JP5366014B2 - 磁気ランダムアクセスメモリ及びその初期化方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁壁移動型の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、垂直磁気異方性を有する磁性層を用いた磁壁移動型のＭＲＡＭ及びその初期化方法に関する。

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、磁化方向が固定された磁化固定層（ピン層）と、磁化方向が反転可能な磁化自由層（フリー層）を含む。

ピン層とフリー層の磁化方向が“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、フリー層の磁化方向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、従来、「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、フリー層の磁化方向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、特開２００５−９３４８８号公報、J. C. Slonczewski, Current-driven excitation of magnetic multilayers, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-L7, 1996.参照）。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、Yamaguchi et al., Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires, PRL, Vol. 92, pp. 077205-1-4, 2004.にも報告されている。

このような電流駆動磁壁移動（Current-Driven Domain Wall Motion）を利用した「磁壁移動型のＭＲＡＭ」が、特開２００５−１９１０３２号公報及び国際公開ＷＯ／２００７／０２０８２３に記載されている。それら文献に記載されているＭＲＡＭによれば、磁化方向が固定された磁化固定層と、その磁化固定層にトンネル絶縁層を介して接続された磁壁移動層によってＭＴＪが形成される。磁壁移動層では磁壁が移動し、その磁壁の位置によってＭＴＪの抵抗値、すなわち記録データが変化する。また、磁壁移動層は、磁化方向が反転可能な磁壁移動部分に加えて、磁化方向が実質的に変化しない部分を含んでいる。その意味で、磁壁移動層は、磁化自由層ではなく、以下「磁化記録層」と参照される。

図１は、特開２００５−１９１０３２号公報に記載されている磁化記録層１００の構造を示している。この磁化記録層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を有している。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、磁化固定部１０１、１０２には、それぞれ書き込み用端子１０５、１０６が電気的に接続されている。これら書き込み用端子１０５、１０６を用いることにより、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を貫通する書き込み電流を流すことができる。

図２は、国際公開ＷＯ／２００７／０２０８２３に記載されている磁化記録層１１０の構造を示している。この磁化記録層１１０は、Ｕ字形状を有している。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、磁化固定層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。また、磁化固定領域１１１、１１２は、電流供給端子１１５、１１６にそれぞれ接続されている。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。

上述の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ことが懸念される。上述の論文（Yamaguchi et al., Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires, PRL, Vol. 92, pp. 077205-1-4, 2004.）のほかにも、電流駆動磁壁移動の観測は数多く報告されているが、概ね磁壁移動に要する閾値電流密度は１×１０^８Ａ／ｃｍ^２程度である。従って、磁化記録層の幅、厚さをそれぞれ例えば１００ｎｍ、１０ｎｍとした場合でも、約１ｍＡの書き込み電流が必要となる。それ以下に書き込み電流を低減するためには、膜厚を更に小さくすればよいが、その場合には書き込みに要する閾値電流密度が増加してしまうことが知られている（例えば、Yamaguchi et al., Reduction of Threshold Current Density for Current-Driven Domain Wall Motion using Shape Control, Japanese Journal of Applied Physics, vol.45, No.5A, pp.3850-3853, 2006.を参照）。

一方で、磁気異方性が基板面に垂直である垂直磁気異方性材料を用いた素子では、１０⁶Ａ／ｃｍ^２台の閾値電流密度が観測されている（例えば、Ravelosona et al., Threshold currents to move domain walls in films with perpendicular anisotropy, Applied Physics Letters, 90, 072508, 2007.を参照）。従って、磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、磁化記録層として垂直磁気異方性材料を用いることにより、書き込み電流の低減が期待される。

図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれ、垂直磁気異方性材料が適用された場合の磁化記録層の一例を示す平面図及び断面図である。図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、磁化記録層１２０は、接合部１２３、接合部１２３の両端に隣接するくびれ部１２４ａ、１２４ｂ、及びくびれ部に隣接形成された一対の磁化固定部１２１、１２２を有している。磁化記録層１２０は垂直磁気異方性を有するため、その磁化方向は＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向となる。そして、磁壁移動型のＭＲＡＭを実現するためには、磁壁がくびれ部１２４ａあるいは１２４ｂ付近に形成されるように、磁化状態の初期化を行う必要がある。言い換えれば、磁化固定部１２１、１２２のそれぞれの磁化がＺ方向に沿って逆向きとなるように、初期化を行う必要がある。しかしながら、外部磁界を印加することにより磁化固定部１２１、１２２の磁化方向を反対向きに初期化することは困難である。

既出の図２で示されたように磁化記録層１１０が面内磁気異方性を有し、且つ、その形状がＵ字型である場合は、外部磁界を用いることによって比較的容易に磁化状態を初期化することも可能であった。例えば、ＸＹ面内で斜め４５度方向に十分大きな外部磁界が磁化記録層１１０に印加される。その外部磁界を除いた後、磁化固定領域１１１、１１２の磁化が＋Ｙ方向を向き、磁化反転領域１１３の磁化が＋Ｘ方向を向くため、磁壁が境界Ｂ１に形成された状態が実現される。つまり、磁化記録層１１０の磁化状態と磁壁位置を容易に初期化できる。しかしながら、垂直磁気異方性の場合は、たとえ磁化記録層がＵ字形状を有していても、外部磁界を用いて磁化状態を所望の状態に初期化することは困難である。

本発明の１つの目的は、磁壁移動型のＭＲＡＭに関して、垂直磁気異方性を有する磁化記録層の磁化状態を容易に初期化することができる技術を提供することにある。

本発明の第１の観点において、磁壁移動型のＭＲＡＭが提供される。そのＭＲＡＭは、垂直磁気異方性を有する強磁性層であり磁壁が移動する磁化記録層と、磁化記録層に電流を供給するための一組の端子と、を備える。磁化記録層は、一組の端子の一方に接続された第１磁化領域と、一組の端子の他方に接続された第２磁化領域と、第１磁化領域と第２磁化領域との間をつなぎ反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、を有する。第１磁化領域と磁化反転領域との境界には、磁壁がトラップされる第１ピニングサイトが形成される。第２磁化領域と磁化反転領域との境界には、磁壁がトラップされる第２ピニングサイトが形成される。第１磁化領域中には、磁壁がトラップされる第３ピニングサイトが形成される。

本発明の第２の観点において、上記ＭＲＡＭの初期化方法が提供される。上記ＭＲＡＭの実動作時、第１磁化領域の磁化方向は第１方向に固定され、第２磁化領域の磁化方向は第１方向と反対の第２方向に固定される。初期化方法は、（Ａ）磁化記録層全体の磁化が第１方向に向くように、第１方向の第１外部磁界を印加するステップと、（Ｂ）磁化反転領域の一部の磁化が第２方向に向き、磁化反転領域中に一対の磁壁が生成されるように、一組の端子間に電流を流しながら第２方向の第２外部磁界を印加するステップと、（Ｃ）一対の磁壁のうち一方が第３ピニングサイトまで移動し、他方が第２磁化領域を貫通して消失するように、第２方向の第３外部磁界を印加するステップと、（Ｄ）第３ピニングサイトの磁壁が第１ピニングサイトあるいは第２ピニングサイトまで移動するように、第１方向の第４外部磁界を印加するステップと、を含む。

本発明によれば、垂直磁気異方性を有する磁化記録層の磁化状態を容易に初期化することが可能となる。その結果、書き込み電流が低減された低消費電力の磁壁移動型ＭＲＡＭを、低コストで実現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１は、関連文献に記載されたＭＲＡＭの磁化記録層を示す平面図である。 図２は、他の関連文献に記載されたＭＲＡＭの磁化記録層を示す平面図である。 図３Ａは、垂直磁気異方性を有する磁化記録層の一例を示す平面図である。 図３Ｂは、図３Ａで示された磁化記録層の断面図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの磁気メモリセルの一例を示す平面図である。 図４Ｂは、図４Ａで示された磁気メモリセルの断面図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る磁化記録層の磁化状態の初期化方法を説明するための平面図である。 図６は、本発明の実施の形態におけるデータ書き込み原理を説明するための概念図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの変形例を示す平面図である。 図８は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの他の変形例を示す平面図である。 図９は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの更に他の変形例を示す平面図である。 図１０Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの更に他の変形例を示す平面図である。 図１０Ｂは、図１０Ａで示された磁気メモリセルの断面図である。 図１１Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの更に他の変形例を示す平面図である。 図１１Ｂは、図１１Ａで示された磁気メモリセルの断面図である。 図１２は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの回路構成の一例を示すブロック図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭを説明する。本実施の形態に係るＭＲＡＭは、垂直磁気異方性を有する磁性層を用いた磁壁移動型のＭＲＡＭである。

１．磁気メモリセルの構成
図４Ａは、本実施の形態に係るＭＲＡＭの磁気メモリセル１（磁気抵抗素子）の一例を示す平面図である。図４Ｂは、図４Ａで示された磁気メモリセル１の断面図である。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３０、非磁性体層であるトンネルバリヤ層４０、及び磁化記録層１０に電流を供給するための一組の電流供給端子５１、５２を備えている。

磁化記録層１０は、基板面に垂直な方向の垂直磁気異方性を有している。磁化記録層１０の材料は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つ以上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などが例示される。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を、異なる層と積層することにより、垂直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の積層膜などが例示される。

ピン層３０も垂直磁気異方性を有することが望ましく、その材料は磁化記録層１０の場合と同様である。尚、ピン層３０の磁化方向は固定されており、書き込み、及び、読み出し動作によって変化しない。そのため、ピン層３０の磁気異方性は磁化記録層１０のもの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３０の材料、組成を変えることにより実現される。また、ピン層３０のトンネルバリヤ層４０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。更に、ピン層３０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、２つの強磁性層の磁化は互いに反平行になる。２つの強磁性層の磁化をほぼ等しくすれば、ピン層からの漏洩磁界を抑制することができる。

トンネルバリヤ層４０は、Ａｌ_２Ｏ_３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜である。トンネルバリヤ層４０は、磁化記録層１０とピン層３０に挟まれており、これら磁化記録層１０、トンネルバリヤ層４０、及びピン層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。磁化記録層１０、ピン層３０の一部、特にトンネルバリヤ層４０と接する部分に、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどＴＭＲ効果の大きな材料を用いても良い。

図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、本実施の形態に係る磁化記録層１０は、第１磁化固定領域１１、第２磁化固定領域１２、及び磁化反転領域１３を有している。第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２は、磁化反転領域１３の両側に形成されている。磁化反転領域１３は、磁化固定領域１１、１２に挟まれており、磁化固定領域１１、１２の間をつなぐようにＸ軸に沿って延びている。第１磁化固定領域１１、第２磁化固定領域１２、及び磁化反転領域１３は、同一平面（ＸＹ面）上に形成されている。これらのうち磁化反転領域１３がピン層３０とオーバーラップしており、トンネルバリヤ層４０を介してピン層３０に接続されている。一方、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２はそれぞれ、一組の電流供給端子５１、５２に電気的に接続されている。

図４Ａ及び図４Ｂには、後述される初期化後の磁化状態の一例が矢印によって示されている。磁化記録層１０において、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の磁化方向は、固定されている。特に、第１磁化固定領域１１の磁化と第２磁化固定領域１２の磁化は、逆向き（反平行）に固定されている。上述の通り、磁化記録層１０が垂直磁気異方性を有するため、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２の磁化は、Ｚ方向に沿って逆向きに固定される。図４Ａ及び図４Ｂで示された例では、第１磁化固定領域１１の磁化は−Ｚ方向に固定されており、第２磁化固定領域１２の磁化は＋Ｚ方向に固定されている。尚、「磁化が固定されている」とは、書き込み動作の前後で磁化方向が変わらないことを意味する。書き込み動作中に、磁化固定領域の一部の磁化の方向が変化しても、書き込み動作終了後には元に戻る。

一方、磁化反転領域１３の磁化方向は反転可能であり、＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向である。つまり、磁化反転領域１３の磁化はピン層３０の磁化と平行あるいは反平行になることが許される。図４Ｂに示されるように磁化反転領域１３の磁化の向きが−Ｚ方向の場合、磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１が１つの磁区を形成し、第２磁化固定領域１２が別の磁区を形成する。つまり、第２磁化固定領域１２と磁化反転領域１３の間に磁壁ＤＷが形成される。一方、磁化反転領域１３の磁化の向きが＋Ｚ方向の場合、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１２が１つの磁区を形成し、第１磁化固定領域１１が別の磁区を形成する。つまり、第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３の間に磁壁ＤＷが形成される。

また、図４Ａに示されるように、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２は、磁化反転領域１３と比較してＹ方向の幅が広い。これは、磁化固定領域１１、１２と磁化反転領域１３との境界に、磁壁がトラップされるピンニングサイトを形成するためである。磁壁のエネルギーは素子の幅にほぼ比例するため、幅が狭いほど磁壁は安定化する。磁化固定領域１１、１２に生じた磁壁は磁化反転領域１３に移動しやすいのに対し、磁化反転領域１３に生じた磁壁は磁化固定領域１１、１２には移動しにくい。また、磁化固定領域１１、１２の磁化反転領域１３からはみ出した部分からの静磁界により、磁壁は磁化固定領域１１、１２と磁化反転領域１３の境界にピン止めされやすくなる。このように、磁化記録層１０の幅を変えることによって、磁壁がトラップされやすいピニングサイトを形成することができる。より詳細には、第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３との境界におけるＹ方向の幅は、第１磁化固定領域１１側の方が磁化反転領域１３側よりも広い。これにより、第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３との境界に、「第１ピニングサイトＰＳ１」が形成される。同様に、第２磁化固定領域１２と磁化反転領域１３との境界におけるＹ方向の幅は、第２磁化固定領域１２側の方が磁化反転領域１３側よりも広い。これにより、第２磁化固定領域１２と磁化反転領域１３との境界に、「第２ピニングサイトＰＳ２」が形成される。

更に、本実施の形態によれば、第１磁化固定領域１１あるいは第２磁化固定領域１２の中に、「第３ピニングサイトＰＳ３」が形成される。図４Ａ及び図４Ｂで示された例では、第１磁化固定領域１１の中に第３ピニングサイトＰＳ３が形成されている。より詳細には、第１磁化固定領域１１は、第１領域２１と第２領域２２から構成されている。第２領域２２は、第１領域２１と磁化反転領域１３とに挟まれている。第１領域２１は第２領域２２よりも幅広に形成されており、第１領域２１と第２領域２２との境界におけるＹ方向の幅は、第１領域２１側の方が第２領域２２側よりも広い。これにより、第１磁化固定領域１１中の第１領域１１と第２領域１２との境界に第３ピニングサイトＰＳ３が形成される。図４Ａに示されるように、第１領域２１の幅は、第２領域２２や第２磁化固定領域１２の幅よりも広い。従って、磁壁は第３ピニングサイトＰＳ３において、上記第１ピニングサイトＰＳ１や第２ピニングサイトＰＳ２よりも安定的にトラップされる。言い換えれば、第３ピニングサイトＰＳ３が第１ピニングサイトＰＳ１及び第２ピニングサイトＰＳ２よりも強くなるように磁化記録層１０が形成されている。

尚、一組の電流供給端子５１、５２は、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２にそれぞれ接続されている。特に、電流供給端子５１は、第１磁化固定領域１１のうち第１ピニングサイトＰＳ１と第３ピニングサイトＰＳ３の間、すなわち、第２領域２２に接続されている。電流供給端子５１、５２の間に電流が流されると、その電流は、磁化記録層１０中の第２領域２２、磁化反転領域１３及び第２磁化固定領域１２を面内方向に流れる。

２．磁化状態の初期化
次に、本実施の形態に係る磁気メモリセル１の磁化状態の初期化方法について説明する。図５は、初期化過程における磁化記録層１０の磁化状態を示す平面図である。ここで、ピン層３０は磁化記録層１０よりも保磁力が十分大きく、初期化過程で磁化方向が変化しないと仮定し、図示を省略している。

Ｓｔｅｐ１：
まず、−Ｚ方向の外部磁界（第１外部磁界）が印加される。この外部磁界は十分強く、磁化記録層１０の全体の磁化が−Ｚ方向を向く。

Ｓｔｅｐ２：
次に、電流供給端子５１、５２の間に電流が流された状態で、＋Ｚ方向の外部磁界（第２外部磁界）が印加される。その外部磁界を序々に大きくしていくと、磁化反転領域１３の少なくとも一部の磁化が反転し＋Ｚ方向を向く。これは、電流によりこの部分の反転核の生成が促進されることと、ジュール熱により飽和磁化、保磁力などが低下するためである。磁化反転領域１３の一部の磁化方向が＋Ｚ方向となるため、磁化反転領域１３中に一対の磁壁ＤＷ１、ＤＷ２が生成される。

Ｓｔｅｐ３：
続けて＋Ｚ方向の外部磁界（第３外部磁界）を更に大きくしていくと、磁化が反転して＋Ｚ方向を向く領域が拡がっていく。つまり、一対の磁壁ＤＷ１、ＤＷ２がそれぞれ外向きに移動していく。一方の磁壁ＤＷ１は、第１ピニングサイトＰＳ１に到達した後さらに第１磁化固定領域１１に侵入し、第２領域２２を貫通して第３ピニングサイトＰＳ３まで移動する。他方の磁壁ＤＷ２は、第２ピニングサイトＰＳ２に到達した後さらに第２磁化固定領域１２に侵入し、第２磁化固定領域１２を貫通して磁化記録層１０の端部に到達する。すなわち、磁壁ＤＷ２は、第２磁化固定領域１２を通り抜けて消失する。このように、一対の磁壁ＤＷ１、ＤＷ２のうち一方は第３ピニングサイトＰＳ３でトラップされ、他方は磁化記録層１０から抜ける。そのため、第３ピニングサイトＰＳ３が第１ピニングサイトＰＳ１及び第２ピニングサイトＰＳ２よりも強いことが望ましい。尚、Ｓｔｅｐ３において、電流はＯＮ、ＯＦＦどちらでもよいが、ＯＮにしたほうが前述のジュール熱の効果が利用できるので、印加磁界のマージンを拡げることができる。

Ｓｔｅｐ４：
次に、適当な大きさの−Ｚ方向の外部磁界（第４外部磁界）が印加される。その結果、第３ピニングサイトＰＳ３の磁壁ＤＷ１が磁化反転領域１３の方へ駆動され、第１ピニングサイトＰＳ１を超え、磁化反転領域１３を通り抜けて第２ピニングサイトＰＳ２で留まる。これは前述のように幅が変化する境界に対する磁壁の動き易さが非対称であるためである。尚、Ｓｔｅｐ４における外部磁界の大きさは、Ｓｔｅｐ３の外部磁界の大きさと比較して小さいことが望ましい。

以上の過程により、磁壁位置は磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１２の境界に初期化され、図４Ａ及び図４Ｂで示された磁化状態が得られる。上記初期化動作において外部磁界の方向が全て反対に設定されても、磁化状態が適切に初期化されることは言うまでもない。以上に説明されたように、本実施の形態によれば、垂直磁気異方性を有する磁化記録層１０の磁化状態を容易に初期化することが可能となる。その結果、垂直磁気異方性により書き込み電流が低減された低消費電力の磁壁移動型ＭＲＡＭを、低コストで実現することが可能となる。

尚、上述の初期化方法に関連して、電流によるジュール熱の影響を除くと、次の関係式が成立する。
（１）Ｈｐ１＜Ｈ１
（２）Ｈｐ２＜Ｈ１
（３）Ｈｒ１＜Ｈ２＜Ｈｐ２
Ｈｒ１：第１ピニングサイトＰＳ１にある磁壁を磁化反転領域１３の方向にデピンするためのデピン磁界。
Ｈｐ１：第１ピニングサイトＰＳ１にある磁壁を第１磁化固定領域１１の方向にデピンするためのデピン磁界。
Ｈｒ２：第２ピニングサイトＰＳ２にある磁壁を磁化反転領域１３の方向にデピンするためのデピン磁界。
Ｈｐ２：第２ピニングサイトＰＳ２にある磁壁を第２磁化固定領域１２の方向にデピンするためのデピン磁界。
Ｈ１：第３ピニングサイトＰＳ３にある磁壁を第１領域２１の方向にデピンするためのデピン磁界。
Ｈ２：第３ピニングサイトＰＳ３にある磁壁を第２領域２２の方向にデピンするためのデピン磁界。

また、上記関係式において、デピン磁界Ｈ２の条件が「Ｈ２＜Ｈｒ１」であっても初期化は可能である。この場合、図５で示されたＳｔｅｐ４において、磁壁ＤＷ１は第１固定磁化領域１１と磁化反転領域１３の境界の第１ピニングサイトＰＳ１で留まる。このようなデピン磁界の条件もピンニングサイトを構成する形状などを調節することにより可能である。

３．書き込み動作、読み出し動作
図６は、磁気メモリセル１に対するデータの書き込み原理を示している。尚、本例ではピン層３０として、第１ピン磁性層３１、非磁性層３３、及び第２ピン磁性層３２が積層されたフェリ磁性層が用いられている。第１ピン磁性層３１の磁化方向は−Ｚ方向に固定されている。磁化反転領域１３と第１ピン磁性層３１の磁化方向が平行である状態が、データ“０”に対応付けられている。データ“０”状態において、磁化反転領域１３の磁化方向は−Ｚ方向であり、磁壁ＤＷは第２ピニングサイトＰＳ２に存在する。一方、磁化反転領域１３と第１ピン磁性層３１の磁化方向が反平行である状態が、データ“１”に対応付けられている。データ“１”状態において、磁化反転領域１３の磁化方向は＋Ｚ方向であり、磁壁ＤＷは第１ピニングサイトＰＳ１に存在する。

データ書き込みは、スピン注入を利用した電流駆動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内を平面的に流れる。そのために上記電流供給端子５１、５２が用いられ、電流供給端子５１、５２の間に書き込み電流が流される。

データ“１”の書き込み時、第１書き込み電流ＩＷ１が、第１磁化固定領域１１から磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１２に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第２磁化固定領域１２からスピン電子が注入される。注入された電子のスピンは、第２ピニングサイトＰＳ２にある磁壁ＤＷを第１磁化固定領域１１の方向に駆動する。その結果、磁壁ＤＷが第１ピニングサイＰＳ１へ移動し、磁化反転領域１３の磁化方向が＋Ｚ方向へスイッチする。一方、データ“０”の書き込み時、第２書き込み電流ＩＷ２が、第２磁化固定領域１２から磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第１磁化固定領域１１からスピン電子が注入される。その結果、磁壁ＤＷが第２ピニングサイＰＳ２へ移動し、磁化反転領域１３の磁化方向が−Ｚ方向へスイッチする。

このように、磁化記録層１０内を平面的に流れる書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２によって磁壁ＤＷが移動し、磁化反転領域１３の磁化方向がスイッチする。第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２は、異なる方向のスピンを有する電子の供給源の役割を果たしている。本実施の形態によれば、磁化記録層１０として垂直磁気異方性材料が用いられているため、面内磁気異方性の場合と比較して書き込み電流が低減される。

データの読み出しに関しては、次の通りである。データ読み出し時、読み出し電流は、ピン層３０と磁化反転領域１３との間を流れるように供給される。例えば、読み出し電流は、磁化固定領域１１、１２のいずれかから、磁化反転領域１３及びトンネルバリヤ層４０を経由して、ピン層３０へ流れる。あるいは、読み出し電流は、ピン層３０から、トンネルバリヤ層４０及び磁化反転領域１３を経由して、磁化固定領域１１、１２のいずれかへ流れる。その読み出し電流あるいは読み出し電位に基づいて、ＭＴＪの抵抗値が検出され、磁化反転領域１３の磁化の向きがセンスされる。

４．変形例
本実施の形態に係る初期化方法が実現される構造は、既出の図４Ａ及び図４Ｂで示されたものに限られない。図７、図８、図９、図１０Ａ及び図１０Ｂは、本実施の形態に係る磁気メモリセル１の変形例を示している。前述の説明と重複する説明は適宜省略される。

図７において、第１領域２１のＹ方向の幅は、第１領域２１と第２領域２２との境界から第１領域２１の中に向かうにつれて広くなっている。つまり、第１領域２１の幅が第２領域２２の幅より徐々に広がるように磁化記録層１０が形成されている。これにより、第１領域２１と第２領域２２との境界に、上記デピン磁界の関係式を満たす第３ピニングサイトＰＳ３が形成される。

図８において、第１領域２１と第２領域２２との境界に隣接するくびれ部２３が第２領域２２の側に形成されている。すなわち、第１領域２１と第２領域２２との間に、非対称なくびれ部２３が設けられている。この場合も、第１領域２１と第２領域２２との境界におけるＹ方向の幅は、第１領域２１側の方が第２領域２２側よりも広くなる。これにより、第１領域１１と第２領域１２との境界に、上記デピン磁界の関係式を満たす第３ピニングサイトＰＳ３が形成される。

図９において、磁化固定領域１１、１２と磁化反転領域１３との境界に隣接するくびれ部１４が、磁化反転領域１３側に形成されている。すなわち、磁化固定領域１１、１２と磁化反転領域１３との間に、非対称なくびれ部１４が設けられている。これにより、上記デピン磁界の関係式を満たす第１ピニングサイトＰＳ１及び第２ピニングサイトＰＳ２が形成される。

図１０Ａ及び図１０Ｂのそれぞれは、更に他の変形例を示す平面図及び断面図である。図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、第１磁化固定領域１１の第１領域２１と第２領域２２のＹ方向に沿った幅は同じである。但し、磁化反転領域１３と接していない第１領域２１上にはハード磁性層２５が積層されている。このハード磁性層２５からの漏洩磁界に起因して、第１領域２１と第２領域２２との境界には、上記デピン磁界の関係式を満たす第３ピニングサイトＰＳ３が形成される。

以上に説明されたように、磁化記録層の幅の違い、非対称なくびれ、ハード磁性層の積層などにより、ピニングサイトを形成することができる。また、そのピニングサイトの強さは、幅の差、くびれの深さ、ハード磁性層の厚さなどにより調節することができる。従って、これらを組み合わせることにより、上記デピン磁界の条件を満足するような磁気メモリセル１を構成することができる。

図１１Ａ及び図１１Ｂのそれぞれは、更に他の変形例を示す平面図及び断面図である。図１１Ａ及び図１１Ｂで示される例では、データ読み出しに用いられるＭＴＪ７０が磁化記録層１０から分離して設けられている。そのＭＴＪ７０は、磁気センス層７１、トンネルバリヤ層７２、及びピン層７３から構成されている。トンネルバリヤ層７２は磁気センス層７１とピン層７３に挟まれており、磁気センス層７１とピン層７３はトンネルバリヤ層７２を介して接続されている。

ピン層７３の磁化方向は固定されている。一方、磁気センス層７１は反転可能な磁化を有しており、且つ、磁化記録層１０の磁化反転領域１３と磁気的に結合している。従って、磁化反転領域１３の磁化状態は磁気センス層７１の磁化状態に影響を及ぼし、磁化反転領域１３の磁化方向がスイッチすると、磁気センス層７１の磁化方向もスイッチする。データ読み出しは、ＭＴＪ７０を用い磁気センス層７１の磁化方向をセンスすることにより行われる。

磁気センス層７１及びピン層７３は、垂直磁気異方性を有していてもよいし、面内磁気異方性を有していてもよい。面内磁気異方性の場合、磁化反転領域１３の垂直方向の磁化状態を磁気センス層７１の面内方向の磁化状態を効率的に伝達するために、磁気センス層７１のＸＹ平面内の重心は、磁化反転領域１３のＸＹ平面内の重心からずれていることが望ましい。例えば図１１Ａに示されるように、磁気センス層７１は、磁化反転領域１３に部分的にオーバーラップしていることが好適である。

図１１Ａ及び図１１Ｂで示された例では、書き込み電流が流れる磁化記録層１０と読み出し電流が流れるＭＴＪ７０が完全に分離している。従って、書き込み特性に寄与する磁化記録層１０と読み出し特性に寄与するＭＴＪ７０を独立して設計することができる。その結果、書き込み特性と読み出し特性のそれぞれを最適化することができ、好適である。

５．ＭＲＡＭの構成
図１２は、本実施の形態に係るＭＲＡＭの構成の一例を示している。図１２において、ＭＲＡＭ６０は、複数の磁気メモリセル１がマトリックス状に配置されたメモリセルアレイ６１を有している。このメモリセルアレイ６１は、データの記録に用いられる磁気メモリセル１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１ｒを含んでいる。リファレンスセル１ｒの構造は、磁気メモリセル１と同じである。

各磁気メモリセル１は、既出の説明で示された磁気抵抗素子に加え、選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２を有している。選択トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方は、第１磁化固定領域１１側の電流供給端子５１に接続され、他方は第１ビット線ＢＬ１に接続されている。選択トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの一方は、第２磁化固定領域１２側の電流供給端子５２に接続され、他方は第２ビット線ＢＬ２に接続されている。選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２のゲートはワード線ＷＬに接続されている。磁気抵抗素子のピン層３０は、配線を介して図のようにグランド線に接続されている。

ワード線ＷＬは、Ｘセレクタ６２に接続されている。Ｘセレクタ６２は、データの書き込み／読み出しにおいて、対象メモリセル１ｓにつながるワード線ＷＬを選択ワード線ＷＬｓとして選択する。第１ビット線ＢＬ１はＹ側電流終端回路６４に接続されており、第２ビット線ＢＬ２はＹセレクタ６３に接続されている。Ｙセレクタ６３は、対象メモリセル１ｓにつながる第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６４は、対象メモリセル１ｓにつながる第１ビット線ＢＬ１を選択第１ビット線ＢＬ１ｓとして選択する。

Ｙ側電流源回路６５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（ＩＷ１，ＩＷ２）の供給又は引き込みを行う。Ｙ側電源回路６６は、データ書き込み時、Ｙ側電流終端回路６４に所定の電圧を供給する。その結果、書き込み電流（ＩＷ１，ＩＷ２）は、Ｙセレクタ６３へ流れ込む、あるいは、Ｙセレクタ６３から流れ出す。これらＸセレクタ６２、Ｙセレクタ６３、Ｙ側電流終端回路６４、Ｙ側電流源回路６５、及びＹ側電源回路６６は、磁気メモリセル１に書き込み電流（ＩＷ１，ＩＷ２）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、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６７は、選択第２ビット線ＢＬ２ｓに所定の読み出し電流を流す。また、読み出し電流負荷回路６７は、リファレンスセル１ｒ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６８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１ｓのデータをセンスし、そのデータを出力する。

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１月２５日に出願された日本国特許出願２００８−０１５４８９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 (11)

1. 磁壁移動型の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   垂直磁気異方性を有する強磁性層であり、磁壁が移動する磁化記録層と、
   前記磁化記録層に電流を供給するための一組の端子と
   を備え、
   前記磁化記録層は、
   前記一組の端子の一方に接続された第１磁化領域と、
   前記一組の端子の他方に接続された第２磁化領域と、
   前記第１磁化領域と前記第２磁化領域との間をつなぎ、反転可能な磁化を有する磁化反転領域と
   を有し、
   前記第１磁化領域と前記磁化反転領域との境界に、磁壁がトラップされる第１ピニングサイトが形成され、
   前記第２磁化領域と前記磁化反転領域との境界に、磁壁がトラップされる第２ピニングサイトが形成され、
   前記第１磁化領域中に、磁壁がトラップされる第３ピニングサイトが形成され、
   前記第１磁化領域は、
   第１領域と、
   前記第１領域と前記磁化反転領域とに挟まれた第２領域と
   を含み、
   前記第１領域と前記第２領域との境界に、前記第３ピニングサイトが形成され、
   前記第１ピニングサイトにある磁壁を、前記磁化反転領域方向及び前記第１磁化領域方向にデピンするための磁界が、それぞれＨｒ１及びＨｐ１であり、
   前記第２ピニングサイトにある磁壁を、前記磁化反転領域方向及び前記第２磁化領域方向にデピンするための磁界が、それぞれＨｒ２及びＨｐ２であり、
   前記第３ピニングサイトにある磁壁を、前記第１領域方向及び前記第２領域方向にデピンするための磁界が、それぞれＨ１及びＨ２であるとき、
   次の関係式：
   Ｈｐ１＜Ｈ１、
   Ｈｐ２＜Ｈ１、及び
   Ｈｒ１＜Ｈ２＜Ｈｐ２
   が成り立つ
   磁気ランダムアクセスメモリ。
2. 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、
   前記第１領域と前記第２領域との境界における前記磁化記録層の幅は、前記第１領域側の方が前記第２領域側よりも広い
   磁気ランダムアクセスメモリ。
3. 請求項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２領域には、前記第１領域と前記第２領域との境界に隣接するくびれ部が形成されている
   磁気ランダムアクセスメモリ。
4. 請求項１乃至３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領域と前記第２領域との境界から前記第１領域の中に向かうにつれ、前記第１領域の幅が広くなる
   磁気ランダムアクセスメモリ。
5. 請求項１乃至４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領域上に積層された磁性層を更に備える
   磁気ランダムアクセスメモリ。
6. 請求項１乃至５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、
   前記一組の端子は、前記第２領域と前記第２磁化領域のそれぞれに接続されている
   磁気ランダムアクセスメモリ。
7. 請求項１乃至６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領域と前記磁化反転領域との境界における前記磁化記録層の幅は、前記第２領域側の方が前記磁化反転領域側よりも広く、
   前記第２磁化領域と前記磁化反転領域との境界における前記磁化記録層の幅は、前記第２磁化領域側の方が前記磁化反転領域側よりも広い
   磁気ランダムアクセスメモリ。
8. 請求項１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、
   実動作時、前記第１磁化領域の磁化方向は第１方向に固定され、前記第２磁化領域の磁化方向は前記第１方向と反対の第２方向に固定される
   磁気ランダムアクセスメモリ。
9. 請求項８に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   垂直磁気異方性を有する強磁性層であり、磁化方向が固定されたピン層を更に備え、
   前記ピン層は、非磁性層を介して前記磁化反転領域に接続されている
   磁気ランダムアクセスメモリ。
10. 請求項８に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁化反転領域と磁気的に結合する強磁性層であり、反転可能な磁化を有するセンス層と、
    非磁性層を介して前記センス層に接続された強磁性層であり、磁化方向が固定されたピン層と
    を更に備える
    磁気ランダムアクセスメモリ。
11. 磁壁移動型の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法であって、
    前記磁気ランダムアクセスメモリは、
    垂直磁気異方性を有する強磁性層であり、磁壁が移動する磁化記録層と、
    前記磁化記録層に電流を供給するための一組の端子と
    を備え、
    前記磁化記録層は、
    前記一組の端子の一方に接続された第１磁化領域と、
    前記一組の端子の他方に接続された第２磁化領域と、
    前記第１磁化領域と前記第２磁化領域との間をつなぎ、反転可能な磁化を有する磁化反転領域と
    を有し、
    前記第１磁化領域と前記磁化反転領域との境界に、磁壁がトラップされる第１ピニングサイトが形成され、
    前記第２磁化領域と前記磁化反転領域との境界に、磁壁がトラップされる第２ピニングサイトが形成され、
    前記第１磁化領域中に、磁壁がトラップされる第３ピニングサイトが形成され、
    実動作時、前記第１磁化領域の磁化方向は第１方向に固定され、前記第２磁化領域の磁化方向は前記第１方向と反対の第２方向に固定され、
    前記初期化方法は、
    前記磁化記録層全体の磁化が前記第１方向に向くように、前記第１方向の第１外部磁界を印加するステップと、
    前記磁化反転領域の少なくとも一部の磁化が前記第２方向に向き、前記磁化反転領域中に一対の磁壁が生成されるように、前記一組の端子間に電流を流しながら前記第２方向の第２外部磁界を印加するステップと、
    前記一対の磁壁のうち一方が前記第３ピニングサイトまで移動し、他方が前記第２磁化領域を通り抜けて消失するように、前記第２方向の第３外部磁界を印加するステップと、
    前記第３ピニングサイトの磁壁が前記第１ピニングサイトあるいは前記第２ピニングサイトまで移動するように、前記第１方向の第４外部磁界を印加するステップと
    を含む
    磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。

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