JP4095597B2 - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果(Magneto Resistive)を利用する磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM: Magnetic Random Access Memory）に関する。

トンネル磁気抵抗効果(TMR: Tunneling Magneto Resistive)を利用する磁気ランダムアクセスメモリは、データをＭＴＪ(Magnetic Tunnel Junction)素子の磁化状態により記憶する点に特徴を有する（例えば、非特許文献１参照）。この磁気ランダムアクセスメモリに関しては、近年、実用化に向けて数々の技術が提案されている。

例えば、書き込み電流の低減を目的にヨーク配線構造が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。また、ＭＴＪ素子の構造に関しては、ＧｄＦｅ合金垂直磁化膜を用いた構造（例えば、非特許文献３参照）や、垂直磁化膜を用いた積層構造（例えば、非特許文献４参照）などが提案されている。

また、例えば、書き込み時にＭＴＪ素子の温度を上げる熱アシスト書き込み方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−６０１７３号公報 Roy Scheuerlein et.al."A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell",ISSCC2000 Technical Digest pp.128〜pp.129 Saied Tehrani,"Magneto resistive RAM", 2001 IEDM short course 池田ほか、「GdFe合金垂直磁化膜を用いたGMR 膜およびTMR 膜」、日本応用磁気学会誌 Vol.24,No.4-2,2000 p.563-566 N.Nisimura,et.al., " Magnetic tunnel junction device with perpendicular magnetization films for high-density magnetic random access memory ",JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 91,NUMBER 8, 15 APRIL 2002

本発明の目的は、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルの微細化によりメモリ容量の増大を図ること、及び、書き込み電流を低減しても誤書き込みが発生しない高性能な磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。

本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリは、複数の磁気抵抗効果素子と、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち、選択された磁気抵抗効果素子にデータ書き込みのための磁場を与える書き込み線と、前記データ書き込みを行っている間、前記選択された磁気抵抗効果素子に熱アシスト電流を流し、前記選択された磁気抵抗効果素子の温度をそれ以外の磁気抵抗効果素子の温度よりも高くする手段とを備え、前記複数の磁気抵抗効果素子の各々は、第１磁性層と、前記第１磁性層上の非磁性層と、前記非磁性層上の第２磁性層とからなる積層構造を有し、かつ、前記第１及び第２磁性層の磁化の向きが前記積層構造の積層面に垂直な方向に設定され、前記第１磁性層下に第１ヨーク材が配置され、前記第２磁性層上に第２ヨーク材が配置され、前記第１及び第２ヨーク材は、前記熱アシスト電流の経路として使用される。

本発明の例によれば、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルの微細化によりメモリ容量の増大を図ることができ、かつ、書き込み電流を低減しても誤書き込みが発生しない高性能な磁気ランダムアクセスメモリを提供できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

１． 参考例
まず、磁気ランダムアクセスメモリの参考例について説明する。

(1) セルアレイ構造
図１は、磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ構造の概要を示している。図２及び図３は、ＭＴＪ素子の構造例を示している。

磁気ランダムアクセスメモリは、ＭＴＪ素子により“１”，“０”−データを記憶する。ＭＴＪ素子は、例えば、図２に示すように、２つの強磁性層により絶縁層（トンネルバリア）を挟み込んだ構造を有する。ＭＴＪ素子に記憶されるデータは、２つの強磁性層の残留磁化(remnant magnetization)の向きが平行状態(parallel state)か、又は、反平行状態(anti-parallel state)かによって判断される。

ここで、図３に示すように、平行状態とは、２つの強磁性層の残留磁化の向き（矢印）が同じであることを意味し、反平行状態とは、２つの強磁性層の残留磁化の向き（矢印）が逆であることを意味する。

なお、通常、２つの強磁性層の一方側には、反強磁性層が配置される。反強磁性層は、一方側の強磁性層の磁化の向きを固定し、他方側の強磁性層の磁化の向きのみを変えることにより、データの書き込みを容易に行うための部材である。

磁化の向きが固定された強磁性層は、ピン層又は固定層と呼ばれる。また、書き込みデータに応じて、磁化の向きを自由に変えることができる強磁性層は、フリー層又は記憶層と呼ばれる。

２つの強磁性層の残留磁化の向きが平行状態になったとき、ＭＴＪ素子の抵抗値は、最も低くなる。この状態を、例えば、“０”状態とする。また、２つの強磁性層の残留磁化の向きが反平行状態になったとき、ＭＴＪ素子の抵抗値は、最も高くなる。この状態を、例えば、“１”状態とする。

次に、ＭＴＪ素子に対する書き込み動作原理について簡単に説明する。

ＭＴＪ素子は、互いに交差する２本の書き込み線の交点に配置される。そして、ＭＴＪ素子に対するデータ書き込みは、２本の書き込み線に電流を流し、両配線に流れる電流により作られる合成磁界を用いて、ＭＴＪ素子の残留磁化の向きを平行状態又は反平行状態にすることにより達成される。

例えば、ＭＴＪ素子の磁化容易軸がｘ方向である場合、ｘ方向に延びる書き込み線に一方向に向かう電流を流し、ｙ方向に延びる書き込み線に、書き込みデータに応じて、一方向又は他方向に向かう電流を流す。

(2) 磁気ランダムアクセスメモリの課題
磁気ランダムアクセスメモリを実用化するために解決しなければならない課題に、書き込み電流の低減と、書き込み時におけるビットデータの熱擾乱耐性（ディスターブ耐性）の向上とがある。

例えば、セル幅（最小加工寸法(minimum feature size)Ｆに相当）が０．４μｍのメモリセル（ＭＴＪ素子）に対して書き込みを実行する場合、書き込みに必要な書き込み電流の値は、８〜１０ｍＡとなる。この値は、実用化に当たっては大き過ぎる値であり、さらなる低消費電流化への試みが必要とされる。

また、書き込み時には、書き込み電流が流れる書き込み線を共有する複数のメモリセル（ＭＴＪ素子）のうち、選択セルを除いた残りの全ての非選択セルにも弱い磁場が作用する。これら残りの全ての非選択セルは、半選択セルと呼ばれ、これら半選択セルに対する誤書き込み（ディスターブ）をなくすことが必要とされる。

半選択セルに対する誤書き込みの発生は、熱擾乱と関連する。

ＭＴＪ素子のビットデータの保持特性を調べたところ、ハードディスク装置の磁気記録媒体で考えられている熱擾乱耐性の基準値 Ｋｕ×Ｖ／ｋＢ×Ｔ を８０以上に設定しているにもかかわらず、ビットデータの反転が生じた。

ここで、Ｋｕは、磁気異方性エネルギー密度、Ｖは、ＭＴＪ素子のフリー層の体積、ｋＢは、ボルツマン定数、Ｔは、絶対温度である。また、磁気ランダムアクセスメモリの場合、Ｋｕは、主に、ＭＴＪ素子の形状による磁気異方性（形状磁気異方性）により決定されるが、正確には、ＭＴＪ素子の形状磁気異方性エネルギーと誘導磁気異方性エネルギーとの和になる。

ビットデータの反転、即ち、誤書き込みを防止するには、ビットデータの熱擾乱耐性を向上させればよい。熱擾乱耐性の向上は、Ｋｕ×Ｖを大きくすることにより実現できる。しかし、この場合、書き込み電流の値が大きくなる。

このように、磁気ランダムアクセスメモリでは、書き込み電流の低減及び書き込み時におけるビットデータの熱擾乱耐性の向上が要求されているが、両者の間には、一方を良くすると他方が悪くなる、というトレードオフの関係が成立している。

そこで、このトレードオフの関係を改善する試みがなされている。

例えば、２５６メガビットのメモリ容量を持つ磁気ランダムアクセスメモリを実現する場合について考える。この場合、セル面積を１μｍ^２ 以下の値にし、かつ、これに合わせて、周辺回路のサイズも小さくする必要がある。

セル面積が１μｍ^２ の場合、メモリセルの設計ルール（最小加工寸法Ｆ）は、約０．１３μｍとなる。チップ上の有効面積のうち、メモリセルアレイが占める面積の割合（セル占有率）を、０．６程度にするには、書き込み電流の値は、１ｍＡ以下に設定することが必須となる。

しかし、既に述べたように、書き込み電流の値は、セル幅（最小加工寸法Ｆに相当）が０．４μｍの場合に、８〜１０ｍＡである。従って、単に、設計ルールを約０．１３μｍにし、ＭＴＪ素子のセル幅もこれに合わせて小さくすると、さらに、書き込み電流の値が大きくなり、実用化が難しくなる。

そこで、まず、第一に、ＭＴＪ素子を、長方形、楕円形、十字形などの形状とし、ＭＴＪ素子に形状磁気異方性を持たせる。ＭＴＪ素子の形状磁気異方性エネルギー及び誘導磁気異方性エネルギーの和と、ＭＴＪ素子のフリー層の体積との積が、Ｋｕ×Ｖとなる。

ここで、ＭＴＪ素子のフリー層の形状磁気異方性と誘導磁気異方性は、同じ方向に生じるようにし、異方性の分散が発生しないようにする。

但し、例えば、フリー層に使用されるＮｉＦｅは、誘導磁気異方性の大きさ（数Ｏｅ）が形状磁気異方性の大きさ（数十Ｏｅ）に比べて１桁ほど小さい。このため、ビットデータを反転させるために必要な磁界の大きさ、即ち、反転磁界は、主に、形状磁気異方性により決まる。

反転磁界Ｈｓｗは、（１）式により与えられる。
Ｈｓｗ ＝ ４π×Ｍｓ×ｔ／Ｆ（Ｏｅ） …（１）
ここで、Ｍｓは、フリー層の飽和磁化、tは、フリー層の厚さ、Ｆは、最小加工寸法（フリー層の幅）である。

また、形状磁気異方性エネルギーと誘導磁気異方性エネルギーとの和Ｋｕは、（２）式により与えられる。
Ｋｕ ＝ Ｈｓｗ×Ｍｓ／２ …（２）
また、第二に、書き込み線（例えば、Ｃｕ）に、ＮｉＦｅなどのヨーク材（軟磁性材料）を付加したヨーク配線構造を採用する。ヨーク材は、書き込み線を流れる書き込み電流により発生した磁場を収束し、これを、効率よく、ＭＴＪ素子に作用させるための部材である。

以上により、書き込み（磁化反転）に必要とされる書き込み電流の値は、従来の１／２（約５ｍＡ）でき、結果として、書き込み効率を２倍に向上できる。しかし、それでも、この書き込み電流の値は、２５６メガビットのメモリ容量を持つ磁気ランダムアクセスメモリを実現するために必要な目標値１ｍＡには、ほど遠い値である。

(3) ヨーク配線構造
ヨーク配線構造について説明する。

図４は、ヨーク配線構造の例を示している。
ＭＴＪ素子の直上に書き込み線が配置される場合、ヨーク材は、この書き込み線の上面及び側面を覆うように形成される。書き込み線に流れる書き込み電流により発生する磁界は、ヨーク材により収束され、ＭＴＪ素子に効率よく作用する。

図５は、ヨーク配線構造を採用した場合の書き込み特性を示している。
ここで、ＭＴＪ素子のサイズは、フリー層の幅で規定され、フリー層の幅は、最小加工寸法Ｆに等しいものとする。

ラインＡは、ＭＴＪ素子のフリー層に厚さ２ｎｍのＣｏＦｅＮｉを使用した場合のＭＴＪ素子のサイズＦと反転磁界（スイッチング磁界）Ｈｓｗとの関係を示している。ラインＡからは、ＭＴＪ素子の微細化（１／Ｆの増大）に伴って、反転磁界Ｈｓｗも増大することが分かる。

ラインＢ，Ｃは、ＭＴＪ素子の微細化（１／Ｆの増大）に伴って、ＭＴＪ素子に作用する発生磁界（書き込み電流により発生する磁界）が減少する様子を示している。

ヨークなし書き込み線（ラインＢ）の場合には、１／Ｆが約７．５までは、発生磁界が反転磁界よりも大きいため書き込み可能であるが、１／Ｆが約７．５を越えると、書き込みが不可能になる。

これに対し、ヨーク付き書き込み線（ラインＣ）の場合には、１／Ｆが約１０まで、発生磁界が反転磁界よりも大きい状態を確保できる。つまり、ヨーク配線構造を採用することにより、メモリセル（ＭＴＪ素子）の微細化及び書き込み電流の低減を実現できる。

しかし、既に述べたように、ヨーク配線構造を採用したとしても、ＭＴＪ素子の微細化（フリー層の幅約０．１μｍ）と書き込み電流の低減（目標値約１ｍＡ）とを同時に実現することは、現状では、不可能である。

２． 概要
本発明の例は、ＭＴＪ素子の微細化と書き込み電流の低減とを同時に向上させるための新規な書き込み技術に関する。

この書き込み技術は、選択されたＭＴＪ素子に対して加熱しながら書き込みを行う点に特徴を有する。ＭＴＪ素子の反転磁界（スイッチング磁界）は、温度に依存し、温度の上昇と共に低い値となるため、上述のように、加熱しながら書き込みを行うことにより、小さな発生磁界で磁化の反転が行えるようになり、結果として、書き込み電流の大幅な削減を達成できる。ここでは、このような書き込み方式を、熱アシスト書き込み方式と称することにする。

尚、非選択のＭＴＪ素子に対しては、加熱しないことにより、誤書き込み（ディスターブ）もなくすことができ、選択性を向上できる。

熱アシスト書き込み方式の適用範囲は、ＭＴＪ素子の構造や、セルアレイ構造などに限定されず、様々なタイプの磁気ランダムアクセスメモリに適用可能である。但し、この方式は、特に、２つの強磁性層により絶縁層（トンネルバリア）を挟み込んだ構造を有し、かつ、２つの強磁性層の残留磁化の向きが積層面に垂直な方向となる垂直磁化タイプＭＴＪ素子に適用すると、最も大きな効果を得ることができる。

なぜなら、通常、ＭＴＪ素子は、強磁性層、絶縁層及び強磁性層が半導体基板上に積み重ねられた積層構造を有するが、垂直磁化タイプＭＴＪ素子では、２つの強磁性層の残留磁化の向きが積層面に垂直な方向となるため、例えば、ヨーク材をＭＴＪ素子の上下に容易に配置でき、さらなる書き込み効率の向上（書き込み電流の削減）に貢献できるからである。

尚、熱アシスト書き込み方式では、垂直磁化タイプ及び水平磁化タイプにかかわらず、書き込み時に、ＭＴＪ素子を何らかの方法で加熱しなければならない。ここで、データをセンスアンプに読み出すために使用される読み出し線を熱アシストのための熱アシスト線として機能させれば、メモリセルアレイ内の配線数が増加することがない。

但し、熱アシストを行うに当たって、読み出し線とは別の配線、例えば、熱アシスト専用の配線や書き込み線などを利用するようにしてもよい。また、熱アシストは、配線を用いる方法以外の方法で行うようにしてもよい。

３． 実施の形態
以下、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリに関し、最良と思われる複数の実施の形態について説明する。

(1) 第１実施の形態
図６は、第１実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示している。

ＭＴＪ素子は、２つの強磁性層１１，１２と、これらの間に挟み込まれた絶縁層（トンネルバリア）１３とから構成される。絶縁層としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が用いられる。

例えば、ＭＴＪ素子は、半導体基板上に形成され、半導体基板の表面がＸ−Ｙ面に平行であるとすると、ＭＴＪ素子の構造としては、トップピンタイプとボトムピンタイプの２つが考えられる。

トップピンタイプの場合には、強磁性層１１は、フリー層（記録層）として用いられ、強磁性層１２は、ピン層（固定層）として用いられる。ボトムピンタイプの場合には、強磁性層１１は、ピン層（固定層）として用いられ、強磁性層１２は、フリー層（記録層）として用いられる。

ＭＴＪ素子は、垂直磁化タイプであり、強磁性層１１，１２の残留磁化は、積層面（半導体基板の表面）に垂直な方向、即ち、ｚ方向を向く。例えば、強磁性層１１，１２の残留磁化の向きが平行状態のとき（共に、上を向いているとき）、ＭＴＪ素子の抵抗値は、最も低くなる。この状態を、例えば、“０”状態とする。また、強磁性層１１，１２の残留磁化の向きが反平行状態のとき（一方が上、他方が下を向いているとき）、ＭＴＪ素子の抵抗値は、最も高くなる。この状態を、例えば、“１”状態とする。

ＭＴＪ素子の上下には、ヨーク材（軟磁性材料）２０ａ，２０ｂが配置される。ヨーク材２０ａ，２０ｂは、ＭＴＪ素子を上下方向から挟み付け、ＭＴＪ素子の下部のヨーク材２０ａは、接地点に接続され、上部のヨーク材２０ｂは、読み出し線４１及びスイッチＳＷ３を経由して、センスアンプＳ／Ａに接続される。

読み出し線４１には、スイッチＳＷ１を経由して、電流源Ｉｓ１が接続される。この電流源Ｉｓ１は、読み出し時に、ＭＴＪ素子に対して読み出し電流を供給する。また、読み出し線４１には、スイッチＳＷ２を経由して、電流源Ｉｓ２が接続される。この電流源Ｉｓ２は、書き込み時に、ＭＴＪ素子に対して熱アシスト電流を供給する。

書き込み線４２は、ＭＴＪ素子の近傍に配置され、ｘ方向に延びている。書き込み線４２が延びる方向は、ｘ方向に限られず、Ｘ−Ｙ面内であれば、いずれの方向に延びていても構わない。読み出し線４１及び書き込み線４２は、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属から構成される。

また、ＭＴＪ素子とヨーク材２０ａ，２０ｂの間には、Ｔａなどの金属、又は、ＭｇＯなどの絶縁体が配置されていてもよい。

以下、簡単に、書き込み／読み出しの方法について説明する。

ＭＴＪ素子は、トップピンタイプ＋垂直磁化タイプとし、強磁性層１１をフリー層、強磁性層１２をピン層と仮定して、以下に説明する。

書き込みは、書き込み線４２に、書き込みデータに応じて、一方向Ａ又は他方向Ｂに向かう書き込み電流を流すことにより行う。

例えば、書き込み線４２に一方向Ａに向かう書き込み電流を流すと、この書き込み電流により発生した磁場は、ヨーク材２０ａ，２０ｂにより収束され、ＭＴＪ素子の強磁性層（フリー層）１１に作用する。その結果、強磁性層１１では、磁化反転が生じ、書き込み電流を停止させると、強磁性層１１の残留磁化の向きは、下方向ａを向き、ＭＴＪ素子としては、反平行状態となる。

また、書き込み線４２に他方向Ｂに向かう書き込み電流を流すと、この書き込み電流により発生した磁場は、ヨーク材２０ａ，２０ｂにより収束され、ＭＴＪ素子の強磁性層１１に作用する。その結果、強磁性層１１では、磁化反転が生じ、書き込み電流を停止させると、強磁性層１１の残留磁化の向きは、上方向ｂを向き、ＭＴＪ素子としては、平行状態となる。

ここで、本例では、書き込み動作中、即ち、書き込み電流を書き込み線４２に流している間、熱アシスト電流をＭＴＪ素子に与え、ＭＴＪ素子の温度を上昇させることにより、書き込み（磁化反転）を行い易くしている。

例えば、書き込み時、スイッチＳＷ１，ＳＷ３をオフにし、スイッチＳＷ２をオンにすれば、電流源Ｉｓ２からＭＴＪ素子に熱アシスト電流を与えることができる。熱アシスト電流がＭＴＪ素子に流れることにより、ＭＴＪ素子は、自ら発熱するため、温度が上昇する。また、ＭＴＪ素子にトンネルバリア以外の高抵抗層を設け、高抵抗層の発熱を熱源として、熱伝導により、フリー層を加熱しても良い。

尚、熱アシスト電流は、書き込み動作前、即ち、書き込み電流を書き込み線４２に流す前に、予め、ＭＴＪ素子に補助的に与えるようにしてもよい。

読み出しは、ＭＴＪ素子に読み出し電流を流すことにより行う。

例えば、読み出し時、スイッチＳＷ１，ＳＷ３をオンにし、スイッチＳＷ２をオフにすれば、電流源Ｉｓ１からＭＴＪ素子に読み出し電流を与えることができる。

ＭＴＪ素子に読み出し電流が流れると、ＭＴＪ素子の両端には、電圧Ｖが発生する。この電圧Ｖは、ＭＴＪ素子の状態、即ち、平行状態か又は反平行状態かによって変わる。従って、センスアンプＳ／Ａを用いて、電圧Ｖ（平行状態のとき、Ｖc、反平行状態のとき、Ｖc＋ΔＶc）をレファレンス電圧ＶＲＥＦと比較することにより、ＭＴＪ素子に記憶されたデータの値を判断できる。

第１実施の形態によれば、データ書き込み時に、選択されたＭＴＪ素子に対して熱アシストすることにより、選択性の向上と書き込みディスターブの防止を図ることができる。

(2) 第２実施の形態
図７は、第２実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示している。

この磁気ランダムアクセスメモリは、上述の第１実施の形態のメモリと比べると、書き込み線４２及びヨーク材（軟磁性材料）２０ａ，２０ｂの構造に特徴を有し、その他については、上述の第１実施の形態のメモリと同じである。

ＭＴＪ素子は、垂直磁化タイプである。ＭＴＪ素子の上下には、ヨーク材２０ａ，２０ｂが配置される。ヨーク材２０ａ，２０ｂは、ＭＴＪ素子を上下方向から挟み付け、ＭＴＪ素子の下部のヨーク材２０ａは、接地点に接続され、上部のヨーク材２０ｂは、読み出し線４１及びスイッチＳＷ３を経由して、センスアンプＳ／Ａに接続される。

書き込み線４２は、ＭＴＪ素子ごとに設けられる。書き込み線４２は、ＭＴＪ素子の近傍に部分的に配置され、ｘ方向に延びている。書き込み線４２の一端は、書き込み選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタ３１を経由して、接地点に接続され、他端は、例えば、同一行に属するメモリセルに共通の書き込み線４３に接続される。

ＭＯＳトランジスタ３１は、ＭＴＪ素子ごとに設けられる。従って、ＭＴＪ素子によりアレイを構成した場合において、ＭＯＳトランジスタ３１のオン／オフを制御することにより、ＭＴＪ素子に対して選択的に書き込みを行うことができる。

ヨーク材２０ａ，２０ｂは、書き込み線４２をリング状に取り囲むように配置される。本例では、書き込み線４２は、ｘ方向に延び、書き込み線４２に流れる書き込み電流により発生する磁場は、Ｙ−Ｚ面に平行に円を描くため、ヨーク材２０ａ，２０ｂについても、その磁場をＭＴＪ素子に効率よく収束させるため、Ｙ−Ｚ面に平行な面内でリング状に形成される。

ヨーク材２０ａ，２０ｂは、書き込み線４２をリング状に取り囲むが、ヨーク材２０ａ，２０ｂと書き込み線４２は、絶縁層２１により互いに電気的に絶縁される。また、ヨーク材２０ａ，２０ｂ同士についても、絶縁層２１により互いに電気的に絶縁される。

尚、ＭＴＪ素子とヨーク材２０ａ，２０ｂの間には、Ｔａなどの金属、又は、ＭｇＯなどの絶縁体が配置されていてもよい。

書き込み／読み出しの方法については、上述の第１実施の形態のメモリと同じであるため、ここでは、その説明については省略する。

但し、第２実施の形態では、書き込み線４２にＭＯＳトランジスタ３１が接続されているため、例えば、書き込み時、選択信号ＣＮＴ１により、ＭＯＳトランジスタ３１のオン／オフを制御すれば、選択されたＭＴＪ素子のみに対して熱アシストすることができ、選択性の向上と書き込みディスターブの防止を図ることができる。

(3) 第３実施の形態
図８は、第３実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示している。

この磁気ランダムアクセスメモリは、上述の第１実施の形態のメモリと比べると、書き込み線の数に特徴を有し、その他については、上述の第１実施の形態のメモリと同じである。即ち、第１実施の形態では、１つのＭＴＪ素子に対して書き込み線は１本であったが、第３実施の形態では、１つのＭＴＪ素子に対しては、互いに直交する２本の書き込み線を対応させる。

ＭＴＪ素子は、垂直磁化タイプである。ＭＴＪ素子の上下には、ヨーク材２０ａ，２０ｂが配置される。ヨーク材２０ａ，２０ｂは、ＭＴＪ素子を上下方向から挟み付け、ＭＴＪ素子の下部のヨーク材２０ａは、接地点に接続され、上部のヨーク材２０ｂは、読み出し線４１及びスイッチＳＷ３を経由して、センスアンプＳ／Ａに接続される。

書き込み線４２Ａは、ｘ方向に延び、書き込み線４２Ｂは、ｙ方向に延びる。即ち、２本の書き込み線４２Ａ，４２Ｂは、互いに直交する。ＭＴＪ素子は、書き込み線４２Ａ，４２Ｂの交差部の近傍に配置される。

尚、ＭＴＪ素子とヨーク材２０ａ，２０ｂの間には、Ｔａなどの金属、又は、ＭｇＯなどの絶縁体が配置されていてもよい。

以下、簡単に、書き込み／読み出しの方法について説明する。

ＭＴＪ素子は、トップピンタイプ＋垂直磁化タイプとし、強磁性層１１をフリー層、強磁性層１２をピン層と仮定して、以下に説明する。

書き込みは、書き込み線４２Ａ，４２Ｂに、書き込みデータに応じて、一方向Ａ又は他方向Ｂに向かう書き込み電流を流すことにより行う。

例えば、書き込み線４２Ａ，４２Ｂに一方向Ａに向かう書き込み電流を流すと、この書き込み電流により発生した合成磁場は、ヨーク材２０ａ，２０ｂにより収束され、ＭＴＪ素子の強磁性層（フリー層）１１に作用する。その結果、強磁性層１１では、磁化反転が生じ、書き込み電流を停止させると、強磁性層１１の残留磁化の向きは、下方向ａを向き、ＭＴＪ素子としては、反平行状態となる。

また、書き込み線４２Ａ，４２Ｂに他方向Ｂに向かう書き込み電流を流すと、この書き込み電流により発生した合成磁場は、ヨーク材２０ａ，２０ｂにより収束され、ＭＴＪ素子の強磁性層１１に作用する。その結果、強磁性層１１では、磁化反転が生じ、書き込み電流を停止させると、強磁性層１１の残留磁化の向きは、上方向ｂを向き、ＭＴＪ素子としては、平行状態となる。

ここで、本例では、書き込み動作中、即ち、書き込み電流を書き込み線４２Ａ，４２Ｂに流している間、熱アシスト電流をＭＴＪ素子に与え、ＭＴＪ素子の温度を上昇させることにより、書き込み（磁化反転）を行い易くしている。

例えば、書き込み時、スイッチＳＷ１，ＳＷ３をオフにし、スイッチＳＷ２をオンにすれば、電流源Ｉｓ２からＭＴＪ素子に熱アシスト電流を与えることができる。熱アシスト電流がＭＴＪ素子に流れることにより、ＭＴＪ素子は、自ら発熱するため、温度が上昇する。

尚、熱アシスト電流は、書き込み動作前、即ち、書き込み電流を書き込み線４２Ａ，４２Ｂに流す前に、予め、ＭＴＪ素子に補助的に与えるようにしてもよい。

読み出しは、ＭＴＪ素子に読み出し電流を流すことにより行う。

例えば、読み出し時、スイッチＳＷ１，ＳＷ３をオンにし、スイッチＳＷ２をオフにすれば、電流源Ｉｓ１からＭＴＪ素子に読み出し電流を与えることができる。

ＭＴＪ素子に読み出し電流が流れると、ＭＴＪ素子の両端には、電圧Ｖが発生する。この電圧Ｖは、ＭＴＪ素子の状態、即ち、平行状態か又は反平行状態かによって変わる。従って、センスアンプＳ／Ａを用いて、電圧Ｖ（平行状態のとき、Ｖc、反平行状態のとき、Ｖc＋ΔＶc）をレファレンス電圧ＶＲＥＦと比較することにより、ＭＴＪ素子に記憶されたデータの値を判断できる。

第３実施の形態においても、データ書き込み時に、選択されたＭＴＪ素子に対して熱アシストすることにより、選択性の向上と書き込みディスターブの防止を図ることができる。

(4) 第４実施の形態
図９は、第４実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示している。

この磁気ランダムアクセスメモリは、上述の第２実施の形態のメモリと比べると、複数のＭＴＪ素子に対して書き込み線４２を共有させている点に特徴を有し、その他については、上述の第２実施の形態のメモリと同じである。

ＭＴＪ素子は、垂直磁化タイプである。ＭＴＪ素子の上下には、ヨーク材２０ａ，２０ｂが配置される。

ヨーク材２０ａ，２０ｂは、ＭＴＪ素子を上下方向から挟み付け、ＭＴＪ素子の下部のヨーク材２０ａは、選択スイッチ（ＮチャネルＭＯＳトランジスタ）３２を経由して接地点に接続され、上部のヨーク材２０ｂは、読み出し線４１Ａ，４１Ｂ、カラム選択スイッチＣＳＷ及びスイッチＳＷ３を経由して、センスアンプＳ／Ａに接続される。

尚、選択スイッチ３２は、ＭＴＪ素子ごとに設けられる。
従って、書き込み時には、選択されたＭＴＪ素子のみに対して熱アシスト電流を流すことができる。

選択スイッチ３２は、熱アシストのためのみに使用する専用のトランジスタであってもよいし、また、読み出し時にＭＴＪ素子を選択するための読み出し選択トランジスタとして使用してもよい。

前者の場合には、選択スイッチ３２とは別に、読み出し時にＭＴＪ素子を選択するための読み出し選択トランジスタ（破線で示す）ＲＳＷがＭＴＪ素子ごとに必要になる。後者の場合には、選択スイッチ３２を用いて、読み出し時には、選択されたＭＴＪ素子のみに対して読み出し電流を流し、書き込み時には、選択されたＭＴＪ素子のみに対して熱アシスト電流を流すことができる。

書き込み線４２は、ｘ方向に配置される複数（本例では、２つ）のＭＴＪ素子の近傍に配置され、かつ、ｘ方向に延びている。

尚、書き込み線４２に関しては、第２実施の形態と同様に、その一端に、スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタ（図７の４３）を接続し、他端に、同一行に属するメモリセルに共通の書き込み線（図７の３１）を接続してもよい。

ヨーク材２０ａ，２０ｂは、書き込み線４２をリング状に取り囲むように配置される。本例では、書き込み線４２は、ｘ方向に延び、書き込み線４２に流れる書き込み電流により発生する磁場は、Ｙ−Ｚ面に平行に円を描くため、ヨーク材２０ａ，２０ｂについても、その磁場をＭＴＪ素子に効率よく収束させるため、Ｙ−Ｚ面に平行な面内でリング状に形成される。

ヨーク材２０ａ，２０ｂは、書き込み線４２をリング状に取り囲むが、ヨーク材２０ａ，２０ｂと書き込み線４２は、絶縁層２１により互いに電気的に絶縁される。また、ヨーク材２０ａ，２０ｂ同士についても、絶縁層２１により互いに電気的に絶縁される。

尚、ＭＴＪ素子とヨーク材２０ａ，２０ｂの間には、Ｔａなどの金属、又は、ＭｇＯなどの絶縁体が配置されていてもよい。

以下、簡単に、書き込み／読み出しの方法について説明する。

ＭＴＪ素子は、トップピンタイプ＋垂直磁化タイプとし、強磁性層１１をフリー層、強磁性層１２をピン層と仮定して、以下に説明する。

書き込みは、書き込み線４２に、書き込みデータに応じて、一方向Ａ又は他方向Ｂに向かう書き込み電流を流すことにより行う。

第１実施の形態と同様に、書き込み線４２に一方向Ａに向かう書き込み電流を流すと、強磁性層１１の残留磁化の向きは、下方向ａを向き、書き込み線４２に他方向Ｂに向かう書き込み電流を流すと、強磁性層１１の残留磁化の向きは、上方向ｂを向く。

ここで、本例では、書き込み動作中、即ち、書き込み電流を書き込み線４２に流している間、熱アシスト電流をＭＴＪ素子に与え、ＭＴＪ素子の温度を上昇させることにより、書き込み（磁化反転）を行い易くしている。

さらに、この時、選択されたＭＴＪ素子に対応する選択スイッチ３２のみをオンにすることで、熱アシスト電流は、選択されたＭＴＪ素子のみに流すことができる。つまり、書き込み対象となる選択されたＭＴＪ素子については、その反転磁界が小さくなり、書き込み易い状態となるが、その他の非選択のＭＴＪ素子については、その反転磁界に変化はなく、書き込み難い状態のままであるため、書き込み線４２を複数のＭＴＪ素子で共有させたとしても、選択的に書き込みを行うことができる。

具体的には、書き込み時、スイッチＳＷ１，ＳＷ３をオフにし、スイッチＳＷ２をオンにし、さらに、選択されたＭＴＪ素子に対応する選択スイッチ３２とその選択されたＭＴＪ素子が属するカラムのカラム選択スイッチＣＳＷをオンにすれば、電流源Ｉｓ２から書き込み対象となる選択されたＭＴＪ素子に対して熱アシスト電流を与えることができる。

尚、熱アシスト電流は、書き込み動作前、即ち、書き込み電流を書き込み線４２に流す前に、予め、ＭＴＪ素子に補助的に与えるようにしてもよい。

読み出しは、ＭＴＪ素子に読み出し電流を流すことにより行う。

例えば、読み出し時、スイッチＳＷ１，ＳＷ３をオンにし、スイッチＳＷ２をオフにし、さらに、選択されたＭＴＪ素子に対応する選択スイッチ３２とその選択されたＭＴＪ素子が属するカラムのカラム選択スイッチＣＳＷをオンにすれば、電流源Ｉｓ１から読み出し対象となる選択されたＭＴＪ素子に対して読み出し電流を与えることができる。

ＭＴＪ素子に読み出し電流が流れると、ＭＴＪ素子の両端には、電圧Ｖが発生する。この電圧Ｖは、ＭＴＪ素子の状態、即ち、平行状態か又は反平行状態かによって変わる。従って、センスアンプＳ／Ａを用いて、電圧Ｖ（平行状態のとき、Ｖc、反平行状態のとき、Ｖc＋ΔＶc）をレファレンス電圧ＶＲＥＦと比較することにより、ＭＴＪ素子に記憶されたデータの値を判断できる。

第４実施の形態においても、データ書き込み時に、選択されたＭＴＪ素子に対して熱アシストすることにより、選択性の向上と書き込みディスターブの防止を図ることができる。

(5) その他
上述の第１乃至第４実施の形態に関しては、各実施の形態の構成要素を適宜組み合せて新たなデバイス構造とすることができる。

４． 実験データ
(1) 書き込み電流の低減について
上述の第１乃至第４実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリを用いれば、ＭＴＪ素子のフリー層の幅（設計ルールＦ）を約０．１μｍに設定した場合に、書き込み電流の値を、その目標値である約１ｍＡに設定することにより、熱擾乱による誤書き込みなく、書き込みを行えることが確認された。

以下、その経緯について説明する。

垂直磁化タイプＭＴＪ素子では、残留磁化の向きを、強磁性層の厚さ方向に向けなければならない。そのためには、静磁エネルギー約２π・Ｍｓ^２よりも大きな垂直磁気異方性エネルギーが必要となる。従って、ヨーク材及び熱アシスト書き込みのいずれも採用しない場合には、反転磁界は、数千Ｏｅと非常に大きな値となる。

そこで、実験では、まず、ＭＴＪ素子下部（フリー層側）及び上部（ピン層側）にそれぞれヨーク材を配置し、ヨーク材によりＭＴＪ素子をその上下方向から挟み込むデバイス構造を採用した。

これにより、ＭＴＪ素子の静磁エネルギーを大幅に低減でき、垂直磁気異方性エネルギーｋｕの値も下げても、残留磁化状態を垂直方向に向けることができた。つまり、垂直磁気異方性エネルギーを下げたことにより、反転磁界の小さい垂直磁化タイプＭＴＪ素子が実現でき、従来の水平磁化タイプＭＴＪ素子の反転磁界である約３０Ｏｅの３倍程度にまで下げることができた。

上下方向からヨーク材により挟み込まれた構造を持つ垂直磁化タイプＭＴＪ素子では、ヨーク構造にもよるが、従来のＭＴＪ素子と比べて、書き込み電流の値を同じとした場合には、発生できる磁界、若しくは、磁界の発生効率が、２０倍以上になる。言い換えれば、従来と同じ大きさの磁界を発生させるために必要な書き込み電流の値を、従来の１／２０以下に低減する事ができる。従って、垂直磁化タイプＭＴＪ素子にヨーク構造を適用すれば、書き込み電流の値を、従来の１０ｍＡに対して、１〜２ｍＡに低減できる。

しかし、それでも、書き込み電流の値を約１ｍＡにするには、その反転磁界では大き過ぎるため、熱アシスト書き込み方式を採用した。

書き込み対象となる選択されたＭＴＪ素子を加熱し、その温度を上げると、反転磁界を小さくすることができる。

温度と反転磁界との関係は、ＭＴＪ素子の構造やそれを構成する材料などによって変化するが、少なくとも温度の上昇に伴い、反転磁界が小さくなることは明らかな事実である（これについては、後に詳述する）。

そこで、書き込み時に、ＭＴＪ素子を加熱（熱アシスト）できるように、そのための手段をセルアレイ及び周辺回路に付加した。

実験では、ＭＴＪ素子を加熱するための熱アシスト電流を発生する電流源を新たに設け、書き込み時に、この熱アシスト電流を、読み出し線を経由して、ＭＴＪ素子に供給できるように構成した。

その結果、垂直磁化タイプＭＴＪ素子の反転磁界を、熱アシストを行わない場合の半分又はそれ未満にすることができた。これは、書き込み電流の値に換算すると、従来の１／１０以下、即ち、１ｍＡ以下に相当する。つまり、書き込み電流としては、目標値である約１ｍＡで書き込みが可能になる。

(2) ＭＴＪ素子の微細化について
垂直磁化タイプＭＴＪ素子によれば、反転磁界がその形状に左右されないため、原理的には、無限に微細化が可能である。つまり、ＭＴＪ素子を最新の加工技術、即ち、最小加工寸法で加工することにより、ＭＴＪ素子の微細化によるメモリ容量の増大に大いに貢献できる。

しかも、書き込みに関しては、ヨーク材を用いたデバイス構造と熱アシスト書き込み方式とにより、小さな書き込み電流で、反転磁界を越える発生磁界を生成できるため、磁気ランダムアクセスメモリの実用化が期待できる。

以下、具体的に説明する。

ＭＴＪ素子の磁気異方性は、主として、形状磁気異方性と誘導磁気異方性とからなる。ＭＴＪ素子の強磁性層の反転磁界Ｈｓｗは、上述の参考例の「磁気ランダムアクセスメモリの課題」の項目で示した式（１）のように記述される。

強磁性層の残留磁化の向きを厚さ方向、即ち、半導体基板の表面に垂直なｚ方向に向けるには、ｚ方向成分の磁気異方性エネルギーが必要である。このｚ方向成分の磁気異方性エネルギーを誘導磁気異方性エネルギーのみに頼る場合、反転磁界Ｈｓｗは、ＭＴＪ素子の形状に左右されなくなるため、反転磁界Ｈｓｗを増加させることなく、ＭＴＪ素子のサイズを小さくできる。

従って、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリによれば、ＭＴＪ素子のサイズ（フリー層の幅）を０．１μｍ以下の値、例えば、約９０ｎｍとし、大メモリ容量、例えば、２５６メガビット以上のメモリ容量を有する磁気ランダムアクセスメモリを実現することができる。

(3) まとめ
以上のように、本発明の例によれば、垂直磁化タイプＭＴＪ素子を使用している反転磁界ＨｓｗがＭＴＪ素子のサイズに影響されず、ＭＴＪ素子の微細化に貢献できる。

また、反転磁界Ｈｓｗについては、ＭＴＪ素子の上下からＭＴＪ素子を挟み込むようにヨーク材を配置し、かつ、熱アシスト書き込み方式を採用することにより、大幅に低減することができ、書き込み電流としては、実用的な非常に小さな値に設定できる。

従って、本発明の例によれば、磁気ランダムアクセスメモリにおけるメモリセルの微細化による大容量化と共に、誤書き込み（ディスターブ）を発生させることなく、書き込み電流を実用化に適した小さな値に設定できる。

また、垂直磁化タイプＭＴＪ素子では、ピン層の磁化の向きを固定する反強磁性層が不要であるため、ＭＴＪ素子を薄くし、ＭＴＪ素子に対する磁場の作用効率を向上させる、という効果も得られる。

ところで、反強磁性層としては、現在、Ｍｎ（マンガン）を含む合金が主に用いられているが、この場合、温度３００℃を越えると、合金中のＭｎが拡散し、ＭＴＪ素子のＭＲ比（抵抗変化率）が小さくなることが知られている。しかし、本発明の例によれば、反強磁性層が不要なのであるから、このようなＭＲ比の悪化を全く考慮しなくてよい。

また、ＭＴＪ素子の反転磁界ＨｓｗがＭＴＪ素子のサイズや形状などに影響されないため、基本的には、設計ルール（最小加工寸法Ｆ）にかかわらず、ＭＴＪ素子のスケーリングを自由に行うことができる。

さらに、ＭＴＪ素子の上下からヨーク材によりＭＴＪ素子を挟み込む構造を採用することにより、ＭＴＪ素子の強磁性層に生じる反磁界による静磁エネルギーを低減でき、反転磁界Ｈｓｗを小さくできる。

また、製造時に、複数のＭＴＪ素子の間で、形状のばらつきが生じたとしても、それによっては、ＭＴＪ素子の反転磁界Ｈｓｗが変わらないため、不良品の発生を低減でき、製造歩留りの向上にも貢献できる。

５． 書き込み時のメモリセルの選択方法
磁気ランダムアクセスメモリは、複数のＭＴＪ素子を有し、通常、これらＭＴＪ素子は、アレイ状に配置され、メモリセルアレイを構成している。

一方、磁気ランダムアクセスメモリは、ランダムアクセスが必須であるから、書き込み時においても、書き込み対象となるＭＴＪ素子をランダムに選択できなければならない。そこで、以下では、書き込み時におけるメモリセル（ＭＴＪ素子）の選択方法の例について説明する。

(1) 書き込み選択スイッチを用いる例
ＭＴＪ素子ごとにローカルに書き込み線を配置し、この書き込み線に書き込み選択スイッチを接続することにより、選択されたＭＴＪ素子のみに対して選択的に書き込みを行うことができる。

例えば、第２実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリ（図７）は、書き込み選択スイッチを用いて、ＭＴＪ素子に対する書き込みを選択的に行う例である。尚、図７の例では、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３１が書き込み選択スイッチに相当する。

この場合、ＭＴＪ素子ごとに書き込み選択スイッチが必要になるため、書き込み選択スイッチは、例えば、ＭＴＪ素子の直下の半導体基板上に形成される。

ここで、既に述べたように、本発明の例によれば、ヨーク材を用いたデバイス構造と熱アシスト書き込み方式とを採用しているため、書き込み電流の値を小さな値、例えば、１ｍＡ以下の値に設定することができる。従って、書き込み選択スイッチのサイズ（駆動力）は、ＭＴＪ素子のサイズ（例えば、フリー層の幅１０〜１００ｎｍ）と同程度に設定でき、現実に、これをＭＴＪ素子の直下に配置することが可能になる。

また、書き込み選択スイッチを用いるＭＴＪ素子の選択方法によれば、常に、選択されたＭＴＪ素子に対応する書き込み線のみに書き込み電流を流すことになるため、いわゆる半選択状態（参考例の「磁気ランダムアクセスメモリの課題」の項目を参照）のＭＴＪ素子が存在しなくなる。

従って、書き込み時における非選択のＭＴＪ素子の誤書き込み（ディスターブ）を完全になくすことができ、磁気ランダムアクセスメモリとしての信頼性を向上できる。

(2) 熱アシストにより選択性を持たせる例
ＭＴＪ素子に熱アシストのための選択スイッチを接続し、選択されたＭＴＪ素子に対応する選択スイッチのみをオンにし、そのＭＴＪ素子のみに熱アシスト電流を供給することで、選択されたＭＴＪ素子のみに対して選択的に書き込みを行うことができる。

例えば、第４実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリ（図９）は、熱アシストのための選択スイッチを用いて、ＭＴＪ素子に対する書き込みを選択的に行う例である。尚、図９の例では、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３２が熱アシストのための選択スイッチに相当する。

尚、熱アシスト書き込み方式を採用する場合に考慮しなければならない点は、熱アシストを行うに当たって、非選択のＭＴＪ素子に熱が加わらないようにすることにある。非選択のＭＴＪ素子にも熱が加わると、非選択のＭＴＪ素子に対して熱擾乱によるフリー層の磁化反転が発生する可能性があるからである。

しかし、例えば、図９に示すような選択スイッチを用いる構成にすると、熱アシスト電流は、選択されたＭＴＪ素子のみに流れるため、非選択のＭＴＪ素子に対して直接熱が加わるという事態が発生することがない。従って、本発明の例によれば、熱擾乱耐性に優れた熱アシストを行うことができる。

このように、熱アシストにより選択性を持たせる例によれば、アレイ状に配置された複数のＭＴＪ素子に対して、選択されたＭＴＪ素子のみに選択的に熱アシスト（加熱）を行うことができる。

熱アシストされたＭＴＪ素子は、保磁力が小さくなるため、反転磁界も小さくなり、書き込み電流により発生した磁界により書き込みが行われ、その他の熱アシストされないＭＴＪ素子は、保磁力が高いままであるため、反転磁界も高く、書き込み電流により発生した磁界では書き込みが行われない。

ところで、熱アシスト書き込み方式を採用する場合には、ＭＴＪ素子に関して、例えば、図１０に示すように、第一に、熱アシストを加えた場合の保磁力とそれを加えない場合の保磁力との比ができるだけ大きく、第二に、特定温度を境にして急激に保磁力が変化する、というような特性を持たせることが実用化にとって重要な要素となる。これは、熱アシストされた隣接ビットから熱伝導による温度上昇と、熱アシスト書き込みを行ったビットの冷却過程における熱擾乱耐性を確保するためである。

以下では、そのような特性を実現するための技術について説明する。

ＭＴＪ素子の基本構造は、フリー層（記録層）及びピン層（固定層）により絶縁層（トンネルバリア）を挟み込んだ構造である。

ここで、まず、高保磁力を有する磁性材料を用いてピン層を構成し、かつ、書き込み時の保磁力がピン層のそれよりも小さくなるような磁性材料を用いてフリー層を構成する。

尚、フリー層に関しては、熱アシストを加えた場合の保磁力とそれを加えない場合の保磁力との比を大きくするために、複数の磁性材料から構成するようにしてもよい。

次に、特定温度を境にして保磁力が急激に変化する特性を実現するために、フリー層に隣接して機能層なるものを新たに設ける。

機能層は、トンネルバリアとフリー層との間に配置してもよいが、フリー層のトンネルバリア側ではない側の面上に配置した方がより好ましい。

機能層としては、例えば、特定温度Ｔｆを境にして、常磁性から強磁性、又は、反強磁性から強磁性へと、その性質が変化する材料を用いる。

ここで、特定温度Ｔｆは、常温Ｔｎよりも高く、かつ、常温Ｔｎに対して十分なマージンを確保できている必要がある。また、特定温度Ｔｆは、書き込み時におけるＭＴＪ素子の温度、即ち、記録温度Ｔｗよりも低く、かつ、記録温度Ｔｗに対して十分なマージンを確保できている必要がある。

例えば、反強磁性−強磁性転移を示す材料としては、Fe-Rh、 Fe-RhにCo、Ni、Pd、Pt、Irなどの添加物を添加した合金、 Mn-Rh、 Mn-Cr-Sb、 Mn-V-Sb、 Mn-Co-Sb、 Mn-Cu-Sb、 Mn-Zn-Sb、 Mn-Ge-Sb、 Mn-As-Sbなどがある。これらの材料のうちから、記録温度Ｔｗとの相性がよい最適な材料を選択する。

また、機能層として、常温付近に補償温度（補償点）Ｔｃｏｍｐを有するフェリ磁性体を用いてもよい。フェリ磁性を示す材料として、フェリ磁性体を薄膜化したものを用いてもよい。このような材料としては、例えば、Tb-Fe、 Tb-Fe-Co、 Tb-Co、 Gd-Tb-Fe-Co、 Gd-Dy-Fe-Co、 Nd-Fe-Co、 Nd-Tb-Fe-Coなどのアモルファス希土類−遷移金属合金薄膜や、CrPt₃ のような規則合金などがある。

また、M Fe₂ O₄ (Mは、Mn、Fe、Co、Ni、Co、Mg、Zn、Cdのうちの１つ)、LiFe₅ O₈ などのフェライトや、多元系フェライトなどもフェリ磁性体となることが知られている。これらのうちから、常温付近に補償点を有するものを、本発明の例に用いられる機能層（フェリ磁性体）として適用する。

機能層は、フリー層に接触して形成される。そこで、機能層とフリー層との強磁性交換結合は、例えば、真空中において、スパッタ法により両者を連続して形成することにより実現できる。

本発明の例によれば、書き込み時に、選択されたＭＴＪ素子のフリー層の温度を熱アシストにより記録温度Ｔｗまで上昇させ、一時的にフリー層の保磁力（磁気異方性エネルギー）を減少させる。非選択のＭＴＪ素子については、誤書き込みを防止するために、常温Ｔｎを維持し、フリー層の保磁力を高い値のままにする。

書き込み時以外においては、熱揺らぎによるＭＴＪ素子の劣化を防ぐために、ＭＴＪ素子を常温Ｔｎに維持し、高い保磁力を確保する。

ＭＴＪ素子に関して、図１０に示すような特性（温度と保磁力との関係）を得ることができれば、熱アシスト書き込み方式で考慮しなければならない書き込み直後の熱揺らぎの加速による誤書き込みの問題や、書き込み時に選択されたＭＴＪ素子に隣接するＭＴＪ素子に熱が加わることによるクロスイレーズの問題などを回避できる。

以下、図１０に示すような特性を実現する方法について説明する。

図１１は、フリー層と機能層とのモーメントの向きを模式的に示している。
ここでは、説明を分かり易くするため、両者共に、残留磁化の向きが積層面に垂直な方向となる垂直磁化タイプであるものとする。

矢印は、モーメントの向きを表している。強磁性交換結合の相互作用とは、モーメントの向きが同じであるときに、最もエネルギーが低く、かつ、安定となるような交換結合の相互作用を意味する。このような交換結合によるヒステリシスループがどのようになるかについては、既に多くの研究発表がなされている。

例えば、Japanese Journal of Applied Physics, vol. 20, No. 11, 1981 pp.2089-2095では、交換結合した２つの垂直磁化タイプ磁性層についての解析を行っている。これによると、交換結合エネルギーの面密度σと各磁性層の磁気特性によってヒステリシスの形が変わることになる。

例えば、図１２に示すような磁性層について検討する。
ここで、磁性層１に関し、Ku1、Ms1、t1は、それぞれ、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化、厚さを表している。また、磁性層２に関し、Ku2、Ms2、t2は、それぞれ、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化、厚さを表している。但し、Ku1 > Ku2とする。

磁性層１，２の飽和磁化Ms1,Ms2が同じであれば、磁性層１の保磁力Hc1 (= 2Ku1/Ms1)は、磁性層２の保磁力Hc2 (= 2Ku2/Ms2)よりも大きくなる。このとき、交換結合エネルギーは、磁性層１，２のスピンの向きを揃える作用があるが（そのような作用が生じるようにエネルギーを与える）、その作用は、磁性層１，２に交換磁界Hw1 (= σ/2Ms1・t1)，Hw2 (= σ/2Ms2・t2)が与えられたのと等価になる。

ここで、磁性層１，２の保磁力Hc1,Hc2が交換磁界Hw1,Hw2よりも大きければ(Hc1 > Hw1 , Hc2 > Hw2)、両層のスピンが対向した状態でエネルギーが安定になる(準安定状態)。従って、このときのヒステリシスループは、図１３に示すようになる。

図１３に示すようなヒステリシスループが得られた場合には、磁化の変化点（反転磁界） HR1, HR2は、解析的に求めることができる。
HR1 ＝ Hc1−Hw1 ＝ Hc1−σ/2Ms1・t1 ・・・(3)
HR2 ＝ Hc2＋Hw2 ＝ Hc2＋σ/2Ms2・t2 ・・・(4)
即ち、大きな保磁力を持つ磁性層１は、それよりも小さな保磁力を持つ磁性層２から交換結合エネルギーの面密度σに依存した保磁力を下げる作用を受け、逆に、小さな保磁力を持つ磁性層２は、それよりも大きな保磁力を持つ磁性層１から交換結合エネルギーの面密度σに依存した保磁力を上げる作用を受ける。

ところが、磁性層１，２の保磁力Hc1,Hc2が交換磁界Hw1,Hw2よりも小さい場合(Hc1 < Hw1 , Hc2 < Hw2)には、例えば、磁化の変化点HR2で磁性層２の磁化が反転すると、このときの交換力が大きいために、磁性層１の磁化も同時に反転してしまう。このようになると、図１４に示すように、交換結合した２つの垂直磁化タイプ磁性層のヒステリシスループは、１層のみからなる通常の磁性層のそれと同じになる。

この場合の磁化の変化点HR3は、
HR3 ＝ (Ms2・t2・Hc2 + Ms1・t1・Hc1)/(Ms2・t2 + Ms1・t1) ・・・(5)
となる。

この磁化の変化点（反転磁界）HR3は、磁性層１，２の保磁力Hc1,Hc2のちょうど中間の値になる。従って、磁性層１，２が積層された場合の保磁力についても、磁性層１，２の保磁力Hc1,Hc2の中間の値となる。つまり、高い磁気異方性エネルギー密度Ku1を持つ磁性層１と低い磁気異方性エネルギー密度Ku2を持つ磁性層２とを交換結合させると、保磁力は、磁性層１単独の場合の保磁力よりも低くなる。

この現象を利用すれば、書き込みに関して、ＭＴＪ素子の特性（温度と保磁力との関係）を図１０に示すように設定することができ、結果として、熱揺らぎによる誤書き込みの恐れがない高信頼性の磁気ランダムアクセスメモリを提供できる。

図１５は、反強磁性から強磁性に変化する材料を機能層に用いた場合の温度と飽和磁化との関係を示している。

機能層は、特定温度Ｔｆで反強磁性から強磁性に変化するため、その特定温度Ｔｆで飽和磁化が急激に上昇する特性を示す。既に述べたように、高い磁気異方性エネルギー密度Ku1を持つ磁性層１と低い磁気異方性エネルギー密度Ku2を持つ磁性層２とを交換結合させると、保磁力は、磁性層１単独の場合の保磁力よりも低くなる。

高い磁気異方性エネルギー密度Ku1を持つ磁性層１の保磁力Hc1の減少の割合は、交換結合エネルギー面密度σや、フリー層と機能層の磁気異方性エネルギー密度Ku1,Ku2、飽和磁化Ms1,Ms2及び厚さt1、t2などにより調整できる。

また、書き込み以外では、機能層は、反強磁性を示している。この状態では、フリー層の磁気異方性エネルギー密度は、機能層のそれに比べて大きくなる。機能層は、書き込み終了後の冷却過程においてフリー層の磁化の向きに影響された磁化配列を持つようになり、フリー層の磁化が機能層の磁化配列の影響で反転するということはない。

図１６は、第１のシミュレーションにより得た温度と保磁力との第１の関係を示している。

本例では、前提として、温度とフリー層の飽和磁化Ms1とは、図１７に示すような関係を有し、温度とフリー層の磁気異方性エネルギー Ku1とは、図１８に示すような関係を有し、温度と機能層の磁気異方性エネルギー Ku2とは、図１９に示すような関係を有しているものとした。また、機能層が反強磁性から強磁性に転移する温度Ｔｆは、絶対温度３７５Ｋとした。

実線は、フリー層単独の保磁力HcRL (=2×Ku1/Ms1)の温度変化を示し、点線は、機能層単独の保磁力HcFL (=2×Ku2/Ms2)の温度変化を示している。

また、白い丸及び黒い丸は、それぞれ、フリー層と機能層の交換結合エネルギー面密度σが１erg/cm²の場合におけるフリー層及び機能層の保磁力HcRL(σ=1),HcFL(σ=1) を示し、白い四角及び黒い四角は、それぞれ、フリー層と機能層の交換結合エネルギー面密度σが５erg/cm²の場合におけるフリー層及び機能層の保磁力HcRL(σ=5),HcFL(σ=5) を示し、白い菱形及び黒い菱形は、それぞれ、フリー層と機能層の交換結合エネルギー面密度σが１０erg/cm²の場合におけるフリー層及び機能層の保磁力HcRL(σ=10),HcFL(σ=10) を示している。

フリー層単独の場合、保磁力HcRLは、温度の上昇に反比例して、連続的に減少していくのに対し、フリー層と機能層とを積層した構造では、温度が上昇する過程で、機能層が反強磁性から強磁性に転移する温度Ｔｆ（＝３７５Ｋ）にさしかかると、保磁力が不連続に急激に減少する。

そして、温度Ｔｆ及びその近傍における保磁力の不連続性の度合い（変化の割合）は、交換結合エネルギー面密度σが大きくなるほど大きくなる。

このように、フリー層に機能層を付加することにより、実際に、図１０に示すような特性を実現することができる。

図２０は、第２のシミュレーションにより得た温度と保磁力との第２の関係を示している。

本例では、常温近傍に補償点を有するフェリ磁性体を機能層として用いることを前提とした。また、温度とフリー層の飽和磁化Ms1とは、図１７に示すような関係を有し、温度とフリー層の磁気異方性エネルギー Ku1とは、図１８に示すような関係を有し、温度と機能層の飽和磁化Ms2とは、図２１に示すような関係を有し、温度と機能層の磁気異方性エネルギー Ku2とは、図２２に示すような関係を有しているものとした。

実線は、フリー層単独の保磁力HcRL (=2×Ku1/Ms1)の温度変化を示し、点線は、機能層単独の保磁力HcFL (=2×Ku2/Ms2)の温度変化を示している。

また、白い丸及び黒い丸は、それぞれ、フリー層と機能層の交換結合エネルギー面密度σが１erg/cm²の場合におけるフリー層及び機能層の保磁力HcRL(σ=1),HcFL(σ=1) を示し、白い四角及び黒い四角は、それぞれ、フリー層と機能層の交換結合エネルギー面密度σが３erg/cm²の場合におけるフリー層及び機能層の保磁力HcRL(σ=3),HcFL(σ=3) を示し、白い菱形及び黒い菱形は、それぞれ、フリー層と機能層の交換結合エネルギー面密度σが５erg/cm²の場合におけるフリー層及び機能層の保磁力HcRL(σ=5),HcFL(σ=5) を示している。

機能層の飽和磁化は、補償点 Tcomp までは、温度の上昇に伴い減少し、補償点 Tcomp からは、温度の上昇に伴い増加する。機能層の飽和磁化は、補償点 Tcomp を越えると、所定温度でピークとなり、それ以降は再び減少する。そして、機能層は、キュリー点で磁化を失うことになる。

常温近傍において磁化が非常に小さくなると、機能層の保磁力は、非常に大きくなる。また、機能層の磁化が温度と共に増加すると、機能層の保磁力は、急激に小さくなる。

従って、フリー層と機能層とが強磁性交換結合していると、フリー層の保磁力も、機能層の急激な保磁力の減少につられて、急激に減少することが期待される。高い磁気異方性エネルギー密度Ku1を持つフリー層の保磁力の減少の程度は、交換結合エネルギー面密度σ、フリー層及び機能層の磁気異方性エネルギー密度Ku1,Ku2、飽和磁化Ms1,Ms2、厚さt1,t2などにより調整できる。

また、書き込み以外では、フリー層及び機能層の磁気異方性エネルギー密度の差により、機能層は、書き込み終了後の冷却過程においてフリー層の磁化の向きに影響された磁化配列を持つようになる。つまり、フリー層の磁化が機能層の磁化配列の影響で反転するということはない。

機能層の補償点 Tcomp 付近では、温度が上昇するにつれて機能層の保磁力が急激に減少するが、機能層の保磁力の変化に引きずられて、フリー層の保磁力も不連続に急激に減少する。また、交換結合エネルギー面密度σが大きい場合には、フリー層の保磁力の変化は、機能層の保磁力の変化と同じようになる。

このように、フリー層に機能層を付加することにより、実際に、図１０に示すような特性を実現することができる。

上記２つのシミュレーション結果は、フリー層と機能層のモーメントを独立に少しずつ回転させて、最もエネルギーが安定になる条件を探す、というエナジーミニマム( Energy Minimum)という手法により求めたものである。

また、反磁界については、反磁界係数を 0.3 として計算した。反磁界は、N×4πMs ( N:反磁界係数)で表される。但し、反磁界係数は形状に大きく依存するため、 N の値は決定しがたい。

しかし、いずれにしても、反磁界は、Ku(Hc) を低減する方向に作用するので、反磁界込みで Ku(Hc) を考えれば、上記２つのシミュレーション結果をそのまま実際のＭＴＪ素子の特性として使えることになる。

フリー層と機能層とが強磁性交換結合した構造を持つＭＴＪ素子において、機能層の磁気異方性エネルギー密度が記録層のそれよりも大きいと、フリー層と機能層の全体の保磁力が低下しないので、書き込みを行うことができない。

フリー層の磁気異方性エネルギー密度と機能層の磁気異方性エネルギー密度との差は、基本的には任意に決めてよいが、その差が小さいと、フリー層と機能層の全体の保磁力の低減効果が小さくなる。一方、フリー層の磁気異方性エネルギー密度と機能層の磁気異方性エネルギー密度との差が大きいと、フリー層と機能層の全体の保磁力の低減効果が大きくなるが、この場合、機能層を十分に厚くして同時反転を起こし易くする必要がある。

従って、両者の磁気異方性エネルギー密度の差は、書き込み時の温度、加熱効率などを考慮して、デバイスごとに決めることになるが、一般的な使用においては、両者の磁気異方性エネルギー密度の比 KuRL/KuFL として、３以上の値であれば十分である。但し、 KuRL は、フリー層の磁気異方性エネルギー密度、 KuFL は、機能層の磁気異方性エネルギー密度である。

また、その比が５以上の値であれば、より好ましくなり、１０以上の値であれば、最適となる。

６． 材料例
［Ａ］ 高い保磁力を持つ磁性材料は、1×10⁶ erg/cc 以上の高い磁気異方性エネルギー密度を持つ材料により構成される。

以下、その材料例について説明する。

(1) 例１
・ Fe（鉄）、Co（コバルト）、Ni（ニッケル）のうちの少なくとも１つと、Cr（クロム）、Pt（白金）、Pd（パラジウム）のうちの少なくとも１つとを含む合金からなるもの
規則合金としては、Fe(50)Pt(50)、Fe(50)Pd(50)、Co(50)Pt(50)などがある。不規則合金としては、CoCr合金、CoPt合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金、CoCrNb合金などがある。

(2) 例２
・ Fe、Co、Niのうちの少なくとも１つ又はこれらのうちの１つを含む合金と、Pd、Ptのうちの１つ又はこれらのうちの１つを含む合金とが、交互に積層された構造を持つもの
例えば、Co/Pt人工格子、Co/Pd人工格子、CoCr/Pt人工格子などがある。Co/Pt人工格子を使用した場合及びCo/Pd人工格子を使用した場合においては、抵抗変化率（MR比）は、約40％、という大きな値を実現できる。

(3) 例３
希土類金属のうちの少なくとも１つ、例えば、Tb（テルビウム）、Dy（ジスプロシウム）、又は、Gd（ガドリニウム）と、遷移金属のうちの少なくとも１つとからなるアモルファス合金
例えば、TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo、GdTbCoなどがある。

［Ｂ］ フリー層は、上述のような高い保磁力を持つ磁性材料から構成することもできるし、組成比の調整、不純物の添加、厚さの調整などを行って、上述のような高い保磁力を持つ磁性材料よりも磁気異方性エネルギー密度が小さい磁性材料から構成してもよい。

以下、その材料例について説明する。

(1) 例１
・ Fe、Co、Niのうちの少なくとも１つと、Cr、Pt、Pdのうちの少なくとも１つとを含む合金に、不純物を添加したもの
規則合金としては、Fe(50)Pt(50)、Fe(50)Pd(50)、又は、Co(50)Pt(50)に、Cu、Cr、Agなどの不純物を加えて磁気異方性エネルギー密度を低下させたものなどがある。不規則合金としては、CoCr合金、CoPt合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金、又は、CoCrNb合金について、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度を低下させたものなどがある。

(2) 例２
・ Fe、Co、Niのうちの少なくとも１つ又はこれらのうちの１つを含む合金と、Pd、Ptのうちの１つ又はこれらのうちの１つを含む合金とが、交互に積層された構造を持つものであって、前者の元素若しくは合金からなる層の厚さ、又は、後者の元素若しくは合金からなる層の厚さを調整したもの
Fe、Co、Niのうちの少なくとも１つ又はこれらのうちの１つを含む合金についての厚さの最適値と、Pd、Ptのうちの１つ又はこれらのうちの１つを含む合金についての厚さの最適値とが存在し、厚さがこれら最適値から離れるに従い、磁気異方性エネルギー密度は、次第に低下する。

(3) 例３
希土類金属のうちの少なくとも１つ、例えば、Tb（テルビウム）、Dy（ジスプロシウム）、又は、Gd（ガドリニウム）と、遷移金属のうちの少なくとも１つとからなるアモルファス合金の組成比を調整したもの
例えば、TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo、GdTbCoなどのアモルファス合金の組成比を調整し、磁気異方性エネルギー密度を小さくしたものがある。

［Ｃ］ ヨーク材（軟磁性材料）上にＭＴＪ素子を形成する場合、ヨーク材とＭＴＪ素子との間には、原子の拡散防止機能及び両者を交換結合させない機能を持つバッファ層、例えば、Ta、TiN、TaNなどからなる導電層が形成される。

機能層としては、結晶構造に左右されないRE-TMアモルファス合金を用いることができる。ここで、温度の上昇に伴い、保磁力が小さくなるように、RE-TMアモルファス合金の組成を調整すれば、RE-TMアモルファス合金にフリー層としての機能を持たせることもできる。

尚、REは、希土類金属(Rare Earth metal)を意味し、例えば、Gd、Tb、Dyが該当する。また、TMは、遷移金属(Transition metal)を意味し、例えば、Fe、Co、Niが該当する。

この場合、ＭＲ比を大きくするために、トンネルバリアと強磁性層（フリー層及びピン層）との界面に、Co、Fe、Ni、又は、これらの合金を配置する。

ピン層として、例えば、FePt、CoPtなどの規則合金を用いる場合、垂直磁気異方性を発生させるためには、fct(001)面を配向させる必要がある。このため、結晶配向制御層として、数nm程度のMgOからなる極薄下地層を用いることが好ましい。MgOの他にも、格子定数が28nm, 40nm, 56nm程度のfcc構造、bcc構造を持つ元素、化合物、例えば、Pt、Pd、Ag、Au、Al、Cu、Cr、Feなど、或いは、それらの合金などを用いることができる。

ボトムピン構造の場合には、ヨーク材とピン層との間に結晶配向制御層を配置すればよい。結晶配向制御層とヨーク材との間には、例えば、Ta、TiN、TaNなどからなるバッファ層が配置されていてもよい。トップピン構造の場合には、トンネルバリアにfcc(100)面が配向したMgOを用いることが好ましい。この場合、ＭＲ比が劣化しない程度に結晶配向制御層をさらに積層してもよい。

フリー層として、FePt、CoPtなどの規則合金を用いる場合にも、同様に、fct(001)面を配向させる必要がある。

トップピン(ボトムフリー)構造の場合には、ヨーク材とフリー層との間に結晶配向制御層を配置すればよい。結晶配向制御層とヨーク材との間には、例えば、Ta、TiN、TaNなどからなるバッファ層が配置されていてもよい。ボトムピン(トップフリー)構造の場合には、トンネルバリアにfcc(100)面が配向したMgOを用いることが好ましい。この場合、ＭＲ比が劣化しない程度に結晶配向制御層をさらに積層してもよい。

フリー層として、例えば、FePt、CoPtなどの規則合金を用いる場合、フリー層に付加する機能層には、(001)面の格子定数がフリー層のそれに近いFeRhを用いる。

フリー層として、例えば、Co/Pt人工格子又はCo/Pd人工格子を用いる場合においても、FeRhを機能層として用いることができる。

フリー層として、例えば、Co/Pt人工格子を用いる場合、CoとPtの厚さを調節することにより、ＭＴＪ素子の保磁力を調節できる。

７． ＭＴＪ素子の構造例
次に、ヨーク材（軟磁性材料）により挟み込まれたＭＴＪ素子の構造例について説明する。

(1) 構造例１，２
図２３は、ＭＴＪ素子の構造例１，２を示している。

・ 構造例１
ＭＴＪ素子は、フリー層１１、ピン層１２及びこれらの間に配置されるトンネルバリア（絶縁層）１３から構成される。フリー層１１とヨーク材２０との間には、バッファ層１４が配置され、ピン層１２とヨーク材２０との間には、バッファ層１４及び結晶配向制御層１５が配置される。

フリー層１１は、例えば、厚さ約０．５ｎｍの Co と厚さ約１．５ｎｍの Pt とが積み重ねられた積層から構成され、ピン層１２は、例えば、厚さ約５ｎｍの FePt から構成される。トンネルバリア１３は、厚さ約１．２ｎｍの AlO から構成される。また、フリー層１１に機能層を付加する場合には、機能層は、例えば、常温付近に補償点を持つ厚さ約３０ｎｍの Tb₂₂(Fe_0.7Co_0.3)₇₈ から構成される。

ヨーク材２０は、例えば、 NiFe から構成される。バッファ層１４は、例えば、厚さ約２ｎｍの Ta から構成され、結晶配向制御層１５は、例えば、厚さが約１ｎｍの MgO から構成される。

ここで、フリー層１１とトンネルバリア１３との間に、ＭＲ比を悪化させない程度に、Pt、Pd などからなる層を挿入することもできる。ピン層１２としては、 FePt の代わりに、CoPt を用いてもよい。また、フリー層１１として、Co/Pt人工格子の代わりに、Co/Pd人工格子を用いてもよい。

・ 構造例２
構造例２は、ＭＴＪ素子のフリー層１１及びピン層１２に、FePt からなる規則合金を用いた場合の例である。

ＭＴＪ素子は、フリー層１１、ピン層１２及びこれらの間に配置されるトンネルバリア（絶縁層）１３から構成される。フリー層１１とヨーク材２０との間には、バッファ層１４が配置され、ピン層１２とヨーク材２０との間には、バッファ層１４及び結晶制御用下地層１５が配置される。

フリー層１１は、例えば、厚さ約５ｎｍの FePtCu から構成され、ピン層１２は、例えば、厚さ約５ｎｍの FePt から構成される。トンネルバリア１３は、厚さ約１．２ｎｍの MgO から構成される。また、フリー層１１に機能層を付加する場合には、機能層は、例えば、常温付近に補償点を持つ厚さ約１０ｎｍの FeRh から構成される。

ヨーク材２０は、例えば、 NiFe から構成される。バッファ層１４は、例えば、厚さ約２ｎｍの Ta から構成される。

ここで、フリー層１１、ピン層１２とトンネルバリア１３との間にそれぞれＭＲ比を向上させるために、Fe、Co、Ni、それらの合金を挿入しても良い。

(2) 構造例３
図２４は、ＭＴＪ素子の構造例３を示している。

構造例３は、ＭＴＪ素子のフリー層１１及びピン層１２に人工格子を用いた場合の例である。

ＭＴＪ素子は、フリー層１１、ピン層１２及びこれらの間に配置されるトンネルバリア（絶縁層）１３から構成される。フリー層１１とヨーク材２０との間には、バッファ層１４が配置され、ピン層１２とヨーク材２０との間にも、バッファ層１４が配置される。

フリー層１１は、例えば、厚さ約０．５ｎｍの Co と厚さ約１．５ｎｍの Pt とが積み重ねられた積層から構成され、ピン層１２は、例えば、厚さ約０．３ｎｍの Co と厚さ約０．８ｎｍの Pt とが積み重ねられた積層から構成される。トンネルバリア１３は、厚さ約１．２ｎｍの AlO から構成される。また、フリー層１１に機能層を付加する場合には、機能層は、例えば、常温付近に補償点を持つ厚さ約３０ｎｍの Tb₂₂(Fe_0.7Co_0.3)₇₈ から構成される。

ヨーク材２０は、例えば、 NiFe から構成される。下地バッファ層１４は、例えば、厚さ約２ｎｍの Ta から構成される。

ここで、フリー層１１とトンネルバリア１３との間に、ＭＲ比を悪化させない程度に、Pt、Pd などからなる層を挿入することもできる。

(3) 構造例４（構造例２を一部逆にした構造）
図２５は、ＭＴＪ素子の構造例４を示している。

構造例４は、構造例２に関わるピン層とフリー層を上下逆にしたものである。つまり、構造例２は、ボトムピンタイプＭＴＪ素子に関し、構造例４は、トップピンタイプＭＴＪ素子に関する。

(4) 構造例５
図２６は、ＭＴＪ素子の構造例５を示している。

構造例５は、構造例３に関わるＭＴＪ素子の上下を逆にしたものである。つまり、構造例３は、ボトムピンタイプＭＴＪ素子に関し、構造例５は、トップピンタイプＭＴＪ素子に関する。

(5) 構造例６
構造例６は、構造例１〜５において、フリー層及びピン層に積層フェリ磁性構造 (stacked ferrimagnetic structure) を採用した構造に関する。

積層フェリ磁性構造は、フェリ磁性層と金属層とが交互に積み重ねられた構造からなる。フェリ磁性層としては、Fe、Co、Ni、又は、これらの合金が用いられ、金属層としては、Ru、Ir、Rh、Re、Osなどの金属が用いられる。具体例としては、Co/Ru、Co/Ir、Co/Rhなどがある。

構造例６では、例えば、ヨーク材として、 NiFe を用いる。下地バッファ層としては、例えば、厚さ約２ｎｍの Ta を用いる。機能層としては、常温付近に補償点を持つ厚さ約３０ｎｍの Tb₂₂(Fe_0.7Co_0.3)₇₈ を用いる。フリー層としては、例えば、厚さ約０．５ｎｍの Co と厚さ約１．５ｎｍの Pd との積層を用い、ピン層としては、例えば、厚さ約０．３ｎｍの Co と厚さ約０．８ｎｍの Ru との積層を用い、トンネルバリアとしては、例えば、厚さ約１．２ｎｍの AlO を用いる。

(6) 構造例７
構造例７は、構造例１〜５において、フリー層及びピン層に、フェリ磁性体又は積層フェリ磁性構造を採用した構造に関する。

フェリ磁性体としては、第一に、希土類金属のうちの少なくとも１つ（例えば、Gd、Tbなど）と遷移金属のうちの少なくとも１つとからなるアモルファス合金を用いることができる。これには、例えば、GdCo、TbFeCo、GdTbFe などがある。

第二に、Fe、Co、Niのうちの少なくとも１つと、V（バナジウム）、Cr、Cu、Nb（ニオブ）、Mo（モリブデン）、Ru（ルテニウム）、Rh（ロジウム）、Pd、Ta、W（タングステン）、Re（レニウム）、Os（オスミウム）、Ir（イリジウム）、Pt、Auのうちの１つとを交互に積み重ねた構造を用いることができる。

第三に、Mn（マンガン）、Cu、Al、Ge（ゲルマニウム）、Bi（ビスマス）を含む合金、例えば、MnBi、MnAlGe、MnCuBi などを用いることができる。

尚、ＭＴＪ素子のフリー層にフェリ磁性体を用いると、積層面に垂直な方向の静磁エネルギーを低減できるため、フリー層の反転磁界を小さくできる。また、ヨーク材にかかる自己バイアス磁界を低減できるため、オーバーライトに必要な電流値を低減できる。

また、ＭＴＪ素子のピン層にフェリ磁性体を用いると、フリー層にバイアスされる磁界を低減できるため、オフセットを低減できる。

(7) 構造例８
図２７は、ＭＴＪ素子の構造例８を示している。

ＭＴＪ素子は、フリー層１１、ピン層１２及びこれらの間に配置されるトンネルバリア（絶縁層）１３から構成される。フリー層１１の直下には、フリー層１１に隣接してヨーク材２０が配置され、ピン層１２の直上には、ピン層１２に隣接してヨーク材２０が配置される。

フリー層１１とトンネルバリア１３との間には、ＭＴＪ素子のＭＲ比を向上させるための金属層１６が配置される。また、ピン層１２とトンネルバリア１３との間にも、ＭＴＪ素子のＭＲ比を向上させるための金属層１６が配置される。

尚、構造例８は、トップピンタイプＭＴＪ素子であるが、フリー層１１の位置とピン層１２の位置とを入れ替えて、ボトムピンタイプＭＴＪ素子とすることもできる。

フリー層１１は、例えば、厚さ約０．５ｎｍの Co と厚さ約１．５ｎｍの Pt とが積み重ねられた積層から構成され、ピン層１２は、例えば、厚さ約０．３ｎｍの Co と厚さ約０．８ｎｍの Pt とが積み重ねられた積層から構成される。トンネルバリア１３は、厚さ約１．２ｎｍの AlO から構成される。また、フリー層１１に機能層を付加する場合には、機能層は、例えば、常温付近に補償点を持つ厚さ約３０ｎｍの Tb₂₂(Fe_0.7Co_0.3)₇₈ から構成される。

ヨーク材２０は、例えば、 NiFe から構成される。ＭＲ比を向上させるための金属層１６としては、例えば、Co、Ni、Fe、又は、これらの合金 (CoFe、NiFe、NiCo、FeCoNi など)を用いることができる。

(8) 構造例９
図２８は、ＭＴＪ素子の構造例９を示している。

ＭＴＪ素子は、フリー層１１、ピン層１２及びこれらの間に配置されるトンネルバリア（絶縁層）１３から構成される。フリー層１１の直下にはヨーク材２０が配置され、ピン層１２の直上にもヨーク材２０が配置される。

フリー層１１とトンネルバリア１３との間には、ＭＴＪ素子のＭＲ比を向上させるための金属層１６が配置される。また、ピン層１２とトンネルバリア１３との間にも、ＭＴＪ素子のＭＲ比を向上させるための金属層１６が配置される。

フリー層１１とヨーク材２０との間には、ヨークティップ (yoke tip) １７が配置され、ピン層１２とヨーク材２０との間にも、ヨークティップ１７が配置される。ヨークティップ１７は、高い飽和磁束密度を持つヨーク材から構成され、書き込み電流により発生した磁場を収束させて、効率よく、フリー層１１に作用させるための部材である。

尚、構造例９は、トップピンタイプＭＴＪ素子であるが、フリー層１１の位置とピン層１２の位置とを入れ替えて、ボトムピンタイプＭＴＪ素子とすることもできる。

フリー層１１は、例えば、厚さ約０．５ｎｍの Co と厚さ約１．５ｎｍの Pt とが積み重ねられた積層から構成され、ピン層１２は、例えば、厚さ約０．３ｎｍの Co と厚さ約０．８ｎｍの Pt とが積み重ねられた積層から構成される。トンネルバリア１３は、厚さ約１．２ｎｍの AlO から構成される。また、フリー層１１に機能層を付加する場合には、機能層は、例えば、常温付近に補償点を持つ厚さ約３０ｎｍの Tb₂₂(Fe_0.7Co_0.3)₇₈ から構成される。

ヨーク材２０は、例えば、 NiFe から構成される。ＭＲ比を向上させるための金属層１６としては、例えば、Co、Ni、Fe、又は、これらの合金 (CoFe、NiFe、NiCo、FeCoNi など)を用いることができる。

高い飽和磁束密度を持つヨークティップ１７としては、例えば、FeCo、CoFe、Fe(1-x)Nx などの磁性材料を用いることができる。

(9) 構造例１０
図２９は、ＭＴＪ素子の構造例１０を示している。

構造例１０は、構造例９の変形例に関わる。
構造例１０では、ＭＴＪ素子に対するデータ書き込み効率をさらに向上させるため、構造例９におけるヨークティップ１７及びヨーク材２０の形状を工夫している。

即ち、フリー層１１側のヨークティップ１７に関して、ヨークティップ１７のサイズ又は面積を、フリー層１１のサイズ又は面積よりも大きくしている。同時に、フリー層１１側のヨーク材２０に関しても、ヨーク材２０のサイズ又は面積を、フリー層１１のサイズ又は面積よりも大きくしている。

このような構造によれば、書き込み電流により発生した磁場が、ヨークティップ１７及びヨーク材２０により、効率よく、ＭＴＪ素子のフリー層１１に作用することになるため、書き込み電流の低減に貢献できる。

尚、構造例１０は、トップピンタイプＭＴＪ素子であるが、フリー層１１の位置とピン層１２の位置とを入れ替えて、ボトムピンタイプＭＴＪ素子とすることもできる。

(10) 構造例１１
図３０は、ＭＴＪ素子の構造例１１を示している。

構造例１１も、構造例９の変形例に関わる。
構造例１１では、ＭＴＪ素子に対するデータ書き込み効率をさらに向上させるため、構造例９におけるヨーク材２０の形状を工夫している。

即ち、フリー層１１側のヨーク材２０に関して、ヨーク材２０のサイズ又は面積を、フリー層１１のサイズ又は面積よりも大きくしている。同時に、ピン層１２側のヨーク材２０に関して、ヨーク材２０のサイズ又は面積を、ピン層１２のサイズ又は面積よりも大きくしている。

ここで、構造例１１においても、構造例１０に示すように、フリー層１１側のヨークティップ１７に関して、ヨークティップ１７のサイズ又は面積を、フリー層１１のサイズ又は面積よりも大きくしてもよい。

このような構造によれば、書き込み電流により発生した磁場が、ヨークティップ１７及びヨーク材２０により、効率よく、ＭＴＪ素子のフリー層１１に作用することになるため、書き込み電流の低減に貢献できる。

尚、構造例１１は、トップピンタイプＭＴＪ素子であるが、フリー層１１の位置とピン層１２の位置とを入れ替えて、ボトムピンタイプＭＴＪ素子とすることもできる。

(11) その他
以上のような構造を持つ垂直磁化タイプＭＴＪ素子において、データ読み出し時に、読み出し電流の値を次第に増加させていく実験を行ったところ、磁界が存在しないにもかかわらず、一定の確率で、フリー層の磁化が反転することが確認された。

そこで、まず、この現象がジュール熱による熱揺らぎに起因するものと仮定して、ＭＴＪ素子のサイズを変え、数回、同じ実験を行ったが、フリー層の磁化の反転確率は、ＭＴＪ素子のサイズに依存しなかった。さらに、続けて、実験を行ったところ、このようなフリー層の磁化反転は、ＭＴＪ素子に電流が流れることによるスピン注入に起因していることが判明した。

従って、例えば、構造例１〜１１に示すような構造を持つ垂直磁化タイプＭＴＪ素子に対して、書き込み時に熱アシスト電流を流すことにより、磁場、熱アシストに加えて、さらに、このスピン注入を、磁化反転のアシストとして用いることができる。

８． メモリセルアレイ
次に、メモリセルアレイの回路例について説明する。

(1) 回路例１
図３１は、メモリセルアレイの回路例１を示している。
この回路例１は、２本の書き込み線を用いてＭＴＪ素子に対する書き込みを行う例、例えば、ＭＴＪ素子と書き込み線とが図８に示すような関係にある場合の例である。

書き込みワード線ＷＷＬ１，ＷＷＬ２，ＷＷＬ３，・・・は、ｘ方向に延び、書き込みビット線ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３，・・・は、ｙ方向に延びている。書き込みワード線ＷＷＬ１，ＷＷＬ２，ＷＷＬ３，・・・と書き込みビット線ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３，・・・は、互いに交差（例えば、直交）する。

ＭＴＪ素子は、書き込みワード線ＷＷＬ１，ＷＷＬ２，ＷＷＬ３，・・・と書き込みビット線ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３，・・・との交差部に配置され、全体としては、アレイ状に配置されている。

書き込みワード線ＷＷＬ１，ＷＷＬ２，ＷＷＬ３，・・・の一端には、書き込みワード線ドライバ／シンカー・デコーダ３１Ａが接続され、その他端には、書き込みワード線ドライバ／シンカー・デコーダ３１Ｂが接続される。書き込みワード線ドライバ／シンカー・デコーダ３１Ａ，３１Ｂは、書き込み時に、書き込みデータに応じて、選択された書き込みワード線ＷＷＬｉ（選択）に流す書き込み電流の向きを決定する。

書き込みビット線ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３，・・・の一端には、書き込みビット線ドライバ／シンカー・デコーダ３２Ａが接続され、その他端には、書き込みビット線ドライバ／シンカー・デコーダ・セレクタ３２Ｂが接続される。書き込みビット線ドライバ／シンカー・デコーダ３２Ａ，３２Ｂは、書き込み時に、書き込みデータに応じて、選択された書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）に流す書き込み電流の向きを決定する。

電流生成回路３３は、読み出し時に、選択されたＭＴＪ素子に与える読み出し電流を生成する。また、電流生成回路３３は、書き込み時に、選択された書き込みワード線ＷＷＬｉ（選択）及び選択された書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）に流す書き込み電流を生成すると共に、書き込み対象となる選択されたＭＴＪ素子に与える熱アシスト電流を生成する。

本例では、書き込み対象となる選択されたＭＴＪ素子のみに熱アシスト電流を供給するために、例えば、ＭＴＪ素子にＭＯＳトランジスタを接続し、このＭＯＳトランジスタのオン／オフを、制御信号φ１１，φ１２，φ１３，・・・により制御する。つまり、選択されたＭＴＪ素子に対応する制御信号φｉｊのみが“Ｈ”になるため、書き込み対象となる選択されたＭＴＪ素子のみに熱アシスト電流を与えることができる。

尚、ＭＯＳトランジスタとしては、図９の例で述べたように、熱アシストのための専用のトランジスタであってもよいし、読み出し時に使用する読み出し選択トランジスタを用いてもよい。

後者の場合、例えば、図３２に示すように、通常、読み出し選択トランジスタのゲートは、読み出しワード線ＲＷＬ１，ＲＷＬ２，ＲＷＬ３，・・・に接続されている。従って、書き込み時、熱アシスト電流は、選択された読み出しワード線ＲＷＬｉ（選択）に接続される１ロウ内の複数のＭＴＪ素子に供給されることになる。しかし、このような場合であっても、選択されたＭＴＪ素子のみに対して、選択的に書き込みを行うことができる（これについては、後述する）。

読み出し回路３４は、読み出し時に、ＭＴＪ素子のデータ値を判定するための回路であり、センスアンプを含んでいる。

次に、このような構造を持つメモリセルアレイに関して、ＭＴＪ素子に選択的にデータを書き込むための原理について説明する。

図３３は、図３１及び図３２の回路図からメモリセルアレイ部分のみを取り出したものである。

書き込みワード線と書き込みビット線とにより格子が形成され、その格子間にＭＴＪ素子が規則的に配置されている。

選択されたＭＴＪ素子は、ＭＴＪ素子ａであると仮定する。

選択された書き込みワード線ＷＷＬｉ（選択）に、例えば、紙面上、下から上へ向かう書き込み電流Ｉｘを流すと、ＭＴＪ素子ａ，ＭＴＪｃに対しては、紙面を表から裏に突き抜ける方向に磁場が作用し、ＭＴＪ素子ｂ，ＭＴＪｄに対しては、紙面を裏から表に突き抜ける方向に磁場が作用する。

また、選択された書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）に、例えば、紙面上、左から右へ向かう書き込み電流Ｉｙを流すと、ＭＴＪ素子ａ，ＭＴＪｄに対しては、紙面を表から裏に突き抜ける方向に磁場が作用し、ＭＴＪ素子ｂ，ＭＴＪｃに対しては、紙面を裏から表に突き抜ける方向に磁場が作用する。

その結果、ＭＴＪ素子ａに関しては、ワード線ＷＷＬｉ（選択）を流れる電流Ｉｘ及び書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）を流れる電流ＩｙによりＭＴＪ素子ａに作用する磁場は、いずれも、紙面を表から裏に突き抜ける方向であり、合成磁場が生じる。

また、ＭＴＪ素子ｂに関しても、ワード線ＷＷＬｉ（選択）を流れる電流Ｉｘ及び書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）を流れる電流ＩｙによりＭＴＪ素子ａに作用する磁場は、いずれも、紙面を裏から表に突き抜ける方向であり、合成磁場が生じる。

ここで、常温においては、この合成磁場によっては、ＭＴＪ素子の磁化の反転が起こらないように設定しておく。

従って、熱アシストが加えられないＭＴＪ素子ｂに対しては、合成磁場が作用するが、書き込み（磁化の反転）が起こることはない。

一方、ＭＴＪ素子ａに対しては、熱アシスト電流を与え、合成磁場によりＭＴＪ素子ａに対する書き込み（磁化の反転）が起こる状態にする。

ここで、熱アシストは、図３１に示すようなメモリセルアレイ構造を採用すれば、ＭＴＪ素子ａのみに与えることができる。

また、図３２に示すようなメモリセルアレイ構造を採用した場合には、熱アシストは、ＭＴＪ素子ａが属するロウ内の複数のＭＴＪ素子について与えられる。しかし、ＭＴＪ素子ｂは、ＭＴＪ素子ａとは異なるロウに属しているため、ＭＴＪ素子ｂに熱アシストが与えられることはない。つまり、選択されたＭＴＪ素子ａに対してのみ、選択的に書き込みを行うことができる。

尚、ＭＴＪ素子ｃ，ＭＴＪｄに関しては、ワード線ＷＷＬｉ（選択）を流れる電流ＩｘによりＭＴＪ素子ｃ，ＭＴＪｄに作用する磁場の向きと、書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）を流れる電流ＩｙによりＭＴＪ素子ｃ，ＭＴＪｄに作用する磁場の向きとが、互いに逆となる。

このため、ワード線ＷＷＬｉ（選択）を流れる電流Ｉｘにより発生する磁場と書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）を流れる電流Ｉｙにより発生する磁場とが互いに打ち消しあい、結局、ＭＴＪ素子ｃ，ＭＴＪｄに作用する磁場の大きさは、ほぼ零となる。

このように、２本の書き込み線を用いた場合には、例えば、これら２本の書き込み線により格子を形成し、格子間にＭＴＪ素子を配置すると共に、選択されたＭＴＪ素子又はそれが属するロウ内の複数のＭＴＪ素子に対して熱アシストを加えることにより、選択的な書き込みが可能になる。

(2) 回路例２
図３４は、メモリセルアレイの回路例２を示している。
この回路例２は、１本の書き込み線を用いてＭＴＪ素子に対する書き込みを行う例、例えば、ＭＴＪ素子と書き込み線とが図９に示すような関係にある場合の例である。

書き込みワード線ＷＷＬ１，ＷＷＬ２，ＷＷＬ３，・・・は、例えば、ｘ方向に延びている。書き込みワード線ＷＷＬ１，ＷＷＬ２，ＷＷＬ３，・・・の近傍には、書き込みワード線ＷＷＬ１，ＷＷＬ２，ＷＷＬ３，・・・に沿って、複数のＭＴＪ素子が配置され、ＭＴＪ素子は、全体としては、アレイ状に配置されている。

書き込みワード線ＷＷＬ１，ＷＷＬ２，ＷＷＬ３，・・・の一端には、書き込みワード線ドライバ／シンカー・デコーダ３１Ａが接続され、その他端には、書き込みワード線ドライバ／シンカー・デコーダ３１Ｂが接続される。書き込みワード線ドライバ／シンカー・デコーダ３１Ａ，３１Ｂは、書き込み時に、書き込みデータに応じて、選択された書き込みワード線ＷＷＬｉ（選択）に流す書き込み電流の向きを決定する。

電流源Ｉｓ１は、読み出し時に、選択されたＭＴＪ素子に読み出し電流を供給するためのもので、電流源Ｉｓ２は、書き込み時に、選択されたＭＴＪ素子に熱アシスト電流を供給するためのものである。

本例では、書き込み対象となる選択されたＭＴＪ素子のみに熱アシスト電流を供給するために、例えば、ＭＴＪ素子にＭＯＳトランジスタを接続し、このＭＯＳトランジスタのオン／オフを、制御信号φ１１，φ１２，φ１３，・・・により制御する。つまり、選択されたＭＴＪ素子に対応する制御信号φｉｊのみが“Ｈ”になるため、書き込み対象となる選択されたＭＴＪ素子のみに熱アシスト電流を与えることができる。

尚、ＭＯＳトランジスタとしては、図９の例で述べたように、熱アシストのための専用のトランジスタであってもよいし、読み出し時に使用する読み出し選択トランジスタを用いてもよい。

後者の場合、例えば、図３５に示すように、通常、読み出し選択トランジスタのゲートは、読み出しワード線ＲＷＬ１，ＲＷＬ２，ＲＷＬ３，・・・に接続されている。従って、書き込み時、熱アシスト電流は、選択された読み出しワード線ＲＷＬｉ（選択）に接続される１ロウ内の複数のＭＴＪ素子に供給されることになる。

従って、選択されたＭＴＪ素子のみに対して選択的に書き込みを行うためには、ｘ方向に延びる書き込みワード線ＷＷＬ１，ＷＷＬ２，ＷＷＬ３，・・・を、ｙ方向に延びる書き込みビット線ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３，・・・に変える必要がある。

読み出し回路３４は、読み出し時に、ＭＴＪ素子のデータ値を判定するための回路であり、センスアンプを含んでいる。

次に、このような構造を持つメモリセルアレイに関して、ＭＴＪ素子に選択的にデータを書き込むための原理について説明する。

まず、図３４のメモリセルアレイにおいて、例えば、ＭＴＪ素子ａに対して書き込みを行う場合を考える。

この場合、例えば、選択された書き込みワード線ＷＷＬ１に、例えば、紙面上、下から上へ向かう書き込み電流Ｉｘを流すと、ＭＴＪ素子ａ，ＭＴＪｂ，ＭＴＪｃ，・・・に対しては、紙面を表から裏に突き抜ける方向に磁場が作用する。

ここで、常温においては、この磁場によっては、ＭＴＪ素子の磁化の反転が起こらないように設定しておく。

従って、熱アシストが加えられないＭＴＪ素子ｂ，ＭＴＪｃ，・・・に対しては、書き込み（磁化の反転）が起こることはない。

一方、ＭＴＪ素子ａに対しては、制御信号φ１１を“Ｈ”にすることにより熱アシスト電流を与え、ＭＴＪ素子ａに対する書き込み（磁化の反転）が起こる状態にする。

このように、１本の書き込み線を用いた場合でも、選択されたＭＴＪ素子ａのみに対して熱アシストを加えることにより、選択的な書き込みが可能になる。

次に、図３５のメモリセルアレイにおいて、例えば、ＭＴＪ素子ａに対して書き込みを行う場合を考える。

この場合、例えば、選択された書き込みビット線ＷＢＬ１に、例えば、紙面上、左から右へ向かう書き込み電流Ｉｙを流すと、ＭＴＪ素子ａ，ＭＴＪｂ，ＭＴＪｃ，・・・に対しては、紙面を表から裏に突き抜ける方向に磁場が作用する。

ここで、常温においては、この磁場によっては、ＭＴＪ素子の磁化の反転が起こらないように設定しておく。

従って、熱アシストが加えられないＭＴＪ素子ｂ，ＭＴＪｃ，・・・に対しては、書き込み（磁化の反転）が起こることはない。

一方、ＭＴＪ素子ａに対しては、読み出しワード線ドライバ３５を用いて、読み出しワード線ＲＷＬ１を“Ｈ”にすることにより熱アシスト電流を与え、ＭＴＪ素子ａに対する書き込み（磁化の反転）が起こる状態にする。

ここで、読み出しワード線ＲＷＬ１を“Ｈ”にすると、読み出しワード線ＲＷＬ１に接続される１ロウ内の全てのＭＯＳトランジスタ（読み出し選択トランジスタ）がオンになる。

しかし、その１ロウ内の複数のＭＴＪ素子のうち、ＭＴＪ素子ａ以外のＭＴＪ素子については、書き込みビット線ＷＢＬ１から十分に離れているため、書き込みが起こることはない。

また、例えば、カラム選択スイッチ（セレクタ）のオン／オフを制御することにより、読み出しビット線ＲＢＬ１のみに、熱アシスト電流が流れるようにすれば、読み出しワード線ＲＷＬ１に接続される全てのＭＯＳトランジスタがオンになっても、熱アシスト電流は、選択されたＭＴＪ素子ａのみに流れることになる。

このように、１本の書き込み線を用いた場合でも、選択されたＭＴＪ素子ａのみに対して熱アシストを加えることにより、選択的な書き込みが可能になる。

(3) 回路例３
図３６は、メモリセルアレイの回路例３を示している。
この回路例３は、互いに交差する２本の書き込み線を用いてＭＴＪ素子に対する書き込みを行う例であるが、これら２本の書き込み線が交差部で電気的に接続されている点に特徴を有する。この例では、非選択のＭＴＪ素子を経由したいわゆる電流の回り込みを防ぐため、２本の書き込み線の交差部には少なくともＭＴＪと同程度以上の抵抗体を挿入する事が好ましい。

書き込みワード線ＷＷＬ１，ＷＷＬ２，ＷＷＬ３，・・・は、ｘ方向に延び、書き込みビット線ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３，・・・は、ｙ方向に延びている。書き込みワード線ＷＷＬ１，ＷＷＬ２，ＷＷＬ３，・・・と書き込みビット線ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３，・・・は、互いに交差（例えば、直交）し、かつ、その交差部において電気的に接続されている。

ＭＴＪ素子は、書き込みワード線ＷＷＬ１，ＷＷＬ２，ＷＷＬ３，・・・と書き込みビット線ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３，・・・との交差部に配置され、全体としては、アレイ状に配置されている。

書き込みワード線ＷＷＬ１，ＷＷＬ２，ＷＷＬ３，・・・の一端には、書き込みワード線バイアス回路・デコーダ３１Ａ’’が接続され、その他端には、書き込みワード線ドライバ／シンカー・デコーダ３１Ｂ’’が接続される。

書き込みビット線ＷＢＬ１，ＷＢＬ２，ＷＢＬ３，・・・の一端には、書き込みビット線バイアス回路・デコーダ３２Ａ’’が接続され、その他端には、書き込みビット線ドライバ／シンカー・デコーダ・セレクタ３２Ｂ’’が接続される。

書き込みワード線ドライバ／シンカー・デコーダ３１Ｂ’’及び書き込みビット線ドライバ／シンカー・デコーダ３２Ｂ’’は、書き込み時に、書き込みデータに応じて、選択された書き込みワード線ＷＷＬｉ（選択）及び選択された書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）に流す書き込み電流の向きを決定する。

書き込みワード線バイアス回路・デコーダ３１Ａ’’は、書き込み時に、選択された書き込みワード線ＷＷＬｉ（選択）以外の全ての非選択の書き込みワード線にバイアス電圧を与え、書き込み電流が書き込みワード線ＷＷＬｉ（選択）及び書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）以外の書き込みワード／ビット線に流れることを防止する。

書き込みビット線バイアス回路・デコーダ３２Ａ’’も、同様に、書き込み時に、選択された書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）以外の全ての非選択の書き込みビット線にバイアス電圧を与え、書き込み電流が書き込みワード線ＷＷＬｉ（選択）及び書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）以外の書き込みワード／ビット線に流れることを防止する。

電流生成回路３３は、読み出し時に、選択されたＭＴＪ素子に与える読み出し電流を生成する。また、電流生成回路３３は、書き込み時に、選択された書き込みワード線ＷＷＬｉ（選択）及び選択された書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）に流す書き込み電流を生成すると共に、書き込み対象となる選択されたＭＴＪ素子に与える熱アシスト電流を生成する。

本例では、書き込み対象となる選択されたＭＴＪ素子のみに熱アシスト電流を供給するために、例えば、ＭＴＪ素子にＭＯＳトランジスタを接続し、このＭＯＳトランジスタのオン／オフを、制御信号φ１１，φ１２，φ１３，・・・により制御する。つまり、選択されたＭＴＪ素子に対応する制御信号φｉｊのみが“Ｈ”になるため、書き込み対象となる選択されたＭＴＪ素子のみに熱アシスト電流を与えることができる。

尚、ＭＯＳトランジスタとしては、図９の例で述べたように、熱アシストのための専用のトランジスタであってもよいし、読み出し時に使用する読み出し選択トランジスタを用いてもよい。

後者の場合、例えば、図３７に示すように、通常、読み出し選択トランジスタのゲートは、読み出しワード線ＲＷＬ１，ＲＷＬ２，ＲＷＬ３，・・・に接続されている。従って、書き込み時、熱アシスト電流は、選択された読み出しワード線ＲＷＬｉ（選択）に接続される１ロウ内の複数のＭＴＪ素子に供給されることになる。

しかし、本例では、このような場合であっても、書き込み電流の流れる経路を工夫することにより、選択されたＭＴＪ素子のみに対して、選択的に書き込みを行うことができる（これについては、後述する）。

読み出し回路３４は、読み出し時に、ＭＴＪ素子のデータ値を判定するための回路であり、センスアンプを含んでいる。

次に、このような構造を持つメモリセルアレイに関して、ＭＴＪ素子に選択的にデータを書き込むための原理について説明する。

図３８は、図３６及び図３７の回路図からメモリセルアレイ部分のみを取り出したものである。

書き込みワード線と書き込みビット線とにより格子が形成され、その格子間にＭＴＪ素子が規則的に配置されている。書き込みワード線と書き込みビット線は、交差部において互いに電気的に接続されている。ここで、電流の回り込みを防ぐため、交差部には少なくともＭＴＪと同程度以上の抵抗体を挿入することが好ましい。

選択されたＭＴＪ素子は、ＭＴＪ素子ａであると仮定する。

選択された書き込みワード線ＷＷＬｉ（選択）に、例えば、紙面上、下から上へ向かう書き込み電流Ｉｗを流すと、この書き込み電流Ｉｗは、選択された書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）を、紙面上、左から右に流れ、接地点Ｖｓｓに吸収される。

書き込みワード線ＷＷＬｉ（選択）を流れる書き込み電流により、ＭＴＪ素子ａ，ＭＴＪｂには、紙面を表から裏に突き抜ける方向に磁場が作用し、ＭＴＪ素子ｃ，ＭＴＪｄに対しては、紙面を裏から表に突き抜ける方向に磁場が作用する。

また、書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）を流れる書き込み電流により、ＭＴＪ素子ａに対しては、紙面を表から裏に突き抜ける方向に磁場が作用し、ＭＴＪ素子ｅに対しては、紙面を裏から表に突き抜ける方向に磁場が作用する。

その結果、ＭＴＪ素子ａに関しては、ワード線ＷＷＬｉ（選択）を流れる電流により生じる磁場と、書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）を流れる電流により生じる磁場との合成磁場が作用する。

ここで、常温においては、この合成磁場によっては、ＭＴＪ素子の磁化の反転が起こらないように設定しておく。

従って、熱アシストが加えられず、しかも、書き込みワード線ＷＷＬｉ（選択）に流れる書き込み電流により生じる磁場のみが作用するＭＴＪ素子ｂ，ＭＴＪｃ，ＭＴＪｄに対しては、書き込み（磁化の反転）が起こることはない。

また、熱アシストが加えられず、しかも、書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）に流れる書き込み電流により生じる磁場のみが作用するＭＴＪ素子ｅに対しても、書き込み（磁化の反転）が起こることはない。

一方、ＭＴＪ素子ａに対しては、熱アシスト電流を与え、合成磁場によりＭＴＪ素子ａに対する書き込み（磁化の反転）が起こる状態にする。

ここで、熱アシストは、図３６に示すようなメモリセルアレイ構造を採用すれば、ＭＴＪ素子ａのみに与えることができる。

また、図３７に示すようなメモリセルアレイ構造を採用した場合には、熱アシストは、ＭＴＪ素子ａが属するロウ内の複数のＭＴＪ素子ａ，ＭＴＪｂ，ＭＴＪｅについて与えられる。

しかし、ＭＴＪ素子ｂに関しては、書き込みワード線ＷＷＬｉ（選択）を流れる書き込み電流により発生する磁場のみが作用し、ＭＴＪ素子ｅに関しては、書き込みビット線ＷＢＬｊ（選択）を流れる書き込み電流により発生する磁場のみが作用する。

このため、ＭＴＪ素子ｂ，ＭＴＪｅに関しては、熱アシストが加えられても、書き込み（磁化の反転）が起こることはない。

このように、互いに交差する２本の書き込み線をその交差部で電気的に接続した場合においても、熱アシストを利用することにより、選択的な書き込みが可能になる。

９． 変形例
以下、ＭＴＪ素子とヨーク付き書き込み線との関係について、いくつかの変形例を説明することにする。

(1) 変形例１
図３９は、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリの変形例１を示している。

この変形例１は、同一方向に延びる２本の書き込み線の間にＭＴＪ素子を配置した点に特徴を有する。

ＭＴＪ素子は、垂直磁化タイプである。２本の書き込み線４２は、共に、ｘ方向に延びており、かつ、ＭＴＪ素子を横方向（ｙ方向）から挟み込んでいる。書き込み線４２の周囲には、絶縁層２１を介して、ヨーク材２０ａ，２０ｂが配置される。

本変形例では、ヨーク材２０ａ，２０ｂに対して絶縁層２１をｘｙ平面に平行に挿入することにより、ヨーク材２０ａ，２０ｂを電気的に分離しているが、絶縁層２１は、例えば、ｘｚ平面に平行に挿入してもよい。

ヨーク材２０ａ，２０ｂは、書き込み線４２を取り囲むと共に、ＭＴＪ素子を上下方向（ｚ方向）から挟み付けている。ヨーク材２０ａ，２０ｂは、絶縁層２１により互いに絶縁されている。

ＭＴＪ素子の下部のヨーク材２０ａは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタ３２を経由して接地点に接続される。このトランジスタ３２のオン／オフは、制御信号φｉｊにより制御される。上部のヨーク材２０ｂは、読み出し線４１に接続される。

尚、トランジスタ３２は、ＭＴＪ素子ごとに設けられる。
従って、書き込み時には、選択されたＭＴＪ素子のみに対して熱アシスト電流を流すことができる。

トランジスタ３２は、熱アシストのためのみに使用する専用のトランジスタであってもよいし、また、読み出し時にＭＴＪ素子を選択するための読み出し選択トランジスタとして使用してもよい。

本例では、同一方向に延びる２本の書き込み線４２の間にＭＴＪ素子が配置される。この場合、例えば、これら２本の書き込み線４２に逆向きの書き込み電流を流すと、これら書き込み電流により発生し、ＭＴＪ素子に作用する磁場は、同じ方向を向くことになる。

従って、１本の書き込み線に流れる書き込み電流の値が小さくても、２本の書き込み線に流れる電流により発生する磁場と熱アシスト書き込み手法を採用することにより、効率よく、書き込みを行うことができる。

尚、ＭＴＪ素子とヨーク材２０ａ，２０ｂの間には、Ｔａなどの金属、又は、ＭｇＯなどの絶縁体が配置されていてもよい。

(2) 変形例２
図４０は、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリの変形例２を示している。

この変形例２は、２つのＭＴＪ素子の間に書き込み線を配置し、これらＭＴＪ素子がこの書き込み線を共有している点に特徴を有する。

ＭＴＪ素子は、垂直磁化タイプである。書き込み線４２は、ｘ方向に延びている。書き込み線４２の一方側には、ＭＴＪ素子１が配置され、他方側には、ＭＴＪ素子２が配置される。ＭＴＪ素子１，ＭＴＪ２は、書き込み線４２を横方向（ｙ方向）から挟み込んでいる。

書き込み線４２の周囲には、絶縁層２１を介して、ヨーク材２０ａ，２０ｂが配置される。ヨーク材２０ａ，２０ｂは、書き込み線４２を取り囲むと共に、ＭＴＪ素子１，ＭＴＪ２を上下方向（ｚ方向）から挟み付けている。ヨーク材２０ａ，２０ｂは、絶縁層２１により互いに絶縁されている。

本変形例では、ヨーク材２０ａに対して絶縁層２１をｘｚ平面に平行に挿入することにより、ヨーク材２０ａを２つに分けているが、絶縁層２１は、例えば、ｘｙ平面に平行に挿入してもよい。

ＭＴＪ素子の下部のヨーク材２０ａは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタ３２、３２’を経由して接地点に接続される。このトランジスタのオン／オフは、制御信号φｉｊ，φｉｊ’により制御される。上部のヨーク材２０ｂは、読み出し線４１に接続される。

尚、選択スイッチ３２，３２’は、ＭＴＪ素子１，ＭＴＪ２に対応して設けられる。

従って、書き込み時には、選択されたＭＴＪ素子１，ＭＴＪ２のみに対して熱アシスト電流を流すことができる。

選択スイッチ３２，３２’は、熱アシストのためのみに使用する専用のトランジスタであってもよいし、また、読み出し時にＭＴＪ素子を選択するための読み出し選択トランジスタとして使用してもよい。

本例では、例えば、ＭＴＪ素子１に対して書き込みを実行する場合、書き込み線４２に書き込みデータに応じた向きの書き込み電流を流す。同時に、選択スイッチ３２をオンにし、ＭＴＪ素子１に熱アシスト電流を供給する。これにより、ＭＴＪ素子１の温度が上昇し、磁化の反転に必要な反転磁界の値が小さくなる。

また、例えば、ＭＴＪ素子２に対して書き込みを実行する場合、書き込み線４２に書き込みデータに応じた向きの書き込み電流を流す。同時に、選択スイッチ３２’をオンにし、ＭＴＪ素子２に熱アシスト電流を供給する。これにより、ＭＴＪ素子２の温度が上昇し、磁化の反転に必要な反転磁界の値が小さくなる。

ここで、ＭＴＪ素子１，ＭＴＪ２に同一データを書き込む場合、ＭＴＪ素子１に対する書き込み時に書き込み線４２に流す書き込み電流の向きと、ＭＴＪ素子１に対する書き込み時に書き込み線４２に流す書き込み電流の向きとは、逆になることに注意する。

尚、ＭＴＪ素子とヨーク材２０ａ，２０ｂの間には、Ｔａなどの金属、又は、ＭｇＯなどの絶縁体が配置されていてもよい。

本例によれば、２つのＭＴＪ素子の間に書き込み線を配置しているため、メモリセルアレイ内の配線数を削減でき、メモリ容量の増大に貢献できる。

(3) 変形例３
図４１は、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリの変形例３を示している。

この変形例３は、互いに交差する２本の書き込み線の交差部にＭＴＪ素子を配置し、かつ、これら２本の書き込み線の周囲に、磁場をＭＴＪ素子に収束させるためのヨーク材を配置した点に特徴を有する。

ＭＴＪ素子は、垂直磁化タイプである。書き込みワード線ＷＷＬｉは、ｘ方向に延び、書き込みビット線ＷＢＬｊは、ｙ方向に延びている。書き込みワード線ＷＷＬｉと書き込みビット線ＷＢＬｊは、互いに交差し、その交差部にＭＴＪ素子が配置される。

書き込み線ワード線ＷＷＬｉの周囲には、絶縁層２１を介して、ヨーク材２０ａ，２０ｂが配置される。ヨーク材２０ａ，２０ｂは、書き込みワード線ＷＷＬｉを取り囲むと共に、ＭＴＪ素子を上下方向（ｚ方向）から挟み付けている。ヨーク材２０ａ，２０ｂは、絶縁層２１により互いに絶縁されている。

書き込み線ビット線ＷＢＬｊの周囲にも、ヨーク材２０ａ，２０ｂが配置される。ヨーク材２０ａ，２０ｂは、書き込みビット線ＷＢＬｊを取り囲むと共に、ＭＴＪ素子を上下方向（ｚ方向）から挟み付けている。ヨーク材２０ａ，２０ｂは、絶縁層２１により互いに絶縁されている。

ＭＴＪ素子の下部のヨーク材２０ａは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタ３２を経由して接地点に接続される。このトランジスタ３２のオン／オフは、制御信号φｉｊにより制御される。上部のヨーク材２０ｂは、読み出しワード線ＲＷＬｉに接続される。

尚、トランジスタ３２は、ＭＴＪ素子ごとに設けられる。
従って、書き込み時には、選択されたＭＴＪ素子のみに対して熱アシスト電流を流すことができる。

トランジスタ３２は、熱アシストのためのみに使用する専用のトランジスタであってもよいし、また、読み出し時にＭＴＪ素子を選択するための読み出し選択トランジスタとして使用してもよい。

(4) 変形例４
図４２は、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリの変形例４を示している。

この変形例４は、ＭＴＪ素子のフリー層１１とヨーク材２０ａとの間に引き出し線１８を設け、かつ、ＭＴＪ素子のピン層１２とヨーク材２０ｂとの間に引き出し線１９を設けた点にある。

そして、読み出し時に、例えば、引き出し線１８，１９の間に一定電圧を印加し、このときにＭＴＪ素子に流れる電流（Ｉ又はＩ＋ΔＩ）を検出することにより、ＭＴＪ素子に記憶されたデータを読み出すことができる。

また、これに代えて、読み出し時に、例えば、ＭＴＪ素子に一定電流を供給し、このときに引き出し線１８，１９の間に生じる電圧（Ｖ又はＶ＋ΔＶ）を検出することにより、ＭＴＪ素子に記憶されたデータを読み出すこともできる。

(5) その他
図４３は、ＭＴＪ素子の書き込み線からの距離と発生磁界との関係について示している。

ＭＴＪ素子としては、垂直磁化タイプを対象とする。この場合、
ＨＩ × Ｉｗ ＞ ４πＮ・Ｍ
を満たすように構成すれば、垂直磁化タイプＭＴＪ素子に対して書き込みが可能になる。

ここで、ＨＩは、単位電流（１ｍＡ）により発生する磁場の大きさを示し、Ｉｗは、書き込み電流の大きさを示している。また、Ｎは、反磁界係数を示し、Ｍは、フリー層の飽和磁化を示している。

この関係によれば、Ｎの値を小さくすればするほど、また、書き込み線とＭＴＪ素子との距離を短くすればするほど、小さな書き込み電流Ｉｗでも書き込みを行えることが容易に分かる。

１０． 適用例
最後に、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリの適用例について説明する。

磁気ランダムアクセスメモリは、高集積化に適し、かつ、高速で、半永久的に書き換えが可能である、という特徴を持つ理想的なメモリである。従って、磁気ランダムアクセスメモリは、様々なシステムへの適用が検討されている。以下では、そのうちの代表的なものについて示すことにする。

(1) 適用例１
図４４は、ＤＳＬ(Digital Subscriber line)モデムの例を示している。

このＤＳＬモデム１００は、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１０１、アナログ−デジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）・デジタル−アナログコンバータ（Ｄ／Ａ）１０２、及び、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）１０３を含んでいる。

発振器（ＯＳＣ）１０４により、このＤＳＬモデム１００の動作タイミングを制御するクロック信号ＣＬＫが生成される。

不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）１０５は、例えば、回線コードプログラムなどの種々の制御プログラムを記憶する。この制御プログラムに基づいて、ＤＳＬモデム１００の基本動作が決定される。

ここで、一般的なＤＳＬモデム１００では、データを一時的に記憶するためのメモリとしてＲＡＭ、即ち、ＳＲＡＭ、又は、ＤＲＡＭを使用する。

しかし、適用例１では、このような従来のＲＡＭに代えて、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）１０６を使用する。磁気ランダムアクセスメモリ１０６の構成例としては、図４６に示すようになる。

本発明の例によれば、大きなメモリ容量（例えば、２５６メガビット）を持つ低消費電力（書き込み電流が小さい）の磁気ランダムアクセスメモリ１０６を提供することができる。しかも、磁気ランダムアクセスメモリ１０６は、ＤＲＡＭやＳＲＡＭと同程度の高速書き込み／高速読み出しが可能で、かつ、半永久的に書き換えが可能である。

つまり、このようなＤＳＬモデム１００に使用するＲＡＭとして、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリ１０６を、従来のＳＲＡＭ又はＤＲＡＭに置き換えて適用することができる。

尚、適用例１では、制御プログラムを記憶するメモリとして不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）１０５を使用しているが、この不揮発性メモリ１０５についても、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に置き換えることもできる。

言い換えると、ＤＳＬモデム１００内で使用されるメモリに関して、これらの全てを、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリに置き換えることも可能である。

(2) 適用例２
図４５は、携帯電話の例を示している。

携帯電話２００の通信機能を実現する部分は、送受信アンテナ２０１、送受信のための共用部２０２、受信部２０３、ベースバンド処理部２０４、音声コーデックとして用いられるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）２０５、音声スピーカ２０６、マイクロホン２０７、送信部２０８、及び、周波数シンセサイザ２０９を含んでいる。

携帯電話２００の制御機能を実現する部分は、音声データ再生処理部２１１、ＬＣＤコントローラ２１３、ＣＰＵ２２１、ＲＯＭ２２２、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）２２３、及び、フラッシュメモリ２２４を含んでいる。

これら通信機能を実現する部分と制御機能を実現する部分とは、バス２２５を介して互いに接続されている。

ＲＯＭ２２２は、例えば、制御プログラムや、表示フォントなどの予め用意しておかなければならないデータを記憶する。ＣＰＵ２２１は、この制御プログラムに基づいて、携帯電話２００の基本動作を決定する。

フラッシュメモリ２２４は、例えば、携帯電話２００の電源がオフ状態にされた場合に、設定条件などのデータを不揮発に記憶しておくためのメモリである。携帯電話２００の電源がオン状態になると、フラッシュメモリ２２４からデータが読み出され、初期設定が行われる。

ここで、一般的な携帯電話２００では、データを一時的に記憶するためのメモリとして、高速動作に適しているＲＡＭ、即ち、ＳＲＡＭ、又は、ＤＲＡＭを使用する。

しかし、適用例２では、このような従来のＲＡＭに代えて、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）２２３を使用する。磁気ランダムアクセスメモリ２２３の構成例としては、図４６に示すようになる。

本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリ２２３よれば、大きなメモリ容量（例えば、２５６メガビット）と低消費電力（書き込み電流が小さい）とを同時に実現できる。しかも、磁気ランダムアクセスメモリ２２３は、ＤＲＡＭやＳＲＡＭと同程度の高速書き込み／高速読み出しが可能で、かつ、半永久的に書き換えが可能である。

つまり、このような携帯電話２００に使用するＲＡＭとして、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリ２２３を、従来のＳＲＡＭ又はＤＲＡＭに置き換えて適用することができる。

尚、適用例２では、制御プログラムを記憶するメモリとしてＲＯＭ２２２を使用しているが、このＲＯＭ２２２についても、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に置き換えることもできる。

また、電源オフ時に、設定データなどのデータを記憶しておくためにフラッシュメモリ２２４を使用しているが、このフラッシュメモリ２２４についても、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に置き換えることもできる。

言い換えると、携帯電話２００内で使用されるメモリに関して、これらの全てを、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリに置き換えることも可能である。

尚、図４５において、２１２及び２３６は、外部端子、２１４は、ＬＣＤ、２１５は、リンガ、２３１、２３３及び２３５は、インターフェース（I/F）部、２３２は、外部メモリスロット、２４０は、メモリカードなどの外部メモリ、２３４は、キー操作部である。

(3) 適用例３
図４７は、メモリカードの例を示している。

磁気ランダムアクセスメモリ（チップ）４０１は、メモリカード４００内に搭載される。メモリカード４００は、例えば、外部磁場を遮蔽する機能を持つセラミック材から構成される。

メモリカード４００には、開口部４０２が設けられており、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）４０１は、その開口部４０２に配置されている。また、開口部４０２は、シャッター４０３により閉じることができる。シャッター４０３も、例えば、外部磁場を遮蔽する機能を持つセラミック材から構成される。

メモリカード４００が単独で存在するとき、例えば、図４５の携帯電話２００から外部メモリ（メモリカード）２４０を取り出したときには、メモリカード４００のシャッター４０３は、閉じた状態となる。これにより、外部磁場から磁気ランダムアクセスメモリが保護される。

メモリカード４００が携帯電子機器などの電子機器に搭載されたとき、例えば、図４５の携帯電話２００の外部メモリスロット２３２に外部メモリ（メモリカード）２４０が挿入されたときには、メモリカード４００のシャッター４０３は、開いた状態となる。これにより、磁気ランダムアクセスメモリに対するデータの書き込み／消去が行われる。

外部端子４０４は、例えば、メモリカード４００の一面側において、メモリカード４００の一辺に沿った形で配置される。

(4) 適用例４
図４８及び図４９は、データ転写装置の第１例を示している。

このデータ転写装置は、メモリカードをスロット内に挿入する挿入タイプデータ転写装置に関する。

メモリカード４００は、適用例３で説明したメモリカードである。メモリカード４００は、データ転写装置５００のスロット５０１内に挿入され、固定装置５０３により固定される。

メモリカード４００は、スロット５０１内で固定された状態で、データ転写装置５００内に取り付けられたメモリカード５０５と対向する。

書き換え制御部５０４は、データを生成し、このデータは、予め、リード線５０２を経由してメモリカード５０５に記憶される。そして、メモリカード４００がスロット５０１内に挿入されると、メモリカード５０５のデータがメモリカード４００に転写される。

(5) 適用例５
図５０は、データ転写装置の第２例を示している。

このデータ転写装置は、メモリカードを凹部に嵌め込む嵌め込みタイプデータ転写装置に関する。

メモリカード４００は、適用例３で説明したメモリカードである。メモリカード４００は、データ転写装置５００の凹部に嵌め込まれ、固定装置５０３により固定される。

メモリカード４００は、凹部で固定された状態において、データ転写装置５００内に取り付けられたメモリカード５０５と対向する。

書き換え制御部５０４は、データを生成し、このデータは、予め、リード線５０２を経由してメモリカード５０５に記憶される。そして、メモリカード４００が凹部に嵌め込まれると、メモリカード５０５のデータがメモリカード４００に転写される。

(6) 適用例６
図５１は、データ転写装置の第３例を示している。

このデータ転写装置は、メモリカードを、内部からスライドして出てくる受け皿に配置するスライドタイプデータ転写装置に関する。

メモリカード４００は、適用例３で説明したメモリカードである。まず、スイッチボタン５０６を押すと、データ転写装置５００の内部から受け皿５０７がスライドして飛び出してくる。この受け皿５０７上にメモリカード４００を搭載した後、受け皿５０７をデータ転写装置５００内に押し込む。

メモリカード４００を搭載した受け皿５０７がデータ転写装置５００内に押し込まれると、メモリカード４００が固定装置５０３により固定される。

メモリカード４００は、データ転写装置５００内で固定された状態でメモリカード５０５と対向する。

書き換え制御部５０４は、データを生成し、このデータは、予め、リード線５０２を経由してメモリカード５０５に記憶される。そして、メモリカード４００がデータ転写装置５００内で固定されると、メモリカード５０５のデータがメモリカード４００に転写される。

１１． その他
本発明の例は、上述の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、構成要素を変形して具体化できる。また、上述の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の参考例に関わるセルアレイ構造を示す図。 ＭＴＪ素子の構造例を示す図。 ＭＴＪ素子の構造例を示す図。 ヨーク配線構造の例を示す図。 ヨーク配線構造を適用した場合の書き込み特性を示す図。 第１実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示す図。 第２実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示す図。 第３実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示す図。 第４実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示す図。 本発明の例で目的とする温度と保磁力との関係を示す図。 図１０の関係を実現する構造の例を示す図。 図１０の関係を実現する構造の例を示す図。 図１１の構造におけるヒステリシスループの例を示す図。 図１１の構造におけるヒステリシスループの例を示す図。 温度と飽和磁化との関係の例を示す図。 シミュレーションにより得られた温度と保磁力との関係を示す図。 温度と飽和磁化との関係の例を示す図。 温度と磁気異方性エネルギーとの関係の例を示す図。 温度と磁気異方性エネルギーとの関係の例を示す図。 シミュレーションにより得られた温度と保磁力との関係を示す図。 温度と飽和磁化との関係の例を示す図。 温度と磁気異方性エネルギーとの関係の例を示す図。 ＭＴＪ素子の構造例１を示す図。 ＭＴＪ素子の構造例２，３を示す図。 ＭＴＪ素子の構造例４を示す図。 ＭＴＪ素子の構造例５を示す図。 ＭＴＪ素子の構造例８を示す図。 ＭＴＪ素子の構造例９を示す図。 ＭＴＪ素子の構造例１０を示す図。 ＭＴＪ素子の構造例１１を示す図。 メモリセルアレイの回路例１を示す図。 メモリセルアレイの回路例１を示す図。 図３１及び図３２のメモリセルアレイ部分を示す図。 メモリセルアレイの回路例２を示す図。 メモリセルアレイの回路例２を示す図。 メモリセルアレイの回路例３を示す図。 メモリセルアレイの回路例３を示す図。 図３６及び図３７のメモリセルアレイ部分を示す図。 変形例１に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示す図。 変形例２に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示す図。 変形例３に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示す図。 変形例４に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示す図。 書き込み線からの距離と発生磁界との関係を示す図。 本発明の例の適用例１を示す図。 本発明の例の適用例２を示す図。 磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図。 本発明の例の適用例３を示す図。 本発明の例の適用例４を示す図。 本発明の例の適用例４を示す図。 本発明の例の適用例５を示す図。 本発明の例の適用例６を示す図。

符号の説明

１１，１２： 強磁性層、 １３： トンネルバリア（非磁性層）、 １４，１５： 下地バッファ層、 １６： 金属層、 １７： ヨークティップ、 １８，１９： 引き出し線、 ２０，２０ａ，２０ｂ： ヨーク材、 ３１Ａ，３１Ｂ： 書き込みワード線ドライバ／シンカー・デコーダ、 ３２，３２’： 選択スイッチ、 ３２Ａ： 書き込みビット線ドライバ／シンカー・デコーダ、 ３２Ｂ： 書き込みビット線ドライバ／シンカー・デコーダ・セレクタ、 ３３： 電流発生回路、 ３４： 読み出し回路、 ３５： 読み出しワード線ドライバ、 ４１，４１Ａ，４１Ｂ： 読み出し線、 ４２，４２Ａ，４２Ｂ，４３： 書き込み線、 ＭＴＪ： ＭＴＪ素子、 Ｉｓ１，Ｉｓ２： 電流源、 ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３： スイッチ、 ＣＳＷ： カラム選択スイッチ、 ＲＳＷ： 読み出し選択スイッチ。

Claims (16)

1. 複数の磁気抵抗効果素子と、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち、選択された磁気抵抗効果素子にデータ書き込みのための磁場を与える書き込み線と、前記データ書き込みを行っている間、前記選択された磁気抵抗効果素子に熱アシスト電流を流し、前記選択された磁気抵抗効果素子の温度をそれ以外の磁気抵抗効果素子の温度よりも高くする手段とを具備し、
   前記複数の磁気抵抗効果素子の各々は、第１磁性層と、前記第１磁性層上の非磁性層と、前記非磁性層上の第２磁性層とからなる積層構造を有し、かつ、前記第１及び第２磁性層の磁化の向きが前記積層構造の積層面に垂直な方向に設定され、
   前記第１磁性層下に第１ヨーク材が配置され、前記第２磁性層上に第２ヨーク材が配置され、
   前記第１及び第２ヨーク材は、前記熱アシスト電流の経路として使用されることを特徴とすることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
2. 複数の磁気抵抗効果素子と、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち、選択された磁気抵抗効果素子にデータ書き込みのための磁場を与える書き込み線と、前記データ書き込みを行っている間、前記選択された磁気抵抗効果素子に熱アシスト電流を流し、前記選択された磁気抵抗効果素子を加熱する手段とを具備し、
   前記複数の磁気抵抗効果素子の各々は、第１磁性層と、前記第１磁性層上の非磁性層と、前記非磁性層上の第２磁性層とからなる積層構造を有し、かつ、前記第１及び第２磁性層の磁化の向きが前記積層構造の積層面に垂直な方向に設定され、
   前記第１磁性層下に第１ヨーク材が配置され、前記第２磁性層上に第２ヨーク材が配置され、
   前記第１及び第２ヨーク材は、前記熱アシスト電流の経路として使用されることを特徴とすることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
3. 前記選択された磁気抵抗効果素子に記憶されたデータをセンスアンプに読み出すための読み出し線をさらに具備し、前記熱アシスト電流は、前記読み出し線を経由して前記選択された磁気抵抗効果素子に与えられ、前記データ書き込みを行っている間、前記読み出し線には前記熱アシスト電流が流れることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
4. 前記読み出し線は、前記第２ヨーク材に接続されることを特徴とする請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
5. 前記第２磁性層と前記第２ヨーク材との間に配置される引き出し線をさらに具備し、前記読み出し線は、前記引き出し線に接続されることを特徴とする請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
6. 前記第１及び第２ヨーク材は、前記書き込み線を取り囲んでいることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
7. 前記熱アシスト電流を生成する電流源をさらに具備し、前記電流源は、読み出し時に使用する読み出し電流を生成する電流源とは異なることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
8. 前記第１及び第２磁性層のうちの１つに付加される機能層をさらに具備し、前記機能層は、特定温度を境にして、それより低い温度では、反強磁性体又は常磁性体であり、それより高い温度では、強磁性体で、前記第１又は第２磁性層と交換結合することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
9. 前記機能層は、少なくともＦｅとＲｈを含む合金から構成されることを特徴とする請求項８に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
10. 前記機能層は、フェリ磁性体から構成されることを特徴とする請求項８に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
11. 複数の磁気抵抗効果素子と、書き込み電流とは別に熱アシスト電流を生成する電流生成回路と、前記複数の磁気抵抗効果素子に対応して設けられ、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち、選択された磁気抵抗効果素子に前記熱アシスト電流を流すための複数の選択スイッチとを具備し、
    前記複数の磁気抵抗効果素子の各々は、第１磁性層と、前記第１磁性層上の非磁性層と、前記非磁性層上の第２磁性層とからなる積層構造を有し、かつ、前記第１及び第２磁性層の磁化の向きが前記積層構造の積層面に垂直な方向に設定され、
    前記第１磁性層下に第１ヨーク材が配置され、前記第２磁性層上に第２ヨーク材が配置され、
    前記熱アシスト電流により前記選択された磁気抵抗効果素子の温度をそれ以外の磁気抵抗効果素子の温度よりも高くし、前記選択された磁気抵抗効果素子に対してデータ書き込みを実行し、
    前記複数の選択スイッチは、前記データ書き込みを行っている間、前記熱アシスト電流を前記選択された磁気抵抗効果素子に流すためのみに使用される
    ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
12. 前記選択された磁気抵抗効果素子に記憶されたデータをセンスアンプに読み出すための読み出し線をさらに具備し、前記熱アシスト電流は、前記読み出し線を経由して前記選択された磁気抵抗効果素子に与えられ、前記データ書き込みを行っている間、前記読み出し線には前記熱アシスト電流が流れることを特徴とする請求項１１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
13. 同一方向に延びる複数の第１書き込み線と、同一方向に延び、前記第１書き込み線に交差する複数の第２書き込み線とをさらに具備し、前記複数の磁気抵抗効果素子は、前記複数の第１及び第２書き込み線により形成される格子の格子間に配置されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
14. 第１磁性層と、前記第１磁性層上の非磁性層と、前記非磁性層上の第２磁性層とからなる積層構造を有し、前記第１及び第２磁性層の磁化の向きが前記積層構造の積層面に垂直な方向に設定され、前記第１磁性層下に第１ヨーク材が配置され、前記第２磁性層上に第２ヨーク材が配置される磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みにおいて、
    書き込み線に書き込み電流を流し、前記書き込み電流により発生する磁場を前記磁気抵抗効果素子に与えると共に、前記磁気抵抗効果素子のデータをセンスアンプに読み出すための読み出し線に熱アシスト電流を流し、前記熱アシスト電流を前記第１及び第２ヨーク材を経由する経路で前記磁気抵抗効果素子に与えてその加熱を行い、
    前記磁場と前記加熱の組み合せにより前記磁気抵抗効果素子に対する前記データ書き込みを実行することを特徴とするデータ書き込み方法。
15. データを記憶するメモリとして、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリを使用したことを特徴とする電子機器。
16. 前記電子機器は、ＤＳＬモデム、携帯電話、メモリカード、及び、前記メモリカードが搭載される機器のうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１５に記載の電子機器。

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