JP4822126B2

JP4822126B2 - 磁気抵抗素子及び磁気ランダムアクセスメモリ

Info

Publication number: JP4822126B2
Application number: JP2006532613A
Authority: JP
Inventors: 直彦杉林; 雄士本田; 昇崎村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: JPWO2006022367A1; WO2006022367A1; US20080094880A1; US7813164B2

Description

本発明は、磁気抵抗素子及び磁気ランダムアクセスメモリに関し、特にトンネル磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリに関する。

記憶素子の磁化の方向を制御することによりデータを記憶する磁気ランダムアクセスメモリ（以下、「ＭＲＡＭ」と記す）が知られている。磁化方向の記録方法により、いくつかの種類のＭＲＡＭが知られている。

米国特許６，５４５，９０６号公報には、トグル型磁気ランダムアクセスメモリ（以下、「トグルＭＲＡＭ」と記す）の技術が開示されている。このトグルＭＲＡＭは、その記憶素子の自由層に、積層フェリ構造体が用いられたトンネル磁気抵抗素子である。このＭＲＡＭは、書き込み動作時におけるメモリセルの選択性において優れていて、多重書込みがほとんど起こらない。以下に、米国特許６，５４５，９０６号公報のトグルＭＲＡＭについて説明する。

図１は、従来のトグルＭＲＡＭの構造を示す断面図である。このＭＲＡＭのメモリセル１１０の磁気抵抗素子１０５は、反強磁性層１０４、積層フェリ固定層１０３、トンネル絶縁層１０２、積層フェリ自由層１０１がこの順に積層されている。積層フェリ固定層１０３は、積層フェリ構造を有し、強磁性層１１６、非強磁性層１１５、強磁性層１１４を備える。積層フェリ自由層１０１は、積層フェリ構造を有し、強磁性層１１３、非強磁性層１１２、強磁性層１１１を備える。磁気抵抗素子１０５は、互いに概ね直交する書込み用のワード線１２６とビット線１２７とに挟まれている。

積層フェリ固定層１０３が積層フェリ構造体として形成されるのは、積層フェリ固定層１０３から磁場を出さないためである。その磁化の方向は反強磁性層１０４によって固定されている。積層フェリ自由層１０１も積層フェリ構造体でできており、外部磁場を印加しない限りは積層フェリ固定層１０３や積層フェリ自由層１０１からは磁場は出ない。

図２は、図１に示される従来のトグルＭＲＡＭの構造を示す上面図である。書込み用のワード線１２６とビット線１２７が直行して複数本（図では、それぞれ１本のみ表示）配置され、それぞれの交点に磁気抵抗素子１０５が配置される。磁気抵抗素子１０５は磁化されやすい方向（磁化容易軸）がワード線１２６とビット線１２７とに対して概ね４５度（θ）の方向を向いている。これは、トグル動作を容易にするための配慮によるものである。

次に、図１に示される従来のトグルＭＲＡＭの書き込み動作の原理について説明する。トグルＭＲＡＭの場合、書込みは「１」→「０」か「０」→「１」しか行えない。すなわち、「１」に「１」を上書きすることや、「０」に「０」を上書きすることは出来ない。そのため、そのトグルＭＲＡＭの書き込み動作では、予め選択メモリセルへの読み出しが実行され、その読み出された情報と書き込まれる情報に基づいて第１と第２のフリー層の磁化の方向が変えられるべきか否か（トグル動作させるか否か）が判断される。すなわち、読み出された情報（「０」又は「１」）と書き込まれる情報（「０」又は「１」）とが等しい場合にはトグル動作は行われず、読み出された情報と書き込まれる情報とが異なる場合にはトグル動作が行われる。

図３Ａ〜３Ｈは、図１に示される従来技術のトグルＭＲＡＭにおけるトグル動作原理を示す図である。図３Ａは、ビット線１２７を流れる書き込み電流ＩＢＬのタイミングチャートである。図３Ｂは、ワード線１２６を流れる書き込み電流ＩＷＬのタイミングチャートである。図３Ｃは、書き込みが行われるべきメモリセル１１０としての選択セルにおける強磁性層１１３の磁化方向１２１ｓ及び強磁性層１１１の磁化方向１２２ｓの時間変化を示す。図３Ｄは、書き込み電流ＩＢＬと書き込み電流ＩＷＬとにより発生される磁場の方向の時間変化を示す。図３Ｅは、選択セルと同一ビット線１２７の非選択セルにおける強磁性層１１３の磁化方向１２１ａ及び強磁性層１１１の磁化方向１２２ａの時間変化を示す。図３Ｆは、書き込み電流ＩＢＬにより発生する磁場の方向の時間変化を示す。図３Ｇは、選択セルと同一ワード線１２６の非選択セルにおける強磁性層１１３の磁化方向１２１ｂ及び強磁性層１１１の磁化方向１２２ｂの時間変化を示す。図３Ｈは、書き込み電流ＩＷＬにより発生する磁場の方向の時間変化を示す。

図３Ａを参照して、トグル動作は、時刻ｔ２でビット線１２７に書き込み電流ＩＢＬが供給される。時刻ｔ３でワード線１２６に書き込み電流ＩＷＬが供給される。時刻ｔ４で書き込み電流ＩＢＬが停止される。時刻ｔ５で書き込み電流ＩＷＬが停止される。以上の一連の電流制御により、書き込み電流ＩＷＬが供給される選択ワード線１２６と書き込み電流ＩＢＬが供給される選択ビット線１２７の交点の選択セルには、図３Ｄに示す磁場１２３−磁場１２４−磁場１２５のような回転磁場が印加される。それにより、図３Ｃに示されるように、選択セルの強磁性層１１３の磁化方向１２１ｓ及び強磁性層１１１の磁化方向１２２ｓが回転（変更）され、データを書き込むことができる。すなわち、初期データが「０」の状態である場合は「１」の状態に、「１」の状態である場合は「０」の状態に書き換えられる。

このとき、選択セルと同一ビット線１２７に接続された非選択セルには、図３Ｆに示される磁場１２３のような一方向の磁場のみが印加される。そのため、図３Ｅに示されるように、その非選択セルの強磁性層１１３の磁化方向１２１ａ及び強磁性層１１１の磁化方向１２２ａは多少変動するが、元の状態に戻るので、データは書き込まれない。同様に、選択セルと同一ワード線１２６に接続された非選択セルには、図３Ｈに示される磁場１２５のように一方向の磁場のみが印加される。そのため、図３Ｇに示されるように、その非選択セルの強磁性層１１３の磁化方向１２１ｂ及び強磁性層１１１の磁化方向１２２ｂは多少変動するが、元の状態に戻るので、データは書き込まれない。

トグルＭＲＡＭの場合、「１」と「０」を自由に書き込むことができないので、書き込みサイクル時にも一旦読み出しが行われ、その後に書込みを行う必要がある。多重書込みを無くしつつ、「１」／「０」を書き分けられる技術が望まれている。

図４は、選択セルの磁気抵抗素子に印加される磁場を示す図である。磁気抵抗素子１０５は、Ｙ軸に対してθだけ傾けられている。それにより、磁気抵抗素子の磁化困難軸方向及び磁化容易軸方向の磁場ＨＸ（磁性体）及びＨＹ（磁性体）は、配線のＸ軸方向及びＹ軸方向の磁場ＨＸ（配線）及びＨＹ（配線）に対してθだけ傾けられている。Ｈｔは、飽和磁場を示し、強磁性層１１３と強磁性層１１１とが反強磁性的結合を維持できる最大の磁場である。フロップ磁場は、積層フェリ自由層１０１の磁化の向きを反転するのに必要な最小の磁場である。矢印は選択セルに印加される磁場の経路である。

トグルＭＲＡＭの場合、印加される磁場が大きくなると、積層フェリ自由層１０１の合成磁化が飽和に近づく。その場合、積層フェリ自由層１０１の上層の強磁性層１１１の磁化と下層の強磁性層１１３の磁化が熱擾乱で入れ替わる可能性がある。書き込み用の磁場により、合成磁化が飽和に近づくのを防ぎ、上層の強磁性層の磁化と下層の強磁性層の磁化とが熱擾乱で入れ替わる可能性を抑制する技術が求められる。

関連する技術として特開２００４−１２８２３７号公報に、磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置の技術が開示されている。この磁気抵抗効果素子は、磁化方向の反転が可能な自由層と、磁化方向の反転しない固定層と、これらの間に挟まれる絶縁層とを含む積層構造を具備した磁気抵抗効果素子である。前記固定層は、中間非磁性層を介して第一磁性層および第二磁性層が積層された積層フェリ構造を有するとともに、前記絶縁層側に位置する前記第一磁性層の形成材料の飽和磁化が前記第二磁性層の形成材料の飽和磁化よりも小さい。

また、特開２００４−８７８７０号公報に、磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置の技術が開示されている。この磁気抵抗効果素子は、少なくとも二つの強磁性層とこれらの間に挟まれる絶縁層とを含む積層構造を具備する。一方の強磁性層が磁化方向の反転可能な自由層として機能し、他方の強磁性層が磁化方向の反転しない固定層として機能する。前記自由層に静磁界を印加するための磁界印加部材を備えている。

また、特開２００４−３９７５７号公報に、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置の技術が開示されている。この磁気抵抗効果素子は、一対の強磁性層が中間層を介して対向されてなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成である。上記強磁性層のうち一方が磁化固定層であり、他方が磁化自由層である。上記磁化自由層は、磁歪定数の絶対値が１．５ｐｐｍ以下である強磁性材料から成る。

また、特開２００２−１５１７５８号公報に、強磁性トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び磁気抵抗効果型ヘッドの技術が開示されている。この強磁性トンネル磁気抵抗効果素子は、第１磁性層と、強磁性層と中間層とが少なくとも5層以上積層されている多層構造との間にトンネル障壁層が形成されている。前記第１磁性層は作用する外部磁界に対してその磁化の方向が拘束されている。前記多層構造を構成する強磁性層は外部磁界に対してその磁化の方向が回転し、その磁化が前記中間層を介して反強磁性的に配列している。前記第１磁性層と前記多層構造を構成する強磁性層の磁化の相対的な角度によって抵抗が変化する強磁性トンネル磁気抵抗効果膜と、前記強磁性トンネル磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給するための下部および上部磁性層に電気的に接している下部及び上部電極と、抵抗変化を検出するための検出手段を有する。

従って、本発明の目的は、多重書込みを無くしつつ、「１」／「０」を自由に書きこめる磁気抵抗素子及び磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、書き込み用の磁場により、合成磁化が飽和に近づくのを防ぎ、上層の強磁性層の磁化と下層の強磁性層の磁化とが熱擾乱で入れ替わる可能性を抑制することができる磁気抵抗素子及び磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、高性能、高信頼性、高歩留りであり、安価な磁気抵抗素子及び磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。

本発明の第１の観点では、磁気抵抗素子は、自由層と、固定層と、前記自由層と前記固定層との間に介設された非磁性層とを具備している。前記自由層は、第１磁性層と、第２磁性層と、第３磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に介設された第１非磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に介設された第２非磁性層とを備えている。前記第１磁性層と前記第２磁性層と前記第３磁性層とは、自発磁化がヘリカル構造となるように結合している。
ここで、前記第１磁性層の自発磁化の第１方向と前記第２磁性層の自発磁化の第２方向との成す角は実質的に直角であり、前記第１方向と前記第３磁性層の自発磁化の第３方向との成す角は実質的に二直角であることが好ましい。
また、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間の第１結合及び前記第２磁性層と前記第３磁性層との間の第２結合と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間の第３結合とは、競合している。また、前記第１結合及び前記第２結合は非磁性層による反強磁性結合であり、前記第３結合は静磁エネルギーによる反強磁性結合である。
また、前記第１非磁性層と前記第２非磁性層とは、前記第２磁性層の側面で結合して第３非磁性層を形成し、前記第１結合及び前記第２結合は非磁性層による反強磁性結合であり、前記第３結合も非磁性層による反強磁性結合である。
また、前記自由層は、前記第２磁性層の磁化のモーメントの異方性エネルギーが、前記第１磁性層の磁化のモーメントの異方性エネルギー及び前記第３磁性層の磁化のモーメントの異方性エネルギーと比較して小さい。

また、本発明の他の観点では、磁気ランダムアクセスメモリは、第１方向に延伸する複数の第１配線と、前記第１方向に実質的に垂直な第２方向に延伸する複数の第２配線と、前記複数の第１配線と前記複数の第２配線とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられた複数のメモリセルと
を具備する。前記複数のメモリセルの各々は、磁気抵抗素子を備え、前記磁気抵抗素子は、自由層と、固定層と、前記自由層と前記固定層との間に介設された非磁性層とを具備している。前記自由層は、第１磁性層と、第２磁性層と、第３磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に介設された第１非磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に介設された第２非磁性層とを備えている。前記第１磁性層と前記第２磁性層と前記第３磁性層とは、自発磁化がヘリカル構造となるように結合し、前記磁気抵抗素子は、磁化容易軸方向が前記第１方向及び前記第２方向とは異なる。
ここで、前記磁化容易軸方向はと前記第１方向とが成す角は、実質的に４５度であることが好ましい。
前記複数の第１配線から選択される選択第１配線と前記複数の第２配線から選択される選択第２配線とに対応する前記メモリセルとしての選択セルについて、書き込み動作は、書き込む記憶情報に基づいて選択される前記選択第１配線及び前記選択第２配線のうちの一方としての第１電流用配線に第１書き込み電流を供給し、次に、他方としての第２電流用配線に第２書き込み電流を供給し、その後、前記第１書き込み電流を停止し、次に、前記第２書き込み電流を停止することで実行されてもよい。代わりに、書き込み動作は、書き込む記憶情報に基づいて選択される前記選択ビット線及び前記選択ワード線のうちの一方としての第１電流用配線に第１書き込み電流を供給し、次に、他方としての第２電流用配線に第２書き込み電流を供給し、その後、前記第１書き込み電流を停止し、次に、前記第２書き込み電流を停止することで実行されてもよい。

また、本発明の他の観点では、磁気ランダムアクセスメモリは、第１方向に延伸する第１配線と、前記第１方向に実質的に直交する第２方向に延伸する第２配線と、前記第１配線と前記第２配線とが交差する位置に、前記第１配線と前記第２配線との間に設けられ、磁気抵抗素子を具備するメモリセルと、前記第１配線と前記第２配線に電流をそれぞれ供給する電流供給部とを具備する。前記磁気抵抗素子は、自由層と、固定層と、前記自由層と前記固定層との間に介設された非磁性層とを具備する。前記自由層は、第１磁性層と、第２磁性層と、第３磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に介設された第１非磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に介設された第２非磁性層とを備えている。前記第１磁性層と前記第２磁性層と前記第３磁性層は、自発磁化がヘリカル構造となるように磁気的に結合されていて、前記電流供給部は、前記メモリセルに書き込まれるデータに従って、前記第１配線と前記第２配線のうちの一方に第１電流の供給を開始し、前記第１電流が供給されている間に前記第１配線と前記第２配線のうちの他方に第２電流に供給を開始し、前記第２電流が供給されている間に前記第１電流の供給を停止し、前記第１電流の供給が停止された後前記第２電流の供給を停止する。
ここで、前記磁気抵抗素子は、磁化容易軸方向が前記第１方向及び前記第２方向とは異なり、前記磁化容易軸方向は、前記第１方向とが成す角は、実質的に４５度であることが好ましい。
前記第１磁性層の自発磁化の第１方向と前記第２磁性層の自発磁化の第２方向との成す角は実質的に直角であり、前記第１方向と前記第３磁性層の自発磁化の第３方向との成す角は実質的に二直角であることが好ましい。
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間の第１結合及び前記第２磁性層と前記第３磁性層との間の第２結合と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間の第３結合とは、競合している。前記第１結合及び前記第２結合は非磁性層による反強磁性結合であり、前記第３結合は静磁エネルギーによる反強磁性結合である。
また、前記第１非磁性層と前記第２非磁性層とは、前記第２磁性層の側面で結合して第３非磁性層を形成し、前記第１結合及び前記第２結合は非磁性層による反強磁性結合であり、前記第３結合も非磁性層による反強磁性結合である。
また、前記自由層は、前記第２磁性層の磁化のモーメントの異方性エネルギーが、前記第１磁性層の磁化のモーメントの異方性エネルギー及び前記第３磁性層の磁化のモーメントの異方性エネルギーと比較して小さい。

また、本発明の他の観点では、磁気ランダムアクセスメモリは、第１方向に延伸する第１配線と、前記第１方向に実質的に直交する第２方向に延伸する第２配線と、前記第１配線と前記第２配線とが交差する位置に、前記第１配線と前記第２配線との間に設けられ、磁気抵抗素子を具備するメモリセルと、前記第１配線と前記第２配線に電流を供給することにより前記メモリセルに回転磁場を印加する磁界印加部とを具備する。前記磁気抵抗素子は、自由層と、固定層と前記自由層と前記固定層との間に介設された非磁性層とを具備し、前記自由層は、第３方向の自発磁化を有する第１磁性層と、前記第３方向と直交する方向の自発磁化を有し、前記第１磁性層と磁気的に結合された第２磁性層と、前記第３方向と反対方向の自発磁化を有し、前記第１と第２磁性層と磁気的結合された第３磁性層とを備えている。前記磁界印加部は、前記メモリセルに書き込まれるデータに従って、時計方向に回転する磁場と反時計方向に回転する磁場との一方を前記メモリセルに印加する。
ここで、前記磁気抵抗素子は、磁化容易軸方向が前記第１方向及び前記第２方向とは異なり、前記磁化容易軸方向は、前記第１方向とが成す角は、実質的に４５度であることが好ましい。

図１は、従来のトグルＭＲＡＭの構造を示す断面図である。図２は、従来のトグルＭＲＡＭの構造を示す上面図である。図３Ａ〜３Ｈは、従来技術のトグルＭＲＡＭにおけるトグル動作原理を示す図である。図４は、選択セルの磁気抵抗素子に印加される磁場を示すグラフである。図５は、本発明のＭＲＡＭの実施例の構成を示すブロック図である。図６は、図１のＭＲＡＭのメモリセル近傍の断面図である。図７は、本発明のトグルＭＲＡＭの構造を示す上面図である。図８は、図６のメモリセルの積層フェリ自由層１の断面図である。図９は、ヘリカル構成を有する積層フェリ自由層の安定状態の種類を示す概念図である。図１０は、ヘリカル構成を有する積層フェリ自由層の安定状態の種類を示す概念図である。図１１は、選択セルの磁気抵抗素子に印加される磁場を示すグラフである。図１２Ａ〜１２Ｇは、磁気抵抗素子への書き込み動作時における積層フェリ自由層における各層の磁化の方向の変化を示す図である。図１３Ａ〜１３Ｇは、磁気抵抗素子への書き込み動作時における積層フェリ自由層における各層の磁化の方向の変化を示す図である。図１４Ａ〜１４Ｄは、積層フェリ自由層における各層の磁化の方向の変化を示す図である。図１５は、本発明の磁気抵抗素子における積層フェリ自由層のフロップ磁場と飽和磁場との関係を示すグラフである。図１６は、メモリセルの積層フェリ自由層の変形例の断面図である。図１７は、強磁性層同士の間の結合係数と非磁性中間層との関係を示すグラフである。図１８Ａ〜１８Ｃは、第１層、第２層及び第３層の間の磁化の向きとエネルギーとの関係を説明する図である。

以下、本発明の磁気抵抗素子及び磁気ランダムアクセスメモリを、添付図面を参照して詳細に説明する。
まず、本発明の実施例による磁気抵抗素子を適用した磁気ランダムアクセスメモリの構成について説明する。図５は、本発明の実施例による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の構成を示すブロック図である。ＭＲＡＭは、メモリセルアレイ３１、複数の書き込みワード線２６、複数の読み出しワード線２５、複数のビット線２７、Ｘ側セレクタ３８、Ｘ側電流源回路３９、Ｘ側終端回路４０、Ｙ側セレクタ４１、Ｙ側電流源回路４２、読み出し電流負荷回路４３、Ｙ側電流終端回路４４及びセンスアンプ４５を具備する。

メモリセルアレイ３１では、複数のメモリセル１０がマトリクスに配列されている。Ｘ側セレクタ３８は、Ｘ軸方向に延設された複数の読み出しワード線２５及び複数の書き込みワード線２６から、読み出し動作時には所望の選択読み出しワード線２５ｓを、書き込み動作時には所望の選択書き込みワード線２６ｓを選択する。Ｘ側電流源回路３９は、書き込み動作時に、定電流を供給する。Ｘ側電流源終端回路４０は、複数の書き込みワード線２６を終端する。Ｙ側セレクタ４１は、Ｙ軸方向に延設された複数のビット線２７から、所望の選択ビット線２７ｓを選択する。読み出し電流負荷回路４３は、読み出し動作時に、選択されたメモリセル１０（選択セル１０ｓ）とリファレンスセル用のメモリセル１０ｒ（リファレンスセル）とに所定の電流を供給する。Ｙ側電流終端回路４４は、複数のビット線２７を終端する。センスアンプ４５は、リファレンスセル１０ｒにつながるリファレンス用のビット線２７ｒの電圧と、選択セル１０ｓにつながるビット線２７の電圧との差に基づいて、選択セル１０ｓのデータを出力する。

各メモリセル１０は、読み出しワード線２５及び書き込みワード線２６と、ビット線２７との交点に対応して設けられている。メモリセル１０は、読み出しワード線２５に接続されたＭＯＳトランジスタ３６と、磁気抵抗素子５とを含み、それらが直列に接続されている。磁気抵抗素子５は、データが“１”と“０”とで実効的な抵抗値が変わる（ＲとＲ＋ΔＲ）ので、可変抵抗器で示されている。

メモリセル１０からのデータの読み出しは、以下のように行われる。なお、添え字のｓは、選択されたことを示す。
Ｘ側セレクタ３８で選択された選択読み出しワード線２５ｓと、Ｙ側セレクタで選択された選択ビット線２７ｓとの交点に対応する選択セル１０ｓの磁気抵抗素子５へ、読み出し電流負荷回路４３から定電流が供給される。これにより、選択ビット線２７ｓが、磁気抵抗素子５の積層フェリ自由層１１１の状態に対応した電圧となる。一方、ビット線２７ｒと選択読み出しワード線２５ｓとで選択されるリファレンスセル１０ｒへも、同様に定電流が供給される。こうして、ビット線２７ｒが、所定のリファレンス電圧となる。センスアンプ１１５は、両電圧の大きさを比較して選択セル１０ｓのデータを判定する。例えば、選択ビット線２７ｓの電圧が、リファレンス電圧よりも大きければデータは“１”、小さければデータは“０”と判定する。

図６は、図５のＭＲＡＭのメモリセル近傍の断面図である。メモリセル１０の磁気抵抗素子５は、反強磁性層４、積層フェリ固定層３、トンネル絶縁層２及び積層フェリ自由層１がこの順に積層された構造を備えている。積層フェリ固定層３は、積層フェリ構造を有し、強磁性層１６、非強磁性層１５及び強磁性層１４がこの順に積層された構造を含む。積層フェリ自由層１は、積層フェリ構造を有し、強磁性層１３、非磁性層２２、強磁性層１２、非磁性層２１及び強磁性層１１がこの順に積層された構造を含む。磁気抵抗素子５は、互いに概ね直交する書込みワード線２６とビット線２７との間に層間絶縁層（図示されず）を介して設けられている。

図７は、本発明のＭＲＡＭの構造を示す上面図である。磁気抵抗素子５は磁化容易軸がワード線２６とビット線２７とに対して概ね４５度（θ）の方向を向いている。これは、トグル動作を容易にするための配慮によるものである。

図８は、図６のメモリセルの積層フェリ自由層１の断面図である。積層フェリ自由層１は、積層フェリ磁性構造体である。積層フェリ磁性構造体は３層の強磁性層１１、１２、１３を備え、強磁性層１１と強磁性層１２との間に非磁性層２１を、強磁性層１２と強磁性層１３との間に非磁性層２２を含む。非磁性層２１の膜厚は、強磁性層１１と強磁性層１２とが非磁性層２１により反強磁性カップリングするように決められている。同様に、非磁性層２２の膜厚は、強磁性層１２と強磁性層１３とが非磁性層２２により反強磁性カップリングするように決められている。

反強磁性結合のエネルギー及び強磁性層１２の磁化のモーメントの異方性エネルギーが、強磁性層１１の異方性エネルギー及び強磁性層１３の異方性エネルギーと比較して小さいとき、強磁性層１１及び強磁性層１３の磁化方向は、磁化容易軸の方向を向く。強磁性層１１と強磁性層１３の各々が出す磁場によって互いに反強磁性的に結合する（静磁カップリングを行う）。強磁性層１２の磁化方向は、強磁性層１１及び強磁性層１３の磁化方向とは揃うことができないので磁化困難軸方向を向く。すなわち、強磁性層１１の磁化方向−強磁性層１２の磁化方向−強磁性層１３の磁化方向を見ると、磁化方向がらせん状に変化するヘリカル構造になっていることが分かる。

強磁性層１１（第１層）と強磁性層１２（第２層）との間の反強磁性カップリング（第１結合）及び強磁性層１２と強磁性層１３（第３層）との間の反強磁性カップリング（第２結合）は、それぞれ磁化の方向が反平行に結合するとき、安定である。そのため、強磁性層１１（第１層）と強磁性層１３（第３層）とは磁化の方向が同一の方向に向くことが安定である。一方、強磁性層１１（第１層）と強磁性層１３（第３層）との間の静磁カップリング（第３結合）は、強磁性層１１（第１層）と強磁性層１３（第３層）とは磁化の方向が反平行になるように結合するとき安定である。すなわち、第１結合及び第２結合と第３結合とは、それぞれ異なる状態を実現しようとしており、双方の結合は競合している。この競合により、後述のように、トグル動作において、読み出し動作を行うことなく「１」／「０」を書き分けることができる。

図９及び図１０は、ヘリカル構造を有する積層フェリ自由層の安定状態を示す概念図である。３層における各層の磁化の向きがデータの「１」／「０」を区別する。ここでは、強磁性層１２（第２層）の磁化の向きが、時計方向のヘリカル構造（時計方向系）か反時計方向のヘリカル構造（反時計方向系）かを区別している。０磁場では時計方向系でも反時計方向系でもエネルギー的には同じである。鏡写関係にある２つの状態を一般的にカイラリティーとして区別する。図９は、時計方向系を示す。図１０は、反時計方向系を示す。太幅の矢印が強磁性層１１（第１層）の磁化の向き、中幅の矢印が強磁性層１２（第２層）の磁化の向き、細幅の矢印が強磁性層１３（第３層）の磁化の向きをそれぞれ示す。

図９を参照して、図の左側に示す磁化の向きの組み合わせが「１」を表す場合、その組み合わせを時計方向に１８０度回転したものが、図の右側に示す「０」を表す磁化の向きの組み合わせとなる。書き込み動作では、常に時計方向に回転するようにトグル動作をさせる。

図１０を参照して、図の左側に示す磁化の向きの組み合わせが「１」を表す場合、その組み合わせを反時計方向に１８０度回転したものが、図の右側に示す「０」を表す磁化の向きの組み合わせとなる。書き込み動作では、常に反時計方向に回転するようにトグル動作をさせる。

図１１は、選択セルの磁気抵抗素子に印加される磁場を示すグラフである。磁気抵抗素子５は、Ｙ軸に対してθだけ傾けられている。それにより、磁気抵抗素子５（積層フェリ自由層１）の磁化困難軸方向及び磁化容易軸方向の磁場ＨＸ（磁性体）及びＨＹ（磁性体）は、配線（ワード線２６及びビット線２７）のＸ軸方向及びＹ軸方向の磁場ＨＸ（配線）及びＨＹ（配線）に対してθだけ傾けられている。矢印は選択セルに印加される磁場の経路である。

強磁性層１２（第２層）の磁化が小さく、磁場方向を向くことによって得するエネルギーが小さい場合、フロップ磁場以上に磁場をかけても、カイラリティーは保存される。その場合、磁場を時計方向に変化させたときの時計方向系の「１」（図９左側）のフロップ磁場Ｐ１と、磁場を反時計方向に変化させたときの時計方向系の「１」のフロップ磁場Ｐ２とは異なる値となる。このように、「０」／「１」の値とカイラリティとによって、フロップ磁場が分裂する状況を図１２、１３で説明する。

図１２Ａ〜１２Ｇは、磁気抵抗素子への書き込み動作時における積層フェリ自由層における各層の磁化の方向の変化を示す図である。図１２Ａは、ビット線２７に流れる書き込み電流ＩＢＬのタイミングチャートである。図１２Ｂは、ワード線２６に流れる書き込み電流ＩＷＬのタイミングチャートである。図１２Ｃは、書き込み電流ＩＢＬと書き込み電流ＩＷＬとにより発生する磁場の方向の時間変化である。図１２Ｄは、「１」を格納する時計方向系の積層フェリ自由層（図９左側）に「０」を格納する場合の強磁性層１１（第１層）〜強磁性層１３（第３層）の磁化の向きの変化を示す。図１２Ｅは、「０」を格納する時計方向系の積層フェリ自由層（図９右側）に「０」を格納する場合の強磁性層１１（第１層）〜強磁性層１３（第３層）の磁化の向きの変化を示す。図１２Ｆは、「１」を格納する反時計方向系の積層フェリ自由層（図１０左側）に「１」を格納する場合の強磁性層１１（第１層）〜強磁性層１３（第３層）の磁化の向きの変化を示す。図１２Ｇは、「０」を格納する反時計方向系の積層フェリ自由層（図１０右側）に「１」を格納する場合の強磁性層１１（第１層）〜強磁性層１３（第３層）の磁化の向きの変化を示す。図１２Ｄ〜図１２Ｇにおいて、太幅の長い矢印が第１層（強磁性層１１）の磁化の向き、中幅の短い矢印が第２層（強磁性層１２）の磁化の向き、細幅の長い矢印が第３層（強磁性層１３）の磁化の向きをそれぞれ示す。図１２Ａ、１２Ｂに示されるように、書き込み電流ＩＷＬを先に流す場合を示している。

図１２Ｄを参照して、時計方向系の「１」では、４５度方向（図中下向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ２〜ｔ３）、第２層と第１層とが成す角、及び、第２層と第３層とが成す角は広がる。第１層と第３層とが成す角α１がある程度小さくなった状態（時間：ｔ３）において、磁化容易軸に概ね平行な方向に磁場をかけたとき（時間：ｔ３〜ｔ４）、第１層の磁化の方向が磁化困難軸を超える。さらに、４５度方向（図中上向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ４〜ｔ５）、第３層の磁化の方向が磁化困難軸を超える。それにより、積層フェリ自由層の磁化は回転し、「０」の状態になる。すなわち、「１」を格納する時計方向系の積層フェリ自由層（図９左側）に「０」が格納される。

一方、図１２Ｅを参照して、時計方向系の「０」では、４５度方向（図中下向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ２〜ｔ３）、第２層と第１層とが成す角、及び、第２層と第３層とが成す角は小さくなる。第１層と第３層とが成す角α２がある程度大きくなった状態（時間：ｔ３）において、磁化容易軸に概ね平行な方向に磁場をかけたとき（時間：ｔ３〜ｔ４）、第１層及び第３層の磁化の方向が概ね元に戻る。さらに、４５度方向（図中上向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ４〜ｔ５）、第１層及び第３層の磁化の方向が多少動くが、結局磁場がなくなる時点（時間：ｔ５）で元に戻る。それにより、積層フェリ自由層の磁化は回転せず、元の「０」の状態を維持する。すなわち、「０」を格納する時計方向系の積層フェリ自由層（図９右側）に「０」が格納される。

図１２Ｆを参照して、反時計方向系の「１」では、４５度方向（図中下向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ２〜ｔ３）、第２層と第１層とが成す角、及び、第２層と第３層とが成す角は小さくなる。第１層と第３層とが成す角β１がある程度大きくなった状態（時間：ｔ３）において、磁化容易軸に概ね平行な方向に磁場をかけたとき（時間：ｔ３〜ｔ４）、第１層及び第３層の磁化の方向が概ね元に戻る。さらに、４５度方向（図中上向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ４〜ｔ５）、第１層及び第３層の磁化の方向が多少動くが、結局磁場がなくなる時点（時間：ｔ５）で元に戻る。それにより、積層フェリ自由層の磁化は回転せず、元の「１」の状態を維持する。すなわち、「１」を格納する反時計方向系の積層フェリ自由層（図１０左側）に「１」が格納される。

一方、図１２Ｇを参照して、反時計方向系の「０」では、４５度方向（図中下向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ２〜ｔ３）、第２層と第１層とが成す角、及び、第２層と第３層とが成す角は広がる。第１層と第３層とが成す角β２がある程度小さくなった状態（時間：ｔ３）において、磁化容易軸に概ね平行な方向に磁場をかけたとき（時間：ｔ３〜ｔ４）、第３層の磁化の方向が磁化困難軸を超える。さらに、４５度方向（図中上向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ４〜ｔ５）、第１層の磁化の方向が磁化困難軸を超える。それにより、積層フェリ自由層の磁化は回転し、「１」の状態になる。すなわち、「０」を格納する反時計方向系の積層フェリ自由層（図１０右側）に「１」が格納される。

図１３Ａ〜１３Ｇは、磁気抵抗素子への書き込み動作時における積層フェリ自由層における各層の磁化の方向の変化を示す図である。図１３Ａは、ビット線２７に流れる書き込み電流ＩＢＬのタイミングチャートである。図１３Ｂは、ワード線２６に流れる書き込み電流ＩＷＬのタイミングチャートである。図１３Ｃは、書き込み電流ＩＢＬと書き込み電流ＩＷＬとにより発生する磁場の方向の時間変化である。図１３Ｄは、「１」を格納する時計方向系の積層フェリ自由層（図９左側）に「１」を格納する場合の第１層〜第３層の磁化の向きの変化を示す。図１３Ｅは、「０」を格納する時計方向系の積層フェリ自由層（図９右側）に「１」を格納する場合の第１層〜第３層の磁化の向きの変化を示す。図１３Ｆは、「１」を格納する反時計方向系の積層フェリ自由層（図１０左側）に「０」を格納する場合の第１層〜第３層の磁化の向きの変化を示す。図１３Ｇは、「０」を格納する反時計方向系の積層フェリ自由層（図１０右側）に「０」を格納する場合の第１層〜第３層の磁化の向きの変化を示す。Ｄ〜Ｇにおいて、太幅の長い矢印が第１層（強磁性層１１）の磁化の向き、中幅の短い矢印が第２層（強磁性層１２）の磁化の向き、細幅の長い矢印が第３層（強磁性層１３）の磁化の向きをそれぞれ示す。図１３Ａ、１３Ｂに示されるように、書き込み電流ＩＢＬを先に流す場合を示している。

図１３Ｄを参照して、時計方向系の「１」では、４５度方向（図中上向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ２〜ｔ３）、第２層と第１層とが成す角、及び、第２層と第３層とが成す角は小さくなる。第１層と第３層とが成す角α３がある程度大きくなった状態（時間：ｔ３）において、磁化容易軸に概ね平行な方向に磁場をかけたとき（時間：ｔ３〜ｔ４）、第１層及び第３層の磁化の方向が元に戻る。さらに、４５度方向（図中下向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ４〜ｔ５）、第１層の磁化の方向が多少動くが、結局磁場がなくなる時点（時間：ｔ５）で元に戻る。それにより、積層フェリ自由層の磁化は回転せず、元の「１」の状態を維持する。すなわち、「１」を格納する時計方向系の積層フェリ自由層（図９左側）に「１」が格納される。

一方、図１３Ｅを参照して、時計方向系の「０」では、４５度方向（図中上向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ２〜ｔ３）、第２層と第１層とが成す角、及び、第２層と第３層とが成す角は広がる。第１層と第３層とが成す角α４がある程度小さくなった状態（時間：ｔ３）において、磁化容易軸に概ね平行な方向に磁場をかけたとき（時間：ｔ３〜ｔ４）、第３層の磁化の方向が磁化困難軸を超える。さらに、４５度方向（図中下向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ４〜ｔ５）、第１層の磁化の方向が磁化困難軸を超える。それにより、積層フェリ自由層の磁化は回転し、「１」の状態になる。すなわち、「０」を格納する時計方向系の積層フェリ自由層（図９右側）に「１」が格納される。

図１３Ｆを参照して、反時計方向系の「１」では、４５度方向（図中上向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ２〜ｔ３）、第２層と第１層とが成す角、及び、第２層と第３層とが成す角は広がる。第１層と第３層とが成す角β３がある程度小さくなった状態（時間：ｔ３）において、磁化容易軸に概ね平行な方向に磁場をかけたとき（時間：ｔ３〜ｔ４）、第１層の磁化の方向が磁化困難軸を超える。さらに、４５度方向（図中下向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ４〜ｔ５）、第３層の磁化の方向が磁化困難軸を超える。それにより、積層フェリ自由層の磁化は回転し、「０」の状態になる。すなわち、「１」を格納する反時計方向系の積層フェリ自由層（図１０左側）に「０」が格納される。

一方、図１３Ｇを参照して、反時計方向系の「０」では、４５度方向（図中上向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ２〜ｔ３）、第２層と第１層とが成す角、及び、第２層と第３層とが成す角は小さくなる。第１層と第３層とが成す角β４がある程度大きくなった状態（時間：ｔ３）において、磁化容易軸に概ね平行な方向に磁場をかけたとき（時間：ｔ３〜ｔ４）、第１層及び第３層の磁化の方向が元に戻る。さらに、４５度方向（図中下向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ４〜ｔ５）、第３層の磁化の方向が多少動くが、結局磁場がなくなる時点（時間：ｔ５）で元に戻る。それにより、積層フェリ自由層の磁化は回転せず、元の「０」の状態を維持する。すなわち、「０」を格納する反時計方向系の積層フェリ自由層（図１０右側）に「０」が格納される。

すなわち、時計方向系に着目すれば、図１２Ｄ、１２Ｅ、図１３Ｄ、１３Ｅから、磁気抵抗素子の状態が「１」か「０」かに関わらず、書き込み電流ＩＷＬを先に流すことで「０」を書き込むことができ、書き込み電流ＩＢＬを先に流すことで「１」を書き込むことができる。同様に、反時計方向系に着目すれば、図１２Ｆ、１２Ｇ、図１３Ｆ、１３Ｇから、磁気抵抗素子の状態が「１」か「０」かに関わらず、書き込み電流ＩＷＬを先に流すことで「１」を書き込むことができ、書き込み電流ＩＢＬを先に流すことで「０」を書き込むことができる。

したがって、ＭＲＡＭの製造時に、例えば、メモリセルを時計方向系に揃えておけば、「０」を書きたい場合にはワード線に書き込み電流ＩＷＬを先に流して書き込みを行い、「１」を書きたい場合にはビット線に書き込み電流ＩＢＬを先に流して書き込みを行えばよい。このようにすれば、従来技術のトグルＭＲＡＭのような事前の読み出し動作、書き込むか否かの判断を行う必要が生じない。それにより、書き込み速度を向上させることができる。

メモリセル１０へのデータの書き込みは、以下のようにして行う。ただし、メモリセル１０の積層フェリ自由層１は、全て時計方向系又は全て反時計方向系に統一されている。なお、添え字のｓは選択されたことを示す。
Ｘ側セレクタ３８で選択された選択書き込みワード線２６ｓと、Ｙ側セレクタで選択された選択ビット線２７ｓとの交点に対応する選択セル１０ｓの磁気抵抗素子５に対して、書き込むデータ（「１」及び「０」のいずれか）に応じて、書き込み電流ＩＢＬ及び書き込み電流ＩＷＬのいずれか一方を先に流し、他方を所定の時間送れて流す。その後、先に流した電流を先に停止し、後に流した電流を後に停止する。その詳細は図１２Ａから１２Ｇ又は図１３Ａから１３Ｇに示されるとおりである。それにより、書き込むデータ（「１」及び「０」のいずれか）に対応するように、磁気抵抗素子５の積層フェリ自由層１の磁化の向きが維持又は回転して、データが書き込まれる。

本発明により、多重書込みの起き難いトグルＭＲＡＭの特性を保ちつつ、読み出し動作を行うことなく「１」／「０」を書き分けることが可能となる。それにより、読み出し速度が向上させることができる。それにより、より高性能な磁気抵抗素子及び磁気ランダムアクセスメモリを実現することが可能となる。

上記の磁気抵抗素子における積層フェリ自由層１では、第２層の磁化のモーメントの異方性エネルギーが、強磁性層１１（第１層）の異方性エネルギー及び強磁性層１３（第３層）の異方性エネルギーと比較して小さい場合について説明している。しかし、第２層のその異方性エネルギーが大きく、その磁化方向が磁場方向を向くことによって得するエネルギーが大きい場合、フロップ磁場以下の磁場で、カイラリティーは変化する。その場合の動作が図１４Ａから１４Ｄに示される。

図１４Ａ〜１４Ｄは、積層フェリ自由層における各層の磁化の方向の変化を示す図である。図１４Ａは、ワード線２６に流れる書き込み電流ＩＷＬのタイミングチャートである。図１４Ｂは、ビット線２７に流れる書き込み電流ＩＢＬのタイミングチャートである。図１４Ｃは、書き込み電流ＩＢＬと書き込み電流ＩＷＬとにより発生する磁場の方向の時間変化である。図１４Ｄは、「１」を格納する時計方向系（図９左側）及び反時計方向系（図１０左側）の積層フェリ自由層に「１」を格納する場合の第１層〜第３層の磁化の向きの変化を示す。図１４Ｄにおいて、太幅の矢印が第１層（強磁性層１１）の磁化の向き、中幅の矢印が第２層（強磁性層１２）の磁化の向き、細幅の矢印が第３層（強磁性層１３）の磁化の向きをそれぞれ示す。図１４Ａ、１４Ｂに示されるように、書き込み電流ＩＷＬを先に流す場合を示している。

図１４Ｄを参照して、４５度方向（図中上向き）の磁場をかけたとき（時間：ｔ２〜ｔ３）、時計方向系の「１」も反時計方向系の「１」も、第２層の磁化の向きは磁場の方向を向く。第２層と第１層とが成す角、及び、第２層と第３層とが成す角は大きくなる。動作は通常のトグルセルと同じとなり、「１」／「０」の書き分けはできない。したがって、積層フェリ自由層１では、第２層の異方性エネルギーが、第１層の異方性エネルギー及び第３層の異方性エネルギーと比較して小さいことが必要である。

図１５は、本発明の磁気抵抗素子における積層フェリ自由層のフロップ磁場と飽和磁場との関係を示すグラフである。磁気抵抗素子５は、Ｙ軸に対してθだけ傾けられている。それにより、磁気抵抗素子の磁化困難軸方向及び磁化容易軸方向の磁場ＨＸ（磁性体）及びＨＹ（磁性体）は、配線のＸ軸方向及びＹ軸方向の磁場ＨＸ（配線）及びＨＹ（配線）に対してθだけ傾けられている。

本発明の磁気抵抗素子における積層フェリ自由層１は、第２層の影響が、第１層と第３層の角度が小さくなるほど大きくなる。そのため、フロップ磁場が第２層の影響によって大きくなる割合と飽和磁場が第２層の影響によって大きくなる割合とでは後者の方が大きい。したがって、フロップ磁場と飽和磁場の間隔が広くなり、熱擾乱に対するマージンを増やすことができる。そのことについて、図１８を用いて説明する。

図１８Ａ〜１８Ｃは、第１層、第２層及び第３層の間の磁化の向きとエネルギーとの関係を説明する図である。上側が時計方向系、下側が反時計方向系であり、第１層の磁化と第３層の磁化との間の角度が時計方向系と反時計方向系とで同様になる状態を示している。Ａは積層フェリ自由層１に印加される磁場が０の場合、Ｂは積層フェリ自由層１に印加される磁場がフロップ磁場に近い場合、Ｃは積層フェリ自由層１に印加される磁場が飽和磁場の場合をそれぞれ示す。図１８Ａにおいて、第２層がどちらを向いていても、第１層及び第３層と第２層との磁化の向きは直交しているので、エネルギー的には同じである。すなわち、第２層の向きはエネルギー的な影響はない。図１８Ｂにおいて、第１層及び第３層と第２層との磁化の向きは直交からずれるので、第２層の磁化の向きによるエネルギー的な影響が出てくる。ただし、Ｃの飽和状態ほどではない。図１８Ｃにおいて、第２層の磁化の向きは、第１層及び第３層の次回の向きに対して平行又は反平行になる。そのため、第２層の磁化の向きがエネルギーに大きな影響を与える。すなわち、フロップ磁場付近の磁場では、第１層及び第３層の磁化が飽和する磁場と比較して、エネルギーが第２層の磁化の向きには敏感ではない。

本発明により、書き込み用の磁場で合成磁化が飽和に近づくのを防ぎ、上層の強磁性層の磁化と下層の強磁性層の磁化とが熱擾乱で入れ替わる可能性を抑制することが可能となる。それにより、より高い信頼性のある磁気抵抗素子及び磁気ランダムアクセスメモリを、より高い歩留りで製造することが出来る。そして、磁気抵抗素子及び磁気ランダムアクセスメモリをより安価にすることができる。

上記の積層フェリ自由層１は、図８に示しように強磁性層１１（第１層）、非磁性層２１、強磁性層（第２層）１２、非磁性層２２、強磁性層（第３層）１３を有する構成である。しかし、図１５に示す構成であっても良い。

図１６は、メモリセルの積層フェリ自由層１の変形例の断面図である。積層フェリ自由層１は、積層フェリ磁性構造体である。積層フェリ磁性構造体は３層の強磁性層（１１、１２ａ、１３）を備え、第１層（強磁性層１１）第３層（強磁性層１３）との間に、第２層（強磁性層１２ａ）を囲むように非磁性中間層（２３）を含む。このようにすることで、第１層と第３層との間が非磁性層で結合され、第１層と第３層との間についても反強磁性結合とすることができる。強磁性層１１と強磁性層１２ａとの間の非磁性中間層２３の膜厚Ｔ２は、強磁性層１１と強磁性層１２ａとが非磁性層２３により反強磁性結合（反強磁性カップリング）するように決められている。同様に、強磁性層１３と強磁性層１２ａとの間の非磁性中間層２３の膜厚Ｔ２は、強磁性層１３と強磁性層１２ａとが非磁性層２３により反強磁性結合（反強磁性カップリング）するように決められている。更に、強磁性層１１と強磁性層１３との間の非磁性中間層２３の膜厚は、強磁性層１３と強磁性層１１とが非磁性層２３により反強磁性結合（反強磁性カップリング）するように決められている。

図１７は、強磁性層１１、強磁性層１２ａ、強磁性層１３同士の間の結合係数と非磁性中間層との関係を示すグラフである。縦軸は、結合係数であり、強磁性層同士が反強磁性的に結合する場合に正であるように定義されている。横軸は、非磁性中間層２３の膜厚である。結合係数は、非磁性中間層２３の膜厚により、強磁性的と反強磁性的との間を減衰しながら振動する。図に示されるように、強磁性層１１、強磁性層１２ａ、強磁性層１３の距離（非磁性中間層２３の膜厚Ｔ１、Ｔ２）を適度に保つようにすると強磁性層１１−強磁性層１２ａ間、強磁性層１１−強磁性層１３間、強磁性層１２ａ−強磁性層１３間の全てで、反強磁性結合を得ることができる。このように、膜厚Ｔ１、Ｔ２の大きさを制御することにより、図８の場合に比較して、結合の強さをより柔軟に制御することができる。

この場合にも、第１結合及び第２結合と第３結合とは、それぞれ異なる状態を実現しようとしており、双方の結合は競合している。強磁性層１１と強磁性層１２ａとの間の第１結合（反強磁性カップリング）及び強磁性層１２ａと強磁性層１３との間の第２結合（反強磁性カップリング）は、それぞれ磁化の方向が反平行になるように結合することが安定である。そのため、強磁性層１１と強磁性層１３とは磁化の方向が同一の方向に向くことが安定である。一方、強磁性層１１と強磁性層１３との間の第３結合（反強磁性カップリング）は、強磁性層１１と強磁性層１３とは磁化の方向が反平行になるように結合することが安定である。この競合により、上述のように、トグル動作において、読み出し動作を行うことなく「１」／「０」を書き分けることができる。

本発明により、磁気抵抗素子の設計の自由度をより高めることが出来る。それにより、より高い性能、より高い信頼性を獲得することが可能となる。

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

本発明により、多重書込みを無くしつつ、「１」／「０」を書き分けられる。書き込み用の磁場により、合成磁化が飽和に近づくのを防ぎ、上層の強磁性層の磁化と下層の強磁性層の磁化とが熱擾乱で入れ替わる可能性を抑制できる。

Claims

自由層と、
固定層と
前記自由層と前記固定層との間に介設された非磁性層と
を具備し、
前記自由層は、
第１磁性層と、
第２磁性層と、
第３磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に介設された第１非磁性層と、
前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に介設された第２非磁性層と
を備え、
前記第１磁性層と前記第２磁性層は反強磁性結合し、前記第２磁性層と前記第３磁性層は反強磁性結合し、前記第１磁性層と前記第３磁性層は反強磁性結合し、前記第２磁性層の磁化モーメントの異方性エネルギーは、前記第１磁性層と前記第３磁性層の磁化モーメントの異方性エネルギーより小さく、前記第１磁性層と、前記第２磁性層と、前記第３磁性層とは、その磁化方向がらせん状に変化するヘリカル構造となるように磁気的に結合している
磁気抵抗素子。
請求項１に記載の磁気抵抗素子において、
前記第１磁性層の自発磁化の第１方向と前記第２磁性層の自発磁化の第２方向との成す角は実質的に直角であり、前記第１方向と前記第３磁性層の自発磁化の第３方向との成す角は実質的に二直角である
磁気抵抗素子。
請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子において、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間の第１磁気的結合及び前記第２磁性層と前記第３磁性層との間の第２磁気的結合と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間の第３磁気的結合とは、競合している
磁気抵抗素子。
請求項２に記載の磁気抵抗素子において、
前記第１非磁性層と前記第２非磁性層とは、前記第２磁性層の側面で結合して第３非磁性層を形成する
磁気抵抗素子。
第１方向に延伸する複数の第１配線と、
前記第１方向に実質的に垂直な第２方向に延伸する複数の第２配線と、
前記複数の第１配線と前記複数の第２配線とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられた複数のメモリセルと
を具備し、
前記複数のメモリセルの各々は、磁気抵抗素子を備え、
前記磁気抵抗素子は、
自由層と、
固定層と
前記自由層と前記固定層との間に介設された非磁性層と
を具備し、
前記自由層は、
第１磁性層と、
第２磁性層と、
第３磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に介設された第１非磁性層と、
前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に介設された第２非磁性層と
を備え、
前記第１磁性層と前記第２磁性層は反強磁性結合し、前記第２磁性層と前記第３磁性層は反強磁性結合し、前記第１磁性層と前記第３磁性層は反強磁性結合し、前記第２磁性層の磁化モーメントの異方性エネルギーは、前記第１磁性層と前記第３磁性層の磁化モーメントの異方性エネルギーより小さく、前記第１磁性層と、前記第２磁性層と、前記第３磁性層とは、その磁化方向がらせん状に変化するヘリカル構造となるように磁気的に結合し、
前記磁気抵抗素子は、磁化容易軸方向が前記第１方向及び前記第２方向とは異なる
磁気ランダムアクセスメモリ。
請求項５に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁化容易軸方向と前記第１方向とが成す角は、実質的に４５度である
磁気ランダムアクセスメモリ。
請求項５又は６に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記複数の第１配線から選択される選択第１配線と前記複数の第２配線から選択される選択第２配線とに対応する前記メモリセルとしての選択セルについて、書き込み動作は、
書き込む記憶情報に基づいて選択される前記選択第１配線及び前記選択第２配線のうちの一方としての第１電流用配線に第１書き込み電流を供給し、次に、他方としての第２電流用配線に第２書き込み電流を供給し、その後、前記第１書き込み電流を停止し、次に、前記第２書き込み電流を停止することで実行される
磁気ランダムアクセスメモリ。
請求項５又は６に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記複数の第２配線としての複数のビット線から選択される選択ビット線と、前記複数の第１配線としての複数のワード線から選択される選択ワード線とに対応するメモリセルとしての選択セルについて、書き込み動作は、
書き込み記憶情報に基づいて選択される前記選択ビット線及び前記選択ワード線のうちの一方としての第１電流用配線に第１書き込み電流を供給し、次に、他方としての第２電流用配線に第２書き込み電流を供給し、その後、前記第１書き込み電流を停止し、次に、前記第２書き込み電流を停止することで実行される
磁気ランダムアクセスメモリ。
第１方向に延伸する第１配線と、
前記第１方向に実質的に直交する第２方向に延伸する第２配線と、
前記第１配線と前記第２配線とが交差する位置に、前記第１配線と前記第２配線との間に設けられ、磁気抵抗素子を具備するメモリセルと、
前記第１配線と前記第２配線に電流をそれぞれ供給する電流供給部と
を具備し、
前記磁気抵抗素子は、
自由層と、
固定層と
前記自由層と前記固定層との間に介設された非磁性層と
を具備し、
前記自由層は、
第１磁性層と、
第２磁性層と、
第３磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に介設された第１非磁性層と、
前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に介設された第２非磁性層と
を備え、
前記第１磁性層と前記第２磁性層は反強磁性結合し、前記第２磁性層と前記第３磁性層は反強磁性結合し、前記第１磁性層と前記第３磁性層は反強磁性結合し、前記第２磁性層の磁化モーメントの異方性エネルギーは、前記第１磁性層と前記第３磁性層の磁化モーメントの異方性エネルギーより小さく、前記第１磁性層と、前記第２磁性層と、前記第３磁性層は、その磁化方向がらせん状に変化するヘリカル構造となるように磁気的に結合されていて、
前記電流供給部は、前記メモリセルに書き込まれるデータに従って、前記第１配線と前記第２配線のうちの一方に第１電流の供給を開始し、前記第１電流が供給されている間に前記第１配線と前記第２配線のうちの他方に第２電流に供給を開始し、前記第２電流が供給されている間に前記第１電流の供給を停止し、前記第１電流の供給が停止された後前記第２電流の供給を停止する
磁気ランダムアクセスメモリ。
請求項９に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気抵抗素子と、磁化容易軸方向が前記第１方向及び前記第２方向とは異なり、
前記磁化容易軸方向と、前記第１方向とが成す角は、実質的に４５度である
磁気ランダムアクセスメモリ。
請求項１０に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記第１磁性層の自発磁化の第１方向と前記第２磁性層の自発磁化の第２方向との成す角は実質的に直角であり、前記第１方向と前記第３磁性層の自発磁化の第３方向との成す角は実質的に二直角である
磁気ランダムアクセスメモリ。
請求項９乃至１１のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間の第１磁気的結合及び前記第２磁性層と前記第３磁性層との間の第２磁気的結合と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間の第３磁気的結合とは、競合している
磁気ランダムアクセスメモリ。
請求項１１に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記第１非磁性層と前記第２非磁性層とは、前記第２磁性層の側面で結合して第３非磁性層を形成する
磁気ランダムアクセスメモリ。
第１方向に延伸する第１配線と、
前記第１方向に実質的に直交する第２方向に延伸する第２配線と、
前記第１配線と前記第２配線とが交差する位置に、前記第１配線と前記第２配線との間に設けられ、磁気抵抗素子を具備するメモリセルと、
前記第１配線と前記第２配線に電流を供給することにより前記メモリセルに回転磁場を印加する磁界印加部と
を具備し、
前記磁気抵抗素子は、自由層と、固定層と前記自由層と前記固定層との間に介設された非磁性層とを具備し、
前記自由層は、
第３方向の自発磁化を有する第１磁性層と、
前記第３方向と直交する方向の自発磁化を有し、前記第１磁性層と反強磁性的に結合された第２磁性層と、
前記第３方向と反対方向の自発磁化を有し、前記第１と第２磁性層と反強磁性的に結合された第３磁性層と
を備え、
前記第２磁性層の磁化モーメントの異方性エネルギーは、前記第１磁性層と前記第３磁性層の磁化モーメントの異方性エネルギーより小さく、
前記磁界印加部は、前記メモリセルに書き込まれるデータに従って、時計方向に回転する磁場と反時計方向に回転する磁場との一方を前記メモリセルに印加する
磁気ランダムアクセスメモリ。
請求項１４に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気抵抗素子は、磁化容易軸方向が前記第１方向及び前記第２方向とは異なり、
前記磁化容易軸方向と、前記第１方向とが成す角は、実質的に４５度である
磁気ランダムアクセスメモリ。