JPWO2010074130A1 - 磁気メモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

磁気メモリセルは、磁化記録層と、磁気トンネル接合部とを具備する。磁化記録層は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。磁気トンネル接合部は、磁化記録層の情報を読み出すためのものである。そして、磁化記録層は、二つの磁壁移動領域を有する。

Description

本発明は、磁気メモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリに関し、特に磁壁移動型の磁気メモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）は高速動作、および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリとして期待され、開発が盛んに行われている。ＭＲＡＭではメモリセルに磁気抵抗素子が集積化され、磁気抵抗素子の強磁性層の磁化の向きとしてデータが記憶される。この強磁性層の磁化の向きをスイッチングさせる方法に対応していくつかの種類のＭＲＡＭが提案されている。

最も一般的なＭＲＡＭとしては、電流誘起磁界書込み型のＭＲＡＭがある。このＭＲＡＭでは、磁気抵抗素子の周辺に書込み電流を流すための配線を配置し、書込み電流を流すことで発生する電流磁界によって磁気抵抗素子の強磁性層の磁化の方向をスイッチングさせる。このＭＲＡＭでは、原理的には１ナノ秒以下での書込みが可能であり、高速ＭＲＡＭとして好適である。例えば、２５０ＭＨｚでの動作実証に成功した報告がある（“Ａ ２５０−ＭＨｚ １−Ｍｂｉｔ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＭＲＡＭ Ｍａｃｒｏ Ｕｓｉｎｇ ２Ｔ１ＭＴＪ Ｃｅｌｌ ｗｉｔｈ Ｂｉｔｌｉｎｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｈａｌｆ−Ｐｉｔｃｈ Ｓｈｉｆｔ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ”，Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００７．ＡＳＳＣＣ’０７．ＩＥＥＥ Ａｓｉａｎ．ｐ．２１６．）。更に、５００ＭＨｚでの動作に適した回路構成も提案されている（“ＭＲＡＭ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｏｖｅｒ ５００−ＭＨｚ ＳｏＣ”，Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩＴＳ，Ｖｏｌ．４２，２００７，ｐ．８３０．）。

しかし、熱安定性、外乱磁界耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁界は一般的には数１０［Ｏｅ］程度となる。このような磁界を発生させるためには１ｍＡ〜数ｍＡ程度の大きな書込み電流が必要となる。書込み電流が大きいと、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書込みに要する消費電力も増大する。これに加えて、メモリセルが微細化されると、書込み電流はさらに増大し、スケーリングしない。メモリセルの微細化に対応して、書込み電流を低減することが可能な技術が望まれている。

微細化に伴う書込み電流の増加を抑制することができる書込み方式として、「スピン注入（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ）方式」が提案されている（例えば、特開２００５−９３４８８号公報、“Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”，Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ＆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１５９，Ｌ１−Ｌ７（１９９６）、を参照）。スピン注入方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流（ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ）が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する（以下、「スピン注入磁化反転：Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ」と参照される）。スピン注入磁化反転の発生の有無は、（電流の絶対値ではなく）電流密度に依存する。したがって、スピン注入磁化反転をデータ書込みに利用する場合、メモリセルのサイズが小さくなれば、書込み電流も低減される。すなわち、スピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れている。書込み電流が小さいと、チップ面積が小さくなり、高集積化や大規模化が可能となる。ただし、電流誘起磁界書込み型のＭＲＡＭに比較して、書込み時間が長い傾向（例示：１ｎｓｅｃ．以上）にある。

米国特許第６８３４００５号公報には、スピン注入を利用した磁気シフトレジスタが開示されている。この磁気シフトレジスタは、磁性体中の磁壁（ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ）を利用してデータを記憶する。多数の領域（磁区）に分けられた磁性体において、磁壁を通過するように電流が注入され、その電流により磁壁が移動する。各領域の磁化の向きが、記録データとして扱われる。このような磁気シフトレジスタは、例えば、大量のシリアルデータの記録に利用される。尚、磁性体中の磁壁の移動は、“Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗｉｒｅｓ”，Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９２，ｐｐ．０７７２０５−１−４（２００４）にも報告されている。

このようなスピン注入による磁壁移動（Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ）を利用した「磁壁移動方式のＭＲＡＭ」が、特開２００５−１９１０３２号公報、及びＷＯ２００７／０２０８２３号公報に記載されている。

特開２００５−１９１０３２号公報に記載されたＭＲＡＭは、磁化が固定された磁化固定層と、磁化固定層上に積層されたトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層に積層された磁化記録層とを備える。磁化記録層には、磁化の向きが反転可能な部分と実質的に変化しない部分も含まれているため、磁化自由層ではなく、磁化記録層と呼ぶことにする。図１は、特開２００５−１９１０３２号公報の磁化記録層の構造を示す概略平面図である。図１において、磁化記録層１００は、直線形状を有している。具体的には、磁化記録層１００は、トンネル絶縁層及び磁化固定層と重なる接合部１０３、接合部１０３の両端に隣接するくびれ部１０４、及びくびれ部１０４に隣接形成された一対の磁化固定領域１０１、１０２を有する。一対の磁化固定領域１０１、１０２には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。更に、ＭＲＡＭは、一対の磁化固定領域１０１、１０２に電気的に接続された一対の書込み用端子１０５、１０６を備える。この書込み用端子１０５、１０６により、磁化記録層１００の接合部１０３、一対のくびれ部１０４及び一対の磁化固定領域１０１、１０２を貫通する電流が流れる。

図２は、ＷＯ２００７／０２０８２３号公報の磁化記録層１２０の構造を示す概略平面図である。図２において、磁化記録層１２０は、Ｕ字型の形状を有している。具体的には、磁化記録層１２０は、第１磁化固定領域１２１、第２磁化固定領域１２２、及び磁化反転領域１２３を有している。磁化反転領域１２３は、ピン層１３０とオーバーラップしている。第１、第２磁化固定領域１２１、１２２は、Ｙ方向に延びるように形成されており、その磁化の向きは同じ方向に固定されている。一方、磁化反転領域１２３は、Ｘ方向に延びるように形成されており、反転可能な磁化を有している。従って、磁壁が、第１磁化固定領域１２１と磁化反転領域１２３との境界Ｂ１、あるいは、第２磁化固定領域１２２と磁化反転領域１２３との境界Ｂ２に形成される。第１、第２磁化固定領域１２１、１２２は、電流供給端子１２５、１２６のそれぞれに接続されている。これら電流供給端子１２５、１２６を用いることにより、磁化記録層１２０に書込み電流を流すことが可能である。その書込み電流の方向に応じて、磁壁は磁化反転領域１２３中を移動する。この磁壁移動により、磁化反転領域１２３の磁化方向を制御することができる。

しかし、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうことが懸念される。前掲のＰｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９２，ｐｐ．０７７２０５−１−４（２００４）のほかにも、電流駆動磁壁移動の観測は数多く報告されている。しかし、磁壁移動には概ね１×１０^８Ａ／ｃｍ^２程度の閾値電流密度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる層の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合でも書込み電流は１ｍＡとなる。これ以下に書込み電流を低減するためには膜厚を薄くすればよいが、この場合には書込みに要する電流密度は更に上昇してしまうことが知られている（例えば、“Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｏｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｓｈａｐｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ”，Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．５Ａ，ｐｐ．３８５０−３８５３（２００６）参照）。

一方、磁化記録層の磁気異方性が基板面に垂直である垂直磁気異方性材料を用いた素子について、面内磁気異方性材料に比べて電流誘起磁壁移動の閾値電流密度が小さくなることが実験的に示されている。例えば、“Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｔｏ ｍｏｖｅ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌｓ ｉｎ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，Ｄ．Ｒａｖｅｌｏｓｏｎａ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９０，０７２５０８（２００７）に、１０^６Ａ／ｃｍ^２台の閾値電流密度が観測されている。また、“Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅｎ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ｎａｎｏｓｔｒｉｐｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０３，０７Ｅ７１８（２００８）には、面内磁気異方性材料に比べて電流誘起磁壁移動の閾値電流密度が小さくなることが理論的に示されている。従って、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭにおいて、磁化記録層として垂直磁気異方性材料を用いることにより、書込み電流を低減できることが期待される。

関連する技術として、特開２００６−７３９３０号公報に磁壁移動を利用した磁気抵抗素子の磁化状態の変化方法及び該方法を用いた磁気メモリ素子、固体磁気メモリが開示されている。この磁気メモリ素子は、第一の磁性層と中間層と第二の磁性層とを有し、情報を第一の磁性層と、第二の磁性層との磁化の方向で記録する。この磁気メモリ素子は、少なくとも一方の磁性層内に互いに反平行磁化となる磁区とそれらの磁区を隔てる磁壁を定常的に形成し、前記磁壁を磁性層内で移動させることで、隣り合う磁区の位置を制御して情報記録を行うことを特徴とする。前記第二の磁性層は膜面垂直方向に磁気異方性を有していても良い。

上述したように、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうことが懸念される。従って、発明者は、以下に示すように、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭにおいて、磁化記録層として垂直磁気異方性材料を用いることにより、書込み電流を低減することを検討した。

図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ想定し得る垂直磁気異方性材料を用いた磁気抵抗素子の平面図及び断面図である。磁化記録層２１０は、磁化反転領域２１３と、一対の磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂとを備える。ただし、図３Ａ及び図３Ｂにおいて、白丸と点の記号、白丸とバツの記号、及び白矢印は、それらが記載された領域（図３Ａや図３Ｂの場合、磁化反転領域２１３や磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂ）の磁化の向きを示している。

磁化反転領域２１３は、トンネル絶縁層２３２及びピン層２３０と重なり、フリー層としての機能を有する。すなわち、磁化反転領域２１３とトンネル絶縁層２３２とピン層２３０とは、磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）を構成している。磁化固定領域２１１ａは磁化反転領域２１３の一端に、磁化固定領域２１１ｂは磁化反転領域２１３の他端にそれぞれ隣接されている。磁化反転領域２１３と磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂとの接合部には、特開２００５−１９１０３２号公報で開示されたピンポテンシャルの形成方法を適用したくびれ部２１５が設けられている。一対の磁化固定領域２１１ａ、２１１ｂには、互いに反対向きの固定磁化が付与されなければならない。また、くびれ部２１５は磁壁に対するピンポテンシャルとして機能し、磁壁はくびれ部付近の領域に磁壁２１２ａ、又は、磁壁２１２ｂとなるように初期化されなければならない。

ここで、図２に示すように磁化記録層の磁気異方性が面内であり、磁化が面内方向に向いている場合、磁化記録層の形状をＵ字型にすることにより、磁化固定領域の磁化方向と磁壁位置を所望の状態に初期化することが容易にできる。しかし、図３Ａ及び図３Ｂに示すように磁化記録層の磁気異方性が垂直であり、磁化が面内方向に対して垂直である場合、磁化記録層の形状をＵ字形状にしても、外部磁界により初期化をおこなうことは困難である。

更に、磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、特開２００５−１９１０３２号公報で開示されたピンポテンシャルの形成方法を用いた場合、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、磁化記録層２１０に比較して、くびれ部２１５のサイズが小さいため、製造ばらつきによりその形状が乱れる可能性が考えられる。その場合、くびれ部２１５が所望の形状を有さなくなるので、磁壁２１２をピン止めできず、磁気メモリとして機能しなくなってしまう。更に、素子の微細化が進み磁化記録層の幅が狭くなると、くびれを形成することは非常に困難であり、半導体プロセスのリソグラフィ限界以上の加工が要求される可能性がある。

特開２００５−９３４８８号公報 米国特許第６８３４００５号公報 特開２００５−１９１０３２号公報 ＷＯ２００７／０２０８２３号公報 特開２００６−７３９３０号公報

Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００７．ＡＳＳＣＣ’０７．ＩＥＥＥ Ａｓｉａｎ．ｐ．２１６． Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩＴＳ，Ｖｏｌ．４２，２００７，ｐ．８３０． Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ＆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１５９，Ｌ１−Ｌ７（１９９６）． Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９２，ｐｐ．０７７２０５−１−４（２００４）． Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．５Ａ，ｐｐ．３８５０−３８５３（２００６）． Ｄ．Ｒａｖｅｌｏｓｏｎａ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９０，０７２５０８（２００７）． Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０３，０７Ｅ７１８（２００８）．

本発明の目的は、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である電流駆動磁壁移動型のＭＲＡＭにおいて、磁化固定領域を容易に形成でき、磁壁のピンニングサイトを容易に形成することが可能な構造を有する磁気メモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリを提供することである。

この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。

本発明の磁気メモリ素子は、磁化記録層と、磁気トンネル接合部とを具備する。磁化記録層は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。磁気トンネル接合部は、磁化記録層の情報を読み出すためのものである。そして、磁化記録層は、二つの磁壁移動領域を備える。

また、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、上記段落に記載の磁気メモリ素子を備えた複数の磁気メモリセルが行列状に配置されている。前記複数のリファレンスセルの前記磁気メモリの各々は、前記センサ層が、前記第１磁壁移動領域と前記第２磁壁移動領域とを結ぶ方向に対して垂直な方向に磁気異方性を有する。

本発明によれば、磁化固定領域を容易に形成でき、磁壁のピンニングサイトを容易に形成することが可能な磁気メモリ素子とすることができる。

図１は、特開２００５−１９１０３２号公報の磁化記録層の構造を示す概略平面図である。 図２は、ＷＯ２００７／０２０８２３号公報の磁化記録層の構造を示す概略平面図である。 図３Ａは、想定し得る垂直磁気異方性材料を用いた磁気抵抗素子の平面図である。 図３Ｂは、想定し得る垂直磁気異方性材料を用いた磁気抵抗素子の断面図である。 図４Ａは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の磁化記録層の構成を示す平面図である。 図４Ｂは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す断面図である。 図５Ａは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す断面図である。 図５Ｂは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す断面図である。 図６Ａは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法を示す断面図である。 図６Ｂは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法を示す断面図である。 図６Ｃは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法を示す断面図である。 図７は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子への書込み原理を示す断面図である。 図８Ａは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子への読出し原理を示す断面図である。 図８Ｂは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子への読出し原理を示す断面図である。 図９は、本発明の実施形態に係るメモリセルの構成例を示す回路図である。 図１０は、本発明の実施形態に係るＭＲＡＭの構成例を示すブロック図である。 図１１は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子のセンサ層の一例を示す構成図である。 図１２は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子のセンサ層の一例を示す構成図である。 図１３は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子のセンサ層の一例を示す構成図である。 図１４は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子のセンサ層の一例を示す構成図である。 図１５は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子のセンサ層の一例を示す構成図である。 図１６は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子のセンサ層の一例を示す構成図である。 図１７は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子のセンサ層とハード層の位置関係に関するバリエーションを示す構成図である。 図１８は、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法の一例を示す構成図である。 図１９Ａは、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法の一例を示す構成図である。 図１９Ｂは、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法の一例を示す構成図である。 図１９Ｃは、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法の一例を示す構成図である。 図２０は、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法の一例を示す構成図である。 図２１は、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法の一例を示す構成図である。 図２２は、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法の一例を示す構成図である。 図２３は、本発明の実施形態に係る磁壁の停止方法の一例を示す構成図である。 図２４は、本発明の実施形態に係る磁化の固定方法の一例を示す構成図である。 図２５は、本発明の実施形態に係る磁化の固定方法の一例を示す構成図である。 図２６は、本発明の実施形態に係る磁化の固定方法の一例を示す構成図である。 図２７Ａは、本発明の実施形態に係る磁化の固定方法の一例を示す構成図である。 図２７Ｂは、本発明の実施形態に係る磁化の固定方法の一例を示す構成図である。 図２８は、本発明の実施形態に係る磁化の固定方法の一例を示す構成図である。 図２９は、本発明の実施形態に係るセンサ層の磁気異方性方向の例を示す平面図である。 図３０は、本発明の実施形態に係るセンサ層の磁気異方性方向の例を示す平面図である。 図３１は、本発明の実施形態に係るＭＲＡＭのリファレンスセルにおける磁気メモリ素子の構成を示す断面図である。 図３２は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成例を示す斜視図である。 図３３は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成例を示す斜視図である。 図３４は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成例を示す斜視図である。

以下、本発明の磁気メモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の実施形態に関して、添付図面を参照して説明する。

１．磁気メモリ素子の基本構成
図４Ａは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子のうち磁化記録層の構成の一例を示す平面図である。図４Ｂは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成の一例を示す断面図である。ただし、図４Ａ及び図４Ｂにおいて、白丸と点の記号、白丸とバツの記号、及び白矢印は、一般的に用いられているように、それらが記載された領域の磁化の向きを示している（以下、本明細書及び各図面において同じとする）。

磁気メモリ素子１は、磁化記録層１０と、磁気トンネル接合部２０とを具備する。磁化記録層１０は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。磁化記録層１０は、二つの磁壁移動領域を備える。磁気トンネル接合部２０は、磁化記録層１０の中央近傍に設けられ、磁化記録層１０に記憶されたデータ（情報）を読み出すための構成である。磁化記録層１０及び磁気トンネル接合部２０の詳細は後述される。なお、磁気メモリ素子１は、磁化記録層１０と磁気トンネル接合部２０とを電気的に接続するコンタクト層３０を更に具備してもよい。

磁気トンネル接合部２０は、センサ層２３と、リファレンス層２１と、バリア層２２と備える。
リファレンス層２１は、磁化の向きが固定され、面内磁気異方性を有する強磁性層である。ここで、面内磁気異方性とは、この図の例において、ｘｙ面内で磁気異方性を有していることである。以下、本明細書において同じである。リファレンス層２１の磁化の向きは、磁化記録層１０の長手方向であることが好ましい。この図の例では、リファレンス層２１の磁化の向きは、磁化記録層１０の長手方向である±ｘ方向のうち、−ｘ方向である。この磁化の向きは逆であってもよい。また、リファレンス層２１は、積層フェリ結合を有する複数の強磁性層から構成されることが好ましい。及び／又は、リファレンス層２１は、Ｐｔ−Ｍｎのような反強磁性層が隣接していることが好ましい。リファレンス層２１の磁化の向きは書込み、及び、読出し動作によって変化させないため、リファレンス層２１の磁化は実質的に一方向に固定されていることが好ましいためであるからである。

センサ層２３は、反転可能な磁化を有し、面内磁気異方性を有する強磁性層である。センサ層２３は、後述されるように磁化記録層１０と磁気的に結合している。そのため、センサ層２３の磁化の向きは、磁化記録層１０の磁化状態（記憶されたデータ）に応じて面内において変動する。この図の例では、磁化記録層１０の磁化状態（記憶されたデータ）に応じてｘｙ面内において回転する。バリア２２は、センサ層２３とリファレンス層２１との間に設けられた非磁性膜又は絶縁膜である。

これらリファレンス層２１、バリア層２２、及びセンサ層２３は、それぞれピン層、トンネル絶縁層、及びフリー層として磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を構成している。そして、センサ層２３の磁化の向きは、磁化記録層１０に記憶された状態に応じて回転している。一方、リファレンス層の磁化の向きは固定されている。したがって、センサ層２３の磁化の向きと、リファレンス層２１の磁化の向きとの相対的関係により、磁気トンネル接合部２０（ＭＴＪ）の抵抗値は変動する。よって、磁気トンネル接合部２０の抵抗値を検出することにより、磁化記録層１０に記憶されたデータを読み出すことができる。すなわち、磁気トンネル接合部２０を、磁化記録層１０に記憶されたデータを読み出す手段として用いることができる。

面内磁気異方性を有するセンサ層２３及びリファレンス層２１はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含むことが好ましい。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的には、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｚｒ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｚｒ−Ｂなどが例示される。また、バリア層２２は、絶縁材料から構成されることが好ましい。具体的にはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが例示される。ただし、この他に、バリア層２２として半導体材料や金属材料のような非磁性材料を用いても本発明は実施可能である。具体的には、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎなどが例示される。

なお、センサ層２３、リファレンス層２１、及びバリア層２２には、読出し信号のＳＮ比に相当する磁気抵抗効果比が大きくなるような材料が選択されることが好ましい。例えばＣｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｍｇ−Ｏ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系のＭＴＪにおいては５００％級の非常に大きな磁気抵抗効果比が報告されている。この観点では、センサ層２３及びリファレンス層２１をＣｏ−Ｆｅ−Ｂ系の材料とし、バリア層２２をＭｇ−Ｏ系の材料とすることが好ましい。

磁化記録層１０は、第１磁化固定領域１１ｂ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第２磁化固定領域１１ｃと、第１磁壁移動領域１３ａ、及び第２磁壁移動領域１３ｂとを備える。第０磁化固定領域１１ａの両側に、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂがそれぞれ接続される。第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂの外側には、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃがそれぞれ接続される。

第１磁化固定領域１１ｂ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第２磁化固定領域１１ｃは、磁化の向きが固定され、垂直磁気異方性を有する強磁性領域である。ここで、垂直磁気異方性とは、この図の例において、ｘｙ面に垂直な磁気異方性を有していることを意味する。以下、本明細書において同じである。第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの磁化の向きは実質的に同一であり、第０磁化固定領域１１ａの磁化の向きは、それと反対である。すなわち、第１磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定領域１１ｃの磁化は、互いに平行な方向に固定される。第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃと第０磁化固定領域１１ａとの磁化は、互いに反平行な方向に固定される。なお、ここで第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの磁化の向き、及び第０磁化固定領域１１ａの磁化の向きは、磁壁１２ａ、１２ｂを生じさせる機能を果たすことができる向きであればよく、厳密な意味でそれぞれ同一及び反対を意味するものではない。また、「磁化が固定されている」とは、書込み動作の前後で磁化の方向が変わらないことを意味する。書込み動作中に、磁化固定領域の一部の磁化の方向が変化しても、書込み動作終了後には元に戻る。この図の例では、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの磁化の向きは＋ｚ方向であり、第０磁化固定領域１１ａの磁化の向きは−ｚ方向である。これら磁化の向きは逆であってもよい。

第１磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定領域１１ｃとは、実質的に同一に形成されていることが好ましい。その理由は、製造プロセスの観点から同一に形成するのが最も容易であるため、及び、後述される書込み動作やデータを保持する場合、その安定性や信頼性の面で対称性の高いことが好ましいからである。ここで、実質的に同一とは、膜厚を含む形状や材料が、製造プロセス上の誤差の範囲で同一ということである。この場合、磁化の固定方法（後述）も同一である。

第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃは、それらに隣接して、第１のハード層４０がそれぞれ形成されていることが好ましい。第１のハード層４０は第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの保磁力を、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第２磁壁移動領域１３ｂの保持力と比較して実効的に大きくし、初期化を容易にすることができる。第１のハード層４０を設けた場合、第１磁化固定領域１１ｂと第１のハード層４０、および第２磁化固定領域１１ｃと第１のハード層４０それぞれについて、第１のハード層４０をも含めた磁化の固定部分が、上記の意味で実質的に同一であることが好ましい。

第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂは、反転可能な磁化を有し、磁壁が移動可能であり、垂直磁気異方性を有する強磁性領域である。従って、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領領域１３ｂが取りうる磁化方向の組み合わせは（＋ｚ、−ｚ）、（−ｚ、＋ｚ）、（＋ｚ、＋ｚ）、（−ｚ、−ｚ）の４通りである。本発明の実施形態においては、このうち、記憶するデータに応じて（＋ｚ、−ｚ）、（−ｚ、＋ｚ）の２つの磁化方向を用いる。

上記の磁気トンネル接合部２０は、第０磁化固定領域１１ａの近傍に設けられている。そして、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１の磁化の向きは、第１磁壁移動領域１３ａと第２磁壁移動領域１３ｂとを結ぶ直線の方向に向いている。この図の例では、リファレンス層２１の磁化の向きは、第１磁壁移動領域１３ａ（の重心）と第２磁壁移動領域１３ｂ（の重心）とを結ぶ直線の方向である±ｘ方向に向いている。センサ層２３の磁化の向きについては後述される。

垂直磁気異方性を有する磁化記録層１０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含むことが好ましい。さらにＰｔやＰｄを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的にはＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏなどが例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む層と、異なる層とを交互に積層させることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ａｕを交互に積層させた積層膜などが例示される。また、第１のハード層４０は、上記の強磁性材料や、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎのような反強磁性材料を用いることができる。

ここで、磁気メモリ素子１の典型的な大きさは、設計ルールＦ＝９０ｎｍのとき、磁気記録層１０：４５０ｎｍ×９０ｎｍ×５ｎｍ^ｔ、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１：９０ｎｍ×９０ｎｍ×２５ｎｍ^ｔ、バリア層２２：９０ｎｍ×９０ｎｍ×１ｎｍ^ｔ、センサ層２３：９０ｎｍ×９０ｎｍ×２ｎｍ^ｔ、コンタクト層３０：９０ｎｍ×９０ｎｍ×２０ｎｍ^ｔである。

２．データのメモリ状態
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成の一例を示す断面図である。図５Ａは例えばデータ“０”を記憶した場合（０−ｓｔａｔｅ）を示し、図５Ｂは例えば、データ“１”を記憶した場合（１−ｓｔａｔｅ）を示している。

図５Ａに示すように、磁化記録層１０がデータ“０”を記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は＋ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は−ｚ方向に向いている（＋ｚ、−ｚ）。このとき、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａは＋ｚ方向の磁化、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂは−ｚ方向の磁化、及び、第２磁化固定領域１１ｃは＋ｚ方向の磁化を有している。すなわち、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂ、及び、第２磁化固定領域１１ｃがそれぞれ別の磁区を形成している。つまり、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの間、及び、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定域１１ｃとの間に、それぞれ磁壁（ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ）１２ａ、１２ｂが形成される。

このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）において、第２磁壁移動領域１３ｂから第１磁壁移動領域１３ａに向かう磁場Ｈが発生する。その磁場Ｈは、センサ層２３付近では、−ｘ方向に向かう磁場となる。それにより、センサ層２３の磁化は−ｘ方向に向く。すなわち、磁化記録層１０に記憶されたデータが、センサ層２３に反映される。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化とリファレンス層２１の磁化とは平行となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この平行な状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶されたデータ“０”を読み出すことができる。

一方、図５Ｂに示すように、磁化記録層１０がデータ“１”を記憶した場合、第１磁壁移動領域１３ａの磁化は−ｚ方向に向き、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化は＋ｚ方向に向いている（−ｚ、＋ｚ）。このとき、第１磁化固定領域１１ｂは＋ｚ方向の磁化、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａは−ｚ方向の磁化、及び、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃは＋ｚ方向の磁化を有している。すなわち、第１磁化固定領域１１ｂ、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａ、及び、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃがそれぞれ別の磁区を形成している。つまり、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間、及び、第０磁化固定域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間に、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂが形成される。

このとき、磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）において、第１磁壁移動領域１３ａから第２磁壁移動領域１３ｂに向かう磁場Ｈが発生する。その磁場Ｈは、センサ層２３付近では、＋ｘ方向に向かう磁場となる。それにより、センサ層２３の磁化は＋ｘ方向に向く。すなわち、磁化記録層１０に記憶されたデータが、センサ層２３に反映される。その結果、磁気トンネル接合部２０において、センサ層２３の磁化とリファレンス層２１の磁化とは反平行となる。従って、磁気トンネル接合部２０の±ｚ方向の抵抗値を検出することで、この反平行な状態を検出することができる。すなわち、磁化記録層１０に記憶されたデータ“１”を読み出すことができる。

なお、磁壁１２ａ、１２ｂを、図５Ａ及び図５Ｂの各状態で示される位置に停止させる方法については後述される。

このように、磁化記録層１０は、各磁壁移動領域での磁化の向きの相互関係により、データを保持している。そして、このようなデータを保持している状態では、センサ層２３と第２磁壁移動領域１３ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの間の磁気的相互作用により、センサ層２３に記録された磁化は、結果として第２磁壁移動領域１３ｂ及び第１磁壁移動領域１３ａの磁化状態（磁化の向き）を安定化させる効果を有する。それにより、図５Ａ及び図５Ｂの各状態において、磁壁１２ａ、１２ｂを所望の位置でより安定的に固定（保持）することができる。すなわち、磁気メモリ素子のリテンション特性を高めることができる。

３．磁化固定領域の初期化方法
次に、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法について説明する。図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の初期化方法の一例を示す断面図である。

まず、図６Ａに示すように、磁場中アニール炉等において、磁気メモリ素子１を所定の温度まで加熱し、その磁気メモリ素子１に−ｘ方向の磁場Ｈ_０１を印加しながら冷却する（ステップ１）。このように磁場Ｈ_０１中で磁気メモリ素子１を加熱着磁することで、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１が−ｘ方向に磁化される。このとき、磁化記録層１０は垂直磁気異方性を有する材料で形成されているので、−ｘ方向に磁化されることは無い。

次に、図６Ｂに示すように、磁気メモリ素子１に＋ｚ方向の磁界Ｈ_０２を印加する（ステップ２）。ただし、磁界Ｈ_０２は、第１のハード層４０及び磁化記録層１０の保磁力よりも大きくする。それにより、第１のハード層４０及び磁化記録層１０の全体の磁化が、＋ｚ方向に向く。このとき、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１は、面内磁気異方性を有する材料で形成され、加熱着磁されているので、＋ｚ方向に磁化されることは無い。また、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃは、第１のハード層４０との交換結合により実効的な保磁力が、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第２磁壁移動領域１３ｂの保磁力よりも大きくなる。

その後、図６Ｃに示すように、磁気メモリ素子１に−ｚ方向の磁界Ｈ_０３を印加する（ステップ３）。ただし、この磁界Ｈ_０３は、第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第２磁壁移動領域１３ｂの保磁力より大きく、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの実効的な保磁力より小さい値とする。それにより、磁化記録層１０のうち相対的に保磁力の小さい第１磁壁移動領域１３ａ、第０磁化固定領域１１ａ、及び第２磁壁移動領域１３ｂの磁化が、−ｚ方向に反転する。磁化記録層１０のうち相対的に保磁力の大きい第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃは、−ｚ方向に反転磁化されることは無い。また、磁気トンネル接合部２０のリファレンス層２１は、面内磁気異方性を有する材料で形成され、加熱着磁されているので、−ｚ方向に磁化されることは無い。

以上の初期化方法により、第１磁化固定領域１１ｂ、第２磁化固定領域１１ｃ、及び、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとが結合した領域の三領域が形成される。第１磁化固定領域１１ｂと結合領域との境界、及び、第２磁化固定領域１１ｃと結合領域との境界には、それぞれ磁壁１２ａ、１２ｂが形成される。この状態は、図５Ａや図５Ｂで示されるデータ“０”やデータ“１”を記憶した状態とは異なっているが、後述される書込みによりデータを記憶可能な状態にはなっている。

４．書込み動作
次に、磁気メモリ素子に対するデータの書込み原理を説明する。
図７は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子に対するデータの書込み原理を示す断面図である。データ書込みは、スピン注入を利用した磁壁移動方式で行われる。書込み電流Ｉｗは、ＭＴＪ（磁気トンネル接合部２０）を貫通する方向ではなく、磁化記録層１０内を平面的に、磁壁１２ａ、１２ｂを貫通する方向に流れる。その書込み電流Ｉｗは、第１磁化固定領域１１ｂに接続された電流供給端子（図示されず）、及び、第２磁化固定領域１１ｃに接続された電流供給端子（図示されず）のいずれか一方から磁化記録層１０に供給される。

図７における（ａ）に示すように、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きが＋ｚ方向で、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きが−ｚ方向である状態が、データ“０”に対応付けられている。これは、図５Ａに示したとおりである。ここで、図７における（ｂ）に示すように、データ“１”の書込み動作時、第１書込み電流Ｉｗ１（実線矢印）が、第１磁化固定領域１１ｂ側の電流供給端子から供給される。そして、第１磁化固定領域１１ｂから第１磁壁移動領域１３ａを通って第０磁化固定領域１１ａに達する。更に、第０磁化固定領域１１ａから第２磁壁移動領域１３ｂを通って第２磁化固定領域１１ｃに流れ、第２磁化固定領域１１ｃ側の電流供給端子から送出される。この場合、電子ｅ⁻の動き（破線矢印）は、第１書込み電流Ｉｗ１と逆になる。その結果、第２磁壁移動領域１３ｂには、第２磁化固定領域１１ｃからスピン電子ｅ⁻が注入される。注入された電子ｅ⁻のスピンは、第２磁化固定領域１１ｃと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界にある磁壁１２ｂを第０磁化固定領域１１ａの方向に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは、＋ｚ方向へスイッチする。そして、磁壁１２ｂは、第２磁壁移動領域１３ｂと第０磁化固定領域１１ａとの境界に移動する。更に、第１磁壁移動領域１３ａには、第０磁化固定領域１１ａからスピン電子ｅ⁻が注入される。注入された電子ｅ⁻のスピンは、第０磁化固定領域１１ａと第１磁壁移動領域１３ａとの境界にある磁壁１２ａを第１磁化固定領域１１ｂの方向に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは、−ｚ方向へスイッチする。そして、磁壁１２ａは、第１磁壁移動領域１３ａと第１磁化固定領域１１ｂとの境界に移動する。これにより、図７における（ｃ）に示すように、データ“１”が書き込まれる。

一方、図７における（ｃ）に示すように、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きが−ｚ方向で、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きが＋ｚ方向である状態が、データ“１”に対応付けられている。これは、図５Ｂに示したとおりである。ここで、図７における（ｄ）に示すように、データ“０”の書込み動作時、第２書込み電流Ｉｗ２（実線矢印）が、第２磁化固定領域１１ｃ側の電流供給端子から供給される。そして、第２磁化固定領域１１ｃから第２磁壁移動領域１３ｂを通って第０磁化固定領域１１ａに達する。更に、第０磁化固定領域１１ａから第１磁壁移動領域１３ａを通って第１磁化固定領域１１ｂに流れ、第１磁化固定領域１１ｂ側の電流供給端子から送出される。この場合、電子ｅ⁻の動き（破線矢印）は、第２書込み電流Ｉｗ２と逆になる。その結果、第１磁壁移動領域１３ａには、第１磁化固定領域１１ｂからスピン電子ｅ⁻が注入される。注入された電子ｅ⁻のスピンは、第１磁化固定領域１１ｂと第１磁壁移動領域１３ａとの境界にある磁壁１２ａを第０磁化固定領域１１ａの方向に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第１磁壁移動領域１３ａの磁化の向きは、＋ｚ方向へスイッチする。そして、磁壁１２ａは、第１磁壁移動領域１３ａと第０磁化固定領域１１ａとの境界に移動する。更に、第２磁壁移動領域１３ｂには、第０磁化固定領域１１ａからスピン電子ｅ⁻が注入される。注入された電子ｅ⁻のスピンは、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界にある磁壁１２ｂを第２磁化固定領域１１ｃの方向に駆動する。その結果、スピントランスファー効果により、第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の向きは、−ｚ方向へスイッチする。そして、磁壁１２ｂは、第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとの境界に移動する。これにより、図７における（ａ）に示すように、データ“０”が書き込まれる。

このように、磁化記録層１０内を平面的に流れる書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２によって、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂの磁化の方向がそれぞれスイッチする。このとき、第１磁化固定領域１１ｂと第０磁化固定領域１１ａとは、第１磁壁移動領域１３ａに対して異なるスピン電子の供給源の役割を果たしている。また、第０磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｃとは、第２磁壁移動領域１３ｂに対して異なるスピン電子の供給源の役割を果たしている。

この場合、磁化記録層１０は、垂直磁気異方性材料により形成されている。そのため、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２に対して磁化記録層１０の各領域の磁化方向は垂直である。従って、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２の大きさを著しく低減することができる。このとき、書込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２は磁壁１２ａ、１２ｂを貫通すれば、後はどこを通ってもよい。

以上のようにして、本磁気メモリ素子１では、磁化記録層１０に流す書込み電流の向きでデータ“０”とデータ“１”とを書き分けることが可能である。また、オーバーライト（データ“０”にデータ“０”を書き込む、データ“１”にデータ“１”を書き込む）も可能であることは、上記書込み原理から明らかである。

５．読出し動作
次に、磁気メモリ素子に対するデータの読出し原理を説明する。図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子に対するデータの読出し原理を示す断面図である。データ読出し動作時、読出し電流ＩＲは、磁気トンネル接合部２０（リファレンス層２１、バリア層２２、及びセンサ層２３）のＭＴＪを貫通して流れるように供給される。そのように供給されれば、読出し電流ＩＲは磁化記録層１０を流れても流れなくてもよい。図８Ａ及び図８Ｂの例では、読出し電流ＩＲは、リファレンス層２１側の電流供給端子、及び、第２磁化固定領域１１ｃ側の電流供給端子のいずれか一方から供給され、他方から送出される。それにより、読出し電流ＩＲは、磁気トンネル接合部２０のＭＴＪを貫通すると共に、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂと第２磁化固定領域１１ｃとを流れる。

磁化記録層１０にデータとして“０”が記憶されている場合（図８Ａ参照）、センサ層２３の磁化は−ｘ方向に向いている。一方、リファレンス層２１の磁化は−ｘ方向に固定されている。すなわち、両磁化の方向は平行である。したがって、上記読出し電流ＩＲを流すことにより、磁気メモリ素子に記憶されたデータとして、低抵抗値すなわち“０”が読み出される。一方、磁化記録層１０にデータとして“１”が記憶されている場合（図８Ｂ参照）、センサ層２３の磁化は＋ｘ方向に向いている。一方、リファレンス層２１の磁化は−ｘ方向に固定されている。すなわち、両磁化の方向は反平行である。したがって、上記読出し電流ＩＲを流すことにより、磁気メモリ素子に記憶されたデータとして、高抵抗値すなわちデータ“１”が読み出される。

以上のようにして、本磁気メモリ素子１の磁化記録層１０に記憶されたデータを読み出すことができる。また、書き込みに必要な比較的大きな電流がＭＴＪを流れることはなく、データを読み出す際に比較的小さな電流をＭＴＪに流すだけでよいので、ＭＴＪの劣化を抑制することが可能である。

６．磁気メモリ素子及びＭＲＡＭの構成と動作
図９は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子が集積化されたメモリセルの構成例を示す回路図である。図９に示すように、磁気メモリ素子１において、磁気トンネル接合部
２０のリファレンス層２１に接続される端子は、読み出しのためのグラウンド線ＧＬに接続される。磁化記録層１０の第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃに接続される二つの端子は、一方がＭＯＳトランジスタＴＲａのソース／ドレインの一方に接続され、他方がＭＯＳトランジスタＴＲｂのソース／ドレインの一方に接続される。また、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂのソース／ドレインの他方は、それぞれ書き込みのためのビット線ＢＬａ、ＢＬｂに接続される。更に、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂのゲートはワード線ＷＬに接続される。ただし、メモリセルの構成はこの例に限定されるものではない。

図１０は、本発明の実施形態に係るメモリセルが集積化されたＭＲＡＭの構成例を示すブロック図である。図１０において、ＭＲＡＭ９０は、複数のメモリセル８０が行列状に配置されたメモリアレイ９１を具備している。このメモリアレイ９１は、図９で説明されたデータの記録に用いられるメモリセル８０と共に、データ読み出しの際に参照されるリファレンスセル８０ｒを含んでいる。図１０の例では、１列分がリファレンスセル８０ｒである。リファレンスセル８０ｒの構造は、メモリセル８０と同じである。この場合、リファレンスセル８０ｒのＭＴＪは、データ“０”を記憶した場合の抵抗Ｒ０とデータ“１”を記憶した場合の抵抗Ｒ１との中間の抵抗Ｒ０．５を有する。ただし、２列分をリァレンスセル８０ｒとし、そのうち一方の１列を抵抗Ｒ０のリファレンスセル８０ｒとし、他の１列を抵抗Ｒ１のリファレンスセル８０ｒとすることもできる。その場合、抵抗Ｒ０のリファレンスセル８０ｒと抵抗Ｒ１のリファレンスセル８０ｒとから、抵抗０．５を作り出し、読出しに用いる。

ワード線ＷＬ及びグランド線ＧＬは、それぞれ、Ｘ方向に延在している。ワード線ＷＬは、一端をＸ側制御回路９２に接続されている。Ｘ側制御回路９２は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、対象のメモリセル８０につながるワード線ＷＬを選択ワード線ＷＬとして選択する。ビット線ＢＬａ、ＢＬｂは、それぞれ、Ｙ方向に延在し、一端をＹ側制御回路９３に接続されている。Ｙ側制御回路９３は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、対象のメモリセル８０につながるビット線ＢＬａ、ＢＬｂを選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂとして選択する。制御回路９４は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、Ｘ側制御回路９２及びＹ側制御回路９３を制御する。

次に、図１０に示されるＭＲＡＭにおける書き込み方法、読み出し方法について説明する。
まず、書き込みを行う場合について説明する。Ｘ側制御回路９２は、選択ワード線ＷＬを選択する。それにより、選択ワード線ＷＬが“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂが“ＯＮ”になる。また、Ｙ側制御回路９３は、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂを選択する。それにより、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂのいずれか一方が“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、他方が“Ｌｏｗ”レベルにプルダウンされる。選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂのどちらを“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップし、どちらを“Ｌｏｗ”レベルにプルダウンするかは、当該磁気メモリ素子１に書き込まれるべきデータにより決定される。すなわち、磁化記録層１０に流す書込み電流Ｉｗの方向に応じて決定される。以上により、データ“０”とデータ“１”とを書き分けることができる。Ｘ側制御回路９２とＹ側制御回路９３及びそれらを制御する制御回路９４は、メモリセル８０に書き込み電流Ｉｗを供給するための「書き込み電流供給回路」を構成している。

次に、読み出しを行う場合について説明する。Ｘ側制御回路９２は、選択ワード線ＷＬを選択する。それにより、選択ワード線ＷＬが“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂが“ＯＮ”になる。また、Ｙ側制御回路９３は、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂを選択する。それにより、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂのいずれか一方が“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、他方が“ｏｐｅｎ”（フローティング）に設定される。このとき選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂの一方から、読み出し電流ＩＲが、例えば、第２磁化固定領域１１ｃ、第２磁壁移動領域１３ｂ、第０磁化固定領域１１ａ、コンタクト層３０、及び磁気トンネル接合部２０（センス層２３、バリア層２２、及びリファレンス層２１で構成されるＭＴＪ）を経由してグラウンド線ＧＬへと流れる。読み出し電流ＩＲが流されるビット線ＢＬの電位、又は、読み出し電流の大きさは、磁気抵抗効果による磁気メモリ素子１（磁気トンネル接合部２０）の抵抗値の変化に依存する。したがって、同様に読み出し電流ＩＲが流されるリファレンスセル８０ｒのリファレンスビット線ＢＬｒの出力と比較して、この抵抗値の変化を電圧信号、又は電流信号として検知することにより高速での読み出しが可能となる。Ｘ側制御回路９２とＹ側制御回路９３及びそれらを制御する制御回路９４は、メモリセル８０に読み出し電流ＩＲを供給し読み出すための「読み出し電流供給及びセンス回路」を構成している。

７．センサ層の位置
図１１〜図１６は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子のセンサ層２３の位置のバリエーションを示す構成図である。ただし、図１１〜図１３は断面図であり、図１４〜図１６は平面図である。

図１１は図４Ａ〜図８Ｂに示した場合であり、センサ層２３は磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）にコンタクト層３０を介して設けられている。ただし、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂによる磁界がセンサ層２３の磁化方向を反転可能であれば、磁気トンネル接合部２０は上下逆、すなわち、リファレンス層２１がコンタクト層３０と接触していてもよい（図示されず）。

また、図１２に示すように、センサ層２３は、磁化記録層１０の上側（＋ｚ方向の側）にコンタクト層３０を介して設けられていてもよい。更に、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂによる磁界がセンサ層２３の磁化方向を反転可能であれば、磁気トンネル接合部２０は上下逆、すなわち、リファレンス層２１がコンタクト層３０と接触していてもよい（図示されず）。

また、図１３に示すように、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂによる磁界がセンサ層２３の磁化方向を反転可能であれば、磁気メモリ素子１にコンタクト層３０を設けず、センサ層２３が磁化記録層１０と電気的に接続していなくてもよい。この場合、磁化記録層１０の両端に書き込み電流用に電流供給端子４４、４５が設けられる一方、磁気トンネル接合部２０の両端にも読み出し電流用に電流供給端子４６、４７が別途設けられる。

更に、図１１〜図１３に説明された構成のいずれかの場合において、且つ、図１４〜図１６のいずれかの場合が考えられる。図１４は図４Ａ〜図８Ｂに示した場合であり、センサ層２３は磁化記録層１０の第０磁化固定領域１１ａの直下（−ｚ方向の側）又は直上（＋ｚ方向の側）に設けられている。すなわち、センサ層２３の磁化記録層１０への射影は、第０磁化固定領域１１ａに重なる。この構成は、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂによる磁界がセンサ層２３の磁化をより安定的に反転することができ好ましい。

また、図１５に示すように、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂによる磁界がセンサ層２３の磁化方向を反転可能であれば、センサ層２３は、磁化記録層１０の第０磁化固定領域１１ａの奥側（＋ｙ方向の側）又は手前側（−ｙ方向の側）に設けられていてもよい。そのとき、センサ層２３の磁化記録層１０への射影は、第１磁壁移動領域１３ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間における磁化記録層１０内の領域の少なくとも一部に重なっていることが好ましい。そのような領域は、第０磁化固定領域１１ａの一部を含む領域であり、更に、第１磁壁移動領域１３ａの一部及び第２磁壁移動領域１３ｂの一部の少なくとも一方を含んでもよい。

また、図１６に示すように、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂによる磁界がセンサ層２３の磁化方向を反転可能であれば、センサ層２３は、磁化記録層１０の第０磁化固定領域１１ａの奥側（＋ｙ方向の側）又は手前側（−ｙ方向の側）、且つ、左側（−ｘ方向の側）又は右側（＋ｘの側）側に設けられていてもよい。そのとき、センサ層２３の磁化記録層１０への射影は、第１磁壁移動領域１３ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの間における磁化記録層１０内の領域の少なくとも一部に重なっていることが好ましい。そのような領域は、第０磁化固定領域１１ａの一部を含み、更に、第１磁壁移動領域１３ａの一部及び第２磁壁移動領域１３ｂの一部のいずれか一方を含む。

このように、本実施形態では、センサ層２３と磁化記録層１０との位置関係は、第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂによる磁界がセンサ層２３の磁化方向を反転可能な位置関係であればよい。そのため、センサ層２３の自由度が高くなっている。

８．センサ層とハード層の位置関係
図１７は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子のセンサ層とハード層の位置関係に関するバリエーションを示す構成図である。ただし、図１７は断面図である。
本実施の形態においては、センサ層２３とハード層４０の磁化記録層１０に対する位置関係には任意性がある。例えば図４Ｂに示されるようにセンサ層２３は磁化記録層１０に対して下側（−ｚ側）に設けられ、ハード層４０は磁化記録層１０に対して上側（＋ｚ側）に設けられてもよい。また図１２に示されるようにセンサ層２３は磁化記録層１０に対して上側（＋ｚ側）に設けられ、ハード層４０は磁化記録層１０に対して下側（−ｚ側）に設けられてもよい。あるいは図１７に示されるように、センサ層２３は磁化記録層１０に対して上側（＋ｚ側）に設けられ、ハード層４０も磁化記録層１０に対して上側（＋ｚ側）に設けられてもよい。このように、本発明においては、ハード層４０は磁化記録層１０の所定の磁化構造を実現でき、またセンサ層２３は第１磁壁移動領域１３ａと第２磁壁移動領域１３ｂの磁化方向を読み出すことができさえすれば、これらの位置関係には何の制約もない。

ここで、磁化記録層１０に磁壁を導入し、所定の磁化構造を容易に実現するためには、ハード層４０は磁化記録層１０の上面に隣接して設けられることが好ましい。これは、ハード層４０が磁化記録層１０の上面に隣接して設けられる構造の場合、磁化記録層１０とハード層４０は連続して膜を堆積させられるので、これらの間で強い交換結合を得ることができるためである。

一方、素子のレイアウトの観点からは、読み出し用の磁気トンネル接合部２０は磁化記録層１０に対して上側（＋ｚ側）に設けられることが好ましい。これは、磁化記録層１０にはトランジスタを介して書き込み電流を導入する必要があり、このとき書き込み電流は磁気メモリ素子１の下側（−ｚ側）から供給されるため、読み出し用の配線は磁気メモリ素子１の上側（＋ｚ側）に設けられることが好ましいためである。読み出し用の配線が磁気メモリ素子１の上側（＋ｚ側）に設けられるとき、セル面積が最も小さくなるようにレイアウトすることが可能となる。

従って、上記の観点からすると、図１７に示された、ハード層４０、センサ層２３の両方ともが磁化記録層１０の上側（＋ｚ側）に配置される実施の形態が、当該磁気メモリ素子１の初期化やレイアウトの容易性からは最も好ましいと言うことができる。

なお、より容易に当該磁気メモリ素子１のメモリ状態の初期化を行うためには、ハード層４０が以下のように形成されることが好ましい。前述の通り、本実施の形態においては、第１磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定領域１１ｃの磁化方向は互いに平行方向に固定され、これらに対して第０磁化固定領域１１ａは反平行方向に固定される。従って、第１磁化固定領域１１ｂ、第２磁化固定領域１１ｃに隣接するハード層４０と、第０磁化固定領域１１ａに隣接するハード層４０との間では磁気特性に差異が設けられることが望ましい。この磁気特性の差異は例えば膜厚差などによって設けることができる。具体的な例としては、図１７に示されるように、第１磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定領域１１ｃに隣接するハード層４０が、第０磁化固定領域１１ａに隣接するハード層４０に比べて膜厚が薄く形成されたとき、磁化記録層１０が所定の磁化構造になるように容易に初期化することが可能となる。

９．磁壁の停止方法
図１８〜図２３は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の第０磁化固定領域１１ａの両端での磁壁の停止方法のバリエーションを示す構成図である。ただし、各図において磁気トンネル接合部１０は省略されている。また、図１８、図１９Ａ〜図１９Ｃ、図２１、図２２は断面図であり、図２０、図２３は平面図である。

図１８は、上記磁壁の停止方法の一例を示している。ただし、二つの方法が考えられる。
第１の方法では、コンタクト層３０の材料として、第０磁化固定領域１１ａの材料と比較して低抵抗の材料を用いる。そのような材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどが例示される。その場合、第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）を流れた書き込み電流Ｉｗは、第０磁化固定領域１１ａを流れるだけでなく、コンタクト層３０により多く流れ込む。すなわち、書込み電流Ｉｗは、第０磁化固定領域１１ａとコンタクト層３０とに分流する。このとき、書き込み電流Ｉｗの総量は変わらないことから、第０磁化固定領域１１ａ内の電流密度は低下することになる。ところが、磁壁移動を起こすには、ある閾値以上の電流密度が必要である。この図の例では、書き込み電流Ｉｗの電流密度は、第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）において上記閾値以上になり、第０磁化固定領域１１ａにおいて分流により低下して上記閾値未満になるように設定される。そのため、磁壁は、閾値以上の電流密度の第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）において移動し、閾値未満の第０磁化固定領域１１ａの端部付近で停止することになる。

また、第２の方法では、コンタクト層３０の材料として、スピン散乱が起こり易い材料を用いる。そのような材料としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｄなどが例示される。その場合、第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）を流れた書き込み電流Ｉｗ（電子）は、第０磁化固定領域１１ａを流れるだけでなく、コンタクト層３０にも流れ込む。すなわち、書込み電流Ｉｗ（電子）は、第０磁化固定領域１１ａとコンタクト層３０とに分流する。このとき、コンタクト層３０に流れ込んだ電子はコンタクト層３０でスピン散乱されて、その一部が第０磁化固定領域１１ａに戻る。その結果、第０磁化固定領域１１ａの電子はスピン散乱された電子の影響でスピンが乱されて不揃いとなり、磁壁を移動させることができなくなる。この図の例では、電子のスピンは、第２磁壁移動領域１３ｂ（又は第１磁壁移動領域１３ａ）において揃っているが、第０磁化固定領域１１ａにおいて乱されて不揃いとなる。そのため、磁壁は、電子のスピンの揃っている第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）において移動し、電子のスピンの乱れる第０磁化固定領域１１ａの端部付近で停止することになる。

なお、図１８では低抵抗な材料やスピン散乱の起こり易い材料を、第０磁化固定領域１１ａの下側（−ｚ方向側）のコンタクト層３０に用いて本停止方法を実現させているが、本発明はその例に限定されるものではない。すなわち、上記の低抵抗な材料やスピン散乱の起こり易い材料を用いた補助層１４を、第０磁化固定領域１１ａの周辺に隣接して設けていれば、コンタクト層３０を用いなくても良く、また、その位置は問わない。図１８では、第０磁化固定領域１１ａの上側（＋ｚ方向側）に補助層１４（破線で表示）を設ける例を示している。この場合にも、上記２つの方法で示したコンタクト層３０と同様の効果を得ることが出来る。以上示した図１８の方法は、製造上特別なプロセスが不要であり、コンタクト層３０の材料の選択だけで実施できプロセスが容易である。

図１９Ａ〜図１９Ｃは、上記磁壁の停止方法の他の一例を示している。
図１９Ａに示される方法では、磁化記録層１０の第０磁化固定領域１１ａの両端に、意図的に段差Ｑを設ける。そのため、第０磁化固定領域１１ａの上側（＋ｚ方向の側）の平面は、第１磁化固定領域１１ｂ、第１磁壁移動領域１３ａ、第２磁壁移動領域１３ｂ、及び第２磁化固定領域１１ｃの上側の平面よりも突き出ている。その結果、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界、及び、第０磁化固定領域１１ａと第１磁壁移動領域１３ａとの境界に段差Ｑが形成される。このような段差Ｑは磁壁に対するピンポテンシャルとして機能し磁壁をその位置で停止させることができる。

なお、図１９Ａの例では上側(＋ｚ方向の側)に凸な段差を示しているが、凹（下側（−ｚ方向の側）に凸）な段差であってもよい。また、図１９Ａはコンタクト層３０の一部が、磁気記録層１０の下側の底面から突き出ている態様であるが、コンタクト層３０の一部が磁気記録層１０の下側の底面から突き出ていなくてもよい。

図１９Ｂに示すように、コンタクト層３０は、製造プロセスにおいて、ビアホール等の穴が設けられた層間絶縁層４９に金属等の膜を成膜し、ＣＭＰ法で研磨して形成される。そのＣＰＭ法の研磨のとき、層間絶縁層４９の表面とコンタクト層３０の表面との間に段差Ｐが形成されることはプロセスの性質上避けることが難しい。そこで、図１９Ａの例では、この段差Ｐを積極的に利用する。すなわち、図１９Ｃに示すように、この段差Ｐを残したまま層間絶縁層４９及びコンタクト層３０を覆うように磁化記録層１０用の膜を成膜する。そのようにすると、この膜にもコンタクト層３０の段差Ｐに影響されて段差Ｑが形成される。したがって、この膜を磁化記録層１０の形状に成形することで、図１９Ａの形状を得ることが出来る。なお、このような段差は、磁壁固定のために、磁化記録層１０の両端の第１磁化固定領域１１ｂや第２磁化固定領域１１ｃに設けられていてもよい。この方法は、製造上特別なプロセスが不要であり、実施が容易である。

図２０は、上記磁壁の停止方法の更に他の一例を示している。
図２０に示される方法では、第０磁化固定領域１１ａの領域での電流密度が、磁壁移動を起こすのに必要な閾値未満に低下するように、第０磁化固定領域１１ａの断面積を増大（例示：形状を太く、幅を広く等）させる。その場合、第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）を流れた書き込み電流Ｉｗは、断面積の増大した第０磁化固定領域１１ａを流れる。このとき、書き込み電流Ｉｗの総量は変わらないことから、第０磁化固定領域１１ａの電流密度は低下することになる。この図の例では、第０磁化固定領域１１ａの幅は±ｙ方向に突出部１５、１６の分だけ広くなっている。そして、書き込み電流Ｉｗの電流密度は、第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）において上記閾値以上になり、第０磁化固定領域１１ａにおいて低下して上記閾値未満になるように設定される。そのため、磁壁は、閾値以上の電流密度の第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）において移動し、閾値未満の第０磁化固定領域１１ａの端部付近で停止することになる。

なお、図２０では第０磁化固定領域１１ａの幅が±ｙ方向に広くなっているが、本発明はその例に限定されるものではない。すなわち、第０磁化固定領域１１ａの断面積を増大することができれば、幅が＋ｙ方向及び−ｙ方向のいずれか一方に広がっていても、＋ｚ方向や−ｚ方向に広がっていてもよい。その場合にも、図２０の場合と同様の効果を得ることが出来る。この方法は、磁化記録層１０のパターンを一部変更するだけで、製造上特別なプロセスが不要であり、実施が容易である。

図２１は、上記磁壁の停止方法の更に他の一例を示している。
図２１に示される方法では、コンタクト層３０を、第０磁化固定領域１１ａと同じ垂直磁気異方性材料で形成し、第０磁化固定領域１１ａと同じ磁化の向きとする。このようにすることで、第０磁化固定領域１１ａの磁化が多くなるので、磁壁移動を起こり難くすることができる。その結果、相対的に磁化の少ない第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）を移動してきた磁壁は、磁化の多い第０磁化固定領域１１ａの端部付近で停止することになる。この方法は、製造上特別なプロセスが不要であり、コンタクト層３０の材料の選択だけで実施できプロセスが容易である。

図２２は、上記磁壁の停止方法の別の一例を示している。
図２２に示される方法では、第０磁化固定領域１１ａにも、第１磁化固定領域１１ｂや第２磁化固定領域１１ｃと同様に、ハード層（第２のハード層１８）を設ける。ただし、第１のハード層４０よりもハードでなく（保持力を小さく）する。上述の初期化方法を利用できるようにするためである。このようにすることで、第０磁化固定領域１１ａの磁化が多くなるので、磁壁移動を起こり難くすることができる。その結果、相対的に磁化の少ない第１磁壁移動領域１３ａ（又は第２磁壁移動領域１３ｂ）を移動してきた磁壁は、磁化の多い第０磁化固定領域１１ａの端部付近で停止することになる。

図２３は、上記磁壁の停止方法の更に別の一例を示している。
図２２に示される方法では、第０磁化固定領域１１ａと第１磁壁移動領域１３ａとの境界部分、及び、第０磁化固定領域１１ａと第２磁壁移動領域１３ｂとの境界部分に、磁壁に対するピンポテンシャルとして機能するノッチ１７のようなピンサイトを設ける。このようなピンサイトは、磁化記録層１０の微細化により製造困難となるが、磁化記録層１０の大きさがある程度大きければ用いることは可能である。このようにすることで、ノッチ１７がピンポテンシャルとして機能し、その位置で磁壁を停止することができる。

以上で述べてきた停止方法は、第０磁化固定領域と第１、第２磁壁移動領域との境界での磁壁の停止だけでなく、第１磁化固定領域と第１磁化固定領域との境界、及び第２磁化固定領域と第２磁壁移動領域との境界にも同様に適用することが可能である。

１０．磁化の固定方法
図２４〜図２８は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域での磁化の固定方法のバリエーションを示す構成図である。ただし、各図において磁気トンネル接合部１０は省略されている。また、図２４〜図２６、図２７Ｂ、図２８は断面図であり、図２７Ａは平面図である。

図２４は、上記磁化の固定方法の一例を示している。
図４Ａ〜図８Ｂに示した例では、第１のハード層４０は、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの上側（＋ｚ方向の側）に設けられている。しかし、図２４に示すように、第１のハード層４０は、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの下側（−ｚ方向の側）に設けられていてもよい。この方法は、製造プロセスの都合等により、下側に設けたい場合などに好ましい。

図２５は、上記磁化の固定方法の他の一例を示している。
図２５に示すように、第１のハード層４０は、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの上側（＋ｚ方向の側）及び下側（−ｚ方向の側）の両方に設けられていてもよい。この方法は、製造プロセスの都合等により、上側又は下側の一方に厚く形成できないときに上側及び下側の両方に薄く設ける場合や、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの磁化をより強固に固定したい場合などに好ましい。

図２６は、上記磁化の固定方法の更に他の一例を示している。
図２６に示すように、第１のハード層４０は、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃに磁気的に結合していれば、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃに直接接触している必要は無い。すなわち、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの上側及び下側の少なくとも一方に、磁気的に結合可能な程度に近傍に、第１のハード層４０が形成されていればよい。この図の例では、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの下側に、他の中間層４３を介して第１のハード層４０が設けられている。この方法は、製造プロセスの都合等により、磁化記録層１０に直接接触して第１のハード層４０を設けられない場合などに好ましい。

図２７Ａ（平面図）及び図２７Ｂ（断面図）は、上記磁化の固定方法の別の一例を示している。
図２７Ａ及び図２７Ｂに示すように、第１のハード層を用いなくても、形状を工夫することにより、所望の磁化状態を作り出すことができる。この図の例では、第１磁化固定領域１１ｂにおける第１磁壁移動領域１３ａとの境界付近の幅、及び、第２磁化固定領域１１ｃにおける第２磁壁移動領域１３ｂとの境界付近の幅は、いずれも第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂの幅よりも大きくなっている。これにより、磁壁は第１磁化固定領域１１ｂや第２磁化固定領域１１ｃ内に侵入しにくくなり、それぞれの境界は磁壁に対するピンポテンシャルとして機能する。すなわち、第１磁化固定領域１１ｂや第２磁化固定領域１１ｃの磁化は固定化される。この方法は、第１のハード層を形成する必要がなく、磁化記録層１０の形状変更だけで済むので、製造プロセスを簡略化でき、製造コストを削減することができる。

図２８は、上記磁化の固定方法の更に別の一例を示している。
図２８に示すように、第１のハード層を用いなくても、材料を工夫することにより、所望の磁化状態を作り出すことができる。この図の例では、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃの材料として、第１磁壁移動領域１３ａや第２磁壁移動領域１３ｂと異なる材料を用いている。そのような材料としては、相対的に保磁力の大きい材料が例示される。また、第１磁化固定領域１１ｂ及び第２磁化固定領域１１ｃにイオン注入を行い、その部分の磁気特性を変えることで実現することも可能である。

１１．センサ層の異方性
図２９〜図３０は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子のセンサ層の磁気異方性の方向のバリエーションを示す平面図である。ただし、図２９中の実線矢印はリファレンス層２１の磁化容易軸方向２６ａ、図３０中の実線矢印はリファレンス層２１の磁化困難軸方向２６ｂをそれぞれ示している。

センサ層２３は、面内磁気異方性を有する材料で形成されている。ただし、センサ層２３の磁気異方性の方向は面内の±ｘ方向（図２９）に向いていても、±ｙ方向（図３０）に向いていてもよい。センサ層２３の磁気異方性は形状によって付与（形状磁気異方性）してもよいし、結晶構造によって付与（結晶磁気異方性）してもよいし、磁歪を適切に調整することで応力によって付与（応力誘起磁気異方性）してもよい。

図２９に示すｘ方向の場合、センサ層２３の磁化を反転させる動作は、容易軸動作となる。最大のＭＲ比を得ることができる。ただし、磁化記録層１０（第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂ）からの漏洩磁界が小さい場合、反転し難くなる可能性がある。一方、図３０に示すｙ方向の場合、センサ層２３の磁化を反転させる動作は、困難軸動作となる。磁化記録層１０（第１磁壁移動領域１３ａ及び第２磁壁移動領域１３ｂ）からの漏洩磁界が、容易軸動作で磁化反転を起こさないような小さい場合でも読み出す（磁化反転させる）ことができる。ただし、ＭＲ比は、相対的に小さくなり、ばらつき易くなる。

１２．リファレンスセル
図３１は、本発明の実施形態に係るＭＲＡＭのリファレンスセルにおける磁気メモリ素子の構成の一例を示す断面図である。リファレンスセルの磁気メモリ素子の基本的な構成は、図１０の説明にあるように通常の磁気メモリ素子と同じである。ただし、この図の例では、図３０と同様に、センサ層２３の磁気異方性の方向が±ｙ方向（困難軸動作）である。この場合、リファレンスセルの磁気トンネル接合部２０のＭＴＪの磁気抵抗は、抵抗Ｒ０．５（抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ０との中間の値）になっている。これをリファレンスレベルとすることで、以下のようなメリットが得られる。

ＭＲＡＭ９０（図１０）での読み出し動作において、一方の列を抵抗Ｒ０とし他方の列を抵抗Ｒ１として２列分のリファレンスセル８０ｒを用いる場合、例えば、抵抗Ｒ０の平均値と抵抗Ｒ１の平均値とから中間値の抵抗Ｒ０．５をリファレンスレベルとして生成し、読出しに用いる。その場合、ＭＲＡＭ製造後のリファレンスセル８０ｒに“１”や“０”を書き込んでおく必要がある。“１”や“０”の書き込みにより、センサ層の磁化は所定の方向に向くが、その向きにはある程度のばらつきが存在する。そのため、抵抗Ｒ１や抵抗Ｒ０を格納するリファレンスセル８０ｒのリファレンスレベルの設定には、ある程度の不正確さが入り込む。一方、１”や“０”を書き込んだメモリセル８０にも同様にある程度のばらつきが存在する。そうなると、メモリセル８０のばらつきとリファレンスセル８０ｒのばらつきとが相まって、正確な読み出しが困難となることが考えられる。

しかし、ＭＲＡＭ９０（図１０）での読み出し動作において、リファレンスセル用の列を１列分とし、抵抗Ｒ０．５とした図３１のリファレンスセル８０ｒを用いる場合、メモリセル８０中の磁気メモリ素子の抵抗Ｒ０や抵抗Ｒ１がばらついても、リファレンスセル８０ｒは確実に抵抗Ｒ０．５に設定されている。そのため、リファレンスセルレベルがばらつかず正確に定まる。すなわち、磁気メモリ素子の磁気異方性がばらついた場合でも、基準となるリファレンスレベルが正確なため、抵抗Ｒ０か抵抗Ｒ１かを正確に判定する（読み出す）ことができる。

加えて、リファレンスセル８０ｒの抵抗値のばらつきが小さくなることから、必要なリファレンスセル８０ｒの数を減らすことができる。リファレンスセル１列分だけ得をするので、特に小規模アレイの場合にはアレイ面積を小さくできる。更に、リファレンスセル８０ｒを抵抗Ｒ０、Ｒ１にセットするためのコントローラをＹ側制御回路９３に設ける必要がなくなり、周辺回路の面積を低減することができる。加えて、リファレンスセル８０ｒを抵抗Ｒ０、Ｒ１にセットするための工程が不要となり、製造コスト、製造時間を低減することができる。更に、リファレンスセル８０ｒの抵抗Ｒ０、Ｒ１から抵抗Ｒ０．５を計算するための周辺回路やプログラムが不要となり、周辺回路の面積やプログラムの記憶領域を低減することができる。

１３．磁気メモリ素子の構成
図３２〜図３４は、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成例を示す斜視図である。図３２〜図３４に示すように、磁化記録層１０への書き込み用の配線５２、５５、３５、５６（第１磁化固定領域１１ｂ、第２磁化固定領域１１ｃへの配線）は下側から磁化記録層１０へ接続されることが好ましい。ＭＯＳトランジスタＴＲａ、ＴＲｂなどの素子は下側（半導体基板側）にあるからである。

また、図３２〜図３３に示すように、磁気トンネル接合部２０（ＭＴＪ）が磁化記録層１０の下側（−ｚ方向の側）にある場合、リファレンス層２１と配線５１との接続部分は、バリア層２２と重ならないようにすることが好ましい。接続部分がバリア層２２と重なると、以下のような不具合が生じるからである。すなわち、配線５１のビアの段差（図１９Ａ〜図１９Ｃの説明参照）がリファレンス層２１に反映されてしまい、リファレンス層２１上のバリア層２２に段差に伴う欠陥が生じて、リファレンス層２１とセンサ層２３がショートしてしまうからである。

また、図３４に示すように、磁気トンネル接合部２０（ＭＴＪ）が磁化記録層１０の上側（＋ｚ方向の側）にある場合、配線５１及び磁気トンネル接合部２０の列と、配線５２及び第１のハード層４０又は配線５３と第１のハード層４０とは隣接しない。そのため、第１磁壁移動領域１３ａや第２磁壁移動領域１３ｂの幅Ｄを設計ルールＦよりも小さくすることができる。それにより、磁気メモリ素子への書き込みの高速化が可能となる。更に、磁気メモリ素子の大きさを小さくし、メモリアレイのサイズを低減することができる。

以上説明したように、本発明では、磁化記録層の磁気異方性が垂直方向である電流駆動磁壁移動型の磁気メモリ素子において、磁壁移動領域を二つにすることで、磁化固定領域が三つになるので、両側の磁化固定領域を含め磁化固定を容易に行うことが可能となる。すなわち、磁化固定領域を容易に形成することが可能となる。また、それにより、二つの磁壁移動領域と三つの磁化固定領域との境界を、磁壁のピンニングサイトとすることができる。すなわち、磁壁のピンニングサイトを容易に形成することが可能となる。

以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

この出願は、２００８年１２月２５日に出願された特許出願番号２００８−３３０５０７号及び２００９年１０月１日に出願された特許出願番号２００９−２２９６４４号の日本特許出願に基づいており、その出願による優先権の利益を主張し、その出願の開示は、引用することにより、そっくりそのままここに組み込まれている。

Claims (17)

1. 垂直磁気異方性を有する強磁性層である磁化記録層と、
   前記磁化記録層の情報を読み出すための磁気トンネル接合部と
   を具備し、
   前記磁化記録層は、二つの磁壁移動領域を備える
   磁気メモリ素子。
2. 請求項１に記載の磁気メモリ素子であって、
   前記磁気トンネル接合部は、反転可能な磁化を有し、面内磁気異方性を有する強磁性層であるセンサ層を備える
   磁気メモリ素子。
3. 請求項１または２に記載の磁気メモリ素子であって、
   前記磁化記録層は、
   磁化の向きが固定された第１磁化固定領域、第０磁化固定領域、及び第２磁化固定領域と、
   反転可能な磁化を有し、磁壁が移動可能であり、前記第１磁化固定領域と前記第０磁化固定領域との間に設けられた第１磁壁移動領域と、
   反転可能な磁化を有し、磁壁が移動可能であり、前記第０磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との間に設けられた第２磁壁移動領域と
   を備える
   磁気メモリ素子。
4. 請求項３に記載の磁気メモリ素子であって、
   前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域とは、実質的に同一である
   磁気メモリ素子。
5. 請求項３に記載の磁気メモリ素子であって、
   前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の磁化の向きは、実質的に同一であり、
   前記第０磁化固定領域の磁化の向きは、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の磁化の向きと反対である
   磁気メモリ素子。
6. 請求項３乃至５のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
   前記センサ層の前記磁化記録層への射影は、前記第１磁壁移動領域と前記第２磁壁移動領域との間の前記磁化記録層内の領域の少なくとも一部に重なる
   磁気メモリ素子。
7. 請求項６に記載の磁気メモリ素子であって、
   前記磁気トンネル接合部は、磁化の向きが固定され、面内磁気異方性を有する強磁性層であるリファレンス層を更に備え、
   前記リファレンス層の磁化の向きは、前記第１磁壁移動領域と前記第２磁壁移動領域とを結ぶ直線の方向である
   磁気メモリ素子。
8. 請求項６に記載の磁気メモリ素子であって、
   前記第０磁化固定領域と前記磁気トンネル接合部との間に設けられ、導電性を有するコンタクト層を更に具備する
   磁気メモリ素子。
9. 請求項８に記載の磁気メモリ素子であって、
   前記コンタクト層は、前記第０磁化固定領域よりも低抵抗である
   磁気メモリ素子。
10. 請求項３から８のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記第０磁化固定領域と、前記第１磁壁移動領域及び前記第２磁壁移動領域との境界に段差を有する
    磁気メモリ素子。
11. 請求項３から８のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記第０磁化固定領域の垂直方向の断面積は、前記第１磁壁移動領域及び前記第２磁壁移動領域の垂直方向の断面積よりも大きい
    磁気メモリ素子。
12. 請求項８に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記コンタクト層は磁性体であり、
    前記コンタクト層の磁化の向きは、前記第０磁化固定領域の磁化の向きと同じに固定されている
    磁気メモリ素子。
13. 請求項３乃至１２のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の各々の近傍に設けられ、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の各々の磁化の向きを固定する第１のハード層を更に具備する
    磁気メモリ素子。
14. 請求項３乃至１２のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記第０磁化固定領域の近傍に、第２のハード層を具備する
    磁気メモリ素子。
15. 請求項１３または１４に記載の磁気メモリ素子であって、
    前記磁気トンネル接合部と前記第１のハード層、または、前記磁気トンネル接合部と前記第１のハード層及び前記第２のハード層が、前記磁化記録層に対していずれも基板とは反対側に設けられる
    磁気メモリ素子。
16. 請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子を備えた複数の磁気メモリセルが行列状に配置された
    磁気ランダムアクセスメモリ。
17. 請求項１６に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    請求項２乃至１５のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子と同じ構成を有する磁気メモリ素子を備えた複数のリファレンスセルを更に具備し、
    前記複数のリファレンスセルの前記磁気メモリ素子の各々は、前記センサ層が、前記第１磁壁移動領域と前記第２磁壁移動領域とを結ぶ方向に対して垂直な方向に磁気異方性を有する
    磁気ランダムアクセスメモリ。

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