JP4742490B2

JP4742490B2 - 磁気メモリ

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Publication number: JP4742490B2
Application number: JP2003317124A
Authority: JP
Inventors: 広之大森
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Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: JP2005086016A

Description

本発明は不揮発性を有する磁気メモリに関する。

コンピュータ等の情報機器においては、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度のＤＲＡＭが広く使用されている。
しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。

そして、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている（例えば非特許文献１参照）。

ＭＲＡＭでは、磁性体の形状を長方形や楕円にすることにより発生する反磁界を用いて磁化を安定化し、記録を保持している。

今後、ＭＲＡＭにおいても、記憶容量を増加したり、装置を小型化したりするために、高密度化を図る必要があり、これによりメモリセルを構成する磁気記憶素子のさらなる縮小化が求められる。

磁気記憶素子を縮小化すると、情報を長期間に渡って保持するために、磁気記憶素子の磁気異方性を大きくする必要がある。
しかし、磁気異方性を大きくすると、保磁力が増大して、記録に大きな電流が必要となるため、消費電力の増加や電流駆動回路の大型化が不可避となり、高密度メモリを実現する上で問題となる。

そこで、記録電流を低減する方法として、例えば磁気記憶素子に磁場を印加する導体配線の側面に軟磁性体を配置して、磁気記憶素子に磁場を収束させる方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
日経エレクトロニクス２００１．２．１２号（第１６４頁−１７１頁）特開２００２−２４６５６６号公報

しかしながら、上述の方法によっても、軟磁性体により増加できる磁場は２倍程度であるため、記録電流を半分程度にしか低減することができない。

上述した問題の解決のために、本発明においては、保磁力が大きく情報を安定して保持することができると共に、低い電流で記録を行うことができる磁気メモリを提供するものである。

本発明の第１の磁気メモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、この記憶層の磁化状態の検出を行うための構成である、磁気トンネル接合素子、巨大磁気抵抗効果素子、ホール素子のいずれかとを含む磁気記憶素子と、この磁気記憶素子に磁場を印加する配線と、記憶層と非磁性層を介して積層され、記憶層に対して偏在するように配置され、記憶層の平面形状の一部を除去した平面形状である磁性体とを含むものである。
本発明の第２の磁気メモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、この記憶層の磁化状態の検出を行うための構成である、磁気トンネル接合素子、巨大磁気抵抗効果素子、ホール素子のいずれかとを含む磁気記憶素子と、この磁気記憶素子に磁場を印加する配線と、記憶層に対して偏在するように配置され、配線を兼ねる磁性体と、磁性体の両端部に接続され、磁性体に電流を流す導体配線とを含むものである。
本発明の第３の磁気メモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、この記憶層の磁化状態の検出を行うための構成である、磁気トンネル接合素子、巨大磁気抵抗効果素子、ホール素子のいずれかとを含む磁気記憶素子と、この磁気記憶素子に磁場を印加する配線と、記憶層に対して偏在するように配置され、かつ、長手方向が記憶層の磁化容易軸方向と平行に、記憶層と配線との間に配置された磁性体とを含むものである。

上述の本発明の第１〜第３の磁気メモリの構成によれば、磁性体が記憶層に対して偏在するように配置されていることから、磁性体により記憶層内に非対称な磁化分布（例えば、湾曲した磁化分布）を発生させて、記憶層の磁化困難軸方向の磁場がある場合と無い場合（磁化容易軸方向の磁場のみの場合を含む）の保磁力の差を大きくすることができる。
これにより、記憶層の磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場とを印加して、記憶層の保磁力を大幅に低減することが可能になり、容易に記憶層の磁化の向きを反転させて記憶層に記録を行うことができる。そして、記憶層の保磁力の低減により、記録を行う際に必要となる磁場を小さくしても記録を行うことが可能になる。
さらに、磁性体の磁気特性を（配線からの磁場や加熱等により）変化させることによって、記憶層の保磁力を変えることも可能である。
一方、記憶層の磁化困難軸方向の磁場が無い場合には、記憶層の保磁力が高い状態となる。

また、本発明の第１〜第３の磁気メモリにおいて、磁気記憶素子の記憶層の磁化状態の検出を行うための構成を、記憶層と、記憶層に対してトンネル絶縁層を介して積層された磁化固定層とから成る磁気トンネル接合素子としたときには、磁化固定層の磁化の向きを記憶層の磁化の向きの基準として参照し、また記憶層と磁化固定層との間を流れるトンネル絶縁膜のトンネル電流の、電流量を検出することによって記憶層の磁化状態を検出することが可能になる。
また、本発明の第２の磁気メモリにおいて、記憶層の磁化容易軸の方向と、記憶層に磁場を印加する配線を兼ねる磁性体からの磁場の方向とが、鋭角をなすように配置されている構成としたときには、これらの方向が直角をなす構成よりも記憶層の保磁力の変化を増やすことが可能であり、磁化容易軸の方向と配線からの磁場の方向とのなす角度（鋭角）を適切に選定すれば、記憶層の保磁力の変化を大きく確保することができる。

上述の本発明によれば、磁性体からの影響により記憶層の保磁力を低減して、比較的小さな外部磁場の印加によって記憶層に情報の記録を行うことが可能になる。
これにより、容易に情報の記録を行うことが可能になる。
そして、配線に流す電流により発生した磁場を磁気記憶素子に印加して情報の記録を行う際に、必要となる電流を低減することができるため、磁気メモリの消費電流を低減することが可能になる。

また、記憶層の磁化困難軸方向の磁場が無いときには、記憶層の保磁力が高い状態となるため、記憶層に記録された情報を安定して保持することができる。

従って、本発明により、記録された情報を安定して保持すると共に、少ない記録電流で記録ができ、消費電力の少ない磁気メモリを実現することが可能になる。

本発明の一実施の形態として、磁気メモリを構成する１単位のメモリセルの概略構成図を図１に示す。図１Ａは上面図を示し、図１Ｂは断面図を示している。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、このメモリセル１０は、情報が磁化の向きにより記録される記憶層１を有して磁気記憶素子が構成され、記憶層１の上方に第１の導体配線３が配置され、記憶層１の下方に第２の導体配線４が配置されて構成されている。
記憶層１は、平面形状が楕円形であることから形状異方性を有しており、これにより、楕円形の長軸方向が記憶層１の磁化容易軸方向になる。
第１の導体配線３は記憶層１の長軸方向に平行に延びており、第２の導体配線４は記憶層１の短軸方向に平行に延びている。

また、記憶層１と、それぞれ図示しないが、トンネル絶縁膜と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを積層して成る磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ）によって、磁気記憶素子を構成することができる。この場合、記憶層と磁化固定層（参照層とも称される）の相対的な磁化方向を検出することにより記憶層１に記録された情報の内容を検出することが可能になる。

本実施の形態では、特に、記憶層１の上方に、磁性体２が設けられている。この磁性体２は、平面形状が矩形状であり、長手方向が記憶層１の長軸方向に平行である。また、磁性体２の中心線が、記憶層１の中心線に対して図中右方向にずれており、これら記憶層１及び磁性体２の平面位置が異なっている。

磁気記憶素子の記憶層１及び磁化固定層は単層の磁性層でもよいし、異なる種類の磁性膜あるいは磁性膜と非磁性膜を積層した構成としてもよい。
磁性体２は、軟磁性体でもよいし、硬質磁性膜でもよいし、反強磁性体によって一方向に磁化が固定されている磁性体でもよい。また、磁性体２は、単層であっても積層膜であってもよい。

そして、記憶層１の中心線と磁性体２の中心線とがずれていることにより、磁性体２からの磁場により、記憶層１に非対称な磁化分布が形成される。

ここで、図１のメモリセル１０における磁化状態を、模式的に図２Ａ及び図２Ｂに示す。
図２Ａ及び図２Ｂにおいて、いずれも磁性体２の磁化Ｍ２の向きが図中上向きで同じになっている。また、磁性体２は外部磁場によって容易に磁化方向が変わらない硬質磁性膜か反強磁性体によって磁化が固定されたものとした。
まず、図２Ａに示す状態は、記憶層１の磁化Ｍ１の向きの平均が、磁性体２の磁化Ｍ２の向き（上向き）と略平行である場合を示している。この場合、記憶層１の磁化Ｍ１の向き（磁化ベクトル）は、平均して上向きであるが、磁性体２からの磁場の作用が記憶層１の右半分では強く、左半分では弱くなっているため、磁化ベクトルが湾曲して、右側が凸の湾曲となっている。
また、図２Ｂに示す状態は、記憶層１の磁化Ｍ１の向きの平均が、磁性体２の磁化Ｍ２の向き（上向き）と略反平行（略下向き）である場合を示している。この場合、記憶層１の磁化Ｍ１の向き（磁化ベクトル）は、平均して下向きであるが、磁性体２からの磁場の作用が記憶層１の右半分では強く、左半分では弱くなっているため、磁化ベクトルが湾曲して、左側が凸の湾曲となっている。

このように記憶層１の磁化Ｍ１が湾曲することにより、記憶層１の長軸方向即ち磁化容易軸方向（図２中上下方向）の保磁力は大きくなる。これにより、記憶層１に記録された情報を安定して保持することが可能になる。
そして、さらに、記憶層１の磁化困難軸方向（図２中左右方向）に磁場を印加することにより、比較的小さい磁場で記憶層１の磁化Ｍ１の湾曲がなくなって、磁化容易軸方向（図２中上下方向）の保磁力が大きく減少する。これにより、比較的小さい電流で記憶層１に情報を記録することが可能になる。

このように記憶層１の磁化困難軸方向に磁場を印加するには、例えば記憶層１の磁化容易軸方向に延びる第１の導体配線３に電流を流せばよい。

磁性体２を軟磁性体とした場合には、第１の導体配線３に電流を流して発生する磁場が、主として磁性体２を飽和するように作用する。そして、磁性体２から記憶層１に、記憶層１の磁化困難軸方向の磁場が印加される。第２の導体配線４に電流を流して発生する磁場は、主として記憶層１にその磁化容易軸方向の磁場を印加するように作用する。

なお、磁性体２を軟磁性体とした場合には、記憶層１の磁化状態（磁化Ｍ１の平均の向きが上向きか下向きか）によらず、いずれも図２Ｂのように磁性体２とは反対の左側が凸の湾曲となる。
この磁性体２を軟磁性体とした場合も、磁化の湾曲により記憶層１の磁化容易軸方向の保磁力を大きくすることができると共に、記憶層１の磁化困難軸方向に磁場を印加すれば保磁力を低減することができる特性を有する。

上述の本実施の形態の構成によれば、記憶層１の中心線と磁性体２の中心線とがずれていることにより、記憶層１の磁化Ｍ１を湾曲させることができる。
これにより、記憶層１の磁化容易軸方向の保磁力を大きくして、記憶層１に記録された情報を安定して保持することができる。また、記憶層１の磁化困難軸方向の磁場を印加すれば、磁化容易軸方向の保磁力が大幅に低減されるため、比較的小さい記録電流で記憶層１に情報を記録することができる。

次に、本発明の他の実施の形態として、磁気メモリを構成する１単位のメモリセルの概略構成図を図３に示す。図３Ａは上面図を示し、図３Ｂは断面図を示している。
本実施の形態では、記憶層１１上に、非磁性層１２を介して磁性体１３が積層されて、一体となった磁気記憶素子１４が構成されている。
そして、磁気記憶素子１４の図中左半分は、磁性体１３及び非磁性層１２の上部が除去された部分５となっている。一方、磁気記憶素子１４の図中右半分は、磁性体１３が残っている部分６となっている。
即ち、磁性体１３の形状（楕円形の半分）が、磁気記憶素子１４の形状（楕円形）の一部を除去した形状となっている。
さらに、図示しないが、図１の実施の形態と同様に、導体配線が設けられてメモリセルが構成される。

本実施の形態によれば、磁性体１３が右半分だけ残っていることにより、磁性体１３の中心と記憶層１１の中心とがずれているため、図２に示したと同様に、記憶層１１を非対称でかつ湾曲した磁化状態とすることができる。
従って、図１の実施の形態と同様に、記憶層１１の磁化容易軸方向の保磁力を大きくして、記憶層１１に記録された情報を安定して保持することができる。また、記憶層１１の磁化困難軸方向の磁場を印加すれば、磁化容易軸方向の保磁力が大幅に低減されるため、比較的小さい記録電流で記憶層１１に情報を記録することができる。

本実施の形態では、特に、記憶層１１と磁性体１３を積層して一体化した磁気記憶素子１４を構成していることにより、磁性体１３と記憶層１１を接近させることができる。
これにより、磁性体１３を薄い磁性膜で構成しても、大きな効果が得られる。

また、図１に示した構成を変形して、磁性層１の磁化困難軸方向に磁場を印加するための第１の導体配線３に磁性膜を付着して、第１の導体配線３の中心を記憶層１の中心からずらすことによっても同様の効果が得られる。

上述のように、第１の導体配線３に磁性膜を付着した形態の断面図を、図４Ａ及び図４Ｂに示す。
図４Ａは、第１の導体配線３の下面即ち記憶層１に対向する側の面に磁性膜１５を付着した場合である。この場合には、第１の導体配線３の中心を、記憶層１の中心から右にずらして配置している。

図４Ｂは、第１の導体配線３の側面（左面）に磁性膜１５を付着した場合である。この場合には、第１の導体配線３の中心を記憶層１の中心と同じ平面位置としており、このように同じ平面位置としても、磁性膜１５が第１の導体配線３の左面だけに形成されているため、図４Ａの場合と同様の効果が得られる。
なお、第１の導体配線３の両側面に、厚さ或いはパターンの相異なる磁性膜を形成しても、図４Ｂの場合と同様の効果が得られる。

これらの構成とした場合には、磁性膜１５により、図１及び図２に示した実施の形態と同様に、記憶層１に湾曲した非対称な磁化状態を発生させることができる。

さらに、磁性膜１５を軟磁性体とした場合には、第１の導体配線３からの磁場によって磁性膜１５が飽和し、記憶層１の磁化分布の湾曲効果が無くなって保磁力が減少するため、少ない電流で大きな保磁力低減効果が得られる。

ところで、記憶層の保磁力は、外部磁場以外にも、非対称な磁化状態を記憶層に形成するための磁性体（図４では磁性膜１５）の磁化を変化させることによっても制御が可能である。そこで、温度による磁性体の磁化変化を用いて、記憶層の保磁力を変化させることができる。
例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示す形態において、第１の導体配線３に電流を流すことにより、第１の導体配線３に付着する磁性膜１５に直接電流を流して磁性膜１５を加熱することができ、これにより磁性膜１５の磁気特性を変化させて記憶層１の保磁力を制御することが可能となる。
また、例えば、非対称な磁化状態を記憶層に形成する磁性体を配線と兼用する構成として、この配線を兼ねる磁性体に電流を流すことにより、磁性体の磁気特性を変化させて記憶層の保磁力を制御することも可能である。その場合を次に示す。

本発明のさらに他の実施の形態として、磁気メモリを構成する１単位のメモリセルの概略構成図を図５に示す。図５Ａは上面図を示し、図５Ｂは斜視図を示している。
本実施の形態のメモリセル２０では、特に、記憶層１に対して中心線をずらして配置された磁性体１６が配線を兼ねており、磁性体１６の両端部に導体配線１７が接続されて、この導体配線１７を通じて磁性体１６に直接電流を流すことができる構成となっている。
その他の構成（記憶層１及び第２の導体配線４）は、図１に示した実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。

本実施の形態の構成によれば、磁性体１６の両端部に導体配線１７が接続されて、この導体配線１７を通じて磁性体１６に直接電流を流すことができる構成となっていることにより、磁性体１６に電流を流すことにより、磁性体１６の磁気特性を変化させて、記憶層１への作用を変化させることができ、これにより記憶層１の保磁力を制御することが可能になる。

ここで、図５に示すメモリセルの構成において、磁性体１６の磁気特性を変化させたときの記憶層１のアステロイド曲線を、図６に示す。図６中、Ｈ_ｈａｒｄは記憶層１の磁化困難軸方向の磁場を示し、Ｈ_ｅａｓｙは記憶層１の磁化容易軸方向の磁場を示し、アステロイド曲線は磁化が反転する境界を示している。また、曲線Ａは磁性体１６の磁化が大きいときのアステロイド曲線であり、曲線Ｂは磁性体１６の磁化が小さいときのアステロイド曲線である。

図６より、例えば、磁性体１６を加熱して、その磁化を減少させることにより、記憶層１の保磁力を減少させることができることがわかる。
特に、図６中直線Ｃで示すような磁場を印加すれば、磁性体１６の特性変化に対して最も記憶層１の保磁力の変化が大きくなり、効率的に記録電流を低下させることができる。この直線Ｃで示す磁場を実現するためには、磁性体１６を加熱する際に流す電流によって発生する磁場を利用してもよいし、記憶層１の磁化容易軸の方向と導体配線１７により磁性体１６に発生する磁場の方向との間に適当な角度（鋭角）を持たせて配置してもよい。
なお、記憶層１の磁化容易軸方向は、図５に示すように形状異方性によって付与してもよいし、その他、例えば磁場中熱処理等によって付与してもよい。

なお、本発明では、上述した各実施の形態のように、記憶層の中心と磁性体の中心とがずれていることが特性改善に有効である。
従って、記憶層及び磁性体の形状が反転対称や鏡面対称、並びに回転対称である場合には、それぞれの対称軸または対称点が重ならないように配置すればよく、記憶層及び磁性体の形状が対称性がない場合には、それぞれの形状の重心点が重ならないように配置すればよい。
例えば、磁性体の厚さが一定ではなく、断続的又は連続的に変化する構成とした場合には、厚い側に磁性体の重心点がずれるため、記憶層の真上に磁性体を配置しても重心点が重ならないようにすることができる。

また、本発明では、記憶層に対して磁性体が偏在して配置されていて、これにより記憶層に非対称な磁化分布を発生させることが可能であれば、効果を有する。このため、上述の記憶層の中心と磁性体の中心とがずれている構成以外の構成も考えられる。
例えば、記憶層に非対称な磁化分布を発生する磁性体を、磁気特性の異なる２つの磁性体で構成することが考えられる。このような構成としては、２つの磁性体を横に並べて（接続しても離してもよい）配置した構成や、導体配線の一方の側面と他方の側面にそれぞれの磁性体を配置した構成等がある。

上述の各実施の形態に示したメモリセルの構成を用いて、例えばマトリクス状に交差するそれぞれ複数本の第１の配線及び第２の配線の交点付近に、記憶層を含む磁気記憶素子を配置することにより、ＭＲＡＭ等の磁気メモリ（磁気記憶装置）を構成することができる。
これにより、記録された情報を安定して保持することができると共に、記録電流を小さくすることができ、消費電流の少ない磁気メモリ（磁気記憶装置）を実現することができる。

（実施例）
ここで、本発明の磁気メモリの構成において、具体的に記憶層及び磁性体の寸法や磁化量を設定して、特性がどのようになるか検討を行った。

まず、図７Ａに平面図を示し、図７Ｂに断面図を示すように、平面形状が楕円形状の記憶層２１の下に、平面形状が正方形状の磁性体２２を、記憶層２１から３０ｎｍ離して配置した構成をモデルとして採用した。このモデルは、図１に示した実施の形態に類似したモデルである。
記憶層２１は、長軸の長さを２４０ｎｍ、短軸の長さを２００ｎｍ、厚さを５ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｍ^３、材料の異方性磁場Ｈｋを１０Ｏｅとした。磁性体２２は、一辺の長さを４００ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｍ^３、材料の異方性磁場Ｈｋを１ｋＯｅとして、図７Ａに上向き矢印で示すように一方向に磁化された状態とした。磁性体２２の異方性磁場Ｈｋが１ｋＯｅあり、比較的大きくなっている。
そして、記憶層２１の中心線と、磁性体２２の中心線との平面距離ｄを、０（中心線の平面位置が一致する場合）、５０ｎｍ、１００ｎｍと変えて、それぞれの平面距離ｄにおける、記憶層２１の磁化容易軸方向の磁場Ｈ_ｅａｓｙと磁化困難軸方向の磁場Ｈ_ｈａｒｄとによるアステロイド曲線を、マイクロマグネティック計算により求めた。結果を図８に示す。

図８より、記憶層２１及び磁性体２２の中心線の平面距離ｄが大きくなるに従い、アステロイドで磁化容易軸方向Ｈ_ｅａｓｙの保磁力の低下が起こりはじめる磁化困難軸方向の磁場Ｈ_ｈａｒｄの値が大きくなっていくことがわかる。
記憶層２１の保磁力低下が起こりやすいと、外部磁場の影響を受けて動作が不安定になり、一方記憶層２１の保磁力低下が起こりにくいと、動作電流が大きくなるので、磁性層２１の保磁力の低下が起こりはじめる磁化困難軸方向の磁場が適当な大きさの磁場となるように、記憶層２１及び磁性体２２の寸法や磁気特性を調整するのが好ましい。

なお、図８では、磁性体２２が一方向に磁化されているため、その影響により、原点から磁化容易軸方向の磁場Ｈｅａｓｙの正の側に、アステロイド曲線がシフトしている。これを解消するためには、例えば記憶層２１に磁化固定層（参照層）を設けて、磁化固定層からの磁場や、記憶層２１と磁化固定層との相互作用を利用する方法がある。

次に、図９Ａに平面図を示し、図９Ｂに断面図を示すように、記憶層１１の上に非磁性層１２を介して磁性体１３を形成し、磁性体１３の一部を除去した磁気記憶素子１４の構成をモデルとして採用した。このモデルは、図３に示した実施の形態に類似したモデルである。
記憶層１１は、厚さを５ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｍ^３とした。
非磁性層１２は、厚さを１０ｎｍとした。
磁気記憶素子１４は、平面形状が直径１５０ｎｍの円形状とした。
そして、磁性体１３は、厚さを１ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｍ^３として、軟磁性体により形成し、円形状の磁気記憶素子１４の半分の半円形だけ残したパターンとした。

そして、記憶層１１の磁化容易軸方向の磁場Ｈ_ｅａｓｙと磁化困難軸方向の磁場Ｈ_ｈａｒｄとによるアステロイド曲線を、マイクロマグネティック計算により求めた。結果を図１０に示す。図１０では、磁化困難軸方向の磁場Ｈ_ｈａｒｄが正である部分だけ示している。図示しない部分も同様の曲線となる。

次に、図１１Ａに平面図を示し、図１１Ｂに断面図を示すように、平面形状が長方形状の記憶層２３の上に、平面形状が長方形状の磁性体２４を、記憶層２３から１０ｎｍ離して配置した構成をモデルとして採用した。このモデルは、図１に示した実施の形態に類似したモデルである。
記憶層２３は、長辺の長さを２４０ｎｍ、短辺の長さを１８０ｎｍ、厚さを５ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｍ^３とした。磁性体２４は、長辺の長さを２７０ｎｍ、短辺の長さを２４０ｎｍ、厚さを１ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｍ^３として、軟磁性体により形成した。記憶層２３及び磁性体２４は、同じ長さ２４０ｎｍの辺で重なるようにして、重なった部分の幅を９０ｎｍとした。
そして、記憶層２３の磁化容易軸方向の磁場Ｈ_ｅａｓｙと磁化困難軸方向の磁場Ｈ_ｈａｒｄとによるアステロイド曲線を、マイクロマグネティック計算により求めた。結果を図１２に示す。図１２でも、磁化困難軸方向の磁場Ｈ_ｈａｒｄが正である部分だけ示しており、図示しない部分も同様の曲線となる。

図１０及び図１２より、いずれの場合でも比較的小さなＨ_ｈａｒｄの磁場で保磁力を大きく減少させることができ、記録電流の低下に有効であることがわかる。

次に、導体配線の下に磁性膜をつけた場合の計算を行ってみた。
図１３に斜視図を示すように、平面形状が楕円形状の記憶層３１と、記憶層３１の上に配置され、記憶層３１の磁化容易軸と平行に電流が流れる第１の導体配線３３と、記憶層３１の下に配置され、記憶層３１の磁化困難軸と平行に電流が流れる第２の導体配線３４とを有し、第１の導体配線３３をワードラインＷＬとして、第２の導体配線３４をビットラインＢＬとして、第１の導体配線３３の下面に磁性膜３２が形成された構成をモデルとして採用した。このモデルは、図４に示した形態に類似したモデルである。
記憶層３１は、長軸の長さを２４０ｎｍ、短軸の長さを２００ｎｍ、厚さを６ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓを６００ｅｍｕ／ｃｍ^３とした。磁性膜３２は、厚さを１ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｍ^３とした。また、第１の導体配線３３及び磁性膜３３の幅は、記憶層３１の短軸の長さと同じく２００ｎｍとした。また、磁性膜３２と記憶層３１との間隔Ｄ１を４０ｎｍとし、第２の導体配線３４（ＢＬ）と記憶層３１との間隔Ｄ２を１００ｎｍとした。
そして、記憶層３１の中心線と、第１の導体配線３３（ＷＬ）及び磁性膜３２の中心線とについて、図１４Ａに示すように中心線の平面位置が一致する場合と、図１４Ｂに示すように中心線の平面位置がずれている場合と、それぞれの場合における、第１の導体配線３３（ＷＬ）の電流と第２の導体配線３４（ＢＬ）の電流とによるアステロイド曲線を求めた。結果をそれぞれ図１４Ａ及び図１４Ｂに示す。

図１４Ａより、記憶層３１と磁性膜３２の中心線の平面位置が一致している場合には、ＷＬの電流がゼロ付近で曲線に乱れが現れる。
これに対して、図１４Ｂより、中心線をずらした場合には、図１４Ａに現れていたような乱れは観測されなくなり、第１の導体配線３３（ＷＬ）の電流がゼロ付近で最も保磁力が大きくなり磁化が反転しにくくなる。

次に、磁気メモリを実際に作製して、本発明の効果を確かめてみた。
作製した磁気メモリの平面構造を図１５Ａに示し、断面構造を図１５Ｂに示す。
図１５Ａに示すように、平面形状が楕円形状の磁気記憶素子２５に対して、磁気記憶素子２５の長軸方向に平行になるように、平面形状が長方形状の磁性体２６を配置して、磁性体２６の両端に導体配線２７を接続した。
また、図１５Ｂに示すように、磁気記憶素子２５及び磁性体２６は共通の基板２８上に形成した。
磁気記憶素子２５は、図１５Ｂに示すように、基板上に、膜厚１０ｎｍのＴａ膜を介して、膜厚２０ｎｍのＰｔＭｎ膜から成る反強磁性層４４が形成され、その上に膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜と、非磁性膜として膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜と、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜との３層を積層させた構造の磁化固定層（参照層）４３が形成され、その上に膜厚１ｎｍのＡｌ−Ｏ膜から成るトンネル絶縁層４２が形成され、その上に膜厚１０ｎｍのＮｉＦｅ膜と、非磁性膜として膜厚１０ｎｍのＲｕ膜と、膜厚５ｎｍのＮｉＦｅ膜との３層を積層させた構造の記憶層４１が形成され、さらにその上に膜厚１０ｎｍのＴａ膜が形成されて、構成されている。
磁性体２６は、図１５Ｂに示すように、基板上に、膜厚５ｎｍのＴａ膜を介して、その上に膜厚１０ｎｍのＮｉＦｅＣｕ膜と、非磁性膜として膜厚５ｎｍのＴａ膜と、膜厚１０ｎｍのＮｉＦｅＣｕ膜との３層を積層させた構造の軟磁性体層４５が形成され、さらにその上に膜厚５ｎｍのＴａ膜が形成されて、構成されている。

磁化固定層（参照層）４３は、反強磁性層４４により磁化の向きが固定され、記憶層４１に対して、記憶の内容の基準となるものである。
そして、磁化固定層（参照層）４３の磁化の向きと、記憶層４１の磁化の向きの相対的な方向により、トンネル絶縁層４２を流れるトンネル電流の抵抗値が異なる。
従って、磁気記憶素子２５では、素子の膜厚方向に電流を流し、トンネル絶縁層４２にトンネル電流を流すことにより、記憶層４１の磁化の向きを検知することができる。

そして、この構成の磁気メモリに対して、導体配線２７から磁性体２６に電流を流しながら、外部磁場を磁気記憶素子２５に印加して、磁気記憶素子２５の抵抗変化により（記憶層４１の）保磁力を求めた。
これにより得られた、磁性体２６に流した電流ｉに対する磁気記憶素子２５の保磁力Ｈｃの変化を、図１６に示す。

図１６より、３ｍＡ程度と比較的低い電流によって、記憶層の保磁力を大きく変化させることができ、本発明が有効であることが確認できる。

なお、記憶層の磁化状態の検出（読み出し）を行うための構成としては、前述した記憶層にトンネル絶縁層を介して磁化固定層を積層した磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ）の他にも、例えば巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）やホール素子等を用いることが考えられる。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

Ａ、Ｂ本発明の一実施の形態のメモリセルの概略構成図である。Ａ、Ｂ図１のメモリセルにおける磁化状態を模式的に示す図である。Ａ、Ｂ本発明の他の実施の形態のメモリセルの概略構成図である。Ａ、Ｂ図１のメモリセルの構成を変形した形態の断面図である。Ａ、Ｂ本発明のさらに他の実施の形態のメモリセルの概略構成図である。図５のメモリセルの磁性体の磁気特性を変化させたときの記憶層のアステロイド曲線である。Ａ、Ｂ本発明の磁気メモリの一形態のモデルを示す図である。図７のモデルによるアステロイド曲線の計算結果である。Ａ、Ｂ本発明の磁気メモリの一形態のモデルを示す図である。図９のモデルによるアステロイド曲線の計算結果である。Ａ、Ｂ本発明の磁気メモリの一形態のモデルを示す図である。図１１のモデルによるアステロイド曲線の計算結果である。Ａ、Ｂ本発明の磁気メモリの一形態のモデルを示す図である。図１３のモデルによるアステロイド曲線の計算結果である。Ａ、Ｂ作製した磁気メモリの構造を示す図である。図１５の磁性体に流した電流に対する保磁力の変化を示す図である。

符号の説明

１，１１，４１記憶層、２，１３，１６，２６磁性体、３第１の導体配線、４第２の導体配線、１０，２０メモリセル、１２非磁性層、１４，２５磁気記憶素子、１５磁性膜、１７，２７導体配線

Claims

情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
前記記憶層の磁化状態の検出を行うための構成である、磁気トンネル接合素子、巨大磁気抵抗効果素子、ホール素子のいずれかとを含む磁気記憶素子と、
前記磁気記憶素子に磁場を印加する配線と、
前記記憶層と非磁性層を介して積層され、前記記憶層に対して偏在するように配置され、前記記憶層の平面形状の一部を除去した平面形状である磁性体とを含む
磁気メモリ。
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
前記記憶層の磁化状態の検出を行うための構成である、磁気トンネル接合素子、巨大磁気抵抗効果素子、ホール素子のいずれかとを含む磁気記憶素子と、
前記磁気記憶素子に磁場を印加する配線と、
前記記憶層に対して偏在するように配置され、前記配線を兼ねる磁性体と、
前記磁性体の両端部に接続され、前記磁性体に電流を流す導体配線とを含む
磁気メモリ。
前記記憶層の磁化容易軸の方向と、前記記憶層に磁場を印加する前記配線を兼ねる前記磁性体からの磁場の方向とが、鋭角をなすように配置されている請求項２に記載の磁気メモリ。
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
前記記憶層の磁化状態の検出を行うための構成である、磁気トンネル接合素子、巨大磁気抵抗効果素子、ホール素子のいずれかとを含む磁気記憶素子と、
前記磁気記憶素子に磁場を印加する配線と、
前記記憶層に対して偏在するように配置され、かつ、長手方向が前記記憶層の磁化容易軸方向と平行に、前記記憶層と前記配線との間に配置された磁性体とを含む
磁気メモリ。
前記配線として、選択されたメモリセルの前記記憶層に磁場を印加する、前記記憶層の磁化容易軸方向に延びる第１の配線及び前記記憶層の磁化困難軸方向に延びる第２の配線を有し、前記第１の配線により発生する磁場が主として前記磁性体を飽和するように作用し、前記第２の配線により発生する磁場は主として前記記憶層に前記磁化容易軸方向の磁場を印加するように作用する請求項４に記載の磁気メモリ。
前記磁性体が、前記第１の配線に接して形成されている請求項５に記載の磁気メモリ。
前記磁気記憶素子の前記記憶層の磁化状態の検出を行うための構成は、前記記憶層と、前記記憶層に対してトンネル絶縁層を介して積層された磁化固定層とから成る前記磁気トンネル接合素子である、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の磁気メモリ。