WO2004012199A1

WO2004012199A1 - 磁気ランダムアクセスメモリ

Info

Publication number: WO2004012199A1
Application number: PCT/JP2003/009547
Authority: WO
Inventors: Tadahiko Sugibayashi; Takeshi Honda; Noboru Sakimura; Hisao Matsutera; Atsushi Kamijyou; Kenishi Shimura; Kaoru Mori
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2005-01-29
Also published as: US7099184B2; CN1672213A; AU2003252713A1; JP2006134363A; CN100447893C; US20060098477A1

Description

明細書

磁気ランダムアクセスメモリ技術分野

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリに関する。背景技術

磁気ランダムアクセスメモリ（ M a g n e t i c R a n d o m A c c e s s M e m o r y ： M R A M ) は、高速書き込みが可能であり、且つ、大きな書き換え回数を有する不揮発性メモリとして注目を集めている。

図 1 は、米国特許（ U S P 5 、 6 4 0 、 3 4 3 ) に開示される典型的な M R A M を示す。その M R A M は、メモリセル 1 0 1 が行列に配列されたメモリセルアレイを含む。メモリセル 1 0 1 は、 X 軸方向（ワード線方向）に延びるワード線 1 0 2 と、 Y 軸方向（ビット線方向）に延びるビット線 1 0 3 との間に介設される。

図 2 A と 2 B に示されるように、各メモリセル 1 0 1 は、磁気抵抗素子（スピンノルブ）を含んでいる。磁気抵抗素子は、強磁性体で形成されたピン層 1 0 4 及びフリー層 1 0 5 と、ピン層 1 0 4 とフリー層 1 0 5 との間に介設された非磁性のスぺーサ層 1 0 6 とを有する。ピン層 1 0 4 は、メモリセル 1 0 1 に所望のノィァスを印加するために、ダイオード 1 0 7 に接合 ¾ ¾ ω T 0 て Π 9r ^ Οι ^ - \ ^ ^ % W

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図 3 A から図 3 C は、以上に説明された、選択メモリセルへの選択的なデ一夕書き込みの原理を示す図である。フリー層 1 0 5 の抗磁力は、ァステロイドカーブ（磁化反転磁場曲線）と呼ばれる特性を示す。これは閾値関数として機能する。ァステロイドカーブの外側の領域にある磁場を印加することにより、磁場が抗磁力を超え、従って、フリー層 1 0 5 の自発磁化が反転される。図 3 A から図 3 C のァステロイドカーブは、選択ビット線と選択ヮード線とによって X 軸及び Y 軸の両方に 4 5 ° の方向を向く合成磁塲がフリ — 層 1 0 5 に印加されると、フリ一層 1 0 5 の自発磁化はち谷易に反転されることを示している。

択ビット線と選択ヮード線とに流れる電流は、選択ビット線と選択ワード線とがそれぞれ発生する磁場の合成磁場が、ァステロイドカーブの外側の領域にあり、且つ、選択ビット線と選択ワード線によりそれぞれ単独で発生される磁場が、ァステロイドカーブの外側の領域にあるように選択される。選択ビット線と選択ヮード線とに流れる電流をこのように選択することにより、選択メモリセルに選択的にデータを書き込むことが可能である。

上述された M R A M のデータの書き込み動作における技術的課題の一つは、消費電力である。 9

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設複対構択ル質れ第第場で非れ素ァさるメメをと

本磁本提本磁子造れ性本数モがモ的たぁたのけクをし 11 発明の開示

発発体供発発気性選複複備がセて、る閾閾印のにをリリら

の目的は、メモリセルの選択性が向上す。有加書垂第そ値値明セ明層択をれ数数明明ス向えのラ

き込み動作が安定化されることができンダムアクセスメモリを提供することの他の目的は、積層フエリ構造体を各ルに設けることによりメモリセルの選上される磁気ランダムアクセスメモリることである。

の他の目的は、積層フエリ構造体内のの膜厚を調整することによりメモリセ延磁す、、そセ。のののるをを

性が向上される磁気ランダムアクセス含化磁第磁複有伸第れルよメる

提供することである。

気す性数ぞ素モむののうし 11

の第 1 の観点によればダム体磁子方方信れ各のるにラリ

メモリは方向に磁号構気設設セ向向印ょ々ンうにた複数 'の号線とに実直な第 2 方向に延伸すけらの第 2 信号線と、複数線と 2 信号線との交差点にけらのメモリセルと、複数ルにれぞれ設けられた複数造体ている。複数のメモリは、関数を持つ自発磁化層抵抗し、自発磁化層の自発は、関数値以上の強度を有カロ磁されたとさ R される性体各々は、第 2 閾値関数造体

子外印値性成のるる加磁場に応答し性体構造生成し造体印加磁場が閾値関数強度を持つとさ、磁性体体磁場と磁場を第磁磁書選合がてよの印をのにとと

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され、選択信としての 2 信号のうちつに第き込み電れて第 2 磁場成され 1 磁場ととの第合成は、構印加磁場性体構体値体線複す第流第選閾号強択磁体はしとと

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対し 1 閾値値以上のする素第数第場場磁第有体ちをのモ生閾印さとリ 3

印加磁場がされ、選セル以の非メモリの各々に値関数未満度を有素子印加加されよう第 1 合場と磁性磁場と第 2 磁場が印加磁場成されここで、複数の磁性体構造体の各々は、強磁体で形成される第 1 磁性層と、強磁性体で形される第 2 磁性層と、第 1 磁性層と第 2 磁性との間に介設された非磁性層とを備えている非磁性層は、第 1 磁性層と第 2 磁性層とが反強性的に結合されるような膜厚を有する。特に、 2 閾値関数は、非磁性層の膜厚に基づいて決 01

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M X y / H x y≠ M y / H y、

を満足する。

また、第 2 選択信号線が交差する複数のメモリセルのうち、選択メモリセル以外のメモリセルを、第 2 非選択メモリセルとし、複数の磁性体構造体のうち、第 2 非選択メモリセルに対応する磁性体構造体を第 2 非選択磁性体構造体としたとき、合成磁場 H x yと、磁化 M x yと、書き込み動作のときに、第 2 書き込み電流によって第 2 非選択磁性体構造体に印加される磁場 H _x と、磁場 H _xにより第 2 非選択磁性体構造体に誘起される磁化 M _Xとは、下記関係：

M X y / H y≠ M x / H x、

を満足することが好ましい。

また、複数の磁性体構造体は、第 1 書き込み電流と第 2 書き込み電流とによって選択メモリセルに含まれる磁気抵抗素子に印加される磁場と、第 1 書き込み電流によって第 1 非選択メモリセルに含まれる磁気抵抗素子に印加される磁場とが強化されるような方向に磁化 M X yと磁場 M yとが誘起されるような位置に配置され、磁場 H y、合成磁場 H _X y、磁化 M y、及び磁化 M _X y は、

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を満足することが好ましい。ここで、第 1 信号線と第 2 信号線とは、複数の磁性体構造体と複数のメモリセルとの間に位置し、磁場 H y、合成磁場 H _Xy、磁化 M y、及び磁ィ匕 M X yは、

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を満足する。この場合、第 2 選択信号線が交差する複数のメモリセルのうち、選択メモリセル以外のメモリセルを、第 2 非選択メモリセルとし、複数の磁性体構造体のうち、第 2 非選択メモリセルに対応するものを第 2 非選択磁性体構造体としたとき、合成磁場 H _Xyと、磁化 M xyと、書き込み動作のときに第 2 書き込み電流によつて第 2 非選択磁性体構造体に印加される磁場 H Xと、磁場 H _xにより第 2 非選択磁性体構造体に誘起される磁化 M xとは、

M X y / H X y > M x / I-I x、

を満足することが好ましレ。

また、複数の磁性体構造体は、第 1 書き込み電流と第 2 書き込み電流とによって選択メモリセルに含まれる磁気抵抗素子に印加される磁場と、第 1 書き込み電流によって第 1 非選択メモリセルに含まれる磁気抵抗素子に印加される磁場とが弱められるような方向に磁化 M X yと磁場 M yとが誘起されるような位置に配置され、磁場 H y、合成磁場 H xy、磁化 M y、及び磁化 M _xy は、

M xy / H xy < M y / H y、

を満足することが好ましレ。また、複数の磁性体構造体と複数のメモリセルとは、第 1 信号線と第 2 信号線との間に位置し、磁場 H y、合成磁場 H x y、磁化 M y、及び磁化 M x yは、

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を満足 9 ることが好ましい。

第 2 選択信号線が交差する複数のメモリセルのうち、選択メモリセル以外のメモリセルを、第 2 非選択メモリセルとし、複数の磁性体構造体のうち、第 2 非選択メモリセルに対応するものを第 2 非選択磁選択構造こ体体磁体有磁。性、と 2 としたとき、合成磁場 H X yと、磁ィヒ M _X yと、書と強磁性すで性層の、こき込み動作のときに、第 2 書き込み電流によってが第磁形性各強層の層ると 2 非選択磁選

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択構造体に印カ卩される磁場 H Xと、磁場 H Xにより第 2 非選択磁選択構造体に誘起される磁化 M Xとは、

M x y / H y < M . / H x 数成第磁にを H钐生を満足することが好ましい合複介含性成性層のさと 2 磁性体構造体のそれぞれは体で形れる第 1 磁性層と、強磁性される磁性層と、第 1 磁性層と第との間設され、第 1 磁性層と第 2 が反強的に結合するような膜厚を磁性層む積層フエリ構造体であるましい，また、複数の磁性体構造は、強体で形成される第 1 磁性層性体でされる第 2 磁性層と第 2 磁との間に介設され、 2 磁性が反強磁性的に結合するような膜厚を有する非磁性層を含む

積層フェリ構造体であり、合成磁場 H _X yは、合成磁場 H X yの方向における積層フエリ構造体の閾値磁場 H t x yよりも大きく、磁場 H yは、磁場 H yの方向における積層フエリ構造体の閾値磁場 H t yよりも小さレ ^ ことが好ましレ。

また、複数の磁性体構造体の各々は、強磁性体で形成される第 1 磁性層と、強磁性体で形成される第 2 磁性層と、第 1 磁性層と第 2 磁性層との間に介設され、第 1 磁性層と第 2 磁性層とが反強磁性的に結合するような膜厚を有する非磁性層を含む

積層フェリ構造体であり、合成磁場 H _X yは、合成磁場 H X yの方向における積層フェリ構造体の閾値磁場 H t _X yよりも大きく、磁場 H Xは、磁場 H Xの方向における積層フェリ構造体の閾値磁場 H t Xよりも小さく、磁場 H yは、磁場 H yの方向における積層フェリ構造体の閾値磁場 H t yよりも小さいことが好ましい。

磁気抵抗素子には、磁気抵抗素子が有する自発磁化の方向が、第 1 方向に実質的に一致するように異方性が与えられ、積層フェリ構造体には、第 1 磁性層と第 2 磁性層とが有する自発磁化の方向が、第 1 方向と垂直でない第 3 方向に向くように異方性が与えられてもよい。このとき、第 1 方向と第 3 方向とがなす角は、実質的に、 4 5 ° であることが好ましレ。合成磁場 H _X yの方向は、第 3 方向に対して実質的に垂直であることが好ましい。

また、複数の磁性体構造体のそれぞれは、強磁性体で形成される第 1 磁性層と、強磁性体で形成される第 2 磁性層と、第 1 磁性層と第 2 磁性層との間に介設され、第 1 磁性層と第 2 磁性層とが反強磁性的に結合するような膜厚を有する非磁性層を含む積層フェリ構造体であり、合成磁場 H x yは、合成磁場 Η χ γの方向における積層フェリ構造体の閾値磁場 H t X yよりも小さく、磁場 H yは、磁場 H yの方向における積層フェリ構造体の閾値磁場 H t yよりも大きいことが好ましい。

また、磁気抵抗素子には、磁気抵抗素子が有する自発磁化の方向が、第 1 方向に実質的に一致するように異方性が与えられ、積層フェリ構造体には、第 1 磁性層と第 2 磁性層とが有する自発磁化の方向が第 1 方向に実質的に一致するように異方性が与えられることが好ましい。

複数の磁性体構造体のそれぞれは、強磁性体で形成される第 1 磁性層と、強磁性体で形成される第 2 磁性層と、第 1 磁性層と第 2 磁性層との間に介設され、第 1 磁性層と第 2 磁性層とが反強磁性的に結合するような膜厚を有する非磁性層を含む積層フェリ構造体であり、合成磁場 H x yは、合成磁場 H x yの方向における積層フエリ構造体の閾値磁場 H t X yよりも小さく、磁場 H _xは、磁場 H _xの方向における積層フェリ構造体の閾値磁場 H t xよりも大きく、磁場 H yは、磁場 H yの方向における積層フェリ構造体の閾値磁場 H t yよりも大きいことが好ましレ。

磁気抵抗素子には、磁気抵抗素子が有する自発磁化の方向が、第 1 方向に実質的に一致するように異方性が与えられ、積層フェリ構造体には、第 1 磁性層と第 2 磁性層とが有する自発磁化の方向が、第 1 方向と垂直でない第 3 方向に向くように異方性が与えられることが好ましいこの場合、合成磁場 H _Xyの方向は、第 3 方向と実質的に同一であることが好ましい。図面の簡単な説明

1 は、従来の磁気ランダムアクセスメモリ

( M R A M ) を示す図であり、

2 A と 2 B は、従来の M R A M で使用されるメモリセルの構造を示す断面図であり、

3 A から 3 C は、従来の M R A M のメモリセルへの書き込みの原理を示す図であり、

4 は、本発明の第 1 実施例による M R A M の回路構成を示す回路図であり、

5 は、第 1 実施例による M R A M のメモリセルの断面図であり、

6 は、メモリセル内の磁気抵抗素子の構造を示す図であり、

7 A カゝら 7 C は、積層フェリ構造体の構造

^ 示す図であり、

8 は、積層フェリ構造体の第 1 磁性層と第 61

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L ^00/ 00Zd£/13d 66l∑;i0/ 00Z OAV 9547 込みワード線 3 と、書き込みワード線 3 に平行して設けられた読み出しワード線 4 と、 Y 軸方向に延伸するビッ卜線 5 とが配設されている。 X 軸方向と Y 軸方向とは、実質的に垂直である。本明細書において、「 X 軸方向」は、 X 軸の正の方向（ + X 方向）と、 X 軸の負の方向（ — X 方向）との両方を含み、「 Y 軸方向」は、 Υ 軸の正の方向（ + Υ 方向）と、 Υ 軸の負の方向（ ― Υ 方向）との両方を含む意味で使用されていることに留意されたレ、。メモリセル 2 は、書き込みワード線 3 とビット線 5 とが交差する交点にそれぞれ設けられる。

メモリセル 2 は、 M O S トランジスタ 6 と磁気抵抗素子（スピンノルブ） 7 とを含む。 Μ 0 S トランジスタ 6 は、磁気抵抗素子 7 と接地端子 1 4 との間に介設されている。 M O S トランジス夕 6 は、読み出し動作時に、磁気抵抗素子 7 を接地端子 1 4 に接続するために使用される。磁気抵抗素子 7 は、反転可能な自発磁化を有しており、その自発磁化の方向に応じてデータを保持し記憶する。磁気抵抗素子 7 は、 Μ 0 S トランジス夕 6 とビット線 5 の間に介設されている。磁気抵抗素子 7 の構造の詳細は、後述される。

書き込みワード線 3 は、書き込み X セレクタ 8 に接続されている。書き込み X セレクタ 8 は、書き込み動作時に、書き込みワード線 3 のうちから 1 つを選択書き込みワード線として選択す電書きる 9 書き込み X セレクタ 8 は、 X 側電流源回路込流。きに

接続されている。 X 側電流源回路 9 は、書み電流 I x を生成し、生成された書き込み I X を書き込み X セレクタ 8 を介して選択込みヮ一ド線に供給する。

み出しワード線 4 は、読み出し X セレクタ

1 0 に接続されている。読み出し X セレクタ 1 0 は、読み出し動作時に読み出しワード線 4 のうちから 1 つを選択読み出しワード線として選択し、選択読み出しワード線を " H i g h " 電位にする。選択読み出しワード線に接続されてレる M O S トランジスタ 6 は活性化され、活性化された M O S トランジスタ 6 は、磁気抵抗素子 7 を接地端子 1 4 に接続する。磁気抵抗素子 7 が接地端子 1 4 に電気的に接続されている状態で、ビット線 5 に電圧が印加されると、磁気抵抗素子 7 に検知電流が流れる。検知電流から、磁 5¾ 抵抗素子 7 の抵抗が検知され、検知された抵抗から、メモリセル 2 のデータが判別される。

ビッ卜線 5 は、 Y セレクタ 1 1 に接続されている。 Y セレクタ 1 1 は、書き込み動作時及び読み出し動作時に、複数のビット線 5 のうちから 1 つを選択ビット線として選択する。 Y セレクタ 1 1 は、 Y 側電流源回路 1 2 とセンスアンプ 1 3 とに接続されている。 Y 側電流源回路 1 2 は、書き込み電流 I y を生成し、選択ビット線に書き込み電流 I y を供給する。センスアンプ 1 3 は、読み出し動作時に選択ビット線に接

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されるデータは、フリー層 2 8 の自発磁化の方向として記憶される。ピン層 2 6 とフリー層 2 8 との間に介設される絶縁ノリア層 2 7 は、絶縁体で形成される。絶縁バリア層 2 7 の膜厚は、膜厚方向（ Z 軸方向）にトンネル電流が流れる程度に薄い。

図 9 は、メモリセル 2 の上面図である。図 9 に示されるように、磁気抵抗素子 7 は、実質的に楕円形状を有する。磁気抵抗素子 7 の長軸は、 X 軸方向に平行である。このような構造は、磁気抵枋素子 7 に、ピン層 2 6 及びフリー層 2 7 の自発磁化の方向が X 軸方向になるような異方性を与える。

再び図 5 を参照して、磁気抵抗素子 7 は、コン夕クト 2 9 を介してビット線 5 に接続される上述のように、ビット線 5 は、 Y 軸方向に延伸するように設けられている。ビット線 5 の上側には、書き込みワード線 3 が形成されている。ビッ卜線 5 と書き込みワード線 3 とは、層間絶縁膜によって分離されている。上述のように、書き込みヮ一ド線 3 は、 X 軸方向に延伸するように設けられてレる。

書き込みワード線 3 の上には、積層フェリ構造体 3 0 が局所的に形成されている。積層フエリ構造体 3 0 は、メモリセル 2 ごとに設けられている。後述されるように、積層フェリ構造体 3 0 の各々は、対応するメモリセル 2 に含まれる磁気抵抗素子 7 に印加される磁場を強める作用をする。

図 7 A カゝら 7 C は、積層フェリ構造体 3 0 の断面構造を示している。図 7 A に示されるように、積層フェリ構造体 3 0 は、第 1 磁性層 3 1 と、非磁性スぺーサ層 3 2 と、第 2 磁性層 3 3 とを含む。第 1 磁性層 3 1 と第 2 磁性層 3 3 とは、いずれも、強磁性体で形成され、第 1 磁性層 3 1 と第 2 磁性層 3 3 との間に介設される非磁性スぺ一サ層 3 2 は、非磁性体で形成される。図 9 に示されるように、積層フェリ構造体 3 0 は、平面上で実質的に円形であり、等方的な形状を有している。このような構造は、積層フエリ構造体 3 0 の磁場一磁化特性を X — Y 平面内において等方的にする。

図 7 A を参照して、積層フェリ構造体 3 0 の非磁性スぺーサ層 3 2 の膜厚 t は、第 1 磁性層 3 1 と第 2 磁性層 3 3 とが反強磁性的に結合するように定められる。従って、積層フェリ構造体 3 0 に磁場が印加されてない状態では、図 7 C に示されるように、第 1 磁性層 3 1 と第 3 磁性層 3 3 とは、互いに逆の方向の自発分極を有しており、第 1 磁性層 3 1 と第 2 磁性層 3 3 とが反強磁性的に結合している。この状態では、積層フェリ構造体 3 0 全体の磁化は実質的に 0 である。即ち、積層フェリ構造体 3 0 に磁場が印加されてない状態において、積層フエリ構造体 3 0 は、実質的に、磁気モーメントを有しなレ。積層フェリ構造体 3 0 が磁気モーメントを有性層負が照のあ 3 t しないことは、磁気抵抗素子 7 のオフセッ卜磁場強層でが間るし 23 を小さくする点で好ましい。積層フ ¾ リ構造体 3 0 が全体として磁気モーメントを有する

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¼7 口気モメン卜により発生される磁場が磁気抵抗素子 7 に印加される。従って、選択書き込みヮ一ド線及び選択ビット線に書き込み電流 I X 、 I y が印カ卩されていない状態でも、磁気抵抗素子 7 は、磁気モ一メン卜により発生される磁場が印加される。この磁場は、磁気抵抗素子 7 のフ U 一層 2 8 の自発磁化が反転される反転磁場（几磁力）を非対称化し、磁気抵抗素子 7 がォフセッ卜磁場を有する原因となる。磁気抵抗素子 7 におけるオフセット磁場の存在は、込み流 I X 及び I y を増大させ、メモリセル 2 の作余裕を減少させる点で好ましくない。フエリ構造体 3 0 が磁気モ一メン卜を有しないとは、磁気抵抗素子 7 におけるォフセッ h 磁の発生を効果的に防止する。

8 は、第磁性層 3 1 と第 2 磁性層 3 3 との結合係を示すグラフである。図 8 を参て、結合係数は、第 1 磁性層 3 1 と第 2 磁

3 3 とが反強磁性的に結合する場合に正でように定されている。非磁性スぺーサ層の膜厚 t が 0 に極めて近い場合、第 1 磁性 1 と第 2 性層 3 3 との間の結合係数は、あり 1 磁性層 3 1 と第 2 磁性層 3 3 と磁性的に結合する強磁性領域にある。膜厚 0 から増加すると、ある膜厚で結合係数は正になり、第 1 磁性層 3 1 と第 2 磁性層 3 3 とは、反強磁性的に結合するようになる。更に、結合係数は、ある膜厚で極大値をとる。更に膜厚が増加すると、結合係数は、減衰しながら振動する。非磁性スぺーサ層 3 2 の膜厚 t は、第 1 磁性層 3 1 と第 2 磁性層 3 3 との間の結合係数が正であるように定められている。非磁性スぺ一サ層 3 2 の膜厚 t のバラツキに対して、第 1 磁性層 3 1 と第 2 磁性層 3 3 との間の反強磁性的な結合が安定であるように、非磁性スぺーサ層 3 2 の膜厚 t は、実質的に、結合係数が極大となるように膜厚を定めることが好適である。

図 7 B は、好適な積層フェリ構造体 3 0 の断面構造を示している。好適な積層フェリ構造体 3 0 では、第 1 磁性層 3 1 は、 N i F e 層 3 1 & と（ 0 6 層 3 1 3 とを含み、第 2 磁性層 3 3 は、 C o F e 層 3 3 a と N i F e 層 3 3 b とを含む。非磁性スぺーサ層 3 2 は、 R u 層で形成される。 N i F e 層 3 l a の上には、 C o F e 層 3 l b が形成され、 C o F e 層 3 l b の上には、 R u 層 3 2 が形成される。尺 11 層 3 2 の上には、 C o F e 層 3 3 a が形成され、 C o F e 層 3 3 a の上には、 N i F e 層 3 3 b が形成される。

このような積層フェリ構造体 3 0 の構造は、積層フェリ構造体 3 0 の特性の調節が容易であり、従って設計が容易という禾 U 点を有している。積層フェリ構造体 3 0 の磁化の大きさは、 N i F e 層 3 1 a と N i F e 層 3 3 b との厚さによつて独立に決定できる。更に、第 1 磁性層 3 1 と第 2 磁性層 3 3 との間の結合定数は R u 層 3 2 の厚さによって独立に決定できる。このように、積層フェリ構造体 3 0 の特性は、 N i F e 層 3 1 a 、 N i F e 層 3 3 b 及び R u 層 3 2 の厚さによって自在に決定できる。

図 1 0 A と 1 0 B は、このような構造を有する積層フェリ構造体 3 0 の磁場一磁化特性を示す。図 1 0 B は、積層フェリ構造体 3 0 の理想的な磁場一磁化特性を示す。積層フェリ構造体 3 0 の磁場一磁化特性は、閾値磁場 H t より外部磁場が大きい領域と、小さい領域とで、その振る舞いが異なる。この閾値は磁場の方向に依存して異なり、閾値関数として機能する。閾値磁場 H t とは、第 1 磁性層 3 1 と第 2 磁性層 3 3 との間の反強磁性的な結合が実質的に完全に崩れる磁場である。積層フェリ構造体 3 0 の全体の磁化 M は、理想的には、外部磁場 H が閾値磁場 H t 未満であるとき極めて小さい。磁化 M は、閾値磁場 H t において不連続的に増カ卩し、外部磁場 H が閾値磁場 H t を超える領域では、磁化 M は外部磁場 H に対して線形に増加する。積層フェリ構造体 3 0 が、かかる磁場ー磁ィヒ特性を示すのは、閾値磁場 H t 未満では、第 1 磁性層 3 1 と第 2 磁性層 3 3 との間の反強磁性的な結合によって磁化 M が小さい一方、外部磁場 H が閾値磁場 H tを超えると第 1 磁性層 3 1 と第 2 磁性層 3 3 との間の反強磁性結合が強磁性的結合に変化し、積層フェリ構造体 3 0 に外部磁場にほぼ比例した磁ィ匕 M により発生されるためである。

しかし、現実には、積層フェリ構造体 3 0 は、しばしば、図 1 0 A に示されるような特性を示す。即ち、積層フェリ構造体 3 0 は、外部磁場 H が閾値磁場 H t未満の領域において、磁場 H に対して磁化 M が非線形に増力 tl する、下に凸の磁場一磁化特性を示し、外部磁場 Η が閾値磁場 H tを超える領域では、積層フェリ構造体 3 0 の磁化 M は、磁場 H に対して線形に増加する磁場 — 磁化特性を示す。特に、図 9 に示されるような等方的な形状を有する積層フェリ構造体 3 0 は、内部に小さな磁区を有しているため、この磁区の磁化により、閾値磁場 H t未満の領域において図 1 0 A に示されるような非線形な特性を示す傾向が強い。

図 1 O A と図 1 0 B のいずれの場合であっても、閾値磁場 H tを境界として、積層フェリ構造体 3 0 の磁場一磁化特性は、その振る舞いが変わる。後述されるように、このような積層フエリ構造体 3 0 の磁場 — 磁化特性は、メモリセル 2 の選択性の向上において重要な役割を果たす。閾値磁場 H tの調節は、第 1 磁性層 3 1 と第 2 磁性層 3 3 との間の結合係数を調節することにより調節可能である。以下では、磁場の大きさが閾値磁場 H t未満である領域を非線形磁 Z

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LPS600/£00ldr/lDd 66 o請 ε ΟΛ\ ト線とは関連するが、選択書き込みワード線とは関連しないメモリセルは、ビット線選択ヮード線非選択メモリセルと記載され、選択書き込みワード線とは関連するが、選択ビット線とは関連しないメモリセルは、ワード線選択ピット線非選択メモリセルと記載される。選択書き込みヮード線と選択ビット線の選択の後、選択書き込みワード線には、 X 側電流源回路 9 によつて書き込み電流 I X が + X 方向に流れ、選択ビット線には、 Y 側電流源回路 1 2 によって、書き込み電流 I y が + Y 方向、又は一 Y 方向に流れる。書き込み電流 I y の向きは、選択メモリセルに書き込まれるデータに応じて定められる c 図 5 を参照して、 + X 方向に流れる書き込み電流 I X により、ワード線選択ビット線非選択メモリセルの磁気抵抗素子 7 には、 + Y 方向の磁場 H 1 yが印カ卩される。更に、 + Y 方向（又は _ Y 方向）に流れる書き込み電流 I yにより、ビット線選択ヮード線非選択メモリセルの磁気抵抗素子 7 には、一 X 方向（又は + X 方向）の磁場 H 1 Xが印加される。更に、選択メモリセルの磁気抵抗素子 7 には、上述の磁場 H i _xと磁場 H l yとの合成磁場 H l x yが印カ卩される。

書き込みワード線 3 とビット線 5 とが、積層フヱリ構造体 3 0 と磁気抵抗素子 7 との間に位置する場合、上述の積層フェリ構造体 3 0 は、書き込み電流 I X及び書き込み電流 I yが流されたときにワード線選択ビット線非選択メモリセ 9547 ル、ビッ卜線選択ヮード線非選択メモリセル、及び選択メモリセルの磁気抵抗素子 7 に印加される磁場を強める作用を有する。

図 1 2 を参照して、ワード線選択ビット線非選択メモリセルについて説明する。選択書き込みワード線に + X 方向に流れる書き込み電流 I _Xにより . 図 1 2 に示されるように、ワード線選択ビット線非選択メモリセルの磁気抵抗素子 7 に、 + Y 方向の磁場 H l yが印加される。更に、書き込み電流 I Xにより、ワード線選択ビット線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 3 0 に一 Y 方向の磁場 H 2 yが印加される。磁場 H 2 yの印加により、積層フェリ構造体 3 0 には、 _ Y 方向に磁場 M yが誘起される。積層フエリ構造体 3 0 に誘起.される磁化 M yは、ヮード線選択ビット線非選択メモリセルの磁気抵抗素子 7 に磁場 H 3 yを印加する。選択書き込みヮ一ド線が磁気抵抗素子 7 と積層フェリ構造体 3 0 との間に位置する場合、磁場 H 3 yは磁場 H 1 y と同じく + Y 方向である。従って、積層フェリ構体 0 は、選択書き込みワード線に書き込み電流 I _xが流されたときに、ワード線選択ビット線非選択メモリセルの磁気抵抗素子 7 に印加される磁場を強める作用がある。同様に、ビット線選択ワード線非選択メモリセル、及び選択メモリセルの各々に対応する積層フェリ構造体 3 0 は、ビット線選択ヮ一ド線非選択メモリセル、及び選択メモリセルの磁気抵抗素子 7 に有述抵か抵性選造セ層印た明るににう oドl れる磁場を強める作用があることは明ら体加で抗す抗強以そ択線ル、書ささをフにこに 1 る。

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ように、積層フェリ構造体 3 0 は、磁気子 7 に印力 [3 される磁場を強化する作用をが、第 1 実施例による M R A M では、上た積層フェリ構造体 3 0 の磁場一磁化特用して、選択メモリセルに含まれる磁気子 7 に印加される磁場が、選択的に顕著られる。このような動作は、選択メモリ選択性を効果的に高める。以下では、積リ構造体 3 0 の磁場一磁化特性を禾 IJ 用し択メモリセルの選択性の向上の詳細が説る。

の説明において、図 1 1 A に示されるよ選択書き込みヮード線及び選択ビッ 1、線ぞれ流れる書き込み電流 I x、 I yにより、モリセルに対応する積層フェリ構造体 3 加される磁場を H 2 x yとする。更に、図されるように、選択ビット線に流れ込み電流 I yにより、ビット線選択ヮー選択メモリセルに対応する積層フェリ構

0 に印力 Π される磁場を H 2 Xとする。更に、 C に示されるように、選択書き込みヮード線に流れる書き込み電流 I Xにより、ヮ一ド線選択ビット線非選択メモリセルに対応する積層フエリ構造体 3 0 に印加される磁場を H 2 yとする。 H 2 X yは、磁場 H 2 Xと磁場 H 2 yとの合成磁場である。 9ε

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式 ( 3 ) は、選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 3 0 の実効的な磁化率 X x y ( = M y / H 2 x y ) が、ビット線選択ヮ一ド線非選択メモリセル及びワード線選択ビット線非選択メモリセルの各々に対応する積層フエリ構造体 3 0 の実効的な磁化率 χ X ( = Μ X / z H 2 X ) 、 % y ( = M y / U 2 y ) と異なり、大きいことを意味している。

恨層フェリ構造体 3 0 により磁気抵抗素子 7 に印加される磁場は、積層フェリ構造体 3 0 に誘起される磁化の大きさに比例するので、式 ( 3 ) から下記式（ 4 ) が導かれる。

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H 3 x y H 2 x y > H 3 y H 2 y、 ( 4 ) 即ち

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H 3 χ y / Η 3 y > Η 2 χ y / Η 2 y . ( 4 ) ，で、 Η 3 χ yは、選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 3 0 により選択メモリセルの磁気抵抗素子 7 に印加される磁場であり、 H 3 X は、ビット線選択ヮ一ド線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 3 0 によりビット線選択ヮード線非選択メモリセルの磁気抵抗素子 7 に印カ卩される磁場であり、 H 3 yは、ワード線 to t

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M を示す。第 2 実施例による M R A M は、メモリセルにトランジスタが含まれない、いわゆるクロスポイントセルアレイを含む構成を有する c 第 2 実施例による M R A M は、メモリセル 4 2 が行列に配置されたクロスポイン卜セルァレィ 4 1 を備えてレる。クロスポイン卜セルァレィ 4 1 には、 X 軸方向に延伸するヮード線 4 3 と、 Y 軸方向に延伸するビット線 4 4 とが配設されている。メモリセル 2 は、ワード線 4 3 とビット線 4 4 とが交差する交点にそれぞれ設けられている。メモリセル 4 2 は、磁気抵抗素子 4 5 を含む。磁気抵抗素子 4 5 は、反転可能な自発磁化を有しており、その自発磁化の方向に従ってデータを保持する。磁気抵抗素子 4 5 の各々は、ワード線 4 3 とビット線 4 4 の間に介設されている。

ワード線 4 3 は、 X セレクタ 4 6 に接続されてレ、る。 X セレクタ 4 6 は、書き込み動作時及び読み出し動作時に、ワード線 4 3 のうちから 1 つを選択ワード線として選択する。 X セレク夕 4 6 は、 X 側電流源回路 4 7 に接続されている。 X 側電流源回路 4 7 は、書き込み電流 I X を生成して、選択書き込みヮ '一ド線に供給する。

ビット線 4 4 は、 Y セレクタ 4 8 に接続されている。 Y セレクタ 4 8 は、書き込み動作時及び読み出し動作時に、複数のビッ卜泉 4 4 のうちから 1 つを選択ビット線として選択する。 Y セレクタ 4 8 は、 Y 側電流源回路 4 9 とセンス 3 009547 ァンプ 5 0 とに接続されている。 Υ 側電流源回路 4 9 はき込み電流 I yを生成し、生成しき込み電流 I yを選択ビット線に供給する。センスァ膜抗い造ょ有楕長モ素反とににいンさツピリプ 5 0 は、読み出し動作時に選択ビ V 卜線に接同続る子素転、す軸一うはれはる円ンリ 5トされ、磁気抵抗素子 4 5 を流れる電流カゝらメモリセル 4 2 に記憶されているデ一タを判別する

図 1 5 は、メモリセル 4 2 の構造を示す断面図である 1 5 を参照して、基板 5 1 の上に、層間絶縁 2 が形成されている。層間絶縁膜

5 2 の上、ビット線 4 4 が形成される。上述のようビット線 4 4 は、 Y 軸方向に延伸する。ビ線 4 4 は、コンタクト 5 3 を介してす方素。固でさ Xえに 7

て、各メセル 4 2 の磁気抵抗素、 (、子 4 5 に接子磁方れ定て、向ぁるとゝ

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2 7 と、層 2 7 とフ U 一層 2 間に介設されて絶縁バリア 2 8 を備る。図 1 6 に示るように、磁気抵抗 5 は、実質的にの平面形状を有する抵抗素子 4 5 のは、 X 軸方向に平行。このような構、磁気抵抗 '素子 4 5 ン層 2 6 及びフ層 2 7 の自発磁化の X 軸方向になるな異方性を与える。 ¾ m ^ £ £ z m ^ ι £ m ¾ m i m 、つ！）。 > > ：: i ^ ¾j « :i ¾i 釉入、つ ^ ^ ^？ ε ε 醫 ¾ ϋ 2 第： τ ε ¾ τ QZ m Q ^ m ci ^ ^ m m 、 ¾ ¾ 暂 ® ^

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第 2 実施例では、上述の特性を有する積層フエリ構造体 5 5 の作用により、選択メモリセルの選択性が向上されている。以下、その詳細が説明される。

図 1 4 を参照して、第 2 実施例による M R A M の書き込み動作は、選択メモリセルの選択で開始される。 X セレクタ 4 6 により、ワード線 4 3 のうちの 1 つが選択ワード線として選択され、 Y セレクタ 4 8 により、ビット線 4 4 のうちの 1 つが選択ビット線として選択される。メモリセル 4 2 のうち、選択ワード線と選択ビット線とが交差する点のメモリセルが、選択メモリセルとして選択される。第 1 実施例と同様に、メモリセル 4 2 のうち、選択ビット線に接続されているが、選択ワード線には接続されていない非選択メモリセルは、ビット線選択ワード線非選択メモリセルと記載され、選択ワード線とは接続されているが、選択ビット線とは接続されていない非選択メモリセルは、ワード線選択ビット線非選択メモリセルと記載される。選択流みききにヮドド線と選択ビット線の選択の後、選択ヮ一込線一電込は I

には、 X 側電流源回路 4 7 によって書き込流 I Xが + X 方向に流され、選択ビット線、 Y 側電流源回路 4 9 によって書き込み電 yが + Y 方向又は一 Y 方向に流される。書み電流 I yの向きは、選択メモリセルに書まれるデータに応じて定められる。

1 8 を参照して、 + X 方向に流れる書き込み電流 I Xにより、ワード線選択ビット線非選択メモリセルの磁気抵抗素子 4 5 には、 + Y 方向の磁場 H 1 yが印加される。更に、 + Y 方向（又は一 Y 方向）に流れる書き込み電流 I yにより、ビット線選択ヮ一ド線非選択メモリセルの磁気抵抗素子 4 5 には、一 X 方向（又は + X 方向）の磁場 H 1 Xが印加される。更に、選択メモリセルの磁気抵抗素子 4 5 には、上述の磁場 H l xと磁場 H 1 yとの合成磁場 H 1 X yが印加される。磁気抵抗素子 4 5 と積層フェリ構造体 5 5 とが、ヮ一ド線 4 3 とビット線 4 4 との間に設けられている。このため、積層フェリ構造体 5 5 は、込み電流 I X及び書き込み電 I yが流されたとさに、ワード線選択ビット線非選択メモリセル、ビット線選択ヮード線非選択メモリセル、及び選択メモリセルの磁気抵抗素子 4 5 に印加される磁場を弱める作用を有する。

以下に、ワード線選択ビット線非選択メモリセルについて説明する。

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図 1 7 A から 1 7 C を参照して、第 2 実施例では、選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 と、ワード線選択ピット線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 と、ビッ卜線選択ヮード線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 とは、互いに異なる磁場一磁化特性を有している。選択メモリセリレに対応する積層フェリ構造体 5 5 には、選択ビッ卜線に流れる書き込み電流 I yによつて生成される X 軸方向（容易軸方向）の磁場 H 2 xと、選択ヮ一ド線に流れる書き込み電流 I Xによって生成される Y 軸方向（困難軸方向）の磁場 H 2 y との合成磁場 H 2 x yが印加される。従って、選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 には、中間方向に磁場が印加される；二とになる。ゆえに、選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 は、図 1 7 C に示された磁場ー磁化特性を有する。

方、ワード線選択ビッ卜線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 には、 Y 軸方向（困難軸方向）の磁場 H 2 yのみが印カ卩される力ゝら、ワード線選択ビット線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 は、図 1 7 A に示された磁場一磁化特性を有する。更に、ビット線選択ヮ一ド線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 には、 X 軸方向（容易軸方向）の磁場 H 2 Xのみが印カ卩される力ゝら、ビット線選択ヮード線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 は、図 1 7 B に示された磁場 — 磁化特性を有する。かかる特性を積層フェリ構造体 5 5 が有する場合、書き込み電流 I x、 I _Yの大きさを、下記条件式（ 6 _ 1 ) 、 ( 6 — 2 ) を満足するように定めることにより、ワード線選択ビット線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 のみに大きな磁化を誘起させることが可能である。

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H 2 xy < H t mi d ( 6 — 2 ) ここで、 H teasyは、容易軸方向についての閾値であり、 H tmidは、合成磁場 H 2xyの方向（中間方向）についての閾値である。

ワード線選択ビット線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 には、困難軸方向 ( Y 軸方向）に磁場 H 2yが印加される。 g卩ち、図 1 7 B に示されるように、磁場 H 2yは、線形磁ィヒ領域にある。従って、図 1 7 A カゝら理解されるように、ワード線選択ビット線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 には、 OS

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[ 第 3 実施例 ]

次に、図 2 1 と図 2 2 を参照して、本発明の第 3 実施例による M R A M について説明する。第 3 実施例による M R A M は、図 2 1 及び図 2 2 に示されるように、磁気抵抗素子 4 5 と積層フェリ構造体 5 5 の配置が変更される。図 2 1 に示されるように、メモリセル 4 2 の断面構造において、磁気抵抗素子 4 5 と積層フェリ構造体 5 5 との位置が交換される。更に、図 2 2 に示されるように、積層フェリ構造体 5 5 は実質的に楕円の平面形状を有する。積層フェリ構造体 5 5 の長軸は、 X 軸に対して角 0 だけ傾けられる。 0 は、典型的には、 4 5 ° である。第 3 実施例による M R A M の他の部分の構造は、第 2 実施例と同一である。第 3 実施例による M R A M の回路は、図 1 4 に示される第 2 実施例による M R A M の回路と同一である。図 2 3 A から 2 3 C に示されるように、積層フェリ構造体 5 5 が X 軸に対して 0 だけ傾けられていることにより、積層フェリ構造体 5 5 の容易軸方向及び困難軸方向も角 0 だけ傾けられる。積層フエリ構造体 5 5 の容易軸方向は、 + X 方向に対して角 0 をなす方向であり、積層フェリ構造体 5 5 の困難軸方向は、 + Y 方向に対して角 0 をなす方向である。ここで、図図 2 3 A から 2 3 C に示される H xは、 + X 方向の磁場であり、 H y は、 + Y 方向の磁場であり、 H _{e a s v}は、容易軸方向の磁場であり、 H h a r dは、困難軸方向の磁場である。積層フェリ構造体 5 5 は、容易軸方向に磁場が印カ卩されたとき、閾値磁場 H tが最も大きくなり、困難軸方向に磁場が印力 Π されたとき、閾値磁場 H tは、実質的に 0 である。第 2 実施例と同様に、積層フエリ構造体 5 5 は、図 1 7 A から 1 7 C に示されるように容易軸方向、困難軸方向、及び中間方向に対して異なる磁場一磁化特性を示す。 +

このような積層フェリ構 Y 造体 5 5 の特性を利用して、第 3 実施例による M R A M の書き込み動作では、ワード線選択ビット線非選択メモリセルとビット線選択ワード線非選択メモリセルとの両方に対する選択メモリセルの選択性が向上される。

第 3 実施例による M R A M では、下記のいずれカゝの条件を満たすように、選択ヮード線及び選択ビット線に、それぞれ養き込み電流 I X流、及び I yが流される。 .

条件 A ：

選択ワード線には， + X 方向の書き込み電流 I Xが流され、

選択ビット線には，

I yが流される。

条件 B ：

選択ヮード線には， X 方向の書き込み電流 I Xが流され、

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以下では、選択メモリセルに " 0 " を書き込む場合について説明する。選択メモリセルに " 0 " を書き込む場合には、 + X 方向の書き込み電流 I Xにより、ワード線選択ビット線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 に + Y 方向に磁場 H 2yが印加される。図 2 3 B に示されるように、磁場 H 2yは、容易軸方向と困難軸方向の間の中間方向を向く。更に、 + Y 方向の書き込み電流 I yにより、ビット線選択ヮ — ド線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 は、 + X 方向に磁場 H 2 Xが印カロされる。図 2 3 C に示されるように、磁場 H 2xは、容易軸方向と困難軸方向の間の中間方向を向く選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 には、 + X 方向の磁場 H 2xと + Y 方向の磁場 H 2yの合成磁場 H 2xyが印力 Π される。書き込み電流 I _Xと書き込み電流 I yの大きさは、選択メモリセルに対応する磁気抵抗素子 5 5 に印力 B される合成磁場 H 2xyの方向と、磁気抵抗素子 5 5 の容易軸方向とが実質的に一致するように、即ち、合成磁場 H 2 _X yが、実質的に、 X 軸方向と角 0 をなす方向に向くように決定される。

このように書き込み電流 I Xと書き込み電流 I yの大きさが決定される場合、図 2 3 A に示されるように、選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 には容易軸方向に向く合成磁塲 H 2xyが印カ卩される。従って、選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 は、図 1 7 B に示された磁場一磁化特性を示す。一方、ヮ ― ド線選択ビット線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 には、中間方向の磁場 H 2yのみが印加される。従って、ヮ一ド線選択ビット線非選択メモリセルに対応する積層フエリ構造体 5 5 は、図 1 7 C に示された磁場ー磁化特性を示す。

同様に、ビット線選択ヮ一ド線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 には、中間方向の磁場 H 2xのみが印加される。従って、ビット線選択ヮ一ド線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 は、図 1 7 C に示された磁場一磁化特性を示す。このとき、選択メモリセルの選択性を向上するために、書き込み電流 I xと書き込み電流 I yとは、下記 .条件（ 8 — 1 ) 、（ 8 - 2 ) 、（ 8 — 3 ) を満足するように決定される。

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第 3 実施例において、選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 に印加される合成磁場 H 2xyの方向は、容易軸方向に完全に一致することを要求されない。合成磁場 H 2xyの方向は、中間方向に向くことも可能である。伹し、合成磁場 H 2 X yの方向は、磁場 H 2 X及び磁場 H 2yの方向よりも '、容易軸方向に近いことが要求される。更に、合成磁場 H 2xyは、式（ 8 — 3 ) の代わりに、式（ 8 — 3 ) ' を満足することが要求される：

H 2xy< H txy、（ 8 — 3 ) ' ここで、 H txyは、合成磁場 H 2xyの方向における積層フヱリ構造体 5 5 の閾値である。式（ 8 一 3 ) は、合成磁場 H 2 X yが非線型磁化領域にあり、従って、選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 に誘起される磁ィヒ M _Xyが小さレ、ことを意味している。

[ 第 4 実施例 ]

図 2 5 は、本発明の第 4 実施例による M R A M の断.面構造を示す。第 4 実施例による M R A M は、第 1 実施例と同様に、各メモリセル 2 に M O S トランジスタ 6 が設けられた構造を有しており、第 4 実施例による M R A M の回路構成は、図 4 に示される第 1 実施例における回路構成と同一である。第 4 実施例による M R A M は、第 1 実施例による M R A M とは、図 5 に示された第 1 実施例による M R A M の積層フヱリ構造体 3 0 が、第 2 実施例及び第 3 実施例の積層フエリ構造体 5 5 に置換されている点において、異なる。第 1 実施例の積層フェリ構造体 3 0 が x y平面において等方的な特性を有しているのに対し、第 4 実施例で使用される積層フェリ構造体 5 5 は、図 2 6 に示されるように、実質的に楕円の平面形状を有しており、 X — Y 平面において異方的特性を有している。第 3 実施例と同様に、積層フェリ構造体 5 5 の長軸は、 X 軸に対して角 0 だけ傾けられている。 0 は、典型的には、 4 5 ° である。積層フェリ構造体 5 5 が X 軸に対して 0 だけ傾けられていることにより、積層フェリ構造体 5 5 の容易軸方向及び困難軸方向も角 0 だけ傾けられる。積層フェリ構造体 5 5 の容易軸方向は、 + X 方向に対して角 0 をなす方向であり、積層フェリ構造体 5 5 の困難軸方向は、 + Y 方向に対して角 0 をなす方向である。

第 4 実施例による M R A M では、積層フェリ構造体 5 5 の特性を利用して、選択メモリセルの磁気抵抗素子 7 に印加される磁場が選択的に強化され、これにより、選択メモリセルの選択性が向上される。以下、その詳細が説明される。

第 4 実施例による M R A M のデータの書き込みは、第 1 実施例と同様に、選択書き込みヮード線に書き込み電流 I xを、選択ビット線に書き込み電流 I yを流すことによって行われる。書き込み電流 I x、書き込み電流 I yを流すことにより、選択メモリセル、ワード線選択ビット線非選択メモリセル、及びビット線選択ヮ一ド線非選択メモリセルに含まれる磁気抵抗素子 7 には、磁場が印力 Π される。書き込み電流 I X及び書き込み電流 I yを流すことにより、積層フエリ構造体 5 5 には磁場が印加され、磁化が誘起される。第 4 実施例による M R A M では、第 1 実施例と同様に、書き込みワード線 3 とビット線 5 とが積層フェリ構造体 5 5 と磁気抵抗素子 7 との間に位置する力ゝら、積層フェリ構造体 5 5 に誘起される磁化は、磁気抵抗素子 7 に印加される磁場を強化する役割を果たす。

図 2 7 A は、選択メモリセルに対応する積層フエリ構造体 5 5 に印カ卩される合成磁場 H 2xy を示し、図 2 7 B は、ビット線選択ワード線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 に印力 Π される磁場 H 2xを示し、図 2 7 C は、ビット線選択ヮ一ド線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 に印加される磁場 H 2yを示してレる。合成磁場 H 2xyは、磁場 H 2x と磁場 H 2 yとの合成磁場である。

図 2 7 A に示されるように、書き込み電流 I

Xと書き込み電流 I yとの大きさは、選択メモリセルに対応する積層フヱリ構造体 5 5 に印カロされる合成磁場 H 2xyが積層フエリ構造体 5 5 の 9

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同様に、式（ 1 0 — 2 ) によれば、ワード線選択ビット線非選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 には、閾値磁場 H t yより小さい磁場 H 2 yが中間方向に印加される。 g口ち、図 2 7 C に示されるように、磁場 H 2 yは、非線形磁ィ匕領域にある。従って、図 1 7 C から理解されるように、ワード線選択ビット線非選択メモリセルに対応する積層フヱリ構造体 5 5 に誘起される磁ィ匕 M yは、極めて小さい。

以上の考察から、式（ 1 0 — 1 ) 、（ 1 0 — 2 ) を満足することにより、下記式（ 1 1 ) が成立することが理解される：

M xy / H 2 xy > M x / H 2 x ( = 0 )

M xy/ H 2 xy> M y/ H 2 y ( = 0 ) ( 1 1 ) 式（ 1 1 ) は、選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 の実効的な磁化率 χ xy ( = M xy/ H 2 xy ) が、ビット線選択ヮード線非選択メモリセルとワード線選択ビット線非選択メモリセルの各々に対応する積層フェリ構造体 5 5 の実効的な磁化率 χ X ( = Μ X / Η 2 X ) 、 χ y ( = M y/ H 2y ) よりも顕著に大きいことを意味している。

積層フェリ構造体 5 5 が磁気抵抗素子 7 に印加する磁場は、積層フェリ構造体 5 5 に誘起される磁ィヒの大きさに比例する力ゝら、式 ( 1 1 ) は、選択メモリセルに対応する積層フェリ構造体 5 5 は、ビット線選択ヮード線非選択メモリセルとヮ一ド線選択ビット線非選択メモリセルとにそれぞれ対応する積層フエリ構造体 5 5 よりも、顕著に大きな磁場を磁気抵抗素子 7 に印加することを意味している。

既述のように、積層フェリ構造体 5 5 により磁気抵抗素子 7 に印力！] される磁場は、書き込み電流 I X、 I yにより磁気抵抗素子 7 に印加される磁場を強める方向に生成される。従って、図 2 7 A から 2 7 C に示されるよに、選択メモリセルに含まれる磁気抵抗素子 7 に印加される磁場 H sは、ヮ一ド線選択ビッ卜線非選択メモリセルに含まれる磁気抵抗素子 7 に印加される磁場 H u s 1 とビッ卜線選択ヮ一ド線非選択メモリセルに含まれる磁気抵抗素子 7 に印加される磁場 H u s 2 とに比べて、顕著に強化されるしれにより、選択メモリセリレの選択性が効果的に向上されている

特開 2 0 0 2 - 1 1 0 9 3 8 号公報に記載の従来の M R A M では、コバルトを含有する高飽和磁化ソフト磁性材料及び金属ー非金属ナノグラニユラ膜のいずれか一つを含む磁性膜によりワード線またはビット線を、一面を除いて囲まれている。この従来の M R A M は、単に磁場を強くすることを主眼としているに過ぎないた、上記の磁性膜に代えて、強磁性層 Z 非磁性層ノ強磁性層の三層膜が用いられると、それら強磁性層間に非磁性層を介して反強磁性的な相互作用が働くと述べているが、その構造と作用についての詳細な記載はない。三層膜は、ヮ一ド線またはビット線を、一面を除いて囲むように形成されていると思われる。また、三層膜の磁化の閾値の扱い方、及びその磁化の強さの関係についての検討はなされていない。本発明では、それらについて検討する -ことにより、選択メモリセルの選択性を向上し、 M R A M の書き込み動作を安定化する技術が提供される。

Claims

請求の範囲

1 . 第 1 方向に延伸するように設けられた複数の第 1 信号線と、

前記第 1 方向に実質的に垂直な第 2 方向に延伸するように設けられた複数の第 2 信号線と、前記複数の第 1 信号線と前記複数の第 2 信号線との交差点にそれぞれ設けられた複数のメモリセルと、

前記複数のメモリセルに対してそれぞれ設けられた複数の磁性体構造体と

を具備し、

前記複数のメモリセルの各々は、第 1 閾値関数を持つ自発磁化層を含む磁気抵抗素子を有し、前記自発磁化層の自発磁化の方向は、前記第 1 閾値関数値以上の強度を有する素子印加磁場が印加されたとき反転され、

前記複数の磁性体構造体の各々は、第 2 閾値関数を有し、構造体印加磁場に応答して磁性体構造体磁場を生成し、前記構造体印加磁場が第 2 閾値関数値以上の強度を持つとき、前記磁性体構造体磁場として第 3 磁場を生成し、前記構造体印加磁場が前記第 2 閾値関数値未満の強度を持つとき、前記磁性体構造体磁場として前記第 3 磁場より弱い第 4 磁場を生成し、 '

第 1 選択信号線としての前記複数の第 1 信号線のうちの 1 つに第 1 書き込み電流が流されて第 1 磁場が生成され、第 2 選択信号線としての前記複数の第 2 信号のうちの 1 つに第 2 書き込み電流が流されて第 2 磁場が生成され、前記第 1 磁場と前記第 2 磁場との第 1 合成磁場は、前記構造体印加磁場として前記磁性体構造体に印カロされ、

前記第 1 選択信号線と前記第 2 選択信号線との交差点に設けられた選択メモリセルに対して前記第 1 閾値関数値以上の強度を有する前記素子印加磁場磁場が印加され、前記選択メモリセル以外の非選択メモリセルの各々には前記第 1 閾値関数値未満の強度を有する前記素子印加磁場が印加されるように、前記第 1 合成磁場と前記磁性体構造体磁場との第 2 合成磁場が前記素子印加磁場として生成される

磁気ランダムアクセスメモリ。

2 . 請求項 1 に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、

前記複数の磁性体構造体の各々は、

強磁性体で形成される第 1 磁性層と、

強磁性体で形成される第 2 磁性層と、

前記第 1 磁性層と第 2 磁性層との間に介設された非磁性層と

を具備する磁気ランダムアクセスメモリ。

3 . 請求項 2 に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、

前記非磁性層は、前記第 1 磁性層と第 2 磁性層とが反強磁性的に結合されるような膜厚を有する

磁気ランダムアクセスメモリ。

4 . 請求項 2 または 3 に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、

前記第 2 閾値関数は、前記非磁性層の膜厚に基づいて決定される

磁気ランダムアクセスメモリ。

5 . 請求項 2 乃至 4 のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、

前記構造体印加磁場が印加されないとき、前記磁性体構造体により生成される磁性体構造体磁場の強度は、実質的に 0 である

磁気ランダムアクセスメモリ。

6 . 請求項 1 乃至 5 のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、

前記選択メモリセルに対応する前記磁性体構造体には、前記第 2 閾値関数値より大きい強度を有する前記第 1 合成磁場が前記構造体印加磁場として印力 Π され、前記選択メモリセルに対応する前記磁性体構造体は前記第 3 磁場を前記磁性体構造体磁場として生成し、前記第 1 合成磁場と前記第 3 磁場の合成磁場が、前記第 1 閾値関数値以上の強度を有する前記素子印加磁場として前記選択メモリの前記磁気抵抗素子に印カロされ、前記非選択メモリセルの各々に対応する前記磁性体構造体には、前記第 2 閾値関数値未満の強度を有する前記第 1 合成磁場が前記構造体印加磁塲として印カ卩され、前記非選択メモリセルに対応する前記磁性体構造体は前記第 4 磁場を前記磁性体構造体磁場として生成し、前記第 1 合成磁場と前記第 4 磁場の合成磁場が、前記第 1 閾値関数値未満の強度を有する前記素子印加磁場として前記選択メモリの前記磁気抵抗素子に印加される

磁気ランダムアクセスメモリ。

7 . 請求項 1 乃至 5 のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、

前記選択メモリセルに対応する前記磁性体構造体には、前記第 2 閾値関数値未満の強度を有する前記第 1 合成磁場が前記構造体印加磁場として印加され、前記選択メモリセルに対応する前記磁性体構造体は前記第 4 磁場を前記磁性体構造体磁場として生成し、前記第 1 合成磁場と前記第 4 磁場の合成磁場が、前記第 1 閾値関数値以上の強度を有する前記素子印加磁場として前記選択メモリの前記磁気抵抗素子に印加され、前記非選択メモリセルの各々に対応する前記磁性体構造体には、前記第 2 閾値関数値以上の強度を有する前記第 1 合成磁場が前記構造体印加磁場として印力 D され、前記非選択メモリセルに対応する前記磁性体構造体は前記第 3 磁場を ZL

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磁気ランダムアクセスメモリ。

1 1 . 請求項 6 乃至 9 のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、

前記磁性体構造体は、楕円形の平面構造を有する

磁気ランダムアクセスメモリ。

1 2 . 請求項 1 1 に記載の磁気ランダムァクセスメモリにおいて、

前記磁性体構造体の前記楕円形の長軸は、前記第 1 方向と前記第 2 方向以外の方向を向いている

磁気ランダムアクセスメモリ。

1 3 . 請求項 1 2 に記載の磁気ランダムァクセスメモリにおいて、

前記磁性体構造体の前記楕円形の長軸は、前記第 1 方向と前記第 2 方向の各々に対して 4 5 ？の方向を向いている

磁気ランダムアクセスメモリ。 1 4 . 第 1 方向に延伸するように設けられた複数の第 1 信号線と、

前記第 1 方向に実質的に垂直な第 2 方向に延伸するように設けられた複数の第 2 信号線と、 ft

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M X y / h x y≠ M y / H y、

を満足する

磁気ランダムアクセスメモリ。

1 5 . 請求項 1 4 に記載の磁気ランダムァクセスメモリにおいて、

前記第 2 選択信号線が交差する前記複数のメモリセルのうち、前記選択メモリセル以外のメモリセルを、第 2 非選択メモリセルとし、

前記複数の磁性体構造体のうち、前記第 2 非選択メモリセルに対応する磁性体構造体を第 2 非選択磁性体構造体としたとき、

前記合成磁場 H _X yと、前記磁化 M _X yと、前記書き込み動作のときに、前記第 2 書き込み電流によって前記第 2 非選択磁性体構造体に印カロされる磁場 H Xと、前記磁場 H Xにより前記第 2 非選択磁性体構造体に誘起される磁化 M _xとは、下記関係：

M X y H X y≠ M x / H x、

を満足する

磁気ランダムアクセスメモリ。 9L

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1 8 . 請求項 1 7 に記載の磁気ランダムァクセスメモリにおいて、

前記複数の磁性体構造体のうち、前記第 2 非選択メモリセルに対応するものを第 2 非選択磁性体構造体としたとき、

前記合成磁場 H x yと、前記磁化 M x yと、前記書き込み動作のときに前記第 2 書き込み電流によって前記第 2 非選択磁性体構造体に印加される磁場 H Xと、

前記磁場 H _xにより前記第 2 非選択磁性体構造体に誘起される磁化 M Xとは、

M X y / H y > M x Z H x、

を満足する

磁気ランダムアクセスメモリ。

1 9 . 請求項 1 4 に記載の磁気ランダムァクセスメモリにおいて、

前記複数の磁性体構造体は、前記第 1 書き込み電流と前記第 2 書き込み電流とによって前記選択メモリセルに含まれる前記磁気抵抗素子に印加される磁場と、前記第 1 書き込み電流によつて前記第 1 非選択メモリセルに含まれる前記磁気抵抗素子に印加される磁場とが弱められるような方向に前記磁化 M X yと前記磁場 M yとが誘起されるような位置に配置され、 ^ m m m m a z m ^

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M y / H x y < M x / H x、

を満足する

磁気ランダムアクセスメモリ。

2 2 . 請求項 1 4 乃至請求項 2 1 に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、

前記複数の磁性体構造体のそれぞれは、強磁性体で形成される第 1 磁性層と、

強磁性体で形成される第 2 磁性層と、前記第 1 磁性層と第 2 磁性層との間に介設され、前記第 1 磁性層と第 2 磁性層とが反強磁性的に結合するような膜厚を有する非磁性層を含む積層フエリ構造体である

磁気ランダムアクセスメモリ。

2 3 . 請求項 1 6 又は 1 7 に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、

前記複数の磁性体構造体の各々は、

強磁性体で形成される第 1 磁性層と、

強磁性体で形成される第 2 磁性層と、

前記第 1 磁性層と第 2 磁性層との間に介設され、前記第 1 磁性層と第 2 磁性層とが反強磁性的に結合するような膜厚を有する非磁性層を含む

積層フェリ構造体であり、

前記合成磁場 H _X yは、前記合成磁場 H x yの方向における前記積層フェリ構造体の閾値磁場 H t x yよりも大きく、

前記磁場 H yは、前記磁場 H yの方向における前記積層フェリ構造体の閾値磁場 H t yよりも小さい

磁気ランダムアクセスメモリ。

2 4 . 請求項 1 8 に記載の磁気ランダムァクセスメモリにおいて、

前記複数の磁性体構造体の各々は、

強磁性体で形成される第 1 磁性層と、

強磁性体で形成される第 2 磁性層と、

積層フェリ構造体であり、

前記合成磁場 H X yは、前記合成磁場 H X yの方向における前記積層フエリ構造体の閾値磁場 H t x yよりも大きく、

前記磁場 H _xは、前記磁場 H Xの方向における前記積層フェリ構造体の閾値磁場 H t Xよりも小さく、

磁気ランダムアクセスメモリ。

2 5 . 請求項 2 4 に記載の磁気ランダムァクセスメモリにおいて、

前記磁気抵抗素子には、前記磁気抵抗素子が有する自発磁化の方向が、前記第 1 方向に実質的に一致するように異方性が与えられ、

前記積層フェリ構造体には、前記第 1 磁性層と前記第 2 磁性層とが有する自発磁化の方向が、前記第 1 方向と垂直でない第 3 方向に向くように異方性が与えられた

磁気ランダムアクセスメモリ。

2 6 . 請求項 2 5 に記載の磁気ランダムァクセスメモリにおいて、

前記前記第 1 方向と前記第 3 方向とがなす角は、実質的に、 4 5 ° である

磁気ランダムアクセスメモリ。

2 7 . 請求項 2 5 に記載の磁気ランダムァクセスメモリにおいて、

前記合成磁場 H x yの方向は、前記第 3 方向に対して実質的に垂直である

磁気ランダムアクセスメモリ。

2 8 . 請求項 1 9 又は 2 0 に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、

強磁性体で形成される第 2 磁性層と、前記第 1 磁性層と第 2 磁性層との間に介設され、前記第 1 磁性層と第 2 磁性層とが反強磁性的に結合するような膜厚を有する非磁性層を含む積層フエリ構造体であり、

前記合成磁場 H x yは、前記合成磁場 H _X yの方向における前記積層フエリ構造体の閾値磁場 H t x yよりも小さく、

前記磁場 H yは、前記磁場 H yの方向における前記積層フエリ構造体の閾値磁場 H t yよりも大さい

磁気ランダムアクセスメモリ。

2 9 . 請求項 2 8 に記載の磁気ランダムァクセスメモリにおいて、

前記積層フェリ構造体には、前記第 1 磁性層と前記第 2 磁性層とが有する自発磁化の方向が前記第 1 方向に実質的に一致するように異方性が与えられた

磁気ランダムアクセスメモリ。

3 0 . 請求項 2 1 に記載の磁気ランダムァクセスメモリにおレて、

前記合成磁場 H _Xyは、前記合成磁場 H xyの方向における前記積層フェリ構造体の閾値磁場 H txyよりも小さく、

前記磁場 H _Xは、前記磁場 H Xの方向における前記積層フェリ構造体の閾値磁場 H t Xよりも大きく、

前記磁場 H yは、前記磁場 H yの方向における前記積層フェリ構造体の閾値磁場 H t yよりも大さい

磁気ランダムアクセスメモリ。

3 1 . 請求項 3 0 に記載の磁気ランダムァクセスメモリにおいて、

磁気ランダムアクセスメモリ。

3 2 . 請求項 2 1 に記載の磁気ランダムァクセスメモリにおいて、 ^8

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