(57)【要約】【課題】非破壊読み出しの態様で、低誤差の読み出しを行うことが可能なＭＲＡＭを提供する。【解決手段】ＭＲＡＭのＴＭＲ素子３５は、トンネルバリア膜３６を挟んで配設された記録層３７とリファレンス層３８とを有し、記録層３７にデータを記憶する。ＴＭＲ素子３５に選択的に磁界を与えるため、電流駆動線５６が配設される。記録層３７は第１強磁性層を具備すると共にリファレンス層３８は第２強磁性層を具備し、電流駆動線５６からＴＭＲ素子３５に与えられる磁界に対して、第２強磁性層の磁化方向を保持する保持力は、第１強磁性層の磁化方向を保持する保持力よりも小さくなるように設定される。【選択図】　　図３
2004103125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルバリア膜を挟んで配設された記録層とリファレンス層とを有し、前記記録層にデータを記憶する磁気抵抗素子を記憶素子とするメモリセルが、マトリクス状に配置されたアドレス毎に配設されたメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイの各行に接続されたワード線と、
前記メモリセルアレイの各列に接続されたビット線と、
前記ワード線を選択するための行デコーダと、
前記ビット線を選択するための列デコーダと、
を具備し、
前記メモリセルアレイ内の選択メモリセルの記録層に記憶された記憶データを読み出す際、前記記憶データを破壊せずに前記選択メモリセルのリファレンス層の磁化方向を変えることが可能な読み出し用の磁界を、前記ワード線及び前記ビット線の少なくとも一方により前記磁気抵抗素子に与えながら読み出す操作を行って、前記記憶データの値を判断することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２】
前記記憶データを読み出す際、前記読み出し用の磁界を与えないで読み出しを行うことにより、前記選択メモリセルの電気的特性の基本値を検出すると共に、前記読み出し用の磁界を与えながら読み出しを行うことにより、前記選択メモリセルの電気的特性の参照値を検出し、前記基本値と前記参照値とを比較することにより、前記記憶データの値を判断することを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項３】
トンネルバリア膜を挟んで配設された記録層とリファレンス層とを有し、前記記録層にデータを記憶する磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子に選択的に磁界を与える電流駆動線と、
を具備し、前記記録層は第１強磁性層を具備すると共に前記リファレンス層は第２強磁性層を具備し、前記電流駆動線から前記磁気抵抗素子に与えられる磁界に対して、前記第２強磁性層の磁化方向を保持する保持力は、前記第１強磁性層の磁化方向を保持する保持力よりも小さくなるように設定されることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項４】
前記第２強磁性層の磁化方向を反転させるために必要な、前記電流駆動線に流す電流の絶対値の最小値である第２電流値は、前記第１強磁性層の磁化方向を反転させるために必要な、前記電流駆動線に流す電流の絶対値の最小値である第１電流値よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項５】
前記第１強磁性層の長軸方向と前記第２強磁性層の長軸方向とが互いに直交することを特徴とする請求項３記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項６】
前記第１及び第２強磁性層の磁化容易軸方向は、前記電流駆動線が延在する方向に対して直交することを特徴とする請求項３記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項７】
前記第２強磁性層の長軸長／短軸長を示す第２の比は、前記第１強磁性層の長軸長／短軸長を示す第１の比よりも小さいことを特徴とする請求項３記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項８】
前記第１強磁性層の磁化容易軸方向は、前記第２強磁性層の磁化容易軸方向に対して直交し、且つ前記電流駆動線が延在する方向と平行であることを特徴とする請求項３記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項９】
前記磁気抵抗素子に記憶された記憶データを読み出す際、前記電流駆動線により、前記第１強磁性層の磁化方向を変えずに前記第２強磁性層の磁化方向を変えることが可能な読み出し用の磁界を前記磁気抵抗素子に与えながら読み出す操作を行って、前記記憶データの値を判断することを特徴とする請求項３記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１０】
前記記憶データを読み出す際、前記読み出し用の磁界を与えないで読み出しを行うことにより、前記磁気抵抗素子の電気的特性の基本値を検出すると共に、前記読み出し用の磁界を与えながら読み出しを行うことにより、前記磁気抵抗素子の電気的特性の参照値を検出し、前記基本値と前記参照値とを比較することにより、前記記憶データの値を判断することを特徴とする請求項９に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１１】
トンネルバリア膜を挟んで配設された記録層とリファレンス層とを有し、前記記録層にデータを記憶する磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子に選択的に磁界を与える電流駆動線と、
を具備し、前記記録層は第１強磁性層を具備すると共に前記リファレンス層は第２強磁性層を具備し、前記電流駆動線から前記磁気抵抗素子に与えられる磁界に対して、前記第２強磁性層の磁化方向を保持する保持力は、前記第１強磁性層の磁化方向を保持する保持力よりも小さくなるように設定されることと、
前記リファレンス層は、前記電流駆動線に電流を流さない状態において、前記第２強磁性層の磁化方向が、前記第１強磁性層の磁化方向に依存せずに特定の向きとなるように構成されることと、
を特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１２】
前記第２強磁性層の磁化方向を反転させるために必要な、前記電流駆動線に流す電流の絶対値の最小値である第２電流値は、前記第１強磁性層の磁化方向を反転させるために必要な、前記電流駆動線に流す電流の絶対値の最小値である第１電流値よりも小さいことを特徴とする請求項１１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１３】
前記リファレンス層は、前記第２強磁性層と反強磁性層との積層構造を具備することを特徴とする請求項１１記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１４】
前記リファレンス層は、前記第２強磁性層と前記反強磁性層との間に配設された非磁性層を更に具備することを特徴とする請求項１３に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１５】
前記第１及び第２強磁性層の磁化容易軸方向及び前記反強磁性層の磁化方向は、前記電流駆動線が延在する方向に対して直交することを特徴とする請求項１３に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１６】
前記第２強磁性層の磁化容易軸方向は、前記第１強磁性層の磁化容易軸方向、前記反強磁性層の磁化方向、及び前記電流駆動線が延在する方向に対して直交することを特徴とする請求項１３に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１７】
前記第１強磁性層の長軸方向と前記第２強磁性層の長軸方向とが互いに直交することを特徴とする請求項１１記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１８】
前記磁気抵抗素子に記憶された記憶データを読み出す際、前記電流駆動線により、前記第１強磁性層の磁化方向を変えずに前記第２強磁性層の磁化方向を変える読み出し用の磁界を前記磁気抵抗素子に与えながら読み出す操作を行って、前記記憶データの値を判断することを特徴とする請求項１１記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１９】
前記読み出し用の磁界により、前記第２強磁性層の磁化方向は、実質的に１８０度または９０度回転されることを特徴とする請求項１１記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２０】
前記記憶データを読み出す際、前記読み出し用の磁界を与えないで読み出しを行うことにより、前記磁気抵抗素子の電気的特性の基本値を検出すると共に、前記読み出し用の磁界を与えながら読み出しを行うことにより、前記磁気抵抗素子の電気的特性の参照値を検出し、前記基本値と前記参照値とを比較することにより、前記記憶データの値を判断することを特徴とする請求項１８に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２１】
トンネルバリア膜を挟んで配設された記録層とリファレンス層とを有し、前記記録層にデータを記憶する磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子に選択的に磁界を与える電流駆動線と、
を具備し、前記記録層は第１強磁性層を具備すると共に前記リファレンス層は第２強磁性層を具備し、前記電流駆動線から前記磁気抵抗素子に与えられる磁界に対して、前記第２強磁性層の磁化方向を保持する保持力は、前記第１強磁性層の磁化方向を保持する保持力よりも小さくなるように設定されることと、
前記リファレンス層は、前記電流駆動線に電流を流さない状態において、前記第２強磁性層の磁化方向が、前記第１強磁性層の磁化方向に依存して決まるように構成されることと、
を特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２２】
前記第２強磁性層の磁化方向を反転させるために必要な、前記電流駆動線に流す電流の絶対値の最小値である第２電流値は、前記第１強磁性層の磁化方向を反転させるために必要な、前記電流駆動線に流す電流の絶対値の最小値である第１電流値よりも小さいことを特徴とする請求項２１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２３】
前記リファレンス層は、前記電流駆動線に電流を流さない状態において、前記第２強磁性層の磁化方向が、前記第１強磁性層の磁化方向と平行となるように構成されることを特徴とする請求項２１記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２４】
前記リファレンス層は、前記電流駆動線に電流を流さない状態において、前記第２強磁性層の磁化方向が、前記第１強磁性層の磁化方向と反平行となるように構成されることを特徴とする請求項２１記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２５】
前記リファレンス層は、反強磁性層を含まないことを特徴とする請求項２１記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２６】
前記第１及び第２強磁性層の磁化容易軸方向は前記電流駆動線が延在する方向に対して直交することを特徴とする請求項２１記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２７】
前記第２強磁性層の長軸長／短軸長を示す第２の比は、前記第１強磁性層の長軸長／短軸長を示す第１の比よりも小さいことを特徴とする請求項２１記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２８】
前記第１強磁性層の長軸方向と前記第２強磁性層の長軸方向とが互いに直交することを特徴とする請求項２１記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２９】
前記磁気抵抗素子に記憶された記憶データを読み出す際、前記電流駆動線により、前記第１強磁性層の磁化方向を変えずに前記第２強磁性層の磁化方向を特定方向に向かせる読み出し用の磁界を前記磁気抵抗素子に与えながら読み出す操作を行って、前記記憶データの値を判断することを特徴とする請求項２１記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項３０】
前記記憶データを読み出す際、前記読み出し用の磁界を与えないで読み出しを行うことにより、前記磁気抵抗素子の電気的特性の基本値を検出すると共に、前記読み出し用の磁界を与えながら読み出しを行うことにより、前記磁気抵抗素子の電気的特性の参照値を検出し、前記基本値と前記参照値とを比較することにより、前記記憶データの値を判断することを特徴とする請求項２９に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項３１】
第１トンネルバリア膜を挟んで配設された第１記録層及び第１リファレンス層と、第２トンネルバリア膜を挟んで配設された第２記録層及び第２リファレンス層とを有し、前記第１及び第２記録層にデータを記憶する磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子に選択的に磁界を与える電流駆動線と、
を具備し、前記第１及び第２記録層は第１及び第３強磁性層を夫々具備すると共に前記第１及び第２リファレンス層は第２及び第４強磁性層を夫々具備し、前記電流駆動線から前記磁気抵抗素子に与えられる磁界に対して、前記第２強磁性層の磁化方向を保持する保持力は、前記第１強磁性層の磁化方向を保持する保持力よりも小さく、且つ前記第４強磁性層の磁化方向を保持する保持力は、前記第３強磁性層の磁化方向を保持する保持力よりも小さくなるように設定されることと、
前記第１及び第２リファレンス層は、前記電流駆動線に電流を流さない状態において、前記第２及び第４強磁性層の磁化方向が、前記第１及び第３強磁性層の磁化方向に依存して夫々決まるように構成されることと、
を特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：以下ＴＭＲと略記する）効果を利用してデータの記憶を行う構造をメモリセルとして用いた磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ：以下ＭＲＡＭと略記する）とは、情報の記録担体として強磁性体の磁化方向を利用した、記録情報を随時、書き換え、保持、読み出すことができる固体メモリの総称である。
【０００３】
ＭＲＡＭのメモリセルは、通常複数の強磁性体を積層した構造を有する。情報の記録は、メモリセルを構成する複数の強磁性体の磁化の相対配置が、平行か、反平行であるかを２進の情報“１”、“０”に対応させて行う。記録情報の書き込みは、各セルの強磁性体の磁化方向を、クロスストライプ状に配置された書き込み線に電流を流して生じる電流磁界によって反転させることによって行う。記録保持時の消費電力は原理的にゼロであり、また電源を切っても記録保持が行われる不揮発性メモリである。記録情報の読み出しは、メモリセルの電気抵抗が、セルを構成する強磁性体の磁化方向とセンス電流との相対角、または複数の強磁性層間の磁化の相対角によって変化する現象、いわゆる磁気抵抗効果を利用して行う。
【０００４】
ＭＲＡＭは、従来の誘電体を用いた半導体メモリとその機能を比較すると、下記の（１）〜（３）に示すような多くの利点を有している。（１）完全な不揮発性であり、また１０１５回以上の書き換え回数が可能で。（２）非破壊読み出しが可能であり、リフレッシュ動作を必要としないため読み出しサイクルを短くすることが可能である。（３）電荷蓄積型のメモリセルに比べ、放射線に対する耐性が強い。ＭＲＡＭの単位面積あたりの集積度、書き込み、読みだし時間は、おおむねＤＲＡＭと同程度となりうることが予想される。従って不揮発性という大きな特色を生かし、携帯機器用の外部記録装置、ＬＳＩ混載用途、更にはパーソナルコンピューターの主記憶メモリへの応用が期待されている。
【０００５】
現在実用化の検討が進められているＭＲＡＭでは、メモリセルに強磁性トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を形成するＴＭＲ素子を用いている（例えば、非特許文献１参照）。ＴＭＲ素子は、主として強磁性層／絶縁層／強磁性層からなる三層膜で構成され、電流は絶縁層をトンネルして流れる。接合の抵抗値は、両強磁性金属層の磁化の相対角の余弦に比例して変化し、両磁化が反平行の場合に極大値をとる。これがＴＭＲ効果であり、例えばＮｉＦｅ／Ｃｏ／Ａｌ２　Ｏ３　／Ｃｏ／ＮｉＦｅでは、５０Ｏｅ以下の低磁界において２５％を越える磁気抵抗変化率が見出されている。
【０００６】
ＴＭＲ素子の構造としては、両方の強磁性体の保持力の差を利用してデータを保持する保持力差型のものが知られている。これに加えて、磁界感度改善或いは書き込み電流低減を目的として、一方の強磁性体に隣接して反強磁性体を配置し、磁化方向を固着させたいわゆるスピンバルブ構造のもの（例えば、非特許文献２参照）も知られている。
【０００７】
しかしながらＧｂ級の集積度を持つＭＲＡＭを開発するためには、解決すべき課題が幾つか残っている。その一つは、ＴＭＲ素子の加工ばらつきにより生じる、接合抵抗のばらつきが、ＴＭＲ効果に比べて無視できず、読み出しを著しく困難にしていることである。この問題を解決するためには、自己リファレンス型の読み出し操作が提案されている。この手法では、例えば、以下のような手順で、読み出し操作を行う。
【０００８】
先ず、読み出し対象のアドレスに位置する対象メモリセルに記憶された記憶データに基づいた電気的特性値を検出し、データバッファに格納する。次に、同対象メモリセルに“１”データを書き込むと共に読み出すことにより、“１”データに基づいた電気的特性値を検出し、“１”データバッファに格納する。次に、同対象メモリセルに“０”データを書き込むと共に読み出すことにより、“０”データに基づいた電気的特性値を検出し、“０”データバッファに格納する。最後に、各データバッファに格納した、記憶データに基づいた電気的特性値と、“１”データ及び“０”データに夫々基づいた電気的特性値とを比較し、記憶データの値を判断する。
【０００９】
【非特許文献１】
ＩＳＳＣＣ　２０００　Ｄｉｇｅｓｔ　Ｐａｐｅｒ　ＴＡ７．２
【００１０】
【非特許文献２】
Ｊｐｎ．　Ｊ．　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．，　３６，　Ｌ２００　（１９９７）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、自己リファレンス型の読み出し操作は、基本的に破壊読み出しである。従って、例えば、記憶データが“１”であった場合は、記憶データの値を判断した後、“１”データが再度書き込む必要がある。また、複雑な手続きを経て読み出しを完了するため、読み出し動作速度が低下し、高速メモリを実現できない。また、２度にわたる書き込み動作を伴うため、読み出し時の消費電力も大きくなる。
【００１２】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、自己リファレンス型の読み出し操作よりも少ない工程で且つ非破壊読み出しの態様で、低誤差の読み出しを行うことが可能なＭＲＡＭを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の視点は、磁気ランダムアクセスメモリであって、
トンネルバリア膜を挟んで配設された記録層とリファレンス層とを有し、前記記録層にデータを記憶する磁気抵抗素子を記憶素子とするメモリセルが、マトリクス状に配置されたアドレス毎に配設されたメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイの各行に接続されたワード線と、
前記メモリセルアレイの各列に接続されたビット線と、
前記ワード線を選択するための行デコーダと、
前記ビット線を選択するための列デコーダと、
を具備し、
前記メモリセルアレイ内の選択メモリセルの記録層に記憶された記憶データを読み出す際、前記記憶データを破壊せずに前記選択メモリセルのリファレンス層の磁化方向を変えることが可能な読み出し用の磁界を、前記ワード線及び前記ビット線の少なくとも一方により前記磁気抵抗素子に与えながら読み出す操作を行って、前記記憶データの値を判断することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【００１４】
前記第１の視点において、前記記憶データを読み出す際、前記読み出し用の磁界を与えないで読み出しを行うことにより、前記選択メモリセルの電気的特性の基本値を検出すると共に、前記読み出し用の磁界を与えながら読み出しを行うことにより、前記選択メモリセルの電気的特性の参照値を検出し、前記基本値と前記参照値とを比較することにより、前記記憶データの値を判断することができる。
【００１５】
本発明の第２の視点は、磁気ランダムアクセスメモリであって、
トンネルバリア膜を挟んで配設された記録層とリファレンス層とを有し、前記記録層にデータを記憶する磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子に選択的に磁界を与える電流駆動線と、
を具備し、前記記録層は第１強磁性層を具備すると共に前記リファレンス層は第２強磁性層を具備し、前記電流駆動線から前記磁気抵抗素子に与えられる磁界に対して、前記第２強磁性層の磁化方向を保持する保持力は、前記第１強磁性層の磁化方向を保持する保持力よりも小さくなるように設定されることを特徴とする。
【００１６】
前記第２の視点において、前記リファレンス層は、前記電流駆動線に電流を流さない状態において、前記第２強磁性層の磁化方向が、前記第１強磁性層の磁化方向に依存せずに特定の向きとなるように構成することができる。
【００１７】
前記第２の視点において、前記リファレンス層は、前記電流駆動線に電流を流さない状態において、前記第２強磁性層の磁化方向が、前記第１強磁性層の磁化方向に依存して決まるように構成することができる。
【００１８】
更に、本発明の実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して以下に説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＭＲＡＭを示すブロック図である。このＭＲＡＭは同期型のメモリチップ構成を有する。
【００２１】
このＭＲＡＭは、マトリクス状に配置されたアドレス毎に、ＴＭＲ素子（磁気抵抗素子）を記憶素子とするメモリセル２４が配設されたメモリセルアレイ２１を有する。メモリセルアレイ２１の各行にワード線２２が接続され、メモリセルアレイ２１の各列にビット線２３が接続される。なお、図１においては、理解を容易にするため、ワード線２２は、書き込みワード線及び読み出しワード線の両者を代表するものとして示されている。
【００２２】
ワード線２２を選択するため、行アドレスバッファ１１、行デコーダ１３、１５、及び行ドライバ１４、１６が配設される。ビット線２３を選択するため、列アドレスバッファ１２、列デコーダ１７、及び列ドライバ１８が配設される。また、ビット線２３には、後述するような態様で記憶データの読み出しを行うためのセンス回路１９が接続される。センス回路１９は、Ａ／Ｄコンバータ２５、第１データバッファ２６、第２データバッファ２７、及びコンパレータ２９等を含む。
【００２３】
行アドレスバッファ１１及び列アドレスバッファ１２は、アドレス信号及びデータ信号等を生成する制御部ＣＳ１に接続される。制御部ＣＳ１は、メモリセルアレイ２１等と同一基板上に混載されるか、或いはメモリセルアレイ２１等とは別の素子として形成される。制御部ＣＳ１からのアドレス信号は、一旦、行アドレスバッファ１１及び列アドレスバッファ１２に夫々ラッチされる。
【００２４】
読み出し時は、ラッチされたアドレス信号に基づいて、行デコーダ１３及び列デコーダ１７で行及び列が夫々選択される。書き込み時は、対象メモリセル２４のアドレスのビット線２３に列ドライバ１８から電流が流され、同時に対象メモリセル２４のアドレスに相当するワード線２２に、左右の行ドライバ１４、１６から、書き込む情報に応じた電流が印加される。
【００２５】
本実施の形態に係るＭＲＡＭおいては、メモリセルアレイ内の選択メモリセルに記憶された記憶データを読み出す際、次のような手順で操作を行う。なお、この読み出し操作は、後述するように、ＴＭＲ素子を含むメモリセル２４の構造を工夫することによって可能となる。
【００２６】
先ず、選択メモリセルのＴＭＲ素子に磁界を与えないで読み出しを行う。これにより、選択メモリセルの電気的特性（典型的には抵抗）の基本値を検出し、この基本値のデータを第１データバッファ２６に格納する。次に、磁界を発生するための電流駆動線として機能するワード線２２及びビット線２３の少なくとも一方により選択メモリセルのＴＭＲ素子に読み出し用の磁界を与えながら読み出しを行う。これにより、選択メモリセルの電気的特性の参照値を検出し、この参照値のデータを第２データバッファ２７に格納する。次に、第１及び第２データバッファ２６、２７に格納した基本値と参照値とをコンパレータ２９により比較することにより、記憶データの値が、例えば“１”であるか“０”であるかを判断する。
【００２７】
図２は、本発明の第１の実施の形態に係るＭＲＡＭの２つのメモリセルに相当する部分を示す平面図であり、図３及び図４は、夫々図２のＩＩＩ　−　ＩＩＩ　線及びＩＶ
−　ＩＶ　線に沿った断面図である。
【００２８】
半導体基板４０上には、読み出し用のスイッチ素子としてＭＯＳトランジスタ４１が形成される。ＭＯＳトランジスタ４１は、基板４０の表面内に形成されたソース拡散層４２及びドレイン拡散層４３と、基板４０の表面のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して配設されたゲート電極４４と、を有する。ゲート電極４４は、図３の紙面に対して直交して延びる読み出しワード線（図１ではワード線２２で代表的に示される）の一部からなる。ソース拡散層４２はプラグ４５を介して読み出しソース線４６に接続される。
【００２９】
一方、ＭＯＳトランジスタ４１のドレイン拡散層４３は、プラグ４７、４９及び配線層４８、５０、５１を介してＴＭＲ素子３５に接続される。ＴＭＲ素子３５は、配線層５１と一方の書き込み用電流駆動線であるビット線５７（図１ではビット線２３で代表的に示される）の間に挟まれる。ＴＭＲ素子３５の直下には、絶縁膜を介して他方の書き込み用電流駆動線である書き込みワード線５６（図１ではワード線２２で代表的に示される）が配置される。書き込みワード線５６は、ビット線５７の延在方向（カラム方向）に対して垂直な方向（ロウ方向）に延在する。図３及び図４において、符号５４、５５は層間絶縁膜及び素子分離絶縁膜を夫々示す。
【００３０】
書き込みワード線５６とビット線５７とは、図１図示のように互いに直交し、クロスマトリックスを形成する。書き込みワード線５６とビット線５７との各交点に配置された１つのＴＭＲ素子３５は、図１図示の１つのメモリセル２４に対応する。ＴＭＲ素子３５には、書き込みワード線５６に流れる電流及びビット線５７に流れる電流により形成される磁界によりデータが書き込まれる。なお図１ではビット線５７が書き込みワード線５６の上方にある構成を示しているが、逆の構成も可能である。
【００３１】
各ＴＭＲ素子３５は、トンネルバリア膜３６を挟んで配設された記録層３７とリファレンス層３８とを有し、記録層３７にデータを記憶する。記録層３７及びリファレンス層３８は共に強磁性層を具備し、各強磁性層はＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏを含む強磁性合金の単層または多層膜からなる。ＴＭＲ素子３５は、例えば、書き込みワード線（電流駆動線）５６からＴＭＲ素子３５に与えられる磁界に対して、リファレンス層３８の強磁性層の磁化方向を保持する保持力が、記録層３７の強磁性層の磁化方向を保持する保持力よりも小さくなるように設定される。ここで、「磁化方向を保持する保持力」とは、具体的には、その磁化方向を反転させるのに必要最小限な磁界の大きさを意味する。なお、「保持力」に代えて「保磁力」の用語が使用される場合もある。
【００３２】
従って、リファレンス層３８の強磁性層の磁化方向を反転させるために必要な、書き込みワード線５６に流す電流の絶対値の最小値である電流値は、記録層３７の強磁性層の磁化方向を反転させるために必要な、書き込みワード線５６に流す電流の絶対値の最小値である電流値よりも小さい。即ち、書き込みワード線５６に所定値の電流を流すことにより、記録層３７の強磁性層の磁化方向を変えずにリファレンス層３８の強磁性層の磁化方向を変えることが可能な磁界をＴＭＲ素子３５に与えることができる。
【００３３】
このような構成により、ＴＭＲ素子３５の記録層３７に記憶された記憶データを読み出す際、次のような手順で操作を行うことができる。即ち、先ず、書き込みワード線５６に電流を流さないで（ＴＭＲ素子３５に磁界を与えないで）読み出しを行う。これにより、選択メモリセルの電気的特性（典型的には抵抗）の基本値を検出する。次に、書き込みワード線５６に上述の所定値の電流を流すことにより、リファレンス層３８の強磁性層の磁化方向のみを変える或いは特定方向に向かせるような読み出し用の磁界をＴＭＲ素子３５に与えながら読み出しを行う。これにより、ＴＭＲ素子３５の電気的特性の参照値を検出する。次に、基本値と参照値とを比較することにより、記憶データの値が、例えば“１”であるか“０”であるかを判断する。
【００３４】
上述のＴＭＲ素子３５の記憶データを読み出す操作において、読み出し用の磁界を形成するのに必要な電流値や、記憶データの値を判断する態様は、ＴＭＲ素子を含むメモリセル２４の構造によって異なる。それ等の詳細については、以下の実施の形態において順次説明を行う。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図５及び図６（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係るＭＲＡＭの各メモリセルのＴＭＲ素子を示す縦断側面図及び平面レイアウト図である。なお、本実施の形態に係るＭＲＡＭの全体の構成を示すブロック図は図１に示すものと実質的に同じであり、また、各メモリセル周りの配線構造や層構造は図２乃至図４に示すものと実質的に同じである。
【００３６】
図５に示すように、このＴＭＲ素子６０は、図３図示のＴＭＲ素子３５の位置に配設され、即ち、配線層５１とビット線５７との間に挟まれる。ＴＭＲ素子６０は、トンネルバリア膜（絶縁膜）６１を挟んで配設された記録層６２とリファレンス層６３とを含むスピンバルブ構造を有する。記録層６２は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏを含む強磁性合金の単層または多層膜からなる強磁性層から形成される。記録層６２の底面は配線層５１に電気的に接続される。
【００３７】
一方、リファレンス層６３は、トンネルバリア膜６１側から、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏを含む強磁性合金の単層または多層膜からなる強磁性層６６、Ｒｕ等の非磁性金属からなる非磁性層６７、及び高保磁力層６８とから形成される。高保磁力層６８は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏを含む強磁性合金の単層または多層膜からなる強磁性層６８ａ、及び少なくとも一層のＰｔＭｎ等の反強磁性体の薄膜からなる反強磁性層６８ｂを含む。反強磁性層６８ｂの上面は配線５８を介してビット線５７に電気的に接続される。
【００３８】
なお、ＴＭＲ素子６０はデュアルスピンバルブ構造のＴＭＲ素子とすることもできる。この場合、ＴＭＲ素子６０は、記録層を挟んで配設された２つのトンネルバリア膜と、２つのトンネルバリア膜の外側に配設された２つのリファレンス層とを有する。記録層及び各リファレンス層の構造は、例えば、図５図示のものと同様なものとなる。デュアルスピンバルブ構造を採用することにより、印加電圧に対する磁気抵抗変化率の減少を低減することができ、また耐圧を高めることができる。
【００３９】
ＴＭＲ素子６０は、書き込みワード線（電流駆動線）５６（図３参照）からＴＭＲ素子６０に与えられる磁界に対して、リファレンス層６３の強磁性層６６の磁化方向を保持する保持力が、記録層６２の強磁性層の磁化方向を保持する保持力よりも小さくなるように設定される。これにより、即ち、書き込みワード線５６に所定値の電流を流すことにより、記録層６２の強磁性層の磁化方向を変えずにリファレンス層６３の強磁性層６６の磁化方向を変えることが可能な磁界をＴＭＲ素子６０に与えることができる。
【００４０】
このような磁化方向の保持力の設定は、リファレンス層６３の高保磁力層６８と強磁性層６６とのカップリングを弱くすることで実現できる。図５図示の構造においては、高保磁力層６８と強磁性層６６と間に挟まれた非磁性層６７により、両層間のカップリングが弱められる。なお、高保磁力層６８と強磁性層６６とのカップリングを弱めるため、高保磁力層６８の膜厚を薄くする、強磁性層６６自身の膜厚を薄くする、非磁性層６７の膜厚を厚くする等の条件変更を適宜採用することができる。記録層（強磁性層）６２の磁化方向の反転を防ぐためには、記録層６２の磁化容易軸方向に向いた磁界に対して、記録層６２の磁化方向の保持力が、リファレンス層６３の強磁性層６６のそれの２倍以上であることが望ましい。
【００４１】
図６（ａ）に示すように、ビット線５７の延在方向をＸ方向、書き込みワード線５６（図３参照）の延在方向をＹ方向とすると、記録層６２の長軸方向及び磁化容易軸方向はＸ方向と平行である。一方、リファレンス層６３の強磁性層６６の磁化容易軸方向及び反強磁性層６８ｂの磁化方向もＸ方向と平行で、従って、読み出し用の磁界を付与するための書き込みワード線５６の延在方向（Ｙ方向）に対して直交する。
【００４２】
本実施の形態によれば、記録層６２に記憶された記憶データを読み出す際、下記のような手順で操作を行うことができる。下記の読み出し操作の説明において、記憶データが“１”のときは、初期状態で、記録層６２の強磁性層及びリファレンス層６３の強磁性層６６の磁化方向が、図６（ａ）中の矢印Ｍ１１、Ｍ１２で夫々示す状態にあるものとする。また、書き込みワード線５６に読み出し用の電流Ｉｒｅｆ１の電流を流すことにより、記録層６２の強磁性層の磁化方向を変えずにリファレンス層６３の強磁性層６６の磁化方向を反転（ほぼ１８０度回転）させる磁界をＴＭＲ素子６０に与えることができるものとする。
【００４３】
書き込みワード線に電流を流さないで読み出す（基本値）。
書き込みワード線にＩｒｅｆ１を流しながら読み出す（参照値）。
基本値と参照値とを比較して記憶データの値を判断する。
基本値＞参照値ならば記憶データは“１”。
基本値＜参照値ならば記憶データは“０”。
【００４４】
即ち、初期状態において、記録層６２のスピン（磁化方向）とリファレンス層６３のスピン（磁化方向）とが平行であれば、読み出し用の電流Ｉｒｅｆ１を流している間、両スピンは反平行となってトンネル磁気抵抗は増加する。一方、初期状態において、記録層６２のスピンとリファレンス層６３のスピンとが反平行であれば、電流Ｉｒｅｆ１を流している間、両スピンは平行となってトンネル磁気抵抗は減少する。従って、基本値と参照値との大小関係を見ることで、記憶データの値が“１”であるか“０”であるかを判断することができる。
【００４５】
本実施の形態によれば、記録層６２のスピン（磁化方向）は反転させずに、リファレンス層６３のスピン（磁化方向）のみを反転させることにより、非破壊読み出しを行うことができる。リファレンス層６３のスピンの向きは、書き込みワード線５６の電流をゼロに戻すと、高保磁力層６８と強磁性層６６とのカップリングにより、元の状態に復帰する。換言すれば、参照値を得るための読み出し工程を、書き込みワード線５６に電流を流しながら行うことで、従来の自己リファレンス方式の操作工程数を減らすことができる。
【００４６】
なお、記録層６２は、そのデータ保持特性を良好にするため、磁化容易軸方向の長さと磁化困難軸方向の長さとの比が１から大きくずれた形状異方性を有することが望ましい。本実施の形態においては、記録層６２は、磁化困難軸方向の長さに対する磁化容易軸方向の長さの比（Ｘ方向長さ／Ｙ方向長さ）が１．５以上となるように設定される。
【００４７】
一方、リファレンス層６３は、磁化困難軸方向の長さに対する磁化容易軸方向の長さの比（Ｘ方向長さ／Ｙ方向長さ）が１に近い或いは１を下回ることが望ましい。これにより、書き込みワード線５６からの読み出し用の磁界により、リファレンス層６３の強磁性層６６の磁化方向を反転させやすくなる。即ち、読み出し用の磁界を形成するための電流値を小さく抑えることができる。このため、読み出し時の消費電力を低減すると共に、読み出し時の隣接メモリセルの記録層６２への影響を抑え、ＭＲＡＭの信頼性を高めることが可能となる。
【００４８】
かかる観点から、図６（ａ）図示の構造では、記録層６２は長軸長（磁化容易軸方向長さ）／短軸長（磁化困難軸方向長さ）の比が２の楕円形状をなし、リファレンス層６３は円形をなす。また、図６（ｂ）図示の変更例の構造では、記録層６２及びリファレンス層６３は共に楕円形状をなし、記録層６２の長軸方向（磁化容易軸方向）と、リファレンス層６３の長軸方向（磁化困難軸方向）とが互いに直交する。
【００４９】
本実施の形態によれば、非破壊読み出しにより、従来の自己リファレンス方式と同程度の読み出し信号量差を実現することができる。従って、プロセスに起因するメモリセルの個体差による信頼性の低下を防ぐことができる。また、従来の自己リファレンス方式の操作工程数を減らすことができるため、高速動作が可能となる。
【００５０】
（第３の実施の形態）
図７及び図８は、本発明の第３の実施の形態に係るＭＲＡＭの各メモリセルのＴＭＲ素子を示す縦断側面図及び平面レイアウト図である。なお、本実施の形態に係るＭＲＡＭの全体の構成を示すブロック図は図１に示すものと実質的に同じであり、また、各メモリセル周りの配線構造や層構造は図２乃至図４に示すものと実質的に同じである。
【００５１】
上述の第２の実施の形態によれば、１回の読み出し動作で、１本の書き込みワード線５６に属するｎ個ビットの情報を、平走する多くのビット線から一度に読み出すことが可能である。しかし、書き込み動作を考えると、ビット線に流す電流の向きによってデータ“１”と“０”とを書き分ける構造が採用されている場合が多い。第２の実施の形態のように、記録層６２の強磁性層の磁化容易軸方向が、書き込みワード線５６の延在方向（Ｙ方向）と直交している場合には、１本の書き込みワード線５６に属するｎ個ビット全てに書き込むためには、ｎ回の書き込み動作が必要となってしまう。これに対して、第３の実施の形態によれば、読み出し／書き込み共に１本の書き込みワード線５６に属するｎ個ビットに関して、１回ずつで完了することを可能となる。
【００５２】
図７に示すように、このＴＭＲ素子７０は、図３図示のＴＭＲ素子３５の位置に配設され、即ち、配線層５１とビット線５７との間に挟まれる。ＴＭＲ素子７０は、トンネルバリア膜（絶縁膜）７１を挟んで配設された記録層７２とリファレンス層７３とを含むスピンバルブ構造を有する。記録層７２は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏを含む強磁性合金の単層または多層膜からなる強磁性層から形成される。記録層７２の底面は配線層５１に電気的に接続される。
【００５３】
一方、リファレンス層７３は、トンネルバリア膜７１側から、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏを含む強磁性合金の単層または多層膜からなる強磁性層７６、Ｒｕ等の非磁性金属からなる非磁性層７７、及び高保磁力層７８とから形成される。高保磁力層７８は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏを含む強磁性合金の単層または多層膜からなる強磁性層７８ａ、及び少なくとも一層のＰｔＭｎ等の反強磁性体の薄膜からなる反強磁性層７８ｂを含む。反強磁性層７８ｂの上面は配線５８を介してビット線５７に電気的に接続される。
【００５４】
ＴＭＲ素子７０は、書き込みワード線（電流駆動線）５６（図３参照）からＴＭＲ素子７０に与えられる磁界に対して、リファレンス層７３の強磁性層７６の磁化方向を保持する保持力が、記録層７２の強磁性層の磁化方向を保持する保持力よりも小さくなるように設定される。これにより、即ち、書き込みワード線５６に所定値の電流を流すことにより、記録層７２の強磁性層の磁化方向を変えずにリファレンス層７３の強磁性層７６の磁化方向を変えることが可能な磁界をＴＭＲ素子７０に与えることができる。
【００５５】
このような磁化方向の保持力の設定は、第２の実施の形態で述べたように、リファレンス層７３の高保磁力層７８と強磁性層７６とのカップリングを弱くすることで実現できる。なお、第２の実施の形態で述べたように、ＴＭＲ素子７０はデュアルスピンバルブ構造のＴＭＲ素子とすることもできる。
【００５６】
図８に示すように、ビット線５７の延在方向をＸ方向、書き込みワード線５６（図３参照）の延在方向をＹ方向とすると、記録層７２の長軸方向及び磁化容易軸方向はＹ方向と平行である。一方、リファレンス層７３の強磁性層７６の長軸方向はＸ方向と平行で、従って、読み出し用の磁界を付与するための書き込みワード線５６の延在方向に対して直交する。また、リファレンス層７３の反強磁性層７８ｂの誘導磁気異方性の軸はＹ方向と平行で、リファレンス層７３の強磁性層７６の誘導磁気異方性の軸はＸ方向と平行である。
【００５７】
このような構成により、リファレンス層７３の強磁性層７６の磁化方向は、外部磁界が存在しない状態では、反強磁性層７８ｂとのカップリングによりＹ方向を向く。一方、外部にＸ方向の磁界が存在する状態では、強磁性層７６の磁化方向は、その形状磁気異方性及び誘導磁気異方性により、容易にＸ方向を向くようになる。なお、誘導磁気異方性の軸の向きは、具体的には、例えば磁界を印加しながら磁性体膜を堆積する処理や、磁界を印加しながら磁性体膜をアニールする処理において、印加した磁界の向きとほぼ一致するものである。
【００５８】
本実施の形態によれば、記録層７２に記憶された記憶データを読み出す際、下記のような手順で操作を行うことができる。この際の動作原理は第２の実施形態と同様であるが、書き込みワード線５６によって読み出し用の電界をＴＭＲ素子７０に与えている間、リファレンス層７３の強磁性層７６の磁化方向は、記録層７２の強磁性層の磁化方向に対してほぼ直交することになる。
【００５９】
下記の読み出し操作の説明において、記憶データが“１”のときは、初期状態で、記録層７２の強磁性層及びリファレンス層７３の強磁性層７６の磁化方向が、図８中の矢印Ｍ２１、Ｍ２２で夫々示す状態にあるものとする。また、書き込みワード線５６に読み出し用の電流Ｉｒｅｆ２の電流を流すことにより、記録層７２の強磁性層の磁化方向を変えずにリファレンス層７３の強磁性層７６の磁化方向を変える（ほぼ９０度回転）させる磁界をＴＭＲ素子７０に与えることができるものとする。
【００６０】
書き込みワード線に電流を流さないで読み出す（基本値）。
書き込みワード線にＩｒｅｆ２を流しながら読み出す（参照値）。
基本値と参照値とを大小して記憶データの値を判断する。
基本値＞参照値ならば記憶データは“１”。
基本値＜参照値ならば記憶データは“０”。
【００６１】
即ち、初期状態において、記録層７２のスピン（磁化方向）とリファレンス層７３のスピン（磁化方向）とが平行であれば、読み出し用の電流Ｉｒｅｆ２を流している間、両スピンはほぼ直角となってトンネル磁気抵抗は増加する。一方、初期状態において、記録層７２のスピンとリファレンス層７３のスピンとが反平行であれば、電流Ｉｒｅｆ２を流している間、両スピンはほぼ直角となってトンネル磁気抵抗は減少する。従って、基本値と参照値との大小関係を見ることで、記憶データの値が“１”であるか“０”であるかを判断することができる。
【００６２】
本実施の形態によれば、基本値と参照値との信号量の差は、第２の実施の形態に比べると小さくなる。これは、第２の実施の形態においては、リファレンス層６３のスピンを反転させることによって、（平行→反平行）或いは（反平行→平行）と変化した際の信号量変化を見ているのに対して、第３の実施の形態においては、リファレンス層７３のスピンは「反転」せず「ほぼ９０度回転」するにとどまるため、（平行→直交）或いは（反平行→直交）の変化分しか信号量変化を得ることができないからである。このため、第３の実施の形態においては、信号量変化が第２の実施の形態の概ね半分程度となるが、基本値と参照値とを比較して記憶データの値を判断する上では十分である。
【００６３】
一方、第３の実施の形態によれば、第２の実施の形態に加えて以下のような効果が得られる。即ち、記録層７２の磁化容易軸方向を書き込みワード線５６に対して平行としたため、読み出し／書き込み共に１本の書き込みワード線５６に属するｎ個ビットに関して、１回ずつで完了することが可能となる。また、読み出し用の電流Ｉｒｅｆ２を流すことによる、記録層７２への誤書き込みの危険を回避できる。これは、書き込みワード線５６に電流を流した際に記録層７２近傍に印加される磁界の向きは、記録層７２の磁化困難軸方向となるからである。即ち、書き込みワード線５６にたとえ大電流を流しても、記録層７２のスピンの向きを反転させてデータを破壊することがない。また、読み出し時に流すＩｒｅｆ２のマージンが広がり、誤書き込みや誤読み出しが生じ難い、ＭＲＡＭを提供することが可能になる。
【００６４】
なお、記録層７２は、そのデータ保持特性を良好にするため、磁化容易軸方向の長さと磁化困難軸方向の長さとの比が１から大きくずれた形状異方性を有することが望ましい。本実施の形態においては、記録層７２は、磁化困難軸方向の長さに対する磁化容易軸方向の長さの比（Ｙ方向長さ／Ｘ方向長さ）が１．５以上となるように設定される。
【００６５】
一方、リファレンス層７３の強磁性層７６は、磁化容易軸方向の長さに対する磁化困難軸方向の長さの比（Ｙ方向長さ／Ｘ方向長さ）が１を下回ることが望ましい。これにより、書き込みワード線５６からの読み出し用の磁界により、リファレンス層７３の強磁性層７６の磁化方向をほぼ９０度回転させやすくなる。即ち、読み出し用の磁界を形成するための電流値を小さく抑えることができる。このため、読み出し時の消費電力を低減すると共に、読み出し時の隣接メモリセルの記録層７２への影響を抑え、ＭＲＡＭの信頼性を高めることが可能となる。
【００６６】
かかる観点から、図８図示の構造では、記録層７２及びリファレンス層７３は共に楕円形状をなし、記録層７２の長軸方向（磁化容易軸方向）と、リファレンス層７３の長軸方向（磁化容易軸方向）とが互いに直交する。
【００６７】
（第４の実施の形態）
図９及び図１０（ａ）は、本発明の第４の実施の形態に係るＭＲＡＭの各メモリセルのＴＭＲ素子を示す縦断側面図及び平面レイアウト図である。なお、本実施の形態に係るＭＲＡＭの全体の構成を示すブロック図は図１に示すものと実質的に同じであり、また、各メモリセル周りの配線構造や層構造は図２乃至図４に示すものと実質的に同じである。
【００６８】
図９に示すように、このＴＭＲ素子８０は、図３図示のＴＭＲ素子３５の位置に配設され、即ち、配線層５１とビット線５７との間に挟まれる。ＴＭＲ素子８０は、トンネルバリア膜（絶縁膜）８１を挟んで配設された記録層８２とリファレンス層８３とを有する。記録層８２は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏを含む強磁性合金の単層または多層膜からなる強磁性層から形成される。記録層８２の底面は配線層５１に電気的に接続される。一方、リファレンス層８３は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏを含む強磁性合金の単層または多層膜からなる強磁性層から形成される。リファレンス層８３の上面は配線５８を介してビット線５７に電気的に接続される。
【００６９】
なお、ＴＭＲ素子８０は２つのトンネルバリア膜を有するＴＭＲ素子とすることもできる。この場合、ＴＭＲ素子８０は、記録層を挟んで配設された２つのトンネルバリア膜と、２つのトンネルバリア膜の外側に配設された２つのリファレンス層とを有する。記録層及び各リファレンス層の構造は、例えば、図９図示のものと同様なものとなる。２つのトンネルバリア膜を有する構造を採用することにより、印加電圧に対する磁気抵抗変化率の減少を低減することができ、また耐圧を高めることができる。
【００７０】
本実施の形態の特徴的な点として、リファレンス層８３は、第２及び第３の実施の形態のリファレンス層６３、７３とは異なり、反強磁性層を有しておらず、強磁性層のみからなる。ＴＭＲ素子８０は、書き込みワード線（電流駆動線）５６（図３参照）からＴＭＲ素子８０に与えられる磁界に対して、リファレンス層８３の強磁性層の磁化方向を保持する保持力が、記録層８２の強磁性層の磁化方向を保持する保持力よりも小さくなるように設定される。これにより、即ち、書き込みワード線５６に所定値の電流を流すことにより、記録層８２の強磁性層の磁化方向を変えずにリファレンス層８３の強磁性層の磁化方向を変えることが可能な磁界をＴＭＲ素子８０に与えることができる。
【００７１】
リファレンス層８３の磁化方向の保持力は、その材料組成の変更、薄膜化、低アスペクト比の形状等の条件を適宜組み合わせることにより、記録層８２の磁化方向の保持力よりも小さくなるように設定される。このため、外部磁界のない状態では、リファレンス層８３の磁化方向は、記録層８２とのカップリングにより、記録層８２の磁化方向に依存して決定される。但し、リファレンス層８３のスピン（磁化方向）が記録層８２のスピン（磁化方向）に対して平行となるか反平行となるかは、リファレンス層８３のサイズやトンネルバリア膜８１の膜厚に依存する。
【００７２】
具体的には、リファレンス層８３が記録層８２と同程度以上の大きさを持ち、トンネルバリア膜８１が薄い場合には、両者のスピンは平行になる。一方、リファレンス層８３が記録層８２とよりも小さく加工され、トンネルバリア膜８１がある程度厚い場合には、両者のスピンは反平行になる。どちらの状態になるかは、材料、プロセス、サイズ等によって決定される。但し、以下では、説明を容易にするために、後者の状態、即ち、実質的に外部磁界のないときは、リファレンス層８３のスピンは記録層８２のスピンと反平行となっているものとする。以下の説明は、前者の状態に置き換えた場合についても、容易に読み替えることが可能であろう。
【００７３】
図１０（ａ）に示すように、ビット線５７の延在方向をＸ方向、書き込みワード線５６（図３参照）の延在方向をＹ方向とすると、記録層８２の長軸方向及び磁化容易軸方向はＸ方向と平行である。一方、リファレンス層８３の磁化容易軸方向もＸ方向と平行で、従って、読み出し用の磁界を付与するための書き込みワード線５６の延在方向（Ｙ方向）に対して直交する。
【００７４】
本実施の形態によれば、記録層８２に記憶された記憶データを読み出す際、下記のような手順で操作を行うことができる。リファレンス層８３の強磁性層の磁化方向は、上述のように記録層８２とカップリングによって決まっており、弱い外部磁界を印加することで反転させることができる。しかし、第４の実施の形態において書き込みワード線５６に流す読み出し用の電流は、リファレンス層８３の磁化方向を特定のある方向に向かせるものである。従って、リファレンス層８３の磁化方向が初期状態において既に特定方向を向いている場合は、リファレンス層８３の磁化方向は変わらない。この点は、第２及び第３の実施の形態において、読み出し用の電流によりリファレンス層の強磁性層の磁化方向を必ず変えている点と相違する。
【００７５】
下記の読み出し操作の説明において、記憶データが“１”のときは、初期状態で、記録層８２の強磁性層及びリファレンス層８３の強磁性層の磁化方向が、図１０（ａ）中の矢印Ｍ３１、Ｍ３２で夫々示す状態にあるものとする。また、書き込みワード線５６に読み出し用の電流Ｉｒｅｆ３の電流を流すことにより、記録層８２の磁化方向を変えずにリファレンス層８３の磁化方向を図１０（ａ）中の左方向に向かせることが可能な磁界をＴＭＲ素子８０に与えることができるものとする。
【００７６】
書き込みワード線に電流を流さないで読み出す（基本値）。
書き込みワード線にＩｒｅｆ３を流しながら読み出す（参照値）。
基本値と参照値とを比較して記憶データの値を判断する。
基本値≒参照値ならば記憶データは“１”。
基本値＜参照値ならば記憶データは“０”。
【００７７】
即ち、初期状態において、記録層８２のスピン（磁化方向）が右向きで、リファレンス層８３のスピン（磁化方向）が左向きであれば、読み出し用の電流Ｉｒｅｆ３を流している間、両スピンの向きは変わらないため、トンネル磁気抵抗も変わらない。一方、初期状態において、記録層８２のスピンが左向きで、リファレンス層８３のスピンが右向きであれば、読み出し用の電流Ｉｒｅｆ３を流している間、両スピンは平行となってトンネル磁気抵抗は減少する。従って、基本値と参照値との大小関係を見ることで、記憶データの値が“１”であるか“０”であるかを判断することができる。
【００７８】
本実施の形態によれば、記録層８２のスピン（磁化方向）は反転させずに、リファレンス層８３のスピン（磁化方向）のみを反転させることにより、非破壊読み出しにより、従来の自己リファレンス方式と同程度の読み出し信号量差を実現することができる。なお、リファレンス層８３のスピンの向きは、書き込みワード線５６の電流をゼロに戻すと、リファレンス層８３と記録層８２とのカップリングにより、元の状態に復帰する。換言すれば、参照値を得るための読み出し工程を、書き込みワード線５６に電流を流しながら行うことで、従来の自己リファレンス方式の操作工程数を減らすことができる。
【００７９】
なお、記録層８２は、そのデータ保持特性を良好にするため、磁化容易軸方向の長さと磁化困難軸方向の長さとの比が１から大きくずれた形状異方性を有することが望ましい。本実施の形態においては、記録層８２は、磁化困難軸方向の長さに対する磁化容易軸方向の長さの比（Ｘ方向長さ／Ｙ方向長さ）が１．５以上となるように設定される。
【００８０】
一方、リファレンス層８３は、磁化困難軸方向の長さに対する磁化容易軸方向の長さの比（Ｘ方向長さ／Ｙ方向長さ）が１に近い或いは１を下回ることが望ましい。これにより、書き込みワード線５６からの読み出し用の磁界により、リファレンス層８３の磁化方向を反転させやすくなる。即ち、読み出し用の磁界を形成するための電流値を小さく抑えることができる。このため、読み出し時の消費電力を低減すると共に、読み出し時の隣接メモリセルの記録層８２への影響を抑え、ＭＲＡＭの信頼性を高めることが可能となる。
【００８１】
かかる観点から、図１０（ａ）図示の構造では、記録層８２は長軸長（磁化容易軸方向長さ）／短軸長（磁化困難軸方向長さ）の比が２の楕円形状をなし、リファレンス層８３は円形をなす。また、図１０（ｂ）図示の変更例の構造では、記録層８２及びリファレンス層８３は共に楕円形状をなし、記録層８２の長軸方向（磁化容易軸方向）と、リファレンス層８３の長軸方向（磁化困難軸方向）とが互いに直交する。
【００８２】
また、本実施の形態に係るＭＲＡＭにおいては、ＴＭＲ素子８０が反強磁性層を含まない。反強磁性層はＭｎ等の金属原子を含むことが多く、このＭｎが低温でも拡散しやすいためにトンネルバリア膜の特性を劣化させ、ＭＲＡＭの信頼性を低下させるという問題がある。このため、従来のＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子形成後の配線工程や、トランジスタの特性改善のためのアニールの温度を３００℃程度に抑える必要がある。これは、トランジスタの性能を最大限に引き出すことを阻害する。
【００８３】
これに対して、本実施の形態に係るＭＲＡＭにおいては、リファレンス層８３は記録層８２とカップリングしてスピンの向きが決定される。ＴＭＲ素子８０は、リファレンス層のスピンの向きを決める反強磁性層を必要としないため、Ｍｎ元素等を使用する必要がない。このため、ＴＭＲ素子８０形成後の熱処理工程に対する制限が緩和され、より高性能のトランジスタを形成することができる。従って、より高性能のロジックＬＳＩにＭＲＡＭを混載することが可能になる。
【００８４】
本実施の形態によれば、非破壊読み出しにより、従来の自己リファレンス方式と同程度の読み出し信号量差を実現することができる。従って、プロセスに起因するメモリセルの個体差による信頼性の低下を防ぐことができる。また、従来の自己リファレンス方式の操作工程数を減らすことができるため、高速動作が可能となる。
【００８５】
（第５の実施の形態）
図１１は、本発明の第５の実施の形態に係るＭＲＡＭの各メモリセルのＴＭＲ素子を示す縦断側面図である。なお、本実施の形態に係るＭＲＡＭの全体の構成を示すブロック図は図１に示すものと実質的に同じであり、また、各メモリセル周りの配線構造や層構造は図２乃至図４に示すものと実質的に同じである。
【００８６】
本実施の形態に係るＴＭＲ素子９０は、図９図示の第４の実施の形態において説明した、記録層とリファレンス層とがカップリングするＴＭＲ素子を２つ分積層し、１つのメモリセルに多ビットの記録ができるようにしたものである。このＴＭＲ素子９０は、１つのメモリセルに対応する図３図示のＴＭＲ素子３５の位置に配設され、即ち、配線層５１とビット線５７との間に挟まれる。
【００８７】
図１１に示すように、このＴＭＲ素子９０は、第１トンネルバリア膜（絶縁膜）９１を挟んで配設された第１記録層９２及び第１リファレンス層９３と、第２トンネルバリア膜（絶縁膜）９６を挟んで配設された第２記録層９７及び第２リファレンス層９８とを有する。第１リファレンス層９３と第２リファレンス層９８との間には、非磁性層９５が介在する。第１記録層９２の底面は配線層５１に電気的に接続される。第２記録層９７の上面はビット線５７に電気的に接続される。各記録層９２、９７は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏを含む強磁性合金の単層または多層膜からなる強磁性層から形成される。一方、各リファレンス層９３、９８は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏを含む強磁性合金の単層または多層膜からなる強磁性層から形成される。
【００８８】
ＴＭＲ素子９０は、書き込みワード線（電流駆動線）５６（図３参照）からＴＭＲ素子９０に与えられる磁界に対して、第１リファレンス層９３の磁化方向を保持する保持力が、第１記録層９２の磁化方向を保持する保持力よりも小さく、且つ第２リファレンス層９８の磁化方向を保持する保持力は、第２記録層９７の磁化方向を保持する保持力よりも小さくなるように設定される。また、第１記録層９２の磁化方向の保持力は、第２記録層９７の磁化方向の保持力よりも大きく設定される。第１及び第２リファレンス層９３、９８の磁化方向は、書き込みワード線５６に電流を流さない状態において、第１及び第２記録層９２、９７の磁化方向に依存して夫々決まる。
【００８９】
第１及び第２記録層９２、９７の長軸方向及び磁化容易軸方向はビット線５７の延在方向と平行である。一方、第１及び第２リファレンス層９３、９８の磁化容易軸方向もビット線５７の延在方向と平行で、従って、読み出し用の磁界を付与するための書き込みワード線５６の延在方向に対して直交する。
【００９０】
本実施の形態によれば、第１及び第２記録層９２、９７に記憶された記憶データを読み出す際、下記のような手順で操作を行うことができる。ここで、第１及び第２リファレンス層９３、９８の夫々を反転させるために必要な書き込みワード線５６の最小値の電流をＩｒｅｆ４１、Ｉｒｅｆ４２とし、Ｉｒｅｆ４１がＩｒｅｆ４２よりも大きいものとする。
【００９１】
書き込みワード線に電流を流さないで読み出す（基本値）。
書き込みワード線にＩｒｅｆ４１を流しながら読み出す（第１参照値）。
書き込みワード線にＩｒｅｆ４２を流しながら読み出す（第２参照値）。
基本値と第１参照値とを比較して記録層９２の記憶データの値を判断する。
基本値と第２参照値とを比較して記録層９７の記憶データの値を判断する。
【００９２】
なお、第１及び第２記録層９２、９７の磁化容易軸方向を互いに直交させ、書き込み時の誤書き込みマージンを大きくすることも可能である。この場合、読み出し時に第１及び第２リファレンス層９３、９８を反転させるため、例えば、第１記録層９２の読み出し時には書き込みワード線５６にＩｒｅｆ４１を流し、第２記録層９７の読み出し時には書き込みビット線５７にＩｒｅｆ４２を印加する。これにより、より安定動作可能なＭＲＡＭを実現することができる。
【００９３】
本実施の形態によれば、第４の実施の形態に加えて、ビット当たりのセル面積を縮小することができるため、ＭＲＡＭの更なる高密度化を実現することが可能となる。
【００９４】
なお、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【００９５】
【発明の効果】
本発明によれば、自己リファレンス型の読み出し操作よりも少ない工程で且つ非破壊読み出しの態様で、低誤差の読み出しを行うことが可能なＭＲＡＭを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＭＲＡＭを示すブロック図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るＭＲＡＭの２つのメモリセルに相当する部分を示す平面図。
【図３】図２のＩＩＩ　−　ＩＩＩ　線に沿った断面図。
【図４】図２のＩＶ　−　ＩＶ　線に沿った断面図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るＭＲＡＭの各メモリセルのＴＭＲ素子を示す縦断側面図。
【図６】（ａ）は図５図示のＴＭＲ素子を示す平面レイアウト図、（ｂ）はその変更例を示す平面レイアウト図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係るＭＲＡＭの各メモリセルのＴＭＲ素子を示す縦断側面図。
【図８】図７図示のＴＭＲ素子を示す平面レイアウト図。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係るＭＲＡＭの各メモリセルのＴＭＲ素子を示す縦断側面図。
【図１０】（ａ）は図９図示のＴＭＲ素子を示す平面レイアウト図、（ｂ）はその変更例を示す平面レイアウト図。
【図１１】本発明の第５の実施の形態に係るＭＲＡＭの各メモリセルのＴＭＲ素子を示す縦断側面図。
【符号の説明】
１１…行アドレスバッファ
１２…列アドレスバッファ
１３…行デコーダ
１４…行ドライバ
１７…列デコーダ
１８…列ドライバ
１９…センス回路
２１…ＭＲＡＭメモリセルアレイ
２２…ワード線
２３…ビット線
２４…メモリセル
２５…Ａ／Ｄコンバータ
２６…第１データバッファ
２７…第２データバッファ
２９…コンパレータ
３５、６０、７０、８０、９０…ＴＭＲ素子
３６、６１、７１、８１、９１、９６…トンネルバリア膜
３７、６２、７２、８２、９２、９７…記録層
３８、６３、７３、８３、９３、９８…リファレンス層
４１…読み出し用ＭＯＳトランジスタ
４４…ゲート電極（読み出しワード線）
４６…ソース線
５１…読み出し用配線層
５６…書き込みワード線
５７…ビット線
６６、７６…強磁性層
６７、７７…非磁性層
６８、７８…高保磁力層
６８ｂ、７８ｂ…反強磁性層
【図１】
2004103125.tif 000003
【図２】
2004103125.tif 000004
【図３】
2004103125.tif 000005
【図４】
2004103125.tif 000006
【図５】
2004103125.tif 000007
【図６】
2004103125.tif 000008
【図７】
2004103125.tif 000009
【図８】
2004103125.tif 000010
【図９】
2004103125.tif 000011
【図１０】
2004103125.tif 000012
【図１１】
2004103125.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成15年7月25日(2003.7.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
書き込みワード線に電流を流さないで読み出す（基本値）。
書き込みワード線にＩｒｅｆ１を流しながら読み出す（参照値）。
基本値と参照値とを比較して記憶データの値を判断する。
基本値＜参照値ならば記憶データは“１”。
基本値＞参照値ならば記憶データは“０”。


【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】
書き込みワード線に電流を流さないで読み出す（基本値）。
書き込みワード線にＩｒｅｆ２を流しながら読み出す（参照値）。
基本値と参照値とを大小して記憶データの値を判断する。
基本値＜参照値ならば記憶データは“１”。
基本値＞参照値ならば記憶データは“０”。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
書き込みワード線に電流を流さないで読み出す（基本値）。
書き込みワード線にＩｒｅｆ３を流しながら読み出す（参照値）。
基本値と参照値とを比較して記憶データの値を判断する。
基本値≒参照値ならば記憶データは“１”。
基本値＞参照値ならば記憶データは“０”。