JP2006100736A - 磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気ヨークの磁化方向を反転させるために必要なエネルギーを少なくし、書き込み電流を低減できる磁気メモリを提供する。
【解決手段】 磁気メモリ１が備える複数の記憶領域３のそれぞれは、外部磁界によって磁化方向が変化する感磁層（第１磁性層４ｂ、非磁性層４ｃ、及び第２磁性層４ｄ）を含むＴＭＲ素子４と、書き込み電流によって感磁層に外部磁界を提供する書き込み配線３１と、書き込み配線３１の延在方向の一部において該書き込み配線３１の外周を囲むように配設された磁気ヨーク５とを有する。磁気ヨーク５は、書き込み配線３１を挟んで設けられた第１の強磁性層５ａ及び第２の強磁性層５ｂと、これらの強磁性層５ａ及び５ｂの両端部においてこれらの強磁性層５ａ及び５ｂの間に設けられ、これらの強磁性層５ａ及び５ｂを互いに反強磁性的に結合する非磁性層５ｃとを含む。
【選択図】 図６

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子にデータを記憶する磁気メモリに関するものである。

近年、コンピュータや通信機器等の情報処理装置に用いられる記憶デバイスとして、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）が注目されている。ＭＲＡＭは、磁気によってデータを記憶するので、揮発性メモリであるＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static ＲＡＭ）のように電源断によって情報が失われるといった不都合がない。また、従来のフラッシュＥＥＰＲＯＭやハードディスク装置のような不揮発性記憶手段と比較して、アクセス速度、信頼性、消費電力等において非常に優れている。従って、ＭＲＡＭは、ＤＲＡＭやＳＲＡＭなどの揮発性メモリの機能、及びフラッシュＥＥＰＲＯＭやハードディスク装置などの不揮発性記憶手段の機能をすべて代替できる可能性を有している。現在、いつ、どこにいても情報処理を行うことができる、いわゆるユビキタスコンピューティングを目指した情報機器の開発が急速に進められているが、ＭＲＡＭは、このような情報機器におけるキーデバイスとしての役割が期待されている。

ＭＲＡＭの構成としては、例えばトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magneto-Resistive）を利用したトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子という）を用いたものが知られている。ＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭにおいては、ＴＭＲ素子に沿った書き込み配線に書き込み電流を流すことによって磁界を発生させ、この磁界によってＴＭＲ素子の感磁層の磁化方向を反転させることにより、ＴＭＲ素子に対して二値データを書き込む。

このような構成のＭＲＡＭにおいては、ＴＭＲ素子の感磁層に磁界を効率よく与えるために、磁気ヨークを備えることが好ましい。図２４は、磁気ヨークの構成の一例を示す断面図である。図２４を参照すると、磁気ヨーク１０５は、書き込み配線１０６を囲んで設けられている。この磁気ヨーク１０５は、一対の対向ヨーク１０５ｂと、一対のピラーヨーク１０５ｃと、ビームヨーク１０５ｄとによって構成されている。このうち、一対の対向ヨーク１０５ｂは、一対の端面１０５ａを有する。この一対の端面１０５ａは、所定の長さの空隙を介して互いに対向している。そして、ＴＭＲ素子１０４は、その一対の側面がそれぞれ一対の端面１０５ａに対向するように配置される。また、ビームヨーク１０５ｄは、書き込み配線１０６におけるＴＭＲ素子１０４とは反対側の面に沿って設けられている。一対のピラーヨーク１０５ｃは、書き込み配線１０６の側面に沿って設けられており、一対の対向ヨーク１０５ｂそれぞれにおける端面１０５ａとは異なる側の一端と、ビームヨーク１０５ｄの両端とを繋いでいる。以上の構成によって、対向ヨーク１０５ｂ、ピラーヨーク１０５ｃ、及びビームヨーク１０５ｄは、書き込み配線１０６の延在方向の一部（ＴＭＲ素子１０４上の部分）において書き込み配線１０６の外周を囲んでいる。

なお、磁気ヨークを備えたＭＲＡＭの他の例としては、特許文献１に開示されたものがある。

特開２００４−１５３１８２号公報

本発明者は、ＭＲＡＭにおける書き込み電流を低減するために、磁気ヨークの構成について研究している。例えば、磁気ヨークの厚さが厚いほど、或いは書き込み配線に沿った方向の磁気ヨークの長さが短いほど、磁気ヨーク内部の反磁界が大きくなり、磁化方向を反転させるためのエネルギー（すなわち書き込み電流の大きさ）が大きくなる。従って、磁気ヨークは薄く形成されることが好ましい。しかし、磁気ヨークを薄い層状に形成して書き込み配線を挟むように構成すると、磁気ヨークの配線部分を挟んだ上下部分の接合部において磁化方向が急激に変化するため磁界が乱れ、この磁化方向を反転させるために大きなエネルギー（書き込み電流の大きさ）が必要となってしまう。

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、磁気ヨークの磁化方向を反転させるために必要なエネルギーを少なくし、書き込み電流を低減できる磁気メモリを提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による磁気メモリは、複数の記憶領域を備え、複数の記憶領域のそれぞれは、外部磁界によって磁化方向が変化する感磁層を含む磁気抵抗効果素子と、書き込み電流によって感磁層に外部磁界を提供する書き込み配線と、書き込み配線の延在方向の一部において該書き込み配線の外周を囲むように配設された磁気ヨークとを有し、磁気ヨークは、書き込み配線を挟んで設けられた第１及び第２の強磁性層と、第１及び第２の強磁性層の少なくとも書き込み配線に沿った両端部において第１及び第２の強磁性層の間に設けられ、第１及び第２の強磁性層を互いに反強磁性的に結合する第１の非磁性層とを含むことを特徴とする。

上記した磁気メモリでは、磁気ヨークの第１及び第２の強磁性層の間に、第１及び第２の強磁性層を互いに反強磁性的に結合する第１の非磁性層が、第１及び第２の強磁性層の少なくとも両端部に設けられている。これにより、第１及び第２の強磁性層の磁化方向が互いに反平行となり、第１及び第２の強磁性層の両端部における磁化方向の急激な変化をなくして磁界の乱れを抑えることができる。従って、第１及び第２の強磁性層をより薄くして磁気ヨーク内部の反磁界を低減できるので、磁気ヨークの磁化方向を反転させるために必要なエネルギーを少なくし、書き込み電流を低減できる。

また、磁気メモリは、複数の記憶領域のそれぞれが、磁気抵抗効果素子の感磁層と磁気ヨークの第１または第２の強磁性層とを互いに反強磁性的に結合する第２の非磁性層を更に有することを特徴としてもよい。これにより、磁気ヨーク内部の磁界（すなわち、書き込み電流による外部磁界）を磁気抵抗効果素子の感磁層に更に効率よく与えることができる。

また、磁気メモリは、磁気ヨークが導電性を有し、磁気ヨークの第１または第２の強磁性層と磁気抵抗効果素子の感磁層とが電気的に接続されており、磁気ヨークと書き込み配線とが電気的に絶縁されていることを特徴としてもよい。これにより、磁気ヨークが、磁気抵抗効果素子に読み出し電流を流すための配線を兼ねることができるので、磁気メモリの構造をより単純にできる。

また、磁気メモリは、磁気抵抗効果素子の感磁層が、磁気ヨークの第１または第２の強磁性層の一部によって構成されていてもよい。

また、磁気メモリは、磁気ヨークの第１及び第２の強磁性層の磁化容易軸方向が、磁気ヨークに囲まれた書き込み配線の長手方向と斜めに交差することを特徴としてもよい。これにより、第１及び第２の強磁性層の磁化方向が反平行状態から少しずれている場合であっても、これらの磁化方向をほぼ反平行に保ちつつ反転させることができる。従って、磁化反転に要する書き込み電流を更に小さくすることができる。

本発明による磁気メモリによれば、磁気ヨークの磁化方向を反転させるために必要なエネルギーを少なくし、書き込み電流を低減できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による磁気メモリの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、本発明による磁気メモリの一実施形態の構成について説明する。図１は、本実施形態による磁気メモリ１の全体構成を示す概念図である。磁気メモリ１は、記憶部２、ビット選択回路１１、ワード選択回路１２、ビット配線１３ａ及び１３ｂ、ワード配線１４、並びに接地配線１５を備える。記憶部２は、複数の記憶領域３からなる。複数の記憶領域３は、ｍ行ｎ列（ｍ、ｎは２以上の整数）からなる二次元状に配列されている。複数の記憶領域３のそれぞれは、ＴＭＲ素子４、書き込み配線３１、書き込みトランジスタ３２、読み出し配線３３、及び読み出しトランジスタ３４を有する。

ＴＭＲ素子４は、外部磁界によって磁化方向が変化する感磁層を含む磁気抵抗効果素子である。具体的には、ＴＭＲ素子４は、感磁層と、磁化方向が固定された固定層と、感磁層及び固定層に挟まれた非磁性絶縁層とを含んで構成される。ＴＭＲ素子４は、書き込み配線３１を流れる書き込み電流により発生する外部磁界を受けて感磁層の磁化方向が変化するように、書き込み配線３１の一部分に沿って配置される。そして、書き込み電流によって感磁層の磁化方向が変化すると、感磁層の磁化方向と固定層の磁化方向との関係に応じて感磁層と固定層との間の抵抗値が変化する。

書き込み配線３１は、書き込み電流によってＴＭＲ素子４の感磁層に外部磁界を提供するための配線である。書き込み配線３１の一端は、ビット配線１３ａに電気的に接続されている。書き込み配線３１の他端は、書き込みトランジスタ３２のソースまたはドレインに電気的に接続されている。書き込みトランジスタ３２は、書き込み配線３１における書き込み電流の導通を制御するための書き込みスイッチ手段である。書き込みトランジスタ３２は、ドレイン及びソースの一方が書き込み配線３１に電気的に接続されており、他方がビット配線１３ｂに電気的に接続されている。書き込みトランジスタ３２のゲートは、ワード配線１４に電気的に接続されている。

読み出し配線３３は、ＴＭＲ素子４に読み出し電流を流すための配線である。具体的には、読み出し配線３３の一端はビット配線１３ａに電気的に接続されており、読み出し配線３３の他端は、ＴＭＲ素子４の固定層側（または感磁層側）に電気的に接続されている。また、読み出しトランジスタ３４は、読み出し配線３３における読み出し電流の導通を制御するための読み出しスイッチ手段である。読み出しトランジスタ３４のソース及びドレインの一方はＴＭＲ素子４の感磁層側（または固定層側）に電気的に接続されており、ソース及びドレインの他方は接地配線１５に電気的に接続されている。また、読み出しトランジスタ３４のゲートは、ワード配線１４に電気的に接続されている。なお、ＴＭＲ素子４の感磁層側或いは固定層側とは、非磁性絶縁層に対して感磁層の側か或いは固定層の側かを意味し、感磁層或いは固定層上に別の層が介在する場合を含むものとする。

ビット配線１３ａ及び１３ｂは、記憶領域３の各列に対応して配設されている。ビット配線１３ａは、対応する列の記憶領域３それぞれが有する書き込み配線３１の一端に電気的に接続されている。さらに、本実施形態のビット配線１３ａは、対応する列の記憶領域３それぞれが有する読み出し配線３３の一端にも電気的に接続されている。ビット配線１３ｂは、対応する列の記憶領域３それぞれが有する書き込みトランジスタ３２のドレインまたはソースに電気的に接続されている。また、ワード配線１４は、記憶領域３の各行に対応して配設されており、対応する行の記憶領域３それぞれが有する書き込みトランジスタ３２の制御端子であるゲートに電気的に接続されている。

ビット選択回路１１は、各記憶領域３の書き込み配線３１に正または負の書き込み電流を提供する書き込み電流生成手段である。具体的には、ビット選択回路１１は、磁気メモリ１の内部または外部からデータ書込時に指示されたアドレスに応じて、該アドレスに該当する列を選択するアドレスデコーダ回路と、選択した列に対応するビット配線１３ａとビット配線１３ｂとの間に、正または負の書き込み電流を供給するカレントドライブ回路とを含んで構成されている。また、ワード選択回路１２は、磁気メモリ１の内部または外部からデータ書込時に指示されたアドレスに応じて、該アドレスに該当する行を選択し、選択した行に対応するワード配線１４に制御電流を提供する機能を備える。

以上の構成を備える磁気メモリ１は、次のように動作する。すなわち、磁気メモリ１の内部または外部からデータ書込みを行うアドレス（ｉ行ｊ列／１≦ｉ≦ｍ、１≦ｊ≦ｎ）が指定されると、ビット選択回路１１及びワード選択回路１２がそれぞれ該当するｊ列及びｉ行を選択する。ワード選択回路１２に選択されたｉ行に含まれる記憶領域３の書き込みトランジスタ３２においては、制御電圧がゲートに印加され、書き込み電流が導通可能な状態となる。また、ビット選択回路１１に選択されたｊ列に含まれる記憶領域３においては、ビット配線１３ａとビット配線１３ｂとの間に、データに応じた正または負の電圧が印加される。そして、ビット選択回路１１に選択されたｊ列及びワード選択回路１２に選択されたｉ行の双方に含まれる記憶領域３においては、書き込みトランジスタ３２を介して書き込み配線３１に書き込み電流が生じ、この書き込み電流による磁界によってＴＭＲ素子４の感磁層の磁化方向が反転する。こうして、指示されたアドレス（ｉ行ｊ列）の記憶領域３に二値データが書き込まれる。

また、磁気メモリ１の内部または外部からデータ読み出しを行うアドレス（ｋ行ｌ列／１≦ｋ≦ｍ、１≦ｌ≦ｎ）が指定されると、ビット選択回路１１及びワード選択回路１２がそれぞれ該当するｌ列及びｋ行を選択する。ワード選択回路１２に選択されたｋ行に含まれる記憶領域３の読み出しトランジスタ３４においては、制御電圧がゲートに印加され、読み出し電流が導通可能な状態となる。また、ビット選択回路１１に選択されたｌ列に対応するビット配線１３ａには、ビット選択回路１１から読み出し電流が供給される。そして、ビット選択回路１１に選択されたｌ列及びワード選択回路１２に選択されたｋ行の双方に含まれる記憶領域３においては、読み出し配線３３からの読み出し電流がＴＭＲ素子４及び読み出しトランジスタ３４を介して接地配線１５へ流れる。そして、例えばＴＭＲ素子４における電圧降下量が判別されることにより、指示されたアドレス（ｋ行ｌ列）の記憶領域３に記憶された二値データが読み出される。

ここで、本実施形態における記憶部２の具体的な構成について詳細に説明する。図２は、記憶部２を行方向に沿って切断したときの断面構成を示す拡大断面図である。図３は、記憶部２を図２におけるＩ−Ｉ線で切断したときの拡大断面図である。図４は、記憶部２を図２におけるII−II線で切断したときの拡大断面図である。

図２〜図４を参照すると、記憶部２は、半導体層６、配線層７、及び磁性材料層８を備える。半導体層６は、半導体基板２１を含み記憶部２全体の機械的強度を維持するとともに、トランジスタ等の半導体デバイスが形成される層である。磁性材料層８は、ＴＭＲ素子４や、ＴＭＲ素子４に磁界を効率的に与えるための磁気ヨーク５といった磁性材料による構成物が形成される層である。配線層７は、半導体層６と磁性材料層８との間に設けられる。配線層７は、磁性材料層８に形成されたＴＭＲ素子４などの磁性体デバイスと、半導体層６に形成されたトランジスタなどの半導体デバイスと、ビット配線１３ａ、１３ｂ、及びワード配線１４といった各記憶領域３を貫く配線とを、互いに電気的に接続するための配線が形成される層である。

まず、半導体層６について説明する。半導体層６は、半導体基板２１と、絶縁領域２２と、書き込みトランジスタ３２と、読み出しトランジスタ３４とを有する。半導体基板２１は、例えばＳｉ基板からなり、ｐ型またはｎ型の不純物がドープされている。絶縁領域２２は、半導体基板２１上において書き込みトランジスタ３２及び読み出しトランジスタ３４以外の領域に形成されており、書き込みトランジスタ３２と読み出しトランジスタ３４とを電気的に分離している。絶縁領域２２は、例えばＳｉＯ_２といった絶縁性材料からなる。

図３を参照すると、読み出しトランジスタ３４は、半導体基板２１とは反対導電型のドレイン領域３４ａ及びソース領域３４ｃ、ゲート電極３４ｂ、並びに半導体基板２１の一部によって構成されている。ドレイン領域３４ａ及びソース領域３４ｃは、例えばＳｉ基板の表面近傍に、半導体基板２１とは反対導電型の不純物がドープされて形成されている。ドレイン領域３４ａとソース領域３４ｃとの間には半導体基板２１が介在しており、その半導体基板２１上にゲート電極３４ｂが配置されている。このような構成により、読み出しトランジスタ３４では、ゲート電極３４ｂに電圧が印加されると、ドレイン領域３４ａ及びソース領域３４ｃが互いに導通する。

図４を参照すると、書き込みトランジスタ３２は、半導体基板２１とは反対導電型のドレイン領域３２ａ及びソース領域３２ｃ、ゲート電極３２ｂ、並びに半導体基板２１の一部によって構成されている。ドレイン領域３２ａ及びソース領域３２ｃは、例えばＳｉ基板の表面近傍に、半導体基板２１とは反対導電型の不純物がドープされて形成されている。ドレイン領域３２ａとソース領域３２ｃとの間には半導体基板２１が介在しており、その半導体基板２１上にゲート電極３２ｂが配置されている。このような構成により、書き込みトランジスタ３２では、ゲート電極３２ｂに電圧が印加されると、ドレイン領域３２ａ及びソース領域３２ｃが互いに導通する。

次に、磁性材料層８について説明する。磁性材料層８は、ＴＭＲ素子４と、磁気ヨーク５と、絶縁領域２４と、書き込み配線３１と、読み出し配線３３とを有する。なお、磁性材料層８においては、以下に説明する構成（ＴＭＲ素子４、磁気ヨーク５、書き込み配線３１、及び読み出し配線３３）及び他の配線以外の領域は、絶縁領域２４によって占められている。ここで、図５及び図６は、ＴＭＲ素子４及びその周辺構造の拡大図である。図５は、記憶領域３の行方向に沿った断面であり、図６は、記憶領域３の列方向に沿った断面である。図５及び図６を参照すると、ＴＭＲ素子４は、非磁性層４ａ、第１磁性層４ｂ、非磁性層４ｃ、第２磁性層４ｄ、非磁性絶縁層４ｅ、第３磁性層４ｆ、及び反強磁性層４ｇが順に積層されてなる。このうち、第１磁性層４ｂ、非磁性層４ｃ、及び第２磁性層４ｄは本実施形態における感磁層（フリー層）を構成する。本実施形態の感磁層は、反強磁性結合構造（Synthetic Antiferromagnetic Structure）を有する。すなわち、非磁性層４ｃは第１磁性層４ｂと第２磁性層４ｄとを反強磁性的に結合（すなわち負の交換結合）しており、第１磁性層４ｂの磁化方向と第２磁性層４ｄの磁化方向とは互いに反平行となる。また、非磁性層４ａは本発明における第２の非磁性層の一形態である。非磁性層４ａは第１磁性層４ｂと磁気ヨーク５の第１の強磁性層５ａとを反強磁性的に結合（すなわち負の交換結合）しており、第１磁性層４ｂの磁化方向と第１の強磁性層５ａの磁化方向とは互いに反平行となる。なお、磁気ヨーク５の構成については後述する。

書き込み配線３１に書き込み電流が流れると、磁気ヨーク５内部に書き込み電流に応じた磁界が生じる。この磁気ヨーク５内部に生じた磁界によって、第１の強磁性層５ａと反強磁性的に結合された第１磁性層４ｂの磁化方向が磁気ヨーク５内部の磁界とは逆方向に変化する。そして、この第１磁性層４ｂの磁化方向の変化によって、第１磁性層４ｂと反強磁性的に結合された第２磁性層４ｄの磁化方向が第１磁性層４ｂの磁化方向とは逆方向に変化する。こうして、ＴＭＲ素子４に二値データが記録される。ＴＭＲ素子４の感磁層は、本実施形態のように反強磁性結合構造を有することが好ましい。これによって、感磁層全体としての磁界をほぼゼロにできるので、感磁層の磁界を反転させる際のエネルギーが少なくて済み、書き込み電流を低減できる。なお、第１磁性層４ｂ及び第２磁性層４ｄの材料としては、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＰｔなどの強磁性材料を用いることができる。また、非磁性層４ｃの材料としては、例えばＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｇなどの非磁性金属材料を用いることができる。

また、第３磁性層４ｆは、反強磁性層４ｇによって磁化方向が固定された固定層（ピン層）となっている。すなわち、反強磁性層４ｇと第３磁性層４ｆとの接合面における交換結合によって、第３磁性層４ｆの磁化方向が安定化されている。第３磁性層４ｆの磁化容易軸方向は、第１磁性層４ｂ及び第２磁性層４ｄの磁化容易軸方向に沿うように設定される。第３磁性層４ｆの材料としては、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＰｔなどの強磁性材料を用いることができる。また、反強磁性層４ｇの材料としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＮｉＯ、またはこれらのうち任意の組み合わせの材料を用いることができる。

非磁性絶縁層４ｅは、非磁性且つ絶縁性の材料からなる層である。第２磁性層４ｄと第３磁性層４ｆとの間に非磁性絶縁層４ｅが介在することにより、第２磁性層４ｄと第３磁性層４ｆとの間には、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）が生じる。すなわち、第２磁性層４ｄと第３磁性層４ｆとの間には、第２磁性層４ｄの磁化方向と第３磁性層４ｆの磁化方向との相対関係（平行または反平行）に応じた電気抵抗が生じる。非磁性絶縁層４ｅの材料としては、例えばＡｌ、Ｚｎ、Ｍｇといった金属の酸化物または窒化物が好適である。

なお、第３磁性層４ｆの磁化方向を安定化させる層として、反強磁性層４ｇに代えて、非磁性金属層またはシンセティックＡＦ（反強磁性）層を介して第４磁性層を設けても良い。この第４磁性層が第３磁性層４ｆと反強磁性結合を形成することにより、第３磁性層４ｆの磁化方向をさらに安定化させることができる。また、第３磁性層４ｆから第２磁性層４ｄへの静磁界の影響を防止できるので、第２磁性層４ｄの磁化反転を容易にすることができる。このような第４磁性層の材料としては特に制限はないが、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＰｔなどの強磁性材料を単独で、或いは複合させて用いることが好ましい。また、第３磁性層４ｆと第４磁性層との間に設けられる非磁性金属層の材料としては、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｇなどが好適である。なお、非磁性金属層の厚さは、第３磁性層４ｆと第４磁性層との間に強い反強磁性結合を得るために２ｎｍ以下であることが好ましい。

書き込み配線３１は、ＴＭＲ素子４の下方に配置されている。書き込み配線３１は、絶縁領域２４を介して磁気ヨーク５に囲まれている。書き込み配線３１は導電性の金属からなり、記憶領域３の行方向に延びる膜状に形成されている。書き込み配線３１の一端は、垂直配線１６ａを介して電極１７ａに電気的に接続されている（図２参照）。また、書き込み配線３１の他端は、垂直配線１６ｈを介して電極１７ｃに電気的に接続されている（図２参照）。なお、ＴＭＲ素子４の第１磁性層４ｂ及び第２磁性層４ｄの磁化容易軸方向は、書き込み配線３１の長手方向と交差する方向（すなわち、書き込み電流の方向と交差する方向）に沿うように設定される。

読み出し配線３３は、ＴＭＲ素子４の反強磁性層４ｇ上に設けられている。読み出し配線３３は導電性の金属からなり、記憶領域３の行方向に延びている。読み出し配線３３の一端は、反強磁性層４ｇに電気的に接続されている。読み出し配線３３の他端は、図示しない配線を介してビット配線１３ａ（図２参照）に電気的に接続されている。また、ＴＭＲ素子４の第１磁性層４ｂは、後述する磁気ヨーク５を介して電極３５と電気的に接続されている。この構成により、読み出し電流を読み出し配線３３からＴＭＲ素子４へ流すことができる。

磁気ヨーク５は、書き込み配線３１の周囲を覆い、書き込み電流によって発生する磁界を効率よくＴＭＲ素子４へ提供するための部材である。磁気ヨーク５は、書き込み配線３１の延在方向の一部において書き込み配線３１の外周を囲むように配設されている。具体的には、本実施形態の磁気ヨーク５は、第１の強磁性層５ａ、第２の強磁性層５ｂ、及び非磁性層５ｃによって構成されている。第２の強磁性層５ｂは、書き込み配線３１に沿って電極３５上に膜状に形成されている。また、第１の強磁性層５ａは第２の強磁性層５ｂ上に膜状に積層されており、第１の強磁性層５ａと第２の強磁性層５ｂは、その間に書き込み配線３１を挟んでいる。書き込み配線３１は、絶縁領域２４によって第１の強磁性層５ａ及び第２の強磁性層５ｂと電気的に絶縁されている。また、第１の強磁性層５ａと第２の強磁性層５ｂとの間には、第１の非磁性層として非磁性層５ｃが膜状に設けられている。以上の構成を言い換えれば、ＴＭＲ素子４と電極３５との間において、厚さ方向に第２の強磁性層５ｂ、絶縁領域２４、書き込み配線３１、絶縁領域２４、非磁性層５ｃ、及び第１の強磁性層５ａが順に積層されている。なお、これらの層のうち、非磁性層５ｃと書き込み配線３１の順序は互いに入れ替わってもよい。また、第１の強磁性層５ａは、前述したように非磁性層４ａを介してＴＭＲ素子４の第１磁性層４ｂと反強磁性的に結合（すなわち負の交換結合）されている。

また、第１の強磁性層５ａ及び第２の強磁性層５ｂにおける書き込み配線３１に沿った両端部には、書き込み配線３１及び絶縁領域２４は設けられておらず、第１の強磁性層５ａ及び第２の強磁性層５ｂはそれぞれ非磁性層５ｃと接している。すなわち、磁気ヨーク５の両端部においては、厚さ方向に第２の強磁性層５ｂ、非磁性層５ｃ、及び第１の強磁性層５ａが順に積層されている。この両端部においては、第１の強磁性層５ａ及び第２の強磁性層５ｂは非磁性層５ｃを介して互いに反強磁性的に結合（すなわち負の交換結合）されている。

本実施形態の磁気ヨーク５は、読み出し電流を流すために導電性の材料からなり、且つＴＭＲ素子４の第１磁性層４ｂと非磁性層４ａを介して電気的に接続されている。磁気ヨーク５の第１の強磁性層５ａ及び第２の強磁性層５ｂを構成する材料としては、例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏのうち少なくとも一つの元素を含む金属が好適である。また、非磁性層５ｃを構成する材料としては、例えばＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｇなどの非磁性金属材料が好適である。また、絶縁領域２４の材料としては、ＳｉＯ_２といった絶縁性材料を用いることができる。

ここで、図７は、磁気ヨーク５の平面形状を示す図である。磁気ヨーク５の平面形状は、図７に示すように長方形状を呈している。また、本実施形態では、磁気ヨーク５の第１の強磁性層５ａ及び第２の強磁性層５ｂの磁化容易軸方向Ａ_１が、磁気ヨーク５に囲まれた書き込み配線３１の長手方向（すなわち、書き込み電流が流れる方向）と略直交するように設定されている。

次に、配線層７について説明する。配線層７は、絶縁領域２３と、ビット配線１３ａ及び１３ｂと、ワード配線１４と、接地配線１５と、複数の垂直配線及び水平配線とを有する。なお、配線層７においては、各配線以外の領域は、すべて絶縁領域２３によって占められている。絶縁領域２３の材料としては、ＳｉＯ_２といった絶縁性材料を用いることができる。また、垂直配線の材料としては例えばＷを、水平配線の材料としては例えばＡｌを、それぞれ用いることができる。

図２を参照すると、磁性材料層８の書き込み配線３１の一端が接続された電極１７ａは、垂直配線１６ｂを介してビット配線１３ａに電気的に接続されている。また、磁気ヨーク５及び非磁性層４ａを介してＴＭＲ素子４の第１磁性層４ｂに電気的に接続された電極３５は、配線層７の垂直配線１６ｃ〜１６ｅ及び水平配線１８ａ、１８ｂに電気的に接続されており、垂直配線１６ｅは読み出しトランジスタ３４のドレイン領域３４ａ（図３参照）とオーミック接合されている。

また、図３を参照すると、接地配線１５は垂直配線１６ｎに電気的に接続されており、垂直配線１６ｎは読み出しトランジスタ３４のソース領域３４ｃとオーミック接合されている。また、ワード配線１４の一部は、読み出しトランジスタ３４のゲート電極３４ｂとなっている。すなわち、図３に示すゲート電極３４ｂは、記憶領域３の行方向に延びるワード配線１４の一部によって構成されている。このような構成によって、ワード配線１４は、読み出しトランジスタ３４の制御端子（ゲート電極３４ｂ）に電気的に接続される。

また、図４を参照すると、磁性材料層８の書き込み配線３１の他端が接続された電極１７ｃは、配線層７の垂直配線１６ｉ〜１６ｋ及び水平配線１８ｄ、１８ｅに電気的に接続されており、垂直配線１６ｋは書き込みトランジスタ３２のドレイン領域３２ａとオーミック接合されている。また、水平配線１８ｈは垂直配線１６ｑに電気的に接続されており、垂直配線１６ｑは書き込みトランジスタ３２のソース領域３２ｃとオーミック接合されている。なお、水平配線１８ｈは、図示しない配線によってビット配線１３ｂ（図２参照）に電気的に接続されている。また、ワード配線１４の一部は、書き込みトランジスタ３２のゲート電極３２ｂとなっている。すなわち、図４に示すゲート電極３２ｂは、記憶領域３の行方向に延びるワード配線１４の一部によって構成されている。このような構成によって、ワード配線１４は、書き込みトランジスタ３２の制御端子（ゲート電極３２ｂ）に電気的に接続される。

ここで、図８及び図９を参照して、本実施形態の記憶領域３におけるＴＭＲ素子４周辺の動作について説明する。図８（ａ）に示すように、書き込み配線３１に負の書き込み電流Ｉ_ｗ１が流れると、書き込み配線３１の周囲には書き込み配線３１の周方向に磁界Φ_１１及び磁界Φ_１２が発生する。磁界Φ_１１は、書き込み配線３１の上方に設けられた第１の強磁性層５ａの内部において一方向に形成される。また、磁界Φ_１２は、書き込み配線３１の下方に設けられた第２の強磁性層５ｂの内部において磁界Φ_１１とは逆方向に形成される。そして、磁気ヨーク５の両端部においては、第１の強磁性層５ａ及び第２の強磁性層５ｂが非磁性層５ｃを介して反強磁性的に結合されているので、磁界Φ_１１と磁界Φ_１２とが反平行状態で安定しており、磁界の乱れや急激な磁化方向の変化は生じない。

書き込み配線３１の周囲に磁界Φ_１１及びΦ_１２が生じると、第１の強磁性層５ａと反強磁性的に結合されたＴＭＲ素子４の第１磁性層４ｂに磁界Φ_１１（外部磁界）が効率よく提供される。この磁界Φ_１１によって、第１磁性層４ｂの磁化方向Ｂ_１は磁界Φ_１１とは逆の方向を向く。そして、第１磁性層４ｂと反強磁性的に結合された第２磁性層４ｄの磁化方向Ｂ_２は磁化方向Ｂ_１とは逆の方向、すなわち磁界Φ_１１と同じ方向を向く。ここで、第３磁性層４ｆの磁化方向Ｃが、反強磁性層４ｇとの交換結合によって予め磁界Φ_１１と同じ方向を向いている場合には、第２磁性層４ｄの磁化方向Ｂ_２と第３磁性層４ｆの磁化方向Ｃとが互いに同じ向き、すなわち平行状態となる。こうして、ＴＭＲ素子４に二値データの一方（例えば０）が書き込まれる。

ＴＭＲ素子４に書き込まれた二値データを読み出す際には、図８（ｂ）に示すように、読み出し配線３３と磁気ヨーク５との間に読み出し電流Ｉ_ｒを流し、その電流値の変化または読み出し配線３３と磁気ヨーク５との間の電位差の変化を検出する。これにより、ＴＭＲ素子４が二値データのうちいずれを記録しているか（すなわち、第２磁性層４ｄの磁化方向Ｂ_２が第３磁性層４ｆの磁化方向Ｃと平行か反平行か）が判別できる。例えば、第２磁性層４ｄの磁化方向Ｂ_２が第３磁性層４ｆの磁化方向Ｃと平行である場合、非磁性絶縁層４ｅにおけるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）によって、第２磁性層４ｄと第３磁性層４ｆとの間の抵抗値が比較的小さくなる。従って、例えば読み出し電流Ｉ_ｒを一定とした場合には読み出し配線３３と磁気ヨーク５との間の電位差が比較的小さくなることから、ＴＭＲ素子４に二値データとして０が書き込まれていることがわかる。

また、図９（ａ）に示すように、書き込み配線３１に正の書き込み電流Ｉ_ｗ２が流れると、書き込み配線３１の周囲には磁界Φ_１１及びΦ_１２とは逆回りの磁界Φ_２１及びΦ_２２が発生する。磁界Φ_２１は、第１の強磁性層５ａの内部において一方向に形成される。また、磁界Φ_２２は、第２の強磁性層５ｂの内部において磁界Φ_２１とは逆方向に形成される。そして、磁気ヨーク５の両端部においては、磁界Φ_２１と磁界Φ_２２とが反平行状態で安定する。

書き込み配線３１の周囲に磁界Φ_２１及びΦ_２２が生じると、ＴＭＲ素子４の第１磁性層４ｂに磁界Φ_２１（外部磁界）が効率よく提供される。この磁界Φ_２１によって、第１磁性層４ｂの磁化方向Ｂ_１は磁界Φ_２１とは逆の方向を向く。そして、第２磁性層４ｄの磁化方向Ｂ_２は磁化方向Ｂ_１とは逆の方向、すなわち磁界Φ_２１と同じ方向を向く。第３磁性層４ｆの磁化方向Ｃが、反強磁性層４ｇとの交換結合によって予め磁界Φ_２１とは逆の方向を向いている場合には、第２磁性層４ｄの磁化方向Ｂ_２と第３磁性層４ｆの磁化方向Ｃとが互いに逆向き、すなわち反平行状態となる。こうして、ＴＭＲ素子４に二値データの他方（例えば１）が書き込まれる。

この二値データを読み出す際には、図９（ｂ）に示すように、読み出し配線３３と磁気ヨーク５との間に読み出し電流Ｉ_ｒを流し、その電流値の変化または読み出し配線３３と磁気ヨーク５との間の電位差の変化を検出する。例えば、第２磁性層４ｄの磁化方向Ｂ_２が第３磁性層４ｆの磁化方向Ｃと反平行である場合、非磁性絶縁層４ｅにおけるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）によって、第２磁性層４ｄと第３磁性層４ｆとの間の抵抗値が比較的大きくなる。従って、例えば読み出し電流Ｉ_ｒを一定とした場合には読み出し配線３３と磁気ヨーク５との間の電位差が比較的大きくなることから、ＴＭＲ素子４に二値データとして１が書き込まれていることがわかる。

以上に説明した、本実施形態による磁気メモリ１が有する効果について説明する。本実施形態による磁気メモリ１では、磁気ヨーク５の第１の強磁性層５ａ及び第２の強磁性層５ｂの間に、これらの強磁性層５ａ及び５ｂを互いに反強磁性的に結合する非磁性層５ｃが、これらの強磁性層５ａ及び５ｂの少なくとも両端部に設けられている。これにより、第１の強磁性層５ａの磁化方向と第２の強磁性層５ｂの磁化方向とが互いに反平行となり、第１の強磁性層５ａ及び第２の強磁性層５ｂの両端部における磁化方向の急激な変化をなくして磁界の乱れを抑えることができる。従って、これらの強磁性層５ａ及び５ｂをより薄くして磁気ヨーク５内部の反磁界を低減できるので、磁気ヨーク５の磁化方向を反転させるために必要なエネルギーを少なくし、書き込み電流を低減できる。

また、本実施形態による磁気メモリ１は、書き込み電流をＴＭＲ素子に直接流すような構成ではなく、ＴＭＲ素子４から絶縁して配置された書き込み配線３１による外部磁界によってＴＭＲ素子に二値データを書き込む構成となっている。書き込み電流をＴＭＲ素子に直接流すような構成では、磁気ヨークを薄くすると書き込み電流密度が上がり、磁気メモリの寿命が短くなってしまう。本実施形態による磁気メモリ１によればこのような問題が生じることはなく、磁気ヨーク５をより薄くすることが可能である。

なお、本実施形態では第１の強磁性層５ａ上にＴＭＲ素子４が設けられているが、本発明に係る磁気メモリはこれに限らず、第２の強磁性層の下側（すなわち第２の強磁性層と配線層との間）にＴＭＲ素子が設けられる構成でもよい。

また、本実施形態のように、複数の記憶領域３のそれぞれは、ＴＭＲ素子４の感磁層（第１磁性層４ｂ）と磁気ヨーク５の第１の強磁性層５ａとを互いに反強磁性的に結合する非磁性層４ａを有することが好ましい。これにより、磁気ヨーク５内部の磁界（すなわち、書き込み電流による外部磁界）をＴＭＲ素子４の感磁層（第１磁性層４ｂ）に更に効率よく与えることができる。なお、ＴＭＲ素子が磁気ヨークの下方（すなわち第２の強磁性層と配線層との間）に設けられた場合には、ＴＭＲ素子の感磁層（第１磁性層）と磁気ヨークの第２の強磁性層とを互いに反強磁性的に結合する非磁性層を有することが好ましい。

また、本実施形態のように、磁気ヨーク５が導電性を有し、磁気ヨーク５の第１の強磁性層５ａとＴＭＲ素子４の第１磁性層４ｂとが非磁性層４ａを介して電気的に接続されており、磁気ヨーク５と書き込み配線３１とが電気的に絶縁されていることが好ましい。これにより、磁気ヨーク５が、ＴＭＲ素子４に読み出し電流を流すための配線を兼ねることができるので、磁気メモリ１の構造をより単純にできる。なお、ＴＭＲ素子が磁気ヨークの下方に設けられた場合には、ＴＭＲ素子の第１磁性層と磁気ヨークの第２の強磁性層とが非磁性層を介して電気的に接続されることが好ましい。

また、本実施形態の磁気メモリ１によれば、ＴＭＲ素子４の感磁層の磁化方向Ｂ_１及びＢ_２を小さな書き込み電流でもって反転できるので、書き込み電流の導通を制御する書き込みトランジスタ３２を小型化でき、各記憶領域３毎に書き込みトランジスタ３２を配置することが可能となる。従って、データを書き込もうとする記憶領域３のＴＭＲ素子４に対してのみ磁界を提供することが実質的に可能となり、他の記憶領域３への誤書き込みを防止できる。

ここで、本実施形態による磁気メモリ１の製造方法のうち、ＴＭＲ素子４の周辺構造の製造方法について図１０〜図１８を参照しながら説明する。なお、図１０〜図１８は、いずれも図２のＩ−Ｉ線に沿った断面であり、その製造過程を順に示している。

まず、半導体層６及び配線層７（図２参照）を形成する。そして、図１０に示すように、配線層７の垂直配線１６ｃ上に電極３５を形成した後、ＣＶＤ装置を用いて、例えばＳｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４により配線層７上及び電極３５の側面にＳｉＯ_２絶縁層２４ａを形成する。そして、図１１に示すように、磁気ヨークの第２の強磁性層を形成するためにスパッタ装置により例えばＮｉＦｅ膜６１を成膜する。そして、ＮｉＦｅ膜６１の上にＳｉＯ_２絶縁層２４ｂをＳｉＯ_２絶縁層２４ａと同様の方法により形成する。

次に、ＳｉＯ_２絶縁層２４ｂ上に図示しないめっき下地膜を形成した後、図１２に示すように、リソグラフィ装置により選択的にレジストマスク７１を形成する。そして、全体をめっき槽に浸し、めっき下地膜を電極として利用しためっき処理によって書き込み配線３１を膜状に形成する。めっき処理を行ったのち、レジストマスク７１を除去し、さらに、めっき下地膜のうち露出した部分をミリング等により除去する。

続いて、図１３に示すように、絶縁層２４ａ及び２４ｂと同じ材料からなる絶縁層２４ｃを、ＣＶＤ法により書き込み配線３１上及び絶縁層２４ｂ上に形成する。そして、図１４に示すように、絶縁層２４ｃ上に選択的にレジストマスク７２を形成する。ここでは、書き込み配線３１上であって書き込み配線３１の上面よりもやや広い領域にレジストマスク７２を形成する。そして、絶縁層２４ｂ及び２４ｃのうちレジストマスク７２に覆われていない部分をＲＩＥ等により除去し、ＮｉＦｅ膜６１を露出させた後、レジストマスク７２を除去する。

続いて、図１５に示すように、磁気ヨークの非磁性層を形成するために、スパッタ装置により例えばＲｕ膜６２をＮｉＦｅ膜６１上、並びに絶縁層２４ｂ及び２４ｃ上に成膜する。そして、Ｒｕ膜６２の上に、磁気ヨークの第１の強磁性層を形成するためにスパッタ装置により例えばＮｉＦｅ膜６３を成膜する。

続いて、図１６に示すように、リソグラフィ装置により選択的にレジストマスク７３を形成する。ここでは、絶縁層２４ｂ及び２４ｃ上であって絶縁層２４ｂ及び２４ｃの上面よりもやや広い領域にレジストマスク７３を形成する。そして、ＮｉＦｅ膜６１、Ｒｕ膜６２、及びＮｉＦｅ膜６３のうちレジストマスク７３に覆われていない部分をミリング等により除去する。こうして、第１の強磁性層５ａ、第２の強磁性層５ｂ、及び非磁性層５ｃからなる磁気ヨーク５が完成する。

続いて、磁気ヨーク５上にＴＭＲ素子４を形成するために、高真空（ＵＨＶ）ＤＣスパッタ装置により、例えば、Ｒｕ層、ＣｏＦｅ層、Ｒｕ層、ＣｏＦｅ層、Ａｌ層を順次成膜する。その後、酸素プラズマによりＡｌ層の酸化を行い、トンネル絶縁層（すなわち、図５及び図６に示した非磁性絶縁層４ｅとなる層）を形成した後、ＣｏＦｅ層、Ｒｕ層、ＣｏＦｅ層、ＩｒＭｎ層を形成する。そして、リソグラフィ装置によりＴＭＲ素子４の平面形状にレジストマスクを形成した後、イオンミリングによりＴＭＲ素子４を形成し、レジストマスクを除去する（図１７）。最後に、図１８に示すように、ＴＭＲ素子４上に読み出し配線３３を形成した後、絶縁層２４ａと同じ材料からなる絶縁層２４ｄを、絶縁層２４ａ、磁気ヨーク５、ＴＭＲ素子４、及び読み出し配線３３を全て覆うようにＣＶＤ法により形成する。こうして、絶縁領域２４が形成され、記憶領域３（記憶部２）が完成する。

（変形例）
ここで、本実施形態による磁気メモリ１の変形例について説明する。図１９及び図２０は、それぞれ変形例に係るＴＭＲ素子４１及び４２の構成を示す断面図である。上記実施形態のＴＭＲ素子４に代えて本変形例に係るＴＭＲ素子４１または４２を設けることによって、上記実施形態の磁気メモリ１と同様の効果を得ることができる。

まず、図１９を参照すると、ＴＭＲ素子４１は、非磁性層４１ａ、第１磁性層４１ｂ、非磁性層４１ｃ、第２磁性層４１ｄ、非磁性絶縁層４１ｅ、第３磁性層４１ｆ、非磁性層４１ｇ、第４磁性層４１ｈ、及び反強磁性層４１ｉが順に積層されてなる。このうち、第１磁性層４１ｂ、非磁性層４１ｃ、及び第２磁性層４１ｄは本変形例における感磁層（フリー層）を構成する。また、第３磁性層４１ｆ、非磁性層４１ｇ、及び第４磁性層４１ｈは、本変形例における固定層（ピン層）を構成しており、反強磁性層４１ｉによって磁化方向が固定されている。非磁性層４１ｃは第１磁性層４１ｂと第２磁性層４１ｄとを反強磁性的に結合しており、第１磁性層４１ｂの磁化方向と第２磁性層４１ｄの磁化方向とは互いに反平行となる。また、非磁性層４１ｇは第３磁性層４１ｆと第４磁性層４１ｈとを反強磁性的に結合しており、第３磁性層４１ｆの磁化方向と第４磁性層４１ｈの磁化方向とは互いに反平行となる。このように、ＴＭＲ素子においては、感磁層だけでなく固定層においても反強磁性結合構造を有することが好ましい。

また、図２０を参照すると、ＴＭＲ素子４２の感磁層は、磁気ヨーク５の第１の強磁性層５ａの一部によって構成されている。すなわち、ＴＭＲ４２は、感磁層としての第１の強磁性層５ａ、非磁性絶縁層４２ａ、固定層としての第３磁性層４２ｂ、及び反強磁性層４２ｃが順に積層されて成る。これにより、書き込み電流によって磁気ヨーク５内部に生成される磁界を、ＴＭＲ素子４２の感磁層へ更に効率よく提供することができる。

図２１〜図２３は、本実施形態による磁気メモリ１の他の変形例を説明するための図である。図２１は、本変形例に係る磁気ヨーク５１の平面図である。図２１に示すように、本変形例の磁気ヨーク５１は、その平面形状が平行四辺形となっている。そして、磁気ヨーク５１の第１の強磁性層５１ａ及び第２の強磁性層５１ｂの磁化容易軸方向Ａ_２は、磁気ヨーク５１に囲まれた書き込み配線３１の長手方向（すなわち、書き込み電流が流れる方向）に対して斜めに交差するように設定されている。換言すれば、第１の強磁性層５１ａ及び第２の強磁性層５１ｂの異方性磁界の方向が、磁気ヨーク５１に囲まれた書き込み配線３１の長手方向に対して斜めに交差するように設定されている。

図２２（ａ）〜図２２（ｅ）は、本変形例の磁気ヨーク５１において、書き込み電流によって磁化方向が反転する際の様子を模式的に表した図である。また、図２２（ｆ）は、図２２（ａ）〜図２２（ｅ）に対応して、書き込み電流の大きさの時間変化を示すグラフである。まず、書き込み電流が流れていない状態において、図２２（ａ）に示すように第１の強磁性層５１ａの磁化方向Ｓ_１と第２の強磁性層５１ｂの磁化方向Ｓ_２とが互いに反平行状態で保持されているとする。なお、このような定常状態では、磁化方向Ｓ_１及びＳ_２は、それぞれ第１の強磁性層５１ａ及び第２の強磁性層５１ｂの磁化容易軸方向に沿っている。

そして、図２２（ｂ）に示すように、書き込み配線３１に書き込み電流Ｉ_ｗが流れ始めると（図２２（ｆ）における時刻ｔ_０）、磁化方向Ｓ_１及びＳ_２が反転を開始する。このとき、磁化方向Ｓ_１及びＳ_２は書き込み電流Ｉ_ｗの方向に対して斜めに交差しているので、磁化方向Ｓ_１及びＳ_２は反平行状態から多少ずれていたとしても必ず同じ回転方向に（反平行状態を保ったまま）反転を開始する。そして、書き込み電流Ｉ_ｗが大きくなるに従って磁化方向Ｓ_１及びＳ_２の傾きが大きくなり（図２２（ｃ））、時刻ｔ_１において磁化方向Ｓ_１及びＳ_２の回転角度が磁化容易軸方向から９０°以上に達すると（図２２（ｄ））、書き込み電流Ｉ_ｗが増えなくても磁化方向Ｓ_１及びＳ_２は自然に回転し、やがて完全に反転する（図２２（ｅ））。

ここで、図２３（ａ）〜図２３（ｃ）は、本変形例との比較のため、磁化容易軸方向が書き込み電流の方向に対して略垂直である場合（例えば、上述した実施形態の磁気ヨーク５）に、書き込み電流によって磁化方向が反転する際の様子を模式的に表した図である。また、図２３（ｄ）は、図２３（ａ）〜図２３（ｃ）に対応して、書き込み電流の大きさの時間変化を示すグラフである。まず、書き込み電流が流れていない状態において、図２３（ａ）に示すように、第１の強磁性層５ａの磁化方向Ｓ_３と第２の強磁性層５ｂの磁化方向Ｓ_４とが互いに反平行状態から少しずれて保持されているものとする。

そして、図２３（ｂ）に示すように、書き込み配線３１に書き込み電流Ｉ_ｗが流れ始めると（図２３（ｄ）における時刻ｔ_０）、磁化方向Ｓ_３及びＳ_４が反転を開始する。このとき、磁化方向Ｓ_３及びＳ_４は反平行状態から少しずれているので、磁化方向Ｓ_３及びＳ_４は互いに異なる回転方向に反転を開始する場合が生じる。そして、書き込み電流Ｉ_ｗが大きくなるに従って磁化方向Ｓ_３及びＳ_４の傾きが大きくなるが（図２３（ｃ））、磁化方向Ｓ_３及びＳ_４の反平行状態からのずれが次第に大きくなり、反磁界が増して磁化反転に必要な書き込み電流Ｉ_ｗが大きくなってしまう。

このように、第１の強磁性層５ａ及び第２の強磁性層５ｂの磁化容易軸方向が書き込み電流Ｉ_ｗの方向に対して略垂直である場合、磁化方向Ｓ_３及びＳ_４の初期状態によっては磁化反転に要する書き込み電流Ｉ_ｗが増大してしまう。これに対して、本変形例のように第１の強磁性層５１ａ及び第２の強磁性層５１ｂの磁化容易軸方向を書き込み電流Ｉ_ｗの方向に対して斜めにすると、第１の強磁性層５１ａ及び第２の強磁性層５１ｂそれぞれの磁化方向Ｓ_１及びＳ_２が反平行状態を維持しながら反転するので、反磁界を抑制することができ、磁化方向Ｓ_１及びＳ_２の磁化反転に要する書き込み電流を低減できる。

本発明による磁気メモリは、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では磁気抵抗効果素子としてＴＭＲ素子を用いているが、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant magneto-Resistive）効果を利用したＧＭＲ素子を用いてもよい。ＧＭＲ効果とは、非磁性層を挟んだ２つの強磁性層の磁化方向のなす角度により、積層方向と直交する方向における強磁性層の抵抗値が変化する現象である。すなわち、ＧＭＲ素子においては、２つの強磁性層の磁化方向が互いに平行である場合に強磁性層の抵抗値が最小となり、２つの強磁性層の磁化方向が互いに反平行である場合に強磁性層の抵抗値が最大となる。なお、ＴＭＲ素子やＧＭＲ素子には、２つの強磁性層の保磁力の差を利用して書き込み／読み出しを行う疑似スピンバルブ型と、一方の強磁性層の磁化方向を反強磁性層との交換結合により固定するスピンバルブ型とがある。また、ＧＭＲ素子におけるデータ読み出しは、積層方向と直交する方向における強磁性層の抵抗値の変化を検出することにより行われる。また、ＧＭＲ素子におけるデータ書き込みは、書き込み電流により生じる磁界によって一方の強磁性層の磁化方向を反転させることにより行われる。

実施形態による磁気メモリの全体構成を示す概念図である。 記憶部を行方向に沿って切断したときの断面構成を示す拡大断面図である。 記憶部を図２におけるＩ−Ｉ線で切断したときの拡大断面図である。 記憶部を図２におけるII−II線で切断したときの拡大断面図である。 ＴＭＲ素子及びその周辺構造の拡大図である。 ＴＭＲ素子及びその周辺構造の拡大図である。 磁気ヨークの平面形状を示す図である。 記憶領域におけるＴＭＲ素子周辺の動作について説明するための図である。 記憶領域におけるＴＭＲ素子周辺の動作について説明するための図である。 ＴＭＲ素子の周辺構造の製造過程を示す図である。 ＴＭＲ素子の周辺構造の製造過程を示す図である。 ＴＭＲ素子の周辺構造の製造過程を示す図である。 ＴＭＲ素子の周辺構造の製造過程を示す図である。 ＴＭＲ素子の周辺構造の製造過程を示す図である。 ＴＭＲ素子の周辺構造の製造過程を示す図である。 ＴＭＲ素子の周辺構造の製造過程を示す図である。 ＴＭＲ素子の周辺構造の製造過程を示す図である。 ＴＭＲ素子の周辺構造の製造過程を示す図である。 変形例に係るＴＭＲ素子の構成を示す図である。 変形例に係るＴＭＲ素子の構成を示す図である。 磁気メモリの他の変形例を説明するための図である。 磁気メモリの他の変形例を説明するための図である。 磁気メモリの他の変形例を説明するための図である。 従来の磁気ヨークの構成の一例を示す断面図である。

符号の説明

１…磁気メモリ、２…記憶部、３…記憶領域、４…ＴＭＲ素子、５…磁気ヨーク、５ａ…第１の強磁性層、５ｂ…第２の強磁性層、５ｃ…非磁性層、６…半導体層、７…配線層、８…磁性材料層、１１…ビット選択回路、１２…ワード選択回路、１３ａ，１３ｂ…ビット配線、１４…ワード配線、１５…接地配線、２１…半導体基板、２２〜２４…絶縁領域、３１…書き込み配線、３２…書き込みトランジスタ、３３…読み出し配線、３４…読み出しトランジスタ。

Claims (5)

1. 複数の記憶領域を備え、前記複数の記憶領域のそれぞれは、
   外部磁界によって磁化方向が変化する感磁層を含む磁気抵抗効果素子と、
   書き込み電流によって前記感磁層に前記外部磁界を提供する書き込み配線と、
   前記書き込み配線の延在方向の一部において該書き込み配線の外周を囲むように配設された磁気ヨークと
   を有し、
   前記磁気ヨークは、前記書き込み配線を挟んで設けられた第１及び第２の強磁性層と、前記第１及び第２の強磁性層の少なくとも前記書き込み配線に沿った両端部において前記第１及び第２の強磁性層の間に設けられ、前記第１及び第２の強磁性層を互いに反強磁性的に結合する第１の非磁性層とを含むことを特徴とする、磁気メモリ。
2. 前記複数の記憶領域のそれぞれは、前記磁気抵抗効果素子の前記感磁層と前記磁気ヨークの前記第１または第２の強磁性層とを互いに反強磁性的に結合する第２の非磁性層を更に有することを特徴とする、請求項１に記載の磁気メモリ。
3. 前記磁気ヨークが導電性を有し、前記磁気ヨークの前記第１または第２の強磁性層と前記磁気抵抗効果素子の前記感磁層とが電気的に接続されており、前記磁気ヨークと前記書き込み配線とが電気的に絶縁されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の磁気メモリ。
4. 前記磁気抵抗効果素子の前記感磁層は、前記磁気ヨークの前記第１または第２の強磁性層の一部によって構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の磁気メモリ。
5. 前記磁気ヨークの前記第１及び第２の強磁性層の磁化容易軸方向が、前記磁気ヨークに囲まれた前記書き込み配線の長手方向と斜めに交差することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気メモリ。

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