WO2007119446A1 - Ｍｒａｍ、及びｍｒａｍのデータ読み書き方法 - Google Patents

Ｍｒａｍ、及びｍｒａｍのデータ読み書き方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2007119446A1
WO2007119446A1 PCT/JP2007/055650 JP2007055650W WO2007119446A1 WO 2007119446 A1 WO2007119446 A1 WO 2007119446A1 JP 2007055650 W JP2007055650 W JP 2007055650W WO 2007119446 A1 WO2007119446 A1 WO 2007119446A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
magnetization
region
magnetic
fixed
mram
Prior art date
Application number
PCT/JP2007/055650
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Shunsuke Fukami
Naoki Kasai
Original Assignee
Nec Corporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nec Corporation filed Critical Nec Corporation
Priority to US12/294,397 priority Critical patent/US7848137B2/en
Priority to JP2008510822A priority patent/JPWO2007119446A1/ja
Publication of WO2007119446A1 publication Critical patent/WO2007119446A1/ja

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • 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
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1653—Address circuits or decoders
    • G11C11/1655—Bit-line or column circuits
    • 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
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1653—Address circuits or decoders
    • G11C11/1657—Word-line or row circuits
    • 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
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1659—Cell access
    • 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
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • 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 random access memory (MRAM).
  • MRAM magnetic random access memory
  • the present invention relates to an MRAM based on a spin injection method and a data read / write method of the MRAM.
  • MRAM is a promising nonvolatile memory from the viewpoint of high integration and high speed operation.
  • a magnetoresistive element exhibiting a “magnetoresistance effect” such as a TMR (Tunnel MagnetoResistance) effect is used.
  • TMR Tunnelnel MagnetoResistance
  • MTJ magnetic tunnel junction
  • the two ferromagnetic layers are composed of a pinned layer in which the direction of magnetization is fixed and a free layer force in which the direction of magnetization can be reversed.
  • the MTJ resistance value (R + AR) when the direction of the magnetic layer of the pinned layer and the free layer is "antiparallel” is the resistance value when they are “parallel” due to the magnetoresistance effect ( It is known to be larger than R).
  • the MRAM uses the magnetoresistive element having the MTJ as a memory cell, and stores data in a nonvolatile manner by utilizing the change in the resistance value. Data is written into the memory cell by reversing the direction of the magnetic layer in the free layer.
  • the “asteroid method” and the “toggle method” are conventionally known. According to these write methods, the reversal magnetic field necessary for reversing the magnetic layer of the free layer becomes substantially inversely proportional to the memory cell size. That is, as the memory cell is miniaturized, the write current tends to increase.
  • spin injection method has been proposed as a write method that can suppress an increase in write current due to miniaturization.
  • the spin injection method is described in the following literature: Yagami and buzuki, Research. Trends in bpin Transfer Magnetization switching Research trends in spin-injection magnetization reversal), Journal of Japan Society of Applied Magnetics, Vol. 28, No. 9, 2004 o
  • a spin-polarized current is applied to a ferromagnetic conductor. current
  • spin Tran sfer Magnetization Switching The outline of spin transfer magnetization reversal will be explained with reference to FIG.
  • the magnetoresistive element includes a free layer 101, a pinned layer 103, and a tunnel barrier layer 102 that is a nonmagnetic layer sandwiched between the free layer 101 and the pinned layer 103.
  • the pinned layer 103 in which the orientation of the magnetic flux is fixed is formed to be thicker than the free layer 101, and plays a role as a mechanism (spin filter) for creating a spin-polarized current.
  • the state in which the magnetic layer directions of the free layer 101 and the pinned layer 103 are parallel is associated with data “0”, and the state in which they are antiparallel is associated with data “1”.
  • the spin transfer magnetization reversal shown in FIG. 1 is realized by a CPP (Current Perpendicular to Plane) method, and a write current is injected perpendicularly to the film surface. Specifically, when the data “0” force also changes to the data “1”, the current flows from the pinned layer 103 to the free layer 101. In this case, the electron force having the same spin state as the pinned layer 103 as a spin filter is free. The layer 101 force also moves to the pinned layer 103. Then, due to the spin transfer (spin angular momentum transfer) effect, the magnetic layer of the free layer 101 is reversed, while the transition from data “1” to data “0”.
  • CPP Current Perpendicular to Plane
  • the current flows from the free layer 101 to the pinned layer 103.
  • the electron force having the same spin state as the pinned layer 103 as a spin filter moves from the pinned layer 103 force to the free layer 101.
  • the magnetic layer of the free layer 101 is inverted due to the spin transfer effect.
  • the direction of magnetization of the free layer 101 can be defined by the direction of the spin-polarized current injected perpendicular to the film surface.
  • the threshold for writing depends on the current density. Therefore, as the memory cell size is reduced, the write current required for magnetization inversion decreases. Since the write current decreases with the miniaturization of memory cells, the spin transfer magnetization reversal is important for the realization of a large capacity of MRAM. It is important.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-191032 discloses a domain wall motion type magnetic storage device.
  • the magnetic storage device includes a magnetic pinned layer in which a magnetic pin is fixed, a tunnel insulating layer stacked on the magnetic fixed layer, and a magnetic free layer stacked on the tunnel insulating layer.
  • the magnetization free layer has a junction overlapping the tunnel insulating layer and the magnetic pinned layer, a constricted portion adjacent to both ends of the joint, and a pair of magnetic pinned portions formed adjacent to the constricted portion.
  • the pair of magnetic key fixing portions are provided with fixed magnetic keys in opposite directions.
  • the magnetic storage device further includes a pair of magnetic information writing terminals electrically connected to the pair of magnetization fixed portions.
  • the pair of magnetic information write terminals allows a write current to pass through the junction of the magnetization free layer, the pair of constricted portions, and the pair of magnetization fixed portions.
  • the direction of the write current is controlled in accordance with the write data and is either the first direction or the second direction opposite to the first direction.
  • the domain wall moves between the pair of constricted portions according to the direction of the write current.
  • An object of the present invention is to provide a new MRAM using a spin injection method.
  • Another object of the present invention is to provide a technique capable of simplifying a peripheral circuit for supplying a write current in an MRAM using a spin injection method.
  • Still another object of the present invention is to provide an MRAM and a data writing method capable of suppressing deterioration of a tunnel barrier layer in MTJ.
  • Still another object of the present invention is to provide an MRAM and a data write method capable of reducing a write current as the memory cell size is reduced.
  • an MRAM in a first aspect of the present invention, includes a magnetic recording layer that is a ferromagnetic layer and a pinned layer connected to the magnetic recording layer via a nonmagnetic layer.
  • the magnetic recording layer has a magnetization switching region, a first magnetization fixed region, and a second magnetization fixed region.
  • the magnetization switching region has reversible magnetization and overlaps the pinned layer. Both the first magnetic pinned region and the second magnetic pinned region are connected to the same end of the magnetization switching region.
  • the first magnetic field fixed region and the second magnetic field fixed region each have a first fixed magnetic field and a second fixed magnetic field whose directions are fixed. 1st fixed magnetization and 2nd One of the fixed magnetizations is fixed in a direction toward the one end, and the other is fixed in a direction away from the one end.
  • the magnetization switching region, the first magnetic pinned region, and the second magnetic pinned region form a “three-way”.
  • the magnetic recording layer is formed in a Y shape.
  • the longitudinal direction of the magnetization switching region is the first direction
  • the longitudinal direction of the first magnetization fixed region is the second direction
  • the longitudinal direction of the second magnetization fixed region is the third direction.
  • the angle formed by the first direction and the second direction is equal to the angle formed by the first direction and the third direction.
  • the magnetic recording layer may have a mirror-symmetric shape with respect to an axis along the first direction.
  • the magnetic recording layer includes a first side surface that spans the magnetization reversal region and the first magnetization fixed region, a second side surface that spans the magnetization reversal region and the second magnetic pinned region, the first magnetic pinned region, and the second magnetic field. And a third side extending over the fixed area of the magnet. At least one of the first side, second side, and third side may be smoothly formed! /.
  • the magnetization switching region, the first magnetization fixed region, and the second magnetization fixed region described above are formed on the same plane.
  • the MRAM according to the present invention may further include a pinning layer including at least one of a ferromagnetic material and an antiferromagnetic material.
  • the pinning layer fixes the directions of the first fixed magnetic layer and the second fixed magnetic layer by either exchange coupling or magnetostatic coupling.
  • the pinning layer is provided so as to overlap at least the first magnetic pinned region and the second magnetic pinned region.
  • the magnetization direction of the pinning layer is the direction from the first magnetization fixed region to the second magnetization fixed region, or the second magnetic pinned region force is also directed to the first magnetic pinned region. is there.
  • the pinning layer may include a first pinning layer for fixing the direction of the first fixed magnetic layer and a second pinning layer for fixing the direction of the second fixed magnetic layer.
  • the first magnetization fixed region and the second magnetization fixed region have a magnetocrystalline anisotropy along a direction in which the first magnetic pinned region and the second magnetic pinned region are aligned. You may form so that it may have.
  • the first magnetization fixed region force is directed toward the second magnetic domain fixed region, or the second magnetic domain fixed region force is directed toward the first magnetic domain fixed region. An external magnetic field is applied in the direction.
  • the magnetic recording layer may include a plurality of magnetically coupled ferromagnetic layer covers. At least one of the plurality of ferromagnetic layers has the above-described magnetization switching region, the first magnetization fixed region, and the second magnetization fixed region.
  • the MRAM according to the present invention includes a plurality of magnetic memory cells arranged in an array.
  • Each of the plurality of magnetic memory cells includes the above-described magnetic recording layer and pinned layer.
  • the plurality of magnetic memory cells include a first magnetic memory cell and a second magnetic memory cell arranged along the first axis.
  • the shape of the magnetic recording layer of the first magnetic memory cell and the shape of the magnetic recording layer of the second magnetic memory cell may have a line-symmetric relationship with respect to the first axis.
  • the first write current flows from the magnetic domain inversion region to the first magnetic field fixed region through the one end.
  • the second write current flows from the magnetization switching region through the one end to the second magnetization fixed region.
  • the first fixed magnet is fixed in the direction toward the one end described above, and the second fixed magnet is fixed in the direction away from the one end.
  • the magnetization of the magnetization switching region is directed away from one end by the first write operation.
  • the second write operation the magnetization of the magnetization switching region is directed in the direction toward one end thereof.
  • the MRAM may further include an assist wiring formed so as to intersect the magnetic field inversion region.
  • the direction of the magnetic field applied to the magnetization reversal region by the current flowing through the assist wiring is directed away from one end of the force.
  • the second write operation the direction of the magnetic field applied to the magnetic field inversion region by the current flowing through the assist wiring is directed toward one end thereof.
  • the first fixed magnet is fixed in the direction in which the above-mentioned one end force is also separated
  • the second fixed magnet is fixed in the direction of the force toward one end thereof.
  • the magnetization of the magnetized inversion region is directed in the direction toward one end thereof by the first write operation.
  • the second write operation the magnetization of the magnetization switching region is directed away from one end thereof.
  • the MRAM may further include an assist wiring formed so as to intersect the magnetic field inversion region.
  • the direction of the magnetic field applied to the magnetization switching region by the current flowing through the assist wiring is directed toward one end thereof.
  • the second write operation it flows through the assist wiring.
  • the direction of the magnetic field applied to the magnetic field reversal region by the current is directed away from the force.
  • the assist wiring may be provided in common for each magnetization switching region of the plurality of magnetic memory cells.
  • a read current flows between the pinned layer and the magnetic recording layer via the nonmagnetic layer.
  • an MRAM data read / write method includes a magnetic recording layer, which is a ferromagnetic layer, and a pinned layer connected to the magnetic recording layer via a nonmagnetic layer.
  • the magnetic recording layer has a reversible magnetic field, a magnetization reversal region that overlaps the pinned layer, a first magnetization fixed region having a first fixed magnetization, and a second magnetization fixed having a second fixed magnetization. And an area.
  • the magnetization switching region, the first magnetization fixed region, and the second magnetization fixed region form a three-forked path. Also, one of the first fixed magnetization and the second fixed magnet is fixed in a direction toward the magnetic inversion region, and the other is fixed in a direction away from the magnetization inversion region.
  • (A) when writing the first data a step of passing a first write current from the magnetization switching region to the first magnetization fixed region; A step of flowing a second write current from the magnetization switching region to the second magnetization fixed region when writing data.
  • (C) when reading the first data or the second data the step of passing a read current between the pinned layer and the magnetic recording layer through the nonmagnetic layer is provided.
  • a new MRAM using a spin injection method is provided.
  • the write current flows in a plane in the magnetic recording layer not in the direction penetrating the MTJ. Due to the spin transfer effect by spin electrons, the magnetization of the magnetization reversal region in the magnetic recording layer is reversed.
  • the write current is supplied from one direction to the magnetic recording layer. Therefore, it is possible to simplify the control of the write current and the configuration of the peripheral circuit.
  • the write current does not penetrate the MTJ during writing, deterioration of the tunnel barrier layer in the MTJ is suppressed.
  • the write power is reduced as the memory cell size is reduced. The flow is reduced.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining data writing by a conventional spin injection method.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the structure of the magnetic memory cell according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view showing the structure of the magnetic memory cell shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a plan view showing the principle of data writing to the magnetic memory cell shown in FIG.
  • FIG. 5A is a diagram showing the distribution of magnetic flux in the magnetic recording layer obtained by simulation.
  • FIG. 5B is a diagram showing the distribution of magnetic flux in the magnetic recording layer obtained by simulation.
  • FIG. 6 is a plan view showing another example of the structure of the magnetic memory cell according to the first embodiment and the principle of data writing to the magnetic memory cell.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of a circuit configuration of the magnetic memory cell according to the first exemplary embodiment.
  • FIG. 8 is a chart summarizing the data read / write method according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a plan view showing an example of a circuit configuration of the memory cell array according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a circuit diagram showing another example of the circuit configuration of the magnetic memory cell according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a side view showing an example of a method for fixing the direction of the magnetic key in the magnetic key fixing region.
  • FIG. 12 is a side view showing another example of the method for fixing the direction of the magnetic pole in the magnetic pole fixing region.
  • FIG. 13A is a further illustration of a method for fixing the orientation of a magnetic key in a magnetic key fixing region. It is a top view which shows another example.
  • FIG. 13B is a plan view showing still another example of the method for fixing the direction of the magnetic key in the magnetic key fixing region.
  • FIG. 14 is a plan view showing still another example of the method for fixing the direction of the magnetic key in the magnetic key fixing region.
  • FIG. 15 is a plan view showing another example of the structure of the magnetic memory cell according to the present invention.
  • FIG. 16 is a plan view showing still another example of the structure of the magnetic memory cell according to the present invention.
  • FIG. 17 is a plan view showing still another example of the structure of the magnetic memory cell according to the present invention.
  • FIG. 18 is a plan view showing still another example of the structure of the magnetic memory cell according to the present invention.
  • FIG. 19 is a plan view showing a structure of an MRAM according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a side view showing an example of the structure according to the third embodiment.
  • FIG. 21 is a side view showing another example of the structure according to the third embodiment.
  • FIG. 22 is a side view showing the structure of the magnetic memory cell according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a side view showing another example of the structure of the magnetic memory cell according to the fourth embodiment.
  • FIG. 24 is a side view showing the structure of the magnetic memory cell according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 25A is a side view showing the structure of the magnetic memory cell according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 25B is a side view showing another example of the structure of the magnetic memory cell according to the sixth exemplary embodiment.
  • the MRAM has a plurality of magnetic memory cells arranged in an array, and each magnetic memory cell has an MTJ! /.
  • FIG. 2 shows the structure of the magnetic memory cell 1 (magnetoresistance element) according to the first exemplary embodiment.
  • the magnetic memory cell 1 includes a magnetic recording layer 10 and a pinned layer 30 that are ferromagnetic layers, and a tunnel barrier layer 20 that is a nonmagnetic layer.
  • the tunnel barrier layer 20 is sandwiched between the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 30, and the magnetic recording layer 10, the tunnel barrier layer 20, and the pinned layer 30 form a magnetic tunnel junction (MTJ).
  • the magnetic recording layer 10 plays a role corresponding to the free layer.
  • the magnetic recording layer 10 is made of a soft magnetic material and contains at least one element selected from Co, Fe, and M.
  • the magnetic recording layer 10 is made of NiFe.
  • the magnetic recording layer 10 ⁇ , Ag, Cu, Au, B, C, N, O, Mg, Al, Si, P, Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Pd, and Pt It may contain at least one element selected from
  • the tunnel barrier layer 20 is a thin insulating layer, for example.
  • Examples of the tunnel barrier layer 20 include an insulating film such as an Al 2 O film, SiO film, MgO film, and A1N film.
  • the pinned layer 30 includes a ferromagnetic layer having a magnetic field substantially fixed in one direction, and the ferromagnetic layer is provided adjacent to the tunnel barrier layer 20.
  • the pinned layer 30 is preferably a laminated film in which ferromagnetic layers and nonmagnetic layers are alternately laminated. Further, it is desirable that at least one ferromagnetic layer of the laminated film is adjacent to an antiferromagnetic layer, and the ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer are exchange coupled.
  • the pinned layer 30 is a laminated film of CoFeZ RuZCoFeZPtMn.
  • the magnetic recording layer 10 has a first magnetization fixed region 11, a second magnetization fixed region 12, and a magnetization switching region 13 which are three different regions. is doing.
  • the magnetic keys of the first magnetic key fixed region 11 and the second magnetic key fixed region 12 are fixed in predetermined directions, respectively.
  • the magnetic field of the magnetization switching region (magnetization free region) 13 can be switched.
  • the magnetization switching region 13 having the reversible magnetization overlaps the pinned layer 30. It is formed so that. In other words, the magnetization switching region 13 in the magnetic recording layer 10 is connected to the pinned layer 30 via the tunnel barrier layer 20.
  • Both the first magnetic field fixed region 11 and the second magnetic field fixed region 12 are connected to the same end (one end) of the end portions of the magnetic field inversion region 13. That is, the first magnetic pin fixed region 11, the second magnetic pin fixed region 12, and the magnetization reversal region 13 form a “three-way”.
  • the first magnetic pin fixed region 11, the second magnetic pin fixed region 12, and the magnetization switching region 13 are formed on the same plane (XY plane).
  • An example of the shape of the magnetic recording layer 10 in the XY plane is shown in FIG.
  • the magnetic domain inversion region 13 is formed along the X direction (X axis), and the longitudinal direction thereof is the X direction.
  • the first magnetic pin fixing region 11 is formed along the S direction (S axis), and its longitudinal direction is the S direction.
  • the second magnetic pin fixing region 12 is formed along the T direction (T axis), and the longitudinal direction thereof is the T direction.
  • the S and T axes are oblique to the X and Y axes, and the angle between the S and T axes and the X axis is greater than 90 degrees. That is, in the present embodiment, the magnetic recording layer 10 is formed in a “Y shape”.
  • the direction of the magnetic field in each region is also indicated by an arrow. Further, the projection of the pinned layer 30 and the direction of its magnetization are also indicated by dotted lines and dotted arrows.
  • the direction of the magnetic layer of the pinned layer 30 is assumed to be fixed in the X direction.
  • the magnetization direction of the magnetization switching region 13 that overlaps the pinned layer 30 can be reversed, and becomes + X direction or 1 X direction depending on the shape magnetic anisotropy. In other words, the magnetic field in the magnetic field inversion region 13 is allowed to be parallel or antiparallel to the magnetization of the pinned layer 30! /
  • the first magnetic pole fixed region 11 has a first fixed magnetic pole Ml whose direction is fixed along the S axis.
  • the second magnetic field fixed region 12 has a second fixed magnetic field M2 whose direction is fixed along the T-axis. More specifically, the direction of the first fixed magnetic field Ml is in the direction toward the magnetization switching region 13 (Toward), that is, toward the boundary between the first magnetization fixed region 11 and the magnetization switching region 13 (Toward). It is fixed in the direction.
  • the direction of the second fixed magnetic field M2 is away from the magnetization reversal region 13 (Away), that is, the boundary force between the second magnetic field fixed region 12 and the magnetic magnetic field reversal region 13 is separated (Away). It is fixed in the direction. In the transition region from the first magnetized pinned region 11 to the second magnetized pinned region 12, it can be said that the direction of the magnetized magnet changes smoothly. . “Fixing the magnetic field” will be described later (Section 1-3).
  • the principle of data writing for the structure shown in Fig. 3 is shown in Fig. 4.
  • the magnetic force inversion region 13 and the pin layer 30 are associated with state force data “0” in which the magnetic directions are parallel.
  • the magnetic force inversion region 13 and the pin layer 30 are associated with state force data “1” in which the magnetic directions are antiparallel.
  • the first write current IW1 flows from the magnetization switching region 13 to the first magnetic pinned region 11.
  • electrons spin electrons
  • the spin of the injected electrons affects the magnetic moment of the magnetic domain inversion region 13. Since the direction of the magnetic field in the first magnetic field fixed region 11 is the direction of the magnetic force in the magnetic field inversion region 13 (rightward), a spin torque in the right direction is applied to the magnetization inversion region 13. As a result, the magnetization of the magnetization reversal region 13 is reversed, and the direction of the magnetization is changed in a direction away from the boundary ENT (+ X direction) (spin transfer magnetization switching).
  • the second write current IW 2 flows from the magnetic domain inversion region 13 to the second magnetic domain fixed region 12.
  • electrons spin electrons
  • the spin of the injected electrons affects the magnetic moment of the magnetic domain inversion region 13. Since the direction of the magnetic field in the second magnetic field fixed region 12 is the direction away from the magnetic field inversion region 13 (leftward direction), a leftward spin torque is applied to the magnetic field inversion region 13. As a result, the magnetism of the magnetization reversal region 13 is inverted, and the orientation of the magnetism changes to the boundary ENT in the direction of the force (one X direction).
  • the direction of the magnetic field in the magnetic field inversion region 13 is switched by the write currents IW 1 and IW 2 that flow in a plane in the magnetic recording layer 10. Since the write currents IW1 and IW2 do not penetrate the MTJ, deterioration of the tunnel barrier layer 20 in the MTJ is suppressed. Also, spin Data writing is performed by the memory injection method, so that the write currents IW1 and IW2 are reduced as the memory cell size is reduced.
  • the first magnetic field fixed region 11 and the second magnetic field fixed region 12 serve as a supply source of electrons having different spins.
  • electrons having different spins are injected into the magnetic domain inversion region 13 through the same boundary (entrance) ENT.
  • the write currents IW 1 and IW 2 flow in the same direction in the magnetization switching region 13.
  • the write current IW1 does not flow through the second magnetic field fixed region 12 that is not related to the supply of spin electrons, and the magnetic current inversion region 13 and the second magnetic field related to the transfer of spin torque. 1 Flows only through the magnetized fixed region 11.
  • the write current IW2 does not flow to the first magnetic pinned region 11 that is not related to the supply of spin electrons, but the magnetization switching region 13 and the second magnetization fixed region related to the transfer of spin torque. Only flows 12.
  • the write current IW does not flow in the magnetic field fixed region that is not the source of the spin electrons, the fixed magnetic field in the magnetic field fixed region is not affected at all. Therefore, it is possible to prevent the fixed magnetic field in the magnetic field fixed area from being inverted by spin injection of other area forces.
  • FIG. 5A and FIG. 5B show the magnetic flux distribution in the magnetic recording layer 10.
  • FIG. 5A corresponds to data “0”
  • FIG. 5B corresponds to data “1”. These magnetic distributions are obtained by micromagnetic simulation.
  • the magnetization direction smoothly changes from the first magnetic field fixed region 11 to the second magnetic field fixed region 12 and from the magnetization switching region 13 to the second magnetic field fixed region 12. .
  • a short domain wall is formed between the first magnetic field fixing region 11 and the magnetic field inversion region 13.
  • FIG. 5B the direction of the magnetic field is changed from the first magnetic field fixed region 11 force to the second magnetic field fixed region 12 and from the first magnetic field fixed region 11 to the magnetic field inversion region. It changes smoothly to 13.
  • a short magnetic domain wall is formed between the second magnetization fixed region 12 and the magnetization switching region 13.
  • the data read is as follows.
  • the read current is supplied to flow through MTJ.
  • the read current is supplied to the pinned layer 30. Then, it flows into the magnetic recording layer 10 via the tunnel barrier layer 20. Based on the read current or read potential, the MTJ resistance value is detected, and the magnetization direction of the magnetization switching region 13 is sensed.
  • the read current may flow from the magnetic recording layer 10 to the pinned layer 30 via the tunnel barrier layer 20.
  • the former is preferable in order to make the direction of the read current coincide with the direction of the write currents IWl and IW2. In that case, it becomes possible to simplify the control of the write Z read current and the configuration of the peripheral circuit.
  • FIG. 6 shows another structure according to the present embodiment and the principle of writing data to the structure.
  • FIG. 6 is a diagram corresponding to FIG. 4, and redundant description is omitted as appropriate.
  • the direction of the first fixed magnetic field Ml of the first magnetic field fixed area 11 is fixed in the direction away from the magnetic field inversion area 13 (Away), that is, in the direction away from the boundary ENT (Away).
  • the direction of the second fixed magnetic field M2 of the second magnetic field fixed region 12 is fixed in the (Toward) direction toward the magnetization switching region 13, that is, the direction toward the boundary ENT (Toward).
  • the direction of the magnetic layer of the pinned layer 30 is assumed to be fixed in the + X direction. In the data “0” state, the direction of the magnetic field in the magnetic field inversion region 13 is + X direction, and in the data “1” state, the direction of the magnetic field in the magnetic field inversion region 13 is one X direction. It is.
  • the first write current IW 1 flows from the magnetization switching region 13 to the first magnetic pinned region 11.
  • electrons spin electrons
  • the magnetic field in the magnetic field reversal region 13 is reversed, and the direction of the magnetic field changes to the boundary ENT in the direction (X direction).
  • the second write current IW2 flows from the magnetization switching region 13 to the second magnetization fixed region 12.
  • FIG. 7 shows an example of a circuit configuration of the magnetic memory cell 1.
  • two MOS transistors TR 1 and TR 2 are provided for one magnetic memory cell 1.
  • One of the source Z drain of the first MOS transistor TR1 is connected to the ground line GND, and the other is connected to one end (the side opposite to the boundary ENT) of the first magnetic field fixing region 11.
  • one of the source Z and drain of the second MOS transistor TR2 is connected to the ground line GND, and the other is connected to one end (the side opposite to the boundary ENT) of the second magnetic pin fixing region 12.
  • the gate of the first MOS transistor TR1 is connected to the first word line WL1, and the gate of the second MOS transistor TR2 is connected to the second word line WL2.
  • first bit line BL1 is connected to one end of the magnetization switching region 13 (on the side opposite to the boundary ENT).
  • the first bit line BL1 is a write wiring for supplying write currents IW1 and IW2 to the magnetization switching region 13 (see FIGS. 4 and 6).
  • the second bit line BL2 is connected to the pinned layer 30 that is one end of the MTJ.
  • the second bit line BL2 is a read wiring for supplying a read current to the MTJ.
  • FIG. 8 shows a summary of a data read / write method in the case of the circuit configuration shown in FIG.
  • the potentials of the first word line WL1 and the second word line WL2 are set to “High” and “Low”, respectively.
  • the first MOS transistor TR1 is turned on and the second MOS transistor TR2 is turned off.
  • the first bit line BL1 (write wiring) is selected and its potential is set to 'High', while the second bit line BL2 is set to 'O pen'.
  • the write current IW1 flows from the first bit line BL1 to the ground line GND via the magnetization inversion region 13, the first magnetic field fixed region 11, and the first MOS transistor TR1.
  • the potentials of the first word line WL1 and the second word line WL2 are set to “Low” and “High”, respectively.
  • the first MOS transistor TR1 is turned off and the second MOS transistor TR2 is turned on.
  • the first bit line BL1 (write Wiring) is selected and its potential force is set to “High”, while the second bit line BL2 is set to “Open”, so that the second write current IW2 is generated from the first bit line BL1. Then, the current flows through the magnetic field inversion region 13, the second magnetic field fixed region 12, and the second MOS transistor TR2 to the round line GND.
  • the potential of at least one of the first word line WL1 and the second word line WL2 is set to “High”.
  • the first MOS transistor TR1 and the second MOS transistor TR2 is turned on.
  • the second bit line BL2 (read wiring) is selected and set to its high potential.
  • the first bit line BL1 is set to "Open”. 2 Flows from the bit line BL2 to the ground line GND via the MTJ and the magnetic recording layer 10. The magnitude of the read current is set so small that the direction of the magnetic field in the magnetization reversal region 13 does not change. Has been.
  • FIG. 9 shows a memory cell array in which a plurality of magnetic memory cells 1 are arranged in an array.
  • Each magnetic memory cell 1 has the same configuration as that shown in FIG.
  • the magnetic memory cell la is connected to the word lines WLla and WL2a, the bit lines BL1 and BL2, and the ground line.
  • the magnetic memory cell lb is connected to the word lines WLlb and WL2b, the bit lines BL1 and BL2, and the ground line.
  • the word line WL is shared by a group of magnetic memory cells arranged along the X axis.
  • the bit line BL is shared by a group of magnetic memory cells arranged along the Y axis.
  • the magnetic memory cell la has a “first pattern” in which the magnetic domain inversion region 13 protrudes to the right (+ X direction).
  • the magnetic memory cell lb has a “second pattern” in which the magnetization switching region 13 protrudes to the left ( ⁇ X direction). That is, the magnetic memory cells la and lb arranged along the Y axis have a line-symmetric relationship with respect to the Y axis.
  • the memory cell array shown in Figure 9 is designed so that the first and second patterns appear alternately! In that case, the area of the cell array can be reduced as compared with the case where only one of the patterns appears, which is preferable.
  • FIG. 10 shows another example of the circuit configuration of the magnetic memory cell 1.
  • one of the source Z drain of the first MOS transistor TR1 is connected to the first ground line GND1, and the other is connected to one end of the first magnetic pinned region 11.
  • the second MOS transistor One of the source Z drain of the transistor TR2 is connected to the second ground line GND2, and the other is connected to one end of the second magnetic pin fixing region 12.
  • the gates of the MOS transistors TR1 and TR2 are connected to a common word line WL.
  • a first bit line BL1 write wiring
  • a second bit line BL2 readout wiring
  • FIG. 11 is a side view showing the magnetic memory cell 1 having the magnetic pin fixing means.
  • the magnetic memory cell 1 includes a first pinning layer 41 and a second pinning layer 42 as magnetic pin fixing means.
  • the first pinning layer 41 applies a bias magnetic field in the ⁇ S direction to the first magnetic pinned region 11.
  • the second pinning layer 42 applies a bias magnetic field in the + T direction to the second magnetic field fixed region 12.
  • the first pinning layer 41 includes a ferromagnetic layer in which a magnetic field is fixed in the S direction, and the ferromagnetic layer is in close contact with the first magnetic field fixed region 11. Is formed.
  • the first pinning layer 41 fixes the direction of the fixed magnetic field Ml of the first magnetization fixed region 11 in the 1 S direction by “exchange coupling”.
  • the second pinning layer 42 includes a ferromagnetic layer in which the magnetic flux is fixed in the + T direction, and the ferromagnetic layer is formed so as to be in close contact with the second magnetization fixed region 12. ing.
  • the second pinning layer 42 also fixes the direction of the fixed magnetic layer M2 of the second magnetic layer fixed region 12 in the + T direction by exchange coupling.
  • the coupling layers 41 and 42 are, for example, a CoFeZPtMn laminated film using an exchange bias.
  • the pinning layers 41 and 42 may include only a ferromagnetic layer (CoFe or the like), or may include only an antiferromagnetic layer (PtMn or the like). Piing layers 41 and 42 are composed of ferromagnetic and antiferromagnetic layers. Both may be included. Further, the pinning layers 41 and 42 may further include an intermediate layer (Ru or the like) provided between the ferromagnetic layer and the magnetic pinned regions 11 and 12. The ferromagnetic layer and the magnetic pinned regions 11 and 12 may be ferromagnetically coupled or antiferromagnetically coupled. The ferromagnetic layer may be a multilayer film magnetically coupled via an intermediate layer (Ru or the like).
  • FIG. 12 is a side view showing the magnetic memory cell 1 having the magnetic pin fixing means.
  • the magnetic memory cell 1 includes a first pinning layer 41 and a second pinning layer 42 as magnetic pin fixing means.
  • the first pinning layer 41 applies a bias magnetic field in the ⁇ S direction to the first magnetic pinned region 11.
  • the second pinning layer 42 applies a bias magnetic field in the + T direction to the second magnetic field fixed region 12.
  • the first pinning layer 41 includes a ferromagnetic layer having a magnetic field fixed in the + S direction, and the ferromagnetic layer is formed away from the first magnetization fixed region 11. ing.
  • the first pinning layer 41 fixes the direction of the fixed magnetic field Ml of the first magnetization fixed region 11 in the 1 S direction by “static coupling”.
  • the second pinning layer 42 includes a ferromagnetic layer whose magnetic field is fixed in the T direction, and the ferromagnetic layer is formed away from the second magnetization fixed region 12.
  • the second pinning layer 42 also fixes the direction of the fixed magnetic field M2 of the second magnetic field fixed region 12 in the + T direction by magnetostatic coupling.
  • the pinning layers 41 and 42 are, for example, a CoFe / PtMn multilayer film using an exchange bias.
  • the pinning layers 41 and 42 may include only a ferromagnetic layer (CoFe or the like).
  • the pinning layers 41 and 42 may include both a ferromagnetic layer and an antiferromagnetic layer.
  • the ferromagnetic layer may be a multilayer film that is magnetically coupled via an intermediate layer (such as Ru).
  • the first pinning layer 41 and the second pinning layer 42 are provided below the first magnetic pinned region 11 and the second magnetic pinned region 12, respectively.
  • the first pinning layer 41 and the second pinning layer 42 may be provided below or on the side of the first magnetic pinned region 11 and the second magnetic pinned region 12, respectively.
  • a single pinning layer 40 may be provided.
  • the pinning layer 40 is provided so as to overlap at least the first magnetic pinned region 11 and the second magnetic pinned region 12.
  • the magnetization direction of the pinning layer 40 is fixed in the -Y direction (the direction of the direction from the first magnetic layer fixed region 11 to the second magnetic layer fixed region 12).
  • the magnetization of the pinning layer 40 affects the magnetic pinned regions 11 and 12 by exchange coupling or magnetostatic coupling.
  • the magnetic fields of the magnetization fixed regions 11 and 12 are each stabilized along the longitudinal direction by the shape magnetic anisotropy. As a result, as shown in the figure, the orientation of the magnetic keys in the magnetic key fixing regions 11 and 12 is fixed.
  • the magnetizing fixing method shown in Fig. 13A and Fig. 13B is possible even with the structural force according to the present embodiment.
  • the magnetization directions of the magnetic pole fixed regions 11 and 12 are the same, not the opposite. Therefore, it is not necessary to fix the magnetic keys 11 and 12 separately.
  • By using one of the above-described pinning layers 40 it is possible to fix the direction of the magnetic poles of the magnetic pole fixing regions 11 and 12.
  • Figure 14 summarizes the other magnetic pin fixing methods.
  • the magnetization fixed regions 11 and 12 are formed so as to have crystal magnetic anisotropy along the Y-axis direction (the direction in which the first magnetic layer fixed region 11 and the second magnetic layer fixed region 12 are arranged).
  • the magnetic poles of the magnetic pole fixed regions 11 and 12 are stabilized along the longitudinal direction by the magnetocrystalline anisotropy and the shape magnetic anisotropy, respectively.
  • An external magnetic field in the Y direction may be applied uniformly to the magnetic memory cell 1. For example, a few Oe magnets should be provided in the package
  • adjacent magnetic memory cells la and lb may be magnetically interacted with each other.
  • the fixed magnetic field of the second magnetic field fixed region 12a of the magnetic memory cell la and the first magnetic field fixed region l ib of the adjacent magnetic memory cell lb are fixed. And influence each other. This stabilizes the magnetization and improves thermal disturbance. Resistance is improved. To increase the effect, the distance between adjacent magnetic memory cells la and lb should be reduced. Further, the various magnetization fixing methods described above may be applied in combination. In that case, the fixing of the magnetic field is further stabilized, and the thermal disturbance resistance is further improved.
  • a new data read / write method is provided for a randomly accessible MRAM.
  • Data writing is realized by unidirectional spin injection in 10 magnetic recording layers.
  • Data reading is realized by using MTJ. The effect of this is as follows.
  • the write current scaling is improved as compared to the asteroid method and the toggle method.
  • the reversal magnetic field necessary for reversing the magnetization of the magnetization reversal region is substantially in inverse proportion to the memory cell size. That is, the write current tends to increase as the memory cell is miniaturized.
  • the magnetization reversal threshold depends on the current density. Since the current density increases as the memory cell size is reduced, the write current can be reduced as the memory cell size is reduced. In other words, it is not necessary to increase the write current even if the memory cell size is reduced. In this sense, the write current scaling is improved. This is important for realizing large-capacity MRAM.
  • the current magnetic field conversion efficiency is increased as compared with the asteroid method and the toggle method.
  • the write current is consumed by Joule heat.
  • the spin injection method the write current directly contributes to the spin transfer. Therefore, the current magnetic field conversion efficiency increases. This If the manufacturing process is complicated, an increase in wiring inductance is prevented.
  • the MTJ tunnel barrier layer 20
  • the conventional spin injection magnetization reversal is realized by the CPP (Current Perpendicular to Plane) method, and the write current is injected perpendicularly to the film surface.
  • the write current when writing data was much larger than the read current, which could destroy the tunnel barrier layer 20.
  • the current path for reading and the current path for writing are separated. Specifically, when writing data, the write currents IW1 and IW2 do not pass through the MTJ and flow in the plane of the magnetic recording layer 10. When writing data, it is not necessary to inject a large current perpendicular to the MTJ film surface. Therefore, the deterioration of the tunnel barrier layer 20 at the MTJ is suppressed.
  • the write current can be easily controlled as compared with the conventional spin injection method.
  • the conventional spin injection method particularly the “domain wall motion method”
  • electrons having different spins are injected into the magnetic domain inversion region 13 through the same boundary ENT, and the write currents IW1 and IW2 flow in the same direction (FIGS. 4 and 4). 6).
  • the write currents IW1 and IW2 are supplied from one direction to the magnetization switching region 13 of the magnetic recording layer 10. Therefore, the control of the write current and the configuration of the peripheral circuit are simplified.
  • the magnetization of the magnetization fixed region is stabilized as compared with the conventional domain wall motion method.
  • the write current is also applied to the magnetic domain fixed region that is not the source of spin electrons.
  • the write current does not flow in the magnetization fixed region that is not the spin electron supply source. Therefore, it is possible to prevent the fixed magnetic key of the magnetic key fixed region from being inverted by spin injection from other regions.
  • the above-described effects can be obtained simultaneously.
  • the technology according to the present invention is extremely useful for realizing highly integrated 'high speed operation' and low power consumption MRAM.
  • FIG. 15 shows parameters that define the shape of the magnetic recording layer 10.
  • the length of the first magnet 11 fixed region 11 and The width is expressed by and. It is assumed that the length and width of the second magnetization fixed region 12 are represented by 1 and w, respectively.
  • the length and width of the magnetization switching region 13 are each 1
  • first magnetic field fixed region 11 and the second magnetic field fixed region 12 are formed.
  • the angle that is, the angle between the S axis and the heel axis is represented by 0.
  • the angle formed by the second magnetic field fixed region 12 and the magnetic field inversion region 13 that is, the angle formed by the vertical axis and the X axis is represented by ⁇ .
  • the parameters 1 and w may be set to arbitrary values, respectively.
  • Parameters 0 and ⁇ are also possible.
  • Each may be arbitrarily set within the range of 90 degrees to 180 degrees. However, preferably, the parameters ⁇ and ⁇ are set to the same value. As a result, the first write operation and the second write
  • width W and width W are the same value.
  • the magnetic recording layer 10 is preferably set to the same value. That is, it is preferable that the magnetic recording layer 10 has a mirror-symmetric shape with respect to the X axis. As a result, it is expected that the magnitudes of the first write current IW1 and the second write current IW2 match.
  • FIG. 16 shows another shape of the magnetic recording layer 10.
  • the first magnetization fixed region 11 and the second magnet fixed region 12 are formed to be curved.
  • the extending direction of the first magnetic pinned region 11 changes from the ⁇ direction to the X direction as it approaches the magnetization switching region 13.
  • the heel direction force changes in the X direction as it approaches the magnetization switching region 13.
  • the X component of the magnetic moment of the spin electrons flowing from the magnetic domain fixed regions 11 and 12 into the magnetic domain inversion region 13 increases. Accordingly, the write currents IW1 and IW2 are reduced.
  • FIG. 17 shows still another shape of the magnetic recording layer 10.
  • the magnetization reversal region 13 is formed wider than the other regions, and the width w is equal to the width w and the width w.
  • the magnetic pole fixed regions 11 and 12 are connected to the boundary ⁇ of the magnetization switching region 13 and the boundary ⁇ is formed in a straight line. Such a shape is also included in the “character shape”.
  • FIG. 18 shows still another shape of the magnetic recording layer 10.
  • the magnetic recording layer 10 includes a first side surface J13 extending over the magnetization switching region 13 and the first magnetization fixed region 11 1, and a second side surface J23 extending over the magnetic switching region 13 and the second magnetic switching region 12. And a third side face J12 extending over the first magnetic pin fixed region 11 and the second magnetic pin fixed region 12.
  • these side surfaces J13, J23, and J12 are formed smoothly. As a result, spin electrons are supplied smoothly and the write currents IW1 and IW2 are reduced.
  • FIG. 19 shows an example of a configuration in which an assist wiring 50 for assisting magnetic reversal is provided.
  • the assist wiring 50 is provided so as to intersect the magnetic field inversion region 13 of the magnetic memory cell 1.
  • a plurality of magnetic memory cells 1 are arranged along the Y-axis, and one assist wiring 50 is provided for each magnetic domain inversion region 13 of the plurality of magnetic memory cells 1. Commonly provided.
  • the write currents IW1 and IW2 are supplied, and at the same time, the assist current 50las is supplied.
  • the direction of the magnetic field (assist magnetic field) applied to the magnetic field reversal region 13 by the assist current las is the direction that assists the magnetic field reversal.
  • the direction of the assist magnetic field is also set to the + X direction.
  • the direction of the assist current las is controlled so that the magnetic reversal is assisted.
  • FIG. 20 is a side view of the structure shown in FIG.
  • the assist wiring 50 is provided below the magnetization switching region 13 so as to intersect the magnetization switching region 13.
  • the assist wiring 50 may be provided above the magnetic domain inversion region 13.
  • the assist wiring 50 may have a yoke wiring structure.
  • the wiring 50 is composed of a metal wiring 51 and a magnetic layer 52, and is covered with a surface force magnetic layer 52 that does not face the magnetic domain inversion region 13 in the surface of the metal wiring 51.
  • the magnetic layer 52 may cover only the bottom surface of the metal wiring 51.
  • Such a yoke wiring structure increases the assist magnetic field, and the write currents IW1 and IW2 can be further reduced.
  • an auxiliary magnetic layer 53 is further provided between the magnetic domain inversion region 13 and the assist wiring 50.
  • the assist current las flows through the assist wiring 50, the magnetic field generated thereby magnetizes the auxiliary magnetic layer 53.
  • the magnetization of the auxiliary magnetic layer 53 assists magnetic reversal by magnetic interaction (exchange coupling, magnetostatic coupling).
  • the auxiliary magnetic layer 53 plays a role of amplifying the assist magnetic field.
  • the assist wiring 50 may be provided separately for each magnetic memory cell 1. In order to reduce the number of the assist wirings 50, it is preferable that one assist wiring 50 is provided in common for the plurality of magnetic memory cells 1, as shown in FIG. However, in that case, the assist magnetic field is also applied to the non-selected cells. Therefore, the magnetism of the magnetization reversal region 13 is designed so that magnetic reversal occurs by a combination of spin injection and assist magnetic field.
  • the magnetic recording layer 10 may be composed of a plurality of magnetically coupled ferromagnetic layers! That is, the magnetic recording layer 10 may have a laminated structure (multilayer structure).
  • Examples of magnetic coupling include ferromagnetic coupling, antiferromagnetic coupling, magnetostatic coupling, and RKKY coupling.
  • SAF synthetic anti-ferromagnetic
  • the magnetic recording layer 10 includes a first ferromagnetic layer 10 a and a second ferromagnetic layer 10 b that are antiferromagnetically coupled via the intermediate layer 14.
  • the intermediate layer 14 is a nonmagnetic layer, for example, a Ru layer.
  • the first ferromagnetic layer 10a has a first magnetic pinned region lla, a second magnetization fixed region 12a, and a magnetization switching region 13a.
  • the second ferromagnetic layer 10b has only the magnetization switching region 13b. This magnetic domain inversion region 13 b is adjacent to the pinned layer 30 through the tunnel barrier layer 20.
  • the magnetization switching regions 13a and 13b are antiferromagnetically coupled, and their magnetization directions are reversed.
  • the other magnetization is also reversed.
  • a write current flows through the first ferromagnetic layer 10a.
  • the magnetization of the magnetization switching region 13a is reversed by spin injection. Accordingly, the magnetization of the magnetic domain inversion region 13b of the second ferromagnetic layer 10b is also reversed. Data is read by using the pinned layer 30 and sensing the magnetic field direction of the magnetic field inversion region 13b.
  • the same effects as those of the above-described embodiments can be obtained. Further, since the effective volume of the magnetic recording layer 10 is increased by the laminated structure, resistance to thermal disturbance is improved. Furthermore, the degree of freedom in device design increases for the following reasons.
  • the magnetic recording layer 10 is composed of the first ferromagnetic layer 10a, the second ferromagnetic layer 10b, and the intermediate layer 14, the write characteristics are mainly governed by the first ferromagnetic layer 10a, and the read characteristics (MR ratio, etc.) are Mainly dominated by the second ferromagnetic layer 10b.
  • the material of the second ferromagnetic layer 10b adjacent to the tunnel barrier layer 20 a material (CoFe, CoFeB, etc.) that enhances the read characteristics is used, while the first ferromagnetic layer 10a in which the write current flows is used.
  • a material NiFe or the like that improves the writing characteristics can be used. That is, the characteristics of each ferromagnetic layer can be independently controlled freely according to the desired characteristics. Write characteristics and read characteristics can be improved separately. Thus, the degree of freedom in element design is improved by making the magnetic recording layer 10 multilayer. This advantage cannot be realized with the CPP spin injection method. This is because in the case of the CPP spin injection method, both the write characteristics and the read characteristics are dominated by the ferromagnetic layer adjacent to the tunnel barrier layer.
  • the intermediate layer 14 is fabricated to have the same planar shape as the first ferromagnetic layer 10a. In this case, the intermediate layer 14 plays a role of protecting the first ferromagnetic layer 10a as well as the acid etching force during the manufacturing process.
  • FIG. 23 shows a modification.
  • the first ferromagnetic layer 10a has a first magnetization fixed region lla, a second magnetic domain fixed region 12a, and a magnetic domain reversal region 13a.
  • the second ferromagnetic layer 10b also has a first magnetic pinned region llb, a second magnetic pinned region 12b, and a magnetization reversal region 13b.
  • the direction of the fixed magnetic field in the first magnetic field fixed region l la and l ib is opposite.
  • the directions of the fixed magnetic fields in the second magnetic field fixed areas 12a and 12b are opposite. Further, the magnetization directions of the magnetization switching regions 13a and 13b are reversed.
  • the tunnel barrier layer 20 is fabricated to have the same planar shape as the magnetic recording layer 10. In this case, the tunnel barrier layer 20 also serves to protect the magnetic recording layer 10 from an acid etchant during the manufacturing process.
  • FIG. 24 is a side view showing the structure of the magnetic memory cell 1 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the magnetic recording layer 10 is formed on the seed layer 60.
  • the seed layer 60 is a layer for controlling crystal growth during the formation of the magnetic recording layer 10.
  • the crystallinity of the magnetic recording layer 10 can be controlled so that the write characteristics and the read characteristics are improved.
  • a material having high electrical resistance is used as the material of the seed layer 60 so that the write current does not selectively flow only to the seed layer 60.
  • the tunnel barrier layer 20 has the same planar shape as the magnetic recording layer 10.
  • the thickness of the tunnel barrier layer 20 is uniform.
  • a part of the tunnel barrier layer 20 may be removed by etching when the pinned layer 30 is formed.
  • the tunnel barrier layer 20 plays a role of protecting the magnetic recording layer 10 by the acid etching force during the manufacturing process.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

　本発明に係るＭＲＡＭは、強磁性層である磁気記録層と、非磁性層を介して磁気記録層に接続されたピン層と、を備えている。磁気記録層は、磁化反転領域と、第１磁化固定領域と、第２磁化固定領域とを有している。磁化反転領域は、反転可能な磁化を有し、ピン層とオーバーラップしている。第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域は共に、その磁化反転領域の同じ一端に接続されている。また、第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域は、向きが固定された第１固定磁化及び第２固定磁化をそれぞれ有している。第１固定磁化と第２固定磁化の一方が、上記一端へ向かう方向に固定され、他方が上記一端から離れる方向に固定されている。

Description

明 細 書
MRAM、及び MRAMのデータ読み書き方法
技術分野
[0001] 本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM： Magnetic Random Access Memor y)に関する。特に、本発明は、スピン注入方式に基づく MRAM及びその MRAMの データ読み書き方法に関する。
背景技術
[0002] MRAMは、高集積 ·高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。 MRAMに お！、ては、 TMR (Tunnel MagnetoResistance)効果などの「磁気抵抗効果」を示す磁 気抵抗素子が利用される。その磁気抵抗素子には、例えばトンネルバリヤ層が 2層の 強磁性体層で挟まれた磁気トンネル接合（MTJ; Magnetic Tunnel Junction)が形成さ れる。その 2層の強磁性体層は、磁化の向き（direction of magnetization)が固定され たピン層（pinned layer)と、磁化の向きが反転可能なフリー層（free layer)力 構成さ れる。
[0003] ピン層とフリー層の磁ィ匕の向きが"反平行"である場合の MTJの抵抗値 (R+ A R) は、磁気抵抗効果により、それらが"平行"である場合の抵抗値 (R)よりも大きくなるこ とが知られている。 MRAMは、この MTJを有する磁気抵抗素子をメモリセルとして用 い、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。メモリ セルに対するデータの書き込みは、フリー層の磁ィ匕の向きを反転させることによって 行われる。
[0004] MRAMに対するデータの書き込み方法として、従来、「ァステロイド方式」や「トグ ル方式」が知られている。これらの書き込み方式によれば、メモリセルサイズにほぼ反 比例して、フリー層の磁ィ匕を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、 メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する傾向にある。
[0005] 微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、「ス ピン注入方式が提案さている。例えば、スピン注入方式は下記文献に記載されてい る： Yagami and buzuki, Research Trends in bpin Transfer Magnetization switching スピン注入磁化反転の研究動向）， 日本応用磁気学会誌， Vol. 28, No. 9, 2004oス ピン注入（spin transfer)方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流（spin-polarize d 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ィ匕が反転する（以下、「スピン注入磁化反転: Spin Tran sfer Magnetization Switchingと参照される）。スピン注入磁化反転の概略を、図 1を 参照することによって説明する。
[0006] 図 1において、磁気抵抗素子は、フリー層 101、ピン層 103、及びフリー層 101とピ ン層 103に挟まれた非磁性層であるトンネルバリヤ層 102を備えている。ここで、磁ィ匕 の向きが固定されたピン層 103は、フリー層 101よりも厚くなるように形成されており、 スピン偏極電流を作る機構 (スピンフィルター）としての役割を果たす。フリー層 101と ピン層 103の磁ィ匕の向きが平行である状態は、データ" 0"に対応付けられ、それらが 反平行である状態は、データ" 1"に対応付けられている。
[0007] 図 1に示されるスピン注入磁化反転は、 CPP (Current Perpendicular to Plane)方式 により実現され、書き込み電流は膜面に垂直に注入される。具体的には、デーダ '0" 力もデータ" 1"への遷移時、電流はピン層 103からフリー層 101へ流れる。この場合 、スピンフィルターとしてのピン層 103と同じスピン状態を有する電子力 フリー層 101 力もピン層 103に移動する。そして、スピントランスファー (スピン角運動量の授受）効 果により、フリー層 101の磁ィ匕が反転する。一方、デーダ '1 "からデーダ '0"への遷移 時、電流の方向は逆転し、電流はフリー層 101からピン層 103へ流れる。この場合、 スピンフィルターとしてのピン層 103と同じスピン状態を有する電子力 ピン層 103力 らフリー層 101に移動する。スピントランスファー効果により、フリー層 101の磁ィ匕が反 転する。
[0008] このように、スピン注入磁ィ匕反転では、スピン電子の移動によりデータの書き込みが 行われる。膜面に垂直に注入されるスピン偏極電流の方向により、フリー層 101の磁 化の向きを規定することが可能である。ここで、書き込み (磁ィ匕反転)の閾値は電流密 度に依存することが知られている。従って、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、磁 化反転に必要な書き込み電流が減少する。メモリセルの微細化に伴って書き込み電 流が減少するため、スピン注入磁化反転は、 MRAMの大容量化の実現にとって重 要である。
[0009] 関連する技術として、特開 2005— 191032号公報には磁壁移動方式の磁気記憶 装置が開示されている。この磁気記憶装置は、磁ィ匕が固定された磁ィ匕固定層と、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ィ匕自由 層とを備える。磁化自由層は、トンネル絶縁層及び磁ィ匕固定層と重なる接合部、接合 部の両端に隣接するくびれ部、及びくびれ部に隣接形成された一対の磁ィ匕固定部 を有する。一対の磁ィ匕固定部には、互いに反対向きの固定磁ィ匕が付与されている。 更に、磁気記憶装置は、一対の磁化固定部に電気的に接続された一対の磁気情報 書き込み用端子を備える。この一対の磁気情報書き込み用端子により、磁化自由層 の接合部、一対のくびれ部及び一対の磁化固定部を貫通する書き込み電流が流れ る。その書き込み電流の方向は、書き込みデータに応じて制御され、第 1方向あるい は第 1方向と反対の第 2方向のいずれかとなる。その書き込み電流の方向に応じて、 磁壁が一対のくびれ部間を移動する。
発明の開示
[0010] 本発明の目的は、スピン注入方式を用いる新たな MRAMを提供することにある。
[0011] 本発明の他の目的は、スピン注入方式を用いた MRAMにおいて、書き込み電流 を供給するための周辺回路を簡略ィ匕することができる技術を提供することにある。
[0012] 本発明の更に他の目的は、 MTJにおけるトンネルバリヤ層の劣化を抑制することが できる MRAM及びデータ書き込み方式を提供することにある。
[0013] 本発明の更に他の目的は、メモリセルサイズの縮小に伴い書き込み電流を低減す ることができる MRAM及びデータ書き込み方式を提供することにある。
[0014] 本発明の第 1の観点において、 MRAMが提供される。その MRAMは、強磁性層 である磁気記録層と、非磁性層を介して磁気記録層に接続されたピン層と、を備えて いる。磁気記録層は、磁化反転領域と、第 1磁化固定領域と、第 2磁化固定領域とを 有している。磁化反転領域は、反転可能な磁化を有し、ピン層とオーバーラップして いる。第 1磁ィ匕固定領域及び第 2磁ィ匕固定領域は共に、その磁化反転領域の同じ一 端に接続されている。また、第 1磁ィ匕固定領域及び第 2磁ィ匕固定領域は、向きが固 定された第 1固定磁ィ匕及び第 2固定磁ィ匕をそれぞれ有している。第 1固定磁化と第 2 固定磁化の一方が、上記一端へ向かう方向に固定され、他方が上記一端から離れる 方向に固定されている。
[0015] 本発明に係る MRAMにおいて、磁化反転領域、第 1磁ィ匕固定領域、及び第 2磁 化固定領域は、 "三叉路"を形成している。典型的には、磁気記録層は、 Y字状に形 成されている。この場合、磁化反転領域の長手方向は第 1方向であり、第 1磁化固定 領域の長手方向は第 2方向であり、第 2磁化固定領域の長手方向は第 3方向である 。好適には、第 1方向と第 2方向のなす角は、第 1方向と第 3方向のなす角と等しい。 また、磁気記録層は、第 1方向に沿った軸に関して、鏡面対称な形状を有してもよい
[0016] 磁気記録層は、磁化反転領域と第 1磁化固定領域にわたる第 1側面と、磁化反転 領域と第 2磁ィ匕固定領域にわたる第 2側面と、第 1磁ィ匕固定領域と第 2磁ィ匕固定領域 にわたる第 3側面とを有する。これら第 1側面、第 2側面、及び第 3側面のうち少なくと も 1つが滑らかに形成されて 、てもよ!/、。
[0017] 上述の磁化反転領域、第 1磁化固定領域、及び第 2磁化固定領域は、同一平面上 に形成されて ヽると好ま U ヽ。
[0018] 本発明に係る MRAMは、強磁性体及び反強磁性体の少なくとも 1つを含むピニン グ層を更に備えてもよい。そのピユング層は、交換結合と静磁結合のいずれかにより 、第 1固定磁ィ匕及び第 2固定磁ィ匕の向きを固定する。ピユング層は、少なくとも第 1磁 化固定領域及び第 2磁ィ匕固定領域とオーバーラップするように設けられる。そのピ- ング層の磁化の向きは、第 1磁化固定領域から第 2磁化固定領域へ向かう方向、ある いは、第 2磁ィ匕固定領域力も第 1磁ィ匕固定領域へ向力 方向である。また、ピユング 層は、第 1固定磁ィ匕の向きを固定する第 1ピユング層と、第 2固定磁ィ匕の向きを固定 する第 2ピユング層とを含んで ヽてもよ ヽ。
[0019] 本発明に係る MRAMにおいて、第 1磁化固定領域及び第 2磁化固定領域は、第 1 磁ィ匕固定領域と第 2磁ィ匕固定領域が並ぶ方向に沿って結晶磁気異方性を有するよ うに形成されていてもよい。また、本発明に係る MRAMにおいて、第 1磁化固定領 域力も第 2磁ィ匕固定領域へ向力 方向、あるいは、第 2磁ィ匕固定領域力も第 1磁ィ匕固 定領域へ向力う方向に外部磁界が印加されて 、てもよ 、。 [0020] 本発明に係る MRAMにおいて、磁気記録層は、磁気的に結合した複数の強磁性 層カゝら構成されていてもよい。その複数の強磁性層のうち少なくとも 1つが、上述の磁 化反転領域、第 1磁化固定領域、及び第 2磁化固定領域を有している。
[0021] 本発明に係る MRAMは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを備える。そ の複数の磁気メモリセルの各々が、上述の磁気記録層とピン層を備えている。複数 の磁気メモリセルは、第 1軸に沿って配置された第 1磁気メモリセルと第 2磁気メモリセ ルを含む。第 1磁気メモリセルの磁気記録層の形状と第 2磁気メモリセルの磁気記録 層の形状は、その第 1軸に対して線対称の関係を有して 、てもよ 、。
[0022] 本発明に係る MRAMにおいて、第 1書き込み動作時、第 1書き込み電流が、磁ィ匕 反転領域から上記一端を通って第 1磁ィヒ固定領域に流される。一方、第 2書き込み 動作時、第 2書き込み電流が、磁化反転領域から上記一端を通って第 2磁化固定領 域に流される。
[0023] 例えば、第 1固定磁ィ匕は、上述の一端へ向かう方向に固定され、第 2固定磁ィ匕は、 その一端カゝら離れる方向に固定されている。この場合、第 1書き込み動作により、磁 化反転領域の磁化は、その一端から離れる方向へ向く。一方、第 2書き込み動作に より、磁化反転領域の磁化は、その一端へ向かう方向へ向く。この MRAMは、更に、 磁ィ匕反転領域と交差するように形成されたアシスト配線を備えてもよい。第 1書き込み 動作時、アシスト配線を流れる電流によって磁化反転領域に印加される磁界の向き は、その一端力 離れる方向を向く。一方、第 2書き込み動作時、アシスト配線を流れ る電流によって磁ィ匕反転領域に印加される磁界の向きは、その一端へ向かう方向を 向く。
[0024] あるいは、第 1固定磁ィ匕は、上述の一端力も離れる方向に固定され、第 2固定磁ィ匕 は、その一端へ向力 方向に固定されている。この場合、第 1書き込み動作により、磁 化反転領域の磁化は、その一端へ向かう方向へ向く。一方、第 2書き込み動作により 、磁化反転領域の磁化は、その一端から離れる方向へ向く。この MRAMは、更に、 磁ィ匕反転領域と交差するように形成されたアシスト配線を備えてもよい。第 1書き込み 動作時、アシスト配線を流れる電流によって磁化反転領域に印加される磁界の向き は、その一端へ向かう方向を向く。一方、第 2書き込み動作時、アシスト配線を流れる 電流によって磁ィ匕反転領域に印加される磁界の向きは、その一端力 離れる方向を 向く。
[0025] アシスト配線は、複数の磁気メモリセルのそれぞれの磁化反転領域に対して、共通 に設けられていてもよい。
[0026] 本発明に係る MRAMにおいて、読み出し動作時、読み出し電流は、非磁性層を 介してピン層と磁気記録層との間を流れる。
[0027] 本発明の第 2の観点において、 MRAMのデータ読み書き方法が提供される。その MRAMは、強磁性層である磁気記録層と、非磁性層を介して磁気記録層に接続さ れたピン層と、を備える。磁気記録層は、反転可能な磁ィ匕を有しピン層とオーバーラ ップする磁化反転領域と、第 1固定磁化を有する第 1磁化固定領域と、第 2固定磁化 を有する第 2磁化固定領域とを備える。これら磁化反転領域、第 1磁化固定領域、及 び第 2磁化固定領域は、三叉路を形成している。また、第 1固定磁化と第 2固定磁ィ匕 の一方が磁ィヒ反転領域へ向力う方向に固定され、他方が磁化反転領域から離れる 方向に固定されている。
[0028] この時、本発明に係るデータ書き込み方法は、（A)第 1データを書き込む場合、第 1書き込み電流を、磁化反転領域から第 1磁化固定領域に流すステップと、（B)第 2 データを書き込む場合、第 2書き込み電流を、磁化反転領域から第 2磁化固定領域 に流すステップとを有する。また、本発明に係るデータ読み出し方法は、（C)第 1デ ータあるいは第 2データを読み出す場合、読み出し電流を、非磁性層を介してピン層 と磁気記録層との間に流すステップを有する。
[0029] 本発明によれば、スピン注入方式を用いる新たな MRAMが提供される。その MR AMによれば、書き込み電流は、 MTJを貫通する方向ではなぐ磁気記録層内を平 面的に流れる。スピン電子によるスピントランスファー効果により、磁気記録層中の磁 化反転領域の磁化が反転する。本発明によれば、その書き込み電流は、磁気記録 層に対して一方向から供給される。従って、書き込み電流の制御及び周辺回路の構 成を簡略化することが可能となる。また、書き込み時に、書き込み電流が MTJを貫通 しないため、 MTJにおけるトンネルバリヤ層の劣化が抑制される。更に、スピン注入 方式でデータ書き込みが行われるため、メモリセルサイズの縮小に伴い、書き込み電 流が低減される。
図面の簡単な説明
[図 1]図 1は、従来のスピン注入方式によるデータ書き込みを説明するための図であ る。
[図 2]図 2は、本発明の第 1の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す斜視図 である。
[図 3]図 3は、図 2に示された磁気メモリセルの構造を示す平面図である。
[図 4]図 4は、図 3に示された磁気メモリセルに対するデータ書き込みの原理を示す平 面図である。
[図 5A]図 5Aは、シミュレーションにより得られた磁気記録層における磁ィ匕の分布を示 す図である。
[図 5B]図 5Bは、シミュレーションにより得られた磁気記録層における磁ィ匕の分布を示 す図である。
[図 6]図 6は、第 1の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の他の例と、その磁気メ モリセルに対するデータ書き込みの原理を示す平面図である。
[図 7]図 7は、第 1の実施の形態に係る磁気メモリセルの回路構成の一例を示す回路 図である。
[図 8]図 8は、第 1の実施の形態に係るデータ読み書き方法を要約的に示す図表であ る。
[図 9]図 9は、第 1の実施の形態に係るメモリセルアレイの回路構成の一例を示す平 面図である。
[図 10]図 10は、第 1の実施の形態に係る磁気メモリセルの回路構成の他の例を示す 回路図である。
[図 11]図 11は、磁ィ匕固定領域における磁ィ匕の向きを固定するための方法の一例を 示す側面図である。
[図 12]図 12は、磁ィ匕固定領域における磁ィ匕の向きを固定するための方法の他の例 を示す側面図である。
[図 13A]図 13Aは、磁ィ匕固定領域における磁ィ匕の向きを固定するための方法の更に 他の例を示す平面図である。
[図 13B]図 13Bは、磁ィ匕固定領域における磁ィ匕の向きを固定するための方法の更に 他の例を示す平面図である。
[図 14]図 14は、磁ィ匕固定領域における磁ィ匕の向きを固定するための方法の更に他 の例を示す平面図である。
[図 15]図 15は、本発明に係る磁気メモリセルの構造の他の例を示す平面図である。
[図 16]図 16は、本発明に係る磁気メモリセルの構造の更に他の例を示す平面図であ る。
[図 17]図 17は、本発明に係る磁気メモリセルの構造の更に他の例を示す平面図であ る。
[図 18]図 18は、本発明に係る磁気メモリセルの構造の更に他の例を示す平面図であ る。
[図 19]図 19は、本発明の第 3の実施の形態に係る MRAMの構造を示す平面図であ る。
[図 20]図 20は、第 3の実施の形態に係る構造の一例を示す側面図である。
[図 21]図 21は、第 3の実施の形態に係る構造の他の例を示す側面図である。
[図 22]図 22は、本発明の第 4の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す側面 図である。
[図 23]図 23は、第 4の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の他の例を示す側面 図である。
[図 24]図 24は、本発明の第 5の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す側面 図である。
[図 25A]図 25Aは、本発明の第 6の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す 側面図である。
[図 25B]図 25Bは、第 6の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の他の例を示す 側面図である。
発明を実施するための最良の形態
添付図面を参照して、本発明に係る MRAM及びそのデータ読み書き方法を説明 する。 MRAMは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを有しており、各磁気 メモリセルが MTJを有して!/、る。
[0032] 1.第 1の実施の形態
1 - 1.磁気メモリセルの構造及び書き込み原理
図 2は、第 1の実施の形態に係る磁気メモリセル 1 (磁気抵抗素子)の構造を示して いる。磁気メモリセル 1は、強磁性体層である磁気記録層 10とピン層 30、及び非磁 性体層であるトンネルバリヤ層 20を備えている。トンネルバリヤ層 20は、磁気記録層 10とピン層 30に挟まれており、これら磁気記録層 10、トンネルバリヤ層 20、及びピン 層 30によって磁気トンネル接合 (MTJ)が形成されている。磁気記録層 10は、フリー 層に相当する役割を果たす。
[0033] 磁気記録層 10は、軟磁性材料で形成されており、 Co, Fe,及び Mから選択される 少なくとも 1種類の元素を含んでいる。例えば、磁気記録層 10は、 NiFeで形成され て ヽる。更に、磁気記録層 10ίま、 Ag, Cu, Au, B, C, N, O, Mg, Al, Si, P, Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Pd,及び Ptから選択される少なくとも 1種類の元素 を含んでいてもよい。トンネルバリヤ層 20は、例えば、薄い絶縁層である。トンネルバ リャ層 20としては、 Al O膜、 SiO膜、 MgO膜、 A1N膜等の絶縁膜が例示される。ま
2 3 2
たその他に、トンネルノリャ層 20として、 Cu, Zn, Au, Ag, Alなどの非磁性金属を 用いることもできる。ピン層 30は、磁ィ匕が実質的に一方向に固定された強磁性層を 含み、その強磁性層はトンネルバリヤ層 20に隣接して設けられる。尚、ピン層 30は、 強磁性層と非磁性層が交互に積層された積層膜であることが望ましい。また、その積 層膜のうち少なくとも一層の強磁性層には反強磁性層が隣接しており、それら強磁性 層と反強磁性層は交換結合していることが望ましい。例えば、ピン層 30は、 CoFeZ RuZCoFeZPtMnの積層膜である。
[0034] 図 2に示されるように、本実施の形態に係る磁気記録層 10は、 3つの異なる領域で ある第 1磁化固定領域 11、第 2磁化固定領域 12、及び磁化反転領域 13を有してい る。第 1磁ィ匕固定領域 11と第 2磁ィ匕固定領域 12の磁ィ匕は、それぞれ所定の向きに 固定されている。一方、磁化反転領域 (磁化自由領域） 13の磁ィ匕は、反転可能であ る。その反転可能な磁化を有する磁化反転領域 13が、ピン層 30とオーバーラップす るように形成されている。言い換えれば、磁気記録層 10のうち磁化反転領域 13が、ト ンネルバリヤ層 20を介してピン層 30に接続されている。第 1磁ィ匕固定領域 11及び第 2磁ィ匕固定領域 12は共に、磁ィ匕反転領域 13の端部のうち同じ端部（一端）に接続さ れている。すなわち、第 1磁ィ匕固定領域 11、第 2磁ィ匕固定領域 12、及び磁化反転領 域 13は、 "三叉路"を形成している。
[0035] 好適には、第 1磁ィ匕固定領域 11、第 2磁ィ匕固定領域 12、及び磁化反転領域 13は 、同一平面 (XY面）上に形成される。その XY面における磁気記録層 10の形状の一 例力 図 3に示されている。図 3において、磁ィ匕反転領域 13は、 X方向（X軸）に沿つ て形成されており、その長手方向は X方向である。また、第 1磁ィ匕固定領域 11は、 S 方向（S軸）に沿って形成されており、その長手方向は S方向である。また、第 2磁ィ匕 固定領域 12は、 T方向（T軸）に沿って形成されており、その長手方向は T方向であ る。 S軸や T軸は、 X軸や Y軸に対して斜めであり、 S軸や T軸が X軸となす角度は 90 度より大きくなつている。すなわち、本実施の形態において、磁気記録層 10は、 "Y字 状"に形成されている。
[0036] 図 3には、各領域の磁ィ匕の向きも矢印によって示されている。更に、ピン層 30の投 影及びその磁化の向きも、点線及び点線矢印によって示されている。ピン層 30の磁 ィ匕の向きは、 X方向に固定されているとする。一方、ピン層 30とオーバーラップす る磁化反転領域 13の磁化の向きは、反転可能であり、形状磁気異方性により +X方 向あるいは一 X方向となる。つまり、磁ィ匕反転領域 13の磁ィ匕は、ピン層 30の磁化と平 行あるいは反平行になることが許されて！/、る。
[0037] 第 1磁ィ匕固定領域 11は、 S軸に沿って向きが固定された第 1固定磁ィ匕 Mlを有して いる。第 2磁ィ匕固定領域 12は、 T軸に沿って向きが固定された第 2固定磁ィ匕 M2を有 している。より詳細には、第 1固定磁ィ匕 Mlの向きは、磁化反転領域 13へ向かう (To ward)方向に、すなわち、第 1磁化固定領域 11と磁化反転領域 13との境界へ向かう (Toward)方向に固定されている。一方、第 2固定磁ィ匕 M2の向きは、磁化反転領域 13から離れる (Away)方向に、すなわち、第 2磁ィ匕固定領域 12と磁ィ匕反転領域 13と の境界力 離れる (Away)方向に固定されている。第 1磁ィ匕固定領域 11から第 2磁 化固定領域 12への遷移領域において、磁ィ匕の向きは滑らかに変化していると言える 。尚、 "磁ィ匕の固定"に関しては後述される（第 1—3節)。
[0038] 以下、磁気メモリセル 1に対するデータの書き込み原理が説明される。本実施の形 態によれば、スピン注入（spin transfer)方式でデータの書き込みが行われる（スピン 注入データ書き込み： Spin Transfer Data Writing)。
[0039] (構造例 1)
図 3に示された構造に対するデータの書き込み原理力 図 4に示されている。磁ィ匕 反転領域 13とピン層 30の磁ィ匕の向きが平行である状態力 データ「0」に対応付けら れている。一方、磁ィ匕反転領域 13とピン層 30の磁ィ匕の向きが反平行である状態力 データ「1」に対応付けられている。
[0040] データ「1」の書き込み時 (第 1書き込み）、第 1書き込み電流 IW1が、磁化反転領域 13から第 1磁ィ匕固定領域 11に流れる。この場合、電子 (スピン電子）は、第 1磁化固 定領域 11から、境界 (入り口） ENTを通して磁ィ匕反転領域 13に注入される。注入さ れた電子のスピンは、磁ィ匕反転領域 13の磁気モーメントに影響を及ぼす。第 1磁ィ匕 固定領域 11の磁ィ匕の向きは磁ィ匕反転領域 13に向力 方向（右向き）であるため、磁 化反転領域 13には右向きのスピントルクが与えられる。その結果、磁化反転領域 13 の磁ィ匕が反転し、その磁ィ匕の向きが境界 ENTから離れる方向（+X方向）に変わる（ スピン注入 ィ匕反 ： Spin Transfer Magnetization Switching)。
[0041] 一方、データ「0」の書き込み時 (第 2書き込み）、第 2書き込み電流 IW2が、磁ィ匕反 転領域 13から第 2磁ィ匕固定領域 12に流れる。この場合、電子 (スピン電子）は、第 2 磁ィ匕固定領域 12から、境界 (入り口） ENTを通して磁ィ匕反転領域 13に注入される。 注入された電子のスピンは、磁ィ匕反転領域 13の磁気モーメントに影響を及ぼす。第 2磁ィ匕固定領域 12の磁ィ匕の向きは磁ィ匕反転領域 13から離れる方向（左向き)である ため、磁ィ匕反転領域 13には左向きのスピントルクが与えられる。その結果、磁化反転 領域 13の磁ィ匕が反転し、その磁ィ匕の向きが境界 ENTへ向力 方向（一 X方向）に変 わる。
[0042] このように、磁気記録層 10内を平面的に流れる書き込み電流 IW1, IW2によって、 磁ィ匕反転領域 13の磁ィ匕の方向がスィッチする。書き込み電流 IW1, IW2が MTJを 貫通しないため、 MTJにおけるトンネルバリヤ層 20の劣化が抑制される。また、スピ ン注入方式でデータ書き込みが行われるため、メモリセルサイズの縮小に伴い、書き 込み電流 IW1, IW2が低減される。
[0043] 第 1磁ィ匕固定領域 11及び第 2磁ィ匕固定領域 12は、異なるスピンを有する電子の供 給源の役割を果たしていると言える。本実施の形態によれば、異なるスピンを有する 電子は、同じ境界 (入り口） ENTを通して磁ィ匕反転領域 13に注入される。言い換え れば、書き込み電流 IW1, IW2は、磁化反転領域 13中で同じ方向に流れる。この場 合、書き込み電流 IW1, IW2を、磁気記録層 10の磁化反転領域 13に対して一方向 力 供給するだけで十分である。従って、書き込み電流の制御や周辺回路の構成を 簡略ィ匕することが可能となる。
[0044] 更に、第 1書き込み時、書き込み電流 IW1は、スピン電子の供給に関係しない第 2 磁ィ匕固定領域 12には流れず、スピントルクの授受に関係する磁ィ匕反転領域 13と第 1 磁ィ匕固定領域 11だけを流れる。また、第 2書き込み時、書き込み電流 IW2は、スピン 電子の供給に関係しない第 1磁ィ匕固定領域 11には流れず、スピントルクの授受に関 係する磁化反転領域 13と第 2磁化固定領域 12だけを流れる。このように、スピン電 子の供給源ではない磁ィ匕固定領域には書き込み電流 IWが流れないため、その磁ィ匕 固定領域の固定磁ィ匕は全く影響を受けない。よって、磁ィ匕固定領域の固定磁ィ匕が他 の領域力 のスピン注入により反転してしまうことが防止される。
[0045] 図 5A及び図 5Bは、磁気記録層 10における磁ィ匕の分布を示している。図 5Aは、デ ータ「0」に対応しており、図 5Bはデータ「1」に対応している。これら磁ィ匕の分布は、 マイクロマグネティックシミュレーションにより得られる。図 5Aにおいて、磁化の向きは 、第 1磁ィ匕固定領域 11から第 2磁ィ匕固定領域 12へ、また、磁化反転領域 13から第 2 磁ィ匕固定領域 12へ滑らかに変化している。第 1磁ィ匕固定領域 11と磁ィ匕反転領域 13 との間には短い磁壁が形成されている。一方、図 5Bにおいて、磁ィ匕の向きは、第 1 磁ィ匕固定領域 11力ゝら第 2磁ィ匕固定領域 12へ、また、第 1磁ィ匕固定領域 11から磁ィ匕 反転領域 13へ滑らかに変化している。第 2磁化固定領域 12と磁化反転領域 13との 間には短!、磁壁が形成されて!ヽる。
[0046] 尚、データの読み出しに関しては、次の通りである。データ読み出し時、読み出し 電流は、 MTJを流れるように供給される。例えば、読み出し電流はピン層 30に供給さ れ、トンネルバリヤ層 20を経由して磁気記録層 10へ流れ込む。その読み出し電流あ るいは読み出し電位に基づいて、 MTJの抵抗値が検出され、磁化反転領域 13の磁 化の向きがセンスされる。あるいは、読み出し電流は、磁気記録層 10からトンネルバ リャ層 20を経由してピン層 30に流れてもよい。但し、読み出し電流の方向を書き込 み電流 IWl, IW2の方向と一致させるには、前者が好ましい。その場合、書き込み Z 読み出し電流の制御や周辺回路の構成を簡略ィ匕することが可能となる。
[0047] (構造例 2)
第 1磁ィ匕固定領域 11の磁ィ匕の向きと第 2磁ィ匕固定領域 12の磁ィ匕の向きは、図 3や 図 4に示された方向に限られない。本実施の形態に係る他の構造、及びその構造に 対するデータの書き込み原理が、図 6に示されている。図 6は図 4に相当する図であ り、重複する説明は適宜省略される。
[0048] 第 1磁ィ匕固定領域 11の第 1固定磁ィ匕 Mlの向きは、磁ィ匕反転領域 13から離れる（ Away)方向に、すなわち、境界 ENTから離れる（Away)方向に固定されている。一 方、第 2磁ィ匕固定領域 12の第 2固定磁ィ匕 M2の向きは、磁化反転領域 13へ向かう（ Toward)方向に、すなわち、境界 ENTへ向かう（Toward)方向に固定されている。 また、ピン層 30の磁ィ匕の向きは、 +X方向に固定されているとする。データ「0」状態 において、磁ィ匕反転領域 13の磁ィ匕の向きは +X方向であり、データ「1」状態におい て、磁ィ匕反転領域 13の磁ィ匕の向きは一 X方向である。
[0049] データ「1」の書き込み時 (第 1書き込み）、第 1書き込み電流 IW1が、磁化反転領域 13から第 1磁ィ匕固定領域 11に流れる。この場合、電子 (スピン電子）は、第 1磁化固 定領域 11から、境界 (入り口） ENTを通して磁ィ匕反転領域 13に注入される。その結 果、磁ィ匕反転領域 13の磁ィ匕が反転し、その磁ィ匕の向きが境界 ENTへ向力 方向（ X方向）に変わる。一方、データ「0」の書き込み時 (第 2書き込み）、第 2書き込み電 流 IW2が、磁化反転領域 13から第 2磁化固定領域 12に流れる。この場合、電子 (ス ピン電子）は、第 2磁ィ匕固定領域 12から、境界 (入り口） ENTを通して磁ィ匕反転領域 13に注入される。その結果、磁ィ匕反転領域 13の磁ィ匕が反転し、その磁化の向きが 境界 ENTから離れる方向（+X方向）に変わる。
[0050] 図 6に示された構造によっても、上述の構造例 1と同じ効果が得られる。また、デー タの読み出しに関しても、上述の構造例 1と同様である。
[0051] 1 - 2.回路構成
次に、本実施の形態に係る磁気メモリセル 1に書き込み電流 IW1, IW2を流すため の回路構成を説明する。
[0052] 図 7は、磁気メモリセル 1の回路構成の一例を示している。図 7において、 1つの磁 気メモリセル 1に対して 2つの MOSトランジスタ TR1、 TR2が設けられている。第 1M OSトランジスタ TR1のソース Zドレインの一方がグラウンド線 GNDに接続されており 、他方が第 1磁ィ匕固定領域 11の一端 (境界 ENTと反対側）に接続されている。また、 第 2MOSトランジスタ TR2のソース Zドレインの一方がグラウンド線 GNDに接続され ており、他方が第 2磁ィ匕固定領域 12の一端 (境界 ENTと反対側）に接続されている。 第 1MOSトランジスタ TR1のゲートは、第 1ワード線 WL1に接続されており、第 2MO Sトランジスタ TR2のゲートは、第 2ワード線 WL2に接続されている。
[0053] また、磁化反転領域 13の一端 (境界 ENTと反対側）には、第 1ビット線 BL1が接続 されている。この第 1ビット線 BL1は、書き込み電流 IW1、 IW2を磁化反転領域 13に 供給するための書き込み配線である（図 4、図 6参照)。また、 MTJの一端であるピン 層 30には、第 2ビット線 BL2が接続されている。この第 2ビット線 BL2は、 MTJに読み 出し電流を供給するための読み出し配線である。
[0054] 図 8は、図 7に示された回路構成の場合のデータ読み書き方法を要約的に示して いる。データ「1」の書き込みの場合、第 1ワード線 WL1及び第 2ワード線 WL2の電位 は、それぞれ" High"及び" Low"に設定される。これにより、第 1MOSトランジスタ T R1がオンし、第 2MOSトランジスタ TR2がオフする。更に、第 1ビット線 BL1 (書き込 み配線）が選択され、その電位力 ' High"に設定される。一方、第 2ビット線 BL2は" O pen"に設定される。その結果、第 1書き込み電流 IW1が、第 1ビット線 BL1から、磁 化反転領域 13、第 1磁ィ匕固定領域 11及び第 1MOSトランジスタ TR1を経由して、グ ラウンド線 GNDに流れる。
[0055] データ「0」の書き込みの場合、第 1ワード線 WL1及び第 2ワード線 WL2の電位は、 それぞれ" Low"及び" High"に設定される。これにより、第 1MOSトランジスタ TR1 がオフし、第 2MOSトランジスタ TR2がオンする。更に、第 1ビット線 BL1 (書き込み 配線）が選択され、その電位力 ' High"に設定される。一方、第 2ビット線 BL2は" Op en"に設定される。その結果、第 2書き込み電流 IW2が、第 1ビット線 BL1から、磁ィ匕 反転領域 13、第 2磁ィ匕固定領域 12及び第 2MOSトランジスタ TR2を経由して、ダラ ゥンド線 GNDに流れる。
[0056] データ読み出し時、第 1ワード線 WL1及び第 2ワード線 WL2の少なくとも一方の電 位が" High"に設定される。これにより、第 1MOSトランジスタ TR1と第 2MOSトラン ジスタ TR2の少なくとも一方がオンする。更に、第 2ビット線 BL2 (読み出し配線）が選 択され、その電位力 High"に設定される。一方、第 1ビット線 BL1は "Open"に設定 される。その結果、読み出し電流が、第 2ビット線 BL2から、 MTJ及び磁気記録層 10 を経由して、グラウンド線 GNDに流れる。尚、読み出し電流の大きさは、磁化反転領 域 13の磁ィ匕の向きが変わらない程度に小さく設定されている。
[0057] 図 9は、複数の磁気メモリセル 1がアレイ状に配置されたメモリセルアレイを示してい る。各磁気メモリセル 1は、図 7に示された構成と同じ構成を有している。例えば、磁 気メモリセル laは、ワード線 WLla、 WL2a、ビット線 BL1、 BL2、及びグラウンド線に 接続されている。また、磁気メモリセル lbは、ワード線 WLlb、 WL2b、ビット線 BL1、 BL2、及びグラウンド線に接続されている。ワード線 WLは、 X軸に沿って配置された 磁気メモリセル群によって共有されている。また、ビット線 BLは、 Y軸に沿って配置さ れた磁気メモリセル群によって共有されて 、る。
[0058] また、磁気メモリセル laは、磁ィ匕反転領域 13が右側（+X方向）に突出した「第 1パ ターン」を有している。一方、磁気メモリセル lbは、磁化反転領域 13が左側（—X方 向）に突出した「第 2パターン」を有している。すなわち、 Y軸に沿って配置された磁気 メモリセル la及び lbは、 Y軸に対して線対称の関係を有している。図 9に示されたメ モリセルアレイは、第 1パターンと第 2パターンが交互に現れるように設計されて!、る。 その場合、いずれかのパターンだけが現れる場合と比較して、セルアレイの面積を縮 小することが可能となり、好適である。
[0059] 図 10は、磁気メモリセル 1の回路構成の他の例を示している。図 10において、第 1 MOSトランジスタ TR1のソース Zドレインの一方が第 1グラウンド線 GND1に接続さ れており、他方が第 1磁ィ匕固定領域 11の一端に接続されている。また、第 2MOSトラ ンジスタ TR2のソース Zドレインの一方が第 2グラウンド線 GND2に接続されており、 他方が第 2磁ィ匕固定領域 12の一端に接続されている。 MOSトランジスタ TR1、 TR2 のゲートは、共通のワード線 WLに接続されている。また、磁化反転領域 13の一端に は、第 1ビット線 BL1 (書き込み配線）が接続されている。また、 MTJの一端であるピ ン層 30には、第 2ビット線 BL2 (読み出し配線）が接続されている。このような構成に よっても、データの読み書きが実現される。
[0060] 1 3.磁化の固定
次に、第 1磁ィ匕固定領域 11及び第 2磁ィ匕固定領域 12の磁ィ匕を固定するための方 法を説明する。例として、上述の構造例 1の場合の磁化固定を説明する。構造例 2の 場合は、磁ィ匕の向きが正反対に固定されればよい。
[0061] (交換結合）
図 11は、磁ィ匕固定手段を備えた磁気メモリセル 1を示す側面図である。この磁気メ モリセル 1は、第 1ピユング層 41と第 2ピユング層 42を磁ィ匕固定手段として備えている 。第 1ピユング層 41は、第 1磁ィ匕固定領域 11に— S方向のバイアス磁界を印加する。 一方、第 2ピユング層 42は、第 2磁ィ匕固定領域 12に +T方向のバイアス磁界を印加 する。
[0062] 例えば、第 1ピユング層 41は、 S方向に磁ィ匕が固定された強磁性体層を含んで おり、その強磁性体層は、第 1磁ィ匕固定領域 11に密着するように形成されている。こ の第 1ピユング層 41は、「交換結合 (exchange coupling)」によって、第 1磁化固定領 域 11の固定磁ィ匕 Mlの向きを一 S方向に固定している。一方、第 2ピニング層 42は、 +T方向に磁ィ匕が固定された強磁性体層を含んでおり、その強磁性体層は、第 2磁 化固定領域 12に密着するように形成されている。この第 2ピニング層 42も、交換結合 によって、第 2磁ィ匕固定領域 12の固定磁ィ匕 M2の向きを +T方向に固定している。ピ ユング層 41、 42は、例えば、交換バイアスを利用した CoFeZPtMnの積層膜である
[0063] 尚、ピユング層 41、 42の構成は、図 11に示された構成に限られない。ピニング層 4 1、 42は、強磁性体層（CoFe等)だけを含んでいてもよいし、反強磁性体層 (PtMn 等)だけを含んでいてもよい。ピユング層 41、 42は、強磁性体層と反強磁性体層の 両方を含んでいてもよい。また、ピユング層 41、 42は、更に、強磁性体層と磁ィ匕固定 領域 11、 12との間に設けられた中間層 (Ru等)を含んでいてもよい。強磁性体層と 磁ィ匕固定領域 11、 12とは、強磁性的に結合していてもよいし、反強磁性的に結合し ていてもよい。また、強磁性体層は、中間層（Ru等）を介して磁気的に結合した多層 膜であってもよい。
[0064] (静磁結合）
図 12は、磁ィ匕固定手段を備えた磁気メモリセル 1を示す側面図である。この磁気メ モリセル 1は、第 1ピユング層 41と第 2ピユング層 42を磁ィ匕固定手段として備えている 。第 1ピユング層 41は、第 1磁ィ匕固定領域 11に— S方向のバイアス磁界を印加する。 一方、第 2ピユング層 42は、第 2磁ィ匕固定領域 12に +T方向のバイアス磁界を印加 する。
[0065] 例えば、第 1ピユング層 41は、 +S方向に磁ィ匕が固定された強磁性体層を含んで おり、その強磁性体層は、第 1磁化固定領域 11から離れて形成されている。この第 1 ピユング層 41は、「静磁結合 (static coupling)」によって、第 1磁化固定領域 11の固 定磁ィ匕 Mlの向きを一 S方向に固定している。一方、第 2ピニング層 42は、 T方向 に磁ィ匕が固定された強磁性体層を含んでおり、その強磁性体層は、第 2磁化固定領 域 12から離れて形成されている。この第 2ピニング層 42も、静磁結合によって、第 2 磁ィ匕固定領域 12の固定磁ィ匕 M2の向きを +T方向に固定している。ピユング層 41、 42は、例えば、交換バイアスを利用した CoFe/PtMnの積層膜である。
[0066] 尚、ピユング層 41、 42の構成は、図 12に示された構成に限られない。ピユング層 4 1、 42は、強磁性体層（CoFe等）だけを含んでいてもよい。ピユング層 41、 42は、強 磁性体層と反強磁性体層の両方を含んでいてもよい。また、強磁性体層は、中間層（ Ru等)を介して磁気的に結合した多層膜であってもよい。
[0067] 図 11や図 12において、第 1ピユング層 41及び第 2ピユング層 42は、それぞれ第 1 磁ィ匕固定領域 11及び第 2磁ィ匕固定領域 12の下方に設けられている。第 1ピユング 層 41及び第 2ピユング層 42は、それぞれ第 1磁ィ匕固定領域 11及び第 2磁ィ匕固定領 域 12の下方や側方に設けられて 、てもよ 、。
[0068] また、図 13Aや図 13Bに示されるように、第 1ピユング層 41と第 2ピユング層 42の代 わりに、 1つのピユング層 40が設けられていてもよい。そのピユング層 40は、少なくと も第 1磁ィ匕固定領域 11と第 2磁ィ匕固定領域 12とオーバーラップするように設けられて いる。ピユング層 40の磁化の向きは、—Y方向（第 1磁ィ匕固定領域 11から第 2磁ィ匕固 定領域 12へ向カゝぅ方向）に固定されている。このピユング層 40の磁化は、交換結合 あるいは静磁結合によって磁ィ匕固定領域 11、 12に影響を及ぼす。そして、磁化固定 領域 11、 12の磁ィ匕は、形状磁気異方性によって、それぞれ長手方向に沿って安定 化する。その結果、図に示されるように、磁ィ匕固定領域 11、 12の磁ィ匕の向きが固定 される。
[0069] 逆に言えば、本実施の形態に係る構造だ力もこそ、図 13Aや図 13Bに示された磁 化固定方法が可能である。本実施の形態によれば、磁ィ匕固定領域 11、 12の磁ィ匕が 共に Y方向の成分を有するように設計を行う必要がある。つまり、 Y成分に関して 言えば、磁ィ匕固定領域 11、 12の磁化の向きは、逆ではなく同じである。従って、磁 ィ匕固定領域 11、 12の磁ィ匕を別々に固定する必要はない。上述の 1つのピユング層 4 0を用いることによって、磁ィ匕固定領域 11、 12の磁ィ匕の向きを固定することが可能で ある。
[0070] (その他）
図 14は、その他の磁ィ匕固定方法を要約的に示している。例えば、磁化固定領域 1 1、 12は、 Y軸方向（第 1磁ィ匕固定領域 11と第 2磁ィ匕固定領域 12が並ぶ方向）に沿 つて結晶磁気異方性を有するように形成される。具体的には、 Y軸方向に沿った磁 界中でスパッタリング及びアニーリングが行われ、磁ィ匕固定領域 11、 12が形成される 。磁ィ匕固定領域 11、 12の磁ィ匕は、結晶磁気異方性及び形状磁気異方性によって、 それぞれ長手方向に沿って安定化する。また、 Y方向の外部磁界が、磁気メモリセル 1に均一に印加されてもよい。例えば、数 Oeの磁石がパッケージに設けられるとよい
[0071] また、図 14に示されるように、隣接する磁気メモリセル la、 lb同士を磁気的に相互 作用させてもよい。図 14に示される例の場合、磁気メモリセル laの第 2磁ィ匕固定領 域 12aの固定磁ィ匕と、隣接する磁気メモリセル lbの第 1磁ィ匕固定領域 l ibの固定磁 化とは、互いに影響を及ぼし合っている。これにより、磁化の固定が安定し、熱擾乱 耐性が向上する。影響を大きくするためには、隣接する磁気メモリセル la、 lb間の距 離を小さくすればよい。また、上述の各種磁化固定方法は、組み合わされて適用され てもよい。その場合、磁ィ匕の固定は更に安定し、熱擾乱耐性は更に向上する。
[0072] 1 -4.効果
以上に説明されたように、本発明によれば、ランダムアクセス可能な MRAMに関し て、新たなデータ読み書き方式が提供される。データ書き込みは、磁気記録層 10〖こ おける一方向のスピン注入によって実現される。データ読み出しは、 MTJを用いるこ とによって実現される。これによる効果は以下の通りである。
[0073] まず、ァステロイド方式と比較して、優れたメモリセルの選択性が確保される。ァステ ロイド方式の場合、書き込み磁界の閾値のばらつき力 2次元メモリセルアレイにおけ るメモリセルの選択性を低下させる。し力しながら、スピン注入方式によれば、書き込 み電流が対象メモリセルだけに作用する。従って、ディスターバンスが大幅に低減さ れる。すなわち、選択書き込み性が向上する。
[0074] また、ァステロイド方式やトグル方式と比較して、書き込み電流のスケーリング性が 向上する。ァステロイド方式やトグル方式の場合、メモリセルサイズにほぼ反比例して 、磁化反転領域の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メ モリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する傾向にある。しかしなが ら、スピン注入方式によれば、磁化反転の閾値は電流密度に依存する。メモリセルサ ィズが縮小されるにつれて電流密度は増加するので、メモリセルの微細化に伴い書 き込み電流を低減することが可能である。言い換えれば、メモリセルサイズが縮小さ れても、書き込み電流を大きくする必要がなくなる。その意味で、書き込み電流のスケ 一リング性が向上する。このことは、大容量の MRAMを実現にとって重要である。
[0075] また、ァステロイド方式やトグル方式と比較して、電流磁界変換効率が増加する。ァ ステロイド方式やトグル方式の場合、書き込み電流はジュール熱で消費される。電流 磁界変換効率を向上させるためには、フラックスキーパーやヨーク構造と 、つた書き 込み専用配線を設ける必要があった。これは、製造プロセスの複雑ィ匕ゃ配線インダク タンスの増加を招く。しかしながら、スピン注入方式によれば、書き込み電流が、スピ ントランスファーに直接寄与する。従って、電流磁界変換効率が増加する。これにより 、製造プロセスの複雑ィ匕ゃ配線インダクタンスの増加が防止される。
[0076] 更に、従来のスピン注入方式と比較して、 MTJ (トンネルバリヤ層 20)の劣化が抑制 される。従来のスピン注入磁化反転は、 CPP (Current Perpendicular to Plane)方式 により実現され、書き込み電流は膜面に垂直に注入される。データ書き込み時の書き 込み電流は、読み出し電流よりもはるかに大きぐその大電流がトンネルバリヤ層 20 を破壊する恐れがあった。し力しながら、本発明に係る書き込み方式によれば、読み 出し時の電流経路と書き込み時の電流経路が分離されている。具体的には、データ 書き込み時、書き込み電流 IW1, IW2は、 MTJを貫通せず、磁気記録層 10の面内 を流れる。データ書き込み時、大電流を MTJ膜面に垂直に注入する必要がない。従 つて、 MTJにおけるトンネルバリヤ層 20の劣化が抑制される。
[0077] 更に、従来のスピン注入方式と比較して、書き込み電流の制御が容易になる。従来 のスピン注入方式、特に「磁壁移動方式」によれば、書き込みデータに応じて、書き 込み電流の方向を反転させる必要がある。このことは、書き込み電流の制御や周辺 回路の構成を複雑にする。しカゝしながら、本発明によれば、異なるスピンを有する電 子は、同じ境界 ENTを通して磁ィ匕反転領域 13に注入され、書き込み電流 IW1, IW 2は同じ方向に流れる（図 4、図 6参照)。書き込み電流 IW1, IW2は、磁気記録層 10 の磁化反転領域 13に対して一方向から供給される。従って、書き込み電流の制御や 周辺回路の構成が簡略化される。
[0078] 更に、従来の磁壁移動方式と比較して、磁化固定領域の磁化が安定化する。従来 の磁壁移動方式によれば、書き込み電流は、スピン電子の供給源ではない磁ィ匕固 定領域にも流されていた。一方、本発明によれば、スピン電子の供給源ではない磁 化固定領域には、書き込み電流は流れない。よって、その磁ィ匕固定領域の固定磁ィ匕 が他の領域からのスピン注入により反転してしまうことが防止される。
[0079] 本発明によれば、上述の効果が同時に得られる。高集積'高速動作'低消費電力 の MRAMを実現するために、本発明に係る技術は極めて有用である。
[0080] 2.第 2の実施の形態
磁気記録層 10の形状として、更に他のパターンも考えられる。図 15は、磁気記録 層 10の形状を規定する各パラメータを示している。第 1磁ィ匕固定領域 11の長さ及び 幅は、それぞれ 及び で表されるとする。第 2磁化固定領域 12の長さ及び幅は、 それぞれ 1及び wで表されるとする。磁化反転領域 13の長さ及び幅は、それぞれ 1
2 2 3 及び wで表されるとする。また、第 1磁ィ匕固定領域 11と第 2磁ィ匕固定領域 12のなす
3
角、すなわち、 S軸と Τ軸のなす角は、 0 で表されるとする。第 2磁ィ匕固定領域 12と 磁ィ匕反転領域 13のなす角、すなわち、 Τ軸と X軸のなす角は、 Θ で表されるとする。
2
磁化反転領域 13と第 1磁化固定領域 11のなす角、すなわち、 X軸と S軸のなす角は 、 Θ で表されるとする。
3
[0081] ノ ラメータ 1、 wは、それぞれ任意の値に設定されてよい。また、パラメータ 0 、 Θ も
2 3
、それぞれ 90度〜 180度の範囲で任意に設定されてよい。ただし、好ましくは、パラ メータ θ 、 Θ は同じ値に設定される。これにより、第 1書き込み動作と第 2書き込み
2 3
動作の間で、スピン電子の注入効率の差が抑制される。更に、幅 Wと幅 Wは同じ値
1 2 に設定され、長さ 1
1と長さ 1
2も同じ値に設定されることが好適である。すなわち、磁気 記録層 10が X軸に関して鏡面対称な形状を有して 、ることが好適である。これにより 、第 1書き込み電流 IW1と第 2書き込み電流 IW2の大きさが一致することが期待され る。
[0082] 図 16は、磁気記録層 10の他の形状を示している。図 16において、第 1磁化固定領 域 11及び第 2磁ィ匕固定領域 12は、湾曲するように形成されている。具体的には、第 1磁ィ匕固定領域 11の延伸方向は、磁化反転領域 13に近づくにつれて、 Υ方向から X方向に変化している。同様に、第 2磁ィ匕固定領域 12の延伸方向は、磁化反転領域 13に近づくにつれて、 Υ方向力も X方向に変化している。このような形状によれば、 磁ィ匕固定領域 11, 12から磁ィ匕反転領域 13に流れ込むスピン電子の磁気モーメント の X成分が多くなる。従って、書き込み電流 IW1, IW2が低減される。
[0083] 図 17は、磁気記録層 10の更に他の形状を示している。図 17において、磁化反転 領域 13は、他の領域に比べて幅広に形成されており、その幅 wは、幅 wと幅 wの
3 1 2 合計程度となるように設計されている。磁ィ匕固定領域 11, 12は、磁化反転領域 13の 境界 ΕΝΤに接続されており、その境界 ΕΝΤは直線状に形成されている。このような 形状も、 "Υ字形状"に含まれる。
[0084] 図 18は、磁気記録層 10の更に他の形状を示している。図 18において、磁気記録 層 10の各領域は互いに滑らかに接続されており、磁気記録層 10の側面は丸みを帯 びている。より詳細には、磁気記録層 10は、磁化反転領域 13と第 1磁化固定領域 1 1にわたる第 1側面 J13と、磁ィ匕反転領域 13と第 2磁ィ匕固定領域 12にわたる第 2側面 J23と、第 1磁ィ匕固定領域 11と第 2磁ィ匕固定領域 12にわたる第 3側面 J12とを有して いる。図 18において、これら側面 J13, J23, J12が滑らかに形成されている。その結 果、スピン電子の供給がスムーズに行われ、書き込み電流 IW1, IW2が低減される。 また、磁ィ匕固定領域 11, 12の間で固定磁ィ匕の向きが滑らかに変化するため、その 固定磁化の状態が安定化する。尚、第 1側面 J13、第 2側面 J23、及び第 3側面 J12 のうち少なくとも 1つが滑らかに形成されていれば、効果が期待される。
[0085] 3.第 3の実施の形態
書き込み電流 IW1, IW2を更に低減するため、磁ィ匕反転領域 13における磁ィ匕反 転は、外部から印加される磁界によってアシストされてもよい。例えば、図 19は、磁ィ匕 反転をアシストするためのアシスト配線 50が設けられた構成の一例を示して 、る。こ のアシスト配線 50は、磁気メモリセル 1の磁ィ匕反転領域 13と交差するように設けられ る。図 19においては、複数の磁気メモリセル 1が Y軸に沿って配置されており、 1本の アシスト配線 50が、その複数の磁気メモリセル 1のそれぞれの磁ィ匕反転領域 13に対 して共通に設けられている。
[0086] 書き込み動作時、書き込み電流 IW1, IW2が流されると同時に、アシスト配線 50〖こ アシスト電流 lasが流される。このアシスト電流 lasによって磁ィ匕反転領域 13に印加さ れる磁界 (アシスト磁界）の向きは、磁ィ匕反転をアシストする向きである。例えば、ある 書き込み動作により、磁化反転領域 13の磁化の向きが +X方向に変化する場合、ァ シスト磁界の向きも +X方向に設定される。逆に言えば、磁ィ匕反転がアシストされるよ うに、アシスト電流 lasの方向が制御される。このようなアシスト配線 50を設けることに よって、書き込み電流 IW1, IW2を低減することが可能となる。
[0087] 図 20は、図 19に示された構造の側面図である。図 20において、アシスト配線 50は 、磁化反転領域 13と交差するように、磁化反転領域 13の下方に設けられている。ァ シスト配線 50は、磁ィ匕反転領域 13の上方に設けられていてもよい。また、図 20に示 されるように、アシスト配線 50はヨーク配線構造を有していてもよい。この場合、アシス ト配線 50は、メタル配線 51と磁性層 52から構成され、メタル配線 51の面のうち磁ィ匕 反転領域 13と対向していない面力 磁性層 52によって覆われている。磁性層 52は、 メタル配線 51の底面だけを覆っていてもよい。このようなヨーク配線構造によってァシ スト磁界が増大し、書き込み電流 IW1、 IW2を更に低減することが可能となる。
[0088] 図 21においては、磁ィ匕反転領域 13とアシスト配線 50との間に、更に補助磁性層 5 3が設けられている。この場合、アシスト配線 50にアシスト電流 lasが流れると、それに より発生する磁界が補助磁性層 53を磁ィ匕する。その補助磁性層 53の磁化が、磁気 的相互作用（交換結合、静磁結合）により、磁ィ匕反転をアシストする。補助磁性層 53 は、アシスト磁界を増幅する役割を果たしている。
[0089] アシスト配線 50は、磁気メモリセル 1ごとに別々に設けられてもよい。アシスト配線 5 0の本数を減らすためには、図 19に示されるように、複数の磁気メモリセル 1に対して 1本のアシスト配線 50が共通に設けられることが好適である。但し、その場合、非選 択セルにもアシスト磁界が印加される。そのため、スピン注入とアシスト磁界の組み合 わせにより磁ィ匕反転が起こるように、磁化反転領域 13の磁性が設計される。
[0090] 4.第 4の実施の形態
磁気記録層 10は、磁気的に結合した複数の強磁性層から構成されて 、てもよ!/、。 つまり、磁気記録層 10は、積層構造 (多層構造)を有していてもよい。磁気的な結合 としては、強磁性的結合、反強磁性的結合、静磁的結合、 RKKY的結合などが挙げ られる。以下、例として、磁気記録層 10がシンセテイツク反強磁性 (SAF: Synthetic A nti-Ferromagnetic)層力 構成される場合が説明される。
[0091] 図 22において、磁気記録層 10は、中間層 14を介して反強磁性的に結合した第 1 強磁性層 10aと第 2強磁性層 10bを含んでいる。中間層 14は非磁性層であり、例え ば Ru層である。第 1強磁性層 10aは、第 1磁ィ匕固定領域 l la、第 2磁化固定領域 12 a、及び磁化反転領域 13aを有している。一方、第 2強磁性層 10bは、磁化反転領域 13bだけを有している。この磁ィ匕反転領域 13bが、トンネルバリヤ層 20を介してピン 層 30に隣接している。磁化反転領域 13a、 13bは反強磁性的に結合しており、それ らの磁化の向きは逆になる。よって、磁化反転領域 13a、 13bの一方の磁化が反転し た場合、他方の磁化も反転する。 [0092] データ書き込み時、第 1強磁性層 10aに書き込み電流が流れる。既出の実施の形 態と同様に、スピン注入によって、磁化反転領域 13aの磁化が反転する。それに伴い 、第 2強磁性層 10bの磁ィ匕反転領域 13bの磁化も反転する。データ読み出しは、ピン 層 30を用い、磁ィ匕反転領域 13bの磁ィ匕方向をセンスすることによって行われる。
[0093] このような構造によっても、既出の実施の形態と同様の効果が得られる。また、積層 構造により磁気記録層 10の実効的な体積が増加するため、熱擾乱耐性が向上する 。更に、次の理由により、素子設計の自由度が高まる。磁気記録層 10が第 1強磁性 層 10aと第 2強磁性層 10bと中間層 14からなる場合、書き込み特性は主に第 1強磁 性層 10aに支配され、読み出し特性 (MR比など）は主に第 2強磁性層 10bに支配さ れる。よって、トンネルバリヤ層 20に隣接する第 2強磁性層 10bの材料として、読み出 し特性を高めるような材料 (CoFe、 CoFeBなど）を用い、一方、書き込み電流が流れ る第 1強磁性層 10aの材料として、書き込み特性を高めるような材料 (NiFeなど)を用 いることができる。つまり、所望の特性に応じて、それぞれの強磁性層の特性を独立 して自由にコントロールすることが可能となる。書き込み特性と読み出し特性を別々 に向上させることが可能となる。このように、磁気記録層 10を多層化することによって 、素子設計の自由度が向上する。このメリットは、 CPPスピン注入方式では実現でき ない。それは、 CPPスピン注入方式の場合、書き込み特性も読み出し特性も、トンネ ルバリヤ層に隣接する強磁性層によって支配されるからである。
[0094] 尚、図 22において、中間層 14は、第 1強磁性層 10aと同じ平面形状を有するように 作製されている。この場合、中間層 14は、製造プロセス中の酸ィ匕ゃエッチング力も第 1強磁性層 10aを保護する役割も果たして 、る。
[0095] 図 23は変形例を示している。図 23において、第 1強磁性層 10aは、第 1磁化固定 領域 l la、第 2磁ィ匕固定領域 12a、及び磁ィ匕反転領域 13aを有している。また、第 2 強磁性層 10bも、第 1磁ィ匕固定領域 l lb、第 2磁ィ匕固定領域 12b、及び磁化反転領 域 13bを有している。第 1磁ィ匕固定領域 l la、 l ibの固定磁ィ匕の向きは逆である。第 2磁ィ匕固定領域 12a、 12bの固定磁ィ匕の向きは逆である。また、磁化反転領域 13a、 13bの磁化の向きは逆になる。よって、磁化反転領域 13a、 13bの一方の磁ィ匕が反 転した場合、他方の磁化も反転する。 [0096] データ書き込み Z読み出しは、図 22の場合と同様に行われる。得られる効果も、図 22の場合と同様である。尚、図 23において、トンネルバリヤ層 20は、磁気記録層 10 と同じ平面形状を有するように作製されている。この場合、トンネルバリヤ層 20は、製 造プロセス中の酸ィ匕ゃエッチングカゝら磁気記録層 10を保護する役割も果たして ヽる
[0097] 5.第 5の実施の形態
図 24は、本発明の第 5の実施の形態に係る磁気メモリセル 1の構造を示す側面図 である。図 24において、磁気記録層 10は、シード層 60の上に形成されている。この シード層 60は、磁気記録層 10の形成時の結晶成長をコントロールするための層であ る。シード層 60を用いることによって、書き込み特性及び読み出し特性が向上するよ うに、磁気記録層 10の結晶性を制御することが出来る。尚、書き込み電流がシード層 60だけに選択的に流れないように、シード層 60の材料としては、電気抵抗の高い材 料が用いられる。
[0098] 6.第 6の実施の形態
図 25A及び図 25Bは、本発明の第 6の実施の形態に係る磁気メモリセル 1の構造 を示す側面図である。本実施の形態において、トンネルバリヤ層 20は、磁気記録層 1 0と同じ平面形状を有している。図 25Aにおいて、トンネルバリヤ層 20の膜厚は均一 である。また、図 25Bに示されるように、ピン層 30の形成時のエッチングにより、トンネ ルバリヤ層 20の一部が除去されていてもよい。いずれの場合においても、トンネルバ リャ層 20は、製造プロセス中の酸ィ匕ゃエッチング力も磁気記録層 10を保護する役割 を果たしている。

Claims

請求の範囲
[1] 強磁性層である磁気記録層と、
非磁性層を介して前記磁気記録層に接続されたピン層と
を備え、
前記磁気記録層は、
反転可能な磁化を有し前記ピン層とオーバーラップする磁化反転領域と、 第 1固定磁化を有し前記磁化反転領域の一端に接続された第 1磁化固定領域と、 第 2固定磁ィ匕を有し前記一端に接続された第 2磁ィ匕固定領域と
を有し、
前記第 1固定磁化と前記第 2固定磁化の一方が前記一端へ向かう方向に固定され 、他方が前記一端から離れる方向に固定された
MRAM。
[2] 請求の範囲 1に記載の MRAMであって、
前記磁化反転領域、前記第 1磁化固定領域、及び前記第 2磁化固定領域は、三叉 路を形成する
MRAM。
[3] 請求の範囲 1に記載の MRAMであって、
前記磁気記録層は、 Y字状に形成され、
前記磁化反転領域の長手方向は第 1方向であり、
前記第 1磁ィヒ固定領域の長手方向は第 2方向であり、
前記第 2磁化固定領域の長手方向は第 3方向である
MRAM。
[4] 請求の範囲 3に記載の MRAMであって、
前記第 1方向と前記第 2方向のなす角は、前記第 1方向と前記第 3方向のなす角と 等しい
MRAM。
[5] 請求の範囲 3に記載の MRAMであって、
前記磁気記録層は、前記第 1方向に沿った軸に関して、鏡面対称な形状を有する MRAM。
[6] 請求の範囲 3乃至 5の!、ずれかに記載の MRAMであって、
前記磁気記録層は、
前記磁ィヒ反転領域と前記第 1磁ィヒ固定領域にわたる第 1側面と、
前記磁ィヒ反転領域と前記第 2磁ィヒ固定領域にわたる第 2側面と、
前記第 1磁化固定領域と前記第 2磁化固定領域にわたる第 3側面と
を有し、
前記第 1側面、前記第 2側面、及び前記第 3側面のうち少なくとも 1つが滑らかに形 成された
MRAM。
[7] 請求の範囲 1乃至 6のいずれかに記載の MRAMであって、
前記磁化反転領域、前記第 1磁化固定領域、及び前記第 2磁化固定領域は、同一 平面上に形成された
MRAM。
[8] 請求の範囲 1乃至 7のいずれかに記載の MRAMであって、
交換結合と静磁結合のいずれかにより、前記第 1固定磁化及び前記第 2固定磁ィ匕 の向きを固定するピニング層を更に備える
MRAM。
[9] 請求の範囲 8に記載の MRAMであって、
前記ピニング層は、少なくとも前記第 1磁化固定領域及び前記第 2磁化固定領域と オーバーラップするように設けられ、 前記ピニング層の磁化の向きは、前記第 1磁化固定領域から前記第 2磁化固定領 域へ向かう方向、あるいは、前記第 2磁化固定領域から前記第 1磁化固定領域へ向 力う方向である
MRAM。
[10] 請求の範囲 8に記載の MRAMであって、
前記ピニング層は、
前記第 1固定磁ィヒの向きを固定する第 1ピニング層と、 前記第 2固定磁ィ匕の向きを固定する第 2ピユング層と
を含む
MRAM。
[11] 請求の範囲 1乃至 7のいずれかに記載の MRAMであって、
前記第 1磁化固定領域及び前記第 2磁化固定領域は、前記第 1磁化固定領域と前 記第 2磁ィ匕固定領域が並ぶ方向に沿って結晶磁気異方性を有するように形成された MRAM。
[12] 請求の範囲 1乃至 7のいずれかに記載の MRAMであって、
前記第 1磁化固定領域から前記第 2磁化固定領域へ向かう方向、あるいは、前記 第 2磁ィ匕固定領域力 前記第 1磁ィ匕固定領域へ向力 方向に外部磁界が印加される MRAM。
[13] 請求の範囲 1乃至 12のいずれかに記載の MRAMであって、
前記磁気記録層は、磁気的に結合した複数の強磁性層からなり、
前記複数の強磁性層のうち少なくとも 1つが、前記磁化反転領域、前記第 1磁化固 定領域、及び前記第 2磁化固定領域を有する
MRAM。
[14] 請求の範囲 1乃至 13のいずれかに記載の MRAMであって、
アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを具備し、
前記複数の磁気メモリセルの各々は、前記磁気記録層と前記ピン層を備える MRAM。
[15] 請求の範囲 14に記載の MRAMであって、
前記複数の磁気メモリセルは、第 1軸に沿って配置された第 1磁気メモリセルと第 2 磁気メモリセルを含み、
前記第 1磁気メモリセルの前記磁気記録層の形状と前記第 2磁気メモリセルの前記 磁気記録層の形状は、前記第 1軸に対して線対称の関係を有する
MRAM。
[16] 請求の範囲 1乃至 15のいずれかに記載の MRAMであって、
第 1書き込み動作時、第 1書き込み電流が、前記磁化反転領域から前記一端を通 つて前記第 1磁ィヒ固定領域に流され、
第 2書き込み動作時、第 2書き込み電流が、前記磁化反転領域から前記一端を通 つて前記第 2磁ィ匕固定領域に流される
MRAM。
[17] 請求の範囲 16に記載の MRAMであって、
前記第 1固定磁化は、前記一端へ向かう方向に固定され、
前記第 2固定磁化は、前記一端から離れる方向に固定され、
前記第 1書き込み動作により、前記磁化反転領域の磁化は、前記一端から離れる 方向へ向き、
前記第 2書き込み動作により、前記磁化反転領域の磁化は、前記一端へ向かう方 向へ向く
MRAM。
[18] 請求の範囲 16に記載の MRAMであって、
前記第 1固定磁化は、前記一端から離れる方向に固定され、
前記第 2固定磁化は、前記一端へ向かう方向に固定され、
前記第 1書き込み動作により、前記磁化反転領域の磁化は、前記一端へ向かう方 向へ向き、
前記第 2書き込み動作により、前記磁化反転領域の磁化は、前記一端から離れる 方向へ向く
MRAM。
[19] 請求の範囲 17に記載の MRAMであって、
更に、前記磁化反転領域と交差するように形成されたアシスト配線を備え、 前記第 1書き込み動作時、前記アシスト配線を流れる電流によって前記磁化反転 領域に印加される磁界の向きは、前記一端から離れる方向を向き、
前記第 2書き込み動作時、前記アシスト配線を流れる電流によって前記磁化反転 領域に印加される磁界の向きは、前記一端へ向かう方向を向く
MRAM。
[20] 請求の範囲 18に記載の MRAMであって、 更に、前記磁化反転領域と交差するように形成されたアシスト配線を具備し、 前記第 1書き込み動作時、前記アシスト配線を流れる電流によって前記磁化反転 領域に印加される磁界の向きは、前記一端へ向かう方向を向き、
前記第 2書き込み動作時、前記アシスト配線を流れる電流によって前記磁化反転 領域に印加される磁界の向きは、前記一端から離れる方向を向く
MRAM。
[21] 請求の範囲 19又は 20に記載の MRAMであって、
複数の磁気メモリセルを具備し、
前記複数の磁気メモリセルの各々が、前記磁気記録層と前記ピン層を備え、 前記アシスト配線は、前記複数の磁気メモリセルのそれぞれの前記磁化反転領域 に対して共通に設けられた
MRAM。
[22] 請求の範囲 16乃至 21のいずれかに記載の MRAMであって、
読み出し動作時、読み出し電流は、前記非磁性層を介して、前記ピン層と前記磁 気記録層との間を流れる
MRAM。
[23] MRAMのデータ読み書き方法であって、
前記 MRAMは、
強磁性層である磁気記録層と、
非磁性層を介して前記磁気記録層に接続されたピン層と
を備え、
前記磁気記録層は、
反転可能な磁化を有し前記ピン層とオーバーラップする磁化反転領域と、 第 1固定磁ィ匕を有する第 1磁ィ匕固定領域と、
第 2固定磁ィ匕を有する第 2磁ィ匕固定領域と
を備え、
前記磁化反転領域、前記第 1磁化固定領域、及び前記第 2磁化固定領域は、三叉 路を形成し、 前記第 1固定磁化と前記第 2固定磁化の一方が前記磁化反転領域へ向かう方向 に固定され、他方が前記磁ィ匕反転領域力 離れる方向に固定され、
前記データ読み書き方法は、
(A)第 1データを書き込む場合、第 1書き込み電流を、前記磁化反転領域から前記 第 1磁ィ匕固定領域に流すステップと、
(B)第 2データを書き込む場合、第 2書き込み電流を、前記磁化反転領域から前記 第 2磁ィ匕固定領域に流すステップと
を有する
MRAMのデータ読み書き方法。
請求の範囲 23に記載の MRAMのデータ読み書き方法であって、
(C)前記第 1データあるいは前記第 2データを読み出す場合、読み出し電流を、前 記非磁性層を介して前記ピン層と前記磁気記録層の間に流すステップ
を更に有する
MRAMのデータ読み書き方法。
PCT/JP2007/055650 2006-03-24 2007-03-20 Ｍｒａｍ、及びｍｒａｍのデータ読み書き方法 WO2007119446A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/294,397 US7848137B2 (en) 2006-03-24 2007-03-20 MRAM and data read/write method for MRAM
JP2008510822A JPWO2007119446A1 (ja) 2006-03-24 2007-03-20 Ｍｒａｍ、及びｍｒａｍのデータ読み書き方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006082188 2006-03-24
JP2006-082188 2006-03-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007119446A1 true WO2007119446A1 (ja) 2007-10-25

Family

ID=38609234

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2007/055650 WO2007119446A1 (ja) 2006-03-24 2007-03-20 Ｍｒａｍ、及びｍｒａｍのデータ読み書き方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US7848137B2 (ja)
JP (1) JPWO2007119446A1 (ja)
WO (1) WO2007119446A1 (ja)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009037909A1 (ja) * 2007-09-19 2009-03-26 Nec Corporation 磁気ランダムアクセスメモリ
WO2009038004A1 (ja) * 2007-09-20 2009-03-26 Nec Corporation 磁気ランダムアクセスメモリ
WO2009110537A1 (ja) * 2008-03-07 2009-09-11 日本電気株式会社 Ｍｒａｍ混載システム
JP2009252909A (ja) * 2008-04-03 2009-10-29 Nec Corp 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ
WO2010074132A1 (ja) * 2008-12-25 2010-07-01 日本電気株式会社 磁気メモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
WO2010087389A1 (ja) * 2009-01-30 2010-08-05 日本電気株式会社 磁気メモリ素子、磁気メモリ
JP5201536B2 (ja) * 2006-12-12 2013-06-05 日本電気株式会社 磁気抵抗効果素子及びｍｒａｍ
JP5445133B2 (ja) * 2007-09-19 2014-03-19 日本電気株式会社 磁気ランダムアクセスメモリ、その書き込み方法、及び磁気抵抗効果素子
JP5445970B2 (ja) * 2008-04-02 2014-03-19 日本電気株式会社 磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
US8687414B2 (en) 2008-12-25 2014-04-01 Nec Corporation Magnetic memory element and magnetic random access memory
JP2015060609A (ja) * 2013-09-18 2015-03-30 株式会社東芝 磁気記憶装置及びその駆動方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009093387A1 (ja) * 2008-01-25 2009-07-30 Nec Corporation 磁気ランダムアクセスメモリ及びその初期化方法
US20110186946A1 (en) * 2010-02-04 2011-08-04 Qualcomm Incorporated Magnetic Tunnel Junction with Domain Wall Pinning
CN103107281B (zh) 2011-11-15 2015-04-08 中芯国际集成电路制造(北京)有限公司 半导体器件及其制造方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005191032A (ja) * 2003-12-24 2005-07-14 Toshiba Corp 磁気記憶装置及び磁気情報の書込み方法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11195824A (ja) 1997-11-10 1999-07-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果型ヘッド
US6205053B1 (en) 2000-06-20 2001-03-20 Hewlett-Packard Company Magnetically stable magnetoresistive memory element
US6545906B1 (en) 2001-10-16 2003-04-08 Motorola, Inc. Method of writing to scalable magnetoresistance random access memory element
US6888742B1 (en) * 2002-08-28 2005-05-03 Grandis, Inc. Off-axis pinned layer magnetic element utilizing spin transfer and an MRAM device using the magnetic element
JP4400037B2 (ja) 2002-10-31 2010-01-20 日本電気株式会社 磁気ランダムアクセスメモリ，及びその製造方法
US6771534B2 (en) 2002-11-15 2004-08-03 International Business Machines Corporation Thermally-assisted magnetic writing using an oxide layer and current-induced heating
JP3863484B2 (ja) 2002-11-22 2006-12-27 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
JP3888463B2 (ja) 2002-11-27 2007-03-07 日本電気株式会社 メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP2005093488A (ja) 2003-09-12 2005-04-07 Sony Corp 磁気抵抗効果素子とその製造方法、および磁気メモリ装置とその製造方法
KR100568512B1 (ko) 2003-09-29 2006-04-07 삼성전자주식회사 열발생층을 갖는 자기열 램셀들 및 이를 구동시키는 방법들
JP4143020B2 (ja) 2003-11-13 2008-09-03 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
JP2005223086A (ja) 2004-02-04 2005-08-18 Sony Corp 磁気記憶素子及びその駆動方法、磁気メモリ
JP2005277147A (ja) 2004-03-25 2005-10-06 Tohoku Univ 磁気記録素子の記録方法及び磁気記録素子アレイ
JP2005294340A (ja) 2004-03-31 2005-10-20 Toyota Motor Corp 磁気異方性材料及びその製造方法
JP2006073930A (ja) 2004-09-06 2006-03-16 Canon Inc 磁壁移動を利用した磁気抵抗効果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
JP4932275B2 (ja) 2005-02-23 2012-05-16 株式会社日立製作所 磁気抵抗効果素子
WO2006090656A1 (ja) 2005-02-23 2006-08-31 Osaka University パルス電流による磁壁移動に基づいた磁気抵抗効果素子および高速磁気記録装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005191032A (ja) * 2003-12-24 2005-07-14 Toshiba Corp 磁気記憶装置及び磁気情報の書込み方法

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5201536B2 (ja) * 2006-12-12 2013-06-05 日本電気株式会社 磁気抵抗効果素子及びｍｒａｍ
WO2009037909A1 (ja) * 2007-09-19 2009-03-26 Nec Corporation 磁気ランダムアクセスメモリ
JP5445133B2 (ja) * 2007-09-19 2014-03-19 日本電気株式会社 磁気ランダムアクセスメモリ、その書き込み方法、及び磁気抵抗効果素子
WO2009038004A1 (ja) * 2007-09-20 2009-03-26 Nec Corporation 磁気ランダムアクセスメモリ
WO2009110537A1 (ja) * 2008-03-07 2009-09-11 日本電気株式会社 Ｍｒａｍ混載システム
JP5488833B2 (ja) * 2008-03-07 2014-05-14 日本電気株式会社 Ｍｒａｍ混載システム
JP5445970B2 (ja) * 2008-04-02 2014-03-19 日本電気株式会社 磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP2009252909A (ja) * 2008-04-03 2009-10-29 Nec Corp 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ
US8559214B2 (en) 2008-12-25 2013-10-15 Nec Corporation Magnetic memory device and magnetic random access memory
WO2010074132A1 (ja) * 2008-12-25 2010-07-01 日本電気株式会社 磁気メモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
US8687414B2 (en) 2008-12-25 2014-04-01 Nec Corporation Magnetic memory element and magnetic random access memory
JP5505312B2 (ja) * 2008-12-25 2014-05-28 日本電気株式会社 磁気メモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
WO2010087389A1 (ja) * 2009-01-30 2010-08-05 日本電気株式会社 磁気メモリ素子、磁気メモリ
US8994130B2 (en) 2009-01-30 2015-03-31 Nec Corporation Magnetic memory element and magnetic memory
JP2015060609A (ja) * 2013-09-18 2015-03-30 株式会社東芝 磁気記憶装置及びその駆動方法

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2007119446A1 (ja) 2009-08-27
US7848137B2 (en) 2010-12-07
US20090251955A1 (en) 2009-10-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5062481B2 (ja) 磁気メモリセル、磁気ランダムアクセスメモリ、及び磁気ランダムアクセスメモリへのデータ読み書き方法
JP5338666B2 (ja) 磁壁ランダムアクセスメモリ
US7486551B1 (en) Method and system for providing domain wall assisted switching of magnetic elements and magnetic memories using such magnetic elements
WO2007119446A1 (ja) Ｍｒａｍ、及びｍｒａｍのデータ読み書き方法
JP5206414B2 (ja) 磁気メモリセルおよび磁気ランダムアクセスメモリ
JP5201539B2 (ja) 磁気ランダムアクセスメモリ
JP5146836B2 (ja) 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法
JP6290487B1 (ja) 磁気メモリ
JP3863536B2 (ja) 磁気ランダムアクセスメモリ及びその磁気ランダムアクセスメモリのデータ書き込み方法
US20080151614A1 (en) Spin transfer MRAM device with magnetic biasing
US20050259463A1 (en) Multi-bit magnetic random access memory device
WO2010095589A1 (ja) 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ
KR20070106701A (ko) 스핀-전달 스위칭을 위해 구성된 고 스핀 분극 층들을 갖는 ｍｔｊ 소자 및 자기 소자를 이용한 스핀트로닉 장치
JP2007258460A (ja) 磁気メモリセル、磁気ランダムアクセスメモリ、半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP5545213B2 (ja) 磁気ランダムアクセスメモリ及びその初期化方法
JP2008171862A (ja) 磁気抵抗効果素子及びｍｒａｍ
KR20070058364A (ko) 기억 소자 및 메모리
JP5445029B2 (ja) 磁気抵抗素子、及び磁壁ランダムアクセスメモリ
JP2002353417A (ja) 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置
JP2003298145A (ja) 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置
US6992921B2 (en) Magnetic random access memory and data write method for the same
JP2004296858A (ja) 磁気記憶素子及び磁気記憶装置
JP5472821B2 (ja) 磁気抵抗素子の初期化方法、及び磁気抵抗素子
JP2002353418A (ja) 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置
JP2001256773A (ja) 磁気メモリセルのアクセス方法及び磁気メモリセル

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07739093

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008510822

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12294397

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 07739093

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1