JP2002150764A - 磁性薄膜メモリ - Google Patents

磁性薄膜メモリ

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JP2002150764A JP2000337858A JP2000337858A JP2002150764A JP 2002150764 A JP2002150764 A JP 2002150764A JP 2000337858 A JP2000337858 A JP 2000337858A JP 2000337858 A JP2000337858 A JP 2000337858A JP 2002150764 A JP2002150764 A JP 2002150764A
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anisotropic
magnetic
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Kazuhisa Okano
一久 岡野
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属配線から発生する電流磁界をより有効に
活用することにより、高集積化を可能とする磁性薄膜メ
モリを提供する。 【解決手段】 垂直磁気異方性を持つ垂直異方性トンネ
ル磁気抵抗記憶素子６と、面内磁気異方性を持つ面内異
方性トンネル磁気抵抗記憶素子９とを同一基板上に記録
用磁化膜として設け、この磁気抵抗記憶素子６，９を、
垂直異方性トンネル磁気抵抗記憶素子６及び面内異方性
トンネル磁気抵抗記憶素子９の両方に磁界を掛けること
が可能な面内垂直共有書き込み線５の周りに配置する。
情報を書き込む際には、面内垂直共有書き込み線５及び
金属配線１１に流れる電流により生じる磁界の面内成分
及び垂直成分を、それぞれ面内異方性トンネル磁気抵抗
記憶素子９及び垂直異方性トンネル磁気抵抗記憶素子６
に対する記録磁界として用いることで情報を書き込む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁性薄膜メモリに
関し、より具体的には、トンネル磁気抵抗効果を利用し
た不揮発性の磁性薄膜メモリのメモリセル配置及び記録
再生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、磁性薄膜メモリは、半導体メ
モリと同様に移動部のない固体メモリとして知られてい
る。このような磁性薄膜メモリは、電源が遮断されても
情報が消失しない、情報の繰り返し書き換え回数が無限
回である、放射線が入射しても情報が消失する危険性が
ない等の条件をすべて満たしており、従来の半導体メモ
リと比較して有利な点を数多く持っている。
【０００３】中でも、最近において提案されているトン
ネル磁気抵抗（ＴＭＲ；Tunnel Magneto Resistive）効
果を利用した磁性薄膜メモリは、従来の異方性磁気抵抗
効果を利用した磁性薄膜メモリと比較して大きな出力を
得ることができるため、特に注目されている。
【０００４】トンネル磁気抵抗効果を利用した磁性薄膜
メモリでは、２つの強磁性層が薄い絶縁層によって隔て
られ、この２つの強磁性層のスピン分極率の差に応じた
磁気抵抗が生じる。トンネル電流の大きさは、２つの強
磁性層の磁化が相対的に平行か、反平行かに依存する。
【０００５】図１０は、従来のトンネル磁気抵抗効果を
利用した磁性薄膜メモリの一構成例を示す概略図であ
る。
【０００６】図１０に示すように本従来例は、スピン分
極率が互いに異なる２枚の強磁性層１２，１４間に絶縁
層１３を挟み込んだ構造より成っている。
【０００７】上記のように構成された磁性薄膜メモリに
おいては、強磁性層１２，１４間に電圧１５が印加され
ると、一方の強磁性層からの電子が絶縁層１３を貫通し
て他方の強磁性層に進入してトンネル電流を発生させ
る。このトンネル電流の大きさは印加電圧に依存する。
抵抗は強磁性層１２,１４の両層の磁化の状態に依存
し、両層が相対的に平行のとき最小の抵抗値をとり、反
平行のとき最大の抵抗値をとる。この現象は強磁性層１
２,１４が面内磁気異方性を持つ場合にも、垂直磁気異
方性を持つ場合にも確認されている（日本応用磁気学会
誌 24,563-566(2000)）。
【０００８】このような現象を利用した磁性薄膜メモリ
として、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）
と呼ばれる不揮発性の磁気記憶装置が、日経マイクロデ
バイス P16,P17 2000年3月号などで紹介されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上述したような磁性薄
膜メモリにおいては、半導体集積回路を用いて駆動する
ことが提案されているが、そのために最小加工寸法をＦ
とするとセル面積が１９．７Ｆ2を占めるのが現状であ
る（日経エレクトロニクス P65 2000.3.27(No,766)）。
半導体集積回路による駆動を考慮しない場合でも、IEEE
TRANSACTIONS ONMAGNETICS VOL.33.NO6 NOVEMBER1997
によれば、セル占有面積は４．８４Ｆ2であった。
【００１０】これらの磁性薄膜メモリを構成するメモリ
セルの磁気抵抗素子部分は面内磁化膜のみを用いて平面
的に配置されているため、高集積化が不十分である。単
純にメモリセルを積層すれば高集積化は可能であるが、
そのためには記録再生用の電流磁界を発生する金属配線
を、積層されたメモリセル毎に設置しなければならず、
これにより回路構成が複雑になってしまうという問題が
あった。回路を簡略化しながら高集積化を達成するに
は、金属配線から発生する電流磁界をより有効に活用し
て書き込み用金属配線の本数を実効的に減らす必要があ
った。
【００１１】本発明は上述したような従来の技術が有す
る問題点に鑑みてなされたものであって、金属配線から
発生する電流磁界をより有効に活用することにより、高
集積化を可能とする磁性薄膜メモリを提供することを目
的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の磁性薄膜メモリは、面内方向に磁気異方性を
持つ面内異方性磁性体と、垂直方向に磁気異方性を持つ
垂直異方性磁性体とを同一基板上に記録用磁化膜として
備えることを特徴とする。
【００１３】また、電流を流すことで面内成分及び垂直
成分の磁界を生じる面内垂直共有書き込み用金属配線を
備え、前記面内垂直共有書き込み用金属配線に流れる電
流により生じる磁界の面内成分及び垂直成分を、それぞ
れ前記面内異方性磁性体及び前記垂直異方性磁性体に対
して記録磁界として用いることで該面内異方性磁性体及
び垂直異方性磁性体に情報を記録するとともに、前記面
内異方性磁性体及び前記垂直異方性磁性体の電気抵抗の
変化に基づき該面内異方性磁性体及び垂直異方性磁性体
に記録された情報の読み出しを行うことを特徴とする。
【００１４】また、前記面内異方性磁性体及び前記垂直
異方性磁性体の下方に書き込み用金属配線を備え、前記
面内垂直共有書き込み用金属配線及び前記書き込み用金
属配線に流れる電流により生じる磁界の面内成分及び垂
直成分を、それぞれ前記面内異方性磁性体及び前記垂直
異方性磁性体に対して記録磁界として用いることで該面
内異方性磁性体及び垂直異方性磁性体に情報を記録する
とともに、前記書き込み用金属配線を通して、前記面内
異方性磁性体及び前記垂直異方性磁性体の電気抵抗の変
化に基づき該面内異方性磁性体及び垂直異方性磁性体に
記録された情報の読み出しを行うことを特徴とする。
【００１５】また、前記面内異方性磁性体を前記面内垂
直共有書き込み用金属配線の下方に配置するとともに、
前記垂直異方性磁性体を前記面内垂直共有書き込み用金
属配線の左右に配置することを特徴とする。
【００１６】また、前記面内異方性磁性体及び前記垂直
異方性磁性体のそれぞれの上下に読み出し用金属配線を
備え、前記面内垂直共有書き込み用金属配線及び前記読
み出し用金属配線に流れる電流により生じる磁界の面内
成分及び垂直成分を、それぞれ前記面内異方性磁性体及
び前記垂直異方性磁性体に対して記録磁界として用いる
ことで該面内異方性磁性体及び垂直異方性磁性体に情報
を記録するとともに、前記読み出し用金属配線を通し
て、前記面内異方性磁性体及び前記垂直異方性磁性体の
電気抵抗の変化に基づき該面内異方性磁性体及び垂直異
方性磁性体に記録された情報の読み出しを行うことを特
徴とする。
【００１７】また、前記面内異方性磁性体を前記面内垂
直共有書き込み用金属配線の上方及び下方に配置すると
ともに、前記垂直異方性磁性体を、前記面内垂直共有書
き込み用金属配線の左右に、かつ前記面内垂直共有書き
込み用金属配線と同じ高さの平面上に配置することを特
徴とする。
【００１８】また、前記面内異方性磁性体を上下に配置
し、上下に配置された前記面内異方性磁性体間に前記面
内垂直共有書き込み用金属配線を複数配置するととも
に、前記垂直異方性磁性体を、前記面内垂直共有書き込
み用金属配線の左右に、かつ当該垂直異方性磁性体の上
下に配置された前記読み出し用配線が前記面内垂直共有
書き込み用金属配線と同じ高さの平面上に位置するよう
に配置することを特徴とする。
【００１９】（作用）本発明者は、従来の磁性薄膜メモ
リでは、金属配線から発生する面内磁界もしくは垂直磁
界のどちらかの磁界のみを用いて情報を記録しており、
発生磁界の一部は常に未使用の状態にある点に着目して
本発明を完成させた。
【００２０】本発明においては、面内磁気異方性を持つ
面内異方性磁性体と垂直磁気異方性を持つ垂直異方性磁
性体とを同一基板上に配置し、面内垂直共有書き込み用
金属配線に流れる電流により生じる磁界の面内成分及び
垂直成分を、それぞれ面内異方性磁性体及び垂直異方性
磁性体に対する記録磁界として用いている。これによ
り、効率よく配線を設置し、高集積化することが可能と
なった。
【００２１】本発明の１つ目の態様によれば、面内垂直
共有書き込み用金属配線の下方に面内異方性磁性体を配
置するとともに、面内垂直共有書き込み用金属配線の左
右に垂直異方性磁性体を配置する。このように、面内垂
直共有書き込み用金属配線の周りに面内異方性磁性体及
び垂直異方性磁性体を配置することで、高集積化を達成
している。
【００２２】また、本発明の２つ目の態様によれば、上
述した１つ目の態様に対して、面内異方性磁性体の上方
に更に面内異方性磁性体を配置することで、更なる高集
積化を達成している。情報を書き込む際には、面内垂直
共有書き込み用金属配線と、面内異方性磁性体及び垂直
異方性磁性体のそれぞれの上下に配置された読み出し用
金属配線とに流れる電流により生じる磁界の面内成分及
び垂直成分を、それぞれ面内異方性磁性体及び垂直異方
性磁性体に対する記録磁界として用いることで該面内異
方性磁性体及び垂直異方性磁性体に情報を書き込む。
【００２３】また、本発明の３つ目の態様によれば、上
述した１つ目の態様に対して、面内異方性磁性体の上方
に更に面内異方性磁性体を配置し、面内垂直共有書き込
み用金属配線を上下に配置された面内異方性磁性体の中
間に複数本、さらに垂直異方性磁性体と同一平面の位置
から高さ方向にずらして配置することで、更なる高集積
化を達成している。情報を書き込む際には、複数本の面
内垂直共有書き込み用金属配線と、面内異方性磁性体及
び垂直異方性磁性体のそれぞれの上下に配置された読み
出し用金属配線とに流れる電流により生じる磁界の面内
成分及び垂直成分を、それぞれ面内異方性磁性体及び垂
直異方性磁性体に対する記録磁界として用いることで該
面内異方性磁性体及び垂直異方性磁性体に情報を書き込
む。このように、面内垂直共有書き込み用金属配線を垂
直異方性磁性体と同一平面の位置から高さ方向にずらし
て配置した場合には、単純にメモリセルを積層した場合
と比較してプロセス工程を簡略化することが可能とな
り、また、平面的な素子同士の位置マージンを小さく設
計することが可能になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。
【００２５】（第１の実施の形態）図１は、本発明のト
ンネル磁気抵抗効果を利用した磁性薄膜メモリの第１の
実施形態を示す図であり、（ａ）はメモリセル配置を説
明するための平面図、（ｂ）は（ａ）に示した磁性薄膜
メモリをｙ軸方向からみた断面図、（ｃ）は（ａ）に示
した磁性薄膜メモリをｘ軸方向からみた断面図である。
なお、図１においては、基板が省略されており、また、
空白部が非磁性絶縁膜であるものとする。
【００２６】図１に示すように本実施形態においては、
垂直磁気異方性を持つ垂直異方性磁性体である垂直異方
性トンネル磁気抵抗記憶素子（以下、磁気抵抗記憶素子
と称する場合もある）６と、面内磁気異方性を持つ面内
異方性磁性体である面内異方性トンネル磁気抵抗記憶素
子（以下、磁気抵抗記憶素子と称する場合もある）９と
が同一基板上に記録用磁化膜として設けられている。磁
気抵抗記憶素子６，９は、垂直磁気異方性を持つ磁気抵
抗記憶素子及び面内磁気異方性を持つ磁気抵抗記憶素子
の両方に磁界を掛けることが可能な面内垂直共有書き込
み線（以下、金属配線と称する場合もある）５の周りに
配置されており、更に、この磁気抵抗記憶素子６，９の
下方には、金属配線５と交叉するように面内異方性トン
ネル磁気抵抗記憶素子／垂直異方性トンネル磁気抵抗記
憶素子用書き込み配線（以下、金属配線と称する場合も
ある）１１が配置されている。なお、図１においては、
磁気抵抗記憶素子６，９が、Ｘ方向に４列、Ｙ方向に４
列それぞれ配置されており、また、符号を省略した要素
で同一のパターン柄を持つ要素同士は同一機能を持つも
のとする。
【００２７】以下に、上記のように構成された磁性薄膜
メモリにおける情報の書き込み／読み出し動作について
図２及び図３を用いて説明する。なお、図２及び図３に
おいては、図１に示した磁性薄膜メモリと同様の部分に
ついては同一の符号を付し、また、符号を省略した要素
で同一のパターン柄を持つ要素は同一機能を持つものと
する。
【００２８】まず、図１（ａ）に示した点線Ａ，Ｂの交
叉した位置にある垂直異方性トンネル磁気抵抗記憶素子
６への情報の書き込み動作について説明する。
【００２９】図２は、図１に示した磁性薄膜メモリにお
ける垂直異方性トンネル磁気抵抗記憶素子６への情報の
書き込み動作を説明するための図であり、（ａ）は図１
（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｙ軸方向からみた断面
図、（ｂ）は図１（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｘ軸
方向からみた断面図である。
【００３０】図２に示すように、情報を書き込もうとし
ている目標の磁気抵抗記憶素子６を挟むように設置され
た２本の金属配線５と２本の金属配線１１に、図に示す
ような方向に同時にパルス電流を流す。すると、４本の
金属配線に流れる電流から生じる磁界の垂直成分が目標
の磁気抵抗記憶素子６の位置で磁気抵抗記憶素子６の保
磁力以上にベクトル加算され、磁気抵抗記憶素子６の磁
化方向が反転し書き込みが行われる。
【００３１】次に、図１に示した２重線Ｃ，Ｄの交叉し
た位置にある面内異方性トンネル磁気抵抗記憶素子９へ
の情報の書き込み動作について説明する。
【００３２】図３は、図１に示した磁性薄膜メモリにお
ける面内異方性トンネル磁気抵抗記憶素子９への情報の
書き込み動作を説明するための図であり、（ａ）は図１
（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｙ軸方向からみた断面
図、（ｂ）は図１（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｘ軸
方向からみた断面図である。
【００３３】図３に示すように、情報を書き込もうとし
ている目標の磁気抵抗記憶素子９を交点とする１本の金
属配線５と１本の金属配線１１に、図に示すような方向
に同時にパルス電流を流す。すると、２本の金属配線に
流れる電流から生じる磁界の面内成分が目標の磁気抵抗
記憶素子９の位置で磁気抵抗記憶素子９の保磁力以上に
ベクトル加算され、磁気抵抗記憶素子９の磁化方向が反
転し書き込みが行われる。
【００３４】磁気抵抗記憶素子６，９に書き込まれた情
報を読み出す場合には、図２及び図３に示した金属配線
５，１１間に電流を流し、磁気抵抗記憶素子６，９の磁
気状態の変化を電気抵抗の変化に対応させて“０”或い
は“１”として読み取れば良い。
【００３５】図２及び図３においては、円上の矢印は、
各金属配線にパルス電流を流したときに生じる磁界の方
向を示し、また、直線の矢印は、磁気抵抗記憶素子内の
磁性膜の記録磁界による磁化の方向を示す。
【００３６】図１〜図３は、あくまでも本発明の主旨を
伝えるための図であって実施にあたっての形状等を制約
するものではない。
【００３７】上述したように本実施形態においては、各
金属配線に流れる電流から生じる磁界の面内成分及び垂
直成分を、それぞれ垂直異方性トンネル磁気抵抗記憶素
子及び面内異方性トンネル磁気抵抗記憶素子に対する書
き込み磁界として用いているため、効率よく金属配線を
配置することができる。このため、最小加工寸法をＦと
すると、１つのメモリセル当りの占有面積が約４Ｆ2と
なり、高集積化が可能となった。
【００３８】また、本実施形態は、図１に示したものに
限らず、１本の面内垂直共有書き込み線を取り囲むよう
に、面内異方性トンネル磁気抵抗記憶素子及び垂直異方
性トンネル磁気抵抗記憶素子を、それぞれ面内異方性磁
性膜及び垂直異方性磁性膜として配置した構成であれ
ば、他の構造、形態も含まれる。
【００３９】本実施形態及び以下に説明する他の実施形
態においては、Ａｌ2Ｏ3等の非磁性絶縁層の両側に、面
内異方性磁性膜として、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ等及びこれら
の合金の強磁性層を接続させた交換結合型ＴＭＲ膜を用
いたり、上記非磁性絶縁層の両側に、垂直異方性磁性膜
として、ＧｄＦｅ、ＴｂＦｅ等の希土類金属と遷移金属
の合金やＰｔＣｏ、ＰｄＣｏ合金、人口格子膜などを接
続させた交換結合型ＴＭＲ膜を用いたりすることによっ
て、上述したＴＭＲ（Tunnel Magneto Resisto）層を形
成することが可能となる。
【００４０】（第２の実施の形態）図４は、本発明のト
ンネル磁気抵抗効果を利用した磁性薄膜メモリの第２の
実施形態を示す図であり、（ａ）はメモリセル配置を説
明するための平面図、（ｂ）は（ａ）に示した磁性薄膜
メモリをｙ軸方向からみた断面図、（ｃ）は（ａ）示し
た磁性薄膜メモリをｘ軸方向からみた断面図である。な
お、図４においては、基板が省略されており、また、空
白部が非磁性絶縁膜であるものとする。
【００４１】図４に示すように本実施形態は、上述した
第１の実施の形態に対して、面内磁気異方性を持つ磁気
抵抗記憶素子９のそれぞれの上方に、面内磁気異方性を
持つ面内異方性磁性体である上部面内異方性トンネル磁
気抵抗記憶素子（以下、磁気抵抗記憶素子と称する場合
もある）２が１つずつ設けられている点と、金属配線１
１の代わりに、磁気抵抗記憶素子２，６，９のそれぞれ
の上下に読み出し用金属配線が設けられている点が異な
る。具体的には、磁気抵抗記憶素子２の上下に上部面内
異方性トンネル磁気抵抗記憶素子用読み出し配線（以
下、金属配線と称する場合もある）１，３が配置され、
磁気抵抗記憶素子６の上下に垂直異方性トンネル磁気抵
抗記憶素子用読み出し配線（以下、金属配線と称する場
合もある）４，７が配置され、磁気抵抗記憶素子９の上
下に下部面内異方性トンネル磁気抵抗記憶素子用読み出
し配線（以下、金属配線と称する場合もある）８，１０
が配置されている。なお、図４においては、磁気抵抗記
憶素子２，６，９が、Ｘ方向に４列、Ｙ方向に４列それ
ぞれ配置されており、また、符号を省略した要素で同一
のパターン柄を持つ要素は同一機能を持つものとする。
【００４２】以下に、上記のように構成された磁性薄膜
メモリにおける情報の書き込み／読み出し動作について
図５及び図６を用いて説明する。なお、図５及び図６に
おいては、図４に示した磁性薄膜メモリと同様の部分に
ついては同一の符号を付し、また、符号を省略した要素
で同一のパターン柄を持つ要素は同一機能を持つものと
する。
【００４３】まず、図４（ａ）に示した点線Ｅ，Ｆの交
叉した位置にある垂直異方性トンネル磁気抵抗記憶素子
６への情報の書き込み動作について説明する。
【００４４】図５は、図４に示した磁性薄膜メモリにお
ける垂直異方性トンネル磁気抵抗記憶素子６への情報の
書き込み動作を説明するための図であり、（ａ）は図４
（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｙ軸方向からみた断面
図、（ｂ）は図４（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｘ軸
方向からみた断面図である。
【００４５】図５に示すように、情報を書き込もうとし
ている目標の磁気抵抗記憶素子６を挟むように設置され
た２本の金属配線５と、磁気抵抗記憶素子２，９の読み
出し用の４本の金属配線３，８の計６本の金属配線に、
図に示した方向に同時にパルス電流を流す。すると、６
本の金属配線に流れる電流から生じる磁界の垂直成分
が、目標の磁気抵抗記憶素子６の位置で磁気抵抗記憶素
子６の保磁力以上にベクトル加算され、磁気抵抗記憶素
子６の磁化方向が反転し書き込みが行われる。
【００４６】次に、図４に示した２重線Ｇ，Ｈの交叉し
た位置にある面内異方性トンネル磁気抵抗記憶素子２，
９への情報の書き込み動作について説明する。ここで
は、まず、下部に配置された磁気抵抗記憶素子９への情
報の書き込み動作について説明する。
【００４７】図６は、図４に示した磁性薄膜メモリにお
ける面内異方性トンネル磁気抵抗記憶素子９への情報の
書き込み動作を説明するための図であり、（ａ）は図４
（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｙ軸方向からみた断面
図、（ｂ）は図４（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｘ軸
方向からみた断面図である。
【００４８】図６に示すように、情報を書き込もうとす
る目標の磁気抵抗記憶素子９を交点とする１本の金属配
線５と１本の金属配線８とに、図に示すように同時にパ
ルス電流を流す。すると、２本の金属配線を流れる電流
から生じる磁界の面内成分が、目標の磁気抵抗記憶素子
９の位置で磁気抵抗記憶素子９の保磁力以上にベクトル
加算され、磁気抵抗記憶素子９の磁化方向が反転し書き
込みが行われる。なお、上部に配置された磁気抵抗記憶
素子２に情報を書き込む場合にも、１本の金属配線５と
１本の金属配線３を用いて同様に情報の書き込みを行う
ことができる。
【００４９】磁気抵抗記憶素子２，６，９に書き込まれ
た情報を読み出す場合には、図５及び図６に示した金属
配線１，３間、金属配線４，７間、金属配線８，１０間
に電流を流し、磁気抵抗記憶素子２，６，９の磁気状態
の変化を電気抵抗の変化に対応させて“０”或いは
“１”として読み取れば良い。
【００５０】図５及び図６においては、円上の矢印は、
各金属配線にパルス電流を流したときに生じる磁界の方
向を示し、また、直線の矢印は、磁気抵抗記憶素子内の
磁性膜の記録磁界による磁化の方向を示す。
【００５１】図４〜図６は、あくまでも本発明の主旨を
伝えるための図であって実施にあたっての形状等を制約
するものではない。
【００５２】上述したように本実施形態においては、上
述した第１の実施の形態に対して、面内磁気異方性を持
つ磁気抵抗記憶素子９のそれぞれの上方に、面内磁気異
方性を持つ磁気抵抗記憶素子２を１つづつ設けているた
め、最小加工寸法をＦとすると、１つのメモリセル当り
の占有面積が約３Ｆ2となり、更なる高集積化が可能と
なった。
【００５３】（第３の実施の形態）図７は、本発明のト
ンネル磁気抵抗効果を利用した磁性薄膜メモリの第３の
実施形態を示す図であり、（ａ）はメモリセル配置を説
明するための平面図、（ｂ）は（ａ）に示した磁性薄膜
メモリをｙ軸方向からみた断面図、（ｃ）は（ａ）示し
た磁性薄膜メモリをｘ軸方向からみた断面図である。な
お、図７においては、基板が省略されており、また、空
白部が非磁性絶縁膜であるものとする。
【００５４】図７に示すように本実施形態は、上述した
第２の実施の形態に対して、磁気抵抗記憶素子２，９の
中間に、面内垂直共有書き込み線５の代わりに複数の面
内垂直共有書き込み線（以下、金属配線と称する場合も
ある）１６，１７を設け、この面内垂直共有書き込み線
１６，１７を、磁気抵抗記憶素子６と同一平面上ではな
く、磁気抵抗記憶素子６の上下に配置された読み出し用
の金属配線４，７と同じ高さの平面上に配置している点
が異なる。面内垂直共有書き込み線１６，１７は、面内
垂直共有書き込み線５と同様に、垂直磁気異方性を持つ
磁気抵抗記憶素子及び面内磁気異方性を持つ磁気抵抗記
憶素子の両方に磁界を掛けることが可能である。なお、
図７においては、磁気抵抗記憶素子２，６，９が、Ｘ方
向に４列、Ｙ方向に４列それぞれ配置されており、ま
た、符号を省略した要素で同一のパターン柄を持つ要素
は同一機能を持つものとする。
【００５５】上記のように構成された磁性薄膜メモリに
おいては、例えば、図７（ａ）に示した点線Ｉ，Ｊの交
叉した位置にある垂直磁気異方性を持つ磁気抵抗記憶素
子６や、２重線Ｋ，Ｌの交叉した位置にある面内磁気異
方性を持つ磁気抵抗記憶素子２，９への情報の書き込み
は、図８及び図９に示すように、第２の実施の形態にお
ける面内垂直共有書き込み線５と同じ機能を持つ面内垂
直共有書き込み線１６，１７に同時に電流を流すことに
より、第２実施の形態と同様の方法で行われる。
【００５６】また、書き込まれた情報の読み出しは、図
８及び図９に示した金属配線１，３間、金属配線４，７
間、金属配線８，１０間に電流を流し、磁気抵抗記憶素
子２，６，９の磁気状態の変化を電気抵抗の変化に対応
させて“０”或いは“１”として読み取ることにより、
第２実施の形態と同様の方法で行われる。
【００５７】図８及び図９においては、円上の矢印は、
各金属配線にパルス電流を流したときに生じる磁界の方
向を示し、また、直線の矢印は、磁気抵抗記憶素子内の
磁性膜の記録磁界による磁化の方向を示す。また、図８
及び図９においては、図７に示した磁性薄膜メモリと同
様の部分については同一の符号を付し、また、符号を省
略した要素で同一のパターン柄を持つ要素は同一機能を
持つものとする。
【００５８】図７〜図９は、あくまでも本発明の主旨を
伝えるための図であって実施にあたっての形状等を制約
するものではない。
【００５９】上述したように本実施形態においては、面
内垂直共有書き込み線１６，１７が、垂直磁気異方性を
持つ磁気抵抗記憶素子６と同一平面上ではなく、磁気抵
抗記憶素子６の上下に配置された読み出し用の金属配線
４，７と同じ高さの平面上で、かつ面内磁気異方性を持
つ磁気抵抗記憶素子２，９の中間の位置に配置されてい
る。例えば、ＭＲＡＭをフォトリソグラフィー工程を用
いて作成することを考慮すると、第２の実施形態では、
垂直磁気異方性を持つ磁性膜として垂直異方性トンネル
磁気抵抗記憶素子を成膜した後に、マスク作成、エッチ
ング、マスク除去を行ってから、面内垂直共有書き込み
線用の非磁性導電膜を成膜するという手順を踏まねばな
らない。これに対して本実施形態では、面内垂直共有書
き込み線１６，１７と、垂直異方性トンネル磁気抵抗効
果素子用読み出し配線４，７がそれぞれ同じ高さの平面
上に存在するので、同じ非磁性導電膜を成膜して兼用す
ることが可能となるので、第２の実施形態と比較してプ
ロセス工程を簡略化することができる。
【００６０】
【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
面内磁気異方性を持つ面内異方性磁性体と垂直磁気異方
性を持つ垂直異方性磁性体とが同一基板上に配置され、
面内垂直共有書き込み用金属配線に流れる電流により生
じる磁界の面内成分及び垂直成分を、それぞれ面内異方
性磁性体及び垂直異方性磁性体に対する記録磁界として
用いているため、従来技術と比較して高集積化が可能で
あり、１つのメモリセル当りの書き込み専用金属配線の
本数の密度を減少させたり、１つのメモリセルに及ぼす
磁界強度を大きくしたりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のトンネル磁気抵抗効果を利用した磁性
薄膜メモリの第１の実施形態を示す図であり、（ａ）は
メモリセル配置を説明するための平面図、（ｂ）は
（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｙ軸方向からみた断面
図、（ｃ）は（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｘ軸方向
からみた断面図である。
【図２】図１に示した磁性薄膜メモリにおける垂直異方
性トンネル磁気抵抗記憶素子への情報の書き込み動作を
説明するための図であり、（ａ）は図１（ａ）に示した
磁性薄膜メモリをｙ軸方向からみた断面図、（ｂ）は図
１（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｘ軸方向からみた断
面図である。
【図３】図１に示した磁性薄膜メモリにおける面内異方
性トンネル磁気抵抗記憶素子への情報の書き込み動作を
説明するための図であり、（ａ）は図１（ａ）に示した
磁性薄膜メモリをｙ軸方向からみた断面図、（ｂ）は図
１（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｘ軸方向からみた断
面図である。
【図４】本発明のトンネル磁気抵抗効果を利用した磁性
薄膜メモリの第２の実施形態を示す図であり、（ａ）は
メモリセル配置を説明するための平面図、（ｂ）は
（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｙ軸方向からみた断面
図、（ｃ）は（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｘ軸方向
からみた断面図である。
【図５】図４に示した磁性薄膜メモリにおける垂直異方
性トンネル磁気抵抗記憶素子への情報の書き込み動作を
説明するための図であり、（ａ）は図４（ａ）に示した
磁性薄膜メモリをｙ軸方向からみた断面図、（ｂ）は図
４（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｘ軸方向からみた断
面図である。
【図６】図４に示した磁性薄膜メモリにおける面内異方
性トンネル磁気抵抗記憶素子への情報の書き込み動作を
説明するための図であり、（ａ）は図４（ａ）に示した
磁性薄膜メモリをｙ軸方向からみた断面図、（ｂ）は図
４（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｘ軸方向からみた断
面図である。
【図７】本発明のトンネル磁気抵抗効果を利用した磁性
薄膜メモリの第３の実施形態を示す図であり、（ａ）は
メモリセル配置を説明するための平面図、（ｂ）は
（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｙ軸方向からみた断面
図、（ｃ）は（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｘ軸方向
からみた断面図である。
【図８】図７に示した磁性薄膜メモリにおける垂直異方
性トンネル磁気抵抗記憶素子への情報の書き込み動作を
説明するための図であり、（ａ）は図７（ａ）に示した
磁性薄膜メモリをｙ軸方向からみた断面図、（ｂ）は図
７（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｘ軸方向からみた断
面図である。
【図９】図７に示した磁性薄膜メモリにおける面内異方
性トンネル磁気抵抗記憶素子への情報の書き込み動作を
説明するための図であり、（ａ）は図７（ａ）に示した
磁性薄膜メモリをｙ軸方向からみた断面図、（ｂ）は図
７（ａ）に示した磁性薄膜メモリをｘ軸方向からみた断
面図である。
【図１０】従来のトンネル磁気抵抗効果を利用した磁性
薄膜メモリの一構成例を示す概略図である。
【符号の説明】
１，３ 上部面内異方性トンネル磁気抵抗記憶素子用
読み出し配線 ２ 上部面内異方性トンネル磁気抵抗記憶素子 ４，７ 垂直異方性トンネル磁気抵抗記憶素子用読み
出し配線 ５，１６，１７ 面内垂直共有書き込み線 ６ 垂直異方性トンネル磁気抵抗記憶素子 ８，１０ 下部面内異方性トンネル磁気抵抗記憶素子
用読み出し配線 ９ 面内異方性トンネル磁気抵抗記憶素子 １１ 面内異方性トンネル磁気抵抗記憶素子／垂直異
方性トンネル磁気抵抗記憶素子用書き込み配線
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 43/08 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４７

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 面内方向に磁気異方性を持つ面内異方性
    磁性体と、垂直方向に磁気異方性を持つ垂直異方性磁性
    体とを同一基板上に記録用磁化膜として備えることを特
    徴とする磁性薄膜メモリ。
  2. 【請求項２】 電流を流すことで面内成分及び垂直成分
    の磁界を生じる面内垂直共有書き込み用金属配線を備
    え、 前記面内垂直共有書き込み用金属配線に流れる電流によ
    り生じる磁界の面内成分及び垂直成分を、それぞれ前記
    面内異方性磁性体及び前記垂直異方性磁性体に対して記
    録磁界として用いることで該面内異方性磁性体及び垂直
    異方性磁性体に情報を記録するとともに、前記面内異方
    性磁性体及び前記垂直異方性磁性体の電気抵抗の変化に
    基づき該面内異方性磁性体及び垂直異方性磁性体に記録
    された情報の読み出しを行うことを特徴とする請求項１
    記載の磁性薄膜メモリ。
  3. 【請求項３】 前記面内異方性磁性体及び前記垂直異方
    性磁性体の下方に書き込み用金属配線を備え、 前記面内垂直共有書き込み用金属配線及び前記書き込み
    用金属配線に流れる電流により生じる磁界の面内成分及
    び垂直成分を、それぞれ前記面内異方性磁性体及び前記
    垂直異方性磁性体に対して記録磁界として用いることで
    該面内異方性磁性体及び垂直異方性磁性体に情報を記録
    するとともに、前記書き込み用金属配線を通して、前記
    面内異方性磁性体及び前記垂直異方性磁性体の電気抵抗
    の変化に基づき該面内異方性磁性体及び垂直異方性磁性
    体に記録された情報の読み出しを行うことを特徴とする
    請求項２記載の磁性薄膜メモリ。
  4. 【請求項４】 前記面内異方性磁性体を前記面内垂直共
    有書き込み用金属配線の下方に配置するとともに、前記
    垂直異方性磁性体を前記面内垂直共有書き込み用金属配
    線の左右に配置することを特徴とする請求項３記載の磁
    性薄膜メモリ。
  5. 【請求項５】 前記面内異方性磁性体及び前記垂直異方
    性磁性体のそれぞれの上下に読み出し用金属配線を備
    え、 前記面内垂直共有書き込み用金属配線及び前記読み出し
    用金属配線に流れる電流により生じる磁界の面内成分及
    び垂直成分を、それぞれ前記面内異方性磁性体及び前記
    垂直異方性磁性体に対して記録磁界として用いることで
    該面内異方性磁性体及び垂直異方性磁性体に情報を記録
    するとともに、前記読み出し用金属配線を通して、前記
    面内異方性磁性体及び前記垂直異方性磁性体の電気抵抗
    の変化に基づき該面内異方性磁性体及び垂直異方性磁性
    体に記録された情報の読み出しを行うことを特徴とする
    請求項２記載の磁性薄膜メモリ。
  6. 【請求項６】 前記面内異方性磁性体を前記面内垂直共
    有書き込み用金属配線の上方及び下方に配置するととも
    に、前記垂直異方性磁性体を、前記面内垂直共有書き込
    み用金属配線の左右に、かつ前記面内垂直共有書き込み
    用金属配線と同じ高さの平面上に配置することを特徴と
    する請求項５記載の磁性薄膜メモリ。
  7. 【請求項７】 前記面内異方性磁性体を上下に配置し、
    上下に配置された前記面内異方性磁性体間に前記面内垂
    直共有書き込み用金属配線を複数配置するとともに、前
    記垂直異方性磁性体を、前記面内垂直共有書き込み用金
    属配線の左右に、かつ当該垂直異方性磁性体の上下に配
    置された前記読み出し用配線が前記面内垂直共有書き込
    み用金属配線と同じ高さの平面上に位置するように配置
    することを特徴とする請求項５記載の磁性薄膜メモリ。
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