(57)【要約】 【課題】絶縁層の破壊を抑制しかつ電圧書き込みを行うことができる磁気メモリを提供する。【解決手段】本実施形態による磁気メモリは、第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に配置された非磁性層と、を有する磁気抵抗素子と、前記第１磁性層に電気的に接続された第１配線と、前記第２磁性層に電気的に接続され反強磁性体を含む第２配線と、前記第２配線と交差する第３配線と、前記第２配線と前記第３配線との間に配置された絶縁層と、前記第２配線と前記第３配線との間に電圧を印加する第１書き込み回路と、前記第１配線と前記第２配線に接続された読み出し回路と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に配置された第１非磁性層と、を有する磁気抵抗素子と、
前記第１磁性層に電気的に接続された第１配線と、
前記第２磁性層に電気的に接続され反強磁性体を含む第２配線と、
前記第２配線と交差する第３配線と、
前記第２配線と前記第３配線との間に配置された絶縁層と、
前記第２配線と前記第３配線との間に電圧を印加する第１書き込み回路と、
前記第１配線と前記第２配線に接続された読み出し回路と、
を備えた磁気メモリ。
【請求項２】
前記第１配線と前記第１磁性層との間に配置された選択素子を更に備えた請求項１記載の磁気メモリ。
【請求項３】
前記反強磁性体は、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＣｒＭｎ、ＮｉＭｎ、Ｎｉ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ｆｅ酸化物、およびＣｏ酸化物の少なくともいずれか１つを含む請求項１または２記載の磁気メモリ。
【請求項４】
前記第２配線と前記絶縁層との間に、前記第２配線に含まれる反強磁性体よりもキャリア数の少ない反強磁性層を更に備えている請求項１または２記載の磁気メモリ。
【請求項５】
前記反強磁性体は、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＣｒＭｎ、およびＮｉＭｎのうちの少なくとも１つを含み、前記反強磁性層は、Ｎｉ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ｆｅ酸化物、Ｃｏ酸化物、ＭｎＧａ、およびＭｎＡｓのいずれか１つを含む請求項４記載の磁気メモリ。
【請求項６】
前記第２配線に接続され、前記第２配線よりも電気抵抗の低い第４配線を更に備えた請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項７】
前記絶縁層は、Ａｌ酸化物、ＬａＡｌＳｉ酸化物、Ｈｆ酸化物、ＬａＡｌ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｌａ酸化物、Ｔｉ酸化物を含む請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項８】
前記第１磁性層は固定された磁化を有し、前記第２磁性層は可変な磁化を有し、前記第１書き込み回路によって印加される電圧の極性に応じて、前記第２磁性層の磁化方向は可変となる請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項９】
前記第２配線に電流を流す第２書き込み回路を更に備えた請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、トンネル磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子をメモリ素子として磁気ランダムアクセスメモリに応用する試みが盛んに行われている。磁気抵抗効果素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリはデータを不揮発に記憶できると共に、書き込み／読み出し時間が１０ｎｓ以下であり、書き換え回数も１０１５回以上という特徴を有する。
【０００３】
磁気抵抗効果素子に対する書き込みは一般的にスピン注入磁化反転法によって行われ、スピン偏極電子（スピン注入電流）をメモリ素子の磁気記憶層に注入することによって磁気記憶層の磁化を反転する。書き込みに必要な電流量は磁気記憶層の微細化に伴って減少するため、磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法として大いに期待されている。
【０００４】
しかしながら、このスピン注入磁化反転による磁化書き込みは原理的に電流書き込み方式であり、現状では０．５ＭＡ／ｃｍ２程度の大きな電流密度を必要とするため、消費電力の増大、周辺回路の大面積化、およびセル選択トランジスタの大面積化等の問題が生じている。
【０００５】
これらの問題を解消するために、近年、電圧磁化書き込み方式が提案されている。この電圧磁化書き込み方式では、磁気抵抗効果素子の磁気記憶層に絶縁層を介して電圧を印加することにより、絶縁層との界面近傍の磁気記憶層の電子数を変化させて磁気記憶層の磁化方向を変える。この書き込み方式を用いれば、従来のスピン注入磁化反転法における上記の問題点を解決することができ、低消費電力の磁気ランダムアクセスメモリを構成することができる。ただし、通常の磁気抵抗効果に対してこの方式を用いようとする場合、すなわち、磁気抵抗効果素子のトンネルバリア（トンネル絶縁層）を介して磁気記憶層に電界を印加して磁化方向を制御しようとする場合、トンネルバリアの破壊を防ぐための技術や印加電圧に対する磁化状態の変化量を大きくするための材料開発が必要になるといった課題を抱えている。
【０００６】
以上で説明したように、近年注目されている電圧書き込み方式磁気ランダムアクセスメモリは低消費電力化や高集積化等において利点を有するものの、トンネルバリアの破壊の抑制や印加電圧に対する磁化状態の変調量の増大といった課題を解決する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，２５６，２２３号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Nature Nanotechnology, 4, 158 (2009)
【非特許文献２】Y. Y. Wang, et al., Adv. Mater. 27, 3196 (2015)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本実施形態は、絶縁層の破壊を抑制しかつ電圧書き込みを行うことができる磁気メモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施形態による磁気メモリは、第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に配置された非磁性層と、を有する磁気抵抗素子と、前記第１磁性層に電気的に接続された第１配線と、前記第２磁性層に電気的に接続され反強磁性体を含む第２配線と、前記第２配線と交差する第３配線と、前記第２配線と前記第３配線との間に配置された絶縁層と、前記第２配線と前記第３配線との間に電圧を印加する第１書き込み回路と、前記第１配線と前記第２配線に接続された読み出し回路と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態による磁気メモリのメモリセルを示す斜視図。
【図２Ａ】書き込みの原理を説明する図。
【図２Ｂ】書き込みの原理を説明する図。
【図３】第１実施形態の磁気メモリの書き込み方法を説明する図。
【図４】第１実施形態の磁気メモリの書き込み方法を説明する図。
【図５】第１実施形態の磁気メモリの読み出し方法を説明する図。
【図６】第１実施形態の第１変形例による磁気メモリの一部を示す斜視図。
【図７】第１実施形態の第２変形例による磁気メモリの一部を示す斜視図。
【図８】第１実施形態による磁気メモリの回路の一例を示す図。
【図９】第２実施形態による磁気メモリを示す斜視図。
【図１０】第２実施形態の磁気メモリの書き込み方法を説明する図。
【図１１】第２実施形態の磁気メモリの読み出し方法を説明する図。
【図１２】第２実施形態の第１変形例による磁気メモリを示す斜視図。
【図１３】第２実施形態の第２変形例による磁気メモリを示す斜視図。
【図１４】第２実施形態による磁気メモリの回路の一例を示す図。
【図１５】第３実施形態による磁気メモリを示す斜視図。
【図１６】第４実施形態による磁気メモリを示す斜視図。
【図１７】第５実施形態による磁気メモリを示す斜視図。
【図１８】第６実施形態による磁気メモリを示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態について図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
第１実施形態による磁気メモリを図１乃至図４を参照して説明する。第１実施形態の磁気メモリは、マトリクス状に配列されたメモリセルを有し、各メモリセル１は、図１に示すように、選択トランジスタ（選択素子）２０と、磁気抵抗素子としてのＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子３０と、反強磁性体を含むビット線４０と、ビット線４０上に配置された絶縁層４２と、絶縁層４２上に配置された電極４４と、ワード線５０と、を備えている。
【００１４】
選択トランジスタ２０は、半導体層１０に離間して配置されたソースおよびドレイン２２ａ、２２ｂと、ソースとドレインとの間の半導体層１０の部分上に設けられたゲート絶縁層２４と、ゲート絶縁層２４上に設けられたゲート電極２６と、を有している。ゲート電極２６は、メモリセル１を選択する選択ワード線になる。なお、以下の説明では、ソースおよびドレインの一方を端子２２ａと表し、他方を端子２２ｂと表す。
【００１５】
端子２２ａ上にプラグ２８を介してＭＴＪ素子３０が配置される。このＭＴＪ素子３０は、プラグ２８に接続されかつ固定された磁化を有する参照層３２と、参照層３２上に配置された非磁性絶縁層（トンネルバリア）３４と、トンネルバリア３４上に配置されかつ可変な磁化を有する記憶層３６と、を有している。この記憶層３６上にビット線４０が配置される。また、端子２２ｂ上にプラグ２９を介してワード線５０が配置されている。
【００１６】
このように構成されたメモリセル１への書き込み方法および読み出し方法を図２Ａ乃至図５を参照して説明する。
【００１７】
（書き込み原理）
まず、図２Ａに示す、電極４４ａ／絶縁層４２ａ／反強磁性体４０ａ／強磁性体３６ａの構造を有するデバイスにおいて、電極４４ａと強磁性体３６ａとの間に電圧Ｖを印加すると、絶縁層４２と反強磁性体４０ａとの界面の電子数が変調される。このため、図２Ｂに示すように、印加した電圧の大きさに依存して強磁性体３６ａが感じる交換磁場Ｈｅｘの大きさがシフトし、かつ電界の向き、すなわち印加電圧Ｖの極性が正か負かによってシフトする方向が変化することが知られている（例えば、非特許文献２参照）。なお、図２Ａ、２Ｂに示すデバイスにおいて、反強磁性体４０ａとしてＩｒＭｎを用い、強磁性体３６ａとして垂直磁気異方性を有するＣｏＰｔを用いた。図２Ａに示すデバイスのままではメモリとして用いることはできない。
【００１８】
そこで、上記デバイスをメモリとして用いるために、本発明者達は、図１に示すように電極４４と反強磁性体の配線４０とをクロスポイント状に配置した構成を備えたメモリセル１を考えた。なお、図１では絶縁層４２は電極４４と同じ方向に伸延するように記載している。しかし、絶縁層４２の延伸する方向は、この磁気メモリの本質的な動作には関係がないため、どの方向に伸延させてもよい。さらには、絶縁層４２をメモリセル毎に分離する必要もない、すなわち、絶縁層４２は、全面に形成されていてもよい。
【００１９】
（書き込み方法）
書き込みの際には、図３に示すように、電極４４と反強磁性体のビット線４０との間に書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅを書き込み回路６０によって印加する。電極４４とビット線４０との間に印加された書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅは、絶縁層４２とビット線４０との界面の電子数を変調するため、先程述べた原理にしたがって、ビット線４０の下に設けられた強磁性体の磁場Ｈｅｘがシフトする。このとき、図４に示すように、電界の向きと大きさを調整することにより、参照層３２に対する記憶層３６の磁化の向きを略平行、もしくは、反平行に制御することができる。
【００２０】
（読み出し方法）
なお、読み出しの際には、所望のメモリセル１の選択トランジスタ２０がＯＮ状態になるようにゲート電極２６に印加する電圧を制御し、この状態で、図５に示すように、ワード線５０とビット線４０との間の抵抗値を読み出し回路７０によって読み取ることにより参照層３２に対する記憶層３６の磁化の向きを判別する。
【００２１】
本実施形態の磁気メモリにおいては、書き込みに使用する絶縁層４２に高誘電材料、いわゆる、Ｈｉｇｈ−ｋ材料を使用することが可能となるため、電極４４に印加した電圧に対する記憶層３６の磁化状態の変調率を大きくすることができる。
【００２２】
また、本実施形態においては、通常の磁気抵抗効果素子にスピン注入磁化反転を用いた書き込み方法と異なり、磁気抵抗効果素子のトンネルバリアに書き込み電流が流れないため、トンネルバリアの絶縁破壊に対する要求も緩和することができる。
【００２３】
さらに、上記スピン注入磁化反転を用いた書き込み方式を用いる場合には、選択トランジスタに流せる電流値等の制限によりトンネルバリアの抵抗を低く抑える必要がある。しかし本実施形態においては、ＭＴＪ素子３０に流れるトンネル電流は読み出しの際にしか流れないので、選択トランジスタに流せる電流値等の制限が無くなる。したがって、メモリの動作速度等の兼ね合いでＭＴＪ素子３０のトンネル抵抗を決めることができるので、設計の自由度を高めることができる。
【００２４】
なお、本実施形態の磁気メモリは、クロスポイント構造を有しているので、書き込み時に、書き込みを行うメモリセル以外のメモリセルのビット線または電極４４にも電圧が印加される、いわゆるハーフセレクションの問題が存在する。これを回避するためには、書き込みを行うメモリセルと同じビット線４０に接続された他のメモリセルに接続される電極４４に書き込み禁止電圧、例えばＶｗｒｉｔｅ／２を印加するとともに、書き込みを行うメモリセルと電極４４に接続された他のメモリセルに接続されるビット線に書き込み禁止電圧、例えばＶｗｒｉｔｅ／２を印加する。これにより、書き込みを行うメモリセルと同じビット線４０に接続された他のメモリセルおよび書き込みを行うメモリセルと電極４４に接続された他のメモリセルには、ビット線４０と電極４４との間の電圧は、Ｖｗｒｉｔｅ／２となり、書き込みが行われることを防止することができる。
【００２５】
（第１変形例）
本実施形態の第１変形例による磁気メモリについて図６を参照して説明する。図６は、この第１変形例の磁気メモリの一部を示す斜視図である。この第１変形例の磁気メモリは、第１実施形態の磁気メモリにおいて、ビット線４０を金属からなる反強磁性体単体、例えばＩｒＭｎから形成し、各メモリセルのビット線４０と絶縁層４２との間に、ビット線に含まれる反強磁性体に比べてキャリア数の少ない反強磁性体、例えばＮｉＯ層を配置した構成となっている。ここで、キャリアとは、電気伝導を担う粒子を意味する。
【００２６】
図６に示すように、ビット線４０に２つのメモリセル１１、１２が接続され、各メモリセル１ｉ（ｉ＝１，２）は、図示しない選択トランジスタと、この選択トランジスタに電気的に接続された記憶層３６ｉを有するＭＴＪ素子３０ｉと、上記選択トランジスタに接続される図示しないワード線と、金属からなる反強磁性体のビット線４０と、絶縁層４２ｉと、電極４４ｉと、ビット線４０と、絶縁層４２ｉとの間に配置されたキャリア数の少ない反強磁性層４１ｉと、を有している。なお、酸化物からなる反強磁性体としては、ＮｉＯの他に、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｎＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｏＯ、ＭｎＧａ、ＭｎＡｓ等が挙げられる。
【００２７】
図１に示すように、電極４４／絶縁層４２／反強磁性体４０／強磁性体３６の積層構造を用いて電極４４からの電界操作を行う際、電子数が変調されるのは絶縁層４２と反強磁性体４０との界面近傍の電子だけであるので、電極４４による磁化状態の変調量を大きくするためには反強磁性体４０の膜厚を薄くしなくてはならない。しかし、反強磁性体４０の膜厚を薄くするとブロッキング温度が低下するため、動作温度が低くなってしまう。この問題を回避するために、第１変形例のように、ビット線４０を構成する金属からなる反強磁性体に比べてキャリア数の少ない反強磁性体、例えば酸化物からなる反強磁性体と、金属からなる反強磁性体との積層構造を用いるとよい。キャリア数が少ない場合には遮蔽距離が長くなるため、厚さが厚くても電極４４に対する応答性を確保できる一方、厚さが厚いことでブロッキング温度が上昇するためである。もちろん、電極／絶縁層／キャリア数の少ない反強磁性体／強磁性体の積層構造を用いてもよい。この場合、図１に示す第１実施形態のメモリセルにおいて、ビット線４０がキャリア数の少ない反強磁性体から形成される。
【００２８】
（第２変形例）
なお、反強磁性体からなる配線の抵抗が高くて問題になる場合には、図７に示す第２変形例の磁気メモリのようにしてもよい。この第２変形例の磁気メモリは、第１変形例の磁気メモリにおいて、反強磁性体のビット線４０に接続される複数のメモリセルが、このビット線４０の途中において、プラグ４６を介して低抵抗のグローバルビット線４８に接続される構造を有している。この低抵抗のグローバルビット線４８としては、ＣｕまたはＡｌ等の低抵抗の材料が用いられる。
【００２９】
次に、第１実施形態およびその変形例の磁気メモリに用いられる構成要素の材料について説明する。
【００３０】
（参照層、記憶層）
上記説明では、ＭＴＪ素子３０の参照層３２および記憶層３６は、垂直磁気異方性、すなわち、磁化方向がトンネルバリア３４に対向するそれぞれの面に垂直な磁化を有している垂直磁化層であったが、面内磁化層、すなわち磁化方向がトンネルバリア３４に対向するそれぞれの面に平行な磁化を有している磁性層であってもよい。
【００３１】
参照層３２または記憶層３６に用いられる磁性層は、一方向異方性を有することが望ましい。その膜厚は０．１ｎｍから１００ｎｍであることが好ましい。更に、これらの磁性層の厚さは、超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であることがより望ましい。その材料は、ホイスラー合金、例えばＣｏ２ＦｅＡｌ１−ｘＳｉｘ、またはＣｏ２Ｍｎ１−ｘＦｅｘＳｉなどを用いることができる。
【００３２】
また、上記磁性層としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの少なくとも１つの元素を含む金属、それらの合金、例えばＣｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｃｒ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、ＣｏＣｒＦｅＡｌ等が用いられる。
【００３３】
また、上記磁性層としては、ＧｅＭｎ、ＳｉＣＮｉ、ＳｉＣＭｎ、ＳｉＣＦｅ、ＺｎＭｎＴｅ、ＺｎＣｒＴｅ、ＢｅＭｎＴｅ、ＺｎＶＯ、ＺｎＭｎＯ、ＺｎＣｏＯ、ＧａＭｎＡｓ、ＩｎＭｎＡｓ、ＩｎＭｎＡｂ、ＧａＭｎＰ、ＧａＭｎＮ、ＧａＣｒＮ、ＡｌＣｒＮ、ＢｉＦｅＴｅ、ＳｂＶＴｅ、ＰｂＳｎＭｎＴｅ、ＧｅＭｎＴｅ、ＣｄＭｎＧｅＰ、ＺｎＳｉＮＭｎ、ＺｎＧｅＳｉＮＭｎ、ＢｅＴｉＦｅＯ、ＣｄＭｎＴｅ、ＺｎＭｎＳ、ＴｉＣｏＯ、ＳｉＭｎ、ＳｉＧｅＭｎなどの磁性半導体を用いてもよい。
【００３４】
なお、上記磁性層に、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスニウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。
【００３５】
（反強磁性体）
ビット線４０または反強磁性層４１としては、ＦｅＭｎ（鉄−マンガン）、ＰｔＭｎ（白金−マンガン）、ＰｔＣｒＭｎ（白金−クロム−マンガン）、ＮｉＭｎ（ニッケル−マンガン）、ＩｒＭｎ（イリジウム−マンガン）、ＮｉＯ（酸化ニッケル）、Ｆｅ２Ｏ３（酸化鉄）、ＭｎＧａ（マンガンガリウム）、ＭｎＡｓ（マンガンヒ素）などを用いることができる。
【００３６】
（絶縁層４２）
絶縁層４２としては、高誘電体、例えば、Ａｌ酸化物（Ａｌ２Ｏ３）、ＬａＡｌＳｉ酸化物（ＬａＡｌＳｉＯ）、Ｈｆ酸化物（ＨｆＯ２）、ＬａＡｌ酸化物（ＬａＡｌＯ）、Ｚｒ酸化物（ＺｒＯ２）、Ｌａ酸化物（Ｌａ２Ｏ３）、またはＴｉ酸化物を含む絶縁体等が用いられる。このＴｉ酸化物を含む絶縁体としては、ＴｉＯ２、またはＴｉ酸化物に２族乃至５族およびランタノイドのうちの少なくとも一つの元素を加えた酸化物を含む絶縁体が挙げられる。これらの絶縁体は、記憶層に用いられる磁性体とのバンドオフセットが１ｅＶ以上あることが好ましい。
【００３７】
次に、第１実施形態の磁気メモリの回路の一例を図８に示す。この磁気メモリは、図１に示すメモリセル１が２×２のマトリクス状に配列されている。第１行のメモリセルはそれぞれ、選択トランジスタ３０のゲート電極２６が選択ワード線ＷＬ１に接続され、ＭＴＪ素子３０の記憶層３６（図１参照）および絶縁層４２（図１参照）がビット線４０１に接続される。第２行のメモリセルはそれぞれ、選択トランジスタ３０のゲート電極２６が選択ワード線ＷＬ２に接続され、ＭＴＪ素子３０の記憶層３６（図１参照）および絶縁層４２がビット線４０２に接続される。これらの選択ワード線ＷＬ１、ＷＬ２は、ロウデコーダ８０によって選択される。
【００３８】
第１列のメモリセルはそれぞれ、選択トランジスタ３０の端子２２ｂ（図１参照）がワード線５０１に接続され、絶縁層４２（図１参照）が電極４４１に接続される。第２列のメモリセルはそれぞれ、選択トランジスタ３０の端子２２ｂ（図１参照）がワード線５０２に接続され、絶縁層４２（図１参照）が電極４４２に接続される。
【００３９】
ビット線４０１，４０２および電極４４１，４４２はそれぞれ書き込み回路６０（図３参照）に接続される。また、ビット線４０１，４０２およびワード線５０１，５０２はそれぞれ読み出し回路７０（図５参照）に接続される。
【００４０】
図８に示す磁気メモリ回路において、第１行第１列のメモリセルに書き込みを行う場合は、書き込み回路６０によってビット線４０１と、電極４４１との間に書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅを印加することにより行う。第１行第１列のメモリセルから読み出しを行う場合は、ロウデコーダ８０によって選択ワード線ＷＬ１を選択して選択トランジスタ２０がＯＮ状態となる電圧を印加する。更に読み出し回路７０によって、ビット線４０１とワード線５０１との間に定電流を流し電圧を読み出すか、またはビット線４０１とワード線５０１との間に読み出し電圧を印加し、その間に流れる電流を読み出すことにより行う。
【００４１】
以上説明したように、第１実施形態によれば、書き込みは、ＭＴＪ素子のトンネルバリアに書き込み電流が流れず、ビット線４０と電極４４との間に電圧を印加することにより行われる。そして、ビット線４０と電極４４との間に位置する絶縁層４２として高誘電体を用いることが可能となる。これにより、絶縁層の破壊を抑制しかつ電圧書き込みが可能な磁気メモリを提供することができる。
【００４２】
（第２実施形態）
第２実施形態による磁気メモリを図９に示す。この第２実施形態の磁気メモリは、図１に示す第１実施形態の磁気メモリにおいて、選択トランジスタ２０を削除して、代わりにダイオードを設けた構成を有している。この第２実施形態の磁気メモリは、マトリクス上に配列された複数（図９では２個）のメモリセル１１、１２を有している。
【００４３】
各メモリセル１ｉ（ｉ＝１，２）は、ワード線５０ｉと、ダイオード（選択素子）１５ｉと、ＭＴＪ素子３０ｉと、ビット線４０と、絶縁層４２ｉと、電極４４ｉとを備えている。ダイオード１５ｉ（ｉ＝１，２）は、第１端子がワード線５０ｉに電気的に接続され、第２端子がＭＴＪ素子３０ｉの参照層に電気的に接続される。ここで、「ＡがＢに電気的に接続される」とは、ＡがＢに直接接続されるか、またはＡとＢとの間に設けられた導電体を通じて接続されることを意味する。また、第１端子はアノードおよびカソードのうちの一方の端子であり、第２端子はアノードおよびカソードのうちの他方の端子である。ＭＴＪ素子３０ｉ（ｉ＝１，２）の記憶層３６は、反強磁性体のビット線４０、高誘電体の絶縁層４２ｉを介して電気的に電極４４ｉに接続される。
【００４４】
（書き込み方法）
このように構成された第２実施形態の磁気メモリの書き込みについて図１０を参照して説明する。
【００４５】
書き込みは、第１実施形態と同様に、ビット線４０と、書き込みを行うメモリセル１ｉ（ｉ＝１，２）の電極４４ｉとの間に書き込み回路６０によって書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅを印加することにより行う。例えば、メモリセル１２に書き込みを行う場合は、ビット線４０と、書き込みを行うメモリセル１２の電極４４２との間に書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅを印加する。これにより、第１実施形態で説明したように、電極４４２とビット線４０との間に印加された書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅによって、絶縁層４２２とビット線４０との界面の電子数が変調され、ビット線４０の下に設けられた記憶層３６２の磁化の向きを、参照層３２の磁化の向きに対して略平行、もしくは反平行にすることができる。
【００４６】
第２実施形態の磁気メモリは、第１実施形態と同様に、クロスポイント構造を有しているので、書き込み時に、ハーフセレクションの問題が存在する。この問題は、第１実施形態と同様に回避することができる。例えば、書き込みを行うメモリセルと同じビット線４０に接続された他のメモリセルに接続される電極４４に書き込み禁止電圧、例えばＶｗｒｉｔｅ／２を印加するとともに、書き込みを行うメモリセルと電極４４に接続された他のメモリセルに接続されるビット線に書き込み禁止電圧、例えばＶｗｒｉｔｅ／２を印加する。これにより、書き込みを行うメモリセルと同じビット線４０に接続された他のメモリセルおよび書き込みを行うメモリセルと電極４４に接続された他のメモリセルには、ビット線４０と電極４４との間の電圧は、Ｖｗｒｉｔｅ／２となり、書き込みが行われることを防止することができる。
【００４７】
（読み出し方向）
第２実施形態の磁気メモリに読み出しは、図１１に示すように、第１実施形態と同様に、ビット線４０と読み出しを行うメモリセル、例えばメモリセル１２のワード線５０２との間に読み出し電圧を印加し、流れる読み出し電流を検出することにより行う。またはビット線４０と読み出しを行うメモリセル、例えばメモリセル１２のワード線５０２との間に読み出し電流を流しそれらの間に電圧を検出することにより行う。
【００４８】
なお、第２実施形態の磁気メモリにおいては、絶縁層４２ｉ（ｉ＝１，２）は対応する電極４４ｉと同じ方向に伸延するように記載しているが、絶縁層４２ｉの延伸方向は、磁気メモリの本質的な動作には関係がないため、どの方向に伸延させてもよいし、さらには絶縁層４２１、４２２をメモリセル毎に分離する必要もない。すなわち、絶縁層４２１、４２２は接続されて全面に形成されていてもよい。
【００４９】
第２実施形態の磁気メモリにおいては、第１実施形態と同様に、書き込みに使用する絶縁層４２１、４２２に高誘電材料、いわゆる、Ｈｉｇｈ−ｋ材料を使用することが可能となるため、電極４４に印加した電圧に対する記憶層３６の磁化状態の変調率を大きくすることができる。
【００５０】
また、第２実施形態においては、通常の磁気抵抗効果素子にスピン注入磁化反転を用いた書き込み方法と異なり、磁気抵抗効果素子のトンネルバリアに書き込み電流が流れないため、トンネルバリアの絶縁破壊に対する要求も緩和することができる。
【００５１】
さらに、上記スピン注入磁化反転を用いた書き込み方式を用いる場合には、選択トランジスタに流せる電流値等の制限によりトンネルバリアの抵抗を低く抑える必要がある。しかし第２実施形態においては、第１実施形態と同様に、ＭＴＪ素子３０に流れるトンネル電流は読み出しの際にしか流れないので、選択トランジスタに流せる電流値等の制限が無くなる。したがって、メモリの動作速度等の兼ね合いでＭＴＪ素子３０のトンネル抵抗を決めることができるので、設計の自由度を高めることができる。
【００５２】
また、第２実施形態においては、第１実施形態と異なり、読み出し経路に選択トランジスタの代わりにダイオードを用いたクロスポイント構造を有しているので、メモリセルの占有面積を第１実施形態に比べて小さくすることが可能となり、高集積なメモリを構成することができる。
【００５３】
（第１変形例）
第２実施形態の第１変形例による磁気メモリについて図１２を参照して説明する。図１２は、この第１変形例の磁気メモリの一部を示す斜視図である。この第１変形例の磁気メモリは、第２実施形態の磁気メモリにおいて、ビット線４０を金属からなる反強磁性体単体、例えばＩｒＭｎから形成し、各メモリセル１ｉ（ｉ＝１，２）のビット線４０と絶縁層４２ｉとの間に酸化物からなる反強磁性体、例えばＮｉＯ層を配置した構成となっている。なお、酸化物からなる反強磁性体としては、ＮｉＯの他に、Ｃｒ酸化物（Ｃｒ２Ｏ３）、Ｍｎ酸化物（ＭｎＯ）、鉄酸化物（Ｆｅ２Ｏ３）、Ｃｏ酸化物（ＣｏＯ）等が挙げられる。
【００５４】
この第２実施形態の第１変形例も、第１実施形態の第１変形例と同様に、電極４４１、４４２に対する応答性を確保できるとともに、ブロッキング温度が低下するのを防止することができる。また、電極／絶縁層／キャリア数の少ない反強磁性体／強磁性体の積層構造を用いてもよい。この場合、図９に示す第２実施形態のメモリセルにおいて、ビット線４０がキャリア数の少ない反強磁性体から形成される。
【００５５】
（第２変形例）
なお、反強磁性体からなる配線の抵抗が高くて問題になる場合には、図１３に示す第２変形例の磁気メモリのようにしてもよい。この第２変形例の磁気メモリは、第１変形例の磁気メモリにおいて、酸化物からなる反強磁性層４１１，４１２を削除し、反強磁性体のビット線４０に接続される複数のメモリセルが、このビット線４０の途中において、プラグ４６を介して低抵抗のグローバルビット線４８に接続される構造を有している。この低抵抗のグローバルビット線４８としては、ＣｕまたはＡｌ等の低抵抗の材料が用いられる。
【００５６】
第２実施形態およびその変形例の磁気メモリにおいて、書き込みの際にはビット線４０と書き込みを行うメモリセル１ｉ（ｉ＝１，２）のワード線５０ｉを同電位（例えば０Ｖ、回路の基準電位）にしておくのが良い。もし書き込みの際にビット線とワード線の電位が異なると、不要な回り込み電流が生じて不要な電力消費が生じたり、誤書き込みが生じたりする可能性があるためである。なお、この方法を用いることにより、回路の速度低下を抑制することもできる。もし書き込みの際にビット線とワード線の電位が異なると、ワード線の電位をプルアップするために余計な時間がかかるためである。
【００５７】
次に、第２実施形態の磁気メモリの回路の一例を図１４に示す。この磁気メモリは、メモリセルが２×２のマトリクス状に配列されている。メモリセル１ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）は、ＭＴＪ素子３０３０ｉｊの記憶層３６ｉｊおよび絶縁層４２ｉｊがビット線４０１に接続される。
【００５８】
また、メモリセル１ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）は、ダイオード１５ｉｊのカソードがワード線５０１に接続され、絶縁層４２ｉｊが電極４４ｊに接続される。
【００５９】
ビット線４０１，４０２および電極４４１，４４２はそれぞれ書き込み回路６０に接続される。また、ビット線４０１，４０２およびワード線５０１，５０２はそれぞれ読み出し回路７０に接続される。
【００６０】
図１４に示す磁気メモリ回路において、第１行第１列のメモリセル１１１に書き込みを行う場合は、書き込み回路６０によってビット線４０１と、電極４４１との間に書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅを印加することにより行う。第１行第１列のメモリセル１１１から読み出しを行う場合は、読み出し回路７０によって、ビット線４０１とワード線５０１との間に定電流を流し電圧を読み出すか、またはビット線４０１とワード線５０１との間に読み出し電圧を印加し、その間に流れる電流を読み出すことにより行う。
【００６１】
以上説明したように、第２実施形態によれば、書き込みは、ＭＴＪ素子のトンネルバリアに書き込み電流が流れず、ビット線４０と電極４４との間に電圧を印加することにより行われる。そして、ビット線４０と電極４４との間に位置する絶縁層４２として高誘電体を用いることが可能となる。これにより、絶縁層の破壊を抑制しかつ電圧書き込みが可能な磁気メモリを提供することができる。
【００６２】
なお、第１および第２実施形態ならびにその変形例において、磁気抵抗素子としてＭＴＪ素子を用いたが、ＭＴＪ素子の非磁性絶縁層（トンネルバリア）３４を非磁性金属層に置き換えたＧＭＲ素子を用いてもよい。
【００６３】
（第３実施形態）
第３実施形態による磁気メモリを図１５に示す。この第３実施形態の磁気メモリは、図１に示す第１実施形態の磁気メモリとは、書き込み方法が異なっている。例えば、第１実施形態における書き込み方法は、反強磁性体を含むビット線４０と、ゲート電極４４との間に電圧を印加して書き込みを行っていた。
【００６４】
これに対して、第３実施形態においては、反強磁性体を有するビット線４０の両端の間に書き込み回路９０ａ、９０ｂによって書き込み電流ＩＡＦＭを流しつつ、書き込みを行うメモリセルには反強磁性体を含むビット線４０とゲート電極４４との間に書き込み回路６０によって電圧を印加する。このような書き込み方式を用いると、反強磁性体を含むビット線４０の両端の間に書き込み電流ＩＡＦＭを流すため、反強磁性体と強磁性体との間でのスピン軌道相互作用トルクも書き込みに利用することができるようになる。なお、書き込み電流ＩＡＦＭは記憶層３６の磁化方向に応じた向きに流す。また、書き込み回路９０ａ、９０ｂはそれぞれ、ドライバとシンカーとを備えている。
【００６５】
反強磁性体を含むビット線４０の両端の間に書き込み電流ＩＡＦＭを流すと、ビット線につながっているメモリセル全てにスピン軌道相互作用トルクがかかるが、書き込みたいメモリセルに反強磁性体を含むビット線４０とゲート電極４４との間に電圧を印加すれば、そのメモリセルでは第１実施形態で述べた電圧印加による磁化反転に加えてスピン軌道相互作用トルクがかかることになるのでより磁化反転を起こしやすくなる。
【００６６】
なお、これを逆に利用して、書き込みを行うメモリセルと異なるゲート電極に接続された書き込みを行いたくないメモリセルにはビット線４０とゲート電極４４との間に書き込みと逆極性の電圧を印加してリード/ライトディスターブを抑制してもよい。
【００６７】
また、読み出し方法は、第１実施形態で説明した場合と同様である。
【００６８】
この第３実施形態も第１実施形態と同様に、絶縁層の破壊を抑制しかつ電圧書き込みが可能な磁気メモリを提供することができる。
【００６９】
（第４実施形態）
第４実施形態による磁気メモリを図１６に示す。この第４実施形態の磁気メモリは、図９に示す第２実施形態の磁気メモリとは、書き込み方法が異なっている。例えば、第１実施形態における書き込み方法は、反強磁性体を含むビット線４０と、ゲート電極４４との間に電圧を印加して書き込みを行っていた。
【００７０】
これに対して、第４実施形態においては、反強磁性体を有するビット線４０の両端の間に書き込み回路９０ａ、９０ｂによって書き込み電流ＩＡＦＭを流しつつ、書き込みを行うメモリセルには反強磁性体を含むビット線４０とゲート電極４４との間に書き込み回路６０によって電圧を印加する。このような書き込み方式を用いると、反強磁性体を含むビット線４０の両端の間に書き込み電流ＩＡＦＭを流すため、反強磁性体と強磁性体との間でのスピン軌道相互作用トルクも書き込みに利用することができるようになる。なお、書き込み電流ＩＡＦＭは記憶層３６の磁化方向に応じた向きに流す。また、書き込み回路９０ａ、９０ｂはそれぞれ、ドライバとシンカーとを備えている。
【００７１】
反強磁性体を含むビット線４０の両端の間に書き込み電流ＩＡＦＭを流すと、ビット線につながっているセル全てにスピン軌道相互作用トルクがかかるが、書き込みを行うメモリセルに反強磁性体を含むビット線４０とゲート電極４４との間に電圧を印加すれば、そのメモリセルでは第１実施形態で述べた電圧印加による磁化反転に加えてスピン軌道相互作用トルクがかかることになるのでより磁化反転を起こしやすくなる。
【００７２】
なお、これを逆に利用して、書き込みを行うメモリセルと異なるゲート電極に接続された書き込みを行いたくないメモリセルにはビット線４０とゲート電極との間に書き込みと逆極性の電圧を印加してリード/ライトディスターブを抑制することもできる。
【００７３】
また、読み出し方法は、第２実施形態で説明した場合と同様である。
【００７４】
この第４実施形態も第２実施形態と同様に、絶縁層の破壊を抑制しかつ電圧書き込みが可能な磁気メモリを提供することができる。
【００７５】
（第５実施形態）
第５実施形態による磁気メモリを図１７に示す。この第５実施形態の磁気メモリは、図１５に示す第３実施形態の磁気メモリとは、磁気抵抗素子３０において参照層３２が記憶層３６よりも上に配置された構造を有している。このため、磁気抵抗素子３０よりもビット線４０が下側に配置され、このビット線４０の下側に絶縁層４２が配置され、この絶縁層４２の下側に電極４４が配置された構造を有している。また、図１５に示すプラグ２８はトランジスタ２０の端子２２ａに接続するプラグ２８ａと、このプラグ２８ａおよび磁気抵抗素子３０の参照層３２に接続する配線２８ｂとに置き換えた構成を有している。
【００７６】
この第５実施形態においても、書き込みおよび読み出し動作は、第３実施形態と同様に行う。
【００７７】
このように構成された第５実施形態も第３実施形態と同様に、絶縁層の破壊を抑制しかつ電圧書き込みが可能な磁気メモリを提供することができる。
【００７８】
（第６実施形態）
第６実施形態による磁気メモリを図１８に示す。この第６実施形態の磁気メモリは、図１６に示す第４実施形態の磁気メモリとは、磁気抵抗素子３０１、３０２において参照層３２１、３２２がそれぞれ記憶層３６１、３６２よりも上に配置された構造を有している。このため、磁気抵抗素子３０１、３０２よりもビット線４０が下側に配置され、このビット線４０の下側に絶縁層４２１、４２２が配置され、この絶縁層４２１、４２２の下側に電極４４１、４４２が配置された構造を有している。また、磁気抵抗素子３０１、３０２よりもワード線５０１、５０２が上側に配置されている。
【００７９】
この第６実施形態においても、書き込みおよび読み出し動作は、第４実施形態と同様に行う。
【００８０】
このように構成された第６実施形態も第４実施形態と同様に、絶縁層の破壊を抑制しかつ電圧書き込みが可能な磁気メモリを提供することができる。
【００８１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００８２】
１，１１，１２，１１１〜１２２・・・メモリセル、１０・・・半導体層、１５，１５１，１５２，１５１１〜１５２２・・・ダイオード、２０・・・選択トランジスタ、２２ａ，２２ｂ・・・端子、２４・・・ゲート絶縁層、２６・・・ゲート電極（選択ワード線）、２８，２９・・・プラグ、３０，３０１，３０２，３０１１〜３０２２・・・磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）、３２・・・参照層、３４・・・非磁性絶縁層、３６・・・記憶層、４０，４０１，４０２・・・ビット線（反強磁性体）、４０ａ・・・反強磁性体、４１１，４１２・・・酸化物の反強磁性層、４２，４２１，４２２，４２１１〜４２２２・・・絶縁層、４４，４４１，４４２・・・電極、５０・・・ワード線、６０・・・書き込み回路、７０・・・読み出し回路、８０・・・ロウデコーダ、９０ａ、９０ｂ・・・書き込み回路
【図１】
2017168656.tif 000003
【図２Ａ】
2017168656.tif 000004
【図２Ｂ】
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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】
2017168656.tif 000012
【図１０】
2017168656.tif 000013
【図１１】
2017168656.tif 000014
【図１２】
2017168656.tif 000015
【図１３】
2017168656.tif 000016
【図１４】
2017168656.tif 000017
【図１５】
2017168656.tif 000018
【図１６】
2017168656.tif 000019
【図１７】
2017168656.tif 000020
【図１８】
2017168656.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成29年5月26日(2017.5.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定された磁化を有する第１磁性層と、可変な磁化を有する第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に配置された第１非磁性層と、を有する磁気抵抗素子と、
前記第１磁性層に電気的に接続された第１配線と、
前記第２磁性層に電気的に接続され反強磁性体を含む第２配線と、
第３配線と、
前記第２配線と前記第３配線との間に配置された絶縁層と、
前記第２配線と前記第３配線との間に電圧を印加する第１書き込み回路と、
前記第１配線と前記第２配線に接続された読み出し回路と、
を備え、前記第１書き込み回路によって前記第２配線と前記第３配線との間に、第１極性の第１電圧を印加した場合と前記第１極性と異なる第２極性の第２電圧を印加した場合とでは、前記第２磁性層の磁化方向が互いに異なる磁気メモリ。
【請求項２】
前記第１配線と前記第１磁性層との間に配置された選択素子を更に備えた請求項１記載の磁気メモリ。
【請求項３】
前記反強磁性体は、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＣｒＭｎ、ＮｉＭｎ、Ｎｉ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ｆｅ酸化物、およびＣｏ酸化物のうちの少なくとも１つを含む請求項１または２記載の磁気メモリ。
【請求項４】
前記第２配線と前記絶縁層との間に、前記第２配線に含まれる反強磁性体よりもキャリア数の少ない反強磁性層を更に備えている請求項１または２記載の磁気メモリ。
【請求項５】
前記反強磁性体は、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＣｒＭｎ、およびＮｉＭｎのうちの少なくとも１つを含み、前記反強磁性層は、Ｎｉ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ｆｅ酸化物、Ｃｏ酸化物、ＭｎＧａ、およびＭｎＡｓの少なくとも１つを含む請求項４記載の磁気メモリ。
【請求項６】
前記第２配線に接続され、前記第２配線よりも電気抵抗の低い第４配線を更に備えた請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項７】
前記絶縁層は、Ａｌ酸化物、ＬａＡｌＳｉ酸化物、Ｈｆ酸化物、ＬａＡｌ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｌａ酸化物、およびＴｉ酸化物のうちの少なくとも１つを含む請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項８】
前記第２配線に電流を流す第２書き込み回路を更に備えた請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気メモリ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2017168656.tif 000022