JP5299643B2 - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM: Magnetic Random Access Memory）に関する。特に、本発明は、磁壁移動方式のＭＲＡＭに関する。

ＭＲＡＭは高速動作、および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリとして期待され、盛んな開発が行われている。ＭＲＡＭではメモリセルに磁気抵抗素子が集積化され、磁気抵抗素子の強磁性層の磁化の向きとしてデータが記憶される。この強磁性層の磁化をスイッチングさせる方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要であり、２００６ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ， Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ， ｐ．１３６によれば０．５ｍＡ以下への低減、さらに好ましくは０．２ｍＡ以下への低減が求められている。

ＭＲＡＭへの情報の書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁気抵抗素子の周辺に書き込み電流を流すための配線を配置し、書き込み電流を流すことで発生する電流磁界によって磁気抵抗素子の強磁性層の磁化の方向をスイッチングさせる方法である。この方法は、原理的には１ナノ秒以下での書き込みが可能であり、高速ＭＲＡＭを実現する上では好適である。例えば、特開２００５−１５０３０３号公報は、電流磁界によってデータ書き込みを行うＭＲＡＭについて、磁化固定層の端部の磁化が膜厚方向に向けられている構造を開示している。

しかしながら熱安定性、外乱磁界耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁界は一般的には数１０（Ｏｅ）程度となり、このような磁界を発生させるためには数ｍＡ程度の大きな書き込み電流が必要となる。書き込み電流が大きいと、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大するため、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力で劣ることになる。これに加えて、メモリセルが微細化されると、書き込み電流はさらに増大してしまい、スケーリングの点でも好ましくない。

近年このような問題を解決する手段として、以下の２つの方法が提案されている。第１の方法は、スピン注入磁化反転を利用することである。スピン注入磁化反転が利用されるＭＲＡＭでは、メモリセルの磁気抵抗素子が、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層（しばしば、磁化自由層と呼ばれる）と、磁化が固定された第２の強磁性層（しばしば、磁化固定層と呼ばれる）と、これらの強磁性層の間に設けられたトンネルバリア層を備える積層体で構成される。このようなＭＲＡＭのデータ書き込みでは、磁化自由層と磁化固定層の間で電流を流したときのスピン偏極した伝導電子の磁化自由層中の局在電子との間の相互作用を利用して磁化自由層の磁化が反転される。スピン注入磁化反転の発生の有無は、（電流の絶対値ではなく）電流密度に依存することから、スピン注入磁化反転をデータ書き込みに利用する場合には、メモリセルのサイズが小さくなれば、書き込み電流も低減される。すなわち、スピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、データ書き込みの際、膜厚が薄いトンネルバリア層に書き込み電流を流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が課題となる。また、書き込みの電流経路と読み出しの電流経路が同じになることから、読み出しの際の誤書き込みも懸念される。このようにスピン注入磁化反転はスケーリング性には優れるものの、実用化にはいくつかの障壁がある。

第２の方法は、電流駆動磁壁移動現象を利用することである。電流駆動磁壁移動現象を利用した磁化反転方法は、スピン注入磁化反転の抱える上述のような問題を解決することができる。電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは、例えば、特開２００５−１９１０３２号公報、特開２００６−７３９３０号公報、特開２００６−２７００６９号公報に開示されている。電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭの最も一般的な構成では、データを保持する強磁性層（しばしば、磁気記録層と呼ばれる。）が、反転可能な磁化を有する磁化反転部と、その両端に接続された、固定された磁化を有する２つの磁化固定部とで構成される。データは、磁化反転部の磁化として記憶される。２つの磁化固定部の磁化は、互いに略反平行となるように固定されている。磁化がこのように配置されると、磁気記録層に磁壁が導入される。Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ． ９２， ｎｕｍｂｅｒ ７， ｐ．０７７２０５， （２００４）で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流すと磁壁は伝導電子の方向に移動することから、磁気記録層に電流を流すことによりデータ書き込みが可能となる。電流駆動磁壁移動の発生の有無も電流密度に依存することから、スピン注入磁化反転と同様にスケーリング性があると言える。これに加えて、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭのメモリセルでは、書き込み電流が絶縁層を流れることはなく、また書き込み電流経路と読み出し電流経路とは別となるため、スピン注入磁化反転で挙げられるような上述の問題は解決されることになる。

しかしながら、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書き込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうという課題がある。電流誘起磁壁移動の観測は数多く報告されているが、概ね磁壁移動には１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］程度の電流密度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる強磁性膜の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合の書き込み電流は１ｍＡとなる。これ以下に書き込み電流を低減するためには、強磁性膜の幅を小さく、且つ、膜厚を薄くすればよい。しかしながら、膜厚を薄くすると書き込みに要する電流密度は更に上昇してしまうことが報告されている（例えば、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ｖｏｌ．４５， Ｎｏ．５Ａ， ｐｐ．３８５０−３８５３，（２００６）参照）。また、強磁性膜の幅を１００ｎｍ以下に小さくすることは、加工技術の点で大いなる困難を伴う。

書き込み電流を低減する有力なアプローチの一つは、磁気記録層（磁壁移動が起こる層）に、膜厚方向に磁気異方性を有する垂直磁気異方性材料の膜を使用することである。垂直磁気異方性材料の膜を使用する磁気抵抗素子では、１０^６［Ａ／ｃｍ^２］台の閾値電流密度が観測されている（例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ．９０，ｐ．０７２５０８（２００７）参照）。

しかしながら、磁気記録層に垂直磁気異方性材料の膜を使用すると、ＭＲＡＭの読み出し信号のＳＮ比に相当する磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を高くすることが難しくなり、読み出し特性との両立が困難になるという問題が発生する。例えば、近年、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢの構造を有する磁気トンネル接合を中心に、磁気抵抗効果比として非常に大きな値が報告されている。しかしながら、ＣｏＦｅＢは、面内方向に磁気異方性を有する材料である。この他にも、多くの材料について磁気トンネル接合の開発が行われているが、それらのほとんどは面内方向に磁気異方性を有する材料である；垂直磁気異方性材料については、高い磁気抵抗効果比や高い信頼性を有する磁気トンネル接合を実現したという実績はほとんどない。

従って、磁壁移動方式のＭＲＡＭにおいて、書き込み特性及び読み出し特性をそれぞれ独立に向上させることが望まれる。

磁壁移動方式のＭＲＡＭにおいて、書き込み特性及び読み出し特性をそれぞれ独立に向上させることが望まれる。但しその場合、磁気抵抗素子の構造は複雑となり、同じデータが記録されたメモリセル間の磁化状態のばらつきが増大する可能性がある。特に、リファレンスセル間の磁化状態のばらつきが増大すると、データ読み出し時のリファレンスレベルのばらつきも増大してしまう。

本発明の１つの目的は、磁壁移動方式のＭＲＡＭにおいて、データ読み出し時のリファレンスレベルのばらつきを抑制することができる技術を提供することにある。

本発明の一実施の形態において、磁壁移動方式のＭＲＡＭが提供される。そのＭＲＡＭは、メモリセルと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルとを備える。メモリセルは第１磁気抵抗素子を含み、リファレンスセルは第２磁気抵抗素子を含む。

第１磁気抵抗素子は、垂直磁気異方性を有する第１磁化自由層と、磁化方向が固定された第１磁化固定層と、磁化方向が可変な第２磁化自由層と、第１磁化固定層と第２磁化自由層とに挟まれた第１非磁性層とを備える。第１磁化固定層及び第２磁化自由層は、面内磁気異方性を有する。第１磁化自由層は、磁化方向が固定された第１磁化固定領域と、磁化方向が固定された第２磁化固定領域と、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域とに接続され磁化方向が反転可能な磁化自由領域とを有する。磁化自由領域と第２磁化自由層とは、互いに磁気的に結合している。各層に平行な第１平面において、第２磁化自由層の重心は、磁化自由領域の重心から第１方向にずれている。

第２磁気抵抗素子は、磁化容易軸が第２方向に平行な第３磁化自由層と、磁化方向が第２方向と直交する第３方向に固定された第２磁化固定層と、第３磁化自由層と第２磁化固定層とに挟まれた第２非磁性層とを備える。第３磁化自由層と第２磁化固定層は、面内磁気異方性を有する。

本発明によれば、磁壁移動方式のＭＲＡＭにおいて、書き込み特性及び読み出し特性をそれぞれ独立に向上させることが可能となる。更に、データ読み出し時のリファレンスレベルのばらつきを抑制することが可能となる。

上記及び他の目的、長所、特徴は、次の図面と共に説明される本発明の実施の形態により明らかになるであろう。

図１Ａは、本発明の一実施の形態の第１磁気抵抗素子の主要な部分の構造を表す斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａの第１磁気抵抗素子の主要な部分の構造を表す平面図である。 図１Ｃは、図１Ａの第１磁気抵抗素子の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１Ｄは、図１Ａの第１磁気抵抗素子の主要な部分の構造を表す断面図である。 図２Ａは、本実施の形態の第１磁気抵抗素子における磁束の状態を説明するための断面図である。 図２Ｂは、本実施の形態の第１磁気抵抗素子が取りうる２つの状態を説明するための断面図である。 図２Ｃは、本実施の形態の第１磁気抵抗素子が取りうる２つの状態を説明するための断面図である。 図３Ａは、本実施の形態の第１磁気抵抗素子の第１変形例の構成を表す斜視図である。 図３Ｂは、図３Ａの第１磁気抵抗素子の構成を表す断面図である。 図３Ｃは、図３Ａの第１磁気抵抗素子の構成を表す断面図である。 図４Ａは、本実施の形態の第１磁気抵抗素子の第２変形例の更に他の構成を表す斜視図である。 図４Ｂは、図４Ａの第１磁気抵抗素子の構成を表す平面図である。 図５Ａは、本実施の形態の第１磁気抵抗素子の第３変形例の構成を表す斜視図である。 図５Ｂは、図５Ａの第１磁気抵抗素子の構成を表す断面図である。 図５Ｃは、図５Ａの第１磁気抵抗素子の構成を表す断面図である。 図６Ａは、本実施の形態の第１磁気抵抗素子の第４変形例の構成を表す平面図である。 図６Ｂは、本実施の形態の第１磁気抵抗素子の第４変形例の他の構成を表す平面図である。 図７は、典型的なＭＲＡＭの構成を示す概略図である。 図８は、本発明の実施の形態に係る第１磁気抵抗素子の一例を示す斜視図である。 図９は、図８で示された第１磁気抵抗素子の磁化状態を示す平面図である。 図１０は、磁化状態のばらつきを示す概念図である。 図１１は、リファレンスレベルのばらつきを説明するためのヒストグラムである。 図１２Ａは、本発明の実施の形態に係る第２磁気抵抗素子の一例を示す斜視図である。 図１２Ｂは、図１２Ａで示された第２磁気抵抗素子の磁化状態を示す平面図である。 図１３Ａは、本発明の実施の形態に係る第２磁気抵抗素子の他の例を示す斜視図である。 図１３Ｂは、図１３Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。 図１４Ａは、本発明の実施の形態に係る第２磁気抵抗素子の更に他の例を示す斜視図である。 図１４Ｂは、図１４Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。 図１５は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成を示す概略図である。 図１６は、本発明の実施の形態に係るメモリセルとリファレンスセルの磁化状態を示す概念図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁壁移動方式の磁気抵抗素子及びＭＲＡＭを説明する。

１．第１磁気抵抗素子
１−１．構成
図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の実施の形態に係る第１磁気抵抗素子１の構造を模式的に示している。詳細には、図１Ａは斜視図であり、図１Ｂ、図１Ｃ、及び図１Ｄは、それぞれ、図１Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｙ平面図、ｘ−ｚ断面図、ｙ−ｚ断面図である。

本実施の形態に係る第１磁気抵抗素子１は、第１磁化自由層１０と、第２磁化自由層２０と、第１非磁性層３０と、第１磁化固定層４０とを具備する。第２磁化自由層２０は第１非磁性層３０の一方の面に隣接して設けられ、第１磁化固定層４０は第１非磁性層３０の他方の面に隣接して設けられる。つまり、第１非磁性層３０は、第１磁化固定層４０と第２磁化自由層２０に挟まれている。

第１磁化自由層１０、第２磁化自由層２０、及び第１磁化固定層４０は強磁性体により構成される。第１磁化自由層１０は、膜厚方向（図のｚ軸方向）の垂直磁気異方性を有し、第２磁化自由層２０と第１磁化固定層４０とは、面内方向の面内磁気異方性を有する。本実施の形態では、第１非磁性層３０は絶縁体により構成されており、第２磁化自由層２０、第１非磁性層３０、及び第１磁化固定層４０で磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。第１非磁性層３０は、絶縁体により構成されることが望ましいが、半導体や導体から構成されてもよい。

第１磁気抵抗素子１において、第１磁化自由層１０は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化自由領域１２から構成される。磁化自由領域１２は、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとの間に設けられている。また、第１磁化自由層１０は、磁化自由領域１２が第２磁化自由層２０の少なくとも一部と磁気的に結合されるように設計される。言い換えると、第１磁化自由層１０は、磁化自由領域１２の磁化状態が第２磁化自由層２０の磁化状態に影響を及ぼすように設計されている。磁化自由領域１２は、電気的にも第２磁化自由層２０に接続して設けられている。

第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂのそれぞれは、少なくとも一部分において固定された磁化を有する。第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化方向は、膜厚方向（図のｚ軸方向）に固定されており、且つ、それらは互いに略反平行方向を向けられている。一方、磁化自由領域１２の磁化方向は反転可能であり、その磁化は第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化のいずれかと略平行方向となる。本実施の形態の第１磁気抵抗素子１においては、磁化自由領域１２の磁化方向が記憶されるデータに対応する。

また、第２磁化自由層２０は、面内方向（ｘ−ｙ面内の方向）において反転可能な磁化を有しており、第１磁化固定層４０の磁化方向は、面内方向（ｘ−ｙ面内の方向）において所定の方向に固定されている。

前述のように、磁化自由領域１２と第２磁化自由層２０とは、磁気的に結合されている。好適には、磁化自由領域１２の重心Ｇ１２と第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０はｘ−ｙ面内においてずれるように設計される。これによって、後述のように第２磁化自由層２０の磁化方向は磁化自由領域１２の磁化方向に応じて一意的に決まる。磁化自由領域１２の磁化方向として記憶されているデータは、磁化自由領域１２と第２磁化自由層２０の間の磁気結合を介して第２磁化自由層２０に伝達される。なお、図１Ａ〜図１Ｄは、磁化自由領域１２の重心Ｇ１２に対して、第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０が＋ｙ方向にずれた例を示している。但し、ずれ方向は＋ｙ方向に限られない。ｘ−ｙ面内において、第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０は、磁化自由領域１２の重心Ｇ１２から“第１の方向”にずれていればよい。第１磁化固定層４０の磁化方向は、第１の方向と平行あるいは反平行な方向に固定されることが望ましい。

なお、ここでいう重心とは、ｘ−ｙ平面における幾何学的な意味での重心である。すなわち重心の位置ベクトルをＲｇ＝（Ｘｇ，Ｙｇ）とし、任意の点ｉの位置ベクトルをＲｉ＝（Ｘｉ，Ｙｉ）としたとき、重心の位置ベクトルＲｇはΣｉ（Ｒｉ−Ｒｇ）＝０を満たす。ここでΣｉはｉに関する総和を意味する。例えば、長方形、平行四辺形の場合には重心は対角線の交点であり、楕円形の場合には重心はその中心である。

次に、各層の材料について例示する。まず、第１磁化自由層１０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含むことが望ましい。さらにＰｔやＰｄを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的にはＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏなどが例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む層を、異なる層と積層させることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜などが例示される。

また、第２磁化自由層２０、第１磁化固定層４０はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含むことが望ましい。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的には、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｚｒ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｚｒ−Ｂなどが例示される。

また第１非磁性層３０は絶縁体から構成されることが望ましい。第１非磁性層３０として好適な材料としては、具体的にはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが挙げられる。ただし、この他に、第１非磁性層３０として半導体や金属材料を用いても本発明は実施できる。具体的には、第１非磁性層３０として使用可能な材料としては、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎなどが挙げられる。

なお、第２磁化自由層２０、第１非磁性層３０、第１磁化固定層４０には、読み出し信号のＳＮ比に相当する磁気抵抗効果比が大きくなるような材料が選択されることが好ましい。例えばＣｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｍｇ−Ｏ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系のＭＴＪにおいては近年５００％級の非常に大きな磁気抵抗効果比が報告されている。この観点では、第２磁化自由層２０、第１磁化固定層４０をＣｏ−Ｆｅ−Ｂ系の材料とし、第１非磁性層３０をＭｇ−Ｏ系とすることが望ましい。

１−２．原理
以下では、磁化自由領域１２と第２磁化自由層２０の磁気結合、及び第１磁気抵抗素子１において磁化がとり得る２つの状態について、図２Ａ〜図２Ｃを用いてより詳細に説明する。図２Ａは、磁化自由領域１２の磁化方向で第２磁化自由層２０の磁化方向が一意的に決まることを説明するための模式図である。単純化のため、図２Ａにおいて、磁化自由領域１２の磁化は、膜厚方向で実質的に一方向を向いているものと仮定されている。図２Ａには、磁化自由領域１２からの漏れ磁束の様子が模式的に示されている。図２Ａに示されているように、漏れ磁束は滑らかに繋がる必要があるため、磁化自由領域１２の端部に行くに従って磁束は面内方向に平行な成分を有するようになる。第２磁化自由層２０の磁化方向は、この磁束の面内方向に平行な成分によって決定される。

図２Ｂ、図２Ｃは、第１磁気抵抗素子１における“０”、“１”のそれぞれの状態における各層の磁化状態を模式的に示している。なお、図２Ｂ、図２Ｃでは第１磁化固定層４０の磁化方向が＋ｙ方向に固定されているものとして図示されているが、第１磁化固定層４０の磁化方向は、−ｙ方向であっても構わない。今、図２Ｂのように磁化自由領域１２の磁化が＋ｚ方向を向いている場合、図２Ａに示されるような漏れ磁束によって、第２磁化自由層２０の磁化は＋ｙ方向成分を持つ。これによって第２磁化自由層２０と第１磁化固定層４０の磁化は平行成分を持つことになる。一方、図２Ｃのように磁化自由領域１２の磁化が−ｚ方向を向いている場合、図２Ａとは逆方向の漏れ磁束によって、第２磁化自由層２０の磁化は−ｙ方向成分を持つ。これによって、第２磁化自由層２０と第１磁化固定層４０の磁化は反平行成分を持つことになる。上述のように第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０が磁化自由領域１２の重心Ｇ１２に対して特定方向（第１の方向）にずれて設けられることで、第２磁化自由層２０の磁化は当該特定方向に沿って、磁化自由領域１２の磁化方向に応じて正負いずれかの方向成分を持つことになる。これは磁化自由領域１２の重心Ｇ１２から放射状に漏れ磁束の面内方向成分が分布するためである。これによって第２磁化自由層２０の磁化は、第１磁化固定層４０の磁化方向と平行、反平行のいずれかの成分を持つ。

磁化自由領域１２において垂直方向の磁化成分として記憶されたデータが、磁気結合によって第２磁化自由層２０の膜面方向の磁化成分へと伝達されることは、本実施の形態の第１磁気抵抗素子１の重要な特徴の一つである。従って、ここで示された漏れ磁束を用いる方法に限らず、例えば交換結合を利用するなど、あらゆる磁気結合様式によって第２磁化自由層２０と磁化自由領域１２の磁化を関連付けてもよい。

なお、第２磁化自由層２０の磁化は磁化自由領域１２の磁化に応じてその方向を変えることができれば、その磁化容易軸の方向は任意である。従って、第２磁化自由層２０の磁化容易軸の方向はｙ方向を向いていてもよいし、ｘ方向を向いていてもよい。ｙ方向を向いている場合には、磁化容易軸間での磁化反転となり、一方ｘ方向を向いていれば、磁化容易軸を中心とした困難軸方向への磁化回転となる。また、第２磁化自由層２０の磁気異方性は、結晶磁気異方性によって設けてもよく、形状磁気異方性によって設けてもよい。

１−３．データ書き込み方法、データ読み出し方法
本実施の形態に係る第１磁気抵抗素子１へのデータの書き込みは、第１磁化自由層１０内に形成される磁壁を移動させることによって行われる。前述のように、第１磁化自由層１０は磁化が膜厚方向で互いに略反平行に固定された第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂと、それらに電気的に接続された磁化自由領域１２を具備し、磁化自由領域１２の磁化は第１磁化固定領域１１ａか第２磁化固定領域１１ｂのいずれかと略平行方向となる。このような磁化状態の制約によって、第１磁化自由層１０内には磁壁が導入される。例えば、磁化自由領域１２の磁化が第１磁化固定領域１１ａの磁化と略平行であり、第２磁化固定領域１１ｂの磁化とは略反平行にあるとき、磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂの境界付近に磁壁が形成される。また、磁化自由領域１２の磁化が第２磁化固定領域１１ｂの磁化と略平行であり、第１磁化固定領域１１ａの磁化とは略反平行にあるとき、磁化自由領域１２と第１磁化固定領域１１ａの境界付近に磁壁が形成される。

形成された磁壁は、第１磁化自由層１０内に直接電流を流すことによってその位置を移動させることができる。例えば、磁化自由領域１２と第１磁化固定領域１１ａの境界付近に磁壁が形成されている場合、磁化自由領域１２から第１磁化固定領域１１ａへ向かう方向に電流を流すことによって、第１磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１２へと伝導電子が流れ、伝導電子の流れと同方向に磁壁が移動する。磁壁の移動により、磁化自由領域１２の磁化は第１磁化固定領域１１ａと平行方向になる。また、磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂの境界付近に磁壁が形成されている場合、磁化自由領域１２から第２磁化固定領域１１ｂへ向かう方向に電流を流すことによって、第２磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１２へと伝導電子が流れ、伝導電子の流れと同方向に磁壁が移動する。磁壁の移動により、磁化自由領域１２の磁化は第２磁化固定領域１１ｂと平行方向になる。このようにして“０”状態と“１”状態の間での情報の書き換えが可能である。

実際には、上述のような書き込み電流を導入するために、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂに、外部の配線に接続される端子が設けられることが望ましい。このとき書き込み電流は、第１磁化固定領域１１ａに接続される第１端子と第２磁化固定領域１１ｂに接続される第２端子の間で流される。但し、本実施の形態の第１磁気抵抗素子１にデータを書き込むための書き込み電流の経路はこの限りではなく、他の方法も後に説明される。

次に、本実施の形態の第１磁気抵抗素子１からのデータの読み出し方法について説明する。本実施の形態の第１磁気抵抗素子１からのデータの読み出しには、磁気抵抗効果が利用される。具体的には、第１非磁性層３０を通して第１磁化固定層４０と第２磁化自由層２０の間で電流を流し、第１磁化固定層４０と第２磁化自由層２０の磁化の相対角に応じた抵抗を検出することでデータを読み出す。例えば、図２Ｂに示されるような第１磁化固定層４０と第２磁化自由層２０の磁化が平行成分を有する場合、低抵抗状態が実現され、図２Ｃに示されるような第１磁化固定層４０と第２磁化自由層２０の磁化が反平行成分を有する場合、高抵抗状態が実現される。第１磁気抵抗素子１の抵抗が、電圧信号、又は電流信号として検知され、その電圧信号、又は電流信号を用いて第１磁気抵抗素子１に記憶されているデータが判別される。

以上に説明されたように、本実施の形態に係る第１磁気抵抗素子１では、データ書き込み時に第１磁化自由層１０が用いられる。この意味で、第１磁化自由層１０は「書き込み層」と参照される。一方、データ読み出し時には、第２磁化自由層２０、第１非磁性層３０及び第１磁化固定層４０が用いられる。この意味で、第２磁化自由層２０、第１非磁性層３０及び第１磁化固定層４０は、「読み出し層群」と参照される。本実施の形態によれば、書き込み層と読み出し層群は、別々に設けられるが、磁気結合を通して互いに関連し合っている。逆に言えば、磁気結合を介した情報伝達があるため、書き込み用の書き込み層と読み出し用の読み出し層群を別々に設けることが可能となる。従って、所望の特性が得られるように書き込み層と読み出し層群をそれぞれ独立に最適化することができ、結果として、書き込み特性の向上と読み出し特性の向上を同時に実現することが可能となる。例えば、書き込み閾値電流密度の低減のために適切な材料特性を有する垂直磁化膜を書き込み層に適用し、且つ、高いＭＲ比を発現するＭＴＪを読み出し層群に適用することができる。

１−４．技術的利点
本実施の形態の第１磁気抵抗素子１の第１の技術的利点は、書き込み電流の低減である。これは、データ書き込みの際に磁壁移動が起こる層である第１磁化自由層１０が垂直方向に磁気異方性を有することに起因する。発明者は、スピントランスファートルクを考慮に入れたＬＬＧ方程式を用いたマイクロマグネティクス計算を行うことにより、垂直磁気異方性を有する材料で形成される磁壁は面内磁気異方性を有する材料で形成される磁壁に比べると、電流で駆動する場合に必要となる電流密度は十分小さく、一方磁界で駆動する場合に必要となる磁界は十分大きくなることを見出した。Ｅｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ．６９， ｐｐ．９９０−９９６（２００５）に記載されているように、スピントランスファートルクを考慮に入れたＬＬＧ方程式によれば、磁化の時間変化（∂ｍ／∂ｔ）は、［１］磁界によるトルクを表す項、［２］ダンピング項、［３］断熱スピントルク項、及び［４］非断熱スピントルク項の和として表される。マイクロマグネティクス計算によれば、垂直磁気異方性を有する材料で形成される磁壁は、１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］程度の電流密度においても［３］の断熱スピントルク項により駆動され、一方で面内磁化膜の場合には１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］程度の電流密度では［４］の非断熱スピントルク項がなければ磁壁は駆動されないことがわかった。ここで［３］の断熱スピントルク項による磁壁駆動の場合、過度に大きくないピニングのときには、ピニング磁界に依存せずに磁壁はピンサイトからデピンできることが知られている。従って、［３］の断熱スピントルク項での磁壁駆動が不可能な面内磁気異方性を有する材料に比べて、［３］の断熱スピントルク項での磁壁駆動が可能な垂直磁気異方性を有する材料は、強い磁壁のピニングと低電流密度による磁壁駆動を両立させ易いことがわかる。すなわち垂直磁気異方性を有する材料を用いることにより、熱安定性として十分な値を保った上で書き込みに要する電流を低減することが可能である。

例えば、簡単な例として、第１磁化自由層１０の幅（ｗ）が１００ｎｍ、第１磁化自由層１０の膜厚（ｔ）が２ｎｍ、磁壁のピンサイトの幅の半分（ｑ_０）が１５ｎｍであり、また、第１磁化自由層１０の飽和磁化（Ｍ_Ｓ）が５００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］、スピン分極率（Ｐ）が０．５、磁壁のピンサイトのデピン磁界（Ｈ_Ｃ）が１０００［Ｏｅ］である構成について考えよう。この場合の熱安定性指標ΔＥ／ｋ_ＢＴは、約４０となる。ここでｋ_Ｂはボルツマン定数でＴは絶対温度である。このような系を仮定した場合の、磁壁をピンサイトからデピンさせるのに必要な電流密度は、マイクロマグネティクス計算から約２×１０^７［Ａ／ｃｍ^２］となることがわかった。このとき、当該素子の書き込み電流は０．０４［ｍＡ］となる。

一方で、面内方向に磁気異方性を有する材料を用いて同じ熱安定性指標（ΔＥ／ｋ_ＢＴ＝４０）を実現するための構造として、例えば、第１磁化自由層１０の幅（ｗ）が１００ｎｍ、磁化自由層の膜厚（ｔ）を１０ｎｍ、磁壁のピンサイトの幅の半分（ｑ_０）が４０ｎｍであり、また飽和磁化（Ｍ_Ｓ）が８００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］、スピン分極率（Ｐ）が０．７、磁壁のピンサイトのデピン磁界（Ｈ_Ｃ）が５０［Ｏｅ］である構成について考える。。マイクロマグネティクス計算によればこのような系で磁壁をピンサイトからデピンさせるのに必要な電流密度は、約６×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］となることがわかった。本来、このような電流密度は発熱やエレクトロンマイグレーション効果の観点から素子に通ずることは非現実的ではあるが、ここでは比較のためにこの電流密度の値を用いる。このとき、面内磁化膜での素子への書き込み電流は６［ｍＡ］となる。このように、垂直方向に磁気異方性を有する材料を磁壁移動が起こる層に用いることで、大幅な書き込み電流の低減がもたらされることがわかる。

なお、ここで用いた第１磁気抵抗素子１のパラメータはあくまでも目安であり、第１磁気抵抗素子１のパラメータは様々に変更され得る。従って、書き込みに要する電流値や、熱安定性ΔＥ／ｋ_ＢＴも、そのパラメータの変更に応じて変化するが、電流値と熱安定性は概ね連動して変化するため、上述のような面内磁化膜と垂直磁化膜での書き込み電流の大小関係が大幅に覆ることはない。

さらに加えて、垂直方向に磁気異方性を有する材料においては、面内方向に磁気異方性を有する材料とは異なり、電流で磁壁を駆動する場合に必要となる電流密度は膜厚が薄くなるほど低減することが、マイクロマグネティクス計算からわかった。膜厚を薄くすれば、当然トータルの電流量は低減するが、垂直磁気異方性材料では、これに加えて電流密度が低減するため、垂直磁気異方性材料を用いることにより、書き込み電流を効果的に低減することができる。

本実施の形態の第１磁気抵抗素子１の第２の技術的利点は、読み出し信号の増大である。これは、垂直磁気異方性を有する第１磁化自由層１０で記憶されているデータが面内方向に磁気異方性を有する第２磁化自由層２０へと伝達され、読み出しのためのＭＴＪは膜面方向に磁化を有する強磁性層により構成されるためである。ＭＴＪを構成する強磁性層として、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｍｇ−Ｏ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系の材料や、それに順ずる材料を用いれば、一層に高いＭＲ比が実現可能である。

本実施の形態の第１磁気抵抗素子１の第３の技術的利点は、書き込みと読み出しのトレードオフの解消及び製造プロセスの容易化である。これは書き込みのための第１磁化自由層１０と読み出しのための第２磁化自由層２０を、独立に設計することができるためである。例えば一般的な磁界書き込み型のＭＲＡＭの場合、読み出し信号を大きくするためにＣｏ−Ｆｅなどのスピン偏極率の高い材料を用いた場合、概して素子の磁気異方性が大きくなってしまうため、書き込みに必要な電流が増加する。しかるに本実施の形態の第１磁気抵抗素子１では、書き込み電流の低減と読み出し信号の増大は、別の層の特性を調整することで実現できるため、上述のようなトレードオフは解消される。これに加えて、第１磁化自由層１０と第２磁化自由層２０は別々に製造することもできるため、製造プロセスは容易となる。

本実施の形態の第１磁気抵抗素子１の第４の技術的利点は、磁気シールドの省略、または磁気シールドへの要求の低減による低コスト化である。これは、情報の記憶層である第１磁化自由層１０に用いられる垂直磁気異方性材料では、結晶磁気異方性が十分大きいため、外乱磁界に対する耐性が面内磁化膜に比べて極めて大きくなるたるためである。面内方向に磁気異方性を有する材料では、現状では磁気シールドは事実上必須となるが、本発明に因れば外乱磁界耐性の保障に磁気シールドが必要なくなる、あるいは必要であっても磁気シールドの性能への要求は低減されるため、低コストでの製造が可能となる。

１−５．第１変形例
図３Ａ〜図３Ｃは、第１磁気抵抗素子１の第１変形例を模式的に示している。このうち図３Ａは斜視図であり、図３Ｂは図３Ａにおけるｘ−ｚ断面図、図３Ｃは図３Ａにおけるｙ−ｚ断面図である。

詳細には、第１変形例では第１磁化自由層１０と第２磁化自由層２０の間に導電層５０が設けられる。導電層５０は導体から構成される。なお、導電層５０は磁性体であってもよいし、非磁性体であってもよい。導電層５０は、第１磁化自由層１０と第２磁化自由層２０とを電気的に接続する役割も有している。

導電層５０の形状は、図３Ａ、図３Ｂに示されているように、第２磁化自由層２０の下側のみに設けられてもよいし、第１磁化自由層１０の上面、及び第２磁化自由層２０の下側の全面を覆うように設けられてもよい。また、図示されていないが、第１磁化自由層１０、第２磁化自由層２０の少なくとも一部分のみを覆うように設けられてもよい。

導電層５０が設けられることで、製造プロセスを容易にすることができる。これは導電層５０の上下を分けて形成することができるためである。この際、導電層５０は、導電層５０の下側の層のキャップ層の役割を果たし、また導電層５０の上側の層の下地層の役割を果たすことができる。これによって、導電層５０の下側の層の酸化や化学的な変質を防止することができ、また導電層５０の上側の層の結晶配向をコントロールしたり化学的な変質を防止したりすることができる。また導電層５０が設けられることで、第１磁化自由層１０と第２磁化自由層２０の電気的なコンタクトを良好にすることができる。

また導電層５０に磁性材料を用いた場合、第１磁化自由層１０の磁化自由領域１２の磁化のデータを第２磁化自由層２０へと効率的に伝達することができる。このためには導電層５０に透磁率の高い材料を用いることが望ましい。これによって第２磁化自由層２０の磁化をより容易に反転させることができる。導電層５０を用いて効率的に磁化自由領域１２の磁化情報を第２磁化自由層２０へと伝達するためには、導電層５０の材料はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも一つの元素を含むことが望ましい。

１−６．第２変形例
図４Ａ及び図４Ｂは、第１磁気抵抗素子１の第２変形例を模式的に示している。図４Ａは斜視図を、図４Ｂはｘ−ｙ平面図である。

図４Ａ、図４Ｂの構造においても、第１磁化自由層１０は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化自由領域１２から構成される。ただし、磁化自由領域１２の一方の端部に第１磁化固定領域１１ａが接続して設けられ、他方の端部に第２磁化固定領域１１ｂが接続して設けられるのではなく、磁化自由領域１２の一方の端部に第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂが接続して設けられる。すなわち、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化自由領域１２は三叉路を形成する。なお、図４Ａ、図４Ｂの構造においても、各層の位置関係や磁気特性は上述の通りである。すなわち、第１磁化自由層１０は垂直磁気異方性を有し、一方、第２磁化自由層２０、第１磁化固定層４０は面内磁気異方性を有する。また、第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０は、ｘ−ｙ面内において磁化自由領域１２の重心Ｇ１２から“第１の方向”にずれている。また、第１磁化自由層１０を構成する第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は膜厚方向で互いに反平行方向に固定されている。

図４Ａ、図４Ｂで示される第１磁気抵抗素子１は４端子素子である。４つの端子のうちの１つは第１磁化固定層４０に設けられ、他の２つの端子は第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂに設けられ、残りの１つの端子は磁化自由領域１２に設けられる。図４Ａ、図４Ｂの構造においても、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界付近、または第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界付近のいずれか一方に磁壁が形成される。また図４Ａ、図４Ｂの構造においては、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の間、若しくは第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の間で電流を流すことにより書き込みを行う。この場合には、磁壁は第１磁化固定領域１１ａまたは第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２との境界から出発して、磁化自由領域１２のもう一方の端部から抜けることで書き込みが行われる。

１−７．第３変形例
図５Ａ〜図５Ｃは、第１磁気抵抗素子１の第３変形例を模式的に示している。図５Ａは斜視図であり、図５Ｂはｘ−ｚ断面図であり、図５Ｃはｙ−ｚ断面図である。本実施の形態の第１磁気抵抗素子１においては、第２磁化自由層２０、第１非磁性層３０、第１磁化固定層４０が隣接してこの順に設けられればよく、これらと第１磁化自由層１０の積層順には任意性がある。従って、図５Ａ〜図５Ｃに示されているように、第１磁化自由層１０が最上層に形成されてもよい。この場合も、磁化自由領域１２と第２磁化自由層２０の重心はｘ−ｙ面内においてずれるが、そのずれ方向には任意性がある。

１−８．第４変形例
図６Ａは、第１磁気抵抗素子１の第４変形例の構造を模式的に示す平面図である。本実施の形態においては、第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０は第１磁化自由層１０の磁化自由領域１２の重心Ｇ１２に対して面内方向（ｘ−ｙ平面に平行な方向）で特定方向にずれる。これまでの図ではこの特定方向が＋ｙ方向に略平行方向になるものとして描かれているが、この特定の方向は任意に決定され得る。従って図６Ａに示されるように当該特定の方向がｘ成分を有していても構わない。また、第２変形例で説明されたように第１磁化自由層１０が三叉路を有している場合、図６Ｂに示されるような第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０と磁化自由領域１２の重心Ｇ１２の位置関係となっていても構わない。

尚、以上に説明されたそれぞれの例は矛盾しない限り組み合わせることが可能である。

２．リファレンスレベルのばらつき
図７は、典型的なＭＲＡＭの構成を概略的に示している。ＭＲＡＭのメモリセルアレイは、マトリックス状に配置された複数のセルを有している。より詳細には、セルには、データ記録用のメモリセルＭＣと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１が含まれる。メモリセルＭＣ、リファレンスセルＲＣ０及びＲＣ１は、同一の構造の磁気抵抗素子を有している。

メモリセルＭＣにはデータ“０”あるいはデータ“１”が格納される。メモリセルＭＣの磁気抵抗素子の抵抗値は、データ“０”の場合Ｒ０であり、データ“１”の場合Ｒ１である。リファレンスセルＲＣ０はデータ“０”に設定されており、その磁気抵抗素子の抵抗値はＲ０である。一方、リファレンスセルＲＣ１はデータ“１”に設定されており、その磁気抵抗素子の抵抗値はＲ１である。このようなリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１の設定は、メモリセルＭＣに対するデータ書き込みと同様の方法で行われ、そのための専用のセットコントローラが設けられている。

データ読み出し時、読み出し対象のメモリセルＭＣに加えて、リファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１に読み出し電流が流される。読み出し回路は、メモリセルＭＣを流れる読み出し電流に基づいて、メモリセルＭＣの記録データに応じた読み出しレベルを生成する。また、読み出し回路は、リファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１のそれぞれを流れる読み出し電流に基づいて、抵抗値Ｒ０とＲ１の中間抵抗値に対応するリファレンスレベルを生成する。そして、読み出し回路は、読み出しレベルをリファレンスレベルと比較することによって、メモリセルＭＣの記録データを判定する。

ここで、上述の第１磁気抵抗素子１が、メモリセルＭＣ、リファレンスセルＲＣ０及びＲＣ１に適用される場合を考える。上述の通り、書き込み特性と読み出し特性をそれぞれ独立に向上させるために、第１磁気抵抗素子１では書き込み層（１０）と読み出し層群（２０〜４０）が分離されている。そして、読み出し層群の第２磁化自由層２０の磁化状態、すなわち、読み出し層群のＭＴＪ抵抗値は、第１磁化自由層１０の磁化自由領域１２の磁化状態に依存して遠隔的に定まる。

このような構造の場合、同じデータが記録されたメモリセルＭＣ間であっても、読み出し層群のＭＴＪ抵抗値（Ｒ０あるいはＲ１）がばらつく可能性がある。これは、リファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１に関しても同様である。データ“０”に設定されたリファレンスセルＲＣ０間で読み出し層群の抵抗値Ｒ０はばらつく可能性があり、且つ、データ“１”に設定されたリファレンスセルＲＣ１間で読み出し層群の抵抗値Ｒ１はばらつく可能性がある。上述の通りリファレンスレベルが２種類のリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１のそれぞれを参照することにより生成される場合、それらリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１のそれぞれの抵抗値のばらつきの増大は、リファレンスレベルのばらつきの増大を招く。リファレンスレベルのばらつきは、不確定なリファレンスレベルを意味し、それはデータの誤読み出し確率を増大させる。

図８〜図１１を参照して、リファレンスレベルのばらつきの一例をより詳しく説明する。

図８は、第１磁気抵抗素子１の一例を示す斜視図であり、図９は、図８で示された第１磁気抵抗素子１の磁化状態を示す平面図である。図８及び図９の例では、第１磁化自由層１０の磁化自由領域１２に対する第２磁化自由層２０のずれ方向（第１の方向）はｙ方向であり、且つ、第２磁化自由層２０の磁化容易軸がｙ方向と直交するｘ方向に沿っている。この場合、磁化自由領域１２の垂直磁化は第２磁化自由層２０に対して＋ｙ方向あるいは−ｙ方向の磁化成分を印加し、図９に示されるように、第２磁化自由層２０の磁化は磁化容易軸（ｘ軸）を中心として磁化困難軸（ｙ軸）方向へ回転する。その一方、第１磁化固定層４０の磁化方向は、第１の方向と平行あるいは反平行に固定され、第２磁化自由層２０の磁化容易軸方向と直交している。その結果、第２磁化自由層２０と第１磁化固定層４０との間の磁化方向の相対角に違いが生じ、データ“０”とデータ“１”の２つのメモリ状態が実現される。

図８及び図９で示された第１磁気抵抗素子１がメモリセルＭＣ、リファレンスセルＲＣ０及びＲＣ１に適用された場合、図１０に示されるように、読み出し層群の第２磁化自由層２０の磁化状態にばらつきが生じる。すなわち、第２磁化自由層２０の磁気異方性が比較的大きいセルでは、磁化容易軸に対する磁化の回転量は小さくなる。逆に、第２磁化自由層２０の磁気異方性が比較的小さいセルでは、磁化容易軸に対する磁化の回転量が大きくなる。このような磁化の回転量のばらつきは、読み出し層群のＭＴＪ抵抗値（Ｒ０あるいはＲ１）のばらつきを意味する。すなわち、データ“０”に設定されたリファレンスセルＲＣ０間で抵抗値Ｒ０がばらつき、データ“１”に設定されたリファレンスセルＲＣ１間でも抵抗値Ｒ１がばらつく。

図１１は、データ“０”のセルとデータ“１”のセルの分布を概念的に示しており、縦軸は頻度、横軸はＭＴＪ抵抗値をそれぞれ表している。上述の通り、データ“０”のセル間で抵抗値Ｒ０はばらつき、データ“１”のセル間で抵抗値Ｒ１はばらつく。従って、相補データが記録された２種類のリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１を参照することによりリファレンスレベルが生成されると、そのリファレンスレベルがばらつき、不確定となる。そのような不確定なリファレンスレベルが、データの誤読み出し確率を増大させる。

３．第２磁気抵抗素子
そこで、本実施の形態によれば、リファレンスセル用に、第１磁気抵抗素子１とは異なる「第２磁気抵抗素子１００」が提案される。以下に詳述されるように、第２磁気抵抗素子１００の抵抗値は、上記Ｒ０とＲ１の間の中間値（以下、「Ｒ０．５」と参照される；図１１参照）に固定されている。つまり、第２磁気抵抗素子１００は、その抵抗値が単独でＲ０．５となるようにあらかじめ形成される。そのような第２磁気抵抗素子１００をリファレンスセルに適用することによって、リファレンスレベルのばらつきが防止される。

３−１．例（１）
図１２Ａは、本実施の形態に係る第２磁気抵抗素子１００の一例を示す斜視図である。図１２Ｂは、図１２Ａで示された第２磁気抵抗素子１００の磁化状態を示す平面図である。本例に係る第２磁気抵抗素子１００は、既出の図８で示された第１磁気抵抗素子１から書き込み層（第１磁化自由層１０）が省略されたものと同様の構造を有している。

具体的には、第２磁気抵抗素子１００は、第３磁化自由層１２０、第２非磁性層１３０及び第２磁化固定層１４０を備えている。第３磁化自由層１２０は、第２非磁性層１３０の一方の面に隣接して設けられ、第２磁化固定層１４０は、第２非磁性層１３０の他方の面に隣接して設けられている。つまり、第２非磁性層１３０は、第３磁化自由層１２０と第２磁化固定層１４０とに挟まれている。

第３磁化自由層１２０及び第２磁化固定層１４０は、強磁性体により形成される強磁性層である。更に、第３磁化自由層１２０及び第２磁化固定層１４０は、面内磁気異方性を有する面内磁化膜である。その面内磁化膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む強磁性体で形成される。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕなどを添加することにより、磁気特性を調整することができる。具体的な材料としては、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｚｒ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｚｒ−Ｂなどが例示される。第２非磁性層１３０は、絶縁体により形成されることが好適である。具体的な材料としては、Ｍｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが例示される。これら第３磁化自由層１２０、第２非磁性層１３０及び第２磁化固定層１４０によってＭＴＪが形成されている。

第２磁気抵抗素子１００において、第２磁化固定層１４０の磁化方向は面内の一方向に固定されている。例えば図１２Ａ及び図１２Ｂにおいて、第２磁化固定層１４０の磁化方向は＋ｙ方向に固定されている。このような磁化方向の固定は、第１磁気抵抗素子１の場合と同様に可能である。一方、第３磁化自由層１２０の磁化容易軸は、第２磁化固定層１４０の磁化方向と直交している。すなわち、第３磁化自由層１２０の磁化容易軸は、ｙ方向と直交しておりｘ方向と平行である。特に、図１２Ａ及び図１２Ｂの例では、第３磁化自由層１２０の平面形状は楕円形であり、その楕円形の長軸がｘ方向に沿っている。

以上に説明された第３磁化自由層１２０、第２非磁性層１３０及び第２磁化固定層１４０は、「読み出し層群」を構成している。つまり、データ読み出し時には、ＭＴＪを貫通するように第３磁化自由層１２０と第２磁化固定層１４０の間に読み出し電流が流される。その一方で、本例に係る第２磁気抵抗素子１００には、書き込み層に相当する構造が設けられていない。つまり、読み出し層群の第３磁化自由層１２０の磁化状態に影響を及ぼすような垂直磁化膜は設けられていない。

従って、図１２Ｂに示されるように、第３磁化自由層１２０の磁化方向は、その磁化容易軸方向（ｘ軸方向）に沿った向きとなる。図１２Ｂの例では、第３磁化自由層１２０の磁化方向は＋ｘ方向である。一方、第２磁化固定層１４０の磁化方向は、第３磁化自由層１２０の磁化容易軸と直交する方向に固定されている。従って、読み出し層群の抵抗値は、上記Ｒ０とＲ１の間の中間値“Ｒ０．５”となる。つまり、第２磁気抵抗素子１００は、ＭＴＪ抵抗値が単独で“Ｒ０．５”となるようにあらかじめ形成されている。

３−２．例（２）
図１３Ａは、第２磁気抵抗素子１００の他の例を示す斜視図である。図１３Ｂは、図１３Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。本例に係る第２磁気抵抗素子１００は、図１２Ａ及び図１２Ｂで示された構造に加えて、第１磁気抵抗素子１の書き込み層（第１磁化自由層１０）に相当する構造を備えている。但し、第１磁気抵抗素子１では重心が故意にずらされていたが、本例の第２磁気抵抗素子１００では重心が一致している。図１２Ａ及び図１２Ｂで示された構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。

図１３Ａに示されるように、第２磁気抵抗素子１００は、読み出し層群（１２０〜１４０）に加えて、第４磁化自由層１１０を更に備えている。この第４磁化自由層１１０は、強磁性体により形成される強磁性層である。また、第４磁化自由層１１０は、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜であり、その磁化方向は＋ｚ方向あるいは−ｚ方向である。第４磁化自由層１１０の材料は、第１磁気抵抗素子１の第１磁化自由層１０と同様である。

垂直磁気異方性を有する第４磁化自由層１１０と、上記読み出し層群中の面内磁気異方性を有する第３磁化自由層１２０とは、互いに磁気的に結合している。但し、図１３Ｂに示されるように、ｘ−ｙ平面において、第４磁化自由層１１０の重心Ｇ１１０と第３磁化自由層１２０の重心Ｇ１２０は互いに一致している。従って、第４磁化自由層１１０の垂直磁化は、第３磁化自由層１２０の面内磁化の方向を変えない。第３磁化自由層１２０の磁化方向は、その磁化容易軸方向と平行のままである。すなわち、読み出し層群は既出の図１２Ｂで示された状態となり、“Ｒ０．５”が実現される。

３−３．例（３）
図１４Ａは、第２磁気抵抗素子１００の更に他の例を示す斜視図である。図１４Ｂは、図１４Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。本例に係る第２磁気抵抗素子１００は、図１３Ａ及び図１３Ｂで示された構成要素と同様のものを有する。但し、重心の位置関係が異なっている。図１３Ａ及び図１３Ｂで示された構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。

本例によれば、垂直磁気異方性を有する第４磁化自由層１１０の重心Ｇ１１０は、面内磁気異方性を有する第３磁化自由層１２０の重心Ｇ１２０からずれている。ｘ−ｙ平面において、そのずれ方向は、第３磁化自由層１２０の磁化容易軸方向と一致している。例えば図１４Ｂに示されるように、第４磁化自由層１１０の重心Ｇ１１０は、第３磁化自由層１２０の重心Ｇ１２０から−ｘ方向にずれている。そのずれ方向は、第３磁化自由層１２０の磁化容易軸方向（ｘ軸方向）と平行であり、第２磁化固定層１４０の磁化方向と直交している。

この場合、第４磁化自由層１１０の垂直磁化は第３磁化自由層１２０に対して＋ｘ方向あるいは−ｘ方向の磁化成分を印加する。その磁化成分は磁化容易軸方向と一致しているため、第３磁化自由層１２０の面内磁化は回転しない。第３磁化自由層１２０の磁化方向は、その磁化容易軸方向と平行のままである。すなわち、読み出し層群は既出の図１２Ｂで示された状態となり、“Ｒ０．５”が実現される。

４．ＭＲＡＭ
図１５は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成を概略的に示している。ＭＲＡＭのメモリセルアレイは、マトリックス状に配置された複数のセルを有している。より詳細には、セルには、データ記録用のメモリセルＭＣと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルＲＣが含まれる。本発明によれば、メモリセルＭＣには第１磁気抵抗素子１が適用される。一方、リファレンスセルＲＣには、第２磁気抵抗素子１００が適用される。

製造プロセスの観点からは、第１磁気抵抗素子１の各層と第２磁気抵抗素子１００の各層は同じ層に形成されることが好適である。例えば図１２Ａで示された第２磁気抵抗素子１００が用いられる場合、第３磁化自由層１２０、第２非磁性層１３０及び第２磁化固定層１４０は、第１磁気抵抗素子１の第２磁化自由層２０、第１非磁性層３０及び第１磁化固定層４０のそれぞれと同じ層に形成される。更に、図１３Ａあるいは図１４Ａで示された第２磁気抵抗素子１００が用いられる場合には、第４磁化自由層１１０も、第１磁気抵抗素子１の第１磁化自由層１０と同じ層に形成される。

メモリセルＭＣが含む第１磁気抵抗素子１は、既出の例のいずれであってもよい（図１Ａ〜図６Ｂ、図８、図９を参照）。その第１磁気抵抗素子１の読み出し層群（２０〜４０）の抵抗値は、記録データに応じてＲ０とＲ１の間で切り換わる。リファレンスセルＲＣが含む第２磁気抵抗素子１００は、既出の例のいずれであってもよい（図１２Ａ〜図１４Ｂを参照）。その第２磁気抵抗素子１００の読み出し層群（１２０〜１４０）の抵抗値は、中間値“Ｒ０．５”に固定されている。

データ読み出し時、読み出し対象のメモリセルＭＣとリファレンスセルＲＣに読み出し電流が流される。読み出し回路は、メモリセルＭＣを流れる読み出し電流に基づいて、メモリセルＭＣの記録データ（Ｒ０又はＲ１）に応じた読み出しレベルを生成する。また、読み出し回路は、リファレンスセルＲＣを流れる読み出し電流に基づいて、中間抵抗値Ｒ０．５に対応するリファレンスレベルを生成する。そして、読み出し回路は、読み出しレベルをリファレンスレベルと比較することによって、メモリセルＭＣの記録データ（Ｒ０又はＲ１）を判定する。

図１６は、メモリセルＭＣの第２磁化自由層２０とリファレンスセルＲＣの第３磁化自由層１２０の磁化状態の一例を示している。ここでは、メモリセルＭＣに、図８及び図９で示された第１磁気抵抗素子１が適用されている。つまり、第２磁化自由層２０の磁化は磁化容易軸を中心として回転する。データ“０”のメモリセルＭＣ間で磁化回転量（抵抗値Ｒ０）がばらつき、データ“１”のメモリセルＭＣ間で磁化回転量（抵抗値Ｒ１）がばらついている（図１０も参照）。一方、リファレンスセルＲＣでは、第３磁化自由層１２０の磁化方向は、完全に磁化容易軸に沿っている。従って、メモリセルＭＣにおいて磁化回転量がばらついていたとしても、その磁化の回転方向、すなわち記録データ（Ｒ０あるいはＲ１）を正確に判定することが可能である。

より一般化すると、次の通りである。メモリセルＭＣに関して、データ“０”のセル間で抵抗値Ｒ０はばらつき、データ“１”のセル間で抵抗値Ｒ１はばらつくかもしれない。しかしながら、本実施の形態では、リファレンスセルＲＣは確実に“Ｒ０．５”にセットされており、少なくともリファレンスセルＲＣに関しては抵抗値のばらつきはほとんどない。これは、リファレンスレベルのばらつきが抑制され、より正確なリファレンスレベルが得られることを意味する。正確なリファレンスレベル（Ｒ０．５）を用いることにより、メモリセルＭＣの記録データ（Ｒ０又はＲ１）を正確に判定することが可能となる（図１１参照）。

以上に説明されたように、本実施の形態によれば、第２磁気抵抗素子１００をリファレンスセルＲＣに適用することによって、リファレンスレベルのばらつきが抑制される。その結果、データの誤読み出しが抑制される。メモリセルＭＣに適用される第１磁気抵抗素子１は、既出の例のいずれであってもよい。重要なことは、リファレンスセルＲＣにおいて磁化状態のばらつきが抑制されることである。

また、本実施の形態によれば、抵抗値が単独でＲ０．５となる第２磁気抵抗素子１００が用いられる。従って、相補データ（Ｒ０、Ｒ１）が記録された２種類のリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１（図７参照）を用意する必要がない。第２磁気抵抗素子１００を有する１種類のリファレンスセルＲＣ（図１５参照）だけで十分である。

図７の場合、セットコントローラを用いて、リファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１のそれぞれに相補データを初期設定する必要がある。一方、本実施の形態では、リファレンスセルＲＣは抵抗値がＲ０．５となるようにあらかじめ形成されており、リファレンスセルＲＣの初期設定工程は不要である。従って、製造時間が短縮され、製造コストが削減される。また、初期設定用のコントローラも不要となるため、ＭＲＡＭの面積が削減される。

また、図７の場合、読み出し回路は、２種類のリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１を参照して、抵抗値Ｒ０とＲ１の中間抵抗値に対応するリファレンスレベルを算出する必要がある。一方、図１５の場合、リファレンスレベルは、抵抗値がＲ０．５に固定された一種類のリファレンスセルＲＣを参照することによって直接的に得られる。従って、回路構成が単純になり、ＭＲＡＭの面積が削減される。

更に、図７の場合、２種類のリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１を配置するために２列必要であった。一方、図１５では、１種類のリファレンスセルＲＣを配置するために１列で十分である。リファレンスセルのための領域が１列分不要となるため、メモリセルアレイの面積が削減される。特に小規模アレイの場合には、面積削減効果が顕著となる。

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

本出願は、２００８年２月１９日に出願された日本国特許出願２００８−０３８０６６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (10)

1. 第１磁気抵抗素子を含むメモリセルと、
   第２磁気抵抗素子を含み、前記メモリセルからのデータ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルと
   を具備し、
   前記第１磁気抵抗素子は、
   垂直磁気異方性を有する第１磁化自由層と、
   面内磁気異方性を有し、磁化方向が固定された第１磁化固定層と、
   面内磁気異方性を有し、磁化方向が可変な第２磁化自由層と、
   前記第１磁化固定層と前記第２磁化自由層とに挟まれた第１非磁性層と
   を備え、
   前記第１磁化自由層は、
   磁化方向が固定された第１磁化固定領域と、
   磁化方向が固定された第２磁化固定領域と、
   前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域とに接続され、磁化方向が反転可能な磁化自由領域と
   を有し、
   前記磁化自由領域と前記第２磁化自由層とは、互いに磁気的に結合しており、
   各層に平行な第１平面において、前記第２磁化自由層の重心は、前記磁化自由領域の重心から第１方向にずれており、
   前記第２磁気抵抗素子は、
   磁化容易軸が第２方向に平行な第３磁化自由層と、
   磁化方向が前記第２方向と直交する第３方向に固定された第２磁化固定層と、
   前記第３磁化自由層と前記第２磁化固定層とに挟まれた第２非磁性層と
   を備え、
   前記第３磁化自由層と前記第２磁化固定層は、面内磁気異方性を有する
   磁気ランダムアクセスメモリ。
2. 請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第２磁化自由層の磁化容易軸は前記第１方向と直交しており、
   前記第１磁化固定層の磁化方向は前記第１方向と平行あるいは反平行である
   磁気ランダムアクセスメモリ。
3. 請求の範囲１又は２に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第３磁化自由層の平面形状の長軸方向は前記第２方向である
   磁気ランダムアクセスメモリ。
4. 請求の範囲１乃至３のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第２磁化自由層と前記第３磁化自由層は同じ層に形成され、
   前記第１磁化固定層と前記第２磁化固定層は同じ層に形成され、
   前記第１非磁性層と前記第２非磁性層は同じ層に形成された
   磁気ランダムアクセスメモリ。
5. 請求の範囲１乃至４のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第２磁気抵抗素子は、垂直磁気異方性を有する第４磁化自由層を更に備え、
   前記第３磁化自由層と前記第４磁化自由層は、互いに磁気的に結合しており、
   前記第３磁化自由層の磁化方向は前記第２方向と平行である
   磁気ランダムアクセスメモリ。
6. 請求の範囲５に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１平面において、前記第３磁化自由層の重心は、前記第４磁化自由層の重心と一致している
   磁気ランダムアクセスメモリ。
7. 請求の範囲５に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１平面において、前記第３磁化自由層の重心は、前記第４磁化自由層の重心から前記第２方向にずれている
   磁気ランダムアクセスメモリ。
8. 請求の範囲５乃至７のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１磁化自由層と前記第４磁化自由層は同じ層に形成され、
   前記第２磁化自由層と前記第３磁化自由層は同じ層に形成され、
   前記第１磁化固定層と前記第２磁化固定層は同じ層に形成され、
   前記第１非磁性層と前記第２非磁性層は同じ層に形成された
   磁気ランダムアクセスメモリ。
9. 請求の範囲１乃至８のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１磁化固定領域が前記磁化自由領域の一方の端部に隣接して設けられ、
   前記第２磁化固定領域が前記磁化自由領域の他方の端部に隣接して設けられる
   磁気ランダムアクセスメモリ。
10. 請求の範囲１乃至８のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記第１磁化固定領域が前記磁化自由領域の一方の端部に隣接して設けられ、
    前記第２磁化固定領域が前記磁化自由領域の前記一方の端部に隣接して設けられ、
    前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域と前記磁化自由領域とが、三叉路を形成する
    磁気ランダムアクセスメモリ。

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