JP5397384B2 - 磁性記憶素子の初期化方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁性記憶素子の初期化方法に関し、特に、磁性記憶素子のデータ記録層に磁壁を初期的に導入するための技術に関する。

磁気メモリ、または磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory：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動作することから一部で実用化が始まっており、また、より汎用性を高めるための開発が行われている。ＭＲＡＭでは、磁性体膜を用いた磁性記憶素子がメモリセルとして使用され、データが磁性体膜の磁化の向きに対応させて記憶される。典型的には、磁性記憶素子は２つの磁性層とその間に設けられた非磁性層で構成される。磁性記憶素子からのデータ読み出しには、第１の磁性層と第２の磁性層の間で発現される磁気抵抗効果、具体的には、ＴＭＲ効果（tunneling magnetoresistance effect）や、ＧＭＲ効果（giant magnetoresistance effect）が利用される。

磁性記憶素子にデータを書き込む方法、即ち、磁性体膜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、IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, p.830 (2007)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。

磁性記憶素子へのデータの書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁性記憶素子の周辺に配線を配置し、この配線に電流を流すことで発生する磁場によって磁性体膜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。しかしながら熱安定性及び外乱磁場耐性を確保できるように磁性記憶素子を構成した場合、磁性体膜の磁化をスイッチングするための磁場は一般的には数１０（Ｏｅ）程度となり、このような磁場を発生させるためには数ｍＡ程度の電流が必要となる。この場合、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、素子が微細化されると、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。一つ目はスピン注入磁化反転である。これは、スピン偏極した伝導電子を用いて磁性体膜の磁化を反転させる方法である。詳細には、反転可能な磁化を有する第１の磁性層と、磁化が固定された第２の磁性層から構成された積層膜において第２の磁性層と第１の磁性層の間で電流を流すと、スピン偏極した伝導電子と第１の磁性層中の局在電子との間の相互作用により、第１の磁性層の磁化を反転することができる。スピン注入磁化反転は特定の電流密度以上のときに起こることから、磁性記憶素子のサイズが小さくなれば、書き込みに要する電流は低減される。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、一般的に第１の磁性層と第２の磁性層の間には絶縁層が設けられ、書き込みの際には比較的大きな電流をこの絶縁層に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。

一方で、二つ目の方法である電流誘起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。電流誘起磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは、例えば特開２００５−１９１０３２号公報に開示されている。電流誘起磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは、一般的には反転可能な磁化を有するデータ記録層において、その両端部の磁化が互いに略反平行となるように固定されている。このような磁化配置のとき、データ記録層には磁壁が導入される。ここで、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したとき、磁壁は伝導電子の方向に移動することから、第１の磁性層内に電流を流すことにより書き込みが可能となる。電流誘起磁壁移動もある電流密度以上のときに起こることから、スピン注入磁化反転と同様にスケーリング性に優れていると言える。これに加えて、電流誘起磁壁移動を利用したＭＲＡＭ素子では、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。

またPhysical Review Letters, vol. 92, number 7, p.077205, (2004)では電流誘起磁壁移動に必要な電流密度として１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］程度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる層の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合の書き込み電流は１ｍＡとなる。これは前述の書き込み電流に関する条件を満たすことができない。一方、Journal of Applied Physics,vol. 103, p. 07E718,(2008)で述べられているように、電流誘起磁壁移動が起こる強磁性層として垂直磁気異方性を有する材料を用いることによって、書き込み電流を十分小さく低減できることが報告されている。このようなことから、電流誘起磁壁移動を利用してＭＲＡＭを製造する場合、磁壁移動が起こる層としては垂直磁気異方性を有する強磁性体を用いることが好ましいと言える。Applied Physics Express, vol. 1, p.011301では垂直磁気異方性を有する材料において電流誘起磁壁移動が観測されたことが報告されている。

このように、垂直磁気異方性を有する材料における電流誘起磁壁移動現象を利用することによって、書き込み電流が低減されたＭＲＡＭが提供されることが期待される。

電流誘起磁壁移動現象を書き込み方法として利用したＭＲＡＭを製造する上では、データ記録層（即ち、磁壁移動が起こる層）に磁壁を導入する必要がある。Applied Physics Express, vol. 1, p.011301では、磁性細線を形成後、その一部分をエッチングにより除去することによってステップ構造を有する磁性細線を形成している。そして、このようなステップ型の構造においては、膜厚の薄い領域の保磁力が厚い領域の保磁力に比べて小さくなることから、膜厚の薄い領域が反転し、厚い領域が反転しないような適当な大きさの磁場を用いることによって磁壁を導入している。ここでこの外部磁場としては、基板面垂直方向の磁場を用いている。製造工程においてデータ記録層に初期的に磁壁を導入することを、以下は、「初期化」と呼ぶことにする。

しかしながらこのようなステップ構造を設けて、基板面垂直方向の磁場によって磁壁を導入する初期化方法の場合、印加する磁場の大きさがある許容範囲内に限られることになる。この許容範囲が小さいときには、大容量の磁気メモリを製造する上では、歩留まり低下などの問題をもたらすことになる。従って、データ記録層に磁壁を導入する際の外部磁場の許容範囲はなるべく大きいことが望ましい。

特開２００５−１９１０３２号公報

IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, p.830 (2007). Physical Review Letters, vol. 92, number 7, p.077205, (2004). Journal of Applied Physics,vol. 103, p. 07E718,(2008). Applied Physics Express, vol. 1, p.011301.

したがって、本発明の目的は、垂直磁気異方性を有するデータ記録層を備えた磁性記憶素子について、磁性記憶素子の初期化のために印加される磁場の大きさの許容範囲を増大させるための技術を提供することにある。

本発明の一の観点では、第１磁化固定領域と、第２磁化固定領域と、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域に接合された磁化自由領域とを備え、且つ、垂直磁気異方性を有するデータ記録層を具備し、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域の保磁力が相違するように構成された磁性記憶素子の初期化方法が提供される。当該初期化方法は、第１磁化固定領域、第２磁化固定領域、及び磁化自由領域の磁化を、同一方向に向ける工程と、データ記録層に、データ記録層の磁気異方性の方向に垂直な成分と平行な成分の両方を有する磁場を印加する工程とを具備している。

本発明によれば、垂直磁気異方性を有するデータ記録層を備えた磁性記憶素子について、磁性記憶素子の初期化のために印加される磁場の大きさの許容範囲を増大させるための技術が提供される。

図１Ａは、本発明の一実施形態における磁性記憶素子の構成を示す斜視図である。 図１Ｂは、本発明の一実施形態における磁性記憶素子の構成を示す断面図である。 図１Ｃは、本発明の一実施形態における磁性記憶素子の構成を示す平面図である。 図２Ａは、磁性記憶素子が“０”状態にある場合の磁化の状態を示す図である。 図２Ｂは、磁性記憶素子が“１”状態にある場合の磁化の状態を示す図である。 図３Ａは、“０”状態にある磁性記憶素子にデータ“１”を書き込む書き込み動作を示す図である。 図３Ｂは、“１”状態にある磁性記憶素子にデータ“０”を書き込む書き込み動作を示す図である。 図４Ａは、“０”状態にある磁性記憶素子からデータを読み出す読み出し動作を示す図である。 図４Ｂは、“１”状態にある磁性記憶素子からデータを読み出す読み出し動作を示す図である。 図５は、本発明の一実施形態における磁気メモリの構成を示すブロック図である。 図６は、図５の磁気メモリの磁気メモリセルの構成を示す回路図である。 図７Ａは、従来の磁性記憶素子の初期化方法を示す図である。 図７Ｂは、従来の磁性記憶素子の初期化方法を示す図である。 図８Ａは、図８Ｄの磁化曲線のＡ状態に対応する磁性記憶素子の磁化の状態を示す図である。 図８Ｂは、図８Ｄの磁化曲線のＢ状態に対応する磁性記憶素子の磁化の状態を示す図である。 図８Ｃは、図８Ｄの磁化曲線のＣ状態に対応する磁性記憶素子の磁化の状態を示す図である。 図８Ｄは、従来の磁性記憶素子の磁化曲線を示す図である。 図９は、反転核生成タイプの磁化反転の閾値磁場と、磁壁移動タイプの磁化反転の閾値磁場の角度依存性の計算結果を示すグラフである。 図１０Ａは、本発明の一実施形態における磁性記憶素子の初期化方法を示す図である。 図１０Ｂは、本発明の一実施形態における磁性記憶素子の初期化方法を示す図である。 図１１は、本発明の一実施形態における初期化マージンを示すグラフである。 図１２は、初期化マージンの実測値を示すグラフである。 図１３Ａは、第１の変形例の磁性記憶素子の構成を示す断面図である。 図１３Ｂは、第１の変形例の磁性記憶素子の他の構成を示す断面図である。 図１４Ａは、第２の変形例の磁性記憶素子の構成を示す断面図である。 図１４Ｂは、第２の変形例の磁性記憶素子の他の構成を示す断面図である。 図１５は、第３の変形例の磁性記憶素子の構成を示す断面図である。 図１６は、第３の変形例の磁性記憶素子の他の構成を示す断面図である。 図１７は、第３の変形例の磁性記憶素子の更に他の構成を示す断面図である。 図１８は、第３の変形例の磁性記憶素子の更に他の構成を示す断面図である。 図１９Ａは、第４の変形例の磁性記憶素子の構成を示す平面図である。 図１９Ｂは、第４の変形例の磁性記憶素子の他の構成を示す平面図である。 図２０Ａは、図１９Ｂの磁性記憶素子への書き込み動作を示す平面図である。 図２０Ｂは、図１９Ｂの磁性記憶素子への書き込み動作を示す平面図である。 図２１Ａは、第５の変形例の磁性記憶素子の他の構成を示す斜視図である。 図２１Ｂは、第５の変形例の磁性記憶素子の構成を示す平面図である。 図２１Ｃは、第５の変形例の磁性記憶素子の構成を示す断面図である。 図２２Ａは、第５の変形例の磁性記憶素子からのデータ読み出しを説明する断面図である。 図２２Ｂは、第５の変形例の磁性記憶素子からのデータ読み出しを説明する断面図である。

（メモリ構成）

図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の一実施形態の磁性記憶素子７０の構造の一例を模式的に示す図である。ここで、図１Ａはその斜視図であり、図１Ｂは断面図を、図１Ｃは平面図を示している。以下では、ｘ−ｙ−ｚ座標系を定義して説明を行う。ｘ−ｙ−ｚ座標系において、ｚ軸は基板垂直方向を示し、ｘ軸及びｙ軸は基板平面に平行である。

磁性記憶素子７０は、データ記録層１０と、第１非磁性層２０と、第１磁化固定層３０とを備えている。データ記録層１０は、磁化の方向によって１ビットのデータを記録する強磁性体膜であり、第１磁化固定層３０は、特定方向に固定された磁化を有する強磁性体膜である。データ記録層１０及び第１磁化固定層３０は、いずれも、垂直磁気異方性を有している。第１非磁性層２０は、データ記録層１０と第１磁化固定層３０との間に設けられている。

図１Ｂ、図１Ｃに図示されているように、データ記録層１０は、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２を有している。第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は、いずれも固定されている。第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化の方向は、互いに反平行である。また磁化自由領域１２は反転可能な磁化を有する。データは、磁化自由領域１２の磁化の方向としてデータ記録層１０に記憶される。

データ記録層１０には、磁化自由領域１２の磁化方向に応じて、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界又は第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界のいずれか一方に磁壁が形成される。なお図１Ａ〜図１Ｃでは、第１磁化固定領域１１ａの磁化が＋ｚ方向に固定され、第２磁化固定領域１１ｂの磁化が−ｚ方向に固定されているが、第１磁化固定領域１１ａの磁化が−ｚ方向であり、第２磁化固定領域１１ｂの磁化が＋ｚ方向であってもよい。なお、ここでは第２磁化固定領域１１ｂは第１磁化固定領域１１ａよりもｘ軸の正方向に位置されているものと定義する。

本実施形態では、第１非磁性層２０は絶縁体で形成されており、データ記録層１０の磁化自由領域１２、第１非磁性層２０、及び第１磁化固定層３０は、磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）を形成している。このＭＴＪの抵抗は、ＴＭＲ（Tunneling Magneto-Resistance）効果により、磁化自由領域１２の磁化の方向に依存して変化する。後述されるように、ＭＴＪが発現するＴＭＲ効果が、データ記録層１０からのデータ読み出しに使用される。

磁性記憶素子７０は、更に、補助強磁性層４０と、電極層５０ａ、５０ｂとを備えている。補助強磁性層４０は強磁性体から構成される。この補助強磁性層４０は、第１磁化固定領域１１ａに接合されており、データ記録層１０に磁壁を導入する磁壁導入機構として機能する。即ち、補助強磁性層４０は、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの実効的な保磁力を相違させ、これにより、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化を反平行に向けることを可能にする。第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化が反平行に向けられると、結果として、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の間の境界、又は、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の間の境界のいずれかに磁壁が導入されることになる。補助強磁性層４０は、垂直磁気異方性を有していることが好ましい。一方、電極層５０ａ、５０ｂは、磁性記憶素子７０に書き込み電流及び読み出し電流を導入するための電流導入機構として機能する。電極層５０ａは、補助強磁性層４０に接合されており、電極層５０ｂは、データ記録層１０の第２磁化固定領域１１ｂに接合されている。

なお、補助強磁性層４０の数については任意性がある。すなわち図１Ａ〜図１Ｃでは、補助強磁性層４０が一つだけ設けられている構成が図示されているが、２つ以上の補助強磁性層４０が設けられてもよい。詳細については、後述される。また図１Ａ〜図１Ｃでは、補助強磁性層４０がデータ記録層１０の下側に、第１非磁性層２０及び第１磁化固定層３０はデータ記録層１０の上側に設けられているが、データ記録層１０、第１非磁性層２０、第１磁化固定層３０、及び補助強磁性層４０の配置についても様々に変更可能である。詳細は同じく後述される。

図２Ａ、図２Ｂに示されているように、磁性記憶素子７０には、２つの状態が許容されており、一方の状態がデータ“０”に、他方の状態がデータ“１”に割り当てられている。図２Ａは“０”状態の磁性記憶素子７０における磁化の状態を、図２Ｂは“１”状態の磁性記憶素子７０における磁化の状態を示している。なお、本実施形態では、第１磁化固定領域１１ａの磁化は＋ｚ方向に固定され、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は−ｚ方向に固定されていることに留意されたい。

いま、図２Ａに示されるような“０”状態においては、磁化自由領域１２の磁化は＋ｚ方向に向けられている。この場合、磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂとの境界に磁壁ＤＷが形成される。また図２Ｂに示されるような“１”状態においては、磁化自由領域１２の磁化は−ｚ方向に向けられている。この場合、磁化自由領域１２と第１磁化固定領域１１ａとの境界に磁壁ＤＷが形成される。

なお、図２Ａの状態が“１”状態に割り当てられ、図２Ｂの状態が“０”状態に割り当てられてもよいことは、当業者には自明的であろう。

以下では、磁性記憶素子７０のデータ記録層１０、第１非磁性層２０、第１磁化固定層３０、及び補助強磁性層４０に使用される材料について説明する。但し、以下で例示される材料以外の材料によっても本発明は実施することができる。

データ記録層１０は、垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。このために、データ記録層１０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含むことが好ましい。また垂直磁気異方性を示す材料としては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−Ｎｉ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｐｔ、Ｍｎ−Ａｌ、Ｍｎ−Ｂｉ、Ｓｍ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏなどが知られており、データ記録層１０には、これらに材料を用いることができる。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、データ記録層１０としては、例えば、Ｃｏ／Ｐｄ積層膜、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、Ｆｅ／Ａｕ積層膜が使用可能である。

磁性記憶素子７０にＭＴＪが形成される本実施形態では、第１非磁性層２０として絶縁性の材料が使用される。具体的には、第１非磁性層２０としては、Ｍｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが使用可能である。第１非磁性層２０としては、半導体や金属材料のような導電性の材料を用いてもよい。具体的には、第１非磁性層２０としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕなどが使用可能である。第１非磁性層２０に導電性の材料が用いられる場合、データ読み出しには、ＴＭＲ（Tunneling Magneto-Resistance）効果ではなく、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to Plane Giant Magneto-Resistance）効果が使用される。

第１磁化固定層３０は、データ記録層１０と同様に、垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。第１磁化固定層３０に具体的に用いることのできる材料は、データ記録層１０と同様である。第１磁化固定層３０の磁化は、強固に固定されることが好ましく、そのためには、第１磁化固定層３０に隣接して反強磁性層が形成されてもよい。あるいは、第１磁化固定層３０としては、ＳＡＦ（synthetic antiferromagnet）として機能する積層膜が使用されてもよい。これらは当業者には自明のことであり、従って図示されていない。

補助強磁性層４０の材料としては様々な材料を用いることができる。例えばデータ記録層１０に用いることのできる材料として示されたような強磁性体を用いることができる。補助強磁性層４０のその他の実施例については後述される。

電極層５０ａ、５０ｂには導電性の材料が用いられる。電極層５０ａ、５０ｂとしては、具体的にはＣｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｕなどが使用され得る。

本実施形態の磁気メモリでは、上記の磁性記憶素子７０が各メモリセルに集積化される。として使用される。図５は、本実施形態の磁気メモリ９０の構成の一例を示すブロック図である。磁気メモリ９０は、メモリセルアレイ１１０、Ｘドライバ１２０、Ｙドライバ１３０、コントローラ１４０を備えている。メモリセルアレイ１１０は、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセル８０を有している。後述されるように、各磁気メモリセル８０には、上記の磁性記憶素子７０が集積化されている。メモリセルアレイ１１０には、行方向に延伸するワード線ＷＬ及びグラウンド線ＧＬと、列方向に延伸するビット線対ＢＬａ、ＢＬｂが設けられている。各磁気メモリセル８０は、ワード線ＷＬ、グラウンド線ＧＬ、及びビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。Ｘドライバ１２０は、複数のワード線ＷＬに接続されており、それら複数のワード線ＷＬのうちアクセス対象の磁気メモリセル８０につながる選択ワード線を駆動する。Ｙドライバ１３０は、複数のビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されており、各ビット線をデータ書き込みあるいはデータ読み出しに応じた状態に設定する。コントローラ１４０は、データ書き込みあるいはデータ読み出しに応じて、Ｘドライバ１２０とＹドライバ１３０のそれぞれを制御する。

図６は、各磁気メモリセル８０の構成の例を示す回路図である。本実施形態では、磁気メモリセル８０は、磁性記憶素子７０と、２つのＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂとで構成される。磁性記憶素子７０は３端子素子である。第１磁化固定層３０につながる端子は、読み出しのためのグラウンド線ＧＬに接続されている。第１磁化固定領域１１ａにつながる端子（即ち、電極層５０ａ）は、ＭＯＳトランジスタＴＲａの一方のソース／ドレインに接続され、ＭＯＳトランジスタＴＲａの他方のソース／ドレインは、ビット線ＢＬａに接続されている。第２磁化固定領域１１ｂにつながる端子（即ち、電極層５０ｂ）は、ＭＯＳトランジスタＴＲｂの一方のソース／ドレインに接続され、ＭＯＳトランジスタＴＲｂの他方のソース／ドレインは、ビット線ＢＬｂに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂのゲートは、ワード線ＷＬに共通に接続されている。

（書き込み動作及び読み出し動作）

以下では、各磁気メモリセル８０の磁性記憶素子７０へのデータ書き込み、及び磁性記憶素子７０からのデータ読み出しについて説明する。図３Ａ、図３Ｂは、磁性記憶素子７０への情報の書き込み方法を模式的に示している。なお、図３Ａ、図３Ｂでは、簡単のために第１非磁性層２０、第１磁化固定層３０は図示されていない。

図３Ａ、図３Ｂに示されているように、磁性記憶素子７０へのデータ書き込みは、データ記録層１０に、第１磁化固定領域１１ａから第２磁化固定領域１１ｂの方向に、又は、その逆方向に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを流すことによって行われる。より具体的には、書き込み動作では、選択された磁気メモリセル８０に対応するワード線ＷＬがＨｉｇｈレベルに設定され、これにより、選択された磁気メモリセル８０のＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂがターンオンされる。また、選択された磁気メモリセル８０に対応するビット線対ＢＬａ、ＢＬｂの一方がＨｉｇｈレベルに設定され、他方がＬｏｗレベル（グラウンドレベル）に設定される。これにより、データ記録層１０において、ビット線ＢＬａからビット線ＢＬｂに向けて、又は、その逆向きに書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが流れる。言い換えれば、第１磁化固定領域１１ａから第２磁化固定領域１１ｂの方向に、又は、その逆方向に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが流れる。

詳細には、磁性記憶素子７０が図２Ａで定義された“０”状態にある場合において、図３Ａに図示されているように、第１磁化固定領域１１ａから第２磁化固定領域１１ｂの方向に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを導入すると、伝導電子がデータ記録層１０において第２磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１２を経由して第１磁化固定領域１１ａへと流れる。このとき第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に形成された磁壁ＤＷにはスピントランスファートルク（Spin Transfer Torque: STT）が働き、ｘ軸の負方向に移動する。すなわち電流誘起磁壁移動が起こる。ここで、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界よりもｘ軸の負の方向の位置では減少するため、磁壁ＤＷは第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界で停止する。この状態は、図２Ｂで定義された“１”状態に相当する。このようにして磁性記憶素子７０にデータ“１”を書き込むことができる。

一方、磁性記憶素子７０が図２Ｂで定義された“１”状態にある場合において、図３Ｂに図示されているように、第２磁化固定領域１１ｂから第１磁化固定領域１１ａの方向に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを導入すると、伝導電子がデータ記録層１０において第２磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１２を経由して第１磁化固定領域１１ａへと流れる。このとき第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に形成された磁壁ＤＷにはスピントランスファートルクが働き、ｘ軸の正方向に移動する。すなわち電流誘起磁壁移動が起こる。ここで、書き込み電流は第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界よりもｘ軸の正の方向の位置では減少するため、磁壁ＤＷは第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界で停止する。この状態は図２Ａで定義された“０”状態に相当する。このようにして磁性記憶素子７０にデータ“０”を書き込むことができる。

なお、磁性記憶素子７０が“０”状態にあるときにデータ“０”の書き込みを行った場合、及び磁性記憶素子７０が“１”状態にあるときにデータ“１”の書き込みを行った場合には状態の変化は起こらない。すなわち、本実施形態の磁性記憶素子７０は、オーバーライトが可能である。

一方、図４Ａ、図４Ｂに示されているように、磁性記憶素子７０からのデータの読み出し動作では、データ記録層１０、第１非磁性層２０、第１磁化固定層３０から構成される磁気トンネル接合を貫通する方向に読み出し電流Ｉｒｅａｄが流される。詳細には、読み出し動作では、選択された磁気メモリセル８０に対応するワード線ＷＬがＨｉｇｈレベルに設定され、選択された磁気メモリセル８０のＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂがターンオンされる。また、選択された磁気メモリセル８０に対応するビット線ＢＬａがオープン状態に設定され、対応するビット線ＢＬｂがＨｉｇｈレベルに設定される。その結果、読み出し電流Ｉｒｅａｄが、ビット線ＢＬｂからＭＯＳトランジスタＴＲｂ及び磁性記憶素子７０の磁気トンネル接合を貫通してグラウンド線ＧＬへ流れる。これにより、ＴＭＲ効果を利用した読み出しが可能となる。なお、読み出し電流Ｉｒｅａｄは、データ記録層１０から第１磁化固定層３０に向けて流されてもよく、その逆に流されてもよい。

例えば、図４Ａに図示されているように、磁性記憶素子７０が“０”状態にある場合に読み出し電流Ｉｒｅａｄが流されると、当該磁気トンネル接合において磁化が平行状態となっているので、低抵抗が実現される。また図４Ｂに図示されているように磁性記憶素子７０が“１”状態にある場合に読み出し電流Ｉｒｅａｄが流されると、当該磁気トンネル接合において磁化が反平行状態となっているので、高抵抗が実現される。このように、磁気トンネル接合の抵抗値の変化に基づいて、磁性記憶素子７０に格納されたデータを識別することができる。

（磁性記憶素子の初期化）

次に、以上で説明した磁性記憶素子７０のデータ記録層１０に磁壁を導入する方法、すなわち磁性記憶素子７０の初期化方法について説明する。

１．従来方法と問題点

はじめに、従来の磁性記憶素子の初期化方法、及びその問題点について説明する。

図７Ａ、図７Ｂは、従来の初期化方法を模式的に示している。非特許文献４に開示された技術では、図７Ａ、図７Ｂに図示されている方法が用いられている。以下では、図７Ａに示されるように、データ記録層１０が、上述のように第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を有しており、補助強磁性層４０が第１磁化固定領域１１ａに接合されている場合を考える。また、データ記録層１０、補助強磁性層４０が、いずれも垂直磁気異方性を有しており、補助強磁性層４０の保磁力がデータ記録層１０の保磁力よりも大きいものとする。

従来の方法においては、まず、はじめに図７Ａに示されるように、十分大きな外部磁場Ｈｅｘｔ１が垂直方向に印加される。図７Ａには、外部磁場Ｈｅｘｔ１が＋ｚ方向に印加された場合の磁化状態が矢印で示されている。図７Ａに示されるように、外部磁場Ｈｅｘｔ１が印加されると、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、及び補助強磁性層４０の磁化は、いずれも、＋ｚ方向に向けられる。

次に、はじめに印加した外部磁場Ｈｅｘｔ１とは反対方向、すなわちこの場合には−ｚ方向に適当な大きさの外部磁場Ｈｅｘｔ２が印加される。このとき、補助強磁性層４０と第１磁化固定領域１１ａから形成される積層部分は保磁力が大きいため磁化反転が起こらないが、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化自由領域１２は保磁力が小さいために磁化反転が誘起される。これにより、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に磁壁ＤＷが形成される。この状態は、図２Ｂで定義されている“1”状態に相当する。

しかし上述のような磁壁の導入方法では、図７Ｂにおいて印加される外部磁場Ｈｅｘｔ２が小さすぎると、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の磁化反転が誘起されない。一方、外部磁場Ｈｅｘｔ２が大きすぎると、第１磁化固定領域１１ａと補助強磁性層４０からなる積層部分も磁化反転が誘起されてしまう。つまり図７Ｂで用いられる外部磁場Ｈｅｘｔ２は、特定の許容範囲内でなければならない。以下では、初期化において印加される外部磁場の許容範囲を、初期化マージンと呼ぶ。この初期化マージンが狭い場合と、特に大容量のメモリ装置においては、メモリ状態の初期化が不良となる素子が出現する頻度が高くなり、歩留まりの低下の原因となる。従って、初期化マージンは、なるべく広いことが望ましい。

図７Ａ、図７Ｂで説明されたような初期化方法は、初期化マージンを広くすることが困難である。その理由を、図８Ａ〜図８Ｄを用いて説明する。図８Ａ〜図８Ｃは、図７Ａ、図７Ｂに示されたような保磁力の異なる材料から形成され、かつステップ構造を有する系（以下、ステップ型構造と参照する）における、各領域の磁化の応答の様子を模式的に示している。また、図８Ｄは、ステップ型構造の全磁化の外部磁場への応答を表す磁化曲線を示している。図８Ａは、図８Ｄの磁化曲線の点Ａに対応する磁化の状態（以下、「Ａ状態」という）、図８Ｂは、点Ｂに対応する磁化の状態（以下、「Ｂ状態」という）、図８Ｃは、点Ｃに対応する磁化の状態（以下、「Ｃ状態」という）を示している。またＡ状態からＢ状態へ遷移する閾値磁場をＨ１と定義し、Ｂ状態からＣ状態へ遷移する閾値磁場をＨ２と定義する。図７Ａ、図７Ｂを参照して説明したように、閾値磁場Ｈ１と閾値磁場Ｈ２の差が、この系における初期化マージンである。

ここで、Ａ状態からＢ状態に遷移する時の第２磁化固定領域１１ｂ及び磁化自由領域１２の磁化反転機構とＢ状態からＣ状態に遷移する時の第１磁化固定領域１１ａと補助強磁性層４０の磁化反転機構とが異なることに注目する必要がある。磁化反転には反転核生成タイプの磁化反転と磁壁移動タイプの磁化反転がある。垂直磁化膜においては異方性磁場（Ｈｋ）よりも小さな磁場において磁化反転が起こるが、磁化反転が起こるためには、

（１）外部磁場に平行方向の磁化を有する反転核が形成されること（nucleation）、

（２）外部磁場に平行方向の軸が成長できること、つまり磁壁移動が起こること、

の２つの条件を満たす必要がある。（１）の反転核生成に必要な磁場を反転核生成（nucleation）磁場、（２）の磁壁移動に必要な磁場を磁壁移動（domain wall motion）磁場としたとき、反転核生成磁場と磁壁移動磁場のどちらが大きいかで、その磁化反転機構を区別することができる。以下では、反転核生成磁場の方が大きい場合を反転核生成タイプの磁化反転といい、磁壁移動磁場の方が大きい場合を磁壁移動タイプの磁化反転と参照することにする。

このとき、図８Ａ〜図８Ｄに示される例においては、Ａ状態からＢ状態に遷移する時の第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の磁化反転は、一般的には反転核生成タイプの磁化反転となる。一方でＢ状態からＣ状態への遷移においては、第１磁化固定領域１１ａと補助強磁性層４０の磁化反転は、磁壁移動タイプの磁化反転となる。これは、Ｂ状態においては、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に磁壁が形成されており、これが反転核として機能する、つまり反転核は既に生成された状態での磁化反転となるためである。

ここで一つの代表的な垂直磁気異方性材料であるＣｏ／Ｐｔ系の積層膜の場合、パターニングされた素子における反転核生成磁場は１０００（Ｏｅ）のオーダーであり、一方磁壁移動磁場は１００（Ｏｅ）のオーダーである。この場合には、Ａ状態からＢ状態へ反転核生成タイプの磁化反転により磁化状態が遷移した時には、同時にＢ状態からＣ状態に磁壁移動タイプの磁化反転により磁化状態が遷移してしまい、初期化マージンは０となることになる。異なる材料系においては初期化マージンを有限の値とすることもできるが、十分大きな初期化マージンを確保することは困難である。

２．本実施形態の初期化方法の原理

本実施形態ではこの初期化マージンを拡大するために、基板面垂直方向と基板面平行方向の両方の成分を有する外部磁場が用いられる。言い換えると、データ記録層１０の磁気異方性の方向（基板面垂直方向）とその垂直方向（基板面平行方向）の両方の成分を有する外部磁場が用いられる。その原理を、図９を用いて説明する。

上述のように、図８Ａ〜図８Ｃの例においては、Ａ状態からＢ状態への遷移は反転核生成タイプの磁化反転であり、一方Ｂ状態からＣ状態への遷移は磁壁移動タイプの磁化反転である。ところで反転核生成タイプの磁化反転はＳｔｏｎｅｒ−Ｗａｈｌｆａｒｔｈの法則に従った角度依存性を示し、一方、磁壁移動タイプの磁化反転は１／ｃｏｓθ則に従った角度依存性を示す。Ｓｔｏｎｅｒ−Ｗａｈｌｆａｒｔｈの法則によれば、反転核生成タイプの磁化反転の閾値磁場Ｈｔｈの角度θに対する依存性は次式で与えられる：

Ｈｔｈ ∝ （ｃｏｓ２／３θ ＋ ｓｉｎ２／３θ）−３／２．

一方、磁壁移動タイプの磁化反転の閾値磁場Ｈｔｈの角度θに対する依存性は、次式で与えられる：

Ｈｔｈ ∝ １／ｃｏｓθ．

ここで、θは、強磁性体の磁気異方性の方向と外部磁場の方向とがなす角度である。

図９は、反転核生成タイプの磁化反転の閾値磁場と、磁壁移動タイプの磁化反転の閾値磁場の角度依存性の計算結果を示している。縦軸は閾値磁場を示しており、横軸は磁化容易軸からの角度を示している。記号“Ｓ−Ｗ”で示されているカーブは、反転核生成タイプの磁化反転の閾値磁場に対応しており、記号“１／ｃｏｓθ”で示されているカーブは、磁壁移動タイプの磁化反転の閾値磁場に対応している。図９に示されているように、Ｓｔｏｎｅｒ−Ｗａｈｌｆａｒｔｈ側に従う反転核生成タイプの磁化反転では、閾値磁場は、角度θが０度から増加すると減少し、４５度で最小となり、角度θが４５度を超えると増大する。９０度の閾値磁場は０度と同じ値である。一方１／ｃｏｓθ則に従う磁壁移動タイプの磁化反転については、閾値磁場が角度θの増加に伴い増加し、さらに角度θの大きい領域での上昇は急激である。

本実施形態の初期化方法は、図９に示されたような反転核生成タイプ（Ｓｔｏｎｅｒ−Ｗａｈｌｆａｒｔｈ則）の閾値磁場の角度依存性と、磁壁移動タイプ（１／ｃｏｓθ則）の閾値磁場の角度依存性の違いを利用する。すなわち、図１０Ａに示されるように、全ての磁化が外部磁場Ｈｅｘｔ１によって同一方向に揃えられた後、図１０Ｂに図示されているように、垂直成分と面内成分の両方を持つ外部磁場Ｈｅｘｔ２が印加される。このとき図８ＤのＡ状態からＢ状態の遷移に必要な閾値磁場Ｈ１は、反転核生成タイプの磁化反転であるから、角度θが０度から増加するのに伴って減少する。一方Ｂ状態からＣ状態への遷移に必要な閾値磁場Ｈ２は、磁壁移動タイプの磁化反転であるから、角度θの増加に伴い増加する。かくして初期化マージンである閾値磁場Ｈ１と閾値磁場Ｈ２の差を増大させることができる。

図１１は、初期化マージンをより具体的に示すグラフである。なお、図１１では外部磁場Ｈｅｘｔ２の印加角度θが０度、つまり完全に垂直方向の場合に初期化マージンが無い場合の例が示されている。印加角度θが０度の場合には閾値磁場Ｈ１は閾値磁場Ｈ２よりも小さいため、初期化マージンは存在しない。しかし、角度θの増加によって閾値磁場Ｈ１が減少し、一方、閾値磁場Ｈ２が増加するため、初期化マージンは有限となる。そして、印加角度θの大きな領域においては、閾値磁場Ｈ２の増加が非常に大きいため、十分に大きな初期化マージンを得ることができている。

このように、本実施形態では、垂直磁化膜から構成される磁壁移動型の磁気メモリにおいて、基板面垂直方向（すなわち、データ記録層１０の磁気異方性の方向）の磁場と基板面平行方向（すなわち、データ記録層１０の磁気異方性と垂直方向）の磁場の両方を有するような外部磁場を用いることによって磁壁を導入し、磁性記憶素子７０の初期化が行われる。なお、この初期化の際の外部磁場の基板面平行方向の成分はｘ−ｙ面内においていずれの方向でもよいことは、当業者には自明的である。

図９からわかるように磁壁移動タイプの磁化反転における閾値磁場の角度依存性は１／ｃｏｓθに従うが、この閾値磁場は４５°以上で急激に大きくなる。つまり、初期化に用いる磁場の方向としては、データ記録層１０の磁気異方性の角度に対して４５°以上であることが望ましい。また、通常、データ記録層１０に用いる垂直磁気異方性材料の垂直磁気異方性の方向には５°程度の揺らぎがある。よって、初期化に用いる外部磁場Ｈｅｘｔ２の方向としては、データ記録層１０の磁気異方性の角度に対して８５°未満であることが望ましい。

図１２は、本実施形態の初期化方法による磁性記憶素子７０の初期化の実験結果を示している。閾値磁場Ｈ１、Ｈ２は上述の定義のように、それぞれＡ状態からＢ状態への遷移が起こった磁場と、Ｂ状態からＣ状態への遷移が起こった磁場を表している。角度θが０度である場合には初期化マージンが１２００（Ｏｅ）程度であるのに対し、角度θが７５度である場合には、初期化マージンが３６００（Ｏｅ）程度にまで増大する。この実験結果は、本発明の有用性を明確に示している。なお、本実験においては、データ記録層１０にはＣｏＣｒＰｔ合金を、補助強磁性層４０にはＣｏ／Ｐｄ積層膜を用いている。但し、これ以外の材料系においても同様の効果が得られることを実験的に確認している。

なお、種々の材料の組み合わせに対して同様な実験を行ったところ、磁場の印加角度としては、６０度以上８０度未満のとき、様々な構成で有効に磁壁を導入できることがわかった。このことから、初期化磁場の印加角度としては、データ記録層１０の磁気異方性の方向となす角が、６０度以上８０度未満であることが好適であると言える。

本実施形態の磁壁の導入方法、すなわち磁性記憶素子の初期化方法の利点は、下記の通りである：

基板面垂直方向と基板面平行方向の磁場の両方を有するような外部磁場を用いる本実施形態の初期化方法の第１の利点は、初期化マージンの増大である。一般的に図８Ｄで定義された閾値磁場Ｈ１、Ｈ２は、大容量の磁気メモリの場合にはビットごとでばらつく。前述のように磁壁導入のための外部磁場は閾値磁場Ｈ１と閾値磁場Ｈ２の間となるように設定しなければならないが、このばらつきが大きい場合には磁壁が導入されない、つまり初期化不良のビットが出現することになる。ここで本実施形態の初期化方法を使用すると、初期化マージンが増大するため、このような初期化不良のビットが出現する確率は低下し、歩留まりが向上する。

また、本実施形態の初期化方法の第２の利点は、用いる材料系の選択肢の増加による、書き込み、読み出しなどの諸特性の向上である。すなわち、従来の初期化方法を用いる場合には、初期化不良を無くすために、データ記録層１０、補助強磁性層４０に用いる材料系は限られる。このとき、一般的に、磁壁の導入が容易な材料の組み合わせにおいては、磁壁のピンサイトにおけるピンポテンシャルの過度な増加などがもたらされることになり、書き込み電流が過度に増大してしまうという問題がある。しかし、本実施形態の初期化方法を用いることによって、データ記録層１０、補助強磁性層４０に用いる材料の組み合わせの選択肢が拡がることから、書き込み特性など他の特性の向上を優先させることができ、初期化以外の特性に優れた磁気メモリを提供することができる。

同様に、製造方法の選択肢も増加する。本実施形態の初期化方法を用いることによって、磁壁を導入し易くなることから、データ記録層と磁壁導入機構の間の位置関係などの制約が少なくなる。従ってより容易な製造方法を用いることができる。

以上で説明された磁性記憶素子の初期化方法は、様々な形態の磁性記憶素子にも適用することができる。以下では、上記の初期化方法によって初期化が可能な磁性記憶素子の様々な変形例について図を用いて説明する。

（第１の変形例）

図１３Ａ、図１３Ｂは、磁性記憶素子の第１の変形例を模式的に示しており、具体的には、磁性記憶素子７０のデータ記録層１０と補助強磁性層４０（４０ａ、４０ｂ）の接合形態を図示している。

磁性記憶素子７０に設けられる補助強磁性層４０の数には任意性がある。すなわち、図１３Ａに示されているように、補助強磁性層４０が２つ設けられてもよく、図１３Ｂに示されるように、補助強磁性層４０が１つだけ設けられてもよい。また、補助強磁性層４０が３つ以上設けられてもよい。図１３Ａに示される例では、第１補助強磁性層４０ａと第２補助強磁性層４０ｂがそれぞれ第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂに隣接して設けられている。

また図１３Ａに示されるような複数の補助強磁性層が設けられる場合には、それぞれの補助強磁性層（第１補助強磁性層４０ａ、第２補助強磁性層４０ｂ）は互いに異なる材料や積層膜により構成されてもよい。

また、図１３Ａの構成において、第１補助強磁性層４０ａと第２補助強磁性層４０ｂの材料及び／又は構成が異なっていてもよい。この場合、いずれか一方が磁壁移動によって磁化反転が支配され、他方が反転核生成によって磁化反転が支配されるように第１補助強磁性層４０ａと第２補助強磁性層４０ｂとが形成されてもよい。具体的には、第１補助強磁性層４０ａには磁壁移動や反転核生成が起こりにくい材料が用いられる一方、第２補助強磁性層４０ｂには磁壁移動磁場、反転核生成磁場がともに小さな材料が用いられてもよい。この場合、第２補助強磁性層４０ｂ、及びそれに隣接した第２磁化固定領域１１ｂ、ならびに磁化自由領域１２は小さな磁場により磁化反転が起こるが、第１補助強磁性層４０ａと第１磁化固定領域１１ａでは磁壁移動磁場が大きいため磁壁移動が起こらず、磁化反転が起こらない。このようにして容易に磁壁を導入することができる。

あるいは、第１磁化固定領域１１ａに隣接する磁壁導入構造と第２磁化固定領域１１ｂに隣接する磁壁導入機構の構造が異なっていてもよい。それぞれに隣接する磁壁導入機構の形態は、後述の第３の変形例の中から選択することができる。例えば、第１磁化固定領域１１ａには強磁性層が直接に接合され、一方第２磁化固定領域１１ｂには図１６に示されるような積層フェリ結合を有する磁壁導入機構が隣接したとき、本発明の効果がより好ましく得られる。

（第２の変形例）

図１４Ａ、図１４Ｂは、磁性記憶素子の第２の変形例を模式的に示しており、具体的には、磁性記憶素子７０のデータ記録層１０と補助強磁性層４０の接合形態を図示している。補助強磁性層４０の位置には任意性がある。すなわち、図１４Ａに示されるように、補助強磁性層４０は、データ記録層１０の第１磁化固定領域１１ａの下面に接合されてもよく、また図１４Ｂに示されるように上面に接合されてもよい。さらには、補助強磁性層４０は、データ記録層１０の横方向に隣接して接合されてもよい。

（第３の変形例）

図１５〜図１８は、磁性記憶素子の第３の変形例を模式的に示しており、具体的には、磁性記憶素子７０に設けられる磁壁導入機構の様々な形態を図示している。磁性記憶素子７０にはデータ記録層１０に磁壁を導入するための磁壁導入機構が設けられるが、この磁壁導入機構としては様々な形態が可能である。すなわち、上記では、この磁壁導入機構として、強磁性体から構成される補助強磁性層４０が設けられる場合の例が示されてきたが、これ以外の構成の磁壁導入機構を用いることもできる。

図１５は、磁壁導入機構の一例を図示している。図１５においては、磁壁導入機構として反強磁性体から構成された反強磁性層４１が設けられている。反強磁性層４１に用いることのできる反強磁性材料としては、例えばＰｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎなどが挙げられる。反強磁性層４１は、第１磁化固定領域１１ａに接合されている。図１５では反強磁性層４１が第１磁化固定領域１１ａの上面に接合されているが、下面に接合されてもよい。

反強磁性層４１が第１磁化固定領域１１ａに接合して設けられると、反強磁性層４１と第１磁化固定領域１１ａとの間に交換バイアス結合（Exchange Bias Coupling）が働き、第１磁化固定領域１１ａにおける磁壁移動磁場が増大する。従って、反強磁性層４１は、初期化マージンを増大させる作用を有する。ただし、一般的には反強磁性層４１を隣接させても、初期化に用いる外部磁場が垂直方向の場合には、初期化マージンは０となり、基板面平行方向成分を有したときにはじめて有限の値となることに留意されたい。つまり、磁壁導入機構として反強磁性層４１を用いることにより、本実施形態の磁性記憶素子の初期化方法が非常に有効に作用し、より好ましい効果が得られる。なお、反強磁性層４１は外部に漏洩磁界を発生しないため、磁壁のピンサイトにおけるピンポテンシャルの増大をもたらさない点でも好ましい。反強磁性層４１の使用は、書き込み電流を低減する上でも有利である。

図１６は、磁壁導入機構の他の例を図示している。図１６においては、磁壁導入機構として積層フェリ結合（Synthetic Antiferromagnetic Coupling）を奏する積層膜が設けられている。具体的には、この例の場合にはデータ記録層１０の第１磁化固定領域１１ａに結合層４２が接合され、この結合層４２に第２補助強磁性層４３が接合されている。結合層４２は、非磁性体で構成されており、結合層４２に用いることのできる材料としては、例えばＲｕが例示される。また、第２補助強磁性層４３に用いることのできる材料は、補助強磁性層４０に用いることのできる材料と同一である。

結合層４２は、第１磁化固定領域１１ａと第２補助強磁性層４３の磁化を反強磁性的に結合するような材料、及び膜厚で構成される。第１磁化固定領域１１ａと第２補助強磁性層４３の間に作用する反強磁性的結合は、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの実効的な保磁力を相違させ、外部磁場による初期化を可能にする。

図１６の磁壁導入機構の構成においても、基板面垂直方向と基板面平行方向の両方の成分を有する外部磁場による初期化によって初期化マージンが拡大される。発明者は、磁壁導入機構として積層フェリ結合を有する積層膜を利用した場合には、より大きな初期化マージンが得られることを実験的に確認している。すなわち、磁壁導入機構として積層フェリ結合を有する積層膜を用いた場合にも、本実施形態で用いる磁性記憶素子の初期化方法のより好ましい効果が得られる。

なお、図１６においては、第１磁化固定領域１１ａに積層フェリ結合を有する積層膜として結合層４２と第２補助強磁性層４３がこの順に積層されて接している例が示されているが、他の構成によって積層フェリ結合を有する積層膜を磁壁導入機構として用いることもできる。

図１７には磁壁導入機構の更に他の例を図示している。図１７においては磁壁導入機構として、第３補助強磁性層４５と、第２非磁性層４４が設けられている。図１７の例においては、第２非磁性層４４は第１磁化固定領域１１ａに隣接して設けられ、第３補助強磁性層４５は第２非磁性層４４に隣接して設けられている。第２非磁性層４４は非磁性体から構成され、第３補助強磁性層４５は強磁性体から構成される。図１７に示されるように第３補助強磁性層４５が第１磁化固定領域１１ａに隣接していなくても、漏洩磁界によって第１磁化固定領域１１ａに作用し、第１磁化固定領域１１ａの部分の保磁力を増大することができる。また第２非磁性層４４は第３補助強磁性層４５と第１磁化固定領域１１ａを磁気的に結合させる働きを有していてもよい。

第２非磁性層４４はデータ記録層１０の下地層やキャップ層の役割を兼ねることができる。従って、本形態によって、当該磁性記憶素子の製造が容易になる。すなわち、磁壁導入機構が第２非磁性層４４を有し、第２非磁性層４４が第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの少なくとも一方に隣接して設けられるとき、本発明で用いる磁気メモリの初期化方法のより好ましい効果が得られる。

第２非磁性層４４の材料としては、様々な材料を用いることができる。その材料は導電性であってもよいし、非導電性であってもよい。具体的には、第２非磁性層４４に用いることができる材料としては、例えば、Ｔａ、Ｗ、Ｒｕ、Ａｌ−Ｏ、Ｍｇ−Ｏが挙げられる。

図１８には磁性記憶素子７０の更に他の例が示されている。図１８においては磁壁導入機構として、第３非磁性層４６が設けられている。図１８の例においては、第３非磁性層４６は第１磁化固定領域１１ａのみに隣接して設けられている。第３非磁性層４６は非磁性体から構成される。

一実施形態では、第３非磁性膜４６は、データ記録層１０の上に第３非磁性層４６となるべき非磁性膜を形成した後、その非磁性膜の一部をエッチングすることによって形成される。この場合、第２磁化固定領域１１ｂ及び磁化自由領域１２は、エッチングによってエッチングガスや大気にさらされることになり、第１磁化固定領域１１ａとは磁気的性質が異なることになる。そして一般的には、エッチングガスや大気にさらされることにより、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化自由領域１２の反転核生成磁場は減少する。このため、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの間に保磁力の差が形成され、外部磁場によるメモリ状態の初期化が可能になる。

発明者は、図１５乃至図１８に示された構造においては、角度θが０度、つまり垂直方向の磁場では磁壁の導入が不可能な場合にも、本実施形態の基板面垂直方向と基板面平行方向の両方の成分を有する外部磁場を用いることによって磁壁の導入が可能なことを実験的に検証している。すなわち、磁壁導入機構として第３非磁性層４６を用いた場合にも、本実施形態の磁性記憶素子の初期化方法のより好ましい効果が得られる。

（第４の変形例）

図１９Ａ、図１９Ｂは、磁性記憶素子の第４の変形例を模式的に示しており、具体的には、データ記録層１０の構造を示している。

以上では、データを記録するためのデータ記録層１０が、ｘ−ｙ面内（基板面平行面内）において長方形であり、第１磁化固定領域１１ａが磁化自由領域１２の一方の端部に接続され、第２磁化固定領域１１ｂは磁化自由領域１２の他方の端部に接続されるものとして説明がなされている。しかしながら、実際には、このデータ記録層１０の形状は、様々に変更可能であり、また第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化自由領域１２の配置も様々に変更可能である。

図１９Ａは、データ記録層１０の構造の一例を示している。データ記録層１０の第１磁化固定領域１１ａや第２磁化固定領域１１ｂは、その幅が磁化自由領域１２に比べて広くなるように形成されてもよい。図１９Ａには、第２磁化固定領域１１ｂの幅が他の領域に比べて広くなるように形成される例が図示されている。

図１９Ａに図示されるように、第１磁化固定領域１１ａや第２磁化固定領域１１ｂの幅が磁化自由領域１２に比べて広くなるように形成されることによって、書き込み動作がより安定化される。すなわち、例えば図３Ｂで説明されたデータ“０”を書き込む書き込み動作の際には、磁壁が、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界から第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界へと移動して停止する。ここで磁壁は、正確に第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界で停止することが好ましいが、図１９Ａに示されるように第２磁化固定領域１１ｂの幅が広く形成されていれば、電流密度が十分に下がるため、当該境界で磁壁はより確実に停止するようになる。

一方、図１９Ｂは、データ記録層１０の構造の他の例を示している。データ記録層１０は、図１９Ｂに示されるようにＹ字型に形成されてもよい。図１９Ｂにおいては、データ記録層１０が、ｘ方向に延伸して設けられる磁化自由領域１２と、その一方の端部（−ｘ側）に接続して設けられる第１磁化固定領域１１ａと、同じく一方の端部に接続して設けられる第２磁化固定領域１１ｂにより形成される。すなわちデータ記録層１０は三叉路を形成する。この場合も第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化は少なくとも一部分において垂直方向で互いに反平行方向に固定される。また、磁化自由領域１２の磁化は、垂直方向に向けられており、上下のいずれの方向をとることも許容されている。

データ記録層１０が図１９Ｂに示されるようなＹ字型の形状を有する場合の書き込み方法について、図２０Ａ、図２０Ｂを用いて説明する。図２０Ａは、磁性記憶素子７０が“０”状態にあるときにデータ“１”を書き込む動作を、図２０Ｂは、磁性記憶素子７０が“１”状態にあるときにデータ“０”を書き込む動作を模式的に示している。なお、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂはそれぞれ上方向、下方向に固定された磁化を有しているものとし、磁化自由領域１２が下方向に磁化した状態を“０”状態、上方向に磁化した状態を“１”状態と定義する。このとき、図２０Ａに示されるような“０”状態においては、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成される。ここで図２０Ａの点線の方向に電流を流せば、電流誘起磁壁移動現象により磁壁（ＤＷ）が磁化自由領域１２の第１磁化固定領域１１ａと接続される端部とは反対側へと移動し、図２０Ｂに示されるような“１”状態へと遷移する。同様に、図２０Ｂに示されるような“１”状態においては、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成される。ここで図２０Ｂの点線の方向に電流を流せば、電流誘起磁壁移動現象により磁壁（ＤＷ）が磁化自由領域１２の第２磁化固定領域１１ｂと接続される端部とは反対側へと移動し、図２０Ａに示されるような“０”状態へと遷移する。このようにしてデータの書き換えが可能である。

データ記録層１０が図１９Ｂに示されるような三叉路形状に形成される構成では、磁壁が磁化自由領域１２の端部に抜かれることによって書き込みが行われる。このような書き込み動作は、より安定した書き込み動作を実現するために好適である。

（第５の変形例）

図２１Ａ〜図２１Ｃは、磁性記憶素子の第５の変形例を模式的に示す図である。ここで、図２１Ａはその斜視図であり、図２１Ｂは平面図であり、図２１Ｃは断面図である。

上記の磁性記憶素子では、データ記録層１０からデータを読み出すための読み出し機構として、データ記録層１０の磁化自由領域１２に第１非磁性層２０が隣接して設けられ、第１非磁性層２０に隣接して第１磁化固定層３０が設けられている。第５の変形例では、他の読み出し機構の形態が提示される。

第５の変形例においては、読み出し機構として、磁化自由層２１０、第３非磁性層２２０、第２磁化固定層２３０が設けられる。加えて、データ記録層１０と磁化自由層２１０との間にコンタクト層２４０が設けられることが好ましい。また、磁化自由層２１０、第３非磁性層２２０、第２磁化固定層２３０はこの順に積層されており、これらによって磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）が形成

される。

好適には、磁化自由層２１０の重心はデータ記録層１０の磁化自由領域１２の重心に対してｘ−ｙ面内でずれて設けられる。以下では、このずれの方向を、「重心ずれ方向」と定義する。

磁化自由層２１０、第２磁化固定層２３０は、面内方向に磁気異方性を有する強磁性体から構成される。磁化自由層２１０、第２磁化固定層２３０としては、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどが使用可能である。また磁化自由層２１０の磁気異方性の方向は、面内方向において任意である。一方、第２磁化固定層２３０の磁化は実質的に一方向に固定されている。第２磁化固定層２３０の磁化の方向は、上記の重心ずれ方向に平行であることが望ましい。第３非磁性層２２０は、絶縁性の非磁性体により構成される。第３非磁性層２２０としては、例えば、Ｍｇ−Ｏなどが使用可能である。

第５の変形例では、磁化自由領域１２の垂直方向の磁化の方向で記憶されたデータが、磁化自由層２１０、第３非磁性層２２０、第２磁化固定層２３０から構成される面内磁化を有するＭＴＪによって読み出される。その原理を、図２２Ａ、図２２Ｂを用いて説明する。図２２Ａは、“０”状態での各層の磁化の状態を矢印で図示しており、図２２Ｂは、“１”状態での磁化の状態を矢印で図示している。なお、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、第２磁化固定層２３０の磁化は、それぞれｚ軸の正方向、ｚ軸の負方向、ｙ軸の負方向に固定されているものとして描かれているが、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、第２磁化固定層２３０の磁化方向がこれらに限定されないことは、当業者には自明的であろう。

いま、図２２Ａに示されるように、磁化自由領域１２の磁化が下方向に向けられている状態（即ち、“０”状態）においては、磁化自由層２１０の磁化が、磁化自由領域１２の下方向の磁化によって生ずる漏れ磁束によってｙ軸の負方向を向く。これは磁化自由層２１０が磁化自由領域１２の下側（ｚ軸の負方向）に配置され、かつ磁化自由層２１０の重心が磁化自由領域１２に対してｙ軸の負方向にずれて設けられているためである。これによって磁化自由層２１０、第２磁化固定層２３０の磁化は平行となり、磁化自由層２１０、第３非磁性層２２０、第２磁化固定層２３０で構成されるＭＴＪは低抵抗状態となる。

一方、図２２Ｂに示されるように、磁化自由領域１２の磁化が上方向に向けられている状態（即ち、“１”状態）においては、磁化自由層２１０の磁化が、磁化自由領域１２の上方向の磁化によって生ずる漏れ磁束によってｙ軸の正方向を向く。これによって磁化自由層２１０、第２磁化固定層２３０の磁化が反平行となり、ＭＴＪが高抵抗状態となる。かくして磁化自由領域１２の垂直方向の磁化として記憶されたデータは、面内磁化を有する磁化自由層２１０の磁化に伝達され、面内磁化を備えたＭＴＪによって読み出すことができる。

面内磁化によって構成されるＭＴＪでは一般的に高い磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を得ることができる。したがって、第５の変形例の磁性記憶素子は、これによって大きな読み出し信号を得ることができる。

なお、図２１Ａ、図２１Ｂでは磁化自由層２１０、第３非磁性層２２０、第２磁化固定層２３０がデータ記録層１０に対して下側（ｚ軸負方向）に配置されるものとして描かれているが、この配置には任意性がある。例えば、磁化自由層２１０、第３非磁性層２２０、第２磁化固定層２３０は、データ記録層１０に対して上側に位置していてもよい。また、磁化自由層２１０の重心の磁化自由領域１２の重心からのずれの方向である重心ずれ方向は、図ではｙ軸の負方向であるものとして描かれているが、これについても任意性があり、ｙ軸の正方向でもよく、或いはｘ成分を含んでいてもよい。

なお、上記には本発明の具体的な実施形態、変形例が記載されているか、本発明が様々に変形されて実施され得ることは、当業者には自明的であろう。特に、上述の実施形態及び変形例は、矛盾がない限り組み合わせて実施され得ることに留意されたい。

この出願は、２００８年１１月７日に出願された日本出願特願２００８−２８７１６４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 (9)

1. 
   第１磁化固定領域と、第２磁化固定領域と、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域に接合された磁化自由領域とを備え、且つ、垂直磁気異方性を有するデータ記録層を具備し、前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の保磁力が相違するように構成された磁性記憶素子の初期化方法であって、
   
   前記第１磁化固定領域、前記第２磁化固定領域、及び前記磁化自由領域の磁化を、同一方向に向ける工程と、
   
   前記データ記録層の磁気異方性の方向に垂直な成分と平行な成分の両方を有する磁場を前記データ記録層に印加する工程
   
   とを具備する
   
   磁性記憶素子の初期化方法。
   
2. 
   請求の範囲１に記載の磁性記憶素子の初期化方法であって、
   
   前記磁場が印加される方向と前記データ記録層の磁気異方性の方向とのなす角度が、４５度以上８５未満である
   
   磁性記憶素子の初期化方法。
   
3. 
   請求の範囲２に記載の磁性記憶素子の初期化方法であって、
   
   前記磁場が印加される方向と前記データ記録層の磁気異方性の方向とのなす角度が、６０度以上８０未満である
   
   磁性記憶素子の初期化方法。
   
4. 
   請求の範囲１乃至請求の範囲３のいずれか１項に記載の磁性記憶素子の初期化方法であって、
   
   前記磁性記憶素子が、前記第１磁化固定領域に接合されて設けられる第１磁壁導入機構を備えている
   
   磁性記憶素子の初期化方法。
   
5. 
   請求の範囲４に記載の磁性記憶素子の初期化方法であって、
   
   前記第１磁壁導入機構が、前記第１磁化固定領域に接合される補助強磁性層を有する
   
   磁性記憶素子の初期化方法。
   
6. 
   請求の範囲４に記載の磁性記憶素子の初期化方法であって、
   
   前記第１磁壁導入機構が、前記第１磁化固定領域に接合される反強磁性層を有する
   
   磁性記憶素子の初期化方法。
   
7. 
   請求の範囲４に記載の磁性記憶素子の初期化方法であって、
   
   前記第１磁壁導入機構が、前記第１磁化固定領域に接合される非磁性層を有する
   
   磁性記憶素子の初期化方法。
   
8. 
   請求の範囲４に記載の磁性記憶素子の初期化方法であって、
   
   前記第１磁壁導入機構が、前記第１磁化固定領域に接合される非磁性層と補助強磁性層の積層膜を備え、
   
   前記非磁性層は、前記補助強磁性層と前記第１磁化固定領域とを反強磁性的に結合する
   
   磁性記憶素子の初期化方法。
   
9. 
   請求の範囲４乃至８のいずれか１項に記載の磁性記憶素子の初期化方法であって、
   
   前記磁性記憶素子が、更に、前記第２磁化固定領域に接合されて設けられる第２磁壁導入機構を備えており、
   
   前記第１磁壁導入機構と前記第２磁壁導入機構とが異なる構成を有する
   
   磁性記憶素子の初期化方法。

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