JP2006339262A

JP2006339262A - 磁気メモリ

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Publication number: JP2006339262A
Application number: JP2005159820A
Authority: JP
Inventors: Takashi Asatani; 崇史麻谷
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: JP5050318B2

Abstract

【課題】書き込み電流を低減可能な磁気メモリを提供する。
【解決手段】磁気ヨーク５を構成する下部の積層膜は、非磁性層５Ｙを第１の強磁性層５Ｘ及び第２の強磁性層５Ｚで厚み方向に挟んだ構造を有する。上部の積層膜は、非磁性層５ｙを第１の強磁性層５ｘ及び第２の強磁性層５ｙで厚み方向に挟んだ構造を有する。非通電時（図３（Ａ）参照）における第１の強磁性層５Ｘ（５ｘ）の磁化の向きＹ_１と、第２の強磁性層５Ｚ（５ｚ）の磁化の向きＹ_２とは、互いに逆向きである。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気メモリに関する。

ＭＲＡＭ（Magnetic RandomAccess Memory）は、格子状に配線されたビット線とワード線の交点にＴＭＲ素子（TMR；Tunnel Magnetoresistance）を配置した構造を有する。ＴＭＲ素子は、２つの強磁性層間に非磁性層を有する強磁性層／非磁性絶縁層／強磁性層の三層構造からなる。強磁性層は、通常は厚さ１０ｎｍ以下の遷移金属磁性元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）又は遷移金属磁性元素の合金（ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＮｉＦｅ等）からなり、非磁性絶縁層は、Ａｌ_２Ｏ_３やＭｇＯ等からなる。

ＴＭＲ素子を構成する一方の強磁性層（固定層）は、磁化の向きを固定しており、他方の強磁性層（感磁層又は自由層）は磁化の向きが外部磁界に応じて回転する。なお、固定層の構造としては、反強磁性層（ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ等）を一方の強磁性層に付与した交換結合型が良く用いられる。

メモリ情報の「１」、「０」は、ＴＭＲ素子を構成する２つの強磁性体の磁化の向きの状態に応じて、すなわち、磁化の方向が平行であるか、反平行であるかに依存して規定される。これら２つの強磁性体の磁化の向きが反平行の時、磁化の向きが平行の時に比べて、厚み方向の電気抵抗の値が大きい。

したがって、「１」、「０」の情報の読出しは、ＴＭＲ素子の厚み方向に電流を流し、ＭＲ（磁気抵抗）効果によるＴＭＲ素子の抵抗値又は電流値を測定することで行う。

「１」、「０」の情報の書き込みは、ＴＭＲ素子近傍に配置した配線に電流を流すことで形成される磁界の作用によって、ＴＭＲ素子の自由層の磁化の向きを回転させることで行う。

このような磁気メモリに磁気ヨークを用いたものが知られており（例えば、下記特許文献１）、かかる構造の磁気メモリによれば、書き込み電流を低減することができる。
特開２００４−１２８４３０号公報

しかしながら、上述の磁気メモリよりも書き込み電流を更に低減することができる構造の磁気メモリが期待されている。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、書き込み電流を低減可能な磁気メモリを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、二次元配列した複数の記憶領域を備えた磁気メモリにおいて、複数の記憶領域のそれぞれは、感磁層と固定層との間に非磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、書き込み配線の周囲に配置され感磁層に与える磁力線を発生する磁気ヨークと、磁気抵抗効果素子に電気的に接続された読み出し配線とを備え、磁気ヨークは、書き込み配線への非通電時に、書き込み配線の長手方向に平行な磁化の向きを有する積層膜からなり、この積層膜は、非磁性層を第１及び第２の強磁性層で厚み方向に挟んだ構造を有する。

この磁気メモリによれば、積層膜の第1、第２強磁性層は、書き込み配線への非通電時には、互いに反平行に磁化し、これらの強磁性層は閉磁路構造を構成する。この現象は、積層膜の各強磁性層間の静磁界的相互作用または反強磁性的交換結合相互作用に基づいて発生する。なお、反強磁性的交換結合相互作用を利用する場合は、中間の非磁性層の厚みと材料を、隣接する強磁性層のからの反強磁性的交換結合相互作用が発生するように設定される。

書き込み配線への非通電時には、積層膜の磁化の向きが配線長手方向に平行であり、積層膜が単層である場合と比較して、より安定な単磁区構造が形成される。すなわち、かかる構造を用いない場合には、磁気ヨーク内の磁化の向きが揃っておらず、磁化の向きを変更するのに必要なエネルギーは大きいが、単磁区化傾向が高くなると、磁化の向きを変更するのに必要なエネルギーは小さくなる。書き込み配線に通電を行うと、書き込み配線の長手方向を囲む方向に磁力線が発生するが、この磁力線の向きは積層膜の非通電時の磁化の向きに垂直であり、容易に磁化の向きが幅方向に沿う方向へ回転する。すなわち、単磁区化と長手方向磁化による作用によって、磁気ヨークの磁化の向きの変更が容易になる。換言すれば、磁化の向きの変更に要する磁界を発生させるための電流、すなわち、書き込み電流を低減することができる。

書き込み配線に電流を流すと、磁気ヨークを介して磁力線が感磁層に与えられる。磁気ヨークは、書き込み配線の周囲を囲んでいるので、隣接素子への磁束の漏れを抑制し、また、感磁層内の磁束密度を増加させる機能を有する。したがって、書き込みに必要な書き込み配線に流れる電流は、磁気ヨークが無い場合と比較して小さくなる。読み出し配線には、磁気抵抗効果素子からの電流が流れるので、また、この電流量（抵抗値）は感磁層の磁化の向きに依存するので、読み出し配線を介して記憶されたデータを読み出すことができる。

磁気ヨーク全体の長手方向の第１寸法は、長手方向及び厚み方向の双方に垂直な幅方向の第２寸法よりも大きいことが好ましく、この場合には、磁気ヨーク内の単磁区化が促進される。

磁気ヨークは、磁気抵抗効果素子の幅方向両側に位置する第１及び第２下部磁気ヨークと、下部磁気ヨークに磁気的に結合し、下部磁気ヨークよりも書き込み配線側に位置する上部磁気ヨークとを有していることが好ましい。

この場合、上部磁気ヨーク内を通る磁力線は、下部磁気ヨークを介して磁気抵抗効果素子内に入り込み、磁気抵抗効果素子の感磁層（自由層）の磁化の向きを磁力線に沿う方向へ変更することができる。

第１寸法と前記第２寸法の比率は、１：１〜３：１であることが好ましい。

この場合、磁性膜端面の長さが短い方向に磁化すれば静磁エネルギーが下がることになるので書込み配線と平行な方向に磁気異方性が生じる。

第１及び第２下部磁気ヨークそれぞれの長手方向の寸法と、幅方向の寸法の比率は、２：１〜６：１であることが好ましい。

また、本発明の磁気メモリは、下部磁気ヨークと、上部磁気ヨークとの間に介在する反強磁性交換結合層を備えることとしてもよい。反強磁性交換結合層を構成する非磁性金属層の材料としては、ＲｕやＲｈを用いることができる。この場合、上下磁気ヨークの反強磁性交換結合層との隣接部において交換結合が生じるので、磁化の向きの単磁区化傾向が向上する。

また、書き込み配線の幅方向の寸法は、第２寸法よりも大きくすることができる。この場合、通電時に書き込み配線を囲む磁力線の向きが、磁気ヨークの位置において、幅方向に揃ってくるため、磁気ヨーク内における単磁区化傾向を促進し、書き込み電流を低減することができる。

本発明の磁気ヨークによれば、書き込み電流を低減することができる。

図１は、本実施形態による磁気メモリ１の回路図、図２は図１に示した記憶領域３の概略斜視図である。なお、隣接した２つの記憶領域３は１つの記憶セルを構成している。

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１４a、および１４ｂを備えている。記憶部２は、二次元配列した複数の記憶領域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、磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）４、書き込み配線３１、及び読み出し配線３３を含む磁性素子部９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。

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４４を含む磁気抵抗効果素子である。具体的には、ＴＭＲ素子４は、感磁層である第１磁性層（自由層）４４と、磁化方向が固定された第２磁性層（固定層）４１，４２と、感磁層４４及び固定層４１，４２に挟まれた非磁性層（絶縁層）４３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４４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４４の磁化方向が変化すると、感磁層４４の磁化方向と固定層４１，４２の磁化方向との関係に応じて、感磁層４４と強磁性層４１，４２との間の抵抗値が変化する。

磁気メモリ１は、書き込み配線３１の周囲において、外周を囲むように配置され感磁層４４に与える磁力線を発生する磁気ヨーク５（図２参照）と、ＴＭＲ素子４に電気的に接続された読み出し配線３３とを備えている。

書き込み配線３１に電流を流すと、磁気ヨーク５を介して磁力線が感磁層４４に与えられる。磁気ヨーク５は、書き込み配線３１の周囲を囲むように配置されているので、隣接素子への磁束の漏れを抑制し、また、感磁層４４内の磁束密度を増加させる機能を有する。書き込み配線３１に流れる電流は、磁気ヨーク５が無い場合と比較して小さくすることが可能となる。読み出し配線３３には、ＴＭＲ素子４からの電流が流れ、この電流量（抵抗値）は感磁層４４の磁化の向きに依存するので、読み出し配線３３を介して記憶されたデータを読み出すことができる。

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４４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の一端は電極Ｄ２を介してビット配線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半導体書き込みスイッチである。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１４aに電気的に接続されている。

なお、読み出し配線３３を構成する下部電極は、半導体基板上に形成された絶縁層を厚み方向に貫通する垂直電極Ａ１を介して、読み出しトランジスタ３４のソース又はドレイン電極３４ａに接続されている。ここでは、ドレイン電極３４ａとする。読み出しトランジスタ３４のゲート電極３４ｇは、ワード配線１４ｂに接続されている。読み出しトランジスタ３４は、ドレイン電極３４ａ，ソース電極３４ｂと、ゲート電極３４ｇと、ドレイン電極３４ａ，ソース電極３４ｂ直下に形成されたドレイン領域，ソース領域からなり、ゲート電極３４ｇの電位に応じてドレイン電極３４ａ，ソース電極３４ｂは接続される。ソース電極３４ｂは、ビット配線１３ｂに接続されている。

書き込みトランジスタ３２のソース又はドレイン領域３２ａは、垂直配線Ｃ１を介して電極Ｄ１に接続されている。なお、書き込みトランジスタ３２も、ソース／ドレイン電極３２ａ，３２ｂとゲート電極３２ｇを備えている（図２参照）。

なお、ビット配線１３ａ，１３ｂやワード配線１４ａ，１４ｂは、半導体基板上に形成された下部絶縁層(図示せず)内に埋設されており、下部絶縁層上には上部絶縁層(図示せず)が形成されている。また、下部絶縁層内には必要に応じて複数の配線が設けられる。垂直配線Ａ１，Ｃ１は、半導体基板の表面から下部絶縁層を貫通する配線であり、電極Ｄ１は下部絶縁層上に形成されている。半導体基板は例えばＳｉからなり、ソース領域及びドレイン領域には半導体基板とは異なる導電型の不純物が添加されている。なお、下部絶縁層はＳｉＯ₂等からなる。

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はビット配線１３ｂとビット配線１３ａをＴＭＲ素子４を介して接続する配線である。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半導体読み出しスイッチである。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４４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ビット配線１３ｂ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１４ｂに電気的に接続されている。

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及び１３ｂは、本実施形態における第１の配線である。すなわち、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１４ａ、１４ｂは、本実施形態における第２の配線である。すなわち、ワード配線１４ａ、１４ｂ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、読出しトランジスタ３４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、本実施形態における書き込み電流生成手段である。すなわち、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機能を備える。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き込み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き込み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１４ａ、１４ｂに制御電圧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。

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、制御電圧がワード配線１４ａを通じてゲートに印加され、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４４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、制御電圧がワード配線１４ｂを通じてゲートに印加され、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とビット配線１３ｂの間には、読み出し電流を流すための電圧がビット選択回路１１から印加される。

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を流れる読み出し電流はＴＭＲ素子４及び読み出しトランジスタ３４を介してビット配線１３ｂへ流れる。

そして、例えばＴＭＲ素子４におけるビット線１３ａ，１３ｂとの間の電圧降下量が判別されることにより、換言すれば、ＴＭＲ素子４の抵抗値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。

図３は、図２に示したＴＭＲ素子近傍の磁性素子部の断面図（ＸＺ平面（ａ））、平面図（ＸＹ平面（ｂ））である。なお、同図における（Ａ）〜（Ｄ）は、データ記憶状態「１」の非通電時（Ａ）、逆方向電流通電時（Ｂ）、データ記憶状態「０」の非通電時（Ｃ）、順方向電流通電時（Ｄ）を示す。

図１に示した記憶領域３のＴＭＲ素子４は、基板側から固定層４１，４２、非磁性層４３、感磁層４４を積層してなる。固定層４１，４２は、強磁性層４１及び反強磁性層４２を積層してなる。感磁層４４は領域内配線３１からの外部磁界によって磁化方向が変化し、二値データを記録することができる。

また、強磁性層４２は、反強磁性層４１によって磁化方向が固定されている。すなわち、反強磁性層４１と強磁性層４２との接合面における交換結合によって、強磁性層４２の磁化方向が安定化されている。強磁性層４２の磁化容易軸方向は、感磁層４４の磁化容易軸方向に沿うように設定される。

非磁性層４３は、非磁性且つ絶縁性の材料からなる層である。感磁層４４と強磁性層４２との間に非磁性絶縁層４３が介在することにより、感磁層４４と強磁性層４２との間には、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）が生じる。すなわち、感磁層４４と強磁性層４２との間には、感磁層４４の磁化方向と強磁性層４２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。

感磁層４４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。強磁性層４２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。反強磁性層４１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４３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、例えばＡｌ_２Ｏ_３が好適である。

なお、強磁性層４２の磁化方向を安定化させる層として、反強磁性層４１に加えて磁性層４２の間にシンセティック反強磁性結合層として作用する非磁性金属層を介して第３の磁性層を設けても良い。この第３の磁性層が、強磁性層４２と反強磁性結合を形成することにより、強磁性層４２の磁化方向をさらに安定化させることができる。また、強磁性層４２から感磁層４４への静磁界の影響を防止できるので、非書き込み時に感磁層４４の磁化が安定に保持される。

このような第３の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、強磁性層４２と第３の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、強磁性層４２と第３の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。なお、配線材料としては、Ｃｕ、ＡｕＣｕ、Ｗ等を用いることができる。

磁気ヨーク５は、ＴＭＲ素子４の幅方向両側に位置する下部磁気ヨーク（第１下部磁気ヨーク５Ａ、第２下部磁気ヨーク５Ａ）と、下部磁気ヨーク５Ａに磁気的に結合し、下部磁気ヨーク５Ａよりも書き込み配線３１側に位置する上部磁気ヨーク５Ｂとを有している。書き込み配線３１と磁気ヨーク５との間には必要に応じて絶縁層が介在する。

下部磁気ヨーク５Ａは、下地基板側から順次積層された積層膜５Ｘ，５Ｙ，５Ｚからなる。下部磁気ヨーク５Ａの下部磁性膜５Ｘは、書き込み配線３１への非通電時（図３（Ａ）参照）に、書き込み配線３１の長手方向（Ｙ）に平行な磁化の向きＹ_１’（＋Ｙ方向）を有し、上部磁性膜５Ｚは、書き込み配線３１への非通電時（図３（Ａ）参照）に、書き込み配線３１の長手方向（Ｙ）に平行な磁化の向きＹ_２’（−Ｙ方向）を有する。

上部磁気ヨーク５Ｂは、下部磁気ヨーク５Ａ側から順次積層された積層膜５ｚ，５ｙ，５ｘからなる。上部磁気ヨーク５Ｂの上部磁性膜５ｘは、書き込み配線３１への非通電時（図３（Ａ）参照）に、書き込み配線３１の長手方向（Ｙ）に平行な磁化の向きＹ_１（＋Ｙ方向）を有し、下部磁性膜５ｚは、書き込み配線３１への非通電時（図３（Ａ）参照）に、書き込み配線３１の長手方向（Ｙ）に平行な磁化の向きＹ_２（−Ｙ方向）を有する。

下部磁気ヨーク５Ａの積層膜は、非磁性層５Ｙを第１の強磁性層５Ｘ及び第２の強磁性層５Ｚで厚み方向に挟んだ構造を有する。上部磁気ヨーク５Ｂの積層膜は、非磁性層５ｙを第１の強磁性層５ｘ及び第２の強磁性層５ｚで厚み方向に挟んだ構造を有する。非通電時（図３（Ａ）参照）における第１の強磁性層５Ｘ（５ｘ）の磁化の向きＹ_１’（Ｙ_１）と、第２の強磁性層５Ｚ（５ｚ）の磁化の向きＹ_２’（Ｙ_２）とは、互いに逆向きである。また、下部磁気ヨーク５Ａと上部磁気ヨーク５Ｂとの境界において隣接する強磁性層は５Ｚの磁化の向きＹ_２’と、強磁性層５ｚの磁化の向きＹ_２は同一である。

書き込み配線３１への非通電時（図３（Ａ）参照）には、積層膜の磁化の向きＹ_１，Ｙ_２が配線長手方向（Ｙ）に平行であり、積層膜が単層である場合と比較して、磁気ヨーク５内に、より安定な単磁区構造が形成されている。積層膜の第1の強磁性層５ｘ（５Ｘ）、第２の強磁性層５ｚ（５Ｚ）は、書き込み配線３１への非通電時（図３（Ａ）参照）には、互いに反平行に磁化し、これらの強磁性層５Ｘ，５Ｚ（５ｘ、５ｚ）は閉磁路構造を構成する。この現象は、積層膜の静磁界的相互作用または反強磁性的相互作用に基づいて発生する。なお、反強自生的相互作用を利用する場合は中間の非磁性層５Ｙ（５ｙ）の厚みと材料として、隣接する強磁性層５Ｘ，５Ｚ（５ｘ、５ｚ）のからの反強磁性的相互作用が発生するように設定される。例えば、この厚みと材料は、０．８ｎｍ程度のＲｕがあげられる。また、静磁敵相互作用を利用する場合は５ｎｍ程度のＡｌ_２Ｏ_３があげられる。

また、磁気ヨーク５の全体のＹ方向の第１寸法Ｌ１は、Ｘ方向の第２寸法Ｌ２よりも大きい。この場合には、磁気ヨーク５内の単磁区化が促進される。なお、Ｘ方向は、Ｙ方向及びＺ方向（厚み方向）の双方に垂直な幅方向を示す。

非通電時の図３（Ａ）に示した状態では、固定された強磁性層４２の磁化の向き４２Ｘと、感磁層４４の磁化の向き４４Ｘは、同一の向きであり、Ｘ方向に平行である。この場合、読み出し電流をＴＭＲ素子４の厚み方向に流すと、ＴＭＲ素子４の抵抗は低いため、記憶されているデジタル情報の記憶状態「１」が読み出される。

図３（Ａ）の記憶状態「１」において、書き込み配線３１に逆方向電流Ｉ１の通電を行うと（−Ｙ方向）、図３（Ｂ）のように、書き込み配線３１の長手方向を囲む方向に磁力線（同図（ａ）の矢印は磁化の向きを示す）が発生する。上部磁気ヨーク５Ｂ内を通る磁力線は、下部磁気ヨーク５Ａを介してＴＭＲ素子４内に入り込み、ＴＭＲ素子４の感磁層４４の磁化の向き４４Ｘを磁力線に沿う方向（Ｘ方向）へ変更することができる。なお、図３（Ａ）の状態の感磁層４４の磁化の向き４４Ｘと、変更しようとする図３（Ｂ）の状態の感磁層４４の磁化の向き４４Ｘは同一なので、この場合は、記憶状態が「１」であるという結果は変わらない。この通電後に、逆方向電流Ｉ１の供給を停止すると、記憶状態「１」が確定する。

なお、書き込み電流の進行方向を囲むように発生する磁力線の向きは、積層膜の非通電時の磁化の向き（Ｙ）に垂直である。したがって、磁気ヨーク５を構成する各強磁性層の磁化の向きが幅方向に沿う方向へ容易に回転する（幅方向成分を有する）。

本実施形態では、磁気ヨーク５内の強磁性層の単磁区化とＹ方向磁化による作用によって、磁気ヨーク５内の強磁性層の磁化の向きの変更が容易になる。換言すれば、磁化の向きの変更に要する磁界を発生させるための電流、すなわち、書き込み電流を低減することができる。

書き込み配線３１に電流を流すと、磁気ヨーク５を介して磁力線が感磁層４４に与えられる。磁気ヨーク５は、書き込み配線３１の周囲を囲んでいるので、図２に示した隣接素子への磁束の漏れを抑制し、また、感磁層４４内の磁束密度を増加させる機能を有する。したがって、書き込み配線３１に流れる電流は、磁気ヨーク５が無い場合と比較して小さくなる。読み出し配線には、ＴＭＲ素子４からの電流が流れるので、また、この電流量（抵抗値）は感磁層の磁化の向きに依存するので、読み出し配線を介して記憶されたデータを読み出すことができる。なお、図２に示した構造の場合、読み出し電流を流す配線は、書き込み配線３１と共用として感磁層４４に接続しているが、これは感磁層４４に電気的に接続されていれば、分離していてもよい。

次に、図３（Ａ）の記憶状態「１」において、書き込み配線３１に順方向電流Ｉ２の通電を行うと（＋Ｙ方向）、図３（Ｄ）のように、書き込み配線３１の長手方向を囲む方向に磁力線（同図（ａ）の矢印は磁化の向き）が発生する。上部磁気ヨーク５Ｂ内を通る磁力線は、下部磁気ヨーク５Ａを介してＴＭＲ素子４内に入り込み、ＴＭＲ素子４の感磁層４４の磁化の向き４４Ｘを磁力線に沿う方向（−Ｘ方向）へ変更する。なお、図３（Ａ）の状態の感磁層４４の磁化の向き４４Ｘと、変更しようとする図３（Ｄ）の状態の感磁層４４の磁化の向き４４Ｘは反対なので、この場合は、状態が「０」に変わる。この通電後に、順方向電流の供給を停止すると、記憶状態「０」が確定し、図３（Ｃ）の状態となる。

非通電時の図３（Ｃ）に示した状態では、固定された強磁性層４２の磁化の向き４２Ｘと、感磁層４４の磁化の向き４４Ｘは、逆向きであり、Ｘ方向に平行である。この場合、読み出し電流をＴＭＲ素子４の厚み方向に流すと、ＴＭＲ素子４の抵抗は高いため、記憶されているデジタル情報の記憶状態「０」が読み出される。

なお、図３（Ｃ）に示した記憶状態「０」から、書き込み配線３１に逆方向電流を通電すると、図３（Ａ）の記憶状態「１」となる。

ここで、寸法Ｌ１と寸法Ｌ２の比率は、１：１〜３：１であることが好ましい。この場合、磁性膜端面の長さが短い方向に磁化すれば静磁エネルギーが下がるので書き込み配線と平行な方向に磁気異方性が生じる。また、ヨークを構成する磁性材料に誘導磁気異方性を付与することが可能な場合は、書き込み配線と平行な方向に誘導性磁気異方性を付与しても良い。その手段として、磁性材料成膜中に異方性を付与したい方向に磁場を印加する方法や、成膜後に異方性を付与したい方向に磁界を印加しながら加熱する方法を用いることができる。

また、第１下部磁気ヨーク５Ａ及び第２下部磁気ヨーク５Ａそれぞれの長手方向の寸法ｌ１と、幅方向の寸法ｌ２の比率は、２：１〜６：１であることが好ましい。この場合、磁性膜端面の長さが短い方向に磁化すれば静磁エネルギーが下がるので書き込み配線と平行な方向に磁気異方性が生じる。また、ヨークを構成する磁性材料に誘導磁気異方性を付与することが可能な場合は、書き込み配線と平行な方向に誘導性磁気異方性を付与しても良い。その手段として、磁性材料成膜中に異方性を付与したい方向に磁場を印加する方法や、成膜後に異方性を付与したい方向に磁界を印加しながら加熱する方法を用いることができる。

磁気ヨーク５を構成する軟磁性体の強磁性層５Ｘ（５ｘ）、５Ｚ（５ｚ）の材料としては、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｕ（Ｎｉ_０．４Ｆｅ_０．１Ｃｕ_０．５）、ＦｅＺｒＢ（Ｆｅ_０．８１Ｚｒ_０．０７Ｂ_０．１２）、ＦｅＺｒＢＣｕ（Ｆｅ_{０．８７−Ｘ}Ｚｒ_０．０７Ｂ_０．１２Ｃｕ_Ｘ、Ｆｅ_{０．８１−Ｘ}Ｚｒ_０．０７Ｂ_０．１２Ｃｕ_Ｘ（０≦Ｘ≦０．０２））を用いることができる。

磁気ヨーク５を構成する非磁性層５Ｙ（５ｙ）の材料としては、アルミニウム酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）、Ｃｕ、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）を用いることができる。

図４は、図２に示したＴＭＲ素子近傍の磁性素子部の断面図（ＸＺ平面（ａ））、平面図（ＸＹ平面（ｂ））であり、図３に示したものの変形例を示す。お、同図における（Ａ）〜（Ｄ）は、記憶状態「１」の非通電時（Ａ）、逆方向電流通電時（Ｂ）、記憶状態「０」の非通電時（Ｃ）、順方向電流通電時（Ｄ）を示す。

本例の図３に示した磁性素子部との相違点は、この磁性素子部が下部磁気ヨーク５Ａと、上部磁気ヨーク５Ｂとの間に介在する反強磁性交換結合層５Ｃを備えている点のみである。反強磁性交換結合層５Ｃを構成する非磁性金属層の材料としては、ＲｕやＲｈを用いることができる。この場合、下部磁気ヨーク５Ａ及び上部磁気ヨーク５Ｂにおける反強磁性交換結合層５Ｃとの隣接部において交換結合が生じるので、磁化の向きの単磁区化傾向が向上する。

なお、反強磁性交換結合層５Ｃが、強磁性層５Ｚ、５ｚ間に介在するため、書き込み配線３１への非通電時の上部磁気ヨーク５Ｂの磁化の向きＹ_１，Ｙ_２は、図３に示したものとは逆方向となるが、これらがＸ方向に垂直であるという点は図３のものと同一である。したがって、この磁性素子部は、図３に示したものの機能と同一の機能を奏し、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）、図４（Ｄ）のそれぞれにおける機能は、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）のそれぞれにおける機能に対応する。

図５は、図２に示したＴＭＲ素子近傍の磁性素子部の断面図（ＸＺ平面（ａ））、平面図（ＸＹ平面（ｂ））であり、図３に示したものの別の変形例を示す。なお、同図における（Ａ）〜（Ｄ）は、記憶状態「１」の非通電時（Ａ）、逆方向電流通電時（Ｂ）、記憶状態「０」の非通電時（Ｃ）、順方向電流通電時（Ｄ）を示す。

本例の図３に示した磁性素子部との相違点は、書き込み配線３１の幅が広い点と、下部磁気ヨーク５Ａと上部磁気ヨーク５ＢとがＺ方向に沿って離隔している点、上部磁気ヨーク５ＢのＸＹ平面形状が山型ではなく平坦である点のみである。

なお、書き込み配線３１への非通電時の磁化の向きＹ_１，Ｙ_２は、図３に示したものとは逆方向となるが、これらがＸ方向に垂直であるという点は図３のものと同一であり、したがって、この磁性素子部は、図３に示したものの機能と同一の機能を奏し、図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）のそれぞれにおける機能は、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）のそれぞれにおける機能に対応する。

書き込み配線３１の幅方向の寸法Ｌ３は、寸法Ｌ１よりも大きい。この場合、図５（Ｂ）、図５（Ｄ）に示す通電時において、書き込み配線３１を囲む磁力線の向き（同図（ａ）の矢印は磁化の向き）が、磁気ヨーク５の位置において、幅方向に揃ってくるため、磁気ヨーク５内における単磁区化傾向を促進し、書き込み電流を低減することができる。

図６は、図２に示したＴＭＲ素子近傍の磁性素子部の断面図（ＸＺ平面（ａ））、平面図（ＸＹ平面（ｂ））であり、図５に示したものの変形例を示す。なお、同図における（Ａ）〜（Ｄ）は、記憶状態「１」の非通電時（Ａ）、逆方向電流通電時（Ｂ）、記憶状態「０」の非通電時（Ｃ）、順方向電流通電時（Ｄ）を示す。

本例の図５に示した磁性素子部との相違点は、上記磁気ヨーク５Ｂを具備していない点のみである。

この磁性素子部は、図５に示したものの機能と同一の機能を奏し、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）、図６（Ｄ）のそれぞれにおける機能は、図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）のそれぞれにおける機能に対応する。

本発明は、磁気メモリに利用することができる。

本実施形態による磁気メモリ１の回路図である。図１に示した記憶領域３の概略斜視図である。図２に示したＴＭＲ素子近傍の磁性素子部の各状態（Ａ）〜（Ｄ）毎の断面図（ＸＺ平面（ａ））、平面図（ＸＹ平面（ｂ））である。図２に示したＴＭＲ素子近傍の磁性素子部の各状態（Ａ）〜（Ｄ）毎の断面図（ＸＺ平面（ａ））、平面図（ＸＹ平面（ｂ））である。図２に示したＴＭＲ素子近傍の磁性素子部の各状態（Ａ）〜（Ｄ）毎の断面図（ＸＺ平面（ａ））、平面図（ＸＹ平面（ｂ））である。図２に示したＴＭＲ素子近傍の磁性素子部の各状態（Ａ）〜（Ｄ）毎の断面図（ＸＺ平面（ａ））、平面図（ＸＹ平面（ｂ））である。

符号の説明

４…ＴＭＲ素子、５…磁気ヨーク、５Ｘ…強磁性層、５Ｙ…非磁性層、５Ｚ…強磁性層、５ｘ…強磁性層、５ｙ…非磁性層、５ｚ…強磁性層。

Claims

二次元配列した複数の記憶領域を備えた磁気メモリにおいて、
前記複数の記憶領域のそれぞれは、
感磁層と固定層との間に非磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、
書き込み配線の周囲に配置され前記感磁層に与える磁力線を発生する磁気ヨークと、
前記磁気抵抗効果素子に電気的に接続された読み出し配線と、
を備え、
前記磁気ヨークは、前記書き込み配線への非通電時に、前記書き込み配線の長手方向に平行な磁化の向きを有する積層膜からなり、この積層膜は、非磁性層を第１及び第２の強磁性層で厚み方向に挟んだ構造を有することを特徴とする磁気メモリ。
前記磁気ヨーク全体の前記長手方向の第１寸法が、前記長手方向及び厚み方向の双方に垂直な幅方向の第２寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
前記磁気ヨークは、
前記磁気抵抗効果素子の両側に位置する第１及び第２下部磁気ヨークと、
前記下部磁気ヨークに磁気的に結合し、前記下部磁気ヨークよりも前記書き込み配線側に位置する上部磁気ヨークと、
を有していることを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ。
前記第１寸法と前記第２寸法の比率は、１：１〜３：１であることを特徴とする請求項２又は３に記載の磁気メモリ。
前記第１及び第２下部磁気ヨークそれぞれの前記長手方向の寸法と、前記幅方向の寸法の比率は、２：１〜６：１であることを特徴とする請求項３又は４に記載の磁気メモリ。
前記下部磁気ヨークと、前記上部磁気ヨークとの間に介在する反強磁性交換結合層を備えたことを特徴とする請求項３に記載の磁気メモリ。
前記書き込み配線の前記幅方向の寸法が、前記第２寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。