JP4720081B2

JP4720081B2 - 磁気メモリ

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Publication number: JP4720081B2
Application number: JP2003409246A
Authority: JP
Inventors: 広之大森
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2003-12-08
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2023-12-08
Also published as: JP2005175012A

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。

磁気記憶素子を縮小化すると、情報を長期間にわたり安定して保持するために、磁気記憶素子の磁気異方性を大きくして、保磁力を大きくする必要がある。
しかし、保磁力を大きくすると、情報の記録に大きな磁場が必要となるため、磁気記憶素子に磁場を印加する導体配線に流す記録電流を大きくする必要がある。このため、消費電力の増加や電流駆動回路の大型化が不可避となり、高密度メモリを実現する上で問題となる。

従って、保磁力を大きくしたり、記録電流を低減したりしても、情報を記録することが可能となるように、効率的に磁気記憶素子に磁場を印加することが要求される。

そこで、記録電流を低減する方法として、例えば磁気記憶素子に磁場を印加する導体配線（アドレス配線）の背面及び側面に軟磁性体を配置して、磁気記憶素子に磁場を収束させる構造が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
このような構造とすることにより、アドレス配線に電流を流して発生させた電流磁界を、軟磁性体を通じて効率良く磁気記憶素子に印加することができるため、情報の記録の際にアドレス配線に流す電流量を低減することが可能になる。
日経エレクトロニクス２００１．２．１２号（第１６４頁−１７１頁）特開２００２−２４６５６６号公報

しかしながら、アドレス配線の周囲に軟磁性体を配置しただけでは、情報の記録に必要な電流量を半分程度に減らす効果しかない。
このため、記録に必要な電流量を、さらに低減することができる構成の磁気メモリが求められている。

上述した問題の解決のために、本発明においては、情報の記録に必要な電流量を低減し、少ない電力で動作可能な磁気メモリを提供するものである。

本発明の一の磁気メモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を少なくとも有する磁気記憶素子と、この磁気記憶素子に磁場を印加する配線とを有し、磁気記憶素子に磁場を印加する配線として、互いに交差する２種類の配線を備え、この２種類の配線の交点付近に磁気記憶素子が配置され、２種類の配線は、磁気記憶素子の記憶層の磁化困難軸方向に磁場を印加する一方の配線と、磁気記憶素子の記憶層の磁化容易軸方向に磁場を印加する他方の配線であり、２種類の配線の内、磁気記憶素子の記憶層の磁化困難軸方向に磁場を印加する一方の配線に接して、この一方の配線の周囲に磁性体が配置され、一方の配線に接する磁性体の内、磁気記憶素子の記憶層側の部分に、硬質磁性体が配置されている、又は、一方の配線とは反対側で接する反強磁性体により磁化の向きが固定された軟磁性体が配置され、一方の配線に接する磁性体の内、記憶層側の部分以外に軟磁性体が配置され、情報の記録の際に、一方の配線には、硬質磁性体からの磁場とは、又は、反強磁性体と接する部分の軟磁性体からの磁場とは、概ね逆向きとなる電流磁場を発生するように、電流を流すものである。
本発明の他の磁気メモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を少なくとも有する磁気記憶素子と、この磁気記憶素子に磁場を印加する配線とを有し、磁気記憶素子に磁場を印加する配線として、互いに交差する２種類の配線を備え、磁気記憶素子の記憶層が、複数層の磁性層が非磁性層を介して反強磁性結合して構成され、２種類の配線の交点付近に磁気記憶素子が配置され、かつ磁気記憶素子の記憶層の磁化容易軸方向が、２種類の配線に対して、それぞれ傾斜角度を有し、２種類の配線のそれぞれの配線に接して、それぞれの配線の周囲に磁性体が配置され、それぞれの配線に接する磁性体の内、磁気記憶素子の記憶層側の部分に、硬質磁性体が配置されている、又は、それぞれの配線とは反対側で接する反強磁性体により磁化の向きが固定された軟磁性体が配置され、それぞれの配線に接する磁性体の内、記憶層側の部分以外に軟磁性体が配置され、情報の記録の際に、それぞれの配線には、硬質磁性体からの磁場とは、又は、反強磁性体と接する部分の軟磁性体からの磁場とは、概ね逆向きとなる電流磁場を発生するように、電流を流すものである。

上述の本発明の一の磁気メモリの構成及び本発明の他の磁気メモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を少なくとも有する磁気記憶素子と、この磁気記憶素子に磁場を印加する２種類の配線とを有し、この２種類の配線のうちの一方の配線、もしくは、それぞれの配線において、配線に接して、配線の周囲に磁性体が配置され、この磁性体のうち磁気記憶素子の記憶層の側の部分に、硬質磁性体が配置されている、又は、配線とは反対側で接する反強磁性体により磁化の向きが固定された軟磁性体が配置されていることにより、磁性体が配置された配線に電流を流したときに、電流による磁場と、硬質磁性体の磁化による磁場又は磁化の向きが固定された軟磁性体の磁化による磁場とが加わることから、少ない電流で大きい磁場を発生させることが可能になる。

上述の本発明によれば、少ない電流で大きい磁場を発生させることが可能になり、磁気記憶素子の記憶層に効率良く磁場を印加することができることから、配線に流す電流を低減しても、情報の記録を行うことが可能になる。
従って、本発明により、情報の記録動作を行うために配線に流す電流量を低減して、消費電力を低減することができ、少ない電力で動作可能な磁気メモリを実現することができる。

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ＭＲＡＭの斜視図を図１３に示す。
図中前後方向に延びるアドレス配線１０１と、図中左右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、本発明の磁気メモリの一実施の形態の概略構成図を図１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１に示すように、この磁気メモリでは、情報が磁化の向きにより記録される記憶層１を有して磁気記憶素子が構成されており、磁気記憶素子の記憶層１の上方に、矩形の断面形状を有し、紙面に垂直な方向に延びて形成されたアドレス配線１０が配置されている。
そして、矩形の断面形状を有するアドレス配線１０の上面及び両側面に、軟磁性体１１が配置されている。
なお、図１では、磁気記憶素子のうち、記憶層１以外の部分は図示を省略している。

また、記憶層１と、それぞれ図示しないが、トンネル絶縁層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを積層して成る磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ）によって、磁気記憶素子を構成することができる。この場合、記憶層と磁化固定層（参照層とも称される）の相対的な磁化方向を検出することにより記憶層１に記録された情報の内容を検出することが可能になる。

磁気記憶素子の記憶層１及び磁化固定層は単層の磁性層でもよいし、異なる種類の磁性膜あるいは磁性膜と非磁性膜を積層した構成としてもよい。

アドレス配線１０の材料は、半導体回路等で標準的な配線材料である、Ａｌ，Ｃｕ及びその合金が適当であるが、Ｗ，Ｍｏ等の他の金属材料でもよい。
また、アドレス配線１０の上面及び両側面の軟磁性体１１の材料は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ等の結晶質材料、ＣｏＮｂＺｒ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＰ等の非晶質材料、或いはＣｏＺｒＮ、ＦｅＮ等の微結晶材料等を使用することが可能である。

そして、アドレス配線１０に電流を流すことにより、電流磁場を発生させて、磁気記憶素子の記憶層１に磁場を印加することができる。

本実施の形態では、特に、アドレス配線１０の磁気記憶素子側（記憶層１側）に、即ちアドレス配線１０の下面に、硬質磁性体（硬磁性体）１２を設けている。この硬質磁性体（硬磁性体）１２は、その磁化Ｍ２の向きが、例えば図１に示す右向きに固定されている。

このようにアドレス配線１０の下面に硬質磁性体（硬磁性体）１２を設けたことにより、詳細を後述するように、磁気記憶素子の記憶層１に効率良く大きい磁場を印加することが可能になる。

硬質磁性体（硬磁性体）１２を構成する材料としては、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ等を用いることが可能である。

ここで、比較対照として、従来提案されている、アドレス配線の上面及び両側面に軟磁性体を配置した磁気メモリの動作を図１４に示す。なお、図１４では、磁気記憶素子の記憶層５１と、その上方に配置されたアドレス配線６１、並びにアドレス配線６１の上面及び両側面に配置された軟磁性体６２のみを示している。
図１４Ａに示すように、アドレス配線６１に電流を流していない非通電時は、磁束の漏洩はない。
図１４Ｂに示すように、アドレス配線６１に電流Ｉを流した通電時には、電流磁場Ｈに従って軟磁性体６２が磁化する。電流Ｉの向きが図１４Ｂに示す紙面に垂直に手前から奥に向かうとすると、軟磁性体６２の磁化Ｍの向きが右回りとなる。このとき、軟磁性体６２が付着していない下の面から漏洩磁束６３が発生する。この漏洩磁束６３によって、磁気記憶素子の記憶層５１に磁場を印加して、記憶層５１の磁化の向きを変化させる（例えば反転させる）ことができる。
なお、アドレス配線６１に流す電流の向きを、図１４Ｂとは反対向き（紙面に垂直に奥から手前に向かう）とすると、軟磁性体６２の磁化Ｍの向きが左回りとなり、漏洩磁束６３の向きも反対向きになる。

続いて、図１の磁気メモリの動作を図２に示す。
図２Ａに示すように、アドレス配線１０に電流が流れていない非通電時には、アドレス配線１０の下面に配置された硬質磁性体（硬磁性体）１２の磁化Ｍ２が右向きに固定されているため、硬質磁性体（硬磁性体）１２からの磁場が、アドレス配線１０の上面及び両側面の軟磁性体１１を通って閉磁路を形成するため、記憶層１には磁場がかからない。
このとき、硬質磁性体（硬磁性体）１２の磁化Ｍ２の向きに対応して、軟磁性体１１の磁化Ｍ１の向きが左回りになる。

図１の磁気メモリでは、通電時に、図２Ｂに示すように、硬質磁性体（硬磁性体）１２からの磁場に対して概ね逆向き（右回り）となる電流磁場Ｈを生じるように、アドレス配線１０に電流Ｉを流す。
これにより、軟磁性体１１の磁化Ｍ１は、向きが固定されていないため、電流磁場Ｈと同じ向き、即ち電流Ｉを流していないときとは反対向き（右回り）になり、磁化Ｍ２の向きが固定された硬質磁性体（硬磁性体）１２との境界で、それぞれの磁化Ｍ１，Ｍ２が対向するようになる。このため、硬質磁性体（硬磁性体）１２の磁化Ｍ２と、電流Ｉにより発生した軟磁性体１１の磁化Ｍ１とによる、合成磁化が漏洩磁束１４となり、記憶層１により大きな磁場がかかる。

なお、図１では、記憶層１の上方のアドレス配線１０を示しているが、図１３に示した一般的なＭＲＡＭの構成と同様に、記憶層１を含む磁気記憶素子の下方にもアドレス配線を配置することができる。
そして、記憶層１を含む磁気記憶素子の下方に配置されたアドレス配線に対して、磁気記憶素子の側に硬質磁性体（硬磁性体）を設けることも可能である。

上述した本実施の形態の構成によれば、記憶層１を有する磁気記憶素子の上方に配置されたアドレス配線１０に対して、その上面及び両側面に軟磁性体１１を設け、その下面に磁化Ｍ２の向きが固定された硬質磁性体（硬磁性体）１２を設けた構成としている。これにより、硬質磁性体（硬磁性体）１２からの磁場とは概ね逆向きとなる電流磁場Ｈを発生するようにアドレス配線１０に電流Ｉを流せば、アドレス配線１０に流す電流Ｉによる電流磁場Ｈに、硬質磁性体（硬磁性体）１２からの磁場が加わり、漏洩磁束１４による大きい磁場を記憶層１に印加することができる。

このように、漏洩磁束１４による大きい磁場を記憶層１に印加することにより、アドレス配線１０に流す電流に対する発生磁場の効率を高くすることができるため、より少ない記録電流で記憶層１に情報の記録を行うことが可能になる。
従って、本実施の形態によれば、情報の記録動作を行うために配線に流す電流量を低減することができ、消費電力の小さい磁気メモリを実現することができる。

次に、本発明の磁気メモリの他の実施の形態の概略構成図を図３に示す。図３も、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３に示すように、この磁気メモリでは、磁気記憶素子の記憶層１の上方に、矩形の断面形状を有し、紙面に垂直な方向に延びて形成されたアドレス配線１０が配置されている。
なお、図３では、磁気記憶素子のうち、記憶層１以外の部分は図示を省略している。

磁気記憶素子の記憶層１及び磁化固定層は単層の磁性層でもよいし、異なる種類の磁性膜あるいは磁性膜と非磁性膜を積層した構成としてもよい。
アドレス配線１０の材料は、半導体回路等で標準的な配線材料である、Ａｌ，Ｃｕ及びその合金が適当であるが、Ｗ，Ｍｏ等の他の金属材料でもよい。

本実施の形態においては、特に、矩形の断面形状を有するアドレス配線１０の上下及び左右を囲んで、軟磁性体１１が設けられている。さらに、軟磁性体１１の下面に接して、記憶層１の側（下側）に反強磁性体１３が設けられている。
これにより、反強磁性体１３に接する部分の軟磁性体１１において、磁化Ｍ１Ａの向きが、例えば図３に示す右向きに固定される。

このようにアドレス配線１０の上下及び左右を囲んで軟磁性体１１が設けられ、この軟磁性体１１の下面に接して反強磁性体１３を設けたことにより、詳細を後述するように、磁気記憶素子の記憶層１に効率良く大きい磁場を印加することが可能になる。

アドレス配線１０の周囲の軟磁性体１１の材料は、図１の実施の形態の軟磁性体１１と同様に、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ等の結晶質材料、ＣｏＮｂＺｒ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＰ等の非晶質材料、或いはＣｏＺｒＮ、ＦｅＮ等の微結晶材料等を使用することが可能である。
また、反強磁性体１３の材料としては、ＰｔＭｎ、ＲｈＭｎ、ＩｒＭｎ等を使用することが可能である。

続いて、図３の磁気メモリの動作を図４に示す。
図４Ａに示すように、アドレス配線１０に電流が流れていない非通電時には、アドレス配線１０の周囲に設けられた軟磁性体１１のうち、反強磁性体１３に接する部分の磁化Ｍ１Ａが右向きに固定されているため、この部分からの磁場が、アドレス配線１０の周囲を囲む軟磁性体１１を通って閉磁路を形成するため、記憶層１には磁場がかからない。
このとき、反強磁性体１３に接する部分の磁化Ｍ１Ａの向きに対応して、軟磁性体１１の他の部分の磁化Ｍ１の向きが左回りになる。

図３の磁気メモリでは、通電時に、図４Ｂに示すように、軟磁性体１１の反強磁性体１３に接する部分からの磁場に対して概ね逆向き（右回り）となる電流磁場Ｈを生じるように、アドレス配線１０に電流Ｉを流す。
これにより、軟磁性体１１の他の部分の磁化Ｍ１は、向きが固定されていないため、電流磁場Ｈと同じ向き、即ち電流Ｉを流していないときとは反対向き（右回り）になり、磁化Ｍ１Ａの向きが固定された部分との境界で、それぞれの磁化Ｍ１，Ｍ１Ａが対向するようになるため、これらの合成磁化が漏洩磁束１４となり、記憶層１により大きな磁場がかかる。

なお、図３では、記憶層１の上方のアドレス配線１０を示しているが、図１３に示した一般的なＭＲＡＭの構成と同様に、記憶層１を含む磁気記憶素子の下方にもアドレス配線を配置することができる。
そして、記憶層１を含む磁気記憶素子の下方に配置されたアドレス配線に対して、磁気記憶素子の側に硬質磁性体（硬磁性体）を設けることも可能である。

上述した本実施の形態の構成によれば、記憶層１を有する磁気記憶素子の上方に配置されたアドレス配線１０に対して、その周囲に軟磁性体１１を設け、軟磁性体１１の下面に接して反強磁性体１３を設けた構成としている。これにより、軟磁性体１１の反強磁性体１３と接する部分からの磁場に対して、概ね逆向きとなる電流磁場Ｈを発生するようにアドレス配線１０に電流Ｉを流せば、アドレス配線１０に流す電流Ｉによる電流磁場Ｈに、軟磁性体１１の反強磁性体１３に接する部分からの磁場が加わり、漏洩磁束１４による大きい磁場を記憶層１に印加することができる。

次に、図３に示した磁気メモリの構成を、より具体化した形態の磁気メモリの概略構成図（メモリセルの要部の断面図）を図５に示す。図５に示す磁気メモリの形態は、容易に製造が可能な構成を具体的に示すものである。

この磁気メモリは、記憶層１の下に、トンネル絶縁層２を介して、磁化の向きが固定された磁化固定層（参照層）３が設けられ、これら記憶層１・トンネル絶縁層２・磁化固定層３が積層されていることにより磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ）が構成されている。
さらに、磁化固定層３の磁化を固定する反強磁性層４が、磁化固定層３の下に形成され、電極を接続するための導電層５が、記憶層１の上に形成されて、磁気記憶素子６が構成されている。
記憶層１・トンネル絶縁層２・磁化固定層３と導電層５は、絶縁層７に埋め込まれて形成されている。
反強磁性層４は、磁気記憶素子６の下部電極を兼ねており、記憶層１・トンネル絶縁層２・磁化固定層３よりも大きいパターンに形成されている。導電層５は、図示しない部分で、磁気記憶素子６の上部電極に接続される。
そして、磁気記憶素子６の上部電極と下部電極４との間に電圧を加えて、磁気記憶素子６に流れるトンネル電流を検出することにより、記憶層１と磁化固定層（参照層）３の相対的な磁化方向を検出することにより記憶層１に記録された情報の内容を検出することができる。

また、磁気記憶素子６の上方に、アドレス配線１０と、その周囲の軟磁性体１１と、軟磁性体１１の下面に接する反強磁性体１３とが設けられている。この形態では、アドレス配線１０の周囲の軟磁性体１１は、アドレス配線１０の下面及び両側面に接する部分１１Ａと、アドレス配線１０の上面に接する部分１１Ｂとが別々に形成されている。
このうち、反強磁性体１３と、アドレス配線１０の下面及び両側面に接する軟磁性体１１Ａと、アドレス配線１０とは、絶縁層８に埋め込まれて形成されている。

この図５に示す形態の磁気メモリも、図３に示した磁気メモリと同様に動作させることができる。
即ち、軟磁性体１１Ａの反強磁性体１３と接する部分からの磁場に対して、概ね逆向きの電流磁場を発生するようにアドレス配線１０に電流を流し、軟磁性体１１（１１Ａ，１１Ｂ）のその他の部分（両側面及び上面）の磁化を、軟磁性体１１Ａの反強磁性体１３と接する部分の磁化と反対向きにして、合成磁化による強い漏洩磁界を、磁気記憶素子６の記憶層１に印加することができる。

なお、図５に示す形態の磁気メモリでは、反強磁性層４と磁気記憶素子６の導電層５とが接しているため、アドレス配線１０の周囲の軟磁性膜１１と磁気記憶素子６の記憶層１との距離が近くなり、記憶層１へ効率良く磁場を印加することができる。また、導電層５を形成した後、引き続き反強磁性体１３の形成を行うことが可能である。

続いて、図５に示す磁気メモリの製造方法を、図６Ａ〜図７Ｇに示す工程図を参照して説明する。
まず、下部電極を兼ねる反強磁性層４の上に、磁気記憶素子６を構成する各層３，２，１，５を順次成膜した後に、これら各層３，２，１，５をパターニングする。そして、表面を覆って絶縁層７を形成した後に、図６Ａに示すように、表面に導電層５が露出するように加工する。

次に、導電層５上に、反強磁性層を形成し、この反強磁性層をパターニングして、図６Ｂに示すように、反強磁性体１３を形成する。
次に、図６Ｃに示すように、表面を覆って絶縁層８を形成する。
続いて、図６Ｄに示すように、絶縁層８の一部を除去して、アドレス配線を形成するための窪みを形成する。

次に、図７Ｅに示すように、表面に薄い軟磁性膜１６を形成し、さらにその上に窪みを埋めるように導体層１７を形成する。
続いて、図７Ｆに示すように、表面を平坦化して、軟磁性膜１６から成る軟磁性体１１Ａと、導体層１７から成るアドレス配線１０を形成する。
さらに、表面に軟磁性膜を成膜して、これをパターニングして、図７Ｇに示すように、アドレス配線１０の上面に軟磁性体１１Ｂを形成する。

これにより、アドレス配線１０の周囲を囲んで軟磁性体１１（１１Ａ，１１Ｂ）が形成され、軟磁性体１１の下面に反強磁性体１３が接した構成の、図５に示した磁気メモリを製造することができる。

次に、本発明の磁気メモリのさらに他の実施の形態の概略構成図を図８に示す。図８は、磁気メモリを構成する１単位のメモリセルの要部の断面図を示している。
本実施の形態は、アドレス配線の周囲に設けられた軟磁性体の一部の磁化の向きを固定する反強磁性体（反強磁性層）と、磁気記憶素子の記憶層に対する記憶の基準となる磁化固定層（参照層）の磁化の向きを固定する反強磁性体（反強磁性層）とを共通にした構成である。

即ち、図８に示すように、本実施の形態の磁気メモリは、磁気記憶素子の記憶層２１の下方に配置されたアドレス配線３０の周囲に軟磁性体３１が形成され、この軟磁性体３１の上面に接して反強磁性層２４が設けられ、この反強磁性層２４の上に、磁化固定層（参照層）２３、トンネル絶縁層２２、記憶層２１が積層形成されて磁気記憶素子が構成されている。

反強磁性層２４により、磁化固定層（参照層）２３の磁化の向きが固定される。
また、アドレス配線３０の周囲に設けられた軟磁性体３１のうち、反強磁性層２４に接する部分（上面の部分）も、反強磁性層２４により、磁化の向きが固定される。
即ち、軟磁性体３１の一部の磁化の向きを固定する反強磁性層と、記憶層に対する記憶の基準となる磁化固定層（参照層）２３の磁化の向きを固定する反強磁性層とを、同一の反強磁性層２４で兼用している。
これにより、先に示した各実施の形態の磁気メモリと同様の記録動作を行うことが可能であり、大きい磁場を記憶層２１に印加して、情報の記録を行うことができる。

本実施の形態によれば、上述のように、軟磁性体３１と磁化固定層（参照層）２３とに対して反強磁性層２４が共通になっているため、メモリセルの構造が単純になる。
また、本実施の形態の構成によれば、反強磁性層２４と、アドレス配線３０と記憶層２１との距離が小さくなり、記憶層２１にさらに効率良く電流磁場を印加することができるため、記録電流をさらに低減することが可能になる。
さらに、軟磁性体３１を形成した後に、引き続き、反強磁性層２４、磁化固定層（参照層）２３の形成工程を行うことが可能になる。

ここで、本発明の効果を定量的に見積もるため、磁気記憶素子の磁化容易軸方向に磁場を印加して、アドレス配線の電流量Ｉに対する磁気記憶素子の素子抵抗を測定した。
比較例として、図１４に示した構成（アドレス配線の上面及び両側面に軟磁性体を設けた構成）の場合の測定結果を、図９Ａに示す。また、本発明の構成として、図３に示した構成（アドレス配線を囲んで軟磁性体を設け、軟磁性体の下面に接して反強磁性体を設けた構成）の場合の測定結果を、図９Ｂに示す。

図９Ａ及び図９Ｂを比較することにより、本発明の磁気メモリにおいては、図９Ｂに示すように、ループの中心がシフトして、正側の極性で記録電流が減少していることがわかる。

なお、本発明の磁気メモリにおいて、記憶層に強い磁場が印加されるのは、電流磁場が一方の極性であるときに限られる。
これは、他方の極性、例えば、図２Ｂや図４Ｂの電流磁場Ｈとは反対向き（左回り）の電流磁場を発生させると、アドレス配線の周囲に閉磁路が形成され、記憶層に印加される磁場が弱くなったり、磁場が印加されなかったりするからである。

このため、本発明を、アステロイド特性を使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に適用する場合には、図１３に示した２種類のアドレス配線１０１及び１０２と同様の構成の２種類のアドレス配線のうち、磁気記憶素子（特に記憶層）の磁化困難軸方向に電流磁場を印加する一方のアドレス配線に、本発明の構成を適用する。
磁化容易軸方向に電流磁場を印加する方のアドレス配線は、記憶層の磁化の向きを可逆的に反転させるために、両方の極性で記憶層に磁場を印加する必要があるからである。

これに対して、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）では、２種類のアドレス配線の電流がいずれも片方の極性だけであっても、情報の記録が可能である。
従って、本発明を、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に適用する場合には、２種類のアドレス配線の両方に本発明の構成を適用することができ、記録電流の低減に有効である。
この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構成の磁気メモリに本発明を適用した場合の実施の形態を次に示す。

本発明の磁気メモリの別の実施の形態の概略構成図を図１０及び図１１に示す。図１０は、磁気記憶素子の記憶層の断面図を示し、図１１は、磁気メモリを構成する１単位のメモリセルを上方から見た模式的平面図を示している。

本実施の形態では、図１０に示すように、第１の磁性層４１と第２の磁性層４２とを、間に非磁性層４３を介して積層して記憶層４４を構成している。第１の磁性層４１及び第２の磁性層４２が非磁性層４３を介して積層されていることにより、第１の磁性層４１の磁化Ｍ４１と第２の磁性層４２の磁化Ｍ４２とが互いに反対向きになる。
そして、この記憶層４４を有する磁気記憶素子４０を構成する。

また、図１１に示すように、記憶層４４の平面形状が楕円形状であり、楕円の長軸方向に磁化容易軸４７があり、楕円の短軸方向に磁化困難軸４８があり、これら磁化容易軸４７と磁化困難軸４８とが直交している。
また、ワード線（ＷＬ）４５及びビット線（ＢＬ）４６が、格子状に配置され、両者のなす角度αは一定（図１１ではほぼ直交している）である。磁気記憶素子４０の記憶層４４は、その磁化容易軸４７がワード線４５に対して傾斜角度θ（０＜θ＜９０°）を有するように、ワード線４５及びビット線４６の交点に配置されている。

この構成において、磁気記憶素子４０の記憶層４４に情報を記録する際には、第１の磁性層４１の磁化Ｍ４１及び第２の磁性層４２の磁化Ｍ４２の向きを反転させるために、ビット線４６及びワード線４５に、それぞれ、ビット電流Ｉｂ及びワード線電流Ｉｗを流す。ビット線電流Ｉｂ及びワード線電流Ｉｗは、それぞれ、ビット線電流磁界Ｈｂ及びワード線電流磁界Ｈｗを誘起する。ワード線電流磁界Ｈｗとビット線電流磁界Ｈｂ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Ｈｂ，Ｈｗの印加によって、第１の磁性層４１の磁化Ｍ４１の向き及び第２の磁性層４２の磁化Ｍ４２の向きを変えることにより、記憶層４４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。

また、記録された情報の読み出しは、記憶層４４に対してトンネル絶縁層を介して磁化固定層を設けて、磁気トンネル接合を構成することにより、磁気抵抗効果によるトンネル電流の変化を検出して行うことができる。

アステロイド特性を利用して情報の記録を行う構成の磁気メモリでは、磁気記憶素子（特に記憶層）の磁化容易軸方向と磁化困難軸方向とに沿って２種類のアドレス配線を配置している。
これに対して、本実施の形態の磁気メモリでは、スイッチング特性を利用して情報の記録を行う構成であるため、磁気記憶素子４０の特に記憶層４４の磁化容易軸４７の方向が、２種類のアドレス配線（ワード線４５及びビット線４６）に対して、傾斜するように配置されている。このように、磁気記憶素子４０の特に記憶層４４の磁化容易軸４７の方向が、２種類のアドレス配線（ワード線４５及びビット線４６）に対して、傾斜するように配置されていることにより、２種類のアドレス配線（ワード線４５及びビット線４６）に流す電流が共に一方の極性のみでも、回転磁界を印加して、記憶層４４の２層の磁性層４１，４２の磁化Ｍ４１，Ｍ４２の向きを可逆的に反転することができる。

従って、本実施の形態では、ワード線４５及びビット線４６の両方において、図１又は図３に示した磁気メモリと同様に、図示しないが、磁気記憶素子４０の記憶層４４側に硬質磁性体や反強磁性体と接する磁性体を設けることにより、記憶層４４に強い磁場を印加して情報の記録を行うことが可能である。
これにより、記録時のワード電流Ｉｗ及びビット線電流Ｉｂを小さくしても情報の記録を行うことが可能になり、消費電力の少ない磁気メモリを実現することができる。

ここで、ワード線及びビット線から電流磁場を発生させ、スイッチング特性を利用して情報の記録を行う磁気メモリにおいて、両方のアドレス配線（ワード線及びビット線）の３面に磁性体を配置した比較例と、本発明の構造を適用した図１０〜図１１に示した実施の形態の場合において、それぞれワード線電流及びビット線電流に対する情報の記録が可能である記録動作領域を求めた。
比較例の場合を図１２Ａに示し、本発明の構造を適用した場合を図１２Ｂに示す。

図１２Ａ及び図１２Ｂとを比較することにより、本発明の構造を適用することによって、より低い電流によって記録動作が可能であることがわかる。
従って、本発明の構造を適用することにより、動作電流を低減することが可能になる。

上述した各実施の形態では、アドレス配線の断面形状が矩形である構成について説明したが、本発明は、アドレス配線の断面形状が矩形以外の形状である構成にも適用することができる。アドレス配線の断面形状が矩形以外の形状である場合には、アドレス配線の磁気記憶素子側（特に記憶層側）に硬質磁性体（硬磁性体）又は反強磁性体と磁性体との積層構造を形成すればよい。

また、軟磁性体の一部に反強磁性体を用いる場合、上述した実施の形態では、軟磁性体をアドレス配線側に、反強磁性体を磁気記憶素子側にそれぞれ配置しているが、それとは逆に、反強時性体をアドレス配線側に、軟磁性体を磁気記憶素子側に配置してもよい。

なお、記憶層の磁化状態の検出（読み出し）を行うための構成としては、前述した記憶層にトンネル絶縁層を介して磁化固定層を積層した磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ）の他にも、例えば巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）やホール素子等を用いることが考えられる。

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。

本発明の磁気メモリの一実施の形態の概略構成図（メモリセルの要部の概略断面図）である。Ａ、Ｂ図１の磁気メモリの動作を説明する図である。本発明の磁気メモリの他の実施の形態の概略構成図（メモリセルの要部の概略断面図）である。Ａ、Ｂ図３の磁気メモリの動作を説明する図である。図３の磁気メモリの構成をより具体化した形態の磁気メモリの概略構成図（メモリセルの要部の断面図）である。Ａ〜Ｄ図５の磁気メモリの製造工程を示す工程図である。Ｅ〜Ｇ図５の磁気メモリの製造工程を示す工程図である。本発明の磁気メモリのさらに他の実施の形態の概略構成図（メモリセルの要部の断面図）である。Ａ図１４に示した構成におけるアドレス配線電流に対する磁気記憶素子の抵抗変化の測定結果を示す図である。Ｂ図３に示した構成におけるアドレス配線電流に対する磁気記憶素子の抵抗変化の測定結果を示す図である。本発明の磁気メモリの別の実施の形態の磁気記憶素子の記憶層の概略断面図である。図１０の磁気メモリの概略平面図である。Ａスイッチング特性を利用して記録を行う構成の従来の磁気メモリの記録動作可能領域を示す図である。Ｂ図１０〜図１１に示した磁気メモリの記録動作可能領域を示す図である。一般的なＭＲＡＭの概略構成を示す斜視図である。Ａ、Ｂアドレス配線の背面及び側面に軟磁性体を配置した構成の磁気メモリの動作を説明する図である。

符号の説明

１，２１，４４記憶層、２，２２トンネル絶縁層、３，２３磁化固定層（参照層）、４，２４反強磁性層、６，４０磁気記憶素子、１０，３０アドレス配線、１１，１１Ａ，１１Ｂ，３１軟磁性体、１２硬質磁性体（硬磁性体）、１３反強磁性体、４１第１の磁性層、４２第２の磁性層、４３非磁性導電層、４５ワード線（ＷＬ）、４６ビット線（ＢＬ）、４７磁化容易軸４８磁化困難軸、Ｈ電流磁場、Ｉ電流

Claims

情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を少なくとも有する磁気記憶素子と、
前記磁気記憶素子に磁場を印加する配線とを有し、
前記磁気記憶素子に磁場を印加する配線として、互いに交差する２種類の配線を備え、
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、
前記２種類の配線は、前記磁気記憶素子の前記記憶層の磁化困難軸方向に磁場を印加する一方の配線と、前記磁気記憶素子の前記記憶層の磁化容易軸方向に磁場を印加する他方の配線であり、
前記２種類の配線の内、前記磁気記憶素子の前記記憶層の磁化困難軸方向に磁場を印加する一方の配線に接して、前記一方の配線の周囲に磁性体が配置され、
前記一方の配線に接する前記磁性体の内、前記磁気記憶素子の前記記憶層側の部分に、硬質磁性体が配置されている、又は、前記一方の配線とは反対側で接する反強磁性体により磁化の向きが固定された軟磁性体が配置され、
前記一方の配線に接する前記磁性体の内、前記記憶層側の部分以外に軟磁性体が配置され、
情報の記録の際に、前記一方の配線には、前記硬質磁性体からの磁場とは、又は、前記反強磁性体と接する部分の軟磁性体からの磁場とは、概ね逆向きとなる電流磁場を発生するように、電流を流す
磁気メモリ。
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を少なくとも有する磁気記憶素子と、
前記磁気記憶素子に磁場を印加する配線とを有し、
前記磁気記憶素子に磁場を印加する配線として、互いに交差する２種類の配線を備え、
前記磁気記憶素子の前記記憶層が、複数層の磁性層が非磁性層を介して反強磁性結合して構成され、
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、かつ前記磁気記憶素子の前記記憶層の磁化容易軸方向が、前記２種類の配線に対して、それぞれ傾斜角度を有し、
前記２種類の配線のそれぞれの配線に接して、前記それぞれの配線の周囲に磁性体が配置され、
前記それぞれの配線に接する前記磁性体の内、前記磁気記憶素子の前記記憶層側の部分に、硬質磁性体が配置されている、又は、前記それぞれの配線とは反対側で接する反強磁性体により磁化の向きが固定された軟磁性体が配置され、
前記それぞれの配線に接する前記磁性体の内、前記記憶層側の部分以外に軟磁性体が配置され、
情報の記録の際に、前記それぞれの配線には、前記硬質磁性体からの磁場とは、又は、前記反強磁性体と接する部分の軟磁性体からの磁場とは、概ね逆向きとなる電流磁場を発生するように、電流を流す
磁気メモリ。
前記反強磁性体が、前記記憶層の記憶の基準となる参照層の磁化を固定する反強磁性体を兼ねている請求項１又は請求項２に記載の磁気メモリ。
周囲に前記磁性体が配置された配線が矩形の断面形状を有し、前記矩形の断面形状の前記記憶層側の面に、前記硬質磁性体、又は前記磁化の向きが固定された軟磁性体が配置されている請求項１又は請求項２に記載の磁気メモリ。