JP2008010573A - 磁気記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 誤書き込み耐性が高く、書き込み電流の小さな磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】 磁気記憶装置は、半導体基板１の表面の上方に設けられ、方向を固定された磁化を有する、磁化固定層１１を含む。第１磁化可変層１３は、磁化固定層の上方に設けられ、方向が可変の磁化を有し、半導体基板の表面と角度を有する平面上で半導体基板の表面に対して平行でなく且つ直交しない方向に沿った磁化容易軸を有する。
第２磁化可変層１５は、第１磁化可変層の上方に設けられ、外磁場が印加されていない状態で第１磁化可変層と反強磁性結合する磁化を有する。第１書き込み線３は、第２磁化可変層の上方において第２磁化可変層と電気的に接続され、平面を貫く方向に延びる。第２書き込み線４は、第１磁化可変層および第２磁化可変層の少なくとも一方に面し、半導体基板の表面と平面に沿い且つ第１書き込み線と直交する方向に延びる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気記憶装置に関し、例えば、メモリセルおよび書き込み線の配置に関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、磁気抵抗効果を利用して情報を記憶する磁気抵抗素子をメモリセルとして有し、電流を流すことによって書き込み動作を行うという特徴を持つ。

磁気抵抗素子は、トンネル磁気抵抗効果（tunneling magnetoresistive effect）を利用した素子であり、一般的には２つの強磁性層で１つの絶縁層を挟んだ構造を有する。一方の強磁性層は基準層と呼ばれ、その磁化方向は固定される。もう一方の強磁性層は記録層と呼ばれ、その磁化方向は固定されない。トンネル磁気抵抗効果とは、２つの強磁性層の磁化方向が平行および反平行の場合でトンネル電流が変化する現象である。

２つの強磁性層の磁化方向の平行、反平行が、例えば“０”データ、“１”データに対応付けされることにより、磁気抵抗素子が１ビットの情報を保持できる。書き込み動作は、電流によって発生する磁界によって記録層の磁化方向を基準層と平行または反平行に変化させることで行われる。

大規模ＭＲＡＭの実現のためには、以下の３つの問題を改善する必要がある。その３つとは、１）ある磁気抵抗素子に書き込むために書き込み線を流れる電流による漏れ磁場が、この書き込み対象の磁気抵抗素子に隣接する磁気抵抗効素子に誤書き込みすることを回避すること、２）磁気抵抗素子の高熱擾乱耐性を高く保持すること、３）書き込み電流値を低く抑えること、である。

これらの問題に対抗する手法として、いわゆるトグル書き込み方式が提案されている（例えば特許文献１）。トグル書き込みは、情報を記録する強磁性層として、反強磁性結合された２枚の強磁性膜を用いる。そして、情報を書き込む際の磁場の印加の仕方が、上記の一般的な磁気抵抗素子への書き込みの場合と異なる。トグル書き込みは、隣接磁気抵抗素子への誤書き込み耐性を向上させる。しかしながら、磁気抵抗素子が保持している情報をスイッチングさせるのに要する磁場の強度は、記録層が単層である場合よりもかなり大きい。このため、微細化に伴って、書き込み電流値が許容できないレベルまで増大すると予測される。具体的には、例えば磁気抵抗素子の短辺の長さ５０ｎｍを切るような世代においては、実現性が危ぶまれている．
米国特許第6,545,906B1号明細書

本発明は、誤書き込み耐性が高く、書き込み電流の小さな磁気記憶装置を提供しようとするものである。

本発明の１つの視点による磁気記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面の上方に設けられ、方向を固定された磁化を有する、磁化固定層と、前記磁化固定層の上方に設けられ、方向が可変の磁化を有し、前記半導体基板の表面と角度を有する平面上で前記半導体基板の表面に対して平行でなく且つ直交しない方向に沿った磁化容易軸を有する、第１磁化可変層と、前記第１磁化可変層の上方に設けられ、外磁場が印加されていない状態で前記第１磁化可変層と反強磁性結合する磁化を有する、第２磁化可変層と、前記第２磁化可変層の上方において前記第２磁化可変層と電気的に接続され、前記平面を貫く方向に延びる、第１書き込み線と、前記第１磁化可変層および前記第２磁化可変層の少なくとも一方に面し、前記半導体基板の表面と前記平面に沿い且つ前記第１書き込み線と直交する方向に延びる、第２書き込み線と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、誤書き込み耐性が高く、書き込み電流の小さな磁気記憶装置を提供できる。

以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１乃至図１８を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る磁気記憶装置の主要部の斜視図である。図２、図３は、それぞれ図１のＩＩ−ＩＩ線、ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図１乃至図３は、簡略化のために、半導体基板、磁気抵抗素子、２種の書き込み線のみを図示している。その他の部分も含めた構成については、図７等を用いて後述する。

図１乃至図３に示すように、半導体基板１の上方に、磁気抵抗素子２が設けられる。磁気抵抗素子２は、例えば直方体形状を有している。ここで、磁気抵抗素子２は、トグル書き込みによって２つの定常状態を取り得、磁気抵抗効果を示す素子であり、典型例として、図２乃至図４に示すように、下から順に積層された強磁性層１１、非磁性層１２、強磁性層１３、非磁性層１４、強磁性層１５を含んでいる。

図４に示すように、強磁性層１３、１５は、強磁性材料から構成される。強磁性層１３、１５の図４において正面を向いている面（以下、前面と称する）は、半導体基板１の表面と交わる方向に広がっている。典型例として、前面は、半導体基板１の表面に対して垂直である。

強磁性層１３、１５の外部磁場が印加されていない状態（定常状態）での磁化は、強磁性層１３、１５の前面に沿っている。そして、強磁性層１３、１５の磁化方向は、強磁性層１３、１５の前面に沿って可変である。さらに、強磁性層１３、１５の磁気異方性方向（磁化容易軸）は、前面に沿って半導体基板１の表面と平行および直交しない方向に沿う。換言すれば、半導体基板１の表面に対して斜めである。典型例として、磁気異方性方向は、半導体基板１の表面に対して約４５°の角度を有する。

強磁性層１３と強磁性層１５とは、非磁性層１４によって、反強磁性結合している。換言すれば、強磁性層１３の磁化方向と強磁性層１５の磁化方向は、定常状態で反平行である。したがって、強磁性層１３、強磁性層１５の各磁化容易軸は、実質的に同じ方向に沿っている。非磁性層１４は、強磁性層１３と強磁性層１５とを反強磁性結合させるように構成されており、非磁性材料から構成される。非磁性材料として、例えば、安定した反強磁性結合を提供するＲｕを用いることができる。

強磁性層１１の磁化方向に対する強磁性層１３、強磁性層１５の各磁化方向に応じて、磁気抵抗素子２は１ビットの情報を保持する。例えば、強磁性層１３の磁化が、磁化容易軸に沿った２方向のうち一方を向いている場合を“０”データ保持状態として、他方を向いている場合を“１”データ保持状態として設定される。以下、強磁性層１３および強磁性層１５を、それぞれ下側記録層（磁化可変層）１３、上側記録層（磁化可変層）１５と称する。

下側記録層１３および上側記録層１５は、高さ(厚さ)／幅のアスペクト比が１程度以上であることが望ましい。こうすることによって、下側記録層１３および上側記録層１５の磁気異方性方向を、半導体基板１の表面に対して斜めに誘導および固定しやすくなる。アスペクト比は、本明細書および請求の範囲において、対象の層の高さ（厚さ）と底面形状における最大幅の比をいうものとする。

強磁性層１１は、その磁化方向が固定されている。以下、強磁性層１１を固着層（基準層、磁化固定層）と称する。このような固着層１１は、例えば、積層された強磁性層と反強磁性層とによって実現される。固着層１１の磁化方向は、下側記録層１３の磁化方向との相対的な方向によって“０”データと、“１”データを区別できる方向を向いていればよい。典型例として、固着層１３の磁化方向は、下側記録層１３および上側記録層１５の磁化容易軸に沿っている。しかしながら、上記のように２値の情報を保持可能である限り、読み出し信号量は減少するが、磁気抵抗素子２を構成する各層が相互に面する面（接合面、膜面）に沿った方向に沿っていても構わない。

固着層１１も、アスペクト比を１程度以上とすることが好ましい。こうすることによって、固着層１１の磁化を半導体基板１の表面に対して斜めに設定しやすくなる。

データの読み出しは、例えば下側記録層１３と、下側記録層１３とともに非磁性層１２を挟む固着層１１と、の間の磁気抵抗効果に応じた抵抗値を判断することにより実行される。例えば、下側記録層１３の磁化方向と固着層１１との磁化方向とが、平行の場合を“０”データ保持状態とし、反平行の場合を“１”データ保持状態とすることができる。この関係は、もちろん逆でも構わない。

非磁性層１２は、非磁性材料から構成される。磁気抵抗素子２の磁気抵抗効果を大きくするために、非磁性層１２をトンネルバリア層として機能させる材料を用いることができる。このような材料として、例えばＡｌＯ₂を用いることができる。

固着層１１、記録層１３、１５に、前面内で半導体基板１の表面に対して斜めの方向に磁気異方性を付与するには、例えば以下の方法を用いることができる。

第１の方法は、磁性材料の誘導磁気異方性により傾斜させる方法である。この方法は、例えば、異方性を付与したい方向を向いた磁場下で固着層１１、記録層１３、記録層１５を成膜することで実現される。あるいは、成膜後に異方性を付与したい方向を向いた磁場下で、記録層１３、記録層１５をアニールすることによっても可能である。

第２の方法は、磁気抵抗素子２の形状を用いる方法である。この方法は、例えば図５のように上側記録層１５の上面を構成する辺の１つを切り落とす切り欠き２１が設けられることにより実現される。切り欠き２１によって、磁化は、切り欠き２１に向かう方向を避ける方向を向くので、切り欠き２１に沿って、すなわち半導体基板１の表面に対して斜めに沿って異方性が付与される。この方法では、下側記録層１３は上側記録層１５と反強磁性結合しているので、下側記録層１３の磁化の向きは記録層１５の異方性方向に平行で反対向きを取る。

第３の方法も、磁気抵抗素子２の形状を利用する方法である。この場合も、磁気抵抗素子１の前面、すなわち磁化の回転する面に垂直な辺（面）が存在しない形状とすることにより実現される。具体的には、例えば図６のように、接合面の形状を三角形とすることが挙げられる。さらに、この場合、前面を含む各側面を台形形状としてもよい。第３の方法によっても、固着層１１、下側記録層１３、上側記録層１５に前面に沿った方向に磁気異方性を付与できる。

第３の方法の場合、さらに、第１の方法と同様に、前面において半導体基板１の表面に対して斜めの方向の磁場下でのアニールによって、固着層１１、下側記録層１３、上側記録層１５に所望の方向の磁気異方性を付与することができる。

また、磁気抵抗素子２は、その接合面（膜面）の形状が図１の左右方向に延びる扁平形状であることが望ましい。こうすることによって、固着層１１、記録層１３、１５の磁気異方性方向を、磁気抵抗素子２の前面に沿った方向に設定しやすくなる。さらに、磁気抵抗素子２の接合面面積は、小さく抑えられる。このような形状は、半導体装置の製造工程において一般的な、レジストやマスク材を用いた２回のリソグラフィー工程、いわゆるスリミングプロセスによって実現できる。

図１乃至図３に示すように、上側記録層１５の上面は、書き込み線（上側書き込み線）３の底面と接続される。上側記録層１５と上側書き込み線３との間に金属膜からなる電極が設けられていても良い。上側書き込み線３は、磁気抵抗素子２の前面を貫く方向、典型例として前面と垂直な方向に沿って延びている。

磁気抵抗素子２の前面または前面と反対側の面（背面）と面して書き込み線（下側書き込み線）４が設けられる。下側書き込み線４は、磁気抵抗素子２の前面および背面の両方に設けられていても良い（図では両方を図示）。下側書き込み線４は、磁気抵抗素子２と離れており、電気的に非接続である。書き込み線４は、磁気抵抗素子２の前面と平行な面内で半導体基板１の表面に沿って延びている。書き込み線４の垂直方向における位置は、少なくとも下側記録層１３または上側記録層１５と同じ位置であり、より一般的には、下側記録層１３および上側記録層１５の両方に亘る位置である。最も典型的な例では、書き込み線４は、下側記録層１３と上側記録層１５との間（非磁性層１４）の側方に位置する。

１つの磁気抵抗素子２と、１つの選択トランジスタにより１つのメモリセルを実現することができる。図７は、本発明の他の実施形態に係る磁気記憶装置の断面図であり、１つのメモリセルの例を示している。

図７に示すように、図１乃至図６の磁気抵抗素子２の底面（固着層１１の底面）は、下部電極３１と接続されている。

下部電極３１は、上から順に設けられた配線層３２、導電層３３、プラグ３４、配線層３５、プラグ３６を介して、半導体基板１の表面と電気的に接続されている。半導体基板１の表面には、１対のソース／ドレイン拡散領域４１が設けられている。ソース／ドレイン拡散領域４１の一方は、プラグ３６の下方に位置し、プラグ３６と接続されている。

ソース／ドレイン拡散領域４１の相互間の半導体基板１の表面上には、ゲート絶縁膜４２を介してゲート電極４３が設けられている。ゲート絶縁膜４２およびゲート電極４３は、例えば磁気抵抗素子２の直下に位置する。ソース／ドレイン拡散領域４１の他方は、プラグ４４を介して配線層４５と電気的に接続されている。

ソース／ドレイン拡散領域４１、ゲート絶縁膜４２、ゲート電極４３は、選択トランジスタを構成する。あるメモリセルからのデータの読み出しの際、読み出し対象のメモリセルの選択トランジスタがオンすることにより、電流経路が形成される。そして、上側書き込み線３から磁気抵抗素子２を介して流れる電流が供給される。このときの、電流値のまたは電圧値が、例えばセンスアンプによって参照電位または参照電圧値と比較されることにより、磁気抵抗素子２が保持している情報が判断される。

次に、本実施形態に係る磁気記録装置における書き込みについて、図８乃至図１２を参照して説明する。以下の説明では、下側書き込み線４が２本設けられている例について説明する。１本の場合の磁気抵抗素子２に印加される磁場の方向は２本の場合と同じであり、したがって、下側記録層１３および上側記録層１５の磁化の挙動は、１本の書き込み線４の場合も同じである。

なお、トグル書き込みでは、書き込みデータと、書き込み対照の磁気抵抗素子が保持しているデータと、が不一致の場合、書き込みが行われる。したがって、トグル書込みを採用した磁気記録装置では、書き込み前の読み出しが実施される。

以下に示す書き込み電流は、下側書き込み線４および上側書き込み線３と接続された書き込み電流回路によって供給される。これについては、図１３等を参照して後述する。

図８に示すように、初期状態（定常状態）では、例えば、固着層１１と下側記録層１３とが平行状態である。また、固着層１１、下側記録層１３、上側記録層１５の磁気異方性は、左上と右下を結ぶ方向に沿っている。

定常状態では、上側書き込み線３および下側書き込み線４には書き込み電流は流れていない。よって、磁気抵抗素子２（下側記録層１３および上側記録層１５）に磁場は印加されていない。

次に、図９に示すように、上側書き込み線３に、紙面の裏側から表側に向かう書き込み電流が供給される。この書き込み電流によって、下側記録層１３および上側記録層１５に、右に向かう磁場が印加される。この結果、下側記録層１３および上側記録層１５の磁気異方性と、反強磁性結合と、印加磁場から受けるトルクと、の釣り合いから、上側記録層１５の磁化が時計回りに回転して右上を向く。下側記録層１３の磁化方向は不変である。

次に、図１０に示すように、上側書き込み線３を流れる書き込み電流が維持されたまま、下側書き込み線４に書き込み電流が供給される。２本の下側書き込み線４を流れる書き込み電流の向きは相互に反対である。書き込み電流は、磁気抵抗素子２より手前の下側書き込み線４を右から左に流れ、磁気抵抗素子２の奥の下側書き込み線４を左から右に流れる。

下側書き込み線４を流れる書き込み電流によって、下側記録層１３および上側記録層１５に、下に向かう磁場が印加される。この結果、下側記録層１３および上側記録層１５には、左上から右下に向かう合成磁場が印加される。この合成磁場の印加によって、上側記録層１５の磁化は時計回りに回転して右を向き、下側記録層１３の磁化は時計回りに回転して下を向く。

２本の下側書き込み線４が設けられる場合、２本の下側書き込み線４からの合成磁場が、下側記録層１３および上側記録層１５の磁化を図１０に示す方向に向けるに足る大きさであれば良い。このため、各下側書き込み線４を流れる書き込み電流および書き込み電流によって発生する磁場は、１本の下側書き込み線４のみが設けられる場合よりも少ない。したがって、隣接する磁気抵抗素子がある場合、隣接磁気抵抗素子に印加される漏れ磁場を大きく低減することが可能である。

２本の下側書き込み線４の場合、磁気抵抗素子２に上記のように効率良く磁場を印加できる。このため、下側記録層１３および上側記録層１５の磁化の挙動を制御しやすい。したがって、下側書き込み線４および上側書き込み線３からの磁場の強度を適切に設定すれば、磁気抵抗素子２の各磁性層のアスペクト比が１を下回っていても、本実施形態に示す書き込みを実現できる。

次に、図１１に示すように、下側書き込み線４を流れる電流が維持されたまま、上側書き込み線３への書き込み電流の供給が停止される。この結果、下側記録層１３および上側記録層１５に印加される磁場は下を向く。この磁場の印加によって、上側記録層１５の磁化は時計回りに回転して右下を向き、下側記録層１３の磁化は時計回りに回転して左下を向く。したがって、この時点で、上側記録層１５の磁化は初期状態（図８）から１８０°回転した方向を向いている。

次に、図１２に示すように、下側書き込み線４への書き込み電流の供給も停止される。この結果、下側記録層１３の磁化は、上側記録層１５の磁化方向と反平行で且つ磁化容易軸に沿った方向を向こうとする。すなわち時計回りに回転して左上を向く。以上の動作によって、下側記録層１３および上側記録層１５の磁化方向が反転する。

なお、図８乃至図１２では、下側記録層１３の磁化と固着層１１の磁化とを反平行から平行へと変化させる例を示している。しかしながら、逆に平行から反平行への反転も、上記と全く同様（書き込み電流の通電方向を含む）の過程により可能である。

図７に示すメモリセルを複数個、行列状に配置することによって、メモリセルアレイを構成することができる。メモリセルアレイ、および上側書き込み線３、下側書き込み線４に電流を供給するための構成について、図１３乃至図１７を参照して説明する。図１３は、本発明の実施形態に係る磁気記憶装置を示しており、メモリセルアレイおよび書き込み電流回路の構成およびレイアウトを示している。

図１３に示すように、例えば図７に示すメモリセル（磁気抵抗素子２）が行列状に配置されることによりメモリセルアレイが構成される。下側書き込み線４は、１つの列を構成する複数のメモリセルに対して２本設けられる。上側書き込み線３の両端は、メモリセルアレイの外側に設けられた書き込み電流回路５と接続される。同様に、下側書き込み線４の両端は、メモリセルアレイの外側に設けられた書き込み電流回路６と接続される。

書き込み電流回路５、６は、デコーダ（図示せぬ）から供給されるアドレス信号に応じて特定される上側書き込み線３および下側書き込み線４に書き込み電流を供給する。書き込み電流回路５、６は、図８乃至図１２に示す方向に書き込み電流を供給可能なように構成されている。より具体的には、１組の書き込み電流回路５のうち、一方は、アドレス信号により特定された少なくとも１つの上側書き込み線３に書き込み電流を供給する、少なくとも１つのソース回路を含む。他方は、アドレス信号により特定された少なくとも１つの上側書き込み線３から電流を引き抜く、少なくとも１つのシンク回路を含む。

一方、書き込み電流回路６に関しては、メモリセルの左側の下側書き込み線（以下、下側書き込み線４ａ）、右側の下側書き込み線４（以下、下側書き込み線４ｂ）に、上から下、下から上に、それぞれ書き込み電流が供給されるように構成される。なお、方向が互いに逆の場合も、以下の説明と同様の手法により実現できる。

まず、書き込み電流回路６は、アドレス信号により特定された少なくとも１つの上側書き込み線３に書き込み電流を供給する、少なくとも１つのソース回路と、アドレス信号により特定された少なくとも１つの上側書き込み線３から電流を引き抜く、少なくとも１つのシンク回路を含む。そして、上側の書き込み電流回路６においては、ソース回路は下側書き込み線４ａと接続され、シンク回路は下側書き込み線４ｂと接続される。下側の書き込み電流回路においては、ソース回路は書き込み線４ａと接続され、シンク回路は書き込み線４ａと接続される。

図１４は、書き込み電流回路５、６に含まれるソース回路を例示している。図１４に示すように、ソース回路ＳＯは、典型例として、直列接続された定電流源Iとトランジスタ等のスイッチ回路ＳＷ１とから構成される。

スイッチ回路ＳＷ１の定電流源と反対の端部は、複数のトランジスタ等のスイッチ回路ＳＷ２の各一端と接続され、スイッチ回路ＳＷ２の他端は上側書き込み線３または下側書き込み線４（４ａ、４ｂ）と接続される。スイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２のオン、オフは、デコーダからの制御信号により行われる。

図１５は、書き込み電流回路５、６に含まれるシンク回路を例示している。図１５に示すように、シンク回路ＳＮは、典型例として、トランジスタ等のスイッチ回路ＳＷ３から構成される。スイッチ回路ＳＷ３の一端は共通電位（接地電位）端と接続され、他端は複数のスイッチ回路ＳＷ４の各一端と接続される。スイッチ回路ＳＷ４の他端は上側書き込み線３または下側書き込み線４（４ａ、４ｂ）と接続される。スイッチ回路ＳＷ３、ＳＷ４のオン、オフは、デコーダからの制御信号により行われる。

相互に隣接する２つの列において、書き込み線４を共用することも可能である。図１６は、本発明の実施形態に係る磁気記憶装置を示しており、メモリセルアレイおよび書き込み電流回路の構成およびレイアウトの他の例を示している。

図１６に示すように、各２つのメモリセル列の間に１本の下側書き込み線４が設けられる。図１６の構成の場合、各下側書き込み線４を両方向の電流が流れる必要がある。このため、各書き込み電流回路６は、特定の下側書き込み線４に電流を供給する機能と特定の下側書き込み線４から電流を引き抜く機能とを有する、少なくとも２つのソース・シンク回路ＳＳを含む。

書き込みの際、書き込み対象のメモリセルを含んだメモリセル列の一方の側（例えば左側）の下側書き込み線４の一端（例えば上端）と接続されたソース・シンク回路ＳＳはソース回路として動作し、他端（例えば下端）と接続されたソース・シンク回路ＳＳはシンク回路として動作する。

一方、書き込み対象のメモリセルと含んだメモリセル列の他方の側（例えば右側）の下側書き込み線４の一端（例えば上端）と接続されたソース・シンク回路ＳＳはシンク回路として動作し、他端（例えば下端）と接続されたソース・シンク回路ＳＳはソース回路として動作する。

書き込み電流回路５に関しては、図１３の実施形態と同じである。

図１７は、書き込み電流回路６に含まれるソース・シンク回路ＳＳを例示している。図１７に示すように、ソース・シンク回路ＳＳは、例えば、直列接続された定電流源Ｉ、スイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２とから構成される。スイッチ回路ＳＷ２の、スイッチ回路ＳＷ１と反対の端部は共通電位端と接続されている。

スイッチ回路ＳＷ１とスイッチ回路ＳＷ２との接続ノードは、トランジスタ等の複数のスイッチ回路ＳＷ５の各一端と接続されている。スイッチ回路ＳＷ５の他端は下側書き込み線４（４ａ、４ｂ）と接続されている。

本発明の実施形態に係る磁気記憶装置によれば、下側記録層１３および上側記録層１５の磁化方向は、下側記録層１３および上側記録層１５が積層される方向と交差する面（典型例として垂直な面）内で回転する。このため、磁気抵抗素子２の接合面の面積を小さくでき、一般的なトグル書き込み型の磁気抵抗素子の接合面の面積よりも小さい。このため、磁気抵抗素子２と選択トランジスタによって１つのセルが構成される場合、４乃至６Ｆ²に近い、面積の小さなセル寸法を実現できる。

また、本実施形態によれば、磁気抵抗素子２のアスペクト比が高い（例えば１以上）ので、断面積が従来よりも小さくなっていても、磁気抵抗素子２の体積を大きく確保することができる。このため、磁気抵抗素子２の熱擾乱耐性は高く、すなわち情報の保持に関する長期信頼性が高い。

記録層を構成する２つの強磁性層の間の非磁性層として一般に用いられるＲｕがもたらす結合力は大き過ぎるため、大きな書き込み磁場が要求される弊害を招いていた。これに対して、本実施形態によれば、下側記録層１３および上側記録層１５が非磁性層１４と面する面の面積小さい。このため、書き込みに要する磁場、ひいては書き込み電流を、従来の構造より小さくすることができる。

また、本来トグル書き込み方式が持っていた誤書き込み耐性はさらに向上する。以下この点について説明する。選択メモリセルの磁気抵抗素子（選択磁気抵抗素子）と隣接し且つ選択磁気抵抗素子と上側書き込み線３を共用する隣接磁気抵抗素子（例えば図１の紙面奥側方向の磁気抵抗素子）への誤書き込みの可能性を例に取り、図１８を参照して説明する。図１８は、図３と同じ断面の、より広い範囲を示している。

図１８に示すように、上側書き込み線３を流れる書き込み電流Ｉ３によって、選択メモリセルの選択磁気抵抗素子２ａおよび隣接磁気抵抗素子２ｂに、ともに紙面の裏側から表側に向かう磁場が印加される。次に下側書き込み線４ａ、４ｂを流れる書き込み電流によって、選択磁気抵抗素子２ａには、下向きの磁場Ｂａ、Ｂｂが印加される。

下側書き込み線４ｂを流れる書き込み電流による磁場Ｂｃは、隣接磁気抵抗素子２ｂにも印加される。しかしながら、その方向は上向きである。このため、隣接磁気抵抗素子２ｂには、トグル書き込みに必要な順序、方向の磁場が印加されないので、隣接磁気抵抗素子２ｂへの書き込みは原理的には不可能である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗記憶装置における隣接磁気抵抗素子への誤書き込み耐性は極めて高い。

以上述べたように、本発明の実施形態によれば、セル面積が小さく、書き込み電流が小さく、熱擾乱性が高く、誤書き込み耐性の高い、磁気記憶装置を実現できる。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明の実施形態に係る磁気記憶装置の主要部の斜視図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図。 本発明の実施形態に係る磁気抵抗素子を主に図示する斜視図。 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗素子の斜視図。 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗素子の斜視図。 本発明の他の実施形態に係る磁気記憶装置の主要部の断面図。 本発明の実施形態に係る磁気記憶装置の書き込み動作の一状態を示す図。 図８に続く状態を示す図。 図９に続く状態を示す図。 図１０に続く状態を示す図。 図１１に続く状態を示す図。 本発明の実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイおよび書き込み電流回路の構成およびレイアウトを示す図。 ソース回路を例示する図。 シンク回路を例示する図。 本発明の実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイおよび書き込み電流回路の構成およびレイアウトの他の例を示す図。 ソース・シンク回路を例示する図。 本発明の実施形態の誤書き込み耐性について説明する図。

符号の説明

１…半導体基板、２…磁気抵抗素子、３…上側書き込み線、４…下側書き込み線、１１…固着層、１２、１４…非磁性層、１３…下側記録層、１５…上側記録層。

Claims (5)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の表面の上方に設けられ、方向を固定された磁化を有する、磁化固定層と、
   前記磁化固定層の上方に設けられ、方向が可変の磁化を有し、前記半導体基板の表面と角度を有する平面上で前記半導体基板の表面に対して平行でなく且つ直交しない方向に沿った磁化容易軸を有する、第１磁化可変層と、
   前記第１磁化可変層の上方に設けられ、外磁場が印加されていない状態で前記第１磁化可変層と反強磁性結合する磁化を有する、第２磁化可変層と、
   前記第２磁化可変層の上方において前記第２磁化可変層と電気的に接続され、前記平面を貫く方向に延びる、第１書き込み線と、
   前記第１磁化可変層および前記第２磁化可変層の少なくとも一方に面し、前記半導体基板の表面と前記平面に沿い且つ前記第１書き込み線と直交する方向に延びる、第２書き込み線と、
   を具備することを特徴とする磁気記憶装置。
2. 前記第１磁化可変層および前記第２磁化可変層が、アスペクト比が１以上であることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
3. 前記第１磁化可変層および前記第２磁化可変層の相互に向き合う面における形状が、前記第１書き込み線に沿って延びる長方形状を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
4. 前記第１磁化可変層の磁化容易軸および前記第２磁化可変層の磁化容易軸が、前記半導体基板の表面に対して実質的に４５°傾いていることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
5. 前記第２書き込み線とともに前記第２磁化可変層を挟み、前記第２書き込み線と平行に延びる第３書き込み線をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。

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