JP2007059865A - 磁気記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 書込み時等における磁化特性を均質化して、効率的に書込み作業を実行できるようにする。
【解決手段】 磁気記憶装置１において、書込用の磁界を生じさせる配線５に磁気抵抗効果素子４に隣接配置させ、更にこの配線５の少なくとも一部を覆うように、強磁性体２０を配設し、この強磁性体２０の磁化状態Ｘを一方向に配向させるようにした。
【選択図】図７

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子に情報を記憶する磁気記憶装置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ことから、電気的な手段を用いなくてもその磁化方向が維持することができるので、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くなる。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、ＭＲＡＭはアクセス速度、信頼性、消費電力等において優れている。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と言われている。

例えば、どこにいても情報処理を可能とす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を開発する場合、高速処理に対応可能としながらも消費電力を小さくし、そして、電源断が生じても情報消失を回避できるような記憶装置が求められるが、ＭＲＡＭはこのような要求を同時に満足できる可能性があり、今後、多くの情報機器に採用されることが期待されている。

特に、日常持ち歩くカードや携帯情報端末等については、十分な電源を確保できない場合が多い。従って、厳しい利用環境において大量の情報処理を実行するには、低消費電力とされるＭＲＡＭであっても、情報処理中の電力消費を一層低減させることが求められている。

ＭＲＡＭにおける低消費電力化を進展される技術の一例として、例えば文献１に記載された磁気記憶装置がある。図１９に示されるように、この磁気記憶装置５００は、各記憶領域（メモリセル）毎に、ビット線５０２と、ビット線５０２と直行するように配置されたワード線５０４と、このビット線５０２とワード線５０４の間であって、且つ交差する位置に配置されたトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子５０６と、このＴＭＲ素子５０６に接続されたトランジスタ５０８を備える。ビット線５０２及びワード線５０４は、それぞれ、ＴＭＲ素子５０６のビット状態を反転させるために必要な磁界のおよそ半分程度を発生するようになっており、選択したビット線５０２及びワード線５０４に電流を流すと、その交差点においてＴＭＲ素子５０６の磁化状態を適宜反転させる。

この磁気記憶装置５００は、ビット線５０２及びワード線５０４の双方が、高透磁率の強磁性薄膜５１０によって被覆されたクラッド構造となっている。従って、ビット線５０２及びワード線５０４から生じる磁束の漏れを低減させることができる。また、ビット線５０２やワード線５０４に対する通電時に、強磁性薄膜５１０が磁化することによってこの強磁性薄膜５１０から静磁界が発生するので、この静磁界とビット線５０２やワード線５０４の誘導磁界の総和が、ＴＭＲ素子５０６に印加される。この結果、低消費電力の状態でも、ＴＭＲ素子５０６の磁化状態の反転に必要な磁界を得ることが出来る。

また、ビット線５０２及びワード線５０４の３面を強磁性薄膜５１０で被覆し、ＴＭＲ素子５０６側の面を開放することで、磁束をＴＭＲ素子５０６に集中させることができることから、書き込み時間が短縮されるという利点もある。

なお、ＴＭＲ素子とは、外部磁界によって磁化方向が変化する第１磁性層（感磁層）と、磁化方向が固定された第２磁性層と、第１磁性層と第２磁性層との間に挟まれた非磁性絶縁層とを備え、第１磁性層の磁化方向が第２磁性層の磁化方向に対して平行または反平行に制御されることにより二値データを記憶する素子である。
日経エレクトロニクス（２００２年１１月１８日 １３３頁）

しかしながら、本発明者の更なる研究によると、このようにビット線５０２やワード線５０４を強磁性薄膜５１０で被覆した場合、書き込み時の電流値を低減できるものの、得られる磁界にばらつきが生じ易いという問題が明らかとなった。具体的には、ビット線５０２やワード線５０４に対して、その長手方向に沿って強磁性薄膜５１０を均一に被覆することが困難であり、且つ、強磁性薄膜５１０内には、自然に複数の磁区が形成されて様々な磁化方向を有することになり、これらの要因から、書き込み時において、各ＴＭＲ素子５０６に提供する磁化特性にばらつきが生じる可能性があった。

また、ビット線５０２やワード線５０４の通電方向を切り替えて、磁界を反転させる場合、強磁性薄膜５１０の存在により、その正方向電流と逆方向電流の間で磁界の変化速度や強さが不均一になるという問題があった。この結果、個々のＴＭＲ素子５０６についても、一方向の書き込み速度と他方向の書き込み速度にばらつきが生じるので、書き込み時の電流制御やタイミング制御が複雑になることが懸念された。

また、強磁性薄膜５０１において多数の磁区が形成されると、ビット線５０２やワード線５０４の磁化状態を変化させる際にバルクハウゼンノイズが発生し、これも書き込み性能を悪化させる要因になると考えられた。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、磁気記憶装置における書き込み磁界のばらつきを抑制し、書き込み性能を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による磁気記憶装置は、書込用の磁界を生じさせる配線と、前記配線に隣接配置される磁気抵抗効果素子と、前記配線の少なくとも一部を覆うように配設され、磁化状態が所定方向に配向されている強磁性体と、を備えることを特徴とする。このようにすると、磁気効率を向上させるために、配線を強磁性体によって被覆したり、配線の周囲を強磁性体のヨークによって覆ったりした場合であっても、これらの強磁性体の磁化特性が均一化されているので、情報の書込み効率・精度を向上させることが出来る。また、強磁性体の磁化変化を滑らかにする事が可能になる。

また、このように磁化状態を配向させた結果として、前記強磁性体の磁化状態が単磁区とされるようにすることも望ましい。このようにすると、磁壁の移動等による磁化特性の不連続的な変化を抑制する事が可能になる。

更に、本発明の上記磁気記憶装置は、該強磁性体の磁化状態が、該配線の延在方向と略同一方向にピン止めされていることを特徴とする。これにより、該配線の周囲に生じる双方向の磁界に対して、常に中立方向にピン止めされるので、強磁性体の誘導磁界の変化が、配線の通電方向の双方に対して均質化される。

更に、本発明による磁気記憶装置は、書込用の磁界を生じさせる配線と、前記配線に隣接配置される磁気抵抗効果素子と、前記配線の少なくとも一部を覆うように配設される強磁性体と、前記強磁性体の磁化状態を、該配線の延在方向と略同一方向にピン止めする磁化方向固定手段と、を備えることを特徴とする。従って、磁化方向固定手段によって、強磁性体が配線方向にピン止めされるので、磁化状態を一層安定化させることができる。

なお、この磁化方向固定手段として、前記強磁性体に反強磁性層が付加されていることが望ましい。反強磁性層を付加することで両者が交換結合されることになる。

更に、磁気抵抗効果素子が前記配線に沿って複数配置されると共に、前記強磁性体が、配線における磁気抵抗効果素子との複数の隣接点を跨って配設されているようにすれば、このように配線によって複数の磁気抵抗効果素子の書込み作業を行う場合であっても、配線上における磁化状態のばらつきを抑制できる事になる。

また、前記強磁性体が、前記配線における前記磁気抵抗効果素子の反対側となる反素子面、及び前記配線における該反素子面と連続する両側面を被覆するように配設され、前記反強磁性層が、前記強磁性体における前記反素子面の外側に付加されているようにすることも好ましい。このようにすると、配線から生じる磁界を磁気抵抗効果素子に一層集中させる事が出来、その場合であっても、その磁界の変化を滑らかにすることが可能になる。

更にこれらの発明において、前記磁気抵抗効果素子が複数配置されることで、該磁気抵抗効果素子に情報を保持可能な記憶領域が複数形成されており、前記強磁性体及び前記磁化方向固定手段が、前記記憶領域毎に独立した状態で配設されているようにすれば、記憶領域毎に、配線から生じる磁界を、強磁性体等を用いて磁気抵抗効果素子に集中させつつ、強磁性体毎に磁化方向をピン止めして、磁化状態を安定化させることが出来るようになる。

また、本発明は、書込用の磁界を生じさせる配線と、前記配線に隣接配置される磁気抵抗効果素子と、前記配線の前記磁気抵抗効果素子との隣接領域を覆うように配置される強磁性ヨークと、該強磁性ヨークに付加され、前記強磁性ヨークの磁化状態のピン止め方向を前記配線の延在方向に略一致させる反強磁性層と、を備えることを特徴とする。

このように強磁性ヨークを採用して、配線の磁界を積極的に磁気抵抗効果素子に集中させる場合、その磁界の強さや変化特性にばらつきが生じ易いが、反強磁性層を付加することで、磁界の変化特性を向上させることが出来る。書込用の磁界の方向を正逆に切り替える場合に、その双方の磁化状態を均質化することが出来る。

この際に、前記強磁性ヨークが、前記配線における前記磁気抵抗効果素子側に、該配線と間隔をあけて配置される素子側ヨークと、前記配線における前記磁気抵抗効果素子の反対側に、該配線と間隔をあけて配置される反素子側ヨークと、前記素子側ヨークの両端と反素子側ヨークの両端を連結して環状とし、該配線と間隔をあけて配置される一対の側部ヨークと、を備えて構成され、環状となる前記強磁性ヨークの内周側に前記配線が貫通すると共に、該強磁性ヨークの外周側の少なくとも一部に前記反強磁性層が付加されているようにすることも望ましい。

また、この場合において、前記素子側ヨークが前記環状方向に分断されることで、前記強磁性ヨークの環状状態が非連続とされており、前記素子側ヨークの前記分断された領域に、前記磁気抵抗効果素子が介在するように配置されているようにすることも好ましい。このようにすることで、素子側ヨークの分断面から放出される磁界を、磁気抵抗効果素子の端面に印加する事が可能となり、書込み速度を向上させることが出来る。

また更に、前記配線が、前記磁気抵抗効果素子との隣接領域の外側において屈曲している場合、この屈曲によるノイズ磁界の影響を、磁化方向固定手段によって低減する事が可能になる。

本発明によれば、配線から得られる磁界を安定化させると共に、その磁界の変化を円滑にして、書込み性能を向上出せる効果を奏し得る。

以下、添付図面を参照しながら本発明による磁気記憶装置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。

図１は、第１実施形態に係る磁気記憶装置１の全体構成を示す概念図である。磁気記憶装置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１３、１４、並びにワード配線１５、１６を備える。記憶部２には、複数の記憶領域３がｍ行ｎ列（ｍ、ｎは２以上の整数）の二次元状（アレイ状）に配列されている。図２に拡大して示されるように、各記憶領域３は、ＴＭＲ素子４、読み書き兼用配線５、読み書き兼用トランジスタ６、読み出し配線７、強磁性ヨーク２０等を有する。なお、読み書き兼用配線５は、ビット配線１３から引き込まれるように配設されていることから、記憶領域３毎に、読み書き兼用配線５、強磁性ヨーク２０、及びこの強磁性ヨーク２０をピン止めする手段（詳細は後述）が独立して配設されるようになっている。

ＴＭＲ（磁気抵抗効果）素子４は、磁化方向を変化させると、それに基づいて自身の抵抗値が変化する機能を有する。この抵抗値の変化状態によって、ＴＭＲ素子４に二値データが書き込まれる。このＴＭＲ素子４の磁化方向を変化させる外部磁界は、読み書き兼用配線５によって発生させる。

読み書き兼用配線５の一端は、読み書き兼用トランジスタ６を介してビット配線１３に電気的に接続されている。読み書き兼用配線５の他端は、ビット配線１４に電気的に接続される。読み書き兼用トランジスタ６は、読み書き兼用配線５における書き込み電流及び読み出し電流の導通を制御するためのスイッチ手段であり、ドレイン及びソースの一方に読み書き兼用配線５が接続され、他方にビット配線１３が接続される。更に、ゲートにはワード配線１５が接続される。これにより、読み書き兼用配線５には、読み書き兼用トランジスタ６によって電流が流され、その電流によって周囲に磁界を生じさせる。

読み出し配線７は、一方がＴＭＲ素子４に接続され、他方がワード配線１６に接続される。ＴＭＲ素子４において、このワード配線１６が接続される側と反対側の面には、読み書き兼用配線５に接続されるので、ＴＭＲ素子４に読み出し電流を供給できるようになる。

ビット配線１３、１４は、アレイ状に配置される複数の記憶領域３の列毎に配設されている。ビット配線１３は、対応列に属する全記憶領域３の読み書き兼用トランジスタ６に接続され、この読み書き兼用トランジスタ６を介して読み書き兼用配線５の一端に接続される。また、ビット配線１４は、対応列に属する全記憶領域３の読み書き兼用配線５の他端に接続される。ビット配線１３とビット配線１４間に電位差を付与しつつ、読み書き兼用トランジスタ６によって導通を許可すれば、読み書き兼用配線５に電流が流れるようになる。

ワード配線１５、１６は、記憶領域３の各行に配設される。ワード配線１５は、対応行に属する全記憶領域３において、読み書き兼用トランジスタ６のゲートに接続されている。また、ワード配線１６は、対応行に属する全記憶領域３において、読み出し配線７を介してＴＭＲ素子４に接続される。

図１に戻って、ビット選択回路１１は、各記憶領域３の読み書き兼用配線５に正または負の書き込み電流を提供する機能を備える。具体的にビット選択回路１１は、内部または外部から指示されたアドレスに応じて、アレイ状に配置される記憶領域３から所定列を選択するアドレスデコーダ回路と、この選択した所定列に対応するビット配線１３、１４間に正または負の電位差を付与して、この所定列のビット配線１３、１４間に設置される読み書き兼用配線５に書き込み電流を供給するカレントドライブ回路を含んでいる。

ワード選択回路１２は、内部または外部から指示されたアドレスに応じて、アレイ状に配置される記憶領域３から所定行を選択するアドレスデコーダ回路と、この所定行に対応するワード配線１５、１６に所定の電圧を供給するカレントドライブ回路を含んでいる。従って、ワード選択回路１２を用いて、所定行に相当するワード配線１５に制御電圧を印加すれば、読み書き兼用トランジスタ６を導通状態にすることができる。この導通制御により、上記ビット選択回路１１によって選択されたアドレスの読み書き兼用配線５に対して、書込み電流を流すか流さないかを選択できるようになる。更にワード選択回路１２は、ワード配線１６に所定の電圧を印加する事で、読み出し電流の制御も可能となっている。具体的には、ビット選択回路１１において、内部または外部から指示されたアドレスに対応する列をアドレスデコーダ回路によって選択し、そのビット配線１３に所定電圧を印加する。これと同時に、ワード選択回路１２では、アドレスデコーダ回路によってアドレスに対応する行を選択して、その行に対応するワード配線１６に所定電圧を印加する事で、このビット配線１３とワード配線１６との間に読み出し電流を供給する。この際に、選択された所定行のワード配線１５にも電圧を印加して、読み書き兼用トランジスタ６に基づいて読み出し電流を流すように制御する。

次に、この磁気記憶装置１における記憶領域３の具体的構造について詳細に説明する。図３は、記憶領域３の配線状態等を立体的に示した斜視図である。記憶領域３は、大きくは下側から半導体層、配線層、磁性材料層を備えている。半導体層は特に図示しない半導体基板を含み、記憶領域３全体の機械的強度を維持しながら、読み書き兼用トランジスタ６等の半導体デバイスが形成される。最上位の磁性材料層には、ＴＭＲ素子４、ＴＭＲ素子４に磁界を効率的に与えるための強磁性ヨーク２０といった磁性素材による構成物が形成される。中間に位置する配線層は、ビット配線１３及び１４並びにワード配線１５及び１６、読み書き兼用配線５の一部、読み出し配線７等が形成される。

半導体層における読み書き兼用トランジスタ６は、絶縁領域に取り囲まれるように形成されており、隣接する複数の読み書き兼用トランジスタ６が互いに電気的に分離されている。絶縁領域には例えばＳｉＯ２といった絶縁性材料が用いられ、又、半導体基板は例えばＳｉ基板から構成され、そこにｐ型またはｎ型の不純物がドープされることになる。

図４に拡大して示されるように、読み書き兼用トランジスタ６は、半導体基板３０の反対導電型となるドレイン領域６Ａ、ソース領域６Ｂ、ゲート電極６Ｃ等によって構成されている。従って、ドレイン領域６Ａとソース領域６Ｂの間には半導体基板３０が介在しており、その半導体基板３０上に所定の間隔を空けてゲート電極６Ｃが配置されている。このゲート電極６Ｃはワード配線１５によって構成されており、この構成により、ワード配線１５に電圧が印加されると、読み書き兼用トランジスタ６のドレイン領域６Ａ及びソース領域６Ｃが互いに導通して、ビット配線１３から供給される電流が読み書き兼用配線５に流れるようになっている。

図３に戻って、配線層におけるビット配線１３及び１４、ワード配線１５及び１６等の各配線以外の領域は、すべて絶縁領域によって占められる。この絶縁領域の材料としては、半導体層の絶縁領域と同様にＳｉＯ２といった絶縁性材料を用いる。また、配線の材料としては例えばＷやＡｌを用いることができる。

ＴＭＲ素子４に隣接する読み書き兼用配線５は、記憶領域３のアレイ面（平面）方向に延在しながらも、この平面内でＬ字上に屈曲した形状となっている。更に、読み書き兼用配線５の一端は平面に対して垂直方向に屈曲して垂直配線となり、その下方側においてビット配線１４に接続される。読み書き兼用配線５の他端は、同様に平面に対して垂直方向に屈曲して垂直配線となり、その下端において読み書き兼用トランジスタ６のドレイン領域６Ａとオーミック接合される。

また、ビット配線１３には、各記憶領域３の引き込み線１３Ａが平面方向に分岐形成されており、その先方で垂直方向に屈曲して、読み書き兼用トランジスタ６のソース領域６Ｂにオーミック接合される。読み出し配線７も平面方向に延在しており、その一端はＴＭＲ素子４に電気的に接続され、他端は垂直方向に屈曲して下方側においてワード配線１６に接続される。

行方向に延びるワード配線１５は、その一部がゲート電極６Ｃを兼ねている。このことは、ワード配線１５が読み書き兼用トランジスタ６のゲート電極６Ｃに電気的に接続されることと同義である。

次に、図５を用いて磁性材料層について説明する。磁性材料層は、ＴＭＲ素子４と、強磁性ヨーク２０と、読み書き兼用配線５の一部と、読み出し配線７の一部等を有する。なお、磁性材料層においては、以下に説明する構成や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。

図６に拡大して示されるように、ＴＭＲ素子４は、外部磁界によって磁化方向が変化する第１磁性層（フリー層／感磁層）４Ａと、磁化方向が固定された第２磁性層（ピンド層）４Ｂと、第１磁性層４Ａ及び第２磁性層４Ｂに挟まれた非磁性絶縁層（絶縁体層）４Ｃと、第２磁性層の磁化方向を固定（ピン止め）する反強磁性層４Ｄとを備える。このＴＭＲ素子４は、外部磁界を受けて第１磁性層４Ａの磁化方向が変化すると、第１磁性層４Ａと第２磁性層４Ｂとの間の抵抗値が変化するようになっている。この抵抗値の差によって、二値データを記録することができる。なお、第１磁性層４１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。

第２磁性層４Ｂは、反強磁性層４Ｄ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４Ｄと第２磁性層４Ｂとの接合面における交換結合によって、第２磁性層４Ｂの磁化方向が一方向に配向された状態で安定化されている。第２磁性層４Ｂの磁化容易軸方向は、第１磁性層４Ａの磁化容易軸方向に沿うように設定される。第２磁性層４Ｂ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４Ｄの材料としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＮｉＯ、またはこれらを任意の組み合わせた材料を用いることができる。

非磁性絶縁層４Ｃは、非磁性且つ絶縁性の材料からなる層であり、第１磁性層４Ａと第２磁性層４Ｂとの間に介在して、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）が生じるようにしている。詳細には、第１磁性層４Ａと第２磁性層４Ｂの磁化方向との相対関係（即ち、平行または反平行）によって、電気抵抗値が異なる特性を有している。非磁性絶縁層４Ｃ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、特に図示しないが、第２磁性層４Ｂの磁化方向を安定化させる層として、反強磁性層４Ｄ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３磁性層を設けても良い。この第３磁性層が第２磁性層４Ｂとの間で反強磁性結合を形成することにより、第２磁性層４Ｂの磁化方向をさらに安定化させることができる。このような第３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２磁性層４Ｂと第３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２磁性層４Ｂと第３磁性層との間に強い反強磁性結合を得るためには２ｎｍ以下であることが好ましい。

ＴＭＲ素子４の反強磁性層４４は、読み書き兼用配線５と電気的に接続されている。ＴＭＲ素子４の第１磁性層４１は、強磁性ヨーク２０を介して読み出し配線７に電気的に接続される。この構成により、読み出し電流を、読み書き兼用配線５からＴＭＲ素子４を介して読み出し配線７へ流すことが可能となり、ＴＭＲ素子４の抵抗値の変化を検出する事が出来るようになる。なお、強磁性ヨーク２０は、読み書き兼用配線５のＴＭＲ素子４との隣接領域５Ａ（図３参照）を覆うように配置されている。なお、ＴＭＲ素子４の第１磁性層４Ａの磁化容易軸は、読み書き兼用配線５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。

図５に戻って、強磁性ヨーク２０は、読み書き兼用配線５におけるＴＭＲ素子４側に配置される素子側ヨーク２０Ａと、読み書き兼用配線５におけるＴＭＲ素子４の反対側に配置される反素子側ヨーク２０Ｂと、素子側ヨーク２０Ａの両端と反素子側ヨーク２０Ｂの両端を連結して環状とし、読み書き兼用配線５が内部を貫通するように配置される一対の側部ヨーク２０Ｃ、２０Ｃとを備えて構成される。ＴＭＲ素子４は、素子側ヨーク２０Ａと読み書き兼用配線５の間に設置される。従って、ＴＭＲ素子４の第１磁性層４Ａは、素子側ヨーク２０Ａを介して読み出し配線７に接続されており、一方、ＴＭＲ素子４の反強磁性層４Ｄは読み書き兼用配線５と接触している。強磁性ヨーク２０と、その内部の読み書き兼用配線５との間は絶縁体２２によって隙間が確保され、互いに接触して電気的にショートしないように考慮されている。

強磁性ヨーク２０は、読み書き兼用配線５の延在方向から軸視した際に略台形となるように設定されている。台形において、反素子側ヨーク２０Ｂを上底とし、これに平行する素子側ヨーク２０Ａを下底とした場合、本実施形態では上底に対して下底の方が長く設定されており、この寸法差によって、一対の側部ヨーク２０Ｃ、２０Ｃが傾斜した状態となっている。なお、強磁性ヨーク５を構成する強磁性材料としては、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。

強磁性ヨーク２０における反素子側ヨーク２０Ｂ、側部ヨーク２０Ｃの外周側には、ヨーク用反強磁性層２６が形成されている。強磁性ヨーク２０は、このヨーク用反強磁性層２６との接合面における交換結合によって磁化方向が安定化されている。強磁性ヨーク２０における磁化状態のピン止め方向は、読み書き兼用配線５の延在方向、即ちこの読み書き兼用配線５が生じる誘導磁界に対する垂直方向と略一致するように設定されている。

次に、図７〜図９を参照して、本実施形態の磁気記憶装置１におけるＴＭＲ素子４への情報書き込み動作について説明する。

図７に示されるように、読み書き兼用配線５に電流が流れていない場合、この読み書き兼用配線５による磁界が生じないので、強磁性ヨーク２０の磁化状態Ｘは、ヨーク用反強磁性層２６によるピン止め作用の影響を受け、読み書き兼用配線５の延在方向と略一致した状態となっている。従って、強磁性ヨーク２０は、全体の磁化方向が一方向に統一された単磁区状態である。ＴＭＲ素子４における第２磁性層４Ｂの磁化方向Ｂと第１磁性層４Ａの磁化方向Ａは互いに一致している。ここでは磁化方向Ａ、Ｂが一致している場合、二値データの０が書き込まれていると定義する。

図８に示されるように、読み書き兼用配線５に書き込み電流Ｉ１が流れると、読み書き兼用配線５の周囲に、周方向磁界Ｆ１が発生する。磁界Ｆ１は、その周囲に設けられた強磁性ヨーク５の内部を周回して閉じた経路を形成する。強磁性ヨーク５の磁化状態Ｘは、この磁界Ｆ１に誘導されるようにして、ヨーク用反強磁性層２６のピン止め作用（点線矢印参照）の影響力に抗しながら、滑らかに磁化方向を９０度回転させて磁界Ｆ１の方向に一致させる。

この結果、読み書き兼用配線５から生じる磁化状態Ｆ１と、強磁性ヨーク２０に生じる磁化状態Ｘが合成された強い磁界が、ＴＭＲ素子４における第１磁性層４Ａに作用し、その磁化方向Ａが反転することになる。この状態で読み書き兼用配線５の電流Ｉ１を止めると、強磁性ヨーク２０の磁化状態Ｘは、ヨーク用反強磁性層２６のピン止めの影響を受けて図７の状態に滑らかに戻るが、ＴＭＲ素子４の磁化方向Ａは、図８のように反転したまま維持される。磁化方向Ａ、Ｂが反対となったまま維持されることから、ここでは二値データの１が書き込まれた事になる。

次に、図９に示されるように、読み書き兼用配線５において、Ｉ１と反対方向となる書き込み電流Ｉ２が流れると、読み書き兼用配線５の周囲に周方向の磁界Ｆ２が発生する。磁界Ｆ２は、その周囲に設けられた強磁性ヨーク５の内部を周回する閉じた経路を形成する。強磁性ヨーク５の磁化状態Ｘは、この磁界Ｆ２に誘導されるようにして、ヨーク用反強磁性層２６のピン止め作用（点線矢印参照）の影響力に抗しながら、滑らかに磁化方向を９０度回転させて磁界Ｆ２の方向に一致させる。

この結果、読み書き兼用配線５から生じる磁化状態Ｆ２と、強磁性ヨーク２０に生じる磁化状態Ｘが合成され、その強い磁界がＴＭＲ素子４における第１磁性層４Ａに作用し、磁化方向Ａが反転して再び第２磁性層４Ｂの磁化方向Ｂと一致する。この状態で読み書き兼用配線５の電流Ｉ２を止めると、強磁性ヨーク２０の磁化状態Ｘは、ヨーク用反強磁性層２６のピン止めの影響を受けて図７の状態に戻る。ＴＭＲ素子４は、磁化方向Ａ、Ｂが一致しているので、ここでは二値データの０が再び書き込まれた事になる。

なお、ＴＭＲ素子４に書き込まれた二値データを読み出す際には、読み書き兼用配線５と読み出し配線７との間に読み出し電流を流し、その電流値の変化または両配線間の電位差の変化を検出する。これによりＴＭＲ素子４の抵抗値が明らかとなり、二値データのいずれかを記録しているか（すなわち、第１磁性層４Ａの磁化方向Ａが第２磁性層４Ｂの磁化方向Ｂと平行か反平行か）を判別する。例えば、第１磁性層４Ａの磁化方向Ａが第２磁性層４Ｂの磁化方向Ｂと同方向である場合、非磁性絶縁層４Ｃにおけるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）によって、第１磁性層４Ａと第２磁性層４Ｂとの間の抵抗値が比較的小さくなる。反対に、磁化方向Ａと磁化方向Ｂが対向方向となる場合、トンネル磁気抵抗効果によって、第１磁性層４Ａと第２磁性層４Ｂとの間の抵抗値が比較的大きくなる。

以上説明した磁気記憶装置１によれば、強磁性ヨーク２０の磁化状態Ｘが、常に単磁区状態となっていることから、複数の磁区が不規則に自然形成されている場合と比較して、滑らかな磁界変化を得ることが出来、バルクハウゼンノイズを低減する事が出来る。また、図１で示したように、複数の記憶領域３がアレイ状に配置される場合において、それらの間で、読み書き兼用配線５及び強磁性ヨーク５によって得られる磁界特性を均質化することができ、書き込み制御が容易化される。

また、読み書き兼用配線５が、記憶領域３毎にビット配線１３から引き込まれ、各読み書き兼用配線５に強磁性ヨーク２０が形成されるような独立構造の場合、通常、複数の強磁性ヨーク２０の間における磁化特性が異なるので、各記憶領域３の磁化特性にばらつきが発生し易い。しかしながら、本磁気記憶装置１のように、強磁性ヨーク２０を単磁区化しておけば、磁界特性のばらつきを低減する事が出来、複数の記憶領域３の間で書込み速度等を均質化できる。

また、読み書き兼用配線５に強磁性ヨーク２０を設ける場合、強磁性ヨーク２０の環状方向が強磁性ヨーク２０にとっては長手方向となることから、ピン止めを行わないと、複数の磁区が主にその長手方向に形成されてしまい、環状方向の一方に偏った磁化状態となってしまう。つまり、二値書込みにおいて、一方の書込み速度と他方の書込み速度が異なってしまったり、一方で要求される電流・電圧値と他方で要求される電流・電圧値が異なってしまったりする事態が生じ得る。そこで本第１実施形態によれば、強磁性ヨーク２０の磁化状態Ｘが強制的に配線方向に固定していることから、常に中立的な磁化状態Ｘに維持されるので、書込み作業を行う際には、読み書き兼用配線５における電流方向に依存すること無く、「０」、「１」双方の書込みにおいて、その電流・電圧値や、磁界生成速度（立ち上がり速度／書込み速度）を均質化する事が可能になる。

また、この磁気記憶装置１によれば、製造工程において、強磁性ヨーク２０を形成した後に、その上方からヨーク用反強磁性層２６を積層することで、反素子側ヨーク２０Ｂと側部ヨーク２０Ｃの外周側にヨーク用反強磁性層２６を形成できるので、容易に強磁性ヨーク２０をピン止めする事が可能となっている。更に、この磁気記憶装置１のように、読み書き兼用配線５が強磁性ヨーク２０の前後で屈曲するような複雑な構造の場合、それらの配線からノイズとなる磁界が生じ易い。強磁性ヨーク２０は、それらの様々なノイズ磁界の影響を受け易いが、ヨーク用反強磁性層２６によって強磁性ヨーク２０をピン止めしておくことで、その磁化状態Ｘに中立方向のバイアスが作用するので、ノイズの影響を低減する事が可能となる。

なお、磁気記憶装置１では、反素子側ヨーク２０Ｂと側部ヨーク２０Ｃにヨーク用反強磁性層２６を付加した場合を示したが、例えば図１０（Ａ）に示されるように、予め、読み出し配線７の上にヨーク用反強磁性層２６を形成し、その上に素子側ヨーク２０Ａを形成するようにして、素子側ヨーク２０Ａを積極的にピン止めすることも好ましい。

また、図１０（Ｂ）に示されるように、素子側ヨーク２０Ａを分断してその間にＴＭＲ素子４を介在配置することも好ましい。この場合、素子側ヨーク２０Ａの分断面とＴＭＲ素子４の端面に隙間を確保しておくようにしつつ、ＴＭＲ素子４と読み出し配線７を直接的に接触させるようにしても良い。このようにすると、強磁性ヨーク２０による磁界を、ＴＭＲ素子４の端面に印加することが可能になり、書き込み及び読み出しの応答性を向上させることが可能になる。更に例えば、各素子側ヨーク２０Ａの内周側（即ち、読み書き兼用配線５側）にヨーク用反強磁性層２６を付加するようにしても良い。なお、本発明でいう「素子側ヨークの分断」は、製造工程を経て完成された強磁性ヨーク２０の形状状態を意味しており、連続的な素子側ヨーク２０Ａを形成した後に、分断加工を行う場合に限定されるものではない。例えば、（分断されたような状態となり得る）一対の素子側ヨーク２０Ａを個別に形成するようにして、その間にＴＭＲ素子４を介在させてもよい。

次に、図１１を参照して、第２実施形態に係る磁気記憶装置１０１について説明する。この磁気記憶装置１０１は、複数のビット配線１１３、複数のワード配線１１５、複数のＴＭＲ素子１０４を備えている。ビット配線１１３は、平面内において互いに平行となるように配置されており、又、ワード配線１１５も同様に、ビット配線１１３と所定間隔をあけた平面内において互いに平行に配置されている。なお、ビット配線１１３とワード配線１１５の延在方向は垂直となっているので、全体視すると、これらの配線１１３、１１５によって格子が構成されることになる。ビット配線１１３及びワード配線１１５は、自身に流れる電流によってＴＭＲ素子１０４に対する書き込み用の磁界を生じさせる。

ＴＭＲ素子１０４は、ビット配線１１３とワード配線１１５が交差する場所（いわゆるクロスポイントＫ）に隣接配置されており、詳細には、このクロスポイントＫにおいて、ビット配線１１３とワード配線１１５の間に挟持されるように設置される。従って、ＴＭＲ素子１０４の一方の面はビット配線１１３と当接し、他方の面はワード配線１１５と当接している。

なお、このように格子の交点となるクロスポイントＫにＴＭＲ素子１０４が配置される事は、言い換えると、各ビット配線１１３又はワード配線１１５が、複数のＴＭＲ素子１０４に跨るようにして配設されていることになる。

更に、全てのビット配線１１３及びワード配線１１５の一部は、長手方向に沿って配線用強磁性層１４０によって覆われており、いわゆるクラッド構造となっている。配線用強磁性層１４０は、ビット配線１１３及びワード配線１１５におけるＴＭＲ素子１０４の反対側面（反素子側面）を直接的に被覆するように配設されており、この配線用強磁性層１４０が各配線１１３、１１５から生じる磁束の漏れを抑制する構造となっている。この結果、ビット配線１１３、ワード配線１１５から発生する磁束が、配線用強磁性層１４０と反対側にあるＴＭＲ素子１０４に集中する。

更に、この配線用強磁性層１４０の外側面（ビット配線１１３、ワード配線１１５の反対側面）には、クラッド用反強磁性層１２６が付加されており、このクラッド用反強磁性層１２６との接合面における交換結合によって、配線用強磁性層１４０の磁化方向が安定化されている。クラッド用反響磁性層１２６による配線用強磁性層１４０の磁化状態Ｘのピン止め方向は、その配線用強磁性層１４０が被覆しているビット配線１１３又はワード配線１１５の延在方向と略一致するように設定されている。従って、ビット配線１１３、ワード配線１１５に電流が流れていない場合における配線用強磁性層１４０の磁化状態は、単磁区且つ配線方向となる。

本磁気記憶装置１０１における書込み作業は、先ず、要求アドレスに基づいて、複数のビット配線１１３の中から１つの配線を選択すると共に、同要求アドレスに基づいて複数のワード配線１１５の中から１つの配線を選択する。そして、二値情報（０、１）の何れを書き込むのかを判断し、二値情報に基づいた電流を流す。その結果、ビット配線１１３及びワード配線１１５には周方向の磁界が発生するので、この磁界に誘導されるように、各配線用強磁性層１４０の磁化状態Ｘの方向が滑らかに回転して、各配線１１３、１１５の磁界と一致するようになる。このビット配線１１３とワード配線１１５の双方の磁界の相互作用によって、ＴＭＲ素子１０４の第１磁性層（図示省略）の磁化状態が所定の方向に設定され、二値情報の書込み作業が完了する。

この磁気記憶装置１０１においても、第１実施形態と同様に、磁束の漏れを防止する配線用強磁性層１４０の磁化状態Ｘが、配線の延在方向にピン止めされ、単磁区化が図られている。従って、ビット配線１１３又はワード配線１１５から生じる磁界の誘導に基づく磁化状態Ｘの変化が滑らかとなり、書込みノイズが低減される。特に、本第２実施形態のように、一本のワード配線１１３又はビット配線１１５の長手方向に亘って複数のクロスポイントＫが存在する場合、その配線１１３、１１５にクラッド構造を採用することで長手方向の磁化特性が不均一化すると、各ＴＭＲ素子１０４（クロスポイントＫ）に対する磁界の強さや変動特性が異なってしまい、書込み時のタイミング制御や、電流／電圧制御が複雑となる。しかし、本磁気記憶装置１０１では、各配線１１３、１１５をクラッド構造としながらも、クラッド用反強磁性層１２６によって、長手方向全域に磁気特性が均質化されるので、全ＴＭＲ素子１０４に対する書込み時の磁化状態が均質化され、書込み速度を向上させることが可能になる。

なお、本第２実施形態の磁気記憶装置１０１では、ビット配線１１３及びワード配線１１５の反素子面のみを配線用強磁性層１４０で覆う場合を示したが、本発明はそれに限定されない。例えば図１２に示されるように、配線用強磁性層１４０が、配線１１３、１１５の反素子面に加えて、この反素子面と連続して各配線１１３、１１５の両側面を被覆するように断面コ字状に配設されるようにすることも望ましく、磁束の漏れ量を一層低減して、ＴＭＲ素子１０４に効率的に磁界を提供する事が出来る。この際、クラッド用反強磁性層１２６は、配線用強磁性層１４０における反素子面側の外側のみに付加しても良く、更に図１３に示されるように、断面コ字状の配線用強磁性層１４０の外周全域に亘ってクラッド用反強磁性層１２６を付加するようにして、配線、クラッド、反強磁性層を入れ子状態にしても構わない。

更に本磁気記憶装置１０１においては、例えばビット配線１１３又はワード配線１１５の一方のみにクラッド用反強磁性層１２６を付加するようにしてもよい。更に、図１１〜図１３で示した各種クラッドを組み合わせても良く、例えば、下部側に位置するワード配線１１５に関しては図１１のクラッド及び反強磁性層を採用し、上部側に位置するビット配線１１３に関しては図１２のクラッド及び反強磁性層を採用するようにしても良い。

また、本第２実施形態では、ビット配線１１３、ワード配線１１５が、その長手方向全域に亘って被覆されている場合を示したが、本発明はそれに限定されるものではなく、長手方向に対して部分的に被覆するようにしても良い。例えば、ＴＭＲ素子１０４に対する磁界の強さを向上させる観点では、各配線１１３、１１５における少なくともクロスポイントＫを含む領域を部分的に被覆して、部分的にクラッド構造にすることも可能である。

図１４には、本発明の第３の実施形態に係る磁気記憶装置２０１の全体構成が示されている。なお、磁気記憶装置２０１の説明は、第１実施形態と異なる点を中心に行うものとし、第３実施形態と共通する部分・部材については、図面の符号下２桁を一致させる事で説明を省略する。

図１５に拡大して示されるように、この磁気記憶装置２０１における記憶部２０２の各記憶領域２０３は、ＴＭＲ素子２０４、書込み専用配線２０５Ａ、読み出し専用配線２０５Ｂ、書込み専用トランジスタ２０６Ａ、読み出し専用トランジスタ２０６Ｂ等を有する。従って、読み書き兼用配線を利用した第１実施形態と異なり、第２実施形態の磁気記憶装置２０１では、書込み専用配線２０５Ａと読み出し専用配線２０５Ｂを別々に配置することで、回り込み電流等のノイズ要因を低減できるようになっている。

書込み専用配線２０５Ａの両端は、２本のビット配線２１３、２１４に接続されており、更にこの両端の間に書込み専用トランジスタ２０６Ａが配置されている。従って、ビット配線２１３、２１４間に電圧を印加して、書込み専用トランジスタ２０６ＡをＯＮにすることで、書込み専用配線２０５Ａに電流を流す事が可能となり、近接配置されるＴＭＲ素子２０４の周囲に磁界を発生させる事ができる。また、読み出し専用配線２０５Ｂの両端も２本のビット配線２１３、２１４に接続されており、更に、この両端間に読み出し専用トランジスタ２０６Ｂ及びＴＭＲ素子２０４が配置されている。従って、ビット配線２１３、２１４間に電圧を印加して、読み出し専用トランジスタ２０６ＢをＯＮにすることで、読み出し専用配線２０５Ｂに電流を流す事が可能となり、ＴＭＲ素子２０４の抵抗値の変化を検出する事ができる。なお、書込み専用トランジスタ２０６Ａはワード配線２１５に接続されており、読み出し専用トランジスタ２０６Ｂはワード配線２１６に接続されている。従って、このワード配線２１５、２１６に印加する電圧を利用して、各トランジスタ２０６Ａ、２０６Ｂの導通状態を個別に切り替えるようになっている。この結果、必要に応じてビット配線２１３、２１４からワード配線２１５に対して電流を流すこともできる。

図１６には、強磁性ヨーク２２０が拡大して示されている。この強磁性ヨーク２２０は、書込み専用配線２０５ＡにおけるＴＭＲ素子２０４側に近接配置される素子側ヨーク２２０Ａと、書込み専用配線２０５ＡにおけるＴＭＲ素子２０４の反対側に近接配置される反素子側ヨーク２２０Ｂと、素子側ヨーク２２０Ａの両端と反素子側ヨーク２２０Ｂの両端を連結して略環状とし、書込み専用配線２０５Ａが内部を貫通するように配置される一対の側部ヨーク２２０Ｃ、２２０Ｃとを備えて構成される。なお、素子側ヨーク２２０Ａに形成される空隙には、ＴＭＲ素子２０４が配置されている。

このＴＭＲ素子２０４と書込み専用配線２０５Ａは、絶縁体２２２によって相互に絶縁状態となっている。一方、このＴＭＲ素子２０４の上端面及び下端面は読み出し専用配線２０５Ｂに接続されている。なお、上端側の読み出し専用配線２０５Ｂは、断面が下に凸となる薄膜構造となっており、書込み専用配線２０５ＡとＴＭＲ素子２０４を可能な限り接近させるようにしている。

さらに、強磁性ヨーク２２０における反素子側ヨーク２２０Ｂ、側部ヨーク２２０Ｃ、２２０Ｃの外周側には、ヨーク用反強磁性層２２６が形成されている。従って、強磁性ヨーク２２０は、このヨーク用反強磁性層２２６との接合面における交換結合によって磁化方向が安定化されている。強磁性ヨーク２２０における磁化状態のピン止め方向は、書き込み専用配線２０５Ａの延在方向、即ちこの書込み専用配線２０５Ａが生じる誘導磁界に対する垂直方向と略一致するように設定されている。

この第３実施形態の磁気記憶装置２０１においても、第１実施形態と同様の効果を得ることができ、加えて、書込み専用配線２０５Ａと読み出し専用配線２０５Ｂが独立しているので、書込み動作時には、書込み専用配線２０５Ａのみに電流を流すことができる。一方、読み出し動作時には、読み出し専用配線２０５Ｂのみに電流を流すことができる。この結果、ダイオード等を配置しなくても回り込み電流等を回避することが可能になるので、書き込み及び読み出し動作を更に安定させることができる。

（実施例）

第３実施形態の磁気記憶装置２０１における記憶領域２０３を４つ（サンプルＮｏ１〜４）製造し、書込み専用配線２０５Ａに電流を流して、ＴＭＲ素子２０４の磁界がどのように反転するかを計測した。具体的にＴＭＲ素子２０４における、書込み専用配線２０５Ａの長手方向寸法を０．２μｍ、幅方向寸法を０．５μｍ、書込み専用配線２０５Ａの幅を０．５μｍ、強磁性ヨーク２２０における、書込み専用配線２０５Ａの長手方向寸法を０．２μｍ、素子側ヨーク２２０Ａの肉厚を２０ｎｍ、反素子側ヨーク２２０Ｂの肉厚を５０ｎｍに設定した。ＴＭＲ素子２０４の磁界の反転状態は、ＴＭＲ素子２０４のＭＲ比（％）の変動状態を計測することによって行った。なお、ＭＲ比とは、ＴＭＲ素子２０４の第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁化方向が一致している場合におけるＴＭＲ素子２０４の抵抗値をＲ（ａ＝ｂ）、第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁化方向が反対となる場合のＴＭＲ素子２０４の抵抗値をＲ（ａ≠ｂ）とした場合に、｛Ｒ（ａ≠ｂ）−Ｒ（ａ＝ｂ）｝／Ｒ（ａ＝ｂ）で示される比率である。この結果を図１７に示す。

図からも明らかなように、書込み専用配線２０５Ａに流す電流の方向を繰り返し反転させた場合であっても、ノイズの少ない安定したヒステリシス曲線が描かれていることがわかる。また、このヒステリシス曲線の形状が点対称に近い状態になっていることから、強磁性ヨーク２２０の磁化状態のバランスが優れていることが分かる。これは、ヨーク用反強磁性層２２６によって、強磁性ヨーク２２０の磁界が、中立状態で単磁区化されていることが要因であると考えられる。この結果、複数の記憶領域２０３をアレイ状に配置した場合であっても、全ての記憶領域２０３の間で書込み速度等を均質化できるようになる。

（比較例）

ヨーク用反強磁性層２２６の効果を明らかにするために、実施例で製造した磁気記憶装置２０１と同じ寸法であるが、ヨーク用反強磁性層２２６が形成されていない記憶領域２０３を４つ（サンプルＮｏ５〜８）製造し、書込み専用配線２０５Ａに電流を流して、ＴＭＲ素子２０４の磁界がどのように反転するかを、ＭＲ比を用いて計測した。この結果を図１８に示す。

図からも明らかなように、書込み専用配線２０５Ａに流す電流の方向を繰り返し反転させた場合、部分的に大きなノイズが発生していることがわかる。これは、強磁性ヨーク２２０の磁化状態が不安定であることを意味する。また、ヒステリシス曲線の全体形状が非対称となっており、ＴＭＲ素子２０４に対する一方向の書込みと他方向の書込みでは、その応答特性が大きく異なることが明らかとなっている。これは、強磁性ヨーク２２０がピン止めされていないことにより、複数の磁区が主にその長手方向に形成されてしまい、環状方向の一方に偏った磁化状態となっていることが原因であると考えられる。

なお、本発明による磁気記憶装置は、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。

また、上記第１又は第３実施形態では、書き込み電流及び読み出し電流を制御するためのスイッチ手段としてトランジスタ（読み書き兼用トランジスタ）を用いているが、このスイッチ手段としては、必要に応じて電流を遮断／導通させる機能を有する様々な手段を適用することができる。

更に、本実施形態では、配線を覆う強磁性体の磁化状態を固定する手段として、強磁性体に反強磁性層を付加する場合に限って示したが、本発明はそれに限定されない。例えば、配線を覆う強磁性体に対して、非磁性金属層等を介して更なる磁性層を設け、この磁性層が強磁性体と反強磁性結合を形成する事によって、ピン止め効果を得るようにして良い。

なお、本発明の磁気記憶装置は、上記した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内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明は、磁気抵抗効果素子によって各種情報を記録・保持するような分野において広く利用する事が出来る。

本発明の第１実施形態に係る磁気記憶装置の全体構成を示す概念図。 同磁気記憶装置の記憶領域を拡大して示す概念図。 同記憶領域の内部構造を立体的に示す拡大斜視図。 同記憶領域におけるトランジスタの構造を拡大して示す断面図。 同記憶領域における磁性層の構造を拡大して示す断面図。 同磁性層に配置される磁気抵抗効果素子の積層構造を拡大して示す側面図。 同磁性層における強磁性ヨークの磁化状態を模式的に示す部分断面斜視図。 同磁性層における強磁性ヨークの磁化状態を模式的に示す部分断面斜視図。 同磁性層における強磁性ヨークの磁化状態を模式的に示す部分断面斜視図。 同磁性層における他の構成例を示す断面図。 本発明の第２実施形態に係る磁気記憶装置の構造を拡大して示す斜視図。 同磁気記憶装置の他の構成例を示す斜視図。 同磁気記憶装置の他の構成例を示す斜視図。 本発明の第３実施形態に係る磁気記憶装置の全体構成を示す概念図。 同磁気記憶装置の記憶領域を拡大して示す概念図。 同記憶領域の内部構造を拡大して示す断面図。 実施例に係る磁気記憶装置のＭＲ比の変化状態を示すグラフ図。 比較例に係る磁気記憶装置のＭＲ比の変化状態を示すグラフ図。 従来の磁気記憶装置の他の構成例を示す斜視図。

符号の説明

１、１０１・・・ 磁気記憶装置
４、１０４・・・ 磁気抵抗効果素子
１３、１４、１１３・・・ ビット配線
１５、１６、１１５・・・ ワード配線
２０・・・ 強磁性ヨーク
２６・・・ ヨーク用反強磁性層
１２６・・・ クラッド用反強磁性層
１４０・・・ 配線用強磁性層

Claims (12)

1. 書込用の磁界を生じさせる配線と、
   前記配線に隣接配置される磁気抵抗効果素子と、
   前記配線の少なくとも一部を覆うように配設され、磁化状態が所定方向に配向されている強磁性体と、
   を備えることを特徴とする磁気記憶装置。
2. 請求項１において、
   前記強磁性体の磁化状態が単磁区とされていることを特徴とする磁気記憶装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記強磁性体の磁化状態が、該配線の延在方向と略同一方向にピン止めされていることを特徴とする磁気記憶装置。
4. 書込用の磁界を生じさせる配線と、
   前記配線に隣接配置される磁気抵抗効果素子と、
   前記配線の少なくとも一部を覆うように配設される強磁性体と、
   前記強磁性体の磁化状態を、該配線の延在方向と略同一方向にピン止めする磁化方向固定手段と、
   を備えることを特徴とする磁気記憶装置。
5. 請求項４において、
   前記磁化方向固定手段として、前記強磁性体に反強磁性層が付加されていることを特徴とする磁気記憶装置。
6. 請求項５において、
   前記磁気抵抗効果素子が前記配線に沿って複数配置されると共に、前記強磁性体が、配線における磁気抵抗効果素子との複数の隣接点を跨って配設されていることを特徴とする磁気記憶装置。
7. 請求項５又は６において、
   前記強磁性体が、前記配線における前記磁気抵抗効果素子の反対側となる反素子面、及び前記配線における該反素子面と連続する両側面を被覆するように配設され、
   前記反強磁性層が、前記強磁性体における前記反素子面の外側に付加されていることを特徴とする磁気記憶装置。
8. 請求項４乃至７のいずれかにおいて、
   前記磁気抵抗効果素子が複数配置されることで、該磁気抵抗効果素子に情報を保持可能な記憶領域が複数形成されており、
   前記強磁性体及び前記磁化方向固定手段が、前記記憶領域毎に独立した状態で配設されていることを特徴とする磁気記憶装置。
9. 書込用の磁界を生じさせる配線と、
   前記配線に隣接配置される磁気抵抗効果素子と、
   前記配線の前記磁気抵抗効果素子との隣接領域を覆うように配置される強磁性ヨークと、
   該強磁性ヨークに付加され、前記強磁性ヨークの磁化状態のピン止め方向を前記配線の延在方向に略一致させる反強磁性層と、
   を備えることを特徴とする磁気記憶装置。
10. 請求項９において、
    前記強磁性ヨークが、
    前記配線における前記磁気抵抗効果素子側に、該配線と間隔をあけて配置される素子側ヨークと、
    前記配線における前記磁気抵抗効果素子の反対側に、該配線と間隔をあけて配置される反素子側ヨークと、
    前記素子側ヨークの両端と反素子側ヨークの両端を連結して環状とし、該配線と間隔をあけて配置される一対の側部ヨークと、を備えて構成され、
    環状となる前記強磁性ヨークの内周側に前記配線が貫通すると共に、該強磁性ヨークの外周側の少なくとも一部に前記反強磁性層が付加されていることを特徴とする磁気記憶装置。
11. 請求項１０において、
    前記素子側ヨークが前記環状方向に分断されることで、前記強磁性ヨークの環状状態が非連続とされており、
    前記素子側ヨークの前記分断された領域に、前記磁気抵抗効果素子が介在するように配置されていることを特徴とする磁気記憶装置。
12. 請求項４乃至１１のいずれかにおいて、
    前記配線が、前記磁気抵抗効果素子との隣接領域の外側において屈曲していることを特徴とする磁気記憶装置。

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