JP5445029B2 - 磁気抵抗素子、及び磁壁ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗素子、及びそれをメモリセルに使用するＭＲＡＭ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）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層の強磁性層のうちの１層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層）であり、他の１層は、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層）である。

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、磁化自由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最も伝統的なものは、電流磁界によって磁化自由層の磁化を反転させる方法である。しかしながら、この書き込み方式では、メモリセルサイズにほぼ反比例して、磁化自由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。これは、高集積度のＭＲＡＭを提供するうえでは好ましくない。
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、特許文献１：特開２００５−９３４８８号公報）。スピン注入方式では、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。この現象は、スピン注入磁化反転（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）と参照される。スピン注入方式による書き込みは、磁化自由層のサイズの減少と共に書き込み電流が減少するため、高集積度のＭＲＡＭを実現するのに適している。

特許文献２（米国特許第６８３４００５号公報）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。くびれ等により多数の領域（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。

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、特許文献３（特開２００５−１９１０３２号公報）に記載されている。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、その特開２００５−１９１０３２号公報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。これらの磁化固定部の磁化は例えば反強磁性層を積層し、その交換バイアス磁界により固定される。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を貫通する書き込み電流が流れる。くびれ部１０４は磁壁に対するピンポテンシャルとしてはたらき、磁壁が左右どちらのくびれ部に存在するか、あるいは、接合部１０３の磁化方向によって情報が保持される。磁壁の移動の向きは書き込み電流の向きにより制御される。

これらのスピン注入を原理としたデバイスにおいて、磁化自由層、あるいは、磁化記録層として垂直磁気異方性を有する材料を用いることが特許文献４、５（ＷＯ２００９／００１７０６号公報、米国特許第６９６７８６３号公報）に記載されている。

図２は、ＷＯ２００９／００１７０６号公報に記載されたＭＲＡＭの構造を示している。図２において、磁化記録層１０の磁化はウェハ面内に垂直な方向を向いている。また、磁化記録層に隣接して設けられ、磁化固定部１１ａ、１１ｂを形成するためのハード磁性層９ａ、９ｂも垂直な磁化方向を有している。さらにトンネル絶縁層３２を介して磁化記録層１０の上に積層された磁化固定層３０も、垂直な磁化方向を有している。従って、図２においては垂直磁気異方性を有するＭＴＪによって情報を読み出すことになる。磁化記録層に垂直磁気異方性を有する材料を用いることの長所は磁壁が移動するための閾値電流を小さくすることができることである。

図３は、垂直磁気異方性材料を用いたスピン注入素子の一例を示す斜視図である。図３において、垂直磁気異方性を有する磁化自由層５２、トンネル絶縁層３２、磁化固定層３０が順次積層されている。磁化固定層３０としては第１強磁性層３４、非磁性層３１、第２強磁性層３３から構成された積層フェリ構造が用いられる。スピン注入素子においては積層方向に垂直な方向、すなわち、電流端子８４ａ、８４ｂ間に電流を印加することにより磁化自由層５２の磁化方向を反転することができる。このときの閾値電流は面内磁気異方性の場合と比較して小さくなることが知られている。また、情報の読出しは図２の場合と同様に、垂直磁気異方性を有するＭＴＪの抵抗変化としておこなわれる。

情報の読出しを高速に歩留りよくおこなうためには、ＭＴＪのＭＲ比を高めることが有効である。面内磁気異方性を有するＭＴＪにおいては、例えば、磁性層にＣｏＦｅＢ、トンネル絶縁層にＭｇＯを用いることにより高いＭＲ比が得られることが特許文献６（特開２００６−０８０１１６号公報）などに開示されている。しかしながら、垂直磁気異方性を有するＭＴＪにおいて、高いＭＲ比を得る構成はあまり報告されていない。書込み電流の閾値が小さいという垂直磁気異方性を有する磁化記録層、あるいは、磁化自由層の特徴とＭＲ比が大きいという面内異方性を有するＭＴＪの特徴を兼ね備えたＭＲＡＭが特許文献７、８（ＷＯ２００９／０１９９４７号公報、ＷＯ２００９／０６０７４９号公報）に開示されている。

図４は、ＷＯ２００９／０６０７４９号公報で開示された垂直磁気異方性を有する磁化記録層と面内異方性を有するＭＴＪを組み合わせた磁壁移動型ＭＲＡＭの構成を示している。メモリセルは磁化記録層１０と磁気読出し層５０から構成される。磁気読出し層５０は、面内異方性を有するＭＴＪ（以下、面内ＭＴＪともいう）が磁気センス層４５、トンネル絶縁層４２、磁化固定層４０から構成され、非磁性層４６を介して、磁化記録層１０とＹ方向にずれた位置に配置されている。ここで、磁化固定層４０を構成する非磁性層４１を介して結合した２つの磁性層４３、４４の磁化は実質的に固定され、磁化記録層１０の磁化方向の影響を受けない。一方、磁気センス層４５は磁化記録層１０の磁化の反転に伴う漏洩磁界方向の変化により、その磁化方向が変化する。従って、垂直磁気異方性を用いることによる低書込み電流と、面内ＭＴＪを用いることによる高ＭＲ比を兼ね備えたＭＲＡＭを得ることができる。

関連する技術として特開２００８−１４７４８８号公報に磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭが開示されている。この磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固定された少なくとも２つの第１磁化固定層と、第１平面上に形成され磁化の向きが可変な磁化自由層と、非磁性層を介して前記磁化自由層に接続され、磁化の向きが固定された第２磁化固定層とを備える。前記２つの第１磁化固定層は、前記磁化自由層を挟んで前記第２磁化固定層と対向するように配置され、また、前記磁化自由層と磁気的に結合している。前記２つの第１磁化固定層の磁化は共に、前記第１平面に直角な第１方向の成分を有している。データ書き込み時、書き込み電流が、前記第１平面内において、前記磁化自由層の一端から他端に流される。

特開２００９−５４７１５号公報に磁壁ランダムアクセスメモリが開示されている。この磁気ランダムアクセスメモリは、磁気異方性を有する強磁性層である磁化記録層と、前記磁化記録層上に設けられた情報を読み出すための読出し層とを具備する。前記磁化記録層は、反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域と第２磁化反転領とを含む磁化反転領域と、前記第１磁化反転領域との境界に接続され、磁化の向きが固定された第１磁化固定領域と、前記第２磁化反転領域との境界に接続され、磁化の向きが固定された第２磁化固定領域とを備える。

特開２００５−９３４８８号公報 米国特許第６８３４００５号公報 特開２００５−１９１０３２号公報 ＷＯ２００９／００１７０６号公報 米国特許第６９６７８６３号公報 特開２００６−０８０１１６号公報 ＷＯ２００９／０１９９４７号公報 ＷＯ２００９／０６０７４９号公報 特開２００８−１４７４８８号公報 特開２００９−５４７１５号公報

図４に示されるメモリセルにおいて、垂直磁気異方性を有する磁化記録層の磁化変化を磁気センス層の磁化変化として取り出すためには、面内ＭＴＪを磁化記録層とずらして配置し、その端部からの漏洩磁界を利用する必要がある。しかしながら、このずれ量が変化すると、磁気センス層に印加される漏洩磁束の量が変化するため、抵抗値がばらついてしまうという課題があった。また、面内ＭＴＪをずらした分だけＭＲＡＭ素子の面積がおおきくなってしまうという課題もあった。さらに、図４のように面内ＭＴＪを磁化記録層の上部に配置する場、磁化記録層の加工後の平坦化プロセスを厳密におこなわないと、段差によるＭＴＪの抵抗不良が生じてしまう課題があった。

したがって、本発明の目的は、垂直異方性を有する磁化記録層、磁化自由層を用いた磁気抵抗素子において、素子面積を大きくすることなく、高歩留りで高ＭＲ比を実現できる構成を提供することである。

本発明の磁気メモリ素子は、磁化記録層と、磁気読出し層とを具備する。磁化記録層は、垂直磁気異方性をもつ強磁性層であり、磁化方向として情報を記憶する。磁気読出し層は、面内磁気異方性をもつ強磁性層を含む磁気トンネル接合を有する。磁化記録層と磁気読出し層とはそれぞれ互いに平行でない平面に配置されている。

また、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、複数の磁気メモリ素子と制御回路とを具備する。複数の磁気メモリ素子は、行列上に配置され、上記されている。制御回路は、複数の磁気メモリ素子の書き込み動作及び読み出し動作を制御する。

本発明によれば、垂直異方性を有する磁化記録層、磁化自由層を用いた磁気抵抗素子において、素子面積を大きくすることなく、高歩留りで高ＭＲ比を実現できる構成を提供することができる。

図１は、特開２００５−１９１０３２号公報の磁化記録層の構造を示している。 図２は、ＷＯ２００９／００１７０６号公報に記載されたＭＲＡＭの構造を示している。 図３は、垂直磁気異方性材料を用いたスピン注入素子の一例を示す斜視図である。 図４は、ＷＯ２００９／０６０７４９号公報で開示された垂直磁気異方性を有する磁化記録層と面内異方性を有するＭＴＪを組み合わせた磁壁移動型ＭＲＡＭの構成を示している。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリ素子（磁気抵抗素子）の斜視図の一例を示している。 図６は、図５における磁化記録層からの漏洩磁束を模式的に示している。 図７は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリ素子第１の変形例を示している。 図８は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第２の変形例を示している。 図９は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリ素子に対するデータの書込み原理を示している。 図１０は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成を示す概念図である。 図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリ素子（磁気抵抗素子）の斜視図の一例を示している。 図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリ素子の変形例である。 図１３は、本発明に関連する参考技術を示している。

以下、本発明の磁気抵抗素子、磁壁ランダムアクセスメモリ、及び、その初期化方法の実施形態について添付図面を参照して説明する。本発明は、スピントルクによる磁壁移動を原理とした場合、スピン注入を原理とした場合のいずれにも適用可能であるが、以下、第１の実施の形態では、磁壁移動を原理とした場合について説明し、第２の実施の形態では、スピン注入を原理とした場合について説明する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリ素子１（磁気抵抗素子）について説明する。

１．磁気抵抗素子の構造
図５は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリ素子１（磁気抵抗素子）の斜視図の一例を示している。磁気メモリ素子１は、強磁性体層である磁化記録層１０と磁気読出し層５０から構成されている。磁化記録層１０と磁気読出し層５０との間には分離層４６が配置されている。磁化記録層１０には電流端子１４ａ、１４ｂが設けられている。磁気読出し層５０には電流引き出し用の電流端子１４ｃが接続されている。

磁化記録層１０は、基板面に垂直な方向の異方性（垂直磁気異方性）を持つ強磁性層である。磁化記録層１０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つ以上の材料を含む。さらに、磁化記録層１０が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、磁化記録層１０に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、磁化記録層１０の材料としては、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−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏなどが挙げられる。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つの材料を含む層が、異なる層と積層された積層体は、垂直方向の磁気異方性を発現する磁化記録層１０として使用することができる。具体的には、Ｃｏ膜とＰｄ膜の積層体、Ｃｏ膜とＰｔ膜の積層体、Ｃｏ膜とＮｉ膜の積層体、Ｆｅ膜とＡｕ膜の積層体などが、磁化記録層１０として使用可能である。

図５に示されるように、磁化記録層１０は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化反転領域１３を有している。本実施の形態において第１磁化固定領域１１ａ、及び、第２磁化固定領域の下部には磁化ハード層９ａ、９ｂが設けられている。これらの磁化ハード層９ａ、９ｂとの磁気的な結合により、第１、及び、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化は互いに反平行な方向に固定される。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の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。この反平行な磁化配置を実現するために、磁化ハード層９ａ、９ｂは異なる磁気特性を持つことが望ましい。

一方、磁化反転領域１３の磁化の向きは反転可能であり、＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向である。図５のように磁化反転領域１３の磁化の向きが＋Ｚ方向の場合、第１磁化固定領域１１ａが１つの磁区（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ）を形成し、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとが別の磁区を形成する。つまり、第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３の間に磁壁（ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ）１２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、第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３とが１つの磁区を形成し、第２磁化固定領域１１ｂが別の磁区を形成する。つまり、第１磁化固定領域１１ｂと磁化反転領域１３との間に磁壁が形成される。

なお、このように磁化固定領域と磁化反転領域との間に磁壁を配置する方法としては、他にくびれなどの平面形状を利用すること、意図的な段差をもうけることなどがあげられる。

図５に示されるように、磁気読出し層５０は磁気センス層４５、トンネルバリヤ層４２、ピン層４０から構成されている。これら磁気センス層４５、トンネルバリヤ層４２、ピン層４０は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成している。磁気センス層４５、及び、ピン層４０は共に面内に磁気異方性を持つ磁性膜であり、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。具体的にはＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、及び、これらの積層膜などがあげられる。

図５に示したように、ピン層４０としては第１強磁性層４４、非磁性層４１、第２強磁性層４３からなる積層フェリ構成を用いても良い。積層フェリ構成にすることの長所はピン層からの漏洩磁界の大きさを各層の磁気特性、膜厚により調整できることである。ピン層４０の磁化の向きは、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４０の磁気異方性は磁気センス層４５よりも大きいことが望ましい。これは、磁気センス層４５とピン層４０の材料、組成を変えることにより実現される。また、ピン層４０のトンネルバリヤ層４２とは反対側の面に、積層フェリ構成を用いた場合は第２強磁性層４３にＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎなどの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。トンネルバリヤ層４２としては、Ａｌ_２Ｏ_３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜を用いることができる。

磁気読出し層５０と磁化記録層１０とは相対的に平行ではない面に形成される。本実施の形態においては、磁化記録層１０の上に設けられた分離層４６をくさび状に形成し、その上に磁気読出し層５０を成膜することにより実現される。ただし、分離層４６がくさび状とは、分離層４６の基板に垂直な断面がくさび状ということである。この場合、Ｘ方向に沿って傾斜が形成されている。すなわち、第１磁化固定領域１１ａの側が低く、第２磁化固定領域１１ｂの側が高いような傾斜になっている。分離層４６をくさび状に加工することは、斜め入射のイオンミリング法、あるいは、ターゲットと基板位置を相対的にずらしながら分離層４６を成膜することによりおこなわれる。ただし、傾斜は逆向きでもよい。すなわち、第１磁化固定領域１１ａの側が高く、第２磁化固定領域１１ｂの側が低いような傾斜になっていてもよい。

上述のように、磁気読出し層５０すなわち磁気センス層４５と磁化記録層１０とを相対的に平行ではない面に配置することにより、磁気センス層４５と磁化記録層１０をＸ方向、又は、Ｙ方向にずらすことなく、効率よく磁化記録層１０からの漏洩磁束を磁気センス層４５に導くことができる。

図６は、図５における磁化記録層からの漏洩磁束を模式的に示したものである。磁化記録層１０からの漏洩磁束７１は磁気センス層４５において、磁化記録層１０に垂直である。この漏洩磁束７１は磁気センス層４５の面に垂直な成分７２と平行な成分７３にベクトル分解することができる。このうち、磁気センス層４５の面に垂直な成分７２は、磁気センス層４５の垂直方向の反磁界、すなわち、形状異方性のために、磁気センス層４５の磁化反転には寄与しない。従って、磁気センス層４５の面に平行な成分７３により、磁気センス層４５の磁化が変化する。磁気センス層４５と磁化記録層１０との間の相対的な傾斜角をθとすると、面内成分７３はｓｉｎθに比例する。例えば、３０度の傾斜の場合、ｓｉｎθ＝１／２より垂直漏洩磁束のうちの５０％が磁気センス層４５を反転するために有効な磁界として働く。垂直漏洩磁束は磁化記録層１０の飽和磁化、膜厚に依存するが、概ね１００Ｏｅ程度であるので、磁気センス層４５の保磁力を５０Ｏｅ以下に設定すれば、磁化記録層１０の磁化方向に対応した抵抗変化を読み出せることになる。

図７は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリ素子第１の変形例を示したものである。図７において磁気読出し層５０はＹ方向に沿って傾斜している。すなわち、磁化反転領域１３の図の手前側が低く、磁化反転領域１３の図の奥側が高いような傾斜になっている。ただし、傾斜は逆向きでもよい。すなわち、磁化反転領域１３の図の手前側が高く、磁化反転領域１３の図の奥側が低いような傾斜になっていてもよい。このように、傾斜の方向はＸ方向（図５、図６）やＹ方向（図７）であってよい。

更に、本の実施の形態において、傾斜の方向は、上記Ｘ方向やＹ方向だけでなく、他の任意の方向であってもよい。更に、磁気読出し層５０の形状は、図４〜図７のような矩形形状に限定されず、例えば楕円形状であっても良い。重要なのは、磁気センス層４５の磁化変化の方向がＭＴＪの抵抗変化として読み出せるように磁化固定層４０の磁化方向を定めておくことである。すなわち、磁化固定層４０の磁化方向は傾斜の方向に固定されていることが望ましい。

図８は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第２の変形例を示したものである。図８において、磁気メモリ素子１は、磁気読出し層５０が下に、磁化記録層１０が上に配置され、磁化記録層１０が基板面に対して傾斜している。本構成においても磁気センス層４５によって、磁化記録層１０の磁化方向を読み出すことが可能になる。

本実施の形態において、読出し電流は分離層４６を通過するので、分離層４６は金属である必要がある。ただし、読出し電流の経路に関しては、必ずしも磁化記録層１０に接続された端子を用いる必要はない。例えば、図５に示す第１の実施の形態において、分離層４６と磁化記録層１０との間に絶縁層を設け、分離層４６に別の端子を設けても良い。この場合、磁気読み出し層５０と磁化記録層１０とを電気的に完全に独立させ、読出しはこの分離層４６に設けられた端子と電流端子１４ｃの間でおこなわれることになる。電流パスを分けることは、読出し時に読み出し電流で誤書き込みが発生することを防ぐために重要である。

２．書き込み動作、及び、読み出し動作
次に、本発明の第１の実施の形態に係る気メモリセル１（磁気抵抗素子）に対するデータの書き込み動作について説明する。まず、磁気メモリ素子１に対するデータの書き込み原理を説明する。図９は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリ素子１に対するデータの書込み原理を示している。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内を平面的に流れる。その書き込み電流は、上記電流供給端子１４ａ、１４ｂから磁化記録層１０に供給される。データ“０”状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは−Ｚ方向であり、磁壁ＤＷ１２は磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとの境界に存在する。一方、データ“１”状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｚ方向であり、磁壁ＤＷ１２は磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１ａとの境界に存在する。

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１１ａから磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１１ｂ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１１ｂ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、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの境界にある磁壁ＤＷ１２を第１磁化固定領域１１ａの方向に駆動する。その結果、磁化反転領域１３の磁化の向きは、＋Ｚ方向へスイッチする。つまり、スピントランスファー効果により、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが＋Ｚ方向に変わる。その結果、データ“１”が書込まれる。

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１１ｂから磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１ａ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１１ａ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、磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１ａの境界にある磁壁ＤＷ１２を第２磁化固定領域１１ｂの方向に駆動する。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが−Ｚ方向に変わる。その結果、データ“０”が書込まれる。

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、磁化反転領域１３の磁化の方向がスイッチする。第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂは、異なるスピンを有する電子の供給源の役割を果たしている。

次に、本発明の第１の実施の形態に係る気メモリセル１（磁気抵抗素子）に対するデータの読み出し動作について図９の場合を例に説明する。読み出し電流は、磁気読出し層５０に供給される。すなわち、読出し電流は、電流端子１４ｃからピン層４０、バリア層４２、磁気センス層４５、分離層４６、磁化反転領域１３、及び第１固定領域１１ａを経由して、電流供給用端子１４ａに流れる。ピン層４０の磁化は斜面に沿った方向（−ＸＺ方向（−Ｘ方向と−Ｚ方向とを合成した方向、以下同じ））に固定されている。ただし、ピン層４０で読み出し時にＭＴＪとして寄与するのは第１強磁性層４４である。磁気センス層４５の磁気異方性も同様に斜面に沿った方向である。

データ“０”状態において、磁気センス層４５付近の磁化記録層１０（磁化反転領域１３）の磁化は−Ｚ方向を向いている。このとき、磁気センス層４５にかかる磁界も−Ｚ方向である。磁気センス層４５は斜面に垂直な方向には反磁界のため向きにくいので、磁化記録層１０からの磁界のうち、磁気センス層４５の磁化方向の変化に寄与するのは、図６に示したような斜面に平行な成分のみとなる。データ”０”の場合、この成分は−ＸＺ方向を向いているので、磁気センス層４５の磁化も−ＸＺ方向を向く。このとき、磁気センス層４５とピン層４０の磁化の相対角は平行となり、磁気読出し層５０のトンネル抵抗は低抵抗状態になる。

データ“１”状態において、磁気センス層４５付近の磁化記録層１０（磁化反転領域１３）の磁化は＋Ｚ方向を向いている。このとき、磁気センス層４５にかかる磁界も＋Ｚ方向である。従って、磁化記録層１０からの磁界のうち、磁気センス層４５の位置の磁化方向の変化に寄与するのは斜面に平行な＋ＸＺ（＋Ｘ方向と＋Ｚ方向とを合成した方向、以下同じ）方向の成分である。そのため、磁気センス層４５の磁化も＋ＸＺ方向を向く。このとき、磁気センス層４５とピン層４０の磁化の相対角は反平行となり、磁気読出し層５０のトンネル抵抗は高抵抗状態になる。

磁気センス層４５、及び、ピン層４０の磁気異方性の方向は図９に示した方向以外であっても良い。例えば、磁気センス層４５の磁気異方性をＹ方向にした場合、磁化記録層１０からの磁界の大きさによっては、磁気センス層４５の磁化方向が完全には±ＸＺ方向に向かないことになるが、磁化記録層１０の磁化方向の変化に対応した抵抗変化を得ることができる。

３．ＭＲＡＭへの集積化
上記の磁気メモリ素子１（磁気抵抗素子）は、ＭＲＡＭに集積化されて使用され得る。図１０は、本発明の第１の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成を示す概念図である。当該ＭＲＡＭは、複数のメモリセル６１がマトリックス状に配置されたメモリセルアレイ６０を有している。各メモリセル６１には、磁気メモリ素子１（磁気抵抗素子）と、２つの選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２とが集積化されている。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１１ａ（又はハード層９ａ）に接続された電流供給端子１４ａ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１１ｂ（又はハード層９ｂ）の電流供給端子１４ｂ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。磁気メモリ素子１（磁気抵抗素子）の磁気読出し層５０は、電流端子１４ｃ及び配線を介して接地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、対象のメモリセル６１（以下、「選択メモリセル」という）に対応するワード線ＷＬを選択ワード線ＷＬ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、選択メモリセル６１につながる第２ビット線ＢＬ２を選択第２ビット線ＢＬ２として選択する。Ｙ側電流終端回路６４は、選択メモリセルにつながる第１ビット線ＢＬ１を選択第１ビット線ＢＬ１として選択する。

メモリセルアレイ６０は、データの記録に用いられるメモリセル６１に加え、データ読み出しの際に参照されるリファレンスセル６１ｒを含んでいる。リファレンスセル６１ｒの構造は、メモリセル６１と同じである。リファレンスセル６１ｒの列に沿って、第１リファレンスビット線ＢＬ１ｒ及び第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒが設けられている。

データ書き込み時のＭＲＡＭの動作は、下記の通りである：Ｙ側電流源回路６５は、選択第２ビット線に対して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、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、磁気抵抗素子に書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２を供給しデータを書き込むため書き込み制御回路を構成している。

一方、データ読み出し時のＭＲＡＭの動作は下記の通りである：第１ビット線ＢＬ１は“Ｏｐｅｎ”に設定される。読み出し電流付加回路６７は、選択第２ビット線に所定の読み出し電流を流す。また、読み出し電流付加回路６７は、選択ワード線ＷＬに対応するリファレンスセル６１ｒにつながる第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒに所定の電流を流す。センスアンプ６８は、第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒの電位と選択第２ビット線ＢＬ２の電位との差から選択メモリセル６１に記憶されているデータを判別し、そのデータを出力する。これらＸセレクタ６２、Ｙセレクタ６３、Ｙ側電流終端回路６４、読み出し電流付加回路６７、及びセンスアンプ６８は、磁気抵抗素子に読み出し電流を供給し、データを読み出すための読み出し制御回路を構成している。

上記の書き込み動作を制御する書き込み制御回路及び読み出し動作を制御する読み出し制御回路は、併せてデータ制御回路と見ることができる。なお、データ制御回路の構成は、この例に限定されるものではなく、上記メモリセル６１に対する書き込み及び読み出しが可能であれば他の構成を用いることも可能である。

以上に説明されたように、本実施の形態では、垂直異方性を有する磁化記録層、磁化自由層を用いた磁気抵抗素子において、素子面積を大きくすることなく、高歩留りで高ＭＲ比を実現できる構成を提供することが可能となる。

（第２の実施の形態）
まず、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリ素子１ａ（磁気抵抗素子）について説明する。

１．磁気抵抗素子の構造
図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリ素子１ａ（磁気抵抗素子）の斜視図の一例を示している。磁気メモリ素子１ａは、スピン注入素子層８０と磁気読出し層５０から構成されている。スピン注入素子層８０と磁気読出し層５０との間には分離層４６が配置されている。スピン注入素子層８０には電流端子８４ａが設けられている。磁気読出し層５０には電流端子８４ｂが接続されている。第１の実施の形態もそうであるが、読出し電流は分離層４６を通過するので、分離層４６は金属である。

スピン注入素子層８０は、磁化固定層８１、中間層５２、磁化自由層５５から構成されている。磁化固定層８１、磁化自由層５５はいずれも垂直磁気異方性を有している。用いられる材料は図５で示した磁化記録層１０のものと同様である。ここで、磁化自由層５５は、磁化方向として情報を記録することから、磁化記録層とも見ることができる。なお、中間層５２はトンネル絶縁膜であっても、Ｃｕなどの非磁性金属であってもよい。また、磁化固定層８１は磁性層５３、非磁性層５１、磁性層５４からなる積層磁性層としてもよい。磁化固定層８１の磁化方向は動作中不変である。一方、磁化自由層５５の磁化方向は積層方向に電流を印加することにより、スピントルク効果に基づき、制御することができる。すなわち、図１１に示される方向に磁化固定層８１の磁化が固定されている場合、＋Ｚ方向に電流を印加することにより（電子は逆方向に流れる）、磁化自由層５５の磁化を反転させる（−Ｚ方向にする）ことができる。

磁気読出し層５０は、図５に示した第１の実施の形態と同様に、面内磁気異方性を有し、傾斜した分離層４６の上に配置される。従って、第１の実施の形態で説明されたように、磁化自由層５５から漏洩磁束を磁気読出し層５０の抵抗変化として読み出すことができる。傾斜の方向が上記Ｘ方向だけでなくＹ方向や他の任意の方向であってもよいことや、磁化固定層４０の磁化方向が傾斜の方向に固定されていれば任意の形状としてよいことは、第１の実施の形態で説明されたとおりである。

図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリ素子の変形例である。本変形例では第３の電流端子８４ｃが分離層４６に接続されている。本構成においては書込み電流パスを８４ａ、８４ｃ間、読出し電流パスを８４ｂ、８４ｃ間と分けることができる。電流パスを分けることは、読出し時に読み出し電流で誤書き込みが発生することを防ぐために重要である。

２．書き込み動作、及び、読み出し動作
次に、本発明の第２の実施の形態に係る気メモリセル１ａ（磁気抵抗素子）に対するデータの書き込み動作及び読み出し動作について説明する。ここでは、図１２の磁気メモリセル１ａについて説明する。

まず、データの書き込み動作について説明する。
データ“０”の書き込み時、書き込み電流が、電流端子８４ｃから分離層４６、磁化自由層５５、中間層５２、磁化固定層８１を通り電流端子８４ａに流れる（電子は逆向きに流れる）。この場合、磁化自由層５５はスピントランスファー効果により＋Ｚ方向に磁化する。その結果、データ“０”が書込まれる（図１２の状態）。一方、データ“１”の書き込み時、書き込み電流が、電流端子８４ａから磁化固定層８１、中間層５２、磁化自由層５５、分離層４６を通り電流端子８４ｃに流れる。この場合、磁化自由層５５はスピントランスファー効果により−Ｚ方向に磁化する。その結果、データ“１”が書込まれる。

次に、データの読み出し動作について説明する。
読み出し電流は、磁気読出し層５０に供給される。すなわち、読出し電流は、電流端子８４ｂからピン層４０、バリア層４２、磁気センス層４５、分離層４６を経由して、電流端子８４ｃに流れる。ピン層４０の磁化は斜面に沿った方向（＋ＸＺ方向）に固定されている。ただし、ピン層４０で読み出し時にＭＴＪとして寄与するのは第１強磁性層４４である。磁気センス層４５の磁気異方性も同様に斜面に沿った方向である。

データ“０”状態において、磁気センス層４５の下方の磁化自由層５５の磁化は＋Ｚ方向を向いている。このとき、磁気センス層４５にかかる磁界も＋Ｚ方向である。磁気センス層４５は斜面に垂直な方向には反磁界のため向きにくいので、磁化自由層５５からの磁界のうち、磁気センス層４５の磁化方向の変化に寄与するのは、図６に示したような斜面に平行な成分のみとなる。データ”０”の場合、この成分は＋ＸＺ方向を向いているので、磁気センス層４５の磁化も＋ＸＺ方向を向く。このとき、磁気センス層４５とピン層４０の磁化の相対角は平行となり、磁気読出し層５０のトンネル抵抗は低抵抗状態になる。

データ“１”状態において、磁気センス層４５の下方の磁化自由層５５の磁化は−Ｚ方向を向いている。このとき、磁気センス層４５にかかる磁界も−Ｚ方向である。従って、磁化自由層５５からの磁界のうち、磁気センス層４５の磁化方向の変化に寄与するのは斜面に平行な−ＸＺ方向の成分である。そのため、磁気センス層４５の磁化も−ＸＺ方向を向く。このとき、磁気センス層４５とピン層４０の磁化の相対角は反平行となり、磁気読出し層５０のトンネル抵抗は高抵抗状態になる。

３．ＭＲＡＭへの集積化
上記の磁気メモリ素子１ａ（磁気抵抗素子）も、第１の実施の形態と同様にＭＲＡＭに集積化されて使用され得る。第１の実施の形態と同様に、図１０のＭＲＡＭの構成を示用いることができる。この場合、例えば、各メモリセル６１に、図１２の磁気メモリセル１ａ（磁気抵抗素子）と、２つの選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２とが集積化されている。選択トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方は、磁化固定層８１の電流端子８４ａ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、分離層４６の電流端子８４ｃ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。磁気メモリ素子１（磁気抵抗素子）の磁気読出し層５０は、電流端子８４ｂ及び配線を介して接地線に接続されている。なお、読み出し動作及び書き込み動作については、第一の実施の形態と同様であるのでその説明を省略する。

以上に説明されたように、本実施の形態では、垂直異方性を有する磁化記録層、磁化自由層を用いた磁気抵抗素子において、素子面積を大きくすることなく、高歩留りで高ＭＲ比を実現できる構成を提供することが可能となる。

図１３は、発明者が考えた本発明に関連する参考技術を示したものである。図１３においては、磁化記録層１０と磁気読出し層５０との相対角を変える（例示：図５の例）代わりに、磁化記録層１０の磁気異方性の方向を垂直方向から傾けている（例えば、＋Ｚ方向から少し＋Ｘ方向に傾いている）。これにより、磁化記録層１０からの漏洩磁界には面内成分が生じるため、磁気読出し層５０で磁化記録層１０の磁化反転を読み出すことが可能になる。

本発明の活用例として、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。

以上には本発明の実施形態が様々に記載されているが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、各実施の形態における技術は、矛盾の発生しない限り他の実施の形態に適用可能である。

１、１ａ 磁気メモリ素子
９ａ、９ｂ 磁化ハード層
１０ 磁化記録層
１１ａ 第１磁化固定領域
１１ｂ 第２磁化固定領域
１２ 磁壁
１３ 磁化反転領域
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 電流端
４０ ピン層
４１ 非磁性層
４２ トンネルバリヤ層
４３ 第２強磁性層
４４ 第１強磁性層
４５ 磁気センス層
４６ 分離層
５０ 磁気読出し層
５１ 非磁性層
５２ 中間層
５３ 磁性層
５４ 磁性層
５５ 磁化自由層
６０ メモリセルアレイ
６１ メモリセル
６１ｒ リファレンスセル
６２ Ｘセレクタ
６３ Ｙセレクタ
６４ Ｙ側電流終端回路
６５ Ｙ側電流源回路
６６ Ｙ側電源回路
６７ 読み出し電流付加回路
６８ センスアンプ
７１ 漏洩磁束
７２、７３ 成分
８０ スピン注入素子層
８１ 磁化固定層
８４ａ、８４ｂ、８４ｃ 電流端子
ＴＲ１、ＴＲ２ トランジスタ
ＢＬ１ 第１ビット線
ＢＬ２ 第２ビット線
ＷＬ ワード線

Claims (11)

1. 垂直磁気異方性をもつ強磁性層であり、磁化方向として情報を記憶する磁化記録層と、
   面内磁気異方性をもつ強磁性層を含む磁気トンネル接合を有する磁気読出し層と
   を具備し、
   前記磁化記録層と前記磁気読出し層とはそれぞれ互いに平行でない平面に配置されている
   磁気メモリ素子。
2. 前記磁気読出し層が基板に対して傾斜して形成されている
   請求項１の磁気メモリ素子。
3. 前記磁化記録層が基板に対して傾斜して形成されている
   請求項１の磁気メモリ素子。
4. 前記磁化記録層と前記磁気読出し層の間にくさび状の非磁性層が配置されている
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子。
5. 前記磁化記録層に接続された２つ以上の電流印加用端子を更に具備し、
   前記磁化記録層が一つ以上の磁壁を有し、
   書き込み動作は、前記電流印加用端子間に電流を印加することにより前記磁壁を駆動し、前記磁化記録層の磁化を反転することで行う
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子。
6. 前記磁化記録層は、
   第１方向に磁化が固定された第１磁化固定領域と、
   前記第１方向とは逆の第２方向に磁化が固定された第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た磁化反転領域と
   を備え、
   前記第１磁化固定領域は一つの前記電流印加用端子を有し
   前記第２磁化固定領域は他の一つの前記電流印加用端子を有する
   請求項５に記載の磁気メモリ素子。
7. 前記磁気読出し層に接続された読出し端子を更に具備し、
   読み出し動作が、前記電流印加用端子のいずれかと前記読出し端子の間の電気抵抗に基づいて行われる
   請求項５又は６に記載の磁気メモリ素子。
8. 前記磁化記録層に隣接する非磁性層と、
   前記非磁性層に隣接する磁化固定層と
   を更に具備し、
   前記磁化記録層の磁化方向が、前記磁化記録層と前記磁化固定層との間に電流を印加することにより制御される
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子。
9. 前記磁化記録層に接続された第１の端子と、
   前記磁化固定層に接続された第２の端子と
   を更に具備し
   書込み動作が前記第１の端子と前記第２の端子の間に電流を印加することにより行われる
   請求項８に記載の磁気メモリ素子。
10. 前記磁気読出し層に接続された第３の端子を更に具備し、
    読出し動作が前記第２の端子と前記第３の端子の間の電気抵抗に基づいて行われる
    請求項８に記載の磁気メモリ素子。
11. 行列上に配置された請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の複数の磁気メモリ素子と、
    前記複数の磁気メモリ素子の書き込み動作及び読み出し動作を制御する制御回路と
    を具備する
    磁気ランダムアクセスメモリ。

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