JP2008243933A - 磁気ランダムアクセスメモリおよびこれを備えた記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易でありマルチレベルの記録状態を実現できる磁気ランダムアクセスメモリを提供する。
【解決手段】磁気ランダムアクセスメモリ２は、セル１０の磁気抵抗素子領域２０の同一平面内に、磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂを備え、磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂは、形状磁気異方性が異なるために、外部磁界によって磁化が反転するときに外部磁界の大きさがそれぞれ異なり、磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂの一方の磁化が反転することによって、セル１０中において生成される磁化状態に対して、セルの高抵抗状態と低抵抗状態の中間状態を割り当てたことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリおよびこれを備えた記録装置に係り、特に、１セルでマルチレベルの記録状態を実現する磁気ランダムアクセスメモリおよびこれを備えた記録装置に関する。

従来、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）において、記録密度の向上が要求されている。ＭＲＡＭでは、磁気抵抗素子における高抵抗と低抵抗の２状態に記録ビットの「０」と「１」を割り当てて２値動作するのが一般的である。そこで、ＭＲＡＭのサイズを微細化することで記録密度を向上させる方法がある。ＭＲＡＭのサイズは、トランジスタや配線など周辺回路のサイズによって規定される。このため、現在のＭＲＡＭのサイズは、数ミクロン程度である。一方、ＭＲＡＭを構成する磁気抵抗素子であるＧＭＲ（Giant Magneto-Resistance）素子やＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）素子の素子サイズは、数百ナノメートル程度である。ＭＲＡＭのサイズを、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子の素子サイズと同程度に微細化するほどの高密度化は困難である。
一方、マルチレベルの記録状態を実現することで、高密度化を目指す方法も知られている（特許文献１、特許文献２参照）。特許文献１に記載の技術は、磁気抵抗素子を深さ方向に複数重ねることで、マルチレベルの記録状態を実現する。また、特許文献２に記載の技術は、磁気異方性の異なる複数の磁化反転層を有することでマルチレベルの記録状態を実現する。
特開２００６−２８６０３８号公報（段落００１５−００２２、図１） 特開２００６−１５６８４０号公報（段落００１３−００１９、図１）

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載された技術では、素子構造が複雑なので、ＭＲＡＭを容易に製造することができない。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、製造が容易でありマルチレベルの記録状態を実現できる磁気ランダムアクセスメモリおよびこれを備えた記録装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリは、１セルの同一平面内に、複数の磁気抵抗素子を備え、前記複数の磁気抵抗素子の全部よりも少ない個数の磁気抵抗素子の磁化が反転することによって、前記セル中において生成される磁化状態に対して、セルの高抵抗状態と低抵抗状態の中間状態を割り当てたことを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気ランダムアクセスメモリでは、セル中の複数の磁気抵抗素子の磁化反転が生じるときの磁化特性や電気特性がそれぞれ異なるように磁気抵抗素子の形状や配置を構成することで、磁化方向が回転する磁気抵抗素子の組合せが変化する。つまり、すべての磁気抵抗素子の磁化方向を予め所定方向に揃えた状態を例えば高抵抗状態に割り当て、磁化方向が反対方向に揃った状態を例えば低抵抗状態に割り当てれば、初期状態から少なくとも１個の磁気抵抗素子の磁化方向のみが回転した状態を、高抵抗と低抵抗の中間状態に割り当てることができる。

また、請求項２に記載の磁気ランダムアクセスメモリは、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、１セルの同一平面内に、２種類以上の磁気抵抗素子を備え、前記２種類以上の磁気抵抗素子が、外部磁界によって磁化が反転するときに前記外部磁界の大きさがそれぞれ異なり、前記セル内の磁気抵抗素子の全種類よりも少ない種類の磁気抵抗素子の磁化が反転することによって、前記セル中において生成される磁化状態に対して、セルの高抵抗状態と低抵抗状態の中間状態を割り当てたことを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気ランダムアクセスメモリでは、セル中の２種類以上の磁気抵抗素子の磁化反転が生じるときの磁化特性がそれぞれ異なるので、セルに流れる電流を変化させることで、磁化方向が回転する磁気抵抗素子の組合せが変化する。つまり、少なくとも２種類の磁気抵抗素子の磁化方向を予め所定方向に揃えた状態を例えば高抵抗状態に割り当て、磁化方向が反対方向に揃った状態を例えば低抵抗状態に割り当てれば、初期状態から少なくとも１種類の磁気抵抗素子の磁化方向のみが回転した状態を、高抵抗と低抵抗の中間状態に割り当てることができる。

また、請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリは、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、１セルの同一平面内に、２種類以上の磁気抵抗素子を備え、前記２種類以上の磁気抵抗素子が、スピン注入磁化反転における反転電流がそれぞれ異なり、前記セル内の磁気抵抗素子の全種類よりも少ない種類の磁気抵抗素子の磁化が反転することによって、前記セル中において生成される磁化状態に対して、セルの高抵抗状態と低抵抗状態の中間状態を割り当てたことを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気ランダムアクセスメモリでは、セル中の２種類以上の磁気抵抗素子の磁化反転が生じるときの電気特性がそれぞれ異なるので、セルに流れる電流を変化させることで、磁化方向が回転する磁気抵抗素子の組合せが変化する。つまり、少なくとも２種類の磁気抵抗素子の磁化方向を予め所定方向に揃えた状態を例えば高抵抗状態に割り当て、磁化方向が反対方向に揃った状態を例えば低抵抗状態に割り当てれば、初期状態から少なくとも１種類の磁気抵抗素子の磁化方向のみが回転した状態を、高抵抗と低抵抗の中間状態に割り当てることができる。

また、請求項４に記載の磁気ランダムアクセスメモリは、請求項２または請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記２種類以上の磁気抵抗素子が、電流の流れる方向に垂直な面の形状が方形に構成され、前記方形の縦横比が当該磁気抵抗素子ごとに互いに異なることを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気ランダムアクセスメモリは、２種類以上の磁気抵抗素子の形状が異なるために、形状磁気異方性が生じる。そのため、各磁気抵抗素子は、外部磁界によって磁化が反転するときの外部磁界の大きさがそれぞれ異なることとなる。ここで、磁気抵抗素子において電流が流れる方向に垂直な面の面積が例えば同じであれば、磁化反転時の外部磁界の大きさに相当する電流値等を、方形の縦横比を当該磁気抵抗素子ごとに変化させることで容易に定めることが可能となる。この場合、２種類以上の磁気抵抗素子を製造し易くなる。

また、請求項５に記載の磁気ランダムアクセスメモリは、請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記２種類以上の磁気抵抗素子が、電流の流れる方向に垂直な面の素子面積が、当該磁気抵抗素子ごとに互いに異なることを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気ランダムアクセスメモリは、２種類以上の磁気抵抗素子の面積が異なるために、スピン注入磁化反転における反転電流の大きさがそれぞれ異なることとなる。ここで、磁気抵抗素子において形状磁気異方性が例えば同じであれば、反転電流は、素子面積を当該磁気抵抗素子ごとに変化させることで容易に定めることが可能となる。この場合、２種類以上の磁気抵抗素子を製造し易くなる。

また、請求項６に記載の磁気ランダムアクセスメモリは、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記磁気抵抗素子が、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子から構成されることを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気ランダムアクセスメモリにおいて、磁気抵抗素子としてＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）−ＧＭＲ素子を用いた場合には、膜面に垂直に電流を流すことができるので、膜面内に電流を流すＣＩＰ（Current In Plane）−ＧＭＲ素子と比べて構造上、磁気ランダムアクセスメモリの微細化に適している。また、磁気抵抗素子としてＴＭＲ素子を用いた場合には、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子と比べて、磁気抵抗変化が数倍大きくなるので信頼性を高めることができる。

また、請求項７に記載の記録装置は、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリと、前記磁気ランダムアクセスメモリの前記セルに加える書き込み用磁界の方向とその大きさを制御して、前記磁気抵抗素子の磁化を反転させる磁界制御手段とを備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、記録装置は、磁気制御手段によって、磁気ランダムアクセスメモリのセルに加える書き込み用磁界の方向とその大きさを制御することで、磁気抵抗素子の磁化方向を変化させるので、従来の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法を適用して磁気ランダムアクセスメモリを容易に製造することができる。

また、請求項８に記載の記録装置は、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリと、前記磁気ランダムアクセスメモリの前記セルに流れるパルス電流または直流電流の方向とその大きさを制御して、前記セルにスピン注入することによって、前記磁気抵抗素子の磁化を反転させる電流制御手段とを備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、記録装置は、電流制御手段によって、セルにスピン注入することで、磁気抵抗素子の磁化方向を変化させるので、書き込み用ワード線が不要となり、磁気ランダムアクセスメモリの構造を簡略化でき、容易に製造できる。また、記録に要する時間を短縮することができる。特に、強磁性層／中間層（非磁性金属層）／強磁性層からなるＧＭＲ素子や、強磁性層／中間層（絶縁体層）／強磁性層からなるＴＭＲ素子の場合には、中間層の厚さがせいぜい６ｎｍなので、スピン注入磁化反転に要する応答時間を数ｐｓ（ピコ秒）程度にまで短縮することが可能となる。なお、これらの素子の動作速度は、例えば１０ｎｓ程度である。

請求項１ないし請求項３に記載の発明によれば、磁気ランダムアクセスメモリは、高抵抗と低抵抗の中間状態に変調できる。従来の磁気ランダムアクセスメモリの製造工程に大幅な変更を加えることなく、比較的容易に製造できると共にマルチレベルの記録状態を実現することができる。
請求項４または請求項５に記載の発明によれば、磁気ランダムアクセスメモリは、２種類以上の磁気抵抗素子をそれぞれ設計し易くなる。
請求項６に記載の発明によれば、磁気ランダムアクセスメモリは、微細化の程度や信頼性を高めることができる。
請求項７または請求項８に記載の発明によれば、記録装置は、容易に製造された磁気ランダムアクセスメモリを用いることができる。

以下、図面を参照して本発明の磁気ランダムアクセスメモリおよび記録装置を実施するための最良の形態（以下「実施形態」という）について詳細に説明する。

［記録装置の構成］
図１は、本発明の実施形態に係る記録装置の一例を模式的に示す構成図であり、図２は、図１に示したＭＲＡＭ（磁気ランダムアクセスメモリ）の１セルを模式的に示す断面図である。また、図３は、図２に示した磁気抵抗素子領域を模式的に示す構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図をそれぞれ示している。

記録装置１は、図１に示すように、ＭＲＡＭ２と、ビット線選択部３と、ゲート配線選択部４と、電流源５と、電流制御手段６とを備える。
ＭＲＡＭ２は、複数のセル１０を備えている。本実施形態では、セル１０は、平面視で４×４のマトリクス状に２次元配列されている。
ビット線選択部３は、横方向に配置したセル１０を選択し、ゲート配線選択部４は、縦方向に配置したセル１０を選択する。これらビット線選択部３およびゲート配線選択部４によって、１個のセル１０が特定されることとなる。
電流源５は、セル１０にパルス電流を供給するものである。なお、直流電流を供給するように構成してもよい。
電流制御手段６は、ビット線選択部３、ゲート配線選択部４および電流源５を制御するものである。この電流制御手段６は、各セル１０に流れる電流の方向および大きさを制御して、各セル１０にスピン注入することによって、セル１０中の後記する磁気抵抗素子３０の磁化を反転させる。

［セルの構成］
図１に示したセル１０の断面構造を図２に示す。なお、図２では、１セルの領域を示しているがＭＲＡＭ２は、一度に各セル１０の領域が製造される。
ＭＯＳＦＥＴ１１は、例えば、シリコン（Ｓｉ）から成るｐ型基板１１ａ上にソース１１ｂおよびドレイン１１ｃが形成されている。
ソース１１ｂとドレイン１１ｃとの間のｐ型基板１１ａ上には、ＳｉＯ₂等の絶縁層１２を介して、ゲート配線（ゲート電極）１３が形成されている。
ソース１１ｂおよびドレイン１１ｃの上には、コンタクト１４，１５がそれぞれ形成されている。
コンタクト１４は、ソース１１ｂと接地配線層１６とを接続する。
コンタクト１５は、ドレイン１１ｃの配線層１７とを接続する。
配線層１７は、コンタクト１８によって、磁気抵抗素子用接続配線１９と接続されている。
磁気抵抗素子用接続配線１９の上には、磁気抵抗素子領域２０が形成されている。磁気抵抗素子領域２０は、図３に示すように２種類の磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂを含んでおり、これらの磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂの周囲には絶縁層１２が形成されている。図２に示すように、磁気抵抗素子領域２０の上には、平面視でゲート配線１３に直交するようにビット線２１が配設されている。
前記した各配線（配線層）は、金属や合金等からなり、例えば、Ｃｕ、Ｔａ、Ｃｒなどから構成される。

［磁気抵抗素子の構成］
磁気抵抗素子領域２０内の磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂは、例えば、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子から構成される。磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂは、電流の流れる方向に垂直な面の形状が方形に構成され、この方形の縦横比が互いに異なっている。磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂは、図３（ａ）に示すように、この面の方形の面積が等しく、方形の形状がそれぞれ正方形および長方形である。したがって、磁気抵抗素子３０ａは、磁気抵抗素子３０ｂよりも形状磁気異方性が小さい。以下、区別しない場合には、磁気抵抗素子３０と表記する。

磁気抵抗素子３０は、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、下から磁化固定層３１、非磁性中間層３２および磁化反転層３３が順に積層されて構成されている。
磁化固定層３１は、図２に示すように磁化方向が所定方向（右向きの矢印）に固定された層であり、例えば、ホイスラー合金等の導電性のある強磁性体から構成される。この磁化固定層３１は、ＩｒＭｎなどのスピン固着層と組み合わせた２〜３層構造の構成としてもよい。

非磁性中間層３２は、磁化固定層３１と磁化反転層３３とに挟まれた中間に位置する非磁性層である。非磁性中間層３２の厚さは、スピン偏極電子がトンネルできる程度の厚さ（数ｎｍ以下）である。
磁気抵抗素子３０がＣＰＰ−ＧＭＲ素子から構成される場合には、非磁性中間層３２は、非磁性金属から構成される。非磁性金属としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、またはそれらの合金が好ましい。このうちＣｕは、電気抵抗が小さくスピン拡散長（スピンの偏極状態を保持して輸送できる距離）も長いので特に好ましい。この非磁性中間層３２の厚さは、スピンの偏極状態を保持できる程度の厚さ（６ｎｍ以下）である。
また、磁気抵抗素子３０がＴＭＲ素子から構成される場合には、非磁性中間層３２は、例えば、酸化物Ａｌ₂Ｏ₃等の絶縁体から構成される。この非磁性中間層３２の厚さは、スピン偏極電子がトンネルリング（tunneling）できる程度の厚さ（数ｎｍ以下）である。

磁化反転層３３は、強磁性体から構成され、図２に示すように磁化方向が予め磁化固定層３１の磁化方向と反対方向（左向きの矢印）に揃えられた層である。この磁化反転層３３の磁化方向は、固定されておらず、スピン注入により容易に回転して磁化固定層３１の磁化方向と平行になることができる。

磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂは、磁気抵抗素子用接続配線１９の上に、前記した磁化固定層３１、非磁性中間層３２および磁化反転層３３の３層構造を積層した後に、フォトリソグラフィ法等によって、３層を所望の形状にパターニングすることで形成される。そして、磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂのそれぞれの周囲を絶縁層１２で封止して、ＤＣスパッタ法によりビット線２１を積層することで各セル１０が形成される。各セル１０の形成方法は、公知の方法を用いることができる。

［電流制御手段の機能］
次に、電流制御手段６の行うスピン注入について図４を参照（適宜図２参照）して説明する。図４は、図３に示した磁気抵抗素子の磁化方向を模式的に示す説明図である。磁気抵抗素子３０は、初期状態では、図２に示すように、磁化固定層３１の磁化方向と磁化反転層３３の磁化方向とが逆向きである。この初期状態で、電流制御手段６は、磁気抵抗素子３０に対して、例えば、ビット線２１からＭＯＳＦＥＴ１１への方向に電流源５から電流を流す。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ１１からビット線２１への方向に電子が移動する。この場合、磁化固定層３１から非磁性中間層３２を介して磁化反転層３３へ電子が右向きスピンを保ったまま注入される。そのため、磁化反転層３３の磁化方向は、図４（ａ）に示すように、磁化固定層３１と同じ向き（右向きの矢印）となるように回転（反転）する。この低抵抗状態に対して、記録ビットに「０」の値を割り当てることができる。

次に、図４（ａ）に示すように磁化固定層３１の磁化方向と磁化反転層３３の磁化方向とが平行な状態で、電流制御手段６は、磁気抵抗素子３０に対して、例えば、ＭＯＳＦＥＴ１１からビット線２１への方向に電流源５から電流を流す。すなわち、ビット線２１からＭＯＳＦＥＴ１１への方向に電子が移動して磁化反転層３３の電子に衝突するので、磁化反転層３３の電子のスピンが容易に反転する。そのため、磁化反転層３３の磁化方向は、図４（ｂ）に示すように、磁化固定層３１と反対方向（左向きの矢印）となるように回転（反転）し初期状態に戻る。この高抵抗状態に対して、記録ビットに「１」の値を割り当てることができる。

電流制御手段６は、このように磁気抵抗素子３０に流す電流の大きさや向きを変化させることで、スピン注入を行い、磁化反転層３３の磁化方向の向きや大きさを制御することができる。そして、磁気抵抗素子３０の初期状態とスピン注入磁化反転状態とにそれぞれ、高抵抗と低抵抗の２状態を割り当てることが可能である。なお、初期状態を低抵抗状態に割り当てると共に、反転状態に高抵抗状態を割り当てるようにしてもよい。

［磁気抵抗素子の磁化特性］
図３に示す磁気抵抗素子３０ａと磁気抵抗素子３０ｂとは、形状磁気異方性が異なるため、外部磁界によって磁化が反転するときに外部磁界の大きさがそれぞれ異なる（外部磁界に対する応答が異なる）。このときのそれぞれの磁化特性を図５に示す。

図５は、図３に示した磁気抵抗素子の個別の磁化特性の一例を示すグラフであり、（ａ）は磁気抵抗素子の形状が正方形の場合、（ｂ）は長方形の場合をそれぞれ示している。なお、図５では、磁化特性を模式的に直線で示したが実際にはヒステリシスループを形成する曲線であり、例えば、縦軸に平行な直線部分等は、実際には所定の傾きを有している。

図５（ａ）に示すように、外部磁界Ｈ_EXを所定方向（仮に−とする）の大きさが「Ｈ₁」の状態から徐々に小さくしていき外部磁界Ｈ_EXの向きを反対方向（仮に＋とする）に反転させて大きさを徐々に大きくして大きさが「Ｈ₂」になるまでの範囲では、磁気抵抗素子３０ａは、磁化Ｊの大きさが「Ｊ₁」程度である。そして、外部磁界Ｈ_EXの大きさが「Ｈ₂」のときに、磁化Ｊの大きさが「Ｊ₂」程度に変化する。その後、外部磁界Ｈ_EXの大きさを「Ｈ₃」まで増加させても磁化Ｊの大きさはほぼ変わらない。つまり、外部磁界Ｈ_EXの向きを「−」から「＋」へ変化させていく場合には、磁気抵抗素子３０ａは、磁化Ｊが反転するときの外部磁界Ｈ_EXの大きさが「Ｈ₂」である。

また、外部磁界Ｈ_EXを「Ｈ₃」の状態から徐々に小さくしていき外部磁界Ｈ_EXの向きを「−」に反転させて大きさを徐々に大きくして大きさが「Ｈ₄」になるまでの範囲では、磁気抵抗素子３０ａは、磁化Ｊの大きさはほぼ変わらない。そして、外部磁界Ｈ_EXの大きさが「Ｈ₄」のときに、磁化Ｊの大きさが「Ｊ₁」程度に変化する。その後、外部磁界Ｈ_EXの大きさを「Ｈ₁」まで増加させても磁化Ｊの大きさはほぼ変わらない。つまり、外部磁界Ｈ_EXの向きを「＋」から「−」へ変化させていく場合には、磁気抵抗素子３０ａは、磁化Ｊが反転するときの外部磁界Ｈ_EXの大きさが「Ｈ₄」である。

磁気抵抗素子３０ｂについて、同様にして外部磁界Ｈ_EXを変化させると、図５（ｂ）に示すように、外部磁界Ｈ_EXの向きを「−」から「＋」へ変化させていく場合には、磁化Ｊが反転するときの外部磁界Ｈ_EXの大きさが「Ｈ₅」である。また、外部磁界Ｈ_EXの向きを「＋」から「−」へ変化させていく場合には、磁気抵抗素子３０ｂは、磁化Ｊが反転するときの外部磁界Ｈ_EXの大きさが「Ｈ₆」である。

図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、磁気抵抗素子３０ａは、磁気抵抗素子３０ｂと比較して小さな磁界で磁化の方向が反転する。つまり、形状磁気異方性が小さいことがわかる。なお、磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂのそれぞれの磁化Ｊの大きさは、「Ｊ₁，Ｊ₂」として説明したが、図５（ａ）および図５（ｂ）においてその値は必ずしも等しくはない。これら「Ｊ₁，Ｊ₂」は、磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂそれぞれにおいては、磁化の方向が、所定方向である状態と、回転した方向である状態との２状態が存在していることを示すためのものである。

図６は、２個の磁気抵抗素子の磁化特性の一例を示すグラフであり、（ａ）は磁気抵抗素子の形状が両方とも正方形の場合、（ｂ）は長方形と正方形の組合せの場合をそれぞれ示している。

図６（ａ）に示すように、仮にセル中に同じ種類の磁気抵抗素子３０ａが２個存在する場合には、各磁気抵抗素子３０ａは外部磁界Ｈ_EXに対する磁化反転の応答が同じであるため、各磁気抵抗素子３０ａの磁化方向は一致する。つまり、磁気抵抗素子領域２０の全体として見れば磁化Ｊの大きさは、図５（ａ）に示した値を単純に重ね合わせたものとなる。図６（ａ）では、磁気抵抗素子領域２０の全体で反転前、反転後の磁化の大きさをそれぞれ「Ｊ₁，Ｊ₃」とした。これら「Ｊ₁，Ｊ₃」は、磁化の方向が、所定方向である状態と、回転した方向である状態との２状態が存在していることを示すためのものであり、その値は特に限定されない。

一方、本実施形態のように磁気抵抗素子領域２０中に異なる種類の磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂが存在する場合には、各磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂが外部磁界Ｈ_EXに対する磁化反転の応答が異なるため、外部磁界Ｈ_EXの大きさによっては、磁気抵抗素子３０ａの磁化方向と、磁気抵抗素子３０ｂの磁化方向とが一致しない場合が生じる。つまり、磁気抵抗素子領域２０の全体として見れば磁化Ｊの大きさは、図５（ａ）に示した値と図５（ｂ）に示した値とを単純に重ね合わせたものとなる。このときのグラフを図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）では、例えば、外部磁界Ｈ_EXの向きを「−」から「＋」へ変化させていく場合に、磁気抵抗素子領域２０の全体で反転前、反転後の磁化の大きさをそれぞれ「Ｊ₁，Ｊ₃」とすると共に、それらの中間状態として、磁気抵抗素子３０ａだけが磁化反転したときの磁化Ｊの大きさを「Ｊ₂」とした。ここで、外部磁界Ｈ_EXを変化させたときに、磁気抵抗素子領域２０中の磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂの磁化方向の変化の様子を図７に示す。

図７は、図６（ｂ）に対応した２個の磁気抵抗素子のそれぞれの磁化の向きを模式的に示す図であり、（ａ）はＨ₁からＨ₂まで、（ｂ）はＨ₂からＨ₅まで、（ｃ）はＨ₅からＨ₄まで、（ｄ）はＨ₄からＨ₆までの状態をそれぞれ示している。図７（ａ）および図７（ｃ）に示すように、磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂの磁化方向が同じになる状態が２回発生し、図７（ｂ）および図７（ｄ）に示すように、磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂの磁化方向が互いに異なる状態が２回発生する。つまり、各磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂの磁化方向の組合せは、合計すると４組存在する。

このうち、２回発生する磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂの磁化方向が互いに異なる状態では、図６（ｂ）に示すように、磁化Ｊの大きさが同じ（Ｊ₂）であるため、磁気抵抗素子領域２０の全体では、磁化の大きさとして３つの値「Ｊ₁，Ｊ₂，Ｊ₃」が存在することとなる。つまり、ＭＲＡＭ２では、セル１０の磁気抵抗素子領域２０中で、磁化の方向が、所定方向に揃った状態と、回転した方向に揃った状態と、一部が回転した状態と、の３種類の磁化状態が存在している。ＭＲＡＭ２では、この３種類の磁化状態に、高抵抗と低抵抗と、その中間状態を割り当てた。例えば、所定方向に揃った状態を「高抵抗」、回転した方向に揃った状態を「低抵抗」、一部が回転した状態を「高抵抗と低抵抗の中間状態」としてもよい。なお、図６（ｂ）に示した「Ｊ₁，Ｊ₂，Ｊ₃」は、３種類の磁化状態が存在することを示すためのものであり、その値は特に限定されない。

本実施形態によれば、ＭＲＡＭ２を構成するセル１０の磁気抵抗素子領域２０中に形状磁気異方性の異なる２種類の磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂを含み、スピン注入磁化反転を利用することで、高抵抗状態、低抵抗状態のほかに、高抵抗と低抵抗の２状態の中間状態に対しても記録ビットを割り当てることができる。

以上、本実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本実施形態では、セル１０の磁気抵抗素子領域２０にスピン注入させることで、磁気抵抗素子３０の磁化方向を制御する電流制御手段６を備えるものとして説明したが、これに限定されない。例えば、ＭＲＡＭの各セル１０に書き込みワード線を設けて、書き込みワード線およびビット線２１に電流を流すことでライト動作を行い、ビット線２１に流す電流の方向を変えることで、磁気抵抗素子３０の磁化反転層３３の磁化方向を制御する磁界制御手段を備えるようにしてもよい。この場合、各セル１０において磁気抵抗素子領域２０の下方に書き込みワード線を設けることとなるので、各セル１０は、断面視（図２参照）で、磁気抵抗素子用接続配線１９をビット線２１に沿って延長し、ＭＯＳＦＥＴ１１のソース１１ｂとドレイン１１ｃの配置を入れ替えた構造となる。なお、磁界制御手段としては、一般的なＭＲＡＭに用いられる従来公知のものを利用することができる。

また、本実施形態では、磁気抵抗素子領域２０中の磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂは、形状異方性が異なる２種類の素子であるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、形状磁気異方性が同じで、素子の面積が異なる２種類の素子でもよい。図８に、面積が異なる２種類の磁気抵抗素子のスピン注入電流に対する磁化状態の一例を示す。図８（ａ）は比較的面積の小さい素子、図８（ｂ）は比較的面積の大きい素子、図８（ｃ）は（ａ）および（ｂ）の２種類の素子により磁気抵抗素子領域２０を形成するときの特性を模式的にあらわした図である。図９は、図８（ｃ）に対応した２個の磁気抵抗素子のそれぞれの磁化の向きを模式的に示した図である。スピン注入磁化反転では、一般的に式（１）のような関係が成り立つことが知られている。これは、例えば、「J.C.Slonczewski, J. Magn. Mat., 159, L1(1996)」に記載されている。

I_C∝αＭ_SＶＨ_eff／ｇ … 式（１）
ここで、I_C：反転電流（スピン注入磁化反転における臨海電流）、α：ダンピング定数、Ｍ_S：飽和磁化、Ｖ：体積、Ｈ_eff：実効磁界、ｇ：スピン注入磁化反転の効率である。

この式（１）の関係をもとに、例えば、素子面積を変えることで、図８（ａ）および図８（ｂ）のように反転電流の異なる２種類の素子を作成できる。この２種類の素子は形状磁気異方性が異なる２種類の素子の場合と同様に、注入電流に応じて４組の磁化状態をとるため、例えば「Ｊ₄」を「低抵抗状態」、「Ｊ₇」を「高抵抗状態」、「Ｊ₅，Ｊ₆」を「高抵抗と低抵抗の２状態の中間状態」とすることにより、多値状態を実現できる。ここで、「Ｊ₅，Ｊ₆」を別の状態としてビットを割り当ててもよいし、前記した式（１）をもとに素子の面積や形状異方性を調節して「Ｊ₅≒Ｊ₆」とすることも可能である。

また、本実施形態では、磁気抵抗素子領域２０中の磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂは、電流の流れる方向に垂直な面の形状が方形であるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、図１０（ａ）に示すように、磁気抵抗素子領域２０Ｂにおいて、平面形状が多角形（図では８角形）である磁気抵抗素子３０ｄ，３０ｅを備えるようにしてもよい。また、図１０（ｂ）に示すように、磁気抵抗素子領域２０Ｃにおいて、平面形状が円および楕円である磁気抵抗素子３０ｆ，３０ｇを備えるようにしてもよい。また、図１０（ｃ）に示すように、磁気抵抗素子領域２０Ｄにおいて、平面形状が異なる２種類の磁気抵抗素子３０ｄ，３０ｂを備えるようにしてもよい。また、本実施形態では、２種類の磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂは、電流の流れる方向に垂直な面の面積が同じものとしたが、例えば、図１０（ｄ）に示すように、磁気抵抗素子領域２０Ｅにおいて、その面の面積が異なる磁気抵抗素子３０ｈ，３０ｂを備えるようにしてもよい。

また、本実施形態では、磁気抵抗素子領域２０中に２種類の磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂを備えるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、図１１（ａ）に示すように、磁気抵抗素子領域２０Ｆにおいて、平面形状の異なる３種類の磁気抵抗素子３０ｉ，３０ｊ，３０ｋを備えるようにしてもよい。この場合、図１１（ａ）に示すように、３種類の磁気抵抗素子を一直線上に配置してもよいし、図１１（ｂ）に示すように、２種類の磁気抵抗素子のみを一直線上に配置してもよい。さらに、磁気抵抗素子領域２０中に４種類以上の磁気抵抗素子３０を含んでもよい。なお、図８ないし図１１は、磁気抵抗素子領域２０Ａ〜２０Ｇにおいて、電流の流れる方向に垂直な面を模式的に示している。

本発明の効果を確認するために本実施形態に係るＭＲＡＭ２を製造した。本実施例のＭＲＡＭ２は、ＭＲＡＭ２を構成するセル１０の磁気抵抗素子領域２０中に２種類の１ペアの磁気抵抗素子３０（３０ａ，３０ｂ）を含み、表１に示す材料から成るＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いて製造されたものである。なお、表１のカッコ内の数字は厚さ［ｎｍ（ナノメートル）］を示す。

このＭＲＡＭ２の物理特性を図１２に示す。図１２は、磁気抵抗素子としてＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた場合の素子抵抗を示すグラフであり、（ａ）は外部磁界に対する素子抵抗、（ｂ）は注入電流に対する素子抵抗をそれぞれ示している。

図１２（ａ）に示すグラフには、外部磁界Ｈの変化に対応した素子抵抗Ｒとして、ほぼ均等な３種類の値（4.11Ω，4.16Ω，4.22Ω）が生じている。つまり、３種類の磁化状態が生成している。このことから、磁気異方性の異なる２種類の磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂが製造できたことが分かる。

また、同様に、図１２（ｂ）に示すグラフには、パルス幅２０ｍｓの注入電流Ｉの変化に対応した素子抵抗ｄＶ／ｄＩとして、ほぼ均等な３種類の値（3.86Ω，3.91Ω，3.96Ω）が生じている。このことから、パルス幅２０ｍｓの注入電流Ｉにより３段階の磁化状態が制御できることが分かる。その結果、高抵抗状態と低抵抗状態と、その中間状態とに対して記録ビットを割り当てることができることが分かる。

次に、磁気抵抗素子３０において電流の流れる方向に垂直な面が同面積で縦横比の異なるものを製造して磁気抵抗素子３０の形状磁気異方性の違いを確認した。図１３は、磁気抵抗素子としてＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた場合の形状磁気異方性の説明図であり、（ａ）は磁気抵抗素子の電流の流れる方向に垂直な面の形状を模式的に示す平面図、（ｂ）は磁気抵抗素子の磁化特性を示すグラフ、（ｃ）は磁気抵抗素子の横幅の変化に対する磁化反転時の外部磁界を示すグラフをそれぞれ示している。

図１３（ａ）に示すように、磁気抵抗素子３０の平面形状の方形の縦の長さを１００［ｎｍ］、横の長さを変数Ｘ［ｎｍ］として、横の長さの異なる（縦横比の異なる）４種類の磁気抵抗素子を作成した。図１３（ｂ）に示すように、外部磁界Ｈ_EXを変化させて磁化の値が「Ｊ₁」から「Ｊ₄」に変化したときの外部磁界Ｈ_EXの大きさを「Ｈ_S」とする。なお、図１３（ｂ）に示したグラフでは、磁化の変化を単純化して直線で示している。実際には、外部磁界Ｈ_EXの大きさ「Ｈ_S」は、磁化の値が「Ｊ₁」のときの外部磁界Ｈ_EXの大きさと、磁化の値が「Ｊ₄」のときの外部磁界Ｈ_EXの大きさとを平均して求めた値となる。このことは図１３（ｃ）に示すグラフに反映している。

図１３（ｃ）に示すように、磁気抵抗素子３０の平面形状の方形の横の長さが１８０［ｎｍ］の場合には、磁化反転時の外部磁界Ｈ_Sは、８０００［Ａ／ｍ］（１００［Ｏｅ］）であった。また、磁気抵抗素子の横の長さが３５０［ｎｍ］の場合には、磁化反転時の外部磁界Ｈ_Sは、１２０００［Ａ／ｍ］（１５０［Ｏｅ］）であった。その結果、縦横比を、「１．８」から「３．５」に変化させたときに、磁化反転時の外部磁界の大きさ「Ｈ_S」が「１．５」倍に変化することを確認した。これにより、様々な磁化状態や電流特性を実現する形状磁気異方性を有した磁気抵抗素子３０を設計可能であることが分かる。

本発明の実施形態に係る記録装置の一例を模式的に示す構成図である。 図１に示したＭＲＡＭの１セルを模式的に示す断面図である。 図２に示した磁気抵抗素子領域を模式的に示す構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図をそれぞれ示している。 図３に示した磁気抵抗素子の磁化方向を模式的に示す説明図である。 図３に示した磁気抵抗素子の個別の磁化特性の一例を示すグラフであり、（ａ）は磁気抵抗素子の形状が正方形の場合、（ｂ）は長方形の場合をそれぞれ示している。 ２個の磁気抵抗素子の磁化特性の一例を示すグラフであり、（ａ）は磁気抵抗素子の形状が両方とも正方形の場合、（ｂ）は長方形と正方形の組合せの場合をそれぞれ示している。 図６（ｂ）に対応した２個の磁気抵抗素子のそれぞれの磁化の向きを模式的に示す図であり、（ａ）はＨ₁からＨ₂まで、（ｂ）はＨ₂からＨ₅まで、（ｃ）はＨ₅からＨ₄まで、（ｄ）はＨ₄からＨ₆までの状態をそれぞれ示している。 面積が異なる２種類の磁気抵抗素子のスピン注入電流に対する磁化状態の一例を示すグラフであり、（ａ）は磁気抵抗素子の面積が小さい場合、（ｂ）は磁気抵抗素子の面積が大きい場合、（ｃ）は（ａ）および（ｂ）の２種類の素子を組み合わせた場合をそれぞれ示している。 図８（ｃ）に示すＪ₄〜Ｊ₇における２個の磁気抵抗素子のそれぞれの磁化の向きを模式的に示す図である。 ２種類の磁気抵抗素子の形状を模式的に示す平面図であり、（ａ）は多角形の場合、（ｂ）は円と楕円の場合、（ｃ）は２種類の多角形を組み合わせた場合、（ｄ）は２種類の磁気抵抗素子の面積が異なる場合をそれぞれ示している。 ３種類の磁気抵抗素子を含む磁気抵抗素子領域の構成例を模式的に示す平面図であり、（ａ）は３種類の磁気抵抗素子を一直線上に配置した場合、（ｂ）は２種類の磁気抵抗素子を一直線上に配置した場合をそれぞれ示している。 磁気抵抗素子としてＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた場合の素子抵抗を示すグラフであり、（ａ）は外部磁界に対する素子抵抗、（ｂ）は注入電流に対する素子抵抗をそれぞれ示している。 磁気抵抗素子としてＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた場合の形状磁気異方性の説明図であり、（ａ）は磁気抵抗素子の電流の流れる方向に垂直な面の形状を模式的に示す平面図、（ｂ）は磁気抵抗素子の磁化特性を示すグラフ、（ｃ）は磁気抵抗素子の横幅の変化に対する磁化反転時の外部磁界を示すグラフをそれぞれ示している。

符号の説明

１ 記録装置
２ ＭＲＡＭ（磁気ランダムアクセスメモリ）
３ ビット線選択部
４ ゲート配線選択部
５ 電流源
６ 電流制御手段
１０ セル
１１ ＭＯＳＦＥＴ
１１ａ ｐ型基板
１１ｂ ソース
１１ｃ ドレイン
１２ 絶縁層
１３ ゲート配線
１４ コンタクト
１５ コンタクト
１６ 接地配線層
１７ 配線層
１８ コンタクト
１９ 磁気抵抗素子用接続配線
２０ 磁気抵抗素子領域
２１ ビット線
３０ 磁気抵抗素子
３０ａ 磁気抵抗素子
３０ｂ 磁気抵抗素子
３１ 磁化固定層
３２ 非磁性中間層
３３ 磁化反転層

Claims (8)

1. １セルの同一平面内に、複数の磁気抵抗素子を備え、
   前記複数の磁気抵抗素子の全部よりも少ない個数の磁気抵抗素子の磁化が反転することによって、前記セル中において生成される磁化状態に対して、セルの高抵抗状態と低抵抗状態の中間状態を割り当てたことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
2. １セルの同一平面内に、２種類以上の磁気抵抗素子を備え、
   前記２種類以上の磁気抵抗素子は、外部磁界によって磁化が反転するときに前記外部磁界の大きさがそれぞれ異なり、
   前記セル内の磁気抵抗素子の全種類よりも少ない種類の磁気抵抗素子の磁化が反転することによって、前記セル中において生成される磁化状態に対して、セルの高抵抗状態と低抵抗状態の中間状態を割り当てたことを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
3. １セルの同一平面内に、２種類以上の磁気抵抗素子を備え、
   前記２種類以上の磁気抵抗素子は、スピン注入磁化反転における反転電流がそれぞれ異なり、
   前記セル内の磁気抵抗素子の全種類よりも少ない種類の磁気抵抗素子の磁化が反転することによって、前記セル中において生成される磁化状態に対して、セルの高抵抗状態と低抵抗状態の中間状態を割り当てたことを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
4. 前記２種類以上の磁気抵抗素子は、電流の流れる方向に垂直な面の形状が方形に構成され、前記方形の縦横比が当該磁気抵抗素子ごとに互いに異なることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
5. 前記２種類以上の磁気抵抗素子は、電流の流れる方向に垂直な面の素子面積が、当該磁気抵抗素子ごとに互いに異なることを特徴とする請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
6. 前記磁気抵抗素子は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子から構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリと、
   前記磁気ランダムアクセスメモリの前記セルに加える書き込み用磁界の方向とその大きさを制御して、前記磁気抵抗素子の磁化を反転させる磁界制御手段とを備えることを特徴とする記録装置。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリと、
   前記磁気ランダムアクセスメモリの前記セルに流れるパルス電流または直流電流の方向とその大きさを制御して、前記セルにスピン注入することによって、前記磁気抵抗素子の磁化を反転させる電流制御手段とを備えることを特徴とする記録装置。

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