに、第１の磁化固定層１２は、反強磁性層１１と接して配置されており、これらの層間に働く交換相互作用によって、強い一方向の磁気異方性を有する。そして、これら４層１１，１２，１３，１４により固定層２が構成される。即ち、固定層２は、２層の磁性層（第１の磁化固定層１２及び第２の磁化固定層１４）を有している。
第１の記憶層１６及び第２の記憶層１８の２層の磁性層は、非磁性層１７を介して配置されていることにより、反強磁性結合している。これら第１の記憶層１６及び第２の記憶層１８は、それぞれの磁化Ｍ１，Ｍ２の向きが比較的容易に回転するように構成される。そして、これら３層１６，１７，１８により記憶層（自由層）３が構成される。即ち、記憶層（自由層）３は、２層の磁性層（第１の記憶層１６及び第２の記憶層１８）を有している。
第２の磁化固定層１４と第１の記憶層１６との間、即ち固定層２と記憶層（自由層）３との間には、トンネル絶縁層１５が形成されている。このトンネル絶縁層１５は、上下の磁性層１６及び１４の磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流す役割を担う。これにより、磁性層の磁化の向きが固定された固定層２と、トンネル絶縁層１５と、磁化の向きを変化させることが可能な記憶層（自由層）３とにより、ＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistance ）素子が構成されている。

第２の記憶層１８の上には、トップコート膜１９が形成されている。このトップコート膜１９は、磁気記憶素子１と接続された配線（ビット線）６との相互拡散防止、接触抵抗の低減及び第２の記憶層１８の酸化防止という役割がある。
反強磁性層１１の下には、下地膜１０が形成されている。この下地膜１０は、上方に積層される層の結晶性を高める作用がある。

第１及び第２の磁化固定層１２及び１４と、第１及び第２の記憶層１６及び１８とには、例えば、ニッケルまたは鉄またはコバルト、或いはこれらの合金を主成分とする強磁性体が用いられる。
非磁性層１３，１７の材料としては、例えば、タンタル、クロム、ルテニウム等が使用できる。
反強磁性層１１の材料としては、例えば、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウム等のマンガン合金、コバルトやニッケル酸化物等が使用できる。
下地膜１０には、例えば、クロム、タンタル等を使用できる。
トップコート膜１９には、例えば、銅、タンタル、ＴｉＮ等の材料が使用できる。

これらの磁性層１２，１４，１６，１８及び導体膜１０，１３，１７，１９は、主にスパッタリング法により形成される。
トンネル絶縁層１５は、スパッタリングで形成された金属膜を酸化、もしくは窒化させることにより得ることができる。

そして、上述の各層１１〜１８と、下地膜１０及びトップコート膜１９により、ＴＭＲ素子から成る磁気記憶素子１が構成されている。

また、シリコン基板３０中に選択用ＭＯＳトランジスタ３１が形成され、この選択用ＭＯＳトランジスタ３１の一方の拡散層３３上に接続プラグ８を介して、引き出し電極９が形成されている。この引き出し電極９上に、磁気記憶素子１の下地膜１０が接続されている。選択用ＭＯＳトランジスタ３１のもう一方の拡散層３２は、図示しないが、接続プラグを介してセンス線に接続されている。選択用ＭＯＳトランジスタのゲート３０は、選択信号線と接続されている。
磁気記憶素子１のトップコート膜１９は、その上のビット線（ＢＬ）６に接続されている。また、磁気記憶素子１の下方には絶縁膜を介して、書き込みワード線（ＷＬ）５が配置されている。

定常状態において、第１の記憶層１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１８の磁化Ｍ２とは、概ね反平行状態（向きが正反対の状態）にある。同様に、非磁性層１３を介した強い反強磁性結合により、第１の磁化固定層１２の磁化Ｍ１１と第２の磁化固定層１４の磁化Ｍ１２は、ほぼ完全な反平行状態にある。

また、図１のＭＲＡＭを直上より見た模式的平面図を図２に示す。
磁気記憶素子１は、図６の磁気記憶素子１０１と同様に、平面形状が楕円形状になっている。
楕円の長軸方向に磁化容易軸６０があり、楕円の短軸方向に磁化困難軸６１があり、これら磁化容易軸６０と磁化困難軸６１と直交している。
また、ビット線（ＢＬ）６及びワード線（ＷＬ）５は、そのなす角度αが一定（ほぼ直交する）となっている。磁気記憶素子１は、その磁化容易軸６０がワード線５に対して傾斜角度θ（０＜θ＜９０°）を有するように、ワード線５及びビット線６の交点に配置されている。

この構成のメモリセルにおいて、磁気記憶素子１の記憶層３に情報を記録する際には、第１の記憶層１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１８の磁化Ｍ２の向きを反転させるために、ビット線６及びワード線５に、それぞれ、ビット電流Ｉｂ及びワード線電流Ｉｗを流す。ビット線電流Ｉｂ及びワード線電流Ｉｗは、それぞれ、ビット線電流磁界Ｈｂ及びワード線電流磁界Ｈｗを誘起する。ワード線電流磁界Ｈｗとビット線電流磁界Ｈｂの合成磁界は、後述するように、時計回りまたは反時計回りに回る回転磁界を形成する。

また、磁気記憶素子１の記憶層３に記録された情報を読み出す際には、ビット線６と、選択用ＭＯＳトランジスタ３１の拡散層３２に接続されたセンス線との間に電圧をかけて、選択用ＭＯＳトランジスタ３１のゲート７をオン状態にすることにより、磁気記憶素子１の膜厚方向に電流を流す。これにより、トンネル絶縁層１５を挟む磁性層（第２の磁化固定層１４及び第１の記憶層１６）におけるトンネル磁気抵抗効果を利用して、記憶層３の磁性層の磁化の向きを検出することにより、記憶層３に記録された情報を読み出すことができる。

そして、図１に示した構成のメモリセルを用いて、それぞれ多数のワード線（ＷＬ）５及びビット線（ＢＬ）６に対して、各交点に磁気記憶素子１を配置することにより、多数のメモリセルを有し、記憶容量の大きい磁気メモリ（磁気記憶装置）を構成することができる。
このように磁気メモリを構成した場合に、あるメモリセルの磁気記憶素子１の記憶層３に情報を記録するためには、多数あるワード線５及びビット線６から、記録を行うメモリセルに対応するそれぞれ１本のワード線５及びビット線６を選択し、ワード線５及びビット線６に電流を流して、記録を行うメモリセルの磁気記憶素子１に対して電流磁場Ｈｗ，Ｈｂを印加する。これにより、そのメモリセルの磁気記憶素子１の記憶層３に回転磁界が印加され、その記憶層３において、第１の記憶層１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１８の磁化Ｍ２が反転（Ｔｏｇｇｌｅ動作）して、情報の書き込み（記録）が行われる。
一方、情報の記録を行わないメモリセルでは、ワード線５或いはビット線６の少なくとも一方は選択されていないため、第１の記憶層１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１８の磁化Ｍ２が反転（Ｔｏｇｇｌｅ動作）するに充分な回転磁界が印加されず、情報の書き込み（記録）が行われないことから、記憶層３に既に記録されている情報が保持される。

次に、本発明の一実施の形態として、図１に示した構成のスイッチング特性を利用したＭＲＡＭに対して、情報の記録を行う方法を説明する。
本実施の形態における電流パルスの時間変化を図３Ａに示す。また、本実施の形態におけるＴＭＲ素子の電気抵抗の時間変化を図３Ｂに示す。

本実施の形態では、特に、図３Ａに示すように、ワード線電流Ｉｗのパルスの印加とビット線電流Ｉｂのパルスの印加とを同時に開始する。
なお、ワード線電流Ｉｗのパルスの印加停止時刻と、ビット線電流Ｉｂのパルスの印加停止時刻とには、時間差が設けられ、ワード線電流Ｉｗのパルスが先に停止するようになっている。

このようなタイミングで各電流Ｉｗ，Ｉｂのパルスを印加することにより、ＴＭＲ素子の電気抵抗は図３Ｂに示すように変化する。
図３Ｂと図８とを比較すると、ＴＭＲ素子の電気抵抗の変化において、図８の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの過程（反平行磁化状態から交差磁化状態へ遷移する過程）、即ち遅延時間が省略され、時刻Ｔ２以降の磁化状態へ直接遷移していることがわかる。

このように、図８に示した従来の記録方法における遅延時間（Ｔ２−Ｔ１）が省略されたことにより、全体として電流Ｉｗ，Ｉｂのパルスの持続時間が減少している。
これにより、情報の記録の際に必要とする消費電力を低減することができると共に、情報の記録に必要となる時間も大幅に短縮することができる。

なお、図３Ａに示すように、ワード線電流Ｉｗのパルスの印加とビット線電流Ｉｂのパルスの印加とを同時に開始する場合だけでなく、ワード線電流Ｉｗのパルスの印加の開始時刻とビット線電流Ｉｂのパルスの印加の開始時刻との間の時間差（遅延時間）を、パルスの印加時間と比較して充分に短くして、両者のパルスの印加をほぼ同時に開始する場合も、情報の記録の際の消費電力を低減し、情報の記録に必要となる時間を大幅に短縮する効果が得られる。

この場合、充分な効果を得るためには、パルスの印加時間にもよるが、電流パルスの印加の開始時刻の時間差を最大でも１ナノ秒以下とすることが望ましい。

ここで、本実施の形態の記録方法によって得られる磁化回転モードの改善効果を調べた。
磁気記憶素子を、０．３０μｍ（長軸方向）×０．１５μｍ（短軸方向）として、図８に示した従来の記録方法の場合と、本実施の形態の記録方法の場合、即ちワード線電流Ｉｗのパルスの印加とビット線電流Ｉｂのパルスの印加を同時に開始した場合とで、素子の磁化回転モードの分布を比較した。
それぞれの磁化回転モードの分布を図４Ａ及び図４Ｂに示す。図４Ａは図８に示した従来の記録方法の場合であり、図４Ｂは本実施の形態の記録方法の場合である。

従来は、電流パルスを印加する前の反平行磁化状態（↑↓または↓↑）から交差磁化状態に遷移する時間が必要であるとされていたため、ワード線電流Ｉｗのパルスの印加の開始時刻とビット線電流Ｉｂのパルスの印加の開始時刻との間に、遅延時間を設けていた。これにより、図４Ａに示すように、Ｔｏｇｇｌｅ動作の領域８０が広く確保されていた。

これに対して、図４Ｂより、本実施の形態の記録方法を採用した場合には、Ｔｏｇｇｌｅ動作の領域８０が図４Ａの半分程度に減るものの、遅延時間をなくしても安定にＴｏｇｇｌｅ動作の領域８０が充分に残存することがわかる。

なお、図４Ｂでは右下側にＴｏｇｇｌｅ動作の領域８０が残っているが、これは、図３Ａに示したように、ワード線電流Ｉｗのパルスを先に停止したためであり、ビット線電流Ｉｂのパルスを先に停止すると、左上側にＴｏｇｇｌｅ動作の領域８０が残る。

上述の本実施の形態によれば、ワード線電流Ｉｗのパルスの印加とビット線電流Ｉｂのパルスの印加を同時に開始し、遅延時間をなくしたことにより、Ｔｏｇｇｌｅ動作に関わる電流パルスの持続時間を全体として短縮することが可能になる。
これにより、記憶層（自由層）３の各磁性層１２，１４の磁化を反転させて、情報の記録を行うために必要となる消費電力量を、従来よりも低減することができる。
また、書き込みが短時間で終了するため、書き込み性能を大幅に向上することが可能になる。

従って、本実施の形態によれば、磁気メモリの高性能化、低消費電力化が容易になる。

上述の実施の形態では、図１に示したように、記憶層３と固定層２との間にトンネル絶縁層１５を設けてＴＭＲ素子から成る磁気記憶素子１を構成した場合に本発明を適用していたが、トンネル絶縁層の代わりに非磁性導電層を設けてＧＭＲ素子から成る磁気記憶素子を構成した場合にも、本発明を適用することができ、上述の実施の形態と同様に本発明の効果を得ることができる。

また、記憶層に対して、トンネル絶縁層或いは非磁性導電層即ち非磁性層を介して固定層を設けた構成（ＴＭＲ素子やＧＭＲ素子等）に限らず、本発明は、固定層を設けずに他の検出手段によって記憶層の磁性層の磁化の向きを検出して、磁気記憶素子の記憶層に記録された情報の読み出しを行う構成にも適用することが可能である。
固定層を設けた構成以外の他の検出手段としては、例えば、ホール素子を利用した構成や、光学的手段により検出を行う構成が考えられる。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明を適用するスイッチング特性を利用したＭＲＡＭの一形態の模式的断面図である。 図１のＭＲＡＭを直上より見た模式的平面図である。 Ａ 本発明の一実施の形態の電流パルスの時間変化を示す図である。 Ｂ 図３Ａの電流パルスの印加によるＴＭＲ素子の電気抵抗の時間変化を示す図である。 磁化回転モードの分布を比較する図である。 Ａ 従来の記録方法の場合である。 Ｂ 図３Ａの電流パルスを用いる記録方法の場合である。 スイッチング特性を利用したＭＲＡＭの模式的断面図である。 図５のＭＲＡＭを直上より見た模式的平面図である。 図５の磁気記憶素子の磁化容易軸方向に外部磁界が印加されたときの磁化曲線の一例である。 Ｔｏｇｇｌｅ動作における、電流パルス、各記憶層の磁化の向きの時間変化、ＴＭＲ素子の電気抵抗の時間変化の一例を示す図である。 Ｎｏ ｓｗｉｃｈｉｎｇ動作における、電流パルス、各記憶層の磁化の向きの時間変化、ＴＭＲ素子の電気抵抗の時間変化の一例を示す図である。 Ｄｉｒｅｃｔ動作における、電流パルス、各記憶層の磁化の向きの時間変化、ＴＭＲ素子の電気抵抗の時間変化の一例を示す図である。 Ｄｉｒｅｃｔ動作における、電流パルス、各記憶層の磁化の向きの時間変化、ＴＭＲ素子の電気抵抗の時間変化の一例を示す図である。 図５の磁気記憶素子の磁化回転モードの分布を示す図である。

符号の説明

１ 磁気記憶素子、２ 固定層、３ 記憶層（自由層）、５ ワード線、６ ビット線、１１ 反強磁性層、１２ 第１の磁化固定層、１３，１７ 非磁性層、１４ 第２の磁化固定層、１５ トンネル絶縁層、１６ 第１の記憶層、１８ 第２の記憶層、３０ シリコン基板、３１ 選択用ＭＯＳトランジスタ

Claims (3)

1. 情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層が、複数層の磁性層から成る磁気記憶素子と、
   互いに交差する第１の配線と第２の配線とを備え、
   前記第１の配線と前記第２の配線とが交差する交点付近に、それぞれ前記磁気記憶素子が配置されて成る磁気メモリに対して、
   前記第１の配線の電流のパルスと、前記第２の配線の電流のパルスとを、ほぼ同じ時刻で印加を開始する
   ことを特徴とする磁気メモリの記録方法。
2. 前記第１の配線の電流のパルスと、前記第２の配線の電流のパルスとにおいて、印加の開始時刻の差が１ナノ秒以内であることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリの記録方法。
3. 前記磁気記憶素子は、前記記憶層に対して、非磁性層を介して磁化の向きが固定された磁化固定層が配置された構成であることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリの記録方法。

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