(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のメモリセルを備えるスピントランスファー方式の磁気メモリであって、
前記複数のメモリセルの各々は、
磁化方向が反転可能な強磁性層を含む磁気記録層と、
磁化方向が固定された強磁性層を含むセンス層と、
前記磁気記録層と前記センス層との間に挟まれたトンネルバリア層と、
磁化方向が固定された強磁性層を含む第１スピン供給層と、
前記磁気記録層と前記第１スピン供給層との間に挟まれた第１非磁性層と、
前記センス層及び前記トンネルバリア層を介して、前記磁気記録層に接続された第１端子と、
前記第１スピン供給層及び前記第１非磁性層を介して、前記磁気記録層に接続された第２端子と、
前記センス層、前記トンネルバリア層、前記第１スピン供給層及び前記第１非磁性層を介することなく、前記磁気記録層に接続された第３端子とを備え、
前記各々のメモリセルは、更に、基板上に形成された第１トランジスタ及び第２トランジスタを備え、
前記センス層、前記トンネルバリア層、前記磁気記録層、前記第１非磁性層、及び前記第１スピン供給層は、この順番で前記基板側から積層されており、
前記第１トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第１端子に接続されており、その他方は前記センス層に接続されており、
前記第２トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第３端子に接続されており、その他方は前記磁気記録層に接続され、
前記第１非磁性層は、前記磁気記録層の上面の第１領域上に形成されており、
前記磁気記録層の前記上面は、前記第１領域と異なる第２領域を有し、
前記第２トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記第２領域に接続されている
磁気メモリ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気メモリであって、
前記磁気記録層は、
前記トンネルバリア層と接触し、磁化方向が反転可能な第１磁気記録層と、
前記第１非磁性層と接触し、磁化方向が反転可能な第２磁気記録層と、
前記第１磁気記録層と前記第２磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と
を有し、
前記第１磁気記録層と前記第２磁気記録層は、前記非磁性層を介して磁気的に結合しており、
前記第２トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記磁気記録層の前記非磁性層に接続されている
磁気メモリ。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気メモリであって、
前記各々のメモリセルは、
磁化方向が固定された強磁性層を含む第２スピン供給層と、
前記磁気記録層と前記第２スピン供給層との間に挟まれた第２非磁性層と
を更に備え、
前記第２非磁性層は、前記第２領域上に形成されており、
前記第２トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記第２スピン供給層及び前記第２非磁性層を介して、前記第２領域に接続されており、
前記第１スピン供給層と前記第２スピン供給層の固定磁化方向は反対である
磁気メモリ。
【請求項４】
複数のメモリセルを備えるスピントランスファー方式の磁気メモリであって、
前記複数のメモリセルの各々は、
磁化方向が反転可能な強磁性層を含む磁気記録層と、
磁化方向が固定された強磁性層を含むセンス層と、
前記磁気記録層と前記センス層との間に挟まれたトンネルバリア層と、
磁化方向が固定された強磁性層を含む第１スピン供給層と、
前記磁気記録層と前記第１スピン供給層との間に挟まれた第１非磁性層と、
前記センス層及び前記トンネルバリア層を介して、前記磁気記録層に接続された第１端子と、
前記第１スピン供給層及び前記第１非磁性層を介して、前記磁気記録層に接続された第２端子と、
前記センス層、前記トンネルバリア層、前記第１スピン供給層及び前記第１非磁性層を介することなく、前記磁気記録層に接続された第３端子とを備え、
前記各々のメモリセルは、更に、基板上に形成された第１トランジスタ及び第２トランジスタを備え、
前記第１スピン供給層、前記第１非磁性層、前記磁気記録層、前記トンネルバリア層、及び前記センス層は、この順番で前記基板側から積層されており、
前記第１トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第２端子に接続されており、その他方は前記第１スピン供給層に接続されており、
前記第２トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第３端子に接続されており、その他方は前記磁気記録層に接続され、
前記トンネルバリア層は、前記磁気記録層の上面の第１領域上に形成されており、
前記磁気記録層の前記上面は、前記第１領域と異なる第２領域を有し、
前記第２トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記第２領域に接続されている
磁気メモリ。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気メモリであって、
前記磁気記録層は、
前記第１非磁性層と接触し、磁化方向が反転可能な第１磁気記録層と、
前記トンネルバリア層と接触し、磁化方向が反転可能な第２磁気記録層と、
前記第１磁気記録層と前記第２磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と
を有し、
前記第１磁気記録層と前記第２磁気記録層は、前記非磁性層を介して磁気的に結合しており、
前記第２トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記磁気記録層の前記非磁性層に接続されている
磁気メモリ。
【請求項６】
請求項４に記載の磁気メモリであって、
前記各々のメモリセルは、
磁化方向が固定された強磁性層を含む第２スピン供給層と、
前記磁気記録層と前記第２スピン供給層との間に挟まれた第２非磁性層と
を更に備え、
前記第１非磁性層は、前記磁気記録層の底面の第１領域上に形成されており、
前記磁気記録層の前記底面は、前記第１領域と異なる第２領域を有し、
前記第２非磁性層は、前記第２領域上に形成されており、
前記第２トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記第２スピン供給層及び前記第２非磁性層を介して、前記第２領域に接続されており、
前記第１スピン供給層と前記第２スピン供給層の固定磁化方向は反対である
磁気メモリ。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか一項に記載の磁気メモリであって、
前記第１トランジスタのゲート電極と前記第２トランジスタのゲート電極は、共通のワード線に接続されている
磁気メモリ。
【請求項８】
複数の第１メモリセルを備えるスピントランスファー方式の第１磁気メモリと、
複数の第２メモリセルを備えるスピントランスファー方式の第２磁気メモリと
を具備し、
前記複数の第１メモリセルの各々は、
磁化方向が反転可能な強磁性層を含む第１磁気記録層と、
磁化方向が固定された強磁性層を含む第１センス層と、
前記第１磁気記録層と前記第１センス層との間に挟まれた第１トンネルバリア層と、
磁化方向が固定された強磁性層を含む第１スピン供給層と、
前記第１磁気記録層と前記第１スピン供給層との間に挟まれた第１非磁性層と、
前記第１センス層及び前記第１トンネルバリア層を介して、前記第１磁気記録層に接続された第１端子と、
前記第１スピン供給層及び前記第１非磁性層を介して、前記第１磁気記録層に接続された第２端子と、
前記第１センス層、前記第１トンネルバリア層、前記第１スピン供給層及び前記第１非磁性層を介することなく、前記第１磁気記録層に接続された第３端子と
を備え、
前記複数の第２メモリセルの各々は、
磁化方向が反転可能な強磁性層を含む第２磁気記録層と、
磁化方向が固定された強磁性層を含む第２センス層と、
前記第２磁気記録層と前記第２センス層との間に挟まれた第２トンネルバリア層と、
前記第２センス層に接続された第４端子と、
前記第２磁気記録層に接続された第５端子とを備え、
前記第１メモリセルの各々は、更に、基板上に形成された第１トランジスタ及び第２トランジスタを備え、
前記第１センス層、前記第１トンネルバリア層、前記第１磁気記録層、前記第１非磁性層、及び前記第１スピン供給層は、この順番で前記基板側から積層されており、
前記第１トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第１端子に接続されており、その他方は前記第１センス層に接続されており、
前記第２トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第３端子に接続されており、その他方は前記第１磁気記録層に接続され、
前記第１非磁性層は、前記第１磁気記録層の上面の第１領域上に形成されており、
前記第１磁気記録層の前記上面は、前記第１領域と異なる第２領域を有し、
前記第２トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記第２領域に接続されている
半導体集積回路。
【請求項９】
複数の第１メモリセルを備えるスピントランスファー方式の第１磁気メモリと、
複数の第２メモリセルを備えるスピントランスファー方式の第２磁気メモリと
を具備し、
前記複数の第１メモリセルの各々は、
磁化方向が反転可能な強磁性層を含む第１磁気記録層と、
磁化方向が固定された強磁性層を含む第１センス層と、
前記第１磁気記録層と前記第１センス層との間に挟まれた第１トンネルバリア層と、
磁化方向が固定された強磁性層を含む第１スピン供給層と、
前記第１磁気記録層と前記第１スピン供給層との間に挟まれた第１非磁性層と、
前記第１センス層及び前記第１トンネルバリア層を介して、前記第１磁気記録層に接続された第１端子と、
前記第１スピン供給層及び前記第１非磁性層を介して、前記第１磁気記録層に接続された第２端子と、
前記第１センス層、前記第１トンネルバリア層、前記第１スピン供給層及び前記第１非磁性層を介することなく、前記第１磁気記録層に接続された第３端子と
を備え、
前記複数の第２メモリセルの各々は、
磁化方向が反転可能な強磁性層を含む第２磁気記録層と、
磁化方向が固定された強磁性層を含む第２センス層と、
前記第２磁気記録層と前記第２センス層との間に挟まれた第２トンネルバリア層と、
前記第２センス層に接続された第４端子と、
前記第２磁気記録層に接続された第５端子とを備え、
前記第１メモリセルの各々は、更に、基板上に形成された第１トランジスタ及び第２トランジスタを備え、
前記第１スピン供給層、前記第１非磁性層、前記第１磁気記録層、前記第１トンネルバリア層、及び前記第１センス層は、この順番で前記基板側から積層されており、
前記第１トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第２端子に接続されており、その他方は前記第１スピン供給層に接続されており、
前記第２トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第３端子に接続されており、その他方は前記第１磁気記録層に接続され、
前記トンネルバリア層は、前記第１磁気記録層の上面の第１領域上に形成されており、
前記第１磁気記録層の前記上面は、前記第１領域と異なる第２領域を有し、
前記第２トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記第２領域に接続されている
半導体集積回路。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の半導体集積回路であって、
前記第１磁気記録層と前記第２磁気記録層とは同じ層に形成され、
前記第１トンネルバリア層と前記第２トンネルバリア層とは同じ層に形成され、
前記第１センス層と前記第２センス層とは同じ層に形成された
半導体集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピントランスファー方式の磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速で大容量の不揮発性メモリの開発への要求がますます高まっている。例えば、携帯端末等の小型情報機器において、高速のワークメモリと大容量のストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリが実現されれば、消費電力やメモリ領域の無駄をなくすことができる。また、高速で大容量の不揮発メモリが実現されれば、電源ＯＮの後瞬時に機器を起動できる「インスタント・オン」機能も可能になってくる。【０００３】
大容量・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリの１つが、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）である。ＭＲＡＭでは、磁気抵抗効果により抵抗値が変化する「磁気抵抗素子」が、メモリセルとして利用される。より詳細には、磁気抵抗素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、磁化方向が反転可能な磁気記録層（磁化自由層）と、それら磁化固定層と磁気記録層とに挟まれた非磁性層とから構成される。磁化固定層と磁気記録層の磁化方向が“反平行”である場合の抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値（Ｒ）よりも大きくなる。ＭＲＡＭのメモリセルは、このような抵抗値の変化を利用することによって、データを不揮発的に記憶する。【０００４】
磁気抵抗素子としては、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を利用したＧＭＲ素子や、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ  ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を利用したＭＴＪ（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子が知られている。ＭＴＪ素子の場合、磁化固定層と磁気記録層とに挟まれる非磁性層として、ＭｇＯやＡｌ２Ｏ３等の絶縁層（トンネルバリア層）が用いられる。一般に、ＭＴＪ素子のＭＲ比（＝ΔＲ／Ｒ）は、ＧＭＲ素子のものよりも大きい。更に、ＭＴＪ素子の抵抗値は、ＧＭＲ素子のものよりも高く、直列接続されるトランジスタのｏｎ抵抗と同等な値に調整可能である。これらのことは、データ読み出し信号の観点から好ましく、ＭＴＪ素子をＭＲＡＭのメモリセルとして用いることは好適である。【０００５】
データ書き込みは、磁気記録層の磁化方向を反転させることによって行われる。代表的なデータ書き込み方式は「電流磁界方式」である。電流磁界方式によれば、磁気抵抗素子の近傍に配置された書き込み配線に書き込み電流が流される。そして、その書き込み電流により発生する書き込み磁界が磁気記録層に印加され、それにより磁気記録層の磁化方向が反転させられる。この電流磁界方式によれば、磁気記録層の磁化方向の反転に必要な反転磁界は、磁気抵抗素子のサイズにほぼ反比例して、大きくなる。すなわち、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加してしまうという問題点がある。【０００６】
微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、「スピントランスファー（spin
transfer）方式」が提案されている（例えば、非特許文献１を参照）。スピントランスファー方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流（ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｃｕｒｒｅｎｔ）が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化方向が反転する。このような磁化反転は、「スピン注入磁化反転（Ｓｐｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）」とも呼ばれる。スピン注入磁化反転の概略を、図１を参照することによって説明する。【０００７】
図１は、典型的なメモリセル１００（２端子ＭＴＪ素子）の構成を示している。メモリセル１００は、第１端子Ｔ１０１、第２端子Ｔ１０２、磁化固定層１１０、トンネルバリア層１２０、及び磁気記録層（磁化自由層）１３０を備えている。トンネルバリア層１２０は、磁化固定層１１０と磁気記録層１３０との間に挟まれており、それら磁化固定層１１０、トンネルバリア層１２０及び磁気記録層１３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。更に、第１端子Ｔ１０１が磁化固定層１１０に接続されており、第２端子Ｔ１０２が磁気記録層１３０に接続されている。言い換えれば、ＭＴＪの両端に第１端子Ｔ１０１と第２端子Ｔ１０２がそれぞれ接続されている。このように構成された２端子ＭＴＪ素子が、メモリセル１００として用いられる。【０００８】
このメモリセル１００において、磁化固定層１１０と磁気記録層１３０の磁化方向が“平行”である低抵抗状態はデータ“０”に対応付けられ、それらが“反平行”である高抵抗状態はデータ“１”に対応付けられる。データ読み出し時には、適度な大きさの読み出し電流が、ＭＴＪを貫通するように第１端子Ｔ１０１と第２端子Ｔ１０２との間に流される。その読み出し電流に基づいて、抵抗値の大小、すなわち、記録データが“１”か“０”かを判定することができる。【０００９】
データ書き込み時には、書き込み電流が、ＭＴＪを貫通するように第１端子Ｔ１０１と第２端子Ｔ１０２との間に流される。具体的には、データ“１”からデータ“０”への遷移時、書き込み電流は、第２端子Ｔ１０２から第１端子Ｔ１０１へと流される。この場合、スピンフィルターとしての磁化固定層１１０と同じスピン状態を有する電子が、磁化固定層１１０からトンネルバリア層１２０を通して磁気記録層１３０に移動する。スピントランスファー効果により、磁気記録層１３０の磁化方向が反転し、磁化固定層１１０の磁化方向と“平行”になる。一方、データ“０”からデータ“１”への遷移時、書き込み電流は、第１端子Ｔ１０１から第２端子Ｔ１０２へと流される。この場合、スピンフィルターとしての磁化固定層１１０と同じスピン状態を有する電子が、磁気記録層１３０からトンネルバリア層１２０を通して磁化固定層１１０に移動する。スピントランスファー効果により、磁気記録層１３０の磁化方向が反転し、磁化固定層１１０の磁化方向と“反平行”になる。【００１０】
このように、スピントランスファー方式では、スピン電子の移動によりデータ書き込みが行われる。膜面に垂直に注入される書き込み電流（スピン偏極電流）の方向に応じて、磁気記録層１３０の磁化方向を規定することが可能である。ここで、スピン注入磁化反転の閾値は、スピン偏極電流の電流密度に依存することが知られている。従って、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、スピン注入磁化反転に必要な書き込み電流が減少する。メモリセルの微細化に伴って書き込み電流が減少するため、スピントランスファー方式は、ＭＲＡＭの大容量化の実現にとって重要である。【００１１】
但し、図１で示された構成の場合、読み出し電流経路と書き込み電流経路が同じである。すなわち、読み出し電流だけでなく大きな書き込み電流も、ＭＴＪを貫通するように流れる。このことは、次のような問題点を引き起こす。【００１２】
まず、データ書き込み時、書き込み電流を流すための高電圧がトンネルバリア層１２０に印加される。そのような高電圧の印加は、絶縁層であるトンネルバリア層１２０における絶縁破壊の原因となる。絶縁破壊が発生したメモリセル１００は、もはや正常に機能せず、不良セルとなる。これは、メモリの信頼性を低下させる。【００１３】
トンネルバリア層１２０に印加される電圧を低減するために、トンネルバリア層１２０の抵抗値を下げることが考えられる。しかしながら、トンネルバリア層１２０の抵抗値が小さくなると、ＭＴＪに直列接続されるトランジスタのｏｎ抵抗とのバランスが崩れてしまい、それはデータ読み出し信号量の低下を招く。また、抵抗値を下げるためにトンネルバリア層１２０の膜厚が小さくされた場合、ピンホール等の欠陥が増加し、絶縁破壊がより発生しやすくなる。これらのことは、結局、メモリの信頼性を低下させる。【００１４】
更に、非特許文献２及び非特許文献３によれば、スピン注入磁化反転を実現しながら書き込み電流のパルス幅を低減するためには、書き込み電流量を増加させる必要がある。すなわち、書き込み速度を上げて高速動作を実現するためには、書き込み電流を更に増やす必要がある。この場合、絶縁破壊が発生しやすくなり、メモリの信頼性が低下する。【００１５】
以上に説明されたように、書き込み電流がＭＴＪを貫通する場合、トンネルバリア層１２０において絶縁破壊が発生しやすくなり、それはメモリ信頼性の低下を招く。【００１６】
関連技術として、特許文献１（特開２００５−５０９０７号公報）は、スピントランスファー方式に基づく磁気抵抗素子を開示している。その磁気抵抗素子は、第１磁化固着層と、第２磁化固着層と、第１磁化固着層と第２磁化固着層との間に設けられた磁気記録層と、第１磁化固着層と磁気記録層との間に設けられたトンネルバリア層と、磁気記録層と第２磁化固着層との間に設けられる中間層と、を備える。第１磁化固着層と第２磁化固着層の磁化方向は、逆方向である。この磁気抵抗素子では、第１磁化固着層と第２磁化固着層の両方から磁気記録層に対してスピントランスファーが発生する。これにより、書き込み電流が低減されている。但し、読み出し電流経路と書き込み電流経路は同一であり、書き込み電流がトンネルバリア層を貫通することに変わりはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００５−５０９０７号公報
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】J. C. Slonczewski, "Current-drivenexcitation of magnetic multilayers", Journal of Magnetism and MagneticMaterials, 159, 1996, L1-L7.
【非特許文献２】R. H. Koch et al., "Time-ResolvedReversal of Spin-Transfer Switching in a Nanomagnet", Physical Review Letters,92, 2004, 088302.
【非特許文献３】R. Heindl et al., "Size dependence ofintrinsic spin transfer switching current density in elliptical spinvalues", Applied Physics Letters, 92, 2008, 262504.
【発明の概要】
【００１９】
以上に説明されたように、図１で示されたスピントランスファー方式の場合、読み出し電流経路と書き込み電流経路は同一であり、書き込み電流がトンネルバリア層（ＭＴＪ）を貫通する。この場合、トンネルバリア層において絶縁破壊が発生しやすくなり、それは信頼性の低下を招く。
【００２０】
本発明の１つの目的は、トンネルバリア層における絶縁破壊を防止することができるスピントランスファー方式の磁気メモリを提供することにある。
【００２１】
本発明の１つの観点において、複数のメモリセルを備えるスピントランスファー方式の磁気メモリが提供される。複数のメモリセルの各々は、磁化方向が反転可能な強磁性層を含む磁気記録層と、磁化方向が固定された強磁性層を含むセンス層と、磁気記録層とセンス層との間に挟まれたトンネルバリア層と、磁化方向が固定された強磁性層を含む第１スピン供給層と、磁気記録層と第１スピン供給層との間に挟まれた第１非磁性層と、第１端子と、第２端子と、第３端子と、を備えている。第１端子は、センス層及びトンネルバリア層を介して、磁気記録層に接続されている。第２端子は、第１スピン供給層及び第１非磁性層を介して、磁気記録層に接続されている。第３端子は、センス層、トンネルバリア層、第１スピン供給層及び第１非磁性層を介することなく、磁気記録層に接続されている。
【００２２】
本発明の他の観点において、半導体集積回路が提供される。その半導体集積回路は、複数の第１メモリセルを備えるスピントランスファー方式の第１磁気メモリと、複数の第２メモリセルを備えるスピントランスファー方式の第２磁気メモリと、を具備する。
【００２３】
複数の第１メモリセルの各々は、磁化方向が反転可能な強磁性層を含む第１磁気記録層と、磁化方向が固定された強磁性層を含む第１センス層と、第１磁気記録層と第１センス層との間に挟まれた第１トンネルバリア層と、磁化方向が固定された強磁性層を含む第１スピン供給層と、第１磁気記録層と第１スピン供給層との間に挟まれた第１非磁性層と、第１端子と、第２端子と、第３端子と、を備えている。第１端子は、第１センス層及び第１トンネルバリア層を介して、第１磁気記録層に接続されている。第２端子は、第１スピン供給層及び第１非磁性層を介して、第１磁気記録層に接続されている。第３端子は、第１センス層、第１トンネルバリア層、第１スピン供給層及び第１非磁性層を介することなく、第１磁気記録層に接続されている。
【００２４】
複数の第２メモリセルの各々は、磁化方向が反転可能な強磁性層を含む第２磁気記録層と、磁化方向が固定された強磁性層を含む第２センス層と、第２磁気記録層と第２センス層との間に挟まれた第２トンネルバリア層と、第２センス層に接続された第４端子と、第２磁気記録層に接続された第５端子と、を備えている。
【００２５】
本発明に係るスピントランスファー方式の磁気メモリによれば、トンネルバリア層における絶縁破壊を防止することが可能となる。その結果、メモリの信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
上記及び他の目的、長所、特徴は、次の図面と共に説明される本発明の実施の形態により明らかになるであろう。【００２７】
【図１】図１は、典型的なＭＲＡＭのメモリセルの構成を概略的に示している。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成を概略的に示している。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭのメモリセルの構成を概略的に示している。
【図４】図４は、図３で示されたメモリセルにおける読み出し電流の経路を示している。
【図５】図５は、図３で示されたメモリセルにおける書き込み電流の経路を示している。
【図６】図６は、第１の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す断面図である。
【図７】図７は、第１の実施の形態におけるセルレイアウトを示す平面図である。
【図８】図８は、第１の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す回路図である。
【図９】図９は、第２の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す断面図である。
【図１０】図１０は、第２の実施の形態におけるセルレイアウトを示す平面図である。
【図１１】図１１は、第２の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す回路図である。
【図１２】図１２は、第３の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す断面図である。
【図１３】図１３は、第４の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す断面図である。
【図１４】図１４は、第５の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す断面図である。
【図１５】図１５は、第６の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す断面図である。
【図１６】図１６は、第７の実施の形態に係る半導体チップの構成を概略的に示している。
【図１７】図１７は、第７の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００２９】
本発明の実施の形態において、スピントランスファー方式の磁気メモリが提供される。以下、スピントランスファー方式のＭＲＡＭを例に挙げて説明する。図２は、本実施の形態に係るＭＲＡＭの構成を概略的に示している。図２に示されるように、ＭＲＡＭは、アレイ状に配置された複数のメモリセル１を備えている。
【００３０】
図３は、本実施の形態に係るメモリセル１（３端子ＭＴＪ素子）の構成を示している。メモリセル１は、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２、第３端子Ｔ３、センス層（第１磁化固定層）１０、トンネルバリア層２０、磁気記録層（磁化自由層）３０、非磁性層４０、及びスピン供給層（第２磁化固定層）５０を備えている。
【００３１】
センス層（第１磁化固定層）１０は、磁化方向が固定された強磁性層を含んでいる。センス層１０は、非磁性層を介して複数の強磁性層が積層された積層フェリ構造を有していてもよい。その場合も、複数の強磁性層の各々の磁化方向は固定されている。このセンス層１０に含まれる強磁性層のうち１つはトンネルバリア層２０と接触している。以下の説明において、センス層１０の磁化方向とは、トンネルバリア層２０と接触する強磁性層の磁化方向を意味する。
【００３２】
トンネルバリア層２０は、センス層１０と磁気記録層３０との間に挟まれた絶縁層である。トンネルバリア層２０は、例えばＭｇＯやＡｌ２Ｏ３等の絶縁材料で形成される。
【００３３】
非磁性層４０は、スピン供給層５０と磁気記録層３０との間に挟まれている。非磁性層４０は、例えばＲｕやＣｕ等の非磁性導電材料で形成される。
【００３４】
スピン供給層（第２磁化固定層）５０は、磁化方向が固定された強磁性層を含んでいる。スピン供給層５０は、非磁性層を介して複数の強磁性層が積層された積層フェリ構造を有していてもよい。その場合も、複数の強磁性層の各々の磁化方向は固定されている。このスピン供給層５０に含まれる強磁性層のうち１つは非磁性層４０と接触している。以下の説明において、スピン供給層５０の磁化方向とは、非磁性層４０と接触する強磁性層の磁化方向を意味する。スピン供給層５０はセンス層１０と物理的に離れている。また、スピン供給層５０の磁化方向は、センス層１０の磁化方向と平行あるいは反平行である。
【００３５】
磁気記録層（磁化自由層）３０は、磁化方向が反転可能な強磁性層を含んでいる。磁気記録層３０の磁化方向は、センス層１０の磁化方向と“平行”あるいは“反平行”となることが許される。また、磁気記録層３０の磁化方向は、スピン供給層５０の磁化方向と“平行”あるいは“反平行”となることが許される。
【００３６】
磁気記録層３０は、トンネルバリア層２０を介してセンス層１０に接続されている。すなわち、センス層１０、トンネルバリア層２０及び磁気記録層３０によって、ＭＴＪが形成されている。このＭＴＪを含む部分は、以下「ＭＴＪ部ＳＲ」と参照される。ＭＴＪ部ＳＲは、少なくともセンス層１０、トンネルバリア層２０及び磁気記録層３０を含んでいる。ＭＴＪ部ＳＲは、非磁性層４０及びスピン供給層５０を含んでいてもよい。後に説明されるように、ＭＴＪ部ＳＲには、データ読み出し時に読み出し電流Ｉｒが流れる。逆に、読み出し電流Ｉｒが流れる部分をＭＴＪ部ＳＲと定義することもできる。
【００３７】
また、磁気記録層３０は、非磁性層４０を介してスピン供給層５０に接続されている。これら磁気記録層３０、非磁性層４０及びスピン供給層５０は、「スピントランスファー部ＳＷ」を形成している。スピントランスファー部ＳＷは、磁気記録層３０、非磁性層４０及びスピン供給層５０を含むが、センス層１０とトンネルバリア層２０は含まないことに留意されたい。後に説明されるように、スピントランスファー部ＳＷには、データ書き込み時に書き込み電流Ｉｗが流れる。逆に、書き込み電流Ｉｗが流れる部分をスピントランスファー部ＳＷと定義することもできる。
【００３８】
第１端子Ｔ１は、ＭＴＪ部ＳＲの一端に接続されている。より詳細には、図３に示されるように、第１端子Ｔ１は、ＭＴＪ部ＳＲのセンス層１０に接続されている。つまり、第１端子Ｔ１は、センス層１０及びトンネルバリア層２０を介して、磁気記録層３０に接続されている。
【００３９】
第２端子Ｔ２は、スピントランスファー部ＳＷの一端に接続されている。より詳細には、図３に示されるように、第２端子Ｔ２は、スピントランスファー部ＳＷのスピン供給層５０に接続されている。つまり、第２端子Ｔ２は、スピン供給層５０及び非磁性層４０を介して、磁気記録層３０に接続されている。
【００４０】
第３端子Ｔ３は、スピントランスファー部ＳＷの他端に接続されている。より詳細には、図３に示されるように、第３端子Ｔ３は、磁気記録層３０に接続されている。ここで、第３端子Ｔ３は、上述のセンス層１０、トンネルバリア層２０、非磁性層４０及びスピン供給層５０を介することなく、磁気記録層３０に接続されていることに留意されたい。このことは、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３を用いることによって、スピントランスファー部ＳＷを貫通するがトンネルバリア層２０を貫通しない電流を流すことができることを意味する。
【００４１】
図４は、データ読み出し時の読み出し電流Ｉｒの経路ＰＲを示している。読み出し電流Ｉｒは、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の間、あるいは、第１端子Ｔ１と第３端子Ｔ３との間に流される。いずれの場合であっても、読み出し電流Ｉｒは、トンネルバリア層２０を通してセンス層１０（第１磁化固定層）と磁気記録層３０との間を流れる。センス層１０と磁気記録層３０の磁化方向が“平行”である場合、ＭＴＪ部ＳＲの抵抗値は比較的低く、その低抵抗状態はデータ“０”に対応付けられる。一方、センス層１０と磁気記録層３０の磁化方向が“反平行”である場合、ＭＴＪ部ＳＲの抵抗値は比較的高く、その高抵抗状態はデータ“１”に対応付けられる。図４に示される読み出し電流Ｉｒに基づいて、その抵抗値の大小、すなわち、記録データが“１”か“０”かを判定することができる。
【００４２】
図５は、データ書き込み時の書き込み電流Ｉｗの経路ＰＷを示している。書き込み電流Ｉｗは、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３の間に流される。つまり、書き込み電流Ｉｗは、非磁性層４０を通してスピン供給層５０と磁気記録層３０との間を流れる。このとき、磁化方向が固定されたスピン供給層５０はスピンフィルターとしての役割を果たし、スピン供給層５０と磁気記録層３０との間でスピントランスファーが発生する。
【００４３】
例えば図５に示されるように、センス層１０とスピン供給層５０の磁化方向が逆向きの場合を考える。データ“０”の状態では、磁気記録層３０の磁化方向は、センス層１０の磁化方向と“平行”であり、スピン供給層５０の磁化方向と“反平行”である。一方、データ“１”の状態では、磁気記録層３０の磁化方向は、センス層１０の磁化方向と“反平行”であり、スピン供給層５０の磁化方向と“平行”である。データ“０”からデータ“１”への遷移時、書き込み電流Ｉｗは、第３端子Ｔ３から第２端子Ｔ２へと流される。この場合、スピン供給層５０と同じスピン状態を有する電子が、スピン供給層５０から非磁性層４０を通して磁気記録層３０に移動する。スピントランスファー効果により、磁気記録層３０の磁化方向が反転し、スピン供給層５０の磁化方向と“平行”になる。一方、データ“１”からデータ“０”への遷移時、書き込み電流は、第２端子Ｔ２から第３端子Ｔ３へと流される。この場合、スピン供給層５０と同じスピン状態を有する電子が、磁気記録層３０から非磁性層４０を通してスピン供給層５０に移動する。スピントランスファー効果により、磁気記録層３０の磁化方向が反転し、スピン供給層５０の磁化方向と“反平行”になる。このように、書き込み電流Ｉｗの方向に応じて、磁気記録層３０の磁化方向を規定することが可能である。
【００４４】
以上に説明されたように、本実施の形態によれば、スピントランスファー方式によりデータ書き込みが行われる。スピントランスファー方式の場合、メモリセルの微細化に伴って、書き込み電流Ｉｗをより小さくすることが可能である。このことは、ＭＲＡＭの大容量化及び低消費電力の観点から好適である。
【００４５】
また、本実施の形態では、図５から明らかなように、書き込み電流Ｉｗがトンネルバリア層２０を貫通しない。第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３との間の書き込み電流経路ＰＷ（スピントランスファー部ＳＷ）は、磁気記録層３０、非磁性層４０及びスピン供給層５０を含んでいるが、センス層１０とトンネルバリア層２０を含んでいない。従って、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３を用いることによって、スピントランスファー部ＳＷを貫通するがトンネルバリア層２０を貫通しない書き込み電流Ｉｗを流すことができるのである。大きな書き込み電流Ｉｗがトンネルバリア層２０を貫通しないため、トンネルバリア層２０の劣化や絶縁破壊が防止される。その結果、ＭＲＡＭの信頼性が向上する。
【００４６】
更に、本実施の形態では、読み出し電流経路ＰＲと書き込み電流経路ＰＷが異なっているため、読み出し特性と書き込み特性とを別々に最適化することが可能である。例えば、読み出し特性は、トンネルバリア層２０を含むＭＴＪに主に依存するが、そのトンネルバリア層２０は書き込み電流経路ＰＷには含まれていない。従って、データ書き込みの観点から要請される制約を受けることなく、トンネルバリア層２０を設計することが可能となる。結果として、ＭＴＪのＭＲ比を高くすることが可能となる。また、ＭＴＪの抵抗値を、直列接続されるトランジスタのｏｎ抵抗と同等な値に調整することも可能である。これらにより、データ読み出し時に充分な大きさの読み出し信号を得ることが可能となる。
【００４７】
更に、書き込み速度を上げて高速動作を実現するために、書き込み電流Ｉｗのパルス幅を低減することができる。この場合、書き込み電流量を増加させる必要があるが、書き込み電流Ｉｗはトンネルバリア層２０を貫通しないため、絶縁破壊は発生しない。すなわち、絶縁破壊や信頼性劣化を招くことなく、書き込み速度を向上させることが可能である。
【００４８】
尚、読み出し電流経路ＰＲと書き込み電流経路ＰＷのそれぞれに選択トランジスタが設けられてもよい。その場合、データ読み出し時及びデータ書き込み時の「回り込み電流」を抑制することが可能となる。回り込み電流とは、選択メモリセルに対する電流経路と並列な経路上を流れる電流であって、当該選択メモリセルを通過しない電流のことである。書き込み対象ビットあるいは読み出し対象ビットのみを選択的に操作することが可能となるため、アレイ規模を大型化することが可能となり、また、高速動作も可能となる。
【００４９】
以下、様々な実施の形態を詳しく説明する。
【００５０】
１．第１の実施の形態
図６は、第１の実施の形態に係るメモリセル１の構成を示す断面図である。図７は、第１の実施の形態におけるセルレイアウトを示す平面図である。図８は、第１の実施の形態に係るメモリセル１の構成を示す回路図である。尚、半導体基板５の表面に垂直な方向がＺ方向と定義され、その表面と平行な平面がＸＹ平面と定義される。Ｚ方向とＸＹ平面とは互いに直交している。
【００５１】
メモリセル１は、半導体基板５上に形成されている。本実施の形態では、センス層１０、トンネルバリア層２０、磁気記録層３０、非磁性層４０及びスピン供給層５０が、この順番で半導体基板５側から積層されている。つまり、磁気記録層３０は、トンネルバリア層２０と非磁性層４０との間に挟まれている。
【００５２】
センス層１０、磁気記録層３０、及びスピン供給層５０は、面内磁気異方性を有する面内磁化膜、あるいは、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜で形成される。図６で示される例では、センス層１０、磁気記録層３０、及びスピン供給層５０は、面内磁化膜で形成されている。センス層１０の磁化方向は−Ｘ方向に固定されており、スピン供給層５０の磁化方向は＋Ｘ方向に固定されている。磁気記録層３０の磁化方向は、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向を向く。トンネルバリア層２０は、例えば、ＭｇＯ膜やＡｌ２Ｏ３膜等の絶縁膜である。非磁性層４０は、例えば、Ｒｕ膜やＣｕ膜等の非磁性金属膜、あるいは、低抵抗な酸化物膜である。
【００５３】
センス層１０の上面上には、トンネルバリア層２０を介して磁気記録層３０が形成されている。センス層１０の底面は、半導体基板５上に形成された第１コンタクト部６０に接続されている。第１コンタクト部６０は、ビアや配線を含んでいる。第１コンタクト部６０は、下地層や、センス層１０の磁化方向を固定するための反強磁性層を含んでいてもよい。
【００５４】
磁気記録層３０の上面上には、非磁性層４０を介してスピン供給層５０が形成されている。より詳細には、磁気記録層３０の上面は、異なる第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを有している。非磁性層４０及びスピン供給層５０は、第１領域Ｒ１上に形成されている。スピン供給層５０上には、上部接続部７０が形成されている。上部接続部７０は、キャップ層や、スピン供給層５０の磁化方向を固定するための反強磁性層を含んでいてもよい。上部接続部７０は、更に、Ｘ方向に延在する上部配線ＰＬに接続されている。本実施の形態では、この上部接続部７０が、第２端子Ｔ２に相当する。
【００５５】
半導体基板５上には第２コンタクト部９０が形成されている。第２コンタクト部９０は、ビアや配線を含んでいる。更に、第２コンタクト部９０と磁気記録層３０との間をつなぐように、非磁性導体層８０が形成されている。この非磁性導体層８０は、磁気記録層３０の上面の第２領域Ｒ２に接続するように形成されており、非磁性層４０及びスピン供給層５０からは物理的に離れている。
【００５６】
メモリセル１は更に、半導体基板５上に形成された第１トランジスタＴＲ１及び第２トランジスタＴＲ２を備えている。第１トランジスタＴＲ１のゲート電極は、Ｘ方向に延在する第１ワード線ＷＬ１に接続されている。第２トランジスタＴＲ２のゲート電極は、Ｘ方向に延在する第２ワード線ＷＬ２に接続されている。
【００５７】
第１トランジスタＴＲ１は、第１端子Ｔ１とセンス層１０との間に介在している。より詳細には、第１トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方は、第１端子Ｔ１に接続されている。第１端子Ｔ１は、更に、Ｙ方向に延在する第１ビット線ＢＬ１に接続されている。第１トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの他方は、第１コンタクト部６０を介して、センス層１０に接続されている。
【００５８】
第２トランジスタＴＲ２は、第３端子Ｔ３と磁気記録層３０との間に介在している。より詳細には、第２トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの一方は、第３端子Ｔ３に接続されている。第３端子Ｔ３は、更に、Ｙ方向に延在する第２ビット線ＢＬ２に接続されている。第２トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの他方は、第２コンタクト部９０及び非磁性導体層８０を介して、磁気記録層３０の上面の第２領域Ｒ２に接続されている。
【００５９】
本実施の形態では、ＭＴＪ部ＳＲは、センス層１０、トンネルバリア層２０、磁気記録層３０、非磁性層４０及びスピン供給層５０を含んでいる。読み出し電流Ｉｒが流れる読み出し電流経路ＰＲは、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間である。その読み出し電流経路ＰＲ上には、第１トランジスタＴＲ１が選択トランジスタとして設けられている。データ読み出し時、第１ワード線ＷＬ１にハイレベルの電圧が印加され、第１トランジスタＴＲ１がＯＮする。一方、第２ワード線ＷＬ２にはローレベルの電圧が印加され、第２トランジスタＴＲ２はＯＦＦする。更に、第１ビット線ＢＬ１と上部配線ＰＬとの間に読み出し電圧が印加される。その結果、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間の読み出し電流経路ＰＲに、読み出し電流Ｉｒが流れる。
【００６０】
スピントランスファー部ＳＷは、磁気記録層３０、非磁性層４０及びスピン供給層５０を含むが、センス層１０とトンネルバリア層２０は含まない。書き込み電流Ｉｗが流れる書き込み電流経路ＰＷは、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３との間である。その書き込み電流経路ＰＷ上には、第２トランジスタＴＲ２が選択トランジスタとして設けられている。データ書き込み時、第２ワード線ＷＬ２にハイレベルの電圧が印加され、第２トランジスタＴＲ２がＯＮする。一方、第１ワード線ＷＬ１にはローレベルの電圧が印加され、第１トランジスタＴＲ１はＯＦＦする。更に、第２ビット線ＢＬ２と上部配線ＰＬとの間に書き込み電圧が印加される。その結果、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３との間の書き込み電流経路ＰＷに、書き込み電流Ｉｗが流れる。その書き込み電流Ｉｗは、トンネルバリア層２０を貫通しない。
【００６１】
尚、本実施の形態に係るセル構成の場合、図７に示されるように、１メモリセルあたりの単位セル面積を１６Ｆ２（Ｆ：Ｆｅａｔｕｒｅ  Ｓｉｚｅ：リソグラフィーでの最小線幅）に設計可能である。
【００６２】
２．第２の実施の形態
図９は、第２の実施の形態に係るメモリセル１の構成を示す断面図である。図１０は、第２の実施の形態におけるセルレイアウトを示す平面図である。図１１は、第２の実施の形態に係るメモリセル１の構成を示す回路図である。第１の実施の形態と重複する説明は、適宜省略される。
【００６３】
本実施の形態では、スピン供給層５０、非磁性層４０、磁気記録層３０、トンネルバリア層２０及びセンス層１０が、この順番で半導体基板５側から積層されている。磁気記録層３０は、トンネルバリア層２０と非磁性層４０との間に挟まれている。
【００６４】
スピン供給層５０の上面上には、非磁性層４０を介して磁気記録層３０が形成されている。スピン供給層５０の底面は、半導体基板５上に形成された第１コンタクト部６０に接続されている。第１コンタクト部６０は、ビアや配線を含んでいる。第１コンタクト部６０は、下地層や、スピン供給層５０の磁化方向を固定するための反強磁性層を含んでいてもよい。
【００６５】
磁気記録層３０の上面上には、トンネルバリア層２０を介してセンス層１０が形成されている。より詳細には、磁気記録層３０の上面は、異なる第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを有している。トンネルバリア層２０及びセンス層１０は、第１領域Ｒ１上に形成されている。センス層１０上には、上部接続部７０が形成されている。上部接続部７０は、キャップ層や、センス層１０の磁化方向を固定するための反強磁性層を含んでいてもよい。上部接続部７０は、更に、Ｘ方向に延在する上部配線ＰＬに接続されている。本実施の形態では、この上部接続部７０が、第１端子Ｔ１に相当する。
【００６６】
半導体基板５上には第２コンタクト部９０が形成されている。第２コンタクト部９０は、ビアや配線を含んでいる。更に、第２コンタクト部９０と磁気記録層３０との間をつなぐように、非磁性導体層８０が形成されている。この非磁性導体層８０は、磁気記録層３０の上面の第２領域Ｒ２に接続するように形成されており、トンネルバリア層２０及びセンス層１０からは物理的に離れている。
【００６７】
メモリセル１は更に、半導体基板５上に形成された第１トランジスタＴＲ１及び第２トランジスタＴＲ２を備えている。第１トランジスタＴＲ１及び第２トランジスタＴＲ２のゲート電極は、共に、Ｘ方向に延在する共通のワード線ＷＬに接続されている。
【００６８】
第１トランジスタＴＲ１は、第２端子Ｔ２とスピン供給層５０との間に介在している。より詳細には、第１トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方は、第２端子Ｔ２に接続されている。第２端子Ｔ２は、更に、Ｙ方向に延在する第１ビット線ＢＬ１に接続されている。第１トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの他方は、第１コンタクト部６０を介して、スピン供給層５０に接続されている。
【００６９】
第２トランジスタＴＲ２は、第３端子Ｔ３と磁気記録層３０との間に介在している。より詳細には、第２トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの一方は、第３端子Ｔ３に接続されている。第３端子Ｔ３は、更に、Ｙ方向に延在する第２ビット線ＢＬ２に接続されている。第２トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの他方は、第２コンタクト部９０及び非磁性導体層８０を介して、磁気記録層３０の上面の第２領域Ｒ２に接続されている。
【００７０】
本実施の形態では、ＭＴＪ部ＳＲは、センス層１０、トンネルバリア層２０、磁気記録層３０、非磁性層４０及びスピン供給層５０を含んでいる。読み出し電流Ｉｒが流れる読み出し電流経路ＰＲは、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間である。その読み出し電流経路ＰＲ上には、第１トランジスタＴＲ１が選択トランジスタとして設けられている。データ読み出し時、ワード線ＷＬにハイレベルの電圧が印加され、第１トランジスタＴＲ１及び第２トランジスタＴＲ２がＯＮする。また、第２ビット線ＢＬ２はフローティング状態（Ｈｉ−Ｚ）に設定される。更に、第１ビット線ＢＬ１と上部配線ＰＬとの間に読み出し電圧が印加される。その結果、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間の読み出し電流経路ＰＲに、読み出し電流Ｉｒが流れる。
【００７１】
スピントランスファー部ＳＷは、磁気記録層３０、非磁性層４０及びスピン供給層５０を含むが、センス層１０とトンネルバリア層２０は含まない。書き込み電流Ｉｗが流れる書き込み電流経路ＰＷは、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３との間である。その書き込み電流経路ＰＷ上には、第１トランジスタＴＲ１及び第２トランジスタＴＲ２が選択トランジスタとして設けられている。データ書き込み時、ワード線ＷＬにハイレベルの電圧が印加され、第１トランジスタＴＲ１及び第２トランジスタＴＲ２がＯＮする。また、上部配線７０はフローティング状態（Ｈｉ−Ｚ）に設定される。更に、第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２との間に書き込み電圧が印加される。その結果、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３との間の書き込み電流経路ＰＷに、書き込み電流Ｉｗが流れる。その書き込み電流Ｉｗは、トンネルバリア層２０を貫通しない。
【００７２】
尚、図１０に示されるように、第１トランジスタＴＲ１と第２トランジスタＴＲ２とでワード線ＷＬが共用されている。更に、ビット線（ＢＬ１，ＢＬ２）につながるコンタクトが、隣接セル間で共用されている。その結果、図１０に示されるように、１メモリセルあたりの単位セル面積を１２Ｆ２（Ｆ：Ｆｅａｔｕｒｅ  Ｓｉｚｅ：リソグラフィーでの最小線幅）に設計可能である。
【００７３】
３．第３の実施の形態
図１２は、第３の実施の形態に係るメモリセル１の構成を示す断面図である。第３の実施の形態は、磁気記録層３０の構成を除いて、既出の第１の実施の形態と同じである。第１の実施の形態と重複する説明は、適宜省略される。
【００７４】
本実施の形態において、磁気記録層３０は、第１磁気記録層３１、第２磁気記録層３２、及び非磁性層３３を含んでいる。第１磁気記録層３１は、磁化方向が反転可能な強磁性層であり、トンネルバリア層２０と接触している。第２磁気記録層３２は、磁化方向が反転可能な強磁性層であり、非磁性層４０と接触している。非磁性層３３は、第１磁気記録層３１と第２磁気記録層３２との間に挟まれている。非磁性層３３は、例えばＲｕやＣｕ等の非磁性導電材料で形成される。
【００７５】
第１磁気記録層３１と第２磁気記録層３２は、非磁性層３３を介して、互いに磁気的に結合している。例えば、第１磁気記録層３１と第２磁気記録層３２は、非磁性層３３を介して、反強磁性的に結合している。第２磁気記録層３２の磁化方向が反転すると、それにつられて、第１磁気記録層３１の磁化方向も反転する。
【００７６】
図１２では、第１磁気記録層３１の上面は、異なる第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを有している。第２磁気記録層３２は、第１領域Ｒ１上に非磁性層３３を介して形成されている。そして、第２磁気記録層３２上に、非磁性層４０及びスピン供給層５０が積層されている。一方、第２トランジスタＴＲ２につながる非磁性導体層８０は、第２領域Ｒ２上の非磁性層３３に接続されている。この非磁性層導体層８０は、第２磁気記録層３２、非磁性層４０及びスピン供給層５０からは物理的に離れている。あるいは、非磁性層３３が第２コンタクト部９０に直接つながるように延長され、非磁性導体層８０が省かれてもよい。いずれの場合も、第３端子Ｔ３は、第２トランジスタＴＲ２を介して、磁気記録層３０の非磁性層３３に接続される。
【００７７】
データ読み出し／書き込み時の電圧制御、セルレイアウト等は、第１の実施の形態と同様である。
【００７８】
４．第４の実施の形態
図１３は、第４の実施の形態に係るメモリセル１の構成を示す断面図である。第４の実施の形態は、磁気記録層３０の構成を除いて、既出の第２の実施の形態と同じである。第２の実施の形態と重複する説明は、適宜省略される。
【００７９】
本実施の形態において、磁気記録層３０は、第１磁気記録層３１、第２磁気記録層３２、及び非磁性層３３を含んでいる。第１磁気記録層３１は、磁化方向が反転可能な強磁性層であり、非磁性層４０と接触している。第２磁気記録層３２は、磁化方向が反転可能な強磁性層であり、トンネルバリア層２０と接触している。非磁性層３３は、第１磁気記録層３１と第２磁気記録層３２との間に挟まれている。非磁性層３３は、例えばＲｕやＣｕ等の非磁性導電材料で形成される。
【００８０】
第１磁気記録層３１と第２磁気記録層３２は、非磁性層３３を介して、互いに磁気的に結合している。例えば、第１磁気記録層３１と第２磁気記録層３２は、非磁性層３３を介して、反強磁性的に結合している。第２磁気記録層３２の磁化方向が反転すると、それにつられて、第１磁気記録層３１の磁化方向も反転する。
【００８１】
図１３では、第１磁気記録層３１の上面は、異なる第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを有している。第２磁気記録層３２は、第１領域Ｒ１上に非磁性層３３を介して形成されている。そして、第２磁気記録層３２上に、トンネルバリア層２０及びセンス層１０が積層されている。一方、第２トランジスタＴＲ２につながる非磁性導体層８０は、第２領域Ｒ２上の非磁性層３３に接続されている。この非磁性層導体層８０は、第２磁気記録層３２、トンネルバリア層２０及びセンス層１０からは物理的に離れている。あるいは、非磁性層３３が第２コンタクト部９０に直接つながるように延長され、非磁性導体層８０が省かれてもよい。いずれの場合も、第３端子Ｔ３は、第２トランジスタＴＲ２を介して、磁気記録層３０の非磁性層３３に接続される。
【００８２】
データ読み出し／書き込み時の電圧制御、セルレイアウト等は、第２の実施の形態と同様である。
【００８３】
５．第５の実施の形態
図１４は、第５の実施の形態に係るメモリセル１の構成を示す断面図である。第５の実施の形態は、スピントランスファー部ＳＷの構成を除いて、既出の第１の実施の形態と同じである。第１の実施の形態と重複する説明は、適宜省略される。
【００８４】
本実施の形態において、スピントランスファー部ＳＷは、磁気記録層３０、第１非磁性層４０Ａ、第１スピン供給層５０Ａ、第２非磁性層４０Ｂ、及び第２スピン供給層５０Ｂを有している。第１非磁性層４０Ａは、磁気記録層３０と第１スピン供給層５０Ａとの間に挟まれている。第２非磁性層４０Ｂは、磁気記録層３０と第２スピン供給層５０Ｂとの間に挟まれている。
【００８５】
より詳細には、磁気記録層３０の上面は、異なる第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを有している。第１非磁性層４０Ａ及び第１スピン供給層５０Ａは、第１領域Ｒ１上に形成されている。これら第１非磁性層４０Ａ及び第１スピン供給層５０Ａは、第１の実施の形態における非磁性層４０及びスピン供給層５０（図６参照）のそれぞれに対応しており、第１スピン供給層５０Ａ上に上部接続部７０が形成されている。一方、第２非磁性層４０Ｂ及び第２スピン供給層５０Ｂは、第２領域Ｒ２上に形成されている。第２トランジスタＴＲ２とつながる非磁性導体層８０は、第２スピン供給層５０Ｂと接触しており、第２スピン供給層５０Ｂ及び第２非磁性層４０Ｂを介して磁気記録層３０の第２領域Ｒ２に接続されている。
【００８６】
第１スピン供給層５０Ａと第２スピン供給層５０Ｂの各々は、磁化方向が固定された強磁性層である。ここで、第１スピン供給層５０Ａと第２スピン供給層５０Ｂの固定磁化方向は反対向きである。図１４で示された例では、第１スピン供給層５０Ａの磁化方向は−Ｘ方向に固定されており、第２スピン供給層５０Ｂの磁化方向は＋Ｘ方向に固定されている。これにより、データ書き込み時の磁気記録層３０に対するスピントランスファーの効率が向上する。その結果、書き込み電流Ｉｗを更に低減することが可能となる。
【００８７】
データ読み出し／書き込み時の電圧制御、セルレイアウト等は、第１の実施の形態と同様である。
【００８８】
６．第６の実施の形態
図１５は、第６の実施の形態に係るメモリセル１の構成を示す断面図である。第６の実施の形態は、スピントランスファー部ＳＷの構成が、既出の第２の実施の形態と異なっている。第２の実施の形態と重複する説明は、適宜省略される。
【００８９】
本実施の形態において、スピントランスファー部ＳＷは、磁気記録層３０、第１非磁性層４０Ａ、第１スピン供給層５０Ａ、第２非磁性層４０Ｂ、及び第２スピン供給層５０Ｂを有している。第１非磁性層４０Ａは、磁気記録層３０と第１スピン供給層５０Ａとの間に挟まれている。第２非磁性層４０Ｂは、磁気記録層３０と第２スピン供給層５０Ｂとの間に挟まれている。
【００９０】
より詳細には、磁気記録層３０の底面は、異なる第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを有している。第１非磁性層４０Ａ及び第１スピン供給層５０Ａは、第１領域Ｒ１上に形成されている。これら第１非磁性層４０Ａ及び第１スピン供給層５０Ａは、第２の実施の形態における非磁性層４０及びスピン供給層５０（図９参照）のそれぞれに対応している。第１スピン供給層５０Ａは、第１コンタクト部６０を介して第１トランジスタＴＲ１に接続されている。一方、第２非磁性層４０Ｂ及び第２スピン供給層５０Ｂは、第２領域Ｒ２上に形成されている。第２スピン供給層５０Ｂは、第２コンタクト部９０を介して第２トランジスタＴＲ２に接続されている。非磁性導体層８０は省かれている。第２トランジスタＴＲ２は、第２スピン供給層５０Ｂ及び第２非磁性層４０Ｂを介して、磁気記録層３０の第２領域Ｒ２に接続されている。
【００９１】
第１スピン供給層５０Ａと第２スピン供給層５０Ｂの各々は、磁化方向が固定された強磁性層である。ここで、第１スピン供給層５０Ａと第２スピン供給層５０Ｂの固定磁化方向は反対向きである。図１５で示された例では、第１スピン供給層５０Ａの磁化方向は−Ｘ方向に固定されており、第２スピン供給層５０Ｂの磁化方向は＋Ｘ方向に固定されている。これにより、データ書き込み時の磁気記録層３０に対するスピントランスファーの効率が向上する。その結果、書き込み電流Ｉｗを更に低減することが可能となる。
【００９２】
データ読み出し／書き込み時の電圧制御、セルレイアウト等は、第２の実施の形態と同様である。
【００９３】
尚、矛盾しない限りにおいて、上述の第１〜第６の実施の形態のうち２以上を組み合わせてもよい。
【００９４】
７．第７の実施の形態
図１６は、第７の実施の形態に係る半導体集積回路（半導体チップ）の構成を概略的に示している。この半導体集積回路は、異なる種類の第１ＭＲＡＭと第２ＭＲＡＭとを搭載している。つまり、異なる種類の第１ＭＲＡＭ及び第２ＭＲＡＭが、１チップ上に集積されている。
【００９５】
第１ＭＲＡＭのメモリセルは、これまでの実施の形態で説明されたメモリセル１（３端子ＭＴＪ素子）である。つまり、第１ＭＲＡＭは、スピントランスファー方式のＭＲＡＭであり、図２で示されたＭＲＡＭと同様に、アレイ状に配置された複数のメモリセル１を備えている。一方、第２ＭＲＡＭのメモリセルは、図１で示されたメモリセル１００（２端子ＭＴＪ素子）である。つまり、第２ＭＲＡＭは、スピントランスファー方式のＭＲＡＭであり、アレイ状に配置された複数のメモリセル１００を備えている。
【００９６】
図１７は、本実施の形態に係るメモリセル構成を示す断面図である。第１ＭＲＡＭのメモリセル１も第２ＭＲＡＭのメモリセル１００も、同じ半導体基板５上に形成されている。第１ＭＲＡＭのメモリセル１の例として、第１の実施の形態で説明されたものが示されている。
【００９７】
第２ＭＲＡＭのメモリセル１００は、磁化固定層（センス層）１１０、磁気記録層１３０、磁化固定層１１０と磁気記録層１３０との間に挟まれたトンネルバリア層１２０、磁化固定層１１０に接続された第４端子Ｔ４、及び磁気記録層１３０に接続された第５端子Ｔ５を備えている。第４端子Ｔ４は、Ｙ方向に延在する第３ビット線ＢＬ３に接続されている。また、第４端子Ｔ４と磁化固定層１１０との間には、半導体基板５上に形成された第３トランジスタＴＲ３が介在している。第３トランジスタＴＲ３のゲート電極は、Ｘ方向に延在する第３ワード線ＷＬ３に接続されている。第５端子Ｔ５は、Ｘ方向に延在する上部配線ＰＬ２に接続されている。
【００９８】
第２ＭＲＡＭのメモリセル１００の製造プロセスは、第１ＭＲＡＭのメモリセル１の製造プロセスに包含される。すなわち、第１ＭＲＡＭのメモリセル１を製造する際、第２ＭＲＡＭのメモリセル１００をも同時に製造することが可能である。例えば、メモリセル１００の磁化固定層１１０、トンネルバリア層１２０及び磁気記録層１３０は、それぞれ、メモリセル１のセンス層１０、トンネルバリア層２０及び磁気記録層３０と同じプロセスで同じ層に形成され得る。また、上部配線（ＰＬ、ＰＬ２）、トランジスタ（ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３）、ワード線（ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３）、ビット線（ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３）、コンタクト部のそれぞれの製造プロセスも、メモリセル１とメモリセル１００とで共通化できる。また、メモリセル１００においては、スピン供給層５０、非磁性導体層８０、第２コンタクト部９０を作成するプロセスは不要である。
【００９９】
以上に説明されたように、本実施の形態では、２種類のＭＲＡＭが１チップ上に形成される。第１ＭＲＡＭのメモリセル１（３端子ＭＴＪ素子）では、上述の通り、書き込み電流Ｉｗがトンネルバリア層２０を貫通しない。そのため、トンネルバリア層２０の劣化が発生せず、書き換え回数は実質的に無制限である。また、このメモリセル１は、高速書き込み、高速読み出しが可能であるという特徴も有している。一方、第２ＭＲＡＭのメモリセル１００（２端子ＭＴＪ素子）は、メモリセル１（３端子ＭＴＪ素子）と比較してセルサイズが小さいという特徴を有している。従って、第１ＭＲＡＭと第２ＭＲＡＭを、用途に応じて使い分けることができる。
【０１００】
例えば、本実施の形態をマイコンチップに応用することができる。ＭＣＵ（マイクロコンピューティング・ユニット：マイコン）の主な構成要素は、ＣＰＵ、ＳＲＡＭ、フラッシュメモリであり、それら構成要素が１チップ（混載メモリチップ）に集積されている。ＳＲＡＭには、（１）書き込み回数無制限、（２）高速書込み、（３）高速読み出し、といった特性が要求される。一方、フラッシュメモリには、（１）メモリセルの小型化、（２）高速読み出し、といった特性が要求される。従って、マイコンチップのＳＲＡＭ及びフラッシュメモリを、それぞれ、本実施の形態に係る第１ＭＲＡＭ及び第２ＭＲＡＭで置き換えることができる。ＳＲＡＭが不揮発性のＭＲＡＭで置き換えられるため、暗電流が大幅に削減される。また、上述の通り、同じ製造プロセスで第１ＭＲＡＭと第２ＭＲＡＭを同時に作成することができ、好適である。
【０１０１】
以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。
【０１０２】
本出願は、２００９年９月２８日に出願された日本国特許出願２００９−２２２９７９を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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