JP5327543B2 - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents
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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、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。ＭＲＡＭにおいては、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果などの「磁気抵抗効果」を示す磁気抵抗素子が利用される。その磁気抵抗素子には、例えばトンネルバリヤ層が２層の強磁性層で挟まれた磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）が形成される。その２層の強磁性層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層）と、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層）から構成される。
ピン層とフリー層の磁化の向きが“反平行”である場合のＭＴＪの抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値（Ｒ）よりも大きくなることが知られている。ＭＲＡＭは、このＭＴＪを有する磁気抵抗素子をメモリセルとして用い、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。例えば、反平行状態はデータ“１”に対応付けられ、平行状態はデータ“０”に対応付けられる。メモリセルに対するデータの書き込みは、フリー層の磁化の向きを反転させることによって行われる。
ＭＲＡＭに対するデータの書き込み方法として、「アステロイド方式」や「トグル方式」が知られている。これらの書き込み方式によれば、メモリセルサイズにほぼ反比例して、フリー層の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する傾向にある。
微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、「スピン注入（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ）方式」が提案されている。例えば、以下の文献を参照のこと。
特許文献１．特開２００５−９３４８８号
非特許文献１．Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ＆Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１５９，Ｌ１−Ｌ７（１９９６）
スピン注入方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流（ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ）が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する（以下、「スピン注入磁化反転：Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ」と参照される）。
特許文献１．特開２００５−９３４８８号
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スピン注入方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流（ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ）が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する（以下、「スピン注入磁化反転：Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ」と参照される）。
米国特許第６８３４００５号（特許文献２）には、スピン注入を利用した磁気シフトレジスタが開示されている。この磁気シフトレジスタは、磁性体中の磁壁（ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ）を利用して情報を記憶する。多数の領域（磁区）に分けられた磁性体において、磁壁を通過するように電流が注入され、その電流により磁壁が移動する。各領域の磁化の向きが、記録データとして扱われる。このような磁気シフトレジスタは、例えば、大量のシリアルデータの記録に利用される。尚、磁性体中の磁壁の移動は、以下の文献にも報告されている。
非特許文献２．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗｉｒｅｓ，ＰＲＬ，Ｖｏｌ．９２，ｐｐ．０７７２０５−１−４，２００４．
非特許文献２．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗｉｒｅｓ，ＰＲＬ，Ｖｏｌ．９２，ｐｐ．０７７２０５−１−４，２００４．
このようなスピン注入による磁壁移動（Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ）を利用した「磁壁移動方式のＭＲＡＭ」が以下の文献に記載されている。
特許文献３．特開２００５−１９１０３２号公報
特許文献４．ＷＯ２００７／０２０８２３号（特願２００６−０８８０６８号）公報
特許文献３．特開２００５−１９１０３２号公報
特許文献４．ＷＯ２００７／０２０８２３号（特願２００６−０８８０６８号）公報
特許文献３に記載されたＭＲＡＭは、磁化が固定された磁化固定層と、磁化固定層上に積層されたトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層に積層された磁化記録層とを備える。磁化記録層には、磁化の向きが反転可能な部分と実質的に変化しない部分も含まれているため、磁化自由層ではなく、磁化記録層と呼ぶことにする。図１は、その磁化記録層の構造を示している。図１において、磁化記録層１００は、直線形状を有している。具体的には、磁化記録層１００は、トンネル絶縁層及び磁化固定層と重なる接合部１０３、接合部１０３の両端に隣接するくびれ部１０４、及びくびれ部１０４に隣接形成された一対の磁化固定部１０１、１０２を有する。一対の磁化固定部１０１、１０２には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。更に、ＭＲＡＭは、一対の磁化固定部１０１、１０２に電気的に接続された一対の書き込み用端子１０５、１０６を備える。この書き込み用端子１０５、１０６により、磁化記録層１００の接合部１０３、一対のくびれ部１０４及び一対の磁化固定部１０１、１０２を貫通する電流が流れる。
図２は、特許文献４に記載された磁気メモリセルの磁化記録層１１０の構造を示している。磁化記録層１１０は、Ｕ字型の形状を有している。具体的には、磁化記録層１１０は、第１磁化固定領域１１１、第２磁化固定領域１１２、及び磁化反転領域１１３を有している。磁化反転領域１１３は、ピン層１３０とオーバーラップしている。磁化固定領域１１１、１１２は、Ｙ方向に延びるように形成されており、その磁化の向きは同じ方向に固定されている。一方、磁化反転領域１１３は、Ｘ方向に延びるように形成されており、反転可能な磁化を有している。従って、磁壁が、第１磁化固定領域１１１と磁化反転領域１１３との境界Ｂ１、あるいは、第２磁化固定領域１１２と磁化反転領域１１３との境界Ｂ２に形成される。磁化状態の初期化は、例えば、ＸＹ面内で斜め４５度方向に十分大きな初期磁界を印加することによりおこなわれ、初期磁界を除いた後に、磁化固定領域の磁化が＋Ｙ方向、磁化反転領域の磁化が＋Ｘ方向を向き、磁壁が境界Ｂ１に形成された状態が実現される。
磁化固定領域１１１、１１２は、電流供給端子１１５及び１１６のそれぞれに接続されている。これら電流供給端子１１５、１１６を用いることにより、磁化記録層１１０に書き込み電流を流すことが可能である。その書き込み電流の方向に応じて、磁壁は磁化反転領域１１３中を移動する。この磁壁移動により、磁化反転領域１１３の磁化方向を制御することができる。
しかしながら、図１、図２に示したスピントルクによる磁壁移動を利用した磁気記憶装置の書込み動作においては、書込み電流に上限があるという課題がある。図３Ａ〜図３ＣはＵ字形状の素子における書込み動作を示した平面図である。図３Ａのように初期状態で左下の境界Ｂ１に磁壁が形成されているとする。このとき、電流を端子１１６から１１５に印加し、すなわち、電子を端子１１５から１１６に流すと、スピントルク効果により磁壁は右方向に移動し、電流を切断した後は図３Ｂに示したように右下の境界Ｂ２に磁壁が形成される。この磁壁移動が成功するためには、磁壁が左下の境界Ｂ１に生成されたピンポテンシャルから抜け出すのに十分大きな電流が印加される必要がある。しかしながら、この電流が大きすぎると磁壁は右下のピンポテンシャルからも抜け出してしまい、図３Ｃのように磁壁が右上から抜けてしまう。一旦磁壁が抜けてしまうと、電流の印加だけで磁壁を生成することは困難であるので、磁化状態が固定された不良ビットとなってしまう。
図４は書込み電流に上限のない磁壁移動を利用したメモリセルの磁化記録層を示す平面図である。磁化記録層１１０は、Ｙ字型の形状を有している。具体的には、磁化記録層１１０は、第１磁化固定領域１１１、第２磁化固定領域１１２、及び磁化反転領域１１３を有している。磁化反転領域１１３は、ピン層１３０とオーバーラップしている。磁化固定領域１１１、１１２は、斜めＹ方向に延びるように形成されており、その磁化の向きは領域の延伸方向に沿って固定されている。一方、磁化反転領域１１３は、Ｘ方向に延びるように形成されており、反転可能な磁化を有している。磁化状態の初期化は、例えば、−Ｙ方向に十分大きな初期磁界を印加することによりおこなうことができる。
図５はＹ字形状の磁化記録層の書込み動作を示す平面図である。図５の（Ａ）に示したように磁化反転領域１１３の磁化Ｍ３は左に向いているとする。このとき、磁壁は磁化反転領域１１３と第１磁化固定領域１１１の境界に位置している。書込み電流を端子１１７から端子１１５に印加、すなわち、電子が端子１１５から端子１１７に流れると磁壁はスピントルクにより駆動され磁化反転領域１１３中を移動していき、最終的には磁化反転領域１１３の右側から抜ける。結果として、図５の（Ｂ）に示したように磁化反転領域１１３の磁化方向は反転し、磁化反転領域１１３と第２磁化固定領域１１２の境界に新たな磁壁が形成される。磁化反転領域の方向を再び左向きにするためには、端子１１６から端子１１７に電子を流せばよい。
このようにＹ字形状の磁化記録層を有するメモリセルにおいては、書込み動作において、磁壁が磁化反転領域の一端から抜けるため、書込み電流に上限がないという長所がある。しかしながら、Ｙ字形状の場合、２つの磁化固定領域が磁化反転領域を基準として、反対側に位置しているため、磁化記録層の外枠１４０（図５に記載）の面積がＵ字形状と比較して大きくなり、セルサイズが大きいという課題がある。
本発明の目的は、書込み電流の上限がなく、書込みマージンが大きく、或いは、実効的なセルサイズを小さくすることを可能とする、磁壁移動を利用した磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。
本発明の一実施形態による磁気ランダムアクセスメモリは、磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を備える。磁気記録層は、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の磁化領域を有する。磁化領域のうちの一つは、磁化領域のうちの他の一つを経由することなく磁化領域のうちの更に他の一つの磁化領域と接続される。磁化領域のうちのＭ個（ＭはＮ−１以上の整数）は、反転可能な磁化を持つ磁化反転領域である。
本発明の一実施形態による磁気ランダムアクセスメモリの書込み方法は、磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を具備し、磁気記録層が第１磁化領域、第２磁化領域、……、第Ｎ磁化領域（Ｎは３以上の整数）のＮ個の磁化領域とを有し、磁化領域のうちＭ個（ＭはＮ−１以上の整数）は反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域、……、第Ｍ磁化反転領域であり、第Ｋ磁化領域は、第Ｊ磁化領域を経由することなく第Ｌ磁化領域と接続されており（Ｊ，Ｋ，ＬはＮ以下であり互いに異なる整数）、且つ、第Ｋ磁化領域の一端が他の磁化領域と接続していない磁気ランダムアクセスメモリの書込み方法であり、第１磁化反転領域、……、第Ｍ磁化反転領域の磁化の情報をそれぞれ読み出すステップと、書き込むべき書き込み情報を決定するステップと、磁化の情報と書き込み情報とに応じて第１磁化反転領域、……、第Ｍ磁化反転領域のうちの少なくとも一部を含む集合から書き込み領域を順次選択し、前記書き込み領域と他の磁化反転領域との間に、磁化の情報と書き込み情報とに応じて規定された電流を印加するステップとを備える。
本発明によれば、垂直、あるいは、面内磁気異方性を持つ磁性層を用いた磁壁移動方式のＭＲＡＭにおいて、書込み電流の上限をなくし、かつ、ビット当たりのセル面積を小さすることができる。その結果、書込みマージンが大きく、高速動作可能であり、大容量の磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。
添付図面を参照して、本発明の実施形態に係るＭＲＡＭを説明する。本実施形態に係るＭＲＡＭは磁壁移動方式のＭＲＡＭである。
１．基本構成
図６は、本実施形態に係る磁気メモリセル１（磁気抵抗素子）の一例を示す斜視図である。磁気メモリセル１は、強磁性体層である磁化記録層１０とピン層、及び非磁性体層であるトンネルバリヤ層を備えている。ピン層、及び、トンネルバリヤ層はそれぞれ、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ及び、３２ａ、３２ｂ、３２ｃの３つの領域に分かれて形成されている。トンネルバリヤ層は、Ａｌ２Ｏ３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜である。
図６は、本実施形態に係る磁気メモリセル１（磁気抵抗素子）の一例を示す斜視図である。磁気メモリセル１は、強磁性体層である磁化記録層１０とピン層、及び非磁性体層であるトンネルバリヤ層を備えている。ピン層、及び、トンネルバリヤ層はそれぞれ、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ及び、３２ａ、３２ｂ、３２ｃの３つの領域に分かれて形成されている。トンネルバリヤ層は、Ａｌ２Ｏ３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜である。
図６に示されるように、本実施形態に係る磁化記録層１０はＹ字形状をしており、３つの磁化反転領域、すなわち、第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、及び、第３磁化反転領域１１ｃを有している。第１磁化反転領域１１ａに、ピン層３０ａがトンネルバリヤ層３２ａを介して接続され、また、第２磁化反転領域１１ｂに、ピン層３０ｂがトンネルバリヤ層３２ｂを介して接続され、また、第３磁化反転領域１１ｃに、ピン層３０ｃがトンネルバリヤ層３２ｃを介して接続され、それぞれ、磁気トンネル接合が形成されている。また、第１磁化反転領域１１ａには電流印加用の端子１４ａ、第２磁化反転領域１１ｂには電流印加用の端子１４ｂ、第３磁化反転領域１１ｃには電流印加用の端子１４ｃがそれぞれ設けられている。本実施形態においては、３つの磁気トンネル接合にビット情報を記録させることができるので、１セルあたり６値の情報を蓄えることができる。そのため、磁気トンネル接合を有する磁化反転領域が一つだけ設けられている図４に示したセルと比較して、ビットあたりのセル面積を小さくすることができる。なお、ここで、８値（２３）ではなく、６値の情報となる理由については後述する。
図７は本実施形態の磁化記録層１０の変形例を示した平面図である。図７において、第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、及び、第３磁化反転領域１１ｃの端部の形状が先細り形状になっている。これは書き込み電流印加時に磁壁を端部から抜けやすくするためである。
図８は本実施形態に係る磁気メモリセルの変形例である。磁化記録層１０はＹ字形状をしており、第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、及び、磁化固定領域１３を有している。第１磁化反転領域１１ａに、ピン層３０ａがトンネルバリヤ層３２ａを介して接続され、また、第２磁化反転領域１１ｂに、ピン層３０ｂがトンネルバリヤ層３２ｂを介して接続され、それぞれ磁気トンネル接合が形成されている。また、第１磁化反転領域１１ａには電流印加用の端子１４ａ、第２磁化反転領域１１ｂには電流印加用の端子１４ｂ、磁化固定領域１３には電流印加用の端子１４ｃがそれぞれ設けられている。本実施形態においては、２つの磁気トンネル接合にビット情報を記録させることができるので、後述のように１セルあたり３値の情報を蓄えることができる。そのため、磁気トンネル接合を有する磁化反転領域が一つだけ設けられている図４に示したセルと比較して、ビットあたりのセル面積を小さくすることができる。
図９は本実施形態に係る磁気メモリセルの別の変形例である。磁化記録層１０は十字形状をしており、第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、第３磁化反転領域１１ｃ、及び、磁化固定領域１３を有している。第１磁化反転領域１１ａに、ピン層３０ａがトンネルバリヤ層３２ａを介して接続され、また、第２磁化反転領域１１ｂに、ピン層３０ｂがトンネルバリヤ層３２ｂを介して接続され、また、第３磁化反転領域１１ｃに、ピン層３０ｃがトンネルバリヤ層３２ｃを介して接続され、それぞれ磁気トンネル接合が形成されている。また、第１磁化反転領域１１ａには電流印加用の端子１４ａ、第２磁化反転領域１１ｂには電流印加用の端子１４ｂ、第３磁化反転領域１１ｃには電流印加用の端子１４ｃ、磁化固定領域１３には電流印加用の端子１４ｃがそれぞれ設けられている。本実施形態においては、３つの磁気トンネル接合にビット情報を記録させることができるので、１セルあたり７値の情報を蓄えることができる。
このように本実施形態においては、磁気トンネル接合を有する磁化反転領域の数が２以上であり、かつ、磁化固定領域の数が０又は１であり、かつ、磁化反転領域と磁化固定領域の合計が３以上であることを特徴としている。以下では、簡単のため、磁化反転領域と磁化固定領域の合計が３である図６、図８に示した形状についてさらに詳しく説明する。
本実施形態で用いる磁性層としては垂直異方性を持つ材料、及び、面内異方性を持つ材料のいずれも用いることができる。
図１０Ａは垂直異方性を持つ磁化記録層の磁化を示した平面図である。磁化記録層１０は基板面に垂直な方向の異方性を持つ。磁化記録層１０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つ以上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が例示される。この他、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層が、異なる層と積層され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、Ｆｅ／Ａｕの積層膜が例示される。
ピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃも磁化記録層１０と同様な材料が用いられる。ピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃの磁化の向き（図１０Ａにおいて破線で図示）は、書込み、及び、読出し動作によって変化しない。そのため、ピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃの磁気異方性は磁化記録層１０よりも大きいことが望ましい。これは、磁化記録層１０とピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃの材料、組成を異なるものとすることにより実現される。また、ピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃのトンネルバリヤ層とは反対側の面に反強磁性体層を積層し、磁化をピン止めすることによっても実現される。さらにピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃを強磁性層、非磁性層、強磁性層からなる積層膜にすることもできる。ここで、非磁性層としてはＲｕ、Ｃｕなどが用いられる。この場合、２つの強磁性層の磁化は互いに反平行になり、２つの強磁性層の磁化を等しくすれば、ピン層からの漏洩磁界を抑制することができる。図１０Ａにおいて、各磁化反転領域の磁化は＋Ｚ、−Ｚのいずれかの方向（紙面に垂直な方向）を向く。
図１０Ｂは面内異方性を持つ磁化記録層の磁化を示した平面図である。磁化記録層１０の材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つ以上の材料を含むことが望ましい。典型的にはＮｉＦｅが用いられる。また、ＣｏＦｅＢはＭｇＯバリヤと組み合わせることにより高いＭＲ比が得られることが知られている。図１０Ｂにおいて、各磁化反転領域の磁化は中心に向かう方向、あるいは、中心から離れる方向のいずれかを向く。
図１１は本実施形態の変形例における磁化記録層を示した平面図である。面内磁気異方性をもつ磁化記録層１０は第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、及び、第３磁化反転領域１１ｃから構成されており、これらの磁化反転領域は中心部において接続している。第１磁化反転領域１１ａ、及び、第２磁化反転領域１１ｂは第３磁化反転領域１１ｃと平行な磁化成分を持つように湾曲している。湾曲している箇所よりも先端側の領域に、トンネルバリヤ層を介してピン層３０ａ、３０ｂが接続され磁気トンネル接合が形成される。また、磁化反転領域１１ｃにも、トンネルバリヤ層を介してピン層３０ｃが接続され磁気トンネル接合が形成されている。本変形例においては、ピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃの磁化を固定する方向を同じＸ方向にすることができるという長所がある。
次に本実施形態の初期化方法について述べる。磁化反転領域の磁化方向を初期化する方法は磁化記録層の磁気異方性の方向により異なっている。最初に磁気異方性が面内である場合について説明する。
図１２Ａ、図１２Ｂは面内異方性を持つ磁化記録層の初期化過程を示した平面図である。最初に、図１２Ａに示したように、左下方向（Ｘ軸から−１００度程度）に十分大きな磁界を印加することにより磁化記録層の磁化を左下方向に磁化する。その後、この磁界を取り除くと、形状異方性により、それぞれの領域の磁化は図１２Ｂに示した方向を向き、各磁化反転領域の磁化は初期化される。
２．初期化
次に磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である場合の初期化について説明する。
次に磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である場合の初期化について説明する。
図１３Ａ〜図１３Ｃは垂直磁気異方性をもつ磁化記録層を有する本実施形態において、初期化が容易になるように形状を改良した磁化記録層の初期化過程を説明するための平面図である。図１３Ａ〜図１３Ｃにおいて、垂直磁気異方性を持つ磁化記録層は第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、及び、第３磁化反転領域１３ａから構成されている。第１磁化反転領域１３ａ、第２磁化反転領域１３ｂ、及び、第３磁化反転領域にはトンネルバリヤ層（図示せず）を介してピン層（図示せず）がそれぞれ接続され、磁気トンネル接合が形成されている。第１磁化反転領域１１ａを構成する各辺はＸＹ平面において、負の傾きをもっている。その反対に、第２磁化反転領域を構成する各辺はＸＹ平面において、正の傾きを持っている。すなわち、第１磁化反転領域１１ａの第３磁化領域１１ｃと接する端部とその反対側の端部とを結ぶ方向と、第２磁化反転領域１１ｂの第３磁化領域１１ｃと接する端部とその反対側の端部とを結ぶ方向とは平行でない。
図１３Ａはこの磁化記録層に＋Ｙ方向の十分大きな磁界を印加し、各磁化領域の磁化を＋Ｙ方向に飽和させたときの磁極Ｍ１〜Ｍ３、及びそれによる反磁界Ｄ１〜Ｄ３を示した図である。各辺に生じた磁極Ｍ１〜Ｍ３による反磁界Ｄ１〜Ｄ３は各辺に垂直な方向を向く。従って、第１磁化反転領域１１ａの辺近傍においては−Ｘ方向、第２磁化反転領域１１ｂの辺近傍においては＋Ｘ方向の磁界成分をもつ。図１３Ｂはこの反磁界による磁化に対するトルクの方向を示したものである。トルクは磁界方向と磁化方向の外積に比例するので、第１磁化反転領域、及び、第２磁化反転領域の辺近傍におけるトルクＴ１、Ｔ２はそれぞれ、−Ｚ、＋Ｚ方向となる。従って、＋Ｙ方向の磁界を取り去った後は、各領域の磁化はトルクによって駆動され、最終的には図１３Ｃに示したように、第１磁化反転領域１１ａは−Ｚ、第２磁化反転領域１１ｂは＋Ｚの方向に初期化される。なお、このとき、第３磁化反転領域１１ｃには大きなトルクが発生しないので、磁化方向が＋Ｚ、−Ｚのいずれになるかは不定であるが、磁化固定領域から電流を印加することにより、磁化反転領域を初期化することが可能である。また、磁化反転領域も磁化固定領域と同様に各辺を規則的に傾けることにより、初期化磁界印加後の磁化状態を特定させることもできる。
本実施形態の初期化においては複数の磁化領域のうち、少なくとも２つの磁化領域の磁化方向を互いに反対にすることが必要である。ここで反対とは、垂直磁気異方性を持つ磁化記録層の場合は反平行であることを意味し、面内磁気異方性を持つ磁化記録層の場合は磁化領域が接合した部分に対しての向きが逆であることを意味している。初期化の別の手段としては任意の磁化領域の少なくとも一部に別の磁性層を隣接させることにより、その磁化領域の保磁力を変化させる方法がある。ことのきの別の磁性層としては、反強磁性層、強磁性層のいずれをも用いることができる。また、保磁力を変化させるためには、磁化領域へのイオン注入や磁化領域の下地のラフネスや表面形状を変化させてもよい。
３．書込み動作、及び、読出し動作
次に、本実施形態におけるデータの書き込み、読出し原理を説明する。
図１４Ａ〜図１４Ｈは磁化記録層が垂直磁気異方性をもち、３つの磁化反転領域を有する本実施形態の磁化記録層が取りうる磁化状態を示した平面図である。３つの磁化反転領域が２つの磁化方向、＋Ｚ、−Ｚを取りうるので、８通りの磁化状態が存在する。このうち、図１４Ｇ、図１４Ｈに示した磁化状態は全ての磁化が同一方向を向いており、磁壁が存在しない。これらの磁化状態からはどのような方向に電流を印加しても磁化反転領域の磁化を反転させることはできないので、本実施形態においては禁止状態となる。従って、本実施形態で取りうる磁化状態の数は図１４Ａ〜図１４Ｆまでの６通りとなる。以下、磁化状態を表す符号として、他の２つの磁化反転領域と異なる方向の磁化をもつ磁化領域の番号Ｉと、その磁化領域の磁化の方向Ｍを組み合わせた［Ｉ，Ｍ］を用いる。磁化の方向Ｍは＋Ｚ方向を“１”、−Ｚ方向を“０”とした。
次に、本実施形態におけるデータの書き込み、読出し原理を説明する。
図１４Ａ〜図１４Ｈは磁化記録層が垂直磁気異方性をもち、３つの磁化反転領域を有する本実施形態の磁化記録層が取りうる磁化状態を示した平面図である。３つの磁化反転領域が２つの磁化方向、＋Ｚ、−Ｚを取りうるので、８通りの磁化状態が存在する。このうち、図１４Ｇ、図１４Ｈに示した磁化状態は全ての磁化が同一方向を向いており、磁壁が存在しない。これらの磁化状態からはどのような方向に電流を印加しても磁化反転領域の磁化を反転させることはできないので、本実施形態においては禁止状態となる。従って、本実施形態で取りうる磁化状態の数は図１４Ａ〜図１４Ｆまでの６通りとなる。以下、磁化状態を表す符号として、他の２つの磁化反転領域と異なる方向の磁化をもつ磁化領域の番号Ｉと、その磁化領域の磁化の方向Ｍを組み合わせた［Ｉ，Ｍ］を用いる。磁化の方向Ｍは＋Ｚ方向を“１”、−Ｚ方向を“０”とした。
図１５は本発明の実施形態におけるデータ書込み時の状態遷移を示した平面図である。図１５においては、磁化反転領域は３つあるとしている。データ書き込みは、スピン注入を利用した磁壁移動方式で行われる。書き込み電流は、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、磁化記録層１０の平面内を流れる。その書き込み電流は、３つの磁化反転領域に接続した端子１４ａ、１４ｂ、１４ｃのうち、２つの端子間に供給される。
以下、最初に磁化状態が［３，０］であった場合を例に、書込み動作における状態遷移を説明する。［３，０］の磁化状態においては第３磁化反転領域１１ｃが“０”、第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂが“１”になっている。第３磁化反転領域１１ｃが“１”に反転すると、全ての磁化状態が“１”の状態になってしまうので、第３磁化反転領域１１ｃを反転する書込みは禁止される。従って、書込みの際は第３磁化反転領域１１ｃから第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂのいずれかに電子がながれ磁壁が移動する。すなわち、電子が第３磁化反転領域１１ｃから第１磁化反転領域１１ａに流れるときは状態［２，１］に遷移し、電子が第３磁化反転領域１１ｃから第２磁化反転領域１１ｂに流れるときは状態［１，１］に遷移する。一般的に表現すると、状態［Ｉ，Ｍ］に対して、ＩからＪに電子を流すと、状態［Ｋ，Ｍ’］に遷移するといえる。ここで、Ｉ、Ｊ、Ｋは全て異なる領域であり、Ｍ’はＭと異なる磁化方向であることを示す。
図１５には、６の磁化状態［Ｉ，Ｍ］と各磁化状態間を遷移させるための電子の流れの方向Ｉ→Ｊが示されている。図１５から明らかなように、本発明を６値のメモリセルと考えた場合、各磁化状態を実現するためには、現在の磁化状態を調べた後、必要な電子、電流を選択した端子間に印加する必要がある。また、各磁化状態は必ずしも１回の電流印加だけでは遷移せず、例えば、［３，０］から［３，１］のように３回の電流を順次印加する必要がある場合もある。
図１６は書き込む情報と読出した磁化状態の情報に基づき、書込み電流の印加手順を定めるフローチャートの例を示した図面である。ここで、書き込む情報は［３，０］、すなわち、第３磁化反転領域１１ｃが“０”、第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂが“１”である。第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、第３磁化反転領域１１ｃのデータを順次読み出した後、書込み電流を順次、印加する。図１６で示したフローチャートでは３回の電流印加が必要な書込み手順に対して、２回の読出し手順で判定が可能になるように、読出し判定の順番を定めている。
図１７は本実施形態の変形例におけるデータ書込み時の状態遷移を示した平面図である。図１７において、磁化記録層は第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、磁化固定領域１３から構成されており、磁化固定領域１３の磁化は−Ｚ方向に固定されている。この磁化記録層が取りうる磁化状態は図１５で示した磁化状態の中で第３磁化反転領域の磁化方向が−Ｚであるものを抜き出したものに相当する。３つの磁化状態間の遷移は同様に、状態［Ｉ，Ｍ］に対して、ＩからＪに電子を流すと、状態［Ｋ，Ｍ’］に遷移すると表現することができる。図１７においては、状態［１，１］から［２，１］の状態遷移には２回の電流を順次印加する必要がある。
図１８は書き込む情報と読出した磁化状態の情報に基づき、書込み電流の印加手順を定めるフローチャートの例を示した図面である。ここで、書き込む情報は［１，１］、すなわち、第１磁化反転領域１１ａが“１”、第２磁化反転領域１１ｂが“０”である。第１磁化反転領域１１ａと第２磁化反転領域１１ｂのデータを順次読み出した後、書込み電流を順次、印加する。図１８で示したフローチャートでは２回の電流印加が必要な書込み手順に対して、１回の読出し手順で判定が可能になるように、読出し判定の順番を定めている。
以上、磁化記録層が垂直磁気異方性を持つ場合の書込み動作について説明したが、磁化記録層が面内磁気異方性を持つ場合についても同様である。ただし、禁止される磁化状態の磁壁の数が垂直磁気異方性の場合と若干異なっている。図１９Ａ〜図１９Ｈは磁化記録層が面内磁気異方性をもち、３つの磁化反転領域を有する本発明の磁化記録層が取りうる磁化状態を示した平面図である。８つの磁化状態の内、図１９Ｇ、図１９Ｈに示した各磁化反転領域が中心に対して全て同じ方向に向かっている状態が禁止状態になる。これは図１９Ａから図１９Ｆに示した磁化状態が一つの磁壁を含むのに対し、図１９Ｇ、図１９Ｈに示した磁化状態が３つの磁壁を含むためであり、電流印加により図１９Ａから図１９Ｆの各状態から図１９Ｇ、図１９Ｈの状態に遷移させることができないためである。
図２０は本実施形態のデータの読み出しを説明するための平面図である。データ読み出し時、読み出し電流は、ピン層と磁化反転領域との間を流れるように供給される。すなわち、図１９Ａにおいて、第１磁化反転領域１１ａのデータを読み出す場合、読み出し電流は、ピン層３０ａに接続された配線Ｒａから端子１４ａに接続された配線Ｗａに流れる。この読み出し電流あるいは読み出し電位に基づいて、磁気抵抗素子の抵抗値が検出され、第１磁化反転領域１１ａの磁化の向きがセンスされる。この場合、配線Ｗａの変わりに他の端子１４ｂ、１４ｃに接続された配線Ｗｂ、Ｗｃを用いても良い。同様に第２磁化反転領域１１ｂのデータを読み出す場合、読み出し電流は、ピン層３０ｂに接続された配線Ｒｂから端子１４ｂに接続された配線Ｗｂに流れる。さらに同様に、第３磁化反転領域１１ｃのデータを読み出す場合、読み出し電流は、ピン層３０ｃに接続された配線Ｒｃから端子１４ｃに接続された配線Ｗｃに流れる。
図２１はピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃが電気的に短絡し、配線Ｒに接続された構成を示している。この場合、第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、第３磁化反転領域１１ｃのいずれを読み出す場合も、読出し電流は配線ＲとＷａ、Ｗｂ、Ｗｃのいずれかの間に電流を印加することによりおこなわれる。読み出される抵抗は磁第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、第３磁化反転領域１１ｃに接続したトンネルバリヤ抵抗の並列抵抗値となる。３つのトンネルバリヤ抵抗を区別するためには、トンネルバリヤの面積を変えることにより抵抗値の絶対値を変えることが有効である。
４．ＭＲＡＭの構成
図２２は本発明の実施形態に係るＭＲＡＭセルの構成の一例を示している。図２２においてＭＲＡＭセルは第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、第３磁化反転領域１１ｃ、を有する磁化記録層とそれぞれと接続された第１書込みトランジスタ１４０ａ、第２書込みトランジスタ１４０ｂ、第３書き込みトランジスタ１４０ｃを有している。第１書込みトランジスタ１４０ａ、第２書込みトランジスタ１４０ｂ、第３書込みトランジスタ１４０ｃはそれぞれ、第１ワード線１４２ａ、第２ワード線１４２ｂ、第３ワード線１４２ｃに接続する。また、第１書込みトランジスタ１４０ａ、第２書込みトランジスタ１４０ｂ、第３書込みトランジスタ１４０ｃのゲートはそれぞれ、第１ビット線１４１ａ、第２ビット線１４１ｂ、第３ビット線１４１ｃに接続する。また、第１磁化反転領域１１ａに接続した磁気トンネル接合１３０ａ、第２磁化反転領域１１ｂに接続した磁気トンネル接合１３０ｂ、第３磁化反転領域１１ｃに接続した磁気トンネル接合はそれぞれ第４ビット線１４３ａ、第５ビット線１４３ｂ、第６ビット線１４３ｃに接続する。
図２２は本発明の実施形態に係るＭＲＡＭセルの構成の一例を示している。図２２においてＭＲＡＭセルは第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、第３磁化反転領域１１ｃ、を有する磁化記録層とそれぞれと接続された第１書込みトランジスタ１４０ａ、第２書込みトランジスタ１４０ｂ、第３書き込みトランジスタ１４０ｃを有している。第１書込みトランジスタ１４０ａ、第２書込みトランジスタ１４０ｂ、第３書込みトランジスタ１４０ｃはそれぞれ、第１ワード線１４２ａ、第２ワード線１４２ｂ、第３ワード線１４２ｃに接続する。また、第１書込みトランジスタ１４０ａ、第２書込みトランジスタ１４０ｂ、第３書込みトランジスタ１４０ｃのゲートはそれぞれ、第１ビット線１４１ａ、第２ビット線１４１ｂ、第３ビット線１４１ｃに接続する。また、第１磁化反転領域１１ａに接続した磁気トンネル接合１３０ａ、第２磁化反転領域１１ｂに接続した磁気トンネル接合１３０ｂ、第３磁化反転領域１１ｃに接続した磁気トンネル接合はそれぞれ第４ビット線１４３ａ、第５ビット線１４３ｂ、第６ビット線１４３ｃに接続する。
第１磁化反転領域から第２磁化反転領域に電子を流し、データの書き込む場合の動作は次のようになる。まず、第１ビット線１４１ａ、第２ビット線１４１ｂを高電位にすることにより第１書込みトランジスタ、及び第２書込みトランジスタをＯＮにし、同時に第１ワード線１４２ａをグランドに接続し、第２ワード線１４２ｂに必要な電流値に応じた電位を印加する。このとき、第３書込みトランジスタはＯＦＦ、第３ビット線はオープン状態とする。これらのトランジスタ、ビット線、ワード線の設定により、書込み電流はワード線１４２ｂから第２磁化反転領域、第１磁化反転領域を経由して、ワード線１４２ａに流れる。
第１磁化反転領域のデータを読み出す場合の動作は次のようになる。まず第１ワード線１４２ａを高電位にすることにより第１書込みトランジスタ１４０ａをオンにし、他のトランジスタをオフにする。次に、読出し電圧を第４ビット線１４３ａと第１ワード線１４２ａの間に印加する。このとき、これ以外のワード線、ビット線はオープンにする。これにより、第４ビット線１４３ａから第１磁化反転領域の磁気トンネル接合を経由して、第１ワード線に読出し電流が流れ、これを感知して、情報を読み出すことができる。
図２２においては３つの書き込みトランジスタが使用されているが、各磁化反転領域の磁気トンネル接合に接続する読出しトランジスタを設けても良い。
以上説明したＭＲＡＭの活用例として、携帯電話、モバイルパソコンやＰＤＡに使用される不揮発性の半導体メモリ装置や、自動車など使用される不揮発性メモリ内蔵のマイコンが挙げられる。
当業者は上記実施例の様々な変形を容易に実施することができる。したがって、本発明は上記実施例に限定されることはなく、請求の範囲やその均等物によって参酌される最も広い範囲で解釈される。
この出願は、２００７年９月２０日に出願された日本出願特願２００７−２４４０８４号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。
この出願は、２００７年９月２０日に出願された日本出願特願２００７−２４４０８４号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 (8)
- 磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を具備し、
前記磁気記録層は、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の磁化領域を有し、
前記磁化領域のうちの一つは、前記磁化領域のうちの他の一つを経由することなく前記磁化領域のうちの更に他の一つの磁化領域と接続され、
前記磁化領域のうちのＭ個（ＭはＮ−１以上の整数）は、反転可能な磁化を持つ磁化反転領域であり、
更に、前記磁化反転領域の各々に接続されることにより磁気トンネル接合を形成するトンネルバリヤ層とピン磁性層を具備する
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
少なくとも一つの前記磁化反転領域の各々は、他の前記磁化領域と接続している第１の端部と、前記第１の端部の反対側に位置し先細り形状となっている第２の端部とを有する
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記磁化記録層は、垂直磁化異方性を持つ
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記Ｎ個の磁化領域のうちの一部の磁化領域と他の磁化領域とは、磁化方向が反平行である
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記磁化領域のうちの第１磁化領域と第２磁化領域との各々は、他の前記磁化領域と接続している第１の端部と、前記第１の端部の反対側に位置する第２の端部とを有し、
前記第１領域の前記第１の端部と前記第２の端部とを結ぶ方向と、前記第２領域の前記第１の端部と前記第２の端部とを結ぶ方向とは平行でない
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記磁化記録層は、面内磁気異方性を持つ
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求項６に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
各々の前記磁化反転領域は延伸領域を含み、
一つの前記磁化反転領域の前記延伸領域と、他の前記磁化反転領域の前記延伸領域とは、互いに平行に延伸し、磁化方向が互いに平行または反平行となる
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を具備し、前記磁気記録層が第１磁化領域から第Ｎ磁化領域（Ｎは３以上の整数）までのＮ個の磁化領域とを有し、前記磁化領域のうちＭ個（ＭはＮ−１以上の整数）は反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域から第Ｍ磁化反転領域であり、前記Ｎ個の磁化領域のうちの一つである第Ｋ磁化領域は、前記Ｎ個の磁化領域のうちの一つである第Ｊ磁化領域を経由することなく前記Ｎ個の磁化領域のうちの一つである第Ｌ磁化領域と接続されており（Ｊ，Ｋ，ＬはＮ以下であり互いに異なる整数）、且つ、前記第Ｋ磁化領域の一端が他の磁化領域と接続していない磁気ランダムアクセスメモリの書込み方法であって、
前記第１磁化反転領域から前記第Ｍ磁化反転領域までの磁化の情報をそれぞれ読み出し、
書き込むべき書き込み情報を決定し、
前記磁化の情報と前記書き込み情報とに応じて前記第１磁化反転領域から前記第Ｍ磁化反転領域までのうちの少なくとも一部を含む集合から書き込み領域を順次選択し、前記書き込み領域と他の磁化反転領域との間に、前記磁化の情報と前記書き込み情報とに応じて規定された電流を印加する
磁気ランダムアクセスメモリの書込み方法。
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