JP5201538B2 - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ： Magnetic Random Access Memory）に関する。特に、本発明は、磁壁移動方式のＭＲＡＭに関する。
本出願は、２００７年３月７日に出願された日本国特許出願２００７−０５６６９３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

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においては、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）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、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。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、従来、「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、及び、Ｙａｇａｍｉ ａｎｄ Ｓｕｚｕｋｉ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，日本応用磁気学会誌，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．９，２００４を参照）。スピン注入方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流（spin-polarized current）が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する（以下、「スピン注入磁化反転：Spin Transfer Magnetization Switching」と参照される）。

スピン注入方式において、書き込み電流は、スピンの歳差運動に対する制動の強さを表す「制動係数α」に比例する。この制動係数αを制御する方法として、Ｍｉｚｕｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．，Ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ ｆｏｒ ＮＭ／８０ＮｉＦｅ／ＮＭ （ＮＭ＝Ｃｕ，Ｔａ，Ｐｄ ａｎｄ Ｐｔ） Ｆｉｌｍｓ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４０，ｐｐ．５８０−５８５，２００１には、磁性体膜にＰｔなどの非磁性金属層を隣接させることが報告されている。ただし、この場合の制動係数αは、単独の磁性体膜の場合と比較して増加するので、書き込み電流も増加する。

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

このようなスピン注入による磁壁移動（Domain Wall Motion）を利用した「磁壁移動方式のＭＲＡＭ」が、特開２００５−１９１０３２号公報、国際公開ＷＯ／２００７／０２０８２３、Ｎｕｍａｔａ ｅｔ ａｌ．，Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａ Ｎｅｗ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃｅｌｌ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ，Ｉｎｔｅｒｍａｇ ２００６ Ｄｉｇｅｓｔ，ＨＱ−０３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自由層とを備える。図１は、その磁化自由層の構造を示している。図１において、磁化自由層１００は、直線形状を有している。具体的には、磁化自由層１００は、トンネル絶縁層及び磁化固定層と重なる接合部１０３、接合部１０３の両端に隣接するくびれ部１０４、及びくびれ部１０４に隣接形成された一対の磁化固定部１０１、１０２を有する。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、磁化自由層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。

図２は、国際公開ＷＯ／２００７／０２０８２３に記載された磁気メモリセルの磁気記録層１１０の構造を示している。磁気記録層１１０は、Ｕ字型の形状を有している。具体的には、磁気記録層１１０は、第１磁化固定領域１１１、第２磁化固定領域１１２、及び磁化反転領域１１３を有している。磁化反転領域１１３は、ピン層１３０とオーバーラップしている。磁化固定領域１１１、１１２は、Ｙ方向に延びるように形成されており、その磁化の向きは同じ方向に固定されている。一方、磁化反転領域１１３は、Ｘ方向に延びるように形成されており、反転可能な磁化を有している。従って、磁壁が、第１磁化固定領域１１１と磁化反転領域１１３との境界Ｂ１、あるいは、第２磁化固定領域１１２と磁化反転領域１１３との境界Ｂ２に形成される。

磁化固定領域１１１、１１２は、電流供給端子１１５及び１１６のそれぞれに接続されている。これら電流供給端子１１５、１１６を用いることにより、磁気記録層１１０に書き込み電流を流すことが可能である。その書き込み電流の方向に応じて、磁壁は磁化反転領域１１３中を移動する。この磁壁移動により、磁化反転領域１１３の磁化方向を制御することができる。

本願発明者は、次の点に着目した。図１及び図２で示された磁壁移動方式のＭＲＡＭにおいて、磁壁のダイナミクスは、下記数式（１）で表される。数式中、αは制動係数である。ｑは磁壁の位置である。Ψは、磁化の面内からの立ちあがり角である。Ｍｓは飽和磁化である。γはジャイロ磁気定数である。Δは磁壁幅である。εはピンポテンシャルである。Ｈｋは異方性磁界である。ｕは電流密度である。βは非断熱係数である。

上記数式（１）によれば、磁壁はあたかもポテンシャル中の粒子のように振る舞う。図１の場合はくびれ部１０４、図２の場合は磁化固定領域１１１、１１２と磁化反転領域１１３との接続により大きさや形状は変わるが、ピンポテンシャルは、模式的には図３のようになる。スピン偏極した書き込み電流の印加により、磁壁はポテンシャルを上って行き、障壁を超えて遷移することができる。

しかしながら、書き込み電流がある程度以上に大きくなると、磁壁に大きなエネルギーが蓄えられる。そのため、書き込み電流が切断されたとき、図４に示されるように、磁壁が反動で元に戻ってしまう可能性がある。また、図５に示されるように、“０”状態から“１”状態への遷移に必要な方向と逆方向に書き込み電流が印加された場合を考える。その場合にも、磁壁に大きなエネルギーが蓄えられるため、磁壁が反動で“１”状態に遷移してしまう可能性がある。

このように、磁壁移動方式のＭＲＡＭでは、誤書き込みが発生する可能性があった。誤書き込みを抑制するためには、書き込み電流のマージンを狭くせざるを得ない。

本発明の目的は、磁壁移動方式のＭＲＡＭにおいて、書き込み電流のマージンを拡大させることができる技術を提供することにある。

本発明の一実施の形態によれば、磁壁移動方式の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る。磁気記録層は、反転可能な磁化を有しピン層とオーバーラップする磁化反転領域と、磁化反転領域の第１境界に接続され磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、磁化反転領域の第２境界に接続され磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域と、を有する。第１方向及び第２方向は共に、磁化反転領域へ向かう方向、又は、磁化反転領域から離れる方向である。第１磁化固定領域と第２磁化固定領域との間を流れる電流により、磁化反転領域中を磁壁が移動する。第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域の少なくとも一部分における制動係数が、磁化反転領域における制動係数よりも大きい。

本発明の他の実施の形態によれば、磁壁移動方式の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る。磁気記録層は、反転可能な磁化を有しピン層とオーバーラップする磁化反転領域と、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域と、磁化反転領域の第１境界と第１磁化固定領域との間に介在する第１制動領域と、磁化反転領域の第２境界と第２磁化固定領域との間に介在する第２制動領域と、を有する。第１方向及び第２方向は共に、磁化反転領域へ向かう方向、又は、磁化反転領域から離れる方向である。第１制動領域及び第２制動領域における制動係数は、磁化反転領域における制動係数よりも大きい。

書き込み電流の印加により磁壁が第１磁化固定領域あるいは第２磁化固定領域に侵入した場合、制動係数の大きい部分で、急激にエネルギーの散逸が起こる。その結果、書き込み電流が切断された後、磁壁はポテンシャル障壁を超えることができなくなる。つまり、図４や図５で示されたような誤書き込みが起きにくくなる。従って、書き込み電流の設計自由度が向上し、書き込み電流のマージンを拡大させることが可能となる。

本発明によれば、磁壁移動方式のＭＲＡＭにおいて、誤書き込みのリスクを低減することが可能となる。その結果、書き込み電流の設計自由度が向上し、書き込み電流のマージンを拡大させることが可能となる。

図１は、関連文献に記載された磁気メモリセルの磁化自由層の構造を示す平面図である。 図２は、他の関連文献に記載された磁気メモリセルの磁気記録層の構造を示す平面図である。 図３は、磁壁移動に関するピンポテンシャルを示す模式図である。 図４は、磁壁移動の一例を示す模式図である。 図５は、磁壁移動の他の例を示す模式図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の一例を示す全体図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る磁気記録層の構造の一例を示す平面図である。 図８は、本発明の実施の形態に係る磁気記録層の構造の他の例を示す平面図である。 図９は、本発明の実施の形態に係る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１０は、本発明の実施の形態における制動領域の作用を説明するための概念図である。 図１１は、本発明の実施の形態における制動領域の作用を説明するための概念図である。 図１２は、磁気記録層の構造の変形例を示す平面図である。 図１３は、磁気記録層の構造の他の変形例を示す平面図である。 図１４は、磁気記録層の構造の更に他の変形例を示す平面図である。 図１５は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成の一例を示すブロック図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭを説明する。本実施の形態に係るＭＲＡＭは、磁壁移動方式のＭＲＡＭである。

１．磁気メモリセルの構造
１−１．基本構造
図６は、本実施の形態に係る磁気メモリセル１（磁気抵抗素子）の一例を示している。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の材料としては、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅにＣｕ、Ｔａ等を混ぜた合金、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏを含む合金、ＣｏＦｅＢを主成分とするアモルファス磁性体などが用いられる。トンネルバリヤ層２０は、Ａｌ_２Ｏ_３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜である。ピン層３０の材料としては、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどが用いられる。

ピン層３０の磁化の向きは、図示されない反強磁性体層によって固定されている。一方、磁気記録層１０は、反転可能な磁化を含んでおり、磁化自由層（フリー層）に相当する役割を果たす。

図６に示されるように、本実施の形態に係る磁気記録層１０は、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。磁化反転領域１３は、Ｘ方向に延びるように形成されており、反転可能な磁化を有している。この磁化反転領域１３は、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の磁化反転領域１３の一部が、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磁化固定領域１１は、Ｙ方向に延びるように形成されており、その磁化の向きは固定されている。同様に、第２磁化固定領域１２は、Ｙ方向に延びるように形成されており、その磁化の向きは固定されている。磁化固定領域１１、１２の磁化は、反強磁性体を隣接させることにより固定することもできる。尚、「磁化が固定されている」とは、書き込み動作の前後で磁化の方向が変わらないことを意味する。書き込み動作中に、磁化固定領域の一部の磁化の方向が変化しても、書き込み動作終了後には元に戻る。

これら磁化固定領域１１、１２、及び磁化反転領域１３は、同一平面（ＸＹ面）上に形成されている。そのＸＹ面における磁気記録層１０の形状が、図７に示されている。図７に示されるように、磁化固定領域１１、１２、及び磁化反転領域１３は、“Ｕ字状、又は、凹形状”に形成されている。具体的には、磁化固定領域１１、１２は、Ｙ方向に沿って互いに略平行となるように形成されている。磁化反転領域１３は、磁化固定領域１１と１２との間をつなぐように、Ｘ方向に沿って形成されている。第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３は、第１境界Ｂ１において互いに接触しており、第２磁化固定領域１２と磁化反転領域１３は、第２境界Ｂ２において互いに接触している。磁化反転領域１３において、第１境界Ｂ１と第２境界Ｂ２は、対向するように位置している。また、第１磁化固定領域１１の第１境界Ｂ１に対向する端部周辺には、電流供給端子１５が設けられている。第２磁化固定領域１２の第２境界Ｂ２に対向する端部周辺には、電流供給端子１６が設けられている。

図７には、各領域の磁化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の磁化の向きは、−Ｘ方向に固定されているとする。図７において、第１磁化固定領域１１の磁化の向きは、＋Ｙ方向に固定されている。その向きは、第１境界Ｂ１から離れる（Ａｗａｙ）方向である。また、第２磁化固定領域１２の磁化の向きも、＋Ｙ方向に固定されている。その向きは、第２境界Ｂ２から離れる（Ａｗａｙ）方向である。つまり、磁化固定領域１１、１２は共に、それらの磁化の向きが磁化反転領域１３から離れるように形成されている。これは、磁化固定領域１１、１２の磁化の向きが、磁気記録層１０の形状に沿って逆向きであることを意味する。

一方、磁化反転領域１３の磁化の向きは反転可能であり、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向である。つまり、磁化反転領域１３の磁化は、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る。磁化反転領域１３の磁化の向きが＋Ｘ方向の場合、すなわち、その磁化が第２境界Ｂ２へ向いている場合、第１磁化固定領域１１が１つの磁区（magnetic domain）を形成し、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１２が別の磁区を形成する。つまり、第１境界Ｂ１に磁壁（domain wall）が形成される。一方、磁化反転領域１３の磁化の向きが−Ｘ方向の場合、すなわち、その磁化が第１境界Ｂ１へ向いている場合、第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３が１つの磁区を形成し、第２磁化固定領域１２が別の磁区を形成する。つまり、第２境界Ｂ２に磁壁が形成される。

このように、磁化反転領域１３の磁化は、第１境界Ｂ１あるいは第２境界Ｂ２へ向き、磁気記録層１０において、磁壁が第１境界Ｂ１あるいは第２境界Ｂ２に形成される。これは、磁化固定領域１１、１２の磁化の向きが、磁気記録層１０の形状に沿って逆向きであることに起因する。

磁化固定領域１１、１２の磁化の向きは、図７で示された方向に限られない。上述のとおり、磁化固定領域１１、１２の磁化の向きは、磁気記録層１０の形状に沿って逆向きであればよい。例えば図８において、第１磁化固定領域１１の磁化の向きは、−Ｙ方向に固定されている。その向きは、第１境界Ｂ１へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向である。また、第２磁化固定領域１２の磁化の向きも、−Ｙ方向に固定されている。その向きは、第２境界Ｂ２へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向である。つまり、磁化固定領域１１、１２の磁化は、共に磁化反転領域１３へ向かう方向に固定されており、磁気記録層１０の形状に沿って逆方向を向いている。

１−２．制動領域
再度図６を参照して、本実施の形態に係る磁気メモリセル１は、更に、非磁性金属層５１、５２を備えている。非磁性金属層５１は、磁気記録層１０の第１磁化固定領域１１の少なくとも一部に隣接して設けられている。非磁性金属層５２は、磁気記録層１０の第２磁化固定領域１２の少なくとも一部に隣接して設けられている。非磁性金属層５１、５２は、磁化固定領域１１、１２に接触していてもよいし、Ｃｕ層やＴａ層を介して磁化固定領域１１、１２に接続されていてもよい。非磁性金属層５１、５２の材料としては、ＰｔやＰｄが挙げられる。非磁性金属層５１、５２は、Ｐｔ、Ｐｄの少なくともいずれかで形成されていればよい。

図７や図８において、非磁性金属層５１、５２に隣接している領域は、それぞれＲ１、Ｒ２で示されている。これら領域Ｒ１、Ｒ２は、以下、第１制動領域Ｒ１及び第２制動領域Ｒ２と参照される。第１制動領域Ｒ１は、第１磁化固定領域１１に含まれており、第２制動領域Ｒ２は、第２磁化固定領域１２に含まれている。本実施の形態に係る磁気記録層１０は、磁化固定領域１１、１２、磁化反転領域１３に加えて、制動領域Ｒ１、Ｒ２を有していると言える。

上述の非磁性金属層５１、５２が隣接していることにより、制動領域Ｒ１、Ｒ２における制動係数αは、他の領域の制動係数αよりも大きくなる。特に、制動領域Ｒ１、Ｒ２における制動係数αは、磁化反転領域１３の制動係数αよりも大きい。言い換えれば、磁化固定領域１１、１２の少なくとも一部分（Ｒ１，Ｒ２）における制動係数αが、磁化反転領域１３における制動係数αよりも大きい。制動係数αは、スピンの歳差運動に対する制動の強さを示す。つまり、制動係数αは、磁壁移動に対する制動の強さを示す。制動係数αが大きい部分ではエネルギーの散逸が大きく、磁壁移動が抑制（制動）される。

尚、制動領域Ｒ１、Ｒ２を形成するための方法は、非磁性金属層５１、５２の設置だけに限られない。例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｂなどのイオンを磁化固定領域１１、１２に注入することにより、制動領域Ｒ１、Ｒ２を形成することも可能である。

２．磁壁移動
次に、磁気メモリセル１に対するデータの書き込み原理を説明する。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。書き込み電流は、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、磁気記録層１０内を平面的に流れる。その書き込み電流は、上記電流供給端子１５、１６から磁気記録層１０に供給される。

図９は、図７で示された構造に対するデータの書き込み原理を示している。磁化反転領域１３とピン層３０の磁化の向き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−Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第２境界Ｂ２に存在する。一方、磁化反転領域１３とピン層３０の磁化の向き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＋Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第１境界Ｂ１に存在する。

データ“１”の書き込み時、第１書き込み電流ＩＷ１が、第１磁化固定領域１１から磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１２に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第２磁化固定領域１２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、磁化反転領域１３の磁気モーメントに影響を及ぼす。その結果、磁化反転領域１３の磁化の向きは、第２境界Ｂ２の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＋Ｘ方向に変わる。

一方、データ“０”の書き込み時、第２書き込み電流ＩＷ２が、第２磁化固定領域１２から磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第１磁化固定領域１１からスピン電子が注入される。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが−Ｘ方向に変わる。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、磁化反転領域１３の磁化の方向がスイッチする。第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域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。

上記書き込み動作は、「磁壁の移動（Domain Wall Motion）」という観点から述べることもできる。データ“１”の書き込み時、電子は、第２磁化固定領域１２から第１磁化固定領域１１の方へ移動する。この時、磁壁ＤＷは、電子の移動方向と一致して、第２境界Ｂ２から第１境界Ｂ１の方へ移動する。一方、データ“０”の書き込み時、電子は、第１磁化固定領域１１から第２磁化固定領域１２の方へ移動する。この時、磁壁ＤＷは、電子の移動方向と一致して、第１境界Ｂ１から第２境界Ｂ２の方へ移動する。つまり、磁気記録層１０中の磁壁ＤＷは、電子の移動方向に応じて磁化反転領域１３中を行き来する。磁気メモリセル１は、磁壁ＤＷの位置によってデータを記憶しているとも言える。

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、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、磁化固定領域１１、１２のいずれかから、磁化反転領域１３及びトンネルバリヤ層２０を経由して、ピン層３０へ流れる。あるいは、読み出し電流は、ピン層３０から、トンネルバリヤ層２０及び磁化反転領域１３を経由して、磁化固定領域１１、１２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。

３．制動領域Ｒ１，Ｒ２の作用及び効果
本実施の形態における磁壁移動を更に詳細に説明することにより、制動領域Ｒ１、Ｒ２の作用及び効果を示す。

図１０は、本実施の形態における磁壁移動の一例を模式的に示している。図１０中、状態（ａ）は、初期状態を表している。初期状態は、データ“０”状態であり、磁壁ＤＷは第２境界Ｂ２に存在している。データ“０”状態からデータ“１”状態への遷移時には、上述の通り、第１書き込み電流ＩＷ１が流される。これにより、磁壁ＤＷが、磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１の方へ移動する（状態（ｂ）、（ｃ））。

更に、磁壁ＤＷは、第１境界Ｂ１を超えて、第１磁化固定領域１１に侵入する。第１磁化固定領域１１中には第１制動領域Ｒ１が存在する。状態（ｄ）に示されるように、磁壁ＤＷが第１制動領域Ｒ１に侵入すると、エネルギーの散逸が激しく起こる。これにより、磁壁ＤＷの運動量は失われる。第１書き込み電流ＩＷ１の供給が停止すると、磁壁ＤＷは減衰振動しながら第１境界Ｂ１に落ち着く（状態（ｅ））。図３の模式図で言えば、第１境界Ｂ１は、ポテンシャルの底に相当しており、磁壁ＤＷが最も安定化する位置である。磁壁ＤＷが第１境界Ｂ１に落ち着いた状態（ｅ）が、データ“１”状態である。

このように、磁壁ＤＷは、第１境界Ｂ１を超えたとしても、第１制動領域Ｒ１において運動量を失う。その結果、第１書き込み電流ＩＷ１が切断された後、磁壁ＤＷはポテンシャル障壁を超えることができなくなる。つまり、磁壁ＤＷが反動で初期状態に戻ること（図４参照）が防止される。すなわち、誤書き込みが防止される。

図１１は、磁壁移動の他の例を模式的に示している。図１１中、状態（ａ）は、初期状態を表している。初期状態は、データ“１”状態であり、磁壁ＤＷは第１境界Ｂ１に存在している。このデータ“１”状態から、更に、データ“１”書き込みのための第１書き込み電流ＩＷ１が流される場合を考える。

この時、磁壁ＤＷは、第１境界Ｂ１から第１磁化固定領域１１の方へ侵入する。状態（ｂ）に示されるように、磁壁ＤＷが第１制動領域Ｒ１に侵入すると、エネルギーの散逸が激しく起こり、磁壁ＤＷの運動量は失われる。従って、第１書き込み電流ＩＷ１の供給が停止した際、図１０の場合と同様に、磁壁ＤＷは、ポテンシャル障壁を超えることなく第１境界Ｂ１に落ち着く（状態（ｃ））。つまり、書き込み動作後もデータ“１”状態が維持される。すなわち、誤書込みが防止される。

一般的に、書き込み動作前の状態が“０”状態、“１”状態のどちらであるかは分からない。そのため、書き込み前に予備読み出し動作を実行し、その読み出し結果に応じて書き込み動作を行うことが考えられる。しかしその場合、予備読み出し動作の分だけ全体としての書き込み時間が遅くなる。動作速度の観点からは、予備読み出し動作を実施することなく書き込み動作を実行することが好ましい。但しその場合、図１１で示されたように、データ“１”のセルに対してデータ“１”の書き込み動作が行われる可能性がある。従来技術では、反動により誤書き込みが行われる可能性があった（図５参照）。しかしながら、本実施の形態によれば、図１１で示されたようにそのような誤書き込みが防止される。すなわち、書き込み前の状態に依存せず、意図したデータ状態が得られる。

以上に説明されたように、制動係数αが高い制動領域Ｒ１、Ｒ２により、磁壁ＤＷは運動量を失う。磁壁ＤＷが磁化固定領域１１、１２に侵入したとしても、制動領域Ｒ１、Ｒ２で急激にエネルギーの散逸が起こる。その結果、書き込み電流が切断された後に、磁壁ＤＷはポテンシャル障壁を超えることができなくなる。つまり、図４や図５で示されたような誤書き込みのリスクが低減される。従って、書き込み電流の設計自由度が向上し、書き込み電流のマージンを拡大させることが可能となる。

磁壁ＤＷのエネルギーを早い段階で散逸させるためには、制動領域Ｒ１、Ｒ２を境界Ｂ１、Ｂ２の近傍に設けることが望ましい。好適には、第１制動領域Ｒ１は第１境界Ｂ１に接するように設けられ、第２制動領域Ｒ２は第２境界Ｂ２に接するように設けられる。これにより、磁壁ＤＷのエネルギーを効率的に散逸させることが可能となる。

更に、本実施の形態によれば、制動領域Ｒ１、Ｒ２における制動係数αは、磁化反転領域１３の制動係数αよりも大きい。言い換えれば、磁化反転領域１３における制動係数αは、相対的に小さい値に設定されている。データの遷移は、磁化固定領域１１、１２間の磁化反転領域１３における磁壁ＤＷの移動により起こる。本実施の形態では、磁化反転領域１３での磁壁ＤＷに対する制動力は弱いため、データの遷移自体は起こりやすい。従って、磁化反転に要する書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２が増大することはない。また、磁化反転に要する時間が増大することもない。

また、制動領域Ｒ１、Ｒ２は、磁壁ＤＷが磁化固定領域１１、１２を突き抜けて消失してしまうことも防止する。

４．変形例
図１２は、磁気記録層１０の変形例を示している。図１２において、第１制動領域Ｒ１は、第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３の第１境界Ｂ１との間に介在している。つまり、第１制動領域Ｒ１は、第１磁化固定領域１１から独立して設けられている。第１磁化固定領域１１は、第１制動領域Ｒ１を介して磁化反転領域１３に接続されている。また、第２制動領域Ｒ２は、第２磁化固定領域１２と磁化反転領域１３の第２境界Ｂ２との間に介在している。つまり、第２制動領域Ｒ２は、第２磁化固定領域１２から独立して設けられている。第２磁化固定領域１２は、第２制動領域Ｒ２を介して磁化反転領域１３に接続されている。このような構造でも同じ効果が得られる。

図１３は、磁気記録層１０の他の変形例を示している。図１３において、磁化固定領域１１、１２、及び磁化反転領域１３は、“直線状”に形成されている。つまり、磁化固定領域１１、１２は、Ｘ方向に沿って互いに略平行となるように形成されている。磁化反転領域１３は、磁化固定領域１１、１２との間をつなぐように、Ｘ方向に沿って形成されている。第１磁化固定領域１１の磁化の向きは−Ｘ方向に固定され、第２磁化固定領域１２の磁化の向きは＋Ｘ方向に固定されている。つまり、磁化固定領域１１、１２の磁化は、共に磁化反転領域１３から離れる方向（Ａｗａｙ）に固定されており、逆方向を向いている。第１制動領域Ｒ１は、第１磁化固定領域１１の少なくとも一部に形成されている。第２制動領域Ｒ２は、第２磁化固定領域１２の少なくとも一部に形成されている。このような構造でも同じ効果が得られる。尚、磁気記録層１０の側部にはノッチ１４が設けられており、境界Ｂ１、Ｂ２の面積が他の部分よりも小さくなっている。これにより、磁壁ＤＷを安定的に留めることが可能となる。尚、磁化固定領域１１、１２の磁化は、図１３の場合と逆向きに固定されていてもよい。

図１４は、磁気記録層１０の更に他の変形例を示している。図１４において、磁化固定領域１１、１２、磁化反転領域１３、及び制動領域Ｒ１、Ｒ２が、“直線状”に形成されている。第１制動領域Ｒ１は、第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３の第１境界Ｂ１との間に介在している。第１磁化固定領域１１は、第１制動領域Ｒ１を介して磁化反転領域１３に接続されている。また、第２制動領域Ｒ２は、第２磁化固定領域１２と磁化反転領域１３の第２境界Ｂ２との間に介在している。第２磁化固定領域１２は、第２制動領域Ｒ２を介して磁化反転領域１３に接続されている。このような構造でも同じ効果が得られる。

５．ＭＲＡＭの構成
図１５は、本実施の形態に係るＭＲＡＭの構成の一例を示している。図１５において、ＭＲＡＭ６０は、複数の磁気メモリセル１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１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１ｒを含んでいる。リファレンスセル１ｒの構造は、磁気メモリセル１と同じである。

各磁気メモリセル１は、図６に示された磁気抵抗素子に加え、選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２を有している。選択トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方は、第１磁化固定領域１１の電流供給端子１５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ＴＲ２のソース／ドレインの一方は、第２磁化固定領域１２の電流供給端子１６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ＴＲ１、ＴＲ２のゲートはワード線ＷＬに接続されている。磁気抵抗素子のピン層３０は、電極を介してグランド線に接続されている。

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、対象メモリセル１ｓ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に接続されており、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１ｓ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１ｓ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１ｒ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１ｓからデータを読み出し、そのデータを出力する。

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

Claims (7)

1. 磁壁移動方式の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   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
   を具備し、
   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、
   前記磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
   前記磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域と
   を有し、
   前記第１方向及び前記第２方向は共に、前記磁化反転領域へ向かう方向、又は、前記磁化反転領域から離れる方向であり、
   スピンの歳差運動に対する制動の強さが制動係数で表されるとき、
   前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の少なくとも一部分における前記制動係数は、前記磁化反転領域における前記制動係数よりも大きく、
   前記少なくとも一部分には、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｂからなる群から選ばれた少なくとも１つのイオンが注入されている
   磁気ランダムアクセスメモリ。
2. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記少なくとも一部分は、前記第１境界及び前記第２境界に接している
   磁気ランダムアクセスメモリ。
3. 請求項１又は２に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域は、互いに略平行となるように形成され、
   前記磁化反転領域は、前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との間をつなぐように形成された
   磁気ランダムアクセスメモリ。
4. 請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   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方向と前記第２方向が同じになるように形成された
   磁気ランダムアクセスメモリ。
5. 請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   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、同一平面上に直線状に形成され、
   前記第１方向と前記第２方向は逆方向である
   磁気ランダムアクセスメモリ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との間を流れる電流により、磁壁が前記磁化反転領域中を移動する
   磁気ランダムアクセスメモリ。
7. 磁壁移動方式の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   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
   を具備し、
   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、
   磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
   磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域と、
   前記磁化反転領域の第１境界と前記第１磁化固定領域との間に介在する第１制動領域と、
   前記磁化反転領域の第２境界と前記第２磁化固定領域との間に介在する第２制動領域と
   を有し、
   前記第１方向及び前記第２方向は共に、前記磁化反転領域へ向かう方向、又は、前記磁化反転領域から離れる方向であり、
   スピンの歳差運動に対する制動の強さが制動係数で表されるとき、
   前記第１制動領域及び前記第２制動領域における前記制動係数は、前記磁化反転領域における前記制動係数よりも大きい
   磁気ランダムアクセスメモリ。

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