JP2003197872A - 磁気抵抗効果膜を用いたメモリ - Google Patents
磁気抵抗効果膜を用いたメモリInfo
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 読み出し信号が大きくかつ記録密度の高いメ
モリを提供する。 【解決手段】 積層された２つの磁気抵抗効果膜に１ビ
ットを記録し、このとき一方を抵抗が高くなる磁化配
列、他方を抵抗が低くなる磁化配列とする。ただし、磁
性体は垂直磁化膜である。２つの磁気抵抗効果膜は記録
配線を共有可能である。磁化固定層０１１，０１４が反
平行となっているため、記憶磁界の方向により、磁化自
由層０１２，０１５の磁化の向きが、反平行の場合は抵
抗が高くなり、平行の場合は抵抗が低くなる。
モリを提供する。 【解決手段】 積層された２つの磁気抵抗効果膜に１ビ
ットを記録し、このとき一方を抵抗が高くなる磁化配
列、他方を抵抗が低くなる磁化配列とする。ただし、磁
性体は垂直磁化膜である。２つの磁気抵抗効果膜は記録
配線を共有可能である。磁化固定層０１１，０１４が反
平行となっているため、記憶磁界の方向により、磁化自
由層０１２，０１５の磁化の向きが、反平行の場合は抵
抗が高くなり、平行の場合は抵抗が低くなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は磁気抵抗効果膜を用
いたメモリに関する。
いたメモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、固体メモリである半導体メモリは
情報機器に多く用いられ、DRAM、FeRAM、フラッシュEEP
ROM等その種類も様々である。これら半導体メモリの特
性は一長一短であり、現在の情報機器において要求され
るスペックのすべてを満たすメモリが存在しない。例え
ば、DRAMは記録密度が高く書き換え可能回数も多いが、
揮発性であり電源を切ると情報は消えてしまう。また、
フラッシュEEPROMは不揮発であるが消去の時間が長く、
情報の高速処理には不向きである。
情報機器に多く用いられ、DRAM、FeRAM、フラッシュEEP
ROM等その種類も様々である。これら半導体メモリの特
性は一長一短であり、現在の情報機器において要求され
るスペックのすべてを満たすメモリが存在しない。例え
ば、DRAMは記録密度が高く書き換え可能回数も多いが、
揮発性であり電源を切ると情報は消えてしまう。また、
フラッシュEEPROMは不揮発であるが消去の時間が長く、
情報の高速処理には不向きである。
【０００３】上記のような半導体メモリの現状に対し
て、磁気抵抗効果を用いたメモリ(MRAM)は、記録時間、
読み出し時間、記録密度、書き換え可能回数、消費電力
等において多くの情報機器から求められるスペックをす
べて満たすメモリとして有望である。特にスピントンネ
ル磁気抵抗（TMR）効果を利用したMRAMは、大きな読み
出し信号が得られることから、高記録密度化あるいは高
速読み出しに有利であり、近年の研究報告においてMRAM
としての実現性が実証されている。
て、磁気抵抗効果を用いたメモリ(MRAM)は、記録時間、
読み出し時間、記録密度、書き換え可能回数、消費電力
等において多くの情報機器から求められるスペックをす
べて満たすメモリとして有望である。特にスピントンネ
ル磁気抵抗（TMR）効果を利用したMRAMは、大きな読み
出し信号が得られることから、高記録密度化あるいは高
速読み出しに有利であり、近年の研究報告においてMRAM
としての実現性が実証されている。
【０００４】MRAMの素子として用いられる磁気抵抗効果
膜の基本構成は、非磁性層を介して磁性層が隣接して形
成されたサンドイッチ構造である。非磁性膜として良く
用いられる材料としてCuやAl2O3が挙げられる。磁気抵
抗効果膜において非磁性層にCu等のような導体を用いた
ものを巨大磁気抵抗効果膜（GMR膜）といい、Al2O3など
の絶縁体を用いたものをスピントンネル効果膜（TMR
膜）という。一般にTMR膜はGMR膜に比べて大きな磁気抵
抗効果を示す。
膜の基本構成は、非磁性層を介して磁性層が隣接して形
成されたサンドイッチ構造である。非磁性膜として良く
用いられる材料としてCuやAl2O3が挙げられる。磁気抵
抗効果膜において非磁性層にCu等のような導体を用いた
ものを巨大磁気抵抗効果膜（GMR膜）といい、Al2O3など
の絶縁体を用いたものをスピントンネル効果膜（TMR
膜）という。一般にTMR膜はGMR膜に比べて大きな磁気抵
抗効果を示す。
【０００５】図21（ａ）に示すように二つの磁性層の磁
化方向が平行であると磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較
的小さく、図21（ｂ）に示すように磁化方向が反平行で
あると電気抵抗は比較的大きくなる。したがって、一方
の磁性層を記録層、他方を読み出し層とし、上記の性質
を利用することで情報の読み出しが可能である。例えば
非磁性層002の上部に位置する磁性層003を記録層、下部
に位置する磁性層004を読み出し層とし、記録層の磁化
方向が右向きの場合を『1』、左向きの場合を『0』とす
る。図22（ａ）に示すように両磁性層の磁化方向が右向
きの場合、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較的小さく、
図22（ｂ）に示すように読み出し層の磁化方向が右向き
でかつ記録層の磁化方向が左向きであると電気抵抗は比
較的大きい。また、図22（ｃ）に示すように読み出し層
の磁化方向が左向きでかつ記録層の磁化方向が右向きで
あると電気抵抗は比較的大きく、図22（ｄ）に示すよう
に両磁性層の磁化方向が左向きの場合電気抵抗は比較的
小さい。つまり、読み出し層の磁化方向が右向きに固定
されている場合に、電気抵抗が大きければ、記録層には
『0』が記録されていることになり、電気抵抗が小さけ
れば、『1』が記録されていることになる。あるいは、
読み出し層の磁化方向が左向きに固定されている場合
に、電気抵抗が大きければ、記録層には『1』が記録さ
れていることになり、電気抵抗が小さければ、『0』が
記録されていることになる。
化方向が平行であると磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較
的小さく、図21（ｂ）に示すように磁化方向が反平行で
あると電気抵抗は比較的大きくなる。したがって、一方
の磁性層を記録層、他方を読み出し層とし、上記の性質
を利用することで情報の読み出しが可能である。例えば
非磁性層002の上部に位置する磁性層003を記録層、下部
に位置する磁性層004を読み出し層とし、記録層の磁化
方向が右向きの場合を『1』、左向きの場合を『0』とす
る。図22（ａ）に示すように両磁性層の磁化方向が右向
きの場合、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較的小さく、
図22（ｂ）に示すように読み出し層の磁化方向が右向き
でかつ記録層の磁化方向が左向きであると電気抵抗は比
較的大きい。また、図22（ｃ）に示すように読み出し層
の磁化方向が左向きでかつ記録層の磁化方向が右向きで
あると電気抵抗は比較的大きく、図22（ｄ）に示すよう
に両磁性層の磁化方向が左向きの場合電気抵抗は比較的
小さい。つまり、読み出し層の磁化方向が右向きに固定
されている場合に、電気抵抗が大きければ、記録層には
『0』が記録されていることになり、電気抵抗が小さけ
れば、『1』が記録されていることになる。あるいは、
読み出し層の磁化方向が左向きに固定されている場合
に、電気抵抗が大きければ、記録層には『1』が記録さ
れていることになり、電気抵抗が小さければ、『0』が
記録されていることになる。
【０００６】磁気抵抗効果膜の磁性体として主に用いら
れている材料として、Co、CoFe、NiFe等の面内磁化膜が
挙げられる。これらの材料の中でNiFeは比較的小さな磁
界で磁化が反転し、CoFeは大きな磁気抵抗効果を示すこ
とが知られている。そこで例えばNiFeとCoFeを交換結合
させた磁性膜とCoFeで非磁性層を挟む膜構造とすること
によって、小さな磁界で大きな磁気抵抗変化が生じる磁
気抵抗効果膜とすることが可能である。
れている材料として、Co、CoFe、NiFe等の面内磁化膜が
挙げられる。これらの材料の中でNiFeは比較的小さな磁
界で磁化が反転し、CoFeは大きな磁気抵抗効果を示すこ
とが知られている。そこで例えばNiFeとCoFeを交換結合
させた磁性膜とCoFeで非磁性層を挟む膜構造とすること
によって、小さな磁界で大きな磁気抵抗変化が生じる磁
気抵抗効果膜とすることが可能である。
【０００７】ところでISSCC2000で発表されているよう
に面内磁化膜を用いた２つの磁気抵抗効果膜に１ビット
の情報を記録し、大きな読み出し信号を得ようとする方
法が提案されている。図23にこの方法の読み出し部の回
路図を示す。１つのメモリセルは２つの磁気抵抗効果膜
と２つのトランジスタを用いるので2T2R型と呼ばれてい
る。１ビットを記録する２つの磁気抵抗効果膜のうち一
方は抵抗が小さくなるように磁化が配向し、他方は抵抗
が大きくなるように磁化が配向している。そうすること
によってセンスアンプの入力の一方には比較的高い電圧
が入力され、他方には比較的低い電圧が入力されるの
で、１つの磁気抵抗効果膜を用いた場合の２倍の大きさ
の読み出し信号が得られ、デバイスの製造ばらつきやノ
イズによる影響を軽減することが可能である。
に面内磁化膜を用いた２つの磁気抵抗効果膜に１ビット
の情報を記録し、大きな読み出し信号を得ようとする方
法が提案されている。図23にこの方法の読み出し部の回
路図を示す。１つのメモリセルは２つの磁気抵抗効果膜
と２つのトランジスタを用いるので2T2R型と呼ばれてい
る。１ビットを記録する２つの磁気抵抗効果膜のうち一
方は抵抗が小さくなるように磁化が配向し、他方は抵抗
が大きくなるように磁化が配向している。そうすること
によってセンスアンプの入力の一方には比較的高い電圧
が入力され、他方には比較的低い電圧が入力されるの
で、１つの磁気抵抗効果膜を用いた場合の２倍の大きさ
の読み出し信号が得られ、デバイスの製造ばらつきやノ
イズによる影響を軽減することが可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述のように2T2R型で
は読み出し時にメモリ素子を選択するためにトランジス
タを用いているが、トランジスタは多くの面積を要する
ために、メモリセルサイズはトランジスタのサイズによ
り決まっているのが現状である。ISSCC2000における2T2
R型のセルサイズは設計ルールをFとすると約50F2である
と報告されており、高い記録密度を達成させるには2T2R
型では困難である。
は読み出し時にメモリ素子を選択するためにトランジス
タを用いているが、トランジスタは多くの面積を要する
ために、メモリセルサイズはトランジスタのサイズによ
り決まっているのが現状である。ISSCC2000における2T2
R型のセルサイズは設計ルールをFとすると約50F2である
と報告されており、高い記録密度を達成させるには2T2R
型では困難である。
【０００９】これに対して、USP5640343で提案されてい
るようにメモリ素子とダイオードを直列に接続すること
により、メモリセルサイズを小さくし、メモリ素子を選
択することが可能である。磁性体に面内磁化膜を用いた
磁気抵抗効果膜では、形状を正方形にすると反磁界の影
響に磁化方向が維持できないという現象が生じるため
に、形状は長方形にする必要があるので磁気抵抗効果膜
の大きさは最低でも2F2が必要である。したがって、１
つの磁気抵抗効果膜と１つのダイオードを上下に積層し
１つのセルとするとセルサイズは6F2となる。しかし、
従来の2T2R型にこの方法を適用した場合には、２つの磁
気抵抗効果膜が横に並んでいるために、メモリセルのサ
イズはその２倍の12F2になってしまう。
るようにメモリ素子とダイオードを直列に接続すること
により、メモリセルサイズを小さくし、メモリ素子を選
択することが可能である。磁性体に面内磁化膜を用いた
磁気抵抗効果膜では、形状を正方形にすると反磁界の影
響に磁化方向が維持できないという現象が生じるため
に、形状は長方形にする必要があるので磁気抵抗効果膜
の大きさは最低でも2F2が必要である。したがって、１
つの磁気抵抗効果膜と１つのダイオードを上下に積層し
１つのセルとするとセルサイズは6F2となる。しかし、
従来の2T2R型にこの方法を適用した場合には、２つの磁
気抵抗効果膜が横に並んでいるために、メモリセルのサ
イズはその２倍の12F2になってしまう。
【００１０】本発明は、この点に鑑み、読み出し信号が
大きくかつ記録密度の高いメモリを提供することを目的
とする。
大きくかつ記録密度の高いメモリを提供することを目的
とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の磁気抵抗効果膜
を用いたメモリは、非磁性膜が磁性膜に挟まれている構
造を有する磁気抵抗効果膜が一対と、一対の磁気抵抗効
果膜に磁界を印加して、各磁気抵抗効果膜の抵抗が異な
る状態とし１ビットの記録を行なう第1の磁界印加手段
と、磁気抵抗効果膜の抵抗値により生じる電位を検出す
るためのビット線とを有するメモリであって、一対の磁
気抵抗効果膜は膜面法線方向に積層されている。
を用いたメモリは、非磁性膜が磁性膜に挟まれている構
造を有する磁気抵抗効果膜が一対と、一対の磁気抵抗効
果膜に磁界を印加して、各磁気抵抗効果膜の抵抗が異な
る状態とし１ビットの記録を行なう第1の磁界印加手段
と、磁気抵抗効果膜の抵抗値により生じる電位を検出す
るためのビット線とを有するメモリであって、一対の磁
気抵抗効果膜は膜面法線方向に積層されている。
【００１２】また、基板上に一対の磁気抵抗効果膜が複
数配され、磁気抵抗効果膜にダイオードが直列に接続さ
れ、ダイオードの他方の端子にはワード線が接続されて
メモリセルが構成され、特定のメモリセルに記録された
情報を選択的に読み出してもよい。
数配され、磁気抵抗効果膜にダイオードが直列に接続さ
れ、ダイオードの他方の端子にはワード線が接続されて
メモリセルが構成され、特定のメモリセルに記録された
情報を選択的に読み出してもよい。
【００１３】また、第1の磁界印加手段は導線であり、
導線に電流を流すことにより誘起される磁界を磁気抵抗
効果膜に印加して磁化状態を変化させてもよい。
導線に電流を流すことにより誘起される磁界を磁気抵抗
効果膜に印加して磁化状態を変化させてもよい。
【００１４】また、更に、第1の磁界印加手段により印
加される磁界とは異なる方向から磁気抵抗効果膜に対し
て磁界を印加する第2の磁界印加手段を有し、第1及び第
2の磁界印加手段から印加される磁界を、任意の磁気抵
抗効果膜に作用させることによって、複数の磁気抵抗効
果膜の中から特定の磁気抵抗効果膜を選択して記録を行
なってもよい。
加される磁界とは異なる方向から磁気抵抗効果膜に対し
て磁界を印加する第2の磁界印加手段を有し、第1及び第
2の磁界印加手段から印加される磁界を、任意の磁気抵
抗効果膜に作用させることによって、複数の磁気抵抗効
果膜の中から特定の磁気抵抗効果膜を選択して記録を行
なってもよい。
【００１５】また、磁性膜が面内磁化膜であってもよ
い。
い。
【００１６】また、第1の磁界印加手段による磁界が膜
面内方向の磁界であり、第2の磁界印加手段による磁界
が第1の磁界印加手段による磁界と直交しかつ膜面内方
向に向いていてもよい。
面内方向の磁界であり、第2の磁界印加手段による磁界
が第1の磁界印加手段による磁界と直交しかつ膜面内方
向に向いていてもよい。
【００１７】また、磁性膜の一方は記録時に印加される
磁界によって反転可能である磁化自由層であり他方は反
転しない磁化固定層であってもよい。
磁界によって反転可能である磁化自由層であり他方は反
転しない磁化固定層であってもよい。
【００１８】また、初期化の際に、一方向の磁界印加で
一対の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の正味の磁化が平行
となってもよい。
一対の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の正味の磁化が平行
となってもよい。
【００１９】また、記録磁界を発生させる導線の上方と
下方に１ビットを記録する２つの磁気抵抗効果膜がそれ
ぞれ１つ配されていてもよい。
下方に１ビットを記録する２つの磁気抵抗効果膜がそれ
ぞれ１つ配されていてもよい。
【００２０】また、２つの磁気抵抗効果膜のうち、一方
は積層フェリ構造を有していてもよい。
は積層フェリ構造を有していてもよい。
【００２１】また、磁性膜が垂直磁化膜であってもよ
い。
い。
【００２２】また、第1の磁界印加手段による磁界が膜
面法線方向であり、第2の磁界印加手段による磁界が，
膜面内方向の磁界であってもよい。
面法線方向であり、第2の磁界印加手段による磁界が，
膜面内方向の磁界であってもよい。
【００２３】また、磁性膜の一方は記録時に印加される
磁界によって反転可能である磁化自由層であり他方は反
転しない磁化固定層であってもよい。
磁界によって反転可能である磁化自由層であり他方は反
転しない磁化固定層であってもよい。
【００２４】また、初期化の際に、一方向の磁界印加で
一対の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の正味の磁化が平行
となってもよい。
一対の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の正味の磁化が平行
となってもよい。
【００２５】また、磁化固定層が遷移金属を含有する材
料からなるフェロ磁性であり、磁化固定層の磁化方向
が、２つの磁気抵抗効果膜の間で反平行に向いていても
よい。
料からなるフェロ磁性であり、磁化固定層の磁化方向
が、２つの磁気抵抗効果膜の間で反平行に向いていても
よい。
【００２６】また、磁化固定層が遷移金属を含有する材
料からなるフェロ磁性であり、磁化固定層の磁化方向
が、２つの磁気抵抗効果膜の間で平行に向いており、か
つ磁化自由層が希土類と遷移金属からなるフェリ磁性で
一方の磁気抵抗効果膜の磁化自由層は希土類副格子磁化
優勢で他方の磁気抵抗効果膜の磁化自由層は遷移金属副
格子磁化優勢であってもよい。
料からなるフェロ磁性であり、磁化固定層の磁化方向
が、２つの磁気抵抗効果膜の間で平行に向いており、か
つ磁化自由層が希土類と遷移金属からなるフェリ磁性で
一方の磁気抵抗効果膜の磁化自由層は希土類副格子磁化
優勢で他方の磁気抵抗効果膜の磁化自由層は遷移金属副
格子磁化優勢であってもよい。
【００２７】また、磁性膜が希土類金属と遷移金属から
なるフェリ磁性であってもよい。
なるフェリ磁性であってもよい。
【００２８】また、磁性膜が遷移金属副格子磁化優勢で
あり、一方の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の磁化方向に
対して他方の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の磁化方向は
反平行に向いていてもよい。
あり、一方の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の磁化方向に
対して他方の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の磁化方向は
反平行に向いていてもよい。
【００２９】また、磁性膜が希土類金属副格子磁化優勢
であり、一方の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の磁化方向
に対して他方の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の磁化方向
は反平行に向いていてもよい。
であり、一方の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の磁化方向
に対して他方の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の磁化方向
は反平行に向いていてもよい。
【００３０】また、一方の磁気抵抗効果膜の前記磁化固
定層は希土類金属副格子磁化優勢で、他方の磁気抵抗効
果膜の磁化固定層は遷移金属副格子磁化優勢であり、２
つの磁化固定層の磁化方向は平行に向いており、２つの
磁気抵抗効果膜の磁化自由層はどちらも遷移金属副格子
磁化優勢であってもよい。
定層は希土類金属副格子磁化優勢で、他方の磁気抵抗効
果膜の磁化固定層は遷移金属副格子磁化優勢であり、２
つの磁化固定層の磁化方向は平行に向いており、２つの
磁気抵抗効果膜の磁化自由層はどちらも遷移金属副格子
磁化優勢であってもよい。
【００３１】また、一方の磁気抵抗効果膜の磁化固定層
は希土類金属副格子磁化優勢で、他方の磁気抵抗効果膜
の磁化固定層は遷移金属副格子磁化優勢であり、２つの
磁化固定層の磁化方向は平行に向いており、２つの磁気
抵抗効果膜の磁化自由層はどちらも希土類金属副格子磁
化優勢であってもよい。
は希土類金属副格子磁化優勢で、他方の磁気抵抗効果膜
の磁化固定層は遷移金属副格子磁化優勢であり、２つの
磁化固定層の磁化方向は平行に向いており、２つの磁気
抵抗効果膜の磁化自由層はどちらも希土類金属副格子磁
化優勢であってもよい。
【００３２】また、２つの磁化固定層はどちらも遷移金
属副格子磁化優勢で、かつそれらの磁化方向は平行に向
いており、一方の磁気抵抗効果膜の磁化自由層は希土類
金属副格子磁化優勢で、他方の磁気抵抗効果膜の磁化自
由層は遷移金属副格子磁化優勢であってもよい。
属副格子磁化優勢で、かつそれらの磁化方向は平行に向
いており、一方の磁気抵抗効果膜の磁化自由層は希土類
金属副格子磁化優勢で、他方の磁気抵抗効果膜の磁化自
由層は遷移金属副格子磁化優勢であってもよい。
【００３３】また、２つの磁化固定層はどちらも希土類
金属副格子磁化優勢で、かつそれらの磁化方向は平行に
向いており、一方の磁気抵抗効果膜の磁化自由層は希土
類金属副格子磁化優勢で、他方の磁気抵抗効果膜の磁化
自由層は遷移金属副格子磁化優勢であってもよい。
金属副格子磁化優勢で、かつそれらの磁化方向は平行に
向いており、一方の磁気抵抗効果膜の磁化自由層は希土
類金属副格子磁化優勢で、他方の磁気抵抗効果膜の磁化
自由層は遷移金属副格子磁化優勢であってもよい。
【００３４】また、基板上に２つの磁気抵抗効果膜で１
ビットが形成される素子がマトリックス状に複数個配さ
れたメモリであって、磁気抵抗効果膜の間に少なくとも
１本の書き込み線が形成され、書き込み線に、所望の素
子に対して膜法線方向に磁界が印加されるように電流を
流すことによって記録を行ってもよい。
ビットが形成される素子がマトリックス状に複数個配さ
れたメモリであって、磁気抵抗効果膜の間に少なくとも
１本の書き込み線が形成され、書き込み線に、所望の素
子に対して膜法線方向に磁界が印加されるように電流を
流すことによって記録を行ってもよい。
【００３５】また、行方向にのみ素子の間に書き込み線
が形成され、かつ素子の上部あるいは下部にさらに導線
を設け、書き込み線に、隣接する２つの素子に対して膜
法線方向で逆方向に磁界が印加されるように電流を流す
とともに、所望の素子の上部あるいは下部に設けられた
導線に電流を流すことにより所望の素子に対して膜面内
方向に磁界を印加することによって記録を行ってもよ
い。
が形成され、かつ素子の上部あるいは下部にさらに導線
を設け、書き込み線に、隣接する２つの素子に対して膜
法線方向で逆方向に磁界が印加されるように電流を流す
とともに、所望の素子の上部あるいは下部に設けられた
導線に電流を流すことにより所望の素子に対して膜面内
方向に磁界を印加することによって記録を行ってもよ
い。
【００３６】また、膜面内方向に磁界を印加するための
導線がビット線もしくはワード線であってもよい。
導線がビット線もしくはワード線であってもよい。
【００３７】また、磁気抵抗効果膜がスピントンネル磁
気抵抗効果膜であってもよい。
気抵抗効果膜であってもよい。
【００３８】従って、印加磁界に対する抵抗変化が相反
する２つの磁気抵抗効果膜を上下に積層し、その２つの
磁気抵抗効果膜に１ビットを記録することによって、読
み出し信号が大きくかつ記録密度の高いメモリとすると
ともに、その２つの磁気抵抗効果膜の記録手段を共有す
ることによって、記録時の消費電力を低減させることが
できる。
する２つの磁気抵抗効果膜を上下に積層し、その２つの
磁気抵抗効果膜に１ビットを記録することによって、読
み出し信号が大きくかつ記録密度の高いメモリとすると
ともに、その２つの磁気抵抗効果膜の記録手段を共有す
ることによって、記録時の消費電力を低減させることが
できる。
【００３９】また、垂直磁化膜を用いかつ印加磁界に対
する抵抗変化が相反する２つの磁気抵抗効果膜を上下に
積層し、その２つの磁気抵抗効果膜に１ビットを記録す
ることによって、読み出し信号が大きくかつ記録密度の
高いメモリとするとともに、２つの磁気抵抗効果膜の記
録手段を共有することによって、記録時の消費電力を低
減させることができる。また、記録磁界発生用の導線を
共有することが可能である。
する抵抗変化が相反する２つの磁気抵抗効果膜を上下に
積層し、その２つの磁気抵抗効果膜に１ビットを記録す
ることによって、読み出し信号が大きくかつ記録密度の
高いメモリとするとともに、２つの磁気抵抗効果膜の記
録手段を共有することによって、記録時の消費電力を低
減させることができる。また、記録磁界発生用の導線を
共有することが可能である。
【００４０】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）本実施形態にお
いては、磁性膜として膜面内方向に磁化が配向した面内
磁化膜を用いている。図21で示したように、磁気抵抗効
果膜の抵抗が低い状態と高い状態は非磁性層の両側にあ
る磁性層の磁化が平行に向いているか反平行に向いてい
るかで決まる。本実施形態のメモリは、１ビットを形成
するメモリセル内に、一対の磁気抵抗効果膜を有し、記
録動作によって、各々が異なる抵抗値となるようにする
必要がある。
いては、磁性膜として膜面内方向に磁化が配向した面内
磁化膜を用いている。図21で示したように、磁気抵抗効
果膜の抵抗が低い状態と高い状態は非磁性層の両側にあ
る磁性層の磁化が平行に向いているか反平行に向いてい
るかで決まる。本実施形態のメモリは、１ビットを形成
するメモリセル内に、一対の磁気抵抗効果膜を有し、記
録動作によって、各々が異なる抵抗値となるようにする
必要がある。
【００４１】図1に本実施形態の磁化状態の概念図を示
す。磁気抵抗効果膜の２つの磁性膜のうち一方の磁化は
記録磁界では反転しない磁化固定層022、025とし、他方
の磁性膜は磁化反転可能である磁化自由層021、024とし
ておき、磁化固定層022、025の磁化方向が２つの磁気抵
抗効果膜の間で反平行の関係であるようにしておく。例
えば図１(a)のように，磁化固定層022の磁化が左向き、
025は右向きとする。このような状態にしておき、両磁
気抵抗効果膜に同じ方向の磁界を印加すると、磁化自由
層021、024の磁化が反転し、印加された磁界の方向に配
向する。例えば図１(a)においては、磁化自由層021と磁
化固定層022の磁化の向きが反平行となり、磁化自由層0
24と磁化固定層025の磁化は平行となる。すなわち、一
方の磁気抵抗効果膜の抵抗は低く、他方の抵抗は高くな
る。
す。磁気抵抗効果膜の２つの磁性膜のうち一方の磁化は
記録磁界では反転しない磁化固定層022、025とし、他方
の磁性膜は磁化反転可能である磁化自由層021、024とし
ておき、磁化固定層022、025の磁化方向が２つの磁気抵
抗効果膜の間で反平行の関係であるようにしておく。例
えば図１(a)のように，磁化固定層022の磁化が左向き、
025は右向きとする。このような状態にしておき、両磁
気抵抗効果膜に同じ方向の磁界を印加すると、磁化自由
層021、024の磁化が反転し、印加された磁界の方向に配
向する。例えば図１(a)においては、磁化自由層021と磁
化固定層022の磁化の向きが反平行となり、磁化自由層0
24と磁化固定層025の磁化は平行となる。すなわち、一
方の磁気抵抗効果膜の抵抗は低く、他方の抵抗は高くな
る。
【００４２】ここで、初期設定において磁化固定層02
2、025の磁化を反平行に向けるには、磁性膜を作成する
ときに所望の方向に磁界を印加することによって達成さ
れる。すなわち一方の磁気抵抗効果膜を作成するときに
印加する磁界の方向に対して、他方の磁気抵抗効果膜を
作成するときに印加する磁界の方向を逆方向にする。
2、025の磁化を反平行に向けるには、磁性膜を作成する
ときに所望の方向に磁界を印加することによって達成さ
れる。すなわち一方の磁気抵抗効果膜を作成するときに
印加する磁界の方向に対して、他方の磁気抵抗効果膜を
作成するときに印加する磁界の方向を逆方向にする。
【００４３】あるいは、２つの磁化固定層022、025の保
磁力の大きさに差をつけておき、両磁性層の磁化が反転
する磁界を印加し、２つの磁化固定層の磁化を平行状態
にした後、一方の磁化は反転可能で、他方は反転しない
ような大きさの磁界を先程の磁界の方向とは逆方向に印
加し、一方の磁化のみ反転させ、２つの磁化固定層の磁
化方向を反平行にすることが可能である。
磁力の大きさに差をつけておき、両磁性層の磁化が反転
する磁界を印加し、２つの磁化固定層の磁化を平行状態
にした後、一方の磁化は反転可能で、他方は反転しない
ような大きさの磁界を先程の磁界の方向とは逆方向に印
加し、一方の磁化のみ反転させ、２つの磁化固定層の磁
化方向を反平行にすることが可能である。
【００４４】また、磁化固定層022、025の磁化の向きを
平行に初期設定した場合においては、図2に示すよう
に、導線801の上下にそれぞれ一つずつ磁気抵抗効果膜
を配し、導線801に電流を流せば、２つの磁気抵抗効果
膜には逆向きの記録磁界が印加されるために、一方の磁
気抵抗効果膜の抵抗は低く他方は高くなる。
平行に初期設定した場合においては、図2に示すよう
に、導線801の上下にそれぞれ一つずつ磁気抵抗効果膜
を配し、導線801に電流を流せば、２つの磁気抵抗効果
膜には逆向きの記録磁界が印加されるために、一方の磁
気抵抗効果膜の抵抗は低く他方は高くなる。
【００４５】さらに、各々の磁化固定層の磁化を平行に
初期設定した場合においては、図3に示すように一方の
磁化自由層に積層フェリ構造030を用いた磁気抵抗効果
膜を用いることも有効である。積層フェリ構造とは、例
えばFe/Ru/Feのような多層膜で、このようにすると２つ
の強磁性膜の磁化は反強磁性結合するという特徴があ
る。２つの磁気抵抗効果膜のうち一方の磁化自由層に積
層フェリ構造030を用いた磁気抵抗効果膜、他方を基本
的な構造の磁気抵抗効果膜とすることにより、同一方向
の磁界印加により一方の磁気抵抗効果膜の抵抗を低く他
方を高くすることが可能である。
初期設定した場合においては、図3に示すように一方の
磁化自由層に積層フェリ構造030を用いた磁気抵抗効果
膜を用いることも有効である。積層フェリ構造とは、例
えばFe/Ru/Feのような多層膜で、このようにすると２つ
の強磁性膜の磁化は反強磁性結合するという特徴があ
る。２つの磁気抵抗効果膜のうち一方の磁化自由層に積
層フェリ構造030を用いた磁気抵抗効果膜、他方を基本
的な構造の磁気抵抗効果膜とすることにより、同一方向
の磁界印加により一方の磁気抵抗効果膜の抵抗を低く他
方を高くすることが可能である。
【００４６】次に、基板上に複数形成されたメモリセル
のうち、所望のセルにのみ情報を記録するには『1』、
『0』に対応する方向に印加する磁界と、その磁界に直
交する膜面内方向の磁界を所望のセルにのみ同時に印加
する。このようにすると２つの方向に磁界が印加された
メモリセルの磁化自由層の磁化のみ反転可能となり、選
択的な記録が行われる。記録磁界は導線に電流を流し、
これによって発生する磁界を利用することが好ましい。
また、磁界を発生させる導線として、メモリ素子の上部
あるいは下部に配されたビット線やワード線を利用すれ
ば、新たに記録磁界発生用の磁界印加手段を設ける必要
が無くなり好ましい。
のうち、所望のセルにのみ情報を記録するには『1』、
『0』に対応する方向に印加する磁界と、その磁界に直
交する膜面内方向の磁界を所望のセルにのみ同時に印加
する。このようにすると２つの方向に磁界が印加された
メモリセルの磁化自由層の磁化のみ反転可能となり、選
択的な記録が行われる。記録磁界は導線に電流を流し、
これによって発生する磁界を利用することが好ましい。
また、磁界を発生させる導線として、メモリ素子の上部
あるいは下部に配されたビット線やワード線を利用すれ
ば、新たに記録磁界発生用の磁界印加手段を設ける必要
が無くなり好ましい。
【００４７】（第２実施形態）本実施例においては、磁
性膜として垂直磁化膜を用いる。MRAMの記録密度を高く
するために、素子サイズを小さくしていくと、面内磁化
膜を使用したMRAMは反磁界あるいは端面の磁化のカーリ
ングといった影響から、情報を保持できなくなるという
問題が生じる場合がある。この問題を回避するために
は、例えば磁性膜の形状を長方形にすることが挙げられ
るが、この方法では素子サイズが小さくできないために
記録密度の向上があまり期待されない。そこで、例えば
特開平11-213650号公報で述べられているように垂直磁
化膜を用いることにより上記問題を回避しようとする提
案がなされている。この方法では素子サイズが小さくな
っても反磁界は増加しないので、面内磁化膜を用いたMR
AMよりも小さなサイズの磁気抵抗効果膜が実現可能であ
る。
性膜として垂直磁化膜を用いる。MRAMの記録密度を高く
するために、素子サイズを小さくしていくと、面内磁化
膜を使用したMRAMは反磁界あるいは端面の磁化のカーリ
ングといった影響から、情報を保持できなくなるという
問題が生じる場合がある。この問題を回避するために
は、例えば磁性膜の形状を長方形にすることが挙げられ
るが、この方法では素子サイズが小さくできないために
記録密度の向上があまり期待されない。そこで、例えば
特開平11-213650号公報で述べられているように垂直磁
化膜を用いることにより上記問題を回避しようとする提
案がなされている。この方法では素子サイズが小さくな
っても反磁界は増加しないので、面内磁化膜を用いたMR
AMよりも小さなサイズの磁気抵抗効果膜が実現可能であ
る。
【００４８】垂直磁化膜としては、Gd、Dy、Tb等の希土
類金属から選ばれる少なくとも１種類の元素とCo、Fe、
Ni等の遷移金属から選ばれる少なくとも１種類の元素の
合金膜や人工格子膜、Co/Pt等遷移金属と貴金属の人工
格子膜、CoCr等の膜面垂直方向の結晶磁気異方性を有す
る合金膜が主として挙げられる。
類金属から選ばれる少なくとも１種類の元素とCo、Fe、
Ni等の遷移金属から選ばれる少なくとも１種類の元素の
合金膜や人工格子膜、Co/Pt等遷移金属と貴金属の人工
格子膜、CoCr等の膜面垂直方向の結晶磁気異方性を有す
る合金膜が主として挙げられる。
【００４９】これらの材料の中で、希土類金属と遷移金
属の合金膜や人工格子膜は、角型比が１である磁化曲線
を示し、磁界を印加した場合に急峻な磁化反転を生じ
る。また、希土類金属原子のスピンと遷移金属原子のス
ピンは反平行に結合することから、面内磁化膜で主とし
て用いられるFe、Co、Niあるいはこれらの合金よりも飽
和磁化が小さく、非磁性膜を介して積層されている２つ
の磁性膜の間に働く静磁結合力が小さいため、希土類金
属と遷移金属の合金あるいは人工格子膜は、メモリ素子
として用いる磁気抵抗効果膜に適している。
属の合金膜や人工格子膜は、角型比が１である磁化曲線
を示し、磁界を印加した場合に急峻な磁化反転を生じ
る。また、希土類金属原子のスピンと遷移金属原子のス
ピンは反平行に結合することから、面内磁化膜で主とし
て用いられるFe、Co、Niあるいはこれらの合金よりも飽
和磁化が小さく、非磁性膜を介して積層されている２つ
の磁性膜の間に働く静磁結合力が小さいため、希土類金
属と遷移金属の合金あるいは人工格子膜は、メモリ素子
として用いる磁気抵抗効果膜に適している。
【００５０】まず、図9に磁気抵抗効果膜に用いられて
いる磁性膜がすべてフェロ磁性を示す場合の磁化状態を
示す。012、015が磁化自由層であり、011、014が磁化固
定層、013、016が非磁性層であり、スピントンネル磁気
抵抗効果膜を用いる場合には絶縁体とする。また、800
は記録磁界の向きである。
いる磁性膜がすべてフェロ磁性を示す場合の磁化状態を
示す。012、015が磁化自由層であり、011、014が磁化固
定層、013、016が非磁性層であり、スピントンネル磁気
抵抗効果膜を用いる場合には絶縁体とする。また、800
は記録磁界の向きである。
【００５１】２つの磁化自由層の磁化は記録磁界の方向
に向く。初期設定において、磁化固定層は一対の磁気抵
抗効果膜において反平行となっているために、図9（a）
のように記録磁界が上向きの場合には上の磁気抵抗効果
膜は、反平行状態となって抵抗は高くなり、下の磁気抵
抗効果膜は磁化が平行となり抵抗は低くなる。また、記
録磁界の向きが下向きの場合には、図9（b）のようにな
り、（a）とは逆の状態となる。従って、一方向の磁界
印加によって、一対の磁気抵抗効果膜において抵抗の異
なる状態とすることができる。
に向く。初期設定において、磁化固定層は一対の磁気抵
抗効果膜において反平行となっているために、図9（a）
のように記録磁界が上向きの場合には上の磁気抵抗効果
膜は、反平行状態となって抵抗は高くなり、下の磁気抵
抗効果膜は磁化が平行となり抵抗は低くなる。また、記
録磁界の向きが下向きの場合には、図9（b）のようにな
り、（a）とは逆の状態となる。従って、一方向の磁界
印加によって、一対の磁気抵抗効果膜において抵抗の異
なる状態とすることができる。
【００５２】次に、磁化固定層としてフェロ磁性体を用
い、磁化自由層にフェリ磁性体を用いた場合の例を図1
0、11に示す。
い、磁化自由層にフェリ磁性体を用いた場合の例を図1
0、11に示す。
【００５３】フェリ磁性体の組成は大きく分けて希土類
金属副格子磁化優勢であるものと遷移金属副格子磁化優
勢であるものがある。図10に示すように磁化固定層の磁
化方向を２つの磁気抵抗効果膜の間で反平行となる様に
初期設定した場合には、磁化自由層は両磁気抵抗効果膜
において希土類金属副格子磁化優勢とするかあるいは遷
移金属副格子磁化優勢とするかどちらかにしておく。
尚、821は遷移金属副格子磁化を示し、822は希土類金属
副格子磁化を示す。従って、図10に示すように、磁化自
由層は遷移金属副格子磁化が優勢となっている。磁気抵
抗効果は遷移金属原子のスピンの向きに大きく依存する
ため、磁化固定層の磁化が遷移金属原子によるものであ
り、磁化自由層が遷移金属副格子磁化優勢であるとする
と、遷移金族と希土類金属の磁化を合わせた正味の磁化
方向が平行であれば抵抗は小さく、反平行であれば抵抗
は大きい。また磁化自由層が希土類金属優勢であるとす
ると、正味の磁化方向が平行であれば抵抗は大きく、反
平行であれば抵抗は小さくなる。図10に示すように、や
はり一方向の記録磁界の印加により、一対の磁気抵抗効
果膜において異なる抵抗の状態を作り出すことができ
る。
金属副格子磁化優勢であるものと遷移金属副格子磁化優
勢であるものがある。図10に示すように磁化固定層の磁
化方向を２つの磁気抵抗効果膜の間で反平行となる様に
初期設定した場合には、磁化自由層は両磁気抵抗効果膜
において希土類金属副格子磁化優勢とするかあるいは遷
移金属副格子磁化優勢とするかどちらかにしておく。
尚、821は遷移金属副格子磁化を示し、822は希土類金属
副格子磁化を示す。従って、図10に示すように、磁化自
由層は遷移金属副格子磁化が優勢となっている。磁気抵
抗効果は遷移金属原子のスピンの向きに大きく依存する
ため、磁化固定層の磁化が遷移金属原子によるものであ
り、磁化自由層が遷移金属副格子磁化優勢であるとする
と、遷移金族と希土類金属の磁化を合わせた正味の磁化
方向が平行であれば抵抗は小さく、反平行であれば抵抗
は大きい。また磁化自由層が希土類金属優勢であるとす
ると、正味の磁化方向が平行であれば抵抗は大きく、反
平行であれば抵抗は小さくなる。図10に示すように、や
はり一方向の記録磁界の印加により、一対の磁気抵抗効
果膜において異なる抵抗の状態を作り出すことができ
る。
【００５４】また、図１１に示すように磁化固定層の磁
化方向を２つの磁気抵抗効果膜の間で平行にした場合に
おいては、磁化自由層の組成を調整し、２つの磁気抵抗
効果膜のうち一方の磁化自由層を希土類金属副格子磁化
優勢とし他方を遷移金属副格子磁化優勢とする。このよ
うにすると同方向の磁界を印加しても一方の磁気抵抗効
果膜は抵抗が大きく、他方の磁気抵抗効果膜は抵抗が小
さくすることができ、抵抗が異なる状態を作り出すこと
ができる。図11（a）（ｂ）は、上の磁気抵抗効果膜が
遷移金属副格子磁化821が優勢な組成であり、下の磁気
抵抗効果膜が希土類金属副格子磁化822が優勢な組成、
図11（c）(d)はその逆となっている。
化方向を２つの磁気抵抗効果膜の間で平行にした場合に
おいては、磁化自由層の組成を調整し、２つの磁気抵抗
効果膜のうち一方の磁化自由層を希土類金属副格子磁化
優勢とし他方を遷移金属副格子磁化優勢とする。このよ
うにすると同方向の磁界を印加しても一方の磁気抵抗効
果膜は抵抗が大きく、他方の磁気抵抗効果膜は抵抗が小
さくすることができ、抵抗が異なる状態を作り出すこと
ができる。図11（a）（ｂ）は、上の磁気抵抗効果膜が
遷移金属副格子磁化821が優勢な組成であり、下の磁気
抵抗効果膜が希土類金属副格子磁化822が優勢な組成、
図11（c）(d)はその逆となっている。
【００５５】さらに、磁化固定層、磁化自由層の両方と
もをフェリ磁性層とする構成も可能である。
もをフェリ磁性層とする構成も可能である。
【００５６】まず、図12に、磁化固定層を遷移金属副格
子磁化優勢な組成で反平行となった構成を示す。図12
（a）(b)は、磁化自由層が遷移金属副格子磁化821優勢
な組成となっている。また、図１２（c）(d)において
は、磁化自由層が希土類金属副格子磁化優勢な組成とな
っている。このような組成においては、初期状態におい
て、磁化固定層の遷移金属副格子磁化が各々反平行とな
っているために、磁化自由層の遷移金属副格子磁化は各
々平行になるように組成を調整すればよい。そうするこ
とによって、一方向の磁界印加によって、それぞれ異な
る抵抗値を有する磁化状態が達成される。
子磁化優勢な組成で反平行となった構成を示す。図12
（a）(b)は、磁化自由層が遷移金属副格子磁化821優勢
な組成となっている。また、図１２（c）(d)において
は、磁化自由層が希土類金属副格子磁化優勢な組成とな
っている。このような組成においては、初期状態におい
て、磁化固定層の遷移金属副格子磁化が各々反平行とな
っているために、磁化自由層の遷移金属副格子磁化は各
々平行になるように組成を調整すればよい。そうするこ
とによって、一方向の磁界印加によって、それぞれ異な
る抵抗値を有する磁化状態が達成される。
【００５７】次に、図13に磁化固定層の組成が一方は遷
移金属副格子磁化優勢、他方は希土類金属副格子磁化優
勢な組成とし、磁化固定層の遷移金属副格子磁化が各々
反平行な構成を示す。図１３（a）（ｂ）は磁化自由層
はどちらも遷移金属副格子磁化優勢である組成、図１３
（c）（ｄ）は磁化自由層はどちらも希土類金属副格子
磁化優勢である組成を示す。ただし、２つの磁気抵抗効
果膜において磁化固定層011,014の正味の磁化方向は平
行としておく。ここで正味の磁化方向とは、希土類金属
副格子磁化と遷移金属副格子磁化の合成磁化を示す。こ
のような構成においても、初期設定において、遷移金属
副格子磁化が反平行となっているために、磁化自由層の
遷移金属副格子磁化は平行となるような組成とする。図
からも明らかなように、一方の磁界印加によって、それ
ぞれ異なる抵抗値を有する磁化状態が達成される。
移金属副格子磁化優勢、他方は希土類金属副格子磁化優
勢な組成とし、磁化固定層の遷移金属副格子磁化が各々
反平行な構成を示す。図１３（a）（ｂ）は磁化自由層
はどちらも遷移金属副格子磁化優勢である組成、図１３
（c）（ｄ）は磁化自由層はどちらも希土類金属副格子
磁化優勢である組成を示す。ただし、２つの磁気抵抗効
果膜において磁化固定層011,014の正味の磁化方向は平
行としておく。ここで正味の磁化方向とは、希土類金属
副格子磁化と遷移金属副格子磁化の合成磁化を示す。こ
のような構成においても、初期設定において、遷移金属
副格子磁化が反平行となっているために、磁化自由層の
遷移金属副格子磁化は平行となるような組成とする。図
からも明らかなように、一方の磁界印加によって、それ
ぞれ異なる抵抗値を有する磁化状態が達成される。
【００５８】次に、図14に２つの磁気抵抗効果膜の磁化
固定層がどちらも遷移金属副格子磁化優勢あるいは希土
類金属副格子磁化優勢であり、遷移金属副格子磁化が平
行となった構成を示す。図１４（a）(b)においては磁化
固定層が遷移金属副格子磁化優勢となっており、図１４
（ｃ）（ｄ）においては、希土類金属副格子磁化優勢な
組成となっている。磁化自由層は、図１４（a）（ｂ）
（ｃ）（ｄ）いずれも上の磁気抵抗効果膜においては、
遷移金属副格子磁化が優勢な組成となっており、下の磁
気抵抗効果膜は希土類金属副格子磁化が優勢な組成とな
っている。ただし、磁化固定層の正味の磁化方向は２つ
の磁気抵抗効果膜の間で平行にしておく。このような構
成においては、初期設定において、磁化固定層の遷移金
属副格子磁化が平行となっているために、一方向の記録
磁界の印加によって、磁化自由層の遷移金属副格子磁化
が反平行となるような組成としておけばよい。図からも
明らかなように、一方向の磁界印加によって、それぞれ
異なる抵抗値を有する磁化状態が達成される。
固定層がどちらも遷移金属副格子磁化優勢あるいは希土
類金属副格子磁化優勢であり、遷移金属副格子磁化が平
行となった構成を示す。図１４（a）(b)においては磁化
固定層が遷移金属副格子磁化優勢となっており、図１４
（ｃ）（ｄ）においては、希土類金属副格子磁化優勢な
組成となっている。磁化自由層は、図１４（a）（ｂ）
（ｃ）（ｄ）いずれも上の磁気抵抗効果膜においては、
遷移金属副格子磁化が優勢な組成となっており、下の磁
気抵抗効果膜は希土類金属副格子磁化が優勢な組成とな
っている。ただし、磁化固定層の正味の磁化方向は２つ
の磁気抵抗効果膜の間で平行にしておく。このような構
成においては、初期設定において、磁化固定層の遷移金
属副格子磁化が平行となっているために、一方向の記録
磁界の印加によって、磁化自由層の遷移金属副格子磁化
が反平行となるような組成としておけばよい。図からも
明らかなように、一方向の磁界印加によって、それぞれ
異なる抵抗値を有する磁化状態が達成される。
【００５９】まとめると、フェリ磁性体を磁化自由層に
用いた構成においては、初期設定において、２つの磁気
抵抗効果膜の磁化固定層の遷移金属副格子磁化が平行で
ある場合には、記録時の磁界印加によって２つの磁気抵
抗効果素子の磁化自由層の遷移金属副格子磁化が反平行
となるような組成とし、磁化固定層の遷移金属副格子磁
化が反平行な場合には、やはり記録時の磁界印加によっ
て磁化自由層の遷移金属の磁化が平行となる様に組成を
調整すればよい。また、記録時の磁界は、０と１を記録
するために２方向適宜印加されるわけであるが、図にも
示したように、例えば上向きの磁界によって、一方の磁
気抵抗効果膜の抵抗が高い状態とし、他方の磁気抵抗効
果膜の抵抗は低い状態、下向きの磁界印加によってその
逆の状態となるように磁化自由層、磁化固定層の組成、
初期設定における磁化方向を規定する。
用いた構成においては、初期設定において、２つの磁気
抵抗効果膜の磁化固定層の遷移金属副格子磁化が平行で
ある場合には、記録時の磁界印加によって２つの磁気抵
抗効果素子の磁化自由層の遷移金属副格子磁化が反平行
となるような組成とし、磁化固定層の遷移金属副格子磁
化が反平行な場合には、やはり記録時の磁界印加によっ
て磁化自由層の遷移金属の磁化が平行となる様に組成を
調整すればよい。また、記録時の磁界は、０と１を記録
するために２方向適宜印加されるわけであるが、図にも
示したように、例えば上向きの磁界によって、一方の磁
気抵抗効果膜の抵抗が高い状態とし、他方の磁気抵抗効
果膜の抵抗は低い状態、下向きの磁界印加によってその
逆の状態となるように磁化自由層、磁化固定層の組成、
初期設定における磁化方向を規定する。
【００６０】次に、基板上に複数配されたメモリセルの
中から選択的に所望のものだけに記録を行なう方法を説
明する。図15にメモリを上面から見た平面図を示す。メ
モリセルの間に電流を流して記録磁界を誘起させるため
の導線を配し、記録磁界が膜面垂直方向の同方向に発生
するように、所望の磁気抵抗効果膜の周りの導線に電流
を流す。そうすることにより所望のメモリセルのみに強
い磁界が印加され選択的に記録が行われる。例えば図15
中のメモリセル150に記録を行う場合、導線713、722、7
12、723に図中に記載した矢印の方向に電流を流す。す
るとメモリ素子150には紙面裏方向に向かって記録磁界
が印加される。また、各導線の上下にさらに導線を設け
4本以上の導線を用いて磁界を印加しても良い。
中から選択的に所望のものだけに記録を行なう方法を説
明する。図15にメモリを上面から見た平面図を示す。メ
モリセルの間に電流を流して記録磁界を誘起させるため
の導線を配し、記録磁界が膜面垂直方向の同方向に発生
するように、所望の磁気抵抗効果膜の周りの導線に電流
を流す。そうすることにより所望のメモリセルのみに強
い磁界が印加され選択的に記録が行われる。例えば図15
中のメモリセル150に記録を行う場合、導線713、722、7
12、723に図中に記載した矢印の方向に電流を流す。す
るとメモリ素子150には紙面裏方向に向かって記録磁界
が印加される。また、各導線の上下にさらに導線を設け
4本以上の導線を用いて磁界を印加しても良い。
【００６１】あるいは別の方法として図16に示すように
メモリセル間と上部に導線を配し、メモリセル間にある
導線によって磁気抵抗効果膜に対して膜面垂直方向に磁
界を印加し、同時にメモリ上部の導線によってメモリ素
子に対して膜面内方向に磁界を印加する。このようにす
ると膜面内方向と膜面垂直方向の両方向に磁界が印加さ
れているメモリセルにのみ記録を行うことが可能であ
り、図１５の構成に比べて記録密度を高めることも可能
である。
メモリセル間と上部に導線を配し、メモリセル間にある
導線によって磁気抵抗効果膜に対して膜面垂直方向に磁
界を印加し、同時にメモリ上部の導線によってメモリ素
子に対して膜面内方向に磁界を印加する。このようにす
ると膜面内方向と膜面垂直方向の両方向に磁界が印加さ
れているメモリセルにのみ記録を行うことが可能であ
り、図１５の構成に比べて記録密度を高めることも可能
である。
【００６２】上記のように磁界を発生させるための導線
を別に設けても良いが、読み出し時に用いるビット線や
ワード線を利用しても良い。
を別に設けても良いが、読み出し時に用いるビット線や
ワード線を利用しても良い。
【００６３】
【実施例】以下、実施例をあげて本発明を更に詳細に説
明する。
明する。
【００６４】（実施例１）図４に、本実施例のメモリの
断面の概略図を示す。
断面の概略図を示す。
【００６５】表面酸化処理されたSiウエハー001上に、
ビット線642、スピントンネル磁気抵抗効果膜124〜12
6、メモリセル選択用のダイオード224〜226、ワード線6
21〜623を形成する。その後、Al2O3からなる絶縁体700
を形成し、さらにワード線611〜613、ダイオード214〜2
16、スピントンネル磁気抵抗効果膜114〜116そしてビッ
ト線632を形成する。114と124、115と125、116と126が
それぞれ対となって1ビットを形成している。また、一
対のスピントンネル磁気抵抗効果膜とビット線とダイオ
ード、ワード線でメモリセルが形成されている。ビット
線およびワード線はAlにより作成した。また，ダイオー
ドは例えばアモルファスシリコンなどで作成すればよ
い。
ビット線642、スピントンネル磁気抵抗効果膜124〜12
6、メモリセル選択用のダイオード224〜226、ワード線6
21〜623を形成する。その後、Al2O3からなる絶縁体700
を形成し、さらにワード線611〜613、ダイオード214〜2
16、スピントンネル磁気抵抗効果膜114〜116そしてビッ
ト線632を形成する。114と124、115と125、116と126が
それぞれ対となって1ビットを形成している。また、一
対のスピントンネル磁気抵抗効果膜とビット線とダイオ
ード、ワード線でメモリセルが形成されている。ビット
線およびワード線はAlにより作成した。また，ダイオー
ドは例えばアモルファスシリコンなどで作成すればよ
い。
【００６６】図5にスピントンネル磁気抵抗効果膜の膜
構成を示す。一対のスピントンネル磁気抵抗効果膜は同
じ膜構成を持ち、30nmの膜厚のNi80Fe20膜005と20nmの
膜厚のCo70Fe30膜006により1.5nmの膜厚のAl2O3薄膜007
を挟んだ多層膜である。なお，この際の磁化方向は膜面
内方向となっている。磁性膜の成膜時には磁界を印加し
て一軸磁気異方性を持たせている。一軸磁気異方性の方
向にNi80Fe20膜005の磁化反転磁界は約800A/mでCo70Fe
30膜006の磁化反転磁界は約5kA/mであった。したがって
２つの磁気抵抗効果膜の一軸磁気異方性を有する方向に
印加される記録磁界の大きさを800A/mよりも大きくかつ
5kA/mよりも小さい値とすることで、Ni8 0Fe20膜005の磁
化のみ反転させることが可能である。あるいは、膜面内
方向でかつ一軸磁気異方性の方向と直交する方向にさら
なる磁界を印加した場合、一軸磁気異方性の方向に印加
する磁界の大きさは、上記磁界範囲よりも小さな値で磁
化反転可能となる。
構成を示す。一対のスピントンネル磁気抵抗効果膜は同
じ膜構成を持ち、30nmの膜厚のNi80Fe20膜005と20nmの
膜厚のCo70Fe30膜006により1.5nmの膜厚のAl2O3薄膜007
を挟んだ多層膜である。なお，この際の磁化方向は膜面
内方向となっている。磁性膜の成膜時には磁界を印加し
て一軸磁気異方性を持たせている。一軸磁気異方性の方
向にNi80Fe20膜005の磁化反転磁界は約800A/mでCo70Fe
30膜006の磁化反転磁界は約5kA/mであった。したがって
２つの磁気抵抗効果膜の一軸磁気異方性を有する方向に
印加される記録磁界の大きさを800A/mよりも大きくかつ
5kA/mよりも小さい値とすることで、Ni8 0Fe20膜005の磁
化のみ反転させることが可能である。あるいは、膜面内
方向でかつ一軸磁気異方性の方向と直交する方向にさら
なる磁界を印加した場合、一軸磁気異方性の方向に印加
する磁界の大きさは、上記磁界範囲よりも小さな値で磁
化反転可能となる。
【００６７】また、２つの磁気抵抗効果膜の磁化固定層
となるCo70Fe30膜006の磁化は平行に初期設定する。ま
た本実施例においては、ワード線に電流を流して発生す
る磁界によって、磁化自由層の磁化方向を決定する。
となるCo70Fe30膜006の磁化は平行に初期設定する。ま
た本実施例においては、ワード線に電流を流して発生す
る磁界によって、磁化自由層の磁化方向を決定する。
【００６８】記録時にはワード線とビット線に電流を流
し、磁性膜の一軸磁気異方性を有する方向および、一軸
磁気異方性を有する方向に垂直でかつ膜面内方向に磁界
を印加し、特定のメモリセルを選択して記録を行う。本
実施例では、ビット線から生じる磁界は磁性膜に対して
一軸磁気異方性と直交する方向に印加され、ワード線か
ら生じる磁界は一軸磁気異方性の方向に印加される。こ
のとき上下に積層されている２本のワード線から発生す
る記録磁界は、その上下に積層されている２つのスピン
トンネル磁気抵抗効果膜のどちらにも作用する。例え
ば、ワード線611から発生する記録磁界はスピントンネ
ル磁気抵抗効果膜114と124の両方に作用し、ワード線62
1から発生する記録磁界についても同様である。このよ
うにすると、一本のワード線から発生する磁界のみで記
録を行う場合よりも少ない電流で記録可能となる。また
ワード線に流す電流の方向を変えることにより『0』と
『1』を区別して記録している。
し、磁性膜の一軸磁気異方性を有する方向および、一軸
磁気異方性を有する方向に垂直でかつ膜面内方向に磁界
を印加し、特定のメモリセルを選択して記録を行う。本
実施例では、ビット線から生じる磁界は磁性膜に対して
一軸磁気異方性と直交する方向に印加され、ワード線か
ら生じる磁界は一軸磁気異方性の方向に印加される。こ
のとき上下に積層されている２本のワード線から発生す
る記録磁界は、その上下に積層されている２つのスピン
トンネル磁気抵抗効果膜のどちらにも作用する。例え
ば、ワード線611から発生する記録磁界はスピントンネ
ル磁気抵抗効果膜114と124の両方に作用し、ワード線62
1から発生する記録磁界についても同様である。このよ
うにすると、一本のワード線から発生する磁界のみで記
録を行う場合よりも少ない電流で記録可能となる。また
ワード線に流す電流の方向を変えることにより『0』と
『1』を区別して記録している。
【００６９】図6は本実施例の等価回路図である。本実
施例においては上述したように、磁気抵抗効果膜として
スピントンネル磁気抵抗効果膜を用いている。図6にお
いては、説明のために、対となって1ビットのメモリセ
ルを形成するスピントンネル磁気抵抗効果膜111、121な
どを上下に分けて書いている。まず基板上に、スピント
ンネル磁気抵抗効果膜121〜129が形成され、膜面法線方
向にスピントンネル磁気抵抗効果素子111〜119が積層さ
れた構成となり、上下２つのスピントンネル磁気抵抗効
果膜が対となって1ビットのメモリセルを形成してい
る。例えばスピントンネル磁気抵抗効果膜115と125を有
するメモリセルに記録を行う場合、トランジスタ333、3
25、322、337、332、312、315、336、363、355、352、3
68、362、342、345、366をONにし、その他のトランジス
タはOFFにしておく。そのようにすると、電源402により
ビット線632に、電源406によりビット線642に電流が流
れ、スピントンネル磁気抵抗効果膜114、115、116およ
び124、125、126の一軸磁気異方性の方向と垂直な方向
に磁界が印加される。また同時に電源401によりワード
線612に、電源405によりワード線622に電流が流れ、ス
ピントンネル磁気抵抗効果膜112、115、118および122、
125、128の一軸磁気異方性の方向に磁界が印加される。
ただし、ワード線612と622から発生する磁界の方向は同
方向となる様に電流を流す。複数のスピントンネル磁気
抵抗効果膜の中で、２方向の磁界が同時に印加されるも
のは115と125のみであり、したがって選択的に記録が行
われることになる。また、スピントンネル磁気抵抗効果
膜115および125に電流が流れないようにするためにワー
ド線の電位はビット線の電位よりも高くしておく。
施例においては上述したように、磁気抵抗効果膜として
スピントンネル磁気抵抗効果膜を用いている。図6にお
いては、説明のために、対となって1ビットのメモリセ
ルを形成するスピントンネル磁気抵抗効果膜111、121な
どを上下に分けて書いている。まず基板上に、スピント
ンネル磁気抵抗効果膜121〜129が形成され、膜面法線方
向にスピントンネル磁気抵抗効果素子111〜119が積層さ
れた構成となり、上下２つのスピントンネル磁気抵抗効
果膜が対となって1ビットのメモリセルを形成してい
る。例えばスピントンネル磁気抵抗効果膜115と125を有
するメモリセルに記録を行う場合、トランジスタ333、3
25、322、337、332、312、315、336、363、355、352、3
68、362、342、345、366をONにし、その他のトランジス
タはOFFにしておく。そのようにすると、電源402により
ビット線632に、電源406によりビット線642に電流が流
れ、スピントンネル磁気抵抗効果膜114、115、116およ
び124、125、126の一軸磁気異方性の方向と垂直な方向
に磁界が印加される。また同時に電源401によりワード
線612に、電源405によりワード線622に電流が流れ、ス
ピントンネル磁気抵抗効果膜112、115、118および122、
125、128の一軸磁気異方性の方向に磁界が印加される。
ただし、ワード線612と622から発生する磁界の方向は同
方向となる様に電流を流す。複数のスピントンネル磁気
抵抗効果膜の中で、２方向の磁界が同時に印加されるも
のは115と125のみであり、したがって選択的に記録が行
われることになる。また、スピントンネル磁気抵抗効果
膜115および125に電流が流れないようにするためにワー
ド線の電位はビット線の電位よりも高くしておく。
【００７０】上述の記録が例えば『1』を記録する動作
であるとすると、『0』を記録する場合は、トランジス
タ333、325、322、337、335、315、312、331、363、35
5、352、368、365、345、342、361をONにし、その他の
トランジスタはOFFにしておく。そのようにすると、先
程と同様にビット線632と642から磁界が発生し、ワード
線612と622から先程とは逆の方向の磁界が発生し、スピ
ントンネル磁気抵抗効果膜115と125に『0』が記録され
る。
であるとすると、『0』を記録する場合は、トランジス
タ333、325、322、337、335、315、312、331、363、35
5、352、368、365、345、342、361をONにし、その他の
トランジスタはOFFにしておく。そのようにすると、先
程と同様にビット線632と642から磁界が発生し、ワード
線612と622から先程とは逆の方向の磁界が発生し、スピ
ントンネル磁気抵抗効果膜115と125に『0』が記録され
る。
【００７１】読み出しは固定抵抗とスピントンネル磁気
抵抗効果膜を直列に接続し、この２つの抵抗の接続点の
電位を検出することにより達成される。例えば、スピン
トンネル磁気抵抗効果膜115と125に記録された情報を読
み出すには、トランジスタ334、325、322、338、315、3
36、364、355、352、367、345、366をONにし、その他の
トランジスタをOFFにしておく。このようにすると、電
源403、固定抵抗101、スピントンネル磁気抵抗効果膜11
5が直列に接続され、電源電圧は、この２つの抵抗に分
圧される。つまり、スピントンネル磁気抵抗効果膜115
の抵抗値が高い場合と低い場合で、２つの抵抗の接続点
の電位は異なる。また、電源407、固定抵抗102、スピン
トンネル磁気抵抗効果膜125も直列に接続されており、
上記と同様にこの２つの抵抗の接続点の電位はスピント
ンネル磁気抵抗効果膜125の抵抗値によって異なる。
抵抗効果膜を直列に接続し、この２つの抵抗の接続点の
電位を検出することにより達成される。例えば、スピン
トンネル磁気抵抗効果膜115と125に記録された情報を読
み出すには、トランジスタ334、325、322、338、315、3
36、364、355、352、367、345、366をONにし、その他の
トランジスタをOFFにしておく。このようにすると、電
源403、固定抵抗101、スピントンネル磁気抵抗効果膜11
5が直列に接続され、電源電圧は、この２つの抵抗に分
圧される。つまり、スピントンネル磁気抵抗効果膜115
の抵抗値が高い場合と低い場合で、２つの抵抗の接続点
の電位は異なる。また、電源407、固定抵抗102、スピン
トンネル磁気抵抗効果膜125も直列に接続されており、
上記と同様にこの２つの抵抗の接続点の電位はスピント
ンネル磁気抵抗効果膜125の抵抗値によって異なる。
【００７２】上述したように1ビットを記録する一対の
スピントンネル磁気抵抗効果膜は、一方の抵抗が高くな
っている場合は他方の抵抗は低くなっているので、セン
スアンプ500の入力側には必ず、一方は高い電圧が他方
は低い電圧が入力され、どちらの電圧が高いかを検出す
ることにより記録されている情報を読み出すことが可能
である。
スピントンネル磁気抵抗効果膜は、一方の抵抗が高くな
っている場合は他方の抵抗は低くなっているので、セン
スアンプ500の入力側には必ず、一方は高い電圧が他方
は低い電圧が入力され、どちらの電圧が高いかを検出す
ることにより記録されている情報を読み出すことが可能
である。
【００７３】（実施例2）図7に本実施形態のメモリの断
面を概略的に示す。表面酸化処理されたSiウエハー001
上に、ビット線642、スピントンネル磁気抵抗効果膜124
〜126、ダイオード224〜226、ワード線621〜623を形成
する。その後、Al2O3により絶縁体700を形成し、さらに
その上にビット線632、スピントンネル磁気抵抗効果膜1
14〜116、ダイオード214〜216そしてワード線611〜613
を形成する。ビット線およびワード線はAlにより作成す
る。またダイオードはアモルファスシリコンにより作成
した。スピントンネル磁気抵抗効果膜は図５で示した実
施例1と同じ膜構成のものを用いている。ただし、１つ
のメモリセルを構成する２つのスピントンネル磁気抵抗
効果膜はCo70Fe30膜006の磁化方向がお互いに反平行に
向くように成膜時に印加する磁界の方向を変えて初期設
定して作成している。
面を概略的に示す。表面酸化処理されたSiウエハー001
上に、ビット線642、スピントンネル磁気抵抗効果膜124
〜126、ダイオード224〜226、ワード線621〜623を形成
する。その後、Al2O3により絶縁体700を形成し、さらに
その上にビット線632、スピントンネル磁気抵抗効果膜1
14〜116、ダイオード214〜216そしてワード線611〜613
を形成する。ビット線およびワード線はAlにより作成す
る。またダイオードはアモルファスシリコンにより作成
した。スピントンネル磁気抵抗効果膜は図５で示した実
施例1と同じ膜構成のものを用いている。ただし、１つ
のメモリセルを構成する２つのスピントンネル磁気抵抗
効果膜はCo70Fe30膜006の磁化方向がお互いに反平行に
向くように成膜時に印加する磁界の方向を変えて初期設
定して作成している。
【００７４】図8は本実施例の等価回路図である。実施
例1と同様にスピントンネル磁気抵抗効果膜111と121、1
12と122、113と123、114と124、115と125、116と126、1
17と127、118と128、119と129はそれぞれ膜面法線方向
に積層して形成され、１ビットのメモリセルを構成して
いる。
例1と同様にスピントンネル磁気抵抗効果膜111と121、1
12と122、113と123、114と124、115と125、116と126、1
17と127、118と128、119と129はそれぞれ膜面法線方向
に積層して形成され、１ビットのメモリセルを構成して
いる。
【００７５】記録はビット線とワード線に電流を流して
磁界を発生させて行う。例えばスピン磁気抵抗効果膜11
5および125を有するメモリセルに記録を行う場合、トラ
ンジスタ332、312、315、336、363、355、352、368、36
2、341、342、343をONにし、その他のトランジスタはOF
Fにしておく。このようにするとワード線612に流れる電
流によりスピントンネル磁気抵抗効果膜112、115、118
および122、125、128の一軸磁気異方性の方向に磁界が
印加され、さらにビット線642に流れる電流によりスピ
ントンネル磁気抵抗効果膜114、115、116および124、12
5、126の一軸磁気異方性の方向に対して垂直な方向に磁
界が印加される。したがって、ビット線，ワード線によ
る磁界が同時に印加されるスピントンネル磁気抵抗効果
膜115および125のみ記録が行われる。さらに、逆の情報
を記録するにはワード線から発生する磁界の方向を先程
とは逆にすればよい。つまりトランジスタ331、312、31
5、335、363、355、352、368、362、341、342、343をON
にし、その他のトランジスタはOFFにし、ワード線612に
逆方向の電流を流す。
磁界を発生させて行う。例えばスピン磁気抵抗効果膜11
5および125を有するメモリセルに記録を行う場合、トラ
ンジスタ332、312、315、336、363、355、352、368、36
2、341、342、343をONにし、その他のトランジスタはOF
Fにしておく。このようにするとワード線612に流れる電
流によりスピントンネル磁気抵抗効果膜112、115、118
および122、125、128の一軸磁気異方性の方向に磁界が
印加され、さらにビット線642に流れる電流によりスピ
ントンネル磁気抵抗効果膜114、115、116および124、12
5、126の一軸磁気異方性の方向に対して垂直な方向に磁
界が印加される。したがって、ビット線，ワード線によ
る磁界が同時に印加されるスピントンネル磁気抵抗効果
膜115および125のみ記録が行われる。さらに、逆の情報
を記録するにはワード線から発生する磁界の方向を先程
とは逆にすればよい。つまりトランジスタ331、312、31
5、335、363、355、352、368、362、341、342、343をON
にし、その他のトランジスタはOFFにし、ワード線612に
逆方向の電流を流す。
【００７６】また、このときワード線の電圧はビット線
の電圧よりも高い値にしておき、スピントンネル磁気抵
抗効果膜に電流が流れないようにする。
の電圧よりも高い値にしておき、スピントンネル磁気抵
抗効果膜に電流が流れないようにする。
【００７７】また、スピントンネル磁気抵抗効果膜115
および125に記録された情報の読み出しは、トランジス
タ325、312、331、322、364、355、342、361、352、367
をONにし、その他のトランジスタはOFFにしておく。こ
のようにすると、電源403、固定抵抗101およびスピント
ンネル磁気抵抗効果膜115が直列に接続され、電源403の
電圧は固定抵抗101とスピントンネル磁気抵抗効果膜115
に分圧される。また、電源407、固定抵抗102およびスピ
ントンネル磁気抵抗効果膜125についても同様である。
情報が記録された後の一対のスピントンネル磁気抵抗効
果膜は、一方は抵抗が高くなるように磁化配向し、他方
は抵抗が低くなるように磁化配向している。したがっ
て、センスアンプ500へ入力される２つの電圧値は異な
り、この差を検出することで読み出し可能となる。
および125に記録された情報の読み出しは、トランジス
タ325、312、331、322、364、355、342、361、352、367
をONにし、その他のトランジスタはOFFにしておく。こ
のようにすると、電源403、固定抵抗101およびスピント
ンネル磁気抵抗効果膜115が直列に接続され、電源403の
電圧は固定抵抗101とスピントンネル磁気抵抗効果膜115
に分圧される。また、電源407、固定抵抗102およびスピ
ントンネル磁気抵抗効果膜125についても同様である。
情報が記録された後の一対のスピントンネル磁気抵抗効
果膜は、一方は抵抗が高くなるように磁化配向し、他方
は抵抗が低くなるように磁化配向している。したがっ
て、センスアンプ500へ入力される２つの電圧値は異な
り、この差を検出することで読み出し可能となる。
【００７８】（実施例3）本実施例においては、実施例2
と同様に１つのワード線とビット線を用いて記録を行な
う。本実施例の磁気抵抗効果膜の膜構成を図3を用いて
説明する。スピントンネル磁気抵抗効果膜121〜129は、
30nmの膜厚のNi80Fe20膜024と20nmの膜厚のCo70Fe30膜0
25により1.5nmの膜厚のAl2O3薄膜026を挟んだ構成と
し、スピントンネル磁気抵抗効果膜111〜119は、50nmの
膜厚のNi80Fe20膜、0.7nmのRu薄膜さらに10nmのNi80Fe
20膜を積層した積層フェリ構造030とし、さらに1.5nmの
膜厚のAl2O3薄膜023、20nmの膜厚のCo70Fe30膜022を順
次積層した。積層フェリ構造では、２つのNi80Fe20膜は
反強磁性結合しており、磁化方向が反平行を向くように
なっている。また、印加した磁界に対して膜厚の厚いNi
80Fe20膜の磁化が平行となり、反強磁性結合により膜厚
の薄いNi80Fe20膜は印加磁界に対して反平行となる。つ
まり記録時には、スピントンネル磁気抵抗効果膜121〜1
29の磁化の抵抗が低くなるように配向している場合に
は、スピントンネル磁気抵抗効果膜111〜119の磁化は抵
抗が高くなるように配向することになる。
と同様に１つのワード線とビット線を用いて記録を行な
う。本実施例の磁気抵抗効果膜の膜構成を図3を用いて
説明する。スピントンネル磁気抵抗効果膜121〜129は、
30nmの膜厚のNi80Fe20膜024と20nmの膜厚のCo70Fe30膜0
25により1.5nmの膜厚のAl2O3薄膜026を挟んだ構成と
し、スピントンネル磁気抵抗効果膜111〜119は、50nmの
膜厚のNi80Fe20膜、0.7nmのRu薄膜さらに10nmのNi80Fe
20膜を積層した積層フェリ構造030とし、さらに1.5nmの
膜厚のAl2O3薄膜023、20nmの膜厚のCo70Fe30膜022を順
次積層した。積層フェリ構造では、２つのNi80Fe20膜は
反強磁性結合しており、磁化方向が反平行を向くように
なっている。また、印加した磁界に対して膜厚の厚いNi
80Fe20膜の磁化が平行となり、反強磁性結合により膜厚
の薄いNi80Fe20膜は印加磁界に対して反平行となる。つ
まり記録時には、スピントンネル磁気抵抗効果膜121〜1
29の磁化の抵抗が低くなるように配向している場合に
は、スピントンネル磁気抵抗効果膜111〜119の磁化は抵
抗が高くなるように配向することになる。
【００７９】（実施例４）図17に本実施例のメモリの断
面を概略的に示す。本実施例においては、磁性膜に垂直
磁化膜を用いた構成となっている。表面酸化処理された
Siウエハー001上に、ビット線642、スピントンネル磁気
抵抗効果膜124〜126、メモリセル選択用のダイオード22
4〜226、ワード線621〜623を形成する。その後、Al2O3
により絶縁体700を形成し、さらにその上にワード線611
〜613、ダイオード214〜216、スピントンネル磁気抵抗
効果膜114〜116そしてビット線632を形成する。また、
対になって形成された磁気抵抗効果膜の間には記録磁界
発生用のX方向の導線711、712、713およびY方向の導線7
21〜728が設けてある。ビット線、ワード線および磁界
発生用の導線はAlにより作成した。２つのスピントンネ
ル磁気抵抗効果膜は同じ膜構成を持ち、Pt(4nm)/Co(1.4
nm)/Pt(1.5nm)/Co(0.4nm)の人工格子膜を作成し、その
後、1.5nmの膜厚のAl2O3薄膜からなる非磁性絶縁膜を形
成し、さらにその上にCo(0.6nm)/Pt(1.5nm)/Co(1.4nm)/
Pt(5nm)の人工格子膜を作成した。すなわち、磁化固定
層、磁化自由層の両磁性層ともフェロ磁性となってい
る。
面を概略的に示す。本実施例においては、磁性膜に垂直
磁化膜を用いた構成となっている。表面酸化処理された
Siウエハー001上に、ビット線642、スピントンネル磁気
抵抗効果膜124〜126、メモリセル選択用のダイオード22
4〜226、ワード線621〜623を形成する。その後、Al2O3
により絶縁体700を形成し、さらにその上にワード線611
〜613、ダイオード214〜216、スピントンネル磁気抵抗
効果膜114〜116そしてビット線632を形成する。また、
対になって形成された磁気抵抗効果膜の間には記録磁界
発生用のX方向の導線711、712、713およびY方向の導線7
21〜728が設けてある。ビット線、ワード線および磁界
発生用の導線はAlにより作成した。２つのスピントンネ
ル磁気抵抗効果膜は同じ膜構成を持ち、Pt(4nm)/Co(1.4
nm)/Pt(1.5nm)/Co(0.4nm)の人工格子膜を作成し、その
後、1.5nmの膜厚のAl2O3薄膜からなる非磁性絶縁膜を形
成し、さらにその上にCo(0.6nm)/Pt(1.5nm)/Co(1.4nm)/
Pt(5nm)の人工格子膜を作成した。すなわち、磁化固定
層、磁化自由層の両磁性層ともフェロ磁性となってい
る。
【００８０】膜の作成はすべてマグネトロンスパッタリ
ングにより行なった。人工格子膜はどちらも垂直磁化膜
であり、下部の人工格子膜の保磁力は約32kA/mで上部の
人工格子膜の保磁力は約23kA/mである。本実施例では下
部の人工格子膜を磁化固定層、上部の人工格子膜を磁化
自由層とする。記録時には所望のメモリセルに対して膜
面垂直方向に32kA/mよりも小さく23kA/mよりも大きな磁
界を印加することにより記録が可能である。記録磁界は
導線に流す電流の方向を変えることによって所望の方向
に印加可能である。磁化固定層の磁化方向は２つの磁気
抵抗効果膜の間では反平行に向いている。ただし、その
ような方向に磁化を向けるために、磁化固定層を成膜す
るときには初期設定したい方向に磁界を印加した。本実
施例の1ビットを形成する一対の磁気抵抗効果膜の磁化
状態を図9に示す。
ングにより行なった。人工格子膜はどちらも垂直磁化膜
であり、下部の人工格子膜の保磁力は約32kA/mで上部の
人工格子膜の保磁力は約23kA/mである。本実施例では下
部の人工格子膜を磁化固定層、上部の人工格子膜を磁化
自由層とする。記録時には所望のメモリセルに対して膜
面垂直方向に32kA/mよりも小さく23kA/mよりも大きな磁
界を印加することにより記録が可能である。記録磁界は
導線に流す電流の方向を変えることによって所望の方向
に印加可能である。磁化固定層の磁化方向は２つの磁気
抵抗効果膜の間では反平行に向いている。ただし、その
ような方向に磁化を向けるために、磁化固定層を成膜す
るときには初期設定したい方向に磁界を印加した。本実
施例の1ビットを形成する一対の磁気抵抗効果膜の磁化
状態を図9に示す。
【００８１】図18は本実施例の主に読み出しに関わる等
価回路図である。スピントンネル磁気抵抗効果膜111は1
21の膜面法線方向に積層され、この一対のスピントンネ
ル磁気抵抗効果膜にそれぞれ異なる磁化状態となる様に
し、1ビットを記録する。また、スピントンネル磁気抵
抗効果膜112と122、113と123、114と124、115と125、11
6と126、117と127、118と128、119と129についても同様
である。
価回路図である。スピントンネル磁気抵抗効果膜111は1
21の膜面法線方向に積層され、この一対のスピントンネ
ル磁気抵抗効果膜にそれぞれ異なる磁化状態となる様に
し、1ビットを記録する。また、スピントンネル磁気抵
抗効果膜112と122、113と123、114と124、115と125、11
6と126、117と127、118と128、119と129についても同様
である。
【００８２】読み出しは固定抵抗とスピントンネル磁気
抵抗効果膜を直列に接続し、この２つの抵抗の接続点の
電位を検出することにより達成される。例えば、スピン
トンネル磁気抵抗効果膜115と125に記録された情報を読
み出すには、トランジスタ325、322、312、345、342、3
32をONにし、その他のトランジスタをOFFにしておく。
このようにすると、電源401、固定抵抗101、スピントン
ネル磁気抵抗効果膜115が直列に接続され、電源電圧
は、この２つの抵抗に分圧される。つまり、スピントン
ネル磁気抵抗効果膜115の抵抗値が高い場合と低い場合
で、２つの抵抗の接続点の電位は異なる。また、電源40
2、固定抵抗102、スピントンネル磁気抵抗効果膜125も
直列に接続されており、この２つの抵抗の接続点の電位
はスピントンネル磁気抵抗効果膜125の抵抗値によって
異なる。1ビットを記録する２つのスピントンネル磁気
抵抗効果膜は、一方の抵抗が高くなっている場合は他方
の抵抗は低くなっているので、センスアンプ500の入力
側には必ず、一方は高い電圧が他方は低い電圧が入力さ
れ、どちらの電圧が高いかを検出することにより記録さ
れている情報を読み出すことが可能である。
抵抗効果膜を直列に接続し、この２つの抵抗の接続点の
電位を検出することにより達成される。例えば、スピン
トンネル磁気抵抗効果膜115と125に記録された情報を読
み出すには、トランジスタ325、322、312、345、342、3
32をONにし、その他のトランジスタをOFFにしておく。
このようにすると、電源401、固定抵抗101、スピントン
ネル磁気抵抗効果膜115が直列に接続され、電源電圧
は、この２つの抵抗に分圧される。つまり、スピントン
ネル磁気抵抗効果膜115の抵抗値が高い場合と低い場合
で、２つの抵抗の接続点の電位は異なる。また、電源40
2、固定抵抗102、スピントンネル磁気抵抗効果膜125も
直列に接続されており、この２つの抵抗の接続点の電位
はスピントンネル磁気抵抗効果膜125の抵抗値によって
異なる。1ビットを記録する２つのスピントンネル磁気
抵抗効果膜は、一方の抵抗が高くなっている場合は他方
の抵抗は低くなっているので、センスアンプ500の入力
側には必ず、一方は高い電圧が他方は低い電圧が入力さ
れ、どちらの電圧が高いかを検出することにより記録さ
れている情報を読み出すことが可能である。
【００８３】（実施例5）本実施例においては、図19に
示すように1ビットを形成する一対の磁気抵抗効果膜及
び隣接するビットにおいて、磁界を印加する導線を共有
化した構成となっている。図17と同様の機能を有するも
のには同様の番号を付し、詳細な説明は省くものとす
る。２つのスピントンネル磁気抵抗効果膜は同じ膜構成
のものを用い、磁化固定層は実施例4と同じ人工格子膜
を用い、磁化自由層は10nmの膜厚のGd2 0(Fe50Co50)80か
らなるフェリ磁性体を用いている。ここでGd20(Fe50Co
50)80膜は遷移金属副格子磁化優勢で、保磁力は約2.4kA
/mである。非磁性膜は1.5nmの膜厚のAl2O3薄膜である。
磁化固定層の磁化方向は２つの磁気抵抗効果膜の間で反
平行に向けてある。磁化状態の概略図を図１０（a）
（ｂ）に示す。
示すように1ビットを形成する一対の磁気抵抗効果膜及
び隣接するビットにおいて、磁界を印加する導線を共有
化した構成となっている。図17と同様の機能を有するも
のには同様の番号を付し、詳細な説明は省くものとす
る。２つのスピントンネル磁気抵抗効果膜は同じ膜構成
のものを用い、磁化固定層は実施例4と同じ人工格子膜
を用い、磁化自由層は10nmの膜厚のGd2 0(Fe50Co50)80か
らなるフェリ磁性体を用いている。ここでGd20(Fe50Co
50)80膜は遷移金属副格子磁化優勢で、保磁力は約2.4kA
/mである。非磁性膜は1.5nmの膜厚のAl2O3薄膜である。
磁化固定層の磁化方向は２つの磁気抵抗効果膜の間で反
平行に向けてある。磁化状態の概略図を図１０（a）
（ｂ）に示す。
【００８４】図20は本実施例の等価回路図である。図１
８と同様の機能を有するものには同様の番号を付し。詳
細な説明は省くものとする。本実施例においては、垂直
磁化膜からなる磁化自由層に対して、ビット線は磁気抵
抗効果膜の膜面内方向の磁界を印加する導線としても利
用している。
８と同様の機能を有するものには同様の番号を付し。詳
細な説明は省くものとする。本実施例においては、垂直
磁化膜からなる磁化自由層に対して、ビット線は磁気抵
抗効果膜の膜面内方向の磁界を印加する導線としても利
用している。
【００８５】図１９、２０を参照して、記録方法を説明
する。記録は所望の磁気抵抗効果膜に膜面垂直方向の磁
界を印加するための導線とメモリ素子に接続されている
ビット線に電流を流して磁界を発生させて行なう。例え
ばスピントンネル磁気抵抗効果膜115および125に記録を
行う場合、記録発生用の導線722、723に電流を流し、ス
ピントンネル磁気抵抗効果膜112、115、118、122、12
5、128に膜面垂直方向に磁界を印加する。また同時にト
ランジスタ311、312、313、322、325、351、353、356、
331、332、333、342、345、361、363、366をONにし、そ
の他のトランジスタはOFFにしておく。このようにする
とビット線632および642に電流が流れスピントンネル磁
気抵抗効果膜114、115、116および124、125、126の膜面
内方向に磁界が印加される。垂直磁化膜では膜面内方向
に磁界を印加した状態で膜面垂直方向で磁化反転させる
と、面内磁化膜が印加されていない場合に比べて小さな
保磁力を示すようになる。また、上記スピントンネル磁
気抵抗効果膜の中で膜面内方向の磁界と膜面垂直方向の
磁界が両方印加されている115および125のみ記録するこ
とが可能である。ただし、電源405および406は記録中に
スピン磁気抵抗効果膜に電流が流れないようにするもの
であり、各ダイオードにおいて逆電圧が印加されるよう
な大きさの電圧を持つものである。
する。記録は所望の磁気抵抗効果膜に膜面垂直方向の磁
界を印加するための導線とメモリ素子に接続されている
ビット線に電流を流して磁界を発生させて行なう。例え
ばスピントンネル磁気抵抗効果膜115および125に記録を
行う場合、記録発生用の導線722、723に電流を流し、ス
ピントンネル磁気抵抗効果膜112、115、118、122、12
5、128に膜面垂直方向に磁界を印加する。また同時にト
ランジスタ311、312、313、322、325、351、353、356、
331、332、333、342、345、361、363、366をONにし、そ
の他のトランジスタはOFFにしておく。このようにする
とビット線632および642に電流が流れスピントンネル磁
気抵抗効果膜114、115、116および124、125、126の膜面
内方向に磁界が印加される。垂直磁化膜では膜面内方向
に磁界を印加した状態で膜面垂直方向で磁化反転させる
と、面内磁化膜が印加されていない場合に比べて小さな
保磁力を示すようになる。また、上記スピントンネル磁
気抵抗効果膜の中で膜面内方向の磁界と膜面垂直方向の
磁界が両方印加されている115および125のみ記録するこ
とが可能である。ただし、電源405および406は記録中に
スピン磁気抵抗効果膜に電流が流れないようにするもの
であり、各ダイオードにおいて逆電圧が印加されるよう
な大きさの電圧を持つものである。
【００８６】また情報の読み出しは実施例４と同様に行
なえばよい。
なえばよい。
【００８７】（実施例6）実施例5で用いた１ビットを構
成する一対のスピントンネル磁気抵抗効果膜の一方の磁
化自由層の組成をGd25(Fe50Co50)75としてその他は同じ
ものとした。ここでGd25(Fe50Co50)75膜は希土類金属副
格子磁化優勢で、保磁力は約3.1kA/mである。磁化状態
を示す概略図を図1１に示す。本実施例においても、一
方向の磁界を印加することによって、1ビットを形成す
る一対の磁気抵抗効果膜を各々異なる磁化状態とし、異
なる抵抗値を有する状態とすることができる。
成する一対のスピントンネル磁気抵抗効果膜の一方の磁
化自由層の組成をGd25(Fe50Co50)75としてその他は同じ
ものとした。ここでGd25(Fe50Co50)75膜は希土類金属副
格子磁化優勢で、保磁力は約3.1kA/mである。磁化状態
を示す概略図を図1１に示す。本実施例においても、一
方向の磁界を印加することによって、1ビットを形成す
る一対の磁気抵抗効果膜を各々異なる磁化状態とし、異
なる抵抗値を有する状態とすることができる。
【００８８】（実施例7）実施例5で用いたスピントンネ
ル磁気抵抗効果膜の磁化固定層を10nmの膜厚のTb22(Fe
60Co40)78としてその他は同じものとした。ここでTb
22(Fe60Co40)78膜は遷移金属副格子磁化優勢で、保磁力
は約1.5MA/mである。図１２（a）(b)に磁化状態の概略
図を示す。図１２に示すように磁化固定層の正味の磁化
方向は反平行となる。本実施形態においても、一方向の
磁界の印加により、一対の磁気抵抗効果膜のそれぞれ
が，異なる抵抗値を有する状態とすることができる。
ル磁気抵抗効果膜の磁化固定層を10nmの膜厚のTb22(Fe
60Co40)78としてその他は同じものとした。ここでTb
22(Fe60Co40)78膜は遷移金属副格子磁化優勢で、保磁力
は約1.5MA/mである。図１２（a）(b)に磁化状態の概略
図を示す。図１２に示すように磁化固定層の正味の磁化
方向は反平行となる。本実施形態においても、一方向の
磁界の印加により、一対の磁気抵抗効果膜のそれぞれ
が，異なる抵抗値を有する状態とすることができる。
【００８９】（実施例8）実施例7で用いたスピントンネ
ル磁気抵抗効果膜の磁化自由層の組成をGd25(Fe 50Co50)
75としてその他は同じものとした。なお、磁化自由層、
Gd25(Fe50Co50)7 5は希土類金属副格子磁化優勢な構成と
なっている。図１２（ｃ）（ｄ）に本実施例の磁化状態
の概略図を示す。本実施形態においても、一方向の磁界
の印加により、一対の磁気抵抗効果膜のそれぞれが，異
なる抵抗値を有する状態とすることができる。
ル磁気抵抗効果膜の磁化自由層の組成をGd25(Fe 50Co50)
75としてその他は同じものとした。なお、磁化自由層、
Gd25(Fe50Co50)7 5は希土類金属副格子磁化優勢な構成と
なっている。図１２（ｃ）（ｄ）に本実施例の磁化状態
の概略図を示す。本実施形態においても、一方向の磁界
の印加により、一対の磁気抵抗効果膜のそれぞれが，異
なる抵抗値を有する状態とすることができる。
【００９０】（実施例9）実施例7で用いたスピントンネ
ル磁気抵抗効果膜の磁化固定層を10nmの膜厚のTb24(Fe
60Co40)76としてその他は同じものとした。ここでTb
24(Fe60Co40)76膜は希土類金属副格子磁化優勢で、保磁
力は約1.2MA/mである。実施例８において説明した、図
１２（ｃ）(ｄ)の磁化状態において。遷移金属副格子磁
化と希土類金属副格子磁化とが入れ替わった構成となっ
ている。本実施形態においても、一方向の磁界の印加に
より、一対の磁気抵抗効果膜のそれぞれが，異なる抵抗
値を有する状態とすることができる。
ル磁気抵抗効果膜の磁化固定層を10nmの膜厚のTb24(Fe
60Co40)76としてその他は同じものとした。ここでTb
24(Fe60Co40)76膜は希土類金属副格子磁化優勢で、保磁
力は約1.2MA/mである。実施例８において説明した、図
１２（ｃ）(ｄ)の磁化状態において。遷移金属副格子磁
化と希土類金属副格子磁化とが入れ替わった構成となっ
ている。本実施形態においても、一方向の磁界の印加に
より、一対の磁気抵抗効果膜のそれぞれが，異なる抵抗
値を有する状態とすることができる。
【００９１】（実施例10）実施例9で用いたスピントン
ネル磁気抵抗効果膜の磁化自由層の組成を希土類金属副
格子磁化優勢なGd25(Fe50Co50)75としてその他は同じも
のとした。本実施例の磁化状態は図１２（a）（ｂ）に
示した磁化状態における、遷移金属副格子磁化と希土類
金属副格子磁化が入れ替わったものであると考えればよ
い。本実施形態においても、一方向の磁界の印加によ
り、一対の磁気抵抗効果膜のそれぞれが，異なる抵抗値
を有する状態とすることができる。
ネル磁気抵抗効果膜の磁化自由層の組成を希土類金属副
格子磁化優勢なGd25(Fe50Co50)75としてその他は同じも
のとした。本実施例の磁化状態は図１２（a）（ｂ）に
示した磁化状態における、遷移金属副格子磁化と希土類
金属副格子磁化が入れ替わったものであると考えればよ
い。本実施形態においても、一方向の磁界の印加によ
り、一対の磁気抵抗効果膜のそれぞれが，異なる抵抗値
を有する状態とすることができる。
【００９２】（実施例11）実施例5で用いたスピントン
ネル磁気抵抗効果膜のうち121、122、123、124、125、1
26、127、128、129については磁化自由層の組成を希土
類金属優勢のGd25(Fe50Co50)75とし、111、112、113、1
14、115、116、117、118、119の磁化自由層の組成を遷
移金属優勢のGd20(Fe50Co50)80とした。また、磁化固定
層の磁化方向は平行とし、その他は同じものとした。本
実施例の磁化状態を示す概略図を図１１に示す。本実施
形態においても、一方向の磁界の印加により、一対の磁
気抵抗効果膜のそれぞれが，異なる抵抗値を有する状態
とすることができる。
ネル磁気抵抗効果膜のうち121、122、123、124、125、1
26、127、128、129については磁化自由層の組成を希土
類金属優勢のGd25(Fe50Co50)75とし、111、112、113、1
14、115、116、117、118、119の磁化自由層の組成を遷
移金属優勢のGd20(Fe50Co50)80とした。また、磁化固定
層の磁化方向は平行とし、その他は同じものとした。本
実施例の磁化状態を示す概略図を図１１に示す。本実施
形態においても、一方向の磁界の印加により、一対の磁
気抵抗効果膜のそれぞれが，異なる抵抗値を有する状態
とすることができる。
【００９３】（実施例12）実施例11で用いたスピントン
ネル磁気抵抗効果膜の磁化固定層を遷移金属副格子磁化
優勢であるTb22(Fe60Co40)78とし、その他は同じものと
した。本実施例の磁化状態を示す概略図を図１４に示
す。本実施形態においても、一方向の磁界の印加によ
り、一対の磁気抵抗効果膜のそれぞれが，異なる抵抗値
を有する状態とすることができる。
ネル磁気抵抗効果膜の磁化固定層を遷移金属副格子磁化
優勢であるTb22(Fe60Co40)78とし、その他は同じものと
した。本実施例の磁化状態を示す概略図を図１４に示
す。本実施形態においても、一方向の磁界の印加によ
り、一対の磁気抵抗効果膜のそれぞれが，異なる抵抗値
を有する状態とすることができる。
【００９４】（実施例13）実施例12で用いたスピントン
ネル磁気抵抗効果膜の磁化固定層を希土類金属副格子磁
化優勢であるTb24(Fe60Co40)76とし、その他は同じもの
とした。本実施例の磁化状態は、図１４における磁化固
定層の磁化状態を希土類金属副格子磁化優勢とした構成
である。本実施形態においても、一方向の磁界の印加に
より、一対の磁気抵抗効果膜のそれぞれが，異なる抵抗
値を有する状態とすることができる。
ネル磁気抵抗効果膜の磁化固定層を希土類金属副格子磁
化優勢であるTb24(Fe60Co40)76とし、その他は同じもの
とした。本実施例の磁化状態は、図１４における磁化固
定層の磁化状態を希土類金属副格子磁化優勢とした構成
である。本実施形態においても、一方向の磁界の印加に
より、一対の磁気抵抗効果膜のそれぞれが，異なる抵抗
値を有する状態とすることができる。
【００９５】（実施例14）実施例5で用いたスピントン
ネル磁気抵抗効果膜のうち121、122、123、124、125、1
26、127、128、129については磁化固定層の組成を希土
類金属優勢のTb24(Fe60Co40)76とし、111、112、113、1
14、115、116、117、118、119の磁化固定層の組成を遷
移金属優勢のTb22(Fe60Co40)78とした。また、磁化固定
層の磁化方向は平行とし、その他は同じものとした。図
１３に本実施例の磁化状態の概略図を示す。本実施形態
においても、一方向の磁界の印加により、一対の磁気抵
抗効果膜のそれぞれが，異なる抵抗値を有する状態とす
ることができる。
ネル磁気抵抗効果膜のうち121、122、123、124、125、1
26、127、128、129については磁化固定層の組成を希土
類金属優勢のTb24(Fe60Co40)76とし、111、112、113、1
14、115、116、117、118、119の磁化固定層の組成を遷
移金属優勢のTb22(Fe60Co40)78とした。また、磁化固定
層の磁化方向は平行とし、その他は同じものとした。図
１３に本実施例の磁化状態の概略図を示す。本実施形態
においても、一方向の磁界の印加により、一対の磁気抵
抗効果膜のそれぞれが，異なる抵抗値を有する状態とす
ることができる。
【００９６】（実施例15）実施例14で用いたスピントン
ネル磁気抵抗効果膜の磁化自由層の組成を希土類副格子
磁化優勢のGd25(Fe50Co50)75としてその他は同じものと
した。本実施形態においても、一方向の磁界の印加によ
り、一対の磁気抵抗効果膜のそれぞれが，異なる抵抗値
を有する状態とすることができる。
ネル磁気抵抗効果膜の磁化自由層の組成を希土類副格子
磁化優勢のGd25(Fe50Co50)75としてその他は同じものと
した。本実施形態においても、一方向の磁界の印加によ
り、一対の磁気抵抗効果膜のそれぞれが，異なる抵抗値
を有する状態とすることができる。
【００９７】
【発明の効果】以上説明したように本発明には以下の効
果がある。
果がある。
【００９８】印加磁界に対する抵抗変化が相反する２つ
の磁気抵抗効果膜を上下に積層し、その２つの磁気抵抗
効果膜に１ビットを記録することによって、読み出し信
号が大きくかつ記録密度の高いメモリとするとともに、
その２つの磁気抵抗効果膜の記録手段を共有することに
よって、記録時の消費電力を低減させるという効果があ
る。
の磁気抵抗効果膜を上下に積層し、その２つの磁気抵抗
効果膜に１ビットを記録することによって、読み出し信
号が大きくかつ記録密度の高いメモリとするとともに、
その２つの磁気抵抗効果膜の記録手段を共有することに
よって、記録時の消費電力を低減させるという効果があ
る。
【００９９】また、垂直磁化膜を用いかつ印加磁界に対
する抵抗変化が相反する２つの磁気抵抗効果膜を上下に
積層し、その２つの磁気抵抗効果膜に１ビットを記録す
ることによって、読み出し信号が大きくかつ記録密度の
高いメモリとするとともに、２つの磁気抵抗効果膜の記
録手段を共有することによって、記録時の消費電力を低
減させるという効果がある。また、記録磁界発生用の導
線を共有することが可能である。
する抵抗変化が相反する２つの磁気抵抗効果膜を上下に
積層し、その２つの磁気抵抗効果膜に１ビットを記録す
ることによって、読み出し信号が大きくかつ記録密度の
高いメモリとするとともに、２つの磁気抵抗効果膜の記
録手段を共有することによって、記録時の消費電力を低
減させるという効果がある。また、記録磁界発生用の導
線を共有することが可能である。
【図１】本発明の磁気磁気抵抗効果膜の一例における磁
化方向と記録磁界の方向を模式的に示す図である。
化方向と記録磁界の方向を模式的に示す図である。
【図２】本発明の磁気磁気抵抗効果膜の一例における磁
化方向と記録磁界の方向を模式的に示す図である。
化方向と記録磁界の方向を模式的に示す図である。
【図３】本発明の磁気磁気抵抗効果膜の一例における磁
化方向と記録磁界の方向を模式的に示す図である。
化方向と記録磁界の方向を模式的に示す図である。
【図４】実施例−１のメモリの断面を模式的に示した図
である。
である。
【図５】実施例−１のスピントンネル磁気抵抗効果膜を
示す図である。
示す図である。
【図６】実施例−１のメモリの電気回路の簡略図であ
る。
る。
【図７】実施例−2のメモリの断面を模式的に示した図
である。
である。
【図８】実施例−2のメモリの電気回路の簡略図であ
る。
る。
【図９】本発明のメモリに用いられる磁気抵抗効果膜の
磁化状態を模式的に示す概略図で、磁化固定層と磁化自
由層の両方にフェロ磁性を用いたものである。(a)は記
録磁界を上向きに印加した場合の磁化状態を示し、(b)
は記録磁界を下向きに印加した場合の磁化状態を示す。
磁化状態を模式的に示す概略図で、磁化固定層と磁化自
由層の両方にフェロ磁性を用いたものである。(a)は記
録磁界を上向きに印加した場合の磁化状態を示し、(b)
は記録磁界を下向きに印加した場合の磁化状態を示す。
【図１０】本発明のメモリに用いられる磁気抵抗効果膜
の磁化状態を模式的に示す概略図で、磁化固定層にフェ
ロ磁性を用い、磁化自由層に希土類金属と遷移金属から
なるフェリ磁性を用いたものである。(a)および(b)はフ
ェリ磁性の組成が遷移金属副格子磁化優勢で(a)は記録
磁界を上向きに印加した場合の磁化状態を示し、(b)は
記録磁界を下向きに印加した場合の磁化状態を示す。ま
た、(c)および(d)はフェリ磁性の組成が希土類金属副格
子磁化優勢で(c)は記録磁界を上向きに印加した場合の
磁化状態を示し、(d)は記録磁界を下向きに印加した場
合の磁化状態を示す。
の磁化状態を模式的に示す概略図で、磁化固定層にフェ
ロ磁性を用い、磁化自由層に希土類金属と遷移金属から
なるフェリ磁性を用いたものである。(a)および(b)はフ
ェリ磁性の組成が遷移金属副格子磁化優勢で(a)は記録
磁界を上向きに印加した場合の磁化状態を示し、(b)は
記録磁界を下向きに印加した場合の磁化状態を示す。ま
た、(c)および(d)はフェリ磁性の組成が希土類金属副格
子磁化優勢で(c)は記録磁界を上向きに印加した場合の
磁化状態を示し、(d)は記録磁界を下向きに印加した場
合の磁化状態を示す。
【図１１】本発明のメモリに用いられる磁気抵抗効果膜
の磁化状態を模式的に示す概略図で、磁化固定層にフェ
ロ磁性を用い、磁化自由層に希土類金属と遷移金属から
なるフェリ磁性を用いたものである。(a)および(b)は上
部の磁気抵抗効果膜の磁化自由層の組成が遷移金属副格
子磁化優勢でかつ下部の磁気抵抗効果膜の磁化自由層の
組成が希土類金属副格子磁化優勢であり(a)は記録磁界
を上向きに印加した場合の磁化状態を示し、(b)は記録
磁界を下向きに印加した場合の磁化状態を示す。また、
(c)および(d)は上部の磁気抵抗効果膜の磁化自由層の組
成が希土類金属副格子磁化優勢でかつ下部の磁気抵抗効
果膜の磁化自由層の組成が遷移金属副格子磁化優勢であ
り(c)は記録磁界を上向きに印加した場合の磁化状態を
示し、(d)は記録磁界を下向きに印加した場合の磁化状
態を示す。
の磁化状態を模式的に示す概略図で、磁化固定層にフェ
ロ磁性を用い、磁化自由層に希土類金属と遷移金属から
なるフェリ磁性を用いたものである。(a)および(b)は上
部の磁気抵抗効果膜の磁化自由層の組成が遷移金属副格
子磁化優勢でかつ下部の磁気抵抗効果膜の磁化自由層の
組成が希土類金属副格子磁化優勢であり(a)は記録磁界
を上向きに印加した場合の磁化状態を示し、(b)は記録
磁界を下向きに印加した場合の磁化状態を示す。また、
(c)および(d)は上部の磁気抵抗効果膜の磁化自由層の組
成が希土類金属副格子磁化優勢でかつ下部の磁気抵抗効
果膜の磁化自由層の組成が遷移金属副格子磁化優勢であ
り(c)は記録磁界を上向きに印加した場合の磁化状態を
示し、(d)は記録磁界を下向きに印加した場合の磁化状
態を示す。
【図１２】本発明のメモリに用いられる磁気抵抗効果膜
の磁化状態を模式的に示す概略図で、磁化固定層と磁化
自由層の両方にフェリ磁性を用いたものである。(a)お
よび(b)は磁化自由層と磁化固定層のどちらも遷移金属
副格子磁化優勢であり、(a)は記録磁界を上向きに印加
した場合の磁化状態を示し、(b)は記録磁界を下向きに
印加した場合の磁化状態を示す。また、(c)および(d)は
磁化自由層と磁化固定層のどちらも希土類金属副格子磁
化優勢であり、(c)は記録磁界を上向きに印加した場合
の磁化状態を示し、(d)は記録磁界を下向きに印加した
場合の磁化状態を示す。
の磁化状態を模式的に示す概略図で、磁化固定層と磁化
自由層の両方にフェリ磁性を用いたものである。(a)お
よび(b)は磁化自由層と磁化固定層のどちらも遷移金属
副格子磁化優勢であり、(a)は記録磁界を上向きに印加
した場合の磁化状態を示し、(b)は記録磁界を下向きに
印加した場合の磁化状態を示す。また、(c)および(d)は
磁化自由層と磁化固定層のどちらも希土類金属副格子磁
化優勢であり、(c)は記録磁界を上向きに印加した場合
の磁化状態を示し、(d)は記録磁界を下向きに印加した
場合の磁化状態を示す。
【図１３】本発明のメモリに用いられる磁気抵抗効果膜
の磁化状態を模式的に示す概略図で、磁化固定層と磁化
自由層の両方にフェリ磁性を用いたものである。(a)お
よび(b)は上部の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の組成が
遷移金属副格子磁化優勢でかつ下部の磁気抵抗効果膜の
磁化固定層の組成が希土類金属副格子磁化優勢であり、
磁化自由層はどちらも遷移金属副格子磁化優勢である。
(a)は記録磁界を上向きに印加した場合の磁化状態を示
し、(b)は記録磁界を下向きに印加した場合の磁化状態
を示す。また、(c)および(d)は上部の磁気抵抗効果膜の
磁化固定層の組成が遷移金属副格子磁化優勢でかつ下部
の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の組成が希土類金属副格
子磁化優勢であり、磁化自由層はどちらも希土類金属副
格子磁化優勢である。(c)は記録磁界を上向きに印加し
た場合の磁化状態を示し、(d)は記録磁界を下向きに印
加した場合の磁化状態を示す。
の磁化状態を模式的に示す概略図で、磁化固定層と磁化
自由層の両方にフェリ磁性を用いたものである。(a)お
よび(b)は上部の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の組成が
遷移金属副格子磁化優勢でかつ下部の磁気抵抗効果膜の
磁化固定層の組成が希土類金属副格子磁化優勢であり、
磁化自由層はどちらも遷移金属副格子磁化優勢である。
(a)は記録磁界を上向きに印加した場合の磁化状態を示
し、(b)は記録磁界を下向きに印加した場合の磁化状態
を示す。また、(c)および(d)は上部の磁気抵抗効果膜の
磁化固定層の組成が遷移金属副格子磁化優勢でかつ下部
の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の組成が希土類金属副格
子磁化優勢であり、磁化自由層はどちらも希土類金属副
格子磁化優勢である。(c)は記録磁界を上向きに印加し
た場合の磁化状態を示し、(d)は記録磁界を下向きに印
加した場合の磁化状態を示す。
【図１４】本発明のメモリに用いられる磁気抵抗効果膜
の磁化状態を模式的に示す概略図で、磁化固定層と磁化
自由層の両方にフェリ磁性を用いたものである。(a)お
よび(b)は上部の磁気抵抗効果膜の磁化自由層の組成が
遷移金属副格子磁化優勢でかつ下部の磁気抵抗効果膜の
磁化自由層の組成が希土類金属副格子磁化優勢であり、
磁化固定層はどちらも遷移金属副格子磁化優勢である。
(a)は記録磁界を上向きに印加した場合の磁化状態を示
し、(b)は記録磁界を下向きに印加した場合の磁化状態
を示す。また、(c)および(d)は上部の磁気抵抗効果膜の
磁化自由層の組成が遷移金属副格子磁化優勢でかつ下部
の磁気抵抗効果膜の磁化自由層の組成が希土類金属副格
子磁化優勢であり、磁化固定層はどちらも希土類金属副
格子磁化優勢である。(c)は記録磁界を上向きに印加し
た場合の磁化状態を示し、(d)は記録磁界を下向きに印
加した場合の磁化状態を示す。
の磁化状態を模式的に示す概略図で、磁化固定層と磁化
自由層の両方にフェリ磁性を用いたものである。(a)お
よび(b)は上部の磁気抵抗効果膜の磁化自由層の組成が
遷移金属副格子磁化優勢でかつ下部の磁気抵抗効果膜の
磁化自由層の組成が希土類金属副格子磁化優勢であり、
磁化固定層はどちらも遷移金属副格子磁化優勢である。
(a)は記録磁界を上向きに印加した場合の磁化状態を示
し、(b)は記録磁界を下向きに印加した場合の磁化状態
を示す。また、(c)および(d)は上部の磁気抵抗効果膜の
磁化自由層の組成が遷移金属副格子磁化優勢でかつ下部
の磁気抵抗効果膜の磁化自由層の組成が希土類金属副格
子磁化優勢であり、磁化固定層はどちらも希土類金属副
格子磁化優勢である。(c)は記録磁界を上向きに印加し
た場合の磁化状態を示し、(d)は記録磁界を下向きに印
加した場合の磁化状態を示す。
【図１５】メモリ素子と記録磁界発生用の導線の配置お
よび記録時に流す電流の方向を模式的に示した概略図で
ある。
よび記録時に流す電流の方向を模式的に示した概略図で
ある。
【図１６】メモリ素子と記録磁界発生用の導線の配置お
よび記録時に流す電流の方向を模式的に示した概略図で
ある。
よび記録時に流す電流の方向を模式的に示した概略図で
ある。
【図１７】実施例−1のメモリを模式的に示した断面図
である。
である。
【図１８】実施例−1の読み出し回路の簡略図である。
【図１９】実施例−2のメモリを模式的に示した断面図
である。
である。
【図２０】実施例−2の読み出し回路および面内磁界発
生用の回路の簡略図である。
生用の回路の簡略図である。
【図２１】（ａ）は磁気抵抗効果膜の磁化が平行な状態
を模式的に示す断面図、（ｂ）は磁気抵抗効果膜の磁化
が反平行な状態を模式的に示す断面図である。
を模式的に示す断面図、（ｂ）は磁気抵抗効果膜の磁化
が反平行な状態を模式的に示す断面図である。
【図２２】従来の磁気抵抗効果膜における記録再生原理
を説明するための図で、（ａ）および（ｃ）記録情報
「１」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示
す断面図、（ｂ）および（ｄ）は、記録情報「０」の読
み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図で
ある。
を説明するための図で、（ａ）および（ｃ）記録情報
「１」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示
す断面図、（ｂ）および（ｄ）は、記録情報「０」の読
み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図で
ある。
【図２３】磁気抵抗効果膜を用いたメモリで2T2R型の構
成における読み出し回路の簡略図である。
成における読み出し回路の簡略図である。
001 表面酸化処理済みSi基板
002、013、016、023、026 非磁性層
003、004 磁性層
005 Ni80Fe20膜
006 Co70Fe30膜
007 Al2O3薄膜
011、014、021、024 磁化自由層
012、015、022、025 磁化固定層
030 積層フェリ構造
101、102 固定抵抗
110、120、130、140、150、160、170、180、190 メ
モリ素子 111〜119、121〜129 磁気抵抗効果膜 211〜219、221〜229 ダイオード 311〜316、321〜326、331〜338、341〜346、351〜356、
361〜368 トランジスタ 401〜408 電源 500 センスアンプ 611〜613、621〜623 ワード線 631〜633、641〜643 ビット線 700 絶縁体 711〜714、721〜728 記録磁界発生用導線 800 記録磁界 801 導線 810 磁化 821 遷移金属副格子磁化 822 希土類金属副格子磁化
モリ素子 111〜119、121〜129 磁気抵抗効果膜 211〜219、221〜229 ダイオード 311〜316、321〜326、331〜338、341〜346、351〜356、
361〜368 トランジスタ 401〜408 電源 500 センスアンプ 611〜613、621〜623 ワード線 631〜633、641〜643 ビット線 700 絶縁体 711〜714、721〜728 記録磁界発生用導線 800 記録磁界 801 導線 810 磁化 821 遷移金属副格子磁化 822 希土類金属副格子磁化
Claims (27)
- 【請求項１】 非磁性膜が磁性膜に挟まれている構造を
有する磁気抵抗効果膜が一対と、前記一対の磁気抵抗効
果膜に磁界を印加して、各磁気抵抗効果膜の抵抗が異な
る状態とし１ビットの記録を行なう第1の磁界印加手段
と、前記磁気抵抗効果膜の抵抗値により生じる電位を検
出するためのビット線とを有するメモリであって、前記
一対の磁気抵抗効果膜は膜面法線方向に積層されている
ことを特徴とするメモリ。 - 【請求項２】 基板上に前記一対の磁気抵抗効果膜が複
数配され、前記磁気抵抗効果膜にダイオードが直列に接
続され、該ダイオードの他方の端子にはワード線が接続
されてメモリセルが構成され、特定のメモリセルに記録
された情報を選択的に読み出すことを特徴とする請求項
1に記載のメモリ。 - 【請求項３】 前記第1の磁界印加手段は導線であり、
該導線に電流を流すことにより誘起される磁界を前記磁
気抵抗効果膜に印加して磁化状態を変化させることを特
徴とする請求項１に記載のメモリ。 - 【請求項４】 更に，前記第1の磁界印加手段により印
加される磁界とは異なる方向から前記磁気抵抗効果膜に
対して磁界を印加する第2の磁界印加手段を有し、前記
第1及び第2の磁界印加手段から印加される磁界を、任意
の前記磁気抵抗効果膜に作用させることによって、複数
の磁気抵抗効果膜の中から特定の磁気抵抗効果膜を選択
して記録を行なうことを特徴とする請求項１から３のい
ずれか１項に記載のメモリ。 - 【請求項５】 前記磁性膜が面内磁化膜であることを特
徴とする請求項４に記載のメモリ。 - 【請求項６】 前記第1の磁界印加手段による磁界が膜
面内方向の磁界であり、前記第2の磁界印加手段による
磁界が前記第1の磁界印加手段による磁界と直交しかつ
膜面内方向に向いていることを特徴とする特徴とする請
求項８に記載のメモリ。 - 【請求項７】 前記磁性膜の一方は記録時に印加される
磁界によって反転可能である磁化自由層であり他方は反
転しない磁化固定層であることを特徴とする請求項5ま
たは６に記載のメモリ。 - 【請求項８】 初期化の際に、一方向の磁界印加で前記
一対の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の正味の磁化が平行
となることを特徴とする請求項５に記載のメモリ。 - 【請求項９】 前記記録磁界を発生させる導線の上方と
下方に１ビットを記録する前記２つの磁気抵抗効果膜が
それぞれ１つ配されていることを特徴とする請求項５〜
８のいずれか１項に記載のメモリ。 - 【請求項１０】 前記２つの磁気抵抗効果膜のうち、一
方は積層フェリ構造を有していることを特徴とする請求
項５〜９のいずれか１項に記載のメモリ。 - 【請求項１１】 前記磁性膜が垂直磁化膜であることを
特徴とする請求項４に記載のメモリ。 - 【請求項１２】 前記第1の磁界印加手段による磁界が
膜面法線方向であり、前記第2の磁界印加手段による磁
界が，膜面内方向の磁界であることを特徴とする請求項
１１に記載のメモリ。 - 【請求項１３】 前記磁性膜の一方は記録時に印加され
る磁界によって反転可能である磁化自由層であり他方は
反転しない磁化固定層であることを特徴とする請求項１
１または１２に記載のメモリ。 - 【請求項１４】 初期化の際に、一方向の磁界印加で前
記一対の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の正味の磁化が平
行となることを特徴とする請求項１１に記載のメモリ。 - 【請求項１５】 前記磁化固定層が遷移金属を含有する
材料からなるフェロ磁性であり、該磁化固定層の磁化方
向が、前記２つの磁気抵抗効果膜の間で反平行に向いて
いることを特徴とする請求項１３に記載のメモリ。 - 【請求項１６】 前記磁化固定層が遷移金属を含有する
材料からなるフェロ磁性であり、該磁化固定層の磁化方
向が、前記２つの磁気抵抗効果膜の間で平行に向いてお
り、かつ磁化自由層が希土類と遷移金属からなるフェリ
磁性で一方の磁気抵抗効果膜の磁化自由層は希土類副格
子磁化優勢で他方の磁気抵抗効果膜の磁化自由層は遷移
金属副格子磁化優勢であることを特徴とする請求項１３
に記載のメモリ。 - 【請求項１７】 前記磁性膜が希土類金属と遷移金属か
らなるフェリ磁性であることを特徴とする請求項１３に
記載のメモリ。 - 【請求項１８】 前記磁性膜が遷移金属副格子磁化優勢
であり、一方の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の磁化方向
に対して他方の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の磁化方向
は反平行に向いていることを特徴とする請求項１７に記
載のメモリ。 - 【請求項１９】 前記磁性膜が希土類金属副格子磁化優
勢であり、一方の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の磁化方
向に対して他方の磁気抵抗効果膜の磁化固定層の磁化方
向は反平行に向いていることを特徴とする請求項１７に
記載のメモリ。 - 【請求項２０】 一方の磁気抵抗効果膜の前記磁化固定
層は希土類金属副格子磁化優勢で、他方の磁気抵抗効果
膜の前記磁化固定層は遷移金属副格子磁化優勢であり、
２つの前記磁化固定層の磁化方向は平行に向いており、
前記２つの磁気抵抗効果膜の磁化自由層はどちらも遷移
金属副格子磁化優勢であることを特徴とする請求項１７
に記載のメモリ。 - 【請求項２１】 一方の磁気抵抗効果膜の前記磁化固定
層は希土類金属副格子磁化優勢で、他方の磁気抵抗効果
膜の前記磁化固定層は遷移金属副格子磁化優勢であり、
２つの前記磁化固定層の磁化方向は平行に向いており、
前記２つの磁気抵抗効果膜の磁化自由層はどちらも希土
類金属副格子磁化優勢であることを特徴とする請求項１
７に記載のメモリ。 - 【請求項２２】 ２つの前記磁化固定層はどちらも遷移
金属副格子磁化優勢で、かつそれらの磁化方向は平行に
向いており、一方の磁気抵抗効果膜の前記磁化自由層は
希土類金属副格子磁化優勢で、他方の磁気抵抗効果膜の
前記磁化自由層は遷移金属副格子磁化優勢であることを
特徴とする請求項１７に記載のメモリ。 - 【請求項２３】 ２つの前記磁化固定層はどちらも希土
類金属副格子磁化優勢で、かつそれらの磁化方向は平行
に向いており、一方の磁気抵抗効果膜の前記磁化自由層
は希土類金属副格子磁化優勢で、他方の磁気抵抗効果膜
の前記磁化自由層は遷移金属副格子磁化優勢であること
を特徴とする請求項１７に記載のメモリ。 - 【請求項２４】 基板上に２つの磁気抵抗効果膜で１ビ
ットが形成される素子がマトリックス状に複数個配され
たメモリであって、前記磁気抵抗効果膜の間に少なくと
も１本の書き込み線が形成され、該書き込み線に、所望
の素子に対して膜法線方向に磁界が印加されるように電
流を流すことによって記録を行うことを特徴とするメモ
リ。 - 【請求項２５】 行方向にのみ該素子の間に書き込み線
が形成され、かつ素子の上部あるいは下部にさらに導線
を設け、該書き込み線に、隣接する２つの素子に対して
膜法線方向で逆方向に磁界が印加されるように電流を流
すとともに、所望の素子の上部あるいは下部に設けられ
た導線に電流を流すことにより所望の素子に対して膜面
内方向に磁界を印加することによって記録を行うことを
特徴とする請求項２４に記載のメモリ。 - 【請求項２６】 前記膜面内方向に磁界を印加するため
の導線がビット線もしくはワード線であることを特徴と
する請求項２５に記載のメモリ。 - 【請求項２７】 前記磁気抵抗効果膜がスピントンネル
磁気抵抗効果膜であることを特徴とする請求項１〜２６
のいずれか１項に記載のメモリ。
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|---|---|---|---|
| JP2001394551A JP2003197872A (ja) | 2001-12-26 | 2001-12-26 | 磁気抵抗効果膜を用いたメモリ |
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|---|---|---|---|
| JP2001394551A JP2003197872A (ja) | 2001-12-26 | 2001-12-26 | 磁気抵抗効果膜を用いたメモリ |
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|---|---|
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