JPH11265570A - Memory cell by giant magneto-resistance effect and parallel type random access memory - Google Patents
Memory cell by giant magneto-resistance effect and parallel type random access memoryInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は磁気メモリデバイ
ス、特に巨大磁気抵抗効果を利用したメモリセルおよび
このようなメモリセルを用いる並列型ランダムアクセス
メモリに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic memory device, and more particularly to a memory cell utilizing a giant magnetoresistance effect and a parallel random access memory using such a memory cell.
【0002】[0002]
【従来の技術】磁性薄膜の磁気抵抗効果を固体メモリに
利用することは既に提案されているが、主として製造上
の理由によって実用化されなかった。しかし1988年にFe
/Cr 人工格子における巨大磁気抵抗効果(以下GMR効
果とも称する)が報告され、それに続いてCo/Cu など他
の多くの人工格子においてもGMR効果が見い出され
た。それ以前の異方性磁気抵抗効果は抵抗変化率が2〜
4%程度しかなかったが、GMR効果では抵抗変化率が
室温でも最大で70%にも達し、メモリへ応用した場合に
出力の飛躍的な向上が期待された。しかし、人工格子の
GMRは大きな抵抗変化を得るには1kOe以上の大きな
磁場が必要であり、実用に適さないものであった。2. Description of the Related Art The use of the magnetoresistance effect of a magnetic thin film for a solid-state memory has already been proposed, but has not been put to practical use mainly for manufacturing reasons. But in 1988 Fe
The giant magnetoresistance effect (hereinafter also referred to as the GMR effect) in the / Cr artificial lattice was reported, followed by the GMR effect in many other artificial lattices such as Co / Cu. Before the anisotropic magnetoresistance effect, the rate of change in resistance was 2
Although it was only about 4%, the rate of change in resistance reached 70% at maximum even at room temperature in the GMR effect, and a dramatic improvement in output was expected when applied to a memory. However, the GMR of the artificial lattice requires a large magnetic field of 1 kOe or more to obtain a large resistance change, and is not suitable for practical use.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】その後、保磁力の異な
った2つの磁性金属層で非磁性金属層を挟んだサンドイ
ッチ構造のスピンバブル効果の研究が行われ、低磁場で
GMR効果を得ることの可能性が示され、このようなサ
ンドイッチ構造の磁気抵抗素子を用いたメモリが提案さ
れている。このGMRメモリでは、複数のメモリセルが
センス線に沿って直列に配置され、各メモリセルの上を
それぞれ独立したワード線が直交して配置された構造と
なっている。そのため、一つのメモリセルでの抵抗変化
比がそのままセンス線の抵抗変化比とはならず、センス
線に沿って直列に配置されたメモリセルの総個数で除し
たものとなってしまう欠点があった。After that, the spin bubble effect of a sandwich structure in which a non-magnetic metal layer is sandwiched between two magnetic metal layers having different coercive forces has been studied, and it has been found that a GMR effect can be obtained in a low magnetic field. The possibility is shown, and a memory using such a sandwich-structured magneto-resistance element has been proposed. This GMR memory has a structure in which a plurality of memory cells are arranged in series along a sense line, and independent word lines are orthogonally arranged on each memory cell. Therefore, there is a disadvantage that the resistance change ratio of one memory cell does not directly become the resistance change ratio of the sense line, but is divided by the total number of memory cells arranged in series along the sense line. Was.
【0004】メモリセルの抵抗変化比を有効に利用する
手段としてメモリセルを2次元マトリックス状に配列し
た並列型のメモリも提案されている。このような並列型
メモリにおいては、互いに直交する上下のリード線の交
点位置に上下のリード線と電気的に接触したサンドイッ
チ構造のGMR素子が配置され、上下のリード線を1組
選ぶことにより交点位置のGMR素子に対して記録、読
み出しが行われるものである。As a means for effectively utilizing the resistance change ratio of a memory cell, a parallel type memory in which memory cells are arranged in a two-dimensional matrix has been proposed. In such a parallel type memory, a GMR element having a sandwich structure that is in electrical contact with the upper and lower leads is arranged at the intersection of the upper and lower leads perpendicular to each other, and the intersection is selected by selecting one set of the upper and lower leads. Recording and reading are performed on the GMR element at the position.
【0005】上述した巨大磁気抵抗効果を利用したメモ
リにおいては、リード線に対するGMR素子の抵抗比率
が大きいほうが有利であるとともに構造上GMR素子の
底面に垂直に電流が流れるため、トンネル型の巨大磁気
抵抗効果を示すGMR素子を利用することが必要条件で
あるとされている。換言すると、GMR素子の磁性膜の
膜厚方向に電流が流れる場合には、抵抗が非常に小さ
く、記録情報を判断するための抵抗変化を検出できない
ので、トンネル型の巨大磁気抵抗効果を示すGMR素子
を使用することが必須であると考えられている。しかし
ながら、大きな巨大磁気抵抗効果を示すトンネル型のG
MR素子の製作は、現在までのところ薄膜形態でも困難
であり、微細加工を施してメモリ素子とすることはきわ
めて難しいという問題がある。In the above-mentioned memory utilizing the giant magnetoresistance effect, it is advantageous that the resistance ratio of the GMR element to the lead wire is large, and a current flows vertically to the bottom surface of the GMR element in a structure. The use of a GMR element exhibiting a resistance effect is said to be a necessary condition. In other words, when a current flows in the direction of the thickness of the magnetic film of the GMR element, the resistance is very small and a resistance change for judging recorded information cannot be detected. The use of elements is considered essential. However, a tunnel-type G exhibiting a large giant magnetoresistance effect
Up to now, it is difficult to manufacture an MR element even in a thin film form, and there is a problem that it is extremely difficult to form a memory element by performing fine processing.
【0006】また、従来の巨大磁気抵抗効果を示すメモ
リ素子では、サンドイッチ構造の内の高保磁力層に磁性
情報を記憶させているので、磁化反転に大きな磁界が必
要となり、消費電力が大きくなるという問題もある。加
えて、読み出しに磁化反転を要するので、動作速度の限
界が磁化反転速度で決まってしまい高速動作が可能なメ
モリを実現できないという問題もある。Further, in a conventional memory element exhibiting a giant magnetoresistance effect, since magnetic information is stored in a high coercive force layer in a sandwich structure, a large magnetic field is required for magnetization reversal and power consumption is increased. There are also problems. In addition, since reading requires magnetization reversal, the operation speed limit is determined by the magnetization reversal speed, and there is a problem that a memory capable of high-speed operation cannot be realized.
【0007】このような問題を解決するために、巨大磁
気抵抗効果を示すサンドイッチ構造のGMR素子の磁性
層の面内に電流が流れるようにして大きな抵抗変化が得
られ、したがって記録情報の判断を正確に行なうことが
できるように構成した巨大磁気抵抗効果によるメモリセ
ルが特開平9─139069号公報に開示されている。
この巨大磁気抵抗効果によるメモリセルは、保磁力の異
なる磁性層の間に非磁性金属層を挟んだ積層構造を有
し、巨大磁気抵抗効果を示す磁気抵抗素子と、その一方
の表面をほぼ覆うように形成された第1の絶縁膜と、他
方の表面上をほぼ覆うように形成された第2の絶縁膜
と、前記第1の絶縁膜の上に形成された第1の導電層
と、前記第2の絶縁膜の上に形成された第2の導電層と
を具え、前記第1および第2の導電層を前記磁気抵抗素
子の互いに対向する位置において一方および他方の表面
と接触させて磁性層の面内に電流を流すように構成した
ものである。また、第1および第2の導電層は互いに直
交するように配設されている。In order to solve such a problem, a large change in resistance is obtained by allowing a current to flow in the plane of the magnetic layer of a GMR element having a sandwich structure exhibiting a giant magnetoresistance effect. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-13969 discloses a memory cell based on the giant magnetoresistance effect configured to perform the operation accurately.
The memory cell based on the giant magnetoresistance effect has a laminated structure in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces, and almost covers one surface of the magnetoresistance element exhibiting the giant magnetoresistance effect. A first insulating film formed as described above, a second insulating film formed so as to substantially cover the other surface, a first conductive layer formed on the first insulating film, A second conductive layer formed on the second insulating film, wherein the first and second conductive layers are in contact with one and the other surfaces of the magnetoresistive element at positions facing each other. The structure is such that current flows in the plane of the magnetic layer. The first and second conductive layers are disposed so as to be orthogonal to each other.
【0008】しかしながら、このような従来のメモリセ
ルにおいては、一方の導電層が磁気抵抗素子の平面に対
して垂直な凸部を含む3次元的な構造を有している。し
たがって、電流がこの凸部を流れると、磁気抵抗素子の
面内方向に磁場が発生することになる。高密度メモリを
実現するためには、隣接するメモリセル間の間隔は0.1
μm オーダーとなるが、上述したように磁気抵抗素子の
面内方向に磁場が発生すると、隣接するモリセルの磁気
抵抗素子にも面内方向に磁場が発生することになり、記
録・再生のための電流マージンが極端に狭くなる。これ
を解決するためには磁気抵抗材料の特性にも余分なマー
ジンが必要となるという問題がある。However, in such a conventional memory cell, one conductive layer has a three-dimensional structure including a projection perpendicular to the plane of the magnetoresistive element. Therefore, when a current flows through the convex portion, a magnetic field is generated in the in-plane direction of the magnetoresistive element. To realize high-density memory, the interval between adjacent memory cells must be 0.1
However, if a magnetic field is generated in the in-plane direction of the magnetoresistive element as described above, a magnetic field is also generated in the in-plane direction of the magnetoresistive element of an adjacent memory cell, and the magnetic field for recording / reproducing. The current margin becomes extremely narrow. To solve this, there is a problem that an extra margin is required for the characteristics of the magnetoresistive material.
【0009】さらに、上述した従来のメモリセルにおい
ては、上述したように一方の導電層を3次元的に形成す
る必要があるため、製造工程が複雑となり、スループッ
トや歩留りが低下し、コスト高となるという問題もあ
る。Furthermore, in the conventional memory cell described above, since one conductive layer must be formed three-dimensionally as described above, the manufacturing process becomes complicated, the throughput and the yield decrease, and the cost increases. There is also the problem of becoming.
【0010】したがって本発明の目的は、上述した従来
の種々の問題を解決し、巨大磁気抵抗効果を示すサンド
イッチ構造のGMR素子の磁性層の面内に電流が流れる
ようにして大きな抵抗変化が得られ、したがって記録情
報の判断を正確に行なうことができるとともに記録・再
生の際に隣接するセルに磁気抵抗素子の面内方向に磁場
が発生することがなく、したがって電流や磁気材料特性
のマージンを小さくすることができ、さらに製造が容易
な巨大磁気抵抗効果によるメモリセルを提供しようとす
るものである。Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned various problems in the prior art and to obtain a large resistance change by allowing a current to flow in the plane of the magnetic layer of a GMR element of a sandwich structure exhibiting a giant magnetoresistance effect. As a result, it is possible to accurately determine the recorded information, and no magnetic field is generated in the in-plane direction of the magnetoresistive element in an adjacent cell during recording / reproducing. An object of the present invention is to provide a memory cell having a giant magnetoresistance effect that can be reduced in size and is easy to manufacture.
【0011】本発明の他の目的は、巨大磁気抵抗効果に
よるメモリセルを2次元的に配列し、個々のメモリセル
において大きな抵抗変化比を得ることができ、しかも磁
性情報をサンドイッチ構造のGMR素子の低保磁力層に
記憶することでき、したがって記録・消去に要する磁場
を小さくすることができ、消費電力を低減することがで
き、さらに記録情報の読み出し時に磁化反転を必要とし
ない静的読み出しが可能であり、動作速度が磁化反転速
度によって制限されることがない巨大磁気抵抗効果によ
る並列型のランダムアクセスメモリを提供しようとする
ものである。Another object of the present invention is to provide a GMR element having a two-dimensional array of memory cells based on the giant magnetoresistance effect, capable of obtaining a large resistance change ratio in each memory cell, and having magnetic information in a sandwich structure. The magnetic field required for recording / erasing can be reduced, the power consumption can be reduced, and static reading that does not require magnetization reversal when reading recorded information can be performed. An object of the present invention is to provide a parallel-type random access memory using a giant magnetoresistance effect, in which an operation speed is not limited by a magnetization reversal speed.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明による巨大磁気抵
抗効果によるメモリセルは、保磁力の異なる磁性層の間
に非磁性金属層を挟んだ積層構造を有し、巨大磁気抵抗
効果を示す磁気抵抗素子と、その一方の表面をほぼ覆う
ように形成された第1の絶縁膜と、他方の表面上をほぼ
覆うように形成された第2の絶縁膜と、前記第1の絶縁
膜の上に形成された第1の導電層と、前記第2の絶縁膜
の上に形成された第2の導電層とを具え、前記第1およ
び第2の導電層を前記磁気抵抗素子の互いに対向する位
置において一方および他方の表面と接触させて磁性層の
面内に電流を流すように構成したことを特徴とするもの
である。The memory cell of the present invention utilizing the giant magnetoresistive effect has a laminated structure in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces, and exhibits a giant magnetoresistive effect. A resistive element, a first insulating film formed so as to substantially cover one surface thereof, a second insulating film formed so as to substantially cover the other surface, and a first insulating film formed on the first insulating film. And a second conductive layer formed on the second insulating film, wherein the first and second conductive layers face each other of the magnetoresistive element. It is characterized in that a current is caused to flow in the plane of the magnetic layer by being brought into contact with one surface and the other surface at the position.
【0013】また、本発明による巨大磁気抵抗効果によ
る並列型ランダムアクセスメモリは、それぞれが、保磁
力の異なる磁性層の間に非磁性金属層を挟んだ積層構造
を有し、巨大磁気抵抗効果を示す磁気抵抗素子と、その
一方の表面をほぼ覆うように形成された第1の絶縁膜
と、他方の表面をほぼ覆うように形成された第2の絶縁
膜と、前記第1の絶縁膜の上に形成された第1の導電層
と、前記第2の絶縁膜の上に形成された第2の導電層と
を具え、前記第1および第2の導電層を前記磁気抵抗素
子の互いに対向する位置において一方および他方の表面
とそれぞれ接触させて磁性層の面内に電流を流すように
構成したメモリセルを複数マトリックス状に配列し、行
または列方向に整列する複数のメモリセルの第1の導電
層を共通とするとともに互いに平行に配設し、列または
行方向に整列する複数のメモリセルの第2の導電層を共
通とするとともに第1の導電層の延在方向とほぼ直交す
る方向に互いに平行に配設し、所定の第1および第2の
導電層の組に格別に電流を流すことによってこれら導電
層の交点に位置するメモリセルの磁気抵抗素子の低い保
磁力を有する磁性層の磁化のみを反転して記録・消去を
行なうとともにこれら第1および第2の導電層およびそ
の交点に位置するメモリセルを経て電流を流して磁性情
報の読み出しを行なうように構成したことを特徴とする
ものである。Further, the parallel type random access memories using the giant magnetoresistance effect according to the present invention each have a laminated structure in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces. A first insulating film formed so as to substantially cover one surface thereof, a second insulating film formed so as to substantially cover the other surface, and a first insulating film. A first conductive layer formed thereon; and a second conductive layer formed on the second insulating film, wherein the first and second conductive layers are opposed to each other of the magnetoresistive element. A plurality of memory cells are arranged in a matrix in such a manner that a current flows in the plane of the magnetic layer by being brought into contact with one and the other surfaces at positions where the first and second surfaces of the memory cells are arranged in the row or column direction. And the common conductive layer And a plurality of memory cells aligned in a column or row direction having a common second conductive layer and arranged in parallel with each other in a direction substantially orthogonal to the extending direction of the first conductive layer. By flowing a current through a predetermined set of first and second conductive layers, only the magnetization of the magnetic layer having a low coercive force of the magnetoresistive element of the memory cell located at the intersection of these conductive layers is inverted. Recording and erasing, and reading of magnetic information by flowing a current through the first and second conductive layers and the memory cell located at the intersection thereof.
【0014】上述した本発明による巨大磁気抵抗効果に
よるメモリセルおよびそのようなメモリセルを有する並
列型ランダムアクセスメモリでは、GMR素子は互いに
保磁力が異なる磁性層で非磁性金属層を挟んだサンドイ
ッチ構造を有しており、磁性情報を読み出す際には、そ
の面内に電流が流れるように構成されているので、トン
ネル型でない製造が容易な通常のGMR素子を用いても
大きな抵抗変化を検出することができる。また、個々の
メモリセルに記憶された磁性情報を独立して読み出すこ
とができるので、大きな抵抗変化比を得ることができ
る。さらに、異なる保磁力を有する磁性層で非磁性金属
層を挟んだサンドイッチ構造を有するGMR素子の低保
磁力層に磁性情報を記憶するようにしているので、記録
・消去に要する磁場を小さくすることができ、消費電力
を低減することができる。さらにまた、記録情報の読み
出し時に磁化反転を必要としない静的読み出しが可能で
あるので、磁化反転速度によって制限されることがない
高速の動作を行なうことができる。In the above-described memory cell based on the giant magnetoresistance effect and the parallel random access memory having such a memory cell according to the present invention, the GMR element has a sandwich structure in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces. When reading magnetic information, a large current change is detected even when a normal GMR element which is not a tunnel type and is easy to manufacture is used, since a current flows in the plane. be able to. Also, since the magnetic information stored in each memory cell can be read independently, a large resistance change ratio can be obtained. Further, since magnetic information is stored in the low coercive force layer of a GMR element having a sandwich structure in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces, the magnetic field required for recording / erasing can be reduced. And power consumption can be reduced. Furthermore, since static reading that does not require magnetization reversal when reading recorded information is possible, high-speed operation that is not limited by the magnetization reversal speed can be performed.
【0015】上述した本発明による巨大磁気抵抗効果に
よるメモリセルの好適な実施例においては、基板上に第
1の方向に延在するように形成された第1の導電層と、
この第1の導電層の一部分を覆って延在するように形成
された第1の絶縁層と、この第1の絶縁層の表面から、
第1の導電層の表面と第1の絶縁層の端面とで構成され
る段部を越えて前記第1の導電層の表面に達するまで前
記第1の方向に延在し、一方の端部の基板側の表面が第
1の導電層と接触するように形成され、保磁力の異なる
磁性層の間に非磁性金属層を挟んだ積層構造を有し、巨
大磁気抵抗効果を示す磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素
子の他方の端部を除いて磁気抵抗素子を覆うように形成
された第2の絶縁層と、前記磁気抵抗素子の他方の端部
の基板とは反対側の表面と接触するとともに前記第2の
絶縁層の一部分を覆って前記第1の方向と直交する第2
の方向に延在するように形成された第2の導電層とを設
け、前記第1および第2の導電層を流れる電流によって
誘起される合成磁場によって前記低い保磁力を有する磁
性層の磁化を反転させるように構成する。In a preferred embodiment of the above-described memory cell using the giant magnetoresistance effect according to the present invention, a first conductive layer formed on a substrate so as to extend in a first direction;
A first insulating layer formed so as to extend over a part of the first conductive layer, and a surface of the first insulating layer,
One end extending beyond the step formed by the surface of the first conductive layer and the end face of the first insulating layer until reaching the surface of the first conductive layer, and reaching one end; A magnetoresistive element having a laminated structure in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces and formed so that the surface on the substrate side of the first conductive layer is in contact with the first conductive layer; And a second insulating layer formed so as to cover the magnetoresistive element except for the other end of the magnetoresistive element, and contact with a surface of the other end of the magnetoresistive element opposite to the substrate. And covering a part of the second insulating layer with a second direction orthogonal to the first direction.
And a second conductive layer formed so as to extend in the direction of. The magnetization of the magnetic layer having a low coercive force is changed by a combined magnetic field induced by a current flowing through the first and second conductive layers. It is configured to be inverted.
【0016】また、本発明の巨大磁気抵抗効果による並
列型ランダムアクセスメモリの好適な実施例において
は、それぞれが、基板上に第1の方向に延在するように
形成された第1の導電層と、この第1の導電層の一部分
を覆って延在するように形成された第1の絶縁層と、こ
の第1の絶縁層の表面から、第1の導電層の表面と第1
の絶縁層の端面とで構成される段部を越えて前記第1の
導電層の表面に達するまで前記第1の方向に延在し、一
方の端部の基板側の表面が第1の導電層と接触するよう
に形成され、保磁力の異なる磁性層の間に非磁性金属層
を挟んだ積層構造を有し、巨大磁気抵抗効果を示す磁気
抵抗素子と、この磁気抵抗素子の他方の端部を除いて磁
気抵抗素子を覆うように形成された第2の絶縁層と、前
記磁気抵抗素子の他方の端部の基板とは反対側の表面と
接触するとともに前記第2の絶縁層の一部分を覆って前
記第1の方向と直交する第2の方向に延在するように形
成された第2の導電層とを具え、前記第1および第2の
導電層を流れる電流によって誘起される合成磁場によっ
て前記低い保磁力を有する磁性層の磁化を反転させるよ
うに構成したメモリセルを複数マトリックス状に配列
し、行または列方向に整列する複数のメモリセルの第1
の導電層を共通とするとともに互いに平行に配設し、列
または行方向に整列する複数のメモリセルの第2の導電
層を共通とするとともに第1の導電層の延在方向とほぼ
直交する方向に互いに平行に配設し、所定の第1および
第2の導電層の組に各別に電流を流すことによってこれ
ら導電層の交点に位置するメモリセルの磁気抵抗素子の
低い保磁力を有する磁性層の磁化のみを反転して記録・
消去を行なうとともにこれら第1および第2の導電層お
よびその交点に位置するメモリセルを経て電流を流して
磁性情報の読み出しを行なうように構成する。In a preferred embodiment of the parallel random access memory based on the giant magnetoresistance effect of the present invention, each of the first conductive layers is formed on the substrate so as to extend in the first direction. A first insulating layer formed so as to extend over a part of the first conductive layer; and a surface of the first conductive layer and a first insulating layer formed from the surface of the first insulating layer.
And extends in the first direction until it reaches the surface of the first conductive layer beyond the step formed by the end surface of the insulating layer of the first conductive layer. A magneto-resistive element having a laminated structure in which a non-magnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces and having a giant magneto-resistive effect; and the other end of the magneto-resistive element. A second insulating layer formed so as to cover the magnetoresistive element except for the portion, and a part of the second insulating layer, which is in contact with a surface of the other end of the magnetoresistive element opposite to the substrate, and And a second conductive layer formed so as to extend in a second direction orthogonal to the first direction, the second conductive layer being formed over the first and second conductive layers. A memo configured to reverse the magnetization of the magnetic layer having the low coercive force by a magnetic field Arranging the cells on multiple matrix, the first plurality of memory cells aligned in the row or column
And a plurality of memory cells arranged in a column or row direction have a common second conductive layer and are substantially orthogonal to the extending direction of the first conductive layer. A magnetic field having a low coercive force of the magnetoresistive element of the memory cell located at the intersection of these conductive layers by arranging the currents separately in a predetermined set of first and second conductive layers. Recording by reversing only the magnetization of the layer
In addition to erasing, magnetic information is read by passing a current through the first and second conductive layers and the memory cell located at the intersection thereof.
【0017】上述した本発明の巨大磁気抵抗効果による
メモリセルおよび並列型ランダムアクセスメモリでは、
導電層は、基板表面に垂直に延在する凸部を持っていな
いので、記録・再生の際に導電層に電流が流れても、磁
気抵抗素子の面内方向に磁場が形成されることはなく、
電流のマージンや磁性材料の特性のマージンを小さくす
ることができる。また、このように垂直方向に延在する
部分を持たない導電層の製造工程は簡単となり、スルー
プットも向上する。In the memory cell and the parallel random access memory according to the giant magnetoresistance effect of the present invention described above,
Since the conductive layer does not have a protrusion extending perpendicularly to the substrate surface, even if a current flows through the conductive layer during recording / reproduction, a magnetic field is not formed in the in-plane direction of the magnetoresistive element. Not
The margin of current and the margin of characteristics of the magnetic material can be reduced. In addition, the manufacturing process of the conductive layer having no portion extending in the vertical direction is simplified, and the throughput is improved.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】図1AおよびBは本発明による巨
大磁気抵抗効果を利用したメモリセルの構造を示す平面
図および断面図であり、図2は同じくそのGMR素子の
詳細な構造を示す断面図である。GMR素子11は、図2
に示すように3層構造となっている。本例では、低保磁
力を有するFeCo合金より成る下部磁性層12と、高保持力
を有するCoより成る上部磁性層13と、これらの磁性層の
間に挟まれたCuより成る非磁性金属層14とをサンドイッ
チ状に積層した構造となっている。本例では、下部磁性
層12の膜厚を6 nmとし、上部磁性層13の膜厚を2.2 nmと
し、非磁性金属層14の膜厚を4.4 nmとし、平面サイズは
30×150 μm としている。このようなGMR素子11を構
成する磁性材料および非磁性金属材料およびそれらの膜
厚や平面サイズは単に例として示すものであり、本発明
はこのような実施例に限定されるものでないことは勿論
である。1A and 1B are a plan view and a sectional view showing a structure of a memory cell utilizing the giant magnetoresistance effect according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view showing a detailed structure of the GMR element. FIG. The GMR element 11 is shown in FIG.
Has a three-layer structure as shown in FIG. In this example, a lower magnetic layer 12 made of a FeCo alloy having a low coercive force, an upper magnetic layer 13 made of Co having a high coercive force, and a nonmagnetic metal layer made of Cu sandwiched between these magnetic layers 14 are laminated in a sandwich shape. In this example, the thickness of the lower magnetic layer 12 is 6 nm, the thickness of the upper magnetic layer 13 is 2.2 nm, the thickness of the nonmagnetic metal layer 14 is 4.4 nm, and the plane size is
30 × 150 μm. The magnetic material and non-magnetic metal material constituting the GMR element 11 and their film thicknesses and plane sizes are merely shown as examples, and the present invention is not limited to such an embodiment. It is.
【0019】図1に示すように、基板上に第1の方向に
延在するように形成した、例えばCuより成る第1の導電
層18と、この第1の導電層の一部分を覆うように形成さ
れた、例えばSiO2より成る第1の絶縁層16と、この第1
の絶縁層の表面から、前記第1の導電層18の表面と第1
の絶縁層の端面とで構成される段部を越えて前記第1の
導電層の表面に達するまで前記第1の方向に延在し、一
方の端部の基板側の表面が第1の導電層と接触するよう
に形成したGMR素子11とを設ける。上述したようにこ
のGMR素子11は保磁力の異なる磁性層の間に非磁性金
属層を挟んだ積層構造を有している。As shown in FIG. 1, a first conductive layer 18 made of, for example, Cu is formed on a substrate so as to extend in a first direction, and the first conductive layer 18 is formed so as to cover a part of the first conductive layer. The formed first insulating layer 16 made of, for example, SiO 2 ,
From the surface of the first conductive layer 18 to the first
And extends in the first direction until it reaches the surface of the first conductive layer beyond the step formed by the end surface of the insulating layer of the first conductive layer. A GMR element 11 formed in contact with the layer. As described above, the GMR element 11 has a laminated structure in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces.
【0020】さらに、このGMR素子11の他方の端部を
除いてGMR素子を覆うように形成された同じくSiO2よ
り成る第2の絶縁層15と、GMR素子11の他方の端部の
基板とは反対側の表面と接触するとともに前記第2の絶
縁層15の一部分を覆って前記第1の方向と直交する第2
の方向に延在するように形成された同じくCuより成る第
2の導電層17とを具え、前記第1および第2の導電層18
および17を流れる電流によって誘起される合成磁場によ
って前記低い保磁力を有する磁性層の磁化を反転させる
ように構成したものである。Further, a second insulating layer 15 made of SiO 2 is formed so as to cover the GMR element except for the other end of the GMR element 11, and a substrate at the other end of the GMR element 11 is formed. Is in contact with the opposite surface and covers a portion of the second insulating layer 15 and is perpendicular to the first direction.
And a second conductive layer 17 also made of Cu formed so as to extend in the direction of
And 17, the magnetization of the magnetic layer having a low coercive force is reversed by a combined magnetic field induced by a current flowing through the magnetic layer.
【0021】第1A図に示すように、第1の導電膜18お
よび第2の導電膜17は、それらの延在方向が互いに直交
するように配置し、第1の導電層18の巾を50μm とし、
第2の導電層17の巾を200 μm とする。As shown in FIG. 1A, the first conductive film 18 and the second conductive film 17 are arranged so that their extending directions are orthogonal to each other, and the width of the first conductive layer 18 is 50 μm. age,
The width of the second conductive layer 17 is 200 μm.
【0022】このように本発明によるGMR素子11にお
いては、素子の互いに対向する位置において第1および
第2の導電層17および18が素子の表裏の表面と接触した
構造となっているので、磁性情報を読み出す際に電流は
GMR素子の面内に流れることになり、トンネル型のG
MR素子でない金属膜GMR素子によっても大きな抵抗
変化を得ることができる。As described above, the GMR element 11 according to the present invention has a structure in which the first and second conductive layers 17 and 18 are in contact with the front and back surfaces of the element at positions opposing each other. When reading information, a current flows in the plane of the GMR element, and the tunnel type G
A large resistance change can be obtained even with a metal film GMR element other than an MR element.
【0023】次に上述した本発明による巨大磁気抵抗効
果によるメモリセルの一例の製造工程について簡単に述
べる。先ず、適当な基板の上に第1の導電膜18を高周波
マグネトロンスパッタ法により形成した。真空チャンバ
内を10-7Torr以下まで予備排気した後、アルゴンガスを
3mTorrの圧力で導入し、投入電力75W でCuをスパッタし
て膜厚が100nm のCu薄膜を形成し、希硝酸エッチャント
を用いるフォトリソグラフィ手法によりCu薄膜をパター
ニングして第1の導電膜18を形成した。Next, a brief description will be given of a manufacturing process of an example of the memory cell using the giant magnetoresistance effect according to the present invention. First, a first conductive film 18 was formed on an appropriate substrate by a high-frequency magnetron sputtering method. After pre-evacuating the vacuum chamber to 10 -7 Torr or less, argon gas was
Introduced at a pressure of 3 mTorr, sputtered Cu at a power of 75 W to form a Cu thin film with a thickness of 100 nm, and patterned the Cu thin film by photolithography using a dilute nitric acid etchant to form a first conductive film 18. did.
【0024】次に、第1の絶縁膜16を、SiO2薄膜を真空
蒸着法によって堆積した後、フォトリソグラフィ手法に
よって所定のパターンにエッチングして形成した。さら
に、高周波マグネトロンスパッタ法によってGMR素子
11を形成した。すなわち、フォトレジストを塗布し、形
成すべきGMR素子のパターンに応じた露光を行った基
板上に、アルゴンガスを20mTorr の圧力で充填した真空
チャンバ内で、FeCo薄膜、Cu薄膜およびCo薄膜をそれぞ
れ250W、75W および250Wの投入電力で、6 nm、2.2 nmお
よび4.4 nmの膜厚となるように順次に形成した後、リフ
トオフの手法によって平面サイズが30×150 μm のGM
R素子11を形成した。Next, the first insulating film 16 was formed by depositing a SiO 2 thin film by a vacuum evaporation method and then etching it into a predetermined pattern by a photolithography method. Further, the GMR element is formed by a high frequency magnetron sputtering method.
11 formed. That is, a FeCo thin film, a Cu thin film, and a Co thin film were respectively coated in a vacuum chamber filled with argon gas at a pressure of 20 mTorr on a substrate coated with photoresist and exposed according to a pattern of a GMR element to be formed. 250W, 75W and 250W input power, formed sequentially to a film thickness of 6nm, 2.2nm and 4.4nm, by lift-off technique, GM of plane size 30 × 150μm
An R element 11 was formed.
【0025】次に第2の絶縁膜15を、第1の絶縁膜16の
形成と同様にSiO2薄膜を真空蒸着法によって堆積した
後、フォトリソグラフィ手法によって所定のパターンに
エッチングして形成した。さらに、真空蒸着/フォトリ
ソグラフィ/リフトオフの手法を用いて膜厚が100 nmの
Cu薄膜より成る第2の導電膜17を形成した。Next, a second insulating film 15 was formed by depositing an SiO 2 thin film by a vacuum evaporation method in the same manner as the formation of the first insulating film 16 and then etching it into a predetermined pattern by a photolithography method. Furthermore, using a vacuum deposition / photolithography / lift-off technique,
A second conductive film 17 made of a Cu thin film was formed.
【0026】図3は上述した構造のGMR素子をメモリ
セルとした本発明による並列型のランダムアクセスメモ
リの構成を示す線図的な平面図である。複数のGMRメ
モリセル11-1-1, 11-1-2---11-1-4; 11-2-2, 11-2-2---
11-2-4;---11-4-1, 11-4-2---11-4-4 をマトリックス状
に2次元的に配列し、同じ列上に配列されている複数の
メモリセル11-1-1, 11-2-1---11-4-1; 11-1-2, 11-2-2-
--11-4-2;---11-1-4,11-2-4---11-4-4 の第2の導電層1
7-1, 17-2---17-4 を共通とするとともに同じ行上に配
列されている複数のメモリセル11-1-1, 11-1-2---11-1-
4; 11-2-1, 11-2-2---11-2-4;---11-4-1, 11-4-2---11-
4-4 の第1の導電層18-1, 18-2---18-4を共通とし、こ
れら第1および第2の導電層を互いに直交して延在する
ように配設する。FIG. 3 is a diagrammatic plan view showing the configuration of a parallel type random access memory according to the present invention using the GMR element having the above structure as a memory cell. Multiple GMR memory cells 11-1-1, 11-1-2 --- 11-1-4; 11-2-2, 11-2-2 ---
11-2-4; --- Multiple memories in which 11-4-1 and 11-4-2 --- 11-4-4 are arranged two-dimensionally in a matrix and arranged on the same column Cells 11-1-1, 11-2-1 --- 11-4-1; 11-1-2, 11-2-2-
--11-4-2; --- Second conductive layer 1 of 11-1-4,11-2-4 --- 11-4-4
7-1, 17-2 --- 17-4, and a plurality of memory cells 11-1-1, 11-1-2 --- 11-1- arranged on the same row
4; 11-2-1, 11-2-2 --- 11-2-4; --- 11-4-1, 11-4-2 --- 11-
4-4, the first conductive layers 18-1, 18-2 --- 18-4 are common, and the first and second conductive layers are disposed so as to extend orthogonally to each other.
【0027】先ず、磁気情報の記録や消去を行なう場合
について説明する。図3において、マトリックスの4行
1列に位置するGMRメモリセル11-4-1に対して記録・
消去を行なう場合には、第1列目の第2の導電層17-1に
電流を流すとともに第4行目の第1の導電層18-4に電流
を流す。図3ではこれを図式的に直流電源21, 23および
スイッチ22, 24で示した。このように所定のGMRメモ
リセルに対して記録または消去を行なう場合には、この
メモリセルの第1および第2の導電層に同時に電流を流
す。First, the case of recording and erasing magnetic information will be described. In FIG. 3, recording / recording is performed on the GMR memory cell 11-4-1 located in the fourth row and the first column of the matrix.
When erasing is performed, a current is supplied to the second conductive layer 17-1 in the first column and a current is supplied to the first conductive layer 18-4 in the fourth row. In FIG. 3, this is schematically shown by DC power supplies 21 and 23 and switches 22 and 24. When recording or erasing is performed on a predetermined GMR memory cell as described above, a current is simultaneously applied to the first and second conductive layers of the memory cell.
【0028】また、マトリックスの2行4列に位置する
GMRメモリセル11-2-4に記憶されている磁性情報を読
み出す際には、当該GMRメモリセルの第1および第2
の導電層18-2および17-4の間に電位差を与え、そこを流
れる電流を検知する。図3においては、これを直流電源
25、スイッチ26およびメータ27によって図式的に表し
た。ここで、GMRメモリセルの磁気抵抗の変化を検知
するには、一定の電圧を印加して流れる電流の大きさを
検知する方法と、一定の電流を流したときのメモリセル
間の電圧降下を検知する方法とがあるが、本発明ではい
ずれの方法でも良い。When reading out the magnetic information stored in the GMR memory cell 11-2-4 located in the second row and the fourth column of the matrix, the first and the second of the GMR memory cell are read out.
A potential difference is applied between the conductive layers 18-2 and 17-4, and the current flowing therethrough is detected. In FIG. 3, this is a DC power supply.
Schematically represented by 25, switch 26 and meter 27. Here, in order to detect a change in the magnetoresistance of the GMR memory cell, a method of detecting a magnitude of a current flowing by applying a constant voltage and a method of detecting a voltage drop between the memory cells when a constant current flows. There is a detection method, but any method may be used in the present invention.
【0029】次に上述したようにして記録・消去および
読み出しを行なう動作原理について説明する。図4はG
MR素子における磁化方向を示すものであり、ここでは
低保磁力を有する第1の磁性層12における磁化方向と高
保磁力を有する第2の磁性層13における磁化方向とが同
じ方向を向いているとき、すなわち平行のときに2値情
報の「0」を表し、互いに反対方向を向くとき、すなわ
ち逆平行のときに2値情報の「1」を表すものと定義す
る。このように本発明においては、「0」状態と「1」
状態とを比較した場合、磁化方向は低い保磁力を有する
第1の磁性層12においてのみ反転し、高い保磁力を有す
る第2の磁性層13の磁化方向は変化していない。したが
って、小さな磁場によって磁化反転を行なうことがで
き、消費電力を低減することができる。Next, the operation principle of recording / erasing and reading as described above will be described. FIG.
This shows the magnetization direction in the MR element. Here, when the magnetization direction in the first magnetic layer 12 having a low coercive force and the magnetization direction in the second magnetic layer 13 having a high coercive force are in the same direction. That is, it is defined as representing binary information "0" when parallel, and representing binary information "1" when facing in opposite directions, that is, antiparallel. Thus, in the present invention, the “0” state and the “1” state
When compared with the state, the magnetization direction is reversed only in the first magnetic layer 12 having a low coercive force, and the magnetization direction of the second magnetic layer 13 having a high coercive force does not change. Therefore, magnetization reversal can be performed with a small magnetic field, and power consumption can be reduced.
【0030】図5は上述した本発明によるGMR素子に
おける磁化反転を説明するためのアステロイド曲線を示
すものである。このアステロイド曲線は容易磁区にある
磁化を反転させるために必要な磁場を2次元ベクトル表
示させるためのものである。ここで、容易軸方向にかか
る磁場と困難軸方向にかかる磁場との合成磁場が星型の
曲線の外に出ると、磁化が反転することを示している。
内側の星型の曲線は低保磁力の第1の磁性層12の限界磁
場を表し、外側の曲線は高保磁力の第2の磁性層13の限
界磁場を表している。今、「0」状態では矢印Aおよび
Bで示すように第1および第2の磁性層12および13での
磁化方向は同じ平行となっている。したがって、この
「0」状態から「1」状態へ変化させるには、矢印Cで
示すように第1の磁性層12の磁化を矢印Bとは反対の方
向(図5の左向き)において内側のアステロイド曲線の
外側に出るようにすれば良い。FIG. 5 shows an asteroid curve for explaining the magnetization reversal in the above-described GMR element according to the present invention. The asteroid curve is for displaying a magnetic field required for reversing the magnetization in the easy magnetic domain in a two-dimensional vector. Here, it is shown that when the combined magnetic field of the magnetic field applied in the easy axis direction and the magnetic field applied in the hard axis direction goes out of the star-shaped curve, the magnetization is reversed.
The inner star-shaped curve represents the limiting magnetic field of the first magnetic layer 12 having a low coercive force, and the outer curve represents the limiting magnetic field of the second magnetic layer 13 having a high coercive force. Now, in the “0” state, the magnetization directions in the first and second magnetic layers 12 and 13 are the same as indicated by arrows A and B. Therefore, in order to change from the “0” state to the “1” state, as shown by the arrow C, the magnetization of the first magnetic layer 12 is shifted inward in the direction opposite to the arrow B (to the left in FIG. 5). It may be outside the steroid curve.
【0031】ここで、第1および第2の導電層18および
17の何れか一方に電流を流して磁化反転を行なうことも
できるが、図3に示すような並列型のメモリにおいては
同じ行または列にあるGMRメモリセルにおいても磁化
方向が反転してしまい目的とするGMRメモリセルのみ
において磁化反転を行なうことができない。そこで本発
明においては、目的とするGMRメモリセル11-4-1の第
1および第2の導電層18-4および17-1に、それぞれ単独
の電流では磁化反転が起こらないような値の電流を同時
に流し、これらの電流によって誘起される磁場の合成磁
場によって磁化が反転するようにしている。上述したよ
うに第1および第2ので導電層18および17は互いに直交
しているので、これらの導電層に流れる電流による磁場
の合成磁場は図5において矢印Dで示すようになり、内
側のアステロイド曲線の外側に出るので、磁化反転が行
われることになる。ここで、第2の導電層17に流す電流
の向きを変えることによって、図6に示すように「0」
状態と「1」状態との間で両方向に状態を変化させるこ
とができるので、記録および消去を行なうことができ
る。Here, the first and second conductive layers 18 and
The magnetization reversal can be performed by passing a current through one of the GMRs 17. However, in the parallel type memory as shown in FIG. 3, the magnetization direction is reversed even in the GMR memory cells in the same row or column. , The magnetization reversal cannot be performed only in the GMR memory cell. Therefore, in the present invention, the first and second conductive layers 18-4 and 17-1 of the target GMR memory cell 11-4-1 have currents having values such that magnetization reversal does not occur with a single current. At the same time, and the magnetization is reversed by a composite magnetic field of the magnetic field induced by these currents. As described above, since the first and second conductive layers 18 and 17 are orthogonal to each other, the composite magnetic field of the magnetic field due to the current flowing through these conductive layers is as shown by arrow D in FIG. Since it is outside the steroid curve, magnetization reversal is performed. Here, by changing the direction of the current flowing through the second conductive layer 17, as shown in FIG.
Since the state can be changed in both directions between the state and the "1" state, recording and erasing can be performed.
【0032】次に磁性情報の読み出し動作について説明
する。図7は本発明によるGMRメモリセルの電気抵抗
の磁化状態による変化を示す磁気抵抗曲線を示すもので
ある。第1および第2の磁性層12および13の磁化方向が
平行のとき、すなわち「0」状態のとき電気抵抗は低く
なっているが、反平行となっているとき、すなわち
「1」状態のときに電気抵抗は著しく高くなっている。
このような現象を巨大磁気抵抗効果と呼んでいる。Next, the operation of reading magnetic information will be described. FIG. 7 shows a magnetoresistive curve showing a change in electric resistance of the GMR memory cell according to the present invention depending on the magnetization state. When the magnetization directions of the first and second magnetic layers 12 and 13 are parallel, that is, in the “0” state, the electric resistance is low, but when the magnetization directions are antiparallel, that is, in the “1” state. The electrical resistance is significantly higher.
Such a phenomenon is called a giant magnetoresistance effect.
【0033】このような磁気抵抗特性を有するGMRメ
モリセルの第1および第2の導電層18および17を経て電
流を流すことによって「0」状態、すなわち低抵抗状態
であるのかまたは「1」状態、すなわち高抵抗状態であ
るのかを判別することができる。この場合、本発明によ
るGMRメモリセルにおいては膜構造を有するGMR素
子11の互いに対向する位置において第1および第2の導
電層18および17がGMR素子の表裏の表面と接触してい
るので、GMR素子の膜面内に電流が流れるようにな
り、大きな抵抗変化を検出することができる。By passing a current through the first and second conductive layers 18 and 17 of the GMR memory cell having such a magnetoresistive characteristic, a "0" state, that is, a low resistance state or a "1" state is obtained. That is, it can be determined whether the state is the high resistance state. In this case, in the GMR memory cell according to the present invention, the first and second conductive layers 18 and 17 are in contact with the front and back surfaces of the GMR element 11 at positions facing each other in the GMR element 11 having a film structure. A current flows in the film surface of the element, and a large resistance change can be detected.
【0034】図8は上述したGMRメモリセルのGMR
素子の低保磁力を有する第1の磁性層12の磁化を外部電
磁石を用いて反転させて電気抵抗を測定したときの結果
を示すものである。なお、図8において、実線はマイナ
ーループを表し、破線はMR曲線を表すものである。左
向きの磁場を与えて磁化方向を揃えた後、右方向へ磁場
かけると、約10Oeにおいて低保磁力の磁性層12の磁化が
反転しはじめ、縦軸に示す電気抵抗が増加した。磁化の
反転後、磁場を取り去っても電気抵抗を高いままに保持
され、記録が安定に保持されていることが確認できた。
再び左向きの磁場を加えると約−25Oeで元の低い電気抵
抗値に戻り、消去(「0」状態の書込)が行われること
が確認できた。このようにしてメモリセルとしての動作
が確認できた。FIG. 8 shows the GMR of the aforementioned GMR memory cell.
The graph shows the results obtained when the magnetization of the first magnetic layer 12 having a low coercive force of the element is reversed by using an external electromagnet and the electric resistance is measured. In FIG. 8, a solid line represents a minor loop, and a broken line represents an MR curve. When a magnetic field was applied to the right after applying a leftward magnetic field to align the magnetization direction, the magnetization of the magnetic layer 12 having a low coercive force began to be inverted at about 10 Oe, and the electric resistance indicated by the vertical axis increased. After the reversal of the magnetization, the electric resistance was kept high even when the magnetic field was removed, and it was confirmed that the recording was stably maintained.
When a leftward magnetic field was applied again, the electrical resistance value returned to the original low value at about −25 Oe, and it was confirmed that erasing (writing in the “0” state) was performed. Thus, the operation as a memory cell was confirmed.
【0035】[0035]
【発明の効果】上述したように本発明による巨大磁気抵
抗効果によるメモリセルおよびそのようなメモリセルを
2次元的に配列したランダムアクセスメモリにおいて
は、従来の直列型のメモリと比較した場合、個々のメモ
リセルでの電気抵抗変化をそのまま検知して磁性情報の
読み出しを行なうことができるので、SN比の大きな検
出出力を得ることができる。また、従来の直列型のメモ
リにおいては、センス線に接続された複数のメモリセル
のどれからの信号であるのかを特定するためには、特定
のメモリセルの磁気抵抗素子の磁化を回転させ、そのと
きに信号が検出されるか否かに基づいて読み出しを行っ
ており、したがって読み出しは磁化回転を伴う動的なも
のとなり、メモリの高速動作という点で不利であった。
これに対し、本発明では個々のメモリセルを独立して読
み出すことができるので磁化の反転を必要としない静的
な動作が可能であるので、高速動作に十分対応できる。As described above, in the memory cell by the giant magnetoresistance effect according to the present invention and the random access memory in which such memory cells are two-dimensionally arranged, when compared with the conventional serial type memory, The magnetic information can be read out by directly detecting the change in electric resistance in the memory cell, so that a detection output with a large SN ratio can be obtained. Further, in a conventional serial type memory, in order to specify which of a plurality of memory cells connected to a sense line is a signal from, the magnetization of a magnetoresistive element of a specific memory cell is rotated, Reading is performed based on whether or not a signal is detected at that time. Therefore, reading is dynamic with magnetization rotation, which is disadvantageous in terms of high-speed operation of the memory.
On the other hand, in the present invention, since individual memory cells can be read independently, a static operation that does not require the reversal of magnetization is possible, so that the present invention can sufficiently cope with high-speed operation.
【0036】さらに、従来の直列型のメモリでは、サン
ドイッチ構造のGMR素子の高い保磁力を有する磁性層
に磁性情報を記録しているので、図9に示すように記録
・消去を行なうためにはきわめて広い範囲の磁場が必要
となる。これに対し、本発明では磁性情報は低い保磁力
を有する磁性層に記録しているので、必要な磁場範囲は
図9に示すようにきわめて小さいもので足り、それだけ
消費電力を低減することができる。なお、図9におい
て、実線はマイナーループを表し、破線はMR曲線を表
すものである。Further, in the conventional serial type memory, magnetic information is recorded in the magnetic layer having a high coercive force of the GMR element having the sandwich structure. Therefore, as shown in FIG. An extremely wide range of magnetic fields is required. On the other hand, in the present invention, since the magnetic information is recorded on the magnetic layer having a low coercive force, the required magnetic field range is only extremely small as shown in FIG. 9, and the power consumption can be reduced accordingly. . In FIG. 9, the solid line represents a minor loop, and the broken line represents an MR curve.
【0037】また、従来の巨大磁気抵抗効果による並列
型メモリでは、層構造を有するGMR素子を構成する薄
膜の膜面に対して垂直な方向に電流を流しているので、
GMR素子をトンネル型のものとする必要があったが、
このようなトンネル型のGMR素子の製造は難しく、実
現が困難であった。これに対し、本発明では第1および
第2の導電層を磁気抵抗素子に対してオフセット配置す
ることによって膜面内に電流を流すことができ、したが
って製造が容易な通常の金属GMR膜より成る磁気抵抗
素子を使用することができるようになり、巨大磁気抵抗
効果を利用したメモリの実現が可能となった。In the conventional parallel type memory using the giant magnetoresistance effect, a current flows in a direction perpendicular to the surface of a thin film constituting a GMR element having a layer structure.
It was necessary to make the GMR element a tunnel type,
It is difficult to manufacture such a tunnel type GMR element, and it is difficult to realize it. On the other hand, in the present invention, the first and second conductive layers are offset from the magnetoresistive element, so that a current can flow in the film plane, and therefore, it is formed of a normal metal GMR film which is easy to manufacture. The use of a magneto-resistive element has made it possible to realize a memory utilizing the giant magneto-resistive effect.
【0038】さらに、本発明によるメモリセルにおいて
は、磁気抵抗素子の面に垂直な方向に電流が流れるよう
な凸部を有する3次元的な導電層を必要としないので、
記録・再生の際に隣接するメモリセルの磁気抵抗素子の
面内方向に磁場が発生しないので、記録・再生の際の電
流のマージンを大きくすることができるとともに磁性材
料の特性に余分なマージンを見込む必要はなくなる。ま
た、このような3次元構造を持たない導電層は簡単に製
造することができ、スループットを向上することができ
る。Furthermore, the memory cell according to the present invention does not require a three-dimensional conductive layer having a convex portion through which a current flows in a direction perpendicular to the surface of the magnetoresistive element.
Since a magnetic field is not generated in the in-plane direction of the magnetoresistive element of an adjacent memory cell at the time of recording / reproduction, a current margin at the time of recording / reproduction can be increased, and an extra margin is given to the characteristics of the magnetic material. There is no need to anticipate. Further, such a conductive layer having no three-dimensional structure can be easily manufactured, and the throughput can be improved.
【図1】 図1AおよびBは、本発明による巨大磁気抵
抗効果を利用したメモリセルの構成を示す線図的平面図
および断面図である。FIGS. 1A and 1B are a schematic plan view and a sectional view showing a configuration of a memory cell utilizing a giant magnetoresistance effect according to the present invention.
【図2】 図2は、同じくその磁気抵抗素子の構成を示
す断面図である。FIG. 2 is a sectional view showing the configuration of the magnetoresistive element.
【図3】 図3は、本発明による巨大磁気抵抗効果を利
用した並列型ランダムアクセスメモリの構成を示す線図
である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a parallel random access memory utilizing a giant magnetoresistance effect according to the present invention.
【図4】 図4は、本発明によるメモリセルの動作を説
明するための線図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the memory cell according to the present invention.
【図5】 図5は、同じく動作を説明するためのアステ
ロイド曲線を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing an asteroid curve for similarly explaining the operation.
【図6】 図6は、同じく動作を説明するための磁化曲
線を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing a magnetization curve for explaining the operation in the same manner.
【図7】 図7は、同じく動作を説明するための磁気抵
抗曲線を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing a magnetoresistance curve for explaining the operation in the same manner.
【図8】 図8は、本発明によるメモリセルの動作を確
認するための実験結果を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing an experimental result for confirming an operation of a memory cell according to the present invention.
【図9】 図9は、従来の直列型メモリと本発明による
並列型メモリにおいて、記録・消去を行なうための磁場
範囲を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing a magnetic field range for performing recording / erasing in a conventional serial memory and a parallel memory according to the present invention.
11 巨大磁気抵抗効果を示す磁気抵抗素子 12 低保磁力の磁性層 13 高保磁力の磁性層 14 非磁性金属層 15 第2の絶縁層 16 第1の磁性層 17 第2の導電層 18 第2の導電層 11-1-1〜11-4-4 巨大磁気抵抗効果によるメモリセル 17-1〜17-4 第2の導電層 18-1〜18-4 第1の導電層 11 Magnetoresistive element showing giant magnetoresistance effect 12 Low coercivity magnetic layer 13 High coercivity magnetic layer 14 Nonmagnetic metal layer 15 Second insulating layer 16 First magnetic layer 17 Second conductive layer 18 Second Conductive layer 11-1-1 to 11-4-4 Memory cell by giant magnetoresistance 17-1 to 17-4 Second conductive layer 18-1 to 18-4 First conductive layer
─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成11年2月8日[Submission date] February 8, 1999
【手続補正1】[Procedure amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】全文[Correction target item name] Full text
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【書類名】 明細書[Document Name] Statement
【発明の名称】 巨大磁気抵抗効果によるメモリセル
および並列型ランダムアクセスメモリPatent application title: MEMORY CELL BY GIANT MAGNETORESISTANCE EFFECT AND PARALLEL RANDOM ACCESS MEMORY
【特許請求の範囲】[Claims]
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は磁気メモリデバイ
ス、特に巨大磁気抵抗効果を利用したメモリセルおよび
このようなメモリセルを用いる並列型ランダムアクセス
メモリに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic memory device, and more particularly to a memory cell utilizing a giant magnetoresistance effect and a parallel random access memory using such a memory cell.
【0002】[0002]
【従来の技術】磁性薄膜の磁気抵抗効果を固体メモリに
利用することは既に提案されているが、主として製造上
の理由によって実用化されなかった。しかし1988年にFe
/Cr 人工格子における巨大磁気抵抗効果(以下GMR効
果とも称する)が報告され、それに続いてCo/Cu など他
の多くの人工格子においてもGMR効果が見い出され
た。それ以前の異方性磁気抵抗効果は抵抗変化率が2〜
4%程度しかなかったが、GMR効果では抵抗変化率が
室温でも最大で70%にも達し、メモリへ応用した場合に
出力の飛躍的な向上が期待された。しかし、人工格子の
GMRは大きな抵抗変化を得るには1KOe 以上の大きな
磁場が必要であり、実用に適さないものであった。2. Description of the Related Art The use of the magnetoresistance effect of a magnetic thin film for a solid-state memory has already been proposed, but has not been put to practical use mainly for manufacturing reasons. But in 1988 Fe
The giant magnetoresistance effect (hereinafter also referred to as the GMR effect) in the / Cr artificial lattice was reported, followed by the GMR effect in many other artificial lattices such as Co / Cu. Before the anisotropic magnetoresistance effect, the rate of change in resistance was 2
Although it was only about 4%, the rate of change in resistance reached 70% at maximum even at room temperature in the GMR effect, and a dramatic improvement in output was expected when applied to a memory. However, the GMR of the artificial lattice requires a large magnetic field of 1 KOe or more to obtain a large change in resistance, and is not suitable for practical use.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】その後、保磁力の異な
った2つの磁性金属層で非磁性金属層を挟んだサンドイ
ッチ構造のスピンバブル効果の研究が行われ、低磁場で
GMR効果を得ることの可能性が示され、このようなサ
ンドイッチ構造の磁気抵抗素子を用いたメモリが提案さ
れている。このGMRメモリでは、複数のメモリセルが
センス線に沿って直列に配置され、各メモリセルの上を
それぞれ独立したワード線が直交して配置された構造と
なっている。そのため、一つのメモリセルでの抵抗変化
比がそのままセンス線の抵抗変化比とはならず、センス
線に沿って直列に配置されたメモリセルの総個数で除し
たものとなってしまう欠点があった。After that, the spin bubble effect of a sandwich structure in which a non-magnetic metal layer is sandwiched between two magnetic metal layers having different coercive forces has been studied, and it has been found that a GMR effect can be obtained in a low magnetic field. The possibility is shown, and a memory using such a sandwich-structured magneto-resistance element has been proposed. This GMR memory has a structure in which a plurality of memory cells are arranged in series along a sense line, and independent word lines are orthogonally arranged on each memory cell. Therefore, there is a disadvantage that the resistance change ratio of one memory cell does not directly become the resistance change ratio of the sense line, but is divided by the total number of memory cells arranged in series along the sense line. Was.
【0004】メモリセルの抵抗変化比を有効に利用する
手段としてメモリセルを2次元マトリックス状に配列し
た並列型のメモリも提案されている。このような並列型
メモリにおいては、互いに直交する上下のリード線の交
点位置に上下のリード線と電気的に接触したサンドイッ
チ構造のGMR素子が配置され、上下のリード線を1組
選ぶことにより交点位置のGMR素子に対して記録、読
み出しが行われるものである。As a means for effectively utilizing the resistance change ratio of a memory cell, a parallel type memory in which memory cells are arranged in a two-dimensional matrix has been proposed. In such a parallel type memory, a GMR element having a sandwich structure that is in electrical contact with the upper and lower leads is arranged at the intersection of the upper and lower leads perpendicular to each other, and the intersection is selected by selecting one set of the upper and lower leads. Recording and reading are performed on the GMR element at the position.
【0005】上述した巨大磁気抵抗効果を利用したメモ
リにおいては、リード線に対するGMR素子の抵抗比率
が大きいほうが有利であるとともに構造上GMR素子の
底面に垂直に電流が流れるため、トンネル型の巨大磁気
抵抗効果を示すGMR素子を利用することが必要条件で
あるとされている。換言すると、GMR素子の磁性膜の
膜厚方向に電流が流れる場合には、抵抗が非常に小さ
く、記録情報を判断するための抵抗変化を検出できない
ので、トンネル型の巨大磁気抵抗効果を示すGMR素子
を使用することが必須であると考えられている。しかし
ながら、大きな巨大磁気抵抗効果を示すトンネル型のG
MR素子の製作は、現在までのところ薄膜形態でも困難
であり、微細加工を施してメモリ素子とすることはきわ
めて難しいという問題がある。In the above-mentioned memory utilizing the giant magnetoresistance effect, it is advantageous that the resistance ratio of the GMR element to the lead wire is large, and a current flows vertically to the bottom surface of the GMR element in a structure. The use of a GMR element exhibiting a resistance effect is said to be a necessary condition. In other words, when a current flows in the direction of the thickness of the magnetic film of the GMR element, the resistance is very small and a resistance change for judging recorded information cannot be detected. The use of elements is considered essential. However, a tunnel-type G exhibiting a large giant magnetoresistance effect
Up to now, it is difficult to manufacture an MR element even in a thin film form, and there is a problem that it is extremely difficult to form a memory element by performing fine processing.
【0006】また、従来の巨大磁気抵抗効果を示すメモ
リ素子では、サンドイッチ構造の内の高保磁力層に磁性
情報を記憶させているので、磁化反転に大きな磁界が必
要となり、消費電力が大きくなるという問題もある。加
えて、読み出しに磁化反転を要するので、動作速度の限
界が磁化反転速度で決まってしまい高速動作が可能なメ
モリを実現できないという問題もある。Further, in a conventional memory element exhibiting a giant magnetoresistance effect, since magnetic information is stored in a high coercive force layer in a sandwich structure, a large magnetic field is required for magnetization reversal and power consumption is increased. There are also problems. In addition, since reading requires magnetization reversal, the operation speed limit is determined by the magnetization reversal speed, and there is a problem that a memory capable of high-speed operation cannot be realized.
【0007】このような問題を解決するために、巨大磁
気抵抗効果を示すサンドイッチ構造のGMR素子の磁性
層の面内に電流が流れるようにして大きな抵抗変化が得
られ、したがって記録情報の判断を正確に行なうことが
できるように構成した巨大磁気抵抗効果によるメモリセ
ルが特開平9─139069号公報に開示されている。
この巨大磁気抵抗効果によるメモリセルは、保磁力の異
なる磁性層の間に非磁性金属層を挟んだ積層構造を有
し、巨大磁気抵抗効果を示す磁気抵抗素子と、その一方
の表面をほぼ覆うように形成された第1の絶縁膜と、他
方の表面上をほぼ覆うように形成された第2の絶縁膜
と、前記第1の絶縁膜の上に形成された第1の導電層
と、前記第2の絶縁膜の上に形成された第2の導電層と
を具え、前記第1および第2の導電層を前記磁気抵抗素
子の互いに対向する位置において一方および他方の表面
と接触させて磁性層の面内に電流を流すように構成した
ものである。また、第1および第2の導電層は互いに直
交するように配設されている。In order to solve such a problem, a large change in resistance is obtained by allowing a current to flow in the plane of the magnetic layer of a GMR element having a sandwich structure exhibiting a giant magnetoresistance effect. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-13969 discloses a memory cell based on the giant magnetoresistance effect configured to perform the operation accurately.
The memory cell based on the giant magnetoresistance effect has a laminated structure in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces, and almost covers one surface of the magnetoresistance element exhibiting the giant magnetoresistance effect. A first insulating film formed as described above, a second insulating film formed so as to substantially cover the other surface, a first conductive layer formed on the first insulating film, A second conductive layer formed on the second insulating film, wherein the first and second conductive layers are in contact with one and the other surfaces of the magnetoresistive element at positions facing each other. The structure is such that current flows in the plane of the magnetic layer. The first and second conductive layers are disposed so as to be orthogonal to each other.
【0008】しかしながら、このような従来のメモリセ
ルにおいては、一方の導電層が磁気抵抗素子の平面に対
して垂直な凸部を含む3次元的な構造を有している。し
たがって、電流がこの凸部を流れると、磁気抵抗素子の
面内方向に磁場が発生することになる。高密度メモリを
実現するためには、隣接するメモリセル間の間隔は0.1
μm オーダーとなるが、上述したように磁気抵抗素子の
面内方向に磁場が発生すると、隣接するモリセルの磁気
抵抗素子にも面内方向に磁場が発生することになり、記
録・再生のための電流マージンが極端に狭くなる。これ
を解決するためには磁気抵抗材料の特性にも余分なマー
ジンが必要となるという問題がある。However, in such a conventional memory cell, one conductive layer has a three-dimensional structure including a projection perpendicular to the plane of the magnetoresistive element. Therefore, when a current flows through the convex portion, a magnetic field is generated in the in-plane direction of the magnetoresistive element. To realize high-density memory, the interval between adjacent memory cells must be 0.1
However, if a magnetic field is generated in the in-plane direction of the magnetoresistive element as described above, a magnetic field is also generated in the in-plane direction of the magnetoresistive element of an adjacent memory cell, and the magnetic field for recording / reproducing. The current margin becomes extremely narrow. To solve this, there is a problem that an extra margin is required for the characteristics of the magnetoresistive material.
【0009】さらに、上述した従来のメモリセルにおい
ては、上述したように一方の導電層を3次元的に形成す
る必要があるため、製造工程が複雑となり、スループッ
トや歩留りが低下し、コスト高となるという問題もあ
る。Furthermore, in the conventional memory cell described above, since one conductive layer must be formed three-dimensionally as described above, the manufacturing process becomes complicated, the throughput and the yield decrease, and the cost increases. There is also the problem of becoming.
【0010】したがって本発明の目的は、上述した従来
の種々の問題を解決し、巨大磁気抵抗効果を示すサンド
イッチ構造のGMR素子の磁性層の面内に電流が流れる
ようにして大きな抵抗変化が得られ、したがって記録情
報の判断を正確に行なうことができるとともに記録・再
生の際に隣接するセルに磁気抵抗素子の面内方向に磁場
が発生することがなく、したがって電流や磁気材料特性
のマージンを小さくすることができ、さらに製造が容易
な巨大磁気抵抗効果によるメモリセルを提供しようとす
るものである。Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned various problems in the prior art and to obtain a large resistance change by allowing a current to flow in the plane of the magnetic layer of a GMR element of a sandwich structure exhibiting a giant magnetoresistance effect. As a result, it is possible to accurately determine the recorded information, and no magnetic field is generated in the in-plane direction of the magnetoresistive element in an adjacent cell during recording / reproducing. An object of the present invention is to provide a memory cell having a giant magnetoresistance effect that can be reduced in size and is easy to manufacture.
【0011】本発明の他の目的は、巨大磁気抵抗効果に
よるメモリセルを2次元的に配列し、個々のメモリセル
において大きな抵抗変化比を得ることができ、しかも磁
性情報をサンドイッチ構造のGMR素子の低保磁力層に
記憶することでき、したがって記録・消去に要する磁場
を小さくすることができ、消費電力を低減することがで
き、さらに記録情報の読み出し時に磁化反転を必要とし
ない静的読み出しが可能であり、動作速度が磁化反転速
度によって制限されることがない巨大磁気抵抗効果によ
る並列型のランダムアクセスメモリを提供しようとする
ものである。Another object of the present invention is to provide a GMR element having a two-dimensional array of memory cells based on the giant magnetoresistance effect, capable of obtaining a large resistance change ratio in each memory cell, and having magnetic information in a sandwich structure. The magnetic field required for recording / erasing can be reduced, the power consumption can be reduced, and static reading that does not require magnetization reversal when reading recorded information can be performed. An object of the present invention is to provide a parallel-type random access memory using a giant magnetoresistance effect, in which an operation speed is not limited by a magnetization reversal speed.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明による巨大磁気抵
抗効果によるメモリセルは、基板上に第1の方向に延在
するように形成された第1の導電層と、この第1の導電
層の一部分を覆って延在するように形成された第1の絶
縁層と、この第1の絶縁層の表面から、第1の導電層の
表面と第1の絶縁層の端面とで構成される段部を越えて
前記第1の導電層の表面に達するまで前記第1の方向に
延在し、一方の端部の基板側の表面が第1の導電層と接
触するように形成され、保磁力の異なる磁性層の間に非
磁性金属層を挟んだ積層構造を有し、巨大磁気抵抗効果
を示す磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子の他方の端部
を除いて磁気抵抗素子を覆うように形成された第2の絶
縁層と、前記磁気抵抗素子の他方の端部の基板とは反対
側の表面と接触するとともに前記第2の絶縁層の一部分
を覆って前記第1の方向と直交する第2の方向に延在す
るように形成された第2の導電層とを具え、前記第1お
よび第2の導電層を流れる電流によって誘起される合成
磁場によって前記低い保磁力を有する磁性層の磁化を反
転させるように構成したことを特徴とするものである。According to the present invention, there is provided a memory cell based on the giant magnetoresistance effect, comprising: a first conductive layer formed on a substrate so as to extend in a first direction; And a first insulating layer formed so as to extend over a part of the first insulating layer, and a surface of the first conductive layer and an end face of the first insulating layer from the surface of the first insulating layer. The first conductive layer extends in the first direction until it reaches the surface of the first conductive layer beyond the step, and is formed so that the surface of one end on the substrate side is in contact with the first conductive layer. It has a laminated structure in which a non-magnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different magnetic forces, and covers the magnetoresistive element exhibiting a giant magnetoresistive effect and the magnetoresistive element except for the other end of the magnetoresistive element. A second insulating layer formed on the other end of the magnetoresistive element and a surface of the other end of the magnetoresistive element opposite to the substrate. And a second conductive layer formed so as to cover a part of the second insulating layer and extend in a second direction orthogonal to the first direction, and the first and second conductive layers are provided. It is characterized in that the magnetization of the magnetic layer having a low coercive force is reversed by a composite magnetic field induced by a current flowing through the layer.
【0013】また、本発明による巨大磁気抵抗効果によ
る並列型ランダムアクセスメモリは、それぞれが、基板
上に第1の方向に延在するように形成された第1の導電
層と、この第1の導電層の一部分を覆って延在するよう
に形成された第1の絶縁層と、この第1の絶縁層の表面
から、第1の導電層の表面と第1の絶縁層の端面とで構
成される段部を越えて前記第1の導電層の表面に達する
まで前記第1の方向に延在し、一方の端部の基板側の表
面が第1の導電層と接触するように形成され、保磁力の
異なる磁性層の間に非磁性金属層を挟んだ積層構造を有
し、巨大磁気抵抗効果を示す磁気抵抗素子と、この磁気
抵抗素子の他方の端部を除いて磁気抵抗素子を覆うよう
に形成された第2の絶縁層と、前記磁気抵抗素子の他方
の端部の基板とは反対側の表面と接触するとともに前記
第2の絶縁層の一部分を覆って前記第1の方向と直交す
る第2の方向に延在するように形成された第2の導電層
とを具え、前記第1および第2の導電層を流れる電流に
よって誘起される合成磁場によって前記低い保磁力を有
する磁性層の磁化を反転させるように構成したメモリセ
ルを複数マトリックス状に配列し、行または列方向に整
列する複数のメモリセルの第1の導電層を共通とすると
ともに互いに平行に配設し、列または行方向に整列する
複数のメモリセルの第2の導電層を共通とするとともに
第1の導電層の延在方向とほぼ直交する方向に互いに平
行に配設し、所定の第1および第2の導電層の組に各別
に電流を流すことによってこれら導電層の交点に位置す
るメモリセルの磁気抵抗素子の低い保磁力を有する磁性
層の磁化のみを反転して記録・消去を行なうとともにこ
れら第1および第2の導電層およびその交点に位置する
メモリセルを経て電流を流して磁性情報の読み出しを行
なうように構成したことを特徴とするものである。Further, the parallel random access memories based on the giant magnetoresistance effect according to the present invention each include a first conductive layer formed on a substrate so as to extend in a first direction; A first insulating layer formed so as to extend over a part of the conductive layer; and a surface of the first insulating layer and a surface of the first conductive layer and an end face of the first insulating layer. The first conductive layer extends in the first direction until it reaches the surface of the first conductive layer beyond the step to be formed, and is formed so that a surface of one end on the substrate side is in contact with the first conductive layer. A magnetoresistive element having a laminated structure in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces and exhibiting a giant magnetoresistive effect, and a magnetoresistive element excluding the other end of the magnetoresistive element. The second insulating layer formed so as to cover and the substrate at the other end of the magnetoresistive element A second conductive layer formed in contact with the opposite surface and extending in a second direction orthogonal to the first direction so as to cover a part of the second insulating layer; A plurality of memory cells configured to reverse the magnetization of the magnetic layer having a low coercive force by a combined magnetic field induced by a current flowing through the first and second conductive layers are arranged in a matrix, and are arranged in a row or column direction. A plurality of memory cells to be aligned have a common first conductive layer and are arranged in parallel with each other, and a plurality of memory cells aligned in a column or row direction have a common second conductive layer and a first conductive layer. The magnets are arranged in parallel with each other in a direction substantially perpendicular to the direction in which the layers extend, and a current is separately passed through a predetermined set of first and second conductive layers, so that the magnetic field of the memory cell located at the intersection of these conductive layers is increased. Low resistance element Recording / erasing is performed by reversing only the magnetization of a magnetic layer having a magnetic force, and magnetic information is read by passing a current through the first and second conductive layers and a memory cell located at the intersection thereof. It is characterized by having done.
【0014】上述した本発明による巨大磁気抵抗効果に
よるメモリセルおよびそのようなメモリセルを有する並
列型ランダムアクセスメモリでは、GMR素子は互いに
保磁力が異なる磁性層で非磁性金属層を挟んだサンドイ
ッチ構造を有しており、磁性情報を読み出す際には、そ
の面内に電流が流れるように構成されているので、トン
ネル型でない製造が容易な通常のGMR素子を用いても
大きな抵抗変化を検出することができる。また、個々の
メモリセルに記憶された磁性情報を独立して読み出すこ
とができるので、大きな抵抗変化比を得ることができ
る。さらに、異なる保磁力を有する磁性層で非磁性金属
層を挟んだサンドイッチ構造を有するGMR素子の低保
磁力層に磁性情報を記憶するようにしているので、記録
・消去に要する磁場を小さくすることができ、消費電力
を低減することができる。さらにまた、記録情報の読み
出し時に磁化反転を必要としない静的読み出しが可能で
あるので、磁化反転速度によって制限されることがない
高速の動作を行なうことができる。In the above-described memory cell based on the giant magnetoresistance effect and the parallel random access memory having such a memory cell according to the present invention, the GMR element has a sandwich structure in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces. When reading magnetic information, a large current change is detected even when a normal GMR element which is not a tunnel type and is easy to manufacture is used, since a current flows in the plane. be able to. Also, since the magnetic information stored in each memory cell can be read independently, a large resistance change ratio can be obtained. Further, since magnetic information is stored in the low coercive force layer of a GMR element having a sandwich structure in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces, the magnetic field required for recording / erasing can be reduced. And power consumption can be reduced. Furthermore, since static reading that does not require magnetization reversal when reading recorded information is possible, high-speed operation that is not limited by the magnetization reversal speed can be performed.
【0015】さらに本発明のメモリセルでは、導電層
は、基板表面に垂直に延在する凸部を持っていないの
で、記録・再生の際に導電層に電流が流れても、磁気抵
抗素子の面内方向に磁場が形成されることはなく、電流
のマージンや磁性材料の特性のマージンを小さくするこ
とができるとともに製造工程も簡単となる。Further, in the memory cell of the present invention, since the conductive layer does not have a convex portion extending perpendicularly to the substrate surface, even if a current flows through the conductive layer at the time of recording / reproducing, the conductive layer of the magnetoresistive element is not affected. Since no magnetic field is formed in the in-plane direction, the margin of current and the margin of characteristics of the magnetic material can be reduced, and the manufacturing process can be simplified.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】図1AおよびBは本発明による巨
大磁気抵抗効果を利用したメモリセルの構造を示す平面
図および断面図であり、図2は同じくそのGMR素子の
詳細な構造を示す断面図である。GMR素子11は、図2
に示すように3層構造となっている。本例では、低保磁
力を有するFeCo合金より成る下部磁性層12と、高保持力
を有するCoより成る上部磁性層13と、これらの磁性層の
間に挟まれたCuより成る非磁性金属層14とをサンドイッ
チ状に積層した構造となっている。本例では、下部磁性
層12の膜厚を6 nmとし、上部磁性層13の膜厚を2.2 nmと
し、非磁性金属層14の膜厚を4.4 nmとし、平面サイズは
30×150 μm としている。このようなGMR素子11を構
成する磁性材料および非磁性金属材料およびそれらの膜
厚や平面サイズは単に例として示すものであり、本発明
はこのような実施例に限定されるものでないことは勿論
である。1A and 1B are a plan view and a sectional view showing a structure of a memory cell utilizing the giant magnetoresistance effect according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view showing a detailed structure of the GMR element. FIG. The GMR element 11 is shown in FIG.
Has a three-layer structure as shown in FIG. In this example, a lower magnetic layer 12 made of a FeCo alloy having a low coercive force, an upper magnetic layer 13 made of Co having a high coercive force, and a nonmagnetic metal layer made of Cu sandwiched between these magnetic layers 14 are laminated in a sandwich shape. In this example, the thickness of the lower magnetic layer 12 is 6 nm, the thickness of the upper magnetic layer 13 is 2.2 nm, the thickness of the nonmagnetic metal layer 14 is 4.4 nm, and the plane size is
30 × 150 μm. The magnetic material and non-magnetic metal material constituting the GMR element 11 and their film thicknesses and plane sizes are merely shown as examples, and the present invention is not limited to such an embodiment. It is.
【0017】図1に示すように、基板上に第1の方向に
延在するように形成した、例えばCuより成る第1の導電
層18と、この第1の導電層の一部分を覆うように形成さ
れた、例えばSiO2より成る第1の絶縁層16と、この第1
の絶縁層の表面から、前記第1の導電層18の表面と第1
の絶縁層の端面とで構成される段部を越えて前記第1の
導電層の表面に達するまで前記第1の方向に延在し、一
方の端部の基板側の表面が第1の導電層と接触するよう
に形成したGMR素子11とを設ける。上述したようにこ
のGMR素子11は保磁力の異なる磁性層の間に非磁性金
属層を挟んだ積層構造を有している。As shown in FIG. 1, a first conductive layer 18 made of, for example, Cu is formed on a substrate so as to extend in a first direction, and the first conductive layer 18 is formed so as to cover a part of the first conductive layer. The formed first insulating layer 16 made of, for example, SiO 2 ,
From the surface of the first conductive layer 18 to the first
And extends in the first direction until it reaches the surface of the first conductive layer beyond the step formed by the end surface of the insulating layer of the first conductive layer. A GMR element 11 formed in contact with the layer. As described above, the GMR element 11 has a laminated structure in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces.
【0018】さらに、このGMR素子11の他方の端部を
除いてGMR素子を覆うように形成された同じくSiO2よ
り成る第2の絶縁層15と、GMR素子11の他方の端部の
基板とは反対側の表面と接触するとともに前記第2の絶
縁層15の一部分を覆って前記第1の方向と直交する第2
の方向に延在するように形成された同じくCuより成る第
2の導電層17とを具え、前記第1および第2の導電層18
および17を流れる電流によって誘起される合成磁場によ
って前記低い保磁力を有する磁性層の磁化を反転させる
ように構成したものである。Further, a second insulating layer 15 also made of SiO 2 formed so as to cover the GMR element except for the other end of the GMR element 11, a substrate at the other end of the GMR element 11, Is in contact with the opposite surface and covers a portion of the second insulating layer 15 and is perpendicular to the first direction.
And a second conductive layer 17 also made of Cu formed so as to extend in the direction of
And 17, the magnetization of the magnetic layer having a low coercive force is reversed by a combined magnetic field induced by a current flowing through the magnetic layer.
【0019】第1A図に示すように、第1の導電膜18お
よび第2の導電膜17は、それらの延在方向が互いに直交
するように配置し、第1の導電層18の巾を50μm とし、
第2の導電層17の巾を200 μm とする。As shown in FIG. 1A, the first conductive film 18 and the second conductive film 17 are arranged so that their extending directions are orthogonal to each other, and the width of the first conductive layer 18 is 50 μm. age,
The width of the second conductive layer 17 is 200 μm.
【0020】このように本発明によるGMR素子11にお
いては、素子の互いに対向する位置において第1および
第2の導電層17および18が素子の表裏の表面と接触した
構造となっているので、磁性情報を読み出す際に電流は
GMR素子の面内に流れることになり、トンネル型のG
MR素子でない金属膜GMR素子によっても大きな抵抗
変化を得ることができる。As described above, the GMR element 11 according to the present invention has a structure in which the first and second conductive layers 17 and 18 are in contact with the front and back surfaces of the element at positions opposing each other. When reading information, a current flows in the plane of the GMR element, and the tunnel type G
A large resistance change can be obtained even with a metal film GMR element other than an MR element.
【0021】次に上述した本発明による巨大磁気抵抗効
果によるメモリセルの一例の製造工程について簡単に述
べる。先ず、適当な基板の上に第1の導電膜18を高周波
マグネトロンスパッタ法により形成した。真空チャンバ
内を10-7Torr以下まで予備排気した後、アルゴンガスを
3mTorrの圧力で導入し、投入電力75W でCuをスパッタし
て膜厚が100nm のCu薄膜を形成し、希硝酸エッチャント
を用いるフォトリソグラフィ手法によりCu薄膜をパター
ニングして第1の導電膜18を形成した。Next, a brief description will be given of a manufacturing process of an example of the memory cell using the giant magnetoresistance effect according to the present invention. First, a first conductive film 18 was formed on an appropriate substrate by a high-frequency magnetron sputtering method. After pre-evacuating the vacuum chamber to 10 -7 Torr or less, argon gas was
Introduced at a pressure of 3 mTorr, sputtered Cu at a power of 75 W to form a Cu thin film with a thickness of 100 nm, and patterned the Cu thin film by photolithography using a dilute nitric acid etchant to form a first conductive film 18. did.
【0022】次に、第1の絶縁膜16を、SiO2薄膜を真空
蒸着法によって堆積した後、フォトリソグラフィ手法に
よって所定のパターンにエッチングして形成した。さら
に、高周波マグネトロンスパッタ法によってGMR素子
11を形成した。すなわち、フォトレジストを塗布し、形
成すべきGMR素子のパターンに応じた露光を行った基
板上に、アルゴンガスを20mTorr の圧力で充填した真空
チャンバ内で、FeCo薄膜、Cu薄膜およびCo薄膜をそれぞ
れ250W、75W および250Wの投入電力で、6 nm、2.2 nmお
よび4.4 nmの膜厚となるように順次に形成した後、リフ
トオフの手法によって平面サイズが30×150 μm のGM
R素子11を形成した。Next, the first insulating film 16 was formed by depositing a SiO 2 thin film by a vacuum evaporation method and then etching it into a predetermined pattern by a photolithography method. Further, the GMR element is formed by a high frequency magnetron sputtering method.
11 formed. That is, a FeCo thin film, a Cu thin film, and a Co thin film were respectively coated in a vacuum chamber filled with argon gas at a pressure of 20 mTorr on a substrate coated with photoresist and exposed according to a pattern of a GMR element to be formed. 250W, 75W and 250W input power, formed sequentially to a film thickness of 6nm, 2.2nm and 4.4nm, by lift-off technique, GM of plane size 30 × 150μm
An R element 11 was formed.
【0023】次に第2の絶縁膜15を、第1の絶縁膜16の
形成と同様にSiO2薄膜を真空蒸着法によって堆積した
後、フォトリソグラフィ手法によって所定のパターンに
エッチングして形成した。さらに、真空蒸着/フォトリ
ソグラフィ/リフトオフの手法を用いて膜厚が100 nmの
Cu薄膜より成る第2の導電膜17を形成した。Next, a second insulating film 15 was formed by depositing a SiO 2 thin film by a vacuum evaporation method in the same manner as the formation of the first insulating film 16 and then etching it into a predetermined pattern by a photolithography method. Furthermore, using a vacuum deposition / photolithography / lift-off technique,
A second conductive film 17 made of a Cu thin film was formed.
【0024】図3は上述した構造のGMR素子をメモリ
セルとした本発明による並列型のランダムアクセスメモ
リの構成を示す線図的な平面図である。複数のGMRメ
モリセル11-1-1, 11-1-2---11-1-4; 11-2-2, 11-2-2---
11-2-4;---11-4-1, 11-4-2---11-4-4 をマトリックス状
に2次元的に配列し、同じ列上に配列されている複数の
メモリセル11-1-1, 11-2-1---11-4-1; 11-1-2, 11-2-2-
--11-4-2;---11-1-4,11-2-4---11-4-4 の第2の導電層1
7-1, 17-2---17-4 を共通とするとともに同じ行上に配
列されている複数のメモリセル11-1-1, 11-1-2---11-1-
4; 11-2-1, 11-2-2---11-2-4;---11-4-1, 11-4-2---11-
4-4 の第1の導電層18-1, 18-2---18-4を共通とし、こ
れら第1および第2の導電層を互いに直交して延在する
ように配設する。FIG. 3 is a diagrammatic plan view showing the configuration of a parallel type random access memory according to the present invention in which the GMR element having the above structure is used as a memory cell. Multiple GMR memory cells 11-1-1, 11-1-2 --- 11-1-4; 11-2-2, 11-2-2 ---
11-2-4; --- Multiple memories in which 11-4-1 and 11-4-2 --- 11-4-4 are arranged two-dimensionally in a matrix and arranged on the same column Cells 11-1-1, 11-2-1 --- 11-4-1; 11-1-2, 11-2-2-
--11-4-2; --- Second conductive layer 1 of 11-1-4,11-2-4 --- 11-4-4
7-1, 17-2 --- 17-4, and a plurality of memory cells 11-1-1, 11-1-2 --- 11-1- arranged on the same row
4; 11-2-1, 11-2-2 --- 11-2-4; --- 11-4-1, 11-4-2 --- 11-
4-4, the first conductive layers 18-1, 18-2 --- 18-4 are common, and the first and second conductive layers are disposed so as to extend orthogonally to each other.
【0025】先ず、磁気情報の記録や消去を行なう場合
について説明する。図3において、マトリックスの4行
1列に位置するGMRメモリセル11-4-1に対して記録・
消去を行なう場合には、第1列目の第2の導電層17-1に
電流を流すとともに第4行目の第1の導電層18-4に電流
を流す。図3ではこれを図式的に直流電源21, 23および
スイッチ22, 24で示した。このように所定のGMRメモ
リセルに対して記録または消去を行なう場合には、この
メモリセルの第1および第2の導電層に同時に電流を流
す。First, the case of recording and erasing magnetic information will be described. In FIG. 3, recording / recording is performed on the GMR memory cell 11-4-1 located in the fourth row and the first column of the matrix.
When erasing is performed, a current is supplied to the second conductive layer 17-1 in the first column and a current is supplied to the first conductive layer 18-4 in the fourth row. In FIG. 3, this is schematically shown by DC power supplies 21 and 23 and switches 22 and 24. When recording or erasing is performed on a predetermined GMR memory cell as described above, a current is simultaneously applied to the first and second conductive layers of the memory cell.
【0026】また、マトリックスの2行4列に位置する
GMRメモリセル11-2-4に記憶されている磁性情報を読
み出す際には、当該GMRメモリセルの第1および第2
の導電層18-2および17-4の間に電位差を与え、そこを流
れる電流を検知する。図3においては、これを直流電源
25、スイッチ26およびメータ27によって図式的に表し
た。ここで、GMRメモリセルの磁気抵抗の変化を検知
するには、一定の電圧を印加して流れる電流の大きさを
検知する方法と、一定の電流を流したときのメモリセル
間の電圧降下を検知する方法とがあるが、本発明ではい
ずれの方法でも良い。When reading out the magnetic information stored in the GMR memory cell 11-2-4 located in the second row and the fourth column of the matrix, the first and the second of the GMR memory cell are read out.
A potential difference is applied between the conductive layers 18-2 and 17-4, and the current flowing therethrough is detected. In FIG. 3, this is a DC power supply.
Schematically represented by 25, switch 26 and meter 27. Here, in order to detect a change in the magnetoresistance of the GMR memory cell, a method of detecting a magnitude of a current flowing by applying a constant voltage and a method of detecting a voltage drop between the memory cells when a constant current flows. There is a detection method, but any method may be used in the present invention.
【0027】次に上述したようにして記録・消去および
読み出しを行なう動作原理について説明する。図4はG
MR素子における磁化方向を示すものであり、ここでは
低保磁力を有する第1の磁性層12における磁化方向と高
保磁力を有する第2の磁性層13における磁化方向とが同
じ方向を向いているとき、すなわち平行のときに2値情
報の「0」を表し、互いに反対方向を向くとき、すなわ
ち逆平行のときに2値情報の「1」を表すものと定義す
る。このように本発明においては、「0」状態と「1」
状態とを比較した場合、磁化方向は低い保磁力を有する
第1の磁性層12においてのみ反転し、高い保磁力を有す
る第2の磁性層13の磁化方向は変化していない。したが
って、小さな磁場によって磁化反転を行なうことがで
き、消費電力を低減することができる。Next, the operation principle of recording / erasing and reading as described above will be described. FIG.
This shows the magnetization direction in the MR element. Here, when the magnetization direction in the first magnetic layer 12 having a low coercive force and the magnetization direction in the second magnetic layer 13 having a high coercive force are in the same direction. That is, it is defined as representing binary information "0" when parallel, and representing binary information "1" when facing in opposite directions, that is, antiparallel. Thus, in the present invention, the “0” state and the “1” state
When compared with the state, the magnetization direction is reversed only in the first magnetic layer 12 having a low coercive force, and the magnetization direction of the second magnetic layer 13 having a high coercive force does not change. Therefore, magnetization reversal can be performed with a small magnetic field, and power consumption can be reduced.
【0028】図5は上述した本発明によるGMR素子に
おける磁化反転を説明するためのアステロイド曲線を示
すものである。このアステロイド曲線は容易磁区にある
磁化を反転させるために必要な磁場を2次元ベクトル表
示させるためのものである。ここで、容易軸方向にかか
る磁場と困難軸方向にかかる磁場との合成磁場が星型の
曲線の外に出ると、磁化が反転することを示している。
内側の星型の曲線は低保磁力の第1の磁性層12の限界磁
場を表し、外側の曲線は高保磁力の第2の磁性層13の限
界磁場を表している。今、「0」状態では矢印Aおよび
Bで示すように第1および第2の磁性層12および13での
磁化方向は同じ平行となっている。したがって、この
「0」状態から「1」状態へ変化させるには、矢印Cで
示すように第1の磁性層12の磁化を矢印Bとは反対の方
向(図5の左向き)において内側のアステロイド曲線の
外側に出るようにすれば良い。FIG. 5 shows an asteroid curve for explaining the magnetization reversal in the above-described GMR element according to the present invention. The asteroid curve is for displaying a magnetic field required for reversing the magnetization in the easy magnetic domain in a two-dimensional vector. Here, it is shown that when the combined magnetic field of the magnetic field applied in the easy axis direction and the magnetic field applied in the hard axis direction goes out of the star-shaped curve, the magnetization is reversed.
The inner star-shaped curve represents the limiting magnetic field of the first magnetic layer 12 having a low coercive force, and the outer curve represents the limiting magnetic field of the second magnetic layer 13 having a high coercive force. Now, in the “0” state, the magnetization directions in the first and second magnetic layers 12 and 13 are the same as indicated by arrows A and B. Therefore, in order to change from the “0” state to the “1” state, as shown by the arrow C, the magnetization of the first magnetic layer 12 is shifted inward in the direction opposite to the arrow B (to the left in FIG. 5). It may be outside the steroid curve.
【0029】ここで、第1および第2の導電層18および
17の何れか一方に電流を流して磁化反転を行なうことも
できるが、図3に示すような並列型のメモリにおいては
同じ行または列にあるGMRメモリセルにおいても磁化
方向が反転してしまい目的とするGMRメモリセルのみ
において磁化反転を行なうことができない。そこで本発
明においては、目的とするGMRメモリセル11-4-1の第
1および第2の導電層18-4および17-1に、それぞれ単独
の電流では磁化反転が起こらないような値の電流を同時
に流し、これらの電流によって誘起される磁場の合成磁
場によって磁化が反転するようにしている。上述したよ
うに第1および第2ので導電層18および17は互いに直交
しているので、これらの導電層に流れる電流による磁場
の合成磁場は図5において矢印Dで示すようになり、内
側のアステロイド曲線の外側に出るので、磁化反転が行
われることになる。ここで、第2の導電層17に流す電流
の向きを変えることによって、図6に示すように「0」
状態と「1」状態との間で両方向に状態を変化させるこ
とができるので、記録および消去を行なうことができ
る。Here, the first and second conductive layers 18 and
The magnetization reversal can be performed by passing a current through one of the GMRs 17. However, in the parallel type memory as shown in FIG. 3, the magnetization direction is reversed even in the GMR memory cells in the same row or column. , The magnetization reversal cannot be performed only in the GMR memory cell. Therefore, in the present invention, the first and second conductive layers 18-4 and 17-1 of the target GMR memory cell 11-4-1 have currents having values such that magnetization reversal does not occur with a single current. At the same time, and the magnetization is reversed by a composite magnetic field of the magnetic field induced by these currents. As described above, since the first and second conductive layers 18 and 17 are orthogonal to each other, the composite magnetic field of the magnetic field due to the current flowing through these conductive layers is as shown by arrow D in FIG. Since it is outside the steroid curve, magnetization reversal is performed. Here, by changing the direction of the current flowing through the second conductive layer 17, as shown in FIG.
Since the state can be changed in both directions between the state and the "1" state, recording and erasing can be performed.
【0030】次に磁性情報の読み出し動作について説明
する。図7は本発明によるGMRメモリセルの電気抵抗
の磁化状態による変化を示す磁気抵抗曲線を示すもので
ある。第1および第2の磁性層12および13の磁化方向が
平行のとき、すなわち「0」状態のとき電気抵抗は低く
なっているが、反平行となっているとき、すなわち
「1」状態のときに電気抵抗は著しく高くなっている。
このような現象を巨大磁気抵抗効果と呼んでいる。Next, the operation of reading magnetic information will be described. FIG. 7 shows a magnetoresistive curve showing a change in electric resistance of the GMR memory cell according to the present invention depending on the magnetization state. When the magnetization directions of the first and second magnetic layers 12 and 13 are parallel, that is, in the “0” state, the electric resistance is low, but when the magnetization directions are antiparallel, that is, in the “1” state. The electrical resistance is significantly higher.
Such a phenomenon is called a giant magnetoresistance effect.
【0031】このような磁気抵抗特性を有するGMRメ
モリセルの第1および第2の導電層18および17を経て電
流を流すことによって「0」状態、すなわち低抵抗状態
であるのかまたは「1」状態、すなわち高抵抗状態であ
るのかを判別することができる。この場合、本発明によ
るGMRメモリセルにおいては膜構造を有するGMR素
子11の互いに対向する位置において第1および第2の導
電層18および17がGMR素子の表裏の表面と接触してい
るので、GMR素子の膜面内に電流が流れるようにな
り、大きな抵抗変化を検出することができる。By passing a current through the first and second conductive layers 18 and 17 of the GMR memory cell having such a magnetoresistive characteristic, a "0" state, that is, a low resistance state or a "1" state is obtained. That is, it can be determined whether the state is the high resistance state. In this case, in the GMR memory cell according to the present invention, the first and second conductive layers 18 and 17 are in contact with the front and back surfaces of the GMR element 11 at positions facing each other in the GMR element 11 having a film structure. A current flows in the film surface of the element, and a large resistance change can be detected.
【0032】図8は上述したGMRメモリセルのGMR
素子の低保磁力を有する第1の磁性層12の磁化を外部電
磁石を用いて反転させて電気抵抗を測定したときの結果
を示すものである。なお、図8において、実線はマイナ
ーループを表し、破線はMR曲線を表すものである。左
向きの磁場を与えて磁化方向を揃えた後、右方向へ磁場
かけると、約10Oeにおいて低保磁力の磁性層12の磁化が
反転しはじめ、縦軸に示す電気抵抗が増加した。磁化の
反転後、磁場を取り去っても電気抵抗を高いままに保持
され、記録が安定に保持されていることが確認できた。
再び左向きの磁場を加えると約−25Oeで元の低い電気抵
抗値に戻り、消去(「0」状態の書込)が行われること
が確認できた。このようにしてメモリセルとしての動作
が確認できた。FIG. 8 shows the GMR of the aforementioned GMR memory cell.
The graph shows the results obtained when the magnetization of the first magnetic layer 12 having a low coercive force of the element is reversed by using an external electromagnet and the electric resistance is measured. In FIG. 8, a solid line represents a minor loop, and a broken line represents an MR curve. When a magnetic field was applied to the right after applying a leftward magnetic field to align the magnetization direction, the magnetization of the magnetic layer 12 having a low coercive force began to be inverted at about 10 Oe, and the electric resistance indicated by the vertical axis increased. After the reversal of the magnetization, the electric resistance was kept high even when the magnetic field was removed, and it was confirmed that the recording was stably maintained.
When a leftward magnetic field was applied again, the electrical resistance value returned to the original low value at about −25 Oe, and it was confirmed that erasing (writing in the “0” state) was performed. Thus, the operation as a memory cell was confirmed.
【0033】[0033]
【発明の効果】上述したように本発明による巨大磁気抵
抗効果によるメモリセルおよびそのようなメモリセルを
2次元的に配列したランダムアクセスメモリにおいて
は、従来の直列型のメモリと比較した場合、個々のメモ
リセルでの電気抵抗変化をそのまま検知して磁性情報の
読み出しを行なうことができるので、SN比の大きな検
出出力を得ることができる。また、従来の直列型のメモ
リにおいては、センス線に接続された複数のメモリセル
のどれからの信号であるのかを特定するためには、特定
のメモリセルの磁気抵抗素子の磁化を回転させ、そのと
きに信号が検出されるか否かに基づいて読み出しを行っ
ており、したがって読み出しは磁化回転を伴う動的なも
のとなり、メモリの高速動作という点で不利であった。
これに対し、本発明では個々のメモリセルを独立して読
み出すことができるので磁化の反転を必要としない静的
な動作が可能であるので、高速動作に十分対応できる。As described above, in the memory cell by the giant magnetoresistance effect according to the present invention and the random access memory in which such memory cells are two-dimensionally arranged, when compared with the conventional serial type memory, The magnetic information can be read out by directly detecting the change in electric resistance in the memory cell, so that a detection output with a large SN ratio can be obtained. Further, in a conventional serial type memory, in order to specify which of a plurality of memory cells connected to a sense line is a signal from, the magnetization of a magnetoresistive element of a specific memory cell is rotated, Reading is performed based on whether or not a signal is detected at that time. Therefore, reading is dynamic with magnetization rotation, which is disadvantageous in terms of high-speed operation of the memory.
On the other hand, in the present invention, since individual memory cells can be read independently, a static operation that does not require the reversal of magnetization is possible, so that the present invention can sufficiently cope with high-speed operation.
【0034】さらに、従来の直列型のメモリでは、サン
ドイッチ構造のGMR素子の高い保磁力を有する磁性層
に磁性情報を記録しているので、図9に示すように記録
・消去を行なうためにはきわめて広い範囲の磁場が必要
となる。これに対し、本発明では磁性情報は低い保磁力
を有する磁性層に記録しているので、必要な磁場範囲は
図9に示すようにきわめて小さいもので足り、それだけ
消費電力を低減することができる。なお、図9におい
て、実線はマイナーループを表し、破線はMR曲線を表
すものである。Further, in the conventional serial type memory, since magnetic information is recorded in the magnetic layer having a high coercive force of the GMR element having the sandwich structure, it is necessary to perform recording / erasing as shown in FIG. An extremely wide range of magnetic fields is required. On the other hand, in the present invention, since the magnetic information is recorded on the magnetic layer having a low coercive force, the required magnetic field range is only extremely small as shown in FIG. 9, and the power consumption can be reduced accordingly. . In FIG. 9, the solid line represents a minor loop, and the broken line represents an MR curve.
【0035】また、従来の巨大磁気抵抗効果による並列
型メモリでは、層構造を有するGMR素子を構成する薄
膜の膜面に対して垂直な方向に電流を流しているので、
GMR素子をトンネル型のものとする必要があったが、
このようなトンネル型のGMR素子の製造は難しく、実
現が困難であった。これに対し、本発明では第1および
第2の導電層を磁気抵抗素子に対してオフセット配置す
ることによって膜面内に電流を流すことができ、したが
って製造が容易な通常の金属GMR膜より成る磁気抵抗
素子を使用することができるようになり、巨大磁気抵抗
効果を利用したメモリの実現が可能となった。In the conventional parallel type memory using the giant magnetoresistive effect, a current flows in a direction perpendicular to the surface of a thin film constituting a GMR element having a layered structure.
It was necessary to make the GMR element a tunnel type,
It is difficult to manufacture such a tunnel type GMR element, and it is difficult to realize it. On the other hand, in the present invention, the first and second conductive layers are offset from the magnetoresistive element, so that a current can flow in the film plane, and therefore, it is formed of a normal metal GMR film which is easy to manufacture. The use of a magneto-resistive element has made it possible to realize a memory utilizing the giant magneto-resistive effect.
【0036】さらに、本発明によるメモリセルにおいて
は、磁気抵抗素子の面に垂直な方向に電流が流れるよう
な凸部を有する3次元的な導電層を必要としないので、
記録・再生の際に隣接するメモリセルの磁気抵抗素子の
面内方向に磁場が発生しないので、記録・再生の際の電
流のマージンを大きくすることができるとともに磁性材
料の特性に余分なマージンを見込む必要はなくなる。ま
た、このような3次元構造を持たない導電層は簡単に製
造することができ、スループットを向上することができ
る。Further, the memory cell according to the present invention does not require a three-dimensional conductive layer having a convex portion through which a current flows in a direction perpendicular to the surface of the magnetoresistive element.
Since a magnetic field is not generated in the in-plane direction of the magnetoresistive element of an adjacent memory cell at the time of recording / reproduction, a current margin at the time of recording / reproduction can be increased, and an extra margin is given to the characteristics of the magnetic material. There is no need to anticipate. Further, such a conductive layer having no three-dimensional structure can be easily manufactured, and the throughput can be improved.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】 図1AおよびBは、本発明による巨大磁気抵
抗効果を利用したメモリセルの構成を示す線図的平面図
および断面図である。FIGS. 1A and 1B are a schematic plan view and a sectional view showing a configuration of a memory cell utilizing a giant magnetoresistance effect according to the present invention.
【図2】 図2は、同じくその磁気抵抗素子の構成を示
す断面図である。FIG. 2 is a sectional view showing the configuration of the magnetoresistive element.
【図3】 図3は、本発明による巨大磁気抵抗効果を利
用した並列型ランダムアクセスメモリの構成を示す線図
である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a parallel random access memory utilizing a giant magnetoresistance effect according to the present invention.
【図4】 図4は、本発明によるメモリセルの動作を説
明するための線図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the memory cell according to the present invention.
【図5】 図5は、同じく動作を説明するためのアステ
ロイド曲線を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing an asteroid curve for similarly explaining the operation.
【図6】 図6は、同じく動作を説明するための磁化曲
線を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing a magnetization curve for explaining the operation in the same manner.
【図7】 図7は、同じく動作を説明するための磁気抵
抗曲線を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing a magnetoresistance curve for explaining the operation in the same manner.
【図8】 図8は、本発明によるメモリセルの動作を確
認するための実験結果を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing an experimental result for confirming an operation of a memory cell according to the present invention.
【図9】 図9は、従来の直列型メモリと本発明による
並列型メモリにおいて、記録・消去を行なうための磁場
範囲を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing a magnetic field range for performing recording / erasing in a conventional serial memory and a parallel memory according to the present invention.
【符号の説明】 11 巨大磁気抵抗効果を示す磁気抵抗素子 12 低保磁力の磁性層 13 高保磁力の磁性層 14 非磁性金属層 15 第2の絶縁層 16 第1の絶縁層 17 第2の導電層 18 第1の導電層 11-1-1〜11-4-4 巨大磁気抵抗効果によるメモリセル 17-1〜17-4 第2の導電層 18-1〜18-4 第1の導電層[Description of Signs] 11 Magnetoresistive element exhibiting giant magnetoresistance effect 12 Low coercivity magnetic layer 13 High coercivity magnetic layer 14 Nonmagnetic metal layer 15 Second insulating layer 16 First insulating layer 17 Second conductivity Layer 18 First conductive layer 11-1-1 to 11-4-4 Memory cell by giant magnetoresistance 17-1 to 17-4 Second conductive layer 18-1 to 18-4 First conductive layer
Claims (2)
層を挟んだ積層構造を有し、巨大磁気抵抗効果を示す磁
気抵抗素子と、その一方の表面をほぼ覆うように形成さ
れた第1の絶縁膜と、他方の表面上をほぼ覆うように形
成された第2の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜の上に形成
された第1の導電層と、前記第2の絶縁膜の上に形成さ
れた第2の導電層とを具え、前記第1および第2の導電
層を前記磁気抵抗素子の互いに対向する位置において一
方および他方の表面と接触させて磁性層の面内に電流が
流れるように構成したことを特徴とする巨大磁気抵抗効
果によるメモリセル。1. A magnetoresistive element having a laminated structure in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces, and formed to substantially cover one surface of a magnetoresistive element exhibiting a giant magnetoresistance effect. A first insulating film, a second insulating film formed so as to substantially cover the other surface, a first conductive layer formed on the first insulating film, and a second insulating film. A second conductive layer formed on the film, wherein the first and second conductive layers are brought into contact with one and the other surfaces of the magnetoresistive element at positions opposed to each other to form an in-plane surface of the magnetic layer. A memory cell based on the giant magnetoresistance effect, characterized in that a current flows through the memory cell.
に非磁性金属層を挟んだ積層構造を有し、巨大磁気抵抗
効果を示す磁気抵抗素子と、その一方の表面をほぼ覆う
ように形成された第1の絶縁膜と、他方の表面をほぼ覆
うように形成された第2の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜
の上に形成された第1の導電層と、前記第2の絶縁膜の
上に形成された第2の導電層とを具え、前記第1および
第2の導電層を前記磁気抵抗素子の互いに対向する位置
において一方および他方の表面とそれぞれ接触させて磁
性層の面内に電流を流すように構成したメモリセルを複
数マトリックス状に配列し、行または列方向に整列する
複数のメモリセルの第1の導電層を共通とするとともに
互いに平行に配設し、列または行方向に整列する複数の
メモリセルの第2の導電層を共通とするとともに第1の
導電層の延在方向とほぼ直交する方向に互いに平行に配
設し、所定の第1および第2の導電層の組に各別に電流
を流すことによってこれら導電層の交点に位置するメモ
リセルの磁気抵抗素子の低い保磁力を有する磁性層の磁
化のみを反転して記録・消去を行なうとともにこれら第
1および第2の導電層およびその交点に位置するメモリ
セルを経て電流を流して磁性情報の読み出しを行なうよ
うに構成したことを特徴とする巨大磁気抵抗効果による
並列型ランダムアクセスメモリ。2. A magnetoresistive element having a laminated structure in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between magnetic layers having different coercive forces, each exhibiting a giant magnetoresistive effect, and substantially covering one surface thereof. A first insulating film formed, a second insulating film formed so as to substantially cover the other surface, a first conductive layer formed on the first insulating film, and a second conductive film formed on the second insulating film. And a second conductive layer formed on the insulating film, wherein the first and second conductive layers are in contact with one and the other surfaces of the magnetoresistive element at positions facing each other, and the magnetic layer A plurality of memory cells arranged to flow a current in a plane are arranged in a matrix, and the first conductive layers of the plurality of memory cells arranged in the row or column direction are shared and arranged in parallel with each other; A second one of the plurality of memory cells aligned in a column or row direction These conductive layers are provided in common and arranged in parallel with each other in a direction substantially perpendicular to the extending direction of the first conductive layer, and a current is separately passed through a predetermined set of the first and second conductive layers. Recording / erasing is performed by reversing only the magnetization of the magnetic layer having a low coercive force of the magnetoresistive element of the memory cell located at the intersection of the conductive layers, and the first and second conductive layers and the memory located at the intersection thereof. A parallel type random access memory using a giant magnetoresistance effect, wherein magnetic information is read by passing a current through a cell.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11028486A JPH11265570A (en) | 1999-02-05 | 1999-02-05 | Memory cell by giant magneto-resistance effect and parallel type random access memory |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11028486A JPH11265570A (en) | 1999-02-05 | 1999-02-05 | Memory cell by giant magneto-resistance effect and parallel type random access memory |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9195490A Division JPH1139859A (en) | 1997-07-22 | 1997-07-22 | Memory cell by gigantic magneto-resistive effect and parallel random access memory |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11265570A true JPH11265570A (en) | 1999-09-28 |
Family
ID=12250006
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11028486A Pending JPH11265570A (en) | 1999-02-05 | 1999-02-05 | Memory cell by giant magneto-resistance effect and parallel type random access memory |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11265570A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6404673B1 (en) | 2000-07-27 | 2002-06-11 | Fujitsu Limited | Magnetic memory device and method of reading data in magnetic memory device |
-
1999
- 1999-02-05 JP JP11028486A patent/JPH11265570A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6404673B1 (en) | 2000-07-27 | 2002-06-11 | Fujitsu Limited | Magnetic memory device and method of reading data in magnetic memory device |
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