JP2007095734A - 磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小さなスイッチング磁場と半選択時の高い安定性の両立が可能な磁気記録装置を提供する。
【解決手段】磁気記録装置は、基準層と磁化可変層と非磁性層とを含む磁気抵抗効果素子１を含む。第１、第２書き込み線Ｌ１、Ｌ２は、磁気抵抗効果素子を挟み、それぞれ、磁化可変層の磁化困難軸、磁化容易軸に沿う磁場を磁化可変層に印加する。第１、第２電流供給回路ＳＤ１、ＳＤ２は、それぞれ、磁化容易軸に沿い且つ磁化可変層の磁化の向けたい方向である記録方向と反対の方向を向いた第１磁場が磁化可変層に印加され、磁化可変層に第１磁場が印加されながら磁化困難軸に沿った方向を向いた第２磁場が磁化可変層に印加され、磁化可変層に第２磁場が印加されながら記録方向を向いた第３磁場が磁化可変層に印加されるように、第１書き込み線および前記第２書き込み線に電流を供給する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、強磁性トンネル接合素子を含む磁気記録装置に関する。

強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）素子をメモリセルとして用いた磁気メモリが知られている。ＭＴＪ素子は、主に積層された強磁性層／絶縁層／強磁性層から構成される。絶縁層をトンネルして流れる電流に対する接合抵抗値は２つの強磁性層の磁化の方向が平行のときに極小値、反平行のときに極大値をとる。これはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果と呼ばれている。

強磁性層の一方は、その磁化を固定され、例えば基準層、固着層と呼ばれる。他方の強磁性層は、その磁化が変化し、例えば記憶層、自由層と呼ばれる。基準層と記憶層の磁化の方向の平行または反平行を２値情報に対応づけることによって情報が記憶される。情報の書き込みは、ＭＴＪ素子を挟む２つの書き込み線を流れる書き込み電流によって発生する磁場により記憶層の磁化を反転させることにより行なわれる。

記録層の磁化の方向を反転するために必要なスイッチング磁場の大きさが大きくなると、スイッチング磁場を発生するのに必要な書き込み電流が大きくなり、消費電力が増加する。したがって、スイッチング磁場を低減することは、低消費電力を実現するために重要である。

しかしながら、スイッチング磁場が小さくなると、書き込み電流が流れている一方の書き込み線に沿った、すなわち、半選択状態のＭＴＪ素子のうち、書き込み対象（選択対象）以外のものに、周囲の書き込み線からの磁場等により、誤書込みされやすくなる。このため、ＭＴＪ素子を用いて磁気メモリを実現するには、小さなスイッチング磁場と半選択時の高い安定性の両立が可能なＭＴＪ素子を用いることが望ましい。

特許文献１には、スイッチング磁場を低減するために、互いに反強磁性結合している２つの強磁性層と、これらの間に介在する非磁性層とを備える多層膜を記憶層として用いることが提案されている。記録層内の２つの強磁性層の磁化が実効的に相殺されることにより、記憶層全体としては磁化容易軸に沿って小さな磁化を持った強磁性体と同等と考えることができる。この記憶層の持つ磁化の向きと逆向きの磁場が印加されると、各強磁性層の磁化は反強磁性結合を保ったまま反転する。この際、磁力線が閉じていることから反磁場の影響が小さく、記録層のスイッチング磁場は各強磁性層の保磁力により決まるため、小さなスイッチング磁場での磁化反転が可能になる。
特開平9-251621号公報

本発明は、小さなスイッチング磁場と半選択時の高い安定性の両立が可能な磁気記録装置を提供しようとするものである。

本発明の第１の視点による磁気記録装置は、磁化の方向が固定された基準層と、磁化の方向が可変の磁化可変層と、前記基準層と前記磁化可変層との間に設けられた非磁性層と、を含む磁気抵抗効果素子と、前記磁化可変層の磁化困難軸に沿う磁場を前記磁化可変層に印加する第１書き込み線と、前記第１書き込み線とともに前記磁気抵抗効果素子を挟み、前記磁化可変層の磁化容易軸に沿う磁場を前記磁化可変層に印加する第２書き込み線と、前記第１書き込み線に電流を供給する第１電流供給回路と、前記第２書き込み線に電流を供給する第２電流供給回路と、を具備し、前記第１電流供給回路および前記第２電流供給回路が、前記磁化容易軸に沿い且つ前記磁化可変層の磁化の向けたい方向である記録方向と反対の方向を向いた第１磁場が前記磁化可変層に印加され、前記磁化可変層に前記第１磁場が印加されながら前記磁化困難軸に沿った方向を向いた第２磁場が前記磁化可変層に印加され、前記磁化可変層に前記第２磁場が印加されながら前記記録方向を向いた第３磁場が前記磁化可変層に印加されるように、前記第１書き込み線および前記第２書き込み線に電流を供給する、ことを特徴とする。

本発明の第２の視点による磁気記録装置は、磁化の方向が固定された基準層と、磁化の方向が可変の磁化可変層と、前記基準層と前記磁化可変層との間に設けられた非磁性層と、を含む磁気抵抗効果素子と、前記磁化可変層の磁化困難軸に沿う磁場を前記磁化可変層に印加する第１書き込み線と、前記第１書き込み線とともに前記磁気抵抗効果素子を挟み、前記磁化可変層の磁化容易軸に沿う磁場を前記磁化可変層に印加する第２書き込み線と、前記第１書き込み線に電流を供給する第１電流供給回路と、前記第２書き込み線に電流を供給する第２電流供給回路と、を具備し、前記第２電流供給回路が、前記第２書き込み線の第１方向に沿った方向に第１電流を供給し、前記第１電流供給回路が、前記第１電流が供給されている間に、前記第１書き込み線に第２電流を供給し、前記第２電流供給回路が、前記第２電流が供給されている間に、前記第１方向と反対の第２方向に第３電流を供給する、ことを特徴とする。

本発明によれば、小さなスイッチング磁場と半選択時の高い安定性の両立が可能な磁気記録装置を提供できる。

以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本発明の一実施形態に係る磁気記録装置のＭＴＪ素子を示す斜視図である。図１に示すように、ＭＴＪ素子１は、少なくとも、順に積層された強磁性層１１、絶縁層１２、強磁性層１３を有する。

また、ＭＴＪ素子１は、図２に示すように、いわゆる２重トンネル結合構造とすることもできる。この場合、ＭＴＪ素子１は、少なくとも、順に積層された強磁性層１１、絶縁層１２、強磁性層１３、絶縁層１４、強磁性層１５を有する。

なお、強磁性層１１、１３、１５は、複数のサブレイヤーからなる積層構造から構成されていてもよい。

強磁性層１３の磁化方向は、可変であり、磁場が外部から印加されることにより変化する。そして、強磁性層１３は、記録層（磁化可変層）として機能する。さらに、強磁性層１３を、非磁性層および強磁性層を交互に複数回積層して得られる積層体によって構成することもできる。

強磁性層１１、１５の磁化は固定されており、所定の外部磁場が印加されている状態でも実質的に変化しない。ここで、所定の外部磁場とは、強磁性層１３の磁化が変化する程度の大きさを有する磁場を意味する。

強磁性層１１、１５の磁化の固着は、例えば、強磁性層１１の下方、強磁性層１５の上方に、反強磁性層２１、２２をそれぞれ設けることにより行うことができる。この結果、強磁性層１１と反強磁性層２１、強磁性層１５と反強磁性層２２が、それぞれ交換結合することにより、強磁性層１１、１５の磁化が固着される。または、反強磁性層２１、２２の代わりに硬質磁性層２３、２４を用いることもできる。この場合、硬質磁性層２３、２４から発生する漏れ磁場により、強磁性層１１、１５の磁化が固着される。強磁性層１１、１５は、基準層として機能する。

また、基準層１１、１５の磁化は、記録層１３の磁化を変化させる磁場が印加されても不変である必要があるので、基準層１１、１５は、記録層１３の保磁力より強い保持力を有する磁性材料から構成される。

なお、図１の構成において、ＭＴＪ素子１が、強磁性層１３に積層された別の非磁性結合層および強磁性層をさらに含んでもよい。

次に、上記のＭＴＪ素子１に用いられる材料について説明する。ＭＴＪ素子１の読み出し感度を大きくするためには、各層の材料は、トンネル磁気抵抗効果の大きなＭＴＪ素子を得られるようなものを用いることが望ましい。より具体的には、強磁性層１１、１３、１５の材料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金などを用いることが望ましい。強磁性層１１、１３、１５のいずれかの平均厚さは、０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができ、より好ましくは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

絶縁層１２、１４の材料としては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＮｉＯ、ＳｉＯ₂、ＭｇＯなどを用いることができる。絶縁層１２、１４の膜厚の好ましい範囲は、０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下である。

反強磁性層２１、２２の材料としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎなどを用いることができる。

ＭＴＪ素子１を挟むように、２本の書き込み線Ｌ１、Ｌ２が設けられている。書き込み線Ｌ１、Ｌ２は、相互に異なる方向、典型例として相互に直交する方向に延びている。書き込み線Ｌ１はＭＴＪ素子１の磁化容易軸（以下、単に容易軸）に沿い、書き込み線Ｌ２はＭＴＪ素子１の磁化困難軸（以下、単に困難軸）に沿っている。

書き込み線Ｌ１の両端には、書き込み線Ｌ１の任意の方向に電流を流すため電流供給回路（図示せぬ）が接続されている。より具体的には、電流供給回路は、書き込み線Ｌ１に電流を供給するための電流ドライバと書き込み線Ｌ１から電流を引き抜くための電流シンカの一方または両方が接続される。書き込み線Ｌ２の各両端にも同様に、電流供給回路が接続される。

ＭＴＪ素子１は、外部から磁場が印加されていない状態（以下、ゼロ磁場状態）で、記録層１３の磁化が、いわゆるＣ型磁区を取るような平面形状を有している。より具体的には、台形形状の長辺部分に窪みを有した形状でも良いし、長方形形状の長辺部分に窪みを有した形状でも良い。さらに、これらの形状に対して全体的に丸みを帯びた形状でも良い。

図３乃至図６は、本実施形態に係る磁気記録装置のＭＴＪ素子の平面形状を例示している。図３に示すように、長方形形状の一方の長辺部分の中央近傍に窪み３１が形成されている。このＭＴＪ素子が延びる方向（図３で左右に延びる方向）が、磁化容易軸に沿う方向である。

図３の形状は、磁化の安定等の観点から、図４の形状を有している方が現実的である。図４に示すように、窪み３１を有しない長辺が作る角３２、３３は丸みを有している。また、窪み３１の相対する一組の辺３４、３５は、図３のように、長方形部分の短辺に対して角度を有していても、平行であっても構わない。

図４の各矢印は、ゼロ磁場の状態での、記録層における各磁区の磁化を概略的に示している。図４から分かるように、記録層の全体的な磁化は、Ｃ型磁区を示している。すなわち、一方の短辺近傍においては、各磁区は、この短辺に沿って困難軸に沿って上を向き、他方の短辺近傍おいては、各磁区は、この短辺に沿って困難軸に沿って下を向いている。そして、長方形状の中央近傍では、各磁区は、容易軸に沿って左を向いている。長方形状の中央近傍の、容易軸に沿った磁化の方向が、記録層の磁化方向として、情報の記録に寄与する。このように、記録層の全体の磁化パターンが、ＭＴＪ素子１の平面形状に沿って、１つの流れを作りながら略Ｃ字形状を有している。

図５に示すＭＴＪ素子１は、図４の形状の全体が丸みを帯び、窪み３１の幅および深さが図４の形状におけるものより小さくなっている。また、全体の形状が、台形形状に近くなっている。このような形状でも、図５に示すように、Ｃ型磁区を示している。すなわち、記録層の全体の磁化のパターンが、窪み１１を中心として、１つの流れを作りながら略Ｃ字形状を有している。

図６に示すＭＴＪ素子１は、図５の形状より幅が狭く、窪み３１の幅が図４のものより広くなっており、左右に延びる延在部の両端が同じ方向（下）に向かって湾曲した形状を有している。また、全体の形状が、台形形状に近くなっている。このような形状でも、図６に示すように、Ｃ型磁区を示している。すなわち、中央部分近傍においては、各磁区が、容易軸に沿った方向（図では右方向）を向いている。そして、湾曲している２つの部分の一方（右側）では、各磁区が、この湾曲部に沿って、右下方向を向いている。同様に、湾曲している２つの部分の他方（左側）では、各磁区が、この湾曲部に沿って、右上方向を向いている。この結果、記録層の全体の磁化パターンが、ＭＴＪ素子１の平面形状に沿って、１つの流れを作りながら略Ｃ字形状を有している。

なお、ＭＴＪ素子１を構成する各層１１乃至１５が、全て、同じ形状を有していることは必須でない。すなわち、少なくとも、その磁化が変化する強磁性層１３の形状が、上記した平面形状を有していればよい。

ＭＴＪ素子１は、図７に示すような周辺回路とともに設けられる。そして、この周辺回路によって、書き込み線Ｌ１、Ｌ２に、後述のような所定のタイミングで、所定の方向に電流が流れる。この結果、ＭＴＪ素子１に所定のタイミングで、所定の方向に磁場が印加される。この図７に示す周辺回路について説明する。

図７は、ＭＴＪ素子１と周辺回路を示す構成を示す回路図である。図7
に示すように、書き込み線Ｌ１の端部は、トランジスタＴＰ１、ＴＮ１の接続ノードと接続される。トランジスタＴＰ１、ＴＮ１は電流供給回路ＳＤ１を構成し、電源供給端ＶＤＤと接地電位端との間に接続される。

書き込み線Ｌ２の端部は、トランジスタＴＰ２、ＴＮ２の接続ノードと接続される。トランジスタＴＰ２、ＴＮ２は電流供給回路ＳＤ２を構成し、電源供給端ＶＤＤと接地電位端との間に接続される。

電流供給回路ＳＤ１の一方（左側）のトランジスタＴＰ１のゲートと他方（右側）のトランジスタＴＮ１のゲートには、相補の制御信号／ＬＲ１（／は否定論理を表す）およびＬＲ１がそれぞれ供給される。

同様に、電流供給回路ＳＤ１の一方（左側）のトランジスタＴＮ１のゲートと他方（右側）のトランジスタＴＰ１のゲートには、相補の制御信号ＲＬ１および／ＲＬ１がそれぞれ供給される。

電流供給回路ＳＤ２の一方（上側）のトランジスタＴＰ２のゲートと他方（下側）のトランジスタＴＮ２のゲートには、相補の制御信号／ＴＢ１およびＴＢ１がそれぞれ供給される。

同様に、電流供給回路ＳＤ２の一方（上側）のトランジスタＴＮ２のゲートと他方（下側）のトランジスタＴＰ２のゲートには、相補の制御信号ＢＴ１および／ＢＴ１がそれぞれ供給される。

制御信号ＬＲ１、／ＬＲ１、ＲＬ１、／ＲＬ１、ＴＢ１、／ＴＢ１、ＢＴ１、／ＢＴ１は、図８に示すように、デコーダから供給される。

書き込み線Ｌ１は、例えばメモリセル１の一端に接続される。メモリセル１の他端は、
例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）からなる、読み出し用のスイッチング素子Ｔを介して接地される。スイッチング素子Ｔのゲートには、読み出し系のデコーダから、読み出し対象のアドレスによって特定される制御信号が供給される。

次に、本実施形態に係る、ＭＴＪ素子への書き込み方法について、図４に示す形状のＭＴＪを例に取り、図９乃至図１２を参照して説明する。図９は、本実施形態に係る、ＭＴＪ素子への書き込みの際にＭＴＪ素子に印加される磁場の変化を示している。

図９は、記録層の磁化方向を左向きから右向きに反転させる際に印加される磁場ベクトルの終点をプロットしたものである。図９において、磁場Ｈｘの方向が図４のＭＴＪ素子の容易軸に一致し、磁場Ｈｙの方向が困難軸に一致する。

図９に示すように、まず、Ｈｘ方向に沿って、記録方向（右向き）と反対方向（左向き）に磁場Ａを印加する。次に、磁場Ａを印加したまま、Ｈｙ方向に沿って、例えば上向き（下向きでも可）に磁場Ｂを印加する。その後、磁場Ｂを印加したまま、Ｈｘ方向に沿って記録方向（右向き）に磁場Ｃを印加する。

図９に示すように磁場を印加するには、図１０に示すように２つの書き込み線Ｌ１、Ｌ２に電流を流す。図１０は、本実施形態に係る、ＭＴＪ素子への書き込みの際に書き込み線Ｌ１、Ｌ２を流れる電流のタイミングチャートである。図１０に示すように、まず、時刻Ｔ１からＴ３の間、書き込み線Ｌ２を負の方向（図１の書き込み線Ｌ２を紙面の裏側から表側に向かう方向）に書き込み電流が流れる。次に、時刻Ｔ１の後で時刻Ｔ３の前の時刻Ｔ２から時刻Ｔ４までの間、書き込み線Ｌ１を正の方向（図１の書き込み線Ｌ１を左から右に向かう方向）に書き込み電流が流れる。次に、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の間、書き込み線Ｌ２を正の方向（図１の書き込み線Ｌ１を紙面の表側から裏側に向かう方向）に書き込み電流が流れる。

なお、書き込み線Ｌ１の正の方向と書き込み線Ｌ２の正の方向に電流が流れている期間が、記録層の磁化の反転に必要な時間を経過すれば、どのタイミングで書き込み線Ｌ１、Ｌ２を流れる電流を停止しても構わない。すなわち、典型例としては、磁場Ｃのベクトルの先端からの実線の矢印で示すように、磁場Ｃを印加したまま、磁場Ｂの印加を停止し、磁場Ｃの印加を停止する。または、破線の矢印で示すように、磁場Ｃの印加後、磁場Ｂおよび磁場Ｃの印加を同時に停止してもよい。

上記のように、記録方向とは反対の方向を向いた磁場を印加した後、困難軸に沿った方向を向いた磁場Ｂを印加している。図１１は、磁場Ｂが印加された状態における記録層１３の磁化を示している。図１１に示すように、記録層１３の左側の短辺近傍の領域の磁化は、この短辺に沿って磁化困難軸に沿って上を向いている。これは、記録方向とは反対の方向（図１１の右から左に向かう方向）に磁場が印加されることにより、この記録層１３の左側の短辺近傍の領域の磁化が左方向を向き、この状態で、上方向の磁場が印加されるためである。このように、記録層１３の左側の短辺近傍の領域において、磁化が上方向を向く結果、記録層１３の磁化は、全体としていわゆるＳ型磁区を示している。

記録層１３がＳ型磁区を示しているので、この状態で記録方向の磁場（図１１の左から右に向かう方向）を印加すると、少ない磁場でも磁化が反転する。このように、記録方向の磁場を印加する前の磁区パターンを、容易に磁化が反転するようなパターンへと制御する。こうすることにより、スイッチング磁場の低減が可能になる。

一方、以下に示すように、図９に示した磁場印加過程を経ない半選択セルでは、以下の理由により、磁化が反転しにくい。すなわち、まず、外部磁場が印加されていない状態では、上記のように記録層はＣ型磁区を示している。このため、容易軸または困難軸のみに沿った方向を向いた磁場が印加された場合のスイッチング磁場は大きく、これら一方向のみの磁場で磁化を反転させることは難しい。

Ｓ型磁区、Ｃ型磁区によるスイッチング磁場が異なる理由、すなわち、磁化反転のしやすさが異なる理由は、概略、以下の通りである。すなわち、まず、各磁区は、磁場を印加されると、磁場の印加前に自身が向いている方向から周り易い方向に回転して、印加磁場と同じ方向を向こうとする。また、各磁区は、隣接する他の磁区と同じ方向に回転する方が、相互に異なる場合より回転に要するエネルギーが小さい。このため、磁化反転の過程において、各磁区がなるべく同じ方向に沿って回転することが、スイッチング磁場の低減に繋がる。

Ｓ型磁区、Ｃ型磁区の例として、図４、図１１を用いると、以下のように説明される。まず、図４、図１１のＭＴＪ素子１を磁化容易軸方向（図の左右方向）に沿って約３等分する。図１１の状態から記録方向（図の右から左に向かう方向）に磁場が印加されると、この３つの領域の各磁区の多くが、同じ方向（時計方向）に沿って回転し、右方向を向こうとする。このため、各磁区の周りの磁区は磁化の回転の障害として振舞わない。よって、スイッチング磁場は少なくて済む。

一方、Ｃ型磁区の場合、図４から分かるように、左３分の１の領域は、図１１と異なり、下および左下方向を向いている。この状態で、記録方向に磁場を印加すると、左３分の１の領域の各磁区は、反時計回りに回転する。一方、図１１の場合と同様に、中央および右３分の１の領域では、時計回りに回転する。この結果、時計回りに回転する磁区と、反時計回りに回転する磁区とは、一方が他方の障害となって、磁化反転に大きなエネルギーが求められる。

さらに、本実施形態に係るＭＴＪ素子は、半選択状態であっても、選択セル以外のものの磁化が周囲の書き込み線Ｌ１、Ｌ２からの磁場により反転することも、以下に述べるように困難である。図１２は、半選択状態の磁化状態の例として、困難軸に沿った方向を向いた磁場のみを与えた際に示す磁化パターンを示している。このパターンは、ゼロ磁場状態の磁化パターン（図４）と類似しているが、いずれにせよＣ型磁区を取っている。なお、異なる点は、中央近傍右側（破線により囲まれた部分）において、磁化が図４と比べて、若干左上を向いていることである。このように、困難軸に沿った方向を向いた磁場のみを与えた場合、記録層１３はＣ型磁区を維持しているので、この磁化を反転させるために大きな磁場が必要である。すなわち、困難軸に沿った方向を向いた磁場が印加された半選択セル時における安定性は高い。

図１３は、外部磁場ゼロの状態でＣ型磁区を示すＭＴＪ素子に、本実施形態（実線）および従来（破線）の書き込み方法によって磁場を印加した場合のアステロイド曲線を示している。なお、従来の書き込み方法では、容易軸に沿って記録方向と反対方向を向いた磁場を印加せずに、困難軸方向および記録方向を向いた磁場を印加する。

ここで、破線のアステロイド曲線は、Ｃ型磁区のＭＴＪ素子１が半選択状態の場合のアステロイド曲線に対応する。図１３に示すように、破線のアステロイド曲線は、原点と反対の方向に大きく膨らんでおり、スイッチング磁場が大きい。このため、一方向の磁場のみが与えられている状態（半選択状態）でも、磁化を反転させるには、もう一方の方向に大きな磁場が必要である。すなわち、隣接する書き込み線Ｌ１、Ｌ２からの磁場により、意図せずに磁化反転しにくい。

一方、実線のアステロイド曲線は、原点に向かって大きく窪んだ形状を有している。このため、スイッチング磁場が小さく、すなわち、スイッチング電流が小さい。以上の記述から分かるように、半選択時の熱的安定性が高く、且つ選択時のスイッチング磁場が小さいＭＴＪ素子が実現される。

なお、ゼロ磁場状態でＣ型磁区を示さない平面形状、例えば、図１４のような形状でも、本実施形態の効果を得られる。図１４は、本実施形態を適用可能なＭＴＪ素子の平面形状を示しており、ゼロ磁場状態での磁化を例示している。図１４に示すように、ＭＴＪ素子１（記録層１３）は、図１４の左右方向に延びる略長方形状の四角形形状部１ａと、四角形形状部の長辺の中央から、図１４の上下にそれぞれ突出する２つの突出部１ｂと、を有する。四角形状部は、長方形でも平行四辺形でも構わない。

なお、四角形形状部１ａの角は丸みを帯びており、相対する一組の角の丸みは、もう一方の組の角より大きな丸みを有しており、突出部１ｂは、四角形形状部と離れた方の辺が、長方形状と接続された方の辺より短い略台形の形状を有する。しかし、四角形形状部１ａ、突出部１ｂの形状は、図１４のものに限られない。突出部１ｂは、丸みを帯びていても良い。帯びていなくてもよい。

図１４に示すように、四角形形状部１ａの両端において、各磁区の磁化は容易軸に沿って右側を向いている。一方、四角形形状部１ａの、突出部１ｂの相互間の領域では、各磁区の磁化は、右下を向いている。このように、ゼロ磁場状態で、Ｃ型磁区を示していない。しかしながら、本実施形態に係る方法によって磁場を印加すると、困難軸に沿った方向を向いた磁場が印加された際に、記録層１３は、Ｃ型磁区を示す。このため、困難軸方向を向いた磁場が印加される半選択セルでは、磁化反転が起こりにくい。

一方、選択セルでは図９のように磁場が印加されるので、記録層１３はＣ型磁区を示さない。このため、スイッチング磁場は小さい。

次に、図４に示すようなＭＴＪ素子を作製した例について説明する。

（実施例１）
マグネトロンスパッタ装置を用いて、熱酸化処理されたシリコン基板上に、１０ｎｍのＴａ／１０ｎｍのＮｉＦｅからなる下地層、１２ｎｍのＩｒＭｎからなる反強磁性層、２ｎｍのＣｏ₉Ｆｅからなる強磁性層、１．５ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃からなるトンネル絶縁層、４．３ｎｍのＣｏ₉Ｆｅからなる強磁性層を順次積層した。

全ての膜は真空を破ることなく形成した。トンネル絶縁層を構成するＡｌ₂Ｏ₃は、Ａｌ金属をスパッタした後、プラズマ酸化することにより形成した。なお、下地層、反強磁性層、および強磁性層は、１００μｍ幅の下側の書き込み線形状の開口を有するマスクを用いて成膜した。Ａｌ₂Ｏ₃となるＡｌは接合部形状の開口を有するマスクを通して成膜した。トンネル絶縁層より上部の各層は、上側の書き込み線形状の開口を有するマスクを用いて成膜した。上側の書き込み線は、下側の書き込み線に直交する方向に延び、１００μｍ幅を有している。こうして、接合面積１００×１００μｍ²が得られた。なお、これらの工程中において、真空チャンバー内でこれらのマスクを交換した。また、成膜時に１００Ｏｅの磁場を印加することにより、膜面内に一軸異方性を付与した。

このＭＴＪ素子について、４端子法を用いて磁気抵抗を測定したところ、約２５Ｏｅの小さなスイッチング磁場で３８％の磁気抵抗変化が観測された。すなわち、ある程度の大きな磁気抵抗変化を示す素子であることが確認された。

次に、このＭＴＪ素子に、本実施形態に係る書き込み方法に従って磁場を印加した。つまり、まず、記録開始直後は記録方向と反対方向に磁場（図７の磁場Ａに対応）を印加する。次に、困難軸に沿った方向を向いた磁場（図７の磁場Ｂに対応）を、磁場Ａの印加から１ｎｓ後に、印加開始する。その後、磁場Ｂを印加したままで、記録方向を向いた磁場（図７の磁場Ｃに対応）を印加した。この時間タイミングで磁場を印加し、スイッチング磁場を測定したところ、従来の書き込み方法より小さなスイッチング磁場で磁化反転し、１０％程度、磁場を低減することが確認された。

（実施例２）
実施例２として、図４の平面形状を有し、実施例１と同じ積層構造を有する、ＭＴＪ素子を作製した。ただし、平面形状の大きさは、実施例１より小さく、各層の接合面積が１×２μｍ²である。

このＭＴＪ素子について、４端子法を用いて、磁場を印加しないで磁気抵抗を測定したところ、３５Ｏｅという小さい磁場で磁気抵抗変化が観測された。接合面積が小さくなったために、実施例１の場合よりスイッチング磁場が増加しているが、磁気抵抗変化率を比べるとほぼ変わらない３８％を観測した。すなわち、ある程度の大きな磁気抵抗変化を示す素子であることが確認された。

次に、本実施形態に係る書き込み方法に従って磁場を印加した。磁場の印加のタイミングは、実施例１と同じである。そして、スイッチング磁場を測定したところ、約２８Ｏｅの磁場で磁化反転することを観測した。従来の書き込み方法と比べて約２０％減少することが確認された。

本実施形態に係るＭＴＪ素子１は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に適用できる。一般に、ランダムアクセスメモリにおいては、小さなサイズで大容量であることが要求される。従って、配線幅および各メモリセルの面積は小さいことが好ましい。ＭＴＪ素子１によって、スイッチング磁場は小さく、データの書き込みの際に必要な書き込み電流および消費電力が小さく、かつ高速なスイッチングが可能なメモリセルを実現できる。したがって、ＭＴＪ素子１は、ＭＲＡＭのメモリセルに用いるのに好適である。

次に、本実施形態に係るＭＴＪ素子１が、ＭＲＡＭのメモリセルとして用いられる場合について、図１５乃至図１７を参照して、以下に説明する。

図１５は、ＭＲＡＭのセルアレイの平面レイアウトの一例を模式的に示している。図１５に示すように、複数の書き込み線Ｌ１と、複数の書き込み線Ｌ２と、が相互に異なる方向に沿って延びている。典型例として、書き込み線Ｌ２はｘ方向に沿って延び、書き込み線Ｌ１は、ｘ方向と直交するｙ方向に沿って延びている。書き込み線Ｌ１と書き込み線Ｌ２の各交点には、ＭＴＪ素子１を含んだメモリセルＭＣが設けられる。

ＭＴＪ素子１は、長手方向が書き込み線Ｌ１に沿うように配置されている。各書き込み線Ｌ１は、同一行（または列）の複数のＭＴＪ素子１の一端と電気的に接続されている。各書き込み線Ｌ２は、同一の列（または行）の複数のＭＴＪ素子１の他端に近接して対向するように配置されている。各メモリセルＭＣは、後述のように、例えば、いわゆるクロスポイント構造、またはいわゆる１Ｔｒ＋１ＭＴＪ構造とすることができる。

各書き込み線Ｌ１の両端は、所望の書き込み線Ｌ１の所定の方向に書き込み電流を流すための、書き込み電流回路／デコーダＣ１と接続されている。書き込み電流回路／デコーダＣ１には、外部からアドレス信号が供給され、このアドレス信号がデコーダによりデコードされ、アドレス信号に応じた書き込み電流回路が動作する。この結果、所望の書き込み線Ｌ１の所定の方向に書き込み電流が流れる。書き込み電流回路／デコーダＣ１は、図７および図８の電流供給回路ＳＤ１およびデコーダＤに対応する。

同様に、各書き込み線Ｌ２の両端は、所望の書き込み線Ｌ２の所定の方向に書き込み電流を流すための、書き込み電流回路／デコーダＣ２が接続されている。書き込み電流回路／デコーダＣ２には、外部からアドレス信号が供給され、このアドレス信号がデコーダによりデコードされ、アドレス信号に応じた書き込み電流回路が動作する。この結果、所望の書き込み線Ｌ２の所定の方向に書き込み電流が流れる。書き込み電流回路／デコーダＣ１は、図７および図８の電流供給回路ＳＤ２およびデコーダＤに対応する。

書き込み対象のメモリセルＭＣを通る書き込み線Ｌ１、Ｌ２のみに電流を印加することにより図９に示すような磁場を印加することにより、この書き込み対象のメモリセルＭＣの記録層１３の磁化方向が反転する。このようにして、任意のメモリセルＭＣに情報が書き込まれる。

情報の読み出しは、例えば選択されたメモリセルＭＣの記録層１３および基準層１１に電圧を印加し、これを流れる電流から抵抗値を読み取ることにより行われる。または、定電流を選択メモリセルのＭＴＪ素子１に流し、記録層１３と基準層１１との間の電圧を読み出すことによっても可能である。

図１６は、本実施形態に係るＭＴＪ素子１が、いわゆるクロスポイント構造のメモリセルに適用された場合を示している。図１６に示すように、メモリセルＭＣは、ＭＴＪ素子１のみから構成される。ＭＴＪ素子１の一端は電極ＵＥを介して書き込み線Ｌ２に電気的に接続され、ＭＴＪ素子１の他端は電極ＢＥを介して書き込み線Ｌ１に電気的に接続されている。

図１７は、本発明の実施形態に係るＭＴＪ素子１が、いわゆる１Ｔｒ＋１ＭＴＪ構造のメモリセルに適用された場合を示している。図１７に示すように、メモリセルＭＣは、ＭＴＪ素子１と、スイッチング素子Ｔと、から構成される。

ＭＴＪ素子１の一端は上部電極ＵＥを介して書き込み線Ｌ２に電気的に接続される。ＭＴＪ素子１の他端は下部電極ＢＥ、導電層ＩＣ、コンタクトＣＰを介してスイッチング素子Ｔの一端に電気的に接続され、スイッチング素子Ｔの他端は接地される。

なお、スイッチング素子Ｔとして、ＭＯＳＦＥＴの代わりに、ダイオードを用いることも可能である。

書き込み線Ｌ１は、書き込み時に電流を流すために用いられ、導電層ＩＣの下方に、導電層ＩＣと離れて位置する。スイッチング素子Ｔには、読み出しワード線（図示せぬ）を介して読み出し時に所定のメモリセルＭＣを選択するための信号が供給される。

本発明の一実施形態に係る磁気記録装置によれば、容易軸に沿って記録方向とは反対の方向を向いた磁場を印加した後、困難軸に沿った方向を向いた磁場を印加し、記録方向を向いた磁場を印加する。このため、ゼロ磁場状態でＣ型磁区を示している記録層１３の磁化は、困難軸に沿った方向を向いた磁場を印加しながら記録方向を向いた磁場を印加する直前で、Ｓ型磁区を示す。このため、選択時のスイッチング磁場が小さく、且つ半選択時に安定性の高い磁気記録装置を実現できる。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例に想到し得るものであり、それら変更例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明の一実施形態に係る磁気記録装置のＭＴＪ素子を示す斜視図。 本実施形態に係る磁気記録装置のＭＴＪ素子を示す斜視図。 本実施形態に係る磁気記録装置のＭＴＪ素子の平面図。 本実施形態に係る磁気記録装置のＭＴＪ素子の平面図。 本実施形態に係る磁気記録装置のＭＴＪ素子の平面図。 本実施形態に係る磁気記録装置のＭＴＪ素子の平面図。 本実施形態のＭＴＪ素子と周辺回路の主要部を示す回路図。 デコーダを示す図。 書き込みの際に印加される磁場ベクトルの終点を示す図。 書き込みの際に書き込み線を流れる電流のタイミングチャート。 記録層の磁化の書き込み時の一状態を示す図。 困難軸方向を向いた磁場のみを与えた状態の記録層の磁化を示す図。 本実施形態および従来の書き込み方法の場合のアステロイド曲線を示す図。 本実施形態に係る磁気記録装置のＭＴＪ素子の平面図。 ＭＲＡＭのセルアレイの平面レイアウトの一例を模式的に示す図。 クロスポイント構造のメモリセルを示す図。 １Ｔｒ＋１ＭＴＪ構造のメモリセルを示す図。

符号の説明

１…ＭＴＪ素子、１１、１３、１５…強磁性層、１２、１４…絶縁層、２１、２…反強磁性層。

Claims (6)

1. 磁化の方向が固定された基準層と、磁化の方向が可変の磁化可変層と、前記基準層と前記磁化可変層との間に設けられた非磁性層と、を含む磁気抵抗効果素子と、
   前記磁化可変層の磁化困難軸に沿う磁場を前記磁化可変層に印加する第１書き込み線と、
   前記第１書き込み線とともに前記磁気抵抗効果素子を挟み、前記磁化可変層の磁化容易軸に沿う磁場を前記磁化可変層に印加する第２書き込み線と、
   前記第１書き込み線に電流を供給する第１電流供給回路と、
   前記第２書き込み線に電流を供給する第２電流供給回路と、
   を具備し、
   前記第１電流供給回路および前記第２電流供給回路が、前記磁化容易軸に沿い且つ前記磁化可変層の磁化の向けたい方向である記録方向と反対の方向を向いた第１磁場が前記磁化可変層に印加され、前記磁化可変層に前記第１磁場が印加されながら前記磁化困難軸に沿った方向を向いた第２磁場が前記磁化可変層に印加され、前記磁化可変層に前記第２磁場が印加されながら前記記録方向を向いた第３磁場が前記磁化可変層に印加されるように、前記第１書き込み線および前記第２書き込み線に電流を供給する、
   ことを特徴とする磁気記録装置。
2. 磁化の方向が固定された基準層と、磁化の方向が可変の磁化可変層と、前記基準層と前記磁化可変層との間に設けられた非磁性層と、を含む磁気抵抗効果素子と、
   前記磁化可変層の磁化困難軸に沿う磁場を前記磁化可変層に印加する第１書き込み線と、
   前記第１書き込み線とともに前記磁気抵抗効果素子を挟み、前記磁化可変層の磁化容易軸に沿う磁場を前記磁化可変層に印加する第２書き込み線と、
   前記第１書き込み線に電流を供給する第１電流供給回路と、
   前記第２書き込み線に電流を供給する第２電流供給回路と、
   を具備し、
   前記第２電流供給回路が、前記第２書き込み線の第１方向に沿った方向に第１電流を供給し、
   前記第１電流供給回路が、前記第１電流が供給されている間に、前記第１書き込み線に第２電流を供給し、
   前記第２電流供給回路が、前記第２電流が供給されている間に、前記第１方向と反対の第２方向に第３電流を供給する、
   ことを特徴とする磁気記録装置。
3. 前記磁化可変層の前記非磁性層と面する面の形状が、前記磁化可変層に磁場が印加されていない状態で前記磁化可変層の磁化がＣ型磁区を示す形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録装置。
4. 前記磁化可変層の前記非磁性層と面する面の形状が、長辺において窪みを有する台形形状または長方形形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録装置。
5. 前記磁化可変層の前記非磁性層と面する面の形状が、前記磁化困難軸に沿った方向を向いた磁場が印加された状態で前記磁化可変層の磁化がＣ型磁区を示す形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録装置。
6. 前記磁化可変層の前記非磁性層と面する面の形状が、相互に向き合う第１長辺および第２長辺を有する四角形状部と、前記第１長辺から突出する第１突出部と、前記第２長辺から突出する第２突出部と、を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録装置。

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