磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリ
【課題】信頼性の高い低消費電力不揮発性メモリを提供する。
【解決手段】磁気メモリセルが備えるトンネル磁気抵抗効果素子４０２の強磁性自由層２００の磁化容易軸方向に対して直交する方向、特に膜面垂直方向に４５度の角度をなす方向に適当な磁界を印加した状態でスピントランスファートルクにより強磁性自由層の磁化反転を行う。
【解決手段】磁気メモリセルが備えるトンネル磁気抵抗効果素子４０２の強磁性自由層２００の磁化容易軸方向に対して直交する方向、特に膜面垂直方向に４５度の角度をなす方向に適当な磁界を印加した状態でスピントランスファートルクにより強磁性自由層の磁化反転を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力トンネル磁気抵抗素子を装備した磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高集積磁気メモリの記録再生セルに出力の大きなトンネル磁気抵抗効果素子を適用することが試みられている。トンネル磁気抵抗効果素子としては、絶縁体にＡｌの酸化物を用いたトンネル磁気抵抗効果素子や絶縁膜に酸化マグネシウムを用いたトンネル磁気抵抗効果素子が開示されている（T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)，S. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868(2004)）。従来の不揮発性磁気メモリは、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成したメモリセルにより構成される。スイッチングにＭＯＳＦＥＴを利用し、ビット線とワード線に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってトンネル磁気抵抗効果素子の磁化方向を回転させて情報を書込み、トンネル磁気抵抗効果素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接、磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより磁化を回転させるいわゆるスピントランスファートルク磁化反転方式があり、例えば米国特許第５，６９５，８６４号明細書や特開２００２−３０５３３７号公報に開示されている。また、特開２００５−５０９０７号公報には、強磁性自由層の磁化容易軸方向と平行な方向に、磁界印加することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，６９５，８６４号明細書
【特許文献２】特開２００２−３０５３３７号公報
【特許文献３】特開２００５−５０９０７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)
【非特許文献２】Nature Material 3, 868(2004)
【非特許文献３】Appl.Phys.Lett.85,5358(2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スピントランスファートルク磁化反転による書込み方式は、図１７に示すように、一般的なメモリの書込み動作時間である１０ナノ秒以下においては、スピントランスファートルク磁化反転の閾値電流が大幅に増大し、磁化反転に誤りが生じることが知られている。図１７（ａ）は、Appl. Phys. Lett. 85, 5358 (2004)から引用した書込み電流に対する反転確率のプロット図である。この図から反転確率が０，１にならない領域が存在し、且つ書込み時間の短い領域で、反転確率を１にする書込み電流の値が著しく増大していることがわかる。図１７（ｂ）は、書込み時間に対する書込み電流の大きさを示した図であり、１０ナノ秒以下の書込み時間において、書込み電流が増大することがわかる。図１７（ｃ）は、書込み電流に対して書込み確率をプロットした図であり、書込み確率が０，１にならない電流領域（Ｉ１以上Ｉ２以下）が存在することがわかる。
【０００６】
磁気メモリの情報の書込みは、通常１０ナノ秒以下の時間において行われる必要がある。低消費電力かつ高信頼性をもつ高集積不揮発性磁気メモリの実現には、そのような短い時間においてトンネル磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を低電流で誤りなく確実に反転させる必要がある。
【０００７】
本発明は、このような要請に応えることのできる磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、磁気メモリセルを構成する巨大磁気抵抗効果素子やトンネル磁気抵抗効果素子の記録層である強磁性自由層の磁化容易軸と交差する方向、好ましくは直交する方向であって、強磁性自由層の膜面に対して垂直から４５度方向に磁界を印加しながらスピントランスファートルクにより記録層の磁化反転を行う。磁界印加は、強磁性自由層の磁化容易軸と平行に設けた配線に電流を流すことによって行うことができる。磁界印加は、また、強磁性自由層の磁化容易軸に対して平行に配置され、逆向きの磁区の同磁極が向き合った境界領域（磁壁）を有する強磁性配線によって行うことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、スピントランスファートルクによる書き込み電流を低減して、書き込みの誤り率を低減することができ、信頼性の高い低消費電力不揮発性メモリを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図。
【図２】図１に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図３】強磁性自由層と配線の位置関係の例を示す図。
【図４】強磁性自由層と配線の位置関係の他の例を示す図。
【図５】配線と強磁性自由層の間の距離と、強磁性自由層に印加される磁界の大きさとの間の関係を示す図。
【図６】書込み電流と書込み時間の関係を示した図。
【図７】スピントランスファートルク磁化反転の原理を説明する図。
【図８】本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図。
【図９】本発明による磁気メモリセルの他の構成例を示す図。
【図１０】磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図１１】強磁性自由層と強磁性配線の位置関係の例を示した模式図。
【図１２】強磁性自由層と強磁性配線の位置関係の他の例を示した模式図。
【図１３】本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図。
【図１４】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの書込み操作の例を示した図。
【図１５】括れ部を形成した強磁性配線の例を示す図。
【図１６】強磁性自由層と強磁性固定層に用いられる材料の例について示した図。
【図１７】スピントランスファートルク磁化反転による書込み方式の問題点を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下では、磁気抵抗効果素子としてトンネル磁気抵抗効果素子を用いる例によって本発明を説明するが、トンネル磁気抵抗効果素子の代わりに巨大磁気抵抗効果素子を用いても同様の効果を得ることができる。
【００１２】
図１は、トンネル磁気抵抗効果素子を搭載した本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図である。Ｃ−ＭＯＳ５００は、２つのｎ型半導体４１０，４１３と一つのｐ型半導体４１１からなる。ｎ型半導体４１３に接続されたドレイン電極４１４は、電極４１５，４１６を介して接地されている。ｎ型半導体４１０にはソース電極４０９が接続されている。ゲート電極４１２のＯＮ／ＯＦＦにより、ソース電極４０９とドレイン電極４１４の間に流れる電流のＯＮ／ＯＦＦが制御される。ソース電極４０９に電極４０８〜４０５が積層され、電極４０３を介してトンネル磁気抵抗効果素子４０２が接続されている。電極４０５と電極４０３の間には何層かの電極が存在してもかまわない。ビット線４０１はトンネル磁気抵抗効果素子４０２に接続されている。ビット線４０１とトンネル磁気抵抗効果素子４０２の間には何層かの電極層あるいは保護膜が形成されていてもかまわない。
【００１３】
本発明の磁気メモリセルは、更にトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層の位置に空間磁界を発生させるための配線１００を有する。配線１００は、以下に説明するように、トンネル磁気抵抗効果素子４０２中の強磁性自由層の位置を基準に配置される。磁気メモリセルへの情報書き込みに当たっては、配線１００から発生する空間磁界を磁気メモリセルの強磁性自由層に印加しながらゲート電極４１２をＯＮすると、スピントランスファートルクを発生させる電流が、ビット線４０１と電極４０３の間のトンネル磁気抵抗効果素子４０２に流れる。スピントランスファートルクは、強磁性自由層２００、絶縁障壁層２０１、強磁性固定層２０２で構成されるトンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すことで発生し、強磁性自由層２００の磁化を反転させる作用を有する。情報の読み出しは、強磁性自由層２００と強磁性固定層２０２の磁化方向の相対角度で生ずるトンネル磁気抵抗効果を検出することにより行う。
【００１４】
図２は図１に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図２（ａ）は平面模式図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上にビット線を兼ねる保護電極膜４０１が形成されている。強磁性自由層２００と強磁性固定層２０２は積層順が逆になってもよい。強磁性自由層２００の位置に空間磁界を発生させるための配線１００は、強磁性自由層２００を基準に配置される。
【００１５】
図３は、図２から更にトンネル磁気抵抗効果素子を構成する強磁性自由層２００と空間磁界を印加電流により発生させるための配線１００を取り出して示した模式図である。図３（ａ）は平面摸式図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面摸式図である。
【００１６】
配線１００は強磁性自由層２００の磁化容易軸方向、この場合、強磁性自由層２００の長軸方向に平行に配置されている。さらに、配線１００は強磁性自由層２００の膜面に対して、垂直方向下方に角度θの方向に配置されている。ここで角度θは０度から９０度の範囲で選択可能であるが、図３（ｂ）において、配線１００の断面中心と強磁性自由層２００の断面中心を結ぶ線８００が強磁性自由層２００の膜面に対して４５度の角度をなすようにするのが最も望ましい。θ＝４５度となるように配線１００を配置することにより、スピントランスファートルクによる書込み電流の低減と書込み誤り率を大幅に低減できる。配線１００に電流を流すことにより、強磁性自由層２００に磁界が印加される。配線１００に流す電流の方向と強磁性自由層２００に印加される磁界の方向の関係は図３に示すとおりであり、矢印７００の方向に電流を流したときに、強磁性自由層２００には矢印７０２の方向に磁界が印加される。逆に矢印７０１の方向に電流を流したとき矢印７０３の方向に磁界が印加される。
【００１７】
なお、図１、図２及び図３には、配線１００を強磁性自由層２００の膜面に対して垂直方向下方に配置した例を示したが、図４に示すように、配線１００を強磁性自由層２００の膜面に対して垂直方向上方に角度θをなすように配置してもよい。ここで、図４は図３に対応する図であり、図４（ａ）は平面摸式図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ断面摸式図である。
【００１８】
図５は、配線１００と強磁性自由層２００の距離と、強磁性自由層２００に印加される磁界の大きさとの間の関係を示す図である。図５（ａ）は配線１００の幅が１００ｎｍのとき、図５（ｂ）は配線１００の幅が２００ｎｍのときの関係図である。それぞれ配線１００に流す電流密度を１０4Ａ／ｃｍ2〜１０6Ａ／ｃｍ2の間で示した。強磁性自由層２００に印加される磁界は、配線１００からの距離が近く、電流密度が大きく、配線１００の幅が大きいほど大きくなる。
【００１９】
配線１００からの発生磁界は、強磁性自由層２００のスピントランスファートルク磁化反転を用いた書込み操作のときに書込み電流とともに印加する。図６は、磁界を印加したときと印加しないときの書込み電流の大きさを、書込み電流印加時間に対してプロットした図である。図中のＩは書込み電流、Ｉｃは閾値電流、ｔは電流印加時間を表す。印加した磁界の大きさは、強磁性自由層２００の異方性磁界の１／１０である。印加磁界の大きさは、異方性磁界より小さいことが望ましい。例えば、書込み電流を１ナノ秒印加したときには、磁界がある場合はない場合に比べ書込み電流は１／２程度減少できる。磁界を印加したときの書込み電流の低減分は、印加時間が短くなるほど大きくなる。さらに、磁界を印加しない場合に比べて、磁界を印加した場合にはスピントランスファートルクによる磁化反転の確率が２倍以上に向上した。
【００２０】
ここで、本発明のように強磁性自由層に磁界を印加しながら書込み電流を流すことによってスピントランスファートルク磁化反転の書込み電流の低減と書込み誤り率の低減を達成できる理由について述べる。通常、外部磁界を使った磁化反転による書込みの場合、強磁性自由層の磁化方向（特に磁化容易軸）に平行に、かつ磁化を向けたい方向に外部磁界を印加する。これは、磁化は外部磁界の方向に向く性質を有するからである。一方、スピントランスファートルク磁化反転はそれとは異なる特徴を有し、その特徴について図７を用いて説明する。
【００２１】
図７は、磁気メモリセルを構成するトンネル磁気抵抗効果素子を示している。図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す図、図７（ｃ）は図７（ａ）のＣ−Ｃ断面を示す図である。図中、ｘ方向は強磁性自由層２００の長手あるいは磁化容易軸方向、ｙ方向は強磁性自由層２００の長手あるいは磁化容易軸方向に対して垂直な方向、ｚ方向は膜面垂直方向を表す。スピントランスファートルク磁化反転では、強磁性自由層２００の膜面垂直方向に書込み電流７００７を印加する。図の場合、強磁性自由層２００の磁化は初期状態でｘ方向を向いている。ｘ方向の磁化７００１は、ｘｙ面内では磁化方向７００１、ｘｚ面内では磁化方向７００４、ｙｚ面内では磁化方向７００８にそれぞれ方向成分を有している。ここで、書込み電流７００７が印加されると、ｘｙ面内、ｘｚ面内、ｘｚ面内において磁化方向７００１、７００４、７００８はそれぞれ磁化反転方向７００３、７００６、７０１０に回転し、磁化方向７００２、７００５、７００９へと進む。換言すると、膜面内ｘ方向に向いていた磁化は、ｙ方向とｚ方向にベクトル成分をもつ方向へ回転がはじまる。したがって、磁化反転方向７００３、７００６、７０１０で合成される空間方向へ磁界を印加することにより、スピントランスファートルク磁化反転が円滑に進み、スピントランスファートルク磁化反転の書込み電流閾値を低減し、磁界が磁化回転を確実に一方向へ励起させることが可能である。本発明では、前記磁化反転方向７００３、７００６、７０１０で合成される空間方向に、図３に示した角度θを合わせるようにする。
【００２２】
図８は、図１に示した磁気メモリセルを複数個アレイ状に配置して構成した本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。ゲート電極４１２とビット線４０１がメモリセルに電気的に接続されている。ビット線４０１を制御するドライバーとしてビット線ドライバー１００１が設置され、ゲート電極４１２を制御するドライバーとしてゲートドライバー１００２が設置されている。
【００２３】
配線１００は、上述したように、各磁気メモリセルに対してトンネル磁気抵抗効果素子４０２の強磁性自由層の位置を基準に配置されており、本実施例ではビット線４０１に平行に配置されている。また、配線１００への電流印加制御のために、磁界発生配線制御ドライバー１００３を有する。磁気メモリセルを構成するトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層にスピントランスファートルク磁化反転を用いて情報書込みを行う際に、配線１００に電流を流し、情報書込みを行うべき磁気メモリセルの強磁性自由層に磁界を印加する。配線１００への電流印加は、書込みと同時に、書込みの際の時間だけ行うのが望ましいが、常時印加していてもかまわない。配線１００の幅は１００ｎｍ以下が望ましい。配線１００の幅を１００ｎｍとすることにより、ギガビット級の容量をもつ磁気ランダムアクセスメモリが実現可能になる。
【００２４】
図９は、本発明による磁気メモリセルの他の構成例を示す図である。本実施例の磁気メモリセルは、配線１００の代わりに強磁性配線１０１を用いた点で図１に示した磁気メモリセルと異なる。強磁性配線１０１は、トンネル磁気抵抗効果素子４０２の強磁性自由層の位置を基準に配置され、逆向きに磁化された２つの領域を有し、その逆向きの磁化の境界領域（磁壁）から発生される空間磁界をトンネル磁気抵抗効果素子４０２の強磁性自由層に印加する働きをする。
【００２５】
図１０は、図９に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図１０（ａ）は平面模式図、図１０（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上に磁気メモリセルのビット線を兼ねる保護電極膜４０１が形成されている。強磁性自由層２００と強磁性固定層２０２は積層順が逆でもよい。
【００２６】
図１１は、図１０から更にトンネル磁気抵抗効果素子を構成する強磁性自由層２００と強磁性配線１０１を取り出して示した模式図である。図１１（ａ）は上面摸式図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＢ−Ｂ断面摸式図である。
【００２７】
強磁性配線１０１は強磁性自由層２００の磁化容易軸方向、この場合、強磁性自由層２００の長軸方向に平行に配置される。さらに、強磁性配線１０１は２つの逆向きに磁化された領域１０２と１０３を有し、その境界領域１０４ではそれぞれの磁極のＮ極が向き合っている。この境界領域１０４から、放射状に洩れ空間磁界が発生している。境界領域１０４は強磁性自由層２００の膜面に対して、膜面水平方向から膜面垂直方向に角度をなすように配置されている。つまり、図１１（ｂ）に示すように、強磁性配線１０１のＮ極の向かい合った境界領域１０４の面中心と強磁性自由層２００の断面中心を結ぶ線８０２が強磁性自由層２００の膜面に対して角度θをなすように配置されている。強磁性配線１０１及び境界領域１０４をこのような配置とすることにより、境界領域１０４から発生される洩れ空間磁界７０８が、強磁性自由層２００に対して角度θ方向に印加される。角度θは４５度が望ましいが、０度以上９０度未満の角度としても効果は得られる。境界領域１０４は、強磁性配線１０１に適当な電流を流すことにより移動させることが可能である。
【００２８】
図９に戻って、磁気メモリへの磁気情報書込みは、強磁性配線１０１からトンネル磁気抵抗効果素子４０２の強磁性自由層２００に磁界を印加しながら、保護電極膜と電極４０６の間に電流を流してスピントランスファートルクによる磁化反転方式によって行う。スピントランスファートルクは、強磁性自由層２００、絶縁障壁層２０１、強磁性固定層２０２で構成されるトンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すことで発生し、強磁性自由層２００の磁化を反転させる作用をもつ。また、強磁性自由層２００と強磁性固定層２０２の磁化方向の相対角度によって生ずるトンネル磁気抵抗効果を利用して情報の読み出しを行う。
【００２９】
境界領域１０４から発生する磁界は、強磁性自由層２００のスピントランスファートルク磁化反転を用いた書込み操作のときに印加することが望ましいが、常時印加されていてもかまわない。強磁性自由層２００に強磁性配線１０１の境界領域１０４から漏れ空間磁界を印加したときと印加しないときのスピントランスファートルク磁化反転に必要な書込み電流の違いは、前述した配線からの空間磁界を用いた場合と同様であり、図６に示した関係を有する。例えば、書込み電流を１ナノ秒印加したときには、磁界を印加することによって磁界を印加しない場合に比べて書込み電流を１／２程度減少できる。磁界を印加したときの書込み電流の低減分は、印加時間が短くなるほど大きくなる。さらに、磁界を印加しない場合に比べてスピントランスファートルクによる磁化反転の確率は向上する。
【００３０】
なお、図１０及び図１１では、強磁性配線１０１を強磁性自由層２００の膜面に対して垂直方向下方に配置した例について説明したが、図１２に示すように、強磁性配線１０１を強磁性自由層２００の膜面に対して垂直方向上方に角度θをなすように配置しても同様の効果を得ることができる。ここで、図１２は図１１に対応する図であり、図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００３１】
図１３は、図９に示した磁気メモリセルを複数アレイ状に配置して構成した本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。ゲート電極４１２とビット線４０１が各磁気メモリセルに接続されている。ビット線４０１及びゲート電極４１２を流れる信号電流は、それぞれビット線ドライバー１００１及びゲートドライバー１００２によって制御される。強磁性配線１０１は、本実施例ではビット線４０１に平行に配置されている。磁気メモリセルを構成するトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層にスピントランスファートルク磁化反転を用いて情報書込みを行う際に、強磁性配線１０１の磁化の境界領域をその磁気メモリセルの位置に移動させ、磁化の境界領域から発生する空間磁界を強磁性自由層に印加する。強磁性配線１０１の磁化の境界領域を移動するための印加電流の制御は、磁界発生配線制御ドライバー１００３を用いて行われる。配線１００の幅は１００ｎｍ以下が望ましい。配線１００の幅を１００ｎｍとすることにより、ギガビット級の容量をもつ磁気ランダムアクセスメモリの実現が可能になる。
【００３２】
図１３に示した磁気ランダムアクセスメモリの情報書込みの操作の一例について、図１４を用いて説明する。図１４は、強磁性配線１０１と磁気メモリセルの強磁性自由層を取り出して示した平面模式図である。
【００３３】
図１４において、２００１〜２００７は磁気メモリセルを構成する強磁性自由層の各々を表す。強磁性配線１０１は逆向きに磁化した領域１０２，１０３を有し、強磁性配線１０１の２つの磁化１０２，１０３は境界領域１０４でＮ極同士が向かい合っている。図中の矢印は磁化の方向を示す。
【００３４】
初めに、強磁性自由層２００１〜２００７には、図１４（ａ）に示すように情報が記録されているものとする。図１４（ａ）は、また、強磁性自由層２００１を反転する直前の状態を表している。強磁性配線１０１の境界領域１０４は、強磁性自由層２００１に対して漏洩磁界を印加する位置にある。この状態で強磁性自由層２００１が属するトンネル磁気抵抗素子に書き込み電流を流すと、強磁性自由層２００１の磁化は、強磁性配線１０１の境界領域１０４から印加される漏洩磁界にアシストされて小さな書き込み電流によって生じるスピントランスファートルクにより、図１４（ｂ）に示す強磁性自由層２００１のように確実に磁化反転を起こす。
【００３５】
強磁性配線１０１の磁化の境界領域１０４は、強磁性配線１０１に流す電流の方向と反対向きに移動する。境界領域１０４の移動制御は、強磁性配線１０１に流す電流の向き、通電時間、電流密度を制御することにより行われる。電流の向きは、境界領域１０４を移動させたい方向の逆向きに設定する。通電時間は、強磁性配線１０１に電流を流すことによる境界領域１０４の移動速度が１００ｍ／ｓ程度であることを勘案して設定される。例えば、境界領域１０４を２００ｎｍ移動させるときは、電流を２ナノ秒の間流せばよい。電流密度は、１０8Ａ／ｃｍ2台になる。
【００３６】
次に、強磁性自由層２００２の磁気情報を書き換えたいときは、強磁性配線１０１に図の左方向に流れる電流を流し、図１４（ｂ）のように磁化の境界領域１０４を強磁性自由層２００２の位置へ移動させる。それと同時に、強磁性自由層２００２が属するトンネル磁気抵抗素子に書き込み電流を流し、スピントランスファートルクにより、強磁性自由層２００２の磁化を反転させる。次に、強磁性自由層２００６の磁気情報を書き換えたいときは、強磁性配線１０１に図の左方向に流れる電流を流し、図１４（ｃ）に示すように、強磁性配線１０１の磁化の境界領域１０４を強磁性自由層２００６に漏洩磁界が印加される位置に移動させる。それと同時に強磁性自由層２００６が属するトンネル磁気抵抗素子に書き込み電流を流しスピントランスファートルクにより強磁性自由層２００６の磁化を反転させる。最後に強磁性自由層２００４の磁気情報を書き換えたいときは、強磁性配線１０１に図の右方向に流れる電流を流し、図１４（ｄ）のように、磁化の境界領域１０４を強磁性自由層２００４に漏洩磁界が印加される位置に移動させる。それと同時に強磁性自由層２００４が属するトンネル磁気抵抗素子に書き込み電流を流し、スピントランスファートルクにより、強磁性自由層２００４の磁化を反転させる。
【００３７】
また、境界領域１０４の位置をより確実に制御するには、図１５に示すように、境界領域１０４を停止させたい位置に、強磁性配線１０１の幅よりも小さい括れ部９００を形成しておくのがよい。磁気ランダムアクセスメモリ内の全ての強磁性自由層の位置に対応させて、強磁性配線１０１に括れ部９００を形成しておくのが望ましい。
【００３８】
図１６は、本発明の磁気メモリセルに用いられる強磁性自由層２００と強磁性固定層２０２に用いられる材料の例について示した図である。強磁性自由層２００及び強磁性固定層２０２には、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅ，ＣｏＢ，ＣｏＦｅ，Ｃｏ，Ｆｅ，ＮｉＦｅなどの磁性材料を単層で用いることができる。また、強磁性自由層２００及び強磁性固定層２０２は、それぞれ第一の強磁性自由層２１０と第二の強磁性層２１１、第三の強磁性層２１２と第四の強磁性層２１３を、図１６に示した材料の組み合わせに従って、反平行結合するＲｕなどの中間層２１４を選択して３層の構成で使用してもかまわない。絶縁障壁層２０１には、酸化マグネシウム，アルミニウム酸化物、酸化シリコンなどの材料を用いることができる。
【００３９】
以上、磁気メモリセルを構成する磁気抵抗効果素子４０２としてトンネル磁気抵抗効果素子を用いる実施例について説明してきた。トンネル磁気抵抗効果素子の代わりに巨大磁気抵抗効果素子を用いる場合には、絶縁障壁層２０１が非磁性導電層に置き換わることになる。
【００４０】
本発明によると、信頼性の高い低消費電力不揮発性メモリを実現することが可能である。また、本発明によると、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１００…配線、１０１…強磁性配線、１０２…強磁性配線、１０３…強磁性配線、１０４…境界領域、２００…強磁性自由層、２０１…絶縁障壁層、２０２…強磁性固定層、４０１…ビット線、４０２…磁気抵抗効果素子、４０９…ソース電極、４１２…ゲート電極、４１４…ドレイン電極、５００…トランジスタ、１００１…ビット線ドライバー、１００２…ゲートドライバー、１００３…磁界発生配線制御ドライバー、２００１…強磁性自由層、２００２…強磁性自由層、２００３…強磁性自由層、２００４…強磁性自由層、２００５…強磁性自由層、２００６…強磁性自由層、２００７…強磁性自由層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力トンネル磁気抵抗素子を装備した磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高集積磁気メモリの記録再生セルに出力の大きなトンネル磁気抵抗効果素子を適用することが試みられている。トンネル磁気抵抗効果素子としては、絶縁体にＡｌの酸化物を用いたトンネル磁気抵抗効果素子や絶縁膜に酸化マグネシウムを用いたトンネル磁気抵抗効果素子が開示されている（T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)，S. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868(2004)）。従来の不揮発性磁気メモリは、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成したメモリセルにより構成される。スイッチングにＭＯＳＦＥＴを利用し、ビット線とワード線に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってトンネル磁気抵抗効果素子の磁化方向を回転させて情報を書込み、トンネル磁気抵抗効果素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接、磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより磁化を回転させるいわゆるスピントランスファートルク磁化反転方式があり、例えば米国特許第５，６９５，８６４号明細書や特開２００２−３０５３３７号公報に開示されている。また、特開２００５−５０９０７号公報には、強磁性自由層の磁化容易軸方向と平行な方向に、磁界印加することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，６９５，８６４号明細書
【特許文献２】特開２００２−３０５３３７号公報
【特許文献３】特開２００５−５０９０７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)
【非特許文献２】Nature Material 3, 868(2004)
【非特許文献３】Appl.Phys.Lett.85,5358(2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スピントランスファートルク磁化反転による書込み方式は、図１７に示すように、一般的なメモリの書込み動作時間である１０ナノ秒以下においては、スピントランスファートルク磁化反転の閾値電流が大幅に増大し、磁化反転に誤りが生じることが知られている。図１７（ａ）は、Appl. Phys. Lett. 85, 5358 (2004)から引用した書込み電流に対する反転確率のプロット図である。この図から反転確率が０，１にならない領域が存在し、且つ書込み時間の短い領域で、反転確率を１にする書込み電流の値が著しく増大していることがわかる。図１７（ｂ）は、書込み時間に対する書込み電流の大きさを示した図であり、１０ナノ秒以下の書込み時間において、書込み電流が増大することがわかる。図１７（ｃ）は、書込み電流に対して書込み確率をプロットした図であり、書込み確率が０，１にならない電流領域（Ｉ１以上Ｉ２以下）が存在することがわかる。
【０００６】
磁気メモリの情報の書込みは、通常１０ナノ秒以下の時間において行われる必要がある。低消費電力かつ高信頼性をもつ高集積不揮発性磁気メモリの実現には、そのような短い時間においてトンネル磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を低電流で誤りなく確実に反転させる必要がある。
【０００７】
本発明は、このような要請に応えることのできる磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、磁気メモリセルを構成する巨大磁気抵抗効果素子やトンネル磁気抵抗効果素子の記録層である強磁性自由層の磁化容易軸と交差する方向、好ましくは直交する方向であって、強磁性自由層の膜面に対して垂直から４５度方向に磁界を印加しながらスピントランスファートルクにより記録層の磁化反転を行う。磁界印加は、強磁性自由層の磁化容易軸と平行に設けた配線に電流を流すことによって行うことができる。磁界印加は、また、強磁性自由層の磁化容易軸に対して平行に配置され、逆向きの磁区の同磁極が向き合った境界領域（磁壁）を有する強磁性配線によって行うことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、スピントランスファートルクによる書き込み電流を低減して、書き込みの誤り率を低減することができ、信頼性の高い低消費電力不揮発性メモリを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図。
【図２】図１に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図３】強磁性自由層と配線の位置関係の例を示す図。
【図４】強磁性自由層と配線の位置関係の他の例を示す図。
【図５】配線と強磁性自由層の間の距離と、強磁性自由層に印加される磁界の大きさとの間の関係を示す図。
【図６】書込み電流と書込み時間の関係を示した図。
【図７】スピントランスファートルク磁化反転の原理を説明する図。
【図８】本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図。
【図９】本発明による磁気メモリセルの他の構成例を示す図。
【図１０】磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図。
【図１１】強磁性自由層と強磁性配線の位置関係の例を示した模式図。
【図１２】強磁性自由層と強磁性配線の位置関係の他の例を示した模式図。
【図１３】本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図。
【図１４】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの書込み操作の例を示した図。
【図１５】括れ部を形成した強磁性配線の例を示す図。
【図１６】強磁性自由層と強磁性固定層に用いられる材料の例について示した図。
【図１７】スピントランスファートルク磁化反転による書込み方式の問題点を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下では、磁気抵抗効果素子としてトンネル磁気抵抗効果素子を用いる例によって本発明を説明するが、トンネル磁気抵抗効果素子の代わりに巨大磁気抵抗効果素子を用いても同様の効果を得ることができる。
【００１２】
図１は、トンネル磁気抵抗効果素子を搭載した本発明による磁気メモリセルの構成例を示す概略図である。Ｃ−ＭＯＳ５００は、２つのｎ型半導体４１０，４１３と一つのｐ型半導体４１１からなる。ｎ型半導体４１３に接続されたドレイン電極４１４は、電極４１５，４１６を介して接地されている。ｎ型半導体４１０にはソース電極４０９が接続されている。ゲート電極４１２のＯＮ／ＯＦＦにより、ソース電極４０９とドレイン電極４１４の間に流れる電流のＯＮ／ＯＦＦが制御される。ソース電極４０９に電極４０８〜４０５が積層され、電極４０３を介してトンネル磁気抵抗効果素子４０２が接続されている。電極４０５と電極４０３の間には何層かの電極が存在してもかまわない。ビット線４０１はトンネル磁気抵抗効果素子４０２に接続されている。ビット線４０１とトンネル磁気抵抗効果素子４０２の間には何層かの電極層あるいは保護膜が形成されていてもかまわない。
【００１３】
本発明の磁気メモリセルは、更にトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層の位置に空間磁界を発生させるための配線１００を有する。配線１００は、以下に説明するように、トンネル磁気抵抗効果素子４０２中の強磁性自由層の位置を基準に配置される。磁気メモリセルへの情報書き込みに当たっては、配線１００から発生する空間磁界を磁気メモリセルの強磁性自由層に印加しながらゲート電極４１２をＯＮすると、スピントランスファートルクを発生させる電流が、ビット線４０１と電極４０３の間のトンネル磁気抵抗効果素子４０２に流れる。スピントランスファートルクは、強磁性自由層２００、絶縁障壁層２０１、強磁性固定層２０２で構成されるトンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すことで発生し、強磁性自由層２００の磁化を反転させる作用を有する。情報の読み出しは、強磁性自由層２００と強磁性固定層２０２の磁化方向の相対角度で生ずるトンネル磁気抵抗効果を検出することにより行う。
【００１４】
図２は図１に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図２（ａ）は平面模式図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上にビット線を兼ねる保護電極膜４０１が形成されている。強磁性自由層２００と強磁性固定層２０２は積層順が逆になってもよい。強磁性自由層２００の位置に空間磁界を発生させるための配線１００は、強磁性自由層２００を基準に配置される。
【００１５】
図３は、図２から更にトンネル磁気抵抗効果素子を構成する強磁性自由層２００と空間磁界を印加電流により発生させるための配線１００を取り出して示した模式図である。図３（ａ）は平面摸式図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面摸式図である。
【００１６】
配線１００は強磁性自由層２００の磁化容易軸方向、この場合、強磁性自由層２００の長軸方向に平行に配置されている。さらに、配線１００は強磁性自由層２００の膜面に対して、垂直方向下方に角度θの方向に配置されている。ここで角度θは０度から９０度の範囲で選択可能であるが、図３（ｂ）において、配線１００の断面中心と強磁性自由層２００の断面中心を結ぶ線８００が強磁性自由層２００の膜面に対して４５度の角度をなすようにするのが最も望ましい。θ＝４５度となるように配線１００を配置することにより、スピントランスファートルクによる書込み電流の低減と書込み誤り率を大幅に低減できる。配線１００に電流を流すことにより、強磁性自由層２００に磁界が印加される。配線１００に流す電流の方向と強磁性自由層２００に印加される磁界の方向の関係は図３に示すとおりであり、矢印７００の方向に電流を流したときに、強磁性自由層２００には矢印７０２の方向に磁界が印加される。逆に矢印７０１の方向に電流を流したとき矢印７０３の方向に磁界が印加される。
【００１７】
なお、図１、図２及び図３には、配線１００を強磁性自由層２００の膜面に対して垂直方向下方に配置した例を示したが、図４に示すように、配線１００を強磁性自由層２００の膜面に対して垂直方向上方に角度θをなすように配置してもよい。ここで、図４は図３に対応する図であり、図４（ａ）は平面摸式図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ断面摸式図である。
【００１８】
図５は、配線１００と強磁性自由層２００の距離と、強磁性自由層２００に印加される磁界の大きさとの間の関係を示す図である。図５（ａ）は配線１００の幅が１００ｎｍのとき、図５（ｂ）は配線１００の幅が２００ｎｍのときの関係図である。それぞれ配線１００に流す電流密度を１０4Ａ／ｃｍ2〜１０6Ａ／ｃｍ2の間で示した。強磁性自由層２００に印加される磁界は、配線１００からの距離が近く、電流密度が大きく、配線１００の幅が大きいほど大きくなる。
【００１９】
配線１００からの発生磁界は、強磁性自由層２００のスピントランスファートルク磁化反転を用いた書込み操作のときに書込み電流とともに印加する。図６は、磁界を印加したときと印加しないときの書込み電流の大きさを、書込み電流印加時間に対してプロットした図である。図中のＩは書込み電流、Ｉｃは閾値電流、ｔは電流印加時間を表す。印加した磁界の大きさは、強磁性自由層２００の異方性磁界の１／１０である。印加磁界の大きさは、異方性磁界より小さいことが望ましい。例えば、書込み電流を１ナノ秒印加したときには、磁界がある場合はない場合に比べ書込み電流は１／２程度減少できる。磁界を印加したときの書込み電流の低減分は、印加時間が短くなるほど大きくなる。さらに、磁界を印加しない場合に比べて、磁界を印加した場合にはスピントランスファートルクによる磁化反転の確率が２倍以上に向上した。
【００２０】
ここで、本発明のように強磁性自由層に磁界を印加しながら書込み電流を流すことによってスピントランスファートルク磁化反転の書込み電流の低減と書込み誤り率の低減を達成できる理由について述べる。通常、外部磁界を使った磁化反転による書込みの場合、強磁性自由層の磁化方向（特に磁化容易軸）に平行に、かつ磁化を向けたい方向に外部磁界を印加する。これは、磁化は外部磁界の方向に向く性質を有するからである。一方、スピントランスファートルク磁化反転はそれとは異なる特徴を有し、その特徴について図７を用いて説明する。
【００２１】
図７は、磁気メモリセルを構成するトンネル磁気抵抗効果素子を示している。図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す図、図７（ｃ）は図７（ａ）のＣ−Ｃ断面を示す図である。図中、ｘ方向は強磁性自由層２００の長手あるいは磁化容易軸方向、ｙ方向は強磁性自由層２００の長手あるいは磁化容易軸方向に対して垂直な方向、ｚ方向は膜面垂直方向を表す。スピントランスファートルク磁化反転では、強磁性自由層２００の膜面垂直方向に書込み電流７００７を印加する。図の場合、強磁性自由層２００の磁化は初期状態でｘ方向を向いている。ｘ方向の磁化７００１は、ｘｙ面内では磁化方向７００１、ｘｚ面内では磁化方向７００４、ｙｚ面内では磁化方向７００８にそれぞれ方向成分を有している。ここで、書込み電流７００７が印加されると、ｘｙ面内、ｘｚ面内、ｘｚ面内において磁化方向７００１、７００４、７００８はそれぞれ磁化反転方向７００３、７００６、７０１０に回転し、磁化方向７００２、７００５、７００９へと進む。換言すると、膜面内ｘ方向に向いていた磁化は、ｙ方向とｚ方向にベクトル成分をもつ方向へ回転がはじまる。したがって、磁化反転方向７００３、７００６、７０１０で合成される空間方向へ磁界を印加することにより、スピントランスファートルク磁化反転が円滑に進み、スピントランスファートルク磁化反転の書込み電流閾値を低減し、磁界が磁化回転を確実に一方向へ励起させることが可能である。本発明では、前記磁化反転方向７００３、７００６、７０１０で合成される空間方向に、図３に示した角度θを合わせるようにする。
【００２２】
図８は、図１に示した磁気メモリセルを複数個アレイ状に配置して構成した本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。ゲート電極４１２とビット線４０１がメモリセルに電気的に接続されている。ビット線４０１を制御するドライバーとしてビット線ドライバー１００１が設置され、ゲート電極４１２を制御するドライバーとしてゲートドライバー１００２が設置されている。
【００２３】
配線１００は、上述したように、各磁気メモリセルに対してトンネル磁気抵抗効果素子４０２の強磁性自由層の位置を基準に配置されており、本実施例ではビット線４０１に平行に配置されている。また、配線１００への電流印加制御のために、磁界発生配線制御ドライバー１００３を有する。磁気メモリセルを構成するトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層にスピントランスファートルク磁化反転を用いて情報書込みを行う際に、配線１００に電流を流し、情報書込みを行うべき磁気メモリセルの強磁性自由層に磁界を印加する。配線１００への電流印加は、書込みと同時に、書込みの際の時間だけ行うのが望ましいが、常時印加していてもかまわない。配線１００の幅は１００ｎｍ以下が望ましい。配線１００の幅を１００ｎｍとすることにより、ギガビット級の容量をもつ磁気ランダムアクセスメモリが実現可能になる。
【００２４】
図９は、本発明による磁気メモリセルの他の構成例を示す図である。本実施例の磁気メモリセルは、配線１００の代わりに強磁性配線１０１を用いた点で図１に示した磁気メモリセルと異なる。強磁性配線１０１は、トンネル磁気抵抗効果素子４０２の強磁性自由層の位置を基準に配置され、逆向きに磁化された２つの領域を有し、その逆向きの磁化の境界領域（磁壁）から発生される空間磁界をトンネル磁気抵抗効果素子４０２の強磁性自由層に印加する働きをする。
【００２５】
図１０は、図９に示した磁気メモリセルの主要部分を取り出して示した模式図であり、図１０（ａ）は平面模式図、図１０（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面模式図である。図示した例では、電極４０６〜４０３上に強磁性固定層２０２、絶縁障壁層２０１、強磁性自由層２００からなるトンネル磁気抵抗効果素子４０２が積層されている。強磁性自由層２００の上に磁気メモリセルのビット線を兼ねる保護電極膜４０１が形成されている。強磁性自由層２００と強磁性固定層２０２は積層順が逆でもよい。
【００２６】
図１１は、図１０から更にトンネル磁気抵抗効果素子を構成する強磁性自由層２００と強磁性配線１０１を取り出して示した模式図である。図１１（ａ）は上面摸式図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＢ−Ｂ断面摸式図である。
【００２７】
強磁性配線１０１は強磁性自由層２００の磁化容易軸方向、この場合、強磁性自由層２００の長軸方向に平行に配置される。さらに、強磁性配線１０１は２つの逆向きに磁化された領域１０２と１０３を有し、その境界領域１０４ではそれぞれの磁極のＮ極が向き合っている。この境界領域１０４から、放射状に洩れ空間磁界が発生している。境界領域１０４は強磁性自由層２００の膜面に対して、膜面水平方向から膜面垂直方向に角度をなすように配置されている。つまり、図１１（ｂ）に示すように、強磁性配線１０１のＮ極の向かい合った境界領域１０４の面中心と強磁性自由層２００の断面中心を結ぶ線８０２が強磁性自由層２００の膜面に対して角度θをなすように配置されている。強磁性配線１０１及び境界領域１０４をこのような配置とすることにより、境界領域１０４から発生される洩れ空間磁界７０８が、強磁性自由層２００に対して角度θ方向に印加される。角度θは４５度が望ましいが、０度以上９０度未満の角度としても効果は得られる。境界領域１０４は、強磁性配線１０１に適当な電流を流すことにより移動させることが可能である。
【００２８】
図９に戻って、磁気メモリへの磁気情報書込みは、強磁性配線１０１からトンネル磁気抵抗効果素子４０２の強磁性自由層２００に磁界を印加しながら、保護電極膜と電極４０６の間に電流を流してスピントランスファートルクによる磁化反転方式によって行う。スピントランスファートルクは、強磁性自由層２００、絶縁障壁層２０１、強磁性固定層２０２で構成されるトンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すことで発生し、強磁性自由層２００の磁化を反転させる作用をもつ。また、強磁性自由層２００と強磁性固定層２０２の磁化方向の相対角度によって生ずるトンネル磁気抵抗効果を利用して情報の読み出しを行う。
【００２９】
境界領域１０４から発生する磁界は、強磁性自由層２００のスピントランスファートルク磁化反転を用いた書込み操作のときに印加することが望ましいが、常時印加されていてもかまわない。強磁性自由層２００に強磁性配線１０１の境界領域１０４から漏れ空間磁界を印加したときと印加しないときのスピントランスファートルク磁化反転に必要な書込み電流の違いは、前述した配線からの空間磁界を用いた場合と同様であり、図６に示した関係を有する。例えば、書込み電流を１ナノ秒印加したときには、磁界を印加することによって磁界を印加しない場合に比べて書込み電流を１／２程度減少できる。磁界を印加したときの書込み電流の低減分は、印加時間が短くなるほど大きくなる。さらに、磁界を印加しない場合に比べてスピントランスファートルクによる磁化反転の確率は向上する。
【００３０】
なお、図１０及び図１１では、強磁性配線１０１を強磁性自由層２００の膜面に対して垂直方向下方に配置した例について説明したが、図１２に示すように、強磁性配線１０１を強磁性自由層２００の膜面に対して垂直方向上方に角度θをなすように配置しても同様の効果を得ることができる。ここで、図１２は図１１に対応する図であり、図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００３１】
図１３は、図９に示した磁気メモリセルを複数アレイ状に配置して構成した本発明による磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。ゲート電極４１２とビット線４０１が各磁気メモリセルに接続されている。ビット線４０１及びゲート電極４１２を流れる信号電流は、それぞれビット線ドライバー１００１及びゲートドライバー１００２によって制御される。強磁性配線１０１は、本実施例ではビット線４０１に平行に配置されている。磁気メモリセルを構成するトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層にスピントランスファートルク磁化反転を用いて情報書込みを行う際に、強磁性配線１０１の磁化の境界領域をその磁気メモリセルの位置に移動させ、磁化の境界領域から発生する空間磁界を強磁性自由層に印加する。強磁性配線１０１の磁化の境界領域を移動するための印加電流の制御は、磁界発生配線制御ドライバー１００３を用いて行われる。配線１００の幅は１００ｎｍ以下が望ましい。配線１００の幅を１００ｎｍとすることにより、ギガビット級の容量をもつ磁気ランダムアクセスメモリの実現が可能になる。
【００３２】
図１３に示した磁気ランダムアクセスメモリの情報書込みの操作の一例について、図１４を用いて説明する。図１４は、強磁性配線１０１と磁気メモリセルの強磁性自由層を取り出して示した平面模式図である。
【００３３】
図１４において、２００１〜２００７は磁気メモリセルを構成する強磁性自由層の各々を表す。強磁性配線１０１は逆向きに磁化した領域１０２，１０３を有し、強磁性配線１０１の２つの磁化１０２，１０３は境界領域１０４でＮ極同士が向かい合っている。図中の矢印は磁化の方向を示す。
【００３４】
初めに、強磁性自由層２００１〜２００７には、図１４（ａ）に示すように情報が記録されているものとする。図１４（ａ）は、また、強磁性自由層２００１を反転する直前の状態を表している。強磁性配線１０１の境界領域１０４は、強磁性自由層２００１に対して漏洩磁界を印加する位置にある。この状態で強磁性自由層２００１が属するトンネル磁気抵抗素子に書き込み電流を流すと、強磁性自由層２００１の磁化は、強磁性配線１０１の境界領域１０４から印加される漏洩磁界にアシストされて小さな書き込み電流によって生じるスピントランスファートルクにより、図１４（ｂ）に示す強磁性自由層２００１のように確実に磁化反転を起こす。
【００３５】
強磁性配線１０１の磁化の境界領域１０４は、強磁性配線１０１に流す電流の方向と反対向きに移動する。境界領域１０４の移動制御は、強磁性配線１０１に流す電流の向き、通電時間、電流密度を制御することにより行われる。電流の向きは、境界領域１０４を移動させたい方向の逆向きに設定する。通電時間は、強磁性配線１０１に電流を流すことによる境界領域１０４の移動速度が１００ｍ／ｓ程度であることを勘案して設定される。例えば、境界領域１０４を２００ｎｍ移動させるときは、電流を２ナノ秒の間流せばよい。電流密度は、１０8Ａ／ｃｍ2台になる。
【００３６】
次に、強磁性自由層２００２の磁気情報を書き換えたいときは、強磁性配線１０１に図の左方向に流れる電流を流し、図１４（ｂ）のように磁化の境界領域１０４を強磁性自由層２００２の位置へ移動させる。それと同時に、強磁性自由層２００２が属するトンネル磁気抵抗素子に書き込み電流を流し、スピントランスファートルクにより、強磁性自由層２００２の磁化を反転させる。次に、強磁性自由層２００６の磁気情報を書き換えたいときは、強磁性配線１０１に図の左方向に流れる電流を流し、図１４（ｃ）に示すように、強磁性配線１０１の磁化の境界領域１０４を強磁性自由層２００６に漏洩磁界が印加される位置に移動させる。それと同時に強磁性自由層２００６が属するトンネル磁気抵抗素子に書き込み電流を流しスピントランスファートルクにより強磁性自由層２００６の磁化を反転させる。最後に強磁性自由層２００４の磁気情報を書き換えたいときは、強磁性配線１０１に図の右方向に流れる電流を流し、図１４（ｄ）のように、磁化の境界領域１０４を強磁性自由層２００４に漏洩磁界が印加される位置に移動させる。それと同時に強磁性自由層２００４が属するトンネル磁気抵抗素子に書き込み電流を流し、スピントランスファートルクにより、強磁性自由層２００４の磁化を反転させる。
【００３７】
また、境界領域１０４の位置をより確実に制御するには、図１５に示すように、境界領域１０４を停止させたい位置に、強磁性配線１０１の幅よりも小さい括れ部９００を形成しておくのがよい。磁気ランダムアクセスメモリ内の全ての強磁性自由層の位置に対応させて、強磁性配線１０１に括れ部９００を形成しておくのが望ましい。
【００３８】
図１６は、本発明の磁気メモリセルに用いられる強磁性自由層２００と強磁性固定層２０２に用いられる材料の例について示した図である。強磁性自由層２００及び強磁性固定層２０２には、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅ，ＣｏＢ，ＣｏＦｅ，Ｃｏ，Ｆｅ，ＮｉＦｅなどの磁性材料を単層で用いることができる。また、強磁性自由層２００及び強磁性固定層２０２は、それぞれ第一の強磁性自由層２１０と第二の強磁性層２１１、第三の強磁性層２１２と第四の強磁性層２１３を、図１６に示した材料の組み合わせに従って、反平行結合するＲｕなどの中間層２１４を選択して３層の構成で使用してもかまわない。絶縁障壁層２０１には、酸化マグネシウム，アルミニウム酸化物、酸化シリコンなどの材料を用いることができる。
【００３９】
以上、磁気メモリセルを構成する磁気抵抗効果素子４０２としてトンネル磁気抵抗効果素子を用いる実施例について説明してきた。トンネル磁気抵抗効果素子の代わりに巨大磁気抵抗効果素子を用いる場合には、絶縁障壁層２０１が非磁性導電層に置き換わることになる。
【００４０】
本発明によると、信頼性の高い低消費電力不揮発性メモリを実現することが可能である。また、本発明によると、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１００…配線、１０１…強磁性配線、１０２…強磁性配線、１０３…強磁性配線、１０４…境界領域、２００…強磁性自由層、２０１…絶縁障壁層、２０２…強磁性固定層、４０１…ビット線、４０２…磁気抵抗効果素子、４０９…ソース電極、４１２…ゲート電極、４１４…ドレイン電極、５００…トランジスタ、１００１…ビット線ドライバー、１００２…ゲートドライバー、１００３…磁界発生配線制御ドライバー、２００１…強磁性自由層、２００２…強磁性自由層、２００３…強磁性自由層、２００４…強磁性自由層、２００５…強磁性自由層、２００６…強磁性自由層、２００７…強磁性自由層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性膜と、前記非磁性膜を挟んで形成された強磁性自由層と強磁性固定層とを有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための電極と、
前記強磁性自由層に当該強磁性自由層の磁化容易軸方向と交差する方向の磁界を印加するための磁界印加手段とを有し、
前記磁界印加手段は前記磁気抵抗効果素子の横に並んで配置されており、
前記磁界印加手段によって前記強磁性自由層に磁界を印加した状態で、前記磁気抵抗効果素子に電流を流してスピントランスファートルクによって前記強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項２】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記非磁性膜は絶縁膜であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項３】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を有することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項４】
非磁性膜と、前記非磁性膜を挟んで形成された強磁性自由層と強磁性固定層とを有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための電極と、
前記強磁性自由層の磁化容易軸に対して平行に配置された配線とを有し、
前記配線は前記磁気抵抗効果素子の横に並んで配置されており、
前記配線から発生された磁界を前記強磁性自由層に印加した状態で前記磁気抵抗効果素子に電流を流し、スピントランスファートルクによって前記強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項５】
請求項４記載の磁気メモリセルにおいて、前記非磁性膜は絶縁膜からなることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項６】
請求項４記載の磁気メモリセルにおいて、前記配線は前記強磁性自由層の膜面を含む平面に対して上下方向にずれた位置に配置されていることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項７】
請求項４記載の磁気メモリセルにおいて、前記磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を有することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項８】
非磁性膜を挟んで形成された強磁性自由層と強磁性固定層とを有する磁気抵抗効果素子、前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための電極、及び前記磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を各々備える磁気メモリセルが２次元アレイ状に配列されたメモリセル群と、
前記メモリセル群の中の所望の磁気メモリセルを選択する選択手段と、
前記２次元アレイを構成する磁気メモリセルの一列毎に、当該列に属する複数の磁気メモリセルに含まれる複数の強磁性自由層の磁化容易軸方向に平行になるように配置された配線と、
前記配線に電流を流す手段とを有し、
前記配線は前記磁気抵抗効果素子の横に並んで配置されており、
前記選択手段によって選択された磁気メモリセルの前記強磁性自由層に、当該磁気メモリセルに対応付けられた前記配線から発生された磁界を印加した状態で当該磁気メモリセルの前記磁気抵抗効果素子に電流を流し、スピントランスファートルクによって前記強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行うことを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項９】
請求項８記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記非磁性膜は絶縁膜からなることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１０】
請求項８記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記配線は前記強磁性自由層の膜面を含む平面に対して上下方向にずれた位置に配置されていることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１】
非磁性膜と、前記非磁性膜を挟んで形成された強磁性自由層と強磁性固定層とを有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための電極と、
前記強磁性自由層に当該強磁性自由層の磁化容易軸方向と交差する方向の磁界を印加するための磁界印加手段とを有し、
前記磁界印加手段は前記磁気抵抗効果素子の横に並んで配置されており、
前記磁界印加手段によって前記強磁性自由層に磁界を印加した状態で、前記磁気抵抗効果素子に電流を流してスピントランスファートルクによって前記強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項２】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記非磁性膜は絶縁膜であることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項３】
請求項１記載の磁気メモリセルにおいて、前記磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を有することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項４】
非磁性膜と、前記非磁性膜を挟んで形成された強磁性自由層と強磁性固定層とを有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための電極と、
前記強磁性自由層の磁化容易軸に対して平行に配置された配線とを有し、
前記配線は前記磁気抵抗効果素子の横に並んで配置されており、
前記配線から発生された磁界を前記強磁性自由層に印加した状態で前記磁気抵抗効果素子に電流を流し、スピントランスファートルクによって前記強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項５】
請求項４記載の磁気メモリセルにおいて、前記非磁性膜は絶縁膜からなることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項６】
請求項４記載の磁気メモリセルにおいて、前記配線は前記強磁性自由層の膜面を含む平面に対して上下方向にずれた位置に配置されていることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項７】
請求項４記載の磁気メモリセルにおいて、前記磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を有することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項８】
非磁性膜を挟んで形成された強磁性自由層と強磁性固定層とを有する磁気抵抗効果素子、前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための電極、及び前記磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を各々備える磁気メモリセルが２次元アレイ状に配列されたメモリセル群と、
前記メモリセル群の中の所望の磁気メモリセルを選択する選択手段と、
前記２次元アレイを構成する磁気メモリセルの一列毎に、当該列に属する複数の磁気メモリセルに含まれる複数の強磁性自由層の磁化容易軸方向に平行になるように配置された配線と、
前記配線に電流を流す手段とを有し、
前記配線は前記磁気抵抗効果素子の横に並んで配置されており、
前記選択手段によって選択された磁気メモリセルの前記強磁性自由層に、当該磁気メモリセルに対応付けられた前記配線から発生された磁界を印加した状態で当該磁気メモリセルの前記磁気抵抗効果素子に電流を流し、スピントランスファートルクによって前記強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行うことを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項９】
請求項８記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記非磁性膜は絶縁膜からなることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【請求項１０】
請求項８記載のランダムアクセスメモリにおいて、前記配線は前記強磁性自由層の膜面を含む平面に対して上下方向にずれた位置に配置されていることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−２５３３７９（Ｐ２０１２−２５３３７９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１８１７８２（Ｐ２０１２−１８１７８２）
【出願日】平成２４年８月２０日（２０１２．８．２０）
【分割の表示】特願２００６−１２２５３９（Ｐ２００６−１２２５３９）の分割
【原出願日】平成１８年４月２６日（２００６．４．２６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度、文部科学省、高機能・超低消費電力メモリの開発 委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月２０日（２０１２．８．２０）
【分割の表示】特願２００６−１２２５３９（Ｐ２００６−１２２５３９）の分割
【原出願日】平成１８年４月２６日（２００６．４．２６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度、文部科学省、高機能・超低消費電力メモリの開発 委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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