JP5488465B2

JP5488465B2 - 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

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Publication number: JP5488465B2
Application number: JP2010519730A
Authority: JP
Inventors: 哲広鈴木; 俊輔深見; 聖万永原; 則和大嶋; 延行石綿
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: WO2010004881A1; US20110157967A1; JPWO2010004881A1; US8363461B2

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ、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（ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）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；ＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌＪｕｎｃｔｉｏｎ）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（ｓｐｉｎｔｒａｎｓｆｅｒ）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−ｐｏｌａｒｉｚｅｄｃｕｒｒｅｎｔ）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：ＳｐｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎＳｗｉｔｃｈｉｎｇ」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（ｄｏｍａｉｎｗａｌｌ）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（ＤｏｍａｉｎＷａｌｌＭｏｔｉｏｎ）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／ｃｍ^２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、Ａｌ_２Ｏ_３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Ｉ_ｗ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Ｉ_ｗ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Ｉ_ｗ１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Ｉ_ｗ１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Ｉ_ｗ１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Ｉ_ｗ１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Ｉ_ｗ２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Ｉ_ｗ２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Ｉ_ｗ１，Ｉ_ｗ２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（Ｉ_ｗ１，Ｉ_ｗ２）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（Ｉ_ｗ１，Ｉ_ｗ２）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Ｉ_ｗ１，Ｉ_ｗ２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

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、磁壁導入の初期動作のための構造と
を備える
磁気メモリセル。
請求項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。
請求項１又は２に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記磁壁導入の初期動作のための構造は、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。
請求項１又は２に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記磁壁導入の初期動作のための構造は、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。
請求項１又は２に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記磁壁導入の初期動作のための構造は、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。
請求項１又は２に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記磁壁導入の初期動作のための構造は、前記磁化記録層に設けられた段差を有する
磁気メモリセル。
請求項１又は２に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記磁壁導入の初期動作のための構造は、前記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。
請求項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。
請求項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磁化固定層は、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。
請求項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。
行列上に配列され、請求項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。
行列上に配列された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、磁壁導入の初期動作のための構造と
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、前記磁壁導入の初期動作のための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。
行列上に配列された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、磁壁導入の初期動作のための構造と
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、前記磁壁導入の初期動作のための構造が設けられている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。
行列上に配列された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、磁壁導入の初期動作のための構造と
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。