(57)【要約】【課題】リファレンスセルに書き込まれているデータの安定性を向上する。【解決手段】リファレンスセルＭＣＲＨが、強磁性体で形成された磁気記録層２Ｈと、磁気記録層２Ｈに接合された磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈと、磁気記録層２Ｈに磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈの間の位置において接合された磁化固定層１３１と、磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈの間の位置に磁気記録層２Ｈに対向するように設けられ、且つ、固定された磁化を有するリファレンス層４１Ｈと、リファレンス層４１Ｈと磁気記録層２Ｈの間に挿入されたトンネルバリア層３１Ｈとを備えている。【選択図】図３
2013222952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メモリセルと、
リファレンスセル
とを備え、
前記リファレンスセルが、
強磁性体で形成された第１磁気記録層と、
前記第１磁気記録層に接合された第１及び第２磁化固定層と
前記第１磁気記録層に、前記第１及び第２磁化固定層の間の位置において接合された第３磁化固定層と、
前記第１及び第２磁化固定層の間の位置に前記第１磁気記録層に対向するように設けられ、且つ、固定された磁化を有する第１リファレンス層と、
前記第１リファレンス層と前記第１磁気記録層の間に挿入された第１トンネルバリア層
とを備えた
半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって、
複数の前記リファレンスセルを備えており、
前記複数のリファレンスセルのうちの第１リファレンスセルの前記第３磁化固定層の磁化と、前記複数のリファレンスセルのうちの第２リファレンスセルの前記第３磁化固定層の磁化とは、互いに逆方向に向けられた
半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置であって、
更に、読み出し回路部を具備し、
前記第１リファレンスセルの前記第１リファレンス層、前記第１トンネルバリア層、及び、前記第１磁気記録層が、第１磁気トンネル接合を形成しており、
前記第２リファレンスセルの前記第１リファレンス層、前記第１トンネルバリア層、及び、前記第１磁気記録層が、第２磁気トンネル接合を形成しており、
前記読み出し回路部は、前記複数のメモリセルから選択された選択メモリセルのデータを、前記選択メモリセルから得られるメモリセル信号と前記第１磁気トンネル接合及び前記第２磁気トンネル接合を流れる読み出し電流から生成されたリファレンス信号とを比較することで前記選択メモリセルに記憶されているデータを識別する
半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第１及び第２磁化固定層の磁化が、互いに逆方向に向けられた
半導体装置。
【請求項５】
請求項２又は３に記載の半導体装置であって、
前記第１リファレンスセルにおいて、前記第１、第２及び第３磁化固定層の磁化が、同一の方向に向けられ、
前記第２リファレンスセルにおいて、前記第１、第２及び第３磁化固定層の磁化が、同一の方向に向けられ、
前記第１リファレンスセルの前記第１、第２及び第３磁化固定層の磁化と、前記第２リファレンスセルの前記第１、第２及び第３磁化固定層の磁化とが逆方向に向けられた
半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第１磁気記録層の前記第１リファレンス層に対向する部分の少なくとも一部が前記第３磁化固定層に接合している
半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置であって、
前記第１磁気記録層の前記第１リファレンス層に対向する部分の全体が前記第３磁化固定層に接合している
半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記メモリセルが、
強磁性体で形成された第２磁気記録層と、
前記第２磁気記録層に接合された第４及び第５磁化固定層と
前記第１及び第２磁化固定層の間の位置に前記第２磁気記録層に対向するように設けられた、固定された磁化を有する第２リファレンス層と、
前記第２リファレンス層と前記第２磁気記録層の間に挿入された第２トンネルバリア層
とを備え、
前記第４及び第５磁化固定層の磁化が、互いに逆方向に向けられた
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、磁気抵抗効果素子を備えたメモリセル及びリファレンスセルを備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、不揮発性メモリのひとつとして、磁気抵抗効果素子を用いた磁気ランダムメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ：以下、「ＭＲＡＭ」という。）が提案されている。特に、巨大な磁気抵抗効果が得られるという利点から、ＭＲＡＭのメモリセルとしては、磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ：以下、「ＭＴＪ」と記す）を有する磁気抵抗効果素子が使用されている。磁気トンネル接合は、第１の強磁性膜と第２の強磁性膜の間に非磁性絶縁膜（以下、「トンネルバリア膜」と記す）が挟まれた積層構造を有している。この積層構造の膜面に垂直な方向に電流を流した際の電気抵抗は、第１及び第２の強磁性膜の磁気モーメントの相対角度により変化する。互いの磁気モーメントが平行の時に磁気トンネル接合の電気抵抗は極小となり、反平行の時に電気抵抗は極大となる。
【０００３】
上記２つの強磁性膜のうち、一方の強磁性膜の磁化（磁気モーメント）は固定され、この強磁性膜は、「磁化固定層」と呼ばれることがある。もう一方の強磁性膜の少なくとも一部の磁化は反転可能であり、この強磁性膜は「磁化フリー層」と呼ばれることがある。「磁化フリー層」の磁化の向きを「磁化固定層」の磁化に対して平行、あるいは反平行に向けることでデータが記憶される。
【０００４】
ＭＲＡＭの構造としては様々な構造が提案されているが、提案されている構造の一つが磁壁移動型ＭＲＡＭである。磁壁移動型ＭＲＡＭでは、データ書き込みが、書き込み電流を磁化フリー層の面内方向に流すことで行われる。書き込み電流が流れると、スピン偏極電子によるスピントランスファー効果によって磁壁が移動し、これにより磁化フリー層の磁化が書き込み電流の方向に応じた向きに反転される。
【０００５】
一方、読み出し動作では、磁気トンネル接合に読み出し電流が流され、磁気トンネル接合の抵抗に依存した信号レベルを有するメモリセル信号（電流信号又は電圧信号）が生成される。このメモリセル信号から、メモリセルに記憶されているデータが判別される。
【０００６】
一般に、ＭＲＡＭの読み出し動作では、リファレンスセルを用いてリファレンス信号（電流信号又は電圧信号）が生成され、そのリファレンス信号とメモリセル信号とを比較してメモリセルに記憶されているデータが判別される。このような技術は、例えば、特開２００９−２００１２３号公報（特許文献１）に開示されている。この公報には、リファレンスセルとしてメモリセルと同一の構成のセルを用いるＭＲＡＭと、異なる構成のセルと用いるＭＲＡＭとが開示されている。いずれの場合においても、リファレンスセルには、製造工程において、予め、データが書き込まれる。最も典型的には、“０”データを書き込まれたリファレンスセルと“１”データを書き込まれたリファレンスセルとを流れる電流から、リファレンス電流又はリファレンス電圧が生成される。上記の公開特許公報では、リファレンスセルを中間的な抵抗値に設定する技術も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２００１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
読み出し動作の信頼性を向上させるためには、リファレンスセルに書き込まれるデータを安定的に保持されている必要がある。リファレンスセルに書き込まれているデータが何らかの偶然によって反転されると、不適切な信号レベルのリファレンス信号が生成されるからである。上記の従来技術は、リファレンスセルに書き込まれているデータの安定性の向上については何ら言及していない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態の半導体装置では、リファレンスセルが、強磁性体で形成された磁気記録層と、磁気記録層に接合された第１及び第２磁化固定層と、磁気記録層に、第１及び第２磁化固定層の間の位置において接合された第３磁化固定層と、第１及び第２磁化固定層の間の位置に磁気記録層に対向するように設けられ、且つ、固定された磁化を有するリファレンス層と、リファレンス層と磁気記録層の間に挿入されたトンネルバリア層とを備えている。
【発明の効果】
【００１０】
前記実施形態によれば、リファレンスセルに書き込まれているデータの安定性が向上される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態の半導体装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態におけるメモリセルの構造を示す断面図である。
【図３】第１の実施形態におけるリファレンスセルの構造を示す断面図である。
【図４】第１の実施形態におけるリファレンスセルの構造を示す断面図である。
【図５】第１の実施形態におけるメモリセルの構造を示す平面図である。
【図６Ａ】第１の実施形態におけるリファレンスセルのレイアウトの例を示す平面図である。
【図６Ｂ】図６Ａのレイアウトが採用される場合のリファレンスセルの構造を示す断面図である。
【図７Ａ】第１の実施形態におけるリファレンスセルのレイアウトの例を示す平面図である。
【図７Ｂ】図７Ａのレイアウトが採用される場合のリファレンスセルの構造を示す断面図である。
【図８】第１の実施形態における読み出し回路部の構成を概念的に示す回路図である。
【図９】第１の実施形態におけるリファレンスセルの等価回路を示す回路図である。
【図１０】第１の実施形態における読み出し動作を示す等価回路図である。
【図１１】第１の実施形態におけるリファレンスセルの他の構造を示す断面図である。
【図１２】第１の実施形態におけるリファレンスセルの更に他の構造を示す断面図である。
【図１３】第１の実施形態におけるリファレンスセルの更に他の構造を示す断面図である。
【図１４】第１の実施形態におけるリファレンスセルの更に他の構造を示す断面図である。
【図１５】第２の実施形態におけるリファレンスセルの構造を示す断面図である。
【図１６】第２の実施形態におけるリファレンスセルの構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
第１の実施形態：
（全体構成）
図１は、第１の実施形態の半導体装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の半導体装置は、２つのバンク＃０、＃１を有するＭＲＡＭとして構成されている。具体的には、本実施形態のＭＲＡＭは、メモリセルアレイ３００と、Ｘセレクタ３０１と、書き込み用Ｙセレクタ３０２−０、３０２−１と、書き込み回路３０３−０、３０３−１と、読み出し用Ｙセレクタ３０４−０、３０４−１と、読み出し電流負荷回路３０５−０、３０５−１と、センスアンプ３０６−０、３０６−１と、出力回路３０７−０、３０７−１と、リファレンス電流負荷回路３０８とを備えている。
【００１３】
メモリセルアレイ３００は、メモリセルＭＣＬ及びリファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬと、ワード線ＷＬ０−ＷＬ（ｍ−１）と、ビット線ＢＬＴ、ＢＬＢと、リファレンスビット線ＲＢＨＴ、ＲＢＨＢ、ＲＢＬＴ、ＲＢＬＢと、読み出しビット線ＲＢと、リファレンス読み出しビット線ＲＲＢＨ、ＲＲＢＬとを備えている。ワード線ＷＬ０−ＷＬ（ｍ−１）は、横方向（ワード線方向）に延伸するように設けられ、ビット線ＢＬＴ、ＢＴＬと、リファレンスビット線ＲＢＨＴ、ＲＢＨＢ、ＲＢＬＴ、ＲＢＬＢと、読み出しビット線ＲＢと、リファレンス読み出しビット線ＲＲＢＨ、ＲＲＢＬとは、縦方向（ビット線方向）に延伸するように設けられている。
【００１４】
メモリセルＭＣＬは、実際にユーザデータが記憶されるセルであり、バンク＃０、＃１のそれぞれにｍ行ｎ列（ｍ、ｎは自然数）に並んで配置されている。メモリセルＭＣＬの各列（メモリセル列ＭＣ）には、一対のビット線ＢＬＴ、ＢＬＢと、一本の読み出しビット線ＲＢとが設けられる。メモリセルＭＣＬの構造については後に詳細に説明する。
【００１５】
一方、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬは、リファレンス信号を生成するために使用されるセルであり、製造工程において所定のデータが記憶される。本実施形態では、リファレンスセルＭＣＲＨには、“０”データが予め記憶され、リファレンスセルＭＣＲＬには、“１”データが予め記憶される。リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬは、バンク＃０のメモリセルＭＣＬが配置される領域と、バンク＃１のメモリセルＭＣＬが配置される領域との間に配置されている。リファレンスセルＭＣＲＨは、ビット線方向に並んで配置されており、リファレンスセルＭＣＲＬは、リファレンスセルＭＣＲＨの列に隣接してビット線方向に並んで配置されている。リファレンスセルＭＣＲＨの列には、リファレンスビット線ＲＢＨＴ、ＲＢＨＢとリファレンス読み出しビット線ＲＲＢＨとが設けられ、リファレンスセルＭＣＲＬの列には、リファレンスビット線ＲＢＬＴ、ＲＢＬＢとリファレンス読み出しビット線ＲＲＢＬとが設けられる。あるメモリセルＭＣＬから読み出し動作が行われる場合、当該メモリセルＭＣＬと同一のワード線ＷＬに接続された一対のリファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬがリファレンス信号の生成に使用される。リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬの構造については後に詳細に説明する。
【００１６】
Ｘセレクタ３０１は、書き込み動作又は読み出し動作が行われるときに、アクセス先のメモリセルＭＣＬに接続されたワード線ＷＬを選択し、選択したワード線ＷＬを“Ｈ”電位（電源電位）にプルアップする。
【００１７】
書き込み用Ｙセレクタ３０２−０、３０２−１及び書き込み回路３０３−０、３０３−１は、選択されたメモリセルＭＣＬにデータを書き込むために用いられる書き込み回路部を構成している。
【００１８】
詳細には、書き込み用Ｙセレクタ３０２−０は、書き込み動作が行われるときに、バンク＃０の書き込み先のメモリセルＭＣＬに接続されたビット線ＢＬＴ、ＢＴＢを選択し、選択したビット線ＢＬＴ、ＢＬＢを、書き込み回路３０３−０の出力に接続する。同様に、書き込み用Ｙセレクタ３０２−１は、書き込み動作が行われるときに、バンク＃１の書き込み先のメモリセルＭＣＬに接続されたビット線ＢＬＴ、ＢＴＢを選択し、選択したビット線ＢＬＴ、ＢＬＢを、それぞれ、書き込み回路３０３−１の出力に接続する。
【００１９】
書き込み回路３０３−０は、入力信号ＩＮ０に対応する書き込み電圧ＷＢ０Ｔ、ＷＢ０Ｂを、書き込み用Ｙセレクタ３０２−０によって選択されたビット線ＢＬＴ、ＢＴＢに供給する。ここで、入力信号ＩＮ０は、バンク＃０のメモリセルＭＣＬに書き込むべきデータを示す信号である。同様に、書き込み回路３０３−１は、入力信号ＩＮ１に対応する書き込み電圧ＷＢ１Ｔ、ＷＢ１Ｂを、書き込み用Ｙセレクタ３０２−１によって選択されたビット線ＢＬＴ、ＢＴＢに供給する。ここで、入力信号ＩＮ１は、バンク＃１のメモリセルＭＣＬに書き込むべきデータを示す信号である。
【００２０】
一方、読み出し用Ｙセレクタ３０４−０、３０４−１、読み出し電流負荷回路３０５−０、３０５−１、センスアンプ３０６−０、３０６−１、出力回路３０７−０、３０７−１、及び、リファレンス電流負荷回路３０８は、選択されたメモリセルＭＣＬからデータを読み出すために用いられる読み出し回路部を構成している。
【００２１】
詳細には、読み出し用Ｙセレクタ３０４−０は、読み出し動作が行われるときに、バンク＃０の読み出し元のメモリセルＭＣＬに接続された読み出しビット線ＲＢを選択し、選択した読み出しビット線ＲＢを読み出し電流負荷回路３０５−０及びセンスアンプ３０６−０に接続する。同様に、読み出し用Ｙセレクタ３０４−１は、読み出し動作が行われるときに、バンク＃１の読み出し元のメモリセルＭＣＬに接続された読み出しビット線ＲＢを選択し、選択した読み出しビット線ＲＢを読み出し電流負荷回路３０５−１及びセンスアンプ３０６−１に接続する。
【００２２】
読み出し電流負荷回路３０５−０は、バンク＃０の読み出し元のメモリセルＭＣＬに読み出し電流を流す機能を有している。バンク＃０の読み出し元のメモリセルＭＣＬに読み出し電流が流されることにより、該メモリセルＭＣＬに記憶されたデータに対応する電圧レベルを有するデータ信号ＲＹＳ０が生成される。同様に、読み出し電流負荷回路３０５−１は、バンク＃１の読み出し元のメモリセルＭＣＬに読み出し電流を流す機能を有している。バンク＃１の読み出し元のメモリセルＭＣＬに読み出し電流が流されることにより、該メモリセルＭＣＬに記憶されたデータに対応する電圧レベルを有するデータ信号ＲＹＳ１が生成される。
【００２３】
図８に図示されているように、本実施形態では、読み出し電流負荷回路３０５−０は、電源ＶＤＤとノードＮ０との間に接続された定電流源３１１−０を含んでいる。ここで、ノードＮ０は、読み出し用Ｙセレクタ３０４−０及びセンスアンプ３０６−０に接続されたノードである。同様に、読み出し電流負荷回路３０５−１は、電源ＶＤＤとノードＮ１との間に接続された定電流源３１１−１を含んでいる。ここで、ノードＮ１は、読み出し用Ｙセレクタ３０４−１及びセンスアンプ３０６−１に接続されたノードである。
【００２４】
図１に戻り、リファレンス電流負荷回路３０８は、読み出し元のメモリセルＭＣＬと同一のワード線ＷＬに接続されたリファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬのそれぞれに読み出し電流を流す機能を有している。読み出し電流がリファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬを流れることで得られる信号が、リファレンス信号Ｒｅｆとして使用される。本実施形態では、リファレンス電流負荷回路３０８は、電源ＶＤＤとノードＮＲＥＦとの間に並列に接続された定電流源３１２、３１３を含んでいる。ここで、ノードＮＲＥＦは、センスアンプ３０６−０、３０６−１に共通に接続されたノードである。本実施形態では、上記の定電流源３１１−０、３１１−１、３１２、３１３が、同一の定電流Ｉを生成するように構成されている。
【００２５】
センスアンプ３０６−０は、データ信号ＲＹＳ０とリファレンス信号Ｒｅｆとを比較してバンク＃０の読み出し元のメモリセルＭＣＬに記憶されたデータを判別し、判別したデータを出力回路３０７−０に出力する。同様に、センスアンプ３０６−１は、データ信号ＲＹＳ１とリファレンス信号Ｒｅｆとを比較してバンク＃１の読み出し元のメモリセルＭＣＬに記憶されたデータを判別し、判別したデータを出力回路３０７−１に出力する。
【００２６】
出力回路３０７−０、３０７−１は、それぞれ、センスアンプ３０６−０、３０６−１からの出力に応答して、バンク＃０、＃１のメモリセルＭＣＬに記憶されたデータを示す出力信号ＯＵＴ０、ＯＵＴ１を出力する。
【００２７】
（メモリセルの構造）
図２は、第１の実施形態のメモリセルＭＣＬの構造を示す断面図である。図２に図示されているように、メモリセルＭＣＬは、磁化固定層１１、１２と、磁気記録層２と、トンネルバリア層３１と、リファレンス層４１と、ＮＭＯＳトランジスタ５１、５２とを備えている。
【００２８】
磁化固定層１１、１２は、固定された磁化を有しており、磁気的にハードであり、且つ、垂直磁気異方性を有する強磁性体で構成されている。このような磁化固定層１１、１２は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含み、且つ、ＰｔとＰｄの少なくとも一方を含む強磁性体で形成可能である。磁化固定層１１、１２の磁化は、互いに反平行な方向に（逆方向に）固定されている。本実施形態では、磁化固定層１１の磁化が上方向に、磁化固定層１２の磁化が下方向に固定されている。図２においては、磁化固定層１１、１２の磁化の方向は、矢印１０１、１０２で示されている。磁化固定層１１、１２は、磁気記録層２の下面に接合されている。磁化固定層１１、１２は、それぞれ、ビア６１、６２を介してＮＭＯＳトランジスタ５１、５２のドレイン５１ａ、５２ａに接続されている。
【００２９】
磁気記録層２は、磁化の向きによってデータを記録する強磁性層である。一般的なＭＲＡＭにおいて磁化の向きによってデータを記録する強磁性層はしばしば「磁化フリー層」と呼ばれるが、本明細書では、全体の磁化が反転可能でないことを考慮して「磁気記録層」という名称を使用している。磁気記録層２は、磁気的にソフトであり、且つ、垂直磁気異方性を有する強磁性体で構成されている。このような磁気記録層２は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含み、且つ、ＰｔとＰｄの少なくとも一方を含む強磁性体で形成可能である。磁気記録層２のうち、磁化固定層１１に接合されている部分は交換結合によって上方向に磁化が固定され、磁化固定層１２に接合されている部分は交換結合によって下方向に磁化が固定される。その一方で、磁気記録層２のうち、リファレンス層４１に対向する部分の磁化は反転可能である。矢印１１０は、磁気記録層２の磁化が反転可能であることを示している。以下では、磁気記録層２のうち磁化が反転可能である部分を「磁化反転部分」と呼ぶ。
【００３０】
磁気記録層２には磁壁が導入されており、該磁壁は位置２０ａ、２０ｂの間で移動可能である。ここで、位置２０ａとは、磁化固定層１１とリファレンス層４１の間の位置であり、位置２０ｂとは、磁化固定層１２とリファレンス層４１の間の位置である。磁壁が左の位置２０ａに位置している場合、磁気記録層２の磁化反転部分の磁化は下方向に向けられる。本実施形態では、磁気記録層２の磁化反転部分の磁化が下方向に向けられている状態が、“０”データに対応づけられる。一方、磁壁が右の位置２０ｂに位置している場合、磁気記録層２の磁化反転部分の磁化は上方向に向けられる。本実施形態では、磁気記録層２の磁化反転部分の磁化が上方向に向けられている状態が、“１”データに対応づけられる。
【００３１】
トンネルバリア層３１は、Ｍｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、ＡＬ−Ｎなどの、非磁性の絶縁体から構成される。本実施形態では、トンネルバリア層３１は、リファレンス層４１と磁気記録層２の間に設けられており、磁気記録層２の上面に接合されている。
【００３２】
リファレンス層４１は、固定された磁化を有しており、磁気的にハードであり、且つ、垂直磁気異方性を有する強磁性体で構成されている。このようなリファレンス層４１は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含み、且つ、ＰｔとＰｄの少なくとも一方を含む強磁性体で形成可能である。本実施形態では、リファレンス層４１は、その磁化が上方向に固定されている。リファレンス層４１の磁化の向きは、矢印１２１で図示されている。リファレンス層４１は、磁気記録層２の上面に対向し、且つ、磁化固定層１１、１２の間の位置に設けられている。リファレンス層４１は、ビア８１を介して第１メタル層（最下層の金属配線層）に位置する読み出しビット線ＲＢに接続されている。リファレンス層４１は、ビア８１を介して第１メタル層（最下層の金属配線層）に位置する読み出しビット線ＲＢに接続されている。
【００３３】
磁気記録層２の磁化反転部分とトンネルバリア層３１とリファレンス層４１とは、磁気トンネル接合を形成している。メモリセルＭＣＬに“０”データが記憶される場合、磁気記録層２の磁化反転部分の磁化が下方向に向けられ、磁気記録層２の磁化反転部分の磁化とリファレンス層４１の磁化が逆方向になる。この場合、該磁気トンネル接合の抵抗は相対的に高くなる。以下では、該磁気トンネル接合の抵抗が相対的に高い状態を「高抵抗状態」と呼ぶ。一方、メモリセルＭＣＬに“１”データが記憶される場合、磁気記録層２の磁化反転部分の磁化が上方向に向けられ、磁気記録層２の磁化反転部分の磁化とリファレンス層４１の磁化が同一方向になる。この場合、該磁気トンネル接合の抵抗は相対的に低くなる。以下では、該磁気トンネル接合の抵抗が相対的に低い状態を「低抵抗状態」と呼ぶ。
【００３４】
ＮＭＯＳトランジスタ５１、５２は、当該メモリセルＭＣＬを選択状態に、又は非選択状態にするためのスイッチ素子である。ＮＭＯＳトランジスタ５１、５２のソースは、それぞれ、第１メタル層（最下層の金属配線層）に位置するビット線ＢＬＴ、ＢＬＢに接続され、ゲートは、ワード線ＷＬに共通に接続されている。なお、ＮＭＯＳトランジスタ５１、５２のソース、チャネル領域及びドレインはビット線方向に並んで形成されるため、図２では、ＮＭＯＳトランジスタ５１、５２の構造は模式的に図示されている。
【００３５】
図５は、メモリセルＭＣＬの構造を示す平面図である。図５では、図２の構成の２つのメモリセルＭＣＬがワード線方向に平行な特定断面に対して鏡面対称であるように反転して並べられたレイアウトが図示されている。第一メタル層に位置するビット線ＢＬＴ、ＢＬＢ及び読み出しビット線ＲＢは、プロセス基準に従ってビット線方向に延伸する長方形のパタンとして配置されている。ＮＭＯＳトランジスタ５１、５２は、ビット線方向に長い長方形の拡散領域と、それに交差するゲートとで構成されている。ＮＭＯＳトランジスタ５１、５２のゲートがワード線ＷＬとして使用される。ＮＭＯＳトランジスタ５１、５２のソースは、それぞれ矩形のビア９１、９２を介してビット線ＢＬＴ、ＢＬＢに接続されている。
【００３６】
ＮＭＯＳトランジスタ５１のドレイン５１ａの上方に矩形のビア６１を介して矩形の磁化固定層１１が配置され、ＮＭＯＳトランジスタ５２のドレイン５２ａの上方に矩形のビア６２を介して矩形の磁化固定層１２が配置されている。磁化固定層１１、１２は、磁気記録層２の両端に位置しており、同一の形状に形成されている。磁気記録層２は、ワード線方向に長い長方形のパタンとして配置されている。磁気記録層２はプロセス基準に従って、セル境界およびビア９１、９２から一定の距離をとって配置される。
【００３７】
トンネルバリア層３１は、磁気記録層２の上に、磁気記録層２と読み出しビット線ＲＢとが交差している位置に、矩形パタンとして配置され、リファレンス層４１は、トンネルバリア層３１の上に矩形パタンとして配置される。リファレンス層４１は、矩形のビア８１を介して読み出しビット線ＲＢに接続されている。本実施形態では、トンネルバリア層３１とリファレンス層４１の平面形状は同一である。
【００３８】
このような構成のメモリセルＭＣＬは、ビット線ＢＬＴ、ＢＬＢの間で書き込み電流を流し、磁壁を位置２０ａ、２０ｂの間で移動させることでデータを書き込むことができる。例えば、ビット線ＢＬＴに印加される書き込み電圧を所定の正電位に、ビット線ＢＬＢに印加される書き込み電圧を接地電位ＧＮＤに設定することで、磁気記録層２を面内方向に流れる書き込み電流がビット線ＢＬＴからビット線ＢＬＢに向けて流れる。この書き込み電流により、磁化固定層１２から磁気記録層２にスピン偏極電子が注入され、該スピン偏極電子により磁壁が位置２０ｂに移動される。これにより、磁気記録層２の磁化反転部分の磁化が下方向に反転され、“０”データが書き込まれる。この場合、磁気記録層２の磁化反転部分とリファレンス層４１との向きが逆になるため、メモリセルＭＣＬに含まれる磁気トンネル接合が「高抵抗状態」になる。一方、磁気記録層２のリファレンス層４１に対向する部分の磁化を上方向に反転する、即ち、“１”データを書き込む場合には、逆方向に（即ち、ビット線ＢＬＢからビット線ＢＬＴに）書き込み電流が流される。この場合、磁気記録層２の磁化反転部分とリファレンス層４１との向きが同一になるため、メモリセルＭＣＬに含まれる磁気トンネル接合が「低抵抗状態」になる。
【００３９】
（リファレンスセルの構造）
図３は、リファレンスセルＭＣＲＨの構造を示す断面図である。リファレンスセルＭＣＲＨは、“０”データに固定されたセルであり、図３から理解されるように、リファレンスセルＭＣＲＨは、図２に図示されているメモリセルＭＣＬとほぼ同一の構造を有している。ただし、リファレンスセルＭＣＲＨは、磁化が下方向に固定された磁化固定層１３１を備えている点でメモリセルＭＣＬと異なっている。後述されるように、磁化固定層１３１は、リファレンスセルＭＣＲＨに書き込まれたデータを安定的に保持する役割を果たしている。
【００４０】
図３を参照して、リファレンスセルＭＣＲＨは、磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈと、磁気記録層２Ｈと、トンネルバリア層３１Ｈと、リファレンス層４１Ｈと、ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｈ、５２Ｈと、磁化固定層１３１とを備えている。
【００４１】
磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈは、メモリセルＭＣＬの磁化固定層１１、１２と同様に、磁気的にハードであり、且つ、垂直磁気異方性を有する強磁性体で構成されている。このような磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含み、且つ、ＰｔとＰｄの少なくとも一方を含む強磁性体で形成可能である。磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈは、互いに反平行な方向に（逆方向に）磁化が固定されている。本実施形態では、磁化固定層１１Ｈの磁化の向きが上方向であり、磁化固定層１２Ｈの磁化の向きが下方向である。図３においては、磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈの向きは、矢印１０１Ｈ、１０２Ｈで示されている。磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈは、磁気記録層２Ｈの下面に接合されている。磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈは、それぞれ、ビア６１Ｈ、６２Ｈを介してＮＭＯＳトランジスタ５１Ｈ、５２Ｈのドレイン５１Ｈａ、５２Ｈａに接続されている。
【００４２】
磁化固定層１３１は、磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈと同様に、磁気的にハードであり、且つ、垂直磁気異方性を有する強磁性体で構成されている。このような磁化固定層１３１は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含み、且つ、ＰｔとＰｄの少なくとも一方を含む強磁性体で形成可能である。本実施形態では、磁化固定層１３１の磁化は、下方向に固定されている。図３において、磁化固定層１３１の磁化の向きは、矢印７１によって図示されている。磁化固定層１３１は、磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈの間に位置している。
【００４３】
磁気記録層２Ｈは、メモリセルＭＣＬの磁気記録層２と同様に、磁気的にソフトであり、且つ、垂直磁気異方性を有する強磁性体で構成されている。このような磁気記録層２Ｈは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含み、且つ、ＰｔとＰｄの少なくとも一方を含む強磁性体で形成可能である。磁気記録層２Ｈのうち、磁化固定層１１Ｈに接合されている部分は上方向に磁化が固定され、磁化固定層１２Ｈに接合されている部分は下方向に磁化が固定される。
【００４４】
トンネルバリア層３１Ｈは、Ｍｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、ＡＬ−Ｎなどの、非磁性の絶縁体から構成される。本実施形態では、トンネルバリア層３１Ｈは、リファレンス層４１Ｈと磁気記録層２Ｈの間に設けられており、磁気記録層２Ｈの上面に接合されている。
【００４５】
リファレンス層４１Ｈは、磁気的にハードであり、且つ、垂直磁気異方性を有する強磁性体で構成されている。このようなリファレンス層４１は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含み、且つ、ＰｔとＰｄの少なくとも一方を含む強磁性体で形成可能である。本実施形態では、リファレンス層４１Ｈは、メモリセルＭＣＬのリファレンス層４１と同様に、磁化が上方向に固定されている。リファレンス層４１Ｈの磁化の向きは、矢印１２１Ｈで図示されている。リファレンス層４１Ｈは、磁気記録層２Ｈの上面に対向し、且つ、磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈの間の位置に設けられている。リファレンス層４１Ｈは、ビア８１Ｈを介して第１メタル層（最下層の金属配線層）に位置するリファレンス読み出しビット線ＲＲＢＨに接続されている。
【００４６】
ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｈ、５２Ｈは、当該リファレンスセルＭＣＲＨを選択するためのスイッチ素子である。ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｈ、５２Ｈのソースは、それぞれ、第１メタル層（最下層の金属配線層）に位置するリファレンスビット線ＲＢＬＴ、ＲＢＬＢに接続され、ゲートは、ワード線ＷＬに共通に接続されている。なお、ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｈ、５２Ｈのソース、チャネル領域及びドレインはビット線方向に並んで形成されるため、図３では、ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｈ、５２Ｈの構造は模式的に図示されている。
【００４７】
図６Ａは、リファレンスセルＭＣＲＨの平面レイアウトの例を示す平面図であり、図６Ｂは、図６Ａの平面レイアウトが採用される場合のａ１−ａ２−ａ３−ａ４断面における構造を示す断面図である。図６Ａでは、図３の構成の２つのリファレンスセルＭＣＲＨがワード線方向に平行な面に対して鏡面対称であるように反転して並べられたレイアウトが図示されている。第一メタル層に位置するリファレンスビット線ＲＢＨＴ、ＲＢＨＢ及びリファレンス読み出しビット線ＲＲＢＨは、プロセス基準に従ってビット線方向に延伸する長方形のパタンとして配置されている。ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｈ、５２Ｈは、ビット線方向に長い長方形の拡散領域と、それに交差するゲートとで構成されている。ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｈ、５２Ｈのゲートがワード線ＷＬとして使用される。ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｈ、５２Ｈのソース５１Ｈｂ、５２Ｈｂは、それぞれ矩形のビア９１Ｈ、９２Ｈを介してリファレンスビット線ＲＢＨＴ、ＲＢＨＢに接続されている。
【００４８】
ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｈのドレイン５１Ｈａの上方に矩形のビア６１Ｈを介して矩形の磁化固定層１１Ｈが配置され、ＮＭＯＳトランジスタ５２Ｈのドレイン５２Ｈａの上方に矩形のビア６２Ｈを介して矩形の磁化固定層１２Ｈが配置されている。磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈは、磁気記録層２Ｈの両端に位置しており、同一の大きさ、形状に形成されている。磁気記録層２Ｈは、ワード線方向に長い長方形のパタンとして配置されている。磁気記録層２Ｈはプロセス基準に従って、セル境界およびビア９１Ｈ、９２Ｈから一定の距離をとって配置される。
【００４９】
トンネルバリア層３１Ｈは、磁気記録層２Ｈの上に、磁気記録層２Ｈとリファレンス読み出しビット線ＲＲＢＨとが交差している位置に、矩形パタンとして配置され、リファレンス層４１Ｈは、トンネルバリア層３１Ｈの上に矩形パタンとして配置される。リファレンス層４１Ｈは、矩形のビア８１を介して読み出しビット線ＲＢに接続されている。本実施形態では、トンネルバリア層３１Ｈとリファレンス層４１Ｈの平面形状は同一である。
【００５０】
磁化固定層１３１は、磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈの間の位置に、磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈと同一形状の矩形パタンとして形成されている。磁化固定層１３１は、トンネルバリア層３１Ｈ及びリファレンス層４１Ｈで構成される積層体の下方に位置している。
【００５１】
図３、図６Ｂを再度に参照して、リファレンス層４１とトンネルバリア層３１と磁気記録層２Ｈのリファレンス層４１Ｈに対向する部分は、磁気トンネル接合を形成している。ただし、本実施形態では、磁気記録層２Ｈの磁化固定層１３１に接合している部分の磁化が交換結合によって下方向に固定され、これにより、磁気記録層２Ｈのリファレンス層４１Ｈに対向する部分の磁化が下方向に固定される。即ち、磁気記録層２Ｈのリファレンス層４１Ｈの磁化とリファレンス層４１の磁化が逆方向に固定され、該磁気トンネル接合が「高抵抗状態」になっている。この結果、磁気記録層２Ｈには、磁化固定層１１Ｈとリファレンス層４１Ｈの間の位置２０Ｈに磁壁が導入され、リファレンスセルＭＣＲＨに“０”データが固定的に保持されることになる。
【００５２】
一方、図４は、リファレンスセルＭＣＲＬの構造を示す断面図である。リファレンスセルＭＣＲＬは、“１”データに固定されたセルであり、図４から理解されるように、リファレンスセルＭＣＲＬは、図３のリファレンスセルＭＣＲＨとほぼ同一の構造を有している。ただし、リファレンスセルＭＣＲＬは、磁化が下方向に固定された磁化固定層１３１の代わりに、磁化が上方向に固定された磁化固定層１３２を備えている。後述されるように、磁化固定層１３２は、リファレンスセルＭＣＲＬに書き込まれたデータを安定的に保持する役割を果たしている。
【００５３】
図４を参照して、リファレンスセルＭＣＲＬは、磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌと、磁気記録層２Ｌと、トンネルバリア層３１Ｌと、リファレンス層４１Ｌと、ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｌ、５２Ｌと、磁化固定層１３２とを備えている。
【００５４】
磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌは、メモリセルＭＣＬの磁化固定層１１、１２と同様に、磁気的にハードであり、且つ、垂直磁気異方性を有する強磁性体で構成されている。このような磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含み、且つ、ＰｔとＰｄの少なくとも一方を含む強磁性体で形成可能である。磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌは、互いに反平行な方向に（逆方向に）磁化が固定されている。本実施形態では、磁化固定層１１Ｌの磁化の向きが上方向であり、磁化固定層１２Ｌの磁化の向きが下方向である。図３においては、磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌの向きは、矢印１０１Ｌ、１０２Ｌで示されている。磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌは、磁気記録層２Ｌの下面に接合されている。磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌは、それぞれ、ビア６１Ｌ、６２Ｌを介してＮＭＯＳトランジスタ５１Ｌ、５２Ｌのドレイン５１Ｌａ、５２Ｌａに接続されている。
【００５５】
磁化固定層１３２は、磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌと同様に、磁気的にハードであり、且つ、垂直磁気異方性を有する強磁性体で構成されている。このような磁化固定層１３２は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含み、且つ、ＰｔとＰｄの少なくとも一方を含む強磁性体で形成可能である。本実施形態では、磁化固定層１３２の磁化は、上方向に固定される。図４において、磁化固定層１３２の磁化の向きは、矢印７２によって図示されている。磁化固定層１３２は、磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌの間に位置している。
【００５６】
磁気記録層２Ｌは、メモリセルＭＣＬの磁気記録層２と同様に、磁気的にソフトであり、且つ、垂直磁気異方性を有する強磁性体で構成されている。このような磁気記録層２Ｌは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含み、且つ、ＰｔとＰｄの少なくとも一方を含む強磁性体で形成可能である。磁気記録層２Ｌのうち、磁化固定層１１Ｌに接合されている部分は上方向に磁化が固定され、磁化固定層１２Ｌに接合されている部分は下方向に磁化が固定される。
【００５７】
トンネルバリア層３１Ｌは、Ｍｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、ＡＬ−Ｎなどの、非磁性の絶縁体から構成される。本実施形態では、トンネルバリア層３１Ｌは、リファレンス層４１Ｌと磁気記録層２Ｌの間に設けられており、磁気記録層２Ｌの上面に接合されている。
【００５８】
リファレンス層４１Ｌは、磁気的にハードであり、且つ、垂直磁気異方性を有する強磁性体で構成されている。このようなリファレンス層４１は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含み、且つ、ＰｔとＰｄの少なくとも一方を含む強磁性体で形成可能である。本実施形態では、リファレンス層４１Ｌは、メモリセルＭＣＬのリファレンス層４１と同様に、磁化が上方向に固定されている。リファレンス層４１Ｌの磁化の向きは、矢印１２１Ｌで図示されている。リファレンス層４１Ｌは、磁気記録層２Ｌの上面に対向し、且つ、磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌの間の位置に設けられている。リファレンス層４１Ｌは、ビア８１Ｌを介して第１メタル層（最下層の金属配線層）に位置するリファレンス読み出しビット線ＲＲＢＬに接続されている。
【００５９】
ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｌ、５２Ｌは、当該リファレンスセルＭＣＲＬを選択するためのスイッチ素子である。ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｌ、５２Ｌのソースは、それぞれ、第１メタル層（最下層の金属配線層）に位置するリファレンスビット線ＲＢＬＴ、ＲＢＬＢに接続され、ゲートは、ワード線ＷＬに共通に接続されている。なお、ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｌ、５２Ｌのソース、チャネル領域及びドレインはビット線方向に並んで形成されるため、図４では、ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｌ、５２Ｌの構造は模式的に図示されている。
【００６０】
図７Ａは、リファレンスセルＭＣＲＬの平面レイアウトの例を示す平面図であり、図７Ｂは、図７Ａの平面レイアウトが採用される場合のｂ１−ｂ２−ｂ３−ｂ４断面における構造を示す断面図である。図７Ｂでは、図４の構成の２つのリファレンスセルＭＣＲＬがワード線方向に平行な面に対して鏡面対称であるように反転して並べられたレイアウトが図示されている。第一メタル層に位置するリファレンスビット線ＲＢＬＴ、ＲＢＬＢ及びリファレンス読み出しビット線ＲＲＢＬは、プロセス基準に従ってビット線方向に延伸する長方形のパタンとして配置されている。ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｌ、５２Ｌは、ビット線方向に長い長方形の拡散領域と、それに交差するゲートとで構成されている。ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｌ、５２Ｌのゲートがワード線ＷＬとして使用される。ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｌ、５２Ｌのソース５１Ｌｂ、５２Ｌｂは、それぞれ矩形のビア９１Ｌ、９２Ｌを介してリファレンスビット線ＲＢＬＴ、ＲＢＬＢに接続されている。
【００６１】
ＮＭＯＳトランジスタ５１Ｌのドレイン５１Ｌａの上方に矩形のビア６１Ｌを介して矩形の磁化固定層１１Ｌが配置され、ＮＭＯＳトランジスタ５２Ｌのドレイン５２Ｌａの上方に矩形のビア６２Ｌを介して矩形の磁化固定層１２Ｌが配置されている。磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌは、磁気記録層２Ｌの両端に位置しており、同一の大きさ、形状に形成されている。磁気記録層２Ｌは、ワード線方向に長い長方形のパタンとして配置されている。磁気記録層２Ｌはプロセス基準に従って、セル境界およびビア９１Ｌ、９２Ｌから一定の距離をとって配置される。
【００６２】
トンネルバリア層３１Ｌは、磁気記録層２Ｌの上に、磁気記録層２Ｌとリファレンス読み出しビット線ＲＲＢＬとが交差している位置に、矩形パタンとして配置され、リファレンス層４１Ｌは、トンネルバリア層３１Ｌの上に矩形パタンとして配置される。リファレンス層４１は、矩形のビア８１を介して読み出しビット線ＲＢに接続されている。本実施形態では、トンネルバリア層３１とリファレンス層４１の平面形状は同一である。
【００６３】
磁化固定層１３２は、磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌの間の位置に、磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌと同一形状の矩形パタンとして形成されている。磁化固定層１３２は、トンネルバリア層３１Ｌ及びリファレンス層４１Ｌで構成される積層体の下方に位置している。
【００６４】
図４、図７Ｂを再度に参照して、リファレンス層４１とトンネルバリア層３１と磁気記録層２Ｌのリファレンス層４１Ｌに対向する部分は、磁気トンネル接合を形成している。ただし、本実施形態では、磁気記録層２Ｌの磁化固定層１３２に接合している部分の磁化が交換結合によって上方向に固定され、これにより、磁気記録層２Ｌのリファレンス層４１Ｌに対向する部分の磁化が上方向に固定される。即ち、磁気記録層２Ｌのリファレンス層４１Ｌの磁化とリファレンス層４１の磁化が同一方向に固定され、該磁気トンネル接合が「低抵抗状態」になっている。この結果、磁気記録層２Ｌには、磁化固定層１２Ｌとリファレンス層４１Ｌの間の位置２０Ｌに磁壁が導入され、リファレンスセルＭＣＲＬに“１”データが固定的に保持されることになる。
【００６５】
上述されているような、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬの構造の利点は、磁化固定層１３１、１３２の作用により、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬにデータが安定的に保持されることである。リファレンスセルＭＣＲＨにおいては、磁気記録層２Ｈのリファレンス層４１Ｈに対向する部分の磁化が、磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈの間に位置する磁化固定層１３１との交換結合によって固定され、これにより、リファレンスセルＭＣＲＨに“０”データが安定的に保持されることになる。同様に、リファレンスセルＭＣＲＬにおいては、磁気記録層２Ｌのリファレンス層４１Ｌに対向する部分の磁化が、磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌの間に位置する磁化固定層１３２との交換結合によって固定され、これにより、リファレンスセルＭＣＲＬに“１”データが安定的に保持されることになる。このように、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬにデータが安定的に保持されることは、読み出し動作の信頼性の向上に寄与する。
【００６６】
上述のような構造のメモリセルＭＣＬ及びリファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬは、上方向の磁化を有する強磁性層と、下方向の磁化を有する強磁性層とを含んでいる。具体的には、メモリセルＭＣＬは、上方向の磁化を有する磁化固定層１１及びリファレンス層４１を備えており、下方向の磁化を有する磁化固定層１２を備えている。また、リファレンスセルＭＣＲＨは、上方向の磁化を有する磁化固定層１１Ｈ、１３１及びリファレンス層４１Ｈを備えており、下方向の磁化を有する磁化固定層１２Ｈを備えている。更に、リファレンスセルＭＣＲＬは、上方向の磁化を有する磁化固定層１１Ｌ及びリファレンス層４１Ｌを備えており、下方向の磁化を有する磁化固定層１２Ｌ、１３２を備えている。
【００６７】
このような、上方向の磁化を有する強磁性層と下方向の磁化を有する強磁性層とは、保磁力（抗磁場）が異なる強磁性材料を用いることで形成可能である。例えば、メモリセルＭＣＬの磁化固定層１１及びリファレンス層４１、リファレンスセルＭＣＲＨの磁化固定層１１Ｈ、１３１及びリファレンス層４１Ｈ、並びに、リファレンスセルＭＣＲＬの磁化固定層１１Ｌ、及びリファレンス層４１Ｌに相対的に大きな保磁力ＨＣ１を有する強磁性材料を使用し、メモリセルＭＣＬの磁化固定層１２、リファレンスセルＭＣＲＨの磁化固定層１２Ｈ、並びに、リファレンスセルＭＣＲＬの磁化固定層１２Ｌ及び１３２に、相対的に小さな保磁力ＨＣ２（＜ＨＣ１）を有する強磁性材料を使用する場合を考える。この場合、まず、製造工程において、保磁力ＨＣ１を超えるような大きな磁場を上方向に印加して磁化を上方向に揃えた後、保磁力ＨＣ２より大きく保磁力ＨＣ１より小さな磁場を下方向に印加することで、メモリセルＭＣＬ及びリファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬの各強磁性層の磁化を所望の向きに向けることができる。
【００６８】
（読み出し動作）
以下では、第１の実施形態の半導体装置における読み出し動作について説明する。本実施形態の読み出し動作では、読み出し元のメモリセルＭＣＬと同一のワード線ＷＬに接続された一対のリファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬが、リファレンス信号の生成に用いられる。図８は、読み出し動作の際のリファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬの等価回路を示す図である。上述のように、“０”データが記憶されるリファレンスセルＭＣＲＨは高抵抗状態に設定され、“１”データが記憶されるリファレンスセルＭＣＲＬは低抵抗状態に設定されている。高抵抗状態の磁気トンネル接合の抵抗をＲＨ、低抵抗状態の磁気トンネル接合の抵抗をＲＬとすると、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬは、ノードＮＲＥＦと接地の間に並列に接続された、抵抗ＲＨ、ＲＬを有する抵抗素子と等価である。
【００６９】
図１０は、同一のワード線ＷＬｉに接続されたバンク＃０、＃１のメモリセルＭＣＬからデータを読み出す場合の本実施形態の半導体装置の動作を示す等価回路である。ここで、バンク＃０の読み出し元のメモリセルＭＣＬには、データ“０”が記憶され、バンク＃１の読み出し元のメモリセルＭＣＬには、データ“１”が記憶されているものとする。即ち、よって、バンク＃０の読み出し元のメモリセルＭＣＬは、高抵抗状態に設定され、バンク＃１の読み出し元のメモリセルＭＣＬは、低抵抗状態に設定されている。
【００７０】
まず、バンク＃０の読み出し元のメモリセルＭＣＬに接続されたビット線ＢＬＴ、ＢＬＢ、及び読み出しビット線ＲＢと、バンク＃１の読み出し元のメモリセルＭＣＬに接続されたビット線ＢＬＴ、ＢＬＢ及び読み出しビット線ＲＢとが選択される。バンク＃０、＃１のそれぞれにおいて選択されたビット線ＢＬＴ、ＢＬＢは接地電位に固定される。一方、バンク＃０において選択された読み出しビット線ＲＢは、それぞれ、読み出し用Ｙセレクタ３０４−０を介して読み出し電流負荷回路３０５−０に接続され、バンク＃１において選択された読み出しビット線ＲＢは、読み出し用Ｙセレクタ３０４−１を介して読み出し電流負荷回路３０５−１に接続される。
【００７１】
一方、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬに接続されたリファレンスビット線ＲＢＨＴ、ＲＢＨＢ、ＲＢＬＴ、ＲＢＬＢはいずれも接地電位に固定される。
【００７２】
この状態で選択されたワード線ＷＬｉが接地電位から“Ｈ”電位にプルアップされると、バンク＃０、＃１において読み出し元として選択されたメモリセルＭＣＬのＮＭＯＳトランジスタ５１、５２がオンされ、選択された読み出しビット線ＲＢに読み出し電流が流れる。
【００７３】
バンク＃０の読み出し元のメモリセルＭＣＬは高抵抗状態であり、バンク＃１の読み出し元のメモリセルＭＣＬは低抵抗状態である。よって、高抵抗状態のメモリセルＭＣＬの抵抗をＲＨ、低抵抗状態のメモリセルＭＣＬの抵抗をＲＬ（＜ＲＨ）とした場合、バンク＃０の読み出し元のメモリセルＭＣＬ、バンク＃１の読み出し元のメモリセルＭＣＬには読み出し電流Ｉが流れると、データ信号ＲＹＳ０の電圧レベルＶＲＹＳ０、及び、データ信号ＲＹＳ１の電圧レベルＶＲＹＳ１は、次のように表わされる：
ＶＲＹＳ０＝Ｉ・ＲＨ
ＶＲＹＳ１＝Ｉ・ＲＬ
よって、
ＶＲＹＳ０＞ＶＲＹＳ１
が成り立つ。
【００７４】
更に、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬのＮＭＯＳトランジスタ５１Ｈ、５２Ｈ、５１Ｌ、５２Ｌがオンされることで、リファレンス読み出しビット線ＲＲＢＨ、ＲＲＢＬに読み出し電流が流される。この場合、リファレンス電流負荷回路３０８から出力される電流（２Ｉ）が、並列接続されたリファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬを分岐して流れると考えてよいから、リファレンス信号Ｒｅｆの電圧レベルＶＲＥＦは、
ＶＲＥＦ＝２Ｉ・ＲＨＲＬ／（ＲＨ＋ＲＬ）
となる。
【００７５】
この結果、センスアンプ３０６−０に入力されるデータ信号ＲＹＳ０の電圧レベルＶＲＹＳ０及びリファレンス信号Ｒｅｆの電圧レベルＶＲＥＦについては、
ＶＲＹＳ０＞ＶＲＥＦ
が成り立ち、センスアンプ３０６−０により、バンク＃０の読み出し元のメモリセルＭＣＬに記憶されているデータが“０”データであると判別される。一方、センスアンプ３０６−１に入力されるデータ信号ＲＹＳ１の電圧レベルＶＲＹＳ１及びリファレンス信号Ｒｅｆの電圧レベルＶＲＥＦについては、
ＶＲＹＳ１＜ＶＲＥＦ
が成り立ち、センスアンプ３０６−１により、バンク＃１の読み出し元のメモリセルＭＣＬに記憶されているデータが“１”データであると判別される。出力回路３０７−０、３０７−１は、それぞれ、センスアンプ３０６−０、３０６−１が識別したデータを示す出力信号ＯＵＴ０、ＯＵＴ１を外部に出力する。
【００７６】
バンク＃０、＃１の読み出し元のメモリセルＭＣＬに記憶されているデータが相違する場合、及び、バンク＃０、＃１の他のメモリセルＭＣＬからデータが読みだされる場合でも、同様にして読み出し動作が行われることは、当業者には容易に理解されよう。
【００７７】
なお、本実施形態では、一定の読み出し電流を読み出し元のメモリセルＭＣＬ及びリファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬに流すことでデータ信号ＲＹＳ０、ＲＹＳ１及びリファレンス信号Ｒｅｆを電圧信号として生成し、データ信号ＲＹＳ０、ＲＹＳ１とリファレンス信号Ｒｅｆとを比較する構成を記述しているが、一定の定電圧を読み出し元のメモリセルＭＣＬ及びリファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬに印加し、読み出し元のメモリセルＭＣＬから得られる読み出し電流と（並列接続された）リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬから得られる読み出し電流とを比較して読み出し元のメモリセルＭＣＬのデータを判別してもよい。
【００７８】
以上に説明されている本実施形態の半導体装置の第１の利点は、磁化固定層１３１、１３２の作用により、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬにデータが安定的に保持されることである。リファレンスセルＭＣＲＨにおいては、下方向に磁化を有する磁化固定層１３１により、磁気記録層２Ｈのリファレンス層４１Ｈに対向する部分の磁化が下方向に固定され、これにより、リファレンスセルＭＣＲＨに“０”データが安定的に保持される。同様に、リファレンスセルＭＣＲＬにおいては、上方向に磁化を有する磁化固定層１３２により、磁気記録層２Ｌのリファレンス層４１Ｌに対向する部分の磁化が上方向に固定され、これにより、リファレンスセルＭＣＲＬに“１”データが安定的に保持される。
【００７９】
第２の利点は、磁化固定層１３１、１３２の作用によってリファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬに保持すべきデータが製造工程において固定可能であるため、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬにデータを書き込む動作を行う必要がないことである。上述のように、磁化固定層１３１、１３２に異なる保磁力の強磁性材料を用いることで、製造工程において磁化固定層１３１、１３２の磁化を互いに逆向きに設定することは可能である。そして、磁化固定層１３１の磁化を下方向に、磁化固定層１３２の磁化を上方向に設定すれば、自動的に、磁気記録層２Ｈのリファレンス層４１Ｈに対向する部分の磁化が下方向に固定され、磁気記録層２Ｌのリファレンス層４１Ｌに対向する部分の磁化が上方向に固定される。これは、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬにデータを書き込むための回路や配線を設ける必要がなくなることを意味しており、回路面積の低減に有用である。例えば、本実施形態では、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬに接続されるリファレンスビット線ＲＢＨＴ、ＲＢＨＢ、ＲＢＬＴ、ＲＢＬＢは、いずれも、常に接地しておいてよく、駆動する必要がない。リファレンスビット線ＲＢＨＴ、ＲＢＨＢ、ＲＢＬＴ、ＲＢＬＢを駆動する回路を排除することは、回路面積の低減に有効である。
【００８０】
上述の本実施形態では、リファレンスセルＭＣＲＨのリファレンス層４１Ｈと磁化固定層１３１とが同一の形状を有しており、且つ、リファレンス層４１Ｈと磁化固定層１３１とが完全に重なっている平面レイアウトをリファレンスセルＭＣＲＨが有しているものとして説明を行っているが、磁化固定層１３１の大きさ及び形状は、これに限定されない。磁化固定層１３１は、磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈの間に位置していれば、磁気記録層２Ｈのリファレンス層４１Ｈに対向する部分の磁化を固定する作用を奏する。
【００８１】
ただし、リファレンスセルＭＣＲＨのデータ保持の安定性を高めるためには磁気記録層２Ｈのリファレンス層４１Ｈに対向する部分の磁化が安定的に固定されることが望ましい。このためには、図１１に図示されているように、磁気記録層２Ｈのリファレンス層４１Ｈに対向する部分の少なくとも一部が磁化固定層１３１に接合されることが望ましい。磁気記録層２Ｈの磁化固定層１３１に接合される部分は、より強固に磁化が固定されるから、磁気記録層２Ｈのリファレンス層４１Ｈに対向する部分の少なくとも一部が磁化固定層１３１に接合されることにより、リファレンスセルＭＣＲＨのデータ保持の安定性を高めることができる。
【００８２】
同様に、図１２に図示されているように、磁気記録層２Ｌのリファレンス層４１Ｌに対向する部分の少なくとも一部が磁化固定層１３２に接合されることが望ましい。磁気記録層２Ｌの磁化固定層１３２に接合される部分は、より強固に磁化が固定されるから、磁気記録層２Ｌのリファレンス層４１Ｌに対向する部分の少なくとも一部が磁化固定層１３２に接合されることにより、リファレンスセルＭＣＲＬのデータ保持の安定性を高めることができる。
【００８３】
一層にリファレンスセルＭＣＲＨのデータ保持の安定性を高めるためには、図１４に図示されているように、磁気記録層２Ｈのリファレンス層４１Ｈに対向する部分の全体が磁化固定層１３１に接合されることが好ましい。このとき、磁化固定層１３１のサイズがリファレンス層４１Ｈのサイズよりも大きくなるように磁化固定層１３１を形成することで、製造工程においてリファレンス層４１Ｈと磁化固定層１３１との間で位置ずれが生じても、磁気記録層２Ｈのリファレンス層４１Ｈに対向する部分の全体が磁化固定層１３１に接合される状態を維持できる。例えば、図１４では、磁化固定層１３１の磁化固定層１１Ｈに近い端がリファレンス層４１Ｈと磁化固定層１１Ｈの間に位置しているため、磁化固定層１３１が磁化固定層１１Ｈに向けて少し位置ずれしても磁気記録層２Ｈのリファレンス層４１Ｈに対向する部分の全体が磁化固定層１３１に接合された状態を維持できる。同様に、磁化固定層１３１の磁化固定層１１Ｈに近い端がリファレンス層４１Ｈと磁化固定層１２Ｈの間に位置しているため、リファレンス層４１Ｈが磁化固定層１２Ｈに向けて少し位置ずれしても、磁気記録層２Ｈのリファレンス層４１Ｈに対向する部分の全体が磁化固定層１３１に接合された状態を維持できる。
【００８４】
同様に、一層にリファレンスセルＭＣＲＬのデータ保持の安定性を高めるためには、図１４に図示されているように、磁気記録層２Ｌのリファレンス層４１Ｌに対向する部分の全体が磁化固定層１３２に接合されることが好ましい。このとき、磁化固定層１３２のサイズがリファレンス層４１Ｌのサイズよりも大きくなるように磁化固定層１３２を形成することで、製造工程においてリファレンス層４１Ｌと磁化固定層１３２との間で位置ずれが生じても、磁気記録層２Ｌのリファレンス層４１Ｌに対向する部分の全体が磁化固定層１３２に接合される状態を維持できる。例えば、図１４では、磁化固定層１３２の磁化固定層１１Ｌに近い端がリファレンス層４１Ｌと磁化固定層１１Ｌの間に位置しているため、リファレンス層４１Ｌが磁化固定層１１Ｌに向けて少し位置ずれしても磁気記録層２Ｌのリファレンス層４１Ｌに対向する部分の全体が磁化固定層１３２に接合された状態を維持できる。同様に、磁化固定層１３２の磁化固定層１２Ｌに近い端がリファレンス層４１Ｌと磁化固定層１２Ｌの間に位置しているため、リファレンス層４１Ｌが磁化固定層１２Ｌに向けて少し位置ずれしても磁気記録層２Ｌのリファレンス層４１Ｌに対向する部分の全体が磁化固定層１３２に接合された状態を維持できる。
【００８５】
また、上述の実施形態では、メモリセルＭＣＬ、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬに含まれる強磁性層が、いずれも、垂直磁気異方性を有するものであるとして説明されているが、メモリセルＭＣＬ、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬに含まれる強磁性層は、面内磁気異方性を有していてもよい。この場合でも、メモリセルＭＣＬにおいては、磁化固定層１１、１２の磁化の方向が互いに反平行（逆方向）に向けられ、リファレンス層４１の磁化の方向は、磁化固定層１１、１２のいずれかの磁化と同一の方向に向けられる。またリファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬにおいては、磁化固定層１１Ｈ、１１Ｌの磁化の方向が、磁化固定層１２Ｈ、１２Ｌの磁化の方向と反平行に向けられると共に、リファレンス層４１Ｈ、４１Ｌの磁化の方向は、磁化固定層１１Ｈ、１１Ｌの磁化の方向又は磁化固定層１２Ｈ、１２Ｌの磁化の方向のいずれかに向けられる。このとき、磁化固定層１３１、１３２の磁化の方向は、磁化固定層１３１、１３２の磁化の方向が互いに反平行であるという条件の下、磁化固定層１１Ｈ、１１Ｌの磁化の方向又は磁化固定層１２Ｈ、１２Ｌの磁化の方向のいずれかに向けられる。
【００８６】
第２の実施形態：
図１５は、第２の実施形態におけるリファレンスセルＭＣＲＨの構成を示す断面図であり、図１６は、第２の実施形態におけるリファレンスセルＭＣＲＬの構成を示す断面図である。第２の実施形態の半導体装置は、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬの構成が下記の点で相違すること以外は、第１の実施形態の半導体装置と同一の構成を有している。
【００８７】
詳細には、第２の実施形態では、図１５に図示されているように、リファレンスセルＭＣＲＨの磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈ及び磁化固定層１３１の磁化が、同一方向、具体的には下方向に向けられている。これにより、磁気記録層２Ｈから磁壁が排除され、磁気記録層２Ｈの全体の磁化が下方向に向けられている。図１５においては、磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈ、１３１及び磁気記録層２Ｈの磁化の向きが、それぞれ、矢印１０１Ｈ、１０２Ｈ、７１、１１１Ｈによって示されている。同様に、図１６に図示されているように、リファレンスセルＭＣＲＬの磁化固定層１１Ｌ、１２Ｈ、及び磁化固定層１３１の磁化が、同一方向、具体的には上方向に向けられている。これにより、磁気記録層２Ｌから磁壁が排除され、磁気記録層２Ｌの全体の磁化が下方向に向けられている。図１６においては、磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌ、１３２及び磁気記録層２Ｌの磁化の向きが、それぞれ、矢印１０１Ｌ、１０２Ｌ、７２、１１１Ｌによって示されている。
【００８８】
本実施形態では、リファレンスセルＭＣＲＨの磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈ、及び磁化固定層１３１の磁化が、同一方向に向けられていることにより、磁気記録層２Ｈから磁壁が排除される。これにより、磁気記録層２Ｈの磁化の向きが安定化され、リファレンスセルＭＣＲＨのデータ保持の安定性を一層に高めることができる。同様に、リファレンスセルＭＣＲＬの磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌ、及び磁化固定層１３２の磁化が、同一方向に向けられていることにより、磁気記録層２Ｌから磁壁が排除される。これにより、磁気記録層２Ｌの磁化の向きが安定化され、リファレンスセルＭＣＲＬのデータ保持の安定性を一層に高めることができる。
【００８９】
なお、上述されているように、上方向の磁化を有する強磁性層と、下方向の磁化を有する強磁性層とは、保磁力（抗磁場）が異なる強磁性材料を用いることで形成可能であることに留意されたい。例えば、リファレンスセルＭＣＲＨの磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈ及び１３１に相対的に大きな保磁力ＨＣ１を有する強磁性材料を使用し、リファレンスセルＭＣＲＬの磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌ、１３２に、相対的に小さな保磁力ＨＣ２（＜ＨＣ１）を有する強磁性材料を使用する場合を考える。この場合、まず、製造工程において、保磁力ＨＣ１を超えるような大きな磁場を上方向に印加して磁化を上方向に揃えた後、保磁力ＨＣ２より大きく保磁力ＨＣ１より小さな磁場を下方向に印加することで、リファレンスセルＭＣＲＨの磁化固定層１１Ｈ、１２Ｈ及び１３１、及び、リファレンスセルＭＣＲＬの磁化固定層１１Ｌ、１２Ｌ及び１３２の磁化を所望の向きに向けることができる。
【００９０】
また、上述の実施形態では、メモリセルＭＣＬ、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬに含まれる強磁性層が、いずれも、垂直磁気異方性を有するものであるとして説明されているが、メモリセルＭＣＬ、リファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬに含まれる強磁性層は、面内磁気異方性を有していてもよい。この場合でも、メモリセルＭＣＬにおいては、磁化固定層１１、１２の磁化の方向が互いに反平行（逆方向）に向けられ、リファレンス層４１の磁化の方向は、磁化固定層１１、１２のいずれかの磁化と同一の方向に向けられる。またリファレンスセルＭＣＲＨ、ＭＣＲＬにおいては、磁化固定層１１Ｈ、１１Ｌ、１３１の磁化の方向が、磁化固定層１２Ｈ、１２Ｌ、１３２の磁化の方向と反平行に向けられる。リファレンス層４１Ｈ、４１Ｌの磁化の方向は、磁化固定層１１Ｈ、１１Ｌ、１３１の磁化の方向又は磁化固定層１２Ｈ、１２Ｌ、１３２の磁化の方向のいずれかに向けられる。
【００９１】
以上、本発明によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００９２】
１１、１２、１１Ｈ、１２Ｈ、１１Ｌ、１２Ｌ、１３１、１３２：磁化固定層
２、２Ｈ、２Ｌ：磁気記録層
３１、３１Ｈ、３１Ｌ：トンネルバリア層
４１、４１Ｈ、４１Ｌ：リファレンス層
５１、５２、５１Ｈ、５２Ｈ、５１Ｌ、５２Ｌ：ＮＭＯＳトランジスタ
５１Ｈａ、５２Ｈａ、５１Ｌａ、５２Ｌａ：ドレイン
５１Ｈｂ、５２Ｈｂ、５１Ｌｂ、５２Ｌｂ：ソース
６１、６２、６１Ｈ、６２Ｈ、６１Ｌ、６２Ｌ：ビア
８１、８１Ｈ、８１Ｌ：ビア
９１、９２、９１Ｈ、９２Ｈ、９１Ｌ、９２Ｌ：ビア
２０ａ、２０ｂ、２０Ｈ、２０Ｌ：位置
１０１、１０２、１０１Ｈ、１０２Ｈ、１０１Ｌ、１０２Ｌ：矢印
１２１、１２１Ｈ、１２１Ｌ：矢印
１１０、１１１Ｈ、１１２Ｌ、７１、７２：矢印
ＭＣＬ：メモリセル
ＭＣＲＨ、ＭＣＲＬ：リファレンスセル
ＭＣ：メモリセル列
３０１：Ｘセレクタ
３０２：書き込み用Ｙセレクタ
３０３：書き込み回路
３０４：読み出し用Ｙセレクタ
３０５：読み出し電流負荷回路
３０６：センスアンプ
３０７：出力回路
３０８：リファレンス電流負荷回路
３１１、３１２、３１３：定電流源
ＷＬ、ＷＬｉ：ワード線
ＢＬＴ、ＢＬＢ：ビット線
ＲＢＨＴ、ＲＢＨＢ、ＲＢＬＴ、ＲＢＬＢ：リファレンスビット線
ＲＢ：読み出しビット線
ＲＲＢＨ、ＲＲＢＬ：リファレンス読み出しビット線
ＩＮ０、ＩＮ１：入力信号
ＯＵＴ０、ＯＵＴ１：出力信号
Ｒｅｆ：リファレンス信号
ＲＹＳ０、ＲＹＳ１：データ信号
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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