JPWO2007020823A1 - 磁気メモリセル、磁気ランダムアクセスメモリ、及び磁気ランダムアクセスメモリへのデータ読み書き方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、トンネルバリヤ層の劣化を抑制することができる新たなＭＲＡＭのデータ書き込み方式を提供する。磁気メモリセル１は、磁気記録層１０と、非磁性層２０を介して磁気記録層１０に接続されたピン層３０とを備える。磁気記録層１０は、磁化反転領域１３と、第１磁化固定領域１１と、第２磁化固定領域１２を有する。磁化反転領域１３は、反転可能な磁化を有し、ピン層３０と対向する。第１磁化固定領域１１は、磁化反転領域１３の第１境界Ｂ１に接続され、その磁化の向きは第１方向に固定される。第２磁化固定領域１２は、磁化反転領域１３の第２境界Ｂ２に接続され、その磁化の向きは第２方向に固定される。第１方向及び第２方向は共に、磁化反転領域１３へ向かう方向、又は、磁化反転領域１３から離れる方向である。

Description

本発明は、磁気メモリセルが集積された磁気ランダムアクセスメモリ、及びその磁気ランダムアクセスメモリへのデータの読み書き方法に関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（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層の強磁性体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層の強磁性体層は、磁化の向き（direction of magnetization）が固定されたピン層（pinned layer）と、磁化の向きが反転可能なフリー層（free layer）から構成される。

ピン層とフリー層の磁化の向きが“反平行”である場合のＭＴＪの抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値（Ｒ）よりも大きくなることが知られている。ＭＲＡＭは、このＭＴＪを有する磁気抵抗素子をメモリセルとして用い、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。メモリセルに対するデータの書き込みは、フリー層の磁化の向きを反転させることによって行われる。

ＭＲＡＭに対するデータの書き込み方法として、従来、例えば米国特許第５６４０３４３号に開示されているような「アステロイド方式」や、米国特許第６５４５９０６号及び日本国特表２００５−５０５８８９号公報に開示されているような「トグル方式」が知られている。これらの書き込み方式によれば、メモリセルサイズにほぼ反比例して、フリー層の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する傾向にある。

微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、特開２００５−０９３４８８号公報及びYagami and Suzuki, Research Trends in Spin Transfer Magnetization Switching （スピン注入磁化反転の研究動向），日本応用磁気学会誌，Vol. 28, No. 9, 2004に開示されているような、「スピン注入方式」が提案されている。スピン注入（spin transfer）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概略を、図１を参照することによって説明する。

図１において、磁気抵抗素子は、フリー層１０１、ピン層１０３、及びフリー層１０１とピン層１０３に挟まれた非磁性層であるトンネルバリヤ層１０２を備えている。ここで、磁化の向きが固定されたピン層１０３は、フリー層１０１よりも厚くなるように形成されており、スピン偏極電流を作る機構（スピンフィルター）としての役割を果たす。フリー層１０１とピン層１０３の磁化の向きが平行である状態は、データ“０”に対応付けられ、それらが反平行である状態は、データ“１”に対応付けられている。

図１に示されるスピン注入磁化反転は、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）方式により実現され、書き込み電流は膜面に垂直に注入される。具体的には、データ“０”からデータ“１”への遷移時、電流はピン層１０３からフリー層１０１へ流れる。この場合、スピンフィルターとしてのピン層１０３と同じスピン状態を有する電子が、フリー層１０１からピン層１０３に移動する。そして、スピントランスファー（スピン角運動量の授受）効果により、フリー層１０１の磁化が反転する。一方、データ“１”からデータ“０”への遷移時、電流はフリー層１０１からピン層１０３へ流れる。この場合、スピンフィルターとしてのピン層１０３と同じスピン状態を有する電子が、ピン層１０３からフリー層１０１に移動する。スピントランスファー効果により、フリー層１０１の磁化が反転する。

このように、スピン注入磁化反転では、スピン電子の移動によりデータの書き込みが行われる。膜面に垂直に注入されるスピン偏極電流の方向により、フリー層１０１の磁化の向きを規定することが可能である。ここで、書き込み（磁化反転）の閾値は電流密度に依存することが知られている。従って、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、磁化反転に必要な書き込み電流が減少する。メモリセルの微細化に伴って書き込み電流が減少するため、スピン注入磁化反転は、ＭＲＡＭの大容量化の実現にとって重要である。

関連する技術として、米国特許第６８３４００５号には、スピン注入を利用した磁気シフトレジスタが開示されている。この磁気シフトレジスタは、磁性体中の磁壁（domain wall）を利用して情報を記憶する。多数の領域（磁区）に分けられた磁性体において、磁壁を通過するように電流が注入され、その電流により磁壁が移動する。各領域の磁化の向きが、記録データとして扱われる。このような磁気シフトレジスタは、例えば、大量のシリアルデータの記録に利用される。尚、磁性体中の磁壁の移動は、Yamaguchi et al., PRL, Vol. 92, pp. 077205-1, 2004にも報告されている。

また、特開２００５−１９１０３２号公報には、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自由層とを備える磁気記憶装置が開示されている。磁化自由層は、トンネル絶縁層及び磁化固定層と重なる接合部、接合部の両端に隣接するくびれ部、及びくびれ部に隣接形成された一対の磁化固定部を有する。一対の磁化固定部には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。更に、磁気記憶装置は、一対の磁化固定部に電気的に接続された一対の磁気情報書き込み用端子を備える。この一対の磁気情報書き込み用端子により、磁化自由層の接合部、一対のくびれ部及び一対の磁化固定部を貫通する電流が流れる。

本発明の目的は、ＭＲＡＭに関する新たなデータ書き込み方式を提供することにある。
本発明の他の目的は、ＭＴＪにおけるトンネルバリヤ層の劣化を抑制することができるＭＲＡＭ及びデータ書き込み方式を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、メモリセルサイズの縮小に伴い書き込み電流を低減することができるＭＲＡＭ及びデータ書き込み方式を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、メモリセルサイズの縮小に伴い書き込み速度を増加させることができるＭＲＡＭ及びデータ書き込み方式を提供することにある。

本発明の第１の観点において、磁気メモリセルは、強磁性層である磁気記録層と、非磁性層を介して磁気記録層に接続されたピン層とを備える。磁気記録層は、磁化反転領域と、第１磁化固定領域と、第２磁化固定領域を有する。磁化反転領域は、反転可能な磁化を有し、ピン層と対向するように設けられている。第１磁化固定領域は、磁化反転領域の第１境界に接続され、その磁化の向きは第１方向に固定される。第２磁化固定領域は、磁化反転領域の第２境界に接続され、その磁化の向きは第２方向に固定される。第１方向及び第２方向は共に、磁化反転領域へ向かう方向、又は、磁化反転領域から離れる方向である。例えば、第１方向は第１境界へ向かう方向であり、第２方向は第２境界へ向かう方向である。あるいは、第１方向は第１境界から離れる方向であり、第２方向は第２境界から離れる方向である。

磁化反転領域の磁化は、第１境界及び第２境界のいずれかへ向く。磁気記録層において、磁壁は、第１境界及び第２境界のいずれかに形成される。第１磁化固定領域と第２磁化固定領域との間を流れる電流により、磁気記録層中の磁壁は、磁化反転領域の第１境界と第２境界の間を移動する。

磁化反転領域、第１磁化固定領域、及び第２磁化固定領域は、例えば、同一平面上に形成される。第１磁化固定領域と第２磁化固定領域は、互いに略平行となるように形成され、磁化反転領域は、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域との間をつなぐように形成されると好適である。

例えば、磁化反転領域、第１磁化固定領域、及び第２磁化固定領域は、同一平面上に、直線状に形成される。この時、第１方向と第２方向は逆方向である。好適には、磁化反転領域の断面積は、第１境界及び第２境界から離れるにつれて大きくなる。つまり、磁化反転領域は、中心部が最も太くなるように形成されている。第１境界及び第２境界に平行な面において、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域の断面積は、磁化反転領域の断面積より小さい。

また、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域は、第１方向と第２方向が同じになるように形成されてもよい。この場合、磁化反転領域）、第１磁化固定領域、及び第２磁化固定領域は、例えばＵ字状に形成される。磁化反転領域、第１磁化固定領域、及び第２磁化固定領域は、同一平面上に形成されてもよい。あるいは、磁化反転領域は、第１平面に平行に形成され、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域は、第１平面に直交するように形成されてもよい。例えば、磁化反転領域は、溝部の底面上に形成され、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域は、その溝部の対向する側面上にそれぞれ形成される。

磁気メモリセルは、更に、第１磁化固定領域に第１方向のバイアス磁界を印加する第１磁性体と、第２磁化固定領域に第２方向のバイアス磁界を印加する第２磁性体を備える。第１磁性体及び第２磁性体のそれぞれは、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域に密着するように設けられてもよい。その場合、第１磁性体の磁化の向きは第１方向であり、第２磁性体の磁化の向きは第２方向である。

また、第１磁性体及び第２磁性体のそれぞれは、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域から離れて設けられてもよい。例えば、第１磁性体及び第２磁性体のそれぞれは、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域の上方あるいは下方に形成される。その場合、第１磁性体の磁化の向きは第１方向の逆であり、第２磁性体の磁化の向きは第２方向の逆である。また、第１磁性体及び第２磁性体は、磁気記録層と同一平面上に設けられてもよい。好適には、第１磁性体及び第２磁性体は、磁気記録層を両側から挟み込むように形成される。その場合、第１磁性体の端部のうち第１磁化固定領域に最接近する端部における磁化の向きは、第１方向と同じであり、第２磁性体の端部のうち第２磁化固定領域に最接近する端部における磁化の向きは、第２方向と同じである。

第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域は、等しい向きの磁気異方性を有し、磁化反転領域は、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域と異なる向きの磁気異方性を有してもよい。第１磁化固定領域の長手方向と第２磁化固定領域の長手方向は等しく、磁化反転領域の長手方向は、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域の長手方向と異なってもよい。この時、第１方向及び第２方向と同じ向きの外部磁界が印加されてもよい。

このような磁気メモリセルに対するデータ書き込みは、次のように行われる。第１書き込み動作時、第１書き込み電流が、第１磁化固定領域から磁化反転領域を通って第２磁化固定領域に流される。一方、第２書き込み動作時、第２書き込み電流が、第２磁化固定領域から磁化反転領域を通って第１磁化固定領域に流される。

第１書き込み動作により、磁気記録層において磁壁が第１境界に形成され、第２書き込み動作により、磁気記録層において磁壁が第２境界に形成される。上記第１方向が第１境界へ向かう方向であり、上記第２方向が第２境界へ向かう方向である場合、第１書き込み動作により、磁化反転領域の磁化は第１境界へ向き、第２書き込み動作により、磁化反転領域の磁化は第２境界へ向く。上記第１方向が第１境界から離れる方向であり、上記第２方向が第２境界から離れる方向である場合、第１書き込み動作により、磁化反転領域の磁化は第２境界へ向き、第２書き込み動作により、磁化反転領域の磁化は第１境界へ向く。

また、磁化反転領域と交差するアシスト配線が設けられても良い。アシスト配線を流れる電流によって、磁化反転領域にアシスト磁界が印加される。アシスト配線は、そのアシスト磁界の方向が磁化反転をアシストする向きとなるように設計される。また、好適には、アシスト配線は、第１磁化固定領域あるいは第２磁化固定領域に接続される。つまり、第１書き込み動作時、アシスト配線には第１書き込み電流が流れ、第２書き込み動作時、アシスト配線には第２書き込み電流が流れる。アシスト配線は、磁化反転領域の下方に形成された第１アシスト配線と、磁化反転領域の上方に形成された第２アシスト配線とを含んでもよい。

また、読み出し動作時、読み出し電流は、磁化反転領域と非磁性層を経由して、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域のいずれかとピン層の間に流される。

このような磁気メモリセルにおいて、磁気記録層は、更に、反転可能な磁化を有する他の磁化反転領域と、磁化の向きが第３方向に固定された第３磁化固定領域とを有してもよい。他の磁化反転領域は、第３境界において第２磁化固定領域に接続され、第４境界において第３磁化固定領域に接続される。第２方向及び第３方向は共に、他の磁化反転領域へ向かう方向、又は、他の磁化反転領域から離れる方向である。第１磁化固定領域、第２磁化固定領域及び第３磁化固定領域は、互いに略平行となるように形成される。磁化反転領域は、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域との間をつなぐように形成される。他の磁化反転領域は、第２磁化固定領域と第３磁化固定領域との間をつなぐように形成される。例えば、磁化反転領域、他の磁化反転領域、第１磁化固定領域、第２磁化固定領域、及び第３磁化固定領域は、直線状に形成される。その場合、第１方向と第２方向は逆方向であり、第１方向と第３方向は同方向である。あるいは、第１磁化固定領域、第２磁化固定領域、及び第３磁化固定領域は、第１方向、第２方向及び第３方向が同じになるように形成されてもよい。他の磁化反転領域は、他の非磁性層を介して他のピン層に接続される。

本発明において、磁化反転領域は、好適には軟磁性材料で形成される。例えば、磁化反転領域は、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉから選択される少なくとも１種類の元素を含む。好適には、その軟磁性材料の材質は、非晶質あるいは微結晶質である。例えば、磁化反転領域の組成は、ＸＸ−ＹＹ−ＺＺで表される。この場合、上記ＸＸは、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉから選択される少なくとも１種類の元素からなる。上記ＹＹは、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，及びＶから選択される少なくとも１種類の元素からなる。上記ＺＺは、Ｎ，Ｃ，Ｂ，及びＯから選択される少なくとも１種類の元素からなる。また、磁化反転領域の組成は、ＸＸ−ＹＹであってもよい。ＸＸ及びＹＹは、上述の通りである。更に、磁化反転領域の組成は、ＸＸ−ＺＺであってもよい。ＸＸ及びＺＺは、上述の通りである。

本発明の第２の観点において、磁気メモリセルは、磁気抵抗素子と、第１磁化固定部と、第２磁化固定部を備える。磁気抵抗素子は、フリー層、ピン層、及びフリー層とピン層に挟まれる非磁性層を有する。第１磁化固定部は、第１境界においてフリー層に接続され、その磁化の向きは第１方向に固定される。第２磁化固定部は、第２境界においてフリー層に接続され、その磁化の向きは第２方向に固定される。第１方向及び第２方向は共に、フリー層へ向かう方向、又は、フリー層から離れる方向である。第１磁化固定部と第２磁化固定部との間を流れる電流により、フリー層において、磁壁が第１境界と第２境界の間を移動する。

本発明の第３の観点において、磁気ランダムアクセスメモリは、上述の磁気メモリセルと、磁気メモリセルに接続されたワード線と、磁気メモリセルに接続されたビット線とを備える。

例えば、第１ビット線は、第１磁化固定領域に第１トランジスタを介して接続される。第２ビット線は、第２磁化固定領域に第２トランジスタを介して接続される。ワード線は、第１トランジスタ及び第２トランジスタのゲートに接続される。書き込み電流供給回路は、第１ビット線及び第２ビット線に接続される。第１書き込み動作時、ワード線が選択され、書き込み電流供給回路は、第１書き込み電流を、第１ビット線から、第１トランジスタ、磁気記録層及び第２トランジスタを経由して、第２ビット線に流す。一方、第２書き込み動作時、ワード線が選択され、書き込み電流供給回路は、第２書き込み電流を、第２ビット線から、第２トランジスタ、磁気記録層及び第１トランジスタを経由して、第１ビット線に流す。

また、磁気メモリセルの第２磁化固定領域は接地されてもよい。この場合、ビット線は、第１磁化固定領域にトランジスタを介して接続され、ワード線は、そのトランジスタのゲートに接続される。書き込み電流供給回路は、ビット線に接続される。第１書き込み動作時、ワード線が選択され、書き込み電流供給回路は、第１書き込み電流を、ビット線からトランジスタを経由して、磁気メモリセルに供給する。一方、第２書き込み動作時、ワード線が選択され、書き込み電流供給回路は、第２書き込み電流を、磁気メモリセルから、トランジスタ及びビット線を通して引き込む。

本発明の第４の観点において、磁気ランダムアクセスメモリへのデータ読み書き方法が提供される。その磁気ランダムアクセスメモリは、上述の磁気メモリセルを備える。データ読み書き方法は、（Ａ）第１データを書き込む場合、第１書き込み電流を、第１磁化固定領域から磁化反転領域を経由して第２磁化固定領域に流すステップと、（Ｂ）第２データを書き込む場合、第２書き込み電流を、第２磁化固定領域から磁化反転領域を経由して第１磁化固定領域に流すステップとを含む。

本発明の第５の観点において、磁気ランダムアクセスメモリへのデータ読み書き方法が提供される。その磁気ランダムアクセスメモリは、上述の磁気メモリセルを備える。データ読み書き方法は、（Ａ）第１データを書き込む場合、第１書き込み電流を第１磁化固定領域から第２磁化固定領域に流すことにより、磁気記録層中の磁壁を第１境界に移動させるステップと、（Ｂ）第２データを書き込む場合、第２書き込み電流（ＩＷ２）を第２磁化固定領域から第１磁化固定領域に流すことにより、磁壁を第２境界に移動させるステップとを含む。

そのデータ読み書き方法は、更に、（Ｃ）磁気メモリセルに記憶された第１データあるいは第２データを読み出す場合、読み出し電流を、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域のいずれかとピン層の間に、磁化反転領域と非磁性層を経由して流すステップを含む。

本発明によれば、ＭＲＡＭに関する新たなデータ書き込み方式が提供される。具体的には、書き込み電流は、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、磁気記録層内を平面的に流れる。スピン電子によるスピントランスファー効果により、磁気記録層中の磁化反転領域の磁化が、書き込み電流の方向に応じた向きに反転する。この時、磁気記録層中の磁壁は、書き込み電流を担う電子の移動方向に応じて、第１境界と第２境界の間を“シーソー”のように行き来する。つまり、磁壁は、磁化反転領域内を移動する（Domain Wall Motion）。

書き込み時に、書き込み電流がＭＴＪを貫通しないため、ＭＴＪにおけるトンネルバリヤ層の劣化が抑制される。また、スピン注入方式でデータ書き込みが行われるため、メモリセルサイズの縮小に伴い、書き込み電流が低減される。更に、メモリセルサイズが縮小されるにつれ磁壁の移動距離が小さくなるため、メモリセルの微細化に伴い書き込み速度が増加する。

図１は、従来のスピン注入方式によるデータ書き込みを説明するための図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の一例を示す全体図である。 図３は、図２に示された磁気メモリセルの構造を示す平面図である。 図４は、図３に示された磁気メモリセルに対するデータ書き込みの原理を示す平面図である。 図５は、第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の他の例と、その磁気メモリセルに対するデータ書き込みの原理を示す平面図である。 図６は、第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の更に他の例を示す平面図である。 図７は、図６に示された磁気メモリセルに対するデータ書き込みの原理を示す平面図である。 図８は、第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の更に他の例と、その磁気メモリセルに対するデータ書き込みの原理を示す平面図である。 図９Ａは、第１の実施の形態に係る磁気記録層の構造の更に他の例を示す平面図である。 図９Ｂは、第１の実施の形態に係る磁気記録層の構造の更に他の例を示す平面図である。 図９Ｃは、第１の実施の形態に係る磁気記録層の構造の更に他の例を示す平面図である。 図９Ｄは、第１の実施の形態に係る磁気記録層の構造の更に他の例を示す平面図である。 図１０Ａは、第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの回路構成を概略的に示す平面図である。 図１０Ｂは、第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの回路構成を概略的に示す断面図である。 図１１は、第１の実施の形態に係るデータ読み書き方法を要約的に示す図表である。 図１２は、第１の実施の形態に係るＭＲＡＭの回路構成の一例を示す回路ブロック図である。 図１３は、磁化固定領域における磁化の向きを固定するための方法の一例を示す側面図である。 図１４は、磁化固定領域における磁化の向きを固定するための方法の他の例を示す側面図である。 図１５は、磁化固定領域における磁化の向きを固定するための方法の更に他の例を示す側面図である。 図１６は、磁化固定領域における磁化の向きを固定するための方法の更に他の例を示す側面図である。 図１７は、磁化固定領域における磁化の向きを固定するための方法の更に他の例を示す平面図である。 図１８は、磁化固定領域における磁化の向きを固定するための方法の更に他の例を示す平面図である。 図１９は、磁化固定領域における磁化の向きを固定するための方法の更に他の例を示す側面図である。 図２０は、磁化固定領域における磁化の向きを固定するための方法の更に他の例を示す平面図である。 図２１は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の一例を示す平面図である。 図２２は、第２の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の他の例を示す平面図である。 図２３は、第２の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の更に他の例を示す平面図である。 図２４は、第２の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の更に他の例を示す平面図である。 図２５は、本発明の第３の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の一例を示す平面図である。 図２６は、第３の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の他の例を示す平面図である。 図２７は、本発明の第４の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す側面図である。 図２８Ａは、本発明の第５の実施の形態に係る磁気メモリセルの回路構成を概略的に示す平面図である。 図２８Ｂは、第５の実施の形態に係る磁気メモリセルの回路構成を概略的に示す断面図である。 図２９は、本発明の第６の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を概略的に示す断面図である。 図３０は、第６の実施の形態に係る磁気メモリセルの製造方法を説明するための図である。 図３１は、本発明の第７の実施の形態に係る磁気記録層の構造を示す俯瞰図である。 図３２は、第７の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を概略的に示す断面図である。 図３３は、本発明の第８の実施の形態に係る磁気メモリセルの一例を示す俯瞰図である。 図３４は、図３３に示された磁気メモリセルを示す平面図である。 図３５は、第８の実施の形態に係る磁気メモリセルの他の例を示す俯瞰図である。 図３６は、第８の実施の形態に係る磁気メモリセルの更に他の例を示す俯瞰図である。 図３７は、本発明の第９の実施の形態に係るＭＲＡＭの構造と、そのＭＲＡＭに対するデータ書き込みの原理を示す平面図である。

添付図面を参照して、本発明による磁気メモリセル、磁気ランダムアクセスメモリ、及び磁気ランダムアクセスメモリへのデータ読み書き方法を説明する。

１．第１の実施の形態
１−１．磁気メモリセルの構造及び書き込み原理
図２は、第１の実施の形態に係る磁気メモリセル１（磁気抵抗素子）の一例を示している。磁気メモリセル１は、強磁性体層である磁気記録層１０とピン層３０、及び非磁性体層であるトンネルバリヤ層２０を備えている。トンネルバリヤ層２０は、磁気記録層１０とピン層３０に挟まれており、これら磁気記録層１０、トンネルバリヤ層２０、及びピン層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。

トンネルバリヤ層２０は、薄い絶縁層であり、例えばＡｌ膜を酸化することにより形成される。ピン層３０は、例えばＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎの積層膜であり、その磁化の向きは固定されている。磁気記録層１０は、フリー層に相当する役割を果たす。この磁気記録層１０は、軟磁性材料で形成される。磁気記録層１０は、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉから選択される少なくとも１種類の元素を含んでいる。例えば、磁気記録層１０は、ＣｏＦｅで形成されている。

図２に示されるように、本実施の形態に係る磁気記録層１０は、３つの異なる領域である第１磁化固定領域１１、第２磁化固定領域１２、及び磁化反転領域１３を有している。第１磁化固定領域１１は、Ｙ方向に延びるように形成されており、その磁化の向きは固定されている。同じく、第２磁化固定領域１２は、Ｙ方向に延びるように形成されており、その磁化の向きは固定されている。一方、磁化反転領域１３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。また、この磁化反転領域１３は、ピン層３０と対向するように形成されている。言い換えれば、磁気記録層１０の磁化反転領域１３の一部が、トンネルバリヤ層２０を介してピン層３０に接続されている。

これら第１磁化固定領域１１、第２磁化固定領域１２、及び磁化反転領域１３は、同一平面（ＸＹ面）上に形成されている。そのＸＹ面における磁気記録層１０の形状が、図３に示されている。図３に示されるように、本実施の形態において、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２は、Ｙ方向に沿って互いに略平行となるように形成されている。磁化反転領域１３は、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２との間をつなぐように、Ｘ方向に沿って形成されている。第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３は、第１境界Ｂ１において互いに接触しており、第２磁化固定領域１２と磁化反転領域１３は、第２境界Ｂ２において互いに接触している。磁化反転領域１３において、第１境界Ｂ１と第２境界Ｂ２は、対向するように位置している。言い換えれば、図３において、第１、第２磁化固定領域１１、１２、及び磁化反転領域１３は、“Ｕ字状、又は、凹形状”に形成されている。

図３には、各領域の磁化の向きも矢印によって示されている。更に、ピン層３０の投影及びその磁化の向きも、点線及び点線矢印によって示されている。ピン層３０の磁化の向きは、−Ｘ方向に固定されているとする。図３において、第１磁化固定領域１１の磁化の向きは、＋Ｙ方向に固定されている。その向きは、第１境界Ｂ１から離れる（Ａｗａｙ）方向である。また、第２磁化固定領域１２の磁化の向きも、＋Ｙ方向に固定されている。その向きは、第２境界Ｂ２から離れる（Ａｗａｙ）方向である。つまり、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２は共に、それらの磁化の向きが磁化反転領域１３から離れるように形成されている。これは、第１磁化固定領域１１の磁化の向きと第２磁化固定領域１２の磁化の向きが、磁気記録層１０の形状に沿って逆向きであることを意味する。尚、“磁化の固定”に関しては後述される（第１−３節）。

一方、磁化反転領域１３の磁化の向きは反転可能であり、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向である。つまり、磁化反転領域１３の磁化は、ピン層３０の磁化と平行あるいは反平行になることが許される。磁化反転領域１３の磁化の向きが＋Ｘ方向の場合、すなわち、その磁化が第２境界Ｂ２へ向いている場合、第１磁化固定領域１１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１２が別の磁区を形成する。つまり、第１境界Ｂ１に「磁壁（domain wall）」が形成される。一方、磁化反転領域１３の磁化の向きが−Ｘ方向の場合、すなわち、その磁化が第１境界Ｂ１へ向いている場合、第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３が１つの磁区を形成し、第２磁化固定領域１２が別の磁区を形成する。つまり、第２境界Ｂ２に磁壁が形成される。

このように、磁化反転領域１３の磁化は、第１境界Ｂ１あるいは第２境界Ｂ２へ向き、磁気記録層１０において、磁壁が第１境界Ｂ１あるいは第２境界Ｂ２に形成される。これは、第１磁化固定領域１１の磁化の向きと第２磁化固定領域１２の磁化の向きが、磁気記録層１０の形状に沿って逆向きであるからである。

以下、磁気メモリセル１に対するデータの書き込み原理が説明される。本実施の形態によれば、スピン注入（spin transfer）方式でデータの書き込みが行われる（スピン注入データ書き込み：Spin Transfer Data Writing）。

（構造例１）
図３に示された構造に対するデータの書き込み原理が、図４に示されている。磁化反転領域１３とピン層３０の磁化の向きが平行である状態が、データ「０」に対応付けられている。データ「０」状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは−Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第２境界Ｂ２に存在する。一方、磁化反転領域１３とピン層３０の磁化の向きが反平行である状態が、データ「１」に対応付けられている。データ「１」状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第１境界Ｂ１に存在する。

本実施の形態において、書き込み電流ＩＷは、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、磁気記録層１０内を平面的に流れる。具体的には、データ「１」の書き込み時（第１書き込み）、第１書き込み電流ＩＷ１が、第１磁化固定領域１１から磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１２に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第２磁化固定領域１２から電子（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の磁気モーメントに影響を及ぼす。その結果、磁化反転領域１３の磁化の向きは、第２境界Ｂ２の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＋Ｘ方向に変わる（スピン注入磁化反転：Spin Transfer Magnetization Switching）。

一方、データ「０」の書き込み時（第２書き込み）、第２書き込み電流ＩＷ２が、第２磁化固定領域１２から磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第１磁化固定領域１１から電子が注入される。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−Ｘ方向に変わる。このように、本実施の形態によれば、磁気記録層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１１及び第２磁化固定領域１２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。

上記書き込み動作は、「磁壁の移動（Domain Wall Motion）」という観点から述べることもできる。データ「１」の書き込み時、電子は、第２磁化固定領域１２から第１磁化固定領域１１の方へ移動する。この時、磁壁ＤＷは、電子の移動方向と一致して、第２境界Ｂ２から第１境界Ｂ１へ移動している。一方、データ「０」の書き込み時、電子は、第１磁化固定領域１１から第２磁化固定領域１２の方へ移動する。この時、磁壁ＤＷは、電子の移動方向と一致して、第１境界Ｂ１から第２境界Ｂ２へ移動している。つまり、磁気記録層１０中の磁壁ＤＷは、電子の移動方向に応じて、第１境界Ｂ１と第２境界Ｂ２の間を“シーソーあるいはフローメータ”のように行き来する。磁壁ＤＷは磁化反転領域１３内を移動しており、磁化反転領域１３を「磁壁移動領域」と呼ぶことも可能である。本実施の形態に係る磁気メモリセル１は、磁壁ＤＷの位置によってデータを記憶しているとも言える。

磁壁の移動の観点から言えば、磁化反転領域１３中の結晶欠陥が抑制されることが望ましい。従って、少なくとも磁化反転領域１３は、非晶質あるいは微結晶質の軟磁性材料で形成されることが好適である。ここで、微結晶とは、粒径が磁化反転領域１３の膜厚以下であることを意味する。より詳細には、磁化反転領域１３の組成は、ＸＸ−ＹＹ−ＺＺで表される。この場合、上記ＸＸは、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉから選択される少なくとも１種類の元素からなる。上記ＹＹは、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，及びＶから選択される少なくとも１種類の元素からなる。上記ＺＺは、Ｎ，Ｃ，Ｂ，及びＯから選択される少なくとも１種類の元素からなる。また、磁化反転領域１３の組成は、ＸＸ−ＹＹであってもよい。ＸＸ及びＹＹは、上述の通りである。また、磁化反転領域１３の組成は、ＸＸ−ＺＺであってもよい。ＸＸ及びＺＺは、上述の通りである。このような組成により、磁化反転領域１３は非晶質あるいは微結晶質となる。その結果、磁化反転領域１３中の結晶欠陥が抑制され、磁壁ＤＷがスムースに移動するようになる。

以上に説明されたように、書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２がＭＴＪを貫通しないため、ＭＴＪにおけるトンネルバリヤ層２０の劣化が抑制される。また、スピン注入方式でデータ書き込みが行われるため、メモリセルサイズの縮小に伴い、書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２が低減される。更に、メモリセルサイズが縮小されるにつれ磁壁ＤＷの移動距離が小さくなるため、メモリセルの微細化に伴い書き込み速度が増加する。

尚、データの読み出しに関しては、次の通りである。データ読み出し時、読み出し電流は、ピン層３０と磁化反転領域１３との間を流れるように供給される。例えば、読み出し電流は、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２のいずれかから、磁化反転領域１３及びトンネルバリヤ層２０を経由して、ピン層３０へ流れる。あるいは、読み出し電流は、ピン層３０から、トンネルバリヤ層２０及び磁化反転領域１３を経由して、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２のいずれかへ流れる。その読み出し電流あるいは読み出し電位に基づいて、磁気抵抗素子の抵抗値が検出され、磁化反転領域１３の磁化の向きがセンスされる。

（構造例２）
第１磁化固定領域１１の磁化の向きと第２磁化固定領域１２の磁化の向きは、図３や図４に示された方向に限られない。第１磁化固定領域１１の磁化の向きと第２磁化固定領域１２の磁化の向きは、磁気記録層１０の形状に沿って逆向きであればよい。本実施の形態に係る他の構造、及びその構造に対するデータの書き込み原理が、図５に示されている。図５は図４に相当する図であり、重複する説明は適宜省略される。

第１磁化固定領域１１の磁化の向きは、−Ｙ方向に固定されている。その向きは、第１境界Ｂ１へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向である。また、第２磁化固定領域１２の磁化の向きも、−Ｙ方向に固定されている。その向きは、第２境界Ｂ２へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向である。つまり、第１磁化固定領域１１の磁化と第２磁化固定領域１２の磁化は、共に磁化反転領域１３へ向かう方向に固定されており、磁気記録層１０の形状に沿って逆方向を向いている。また、ピン層３０の磁化の向きは、＋Ｘ方向に固定されているとする。データ「０」状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第２境界Ｂ２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−Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第１境界Ｂ１に存在する。

データ「１」の書き込み時（第１書き込み）、第１書き込み電流ＩＷ１が、第１磁化固定領域１１から磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１２に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第２磁化固定領域１２から電子が注入される。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−Ｘ方向に変わる。電子の移動方向に一致して、磁壁ＤＷは、第２境界Ｂ２から第１境界Ｂ１へ移動する。一方、データ「０」の書き込み時（第２書き込み）、第２書き込み電流ＩＷ２が、第２磁化固定領域１２から磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第１磁化固定領域１１から電子が注入される。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＋Ｘ方向に変わる。電子の移動方向に一致して、磁壁ＤＷは、第１境界Ｂ１から第２境界Ｂ２へ移動する。

図５に示された構造によっても、上述の構造例１と同じ効果が得られる。また、データの読み出しに関しても、上述の構造例１と同様である。

（構造例３）
第１磁化固定領域１１、第２磁化固定領域１２、及び磁化反転領域１３の配置は、上述の配置に限られない。ＸＹ面における磁気記録層１０の形状の他の例が、図６に示されている。図６において、第１、第２磁化固定領域１１、１２、及び磁化反転領域１３は、“直線状”に形成されている。つまり、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２は、Ｘ方向に沿って互いに略平行となるように形成されている。磁化反転領域１３は、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２との間をつなぐように、Ｘ方向に沿って形成されている。

第１磁化固定領域１１の磁化の向きは、−Ｘ方向に固定されている。その向きは、第１境界Ｂ１から離れる（Ａｗａｙ）方向である。また、第２磁化固定領域１２の磁化の向きは、＋Ｘ方向に固定されている。その向きは、第２境界Ｂ２から離れる（Ａｗａｙ）方向である。つまり、第１磁化固定領域１１の磁化と第２磁化固定領域１２の磁化は、共に磁化反転領域１３から離れる方向に固定されており、逆方向を向いている。尚、“磁化の固定”に関しては後述される（第１−３節）。磁化反転領域１３の磁化の向きは反転可能であり、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向である。ピン層３０の磁化の向きは、−Ｘ方向に固定されている。

図６に示された構造に対するデータの書き込み原理が、図７に示されている。磁化反転領域１３とピン層３０の磁化の向きが平行である状態が、データ「０」に対応付けられている。データ「０」状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは−Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第２境界Ｂ２に存在する。一方、磁化反転領域１３とピン層３０の磁化の向きが反平行である状態が、データ「１」に対応付けられている。データ「１」状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第１境界Ｂ１に存在する。

データ「１」の書き込み時（第１書き込み）、第１書き込み電流ＩＷ１が、第１磁化固定領域１１から磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１２に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第２磁化固定領域１２から電子が注入される。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＋Ｘ方向に変わる。電子の移動方向に一致して、磁壁ＤＷは、第２境界Ｂ２から第１境界Ｂ１へ移動する。一方、データ「０」の書き込み時（第２書き込み）、第２書き込み電流ＩＷ２が、第２磁化固定領域１２から磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第１磁化固定領域１１から電子が注入される。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−Ｘ方向に変わる。電子の移動方向に一致して、磁壁ＤＷは、第１境界Ｂ１から第２境界Ｂ２へ移動する。

図７に示された構造によっても、上述の構造例１と同じ効果が得られる。また、データの読み出しに関しても、上述の構造例１と同様である。

（構造例４）
第１磁化固定領域１１の磁化の向きと第２磁化固定領域１２の磁化の向きは、図６や図７に示された方向に限られない。本実施の形態に係る他の構造、及びその構造に対するデータの書き込み原理が、図８に示されている。図８は図７に相当する図であり、重複する説明は適宜省略される。

第１、第２磁化固定領域１１、１２、及び磁化反転領域１３は、“直線状”に形成されている。第１磁化固定領域１１の磁化の向きは、＋Ｘ方向に固定されている。その向きは、第１境界Ｂ１へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向である。また、第２磁化固定領域１２の磁化の向きは、−Ｘ方向に固定されている。その向きは、第２境界Ｂ２へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向である。つまり、第１磁化固定領域１１の磁化と第２磁化固定領域１２の磁化は、共に磁化反転領域１３へ向かう方向に固定されており、逆方向を向いている。また、ピン層３０の磁化の向きは、＋Ｘ方向に固定されているとする。データ「０」状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第２境界Ｂ２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−Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第１境界Ｂ１に存在する。

データ「１」の書き込み時（第１書き込み）、第１書き込み電流ＩＷ１が、第１磁化固定領域１１から磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１２に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第２磁化固定領域１２から電子が注入される。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−Ｘ方向に変わる。電子の移動方向に一致して、磁壁ＤＷは、第２境界Ｂ２から第１境界Ｂ１へ移動する。一方、データ「０」の書き込み時（第２書き込み）、第２書き込み電流ＩＷ２が、第２磁化固定領域１２から磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第１磁化固定領域１１から電子が注入される。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＋Ｘ方向に変わる。電子の移動方向に一致して、磁壁ＤＷは、第１境界Ｂ１から第２境界Ｂ２へ移動する。

図８に示された構造によっても、上述の構造例１と同じ効果が得られる。また、データの読み出しに関しても、上述の構造例１と同様である。

（構造例５）
磁気記録層１０が直線状に形成される場合、磁壁ＤＷを境界Ｂ１，Ｂ２に安定的に留めることが望ましい。エネルギーの観点から言えば、磁壁は、その面積が小さいほど安定となる。そこで、磁気記録層１０の構造として、図９Ａ〜図９Ｄに示される構造も考えられる。

図９Ａ〜図９Ｃは、磁気記録層１０の形状の例を示す平面図である。図９Ａ〜図９Ｃにおいて、磁化反転領域１３の幅は、第１境界Ｂ１及び第２境界Ｂ２から離れるにつれて大きくなる。すなわち、磁化反転領域１３は、中心部が最も太くなるように形成されている。ＸＹ平面における幅の代わりに、厚みが中心部で最も大きくなっていてもよい。要は、境界Ｂ１、Ｂ２に平行な面（ＹＺ面）において、磁化反転領域１３の“断面積”が、境界Ｂ１、Ｂ２から離れるにつれて大きくなっていればよい。これにより、外力が働いていない場合、磁壁ＤＷは、境界Ｂ１あるいは境界Ｂ２の方向へ向かおうとする。一方、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の磁化は固定されており、磁壁の移動を阻止する。従って、磁壁は、第１境界Ｂ１あるいは第２境界Ｂ２において安定化する。

また、図９Ａにおいて、磁化固定領域１１、１２の断面積は一定であり、境界Ｂ１、Ｂ２の面積と等しくなっている。つまり、磁化固定領域１１、１２の断面積は、磁化反転領域１３の断面積より小さい。図９Ｂにおいて、磁化固定領域１１、１２の断面積は外側へ向かうにつれて小さくなっており、磁気記録層１０は全体として菱形に形成されている。この場合、磁気記録層１０の製造が容易である。一方、図９Ｃにおいて、磁化固定領域１１、１２の断面積は外側へ向かうにつれて大きくなっている。この場合、磁壁の安定性が更に増す。

図９Ｄにおいて、磁化固定領域１１、１２及び磁化反転領域１３の断面積は概ね一定である。ただし、磁気記録層１０の側部にはノッチ１５が設けられており、境界Ｂ１、Ｂ２の面積が他の部分よりも小さくなっている。これにより、磁壁を境界Ｂ１、Ｂ２に留めることが可能となる。尚、図９Ｄに示される構造の場合、ノッチ１５のサイズが最小加工寸法Ｆとなるので、磁気記録層１０全体の面積は非常に大きくなる。面積及び製造プロセスの観点から言えば、図９Ａ〜図９Ｃに示された構造が好適である。

以上に示されたように、本実施の形態に係る磁気メモリセル１において、磁気記録層１０は、第１磁化固定領域１１、第２磁化固定領域１２、及び磁化反転領域１３を有する。この構造は、次のように考えることも可能である。つまり、通常の磁気抵抗素子に、第１磁化固定領域１１に相当する“第１磁化固定部”と、第２磁化固定領域１２に相当する“第２磁化固定部”が更に設けられている。その通常の磁気抵抗素子は、フリー層、ピン層、及びそれらに挟まれた非磁性層を備えている。フリー層と第１磁化固定部と第２磁化固定部は、同一平面に形成されている。第１磁化固定部は、第１境界Ｂ１においてフリー層に接続され、第２磁化固定部は、第２境界Ｂ２においてフリー層に接続される。第１磁化固定部の磁化の方向（第１方向）と、第２磁化固定部の磁化の方向（第２方向）は共に、フリー層へ向かう方向（Ｔｏｗａｒｄ）、又は、フリー層から離れる方向（Ａｗａｙ）である。そして、第１磁化固定部と第２磁化固定部との間を平面的に流れる書き込み電流により、磁壁が第１境界Ｂ１と第２境界Ｂ２の間を移動し、フリー層の磁化が反転する。

１−２．回路構成
次に、本実施の形態に係る磁気メモリセル１に書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２を流すための回路構成を説明する。図１０Ａは、磁気メモリセル１の回路構成の一例を示す平面図である。また、図１０Ｂは、図１０Ａに示される磁気メモリセル１の構造を概略的に示す断面図である。

磁気記録層１０の第１磁化固定領域１１は、スルーホール４５を介して第１下部電極４１に接続され、第２磁化固定領域１２は、スルーホール４６を介して第２下部電極４２に接続されている。第１下部電極４１は、第１トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方に接続されており、その第１トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの他方は、第１ビット線ＢＬ１に接続されている。また、第２下部電極４２は、第２トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの一方に接続されており、その第２トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの他方は、第２ビット線ＢＬ２に接続されている。第１トランジスタＴＲ１のゲート、及び第２トランジスタＴＲ２のゲートは、ワード線ＷＬに接続されている。

磁気記録層１０の磁化反転領域１３上には、トンネルバリヤ層２０を介してピン層３０が形成されている。ピン層３０上には上部電極４３が形成され、上部電極４３には読み出し線４４が接続している。読み出し線４４の方向は任意である。この読み出し線４４は、選択トランジスタあるいはグランドに接続されていればよい。

図１１は、図１０Ａ及び図１０Ｂに示された回路構成の場合のデータ読み書き方法を要約的に示している。書き込み・読み出しの双方において、対象メモリセルにつながるワード線ＷＬが選択され、その電位が“Ｈｉｇｈ”に設定される。これにより、第１トランジスタＴＲ１及び第２トランジスタＴＲ２がＯＮする。

データ「１」の書き込みの場合、第１ビット線ＢＬ１及び第２ビット線ＢＬ２の電位は、それぞれ“Ｈｉｇｈ”及び“Ｌｏｗ”に設定される。その結果、第１書き込み電流ＩＷ１が、第１ビット線ＢＬ１から、第１トランジスタＴＲ１、磁気記録層１０及び第２トランジスタＴＲ２を経由して、第２ビット線ＢＬ２に流れる。一方、データ「０」の書き込みの場合、第１ビット線ＢＬ１及び第２ビット線ＢＬ２の電位は、それぞれ“Ｌｏｗ”及び“Ｈｉｇｈ”に設定される。その結果、第２書き込み電流ＩＷ２が、第２ビット線ＢＬ２から、第２トランジスタＴＲ２、磁気記録層１０及び第１トランジスタＴＲ１を経由して、第１ビット線ＢＬ１に流れる。

データ読み出し時、例えば、第１ビット線ＢＬ１の電位は“Ｈｉｇｈ”に設定され、第２ビット線ＢＬ２は“Ｏｐｅｎ”に設定される。これにより、読み出し電流が、第１ビット線ＢＬ１から、第１トランジスタＴＲ１、ＭＴＪを経由して、読み出し線４４に流れる。あるいは、第１ビット線ＢＬ１は“Ｏｐｅｎ”に設定され、第２ビット線ＢＬ２の電位が“Ｈｉｇｈ”に設定される。これにより、読み出し電流が、第２ビット線ＢＬ２から、第２トランジスタＴＲ２、ＭＴＪを経由して、読み出し線４４に流れる。

これらワード線ＷＬ、第１ビット線ＢＬ１、及び第２ビット線ＢＬ２を制御するための周辺回路は、当業者により適宜設計され得る。その周辺回路の構成の一例が、図１２に示されている。

図１２において、ＭＲＡＭ５０は、上述の磁気メモリセル１がマトリックス状に配置されたメモリセルアレイ５１を有している。このメモリセルアレイ５１は、データの記録に用いられる磁気メモリセル１と共に、データ読み出しの際に参照されるリファレンスセル１ｒを含んでいる。リファレンスセル１ｒの基本構造は、磁気メモリセル１のものと同じである。各磁気メモリセル１において、上記読み出し線４４はグランド線に接続されているとする。また、上述の通り、各磁気メモリセル１に対して、１本のワード線とビット線対（第１ビット線ＢＬ１，第２ビット線ＢＬ２）が設けられている。

複数のワード線ＷＬは、Ｘセレクタ５２に接続されている。Ｘセレクタ５２は、データの書き込み・読み出しのいずれにおいても、複数のワード線ＷＬから、対象メモリセル１ｓにつながる１本のワード線ＷＬを選択ワード線ＷＬｓとして選択する。

複数の第１ビット線ＢＬ１は、Ｙ側電流終端回路５４に接続されており、複数の第２ビット線ＢＬ２は、Ｙセレクタ５３に接続されている。Ｙセレクタ５３は、データの書き込みにおいて、複数の第２ビット線ＢＬ２から、対象メモリセル１ｓにつながる１本の第２ビット線ＢＬ２を選択第２ビット線ＢＬ２ｓとして選択する。Ｙ側電流終端回路５４は、データの書き込みにおいて、複数の第１ビット線ＢＬ１から、対象メモリセル１ｓにつながる１本の第１ビット線ＢＬ１を選択第１ビット線ＢＬ１ｓとして選択する。このようにして、対象メモリセル１ｓが選択される。

Ｙ側電流源回路５５は、データ書き込み時、選択第２ビット線ＢＬ２ｓに対し、所定の書き込み電流（ＩＷ１，ＩＷ２）の供給又は引き込みを行う電流源である。このＹ側電流源回路５５は、書き込み電流の向きを定める電流セレクタ部と、定電流を供給する定電流源を備えている。Ｙ側電源回路５６は、データ書き込み時、Ｙ側電流終端回路５４に所定の電圧を供給する。その結果、Ｙ側電流源回路５５による書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２は、対象メモリセル１ｓに書き込まれるデータに応じて、Ｙセレクタ５３へ流れ込む、又は、Ｙセレクタ５３から流れ出す。これらＸセレクタ５２、Ｙセレクタ５３、Ｙ側電流終端回路５４、Ｙ側電流源回路５５、及びＹ側電源回路５６は、磁気メモリセル１に書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２を供給するための「書き込み電流供給回路」を構成している。

データ読み出し時、第１ビット線ＢＬ１は“Ｏｐｅｎ”に設定される。読み出し電流負荷回路５７は、データ読み出し時、選択第２ビット線ＢＬ２ｓに所定の読み出し電流を流す。また、読み出し電流負荷回路５７は、リファレンスセル１ｒにつながるリファレンス第２ビット線ＢＬ２ｒに所定の電流を流す。センスアンプ５８は、リファレンス第２ビット線ＢＬ２ｒの電位と選択第２ビット線ＢＬ２ｓの電位の差に基づいて、対象メモリセル１ｓからデータを読み出し、そのデータを出力する。

１−３．磁化の固定
次に、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の磁化を固定するための方法を説明する。磁化固定の方法としては、交換結合、静磁結合、磁気異方性を用いる方法の３パターンが考えられる。

（交換結合）
図６に示された「構造例３」を例にとって説明する。図１３は、磁化固定手段を備えた磁気メモリセル１を概略的に示す側面図である。この磁気メモリセル１は、第１磁性体６１と第２磁性体６２を磁化固定手段として備えている。第１磁性体６１は、第１磁化固定領域１１に−Ｘ方向のバイアス磁界を印加する。一方、第２磁性体６２は、第２磁化固定領域１２に＋Ｘ方向のバイアス磁界を印加する。

具体的には、第１磁性体６１は、−Ｘ方向の磁化を有する強磁性体層を含んでおり、その強磁性体層は、第１磁化固定領域１１に密着するように形成されている。この第１磁性体６１は、「交換結合（exchange coupling）」によって、第１磁化固定領域１１の磁化の向きを−Ｘ方向に固定している。一方、第２磁性体６２は、＋Ｘ方向の磁化を有する強磁性体層を含んでおり、その強磁性体層は、第２磁化固定領域１２に密着するように形成されている。この第２磁性体６２は、交換結合によって、第２磁化固定領域１２の磁化の向きを＋Ｘ方向に固定している。

図１３に示されるように、第１磁性体６１は、例えばＣｏＦｅ／ＰｔＭｎの積層膜である。この積層膜構成は、ピン層で用いられているような構成である。ピン層の磁化の向きが固定されているように、第１磁化固定領域１１の磁化の向きを固定するための源として、ＣｏＦｅ層の磁化の向きは−Ｘ方向にしっかり固定されている。また、第２磁性体６２は、例えばＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎの積層膜である。その上半分の構成は第
１磁性体６１の構成と同様であり、ＣｏＦｅ層の磁化の向きは−Ｘ方向に固定されている。下部のＣｏＦｅ層は、Ｒｕ層を介して上部のＣｏＦｅ層と反強磁性的に結合しており、その磁化の向きは＋Ｘ方向に固定されている。この＋Ｘ方向の磁化を有するＣｏＦｅ層が、第２磁化固定領域１２に密着している。

このように、図１３において、第１磁性体６１と第２磁性体６２の膜構成は異なる。それは、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２に対して、逆方向のバイアス磁界を印加する必要があるからである。また、異なる膜構成の代わりに、異なる材料から第１磁性体６１と第２磁性体６２が形成されてもよい。「構造例４」や「構造例５」に関しても、同様の第１磁性体６１及び第２磁性体６２が適用され得る。

交換結合による磁化固定は、図３に示された構造例１にも適用され得る。この場合、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２の磁化は、同じ＋Ｙ方向に固定されればよい。従って、第１磁性体６１と第２磁性体６２の膜構成は同じで構わない。例えば、第１磁性体６１と第２磁性体６２は、ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎの積層膜である。

図１４を参照して、第１磁性体６１及び第２磁性体６２は、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２のそれぞれに＋Ｙ方向のバイアス磁界を印加する。具体的には、第１磁性体６１及び第２磁性体６２のそれぞれは、＋Ｙ方向の磁化を有する強磁性体層（ＣｏＦｅ層）を含んでおり、それら強磁性体層は、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２のそれぞれに密着するように形成されている。これら第１磁性体６１及び第２磁性体６２は、交換結合によって、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の磁化の向きを＋Ｙ方向に固定している。図５に示された「構造例２」に関しても、同様の第１磁性体６１及び第２磁性体６２が適用され得る。

（静磁結合）
図６に示された「構造例３」を例にとって説明する。図１５は、磁化固定手段を備えた磁気メモリセル１を概略的に示す側面図である。この磁気メモリセル１は、第１磁性体６１と第２磁性体６２を磁化固定手段として備えている。第１磁性体６１は、第１磁化固定領域１１に−Ｘ方向のバイアス磁界を印加する。一方、第２磁性体６２は、第２磁化固定領域１２に＋Ｘ方向のバイアス磁界を印加する。

具体的には、第１磁性体６１は、−Ｘ方向と逆の＋Ｘ方向の磁化を有する強磁性体層を含んでおり、その強磁性体層は、第１磁化固定領域１１から離れて形成されている。この第１磁性体６１は、「静磁結合（static coupling）」によって、第１磁化固定領域１１の磁化の向きを−Ｘ方向に固定している。一方、第２磁性体６２は、＋Ｘ方向と逆の−Ｘ方向の磁化を有する強磁性体層を含んでおり、その強磁性体層は、第２磁化固定領域１２から離れて形成されている。この第２磁性体６２は、静磁結合によって、第２磁化固定領域１２の磁化の向きを＋Ｘ方向に固定している。図１５において、第１磁性体６１及び第２磁性体６２は、それぞれ第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の上方に設けられている。第１磁性体６１及び第２磁性体６２は、それぞれ第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の下方や側方に設けられていてもよい。

図１５に示されるように、第１磁性体６１は、例えばＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎの積層膜である。また、第２磁性体６２は、例えばＣｏＦｅ／ＰｔＭｎの積層膜である。第１磁性体６１と第２磁性体６２の膜構成が異なる理由は、交換結合の場合と同じである。また、「構造例４」や「構造例５」に関しても、同様の第１磁性体６１及び第２磁性体６２が適用され得る。

図１６は、２ビットの磁気メモリセルに対して、磁化を一括固定するための構成を示している。図１６に示されるように、例えば第１磁性体６１は、隣接する２つの磁気メモリセル間に対応する位置に設けられている。この第１磁性体６１は、静磁結合によって、ある磁気メモリセルの第１磁化固定領域１１の磁化の向きを−Ｘ方向に固定している。同時に、この第１磁性体６１は、静磁結合によって、隣接する磁気メモリセルの第２磁化固定領域１２の磁化の向きを−Ｘ方向に固定している。その隣接する磁気メモリセルの第１磁化固定領域１１の磁化の向きは、第２磁性体６２によって、＋Ｘ方向に固定されている（図示されない）。

更に、図１７及び図１８に示されるように、第１磁性体６１及び第２磁性体６２は、磁気記録層１０と同じ平面（ＸＹ面）に設けられていてもよい。図１７において、第１磁性体６１及び第２磁性体６２は、磁気記録層１０のＸ方向の両端付近にそれぞれ設けられている。第１磁性体６１及び第２磁性体６２の磁化は、同じ方向を向いている。このような構成によって、第１磁化固定領域１１の磁化は＋Ｘ方向に固定され、第２磁化固定領域１２の磁化は−Ｘ方向に固定される。

図１８において、第１磁性体６１及び第２磁性体６２は湾曲しており、磁気記録層１０を両側から挟み込むように形成されている。第１磁性体６１の端部のうち、第１磁化固定領域１１に最接近する端部における磁化の向きは、＋Ｘ方向である。一方、第２磁性体６２の端部のうち、第２磁化固定領域１２に最接近する端部における磁化の向きは、−Ｘ方向である。つまり、それら端部における磁化の向きは、磁化固定領域１１、１２において固定されるべき磁化の向きとそれぞれ一致している。このような構成により、静磁結合が容易となる。

尚、図１７及び図１８に示されるように、磁化反転領域１３と磁化固定領域１１、１２との境界にはノッチ１５が設けられていてもよい。あるいは、磁気記録層１０は、図９Ａ〜図９Ｃに示された構造を有していてもよい。これにより、磁壁ＤＷが安定化する。また、第１磁性体６１及び第２磁性体６２は、磁気記録層１０と完全に同じ平面に設けられている必要はなく、上下にずれていてもよい。

静磁結合による磁化固定は、図３に示された構造例１にも適用され得る。この場合、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２の磁化は、同じ＋Ｙ方向に固定されればよい。従って、第１磁性体６１と第２磁性体６２の膜構成は同じで構わない。例えば、第１磁性体６１と第２磁性体６２は、ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎの積層膜である。

図１９を参照して、第１磁性体６１及び第２磁性体６２は、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２のそれぞれに＋Ｙ方向のバイアス磁界を印加する。具体的には、第１磁性体６１及び第２磁性体６２のそれぞれは、＋Ｙ方向と逆の−Ｙ方向の磁化を有する強磁性体層（ＣｏＦｅ層）を含んでおり、それら強磁性体層は、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２のそれぞれから離れるように形成されている。これら第１磁性体６１及び第２磁性体６２は、静磁結合によって、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の磁化の向きを＋Ｙ方向に固定している。図５に示された「構造例２」に関しても、同様の第１磁性体６１及び第２磁性体６２が適用され得る。

（磁気異方性）
図３〜図５に示された「構造例１、構造例２」に関しては、交換結合や静磁結合は必ずしも適用されなくてもよい。図３〜図５において、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の長手方向はＹ方向であり、磁化反転領域１３の長手方向はＸ方向である。従って、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２は、等しい向きの磁気異方性（magnetic anisotropy）を有し、磁化反転領域１３は、それら磁化固定領域１１、１２と異なる向きの磁気異方性を有する。

よって、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２の磁化の向きは、初期アニール工程において、＋Ｙ方向あるいは−Ｙ方向に設定されればよい。第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２の磁化の向きは、磁気異方性によって＋Ｙ方向あるいは−Ｙ方向に保持される。この場合、第１磁性体６１や第２磁性体６２といった磁化固定手段は必要なく、構成が少なくなるという観点から好適である。すなわち、図３〜図５に示された“Ｕ字状”の形状は、磁化固定の観点から言えば、好ましい形状である。

また、図２０に示されるように、磁化の固定方向と同じ方向の外部磁界が、磁気メモリセル１に均一に印加されてもよい。例えば、数Ｏｅの磁石がパッケージに設けられる。これにより、磁化の固定が安定し、熱擾乱耐性が向上する。それに加えて、上述の交換結合や静磁結合が適用されてもよいことは言うまでもない。その場合、磁化の固定は更に安定する。

１−４．効果
以上に説明されたように、本発明によれば、ランダムアクセス可能なＭＲＡＭに関して、新たなデータ読み書き方式が提供される。データ書き込みは、磁気記録層１０内のスピン注入による磁壁移動によって実現される。データ読み出しは、ＭＴＪを用いることによって実現される。これによる効果は以下の通りである。

まず、アステロイド方式と比較して、優れたメモリセルの選択性が確保される。アステロイド方式の場合、書き込み磁界の閾値のばらつきが、２次元メモリセルアレイにおけるメモリセルの選択性を低下させる。しかしながら、スピン注入方式によれば、書き込み電流が対象メモリセルだけに作用する。従って、ディスターバンスが大幅に低減される。すなわち、選択書き込み性が向上する。

また、アステロイド方式やトグル方式と比較して、書き込み電流のスケーリング性が向上する。アステロイド方式やトグル方式の場合、メモリセルサイズにほぼ反比例して、磁気記録層の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する傾向にある。しかしながら、スピン注入方式によれば、磁化反転の閾値は電流密度に依存する。メモリセルサイズが縮小されるにつれて電流密度は増加するので、メモリセルの微細化に伴い書き込み電流を低減することが可能である。言い換えれば、メモリセルサイズが縮小されても、書き込み電流を大きくする必要がなくなる。その意味で、書き込み電流のスケーリング性が向上する。このことは、大容量のＭＲＡＭを実現にとって重要である。

また、アステロイド方式やトグル方式と比較して、電流磁界変換効率が増加する。アステロイド方式やトグル方式の場合、書き込み電流はジュール熱で消費される。電流磁界変換効率を向上させるためには、フラックスキーパーやヨーク構造といった書き込み専用配線を設ける必要があった。これは、製造プロセスの複雑化や配線インダクタンスの増加を招く。しかしながら、スピン注入方式によれば、書き込み電流が、スピントランスファーに直接寄与する。従って、電流磁界変換効率が増加する。これにより、製造プロセスの複雑化や配線インダクタンスの増加が防止される。

更に、従来のスピン注入磁化反転と比較して、ＭＴＪ（トンネルバリヤ層２０）の劣化が抑制される。従来のスピン注入磁化反転は、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）方式により実現され、書き込み電流は膜面に垂直に注入される。データ書き込み時の書き込み電流は、読み出し電流よりもはるかに大きく、その大電流がトンネルバリヤ層２０を破壊する恐れがあった。しかしながら、本発明に係る書き込み方式によれば、読み出し時の電流経路と書き込み時の電流経路が分離されている。具体的には、データ書き込み時、書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２は、ＭＴＪを貫通せず、磁気記録層１０の面内を流れる。データ書き込み時、大電流をＭＴＪ膜面に垂直に注入する必要がない。従って、ＭＴＪにおけるトンネルバリヤ層２０の劣化が抑制される。

更に、メモリセルの微細化に伴い、書き込み速度が増加する。それは、本発明において、データ書き込みが磁気記録層１０内の磁壁移動によって実現されるからである。メモリセルサイズが縮小されることは、磁壁ＤＷの移動距離が小さくなることを意味する。従って、メモリセルサイズの縮小に伴い、書き込み速度が増加する。

本発明によれば、上述の効果が同時に得られる。高集積・高速動作・低消費電力のＭＲＡＭを実現するために、本発明に係る技術は極めて有用である。

２．第２の実施の形態
磁気記録層１０の形状として、更に他のパターンも考えられる。図２１〜図２４は、磁気記録層１０の形状の様々なパターンを示す平面図である。磁気記録層１０の端部や角部は、角形状ではなく丸形状を有していてもよい。例えば、図２１において、第１磁化固定領域１１の第１境界Ｂ１に対向する端部Ｒ１は丸くなっている。第２磁化固定領域１２の第２境界Ｂ２に対向する端部Ｒ１は丸くなっている。図２２において、端部Ｒ１に加えて、第１境界Ｂ１の位置に対応する外周角部Ｒ２や、第２境界Ｂ２の位置に対応する外周角部Ｒ２も丸くなっている。図２３において、外周角部Ｒ２と共に内周角部Ｒ３も丸くなっている。図２４において、全ての端部や角部が丸くなっている。また、図２４においては、磁化反転領域１３は直線部を有さず、全体的に緩やかに曲がっている。これらの形状によっても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。磁化反転領域１３は、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２の間をつなぐように形成されていればよい。

３．第３の実施の形態
図２５及び図２６は、磁気メモリセルの構造の更に他の例を示す平面図である。図２５及び図２６においては、２ビットのメモリセルが連続した構造を有している。磁気記録層１０は、第１磁化固定領域１１−１、第１磁化固定領域１３−１、第２磁化固定領域１２に加えて、第２磁化反転領域１３−２及び第３磁化固定領域１１−２を含んでいる。第１磁化反転領域１３−１と第２磁化反転領域１３−２は、それぞれトンネルバリヤ層を介してピン層（図示されない）に接続されている。

第１磁化固定領域１１−１と第１磁化反転領域１３−１は、第１境界Ｂ１において互いに接続され、第１磁化反転領域１３−１と第２磁化固定領域１２は、第２境界Ｂ２において互いに接続されている。第１境界Ｂ１と第２境界Ｂ２は、第１磁化反転領域１３−１の端に位置している。また、第２磁化固定領域１２と第２磁化反転領域１３−２は、第３境界Ｂ３において互いに接続され、第２磁化反転領域１３−２と第３磁化固定領域１１−２は、第４境界Ｂ４において互いに接続されている。第３境界Ｂ３と第４境界Ｂ４は、第２磁化反転領域１３−２の端に位置している。

図２５において、第１磁化固定領域１１−１、第２磁化固定領域１２、及び第３磁化固定領域１１−２は、Ｙ方向に沿って互いに略平行になるように形成されている。第１磁化反転領域１３−１は、第１磁化固定領域１１−１と第２磁化固定領域１２との間をつなぐようにＸ方向に沿って形成されている。第２磁化反転領域１３−２は、第２磁化固定領域１２と第３磁化固定領域１１−２との間をつなぐようにＸ方向に沿って形成されている。

第１磁化反転領域１３−１及び第２磁化反転領域１３−２の磁化は反転可能であり、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向を向くことが許されている。第１磁化固定領域１１−１、第２磁化固定領域１２、及び第３磁化固定領域１１−２の磁化の向きは、＋Ｙ方向に固定されている。この時、第１磁化固定領域１１−１と第２磁化固定領域１２の磁化は、共に第１磁化反転領域１３−１へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向に固定されている。また、第２磁化固定領域１２と第３磁化固定領域１１−２の磁化は、共に第２磁化反転領域１３−２から離れる（Ａｗａｙ）方向に固定されている。すなわち、第１磁化固定領域１１−１の磁化、第２磁化固定領域１２の磁化、及び第３磁化固定領域１１−２の磁化は、磁気記録層１０の形状に沿って交互に逆転する。

図２６において、第１磁化固定領域１１−１、第２磁化固定領域１２、及び第３磁化固定領域１１−２は、Ｘ方向に沿って互いに略平行になるように形成されている。第１磁化反転領域１３−１は、第１磁化固定領域１１−１と第２磁化固定領域１２との間をつなぐようにＸ方向に沿って形成されている。第２磁化反転領域１３−２は、第２磁化固定領域１２と第３磁化固定領域１１−２との間をつなぐようにＸ方向に沿って形成されている。つまり、第１磁化固定領域１１−１、第１磁化反転領域１３−１、第２磁化固定領域１２、第２磁化反転領域１３−２、及び第３磁化固定領域１１−２は、Ｘ方向に沿って直線状に形成されている。

第１磁化反転領域１３−１及び第２磁化反転領域１３−２の磁化は反転可能であり、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向を向くことが許されている。第１磁化固定領域１１−１及び第３磁化固定領域１１−２の磁化の向きは−Ｘ方向に固定されており、第２磁化固定領域１２の磁化の向きは＋Ｘ方向に固定されている。この時、第１磁化固定領域１１−１と第２磁化固定領域１２の磁化は、共に第１磁化反転領域１３−１から離れる（Ａｗａｙ）方向に固定されている。また、第２磁化固定領域１２と第３磁化固定領域１１−２の磁化は、共に第２磁化反転領域１３−２へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向に固定されている。すなわち、第１磁化固定領域１１−１の磁化、第２磁化固定領域１２の磁化、及び第３磁化固定領域１１−２の磁化は、磁気記録層１０の形状に沿って交互に逆転する。

図２５及び図２６において、第１磁化固定領域１１−１は、第１トランジスタＴＲ１を介して第１ビット線ＢＬ１に接続されている。第２磁化固定領域１２は、第２トランジスタＴＲ２を介して第２ビット線ＢＬ２に接続されている。第３磁化固定領域１１−２は、第３トランジスタＴＲ３を介して第３ビット線ＢＬ３に接続されている。例えば、第１磁化反転領域１３−１にデータが書き込まれる場合、第１トランジスタＴＲ１と第２トランジスタＴＲ２がＯＮされ、第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２に、書き込みデータに応じた方向の書き込み電流が供給されればよい。また、第２磁化反転領域１３−２にデータが書き込まれる場合、第２トランジスタＴＲ２と第３トランジスタＴＲ３がＯＮされ、第２ビット線ＢＬ２と第３ビット線ＢＬ３に、書き込みデータに応じた方向の書き込み電流が供給されればよい。データ読み出しは、例えば、クロスポイント方式で実現可能である。このような構造によっても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

ｎビット（ｎは自然数）のメモリセルが連続する構造は、一般化すると次のように表現される。磁気記録層は、ｎ個の磁化反転領域Ａ_１〜Ａ_ｎとｎ＋１個の磁化固定領域Ｂ_１〜Ｂ_ｎ＋１を含む。ｎ個の磁化反転領域Ａ_１〜Ａ_ｎとｎ＋１個の磁化固定領域Ｂ_１〜Ｂ_ｎ＋１は、交互に配置される。つまり、第ｉ番目（ｉは１以上ｎ以下の整数）の磁化反転領域Ａ_ｉは、第ｉ番目の磁化固定領域Ｂ_ｉと第ｉ＋１番目の磁化固定領域Ｂ_ｉ＋１の間をつなぐように形成されている。第ｉ番目の磁化固定領域Ｂ_ｉの磁化と第ｉ＋１番目の磁化固定領域Ｂ_ｉ＋１の磁化は、第ｉ番目の磁化反転領域Ａ_ｉへ向かう方向、又は、離れる方向に固定されている。隣り合う磁化固定領域の磁化は、逆向きに固定されている。つまり、ｎ＋１個の磁化固定領域Ｂ_１〜Ｂ_ｎ＋１の磁化は、磁気記録層の形状に沿って交互に逆転する。また、ｎ個の磁化反転領域Ａ_１〜Ａ_ｎのそれぞれには、ｎ個のＭＴＪが形成される。更に、ｎ＋１個の磁化固定領域Ｂ_１〜Ｂ_ｎ＋１のそれぞれは、ｎ＋１個のトランジスタを介して、ｎ＋１本のビット線ＢＬ_１〜ＢＬ_ｎ＋１に接続される。第ｉ番目の磁化反転領域Ａ_ｉに対するデータ書き込み時、第ｉ番目のビット線ＢＬ_ｉと第ｉ＋１番目のビット線ＢＬ_ｉ＋１に、書き込みデータに応じた方向の書き込み電流が供給される。

４．第４の実施の形態
図２７は、第４の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す側面図である。本実施の形態において、磁気記録層１０’は、シンセティック反強磁性（SAF: Synthetic Anti-Ferromagnetic）層から構成されている。具体的には、磁気記録層１０’は、中間層１４を介して反強磁性的に結合した第１強磁性層１０ａと第２強磁性層１０ｂを含んでいる。中間層は非磁性層であり、例えばＲｕ層である。第１強磁性層１０ａは、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１２ａ、及びそれら第１、第２磁化固定領域１１ａ、１２ａの間に挟まれた磁化固定領域１３ａを有している。また、第２強磁性層１０ｂは、第１磁化固定領域１１ｂ、第２磁化固定領域１２ｂ、及びそれら第１、第２磁化固定領域１１ｂ、１２ｂの間に挟まれた磁化固定領域１３ｂを有している。

第１磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化の向きは逆である。また、第２磁化固定領域１２ａ、１２ｂの磁化の向きは逆である。また、磁化反転領域１３ａ、１３ｂの磁化の向きは逆である。磁化反転領域１３ａ、１３ｂの磁化は反転可能であり、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向を向く。磁化反転領域１３ａ、１３ｂの一方の磁化が反転した場合、他方の磁化も反転する。第１強磁性層１０ａの磁化反転領域１３ａが、トンネルバリヤ層２０を介してピン層３０に隣接している。図２７においては、その磁化反転領域１３ａの磁化とピン層３０の磁化が平行である“０状態”が示されている。この場合、第２境界Ｂ２に磁壁ＤＷが存在する。

データ書き込みは、既出の実施の形態と同様に行われる。例えば、データ「１」の書き込み時、磁気記録層１０’中において、第１磁化固定領域１１ａ、１１ｂから、第２磁化固定領域１２ａ、１２ｂに書き込み電流が流される。その結果、磁化反転領域１３ａ、１３ｂの磁化が共に反転し、磁壁ＤＷが第１境界Ｂ１に移動する。データ読み出しは、ピン層３０を用い、第１強磁性層１０ａの磁化反転領域１３ａの磁化方向をセンスすることによって行われる。このような構造によっても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。更に、ＳＡＦ層により、外部磁界の影響の低減が期待される。

５．第５の実施の形態
図１０Ａ、図１０Ｂにおいて、２個のトランジスタＴＲ１，ＴＲ２を有する磁気メモリセルの回路構成が示されたが、回路構成はそれだけに限られない。図２８Ａは、１個のトランジスタＴＲだけを有する磁気メモリセルの回路構成を示す平面図である。また、図２８Ｂは、図２８Ａに示される磁気メモリセルの構造を概略的に示す断面図である。

磁気記録層１０の第１磁化固定領域１１は、スルーホール４５を介して第１下部電極４１に接続され、第２磁化固定領域１２は、スルーホール４６を介して第２下部電極４２に接続されている。第１下部電極４１は、トランジスタＴＲのソース／ドレインの一方に接続されており、そのトランジスタＴＲのソース／ドレインの他方は、ビット線ＢＬに接続されている。また、第２下部電極４２は、グランドに接続されている。トランジスタＴＲのゲートは、ワード線ＷＬに接続されている。

データ書き込み時、対象メモリセルにつながるワード線ＷＬが選択され、その対象メモリセルのトランジスタＴＲがオンする。ビット線ＢＬに流される書き込み電流の方向は、書き込みデータに応じて変更される。例えば、データ「１」の書き込み時、書き込み電流供給回路は、第１書き込み電流ＩＷ１をビット線ＢＬに供給する。この場合、第１書き込み電流ＩＷ１は、ビット線ＢＬから、トランジスタＴＲ、第１磁化固定領域１１、磁化反転領域１３、及び第２磁化固定領域１２を経由して、グランドへ流れ込む。一方、データ「０」の書き込み時、書き込み電流供給回路は、第２書き込み電流ＩＷ２をグランドから引き込む。この場合、第２書き込み電流ＩＷ２は、グランドから、第２磁化固定領域１２、磁化反転領域１３、第１磁化固定領域１１、及びトランジスタＴＲを経由して、ビット線ＢＬへ流れ込む。データ読み出しは、例えば、クロスポイント方式で実現可能である。このような構造によっても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

６．第６の実施の形態
図２９は、本発明の第６の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示している。図２９において、磁気記録層１０は、直線状の形状を有しているとする（構造例３，４，５参照）。その磁気記録層１０上には、トンネルバリヤ層２０及びピン層３０が積層されている。また、磁気記録層１０のうち第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の下部には、反強磁性層７１、７２が密着している。それら反強磁性層７１、７２のそれぞれは、ビア７３、７４を介して第１トランジスタＴＲ１，第２トランジスタＴＲ２のソース／ドレイン拡散層に接続されている。また、ビア７４の途中には、軟磁性材料からなるシールド磁性層７５が設けられている。このシールド磁性層７５は、反強磁性層７２側に対する磁場をシールドする効果を有する。

図２９に示された構造において、磁化固定領域１１、１２の磁化方向を反対向きに固定する方法は、次の通りである。図３０を参照して、まず、シールド磁性層７５によるシールド効果を超える強い磁場中で、第１回目のアニール処理が行われる。その結果、反強磁性層７１、７２は共に、同じ第１方向の磁化を保持するようになる。次に、シールド磁性層７５によるシールド効果を超えない磁場中で、第２回目のアニール処理が行われる。第２回目の磁場方向は、第１回目の磁場方向と逆に設定される。その結果、反強磁性層７２の磁化方向は維持される一方、反強磁性層７２の磁化方向は第１方向と逆の第２方向となる。

このように、シールド磁性層７５を用いてアニール処理を２回に分けて実行することにより、磁化固定領域１１、１２の磁化方向を反対向きに固定することが可能となる。本実施の形態によれば、シンプルな構造により、且つ、簡単なプロセスにより、磁化固定領域１１、１２の磁化を固定することが可能である。従って、磁気メモリセルの面積及び製造コストが低減される。

７．第７の実施の形態
本発明の第７の実施の形態において、Ｕ字状の磁気記録層１０の他の例が提供される。本実施の形態によれば、Ｕ字状の磁気記録層１０は、立体的に形成される。具体的には、図３１に示されるように、磁化反転領域１３はＸＹ平面に平行に形成され、磁化固定領域１１、１２はＹＺ平面に平行に形成されている。すなわち、磁化固定領域１１、１２は、ＸＹ平面に直交するように形成されている。磁化固定領域１１、１２の磁化の向きは、共に＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向に固定されていればよい。

図３１に示される構造は、例えば溝部（トレンチ）１６内に形成されればよい。まず、フォトリソグラフィ技術により、所定の層に溝部１６が形成される。次に、磁気記録層１０の材料となる膜が全面に形成される。その後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により表面が研磨されればよい。磁化の固定は、既出の方法のいずれかにより実現される。その結果、磁化反転領域１３が、溝部１６の底面上に形成され、磁化固定領域１１、１２が、溝部１６の対向する側面上にそれぞれ形成される。磁気記録層１０が立体的に形成されるため、磁気メモリセルの面積を低減することが可能となる。

図３２は、本実施の形態に係る磁気メモリセルの断面構造の一例を示している。溝部７６内には磁気記録層１０が形成されている。その磁気記録層１０上には、トンネルバリヤ層２０及びピン層３０が積層されている。また、磁気記録層１０のうち磁化固定領域１１、１２の上部には反強磁性層７７が形成されている。反強磁性層７７上には配線７８が形成されている。また、配線７８は、反強磁性層７７及びビア７９を介して、第１トランジスタＴＲ１，第２トランジスタＴＲ２のソース／ドレイン拡散層に接続されている。

８．第８の実施の形態
磁化反転領域１３における磁化反転（磁壁移動）は、外部から印加される磁界によってアシストされてもよい。例えば、図３３は、磁壁移動をアシストするためのアシスト配線８１が設けられた構成の一例を示している。図３４は、図３３に示された構成の平面図である。図３３及び図３４において、アシスト配線８１は、磁化反転領域１３の下方において、磁化反転領域１３のほぼ中心部と直交するように設けられている。更に、アシスト配線８１は第１磁化固定領域１１に接続されており、書き込み動作時、書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２は、このアシスト配線８１を通して磁気記録層１０に供給される、又は、そこから引き抜かれる。

図３３及び図３４における磁気記録層１０の構成は、図４に示された構造例１と同一である。図４及び図３４を参照して、第１書き込み動作時、第１書き込み電流ＩＷ１は、アシスト配線８１から第１磁化固定領域１１に導入され、第２磁化固定領域１２の方へ流れる。この時、アシスト配線８１を流れる第１書き込み電流ＩＷ１によって磁化反転領域１３に印加されるアシスト磁界Ｈの向きは、Ｘ方向である。すなわち、アシスト磁界Ｈは、磁化反転をアシストしている。一方、第２書き込み動作時、第２書き込み電流ＩＷ２は、第２磁化固定領域１２から第１磁化固定領域へ流れ、アシスト配線８１へ流れ込む。この時、アシスト配線８１を流れる第２書き込み電流ＩＷ２によって磁化反転領域１３に印加されるアシスト磁界Ｈの向きは、−Ｘ方向である。すなわち、アシスト磁界Ｈは、磁化反転をアシストしている。アシスト配線８１が、磁化反転領域１３の上方において磁化反転領域１３と交差し、第２磁化固定領域１２とつながっていてもよい。その場合でも同じ効果が得られる。

また、図５に示された構造例２の場合、アシスト配線８１が、磁化反転領域１３の下方において磁化反転領域１３と交差し、第２磁化固定領域１２とつながっていればよい。あるいは、アシスト配線８１が、磁化反転領域１３の上方において磁化反転領域１３と交差し、第１磁化固定領域１１とつながっていればよい。また、構造例３、構造例４、構造例５の場合も、同様である。構造に応じて、アシスト配線８１は、磁化反転領域１３の上方あるいは下方に設けられ、第１磁化固定領域１１あるいは第２磁化固定領域１２に接続される。要は、アシスト配線８１が、磁化反転領域１３と交差し、アシスト磁界Ｈが磁化反転をアシストするように設計されていればよい。これにより、第１書き込み電流ＩＷ１及び第２書き込み電流ＩＷ２を低減することが可能となる。

また、図３５に示されるように、磁化反転領域１３の下方と上方に、それぞれアシスト配線８１、８２が設けられてもよい。この場合、アシスト配線８１は、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の一方に接続され、アシスト配線８２は、他方に接続される。これにより、アシストの効果が増加し、書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２を更に低減することが可能となる。

更に、図３６に示されるように、アシスト配線８１（８２）は、ヨーク配線構造を有していてもよい。すなわち、アシスト配線８１（８２）の面のうち、磁化反転領域１３と対向していない面の一部が、磁性層８３によって覆われていてもよい。磁性層８３は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉあるいはそれらの合金から形成される。図３６において、アシスト配線８１の側面及び底面が磁性層８３によって覆われているが、底面だけが覆われていてもよい。このようなヨーク配線構造によってアシスト磁界が増大し、書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２を更に低減することが可能となる。

更に、本実施の形態によれば、書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２が低減されるが故に、書き込みマージンが拡大する。その理由は次の通りである。書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２は、電流Ｉｍｉｎ〜電流Ｉｍａｘの範囲に設定される必要がある。電流Ｉｍｉｎは、磁化反転領域１３において磁壁が移動できる下限の電流である。また、電流Ｉｍａｘは、磁化固定領域１１、１２にまで磁壁が移動してしまう最小の電流である。書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２の低減は、電流Ｉｍｉｎの低減を意味する。従って、書き込みマージンが拡大する。尚、図３３〜図３６に示されるように、磁気記録層１０がＵ字状に形成されている場合、アシスト磁界は、本来起こってほしくない磁化固定領域１１、１２での磁壁移動には影響を及ぼさない。よって、アシスト磁界の観点から言えば、Ｕ字状の磁気記録層１０が好適である。

また、アシスト配線８１、８２は、磁気記録層１０とつながっていなくてもよい。その場合、アシスト配線８１、８２を流れる電流は、書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２から独立して制御される。但し、配線数や制御回路の観点からは、上述の図３３〜図３６に示された構成が望ましい。つまり、磁気記録層１０に書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２を供給するための配線が、アシスト配線８１、８２として利用されることが好適である。これにより、配線数の増大が防止され、特別な制御回路が不要となる。

９．第９の実施の形態
上述の実施の形態における磁気メモリセル１には、外部から書き込み磁界を印加することによってデータを書き込むことも可能である。この場合、図３７に示されるように、ＭＲＡＭは、磁気記録層１０（磁化反転領域１３）と磁気的に結合した書き込み配線９０を備える。データ「１」の書き込み時、書き込み配線９０には、第１書き込み電流ＩＷ１が＋Ｙ方向に流される。その第１書き込み電流ＩＷ１により発生する第１書き込み磁界が、磁化反転領域１３に印加される。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、磁壁ＤＷが第２境界Ｂ２から第１境界Ｂ１へ移動する。一方、データ「０」の書き込み時、書き込み配線９０には、第２書き込み電流ＩＷ２が−Ｙ方向に流される。その第２書き込み電流ＩＷ２により発生する第２書き込み磁界が、磁化反転領域１３に印加される。第２書き込み磁界の向きは、第１書き込み磁界の向きの逆である。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、磁壁ＤＷが第１境界Ｂ１から第２境界Ｂ２へ移動する。

Claims (49)

1. 強磁性層である磁気記録層と、
   非磁性層を介して前記磁気記録層に接続されたピン層と
   を具備し、
   前記磁気記録層は、
   反転可能な磁化を有し前記ピン層と対向する磁化反転領域と、
   前記磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
   前記磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域と
   を有し、
   前記第１方向及び前記第２方向は共に、前記磁化反転領域へ向かう方向、又は、前記磁化反転領域から離れる方向である
   磁気メモリセル。
2. 請求の範囲１に記載の磁気メモリセルであって、
   前記第１方向は前記第１境界へ向かう方向であり、
   前記第２方向は前記第２境界へ向かう方向である
   磁気メモリセル。
3. 請求の範囲１に記載の磁気メモリセルであって、
   前記第１方向は前記第１境界から離れる方向であり、
   前記第２方向は前記第２境界から離れる方向である
   磁気メモリセル。
4. 請求の範囲１乃至３のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
   前記磁化反転領域の磁化は、前記第１境界及び前記第２境界のいずれかへ向き、
   前記磁気記録層において、磁壁が前記第１境界及び前記第２境界のいずれかに形成される
   磁気メモリセル。
5. 強磁性層である磁気記録層と、
   非磁性層を介して前記磁気記録層に接続されたピン層と
   を具備し、
   前記磁気記録層は、
   前記ピン層と対向する磁化反転領域と、
   前記磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
   前記磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域と
   を有し、
   前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との間を流れる電流により、前記磁気記録層中の磁壁が、前記磁化反転領域の前記第１境界と前記第２境界の間を移動する
   磁気メモリセル。
6. 請求の範囲１乃至５のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
   前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域は、互いに略平行となるように形成され、
   前記磁化反転領域は、前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との間をつなぐように形成された
   磁気メモリセル。
7. 請求の範囲６に記載の磁気メモリセルであって、
   前記磁化反転領域、前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域は、同一平面上に、直線状に形成され、
   前記第１方向と前記第２方向は逆方向である
   磁気メモリセル。
8. 請求の範囲７に記載の磁気メモリセルであって、
   前記磁化反転領域の断面積は、前記第１境界及び前記第２境界から離れるにつれて大きくなる
   磁気メモリセル。
9. 請求の範囲７又は８に記載の磁気メモリセルであって、
   前記第１境界及び前記第２境界に平行な面において、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の断面積は、前記磁化反転領域の断面積より小さい
   磁気メモリセル。
10. 請求の範囲６に記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域は、前記第１方向と前記第２方向が同じになるように形成された
    磁気メモリセル。
11. 請求の範囲１０に記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁化反転領域、前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域は、Ｕ字状に形成された
    磁気メモリセル。
12. 請求の範囲１０又は１１に記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁化反転領域、前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域は、同一平面上に形成された
    磁気メモリセル。
13. 請求の範囲１０又は１１に記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁化反転領域は、第１平面に平行に形成され、
    前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域は、前記第１平面に直交するように形成された
    磁気メモリセル。
14. 請求の範囲１３に記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁化反転領域は、溝部の底面上に形成され、
    前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域は、前記溝部の対向する側面上にそれぞれ形成された
    磁気メモリセル。
15. 請求の範囲１乃至１４のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１磁化固定領域に前記第１方向のバイアス磁界を印加する第１磁性体と、
    前記第２磁化固定領域に前記第２方向のバイアス磁界を印加する第２磁性体と
    を更に具備する
    磁気メモリセル。
16. 請求の範囲１５に記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１磁性体及び前記第２磁性体のそれぞれは、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域に密着するように設けられ、
    前記第１磁性体の磁化の向きは前記第１方向であり、
    前記第２磁性体の磁化の向きは前記第２方向である
    磁気メモリセル。
17. 請求の範囲１５に記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１磁性体及び前記第２磁性体のそれぞれは、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域から離れて設けられた
    磁気メモリセル。
18. 請求の範囲１７に記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１磁性体及び前記第２磁性体のそれぞれは、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の上方あるいは下方に設けられ、
    前記第１磁性体の磁化の向きは前記第１方向の逆であり、
    前記第２磁性体の磁化の向きは前記第２方向の逆である
    磁気メモリセル。
19. 請求の範囲１７に記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１磁性体及び前記第２磁性体は、前記磁気記録層と同一平面上に設けられた
    磁気メモリセル。
20. 請求の範囲１９に記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１磁性体及び前記第２磁性体は、前記磁気記録層を両側から挟み込むように設けられ、
    前記第１磁性体の端部のうち前記第１磁化固定領域に最接近する端部における磁化の向きは、前記第１方向であり、
    前記第２磁性体の端部のうち前記第２磁化固定領域に最接近する端部における磁化の向きは、前記第２方向である
    磁気メモリセル。
21. 請求の範囲１０乃至１４のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域は、等しい向きの磁気異方性を有し、
    前記磁化反転領域は、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域と異なる向きの磁気異方性を有する
    磁気メモリセル。
22. 請求の範囲１０乃至１４のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１磁化固定領域の長手方向と前記第２磁化固定領域の長手方向は等しく、
    前記磁化反転領域の長手方向は、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の長手方向と異なる
    磁気メモリセル。
23. 請求の範囲２１又は２２に記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１方向及び前記第２方向と同じ向きの外部磁界が印加される
    磁気メモリセル。
24. 請求の範囲１乃至２３のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    第１書き込み動作時、第１書き込み電流が、前記第１磁化固定領域から前記磁化反転領域を通って前記第２磁化固定領域に流され、
    第２書き込み動作時、第２書き込み電流が、前記第２磁化固定領域から前記磁化反転領域を通って前記第１磁化固定領域に流される
    磁気メモリセル。
25. 請求の範囲２４に記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１書き込み動作により、前記磁気記録層において磁壁が前記第１境界に形成され、
    前記第２書き込み動作により、前記磁気記録層において磁壁が前記第２境界に形成される
    磁気メモリセル。
26. 請求の範囲２４に記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１方向は前記第１境界へ向かう方向であり、
    前記第２方向は前記第２境界へ向かう方向であり、
    前記第１書き込み動作により、前記磁化反転領域の磁化は前記第１境界へ向き、
    前記第２書き込み動作により、前記磁化反転領域の磁化は前記第２境界へ向く
    磁気メモリセル。
27. 請求の範囲２４に記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１方向は前記第１境界から離れる方向であり、
    前記第２方向は前記第２境界から離れる方向であり、
    前記第１書き込み動作により、前記磁化反転領域の磁化は前記第２境界へ向き、
    前記第２書き込み動作により、前記磁化反転領域の磁化は前記第１境界へ向く
    磁気メモリセル。
28. 請求の範囲２６に記載の磁気メモリセルであって、
    更に、前記磁化反転領域と交差するように形成されたアシスト配線を具備し、
    前記第１書き込み動作時、前記アシスト配線を流れる電流によって前記磁化反転領域に印加される磁界の向きは、前記第１境界へ向き、
    前記第２書き込み動作時、前記アシスト配線を流れる電流によって前記磁化反転領域に印加される磁界の向きは、前記第２境界へ向く
    磁気メモリセル。
29. 請求の範囲２７に記載の磁気メモリセルであって、
    更に、前記磁化反転領域と交差するように形成されたアシスト配線を具備し、
    前記第１書き込み動作時、前記アシスト配線を流れる電流によって前記磁化反転領域に印加される磁界の向きは、前記第２境界へ向き、
    前記第２書き込み動作時、前記アシスト配線を流れる電流によって前記磁化反転領域に印加される磁界の向きは、前記第１境界へ向く
    磁気メモリセル。
30. 請求の範囲２８又は２９に記載の磁気メモリセルであって、
    前記アシスト配線は、前記第１磁化固定領域あるいは前記第２磁化固定領域に接続されており、
    前記第１書き込み動作時、前記アシスト配線には前記第１書き込み電流が流れ、
    前記第２書き込み動作時、前記アシスト配線には前記第２書き込み電流が流れる
    磁気メモリセル。
31. 請求の範囲２８乃至３０のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    前記アシスト配線は、
    前記磁化反転領域の下方に形成された第１アシスト配線と、
    前記磁化反転領域の上方に形成された第２アシスト配線と
    を含んでいる
    磁気メモリセル。
32. 請求の範囲１乃至２３のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    第１書き込み動作時、第１書き込み磁界が前記磁化反転領域に印加され、
    第２書き込み動作時、前記第１書き込み磁界と逆向きの第２書き込み磁界が前記磁化反転領域に印加される
    磁気メモリセル。
33. 請求の範囲１乃至３２のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    読み出し動作時、読み出し電流が、前記磁化反転領域と前記非磁性層を経由して、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域のいずれかと前記ピン層の間に流される
    磁気メモリセル。
34. 請求の範囲１乃至３３のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁気記録層は、反強磁性的に結合した複数の強磁性層からなり、
    前記複数の強磁性層のうち前記非磁性層を介して前記ピン層に隣接する強磁性層が、前記磁化反転領域と、前記第１磁化固定領域と、前記第２磁化固定領域とを含む
    磁気メモリセル。
35. 請求の範囲１乃至３４のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁気記録層は、更に、
    反転可能な磁化を有する他の磁化反転領域と、
    磁化の向きが第３方向に固定された第３磁化固定領域と
    を有し、
    前記他の磁化反転領域は、第３境界において前記第２磁化固定領域に接続され、第４境界において前記第３磁化固定領域に接続され、
    前記第２方向及び前記第３方向は共に、前記他の磁化反転領域へ向かう方向、又は、前記他の磁化反転領域から離れる方向である
    磁気メモリセル。
36. 請求の範囲３５に記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１磁化固定領域、前記第２磁化固定領域及び前記第３磁化固定領域は、互いに略平行となるように形成され、
    前記磁化反転領域は、前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との間をつなぐように形成され、
    前記他の磁化反転領域は、前記第２磁化固定領域と前記第３磁化固定領域との間をつなぐように形成された
    磁気メモリセル。
37. 請求の範囲３６に記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁化反転領域、前記他の磁化反転領域、前記第１磁化固定領域、前記第２磁化固定領域、及び前記第３磁化固定領域は、直線状に形成され、
    前記第１方向と前記第２方向は逆方向であり、
    前記第１方向と前記第３方向は同方向である
    磁気メモリセル。
38. 請求の範囲３６に記載の磁気メモリセルであって、
    前記第１磁化固定領域、前記第２磁化固定領域、及び前記第３磁化固定領域は、前記第１方向、前記第２方向及び前記第３方向が同じになるように形成された
    磁気メモリセル。
39. 請求の範囲３５乃至３８のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    前記他の磁化反転領域は、他の非磁性層を介して他のピン層に接続された
    磁気メモリセル。
40. 請求の範囲１乃至３９のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁化反転領域は、軟磁性材料で形成された
    磁気メモリセル。
41. 請求の範囲４０に記載の磁気メモリセルであって、
    前記軟磁性材料の材質は、非晶質、あるいは粒径が膜厚以下の微結晶質である
    磁気メモリセル。
42. 請求の範囲１乃至３９のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁化反転領域は、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉから選択される少なくとも１種類の元素を含む
    磁気メモリセル。
43. 請求の範囲４２に記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁化反転領域の組成は、ＸＸ−ＹＹ−ＺＺで表され、
    前記ＸＸは、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉから選択される少なくとも１種類の元素からなり、
    前記ＹＹは、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，及びＶから選択される少なくとも１種類の元素からなり、
    前記ＺＺは、Ｎ，Ｃ，Ｂ，及びＯから選択される少なくとも１種類の元素からなる
    磁気メモリセル。
44. 請求の範囲４２に記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁化反転領域の組成は、ＸＸ−ＹＹで表され、
    前記ＸＸは、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉから選択される少なくとも１種類の元素からなり、
    前記ＹＹは、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，及びＶから選択される少なくとも１種類の元素からなる
    磁気メモリセル。
45. 請求の範囲４２に記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁化反転領域の組成は、ＸＸ−ＹＹ−ＺＺで表され、
    前記ＸＸは、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉから選択される少なくとも１種類の元素からなり、
    前記ＺＺは、Ｎ，Ｃ，Ｂ，及びＯから選択される少なくとも１種類の元素からなる
    磁気メモリセル。
46. 請求の範囲１乃至４５のいずれかに記載の磁気メモリセルと、
    前記磁気メモリセルに接続されたワード線と、
    前記磁気メモリセルに接続されたビット線と
    を具備する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
47. 磁気ランダムアクセスメモリへのデータ読み書き方法であって、
    前記磁気ランダムアクセスメモリは、磁気メモリセルを備え、
    前記磁気メモリセルは、
    強磁性層である磁気記録層と、
    非磁性層を介して前記磁気記録層に接続されたピン層と
    を備え、
    前記磁気記録層は、
    反転可能な磁化を有し前記ピン層と対向する磁化反転領域と、
    前記磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
    前記磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域と
    を有し、
    前記第１方向及び前記第２方向は共に、前記磁化反転領域へ向かう方向、又は、前記磁化反転領域から離れる方向であり、
    前記データ読み書き方法は、
    （Ａ）第１データを書き込む場合、第１書き込み電流を、前記第１磁化固定領域から前記磁化反転領域を経由して前記第２磁化固定領域に流すステップと、
    （Ｂ）第２データを書き込む場合、第２書き込み電流を、前記第２磁化固定領域から前記磁化反転領域を経由して前記第１磁化固定領域に流すステップと
    を含む
    磁気ランダムアクセスメモリへのデータ読み書き方法。
48. 磁気ランダムアクセスメモリへのデータ読み書き方法であって、
    前記磁気ランダムアクセスメモリは、磁気メモリセルを備え、
    前記磁気メモリセルは、
    強磁性層である磁気記録層と、
    非磁性層を介して前記磁気記録層に接続されたピン層と
    を具備し、
    前記磁気記録層は、
    前記ピン層と対向し磁壁が移動する磁化反転領域と、
    前記磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
    前記磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域と
    を有し、
    前記データ読み書き方法は、
    （Ａ）第１データを書き込む場合、第１書き込み電流を前記第１磁化固定領域から前記第２磁化固定領域に流すことにより、前記磁気記録層中の磁壁を前記第１境界に移動させるステップと、
    （Ｂ）第２データを書き込む場合、第２書き込み電流を前記第２磁化固定領域から前記第１磁化固定領域に流すことにより、前記磁壁を前記第２境界に移動させるステップと
    を含む
    磁気ランダムアクセスメモリへのデータ読み書き方法。
49. 請求の範囲４７又は４８に記載の磁気ランダムアクセスメモリへのデータ読み書き方法であって、
    更に、
    （Ｃ）前記磁気メモリセルに記憶された前記第１データあるいは前記第２データを読み出す場合、読み出し電流を、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域のいずれかと前記ピン層の間に、前記磁化反転領域と前記非磁性層を経由して流すステップを
    含む
    磁気ランダムアクセスメモリへのデータ読み書き方法。

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