WO2006035943A1 - 磁気メモリ - Google Patents

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WO2006035943A1
WO2006035943A1 PCT/JP2005/018172 JP2005018172W WO2006035943A1 WO 2006035943 A1 WO2006035943 A1 WO 2006035943A1 JP 2005018172 W JP2005018172 W JP 2005018172W WO 2006035943 A1 WO2006035943 A1 WO 2006035943A1
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magnetic
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write
ferromagnetic
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Takashi Asatani
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    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
    • G11C11/15—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic memory that stores data in a magnetoresistive effect element.
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • DRAM Dynamic Random Access Memory
  • SRAM Static RAM
  • a structure using a tunnel magnetoresistive effect element (hereinafter referred to as a TMR element) using a tunneling magnetoresistive effect (TMR: Tunneling Magneto-Resistive) is known.
  • TMR tunneling magnetoresistive effect
  • a magnetic field is generated by passing a write current through the write wiring along the TMR element, and the magnetization direction of the magnetosensitive layer of the TMR element is reversed by this magnetic field, thereby To write binary data.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the magnetic yoke.
  • the magnetic yoke 105 is provided surrounding the write wiring 106.
  • the magnetic yoke 105 includes a pair of opposing yokes 105b and a pair of villas. 105c and beam yoke 105d.
  • the pair of opposing yokes 105b has a pair of end faces 105a.
  • the pair of end faces 105a are opposed to each other via a gap having a predetermined length.
  • the TMR element 104 is arranged such that the pair of side surfaces thereof face the pair of end surfaces 105a.
  • the beam yoke 105d is provided along the surface of the write wiring 106 opposite to the TMR element 104.
  • the pair of pillar yokes 105c is provided along the side surface of the write wiring 106, and connects one end of each of the pair of opposing yokes 105b on the side different from the end face 105a to both ends of the beam yoke 105d.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-153182
  • the present inventor has been studying the configuration of a magnetic yoke in order to reduce the write current in the MRAM.
  • the greater the thickness of the magnetic yoke, or the shorter the length of the magnetic yoke in the direction along the write wiring the greater the demagnetizing field inside the magnetic yoke and the energy for reversing the magnetic field direction (ie The magnitude of the write current increases. Therefore, the magnetic yoke is preferably formed thin.
  • the magnetic yoke is formed in a thin V, layered shape and the write wiring is sandwiched, the magnetic field direction is abruptly changed at the upper and lower joints sandwiching the wiring portion of the magnetic yoke, and the magnetic field is disturbed. A large amount of energy (the magnitude of the write current) is required to reverse the direction of the magnetic field.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a magnetic memory that can reduce the energy required for reversing the magnetic field direction of the magnetic yoke and reduce the write current. For the purpose.
  • a magnetic memory includes a plurality of storage areas, and each of the plurality of storage areas includes a magnetosensitive layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field.
  • An effect element a write wiring for providing an external magnetic field to the magnetosensitive layer by a write current, and a magnetic yoke disposed so as to surround the outer periphery of the write wiring in a part in the extending direction of the write wiring;
  • the magnetic yoke includes the first and second ferromagnetic layers provided across the write wiring, and the first and second strong layers at both ends of the first and second ferromagnetic layers along at least the write wiring. And a first nonmagnetic layer provided between the magnetic layers and antiferromagnetically coupling the first and second ferromagnetic layers to each other.
  • the first nonmagnetic layer that antiferromagnetically couples the first and second ferromagnetic layers to each other is provided between the first and second ferromagnetic layers of the magnetic yoke.
  • the first and second ferromagnetic layers are provided at least at both ends. This makes the magnetic field directions of the first and second ferromagnetic layers antiparallel to each other, eliminating a sudden change in the magnetic field directions at both ends of the first and second ferromagnetic layers and reducing the magnetic field. Disturbance can be suppressed.
  • the demagnetizing field inside the magnetic yoke can be reduced by making the first and second ferromagnetic layers thinner, so that the energy required for reversing the magnetizing direction of the magnetic yoke can be reduced and the write current can be reduced.
  • each of the plurality of storage regions has a second anti-ferromagnetic coupling between the magnetosensitive layer of the magnetoresistive effect element and the first or second ferromagnetic layer of the magnetic yoke. It is also possible to further include a nonmagnetic layer. As a result, the magnetic field inside the magnetic yoke (that is, the external magnetic field due to the write current) can be more efficiently applied to the magnetosensitive layer of the magnetoresistive element.
  • the magnetic yoke has conductivity, and the first or second ferromagnetic layer of the magnetic yoke and the magnetosensitive layer of the magnetoresistive effect element are electrically connected,
  • the magnetic yoke and the write wiring may be electrically insulated.
  • the magnetic memory structure can also serve as a wiring for flowing a read current to the magnetoresistive element, so that the structure of the magnetic memory can be simplified.
  • the magnetosensitive layer of the magnetoresistive effect element has the first or second of the magnetic yoke. Consists of part of the ferromagnetic layer.
  • the magnetic memory is characterized in that the magnetic axis easy axis direction of the first and second ferromagnetic layers of the magnetic yoke obliquely intersects the longitudinal direction of the write wiring surrounded by the magnetic yoke. Also good. As a result, even when the magnetization directions of the first and second ferromagnetic layers are slightly deviated from the antiparallel state, these magnetic directions can be reversed while being substantially antiparallel. Therefore, it is possible to further reduce the write current required for magnetic domain inversion.
  • the energy required for reversing the magnetic field direction of the magnetic yoke can be reduced, and the write current can be reduced.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overall configuration of a magnetic memory according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a cross-sectional configuration when the storage section is cut along the row direction.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the storage section taken along line II in FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the storage section taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the TMR element and its peripheral structure.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the TMR element and its peripheral structure.
  • FIG. 7 is a diagram showing a planar shape of a magnetic yoke.
  • FIGS. 8A and 8B are diagrams for explaining the operation around the TMR element in the storage area.
  • FIG. 8A shows the element at the time of writing
  • FIG. 8B shows the element at the time of reading.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams for explaining the operation around the TMR element in the storage area.
  • FIG. 9A shows the element at the time of writing
  • FIG. 9B shows the element at the time of reading.
  • FIG. 10 is a diagram showing a manufacturing process of the peripheral structure of the TMR element.
  • FIG. 11 is a diagram showing a manufacturing process of the peripheral structure of the TMR element.
  • FIG. 12 is a diagram showing a manufacturing process of the peripheral structure of the TMR element.
  • FIG. 13 is a diagram showing a manufacturing process of the peripheral structure of the TMR element.
  • FIG. 14 is a diagram showing a manufacturing process of the peripheral structure of the TMR element.
  • FIG. 15 is a diagram showing a manufacturing process of the peripheral structure of the TMR element.
  • FIG. 16 is a diagram showing a manufacturing process of the peripheral structure of the TMR element.
  • FIG. 17 is a diagram showing a manufacturing process of the peripheral structure of the TMR element.
  • FIG. 18 is a diagram showing a manufacturing process of the peripheral structure of the TMR element.
  • FIG. 19 is a diagram showing a configuration of a TMR element according to a modification.
  • FIG. 20 is a diagram showing a configuration of a TMR element according to a modification.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining another modification of the magnetic memory.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining another modified example of the magnetic memory.
  • (A), (b), (c), (d), and (e) are shown in FIG. The state when the magnetic field direction is reversed is schematically shown, and (f) is a graph showing the change over time of the magnitude of the write current.
  • FIG. 23 is a diagram for explaining another modified example of the magnetic memory. (A), (b), (c)
  • FIG. 4 schematically shows a state in which the magnetic field direction is reversed by the write current
  • FIG. 4D is a graph showing the change over time in the magnitude of the write current.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a conventional magnetic yoke.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing the overall configuration of the magnetic memory 1 according to the present embodiment.
  • the magnetic memory 1 includes a storage unit 2, a bit selection circuit 11, a word selection circuit 12, bit wirings 13a and 13b, a word wiring 14, and a ground wiring 15.
  • the storage unit 2 includes a plurality of storage areas 3.
  • the plurality of storage areas 3 are arranged in a two-dimensional form having m rows and n columns (m and n are integers of 2 or more).
  • Each of the plurality of storage areas 3 includes a TMR element 4, a write wiring 31, a write transistor 32, a read wiring 33, and a read transistor 34.
  • the TMR element 4 is a magnetoresistive effect element including a magnetosensitive layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field.
  • the TMR element 4 includes a magnetosensitive layer, a fixed layer whose magnetic field direction is fixed, and a nonmagnetic insulating layer sandwiched between the magnetosensitive layer and the fixed layer.
  • the TMR element 4 is arranged along a part of the write wiring 31 so that the magnetic field direction of the magnetosensitive layer is changed by receiving an external magnetic field generated by a write current flowing through the write wiring 31.
  • the resistance value between the magnetosensitive layer and the fixed layer depends on the relationship between the magnetization direction of the magnetosensitive layer and the magnetic field direction of the fixed layer. Change.
  • the write wiring 31 is a wiring for providing an external magnetic field to the magnetosensitive layer of the TMR element 4 by a write current.
  • One end of the write wiring 31 is electrically connected to the bit wiring 13a. It has been continued.
  • the other end of the write wiring 31 is electrically connected to the source or drain of the write transistor 32.
  • the write transistor 32 is a write switch means for controlling the conduction of the write current in the write wiring 31.
  • one of the drain and the source is electrically connected to the write wiring 31, and the other is electrically connected to the bit wiring 13b.
  • the gate of the write transistor 32 is electrically connected to the word line 14.
  • the read wiring 33 is a wiring for allowing a read current to flow through the TMR element 4. Specifically, one end of the read wire 33 is electrically connected to the bit wire 13a, and the other end of the read wire 33 is electrically connected to the fixed layer side (or the magnetosensitive layer side) of the TMR element 4. It is connected.
  • the read transistor 34 is a read switch means for controlling the conduction of the read current in the read wiring 33.
  • One of the source and drain of the read transistor 34 is electrically connected to the magnetosensitive layer side (or fixed layer side) of the TMR element 4, and the other of the source and drain is electrically connected to the ground wiring 15. . Further, the gate of the read transistor 34 is electrically connected to the word line 14.
  • the magnetosensitive layer side or the fixed layer side of the TMR element 4 means the magnetosensitive layer side or the fixed layer side with respect to the nonmagnetic insulating layer, and is on the magnetosensitive layer or the fixed layer. Including the case where another layer intervenes.
  • the bit wirings 13a and 13b are arranged corresponding to each column of the storage area 3.
  • the bit line 13a is electrically connected to one end of the write line 31 included in each storage area 3 of the corresponding column.
  • the bit wiring 13a of the present embodiment is also electrically connected to one end of the read wiring 33 included in each storage region 3 of the corresponding column.
  • the bit wiring 13b is electrically connected to the drain or source of the write transistor 32 included in each storage region 3 in the corresponding column.
  • the word line 14 is arranged corresponding to each row of the storage area 3 and is electrically connected to the gate which is the control terminal of the write transistor 32 included in each storage area 3 of the corresponding row. .
  • the bit selection circuit 11 is a write current generation unit that provides a positive or negative write current to the write wiring 31 of each storage area 3. Specifically, the bit selection circuit 11 corresponds to the address according to the address instructed at the time of data writing from the inside or outside of the magnetic memory 1. And an address decoder circuit that selects the column corresponding to the memory and a current drive circuit that supplies a positive or negative write current between the bit wiring 13a and the bit wiring 13b corresponding to the selected column. Has been. Further, the word selection circuit 12 selects a row corresponding to the address in accordance with an address instructed at the time of data writing from the inside or outside of the magnetic memory 1 and supplies a control current to the word line 14 corresponding to the selected row. It has a function to provide
  • the magnetic memory 1 having the above configuration operates as follows. That is, when an address (i row j column Zl ⁇ i ⁇ m, l ⁇ j ⁇ n) for writing data from the inside or outside of the magnetic memory 1 is specified, the bit selection circuit 11 and the word selection circuit 12 are respectively Select the appropriate j column and i row. In the write transistor 32 in the storage area 3 included in the i row selected by the word selection circuit 12, the control voltage is applied to the gate, and the write current becomes conductive. In the storage area 3 included in the j column selected by the bit selection circuit 11, a positive or negative voltage corresponding to data is applied between the bit wiring 13a and the bit wiring 13b.
  • a write current is generated in the write wiring 31 via the write transistor 32.
  • the magnetic field direction of the magnetosensitive layer of the TMR element 4 is reversed by the magnetic field generated by the write current. In this way, binary data is written to the storage area 3 of the designated address (i row j column).
  • the bit selection circuit 11 and the word selection circuit 12 select the corresponding one column and k row, respectively.
  • the control voltage is applied to the gate, and the read current becomes conductive.
  • a read current is supplied from the bit selection circuit 11 to the bit wiring 13 a corresponding to one column selected by the bit selection circuit 11.
  • the read current from the read wiring 33 is transmitted to the TMR element 4 and the read transistor 34. Flows to ground wiring 15 via. Then, for example, by determining the voltage drop amount in the TMR element 4, the designated address (k row 1 Binary data stored in storage area 3 of the column) is read out.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a cross-sectional configuration when the storage unit 2 is cut along the row direction.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the storage unit 2 taken along the line II in FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the storage unit 2 taken along line II-II in FIG.
  • the storage unit 2 includes a semiconductor layer 6, a wiring layer 7, and a magnetic material layer 8.
  • the semiconductor layer 6 is a layer in which a semiconductor device such as a transistor is formed while maintaining the mechanical strength of the entire storage unit 2 including the semiconductor substrate 21.
  • the magnetic material layer 8 is a layer on which a component made of a magnetic material such as a TMR element 4 and a magnetic yoke 5 for efficiently applying a magnetic field to the TMR element 4 is formed.
  • the wiring layer 7 is provided between the semiconductor layer 6 and the magnetic material layer 8.
  • the wiring layer 7 includes a magnetic device such as a TMR element 4 formed in the magnetic material layer 8, a semiconductor device such as a transistor formed in the semiconductor layer 6, and each of the bit wirings 13a and 13b and the word wiring 14. This is a layer in which wiring for electrically connecting the wirings penetrating the storage area 3 to each other is formed.
  • the semiconductor layer 6 includes a semiconductor substrate 21, an insulating region 22, a write transistor 32, and a read transistor 34.
  • the semiconductor substrate 21 also has Si substrate power, for example, and is doped with p-type or n-type impurities.
  • the insulating region 22 is formed on the semiconductor substrate 21 in a region other than the write transistor 32 and the read transistor 34, and electrically isolates the write transistor 32 and the read transistor 34.
  • the insulating region 22 is made of an insulating material such as SiO.
  • the read transistor 34 includes a drain region 34 a and a source region 34 c, a gate electrode 34 b, and a part of the semiconductor substrate 21, which are opposite in conductivity type to the semiconductor substrate 21.
  • the drain region 34a and the source region 34c are formed, for example, in the vicinity of the surface of the Si substrate by doping an impurity having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate 21.
  • a semiconductor substrate 21 is interposed between the drain region 34a and the source region 34c, and a gate electrode 34b is disposed on the semiconductor substrate 21.
  • the write transistor 32 includes a drain region 32 a and a source region 32 c, a gate electrode 32 b, and a part of the semiconductor substrate 21, which are opposite in conductivity type to the semiconductor substrate 21.
  • the drain region 32a and the source region 32c are formed, for example, in the vicinity of the surface of the Si substrate by being doped with an impurity having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate 21.
  • a semiconductor substrate 21 is interposed between the drain region 32a and the source region 32c, and a gate electrode 32b is disposed on the semiconductor substrate 21.
  • the magnetic material layer 8 includes a TMR element 4, a magnetic yoke 5, an insulating region 24, a write wiring 31, and a read wiring 33.
  • regions other than the configuration described below TMR element 4, magnetic yoke 5, write wiring 31, and read wiring 33
  • FIGS. 5 and 6 are enlarged views of the TMR element 4 and its peripheral structure.
  • FIG. 5 is a cross section along the row direction of the storage area 3
  • FIG. 6 is a cross section along the column direction of the storage area 3. Referring to FIGS.
  • the TMR element 4 includes a nonmagnetic layer 4a, a first magnetic layer 4b, a nonmagnetic layer 4c, a second magnetic layer 4d, a nonmagnetic insulating layer 4e, a third magnetic layer 4f, and
  • the antiferromagnetic layer 4g is laminated in order.
  • the 1st magnetic layer 4b, the nonmagnetic layer 4c, and the 2nd magnetic layer 4d comprise the magnetosensitive layer (free layer) in this embodiment.
  • the magnetosensitive layer of the present embodiment has an antiferromagnetic coupling structure.
  • the nonmagnetic layer 4c antiferromagnetically couples the first magnetic layer 4b and the second magnetic layer 4d (that is, negative exchange coupling), and the second magnetic layer 4b and the second magnetic layer 4c
  • the magnetic layer 4d is antiparallel to the magnetic field direction.
  • the nonmagnetic layer 4a is an embodiment of the second nonmagnetic layer in the present invention.
  • the nonmagnetic layer 4a antiferromagnetically couples the first magnetic layer 4b and the first ferromagnetic layer 5a of the magnetic yoke 5 (that is, negative exchange coupling), and the magnetic layer of the first magnetic layer 4b
  • the direction and the magnetic direction of the first ferromagnetic layer 5a are antiparallel to each other.
  • the configuration of the magnetic yoke 5 will be described later.
  • a magnetic field corresponding to the write current is generated inside the magnetic yoke 5.
  • the magnetic field generated inside the magnetic yoke 5 causes the first ferromagnetic layer 5
  • the magnetic field direction of the first magnetic layer 4b antiferromagnetically coupled to a changes in the opposite direction to the magnetic field inside the magnetic yoke 5.
  • the magnetic direction of the second magnetic layer 4d that is antiferromagnetically coupled to the first magnetic layer 4b is changed to that of the first magnetic layer 4b.
  • the direction changes to the opposite direction. In this way, binary data is recorded in the TMR element 4.
  • the magnetosensitive layer of the TMR element 4 preferably has an antiferromagnetic coupling structure as in the present embodiment.
  • the magnetic field of the entire magnetosensitive layer can be made substantially zero, so that less energy is required to invert the magnetic field of the magnetosensitive layer, and the write current can be reduced.
  • ferromagnetic materials such as Co, CoFe, NiFe, NiFeCo, and CoPt can be used, for example.
  • a nonmagnetic metal material such as Ru, Rh, Ir, Cu, or Ag can be used.
  • the third magnetic layer 4f is a fixed layer (pinned layer) whose magnetic field direction is fixed by the antiferromagnetic layer 4g. That is, the magnetic field direction of the third magnetic layer 4f is stabilized by the exchange coupling at the joint surface between the antiferromagnetic layer 4g and the third magnetic layer 4f.
  • the magnetic easy axis direction of the third magnetic layer 4f is set along the magnetic easy axis direction of the first magnetic layer 4b and the second magnetic layer 4d.
  • a ferromagnetic material such as Co, CoFe, NiFe, NiFeCo, CoPt can be used.
  • IrMn, PtMn, FeMn, PtPdMn, NiO, or any combination of these materials can be used.
  • the nonmagnetic insulating layer 4e is a layer made of a nonmagnetic and insulating material. Since the nonmagnetic insulating layer 4e is interposed between the second magnetic layer 4d and the third magnetic layer 4f, the tunnel magnetoresistive effect (TMR) is generated between the second magnetic layer 4d and the third magnetic layer 4f. ) Occurs. That is, between the second magnetic layer 4d and the third magnetic layer 4f, the relative relationship between the magnetic field direction of the second magnetic layer 4d and the magnetic field direction of the third magnetic layer 4f (parallel or antiparallel). ) Occurs.
  • the material for the nonmagnetic insulating layer 4e for example, metal oxides or nitrides such as Al, Zn, and Mg are suitable.
  • a fourth layer is provided via a nonmagnetic metal layer or a synthetic AF (antiferromagnetic) layer.
  • a magnetic layer may be provided. Since the fourth magnetic layer forms antiferromagnetic coupling with the third magnetic layer 4f, the magnetic field direction of the third magnetic layer 4f can be further stabilized.
  • the third magnetic layer 4f to the second magnetic layer Since the influence of the static magnetic field on the magnetic layer 4d can be prevented, the magnetization reversal of the second magnetic layer 4d can be facilitated.
  • the material of the fourth magnetic layer is not particularly limited, but it is preferable to use a ferromagnetic material such as Co, CoFe, NiFe, NiFeCo, CoPt alone or in combination. Further, as the material of the nonmagnetic metal layer provided between the third magnetic layer 4f and the fourth magnetic layer, Ru, Rh, Ir, Cu, Ag and the like are suitable. The thickness of the nonmagnetic metal layer is preferably 2 nm or less in order to obtain strong antiferromagnetic coupling between the third magnetic layer 4f and the fourth magnetic layer.
  • the write wiring 31 is disposed below the TMR element 4.
  • the write wiring 31 is surrounded by the magnetic yoke 5 via the insulating region 24.
  • the write wiring 31 is made of a conductive metal and is formed in a film shape extending in the row direction of the storage region 3.
  • One end of the write wiring 31 is electrically connected to the electrode 17a through the vertical wiring 16a (see FIG. 2).
  • the other end of the write wiring 31 is electrically connected to the electrode 17c through the vertical wiring 16h (see FIG. 2).
  • the magnetic axis easy axis direction of the first magnetic layer 4b and the second magnetic layer 4d of the TMR element 4 is in a direction crossing the longitudinal direction of the write wiring 31 (that is, a direction crossing the direction of the write current).
  • the read wiring 33 is provided on the antiferromagnetic layer 4 g of the TMR element 4.
  • the read wiring 33 is made of a conductive metal and extends in the row direction of the storage area 3.
  • One end of the read wiring 33 is electrically connected to the antiferromagnetic layer 4g.
  • the other end of the read wiring 33 is electrically connected to the bit wiring 13a (see FIG. 2) via a wiring (not shown).
  • the first magnetic layer 4b of the TMR element 4 is electrically connected to the electrode 35 via a magnetic yoke 5 described later. With this configuration, a read current can flow from the read wiring 33 to the TMR element 4.
  • the magnetic yoke 5 is a member that covers the periphery of the write wiring 31 and efficiently provides a magnetic field generated by the write current to the TMR element 4.
  • the magnetic yoke 5 is disposed so as to surround the outer periphery of the write wiring 31 in a part in the extending direction of the write wiring 31.
  • the magnetic yoke 5 of the present embodiment is composed of a first ferromagnetic layer 5a, a second ferromagnetic layer 5b, and a nonmagnetic layer 5c.
  • the second ferromagnetic layer 5 b is formed in a film shape on the electrode 35 along the write wiring 31.
  • the first ferromagnetic layer 5a has a second strong layer.
  • the first ferromagnetic layer 5a and the second ferromagnetic layer 5b sandwich the write wiring 31 between them.
  • the write wiring 31 is electrically insulated from the first ferromagnetic layer 5a and the second ferromagnetic layer 5b by the insulating region 24.
  • a nonmagnetic layer 5c is provided in the form of a film as a first nonmagnetic layer between the first ferromagnetic layer 5a and the second ferromagnetic layer 5b.
  • the second ferromagnetic layer 5b, the insulating region 24, the write wiring 31, the insulating region 24, the nonmagnetic layer 5c, and the first ferromagnetic layer 5b are arranged in the thickness direction between the TMR element 4 and the electrode 35.
  • One ferromagnetic layer 5a is sequentially laminated. Of these layers, the order of the nonmagnetic layer 5c and the write wiring 31 may be interchanged. Further, as described above, the first ferromagnetic layer 5a is antiferromagnetically coupled (that is, negative exchange coupling) to the first magnetic layer 4b of the TMR element 4 via the nonmagnetic layer 4a.
  • the write wiring 31 and the insulating region 24 are not provided at both ends along the write wiring 31 in the first ferromagnetic layer 5a and the second ferromagnetic layer 5b.
  • the magnetic layer 5a and the second ferromagnetic layer 5b are in contact with the nonmagnetic layer 5c, respectively. That is, at both ends of the magnetic yoke 5, the second ferromagnetic layer 5b, the nonmagnetic layer 5c, and the first ferromagnetic layer 5a are sequentially stacked in the thickness direction. At both ends, the first ferromagnetic layer 5a and the second ferromagnetic layer 5b are antiferromagnetically coupled (that is, negative exchange coupling) to each other via the nonmagnetic layer 5c.
  • the magnetic yoke 5 of the present embodiment has a conductive material force for flowing a read current, and is electrically connected via the first magnetic layer 4b of the TMR element 4 and the nonmagnetic layer 4a.
  • a material constituting the first ferromagnetic layer 5a and the second ferromagnetic layer 5b of the magnetic yoke 5 for example, a metal containing at least one element of Ni, Fe, and Co is suitable.
  • a nonmagnetic layer 5c for example, a nonmagnetic metal material such as Ru, Rh, Ir, Cu, or Ag is suitable.
  • the insulating region 24 is made of an insulating material such as SiO.
  • FIG. 7 is a diagram showing a planar shape of the magnetic yoke 5.
  • the planar shape of the magnetic yoke 5 is rectangular as shown in FIG.
  • the easy magnetization axis direction A force of the first ferromagnetic layer 5a and the second ferromagnetic layer 5b of the magnetic yoke 5 is the longitudinal direction of the write wiring 31 surrounded by the magnetic yoke 5 (that is, The direction in which the write current flows) It is set to be orthogonal.
  • the wiring layer 7 has an insulating region 23, bit wirings 13a and 13b, a word wiring 14, a ground wiring 15, and a plurality of vertical wirings and horizontal wirings. Note that, in the wiring layer 7, all regions other than each wiring are occupied by the insulating region 23.
  • w can be used as the material for the vertical wiring
  • A1 can be used as the material for the horizontal wiring, for example.
  • the electrode 17a to which one end of the write wiring 31 of the magnetic material layer 8 is connected is electrically connected to the bit wiring 13a via the vertical wiring 16b.
  • the electrode 35 electrically connected to the first magnetic layer 4b of the TMR element 4 through the magnetic yoke 5 and the nonmagnetic layer 4a is connected to the vertical wirings 16c to 16e of the wiring layer 7 and the horizontal wirings 18a and 18b.
  • the vertical wiring 16e is in ohmic contact with the drain region 34a of the reading transistor 34 (see FIG. 3).
  • the ground wiring 15 is electrically connected to the vertical wiring 16 ⁇ , and the vertical wiring 16 ⁇ is in ohmic contact with the source region 34c of the reading transistor 34.
  • a part of the word line 14 serves as the gate electrode 34b of the read transistor 34. That is, the gate electrode 34b shown in FIG. 3 is constituted by a part of the word line 14 extending in the row direction of the storage region 3. With this configuration, the word line 14 is electrically connected to the control terminal (gate electrode 34b) of the read transistor 34.
  • the electrode 17c to which the other end of the write wiring 31 of the magnetic material layer 8 is connected is electrically connected to the vertical wirings 16i to 16k and the horizontal wirings 18d and 18e of the wiring layer 7.
  • the vertical wiring 16k is in ohmic contact with the drain region 32a of the writing transistor 32.
  • the horizontal wiring 18h is electrically connected to the vertical wiring 16q, and the vertical wiring 16q is ohmically connected to the source region 32c of the writing transistor 32.
  • the horizontal wiring 18h is electrically connected to the bit wiring 13b (see FIG. 2) by a wiring (not shown).
  • a part of the word line 14 serves as the gate electrode 32b of the write transistor 32. That is, the gate electrode 32b shown in FIG. 4 is constituted by a part of the word line 14 extending in the row direction of the storage region 3. With this configuration, The wiring 14 is electrically connected to the control terminal (gate electrode 32b) of the write transistor 32.
  • a magnetic field ⁇ and a magnetic field ⁇ are generated.
  • the magnetic field ⁇ is provided above the write wiring 31.
  • the magnetic field ⁇ is written
  • the first ferromagnetic layer 5a and the second ferromagnetic layer 5b are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 5c, so that the magnetic field ⁇ And the magnetic field ⁇ are stable in an antiparallel state.
  • Magnetic field ⁇ (external magnetic field) is efficiently applied to the first magnetic layer 4b of the magnetically coupled TMR element 4.
  • the magnetic field direction B of the first magnetic layer 4b is opposite to the magnetic field ⁇ .
  • the magnetic field direction B of the second magnetic layer 4d antiferromagnetically coupled to the first magnetic layer 4b is opposite to the magnetization direction B, that is, the same direction as the magnetic field ⁇ .
  • Direction C is the same direction, that is, parallel state.
  • one of the binary data (for example, 0) is written into the TMR element 4.
  • TMR tunnel magnetoresistance effect
  • the magnetic fields ⁇ and ⁇ that are opposite to the magnetic fields ⁇ and ⁇ are generated around the write wiring 31.
  • the magnetic field ⁇ is formed in one direction inside the first ferromagnetic layer 5a. Also,
  • the magnetic field ⁇ is formed in the opposite direction to the magnetic field ⁇ inside the second ferromagnetic layer 5b.
  • the magnetic field ⁇ and the magnetic field ⁇ are antiparallel and safe.
  • the magnetic field ⁇ (external magnetic field) is efficiently provided to 4b.
  • the magnetic field direction B of 4b points in the opposite direction to the magnetic field ⁇ .
  • the magnetic field direction C of the magnetic field ⁇ is opposite to the magnetic field ⁇ in advance by exchange coupling with the antiferromagnetic layer 4g.
  • a read current I is passed between the read wiring 33 and the magnetic yoke 5 to change the current value or read the wiring 33. And the change in potential difference between the magnetic yoke 5 and the magnetic yoke 5 is detected. For example, when the magnetic direction B of the second magnetic layer 4d is antiparallel to the magnetic direction C of the third magnetic layer 4f, the torque in the nonmagnetic insulating layer 4e is
  • TMR tunnel magnetoresistance effect
  • the ferromagnetic layers 5a and 5b are coupled antiferromagnetically between the first ferromagnetic layer 5a and the second ferromagnetic layer 5b of the magnetic yoke 5.
  • Non The magnetic layer 5c is provided on at least both ends of the ferromagnetic layers 5a and 5b.
  • the magnetic layer direction of the first ferromagnetic layer 5a and the magnetic layer direction of the second ferromagnetic layer 5b are antiparallel to each other, and the first ferromagnetic layer 5a and the second ferromagnetic layer Magnetic field disturbance can be suppressed by eliminating a sudden change in the direction of magnetic field at both ends of 5b.
  • these ferromagnetic layers 5a and 5b can be made thinner to reduce the demagnetizing field inside the magnetic yoke 5, so that the energy required for reversing the magnetic field direction of the magnetic yoke 5 is reduced and the write current is reduced. Can be reduced.
  • the magnetic memory 1 according to the present embodiment does not have a configuration in which a write current is directly passed to the TMR element.
  • the TMR element is binary-coded by an external magnetic field formed by the write wiring 31 arranged insulated from the TMR element 4. It is configured to write data.
  • the write current flows directly to the TMR element, if the magnetic yoke is made thin, the write current density increases and the life of the magnetic memory is shortened. According to the magnetic memory 1 according to the present embodiment, it is possible to make the magnetic yoke 5 thinner without causing such a problem.
  • the force in which the TMR element 4 is provided on the first ferromagnetic layer 5a is not limited to this, and the magnetic memory according to the present invention is not limited to this. It is possible to have a configuration in which a TMR element is provided between the second ferromagnetic layer and the wiring layer.
  • each of the plurality of storage regions 3 includes a magnetosensitive layer (first magnetic layer 4b) of the TMR element 4 and a first ferromagnetic layer 5a of the magnetic yoke 5 that are mutually connected. It is preferable to have a nonmagnetic layer 4a that is antiferromagnetically coupled. As a result, the magnetic field inside the magnetic yoke 5 (that is, the external magnetic field due to the write current) can be applied to the magnetosensitive layer (first magnetic layer 4b) of the TMR element 4 more efficiently.
  • the TMR element When the TMR element is provided below the magnetic yoke (that is, between the second ferromagnetic layer and the wiring layer), the TMR element's magnetosensitive layer (first magnetic layer) and the magnetic yoke It is preferable to have a nonmagnetic layer that antiferromagnetically couples with the second ferromagnetic layer.
  • the magnetic yoke 5 has conductivity, and the first ferromagnetic layer 5a of the magnetic yoke 5 and the first magnetic layer 4b of the TMR element 4 are non-magnetic layers 4a. It is preferable that the magnetic yoke 5 and the write wiring 31 are electrically insulated from each other. As a result, the magnetic yoke 5 can also serve as a wiring for flowing a read current to the TMR element 4. Therefore, the structure of the magnetic memory 1 can be simplified. When the TMR element is provided below the magnetic yoke, the first magnetic layer of the TMR element and the second ferromagnetic layer of the magnetic yoke are electrically connected via the nonmagnetic layer. It is preferable.
  • the magnetic field directions B and B of the magnetosensitive layer of the TMR element 4 can be reversed with a small write current, so that the conduction of the write current is controlled.
  • the write transistor 32 can be downsized, and the write transistor 32 can be arranged for each storage area 3. Therefore, a magnetic field can be substantially provided only to the TMR element 4 in the storage area 3 to which data is to be written, and erroneous writing to other storage areas 3 can be prevented.
  • FIGS. 10 to 18 are all cross-sectional views taken along the line II of FIG. 2, and show the manufacturing process in order.
  • the semiconductor layer 6 and the wiring layer 7 are formed. Then, as shown in FIG. 10, after the electrode 35 is formed on the vertical wiring 16c of the wiring layer 7, using a CVD apparatus, for example, Si (OCH) is used to form SiO insulation on the wiring layer 7 and the side surface of the electrode 35. Layer 24a is formed. And
  • a NiFe film 61 is formed by a sputtering apparatus in order to form the second ferromagnetic layer of the magnetic yoke. Then, a SiO insulating layer 24b is formed on the NiFe film 61 with Si.
  • a resist mask 71 is selectively formed by a lithography apparatus. Then, the whole is immersed in a plating bath, and the write wiring 31 is formed into a film by a plating process using the plating base film as an electrode. After plating, the resist mask 71 is removed, and the exposed portion of the plating base film is removed by milling or the like.
  • an insulating layer 24c made of the same material as the insulating layers 24a and 24b is formed on the write wiring 31 and the insulating layer 24b by the CVD method.
  • a resist mask 72 is selectively formed on the insulating layer 24c.
  • the resist mask 72 is formed in a region slightly above the upper surface of the write wiring 31 on the write wiring 31.
  • the insulating layers 24b and 24c are not covered with the resist mask 72. After removing the portion by RIE or the like to expose the NiFe film 61, the resist mask 72 is removed.
  • a Ru film 62 is formed on the NiFe film 61 and the insulating layers 24b and 24c by a sputtering apparatus.
  • a NiFe film 63 is formed on the Ru film 62 by a sputtering apparatus in order to form the first ferromagnetic layer of the magnetic yoke.
  • a resist mask 73 is selectively formed by a lithography apparatus.
  • the resist mask 73 is formed on the insulating layers 24b and 24c and in a region slightly wider than the upper surfaces of the insulating layers 24b and 24c.
  • portions of the NiFe film 61, the Ru film 62, and the NiFe film 63 that are not covered with the resist mask 73 are removed by milling or the like. In this way, the magnetic yoke 5 composed of the first ferromagnetic layer 5a, the second ferromagnetic layer 5b, and the nonmagnetic layer 5c is completed.
  • a Ru layer, a CoFe layer, a Ru layer, a CoFe layer, and an A1 layer are sequentially formed by a high vacuum (UHV) DC sputtering device.
  • UHV high vacuum
  • the A1 layer is oxidized by oxygen plasma to form a tunnel insulating layer (that is, a layer to be the nonmagnetic insulating layer 4e shown in FIGS. 5 and 6), and then a CoFe layer, a Ru layer, A CoFe layer and an IrMn layer are formed.
  • the TMR element 4 is formed by ion milling, and the resist mask is removed (FIG. 17).
  • the insulating layer 24d having the same material force as the insulating layer 24a is formed into the insulating layer 24a, the magnetic yoke 5, the TMR element 4, and It is formed by the CVD method so as to cover all the readout wiring 33. In this way, the insulating region 24 is formed, and the storage region 3 (storage unit 2) is completed.
  • 19 and 20 are cross-sectional views showing configurations of TMR elements 41 and 42 according to modifications, respectively.
  • the TMR element 41 includes a nonmagnetic layer 41a, a first magnetic layer 41b, a nonmagnetic layer.
  • the magnetic layer 41c, the second magnetic layer 41d, the nonmagnetic insulating layer 41e, the third magnetic layer 41f, the nonmagnetic layer 41g, the fourth magnetic layer 41h, and the antiferromagnetic layer 41i are sequentially stacked.
  • the first magnetic layer 41b, the nonmagnetic layer 41c, and the second magnetic layer 41d constitute a magnetosensitive layer (free layer) in this modification.
  • the third magnetic layer 4 If, the nonmagnetic layer 41 g, and the fourth magnetic layer 4 lh constitute the fixed layer (pinned layer) in this modification, and the magnetic layer is formed by the antiferromagnetic layer 41 i.
  • the direction is fixed.
  • the nonmagnetic layer 41c antiferromagnetically couples the first magnetic layer 41b and the second magnetic layer 41d, and the magnetic direction of the first magnetic layer 41b and the magnetic direction of the second magnetic layer 41d Are antiparallel to each other.
  • the nonmagnetic layer 41g antiferromagnetically couples the third magnetic layer 41f and the fourth magnetic layer 41h, and the magnetic direction of the third magnetic layer 41f and the magnetic layer of the fourth magnetic layer 41h.
  • the directions are antiparallel to each other.
  • the TMR element has an antiferromagnetic coupling structure not only in the magnetosensitive layer but also in the fixed layer.
  • the magnetosensitive layer of the TMR element 42 is constituted by a part of the first ferromagnetic layer 5 a of the magnetic yoke 5. That is, the TMR 42 is formed by sequentially laminating a first ferromagnetic layer 5a as a magnetosensitive layer, a nonmagnetic insulating layer 42a, a third magnetic layer 42b as a fixed layer, and an antiferromagnetic layer 42c. As a result, the magnetic field generated in the magnetic yoke 5 by the write current can be provided to the magnetosensitive layer of the TMR element 42 more efficiently.
  • FIGS. 21 to 23 are diagrams for explaining another modification of the magnetic memory 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 21 is a plan view of a magnetic yoke 51 according to this modification. As shown in FIG. 21, the planar shape of the magnetic yoke 51 of this modification is a parallelogram. The easy axis direction A of the first ferromagnetic layer 5 la and the second ferromagnetic layer 5 lb of the magnetic yoke 51 is
  • FIGS. 22— (a), (b), (c), (d), and (e) show how the magnetic field direction is reversed by the write current in the magnetic yoke 51 of this modification. It is the figure represented typically.
  • FIG. 22- (f) is a graph showing the change over time in the magnitude of the write current, corresponding to FIGS. 22- (a) to (e). First, in the state where the write current is not flowing, it is shown in Fig. 22 (a). In other words, the magnetic direction S of the first ferromagnetic layer 51a and the magnetic direction S of the second ferromagnetic layer 51b are mutually
  • the magnetization directions S and S are respectively the easy axis directions of magnetization of the first ferromagnetic layer 51a and the second ferromagnetic layer 51b.
  • FIGS. 23— (a), (b), and (c) show a case where the easy axis direction is substantially perpendicular to the direction of the write current for comparison with the present modification.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a state in which the magnetic field direction is reversed by a write current (for example, magnetic yoke 5 of the above-described embodiment).
  • FIG. 23- (d) is a graph showing the change over time in the magnitude of the write current corresponding to FIGS. 23- (a) to (c).
  • the easy axis directions of magnetization of the first ferromagnetic layer 5a and the second ferromagnetic layer 5b are written.
  • the write current I required for the magnetization reversal increases according to the initial state of the magnetization directions S and S.
  • the easy axis directions of the first ferromagnetic layer 51a and the second ferromagnetic layer 51b are inclined with respect to the direction of the write current I as in this modification, the first ferromagnetic layer 51a and the second ferromagnetic layer 51b are inclined.
  • the magnetic memory according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified.
  • the TMR element is used as the magnetoresistive effect element in the above embodiment
  • a GMR element using a giant magneto-resistive (GMR) effect may be used.
  • the GMR effect is a phenomenon in which the resistance value of the ferromagnetic layer in the direction orthogonal to the stacking direction changes depending on the angle formed by the magnetic directions of the two ferromagnetic layers sandwiching the nonmagnetic layer.
  • the TMR element and GMR element have a pseudo-spin valve type that uses the difference in coercive force between the two ferromagnetic layers to perform reading and Z reading, and the magnetic direction of one ferromagnetic layer is antiferromagnetic. There is a spin valve type that is fixed by exchange coupling with the layer.
  • Data reading in the GMR element is performed by detecting changes in the resistance value of the ferromagnetic layer in the direction perpendicular to the stacking direction.
  • Data writing in the GMR element is performed by reversing the magnetic field direction of one ferromagnetic layer by a magnetic field generated by a write current.
  • the present invention can be used for a magnetic memory that stores data in a magnetoresistive element.

Landscapes

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Abstract

　磁気メモリ１が備える複数の記憶領域３のそれぞれは、外部磁界によって磁化方向が変化する感磁層（第１磁性層４ｂ、非磁性層４ｃ、及び第２磁性層４ｄ）を含むＴＭＲ素子４と、書き込み電流によって感磁層に外部磁界を提供する書き込み配線３１と、書き込み配線３１の延在方向の一部において該書き込み配線３１の外周を囲むように配設された磁気ヨーク５とを有する。磁気ヨーク５は、書き込み配線３１を挟んで設けられた第１の強磁性層５ａ及び第２の強磁性層５ｂと、これらの強磁性層５ａ及び５ｂの両端部においてこれらの強磁性層５ａ及び５ｂの間に設けられ、これらの強磁性層５ａ及び５ｂを互いに反強磁性的に結合する非磁性層５ｃとを含む。

Description

磁気メモリ
技術分野
[0001] 本発明は、磁気抵抗効果素子にデータを記憶する磁気メモリに関するものである。
背景技術
[0002] 近年、コンピュータや通信機器等の情報処理装置に用いられる記憶デバイスとして 、 MRAM (Magnetic Random Access Memory)が注目されて 、る。 MRAMは、磁気 によってデータを記憶するので、揮発性メモリである DRAM (Dynamic Random Acce ss Memory)や SRAM (Static RAM)のように電源断によって情報が失われるといつ た不都合がない。また、従来のフラッシュ EEPROMやハードディスク装置のような不 揮発性記憶手段と比較して、アクセス速度、信頼性、消費電力等において非常に優 れている。従って、 MRAMは、 DRAMや SRAMなどの揮発性メモリの機能、及びフ ラッシュ EEPROMゃノ、ードディスク装置などの不揮発性記憶手段の機能をすベて 代替できる可能性を有している。現在、いつ、どこにいても情報処理を行うことができ る、 V、わゆるュビキタスコンピューティングを目指した情報機器の開発が急速に進め られている力 MRAMは、このような情報機器におけるキーデバイスとしての役割が 期待されている。
[0003] MRAMの構成としては、例えばトンネル磁気抵抗効果（TMR:Tunneling Magneto -Resistive)を利用したトンネル磁気抵抗効果素子（以下、 TMR素子と 、う）を用いた ものが知られている。 TMR素子を用いた MRAMにおいては、 TMR素子に沿った 書き込み配線に書き込み電流を流すことによって磁界を発生させ、この磁界によって TMR素子の感磁層の磁化方向を反転させることにより、 TMR素子に対してニ値デ ータを書き込む。
[0004] このような構成の MRAMにお!/、ては、 TMR素子の感磁層に磁界を効率よく与える ために、磁気ヨークを備えることが好ましい。図 24は、磁気ヨークの構成の一例を示 す断面図である。図 24を参照すると、磁気ヨーク 105は、書き込み配線 106を囲んで 設けられている。この磁気ヨーク 105は、一対の対向ヨーク 105bと、一対のビラーョ ーク 105cと、ビームヨーク 105dとによって構成されている。このうち、一対の対向ョー ク 105bは、一対の端面 105aを有する。この一対の端面 105aは、所定の長さの空隙 を介して互いに対向している。そして、 TMR素子 104は、その一対の側面がそれぞ れ一対の端面 105aに対向するように配置される。また、ビームヨーク 105dは、書き 込み配線 106における TMR素子 104とは反対側の面に沿って設けられている。一 対のピラーヨーク 105cは、書き込み配線 106の側面に沿って設けられており、一対 の対向ヨーク 105bそれぞれにおける端面 105aとは異なる側の一端と、ビームヨーク 105dの両端とを繋いでいる。以上の構成によって、対向ヨーク 105b、ピラーヨーク 1 05c、及びビームヨーク 105dは、書き込み配線 106の延在方向の一部（TMR素子 1 04上の部分）にお!/、て書き込み配線 106の外周を囲んで!/、る。
[0005] なお、磁気ヨークを備えた MRAMの他の例としては、特許文献 1に開示されたもの がある。
特許文献 1 :特開 2004— 153182号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 本発明者は、 MRAMにおける書き込み電流を低減するために、磁気ヨークの構成 について研究している。例えば、磁気ヨークの厚さが厚いほど、或いは書き込み配線 に沿った方向の磁気ヨークの長さが短いほど、磁気ヨーク内部の反磁界が大きくなり 、磁ィ匕方向を反転させるためのエネルギー（すなわち書き込み電流の大きさ）が大き くなる。従って、磁気ヨークは薄く形成されることが好ましい。しかし、磁気ヨークを薄 V、層状に形成して書き込み配線を挟むように構成すると、磁気ヨークの配線部分を 挟んだ上下部分の接合部において磁ィ匕方向が急激に変化するため磁界が乱れ、こ の磁ィ匕方向を反転させるために大きなエネルギー（書き込み電流の大きさ）が必要と なってしまう。
[0007] 本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、磁気ヨークの磁ィ匕方向を 反転させるために必要なエネルギーを少なくし、書き込み電流を低減できる磁気メモ リを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段 [0008] 上記した課題を解決するために、本発明による磁気メモリは、複数の記憶領域を備 え、複数の記憶領域のそれぞれは、外部磁界によって磁化方向が変化する感磁層 を含む磁気抵抗効果素子と、書き込み電流によって感磁層に外部磁界を提供する 書き込み配線と、書き込み配線の延在方向の一部において該書き込み配線の外周 を囲むように配設された磁気ヨークとを有し、磁気ヨークは、書き込み配線を挟んで設 けられた第 1及び第 2の強磁性層と、第 1及び第 2の強磁性層の少なくとも書き込み 配線に沿った両端部において第 1及び第 2の強磁性層の間に設けられ、第 1及び第 2の強磁性層を互いに反強磁性的に結合する第 1の非磁性層とを含むことを特徴と する。
[0009] 上記した磁気メモリでは、磁気ヨークの第 1及び第 2の強磁性層の間に、第 1及び第 2の強磁性層を互いに反強磁性的に結合する第 1の非磁性層が、第 1及び第 2の強 磁性層の少なくとも両端部に設けられている。これにより、第 1及び第 2の強磁性層の 磁ィ匕方向が互いに反平行となり、第 1及び第 2の強磁性層の両端部における磁ィ匕方 向の急激な変化をなくして磁界の乱れを抑えることができる。従って、第 1及び第 2の 強磁性層をより薄くして磁気ヨーク内部の反磁界を低減できるので、磁気ヨークの磁 化方向を反転させるために必要なエネルギーを少なくし、書き込み電流を低減できる
[0010] また、磁気メモリは、複数の記憶領域のそれぞれが、磁気抵抗効果素子の感磁層と 磁気ヨークの第 1または第 2の強磁性層とを互いに反強磁性的に結合する第 2の非 磁性層を更に有することを特徴としてもよい。これにより、磁気ヨーク内部の磁界 (す なわち、書き込み電流による外部磁界)を磁気抵抗効果素子の感磁層に更に効率よ く与えることができる。
[0011] また、磁気メモリは、磁気ヨークが導電性を有し、磁気ヨークの第 1または第 2の強磁 性層と磁気抵抗効果素子の感磁層とが電気的に接続されており、磁気ヨークと書き 込み配線とが電気的に絶縁されていることを特徴としてもよい。これにより、磁気ョー タカ 磁気抵抗効果素子に読み出し電流を流すための配線を兼ねることができるの で、磁気メモリの構造をより単純にできる。
[0012] また、磁気メモリは、磁気抵抗効果素子の感磁層が、磁気ヨークの第 1または第 2の 強磁性層の一部によって構成されて 、てもよ 、。
[0013] また、磁気メモリは、磁気ヨークの第 1及び第 2の強磁性層の磁ィ匕容易軸方向が、 磁気ヨークに囲まれた書き込み配線の長手方向と斜めに交差することを特徴としても よい。これにより、第 1及び第 2の強磁性層の磁化方向が反平行状態から少しずれて いる場合であっても、これらの磁ィ匕方向をほぼ反平行に保ちつつ反転させることがで きる。従って、磁ィ匕反転に要する書き込み電流を更に小さくすることができる。
発明の効果
[0014] 本発明による磁気メモリによれば、磁気ヨークの磁ィ匕方向を反転させるために必要 なエネルギーを少なくし、書き込み電流を低減できる。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]図 1は実施形態による磁気メモリの全体構成を示す概念図である。
[図 2]図 2は記憶部を行方向に沿って切断したときの断面構成を示す拡大断面図で ある。
[図 3]図 3は記憶部を図 2における I-I線で切断したときの拡大断面図である。
[図 4]図 4は記憶部を図 2における II II線で切断したときの拡大断面図である。
[図 5]図 5は TMR素子及びその周辺構造の拡大図である。
[図 6]図 6は TMR素子及びその周辺構造の拡大図である。
[図 7]図 7は磁気ヨークの平面形状を示す図である。
[図 8]図 8は記憶領域における TMR素子周辺の動作について説明するための図で あり、（a)は書き込み時の素子を示し、（b)は読み出し時の素子を示す。
[図 9]図 9は記憶領域における TMR素子周辺の動作について説明するための図で あり、（a)は書き込み時の素子を示し、（b)は読み出し時の素子を示す。
[図 10]図 10は TMR素子の周辺構造の製造過程を示す図である。
[図 11]図 11は TMR素子の周辺構造の製造過程を示す図である。
[図 12]図 12は TMR素子の周辺構造の製造過程を示す図である。
[図 13]図 13は TMR素子の周辺構造の製造過程を示す図である。
[図 14]図 14は TMR素子の周辺構造の製造過程を示す図である。
[図 15]図 15は TMR素子の周辺構造の製造過程を示す図である。 [図 16]図 16は TMR素子の周辺構造の製造過程を示す図である。
[図 17]図 17は TMR素子の周辺構造の製造過程を示す図である。
[図 18]図 18は TMR素子の周辺構造の製造過程を示す図である。
[図 19]図 19は変形例に係る TMR素子の構成を示す図である。
[図 20]図 20は変形例に係る TMR素子の構成を示す図である。
[図 21]図 21は磁気メモリの他の変形例を説明するための図である。
圆 22]図 22は磁気メモリの他の変形例を説明するための図であり、（a)、 （b)、 （c)、 ( d)、 （e)は、磁気ヨークにおいて、書き込み電流によって磁ィ匕方向が反転する際の様 子を模式的に表し、 (f)は書き込み電流の大きさの時間変化を示すグラフである。 圆 23]図 23は磁気メモリの他の変形例を説明するための図であり、（a)、 （b)、 （c)は
、書き込み電流によって磁ィ匕方向が反転する際の様子を模式的に表し、（d)は書き 込み電流の大きさの時間変化を示すグラフである。
[図 24]図 24は従来の磁気ヨークの構成の一例を示す断面図である。
符号の説明
1 磁気メモリ
^ 己' I思 p[5
3 記憶領域
4 TMR素子
5 磁気ヨーク
5a 第 1の強磁性層
5b 第 2の強磁性層
5c 非磁性層
6 半導体層
7 配線層
8 磁性材料層
11 ビット選択回路
12 ワード選択回路
13a, 13b ビット酉己線 14 ワード配線
15 接地配線
21 半導体基板
22-24 絶縁領域
31 書き込み配線
32 書き込みトランジスタ
33 読み出し配線
34 読み出しトランジスタ
発明を実施するための最良の形態
[0017] 以下、添付図面を参照しながら本発明による磁気メモリの実施の形態を詳細に説 明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説 明を省略する。
[0018] まず、本発明による磁気メモリの一実施形態の構成について説明する。図 1は、本 実施形態による磁気メモリ 1の全体構成を示す概念図である。磁気メモリ 1は、記憶部 2、ビット選択回路 11、ワード選択回路 12、ビット配線 13a及び 13b、ワード配線 14、 並びに接地配線 15を備える。記憶部 2は、複数の記憶領域 3からなる。複数の記憶 領域 3は、 m行 n列 (m、 nは 2以上の整数)からなる二次元状に配列されている。複数 の記憶領域 3のそれぞれは、 TMR素子 4、書き込み配線 31、書き込みトランジスタ 3 2、読み出し配線 33、及び読み出しトランジスタ 34を有する。
[0019] TMR素子 4は、外部磁界によって磁化方向が変化する感磁層を含む磁気抵抗効 果素子である。具体的には、 TMR素子 4は、感磁層と、磁ィ匕方向が固定された固定 層と、感磁層及び固定層に挟まれた非磁性絶縁層とを含んで構成される。 TMR素 子 4は、書き込み配線 31を流れる書き込み電流により発生する外部磁界を受けて感 磁層の磁ィ匕方向が変化するように、書き込み配線 31の一部分に沿って配置される。 そして、書き込み電流によって感磁層の磁ィ匕方向が変化すると、感磁層の磁化方向 と固定層の磁ィ匕方向との関係に応じて感磁層と固定層との間の抵抗値が変化する。
[0020] 書き込み配線 31は、書き込み電流によって TMR素子 4の感磁層に外部磁界を提 供するための配線である。書き込み配線 31の一端は、ビット配線 13aに電気的に接 続されている。書き込み配線 31の他端は、書き込みトランジスタ 32のソースまたはド レインに電気的に接続されている。書き込みトランジスタ 32は、書き込み配線 31にお ける書き込み電流の導通を制御するための書き込みスィッチ手段である。書き込みト ランジスタ 32は、ドレイン及びソースの一方が書き込み配線 31に電気的に接続され ており、他方がビット配線 13bに電気的に接続されている。書き込みトランジスタ 32の ゲートは、ワード配線 14に電気的に接続されている。
[0021] 読み出し配線 33は、 TMR素子 4に読み出し電流を流すための配線である。具体 的には、読み出し配線 33の一端はビット配線 13aに電気的に接続されており、読み 出し配線 33の他端は、 TMR素子 4の固定層側（または感磁層側）に電気的に接続 されている。また、読み出しトランジスタ 34は、読み出し配線 33における読み出し電 流の導通を制御するための読み出しスィッチ手段である。読み出しトランジスタ 34の ソース及びドレインの一方は TMR素子 4の感磁層側（または固定層側）に電気的に 接続されており、ソース及びドレインの他方は接地配線 15に電気的に接続されてい る。また、読み出しトランジスタ 34のゲートは、ワード配線 14に電気的に接続されてい る。なお、 TMR素子 4の感磁層側或いは固定層側とは、非磁性絶縁層に対して感磁 層の側か或!、は固定層の側かを意味し、感磁層或いは固定層上に別の層が介在す る場合を含むものとする。
[0022] ビット配線 13a及び 13bは、記憶領域 3の各列に対応して配設されている。ビット配 線 13aは、対応する列の記憶領域 3それぞれが有する書き込み配線 31の一端に電 気的に接続されている。さらに、本実施形態のビット配線 13aは、対応する列の記憶 領域 3それぞれが有する読み出し配線 33の一端にも電気的に接続されている。ビッ ト配線 13bは、対応する列の記憶領域 3それぞれが有する書き込みトランジスタ 32の ドレインまたはソースに電気的に接続されている。また、ワード配線 14は、記憶領域 3 の各行に対応して配設されており、対応する行の記憶領域 3それぞれが有する書き 込みトランジスタ 32の制御端子であるゲートに電気的に接続されている。
[0023] ビット選択回路 11は、各記憶領域 3の書き込み配線 31に正または負の書き込み電 流を提供する書き込み電流生成手段である。具体的には、ビット選択回路 11は、磁 気メモリ 1の内部または外部からデータ書込時に指示されたアドレスに応じて、該アド レスに該当する列を選択するアドレスデコーダ回路と、選択した列に対応するビット配 線 13aとビット配線 13bとの間に、正または負の書き込み電流を供給するカレントドラ イブ回路とを含んで構成されている。また、ワード選択回路 12は、磁気メモリ 1の内部 または外部からデータ書込時に指示されたアドレスに応じて、該アドレスに該当する 行を選択し、選択した行に対応するワード配線 14に制御電流を提供する機能を備え る。
[0024] 以上の構成を備える磁気メモリ 1は、次のように動作する。すなわち、磁気メモリ 1の 内部または外部からデータ書込みを行うアドレス (i行 j列 Zl≤i≤m、 l≤j≤n)が指 定されると、ビット選択回路 11及びワード選択回路 12がそれぞれ該当する j列及び i 行を選択する。ワード選択回路 12に選択された i行に含まれる記憶領域 3の書き込み トランジスタ 32においては、制御電圧がゲートに印加され、書き込み電流が導通可 能な状態となる。また、ビット選択回路 11に選択された j列に含まれる記憶領域 3にお いては、ビット配線 13aとビット配線 13bとの間に、データに応じた正または負の電圧 が印加される。そして、ビット選択回路 11に選択された j列及びワード選択回路 12に 選択された i行の双方に含まれる記憶領域 3においては、書き込みトランジスタ 32を 介して書き込み配線 31に書き込み電流が生じ、この書き込み電流による磁界によつ て TMR素子 4の感磁層の磁ィ匕方向が反転する。こうして、指示されたアドレス (i行 j列 )の記憶領域 3に二値データが書き込まれる。
[0025] また、磁気メモリ 1の内部または外部力もデータ読み出しを行うアドレス (k行 1列 Z1
≤k≤m、 l≤l≤n)が指定されると、ビット選択回路 11及びワード選択回路 12がそ れぞれ該当する 1列及び k行を選択する。ワード選択回路 12に選択された k行に含ま れる記憶領域 3の読み出しトランジスタ 34においては、制御電圧がゲートに印加され 、読み出し電流が導通可能な状態となる。また、ビット選択回路 11に選択された 1列 に対応するビット配線 13aには、ビット選択回路 11から読み出し電流が供給される。 そして、ビット選択回路 11に選択された 1列及びワード選択回路 12に選択された k行 の双方に含まれる記憶領域 3においては、読み出し配線 33からの読み出し電流が T MR素子 4及び読み出しトランジスタ 34を介して接地配線 15へ流れる。そして、例え ば TMR素子 4における電圧降下量が判別されることにより、指示されたアドレス (k行 1 列）の記憶領域 3に記憶された二値データが読み出される。
[0026] ここで、本実施形態における記憶部 2の具体的な構成について詳細に説明する。
図 2は、記憶部 2を行方向に沿って切断したときの断面構成を示す拡大断面図であ る。図 3は、記憶部 2を図 2における I—I線で切断したときの拡大断面図である。図 4 は、記憶部 2を図 2における II II線で切断したときの拡大断面図である。
[0027] 図 2〜図 4を参照すると、記憶部 2は、半導体層 6、配線層 7、及び磁性材料層 8を 備える。半導体層 6は、半導体基板 21を含み記憶部 2全体の機械的強度を維持する とともに、トランジスタ等の半導体デバイスが形成される層である。磁性材料層 8は、 T MR素子 4や、 TMR素子 4に磁界を効率的に与えるための磁気ヨーク 5といった磁性 材料による構成物が形成される層である。配線層 7は、半導体層 6と磁性材料層 8と の間に設けられる。配線層 7は、磁性材料層 8に形成された TMR素子 4などの磁性 体デバイスと、半導体層 6に形成されたトランジスタなどの半導体デバイスと、ビット配 線 13a、 13b、及びワード配線 14といった各記憶領域 3を貫く配線とを、互いに電気 的に接続するための配線が形成される層である。
[0028] まず、半導体層 6について説明する。半導体層 6は、半導体基板 21と、絶縁領域 2 2と、書き込みトランジスタ 32と、読み出しトランジスタ 34とを有する。半導体基板 21 は、例えば Si基板力もなり、 p型または n型の不純物がドープされている。絶縁領域 2 2は、半導体基板 21上にぉ 、て書き込みトランジスタ 32及び読み出しトランジスタ 34 以外の領域に形成されており、書き込みトランジスタ 32と読み出しトランジスタ 34とを 電気的に分離している。絶縁領域 22は、例えば SiOといった絶縁性材料カゝらなる。
2
[0029] 図 3を参照すると、読み出しトランジスタ 34は、半導体基板 21とは反対導電型のド レイン領域 34a及びソース領域 34c、ゲート電極 34b、並びに半導体基板 21の一部 によって構成されている。ドレイン領域 34a及びソース領域 34cは、例えば Si基板の 表面近傍に、半導体基板 21とは反対導電型の不純物がドープされて形成されてい る。ドレイン領域 34aとソース領域 34cとの間には半導体基板 21が介在しており、そ の半導体基板 21上にゲート電極 34bが配置されている。このような構成により、読み 出しトランジスタ 34では、ゲート電極 34bに電圧が印加されると、ドレイン領域 34a及 びソース領域 34cが互いに導通する。 [0030] 図 4を参照すると、書き込みトランジスタ 32は、半導体基板 21とは反対導電型のド レイン領域 32a及びソース領域 32c、ゲート電極 32b、並びに半導体基板 21の一部 によって構成されている。ドレイン領域 32a及びソース領域 32cは、例えば Si基板の 表面近傍に、半導体基板 21とは反対導電型の不純物がドープされて形成されてい る。ドレイン領域 32aとソース領域 32cとの間には半導体基板 21が介在しており、そ の半導体基板 21上にゲート電極 32bが配置されている。このような構成により、書き 込みトランジスタ 32では、ゲート電極 32bに電圧が印加されると、ドレイン領域 32a及 びソース領域 32cが互いに導通する。
[0031] 次に、磁性材料層 8について説明する。磁性材料層 8は、 TMR素子 4と、磁気ョー ク 5と、絶縁領域 24と、書き込み配線 31と、読み出し配線 33とを有する。なお、磁性 材料層 8においては、以下に説明する構成 (TMR素子 4、磁気ヨーク 5、書き込み配 線 31、及び読み出し配線 33)及び他の配線以外の領域は、絶縁領域 24によって占 められている。ここで、図 5及び図 6は、 TMR素子 4及びその周辺構造の拡大図であ る。図 5は、記憶領域 3の行方向に沿った断面であり、図 6は、記憶領域 3の列方向に 沿った断面である。図 5及び図 6を参照すると、 TMR素子 4は、非磁性層 4a、第 1磁 性層 4b、非磁性層 4c、第 2磁性層 4d、非磁性絶縁層 4e、第 3磁性層 4f、及び反強 磁性層 4gが順に積層されてなる。このうち、第 1磁性層 4b、非磁性層 4c、及び第 2磁 性層 4dは本実施形態における感磁層（フリー層）を構成する。本実施形態の感磁層 は、反強磁性結合構造（Synthetic Antiferromagnetic Structure)を有する。すなわち 、非磁性層 4cは第 1磁性層 4bと第 2磁性層 4dとを反強磁性的に結合 (すなわち負の 交換結合)しており、第 1磁性層 4bの磁ィ匕方向と第 2磁性層 4dの磁ィ匕方向とは互い に反平行となる。また、非磁性層 4aは本発明における第 2の非磁性層の一形態であ る。非磁性層 4aは第 1磁性層 4bと磁気ヨーク 5の第 1の強磁性層 5aとを反強磁性的 に結合 (すなわち負の交換結合)しており、第 1磁性層 4bの磁ィ匕方向と第 1の強磁性 層 5aの磁ィ匕方向とは互いに反平行となる。なお、磁気ヨーク 5の構成については後 述する。
[0032] 書き込み配線 31に書き込み電流が流れると、磁気ヨーク 5内部に書き込み電流に 応じた磁界が生じる。この磁気ヨーク 5内部に生じた磁界によって、第 1の強磁性層 5 aと反強磁性的に結合された第 1磁性層 4bの磁ィ匕方向が磁気ヨーク 5内部の磁界と は逆方向に変化する。そして、この第 1磁性層 4bの磁ィ匕方向の変化によって、第 1磁 性層 4bと反強磁性的に結合された第 2磁性層 4dの磁ィ匕方向が第 1磁性層 4bの磁 化方向とは逆方向に変化する。こうして、 TMR素子 4に二値データが記録される。 T MR素子 4の感磁層は、本実施形態のように反強磁性結合構造を有することが好まし い。これによつて、感磁層全体としての磁界をほぼゼロにできるので、感磁層の磁界 を反転させる際のエネルギーが少なくて済み、書き込み電流を低減できる。なお、第 1磁性層 4b及び第 2磁性層 4dの材料としては、例えば Co、 CoFe、 NiFe、 NiFeCo 、 CoPtなどの強磁性材料を用いることができる。また、非磁性層 4cの材料としては、 例えば Ru、 Rh、 Ir、 Cu、 Agなどの非磁性金属材料を用いることができる。
[0033] また、第 3磁性層 4fは、反強磁性層 4gによって磁ィ匕方向が固定された固定層（ピン 層）となっている。すなわち、反強磁性層 4gと第 3磁性層 4fとの接合面における交換 結合によって、第 3磁性層 4fの磁ィ匕方向が安定化されている。第 3磁性層 4fの磁ィ匕 容易軸方向は、第 1磁性層 4b及び第 2磁性層 4dの磁ィ匕容易軸方向に沿うように設 定される。第 3磁性層 4fの材料としては、例えば Co、 CoFe、 NiFe、 NiFeCo, CoPt などの強磁性材料を用いることができる。また、反強磁性層 4gの材料としては、 IrMn 、 PtMn、 FeMn、 PtPdMn、 NiO、またはこれらのうち任意の組み合わせの材料を 用!/、ることができる。
[0034] 非磁性絶縁層 4eは、非磁性且つ絶縁性の材料カゝらなる層である。第 2磁性層 4dと 第 3磁性層 4fとの間に非磁性絶縁層 4eが介在することにより、第 2磁性層 4dと第 3磁 性層 4fとの間には、トンネル磁気抵抗効果 (TMR)が生じる。すなわち、第 2磁性層 4 dと第 3磁性層 4fとの間には、第 2磁性層 4dの磁ィ匕方向と第 3磁性層 4fの磁ィ匕方向と の相対関係（平行または反平行）に応じた電気抵抗が生じる。非磁性絶縁層 4eの材 料としては、例えば Al、 Zn、 Mgといった金属の酸ィ匕物または窒化物が好適である。
[0035] なお、第 3磁性層 4fの磁ィ匕方向を安定ィ匕させる層として、反強磁性層 4gに代えて、 非磁性金属層またはシンセティック AF (反強磁性)層を介して第 4磁性層を設けても 良い。この第 4磁性層が第 3磁性層 4fと反強磁性結合を形成することにより、第 3磁 性層 4fの磁ィ匕方向をさらに安定化させることができる。また、第 3磁性層 4fから第 2磁 性層 4dへの静磁界の影響を防止できるので、第 2磁性層 4dの磁化反転を容易にす ることができる。このような第 4磁性層の材料としては特に制限はないが、例えば Co、 CoFe、 NiFe、 NiFeCo、 CoPtなどの強磁性材料を単独で、或いは複合させて用い ることが好ましい。また、第 3磁性層 4fと第 4磁性層との間に設けられる非磁性金属層 の材料としては、 Ru、 Rh、 Ir、 Cu、 Agなどが好適である。なお、非磁性金属層の厚 さは、第 3磁性層 4fと第 4磁性層との間に強い反強磁性結合を得るために 2nm以下 であることが好ましい。
[0036] 書き込み配線 31は、 TMR素子 4の下方に配置されている。書き込み配線 31は、 絶縁領域 24を介して磁気ヨーク 5に囲まれている。書き込み配線 31は導電性の金属 からなり、記憶領域 3の行方向に延びる膜状に形成されている。書き込み配線 31の 一端は、垂直配線 16aを介して電極 17aに電気的に接続されている（図 2参照)。ま た、書き込み配線 31の他端は、垂直配線 16hを介して電極 17cに電気的に接続さ れている（図 2参照)。なお、 TMR素子 4の第 1磁性層 4b及び第 2磁性層 4dの磁ィ匕 容易軸方向は、書き込み配線 31の長手方向と交差する方向（すなわち、書き込み電 流の方向と交差する方向）に沿うように設定される。
[0037] 読み出し配線 33は、 TMR素子 4の反強磁性層 4g上に設けられている。読み出し 配線 33は導電性の金属からなり、記憶領域 3の行方向に延びている。読み出し配線 33の一端は、反強磁性層 4gに電気的に接続されている。読み出し配線 33の他端は 、図示しない配線を介してビット配線 13a (図 2参照）に電気的に接続されている。ま た、 TMR素子 4の第 1磁性層 4bは、後述する磁気ヨーク 5を介して電極 35と電気的 に接続されている。この構成により、読み出し電流を読み出し配線 33から TMR素子 4へ流すことができる。
[0038] 磁気ヨーク 5は、書き込み配線 31の周囲を覆い、書き込み電流によって発生する磁 界を効率よく TMR素子 4へ提供するための部材である。磁気ヨーク 5は、書き込み配 線 31の延在方向の一部において書き込み配線 31の外周を囲むように配設されてい る。具体的には、本実施形態の磁気ヨーク 5は、第 1の強磁性層 5a、第 2の強磁性層 5b、及び非磁性層 5cによって構成されている。第 2の強磁性層 5bは、書き込み配線 31に沿って電極 35上に膜状に形成されている。また、第 1の強磁性層 5aは第 2の強 磁性層 5b上に膜状に積層されており、第 1の強磁性層 5aと第 2の強磁性層 5bは、そ の間に書き込み配線 31を挟んでいる。書き込み配線 31は、絶縁領域 24によって第 1の強磁性層 5a及び第 2の強磁性層 5bと電気的に絶縁されている。また、第 1の強 磁性層 5aと第 2の強磁性層 5bとの間には、第 1の非磁性層として非磁性層 5cが膜状 に設けられている。以上の構成を言い換えれば、 TMR素子 4と電極 35との間におい て、厚さ方向に第 2の強磁性層 5b、絶縁領域 24、書き込み配線 31、絶縁領域 24、 非磁性層 5c、及び第 1の強磁性層 5aが順に積層されている。なお、これらの層のう ち、非磁性層 5cと書き込み配線 31の順序は互いに入れ替わってもよい。また、第 1 の強磁性層 5aは、前述したように非磁性層 4aを介して TMR素子 4の第 1磁性層 4b と反強磁性的に結合 (すなわち負の交換結合)されている。
[0039] また、第 1の強磁性層 5a及び第 2の強磁性層 5bにおける書き込み配線 31に沿った 両端部には、書き込み配線 31及び絶縁領域 24は設けられておらず、第 1の強磁性 層 5a及び第 2の強磁性層 5bはそれぞれ非磁性層 5cと接している。すなわち、磁気ョ ーク 5の両端部においては、厚さ方向に第 2の強磁性層 5b、非磁性層 5c、及び第 1 の強磁性層 5aが順に積層されている。この両端部においては、第 1の強磁性層 5a及 び第 2の強磁性層 5bは非磁性層 5cを介して互 、に反強磁性的に結合 (すなわち負 の交換結合)されている。
[0040] 本実施形態の磁気ヨーク 5は、読み出し電流を流すために導電性の材料力 なり、 且つ TMR素子 4の第 1磁性層 4bと非磁性層 4aを介して電気的に接続されている。 磁気ヨーク 5の第 1の強磁性層 5a及び第 2の強磁性層 5bを構成する材料としては、 例えば Ni、 Fe、 Coのうち少なくとも一つの元素を含む金属が好適である。また、非磁 性層 5cを構成する材料としては、例えば Ru、 Rh、 Ir、 Cu、 Agなどの非磁性金属材 料が好適である。また、絶縁領域 24の材料としては、 SiOといった絶縁性材料を用
2
いることがでさる。
[0041] ここで、図 7は、磁気ヨーク 5の平面形状を示す図である。磁気ヨーク 5の平面形状 は、図 7に示すように長方形状を呈している。また、本実施形態では、磁気ヨーク 5の 第 1の強磁性層 5a及び第 2の強磁性層 5bの磁化容易軸方向 A力 磁気ヨーク 5〖こ 囲まれた書き込み配線 31の長手方向（すなわち、書き込み電流が流れる方向）と略 直交するように設定されて 、る。
[0042] 次に、配線層 7について説明する。配線層 7は、絶縁領域 23と、ビット配線 13a及 び 13bと、ワード配線 14と、接地配線 15と、複数の垂直配線及び水平配線とを有す る。なお、配線層 7においては、各配線以外の領域は、すべて絶縁領域 23によって 占められている。絶縁領域 23の材料としては、 SiOといった絶縁性材料を用いること
2
ができる。また、垂直配線の材料としては例えば wを、水平配線の材料としては例え ば A1を、それぞれ用いることができる。
[0043] 図 2を参照すると、磁性材料層 8の書き込み配線 31の一端が接続された電極 17a は、垂直配線 16bを介してビット配線 13aに電気的に接続されている。また、磁気ョ ーク 5及び非磁性層 4aを介して TMR素子 4の第 1磁性層 4bに電気的に接続された 電極 35は、配線層 7の垂直配線 16c〜16e及び水平配線 18a、 18bに電気的に接 続されており、垂直配線 16eは読み出しトランジスタ 34のドレイン領域 34a (図 3参照） とォーミック接合されて 、る。
[0044] また、図 3を参照すると、接地配線 15は垂直配線 16ηに電気的に接続されており、 垂直配線 16ηは読み出しトランジスタ 34のソース領域 34cとォーミック接合されてい る。また、ワード配線 14の一部は、読み出しトランジスタ 34のゲート電極 34bとなって いる。すなわち、図 3に示すゲート電極 34bは、記憶領域 3の行方向に延びるワード 配線 14の一部によって構成されている。このような構成によって、ワード配線 14は、 読み出しトランジスタ 34の制御端子 (ゲート電極 34b)に電気的に接続される。
[0045] また、図 4を参照すると、磁性材料層 8の書き込み配線 31の他端が接続された電極 17cは、配線層 7の垂直配線 16i〜16k及び水平配線 18d、 18eに電気的に接続さ れており、垂直配線 16kは書き込みトランジスタ 32のドレイン領域 32aとォーミック接 合されている。また、水平配線 18hは垂直配線 16qに電気的に接続されており、垂直 配線 16qは書き込みトランジスタ 32のソース領域 32cとォーミック接合されている。な お、水平配線 18hは、図示しない配線によってビット配線 13b (図 2参照）に電気的に 接続されている。また、ワード配線 14の一部は、書き込みトランジスタ 32のゲート電 極 32bとなっている。すなわち、図 4に示すゲート電極 32bは、記憶領域 3の行方向 に延びるワード配線 14の一部によって構成されている。このような構成によって、ヮー ド配線 14は、書き込みトランジスタ 32の制御端子 (ゲート電極 32b)に電気的に接続 される。
[0046] ここで、図 8及び図 9を参照して、本実施形態の記憶領域 3における TMR素子 4周 辺の動作について説明する。図 8—（a)に示すように、書き込み配線 31に負の書き 込み電流 I が流れると、書き込み配線 31の周囲には書き込み配線 31の周方向に
wl
磁界 Φ 及び磁界 Φ が発生する。磁界 Φ は、書き込み配線 31の上方に設けられ
11 12 11
た第 1の強磁性層 5aの内部において一方向に形成される。また、磁界 Φ は、書き
12
込み配線 31の下方に設けられた第 2の強磁性層 5bの内部にお 、て磁界 Φ とは逆
11 方向に形成される。そして、磁気ヨーク 5の両端部においては、第 1の強磁性層 5a及 び第 2の強磁性層 5bが非磁性層 5cを介して反強磁性的に結合されて ヽるので、磁 界 Φ と磁界 Φ とが反平行状態で安定しており、磁界の乱れや急激な磁化方向の
11 12
変化は生じない。
[0047] 書き込み配線 31の周囲に磁界 Φ 及び Φ が生じると、第 1の強磁性層 5aと反強
11 12
磁性的に結合された TMR素子 4の第 1磁性層 4bに磁界 Φ (外部磁界）が効率よく
11
提供される。この磁界 Φ によって、第 1磁性層 4bの磁ィ匕方向 Bは磁界 Φ とは逆の
11 1 11 方向を向く。そして、第 1磁性層 4bと反強磁性的に結合された第 2磁性層 4dの磁ィ匕 方向 Bは磁化方向 Bとは逆の方向、すなわち磁界 Φ と同じ方向を向く。ここで、第
2 1 11
3磁性層 4fの磁ィ匕方向 C力 反強磁性層 4gとの交換結合によって予め磁界 Φ と同
11 じ方向を向いている場合には、第 2磁性層 4dの磁ィ匕方向 Bと第 3磁性層 4fの磁化方
2
向 Cとが互いに同じ向き、すなわち平行状態となる。こうして、 TMR素子 4にニ値デ ータの一方 (例えば 0)が書き込まれる。
[0048] TMR素子 4に書き込まれた二値データを読み出す際には、図 8— (b)に示すように 、読み出し配線 33と磁気ヨーク 5との間に読み出し電流 Iを流し、その電流値の変化 または読み出し配線 33と磁気ヨーク 5との間の電位差の変化を検出する。これにより 、 TMR素子 4が二値データのうちいずれを記録している力 (すなわち、第 2磁性層 4d の磁化方向 Bが第 3磁性層 4fの磁ィ匕方向 Cと平行か反平行か)が判別できる。例え
2
ば、第 2磁性層 4dの磁ィ匕方向 Bが第 3磁性層 4fの磁ィ匕方向 Cと平行である場合、非
2
磁性絶縁層 4eにおけるトンネル磁気抵抗効果 (TMR)によって、第 2磁性層 4dと第 3 磁性層 4fとの間の抵抗値が比較的小さくなる。従って、例えば読み出し電流 を一定 とした場合には読み出し配線 33と磁気ヨーク 5との間の電位差が比較的小さくなるこ とから、 TMR素子 4に二値データとして 0が書き込まれて 、ることがわ力る。
[0049] また、図 9 (a)に示すように、書き込み配線 31に正の書き込み電流 I が流れると w2
、書き込み配線 31の周囲には磁界 Φ 及び Φ とは逆回りの磁界 Φ 及び Φ が発
11 12 21 22 生する。磁界 Φ は、第 1の強磁性層 5aの内部において一方向に形成される。また、
21
磁界 Φ は、第 2の強磁性層 5bの内部において磁界 Φ とは逆方向に形成される。
22 21
そして、磁気ヨーク 5の両端部においては、磁界 Φ と磁界 Φ とが反平行状態で安
21 22
定する。
[0050] 書き込み配線 31の周囲に磁界 Φ 及び Φ が生じると、 TMR素子 4の第 1磁性層
21 22
4bに磁界 Φ (外部磁界）が効率よく提供される。この磁界 Φ によって、第 1磁性層
21 21
4bの磁ィ匕方向 Bは磁界 Φ とは逆の方向を向く。そして、第 2磁性層 4dの磁ィ匕方向
1 21
Bは磁化方向 Bとは逆の方向、すなわち磁界 Φ と同じ方向を向く。第 3磁性層 4f
2 1 21
の磁ィ匕方向 Cが、反強磁性層 4gとの交換結合によって予め磁界 Φ とは逆の方向を
21
向いている場合には、第 2磁性層 4dの磁ィ匕方向 Bと第 3磁性層 4fの磁ィ匕方向 Cとが
2
互いに逆向き、すなわち反平行状態となる。こうして、 TMR素子 4に二値データの他 方 (例えば 1)が書き込まれる。
[0051] この二値データを読み出す際には、図 9 (b)に示すように、読み出し配線 33と磁 気ヨーク 5との間に読み出し電流 Iを流し、その電流値の変化または読み出し配線 33 と磁気ヨーク 5との間の電位差の変化を検出する。例えば、第 2磁性層 4dの磁ィ匕方 向 Bが第 3磁性層 4fの磁ィ匕方向 Cと反平行である場合、非磁性絶縁層 4eにおけるト
2
ンネル磁気抵抗効果 (TMR)によって、第 2磁性層 4dと第 3磁性層 4fとの間の抵抗 値が比較的大きくなる。従って、例えば読み出し電流 を一定とした場合には読み出 し配線 33と磁気ヨーク 5との間の電位差が比較的大きくなることから、 TMR素子 4に 二値データとして 1が書き込まれていることがわかる。
[0052] 以上に説明した、本実施形態による磁気メモリ 1が有する効果について説明する。
本実施形態による磁気メモリ 1では、磁気ヨーク 5の第 1の強磁性層 5a及び第 2の強 磁性層 5bの間に、これらの強磁性層 5a及び 5bを互 ヽに反強磁性的に結合する非 磁性層 5cが、これらの強磁性層 5a及び 5bの少なくとも両端部に設けられている。こ れにより、第 1の強磁性層 5aの磁ィ匕方向と第 2の強磁性層 5bの磁ィ匕方向とが互いに 反平行となり、第 1の強磁性層 5a及び第 2の強磁性層 5bの両端部における磁ィ匕方 向の急激な変化をなくして磁界の乱れを抑えることができる。従って、これらの強磁性 層 5a及び 5bをより薄くして磁気ヨーク 5内部の反磁界を低減できるので、磁気ヨーク 5の磁ィ匕方向を反転させるために必要なエネルギーを少なくし、書き込み電流を低減 できる。
[0053] また、本実施形態による磁気メモリ 1は、書き込み電流を TMR素子に直接流すよう な構成ではなぐ TMR素子 4から絶縁して配置された書き込み配線 31による外部磁 界によって TMR素子に二値データを書き込む構成となって 、る。書き込み電流を T MR素子に直接流すような構成では、磁気ヨークを薄くすると書き込み電流密度が上 がり、磁気メモリの寿命が短くなつてしまう。本実施形態による磁気メモリ 1によればこ のような問題が生じることはなぐ磁気ヨーク 5をより薄くすることが可能である。
[0054] なお、本実施形態では第 1の強磁性層 5a上に TMR素子 4が設けられている力 本 発明に係る磁気メモリはこれに限らず、第 2の強磁性層の下側 (すなわち第 2の強磁 性層と配線層との間）に TMR素子が設けられる構成でもよ 、。
[0055] また、本実施形態のように、複数の記憶領域 3のそれぞれは、 TMR素子 4の感磁 層（第 1磁性層 4b)と磁気ヨーク 5の第 1の強磁性層 5aとを互いに反強磁性的に結合 する非磁性層 4aを有することが好ましい。これにより、磁気ヨーク 5内部の磁界 (すな わち、書き込み電流による外部磁界）を TMR素子 4の感磁層（第 1磁性層 4b)に更に 効率よく与えることができる。なお、 TMR素子が磁気ヨークの下方 (すなわち第 2の強 磁性層と配線層との間）に設けられた場合には、 TMR素子の感磁層（第 1磁性層）と 磁気ョ一クの第 2の強磁性層とを互 、に反強磁性的に結合する非磁性層を有するこ とが好ましい。
[0056] また、本実施形態のように、磁気ヨーク 5が導電性を有し、磁気ヨーク 5の第 1の強磁 性層 5aと TMR素子 4の第 1磁性層 4bとが非磁性層 4aを介して電気的に接続されて おり、磁気ヨーク 5と書き込み配線 31とが電気的に絶縁されていることが好ましい。こ れにより、磁気ヨーク 5が、 TMR素子 4に読み出し電流を流すための配線を兼ねるこ とができるので、磁気メモリ 1の構造をより単純にできる。なお、 TMR素子が磁気ョー クの下方に設けられた場合には、 TMR素子の第 1磁性層と磁気ヨークの第 2の強磁 性層とが非磁性層を介して電気的に接続されることが好ましい。
[0057] また、本実施形態の磁気メモリ 1によれば、 TMR素子 4の感磁層の磁ィ匕方向 B及 び Bを小さな書き込み電流でもって反転できるので、書き込み電流の導通を制御す
2
る書き込みトランジスタ 32を小型化でき、各記憶領域 3毎に書き込みトランジスタ 32 を配置することが可能となる。従って、データを書き込もうとする記憶領域 3の TMR素 子 4に対してのみ磁界を提供することが実質的に可能となり、他の記憶領域 3への誤 書き込みを防止できる。
[0058] ここで、本実施形態による磁気メモリ 1の製造方法のうち、 TMR素子 4の周辺構造 の製造方法について図 10〜図 18を参照しながら説明する。なお、図 10〜図 18は、 いずれも図 2の I—I線に沿った断面であり、その製造過程を順に示している。
[0059] まず、半導体層 6及び配線層 7 (図 2参照）を形成する。そして、図 10に示すように、 配線層 7の垂直配線 16c上に電極 35を形成した後、 CVD装置を用いて、例えば Si( OC H ) により配線層 7上及び電極 35の側面に SiO絶縁層 24aを形成する。そし
2 5 4 2
て、図 11に示すように、磁気ヨークの第 2の強磁性層を形成するためにスパッタ装置 により例えば NiFe膜 61を成膜する。そして、 NiFe膜 61の上に SiO絶縁層 24bを Si
2
O絶縁層 24aと同様の方法により形成する。
2
[0060] 次に、 SiO絶縁層 24b上に図示しないめつき下地膜を形成した後、図 12に示すよ
2
うに、リソグラフィ装置により選択的にレジストマスク 71を形成する。そして、全体をめ つき槽に浸し、めっき下地膜を電極として利用しためっき処理によって書き込み配線 31を膜状に形成する。めっき処理を行ったのち、レジストマスク 71を除去し、さら〖こ、 めっき下地膜のうち露出した部分をミリング等により除去する。
[0061] 続いて、図 13に示すように、絶縁層 24a及び 24bと同じ材料からなる絶縁層 24cを 、 CVD法により書き込み配線 31上及び絶縁層 24b上に形成する。そして、図 14〖こ 示すように、絶縁層 24c上に選択的にレジストマスク 72を形成する。ここでは、書き込 み配線 31上であって書き込み配線 31の上面よりもやや広い領域にレジストマスク 72 を形成する。そして、絶縁層 24b及び 24cのうちレジストマスク 72に覆われていない 部分を RIE等により除去し、 NiFe膜 61を露出させた後、レジストマスク 72を除去する
[0062] 続いて、図 15に示すように、磁気ヨークの非磁性層を形成するために、スパッタ装 置により例えば Ru膜 62を NiFe膜 61上、並びに絶縁層 24b及び 24c上に成膜する。 そして、 Ru膜 62の上に、磁気ヨークの第 1の強磁性層を形成するためにスパッタ装 置により例えば NiFe膜 63を成膜する。
[0063] 続いて、図 16に示すように、リソグラフィ装置により選択的にレジストマスク 73を形 成する。ここでは、絶縁層 24b及び 24c上であって絶縁層 24b及び 24cの上面よりも やや広い領域にレジストマスク 73を形成する。そして、 NiFe膜 61、 Ru膜 62、及び N iFe膜 63のうちレジストマスク 73に覆われていない部分をミリング等により除去する。 こうして、第 1の強磁性層 5a、第 2の強磁性層 5b、及び非磁性層 5cからなる磁気ョー ク 5が完成する。
[0064] 続いて、磁気ヨーク 5上に TMR素子 4を形成するために、高真空（UHV) DCスパ ッタ装置により、例えば、 Ru層、 CoFe層、 Ru層、 CoFe層、 A1層を順次成膜する。そ の後、酸素プラズマにより A1層の酸ィ匕を行い、トンネル絶縁層（すなわち、図 5及び図 6に示した非磁性絶縁層 4eとなる層）を形成した後、 CoFe層、 Ru層、 CoFe層、 IrM n層を形成する。そして、リソグラフィ装置により TMR素子 4の平面形状にレジストマス クを形成した後、イオンミリングにより TMR素子 4を形成し、レジストマスクを除去する (図 17)。最後に、図 18に示すように、 TMR素子 4上に読み出し配線 33を形成した 後、絶縁層 24aと同じ材料力らなる絶縁層 24dを、絶縁層 24a、磁気ヨーク 5、 TMR 素子 4、及び読み出し配線 33を全て覆うように CVD法により形成する。こうして、絶縁 領域 24が形成され、記憶領域 3 (記憶部 2)が完成する。
[0065] (変形例）
[0066] ここで、本実施形態による磁気メモリ 1の変形例について説明する。図 19及び図 20 は、それぞれ変形例に係る TMR素子 41及び 42の構成を示す断面図である。上記 実施形態の TMR素子 4に代えて本変形例に係る TMR素子 41または 42を設けるこ とによって、上記実施形態の磁気メモリ 1と同様の効果を得ることができる。
[0067] まず、図 19を参照すると、 TMR素子 41は、非磁性層 41a、第 1磁性層 41b、非磁 性層 41c、第 2磁性層 41d、非磁性絶縁層 41e、第 3磁性層 41f、非磁性層 41g、第 4磁性層 41h、及び反強磁性層 41iが順に積層されてなる。このうち、第 1磁性層 41b 、非磁性層 41c、及び第 2磁性層 41dは本変形例における感磁層（フリー層）を構成 する。また、第 3磁性層 4 If、非磁性層 41g、及び第 4磁性層 4 lhは、本変形例にお ける固定層（ピン層）を構成しており、反強磁性層 41iによって磁ィ匕方向が固定されて いる。非磁性層 41cは第 1磁性層 41bと第 2磁性層 41dとを反強磁性的に結合してお り、第 1磁性層 41bの磁ィ匕方向と第 2磁性層 41dの磁ィ匕方向とは互いに反平行となる 。また、非磁性層 41gは第 3磁性層 41fと第 4磁性層 41hとを反強磁性的に結合して おり、第 3磁性層 41fの磁ィ匕方向と第 4磁性層 41hの磁ィ匕方向とは互いに反平行とな る。このように、 TMR素子においては、感磁層だけでなく固定層においても反強磁 性結合構造を有することが好まし ヽ。
[0068] また、図 20を参照すると、 TMR素子 42の感磁層は、磁気ヨーク 5の第 1の強磁性 層 5aの一部によって構成されている。すなわち、 TMR42は、感磁層としての第 1の 強磁性層 5a、非磁性絶縁層 42a、固定層としての第 3磁性層 42b、及び反強磁性層 42cが順に積層されて成る。これにより、書き込み電流によって磁気ヨーク 5内部に生 成される磁界を、 TMR素子 42の感磁層へ更に効率よく提供することができる。
[0069] 図 21〜図 23は、本実施形態による磁気メモリ 1の他の変形例を説明するための図 である。図 21は、本変形例に係る磁気ヨーク 51の平面図である。図 21に示すように 、本変形例の磁気ヨーク 51は、その平面形状が平行四辺形となっている。そして、磁 気ヨーク 51の第 1の強磁性層 5 la及び第 2の強磁性層 5 lbの磁化容易軸方向 Aは
2
、磁気ヨーク 51に囲まれた書き込み配線 31の長手方向（すなわち、書き込み電流が 流れる方向）に対して斜めに交差するように設定されている。換言すれば、第 1の強 磁性層 51 a及び第 2の強磁性層 5 lbの異方性磁界の方向が、磁気ヨーク 51に囲ま れた書き込み配線 31の長手方向に対して斜めに交差するように設定されて!、る。
[0070] 図 22— (a)、 (b)、 (c)、 (d)、 (e)は、本変形例の磁気ヨーク 51において、書き込み 電流によって磁ィ匕方向が反転する際の様子を模式的に表した図である。また、図 22 - (f)は、図 22— (a)〜（e)に対応して、書き込み電流の大きさの時間変化を示すグ ラフである。まず、書き込み電流が流れていない状態において、図 22— (a)に示すよ うに第 1の強磁性層 51aの磁ィ匕方向 Sと第 2の強磁性層 51bの磁ィ匕方向 Sとが互い
1 2 に反平行状態で保持されているとする。なお、このような定常状態では、磁化方向 S 及び Sは、それぞれ第 1の強磁性層 51a及び第 2の強磁性層 51bの磁化容易軸方
2
向に沿っている。
[0071] そして、図 22— (b)に示すように、書き込み配線 31に書き込み電流 Iが流れ始め w
ると（図 22— (f)における時刻 t )、磁ィ匕方向 S及び Sが反転を開始する。このとき、
0 1 2
磁化方向 S及び Sは書き込み電流 Iの方向に対して斜めに交差しているので、磁
1 2 w
化方向 S及び Sは反平行状態から多少ずれていたとしても必ず同じ回転方向に (反
1 2
平行状態を保ったまま)反転を開始する。そして、書き込み電流 Iが大きくなるに従つ て磁化方向 S及び Sの傾きが大きくなり（図 22— (c) )、時刻 tにおいて磁ィ匕方向 S
1 2 1 1 及び Sの回転角度が磁ィ匕容易軸方向から 90° 以上に達すると（図 22— (d) )、書き
2
込み電流 Iが増えなくても磁ィ匕方向 S及び Sは自然に回転し、やがて完全に反転 w 1 2
する（図 22—（e) )。
[0072] ここで、図 23— (a)、 (b)、 (c)は、本変形例との比較のため、磁化容易軸方向が書 き込み電流の方向に対して略垂直である場合 (例えば、上述した実施形態の磁気ョ ーク 5)に、書き込み電流によって磁ィ匕方向が反転する際の様子を模式的に表した図 である。また、図 23— (d)は、図 23— (a)〜（c)に対応して、書き込み電流の大きさの 時間変化を示すグラフである。まず、書き込み電流が流れていない状態において、 図 23— (a)に示すように、第 1の強磁性層 5aの磁ィ匕方向 Sと第 2の強磁性層 5bの磁
3
化方向 sとが互いに反平行状態力 少しずれて保持されているものとする。
4
[0073] そして、図 23— (b)に示すように、書き込み配線 31に書き込み電流 Iが流れ始め w
ると（図 23— (d)における時刻 t )、磁化方向 S及び Sが反転を開始する。このとき、
0 3 4
磁化方向 S及び Sは反平行状態から少しずれているので、磁化方向 S及び Sは互
3 4 3 4 いに異なる回転方向に反転を開始する場合が生じる。そして、書き込み電流 Iが大 きくなるに従って磁ィ匕方向 S及び Sの傾きが大きくなるが（図 23— (c) )、磁ィ匕方向 S
3 4
及び Sの反平行状態からのずれが次第に大きくなり、反磁界が増して磁化反転に
3 4
必要な書き込み電流 Iが大きくなつてしまう。
[0074] このように、第 1の強磁性層 5a及び第 2の強磁性層 5bの磁化容易軸方向が書き込 み電流 Iの方向に対して略垂直である場合、磁化方向 S及び Sの初期状態によつ w 3 4 ては磁化反転に要する書き込み電流 Iが増大してしまう。これに対して、本変形例の ように第 1の強磁性層 51a及び第 2の強磁性層 51bの磁化容易軸方向を書き込み電 流 Iの方向に対して斜めにすると、第 1の強磁性層 51a及び第 2の強磁性層 51bそ w
れぞれの磁化方向 S及び Sが反平行状態を維持しながら反転するので、反磁界を
1 2
抑制することができ、磁化方向 S及び Sの磁化反転に要する書き込み電流を低減
1 2
できる。
[0075] 本発明による磁気メモリは、上記した実施形態に限られるものではなぐ他に様々な 変形が可能である。例えば、上記実施形態では磁気抵抗効果素子として TMR素子 を用いているが、巨大磁気抵抗（GMR: Giant magneto- Resistive)効果を利用した G MR素子を用いてもよい。 GMR効果とは、非磁性層を挟んだ 2つの強磁性層の磁ィ匕 方向のなす角度により、積層方向と直交する方向における強磁性層の抵抗値が変化 する現象である。すなわち、 GMR素子においては、 2つの強磁性層の磁化方向が互 いに平行である場合に強磁性層の抵抗値が最小となり、 2つの強磁性層の磁ィ匕方向 が互いに反平行である場合に強磁性層の抵抗値が最大となる。なお、 TMR素子や GMR素子には、 2つの強磁性層の保磁力の差を利用して書き込み Z読み出しを行 う疑似スピンバルブ型と、一方の強磁性層の磁ィ匕方向を反強磁性層との交換結合に より固定するスピンバルブ型とがある。また、 GMR素子におけるデータ読み出しは、 積層方向と直交する方向における強磁性層の抵抗値の変化を検出することにより行 われる。また、 GMR素子におけるデータ書き込みは、書き込み電流により生じる磁界 によって一方の強磁性層の磁ィ匕方向を反転させることにより行われる。
産業上の利用可能性
[0076] 本発明は、磁気抵抗効果素子にデータを記憶する磁気メモリに利用できる。

Claims

請求の範囲
[1] 複数の記憶領域を備え、前記複数の記憶領域のそれぞれは、
外部磁界によって磁化方向が変化する感磁層を含む磁気抵抗効果素子と、 書き込み電流によって前記感磁層に前記外部磁界を提供する書き込み配線と、 前記書き込み配線の延在方向の一部において該書き込み配線の外周を囲むよう に配設された磁気ヨークと
を有し、
前記磁気ヨークは、前記書き込み配線を挟んで設けられた第 1及び第 2の強磁性 層と、前記第 1及び第 2の強磁性層の少なくとも前記書き込み配線に沿った両端部 において前記第 1及び第 2の強磁性層の間に設けられ、前記第 1及び第 2の強磁性 層を互 ヽに反強磁性的に結合する第 1の非磁性層とを含むことを特徴とする、磁気メ モリ。
[2] 前記複数の記憶領域のそれぞれは、前記磁気抵抗効果素子の前記感磁層と前記 磁気ヨークの前記第 1または第 2の強磁性層とを互いに反強磁性的に結合する第 2 の非磁性層を更に有することを特徴とする、請求項 1に記載の磁気メモリ。
[3] 前記磁気ヨークが導電性を有し、前記磁気ヨークの前記第 1または第 2の強磁性層 と前記磁気抵抗効果素子の前記感磁層とが電気的に接続されており、前記磁気ョ一 クと前記書き込み配線とが電気的に絶縁されていることを特徴とする、請求項 1に記 載の磁気メモリ。
[4] 前記磁気抵抗効果素子の前記感磁層は、前記磁気ヨークの前記第 1または第 2の 強磁性層の一部によって構成されていることを特徴とする、請求項 1に記載の磁気メ モリ。
[5] 前記磁気ヨークの前記第 1及び第 2の強磁性層の磁化容易軸方向が、前記磁気ョ ークに囲まれた前記書き込み配線の長手方向と斜めに交差することを特徴とする、 請求項 1に記載の磁気メモリ。
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