JP5146846B2 - 磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。この出願は、２００７年３月８日に出願された特許出願番号２００７−０５９２５３号の日本特許出願に基づいており、その出願による優先権の利益を主張し、その出願の開示は、引用することにより、そっくりそのままここに組み込まれている。

磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が知られている。ＭＲＡＭは、強磁性体の磁化の向きで情報を記録するメモリである。ＭＲＡＭは、低電圧動作、不揮発性、書き換え回数が原理上無制限、高速動作等の特徴を持っている。ＭＲＡＭのメモリセルは、情報を記録するために、強磁性体トンネル接合（ＭＴＪ）素子などの磁気抵抗効果素子を有している。

ＭＴＪ素子のトンネル抵抗の抵抗値は、トンネルバリア層（絶縁膜）を介して設けられた二つの強磁性体層の磁化の相対角度によって変わる。二つの磁化が平行のとき抵抗値が最小となり、反平行のとき抵抗値が最大となる。二つの強磁性体層は、一方が磁化の向きが固定された固定層であり、他方が磁化の方向が反転可能な記録層である。記録層の磁化を外部からの操作で反転させることで情報を不揮発的に書き込むことが出来る。記録層の磁化を反転させて情報を書き込む方法として、ＭＴＪ素子に磁場を印加する操作がある。磁場は、書き込み配線に電流を流すことで発生させる。なお、磁場の発生は、配線電流に依存し、配線電圧には依存しない。そのためＭＲＡＭは低電圧による書込みが可能である。

具体的な書き込み方式には、磁性体の磁化反転のアステロイド曲線を利用したアステロイド方式がある。たとえば、米国特許第５６４０３４３号に、そのアステロイド方式が開示されている。この方式は、交差する複数の書き込み配線、すなわち複数のビット線ＢＬと複数のワード線ＷＬとの交点の各々に対応して配置された複数のメモリセルのうち、ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの両方に書き込み電流が流れたメモリセル（選択セル）のみに選択的に情報を書き込むことが出来る。しかし、この方式では、選択書込みが可能な書き込み電流に上限がある。そして、書き込み電流が大き過ぎるとビット線ＢＬ及びワード線ＷＬのいずれか一方にしか書き込み電流を流していないメモリセル（半選択セル）にまで情報が誤書き込みされる。

情報の誤書き込みを抑制するために、書き込みマージンを増やすことが必要である。書き込みマージンを増やすために、たとえば、米国特許第６５４５９０６号や特表２００５−５０５８８９号公報（国際公開ＷＯ０３０３４４３７Ａ２）にトグル方式が開示されている。このトグル方式では、記録層が、反強磁性結合した複数の層から構成されている。そして、ワード線ＷＬ及びビット線ＢＬに書き込み電流を流すシーケンスを工夫することで半選択セルへの誤書き込みを抑制している。

上記のアステロイド方式もトグル方式も、記録層の外部から磁場を印加する方式である。これらを利用する場合、ＭＲＡＭの大容量化やチップサイズの縮小によるコストダウンを図るためには、メモリセルを微細化することが必要である。しかし、磁性体のサイズが小さくなると、そのサイズにほぼ反比例して書き込みに必要な磁場が増大する。したがって、これらの方式では、メモリセルを微細化すると消費電流が増大することが課題である。

メモリセルを微細化したとき書き込み電流が増大しない方式として、たとえば、特開２００５−０９３４８８号公報（ＵＳ２００５０５７９９２Ａ１）にスピン注入方式が開示されている。このスピン注入方式は、スピンの偏極した電流を記録層に流して、電子と記録層の磁気モーメントとの相互作用によって磁化を反転させる。

図１Ａ及び図１Ｂは、その関連技術におけるスピン注入方式の原理を模式的に示すＭＴＪ素子の概略断面図である。ＭＴＪ素子１０１は、記録層１０２、トンネルバリア層１０３及び固定層１０４を備える。固定層１０４と記録層１０２の磁化は、図中、各層と平行な矢印で示されている。各層に垂直な矢印は、電子ｅ⁻の流れを示す。電流は、ＭＴＪ素子１０１の各層に対して垂直に流れる、電子ｅ⁻はその電流とは逆向きに矢印に示されるように流れる。

まず、固定層１０４と記録層１０２の磁化の関係が反平行の状態（図１Ａ）から平行の状態（図１Ｂ）へ変化するのは、次のような現象による。図１Ａのように、記録層１０２側から固定層１０４側に電流を流す。すなわち、電子ｅ⁻は、矢印に示されるように、固定層１０４から記録層１０２へ移動する。このとき固定層１０４と同じスピンを持つ電子ｅ⁻が記録層１０４へトンネルして行く。記録層１０２に達した電子ｅ⁻のスピンは記録層１０２の磁気モーメントと相互作用して、記録層１０２の磁化を固定層１０４と同じ方向に回転させる。その結果、固定層１０４と記録層１０２の磁化が図１Ｂのような平行の状態に変化する。

次に、固定層１０４と記録層１０２の磁化の関係が平行の状態（図１Ｂ）から反平行の状態（図１Ａ）へ変化するのは、次のような現象による。図１Ｂのように、固定層１０４側から記録層１０２側に電流を流す。すなわち、電子ｅ⁻は、矢印に示されるように、記録層１０２から固定層１０４へ移動する。このとき、固定層１０４と同じスピンを持つ電子ｅ⁻が記録層１０４へトンネルして行く。固定層１０４と逆向きのスピンを持つ電子ｅ⁻、すなわち記録層１０２と逆向きのスピンを持つ電子ｅ⁻はトンネルしない。このトンネルできない電子ｅ⁻のスピンと記録層１０２の磁気モーメントとが相互作用することで記録層１０２の磁化が反転する。

このようにスピン注入方式の磁化反転機構では、電子がもつスピンによって磁化の反転が生じる。したがって、磁化の反転は磁性体の単位体積あたり注入されるスピン偏極した電子の数、すなわち、磁性体に流す電流の密度に依存することになる。したがって、メモリセルのサイズが微細になると、電流の絶対値も小さくなる。

このようにスピン注入方式のＭＴＪ素子は、ＭＲＡＭの大容量化につながる技術である。しかし、課題も残されている。書き込み電流がトンネルバリア層を通過して流れることである。ランダムアクセスメモリでは書込みが繰り返し行われる。そのため、使用を続けていくうちにトンネルバリア層が劣化していく恐れがある。

スピン注入方式と同じく、電子のもつスピンと磁性体との相互作用を利用し、かつ、スピン注入方式の有する課題を解決できる方式にとして、特開２００５−１９１０３２号公報、特開２００６−５３０８号公報及び特開２００６−３０３１５９号公報（ＵＳ２００６２３７８０８Ａ１）に磁壁移動型メモリセルが開示されている。図２Ａ及び図２Ｂは、その関連技術における磁壁移動型セルの原理を模式的に示すＭＴＪ素子の概略断面図である。ＭＴＪ素子１０１ａは、記録層１０２ａ、トンネルバリア層１０３ａ及び固定層１０４ａを備える。固定層１０４と記録層１０２の磁化は、図中、各層と平行な矢印で示されている。記録層１０２ａの外側の矢印は、電子ｅ⁻の流れを示す。

図２Ａを参照して、初期状態で記録層１０２ａに磁壁１１１が導入されている。それにより、記録層１０２ａは、磁壁１１１を挟んで、二つの磁区（記録層１０２ａ−１及び記録層１０２ａ−２）に分かれている。記録層１０２ａ−１及び記録層１０２ａ−２とでは磁化方向が逆になっている。磁壁１１１の位置によって、トンネルバリア層１０３ａを挟む固定層１０４ａと記録層１０２ａとの磁化の関係は平行または反平行となる。図２Ａでは、平行となっている。この記録層１０２ａに、図の左から右（記録層１０２ａ−２から記録層１０２ａ−１）へ電流を流すと、電子ｅ⁻の流れは右から左（記録層１０２ａ−１から記録層１０２ａ−２）となるから、磁壁１１１が左に移動する。磁壁１１１が、記録層１０２ａとトンネルバリア層１０３ａとの接合よりも左側に移動するまで電流を流すと、図２Ｂのようになる。これにより、トンネルバリア層１０３ａを挟む固定層１０４ａと記録層１０２ａとの磁化の関係は反平行となる。一方、図２Ｂを参照して、この状態において、電流の向きを逆にすると、磁壁１１１は右に移動し図２Ａの状態に戻る。このように、磁壁１１１の移動によって書き込みを行うことが出来る。

この磁壁移動型メモリセルにおいて、書き込み電流は記録層１０２ａの断面積に比例する。そのため、記録層１０２ａを細線化していくことにより書き込み電流を減らすことが出来る。また、磁壁移動型メモリセルでは、書き込み電流は記録層１０２ａを流れるが、トンネルバリア層１０３ａには流れない。そのため、書き込み電流によるトンネルバリア層１０３ａの劣化が原理的に生じない。

この磁壁移動型メモリセルは、磁壁の移動によってデータを書き込む。そのため、書き込み後に磁壁の存在する位置を確実に制御することが必要である。書き込み後に磁壁の位置が定まらなければ、データは失われてしまう。そのため、上記各文献では、移動してきた磁壁を捕らえて、トラップする機構が設けられている。たとえば、特開２００５−１９１０３２号公報や特開２００６−５３０８号公報では、記録層に幅の狭い部分（ノッチ）を設け、その場所に磁壁を捕らえている。図３Ａ及び図３Ｂは、その関連技術におけるノッチを有する磁壁移動型セルを模式的に示すＭＴＪ素子の概略平面図である。これらは、図２Ａ及び図２Ｂに示されるＭＴＪ素子の平面図である。図に示されるように、記録層１０２ａに幅の狭いノッチ１０５が設けられている。しかし、この方法では、記録層の幅を細くして書き込み電流を減らす際に支障となる。それは、ノッチを形成するためには記録層の幅をノッチよりも広くしなければならないためである。また、磁壁を確実に捕らえるためには、ノッチでの磁壁移動に対するポテンシャルの谷を十分深くしなければならない。しかし、ポテンシャルを深くすると、磁壁が移動開始するのに必要な電流が大きくなる。

特開２００６−３０３１５９号公報では、磁壁をトラップする方法として、磁気的な結合をした積層膜を記録層の端部の上に設ける方法が開示されている。この積層膜からの磁気的な力によって記録層の一部の磁化方向を固定すると、磁壁はこの磁化が固定された領域で止まる。この方法はノッチを作らないので、記録層の幅を小さくすることが出来る。しかし、磁化を固定するための積層膜の構造が複雑である。

更に、Ｌ．Ｔｈｏｍａｓ ｅｔ．ａｌ．，“Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｕｌｓｅ ｌｅｎｇｔｈ”，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４４３，ｐｐ．１９７，２００６．によれば、記録層に形成したポテンシャルの谷に磁壁をトラップする方式では、電流によって移動した磁壁が本来の移動方向とは逆方向に移動してしまう可能性がある。

従って、本発明の目的は、磁壁移動型メモリセルにおいて、書き込み後の磁壁の保持を不要とすることが可能な磁気メモリセル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。

この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。

本発明の磁気メモリセルは、固定層と、記録層と、非磁性体層と、第１電極部と、第２電極部とを具備する。固定層は、磁化方向が固定された強磁性体を含む。記録層は、固定層の磁化方向と自身の磁化方向との相対的関係により情報を記憶する強磁性体を含む。非磁性体層は、記録層と固定層との間に設けられている。第１電極部は、記録層の一方の端部に電気的に接続されている。第２電極部は、記録層の他方の端部に電気的に接続されている。書き込み電流が第１電極部及び第２電極部のいずれか一方から他方へ、記録層を介して供給されたとき、一方の端部及び他方の端部に、記録層の磁化の方向に対して反平行の成分を含む端部磁化が生じ、記録層の磁化は、端部磁化の方向へ向く。

本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、複数のワード線と、複数の第１ビット線及び複数の第２ビット線と、複数の磁気メモリセルとを具備する。複数のワード線は、第１方向に延伸する。複数の第１ビット線及び複数の第２ビット線は、第２方向に延伸する。複数の磁気メモリセルは、複数のワード線と、複数の第１ビット線及び複数の第２ビット線との交点の各々に対応して設けられている。複数の磁気メモリセルは、上記本発明の磁気メモリセルである。複数の磁気メモリセルの各々は、第１スイッチ素子と、第２スイッチ素子とを更に備える。第１スイッチ素子は、複数のワード線のうちの対応するものにオン・オフを制御され、一方の端子を複数の第１ビット線のうちの対応するものに、他方の端子を第１電極部にそれぞれ接続されている。第２スイッチ素子は、複数のワード線）のうちの対応するものにオン・オフを制御され、一方の端子を複数の第２ビット線のうちの対応するものに、他方の端子を第２電極部にそれぞれ接続されている。

図１Ａは、その関連技術におけるスピン注入方式の原理を模式的に示すＭＴＪ素子の概略断面図である。 図１Ｂは、その関連技術におけるスピン注入方式の原理を模式的に示すＭＴＪ素子の概略断面図である。 図２Ａは、その関連技術における磁壁移動型セルの原理を模式的に示すＭＴＪ素子の概略断面図である。 図２Ｂは、その関連技術における磁壁移動型セルの原理を模式的に示すＭＴＪ素子の概略断面図である。 図３Ａは、その関連技術におけるノッチを有する磁壁移動型セルを模式的に示すＭＴＪ素子の概略平面図である。 図３Ｂは、その関連技術におけるノッチを有する磁壁移動型セルを模式的に示すＭＴＪ素子の概略平面図である。 図４Ａは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態の構成を示す断面模式図である。 図４Ｂは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態の構成を示す平面模式図である。 図５Ａは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態におけるコンタクトプラグ付近の構成を示す断面模式図である。 図５Ｂは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態におけるコンタクトプラグ付近の構成を示す平面模式図である。 図５Ｃは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態におけるコンタクトプラグの構成を示す断面模式図である。 図５Ｄは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態におけるコンタクトプラグの別の構成を示す断面模式図である。 図６Ａは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態におけるコンタクトプラグ付近の他の構成を示す断面模式図である。 図６Ｂは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態におけるコンタクトプラグ付近の他の構成を示す平面模式図である。 図６Ｃは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態におけるコンタクトプラグの他の構成を示す断面模式図である。 図６Ｄは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態におけるコンタクトプラグの更に他の構成を示す断面模式図である。 図７Ａは、本発明の磁気メモリセルの実施の形態における書き込み動作での第１状態を示す断面模式図である。 図７Ｂは、本発明の磁気メモリセルの実施の形態における書き込み動作での第１状態を示す平面模式図である。 図８Ａは、本発明の磁気メモリセルの実施の形態における書き込み動作での第２状態を示す断面模式図である。 ８Ｂは、本発明の磁気メモリセルの実施の形態における書き込み動作での第２状態を示す平面模式図である。 図９Ａは、本発明の磁気メモリセルの実施の形態における書き込み動作での第３状態を示す断面模式図である。 図９Ｂは、本発明の磁気メモリセルの実施の形態における書き込み動作での第３状態を示す平面模式図である。 図１０Ａは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態における製造方法の一例を示す断面模式図である。 図１０Ｂは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態における製造方法の一例を示す断面模式図である。 図１０Ｃは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態における製造方法の一例を示す断面模式図である。 図１０Ｄは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態における製造方法の一例を示す断面模式図である。 図１０Ｅは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態における製造方法の一例を示す断面模式図である。 図１１は、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態における構成の具体的なサイズの一例を示す平面模式図である。 図１２は、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態における構成の他の応用例を示す平面模式図である。 図１３は、本発明の磁気メモリセルを用いた磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態の構成の一例を示す回路図である。 図１４は、図１３に示される磁気メモリセルの構造を概略的に示す断面図である。 図１５は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態の回路の構成の一例を示す回路ブロック図である。 図１６は、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態の構成の更に他の応用例を示す断面模式図である。 図１７Ａは、本発明の磁気メモリセルの第２の実施の形態の構成を示す平面模式図である。 図１７Ｂは、本発明の磁気メモリセルの第２の実施の形態の構成の一部を示す断面模式図である。 図１８Ａは、本発明の磁気メモリセルの第２の実施の形態の他の構成を示す平面模式図である。 図１８Ｂは、本発明の磁気メモリセルの第２の実施の形態の他の構成の一部を示す断面模式図である。 図１９Ａは、本発明の磁気メモリセルの第２の実施の形態の更に他の構成の一部を示す断面模式図である。 図１９Ｂは、本発明の磁気メモリセルの第２の実施の形態の別の構成の一部を示す断面模式図である。

以下、本発明の磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリの第１の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態の構成を示す断面模式図及び平面模式図である。ただし、図４Ａは図４ＢのＡＡ’断面図である。これらの図では、磁気メモリセルのＭＴＪ素子１を示している。なお、説明の都合上、図面における磁気メモリの構造の形状や寸法比などは、実際の装置とは異なる。

ＭＴＪ素子１は、電極層６、反強磁性体層５、固定層４、トンネルバリア層３、記録層２及びコンタクトプラグ２１、２２を備える。電極層６、反強磁性体層５、固定層４及びトンネルバリア層３は、まとめて上部構造７とも言う。電極層６は、読み出し電流の経路となる読み出し線（図示されず、後述）に一方の面を接続された導体である。反強磁性体層５は、電極層６に一方の面を接して設けられている。磁化が一定の方向に向いた反強磁性体である。固定層４は、反強磁性体層５における電極層６と逆の側に一方の面を接して設けられている。反強磁性体層５との相互作用により磁化の方向が固定された強磁性体である。トンネルバリア層３は、固定層４における反強磁性体層５と逆の側に一方の面を接して設けられた絶縁層である。記録層２は、トンネルバリア層３における固定層４と逆の側に一方の面を接して設けられている。磁化の方向が変化可能な強磁性体である。固定層４、トンネルバリア層３及び記録層２は、強磁性トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を形成している。

コンタクトプラグ２１は、その一端を、記録層２の一方の端部に、直接及び／又は導電体３４を介して接続されている。他端は選択トランジスタ（図示されず、後述）のソース／ドレインに接続されている。同様に、コンタクトプラグ２２は、その一端を、記録層２の他方の端部に、直接及び／又は導電体３４を介して接続されている。他端は他の選択トランジスタ（図示されず、後述）のソース／ドレインに接続されている。コンタクトプラグ２１、２２を通して書き込み電流が記録層２に供給される。

コンタクトプラグ２１、２２の各々は、強磁性体部３１と非磁性導電体部３２と含む。強磁性体部３１は、コンタクトプラグ２１、２２の各々における側面の少なくとも一部に設けられた強磁性体である。強磁性体部３１の記録層２と重なる領域の少なくとも一部は、書き込み電流がコンタクトプラグ２１、２２を流れたときに、記録層２の磁化方向と反平行な磁化成分Ｍ_１０（図示されず、後述）を有する。磁化成分Ｍ_１０は、コンタクトプラグ２１、２２同士で互いに同方向である。また、強磁性体部３１の磁化成分Ｍ_１０は、記録層２と磁気的な相互作用を持つ。

非磁性導電体部３２は、コンタクトプラグ２１、２２の各々の強磁性体部３１の近傍に又は接して設けられた非磁性導電体である。コンタクトプラグ２１、２２中における書き込み電流が主に流れる経路である。非磁性導体部３２を流れる書き込み電流により発生する磁場は、強磁性体部３１の磁化成分Ｍ_１０と相互作用する。非磁性導電体部３２の少なくとも一部領域は、強磁性体部３１の磁化成分Ｍ_１０に対して磁気的な相互作用を持つ記録層２の領域と電気的に接続されている。

ここで、記録層２としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、これらの合金、これらのいずれかを含む導電性の強磁性体、複数の導電性強磁性体の積層構造、強磁性体とＲｕ、Ｔａなどの非磁性体との積層構造を用いることができる。トンネルバリア層３としては、薄い絶縁体材料である。例えば、ＡｌＯｘ、ＭｇＯ、ＡｌＮｘなどの誘電体材料を用いることができる。固定層４としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、これらの合金、これらのいずれかを含む導電性の強磁性体、その他の導電性強磁性材料を用いることができる。あるいは、複数の強磁性体の積層構造や、強磁性体とＲｕ、Ｔａなどの非磁性体の積層構造、例えば、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅなどを用いることもできる。反強磁性体層５としては、固定層４の磁化方向を一方向に固定する作用をもつ。ＰｔやＩｒなどのＰｔ族元素とＭｎの合金、ＦｅやＮｉ等とＭｎの合金、その他の導電性の反強磁性材料を用いることができる。コンタクトプラグ２１、２２の非磁性導体部３２としては、通常使用されているＷやＣｕなどの導電性物質で形成することができる。コンタクトプラグ２１、２２の強磁性体部３１としては、記録層２と同様の材料を用いることができる。

図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態におけるコンタクトプラグ付近の構成を示す断面模式図及び平面模式図である。ただし、図５Ａは図５ＢのＢＢ’断面図であり、コンタクトプラグ（２１、２２）と記録層２との接続部分を示している。コンタクトプラグの非磁性導電体部３２の上部領域は、導体で形成された導体部３４により、記録層２の端部領域と電気的に接続されている。この記録層２の端部領域は、強磁性体部３１の磁化成分Ｍ_１０に対して磁気的な相互作用を持つ。

図５Ｃは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態におけるコンタクトプラグの構成を示す断面模式図である。図５Ｃは図５ＡのＣＣ’断面図である。図５Ｃを参照すると、コンタクトプラグは、非磁性導電体部３２を強磁性体部３２が円環状に同軸的に取り囲む構成を有している。非磁性導電体部３２中を図の紙面に垂直な方向に書き込み電流が流れるとき、その電流により非磁性導電体部３２の周囲に磁場が誘起される。従って、このような構成を用いることで、その誘起された磁場が、強磁性体部３１の磁化成分Ｍ_１０と相互作用することが出来る。それにより、その磁化成分Ｍ_１０の方向をその誘起された磁場の方向に制御することができる。

コンタクトプラグにおける強磁性体部３１及び非磁性導電体部３２の形状は、上記の条件を満たす場合には、図示した以外の形状でも構わない。強磁性体部３１及び非磁性導電体部３２の断面形状も円、四角形、多角形、角が丸い形状等でも構わない。また、コンタクトプラグの側面に設けられた強磁性体部３１と記録層２とは直接接触していても良いし、バリアメタルや磁気相互作用を制御する層を介して接触していても良い。

例えば、図５Ｄは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態におけるコンタクトプラグの別の構成を示す断面模式図である。図５Ｄは図５ＡのＣＣ’断面図である。この例では、強磁性体部３１及び非磁性導電体部３２の断面形状が別の円環状である。この場合、強磁性体部３１の円環の軸と非磁性導体部３２の円環の軸とが重ならずに偏っている。

また、例えば、図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態におけるコンタクトプラグ付近の他の構成を示す断面模式図及び平面模式図である。図６Ｃは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態におけるコンタクトプラグの他の構成を示す断面模式図である。ただし、図６Ａは図６ＢのＤＤ’断面図であり、コンタクトプラグ（２１、２２）と記録層２との接続部分を示している。図６Ｃは図６ＡのＥＥ’断面図である。この例では、強磁性体部３１及び非磁性導電体部３２の断面形状が、四角の環状である。その場合、強磁性体部３１の四角の環の軸と非磁性導体部３２の四角の環の軸とは、同軸的でも良いし、重ならずに偏っていても良い。更に、例えば、図６Ｄは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態におけるコンタクトプラグの更に他の構成を示す断面模式図である。図６Ｄは図６ＡのＥＥ’断面図である。この例では、非磁性導体部３２の片面のみに強磁性体部３１を形成している。

コンタクトプラグと記録層２の電気的な接続形式も、記録層２におけるコンタクトプラグに流れる電流によって磁化の影響を受ける領域とコンタクトプラグとの接続が確保できていれば良い。例えば、電気抵抗が所望の値以下になるのであれば、非磁性導体部３２がコンタクトプラグの表面全てと接触していなくても良い。

次に、本実施の形態における磁気メモリセルの書き込み動作を説明する。
図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ本発明の磁気メモリセルの実施の形態における書き込み動作での第１状態を示す断面模式図及び平面模式図である。図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ本発明の磁気メモリセルの実施の形態における書き込み動作での第２状態を示す断面模式図及び平面模式図である。図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ本発明の磁気メモリセルの実施の形態における書き込み動作での第３状態を示す断面模式図及び平面模式図である。

ここで、図７Ａ及び図７Ｂに示す第１状態を、データ「０」が記録された状態とする。固定層４の磁化Ｍ_Ｆは図中で右向きに固定されている。記録層２の磁化Ｍ_０は右向きになっているとする。したがって、固定層２／トンネルバリア層３／記録層２で形成されるトンネル接合は低抵抗状態にある。また、コンタクトプラグの側面を覆う強磁性体部３１と記録層２の端部との磁化相互作用は順方向、すなわち、同じ方向に磁化が向くように作用しているとする。この場合、強磁性体部３１における記録層２側の磁化Ｍ_１０の向きは、記録層２の磁化Ｍ_０の向きと同じである。この状態から、データ「１」を書き込むには、書き込み電流（記録電流）Ｉｗで、記録層２の磁化Ｍ_０を逆向き（左向き）にすればよい。

図７Ａ及び図７Ｂに示す記録層２とコンタクトプラグ２１、２２の配置では、記録層２の磁化Ｍ_０を逆向き（左向き）にするには、電流Ｉｗを左から右に流す。すなわち、コンタクトプラグ２１からコンタクトプラグ２２へ電流Ｉｗを流す。このようにすると、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、コンタクトプラグ２１に流れる電流Ｉｗにより、コンタクトプラグ２１の強磁性体部３１の磁化Ｍ_１０が図８Ｂのように、左回りの磁化に変化する。このとき、コンタクトプラグ２１の強磁性体部３１と、記録層２の端部２−１とが磁気的に相互作用することで、記録層２の端部２−１に、強磁性体部３１の磁化Ｍ_１０と同じ向き（左向き）を有する磁化Ｍ_１が発生する。すなわち、端部２−１は、左向きの磁化Ｍ_１を有する磁区となる。

一方、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、コンタクトプラグ２２に流れる電流Ｉｗにより、コンタクトプラグ２２の強磁性体部３１の磁化Ｍ_２０が図８Ｂのように、右回りの磁化に変化する。このとき、コンタクトプラグ２２の強磁性体部３１と、記録層２の端部２−３とが磁気的に相互作用することで、記録層２の端部２−３に、強磁性体部３１の磁化Ｍ_２０と同じ向き（左向き）を有する磁化Ｍ_３が発生する。すなわち、端部２−３は、左向きの磁化Ｍ_３を有する磁区となる。

ここで、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、第２状態では、記録層２の中央部２−２（記録層２の両端部２−１、２−３以外の部分）は、右向きの磁化Ｍ_２を持ったままの磁区である。中央部２−２と端部２−１との間には磁壁１１−１が形成され、中央部２−２と端部２−３との間には磁壁１１−２が形成されている。

この状態において、記録層２の右側に形成された端部２−３（左向きの磁区）には、コンタクトプラグ２２の表面から導電体（３４）を介して電子が供給される。この電子は、端部２−３の左向きの磁化Ｍ_３に沿ったスピンを持ち、右向きの磁化を持つ中央部２−２との境界の磁壁１１−２を左に移動させながら記録層２を流れていく。したがって、磁壁１１−２は中央部２−２（右向きの磁区）を縮小させながら移動して行く。磁壁１１−２が記録層２の左側に形成された端部２−１（左向きの磁区）に到達する、すなわち、磁壁１１−１と磁壁１１−２とが重なると、中央部２−２が消滅し、端部２−３と端部２−１とが一体化する。その結果、記録層２は、左向きの磁化を持つ一つの磁区になる。この状態で書き込み電流Ｉｗをオフにすると、記録層２の磁化Ｍ_０が左向きなので、トンネル接合は高抵抗状態となる。この状態が第３状態としての図９Ａ及び図９Ｂである。図９Ａ及び図９Ｂに示す第３状態を、データ「１」が記録された状態とする。

なお、トンネル接合が高抵抗の状態（例示：データ「１」）から低抵抗の状態（例示：データ「０」）に書き込むときには、上記書き込み電流Ｉｗの方向を逆にする。それにより、上記の説明とは反対の磁区形成と磁壁移動とが生じて書込みを行うことができる。

上記図７Ａ〜図９Ｂを用いた説明では、コンタクトプラグ（２１、２２）の強磁性体部３１と記録層２とは、同一の磁化方向を有するように相互作用している。しかし、コンタクトプラグの強磁性体部３１の磁化方向と記録層２の磁化方向とが反対になるような反強磁性的な相互作用でも良い。ただし、コンタクトプラグに書き込み電流Ｉｗを流したとき、記録層２に形成される磁区の磁化Ｍ_１、Ｍ_３の向きは同一であることが必要である。

また、上記図７Ａ、図８Ａ及び図９Ａの断面図では、コンタクトプラグ（２１、２２）が記録層２の下面と接触している。しかし、記録層２の上面で接触させる構造（図示されず）でも良い。

また、上記図７Ｂ、図８Ｂ及び図９Ｂの平面図では、コンタクトプラグ（２１、２２）が記録層２の異なる側面に設けられている。しかし、同じ側に揃える、例えば、図のコンタクトプラグ２１と同じ側に、コンタクトプラグ２２を設けることも、次のような構造にすることで実現できる。すなわち、断面方向のコンタクトプラグの配置で、一つのコンタクトプラグを記録層２の上面に、他方のコンタクトプラグを記録層２の下面に接触させる構造にする。

次に、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態における製造方法の一例について説明する。図１０Ａ乃至図１０Ｅは、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態における製造方法の一例を示す断面模式図である。

ただし、磁気メモリセルのＭＴＪ素子１は図４Ａ及び図４Ｂの形状とする。また、コンタクトプラグ２１、２２は、非磁性導体部３２の直径が２００ｎｍ、全体の直径が３００ｎｍとする。すなわち、厚さ５０ｎｍの強磁性体部３２を含む被覆が非磁性導体部３２を囲んでいる。

図１０Ａに示されるように、層間絶縁膜４１中に埋め込まれた下部電極４２につながるように、フォトリソグラフィー及びエッチングの技術により、直径３００ｎｍのビア４４を形成する。その後、図１０Ｂに示されるように、まず、層間絶縁膜４１の表面、ビア４４の側壁及び下部電極４２の上部を覆うように、バリアメタルとしてＴａ膜４５をスパッタ法で１０ｎｍ形成する。続いて、Ｔａ膜４５を覆うようにＮｉＦｅ膜４６をスパッタ法で３０ｎｍ形成する。このとき、ＮｉＦｅ膜４６がビア４４の底部に形成されると下部配線４２とコンタクトプラグ（２１、２２）との間の電気抵抗が高くなる。それを避けるため、ＮｉＦｅ膜４６のスパッタ成膜時に基板（図示されず）にバイアスを印加する。それにより、ビア４４の底部に成膜されるＮｉＦｅ膜４６の厚さを薄くすることができる。その後、ＮｉＦｅ膜４６の表面及びビア４４の底部を覆うように、バリアメタルとしてＴａ膜４７をスパッタ法で１０ｎｍ形成する。

次に、図１０Ｃに示されるように、Ｔａ膜４７を覆うようにＣｕ膜４８をスパッタ法で１００ｎｍ成膜する。その後、Ｃｕ膜４８の電気めっき法でビア４４を埋め込む。続いて、図１０Ｄに示すように、ＣＭＰ（化学的機械研磨）によりビア４４内以外のＴａ膜４５、ＮｉＦｅ膜４６、Ｔａ膜４７、及びＣｕ膜４８を除去することで、側面に強磁性体部３１、内部に非磁性導電体部３２をそれぞれ備えたコンタクトプラグ２１、２２を形成することができる。

その後、このコンタクトプラグ２１、２２上に、厚さ２０ｎｍのＮｉＦｅ膜からなる記録層２、酸化アルミニウムからなるトンネルバリア層３、ＣｏＦｅ膜／Ｒｕ膜／ＣｏＦｅ膜の積層からなる固定層４、ＰｔＭｎからなる反強磁性体層５、を連続的に成膜する。そして、フォトリソグラフィー及びエッチングの技術により、コンタクトプラグ２１、２２の強磁性体部３１と一部が重なるように記録層２を幅１００ｎｍに加工し、上部構造７を記録層２の中央部に形成する。その結果、図１０Ｅに示されるように、記録層２、トンネルバリア層３、固定層４、反強磁性体層５を有する強磁性トンネル接合が形成される。

図１１は、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態における構成の具体的なサイズの一例を示す平面模式図である。強磁性トンネル接合部分の記録層２の長手方向の長さ（上部構造７の長手方向の長さ）は、固定層４に形状異方性を付与するために記録層２の幅（長手方向に対して垂直な方向の長さ１００ｎｍ）よりも広い２００ｎｍとする。コンタクトプラグ２１、２２と記録層２との接続抵抗を下げるために、コンタクトプラグ２１、２２の中心の非磁性導体部３２と、記録層２のコンタクトプラグの強磁性体部３１と重なる領域とを、導電体３４でつなぐ。強磁性トンネル接合の上部の電極層６は、読み出し配線に接続する。コンタクトプラグ２１、２２の外径は３００ｎｍ、非磁性導電体部３２の直径は２００ｎｍとなる。二つのコンタクトプラグ２１、２２の間隔は、１０００ｎｍとする。

コンタクトプラグ２１、２２の非磁性導電体部３２が直径２００ｎｍの円柱の場合、電流１ｍＡあたり約２０Ｏｅの磁場がコンタクトプラグ２１、２２の各々の外周に沿って発生する。この値は、ＮｉＦｅやＣｏＦｅの薄膜を磁化させるのに十分な値である。例えば、ＮｉＦｅの保磁力は４〜５Ｏｅ程度である。従って、本実施の形態の例では、０．２ｍＡ程度の書き込み電流Ｉｗで強磁性体部３１のＮｉＦｅが磁化し、強磁性体部３１の磁化との相互作用により、磁化記録層２に磁区が形成される。記録層２の磁壁移動に必要な電流密度を１×１０^８Ａ／ｃｍ^２と仮定すると、断面形状が厚さ２０ｎｍ、幅１００ｎｍの記録層２の場合に必要な記録電流は２ｍＡとなるので、コンタクトプラグ２１、２２によって記録層２内に書き込みに必要な磁区を作るのには、十分な値である。磁壁移動に必要な電流密度の低減や記録層２の微細化によって電流が一桁下がっても、本実施の形態の例に用いたコンタクトプラグ２１、２２は、磁区の形成が可能である。

なお、図５Ｄに示すように、強磁性体部３１の厚さに分布をつけた場合、記録層２とコンタクトプラグ２１、２２との接続部分は、例えば、記録層２の端部を広げて接続させる。図１２は、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態における構成の他の応用例を示す平面模式図である。記録層２とコンタクトプラグ２１、２２との接続部分を示している。コンタクトプラグの強磁性体部３１の厚い側が記録層２の長手領域側になるように配置する。このとき、例えば、コンタクトプラグに図の紙面の表側から裏側へ向う方向に電流Ｉｗを流すと、コンタクトプラグの強磁性体部３１の厚みの大きい部分は右向き（右回り）に磁化（Ｍ_１０）する。強磁性体部３１は、記録層２と直接接触しているため、記録層２との磁気結合は強磁性的（順平行）になる。コンタクトプラグの非磁性導体部３２からの電子は、この右向きの磁化Ｍ_１を持つ磁区を通過することで偏極し、磁壁１１−１を右側に移動させる。

次に、本発明の磁気メモリセルを用いた磁気ランダムアクセスメモリの第１の実施の形態の構成について説明する。図１３は、本発明の磁気メモリセルを用いた磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態の構成の一例を示す回路図である。図１３は、図４Ａ及び図４Ｂに示される磁気メモリセル６０（ＭＴＪ素子１）を用いた場合を、平面図的に示している。また、図１４は、図１３に示される磁気メモリセル６０の構造を概略的に示す断面図である。

磁気メモリセル６０は、ＭＴＪ素子１、第１トランジスタＴＲ１及び第２トランジスタＴｒ２を備える。ＭＴＪ素子１の記録層２のコンタクトプラグ２１は、下部電極４２を介して第１トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方に接続されている。その第１トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの他方は、第１ビット線ＢＬ１に接続されている。また、記録層２のコンタクトプラグ２２は、下部電極４２を介して第２トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの一方に接続されている。その第２トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの他方は、第２ビット線ＢＬ２に接続されている。第１トランジスタＴＲ１のゲート、及び第２トランジスタＴＲ２のゲートは、ワード線ＷＬに接続されている。

記録層２の中央部上には、トンネルバリヤ層３を介して固定層４が形成されている。固定層４上には反強磁性体層５が形成されている。反強磁性体層５上には、電極層６を介して読み出し線６２が接続されている。読み出し線６２は、グランドに接続されている。

これら図１３及び図１４の回路構成の例を用いた場合の、データの書き込み方法について説明する。ここで、記録層２と固定層４の磁化方向が平行、すなわち強磁性トンネル接合の抵抗が低い状態をデータ「０」とする。一方、記録層２と固定層４の磁化方向が反平行、すなわち強磁性トンネル接合の抵抗が高い状態をデータ「１」とする。また、固定層２の磁化方向を図で右向きとする。

まず、データ「０」状態からデータ「１」状態への書き込み方法について説明する。この場合、図７Ａ〜図９Ｂにおいて説明した方法により書き込みを行う。すなわち、コンタクトプラグ２１、２２を流れる書き込み電流Ｉｗにより、記録層２に左向きの磁化Ｍ_３を作り、コンタクトプラグ２２が作る磁区の磁壁１１−２を左に移動させる。したがって、書き込み電流Ｉｗを、コンタクトプラグ２１から記録層２を通過してコンタクトプラグ２２へと流す。

具体的には、以下のような方法で行う。対象となる磁気メモリセル６０につながるワード線ＷＬの電位をＨｉｇｈに設定する。これにより、第１トランジスタＴＲ１および第２トランジスタＴＲ２がＯＮになる。第１ビット線ＢＬ１および第２ビット線ＢＬ２の電位をそれぞれＨｉｇｈおよびＬｏｗに設定する。その結果、書き込み電流Ｉｗが第１ビット線ＢＬ１から第１トランジスタＴＲ１、コンタクトプラグ２１を経由して記録層２を通過し、コンタクトプラグ２２を経由して第２トランジスタＴＲ２から第２ビット線ＢＬ２へと流れる。この電流Ｉｗにより、記録層の磁化が右から左に変化し、データ「０」からデータ「１」への書込みが行われる。

次に、データ「１」からデータ「０」への書き込み方法について説明する。この場合、図７Ａ〜図９Ｂにおいて説明した方法と逆の方法で書き込みを行う。すなわち、コンタクトプラグ２１、２２を流れる書き込み電流Ｉｗにより、記録層２に右向きの磁化Ｍ_１を作り、コンタクトプラグ２１が作る磁区の磁壁１１−１を右に移動させる。したがって、書き込み電流Ｉｗを、コンタクトプラグ２２から記録層２を通過してコンタクトプラグ２１へと流す。

具体的には、以下のような方法で行う。対象となる磁気メモリセル６０につながるワード線ＷＬの電位をＨｉｇｈに設定する。これにより、第１トランジスタＴＲ１および第２トランジスタＴＲ２がＯＮになる。第１ビット線ＢＬ１および第２ビット線ＢＬ２の電位をそれぞれＬｏｗおよびＨｉｇｈに設定する。その結果、上記の場合とは逆に、書き込み電流Ｉｗが第２ビット線ＢＬ２から第２トランジスタＴＲ２、コンタクトプラグ２２を経由して記録層２を通過し、コンタクトプラグ２１を経由して第１トランジスタＴＲ１から第１ビット線ＢＬ１へと流れる。この電流Ｉｗにより、記録層２の磁化が左から右に変化し、データ「１」からデータ「０」への書込みが行われる。

次に、磁気メモリセル６０のデータの読み出し方法について説明する。読み出しは、例えば、以下のようにして強磁性トンネル接合（固定層４、トンネルバリア層３及び記録層２）に読み出し電流Ｉ_Ｒを流すことで行うことができる。まず、対象となる磁気メモリセル６０につながるワード線ＷＬの電位をＨｉｇｈに設定する。これにより、第１トランジスタＴＲ１および第２トランジスタＴＲ２がＯＮになる。第１ビット線ＢＬ１の電位をＨｉｇｈに設定する。第２ビット線ＢＬ２をＯｐｅｎに設定する。これにより、読み出し電流Ｉ_Ｒが、第１ビット線ＢＬ１から第１トランジスタＴＲ１、強磁性トンネル接合を経由して読み出し線６２に流れる。又は、第１トランジスタＴＲ１および第２トランジスタＴＲ２がＯＮになった後、第２ビット線ＢＬ２の電位をＨｉｇｈに設定する。第１ビット線ＢＬ１をＯｐｅｎに設定する。これにより、読み出し電流Ｉ_Ｒが、第２ビット線ＢＬ２から第２トランジスタＴＲ２、強磁性トンネル接合を経由して読み出し線６２に流れる。なお、読み出し電流Ｉ_Ｒは、記録層２に磁区が生成されない程度の小さな電流で読み出される。

これらワード線ＷＬ、第１ビット線ＢＬ１、および第２ビット線ＢＬ２を制御する周辺回路は、当業者によって適宜設計されうる。図１５は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態の回路の構成の一例を示す回路ブロック図である。ＭＲＡＭ５０は、メモリセルアレイ５１、Ｘセレクタ５２、Ｙセレクタ５３、Ｙ側電流終端回路５４、Ｙ側電流源回路５５、Ｙ側電源回路５６、読み出し電流負荷回路５７、センスアンプ５８を具備する。

図１５において、ＭＲＡＭ５０は、上述の磁気メモリセル６０がマトリックス状に配置されたメモリセルアレイ５１を有している。このメモリセルアレイ５１は、データの記録に用いられる磁気メモリセル６０と共に、データ読み出しの際に参照されるリファレンスセル６０ｒを含んでいる。リファレンスセル６０ｒの基本構造は、磁気メモリセル６０のものと同じである。各磁気メモリセル６０において、上記読み出し線６２はグランド線に接続されているとする。また、上述の通り、各磁気メモリセル６０に対して、１本のワード線ＷＬとビット線対（第１ビット線ＢＬ１、第２ビット線ＢＬ２）とが設けられている。

複数のワード線ＷＬは、Ｘセレクタ５２に接続されている。Ｘセレクタ５２は、データの書き込み・読み出しのいずれにおいても、複数のワード線ＷＬから、対象となる磁気メモリセル６０ｓにつながる１本のワード線ＷＬを選択ワード線ＷＬｓとして選択する。

複数の第１ビット線ＢＬ１は、Ｙ側電流終端回路５４に接続されており、複数の第２ビット線ＢＬ２は、Ｙセレクタ５３に接続されている。Ｙセレクタ５３は、データの書き込みにおいて、複数の第２ビット線ＢＬ２から、対象となる磁気メモリセル６０ｓにつながる１本の第２ビット線ＢＬ２を選択第２ビット線ＢＬ２ｓとして選択する。Ｙ側電流終端回路５４は、データの書き込みにおいて、複数の第１ビット線ＢＬ１から、対象となる磁気メモリセル６０ｓにつながる１本の第１ビット線ＢＬ１を選択第１ビット線ＢＬ１ｓとして選択する。このようにして、対象となる磁気メモリセル６０ｓが選択される。

Ｙ側電流源回路５５は、データ書き込み時、選択第２ビット線ＢＬ２ｓに対し、所定の書き込み電流Ｉｗの供給又は引き込みを行う電流源である。このＹ側電流源回路５５は、書き込み電流Ｉｗの向きを定める電流セレクタ部と、定電流を供給する定電流源を備えている。Ｙ側電源回路５６は、データ書き込み時、Ｙ側電流終端回路５４に所定の電圧を供給する。その結果、Ｙ側電流源回路５５による書き込み電流Ｉｗは、磁気メモリセル６０ｓに書き込まれるデータに応じて、Ｙセレクタ５３へ流れ込む、又は、Ｙセレクタ５３から流れ出す。これらＸセレクタ５２、Ｙセレクタ５３、Ｙ側電流終端回路５４、Ｙ側電流源回路５５、及びＹ側電源回路５６は、磁気メモリセル６０に書き込み電流Ｉｗを供給するための「書き込み電流供給回路」を構成している。

データ読み出し時、例えば、第１ビット線ＢＬ１は“Ｏｐｅｎ”に設定される。読み出し電流負荷回路５７は、データ読み出し時、選択第２ビット線ＢＬ２ｓに所定の読み出し電流Ｉ_Ｒを流す。また、読み出し電流負荷回路５７は、リファレンスセル６０ｒにつながるリファレンス第２ビット線ＢＬ２ｒに所定の電流を流す。センスアンプ５８は、リファレンス第２ビット線ＢＬ２ｒの電位と選択第２ビット線ＢＬ２ｓの電位の差に基づいて、対象メモリセル６０ｓからデータを読み出し、そのデータを出力する。

このような周辺回路の構成により、磁気メモリセル６０にデータを書き込み、読み出すことができる。

なお、本実施の形態と類似の構造として、コンタクトプラグに磁性体を設けない構造でもメモリ動作させることができる。図１６は、本発明の磁気メモリセルの第１の実施の形態の構成の更に他の応用例を示す断面模式図である。この図は、記録層２の端部とコンタクトプラグ２１、２２との接続部分を示している。この例では、コンタクトプラグ２１、２２は、強磁性体を有さず、非磁性導体だけで構成されている。この場合、コンタクトプラグ２１、２２は、記録層２の上面または下面に直接接続しないようにする。すなわち、コンタクトプラグ２１、２２と記録層２との間に絶縁層３０が設けられている。そして、書き込み電流が一旦記録層２の横を近接しつつ、記録層２の上方向または下方向に通過した後に、記録層２に流れ込むようにする。この場合、書き込み電流が記録層２の横を流れるとき、記録層２に磁区が形成される。それにより、図７Ａ〜図９Ｂにおいて説明した方法と同様にして、データの書き込みを行うことができる。

本発明によれば、書き込み動作時に書き込み電流によって磁壁が生成され、書き込み終了時に磁壁を消失させることができる。そのため、磁壁を保存するために磁壁をトラップする構造が必要ない。したがって、記録層の構造を簡単にすることができ、細線化が容易となる。また、書き込み動作時に磁区を形成するので、メモリ作製後に、記録層内に磁壁を形成するための、着磁などの初期化工程が不要である。

また、本発明では、磁壁をポテンシャルでトラップしないので、磁壁のトラップエラーや、Ｌ．Ｔｈｏｍａｓ ｅｔ．ａｌ．，“Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｕｌｓｅ ｌｅｎｇｔｈ”，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４４３，ｐｐ．１９７，２００６．に記載されているような磁壁の逆方向への移動が生じず、誤動作の可能性がなくなる。

（第２の実施の形態）
本発明の磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリの第２の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１７Ａは、本発明の磁気メモリセルの第２の実施の形態の構成を示す平面模式図である。この図は、磁気メモリセルのＭＴＪ素子１ａを示している。図１７Ｂは、本発明の磁気メモリセルの第２の実施の形態の構成の一部を示す断面模式図である。この図は、図１７ＡのＦＦ’断面であり、記録層２の端部とコンタクト２５との接続部分を示している。なお、記録層２の他方の端部とコンタクト２６との接続部分も同様の構成を有する。

ＭＴＪ素子１ａでは、記録層２の中央部には、第１の実施の形態と同様に、強磁性トンネル接合が形成されている。記録部２の一方の端部には、高抵抗磁性体２７、及び電極層３５が接続されている。電極層３５は、コンタクト２５を介して下部電極４２に接続されている。記録部２の他方の端部には、高抵抗磁性体２８、及び電極層３６が接続されている。電極層３６は、コンタクト２６を介して下部電極４２に接続されている。

本実施の形態では、記録層２の端部の構成が第１の実施の形態と異なる。すなわち、第１の実施の形態におけるコンタクトプラグ２１（、２２）及び導電体３４を用いていない。その代わりとして、コンタクト２５（、２６）、電極層３５及び高抵抗磁性体層２７を用いている。

さらに、記録層２は、コンタクト２５（、２６）が配置されている側とは逆の側で、コンタクト２５（、２６）と記録層２をつなぐ電極層３５（、３６）と接続されている。また、電極層３５（、３６）と記録層２の間（ただし、電極層３５（、３６）と記録層２とが接続する面とには無い）には高抵抗磁性体２７（、２８）が設けられている。この高抵抗磁性体２７（、２８）は、電極層３５（、３６）を流れる電流によって記録層２の長手方向に磁化する。そして、その高抵抗磁性体２７（、２８）と記録層２との磁気的な相互作用によって、記録層２に磁区を作る働きをする。電極層３５と電極層３６がつくる磁化の方向は、同方向である。また、この高抵抗磁性体２７（、２８）としては、電極層３５、３６と記録層２とが所望の箇所以外で短絡しないように、すなわち高抵抗磁性体２７（、２８）を介して電流がほとんど流れないように、酸化物などの高抵抗の強磁性体を用いる。

次に、本実施の形態における磁気メモリセルの書き込み動作を説明する。ただし、書き込み前の記録層２の磁化方向を右方向とし、その状態をデータ「０」が記録された状態とする。まず、この状態から、データ「１」を書き込む方法について説明する。

図１７Ａを参照して、この記録層２に、コンタクト２５からコンタクト２６へ書き込み電流を流す。電極層３５を、コンタクト２５側から記録層２側へ流れる書き込み電流は、その下に存在する高抵抗磁性体２７を左向きに磁化させる。ここで、この高抵抗磁性体２７と記録層２との相互作用が強磁性的なものとすると、少なくとも電極層３５の下になっている部分の記録層２は左向きの磁区を形成する。そのとき、電極層３６を、記録層２側からコンタクト２５側へ流れる書き込み電流は、その下に存在する高抵抗磁性体２８を左向きに磁化させる。ここで、この高抵抗磁性体２８と記録層２との相互作用が強磁性的なものとすると、少なくとも電極層３６の下になっている部分の記録層２は左向きの磁区を形成する。従って、記録層２における右向きの磁化を有する中央部の領域と、左向きの磁化を有する両端部の領域との境界に磁壁が形成される。電子は、書込み電流の向きとは逆に、電極層３６側から電極層３５側に流れる。そのため、電極層３６側にできた左向きの磁化を有する磁区が磁壁を左に移動させながら拡大して、中央部の右向きの磁化を有する磁区を縮小して行き、最終的に、電極層３５側の左向きの磁区と合流する。このような過程により、記録層２の磁化方向は右向きから左向きに変わる。その状態をデータ「１」が記録された状態とする。すなわち、データ「１」の書込みが行われたことになる。

データ「１」が記録された状態から、データ「０」を書き込む方法については、上記方法と逆向きの書込み電流、すなわち、電極層３６側から電極層３５側へ書込みで電流を流すことで行うことができる。

図１８Ａは、本発明の磁気メモリセルの第２の実施の形態の他の構成を示す平面模式図である。この図は、磁気メモリセルのＭＴＪ素子１ｂを示している。図１８Ｂは、本発明の磁気メモリセルの第２の実施の形態の他の構成の一部を示す断面模式図である。この図は、図１８ＡのＧＧ’断面であり、記録層２の端部とコンタクト２５との接続部分を示している。なお、記録層２の他方の端部とコンタクト２６との接続部分も同様の構成を有する。

図１８Ａ及び図１８ＢのＭＴＪ素子１ｂは、図１７Ａ及び図１７ＢのＭＴＪ素子１ａと比較すると、電極層３５（、３６）と高抵抗磁性体２７（、２８）の形状が異なる。ＭＴＪ素子１ｂでは、コンタクト２５（、２６）の高さを高抵抗磁性体２７（、２８）の上面と同じにしている。隙間は絶縁膜３９で埋め込まれているので、記録層２のコンタクト２５（、２６）側の側面と電極層３５（、３６）とが接触することがない。そのため、高抵抗磁性体２７（、２８）は、記録層２の上面にのみ形成しても構わない。この構造における書き込み動作は、図１７Ａ及び図１７Ｂの場合と同一である。この場合も、図１７Ａ及び図１７Ｂの場合と同様の効果を得ることができる。

図１９Ａは、本発明の磁気メモリセルの第２の実施の形態の更に他の構成の一部を示す断面模式図である。この図は、磁気メモリセルのＭＴＪ素子１ｃを示している。この図の平面模式図は、図１７Ａとおおむね同じである。この図は、図１７ＡのＦＦ’断面に対応し、記録層２の端部とコンタクト２５との接続部分を示している。同様に、図１９Ｂは、本発明の磁気メモリセルの第２の実施の形態の別の構成の一部を示す断面模式図である。この図は、磁気メモリセルのＭＴＪ素子１ｄを示している。この図の平面模式図は、図１８Ａとおおむね同じである。この図は、図１８ＡのＧＧ’断面に対応し、記録層２の端部とコンタクト２５との接続部分を示している。なお、記録層２の他方の端部とコンタクト２６との接続部分も同様の構成を有する。

図１９ＡのＭＴＪ素子１ｃ及び図１９ＢのＭＴＪ素子１ｄは、図１７ＡのＭＴＪ素子１ａや図１８ＡのＭＴＪ素子１ｂと比較すると、高抵抗磁性体として、単層の膜を用いず、ＮｉＦｅのような導電性磁性体２３と窒化シリコンや酸化シリコン、フェライトのような絶縁体２４との積層構造を用いている。あるいは、導電性磁性体２３の成膜と形状加工を行った後、その表面を酸化して表面層を高抵抗にした絶縁体２４を形成しても良い。絶縁体２４は、電極層３５（、３６）と記録層２とが不要な箇所で短絡しないように設ける。この場合も、図１７Ａ及び図１７Ｂの場合と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態において、高抵抗磁性体２７、２８を全て非磁性の高抵抗体に置き換えても磁気メモリセルは動作する。しかし、磁区の生成に必要な電流は、高抵抗磁性体２７、２８を用いる場合の方が小さくすることができる。

また、本実施の形態では、電極層３５、３６を記録層２の上面を通過する形状としたが、記録層２の下面を通過する形状でもよい。また、本実施の形態では、電極層３５、３６と記録層２とが直交する形状としたが、記録層２に磁区を形成できれば、電極層３５、３６と記録層２とは直交していなくてもよい。いずれの場合も、図１７Ａ及び図１７Ｂの場合と同様の効果を得ることができる。

本発明の磁気メモリセルを用いた磁気ランダムアクセスメモリの第２の実施の形態の構成については、第１の実施の形態と同様に、図１３、図１４及び図１５の構成を用いることが出来る。その回路構成を用いることで、その書き込み動作及び読み出し動作も同様に実行できる。

第２の実施の形態のＭＴＪ素子について具体的に説明する。ここでは、図１９Ｂに示されるＭＴＪ素子１ｄを例として説明する。記録層２は、厚さ２０ｎｍ、幅１００ｎｍとしたＮｉＦｅ膜である。電極層３５、３６は、厚さ１００ｎｍ、記録層２と交差する領域の幅を２００ｎｍとしたＡｌ膜である。高抵抗磁性体としては、導電性磁性体２３である厚さ１０ｎｍのＣｏＦｅ膜と、絶縁体２４である厚さ１０ｎｍのＳｉＮ絶縁層との２層構造とする。ＣｏＦｅ膜の下面が記録層２に接し、ＳｉＮ絶縁膜が電極層３５、３６のＡｌ膜と接する。

この場合、電極層３５、３６に流れる電流が、電極層３５、３６の表面付近に発生する磁場は、１ｍＡあたり約２０Ｏｅである。したがって、数百μＡの書き込み電流でＣｏＦｅ膜を磁化することができ、記録層２への磁区の形成が可能である。

本発明の第１の実施の形態および第２の実施の形態では、記録層２の形状を直線状の細線として説明したが、本発明の原理上、記録層２は直線状に限定されない。例えば、Ｌ字やＵ字など、直線以外の形状でも本発明の効果を得ることができる。

本発明によれば、書き込み動作時に書き込み電流によって磁壁が生成され、書き込み終了時に磁壁を消失させることができる。それにより、磁壁を保存するために磁壁をトラップする構造が必要ない。したがって、記録層の構造を簡単にすることができ、細線化が容易となる。また、本発明では、磁壁をポテンシャルでトラップしないので、磁壁のトラップエラーや、磁壁の逆方向への移動が生じず、誤動作の恐れがなくなる。また、書き込み動作時に磁区を形成するので、磁気メモリセル作製後に、記録層内に磁壁を形成するための、着磁などの初期化工程が不要である。

本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。

本発明により、磁壁移動型メモリセルにおいて、書き込み後の磁壁の保持を不要とすることができる。磁壁移動型メモリセルにおいて、書き込み後の磁壁の保持が不要であり、構成が簡単で製造し易く、記録層の細線化が可能となる。

Claims (11)

1. 磁化方向が固定された強磁性体を含む固定層と、
   前記固定層の磁化方向と自身の磁化方向との相対的関係により情報を記憶する強磁性体を含む記録層と、
   前記記録層と前記固定層との間に設けられた非磁性体層と、
   前記記録層の一方の端部に電気的に接続された第１電極部と、
   前記記録層の他方の端部に電気的に接続された第２電極部と
   を具備し、
   書き込み電流が前記第１電極部及び前記第２電極部のいずれか一方から他方へ、前記記録層を介して供給されたとき、
   前記一方の端部及び前記他方の端部に、前記記録層の磁化の方向に対して反平行の成分を含む端部磁化が生じ、
   前記記録層の磁化は、前記端部磁化の方向へ向く
   磁気メモリセル。
2. 請求の範囲１に記載の磁気メモリセルにおいて、
   前記第１電極部及び前記第２電極部は、
   前記記録層の下面及び上面のいずれか一方から前記記録層に接続される柱状のプラグを備え、
   前記プラグは、
   前記書き込み電流が前記プラグに流れたときに、前記記録層と重なる領域の少なくとも一部に前記記録層の磁化に対して反平行の磁化成分を有し、前記記録層との磁気的な相互作用を有する強磁性体部を含む
   磁気メモリセル。
3. 請求の範囲２に記載の磁気メモリセルにおいて、
   前記記録層と前記強磁性体部との磁気的な相互作用が、強磁性的である
   磁気メモリセル。
4. 請求の範囲１に記載の磁気メモリセルにおいて、
   前記第１電極部及び前記第２電極部は、前記記録層の上方及び下方のいずれか一方を交差して通過し、
   前記第１電極部及び前記第２電極部を流れる前記書き込み電流の経路は、前記記録層と交差している
   磁気メモリセル。
5. 請求の範囲４に記載の磁気メモリセルにおいて、
   前記第１電極部及び前記第２電極部と前記記録層との間に強磁性体が設けられている
   磁気メモリセル。
6. 請求の範囲５に記載の磁気メモリセルにおいて、
   前記強磁性体が、高抵抗材料である
   磁気メモリセル。
7. 請求の範囲５に記載の磁気メモリセルにおいて、
   前記強磁性体は、
   前記記録層上に設けられた磁性層と、
   前記磁性層と前記第１電極部及び前記第２電極部との間に設けられた絶縁層とを含む
   磁気メモリセル。
8. 請求の範囲１乃至７のいずれか一項に記載の磁気メモリセルにおいて、
   前記書き込み電流の供給の開始により、前記記録層内に複数の磁区が生成する
   磁気メモリセル。
9. 請求の範囲１乃至８のいずれか一項に記載の磁気メモリセルにおいて、
   前記記録層の面積が前記固定層の面積よりも大きい
   磁気メモリセル。
10. 請求の範囲９に記載の磁気メモリセルにおいて、
    前記前記第１電極部及び前記第２電極部が、前記記録層の存在する領域を挟んだ両側に設けられている
    磁気メモリセル。
11. 第１方向に延伸する複数のワード線と、
    第２方向に延伸する複数の第１ビット線及び複数の第２ビット線と、
    前記複数のワード線と、前記複数の第１ビット線及び前記複数の第２ビット線との交点の各々に対応して設けられ、請求の範囲１乃至１０のいずれか一項に記載の複数の磁気メモリセルと
    を具備し、
    前記複数の磁気メモリセルの各々は、
    前記複数のワード線のうちの対応するものにオン・オフを制御され、一方の端子を前記複数の第１ビット線のうちの対応するものに、他方の端子を第１電極部にそれぞれ接続された第１スイッチ素子と、
    前記複数のワード線のうちの対応するものにオン・オフを制御され、一方の端子を前記複数の第２ビット線のうちの対応するものに、他方の端子を第２電極部にそれぞれ接続された第２スイッチ素子と
    を更に備える
    磁気ランダムアクセスメモリ。

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