JP5472821B2 - 磁気抵抗素子の初期化方法、及び磁気抵抗素子 - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗素子及びその初期化方法に関し、特に、磁壁移動によって磁化を反転するように構成された磁気抵抗素子の初期化方法に関する。

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層の強磁性層のうちの１層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層）であり、他の１層は、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層）である。

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、磁化自由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最も伝統的なものは、電流磁界によって磁化自由層の磁化を反転させる方法である。しかしながら、この書き込み方式では、メモリセルサイズにほぼ反比例して、磁化自由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。これは、高集積度のＭＲＡＭを提供するうえでは好ましくない。

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）。スピン注入方式では、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。この現象は、スピン注入磁化反転（Spin Transfer Magnetization Switching）と参照される。スピン注入方式による書き込みは、磁化自由層のサイズの減少と共に書き込み電流が減少するため、高集積度のＭＲＡＭを実現するのに適している。

米国特許第６８３４００５号には、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。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、ＷＯ２００５／０６９３６８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、その磁化記録層の構造を示している。図１において、磁化記録層１００は、直線形状を有している。具体的には、磁化記録層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。これらの磁化固定部の磁化は例えば反強磁性層を積層し、その交換バイアス磁界により固定される。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を貫通する書き込み電流が流れる。くびれ部１０４は磁壁に対するピンポテンシャルとしてはたらき、磁壁が左右どちらのくびれ部に存在するか、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。磁壁の移動の向きは書き込み電流の向きにより制御される。

ＷＯ２００５／０６９３６８号公報に記載されたＭＲＡＭでは、ピンポテンシャルを形成する手段として段差が用いられている。図２はその磁化記録層の構造を示している。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。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、電流を印加することにより磁壁１１２は２つの段差の間を移動する。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には実際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には図示されていない。

磁壁移動方式のＭＲＡＭでは、磁化記録層の２つの磁化固定部の磁化方向を反平行にする必要がある。例えば、適切な大きさの外部磁界を印加することにより、２つの磁化固定部の磁化方向を反平行にする工程を以下では、「初期化」と呼ぶ。特開２００５−１９１０３２号公報では、２つの磁化固定部の磁化方向を反平行にする方法については言及されていない。

ＷＯ２００５／０６９３６８号公報では、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２の保磁力差を利用して、成膜後に外部磁界により、初期化をすることを開示している。具体的には、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報では、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２の厚さを相違させることによって保磁力差をつけることを開示している。磁化は磁性層が厚いほど反転しにくくなるため、第２の磁化固定部１０２、及び、接合部１０３の磁化が反転し、第１の磁化固定部１０１の磁化が反転しないような磁界を印加することにより、磁壁を第１の磁化固定部１０１と接合部１０３の境界に導入することができる。

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

しかしながら、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報のように、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２の厚さを相違させる構造を形成すると、工程数が増加し、コストが増加する原因になる。即ち、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２の厚さを相違させるためには、異なる大きさの２つの段差を形成する必要がある。異なる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する。

また、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２の厚さが違うことは、磁気的に非対称である、即ち、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２のピンポテンシャルの深さが異なることを意味する。これは、磁壁が左右に動く際の電流値が異なる値になってしまう可能性があることを意味する。

したがって、本発明の目的は、電流駆動磁壁移動型の磁気抵抗素子において、工程数が少なく、磁気的に対称な素子構造、及び、その構造に磁壁を導入し初期化する方法を提供することにある。

本発明の一の観点では、強磁性層である磁化記録層を具備し、磁化記録層が、反転可能な磁化を有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境界に接続された第２磁化固定領域とを有する磁気抵抗素子の初期化方法が提供される。当該初期化方法は、磁化反転領域と、第１磁化固定領域と、第２磁化固定領域の磁化を、第１方向に向ける工程と、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域との間で磁化反転領域を通るように電流を流しながら、第１方向と反対の第２方向の成分を有する第１磁界を磁化記録層に印加する工程とを備えている。

本発明によれば、電流駆動磁壁移動型の磁気抵抗素子において、工程数が少なく、磁壁移動の不良の生じない素子構造、及び、その構造に磁壁を導入し初期化する方法を提供することができる。

図１は、従来の磁気抵抗素子の磁化記録層の構成を示す平面図である。 図２は、従来の磁気抵抗素子の磁化記録層の他の構成を示す斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態の磁気抵抗素子の構成を示す斜視図である。 図４は、本発明の他の実施形態の磁気抵抗素子の構成を示す斜視図である。 図５は、本発明の更に他の実施形態の磁気抵抗素子の構成を示す斜視図である。 図６Ａは、本発明の一実施形態における磁気抵抗素子の初期化方法を示す概念図である。 図６Ｂは、本発明の一実施形態における磁気抵抗素子の初期化方法を示す概念図である。 図６Ｃは、本発明の一実施形態における磁気抵抗素子の初期化方法を示す概念図である。 図６Ｄは、本発明の一実施形態における磁気抵抗素子の初期化方法を示す概念図である。 図７は、本発明の一実施形態の磁気抵抗素子の初期化方法による初期化後の磁気抵抗素子の状態を示す相図である。 図８は、本発明の更に他の実施形態の磁気抵抗素子の構成を示す斜視図である。 図９は、本発明の一実施形態における磁気抵抗素子のデータ書き込み方法を示す概念図である。 図１０は、本発明の一実施形態の磁気抵抗素子を集積化したＭＲＡＭの構成の例を示す回路図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の様々な実施形態について説明する。本発明は、磁気抵抗素子の磁化記録層が面内方向に磁化を有する場合、及び、垂直方向に磁化を有する場合のいずれにも適用可能であるが、以下では、垂直方向に磁化を有する磁化記録層を使用する場合について説明する。磁気抵抗素子の性能の向上のためには、垂直方向に磁化を有する磁化記録層を使用することが好適である。

（磁気抵抗素子の構造）

図３は、本発明の一実施形態の磁気抵抗素子１の構造を示す斜視図である。図３に示されているように、磁気抵抗素子１は、磁化記録層１０と、磁化固定層３０と、その間に設けられたトンネルバリヤ層３２とを備えている。トンネルバリヤ層３２は、非磁性の絶縁層であり、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜で構成される。トンネルバリヤ層３２は、磁化記録層１０と磁化固定層３０に挟まれており、これら磁化記録層１０、トンネルバリヤ層３２、及び磁化固定層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。

磁化記録層１０は、基板面に垂直な方向の異方性（垂直磁気異方性）を持つ強磁性層である。磁化記録層１０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つ以上の材料を含む。さらに、磁化記録層１０がＰｔやＰｄを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えて、磁化記録層１０に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の材料としては、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などが挙げられる。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つの材料を含む層が、異なる層と積層された積層体は、垂直方向の磁気異方性を発現する磁化記録層１０として使用することができる。具体的にはＣｏ膜とＰｄ膜の積層体、Ｃｏ膜とＰｔ膜の積層体、Ｃｏ膜とＮｉ膜の積層体、Ｆｅ膜とＡｕ膜の積層体などが、磁化記録層１０として使用可能である。

磁化固定層３０は、固定された磁化を有する強磁性層、又は、強磁性層と非磁性層の積層体で構成される。磁化固定層３０は、磁化記録層１０と同様に垂直磁気異方性を有している。加えて、磁化固定層３０は、その磁化の向きが、書込み、及び、読出し動作によって変化しないように構成される。このために、磁化固定層３０は、磁気異方性が磁化記録層１０よりも大きいように構成される。これは、磁化記録層１０と磁化固定層３０の材料、組成を適切に選択することにより実現可能である。また、磁化固定層３０の磁化の向きの固定は、磁化固定層３０のトンネルバリヤ層とは反対側の面に反強磁性体層（図示せず）を積層し、磁化をピン止めすることによっても実現可能である。磁化固定層３０も磁化記録層１０と同様な材料を用いて構成することができる。

本実施形態では、図３に示されているように、磁化固定層３０は、強磁性層３４、非磁性層３１、強磁性層３３からなる積層体で構成されている。ここで、磁化固定層３０は、強磁性層３３、３４が反強磁性的に結合され、強磁性層３３、３４の磁化が互いに反平行になるように構成される。例えば、非磁性層３１としてＲｕ膜又はＣｕ膜を用い、その膜厚を適切に選択することにより、２つの強磁性層３３、３４の磁化を互いに反平行に結合することができる。この場合、２つの強磁性層３４、３３の磁化をほぼ等しくすれば、磁化固定層３０からの漏洩磁界を抑制することができる。

また、磁化記録層１０及び磁化固定層３０の一部分、特にトンネルバリヤ層と接する部分にＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどＴＭＲ効果の大きな材料を用いても良い。

さらに、トンネルバリヤ層３２と磁化記録層１０の間に非磁性金属層を介して強磁性層を配置し、この強磁性層と磁化固定層３０から形成されるＭＴＪを用いてデータを読み出す構成をとることもできる。この場合、強磁性層は磁化記録層からの漏洩磁界によりその磁化方向が定まり、磁化記録層の磁化状態が間接的に読み出される。この構成においては強磁性層、及び、磁化固定層としては面内異方性を有する材料を用いても良い。

本実施形態の磁気抵抗素子１は、磁壁移動方式による書き込み動作に対応するように構成されている。より具体的には、磁気抵抗素子１の磁化記録層１０が、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化反転領域１３を有している。磁化反転領域１３は、磁化固定層３０と対向するように形成されている。言い換えれば、磁化記録層１０の磁化反転領域１３の一部が、トンネルバリヤ層３２を介して磁化固定層３０に接続されている。

後述する初期化動作により、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化は、互いに反平行な方向に固定される。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。すなわち、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。また、初期化動作においては、後述のように第２磁化固定領域１１ｂの磁化は外部磁界やジュール熱により反転する。

一方、磁化反転領域１３の磁化の向きは反転可能であり、＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向である。つまり、磁化反転領域１３の磁化は磁化固定層３０の強磁性層３４の磁化と平行あるいは反平行になることが許される。図３に示されているように、磁化反転領域１３の磁化の向きが＋Ｚ方向の場合、第１磁化固定領域１１ｂと磁化反転領域１３とが１つの磁区（magnetic domain）を形成し、第１磁化固定領域１１ａが別の磁区を形成する。つまり、第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３の間に磁壁（domain wall）１２が形成される。一方、磁化反転領域１３の磁化の向きが−Ｚ方向の場合、第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３とが１つの磁区を形成し、第２磁化固定領域１１ｂが別の磁区を形成する。つまり、第２磁化固定領域１１ｂと磁化反転領域１３の間に磁壁が形成される。

第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂは磁化反転領域１３と比較して厚く形成されている。このような構造は、磁化記録層を成膜後、磁化反転領域１３に対応する部分のみをエッチングすることにより得られる。膜厚を相違させるのは、第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂと磁化反転領域１３との境界に磁壁のピンポテンシャルを形成するためである。磁壁のエネルギーは膜厚に比例するので、第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂに生じた磁壁は磁化反転領域１３に容易に移動するのに対し、磁化反転領域１３に生じた磁壁は第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂには移動しにくい。また、第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの厚い部分からの静磁界により、磁壁は磁化反転領域１３と第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの境界にピン止めされる。なお、磁化記録層１０の厚さ方向の構成を途中で変化させることにより、エッチングの際に磁化反転領域１３と第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂに共通に残る部分と、第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂにのみ残る部分の膜構成を変えても良い。例えば、前者には電流による磁壁移動の生じやすい高分極材料であるＣｏ／Ｎｉ積層膜などを用い、後者には磁気異方性の大きいＣｏ／Ｐｔ積層膜などを用いることができる。また、後者はＰｔＭｎなどの反強磁性材料、Ｒｕなどの非磁性金属とＣｏ／Ｐｔ積層膜などの積層構造、あるいは、ＮｉＦｅなどの面内異方性を有する磁性材料で置き換えることも可能である。

第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂには、書き込み電流を印加するための電流供給端子１４ａ、１４ｂがそれぞれに接続されている。後述の初期化動作によって磁壁が電流供給端子１４ａと１４ｂの間に導入され、書き込み電流に応じて駆動される。トンネルバリヤ層３２及び磁化固定層３０が積層されてＭＴＪを構成する部分は、磁化記録層１０のうち、電流供給端子１４ａと１４ｂの間の部分を含まなければならない。これは、書き込み動作の結果、この間の磁化の方向が変化するためである。なお、電流供給端子１４ａ、１４ｂは磁化記録層１０の上下どちらにあってもよい。

図３の磁化記録層１０の構造で留意すべきことは、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとが（製造誤差を除いて）磁気的に対称である、即ち、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂのピンポテンシャルの深さが（製造誤差を除いて）同一であることである。これは磁壁１２が磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１ａの境界にある場合と、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの境界にある場合のピンポテンシャルが同等であり、後述の書き込み動作において、ほぼ等しい電流で磁壁が駆動されることを意味している。これは回路設計の観点から望ましいだけでなく、ピンポテンシャル設計の点からも望ましい。すなわち、磁化固定領域の設計、すなわち、ピンポテンシャルの設計は熱擾乱を考慮しておこなわなければならないが、磁化固定領域が非対称な場合は少なくとも一方が過剰なピンポテンシャルを有することになるため、駆動電流のアンバランス、及び、増大をもたらす可能性がある。

第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとが（製造誤差を除いて）磁気的に対称であるという条件を満たす限り、本発明の磁気抵抗素子としては、他の様々な構造が採用され得る。図４、図５は、磁化記録層１０の他の構造を示す斜視図である。図４、図５においては、ＭＴＪの部分は図示を省略し、磁化記録層１０のみを示している。

図４の構造においては、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとが、磁化反転領域１３と比較して幅広い形状をしている。これは第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂと磁化反転領域１３との境界に磁壁のピンポテンシャルを形成するためである。磁壁のエネルギーは磁化記録層１０の幅にほぼ比例するので、第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂに生じた磁壁は磁化反転領域１３に容易に移動するのに対し、磁化反転領域１３に生じた磁壁は第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂには移動しにくい。また、第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化反転領域１３からはみ出した部分からの静磁界により、磁壁は磁化反転領域１３と第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの境界にピン止めされる。

一方、図５の構造においては、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとが、磁化反転領域１３と比較して、幅広く、かつ、厚い形状をしている。これは第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂと磁化反転領域１３との境界に磁壁のピンポテンシャルを形成するためである。磁壁のエネルギーは磁化記録層１０の幅、厚さにほぼ比例するので、第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂに生じた磁壁は磁化反転領域１３に容易に移動するのに対し、磁化反転領域１３に生じた磁壁は第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂには移動しにくい。また、第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化反転領域１３からはみ出した部分、及び、厚い部分からの静磁界により、磁壁は磁化反転領域１３と第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの境界にピン止めされる。

（磁化固定領域の初期化）

上述のように、本実施形態では、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとが（製造誤差を除いて）磁気的に対称である、即ち、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂのピンポテンシャルの深さが（製造誤差を除いて）同一である。このことは、磁気抵抗素子１の特性としては好適であるが、外部磁界の印加によって初期化する、即ち、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂを互いに反平行に磁化させ、磁壁を導入することを困難にするという問題もある。即ち、単純に外部磁界を印加しただけでは、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂが同一の方向に向いてしまい、初期化することができない。

そこで、本実施形態では、特殊な初期化方法を用いて磁気抵抗素子１が初期化される。以下では、本実施形態における磁気抵抗素子１の初期化過程、すなわち、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂを互いに反平行に磁化させ、磁壁を導入する過程について図６Ａ〜図６Ｄを用いて説明する。図６Ａ〜図６Ｄでは、図３の構成を仮定するが、初期化方法、及び、その原理は図４、図５の素子について共通である。また、磁化固定層３０の保磁力は磁化記録層１０の保磁力よりも十分大きく、磁化固定層３０の磁化方向は初期化過程で変化しないと仮定し、磁化固定層３０の図示を省略している。

図６Ａに示されているように、最初に−Ｚ方向に大きな磁界を印加すると、全ての磁化は−Ｚ方向を向く（ステップＳ１）。次に＋Ｚ方向の磁界を印加しながら、電流供給端子間に電流を印加する。このとき、磁界と電流がある値よりも大きいと、図６Ｂに示されているように、磁化反転領域１３のみが磁化反転し、磁化反転領域１３と第１及び第２磁化固定領域の境界に２つの磁壁が導入される（ステップＳ２ａ）。これは磁化反転領域１３の断面積が第１及び第２磁化固定領域の断面積よりも小さく、電流密度が大きいことに起因する。すなわち、磁化反転領域１３におけるジュール熱による温度上昇が大きいため、飽和磁化の低下が優先的に生じ、磁化反転領域１３のみが磁化反転する。さらに、磁界、電流が大きい場合、図６Ｃに示されているように、磁壁１２ｂが第２磁化固定領域の方向にデピンし、第２磁化固定領域の少なくとも一部が磁化反転する（ステップＳ２ｂ）。これはスピントルクの効果により磁壁１２ｂが電子の移動方向に押されるためである。このとき、第２磁化固定領域１１ｂに侵入した磁壁１２ｂが第２磁化固定領域１１ｂ内に留まるか、磁壁が境界から抜けて、第２磁化固定領域１１ｂ全体が反転するかは、主にこのとき印加されている磁界に依存している。第２磁化固定領域１１ｂ全体の磁化反転は、図６Ｄに示されるように、電流印加を止めた後に、＋Ｚ方向に磁界印加をすることにより、さらに確実に実施することができる（ステップＳ３）。なお、このときの磁界は第２磁化固定領域１１ｂにおける磁壁のプロパゲーション磁界以上である必要がある。

図７に、上述のステップＳ２ａ、Ｓ２ｂにおける印加電流と印加磁界をパラメーターとしたときの、初期磁化状態の相図を示す。ここで、ステップＳ１では十分に大きな磁界を印加することにより磁化記録層１０全体を飽和させており、ステップＳ３は省略している。磁界、電流が共に小さい場合、いずれの領域の磁化も反転せず、磁化状態はステップＳ１から変化しない（図７の領域Ａ）。磁界、電流がある程度の大きさになると、磁化反転領域１３のみが反転した磁化状態が得られる（図７の領域Ｂ）。さらに磁界、電流を増加すると、磁化反転領域１３に加えて、一方の磁化固定領域だけが反転した磁化状態が得られる（図７の領域Ｃ）。どちらの磁化固定領域が反転するかは電流方向により制御可能であり、スピントルク効果により電子が磁化反転領域から侵入する側の磁化固定領域が反転する。図７の領域Ｃの状態が磁壁移動型メモリで必要とされる磁化状態である。磁界、電流が過剰に大きい場合、全ての領域の磁化が反転してしまう（図７の領域Ｄ）。これはスピントルクの効果と比較して、磁界やジュール熱の影響が相対的に大きくなるためである。

本発明の初期化方法の動作マージンを広げるためには、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの一方が磁化反転しにくくなるようにすることが有効である。これにより、図７における領域Ｃと領域Ｄの縦の境界を右側にシフトさせることができる。

第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁気特性を非対称にしないで、これを実現する方法として、図８に示されているように、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの一方に非磁性金属層１５ａを積層させるという方法がある。図８においては、非磁性金属層１５ａが第１磁化固定領域１１ａの上部にのみ積層されている。この非磁性金属層１５ａは、上述の磁気抵抗素子１の初期化過程での電流印加において、第１磁化固定領域１１ａにおける電流密度を第２磁化固定領域１１ｂにおける電流密度よりも小さくする。これにより、第２磁化固定領域１１ｂを反転させるように図６Ｂ、図６ＣのステップＳ２ａ、Ｓ２ｂにおける電流方向を選べば（即ち、第２磁化固定領域１１ｂから磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１ａに電流を流せば）、初期化マージンを広げることができる。なお、図８では、非磁性金属層１５ａを積層させる手法が図３の構造の磁化記録層１０に適用されているが、当該手法が、図４及び図５の構造の磁化記録層１０にも適用可能であることは、当業者には自明的であろう。

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。また、磁界印加方向はＺ方向だけでなく、ある程度のＸ、または、Ｙ成分を有していてもよい。

本発明の初期化方法はウェハ工程終了時の検査、あるいは、パッケージ組み立て後の検査において実施することができる。また、図６Ａ〜図６Ｄに示した各ステップを異なる作業工程で実施してもよい。例えば、ステップＳ１はウェハ工程中におこない、ステップＳ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ３はパッケージ組み立て後におこなうこともできる。

（書き込み、及び、読み出し動作）

次に、磁気抵抗素子１に対するデータの書き込みについて説明する。

図９は、図３で示された構造に対するデータの書込み原理を示している。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、磁化記録層１０内を平面的に流れる。その書き込み電流は、電流供給端子１４ａ、１４ｂから磁化記録層１０に供給される。本実施形態では、磁化固定層３０の強磁性層３４の磁化と磁化反転領域１３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−Ｚ方向であり、磁壁１２は磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとの境界に存在する。一方、磁化反転領域１３と強磁性層３４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＋Ｚ方向であり、磁壁１２は磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１ａとの境界に存在する。

データ“１”の書き込み時には、書き込み電流ＩＷ１が、第１磁化固定領域１１ａから磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１１ｂ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１１ｂ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と第２磁化固定領域１１ｂの境界にある磁壁を第１磁化固定領域１１ａ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。

一方、データ“０”の書き込み時には、書き込み電流ＩＷ２が、第２磁化固定領域１１ｂから磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１ａ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１１ａ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−Ｚ方向に変わる。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。第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂ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。

また、磁気抵抗素子１からのデータの読み出しは、以下の手順で行われる。データ読み出し時には、読み出し電流が磁化固定層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１１ａ、１１ｂ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、磁化固定層３０の強磁性層３４へ流れる。あるいは、読み出し電流は、磁化固定層３０の強磁性層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、磁化固定領域１１ａ、１１ｂ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。

（ＭＲＡＭへの集積化）

上述の磁気抵抗素子１は、ＭＲＡＭに集積化されて使用され得る。図１０は、このようなＭＲＡＭの構成を示す概念図である。当該ＭＲＡＭは、複数のメモリセル６１がマトリックス状に配置されたメモリセルアレイ６０を有している。各メモリセル６１には、磁気抵抗素子１と、２つの選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２とが集積化されている。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１１ａに接続された電流供給端子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ＴＲ２のソース／ドレインの一方は、第２磁化固定領域１１ｂの電流供給端子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１の磁化固定層３０は、配線を介して接地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、対象のメモリセル６１（以下、「選択メモリセル」という。）に対応するワード線ＷＬを選択ワード線として選択する。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、選択メモリセルにつながる第２ビット線ＢＬ２を選択第２ビット線として選択する。Ｙ側電流終端回路６４は、選択メモリセルにつながる第１ビット線ＢＬ１を選択第１ビット線として選択する。

メモリセルアレイ６０は、データの記録に用いられるメモリセル６１に加え、データ読み出しの際に参照されるリファレンスセル６１ｒを含んでいる。リファレンスセル６１ｒの構造は、メモリセル６１と同じである。リファレンスセル６１ｒの列に沿って、第１リファレンスビット線ＢＬ１ｒ及び第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒが設けられている。

データ書き込み時のＭＲＡＭの動作は、下記の通りである：Ｙ側電流源回路６５は、選択第２ビット線に対して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、磁気抵抗素子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。

一方、データ読み出し時のＭＲＡＭの動作は下記の通りである：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、選択ワード線に対応するリファレンスセル６１ｒにつながる第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒに所定の電流を流す。センスアンプ６８は、第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒの電位と選択第２ビット線の電位差から選択メモリセルに記憶されているデータを判別し、そのデータを出力する。

以上には本発明の実施形態が様々に記載されているが、本発明は、上記の実施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得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２００８年１２月１９日に出願された日本出願特願２００８−３２４７３６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。

Claims (7)

1. 強磁性層である磁化記録層を具備し、前記磁化記録層が、反転可能な磁化を有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境界に接続された第２磁化固定領域とを有する磁気抵抗素子の初期化方法であって、
   前記磁化反転領域と前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の磁化を、前記第１方向に向ける工程と、
   前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との間で前記磁化反転領域を通るように電流を印加しながら、前記第１方向と反対の第２方向の成分を有する第１磁界を前記磁化記録層に印加する工程
   とを備える
   磁気抵抗素子の初期化方法。
2. 請求項１に記載の磁気抵抗素子の初期化方法であって、
   前記第１磁界の印加の後、前記電流の印加を停止した状態で前記第２方向の成分を有する第２磁界を前記磁化記録層に印加する工程
   を更に備える
   磁気抵抗素子の初期化方法。
3. 請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子の初期化方法であって、
   前記電流は、前記第２磁化固定領域から前記磁化反転領域を通って前記第１磁化固定領域に流され、
   前記第２磁化固定領域と前記磁化反転領域の磁化が前記第２方向に向けられる
   磁気抵抗素子の初期化方法。
4. 請求項３に記載の磁気抵抗素子の初期化方法であって、
   前記第１磁化固定領域の上に非磁性金属層が積層されている
   磁気抵抗素子の初期化方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子の初期化方法であって、
   前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域とが、磁気的に対称である
   磁気抵抗素子の初期化方法。
6. 請求項５に記載の磁気抵抗素子の初期化方法であって、
   前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の厚さが、前記磁化反転領域の厚さより厚い
   磁気抵抗素子の初期化方法。
7. 請求項５又は６に記載の磁気抵抗素子の初期化方法であって、前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の幅が、前記磁化反転領域の幅より広い
   磁気抵抗素子の初期化方法。

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