JP4581394B2 - 磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気メモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。

コンピュータ等の情報機器では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なＤＲＡＭが広く使われている。
しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。

そして、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている（例えば非特許文献１参照）。

今後、ＭＲＡＭにおいても、記憶容量を増加したり、装置を小型化したりするために、高密度化を図る必要があり、これによりメモリセルを構成する磁気記憶素子のさらなる縮小化が求められる。

ＭＲＡＭでは、直交する２種類のアドレス配線（例えば、ワード線やビット線）のそれぞれに電流を流し、発生する電流磁場によって、アドレス配線の交点にある磁気記憶素子において、情報を記録して保持させる磁性層（記憶層）の磁化の向きを反転させることにより、情報の記録を行っている。

また、ＭＲＡＭにおいて、記録された情報を読み出す方式としては、各磁気記憶素子に選択用のトランジスタを設けて、選択されたメモリセルの磁気記憶素子のみに電流を流して情報を読み出す方式と、２種類のアドレス配線に磁気記憶素子を電気的に接続し、これら２種類のアドレス配線間に電流を流して情報を読み出す方式とがある。
後者の場合、選択用のトランジスタを設けないため、構造が簡単であり、高密度の集積が可能である。

しかし、選択用のトランジスタを設けない場合には、目的とするメモリセル以外のメモリセルの磁気記憶素子にも電流が流れることがあり、所望のメモリセルに記録された情報を精度よく読み出すのが難しくなる。

そこで、この問題を解決する方法として、例えば、ダイオードを設けたり（例えば、特許文献１参照）、ワード線やビット線等のアドレス配線の電位をコントロールしたり（例えば、特許文献２参照）することによって、目的とするメモリセル以外の磁気記憶素子に流れる電流を低減して、読み出し精度を上げる試みがなされている。
日経エレクトロニクス ２００１．２．１２号（第１６４頁−１７１頁） 特開２００２−３０４８８０号公報 特開２００２−８３６９号公報

しかしながら、これらの方法では、ダイオードや、電位をコントロールするための回路部品等を、付加する必要があるため、構造が複雑化して、磁気記憶素子を高密度に集積した磁気メモリを実現することが困難になる。

上述した問題の解決のために、本発明においては、付加する回路部品が少なく、高密度に集積化することが可能であると共に、記録された情報を精度よく読み出すことが可能な磁気メモリを提供するものである。

本発明の磁気メモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する磁気記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、これら２種類の配線の交点付近に磁気記憶素子が配置され、少なくとも２層以上の磁性層が、上下の磁性層の磁化の向きが互いに反平行となるように積層されて記憶層が構成され、記憶層に対して非磁性層を介して読み出し用磁性層が設けられ、２種類の配線に電流を流して、発生する電流磁界により、記憶層の磁化の向きを変化させることによって、記憶層に情報の記録が行われ、磁気記憶素子に電流を流して偏極電子を注入することにより、読み出し用磁性層の磁化の向きを反転させ、磁気記憶素子の抵抗変化を検出することによって、記憶層に記録されている情報の読み出しが行われるものである。

上述の本発明の磁気メモリの構成によれば、少なくとも２層以上の磁性層が、上下の磁性層の磁化の向きが互いに反平行となるように積層されて記憶層が構成され、記憶層に対して非磁性層を介して読み出し用磁性層が設けられていることにより、互いに反平行の向きである上下の磁性層の磁化が打ち消し合って、記憶層全体の合成磁化が小さくなり、記憶層から読み出し用磁性層への磁気的な影響が小さくなるため、読み出し用磁性層の磁化の向きを容易に変えることが可能になる。
また、磁気記憶素子に電流を流して偏極電子を注入することにより、読み出し用磁性層の磁化の向きを反転させ、磁気記憶素子の抵抗変化を検出することによって、記憶層に記録されている情報の読み出しが行われることにより、磁気記憶素子に電流を流して偏極電子を注入することによって、読み出し用磁性層の磁化の向きを変化させることができる。そして、読み出し用磁性層と記憶層との間の非磁性層の抵抗値は、記憶層のうちの読み出し用磁性層側の磁性層の磁化の向きと、読み出し用磁性層の磁化の向きとの関係によって変化するため、磁気記憶素子全体の抵抗もこれらの磁化の向きの関係により変化する。
従って、磁気記憶素子の抵抗変化を検出することにより、記憶層のうちの読み出し用磁性層側の磁性層の磁化の向きと、読み出し用磁性層の磁化の向きとの関係がわかり、これにより記憶層の磁性層の磁化の向き、即ち記録された情報の内容がわかる。
情報の読み出し時には、目的とする（読み出す対象の）磁気記憶素子の抵抗変化を検出するために、目的とする磁気記憶素子に対応する配線に電流を流す。このとき、目的としない（読み出す対象以外の）磁気記憶素子にも電流が流れることがあり得るが、目的としない磁気記憶素子に対応する配線に電流が流れたとしても、流れる電流量が少ないことから、注入される偏極電子の数が少なくなり、読み出し用磁性層の磁化の向きを変化させるに充分な量の偏極電子が注入されない。このため、磁気記憶素子の抵抗変化として観測されるのは、目的とする（読み出す対象）の磁気記憶素子の抵抗変化だけであり、目的としない（読み出す対象以外の）磁気記憶素子は寄与しない。
従って、磁気記憶素子の抵抗変化から、目的とする磁気記憶素子の記憶層に記録された情報を正確に読み出すことができる。

上述の本発明によれば、読み出し用磁性層の磁化の向きが比較的容易に変化するため、偏極電子の注入により、容易に磁化の向きを反転させることができる。
そして、磁気記憶素子に読み出し用磁性層を付加し、配線に情報の記録や情報の読み出しの際に必要となる電流を流すための回路部品を構成するだけで済み、付加する回路部品を少なくすることができる。
従って、高密度に集積化された磁気メモリを実現することが可能になる。

また、本発明によれば、磁気記憶素子の抵抗変化から、目的とする（読み出し対象の）磁気記憶素子の記憶層に記録された情報を正確に読み出すことができ、記憶層に記録された情報を精度よく読み出すことができる。

本発明の磁気メモリの実施の形態の説明に先立ち、まず一般的なＭＲＡＭの構成として、最も単純な（単純マトリクス構成の）ＭＲＡＭの斜視図を図９に示す。
図中左右方向に延びるアドレス配線１０１と、図中前後方向に延びるアドレス配線１０２とが、それぞれ複数本ずつ設けられ、これら２種類のアドレス配線１０１，１０２の交差点に、記憶層を含む磁気記憶素子１１０が配置されている。アドレス配線１０１は磁気記憶素子１１０の上方に配置され、アドレス配線１０２は磁気記憶素子１１０の下方に配置されている。

次に、磁気メモリの一形態の概略構成図を図１及び図２に示す。図１は、磁気メモリを構成する１単位のメモリセルの要部の概略断面図を示している。図２は、１単位のメモリセルの概略平面図を示している。

本形態は、スイッチング特性を利用して磁気記憶素子の記憶層に情報の記録を行う磁気メモリ（例えば、米国特許出願公開第２００３／００７２１７４号明細書参照）に適用したものである

図１に示すように、この磁気メモリでは、第１の磁性層１、第２の磁性層２、第３の磁性層３の３つの磁性層を有して磁気記憶素子１０が構成されている。
第１の磁性層１と第２の磁性層２は、間に非磁性層４を挟んで積層され、第１の磁性層１の磁化Ｍ１と第２の磁性層２の磁化Ｍ２とが互いに反平行の向きとなるように、磁気的に結合している。
そして、第１の磁性層１、非磁性層４、第２の磁性層２の積層構造により、情報を磁化の向き（磁化状態）により保持する記憶層６が構成される。
また、第３の磁性層３は、第２の磁性層２に対して、非磁性層（絶縁層又は非磁性導電層）５を介して配置されている。
なお、図１では、磁気記憶素子１０のその他の部分は図示を省略している。

第２の磁性層２と第３の磁性層３との間に挟まれた非磁性層５の材料としては、例えば、Ｃｕ等の金属材料、酸化アルミニウム等の酸化物、窒化アルミニウム等の窒化物、その他炭化物等を用いることができる。

第１の磁性層１、第２の磁性層２、第３の磁性層３は、それぞれ単層でもよいし、異なる磁性層を積層してもよいし、非磁性層を介して磁気的に結合した複数層の磁性層を用いてもよく、磁気的な結合は強磁性的な結合でも反強磁性的な結合でもよい。

さらに、この磁気メモリは、図２の概略平面図に示すように、図９に示したＭＲＡＭと同様に、磁気記憶素子１０の上方に図中左右方向に延びる第１のアドレス配線１１が配置され、磁気記憶素子１０の下方に図中前後方向に延びる第２のアドレス配線１２が配置されており、これら第１のアドレス配線１１及び第２のアドレス配線１２はほぼ直交している。
そして、第１及び第２のアドレス配線１１，１２の交差点に、磁気記憶素子１０が配置されている。
第２のアドレス配線１２は、図１に示した第３の磁性層１３の下方に配置されている。
磁気記憶素子１０は、その平面形状が円形状となっている。磁気記憶素子１０を構成する磁性層１，２，３の磁化容易軸１３は、第１のアドレス配線１１に対して、傾斜角度θ（０＜θ＜９０°）を有するように配置されている。
なお、第１のアドレス配線１１及び第２のアドレス配線１２は、図示しないが、メモリセルの列方向及び行方向の数に応じて、それぞれ多数本ずつ格子状に設けられている。

この構成においては、第１の磁性層１及び第２の磁性層２に磁気的な相互作用が生じるため、一様な外部磁場の印加では、第１の磁性層１及び第２の磁性層２の磁化Ｍ１，Ｍ２を反転させることができない。
そこで、磁気記憶素子１０の記憶層６に情報を記録する際には、第１の磁性層１の磁化Ｍ１及び第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きを反転させるために、第１のアドレス配線１１及び第２のアドレス配線１２に、それぞれ電流を流して、電流磁界を誘起させる。
第１のアドレス配線１１による電流磁界と第２のアドレス配線１２による電流磁界の合成磁界は、図示しないが、時計回りまたは反時計回りに回る回転磁界を形成する。
そして、電流磁界の印加によって、第１の磁性層１の磁化Ｍ１の向き及び第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きを変えることにより、記憶層６に情報（例えば、情報”１”又は情報”０”）を記録することができる。

詳しくは、第１のアドレス配線１１の電流と、第２のアドレス配線１２の電流とに、時間差を設けて、スイッチング特性を利用して、（前述した、米国特許出願公開第２００３／００７２１７４号明細書等を参照）、第１の磁性層１の磁化Ｍ１の向き及び第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きを変えて、最終的には記録前の向きから反転させる。

なお、磁気記憶素子１０を構成する磁性層１，２，３の磁化容易軸１３の第１のアドレス配線１１に対する傾斜角度θは、ほぼ４５°とすることが望ましい。
これにより、第１のアドレス配線１１及び第２のアドレス配線１２の電流がいずれも片方の極性だけであっても、第１の磁性層１及び第２の磁性層２の磁化Ｍ１，Ｍ２の向きを反転させて情報の記録を行うことが可能になると共に、これら磁化Ｍ１，Ｍ２の向きの反転に必要な電流量をほぼ均等にする（一方の向きから他方の向きに反転させるときの電流量と、他方の向きから一方の向きに反転させるときの電流量とをほぼ等しくする）ことが可能になる。

そして、本形態では、第１の磁性層１及び第２の磁性層２を、磁化量が概ね等しい構成としている。
これにより、第１の磁性層１の磁化Ｍ１と第２の磁性層２の磁化Ｍ２とが互いに打ち消し合うため、記憶層６の合成磁化が非常に小さくなり、外部に漏洩する磁場を小さくすることができることから、第３の磁性層３に対する第１及び第２の磁性層１，２からの磁気的な影響が小さくなる。これにより、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きを比較的容易に変えることが可能になる。

また、本形態では、第３の磁性層３の膜厚Ｔ３を、第１の磁性層１の膜厚Ｔ１及び第２の磁性層２の膜厚Ｔ２よりも小さく（薄く）している。第１の磁性層１の膜厚Ｔ１及び第２の磁性層２の膜厚Ｔ２は、磁化量を概ね等しくするために、ほぼ等しくなっている。
このように、第３の磁性層３を、第１の磁性層１及び第２の磁性層２よりも薄くしたことにより、これによっても、第３の磁性層３に対する第１及び第２の磁性層１，２からの磁気的な影響を小さくすることができる。
なお、第３の磁性層３の膜厚を薄くする代わりに、第３の磁性層３の平面パターン形状を、第１の磁性層１及び第２の磁性層２の平面パターン形状と異ならせる（例えば、大きくする、或いは小さくする）ことによっても、同様に第３の磁性層３に対する第１及び第２の磁性層１，２からの磁気的な影響を小さくする効果が得られる。このように、第３の磁性層３に対する第１及び第２の磁性層１，２からの磁気的な影響を小さくすると、第３の磁性層３の磁化Ｍ２を、第１の磁性層１の磁化Ｍ１及び第２の磁性層２の磁化Ｍ２に対して反転させやすくなる。

さらに、本形態では、特に、磁気記憶素子１０の下方の第２のアドレス配線１２に電流を流して電流磁界を発生させることにより、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きを反転させるように構成する。
そして、第３の磁性層３を読み出し用磁性層として、この第３の磁性層３を用いて、記憶層６の第１の磁性層１及び第２の磁性層２に記録された情報を読み出す。

以下、本形態の磁気メモリにおける、記憶層６に記録された情報を読み出す動作について説明する。
ここでは、第３の磁性層３の下方の第２のアドレス配線１２に流す電流の向き（極性）を変えることにより、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きを変化させる。

まず、第２のアドレス配線１２に流す電流の向きを変えた場合の各層の磁化状態を図３Ａ及び図３Ｂに示す。
なお、図３Ａ及び図３Ｂでは、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きは変化するが、情報を保持する記憶層６の磁化、即ち第１の磁性層１の磁化Ｍ１及び第２の磁性層２の磁化Ｍ２は変化がないものとしている。第１の磁性層１の磁化Ｍ１は図中右下向きになっており、第２の磁性層２の磁化Ｍ２は図中右上向きになっている。読み出し時に第２のアドレス配線１２に流す電流を記録時の電流よりも充分小さくした場合には、このように記憶層６の磁化Ｍ１，Ｍ２の向きが変化しない。一方、読み出し時に流す電流を記録時の電流より若干小さくした場合には、記憶層６の磁化Ｍ１，Ｍ２の向きが第２のアドレス配線１２からの電流磁界により変化するが、電流を停止すると元に戻る。

図３Ａでは、第２のアドレス配線１２に流す電流Ｉの向きが図中奥から手前に向かっており、これにより左回りの電流磁場Ｈが発生して、第３の磁性層３の磁化Ｍ３が左下向きになる。従って、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きが、第２の磁性層の磁化Ｍ２の向きと反平行になっている。
図３Ｂでは、第２のアドレス配線１２に流す電流Ｉの向きが図中手前から奥に向かっており、これにより右回りの電流磁場Ｈが発生して、第３の磁性層３の磁化Ｍ３が右上向きになる。従って、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きが、第２の磁性層の磁化Ｍ２の向きと平行になっている。

そして、第２の磁性層２と第３の磁性層３との間の非磁性層５に、適当な非磁性材料や厚さを選択すれば、第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きと第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きとの関係を、非磁性層５を介した抵抗によって検出することが可能である。
例えば、第２の磁性層２及び第３の磁性層３がＣｏやＦｅ等の遷移金属を主体とした磁性層であり、間の非磁性層５に酸化アルミニウムを用いたときには、第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きと第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きが平行であるときに非磁性層５の抵抗が小さく、反平行であるときに非磁性層５の抵抗が大きくなる。
つまり図３Ａが高抵抗状態、図３Ｂが低抵抗状態である。

このように非磁性層５の抵抗が変化することにより、磁気記憶素子１０全体の抵抗も同様に変化する。即ち、図３Ａでは磁気記憶素子１０の抵抗が高くなり、図３Ｂでは磁気記憶素子１０の抵抗が低くなる。

一方、記憶層６に記録されている情報が図３とは逆である（第１の磁性層１の磁化Ｍ１が右上向きで、第２の磁性層２の磁化Ｍ２が左下向きである）ときには、第２のアドレス配線１２に流す電流Ｉの向きに対する、磁気記憶素子１０の抵抗の高低が逆転する。
即ち電流Ｉが図３Ａと同じ（奥から手前に向かう）向きでは低抵抗になり、図３Ｂと同じ（手前から奥に向かう）向きでは高抵抗になる。

そこで、本形態では、磁気記憶素子１０の各磁性層１，２，３における、このような特性を利用して、記憶層６に記録された情報を読み出す。
具体的には、第２のアドレス配線１２に流す電流Ｉを、例えば、図４Ａに示すように、時間変化させる。即ち、一方の極性で一定の電流量でしばらく保持した後に、電流量と極性を変化させ、その後他方の極性で一定量の電流量でしばらく保持する。
このように電流Ｉを時間変化させることにより、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きが反転することになる。
これにより、磁気記憶素子１０の抵抗は、図４Ｂに示すように、時間変化する。図４Ｂでは、便宜的に抵抗が減る場合を“０”の情報、抵抗が増える場合を“１”の情報としている。
図４Ｂに示すように、記憶層６に記録された情報の内容によって、磁気記憶素子１０の抵抗の変化が異なるため、これにより、記憶層６に記録された情報を読み出すことが可能になる。

なお、第２のアドレス配線１２に流す電流Ｉの時間変化を、図４Ａとは逆にしても、同様に、記憶層６に記録された情報を読み出すことが可能になる。

次に、本形態において、複数の磁気記憶素子１０を配置して磁気メモリを構成した場合の読み出し動作を説明する。
ここでは、図５に平面図を示すように、縦横３個ずつ９個の磁気記憶素子１０がある場合について説明する。９個の磁気記憶素子１０に対応して、３本の第１のアドレス配線１１（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ）と３本の第２のアドレス配線１２（１２Ｐ，１２Ｑ，１２Ｒ）とが格子状に配置されている。そして、例えば、第１のアドレス配線１１がビット線、第２のアドレス配線１２がワード線になる。
各第２のアドレス配線１２の一端には、コンデンサ１３及び抵抗１４が直列に接続され、微分回路１５が構成されている。

例えば、中央の行の磁気記憶素子１０（１０ＢＰ，１０ＢＱ，１０ＢＲ）に記録された情報の読み出しを行う場合には、第１のアドレス配線（ワード線）１１のうち、読み出しを行う対象の磁気記憶素子１０ＢＰ，１０ＢＱ、１０ＢＲに対応するアドレス配線１１Ｂを選んで、一定の電位に保ちながら電流ｉを流して、その電流ｉの方向（極性）を途中で変える。
このとき、アドレス配線１１Ｂに対応する磁気記憶素子１０ＢＰ，１０ＢＱ、１０ＢＲで、第３の磁性層３の磁化Ｍ３が反転するため、それぞれの記憶層６に記録された情報に応じて磁気記憶素子１０の抵抗が減少或いは増加する。
その結果、第２のアドレス配線１２に接続された微分回路１５により、記録された情報に応じて正又は負のパルス信号１６が観測される。

ここで、第１のアドレス配線１１が選択されていない他の行の磁気記憶素子１０は、第１のアドレス配線１１に電流が流れない、もしくは、第１のアドレス配線１１に電流が流れたとしても電流量が少なく、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きを反転するのに充分な電流磁界が発生しないので、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きが反転せず、磁気記憶素子１０の抵抗の変化がない。
このため、観測されるパルス信号１６は、選択されていない行の磁気記憶素子１０の影響を受けることがなく、所望の中央の行の磁気記憶素子１０の抵抗変化だけが寄与することになる。従って、目的とするメモリセルの磁気記憶素子１０の情報の内容を、正確に読み出すことができる。
図５では、パルス信号１６から、左右の磁気記憶素子１０ＢＰ及び１０ＢＲが同じ情報であり、真ん中の磁気記憶素子１０ＢＱが異なる情報であることがわかる。

このようにして、磁気記憶素子１０が多数配置されて成る磁気メモリにおいても、所望のメモリセルの磁気記憶素子１０に記録された情報を正確に読み出すことができる。

上述の本形態によれば、第１の磁性層１の磁化Ｍ１と第２の磁性層２の磁化Ｍ２とが、互いに向きが反平行となっており、第１の磁性層１と第２の磁性層２の磁化量が概ね等しいことにより、第１の磁性層１の磁化Ｍ１と第２の磁性層２の磁化Ｍ２が打ち消し合い、第３の磁性層３に対する第１及び第２の磁性層１，２からの磁気的な影響が小さくなるため、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きを比較的容易に変えることが可能になる。
これにより、第２のアドレス配線１２の電流Ｉによる電流磁場Ｈによって、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きを容易に反転させることが可能になる。

そして、第３の磁性層（読み出し用磁性層）３と記憶層６との間の非磁性層５の抵抗値は、記憶層６のうちの第３の磁性層（読み出し用磁性層）３側の第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きと、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きとの関係によって変化する。このため、磁気記憶素子１０全体の抵抗も、これらの磁化Ｍ２、Ｍ３の向きの関係により変化する。

従って、第３の磁性層（読み出し用磁性層）３の磁化Ｍ３の向きを反転させることによる、磁気記憶素子１０の抵抗変化を検出することにより、第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きと第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きとの関係がわかり、これにより記憶層６の磁性層１，２の磁化Ｍ１，Ｍ２の向き、即ち記憶層６に記録された情報の内容がわかる。
また、目的としないメモリセルの磁気記憶素子１０では、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きを変化させる（反転させる）に充分な電流磁界が発生しないため、磁気記憶素子１０の抵抗変化として観測されるのは、目的とする（読み出す対象の）磁気記憶素子１０の抵抗変化だけであり、他の目的としない（読み出す対象以外の）磁気記憶素子１０は寄与しない。

従って、本形態により、メモリセルに選択用のトランジスタを設けない、単純マトリクスの構成の磁気メモリにおいても、所望のメモリセルの磁気記憶素子１０の記憶層６に記録された情報を、正確に読み出すことが可能となる。
これにより、単純マトリクスの構成を採用して、より高密度に集積化された磁気メモリを実現することが可能になる。

続いて、本発明の磁気メモリの実施の形態を説明する。
本実施の形態では、記憶層と読み出し用磁性層との間に電流を流して、読み出し用磁性層に対して遍極電子を注入することにより、読み出し用磁性層の磁化を反転させるものである。
本発明の磁気メモリの実施の形態の概略構成図を図６に示す。図６は、磁気メモリを構成する１単位のメモリセルの要部の概略断面図を示している。

本実施の形態の磁気記憶素子２０では、第１の磁性層１、第２の磁性層２、第３の磁性層３、並びに非磁性層４，５が、図１に示した磁気記憶素子１０と同様の構成となっている。
また、メモリセルの概略平面図は、図２に示した形態と同様の構成とすることができる。

本実施の形態では、特に、読み出し用磁性層となる第３の磁性層３の下方に、非磁性層２３を介して、磁化固定層２１及び反強磁性層２２の積層構造が設けられている。
そして、磁化固定層２１の磁化Ｍ２１は、反強磁性層２２により向きが図中左向きに固定されている。
このように第３の磁性層３の下方に磁化固定層２１及び反強磁性層２２の積層構造が設けられていることにより、磁化固定層２１の作用により、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きを固定することが可能になる。
本実施の形態では、磁化固定層２１と第３の磁性層３とが非磁性層（例えば非磁性導電層）２３を介して積層されているため、磁化固定層２１及び第３の磁性層３の磁気的相互作用により、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きが左向き、即ち磁化固定層２１の磁化Ｍ２１の向きとは反対（反平行）になっている。
そして、この第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きの固定は、動作時以外、即ち情報の記録や情報の読み出しをそのメモリセルに対して行っていないときになされるように構成する。

第１の磁性層１、第２の磁性層２、第３の磁性層３、並びに磁化固定層２１は、それぞれ単層でもよいし、異なる磁性層を積層してもよいし、非磁性層を介して磁気的に結合した複数層の磁性層を用いてもよく、磁気的な結合は強磁性的な結合でも反強磁性的な結合でもよい。

以下、本実施の形態の磁気メモリにおける、記憶層６に記録された情報を読み出す動作について説明する。
本実施の形態では、アドレス配線（図示せず）を通じて、磁気記憶素子２０に電流を流すことにより、磁気記憶素子２０に偏極電子を注入して、第３の磁性層（読み出し用磁性層）３の磁化Ｍ３の向きを変化させる構成となっている。

磁性体を通った電子は、スピン偏極が生じるため、体積の小さい磁性体に体積の大きな磁性体を通して電流を流すと、体積の小さい方の磁性体の磁化が体積の大きい方の磁化と平行になるように力が働く性質を有する。

そして、本実施の形態では、先の形態と同様に記憶層６が構成され、第１の磁性層１及び第２の磁性層２よりも、第３の磁性層３が薄く形成されているため、第１の磁性層１側から第３の磁性層３に向けて偏極電子を注入する（第３の磁性層３側から第１の磁性層１に向けて電流を流す）と、第２の磁性層２の磁化Ｍ２に対して、向きが平行になるように、第３の磁性層３の磁化Ｍ３に対して力が働く。
なお、第３の磁性層３を薄く形成する代わりに、第３の磁性層３の平面パターンを第１の磁性層１及び第２の磁性層２の平面パターンよりも小さくすることによっても、第３の磁性層３の体積を小さくすることができるため、同様の作用が得られる。

このため、一定の電流量以上になると、図７Ａに示すように、第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きと第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きが反平行であった場合には、図７Ｂに示すように、平行になるように第３の磁性層３の磁化Ｍ３が反転する。
一方、図７Ｃに示すように、第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きと第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きが平行であった場合には、変化しない。

そして、先の形態と同様に、第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きと第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きとの関係により、間の非磁性層５の抵抗が変化し、これにより磁気記憶素子２０全体の抵抗も変化する。
従って、磁気記憶素子２０に電流を流して、電流量の変化による電圧の変化を検出すれば、それぞれの状態を分離することができるため、これにより記憶層６に記録された情報を読み出すことが可能である。
ここで、電流の変化による電圧の変化を図８に示す。曲線Ａは図７Ａ及び図７Ｂに示した場合の変化であり、曲線Ｂは図７Ｃに示した場合の変化である。曲線Ａでは、一定の電流量以上で、低抵抗に変化していることがわかる。

また、本実施の形態の構成によっても、複数の磁気記憶素子２０を配置して磁気メモリを構成した場合に、目的とする（読み出し対象の）磁気記憶素子２０の記憶層６に記録された情報を正確に読み出すことができる。
本実施の形態では、回路構成は、図５に示した形態の構成とは若干異なるが、交差する２種類のアドレス配線から目的とする（読み出し対象の）磁気記憶素子２０に電流が流れ、かつ磁気記憶素子２０の両端の電圧が観測できるように構成すればよく、付加する回路部品は比較的少なくて済む。

そして、目的とする（読み出し対象の）磁気記憶素子２０には、アドレス配線から第３の磁性層（読み出し用磁性層）３の磁化Ｍ３の向きを反転するに充分な偏極電子を注入できるような電流量が流れるため、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きの反転が可能であり、磁気記憶素子２０の抵抗が変化する。
一方、目的としない（読み出し対象以外の）磁気記憶素子２０には、電流が流れない、もしくは、電流が流れたとしても電流量が少なく、第３の磁性層（読み出し用磁性層）３の磁化Ｍ３の向きを反転するに充分な偏極電子を注入することができないので、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きが反転せず、磁気記憶素子２０の抵抗の変化がない。
このため、観測される抵抗変化（図８に示す電圧変化）は、目的としない磁気記憶素子２０の影響を受けることがなく、所望の磁気記憶素子２０の抵抗変化だけが寄与することになる。従って、目的とするメモリセルの磁気記憶素子２０の情報の内容を、正確に読み出すことができる。

上述の本実施の形態によれば、先の形態と同様に、第１の磁性層１の磁化Ｍ１と第２の磁性層２の磁化Ｍ２が打ち消し合い、第３の磁性層３に対する第１及び第２の磁性層１，２からの磁気的な影響が小さくなるため、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きを比較的容易に変えることが可能になる。
これにより、磁気記憶素子２０に流す電流に伴う偏極電子の注入によって、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きを容易に反転させることが可能になる。

そして、第３の磁性層（読み出し用磁性層）３と記憶層６との間の非磁性層５の抵抗値は、記憶層６のうちの第３の磁性層（読み出し用磁性層）３側の第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きと、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きとの関係によって変化する。このため、磁気記憶素子２０全体の抵抗も、これらの磁化Ｍ２、Ｍ３の向きの関係により変化する。

従って、第３の磁性層（読み出し用磁性層）３の磁化Ｍ３の向きを反転させることによる、磁気記憶素子２０の抵抗変化を検出することにより、第２の磁性層２の磁化Ｍ２の向きと第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きとの関係がわかり、これにより記憶層６の磁性層１，２の磁化Ｍ１，Ｍ２の向き、即ち記憶層６に記録された情報の内容がわかる。
また、目的としないメモリセルの磁気記憶素子２０では、第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きを変化させる（反転させる）に充分な偏極電子を発生するような電流量の電流が流れないため、磁気記憶素子２０の抵抗変化として観測されるのは、目的とする（読み出す対象の）磁気記憶素子２０の抵抗変化だけであり、他の目的としない（読み出す対象以外の）磁気記憶素子２０は寄与しない。

従って、本実施の形態により、メモリセルに選択用のトランジスタを設けない、単純マトリクスの構成の磁気メモリにおいても、所望のメモリセルの磁気記憶素子２０の記憶層６に記録された情報を、正確に読み出すことが可能となる。
これにより、単純マトリクスの構成を採用して、より高密度に集積化された磁気メモリを実現することが可能になる。

また、本実施の形態によれば、第３の磁性層３の下方に、磁化固定層２１及び反強磁性層２２の積層構造を設けたことにより、動作時以外（情報の記録や情報の読み出しをそのメモリセルに対して行っていないとき）に第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きが固定されている構成としているため、偏極電子の注入による第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きの反転を、固定された向きから反転させるだけで行うことができ、偏極電子の注入を行うために磁気記憶素子２０に流す電流の向きを一方だけにすることができる。
これにより、磁気メモリの回路構成を簡略化することが可能になる。

なお、第３の磁性層３の下方に、磁化固定層２１及び反強磁性層２２の積層構造を設けた構成は、先の形態の磁気記憶素子１０の構成にも適用することが可能である。その場合、第２のアドレス配線１２と第３の磁性層３との間に、磁化固定層２１及び反強磁性層２２の積層構造を設ける。これにより、第２のアドレス配線１２から電流磁界を発生させて第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きを反転させるための電流の向きを一方だけにして、磁気メモリの回路構成を簡略化することが可能になる。

また、磁化固定層２１及び反強磁性層２２の積層構造を設ける代わりに、上述の実施の形態において、外部磁界によって、動作時以外は、第３の磁性層（読み出し用磁性層）３の磁化Ｍ３の向きを固定することも可能である。このように、外部磁界により動作時以外は第３の磁性層３の磁化Ｍ３の向きを固定することによっても、磁気メモリの回路構成を簡略化することが可能になる。

上述の実施の形態では、磁気記憶素子に電流磁界を印加するための２種類の配線１１，１２が直交する構成であったが、本発明は、２種類の配線が斜めに交差する場合も含む。
また、上述の実施の形態では、各メモリセルの磁気記憶素子が２種類の配線の交点に配置されていたが、本発明は、２種類の交点の近傍（交点付近）に磁気記憶素子が配置されている場合も含む。

上述の実施の形態では、記憶層を、第１の磁性層及び第２の磁性層の２層の磁性層により構成したが、３層以上の磁性層によって記憶層を構成してもよい。
例えば、第１の磁性層及び第２の磁性層それぞれが磁気的相互作用により反平行に磁気的結合した複数層の磁性層からなる構成、即ち、例えば上下の磁性層の磁化の向きが反平行になるように磁気的結合した４層や６層の磁性層を有する構成としてもよい。
また例えば、３層以上の磁性層が磁気的結合して、上下の磁性層の磁化の向きが反平行になっている、即ち磁化の向きが互い違いになっている構成としてもよい。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

磁気メモリの１単位のメモリセルの要部の概略断面図である。 磁気メモリの１単位のメモリセルの概略平面図である。 Ａ、Ｂ 図１及び図２の磁気メモリにおいて、電流の向きを変えた場合の各層の磁化状態を示す図である。 Ａ、Ｂ 図１及び図２の磁気メモリにおいて、情報を読み出す動作を説明する図である。 図１及び図２の磁気メモリにおいて、複数の磁気記憶素子を配置した場合の平面図である。 本発明の実施の形態の磁気メモリの１単位のメモリセルの要部の概略断面図である。 Ａ〜Ｃ 図６の磁気メモリにおいて、情報を読み出す動作を説明する図である。 図６の磁気メモリにおいて、磁気記憶素子に流す電流を変化させたときの電圧変化を示す図である。 単純マトリクス構成のＭＲＡＭの斜視図である。

符号の説明

１ 第１の磁性層、２ 第２の磁性層、３ 第３の磁性層、４，５，２３ 非磁性層、６ 記憶層、１０，２０ 磁気記憶素子、１１ 第１のアドレス配線、１２ 第２のアドレス配線、２１ 磁化固定層、２２ 反強磁性層

Claims (2)

1. 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する磁気記憶素子と、
   互いに交差する２種類の配線とを備え、
   前記２種類の配線の交点付近に前記磁気記憶素子が配置され、
   少なくとも２層以上の磁性層が、上下の磁性層の磁化の向きが互いに反平行となるように積層されて前記記憶層が構成され、
   前記記憶層に対して、非磁性層を介して、読み出し用磁性層が設けられ、
   前記２種類の配線に電流を流して、発生する電流磁界により、前記記憶層の磁化の向きを変化させることによって、前記記憶層に情報の記録が行われ、
   前記磁気記憶素子に電流を流して偏極電子を注入することにより、前記読み出し用磁性層の磁化の向きを反転させ、前記磁気記憶素子の抵抗変化を検出することによって、前記記憶層に記録されている情報の読み出しが行われる
   磁気メモリ。
2. 前記読み出し用磁性層が、前記記憶層の磁性層と比較して、膜厚が薄く形成されている、又は小さい平面パターンに形成されている請求項１に記載の磁気メモリ。

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