JP5077732B2 - 磁気メモリセル、磁気ランダムアクセスメモリ、半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明では、互いに大きさの異なる複数の磁気抵抗素子(MTJ)を組み合わせることで、複数の磁気抵抗の値を生成することが出来る。例えば、n個(n>1)の磁気抵抗素子の場合、2n個の磁気抵抗の値を生成することが出来る。それにより、その複数の磁気抵抗の値(2n個)と情報(nビット)とを対応付けることで、一つの磁気メモリセルで、複数ビット(nビット)のデータを記憶することが出来る。したがって、磁気メモリセル当たりの記憶情報の数が増えるので、この磁気メモリセルをMRAMに適用することで、より高集積化されたMRAMを実現することが出来る。
本発明では、一つの磁気メモリセル(1)で、複数の磁気抵抗の値(2n個:n>1)を設定可能な複数(n個)の磁気抵抗素子を用いて複数ビット(nビット)のデータを記憶することが出来る。それにより、磁気メモリセル(1)当たりの記憶情報の数が増えるので、この磁気メモリセルを用いたMRAMをより高度に集積化することが出来る。
本発明では、第1磁気ランダムアクセスメモリ(92)の磁気メモリセルは複数の磁気抵抗素子の磁化の向きの組み合わせで情報を記憶する磁気抵抗素子群を用いているので、相対的に高密度でデータを記憶し、相対的に低速度で動作する。一方、第2磁気ランダムアクセスメモリ(93)の磁気メモリセルは一つの磁気抵抗素子を用いているので、相対的に低密度でデータを記憶し、相対的に高速度で動作する。このように、演算処理部(91)のデータ処理に用いるワークメモリとして第2磁気ランダムアクセスメモリ(93)を用い、データ保持メモリとして第1磁気ランダムアクセスメモリ(92)を用いることで、演算処理部(91)の演算速度を維持しつつ、大容量の記憶を確実に記憶することが出来る。
本発明では、第1磁気ランダムアクセスメモリ(92)と第2磁気ランダムアクセスメモリ(93)とは、基本的な構造は同じで、磁気メモリセル当たりの磁気抵抗素子数が異なるだけなので、同時に同じプロセスを用いて製造することが出来る。それにより、製造プロセスを増やすことなく、一つの半導体チップ上に2種類の磁気ランダムアクセスメモリを同時に製造することが可能となる。
本発明の磁気メモリセル及びMRAMの第1の実施の形態について説明する。
まず、本発明の磁気メモリセルの第1の実施の形態における磁気メモリセルに適用された、磁壁移動型の磁気メモリセルの原理について説明する。
データ「0」状態において、磁化反転領域13の磁化の向きは+X方向であり、磁壁DWは第2境界B2に存在する。一方、データ「1」状態において、磁化反転領域13の磁化の向きは−X方向であり、磁壁DWは第1境界B1に存在する。
図9は、本発明のMRAMの第1の実施の形態の構成の一例を示すブロック図である。MRAM50は、メモリセルアレイ51、Xセレクタ52、Yセレクタ53、Y側電流終端回路54、Y側電流源回路55、Y側電流源回路56、読み出し電流負荷回路57、及びセンスアンプ58を具備する。
図10は、本発明の磁気メモリセルの第1の実施の形態の構成の一例を示す概略図である。磁気メモリセル1は、磁気抵抗素子群2と第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とを備える。磁気抵抗素子群2は、二つの磁気抵抗素子(MTJ素子)であるMTJ1とMTJ2とを含んでいる。MTJ1及びMTJ2の各々は、図3〜図8に示した磁壁移動型の磁気抵抗素子1aの構成を有する。そして、各MTJ素子の磁気記録層10は、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2との間に並列に接続されている。各MTJ素子のピン層15は、第2ワード線WL2に接続されている。
図11(a)は、各MTJの磁気記録層に流れる電流の電流密度の大きさと磁気記録層の磁化反転の有無を示す表である。MTJ1及びMTJ2は、この表の示す特性を有するように設計される。すなわち、磁気抵抗素子群2に流れ込む電流の電流密度dIが、0≦dI<aの場合、MTJ1及びMTJ2のいずれについても磁気記録層の磁化反転は起こらない。a≦dI<bの場合、MTJ2だけ磁化反転が起きる。すなわち、MTJ2の方が磁化反転を起こしやすいように設定する。b≦dI<cの場合、MTJ1及びMTJ2のいずれについても磁化反転は起こる。c≦dIの場合、MTJ1及びMTJ2が誤動作する。
r1:r2=L1/(T1×W1):L2/(T2×W2) (1)
この(1)式より、
i1:i2=1/r1:1/r2
=(T1×W1)/L1:(T2×W2)/L2 (2)
この(2)式より、
di1:di2=i1/(T1×W1):i2/(T2×W2)
=1/L1:1/L2 (3)
となる。
図12は、本発明の磁気メモリセルの第1の実施の形態の構成の他の一例を示す概略図である。この磁気メモリセル1は、各MTJ素子(磁壁移動型の磁気メモリセルおける磁気抵抗素子)の磁気記録層10が第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2との間に直列に接続されている点で、図10の場合と異なる。他の構成は、図10の場合と同一であるのでその説明を省略する。
di1:di2=IW/(T1×W1):IW/(T2×W2)
=1/(T1×W1):1/(T2×W2) (4)
となる。
図13(a)は、本発明の磁気メモリセルの第1の実施の形態の構成の一例を示す回路図である。磁気メモリセル1のデータの読み出し動作では、読み出し電流は、第2ビット線BL2、第2トランジスタTR2、磁気抵抗素子R1(その磁気抵抗値もR1とする)、磁気抵抗素子R2(その磁気抵抗値もR2とする)、及び第2ワード線WL2を含む経路に沿って流れる。ここで、磁気抵抗素子R1はMTJ1及びMTJ2のいずれか一方であり、磁気抵抗素子R2はその他方である。このとき、読み出し電流は、第2ビット線BL2、第2トランジスタTR2、磁気抵抗素子R1及び磁気抵抗素子R2、第2ワード線WL2を含む経路となる。ここで、磁気抵抗素子R1及び磁気抵抗素子R2は、磁気記録層10(フリー層)からトンネルバリア層14を経由してピン層15へ向かう読み出し電流の経路において、並列接続されているとみなすことが出来る。これは、図10(磁気記録層10が並列)及び図12(磁気記録層10が直列)のいずれの場合も同様である。したがって、磁気メモリセルの読み出し方法については、図10及び図12に示す磁気メモリセル1に共通であるので、一つの図13で説明する。この図において、MTJ1及びMTJ2に相当する磁気抵抗素子R1及び磁気抵抗素子R2は、可変抵抗で表現されている。これらの磁気記録層10は、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とに接続され、ピン層15は、第2ワード線WL2に接続されている。
シリコン基板21には、素子分離層22を挟んで第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2が形成されている。第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2には、共通のゲート電極として第1ワード線WL1が設けられている。第1トランジスタTR1における一方の拡散層23上には、ビア25−1、メタル31−1、及びビア26−1がその表面から略垂直上方へ伸びるように接続されている。ビア26−1上には、メタル32−1が接続されている。メタル32−1上には、MTJ1の磁気記録層10に接続されるビア27−1、及びMTJ2の磁気記録層10に接続されるビア27−2が接続されるている。一方、第2トランジスタTR2における一方の拡散層23上には、ビア25−2、メタル31−2、及びビア26−2がその表面から略垂直上方へ伸びるように接続されている。ビア26−2上には、メタル32−2が接続されている。メタル32−2上には、MTJ1の磁気記録層10に接続されるビア27−3、及びMTJ2の磁気記録層10に接続されるビア27−4が接続されるている。MTJ1(磁気記録層10、トンネルバリア層14及びピン層15)上にはビア28−1が設けられている。MTJ2(磁気記録層10、トンネルバリア層14及びピン層15)上にはビア28−2が設けられている(ただし、本図では、破線により同一のMTJ2及びビア28−2を左右両面から見た状態を示している)。ビア28−1及びビア28−2上には、共通の第2ワード線WL2が設けられている。第2ワード線WL2の上方には、第1ビット線BL1及び第2ビット線BL2が設けられている。
シリコン基板21には、素子分離層22を挟んで第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2が形成されている。第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2には、共通のゲート電極として第1ワード線WL1が設けられている。第1トランジスタTR1の一方の拡散層23上には、ビア25−1、メタル31−1、ビア26−1、メタル32−1及びビア27−1がその表面から略垂直上方へ伸びるように接続されている。ビア27−1上には、MTJ1の磁気記録層10が接続されている。MTJ1(磁気記録層10、トンネルバリア層14及びピン層15)上にはビア28−1が設けられている。一方、第2トランジスタTR2の一方の拡散層23上には、ビア25−2、メタル31−2、ビア26−2、メタル32−3及びビア27−4がその表面から上方へ伸びるように接続されている。ビア27−4上には、MTJ2の磁気記録層10が接続されている。MTJ2(磁気記録層10、トンネルバリア層14及びピン層15)上にはビア28−2が設けられている。ビア28−1及びビア28−2上には、共通の第2ワード線WL2が設けられている。MTJ1の磁気記録層10において、ピン層15に対してビア27−1と反対の位置にもう一つのビア27−3が下向きに設けられている。同様に、MTJ2の磁気記録層10において、ピン層15に対してビア27−4と反対の位置にもう一つのビア27−2が下向きに設けられている。ビア27−3及びビア27−3は、メタル32−2で接続されている。
図22(a)を参照して、第1トランジスタTR1は、二つの拡散層23とその両者の間に設けられたゲート電極としての第1ワード線WL1を備える。同様に、第2トランジスタTR2は、二つの拡散層23とその両者の間に設けられたゲート電極としての第1ワード線WL1を備える。一つの磁気メモリセル1は、第1ワード線WL1が共通になるように、一組の第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2を有している。第1トランジスタTR1における第1ビット線BL1に接続される拡散層23(ビア25a−1及びメタル31a−1が接続)は、隣り合う第1トランジスタTR1同士で共有されている。同様に、第2トランジスタTR2における第2ビット線BL2に接続される拡散層23(ビア25a−2及びメタル31a−2が接続)は、隣り合う第2トランジスタTR2同士で共有されている。
第2の実施の形態では、磁壁移動型の磁気メモリセルではなく、図1に示す磁気抵抗素子107ような磁気抵抗素子を用いる点で、第1の実施の形態と異なる。
図28は、本発明の磁気メモリセルの第2の実施の形態の構成の一例を示す概略図である。磁気メモリセル1は、磁気抵抗素子群2と第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とを備える。磁気抵抗素子群2は、二つの磁気抵抗素子(MTJ素子)であるMTJ1とMTJ2とを含んでいる。MTJ1及びMTJ2の各々は、導電体層62上に、フリー層63、トンネルバリア層64及びピン層65がこの順に設けられている。各MTJ素子の導電体層62は、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2との間に並列に接続されている。各MTJ素子のピン層65は、第2ワード線WL2に接続されている。
図29(a)は、各MTJの導電体層に流れる電流の大きさとフリー層の磁化反転の有無を示す表である。MTJ1及びMTJ2は、この表の示す特性を有するように設計される。すなわち、磁気抵抗素子群2に流れる電流Iが、0≦I<aの場合、各MTJ近傍に発生する磁界Hは0≦H<Aとなり、MTJ1及びMTJ2のいずれについてもフリー層の磁化反転は起こらない。a≦I<bの場合、磁界HはA≦H<Bとなり、MTJ2だけ磁化反転が起きる。すなわち、MTJ2の方が磁化反転を起こしやすいように設定する。b≦I<cの場合、磁界HはB≦H<Cとなり、MTJ1及びMTJ2のいずれについても磁化反転は起こる。c≦Iの場合、磁界HはC≦Hとなり、MTJ1及びMTJ2が誤動作する。
r1:r2=L1/(T1×W1):L2/(T2×W2) (5)
この(5)式より、
i1:i2=1/r1:1/r2
=(T1×W1)/L1:(T2×W2)/L2 (6)
となる。
図30は、本発明の磁気メモリセルの第2の実施の形態の構成の他の一例を示す概略図である。この磁気メモリセル1は、各MTJ素子の導電体層62が第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2との間に直列に接続されている点で、図28の場合と異なる。他の構成は、図28の場合と同一であるのでその説明を省略する。
次に、本発明の磁気メモリセルの第2の実施の形態における磁気メモリセルの読み出し原理については、磁気抵抗素子R1及び磁気抵抗素子R2が導電体層62上に設けられフリー層63、トンネルバリア層64及びピン層65を有していること、書き込み電流が導電体層62を流れること、導電体層62が第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とに接続されていることのほかは、第1の実施の形態(図13(a)〜図13(c))と同様であるのでその説明を省略する。
シリコン基板71には、素子分離層72を挟んで第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2が形成されている。第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2には、共通のゲート電極として第1ワード線WL1が設けられている。第1トランジスタTR1の一方の拡散層73上には、ビア75−1、メタル81−1、ビア76−1、メタル82−1及びビア77−1がその表面から上方へ伸びるように接続されている。ビア77−1上には、MTJ1の導電体層62が接続されている。MTJ1(フリー層63、非磁性層64及びピン層65)上にはビア78−1が設けられている。一方、第2トランジスタTR2の一方の拡散層73上には、ビア75−2、メタル81−2、ビア76−2、メタル82−2及びビア77−7がその表面から上方へ伸びるように接続されている。ビア77−2上には、MTJ2の導電体層62が接続されている。MTJ2(フリー層63、非磁性層64及びピン層65)上にはビア78−2が設けられている。ビア78−1及びビア78−2上には、共通の第2ワード線WL2が設けられている。MTJ1の導電体層62とMTJ2の導電体層62とは一体である。
図33(a)を参照して、第1トランジスタTR1は、二つの拡散層73とその両者の間に設けられたゲート電極としての第1ワード線WL1を備える。同様に、第2トランジスタTR2は、二つの拡散層73とその両者の間に設けられたゲート電極としての第1ワード線WL1を備える。一つの磁気メモリセル1は、第1ワード線WL1が共通になるように、一組の第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2を有している。第1トランジスタTR1における第1ビット線BL1に接続される拡散層73(ビア75a−1及びメタル81a−1が接続)は、隣り合う第1トランジスタTR1同士で共有されている。同様に、第2トランジスタTR2における第2ビット線BL2に接続される拡散層73(ビア75a−2及びメタル81a−2が接続)は、隣り合う第2トランジスタTR2同士で共有されている。
シリコン基板71には、素子分離層72を挟んで第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2が形成されている。第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2には、共通のゲート電極として第1ワード線WL1が設けられている。第1トランジスタTR1における一方の拡散層73上には、ビア75−1、メタル81−1、ビア76−1及びメタル82−1がその表面から上方へ伸びるように接続されている。メタル82−1上には、MTJ1の導電体層62aに接続されるビア77−1、及びMTJ2の導電体層62bに接続されるビア77−3が接続されるている。一方、第2トランジスタTR2における一方の拡散層73上には、ビア75−2、メタル81−2、ビア76−2及びメタル82−2がその表面から上方へ伸びるように接続されている。メタル82−2上には、MTJ1の導電体層62aに接続されるビア77−2、及びMTJ2の導電体層62bに接続されるビア77−4が接続されるている。MTJ1(導電体層62a、トンネルバリア層64及びピン層65)上にはビア78−1が設けられている。MTJ2(導電体層62b、トンネルバリア層64及びピン層65)上にはビア78−2が設けられている。ビア28−1及びビア28−2上には、共通の第2ワード線WL2が設けられている。第2ワード線WL2の上方には、第1ビット線BL1及び第2ビット線BL2が設けられている。
次に、本発明の半導体装置の実施の形態について説明する。図40は、本発明の半導体装置の実施の形態を示すブロック図である。半導体装置90は、演算処理機能と記憶機能とを兼ね備えた半導体チップであり、メモリ混載型のMPU(Micro Processing Unit)に例示される。半導体装置90は、演算処理部91、第1MRAM92及び第2MRAM93を具備する。
2 磁気抵抗素子群
1a 磁気抵抗素子
10 磁気記録層(フリー層)
11 第1磁化固定領域
12 第2磁化固定領域
13 磁化反転領域(フリー層)
62、62a、62b 導電体層
63 フリー層
14、64 トンネルバリア層
15、65 ピン層
17 第1磁性体
18 第2磁性体
21 シリコン基板
22 素子分離層
23 拡散層
25−1、26−1、27−1、28−1、25−2、26−2、27−2、28−2、27−3、27−4、25a−1、26a−1、27a−1、28a−1、29a−1、25a−2、26a−2、27a−2、28a−2、29a−2、75−1、76−1、77−1、78−1、75−2、76−2、77−2、78−2、77−3、77−4、75a−1、76a−1、77a−1、78a−1、79a−1、75a−2、76a−2、77a−2、78a−2、29a−2 ビア
31−1、32−1、31−2、32−2、31a−1、32a−1、33a−1、31a−2、32a−2、33a−3、81−1、82−1、81−2、82−2、81a−1、82a−1、83a−1、81a−2、82a−2、83a−3 メタル
50 MRAM
51 メモリセルアレイ
52 Xセレクタ
53 Yセレクタ
54 Y側電流終端回路
55 Y側電流源回路
56 Y側電源回路
57 読み出し電流負荷回路
58 センスアンプ
90 半導体装置
91 演算処理部
92 第1MRAM
93 第2MRAM
101 メモリセル
106 第1トランジスタ
107 磁気抵抗素子(MTJ素子)
116 第2トランジスタ
103a 第1ワード線
104 第1ビット線
129 導電体層
105 第2ビット線
121 自由層(フリー層)
122 トンネルバリア層
123 固定層(ピン層)
B1 第1境界
B2 第2境界
DW 磁壁
WL ワード線
BL1 第1ビット線
BL2 第2ビット線
TR1 第1トランジスタ
TR2 第2トランジスタ
Claims (21)
- 第1ゲート電極を第1ワード線に、第1ソース・ドレイン電極を第1ビット線に、それぞれ接続された第1トランジスタと、
第2ゲート電極を前記第1ワード線に、第3ソース・ドレイン電極を第2ビット線に、それぞれ接続された第2トランジスタと、
書き込み電流の通過する導電部が互いに直列又は並列に接続された複数の磁気抵抗素子を備え、前記導電部における一方の端子を前記第1トランジスタの第2ソース・ドレイン電極に、他方の端子を前記第2トランジスタの第4ソース・ドレイン電極にそれぞれ接続され、前記複数の磁気抵抗素子における一方の端子を前記導電部に、他方の端子を第2ワード線にそれぞれ接続され、前記複数の磁気抵抗素子の磁化の向きの組み合わせで情報を記憶する磁気抵抗素子群と
を具備し、
前記複数の磁気抵抗素子は、互いにその抵抗値が異なる
磁気メモリセル。 - 請求項1に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記複数の磁気抵抗素子の各々は、
前記導電部を含み、強磁性体を有する磁気記録層と、
強磁性体有するピン層と、
一方の面で前記磁気記録層に、他方の面で前記ピン層にそれぞれ接合された非磁性層と
を備え、
前記複数の磁気抵抗素子は、二つの接合面のうちの小さい方の面積が互いに異なる
磁気メモリセル。 - 請求項1に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記複数の磁気抵抗素子の各々は、
前記導電部を含み、強磁性体を有する磁気記録層と、
強磁性体を有するピン層と、
一方の面で前記磁気記録層に、他方の面で前記ピン層にそれぞれ接合された非磁性層と
を備え、
前記複数の磁気抵抗素子は、前記非磁性層の膜厚が互いに異なる
磁気メモリセル。 - 第1ゲート電極を第1ワード線に、第1ソース・ドレイン電極を第1ビット線に、それぞれ接続された第1トランジスタと、
第2ゲート電極を第1ワード線に、第3ソース・ドレイン電極を第2ビット線に、第4ソース・ドレイン電極を前記第1トランジスタの第2ソース・ドレイン電極に接続された第2トランジスタと、
書き込み電流の通過する導電部が互いに直列又は並列に接続された複数の磁気抵抗素子を備え、一方の端子を前記第2ソース・ドレイン電極に、他方の端子を第2ワード線にそれぞれ接続され、前記複数の磁気抵抗素子の磁化の向きの組み合わせで情報を記憶する磁気抵抗素子群と
を具備し、
前記複数の磁気抵抗素子の各々は、
前記導電部を含み、強磁性体を有する磁気記録層と、
強磁性体を有するピン層と、
一方の面で前記磁気記録層に、他方の面で前記ピン層にそれぞれ接合された非磁性層と
を備え、
前記複数の磁気抵抗素子は、前記非磁性層の磁気抵抗率が互いに異なる
磁気メモリセル。 - 請求項4に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記複数の磁気抵抗素子は、前記非磁性層の抵抗率が互いに異なる
磁気メモリセル。 - 請求項2乃至5のいずれか一項に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記磁気記録層は、
反転可能な磁化を有し前記ピン層とオーバーラップする磁化反転領域と、
前記磁化反転領域の第1境界に接続され、磁化の向きが第1方向に固定された第1磁化固定領域と、
前記磁化反転領域の第2境界に接続され、磁化の向きが第2方向に固定された第2磁化固定領域と
を有し、
前記第1方向及び前記第2方向は共に、前記磁化反転領域へ向かう方向、又は、前記磁化反転領域から離れる方向であり、
前記磁化反転領域の磁化は、前記第1境界及び前記第2境界のいずれかへ向き、
前記磁気記録層において、磁壁が前記第1境界及び前記第2境界のいずれかに形成される
磁気メモリセル。 - 請求項6に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記複数の磁気抵抗素子は、前記磁化反転領域の長さ、幅及び膜厚の少なくとも一つが互いに異なる
磁気メモリセル。 - 請求項6又は7に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記磁気抵抗素子群の前記複数の磁気抵抗素子が2個の磁気抵抗素子であり、前記磁気抵抗素子群へ情報を書き込むとき、
前記2個の磁気抵抗素子を共に低抵抗状態に書き込む場合、
前記第1ワード線が選択されて、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタがオンとなり、
前記第1ビット線、前記第1トランジスタ、前記2個の磁気抵抗素子、前記第2トランジスタ及び前記第2ビット線を含む経路に書き込み電流を流すことで行い、
前記書き込み電流は、前記2個の磁気抵抗素子のいずれにおいても、前記磁化反転領域と前記ピン層との磁化の向きが同じになるように前記第1境界及び前記第2境界のいずれか一方を移動させる電流密度の電流である
磁気メモリセル。 - 請求項6又は7に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記磁気抵抗素子群の前記複数の磁気抵抗素子が2個の磁気抵抗素子であり、前記磁気抵抗素子群へ情報を書き込むとき、
前記2個の磁気抵抗素子を共に高抵抗状態に書き込む場合、
前記第1ワード線が選択されて、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタがオンとなり、
前記第1ビット線、前記第1トランジスタ、前記2個の磁気抵抗素子、前記第2トランジスタ及び前記第2ビット線を含む経路に書き込み電流を流すことで行い、
前記書き込み電流は、前記2個の磁気抵抗素子のいずれにおいても、前記磁化反転領域と前記ピン層との磁化の向きが反対になるように前記磁壁を移動させる電流密度の電流である
磁気メモリセル。 - 請求項6又は7に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記磁気抵抗素子群の前記複数の磁気抵抗素子が2個の磁気抵抗素子であり、前記磁気抵抗素子群へ情報を書き込むとき、
前記2個の磁気抵抗素子のうち一方を低抵抗状態に、他方を高抵抗状態に書き込む場合、
前記第1ワード線が選択されて、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタがオンとなり、
前記第1ビット線、前記第1トランジスタ、前記2個の磁気抵抗素子、前記第2トランジスタ及び前記第2ビット線を含む経路に、第1向きに第1書き込み電流を流し、その後、前記第1向きと反対の第2向きに第2書込み電流を流すことで行い、
前記第1書き込み電流は、前記2個の磁気抵抗素子のいずれにおいても、前記磁化反転領域と前記ピン層との磁化の向きが同じになるように前記磁壁を移動させる電流密度の電流であり、前記第2書き込み電流は、前記2個の磁気抵抗素子のうち、磁気抵抗の大きい方のみについて、前記磁化反転領域と前記ピン層との磁化の向きが反対になるように前記磁壁を移動させる電流密度の電流であり、
又は、
前記第1書き込み電流は、前記2個の磁気抵抗素子のいずれにおいても、前記磁化反転領域と前記ピン層との磁化の向きが反対になるように前記磁壁を移動させる電流密度の電流であり、前記第2書き込み電流は、前記2個の磁気抵抗素子のうち、磁気抵抗の大きい方のみについて、前記磁化反転領域と前記ピン層との磁化の向きが同じになるように前記磁壁を移動させる電流密度の電流である
磁気メモリセル。 - 請求項2乃至5のいずれか一項に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記磁気記録層は、
反転可能な磁化を有し前記ピン層とオーバーラップするフリー層と、
前記フリー層を挟んで前記非磁性層と反対側に設けられた導電体層と
を有する
磁気メモリセル。 - 請求項11に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記複数の磁気抵抗素子は、前記導電体層の長さ、幅及び膜厚の少なくとも一つが互いに異なる
磁気メモリセル。 - 請求項11に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記複数の磁気抵抗素子は、前記フリー層の平面形状が互いに異なる
磁気メモリセル。 - 請求項11乃至13のいずれか一項に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記磁気抵抗素子群の前記複数の磁気抵抗素子が2個の磁気抵抗素子であり、前記磁気抵抗素子群へ情報を書き込むとき、
前記2個の磁気抵抗素子を共に低抵抗状態に書き込む場合、
前記第1ワード線が選択されて、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタがオンとなり、
前記第1ビット線、前記第1トランジスタ、前記2個の磁気抵抗素子、前記第2トランジスタ及び前記第2ビット線を含む経路に書き込み電流を流すことで行い、
前記書き込み電流は、前記2個の磁気抵抗素子のいずれにおいても、前記フリー層と前記ピン層との磁化の向きが同じになるように前記導電体層に磁場を発生させる電流である
磁気メモリセル。 - 請求項11及び13のいずれか一項に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記磁気抵抗素子群の前記複数の磁気抵抗素子が2個の磁気抵抗素子であり、前記磁気抵抗素子群へ情報を書き込むとき、
前記2個の磁気抵抗素子を共に高抵抗状態に書き込む場合、
前記第1ワード線が選択されて、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタがオンとなり、
前記第1ビット線、前記第1トランジスタ、前記2個の磁気抵抗素子、前記第2トランジスタ及び前記第2ビット線を含む経路に書き込み電流を流すことで行い、
前記書き込み電流は、前記2個の磁気抵抗素子のいずれにおいても、前記フリー層と前記ピン層との磁化の向きが反対になるように前記導電体層に磁場を発生させる電流である
磁気メモリセル。 - 請求項11及び13のいずれか一項に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記磁気抵抗素子群の前記複数の磁気抵抗素子が2個の磁気抵抗素子であり、前記磁気抵抗素子群へ情報を書き込むとき、
前記2個の磁気抵抗素子のうち一方を低抵抗状態に、他方を高抵抗状態に書き込む場合、
前記第1ワード線が選択されて、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタがオンとなり、
前記第1ビット線、前記第1トランジスタ、前記2個の磁気抵抗素子、前記第2トランジスタ及び前記第2ビット線を含む経路に、第1向きに第1書き込み電流を流し、その後、前記第1向きと反対の第2向きに第2書込み電流を流すことで行い、
前記第1書き込み電流は、前記2個の磁気抵抗素子のいずれにおいても、前記フリー層と前記ピン層との磁化の向きが同じになるように前記導電体層に磁場を発生させる電流であり、前記第2書き込み電流は、前記2個の磁気抵抗素子のうち、磁気抵抗の大きい方のみについて、前記フリー層と前記ピン層との磁化の向きが反対になるように前記導電体層に磁場を発生させる電流であり、
又は、
前記第1書き込み電流は、前記2個の磁気抵抗素子のいずれにおいても、前記フリー層と前記ピン層との磁化の向きが反対になるように前記導電体層に磁場を発生させる電流であり、前記第2書き込み電流は、前記2個の磁気抵抗素子のうち、磁気抵抗の大きい方のみについて、前記フリー層と前記ピン層との磁化の向きが同じになるように前記導電体層に磁場を発生させる電流である
磁気メモリセル。 - 請求項1乃至16のいずれか一項に記載の磁気メモリセルにおいて、
前記磁気抵抗素子群からの情報の読み出すとき、
前記第1ワード線が選択されて、前記第2トランジスタがオンとなり、
前記第2ビット線と前記第2トランジスタと前記磁気抵抗素子群と前記第2ワード線とを含む経路に流れる読み出し電流に基づいて、前記磁気抵抗素子群の抵抗を測定することにより行う
磁気メモリセル。 - 第1方向へ延在する第1ワード線及び第2ワード線の複数のワード線対と、
前記第1方向に略垂直な第2方向へ延在する第1ビット線及び第2ビット線の複数のビット線対と、
前記複数のワード線対と前記複数のビット線対との交点の各々に対応して設けられ、請求項1乃至17のいずれか一項に記載の複数の磁気メモリセルと、
前記第1ビット線及び前記第2ビット線に接続された書き込み電流供給回路と
を具備し、
前記第1書き込み動作時、前記第1ワード線が選択され、前記書き込み電流供給回路が、前記第1書き込み電流を、前記第1ビット線、前記第1トランジスタ、前記磁気抵抗素子群、及び前記第2トランジスタを経由して、前記第2ビット線に流し、
前記第2書き込み動作時、前記第1ワード線が選択され、前記書き込み電流供給回路が、前記第2書き込み電流を、前記第2ビット線から、前記第2トランジスタ、前記磁気抵抗素子群及び前記第1トランジスタを経由して、前記第1ビット線に流す
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 演算処理を行う演算処理部と、
磁気メモリセルが相対的に高密度でデータを記憶し、相対的に低速度で動作する請求項18に記載の第1磁気ランダムアクセスメモリと、
磁気メモリセルが相対的に低密度でデータを記憶し、相対的に高速度で動作する第2磁気ランダムアクセスメモリと
を具備する
半導体装置。 - 請求項19の半導体装置において、
前記第2磁気ランダムアクセスメモリは、複数の他の磁気メモリセルを備え、
前記複数の他の磁気メモリセルの各々は、
第3ゲート電極を第3ワード線に、第5ソース・ドレイン電極を第3ビット線に、それぞれ接続された第3トランジスタと、
第4ゲート電極を第3ワード線に、第7ソース・ドレイン電極を第4ビット線に、それぞれ接続された第4トランジスタと、
書き込み電流の通過する第2導電部における一方の端子を前記第3トランジスタの第6ソース・ドレイン電極に、他方の端子を前記第4トランジスタの第8ソース・ドレイン電極にそれぞれ接続され、一端を前記第2導電部に他端を第4ワード線にそれぞれ接続された単数の磁気抵抗素子と
を備える
半導体装置。 - (a)複数の半導体素子を形成する工程と、
(b)第1領域に第1磁気ランダムアクセスメモリの複数の第1磁気メモリセルを、第2領域に第2磁気ランダムアクセスメモリの複数の第2磁気メモリセルを同時に形成する工程と
を具備し、
前記複数の第1磁気メモリセルの各々は、
第1ゲート電極を第1ワード線に、第1ソース・ドレイン電極を第1ビット線に、それぞれ接続された第1トランジスタと、
第2ゲート電極を前記第1ワード線に、第3ソース・ドレイン電極を第2ビット線に、それぞれ接続された第2トランジスタと、
書き込み電流の通過する導電部が互いに直列又は並列に接続された複数の磁気抵抗素子を備え、前記導電部における一方の端子を前記第1トランジスタの第2ソース・ドレイン電極に、他方の端子を前記第2トランジスタの第4ソース・ドレイン電極にそれぞれ接続され、前記複数の磁気抵抗素子における一方の端子を前記導電部に、他方の端子を第2ワード線にそれぞれ接続され、前記複数の磁気抵抗素子の磁化の向きの組み合わせで情報を記憶する磁気抵抗素子群と
を備え、
前記複数の磁気抵抗素子は、互いにその抵抗値が異なり、
前記複数の第2磁気メモリセルの各々は、
第3ゲート電極を第3ワード線に、第5ソース・ドレイン電極を第3ビット線に、それぞれ接続された第3トランジスタと、
第4ゲート電極を第3ワード線に、第7ソース・ドレイン電極を第4ビット線に、それぞれ接続された第4トランジスタと、
書き込み電流の通過する第2導電部における一方の端子を前記第3トランジスタの第6ソース・ドレイン電極に、他方の端子を前記第4トランジスタの第8ソース・ドレイン電極にそれぞれ接続され、一端を前記第2導電部に他端を第4ワード線にそれぞれ接続された単数の磁気抵抗素子と
を備える
半導体装置の製造方法。
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