【手続補正書】
【提出日】平成19年2月1日(2007.2.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】    明細書
【発明の名称】  磁気抵抗効果膜を用いたメモリ
【特許請求の範囲】
【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、各磁気抵抗効果膜どうし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の変化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る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、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に記載のメモリ。
【請求項７】  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８】  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７に記載のメモリ。
【請求項９】  基板上に２つの磁気抵抗効果膜で１ビットを構成するメモリ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、電流を流すことにより前記メモリ素子に対して膜法線方向に磁界を印加し、情報の記録を行うことを特徴とするメモリ。
【請求項１０】  行方向にのみ該メモリ素子の間に書き込み線が形成され、かつメモリ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つのメモリ素子に対して膜法線方向で互いに逆方向に磁界が印加されるように電流を流すとともに、前記メモリ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前記メモリ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９に記載のメモリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気抵抗効果膜を用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EEPROM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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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2T2R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。
【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。
【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、各磁気抵抗効果膜どうし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の変化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。
【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、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。
【００１６】
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。
【００１７】
また、磁性膜が垂直磁化膜であってもよい。
【００１８】
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。
【００１９】
また、基板上に２つの磁気抵抗効果膜で１ビットを構成するメモリ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、電流を流すことによりメモリ素子に対して膜法線方向に磁界を印加し、情報の記録を行ってもよい。
【００２０】
また、行方向にのみメモリ素子の間に書き込み線が形成され、かつメモリ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つのメモリ素子に対して膜法線方向で互いに逆方向に磁界が印加されるように電流を流すとともに、メモリ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メモリ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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
【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。
【００２４】
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024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。
【００２５】
ここで、初期設定において磁化固定層022、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
（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。
【００３１】
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MRAM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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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10、11に示す。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、712、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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
【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。
【００４８】
（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。
【００４９】
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224〜226、ワード線621〜623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214〜216、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。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。
【００５０】
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Co70Fe30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、Ni80Fe20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。
【００５１】
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。
【００５２】
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621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。
【００５３】
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、325、322、337、332、312、315、336、363、355、352、368、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。
【００５４】
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、355、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。
【００５５】
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、336、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。
【００５６】
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。
【００５７】
（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114〜116、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。
【００５８】
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、112と122、113と123、114と124、115と125、116と126、117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。
【００５９】
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115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、362、341、342、343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、125、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、315、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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
（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025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Ni80Fe20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Ni80Fe20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121〜129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。
【００６３】
（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721〜728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(1.4nm)/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。
【００６４】
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。
【００６５】
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121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、116と126、117と127、118と128、119と129についても同様である。
【００６６】
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、332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402、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。
【００６７】
（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Gd20(Fe50Co50)80からなるフェリ磁性体を用いている。ここでGd20(Fe50Co50)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。
【００６８】
図20は本実施例の等価回路図である。図１８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。
【００６９】
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、125、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。
【００７０】
また情報の読み出しは実施例４と同様に行なえばよい。
【００７１】
（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。
【００７２】
（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(Fe60Co40)78としてその他は同じものとした。ここでTb22(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。
【００７３】
（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(Fe50Co50)75としてその他は同じものとした。なお、磁化自由層、Gd25(Fe50Co50)75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。
【００７４】
（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(Fe60Co40)76としてその他は同じものとした。ここでTb24(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。
【００７５】
（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。
【００７６】
（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、126、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、114、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。
【００７７】
（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。
【００７８】
（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。
【００７９】
（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、126、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、114、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。
【００８０】
（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。
【００８１】
【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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図6】
実施例−１のメモリの電気回路の簡略図である。
【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。
【図8】
実施例−2のメモリの電気回路の簡略図である。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図17】
実施例−1のメモリを模式的に示した断面図である。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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