JP2003229543A

JP2003229543A - 磁気記憶装置

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Publication number: JP2003229543A
Application number: JP2002026909A
Authority: JP
Inventors: Takashi Osanaga; 隆志長永; Takeharu Kuroiwa; 丈晴黒岩; Yutaka Takada; 裕高田; Koichiro Inomata; 浩一郎猪俣
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2003-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】十分なＳ／Ｎ比と微細なセル面積との双方を
両立できる磁気記憶装置を提供する。【解決手段】本発明の磁気記憶装置は、トンネル磁気
抵抗効果によりデータを記憶するものであって、作動検
出可能なように積層された少なくとも２つのトンネル磁
気抵抗効果素子１ａ、１ｂを備えている。この２つのト
ンネル磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々は、たとえば
ワード線３を挟んで積層されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気記憶装置に関
し、具体的には、トンネル磁気抵抗効果によりデータを
記憶する磁気記憶装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】磁気抵抗（ＭＲ：magnetoresistive）効
果は、磁性体に磁界を加えることにより電気抵抗が変化
する現象であり、磁界センサや磁気ヘッドなどに利用さ
れている。近年、非常に大きな磁気抵抗効果を示す巨大
磁気抵抗（ＧＭＲ：giant magnetoresistance）効果材
料として、Ｆｅ／Ｃｒ、Ｃｏ／Ｃｕなどの人工格子膜な
どがたとえば以下の文献１および文献２で見出されてい
る。

【０００３】文献１：D.H. Mosca et al.,“Oscillator
y interlayer coupling and giantmagnetoresistance i
n Co/Cu multilayers”, Journal of Magnetism and Ma
gnetic Materials 94 (1991) pp.L1-L5 文献２：S.S.P.Parkin et al.,“Oscillatory Magnetic
Exchange Coupling through Thin Copper Layers”, P
hysical Review Letters, vol.66, No.16, 22April 199
1, pp.2152-2155 また、強磁性層間の交換結合作用がなくなる程度に厚い
非磁性金属層を持つ強磁性層／非磁性層／強磁性層／反
強磁性層からなる構造により、強磁性層／反強磁性層を
交換結合させて、その強磁性層の磁気モーメントを固定
し、他方の強磁性層のスピンのみを外部磁場で容易に反
転できるようにした、いわゆるスピンバルブ膜が知られ
ている。反強磁性体としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、Ｐ
ｔＭｎなどが用いられている。この場合、２つの強磁性
層間の交換結合が弱く小さな磁場でスピンが反転できる
ので、上記交換結合膜に比べて高感度の磁気抵抗素子を
提供できることから、高密度磁気記録用再生ヘッドとし
て用いられている。上記のスピンバルブ膜は、膜面内方
向に電流を流すことで用いられる。

【０００４】一方、膜面に対して垂直方向に電流を流す
垂直磁気抵抗効果を利用すると、さらに大きな磁気抵抗
効果が得られることが、たとえば以下の文献３から知ら
れている。

【０００５】文献３：W.P.Pratt et al.,“Perpendicul
ar Giant Magnetoresistances of Ag/Co Multilayer
s”, Physical Review Letters, vol.66, No.23, 10 Ju
ne 1991, pp.3060-3063 さらには、強磁性層／絶縁層／強磁性層からなる３層膜
において、外部磁場によって２つの強磁性層のスピンを
互いに平行あるいは反平行にすることにより、膜面垂直
方向のトンネル電流の大きさが異なることを利用した、
強磁性トンネル接合によるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭ
Ｒ：tunneling magneto-resistive）も、たとえば以下
の文献４から知られている。

【０００６】文献４：T. Miyazaki et al.,“Giant mag
netic tunneling effect in Fe/Al₂O₃/Fe junction”,
Journal of Magnetism and Magnetic Materials 139 (1
995), pp.L231-L241 近年、ＧＭＲおよびＴＭＲ素子を、不揮発性磁気記憶半
導体装置（ＭＲＡＭ：magnetic random access memor
y）に利用することが、たとえば以下の文献５および文
献６にて研究されている。

【０００７】文献５：S.Tehrani et al.,“High densit
y submicron magnetoresistive random access memory
(invited)”, Journal of Applied Physics, vol.85, N
o.8,15 April 1999, pp.5822-5827 文献６：S.S.P.Parkin et al.,“Exchange-biased magn
etic tunnel junctions and application to nonvolati
le magnetic random access memory (invited)”, Jour
nal of Applied Physics, vol.85, No.8, 15 April 199
9, pp.5828-5833 この場合、保磁力の異なる２つの強磁性層で非磁性金属
層を挟んだ擬スピンバルブ素子や強磁性トンネル効果素
子が検討されている。ＭＲＡＭへ利用する場合にはこれ
らの素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に
電流を流して磁界を印加し、各素子を構成する２つの磁
性層を互いに平行、反平行に制御することにより、
“１”、“０”が記録される。読出しはＧＭＲやＴＭＲ
効果を利用して行なわれる。

【０００８】ＭＲＡＭにおいては、ＧＭＲ効果に対しＴ
ＭＲ効果を利用した方が低消費電力であるから、主とし
てＴＭＲ素子を用いることが検討されている。ＴＭＲ素
子を利用したＭＲＡＭは、室温でＭＲ変化率が２０％以
上と大きく、かつトンネル接合における抵抗が大きいの
で、より大きな出力電圧が得られること、また読出し時
にスピン反転をする必要がなく、それだけ小さい電流で
読出しが可能であることなどの特徴があり、高速書込み
・読出し可能な低消費電力型の不揮発メモリとして期待
されている。

【０００９】しかし、ＴＭＲ素子ではバイアス電圧とと
もにＭＲ変化率が大きく低下し、通常３００〜４００ｍ
Ｖ程度のバイアス電圧が印加されるとＴＭＲ効果は半減
する。ＭＲＡＭは電流駆動型であるので、一定の読出し
電流を流して信号電圧を得る方式がとられる。このた
め、高速読出しのためにはセンス電流を少なくとも１０
μＡ程度にする必要があると予想される。またトンネル
磁気抵抗効果素子の接合抵抗の大きさから３００〜４０
０ｍＶ程度のバイアスが印加されるのは避けられず、バ
イアス電圧によるＴＭＲ効果の低下は大きな問題であっ
た。

【００１０】上記問題に対しては、強磁性層／絶縁層／
強磁性層／絶縁層／強磁性層の構成からなる強磁性２重
トンネル接合素子を用いることが、たとえば以下の文献
７にて提案されている。

【００１１】文献７：Y.Saito et al.,“Correlation b
etween Barrier Width, Barrier Height, and DC Bias
Voltage Dependences on the Magnetoresistance Ratio
inIr-Mn Exchange Biased Single and Double Tunnel
Junctions”, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.39 (2000) pp.
L1035-L1038

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記多重トン
ネル接合を用いても、従来のＭＲＡＭアーキテクチャで
は出力電圧はまだ十分ではない。以下、そのことを説明
する。

【００１３】従来のＭＲＡＭアーキテクチャでは、図２
８に示すように素子選択用トランジスタ１０６と強磁性
トンネル接合素子１０１とからなるメモリセルが、複数
のビット線１０２と複数のワード線１０３との各交差部
近傍に位置することによりマトリックス状に配置されて
いる。

【００１４】素子選択用トランジスタ１０６のソース／
ドレインの一方はビット線１０２に、他方は強磁性トン
ネル接合素子１０１にそれぞれ電気的に接続されてい
る。また素子選択用トランジスタ１０６のゲートはワー
ド線１０３に電気的に接続されている。この強磁性トン
ネル接合素子１０１の近傍に延在するように、データ書
換用のディジット線１０９が配置されている。

【００１５】書込み時には、ディジット線１０９などに
電流が流されることにより磁界が発生され、その磁界に
より強磁性トンネル接合素子１０１を構成する２つの磁
性層が互いに平行、反平行となるように磁化されて、
“０”、“１”が記録される。

【００１６】また読出し時には、所定のワード線１０３
を選択することによりそのワード線１０３に接続された
素子選択用トランジスタ１０６がオン状態とされる。さ
らに、所定のビット線１０２に電流を流すことによって
オン状態の素子選択用トランジスタ１０６に接続された
強磁性トンネル接合素子１０１にトンネル電流が流され
る。このときの強磁性トンネル接合素子１０１の抵抗に
基づいて記憶状態が判定される。つまり、強磁性トンネ
ル接合素子１０１は磁化方向が平行では抵抗が小さく、
反平行では抵抗が大きいという性質を有するため、この
性質を利用して選択メモリセルの出力信号が参照セルの
出力信号より小さいか大きいかで、選択メモリセルの記
憶状態“０”、“１”が判定される。

【００１７】上記のアーキテクチャでは、上述したよう
に参照セルの出力信号を基準として、その出力信号より
も選択メモリセルの出力信号が小さいか大きいかによっ
て記憶状態が判定される。つまり、強磁性トンネル接合
素子１０１において磁化方向が平行のときの抵抗をＲｐ
とし、反平行のときの抵抗をＲａｐとすると、選択メモ
リセルと参照セルとの抵抗値の差は｜Ｒａｐ−Ｒｐ｜／
２程度であるため、ＴＭＲ効果に伴う抵抗変化｜Ｒａｐ
−Ｒｐ｜の半分を用いて記憶状態の判定がなされている
ことになる。

【００１８】また上記のアーキテクチャでは、読出し時
には選択メモリセルの素子選択用トランジスタ１０６に
も電流を流す必要があり、素子選択用トランジスタ１０
６の特性が一定でない場合、それに起因したノイズが出
力電圧に与えられることになる。このため、上記のアー
キテクチャでは、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）は３０ｄＢ
程度と小さいものであった。

【００１９】このＳ／Ｎ比を改善する技術が、たとえば
以下の文献８により提案されている。

【００２０】文献８：R. Scheuerlein et al.,“A 10ns
Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a
Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Ce
ll”, 2000 IEEE International Solid-State Circuits
Conference 上記文献８で提案されたアーキテクチャは、図２９に示
す構成を有している。図２９を参照して、このアーキテ
クチャでは、２つの素子選択用トランジスタ２０６ａ、
２０６ｂと２つの強磁性トンネル接合素子２０１ａ、２
０１ｂとが１ビットとされる。そして、常に２つの強磁
性トンネル接合素子２０１ａ、２０１ｂの一方は平行
に、他方は反平行になるように書込みが行なわれ、その
記憶状態が作動検出法で読出される。つまり２つの強磁
性トンネル接合素子２０１ａ、２０１ｂの一方の出力信
号に対する他方の出力信号の差により記憶状態が判定さ
れる。

【００２１】このように作動検出法でデータを読出して
いるため、ＴＭＲ効果に伴う抵抗変化｜Ｒａｐ−Ｒｐ｜
の全体を用いて記憶状態の判定がなされていることにな
る。よって、出力信号の大きさを図２８に示すアーキテ
クチャの場合の２倍以上と大きくでき、Ｓ／Ｎ比を改善
することが可能となる。しかし、２素子で１ビットを構
成するため、１ビット当りのセルサイズが大きくなり、
大容量のＭＲＡＭを実現するにあたって問題となる。

【００２２】このように従来提案されてきたＭＲＡＭの
アーキテクチャにおいては、上述のように十分に高いＳ
／Ｎ比と微細なセル面積とを両立することはできなかっ
た。

【００２３】それゆえ、本発明の目的は、十分に高いＳ
／Ｎ比と、微細なセル面積とを両立できる磁気記憶装置
を実現することである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気記憶装置
は、トンネル磁気抵抗効果によりデータを記憶する磁気
記憶装置であって、作動検出可能なように積層された少
なくとも２つのトンネル磁気抵抗効果素子を備えてい
る。

【００２５】本発明の磁気記憶装置によれば、積層され
た２つのトンネル磁気抵抗効果素子だけで作動検出可能
であるため、メモリセルにトランジスタは不要となり、
微細なセル面積を実現することができる。また作動検出
により記憶データを読出すことができるため、十分なＳ
／Ｎ比を得ることができる。よって、十分なＳ／Ｎ比と
微細なセル面積との双方を満たす磁気記憶装置を実現す
ることができる。

【００２６】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
積層された２つトンネル磁気抵抗効果素子の間に延び、
かつ２つのトンネル磁気抵抗効果素子の双方に電気的に
接続された第１配線がさらに備えられている。

【００２７】このように第１配線が、積層された２つの
トンネル磁気抵抗効果素子の間に延びるように配置され
ているため、第１配線に電流を流すことにより生ずる磁
界で、２つのトンネル磁気抵抗効果素子の各磁性層を互
いに逆向きに磁化することができる。これにより、２つ
のトンネル磁気抵抗効果素子の一方は平行に、他方は反
平行に磁化して書込みを行なうことができる。よって、
２つのトンネル磁気抵抗効果素子を用いて作動検出法に
よるデータの読出を行なうことが可能となる。

【００２８】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
積層された２つのトンネル磁気抵抗効果素子の近傍で第
１配線に交差する方向に延びる第２配線がさらに備えら
れている。

【００２９】この第２配線に電流を流すことで生ずる磁
界と、上記の第１配線で生ずる磁界との合成磁界によ
り、容易にトンネル磁気抵抗効果素子を磁化させること
ができる。

【００３０】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
第１配線の一方側に配置されたトンネル磁気抵抗効果素
子に電気的に接続された第１ビット配線と、第１配線の
他方側に配置されたトンネル磁気抵抗効果素子に電気的
に接続され、かつ第１ビット配線に交差する方向に延び
る第２ビット配線とがさらに備えられている。

【００３１】このように第１および第２ビット線を互い
に交差する方向に延ばすことにより、第１ビット線で生
ずる磁界と第２ビット線で生ずる磁界との合成磁界によ
り、容易にトンネル磁気抵抗効果素子を磁化させること
ができる。また、各トンネル磁気抵抗効果素子にビット
線を接続することで、書込み時にメモリセルを選択する
ことが可能となり、かつ読出し時にビット線を介してデ
ータを読出すことができる。

【００３２】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
積層された２つのトンネル磁気抵抗効果素子の各々は、
磁化方向が固定された固着層と、外部磁場によって磁化
方向が変化する記録層と、固着層と記録層との間に配置
されたトンネル絶縁層とを有する。

【００３３】このように固着層の磁化方向に対する記録
層の磁化方向を変化させて、互いの磁化方向を平行・反
平行にすることにより、トンネル磁気抵抗効果素子の抵
抗値が変動するため、この抵抗値の変化に基づいて記憶
の書込み・読出しを行なうことができる。

【００３４】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
第１配線を挟んで一方側に配置されたトンネル磁気抵抗
効果素子の記録層と他方側に配置されたトンネル磁気抵
抗効果素子の記録層とが反強磁性結合する程度の厚みで
第１配線は構成されている。

【００３５】これにより、いずれか一方の記録層のみを
磁化すれば、他方の記録層も反強磁性結合により一方の
記録層の磁化方向と逆向きに磁化される。

【００３６】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
第１配線を挟んで一方側に配置されたトンネル磁気抵抗
効果素子の記録層と他方側に配置されたトンネル磁気抵
抗効果素子の記録層とは互いに逆向きに磁化されてい
る。

【００３７】これにより、いずれか一方の記録層のみを
磁化すれば、他方の記録層も反強磁性結合により一方の
記録層の磁化方向と逆向きに磁化される。

【００３８】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
固着層が、強磁性層と反強磁性層との積層構造を有す
る。

【００３９】これにより固着層の磁化方向を固定するこ
とができる。上記の磁気記憶装置においては好ましく
は、非磁性層を挟んで互いに反強磁性結合した第１強磁
性層と第２強磁性層とを有する。

【００４０】これにより固着層の磁気方向を固定するこ
とができる。上記の磁気記憶装置において好ましくは、
第１強磁性層と第２強磁性層とは互いに逆向きに磁化さ
れている。

【００４１】これにより固着層の磁化方向を固定するこ
とができる。上記の磁気記憶装置において好ましくは、
第１配線の一方側に配置されたトンネル磁気抵抗効果素
子と第１ビット配線との間に配置された第１ダイオード
と、第１配線の他方側に配置されたトンネル磁気抵抗効
果素子と第２ビット配線との間に配置された第２ダイオ
ードとがさらに備えられている。

【００４２】トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗値を変え
ることにより、このトンネル磁気抵抗効果素子に接続さ
れたダイオードの導通・非導通を制御することができる
ため、これに基づいてデータの書込・読出を行なうこと
ができる。

【００４３】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
データの書込の際に第１および第２のビット配線の各々
に電流が流れないよう制御可能なように、第１および第
２のビット配線の各々に電気的に接続されたトランジス
タがさらに備えられている。

【００４４】これにより、データの書込時に各ビット線
に電流が流れるのをトランジスタで防止することができ
る。

【００４５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図に基づいて説明する。

【００４６】（実施の形態１）図１は、本発明の実施の
形態１における磁気記憶装置の回路図である。図１を参
照して、本実施の形態では、ＭＲＡＭのメモリセルＭＣ
は、互いに直列に接続された２つのトンネル磁気抵抗効
果素子１ａと１ｂとを有している。この２つのトンネル
磁気抵抗効果素子１ａと１ｂとの間にはワード線３が電
気的に接続されている。また、直列に接続された２つの
トンネル磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各端部にはそれ
ぞれビット線２ａ、２ｂが電気的に接続されている。こ
のようなメモリセルＭＣが、複数のワード線３と複数の
ビット線２ａとの各交差部付近に位置することでマトリ
ックス状に配置されている。

【００４７】ワード線３はトランジスタ５のソース／ド
レインのいずれか一方に電気的に接続されている。ビッ
ト線２ａはトランジスタ８ａを介してアンプ４に電気的
に接続されており、ビット線２ｂはトランジスタ８ｂを
介してアンプ４に電気的に接続されている。

【００４８】図２は、図１に示す磁気記憶装置の構成を
概略的に示す斜視図である。図２を参照して、ビット線
２ａ、２ｂは互いに直交する方向に延びており、ワード
線３はビット線２ａと２ｂとの間でビット線２ｂと同じ
方向に延びている。メモリセルＭＣを構成する２つのト
ンネル磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々は、互いに積
層されており、トンネル磁気抵抗効果素子１ａはビット
線２ａとワード線３との間に配置されており、トンネル
磁気抵抗効果素子１ｂはワード線３とビット線２ｂとの
間に配置されている。

【００４９】図３は、図２に示す磁気記憶装置のうち１
つのメモリセルの構成を示す概略断面図である。図３を
参照して、トンネル磁気抵抗効果素子１ａは、磁化方向
が固定された固着層１１ａと、トンネル絶縁層１２ａ
と、外部磁場によって磁化方向が変化する記録層１３ａ
とが下から順に積層された構成を有している。

【００５０】トンネル磁気抵抗効果素子１ｂは、外部磁
場によって磁化方向が変化する記録層１３ｂと、トンネ
ル絶縁層１２ｂと、磁化方向が固定された固着層１１ｂ
とが下から順に積層された構成を有している。

【００５１】固着層１１ａ、１１ｂの各々は、たとえば
反強磁性層と強磁性層との積層構造とすることにより磁
化方向を固定されている。つまり、反強磁性層が強磁性
層のスピンの向きを固定することで、強磁性層の磁化方
向が一定に保たれている。この反強磁性層が強磁性層と
ビット線２ａまたは２ｂとの間に形成されている。この
強磁性層はたとえばＣｏＦｅ層よりなっており、反強磁
性層はたとえばＩｒＭｎ層よりなっている。

【００５２】記録層１３ａ、１３ｂの各々は強磁性層よ
りなっており、たとえばＣｏＦｅ層とＮｉＦｅ層との積
層構造よりなっている。トンネル絶縁層１２ａ、１２ｂ
の各々はたとえばＡｌＯ_x層よりなっている。

【００５３】なお、ワード線３は、非磁性層より形成さ
れており、かつ２つの強磁性層（記録層）１３ａと１３
ｂとを互いに反強磁性的に結合しない程度に厚く形成さ
れている。またビット線２ａ、２ｂの各々は、たとえば
Ｃｕ層よりなっている。

【００５４】次に、本実施の形態の磁気記憶装置の書込
み動作について説明する。図４は、本発明の実施の形態
１における磁気記憶装置の１つのメモリセルのデータの
書込み動作を説明するための概略斜視図である。図４を
参照して、データの書込み時に、ワード線３にたとえば
矢印５２で示す方向に電流が流される。これにより、右
ネジの法則にしたがって、ワード線３を取巻く矢印Ｂ１
方向に磁界が生じる。この磁界により、ワード線３の下
に位置する記録層１３ａは矢印５３ａで示す方向に磁化
し、ワード線３の上に位置する記録層１３ｂは矢印５３
ｂで示す方向に磁化する。

【００５５】一方、固着層１１ａおよび１１ｂの各々は
予め矢印５７ａ方向、矢印５７ｂ方向に磁化されてい
る。このため、トンネル磁気抵抗効果素子１ａにおいて
は固着層１１ａと記録層１３ａとの各磁化方向は平行と
なるのに対し、トンネル磁気抵抗効果素子１ｂにおいて
は固着層１１ｂと記録層１３ｂとの各磁化方向は反平行
となる。この状態が図３で示すようにたとえば“０”の
記憶状態とされる。

【００５６】また、ワード線３に矢印５２とは逆側に電
流を流した場合には、ワード線３を取巻くように発生す
る磁界の向きは矢印Ｂ１とは逆回転方向となる。よって
この場合には記録層１３ａは矢印５３Ａとは逆方向に磁
化し、記録層１３ｂも矢印５３ｂとは逆方向に磁化す
る。この場合には、トンネル磁気抵抗効果素子１ａの固
着層１１ａと記録層１３ａとの磁化方向は互いに反平行
となり、トンネル磁気抵抗効果素子１ｂの固着層１１ｂ
と記録層１３ｂとの磁化方向は互いに平行となる。この
状態が図３で示すようにたとえば“１”の記憶状態とさ
れる。

【００５７】ここで、トンネル磁気抵抗効果素子は、記
録層と固着層との各磁化方向が平行の場合には抵抗値が
小さくなり、かつ固着層と記録層との各磁化方向が反平
行の場合には抵抗値が大きくなるという特性を有してい
る。よって、“０”の記憶状態ではトンネル磁気抵抗効
果素子１ｂの抵抗値はトンネル磁気抵抗効果素子１ａの
抵抗値よりも大きくなり、“１”の記憶状態ではトンネ
ル磁気抵抗効果素子１ｂの抵抗値はトンネル磁気抵抗効
果素子１ａの抵抗値よりも小さくなる。

【００５８】次に、本実施の形態の磁気記憶装置の読出
し動作について説明する。図３を参照して、読出し時に
は、所定のトランジスタ５がオンされて、そのオン状態
のトランジスタ５に接続されたワード線３が選択され
る。これにより、選択されたワード線３に接続されたト
ンネル磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々にワード線３
からトンネル電流が流される。その際の各トンネル電流
あるいは各負荷電圧がビット線２ａ、２ｂとトランジス
タ８ａ、８ｂとを経由してアンプ４に入力される。そし
て、２つのトンネル磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの一方
のトンネル電流あるいは負荷電圧に対して他方のトンネ
ル電流あるいは負荷電圧が高いか、低いかにより作動方
式で記憶状態が判定される。

【００５９】具体的に信号電圧によって記憶状態を判定
する場合には、トンネル磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの
うち磁化方向が平行となっている側の抵抗をＲｐとし、
反平行となっている側の抵抗をＲａｐとし、トンネル電
流をＩｄとすると、記憶状態の“１”、“０”に対応し
て信号電圧はΔＶ（＝（Ｒａｐ−Ｒｐ）Ｉｄ）、−ΔＶ
となる。

【００６０】本実施の形態では、作動方式で記憶状態を
読出しているため、ＴＭＲ効果に伴う抵抗変化｜Ｒａｐ
−Ｒｐ｜の全体を用いて記憶状態の判定がなされること
になる。よって、図２８に示すアーキテクチャの場合と
比較して信号電圧は２倍以上大きくなる。さらに、メモ
リセルＭＣには素子選択用トランジスタは含まれていな
いため、そのトランジスタによるノイズの影響を受けな
い。このため、図２８に示すアーキテクチャの場合と比
較して、Ｓ／Ｎ比は１０倍以上大きくなる。

【００６１】また本実施の形態のメモリセルＭＣでは、
図２９に示すアーキテクチャのような素子選択用トラン
ジスタは不要であり、また図２８に示すアーキテクチャ
のような参照セルも不要であり、さらに２つのトンネル
磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂを積層して形成することが
できるため、図２８、２９に示すアーキテクチャよりも
セル面積を微細化することができる。

【００６２】以上より、本実施の形態では、十分に高い
Ｓ／Ｎ比と微細なセル面積との双方を両立することがで
きる。

【００６３】なお上記においては、ワード線３により生
ずる磁場のみで記録層を磁化する方式について説明した
が、ワード線３で生ずる磁場とビット線２ａで生ずる磁
場との合成磁場によって記録層１３ａ、１３ｂが磁化さ
れてもよい。以下、その方式について説明する。

【００６４】図５は、１つのメモリセルＭＣにワード線
とビット線とを用いてデータを書込む様子を説明するた
めの概略斜視図である。図５を参照して、まず、互いに
直交する方向に延びるワード線３とビット線２ａとに電
流が流される。ワード線３には、たとえば矢印５２方向
に電流が流され、それによりワード線３を取巻く矢印Ｂ
１方向に磁場が生じる。この磁場により、ワード線３の
下にある記録層１３ａには矢印５３ａ方向の磁界が印加
され、ワード線３の上にある記録層１３ｂには矢印５３
ｂ方向の磁界が印加される。一方、ビット線２ａには、
たとえば矢印５１方向に電流が流され、それによりビッ
ト線２ａを取巻く矢印Ｂ２方向に磁場が生じる。この磁
場により、ビット線２ａ上の記録層１３ａ、１３ｂの各
々には、矢印５４ａ、５４ｂの各々で示す同方向の磁界
が印加される。

【００６５】図６を参照して、記録層１３ａ、１３ｂの
ような強磁性層には、結晶構造や形状などにより磁化し
やすい方向（エネルギが低い状態）がある。この方向は
磁化容易軸（easy axis）と呼ばれる。記憶が保持され
ている状態では、強磁性層はこの方向に磁化される。こ
れに対し、磁化しにくい方向は、磁化困難軸（hard axi
s）と呼ばれる。

【００６６】磁化の向きを反転させるために必要な磁場
の大きさは、曲線５６ａで示されるアストロイド曲線と
なる。ここで、記録層１３ａには矢印５３ａで示す向き
と大きさの磁場と矢印５４ａで示す向きと大きさの磁場
との合成磁場が矢印５５ａで示す向きと大きさで印加さ
れることになる。この合成磁場の大きさは曲線５６ａで
表わされるしきい値を超えているために、記録層１３ａ
は磁化容易軸方向の図中＋Ｈで示す方向に磁化すること
になる。

【００６７】図７を参照して、一方、記録層１３ｂには
矢印５３ｂで示す向きと大きさの磁場と矢印５４ｂで示
す向きと大きさの磁場との合成磁場が矢印５５ｂで示す
向きと大きさで印加されることになる。この合成磁場の
大きさも曲線５６ｂで表わされるしきい値を超えている
ため、記録層１３ｂは磁化容易軸方向の図中−Ｈで示す
方向に磁化することになる。

【００６８】このようにワード線３とビット線２ａとに
より書込む方式においても、ワード線３単独で書込む方
式と同様、ワード線３の下にある記録層１３ａと上にあ
る記録層１３ｂとを互いに逆向きに磁化することができ
るため、同様に作動検出を行なうことができる。

【００６９】また、ワード線３とビット線２ａとにより
書込む方式では、ワード線３単独で書込む方式よりも小
さな電流値で記録層１３ａ、１３ｂの各々を磁化でき、
かつワード線３とビット線２ａとの通電により所定のア
ドレスにあるメモリセルＭＣを選択して記憶させること
が可能となる。

【００７０】（実施の形態２）図８は、本発明の実施の
形態２における磁気記憶装置の１つのメモリセルＭＣの
構成を概略的に示す断面図である。図８を参照して、本
実施の形態の構成は、図３に示す実施の形態１の構成と
比較して、固着層１１ａが強磁性層１１ｃと非磁性層１
１ｄと強磁性層１１ｅとの多層構造より構成されている
点と、記録層１３ａと１３ｂとが同じ方向に磁化してい
る点とにおいて異なる。

【００７１】固着層１１ａは、強磁性層１１ｃと非磁性
層１１ｄと強磁性層１１ｅとが下から順に積層された積
層構造を有している。これらの強磁性層１１ｃと１１ｅ
とは、互いに反強磁性的に結合することにより、互いに
逆向きに磁化された状態で固定されている。

【００７２】なお、これ以外の構成については上述した
実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の部材
については同一の符号を付し、その説明を省略する。

【００７３】本実施の形態の書込み時には、ワード線３
に接続されたトランジスタ５をオフ状態にしておき、互
いに直交する２本のビット線２ａ、２ｂの各々に電流が
流される。これにより、ビット線２ａで生じた磁場とビ
ット線２ｂで生じた磁場との合成磁場により図６および
図７で説明した原理と同様の原理に基づき、記録層１３
ａ、１３ｂの各々は互いに同じ方向に磁化される。この
磁化により、トンネル磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの一
方の固着層と記録層との磁化方向は互いに平行となり、
他方の固着層と記録層との磁化方向は互いに反平行とな
る。したがって、実施の形態１と同様、作動方式の読出
しが可能となる。

【００７４】（実施の形態３）図９は、本発明の実施の
形態３における磁気記憶装置の１つのメモリセルの構成
を概略的に示す断面図である。図９を参照して、本実施
の形態の構成は、図８に示す実施の形態２の構成と比較
して、記録層１３ａ、１３ｂの間に延びる配線層２２を
ワード線３とは別の層で構成し、この配線層２２とワー
ド線３とを導電層２１で電気的に接続した点において異
なる。

【００７５】なお、これ以外の構成については上述した
実施の形態２の構成とほぼ同じであるため、同一の部材
については同一の符号を付し、その説明を省略する。

【００７６】本実施の形態では、配線層２２をワード線
３とは別の層で構成しているため、記録層１３ａ、１３
ｂの間に延びる配線層２２の膜厚を薄くすることができ
る。

【００７７】本実施の形態の書込み時には、ワード線３
に接続されたトランジスタ５をオフ状態にしておき、互
いに直交する２本のビット線２ａ、２ｂの各々に電流が
流される。これにより、ビット線２ａで生じた磁場とビ
ット線２ｂで生じた磁場との合成磁場により図６および
図７で説明した原理と同様の原理に基づき、記録層１３
ａ、１３ｂの各々は互いに同じ方向に磁化される。この
磁化により、トンネル磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの一
方の固着層と記録層との磁化方向は互いに平行となり、
他方の固着層と記録層との磁化方向は互いに反平行とな
る。したがって、実施の形態１と同様、作動方式の読出
しが可能となる。

【００７８】（実施の形態４）図１０は、本発明の実施
の形態４における磁気記憶装置の１つのメモリセルの構
成を概略的に示す断面図である。図１０を参照して、本
実施の形態の構成は、図９に示す実施の形態３の構成と
比較して、記録層１３ａ、１３ｂが互いに反強磁性的に
結合している点と、記録層１３ａと１３ｂとのいずれか
一方が他方よりも磁化しやすい構成を有している点と、
固着層１１ａが反強磁性層と強磁性層との積層構造によ
り磁化方向が固定されている点とにおいて異なる。

【００７９】なお、これ以外の構成については、上述し
た実施の形態３の構成とほぼ同じであるため、同一の部
材については同一の符号を付し、その説明を省略する。

【００８０】本実施の形態では、記録層１３ａ、１３ｂ
を互いに反強磁性的に結合できる程度に配線層２２の膜
厚が薄く設定されている。これにより、配線層２２の配
線抵抗が高くなるおそれがあるため、それを防止すべく
配線層２２とワード線３とを別の層で設け、ワード線３
の膜厚を厚くすることにより配線抵抗の低減が図られて
いる。

【００８１】また、記録層１３ａ、１３ｂのいずれか一
方が、他方よりも磁化しやすい構成（たとえば膜厚が異
なる、または材質が異なる）とされている。これによ
り、書込み時においてビット線２ａ、２ｂに通電した場
合に、記録層１３ａ、１３ｂのうち磁化しやすい一方が
先に所定方向に磁化し、磁化しにくい他方が一方とは逆
側に磁化することになる。

【００８２】本実施の形態の書込時には、ワード線３に
接続されたトランジスタ５をオフ状態にしておき、互い
に直交する２本のビット線２ａ、２ｂの各々に電流が流
される。これにより、ビット線２ａで生じた磁場とビッ
ト線２ｂで生じた磁場との合成磁場により図６および図
７で説明した原理と同様の原理に基づき、記録層１３
ａ、１３ｂのうち磁化しやすい一方が先に所定方向に磁
化し、磁化しにくい他方が一方とは逆側に磁化すること
になる。この磁化により、トンネル磁気抵抗効果素子１
ａ、１ｂの一方の固着層と記録層との磁化方向は互いに
平行となり、他方の固着層と記録層との磁化方向は互い
に反平行となる。したがって、実施の形態１と同様、作
動方式の読出しが可能となる。

【００８３】（実施の形態５）図１１は、本発明の実施
の形態５における磁気記憶装置の回路図である。図１１
を参照して、本実施の形態の構成は、図１に示す実施の
形態１の構成と比較して、メモリセルＭＣを構成する２
つのトンネル磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの近傍に延在
するデータ書込用配線となるディジット線９と、そのデ
ィジット線９に電気的に接続されたトランジスタ１０と
をさらに備えた点において異なる。

【００８４】図１２は、図１１に示す磁気記憶装置の構
成を概略的に示す斜視図であり、図１３は図１２に示す
磁気記憶装置の１つのメモリセルの構成を概略的に示す
断面図である。図１２および図１３を参照して、上述の
ディジット線９は、たとえば積層された２つのトンネル
磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの上層に絶縁層を挟んでビ
ット線２ａと同じ方向に延在している。

【００８５】なお、これ以外の構成については、上述し
た実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の部
材については同一の符号を付し、その説明を省略する。

【００８６】図１４は、本発明の実施の形態５における
磁気記憶装置の１つのメモリセルのデータの書込み動作
を説明するための概略斜視図である。図１４を参照し
て、互いに直交する方向に延びるワード線３とディジッ
ト線９とに電流が流される。ワード線３には、たとえば
矢印５２方向に電流が流され、それによりワード線３を
取巻く矢印Ｂ１方向に磁場が生じる。この磁場により、
ワード線３の下にある記録層１３ａには矢印５３ａ方向
の磁界が印加され、ワード線３の上にある記録層１３ｂ
には矢印５３ｂ方向の磁界が印加される。一方、ディジ
ット線９には、たとえば矢印５５方向に電流が流され、
それによりディジット線９を取巻く矢印Ｂ３方向に磁場
が生じる。この磁場により、ディジット線９下の記録層
１３ａ、１３ｂの各々には、矢印５８ａ、５８ｂの各々
で示す同方向の磁界が印加される。

【００８７】ここで、記録層１３ａには矢印５３ａで示
す向きの磁場と矢印５８ａで示す向きの磁場との合成磁
場が印加されることになる。また、記録層１３ｂには矢
印５３ｂで示す向きの磁場と矢印５４ｂで示す向きの磁
場との合成磁場が印加されることになる。これらの合成
磁場により図６および図７で説明した原理と同様の原理
に基づき、トンネル磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの一方
の固着層と記録層との磁化方向は互いに平行となり、他
方の固着層と記録層との磁化方向は互いに反平行とな
る。したがって、実施の形態１と同様、作動方式の読出
しが可能となる。

【００８８】なお、図８〜図１０に示す各構成も、ディ
ジット線９およびそれに接続されたトランジスタ１０を
追加して図１５〜図１７に示す構成とされてもよい。図
１５〜図１７に示す各構成では、書込み時にビット線２
ａとディジット線９とに電流が流されて、記録層が所定
方向に磁化される。これ以外の書込み、読出し動作につ
いては図８〜図１０の動作とほぼ同じであるため、その
説明を省略する。

【００８９】（実施の形態６）図１８は、本発明の実施
の形態６における磁気記憶装置の回路図である。図１８
を参照して、本実施の形態の構成は、図１に示す実施の
形態１の構成と比較して、トンネル磁気抵抗効果素子１
ａとビット線２ａとの間およびトンネル磁気抵抗効果素
子１ｂとビット線２ｂとの間に各々、ダイオード３１
ａ、３１ｂの各々が設けられた点において異なる。

【００９０】図１９は図１８に示す磁気記憶装置の１つ
のメモリセルの構成を概略的に示す断面図である。図１
９を参照して、ダイオード３１ａは、ビット線２ａ上に
形成されたｎ型領域３２ａと、そのｎ型領域３２ａとｐ
ｎ接合をなすｐ型領域３３ａとを有している。またダイ
オード３１ｂは、固着層１１ｂ上に形成されたｐ型領域
３３ｂと、そのｐ型領域３３ｂとｐｎ接合をなすｎ型領
域３２ｂとを有している。

【００９１】なお、これ以外の構成については上述した
実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の部材
については同一の符号を付し、その説明を省略する。

【００９２】本実施の形態の磁気記憶装置は、読出し動
作において実施の形態１と異なる。図１８を参照して、
読出し時には選択されたワード線３に読出し電流を流す
ことにより、そのワード線３に接続された２つのトンネ
ル磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂにトンネル電流が流され
る。ここで、２つのトンネル磁気抵抗効果素子１ａ、１
ｂは一方が平行に、他方が反平行に磁化されているた
め、一方と他方との抵抗が異なる。このため、抵抗の低
い側のトンネル磁気抵抗効果素子に接続されたダイオー
ドは順方向電圧（順バイアス）以上の電圧が印加される
ため導通状態となる。しかし、抵抗の高い側のトンネル
磁気抵抗効果素子に接続されたダイオードは順方向電圧
よりも小さい電圧しか印加されないため非導通状態とな
る。この導通・非導通の状態を読取ることにより差動方
式でその記憶状態が判定される。

【００９３】なお図８〜図１０に示す構成においてもダ
イオード３１ａ、３１ｂが追加されて図２０〜図２２に
示す構成とされてもよい。この場合も上記と同様にし
て、導通・非導通の状態を読取ることにより差動方式で
その記憶状態が判定される。

【００９４】（実施の形態７）図２３は本発明の実施の
形態７における磁気記憶装置を示す回路図であり、図２
４は図２３に示す磁気記憶装置の１つのメモリセルの構
成を概略的に示す断面図である。図２３および図２４を
参照して、本実施の形態の構成は、図１８および図１９
に示す実施の形態６の構成と比較して、メモリセルＭＣ
を構成する２つのトンネル磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ
の近傍に延在するディジット線９とそのディジット線９
に電気的に接続されたトランジスタ１０とを追加した点
において異なる。このディジット線９とトランジスタ１
０との構成は、実施の形態５で説明した構成とほぼ同じ
である。

【００９５】なお、これ以外の構成ついては上述した実
施の形態６の構成とほぼ同じであるため、同一の部材に
ついては同一の符号を付し、その説明を省略する。

【００９６】また、図２０〜図２２の構成に、ディジッ
ト線９およびトランジスタ１０を追加することにより、
図２５〜図２７に示す構成とされてもよい。

【００９７】これらの図２４〜図２７に示す構成におい
ても、実施の形態６と同様、読出し時に導通・非導通の
状態を読取ることにより差動方式でその記憶状態が判定
される。

【００９８】上述した実施の形態１〜７においては、読
出し感度を大きくするためにトンネル磁気抵抗効果の大
きい材料を用いることが望ましく、したがって各磁性膜
はＣｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｃｏ
−Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金などの磁性体、およ
びＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ₂ＭｎＧｅなどのハーフメタルな
どを用いることができる。ハーフメタルは一方のスピン
バンドにエネルギギャップが存在するので、これを用い
るとより大きな磁気抵抗効果を得ることができ、結果と
して大きな信号出力が得られる。

【００９９】反強磁性体としてはＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、
ＰｔＭｎなど、通常のスピンバルブＧＭＲで得られてい
るものを使用することができる。絶縁膜としては、Ａｌ
₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＯ₂、ＭｇＯなどを用いることが
できる。これらの膜厚の好ましい範囲は０．５〜３ｎｍ
である。

【０１００】このような磁気素子用薄膜は分子線エピタ
キシ（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、各種スパ
ッタ法、化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Depos
ition）法、蒸着法など通常の薄膜形成装置を用いて作
製することができる。

【０１０１】また上記においてはＭＲＡＭの半導体装置
については説明したが、本発明は半導体装置に限定され
るものではなく、広く磁気記憶装置に適用することが可
能である。

【０１０２】また、上記のＭＲＡＭにおいては、２つの
トンネル磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂからなるメモリセ
ルＭＣについて説明したが、メモリセルＭＣには２つ以
上のトンネル磁気抵抗効果素子が含まれていてもよく、
それらのメモリセルＭＣは互いに積層されていてもよ
い。

【０１０３】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【０１０４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の磁気記憶装
置によれば、積層された２つのトンネル磁気抵抗効果素
子だけで作動検出可能であるため、メモリセルにトラン
ジスタは不要となり、微細なセル面積を実現することが
できる。また作動検出により記憶データを読出すことが
できるため、十分なＳ／Ｎ比を得ることができる。よっ
て、十分なＳ／Ｎ比と微細なセル面積との双方を満たす
磁気記憶装置を実現することができる。

【０１０５】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
積層された２つトンネル磁気抵抗効果素子の間に延び、
かつ２つのトンネル磁気抵抗効果素子の双方に電気的に
接続された第１配線がさらに備えられている。このよう
に第１配線が、積層された２つのトンネル磁気抵抗効果
素子の間に延びるように配置されているため、第１配線
に電流を流すことにより生ずる磁界で、２つのトンネル
磁気抵抗効果素子の各磁性層を互いに逆向きに磁化する
ことができる。これにより、２つのトンネル磁気抵抗効
果素子の一方は平行に、他方は反平行に磁化して書込み
を行なうことができる。よって、２つのトンネル磁気抵
抗効果素子を用いて作動検出法によるデータの読出を行
なうことが可能となる。

【０１０６】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
積層された２つのトンネル磁気抵抗効果素子の近傍で第
１配線に交差する方向に延びる第２配線がさらに備えら
れている。この第２配線に電流を流すことで生ずる磁界
と、上記の第１配線で生ずる磁界との合成磁界により、
容易にトンネル磁気抵抗効果素子を磁化させることがで
きる。

【０１０７】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
第１配線の一方側に配置されたトンネル磁気抵抗効果素
子に電気的に接続された第１ビット配線と、第１配線の
他方側に配置されたトンネル磁気抵抗効果素子に電気的
に接続され、かつ第１ビット配線に交差する方向に延び
る第２ビット配線とがさらに備えられている。このよう
に第１および第２ビット線を互いに交差する方向に延ば
すことにより、第１ビット線で生ずる磁界と第２ビット
線で生ずる磁界との合成磁界により、容易にトンネル磁
気抵抗効果素子を磁化させることができる。また、各ト
ンネル磁気抵抗効果素子にビット線を接続することで、
書込み時にメモリセルを選択することが可能となり、か
つ読出し時にビット線を介してデータを読出すことがで
きる。

【０１０８】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
積層された２つのトンネル磁気抵抗効果素子の各々は、
磁化方向が固定された固着層と、外部磁場によって磁化
方向が変化する記録層と、固着層と記録層との間に配置
されたトンネル絶縁層とを有する。このように固着層の
磁化方向に対する記録層の磁化方向を変化させて、互い
の磁化方向を平行・反平行にすることにより、トンネル
磁気抵抗効果素子の抵抗値が変動するため、この抵抗値
の変化に基づいて記憶の書込み・読出しを行なうことが
できる。

【０１０９】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
第１配線を挟んで一方側に配置されたトンネル磁気抵抗
効果素子の記録層と他方側に配置されたトンネル磁気抵
抗効果素子の記録層とが反強磁性結合する程度の厚みで
第１配線は構成されている。これにより、いずれか一方
の記録層のみを磁化すれば、他方の記録層も反強磁性結
合により一方の記録層の磁化方向と逆向きに磁化され
る。

【０１１０】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
第１配線を挟んで一方側に配置されたトンネル磁気抵抗
効果素子の記録層と他方側に配置されたトンネル磁気抵
抗効果素子の記録層とは互いに逆向きに磁化されてい
る。これにより、いずれか一方の記録層のみを磁化すれ
ば、他方の記録層も反強磁性結合により一方の記録層の
磁化方向と逆向きに磁化される。

【０１１１】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
固着層が、強磁性層と反強磁性層との積層構造を有す
る。これにより固着層の磁化方向を固定することができ
る。

【０１１２】上記の磁気記憶装置においては好ましく
は、非磁性層を挟んで互いに反強磁性結合した第１強磁
性層と第２強磁性層とを有する。これにより固着層の磁
気方向を固定することができる。

【０１１３】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
第１強磁性層と第２強磁性層とは互いに逆向きに磁化さ
れている。これにより固着層の磁化方向を固定すること
ができる。

【０１１４】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
第１配線の一方側に配置されたトンネル磁気抵抗効果素
子と第１ビット配線との間に配置された第１ダイオード
と、第１配線の他方側に配置されたトンネル磁気抵抗効
果素子と第２ビット配線との間に配置された第２ダイオ
ードとがさらに備えられている。トンネル磁気抵抗効果
素子の抵抗値を変えることにより、このトンネル磁気抵
抗効果素子に接続されたダイオードの導通・非導通を制
御することができるため、これに基づいてデータの書込
・読出を行なうことができる。

【０１１５】上記の磁気記憶装置において好ましくは、
データの書込の際に第１および第２のビット配線の各々
に電流が流れないよう制御可能なように、第１および第
２のビット配線の各々に電気的に接続されたトランジス
タがさらに備えられている。これにより、データの書込
時に各ビット線に電流が流れるのをトランジスタで防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における磁気記憶装置
の回路図である。

【図２】図１の磁気記憶装置の構成を概略的に示す斜
視図である。

【図３】図２に示す磁気記憶装置の１つのメモリセル
の構成を概略的に示す断面図である。

【図４】１つのメモリセルにデータを書込む様子を説
明するための概略斜視図である。

【図５】１つのメモリセルにワード線とビット線とを
用いてデータを書込む様子を説明するための概略斜視図
である。

【図６】合成磁場による磁化を説明するための第１の
図である。

【図７】合成磁場による磁化を説明するための第２の
図である。

【図８】本発明の実施の形態２における磁気記憶装置
の１つのメモリセルの構成を概略的に示す断面図であ
る。

【図９】本発明の実施の形態３における磁気記憶装置
の１つのメモリセルの構成を概略的に示す断面図であ
る。

【図１０】本発明の実施の形態４における磁気記憶装
置の１つのメモリセルの構成を概略的に示す断面図であ
る。

【図１１】本発明の実施の形態５における磁気記憶装
置の回路図である。

【図１２】図１１に示す磁気記憶装置の構成を概略的
に示す斜視図である。

【図１３】図１２に示す磁気記憶装置の１つのメモリ
セルの構成を概略的に示す断面図である。

【図１４】１つのメモリセルにワード線とディジット
線とを用いてデータを書込む様子を説明するための概略
斜視図である。

【図１５】図８の構成にディジット線とトランジスタ
を追加した構成を示す概略断面図である。

【図１６】図９の構成にディジット線とトランジスタ
を追加した構成を示す概略断面図である。

【図１７】図１０の構成にディジット線とトランジス
タを追加した構成を示す概略断面図である。

【図１８】本発明の実施の形態６における磁気記憶装
置の回路図である。

【図１９】図１８に示す磁気記憶装置の１つのメモリ
セルの構成を概略的に示す断面図である。

【図２０】図８の構成にダイオードを追加した構成を
概略的に示す断面図である。

【図２１】図９の構成にダイオードを追加した構成を
概略的に示す断面図である。

【図２２】図１０の構成にダイオードを追加した構成
を概略的に示す断面図である。

【図２３】本発明の実施の形態７における磁気記憶装
置の回路図である。

【図２４】図２３に示す磁気記憶装置の１つのメモリ
セルの構成を概略的に示す断面図である。

【図２５】図２０の構成にディジット線とトランジス
タを追加した構成を概略的に示す断面図である。

【図２６】図２１の構成にディジット線とトランジス
タを追加した構成を概略的に示す断面図である。

【図２７】図２２の構成にディジット線とトランジス
タを追加した構成を示す概略断面図である。

【図２８】従来の磁気記憶装置の回路図である。

【図２９】作動検出を行なう従来の磁気記憶装置の回
路図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂトンネル磁気抵抗効果素子、２ａ，２ｂ
ビット線、３ワード線、４アンプ、５，８ａ，８
ｂ，１０トランジスタ、９ディジット線、１１ａ，
１１ｂ固着層、１１ｃ，１１ｅ強磁性層、１１ｄ
非磁性層、１２ａ，１２ｂトンネル絶縁層、１３ａ，
１３ｂ記録層、２１導電層、２２配線層、３１
ａ，３１ｂ，３１ａダイオード、３２ａｎ型領域、
３２ｂｐ型領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者黒岩丈晴東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者高田裕東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者猪俣浩一郎宮城県仙台市青葉区栗生１丁目７番地の12 Ｆターム(参考） 5F083 FZ10 GA09 GA11 JA37 KA01 KA05 LA03 LA12 LA16 MA06 MA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トンネル磁気抵抗効果によりデータを記
憶する磁気記憶装置であって、作動検出可能なように積層された少なくとも２つのトン
ネル磁気抵抗効果素子を備えた、磁気記憶装置。
【請求項２】積層された２つの前記トンネル磁気抵抗
効果素子の間に延び、かつ２つの前記トンネル磁気抵抗
効果素子の双方に電気的に接続された第１配線をさらに
備えたことを特徴とする、請求項１に記載の磁気記憶装
置。
【請求項３】積層された２つの前記トンネル磁気抵抗
効果素子の近傍で前記第１配線に交差する方向に延びる
第２配線をさらに備えたことを特徴とする、請求項２に
記載の磁気記憶装置。
【請求項４】前記第１配線の一方側に配置された前記
トンネル磁気抵抗効果素子に電気的に接続された第１ビ
ット配線と、前記第１配線の他方側に配置された前記トンネル磁気抵
抗効果素子に電気的に接続され、かつ前記第１ビット配
線に交差する方向に延びる第２ビット配線とをさらに備
えたことを特徴とする、請求項２または３に記載の磁気
記憶装置。
【請求項５】積層された２つの前記トンネル磁気抵抗
効果素子の各々は、磁化方向が固定された固着層と、外
部磁場によって磁化方向が変化する記録層と、前記固着
層と前記記録層との間に配置されたトンネル絶縁層とを
有することを特徴とする、請求項３に記載の磁気記憶装
置。
【請求項６】前記第１配線を挟んで一方側に配置され
た前記トンネル磁気抵抗効果素子の前記記録層と他方側
に配置された前記トンネル磁気抵抗効果素子の前記記録
層とが反強磁性結合する程度の厚みで前記第１配線は構
成されていることを特徴とする、請求項５に記載の磁気
記憶装置。
【請求項７】前記第１配線を挟んで一方側に配置され
た前記トンネル磁気抵抗効果素子の前記記録層と他方側
に配置された前記トンネル磁気抵抗効果素子の前記記録
層とは互いに逆向きに磁化されていることを特徴とす
る、請求項６に記載の磁気記憶装置。
【請求項８】前記固着層が、強磁性層と反強磁性層と
の積層構造を有することを特徴とする、請求項５に記載
の磁気記憶装置。
【請求項９】前記固着層が、非磁性層を挟んで互いに
反強磁性結合した第１強磁性層と第２強磁性層とを有す
ることを特徴とする、請求項５に記載の磁気記憶装置。
【請求項１０】前記第１強磁性層と前記第２強磁性層
とは互いに逆向きに磁化されていることを特徴とする、
請求項９に記載の磁気記憶装置。
【請求項１１】前記第１配線の一方側に配置された前
記トンネル磁気抵抗効果素子と前記第１ビット配線との
間に配置された第１ダイオードと、前記第１配線の他方側に配置された前記トンネル磁気抵
抗効果素子と前記第２ビット配線との間に配置された第
２ダイオードとをさらに備えたことを特徴とする、請求
項４に記載の磁気記憶装置。
【請求項１２】データの書込の際に前記第１および第
２のビット配線の各々に電流が流れないよう制御可能な
ように、前記第１および第２のビット配線の各々に電気
的に接続されたトランジスタをさらに備えたことを特徴
とする、請求項４に記載の磁気記憶装置。