JP2009200123A - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＲＡＭにおけるリファレンスセルの初期設定が不要となる技術を提供すること。
【解決手段】磁気ランダムアクセスメモリ１０は、メモリセルＭＣと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルＲＣとを備える。メモリセルＭＣは、抵抗値が第１値と第２値の間で切り換わる第１磁気抵抗素子１００を含む。一方、リファレンスセルＲＣは、抵抗値が第１値と第２値の間の第３値に固定された第２磁気抵抗素子１５０を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM: Magnetic Random Access Memory）に関する。特に、本発明は、メモリセルとリファレンスセルを備える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２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２層の強磁性層は、磁化方向が固定された磁化固定層（ピン層）と、磁化方向が反転可能な磁化自由層（フリー層）を含む。

磁化固定層と磁化自由層の磁化方向が“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き込みは、磁化自由層の磁化方向を反転させることによって行われる。

典型的なデータ書き込み方式は、所望の方向の磁界を磁化自由層に印加する「磁界書き込み方式」である。この場合、ＭＴＪ近傍に書き込み配線が設けられ、その書き込み配線に書き込み電流が流される。書き込み電流によって誘起される書き込み磁界は磁化自由層に印加され、その書き込み磁界の方向に応じて磁化自由層の磁化方向が反転する。

また近年、メモリセルの微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、「スピン注入（spin transfer）方式」が提案されている（特許文献１、非特許文献１参照）。スピン注入方式によれば、磁化自由層と磁化固定層との間にスピン偏極電流（spin-polarized current）が注入され、伝導電子のスピンと磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化自由層の磁化方向が反転する（スピン注入磁化反転：Spin Transfer Magnetization Switching）。非特許文献２では、０．２ｍＡの書き込み電流でのスピン注入磁化反転が実証されている。非特許文献３では、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜を用いることにより書き込み電流を更に低減できることが報告されている。

更に、特許文献２及び特許文献３には、スピン注入磁化反転を応用した「磁壁移動方式」が提案されている。磁壁移動方式によれば、磁化自由層は、磁化固定層と対向する磁化反転領域と、磁化反転領域の両サイドに設けられた磁化固定領域を含む。磁化自由層内の磁化反転領域と磁化固定領域との間には磁壁が形成される。データ書き込み時、書き込み電流は磁化自由層内を面内方向に流れ、スピン注入により磁化反転領域の磁化方向が反転する。これは、磁壁が磁化反転領域の一端から他端へ移動することに相当する（電流駆動磁壁移動：Current-Driven Domain Wall Motion）。つまり、磁化自由層では磁壁が移動し、その磁壁の位置によってＭＴＪの抵抗値、すなわち記録データが変化する。その意味で、磁壁移動方式の磁化自由層は、磁壁移動層あるいは磁化記録層と参照される場合もある。非特許文献４では、垂直磁化膜の場合０．０５ｍＡ程度の書き込み電流で電流駆動磁壁移動が可能であることが報告されている。

特開２００５−９３４８８号公報 特開２００５−１９１０３２号公報 国際公開ＷＯ／２００７／０２０８２３ J. C. Slonczewski, Current-driven excitation of magnetic multilayers, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-L7, 1996. T. Kawahara et al., 2Mb Spin-Transfer Torque RAM (SPRAM) with Bit-by-Bit Bidirectional Current Write and Parallelizing-Direction Current Read, 2007 IEEE International Solid-State Circuits Conference, Session 26, 26.5. M. Nakayama et al., Spin transfer switching in TbCoFe/CoFeB/MgO/CoFeB/TbCoFe magnetoresistive tunneling junctions with perpendicular magnetic anisotropy, 52nd Magnetism and Magnetic Materials Conference, November 2007, BB-09. S. Fukami et al, Micromagnetic analysis of current driven domain wall motion in nano-strips with perpendicular magnetic anisotropy, 52nd Magnetism and Magnetic Materials Conference, November 2007, FE-06.

本願発明者は次の点に着目した。
図１は、一般的なＭＲＡＭの構成を概略的に示している。ＭＲＡＭ１のメモリセルアレイ２は、マトリックス状に配置された複数のセルを有している。より詳細には、セルには、データ記録用のメモリセルＭＣと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１が含まれる。メモリセルＭＣ、リファレンスセルＲＣ０及びＲＣ１は、同一の構造の磁気抵抗素子を有している。

メモリセルＭＣにはデータ“０”あるいはデータ“１”が格納される。メモリセルＭＣの磁気抵抗素子の抵抗値は、データ“０”の場合Ｒ０であり、データ“１”の場合Ｒ１である。リファレンスセルＲＣ０はデータ“０”に設定されており、その磁気抵抗素子の抵抗値はＲ０である。一方、リファレンスセルＲＣ１はデータ“１”に設定されており、その磁気抵抗素子の抵抗値はＲ１である。このようなリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１の設定は、メモリセルＭＣに対するデータ書き込みと同様の方法で行われ、そのための専用のセットコントローラ４が設けられている。

データ読み出し時、読み出し対象のメモリセルＭＣに加えて、リファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１に読み出し電流が流される。読み出し回路３は、メモリセルＭＣを流れる読み出し電流に基づいて、メモリセルＭＣの記録データに応じた読み出しレベルを生成する。また、読み出し回路３は、リファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１のそれぞれを流れる読み出し電流に基づいて、抵抗値Ｒ０とＲ１の中間抵抗値に対応するリファレンスレベルを生成する。そして、読み出し回路３は、読み出しレベルをリファレンスレベルと比較することによって、メモリセルＭＣの記録データを判定する。

以上に説明されたように、ＭＲＡＭ１のデータ読み出し時、相補データが記録された２種類のリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１が用いられる。そのために、ＭＲＡＭ１の回路製造後、セットコントローラ４を用いてリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１のそれぞれに相補データを書き込む必要がある。このような初期設定工程は、製造時間と製造コストの増大を招く。また、初期設定用のセットコントローラ４を設けることは、ＭＲＡＭ１の面積の増大を招く。

本発明の１つの目的は、ＭＲＡＭにおけるリファレンスセルの初期設定が不要となる技術を提供することにある。

本発明の第１の観点において、磁気ランダムアクセスメモリが提供される。その磁気ランダムアクセスメモリは、メモリセルと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルとを備える。メモリセルは、抵抗値が第１値と第２値の間で切り換わる第１磁気抵抗素子を含む。一方、リファレンスセルは、抵抗値が第１値と第２値の間の第３値に固定された第２磁気抵抗素子を含む。

本発明の第２の観点において、磁気ランダムアクセスメモリが提供される。その磁気ランダムアクセスメモリは、第１磁気抵抗素子を含むメモリセルと、第２磁気抵抗素子を含むリファレンスセルとを備える。第１磁気抵抗素子は、磁化方向が固定された第１磁化固定層と、磁化方向が第１磁化固定層の磁化方向と平行あるいは反平行となる磁化反転領域を少なくとも含む第１磁化自由層と、第１磁化固定層と磁化反転領域に挟まれた第１非磁性層とを有する。一方、第２磁気抵抗素子は、磁気異方性の方向が第１方向に平行な磁化領域を少なくとも含む第２磁化自由層と、磁化方向が第１方向と直交する第２方向に固定された第２磁化固定層と、第２磁化固定層と磁化領域に挟まれた第２非磁性層とを有する。第１磁化固定層、第１磁化自由層、第２磁化固定層及び第２磁化自由層は、面内磁気異方性を有する。

本発明の第３の観点において、磁気ランダムアクセスメモリが提供される。その磁気ランダムアクセスメモリは、第１磁気抵抗素子を含むメモリセルと、第２磁気抵抗素子を含むリファレンスセルとを備える。第１磁気抵抗素子は、磁化方向が固定された第１磁化固定層と、磁壁が移動する第１磁化自由層と、第１磁化固定層と第１磁化自由層に挟まれた第１非磁性層とを有する。一方、第２磁気抵抗素子は、所定の位置に磁壁が形成された第２磁化自由層と、磁化方向が固定され上記所定の位置とオーバーラップする第２磁化固定層と、第２磁化固定層と第２磁化自由層に挟まれた第２非磁性層とを有する。

本発明によれば、リファレンスセルの磁気抵抗素子は、メモリセルの磁気抵抗素子とは異なる構造を有している。リファレンスセルの磁気抵抗素子の抵抗値は、データ“０”とデータ“１”の中間レベルに固定されている。従って、相補データが記録された２種類のリファレンスセルは不要であり、リファレンスセルの初期設定も不要となる。その結果、製造時間が短縮され、製造コストが削減される。また、初期設定用のコントローラも不要となるため、ＭＲＡＭの面積が削減される。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭを説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭ１０の構成を概略的に示している。ＭＲＡＭ１０のメモリセルアレイ２０は、マトリックス状に配置された複数のセルを有している。より詳細には、セルには、データ記録用のメモリセルＭＣと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルＲＣが含まれる。

メモリセルＭＣには、データ“０”あるいはデータ“１”が格納される。このメモリセルＭＣは第１磁気抵抗素子を含んでおり、その第１磁気抵抗素子の抵抗値は記録データに応じてＲ０とＲ１の間で切り換わる。例えば、データ“０”の場合、第１磁気抵抗素子の抵抗値はＲ０であり、データ“１”の場合、その抵抗値はＲ０より大きいＲ１である。一方、リファレンスセルＲＣは、第１磁気抵抗素子と異なる構造を有する第２磁気抵抗素子を含んでいる。その第２磁気抵抗素子の抵抗値は、上記Ｒ０とＲ１の間の中間値（以下、「Ｒ０．５」と参照される）に固定されている。つまり、第２磁気抵抗素子は、その抵抗値が単独でＲ０．５となるようにあらかじめ形成されている。

データ読み出し時、読み出し対象のメモリセルＭＣとリファレンスセルＲＣに読み出し電流が流される。読み出し回路３０は、メモリセルＭＣを流れる読み出し電流に基づいて、メモリセルＭＣの記録データに応じた読み出しレベルを生成する。また、読み出し回路３は、リファレンスセルＲＣを流れる読み出し電流に基づいて、中間抵抗値Ｒ０．５に対応するリファレンスレベルを生成する。そして、読み出し回路３０は、読み出しレベルをリファレンスレベルと比較することによって、メモリセルＭＣの記録データを判定する。

このように、本実施の形態によれば、相補データが記録された２種類のリファレンスセルではなく、抵抗値がＲ０．５に固定された一種類のリファレンスセルＲＣが用いられる。リファレンスセルＲＣは抵抗値がＲ０．５となるようにあらかじめ形成されており、リファレンスセルＲＣの初期設定工程は不要である。その結果、製造時間が短縮され、製造コストが削減される。また、初期設定用のコントローラも不要となるため、ＭＲＡＭ１０の面積が削減される。

また、読み出し回路３０は、相補データが記録された２種類のリファレンスセルを参照して、抵抗値Ｒ０とＲ１の中間抵抗値に対応するリファレンスレベルを算出する必要はない。リファレンスレベルは、抵抗値がＲ０．５に固定された一種類のリファレンスセルＲＣを参照することによって直接的に得られる。従って、回路構成が単純になり、ＭＲＡＭ１０の面積が削減される。

更に、既出の図１では、２種類のリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１のそれぞれを配置するために２列必要であった。一方、図２では、１種類のリファレンスセルＲＣを配置するために１列で十分である。リファレンスセルのための領域が１列分不要となるため、メモリセルアレイの面積が削減される。特に小規模アレイの場合には、面積削減効果が顕著となる。

また、図１で示されたＭＲＡＭ１と比較して、本実施の形態に係るＭＲＡＭ１０は、ＳＲＡＭ（Static RAM）との互換性が向上している。それは、ＳＲＡＭでは、２種類のリファレンスセルに相補データを書き込んだり、Ｒ０とＲ１の中間値と比較してメモリ状態を判定することはないからである。

尚、磁気抵抗素子に限らず、抵抗値がＲ０．５に固定された素子であれば何でもリファレンスセルＲＣに適用され得る。例えば、抵抗値がＲ０．５であるポリシリコン抵抗を形成することが考えられる。但し、メモリセルＭＣとリファレンスセルＲＣが同様の構造を含んでいることが、製造プロセスの観点からは好ましい。従って、磁気抵抗素子がリファレンスセルＲＣに適用されることが好適である。以下、抵抗値がＲ０．５に固定された磁気抵抗素子を実現するための様々な例を詳しく説明する。

１．第１の実施の形態
１−１．基本構成
図３は、本発明の第１の実施の形態に係るメモリセルＭＣ及びリファレンスセルＲＣの構造を示している。

メモリセルＭＣは、第１磁気抵抗素子１００を含んでいる。第１磁気抵抗素子１００は、磁化固定層１１０、トンネルバリヤ層１２０及び磁化自由層１３０を有している。磁化固定層１１０及び磁化自由層１３０は強磁性層であり、その材料としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉが挙げられる。一方、トンネルバリヤ層１２０は非磁性層であり、例えばＡｌ_２Ｏ_３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜である。トンネルバリヤ層１２０は磁化固定層１１０と磁化自由層１３０に挟まれており、それら磁化固定層１１０、トンネルバリヤ層１２０及び磁化自由層１３０によってＭＴＪが形成されている。

磁化固定層１１０及び磁化自由層１３０は面内磁気異方性を有している。このうち磁化固定層１１０の磁化方向は、面内の一方向に固定されている。例えば図３において、磁化固定層１１０の磁化方向は＋Ｙ方向に固定されている。このような磁化方向の固定は、例えば、磁化固定層１１０に反強磁性体層を隣接させることによって可能である。また、磁化が反平行結合した積層膜（積層フェリ結合膜）を磁化固定層１１０に適用することもできる。一方、磁化自由層１３０（磁化反転領域）の磁化方向は反転可能であり、磁化固定層１１０の磁化方向と平行あるいは反平行となる。図３において、磁化自由層１３０の磁化容易軸はＹ方向と平行であり、磁化自由層１３０の磁化方向は＋Ｙ方向あるいは−Ｙ方向となり得る。特に図３では、磁化自由層１３０の平面形状は楕円形であり、その楕円形の長軸がＹ方向に沿っている。

磁化自由層１３０の磁化方向が＋Ｙ方向の場合、すなわち、磁化固定層１１０と磁化自由層１３０の磁化方向が平行の場合、第１磁気抵抗素子１００の抵抗値は“Ｒ０”である。一方、磁化自由層１３０の磁化方向が−Ｙ方向の場合、すなわち、磁化固定層１１０と磁化自由層１３０の磁化方向が反平行の場合、第１磁気抵抗素子１００の抵抗値は“Ｒ０”より大きい“Ｒ１”である。たとえば、抵抗値“Ｒ０”はデータ“０”に対応付けられ、抵抗値“Ｒ１”はデータ“１”に対応付けられる。

一方、リファレンスセルＲＣは、第１磁気抵抗素子１００と異なる第２磁気抵抗素子１５０を含んでいる。第２磁気抵抗素子１５０は、磁化固定層１６０、トンネルバリヤ層１７０及び磁化自由層１８０を有している。磁化固定層１６０及び磁化自由層１８０は強磁性層であり、その材料としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉが挙げられる。一方、トンネルバリヤ層１７０は非磁性層であり、例えばＡｌ_２Ｏ_３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜である。トンネルバリヤ層１７０は磁化固定層１６０と磁化自由層１８０に挟まれており、それら磁化固定層１６０、トンネルバリヤ層１７０及び磁化自由層１８０によってＭＴＪが形成されている。

磁化固定層１６０及び磁化自由層１８０は面内磁気異方性を有している。このうち磁化固定層１６０の磁化方向は、面内の一方向に固定されている。例えば図３において、磁化固定層１６０の磁化方向は＋Ｙ’方向に固定されている。このような磁化方向の固定は、第１磁気抵抗素子１００の磁化固定層１１０の場合と同様に可能である。

本実施の形態によれば、磁化自由層１８０（磁化領域）の磁化容易軸は、磁化固定層１６０の磁化方向と直交している。図３で示された例では、磁化自由層１８０の磁化容易軸はＸ’方向に平行である。特に図３では、磁化自由層１８０の平面形状は楕円形であり、その楕円形の長軸がＸ’方向に沿っている。その結果、磁化自由層１８０の磁化方向はＸ’方向と平行となり、磁化固定層１６０の磁化方向と直交する。従って、第２磁気抵抗素子１５０の抵抗値は、上記Ｒ０とＲ１の間の中間値“Ｒ０．５”となる。このように、磁化自由層１８０は、その磁化容易軸が磁化固定層１６０の磁化方向と直交するように形成される。つまり、第２磁気抵抗素子１５０は、抵抗値がＲ０．５となるようにあらかじめ形成されている。

また、図４に示されるような第２磁気抵抗素子１５０も可能である。図４の例では、磁化自由層１８０の磁化容易軸はＹ’方向に平行であり、磁化固定層１６０の磁化方向は＋Ｘ’方向に固定されている。この場合でも、磁化自由層１８０の磁化方向と磁化固定層１６０の磁化方向が直交し、Ｒ０．５が実現される。

尚、第１磁気抵抗素子のＸ−Ｙ−Ｚ座標系と第２磁気抵抗素子のＸ’−Ｙ’−Ｚ’座標系とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。つまり、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、それぞれＸ’軸、Ｙ’軸及びＺ’軸と平行であってもよいし、平行でなくてもよい。例えば、Ｘ軸はＹ’軸と平行であり、Ｙ軸はＸ’軸と反平行であり、Ｚ軸はＺ’軸と平行であってもよい。このことは、後に説明される実施の形態でも同様である。

また、図３及び図４で示された例において、第１磁気抵抗素子１００の各層と第２磁気抵抗素子１５０の各層は同じ層に形成されていることが好適である。具体的には、磁化固定層１１０と磁化固定層１６０は同じ層に形成され、トンネルバリヤ層１２０とトンネルバリヤ層１７０は同じ層に形成され、磁化自由層１３０と磁化自由層１８０は同じ層に形成される。この場合、Ｚ軸とＺ’軸が平行であることが好適である。

データ読み出し時には、各ＭＴＪを貫通するように読み出し電流が流される。メモリセルＭＣに関しては、磁化固定層１１０と磁化自由層１３０との間に読み出し電流が流される。これにより、記録データ（Ｒ０あるいはＲ１）に応じた読み出しレベルが生成される。リファレンスセルＲＣに関しては、磁化固定層１６０と磁化自由層１８０との間に読み出し電流が流される。これにより、Ｒ０．５に応じたリファレンスレベルが生成される。読み出しレベルとリファレンスレベルとを比較することにより、メモリセルＭＣの記録データが判別される。

本実施の形態において、メモリセルＭＣに対するデータ書き込み方式として以下のものが考えられる。

１−２．磁界書き込み型
図５は、本実施の形態が磁界書き込み型に適用された場合を示している。磁界書き込み型の場合、メモリセルＭＣの第１磁気抵抗素子１００の近傍に書き込み配線１４０が設けられる。データ書き込み時、書き込み配線１４０には書き込み電流が流れ、その書き込み電流により発生する磁界が磁化自由層１３０に印加される。磁化自由層１３０に印加される磁界は、磁化固定層１１０の磁化方向と平行あるいは反平行な成分を含む。

図５の例では、磁化固定層１１０の磁化方向は＋Ｙ方向に固定されている。また、Ｘ方向に延在する書き込み配線１４０が第１磁気抵抗素子１００の上方に設けられており、書き込み電流は書き込みデータに応じて＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向に流れる。具体的には、データ“１”の書き込み時、第１書き込み電流ＩＷ１が−Ｘ方向に流れ、−Ｙ方向の磁界が磁化自由層１３０に印加される。その結果、磁化自由層１３０の磁化方向が−Ｙ方向に向く。一方、データ“０”の書き込み時、第２書き込み電流ＩＷ２が＋Ｘ方向に流れ、＋Ｙ方向の磁界が磁化自由層１３０に印加される。その結果、磁化自由層１３０の磁化方向が＋Ｙ方向に向く。

１−３．スピン注入型
図６は、第１の実施の形態がスピン注入型に適用された場合を示している。スピン注入型の場合、データ書き込み時の書き込み電流もＭＴＪを貫通するように流される。つまり、書き込み電流は、トンネルバリヤ層１２０を通して磁化固定層１１０と磁化自由層１３０との間に流れる。

図６の例では、磁化固定層１１０の磁化方向は＋Ｙ方向に固定されている。また、端子Ｔ１１０、Ｔ１３０が磁化固定層１１０及び磁化自由層１３０のそれぞれに電気的に接続されている。データ“１”の書き込み時、第１書き込み電流ＩＷ１が端子Ｔ１１０から端子Ｔ１３０に流れる。この場合、磁化固定層１１０と同じスピン状態を有する電子が、磁化自由層１３０から磁化固定層１１０に移動する。スピントランスファーにより、磁化自由層１３０の磁化方向が−Ｙ方向に反転する。一方、データ“０”の書き込み時、第２書き込み電流ＩＷ２が端子Ｔ１３０から端子Ｔ１１０に流れる。この場合、磁化固定層１１０と同じスピン状態を有する電子が、磁化固定層１１０から磁化自由層１３０に移動する。スピントランスファーにより、磁化自由層１３０の磁化方向が＋Ｙ方向に反転する。

１−４．磁壁移動型
図７は、第１の実施の形態が磁壁移動型に適用された場合のメモリセルＭＣ及びリファレンスセルＲＣの構造を示している。磁壁移動型の場合、磁化自由層には磁壁が形成され、書き込みデータに応じて磁壁が移動する。

メモリセルＭＣにおいて、第１磁気抵抗素子１００の磁化自由層１３０は、第１磁化固定領域１３１、第２磁化固定領域１３２、及び第１磁化固定領域１３１と第２磁化固定領域１３２の間をつなぐ磁化反転領域１３３を含んでいる。第１磁化固定領域１３１は磁化反転領域１３３の境界Ｂ１に接続され、第２磁化固定領域１３２は磁化反転領域１３３の境界Ｂ２に接続されている。図７において、第１磁化固定領域１３１、第２磁化固定領域１３２及び磁化反転領域１３３は直線状に形成されている。また、境界Ｂ１に隣接してノッチ１３４が形成され、境界Ｂ２に隣接してノッチ１３５が形成されている。

磁化固定層１１０は、磁化自由層１３０のうち磁化反転領域１３３とオーバーラップしており、磁化固定層１１０とトンネルバリヤ層１２０と磁化反転領域１３３によってＭＴＪが形成される。図７の例において、磁化固定層１１０の磁化方向は＋Ｘ方向に固定されている。

磁化自由層１３０において、磁化反転領域１３３の磁化方向は反転可能であり、磁化固定層１１０の磁化方向と平行あるいは反平行となる。図７において、磁化反転領域１３３の磁化容易軸はＸ方向と平行であり、磁化反転領域１３３の磁化方向は＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向となり得る。一方、第１磁化固定領域１３１及び第２磁化固定領域１３２の磁化方向は共に、磁化反転領域１３３へ向かう方向、あるいは、磁化反転領域１３３から離れる方向に固定されている。図７の例では、第１磁化固定領域１３１の磁化方向は磁化反転領域１３３（境界Ｂ１）へ向かう＋Ｘ方向に固定されており、第２磁化固定領域１３２の磁化方向は磁化反転領域１３３（境界Ｂ２）へ向かう−Ｘ方向に固定されている。つまり、第１磁化固定領域１３１と第２磁化固定領域１３２の磁化は、逆方向に固定されている。磁化の固定は、静磁結合や交換結合により実現可能である。

磁化反転領域１３３の磁化方向が＋Ｘ方向の場合、境界Ｂ２に磁壁が形成される。このとき、磁化反転領域１３３と磁化固定層１１０の磁化方向は平行であり、第１磁気抵抗素子１００の抵抗値は“Ｒ０”である。つまり、境界Ｂ２に磁壁が位置している状態がデータ“０”に相当する。一方、磁化反転領域１３３の磁化方向が−Ｘ方向の場合、境界Ｂ１に磁壁が形成される。このとき、磁化反転領域１３３と磁化固定層１１０の磁化方向は反平行であり、第１磁気抵抗素子１００の抵抗値は“Ｒ１”である。つまり、境界Ｂ１に磁壁が位置している状態がデータ“１”に相当する。ノッチ１３４、１３５はそれぞれ、境界Ｂ１、Ｂ２に磁壁を安定的に留めるために形成されている。

リファレンスセルＲＣの第２磁気抵抗素子１５０は、第１磁気抵抗素子１００とほぼ同じ構造を有している。つまり、第２磁気抵抗素子１５０の磁化自由層１８０は、第１磁化固定領域１８１、第２磁化固定領域１８２、及び第１磁化固定領域１８１と第２磁化固定領域１８２の間をつなぐ磁化領域１８３を含んでいる。第１磁化固定領域１８１は磁化領域１８３の境界Ｂ３に接続され、第２磁化固定領域１８２は磁化領域１８３の境界Ｂ４に接続されている。図７において、第１磁化固定領域１８１、第２磁化固定領域１８２及び磁化領域１８３は直線状に形成されている。また、境界Ｂ３に隣接してノッチ１８４が形成され、境界Ｂ４に隣接してノッチ１８５が形成されている。

磁化自由層１８０において、磁化領域１８３の磁化容易軸はＸ’方向と平行であり、磁化領域１８３の磁化方向は＋Ｘ’方向あるいは−Ｘ’方向である。第１磁化固定領域１８１及び第２磁化固定領域１８２の磁化方向は共に、磁化領域１８３へ向かう方向、あるいは、磁化領域１８３から離れる方向に固定されている。図７の例では、第１磁化固定領域１８１の磁化方向は磁化領域１８３（境界Ｂ３）へ向かう＋Ｘ’方向に固定されており、第２磁化固定領域１８２の磁化方向は磁化領域１８３（境界Ｂ４）へ向かう−Ｘ’方向に固定されている。つまり、第１磁化固定領域１８１と第２磁化固定領域１８２の磁化は、逆方向に固定されている。磁化の固定は、静磁結合や交換結合により実現可能である。

磁化固定層１６０は、磁化自由層１８０のうち磁化領域１８３とオーバーラップしており、磁化固定層１６０とトンネルバリヤ層１７０と磁化領域１８３によってＭＴＪが形成される。第２磁気抵抗素子１５０と第１磁気抵抗素子１００の差は、磁化固定層の磁化方向である。つまり、第２磁気抵抗素子１５０において、磁化固定層１６０の磁化方向は、磁化領域１８３の磁化容易軸と直交する方向に固定されている。図７の例では、磁化固定層１６０の磁化方向は＋Ｙ’方向に固定されている。これにより、第２磁気抵抗素子１５０の抵抗値は、上記Ｒ０とＲ１の間の中間値“Ｒ０．５”となる。

図８は、磁壁移動型の場合のデータ書き込みを示している。磁壁移動型の場合、書き込み電流は、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、磁化自由層１３０内を平面的に流れる。そのため、端子Ｔ１３１、Ｔ１３２が、磁化自由層１３０の第１磁化固定領域１３１及び第２磁化固定領域１３２のそれぞれに電気的に接続されている。

データ“０”からデータ“１”への遷移時、第１書き込み電流ＩＷ１が端子Ｔ１３１から端子Ｔ１３２に流れる。この場合、磁化反転領域１３３には第２磁化固定領域１３２から電子（スピン電子）が注入される。スピントランスファーにより、電子の移動方向と一致して、磁壁は境界Ｂ２から境界Ｂ１へ移動し、磁化反転領域１３３の磁化方向が−Ｘ方向に反転する。一方、データ“１”からデータ“０”への遷移時、第２書き込み電流ＩＷ２が端子Ｔ１３２から端子Ｔ１３１に流れる。この場合、磁化反転領域１３３には第１磁化固定領域１３１から電子（スピン電子）が注入される。スピントランスファーにより、電子の移動方向と一致して、磁壁は境界Ｂ１から境界Ｂ２へ移動し、磁化反転領域１３３の磁化方向が＋Ｘ方向に反転する。このように、書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２は磁化自由層１３０内を流れ、その磁化自由層１３０内の磁壁が境界Ｂ１と境界Ｂ２との間を移動する（電流駆動磁壁移動：Current-Driven Domain Wall Motion）。

図９は、磁壁移動型の場合のメモリセルＭＣとリファレンスセルＲＣの変形例を示している。本変形例によれば、磁化自由層１３０の第１磁化固定領域１３１、第２磁化固定領域１３２及び磁化反転領域１３３は、Ｕ字状に形成されている。この場合でも、第１磁化固定領域１３１及び第２磁化固定領域１３２の磁化方向は共に、磁化反転領域１３３へ向かう方向、あるいは、磁化反転領域１３３から離れる方向に固定されている。但し、Ｕ字状の場合、第１磁化固定領域１３１と第２磁化固定領域１３２の磁化方向は同じになる。図９の例では、第１磁化固定領域１３１の磁化方向は磁化反転領域１３３（境界Ｂ１）へ向かう−Ｙ方向に固定されており、第２磁化固定領域１３２の磁化方向も磁化反転領域１３３（境界Ｂ２）へ向かう−Ｙ方向に固定されている。尚、磁化の固定は、静磁結合や交換結合の他、形状磁気異方性によっても実現可能である。

リファレンスセルＲＣに関しても同様である。磁化自由層１８０の第１磁化固定領域１８１、第２磁化固定領域１８２及び磁化領域１８３は、Ｕ字状に形成されている。この場合でも、第１磁化固定領域１８１及び第２磁化固定領域１８２の磁化方向は共に、磁化領域１８３へ向かう方向、あるいは、磁化領域１８３から離れる方向に固定されている。その他は、既出の図７で示された例と同じである。磁化固定層１６０の磁化方向と磁化領域１８３の磁化方向が互いに直交するため、第２磁気抵抗素子１５０の抵抗値は“Ｒ０．５”となる。

２．第２の実施の形態
２−１．基本構成
図１０は、本発明の第２の実施の形態に係るメモリセルＭＣ及びリファレンスセルＲＣの構造を示している。第２の実施の形態では、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜が用いられる。垂直磁化膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つ以上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。好適な垂直磁化膜としてＣｏ−Ｐｔ−Ｃｒの合金が例示される。

メモリセルＭＣは、第１磁気抵抗素子２００を含んでいる。第１磁気抵抗素子２００は、磁化固定層２１０、トンネルバリヤ層２２０及び磁化自由層２３０を有している。トンネルバリヤ層２２０は磁化固定層２１０と磁化自由層２３０に挟まれており、それら磁化固定層２１０、トンネルバリヤ層２２０及び磁化自由層２３０によってＭＴＪが形成されている。

磁化固定層２１０及び磁化自由層２３０は垂直磁気異方性を有している。このうち磁化固定層２１０の磁化方向は一方向に固定されている。一方、磁化自由層２３０（磁化反転領域）の磁化方向は反転可能であり、磁化固定層２１０の磁化方向と平行あるいは反平行となる。例えば図１０において、磁化固定層２１０の磁化方向は＋Ｚ方向に固定されており、磁化自由層２３０の磁化方向は＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向となり得る。磁化自由層２３０の磁化方向が＋Ｚ方向の場合、すなわち、磁化固定層２１０と磁化自由層２３０の磁化方向が平行の場合、第１磁気抵抗素子２００の抵抗値は“Ｒ０”である。一方、磁化自由層２３０の磁化方向が−Ｚ方向の場合、すなわち、磁化固定層２１０と磁化自由層２３０の磁化方向が反平行の場合、第１磁気抵抗素子２００の抵抗値は“Ｒ１”である。

一方、リファレンスセルＲＣは、第１磁気抵抗素子２００と異なる第２磁気抵抗素子２５０を含んでいる。第２磁気抵抗素子２５０は、磁化固定層２６０、トンネルバリヤ層２７０及び磁化自由層２８０を有している。トンネルバリヤ層２７０は磁化固定層２６０と磁化自由層２８０に挟まれており、それら磁化固定層２６０、トンネルバリヤ層２７０及び磁化自由層２８０によってＭＴＪが形成されている。

磁化固定層２６０及び磁化自由層２８０は垂直磁気異方性を有している。但し、本実施の形態によれば、磁化固定層２６０と磁化自由層２８０のいずれか一方の磁化が、何らかの手段によって面内方向に向けられる。何らかの手段としては、垂直磁化膜の厚さを薄くして、垂直磁気異方性を劣化させることが考えられる。あるいは、面内磁気異方性を有する強磁性膜または反強磁性膜を隣接させることが考えられる。

例えば図１０において、面内磁気異方性を有する面内磁化膜２９０（例：反強磁性膜）が磁化自由層２８０に隣接して形成されている。面内磁化膜２９０は、磁化自由層２８０と反強磁性的あるいは強磁性的に結合している。その結果、磁化自由層２８０（磁化領域）の磁化が面内方向を向く。図１０の例では、磁化自由層２８０の磁化方向は＋Ｘ’方向である。一方、磁化固定層２６０の磁化方向は＋Ｚ’方向に固定されている。すなわち、第２磁気抵抗素子２５０において、磁化自由層２８０の磁化方向と磁化固定層２６０の磁化方向が互いに直交している。従って、第２磁気抵抗素子２５０の抵抗値は、上記Ｒ０とＲ１の間の中間値“Ｒ０．５”となる。

また、図１１において、面内磁気異方性を有する面内磁化膜２９０（例：反強磁性膜）が磁化固定層２６０に隣接して形成されている。面内磁化膜２９０は、磁化固定層２６０と反強磁性的あるいは強磁性的に結合している。その結果、磁化固定層２６０の磁化が面内方向を向く。図１１の例では、磁化固定層２６０の磁化方向は＋Ｘ’方向である。一方、磁化自由層２８０の磁化方向は−Ｚ’方向である。すなわち、第２磁気抵抗素子２５０において、磁化自由層２８０の磁化方向と磁化固定層２６０の磁化方向が互いに直交している。従って、第２磁気抵抗素子２５０の抵抗値は、上記Ｒ０とＲ１の間の中間値“Ｒ０．５”となる。

尚、図１０及び図１１で示された例において、第１磁気抵抗素子２００の各層と第２磁気抵抗素子２５０の各層は同じ層に形成されていることが好適である。具体的には、磁化固定層２１０と磁化固定層２６０は同じ層に形成され、トンネルバリヤ層２２０とトンネルバリヤ層２７０は同じ層に形成され、磁化自由層２３０と磁化自由層２８０は同じ層に形成される。この場合、Ｚ軸とＺ’軸が平行であることが好適である。

データ読み出し時には、各ＭＴＪを貫通するように読み出し電流が流される。メモリセルＭＣに関しては、磁化固定層２１０と磁化自由層２３０との間に読み出し電流が流される。これにより、記録データ（Ｒ０あるいはＲ１）に応じた読み出しレベルが生成される。リファレンスセルＲＣに関しては、磁化固定層２６０と磁化自由層２８０との間に読み出し電流が流される。これにより、Ｒ０．５に応じたリファレンスレベルが生成される。読み出しレベルとリファレンスレベルとを比較することにより、メモリセルＭＣの記録データが判別される。

本実施の形態において、メモリセルＭＣに対するデータ書き込み方式として以下のものが考えられる。

２−２．スピン注入型
図１２は、第２の実施の形態がスピン注入型に適用された場合を示している。端子Ｔ２１０、Ｔ２３０が磁化固定層２１０及び磁化自由層２３０のそれぞれに電気的に接続されている。データ“１”の書き込み時、第１書き込み電流ＩＷ１が端子Ｔ２１０から端子Ｔ２３０に流れる。この場合、磁化固定層２１０と同じスピン状態を有する電子が、磁化自由層２３０から磁化固定層２１０に移動する。スピントランスファーにより、磁化自由層２３０の磁化方向が−Ｚ方向に反転する。一方、データ“０”の書き込み時、第２書き込み電流ＩＷ２が端子Ｔ２３０から端子Ｔ２１０に流れる。この場合、磁化固定層２１０と同じスピン状態を有する電子が、磁化固定層２１０から磁化自由層２３０に移動する。スピントランスファーにより、磁化自由層２３０の磁化方向が＋Ｚ方向に反転する。

２−３．磁壁移動型
図１３は、第２の実施の形態が磁壁移動型に適用された場合のメモリセルＭＣ及びリファレンスセルＲＣの構造を示している。

メモリセルＭＣにおいて、第１磁気抵抗素子２００の磁化自由層２３０は、第１磁化固定領域２３１、第２磁化固定領域２３２、及び第１磁化固定領域２３１と第２磁化固定領域２３２の間をつなぐ磁化反転領域２３３を含んでいる。第１磁化固定領域２３１は磁化反転領域２３３の境界Ｂ１に接続され、第２磁化固定領域２３２は磁化反転領域２３３の境界Ｂ２に接続されている。磁化固定層２１０は、磁化自由層２３０のうち磁化反転領域２３３とオーバーラップしており、磁化固定層２１０とトンネルバリヤ層２２０と磁化反転領域２３３によってＭＴＪが形成される。図１３の例において、磁化固定層２１０の磁化方向は＋Ｚ方向に固定されている。

磁化自由層２３０において、磁化反転領域２３３の磁化方向は反転可能であり、磁化固定層２１０の磁化方向と平行あるいは反平行となる。一方、第１磁化固定領域２３１及び第２磁化固定領域２３２の磁化方向は、互いに逆向きに固定されている。図１３の例では、第１磁化固定領域２３１の磁化方向は＋Ｚ方向に固定されており、第２磁化固定領域２３２の磁化方向は−Ｚ方向に固定されている。磁化反転領域２３３の磁化方向が＋Ｚ方向の場合、境界Ｂ２に磁壁が形成される。このとき、磁化反転領域２３３と磁化固定層２１０の磁化方向は平行であり、第１磁気抵抗素子２００の抵抗値は“Ｒ０”である。一方、磁化反転領域２３３の磁化方向が−Ｚ方向の場合、境界Ｂ１に磁壁が形成される。このとき、磁化反転領域２３３と磁化固定層２１０の磁化方向は反平行であり、第１磁気抵抗素子２００の抵抗値は“Ｒ１”である。

リファレンスセルＲＣにおいて、第２磁気抵抗素子２５０の磁化自由層２８０は、第１磁化固定領域２８１、第２磁化固定領域２８２、及び第１磁化固定領域２８１と第２磁化固定領域２８２の間をつなぐ磁化領域２８３を含んでいる。第１磁化固定領域２８１は磁化領域２８３の境界Ｂ３に接続され、第２磁化固定領域２８２は磁化領域２８３の境界Ｂ４に接続されている。磁化固定層２６０は、磁化自由層２８０のうち磁化領域２８３とオーバーラップしており、磁化固定層２６０とトンネルバリヤ層２７０と磁化領域２８３によってＭＴＪが形成される。

図１３において、既出の図１０の場合と同様に、面内磁化膜２９０が磁化自由層２８０のうち少なくとも磁化領域２８３に隣接している。その結果、少なくとも磁化領域２８３の磁化が面内方向を向く。図１３の例では、磁化領域２８３の磁化方向は＋Ｘ’方向である。一方、磁化固定層２６０の磁化方向は＋Ｚ’方向に固定されている。つまり、第２磁気抵抗素子２５０において、磁化領域２８３の磁化方向と磁化固定層２６０の磁化方向が互いに直交している。従って、第２磁気抵抗素子２５０の抵抗値は“Ｒ０．５”となる。

図１４は別の例を示している。図１４において、既出の図１１の場合と同様に、面内磁化膜２９０が磁化固定層２６０に隣接して形成されている。その結果、磁化固定層２６０の磁化が面内方向を向く。図１４の例では、磁化固定層２６０の磁化方向は＋Ｘ’方向である。一方、磁化自由層２８０において、磁化領域２８３の磁化方向は＋Ｚ’方向あるいは−Ｚ’方向である。つまり、第２磁気抵抗素子２５０において、磁化領域２８３の磁化方向と磁化固定層２６０の磁化方向が互いに直交している。従って、第２磁気抵抗素子２５０の抵抗値は“Ｒ０．５”となる。尚、図１４において、第１磁化固定領域２８１及び第２磁化固定領域２８２の磁化方向は逆向きに固定されていてもよい。

図１５及び図１６は、第１磁気抵抗素子２００あるいは第２磁気抵抗素子２５０の平面形状の例を示している。磁化自由層２３０（磁化自由層２８０）は、図１５に示されるように直線状に形成されてもよいし、図１６に示されるようにＵ字状に形成されてもよい。

図１７は、磁壁移動型の場合のデータ書き込みを示している。端子Ｔ２３１、Ｔ２３２が、磁化自由層２３０の第１磁化固定領域２３１及び第２磁化固定領域２３２のそれぞれに電気的に接続されている。データ“０”からデータ“１”への遷移時、第１書き込み電流ＩＷ１が端子Ｔ２３１から端子Ｔ２３２に流れる。この場合、磁化反転領域２３３には第２磁化固定領域２３２から電子が注入される。スピントランスファーにより、磁壁は境界Ｂ２から境界Ｂ１へ移動し、磁化反転領域２３３の磁化方向が−Ｚ方向に反転する。一方、データ“１”からデータ“０”への遷移時、第２書き込み電流ＩＷ２が端子Ｔ２３２から端子Ｔ２３１に流れる。この場合、磁化反転領域２３３には第１磁化固定領域２３１から電子が注入される。スピントランスファーにより、磁壁は境界Ｂ１から境界Ｂ２へ移動し、磁化反転領域２３３の磁化方向が＋Ｚ方向に反転する。このように、書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２は磁化自由層２３０内を流れ、その磁化自由層２３０内の磁壁が境界Ｂ１と境界Ｂ２との間を移動する。

３．第３の実施の形態
本発明の第３の実施の形態は、磁壁移動型に適用される。既出の実施の形態で説明されたように、磁壁移動型の場合、メモリセルＭＣの磁化自由層中で磁壁が移動する。そして、磁壁の位置によって抵抗値“Ｒ０”あるいは“Ｒ１”が決まる。第３の実施の形態では、リファレンスセルＲＣの磁化自由層において、抵抗値が“Ｒ０．５”となる位置に磁壁が形成される。

図１８は、本実施の形態に係るメモリセルＭＣ及びリファレンスセルＲＣの断面構造の一例を示している。図１８で示される例では、面内磁気異方性を有する面内磁化膜が用いられる。

メモリセルＭＣは、第１磁気抵抗素子３００を含んでいる。第１磁気抵抗素子３００は、磁化固定層３１０、トンネルバリヤ層３２０及び磁化自由層３３０を有している。トンネルバリヤ層３２０は磁化固定層３１０と磁化自由層３３０に挟まれている。

磁化自由層３３０は、第１磁化固定領域３３１、第２磁化固定領域３３２、及び第１磁化固定領域３３１と第２磁化固定領域３３２の間をつなぐ磁化反転領域３３３を含んでいる。第１磁化固定領域３３１は磁化反転領域３３３の境界Ｂ１に接続され、第２磁化固定領域３３２は磁化反転領域３３３の境界Ｂ２に接続されている。磁化固定層３１０は、磁化自由層３３０のうち磁化反転領域３３３とオーバーラップしており、磁化固定層３１０とトンネルバリヤ層３２０と磁化反転領域３３３によってＭＴＪが形成される。図１８の例において、磁化固定層３１０の磁化方向は＋Ｘ方向に固定されている。

磁化自由層３３０において、磁化反転領域３３３の磁化方向は反転可能であり、磁化固定層３１０の磁化方向と平行あるいは反平行となる。一方、第１磁化固定領域３３１及び第２磁化固定領域３３２の磁化方向は共に、磁化反転領域３３３へ向かう方向、あるいは、磁化反転領域３３３から離れる方向に固定されている。磁化の固定は、静磁結合や交換結合により実現可能である。図１８の例では、第１磁化固定領域３３１の磁化方向は磁化反転領域３３３（境界Ｂ１）へ向かう方向に固定されており、第２磁化固定領域３３２の磁化方向は磁化反転領域３３３（境界Ｂ２）へ向かう方向に固定されている。磁化反転領域３３３の磁化方向が＋Ｘ方向の場合、境界Ｂ２に磁壁が形成される。このとき、磁化反転領域３３３と磁化固定層３１０の磁化方向は平行であり、第１磁気抵抗素子３００の抵抗値は“Ｒ０”である。一方、磁化反転領域３３３の磁化方向が−Ｘ方向の場合、境界Ｂ１に磁壁が形成される。このとき、磁化反転領域３３３と磁化固定層３１０の磁化方向は反平行であり、第１磁気抵抗素子３００の抵抗値は“Ｒ１”である。

一方、リファレンスセルＲＣは、第１磁気抵抗素子３００と異なる第２磁気抵抗素子３５０を含んでいる。第２磁気抵抗素子３５０は、磁化固定層３６０、トンネルバリヤ層３７０及び磁化自由層３８０を有している。トンネルバリヤ層３７０は磁化固定層３６０と磁化自由層３８０に挟まれており、それら磁化固定層３６０、トンネルバリヤ層３７０及び磁化自由層３８０によってＭＴＪが形成されている。

本実施の形態によれば、磁化自由層３８０内の所定の位置Ｂ３には磁壁が形成されている。より詳細には、磁化自由層３８０は、所定の位置Ｂ３を挟んで対向する第１磁化固定領域３８１及び第２磁化固定領域３８２を含んでいる。第１磁化固定領域３８１及び第２磁化固定領域３８２の磁化方向は共に、位置Ｂ３へ向かう方向、あるいは、位置Ｂ３から離れる方向に固定されている。その結果、第１磁化固定領域３８１と第２磁化固定領域３８２との境界である位置Ｂ３に、磁壁が形成される。図１８の例では、第１磁化固定領域３８１及び第２磁化固定領域３８２の磁化方向は共に、位置Ｂ３へ向かう方向に固定されている。尚、磁化の固定は、静磁結合や交換結合により実現可能である。

磁化固定層３６０の磁化方向は、面内の一方向に固定されている。例えば図１８において、磁化固定層３６０の磁化方向は＋Ｘ’方向に固定されている。更に、本実施の形態によれば、磁化固定層３６０は、磁化自由層３８０中の上記所定の位置Ｂ３とオーバーラップするように形成されている。つまり、磁化固定層３６０は、第１磁化固定領域３８１及び第２磁化固定領域３８２の両方にまたがっている。図１８の例では、磁化固定層３６０の磁化方向は、第１磁化固定領域３８１の磁化方向と平行である一方、第２磁化固定領域３８２の磁化方向と反平行である。その結果、第２磁気抵抗素子３５０の抵抗値は“Ｒ０．５”となる。このように、磁化自由層３８０中の磁化固定層３６０と重なる位置に磁壁を形成することにより“Ｒ０．５”が実現される。

図１９は、本実施の形態に係るメモリセルＭＣ及びリファレンスセルＲＣの断面構造の他の例を示している。図１９で示される例では、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜が用いられる。

メモリセルＭＣの第１磁気抵抗素子３００の磁化状態は次の通りである。磁化固定層３１０の磁化方向は＋Ｚ方向に固定されている。磁化自由層３３０において、磁化反転領域３３３の磁化方向は反転可能であり、磁化固定層３１０の磁化方向と平行あるいは反平行となる。第１磁化固定領域３３１及び第２磁化固定領域３３２の磁化方向は、互いに逆向きに固定されている。図１９の例では、第１磁化固定領域３３１の磁化方向は＋Ｚ方向に固定されており、第２磁化固定領域３３２の磁化方向は−Ｚ方向に固定されている。磁化反転領域３３３の磁化方向が＋Ｚ方向の場合、境界Ｂ２に磁壁が形成される。一方、磁化反転領域３３３の磁化方向が−Ｚ方向の場合、境界Ｂ１に磁壁が形成される。

リファレンスセルＲＣの第２磁気抵抗素子３５０の磁化状態は次の通りである。磁化固定層３６０の磁化方向は＋Ｚ’方向に固定されている。磁化自由層３８０において、第１磁化固定領域３８１及び第２磁化固定領域３８２の磁化方向は、互いに逆向きに固定されている。図１９の例では、第１磁化固定領域３８１の磁化方向は＋Ｚ’方向に固定されており、第２磁化固定領域３３２の磁化方向は−Ｚ’方向に固定されている。その結果、第１磁化固定領域３８１と第２磁化固定領域３８２との境界である位置Ｂ３に、磁壁が形成される。

図１９においても、磁化固定層３６０は、磁化自由層３８０中の磁壁位置Ｂ３とオーバーラップするように形成されている。従って、第２磁気抵抗素子３５０の抵抗値は“Ｒ０．５”となる。

尚、図１８及び図１９で示された例において、第１磁気抵抗素子３００の各層と第２磁気抵抗素子３５０の各層は同じ層に形成されていることが好適である。具体的には、磁化固定層３１０と磁化固定層３６０は同じ層に形成され、トンネルバリヤ層３２０とトンネルバリヤ層３７０は同じ層に形成され、磁化自由層３３０と磁化自由層３８０は同じ層に形成される。この場合、Ｚ軸とＺ’軸が平行であることが好適である。

データ読み出し時には、各ＭＴＪを貫通するように読み出し電流が流される。メモリセルＭＣに関しては、磁化固定層３１０と磁化自由層３３０との間に読み出し電流が流される。これにより、記録データ（Ｒ０あるいはＲ１）に応じた読み出しレベルが生成される。リファレンスセルＲＣに関しては、磁化固定層３６０と磁化自由層３８０との間に読み出し電流が流される。これにより、Ｒ０．５に応じたリファレンスレベルが生成される。読み出しレベルとリファレンスレベルとを比較することにより、メモリセルＭＣの記録データが判別される。

メモリセルＭＣに対するデータ書き込み方法は、既出の実施の形態で説明されたものと同じである。図１８で示された例の場合、データ書き込みは既出の図８の場合と同じである。図１９で示された例の場合、データ書き込みは既出の図１７の場合と同じである。

図２０及び図２１は、図１８あるいは図１９で示されたメモリセルＭＣの第１磁気抵抗素子３００の平面形状の例を示している。図２０において、磁化自由層３３０は直線状に形成されている。この場合、第１磁化固定領域３３１及び第２磁化固定領域３３２の磁化方向は互いに逆向きになる。図２１において、磁化自由層３３０はＵ字状に形成されている。磁化自由層３３０がＵ字状であり且つ面内磁気異方性を有する場合、第１磁化固定領域３３１及び第２磁化固定領域３３２の磁化の固定に形状磁気異方性を利用することができ、好適である。

図２２及び図２３は、図１８あるいは図１９で示されたリファレンスセルＲＣの第２磁気抵抗素子３５０の平面形状の例を示している。図２２において、磁化自由層３８０は直線状に形成されている。この場合、第１磁化固定領域３８１及び第２磁化固定領域３８２の磁化方向は互いに逆向きになる。また、位置Ｂ３に磁壁を安定的に留めるために、位置Ｂ３に隣接してノッチ３８４が形成されている。図２３において、磁化自由層３８０の第１磁化固定領域３８１及び第２磁化固定領域３８２はＶ字状に形成されている。第１磁化固定領域３８１と第２磁化固定領域３８２は、境界Ｂ３を挟んで対称的に形成されることが望ましい。磁化自由層３８０がＶ字状であり且つ面内磁気異方性を有する場合、第１磁化固定領域３８１及び第２磁化固定領域３８２の磁化の固定に形状磁気異方性を利用することができ、好適である。

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

図１は、一般的なＭＲＡＭの構成を示す概略図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成を示す概略図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係るメモリセル及びリファレンスセルの構造の一例を示している。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係るメモリセル及びリファレンスセルの構造の他の例を示している。 図５は、第１の実施の形態が磁界書き込み型に適用された場合を示している。 図６は、第１の実施の形態がスピン注入型に適用された場合を示している。 図７は、第１の実施の形態が磁壁移動型に適用された場合のメモリセル及びリファレンスセルの構造を示している。 図８は、磁壁移動型の場合のデータ書き込みを示している。 図９は、第１の実施の形態が磁壁移動型に適用された場合のメモリセル及びリファレンスセルの変形例を示している。 図１０は、本発明の第２の実施の形態に係るメモリセル及びリファレンスセルの構造の一例を示している。 図１１は、本発明の第２の実施の形態に係るメモリセル及びリファレンスセルの構造の他の例を示している。 図１２は、第２の実施の形態がスピン注入型に適用された場合を示している。 図１３は、第２の実施の形態が磁壁移動型に適用された場合のメモリセル及びリファレンスセルの構造の一例を示している。 図１４は、第２の実施の形態が磁壁移動型に適用された場合のメモリセル及びリファレンスセルの構造の他の例を示している。 図１５は、第２の実施の形態におけるメモリセル及びリファレンスセルの平面形状の一例を示している。 図１６は、第２の実施の形態におけるメモリセル及びリファレンスセルの平面形状の他の例を示している。 図１７は、磁壁移動型の場合のデータ書き込みを示している。 図１８は、本発明の第３の実施の形態に係るメモリセル及びリファレンスセルの断面構造の一例を示している。 図１９は、本発明の第３の実施の形態に係るメモリセル及びリファレンスセルの断面構造の他の例を示している。 図２０は、第３の実施の形態におけるメモリセルの平面形状の一例を示している。 図２１は、第３の実施の形態におけるメモリセルの平面形状の他の例を示している。 図２２は、第３の実施の形態におけるリファレンスセルの平面形状の一例を示している。 図２３は、第３の実施の形態におけるリファレンスセルの平面形状の他の例を示している。

符号の説明

ＭＣ メモリセル
ＲＣ リファレンスセル
１０ ＭＲＡＭ
２０ メモリセルアレイ
３０ 読み出し回路
１００，２００，３００ 第１磁気抵抗素子
１１０，２１０，３１０ 磁化固定層
１２０，２２０，３２０ トンネルバリヤ層
１３０，２３０，３３０ 磁化自由層
１３１，２３１，３３１ 第１磁化固定領域
１３２，２３２，３３２ 第２磁化固定領域
１３３，２３３，３３３ 磁化反転領域
１３４，１３５ ノッチ
１４０ 書き込み配線
１５０，２５０，３５０ 第２磁気抵抗素子
１６０，２６０，３６０ 磁化固定層
１７０，２７０，３７０ トンネルバリヤ層
１８０，２８０，３８０ 磁化自由層
１８１，２８１，３８１ 第１磁化固定領域
１８２，２８２，３８２ 第２磁化固定領域
１８３，２８３ 磁化領域
１８４，１８５ ノッチ
２９０ 面内磁化膜

Claims (17)

1. 抵抗値が第１値と第２値の間で切り換わる第１磁気抵抗素子を含むメモリセルと、
   前記メモリセルからのデータ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルと
   を備え、
   前記リファレンスセルは、抵抗値が前記第１値と前記第２値の間の第３値に固定された第２磁気抵抗素子を含む
   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磁気抵抗素子は、
   磁化方向が固定された第１磁化固定層と、
   磁化方向が前記第１磁化固定層の磁化方向と平行あるいは反平行となる磁化反転領域を少なくとも含む第１磁化自由層と、
   前記第１磁化固定層と前記磁化反転領域に挟まれた第１非磁性層と
   を有し、
   前記第２磁気抵抗素子は、
   磁化容易軸が第１方向に平行な磁化領域を少なくとも含む第２磁化自由層と、
   磁化方向が前記第１方向と直交する第２方向に固定された第２磁化固定層と、
   前記第２磁化固定層と前記磁化領域に挟まれた第２非磁性層と
   を有し、
   前記第１磁化固定層、前記第１磁化自由層、前記第２磁化固定層及び前記第２磁化自由層は、面内磁気異方性を有する
   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、
   前記磁化領域の平面形状の長軸方向は前記第１方向である
   磁気ランダムアクセスメモリ。
4. 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磁気抵抗素子は、
   磁化方向が固定された第１磁化固定層と、
   磁化方向が前記第１磁化固定層の磁化方向と平行あるいは反平行となる磁化反転領域を少なくとも含む第１磁化自由層と、
   前記第１磁化固定層と前記磁化反転領域に挟まれた第１非磁性層と
   を有し、
   前記第２磁気抵抗素子は、
   磁化方向が第１方向である磁化領域を少なくとも含む第２磁化自由層と、
   磁化方向が前記第１方向と直交する第２方向に固定された第２磁化固定層と、
   前記第２磁化固定層と前記磁化領域に挟まれた第２非磁性層と
   を有する
   磁気ランダムアクセスメモリ。
5. 請求項４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磁化固定層、前記第１磁化自由層、前記第２磁化固定層及び前記第２磁化自由層は、垂直磁気異方性を有し、
   前記第２磁化自由層の前記磁化領域は、面内磁気異方性を有する強磁性膜または反強磁性膜と隣接しており、
   前記第１方向は面内方向である
   磁気ランダムアクセスメモリ。
6. 請求項４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磁化固定層、前記第１磁化自由層、前記第２磁化固定層及び前記第２磁化自由層は、垂直磁気異方性を有し、
   前記第２磁化固定層は、面内磁気異方性を有する強磁性膜または反強磁性膜と隣接しており、
   前記第２方向は面内方向である
   磁気ランダムアクセスメモリ。
7. 請求項２乃至４のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記メモリセルへのデータ書き込み時に書き込み電流が流れる書き込み配線を更に備え、
   前記書き込み電流により発生する磁界は前記第１磁化自由層に印加され、
   前記第１磁化自由層における前記磁界は、前記第１磁化固定層の磁化方向と平行あるいは反平行な成分を含む
   磁気ランダムアクセスメモリ。
8. 請求項２乃至６のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記メモリセルへのデータ書き込み時、前記第１非磁性層を通して前記第１磁化固定層と前記第１磁化自由層との間に書き込み電流が流れる
   磁気ランダムアクセスメモリ。
9. 請求項２乃至６のいずれか一項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磁化自由層は、更に、
   前記磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化方向が第３方向に固定された第１磁化固定領域と、
   前記磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化方向が第４方向に固定された第２磁化固定領域と
   を含み、
   前記第１磁化自由層中の前記第１境界あるいは前記第２境界に磁壁が形成され、
   前記メモリセルへのデータ書き込み時、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書き込み電流が流れ、前記第１磁化自由層において前記磁壁が前記第１境界と前記第２境界との間を移動する
   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、
    前記第１磁気抵抗素子は、
    磁化方向が固定された第１磁化固定層と、
    磁化方向が前記第１磁化固定層の磁化方向と平行あるいは反平行となる磁化反転領域を含む第１磁化自由層と、
    前記第１磁化固定層と前記磁化反転領域に挟まれた第１非磁性層と
    を有し、
    前記第１磁化自由層は、更に、
    前記磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化方向が第３方向に固定された第１磁化固定領域と、
    前記磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化方向が第４方向に固定された第２磁化固定領域と
    を含み、
    前記第１磁化自由層中の前記第１境界あるいは前記第２境界に磁壁が形成され、
    前記メモリセルへのデータ書き込み時、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書き込み電流が流れ、前記第１磁化自由層において前記磁壁が前記第１境界と前記第２境界との間を移動し、
    前記第２磁気抵抗素子は、
    所定の位置に磁壁が形成された第２磁化自由層と、
    磁化方向が固定され、前記所定の位置とオーバーラップする第２磁化固定層と、
    前記第２磁化固定層と前記第２磁化自由層に挟まれた第２非磁性層と
    を有する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
11. 請求項１０に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記第２磁化自由層は、前記所定の位置を挟んで対向する第３磁化固定領域と第４磁化固定領域を含み、
    前記第３磁化固定領域の磁化方向は第５方向に固定され、前記第４磁化固定領域の磁化方向は第６方向に固定されている
    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、
    前記第１磁化固定層、前記第１磁化自由層、前記第２磁化固定層及び前記第２磁化自由層は、面内磁気異方性あるいは垂直磁気異方性を有しており、
    前記第３方向と前記第４方向は逆方向であり、
    前記第５方向と前記第６方向は逆方向である
    磁気ランダムアクセスメモリ。
13. 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、
    前記第１磁化固定層、前記第１磁化自由層、前記第２磁化固定層及び前記第２磁化自由層は、面内磁気異方性を有しており、
    前記第３方向及び前記第４方向は共に、前記磁化反転領域へ向かう方向、又は、前記磁化反転領域から離れる方向であり、
    前記第５方向及び前記６方向は共に、前記所定の位置へ向かう方向、又は、前記所定の位置から離れる方向である
    磁気ランダムアクセスメモリ。
14. 請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記第２磁化自由層において、前記第３磁化固定領域と前記第４磁化固定領域はＶ字状に形成されている
    磁気ランダムアクセスメモリ。
15. 請求項２乃至１４のいずれか一項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磁化固定層と前記第２磁化固定層は同じ層に形成され、
    前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層は同じ層に形成され、
    前記第１非磁性層と前記第２非磁性層は同じ層に形成された
    磁気ランダムアクセスメモリ。
16. 第１磁気抵抗素子を含むメモリセルと、
    第２磁気抵抗素子を含み、前記メモリセルからのデータ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルと
    を備え、
    前記第１磁気抵抗素子は、
    磁化方向が固定された第１磁化固定層と、
    磁化方向が前記第１磁化固定層の磁化方向と平行あるいは反平行となる磁化反転領域を少なくとも含む第１磁化自由層と、
    前記第１磁化固定層と前記磁化反転領域に挟まれた第１非磁性層と
    を有し、
    前記第２磁気抵抗素子は、
    磁化容易軸が第１方向に平行な磁化領域を少なくとも含む第２磁化自由層と、
    磁化方向が前記第１方向と直交する第２方向に固定された第２磁化固定層と、
    前記第２磁化固定層と前記磁化領域に挟まれた第２非磁性層と
    を有し、
    前記第１磁化固定層、前記第１磁化自由層、前記第２磁化固定層及び前記第２磁化自由層は、面内磁気異方性を有する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
17. 第１磁気抵抗素子を含むメモリセルと、
    第２磁気抵抗素子を含み、前記メモリセルからのデータ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルと
    を備え、
    前記第１磁気抵抗素子は、
    磁化方向が固定された第１磁化固定層と、
    磁壁が移動する第１磁化自由層と、
    前記第１磁化固定層と前記第１磁化自由層に挟まれた第１非磁性層と
    を有し、
    前記第２磁気抵抗素子は、
    所定の位置に磁壁が形成された第２磁化自由層と、
    磁化方向が固定され、前記所定の位置とオーバーラップする第２磁化固定層と、
    前記第２磁化固定層と前記第２磁化自由層に挟まれた第２非磁性層と
    を有する
    磁気ランダムアクセスメモリ。

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