JP4521354B2 - Magnetic random access memory - Google Patents

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JP4521354B2 JP2005330411A JP2005330411A JP4521354B2 JP 4521354 B2 JP4521354 B2 JP 4521354B2 JP 2005330411 A JP2005330411 A JP 2005330411A JP 2005330411 A JP2005330411 A JP 2005330411A JP 4521354 B2 JP4521354 B2 JP 4521354B2
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Description

本発明は、磁気抵抗効果素子(magneto-resistive element)をメモリセルとする磁気ランダムアクセスメモリメモリ(MRAM: magnetic random access memory)に関する。   The present invention relates to a magnetic random access memory (MRAM) that uses a magneto-resistive element as a memory cell.

磁気ランダムアクセスメモリは、次世代メモリとして注目されているが、その実用化にあたっては、書き込み電流の低減、セルサイズの縮小などの問題を解決しなければならない。   Magnetic random access memories are attracting attention as next-generation memories, but in order to put them to practical use, problems such as reduction in write current and reduction in cell size must be solved.

例えば、書き込み電流に関しては、その値が大き過ぎると、いわゆる半選択セルに対して書き込みディスターブが発生するため、小さな書き込み電流で選択セルの磁化反転を行う技術の開発が必要となる。   For example, if the value of the write current is too large, a write disturb occurs in a so-called half-selected cell, so that it is necessary to develop a technique for reversing the magnetization of the selected cell with a small write current.

現段階では、書き込み電流の低減に関しては、セル形状の面、書き込み方式の面、さらには、配線構造の面から提案がなされている。   At the present stage, regarding the reduction of the write current, proposals have been made in terms of the cell shape, the write method, and the wiring structure.

セル形状の面からは、十字形、そらまめ(bean)形、台形などの形状が提案されている。しかし、セル形状のみからのアプローチでは、書き込み電流の低減に関しては一定の効果が得られるものの、それのみで十分な誤書き込み耐性を得ることが難しい。   In terms of cell shape, shapes such as a cross, a bean, and a trapezoid have been proposed. However, in the approach based only on the cell shape, although a certain effect can be obtained with respect to the reduction of the write current, it is difficult to obtain sufficient erroneous write resistance by itself.

また、セル形状が複雑になると、その形状を安定して微細に形成することが難しくなるため、セルサイズの縮小にとって不利となる。   Further, when the cell shape becomes complicated, it becomes difficult to stably and finely form the shape, which is disadvantageous for reducing the cell size.

書き込み方式の面からは、トグル(toggle)や、スピン注入(spin-injection)などの方式が提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。   From the aspect of the writing method, methods such as toggle and spin-injection have been proposed (for example, see Patent Documents 1 and 2).

しかし、トグル方式に関しては、誤書き込み耐性については一定の効果が得られるものの、書き込み電流の低減が難しいという問題がある。さらに、スピン注入方式については、スピン注入電流(書き込み電流)の低減が難しいために、熱擾乱や、素子破壊などの問題が発生する。   However, the toggle method has a problem that it is difficult to reduce the write current although a certain effect can be obtained with respect to the erroneous write resistance. Further, in the spin injection method, since it is difficult to reduce the spin injection current (write current), problems such as thermal disturbance and element destruction occur.

配線構造の面からは、ヨーク(yoke)構造が提案されている。ヨーク構造とは、書き込み線の表面に軟磁性材料としてのヨーク材を付加した構造のことであり、書き込み電流の低減には一定の効果がある。   From the viewpoint of the wiring structure, a yoke structure has been proposed. The yoke structure is a structure in which a yoke material as a soft magnetic material is added to the surface of the write line, and has a certain effect in reducing the write current.

しかし、ヨーク構造を採用した場合、2本の書き込み線の交差部において磁場強度の強い部分と弱い部分が発生するため、磁気抵抗効果素子に効率的に磁場を印加することができない。
米国特許第6,545,906号明細書 米国特許第6,256,223号明細書
However, when the yoke structure is adopted, a strong magnetic field strength portion and a weak magnetic field strength portion are generated at the intersection of the two write lines, so that a magnetic field cannot be efficiently applied to the magnetoresistive effect element.
US Pat. No. 6,545,906 US Pat. No. 6,256,223

本発明の例では、書き込み電流の低減、セルサイズの縮小及び誤書き込み耐性の向上を実現できる磁気ランダムアクセスメモリについて提案する。   In an example of the present invention, a magnetic random access memory capable of realizing a reduction in write current, a reduction in cell size, and an improvement in erroneous write resistance is proposed.

本発明の例に係わる磁気ランダムアクセスメモリは、第1導電線と、前記第1導電線の第1及び第2側面を覆うヨーク材と、前記第1導電線に交差する第2導電線と、前記第2導電線の第1及び第2側面を覆うヨーク材と、垂直磁化膜から構成されるフリー層を有する第1磁気抵抗効果素子とを備え、前記第1導電線の前記第1側面を覆うヨーク材と前記第2導電線の前記第1側面を覆うヨーク材との交差部に存在するギャップを第1ギャップとし、前記第1導電線の前記第2側面を覆うヨーク材と前記第2導電線の前記第2側面を覆うヨーク材との交差部に存在するギャップを第2ギャップとし、前記第1導電線の前記第2側面を覆うヨーク材と前記第2導電線の前記第1側面を覆うヨーク材との交差部に存在するギャップを第3ギャップとし、前記第1導電線の前記第1側面を覆うヨーク材と前記第2導電線の前記第2側面を覆うヨーク材との交差部に存在するギャップを第4ギャップとしたとき、前記第1磁気抵抗効果素子は、前記第1ギャップ内に配置され、前記第2乃至第4ギャップ内に配置されないMagnetic random access memory according to the example of the present invention includes a first conductive line, the yoke material that covers the first and second side surfaces of the first conductive line, a second conductive line which crosses the first conductive line, a yoke material that covers the first and second side surfaces of the second conductive line, e Bei the first magnetoresistive element to have a composed free layer from a perpendicular magnetization film, the first of said first conductive line The gap existing at the intersection of the yoke material covering the side surface and the yoke material covering the first side surface of the second conductive line is defined as a first gap, and the yoke material covering the second side surface of the first conductive line and the The gap existing at the intersection of the second conductive line and the yoke material covering the second side surface is defined as a second gap, and the yoke material covering the second side surface of the first conductive line and the second conductive line The gap that exists at the intersection with the yoke material covering one side is the third gap. When the gap existing at the intersection of the yoke material covering the first side surface of the first conductive line and the yoke material covering the second side surface of the second conductive line is defined as the fourth gap, The magnetoresistive effect element is disposed in the first gap and is not disposed in the second to fourth gaps .

本発明の例によれば、磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み電流の低減、セルサイズの縮小及び誤書き込み耐性の向上を実現できる。   According to the example of the present invention, in the magnetic random access memory, it is possible to realize a reduction in write current, a reduction in cell size, and an improvement in erroneous write resistance.

以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。   The best mode for carrying out an example of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

1. 概要
本発明の例では、ヨーク構造の書き込み線に流れる書き込み電流により発生する磁場(電流磁場)を用いて書き込みを行う。磁気抵抗効果素子は、2本の書き込み線を覆う軟磁性材料としてのヨーク材間のギャップ内に配置される。
1. Overview
In the example of the present invention, writing is performed using a magnetic field (current magnetic field) generated by a write current flowing in a write line having a yoke structure. The magnetoresistive effect element is disposed in a gap between the yoke materials as a soft magnetic material covering the two write lines.

また、このギャップでは、一方のヨーク材から他方のヨーク材に向かう方向の磁場(垂直磁場)が発生する。そこで、磁気抵抗効果素子は、磁化方向(磁化容易軸方向)が膜面に垂直な厚さ方向となる垂直磁化膜から構成する。   In this gap, a magnetic field (vertical magnetic field) is generated in a direction from one yoke material to the other yoke material. Therefore, the magnetoresistive effect element is composed of a perpendicular magnetization film in which the magnetization direction (easy magnetization axis direction) is the thickness direction perpendicular to the film surface.

このような構成によれば、磁場強度が最も強くなるヨーク材間のギャップ内に磁気抵抗効果素子が配置されるため、書き込み電流の低減を実現できる。   According to such a configuration, since the magnetoresistive effect element is disposed in the gap between the yoke materials having the strongest magnetic field strength, it is possible to reduce the write current.

また、ヨーク材間のギャップに発生する磁場は、一方のヨーク材から他方のヨーク材に向かう方向(例えば、上向き)と他方のヨーク材から一方のヨーク材に向かう方向(例えば、下向き)の2つのみとなる。   Further, the magnetic field generated in the gap between the yoke materials is 2 in the direction from one yoke material to the other yoke material (for example, upward) and in the direction from the other yoke material to one yoke material (for example, downward). There will be only one.

これを極と称すると、本発明の例では、極の向きに基づいて書き込みを行うことができるため、誤書き込み耐性を向上できる。   When this is referred to as a pole, in the example of the present invention, writing can be performed based on the direction of the pole, so that the resistance to erroneous writing can be improved.

さらに、磁気抵抗効果素子は垂直磁化膜により構成されるため、その形状については、単純な形状、例えば、円形、四角形、十字形などを採用でき、セルサイズの縮小に貢献できる。   Further, since the magnetoresistive effect element is constituted by a perpendicular magnetization film, a simple shape such as a circle, a quadrangle, or a cross can be adopted as the shape, which can contribute to the reduction of the cell size.

また、2本の書き込み線の交差部にはヨーク材間のギャップが4つ存在するため、1つの交差部に最大で4つの磁気抵抗効果素子を配置することができ、メモリセルの高密度化を実現できる。   In addition, since there are four gaps between the yoke materials at the intersection of the two write lines, a maximum of four magnetoresistive elements can be arranged at one intersection, which increases the density of the memory cell. Can be realized.

2. 書き込み原理
まず、本発明の例に関わる書き込み原理について、図1乃至図4を参照しながら説明する。
2. Writing principle
First, the writing principle according to the example of the present invention will be described with reference to FIGS.

2本の書き込み線(up),(down)の交差部におけるヨーク材間の4つのギャップ1,2,3,4に発生する垂直磁場の強度及び向きは、それぞれ、これら書き込み線(up),(down)に流れる書き込み電流Iw1,Iw2の向きに応じて決定される。   The strength and direction of the vertical magnetic field generated in the four gaps 1, 2, 3, and 4 between the yoke materials at the intersection of the two write lines (up) and (down) are respectively indicated by these write lines (up) and (down) is determined according to the direction of the write currents Iw1 and Iw2.

(1) CASE 1
CASE 1では、図1に示すように、書き込み線(up)に紙面右向きの書き込み電流Iw1が流れ、書き込み線(down)に紙面下向きの書き込み電流Iw2が流れるものとする。
(1) CASE 1
In CASE 1, as shown in FIG. 1, it is assumed that a write current Iw1 that flows to the right of the paper flows in the write line (up) and a write current Iw2 that flows downward in the paper flows to the write line (down).

書き込み線(up)に紙面右向きの書き込み電流Iw1が流れるとき、この書き込み電流Iw1により発生する磁場は、ギャップ1,3では、紙面裏側から紙面表側に向かう方向(上向き)となり、ギャップ2,4では、紙面表側から紙面裏側に向かう方向(下向き)となる。   When a write current Iw1 directed rightward on the paper surface flows in the write line (up), the magnetic field generated by the write current Iw1 is a direction (upward) from the back side to the front side of the paper in the gaps 1 and 3, and in the gaps 2 and 4. , The direction from the front side to the back side (downward).

また、書き込み線(down)に紙面下向きの書き込み電流Iw2が流れるとき、この書き込み電流Iw2により発生する磁場は、ギャップ1,4では、紙面裏側から紙面表側に向かう方向(上向き)となり、ギャップ2,3では、紙面表側から紙面裏側に向かう方向(下向き)となる。   When a write current Iw2 that flows downward on the writing line (down) flows in the writing line (down), the magnetic field generated by the writing current Iw2 is in the direction (upward) from the back side to the front side of the paper in the gaps 1 and 4, and the gap 2 3 is a direction (downward) from the front side to the back side.

従って、CASE 1では、ギャップ1に発生する磁場は、上向きの強い垂直磁場となり、ギャップ2に発生する磁場は、下向きの強い垂直磁場となる。また、残りのギャップ3,4に発生する磁場は、書き込み電流Iw1,Iw2により発生する磁場が互いに打ち消し合うため、零、又は、非常に弱い垂直磁場となる。   Therefore, in CASE 1, the magnetic field generated in the gap 1 is an upward strong vertical magnetic field, and the magnetic field generated in the gap 2 is a downward strong vertical magnetic field. Further, the magnetic fields generated in the remaining gaps 3 and 4 are zero or very weak vertical magnetic fields because the magnetic fields generated by the write currents Iw1 and Iw2 cancel each other.

以上より、2本の書き込み線(up),(down)の交差部におけるヨーク材間のギャップ1,2に磁気抵抗効果素子を配置すれば、ギャップ1,2内の磁気抵抗効果素子に対してそれぞれデータを書き込むことができる。   From the above, if a magnetoresistive element is arranged in the gaps 1 and 2 between the yoke materials at the intersection of the two write lines (up) and (down), the magnetoresistive element in the gaps 1 and 2 Each can write data.

CASE 1では、ギャップ1,2内の磁気抵抗効果素子をそれぞれリファレンスセルとして使用できる。   In CASE 1, the magnetoresistive effect elements in the gaps 1 and 2 can be used as reference cells, respectively.

(2) CASE 2
CASE 2では、図2に示すように、書き込み線(up)に紙面左向きの書き込み電流Iw1が流れ、書き込み線(down)に紙面上向きの書き込み電流Iw2が流れるものとする。
(2) CASE 2
In CASE 2, as shown in FIG. 2, it is assumed that a write current Iw1 that flows to the left of the paper flows in the write line (up) and a write current Iw2 that flows upward in the paper flows to the write line (down).

書き込み線(up)に紙面左向きの書き込み電流Iw1が流れるとき、この書き込み電流Iw1により発生する磁場は、ギャップ1,3では、紙面表側から紙面裏側に向かう方向(下向き)となり、ギャップ2,4では、紙面裏側から紙面表側に向かう方向(上向き)となる。   When a write current Iw1 that flows leftward on the paper line flows in the write line (up), the magnetic field generated by the write current Iw1 is a direction (downward) from the front side to the back side of the paper in the gaps 1 and 3, and in the gaps 2 and 4. The direction is from the back side of the paper to the front side of the paper (upward).

また、書き込み線(down)に紙面上向きの書き込み電流Iw2が流れるとき、この書き込み電流Iw2により発生する磁場は、ギャップ1,4では、紙面表側から紙面裏側に向かう方向(下向き)となり、ギャップ2,3では、紙面裏側から紙面表側に向かう方向(上向き)となる。   Also, when a write current Iw2 that flows upward on the writing line (down) flows, the magnetic field generated by the write current Iw2 is in the direction (downward) from the front side to the back side of the paper in the gaps 1 and 4, and the gap 2, 3 is a direction (upward) from the back side to the front side.

従って、CASE 2では、ギャップ1に発生する磁場は、下向きの強い垂直磁場となり、ギャップ2に発生する磁場は、上向きの強い垂直磁場となる。また、残りのギャップ3,4に発生する磁場は、書き込み電流Iw1,Iw2により発生する磁場が互いに打ち消し合うため、零、又は、非常に弱い垂直磁場となる。   Therefore, in CASE 2, the magnetic field generated in the gap 1 is a downward strong vertical magnetic field, and the magnetic field generated in the gap 2 is an upward strong vertical magnetic field. Further, the magnetic fields generated in the remaining gaps 3 and 4 are zero or very weak vertical magnetic fields because the magnetic fields generated by the write currents Iw1 and Iw2 cancel each other.

以上より、2本の書き込み線(up),(down)の交差部におけるヨーク材間のギャップ1,2に磁気抵抗効果素子を配置すれば、ギャップ1,2内の磁気抵抗効果素子に対してそれぞれデータを書き込むことができる。   From the above, if a magnetoresistive element is arranged in the gaps 1 and 2 between the yoke materials at the intersection of the two write lines (up) and (down), the magnetoresistive element in the gaps 1 and 2 Each can write data.

CASE 2では、CASE 1と同様に、ギャップ1,2内の磁気抵抗効果素子をそれぞれリファレンスセルとして使用できる。   In CASE 2, as in CASE 1, the magnetoresistive elements in the gaps 1 and 2 can be used as reference cells, respectively.

(3) CASE 3
CASE 3では、CASE 1とCASE 2を組み合わせて使用する。
(3) CASE 3
In CASE 3, CASE 1 and CASE 2 are used in combination.

この場合、ギャップ1に発生する磁場が上向きのとき、ギャップ2に発生する磁場は下向きとなり(図1)、逆に、ギャップ1に発生する磁場が下向きのとき、ギャップ2に発生する磁場は上向きとなる(図2)。   In this case, when the magnetic field generated in the gap 1 is upward, the magnetic field generated in the gap 2 is downward (FIG. 1). Conversely, when the magnetic field generated in the gap 1 is downward, the magnetic field generated in the gap 2 is upward. (FIG. 2).

CASE 3では、ギャップ1内の磁気抵抗効果素子とギャップ2内の磁気抵抗効果素子には常に相補データが同時に記憶される。このため、例えば、一方をデータ記憶のためのデータセルとし、他方をリファレンスセルとして、読み出し安定性に優れた1ビット/2セルタイプのメモリセルを小面積で実現できる。   In CASE 3, complementary data is always stored in the magnetoresistive effect element in the gap 1 and the magnetoresistive effect element in the gap 2 at the same time. Therefore, for example, a 1-bit / 2-cell type memory cell excellent in read stability can be realized with a small area by using one as a data cell for data storage and the other as a reference cell.

また、これに代えて、ギャップ1,2内の2つの磁気抵抗効果素子をレファレンス電圧の生成に使用することもできる。   Alternatively, two magnetoresistive elements in the gaps 1 and 2 can be used to generate the reference voltage.

(4) CASE 4
CASE 4では、図3に示すように、書き込み線(up)に紙面右向きの書き込み電流Iw1が流れ、書き込み線(down)に紙面上向きの書き込み電流Iw2が流れるものとする。
(4) CASE 4
In CASE 4, as shown in FIG. 3, it is assumed that a write current Iw1 that flows to the right of the paper flows in the write line (up) and a write current Iw2 that flows upward in the paper flows to the write line (down).

書き込み線(up)に紙面右向きの書き込み電流Iw1が流れるとき、この書き込み電流Iw1により発生する磁場は、ギャップ1,3では、紙面裏側から紙面表側に向かう方向(上向き)となり、ギャップ2,4では、紙面表側から紙面裏側に向かう方向(下向き)となる。   When a write current Iw1 directed to the right side of the paper flows through the write line (up), the magnetic field generated by the write current Iw1 is a direction (upward) from the back side to the front side of the paper in the gaps 1 and 3, and in the gaps 2 and 4. , The direction from the front side to the back side (downward).

また、書き込み線(down)に紙面上向きの書き込み電流Iw2が流れるとき、この書き込み電流Iw2により発生する磁場は、ギャップ1,4では、紙面表側から紙面裏側に向かう方向(下向き)となり、ギャップ2,3では、紙面裏側から紙面表側に向かう方向(上向き)となる。   When a write current Iw2 that flows upward in the drawing plane flows through the write line (down), the magnetic field generated by the write current Iw2 is in the direction (downward) from the front side to the back side of the page in the gaps 1 and 4, and the gap 2 3 is a direction (upward) from the back side to the front side.

従って、CASE 4では、ギャップ3に発生する磁場は、上向きの強い垂直磁場となり、ギャップ4に発生する磁場は、下向きの強い垂直磁場となる。また、残りのギャップ1,2に発生する磁場は、書き込み電流Iw1,Iw2により発生する磁場が互いに打ち消し合うため、零、又は、非常に弱い垂直磁場となる。   Therefore, in CASE 4, the magnetic field generated in the gap 3 is an upward strong vertical magnetic field, and the magnetic field generated in the gap 4 is a downward strong vertical magnetic field. The remaining magnetic fields generated in the gaps 1 and 2 are zero or very weak vertical magnetic fields because the magnetic fields generated by the write currents Iw1 and Iw2 cancel each other.

以上より、2本の書き込み線(up),(down)の交差部におけるヨーク材間のギャップ3,4に磁気抵抗効果素子を配置すれば、ギャップ3,4内の磁気抵抗効果素子に対してそれぞれデータを書き込むことができる。   As described above, if magnetoresistive elements are arranged in the gaps 3 and 4 between the yoke members at the intersections of the two write lines (up) and (down), the magnetoresistive elements in the gaps 3 and 4 can be compared. Each can write data.

CASE 4では、ギャップ3,4内の磁気抵抗効果素子をそれぞれリファレンスセルとして使用できる。   In CASE 4, the magnetoresistive elements in the gaps 3 and 4 can be used as reference cells, respectively.

(5) CASE 5
CASE 5では、図4に示すように、書き込み線(up)に紙面左向きの書き込み電流Iw1が流れ、書き込み線(down)に紙面下向きの書き込み電流Iw2が流れるものとする。
(5) CASE 5
In CASE 5, as shown in FIG. 4, it is assumed that a write current Iw1 that flows to the left of the paper flows in the write line (up) and a write current Iw2 that flows downward in the paper flows to the write line (down).

書き込み線(up)に紙面左向きの書き込み電流Iw1が流れるとき、この書き込み電流Iw1により発生する磁場は、ギャップ1,3では、紙面表側から紙面裏側に向かう方向(下向き)となり、ギャップ2,4では、紙面裏側から紙面表側に向かう方向(上向き)となる。   When a write current Iw1 that flows leftward on the paper line flows in the write line (up), the magnetic field generated by the write current Iw1 is a direction (downward) from the front side to the back side of the paper in the gaps 1 and 3, and in the gaps 2 and 4. The direction is from the back side of the paper to the front side of the paper (upward).

また、書き込み線(down)に紙面下向きの書き込み電流Iw2が流れるとき、この書き込み電流Iw2により発生する磁場は、ギャップ1,4では、紙面裏側から紙面表側に向かう方向(上向き)となり、ギャップ2,3では、紙面表側から紙面裏側に向かう方向(下向き)となる。   When a write current Iw2 that flows downward on the writing line (down) flows in the writing line (down), the magnetic field generated by the writing current Iw2 is in the direction (upward) from the back side to the front side of the paper in the gaps 1 and 4; 3 is a direction (downward) from the front side to the back side.

従って、CASE 5では、ギャップ3に発生する磁場は、下向きの強い垂直磁場となり、ギャップ4に発生する磁場は、上向きの強い垂直磁場となる。また、残りのギャップ1,2に発生する磁場は、書き込み電流Iw1,Iw2により発生する磁場が互いに打ち消し合うため、零、又は、非常に弱い垂直磁場となる。   Therefore, in CASE 5, the magnetic field generated in the gap 3 is a downward strong vertical magnetic field, and the magnetic field generated in the gap 4 is an upward strong vertical magnetic field. The remaining magnetic fields generated in the gaps 1 and 2 are zero or very weak vertical magnetic fields because the magnetic fields generated by the write currents Iw1 and Iw2 cancel each other.

以上より、2本の書き込み線(up),(down)の交差部におけるヨーク材間のギャップ3,4に磁気抵抗効果素子を配置すれば、ギャップ3,4内の磁気抵抗効果素子に対してそれぞれデータを書き込むことができる。   As described above, if magnetoresistive elements are arranged in the gaps 3 and 4 between the yoke members at the intersections of the two write lines (up) and (down), the magnetoresistive elements in the gaps 3 and 4 can be compared. Each can write data.

CASE 5では、CASE 4と同様に、ギャップ3,4内の磁気抵抗効果素子をそれぞれリファレンスセルとして使用できる。   In CASE 5, as in CASE 4, the magnetoresistive elements in the gaps 3 and 4 can be used as reference cells, respectively.

(6) CASE 6
CASE 6では、CASE 4とCASE 5を組み合わせて使用する。
(6) CASE 6
In CASE 6, CASE 4 and CASE 5 are used in combination.

この場合、ギャップ3に発生する磁場が上向きのとき、ギャップ4に発生する磁場は下向きとなり(図3)、逆に、ギャップ3に発生する磁場が下向きのとき、ギャップ4に発生する磁場は上向きとなる(図4)。   In this case, when the magnetic field generated in the gap 3 is upward, the magnetic field generated in the gap 4 is downward (FIG. 3). Conversely, when the magnetic field generated in the gap 3 is downward, the magnetic field generated in the gap 4 is upward. (FIG. 4).

CASE 6では、ギャップ3内の磁気抵抗効果素子とギャップ4内の磁気抵抗効果素子には常に相補データが同時に記憶される。このため、例えば、一方をデータ記憶のためのデータセルとし、他方をリファレンスセルとして、読み出し安定性に優れた1ビット/2セルタイプのメモリセルを小面積で実現できる。   In CASE 6, complementary data is always stored in the magnetoresistive effect element in the gap 3 and the magnetoresistive effect element in the gap 4 at the same time. Therefore, for example, a 1-bit / 2-cell type memory cell excellent in read stability can be realized with a small area by using one as a data cell for data storage and the other as a reference cell.

また、これに代えて、ギャップ3,4内の2つの磁気抵抗効果素子をレファレンス電圧の生成に使用することもできる。   Alternatively, two magnetoresistive elements in the gaps 3 and 4 can be used to generate a reference voltage.

(7) CASE 7
CASE 7では、CASE 1, 2, 4, 5を組み合わせて使用する。
(7) CASE 7
In CASE 7, CASE 1, 2, 4, 5 are used in combination.

例えば、ギャップ1,3内に磁気抵抗効果素子を配置する場合、これら磁気抵抗効果素子に対して、それぞれ独立に2値データ(“0”/“1”)を書き込むことができる。   For example, when magnetoresistive elements are arranged in the gaps 1 and 3, binary data (“0” / “1”) can be independently written into these magnetoresistive elements.

即ち、ギャップ1内の磁気抵抗効果素子に対しては、CASE 1(図1)及びCASE 2(図2)を利用して、ギャップ3内の磁気抵抗効果素子とは独立に書き込みを実行できる。また、ギャップ3内の磁気抵抗効果素子に対しては、CASE 3(図3)及びCASE 4(図4)を利用して、ギャップ1内の磁気抵抗効果素子とは独立に書き込みを実行できる。   That is, for the magnetoresistive effect element in the gap 1, writing can be executed independently of the magnetoresistive effect element in the gap 3 by using CASE 1 (FIG. 1) and CASE 2 (FIG. 2). For the magnetoresistive effect element in the gap 3, writing can be executed independently of the magnetoresistive effect element in the gap 1 by using CASE 3 (FIG. 3) and CASE 4 (FIG. 4).

同様に、例えば、ギャップ2,4内に磁気抵抗効果素子を配置する場合、これら磁気抵抗効果素子に対しても、それぞれ独立に2値データを書き込むことができる。   Similarly, for example, when magnetoresistive elements are arranged in the gaps 2 and 4, binary data can be independently written to these magnetoresistive elements.

即ち、ギャップ2内の磁気抵抗効果素子に対しては、CASE 1(図1)及びCASE 2(図2)を利用して、ギャップ4内の磁気抵抗効果素子とは独立に書き込みを実行できる。また、ギャップ4内の磁気抵抗効果素子に対しては、CASE 3(図3)及びCASE 4(図4)を利用して、ギャップ2内の磁気抵抗効果素子とは独立に書き込みを実行できる。   That is, for the magnetoresistive effect element in the gap 2, writing can be executed independently of the magnetoresistive effect element in the gap 4 by using CASE 1 (FIG. 1) and CASE 2 (FIG. 2). For the magnetoresistive effect element in the gap 4, writing can be performed independently of the magnetoresistive effect element in the gap 2 by using CASE 3 (FIG. 3) and CASE 4 (FIG. 4).

(8) CASE 8
CASE 8では、CASE 1〜CASE 7の全てを組み合わせて使用する。
(8) CASE 8
In CASE 8, all of CASE 1 to CASE 7 are used in combination.

2本の書き込み線(up),(down)の交差部におけるヨーク材間の4つのギャップ1,2,3,4の全てに磁気抵抗効果素子を配置する。   Magnetoresistive elements are arranged in all four gaps 1, 2, 3, 4 between the yoke members at the intersections of the two write lines (up), (down).

この場合、1つの交差部には、1ビット/2セルタイプのメモリセルが2つ配置されることになる。つまり、1つの交差部に配置された4つの磁気抵抗効果素子により2ビットデータを記憶できる。   In this case, two 1-bit / 2-cell type memory cells are arranged at one intersection. That is, 2-bit data can be stored by four magnetoresistive elements arranged at one intersection.

2. 実施の形態
次に、最良と思われるいくつかの実施の形態について説明する。
2. Embodiment
Next, some preferred embodiments will be described.

(1) 回路例
図5は、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリの回路例を示している。
(1) Circuit example
FIG. 5 shows a circuit example of a magnetic random access memory according to the example of the present invention.

メモリセルアレイ10は、アレイ状に配置される複数のメモリセル11から構成される。また、メモリセル11は、例えば、直列接続される磁気抵抗効果素子12と選択素子13とから構成される。磁気抵抗効果素子12は、例えば、MTJ(magnetic tunnel junction)素子から構成され、選択素子13は、例えば、NチャネルMOSトランジスタから構成される。   The memory cell array 10 is composed of a plurality of memory cells 11 arranged in an array. The memory cell 11 includes, for example, a magnetoresistive effect element 12 and a selection element 13 connected in series. The magnetoresistive effect element 12 is composed of, for example, an MTJ (magnetic tunnel junction) element, and the selection element 13 is composed of, for example, an N-channel MOS transistor.

磁気抵抗効果素子12の一端は、例えば、カラム方向に延びる書き込みビット線(write bit line)14に接続される。書き込みビット線14の一端は、書き込みドライバ/シンカー15Aに接続され、その他端は、書き込みドライバ/シンカー15B接続される。   One end of the magnetoresistive element 12 is connected to, for example, a write bit line 14 extending in the column direction. One end of the write bit line 14 is connected to the write driver / sinker 15A, and the other end is connected to the write driver / sinker 15B.

書き込みドライバ/シンカー15A,15Bは、デコーダ機能を有し、書き込み時に、メモリセルアレイ10内の1つのカラムを選択する。また、書き込みドライバ/シンカー15A,15Bは、書き込み電流の発生/遮断を制御すると共に、書き込みデータの値に応じて書き込みビット線14に流れる書き込み電流の向きを決定する。   The write drivers / sinkers 15A and 15B have a decoder function and select one column in the memory cell array 10 at the time of writing. The write drivers / sinkers 15A and 15B control the generation / cutoff of the write current and determine the direction of the write current flowing through the write bit line 14 according to the value of the write data.

書き込みビット線14は、読み出しビット線としても機能する。   The write bit line 14 also functions as a read bit line.

書き込みビット線14の他端は、選択素子20を経由して、センスアンプ21に接続される。   The other end of the write bit line 14 is connected to the sense amplifier 21 via the selection element 20.

選択素子20は、例えば、NチャネルMOSトランジスタから構成される。選択素子20としてのNチャネルMOSトランジスタのゲートには、読み出し時に、メモリセルアレイ10内の1つのカラムを選択するためのカラム選択信号φCSLが入力される。   The selection element 20 is composed of, for example, an N channel MOS transistor. A column selection signal φCSL for selecting one column in the memory cell array 10 is input to the gate of the N-channel MOS transistor as the selection element 20 at the time of reading.

センスアンプ21は、例えば、差動増幅器から構成され、リファレンス電圧Vrefに基づいて、選択されたメモリセル11から読み出されるデータの値を判定し、出力信号Voutを出力する。   The sense amplifier 21 is composed of, for example, a differential amplifier, determines the value of data read from the selected memory cell 11 based on the reference voltage Vref, and outputs an output signal Vout.

磁気抵抗効果素子12の近傍には、例えば、ロウ方向に延びる書き込みワード線(write word line)16が配置される。書き込みワード線16の一端は、書き込みドライバ/シンカー17Aに接続され、その他端は、書き込みドライバ/シンカー17B接続される。   In the vicinity of the magnetoresistive effect element 12, for example, a write word line 16 extending in the row direction is disposed. One end of the write word line 16 is connected to the write driver / sinker 17A, and the other end is connected to the write driver / sinker 17B.

書き込みドライバ/シンカー17A,17Bは、デコーダ機能を有し、書き込み時に、メモリセルアレイ10内の1つのロウを選択する。また、書き込みドライバ/シンカー17A,17Bは、書き込み電流の発生/遮断を制御すると共に、書き込みデータの値に応じて書き込みワード線16に流れる書き込み電流の向きを決定する。   The write drivers / sinkers 17A and 17B have a decoder function and select one row in the memory cell array 10 at the time of writing. The write drivers / sinkers 17A and 17B control the generation / cutoff of the write current and determine the direction of the write current flowing in the write word line 16 according to the value of the write data.

磁気抵抗効果素子12の磁化方向は、書き込みビット線14に流れる書き込み電流により発生する磁場と、書き込みワード線16に流れる書き込み電流により発生する磁場との合成磁場により決定される。   The magnetization direction of the magnetoresistive effect element 12 is determined by the combined magnetic field of the magnetic field generated by the write current flowing through the write bit line 14 and the magnetic field generated by the write current flowing through the write word line 16.

磁気抵抗効果素子12の他端は、選択素子13を経由して、例えば、接地端子Vssに接続される。   The other end of the magnetoresistive effect element 12 is connected to, for example, the ground terminal Vss via the selection element 13.

選択素子13としてのNチャネルMOSトランジスタのゲートは、読み出しワード線18に接続される。読み出しワード線18は、例えば、ロウ方向に延び、その一端は、読み出し時にメモリセルアレイ10内の1つのロウを選択するためのロウデコーダ19に接続される。   The gate of the N channel MOS transistor as the selection element 13 is connected to the read word line 18. For example, the read word line 18 extends in the row direction, and one end thereof is connected to a row decoder 19 for selecting one row in the memory cell array 10 at the time of reading.

(2) メモリセルの例
図6は、図5のメモリセル11のデバイス構造の例を示している。図7は、図6のVII−VII線に沿う断面図である。
(2) Memory cell example
FIG. 6 shows an example of the device structure of the memory cell 11 of FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG.

P型シリコン基板 (P-sub)22A内には、N型ウェル領域 (N-well)22B及びP型ウェル領域 (P-well)22Cからなるダブルウェル領域が形成される。   A double well region including an N type well region (N-well) 22B and a P type well region (P-well) 22C is formed in the P type silicon substrate (P-sub) 22A.

P型ウェル領域22C内には、STI(shallow trench isolation)構造の素子分離層23が形成される。素子分離層23により取り囲まれた素子領域内には、選択素子13としてのNチャネルMOSトランジスタが形成される。   An element isolation layer 23 having an STI (shallow trench isolation) structure is formed in the P-type well region 22C. In the element region surrounded by the element isolation layer 23, an N channel MOS transistor as the selection element 13 is formed.

NチャネルMOSトランジスタは、P型ウェル領域22C内のソース/ドレイン領域24A,24Bと、ソース/ドレイン領域24A,24B間のチャネル領域上のゲート電極25とから構成される。ゲート電極25は、読み出しワード線18に接続される。   The N-channel MOS transistor includes source / drain regions 24A and 24B in the P-type well region 22C and a gate electrode 25 on the channel region between the source / drain regions 24A and 24B. The gate electrode 25 is connected to the read word line 18.

ソース/ドレイン領域24B上には、コンタクトプラグ26,28及び中間層27A,27Bが形成される。   Contact plugs 26 and 28 and intermediate layers 27A and 27B are formed on the source / drain region 24B.

磁気抵抗効果素子(MTJ)12は、下部電極29上に配置される。下部電極29は、コンタクトプラグ26,28及び中間層27A,27Bを経由して、ソース/ドレイン領域24Bに電気的に接続される。   The magnetoresistive effect element (MTJ) 12 is disposed on the lower electrode 29. The lower electrode 29 is electrically connected to the source / drain region 24B via the contact plugs 26 and 28 and the intermediate layers 27A and 27B.

書き込みビット線14は、カラム方向に延び、例えば、Al, Cuなどの金属からなる導電線14Aと、その導電線14Aを取り囲むヨーク材(軟磁性材料)14Bとから構成される。   The write bit line 14 extends in the column direction and includes, for example, a conductive line 14A made of a metal such as Al or Cu, and a yoke material (soft magnetic material) 14B surrounding the conductive line 14A.

また、書き込みワード線16は、ロウ方向に延び、例えば、Al, Cuなどの金属からなる導電線16Aと、その導電線16Aを取り囲むヨーク材16Bとから構成される。   The write word line 16 extends in the row direction, and includes a conductive line 16A made of a metal such as Al or Cu, and a yoke material 16B surrounding the conductive line 16A.

ヨーク材14Bは、導電線14Aの側面及び上面を覆い、ヨーク材16Bは、導電線16Aの側面及び下面を覆う。ヨーク材14B,16Bは、書き込みビット線14及び書き込みワード線16に流れる書き込み電流により発生する磁力線を収束させる機能を有する。   The yoke material 14B covers the side surface and the upper surface of the conductive wire 14A, and the yoke material 16B covers the side surface and the lower surface of the conductive wire 16A. The yoke members 14B and 16B have a function of converging the lines of magnetic force generated by the write current flowing through the write bit line 14 and the write word line 16.

ヨーク材14B,16Bの間には、収束された磁力線の通り道となる4つのギャップが形成される。磁気抵抗効果素子12は、これら4つのギャップのうちの1つ内に配置され、例えば、導電材料からなるキャップ層30を経由して、書き込みビット線14に接続される。   Between the yoke members 14B and 16B, four gaps are formed that serve as paths for the converged magnetic field lines. The magnetoresistive effect element 12 is disposed in one of these four gaps, and is connected to the write bit line 14 via a cap layer 30 made of, for example, a conductive material.

磁気抵抗効果素子12の平面形状は、単純な形状、例えば、円形に設定される。また、磁気抵抗効果素子12は、少なくともその中心部がヨーク材14B,16Bの間のギャップ内に存在するようにレイアウトされる。   The planar shape of the magnetoresistive effect element 12 is set to a simple shape, for example, a circle. Further, the magnetoresistive effect element 12 is laid out so that at least its central portion exists in the gap between the yoke members 14B and 16B.

磁気抵抗効果素子12の磁気フリー層(magnetic free layer)及び磁気固着層(magnetic pinned layer)は、それぞれ、磁化方向が膜面に垂直な厚さ方向となる強磁性膜(垂直磁化膜)から構成される。   The magnetic free layer and the magnetic pinned layer of the magnetoresistive effect element 12 are each composed of a ferromagnetic film (perpendicular magnetization film) whose magnetization direction is a thickness direction perpendicular to the film surface. Is done.

磁気フリー層の磁化方向(上向き/下向き)は、書き込みビット線14及び書き込みワード線16に流れる書き込み電流により発生する磁場(電流磁場)により変化させることができる。   The magnetization direction (upward / downward) of the magnetic free layer can be changed by a magnetic field (current magnetic field) generated by a write current flowing through the write bit line 14 and the write word line 16.

(3) 磁気抵抗効果素子の例
磁気抵抗効果素子の例について説明する。
(3) Example of magnetoresistance effect element
An example of a magnetoresistive element will be described.

図8は、磁気抵抗効果素子の第1例を示している。
第1例では、磁気抵抗効果素子12は、磁気フリー層、トンネルバリア層、磁気固着層及び反強磁性層(anti-ferromagnetic layer: AF)により構成される。
FIG. 8 shows a first example of a magnetoresistive effect element.
In the first example, the magnetoresistive effect element 12 includes a magnetic free layer, a tunnel barrier layer, a magnetic pinned layer, and an anti-ferromagnetic layer (AF).

同図(a)のボトムピンタイプでは、シリコン基板上に反強磁性層(pin layer)が形成され、反強磁性層上に磁気固着層(pinned layer)が形成され、磁気固着層上にトンネルバリア層(tunneling barrier layer)が形成され、トンネルバリア層上に磁気フリー層が形成される。   In the bottom pin type of FIG. 5A, an antiferromagnetic layer (pin layer) is formed on a silicon substrate, a magnetic pinned layer is formed on the antiferromagnetic layer, and a tunnel is formed on the magnetic pinned layer. A barrier layer (tunneling barrier layer) is formed, and a magnetic free layer is formed on the tunnel barrier layer.

同図(b)のトップピンタイプでは、シリコン基板上に磁気フリー層が形成され、磁気フリー層上にトンネルバリア層が形成され、トンネルバリア層上に磁気固着層が形成され、磁気固着層上に反強磁性層が形成される。   In the top pin type of FIG. 4B, a magnetic free layer is formed on a silicon substrate, a tunnel barrier layer is formed on the magnetic free layer, a magnetic pinned layer is formed on the tunnel barrier layer, and the magnetic pinned layer is formed on the magnetic pinned layer. Thus, an antiferromagnetic layer is formed.

磁気固着層の磁化方向は、反強磁性層により上向き又は下向きに固着され、磁気フリー層の磁化方向は、電流磁場に応じて上向き又は下向きに変化する。   The magnetization direction of the magnetic pinned layer is pinned upward or downward by the antiferromagnetic layer, and the magnetization direction of the magnetic free layer changes upward or downward depending on the current magnetic field.

図9は、磁気抵抗効果素子の第2例を示している。
第2例は、第1例と比べると、磁気抵抗効果素子12の磁気フリー層が、SAF(synthetic anti-ferromagnetic)構造を有している点が異なっている。
FIG. 9 shows a second example of the magnetoresistive effect element.
The second example is different from the first example in that the magnetic free layer of the magnetoresistive effect element 12 has a SAF (synthetic anti-ferromagnetic) structure.

このため、磁気フリー層は、第1フリー層(強磁性層)、第2フリー層(強磁性層)及びこれらの間の非磁性層(non-magnetic layer)から構成される。第1及び第2フリー層は、例えば、互いに反強磁性結合している。   Therefore, the magnetic free layer includes a first free layer (ferromagnetic layer), a second free layer (ferromagnetic layer), and a non-magnetic layer between them. For example, the first and second free layers are antiferromagnetically coupled to each other.

同図(a)のSAFタイプ磁気抵抗効果素子は、図8(a)のボトムピンタイプに対応し、同図(b)のSAFタイプ磁気抵抗効果素子は、図8(b)のトップピンタイプに対応している。   8A corresponds to the bottom pin type of FIG. 8A, and the SAF type magnetoresistive element of FIG. 8B corresponds to the top pin type of FIG. It corresponds to.

図10は、磁気抵抗効果素子の第3例を示している。
第3例は、磁気抵抗効果素子の平面形状に関する。
FIG. 10 shows a third example of the magnetoresistive effect element.
The third example relates to the planar shape of the magnetoresistive effect element.

本発明の例では、磁気抵抗効果素子は、互いに交差する2本の書き込み線を覆うヨーク材の交差部におけるギャップ内に配置される。   In the example of the present invention, the magnetoresistive effect element is disposed in the gap at the intersecting portion of the yoke material covering the two write lines intersecting each other.

このため、同図に示すように、磁気抵抗効果素子12の平面形状としては、円形(同図(a))、四角形(同図(b))、十字形(同図(c))などの単純な形状を採用することができる。   Therefore, as shown in the figure, the magnetoresistive effect element 12 has a planar shape such as a circle (Fig. (A)), a square (Fig. (B)), a cross (Fig. (C)), etc. A simple shape can be adopted.

ここで、磁気抵抗効果素子12は、少なくともその中心部がヨーク材間のギャップ内に存在するようにレイアウトされる。   Here, the magnetoresistive effect element 12 is laid out so that at least the center thereof exists in the gap between the yoke materials.

(4) 動作
図5乃至図10の磁気ランダムアクセスメモリの動作について説明する。
(4) Operation
The operation of the magnetic random access memory shown in FIGS. 5 to 10 will be described.

書き込みは、選択されたメモリセル11内の書き込みビット線14及び書き込みワード線16に流れる書き込み電流の向きを制御することにより行う。   Writing is performed by controlling the direction of the write current flowing in the write bit line 14 and the write word line 16 in the selected memory cell 11.

まず、ドライバ/シンカー15A,15Bを用いて、選択されたカラム内の書き込みビット線14に書き込み電流を流し、ドライバ/シンカー17A,17Bを用いて、選択されたロウ内の書き込みワード線16に書き込み電流を流す。   First, a write current is supplied to the write bit line 14 in the selected column using the drivers / sinkers 15A and 15B, and writing is performed on the write word line 16 in the selected row using the drivers / sinkers 17A and 17B. Apply current.

“0”−書き込みでは、例えば、ドライバ/シンカー15Aからドライバ/シンカー15Bに向かう方向に書き込み電流を流し、ドライバ/シンカー17Aからドライバ/シンカー17Bに向かう方向に書き込み電流を流す。   In “0” -writing, for example, a write current is passed in the direction from the driver / sinker 15A toward the driver / sinker 15B, and the write current is caused to flow in the direction from the driver / sinker 17A toward the driver / sinker 17B.

この時、例えば、図7の断面図において、書き込みビット線14及び書き込みワード線16には、紙面の裏側から表側に向かう書き込み電流が流れ、軟磁性材料14B,16B間のギャップ内に配置される磁気抵抗効果素子12の磁気フリー層の磁化方向が上向きに変化する。   At this time, for example, in the cross-sectional view of FIG. 7, a write current flows from the back side to the front side of the drawing on the write bit line 14 and the write word line 16 and is arranged in the gap between the soft magnetic materials 14B and 16B. The magnetization direction of the magnetic free layer of the magnetoresistive effect element 12 changes upward.

これにより、磁気抵抗効果素子12の磁気フリー層の磁化方向と磁気固着層の磁化方向は、例えば、共に上向き(パラレル状態)となり、“0”−書き込みが完了する。   Thereby, for example, the magnetization direction of the magnetic free layer and the magnetization direction of the magnetic pinned layer of the magnetoresistive element 12 are both upward (parallel state), and “0” -writing is completed.

“1”−書き込みでは、例えば、ドライバ/シンカー15Bからドライバ/シンカー15Aに向かう方向に書き込み電流を流し、ドライバ/シンカー17Bからドライバ/シンカー17Aに向かう方向に書き込み電流を流す。   In “1” -write, for example, a write current is supplied in the direction from the driver / sinker 15B to the driver / sinker 15A, and the write current is supplied in the direction from the driver / sinker 17B to the driver / sinker 17A.

この時、例えば、図7の断面図において、書き込みビット線14及び書き込みワード線16には、紙面の表側から裏側に向かう書き込み電流が流れ、軟磁性材料14B,16B間のギャップ内に配置される磁気抵抗効果素子12の磁気フリー層の磁化方向が下向きに変化する。   At this time, for example, in the cross-sectional view of FIG. 7, a write current flows from the front side to the back side of the drawing on the write bit line 14 and the write word line 16 and is arranged in the gap between the soft magnetic materials 14B and 16B. The magnetization direction of the magnetic free layer of the magnetoresistive effect element 12 changes downward.

これにより、磁気抵抗効果素子12の磁気フリー層の磁化方向は下向き、磁気固着層の磁化方向は上向き(アンチパラレル状態)となり、“1”−書き込みが完了する。   As a result, the magnetization direction of the magnetic free layer of the magnetoresistive effect element 12 is directed downward, and the magnetization direction of the magnetic pinned layer is directed upward (anti-parallel state), thereby completing “1” -writing.

読み出しは、磁気抵抗効果素子12に読み出し電流を流し、磁気抵抗効果素子12の抵抗値をセンスアンプ21により検出することにより行う。   Reading is performed by flowing a read current through the magnetoresistive effect element 12 and detecting the resistance value of the magnetoresistive effect element 12 by the sense amplifier 21.

まず、ロウデコーダ19を用いて、選択されたロウ内の読み出しワード線18を“H”にし、メモリセル11内の選択素子13をオンにする。次に、カラム選択信号φCSLによりカラムを選択し、センスアンプ21から書き込みビット線(読み出しビット線)14を経由してメモリセル11に向かう読み出し電流を流す。   First, using the row decoder 19, the read word line 18 in the selected row is set to “H”, and the selection element 13 in the memory cell 11 is turned on. Next, a column is selected by the column selection signal φCSL, and a read current is sent from the sense amplifier 21 to the memory cell 11 via the write bit line (read bit line) 14.

“0”−読み出しでは、磁気抵抗効果素子12は、パラレル状態にあり、その抵抗値は低い状態にあるため、例えば、磁気抵抗効果素子12に読み出し電流を流すと、センスアンプ21の入力電圧Vinは、リファレンス電圧Vrefよりも小さくなる。   In “0” -reading, the magnetoresistive effect element 12 is in a parallel state and its resistance value is low. For example, when a read current is passed through the magnetoresistive effect element 12, the input voltage Vin of the sense amplifier 21. Becomes smaller than the reference voltage Vref.

これにより、選択されたメモリセル11内の磁気抵抗効果素子12がパラレル状態にあることが検出される。   Thereby, it is detected that the magnetoresistive effect element 12 in the selected memory cell 11 is in a parallel state.

“1”−読み出しでは、磁気抵抗効果素子12は、アンチパラレル状態にあり、その抵抗値は高い状態にあるため、例えば、磁気抵抗効果素子12に読み出し電流を流すと、センスアンプ21の入力電圧Vinは、リファレンス電圧Vrefよりも大きくなる。   In “1” -reading, the magnetoresistive effect element 12 is in an anti-parallel state and its resistance value is high. For example, when a read current is passed through the magnetoresistive effect element 12, the input voltage of the sense amplifier 21 Vin becomes larger than the reference voltage Vref.

これにより、選択されたメモリセル11内の磁気抵抗効果素子12がアンチパラレル状態にあることが検出される。   Thereby, it is detected that the magnetoresistive effect element 12 in the selected memory cell 11 is in the anti-parallel state.

(5) 変形例
次に、図7のデバイス構造の変形例を説明する。
(5) Modification
Next, a modification of the device structure of FIG. 7 will be described.

図11は、第1変形例を示している。
第1変形例は、図7の例と比べると、磁気抵抗効果素子12の下部に書き込みビット線14が配置され、磁気抵抗効果素子12の上部に書き込みワード線16が配置されている点が異なる。
FIG. 11 shows a first modification.
The first modification is different from the example of FIG. 7 in that the write bit line 14 is disposed below the magnetoresistive effect element 12 and the write word line 16 is disposed above the magnetoresistive effect element 12. .

この場合、磁気抵抗効果素子12は、導電材料からなるキャップ層30を経由して、書き込みビット線14に接続される。   In this case, the magnetoresistive effect element 12 is connected to the write bit line 14 via the cap layer 30 made of a conductive material.

このように、書き込みビット線14と書き込みワード線16との位置関係を逆にすることもできる。   Thus, the positional relationship between the write bit line 14 and the write word line 16 can be reversed.

図12は、第2変形例を示している。
第2変形例は、図7の例と比べると、導電線14A,16Aを取り囲むヨーク材14B,16Bがツノ構造を有している点が異なる。
FIG. 12 shows a second modification.
The second modification is different from the example in FIG. 7 in that the yoke members 14B and 16B surrounding the conductive wires 14A and 16A have a horn structure.

即ち、ヨーク材14Bは、導電線14Aの下面よりも下に突出し、ヨーク材16Bは、導電線16Aの上面よりも上に突出している。   That is, the yoke material 14B protrudes below the lower surface of the conductive wire 14A, and the yoke material 16B protrudes above the upper surface of the conductive wire 16A.

このようなツノ構造を採用することにより、電流磁場をさらに効率的に磁気抵抗効果素子12に印加できる。   By adopting such a horn structure, a current magnetic field can be applied to the magnetoresistive effect element 12 more efficiently.

その他の変形例として、例えば、センスアンプを書き込みワード線に接続することもできる。この場合には、磁気抵抗効果素子の一端は、書き込みビット線ではなく、書き込みワード線に接続される。   As another modification, for example, a sense amplifier can be connected to a write word line. In this case, one end of the magnetoresistive effect element is connected not to the write bit line but to the write word line.

3. 応用例
本発明の例の磁気ランダムアクセスメモリの応用例について説明する。
3. Application examples
An application example of the magnetic random access memory of the example of the present invention will be described.

(1) 第1応用例
図13は、第1応用例を示している。
(1) First application example
FIG. 13 shows a first application example.

第1応用例は、書き込み原理のCASE 8が適用される磁気ランダムアクセスメモリに関する。   The first application example relates to a magnetic random access memory to which CASE 8 of the write principle is applied.

書き込みビット線14と書き込みワード線16との交差部には、ヨーク材14B,16Bの4つのギャップが形成され、これら4つのギャップ内には、それぞれ磁気抵抗効果素子12(R1),12(R2),12(L1),12(L2)が配置される。   Four gaps of yoke materials 14B and 16B are formed at the intersection between the write bit line 14 and the write word line 16, and the magnetoresistive effect elements 12 (R1) and 12 (R2) are respectively formed in these four gaps. ), 12 (L1), 12 (L2).

磁気抵抗効果素子12(R1),12(L1)は、ペアとなり、これら2つの磁気抵抗効果素子12(R1),12(L1)で1ビットデータを記憶する。即ち、磁気抵抗効果素子12(R1),12(L1)の一方がデータセルとして使用され、他方がリファレンスセルとして使用される。   The magnetoresistive effect elements 12 (R1) and 12 (L1) form a pair, and the two magnetoresistive effect elements 12 (R1) and 12 (L1) store 1-bit data. That is, one of the magnetoresistive effect elements 12 (R1) and 12 (L1) is used as a data cell, and the other is used as a reference cell.

同様に、磁気抵抗効果素子12(R2),12(L2)は、ペアとなり、これら2つの磁気抵抗効果素子12(R2),12(L2)で1ビットデータを記憶する。即ち、磁気抵抗効果素子12(R2),12(L2)の一方がデータセルとして使用され、他方がリファレンスセルとして使用される。   Similarly, the magnetoresistive effect elements 12 (R2) and 12 (L2) form a pair, and the two magnetoresistive effect elements 12 (R2) and 12 (L2) store 1-bit data. That is, one of the magnetoresistive effect elements 12 (R2) and 12 (L2) is used as a data cell, and the other is used as a reference cell.

磁気抵抗効果素子12(R1),12(R2),12(L1),12(L2)の一端は、共通に書き込みビット線14に接続される。   One ends of the magnetoresistive effect elements 12 (R1), 12 (R2), 12 (L1), and 12 (L2) are connected to the write bit line 14 in common.

磁気抵抗効果素子12(R1)の他端は、下部電極29(R1)及び選択素子13(R1)としてのNチャネルMOSトランジスタを経由して接地点に接続される。選択素子13(R1)としてのNチャネルMOSトランジスタのゲートは、読み出しワード線18(R1)に接続される。   The other end of the magnetoresistive effect element 12 (R1) is connected to a ground point via an N channel MOS transistor as the lower electrode 29 (R1) and the selection element 13 (R1). The gate of the N channel MOS transistor as the selection element 13 (R1) is connected to the read word line 18 (R1).

また、磁気抵抗効果素子12(L1)の他端は、下部電極29(L1)及び選択素子13(L1)としてのNチャネルMOSトランジスタを経由して接地点に接続される。選択素子13(L1)としてのNチャネルMOSトランジスタのゲートは、読み出しワード線18(L1)に接続される。   The other end of the magnetoresistive effect element 12 (L1) is connected to a ground point via an N channel MOS transistor as the lower electrode 29 (L1) and the selection element 13 (L1). The gate of the N-channel MOS transistor as the selection element 13 (L1) is connected to the read word line 18 (L1).

同様に、磁気抵抗効果素子12(R2)の他端は、下部電極29(R2)及び選択素子13(R2)としてのNチャネルMOSトランジスタを経由して接地点に接続される。選択素子13(R2)としてのNチャネルMOSトランジスタのゲートは、読み出しワード線18(R2)に接続される。   Similarly, the other end of the magnetoresistive effect element 12 (R2) is connected to the ground point via the lower electrode 29 (R2) and an N-channel MOS transistor as the selection element 13 (R2). The gate of the N channel MOS transistor as the selection element 13 (R2) is connected to the read word line 18 (R2).

また、磁気抵抗効果素子12(L2)の他端は、下部電極29(L2)及び選択素子13(L2)としてのNチャネルMOSトランジスタを経由して接地点に接続される。選択素子13(L2)としてのNチャネルMOSトランジスタのゲートは、読み出しワード線18(L2)に接続される。   The other end of the magnetoresistive effect element 12 (L2) is connected to the ground point via the lower electrode 29 (L2) and an N-channel MOS transistor as the selection element 13 (L2). The gate of the N channel MOS transistor as the selection element 13 (L2) is connected to the read word line 18 (L2).

(2) 第2応用例
図14は、第2応用例を示している。
(2) Second application example
FIG. 14 shows a second application example.

第2応用例は、第1応用例において磁気抵抗効果素子12(R1),12(R2),12(L1),12(L2)の平面形状を十字形にした点に特徴を有する。   The second application example is characterized in that the planar shape of the magnetoresistive effect elements 12 (R1), 12 (R2), 12 (L1), and 12 (L2) in the first application example is a cross shape.

ここで、磁気抵抗効果素子12(R1),12(R2),12(L1),12(L2)は、その形状(十字形)が、ヨーク材14B,16Bにより構成される十字形に合致するようにレイアウトされる。   Here, the magnetoresistive effect elements 12 (R1), 12 (R2), 12 (L1), and 12 (L2) have a shape (cross shape) that matches a cross shape constituted by the yoke members 14B and 16B. Is laid out.

この場合、書き込みビット線14と書き込みワード線16との交差部における磁場強度分布の磁場強度が強い部分に合わせて磁気抵抗効果素子12(R1),12(R2),12(L1),12(L2)を配置できるため、書き込み効率が向上する。   In this case, the magnetoresistive elements 12 (R1), 12 (R2), 12 (L1), 12 (in accordance with the portion where the magnetic field strength of the magnetic field strength distribution at the intersection of the write bit line 14 and the write word line 16 is strong. Since L2) can be arranged, the writing efficiency is improved.

(3) 第3応用例
図15は、第3応用例を示している。
(3) Third application example
FIG. 15 shows a third application example.

第3応用例は、書き込み原理のCASE 3又はCASE 6が適用される磁気ランダムアクセスメモリに関する。   The third application example relates to a magnetic random access memory to which CASE 3 or CASE 6 of the write principle is applied.

書き込みビット線14と書き込みワード線16との交差部には、ヨーク材14B,16Bの4つのギャップが形成され、これら4つのギャップのうち交差部における対角線上に存在する2つのギャップ内には、それぞれ磁気抵抗効果素子12(R),12(L)が配置される。   Four gaps of yoke materials 14B and 16B are formed at the intersection of the write bit line 14 and the write word line 16, and two gaps existing on the diagonal line at the intersection of these four gaps are Magnetoresistive elements 12 (R) and 12 (L) are arranged, respectively.

磁気抵抗効果素子12(R),12(L)は、ペアとなり、これら2つの磁気抵抗効果素子12(R),12(L)で1ビットデータを記憶する。即ち、磁気抵抗効果素子12(R),12(L)の一方がデータセルとして使用され、他方がリファレンスセルとして使用される。   The magnetoresistive effect elements 12 (R) and 12 (L) form a pair, and the two magnetoresistive effect elements 12 (R) and 12 (L) store 1-bit data. That is, one of the magnetoresistive elements 12 (R) and 12 (L) is used as a data cell, and the other is used as a reference cell.

また、これに代えて、磁気抵抗効果素子12(R),12(L)は、共にデータを読み出すとこのレファレンス電圧を生成するために使用することもできる。   Alternatively, the magnetoresistive elements 12 (R) and 12 (L) can both be used to generate this reference voltage when data is read out.

例えば、読み出し時に、レファレンスビット線としての書き込みビット線と接地点との間に磁気抵抗効果素子12(R),12(L)が並列接続されるようにすれば、レファレンスビット線に“0”−データと“1”−データの中間電圧としてのレファレンス電圧を発生させることができる。   For example, when the magnetoresistive effect elements 12 (R) and 12 (L) are connected in parallel between a write bit line as a reference bit line and a ground point at the time of reading, “0” is applied to the reference bit line. It is possible to generate a reference voltage as an intermediate voltage between data and “1” -data.

(4) 第4応用例
図16は、第4応用例を示している。
(4) Fourth application example
FIG. 16 shows a fourth application example.

第4応用例は、書き込み原理のCASE 7が適用される磁気ランダムアクセスメモリに関する。   The fourth application example relates to a magnetic random access memory to which CASE 7 of the write principle is applied.

書き込みビット線14と書き込みワード線16との交差部には、ヨーク材14B,16Bの4つのギャップが形成され、これら4つのギャップのうちカラム方向に隣り合う2つのギャップ内には、それぞれ磁気抵抗効果素子12(R),12(L)が配置される。   Four gaps of yoke materials 14B and 16B are formed at the intersection of the write bit line 14 and the write word line 16, and two of these four gaps adjacent to each other in the column direction are respectively magnetoresistive. Effect elements 12 (R) and 12 (L) are arranged.

磁気抵抗効果素子12(R),12(L)には、それぞれ独立にデータが書き込まれる。即ち、磁気抵抗効果素子12(R),12(L)のそれぞれをデータセルとして使用する。   Data is independently written in the magnetoresistive elements 12 (R) and 12 (L). That is, each of the magnetoresistive effect elements 12 (R) and 12 (L) is used as a data cell.

尚、磁気抵抗効果素子12(R),12(L)は、それぞれ交差部においてロウ方向に隣り合う2つのギャップ内に配置してもよい。   In addition, you may arrange | position the magnetoresistive effect elements 12 (R) and 12 (L) in two gaps adjacent to each other at the intersection in the row direction.

(5) 第5応用例
図17は、第5応用例を示している。
(5) Fifth application example
FIG. 17 shows a fifth application example.

第5応用例は、第3応用例の変形例である。   The fifth application example is a modification of the third application example.

第5応用例の特徴は、下部電極29(L),29(R)のレイアウトにあり、その他の点については、第3応用例と同じである。   The feature of the fifth application example is the layout of the lower electrodes 29 (L) and 29 (R), and the other points are the same as those of the third application example.

即ち、下部電極29(L),29(R)は、その長軸が、書き込みビット線14が延びる方向に平行となるように配置される。また、書き込みワード線16が書き込みビット線14よりも上に配置される場合には、下部電極29(L),29(R)の長軸が、書き込みワード線16が延びる方向に平行となるように配置してもよい。   That is, the lower electrodes 29 (L) and 29 (R) are arranged so that their long axes are parallel to the direction in which the write bit line 14 extends. When the write word line 16 is disposed above the write bit line 14, the major axes of the lower electrodes 29 (L) and 29 (R) are parallel to the direction in which the write word line 16 extends. You may arrange in.

第5応用例は、図6に示す実施の形態や、図16に示す第4応用例などにも適用できる。また、下部電極同士が接触しないことを条件に、図13及び図14に示す第1及び第2応用例にも適用できる。   The fifth application example can be applied to the embodiment shown in FIG. 6, the fourth application example shown in FIG. Moreover, it is applicable also to the 1st and 2nd application example shown in FIG.13 and FIG.14 on the condition that lower electrodes do not contact.

下部電極29(L),29(R)を引き出す方向については、書き込みビット線14又は書き込みワード線16に対して、0°(平行)〜90°(垂直)の範囲内で自由に選択できる。   The direction in which the lower electrodes 29 (L) and 29 (R) are drawn out can be freely selected within a range of 0 ° (parallel) to 90 ° (vertical) with respect to the write bit line 14 or the write word line 16.

4. 材料
(1) 垂直磁化膜(フリー層、ピン層)は、以下の材料により構成される。
4). material
(1) The perpendicular magnetization film (free layer, pinned layer) is made of the following materials.

[A] 1×106 erg/cc以上の磁気異方性エネルギー密度で高い保磁力を持つ磁性材料
・ 例1
Fe(鉄), Co(コバルト), Ni(ニッケル)のうち少なくとも1つの元素と、Cr(クロム), Pt(白金) ,Pd(パラジウム)のうち少なくとも1つの元素とを含む合金
この合金には、規則合金と不規則合金の双方が含まれる。規則合金としては、Fe(50)Pt(50), Fe(50)Pd(50), Co(50)Pt(50)などがあり(括弧内の数字は割合)、不規則合金としては、CoCr合金, CoPt合金, CoCrPt合金, CoCrPtTa合金, CoCrNb合金などがある。
[A] Magnetic material with high coercive force and magnetic anisotropy energy density of 1 × 10 6 erg / cc or more-Example 1
An alloy containing at least one element of Fe (iron), Co (cobalt), and Ni (nickel) and at least one element of Cr (chromium), Pt (platinum), and Pd (palladium)
This alloy includes both ordered alloys and irregular alloys. Examples of ordered alloys include Fe (50) Pt (50), Fe (50) Pd (50), Co (50) Pt (50) (numbers in parentheses are percentages), and irregular alloys include CoCr There are alloys, CoPt alloys, CoCrPt alloys, CoCrPtTa alloys, CoCrNb alloys and so on.

・ 例2
Fe, Co, Ni のうち少なくとも1つの元素又はその元素を含む合金と、Pt ,Pd のうち1つの元素又はその元素を含む合金とが交互に積み重ねられた構造
この構造には、例えば、Co/Pt人工格子、Co/Pd人工格子、CoCr/Pt人工格子などが含まれる。
・ Example 2
A structure in which at least one element of Fe, Co, Ni or an alloy containing the element and an alloy containing one element of Pt or Pd or an alloy containing the element are alternately stacked.
Examples of this structure include a Co / Pt artificial lattice, a Co / Pd artificial lattice, and a CoCr / Pt artificial lattice.

・ 例3
希土類金属のうち少なくとも1つの元素、例えば、Tb(テルビウム), Dy(ジスプロシウム), Gd(ガドリニウム)と、遷移金属のうち少なくとも1つの元素とからなるアモルファス合金
例えば、TbFe, TbCo, TbFeCo, DyTbFeCo, GdTbCoなどがある。
・ Example 3
An amorphous alloy comprising at least one element of rare earth metals, for example, Tb (terbium), Dy (dysprosium), Gd (gadolinium) and at least one element of transition metals
For example, there are TbFe, TbCo, TbFeCo, DyTbFeCo, GdTbCo and the like.

[B] [A]に示す材料について、組成比及び厚さの調整、不純物の添加などを行った磁性材料
・ 例1
Fe, Co, Niのうち少なくとも1つの元素と、Cr, Pt ,Pdのうち少なくとも1つの元素とを含む合金に、Cu, Ag, Cr, B, V, Ta, Nb, SiO2, MgO, TiNなどの不純物元素、その合金又は化合物を加えたもの
例えば、規則合金としてのFe(50)Pt(50), Fe(50)Pd(50), Co(50)Pt(50)などの材料に、Cu、Cr、Agなどの不純物を加えると、磁気異方性エネルギー密度が低下する。また、不規則合金としてのCoCr合金, CoPt合金, CoCrPt合金, CoCrPtTa合金, CoCrNb合金などの材料の非磁性元素の割合を増やすと、磁気異方性エネルギー密度が低下する。
[B] Magnetic material obtained by adjusting the composition ratio and thickness and adding impurities to the material shown in [A]-Example 1
An alloy containing at least one element of Fe, Co, Ni and at least one element of Cr, Pt, Pd, Cu, Ag, Cr, B, V, Ta, Nb, SiO 2 , MgO, TiN For example, an ordered alloy such as Fe (50) Pt (50), Fe (50) Pd (50), Co (50) Pt (50), etc. When an impurity such as Cu, Cr or Ag is added, the magnetic anisotropy energy density decreases. In addition, increasing the proportion of nonmagnetic elements in materials such as CoCr alloy, CoPt alloy, CoCrPt alloy, CoCrPtTa alloy, and CoCrNb alloy as disordered alloys decreases the magnetic anisotropic energy density.

・ 例2
Fe, Co, Ni のうち少なくとも1つの元素又はその元素を含む合金と、Pt ,Pd のうち1つの元素又はその元素を含む合金とが交互に積み重ねられた構造において、厚さの調整又は不純物の添加を行ったもの
例えば、このような材料には、磁気異方性エネルギー密度が最も高くなる最適値が存在し、その最適値から離れるに従い、磁気異方性エネルギー密度が低下する。また、Co/Pt人工格子、Co/Pd人工格子、CoCr/Pt人工格子などを構成する合金に、Cu, Ag などの不純物元素、その合金又は絶縁物を加えると、磁気異方性エネルギー密度が低下する。
・ Example 2
In a structure in which at least one element of Fe, Co, Ni or an alloy containing the element and one element of Pt or Pd or an alloy containing the element are alternately stacked, the thickness adjustment or impurity concentration For example, such a material has an optimum value at which the magnetic anisotropy energy density is the highest, and the magnetic anisotropy energy density decreases as the value deviates from the optimum value. In addition, when an impurity element such as Cu or Ag, an alloy thereof, or an insulator is added to an alloy constituting a Co / Pt artificial lattice, a Co / Pd artificial lattice, or a CoCr / Pt artificial lattice, the magnetic anisotropic energy density is reduced. descend.

・ 例3
希土類金属のうち少なくとも1つの元素、例えば、Tb, Dy, Gdと、遷移金属のうち少なくとも1つの元素とからなるアモルファス合金の組成比を調整して磁気異方性エネルギー密度を低下させたもの
例えば、TbFe, TbCo, TbFeCo, DyTbFeCo, GdTbCoなどのアモルファス合金の組成比を調整すると、磁気異方性エネルギー密度を小さくできる。
・ Example 3
The magnetic anisotropy energy density is reduced by adjusting the composition ratio of an amorphous alloy composed of at least one element of rare earth metals, for example, Tb, Dy, Gd and at least one element of transition metals. By adjusting the composition ratio of amorphous alloys such as TbFe, TbCo, TbFeCo, DyTbFeCo, and GdTbCo, the magnetic anisotropy energy density can be reduced.

・ その他
このような磁気異方性エネルギー密度が低下した材料は、磁気抵抗効果素子のフリー層として使用できる。
・ Other
Such a material having a reduced magnetic anisotropic energy density can be used as a free layer of a magnetoresistive element.

(2) 非磁性層は、以下の材料から構成される。
・ Ta
・ TiN, CrRu, Co-Cr-Pt(非磁性となるようにCrとPtの合計の割合を50%以上にする), Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Fe, Cr, MgO
これらの材料を用いて非磁性層を構成すると共に、非磁性層上に垂直磁化膜を形成することで、垂直磁化膜の配向性を高めて、その特性を向上させることができる。
(2) The nonmagnetic layer is composed of the following materials.
・ Ta
・ TiN, CrRu, Co-Cr-Pt (The total ratio of Cr and Pt should be 50% or more so as to be non-magnetic), Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Fe, Cr, MgO
By forming a nonmagnetic layer using these materials and forming a perpendicular magnetization film on the nonmagnetic layer, the orientation of the perpendicular magnetization film can be enhanced and its characteristics can be improved.

・ CrTi, CrNb, CrV, CoCrPt, CrRu
(3) その他
ヨーク材(軟磁性材料)上に磁気抵抗効果素子を形成する場合、これらの間には原子の拡散防止機能及び両者を交換結合させない機能を持つバッファ層が形成される。
・ CrTi, CrNb, CrV, CoCrPt, CrRu
(3) Other
When the magnetoresistive effect element is formed on the yoke material (soft magnetic material), a buffer layer having a function of preventing diffusion of atoms and a function of not exchange-coupling them is formed between them.

このバッファ層は、例えば、Ta, TiN, TaNなどの導電層から構成される。   The buffer layer is composed of a conductive layer such as Ta, TiN, or TaN.

フリー層として、例えば、FePt、CoPtなどの規則合金を用いる場合、これに垂直磁気異方性を発生させるため、ヨーク材とフリー層との間にはバッファ層が配置される。   For example, when an ordered alloy such as FePt or CoPt is used as the free layer, a buffer layer is disposed between the yoke material and the free layer in order to generate perpendicular magnetic anisotropy thereto.

このバッファ層は、例えば、MgO などの材料から構成できる。   This buffer layer can be made of a material such as MgO.

フリー層として、例えば、Co/Pt人工格子を用いる場合、CoとPtの厚さを調節することにより磁気抵抗効果素子の保磁力を調節できる。   For example, when a Co / Pt artificial lattice is used as the free layer, the coercive force of the magnetoresistive element can be adjusted by adjusting the thicknesses of Co and Pt.

フリー層として、例えば、FePt、CoPtなどの規則合金を用いる場合、フリー層には機能層が付加される。機能層としては、例えば、フリー層と同じ結晶構造を有し、格子定数がフリー層のそれに近い材料、例えば、FeRhが使用される。   For example, when an ordered alloy such as FePt or CoPt is used as the free layer, a functional layer is added to the free layer. As the functional layer, for example, a material having the same crystal structure as that of the free layer and having a lattice constant close to that of the free layer, for example, FeRh is used.

フリー層として、例えば、Co/Pt人工格子又はCo/Pd人工格子を用いる場合においても、FeRhを機能層として使用できる。   For example, even when a Co / Pt artificial lattice or a Co / Pd artificial lattice is used as the free layer, FeRh can be used as a functional layer.

ピン層として、例えば、FePt、CoPtなどの規則合金を用いる場合、これに垂直磁気異方性を発生させるためには、fct(001)面を配向させる必要がある。このため、結晶配向のための制御層として、例えば、厚さが数nmのMgOからなる極薄層を形成する。   For example, when an ordered alloy such as FePt or CoPt is used as the pinned layer, it is necessary to orient the fct (001) plane in order to generate perpendicular magnetic anisotropy thereto. Therefore, for example, an ultrathin layer made of MgO having a thickness of several nm is formed as the control layer for crystal orientation.

極薄層は、MgOの他、例えば、格子定数が2.8オンク゛ストローム、4.0オンク゛ストローム、5.6オンク゛ストロームのfcc構造又はbcc構造をもつ元素又は化合物、例えば、Pt, Pd, Ag, Au, Al, Cu, Cr, Feなど、又は、これらの合金から構成できる。   In addition to MgO, the ultrathin layer is composed of, for example, an element or compound having a fcc structure or bcc structure having a lattice constant of 2.8 angstrom, 4.0 angstrom, 5.6 angstrom, such as Pt, Pd, Ag, Au, Al, Cu, Cr, Fe or the like or an alloy thereof can be used.

ボトムピン構造の場合には、ヨーク材とピン層との間に結晶配向のための制御層を配置する。この制御層とヨーク材との間には、例えば、Ta, TiN, TaNなどからなるバッファ層が配置される。   In the case of the bottom pin structure, a control layer for crystal orientation is disposed between the yoke material and the pin layer. For example, a buffer layer made of Ta, TiN, TaN, or the like is disposed between the control layer and the yoke material.

トップピン構造の場合には、バリア層にfcc(100)面が配向したMgOを用いる。この場合、MR比が劣化しないことを条件に、結晶配向のための制御層をさらに積層してもよい。   In the case of the top pin structure, MgO with the fcc (100) plane oriented is used for the barrier layer. In this case, a control layer for crystal orientation may be further stacked on condition that the MR ratio does not deteriorate.

フリー層として、FePt, CoPtなどの規則合金を用いる場合にも、同様に、fct(001)面を配向させる必要がある。   Similarly, when an ordered alloy such as FePt or CoPt is used as the free layer, it is necessary to orient the fct (001) plane.

トップピン(ボトムフリー)構造の場合には、ヨーク材とピン層との間に結晶配向のための制御層を配置する。この制御層とヨーク材との間には、例えば、Ta, TiN, TaNなどからなるバッファ層が配置される。   In the case of a top pin (bottom free) structure, a control layer for crystal orientation is disposed between the yoke material and the pin layer. For example, a buffer layer made of Ta, TiN, TaN, or the like is disposed between the control layer and the yoke material.

ボトムピン(トップフリー)構造の場合には、バリア層にfcc(100)面が配向したMgOを用いる。この場合、MR比が劣化しないことを条件に、結晶配向のための制御層をさらに積層してもよい。   In the case of a bottom pin (top free) structure, MgO in which the fcc (100) plane is oriented is used for the barrier layer. In this case, a control layer for crystal orientation may be further stacked on condition that the MR ratio does not deteriorate.

5. その他
本発明の例によれば、ヨーク材のギャップにおいて40Oe/mA以上の効率を実現できる。この場合、書き込み電流を数mA以下に設定できると共に、磁気抵抗効果素子のスイッチング磁場(反転磁場)については、磁気シールドが不要となるレベル、即ち、外部磁場によって誤書き込みが発生しない程度にまで上げることができる。
5). Other
According to the example of the present invention, an efficiency of 40 Oe / mA or more can be realized in the gap of the yoke material. In this case, the write current can be set to several mA or less, and the switching magnetic field (reversal magnetic field) of the magnetoresistive effect element is raised to a level at which the magnetic shield is not required, that is, an erroneous write does not occur due to the external magnetic field. be able to.

例えば、磁気抵抗効果素子から下部ヨーク材までの距離を100nmとし、磁気抵抗効果素子から上部ヨーク材までの距離を100nmとし、ヨーク材のギャップでの磁場を40Oe/mAとしてシミュレーションを行うと、フリー層(垂直磁化膜)の反転磁場は200Oe程度、書き込み電流の値は4〜5mAに設定できる。   For example, if the distance from the magnetoresistive effect element to the lower yoke material is 100 nm, the distance from the magnetoresistive effect element to the upper yoke material is 100 nm, and the magnetic field in the gap of the yoke material is 40 Oe / mA, the simulation is free. The switching magnetic field of the layer (perpendicular magnetization film) can be set to about 200 Oe, and the value of the write current can be set to 4 to 5 mA.

本発明の例は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。   The example of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied by modifying each component without departing from the scope of the invention. Various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described embodiments. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the above-described embodiments, or constituent elements of different embodiments may be appropriately combined.

本発明の例に関わる書き込み原理を示す図。The figure which shows the writing principle in connection with the example of this invention. 本発明の例に関わる書き込み原理を示す図。The figure which shows the writing principle in connection with the example of this invention. 本発明の例に関わる書き込み原理を示す図。The figure which shows the writing principle in connection with the example of this invention. 本発明の例に関わる書き込み原理を示す図。The figure which shows the writing principle in connection with the example of this invention. 本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリを示す回路図。1 is a circuit diagram showing a magnetic random access memory according to an example of the present invention. メモリセルの例を示す平面図。The top view which shows the example of a memory cell. 図6のVII−VII線に沿う断面図。Sectional drawing which follows the VII-VII line of FIG. 磁気抵抗効果素子の構造例を示す断面図。Sectional drawing which shows the structural example of a magnetoresistive effect element. 磁気抵抗効果素子の構造例を示す断面図。Sectional drawing which shows the structural example of a magnetoresistive effect element. 磁気抵抗効果素子の平面形状の例を示す断面図。Sectional drawing which shows the example of the planar shape of a magnetoresistive effect element. 第1変形例を示す断面図。Sectional drawing which shows a 1st modification. 第2変形例を示す断面図。Sectional drawing which shows a 2nd modification. 第1応用例を示す平面図。The top view which shows a 1st application example. 第2応用例を示す平面図。The top view which shows the 2nd application example. 第3応用例を示す平面図。The top view which shows the 3rd application example. 第4応用例を示す平面図。The top view which shows the 4th application example. 第5応用例を示す平面図。The top view which shows the 5th application example.

符号の説明Explanation of symbols

10: メモリセルアレイ、 11: メモリセル、 12: 磁気抵抗効果素子、 13,20: 選択素子、 14: 書き込みビット線、 14A,16A: 導電線、 14B,16B: ヨーク材(軟磁性材料)、 15A,15B: 書き込みビット線ドライバ/シンカー、 16: 書き込みワード線、 17A,17B: 書き込みワード線ドライバ/シンカー、 18: 読み出しワード線、 19: ロウデコーダ、 21: センスアンプ、 22A: P型シリコン基板、 22B: N型ウェル領域、 22C: P型ウェル領域、 23: 素子分離層、 24A,24B: ソース/ドレイン領域、 25: ゲート電極、 26,28: コンタクトプラグ、 27A,27B: 中間層、 29: 下部電極、 30: キャップ層。   10: memory cell array, 11: memory cell, 12: magnetoresistive effect element, 13, 20: selection element, 14: write bit line, 14A, 16A: conductive line, 14B, 16B: yoke material (soft magnetic material), 15A 15B: Write bit line driver / sinker, 16: Write word line, 17A, 17B: Write word line driver / sinker, 18: Read word line, 19: Row decoder, 21: Sense amplifier, 22A: P-type silicon substrate 22B: N-type well region, 22C: P-type well region, 23: Device isolation layer, 24A, 24B: Source / drain region, 25: Gate electrode, 26, 28: Contact plug, 27A, 27B: Intermediate layer, 29: Lower electrode, 30: cap layer.

Claims (5)

第1導電線と、前記第1導電線の第1及び第2側面を覆うヨーク材と、前記第1導電線に交差する第2導電線と、前記第2導電線の第1及び第2側面を覆うヨーク材と、垂直磁化膜から構成されるフリー層を有する第1磁気抵抗効果素子とを具備し、
前記第1導電線の前記第1側面を覆うヨーク材と前記第2導電線の前記第1側面を覆うヨーク材との交差部に存在するギャップを第1ギャップとし、前記第1導電線の前記第2側面を覆うヨーク材と前記第2導電線の前記第2側面を覆うヨーク材との交差部に存在するギャップを第2ギャップとし、前記第1導電線の前記第2側面を覆うヨーク材と前記第2導電線の前記第1側面を覆うヨーク材との交差部に存在するギャップを第3ギャップとし、前記第1導電線の前記第1側面を覆うヨーク材と前記第2導電線の前記第2側面を覆うヨーク材との交差部に存在するギャップを第4ギャップとしたとき、
前記第1磁気抵抗効果素子は、前記第1ギャップ内に配置され、前記第2乃至第4ギャップ内に配置されない
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
A first conductive line; a yoke material covering first and second side surfaces of the first conductive line; a second conductive line intersecting the first conductive line; and first and second side surfaces of the second conductive line . comprising a yoke material that covers, and a first magneto resistive effect element which have a composed free layer from a perpendicular magnetization film,
The gap present at the intersection of the yoke material covering the first side surface of the first conductive line and the yoke material covering the first side surface of the second conductive line is defined as a first gap, and the first conductive line The yoke material that covers the second side surface of the first conductive line is defined as a gap that exists at the intersection of the yoke material that covers the second side surface and the yoke material that covers the second side surface of the second conductive line. Between the yoke material covering the first side surface of the first conductive line and the yoke material covering the first side surface of the first conductive line. When the gap existing at the intersection with the yoke material covering the second side surface is the fourth gap,
The magnetic random access memory according to claim 1, wherein the first magnetoresistive element is disposed in the first gap and is not disposed in the second to fourth gaps .
請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、さらに、垂直磁化膜から構成されるフリー層を有し、前記第2ギャップ内に配置され、前記第1、第3及び第4ギャップ内に配置されない第2磁気抵抗効果素子を具備することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。 2. The magnetic random access memory according to claim 1, further comprising a free layer composed of a perpendicular magnetization film, disposed in the second gap, and not disposed in the first, third, and fourth gaps. A magnetic random access memory comprising a second magnetoresistance effect element. 前記第1及び第2磁気抵抗効果素子は、前記第1及び第2導電線の交差部における対角線上に存在し、前記第1及び第2磁気抵抗効果素子により1ビットデータが記憶されることを特徴とする請求項2に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。 The first and second magnetoresistive elements are on a diagonal line at the intersection of the first and second conductive lines, and 1-bit data is stored by the first and second magnetoresistive elements. 3. The magnetic random access memory according to claim 2, wherein: 請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、さらに、垂直磁化膜から構成されるフリー層を有し、前記第3ギャップ内に配置され、前記第1、第2及び第4ギャップ内に配置されない第2磁気抵抗効果素子を具備することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。 2. The magnetic random access memory according to claim 1, further comprising a free layer composed of a perpendicular magnetization film, disposed in the third gap, and not disposed in the first, second, and fourth gaps. A magnetic random access memory comprising a second magnetoresistance effect element. 前記第1及び第2磁気抵抗効果素子は、前記第1及び第2導電線の交差部においてロウ方向又はカラム方向に隣接し、前記第1及び第2磁気抵抗効果素子にはそれぞれ独立にデータが書き込まれることを特徴とする請求項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。 The first and second magnetoresistive elements are adjacent to each other in a row direction or a column direction at an intersection of the first and second conductive lines, and data is independently transmitted to the first and second magnetoresistive elements. 5. The magnetic random access memory according to claim 4 , wherein the magnetic random access memory is written.
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