JP5505312B2 - 磁気メモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

磁気メモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリ Download PDF

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Description

本発明は、磁気メモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリに関し、特に磁壁移動型の磁気メモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。
磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）は高速動作、及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、開発が盛んに行われている。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の向きをスイッチング（反転）させる方法に対応していくつかの種類のＭＲＡＭが提案されている。
最も一般的なＭＲＡＭとしては、電流誘起磁界書込み型のＭＲＡＭがある。このＭＲＡＭでは、磁気抵抗素子の周辺に書込み電流を流すための配線を配置し、書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。このＭＲＡＭでは、原理的には１ナノ秒以下での書込みが可能であり、高速ＭＲＡＭとして好適である。例えば、２５０ＭＨｚでの動作実証に成功した報告がある（“Ａ ２５０−ＭＨｚ １−Ｍｂｉｔ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＭＲＡＭ Ｍａｃｒｏ Ｕｓｉｎｇ ２Ｔ１ＭＴＪ Ｃｅｌｌ ｗｉｔｈ Ｂｉｔｌｉｎｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｈａｌｆ−Ｐｉｔｃｈ Ｓｈｉｆｔ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ”，Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００７．ＡＳＳＣＣ’０７．ＩＥＥＥ Ａｓｉａｎ．ｐ．２１６．）。更に、５００ＭＨｚでの動作に適した回路構成も提案されている（“ＭＲＡＭ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｏｖｅｒ ５００−ＭＨｚ ＳｏＣ”，Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩＴＳ，Ｖｏｌ．４２，２００７，ｐ．８３０．）。
しかし、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］程度となる。このような磁界を発生させるためには１ｍＡ〜数ｍＡ程度の大きな書込み電流が必要となる。書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、また書込みに要する消費電力も増大する。これに加えて、メモリセルが微細化されると、書込み電流はさらに増大し、スケーリングしない。メモリセルの微細化に対応して、書込み電流を低減することが可能な技術が望まれている。
微細化に伴う書込み電流の増加を抑制することができる書込み方式として、「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、“Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”，Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ＆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１５９，Ｌ１−Ｌ７（１９９６）、を参照）。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）。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。したがって、スピン注入磁化反転をデータ書込みに利用する場合、メモリセルのサイズが小さくなれば、書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。書込み電流が小さいと、チップ面積が小さくなり、高集積化や大規模化が可能となる。ただし、電流誘起磁界書込み型のＭＲＡＭに比較して、書込み時間が長い傾向（例示：１ｎｓｅｃ．以上）にある。
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）を利用してデータを記憶する。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、“Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗｉｒｅｓ”，Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９２，ｐｐ．０７７２０５−１−４（２００４）にも報告されている。
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、特開２００５−１９１０３２号公報、及びＷＯ２００７／０２０８２３号公報に記載されている。
特開２００５−１９１０３２号公報に記載された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、特開２００５−１９１０３２号公報の磁化記録層の構造を示す概略平面図である。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領域１０１、１０２を有する。一対の磁化固定領域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、一対の磁化固定領域１０１、１０２に電気的に接続された一対の書込み用端子１０５、１０６を備える。この書込み用端子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領域１０１、１０２を貫通する電流が流れる。
図２は、ＷＯ２００７／０２０８２３号公報の磁化記録層１２０の構造を示す概略平面図である。図２において、磁化記録層１２０は、Ｕ字型の形状を有している。具体的には、磁化記録層１２０は、第１磁化固定領域１２１、第２磁化固定領域１２２、及び磁化反転領域１２３を有している。磁化反転領域１２３は、ピン層１３０とオーバーラップしている。第１、第２磁化固定領域１２１、１２２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１２３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１２１と磁化反転領域１２３との境界Ｂ１、あるいは、第２磁化固定領域１２２と磁化反転領域１２３との境界Ｂ２に形成される。第１、第２磁化固定領域１２１、１２２は、電流供給端子１２５、１２６のそれぞれに接続されている。これら電流供給端子１２５、１２６を用いることにより、磁化記録層１２０に書込み電流を流すことが可能である。その書込み電流の方向に応じて、磁壁は磁化反転領域１２３中を移動する。この磁壁移動により、磁化反転領域１２３の磁化方向を制御することができる。
しかし、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書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。前掲のＰｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，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。しかし、磁壁移動には概ね１×１０８Ａ／ｃｍ２程度の閾値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層の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合でも書込み電流は１ｍＡとなる。これ以下に書込み電流を低減するためには膜厚を薄くすればよいが、この場合には書込みに要する電流密度は更に上昇してしまうことが知られている（例えば、“Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｏｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｓｈａｐｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ”，Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．５Ａ，ｐｐ．３８５０−３８５３（２００６）参照）。
一方、磁化記録層の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について、面内磁気異方性材料に比べて電流誘起磁壁移動の閾値電流密度が小さくなることが実験的に示されている。例えば、“Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｔｏ ｍｏｖｅ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌｓ ｉｎ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，Ｄ．Ｒａｖｅｌｏｓｏｎａ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９０，０７２５０８（２００７）に、１０６Ａ／ｃｍ２台の閾値電流密度が観測されている。また、“Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅｎ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ｎａｎｏｓｔｒｉｐｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０３，０７Ｅ７１８（２００８）には、面内磁気異方性材料に比べて電流誘起磁壁移動の閾値電流密度が小さくなることが理論的に示されている。従って、電流駆動磁壁移動を利用した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、書込み電流を低減できることが期待される。
関連する技術として、特開２００６−７３９３０号公報に磁壁移動を利用した磁気抵抗素子の磁化状態の変化方法及び該方法を用いた磁気メモリ素子、固体磁気メモリが開示されている。この磁気メモリ素子は、第一の磁性層と中間層と第二の磁性層とを有し、情報を第一の磁性層と、第二の磁性層との磁化の方向で記録する。この磁気メモリ素子は、少なくとも一方の磁性層内に互いに反平行磁化となる磁区とそれらの磁区を隔てる磁壁を定常的に形成し、前記磁壁を磁性層内で移動させることで、隣り合う磁区の位置を制御して情報記録を行うことを特徴とする。前記第二の磁性層は膜面垂直方向に磁気異方性を有していても良い。
上述したように、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書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。従って、発明者は、以下に示すように、電流駆動磁壁移動を利用した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、書込み電流を低減することを検討した。
図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ想定し得る垂直磁気異方性材料を用いた磁気抵抗素子の平面図及び断面図である。磁化記録層２１０は、磁化反転領域２１３と、一対の磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂとを備える。ただし、図３Ａ及び図３Ｂにおいて、白丸と点の記号、白丸とバツの記号、及び白矢印は、それらが記載された領域（図３Ａや図３Ｂの場合、磁化反転領域２１３や磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂ）の磁化の向きを示している。
磁化反転領域２１３は、トンネル絶縁層２３２及びピン層２３０と重なり、フリー層としての機能を有する。すなわち、磁化反転領域２１３とトンネル絶縁層２３２とピン層２３０とは、磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）を構成している。磁化固定領域２１１ａは磁化反転領域２１３の一端に、磁化固定領域２１１ｂは磁化反転領域２１３の他端にそれぞれ隣接されている。磁化反転領域２１３と磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂとの接合部には、特開２００５−１９１０３２号公報で開示されたピンポテンシャルの形成方法を適用したくびれ部２１５が設けられている。一対の磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂには、互いに反対向きの固定磁化が付与されなければならない。また、くびれ部２１５は磁壁に対するピンポテンシャルとして機能し、磁壁はくびれ部付近の領域に磁壁２１２ａ、又は、磁壁２１２ｂとなるように初期化されなければならない。
ここで、図２に示すように磁化記録層の磁気異方性が面内であり、磁化が面内方向に向いている場合、磁化記録層の形状をＵ字型にすることにより、磁化固定領域の磁化方向と磁壁位置を所望の状態に初期化することが容易にできる。しかし、図３Ａ及び図３Ｂに示すように磁化記録層の磁気異方性が垂直であり、磁化が面内方向に対して垂直である場合、磁化記録層の形状をＵ字形状にしても、外部磁界により初期化をおこなうことは困難である。
更に、磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、特開２００５−１９１０３２号公報で開示されたピンポテンシャルの形成方法を用いた場合、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、磁化記録層２１０に比較して、くびれ部２１５のサイズが小さいため、製造ばらつきによりその形状が乱れる可能性が考えられる。その場合、くびれ部２１５が所望の形状を有さなくなるので、磁壁２１２をピン止めできず、磁気メモリとして機能しなくなってしまう。更に、素子の微細化が進み磁化記録層の幅が狭くなると、くびれを形成することは非常に困難であり、半導体プロセスのリソグラフィ限界以上の加工が要求される可能性がある。
特開２００５−９３４８８号公報 米国特許第６８３４００５号公報 特開２００５−１９１０３２号公報 ＷＯ２００７／０２０８２３号公報 特開２００６−７３９３０号公報
Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００７．ＡＳＳＣＣ’０７．ＩＥＥＥ Ａｓｉａｎ．ｐ．２１６． Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩＴＳ，Ｖｏｌ．４２，２００７，ｐ．８３０． Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ＆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１５９，Ｌ１−Ｌ７（１９９６）． Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９２，ｐｐ．０７７２０５−１−４（２００４）． Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．５Ａ，ｐｐ．３８５０−３８５３（２００６）． Ｄ．Ｒａｖｅｌｏｓｏｎａ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９０，０７２５０８（２００７）． Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０３，０７Ｅ７１８（２００８）．
本発明の目的は、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である電流駆動磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、磁化固定領域を容易に形成でき、磁壁のピンニングサイトを容易に形成することが可能な構造を有する磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリを提供することである。
この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。
本発明の磁気メモリセルは、磁化記録層と、磁気トンネル接合部とを具備する。磁化記録層は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。磁気トンネル接合部は、磁化記録層の情報を読み出すためのものである。そして、磁化記録層は、複数の磁壁移動領域を備える。
また、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、行列状に配置され、上記段落に記載の複数の磁気メモリセルを具備する。前記複数のリファレンスセルの前記磁気メモリの各々は、前記センサ層が、前記第１磁壁移動領域と前記第２磁壁移動領域とを結ぶ方向に対して垂直な方向に磁気異方性を有する。
本発明によれば、磁化固定領域を容易に形成でき、磁壁のピンニングサイトを容易に形成することが可能となる。
図１は、特開２００５−１９１０３２号公報の磁化記録層の構造を示す平面図である。 図２は、ＷＯ２００７／０２０８２３号公報の磁化記録層の構造を示す平面図である。 図３Ａは、想定し得る垂直磁気異方性材料を用いた磁気抵抗素子の平面図である。 図３Ｂは、想定し得る垂直磁気異方性材料を用いた磁気抵抗素子の断面図である。 図４Ａは、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の磁化記録層の構成を示す平面図である。 図４Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す断面図である。 図５Ａは、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す断面図である。 図５Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す断面図である。 図６Ａは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法を示す断面図である。 図６Ｂは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法を示す断面図である。 図６Ｃは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法を示す断面図である。 図７は、本発明の第１の実施形態に係るデータ書込み原理を示す断面図である。 図８Ａは、本発明の実施形態に係るデータ読出し原理を示す断面図である。 図８Ｂは、本発明の実施形態に係るデータ読出し原理を示す断面図である。 図９は、本発明の第１の実施形態に係るメモリセルの構成を示す回路図である。 図１０は、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示すブロック図である。 図１１は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子のセンサ層とハード層の位置関係に関するバリエーションを示す構成図である。 図１２は、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法を示す構成図である。 図１３Ａは、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法を示す構成図である。 図１３Ｂは、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法を示す構成図である。 図１３Ｃは、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法を示す構成図である。 図１４は、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法を示す構成図である。 図１５は、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法を示す構成図である。 図１６は、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法を示す構成図である。 図１７は、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法を示す構成図である。 図１８は、本発明の実施形態に係る磁化の固定方法を示す構成図である。 図１９は、本発明の実施形態に係る磁化の固定方法を示す構成図である。 図２０は、本発明の実施形態に係る磁化の固定方法を示す構成図である。 図２１Ａは、本発明の実施形態に係る磁化の固定方法を示す構成図である。 図２１Ｂは、本発明の実施形態に係る磁化の固定方法を示す構成図である。 図２２は、本発明の実施形態に係る磁化の固定方法を示す構成図である。 図２３は、本発明の第１の実施形態に係る磁化記録層の構成の変形例を示す平面図である。 図２４は、本発明の第２の実施形態に係る磁化記録層の構成を示す平面図である。 図２５Ａは、本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図２５Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図２５Ｃは、本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図２６は、センサ層の磁化とリファレンス層の磁化との間の相対角度と磁気トンネル接合部の抵抗値との関係を示すグラフである。 図２７Ａは、本発明の第２の実施形態に係るデータの書込み原理を示す平面図である。 図２７Ｂは、本発明の第２の実施形態に係るデータの書込み原理を示す平面図である。 図２７Ｃは、本発明の第２の実施形態に係るデータの書込み原理を示す平面図である。 図２８は、本発明の第２〜４の実施形態に係るメモリセルの構成を示す回路図である。 図２９は、本発明の第２〜４の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示すブロック図である。 図３０は、本発明の第２の実施形態に係る磁化記録層の構成の変形例を示す平面図である。 図３１Ａは、本発明の第３の実施形態に係る磁化記録層の構成を示す平面図である。 図３１Ｂは、本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す断面図である。 図３２Ａは、本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図３２Ｂは、本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図３２Ｃは、本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図３３Ａは、本発明の第３の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図３３Ｂは、本発明の第３の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図３３Ｃは、本発明の第３の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図３４Ａは、本発明の第４の実施形態に係る磁化記録層の構成を示す平面図である。 図３４Ｂは、本発明の第４の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す断面図である。 図３５は、本発明の第４の実施形態に係るリファレンス層の磁化の向きと磁壁移動領域による合成磁界の向きとの関係を示す概念図である。 図３６Ａは、本発明の第４の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図３６Ｂは、本発明の第４の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図３６Ｃは、本発明の第４の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図３６Ｄは、本発明の第４の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図３６Ｅは、本発明の第４の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図３６Ｆは、本発明の第４の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図３７Ａは、本発明の第４の実施形態に係るデータの書込み原理を示す平面図である。 図３７Ｂは、本発明の第４の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図３７Ｃは、本発明の第４の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図３７Ｄは、本発明の第４の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図３７Ｅは、本発明の第４の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図３７Ｆは、本発明の第４の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図３８Ａは、本発明の第５、６の実施形態に係る磁化記録層の構成を示す平面図である。 図３８Ｂは、本発明の第５、６の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す断面図である。 図３９は、本発明の第５の実施形態に係るリファレンス層の磁化の向きと磁壁移動領域による合成磁界の向きとの関係を示す概念図である。 図４０Ａは、本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図４０Ｂは、本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図４０Ｃは、本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図４０Ｄは、本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図４０Ｅは、本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図４０Ｆは、本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図４０Ｇは、本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図４０Ｈは、本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図４１Ａは、本発明の第５の実施形態に係るデータの書込み原理を示す平面図である。 図４１Ｂは、本発明の第５の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図４１Ｃは、本発明の第５の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図４１Ｄは、本発明の第５の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図４１Ｅは、本発明の第５の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図４１Ｆは、本発明の第５の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図４１Ｇは、本発明の第５の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図４１Ｈは、本発明の第５の実施形態に係るデータ書込み原理を示す平面図である。 図４２は、本発明の第５、６の実施形態に係るメモリセルの構成を示す回路図である。 図４３は、本発明の第５、６の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示すブロック図である。 図４４は、本発明の第６の実施形態に係るリファレンス層の磁化の向きと磁壁移動領域による合成磁界の向きとの関係を示す概念図である。 図４５Ａは、本発明の第６の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図４５Ｂは、本発明の第６の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図４５Ｃは、本発明の第６の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図４５Ｄは、本発明の第６の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図４５Ｅは、本発明の第６の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す平面図である。 図４６Ａは、本発明の第６の実施形態に係るデータの書込み原理を示す平面図である。 図４６Ｂは、本発明の第６の実施形態に係るデータの書込み原理を示す平面図である。 図４６Ｃは、本発明の第６の実施形態に係るデータの書込み原理を示す平面図である。 図４６Ｄは、本発明の第６の実施形態に係るデータの書込み原理を示す平面図である。 図４６Ｅは、本発明の第６の実施形態に係るデータの書込み原理を示す平面図である。 図４７Ａは、本発明の第７の実施形態に係る磁化記録層の構成を示す平面図である。 図４７Ｂは、本発明の第７の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す斜視図である。 図４７Ｃは、本発明の第７の実施形態に係るＭＲＡＭのレイアウトを示す平面図である。
以下、本発明の磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の実施形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本発明の磁気メモリセルは、垂直磁気異方性を有する強磁性層である磁化記録層と、磁化記録層の情報を読み出すための磁気トンネル接合部とを具備している。磁化記録層は、複数の磁壁移動領域を備えている。そして、この複数の磁壁移動領域において移動した複数の磁壁に対応させて情報を記憶することが可能である。また、磁気トンネル接合部は、反転可能な磁化を有し、面内磁気異方性を有する強磁性層であるセンサ層を備えていることが好ましい。更に、磁化記録層は、磁化の向きが固定された、第０磁化固定領域から第Ｎ磁化固定領域（Ｎは２以上の自然数）までのＮ＋１個の磁化固定領域と、反転可能な磁化を有し、磁壁が移動可能である、第１磁壁移動領域から第Ｎ磁壁移動領域までのＮ個の磁壁移動領域とを備えていることが好ましい。そして、第０磁化固定領域と第Ｎ磁化固定領域との間にそれぞれ、第Ｎ磁壁移動領域が接続されていることが好ましい。このとき、磁化記録層は、Ｎ個の磁壁移動領域の磁化の向きの相互関係により情報を記録する。Ｎ＋１個の磁化固定領域のうちの第０磁化固定領域を除くＮ個の磁化固定領域の磁化の向きは、実質的に同一であり、第０磁化固定領域の磁化の向きは、Ｎ個の磁化固定領域の磁化の向きと反対である。センサ層の磁化記録層への射影は、Ｎ個の磁壁移動領域の間の磁化記録層内の領域の少なくとも一部に重なる。そして、本発明のＭＲＡＭは、行列状に配置された複数の上記磁気メモリを具備している。以下、本発明の磁気メモリセル及びＭＲＡＭについて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態では、上記Ｎ＝２の場合の磁気メモリセル及びＭＲＡＭについて説明する。
１．磁気メモリ素子の基本構成
図４Ａは、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子のうち磁化記録層の構成の一例を示す平面図である。図４Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成の一例を示す断面図である。ただし、図４Ａ及び図４Ｂにおいて、白丸と点の記号、白丸とバツの記号、及び白矢印は、一般的に用いられているように、それらが記載された領域の磁化の向きを示している。以下、本明細書及び各図面において同じとする。
磁気メモリ素子１は、磁化記録層１０と、磁気トンネル接合部２０とを具備する。磁化記録層１０は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。磁化記録層１０は、複数の磁壁移動領域を備え、第１の実施形態では２つの磁壁移動領域を備える。磁気トンネル接合部２０は、磁化記録層１０の中央近傍に設けられ、磁化記録層１０に記憶されたデータ（情報）を読み出すための構成である。磁化記録層１０及び磁気トンネル接合部２０の詳細は後述される。なお、磁気メモリ素子１は、磁化記録層１０と磁気トンネル接合部２０とを電気的に接続するコンタクト層３０を更に具備してもよい。
磁気トンネル接合部２０は、センサ層２３と、リファレンス層２１と、バリア層２２と備える。
リファレンス層２１は、磁化の向きが固定され、面内磁気異方性を有する強磁性層である。ここで、面内磁気異方性とは、この図の例において、ｘｙ面内で磁気異方性を有していることである。以下、本明細書において同じである。リファレンス層２１の磁化の向きは、磁化記録層１０の長手方向であることが好ましい。この図の例では、リファレンス層２１の磁化の向きは、磁化記録層１０の長手方向である±ｘ方向のうち、−ｘ方向である。この磁化の向きは逆であってもよい。また、リファレンス層２１は、積層フェリ結合を有する複数の強磁性層から構成されることが好ましい。及び／又は、リファレンス層２１は、Ｐｔ−Ｍｎのような反強磁性層が隣接していることが好ましい。リファレンス層２１の磁化の向きは書込み、及び、読出し動作によって変化させないため、リファレンス層２１の磁化は実質的に一方向に固定されていることが好ましいためであるからである。
センサ層２３は、反転可能な磁化を有し、面内磁気異方性を有する強磁性層である。センサ層２３は、後述されるように磁化記録層１０と磁気的に結合している。そのため、センサ層２３の磁化の向きは、磁化記録層１０の磁化状態（記憶されたデータ）に応じて面内において変動する。この図の例では、磁化記録層１０の磁化状態（記憶されたデータ）に応じてｘｙ面内において回転する。バリア２２は、センサ層２３とリファレンス層２１との間に設けられた非磁性膜又は絶縁膜である。
これらリファレンス層２１、バリア層２２、及びセンサ層２３は、それぞれピン層、トンネル絶縁層、及びフリー層として磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を構成している。そして、センサ層２３の磁化の向きは、磁化記録層１０に記憶された状態に応じて回転している。一方、リファレンス層の磁化の向きは固定されている。したがって、センサ層２３の磁化の向きと、リファレンス層２１の磁化の向きとの相対的関係により、磁気トンネル接合部２０（ＭＴＪ）の抵抗値は変動する。よって、磁気トンネル接合部２０の抵抗値を検出することにより、磁化記録層１０に記憶されたデータを読み出すことができる。すなわち、磁気トンネル接合部２０を、磁化記録層１０に記憶されたデータを読み出す手段として用いることができる。
面内磁気異方性を有するセンサ層２３及びリファレンス層２１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好ましい。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、バリア層２２は、絶縁材料から構成されることが好ましい。具体的にはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが例示される。ただし、この他に、バリア層２２として半導体材料や金属材料のような非磁性材料を用いても本発明は実施可能である。具体的には、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎなどが例示される。
なお、センサ層２３、リファレンス層２１、及びバリア層２２には、読出し信号の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、センサ層２３及びリファレンス層２１をＣｏ−Ｆｅ−Ｂ系の材料とし、バリア層２２をＭｇ−Ｏ系の材料とすることが好ましい。
磁化記録層１０は、第１磁化固定領域１１ｂ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第２磁化固定領域１１ｃと、第１磁壁移動領域１３ａ、及び第２磁壁移動領域１３ｂとを備える。第０磁化固定領域１１ａの両側に、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂがそれぞれ接続される。第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂの外側には、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃがそれぞれ接続される。
第１磁化固定領域１１ｂ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第２磁化固定領域１１ｃは、磁化の向きが固定され、垂直磁気異方性を有する強磁性領域である。ここで、垂直磁気異方性とは、この図の例において、ｘｙ面に垂直な磁気異方性を有していることを意味する。以下、本明細書において同じである。第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの磁化の向きは実質的に同一であり、第０磁化固定領域１１ａの磁化の向きは、それと反対である。すなわち、第１磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定領域１１ｃの磁化は、互いに平行な方向に固定される。第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃと第０磁化固定領域１１ａとの磁化は、互いに反平行な方向に固定される。なお、ここで第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの磁化の向き、及び第０磁化固定領域１１ａの磁化の向きは、磁壁１２ａ、１２ｂを生じさせる機能を果たすことができる向きであればよく、厳密な意味でそれぞれ同一及び反対を意味するものではない。また、「磁化が固定されている」とは、書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、書込み動作終了後には元に戻る。以下、本明細書において同じである。この図の例では、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの磁化の向きは＋ｚ方向であり、第０磁化固定領域１１ａの磁化の向きは−ｚ方向である。これら磁化の向きは逆であってもよい。
第１磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定領域１１ｃとは、実質的に同一に形成されていることが好ましい。その理由は、製造プロセスの観点から同一に形成するのが最も容易であるため、及び、後述される書込み動作やデータを保持する場合、その安定性や信頼性の面で対称性の高いことが好ましいからである。ここで、実質的に同一とは、膜厚を含む形状や材料が、製造プロセス上の誤差の範囲で同一ということである。この場合、磁化の固定方法（後述）も同一である。
第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃは、それらに隣接して、第１のハード層４０がそれぞれ形成されていることが好ましい。第１のハード層４０は第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの保磁力を、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第２磁壁移動領域１３ｂの保持力と比較して実効的に大きくし、初期化を容易にすることができる。第１のハード層４０を設けた場合、第１磁化固定領域１１ｂと第１のハード層４０、および第２磁化固定領域１１ｃと第１のハード層４０それぞれについて、第１のハード層４０をも含めた磁化の固定部分が、上記の意味で実質的に同一であることが好ましい。
第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂは、反転可能な磁化を有し、磁壁が移動可能であり、垂直磁気異方性を有する強磁性領域である。従って、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領領域１３ｂが取りうる磁化方向の組み合わせは２２＝４通りである。本発明の実施形態においては、このうち、記憶するデータに応じて（＋ｚ、−ｚ）、（−ｚ、＋ｚ）の２つの磁化方向を用いる。
上記の磁気トンネル接合部２０は、第０磁化固定領域１１ａの近傍に設けられている。そして、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１の磁化の向きは、第１磁壁移動領域１３ａと第２磁壁移動領域１３ｂとを結ぶ直線の方向に向いている。この図の例では、リファレンス層２１の磁化の向きは、第１磁壁移動領域１３ａ（の重心）と第２磁壁移動領域１３ｂ（の重心）とを結ぶ直線の方向である±ｘ方向に向いている。センサ層２３の磁化の向きについては後述される。
垂直磁気異方性を有する磁化記録層１０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含むことが好ましい。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と、異なる層とを交互に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を交互に積層させた積層膜などが例示される。また、第１のハード層４０は、上記の強磁性材料や、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎのような反強磁性材料を用いることができる。
ここで、磁気メモリ素子１の典型的な大きさは、設計ルールＦ＝９０ｎｍのとき、磁気記録層１０：４５０ｎｍ×９０ｎｍ×５ｎｍｔ、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１：９０ｎｍ×９０ｎｍ×２５ｎｍｔ、バリア層２２：９０ｎｍ×９０ｎｍ×１ｎｍｔ、センサ層２３：９０ｎｍ×９０ｎｍ×２ｎｍｔ、コンタクト層３０：９０ｎｍ×９０ｎｍ×２０ｎｍｔである。
２．データのメモリ状態
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成の一例を示す断面図である。図５Ａは例えばデータ“０”を記憶した場合（０−ｓｔａｔｅ）を示し、図５Ｂは例えば、データ“１”を記憶した場合（１−ｓｔａｔｅ）を示している。本実施形態では、磁化記録層１０は、各磁壁移動領域での磁化の向きの相互関係により、データを保持している。以下詳細に説明する。
図５Ａに示すように、磁化記録層１０がデータ“０”を記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は＋ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は−ｚ方向に向いている（＋ｚ、−ｚ）。このとき、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａは＋ｚ方向の磁化、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂは−ｚ方向の磁化、及び、第２磁化固定領域１１ｃは＋ｚ方向の磁化を有している。すなわち、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂ、及び、第２磁化固定領域１１ｃがそれぞれ別の磁区を形成している。つまり、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの間、及び、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定域１１ｃとの間に、それぞれ磁壁（ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ）１２ａ、１２ｂが形成される。
このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）において、第２磁壁移動領域１３ｂから第１磁壁移動領域１３ａに向かう磁場Ｈが発生する。その磁場Ｈは、センサ層２３付近では、−ｘ方向に向かう磁場となる。それにより、センサ層２３の磁化は−ｘ方向に向く。すなわち、磁化記録層１０に記憶されたデータが、センサ層２３に反映される。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化とリファレンス層２１の磁化とは平行となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この平行な状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶されたデータ“０”を読み出すことができる。
一方、図５Ｂに示すように、磁化記録層１０がデータ“１”を記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は−ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は＋ｚ方向に向いている（−ｚ、＋ｚ）。このとき、第１磁化固定領域１１ｂは＋ｚ方向の磁化、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａは−ｚ方向の磁化、及び、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃは＋ｚ方向の磁化を有している。すなわち、第１磁化固定領域１１ｂ、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａ、及び、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃがそれぞれ別の磁区を形成している。つまり、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、及び、第０磁化固定域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂが形成される。
このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ側）において、第１磁壁移動領域１３ａから第２磁壁移動領域１３ｂに向かう磁場Ｈが発生する。その磁場Ｈは、センサ層２３付近では、＋ｘ方向に向かう磁場となる。それにより、センサ層２３の磁化は＋ｘ方向に向く。すなわち、磁化記録層１０に記憶されたデータが、センサ層２３に反映される。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化とリファレンス層２１の磁化とは反平行となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この反平行な状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶されたデータ“１”を読み出すことができる。
このようなデータを保持している状態では、センサ層２３と第２磁壁移動領域１３ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間の磁気的相互作用により、センサ層２３に記録された磁化は、結果として第２磁壁移動領域１３ｂ及び第１磁壁移動領域１３ａの磁化状態（磁化の向き）を安定化させる効果を有する。それにより、図５Ａ及び図５Ｂの各状態において、磁壁１２ａ、１２ｂを所望の位置でより安定的に固定（保持）することができる。すなわち、磁気メモリ素子のリテンション特性を高めることができる。
なお、磁壁１２ａ、１２ｂを、図５Ａ及び図５Ｂの各状態で示される位置に停止させる方法については後述される。
３．磁化固定領域の初期化方法
次に、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法について説明する。図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法の一例を示す断面図である。
まず、図６Ａに示すように、磁場中アニール炉等において、磁気メモリ素子１を所定の温度まで加熱し、その磁気メモリ素子１に−ｘ方向の磁場Ｈ０１を印加しながら冷却する（ステップ１）。このように磁場Ｈ０１中で磁気メモリ素子１を加熱着磁することで、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１が−ｘ方向に磁化される。このとき、磁化記録層１０は垂直磁気異方性を有する材料で形成されているので、−ｘ方向に磁化されることは無い。
次に、図６Ｂに示すように、磁気メモリ素子１に＋ｚ方向の磁界Ｈ０２を印加する（ステップ２）。ただし、磁界Ｈ０２は、第１のハード層４０及び磁化記録層１０の保磁力よりも大きくする。それにより、第１のハード層４０及び磁化記録層１０の全体の磁化が、＋ｚ方向に向く。このとき、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１は、面内磁気異方性を有する材料で形成され、加熱着磁されているので、＋ｚ方向に磁化されることは無い。また、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃは、第１のハード層４０との交換結合により実効的な保磁力が、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第２磁壁移動領域１３ｂの保磁力よりも大きくなる。
その後、図６Ｃに示すように、磁気メモリ素子１に−ｚ方向の磁界Ｈ０３を印加する（ステップ３）。ただし、この磁界Ｈ０３は、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第２磁壁移動領域１３ｂの保磁力より大きく、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの実効的な保磁力より小さい値とする。それにより、磁化記録層１０のうち相対的に保磁力の小さい第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第２磁壁移動領域１３ｂの磁化が、−ｚ方向に反転する。磁化記録層１０のうち相対的に保磁力の大きい第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃは、−ｚ方向に反転磁化されることは無い。また、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１は、面内磁気異方性を有する材料で形成され、加熱着磁されているので、−ｚ方向に磁化されることは無い。
以上の初期化方法により、第１磁化固定領域１１ｂ、第２磁化固定領域１１ｃ、及び、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとが結合した領域の三領域が形成される。第１磁化固定領域１１ｂと結合領域との境界、及び、第２磁化固定領域１１ｃと結合領域との境界には、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂが形成される。この状態は、図５Ａや図５Ｂで示されるデータ“０”やデータ“１”を記憶した状態とは異なっているが、後述される書込みによりデータを記憶可能な状態になっている。すなわち、通常のデータ“０”やデータ“１”を書き込む動作を実行することで、データ“０”やデータ“１”を記憶することができる。
４．書込み動作
次に、磁気メモリ素子に対するデータの書込み原理を説明する。書込みは、＋ｚ側に磁化を向かせたい磁壁移動領域の側の磁化固定領域から電流を供給し、−ｚ側に磁化を向かせたい磁壁移動領域の側から電子を引き出す、となるような経路で電流を流す。以下詳細に説明する。
図７は、本発明の第１の実施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す断面図である。データ書込みは、スピン注入を利用した磁壁移動方式で行われる。書込み電流Ｉｗは、ＭＴＪ（磁気トンネル接合部２０）を貫通する方向ではなく、磁化記録層１０内を平面的に、磁壁１２ａ、１２ｂを貫通する方向に流れる。その書込み電流Ｉｗは、第１磁化固定領域１１ｂに接続された電流供給端子（図示されず）、及び、第２磁化固定領域１１ｃに接続された電流供給端子（図示されず）のいずれか一方から磁化記録層１０に供給される。
図７における（ａ）に示すように、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きが＋ｚ方向で、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きが−ｚ方向である状態が、データ“０”に対応付けられている。これは、図５Ａに示したとおりである。ここで、図７における（ｂ）に示すように、データ“１”の書込み動作時、第１書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第１磁化固定領域１１ｂ側の電流供給端子から供給される。そして、第１磁化固定領域１１ｂ、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第２磁壁移動領域１３ｂを通って、第２磁化固定領域１１ｃに流れる。そして、第２磁化固定領域１１ｃ側の電流供給端子から送出される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、第１書込み電流Ｉｗ１と逆になる。その結果、第２磁壁移動領域１３ｂには、第２磁化固定領域１１ｃからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第２磁化固定領域１１ｃと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界にある磁壁１２ｂを第０磁化固定領域１１ａの方向に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは、＋ｚ方向へスイッチする。そして、磁壁１２ｂは、第２磁壁移動領域１３ｂと第０磁化固定領域１１ａとの境界に移動する。更に、第１磁壁移動領域１３ａには、第０磁化固定領域１１ａからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第０磁化固定領域１１ａと第１磁壁移動領域１３ａとの境界にある磁壁１２ａを第１磁化固定領域１１ｂの方向に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは、−ｚ方向へスイッチする。そして、磁壁１２ａは、第１磁壁移動領域１３ａと第１磁化固定領域１１ｂとの境界に移動する。これにより、図７における（ｃ）に示すように、データ“１”が書き込まれる。
一方、図７における（ｃ）に示すように、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きが−ｚ方向で、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きが＋ｚ方向である状態が、データ“１”に対応付けられている。これは、図５Ｂに示したとおりである。ここで、図７における（ｄ）に示すように、データ“０”の書込み動作時、第２書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第２磁化固定領域１１ｃ側の電流供給端子から供給される。そして、第２磁化固定領域１１ｃ、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第１磁壁移動領域１３ａを通って、第１磁化固定領域１１ｂに流れる。そして、第１磁化固定領域１１ｂ側の電流供給端子から送出される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、第２書込み電流Ｉｗ２と逆になる。その結果、第１磁壁移動領域１３ａには、第１磁化固定領域１１ｂからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの境界にある磁壁１２ａを第０磁化固定領域１１ａの方向に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは、＋ｚ方向へスイッチする。そして、磁壁１２ａは、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの境界に移動する。更に、第２磁壁移動領域１３ｂには、第０磁化固定領域１１ａからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界にある磁壁１２ｂを第２磁化固定領域１１ｃの方向に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは、−ｚ方向へスイッチする。そして、磁壁１２ｂは、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの境界に移動する。これにより、図７における（ａ）に示すように、データ“０”が書き込まれる。
このように、磁化記録層１０内を平面的に流れる書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２によって、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の方向がそれぞれスイッチする。そして、その磁化方向の組み合わせとしてデータ“０”及び“１”を書き分け、記憶することができる。このとき、各磁壁移動領域の両側にある磁化固定領域は、互いに反平行な磁化の向きを有し、その磁壁移動領域に対して異なるスピン電子の供給源の役割を果たしている。なお、各磁壁１２は、初めから書き込み終了後の位置にある場合、スピン電子ｅ−の注入に関わらずその状態が維持される。したがって、オーバーライトも可能である。
この場合、磁化記録層１０は、垂直磁気異方性材料により形成されている。そのため、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２に対して磁化記録層１０の各領域の磁化方向は垂直である。従って、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２の大きさを著しく低減することができる。このとき、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２は磁壁１２ａ、１２ｂを貫通すれば、後はどこを通ってもよい。
５．読出し動作
次に、磁気メモリ素子に対するデータの読出し原理を説明する。図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子に対するデータの読出し原理を示す断面図である。データ読出し動作時、読出し電流ＩＲは、磁気トンネル接合部２０（リファレンス層２１、バリア層２２、及びセンサ層２３）のＭＴＪを貫通して流れるように供給される。そのように供給されれば、読出し電流ＩＲは磁化記録層１０を流れても流れなくてもよい。図８Ａ及び図８Ｂの例では、読出し電流ＩＲは、リファレンス層２１側の電流供給端子、及び、第２磁化固定領域１１ｃ側の電流供給端子のいずれか一方から供給され、他方から送出される。それにより、読出し電流ＩＲは、磁気トンネル接合部２０のＭＴＪを貫通すると共に、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとを流れる。
磁化記録層１０にデータとして“０”が記憶されている場合（図８Ａ参照）、センサ層２３の磁化は−ｘ方向に向いている。一方、リファレンス層２１の磁化は−ｘ方向に固定されている。すなわち、両磁化の方向は平行である。したがって、上記読出し電流ＩＲを流すことにより、磁気メモリ素子に記憶されたデータとして、低抵抗値すなわち“０”が読み出される。一方、磁化記録層１０にデータとして“１”が記憶されている場合（図８Ｂ参照）、センサ層２３の磁化は＋ｘ方向に向いている。一方、リファレンス層２１の磁化は−ｘ方向に固定されている。すなわち、両磁化の方向は反平行である。したがって、上記読出し電流ＩＲを流すことにより、磁気メモリ素子に記憶されたデータとして、高抵抗値すなわちデータ“１”が読み出される。
以上のようにして、本磁気メモリ素子１の磁化記録層１０に記憶されたデータを読み出すことができる。また、書き込みに必要な比較的大きな電流がＭＴＪを流れることはなく、データを読み出す際に比較的小さな電流をＭＴＪに流すだけでよいので、ＭＴＪの劣化を抑制することが可能である。
６．磁気メモリセル及びＭＲＡＭの構成と動作
図９は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子が集積化されたメモリセルの構成例を示す回路図である。図９に示すように、磁気抵抗効果素子１において、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１に接続される端子は、読み出しのためのグラウンド線ＧＬに接続される。磁化記録層１０の第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃに接続される二つの端子は、一方がＭＯＳトランジスタＴＲａのソース／ドレインの一方に接続され、他方がＭＯＳトランジスタＴＲｂのソース／ドレインの一方に接続される。また、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂのソース／ドレインの他方は、それぞれ書き込みのためのビット線ＢＬａ、ＢＬｂに接続される。更に、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂのゲートはワード線ＷＬに接続される。ただし、磁気メモリセルの構成はこの例に限定されるものではない。
図１０は、本発明の第１の実施形態に係るメモリセルが集積化されたＭＲＡＭの構成例を示すブロック図である。図１０において、ＭＲＡＭ９０は、複数のメモリセル８０が行列状に配置されたメモリアレイ９１を具備している。このメモリアレイ９１は、図９で説明されたデータの記録に用いられるメモリセル８０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８０ｒを含んでいる。図１０の例では、１列分がリファレンスセル８０ｒである。リファレンスセル８０ｒの構造は、メモリセル８０と同じである。この場合、リファレンスセル８０ｒのＭＴＪは、データ“０”を記憶した場合の抵抗値Ｒ０とデータ“１”を記憶した場合の抵抗値Ｒ１との中間の抵抗値Ｒ０．５を有する。ただし、２列分をリファレンスセル８０ｒとし、そのうち一方の１列を抵抗値Ｒ０のリファレンスセル８０ｒとし、他の１列を抵抗値Ｒ１のリファレンスセル８０ｒとすることもできる。その場合、抵抗値Ｒ０のリファレンスセル８０ｒと抵抗値Ｒ１のリファレンスセル８０ｒとから、抵抗値０．５を作り出し、読出しに用いる。
ワード線ＷＬ及びグランド線ＧＬは、それぞれＸ方向に延在している。ワード線Ｗは、一端をＸ側制御回路９２に接続されている。Ｘ側制御回路９２は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、対象のメモリセル８０につながるワード線ＷＬを選択ワード線ＷＬとして選択する。ビット線ＢＬａ、ＢＬｂは、それぞれ、Ｙ方向に延在し、一端をＹ側制御回路９３に接続されている。Ｙ側制御回路９３は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、対象のメモリセル８０につながるビット線ＢＬａ、ＢＬｂを選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂとして選択する。制御回路９４は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、Ｘ側制御回路９２及びＹ側制御回路９３を制御する。
次に、図１０に示されるＭＲＡＭにおける書き込み方法、読み出し方法について説明する。
まず、書き込みを行う場合について説明する。Ｘ側制御回路９２は、選択ワード線ＷＬを選択する。それにより、選択ワード線ＷＬが“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂが“ＯＮ”になる。また、Ｙ側制御回路９３は、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂを選択する。それにより、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂのいずれか一方が“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、他方が“Ｌｏｗ”レベルにプルダウンされる。選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂのどちらを“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップし、どちらを“Ｌｏｗ”レベルにプルダウンするかは、当該磁気抵抗効果素子１に書き込まれるべきデータにより決定される。すなわち、磁化記録層１０に流す書込み電流Ｉｗの方向に応じて決定される。以上により、データ“０”とデータ“１”とを書き分けることができる。Ｘ側制御回路９２とＹ側制御回路９３及びそれらを制御する制御回路９４は、メモリセル８０に書き込み電流Ｉｗ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。
次に、読み出しを行う場合について説明する。Ｘ側制御回路９２は、選択ワード線ＷＬを選択する。それにより、選択ワード線ＷＬが“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂが“ＯＮ”になる。また、Ｙ側制御回路９３は、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂを選択する。それにより、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂのいずれか一方が“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、他方が“ｏｐｅｎ”（フローティング）に設定される。このとき選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂの一方から、読み出し電流ＩＲが、例えば、第２磁化固定領域１１ｃ、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ、コンタクト層３０、及び磁気トンネル接合部２０（センス層２３、バリア層２２、及びリファレンス層２１で構成されるＭＴＪ）を経由してグラウンド線ＧＬへと流れる。読み出し電流ＩＲが流されるビット線ＢＬの電位、又は、読み出し電流の大きさは、磁気抵抗効果による磁気抵抗効果素子１（磁気トンネル接合部２０）の抵抗値の変化に依存する。したがって、同様に読み出し電流ＩＲが流されるリファレンスセル８０ｒのリファレンスビット線ＢＬｒの出力と比較して、この抵抗値の変化を電圧信号、又は電流信号として検知することにより高速での読み出しが可能となる。Ｘ側制御回路９２とＹ側制御回路９３及びそれらを制御する制御回路９４は、メモリセル８０に読み出し電流ＩＲを供給し読み出すための「読み出し電流供給及びセンス回路」を構成している。
７．センサ層の位置
図４Ａ〜図８Ｂに示すように、センサ層２３は磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）にコンタクト層３０を介して設けられている。ただし、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂによる磁界がセンサ層２３の磁化方向を反転可能であれば、磁気トンネル接合部２０は上下逆、すなわち、リファレンス層２１がコンタクト層３０と接触していてもよい（図示されず）。
また、センサ層２３は、磁化記録層１０の上側（＋ｚ方向の側）にコンタクト層３０を介して設けられていてもよい（図示されず）。更に、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂによる磁界がセンサ層２３の磁化方向を反転可能であれば、磁気トンネル接合部２０は上下逆、すなわち、リファレンス層２１がコンタクト層３０と接触していてもよい（図示されず）。
更に、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂによる磁界がセンサ層２３の磁化方向を反転可能であれば、磁気メモリ素子１にコンタクト層３０を設けず、センサ層２３が磁化記録層１０と電気的に接続していなくてもよい（図示されず）。この場合、磁化記録層１０の両端に書き込み電流用に電流供給端子が設けられる一方、磁気トンネル接合部２０の両端にも読み出し電流用に電流供給端子が別途設けられる。
更に、図４Ａ〜図８Ｂや上述のように、センサ層２３は磁化記録層１０の第０磁化固定領域１１ａの直下（−ｚ方向の側）又は直上（＋ｚ方向の側）に設けることができる。すなわち、センサ層２３の磁化記録層１０への射影は、第０磁化固定領域１１ａに重なる。この構成は、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂによる磁界がセンサ層２３の磁化をより安定的に反転することができ好ましい。
また、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂによる磁界がセンサ層２３の磁化方向を反転可能であれば、センサ層２３は、磁化記録層１０の第０磁化固定領域１１ａの奥側（＋ｙ方向の側）又は手前側（−ｙ方向の側）に設けられていてもよい（図示されず）。そのとき、センサ層２３の磁化記録層１０への射影は、第１磁壁移動領域１３ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間における磁化記録層１０内の領域の少なくとも一部に重なっていることが好ましい。そのような領域は、第０磁化固定領域１１ａの一部を含む領域であり、更に、第１磁壁移動領域１３ａの一部及び第２磁壁移動領域１３ｂの一部の少なくとも一方を含んでもよい。
また、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂによる磁界がセンサ層２３の磁化方向を反転可能であれば、センサ層２３は、磁化記録層１０の第０磁化固定領域１１ａの奥側（＋ｙ方向の側）又は手前側（−ｙ方向の側）、且つ、左側（−ｘ方向の側）又は右側（＋ｘの側）側に設けられていてもよい（図示されず）。そのとき、センサ層２３の磁化記録層１０への射影は、第１磁壁移動領域１３ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間における磁化記録層１０内の領域の少なくとも一部に重なっていることが好ましい。そのような領域は、第０磁化固定領域１１ａの一部を含み、更に、第１磁壁移動領域１３ａの一部及び第２磁壁移動領域１３ｂの一部のいずれか一方を含む。
このように、本実施形態では、センサ層２３と磁化記録層１０との位置関係は、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂによる磁界がセンサ層２３の磁化方向を反転可能な位置関係であればよい。そのため、センサ層２３の自由度が高くなっている。
８．センサ層とハード層の位置関係
図１１は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子のセンサ層とハード層の位置関係に関するバリエーションを示す構成図である。ただし、図１１は断面図である。
本実施形態においては、センサ層２３とハード層４０の磁化記録層１０に対する位置関係には任意性がある。例えば図４Ｂに示されるようにセンサ層２３は磁化記録層１０に対して下側（−ｚ側）に設けられ、ハード層４０は磁化記録層１０に対して上側（＋ｚ側）に設けられてもよい。また図示はされていないがセンサ層２３は磁化記録層１０に対して上側（＋ｚ側）に設けられ、ハード層４０は磁化記録層１０に対して下側（−ｚ側）に設けられてもよい。あるいは図１１に示されるように、センサ層２３は磁化記録層１０に対して上側（＋ｚ側）に設けられ、ハード層４０も磁化記録層１０に対して上側（＋ｚ側）に設けられてもよい。このように、本実施形態においては、ハード層４０は磁化記録層１０の所定の磁化構造を実現でき、またセンサ層２３は第１磁壁移動領域１３ａと第２磁壁移動領域１３ｂの磁化方向を読み出すことができさえすれば、これらの位置関係には何の制約もない。
ここで、磁化記録層１０に磁壁を導入し、所定の磁化構造を容易に実現するためには、ハード層４０は磁化記録層１０の上面に隣接して設けられることが好ましい。これは、ハード層４０が磁化記録層１０の上面に隣接して設けられる構造の場合、磁化記録層１０とハード層４０は連続して膜を堆積させられるので、これらの間で強い交換結合を得ることができるためである。
一方、素子のレイアウトの観点からは、読み出し用の磁気トンネル接合部２０は磁化記録層１０に対して上側（＋ｚ側）に設けられることが好ましい。これは、磁化記録層１０にはトランジスタを介して書き込み電流を導入する必要があり、このとき書き込み電流は磁気メモリ素子１の下側（−ｚ側）から供給されるため、読み出し用の配線は磁気メモリ素子１の上側（＋ｚ側）に設けられることが好ましいためである。読み出し用の配線が磁気メモリ素子１の上側（＋ｚ側）に設けられるとき、セル面積が最も小さくなるようにレイアウトすることが可能となる。
従って、上記の観点からすると、図１１に示された、ハード層４０、センサ層２３の両方ともが磁化記録層１０の上側（＋ｚ側）に配置される実施の形態が、当該磁気メモリ素子１の初期化やレイアウトの容易性からは最も好ましいと言うことができる。
なお、より容易に当該磁気メモリ素子１のメモリ状態の初期化を行うためには、ハード層４０が以下のように形成されることが好ましい。前述の通り、本実施形態においては、第１磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定領域１１ｃの磁化方向は互いに平行方向に固定され、これらに対して第０磁化固定領域１１ａは反平行方向に固定される。従って、第１磁化固定領域１１ｂ、第２磁化固定領域１１ｃに隣接するハード層４０と、第０磁化固定領域１１ａに隣接するハード層４０の間では磁気特性に差異が設けられることが望ましい。この磁気特性の差異は例えば膜厚差などによって設けることができる。具体的な例としては、図１１に示されるように、第１磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定領域１１ｃに隣接するハード層４０が、第０磁化固定領域１１ａに隣接するハード層４０に比べて膜厚が薄く形成されたとき、磁化記録層１０が所定の磁化構造になるように容易に初期化することが可能となる。
なおこれ以降において、Ｎが２以上の場合についての実施の形態が述べられるが、上述のセンサ層２３とハード層４０の磁化記録層１０に対する位置関係は、いずれの場合も任意であるが、説明が重複するので省略する。
９．磁壁の停止方法
図１２〜図１７は、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の第０磁化固定領域１１ａの両端での磁壁の停止方法のバリエーションを示す構成図である。ただし、各図において磁気トンネル接合部１０は省略されている。また、図１２、図１３Ａ〜図１３Ｃ、図１５、図１６は断面図であり、図１４、図１７は平面図である。
図１２は、上記磁壁の停止方法の一例を示している。ただし、二つの方法が考えられる。
第１の方法では、コンタクト層３０の材料として、第０磁化固定領域１１ａの材料と比較して低抵抗の材料を用いる。そのような材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどが例示される。その場合、第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）を流れた書き込み電流Ｉｗは、第０磁化固定領域１１ａを流れるだけでなく、コンタクト層３０により多く流れ込む。すなわち、書込み電流Ｉｗは、第０磁化固定領域１１ａとコンタクト層３０とに分流する。このとき、書き込み電流Ｉｗの総量は変わらないことから、第０磁化固定領域１１ａ内の電流密度は低下することになる。ところが、磁壁移動を起こすには、ある閾値以上の電流密度が必要である。この図の例では、書き込み電流Ｉｗの電流密度は、第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）において上記閾値以上になり、第０磁化固定領域１１ａにおいて分流により低下して上記閾値未満になるように設定される。そのため、磁壁は、閾値以上の電流密度の第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）において移動し、閾値未満の第０磁化固定領域１１ａの端部付近で停止することになる。
また、第２の方法では、コンタクト層３０の材料として、スピン散乱が起こり易い材料を用いる。そのような材料としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｄなどが例示される。その場合、第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）を流れた書き込み電流Ｉｗ（電子）は、第０磁化固定領域１１ａを流れるだけでなく、コンタクト層３０にも流れ込む。すなわち、書込み電流Ｉｗ（電子）は、第０磁化固定領域１１ａとコンタクト層３０とに分流する。このとき、コンタクト層３０に流れ込んだ電子はコンタクト層３０でスピン散乱されて、その一部が第０磁化固定領域１１ａに戻る。その結果、第０磁化固定領域１１ａの電子はスピン散乱された電子の影響でスピンが乱されて不揃いとなり、磁壁を移動させることができなくなる。この図の例では、電子のスピンは、第２磁壁移動領域１３ｂ（又は第１磁壁移動領域１３ａ）において揃っているが、第０磁化固定領域１１ａにおいて乱されて不揃いとなる。そのため、磁壁は、電子のスピンの揃っている第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）において移動し、電子のスピンの乱れる第０磁化固定領域１１ａの端部付近で停止することになる。
なお、図１２では低抵抗な材料やスピン散乱の起こり易い材料を、第０磁化固定領域１１ａの下側（−ｚ方向側）のコンタクト層３０に用いて本停止方法を実現させているが、本発明はその例に限定されるものではない。すなわち、上記の低抵抗な材料やスピン散乱の起こり易い材料を用いた補助層１４を、第０磁化固定領域１１ａの周辺に隣接して設けていれば、コンタクト層３０を用いなくても良く、また、その位置は問わない。図１２では、第０磁化固定領域１１ａの上側（＋ｚ方向側）に補助層１４（破線で表示）を設ける例を示している。この場合にも、上記２つの方法で示したコンタクト層３０と同様の効果を得ることが出来る。以上示した図１２の方法は、製造上特別なプロセスが不要であり、コンタクト層３０の材料の選択だけで実施できプロセスが容易である。
図１３Ａ〜図１３Ｃは、上記磁壁の停止方法の他の一例を示している。
図１３Ａに示される方法では、磁化記録層１０の第０磁化固定領域１１ａの両端に、意図的に段差Ｑを設ける。そのため、第０磁化固定領域１１ａの上側（＋ｚ方向の側）の平面は、第１磁化固定領域１１ｂ、第１磁壁移動領域１３ａ、第２磁壁移動領域１３ｂ、及び第２磁化固定領域１１ｃの上側の平面よりも突き出ている。その結果、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界、及び、第０磁化固定領域１１ａと第１磁壁移動領域１３ａとの境界に段差Ｑが形成される。このような段差Ｑは磁壁に対するピンポテンシャルとして機能し磁壁をその位置で停止させることができる。
なお、図１３Ａの例では上側(＋ｚ方向の側)に凸な段差を示しているが、凹（下側（−ｚ方向の側）に凸）な段差であってもよい。また、図１３Ａはコンタクト層３０の一部が、磁気記録層１０の下側の底面から突き出ている態様であるが、コンタクト層３０の一部が磁気記録層１０の下側の底面から突き出ていなくてもよい。
図１３Ｂに示すように、コンタクト層３０は、製造プロセスにおいて、ビアホール等の穴が設けられた層間絶縁層４９に金属等の膜を成膜し、ＣＭＰ法で研磨して形成される。そのＣＰＭ法の研磨のとき、層間絶縁層４９の表面とコンタクト層３０の表面との間に段差Ｐが形成されることはプロセスの性質上避けることが難しい。そこで、図１３Ａの例では、この段差Ｐを積極的に利用する。すなわち、図１３Ｃに示すように、この段差Ｐを残したまま層間絶縁層４９及びコンタクト層３０を覆うように磁化記録層１０用の膜を成膜する。そのようにすると、この膜にもコンタクト層３０の段差Ｐに影響されて段差Ｑが形成される。したがって、この膜を磁化記録層１０の形状に成形することで、図１３Ａの形状を得ることが出来る。なお、このような段差は、磁壁固定のために、磁化記録層１０の両端の第１磁化固定領域１１ｂや第２磁化固定領域１１ｃに設けられていてもよい。この方法は、製造上特別なプロセスが不要であり、実施が容易である。
図１４は、上記磁壁の停止方法の更に他の一例を示している。
図１４に示される方法では、第０磁化固定領域１１ａの領域での電流密度が、磁壁移動を起こすのに必要な閾値未満に低下するように、第０磁化固定領域１１ａの断面積を増大（例示：形状を太く、幅を広く等）させる。その場合、第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）を流れた書き込み電流Ｉｗは、断面積の増大した第０磁化固定領域１１ａを流れる。このとき、書き込み電流Ｉｗの総量は変わらないことから、第０磁化固定領域１１ａの電流密度は低下することになる。この図の例では、第０磁化固定領域１１ａの幅は±ｙ方向に突出部１５、１６の分だけ広くなっている。そして、書き込み電流Ｉｗの電流密度は、第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）において上記閾値以上になり、第０磁化固定領域１１ａにおいて低下して上記閾値未満になるように設定される。そのため、磁壁は、閾値以上の電流密度の第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）において移動し、閾値未満の第０磁化固定領域１１ａの端部付近で停止することになる。
なお、図１４では第０磁化固定領域１１ａの幅が±ｙ方向に広くなっているが、本発明はその例に限定されるものではない。すなわち、第０磁化固定領域１１ａの断面積を増大することができれば、幅が＋ｙ方向及び−ｙ方向のいずれか一方に広がっていても、＋ｚ方向や−ｚ方向に広がっていてもよい。その場合にも、図１４の場合と同様の効果を得ることが出来る。この方法は、磁化記録層１０のパターンを一部変更するだけで、製造上特別なプロセスが不要であり、実施が容易である。
図１５は、上記磁壁の停止方法の更に他の一例を示している。
図１５に示される方法では、コンタクト層３０を、第０磁化固定領域１１ａと同じ垂直磁気異方性材料で形成し、第０磁化固定領域１１ａと同じ磁化の向きとする。このようにすることで、第０磁化固定領域１１ａの磁化が多くなるので、磁壁移動を起こり難くすることができる。その結果、相対的に磁化の少ない第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）を移動してきた磁壁は、磁化の多い第０磁化固定領域１１ａの端部付近で停止することになる。この方法は、製造上特別なプロセスが不要であり、コンタクト層３０の材料の選択だけで実施できプロセスが容易である。
図１６は、上記磁壁の停止方法の別の一例を示している。
図１６に示される方法では、第０磁化固定領域１１ａにも、第１磁化固定領域１１ｂや第２磁化固定領域１１ｃと同様に、ハード層（第２のハード層１８）を設ける。ただし、第１のハード層４０よりもハードでなく（保持力を小さく）する。上述の初期化方法を利用できるようにするためである。このようにすることで、第０磁化固定領域１１ａの磁化が多くなるので、磁壁移動を起こり難くすることができる。その結果、相対的に磁化の少ない第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）を移動してきた磁壁は、磁化の多い第０磁化固定領域１１ａの端部付近で停止することになる。
図１７は、上記磁壁の停止方法の更に別の一例を示している。
図１７に示される方法では、第０磁化固定領域１１ａと第１磁壁移動領域１３ａとの境界部分、及び、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界部分に、磁壁に対するピンポテンシャルとして機能するノッチ１７のようなピンサイトを設ける。このようなピンサイトは、磁化記録層１０の微細化により製造困難となるが、磁化記録層１０の大きさがある程度大きければ用いることは可能である。このようにすることで、ノッチ１７がピンポテンシャルとして機能し、その位置で磁壁を停止することができる。
以上で述べてきた停止方法は、第０磁化固定領域と第１、第２磁壁移動領域との境界での磁壁の停止だけでなく、第１磁化固定領域と第１磁化固定領域との境界や、第２磁化固定領域と第２磁壁移動領域との境界のような他の境界にも同様に適用することが可能である。
１０．磁化の固定方法
図１８〜図２２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域での磁化の固定方法のバリエーションを示す構成図である。ただし、各図において磁気トンネル接合部１０は省略されている。また、図１８〜図２０、図２１Ｂ、図２２は断面図であり、図２１Ａは平面図である。
図１８は、上記磁化の固定方法の一例を示している。
図４Ａ〜図８Ｂに示した例では、第１のハード層４０は、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの上側（＋ｚ方向の側）に設けられている。しかし、図１８に示すように、第１のハード層４０は、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの下側（−ｚ方向の側）に設けられていてもよい。この方法は、製造プロセスの都合等により、下側に設けたい場合などに好ましい。
図１９は、上記磁化の固定方法の他の一例を示している。
図１９に示すように、第１のハード層４０は、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの上側（＋ｚ方向の側）及び下側（−ｚ方向の側）の両方に設けられていてもよい。この方法は、製造プロセスの都合等により、上側又は下側の一方に厚く形成できないときに上側及び下側の両方に薄く設ける場合や、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの磁化をより強固に固定したい場合などに好ましい。
図２０は、上記磁化の固定方法の更に他の一例を示している。
図２０に示すように、第１のハード層４０は、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃに磁気的に結合していれば、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃに直接接触している必要は無い。すなわち、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの上側及び下側の少なくとも一方に、磁気的に結合可能な程度に近傍に、第１のハード層４０が形成されていればよい。この図の例では、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの下側に、他の中間層４３を介して第１のハード層４０が設けられている。この方法は、製造プロセスの都合等により、磁化記録層１０に直接接触して第１のハード層４０を設けられない場合などに好ましい。
図２１Ａ（平面図）及び図２１Ｂ（断面図）は、上記磁化の固定方法の別の一例を示している。
図２１Ａ及び図２１Ｂに示すように、第１のハード層を用いなくても、形状を工夫することにより、所望の磁化状態を作り出すことができる。この図の例では、第１磁化固定領域１１ｂにおける第１磁壁移動領域１３ａとの境界付近の幅、及び、第２磁化固定領域１１ｃにおける第２磁壁移動領域１３ｂとの境界付近の幅は、いずれも第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂの幅よりも大きくなっている。これにより、磁壁は第１磁化固定領域１１ｂや第２磁化固定領域１１ｃ内に侵入しにくくなり、それぞれの境界は磁壁に対するピンポテンシャルとして機能する。すなわち、第１磁化固定領域１１ｂや第２磁化固定領域１１ｃの磁化は固定化される。この方法は、第１のハード層を形成する必要がなく、磁化記録層１０の形状変更だけで済むので、製造プロセスを簡略化でき、製造コストを削減することができる。
図２２は、上記磁化の固定方法の更に別の一例を示している。
図２２に示すように、第１のハード層を用いなくても、材料を工夫することにより、所望の磁化状態を作り出すことができる。この図の例では、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの材料として、第１磁壁移動領域１３ａや第２磁壁移動領域１３ｂと異なる材料を用いている。そのような材料としては、相対的に保磁力の大きい材料が例示される。また、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃにイオン注入を行い、その部分の磁気特性を変えることで実現することも可能である。
１１．センサ層の異方性
センサ層２３は、面内磁気異方性を有する材料で形成されている。ただし、センサ層２３の磁気異方性の方向は、図４Ａ〜図８Ｂに示したように面内の±ｘ方向に向いていても、±ｙ方向（図示されず）に向いていてもよい。センサ層２３の磁気異方性は形状によって付与（形状磁気異方性）してもよいし、結晶構造によって付与（結晶磁気異方性）してもよいし、磁歪を適切に調整することで応力によって付与（応力誘起磁気異方性）してもよい。
センサ層２３の磁気異方性の方向が±ｘ方向の場合、センサ層２３の磁化を反転させる動作は、容易軸動作となる。最大のＭＲ比を得ることができる。ただし、磁化記録層１０（第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂ）からの漏洩磁界が小さい場合、反転し難くなる可能性がある。一方、センサ層２３の磁気異方性の方向が±ｙ方向の場合、センサ層２３の磁化を反転させる動作は、困難軸動作となる。磁化記録層１０（第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂ）からの漏洩磁界が、容易軸動作で磁化反転を起こさないような小さい場合でも読み出す（磁化反転させる）ことができる。ただし、ＭＲ比は、相対的に小さくなり、ばらつき易くなる。
１２．変形例
図２３は、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子のうち磁化記録層の構成の変形例を示す平面図である。図４Ａの磁化記録層の構成では、第１磁壁移動領域１３ａと第２磁壁移動領域１３ｂとは、第０磁化固定領域１１ａを挟んで対称な位置（正反対の位置）に配置されている。しかし、本発明はその例に限定されるものではなく、図２３に示すように、第１磁壁移動領域１３ａと第２磁壁移動領域１３ｂとは、第０磁化固定領域に関して直角方向の位置に配置されていてもよい。すなわち、第１磁壁移動領域１３ａが延伸する方向と、第２磁壁移動領域１３ｂが延伸する方向とは互いに直角に交わっている。
この場合、磁気記録層１０に対する磁気トンネル接合部２０の位置は、第０磁化固定領域１１ａの直上（＋ｚ方向の側）でもよいし、図中に破線で示すように当該位置から＋ｙ方向かつ−ｘ方向にずれた位置であってもよい。また、コンタクト層３０を介していてもよい。そして、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１の磁化の向きは、第１磁壁移動領域１３ａと第２磁壁移動領域１３ｂとを結ぶ直線の方向に向くことが好ましい。この図の例では、リファレンス層２１の磁化の向きは、第１磁壁移動領域１３ａ（の重心Ｇａ）と第２磁壁移動領域１３ｂ（の重心Ｇｂ）とを結ぶ直線の方向に向くことが好ましい。その場合、センサ層２３の磁化の向きは、格納されるデータ（０、１）に応じて、リファレンス層２１の磁化の向きと平行又は反平行な成分を取り得る。
その他の構成や動作等は、既述のとおりであるので、その説明を省略する。
この図２３の構成を用いた場合にも、上記実施形態と同様の効果を得ることが出来る。
以上説明したように、本実施形態では、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である電流駆動磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、磁壁移動領域を２つにすることで、磁化固定領域が３つになるので、両側の磁化固定領域を含め磁化固定を容易に行うことが可能となる。すなわち、磁化固定領域を容易に形成することが可能となる。また、それにより、２つの磁壁移動領域と３つの磁化固定領域との境界を、磁壁のピンニングサイトとすることができる。すなわち、磁壁のピンニングサイトを容易に形成することが可能となる。また、垂直磁気異方性を有する磁化記録層とは別に、磁化記録層の情報を読み出すための磁気トンネル接合部を設けているので、読出しの信頼性が高めることが可能となる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、上記Ｎ＝２の場合の磁気メモリセル及びＭＲＡＭについて説明する。
１．磁気メモリ素子の基本構成
図２４は、本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子のうち磁化記録層の構成の一例を示す平面図である。本実施形態における磁気メモリ素子１は、磁化記録層１０及び磁気トンネル接合部２０を具備し、基本的に第１の実施形態の磁気メモリ素子１と同じである。ただし、第０磁化固定領域１１ａに補助磁化固定領域１１ａ２が接続されている点で第１の実施形態と異なる。補助磁化固定領域１１ａ２は、第０磁化固定領域１１ａと同じ材料で形成され、同じ垂直磁化異方性を有し、同じ向きに磁化されている。第０磁化固定領域１１ａは、補助磁化固定領域１１ａ２と一体として第０磁化固定領域１１ａと見ることもできる。この図の例では、補助磁化固定領域１１ａ２は、第０磁化固定領域１１ａの奥側（＋ｙ方向の側）に接続され、−ｚ方向に磁化されている。ただし、補助磁化固定領域１１ａ２の第０磁化固定領域１１ａへの接続位置はこの例に限定されない。
磁気メモリ素子１は、第１の実施形態の磁気メモリ素子１と同様に第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの各々に電流を供給する電流供給端子５１、５２が接続されている。磁気メモリ素子１ｂは、更に、補助磁化固定領域１１ａ２に電流を供給する電流供給端子５３が接続されている。これらは、後述されるように、書込み電流や読出し電流の供給等に用いることができる。
その他の磁気メモリ素子１の構成は、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
２．データのメモリ状態
図２５Ａ〜図２５Ｃは、本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成の一例を示す平面図である。本実施形態では、磁化記録層１０は、各磁壁移動領域での磁化の向きの相互関係により、データを保持している。本実施形態における磁気メモリ素子１は、３つの状態を取ることができ、３種類のデータを記憶することができる。図２５Ａは例えば第１データを記憶した場合（α１−ｓｔａｔｅ）を示し、図２５Ｂは例えば第２データを記憶した場合（α２−ｓｔａｔｅ）を示し、図２５Ｃは例えば第３データを記憶した場合（α３−ｓｔａｔｅ）を示している。３種類のデータは、任意のデータを対応させることができる。例えば、“００”、“０１”、“１０”である。
図２５Ａに示すように、磁化記録層１０が第１データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は＋ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は−ｚ方向に向いている（＋ｚ、−ｚ）。それにより、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの間、及び、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定域１１ｃとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、第２磁壁移動領域１３ｂから第１磁壁移動領域１３ａ（−ｘ方向）に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは−ｘ方向な成分を取り得る。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは平行な成分を取り得る。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値Ｒ０を検出することで、この平行な状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第１データ（α１−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
一方、図２５Ｂに示すように、磁化記録層１０が第２データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は−ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は＋ｚ方向に向いている（−ｚ、＋ｚ）。それにより、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、及び、第０磁化固定域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、第１磁壁移動領域１３ａから第２磁壁移動領域１３ｂ（＋ｘ方向）に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは＋ｘ方向な成分を取り得る。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは反平行な成分を取り得る。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値Ｒ１を検出することで、この反平行な状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第２データ（α２−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図２５Ｃに示すように、磁化記録層１０が第３データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は＋ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は＋ｚ方向に向いている（＋ｚ、＋ｚ）。それにより、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの間、及び、第０磁化固定域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、第０磁化固定領域１１ａと補助磁化固定領域１１ａ２とを結ぶ方向（±ｙ方向）に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは−ｙ方向（又は＋ｙ方向）に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは略直角となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値Ｒ０．５を検出することで、この垂直な状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第３データ（α３−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
なお、図示していないが、磁化記録層１０が第３データを記憶したとき、第１磁壁移動領域１３ａの磁化が−ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化が−ｚ方向に向く（−ｚ、−ｚ）ようにしてもよい。
図２６は、センサ層の磁化とリファレンス層の磁化との間の相対角度と磁気トンネル接合部の抵抗値との関係を示すグラフである。横軸はセンサ層２３の磁化とリファレンス層３０の磁化との間の相対角度（０度〜１８０度）、縦軸は磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値をそれぞれ示す。図に示されるように、磁気トンネル接合部２０の抵抗値は、センサ層２３の磁化とリファレンス層３０の磁化との間の相対角度に対して単調に増加する。したがって、相対角度と抵抗値とは一対一に対応する。それにより、複数の相対角度を設定し、設定された複数の相対角度に対応付けて複数のデータを設定すれば、設定された複数のデータを複数の抵抗値により読み出すことができる。すなわち、一つの磁気記憶素子で複数のデータを記憶することができ、磁気記憶素子を多値化することができる。
本実施形態では、上記図２５Ａのα１−ｓｔａｔｅが抵抗値Ｒ０に対応し、図２５Ｂのα２−ｓｔａｔｅが抵抗値Ｒ１に対応し、図２５Ｃのα３−ｓｔａｔｅが抵抗値Ｒ０．５に対応している。このように、本実施形態の磁気メモリ素子１は、３値化され、３種類のデータを記憶することができる。なお、リファレンス層２１の向きは、図２５Ａ〜図２５Ｃの場合（−ｘ方向）に限定されるものではなく、センサ層２３の磁化とリファレンス層３０の磁化との相対角度が３種類になれば、他の向きであってもよい。
３．磁化固定領域の初期化方法
本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法については、例えば、第１の実施形態（図６Ａ〜図６Ｃ）と同様に行うことができる。したがって、その説明を省略する。
４．書込み動作
次に、磁気メモリ素子に対するデータの書込み原理を説明する。書込みは、＋ｚ側に磁化を向かせたい磁壁移動領域の側の磁化固定領域から電子を供給し、それ以外の磁化固定領域、例えば−ｚ側に磁化を向かせたい磁壁移動領域の側から電子を引き出す、となるような経路で電流を流す。必要に応じて、複数の経路を用いてもよい。以下詳細に説明する。
図２７Ａ〜図２７Ｃは、本発明の第２の実施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す平面図である。データ書込みは、スピン注入を利用した磁壁移動方式で行われる。書込み電流Ｉｗは、ＭＴＪ（磁気トンネル接合部２０）を貫通する方向ではなく、磁化記録層１０内を平面的に、磁壁１２ａ、１２ｂを貫通する方向に流れる。その書込み電流Ｉｗは、第１磁化固定領域１１ｂに接続された電流供給端子（図示されず）、第２磁化固定領域１１ｃに接続された電流供給端子（図示されず）、及び、補助磁化固定領域１１ａ２に接続された電流供給端子（図示されず）のいずれかから磁化記録層１０に供給される。
図２７Ａの左側の図に示すように、第１データ（α１−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第２磁化固定領域１１ｃから、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ及び第１磁壁移動領域１３ａをこの順に通り、第１磁化固定領域１１ｂへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１と逆になる。その結果、第１磁壁移動領域１３ａには、第１磁化固定領域１１ｂからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの境界にある磁壁１２ａを第０磁化固定領域１１ａとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは＋ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ａは、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの境界に移動する。更に、第２磁壁移動領域１３ｂには、第０磁化固定領域１１ａからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界にある磁壁１２ｂを第２磁化固定領域１１ｃとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは−ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ｂは、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの境界に移動する。これにより、図２７Ａの右側の図に示すように、第１データ（α１−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図２７Ｂの左側の図に示すように、第２データ（α２−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第１磁化固定領域１１ｂから、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂをこの順に通り、第２磁化固定領域１１ｃへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ２と逆になる。その結果、第２磁壁移動領域１３ｂには、第２磁化固定領域１１ｃからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第２磁化固定領域１１ｃと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界にある磁壁１２ｂを第０磁化固定領域１１ａとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは＋ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ｂは、第２磁壁移動領域１３ｂと第０磁化固定領域１１ａとの境界に移動する。更に、第１磁壁移動領域１３ａには、第０磁化固定領域１１ａからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第０磁化固定領域１１ａと第１磁壁移動領域１３ａとの境界にある磁壁１２ａを第１磁化固定領域１１ｂとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは−ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ａは、第１磁壁移動領域１３ａと第１磁化固定領域１１ｂとの境界に移動する。これにより、図２７Ｂの右側の図に示すように、第２データ（α２−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図２７Ｃの左側の図に示すように、第３データ（α３−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、補助磁化固定領域１１ａ２から、第０磁化固定領域１１ａ及び第１磁壁移動領域１３ａをこの順に通り、第１磁化固定領域１１ｂへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１と逆になる。その結果、第１磁壁移動領域１３ａには、第１磁化固定領域１１ｂからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの境界にある磁壁１２ａを第０磁化固定領域１１ａとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは＋ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ａは、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの境界に移動する。更に、第２の書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、補助磁化固定領域１１ａ２から、第０磁化固定領域１１ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂをこの順に通り、第２磁化固定領域１１ｃへ流される。その結果、第２磁壁移動領域１３ｂには、第２磁化固定領域１１ｃからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第２磁化固定領域１１ｃと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界にある磁壁１２ｂを第０磁化固定領域１１ａとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは＋ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ｂは、第２磁壁移動領域１３ｂと第０磁化固定領域１１ａとの境界に移動する。これにより、図２７Ｃの右側の図に示すように、第３データ（α３−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
このように、磁化記録層１０内を平面的に流れる書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２によって、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の方向がそれぞれ反転する。そして、その磁化方向の組み合わせとして第１データ〜第３データを書き分け、記憶することができる。このとき、各磁壁移動領域の両側にある磁化固定領域は、互いに反平行な磁化の向きを有し、その磁壁移動領域に対して異なるスピン電子の供給源の役割を果たしている。なお、各磁壁１２は、初めから書き込み終了後の位置にある場合、スピン電子ｅ−の注入に関わらずその状態が維持される。したがって、オーバーライトも可能である。また、図２７Ａ〜図２７Ｃのいずれの場合でも、第１の書込み電流Ｉｗ１及び第２の書込み電流Ｉｗ２は、同時に流してもよいし、タイミングをずらして流してもよいし、順序が逆でもよい。また、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２は磁壁１２ａ、１２ｂを貫通すれば、後はどこを通ってもよい。
５．読出し動作
本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子に対するデータの読出し原理については、図２６に示されるように相対角度が０度と１８０度だけでなく任意の第３の相対角度を用いる他は、第１の実施形態と同様である。したがって、その説明を省略する。
この場合にも、書き込みに必要な比較的大きな電流がＭＴＪを流れることはなく、データを読み出す際に比較的小さな電流をＭＴＪに流すだけでよいので、ＭＴＪの劣化を抑制することが可能である。
６．磁気メモリセル及びＭＲＡＭの構成と動作
図２８は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子が集積化されたメモリセルの構成例を示す回路図である。図２８に示すように、磁気抵抗効果素子１において、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１に接続される端子は、読み出しのためのグラウンド線ＧＬに接続される。磁化記録層１０の補助磁化固定領域１１ａ２、第１磁化固定領域１１ｂ、及び第２磁化固定領域１１ｃに接続される三つの端子は、ＭＯＳトランジスタＴＲａのソース／ドレインの一方、ＭＯＳトランジスタＴＲｂのソース／ドレインの一方、及びＭＯＳトランジスタＴＲｃのソース／ドレインの一方にそれぞれ接続される。また、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、及びＴＲｃのソース／ドレインの他方は、書き込みのためのビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、及びＢＬｃにそれぞれ接続される。更に、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、及びＴＲｃのゲートはワード線ＷＬに接続される。ただし、磁気メモリセルの構成はこの例に限定されるものではない。
図２９は、本発明の第２の実施形態に係るメモリセルが集積化されたＭＲＡＭの構成例を示すブロック図である。図２９において、ＭＲＡＭ９０は、複数のメモリセル８０が行列状に配置されたメモリアレイ９１を具備している。このメモリアレイ９１は、図２８で説明されたデータの記録に用いられるメモリセル８０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８０ｒを含んでいる。図２９の例では、１列分がリファレンスセル８０ｒである。リファレンスセル８０ｒの構造は、メモリセル８０と同じである。この場合、リファレンスセル８０ｒのＭＴＪは、例えば、抵抗値Ｒ０．５を有する。
ワード線ＷＬ及びグランド線ＧＬは、それぞれＸ方向に延在している。ワード線Ｗは、一端をＸ側制御回路９２に接続されている。Ｘ側制御回路９２は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、対象のメモリセル８０につながるワード線ＷＬを選択ワード線ＷＬとして選択する。ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃは、それぞれ、Ｙ方向に延在し、一端をＹ側制御回路９３に接続されている。Ｙ側制御回路９３は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、対象のメモリセル８０につながるビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃを選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃとして選択する。制御回路９４は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、Ｘ側制御回路９２及びＹ側制御回路９３を制御する。
次に、図２９に示されるＭＲＡＭにおける書き込み方法、読み出し方法について説明する。
まず、書き込みを行う場合について説明する。Ｘ側制御回路９２は、選択ワード線ＷＬを選択する。それにより、選択ワード線ＷＬが“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、ＴＲｃが“ＯＮ”になる。また、Ｙ側制御回路９３は、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃを選択する。それにより、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃのいずれかが“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、いずれかが“Ｌｏｗ”レベルにプルダウンされ、いずれかが“Ｏｐｅｎ”（フローティング）にされる。選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃのいずれを“ｈｉｇｈ”、“Ｌｏｗ”、“Ｏｐｅｎ”にするかは、当該磁気抵抗効果素子１に書き込まれるべきデータにより決定される。すなわち、磁化記録層１０に流す書込み電流Ｉｗの方向に応じて決定される。以上により、第１データ〜第３データを書き分けることができる。
次に、読み出しを行う場合について説明する。Ｘ側制御回路９２は、選択ワード線ＷＬを選択する。それにより、選択ワード線ＷＬが“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、ＴＲｃが“ＯＮ”になる。また、Ｙ側制御回路９３は、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃを選択する。それにより、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃのいずれか一つが“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、残り二つが“ｏｐｅｎ”（フローティング）に設定される。このとき選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃの一つから、読み出し電流ＩＲが、例えば、第２磁化固定領域１１ｃ、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ、コンタクト層３０、及び磁気トンネル接合部２０（センス層２３、バリア層２２、及びリファレンス層２１で構成されるＭＴＪ）を経由してグラウンド線ＧＬへと流れる。読み出し電流ＩＲが流されるビット線ＢＬの電位、又は、読み出し電流の大きさは、磁気抵抗効果による磁気抵抗効果素子１（磁気トンネル接合部２０）の抵抗値の変化に依存する。したがって、同様に読み出し電流ＩＲが流されるリファレンスセル８０ｒのリファレンスビット線ＢＬｒの出力と比較して、この抵抗値の変化を電圧信号、又は電流信号として検知することにより高速での読み出しが可能となる。
７．センサ層の位置、８．磁壁の停止方法、９．磁化の固定方法、１０．センサ層の異方性
本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子におけるセンサ層の位置、磁壁の停止方法、磁化の固定方法、及びセンサ層の異方性については、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
１１．変形例
図３０は、本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子のうち磁化記録層の構成の変形例を示す平面図である。図２４の磁化記録層の構成では、第０磁化固定領域１１ａに補助磁化固定領域１１ａ２が接続され、その補助磁化固定領域１１ａ２に電流供給端子５３が接続されている。しかし、本発明はその例に限定されるものではなく、図３０に示すように、補助磁化固定領域１１ａ２を有さず、第０磁化固定領域１１ａに直接に電流供給端子５３が接続されていてもよい。この場合、センサ層２３の磁気異方性は±ｙ方向に向いている必要がある。
その他の構成や動作等は、既述のとおりであるので、その説明を省略する。
この図３０の構成を用いた場合にも、上記実施形態と同様の効果を得ることが出来る。
以上説明したように、本実施形態においても、第１の実施形態における効果と同様の効果を得ることが出来る。すなわち、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である電流駆動磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、磁化固定領域を容易に形成でき、読出しの信頼性が高く、磁壁のピンニングサイトを容易にとなる。また、それに加えて、第０磁化固定領域から電流を供給又は取り出しできるので、磁壁移動領域の磁化の方向の相互関係（組み合わせ）を３種類にすることができる。それにより、磁化記録層に３種類のデータを記憶することができる。すなわち、磁気メモリ素子を多値化することが可能となる。そして、その多値化により、半導体チップにおける単位面積当たりの情報量（データ量）を増加させることが可能となる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、上記Ｎ＝３の場合の磁気メモリセル及びＭＲＡＭについて説明する。
１．磁気メモリ素子の基本構成
図３１Ａは、本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子のうち磁化記録層の構成の一例を示す平面図である。図３１Ｂは、本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成の一例を示す断面図である。ただし、図３１Ｂは図３１ＡのＡＡ’断面である。
本実施形態における磁気メモリ素子１は、磁化記録層１０及び磁気トンネル接合部２０を具備している。ただし、第０磁化固定領域１１ａから延伸する磁壁移動領域及びその先の磁化固定領域の数が３つ（Ｎ＝３）である点で第１の実施形態と異なる。
磁気トンネル接合部２０は、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
磁化記録層１０は、第０磁化固定領域１１ａ、第１磁化固定領域１１ｂ、第２磁化固定領域１１ｃ、及び第３磁化固定領域１１ｄと、第１磁壁移動領域１３ａ、第２磁壁移動領域１３ｂ、及び第３磁壁移動領域１３ｃとを備える。第０磁化固定領域１１ａの側面に、第１磁壁移動領域１３ａ〜第３磁壁移動領域１３ｃがそれぞれ接続されている。第１磁壁移動領域１３ａ〜第３磁壁移動領域１３ｃの外側には、更に、第１磁化固定領域１１ｂ〜第３磁化固定領域１１ｄがそれぞれ接続される。第０磁化固定領域１１ａのｘｙ断面の形状が略正三角形の場合、磁気記録層１０は第０磁化固定領域１１ａに対して回転対称性を有している。
第０磁化固定領域１１ａ〜第３磁化固定領域１１ｄは、磁化の向きが固定され、垂直磁気異方性を有する強磁性領域である。第１磁化固定領域１１ｂ〜第３磁化固定領域１１ｄの磁化の向きは実質的に同一であり、第０磁化固定領域１１ａの磁化の向きは、それと反対である。すなわち、第１磁化固定領域１１ｂ〜第３磁化固定領域１１ｄの磁化は、互いに平行な方向に固定される。第１磁化固定領域１１ｂ〜第３磁化固定領域１１ｄと第０磁化固定領域１１ａとの磁化は、互いに反平行な方向に固定される。なお、ここで第１磁化固定領域１１ｂ〜第３磁化固定領域１１ｄの磁化の向き、及び第０磁化固定領域１１ａの磁化の向きは、磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃを生じさせる機能を果たすことができる向きであればよく、厳密な意味でそれぞれ同一及び反対を意味するものではない。また、この図の例では、第１磁化固定領域１１ｂ〜第３磁化固定領域１１ｄの磁化の向きは＋ｚ方向であり、第０磁化固定領域１１ａの磁化の向きは−ｚ方向である。これら磁化の向きは逆であってもよい。
第１磁化固定領域１１ｂ〜第３磁化固定領域１１ｄは、実質的に同一に形成されていることが好ましい。その理由は、製造プロセスの観点から同一に形成するのが最も容易であるため、及び、後述される書込み動作やデータを保持する場合、その安定性や信頼性の面で対称性の高いことが好ましいからである。ここで、実質的に同一とは、膜厚を含む形状や材料が、製造プロセス上の誤差の範囲で同一ということである。この場合、磁化の固定方法（後述）も同一である。
第１磁化固定領域１１ｂ〜第３磁化固定領域１１ｄは、それらに隣接して、第１のハード層４０がそれぞれ形成されていることが好ましい。第１のハード層４０は第１磁化固定領域１１ｂ〜第３磁化固定領域１１ｄの保磁力を、第０磁化固定領域１１ａ、及び第１磁壁移動領域１３ａ〜第３磁壁移動領域１３ｃの保持力と比較して実効的に大きくし、初期化を容易にすることができる。第１のハード層４０を設けた場合、第１磁化固定領域１１ｂと第１のハード層４０、第２磁化固定領域１１ｃと第１のハード層４０、及び第３磁化固定領域１１ｄと第１のハード層４０それぞれについて、第１のハード層４０をも含めた磁化の固定部分が、上記の意味で実質的に同一であることが好ましい。
第１磁壁移動領域１３ａ〜第３磁壁移動領域１３ｃは、反転可能な磁化を有し、磁壁が移動可能であり、垂直磁気異方性を有する強磁性領域である。従って、第１磁壁移動領域１３ａ〜第３磁壁移動領域１３ｃが取りうる磁化方向の組み合わせは２３＝８通りである。本発明の実施形態においては、このうち、記憶するデータに応じて（−ｚ、＋ｚ、−ｚ）、（＋ｚ、−ｚ、−ｚ）、（−ｚ、−ｚ、＋ｚ）の３つの磁化方向の組み合わせを用いる。
上記の磁気トンネル接合部２０は、第０磁化固定領域１１ａの近傍に設けられている。そして、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１の磁化の向きは、第１磁壁移動領域１３ａ〜第３磁壁移動領域１３ｃの各々が第０磁化固定領域１１ａから延伸する延伸方向とは異なる方向を向いている。この図の例では、リファレンス層２１の磁化の向きは、−ｘ方向を向いている。この向きは、第１磁壁移動領域１３ａ〜第３磁壁移動領域１３ｃの各々の延伸方向からずれている。センサ層２３の磁化の向きについては後述される。
磁気トンネル接合部２０のｘｙ断面形状は、センサ層２３の磁化の向きが第１磁壁移動領域１３ａ、第２磁壁移動領域１３ｂ、及び第３磁壁移動領域１３ｃによる磁化状態を適切に反映可能であれば、特に制限されるものではなく、例えば、正三角形であってもよいし、矩形であってもよい。
その他の磁気メモリ素子１の構成は、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
２．データのメモリ状態
図３２Ａ〜図３２Ｃは、本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成の一例を示す平面図である。本実施形態では、磁化記録層１０は、各磁壁移動領域での磁化の向きの相互関係により、データを保持している。本実施形態における磁気メモリ素子１は、３つの状態を取ることができ、３種類のデータを記憶することができる。ただし、ここでは第０磁化固定領域１１ａの形状を正三角形とする。図３２Ａは例えば第１データを記憶した場合（β１−ｓｔａｔｅ）を示し、図３２Ｂは例えば第２データを記憶した場合（β２−ｓｔａｔｅ）を示し、図３２Ｃは例えば第３データを記憶した場合（β３−ｓｔａｔｅ）を示している。３種類のデータは、任意のデータを対応させることができる。
図３２Ａに示すように、磁化記録層１０が第１データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は−ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は＋ｚ方向に向き、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化は−ｚ方向に向いている（−ｚ、＋ｚ、−ｚ）。それにより、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間、及び、第３磁壁移動領域１３ｃと第３磁化固定域１１ｄとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、第１磁壁移動領域１３ａ及び第３次壁移動領域１３ｃから第２磁壁移動領域１３ｂに向かう磁場Ｈが発生する。この磁場Ｈの向きは、第０磁化固定領域１１ａが正三角形であるので、＋ｘ方向から−ｙ方向へ約３０度ずれた第１方向となる。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第１方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約１２０度となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約１２０度の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第１データ（β１−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
一方、図３２Ｂに示すように、磁化記録層１０が第２データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は＋ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は−ｚ方向に向き、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化は−ｚ方向に向いている（＋ｚ、−ｚ、−ｚ）。それにより、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの間、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの間、及び、第３磁壁移動領域１３ｃと第３磁化固定域１１ｄとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、第２磁壁移動領域１３ｂ及び第３次壁移動領域１３ｃから第１磁壁移動領域１３ａに向かう磁場Ｈが発生する。この磁場Ｈの向きは、−ｘ方向から−ｙ方向へ約３０度ずれた第２方向となる。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第２方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約３０度となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約３０度の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第２データ（β２−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
更に、図３２Ｃに示すように、磁化記録層１０が第３データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は−ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は−ｚ方向に向き、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化は＋ｚ方向に向いている（−ｚ、−ｚ、＋ｚ）。それにより、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの間、及び、第０磁化固定域１１ａと第３磁壁移動領域１３ｃとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２次壁移動領域１３ｂから第３磁壁移動領域１３ｃに向かう磁場Ｈが発生する。この磁場Ｈの向きは、概ね＋ｙ方向である第３方向である。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第２方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が直角に近い角度となる。この図の場合、相対角度は約９０度となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度は約９０度の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第３データ（β３−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
なお、センサ層２３の磁化とリファレンス層２１の磁化との間の相対角度と磁気トンネル接合部２０の抵抗値との関係は、β１−ｓｔａｔｅ〜β３−ｓｔａｔｅでの相対角度がそれぞれ１２０度、３０度、９０度である他は図２６に示したとおりであるので、その説明を省略する。
本実施形態の磁気メモリ素子１は、３値化され、３種類のデータを記憶することができる。なお、リファレンス層２１の向きは、図３２Ａ〜図３２Ｃの場合に限定されるものではなく、センサ層２３の磁化とリファレンス層３０の磁化との相対角度が３種類になれば、他の向きであってもよい。
３．磁化固定領域の初期化方法
本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法については、例えば、第１の実施形態（図６Ａ〜図６Ｃ）と同様に行うことができる。したがって、その説明を省略する。
４．書込み動作
次に、磁気メモリ素子に対するデータの書込み原理を説明する。書込みは、＋ｚ側に磁化を向かせたい磁壁移動領域の側の磁化固定領域から電子を供給し、それ以外の磁化固定領域、例えば−ｚ側に磁化を向かせたい磁壁移動領域の側から電子を引き出す、となるような経路で電流を流す。必要に応じて、複数の経路を用いてもよい。以下詳細に説明する。
図３３Ａ〜図３３Ｃは、本発明の第３の実施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す平面図である。データ書込みは、スピン注入を利用した磁壁移動方式で行われる。書込み電流Ｉｗは、ＭＴＪ（磁気トンネル接合部２０）を貫通する方向ではなく、磁化記録層１０内を平面的に、磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃを貫通する方向に流れる。その書込み電流Ｉｗは、第１磁化固定領域１１ｂに接続された電流供給端子（図示されず）、第２磁化固定領域１１ｃに接続された電流供給端子（図示されず）、及び、第３磁化固定領域１１ｄに接続された電流供給端子（図示されず）のいずれかから磁化記録層１０に供給される。
図３３Ａの左側の図に示すように、第１データ（β１−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第１磁化固定領域１１ｂから、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂをこの順に通り、第２磁化固定領域１１ｃへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１と逆になる。その結果、第２磁壁移動領域１３ｂには、第２磁化固定領域１１ｃからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第２磁化固定領域１１ｃと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界にある磁壁１２ｂを第０磁化固定領域１１ａとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは＋ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ｂは、第２磁壁移動領域１３ｂと第０磁化固定領域１１ａとの境界に移動する。更に、第１磁壁移動領域１３ａには、第０磁化固定領域１１ａからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第０磁化固定領域１１ａと第１磁壁移動領域１３ａとの境界にある磁壁１２ａを第１磁化固定領域１１ｂとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは−ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ａは、第１磁壁移動領域１３ａと第１磁化固定領域１１ｂとの境界に移動する。
加えて、第２の書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第３磁化固定領域１１ｄから、第３磁壁移動領域１３ｃ、第０磁化固定領域１１ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂをこの順に通り、第２磁化固定領域１１ｃへ流される。その結果、第３磁壁移動領域１３ｃには、第０磁化固定領域１１ａからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第０磁化固定領域１１ａと第３磁壁移動領域１３ｃとの境界にある磁壁１２ｃを第３磁化固定領域１１ｄとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは−ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ｃは、第３磁壁移動領域１３ｃと第３磁化固定領域１１ｄとの境界に移動する。これにより、図３３Ａの右側の図に示すように、第１データ（β１−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図３３Ｂの左側の図に示すように、第２データ（β２−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第２磁化固定領域１１ｃから、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ及び第１磁壁移動領域１３ａをこの順に通り、第１磁化固定領域１１ｂへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１と逆になる。その結果、第１磁壁移動領域１３ａには、第１磁化固定領域１１ｂからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの境界にある磁壁１２ａを第０磁化固定領域１１ａとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは＋ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ａは、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの境界に移動する。更に、第２磁壁移動領域１３ｂには、第０磁化固定領域１１ａからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界にある磁壁１２ｂを第２磁化固定領域１１ｃとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは−ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ｂは、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの境界に移動する。
更に、第２の書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第３磁化固定領域１１ｄから、第３磁壁移動領域１３ｃ、第０磁化固定領域１１ａ及び第１磁壁移動領域１３ａをこの順に通り、第１磁化固定領域１１ｂへ流される。その結果、第３磁壁移動領域１３ｃには、第０磁化固定領域１１ａからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第０磁化固定領域１１ａと第３磁壁移動領域１３ｃとの境界にある磁壁１２ｃを第３磁化固定領域１１ｄとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは−ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ｃは、第３磁壁移動領域１３ｃと第３磁化固定領域１１ｄとの境界に移動する。これにより、図３３Ｂの右側の図に示すように、第２データ（β２−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図３３Ｃの左側の図に示すように、第３データ（β３−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第２磁化固定領域１１ｃから、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ及び第３磁壁移動領域１３ｃをこの順に通り、第３磁化固定領域１１ｄへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１と逆になる。その結果、第３磁壁移動領域１３ｃには、第３磁化固定領域１１ｄからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第３磁化固定領域１１ｄと第３磁壁移動領域１３ｃとの境界にある磁壁１２ｃを第０磁化固定領域１１ａとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは＋ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ｃは、第３磁壁移動領域１３ｃと第０磁化固定領域１１ａとの境界に移動する。更に、第２磁壁移動領域１３ｂには、第０磁化固定領域１１ａからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界にある磁壁１２ｂを第２磁化固定領域１１ｃとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは−ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ｂは、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの境界に移動する。
更に、第２の書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第１磁化固定領域１１ｂから、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ及び第３磁壁移動領域１３ｃをこの順に通り、第３磁化固定領域１１ｄへ流される。その結果、第１磁壁移動領域１３ａには、第０磁化固定領域１１ａからスピン電子ｅ−が注入される。注入された電子ｅ−のスピンは、第０磁化固定領域１１ａと第１磁壁移動領域１３ａとの境界にある磁壁１２ａを第１磁化固定領域１１ｂとの境界に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは−ｚ方向へ反転する。そして、磁壁１２ａは、第１磁壁移動領域１３ａと第１磁化固定領域１１ｂとの境界に移動する。これにより、図３３Ｃの右側の図に示すように、第３データ（β３−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
このように、磁化記録層１０内を平面的に流れる書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２によって、第１磁壁移動領域１３ａ〜第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の方向がそれぞれ反転する。そして、その磁化方向の組み合わせとして第１データから第３データを書き分け、記憶している。このとき、各磁壁移動領域の両側にある磁化固定領域は、互いに反平行な磁化の向きを有し、その磁壁移動領域に対して異なるスピン電子の供給源の役割を果たしている。なお、各磁壁１２は、初めから書き込み終了後の位置にある場合、スピン電子ｅ−の注入に関わらずその状態が維持される。したがって、オーバーライトも可能である。また、図３３Ａ〜図３３Ｃのいずれの場合でも、第１の書込み電流Ｉｗ１及び第２の書込み電流Ｉｗ２は、同時に流してもよいし、タイミングをずらして流してもよいし、順序が逆でもよい。また、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２は磁壁１２ａ、１２ｂを貫通すれば、後はどこを通ってもよい。
５．読出し動作
本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子に対するデータの読出し原理については、図２６に示される範囲内の相対角度のうち３０度、９０度、及び１２０度を用いる他は、第１の実施形態と同様である。したがって、その説明を省略する。
この場合にも、書き込みに必要な比較的大きな電流がＭＴＪを流れることはなく、データを読み出す際に比較的小さな電流をＭＴＪに流すだけでよいので、ＭＴＪの劣化を抑制することが可能である。
６．磁気メモリセル及びＭＲＡＭの構成と動作
本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリセル及びＭＲＡＭの構成と動作については、第２の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
７．センサ層の位置、８．磁壁の停止方法、９．磁化の固定方法、１０．センサ層の異方性
本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子におけるセンサ層の位置、磁壁の停止方法、磁化の固定方法、及びセンサ層の異方性については、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
以上説明したように、本実施形態においても、第２の実施形態における効果と同様の効果を得ることが出来る。すなわち、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である電流駆動磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、磁化固定領域を容易に形成でき、読出しの信頼性が高く、磁壁のピンニングサイトを容易にとなる。そして、それに加えて、磁化記録層に３種類のデータを記憶する多値化が実現でき、半導体チップにおける単位面積当たりの情報量（データ量）を増加させることが可能となる。
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、上記Ｎ＝３の場合の磁気メモリセル及びＭＲＡＭについて説明する。
１．磁気メモリ素子の基本構成
図３４Ａは、本発明の第４の実施形態に係る磁気メモリ素子のうち磁化記録層の構成の一例を示す平面図である。図３４Ｂは、本発明の第４の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成の一例を示す断面図である。ただし、図３４Ｂは図３４ＡのＢＢ’断面である。
本実施形態における磁気メモリ素子１は、磁化記録層１０及び磁気トンネル接合部２０を具備している。ただし、第３の実施形態と同様に、第０磁化固定領域１１ａから延伸する磁壁移動領域及びその先の磁化固定領域の数が３つ（Ｎ＝３）である、という点で第１の実施形態と異なる。
本実施の形態では、磁化固定領域の数が３つ（Ｎ＝３）のＴ字型の磁気メモリ素子１を用いた場合について説明する。ただし、磁化固定領域の数が３つ（Ｎ＝３）であって、リファレンス層２１の磁化方向が後述の条件を満たすものであれば、例えば第３の実施の形態に記載のＹ型三叉路構造のような他の三叉路構造を用いても実施することが可能である。
本実施形態では、更に多値化の機能を高めるために、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１の磁化方向が＋ｙ方向から少しずれた方向となっている。図３５は、本発明の第４の実施形態に係るリファレンス層の磁化の向きと磁壁移動領域による合成磁界の向きとの関係を示す概念図である。後述されるように、磁気記録層１０はγ１−ｓｔａｔｅ〜γ６−ｓｔａｔｅの６種類の状態を取り得る。そのときの、第１磁壁移動領域１３ａ〜第３磁壁移動領域１３ｃによる合成磁界の向きは、図示される６種類の向き（図中、γ１〜γ６の実線矢印で表示）となる。したがって、磁気トンネル接合部２０のセンサ層２３の磁化の向きは、この６種類の向きとなる。ここで、リファレンス層２１の磁化の向き２１ｍ（図中、破線矢印で表示）を、＋ｙ方向から少し（約θ１）ずれた向きに設定しておく。そうすると、リファレンス層２１の磁化の向２１ｍとセンサ層２３の磁化の向き（γ１〜γ６）とは、その相対角度がθ１〜θ６（θ１＜θ２＜θ３＜θ４＜θ５＜θ６）の６種類とすることができる。したがって、この６種類の相対角度に６種類のデータを対応付ければ、上記の図２６で示すように、本実施形態における磁気メモリ素子を６値に多値化することができる。
その他の磁気メモリ素子１の構成については、第３の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
２．データのメモリ状態
図３６Ａ〜図３６Ｆは、本発明の第４の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成の一例を示す平面図である。本実施形態では、磁化記録層１０は、各磁壁移動領域での磁化の向きの相互関係により、データを保持している。本実施形態における磁気メモリ素子１は、６つの状態を取ることができ、６種類のデータを記憶することができる。ただし、ここでは第０磁化固定領域１１ａの形状を正方形とする。図３６Ａ〜図３６Ｆは、例えば第１データを記憶した場合（γ１−ｓｔａｔｅ）〜第６データを記憶した状態（γ６−ｓｔａｔｅ）をそれぞれ示している。６種類のデータは、任意のデータを対応させることができる。
図３６Ａに示すように、磁化記録層１０が第１データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は−ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は−ｚ方向に向き、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化は＋ｚ方向に向いている（−ｚ、−ｚ、＋ｚ）。それにより、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの間、及び、第０磁化固定域１１ａと第３磁壁移動領域１３ｃとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、＋ｙ方向としての第１方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第１方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約θ１（図３５）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約θ１の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第１データ（γ１−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図３６Ｂに示すように、磁化記録層１０が第２データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は−ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は＋ｚ方向に向き、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化は＋ｚ方向に向いている（−ｚ、＋ｚ、＋ｚ）。それにより、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間、及び、第０磁化固定域１１ａと第３磁壁移動領域１３ｃとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、＋ｘ方向から＋ｙ方向に約３０度だけずれた第２方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第２方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約θ２（図３５）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約θ２の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第２データ（γ２−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図３６Ｃに示すように、磁化記録層１０が第３データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は＋ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は−ｚ方向に向き、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化は＋ｚ方向に向いている（＋ｚ、−ｚ、＋ｚ）。それにより、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの間、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの間、及び、第０磁化固定域１１ａと第３磁壁移動領域１３ｃとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、−ｘ方向から＋ｙ方向に約３０度だけずれた第３方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第３方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約θ３（図３５）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約θ３の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第３データ（γ３−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図３６Ｄに示すように、磁化記録層１０が第４データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は−ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は＋ｚ方向に向き、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化は−ｚ方向に向いている（−ｚ、＋ｚ、−ｚ）。それにより、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間、及び、第３磁壁移動領域１３ｃと第３磁化固定域１１ｄとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、＋ｘ方向から−ｙ方向に約３０度だけずれた第４方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第４方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約θ４（図３５）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約θ４の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第４データ（γ４−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図３６Ｅに示すように、磁化記録層１０が第５データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は＋ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は−ｚ方向に向き、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化は−ｚ方向に向いている（＋ｚ、−ｚ、−ｚ）。それにより、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの間、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの間、及び、第３磁壁移動領域１３ｃと第３磁化固定域１１ｄとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、−ｘ方向から−ｙ方向に約３０度だけずれた第５方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第５方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約θ５（図３５）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約θ５の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第５データ（γ５−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図３６Ｆに示すように、磁化記録層１０が第６データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は＋ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は＋ｚ方向に向き、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化は−ｚ方向に向いている（＋ｚ、＋ｚ、−ｚ）。それにより、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの間、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間、及び、第３磁壁移動領域１３ｃと第３磁化固定域１１ｄとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、−ｙ方向としての第６方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第６方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約θ６（図３５）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約θ６の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第６データ（γ６−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
なお、センサ層２３の磁化とリファレンス層２１の磁化との間の相対角度と磁気トンネル接合部２０の抵抗値との関係は、γ１−ｓｔａｔｅ〜γ６−ｓｔａｔｅでの相対角度がそれぞれθ１〜θ６である他は図２６に示したとおりであるので、その説明を省略する。
本実施形態の磁気メモリ素子１は、６値化され、６種類のデータを記憶することができる。なお、リファレンス層２１の向きは、図３６Ａ〜図３６Ｆの場合に限定されるものではなく、センサ層２３の磁化とリファレンス層３０の磁化との相対角度が６種類になれば、他の向きであってもよい。
３．磁化固定領域の初期化方法
本発明の第４の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法については、例えば、第１の実施形態（図６Ａ〜図６Ｃ）と同様に行うことができる。したがって、その説明を省略する。
４．書込み動作
次に、磁気メモリ素子に対するデータの書込み原理を説明する。本実施形態におけるデータの書込み原理、基本的には、第３の実施形態と同様である。すなわち、＋ｚ側に磁化を向かせたい磁壁移動領域の側から電子を供給し、−ｚ側に磁化を向かせたい磁壁移動領域の側から電子を引き出す、となるような経路で電流を流す。必要に応じて、複数の経路を用いる。ただし、γ１−ｓｔａｔｅ〜γ６−ｓｔａｔｅにおける第１、第２、第３磁壁移動領域１３ａ、１３ｂ、１３の磁化の向きの組み合わせに対応して、書込み電流の供給先及び引き出し先の組み合わせが異なっている。以下、詳細に説明する。
図３７Ａ〜図３７Ｆは、本発明の第４の実施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す平面図である。データ書込みは、スピン注入を利用した磁壁移動方式で行われる。書込み電流Ｉｗは、ＭＴＪ（磁気トンネル接合部２０）を貫通する方向ではなく、磁化記録層１０内を平面的に、磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃを貫通する方向に流れる。その書込み電流Ｉｗは、第１磁化固定領域１１ｂに接続された電流供給端子（図示されず）、第２磁化固定領域１１ｃに接続された電流供給端子（図示されず）、及び、第３磁化固定領域１１ｄに接続された電流供給端子（図示されず）のいずれかから磁化記録層１０に供給される。
図３７Ａの左側の図に示すように、第１データ（γ１−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第１磁化固定領域１１ｂから、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ及び第３磁壁移動領域１３ｃをこの順に通り、第３磁化固定領域１１ｄへ流される。加えて、第２の書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第２磁化固定領域１１ｃから、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ及び第３磁壁移動領域１３ｃをこの順に通り、第３磁化固定領域１１ｄへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２と逆になる。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは−ｚ方向へ、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは−ｚ方向へ、及び第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは＋ｚ方向へそれぞれ反転する。そして、磁壁１２ａは第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの境界に、磁壁１２ｂは第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの境界に、磁壁１２ｃは第３磁壁移動領域１３ｃと第０磁化固定領域１１ａとの境界にそれぞれ移動する。これにより、図３７Ａの右側の図に示すように、第１データ（γ１−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図３７Ｂの左側の図に示すように、第２データ（γ２−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第１磁化固定領域１１ｂから、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂをこの順に通り、第２磁化固定領域１１ｃへ流される。加えて、第２の書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第１磁化固定領域１１ｂから、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ及び第３磁壁移動領域１３ｃをこの順に通り、第３磁化固定領域１１ｄへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２と逆になる。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは−ｚ方向へ、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは＋ｚ方向へ、及び第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは＋ｚ方向へそれぞれ反転する。そして、磁壁１２ａは第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの境界に、磁壁１２ｂは第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界に、磁壁１２ｃは第３磁壁移動領域１３ｃと第０磁化固定領域１１ａとの境界にそれぞれ移動する。これにより、図３７Ｂの右側の図に示すように、第２データ（γ２−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図３７Ｃの左側の図に示すように、第３データ（γ３−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第２磁化固定領域１１ｃから、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ及び第１磁壁移動領域１３ａをこの順に通り、第１磁化固定領域１１ｂへ流される。加えて、第２の書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第２磁化固定領域１１ｃから、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ及び第３磁壁移動領域１３ｃをこの順に通り、第３磁化固定領域１１ｄへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２と逆になる。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは＋ｚ方向へ、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは−ｚ方向へ、及び第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは＋ｚ方向へそれぞれ反転する。そして、磁壁１２ａは第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｂは第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの境界に、磁壁１２ｃは第３磁壁移動領域１３ｃと第０磁化固定領域１１ａとの境界にそれぞれ移動する。これにより、図３７Ｃの右側の図に示すように、第３データ（γ３−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図３７Ｄの左側の図に示すように、第４データ（γ４−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第１磁化固定領域１１ｂから、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂをこの順に通り、第２磁化固定領域１１ｃへ流される。加えて、第２の書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第３磁化固定領域１１ｄから、第３磁壁移動領域１３ｃ、第０磁化固定領域１１ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂをこの順に通り、第２磁化固定領域１１ｃへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２と逆になる。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは−ｚ方向へ、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは＋ｚ方向へ、及び第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは−ｚ方向へそれぞれ反転する。そして、磁壁１２ａは第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの境界に、磁壁１２ｂは第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界に、磁壁１２ｃは第３磁化固定領域１１ｄと第３磁壁移動領域１３ｃとの境界にそれぞれ移動する。これにより、図３７Ｄの右側の図に示すように、第４データ（γ４−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図３７Ｅの左側の図に示すように、第５データ（γ５−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第２磁化固定領域１１ｃから、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ及び第１磁壁移動領域１３ａをこの順に通り、第１磁化固定領域１１ｂへ流される。加えて、第２の書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第３磁化固定領域１１ｄから、第３磁壁移動領域１３ｃ、第０磁化固定領域１１ａ及び第１磁壁移動領域１３ａをこの順に通り、第１磁化固定領域１１ｂへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２と逆になる。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは＋ｚ方向へ、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは−ｚ方向へ、及び第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは−ｚ方向へそれぞれ反転する。そして、磁壁１２ａは第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｂは第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの境界に、磁壁１２ｃは第３磁化固定領域１１ｄと第３磁壁移動領域１３ｃとの境界にそれぞれ移動する。これにより、図３７Ｅの右側の図に示すように、第５データ（γ５−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図３７Ｆの左側の図に示すように、第６データ（γ６−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第３磁化固定領域１１ｄから、第３磁壁移動領域１３ｃ、第０磁化固定領域１１ａ及び第１磁壁移動領域１３ａをこの順に通り、第１磁化固定領域１１ｂへ流される。加えて、第２の書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第３磁化固定領域１１ｄから、第３磁壁移動領域１３ｃ、第０磁化固定領域１１ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂをこの順に通り、第２磁化固定領域１１ｃへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２と逆になる。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは＋ｚ方向へ、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは＋ｚ方向へ、及び第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは−ｚ方向へそれぞれ反転する。そして、磁壁１２ａは第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｂは第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界に、磁壁１２ｃは第３磁化固定領域１１ｄと第３磁壁移動領域１３ｃとの境界にそれぞれ移動する。これにより、図３７Ｆの右側の図に示すように、第６データ（γ６−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
このように、磁化記録層１０内を平面的に流れる書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２によって、第１磁壁移動領域１３ａ〜第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の方向がそれぞれ反転する。そして、その磁化方向の組み合わせとして第１データ〜第６データを書き分け、記憶している。このとき、各磁壁移動領域の両側にある磁化固定領域は、互いに反平行な磁化の向きを有し、その磁壁移動領域に対して異なるスピン電子の供給源の役割を果たしている。なお、各磁壁１２は、初めから書き込み終了後の位置にある場合、スピン電子ｅ−の注入に関わらずその状態が維持される。したがって、オーバーライトも可能である。また、図３７Ａ〜図３７Ｆのいずれの場合でも、第１の書込み電流Ｉｗ１及び第２の書込み電流Ｉｗ２は、同時に流してもよいし、タイミングをずらして流してもよいし、順序が逆でもよい。また、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２は磁壁１２ａ、１２ｂを貫通すれば、後はどこを通ってもよい。
５．読出し動作
本発明の第４の実施形態に係る磁気メモリ素子に対するデータの読出し原理については、図２６に示される範囲内の相対角度のうちθ１〜θ６を用いる他は、第１の実施形態と同様である。したがって、その説明を省略する。
６．磁気メモリセル及びＭＲＡＭの構成と動作
本発明の第４の実施形態に係る磁気メモリセル及びＭＲＡＭの構成と動作については、第３の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
７．センサ層の位置、８．磁壁の停止方法、９．磁化の固定方法、１０．センサ層の異方性
本発明の第４の実施形態に係る磁気メモリ素子におけるセンサ層の位置、磁壁の停止方法、磁化の固定方法、及びセンサ層の異方性については、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
以上説明したように、本実施の形態においても、第３の実施形態における効果と同様の効果を得ることが出来る。すなわち、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である電流駆動磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、磁化固定領域を容易に形成でき、読出しの信頼性が高く、磁壁のピンニングサイトを容易にとなる。そして、それに加えて、磁化記録層に６種類のデータを記憶する多値化が実現でき、半導体チップにおける単位面積当たりの情報量（データ量）を増加させることが可能となる。
（第５の実施形態）
第５の実施形態では、上記Ｎ＝４の場合の磁気メモリセル及びＭＲＡＭについて説明する。
１．磁気メモリ素子の基本構成
図３８Ａは、本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子のうち磁化記録層の構成の一例を示す平面図である。図３８Ｂは、本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成の一例を示す断面図である。ただし、図３８Ｂは図３８ＡのＣＣ’断面である。
本実施形態における磁気メモリ素子１は、磁化記録層１０及び磁気トンネル接合部２０を具備している。ただし、第０磁化固定領域１１ａから延伸する磁壁移動領域及びその先の磁化固定領域の数が４つ（Ｎ＝４）である点で第１の実施形態と異なる。
磁気トンネル接合部２０は、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
磁化記録層１０は、第０磁化固定領域１１ａ、第１磁化固定領域１１ｂ、第２磁化固定領域１１ｃ、第３磁化固定領域１１ｄ、及び第４磁化固定領域１１ｅと、第１磁壁移動領域１３ａ、第２磁壁移動領域１３ｂ、第３磁壁移動領域１３ｃ、及び第４磁壁移動領域１３ｄとを備える。第０磁化固定領域１１ａの側面には、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄがそれぞれ接続されている。更に、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの外側には、第１磁化固定領域１１ｂ〜第４磁化固定領域１１ｅがそれぞれ接続される。第０磁化固定領域１１ａのｘｙ断面の形状が略正方形の場合、磁気記録層１０は第０磁化固定領域１１ａに対して回転対称性を有している。
第０磁化固定領域１１ａ〜第４磁化固定領域１１ｅは、磁化の向きが固定され、垂直磁気異方性を有する強磁性領域である。第１磁化固定領域１１ｂ〜第４磁化固定領域１１ｅの磁化の向きは実質的に同一であり、第０磁化固定領域１１ａの磁化の向きは、それと反対である。すなわち、第１磁化固定領域１１ｂ〜第４磁化固定領域１１ｅの磁化は、互いに平行な方向に固定される。第１磁化固定領域１１ｂ〜第４磁化固定領域１１ｅと第０磁化固定領域１１ａとの磁化は、互いに反平行な方向に固定される。なお、ここで第１磁化固定領域１１ｂ〜第４磁化固定領域１１ｅの磁化の向き、及び第０磁化固定領域１１ａの磁化の向きは、磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを生じさせる機能を果たすことができる向きであればよく、厳密な意味でそれぞれ同一及び反対を意味するものではない。また、この図の例では、第１磁化固定領域１１ｂ〜第４磁化固定領域１１ｅの磁化の向きは＋ｚ方向であり、第０磁化固定領域１１ａの磁化の向きは−ｚ方向である。これら磁化の向きは逆であってもよい。
第１磁化固定領域１１ｂ〜第４磁化固定領域１１ｅとは、実質的に同一に形成されていることが好ましい。その理由は、製造プロセスの観点から同一に形成するのが最も容易であるため、及び、後述される書込み動作やデータを保持する場合、その安定性や信頼性の面で対称性の高いことが好ましいからである。ここで、実質的に同一とは、膜厚を含む形状や材料が、製造プロセス上の誤差の範囲で同一ということである。この場合、磁化の固定方法（後述）も同一である。
第１磁化固定領域１１ｂ〜第４磁化固定領域１１ｅは、それらに隣接して、第１のハード層４０がそれぞれ形成されている。第１のハード層４０は第１磁化固定領域１１ｂ〜第４磁化固定領域１１ｅの保磁力を、第０磁化固定領域１１ａ、及び第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの保持力と比較して実効的に大きくし、初期化を容易にすることができる。第１のハード層４０を設けた場合、第１磁化固定領域１１ｂと第１のハード層４０、第２磁化固定領域１１ｃと第１のハード層４０、第３磁化固定領域１１ｄと第１のハード層４０、及び第４磁化固定領域１１ｅと第１のハード層４０のそれぞれについて、第１のハード層４０をも含めた磁化の固定部分が、上記の意味で実質的に同一であることが好ましい。
第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄは、反転可能な磁化を有し、磁壁が移動可能であり、垂直磁気異方性を有する強磁性領域である。従って、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄが取りうる磁化方向の組み合わせは２４＝１６通りである。本発明の実施形態においては、このうち、記憶するデータに応じて（＋ｚ、−ｚ、＊、＊）、（＋ｚ、−ｚ、＋ｚ、−ｚ）、（＋ｚ、−ｚ、−ｚ、＋ｚ）、（＊、＊、＋ｚ、−ｚ）、（＊、＊、−ｚ、＋ｚ）、（−ｚ、＋ｚ、＋ｚ、−ｚ）、（−ｚ、＋ｚ、−ｚ、＋ｚ）、（−ｚ、＋ｚ、＊、＊）の８つの磁化方向の組み合わせを用いる。ただし、“＊（方向）”は＋ｚ（方向）及び−ｚ（方向）のいずれでもよいが同じ方向を示す。以下、本明細書に置いて同じである。
上記の磁気トンネル接合部２０は、第０磁化固定領域１１ａの近傍に設けられている。ただし、本実施形態では、多値化の機能を高めるために、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１の磁化方向が−ｘ方向から少しずれた方向となっている。図３９は、本発明の第５の実施形態に係るリファレンス層の磁化の向きと磁壁移動領域による合成磁界の向きとの関係を示す概念図である。後述されるように、磁気記録層１０はδ１−ｓｔａｔｅ〜δ８−ｓｔａｔｅの８種類の状態を取り得る。そのとき、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄによる合成磁界の向きは、図示される８種類の向き（図中、δ１〜δ８の実線矢印で表示）となる。したがって、磁気トンネル接合部２０のセンサ層２３の磁化の向きは、この８種類の向きとなる。ここで、リファレンス層２１の磁化の向き２１ｍ（図中、破線矢印で表示）を、−ｘ方向から少し（約φ１）ずれた向きに設定しておく。そうすると、リファレンス層２１の磁化の向２１ｍとセンサ層２３の磁化の向き（δ１〜δ８）とは、その相対角度がφ１〜φ８（φ１＜φ２＜φ３＜φ４＜φ５＜φ６＜φ７＜φ８）の８種類とすることができる。したがって、この８種類の相対角度に８種類のデータを対応付ければ、上記の図２６で示すように、本実施形態における磁気メモリ素子を８値に多値化することができる。
その他の磁気メモリ素子１の構成については、第４の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
２．データのメモリ状態
図４０Ａ〜図４０Ｈは、本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成の一例を示す平面図である。本実施形態では、磁化記録層１０は、各磁壁移動領域での磁化の向きの相互関係により、データを保持している。本実施形態における磁気メモリ素子１は、８つの状態を取ることができ、８種類のデータを記憶することができる。ただし、ここでは第０磁化固定領域１１ａの形状を正方形とする。図４０Ａ〜図４０Ｈは、例えば第１データを記憶した場合（δ１−ｓｔａｔｅ）〜第８データを記憶した状態（δ８−ｓｔａｔｅ）をそれぞれ示している。８種類のデータは、任意のデータを対応させることができる。
図４０Ａに示すように、磁化記録層１０が第１データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの磁化は、それぞれ＋ｚ方向、−ｚ方向、＊方向、＊方向に向いている（＋ｚ、−ｚ、＊、＊）。それにより、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの間、及び、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂが形成される。ここで、例えば、＊方向を−ｚ方向とすれば、第３磁化固定域１１ｄと第３磁壁移動領域１３ｃとの間、及び、第４磁化固定域１１ｅと第４磁壁移動領域１３ｄとの間に、それぞれ磁壁１２ｃ、１２ｄ（図示されず）が形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、−ｘ方向としての第１方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第１方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約φ１（図３９）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約φ１の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第１データ（δ１−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図４０Ｂに示すように、磁化記録層１０が第２データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの磁化は、それぞれ＋ｚ方向、−ｚ方向、＋ｚ方向、−ｚ方向に向いている（＋ｚ、−ｚ、＋ｚ、−ｚ）。それにより、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの間、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの間、第０磁化固定域１１ａと第３磁壁移動領域１３ｃとの間、及び、第４磁壁移動領域１３ｄと第４磁化固定域１１ｅとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、−ｘ方向から＋ｙ方向に約４５度ずれた第２方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第２方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約φ２（図３９）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約φ２の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第２データ（δ２−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図４０Ｃに示すように、磁化記録層１０が第３データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの磁化は、それぞれ＋ｚ方向、−ｚ方向、−ｚ方向、＋ｚ方向に向いている（＋ｚ、−ｚ、−ｚ、＋ｚ）。それにより、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの間、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの間、第３磁化固定域１１ｄと第３磁壁移動領域１３ｃとの間、及び、第４磁壁移動領域１３ｄと第０磁化固定域１１ａとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、−ｘ方向から−ｙ方向に約４５度ずれた第３方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第３方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約φ３（図３９）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約φ３の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第３データ（δ３−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図４０Ｄに示すように、磁化記録層１０が第４データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの磁化は、それぞれ＊方向、＊方向、＋ｚ方向、−ｚ方向に向いている（＊、＊、＋ｚ、−ｚ）。それにより、第３磁壁移動領域１３ｃと第０磁化固定領域１１ａとの間、第４磁壁移動領域１３ｄと第４磁化固定領域１１ｅとの間に、それぞれ磁壁１２ｃ、１２ｄが形成される。ここで、例えば、＊方向を−ｚ方向とすれば、第１磁化固定域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、及び、第２磁化固定域１１ｃと第２磁壁移動領域１３ｂとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ（図示されず）が形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、＋ｙ方向としての第４方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第４方向に向く。すなわち、磁化記録層１０に記憶されたデータが、センサ層２３に反映される。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約φ４（図３９）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約φ４の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第４データ（δ４−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図４０Ｅに示すように、磁化記録層１０が第５データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの磁化は、それぞれ＊方向、＊方向、−ｚ方向、＋ｚ方向に向いている（＊、＊、−ｚ、＋ｚ）。それにより、第３磁化固定領域１１ｄと第３磁壁移動領域１３ｃとの間、第０磁化固定領域１１ａと第４磁壁移動領域１３ｄとの間に、それぞれ磁壁１２ｃ、１２ｄが形成される。ここで、例えば、＊方向を−ｚ方向とすれば、第１磁化固定域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、及び、第２磁化固定域１１ｃと第２磁壁移動領域１３ｂとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ（図示されず）が形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、−ｙ方向としての第５方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第５方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約φ５（図３９）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約φ５の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第５データ（δ５−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図４０Ｆに示すように、磁化記録層１０が第６データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａ〜４磁壁移動領域１３ｄの磁化は、それぞれ−ｚ方向、＋ｚ方向、＋ｚ方向、−ｚ方向に向いている（−ｚ、＋ｚ、＋ｚ、−ｚ）。それにより、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間、第０磁化固定域１１ａと第３磁壁移動領域１３ｃとの間、及び、第４磁壁移動領域１３ｄと第４磁化固定域１１ｅとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、＋ｘ方向から＋ｙ方向に約４５度ずれた第６方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第６方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約φ６（図３９）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約φ６の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第６データ（δ６−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図４０Ｇに示すように、磁化記録層１０が第７データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａ〜４磁壁移動領域１３ｄの磁化は、それぞれ−ｚ方向、＋ｚ方向、−ｚ方向、＋ｚ方向に向いている（−ｚ、＋ｚ、−ｚ、＋ｚ）。それにより、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間、第３磁化固定域１１ｄと第３磁壁移動領域１３ｃとの間、及び、第０磁化固定域１１ａと第４磁壁移動領域１３ｄとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、＋ｘ方向から−ｙ方向に約４５度ずれた第７方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第７方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約φ７（図３９）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約φ７の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第７データ（δ７−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図４０Ｈに示すように、磁化記録層１０が第８データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの磁化は、それぞれ−ｚ方向、＋ｚ方向、＊方向、＊方向に向いている（−ｚ、＋ｚ、＊、＊）。それにより、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、及び、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂが形成される。ここで、例えば、＊方向を−ｚ方向とすれば、第３磁化固定域１１ｄと第３磁壁移動領域１３ｃとの間、及び、第４磁化固定域１１ｅと第４磁壁移動領域１３ｄとの間に、それぞれ磁壁１２ｃ、１２ｄ（図示されず）が形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、＋ｘ方向としての第８方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第８方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約φ８（図３９）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約φ８の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第８データ（δ８−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
なお、センサ層２３の磁化とリファレンス層２１の磁化との間の相対角度と磁気トンネル接合部２０の抵抗値との関係は、δ１−ｓｔａｔｅ〜δ８−ｓｔａｔｅでの相対角度がそれぞれφ１〜φ８である他は図２６に示したとおりであるので、その説明を省略する。
本実施形態の磁気メモリ素子１は、８値化され、８種類のデータを記憶することができる。なお、リファレンス層２１の向きは、図４０Ａ〜図４０Ｈの場合に限定されるものではなく、センサ層２３の磁化とリファレンス層３０の磁化との相対角度が８種類になれば、他の向きであってもよい。
３．磁化固定領域の初期化方法
本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法については、例えば、第１の実施形態（図６Ａ〜図６Ｃ）と同様に行うことができる。したがって、その説明を省略する。
４．書込み動作
次に、磁気メモリ素子に対するデータの書込み原理を説明する。本実施形態におけるデータの書込み原理、基本的には、第４の実施形態と同様である。すなわち、＋ｚ側に磁化を向かせたい磁壁移動領域の側から電子を供給し、−ｚ側に磁化を向かせたい磁壁移動領域の側から電子を引き出す、となるような経路で電流を流す。必要に応じて、複数の経路を用いる。ただし、δ１−ｓｔａｔｅ〜δ８−ｓｔａｔｅにおける第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの磁化の向きの組み合わせに対応して、書込み電流の供給先及び引き出し先の組み合わせが異なっている。なお、以下の説明では、＊方向を−ｚ方向とする。
図４１Ａ〜図４１Ｈは、本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子に対するデータ書込み原理を示す平面図である。データ書込みは、スピン注入を利用した磁壁移動方式で行われる。書込み電流Ｉｗは、ＭＴＪ（磁気トンネル接合部２０）を貫通する方向ではなく、磁化記録層１０内を平面的に、磁壁を貫通する方向に流れる。その書込み電流Ｉｗは、第１磁化固定領域１１ｂ〜第４磁化固定領域に接続された電流供給端子（図示されず）のいずれかから磁化記録層１０に供給される。
図４１Ａの左側の図に示すように、第１データ（δ１−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第２磁化固定領域１１ｃから、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ及び第１磁壁移動領域１３ａをこの順に通り、第１磁化固定領域１１ｂへ流される。加えて、例えば、第２の書込み電流Ｉｗ２（図示されず）が、第３磁化固定領域１１ｄ及び第４磁化固定領域１１ｅから、第０磁化固定領域１１ａを介して、第１磁化固定領域１１ｂへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２と逆になる。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは＋ｚ方向へ、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは−ｚ方向へそれぞれ反転する。加えて、第３磁壁移動領域１３ｃ及び第４磁壁移動領域１３ｄの磁化の向きは−ｚ方向へそれぞれ反転する。そして、磁壁１２ａは第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｂは第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの境界に、磁壁１２ｃは第３磁壁移動領域１３ｃと第３磁化固定領域１１ｄとの境界に、磁壁１２ｄは第４磁壁移動領域１３ｄと第４磁化固定領域１１ｅとの境界に、それぞれ移動する。これにより、図４１Ａの右側の図に示すように、第１データ（δ１−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図４１Ｂの左側の図に示すように、第２データ（δ２−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第２磁化固定領域１１ｃから、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ及び第１磁壁移動領域１３ａをこの順に通り、第１磁化固定領域１１ｂへ流される。加えて、第２の書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第４磁化固定領域１１ｅから、第４磁壁移動領域１３ｄ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第３磁壁移動領域１３ｃを介して、第３磁化固定領域１１ｄへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２と逆になる。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは＋ｚ方向へ、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは−ｚ方向へ、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは＋ｚ方向へ、第４磁壁移動領域１３ｄの磁化の向きは−ｚ方向へそれぞれ反転する。そして、磁壁１２ａは第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｂは第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの境界に、磁壁１２ｃは第３磁壁移動領域１３ｃと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｄは第４磁壁移動領域１３ｄと第４磁化固定領域１１ｅとの境界に、それぞれ移動する。これにより、図４１Ｂの右側の図に示すように、第２データ（δ２−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図４１Ｃの左側の図に示すように、第３データ（δ３−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第２磁化固定領域１１ｃから、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ及び第１磁壁移動領域１３ａをこの順に通り、第１磁化固定領域１１ｂへ流される。加えて、第２の書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第３磁化固定領域１１ｄから、第３磁壁移動領域１３ｃ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第４磁壁移動領域１３ｄを介して、第４磁化固定領域１１ｅへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２と逆になる。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは＋ｚ方向へ、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは−ｚ方向へ、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは−ｚ方向へ、第４磁壁移動領域１３ｄの磁化の向きは＋ｚ方向へそれぞれ反転する。そして、磁壁１２ａは第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｂは第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの境界に、磁壁１２ｃは第３磁壁移動領域１３ｃと第３磁化固定領域１１ｄとの境界に、磁壁１２ｄは第４磁壁移動領域１３ｄと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、それぞれ移動する。これにより、図４１Ｃの右側の図に示すように、第３データ（δ３−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図４１Ｄの左側の図に示すように、第４データ（δ４−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第４磁化固定領域１１ｅから、第４磁壁移動領域１３ｄ、第０磁化固定領域１１ａ及び第３磁壁移動領域１３ｃをこの順に通り、第３磁化固定領域１１ｄへ流される。加えて、例えば、第２の書込み電流Ｉｗ２（図示されず）が、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃから、第０磁化固定領域１１ａを介して、第３磁化固定領域１１ｄへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２と逆になる。その結果、スピントランスファー効果により、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは＋ｚ方向へ、第４磁壁移動領域１３ｄの磁化の向きは−ｚ方向へそれぞれ反転する。加えて、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは−ｚ方向へそれぞれ反転する。そして、磁壁１２ａは第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｂは第２磁壁移動領域１３ｂと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｃは第３磁壁移動領域１３ｃと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｄは第４磁壁移動領域１３ｄと第４磁化固定領域１１ｅとの境界に、それぞれ移動する。これにより、図４１Ｄの右側の図に示すように、第４データ（δ４−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図４１Ｅの左側の図に示すように、第５データ（δ５−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第３磁化固定領域１１ｄから、第３磁壁移動領域１３ｃ、第０磁化固定領域１１ａ及び第４磁壁移動領域１３ｄをこの順に通り、第４磁化固定領域１１ｅへ流される。加えて、例えば、第２の書込み電流Ｉｗ２（図示されず）が、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃから、第０磁化固定領域１１ａを介して、第４磁化固定領域１１ｅへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２と逆になる。その結果、スピントランスファー効果により、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは−ｚ方向へ、第４磁壁移動領域１３ｄの磁化の向きは＋ｚ方向へそれぞれ反転する。加えて、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは−ｚ方向へそれぞれ反転する。そして、磁壁１２ａは第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｂは第２磁壁移動領域１３ｂと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｃは第３磁壁移動領域１３ｃと第３磁化固定領域１１ｃとの境界に、磁壁１２ｄは第４磁壁移動領域１３ｄと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、それぞれ移動する。これにより、図４１Ｅの右側の図に示すように、第５データ（δ５−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図４１Ｆの左側の図に示すように、第６データ（δ６−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第１磁化固定領域１１ｂから、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂをこの順に通り、第２磁化固定領域１１ｃへ流される。加えて、第２の書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第４磁化固定領域１１ｅから、第４磁壁移動領域１３ｄ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第３磁壁移動領域１３ｃを介して、第３磁化固定領域１１ｄへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２と逆になる。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは−ｚ方向へ、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは＋ｚ方向へ、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは＋ｚ方向へ、第４磁壁移動領域１３ｄの磁化の向きは−ｚ方向へそれぞれ反転する。そして、磁壁１２ａは第１磁壁移動領域１３ａと第１磁化固定領域１１ｂとの境界に、磁壁１２ｂは第２磁壁移動領域１３ｂと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｃは第３磁壁移動領域１３ｃと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｄは第４磁壁移動領域１３ｄと第４磁化固定領域１１ｅとの境界に、それぞれ移動する。これにより、図４１Ｆの右側の図に示すように、第６データ（δ６−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図４１Ｇの左側の図に示すように、第７データ（δ７−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第１磁化固定領域１１ｂから、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂをこの順に通り、第２磁化固定領域１１ｃへ流される。加えて、第２の書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第３磁化固定領域１１ｄから、第３磁壁移動領域１３ｃ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第４磁壁移動領域１３ｄを介して、第４磁化固定領域１１ｅへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２と逆になる。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは−ｚ方向へ、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは＋ｚ方向へ、第３磁壁移動領域１３ｃの磁化の向きは−ｚ方向へ、第４磁壁移動領域１３ｄの磁化の向きは＋ｚ方向へそれぞれ反転する。そして、磁壁１２ａは第１磁壁移動領域１３ａと第１磁化固定領域１１ｂとの境界に、磁壁１２ｂは第２磁壁移動領域１３ｂと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｃは第３磁壁移動領域１３ｃと第３磁化固定領域１１ｄとの境界に、磁壁１２ｄは第４磁壁移動領域１３ｄと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、それぞれ移動する。これにより、図４１Ｇの右側の図に示すように、第７データ（δ７−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
図４１Ｈの左側の図に示すように、第８データ（δ８−ｓｔａｔｅ）の書込み動作時、第１の書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第１磁化固定領域１１ｂから、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂをこの順に通り、第２磁化固定領域１１ｃへ流される。加えて、例えば、第２の書込み電流Ｉｗ２（図示されず）が、第３磁化固定領域１１ｄ及び第４磁化固定領域１１ｅから、第０磁化固定領域１１ａを介して、第２磁化固定領域１１ｃへ流される。この場合、電子ｅ−の動き（破線矢印）は、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２と逆になる。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは−ｚ方向へ、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは＋ｚ方向へそれぞれ反転する。加えて、第３磁壁移動領域１３ｃ及び第４磁壁移動領域１３ｄの磁化の向きは−ｚ方向へそれぞれ反転する。そして、磁壁１２ａは第１磁壁移動領域１３ａと第１磁化固定領域１１ｂとの境界に、磁壁１２ｂは第２磁壁移動領域１３ｂと第０磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ｃは第３磁壁移動領域１３ｃと第３磁化固定領域１１ｄとの境界に、磁壁１２ｄは第４磁壁移動領域１３ｄと第４磁化固定領域１１ｅとの境界に、それぞれ移動する。これにより、図４１Ｈの右側の図に示すように、第８データ（δ８−ｓｔａｔｅ）が書き込まれる。
このように、磁化記録層１０内を平面的に流れる書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２によって、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの磁化の方向がそれぞれ反転する。そして、その磁化方向の組み合わせとして第１データ〜第８データを書き分け、記憶している。このとき、各磁壁移動領域の両側にある磁化固定領域は、互いに反平行な磁化の向きを有し、その磁壁移動領域に対して異なるスピン電子の供給源の役割を果たしている。なお、各磁壁１２は、初めから書き込み終了後の位置にある場合、スピン電子ｅ−の注入に関わらずその状態が維持される。したがって、オーバーライトも可能である。また、図４１Ａ〜図４１Ｈのいずれの場合でも、第１の書込み電流Ｉｗ１及び第２の書込み電流Ｉｗ２は、同時に流してもよいし、タイミングをずらして流してもよいし、順序が逆でもよい。また、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２は磁壁１２ａ、１２ｂを貫通すれば、後はどこを通ってもよい。
５．読出し動作
本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子に対するデータの読出し原理については、図２６に示される範囲内の相対角度のうちφ１〜φ８を用いる他は、第１の実施形態と同様である。したがって、その説明を省略する。
６．磁気メモリセル及びＭＲＡＭの構成と動作
図４２は、本発明の第５の実施形態に係る磁気抵抗効果素子が集積化されたメモリセルの構成例を示す回路図である。図４２に示すように、磁気抵抗効果素子１において、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１に接続される端子は、読み出しのためのグラウンド線ＧＬに接続される。磁化記録層１０の第１磁化固定領域１１ｂ〜第４磁化固定領域１１ｅに接続される四つの端子は、それぞれＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、ＴＲｃ、ＴＲｄのソース／ドレインの一方に接続される。また、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、ＴＲｃ、ＴＲｄのソース／ドレインの他方は、書き込みのためのビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃ、ＢＬｄにそれぞれ接続される。更に、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、ＴＲｃ、ＴＲｄのゲートはワード線ＷＬに接続される。ただし、磁気メモリセルの構成はこの例に限定されるものではない。
図４３は、本発明の第２の実施形態に係るメモリセルが集積化されたＭＲＡＭの構成例を示すブロック図である。図４３において、ＭＲＡＭ９０は、複数のメモリセル８０が行列状に配置されたメモリアレイ９１を具備している。このメモリアレイ９１は、図４２で説明されたデータの記録に用いられるメモリセル８０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８０ｒを含んでいる。図４３の例では、１列分がリファレンスセル８０ｒである。リファレンスセル８０ｒの構造は、メモリセル８０と同じである。この場合、リファレンスセル８０ｒのＭＴＪは、例えば、抵抗値Ｒ０．５を有する。
ワード線ＷＬ及びグランド線ＧＬは、それぞれｘ方向に延在している。ワード線Ｗは、一端をＸ側制御回路９２に接続されている。Ｘ側制御回路９２は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、対象のメモリセル８０につながるワード線ＷＬを選択ワード線ＷＬとして選択する。ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃ、ＢＬｄは、それぞれ、ｙ方向に延在し、一端をＹ側制御回路９３に接続されている。Ｙ側制御回路９３は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、対象のメモリセル８０につながるビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃ、ＢＬｄを選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃ、ＢＬｄとして選択する。制御回路９４は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、Ｘ側制御回路９２及びＹ側制御回路９３を制御する。
次に、図４３に示されるＭＲＡＭにおける書き込み方法、読み出し方法について説明する。
まず、書き込みを行う場合について説明する。Ｘ側制御回路９２は、選択ワード線ＷＬを選択する。それにより、選択ワード線ＷＬが“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、ＴＲｃ、ＴＲｄが“ＯＮ”になる。また、Ｙ側制御回路９３は、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃ、ＢＬｄを選択する。それにより、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃ、ＢＬｄのいずれかが“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、いずれかが“Ｌｏｗ”レベルにプルダウンされ、いずれかが“Ｏｐｅｎ”（フローティング）にされる。選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃ、ＢＬｄのいずれを“ｈｉｇｈ”、“Ｌｏｗ”、“Ｏｐｅｎ”にするかは、当該磁気抵抗効果素子１に書き込まれるべきデータにより決定される。すなわち、磁化記録層１０に流す書込み電流Ｉｗの経路や方向に応じて決定される。必要に応じて複数の経路に電流が流れる。以上により、第１データ〜第８データを書き分けることができる。
次に、読み出しを行う場合について説明する。Ｘ側制御回路９２は、選択ワード線ＷＬを選択する。それにより、選択ワード線ＷＬが“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、ＴＲｃ、ＴＲｄが“ＯＮ”になる。また、Ｙ側制御回路９３は、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃ、ＢＬｄを選択する。それにより、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃ、ＢＬｄのいずれか一つが“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、残り三つが“ｏｐｅｎ”（フローティング）に設定される。このとき選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂ、ＢＬｃ、ＢＬｄの一つから、読み出し電流ＩＲが、例えば、第２磁化固定領域１１ｃ、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ、コンタクト層３０、及び磁気トンネル接合部２０（センス層２３、バリア層２２、及びリファレンス層２１で構成されるＭＴＪ）を経由してグラウンド線ＧＬへと流れる。読み出し電流ＩＲが流されるビット線ＢＬの電位、又は、読み出し電流の大きさは、磁気抵抗効果による磁気抵抗効果素子１（磁気トンネル接合部２０）の抵抗値の変化に依存する。したがって、同様に読み出し電流ＩＲが流されるリファレンスセル８０ｒのリファレンスビット線ＢＬｒの出力と比較して、この抵抗値の変化を電圧信号、又は電流信号として検知することにより高速での読み出しが可能となる。
７．センサ層の位置、８．磁壁の停止方法、９．磁化の固定方法、１０．センサ層の異方性
本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ素子におけるセンサ層の位置、磁壁の停止方法、磁化の固定方法、及びセンサ層の異方性については、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
以上説明したように、本実施の形態においても、第４の実施形態における効果と同様の効果を得ることが出来る。すなわち、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である電流駆動磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、磁化固定領域を容易に形成でき、読出しの信頼性が高く、磁壁のピンニングサイトを容易にとなる。そして、それに加えて、磁化記録層に８種類のデータを記憶する多値化が実現でき、半導体チップにおける単位面積当たりの情報量（データ量）を増加させることが可能となる。
（第６の実施形態）
第６の実施形態では、上記Ｎ＝４の場合の磁気メモリセル及びＭＲＡＭについて説明する。
１．磁気メモリ素子の基本構成
図３８Ａは、本発明の第６の実施形態に係る磁気メモリ素子のうち磁化記録層の構成の一例を示す平面図である。図３８Ｂは、本発明の第６の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成の一例を示す断面図である。ただし、図３８Ｂは図３８ＡのＣＣ’断面である。
本実施形態における磁気メモリ素子１は、磁化記録層１０及び磁気トンネル接合部２０を具備し、基本的に第５の実施形態の磁気メモリ素子１と同様である。ただし、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層の磁化の向きが−ｘ方向であり、±ｙ方向にずれていない点で、第５の実施形態と異なる。
すなわち、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１の磁化方向が−ｘ方向となっている。図４４は、本発明の第６の実施形態に係るリファレンス層の磁化の向きと磁壁移動領域による合成磁界の向きとの関係を示す概念図である。後述されるように、磁気記録層１０はε１−ｓｔａｔｅ〜ε５−ｓｔａｔｅの５種類の状態を取り得る。そのとき、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄによる合成磁界の向きは、図示される５種類の向き（図中、ε１〜ε５の実線矢印で表示）となる。したがって、磁気トンネル接合部２０のセンサ層２３の磁化の向きは、この５種類の向きとなる。ここで、リファレンス層２１の磁化の向き２１ｍ（図中、破線矢印で表示）を、−ｘ方向に設定しておく。そうすると、リファレンス層２１の磁化の向２１ｍとセンサ層２３の磁化の向き（ε１〜ε５）とは、その相対角度がψ１〜ψ５（ψ１＜ψ２＜ψ３＜ψ４＜ψ５）の５種類とすることができる。したがって、この５種類の相対角度に５種類のデータを対応付ければ、上記の図２６で示すように、本実施形態における磁気メモリ素子を５値に多値化することができる。
その他の磁気メモリ素子１の構成については、第５の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
２．データのメモリ状態
図４５Ａ〜図４５Ｅは、本発明の第６の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成の一例を示す平面図である。本実施形態では、磁化記録層１０は、各磁壁移動領域での磁化の向きの相互関係により、データを保持している。本実施形態における磁気メモリ素子１は、５つの状態を取ることができ、５種類のデータを記憶することができる。ただし、ここでは第０磁化固定領域１１ａの形状を正方形とする。図４５Ａ〜図４５Ｅは、例えば第１データを記憶した場合（ε１−ｓｔａｔｅ）〜第５データを記憶した状態（ε５−ｓｔａｔｅ）をそれぞれ示している。８種類のデータは、任意のデータを対応させることができる。
図４５Ａに示すように、磁化記録層１０が第１データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの磁化は、それぞれ＋ｚ方向、−ｚ方向、＊方向、＊方向に向いている（＋ｚ、−ｚ、＊、＊）。それにより、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの間、及び、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂが形成される。ここで、例えば、＊方向を−ｚ方向とすれば、第３磁化固定域１１ｄと第３磁壁移動領域１３ｃとの間、及び、第４磁化固定域１１ｅと第４磁壁移動領域１３ｄとの間に、それぞれ磁壁１２ｃ、１２ｄ（図示されず）が形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、−ｘ方向としての第１方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第１方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約０度の平行な状態となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この平行な状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第１データ（ε１−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図４５Ｂに示すように、磁化記録層１０が第２データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの磁化は、それぞれ＋ｚ方向、−ｚ方向、＋ｚ方向、−ｚ方向に向いている（＋ｚ、−ｚ、＋ｚ、−ｚ）。それにより、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの間、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの間、第０磁化固定域１１ａと第３磁壁移動領域１３ｃとの間、及び、第４磁壁移動領域１３ｄと第４磁化固定域１１ｅとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、−ｘ方向から＋ｙ方向に約４５度ずれた第２方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第２方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約ψ２（図４４）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約ψ２の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第２データ（ε２−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図４５Ｃに示すように、磁化記録層１０が第３データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの磁化は、それぞれ＊方向、＊方向、＋ｚ方向、−ｚ方向に向いている（＊、＊、＋ｚ、−ｚ）。それにより、第３磁壁移動領域１３ｃと第０磁化固定領域１１ａとの間、第４磁壁移動領域１３ｄと第４磁化固定領域１１ｅとの間に、それぞれ磁壁１２ｃ、１２ｄが形成される。ここで、例えば、＊方向を−ｚ方向とすれば、第１磁化固定域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、及び、第２磁化固定域１１ｃと第２磁壁移動領域１３ｂとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ（図示されず）が形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、＋ｙ方向としての第３方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第３方向に向く。すなわち、磁化記録層１０に記憶されたデータが、センサ層２３に反映される。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約ψ３（図４４）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約ψ３の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第３データ（ε３−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図４５Ｄに示すように、磁化記録層１０が第４データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａ〜４磁壁移動領域１３ｄの磁化は、それぞれ−ｚ方向、＋ｚ方向、＋ｚ方向、−ｚ方向に向いている（−ｚ、＋ｚ、＋ｚ、−ｚ）。それにより、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間、第０磁化固定域１１ａと第３磁壁移動領域１３ｃとの間、及び、第４磁壁移動領域１３ｄと第４磁化固定域１１ｅとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、＋ｘ方向から＋ｙ方向に約４５度ずれた第４方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第４方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約ψ４（図４４）となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約ψ４の状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第４データ（ε４−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
図４５Ｅに示すように、磁化記録層１０が第５データを記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの磁化は、それぞれ−ｚ方向、＋ｚ方向、＊方向、＊方向に向いている（−ｚ、＋ｚ、＊、＊）。それにより、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、及び、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂが形成される。ここで、例えば、＊方向を−ｚ方向とすれば、第３磁化固定域１１ｄと第３磁壁移動領域１３ｃとの間、及び、第４磁化固定域１１ｅと第４磁壁移動領域１３ｄとの間に、それぞれ磁壁１２ｃ、１２ｄ（図示されず）が形成される。このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）のセンサ層２３付近では、＋ｘ方向としての第５方向に向かう磁場Ｈが発生する。それにより、センサ層２３の磁化２３ｍは、同様に第５方向に向く。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化２３ｍとリファレンス層２１の磁化とは相対角度が約ψ５＝１８０度（図４４）の反平行な状態となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この相対角度が約ψ５の反平行な状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶された第５データ（ε５−ｓｔａｔｅ）を読み出すことができる。
なお、センサ層２３の磁化とリファレンス層２１の磁化との間の相対角度と磁気トンネル接合部２０の抵抗値との関係は、ε１−ｓｔａｔｅ〜ε５−ｓｔａｔｅでの相対角度がそれぞれψ１〜ψ５である他は図２６に示したとおりであるので、その説明を省略する。
本実施形態の磁気メモリ素子１は、５値化され、５種類のデータを記憶することができる。なお、リファレンス層２１の向きは、図４５Ａ〜図４５Ｅの場合に限定されるものではなく、センサ層２３の磁化とリファレンス層３０の磁化との相対角度が５種類になれば、他の向きであってもよい。
３．磁化固定領域の初期化方法
本発明の第６の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法については、例えば、第１の実施形態（図６Ａ〜図６Ｃ）と同様に行うことができる。したがって、その説明を省略する。
４．書込み動作
次に、磁気メモリ素子に対するデータの書込み原理を説明する。本実施形態におけるデータの書込み原理、基本的には、第５の実施形態と同様である。すなわち、＋ｚ側に磁化を向かせたい磁壁移動領域の側から電子を供給し、−ｚ側に磁化を向かせたい磁壁移動領域の側から電子を引き出す、となるような経路で電流を流す。必要に応じて、複数の経路を用いる。そして、ε１−ｓｔａｔｅ〜ε５−ｓｔａｔｅにおける第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの磁化の向きの組み合わせに対応して、書込み電流の供給先及び引き出し先の組み合わせが異なっている。なお、以下の説明では、＊方向を−ｚ方向とする。
図４６Ａ〜図４６Ｅは、本発明の第６の実施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す平面図である。図４６Ａの第１データ（ε１−ｓｔａｔｅ）の書き込み動作は、図４１Ａの第１データ（δ１−ｓｔａｔｅ）の書込み動作と同様である。図４６Ｂの第２データ（ε２−ｓｔａｔｅ）の書き込み動作は、図４１Ｂの第２データ（δ２−ｓｔａｔｅ）の書込み動作と同様である。図４６Ｃの第３データ（ε３−ｓｔａｔｅ）の書き込み動作は、図４１Ｄの第４データ（δ４−ｓｔａｔｅ）の書込み動作と同様である。図４６Ｄの第４データ（ε４−ｓｔａｔｅ）の書き込み動作は、図４１Ｆの第６データ（δ６−ｓｔａｔｅ）の書込み動作と同様である。図４６Ｅの第５データ（ε５−ｓｔａｔｅ）の書き込み動作は、図４１Ｈの第８データ（δ８−ｓｔａｔｅ）の書込み動作と同様である。
このように、磁化記録層１０内を平面的に流れる書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２によって、第１磁壁移動領域１３ａ〜第４磁壁移動領域１３ｄの磁化の方向がそれぞれ反転する。そして、その磁化方向の組み合わせとして第１データ〜第５データを書き分け、記憶している。このとき、各磁壁移動領域の両側にある磁化固定領域は、互いに反平行な磁化の向きを有し、その磁壁移動領域に対して異なるスピン電子の供給源の役割を果たしている。なお、各磁壁１２は、初めから書き込み終了後の位置にある場合、スピン電子ｅ−の注入に関わらずその状態が維持される。したがって、オーバーライトも可能である。また、図４６Ａ〜図４６Ｅのいずれの場合でも、第１の書込み電流Ｉｗ１及び第２の書込み電流Ｉｗ２は、同時に流してもよいし、タイミングをずらして流してもよいし、順序が逆でもよい。また、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２は磁壁１２ａ、１２ｂを貫通すれば、後はどこを通ってもよい。
５．読出し動作
本発明の第６の実施形態に係る磁気メモリ素子に対するデータの読出し原理については、図２６に示される範囲内の相対角度のうちψ１〜ψ５を用いる他は、第１の実施形態と同様である。したがって、その説明を省略する。
６．磁気メモリセル及びＭＲＡＭの構成と動作
本発明の第６の実施形態に係る磁気メモリ素子における磁気メモリセル及びＭＲＡＭの構成と動作については、第５の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
７．センサ層の位置、８．磁壁の停止方法、９．磁化の固定方法、１０．センサ層の異方性
本発明の第６の実施形態に係る磁気メモリ素子におけるセンサ層の位置、磁壁の停止方法、磁化の固定方法、及びセンサ層の異方性については、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
以上説明したように、本実施の形態においても、第５の実施形態における効果と同様の効果を得ることが出来る。すなわち、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である電流駆動磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、磁化固定領域を容易に形成でき、読出しの信頼性が高く、磁壁のピンニングサイトを容易にとなる。そして、それに加えて、磁化記録層に５種類のデータを記憶する多値化が実現でき、半導体チップにおける単位面積当たりの情報量（データ量）を増加させることが可能となる。
（第７の実施形態）
第７の実施形態では、上記Ｎ＝４の場合の磁気メモリセル及びＭＲＡＭについて説明する。
１．磁気メモリ素子の基本構成
図４７Ａは、本発明の第７の実施形態に係る磁気メモリ素子のうち磁化記録層の構成の一例を示す平面図である。図４７Ｂは、本発明の第７の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成の一例を示す斜視図である。図４７Ｃは、本発明の第７の実施形態に係るＭＲＡＭでのレイアウトの一例を示す平面図である。
本実施形態における磁気メモリ素子１は、磁化記録層１０及び磁気トンネル接合部２０を具備し、基本的に第５の実施形態又は第６の実施形態の磁気メモリ素子１と同様である。ただし、磁化記録層１０が２層に分離し、その２層が磁気トンネル接合部２０を介して接続されている点で、第５の実施形態及び第６の実施形態の磁気メモリ素子１と異なる。
具体的には、磁化記録層１０は、第１の磁壁移動層１０−１及び第２の磁壁移動層１０−２を備えている。第１の磁壁移動層１０−１は、ｘ方向に延伸し、第０磁化固定領域１１ａ−１、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃと、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂとを備える。一方、第２の磁壁移動層１０−２は、ｙ方向に延伸し、第０磁化固定領域１１ａ−２、第３磁化固定領域１１ｄ及び第４磁化固定領域１１ｄと、第３磁壁移動領域１３ｃ及び第４磁壁移動領域１３ｄとを備える。磁気トンネル接合部２０は、第０磁化固定領域１１ａ−１と第０磁化固定領域１１ａ−２との間に、ｚ方向に積層されて設けられている。
このような磁気メモリ素子の構成を取ると、図４７Ｃに示されるように、磁気メモリ素子１を密に充填して配置することができる。それにより、面積当たりの情報記憶量を増加させることができる。なお、本実施形態では、２層の磁壁移動層を設けて積層させているが、更に多くの磁壁移動層を積層させることも可能である。その場合、第０磁化固定領域同士の接続は、磁気トンネル接合部２０以外に、導電層を用いることができる。それにより、面積当たりの情報記憶量を更に増加させることができる。
２．データのメモリ状態、３．磁化固定領域の初期化方法、４．書込み動作、５．読出し動作、６．磁気メモリセル及びＭＲＡＭの構成と動作、７．センサ層の位置、８．磁壁の停止方法、９．磁化の固定方法、１０．センサ層の異方性
本発明の第７の実施形態に係る磁気メモリ素子におけるデータのメモリ状態、磁化固定領域の初期化方法、書込み動作、読出し動作、磁気メモリセル及びＭＲＡＭの構成と動作センサ層の位置、磁壁の停止方法、磁化の固定方法、及びセンサ層の異方性については、第５の実施形態又は第６の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
以上説明したように、本実施の形態においても、第５の実施形態又は第５の実施形態における効果と同様の効果を得ることが出来る。すなわち、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である電流駆動磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、磁化固定領域を容易に形成でき、読出しの信頼性が高く、磁壁のピンニングサイトを容易にとなる。そして、それに加えて、磁化記録層に５種類又は８種類のデータを記憶する多値化が実現でき、半導体チップにおける単位面積当たりの情報量（データ量）を増加させることが可能となる。更に、磁化記録層を磁壁移動層で多層化することにより、更に多くのデータを記憶する多値化が実現でき、半導体チップにおける単位面積当たりの情報量（データ量）を更に増加させることが可能となる。
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の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うる様々な変更をすることができる。また、本発明の各実施形態の技術は、技術的な矛盾の発生しない限り、他の実施形態に適用可能である。
この出願は、２００８年１２月２５日に出願された特許出願番号２００８−３３０５０８号及び２００９年１０月１日に出願された特許出願番号２００９−２２９５９７号の日本特許出願に基づいており、その出願による優先権の利益を主張し、その出願の開示は、引用することにより、そっくりそのままここに組み込まれている。

Claims (21)

  1. 情報を記録する磁気メモリ素子であって、
    垂直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、前記磁化記録層の情報を読み出すための磁気トンネル接合部と
    を具備し、
    前記磁気トンネル接合部は、
    反転可能な磁化を有し、面内磁気異方性を有する強磁性層であるセンサ層と、
    磁化の向きが固定され、面内磁気異方性を有する強磁性層であるリファレンス層と、
    前記センサ層と前記リファレンス層との間に設けられた非磁性層であるバリア層と
    を備え、
    前記磁化記録層は、１つの前記磁気メモリ素子ごとに複数の磁壁移動領域を備え、
    前記磁化記録層は、
    磁化の向きが固定された、第０磁化固定領域から第Ｎ磁化固定領域（Ｎは２以上の自然数）までのＮ＋１個の磁化固定領域と、
    反転可能な磁化を有し、磁壁が移動可能である、第１磁壁移動領域から第Ｎ磁壁移動領域までのＮ個の磁壁移動領域と
    を備え、
    前記第０磁化固定領域と前記第ｉ（ｉ＝１〜Ｎの自然数）磁化固定領域との間にそれぞれ、前記第ｉ磁壁移動領域が接続され、
    前記磁化記録層は、前記Ｎ個の磁壁移動領域の磁化の向きの組み合わせにより情報を記録する
    磁気メモリ素子。
  2. 請求項１に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記Ｎ＋１個の磁化固定領域のうちの前記第０磁化固定領域を除くＮ個の磁化固定領域は、実質的に同一である
    磁気メモリ素子。
  3. 請求項１に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記Ｎ＋１個の磁化固定領域のうちの前記第０磁化固定領域を除くＮ個の磁化固定領域の磁化の向きは、実質的に同一であり、
    前記第０磁化固定領域の磁化の向きは、前記Ｎ個の磁化固定領域の磁化の向きと反対である
    磁気メモリ素子。
  4. 請求項２又は３に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記センサ層の前記磁化記録層への射影は、前記Ｎ個の磁壁移動領域の間の前記磁化記録層内の領域の少なくとも一部に重なる
    磁気メモリ素子。
  5. 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であって、
    前記第０磁化固定領域と前記磁気トンネル接合部との間に設けられ、導電性を有するコンタクト層を更に具備する
    磁気メモリ素子。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記Ｎ個の磁化固定領域の近傍に設けられ、前記Ｎ個の磁化固定領域の磁化の向きを固定する第１のハード層を更に具備する
    磁気メモリ素子。
  7. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記第０磁化固定領域の近傍に、第２のハード層を具備する
    磁気メモリ素子。
  8. 請求項６または７に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記磁気トンネル接合部と前記第１のハード層、または、前記磁気トンネル接合部と前記第１のハード層及び前記第２のハード層が、前記磁化記録層に対していずれも基板とは反対側に設けられる
    磁気メモリ素子。
  9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記Ｎ個の磁壁移動領域は、３個の磁壁移動領域であり、
    前記リファレンス層の磁化の方向は、前記第０磁化固定領域から延伸する前記３個の磁壁移動領域の延伸方向のいずれとも異なる
    磁気メモリ素子。
  10. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記Ｎ個の磁壁移動領域は、３個の磁壁移動領域であり、
    前記３個の磁壁移動領域のうちの２個の磁壁移動領域は、前記第０磁化固定領域を挟んで直線状に延伸し、
    前記リファレンス層の磁化の方向は、前記直線の方向と同じである
    磁気メモリ素子。
  11. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記Ｎ個の磁壁移動領域は、２個の磁壁移動領域であり、
    前記リファレンス層の磁化の方向は、前記２個の磁壁移動領域同士を結ぶ方向と同じである
    磁気メモリ素子。
  12. 請求項１１に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記センサ層の異方性の方向は、前記２個の磁壁移動領域同士を結ぶ方向と直交している
    磁気メモリ素子。
  13. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記Ｎ個の磁壁移動領域は、４個の磁壁移動領域であり、
    前記４個の磁壁移動領域は、前記第０磁化固定領域を中心として互いに直角に放射状に延伸する
    磁気メモリ素子。
  14. 請求項１３に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記リファレンス層の磁化の方向は、前記４個の磁壁移動領域の延伸方向、及び、前記４個の磁壁移動領域の延伸方向から４５度ずれた方向、のいずれとも異なる
    磁気メモリ素子。
  15. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記Ｎ＋１個の磁化固定領域と前記Ｎ個の磁壁移動領域とは、一層の磁壁移動層を構成し、
    前記磁化記録層は、複数層の前記磁壁移動層を備える
    磁気メモリ素子。
  16. 請求項１５に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記複数層の磁壁移動層は、２層の磁壁移動層であり、
    前記２層の磁壁移動層の各々は、
    前記Ｎ個の磁壁移動領域が、２個の磁壁移動領域であり、
    前記２個の磁壁移動領域が、前記第０磁化固定領域を挟んで直線状に延伸し、
    前記２層の磁壁移動層は、前記直線の方向が互いに直角に成るように設けられている
    磁気メモリ素子。
  17. 請求項５乃至１６のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記コンタクト層は、前記第０磁化固定領域よりも低抵抗である
    磁気メモリ素子。
  18. 請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記第０磁化固定領域は、前記第１磁壁移動領域から前記第Ｎ磁壁移動領域までのＮ個の磁壁移動領域との境界に段差を有する
    磁気メモリ素子。
  19. 請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記第０磁化固定領域の垂直方向の断面積は、前記第１磁壁移動領域から前記第Ｎ磁壁移動領域までのＮ個の磁壁移動領域の垂直方向の断面積よりも大きい
    磁気メモリ素子。
  20. 請求項５乃至１６のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記コンタクト層は磁性体であり、
    前記コンタクト層の磁化の向きは、前記第０磁化固定領域の磁化の向きと同じに固定されている
    磁気メモリ素子。
  21. 請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子を備えた複数の磁気メモリセルが行列状に配置された
    磁気ランダムアクセスメモリ。

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