JP4899347B2

JP4899347B2 - 磁気メモリ

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Publication number: JP4899347B2
Application number: JP2005160204A
Authority: JP
Inventors: 進原谷
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: JP2006339292A

Description

本発明は、磁気メモリに関する。

ＭＲＡＭ（Magnetic RandomAccess Memory）は、格子状に配線されたビット線とワード線の交点にＴＭＲ素子（TMR；Tunnel Magnetoresistance）を配置した構造を有する。ＴＭＲ素子は、２つの強磁性層間に非磁性層を有する強磁性層／非磁性絶縁層／強磁性層の三層構造からなる。強磁性層は、通常は厚さ１０ｎｍ以下の遷移金属磁性元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）又は遷移金属磁性元素の合金（ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＮｉＦｅ等）からなり、非磁性絶縁層は、Ａｌ_２Ｏ_３やＭｇＯ等からなる。
ＴＭＲ素子を構成する一方の強磁性層（固定層）は、磁化の向きを固定しており、他方の強磁性層（感磁層又は自由層）は磁化の向きが外部磁界に応じて回転する。なお、固定層の構造としては、反強磁性層（ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ等）を一方の強磁性層に付与した交換結合型が良く用いられる。
メモリ情報の「１」、「０」は、ＴＭＲ素子を構成する２つの強磁性体の磁化の向きの状態に応じて、すなわち、磁化の方向が平行であるか、反平行であるかに依存して規定される。これら２つの強磁性体の磁化の向きが反平行の時、磁化の向きが平行の時に比べて、厚み方向の電気抵抗の値が大きい。
したがって、「１」、「０」の情報の読出しは、ＴＭＲ素子の厚み方向に電流を流し、ＭＲ（磁気抵抗）効果によるＴＭＲ素子の抵抗値又は電流値を測定することで行う。
「１」、「０」の情報の書き込みは、ＴＭＲ素子近傍に配置した配線に電流を流すことで形成される磁界の作用によって、ＴＭＲ素子の自由層の磁化の向きを回転させることで行う。
このような磁気メモリに磁気ヨークを用いたものが知られており（例えば、下記特許文献１）、かかる構造の磁気メモリによれば、書き込み電流を低減することができる。
特開２００４−１２８４３０号公報

しかしながら、自由層は固定層が形成する静磁界内に位置しており、自由層は、この静磁界と、情報書き込み時に書き込み配線及び磁気ヨークが形成する情報書き込み用磁界との合成磁界によって、磁化の向きが変更される。

すなわち、固定層は一方向の静磁界を与えているので、この静磁界を与える磁力線の向きと、自由層の磁化の向きの変更に要する情報書き込み用磁界を与える磁力線の向きとが、自由層の位置において等しい場合には、情報書き込み用磁界の大きさは小さくて済み、逆の場合には、情報書き込み用磁界の大きさは相対的に大きくなる。

すなわち、自由層の磁化の向きの変更に必要な書き込み電流の大きさは、この書き込み電流の流れる向きに依存して異なることになる。書き込み電流は、正負いずれの向きに流す場合においても、大きさを等しくすることが合理的であるため、書き込み電流の大きさは、相対的に大きな方の値を採用することとなる。このように、書き込み電流の低減には改善の余地がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、書き込み電流を低減可能な磁気メモリを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る磁気メモリは、二次元配列した複数の記憶領域を備えた磁気メモリにおいて、複数の記憶領域のそれぞれは、下地基板上に設けられ、感磁層と固定層との間に非磁性層を有する磁気抵抗効果素子と書き込み配線の周囲に、書き込み配線上に形成された絶縁層を介して設けられ、感磁層に与える磁力線を発生する磁気ヨークと、磁気抵抗効果素子に電気的に接続された読み出し配線と、を備え、磁気ヨークは、下地基板上に形成された一対の下部磁気ヨークと、下部磁気ヨークから立設した一対の側部磁気ヨークと、一対の側部磁気ヨークの上部間を接続する上部磁気ヨークと、を備え、書き込み配線の周囲を囲むように環状をなし、磁気抵抗効果素子は、一対の前記下部磁気ヨーク間に位置しており、感磁層の位置における前記固定層が発生した静磁界を相殺するように、磁気ヨークの内側であって、一対の下部磁気ヨーク上の側部磁気ヨークの形成されていない領域上に、永久磁石層を設け、永久磁石層からの磁界の向きは、感磁層の位置において、固定層の静磁界の向きと逆向きとなるよう配置されている。

書き込み配線に通電を行うと、書き込み配線の長手方向を囲む方向に磁力線が発生し、磁気ヨークを介して磁力線が感磁層に与えられる。磁気ヨークは、書き込み配線の周囲を囲んでいるので、隣接素子への磁束の漏れを抑制し、また、感磁層内の磁束密度を増加させる機能を有する。したがって、書き込み配線に流れる電流は、磁気ヨークが無い場合と比較して小さくなる。読み出し配線には、磁気抵抗効果素子からの電流が流れるので、また、この電流量（抵抗値）は感磁層の磁化の向きに依存するので、読み出し配線を介して記憶されたデータを読み出すことができる。

ここで、磁気ヨークに設けられた永久磁石層が形成する静磁界は、固定層が形成する静磁界を、感磁層の位置において相殺する。すなわち、合成磁界の大きさが零となる。したがって、書き込み電流を正方向に流すことにより感磁層の磁化の向きを変更する場合（正変更とする）の書き込み電流の大きさと、書き込み電流を負方向に流すことにより感磁層の磁化の向きを変更する場合（負変更とする）の書き込み電流の大きさは、等しくすることができる。すなわち、永久磁石層が無い場合と比較して、磁化の向きの正変更、負変更の双方の場合に必要な書き込み電流の大きさを減少させることができる。

なお、感磁層の位置における合成磁界の相殺とは、完全な相殺であることが好ましいが、感磁層の位置における上記双方の静磁界の向きが逆であれば、部分的な相殺であっても一定の効果を奏する。

また、永久磁石層は、磁気ヨークの磁気抵抗効果素子に隣接する部分の感磁層側に設けられていることが好ましい。

この場合、永久磁石層に隣接する感磁層が、固定層の静磁界と共に永久磁石層の静磁界内に容易に位置するため、効果的に磁界の相殺を行うことができる。なお、永久磁石層の形成する静磁界は、感磁層に対して直接的に、又は磁気ヨークを介して間接的に働く。

また、永久磁石層における書き込み配線の長手方向の寸法は、磁気抵抗効果素子における書き込み配線の長手方向の寸法よりも大きいことを特徴とする。

永久磁石層から発生する磁力線の向きは、長手方向の中央部では揃い、両端部では発散する傾向にある。したがって、永久磁石層の書き込み配線の長手方向の寸法を、磁気抵抗効果素子の書き込み配線の長手方向の寸法よりも大きくすることにより、感磁層を上記中央部に位置させることができ、固定層の形成する静磁界を空間的に高い均一性で相殺することができる。

また、本発明の磁気メモリは、磁気ヨークと永久磁石層との間に介在するスペーサ層を備えることが好ましい。なお、スペーサ層は、非磁性体からなる。すなわち、永久磁石層の発生する静磁界の感磁層の位置における強度、および磁気ヨークに与える磁界強度は、スペーサ層の厚みによって調整することができるため、より精密且つ容易に磁界相殺を行うことができる。

永久磁石層は、磁気ヨークと、この磁気ヨークがその上に形成される下地基板との間に介在していてもよい。すなわち、この磁気メモリは、二次元配列した複数の記憶領域を備えた磁気メモリにおいて、前記複数の記憶領域のそれぞれは、下地基板上に設けられ、感磁層と固定層との間に非磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、書き込み配線の周囲に、前記書き込み配線上に形成された絶縁層を介して設けられ、前記感磁層に与える磁力線を発生する磁気ヨークと、前記磁気抵抗効果素子に電気的に接続された読み出し配線と、を備え、前記磁気ヨークは、前記下地基板上に形成された一対の下部磁気ヨークと、前記下部磁気ヨークから立設した一対の側部磁気ヨークと、一対の前記側部磁気ヨークの上部間を接続する上部磁気ヨークと、を備え、前記書き込み配線の周囲を囲むように環状をなし、前記磁気抵抗効果素子は、一対の前記下部磁気ヨーク間に位置しており、前記感磁層の位置における前記固定層が発生した静磁界を相殺する方向に、前記磁気ヨークに永久磁石層を設け、前記永久磁石層は、前記磁気ヨークと、この磁気ヨークの前記下部磁気ヨークがその上に形成される前記下地基板との間に介在しており、前記永久磁石層からの磁界の向きは、前記感磁層の位置において、前記固定層の静磁界の向きと逆向きとなるよう配置されている。

この場合、永久磁石層上に磁気ヨークが位置することとなるが、永久磁石層から発生する磁力線は磁気ヨークを介して、固定層からの磁力線とは逆向きに感磁層内を通ることとなる。かかる構成においても、上記双方の静磁界を相殺することができる。

また、本発明に係る磁気メモリは、二次元配列した複数の記憶領域を備えた磁気メモリにおいて、複数の記憶領域のそれぞれは、下地基板上に設けられ、感磁層と固定層との間に非磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、書き込み配線の周囲に、書き込み配線上に形成された絶縁層を介して設けられ、感磁層に与える磁力線を発生する磁気ヨークと、磁気抵抗効果素子に電気的に接続された読み出し配線とを備え、磁気ヨークは、下地基板上に形成された一対の下部磁気ヨークと、下部磁気ヨークから立設した一対の側部磁気ヨークと、一対の側部磁気ヨークの上部間を接続する上部磁気ヨークと、を備え、書き込み配線の周囲を囲むように環状をなし、磁気抵抗効果素子は、一対の前記下部磁気ヨーク間に位置しており、感磁層の位置における前記固定層が発生した静磁界を相殺するように、磁気ヨークの内側であって、一対の下部磁気ヨーク上の側部磁気ヨークの形成されていない領域上に、反強磁性層を設けたことを特徴とする。

すなわち、この磁気メモリは、上記永久磁石層に代えて、反強磁性層を磁気ヨークに設けたものである。磁気ヨークは、軟磁性の強磁性体からなるため、磁気ヨークに反強磁性層を接合した場合には、これらは交換結合するため、全体として永久磁石層と同様に機能する。すなわち、この擬似的な永久磁石層は、上記の永久磁石層と同様に機能する。

この反強磁性層が、磁気ヨークの磁気抵抗効果素子に隣接する部分の感磁層側に設けられている場合、反強磁性層が磁気ヨークと共に形成する擬似的な永久磁石層に隣接する感磁層が、固定層の静磁界と共に擬似的な永久磁石層の静磁界内に容易に位置するため、効果的に磁界の相殺を行うことができる。なお、擬似的な永久磁石層の形成する静磁界は、感磁層に対して直接的に、又は磁気ヨークを介して間接的に働く。

また、上記と同様に、反強磁性層の書き込み配線の長手方向の寸法は、磁気抵抗効果素子の書き込み配線の長手方向の寸法よりも大きいことが好ましい。この場合、擬似的な永久磁石層の書き込み配線の長手方向の寸法を、磁気抵抗効果素子の書き込み配線の長手方向の寸法よりも大きくすることにより、感磁層を上記中央部に位置させることができ、固定層の形成する静磁界を空間的に高い均一性で相殺することができる。

また、反強磁性層は、磁気ヨークと、この磁気ヨークがその上に形成される下地基板との間に介在していることとしてもよい。すなわち、この磁気メモリは、二次元配列した複数の記憶領域を備えた磁気メモリにおいて、前記複数の記憶領域のそれぞれは、下地基板上に設けられ、感磁層と固定層との間に非磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、書き込み配線の周囲に、前記書き込み配線上に形成された絶縁層を介して設けられ、前記感磁層に与える磁力線を発生する磁気ヨークと、前記磁気抵抗効果素子に電気的に接続された読み出し配線と、を備え、前記磁気ヨークは、前記下地基板上に形成された一対の下部磁気ヨークと、前記下部磁気ヨークから立設した一対の側部磁気ヨークと、一対の前記側部磁気ヨークの上部間を接続する上部磁気ヨークと、を備え、前記書き込み配線の周囲を囲むように環状をなし、前記磁気抵抗効果素子は、一対の前記下部磁気ヨーク間に位置しており、前記感磁層の位置における前記固定層が発生した静磁界を相殺する方向に、前記磁気ヨークに反強磁性層を設け、前記反強磁性層は、前記磁気ヨークと、この磁気ヨークの前記下部磁気ヨークがその上に形成される下地基板との間に介在していること特徴とする。この場合、反強磁性層と磁気ヨークが結合してなる擬似的な永久磁石層上に、磁気ヨークが位置することとなるが、この擬似的な永久磁石層から発生する磁力線は磁気ヨークを介して、固定層からの磁力線とは逆向きに感磁層内を通ることとなる。かかる構成においても、上記双方の静磁界を相殺することができる。

本発明の磁気メモリによれば、書き込み電流を低減することができる。

以下、実施の形態に係る磁気メモリについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、磁気メモリの斜視図（ａ）、磁気抵抗効果素子の縦断面図（磁化の向き平行時）（ｂ）、磁気抵抗効果素子の縦断面図（磁化の向き反平行時）（ｃ）である。

図１（ａ）に示すように、磁気メモリ１は、二次元配列した複数の記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）を備えている。Ｘ＝１〜ｍ、Ｙ＝１〜ｎとする（ｍ、ｎは２以上の整数）。複数の記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）のそれぞれは、感磁層２と固定層４との間に非磁性層３を有する磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）５を備えている。

ＴＭＲ素子５の上方には、書き込み配線６が配置されており、ＴＭＲ素子の厚み方向の上下面には読み出し配線７が接続されている。書き込み配線６の周囲には磁気ヨーク８が配置されており、磁気ヨーク８は感磁層２に与える磁力線を発生する。

「１」、「０」の情報の書き込みは、ＴＭＲ素子５の近傍に配置した書き込み配線６に電流を流すことで形成される磁界の作用によって、ＴＭＲ素子５の感磁層２の磁化の向きを回転させることで行う。すなわち、書き込み配線６に電流Ｉ_Ｗを通電すると、書き込み配線６の長手方向を囲む方向に磁力線が発生し、磁気ヨーク８を介して磁力線が感磁層２に与えられる。この磁力線の向きは磁気ヨーク８と共に一点鎖線矢印で示す。例えば、正方向に電流Ｉ_Ｗを流した場合には「１」が記録され、負方向に電流Ｉ_Ｗを流した場合には「０」が記録されるものとする。

磁気ヨーク８は、書き込み配線６の周囲を囲んでいるので、隣接素子への磁束の漏れを抑制し、また、感磁層２内の磁束密度を増加させる。したがって、書き込み配線６に流れる電流Ｉ_Ｗは、磁気ヨーク８が無い場合と比較して小さくなる。読み出し配線７には、ＴＭＲ素子５からの電流が流れる。また、この電流Ｉ_Ｒの電流量（ＴＭＲ素子５の抵抗値）は感磁層２の磁化の向きに依存する。したがって、読み出し配線７を介してＴＭＲ素子５に記憶されたデータを読み出すことができる。

メモリ情報の「１」、「０」は、ＴＭＲ素子５を構成する感磁層２と固定層４の磁化の向きの状態に応じて、すなわち、磁化の方向が平行であるか（図１（ｂ））、反平行であるか（図１（ｃ））に依存して規定される。感磁層２と固定層４の磁化の向きが反平行の時（図１（ｃ））、磁化の向きが平行の時に比べて（図１（ｂ））、厚み方向の電気抵抗Ｒの値が大きい。換言すれば、平行時の抵抗Ｒは閾値Ｒ_０以下であり、反平行時の抵抗Ｒは閾値Ｒ_０よりも大きくなる。

したがって、「１」、「０」の情報の読出しは、ＴＭＲ素子５の厚み方向に電流Ｉ_Ｒを流し、ＭＲ（磁気抵抗）効果によるＴＭＲ素子５の抵抗値又は電流値を測定することで行う。

磁気メモリ１においては、格子状にビット線ＢＬとワード線ＷＬが設けられている。ワード線ＷＬの電位を上昇させると、読出し配線７に設けられたトランジスタＱＲ（Ｘ，Ｙ）のゲート電位が上昇し、この状態でビット線ＢＬの電位を上昇させると、読出し電流Ｉ_Ｒが読出し配線７を介してＴＭＲ素子５を厚み方向に流れる。読出しのアドレス（Ｘ，Ｙ）を指定した場合、ワード線ＷＬとビット線ＢＬの双方の電位を上昇させることで、このアドレス（Ｘ，Ｙ）の記録情報を読み出すことができる。

なお、読出し配線７に接続されたワード線ＷＬ、ビット線ＢＬ、トランジスタと同様の関係で、書き込み配線６にワード線、ビット線、トランジスタを接続することができ、データの書き込みアドレス（Ｘ，Ｙ）を指定することができる。一例を図２に示す。

図２は、記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）内の回路図である。

本例では、書き込み配線６に、読出し配線７とは独立に、ビット線ＢＬ’が接続され、書き込み配線６に対して直列にトランジスタＱＷ（Ｘ，Ｙ）が接続されている。このトランジスタＱＷ（Ｘ，Ｙ）のゲートには、読出し配線７とは独立にワード線ＷＬ’が接続されており、書き込みアドレス（Ｘ，Ｙ）を指定した場合には、ワード線ＷＬ’とビット線ＢＬ’の双方の電位を正方向又は負方向に上昇させることにより、アドレス（Ｘ，Ｙ）のＴＭＲ素子５に「１」、「０」のデータを書き込むことができる。

なお、本例では、書き込み配線６に流す電流Ｉ_Ｗのアドレス（Ｘ，Ｙ）は、読出し配線７に流す電流Ｉ_Ｒのアドレス（Ｘ，Ｙ）とは独立に指定する回路を示しているが、ワード線、ビット線、トランジスタは、設計に応じていずれかを共通とすることができる。例えば、ビット線ＢＬとビット線ＢＬ’を共通のビット線としても、データの読出しと書き込みのタイミングが異なれば、本回路は機能する。

図３は、感磁層２の磁気ヒステリシス曲線を示すグラフである。縦軸は磁束密度Ｂ（Ｔ：テスラ）を示し、横軸は外部磁界Ｈ（Ａ／ｍ）を示す。

保磁力Ｈｃが大きい物質は硬磁性材料（永久磁石）であるが、感磁層２は高い透磁率を有するが保磁力Ｈｃは小さい軟磁性材料からなる。書き込み電流Ｉ_Ｗを増加させると、外部磁界Ｈが強くなり、磁束密度Ｂが増加して、磁界Ｈｍにおいて飽和磁束密度Ｂｍに到達する。磁束密度Ｂが飽和した後、外部磁界を無くしても残留磁束密度Ｂｒが残り、これを打ち消すためには保磁力Ｈｃが必要となる。

感磁層２は、固定層４の形成する磁界内に配置されているので、常に一定の磁界Ｈ_β内に配置されている。すなわち、固定層４が存在する場合、感磁層２の磁気ヒステリシス曲線は原点Ｏを通る縦軸に対して非対称となり（オフセット）、曲線Ｌ_ＯＬＤで示される。

そこで、本磁気センサでは、感磁層２の位置における固定層４が発生した静磁界Ｈ_βを相殺するように、磁気ヨーク８に永久磁石層９（図５参照）を設け、オフセット成分を除去することとした（曲線Ｌ_ＮＥＷ）。

磁気ヨーク８に設けられた永久磁石層９が形成する静磁界Ｈ_αは、固定層４が形成する静磁界Ｈ_βを、感磁層２の位置において相殺する。すなわち、合成磁界（Ｈ_α＋Ｈ_β）の大きさが零となる。したがって、書き込み電流Ｉ_Ｗを正方向に流すことにより感磁層２の磁化の向きを変更する場合（正変更とする）の書き込み電流Ｉ_Ｗの大きさと、書き込み電流Ｉ_Ｗを負方向に流すことにより感磁層２の磁化の向きを変更する場合（負変更とする）の書き込み電流Ｉ_Ｗの大きさは等しくなる。すなわち、永久磁石層９が無い場合と比較して、磁化の向きの正変更、負変更の双方の場合に必要な書き込み電流Ｉ_Ｗの大きさを減少させることができる。

感磁層２の位置における合成磁界（Ｈ_α＋Ｈ_β）の相殺とは、完全な相殺であることが好ましいが、感磁層２の位置における双方の静磁界（Ｈ_α，Ｈ_β）の向きが逆であれば、部分的な相殺であっても一定の効果を奏する。

図４は、磁気ヨーク８を含む記憶素子の平面図、図５は図４に示した記憶素子のＶ−Ｖ矢印縦断面図である。

磁気ヨーク８の内部には、書き込み配線６が通っている。下地基板１０上には、ＴＭＲ素子５が形成されており、その上方には書き込み配線６が配置されている。なお、ＴＭＲ素子５の上下面には読出し配線（７）に接続される電極が設けられている（図示せず）。

永久磁石層９は、磁気ヨーク８のＴＭＲ素子５に幅方向両側で隣接する２つの部分Ｎの感磁層２側に設けられている。なお、幅方向とは、書き込み配線６の長手方向及び感磁層２の厚み方向の双方に垂直な方向である。永久磁石層９に隣接する感磁層２は、固定層４の静磁界と共に永久磁石層９の静磁界内に容易に位置する。したがって、効果的に上記磁界の相殺を行うことができる。なお、永久磁石層９の形成する静磁界は、感磁層２に対して直接的に、又は磁気ヨーク８を介して間接的に働く。また、ＴＭＲ素子５と書き込み配線６との間には、絶縁材料が介在していてもよい。

磁気ヨーク８は、下部磁気ヨーク８ａを下地基板１０上に形成した後、中央部にマスクをして側部磁気ヨーク８ｂを形成し、マスクを除去して書き込み配線６を形成し、その上に絶縁層を形成した後、この上に上部磁気ヨーク８ｃを堆積すれば形成することができる。なお、下地基板１０上には、磁気ヨーク８の形成前にＴＭＲ素子５を予め形成しておく。

感磁層２の材料としては、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＰｔ、ＣｏＦｅＢなどの強磁性材料を用いることができる。

非磁性絶縁層３の材料としては、例えばＡｌ、Ｚｎ、Ｍｇといった金属の酸化物または窒化物、例えばＡｌ_２Ｏ_３またはＭｇＯが好適である。固定層４の構造としては、反強磁性層を強磁性材料層に付与した交換結合型が良く用いられる。また、反強磁性層の材料としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＮｉＯ、またはこれらのうち任意の組み合わせの材料を用いることができる。

磁気ヨーク８を構成する軟磁性体の強磁性層の材料としては、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｕ（Ｎｉ_０．４Ｆｅ_０．１Ｃｕ_０．５）、ＦｅＺｒＢ（Ｆｅ_０．８１Ｚｒ_０．０７Ｂ_０．１２）、ＦｅＺｒＢＣｕ（Ｆｅ_{０．８７−Ｘ}Ｚｒ_０．０７Ｂ_０．１２Ｃｕ_Ｘ、Ｆｅ_{０．８１−Ｘ}Ｚｒ_０．０７Ｂ_０．１２Ｃｕ_Ｘ（０≦Ｘ≦０．０２））を用いることができる。永久磁石層９には、硬磁性体であるＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＳｍＣｏ、ＮｄＦｅＢを用いることができる。

配線材料としては、Ｃｕ、ＡｕＣｕ、Ｗ等を用いることができる。
なお、磁気ヨーク８の縦断面形状は、書き込み配線６の周囲に位置し、且つ、感磁層２に磁界を提供できるものであれば、同図のような方形環状である必要はなく、円環状や三角形環状であってもよい。

図６は、ＴＭＲ素子５の具体的な断面図である。

固定層４は、反強磁性層４ａと強磁性層（ピンド層）４ｂを積層してなる。強磁性層４ｂ上には、非磁性絶縁層３が形成され、その上に感磁層２を構成する強磁性層２ａ及び強磁性層２ｂが順次積層されている。

本例では、反強磁性層４ａはＩｒＭｎ、強磁性層４ｂはＣｏＦｅ、非磁性絶縁層３はＡｌ２Ｏ_３、強磁性層２ａはＣｏＦｅ、強磁性層２ｂはＮｉＦｅからなる。なお、感磁層２にＣｏを混入するとＭＲ比が向上する。なお、固定層４の磁化の向きは、書き込み配線の長手方向及び厚み方向の双方に垂直な方向に固定されている。

図７は、永久磁石層９の周辺部の斜視図である。

永久磁石層９の書き込み配線６の長手方向の寸法Ｂは、ＴＭＲ素子５の書き込み配線６の長手方向の寸法Ａよりも大きい。永久磁石層９は固定層４と同一の向きに磁化されている。永久磁石層９から発生する磁力線の向きは、永久磁石層９の長手方向の中央部Ｃでは揃い、両端部Ｄでは発散する傾向にある。したがって、永久磁石層９の書き込み配線６の長手方向の寸法Ｂを、ＴＭＲ素子５の寸法Ａよりも大きくすることにより、感磁層２を中央部Ｃに位置させることができる。すなわち、固定層４の形成する静磁界Ｈ_βを静磁界Ｈ_αで以って、空間的に高い均一性で相殺することができる。

また、下地基板１０の表面（基準水平面）から永久磁石層９の厚み方向の中央までの高さＬ１、下地基板１０の表面から感磁層２の厚み方向の中央までの高さＬ２、永久磁石層９と感磁層２との幅方向水平離隔距離Ｌ３は以下の関係を満たす。

Ｌ２×０．８≦Ｌ１≦Ｌ２×１．２

Ｌ３＜Ｂ

この場合、効率的に磁界の相殺を行うことができる。

なお、上述の永久磁石層９は、反強磁性層９’に置換することとしてもよい。

図８は、この置換を行った場合の記憶素子の縦断面図である。

本例では、感磁層２の位置における固定層４が発生した静磁界Ｈ_βを相殺するように、磁気ヨーク８に反強磁性層９’を設けている。この磁気メモリは、永久磁石層９に代えて、反強磁性層９’を磁気ヨークに設けており、磁気ヨーク８は、軟磁性の強磁性体からなる。磁気ヨーク８には反強磁性層９’が接合しており、これらは交換結合するため、全体として永久磁石層と同様に機能する。すなわち、この擬似的な永久磁石層は、上記の永久磁石層９と同様に機能する。

反強磁性層９’が、磁気ヨーク８のＴＭＲ素子に隣接する部分Ｎ（図７参照）の感磁層２側に設けられている場合、反強磁性層９’が磁気ヨーク８と共に形成する擬似的な永久磁石層に隣接する感磁層２が、固定層４の静磁界Ｈ_βと共に擬似的な永久磁石層の静磁界Ｈ_α内に容易に位置するため、効果的に磁界の相殺を行うことができる。なお、擬似的な永久磁石層の形成する静磁界Ｈ_αは、感磁層２に対して直接的に、又は磁気ヨーク８を介して間接的に働く。

上記と同様に、反強磁性層９’の書き込み配線６の長手方向の寸法Ｂ、すなわち、擬似的な永久磁石層の寸法Ｂは、ＴＭＲ素子の寸法Ａよりも大きく、感磁層２を中央部Ｃに位置させることができ、固定層４の形成する静磁界Ｈ_βを空間的に高い均一性で相殺することができる。

図９は、永久磁石層を下地基板１０上に形成した場合の記憶素子の縦断面図である。

永久磁石層９は、磁気ヨーク８と、この磁気ヨーク８がその上に形成される下地基板１０との間に介在している。この場合、永久磁石層９上に磁気ヨーク８が位置することとなる。永久磁石層９から発生する磁力線は磁気ヨーク８を介して、固定層４からの磁力線とは逆向きに感磁層２内を通る。かかる構成においても、双方の静磁界Ｈ_α、Ｈ_βを相殺することができる。

また、永久磁石層９に代えて、反強磁性層９’を磁気ヨーク８と、この磁気ヨーク８がその上に形成される下地基板１０との間に介在させてもよい。この場合、反強磁性層９’と磁気ヨーク８が結合してなる擬似的な永久磁石層上に、磁気ヨーク８が位置することとなるが、この擬似的な永久磁石層から発生する磁力線は磁気ヨーク８を介して、固定層４からの磁力線とは逆向きに感磁層２内を通る。かかる構成においても、双方の静磁界Ｈ_α、Ｈ_βを相殺することができる。

図１０は、スペーサ層を用いた場合の記憶素子の縦断面図である。

スペーサ層Ｓは、図５に示した記憶素子において、磁気ヨーク８と永久磁石層９との間に介在している。スペーサ層Ｓは、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ等の導電体やＳｉＯ_２等の絶縁体等の非磁性体からなる。永久磁石層９の発生する静磁界Ｈ_αの感磁層２の位置における強度は、スペーサ層Ｓの厚みによって調整することができる。したがって、より精密且つ容易に磁界相殺を行うことができる。

本発明は、磁気メモリに利用することができる。

磁気メモリの斜視図（ａ）、磁気抵抗効果素子の縦断面図（磁化の向き平行時）（ｂ）、磁気抵抗効果素子の縦断面図（磁化の向き反平行時）（ｃ）である。記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）内の回路図である。感磁層２の磁気ヒステリシス曲線を示すグラフである。図を変更したいと思います磁気ヨーク８を含む記憶素子の平面図である。図４に示した記憶素子のＶ−Ｖ矢印縦断面図である。ＴＭＲ素子５の具体的な断面図である。永久磁石層９の周辺部の斜視図である。記憶素子の縦断面図である。記憶素子の縦断面図である。記憶素子の縦断面図である。

符号の説明

１・・・磁気メモリ、２・・・感磁層、２ａ・・・強磁性層、２ｂ・・・強磁性層、３・・・非磁性層、４・・・固定層、４ａ・・・反強磁性層、４ｂ・・・強磁性層、５・・・ＴＭＲ素子、６・・・配線、７・・・配線、８・・・磁気ヨーク、８ａ・・・下部磁気ヨーク、８ｃ・・・上部磁気ヨーク、８ｂ・・・側部磁気ヨーク、９・・・永久磁石層、９’・・・反強磁性層、１０・・・下地基板。

Claims

二次元配列した複数の記憶領域を備えた磁気メモリにおいて、
前記複数の記憶領域のそれぞれは、
下地基板上に設けられ、感磁層と固定層との間に非磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、
書き込み配線の周囲に、前記書き込み配線上に形成された絶縁層を介して設けられ、前記感磁層に与える磁力線を発生する磁気ヨークと、
前記磁気抵抗効果素子に電気的に接続された読み出し配線と、
を備え、
前記磁気ヨークは、
前記下地基板上に形成された一対の下部磁気ヨークと、
前記下部磁気ヨークから立設した一対の側部磁気ヨークと、
一対の前記側部磁気ヨークの上部間を接続する上部磁気ヨークと、
を備え、前記書き込み配線の周囲を囲むように環状をなし、
前記磁気抵抗効果素子は、一対の前記下部磁気ヨーク間に位置しており、
前記感磁層の位置における前記固定層が発生した静磁界を相殺するように、前記磁気ヨークの内側であって、一対の前記下部磁気ヨーク上の前記側部磁気ヨークの形成されていない領域上に、永久磁石層を設け、
前記永久磁石層からの磁界の向きは、前記感磁層の位置において、前記固定層の静磁界の向きと逆向きとなるよう配置されていることを特徴とする磁気メモリ。
前記永久磁石層における前記書き込み配線の長手方向の寸法は、前記磁気抵抗効果素子における前記書き込み配線の長手方向の寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
前記磁気ヨークと前記永久磁石層との間に介在するスペーサ層を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気メモリ。
二次元配列した複数の記憶領域を備えた磁気メモリにおいて、
前記複数の記憶領域のそれぞれは、
下地基板上に設けられ、感磁層と固定層との間に非磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、
書き込み配線の周囲に、前記書き込み配線上に形成された絶縁層を介して設けられ、前記感磁層に与える磁力線を発生する磁気ヨークと、
前記磁気抵抗効果素子に電気的に接続された読み出し配線と、
を備え、
前記磁気ヨークは、
前記下地基板上に形成された一対の下部磁気ヨークと、
前記下部磁気ヨークから立設した一対の側部磁気ヨークと、
一対の前記側部磁気ヨークの上部間を接続する上部磁気ヨークと、
を備え、前記書き込み配線の周囲を囲むように環状をなし、
前記磁気抵抗効果素子は、一対の前記下部磁気ヨーク間に位置しており、
前記感磁層の位置における前記固定層が発生した静磁界を相殺する方向に、前記磁気ヨークに永久磁石層を設け、前記永久磁石層は、前記磁気ヨークと、この磁気ヨークの前記下部磁気ヨークがその上に形成される前記下地基板との間に介在しており、
前記永久磁石層からの磁界の向きは、前記感磁層の位置において、前記固定層の静磁界の向きと逆向きとなるよう配置されていることを特徴とする磁気メモリ。