抗热干扰和具有高写入效率的磁随机存取存储器设备.pdf

本发明的磁随机存取存储器设备使“0”、“1”的信息与具有非磁性层和2层磁性层的MTJ元件的因2层磁性层的磁化排列状态而变化的电阻值对应。在与MTJ元件接近配置的写入布线中流过电流而产生感应磁通，并使MTJ元件的2层磁性层中的一个的记录层的磁化变化而写入信息的MRAM中，MTJ元件是2层磁性层的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的MTJ元件。写入布线被配置在与MTJ元件的厚度方向垂直的方向上，在MTJ元件的磁性层的磁化方向上施加产生的磁场。磁轭从厚度方向夹着MTJ元件，向MTJ元件的磁性层施加基于写入布线而产生的磁场。

1.  一种磁随机存取存储器设备，其特征在于包括：
具有非磁性层和夹着该非磁性层的2层磁性层，上述2层磁性层中的任意一个构成记录层，另一个构成固定层，上述2层磁性层的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；以及
配置在与上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通过流过写入电流而产生磁场，在上述磁阻元件的磁性层的磁化方向上施加该产生的磁场，使上述磁阻元件的上述记录层的磁化方向变化而写入信息的写入布线。

2.  根据权利要求1记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于还具备：
从厚度方向夹着上述磁阻元件，向上述2层磁性层施加基于上述写入布线所产生的磁场的磁轭。

3.  根据权利要求2记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于：
上述磁轭是具有包围上述写入布线的包围闭合磁力线的包围磁轭的一部分。

4.  根据权利要求3记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于：
在上述包围磁轭的包围闭合磁力线的一部分中设置第1电绝缘膜，在上述包围磁轭和上述写入布线之间设置第2电绝缘膜，上述磁轭在读出上述磁阻元件的存储数据时，形成在上述磁阻元件中流过电流的电流路径的一部分。

5.  根据权利要求1记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于：
上述固定层由具有高保磁力的高Hc磁性材料构成，上述记录层由具有比上述固定层的保磁力小的保磁力的低Hc磁性材料构成。

6.  根据权利要求5记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于：
上述固定层和记录层由Fe、Co、Ni中的至少一种元素、或者包含Fe、Co、Ni中的至少一种元素和Cr、Pt、Pd中的至少一种元素的合金构成。

7.  根据权利要求1记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于：
上述固定层和记录层是将Fe、Co、Ni中的至少一种元素或包含该一种元素的合金、Cr、Pt、Pd中的一种元素或包含该一种元素的合金交替层叠而构成的。

8.  根据权利要求1记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于：
上述2层的各个磁性层由费里磁性体构成。

9.  根据权利要求1记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于：
上述2层的磁性层具有层叠费里构造。

10.  根据权利要求1记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于还具备：
分别设置在与相接于上述非磁性层的上述2层的各个磁性层的界面上，由Fe、Co、Ni中的至少一种元素或包含该一种元素的合金构成的磁性层。

11.  根据权利要求2记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于：
上述磁轭由与上述2层的各个磁性层邻接的软磁性尖端和软磁性体主体构成。

12.  根据权利要求11记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于：
上述软磁性尖端由具有比上述软磁性体主体高的饱和磁通密度的材料构成。

13.  根据权利要求12记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于：
上述软磁性尖端和上述2层的各个磁性层以自匹配状态相接。

14.  根据权利要求1记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于还具备：
与上述写入布线连接的写入单元选择用的晶体管。

15.  一种磁随机存取存储器设备，其特征在于包括：
具有非磁性层和夹着该非磁性层的2层磁性层，上述2层磁性层中的任意一个构成记录层，另一个构成固定层，上述2层磁性层的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；
并排配置在与上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向的两侧，通过分别流过写入电流而产生磁场，在上述磁阻元件的2层磁性层的磁化方向上施加该产生的磁场，使上述记录层的磁化方向变化而写入信息的2个写入布线；以及
具有分别包围上述2个写入布线的完全闭合磁力线，在上述2个写入布线的中间的位置上从厚度方向夹着上述磁阻元件，向上述磁阻元件的2层磁性层施加基于上述2个写入布线而产生的磁场的磁轭。

16.  根据权利要求15记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于：
向上述磁阻元件施加在上述2个写入布线的一个中流过写入电流的情况下所产生的磁场、或者分别在上述2个写入布线中流过相互相反方向的电流的情况下所产生的磁场。

17.  一种磁随机存取存储器设备，其特征在于包括：
通过流过写入电流而产生磁场的写入布线；
配置得各自的侧面与上述写入布线的两侧面相对，分别具有非磁性层和夹着该非磁性层的2层磁性层，上述2层磁性层的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的2个磁阻元件；以及
具有包围上述写入布线的完全闭合磁力线，在上述写入布线的两侧分别从厚度方向夹着上述2个磁阻元件，向上述磁阻元件的2层磁性层施加在上述写入布线中流过写入电流时产生的上述磁场的磁轭。

18.  一种磁随机存取存储器设备，其特征在于包括：
将多个磁阻元件行列状地配置在半导体层上的单元阵列，其中该磁阻元件是分别具有非磁性层和夹着该非磁性层的2层磁性层，上述2层磁性层的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；
在与配置在上述单元阵列的同一行上的多个上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上与多个上述磁阻元件接近，配置在通过流过写入电流而产生磁场的行方向上的多个第1写入布线；
在与配置在上述单元阵列的同一列上的多个上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上与多个上述磁阻元件接近，配置在通过流过写入电流而产生磁场的列方向上的多个第2写入布线；
具有包围上述多个第1写入布线的各个的完全闭合磁力线，向上述多个磁阻元件的各个的上述2层磁性层施加在各个上述第1写入布线中流过写入电流时产生的上述磁场的多个第1磁轭；以及
具有包围上述多个第2写入布线的各个的完全闭合磁力线，设置在与各个上述第1磁轭相互垂直的方向上，向上述多个磁阻元件的各个的上述2层磁性层施加在各个上述第2写入布线中流过写入电流时产生的上述磁场的多个第2磁轭，其中
上述多个第1磁轭的各个和第2磁轭的各个中的任意一方的磁轭从厚度方向夹着各个上述磁阻元件，另一方的磁轭隔着上述一方的磁轭的一部分从厚度方向夹着各个上述磁阻元件。

19.  根据权利要求18记载的磁随机存取存储器设备，其特征在于：
向上述多个磁阻元件的各个只施加基于上述第1磁轭的磁场、或者只施加基于上述第2磁轭的磁场、或者施加将基于上述第1磁轭的磁场和基于上述第2磁轭的磁场相加后的磁场。

20.  一种磁随机存取存储器设备，其特征在于包括：
将多个磁阻元件行列状地配置在半导体层上的单元阵列，其中该磁阻元件是分别具有非磁性层和夹着该非磁性层的2层磁性层，上述2层磁性层的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；
在与配置在上述单元阵列的同一行上的多个上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上与上述多个磁阻元件接近，配置在行方向上的多个第1写入布线；以及
配置得在与配置在上述单元阵列的同一列上的多个上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上与上述多个磁阻元件接近，并且配置在与上述多个第1写入布线不同的平面上，在与上述多个第1写入布线的各个交叉的位置上与各个第1写入布线连接的多个第2写入布线。

21.  一种磁随机存取存储器设备，其特征在于包括：
具有非磁性层和夹着该非磁性层的2层磁性层，上述2层磁性层中的任意一个构成记录层，另一个构成固定层，上述2层磁性层的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；以及
配置在与上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通过流过写入电流而产生磁场，在上述2层磁性层的磁化方向上施加产生的磁场，使上述记录层的磁化方向变化而写入信息的写入布线，其中
在设流过写入布线的记录电流为Iw，由上述记录电流的每1mA产生的磁场为HI，反磁场系数为N时，上述记录层的饱和磁化M满足Iw×HI＞4πNM的关系。

22.  一种电子卡，其特征在于包括：
半导体芯片，包含：具有非磁性层和夹着该非磁性层的2层磁性层，上述2层磁性层中的任意一个构成记录层，另一个构成固定层，上述2层磁性层的磁化方向朝向膜面垂直方向的磁阻元件；配置在与上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通过流过写入电流而产生磁场，在上述2层磁性层的磁化方向上施加该产生的磁场，使上述记录层的磁化方向变化而写入信息的写入布线；
收纳上述半导体芯片，在半导体芯片的一个侧面具有窗口的卡主体；
使上述卡主体的上述窗口开闭的具有磁屏蔽效果的盖子；
设置在上述卡主体的至少一个端部，将上述半导体芯片电连接到卡主体的外部的多个外部端子。

23.  一种电子装置，其特征在于包括：
包含半导体芯片、卡主体、盖子和多个外部端子的电子卡；
收纳上述电子卡的卡槽；
与上述卡槽电连接的卡接口；以及
在与上述电子卡之间转送数据的存储装置，其中
上述半导体芯片具有：具有非磁性层和夹着该非磁性层的2层磁性层，上述2层磁性层中的任意一个构成记录层，另一个构成固定层，上述2层磁性层的磁化方向朝向膜面垂直方向的磁阻元件；配置在与上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通过流过写入电流而产生磁场，在上述2层磁性层的磁化方向上施加该产生的磁场，使上述记录层的磁化方向变化而写入信息的写入布线；
上述卡主体收纳上述半导体芯片，在半导体芯片的一个侧面具有窗口；
上述盖子使上述卡主体的上述窗口开闭并具有磁屏蔽效果；
上述外部端子设置在上述卡主体的至少一个端部，将上述半导体芯片电连接到卡主体的外部。

抗热干扰和具有高写入效率 的磁随机存取存储器设备
技术领域
本发明涉及磁随机存取存储器(MRAM)、使用它的电子卡和电子装置，特别涉及由通过隧道磁阻效应存储“1”/“0”信息的存储元件构成的存储器单元的构造。
现有技术
近年来，提出了许多通过新原理存储信息的存储器。例如其中的一个就是在Roy Scheuerlein et.al.“A 10ns Read and WriteNon-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction andFET Switch in each Cell”ISSC C2000 Technical Digest pp.128～pp.129中揭示的：将使用磁隧道连接(以后表记为MTJ)元件的磁存储器单元配置为行列状的MRAM。该MRAM同时具有非易失性、高速性。
MTJ元件一般具有记录层和被称为固定层的2个磁性层。在向MTJ元件编程数据的时候，通过向写入布线流过电流，并向MTJ元件施加规定方向的磁场，来切换记录层的磁化方向。
但是，MRAM的最大问题是降低写入电流。本发明者们进行了MTJ元件的可靠性保持试验，其结果发现确保抗热干扰性是重要的课题。以下说明其缘由。
现在，MTJ元件的写入电流值为8～10mA大。为了实用化，必须使写入电流值降低到能够许可的水平。本发明者们试验作成的1K比特水平的MRAM的测试芯片的写入电流值也还是8～10mA。
进而，调查了MTJ元件的比特信息的保持特性。其结果是即使将被设想为硬盘存储装置的磁介质的抗热干扰性的标准Ku×V/kB×T设置为80以上，也会发生比特信息的反转。在此，V是MTJ元件的记录层的体积，kB是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。在MRAM的情况下，通常主要由形状磁各向异性决定Ku，而实际上是基于形状的各向异性能量和感应磁各向异性的和。
为了防止比特信息的反转，提高比特信息的抗热干扰性，关键是要增大Ku×V。但是，如果这样做，则更加增加了写入电流。
如上所述，在MRAM中理想的是同时降低写入电流和确保抗热干扰性。但是，现有技术中并没有提出具体的设计方案。以下，详细说明对该问题点的见解。
现在，在元件宽度为0.6μm，元件长度为1.2μm左右的情况下，所报告的MTJ元件的写入电流值小的也有8mA左右。
通常，假设MTJ元件的平面形状为长方形或椭圆形状，向MTJ元件付与形状磁各向异性，规定MTJ元件的磁化方向，也付与抗热干扰性。
MTJ元件的形状磁各向异性和感应磁各向异性的和与MTJ元件的记录层的体积的积为Ku×V。在此，假设MTJ元件的记录层的感应磁各向异性与基于形状的各向异性的方向是同一方向，不产生各向异性的分散等。但是，通常可以认为对于作为记录层的材料使用的NiFe来说，感应磁各向异性的大小(几Oe)与基于形状的各向异性的磁场的大小(几十Oe)相比小一个数量级，抗热干扰性、反转磁场也几乎都由形状磁各向异性决定。
大致由下式(1)决定写入记录层的磁化信息所必需的反转磁场Hsw。
Hsw＝4π×Ms×t/F(Oe)    ......(1)
在此，Ms是记录层的饱和磁化，t是记录层的厚度，F是记录层的宽度。另外，大致由下式(2)决定基于形状的各向异性能量和感应磁各向异性的和Ku。
Ku＝Hsw×Ms/2    ......(2)
作为降低写入电流的方法，例如在Saied Tehrani，“Magnetoresistive RAM”，2001 IEDM short course中提出了在例如由Cu等构成的通常的写入布线上覆盖NiFe等软磁性材料，成为具有磁轭(yoke)的写入布线。由此，能够产生2倍左右的高效率，即使写入电流值降低1/2左右。
图1展示了上述文献“Magneto resistive RAM”中记载地具有磁轭的写入布线的构造的一个例子，图2展示了研究使用了图1的写入布线后的写入特性的结果。如图1所示，具有磁轭的写入布线具有用NiFe等软磁性材料构成的磁轭20覆盖由Cu构成的写入布线30的周围一部分的构造。
在图2中，用实线表示的特性A展示了在作为MTJ元件的记录层使用2nm膜厚的CoFeNi薄膜的情况下，缩小记录层的宽度F，伴随着MTJ元件的细微化，开关磁场Hsw增大的情况。
在使用通常的写入布线的情况(特性B)下，由于到1/F为7左右为止产生的磁场比开关磁场大，所以能够进行写入。与此相对，在使用通过现有技术形成的具有磁轭的写入布线的情况(特性C)下，由于即使1/F超过了7左右，产生的磁场也比开关磁场大，所以能够进行写入。但是，如果1/F超过了10左右，则产生的磁场变得比开关磁场小。
在使用通过现有技术形成的具有磁轭的写入布线的情况下，通过试验和计算机模拟研究的结果是能够确认2倍左右的高效率化效果，并能够将写入电流降低到5mA。但是，这是界限，离作为实用化所必需的目标值的1～2mA还很遥远。
另一方面，在池田等著作的“使用了GdFe合金垂直磁化膜的GMR膜和TMR膜”，日本应用磁学会杂志Vol.24，No.4-2，2000p.563～566中，报告了在TMR膜中使用了GdFe合金垂直磁化膜的情况下的磁阻效应的测量结果。
另外，在N.Nisimura，et.al.，“Megnetic tunnel junction devicewith perpendicular magnetization films for high-density magneticrandom access memory”，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS，VOLUME 91，NUMBER 8，15 APRIL 2002中，作为使用了垂直磁化膜的MTJ元件的层叠结构的一个例子，揭示了磁性层(GdFeCo)(50nm)/界面层(CoFe)/隧道壁垒膜(Al₂O₃(2.2nm))/界面层(CoFe)/磁性层(TbFeCo)(30nm)。
如上所述，理想的是现有的MRAM能够同时确保写入电流的降低和比特信息的抗热干扰性，但并未提出具体的设计方案。另外，由于现有的MRAM伴随着MTJ元件的细微化而写入电流进一步增大，所以并未提案出使MRAM大容量化所必需的使写入电流小于等于1mA左右的具体的方法。
发明内容
根据本发明的第1方面，提供以下这样的磁随机存取存储器设备：由垂直型的磁阻元件和写入布线构成，其中该磁阻元件具有非磁性层和夹着该非磁性层的2层磁性层，上述2层磁性层中的任意一个构成记录层，另一个构成固定层，上述2层磁性层的磁化方向朝向膜面垂直方向；该写入布线配置在与上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通过流过写入电流而产生磁场，在上述磁阻元件的磁性层的磁化方向上施加该产生的磁场，使上述磁阻元件的上述记录层的磁化方向变化而写入信息。
根据本发明的第2方面，提供以下这样的电子卡：由半导体芯片、卡主体、盖子和多个外部端子构成，其中该半导体芯片具有磁阻元件和写入布线，该磁阻元件具有非磁性层和夹着该非磁性层的2层磁性层，上述2层磁性层中的任意一个构成记录层，另一个构成固定层，上述2层磁性层的磁化方向朝向膜面垂直方向，该写入布线配置在与上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通过流过写入电流而产生磁场，在上述磁阻元件的磁性层的磁化方向上施加该产生的磁场，使上述磁阻元件的上述记录层的磁化方向变化而写入信息；该卡主体收纳上述半导体芯片，在半导体芯片的一个侧面具有窗口；该盖子具有使上述卡主体的上述窗口开关的磁屏蔽效果；该外部端子设置在上述卡主体的至少一个端部，将上述半导体芯片电连接到卡主体的外部。
附图说明
图1是展示具有磁轭的写入布线的结构的一个例子的斜视图。
图2是展示研究了使用图1的具有磁轭的写入布线后的写入特性的结果的特性图。
图3是概要地展示在MRAM中使用的MTJ元件的一般结构的截面图。
图4A和图4B是展示图3中的MTJ元件的2个磁性层的磁化方向的图。
图5是模式地展示MRAM的单元阵列的平面布局的一个例子的图。
图6是模式地展示实施例1的MTJ元件的基本结构和磁轭与写入布线的配置关系的侧面图。
图7是展示图6中的磁轭的具体结构的一个例子的斜视图。
图8是展示图6中的MTJ元件的具体结构的一个例子的侧面图。
图9是展示图6中的MTJ元件的具体结构的另一个例子的侧面图。
图10是展示图6中的MTJ元件的具体结构的又一个例子的侧面图。
图11是展示图6中的磁轭的具体结构的另一个例子的侧面图。
图12是展示图6中的磁轭的具体结构的又一个例子的侧面图。
图13是展示图6中的磁轭的具体结构的又一个例子的侧面图。
图14是展示本发明的实施例2的MRAM单元的结构的斜视图。
图15是展示本发明的实施例3的MRAM单元的结构的斜视图。
图16是本发明的实施例4的存储器单元阵列的电路图。
图17是展示图16的存储器单元阵列内的一个MRAM单元与写入布线和磁轭的配置关系的一个例子的斜视图。
图18是展示本发明的实施例5的MRAM单元的结构的侧面图。
图19是展示在本发明的实施例6的MRAM中规定特性比的基准的特性图。
图20是展示本发明的实施例7的存储器单元阵列的电路图。
图21是作为本发明相关的MRAM的适用例1展示数字用户线用调制解调器的DLS数据总线布线的框图。
图22是作为本发明相关的MRAM的适用例2展示便携电话终端中的实现通信功能的部分的框图。
图23是展示将本发明相关的MRAM适用于MRAM卡的例子的上面图。
图24是作为使用本发明相关的MRAM卡的电子装置的一个例子展示插入型数据转写装置的上面图。
图25是与图24对应的截面图。
图26是作为本发明相关的电子装置的另一个例子展示嵌入型数据转写装置的截面图。
图27是作为本发明相关的电子装置的又一个例子展示滑动型数据转写装置的截面图。
具体设施方式
首先，在说明实施例之前，先说明在各实施例中使用的MTJ元件。图3概要地展示了MTJ元件的截面结构。MTJ元件10具有以下结构：由强磁性层或强磁性体膜构成的2个磁性层11、12夹着1个非磁性层(隧道壁垒膜)13。MTJ元件10通过2个磁性层11、12的磁化方向是平行还是反平行，来存储逻辑“1”电平或“0”电平的数据。
在磁性层12的一侧配置反强磁性层14。反强磁性层14是通过使一侧的磁性层12的磁化方向固定，而只改变另一侧的磁性层11的磁化方向，来容易地改写数据的部件。在此，磁化方向是固定的磁性层12被称为固定层或针层，磁化方向是可变的磁性层11被称为自由层或记录层。
图4A和图4B展示了图3所示的MTJ元件10的2个磁性层11、12的磁化方向的2个状态。如图4A所示，在2个磁性层11、12的磁化方向(图示箭头的方向)是平行(相同)的情况下，夹在2个磁性层11、12之间的隧道壁垒膜13的隧道电阻最低。在该情况下，隧道电流变得最大。
如图4B所示，在2个磁性层11、12的磁化方向是反平行的情况下，夹在2个磁性层11、12之间的隧道壁垒膜13的隧道电阻最高。在该情况下，隧道电流最小。
在MRAM中，使MTJ元件的电阻值不同的2个状态与逻辑“1”电平的数据的存储状态(“1”状态)和逻辑“0”电平的数据的存储状态(“0”状态)对应。
图5模式地展示了在行方向和列方向上二维地配置了多个MTJ元件10的MRAM单元阵列的平面布局的一个例子。
在相互垂直的方向上配置多个写入/读出用的比特线BL和多个写入字线WWL。与各比特线BL和各写入字线WWL的交点对应地分别配置MTJ元件10。MTJ元件10的长方形的长边沿着写入字线WWL，短边沿着比特线BL，并沿着长边方向付与磁化方向。各比特线BL与同一行(或列)的多个MTJ元件10的各一个磁性层(图3中的符号11或12)电连接。使得与同一列(或行)的多个MTJ元件10的各另一个磁性层(图3中的符号12或11)接近并相对地配置各写入字线WWL。这些多个MTJ元件形成在半导体基板，例如硅基板上，并被形成为一个芯片。
<MRAM的实施例1>
图6是模式地展示在实施例1相关的MRAM中，作为MRAM单元使用的MTJ元件的基本结构和磁轭与写入布线的配置关系的侧面图。
在图6中，MTJ元件10分别由磁性层构成，具有以下的层叠结构：在被称为自由层的记录层11和被称为固定磁化层或针层的固定层12之间，夹着由非磁性层构成的隧道壁垒层13。该MTJ元件10具有隧道磁阻(TMR)效应，是磁性层11、12的磁化方向是膜面垂直方向的垂直型MTJ元件。在此，隧道壁垒层13使用氧化铝AlO，例如Al₂O₃等。
磁轭20从厚度方向夹着MTJ元件10，具有以下作用：从厚度方向向MTJ元件10的磁性层11、12施加基于后述写入布线30产生的磁场。磁轭20使用软磁性体。在本实施例中，MTJ元件10与磁轭20相接。但是，在界面上也可以设置例如Ta等金属、MgO等绝缘体。
沿着与MTJ元件10的厚度方向垂直的方向，在本实施例中是MTJ元件10的厚度方向的侧面，接近地配置写入布线30。写入布线30与MTJ元件10的磁性层11、12的膜面垂直方向(磁化方向)平行地施加所产生的磁场。写入布线30例如由Cu或Al等构成。
即，实施例1相关的MRAM具有夹着非磁性层的2层磁性层，使磁性层的磁化方向向着膜面垂直方向的垂直型MTJ元件10的由于2层磁性层的磁化排列状态而变化的电阻值与“0”“1”的信息对应。所以，在MTJ元件10的磁性层的磁化方向上施加因在接近MTJ元件10配置的写入布线30中流过电流而产生的磁场，使MTJ元件10的2个磁性层中的一个的记录层的磁化方向变化，来写入信息。
<磁轭的具体例子>
图7展示了图6中的磁轭20的具体结构例子。设置具有包围写入布线30的完全闭合磁力线结构的包围磁轭20a。在该包围方向的中间，夹着垂直型MTJ元件10的两侧的磁性层。在该情况下，包围磁轭20a的包围闭合磁力线的一部分夹着电绝缘膜21。在包围磁轭20a和写入布线30之间也夹着电绝缘膜。包围磁轭20a在MTJ元件10的存储数据读出时，成为在MTJ元件10中流过电流的电流路径的一部分。
接着，说明对图6和图7所示的MTJ元件10的写入动作的原理。通过以下步骤完成对MTJ元件10的写入：与写入数据对应地向写入布线30流过朝向第1方向或与之相反的第2方向的脉冲电流，利用通过该电流形成的磁场使MTJ元件10的记录层11的膜面垂直方向的磁化方向平行或反平行。在上述写入动作时，磁轭20的磁通向MTJ元件10的记录层11收敛，因此能够大幅度降低写入电流。
从MTJ元件10读出信息时，形成流过MTJ元件10的电流的电流路径，通过向MTJ元件10的两端间施加规定的读出电压V而在电流路径中流过与MTJ元件10的电阻值对应的电流，通过用传感放大器检测出该电流值来读出信息。
但是，根据本申请发明者们的实验，在向垂直型MTJ元件写入数据的情况下，在向写入布线流入与向现有例子的MTJ元件进行写入的情况相同的电流值的电流的情况下，在MTJ元件中产生的磁场和磁场的产生效率为现有例子的100倍以上。换一种说法，为了产生与现有例子相同的磁场所必需的写入电流值降低为1/100以下。
但是，即使写入磁场变得如此大，但为了使薄膜磁性层的磁化朝向膜面垂直方向，也必须具有比该静磁能量～2πMs²大的垂直磁各向异性能量，因此反转磁场变大为数千Oe，结果是写入电流值没有降低。
所以，如图6所示，通过由磁轭20在厚度方向上夹着MTJ元件10，能够大幅度地降低静磁能量，降低垂直磁各向异性能量Ku，即使反转磁场为100Oe以下，也能够使磁性层的磁化朝向膜面垂直方向。
由此，本实施例相关的MRAM单元具有作为现有的MRAM单元的反转磁场的约30Oe的3倍左右的反转磁场，其结果是能够使写入电流值成为现有例子的写入电流值的1/30，即降低到0.3mA左右。
如上所述，作为磁各向异性，形状磁各向异性和感应磁各向异性是主要因素，在假设单磁区并且磁化一齐反转的情况下，可以如前面的式(1)那样记述反转磁场Hsw。
在本实施例中，为了使磁性膜的磁化方向朝向膜面垂直方向，必须是垂直方向的磁各向异性。在该磁各向异性是结晶磁各向异性的情况下是无法改变的，因此即使磁性膜的图形大小减小，原理上反转磁场Hsw也不改变。所以，通过使磁性膜为垂直磁化膜，才有可能不使反转磁场Hsw增加而进行细微化。
另外，如上所述，即使对MTJ元件10进行细微化，但由于反转磁场不增加，所以能够实现具有在现有的MRAM中无法实现的90nm以下的细微的MTJ元件的例如256M比特以上的大容量的MRAM。
即，根据实施例1，对MTJ元件10的数据写入可以向MTJ元件10的磁性层的膜面垂直方向施加写入磁场，可以由磁轭20从厚度方向夹着MTJ元件10。并且，在磁轭20中，夹着MTJ元件时的间隙与MTJ元件10的厚度相当，十分狭窄，因此能够大幅度提高磁场的产生效率。
另外，不需要现有例子的MTJ元件中所必需的反强磁性体，通过降低MTJ元件10的膜厚度，来提高写入磁场的产生效率等。在该情况下，作为现有例子的MTJ元件的反强磁性层使用了Mn族合金，Mn从300℃左右的温度开始扩散，具有使电阻变化率(MR比)劣化的问题。与此相对，如果如本实施例那样不必使用反强磁性层，则能够降低因Mn扩散造成的MR的劣化。
另外，由于反转磁场Hsw并不依存于MTJ元件10的平面宽度，所以不需要担心伴随着MTJ元件10的扩散的反转磁场不足。另外，由于因磁轭20的MTJ元件磁性层的膜面垂直方向的反磁场产生的静磁能量降低，所以即使具有小的反转磁场，也能够使磁性层的磁化朝向膜面垂直方向。
所以，能够使MRAM单元的写入电流值减小到实用水平，并且能够解决伴随着形状改变的反转电流值的偏离，能够实现确保充分的抗热干扰性，并且降低了写入电流值的MRAM。
<MRAM单元的选择晶体管>
例如，如图7中的虚线所示，可以将写入单元选择用的MOS晶体管31连接到写入布线30上。通过连接该MOS晶体管31，能够进行对选择对象的MRAM单元的MTJ元件10的选择、从非选择对象的其他MRAM单元中的分离。在该情况下，如果通过在上述实施例中得到的效果，能够使写入电流值成为mA级，则能够实现将写入单元选择用晶体管31减小到与MTJ元件10相同的程度，能够安装到存储器单元阵列中。
由此，能够不产生半选择状态的单元，完全没有误写入。进而，还能够解决半选择状态的单元的热干扰的问题。进而，在写入时，可以采用一边通过写入电流等加热选择了的单元一边进行写入的热辅助记录方式。由此，能够将MTJ元件10细微化到50nm等级，提高将MRAM置换为DRAM的可实现性。
与此相对，在现有的热辅助记录方式的概念中，在写入时没有单元的选择性，因此对选择单元以外的单元也施加相当程度的热，成为因热干扰造成记录层的磁化反转的一个原因。
但是，在具有图6所示那样的基本结构的MTJ元件10中，作为固定层12使用具有高保磁力的高Hc磁性材料，作为记录层11使用保磁力比固定层12小的低Hc磁性材料，由此能够实现高性能的MTJ元件10。在该情况下，适当地选择高Hc磁性材料和低Hc磁性材料，能够适当地调整Hc。
作为高Hc磁性材料，理想的是具有1×10⁶erg/cc以上的高结晶磁各向异性能量密度的材料，以下列举其具体例子。
(1)Fe(铁)、Co(钴)、Ni(镍)中的至少一个元素，或者Fe、Co、Ni中的至少一个元素与Cr(铬)、Pt(铂)、Pd(钯)中的至少一个元素的合金。该合金包含规则合金、不规则合金。作为规则合金可以列举Fe(50)Pt(50)、Fe(50)Pd(50)、Co(50)Pt(50)等。作为不规则合金，可以列举CoCr合金、CoPt合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金、CoCrNb合金等。
(2)将Fe、Co、Ni中的至少一个元素或包含该一个元素的合金、Pd、Pt中的至少一个元素或包含该元素的合金交替层叠而成的结构。例如Co/Pt人工晶格、Co/Pd人工晶格、CoCr/Pt人工晶格。在使用了上述Co/Pt人工晶格、Co/Pd人工晶格等的情况下，作为电阻变化率(MR比)能够具有40％左右的大值。
(3)如前面的文献(“Megnetic tunnel junction device withperpendicular magnetization films for high-density magnetic randomaccess memory”)中揭示的那样的稀土类金属中的至少一个金属，例如由Tb(铽)、Dy(镝)、Gd(钆)与过渡金属中的至少一个元素构成的非晶形合金。例如，TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo、GdTbCo等，进而理想的是将补偿温度调整到室温附近的组成。
另一方面，低Hc磁性材料是通过组成比的调整、杂质的添加、膜厚度的调整等，使磁各向异性能量密度与高Hc磁性材料相比低的材料。以下列举该材料的具体例子。
(1)Fe、Co、Ni中的至少一个元素，或者Fe、Co、Ni中的至少一个元素与包含Cr、Pt、Pd中的至少一个元素的合金。在该合金是规则合金的情况下，可以列举向Fe(50)Pt(50)和Co(50)Pt(50)等添加了Cu(铜)、Cr、Ag(银)等杂质元素或添加了该合金、绝缘物质而降低了磁各向异性能量密度的材料。在上述合金是不规则合金的情况下，可以列举增加了非磁性元素的比例而降低了磁各向异性能量密度的材料。
(2)将Fe、Co、Ni中的至少一个元素、Pd、Pt中的至少一个元素交替层叠而成的结构，包含Fe、Co、Ni的层的膜厚度或包含Pd、Pt的层的膜厚度厚。实际上，具有包含Fe、Co、Ni的层的膜厚度和包含Pd、Pt的层的膜厚度的最优值，如果不是该最优值则磁各向异性能量密度下降。即，是上述膜厚度比最优值薄的构造。
(3)如前面的文献(“Megnetic tunnel junction device withperpendicular magnetization films for high-density magnetic randomaccess memory”)中揭示的那样的稀土类金属中的至少一个金属，例如由Tb(铽)、Dy(镝)、Gd(钆)与过渡金属中的至少一个元素构成的非晶形合金。
<MTJ元件的实施例1>
图8是展示图6中的MTJ元件10的具体例子的侧面图。在将MTJ元件10层叠在磁轭用磁性材料上的情况下，为了防止扩散和交换结合，可以在磁轭用材料上设置由适当的材料，例如Ta(钽)、TiN、TaN等构成的基础层。
在作为具有高保磁力的固定层12使用FePt、CoPt规则合金的情况下，为了产生垂直磁各向异性，必须定向fat(001)面。因此，作为结晶定向用基础，可以使用由数nm左右的MgO(氧化镁)构成的极薄基础。另外，也可以使用具有晶格常数为0.28nm、0.40nm、0.56nm左右的fcc、bcc构造的元素、化合物，例子Pt、Pd、Ag、Au、Al、Cr等。
在作为具有低保磁力的记录层11例如使用Co/Pt人工晶格的情况下，通过调整Co和Pt的膜厚度，能够调整保磁力。
MTJ元件10的实施例1的层叠结构如下。
下部磁轭20由NiFe构成。基础层14由膜厚度为2nm的Ta构成。结晶定向用基础15由膜厚度为1nm的MgO构成。固定层12由膜厚度为5nm的FePt构成。隧道壁垒膜13由膜厚度为1.2nm的AlO构成。记录层11由膜厚度为0.5nm的Co、膜厚度为1.5nm的Pt的层叠膜构成。基础层14由膜厚度为2nm的Ta构成。进而，上部磁轭20由NiFe构成。
在此，也可以在隧道壁垒膜13和记录层11的界面上插入不损失MR比程度的Pt层。另外，作为固定层12，也可以代替上述的FePt规则层，而使用CoPt规则层。另外，作为记录层11，也可以代替Co/Pt人工晶格而使用Co/Pd人工晶格。另外，作为隧道壁垒膜13，也可以代替AlO而使用MgO。
<MTJ元件的实施例2>
图9是展示图6中的MTJ元件10的具体例子的侧面图。可以由人工晶格分别构成MTJ元件10的固定层12和记录层11。
该情况下的MTJ元件10的层叠结构的一个例子如下。
下部磁轭20由NiFe构成。基础层14由膜厚度为2nm的Ta构成。固定层12由膜厚度为0.8nm的Pt、膜厚度为0.3nm的Co的层叠膜构成。隧道壁垒膜13由膜厚度为1.2nm的AlO构成。记录层11由膜厚度为0.5nm的Co、膜厚度为1.5nm的Pd的层叠膜构成。基础层14由膜厚度为2nm的Ta构成。进而，上部磁轭20由NiFe构成。
在该情况下，也可以在隧道壁垒膜13和记录层11的Co的界面上插入不损失MR比程度的Pt、Pd。
<MTJ元件的实施例3>
作为MTJ元件10的固定层12或记录层11，也可以使用由稀土类金属和过渡金属构成的非晶形合金。该情况下的MTJ元件的层叠结构的一个例子如下，与图9所示的层叠结构一样。
下部磁轭由NiFe构成。基础层由膜厚度为2nm的Ta构成。固定层由膜厚度为20nm的Tb(22)(Fe(71)Co(29))(78)构成。隧道壁垒膜由膜厚度为1.2nm的AlO构成。记录层由膜厚度为0.5nm的Co、膜厚度为1.5nm的Pd的层叠膜构成。基础层由膜厚度为2nm的Ta构成。进而，上部磁轭由NiFe构成。
在此，也可以在由Tb(22)(Fe(71)Co(29))(78)构成的固定层和由AlO构成的隧道壁垒膜的界面上插  Co等使之交换结合。另外，固定层或记录层也可以是例如将TbFeCo/Pt/Co那样的由稀土类金属和过渡金属构成的非晶形合金、Pt、Pd等非磁性金属、Co层叠的结构。
<MTJ元件的实施例4>
MTJ元件10的记录层11也可以位于下部磁轭侧。该情况下的MTJ元件的层叠结构的一个例子如下。
下部磁轭由NiFe构成。基础层由膜厚度为2nm的Ta构成。记录层由膜厚度为10nm的CrTi、膜厚度为10nm的Co(74)Cr(16)Nb(10)的层叠膜构成。隧道壁垒膜由膜厚度为1.2nm的AlO构成。固定层由膜厚度为0.3nm的Co、膜厚度为0.8nm的层叠膜构成。基础层由膜厚度为2nm的Ta构成。进而，上部磁轭由NiFe构成。
<MTJ元件的实施例5>
MTJ元件10的固定层12也可以使用层叠费里(Ferry)结构，即磁性层和金属层交替层叠的结构。作为上述磁性层可以列举Fe、Co、Ni、它们的合金等，作为上述金属层可以列举Ru、Ir、Rh、Re、Os等。作为层叠费里的具体例子，有Co/Ru、Co/Ir、Co/Rh等。该情况下的MTJ元件的层叠结构的一个例子如下。
下部磁轭由NiFe构成。基础层由膜厚度为2nm的Ta构成。记录层由膜厚度为10nm的CrTi、膜厚度为10nm的Co(74)Cr(16)Nb(10)的层叠膜构成。隧道壁垒膜由膜厚度为1.2nm的AlO构成。固定层由膜厚度为0.3nm的Co、膜厚度为0.8nm的Ru的层叠膜构成。基础层由膜厚度为2nm的Ta构成。上部磁轭由NiFe构成。
<MTJ元件的实施例6>
MTJ元件10的磁性层11、12也可以使用费里磁性体或层叠费里结构。在此，费里磁性体有以下几种：使用了稀土类金属中的至少一个元素例如Gd、Tb、过渡金属中的至少一个元素构成的非晶形合金，例如将GdCo、TbFeCo、GdTbFe等、Fe、Co、Ni中的至少一个元素、V(钒)、Cr、Cu、Nb(铌)、Mo(钼)、Ru(钌)、Rh(铑)、Pd、Ta、W(钨)、Re(铼)、Os(锇)、Ir(铱)、Pt、Au中的一个元素交替层叠的结构；使用了Mn(锰)、Cu、Al、Ge(锗)、Bi(铋)的材料，例如MnBi、MnAlGe、MnCuBi等。
如果MTJ元件的记录层使用了费里磁性层，则能够降低垂直方向的静磁能量，能够实现具有小反转磁场的垂直记录层，并且能够降低磁轭自己消耗的偏置磁场，因此能够降低改写时所必需的电流值。
如果MTJ元件的固定层使用费里磁性体，则能够降低记录层11所消耗的偏置磁场，因此能够降低偏移磁场。
<MTJ元件的实施例7>
图10是展示图6中的MTJ元件10的具体例子的侧面图。该MTJ元件10在磁性层11、12和隧道壁垒膜13的界面，即在2处的壁垒界面上隔着Co、Ni、Fe或它们的合金(CoFe、NiFe、NiCo、FeCoNi)16，其他部分具有与图6所示的MTJ元件10相同的构造，并付与了与图6中一样的符号。通过该结构，提高了MTJ元件的电阻变化率MR。
<磁轭的实施例1>
图11是展示图6中的磁轭20的具体例子的侧面图。在该磁轭中，作为磁轭本体(软磁性体本体)41的MTJ元件界面侧的磁性层夹住部分即磁轭尖端，使用了具有高饱和磁通密度(Bs)的材料，例如FeCo、CoFe、Fe(1-x)Nx等。
通过这样的结构，能够增加写入磁场，提高写入效率。另外，图11中的MTJ元件的一个例子具有例如与图10所示的MTJ元件一样的构造，并付与与图10中一样的符号。
<磁轭的实施例2>
如果使实施例1中的磁轭20的截面形状成为磁通朝向MTJ元件10收敛的构造，则不只是提高写入效率，还使得没有从磁轭的弯曲部分的磁场泄漏，能够降低施加到相邻其他的MTJ元件的磁场，消除误写入的可能。
图12是展示图6中的磁轭20的具体例子的侧面图。MTJ元件10的固定层12侧的磁轭尖端42a的面积与固定层12的面积相同。与此相对，记录层11侧的磁轭尖端42b的面积比记录层11的面积大。另外，将记录层侧的磁轭面积设置得比针层侧的磁轭面积大。另外，图12中的MTJ元件的一个例子具有与例如图11中所示的MTJ元件一样的构造，并付与与图11中相同的符号。
通过这样的结构，提高了写入效率，与例如图11中所示的磁轭20相比降低了写入电流，例如减半。
<磁轭的实施例3>
图13是展示图6中的磁轭的具体例子的侧面图。MTJ元件10的固定层12侧的磁轭尖端42a的面积与MTJ元件的固定层12的面积相同，记录层11侧的磁轭尖端42b的面积与记录层11的面积相同。但是，将记录层11侧的磁轭本体41b的面积设置得比固定层12侧的磁轭本体，即软磁性体本体41a的面积大。另外，图13中的MTJ元件的一个例子具有与例如图11中所示的MTJ元件一样的构造，并付与与图11中相同的符号。
通过这样的结构，提高了写入效率，与例如图11中所示的磁轭相比降低了写入电流，例如减半。
<MRAM单元的实施例2>
图14是实施例2的MRAM单元的侧面图。在该MRAM单元中，在一个垂直型MTJ元件10的两侧并排设置2个写入布线301、302。设置具有例如眼镜形状的完全闭合磁力线结构的磁轭20b，使得包围该2个写入布线51、52。在该磁轭20b中，通过位于2个写入布线51、52中间的闭合磁力线，在厚度方向上夹着MTJ元件10。另外，作为图14中的MTJ元件的一个例子，展示了具有与图6中所示的MTJ元件相同的构造，并付与与图6中相同的符号。
如果根据这样从2个写入布线51、52向MTJ元件10产生磁场的结构，则与例如图6中所示的MRAM单元相比，即使在与1个布线中的写入电流相等的情况下，也能够增加产生的磁场。换一种说法，与图6中所示的MRAM单元相比，在假设对一个MTJ元件的产生磁场都为一样的情况下，降低了一个布线中的写入电流，例如减半。
在该情况下，能够有选择地向MTJ元件施加在2个写入布线51、52的一个中流过了写入电流的情况下所产生的磁场、或在2个写入布线51、52中流过了相互相反方向的电流的情况下分别产生的磁场。
<MRAM单元的实施例3>
图15是实施例3的MRAM单元的侧面图。在该MRAM单元中，在写入布线30的两侧分别配置了垂直型MTJ元件10。另外，在具有包围写入布线30的完全闭合磁力线构造的磁轭20a中的写入布线30的两侧的2个地方，分别从厚度方向上夹着2个MTJ元件10。另外，图15中的各MTJ元件10是一个例子，具有与例如图6所示的MTJ元件相同的构造，并付与与图6中一样的符号。
通过这样的结构，2个MTJ元件10分别同样地被磁化为平行状态或反平行状态。另外，由于来自固定层12的偏置磁场相互抵消，所以降低了偏移磁场。在读出一个MTJ元件10的情况下，也可以任意地插入图7中的电绝缘膜21，使得夹住一个MTJ元件10。
<MRAM单元的实施例4>
图16和图17展示了实施例4的MRAM单元阵列和MRAM单元，图16展示了存储器单元阵列的一部分，图17展示了图16中的存储器单元阵列内的一个MRAM单元与写入布线、磁轭的配置关系的一个例子。
在实施例4中，将在实施例1中说明了的那样的垂直MTJ元件10行列状地配置在半导体层例如半导体硅基板上，构成单元阵列。在该情况下，在行方向上配置作为第1写入布线的字线WL，使得在与同一行的MTJ元件10的厚度方向垂直的方向上接近MTJ元件10的侧面。另外，在列方向上配置作为第2写入布线的比特线BL，使得在与同一列的MTJ元件10的厚度方向垂直的方向上接近MTJ元件10的侧面。由此，与字线WL和比特线BL的交叉部分附近对应地存在MTJ元件10。
如图17所示，向MTJ元件10设置具有包围比特线BL的完全闭合磁力线构造的第1磁轭20B、具有包围字线WL的完全闭合磁力线构造的第2磁轭20W。在该情况下，将1个MTJ元件10设置在第1磁轭20B和第2磁轭20W相互垂直的方向上，在厚度方向上由第1磁轭20B夹着MTJ元件10。在MTJ元件10的厚度方向上由第2磁轭20W夹着该第1磁轭20B。
即，只由第1磁轭20B、或者只由第2磁轭20W、或者由第1磁轭20B和第2磁轭20W向1个MTJ元件10施加磁场。
另外，作为图17中的MTJ元件10的一个例子，具有与图6中所示的MTJ元件相同的构造，并付与与图6中一样的符号。
根据这样分别从配置在垂直方向上的2个写入布线WL、BL向MTJ元件10有选择地产生磁场的结构，与例如图6中所示的MRAM单元相比，即使在与1个布线中的写入电流相等的情况下，也能够增加产生的磁场。换一种说法，与图6中所示的MRAM单元相比，在假设对一个MTJ元件产生的磁场都为一样的情况下，降低了一个布线中的写入电流，例如减半。在该情况下，能够只在同时向字线WL和比特线BL流过写入电流时向位于该字线WL和比特线BL的交叉部分附近的希望的MTJ元件10进行需要的写入，因此没有必要对每个MTJ元件设置写入单元选择用晶体管。
<MRAM单元的实施例5>
图18是实施例5的MRAM单元的侧面图。在该MRAM单元中，在磁轭20和垂直型MTJ元件10的两侧的磁性层11、12之间，夹着导电性的一对读出布线17、18的一部分。
在读出MTJ元件10的存储数据时，通过从一对读出布线17、18向MTJ元件10的两端之间施加规定的读出电压V，而在MTJ元件10中流过与存储数据对应的电流。一对读出布线17、18形成在读出存储数据时的电流路径的一部分。
<MRAM单元的实施例6>
在实施例6的MRAM单元中，与图6或图7所示的构造相比，在省略了磁轭这一点上不同，其他是相同的。
在前面的文献“Megnetic tunnel junction device withperpendicular magnetization films for high-density magnetic randomaccess memory”中，记载了MTJ元件的磁性层的RE-TM类材料的垂直磁各向异性能量Ku一般是10⁵～10⁶erg/cc左右，其饱和磁化Ms被调整为0～150emu/cc。另外，Co的饱和磁化Ms是1420emu/cc，单轴磁各向异性能量是4.5×10⁶erg/cc。另外，记载了磁性层的RE-TM材料(30nm)和界面的Co强磁性地交换结合，如果假设Co膜厚度例如为RE-TM材料的1/10，与各自的体积比例对应地产生实际的各向异性能量Keff、饱和磁化Meff，则可以预料Keff为10⁵～10⁶erg/cc的程度，Meff为0～270emu/cc左右。
在磁性层保持单一磁区构造，同时通过磁化旋转来反转磁化方向的情况下，可以预料磁性层的保磁力为2Ku/Ms，为700～10kOe左右。在前面的文献(“Megnetic tunnel junction device with perpendicularmagnetization films for high-density magnetic random accessmemory”)所记载的发明中，保磁力为250Oe左右。其理由是：单元尺寸大到85μm，可以认为通过磁壁移动产生了磁化反转，比预料的2Ku/Ms的保磁力小。在实际制作直径为0.3μm大小的MTJ元件时，保磁力为1.5kOe。
在没有磁轭的结构，即没有用磁轭覆盖写入布线的情况下，在写入布线中流过1mA的电流所能产生的磁场最高为10Oe左右，在前面的文献(“Megnetic tunnel junction device with perpendicularmagnetization films for high-density magnetic random accessmemory”)所记载的结构中，在细微的单元尺寸下，是难以用数mA的记录电流进行记录动作的。
但是，在实施例6的MRAM单元中，例如将垂直型MTJ元件的记录层的膜厚度t与单元面积(记录层的面积)S的平方根√S的比t/√S(特性比)设置为大于等于2左右。因此，记录层的膜厚度t为100nm，记录层的大小为0.05μm×0.05μm。
如果这样将特性比设置得较大，则降低了反磁场系数，能够以较小的各向异性能量实现垂直磁化。换一种说法，通过设置为高特性比，能够实现保磁力小的垂直磁化膜。
图19展示了在实施例6中规定特性比的基准。在图19中，横轴表示MTJ元件10的磁性层的饱和磁化Ms emu/cc和写入布线与MTJ元件之间的距离δnm，纵轴表示基于写入布线的写入电流(记录电流)所产生的磁场的强度Ho、用来在膜面垂直方向上保持磁化的各向异性磁场Hg。
根据图19，可以知道如果每1mA的写入电流所产生的磁场HI和记录电流Iw的积HI×Iw与反磁场系数N、记录层的饱和磁化M的关系满足HI×Iw＞4πNM，则能够实现可以写入的垂直磁化膜。在此，在没有设置磁轭的写入布线的写入电流为1mA的情况下所能够产生的磁场最高为10Oe左右。理想的是写入电流为10mA以下。更理想的是在5mA以下。
<MRAM单元的实施例7>
图20展示了实施例7的排列了多个MRAM单元的存储器单元阵列的一部分。如图20所示，将在实施例1中说明了的那样的垂直型MTJ元件10行列状地配置在半导体层，例如硅基板上，构成单元阵列。行列状配置的2种类的各自多个布线，即行线和列线并不存在于同一平面上，行线WL和列线BL隔着绝缘膜被配置在不同的平面上。然后，各行线和各列线在两者交叉的位置上相互电连接。但是，为了降低电流的倒流，理想的是具有某种程度的电阻。在由这些行列状配置的行线和列线包围的区域内配置各垂直型MTJ元件10。
通过选择与希望选择的MTJ元件10垂直的2个侧面相邻的行线和列线，并流过电流来进行单元的选择和对其的写入。在本例子中，在选择图中斜线所示的单元时，在虚线所示的方向上从行线b向列线b流过电流。向其他的不选择的布线施加偏置电压，调整为不回流电流。
如果如上述那样从行线b向列线b流过电流，则在行线b和列线c的交叉点部分附近电流方向从行方向变化为列方向，向交叉点附近的选择单元施加由来自行方向的电流产生的磁场和由来自列方向的电流产生的磁场的和。因此，只对选择单元进行开关，与选择的行、列相邻的其他单元处于半选择的状态，不产生磁化反转。
另外，图20中的MTJ元件10也可以是如图6中所示的那样由磁轭夹着的结构，还可以是图7所示的完全闭合磁力线型的构造，也可以是没有磁轭的构造。
实施例1到实施例7相关的MRAM可以有各种各样的适用。以下说明这样的几个适用例子。
(适用例子1)
作为MRAM的适用例子的一个，图21展示了数字用户线(DSL)用调制解调器的DSL数据总线部分。该调制解调器包含可编程数字信号处理器(DSP)151、模拟-数字转换器(A/D)和数字-模拟转换器(D/A)152、发送驱动器153、信号接收机放大器154。在图21中，省略了带通滤波器，代替它作为能够保存线路代码程序的各种类型的可选的存储器，展示了MRAM155和EEPROM156。
另外，在本适用例子中，作为用来保存线路代码程序的存储器使用了MRAM和EEPROM的2种存储器，但可以将EEPROM置换为MRAM，即可以不使用2种存储器，而只使用MRAM。
(适用例子2)
作为MRAM的另一个适用例子，图22展示了便携电话终端300中的实现通信功能的部分。如图22所示，实现通信功能的部分具备：发送接收天线201、天线多路复用器202、接收部件203、基带处理部件204、作为声音编码器使用的数字信号处理器(DSP)205、扬声器206、麦克风207、发送部件208、频率合成器209。
另外如图22所示，在便携电话终端300中，设置了控制该便携电话终端的各部件的控制部件200。控制部件200是通过CPU总线225将CPU221、ROM222、MRAM223和快闪存储器224连接起来而构成的微型计算机。
在此，ROM222预先存储在CPU221中执行的程序、显示用的字体等必要的数据。另外，MRAM223主要作为工作区域使用，被用于根据需要在CPU221执行程序过程中存储正在计算的数据等、暂时存储在控制部件200和各部件之间传送的数据等情况。另外，快闪存储器224为了即使在关闭了便携电话终端300的电源时也存储例如在这之前的设置条件等，在下一次打开电源时进行同样设置的使用，而存储这样设置参数。即，快闪存储器224是即使在关闭了便携电话终端的电源时，也不会使存储在其中的数据消失的非易失性存储器。
在本适用例子中，使用了ROM222、MRAM223、快闪存储器224，但也可以将快闪存储器224置换为MRAM，进而还可以将ROM222也置换为MRAM。
另外，在图22中，211是声音数据重放处理部件，212是与声音数据重放处理部件211连接的外部端子，213是LCD控制器，214是与LCD控制器213连接的LCD，215是环网，231是设置在CPU总线225和外部存储器卡槽232之间的接口(I/F)，233是设置在CPU总线225和键操作部件234之间的接口(I/F)，235是CPU总线225和外部端子236之间的接口(I/F)，向外部存储器卡槽232插入外部存储器240。
(适用例子3)
图23到图27展示了将MRAM适用于收纳轻便介质等存储介质内容的卡(MRAM卡)的例子。
在图23的上面图中，400是MRAM卡本体，401是MRAM芯片，402是开口部分，403是盖子，404是多个外部端子。MRAM芯片401被收纳在卡主体400内部，从开口部分402露出到外部。在携带MRAM卡时，用盖子403盖住MRAM芯片401。盖子403由具有屏蔽外部磁场的效果的材料，例如陶瓷等构成。在转写数据的情况下，打开盖子403，使MRAM芯片401露出。外部端子404是将存储在MRAM卡中的内容数据读出到外部的部件。
图24和图25展示了用来将数据转写到MRAM卡中的卡插入型转写装置的上面图和侧面图。从转写装置500的插入部件510插入最终用户所使用的第2MRAM卡450，按压塞子520直到闭合。塞子520被用作使第1MRAM卡550和第2MRAM卡450位置符合的部件。在将第2MRAM卡450配置在规定位置上的状态下，将存储在第1MRAM卡550中的数据转写到第2MRAM卡450中。
图26是嵌入型转写装置的侧面图。如该图中的箭头所示，以塞子520为目标，将第2MRAM卡450嵌入到第1MRAM卡550上。由于转写方法与卡插入型一样，所以省略其说明。
图27是滑动型转写装置的侧面图。与CD-ROM驱动器、DVD驱动器等一样，在转写装置500内设置接收盘滑板560，该接收盘滑板560如图中的水平方向的箭头所示滑动。在接收盘滑板560以图中的虚线所示的状态移动时，将第2MRAM卡450放置到接收盘滑板560上。然后，接收盘滑板560将第2MRAM卡450搬送到转写装置500内部。进行搬送使得将第2MRAM卡450的前端部分与塞子520对接这一点和转写方法与卡插入型相同，所以省略其说明。
上述实施例只是本发明的例子，并不只限于此，在不脱离本发明的宗旨和范围的情况下可以有各种变形。