JP2009054715A - 磁壁ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

【課題】磁化記録層の磁気異方性が垂直方向、または、面内方向である電流駆動磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、磁化固定部、及び、磁壁位置の初期化を容易に行う。
【解決手段】磁気ランダムアクセスメモリは、磁気異方性を有する強磁性層である磁化記録層１０と、前記磁気記録層１０上に設けられた情報を読み出すための読出し層３０，３２とを具備する。前記磁化記録層１０は、反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域１３ａと第２磁化反転領１３ｂとを含む磁化反転領域１３と、前記第１磁化反転領域１３ａとの境界に接続され、磁化の向きが固定された第１磁化固定領域１１ａと、前記第２磁化反転領域１３ｂとの境界に接続され、磁化の向きが固定された第２磁化固定領域１１ｂとを備える。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）に関し、特に、磁壁移動方式のＭＲＡＭに関する。

ＭＲＡＭは、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。ＭＲＡＭにおいては、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果などの「磁気抵抗効果」を示す磁気抵抗素子が利用される。その磁気抵抗素子には、例えばトンネルバリヤ層が二層の強磁性層で挟まれた磁気トンネル接合（ＭＴＪ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）が形成される。その二層の強磁性層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層）と、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層）とを有している。

ピン層とフリー層の磁化の向きが“反平行”である場合のＭＴＪの抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値（Ｒ）よりも大きくなることが知られている。ＭＲＡＭは、このＭＴＪを有する磁気抵抗素子をメモリセルとして用い、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。例えば、反平行状態はデータ“１”に対応付けられ、平行状態はデータ“０”に対応付けられる。メモリセルに対するデータの書込みは、フリー層の磁化の向きを反転させることによって行われる。

ＭＲＡＭに対するデータの書込み方法として、従来、「アステロイド方式」や「トグル方式」が知られている。これらの書込み方式によれば、メモリセルサイズにほぼ反比例して、フリー層の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書込み電流が増加する傾向にある。

微細化に伴う書込み電流の増加を抑制することができる書込み方式として、「スピン注入（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ）方式」が提案されている（例えば、特開２００５−９３４８８号公報、“Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”，Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ＆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１５９，Ｌ１−Ｌ７（１９９６）、を参照）。スピン注入方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流（ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ）が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する（以下、「スピン注入磁化反転：Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ」と参照される）。

米国特許第６８３４００５号公報には、スピン注入を利用した磁気シフトレジスタが開示されている。この磁気シフトレジスタは、磁性体中の磁壁（ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ）を利用して情報を記憶する。多数の領域（磁区）に分けられた磁性体において、磁壁を通過するように電流が注入され、その電流により磁壁が移動する。各領域の磁化の向きが、記録データとして扱われる。このような磁気シフトレジスタは、例えば、大量のシリアルデータの記録に利用される。尚、磁性体中の磁壁の移動は、“Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗｉｒｅｓ”，Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９２，ｐｐ．０７７２０５−１−４（２００４）にも報告されている。

このようなスピン注入による磁壁移動（Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ）を利用した「磁壁移動方式のＭＲＡＭ」が、特開２００５−１９１０３２号公報に記載されている。特開２００５−１９１０３２号公報に記載されたＭＲＡＭは、磁化が固定された磁化固定層と、磁化固定層上に積層されたトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層に積層された磁化記録層とを備える。磁化記録層には、磁化の向きが反転可能な部分と実質的に変化しない部分も含まれているため、磁化自由層ではなく、磁化記録層と呼ぶことにする。図１は、特開２００５−１９１０３２号公報の磁化記録層の構造を示す概略平面図である。図１において、磁化記録層１００は、直線形状を有している。具体的には、磁化記録層１００は、トンネル絶縁層及び磁化固定層と重なる接合部１０３、接合部１０３の両端に隣接するくびれ部１０４、及びくびれ部１０４に隣接形成された一対の磁化固定領域１０１、１０２を有する。一対の磁化固定領域１０１、１０２には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。更に、ＭＲＡＭは、一対の磁化固定領域１０１、１０２に電気的に接続された一対の書込み用端子１０５、１０６を備える。この書込み用端子１０５、１０６により、磁化記録層１００の接合部１０３、一対のくびれ部１０４及び一対の磁化固定領域１０１、１０２を貫通する電流が流れる。

しかし、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうことが懸念される。前掲のＰｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９２，ｐｐ．０７７２０５−１−４（２００４）のほかにも、電流駆動磁壁移動の観測は数多く報告されている。しかし、磁壁移動には概ね１×１０^８Ａ／ｃｍ^２程度の閾値電流密度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる層の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合でも書込み電流は１ｍＡとなる。これ以下に書込み電流を低減するためには膜厚を薄くすればよいが、この場合には書込みに要する電流密度は更に上昇してしまうことが知られている（例えば、“Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｏｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｓｈａｐｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ”，Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．５Ａ，ｐｐ．３８５０−３８５３（２００６）参照）。

一方、磁化記録層の磁気異方性が基板面に垂直である垂直磁気異方性材料を用いた素子においては、１０^６Ａ／ｃｍ^２台の閾値電流密度が観測されている（例えば、“Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｔｏ ｍｏｖｅ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌｓ ｉｎ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，Ｄ．Ｒａｖｅｌｏｓｏｎａ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９０，０７２５０８（２００７）参照）。従って、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭにおいて、磁化記録層として垂直磁気異方性材料を用いることにより、書込み電流を低減できることが期待される。

関連する技術として特開２００６−５３０８号公報に不揮発性磁気メモリが開示されている。この不揮発性磁気メモリは、外部磁場に対して磁化が変化する磁気ヒステリシス特性を有する棒形状を有し、前記棒形状の長手方向に沿って、１つの磁壁を生じ、前記棒形状の両端に、第１、第２の電極及びその中央部に第３の電極を有する。この不揮発性磁気メモリにおいて、前記１つの磁壁が移動した際に固定するための第1のくびれ部を前記第１の電極と前記第３の電極との間に、かつ第２のくびれ部を前記第２の電極と前記第３の電極との間に形成する。

特開２００６−２６９８８５号公報にスピン注入型磁気抵抗効果素子が開示されている。このスピン注入型磁気抵抗効果素子は、（Ａ）第１面、及び、該第１面と対向する第２面を有し、情報を記憶する磁化反転層、（Ｂ）磁化反転層の一端に、磁化反転層の第１面と対向して、第１の非磁性膜を介して配置され、第１の方向に磁化された第１の磁化参照層、（Ｃ）磁化反転層の他端に、磁化反転層の第１面と対向して、第１の磁化参照層と離間して、第２の非磁性膜を介して配置され、第１の方向とは反対方向の第２の方向に磁化された第２の磁化参照層、（Ｄ）第１の磁化参照層に電気的に接続された第１の電極、（Ｅ）第２の磁化参照層に電気的に接続された第２の電極、並びに、（Ｆ）磁化反転層の第２面と対向して、絶縁膜を介して配置された第３の電極、を備えている。

特開２００６−３０３１５９号公報にスピン注入磁区移動素子およびこれを用いた装置が開示されている。このスピン注入磁区移動素子は、磁壁を有する磁壁移動層、強磁性層を有する第１磁性層グループ、強磁性層を有する第２磁性層グループおよび強磁性層を有する第３磁性層グループを備える。該第１磁性層グループ、該第２磁性層グループおよび該第３磁性層グループが該磁壁移動層の同一面上に、この順に配置される。該第１磁性層グループと該第３磁性層グループとの間に電子を流すことにより、前記磁壁移動層の磁壁を移動する。該第２磁性層グループと該第３磁性層グループとの間、または該第２磁性層グループと該第１磁性層グループとの間の電気抵抗により前記磁壁移動層の磁壁の位置を検出する。

特開２００５−９３４８８号公報 米国特許第６８３４００５号公報 特開２００５−１９１０３２号公報 特開２００６−５３０８号公報 特開２００６−２６９８８５号公報 特開２００６−３０３１５９号公報 "Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ"，Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ＆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１５９，Ｌ１−Ｌ７（１９９６） "Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗｉｒｅｓ"，Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９２，ｐｐ．０７７２０５−１−４（２００４） "Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｏｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｓｈａｐｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ"，Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．５Ａ，ｐｐ．３８５０−３８５３（２００６） "Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｔｏ ｍｏｖｅ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌｓ ｉｎ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ"，Ｄ．Ｒａｖｅｌｏｓｏｎａ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９０，０７２５０８（２００７）

既述のように、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうことが懸念される。従って、発明者は、以下に示すように、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭにおいて、磁化記録層として垂直磁気異方性材料を用いることにより、書込み電流を低減できることを検討した。

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ想定しうる垂直磁気異方性材料を用いた磁化記録層の平面図及び断面図である。磁化記録層１１０は、磁化反転領域１１３と、一対の磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂとを備える。ただし、図２Ａ及び図２Ｂにおいて、白丸と点の記号、白丸とバツの記号、白矢印は、それらが記載された磁化反転領域１１３や磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの磁化方向を示している。

磁化反転領域１１３は、トンネル絶縁層１３２及びピン層１３０と重なり、フリー層としての機能を有する。磁化固定領域１１１ａは磁化反転領域１１３の一端に、磁化固定領域１１１ｂは磁化反転領域１１３の他端にそれぞれ隣接されている。磁化反転領域１１３と磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂとの接合部にはくびれ部１１５が設けられる。一対の磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂには、互いに反対向きの固定磁化が付与される。また、くびれ部１１５は磁壁に対するピンポテンシャルとして機能し、磁壁はくびれ部付近の領域に磁壁１１２ａ、又は、磁壁１１２ｂとなるように初期化される。データの読出しは磁化反転領域１１３とピン層１３０との磁化の相対的な向きに依存して、トンネル抵抗が異なることを利用して行われる。

図1、２に示した磁化記録層においては、いずれも２つの磁化固定領域の磁化を互いに反平行に固定する必要がある。そのためには、例えば、２つの磁化固定領域に異なる保磁力を持つ材料を用い、その保磁力の中間の磁界を印加すればよい。また、２つの磁化固定領域に対して、異なる保磁力を持つ強磁性層、又は、異なる交換結合磁界、若しくは、異なるブロッキング温度を持つ反強磁性層を積層することにより、実質的に磁化固定領域の磁気特性を変化させることもできる。しかしながら、いずれの方法も２種類以上の材料を用いるため、プロセスが複雑になること、２種類の磁気特性の差異が十分大きくないと初期化過程のマージンが狭くなることなどの課題があった。

従って、本発明の目的は、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向、または、面内方向である電流駆動磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、磁化固定部、及び、磁壁位置の初期化を容易に行うことが可能な構造を有する磁気ランダムアクセスメモリ、及び、その磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法を提供することである。

この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。

本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、磁気異方性を有する強磁性層である磁化記録層と、前記磁気記録層上に設けられた情報を読み出すための読出し層とを具備する。前記磁化記録層は、反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域と第２磁化反転領とを含む磁化反転領域と、前記第１磁化反転領域との境界に接続され、磁化の向きが固定された第１磁化固定領域と、前記第２磁化反転領域との境界に接続され、磁化の向きが固定された第２磁化固定領域とを備える。

本発明のような磁化記録層と読出し層とを有する磁気抵抗素子を用いた磁気メモリセルで構成された磁気ランダムアクセスメモリは、磁気異方性が垂直方向または面内方向であっても、例えば、以下の方法で、磁化固定領域、及び、磁壁位置の初期化を容易に行うことが可能となる。すなわち、まず、（ａ）前記磁化記録層に磁気異方性の方向としての第１方向に磁界を印加することにより、前記磁化記録層を同じ方向に磁化する。次に、（ｂ）前記第１方向とは逆の第２方向の磁界を印加することにより、前記磁化反転領域の磁化を反転させる。その後、（ｃ）前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との間に電流を印加することにより、前記第１磁化反転領域及び前記第２磁化反転領域のいずれか一方の磁化方向をさらに反転させる。

本発明により、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向、または、面内方向である電流駆動磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、磁化固定部、及び、磁壁位置の初期化を容易に行うことが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施例に係るＭＲＡＭを説明する。本実施例に係るＭＲＡＭは磁壁移動方式のＭＲＡＭである。 磁化記録層の磁気異方性は、垂直方向、または、面内方向である。

（第１の実施例）
図３Ａは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の構成の一例を示す平面図である。図３Ｂ及び図３Ｃは、それぞれ本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の構成の一例を示す断面図である。その磁気抵抗素子２を磁気メモリセルに用いた例について説明する。図３Ｂは例えば“０”を記憶した場合を示し、図３Ｃは、例えば、“１”を記憶した場合を示す。ただし、図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃにおいて、白丸とバツの記号や白矢印は、各層における磁化方向を示している（以下同じ）。磁気抵抗素子２は、垂直磁気異方性をもつ強磁性体層である磁気記録層１０及びピン層３０と、非磁性体層であるトンネルバリヤ層３２とを備えている。トンネルバリヤ層３２は、磁化記録層１０とピン層３０とに挟まれており、これら磁化記録層１０、トンネルバリヤ層３２、及びピン層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。

磁化記録層１０は基板面（ＸＹ平面）に垂直な方向の異方性を持つ。材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つ以上の材料を含むことが望ましい。さらに、ＰｔやＰｄを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的にはＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏなどが例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む層が、異なる層と積層されることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜などが例示される。ピン層３０も磁化記録層１０と同様な材料を用い、垂直磁気異方性を持つことが望ましい。トンネルバリヤ層３２は、Ａｌ_２Ｏ_３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜である。磁化記録層１０、ピン層３０の一部、特にトンネルバリヤ層と接する部分にＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどＴＭＲ効果の大きな材料を用いても良い。

ピン層３０の磁化の向きは、書込み、及び、読出し動作によって変化させない。そのため、ピン層の磁気異方性は磁化記録層１０よりも大きいことが望ましい。これは、磁化記録層１０とピン層３０の材料、組成を変えることにより実現される。または、ピン層３０のトンネルバリヤ層３２とは反対側の面に反強磁性体層を積層し、磁化をピン止めすることによっても実現される。さらにピン層３０を強磁性層、非磁性層、強磁性層からなる積層膜にすることもできる。その場合、非磁性層としてはＲｕ、Ｃｕなどが用いられる、２つの強磁性層の磁化は互いに反平行になる。２つの強磁性層の磁化を等しくすれば、ピン層３０からの漏洩磁界を抑制することができる。 磁化記録層１０に対して、トンネルバリヤ層３２及びピン層３０は、情報を読み出すための読出し層とみなすことができる。

図３Ａ〜図３Ｃに示されるように、本実施例に係る磁化記録層１０は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化反転領域１３を有している。磁化反転領域１３は２つの磁化反転領域１３ａ、１３ｂに区分され、その一方の磁化反転領域１３ａに、ピン層３０がオーバーラップするように形成されている。言い換えれば、磁化記録層１０の磁化反転領域１３ａの一部が、トンネルバリヤ層３２を介してピン層３０に接続されている。

第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化は、互いに平行な方向に固定される。なお、「磁化が固定されている」とは、書込み動作の前後で磁化の方向が変わらないことを意味する。書込み動作中に、磁化固定領域の一部の磁化の方向が変化しても、書込み動作終了後には元に戻る。

磁化固定領域１１ａ、１１ｂに隣接して、それぞれ磁性層２１ａ、２１ｂが形成されている。磁性層２１ａ、２１ｂは後述されるように磁化固定領域１１ａ、１１ｂの保磁力を磁化反転領域１３と比較して実効的に大きくし、初期化を容易にするために設けられている。磁性層２１ａ、２１ｂとしては、前述の強磁性材料、あるいは、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎなどの反強磁性材料を用いることができる。また、磁性層２１ａ、２１ｂは、図３Ｂや図３Ｃに示されるように磁化記録層１０の下に隣接していても、上に隣接していてもよい。なお、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂにイオン注入をおこない、その部分の磁気特性を変えることもできる。この場合は、磁性層２１ａ、２１ｂを隣接させる必要はない。

磁化反転領域１３ａ、１３ｂの磁化の向きは反転可能であり、＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向である。磁化反転領域１３ａ、１３ｂの境界には磁壁が形成されやすいようにくびれ１５が設けられている。従って、磁化反転領域１３ａ、１３ｂが取りうる磁化方向の組み合わせは（＋Ｚ、−Ｚ）、（−Ｚ、＋Ｚ）、（＋Ｚ、＋Ｚ）、（−Ｚ、−Ｚ）の４通りである。本発明の実施例においては、このうち（＋Ｚ、−Ｚ）、（−Ｚ、＋Ｚ）の２つの磁化方向を用いる。

図３Ｂのように磁化反転領域１３ａ、１３ｂの磁化の向きがそれぞれ−Ｚ方向、＋Ｚ方向（−Ｚ、＋Ｚ）の場合、第１磁化固定領域１１ａ、磁化反転領域１３ａ、及び、磁化反転領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｂがそれぞれ別の磁区を形成する。つまり、第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３ａとの間、及び、磁化反転領域１３ａと磁化反転領域１３ｂとの間に、それぞれ磁壁（ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ）１２ａ、１２ｂが対になって形成される。一方、図３Ｃのように磁化反転領域１３ａ、１３ｂの磁化の向きがそれぞれ＋Ｚ方向、−Ｚ方向（＋Ｚ、−Ｚ）の場合、第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３ａ、磁化反転領域１３ｂ、及び、第２磁化固定領域１１ｂがそれぞれ別の磁区を形成する。つまり、磁化反転領域１３ａと磁化反転領域１３ｂとの間、磁化反転領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｂとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂが形成される。

このように、本実施例においては、第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３ａ、磁化反転領域１３ａと磁化反転領域１３ｂ、磁化反転領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｂの各境界に設けられたくびれ１５が磁壁１２に対してピンポテンシャルとして働くため、上述のような磁化状態を得ることが可能になる。

ピンポテンシャルの生成にはくびれ以外を用いることができる。図４は、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の構成の変形例を示す平面図である。この磁気抵抗素子２ａの磁化記録層１０は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化反転領域１３を有している。磁化反転領域１３は２つの磁化反転領域１３ａ、１３ｂに区分される。第１磁化固定領域１１ａにおける磁化反転領域１３ａとの境界付近の幅、及び、第２磁化固定領域１１ｂにおける磁化反転領域１３ｂとの境界付近の幅は、いずれも磁化反転領域１３の幅よりも大きくなっている。これにより、磁壁１２は磁化固定領域１１内に侵入しにくくなり、それぞれの境界は磁壁１２（１２ａ、１２ｂ）に対するピンポテンシャルとして機能する。

他にピンポテンシャルを生成する方法としては、磁性層２１ａ、２１ｂとして、強磁性層を用い、そこからの漏洩磁界を利用する方法がある。この場合、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１との境界に平面上の形状の差異を設ける必要はない。

図５Ａは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の構成の他の一例を示す平面図である。図５Ｂ及び図５Ｃは、それぞれ本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の構成の他の一例を示す断面図である。その磁気抵抗素子２ｂを磁気メモリセルに用いた例について説明する。図５Ｂは例えば“０”を記憶した場合を示し、図５Ｃは、例えば、“１”を記憶した場合を示す。磁気抵抗素子２ｂは、面内磁気異方性をもつ強磁性体層である磁化記録層１０及びピン層３０と、非磁性体層であるトンネルバリヤ層３２とを備えている。トンネルバリヤ層３２は、磁化記録層１０とピン層３０とに挟まれており、これら磁化記録層１０、トンネルバリヤ層３２、及びピン層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。

磁化記録層１０の材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つ以上の材料を含むことが望ましい。典型的にはＮｉＦeが用いられる。ピン層３０も磁化記録層１０と同様な材料を用い、面内磁気異方性を持つことが望ましい。トンネルバリヤ層３２は、Ａｌ_２Ｏ_３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜である。

磁化記録層１０は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化反転領域１３を有している。磁化反転領域１３は２つの磁化反転領域領域１３ａ、１３ｂに区分され、その一方の磁化反転領域１３ａに、ピン層３０がオーバーラップするように形成されている。言い換えれば、磁化記録層１０の磁化反転領域１３ａの一部が、トンネルバリヤ層３２を介してピン層３０に接続されている。

第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化は、互いに平行な方向に固定される。なお、「磁化が固定されている」とは、書込み動作の前後で磁化の方向が変わらないことを意味する。書込み動作中に、磁化固定領域の一部の磁化の方向が変化しても、書込み動作終了後には元に戻る。

磁化固定領域１１ａ、１１ｂに隣接して、それぞれ磁性層２１ａ、２１ｂが隣接して形成されている。磁性層２１ａ、２１ｂは磁化固定領域１１ａ、１１ｂの保磁力を磁化反転領域１３と比較して実効的に大きくし、初期化を容易にするために設けられている。磁性層２１ａ、２１ｂとしては、前述の強磁性材料、あるいは、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎなどの反強磁性材料を用いることができる。また、磁性層２１ａ、２１ｂは、図５Ｂや図５Ｃに示されるように磁化記録層１０の下に隣接していても、上に隣接していてもよい。

磁壁の位置やピンポテンシャルの形成方法は、垂直磁気異方性を用いた場合と同様である。

次に、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の初期化方法について説明する。
図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の初期化方法を示す断面図である。図中、ピン層３０やトンネルバリヤ層３２は省略されている。ここでは、図３Ａ〜図３Ｃの磁気抵抗素子２における垂直磁気異方性を有する磁化記録層１０の初期化動作のステップを示している。ただし、図４の磁気抵抗素子２ａを用いる場合や、図５Ａ〜図５Ｃの磁化記録層１０が面内異方性を有する磁気抵抗素子２ｂも、ここに示される方法で、同様に初期化することができる。

図６Ａに示されるように、最初に＋Ｚ方向に磁界Ｈ_Ｚ１を印加する。それにより、磁気記録層１０、及び、磁性層２１ａ、２１ｂの磁化全体を＋Ｚ方向に向ける（Ｓｔｅｐ１）。このときの磁界Ｈ_Ｚ１は、磁化記録層１０、及び、磁性層２１ａ、２１ｂの保磁力よりも十分大きな値とする。

次に、図６Ｂに示されるように、−Ｚ方向に磁界Ｈ_Ｚ２を印加していき、磁化反転領域１３の磁化を−Ｚ方向に反転させる（Ｓｔｅｐ２）。このときの磁界Ｈ_Ｚ２は、磁化記録層１０の保磁力より大きく、磁性層２１ａ、２１ｂの保磁力より小さい値とする。磁化固定領域１１ａ、１１ｂは、それぞれ磁性層２１ａ、２１ｂとの交換結合により実効的な保磁力が大きくなっているので、磁界Ｈ_Ｚ２では磁化反転しない。そのため、磁化反転領域１３の両側、すなわち、磁化固定領域１１ａ、１１ｂとの境界には、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂが形成される。

続いて、図６Ｃに示されるように、第１磁化固定領域１１ａから第２磁化固定領域１１ｂに電流を流し、すなわち、第２磁化固定領域１１ｂから第１磁化固定領域１１ａに電子を流す（Ｓｔｅｐ３）。これにより、第２磁化固定領域１１ｂで上向きのスピンを持った電子は磁壁１２ｂを左方向に駆動し、磁化反転領域１３で下向きスピンを持った電子は磁壁１２ａを左方向に駆動する。電流の値、及び、印加時間を最適化すると、磁壁１２ｂは磁化反転領域１３内の中央付近に移動するが、磁壁１２ａは第１磁化固定領域１１ａの高いポテンシャル障壁により、ほとんど第１磁化固定領域１１ａ内に移動することができない。電流を取り除いた後は、磁壁１２ｂのみが磁化反転領域１３の中央部の磁化反転領域１３ａと１３ｂの境界に移動し、磁壁１２ａは第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３の境界に留まり、初期化が実現される。

なお、磁性層２１ａ、２１ｂの保磁力が磁化記録層１０の保磁力より小さい場合など、磁化固定領域１１の実効的な保磁力が、磁化反転領域１３の保磁力よりも小さい場合、Ｓｔｅｐ２において先に磁化固定領域１１の磁化が反転する。このときも磁化反転領域１３の初期化はＳｔｅｐ３と同様な方法によって行うことができる。また、Ｓｔｅｐ２において磁化反転領域１３を反転させる際に、ピン層３０からの漏洩磁界や配線層３１に印加する電流による熱をアシストとして用いることもできる。

次に、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子（磁気メモリセル）に対するデータの書込み、読出し原理を説明する。ここでは、図３Ａ〜図３Ｃに示す構成の磁気抵抗素子２（磁気メモリセル）を例として説明するが、他の磁気抵抗素子（図４：磁気抵抗素子２ａ、図５Ａ〜図５Ｃ：磁気抵抗素子２ｂ）の書込み、読出し原理も同様である。

図７は、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子（磁気メモリセル）に対するデータの書込み原理を示す断面図である。データ書込みは、スピン注入を利用した磁壁移動方式で行われる。書込み電流Ｉｗは、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、磁化記録層１０内を平面的に流れる。その書込み電流Ｉｗは、磁性層２１ａに接続された電流供給端子１４ａ及び磁性層２１ｂに接続された電流供給端子１４ｂのいずれか一方から磁化記録層１０に供給される。

図７（ａ）に示されるように、磁化反転領域１３ａとピン層３０の磁化の向きが平行である状態が、データ“０”に対応付けられている。データ“０”状態において、磁化反転領域１３ａの磁化の向きは−Ｚ方向である。磁壁１２ａは第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３ａとの境界に、磁壁１２ｂは磁化反転領域１３ａと磁化反転領域１３ｂとの境界に、対で存在する。一方、図７（ｃ）に示されるように、磁化反転領域１３ａとピン層３０の磁化の向きが反平行である状態が、データ“１”に対応付けられている。データ“１”状態において、磁化反転領域１３ａの磁化の向きは＋Ｚ方向である。磁壁１２ａは磁化反転領域１３ａと磁化反転領域１３ｂとの境界に、磁壁１２ｂは磁化反転領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｂとの境界に、対で存在する。

図７（ａ）の状態において、データ“１”の書込み動作時、第１書込み電流Ｉｗ１が、電流供給端子１４ｂから供給され、第２磁化固定領域１１ｂから磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１ａに流れ、電流供給端子１４ｂから送出される（図７（ｂ））。このとき、磁化反転領域１３ａには、第１磁化固定領域１１ａから上向きに偏極したスピン電子が注入される。注入された電子のスピンは、第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３ａとの境界にある磁壁１２ａを右方向に駆動する。これと同時に、磁化反転領域１３ａ内で下向きに偏極した電子のスピンは磁化反転領域１３ａと磁化反転領域１３ｂとの境界にある磁壁１２ｂを右方向に駆動する。その結果、磁壁１２ａは磁化反転領域１３ａと磁化反転領域１３ｂとの境界に、磁壁１２ｂは磁化反転領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｂとの境界に、それぞれ移動する（図７（ｃ））。そして、磁化反転領域１３ａの磁化の向きは＋Ｚ方向へスイッチし、同時に磁化反転領域１３ｂの磁化の向きは−Ｚ方向にスイッチする。つまり、スピントランスファー効果により、磁壁対（１２ａ、１２ｂ）が移動し、磁化反転領域１３ａ、１３ｂの磁化が反転し、その磁化の向きがそれぞれ＋Ｚ方向、−Ｚ方向に変わる。

一方、図７（ｃ）の状態において、データ“０”の書込み動作時、第２書込み電流Ｉｗ２が、電流供給端子１４ａから供給され、第１磁化固定領域１１ａから磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１１ｂに流れ、電流供給端子１４ｂから送出される（図７（ｄ））。このとき、磁化反転領域１３ｂには、第２磁化固定領域１１ｂから上向きに偏極したスピン電子が注入される。注入された電子のスピンは、第２磁化固定領域１１ｂと磁化反転領域１３ｂとの境界にある磁壁１２ｂを左方向に駆動する。これと同時に、磁化反転領域１３ｂ内で下向きに偏極した電子のスピンは磁化反転領域１３ｂと磁化反転領域１３ａとの境界にある磁壁１２ａを左向きに駆動する。その結果、磁壁１２ｂは磁化反転領域１３ｂと磁化反転領域１３ａとの境界に、磁壁１２ａは第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３ａとの境界に、それぞれ移動する（図７（ａ））。そして、磁化反転領域１３ａの磁化の向きは−Ｚ方向へスイッチし、同時に磁化反転領域１３ｂの磁化の向きは＋Ｚ方向にスイッチする。つまり、スピントランスファー効果により、磁壁対（１２ａ、１２ｂ）が移動し、磁化反転領域１３ａ、１３ｂの磁化が反転し、その磁化の向きがそれぞれ−Ｚ方向、＋Ｚ方向に変わる。

このように、磁化記録層１０内を平面的に流れる書込み電流Ｉｗによって、磁化反転領域１３ａ、１３ｂの磁化の方向がスイッチする。２つの磁壁１２ａ、１２ｂが対になって移動するためには、第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３ａとの間、磁化反転領域１３ａと磁化反転領域１３ｂとの間、磁化反転領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｂとの間の各境界から磁壁１２がデピンされるときの閾値電流がほぼ等しくなるようピンポテンシャルを設計することが望ましい。あるいは、磁化反転領域１３ａと磁化反転領域１３ｂの境界からのデピンのための閾値電流を他の境界からのデピン電流よりも小さくしてもよい。この場合、磁化反転領域１３間の磁壁１２が先にデピンし、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１間の磁壁１２が続いてデピンすることになる。これは磁化反転領域１３ａと磁化反転領域１３ｂの間のくびれ１５を浅くすることにより実現される。

次に、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子（磁気メモリセル）に対するデータの読出し原理を説明する。データ読出し動作時、読出し電流Ｉ_Ｒは、ピン層３０と磁化反転領域１３ａとの間を流れるように供給される。例えば、読出し電流Ｉ_Ｒは、磁化固定領域１１ａから、磁化反転領域１３ａ及びトンネルバリヤ層３２を経由して、ピン層３０へ流れる。あるいは、読出し電流Ｉ_Ｒは、ピン層３０から、トンネルバリヤ層３２及び磁化反転領域１３ａを経由して、磁化固定領域１１ａへ流れる。その読出し電流Ｉ_Ｒあるいは読出し電位Ｖ_Ｒに基づいて、磁気抵抗素子の抵抗値が検出され、磁化反転領域１３の磁化の向きがセンスされる。

図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子（磁気メモリセル）に対するデータの別の読出し原理を説明する断面図である。ここで、図３Ａ〜図３Ｃの磁気抵抗素子２におけるピン層３０及びトンネルバリヤ層３２が、図８Ａ及び図８Ｂの磁気抵抗素子２ｃにおいては読出し層５０及び分離層３４に置き換えられている。ただし、磁気記録層１０は同じである。

読出し層５０は、磁気センス層３３、バリヤ層３２、ピン層３０から構成され、磁気トンネル接合を形成している。読出し層５０は、磁化反転領域１３のほぼ中央に位置している。ピン層３０は面内の磁気異方性を持つ磁性層であり、読出し動作中及び書込み動作中、その磁化方向は実質的に不変である。磁化センス層３３は面内の磁気異方性を持つ磁性層であり、磁化記録層１０のうち、磁化反転領域１３ａ、１３ｂからの磁束を検知し、その磁化方向を変える。したがって、図６Ａ〜図６Ｃに示す書込み動作により、磁化反転領域１３ａ、１３ｂの磁化方向が変化すると、磁化センス層３３の磁化方向も、それに対応して変化する。すなわち、磁化センス層３３にも同時に書き込みが行われる。

磁化記録層１０が“０”状態の場合、磁化反転領域１３ａ、１３ｂはそれぞれ−Ｚ方向、＋Ｚ方向に磁化しているので、磁化センス層３３は−Ｘ方向に磁化する（書き込まれる）。一方、磁化記録層１０が“１”状態の場合、磁化反転領域１３ａ、１３ｂはそれぞれ＋Ｚ方向、−Ｚ方向に磁化しているので、磁化センス層３３は＋Ｘ方向に磁化する（書き込まれる）。

図８Ａ及び図８Ｂの場合、ピン層３０の磁化は−Ｘ方向を向いている。したがって、読出し動作では、読出し層５０の磁気トンネル接合は、“０”状態で低抵抗を示し、“１”状態で高抵抗を示す。例えば、読出し電流Ｉ_Ｒは、磁化固定領域１１ａから、磁化反転領域１３ａ、分離層３４、磁化センス層３３、及びバリヤ層３２を経由して、ピン層３０へ流れる。あるいは、読出し電流Ｉ_Ｒは、ピン層３０から、バリヤ層３２、磁化センス層３３、分離層３４、磁化反転領域１３ａを経由して、磁化固定領域１１ａへ流れる。その読出し電流Ｉ_Ｒあるいは読出し電位Ｖ_Ｒに基づいて、磁気抵抗素子の抵抗値が検出され、磁化センス層３３（すなわち磁化反転領域１３）の磁化の向きがセンスされる。

図８Ａ及び図８Ｂにおいて、読出し層５０と磁化記録層１０の間には分離層３４が配置されているが、この分離層３４は磁化センス層３３、バリヤ層３２、ピン層３０の結晶性を高めるための下地層として用いることができる。また、この分離層３４は省略することもできる。なお、磁気センス層３３、バリヤ層３２の磁気異方性の向きと、磁気記録層１０の磁気異方性の向きとは略直角である。また、このような図８Ａ及び図８Ｂに示す構成（分離層３４を省略する場合を含む）は、後述される第２の実施例の場合にも、同様に適用可能である。

（第２の実施例）
図９は、本発明の第２の実施例に係る磁気抵抗素子の構成の一例を示す平面図である。その磁気抵抗素子２を磁気メモリセルに用いた例について説明する。図面において、白丸とバツの記号や白矢印は、各層における磁化方向を示している（以下同じ）。磁気抵抗素子２は、垂直磁気異方性をもつ強磁性体層である磁気記録層１０及びピン層３０と、非磁性体層であるトンネルバリヤ層３２とを備えている。トンネルバリヤ層３２は、磁化記録層１０とピン層３０とに挟まれており、これら磁化記録層１０、トンネルバリヤ層３２、及びピン層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。

磁化記録層１０は第１固定領域１１ａ、第２固定領域１１ｂ、及び、磁化反転領域１３から構成されている。磁化反転領域１３はさらに磁化反転領域１３ａ、及び、磁化反転領域１３ｂに区分される。本実施例において、各領域は傾斜した辺を有しており、その傾斜方向は、図面上では、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化反転領域１３ｂで左上がりであり、磁化反転領域１３ａで右上がりである。また、磁化固定領域１１と磁化反転領域１３との境界において、磁化固定領域１１の幅は磁化反転領域１３の幅よりも大きくなっている。これは磁化固定領域１１と磁化反転領域１３との境界に磁壁のピンポテンシャルを生成するためである。また、磁化反転領域１３ａと磁化反転領域１３ｂの境界が屈曲していることも、ここにピンポテンシャルを生成するためである。

次に、本発明の第２の実施例に係る磁気抵抗素子の初期化方法について説明する。
図１０Ａ〜図１０Ｃは、本発明の第２の実施例に係る磁気抵抗素子の初期化方法を示す断面図である。ここでは、磁気抵抗素子における垂直磁気異方性を有する磁化記録層１０の初期化動作のステップを示している。図中、ピン層３０やトンネルバリヤ層３２は省略されている。

図１０Ａに示されるように、最初に、磁化記録層１０を＋Ｙ方向の面内磁界により＋Ｙ方向に磁化させる。＋Ｙ方向の磁化１７ａ〜１７ｄにより、磁化記録層１０の各辺には磁極１６ａ〜１６ｂが発生し、これらの磁極により各辺の近傍では反磁界１８ａ〜１８ｄがかかる。この反磁界は各辺に垂直な方向であるので、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化反転領域１３ｂの上辺、下辺においては−Ｘ方向の成分を持ち、磁化反転領域１３ａにおいては＋Ｘ方向の成分をもつ。

＋Ｙ方向の磁界を取り除いた後の磁化１７ａ〜１７ｄは、この反磁界１８ａ〜１８ｄによるトルクの方向に向き始める。トルクは、磁化１７ａ〜１７ｄと反磁界１８ａ〜１８ｄの外積であるので、反磁界１８ａ〜１８ｄのうち磁化１７ａ〜１７ｄと平行な成分は寄与せず、反磁界１８ａ〜１８ｄのＸ成分のみが寄与する。そのため、磁化記録層１０の各辺には図１０Ｂに示されるようなトルク１９ａ〜１９ｄが発生する。すなわち、各領域の辺の傾きに応じて、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化反転領域１３ｂの斜辺付近では−Ｚ方向のトルク１９ａ、１９ｄ、１９ｃが、磁化反転領域１３ａの斜辺付近では＋Ｚ方向のトルク１９ｂが発生する。＋Ｙ方向の磁界を取り除くと、このトルク１９ａ〜１９ｄにより、各磁化領域の磁化１７ａ〜１７ｄは斜辺付近からＺ方向に向いていき、最終的には図１０Ｃに示されるように、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化反転領域１３ｂは−Ｚ方向に、磁化反転領域１３ａは＋Ｚ方向に磁化し、磁壁１２ａ、１２ｂが、それぞれ磁化反転領域１３ａと磁化固定領域１１ａ、磁化反転領域１３ｂの境界に対として生成される。

本発明の第２の実施例に係る磁気抵抗素子の初期化方法において、磁化記録層１０に印加する磁界の方向は面内方向を主成分とすればよく、図９で示した＋Ｙ方向以外であってもよい。また、各磁化領域のＹ軸方向に対する斜辺はなだらかな曲線状であってもよい。さらに、各磁化領域を規定する全ての辺のＹ軸方向に対する傾きの方向（角度）が等しい必要はない。ただし、各磁化領域を規定する辺の傾きのマジョリティは第１磁化固定領域、第２磁化固定領域、磁化反転領域１１ｂで等しく、磁化反転領域１１ａで逆符号でなくてはならない。例えば、図９の座標の設定では、第１磁化固定領域、第２磁化固定領域及び磁化反転領域１１ｂの斜辺の方向は、ＸＹ平面における第２象限（＋Ｙ）の範囲に存在する。一方、磁化反転領域１１ａの斜辺の方向は、ＸＹ平面における第３象限の範囲（−Ｙ）に存在する。

図１１は、本発明の第１及び第２の実施例に係るＭＲＡＭの構成の一例を示すブロック図である。図１１において、ＭＲＡＭ６０は、複数の磁気メモリセル１がマトリックス状に配置されたメモリセルアレイ６１を有している。このメモリセルアレイ６１は、データの記録に用いられる磁気メモリセル１と共に、データ読み出しの際に参照されるリファレンスセル１ｒを含んでいる。リファレンスセル１ｒの構造は、磁気メモリセル１と同じである。

各磁気メモリセル１は、図３Ａ〜図１０Ｃに示された磁気抵抗素子２に加え、選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２を有している。選択トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方は、第１磁化固定領域１１ａの電流供給端子１４ａに接続され、他方は第１ビット線ＢＬ１に接続されている。選択トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの一方は、第２磁化固定領域１１ｂの電流供給端子１４ｂに接続され、他方は第２ビット線ＢＬ２に接続されている。選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２のゲートはワード線ＷＬに接続されている。磁気メモリセル１のピン層３０は、電流引き出し用の配線を介して図のようにグランド線Ｇに接続されている。

ワード線ＷＬは、Ｘセレクタ６２に接続されている。Ｘセレクタ６２は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、対象メモリセル１ｓにつながるワード線ＷＬを選択ワード線ＷＬｓとして選択する。第１ビット線ＢＬ１はＹ側電流終端回路６４に接続されており、第２ビット線ＢＬ２はＹセレクタ６３に接続されている。Ｙセレクタ６３は、対象メモリセル１ｓにつながる第２ビット線ＢＬ２を選択第２ビット線ＢＬ２ｓとして選択する。Ｙ側電流終端回路６４は、対象メモリセル１ｓにつながる第１ビット線ＢＬ１を選択第１ビット線ＢＬ１ｓとして選択する。

Ｙ側電流源回路６５は、データ書込み動作時、選択第２ビット線ＢＬ２ｓに対し、所定の書き込み電流（Ｉｗ１，Ｉｗ２）の供給又は引き込みを行う。Ｙ側電源回路６６は、データ書き込み動作時、Ｙ側電流終端回路６４に所定の電圧を供給する。その結果、書き込み電流（Ｉｗ１，Ｉｗ２）は、Ｙセレクタ６３へ流れ込む、あるいは、Ｙセレクタ６３から流れ出す。これらＸセレクタ６２、Ｙセレクタ６３、Ｙ側電流終端回路６４、Ｙ側電流源回路６５、及びＹ側電源回路６６は、磁気メモリセル１に書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２を供給するための「書き込み電流供給回路」を構成している。

データ読み出し動作時、第１ビット線ＢＬ１は“Ｏｐｅｎ”に設定される。読み出し電流付加回路６７は、選択第２ビット線ＢＬ２ｓに所定の読み出し電流を流す。また、読み出し電流付加回路６７は、リファレンスセル１ｒにつながるリファレンス第２ビット線ＢＬ２ｒに所定の電流を流す。センスアンプ６８は、リファレンス第２ビット線ＢＬ２ｒの電位と選択第２ビット線ＢＬ２ｓの電位の差に基づいて、対象メモリセル１ｓからデータを読み出し、そのデータを出力する。

本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。

本発明の活用例として、携帯電話、（パーソナル）コンピュータやＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｎａｌ Ａｓｉｓｔａｎｔ）のような情報処理装置に使用される不揮発性の半導体メモリ装置や、自動車など使用される不揮発性メモリ内蔵のマイクロコンピュータが挙げられる。

図１は、特開２００５−１９１０３２号公報の磁化記録層の構造を示す概略平面図である。 図２Ａは、想定しうる垂直磁気異方性材料を用いた磁化記録層の平面図である。 図２Ｂは、想定しうる垂直磁気異方性材料を用いた磁化記録層の平断面図である。 図３Ａは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の構成の一例を示す平面図である。 図３Ｂは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の構成の一例を示す断面図である。 図３Ｃは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の構成の一例を示す断面図である。 図４は、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の構成の変形例を示す平面図である。 図５Ａは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の構成の他の一例を示す平面図である。 図５Ｂは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の構成の他の一例を示す断面図である。 図５Ｃは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の構成の他の一例を示す断面図である。 図６Ａは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の初期化方法を示す断面図である。 図６Ｂは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の初期化方法を示す断面図である。 図６Ｃは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子の初期化方法を示す断面図である。 図７は、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子に対するデータの書込み原理を示す断面図である。 図８Ａは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子に対するデータの別の読出し原理を説明する断面図である。 図８Ｂは、本発明の第１の実施例に係る磁気抵抗素子に対するデータの別の読出し原理を説明する断面図である。 図９は、本発明の第２の実施例に係る磁気抵抗素子の構成の一例を示す平面図である。 図１０Ａは、本発明の第２の実施例に係る磁気抵抗素子の初期化方法を示す断面図である。 図１０Ｂは、本発明の第２の実施例に係る磁気抵抗素子の初期化方法を示す断面図である。 図１０Ｃは、本発明の第２の実施例に係る磁気抵抗素子の初期化方法を示す断面図である。 図１１は、本発明の第１及び第２の実施例に係るＭＲＡＭの構成の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 磁気メモリセル
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 磁気抵抗素子
１０ 磁化記録層
１１ａ 第１磁化固定領域
１１ｂ 第２磁化固定領域
１２ａ、１２ｂ 磁壁
１３、１３ａ、１３ｂ 磁化反転領域
１４ａ、１４ｂ 電流供給端子
１５ くびれ
２１ａ、２１ｂ 磁性層
２０ トンネルバリヤ層
３０ ピン層
３１ 配線層
３２ トンネルバリヤ層
３３ 磁気センス層
３４ 分離層
５０ 読出し層
６０ ＭＲＡＭ
６１ メモリセルアレイ
６２ Ｘセレクタ
６３ Ｙセレクタ
６４ Ｙ側電流終端回路
６５ Ｙ側電流源回路
６６ Ｙ側電源回路
６７ 読み出し電流付加回路
６８ センスアンプ
１００、１１０ 磁化記録層
１０１、１１１ａ 第１磁化固定領域
１０２、１１１ｂ 第２磁化固定領域
１０３、１１３ 磁化反転領域
１０４、１１５ くびれ
１０５、１０６ 電流供給端子
１３０ ピン層
１３２ トンネルバリヤ層
Ｂ１ 第１境界
Ｂ２ 第２境界
ＤＷ 磁壁
ＷＬ ワード線
ＢＬ１ 第１ビット戦
ＢＬ２ 第２ビット戦

Claims (20)

1. 磁気異方性を有する強磁性層である磁化記録層と、
   前記磁気記録層上に設けられた情報を読み出すための読出し層と
   を具備し、
   前記磁化記録層は、
   反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域と第２磁化反転領とを含む磁化反転領域と、
   前記第１磁化反転領域との境界に接続され、磁化の向きが固定された第１磁化固定領域と、
   前記第２磁化反転領域との境界に接続され、磁化の向きが固定された第２磁化固定領域と
   を備える
   磁気ランダムアクセスメモリ。
2. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１磁化固定領域に隣接して設けられた第１磁性層と、
   前記第２磁化固定領域に隣接して設けられた第２磁性層と
   を更に具備する
   磁気ランダムアクセスメモリ。
3. 請求項２に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１磁性層及び前記第２磁性層が、前記磁化記録層よりも保磁力が大きい強磁性層である
   磁気ランダムアクセスメモリ。
4. 請求項２に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１磁性層及び前記第２磁性層が、反強磁性材料である
   磁気ランダムアクセスメモリ。
5. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記磁化記録層が、垂直磁気異方性を有する
   磁気ランダムアクセスメモリ。
6. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１磁化反転領域と前記第２磁化反転領域との境界にくびれが形成されている
   磁気ランダムアクセスメモリ。
7. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１磁化反転領域と前記第１磁化固定領域との境界、及び、前記第２磁化反転領域と前記第２磁化固定領域との境界に第１くびれが形成されている
   磁気ランダムアクセスメモリ。
8. 請求項７に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１磁化反転領域と前記第２磁化反転領域との境界に第２くびれが形成され、
   前記第２くびれが、前記第１くびれよりも浅い
   磁気ランダムアクセスメモリ。
9. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の幅が、それぞれ前記第１磁化反転領域及び前記第２磁化反転領域の幅よりも大きい
   磁気ランダムアクセスメモリ。
10. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記読出し層は、
    前記第１磁化反転領域及び前記第２磁化反転領域のいずれか一方に積層されたバリヤ層と、
    前記バリヤ層上に積層された磁化ピン層と
    を備え、
    前記前記第１磁化反転領域及び前記第２磁化反転領域のいずれか一方と前記バリヤ層と前記磁化ピン層とが磁気抵抗効果素子を形成している
    磁気ランダムアクセスメモリ。
11. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記第１磁化反転領域と前記第２磁化反転領域とを跨いで積層された磁化センス層と、
    前記磁化センス層上に積層されたバリヤ層と、
    前記バリヤ層上に積層された磁化ピン層と
    を備え、
    前記磁化センス層と前記バリヤ層と前記磁化ピン層とが磁気抵抗効果素子を形成している
    磁気ランダムアクセスメモリ。
12. 請求項１１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁化記録層が垂直磁気異方性を有し、
    前記磁化センス層及び磁化ピン層が面内磁気異方性を有する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
13. 磁気異方性を有する強磁性層である磁化記録層と、
    前記磁気記録層上に設けられた情報を読み出すための読出し層と
    を具備し、
    前記磁化記録層は、
    反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域と第２磁化反転領域とを含む磁化反転領域と、
    前記第１磁化反転領域の境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
    前記第２磁化反転領域の境界に接続され、磁化の向きが前記第１方向に固定された第２磁化固定領域と
    を備え、
    前記第１磁化反転領域と前記第２磁化反転領域の磁化が反平行であり、
    前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の磁化が平行である
    磁気ランダムアクセスメモリ。
14. 請求項１３に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記第１磁化反転領域と前記第２磁化反転領域との境界にくびれが形成されている
    磁気ランダムアクセスメモリ。
15. 請求項１３に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記第１磁化反転領域と前記第１磁化固定領域との境界、及び、前記第２磁化反転領域と前記第２磁化固定領域との境界に第１くびれが形成されている
    磁気ランダムアクセスメモリ。
16. 請求項１５に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記第１磁化反転領域と前記第２磁化反転領域との境界に第２くびれが形成され、
    前記第２くびれが、前記第１くびれよりも浅い
    磁気ランダムアクセスメモリ。
17. 請求項１３に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の幅が、それぞれ前記第１磁化反転領域及び前記第２磁化反転領域の幅よりも大きい
    磁気ランダムアクセスメモリ。
18. 請求項１３に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記第１磁化固定領域、前記第２磁化固定領域、及び、前記第２磁化反転領域の各領域を規定する辺の傾きの符号のマジョリティが、前記第１磁化反転領域を規定する辺の傾きの符号のマジョリティと異なる
    磁気ランダムアクセスメモリ。
19. 磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
    ここで、前記磁気ランダムアクセスメモリは、
    磁気異方性を有する強磁性層である磁化記録層と、
    前記磁気記録層上に設けられた情報を読み出すための読出し層と
    を具備し、
    前記磁化記録層は、
    反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域と第２磁化反転領とを含む磁化反転領域と、
    前記第１磁化反転領域との境界に接続され、磁化の向きが固定された第１磁化固定領域と、
    前記第２磁化反転領域との境界に接続され、磁化の向きが固定された第２磁化固定領域と
    を備え、
    前記磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法は、
    （ａ）前記磁化記録層に磁気異方性の方向としての第１方向に磁界を印加することにより、前記磁化記録層を同じ方向に磁化するステップと、
    （ｂ）前記第１方向とは逆の第２方向の磁界を印加することにより、前記磁化反転領域の磁化を反転させるステップと、
    （ｃ）前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との間に電流を印加することにより、前記第１磁化反転領域及び前記第２磁化反転領域のいずれか一方の磁化方向をさらに反転させるステップと
    を具備する
    磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
20. 磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
    ここで、前記磁気ランダムアクセスメモリは、
    磁気異方性を有する強磁性層である磁化記録層と、
    前記磁気記録層上に設けられた情報を読み出すための読出し層と
    を具備し、
    前記磁化記録層は、
    反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域と第２磁化反転領とを含む磁化反転領域と、
    前記第１磁化反転領域との境界に接続され、磁化の向きが固定された第１磁化固定領域と、
    前記第２磁化反転領域との境界に接続され、磁化の向きが固定された第２磁化固定領域と
    を備え、
    前記第１磁化固定領域、前記第２磁化固定領域、及び、前記第１磁化反転領域の各領域を規定する辺の傾きの符号のマジョリティが、前記第２磁化反転領域を規定する辺の傾きの符号のマジョリティと異なっており、
    前記磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法は、
    （ａ）前記磁化記録層に面内方向の磁界を印加することにより、前記磁化記録層を面内方向に磁化するステップと、
    （ｂ）前記磁界を取り除くことにより、前記第１磁化固定領域、前記第２磁化固定領域及び前記第１磁化反転領域の磁化と前記第２磁化反転領域の磁化とを反平行に初期化するステップと
    を具備する
    磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。

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