JPWO2009038004A1 - Magnetic random access memory - Google Patents

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Abstract

磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を具備し、前記磁化記録層が第１磁化領域から第Ｎ磁化領域まで（Ｎ≧３）を有し、前記磁化領域のうち、第１磁化領域から第Ｍ磁化領域まで（Ｍ≧Ｎ−１）が反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域から第Ｍ磁化反転領域であり、前記第Ｋ磁化領域が前記第Ｌ磁化領域（Ｌ≠Ｋ）と前記第Ｊ磁化領域（Ｊ≠Ｋ、Ｊ≠Ｌ）を経由することなく接続されており、かつ、前記第Ｋ磁化領域の一端が他の磁性領域と接続していない。データ書込みの際には、前記第１磁化反転領域から前記第Ｍ磁化反転領域までの情報と書き込む情報に応じて、前記第１磁化反転領域から前記第Ｍ磁化反転領域までの領域から他の前記磁化領域に順次電流を印加する。磁壁移動型ＭＲＡＭのセル面積を抑制することが可能となる。A magnetization recording layer that is a ferromagnetic layer having magnetic anisotropy, and the magnetization recording layer has a first magnetization region to an Nth magnetization region (N ≧ 3), and the first of the magnetization regions The first magnetization switching region to the Mth magnetization switching region having magnetization that can be switched from the magnetization region to the Mth magnetization region (M ≧ N−1), and the Kth magnetization region is the Lth magnetization region (L ≠ K) and the Jth magnetization region (J ≠ K, J ≠ L) are connected without passing through, and one end of the Kth magnetization region is not connected to another magnetic region. At the time of data writing, depending on the information from the first magnetization switching region to the Mth magnetization switching region and the information to be written, the region from the first magnetization switching region to the Mth magnetization switching region and the other A current is sequentially applied to the magnetized region. The cell area of the domain wall motion type MRAM can be suppressed.

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）に関する。特に、本発明は、磁壁移動方式のＭＲＡＭに関する。   The present invention relates to a Magnetic Random Access Memory (MRAM). In particular, the present invention relates to a domain wall motion type MRAM.

ＭＲＡＭは、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。ＭＲＡＭにおいては、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果などの「磁気抵抗効果」を示す磁気抵抗素子が利用される。その磁気抵抗素子には、例えばトンネルバリヤ層が２層の強磁性層で挟まれた磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）が形成される。その２層の強磁性層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層）と、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層）から構成される。   MRAM is a promising nonvolatile memory from the viewpoint of high integration and high-speed operation. In the MRAM, a magnetoresistive element exhibiting a “magnetoresistance effect” such as a TMR (Tunnel MagnetoResistance) effect is used. In the magnetoresistive element, for example, a magnetic tunnel junction (MTJ: Magnetic Tunnel Junction) in which a tunnel barrier layer is sandwiched between two ferromagnetic layers is formed. The two ferromagnetic layers are composed of a magnetization fixed layer (pinned layer) whose magnetization direction is fixed and a magnetization free layer (free layer) whose magnetization direction can be reversed.

ピン層とフリー層の磁化の向きが“反平行”である場合のＭＴＪの抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値（Ｒ）よりも大きくなることが知られている。ＭＲＡＭは、このＭＴＪを有する磁気抵抗素子をメモリセルとして用い、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。例えば、反平行状態はデータ“１”に対応付けられ、平行状態はデータ“０”に対応付けられる。メモリセルに対するデータの書き込みは、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。   The resistance value (R + ΔR) of the MTJ when the magnetization directions of the pinned layer and the free layer are “anti-parallel” is larger than the resistance value (R) when they are “parallel” due to the magnetoresistance effect. It is known. The MRAM uses the magnetoresistive element having the MTJ as a memory cell, and stores data in a nonvolatile manner by utilizing the change in the resistance value. For example, the antiparallel state is associated with data “1”, and the parallel state is associated with data “0”. Data is written to the memory cell by reversing the magnetization direction of the free layer.

ＭＲＡＭに対するデータの書き込み方法として、「アステロイド方式」や「トグル方式」が知られている。これらの書き込み方式によれば、メモリセルサイズにほぼ反比例して、フリー層の磁化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。   As a method for writing data to the MRAM, “asteroid method” and “toggle method” are known. According to these write methods, the reversal magnetic field necessary for reversing the magnetization of the free layer increases in inverse proportion to the memory cell size. That is, the write current tends to increase as the memory cell is miniaturized.

微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、「スピン注入（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ）方式」が提案されている。例えば、以下の文献を参照のこと。
特許文献１．特開２００５−９３４８８号
非特許文献１．Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ＆Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１５９，Ｌ１−Ｌ７（１９９６）
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）。A “spin transfer method” has been proposed as a writing method capable of suppressing an increase in write current due to miniaturization. For example, see the following literature:
Patent Document 1. JP, 2005-93488, A Non-patent literature 1. J. et al. C. Slonczewski, Journal of Magnetism & Magnetic Materials, 159, L1-L7 (1996)
According to the spin injection method, a spin-polarized current is injected into the ferromagnetic conductor, and the magnetization is reversed by a direct interaction between the spin of the conduction electron carrying the current and the magnetic moment of the conductor. (Hereinafter, referred to as “Spin Transfer Magnetization Switching”).

米国特許第６８３４００５号（特許文献２）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、以下の文献にも報告されている。
非特許文献２．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗｉｒｅｓ，ＰＲＬ，Ｖｏｌ．９２，ｐｐ．０７７２０５−１−４，２００４．US Pat. No. 6,834,005 (Patent Document 2) discloses a magnetic shift register using spin injection. The magnetic shift register stores information using a domain wall in a magnetic material. In a magnetic material divided into a large number of regions (magnetic domains), a current is injected so as to pass through the domain wall, and the domain wall is moved by the current. The magnetization direction of each region is treated as recorded data. Such a magnetic shift register is used, for example, for recording a large amount of serial data. The movement of the domain wall in the magnetic material is also reported in the following documents.
Non-Patent Document 2. Yamaguchi et al. , Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires, PRL, Vol. 92, pp. 077205-1-4, 2004.

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」が以下の文献に記載されている。
特許文献３．特開２００５−１９１０３２号公報
特許文献４．ＷＯ２００７／０２０８２３号（特願２００６−０８８０６８号）公報“Domain wall motion type MRAM” using such domain wall motion by spin injection (Domain Wall Motion) is described in the following document.
Patent Document 3. Japanese Patent Laid-Open No. 2005-191032 Patent Document 4. WO2007 / 020823 (Japanese Patent Application No. 2006-080868)

特許文献３に記載されたＭＲＡＭは、磁化が固定された磁化固定層と、磁化固定層上に積層されたトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層に積層された磁化記録層とを備える。磁化記録層には、磁化の向きが反転可能な部分と実質的に変化しない部分も含まれているため、磁化自由層ではなく、磁化記録層と呼ぶことにする。図１は、その磁化記録層の構造を示している。図１において、磁化記録層１００は、直線形状を有している。具体的には、磁化記録層１００は、トンネル絶縁層及び磁化固定層と重なる接合部１０３、接合部１０３の両端に隣接するくびれ部１０４、及びくびれ部１０４に隣接形成された一対の磁化固定部１０１、１０２を有する。一対の磁化固定部１０１、１０２には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。更に、ＭＲＡＭは、一対の磁化固定部１０１、１０２に電気的に接続された一対の書き込み用端子１０５、１０６を備える。この書き込み用端子１０５、１０６により、磁化記録層１００の接合部１０３、一対のくびれ部１０４及び一対の磁化固定部１０１、１０２を貫通する電流が流れる。   The MRAM described in Patent Document 3 includes a magnetization fixed layer in which magnetization is fixed, a tunnel insulating layer stacked on the magnetization fixed layer, and a magnetization recording layer stacked on the tunnel insulating layer. Since the magnetization recording layer includes a portion where the magnetization direction can be reversed and a portion where the magnetization direction is not substantially changed, it is referred to as a magnetization recording layer, not a magnetization free layer. FIG. 1 shows the structure of the magnetic recording layer. In FIG. 1, the magnetization recording layer 100 has a linear shape. Specifically, the magnetization recording layer 100 includes a junction 103 that overlaps the tunnel insulating layer and the magnetization fixed layer, a constriction 104 adjacent to both ends of the junction 103, and a pair of magnetization fixed units formed adjacent to the constriction 104. 101, 102. The pair of magnetization fixed portions 101 and 102 are provided with fixed magnetizations in opposite directions. The MRAM further includes a pair of write terminals 105 and 106 that are electrically connected to the pair of magnetization fixed portions 101 and 102. Through the write terminals 105 and 106, a current passing through the junction 103, the pair of constricted portions 104, and the pair of magnetization fixed portions 101 and 102 of the magnetization recording layer 100 flows.

図２は、特許文献４に記載された磁気メモリセルの磁化記録層１１０の構造を示している。磁化記録層１１０は、Ｕ字型の形状を有している。具体的には、磁化記録層１１０は、第１磁化固定領域１１１、第２磁化固定領域１１２、及び磁化反転領域１１３を有している。磁化反転領域１１３は、ピン層１３０とオーバーラップしている。磁化固定領域１１１、１１２は、Ｙ方向に延びるように形成されており、その磁化の向きは同じ方向に固定されている。一方、磁化反転領域１１３は、Ｘ方向に延びるように形成されており、反転可能な磁化を有している。従って、磁壁が、第１磁化固定領域１１１と磁化反転領域１１３との境界Ｂ１、あるいは、第２磁化固定領域１１２と磁化反転領域１１３との境界Ｂ２に形成される。磁化状態の初期化は、例えば、ＸＹ面内で斜め４５度方向に十分大きな初期磁界を印加することによりおこなわれ、初期磁界を除いた後に、磁化固定領域の磁化が＋Ｙ方向、磁化反転領域の磁化が＋Ｘ方向を向き、磁壁が境界Ｂ１に形成された状態が実現される。   FIG. 2 shows the structure of the magnetization recording layer 110 of the magnetic memory cell described in Patent Document 4. The magnetization recording layer 110 has a U-shape. Specifically, the magnetization recording layer 110 has a first magnetization fixed region 111, a second magnetization fixed region 112, and a magnetization switching region 113. The magnetization switching region 113 overlaps the pinned layer 130. The magnetization fixed regions 111 and 112 are formed so as to extend in the Y direction, and their magnetization directions are fixed in the same direction. On the other hand, the magnetization switching region 113 is formed so as to extend in the X direction and has reversible magnetization. Therefore, the domain wall is formed at the boundary B1 between the first magnetization fixed region 111 and the magnetization switching region 113 or at the boundary B2 between the second magnetization fixed region 112 and the magnetization switching region 113. Initialization of the magnetization state is performed, for example, by applying a sufficiently large initial magnetic field in the direction of 45 degrees obliquely in the XY plane, and after removing the initial magnetic field, the magnetization of the magnetization fixed region is + Y direction, The state in which the magnetization is directed in the + X direction and the domain wall is formed at the boundary B1 is realized.

磁化固定領域１１１、１１２は、電流供給端子１１５及び１１６のそれぞれに接続されている。これら電流供給端子１１５、１１６を用いることにより、磁化記録層１１０に書き込み電流を流すことが可能である。その書き込み電流の方向に応じて、磁壁は磁化反転領域１１３中を移動する。この磁壁移動により、磁化反転領域１１３の磁化方向を制御することができる。   The magnetization fixed regions 111 and 112 are connected to current supply terminals 115 and 116, respectively. By using these current supply terminals 115 and 116, a write current can be passed through the magnetization recording layer 110. The domain wall moves in the magnetization switching region 113 in accordance with the direction of the write current. By this domain wall movement, the magnetization direction of the magnetization switching region 113 can be controlled.

しかしながら、図１、図２に示したスピントルクによる磁壁移動を利用した磁気記憶装置の書込み動作においては、書込み電流に上限があるという課題がある。図３Ａ〜図３ＣはＵ字形状の素子における書込み動作を示した平面図である。図３Ａのように初期状態で左下の境界Ｂ１に磁壁が形成されているとする。このとき、電流を端子１１６から１１５に印加し、すなわち、電子を端子１１５から１１６に流すと、スピントルク効果により磁壁は右方向に移動し、電流を切断した後は図３Ｂに示したように右下の境界Ｂ２に磁壁が形成される。この磁壁移動が成功するためには、磁壁が左下の境界Ｂ１に生成されたピンポテンシャルから抜け出すのに十分大きな電流が印加される必要がある。しかしながら、この電流が大きすぎると磁壁は右下のピンポテンシャルからも抜け出してしまい、図３Ｃのように磁壁が右上から抜けてしまう。一旦磁壁が抜けてしまうと、電流の印加だけで磁壁を生成することは困難であるので、磁化状態が固定された不良ビットとなってしまう。   However, the write operation of the magnetic memory device using the domain wall motion by the spin torque shown in FIGS. 1 and 2 has a problem that the write current has an upper limit. 3A to 3C are plan views showing a write operation in a U-shaped element. Assume that a domain wall is formed at the lower left boundary B1 in the initial state as shown in FIG. 3A. At this time, when a current is applied to the terminals 116 to 115, that is, when electrons are caused to flow from the terminals 115 to 116, the domain wall moves to the right due to the spin torque effect, and after cutting off the current, as shown in FIG. A domain wall is formed at the lower right boundary B2. In order for this domain wall movement to be successful, it is necessary to apply a sufficiently large current so that the domain wall escapes from the pin potential generated at the lower left boundary B1. However, if this current is too large, the domain wall will also escape from the lower right pin potential, and the domain wall will escape from the upper right as shown in FIG. 3C. Once the domain wall is removed, it is difficult to generate the domain wall only by applying a current, so that a defective bit whose magnetization state is fixed is obtained.

図４は書込み電流に上限のない磁壁移動を利用したメモリセルの磁化記録層を示す平面図である。磁化記録層１１０は、Ｙ字型の形状を有している。具体的には、磁化記録層１１０は、第１磁化固定領域１１１、第２磁化固定領域１１２、及び磁化反転領域１１３を有している。磁化反転領域１１３は、ピン層１３０とオーバーラップしている。磁化固定領域１１１、１１２は、斜めＹ方向に延びるように形成されており、その磁化の向きは領域の延伸方向に沿って固定されている。一方、磁化反転領域１１３は、Ｘ方向に延びるように形成されており、反転可能な磁化を有している。磁化状態の初期化は、例えば、−Ｙ方向に十分大きな初期磁界を印加することによりおこなうことができる。   FIG. 4 is a plan view showing a magnetization recording layer of a memory cell using domain wall motion without an upper limit in the write current. The magnetization recording layer 110 has a Y-shape. Specifically, the magnetization recording layer 110 has a first magnetization fixed region 111, a second magnetization fixed region 112, and a magnetization switching region 113. The magnetization switching region 113 overlaps the pinned layer 130. The magnetization fixed regions 111 and 112 are formed so as to extend obliquely in the Y direction, and the magnetization direction is fixed along the extending direction of the region. On the other hand, the magnetization switching region 113 is formed so as to extend in the X direction and has reversible magnetization. The magnetization state can be initialized, for example, by applying a sufficiently large initial magnetic field in the −Y direction.

図５はＹ字形状の磁化記録層の書込み動作を示す平面図である。図５の（Ａ）に示したように磁化反転領域１１３の磁化Ｍ３は左に向いているとする。このとき、磁壁は磁化反転領域１１３と第１磁化固定領域１１１の境界に位置している。書込み電流を端子１１７から端子１１５に印加、すなわち、電子が端子１１５から端子１１７に流れると磁壁はスピントルクにより駆動され磁化反転領域１１３中を移動していき、最終的には磁化反転領域１１３の右側から抜ける。結果として、図５の（Ｂ）に示したように磁化反転領域１１３の磁化方向は反転し、磁化反転領域１１３と第２磁化固定領域１１２の境界に新たな磁壁が形成される。磁化反転領域の方向を再び左向きにするためには、端子１１６から端子１１７に電子を流せばよい。   FIG. 5 is a plan view showing the write operation of the Y-shaped magnetization recording layer. As shown in FIG. 5A, it is assumed that the magnetization M3 of the magnetization switching region 113 is directed to the left. At this time, the domain wall is located at the boundary between the magnetization switching region 113 and the first magnetization fixed region 111. When a write current is applied from the terminal 117 to the terminal 115, that is, when electrons flow from the terminal 115 to the terminal 117, the domain wall is driven by the spin torque and moves in the magnetization switching region 113. Exit from the right side. As a result, as shown in FIG. 5B, the magnetization direction of the magnetization switching region 113 is reversed, and a new domain wall is formed at the boundary between the magnetization switching region 113 and the second magnetization fixed region 112. In order to turn the magnetization reversal region to the left again, electrons may flow from the terminal 116 to the terminal 117.

このようにＹ字形状の磁化記録層を有するメモリセルにおいては、書込み動作において、磁壁が磁化反転領域の一端から抜けるため、書込み電流に上限がないという長所がある。しかしながら、Ｙ字形状の場合、２つの磁化固定領域が磁化反転領域を基準として、反対側に位置しているため、磁化記録層の外枠１４０（図５に記載）の面積がＵ字形状と比較して大きくなり、セルサイズが大きいという課題がある。   As described above, the memory cell having the Y-shaped magnetization recording layer has an advantage that there is no upper limit in the write current because the domain wall is removed from one end of the magnetization switching region in the write operation. However, in the case of the Y shape, since the two magnetization fixed regions are located on the opposite side with respect to the magnetization switching region, the area of the outer frame 140 (described in FIG. 5) of the magnetization recording layer is U-shaped. There is a problem that the cell size is large and the cell size is large.

本発明の目的は、書込み電流の上限がなく、書込みマージンが大きく、或いは、実効的なセルサイズを小さくすることを可能とする、磁壁移動を利用した磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a magnetic random access memory using domain wall motion that has no upper limit of write current, has a large write margin, or can reduce an effective cell size.

本発明の一実施形態による磁気ランダムアクセスメモリは、磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を備える。磁気記録層は、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の磁化領域を有する。磁化領域のうちの一つは、磁化領域のうちの他の一つを経由することなく磁化領域のうちの更に他の一つの磁化領域と接続される。磁化領域のうちのＭ個（ＭはＮ−１以上の整数）は、反転可能な磁化を持つ磁化反転領域である。   A magnetic random access memory according to an embodiment of the present invention includes a magnetization recording layer that is a ferromagnetic layer having magnetic anisotropy. The magnetic recording layer has N (N is an integer of 3 or more) magnetization regions. One of the magnetized regions is connected to another one of the magnetized regions without passing through the other one of the magnetized regions. Of the magnetization regions, M (M is an integer equal to or more than N−1) are magnetization reversal regions having reversible magnetization.

本発明の一実施形態による磁気ランダムアクセスメモリの書込み方法は、磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を具備し、磁気記録層が第１磁化領域、第２磁化領域、……、第Ｎ磁化領域（Ｎは３以上の整数）のＮ個の磁化領域とを有し、磁化領域のうちＭ個（ＭはＮ−１以上の整数）は反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域、……、第Ｍ磁化反転領域であり、第Ｋ磁化領域は、第Ｊ磁化領域を経由することなく第Ｌ磁化領域と接続されており（Ｊ，Ｋ，ＬはＮ以下であり互いに異なる整数）、且つ、第Ｋ磁化領域の一端が他の磁化領域と接続していない磁気ランダムアクセスメモリの書込み方法であり、第１磁化反転領域、……、第Ｍ磁化反転領域の磁化の情報をそれぞれ読み出すステップと、書き込むべき書き込み情報を決定するステップと、磁化の情報と書き込み情報とに応じて第１磁化反転領域、……、第Ｍ磁化反転領域のうちの少なくとも一部を含む集合から書き込み領域を順次選択し、前記書き込み領域と他の磁化反転領域との間に、磁化の情報と書き込み情報とに応じて規定された電流を印加するステップとを備える。   A writing method of a magnetic random access memory according to an embodiment of the present invention includes a magnetization recording layer that is a ferromagnetic layer having magnetic anisotropy, and the magnetic recording layer includes a first magnetization region, a second magnetization region,. N magnetization regions (N is an integer of 3 or more), and M (M is an integer of N-1 or more) of the magnetization regions, the first magnetization having reversible magnetization Reversal region,..., Mth magnetization reversal region, and the Kth magnetization region is connected to the Lth magnetization region without passing through the Jth magnetization region (J, K, L are N or less and (A different integer) and a method of writing in a magnetic random access memory in which one end of the Kth magnetization region is not connected to another magnetization region, and information on magnetization of the first magnetization switching region,..., The Mth magnetization switching region Each step and the write information to be written And sequentially selecting a write region from a set including at least a part of the first magnetization reversal region,..., The Mth magnetization reversal region according to the magnetization information and the write information. Applying a current defined in accordance with magnetization information and write information to the magnetization reversal region.

本発明によれば、垂直、あるいは、面内磁気異方性を持つ磁性層を用いた磁壁移動方式のＭＲＡＭにおいて、書込み電流の上限をなくし、かつ、ビット当たりのセル面積を小さすることができる。その結果、書込みマージンが大きく、高速動作可能であり、大容量の磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。   According to the present invention, in the domain wall motion type MRAM using a magnetic layer having a perpendicular or in-plane magnetic anisotropy, the upper limit of the write current can be eliminated and the cell area per bit can be reduced. . As a result, it is possible to provide a large-capacity magnetic random access memory having a large write margin and capable of high-speed operation.

図１は、関連技術における磁気ランダムアクセスメモリの磁化記録層を示す平面図。FIG. 1 is a plan view showing a magnetization recording layer of a magnetic random access memory according to related art. 図２は、関連技術における磁気ランダムアクセスメモリの磁化記録層を示す平面図。FIG. 2 is a plan view showing a magnetization recording layer of a magnetic random access memory according to related art. 図３Ａ〜図３Ｃは、関連技術における磁気ランダムアクセスメモリの動作を示す平面図。3A to 3C are plan views showing the operation of the magnetic random access memory in the related art. 図４は、Ｙ字型の磁化記録層を示す平面図。FIG. 4 is a plan view showing a Y-shaped magnetization recording layer. 図５は、Ｙ字型の磁化記録層の動作を示す平面図。FIG. 5 is a plan view showing the operation of the Y-shaped magnetization recording layer. 図６は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの実施形態を示す斜視図。FIG. 6 is a perspective view showing an embodiment of the magnetic random access memory of the present invention. 図７は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの磁化記録層の実施形態を示す平面図。FIG. 7 is a plan view showing an embodiment of a magnetization recording layer of the magnetic random access memory of the present invention. 図８は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの磁化記録層の実施形態を示す斜視図。FIG. 8 is a perspective view showing an embodiment of a magnetization recording layer of the magnetic random access memory of the present invention. 図９は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの磁化記録層の実施形態を示す斜視図。FIG. 9 is a perspective view showing an embodiment of a magnetization recording layer of the magnetic random access memory of the present invention. 図１０Ａ、図１０Ｂは、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの磁化記録層の実施形態を示す平面図。10A and 10B are plan views showing an embodiment of a magnetization recording layer of the magnetic random access memory of the present invention. 図１１は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの磁化記録層の実施形態を示す平面図。FIG. 11 is a plan view showing an embodiment of a magnetization recording layer of the magnetic random access memory of the present invention. 図１２Ａ、図１２Ｂは、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法を示す平面図。12A and 12B are plan views showing an initialization method of the magnetic random access memory of the present invention. 図１３Ａ〜図１３Ｃは、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法を示す平面図。13A to 13C are plan views showing the initialization method of the magnetic random access memory of the present invention. 図１４Ａ〜図１４Ｈは、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの磁化状態を示す平面図。14A to 14H are plan views showing magnetization states of the magnetic random access memory according to the present invention. 図１５は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの書込み動作を示す平面図。FIG. 15 is a plan view showing a write operation of the magnetic random access memory of the present invention. 図１６は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの書込み動作を示すフローチャート。FIG. 16 is a flowchart showing a write operation of the magnetic random access memory of the present invention. 図１７は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの書込み動作を示す平面図。FIG. 17 is a plan view showing a write operation of the magnetic random access memory of the present invention. 図１８は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの書込み動作を示すフローチャート。FIG. 18 is a flowchart showing a write operation of the magnetic random access memory of the present invention. 図１９Ａ〜図１９Ｈは、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの磁化状態を示す平面図。19A to 19H are plan views showing magnetization states of the magnetic random access memory of the present invention. 図２０は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの読出し動作を説明するための平面図。FIG. 20 is a plan view for explaining the read operation of the magnetic random access memory of the present invention. 図２１は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの読出し動作を説明するための平面図。FIG. 21 is a plan view for explaining the read operation of the magnetic random access memory of the present invention. 図２２は、本発明の実施形態に係るＭＲＡＭの構成の一例を示す平面図。FIG. 22 is a plan view showing an example of the configuration of the MRAM according to the embodiment of the present invention.

添付図面を参照して、本発明の実施形態に係るＭＲＡＭを説明する。本実施形態に係るＭＲＡＭは磁壁移動方式のＭＲＡＭである。   An MRAM according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The MRAM according to the present embodiment is a domain wall motion type MRAM.

１．基本構成
図６は、本実施形態に係る磁気メモリセル１（磁気抵抗素子）の一例を示す斜視図である。磁気メモリセル１は、強磁性体層である磁化記録層１０とピン層、及び非磁性体層であるトンネルバリヤ層を備えている。ピン層、及び、トンネルバリヤ層はそれぞれ、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ及び、３２ａ、３２ｂ、３２ｃの３つの領域に分かれて形成されている。トンネルバリヤ層は、Ａｌ２Ｏ３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜である。1. Basic Configuration FIG. 6 is a perspective view showing an example of a magnetic memory cell 1 (magnetoresistance element) according to the present embodiment. The magnetic memory cell 1 includes a magnetization recording layer 10 that is a ferromagnetic layer, a pinned layer, and a tunnel barrier layer that is a nonmagnetic layer. Each of the pinned layer and the tunnel barrier layer is divided into three regions 30a, 30b, 30c and 32a, 32b, 32c. The tunnel barrier layer is a thin insulating film such as an Al2O3 film or an MgO film.

図６に示されるように、本実施形態に係る磁化記録層１０はＹ字形状をしており、３つの磁化反転領域、すなわち、第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、及び、第３磁化反転領域１１ｃを有している。第１磁化反転領域１１ａに、ピン層３０ａがトンネルバリヤ層３２ａを介して接続され、また、第２磁化反転領域１１ｂに、ピン層３０ｂがトンネルバリヤ層３２ｂを介して接続され、また、第３磁化反転領域１１ｃに、ピン層３０ｃがトンネルバリヤ層３２ｃを介して接続され、それぞれ、磁気トンネル接合が形成されている。また、第１磁化反転領域１１ａには電流印加用の端子１４ａ、第２磁化反転領域１１ｂには電流印加用の端子１４ｂ、第３磁化反転領域１１ｃには電流印加用の端子１４ｃがそれぞれ設けられている。本実施形態においては、３つの磁気トンネル接合にビット情報を記録させることができるので、１セルあたり６値の情報を蓄えることができる。そのため、磁気トンネル接合を有する磁化反転領域が一つだけ設けられている図４に示したセルと比較して、ビットあたりのセル面積を小さくすることができる。なお、ここで、８値（２３）ではなく、６値の情報となる理由については後述する。   As shown in FIG. 6, the magnetization recording layer 10 according to the present embodiment has a Y shape, and includes three magnetization inversion regions, that is, a first magnetization inversion region 11 a, a second magnetization inversion region 11 b, and It has the 3rd magnetization inversion area | region 11c. The pinned layer 30a is connected to the first magnetization switching region 11a via the tunnel barrier layer 32a, and the pinned layer 30b is connected to the second magnetization switching region 11b via the tunnel barrier layer 32b. A pinned layer 30c is connected to the magnetization switching region 11c via a tunnel barrier layer 32c, and a magnetic tunnel junction is formed respectively. The first magnetization switching region 11a is provided with a current application terminal 14a, the second magnetization switching region 11b is provided with a current application terminal 14b, and the third magnetization switching region 11c is provided with a current application terminal 14c. ing. In this embodiment, since bit information can be recorded in three magnetic tunnel junctions, six values of information can be stored per cell. Therefore, the cell area per bit can be reduced as compared with the cell shown in FIG. 4 in which only one magnetization switching region having a magnetic tunnel junction is provided. Here, the reason why information of 6 values instead of 8 values (23) will be described later.

図７は本実施形態の磁化記録層１０の変形例を示した平面図である。図７において、第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、及び、第３磁化反転領域１１ｃの端部の形状が先細り形状になっている。これは書き込み電流印加時に磁壁を端部から抜けやすくするためである。   FIG. 7 is a plan view showing a modification of the magnetization recording layer 10 of the present embodiment. In FIG. 7, the shapes of the end portions of the first magnetization switching region 11a, the second magnetization switching region 11b, and the third magnetization switching region 11c are tapered. This is to make it easier for the domain wall to escape from the end when a write current is applied.

図８は本実施形態に係る磁気メモリセルの変形例である。磁化記録層１０はＹ字形状をしており、第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、及び、磁化固定領域１３を有している。第１磁化反転領域１１ａに、ピン層３０ａがトンネルバリヤ層３２ａを介して接続され、また、第２磁化反転領域１１ｂに、ピン層３０ｂがトンネルバリヤ層３２ｂを介して接続され、それぞれ磁気トンネル接合が形成されている。また、第１磁化反転領域１１ａには電流印加用の端子１４ａ、第２磁化反転領域１１ｂには電流印加用の端子１４ｂ、磁化固定領域１３には電流印加用の端子１４ｃがそれぞれ設けられている。本実施形態においては、２つの磁気トンネル接合にビット情報を記録させることができるので、後述のように１セルあたり３値の情報を蓄えることができる。そのため、磁気トンネル接合を有する磁化反転領域が一つだけ設けられている図４に示したセルと比較して、ビットあたりのセル面積を小さくすることができる。   FIG. 8 shows a modification of the magnetic memory cell according to this embodiment. The magnetization recording layer 10 has a Y shape and has a first magnetization switching region 11 a, a second magnetization switching region 11 b, and a magnetization fixed region 13. The pinned layer 30a is connected to the first magnetization switching region 11a via the tunnel barrier layer 32a, and the pinned layer 30b is connected to the second magnetization switching region 11b via the tunnel barrier layer 32b. Is formed. The first magnetization switching region 11a is provided with a current application terminal 14a, the second magnetization switching region 11b is provided with a current application terminal 14b, and the magnetization fixed region 13 is provided with a current application terminal 14c. . In this embodiment, since bit information can be recorded in two magnetic tunnel junctions, ternary information can be stored per cell as will be described later. Therefore, the cell area per bit can be reduced as compared with the cell shown in FIG. 4 in which only one magnetization switching region having a magnetic tunnel junction is provided.

図９は本実施形態に係る磁気メモリセルの別の変形例である。磁化記録層１０は十字形状をしており、第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、第３磁化反転領域１１ｃ、及び、磁化固定領域１３を有している。第１磁化反転領域１１ａに、ピン層３０ａがトンネルバリヤ層３２ａを介して接続され、また、第２磁化反転領域１１ｂに、ピン層３０ｂがトンネルバリヤ層３２ｂを介して接続され、また、第３磁化反転領域１１ｃに、ピン層３０ｃがトンネルバリヤ層３２ｃを介して接続され、それぞれ磁気トンネル接合が形成されている。また、第１磁化反転領域１１ａには電流印加用の端子１４ａ、第２磁化反転領域１１ｂには電流印加用の端子１４ｂ、第３磁化反転領域１１ｃには電流印加用の端子１４ｃ、磁化固定領域１３には電流印加用の端子１４ｃがそれぞれ設けられている。本実施形態においては、３つの磁気トンネル接合にビット情報を記録させることができるので、１セルあたり７値の情報を蓄えることができる。   FIG. 9 shows another modification of the magnetic memory cell according to the present embodiment. The magnetization recording layer 10 has a cross shape, and includes a first magnetization switching region 11 a, a second magnetization switching region 11 b, a third magnetization switching region 11 c, and a magnetization fixed region 13. The pinned layer 30a is connected to the first magnetization switching region 11a via the tunnel barrier layer 32a, and the pinned layer 30b is connected to the second magnetization switching region 11b via the tunnel barrier layer 32b. A pinned layer 30c is connected to the magnetization switching region 11c via a tunnel barrier layer 32c, and a magnetic tunnel junction is formed respectively. The first magnetization switching region 11a has a current application terminal 14a, the second magnetization switching region 11b has a current application terminal 14b, the third magnetization switching region 11c has a current application terminal 14c, and a magnetization fixed region. 13 is provided with a current application terminal 14c. In this embodiment, since bit information can be recorded in three magnetic tunnel junctions, seven-value information can be stored per cell.

このように本実施形態においては、磁気トンネル接合を有する磁化反転領域の数が２以上であり、かつ、磁化固定領域の数が０又は１であり、かつ、磁化反転領域と磁化固定領域の合計が３以上であることを特徴としている。以下では、簡単のため、磁化反転領域と磁化固定領域の合計が３である図６、図８に示した形状についてさらに詳しく説明する。   As described above, in this embodiment, the number of magnetization switching regions having a magnetic tunnel junction is two or more, the number of magnetization fixed regions is 0 or 1, and the total of the magnetization switching regions and the magnetization fixed regions. Is 3 or more. Hereinafter, for the sake of simplicity, the shape shown in FIGS. 6 and 8 in which the total of the magnetization switching region and the magnetization fixed region is 3 will be described in more detail.

本実施形態で用いる磁性層としては垂直異方性を持つ材料、及び、面内異方性を持つ材料のいずれも用いることができる。   As the magnetic layer used in the present embodiment, either a material having perpendicular anisotropy or a material having in-plane anisotropy can be used.

図１０Ａは垂直異方性を持つ磁化記録層の磁化を示した平面図である。磁化記録層１０は基板面に垂直な方向の異方性を持つ。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以上の材料を含むことが望ましい。さらに、ＰｔやＰｄを含むことで垂直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が例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む層が、異なる層と積層され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、Ｆｅ／Ａｕの積層膜が例示される。   FIG. 10A is a plan view showing magnetization of a magnetization recording layer having perpendicular anisotropy. The magnetization recording layer 10 has anisotropy in a direction perpendicular to the substrate surface. The magnetic recording layer 10 preferably includes at least one material selected from Fe, Co, and Ni. Furthermore, vertical anisotropy can be stabilized by including Pt and Pd. In addition to this, 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, and the like can be added so that desired magnetic properties are expressed. Specifically, 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 Illustrated. In addition, a layer containing at least one material selected from Fe, Co, and Ni can be laminated with a different layer to develop perpendicular magnetic anisotropy. Specifically, a laminated film of Co / Pd, Co / Pt, and Fe / Au is exemplified.

ピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃも磁化記録層１０と同様な材料が用いられる。ピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃの磁化の向き（図１０Ａにおいて破線で図示）は、書込み、及び、読出し動作によって変化しない。そのため、ピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃの磁気異方性は磁化記録層１０よりも大きいことが望ましい。これは、磁化記録層１０とピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃの材料、組成を異なるものとすることにより実現される。また、ピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃのトンネルバリヤ層とは反対側の面に反強磁性体層を積層し、磁化をピン止めすることによっても実現される。さらにピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃを強磁性層、非磁性層、強磁性層からなる積層膜にすることもできる。ここで、非磁性層としてはＲｕ、Ｃｕなどが用いられる。この場合、２つの強磁性層の磁化は互いに反平行になり、２つの強磁性層の磁化を等しくすれば、ピン層からの漏洩磁界を抑制することができる。図１０Ａにおいて、各磁化反転領域の磁化は＋Ｚ、−Ｚのいずれかの方向（紙面に垂直な方向）を向く。   The pinned layers 30a, 30b, and 30c are made of the same material as that of the magnetization recording layer 10. The magnetization directions (illustrated by broken lines in FIG. 10A) of the pinned layers 30a, 30b, and 30c are not changed by the write and read operations. Therefore, it is desirable that the magnetic anisotropy of the pinned layers 30a, 30b, and 30c is larger than that of the magnetization recording layer 10. This is realized by using different materials and compositions for the magnetic recording layer 10 and the pinned layers 30a, 30b, and 30c. It can also be realized by laminating an antiferromagnetic layer on the surface of the pinned layers 30a, 30b, 30c opposite to the tunnel barrier layer and pinning the magnetization. Further, the pinned layers 30a, 30b, and 30c can be a laminated film composed of a ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a ferromagnetic layer. Here, Ru, Cu, or the like is used as the nonmagnetic layer. In this case, the magnetizations of the two ferromagnetic layers are antiparallel to each other, and if the magnetizations of the two ferromagnetic layers are equal, the leakage magnetic field from the pinned layer can be suppressed. In FIG. 10A, the magnetization of each magnetization switching region is oriented in either + Z or −Z direction (direction perpendicular to the paper surface).

図１０Ｂは面内異方性を持つ磁化記録層の磁化を示した平面図である。磁化記録層１０の材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つ以上の材料を含むことが望ましい。典型的にはＮｉＦｅが用いられる。また、ＣｏＦｅＢはＭｇＯバリヤと組み合わせることにより高いＭＲ比が得られることが知られている。図１０Ｂにおいて、各磁化反転領域の磁化は中心に向かう方向、あるいは、中心から離れる方向のいずれかを向く。   FIG. 10B is a plan view showing the magnetization of the magnetization recording layer having in-plane anisotropy. The material of the magnetic recording layer 10 preferably includes at least one material selected from Fe, Co, and Ni. NiFe is typically used. Further, it is known that CoFeB can obtain a high MR ratio when combined with an MgO barrier. In FIG. 10B, the magnetization of each magnetization reversal region faces either the direction toward the center or the direction away from the center.

図１１は本実施形態の変形例における磁化記録層を示した平面図である。面内磁気異方性をもつ磁化記録層１０は第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、及び、第３磁化反転領域１１ｃから構成されており、これらの磁化反転領域は中心部において接続している。第１磁化反転領域１１ａ、及び、第２磁化反転領域１１ｂは第３磁化反転領域１１ｃと平行な磁化成分を持つように湾曲している。湾曲している箇所よりも先端側の領域に、トンネルバリヤ層を介してピン層３０ａ、３０ｂが接続され磁気トンネル接合が形成される。また、磁化反転領域１１ｃにも、トンネルバリヤ層を介してピン層３０ｃが接続され磁気トンネル接合が形成されている。本変形例においては、ピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃの磁化を固定する方向を同じＸ方向にすることができるという長所がある。   FIG. 11 is a plan view showing a magnetization recording layer in a modification of the present embodiment. The magnetization recording layer 10 having in-plane magnetic anisotropy is composed of a first magnetization inversion region 11a, a second magnetization inversion region 11b, and a third magnetization inversion region 11c. Connected. The first magnetization switching region 11a and the second magnetization switching region 11b are curved so as to have a magnetization component parallel to the third magnetization switching region 11c. The pinned layers 30a and 30b are connected to the tip side of the curved portion via the tunnel barrier layer to form a magnetic tunnel junction. The pinned layer 30c is also connected to the magnetization switching region 11c via a tunnel barrier layer to form a magnetic tunnel junction. The present modification has an advantage that the direction in which the magnetization of the pinned layers 30a, 30b, and 30c is fixed can be the same X direction.

次に本実施形態の初期化方法について述べる。磁化反転領域の磁化方向を初期化する方法は磁化記録層の磁気異方性の方向により異なっている。最初に磁気異方性が面内である場合について説明する。   Next, the initialization method of this embodiment will be described. The method of initializing the magnetization direction of the magnetization switching region differs depending on the direction of magnetic anisotropy of the magnetization recording layer. First, the case where the magnetic anisotropy is in-plane will be described.

図１２Ａ、図１２Ｂは面内異方性を持つ磁化記録層の初期化過程を示した平面図である。最初に、図１２Ａに示したように、左下方向（Ｘ軸から−１００度程度）に十分大きな磁界を印加することにより磁化記録層の磁化を左下方向に磁化する。その後、この磁界を取り除くと、形状異方性により、それぞれの領域の磁化は図１２Ｂに示した方向を向き、各磁化反転領域の磁化は初期化される。   12A and 12B are plan views showing the initialization process of the magnetic recording layer having in-plane anisotropy. First, as shown in FIG. 12A, the magnetization of the magnetization recording layer is magnetized in the lower left direction by applying a sufficiently large magnetic field in the lower left direction (about −100 degrees from the X axis). Thereafter, when this magnetic field is removed, due to the shape anisotropy, the magnetization of each region is oriented in the direction shown in FIG. 12B, and the magnetization of each magnetization switching region is initialized.

２．初期化
次に磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である場合の初期化について説明する。2. Initialization Next, initialization when the magnetic anisotropy of the magnetization recording layer is in the perpendicular direction will be described.

図１３Ａ〜図１３Ｃは垂直磁気異方性をもつ磁化記録層を有する本実施形態において、初期化が容易になるように形状を改良した磁化記録層の初期化過程を説明するための平面図である。図１３Ａ〜図１３Ｃにおいて、垂直磁気異方性を持つ磁化記録層は第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、及び、第３磁化反転領域１３ａから構成されている。第１磁化反転領域１３ａ、第２磁化反転領域１３ｂ、及び、第３磁化反転領域にはトンネルバリヤ層（図示せず）を介してピン層（図示せず）がそれぞれ接続され、磁気トンネル接合が形成されている。第１磁化反転領域１１ａを構成する各辺はＸＹ平面において、負の傾きをもっている。その反対に、第２磁化反転領域を構成する各辺はＸＹ平面において、正の傾きを持っている。すなわち、第１磁化反転領域１１ａの第３磁化領域１１ｃと接する端部とその反対側の端部とを結ぶ方向と、第２磁化反転領域１１ｂの第３磁化領域１１ｃと接する端部とその反対側の端部とを結ぶ方向とは平行でない。   FIGS. 13A to 13C are plan views for explaining the initialization process of the magnetic recording layer whose shape is improved so that the initialization is easy in this embodiment having the magnetic recording layer having perpendicular magnetic anisotropy. is there. 13A to 13C, the magnetization recording layer having perpendicular magnetic anisotropy includes a first magnetization switching region 11a, a second magnetization switching region 11b, and a third magnetization switching region 13a. A pinned layer (not shown) is connected to each of the first magnetization switching region 13a, the second magnetization switching region 13b, and the third magnetization switching region via a tunnel barrier layer (not shown), and a magnetic tunnel junction is formed. Is formed. Each side constituting the first magnetization switching region 11a has a negative inclination in the XY plane. On the contrary, each side constituting the second magnetization switching region has a positive inclination in the XY plane. That is, the direction connecting the end of the first magnetization switching region 11a in contact with the third magnetization region 11c and the opposite end thereof, and the opposite of the end of the second magnetization switching region 11b in contact with the third magnetization region 11c. It is not parallel to the direction connecting the end portions on the side.

図１３Ａはこの磁化記録層に＋Ｙ方向の十分大きな磁界を印加し、各磁化領域の磁化を＋Ｙ方向に飽和させたときの磁極Ｍ１〜Ｍ３、及びそれによる反磁界Ｄ１〜Ｄ３を示した図である。各辺に生じた磁極Ｍ１〜Ｍ３による反磁界Ｄ１〜Ｄ３は各辺に垂直な方向を向く。従って、第１磁化反転領域１１ａの辺近傍においては−Ｘ方向、第２磁化反転領域１１ｂの辺近傍においては＋Ｘ方向の磁界成分をもつ。図１３Ｂはこの反磁界による磁化に対するトルクの方向を示したものである。トルクは磁界方向と磁化方向の外積に比例するので、第１磁化反転領域、及び、第２磁化反転領域の辺近傍におけるトルクＴ１、Ｔ２はそれぞれ、−Ｚ、＋Ｚ方向となる。従って、＋Ｙ方向の磁界を取り去った後は、各領域の磁化はトルクによって駆動され、最終的には図１３Ｃに示したように、第１磁化反転領域１１ａは−Ｚ、第２磁化反転領域１１ｂは＋Ｚの方向に初期化される。なお、このとき、第３磁化反転領域１１ｃには大きなトルクが発生しないので、磁化方向が＋Ｚ、−Ｚのいずれになるかは不定であるが、磁化固定領域から電流を印加することにより、磁化反転領域を初期化することが可能である。また、磁化反転領域も磁化固定領域と同様に各辺を規則的に傾けることにより、初期化磁界印加後の磁化状態を特定させることもできる。   FIG. 13A is a diagram showing magnetic poles M1 to M3 and demagnetizing fields D1 to D3 by applying a sufficiently large magnetic field in the + Y direction to the magnetization recording layer and saturating the magnetization of each magnetization region in the + Y direction. is there. The demagnetizing fields D1 to D3 due to the magnetic poles M1 to M3 generated on each side are directed in the direction perpendicular to each side. Accordingly, it has a magnetic field component in the −X direction in the vicinity of the side of the first magnetization switching region 11a and in the + X direction in the vicinity of the side of the second magnetization switching region 11b. FIG. 13B shows the direction of torque with respect to magnetization by this demagnetizing field. Since the torque is proportional to the outer product of the magnetic field direction and the magnetization direction, the torques T1 and T2 near the sides of the first magnetization switching region and the second magnetization switching region are in the −Z and + Z directions, respectively. Therefore, after removing the magnetic field in the + Y direction, the magnetization of each region is driven by torque, and finally, as shown in FIG. 13C, the first magnetization switching region 11a is -Z, and the second magnetization switching region 11b. Is initialized in the + Z direction. At this time, since a large torque is not generated in the third magnetization switching region 11c, it is uncertain whether the magnetization direction is + Z or -Z, but by applying a current from the magnetization fixed region, It is possible to initialize the inversion region. Also, the magnetization switching region can be specified in a magnetization state after application of the initialization magnetic field by regularly inclining each side as in the magnetization fixed region.

本実施形態の初期化においては複数の磁化領域のうち、少なくとも２つの磁化領域の磁化方向を互いに反対にすることが必要である。ここで反対とは、垂直磁気異方性を持つ磁化記録層の場合は反平行であることを意味し、面内磁気異方性を持つ磁化記録層の場合は磁化領域が接合した部分に対しての向きが逆であることを意味している。初期化の別の手段としては任意の磁化領域の少なくとも一部に別の磁性層を隣接させることにより、その磁化領域の保磁力を変化させる方法がある。ことのきの別の磁性層としては、反強磁性層、強磁性層のいずれをも用いることができる。また、保磁力を変化させるためには、磁化領域へのイオン注入や磁化領域の下地のラフネスや表面形状を変化させてもよい。   In the initialization of this embodiment, it is necessary to reverse the magnetization directions of at least two of the plurality of magnetization regions. Here, the opposite means that in the case of a magnetic recording layer having perpendicular magnetic anisotropy, it means antiparallel, and in the case of a magnetic recording layer having in-plane magnetic anisotropy, with respect to the portion where the magnetization region is joined. This means that all directions are reversed. As another means of initialization, there is a method of changing the coercive force of the magnetization region by making another magnetic layer adjacent to at least a part of an arbitrary magnetization region. As the other magnetic layer, either an antiferromagnetic layer or a ferromagnetic layer can be used. Further, in order to change the coercive force, ion implantation into the magnetized region or the roughness and surface shape of the base of the magnetized region may be changed.

３．書込み動作、及び、読出し動作
次に、本実施形態におけるデータの書き込み、読出し原理を説明する。
図１４Ａ〜図１４Ｈは磁化記録層が垂直磁気異方性をもち、３つの磁化反転領域を有する本実施形態の磁化記録層が取りうる磁化状態を示した平面図である。３つの磁化反転領域が２つの磁化方向、＋Ｚ、−Ｚを取りうるので、８通りの磁化状態が存在する。このうち、図１４Ｇ、図１４Ｈに示した磁化状態は全ての磁化が同一方向を向いており、磁壁が存在しない。これらの磁化状態からはどのような方向に電流を印加しても磁化反転領域の磁化を反転させることはできないので、本実施形態においては禁止状態となる。従って、本実施形態で取りうる磁化状態の数は図１４Ａ〜図１４Ｆまでの６通りとなる。以下、磁化状態を表す符号として、他の２つの磁化反転領域と異なる方向の磁化をもつ磁化領域の番号Ｉと、その磁化領域の磁化の方向Ｍを組み合わせた［Ｉ，Ｍ］を用いる。磁化の方向Ｍは＋Ｚ方向を“１”、−Ｚ方向を“０”とした。3. Write Operation and Read Operation Next, the principle of writing and reading data in the present embodiment will be described.
14A to 14H are plan views showing magnetization states that can be taken by the magnetization recording layer of the present embodiment in which the magnetization recording layer has perpendicular magnetic anisotropy and has three magnetization reversal regions. Since the three magnetization switching regions can take two magnetization directions, + Z and -Z, there are eight magnetization states. Among these, in the magnetization states shown in FIGS. 14G and 14H, all the magnetizations are directed in the same direction, and there is no domain wall. Since the magnetization in the magnetization switching region cannot be reversed no matter which direction the current is applied from these magnetization states, this embodiment is in a prohibited state. Therefore, the number of magnetization states that can be taken in the present embodiment is six ways from FIG. 14A to FIG. 14F. Hereinafter, [I, M] in which the number I of a magnetization region having magnetization in a direction different from that of the other two magnetization switching regions and the magnetization direction M of the magnetization region are combined is used as a code representing the magnetization state. The magnetization direction M was set to “1” in the + Z direction and “0” in the −Z direction.

図１５は本発明の実施形態におけるデータ書込み時の状態遷移を示した平面図である。図１５においては、磁化反転領域は３つあるとしている。データ書き込みは、スピン注入を利用した磁壁移動方式で行われる。書き込み電流は、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、磁化記録層１０の平面内を流れる。その書き込み電流は、３つの磁化反転領域に接続した端子１４ａ、１４ｂ、１４ｃのうち、２つの端子間に供給される。   FIG. 15 is a plan view showing state transition at the time of data writing in the embodiment of the present invention. In FIG. 15, there are three magnetization switching regions. Data writing is performed by a domain wall motion method using spin injection. The write current flows not in the direction penetrating the MTJ but in the plane of the magnetization recording layer 10. The write current is supplied between two terminals 14a, 14b, and 14c connected to the three magnetization switching regions.

以下、最初に磁化状態が［３，０］であった場合を例に、書込み動作における状態遷移を説明する。［３，０］の磁化状態においては第３磁化反転領域１１ｃが“０”、第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂが“１”になっている。第３磁化反転領域１１ｃが“１”に反転すると、全ての磁化状態が“１”の状態になってしまうので、第３磁化反転領域１１ｃを反転する書込みは禁止される。従って、書込みの際は第３磁化反転領域１１ｃから第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂのいずれかに電子がながれ磁壁が移動する。すなわち、電子が第３磁化反転領域１１ｃから第１磁化反転領域１１ａに流れるときは状態［２，１］に遷移し、電子が第３磁化反転領域１１ｃから第２磁化反転領域１１ｂに流れるときは状態［１，１］に遷移する。一般的に表現すると、状態［Ｉ，Ｍ］に対して、ＩからＪに電子を流すと、状態［Ｋ，Ｍ’］に遷移するといえる。ここで、Ｉ、Ｊ、Ｋは全て異なる領域であり、Ｍ’はＭと異なる磁化方向であることを示す。   Hereinafter, the state transition in the write operation will be described by taking as an example a case where the magnetization state is [3, 0] first. In the [3, 0] magnetization state, the third magnetization switching region 11 c is “0”, and the first magnetization switching region 11 a and the second magnetization switching region 11 b are “1”. When the third magnetization switching region 11c is inverted to “1”, all the magnetization states are changed to “1”, and thus writing to invert the third magnetization switching region 11c is prohibited. Therefore, at the time of writing, electrons flow from the third magnetization switching region 11c to either the first magnetization switching region 11a or the second magnetization switching region 11b, and the domain wall moves. That is, when electrons flow from the third magnetization switching region 11c to the first magnetization switching region 11a, the state transits to [2, 1], and when electrons flow from the third magnetization switching region 11c to the second magnetization switching region 11b. Transition to state [1, 1]. Generally speaking, it can be said that when an electron flows from I to J with respect to the state [I, M], the state transitions to the state [K, M ′]. Here, I, J, and K are all different regions, and M ′ indicates a magnetization direction different from that of M.

図１５には、６の磁化状態［Ｉ，Ｍ］と各磁化状態間を遷移させるための電子の流れの方向Ｉ→Ｊが示されている。図１５から明らかなように、本発明を６値のメモリセルと考えた場合、各磁化状態を実現するためには、現在の磁化状態を調べた後、必要な電子、電流を選択した端子間に印加する必要がある。また、各磁化状態は必ずしも１回の電流印加だけでは遷移せず、例えば、［３，０］から［３，１］のように３回の電流を順次印加する必要がある場合もある。   FIG. 15 shows six magnetization states [I, M] and an electron flow direction I → J for transitioning between the magnetization states. As is apparent from FIG. 15, when the present invention is considered as a six-value memory cell, in order to realize each magnetization state, after examining the current magnetization state, the necessary electrons and currents are selected between terminals. Need to be applied. In addition, each magnetization state does not always change by only one current application. For example, it may be necessary to sequentially apply three currents from [3, 0] to [3, 1].

図１６は書き込む情報と読出した磁化状態の情報に基づき、書込み電流の印加手順を定めるフローチャートの例を示した図面である。ここで、書き込む情報は［３，０］、すなわち、第３磁化反転領域１１ｃが“０”、第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂが“１”である。第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、第３磁化反転領域１１ｃのデータを順次読み出した後、書込み電流を順次、印加する。図１６で示したフローチャートでは３回の電流印加が必要な書込み手順に対して、２回の読出し手順で判定が可能になるように、読出し判定の順番を定めている。   FIG. 16 is a diagram showing an example of a flowchart for determining a write current application procedure based on information to be written and information on the read magnetization state. Here, the information to be written is [3, 0], that is, the third magnetization switching region 11c is “0”, the first magnetization switching region 11a, and the second magnetization switching region 11b are “1”. After sequentially reading the data in the first magnetization switching region 11a, the second magnetization switching region 11b, and the third magnetization switching region 11c, a write current is sequentially applied. In the flowchart shown in FIG. 16, the order of reading determination is determined so that the determination can be performed by two reading procedures with respect to the writing procedure that requires three times current application.

図１７は本実施形態の変形例におけるデータ書込み時の状態遷移を示した平面図である。図１７において、磁化記録層は第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、磁化固定領域１３から構成されており、磁化固定領域１３の磁化は−Ｚ方向に固定されている。この磁化記録層が取りうる磁化状態は図１５で示した磁化状態の中で第３磁化反転領域の磁化方向が−Ｚであるものを抜き出したものに相当する。３つの磁化状態間の遷移は同様に、状態［Ｉ，Ｍ］に対して、ＩからＪに電子を流すと、状態［Ｋ，Ｍ’］に遷移すると表現することができる。図１７においては、状態［１，１］から［２，１］の状態遷移には２回の電流を順次印加する必要がある。   FIG. 17 is a plan view showing a state transition at the time of data writing in a modification of the present embodiment. In FIG. 17, the magnetization recording layer is composed of a first magnetization switching region 11a, a second magnetization switching region 11b, and a magnetization fixed region 13, and the magnetization of the magnetization fixed region 13 is fixed in the −Z direction. The magnetization states that can be taken by this magnetization recording layer correspond to the magnetization states shown in FIG. 15 extracted from the magnetization direction of the third magnetization switching region of −Z. Similarly, the transition between the three magnetization states can be expressed as a transition to the state [K, M ′] when electrons flow from I to J with respect to the state [I, M]. In FIG. 17, it is necessary to sequentially apply two currents to the state transition from the state [1,1] to [2,1].

図１８は書き込む情報と読出した磁化状態の情報に基づき、書込み電流の印加手順を定めるフローチャートの例を示した図面である。ここで、書き込む情報は［１，１］、すなわち、第１磁化反転領域１１ａが“１”、第２磁化反転領域１１ｂが“０”である。第１磁化反転領域１１ａと第２磁化反転領域１１ｂのデータを順次読み出した後、書込み電流を順次、印加する。図１８で示したフローチャートでは２回の電流印加が必要な書込み手順に対して、１回の読出し手順で判定が可能になるように、読出し判定の順番を定めている。   FIG. 18 is a diagram showing an example of a flowchart for determining a write current application procedure based on information to be written and information on the read magnetization state. Here, the information to be written is [1, 1], that is, the first magnetization switching region 11a is “1” and the second magnetization switching region 11b is “0”. After sequentially reading data in the first magnetization switching region 11a and the second magnetization switching region 11b, a write current is sequentially applied. In the flowchart shown in FIG. 18, the order of reading determination is determined so that the determination can be performed by one reading procedure with respect to the writing procedure that requires two times current application.

以上、磁化記録層が垂直磁気異方性を持つ場合の書込み動作について説明したが、磁化記録層が面内磁気異方性を持つ場合についても同様である。ただし、禁止される磁化状態の磁壁の数が垂直磁気異方性の場合と若干異なっている。図１９Ａ〜図１９Ｈは磁化記録層が面内磁気異方性をもち、３つの磁化反転領域を有する本発明の磁化記録層が取りうる磁化状態を示した平面図である。８つの磁化状態の内、図１９Ｇ、図１９Ｈに示した各磁化反転領域が中心に対して全て同じ方向に向かっている状態が禁止状態になる。これは図１９Ａから図１９Ｆに示した磁化状態が一つの磁壁を含むのに対し、図１９Ｇ、図１９Ｈに示した磁化状態が３つの磁壁を含むためであり、電流印加により図１９Ａから図１９Ｆの各状態から図１９Ｇ、図１９Ｈの状態に遷移させることができないためである。   The write operation when the magnetic recording layer has perpendicular magnetic anisotropy has been described above, but the same applies to the case where the magnetic recording layer has in-plane magnetic anisotropy. However, the number of domain walls in the prohibited magnetization state is slightly different from that in the case of perpendicular magnetic anisotropy. 19A to 19H are plan views showing magnetization states that can be taken by the magnetization recording layer of the present invention having in-plane magnetic anisotropy and having three magnetization reversal regions. Of the eight magnetization states, a state in which each magnetization inversion region shown in FIGS. 19G and 19H is all in the same direction with respect to the center is a prohibited state. This is because the magnetization states shown in FIGS. 19A to 19F include one domain wall, whereas the magnetization states shown in FIGS. 19G and 19H include three domain walls. FIG. 19A to FIG. This is because it is not possible to make a transition from the respective states to the states of FIGS. 19G and 19H.

図２０は本実施形態のデータの読み出しを説明するための平面図である。データ読み出し時、読み出し電流は、ピン層と磁化反転領域との間を流れるように供給される。すなわち、図１９Ａにおいて、第１磁化反転領域１１ａのデータを読み出す場合、読み出し電流は、ピン層３０ａに接続された配線Ｒａから端子１４ａに接続された配線Ｗａに流れる。こ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、第１磁化反転領域１１ａの磁化の向きがセンスされる。この場合、配線Ｗａの変わりに他の端子１４ｂ、１４ｃに接続された配線Ｗｂ、Ｗｃを用いても良い。同様に第２磁化反転領域１１ｂのデータを読み出す場合、読み出し電流は、ピン層３０ｂに接続された配線Ｒｂから端子１４ｂに接続された配線Ｗｂに流れる。さらに同様に、第３磁化反転領域１１ｃのデータを読み出す場合、読み出し電流は、ピン層３０ｃに接続された配線Ｒｃから端子１４ｃに接続された配線Ｗｃに流れる。   FIG. 20 is a plan view for explaining reading of data according to the present embodiment. When reading data, a read current is supplied so as to flow between the pinned layer and the magnetization switching region. That is, in FIG. 19A, when reading data from the first magnetization switching region 11a, the read current flows from the wiring Ra connected to the pinned layer 30a to the wiring Wa connected to the terminal 14a. Based on this read current or read potential, the resistance value of the magnetoresistive element is detected, and the direction of magnetization of the first magnetization switching region 11a is sensed. In this case, wirings Wb and Wc connected to the other terminals 14b and 14c may be used instead of the wiring Wa. Similarly, when reading data in the second magnetization switching region 11b, the read current flows from the wiring Rb connected to the pinned layer 30b to the wiring Wb connected to the terminal 14b. Similarly, when reading data from the third magnetization switching region 11c, the read current flows from the wiring Rc connected to the pinned layer 30c to the wiring Wc connected to the terminal 14c.

図２１はピン層３０ａ、３０ｂ、３０ｃが電気的に短絡し、配線Ｒに接続された構成を示している。この場合、第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、第３磁化反転領域１１ｃのいずれを読み出す場合も、読出し電流は配線ＲとＷａ、Ｗｂ、Ｗｃのいずれかの間に電流を印加することによりおこなわれる。読み出される抵抗は磁第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、第３磁化反転領域１１ｃに接続したトンネルバリヤ抵抗の並列抵抗値となる。３つのトンネルバリヤ抵抗を区別するためには、トンネルバリヤの面積を変えることにより抵抗値の絶対値を変えることが有効である。   FIG. 21 shows a configuration in which the pin layers 30a, 30b, and 30c are electrically short-circuited and connected to the wiring R. In this case, when reading any of the first magnetization switching region 11a, the second magnetization switching region 11b, and the third magnetization switching region 11c, the read current is applied between the wiring R and any of Wa, Wb, and Wc. It is done by doing. The read resistance is a parallel resistance value of a tunnel barrier resistance connected to the magnetic first magnetization switching region 11a, the second magnetization switching region 11b, and the third magnetization switching region 11c. In order to distinguish the three tunnel barrier resistors, it is effective to change the absolute value of the resistance value by changing the area of the tunnel barrier.

４．ＭＲＡＭの構成
図２２は本発明の実施形態に係るＭＲＡＭセルの構成の一例を示している。図２２においてＭＲＡＭセルは第１磁化反転領域１１ａ、第２磁化反転領域１１ｂ、第３磁化反転領域１１ｃ、を有する磁化記録層とそれぞれと接続された第１書込みトランジスタ１４０ａ、第２書込みトランジスタ１４０ｂ、第３書き込みトランジスタ１４０ｃを有している。第１書込みトランジスタ１４０ａ、第２書込みトランジスタ１４０ｂ、第３書込みトランジスタ１４０ｃはそれぞれ、第１ワード線１４２ａ、第２ワード線１４２ｂ、第３ワード線１４２ｃに接続する。また、第１書込みトランジスタ１４０ａ、第２書込みトランジスタ１４０ｂ、第３書込みトランジスタ１４０ｃのゲートはそれぞれ、第１ビット線１４１ａ、第２ビット線１４１ｂ、第３ビット線１４１ｃに接続する。また、第１磁化反転領域１１ａに接続した磁気トンネル接合１３０ａ、第２磁化反転領域１１ｂに接続した磁気トンネル接合１３０ｂ、第３磁化反転領域１１ｃに接続した磁気トンネル接合はそれぞれ第４ビット線１４３ａ、第５ビット線１４３ｂ、第６ビット線１４３ｃに接続する。4). Configuration of MRAM FIG. 22 shows an example of the configuration of the MRAM cell according to the embodiment of the present invention. In FIG. 22, the MRAM cell includes a first write transistor 140a, a second write transistor 140b, and a magnetization recording layer having a first magnetization switching region 11a, a second magnetization switching region 11b, and a third magnetization switching region 11c, respectively. A third write transistor 140c is included. The first write transistor 140a, the second write transistor 140b, and the third write transistor 140c are connected to the first word line 142a, the second word line 142b, and the third word line 142c, respectively. The gates of the first write transistor 140a, the second write transistor 140b, and the third write transistor 140c are connected to the first bit line 141a, the second bit line 141b, and the third bit line 141c, respectively. Further, the magnetic tunnel junction 130a connected to the first magnetization switching region 11a, the magnetic tunnel junction 130b connected to the second magnetization switching region 11b, and the magnetic tunnel junction connected to the third magnetization switching region 11c are the fourth bit line 143a, The fifth bit line 143b and the sixth bit line 143c are connected.

第１磁化反転領域から第２磁化反転領域に電子を流し、データの書き込む場合の動作は次のようになる。まず、第１ビット線１４１ａ、第２ビット線１４１ｂを高電位にすることにより第１書込みトランジスタ、及び第２書込みトランジスタをＯＮにし、同時に第１ワード線１４２ａをグランドに接続し、第２ワード線１４２ｂに必要な電流値に応じた電位を印加する。このとき、第３書込みトランジスタはＯＦＦ、第３ビット線はオープン状態とする。これらのトランジスタ、ビット線、ワード線の設定により、書込み電流はワード線１４２ｂから第２磁化反転領域、第１磁化反転領域を経由して、ワード線１４２ａに流れる。   The operation when data is written by flowing electrons from the first magnetization switching region to the second magnetization switching region is as follows. First, by setting the first bit line 141a and the second bit line 141b to a high potential, the first write transistor and the second write transistor are turned on, and at the same time, the first word line 142a is connected to the ground, and the second word line A potential corresponding to a necessary current value is applied to 142b. At this time, the third write transistor is OFF and the third bit line is open. By setting these transistors, bit lines, and word lines, a write current flows from the word line 142b to the word line 142a via the second magnetization switching region and the first magnetization switching region.

第１磁化反転領域のデータを読み出す場合の動作は次のようになる。まず第１ワード線１４２ａを高電位にすることにより第１書込みトランジスタ１４０ａをオンにし、他のトランジスタをオフにする。次に、読出し電圧を第４ビット線１４３ａと第１ワード線１４２ａの間に印加する。このとき、これ以外のワード線、ビット線はオープンにする。これにより、第４ビット線１４３ａから第１磁化反転領域の磁気トンネル接合を経由して、第１ワード線に読出し電流が流れ、これを感知して、情報を読み出すことができる。   The operation for reading data in the first magnetization switching region is as follows. First, by setting the first word line 142a to a high potential, the first write transistor 140a is turned on and the other transistors are turned off. Next, a read voltage is applied between the fourth bit line 143a and the first word line 142a. At this time, other word lines and bit lines are left open. As a result, a read current flows from the fourth bit line 143a to the first word line via the magnetic tunnel junction of the first magnetization switching region, and information can be read by sensing this.

図２２においては３つの書き込みトランジスタが使用されているが、各磁化反転領域の磁気トンネル接合に接続する読出しトランジスタを設けても良い。   Although three write transistors are used in FIG. 22, a read transistor connected to the magnetic tunnel junction of each magnetization switching region may be provided.

以上説明したＭＲＡＭの活用例として、携帯電話、モバイルパソコンやＰＤＡに使用される不揮発性の半導体メモリ装置や、自動車など使用される不揮発性メモリ内蔵のマイコンが挙げられる。   Examples of utilization of the MRAM described above include nonvolatile semiconductor memory devices used in mobile phones, mobile personal computers and PDAs, and microcomputers with built-in nonvolatile memory used in automobiles and the like.

当業者は上記実施例の様々な変形を容易に実施することができる。したがって、本発明は上記実施例に限定されることはなく、請求の範囲やその均等物によって参酌される最も広い範囲で解釈される。
この出願は、２００７年９月２０日に出願された日本出願特願２００７−２４４０８４号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。Those skilled in the art can easily implement various modifications of the above-described embodiments. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and is interpreted in the widest range considered by the claims and equivalents thereof.
This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2007-244084 for which it applied on September 20, 2007, and takes in those the indications of all here.

Claims (9)

磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を具備し、
前記磁気記録層は、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の磁化領域を有し、
前記磁化領域のうちの一つは、前記磁化領域のうちの他の一つを経由することなく前記磁化領域のうちの更に他の一つの磁化領域と接続され、
前記磁化領域のうちのＭ個（ＭはＮ−１以上の整数）は、反転可能な磁化を持つ磁化反転領域である
磁気ランダムアクセスメモリ。Comprising a magnetic recording layer which is a ferromagnetic layer having magnetic anisotropy;
The magnetic recording layer has N (N is an integer of 3 or more) magnetization regions,
One of the magnetized regions is connected to another one of the magnetized regions without passing through the other of the magnetized regions,
A magnetic random access memory in which M (M is an integer of N−1 or more) of the magnetization regions are magnetization reversal regions having reversible magnetization. 請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記磁化反転領域の各々に接続されることにより磁気トンネル接合を形成するトンネルバリヤ層とピン磁性層と
を更に具備する磁気ランダムアクセスメモリ。The magnetic random access memory according to claim 1,
A magnetic random access memory further comprising: a tunnel barrier layer that forms a magnetic tunnel junction by being connected to each of the magnetization switching regions, and a pinned magnetic layer. 請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
少なくとも一つの前記磁化反転領域の各々は、他の前記磁化領域と接続している第１の端部と、前記第１の端部の反対側に位置し先細り形状となっている第２の端部とを有する
磁気ランダムアクセスメモリ。The magnetic random access memory according to claim 1,
Each of the at least one magnetization switching region has a first end connected to the other magnetization region, and a second end that is located opposite to the first end and has a tapered shape. And a magnetic random access memory. 請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記磁化記録層は、垂直磁化異方性を持つ
磁気ランダムアクセスメモリ。The magnetic random access memory according to claim 1,
The magnetic recording layer has a perpendicular magnetization anisotropy. 請求の範囲４に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記Ｎ個の磁化領域のうちの一部の磁化領域と他の磁化領域とは、磁化方向が反平行である
磁気ランダムアクセスメモリ。A magnetic random access memory according to claim 4,
The magnetic random access memory, wherein a magnetization direction of a part of the N magnetization regions and another magnetization region are antiparallel. 請求の範囲４に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記磁化領域のうちの第１磁化領域と第２磁化領域との各々は、他の前記磁化領域と接続している第１の端部と、前記第１の端部の反対側に位置する第２の端部とを有し、
前記第１領域の前記第１の端部と前記第２の端部とを結ぶ方向と、前記第２領域の前記第１の端部と前記第２の端部とを結ぶ方向とは平行でない
磁気ランダムアクセスメモリ。A magnetic random access memory according to claim 4,
Each of the first magnetization region and the second magnetization region of the magnetization regions has a first end connected to the other magnetization region and a first end located on the opposite side of the first end. Two ends,
The direction connecting the first end of the first region and the second end is not parallel to the direction connecting the first end of the second region and the second end. Magnetic random access memory. 請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記磁化記録層は、面内磁気異方性を持つ
磁気ランダムアクセスメモリ。The magnetic random access memory according to claim 1,
The magnetic recording layer has in-plane magnetic anisotropy. 請求の範囲７に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
各々の前記磁化反転領域は延伸領域を含み、
一つの前記磁化反転領域の前記延伸領域と、他の前記磁化反転領域の前記延伸領域とは、互いに平行に延伸し、磁化方向が互いに平行または反平行となる
磁気ランダムアクセスメモリ。A magnetic random access memory according to claim 7,
Each of the magnetization switching regions includes a stretched region;
The magnetic random access memory, wherein the extension region of one of the magnetization switching regions and the extension region of the other magnetization switching region extend in parallel to each other and have magnetization directions parallel to or antiparallel to each other. 磁気異方性をもつ強磁性層である磁化記録層を具備し、前記磁気記録層が第１磁化領域から第Ｎ磁化領域（Ｎは３以上の整数）までのＮ個の磁化領域とを有し、前記磁化領域のうちＭ個（ＭはＮ−１以上の整数）は反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域から第Ｍ磁化反転領域であり、前記第Ｋ磁化領域は、前記第Ｊ磁化領域を経由することなく前記第Ｌ磁化領域と接続されており（Ｊ，Ｋ，ＬはＮ以下であり互いに異なる整数）、且つ、前記第Ｋ磁化領域の一端が他の磁化領域と接続していない磁気ランダムアクセスメモリの書込み方法であって、
前記第１磁化反転領域から前記第Ｍ磁化反転領域までの磁化の情報をそれぞれ読み出し、
書き込むべき書き込み情報を決定し、
前記磁化の情報と前記書き込み情報とに応じて前記第１磁化反転領域から前記第Ｍ磁化反転領域までのうちの少なくとも一部を含む集合から書き込み領域を順次選択し、前記書き込み領域と他の磁化反転領域との間に、前記磁化の情報と前記書き込み情報とに応じて規定された電流を印加する
磁気ランダムアクセスメモリの書込み方法。A magnetic recording layer that is a ferromagnetic layer having magnetic anisotropy, and the magnetic recording layer has N magnetization regions from a first magnetization region to an Nth magnetization region (N is an integer of 3 or more); Of the magnetization regions, M (M is an integer equal to or more than N-1) is a first to M-th magnetization inversion region having reversible magnetization, and the K-th magnetization region is the J-th magnetization region. It is connected to the L-th magnetization region without going through the magnetization region (J, K, L are N or less and different integers), and one end of the K-th magnetization region is connected to another magnetization region. A magnetic random access memory writing method,
Read the magnetization information from the first magnetization switching region to the Mth magnetization switching region,
Determine the write information to write,
According to the magnetization information and the write information, a write region is sequentially selected from a set including at least a part from the first magnetization reversal region to the M-th magnetization reversal region, and the write region and other magnetizations are selected. A method for writing to a magnetic random access memory, wherein a current defined in accordance with the magnetization information and the write information is applied between the inverted region.
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