WO2010004881A1 - 磁気ランダムアクセスメモリ、並びに磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法及び書き込み方法 - Google Patents

磁気ランダムアクセスメモリ、並びに磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法及び書き込み方法 Download PDF

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WO2010004881A1
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magnetization
recording layer
magnetic
region
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哲広 鈴木
俊輔 深見
聖万 永原
則和 大嶋
延行 石綿
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日本電気株式会社
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    • 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 (hereinafter referred to as “MRAM”), and more particularly to a domain wall motion type MRAM.
  • MRAM magnetic random access memory
  • 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.
  • a magnetic tunnel junction MTJ; Magnetic Tunnel Junction
  • the two ferromagnetic layers are composed of a magnetization fixed layer (pinned layer) whose magnetization direction is fixed and a magnetization free layer (free layer) whose magnetization direction can be reversed.
  • the MTJ resistance value (R + ⁇ R) when the magnetization direction of the pinned layer and the free layer is “antiparallel” is the MTJ value when the magnetization direction of the pinned layer and the free layer is “parallel” due to the magnetoresistive effect. It becomes larger than the resistance value (R).
  • the MRAM uses a magnetoresistive element having this MTJ as a memory cell.
  • the memory cell stores data in a non-volatile manner by utilizing the change in resistance value of the MTJ. For example, the antiparallel state is associated with data “1”, and the parallel state is associated with data “0”. Data is written to the memory cell by reversing the magnetization direction of the free layer.
  • Asteroid method and “toggle method” are known as methods for writing data to MRAM. According to these write methods, the reversal magnetic field necessary for reversing the magnetization of the free layer increases in inverse proportion to the memory cell size. That is, the write current tends to increase as the memory cell is miniaturized.
  • spin transfer method has been proposed as a write method capable of suppressing an increase in write current accompanying miniaturization (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-93488, corresponding US Pat. No. 7,193,284).
  • spin injection method a spin-polarized current is injected into the ferromagnetic conductor, and the magnetization is reversed by a direct interaction between the spin of the conduction electron carrying the current and the magnetic moment of the conductor. (Hereinafter referred to as “Spin Transfer Magnetization Switching”).
  • US Pat. No. 6,834,005 discloses a magnetic shift register using a spin injection method.
  • This magnetic shift register stores information using a domain wall in a magnetic material.
  • a current is injected so as to pass through the domain wall, and the domain wall is moved by the current.
  • the magnetization direction of each region is treated as recorded data.
  • Such a magnetic shift register is used, for example, for recording a large amount of serial data.
  • MRAM of domain wall motion type using domain wall motion by such spin injection (Domain Wall Motion) is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-191032 and WO 2005/069368 (corresponding US Application Publication No. 2008008137405). Has been.
  • An MRAM described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-191032 includes a magnetization fixed layer in which magnetization is fixed, a tunnel insulating layer stacked on the magnetization fixed layer, and a magnetization recording layer stacked on the tunnel insulating layer. . Since the magnetization recording layer includes a portion where the magnetization direction can be reversed and a portion where the magnetization direction is not substantially changed, it is referred to as a magnetization recording layer, not a magnetization free layer.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a magnetic recording layer disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-191032. In FIG. 1, the magnetization recording layer 100 has a linear shape.
  • the magnetization recording layer 100 includes a joint portion 103, a constricted portion 104, and a pair of magnetization fixed portions 101 and 102.
  • the junction 103 overlaps with a tunnel insulating layer (not shown) and a magnetization fixed layer (not shown).
  • the constricted portion 104 is adjacent to both ends of the joint portion 103.
  • the pair of magnetization fixed portions 101 and 102 are formed adjacent to the constricted portion 104.
  • the pair of magnetization fixed portions 101 and 102 are provided with fixed magnetizations in opposite directions.
  • the MRAM further includes a pair of write terminals 105 and 106 that are electrically connected to the pair of magnetization fixed portions 101 and 102.
  • the constricted portion 104 serves as a pin potential for the domain wall. Information is held depending on whether the magnetic domain wall exists in the constricted portion 104 on the left or right side or the magnetization direction of the joint portion 103. The movement of the domain wall is controlled by the aforementioned current.
  • FIG. 2 is a schematic view showing the structure of the magnetic recording layer of WO2005 / 069368.
  • the magnetic recording layer 100 is composed of three regions having different thicknesses.
  • the magnetization recording layer 100 is composed of the thickest first magnetization fixed portion 101, the second thickest second magnetization fixed portion 102, and the thinnest bonding portion 103 disposed therebetween.
  • the thicknesses of the first magnetization pinned portion 101 and the second magnetization pinned portion 102 are different in order to give fixed magnetizations in opposite directions in the initialization assumption.
  • a magnetic semiconductor having anisotropy perpendicular to the film surface is used as the magnetization recording layer, and the current for domain wall movement is as small as 0.35 mA.
  • a tunnel insulating layer and a magnetization fixed layer are disposed at the junction 103, they are omitted in FIG.
  • the step at the boundary between the junction 103, the magnetization fixed unit 101, and the magnetization fixed unit 102 functions as a pin potential. Therefore, for example, the domain wall 112 stays at the boundary between the joint portion 103 and the magnetization fixed portion 101.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the magnetization structure of the magnetic storage disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-34808.
  • the magnetic wire 140 has a plurality of magnetic domains 130 formed by a plurality of domain walls 135 along the longitudinal direction thereof. The magnetic wire is constricted and no step is provided. The domain wall is moved by a magnetic field or a current pulse, and the domain wall moving distance is controlled by the width of the pulse.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the pulse application time (horizontal axis) calculated by simulation and the domain wall position (vertical axis). As shown by the curve A, the domain wall has a tendency to stop at a certain time and become zero.
  • the domain wall position is controlled by setting the pulse application time in accordance with the stop time.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-73930 discloses a method for changing the magnetization state of a magnetoresistive effect element using domain wall motion, a magnetic memory element using the method, and a solid magnetic memory.
  • This magnetic memory element has a first magnetic layer, an intermediate layer, and a second magnetic layer, and records information in the direction of magnetization of the first magnetic layer and the second magnetic layer. It is.
  • magnetic domains that are antiparallel to each other and a domain wall that separates these magnetic domains are constantly formed in at least one of the magnetic layers, and the domain walls are moved in the magnetic layer so that adjacent magnetic domains can be moved. Information recording is performed by controlling the position.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-270069 discloses a magnetoresistive effect element and a high-speed magnetic recording apparatus based on domain wall motion by a pulse current.
  • This magnetoresistive effect element has a first magnetization fixed layer / magnetization free layer / second magnetization fixed layer.
  • This magnetoresistive effect element induces domain wall generation in the transition region between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer which is at least one boundary of the magnetization fixed layer / magnetization free layer or the magnetization free layer / second magnetization fixed layer.
  • the mechanism is provided. Then, the magnetization directions of these magnetization fixed layers are set substantially antiparallel, and a domain wall exists in one of the transition regions of the magnetization fixed layer / magnetization free layer.
  • the magnetization of the magnetization free layer is reversed by moving the domain wall between the two transition regions with a current not exceeding the DC current density of 106 A / cm 2 , A magnetoresistance associated with a change in the direction of magnetization is detected.
  • the domain wall motion distance control based on the pulse width as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-34808 is applied to the domain wall motion type MRAM, the above two problems can be solved.
  • the movement of the domain wall is not necessarily limited to the one that stops during pulse application, as shown by the curve A in FIG. That is, as indicated by the curve B, the domain wall motion may continue to move without stopping, although the movement speed increases or decreases.
  • the tendency to not stop was particularly remarkable in the magnetic recording layer having perpendicular anisotropy with a small current density for domain wall motion.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2008-34808 there is a problem that it is not suitable for application to an MRAM that requires a reduction in cell size in the sense that the domain wall moving distance is uniquely determined.
  • An object of the present invention is to provide an MRAM having a structure adapted to miniaturization of an element and having a small number of steps in a current-driven domain wall motion type MRAM, and an MRAM initialization method for introducing and initializing a domain wall into the structure Is to provide.
  • the magnetic memory cell of the present invention includes a magnetization recording layer, a first terminal, a second terminal, a magnetization fixed layer, and a nonmagnetic layer.
  • the magnetic recording layer has perpendicular magnetic anisotropy and is a ferromagnetic layer.
  • the first terminal is connected to one end of the first region in the magnetization recording layer.
  • the second terminal is connected to the other end of the first region.
  • a nonmagnetic layer is provided on the first region, and a magnetization fixed layer is provided on the nonmagnetic layer on the side opposite to the first region.
  • the magnetization recording layer includes a first extension portion that is outside the first terminal in the magnetization recording layer, and a characteristic change structure that is provided in the first extension portion and substantially changes the magnetization reversal characteristics of the magnetization recording layer.
  • the magnetic random access memory includes a plurality of magnetic memory cells and a write current supply circuit.
  • the plurality of magnetic memory cells are arranged in a matrix and are described in the paragraph above.
  • the write current supply circuit supplies a write current during the write operation of the plurality of magnetic memory cells.
  • the magnetic random access memory is arranged in a matrix, and a plurality of magnetic memory cells and a write current supply circuit for supplying a write current during a write operation of the plurality of magnetic memory cells It comprises.
  • Each of the plurality of magnetic memory cells has perpendicular magnetic anisotropy, a magnetic recording layer that is a ferromagnetic layer, a first terminal connected to one end of the first region in the magnetic recording layer, and a first A second terminal connected to the other end of the region.
  • a nonmagnetic layer is provided on the first region, and a magnetization fixed layer is provided on the nonmagnetic layer on the side opposite to the first region.
  • the magnetization recording layer includes a first extension portion that is outside the first terminal in the magnetization recording layer, and a characteristic change structure that is provided in the first extension portion and substantially changes the magnetization reversal characteristics of the magnetization recording layer.
  • the step of applying the magnetic field in the first direction and directing all the magnetizations of the magnetization recording layer in the first direction, and the second direction opposite to the first direction Applying a magnetic field to the magnetic recording layer in a region where the characteristic change structure is not provided, directing the magnetization in the second direction to generate a domain wall, applying a magnetic field in the first direction,
  • the step of introducing into the region and the step of driving the domain wall in the vicinity of the second terminal by passing a current between the first terminal and the second terminal are executed.
  • the step of applying a magnetic field in the first direction and directing all the magnetizations of the magnetic recording layer in the first direction, and the second direction opposite to the first direction Applying a magnetic field to the magnetic recording layer in a region where the characteristic change structure is provided, directing the magnetization in the second direction to generate a domain wall, applying a magnetic field in the second direction, and The step of introducing into the region and the step of driving the domain wall in the vicinity of the second terminal by passing a current between the first terminal and the second terminal are executed.
  • the writing method of the magnetic random access memory of this invention performs the step which raises a write-current pulse in 1st time, and the step which falls a write-current pulse in 2nd time longer than 1st time.
  • the domain wall position can be easily initialized.
  • an MRAM having a large capacity and a small number of processes can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a magnetic recording layer disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-191032.
  • FIG. 2 is a schematic view showing the structure of the magnetic recording layer of WO2005 / 069368.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the magnetization structure of the magnetic storage disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-34808.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the pulse application time and the domain wall position by simulation.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an example of the magnetoresistive element of the magnetic memory cell according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a perspective view showing another example of the magnetoresistive element of the magnetic memory cell according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an example of the magnetoresistive element of the magnetic memory cell according to the present embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view showing another example of the magnetoresistive element of the magnetic memory cell according to the present embodiment.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view showing the MRAM initialization method according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view showing the MRAM initialization method according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8C is a cross-sectional view showing an MRAM initialization method according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8D is a cross-sectional view showing the MRAM initialization method according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 shows a data write principle for the magnetic memory cell of FIG.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the domain wall position of the magnetic recording layer and the pin potential.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the magnitude of the write current and the time in the write operation.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a modification of the magnetoresistive element of the magnetic memory cell according to the present embodiment.
  • FIG. 13A is a cross-sectional view showing the relationship between the data and magnetization state of the magnetic memory cell of FIG.
  • FIG. 13B is a cross-sectional view showing the relationship between the data and magnetization state of the magnetic memory cell of FIG.
  • FIG. 14 is a block diagram showing an example of the configuration of the MRAM according to the present embodiment.
  • the MRAM according to the present embodiment is a domain wall motion type MRAM using a magnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an example of the magnetoresistive element of the magnetic memory cell according to the present embodiment.
  • the magnetoresistive element 1 includes a magnetization recording layer 10, a tunnel barrier layer 32 (nonmagnetic layer) provided on the first region 11 of the magnetization recording layer 10, and a pinned layer 30 (on the tunnel barrier layer 32). Magnetization fixed layer).
  • the first region 11 is a region in the magnetization recording layer 10 and a region between a first terminal 14a (described later) and a second terminal 14b (described later).
  • the magnetization recording layer 10 and the pinned layer 30 are ferromagnetic layers.
  • the tunnel barrier layer 32 is a nonmagnetic layer.
  • the tunnel barrier layer 32 is sandwiched between the magnetization recording layer 10 and the pinned layer 30.
  • the magnetic recording layer 10, the tunnel barrier layer 32, and the pinned layer 30 form a magnetic tunnel junction (MTJ).
  • MTJ magnetic tunnel junction
  • the magnetization direction of the pinned layer 30 is not changed by either the write operation or the read operation. Therefore, it is desirable that the magnetic anisotropy of the pinned layer 30 is larger than the magnetic anisotropy of the magnetization recording layer 10. This is realized by changing materials and compositions of the magnetization recording layer 10 and the pinned layer 30. It can also be realized by stacking an antiferromagnetic layer 36 on the surface of the pinned layer 30 opposite to the tunnel barrier layer 30 and pinning the magnetization. Further, the pinned layer 30 can be a laminated film composed of a ferromagnetic layer 34, a nonmagnetic layer 31, and a ferromagnetic layer 33. Here, Ru, Cu, or the like is used as the nonmagnetic layer 31.
  • the magnetizations of the two ferromagnetic layers 33 and 34 are antiparallel to each other. If the magnetizations of the two ferromagnetic layers 33 and 34 are substantially equal, the leakage magnetic field from the pinned layer 30 can be suppressed.
  • the magnetization recording layer 10 has anisotropy in a direction perpendicular to the substrate surface.
  • the magnetization recording layer 10 preferably includes at least one material selected from Fe, Co, and Ni as a material. Furthermore, in order to stabilize perpendicular magnetic anisotropy, it is desirable to contain Pt and Pd.
  • B, C, N, O, Al, Si, P, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ag, Hf, Ta, W , Re, Os, Ir, Au, Sm, and the like can be added so that desired magnetic properties are expressed.
  • the material of the magnetic recording layer 10 is Co, Co—Pt, Co—Pd, Co—Cr, Co—Pt—Cr, Co—Cr—Ta, Co—Cr—B, Co—Cr—Pt—.
  • B Co—Cr—Ta—B, Co—V, Co—Mo, Co—W, Co—Ti, Co—Ru, Co—Rh, Fe—Pt, Fe—Pd, Fe—Co—Pt, Fe— Examples include Co—Pd and Sm—Co.
  • a layer containing at least one material selected from Fe, Co, and Ni can be laminated with a different layer to develop perpendicular magnetic anisotropy.
  • the magnetic recording layer 10 a multilayer film of Co / Pd, Co / Pt, Co / Ni, and Fe / Au is exemplified as the magnetic recording layer 10.
  • the pinned layer 30 is also preferably made of the same material as the magnetic recording layer 10 and has perpendicular magnetic anisotropy.
  • the tunnel barrier layer 32 is a thin insulating film such as an Al 2 O 3 film or an MgO film.
  • a material having a large TMR effect, such as CoFe or CoFeB, may be used for a part of the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 30, particularly, a portion in contact with the tunnel barrier layer 32.
  • a first terminal 14 a and a second terminal 14 b for flowing a write current are connected to the magnetization recording layer 10.
  • the domain wall is introduced between the first terminal 14a and the second terminal 14b by an initialization operation described later.
  • the domain wall is driven according to the write current.
  • there is no artificial structure for forming a pin potential such as a constriction or a step between the first terminal 14a and the second terminal 14b.
  • the portion where the tunnel barrier layer 32 and the pinned layer 30 are stacked and the MTJ is formed must include the portion of the magnetization recording layer 10 between the first terminal 14a and the second terminal 14b. This is because, as a result of the write operation, the magnetization direction of the portion between them changes.
  • the first terminal 14a and the second terminal 14b may be either above or below the magnetic recording layer 10, and are formed by a via formation process, a cueing process, or the like.
  • the magnetization recording layer 10 has a structure (characteristic changing structure) for initialization operation of introducing a domain wall in a region outside the first terminal 14a (an extended portion extending to the side opposite to the MTJ).
  • this structure is composed of an insulating layer 42 and a ferromagnetic layer 44. These layers may be formed simultaneously with the tunnel barrier layer 32 and the ferromagnetic layer 34 forming the MTJ.
  • the role of this structure is to apply a magnetostatic or exchange magnetic field to a part of the magnetization recording layer 10 and change the magnetization reversal characteristics, as will be described in the initialization method described later. is there.
  • the tunnel barrier layer 42 can be omitted, or a nonmagnetic metallic property can be provided instead of the tunnel barrier layer 42.
  • an antiferromagnetic layer may be directly adjacent to the magnetic recording layer 10 instead of the ferromagnetic layer 44.
  • the magnetic recording layer 10 preferably has a region (an extended portion extended to the side opposite to the MTJ) outside the second terminal 14b. As will be described later, when the domain wall has moved to the vicinity of the second terminal 14b, the domain wall is prevented from coming off from the end of the magnetic recording layer 10 on the second terminal 14b side. However, it is not necessary to have a structure (characteristic change structure) for the initialization operation for introducing the domain wall in the region. Thereby, the structure of the magnetoresistive element 1 can be simplified.
  • FIG. 6 and 7 are perspective views showing other examples of the magnetoresistive element of the magnetic memory cell according to the present embodiment.
  • These magnetoresistive elements 1a and 1b differ from the magnetoresistive element 1 in FIG. 5 in the structure 41 (characteristic change structure) for initialization.
  • a step is provided in a part of the magnetization recording layer 10 outside the first terminal 14a. If a hole is previously formed by etching in the base portion where the step is to be formed, the step can be easily introduced into the magnetic recording layer 10 by forming a film to be the magnetic recording layer 10 after that. The step promotes the generation of magnetization reversal nuclei and changes the magnetic characteristics of the magnetization recording layer 10.
  • FIG. 6 are perspective views showing other examples of the magnetoresistive element of the magnetic memory cell according to the present embodiment.
  • These magnetoresistive elements 1a and 1b differ from the magnetoresistive element 1 in FIG. 5 in the structure 41 (characteristic change structure) for initialization.
  • a step is provided in a part of
  • a step is provided on the surface of a part (thin film portion) of the magnetization recording layer 10 outside the first terminal 14a.
  • a step (thin film portion) can be easily introduced into the magnetic recording layer 10 by etching a predetermined portion of the magnetic recording layer 10. The step promotes the generation of magnetization reversal nuclei and changes the magnetic characteristics of the magnetization recording layer 10.
  • FIG. 8A to 8D are cross-sectional views showing a method of initializing the MRAM according to the embodiment of the present invention.
  • the coercive force of the pinned layer 30 is sufficiently larger than the coercive force of the magnetization recording layer 10, and the illustration is omitted assuming that the magnetization direction does not change during the initialization process.
  • a ferromagnetic layer 44 is laminated outside the first terminal 14a via an insulating layer 42 as in FIG. 5 (however, the insulating layer 42 is not shown).
  • the white arrow of each part in each figure has shown the magnetization direction of the said part.
  • Step 1 when a large magnetic field is first applied in the ⁇ Z direction (first direction), all the magnetizations of the magnetization recording layer 10 (including the ferromagnetic layer 44) are directed in the ⁇ Z direction ( Step 1).
  • Step 2 when the magnetic field in the + Z direction (second direction) is gradually increased, the magnetization of the portion of the magnetization recording layer 10 where the ferromagnetic layer 44 is not laminated is reversed.
  • Step 2 This is because in the magnetization recording layer 10, the portion where the ferromagnetic layer 44 is laminated is difficult to reverse the magnetization due to magnetostatic coupling with the ferromagnetic 44.
  • the domain wall 12 is formed at the boundary between the portion where the ferromagnetic layer 44 is laminated and the portion where the ferromagnetic layer 44 is not laminated in the magnetization recording layer 10.
  • the domain wall 12 depins and exceeds the position of the first terminal 14a. It moves in the direction of the position of 14b (Step 3). At this time, it is necessary to set the magnitude of the magnetic field in the vicinity of the depinning magnetic field. This is because when the magnetic field is excessively large, the domain wall moving speed is increased, and the domain wall passes through the second terminal 14b and comes off from the right end. Whether the domain wall is located between the first terminal 14a and the second terminal 14b is determined by monitoring the signal of the MTJ stacked in this region.
  • the magnetic field application is turned off, and the domain wall 12 is introduced between the first terminal 14a and the second terminal 14b. Further, as shown in FIG. 8D, the domain wall 12 is moved to the vicinity of the second terminal 14b by flowing a current from the second terminal 14b to the first terminal 14a (Step 4). Finally, the domain wall 12 is initialized in the vicinity of the second terminal 14b by turning off the current.
  • the behavior of the domain wall 12 when the current is off will be described in detail in the write operation described later. It goes without saying that a desired initial state can be obtained even if the magnetic field directions are all set in opposite directions in the initialization operation described above.
  • an initialization structure 41 (characteristic changing structure) such as a step and an etching region is provided outside the first terminal 14a. Magnetization reversal nucleation is promoted. In that case, in Step 2 of FIG. 8B, only the magnetization of the structure 41 is reversed by the low magnetic field, and the domain wall 12 is introduced. Accordingly, the magnetic field necessary for introducing the domain wall 12 between the first terminal 14a and the second terminal 14b in Step 3 is a magnetic field in the + Z direction.
  • FIG. 9 shows the principle of writing data to the magnetic memory cell (magnetoresistance element 1) having the structure shown in FIG. It is assumed that the magnetization direction of the magnetization recording layer 10 is initialized by the above-described initialization operation.
  • a region between the first terminal 14 a and the second terminal 14 b in which magnetization is reversed in the following writing operation is referred to as a magnetization reversal region 13.
  • Data writing is performed by a domain wall motion method using spin injection.
  • the write current I w is not a direction passing through the MTJ, through the magnetic recording layer 10 in a plan view.
  • the write current Iw is supplied to the magnetization recording layer 10 from the first terminal 14a and the second terminal 14b.
  • a state in which the magnetization direction of the magnetization switching region 13 and the magnetization direction of the ferromagnetic layer 34 of the pinned layer 30 are parallel to each other is associated with data “0”.
  • the magnetization direction of the magnetization switching region 13 is the ⁇ Z direction, and the domain wall 12 exists in the vicinity of the second terminal 14b.
  • a state where the magnetization direction of the magnetization switching region 13 and the magnetization direction of the ferromagnetic layer 34 of the pinned layer 30 are antiparallel is associated with data “1”.
  • the magnetization direction of the magnetization switching region 13 is the + Z direction, and the domain wall 12 exists in the vicinity of the first terminal 14a.
  • the first write current Iw1 flows from the first terminal 14a through the magnetization switching region 13 to the second terminal 14b.
  • spin electrons are injected into the magnetization switching region 13 from the portion having the magnetization in the + Z direction of the magnetization recording layer 10.
  • the spin of the injected electrons drives the domain wall 12 existing in the vicinity of the second terminal 14b in the direction of the first terminal 14a.
  • the magnetization direction of the magnetization switching region 13 is switched to the + Z direction. That is, due to the spin transfer effect, the magnetization of the magnetization switching region 13 is reversed and the magnetization direction is changed to the + Z direction.
  • the extended portion of the magnetic recording layer 10 also exists outside the first terminal 14a (left side in FIG. 9)
  • the first write current Iw1 does not flow through the extended portion outside the first terminal 14a. Therefore, the domain wall 12 is not driven beyond the first terminal 14a.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the domain wall position of the magnetic recording layer 10 and the pin potential.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the magnitude of the write current and the time in the write operation.
  • the magnetic recording layer 10 there is a random potential as shown in FIG. 10 due to the roughness of the end face during patterning, the distribution of lattice defects, the boundaries between crystal grains, and the like. Since the magnitude of this potential relatively increases as the width of the magnetization recording layer 10 is reduced, this potential functions as a site for pinning the domain wall 12.
  • the fall time of the write current pulse is set as shown in FIG. It is effective to make it longer than the rise time. This is because the motion of the domain wall 12 due to current drive depends on the time change of the write current. That is, increasing the fall time has the effect of increasing the rate at which the current-driven energy is dissipated and facilitating the convergence of the domain wall 12.
  • the second write current Iw2 flows from the second terminal 14b through the magnetization switching region 13 to the first terminal 14a.
  • spin electrons are injected into the magnetization switching region 13 from the portion having the magnetization in the ⁇ Z direction of the magnetic recording layer 10.
  • the spin of the injected electrons drives the domain wall 12 existing in the vicinity of the first terminal 14a in the direction of the second terminal 14b.
  • the magnetization direction of the magnetization switching region 13 is switched to the ⁇ Z direction. That is, due to the spin transfer effect, the magnetization of the magnetization switching region 13 is reversed and the magnetization direction is changed to the ⁇ Z direction.
  • the second write current Iw2 does not flow through that extended portion outside the second terminal 14b. Therefore, the domain wall 12 is not driven beyond the second terminal 14b. Thus, the magnetization direction of the magnetization switching region 13 is switched by the write currents I w1 and I w2 that flow in a plane in the magnetization recording layer 10.
  • the data read is as follows.
  • the read current is supplied so as to flow between the pinned layer 30 and the magnetization switching region 13.
  • the read current flows from either the first terminal 14 a or the second terminal 14 b to the ferromagnetic layer 34 of the pinned layer 30 via the magnetization switching region 13 and the tunnel barrier layer 32.
  • the read current flows from the ferromagnetic layer 34 to the first terminal 14a or the second terminal 14b via the tunnel barrier layer 32 and the magnetization switching region 13.
  • the resistance value of the magnetoresistive element 1 is detected, and the magnetization direction of the magnetization switching region 13 is sensed.
  • the insulating layer 42 and the ferromagnetic layer 44 for initializing the domain wall 12 are formed outside the first terminal 14a. However, no current flows through these layers in the write operation and the read operation. That is, the configuration provided for the initialization operation does not affect the write / read operation of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a modification of the magnetoresistive element of the magnetic memory cell according to the present embodiment.
  • the magnetoresistive element 1 d includes a separation metal layer 38 and a sensor layer 39 between the pinned layer 30 and the tunnel barrier layer 32 and the magnetization recording layer 10.
  • the laminated film above the sensor layer 39 is disposed at a position offset from the magnetization recording layer 10 in the Y direction.
  • both the sensor layer 39 and the pinned layer 30 are made of magnetic materials having in-plane magnetic anisotropy instead of perpendicular magnetic anisotropy.
  • FIG. 13A and 13B are cross-sectional views showing the relationship between data and magnetization state of the magnetic memory cell (magnetoresistance element 1d) having the structure shown in FIG.
  • FIG. 13A shows a state of data “0”
  • FIG. 13B shows a state of data “1”.
  • the leakage magnetic field from the magnetization recording layer 10 rotates the magnetization of the sensor layer 39, thereby changing the magnetization direction of the magnetization recording layer 10 from the sensor layer 39, the tunnel barrier layer 32, and the pinned layer 30.
  • Indirect reading is performed with the in-plane MTJ film.
  • the initialization method, writing method, and reading method in this modification are the same as those in FIG.
  • FIG. 14 is a block diagram showing an example of the configuration of the MRAM according to the present embodiment.
  • an MRAM 60 has a memory cell array 61 in which a plurality of magnetic memory cells 71 are arranged in a matrix.
  • the memory cell array 61 includes a reference cell 71r that is referred to when reading data, together with a magnetic memory cell 71 used for data recording.
  • the structure of the reference cell 71r is the same as that of the magnetic memory cell 71.
  • Each magnetic memory cell 71 has selection transistors M1 and M2 in addition to the magnetoresistive element 1 shown in FIG. 5, for example.
  • One of the source / drain of the selection transistor M1 is connected to the first terminal 14a of the magnetic recording layer 10, and the other is connected to the first bit line BL1.
  • One of the source / drain of the selection transistor M2 is connected to the second terminal 14b of the magnetic recording layer 10, and the other is connected to the second bit line BL2.
  • the gates of the selection transistors M1 and M2 are connected to the word line WL.
  • the pinned layer 30 of the magnetoresistive element 1 is connected to a ground line and an initialization voltage via wiring as shown in the figure.
  • the word line WL is connected to the X selector 62.
  • the X selector 62 selects the word line WL connected to the target memory cell 71s selected from the magnetic memory cells 71 as the selected word line WLs in the data writing / reading.
  • the first bit line BL1 is connected to the Y-side current termination circuit 64.
  • the second bit line BL2 is connected to the Y selector 63.
  • the Y selector 63 selects the second bit line BL2 connected to the target memory cell 71s as the selected second bit line BL2s.
  • the Y-side current termination circuit 64 selects the first bit line BL1 connected to the target memory cell 71s as the selected first bit line BL1s.
  • the Y-side current source circuit 65 supplies or draws a predetermined write current (I w1 , I w2 ) to the selected second bit line BL2s during data writing.
  • the Y-side power supply circuit 66 supplies a predetermined voltage to the Y-side current termination circuit 64 at the time of data writing. As a result, the write currents (I w1 , I w2 ) flow into or out of the Y selector 63.
  • These X selector 62, Y selector 63, Y side current termination circuit 64, Y side current source circuit 65, and Y side power supply circuit 66 “write” for supplying write currents I w1 and I w2 to the magnetic memory cell 1. Current supply circuit ".
  • the first bit line BL1 When reading data, the first bit line BL1 is set to “Open”.
  • the read current load circuit 67 supplies a predetermined read current to the selected second bit line BL2s.
  • the read current load circuit 67 supplies a predetermined current to the reference second bit line BL2r connected to the reference cell 71r.
  • the sense amplifier 68 reads data from the target memory cell 71s based on the difference between the potential of the reference second bit line BL2r and the potential of the selected second bit line BL2s, and outputs the data.
  • one extended portion of the magnetic recording layer 10 has a characteristic change structure.
  • the nonmagnetic layer 42 and the ferromagnetic layer 44 are used, the nonmagnetic layer 42 and the ferromagnetic layer 44 are very easily formed simultaneously with the tunnel barrier layer 32 and the pinned layer 30 without introducing an additional process. I can do it.
  • the stepped structure 41 is used, the structure 41 can be formed very easily by only partially etching the base portion or a predetermined place of the magnetic recording layer 10.
  • it is necessary to form an artificial structure for forming a pin potential such as a step that requires an additional process that increases the cost and the manufacturing process is difficult when the width of the magnetic recording layer 10 is narrow due to miniaturization. Will disappear. That is, it is possible to provide an MRAM having a structure that is suitable for miniaturization of elements and has a small number of processes.
  • initialization of the magnetic random access memory can be performed very easily as shown in FIGS. 8A to 8D. That is, it is possible to provide an MRAM initialization method in which a domain wall is introduced and initialized in the structure of the MRAM of the present invention.

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Abstract

　磁気メモリセルは、磁化記録層（１０）と、第１端子（１４ａ）と、第２端子（１４ｂ）と、磁化固定層（３０）と、非磁性層（３２）とを具備する。磁化記録層（１０）は、垂直磁気異方性を有し、強磁性層である。第１端子（１４ａ）は、磁化記録層（１０）における第１領域（１１）の一方の端に接続されている。第２端子（１４ｂ）は、第１領域（１１）の他方の端に接続されている。非磁性層（３２）は、第１領域（１１）上に設けられている。磁化固定層（３０）は、非磁性層（３２）上であって第１領域（１１）と反対側に設けられている。磁化記録層（１０）は、磁化記録層（１０）における第１端子（１４ａ）の外側である第１延長部分と、第１延長部分に設けられ、磁化記録層（１０）の磁化反転特性を実質的に変化させる特性変化構造（４２、４４）を備える。

Description

磁気ランダムアクセスメモリ、並びに磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法及び書き込み方法
　本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ、以下「ＭＲＡＭ」と記す）に関し、特に、磁壁移動方式のＭＲＡＭに関する。
　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では、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ　ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果などの「磁気抵抗効果」を示す磁気抵抗素子が利用される。その磁気抵抗素子には、例えばトンネルバリヤ層が２層の強磁性層で挟まれた磁気トンネル接合（ＭＴＪ；　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）が形成される。その２層の強磁性層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層）と、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層）とから構成される。
　ピン層とフリー層の磁化の向きが“反平行”である場合のＭＴＪの抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、ピン層とフリー層の磁化の向きが“平行”である場合のＭＴＪの抵抗値（Ｒ）よりも大きくなる。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る。そして、メモリセルは、そのＭＴＪの抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。例えば、反平行状態はデータ“１”に対応付けられ、平行状態はデータ“０”に対応付けられる。メモリセルに対するデータの書き込みは、フリー層の磁化の向きを反転させることによって行われる。
　ＭＲＡＭに対するデータの書き込み方法として、「アステロイド方式」や「トグル方式」が知られている。これらの書き込み方式によれば、メモリセルサイズにほぼ反比例して、フリー層の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する傾向にある。
　微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として「スピン注入（ｓｐｉｎ　ｔｒａｎｓｆｅｒ）方式」が提案されている（例えば、特開２００５－９３４８８号公報、対応米国特許第７１９３２８４号）。スピン注入方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流（ｓｐｉｎ－ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ）が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する（以下、「スピン注入磁化反転：Ｓｐｉｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ」と参照される）。
　米国特許第６８３４００５号には、スピン注入方式を利用した磁気シフトレジスタが開示されている。この磁気シフトレジスタは、磁性体中の磁壁（ｄｏｍａｉｎ　ｗａｌｌ）を利用して情報を記憶する。くびれ等により多数の領域（磁区）に分けられた磁性体において、磁壁を通過するように電流が注入され、その電流により磁壁が移動する。各領域の磁化の向きが、記録データとして扱われる。このような磁気シフトレジスタは、例えば、大量のシリアルデータの記録に利用される。
　このようなスピン注入による磁壁移動（Ｄｏｍａｉｎ　Ｗａｌｌ　Ｍｏｔｉｏｎ）を利用した「磁壁移動方式のＭＲＡＭ」が、特開２００５－１９１０３２号公報、及びＷＯ２００５／０６９３６８号公報（対応米国出願公開２００８１３７４０５号公報）に記載されている。
　特開２００５－１９１０３２号公報に記載されたＭＲＡＭは、磁化が固定された磁化固定層と、磁化固定層上に積層されたトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層に積層された磁化記録層とを備える。磁化記録層には、磁化の向きが反転可能な部分と実質的に変化しない部分も含まれているため、磁化自由層ではなく、磁化記録層と呼ぶことにする。図１は、特開２００５－１９１０３２号公報の磁化記録層の構造を示す概略図である。図１において、磁化記録層１００は、直線形状を有している。磁化記録層１００は、接合部１０３、くびれ部１０４、一対の磁化固定部１０１、１０２を有する。接合部１０３は、トンネル絶縁層（図示されず）及び磁化固定層（図示されず）と重なっている。くびれ部１０４は、接合部１０３の両端に隣接している。一対の磁化固定部１０１、１０２は、くびれ部１０４に隣接形成されている。一対の磁化固定部１０１、１０２には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。更に、ＭＲＡＭは、一対の磁化固定部１０１、１０２に電気的に接続された一対の書き込み用端子１０５、１０６を備える。この書き込み用端子１０５、１０６により、磁化記録層１００の接合部１０３、一対のくびれ部１０４及び一対の磁化固定部１０１、１０２を貫通する電流が流れる。くびれ部１０４は磁壁に対するピンポテンシャルとして働く。磁壁が左右どちらのくびれ部１０４に存在するか、あるいは、接合部１０３の磁化方向によって情報が保持される。磁壁の移動は前述の電流により制御される。
　ＷＯ２００５／０６９３６８号公報に記載されたＭＲＡＭは、ピンポテンシャルを形成する手段として段差を用いている。図２は、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報の磁化記録層の構造を示す概略図である。図２において、磁化記録層１００は厚さの異なる３つの領域からなっている。具体的には磁化記録層１００は最も厚い第１の磁化固定部１０１、次に厚い第２の磁化固定部１０２、及び、その間に配置された最も薄い接合部１０３から構成されている。ここで、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２の厚さがことなるのは、初期化仮定において、互いに反対向きの固定磁化を付与するためである。なお、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報では膜面に垂直な異方性を有する磁性半導体が磁化記録層として用いられており、磁壁移動のための電流は０．３５ｍＡと小さい。接合部１０３にはトンネル絶縁層及び磁化固定層が配置されるが図２では省略している。図２では接合部１０３と磁化固定部１０１、及び、磁化固定部１０２の境界の段差がピンポテンシャルとして機能する。そのため、例えば、磁壁１１２は接合部１０３と磁化固定部１０１の境界に留まる。
　このように、上述の文献に開示された磁壁移動方式のＭＲＡＭでは、くびれ、段差などによりピンポテンシャルを形成し、そこに拘束された磁壁を電流により移動させる必要があった。
　一方、特開２００８－３４８０８号公報（対応米国出願公開２００８０２５０６０号公報）に、くびれ無しに磁壁位置を制御する方法が開示されている。図３は、特開２００８－３４８０８号公報の磁気ストレージの磁化構造を示す概略図である。磁性ワイヤー１４０は、その長手方向に沿って複数の磁壁１３５により複数の磁区１３０が形成されている。磁性ワイヤーにはくびれ、段差は設けられていない。磁壁の移動は磁界、又は、電流パルスによって行われ、磁壁移動距離はパルスの幅によって制御される。図４は、シミュレーションにより計算したパルス印加時間（横軸）と磁壁位置（縦軸）との関係を示すグラフである。曲線Ａに示されるように、磁壁はある特定の時間において、移動速度が０になり、停止する傾向がある。特開２００８－３４８０８号公報においては、パルス印加時間をこの停止する時間に合わせて設定することにより、磁壁位置を制御している。
　関連する技術として特開２００６－７３９３０号公報に磁壁移動を利用した磁気抵抗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、固体磁気メモリが開示されている。この磁気メモリ素子は、第一の磁性層と中間層と第二の磁性層とを有し、情報を第一の磁性層と、第二の磁性層との磁化の方向で記録する磁気メモリ素子である。この磁気メモリ素子は、少なくとも一方の磁性層内に互いに反平行磁化となる磁区とそれらの磁区を隔てる磁壁を定常的に形成し、前記磁壁を磁性層内で移動させることで、隣り合う磁区の位置を制御して情報記録を行う。
　また、関連する技術として、特開２００６－２７００６９号公報に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が開示されている。この磁気抵抗効果素子は、第１の磁化固定層／磁化自由層／第２の磁化固定層を有する。この磁気抵抗効果素子は、該磁化固定層／磁化自由層あるいは磁化自由層／第２の磁化固定層の少なくとも一方の境界となる磁化固定層と磁化自由層間の遷移領域に磁壁発生を誘導するための機構を備える。そして、これら磁化固定層の磁化の向きを略反平行に設定し、磁化固定層／磁化自由層の遷移領域のいずれか一方に磁壁が存在する。この構造において、所定のパルス幅の電流を流すことにより、直流電流密度１０６Ａ／ｃｍ２を超えない電流で磁壁が２つの遷移領域の間で移動することにより磁化自由層の磁化を反転させ、相対磁化の向きの変化に伴う磁気抵抗を検出する。
特開２００５－９３４８８号公報 米国特許第６８３４００５号 特開２００５－１９１０３２号公報 ＷＯ２００５／０６９３６８号公報 特開２００８－３４８０８号公報 特開２００６－７３９３０号公報 特開２００６－２７００６９号公報
　しかし、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、素子の微細化により、上記、特開２００５－１９１０３２号公報で開示されたピンポテンシャルの形成法が有効でなくなることが懸念される。すなわち、特開２００５－１９１０３２号公報のようにくびれを形成することは、磁化記録層の幅が狭い場合には困難であり、半導体プロセスのリソグラフィ限界以上の加工が要求される可能性がある。
　また、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報のように２種類の段差を形成するためには、露光プロセスを２回繰り返す必要がある。これは工程数が増加することを意味し、コスト増の要因になるという懸念がある。
　一方、特開２００８－３４８０８号公報で示されたようなパルス幅による磁壁移動距離制御を磁壁移動型のＭＲＡＭに適用すれば、上記、２つの問題は解決される。しかし、磁壁の移動の仕方は必ずしも、図４の曲線Ａで示したような、パルス印加中に停止するものだけではない。すなわち、曲線Ｂで示したように、磁壁の運動として、移動速度の増減はあるものの、停止せずに動き続ける場合もある。シミュレーションによると、特に、磁壁移動のための電流密度の小さい垂直異方性を有する磁化記録層において、停止しない傾向が顕著であった。また、特開２００８－３４８０８号公報の方法の場合、磁壁移動距離が一意に決まってしまうという意味で、セルサイズの縮小が要求されるＭＲＡＭへの適用には不向きな面もある。
　本発明の目的は、電流駆動磁壁移動型ＭＲＡＭにおいて、素子の微小化に適応し、かつ、工程数が少ない構造を有するＭＲＡＭ、及び、その構造に磁壁を導入し初期化するＭＲＡＭの初期化方法を提供することである。
　本発明の磁気メモリセルは、磁化記録層と、第１端子と、第２端子と、磁化固定層と、非磁性層とを具備する。磁化記録層は、垂直磁気異方性を有し、強磁性層である。第１端子は、磁化記録層における第１領域の一方の端に接続されている。第２端子は、第１領域の他方の端に接続されている。第１領域上には非磁性層が設けられ、その非磁性層上であって第１領域と反対側には磁化固定層が設けられている。磁化記録層は、磁化記録層における第１端子の外側である第１延長部分と、第１延長部分に設けられ、磁化記録層の磁化反転特性を実質的に変化させる特性変化構造とを備える。
　本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、複数の磁気メモリセルと、書き込み電流供給回路とを具備する。複数の磁気メモリセルは、行列上に配列され、上記段落に記載されている。書き込み電流供給回路は、複数の磁気メモリセルの書込み動作時に書き込み電流を供給する。
　本発明の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法において、磁気ランダムアクセスメモリは、行列上に配列され、複数の磁気メモリセルと、複数の磁気メモリセルの書込み動作時に書き込み電流を供給する書き込み電流供給回路とを具備する。複数の磁気メモリセルの各々は、垂直磁気異方性を有し、強磁性層である磁化記録層と、磁化記録層における第１領域の一方の端に接続された第１端子と、第１領域の他方の端に接続された第２端子とを備える。第１領域上には非磁性層が設けられ、その非磁性層上であって第１領域と反対側には磁化固定層が設けられている。磁化記録層は、磁化記録層における第１端子の外側である第１延長部分と、第１延長部分に設けられ、磁化記録層の磁化反転特性を実質的に変化させる特性変化構造とを含む。
　そして、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法は、第１方向に磁界を印加し、磁化記録層の全ての磁化を第１方向に向けるステップと、第１方向とは逆の第２方向に磁界を印加して磁化記録層のうち、特性変化構造が設けられていない領域の磁化を第２方向に向け、磁壁を発生させるステップと、第１方向に磁界を印加し、磁壁を第１領域内に導入させるステップと、第１端子と第２端子との間に電流を流すことにより磁壁を第２端子の近傍に駆動するステップとを実行する。
　又は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法は、第１方向に磁界を印加し、磁気記録層の全ての磁化を第１方向に向けるステップと、第１方向とは逆の第２方向に磁界を印加して磁化記録層のうち、特性変化構造が設けられている領域の磁化を第２方向を向け、磁壁を発生させるステップと、第２方向に磁界を印加し、磁壁を第１領域内に導入させるステップと、第１端子と第２端子との間に電流を流すことにより磁壁を第２端子の近傍に駆動するステップとを実行する。
　そして、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法は、書込み電流パルスを第１時間で立ち上げるステップと、書き込み電流パルスを第１時間より長い第２時間で立ち下げるステップとを実行する。
　本発明によれば、垂直磁気異方性を持つ磁性層を用いた磁壁移動方式のＭＲＡＭにおいて、磁壁位置の初期化が容易に行うことが可能になる。その結果、大容量、かつ、工程数の少ないＭＲＡＭを提供することができる。
図１は特開２００５－１９１０３２号公報の磁化記録層の構造を示す概略図である。 図２はＷＯ２００５／０６９３６８号公報の磁化記録層の構造を示す概略図である。 図３は特開２００８－３４８０８号公報の磁気ストレージの磁化構造を示す概略図である。 図４はシミュレーションによるパルス印加時間と磁壁位置との関係を示すグラフである。 図５は本実施の形態に係る磁気メモリセルの磁気抵抗素子の一例を示す斜視図である。 図６は本実施の形態に係る磁気メモリセルの磁気抵抗素子の他の例を示す斜視図である。 図７は本実施の形態に係る磁気メモリセルの磁気抵抗素子の他の例を示す斜視図である。 図８Ａは本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの初期化方法を示す断面図である。 図８Ｂは本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの初期化方法を示す断面図である。 図８Ｃは本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの初期化方法を示す断面図である。 図８Ｄは本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの初期化方法を示す断面図である。 図９は図５の磁気メモリセルに対するデータの書込み原理を示している。 図１０は磁気記録層の磁壁位置とピンポテンシャルとの関係を示すグラフである。 図１１は書き込み動作での書き込み電流の大きさと時間との関係を示すグラフである。 図１２は本実施の形態に係る磁気メモリセルの磁気抵抗素子の変形例を示す斜視図である。 図１３Ａは図１２の磁気メモリセルのデータと磁化状態との関係を示す断面図である。 図１３Ｂは図１２の磁気メモリセルのデータと磁化状態との関係を示す断面図である。 図１４は本実施の形態に係るＭＲＡＭの構成の一例を示すブロック図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭ及びＭＲＡＭの初期化方法を説明する。本実施の形態に係るＭＲＡＭは垂直磁気異方性を持つ磁性層を用いた磁壁移動方式のＭＲＡＭである。
　１．磁気メモリセルの構成
　まず、ＭＲＡＭに用いられる磁気メモリセルの構成について説明する。図５は、本実施の形態に係る磁気メモリセルの磁気抵抗素子の一例を示す斜視図である。磁気抵抗素子１は、磁化記録層１０と、磁化記録層１０の第１領域１１上に設けられたトンネルバリヤ層３２（非磁性層）と、トンネルバリヤ層３２上に設けられたピン層３０（磁化固定層）とを備えている。ここで第１領域１１とは、磁化記録層１０における領域であって第１端子１４ａ（後述）と第２端子１４ｂ（後述）との間の領域を指す。磁化記録層１０とピン層３０は強磁性体層である。トンネルバリヤ層３２は非磁性体層である。トンネルバリヤ層３２は、磁化記録層１０とピン層３０に挟まれている。これら磁化記録層１０、トンネルバリヤ層３２、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。
　ピン層３０の磁化の向きは、書込み動作及び読出し動作のいずれによっても変化しない。そのため、ピン層３０の磁気異方性は磁化記録層１０の磁気異方性よりも大きいことが望ましい。これは、磁化記録層１０とピン層３０の材料、組成を変えることにより実現される。また、ピン層３０のトンネルバリヤ層３０とは反対側の面に反強磁性体層３６を積層し、磁化をピン止めすることによっても実現される。さらにピン層３０を強磁性層３４、非磁性層３１、強磁性層３３からなる積層膜にすることもできる。ここで、非磁性層３１としてはＲｕ、Ｃｕなどが用いられる。Ｒｕ、Ｃｕなどを介することにより、２つの強磁性層３３、３４の磁化は互いに反平行になる。２つの強磁性層３３、３４の磁化をほぼ等しくすれば、ピン層３０からの漏洩磁界を抑制することができる。
　磁化記録層１０は基板面に垂直な方向の異方性を持つ。磁化記録層１０は、材料としてＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つ以上の材料を含むことが望ましい。さらに、垂直磁気異方性を安定化するために、ＰｔやＰｄを含むことが望ましい。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的には、磁化記録層１０の材料としてＣｏ、Ｃｏ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｐｄ、Ｃｏ－Ｃｒ、Ｃｏ－Ｐｔ－Ｃｒ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｔａ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｂ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｐｔ－Ｂ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｔａ－Ｂ、Ｃｏ－Ｖ、Ｃｏ－Ｍｏ、Ｃｏ－Ｗ、Ｃｏ－Ｔｉ、Ｃｏ－Ｒｕ、Ｃｏ－Ｒｈ、Ｆｅ－Ｐｔ、Ｆｅ－Ｐｄ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｐｔ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｐｄ、Ｓｍ－Ｃｏが例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む層が、異なる層と積層されることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。その場合、具体的には、磁化記録層１０としてＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜が例示される。ピン層３０も磁化記録層１０と同様な材料を用い、垂直磁気異方性を持つことが望ましい。トンネルバリヤ層３２は、Ａｌ２Ｏ３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜である。磁化記録層１０、ピン層３０の一部、特にトンネルバリヤ層３２と接する部分にＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどＴＭＲ効果の大きな材料を用いても良い。
　磁化記録層１０には、書き込み電流を流すための第１端子１４ａ、第２端子１４ｂが接続されている。後述の初期化動作に依って、磁壁はこれらの第１端子１４ａと第２端子１４ｂとの間に導入される。その磁壁は書き込み電流に応じて駆動される。これら第１端子１４ａと第２端子１４ｂとの間には、くびれや段差のようなピンポテンシャルを形成するための人工的な構造が存在しないことに注意されたい。また、トンネルバリヤ層３２及びピン層３０が積層され、ＭＴＪが形成されている部分は磁化記録層１０のうち、第１端子１４ａと第２端子１４ｂとの間の部分を含まなければならない。これは、書込み動作の結果、この間の部分の磁化方向が変化するためである。なお、第１端子１４ａ、第２端子１４ｂは磁化記録層１０の上下どちらにあってもよく、ビア形成プロセスや頭出しプロセスなどにより形成される。
　磁化記録層１０は、第１端子１４ａの外側の領域（ＭＴＪと反対の側へ延長された延長部分）に磁壁導入の初期化動作のための構造（特性変化構造）を有している。図５において、この構造は絶縁層４２と強磁性層４４から構成されている。これらの層はＭＴＪを形成するトンネルバリヤ層３２、強磁性層３４と同時に成膜されるものであってもよい。本構造の役割は、後述の初期化方法で説明されるように、磁化記録層１０の一部に静磁的あるいは交換磁界的なバイアス磁界を印加し、その磁化の反転特性を変化させることにある。そのため、本構造として、トンネルバリヤ層４２を省略したり、トンネルバリヤ層４２の変わりに非磁性金属性を設けたりすることもできる。また、本構造として、強磁性層４４のかわりに反強磁性層を直接磁化記録層１０に隣接させてもよい。
　磁化記録層１０は、第２端子１４ｂの外側に、領域（ＭＴＪと反対の側へ延長された延長部分）を有していることが好ましい。後述されるように、磁壁が第２端子１４ｂ近傍まで移動してきたとき、磁気記録層１０の第２端子１４ｂ側の端部から磁壁が抜けないようにするためである。ただし、その領域に磁壁導入の初期化動作のための構造（特性変化構造）を有する必要はない。それにより、磁気抵抗素子１の構成を簡略化できる。
　図６及び図７は、本実施の形態に係る磁気メモリセルの磁気抵抗素子の他の例を示す斜視図である。これらの磁気抵抗素子１ａ、１ｂは、図５の磁気抵抗素子１と比較して、初期化のため構造４１（特性変化構造）が異なっている。図６の例では、その構造４１として、第１端子１４ａの外側の磁化記録層１０の一部に段差が設けられている。段差を形成する下地部分にエッチングで予め孔を空けておけば、その後に磁気記録層１０となる膜を形成することで、磁気記録層１０に容易に段差を導入できる。その段差により、磁化反転核の生成を促進して、磁化記録層１０の磁気特性を変化させている。一方、図７の例では、その構造４１として、第１端子１４ａの外側の磁化記録層１０の一部（薄膜部）の表面に段差が設けられている。磁気記録層１０の所定の部分をエッチングすることで、磁気記録層１０に容易に段差（薄膜部）を導入できる。その段差により、磁化反転核の生成を促進して、磁化記録層１０の磁気特性を変化させている。
　２．磁化固定領域の初期化
　次に、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの初期化方法、すなわち磁壁導入について説明する。図８Ａ～図８Ｄは、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの初期化方法を示す断面図である。ここで、ピン層３０の保磁力は磁化記録層１０の保磁力よりも十分大きく、初期化過程で磁化方向が変化しないと仮定し図示を省略している。また、第１端子１４ａの外側には図５と同様に絶縁層４２を介して強磁性層４４が積層されているとする（ただし、絶縁層４２は図示を省略している）。各図中における各部分の白抜き矢印は、当該部分の磁化方向を示している。
　まず、図８Ａに示されるように、最初に－Ｚ方向（第１方向）に大きな磁界を印加すると、磁化記録層１０（強磁性層４４を含む）の全ての磁化は－Ｚ方向を向く（Ｓｔｅｐ１）。次に、図８Ｂに示されるように、＋Ｚ方向（第２方向）の磁界を徐々に大きくしていくと、磁化記録層１０のうち、強磁性層４４が積層されていない部分の磁化が反転する（Ｓｔｅｐ２）。これは、磁化記録層１０のうち、強磁性層４４が積層されている部分は、強磁性４４との静磁結合のために、磁化反転し難くなっているためである。このとき、磁化記録層１０における強磁性層４４が積層されている部分と積層されていない部分との境界には磁壁１２が形成される。
　ここで、図８Ｃに示されるように、磁界方向を反転し、－Ｚ方向の磁界を徐々に大きくしていくと、この磁壁１２はデピンし、第１端子１４ａの位置を超え、第２端子１４ｂの位置の方向に移動していく（Ｓｔｅｐ３）。このとき、磁界の大きさはデピン磁界の近傍に設定する必要がある。磁界が過剰に大きい場合、磁壁移動速度が高まり、磁壁が第２端子１４ｂを過ぎて、右端から抜けてしまうからである。磁壁の位置が第１端子１４ａと第２端子１４ｂとの間にあるかどうかは、この領域に積層されたＭＴＪの信号をモニターすることにより判定する。ＭＴＪの信号が変化したと同時に磁界印加をオフにし、磁壁１２を第１端子１４ａと第２端子１４ｂとの間に導入する。さらに、図８Ｄに示されるように、電流を第２端子１４ｂから第１端子１４ａに流すことにより磁壁１２を第２端子１４ｂ近傍まで移動させる（Ｓｔｅｐ４）。最後に電流をオフにすることにより磁壁１２は第２端子１４ｂ近傍に初期化される。電流オフ時の磁壁１２の振舞いについては、後述の書込み動作において詳述される。
　以上述べた初期化動作において磁界方向を全て反対方向に設定しても、所望の初期状態が得られることは言うまでもない。
　図６や図７に示される磁気抵抗素子１ａ、１ｂを用いた場合、第１端子１４ａの外側に段差、エッチング領域のような初期化の構造４１（特性変化構造）が設けられ、その部分の磁化反転核形成が促進される。その場合、図８ＢのＳｔｅｐ２において、低い磁界によりこの構造４１の磁化のみが反転し、磁壁１２が導入される。従って、Ｓｔｅｐ３において磁壁１２を第１端子１４ａと第２端子１４ｂとの間に導入する際に必要な磁界は＋Ｚ方向の磁界になる。
　３．書込み動作、及び、読出し動作
　次に、磁気メモリセルに対するデータの書き込み原理を説明する。図９は、図５で示された構造を有する磁気メモリセル（磁気抵抗素子１）に対するデータの書込み原理を示している。磁化記録層１０の磁化方向は前述の初期化動作により初期化されているとする。磁化記録層１０のうち、以下の書き込み動作において、磁化が反転する第１端子１４ａと第２端子１４ｂの間の領域を磁化反転領域１３と呼ぶことにする。
　データ書き込みは、スピン注入を利用した磁壁移動方式で行われる。書き込み電流Ｉｗは、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、磁化記録層１０内を平面的に流れる。その書き込み電流Ｉｗは、上記第１端子１４ａ、第２端子１４ｂから磁化記録層１０に供給される。磁化反転領域１３の磁化の向きとピン層３０の強磁性層３４の磁化の向きとが平行である状態が、データ“０”に対応付けられている。データ“０”状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは－Ｚ方向であり、磁壁１２は第２端子１４ｂの近傍に存在する。一方、磁化反転領域１３の磁化の向きとピン層３０の強磁性層３４の磁化の向きとが反平行である状態が、データ“１”に対応付けられている。データ“１”状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｚ方向であり、磁壁１２は第１端子１４ａの近傍に存在する。
　データ“１”の書き込み動作時、第１書き込み電流Ｉｗ１が、第１端子１４ａから磁化反転領域１３を通って第２端子１４ｂに流れる。この場合、磁化反転領域１３には、磁化記録層１０の＋Ｚ方向の磁化を持つ部分からスピン電子が注入される。注入された電子のスピンは、第２端子１４ｂの近傍に存在する磁壁１２を第１端子１４ａの方向に駆動する。その結果、磁化反転領域１３の磁化の向きは、＋Ｚ方向へスイッチする。つまり、スピントランスファー効果により、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが＋Ｚ方向に変わる。第１端子１４ａの外側（図９では左側）にも磁気記録層１０の延長部分は存在しているが、第１書き込み電流Ｉｗ１は第１端子１４ａの外側のその延長部分には流れない。そのため、磁壁１２が第１端子１４ａを超えて駆動されることはない。
　ここで、人工的なピンポテンシャルが形成されていないにもかかわらず、第１書き込み電流Ｉｗ１をオフにした後、磁壁１２が第１端子１４ａの付近に留まる理由は以下のように説明される。ただし、図１０は、磁気記録層１０の磁壁位置とピンポテンシャルとの関係を示すグラフである。図１１は、書き込み動作における書き込み電流の大きさと時間との関係を示すグラフである。磁化記録層１０においては、パターニング時の端面のラフネス、格子欠陥の分布、結晶粒間の境界などにより、図１０に示されるようなランダムなポテンシャルが存在している。このポテンシャルの大きさは磁化記録層１０の幅の微細化により相対的に増加するため、このポテンシャルは磁壁１２をピンニングするサイトとして機能する。また、第１書き込み電流Ｉｗ１をオフした後に磁壁１２を第１端子１４ａ付近のランダムなポテンシャルに安定して落ち着かせるためには、図１１に示されるように、書込み電流パルスの立ち下がり時間を立ち上がり時間より長くすることが有効である。これは電流駆動による磁壁１２の運動が書き込み電流の時間変化に依存しているためである。すなわち、立ち下がり時間を長くすることは電流駆動のエネルギーが散逸する割合を高め、磁壁１２の運動を収束し易くさせる効果がある。
　一方、データ“０”の書き込み動作時、第２書き込み電流Ｉｗ２が、第２端子１４ｂから磁化反転領域１３を通って第１端子１４ａに流れる。この場合、磁化反転領域１３には、磁気記録層１０の－Ｚ方向の磁化を持つ部分からスピン電子が注入される。注入された電子のスピンは、第１端子１４ａの近傍に存在する磁壁１２を第２端子１４ｂの方向に駆動する。その結果、磁化反転領域１３の磁化の向きは、－Ｚ方向へスイッチする。つまり、スピントランスファー効果により、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが－Ｚ方向に変わる。第２端子１４ｂの外側（図９では右側）にも磁気記録層１０の延長部分は存在しているが、第２書き込み電流Ｉｗ２は第２端子１４ｂの外側のその延長部分には流れない。そのため、磁壁１２が第２端子１４ｂを超えて駆動されることはない。このように、磁化記録層１０内を平面的に流れる書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２によって、磁化反転領域１３の磁化の方向がスイッチする。
　なお、データの読み出しに関しては、次の通りである。データ読み出し動作時、読み出し電流は、ピン層３０と磁化反転領域１３との間を流れるように供給される。例えば、読み出し電流は、第１端子１４ａ、第２端子１４ｂのいずれかから、磁化反転領域１３及びトンネルバリヤ層３２を経由して、ピン層３０の強磁性層３４へ流れる。あるいは、読み出し電流は、強磁性層３４から、トンネルバリヤ層３２及び磁化反転領域１３を経由して、第１端子１４ａ、第２端子１４ｂのいずれかへ流れる。その読み出し電流あるいは読み出し電位に基づいて、磁気抵抗素子１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。
　本発明において、第１端子１４ａの外側には磁壁１２を初期化するための絶縁層４２と強磁性層４４が形成されていた。しかしながら、書込み動作、及び、読出し動作において、これらの層には電流が流れない。すなわち、初期化動作のために設けられた構成は本発明の書き込み読出し動作に影響を与えない。
　４．変形例
　図１２は、本実施の形態に係る磁気メモリセルの磁気抵抗素子の変形例を示す斜視図である。本変形例においては、磁気抵抗素子１ｄは、ピン層３０及びトンネルバリヤ層３２と磁化記録層１０との間に、分離金属層３８、センサー層３９を有している。加えて、このセンサー層３９から上の積層膜は磁化記録層１０からＹ方向にオフセットした位置に配置されている。また、本変形例においては、センサー層３９及びピン層３０として、いずれも垂直磁気異方性ではなく面内磁気異方性を有する磁性材料が用いられている。
　図１３Ａ及び図１３Ｂは、図１２で示された構造を有する磁気メモリセル（磁気抵抗素子１ｄ）のデータと磁化状態との関係を示す断面図である。図１３Ａはデータ“０”の状態、図１３Ｂはデータ“１”の状態をそれぞれ示している。この磁気抵抗素子１ｄは、磁化記録層１０からの漏洩磁界がセンサー層３９の磁化を回転させることにより、磁化記録層１０の磁化方向をセンサー層３９、トンネルバリヤ層３２、及び、ピン層３０からなる面内ＭＴＪ膜で間接的に読み出すことを特徴とする。本変形例における初期化方法、書込み方法、読出し方法は図９と同様である。
　５．ＭＲＡＭの構成
　図１４は、本実施の形態に係るＭＲＡＭの構成の一例を示すブロック図である。図１４において、ＭＲＡＭ６０は、複数の磁気メモリセル７１がマトリックス状に配置されたメモリセルアレイ６１を有している。このメモリセルアレイ６１は、データの記録に用いられる磁気メモリセル７１と共に、データ読み出しの際に参照されるリファレンスセル７１ｒを含んでいる。リファレンスセル７１ｒの構造は、磁気メモリセル７１と同じである。
　各磁気メモリセル７１は、例えば図５に示された磁気抵抗素子１に加え、選択トランジスタＭ１、Ｍ２を有している。選択トランジスタＭ１のソース／ドレインの一方は、磁気記録層１０の第１端子１４ａに接続され、他方は第１ビット線ＢＬ１に接続されている。選択トランジスタＭ２のソース／ドレインの一方は、磁気記録層１０の第２端子１４ｂに接続され、他方は第２ビット線ＢＬ２に接続されている。選択トランジスタＭ１、Ｍ２のゲートはワード線ＷＬに接続されている。磁気抵抗素子１のピン層３０は、配線を介して図のようにグランド線、及び、初期化用電圧に接続されている。
　ワード線ＷＬは、Ｘセレクタ６２に接続されている。Ｘセレクタ６２は、データの書き込み・読み出しにおいて、磁気メモリセル７１のうちから選択される対象メモリセル７１ｓにつながるワード線ＷＬを選択ワード線ＷＬｓとして選択する。第１ビット線ＢＬ１はＹ側電流終端回路６４に接続されている。第２ビット線ＢＬ２はＹセレクタ６３に接続されている。Ｙセレクタ６３は、対象メモリセル７１ｓにつながる第２ビット線ＢＬ２を選択第２ビット線ＢＬ２ｓとして選択する。Ｙ側電流終端回路６４は、対象メモリセル７１ｓにつながる第１ビット線ＢＬ１を選択第１ビット線ＢＬ１ｓとして選択する。
　Ｙ側電流源回路６５は、データ書き込み時、選択第２ビット線ＢＬ２ｓに対し、所定の書き込み電流（Ｉｗ１，Ｉｗ２）の供給又は引き込みを行う。Ｙ側電源回路６６は、データ書き込み時、Ｙ側電流終端回路６４に所定の電圧を供給する。その結果、書き込み電流（Ｉｗ１，Ｉｗ２）は、Ｙセレクタ６３へ流れ込む、あるいは、Ｙセレクタ６３から流れ出す。これらＸセレクタ６２、Ｙセレクタ６３、Ｙ側電流終端回路６４、Ｙ側電流源回路６５、及びＹ側電源回路６６は、磁気メモリセル１に書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２を供給するための「書き込み電流供給回路」を構成している。
　データ読み出し時、第１ビット線ＢＬ１は“Ｏｐｅｎ”に設定される。読み出し電流負荷回路６７は、選択第２ビット線ＢＬ２ｓに所定の読み出し電流を流す。また、読み出し電流負荷回路６７は、リファレンスセル７１ｒにつながるリファレンス第２ビット線ＢＬ２ｒに所定の電流を流す。センスアンプ６８は、リファレンス第２ビット線ＢＬ２ｒの電位と選択第２ビット線ＢＬ２ｓの電位の差に基づいて、対象メモリセル７１ｓからデータを読み出し、そのデータを出力する。
　以上のように、本発明では、磁気記録層１０の一方の延長部分に特性変化構造を有している。このとき、として非磁性層４２及び強磁性層４４を用いる場合、追加行程を導入することなく、トンネルバリヤ層３２及びピン層３０と同時に極めて容易に非磁性層４２及び強磁性層４４を形成することが出来る。また、段差のある構造４１を用いる場合、下地部分又は磁気記録層１０の所定の場所を一部エッチングするだけで、極めて容易に構造４１を形成することが出来る。それにより、微細化により磁化記録層１０の幅が狭い場合に製作が困難なくびれや、コスト増の追加プロセスが必要な段差のようなピンポテンシャルを形成するための人工的な構造を形成する必要はなくなる。すなわち、素子の微小化に適応し、かつ、工程数が少ない構造を有するＭＲＡＭを提供することが出来る。
　また、本発明の特性変化構造を導入することで、図８Ａ～図８Ｄに示すように磁気ランダムアクセスメモリの初期化を極めて容易に行うことができる。すなわち、本発明のＭＲＡＭの構造に磁壁を導入し初期化するＭＲＡＭの初期化方法を提供することが可能となる。
　以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。
　この出願は、２００８年７月１０日に出願された特許出願番号２００８－１８０３０６号の日本特許出願に基づいており、その出願による優先権の利益を主張し、その出願の開示は、引用することにより、そっくりそのままここに組み込まれている。

Claims (14)

  1. 　垂直磁気異方性を有し、強磁性層である磁化記録層と、
    　前記磁化記録層における第１領域の一方の端に接続された第１端子と、
    　前記第１領域の他方の端に接続された第２端子と、
    　前記第１領域上に設けられた非磁性層と、
    　前記非磁性層上であって前記第１領域と反対側に設けられた磁化固定層と
    　を具備し、
    　前記磁化記録層は、
    　前記磁化記録層における前記第１端子の外側である第１延長部分と、
    　前記第１延長部分に設けられ、前記磁化記録層の磁化反転特性を実質的に変化させる特性変化構造と
    　を備える
    　磁気メモリセル。
  2. 　請求の範囲１に記載の磁気メモリセルにおいて、
    　前記磁化記録層は、前記磁化記録層における前記第２端子の外側である第２延長部分を更に備える
    　磁気メモリセル。
  3. 　請求の範囲１又は２に記載の磁気メモリセルにおいて、
    　前記特性変化構造は、前記磁化記録層に絶縁層を介して接続した強磁性層を含む
    　磁気メモリセル。
  4. 　請求の範囲１又は２に記載の磁気メモリセルにおいて、
    　前記特性変化構造は、前記磁化記録層に直接的に接続した強磁性層を含む
    　磁気メモリセル。
  5. 　請求の範囲１又は２に記載の磁気メモリセルにおいて、
    　前記特性変化構造は、前記磁化記録層に直接的に接続した反強磁性層を含む
    　磁気メモリセル。
  6. 　請求の範囲１又は２に記載の磁気メモリセルにおいて、
    　前記特性変化構造は、前期磁化記録層に設けられた段差を有する
    　磁気メモリセル。
  7. 　請求の範囲１又は２に記載の磁気メモリセルにおいて、
    　前記特性変化構造は、前期磁化記録層に設けられたエッチングされた薄層部を含む
    　磁気メモリセル。
  8. 　請求の範囲１乃至７のいずれか一項に記載の磁気メモリセルにおいて、
    　前記非磁性層及び前記磁化固定層は、前記第１領域にオーバーラップして積層されている
    　磁気メモリセル。
  9. 　請求の範囲１乃至７のいずれか一項に記載の磁気メモリセルにおいて、
    　前記磁化記録層と前記非磁性層との間に設けられ、強磁性層であるセンス層を更に具備し、
    　前記センス層、前記非磁性層及び前記ピン層は、前記第１領域に部分的にオーバーラップして積層されている
    　磁気メモリセル。
  10. 　請求の範囲９に記載の磁気メモリセルにおいて、
    　前記センス層及び前記磁化固定層は、面内磁気異方性を有する
    　磁気メモリセル。
  11. 　行列上に配列され、請求の範囲１乃至１０のいずれか一項に記載の複数の磁気メモリセルと、
    　前記複数の磁気メモリセルの書込み動作時に書き込み電流を供給する書き込み電流供給回路と
    　を具備する
    　磁気ランダムアクセスメモリ。
  12. 　行列上に配列され、複数の磁気メモリセルと、
    　前記複数の磁気メモリセルの書込み動作時に書き込み電流を供給する書き込み電流供給回路と
    　を具備し、
    　前記複数の磁気メモリセルの各々は、
    　垂直磁気異方性を有し、強磁性層である磁化記録層と、
    　前記磁化記録層における第１領域の一方の端に接続された第１端子と、
    　前記第１領域の他方の端に接続された第２端子と、
    　前記第１領域上に設けられた非磁性層と、
    　前記非磁性層上であって前記第１領域と反対側に設けられた磁化固定層と、
    　を備え、
    　前記磁化記録層は、
    　前記磁化記録層における前記第１端子の外側である第１延長部分と、
    　前記第１延長部分に設けられ、前記磁化記録層の磁化反転特性を実質的に変化させる特性変化構造と
    　を含む磁気ランダムアクセスメモリに対して、
    　第１方向に磁界を印加し、前記磁化記録層の全ての磁化を前記第１方向に向けるステップと、
    　前記第１方向とは逆の第２方向に磁界を印加して前記磁化記録層のうち、前記特性変化構造が設けられていない領域の磁化を前記第２方向に向け、磁壁を発生させるステップと、
    　前記第１方向に磁界を印加し、前記磁壁を前記第１領域内に導入させるステップと、
    　前記第１端子と前記第２端子との間に電流を流すことにより前記磁壁を前記第２端子の近傍に駆動するステップと
    　を実行する
    　磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
  13. 　行列上に配列され、複数の磁気メモリセルと、
    　前記複数の磁気メモリセルの書込み動作時に書き込み電流を供給する書き込み電流供給回路と
    　を具備し、
    　前記複数の磁気メモリセルの各々は、
    　垂直磁気異方性を有し、強磁性層である磁化記録層と、
    　前記磁化記録層における第１領域の一方の端に接続された第１端子と、
    　前記第１領域の他方の端に接続された第２端子と、
    　前記第１領域上に設けられた非磁性層と、
    　前記非磁性層上であって前記第１領域と反対側に設けられた磁化固定層と
    　を備え、
    　前記磁化記録層は、
    　前記磁化記録層における前記第１端子の外側である第１延長部分と、
    　前記第１延長部分に設けられ、前記磁化記録層の磁化反転特性を実質的に変化させる特性変化構造と
    　を含む磁気ランダムアクセスメモリに対して、
    　第１方向に磁界を印加し、前記磁気記録層の全ての磁化を前記第１方向に向けるステップと、
    　前記第１方向とは逆の第２方向に磁界を印加して前記磁化記録層のうち、前記特性変化構造が設けられている領域の磁化を前記第２方向を向け、磁壁を発生させるステップと、
    　前記第２方向に磁界を印加し、前記磁壁を前記第１領域内に導入させるステップと、
    　前記第１端子と前記第２端子との間に電流を流すことにより前記磁壁を前記第２端子の近傍に駆動するステップと
    　を実行する
    　磁気ランダムアクセスメモリの初期化方法。
  14. 　行列上に配列され、複数の磁気メモリセルと、
    　前記複数の磁気メモリセルの書込み動作時に書き込み電流を供給する書き込み電流供給回路と
    　を具備し、
    　前記複数の磁気メモリセルの各々は、
    　垂直磁気異方性を有し、強磁性層である磁化記録層と、
    　前記磁化記録層における第１領域の一方の端に接続された第１端子と、
    　前記第１領域の他方の端に接続された第２端子と、
    　前記第１領域上に設けられた非磁性層と、
    　前記非磁性層上であって前記第１領域と反対側に設けられた磁化固定層と
    　　を備え、
    　　前記磁化記録層は、
    　　前記磁化記録層における前記第１端子の外側である第１延長部分と、
    　　前記第１延長部分に設けられ、前記磁化記録層の磁化反転特性を実質的に変化させる特性変化構造と
    　　を含む磁気ランダムアクセスメモリに対して、
    　書込み電流パルスを第１時間で立ち上げるステップと、
    　前記書き込み電流パルスを前記第１時間より長い第２時間で立ち下げるステップと
    　を実行する
    　磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法。
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