磁気記憶装置
【課題】メモリセルのサイズをより小さくして、小型化に寄与する磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】１つのメモリセル１は、アクセストランジスタ２と磁気抵抗効果素子３とから構成される。一方向に沿って位置するメモリセル１では、各磁気抵抗効果素子３の一端側はビット線４ａに接続され、他端側はアクセストランジスタ２のドレインに接続されている。そのアクセストランジスタ２のソース側はソース線５に接続されている。磁気抵抗効果素子３のフリー層のスピンの向きを磁場のアシストによって反転させるためのデータアシスト線７が形成されている。データアシスト線７は、２つの磁気抵抗効果素子３で一本のデータアシスト線を共有する態様で、一方向に互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子３，３ａ，３ｂの間に平面的に位置するように形成されている。
【解決手段】１つのメモリセル１は、アクセストランジスタ２と磁気抵抗効果素子３とから構成される。一方向に沿って位置するメモリセル１では、各磁気抵抗効果素子３の一端側はビット線４ａに接続され、他端側はアクセストランジスタ２のドレインに接続されている。そのアクセストランジスタ２のソース側はソース線５に接続されている。磁気抵抗効果素子３のフリー層のスピンの向きを磁場のアシストによって反転させるためのデータアシスト線７が形成されている。データアシスト線７は、２つの磁気抵抗効果素子３で一本のデータアシスト線を共有する態様で、一方向に互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子３，３ａ，３ｂの間に平面的に位置するように形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気記憶装置に関し、特に、トンネル磁気抵抗効果を有する磁気抵抗効果素子を用いた磁気記憶装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、磁気抵抗効果素子を用いた磁気記憶装置の開発が進められている。磁気抵抗効果素子は、強磁性層、非磁性層および強磁性層の積層膜を基本とする積層構造を有し、２つの強磁性層のスピンが平行（状態“０”）の場合と反平行（状態“１”）の場合とで、積層膜を厚み方向に流れる電流の大きさが異なる性質を利用するものである。すなわち、磁気抵抗効果素子は、トンネル磁気抵抗効果を利用した素子である。
【０００３】
磁気記憶装置では、その磁気抵抗効果素子における２層の強磁性層による電子のスピンの２つの状態が、「１」または「０」に対応する情報として記録されることになる。一方、スピンの２つの状態での電流値の差あるいは抵抗値の違いを検知することによって、情報の読み出しが行なわれることになる。その強磁性層のスピンの向きを制御するために、電流を流すことによって発生する磁界を利用する磁気記憶装置がある。
【０００４】
ところが、この種の磁気記憶装置では、磁気記憶装置の微細化とともに磁気抵抗効果素子も微細化されると、強磁性層のスピンの向きを反転させるためのエネルギーが増大し、結果として極めて大きな電流を流さなければならず、消費電力が増大してしまうという問題が生じた。
【０００５】
これを解消するために、磁界を利用せずに磁気抵抗効果素子に電流を流すことによってスピンの向きを制御する磁気記憶装置が提案されている。この種の磁気記憶装置では、磁気抵抗効果素子を流れる電子が強磁性層の電子にエネルギーを与えることによって、強磁性層の電子のスピンの向きが制御されることになる。なお、磁気抵抗効果素子に電流を流すことによってスピンの向きを制御する磁気記憶装置を開示した文献として、たとえば、特許文献１，２および非特許文献１がある。
【特許文献１】特開２００６−５４０４６号公報
【特許文献２】特開２００５−１１６８８８号公報
【非特許文献１】M.Durlam et al.,"A 0.18μm 4Mb Toggling MRAM", 2003 IEDM Tech. Dig., pp.995-997.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の磁気記憶装置では、次のような問題点があった。強磁性層の電子のスピンの向きを制御するために、磁気抵抗効果素子には約１００μＡ〜５００μＡ程度の電流を流す必要がある。そのため、磁気抵抗効果素子に接続されているアクセストランジスタのゲート幅にもその電流値に対応した相応の長さが要求されて、アクセストランジスタの占有面積を削減することができなかった。その結果、メモリセルのサイズを小さくすることができず、磁気記憶装置の小型化を阻害する要因の一つとなっていた。
【０００７】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、メモリセルのサイズをより小さくして小型化に寄与する磁気記憶装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る磁気記憶装置は、第１配線と複数の磁気抵抗効果素子と複数のスイッチング素子と第２配線と第３配線とを備えている。第１配線は第１の方向に延在する。複数の磁気抵抗効果素子は、第１配線に対して互いに間隔を隔ててそれぞれ接続されている。複数のスイッチング素子は、それぞれ電極、第１領域および第２領域を有し、複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれに対して第１領域にて接続されている。第２配線は、複数のスイッチング素子のそれぞれの第２領域と接続されて前記第１の方向に延在する。第３配線は、複数の磁気抵抗効果素子のうち、互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子の間に平面的に位置し、第１の方向と交差する第２の方向に延在する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る磁気記憶装置によれば、磁気抵抗効果素子における所定の層の電子のスピンの向きを磁場のアシストによって反転させるための第３配線が形成されていることで、そのような第３配線を備えない磁気記憶装置の場合と比べて、より少ない電流によって書き込み動作を行なうことができて、スイッチング素子の寸法を縮めることができる。また、その第３配線が、２つの磁気抵抗効果素子の間に平面的に位置することで、２つの磁気抵抗効果素子で一本の第３配線が共有化されて、スイッチング素子の寸法をさらに縮めることができる。その結果、磁気記憶装置の小型化を大幅に図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１
実施の形態１に係る磁気記憶装置について説明する。はじめに、磁気記憶装置のメモリセル１の回路図を図１に示す。図１に示すように、１つのメモリセル１は、アクセストランジスタ２と磁気抵抗効果素子３とから構成され、そのメモリセル１がマトリクス状に複数形成されている。複数のメモリセル１のうち、一方向に沿って位置するメモリセル１では、各磁気抵抗効果素子３，３ａ，３ｂの一端側は、一方向に延在するビット線４ａ，４ｂ（第１配線）に接続され、他端側はアクセストランジスタ２，２ａ，２ｂのドレインに接続されている。そのアクセストランジスタ２，２ａ，２ｂのソース側は、ビット線４ａ，４ｂと平行に延在するソース線５（第２配線）に接続されている。一方向と直交する他の方向に沿って位置するメモリセル１では、各アクセストランジスタ２，２ａ，２ｂのゲート電極１４が、他の方向に延在するワード線６ａ，６ｂに接続されている。
【００１１】
さらに、この磁気記憶装置のメモリセル１では、磁気抵抗効果素子３のフリー層（強磁性層）のスピンの向きを磁場のアシストによって反転させるためのデータアシスト線７（第３配線）が形成されている。後述するように、データアシスト線７は、２つの磁気抵抗効果素子３，３ａ，３ｂで一本のデータアシスト線を共有する態様で、一方向に互いに隣接する一の磁気抵抗効果素子３ａと他の磁気抵抗効果素子３ｂとの間に平面的に位置するように形成されている。
【００１２】
次に、メモリセル１の構造を図２、図３および図４に示す。なお、図２および図３では、簡単のために層間絶縁膜等は図示されていない。まず、図２および図３に示すように、半導体基板１０の表面上にゲート絶縁膜１３を介在させてゲート電極１４が形成されている。そのゲート電極１４を挟んで半導体基板１０の一方の側の領域にドレイン領域１２が形成され、他方の側の領域にソース領域１１が形成されている。ゲート電極１４、ソース領域１１およびドレイン領域１２によりアクセストランジスタ２が構成される。
【００１３】
そのアクセストランジスタ２の上方には、ソース線５が形成されている。アクセストランジスタ２のソース領域１１は、接続部材１５を介してソース線５に接続されている。さらに、アクセストランジスタ２の上方には、磁気抵抗効果素子３が形成されている。磁気抵抗効果素子３は、ピン層１６、非磁性層１７およびフリー層１８からなる積層構造とされる。各層の機能等については後述する。アクセストランジスタ２のドレイン領域１２は、接続部材１５を介して磁気抵抗効果素子３のピン層１６に接続されている。その磁気抵抗効果素子３の上方にはビット線４ａが形成されている。ビット線４ａはソース線５と平行に延在する。磁気抵抗効果素子３のフリー層１８がビット線４ａに接続されている。
【００１４】
そして、本磁気記憶装置では、データアシスト線７が、２つの磁気抵抗効果素子３で一本のデータアシスト線を共有する態様で形成されている。図４に示すように、平面（２次元）的には、データアシスト線７は、ビット線４ａが延在する方向に沿って互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子３，３ａ，３ｂの間の領域に位置する。そして、図２および図３に示すように、高さ（３次元）方向では、データアシスト線７は２つの磁気抵抗効果素子３，３ａ，３ｂが位置する高さよりも低い位置に形成されている。
【００１５】
次に、磁気抵抗効果素子３について説明する。図２または図３に示すように、情報としての磁化が行なわれる磁気抵抗効果素子３は、ピン層１６、非磁性層１７およびフリー層１８の積層構造とされる。ピン層１６およびフリー層１８は、たとえば、ＣｏＦｅＢから形成された強磁性層からなり、ピン層１６では磁化方向（電子のスピンの向き）が固定されている。非磁性層１７は、たとえば、ＭｇＯから形成されている。また、フリー層１８では、後述するように、スピン偏極した電子の注入と、データアシスト線７に流れる電流によって生じる磁界とによって磁化の向き（電子のスピンの向き）が変化する。
【００１６】
次に、上述した磁気記憶装置の動作として、まず、書き込み動作について説明する。磁気記憶装置では、情報として“０”を書き込む動作は、ピン層１６の電子のスピンの向きとフリー層１８の電子のスピンの向きとを同じ向きにする平行化書き込みと称される。一方、情報として“１”を書き込む動作は、ピン層１６の電子のスピンの向きとフリー層１８の電子のスピンの向きとを互いに反対の向きにする反平行化書き込みと称される。
【００１７】
はじめに、平行化書き込みについて説明する。まず、特定のメモリセル１に対応するビット線として、たとえばビット線４ａに所定の電流を流し、対応するアクセストランジスタ２ａをオンすることによって、電流はビット線４ａから対応する磁気抵抗効果素子３ａ、アクセストランジスタ２ａのドレイン領域１２およびソース領域１１を経てソース線５に流れる。このとき、図５に示すように、磁気抵抗効果素子３ａでは、フリー層１８からピン層１６へ向って電流（矢印４５）が流れることで、ピン層１６の側には、電子２０が注入される。この電子２０のスピンには２つの向き（矢印３１，３２）が存在する。そのピン層１６に注入された電子２０のほとんどは、ピン層１６を通過する際に、ピン層１６の電子のスピンの向き（矢印４０）と同じ向きを有するように電子のスピンが偏極されることになる。
【００１８】
次に、図６に示すように、ピン層１６でスピン偏極した電子２０は、非磁性層１７を通過してフリー層１８に達する。図７に示すように、フリー層１８に達した電子２０は、フリー層１８の電子２０へスピントルクを及ぼす。このとき、データアシスト線７に所定の電流を流すことによってデータアシスト線７の回りに形成される磁場が、電子２０のスピンの回転をアシストする。磁場が電子２０のスピンの回転をアシストすることで、容易にフリー層１８の電子２０のスピンの向きが変えられて、図８に示すように、フリー層１８の電子２０のスピンが反平行から平行へ反転することになる。なお、磁場によるアシストについては後で詳しく説明する。こうして、フリー層１８の電子のスピンが反平行から平行（矢印４２）へ反転し、平行化書き込みが完了する。
【００１９】
次に、反平行化書き込みについて説明する。まず、特定のメモリセル１に対応するソース線４ａに所定の電流を流し、対応するアクセストランジスタ２ｂをオンすることによって、電流はソース線５から対応するアクセストランジスタ２ｂのソース領域１１、ドレイン領域１２および磁気抵抗効果素子３ｂを経てビット線４ａに流れる。このとき、図９に示すように、磁気抵抗効果素子３ｂでは、ピン層１６からフリー層１８へ向って電流（矢印４６）が流れることで、フリー層１８の側に電子２０が注入される。
【００２０】
次に、図１０に示すように、フリー層１８でスピン偏極した電子２０は非磁性層１７を通過する。非磁性層１７を通過した電子２０のうち、ピン層１６の電子２０のスピンの向き（矢印４０）と同じ向きのスピンの電子２０はトンネル確率が高く、ピン層１６を容易にトンネルする。一方、ピン層１６の電子のスピンの向きと反対向きのスピンの電子２０は、ピン層１６で反射されることになる。図１１に示すように、ピン層１６で反射された電子２０は非磁性層１７を通過し、フリー層１８の電子２０へスピントルクを及ぼす。
【００２１】
このとき、データアシスト線７に所定の電流を流すことによってデータアシスト線７の回りに形成される磁場が、電子２０のスピンの回転をアシストする。磁場が電子２０のスピンの回転をアシストすることで、容易にフリー層１８の電子２０のスピンの向きが変えられて、図１２に示すように、フリー層１８の電子２０のスピンが平行から反平行へ反転することになる。なお、磁場によるアシストについては後で詳しく説明する。こうして、フリー層１８の電子２０のスピンが平行から反平行へ反転し、反平行化書き込みが完了する。
【００２２】
次に、磁気記憶装置の読み出し動作について説明する。読み出し動作は、アクセストランジスタ２をオンし、ビット線４ａ，４ｂから磁気抵抗効果素子３を流れアクセストランジスタ２のソース領域１１を経てソース線５に流れる電流を測定することによって行なわれる。
【００２３】
平行化書き込みが行なわれた磁気抵抗効果素子３ａでは、磁気抵抗効果素子３ａの抵抗値は相対的に低くなる。そのため、磁気抵抗効果素子３ａを経てソース線５を流れる電流値は基準電流値よりも高くなる。一方、反平行化書き込みが行なわれた磁気抵抗効果素子３ｂでは、磁気抵抗効果素子３ｂの抵抗値は相対的に高くなる。そのため、磁気抵抗効果素子３ｂを経てソース線５を流れる電流値は基準電流値よりも低くなる。
【００２４】
これにより、基準電流値よりも高い電流値が検知された磁気抵抗効果素子３ａには、情報として“０”が書き込まれていると判断される。一方、基準電流値よりも低い電流値が検知された磁気抵抗効果素子３ｂには、情報として“１”が書き込まれていると判断される。こうして、メモリセル１の磁気抵抗効果素子３から、“０”あるいは“１”が読み出されることになる。
【００２５】
上述した磁気記憶装置では、磁気抵抗効果素子３のフリー層１８の電子２０のスピンの向きを磁場のアシストによって反転させるためのデータアシスト線７が形成されていることで、データアシスト線を備えない磁気抵抗効果素子の場合と比べて、より少ない電流によって書き込み動作を行なうことができ、そして、アクセストランジスタ２のゲート幅を縮めることができる。さらに、そのデータアシスト線７が、２つの磁気抵抗効果素子３で一本のデータアシスト線を共有する態様で形成されていることで、メモリセルのゲート長方向の寸法を縮めることができる。このことについて具体的に説明する。
【００２６】
まず、比較例として、データアシスト線を備えない磁気記憶装置を想定し、その書き込み動作について説明する。はじめに、平行化書き込みでは、図１３に示すように、フリー層１１８からピン層１１６へ向って電流（矢印１４５）が流れることで、ピン層１１６の側に電子１２０が注入される。電子１２０のスピンには２つの向き（矢印１３１，１３２）が存在する。次に、図１４に示すように、ピン層１１６を通過する電子１２０のほとんどは、ピン層１１６の電子のスピンの向きと同じ向き（矢印１４０）となるように電子１２０のスピンが偏極される。
【００２７】
ピン層１１６でスピン偏極した電子１２０は、非磁性層１１７を通過してフリー層１１８に達する。次に、図１５に示すように、フリー層１１８に達した電子１２０は、フリー層１１８の電子１２０へスピントルクを及ぼす。そして、図１６に示すように、フリー層１１８の電子１２０のスピンが反平行から平行（矢印１４２）へ反転し、平行化書き込みが完了する。
【００２８】
次に、反平行化書き込みでは、図１７に示すように、ピン層１１６からフリー層１１８へ向って電流（矢印１４６）が流れることで、フリー層１１８の側に電子１２０が注入される。次に、図１８に示すように、フリー層１１８でスピン偏極した電子１２０が非磁性層１１７を通過し、透過した電子１２０のうち、ピン層１１６の電子のスピンの向き（矢印１４０）と同じ向きのスピンの電子１２０がピン層１１６を容易にトンネルする。一方、ピン層１１６の電子のスピンの向きと反対向きのスピンの電子１２０は、ピン層１１６で反射されることになる。
【００２９】
次に、図１９に示すように、反射された電子１２０は非磁性層１１７を通過し、フリー層１１８の電子１２０へスピントルクを及ぼす。そして、図２０に示すように、フリー層１１８の電子１２０のスピンが平行から反平行へ反転し、反平行化書き込みが完了する。このように、比較例に係る磁気記憶装置では、磁気抵抗効果素子１０３に流される電流のみによって電子１２０のスピンの向きが変えられることになる。
【００３０】
一方、上述したデータアシスト線７を備えた磁気記憶装置の平行化書き込み動作では、図２１に示すように、フリー層１８に達した電子２０が、フリー層１８の電子２０へスピントルクを及ぼす際に、データアシスト線７に電流が流されて、その電流によって生じる磁界（矢印４７）によって、電子２０のスピンの向きを反転させる動作がアシストされることになる。また、反平行化書き込み動作では、図２２に示すように、フリー層１８に達した電子２０が、フリー層１８の電子２０へスピントルクを及ぼす際に、データアシスト線７に電流が流されて、その電流によって生じる磁界（矢印４７）によって、電子２０のスピンの向きを反転させる動作がアシストされることになる。
【００３１】
その結果、本磁気記憶装置では、書き込み動作において磁場（矢印４７）のアシストを得ることで、電流のみによってフリー層の電子のスピンの向きを反転させる場合と比べて、約半分の電流をもってフリー層１８の電子２０のスピンを反転させて平行化書き込みや反平行化書き込みを行なうことができる。図５および図９（本磁気記憶装置）に示されるピン層１８に注入される電子２０の数と、図１３および図１７（比較例）に示されるピン層１１８に注入される電子１２０の数との差は、この電流値の相対的な違いを表すものである。
【００３２】
こうして、図２３に示すように、比較例に係る磁気記憶装置では、書き込み動作を行なうための所望の電流を磁気抵抗効果素子１０３に流すために、アクセストランジスタ１０２のゲート電極１１４には所定のゲート幅Ｗが要求されるのに対して、図２４に示すように、本磁気記憶装置では、その電流が比較例の場合の電流の約半分となることで、アクセストランジスタ２のゲート幅を約半分（Ｗ／２）に縮めることができる。
【００３３】
次に、他の比較例として、図２５に示すように、磁気抵抗効果素子１０３の直下にデータアシスト線１０７ａ，１０７ｂが形成されている磁気記憶装置を想定する。この磁気記憶装置では、ゲート（ワード線）が延在する方向と直交する方向に位置する個々の磁気抵抗効果素子１０３に対応するデータアシスト線１０７ａ，１０７ｂを形成する領域を確保する必要がある。そのため、メモリセル１０１のゲート長方向には所定の長さＬ２が要求される。
【００３４】
一方、本磁気記憶装置では、電子のスピンの向きをアシストするデータアシスト線７は、２つの磁気抵抗効果素子３ａ，３ｂで一本のデータアシスト線を共有するように形成されている。これにより、データアシスト線７の数が半減し、メモリセル１のゲート長方向の長さＬ１（Ｌ１＜Ｌ２）をさらに縮めることができる。こうして、メモリセル１領域のゲート幅方向の寸法とゲート長方向の寸法を縮めることができて、磁気記憶装置の小型化を大幅に図ることができる。
【００３５】
なお、データアシスト線が、２つの磁気抵抗効果素子で一本のデータアシスト線を共有するように形成されている場合には、磁気抵抗効果素子はデータアシスト線に対して斜め上方に位置することになる。そのため、図２６に示すように、データアシスト線７，１０７に流される電流により発生する磁場（矢印４７）のうち、磁気抵抗効果素子３，３ａ，３ｂのフリー層の電子のスピンの反転に寄与する磁場（水平成分）の強度は、データアシスト線１０７の直上に磁気抵抗効果素子１０３が位置する場合の磁場（水平成分）の強度と比べて弱くなるが、フリー層の電子のスピンの回転をアシストするには十分な強度とされる。
【００３６】
実施の形態２
前述した磁気記憶装置では、磁気抵抗効果素子が形成されている位置よりも低い位置に、データアシスト線が形成されている場合を例に挙げて説明した。ここでは、磁気抵抗効果素子が形成されている位置よりも高い位置に、データアシスト線が形成されている場合を例に挙げて説明する。
【００３７】
そのメモリセルの構造を図２７、図２８および図２９に示す。まず、図２７に示すように、平面（２次元）的には、データアシスト線７はビット線４ａ，４ｂが延在する方向に沿って互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子３ａ，３ｂの間の領域に位置する。そして、図２８および図２９に示すように、高さ（３次元）方向では、データアシスト線７は２つの磁気抵抗効果素子３ａ，３ｂが位置する高さよりも高い位置に形成されている。また、ビット線４ａ，４ｂは、そのデータアシスト線７よりも薄く形成されている。
【００３８】
なお、これ以外の構成については前述した磁気記憶装置と同様なので、同一部材には同一符合を付しその説明を省略する。また、回路も前述した磁気記憶装置の回路と同様であり（図１参照）、その説明を省略する。
【００３９】
次に、上述した磁気記憶装置の動作について説明する。まず、書き込み動作は前述した磁気記憶装置の書き込み動作と同じである。はじめに、平行化書き込みでは、まず、ピン層の側に電子が注入される（図５参照）。次に、ピン層を通過する電子のほとんどは、ピン層の電子のスピンの向きと同じ向きを有するようにスピンが偏極される。ピン層でスピン偏極した電子は、非磁性層を通過してフリー層に達する（図６参照）。次に、フリー層に達した電子は、フリー層の電子へスピントルクを及ぼす（図７参照）。
【００４０】
このとき、図３０に示すように、データアシスト線７に電流が流されて、その電流によって生じる磁界（矢印４７）によって電子２０のスピンの向きを反転させる動作がアシストされることになる。こうして、スピントルクと磁界によってフリー層１８の電子２０のスピンが反平行から平行へ容易に反転し、平行化書き込みが完了する（図８参照）。
【００４１】
次に、反平行化書き込み動作では、まず、フリー層の側に電子が注入される（図９参照）。次に、フリー層でスピン偏極した電子が非磁性層を通過し、透過した電子のうち、ピン層の電子のスピンの向きと同じ向きのスピンの電子がピン層を容易にトンネルする。一方、ピン層の電子のスピンの向きと反対向きのスピンの電子は、ピン層で反射される（図１０参照）。次に、反射された電子は非磁性層を通過し、フリー層の電子へスピントルクを及ぼす（図１１参照）。
【００４２】
このとき、図３１に示すように、データアシスト線７に電流が流されて、その電流によって生じる磁界（矢印４７）によって、電子２０のスピンの向きを反転させる動作がアシストされることになる。こうして、スピントルクと磁界によってフリー層１８の電子のスピンが反平行から平行へ容易に反転し、反平行化書き込みが完了する（図１２参照）。
【００４３】
次に、読み出し動作も、前述した磁気記憶装置の読み出し動作と同じである。平行化書き込みが行なわれた磁気抵抗効果素子では、磁気抵抗効果素子の抵抗値は相対的に低くなる。一方、反平行化書き込みが行なわれた磁気抵抗効果素子では、磁気抵抗効果素子の抵抗値は相対的に高くなる。この性質を利用して、基準電流値よりも高い電流値が検知された磁気抵抗効果素子には、情報として“０”が書き込まれていると判断される。そして、基準電流値よりも低い電流値が検知された磁気抵抗効果素子には、情報として“１”が書き込まれていると判断される。こうして、メモリセルの磁気抵抗効果素子から、“０”あるいは“１”が読み出されることになる。
【００４４】
上述した磁気記憶装置では、書き込み動作において磁場のアシストを得ることで、電流のみによってフリー層の電子のスピンの向きを反転させる場合と比べて、約半分の電流をもってフリー層の電子のスピンを反転させて平行化書き込みや反平行化書き込みを行なうことができる。これにより、データアシスト線を備えない磁気記憶装置（図２３参照）の場合と比較して、その電流が比較例の場合の電流の約半分となることで、図３２に示すように、アクセストランジスタ２のゲート幅を約半分（Ｗ／２）に縮めることができる。
【００４５】
また、磁気抵抗効果素子の直下または直上にデータアシスト線が形成されている磁気記憶装置の場合（図２５参照）と比較すると、データアシスト線の数が半減し、メモリセルのゲート長方向の長さＬ１をさらに縮めることができる。こうして、図３２に示すように、メモリセル領域のゲート幅方向の寸法とゲート長方向の寸法を縮めることができて、磁気記憶装置の小型化を大幅に図ることができる。さらに、図３３に示すように、データアシスト線７の数を削減できる分、たとえばアドレス選択信号線や電源配線等の他の配線８，９を形成することができる。
【００４６】
また、上述した磁気記憶装置では、電流のみによってフリー層の電子のスピンの向きを反転させる、データアシスト線を備えない磁気記憶装置の場合と比べて、ビット線に流す電流が大幅に低減する。これにより、ビット線の厚みをより薄く形成することができる。ビット線の厚みがより薄くなることで、データアシスト線に流される電流によって生じる磁場が磁気抵抗効果素子に及ぼす強度を強めることができ、より確実に電子のスピンを反転させることができる。また、電子のスピンの反転をアシストするのに、より少ない電流をもって行なうことができる。
【００４７】
なお、上述した各磁気記憶装置の書き込み動作において、データアシスト線７に流す電流の向きとして、紙面に向って手前から奥へ向って流す場合を例に挙げて説明したが、紙面に向って奥側から手前へ向って流すようにしても、電子のスピンの反転をアシストすることができる。
【００４８】
また、上述した各磁気記憶装置では、データアシスト線７は、平面的には、ビット線４ａが延在する方向に沿って互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子３，３ａ，３ｂの間の領域のほぼ中央に位置する場合を例に挙げて説明した。データアシスト線の平面的（２次元）な位置としては、１本のデータアシスト線の磁界が互いに隣接する磁気抵抗効果素子の双方に及ぶのであれば、このような中央付近に限られず、データアシスト線の一部が一方の磁気抵抗効果素子に平面的に重なるような位置でもよい。
【００４９】
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る磁気記憶装置におけるメモリセルの回路図である。
【図２】同実施の形態において、メモリセルの構造を示す断面図である。
【図３】同実施の形態において、メモリセルの構造を示す断面斜視図である。
【図４】同実施の形態において、メモリセルの構造を示す平面図である。
【図５】同実施の形態において、メモリセルの平行化書き込み動作を説明するための、注入される電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第１の状態を示す断面図である。
【図６】同実施の形態において、図５に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第２の状態を示す断面図である。
【図７】同実施の形態において、図６に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第３の状態を示す断面図である。
【図８】同実施の形態において、図７に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第４の状態を示す断面図である。
【図９】同実施の形態において、メモリセルの反平行化書き込み動作を説明するための、注入される電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第１の状態を示す断面図である。
【図１０】同実施の形態において、図９に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第２の状態を示す断面図である。
【図１１】同実施の形態において、図１０に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第３の状態を示す断面図である。
【図１２】同実施の形態において、図１１に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第４の状態を示す断面図である。
【図１３】比較例に係る磁気記憶装置において、メモリセルの平行化書き込み動作を説明するための、注入される電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第１の状態を示す断面図である。
【図１４】図１３に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第２の状態を示す断面図である。
【図１５】図１４に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第３の状態を示す断面図である。
【図１６】図１５に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第４の状態を示す断面図である。
【図１７】比較例に係る磁気記憶装置において、メモリセルの反平行化書き込み動作を説明するための、注入される電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第１の状態を示す断面図である。
【図１８】図１７に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第２の状態を示す断面図である。
【図１９】図１８に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第３の状態を示す断面図である。
【図２０】図１９に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第４の状態を示す断面図である。
【図２１】同実施の形態において、平行化書き込み動作の図７に示す第３の状態における、フリー層の電子のスピンを反転させるのを磁場がアシストする様子を示す部分断面図である。
【図２２】同実施の形態において、反平行化書き込み動作の図１１に示す第３の状態における、フリー層の電子のスピンを反転させるのを磁場がアシストする様子を示す部分断面図である。
【図２３】比較例に係る磁気記憶装置のメモリセルのアクセストランジスタおよびその周辺の構造を示す断面斜視図である。
【図２４】同実施の形態において、磁気記憶装置のメモリセルのアクセストランジスタおよびその周辺の構造を示す断面斜視図である。
【図２５】他の比較例に係る磁気記憶装置のメモリセルのアクセストランジスタおよびその周辺の構造を示す断面斜視図である。
【図２６】同実施の形態において、磁場のアシストの様子を説明するための断面図である。
【図２７】本発明の実施の形態２に係る磁気記憶装置のメモリセルの構造を示す平面図である。
【図２８】同実施の形態において、メモリセルの構造を示す断面図である。
【図２９】同実施の形態において、メモリセルの構造を示す断面斜視図である。
【図３０】同実施の形態において、平行化書き込み動作における、フリー層の電子のスピンを反転させるのを磁場がアシストする様子を示す部分断面図である。
【図３１】同実施の形態において、反平行化書き込み動作における、フリー層の電子のスピンを反転させるのを磁場がアシストする様子を示す部分断面図である。
【図３２】同実施の形態において、磁気記憶装置のメモリセルのアクセストランジスタおよびその周辺の構造を示す断面斜視図である。
【図３３】同実施の形態において、変形例に係る磁気記憶装置のメモリセルの構造を示す断面斜視図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ メモリセル、２，２ａ，２ｂ アクセストランジスタ、３，３ａ，３ｂ 磁気抵抗効果素子、４ａ，４ｂ ビット線、５ ソース線、６ａ，６ｂ ワード線、７ データアシスト線、８，９ 配線、１０ 半導体基板、１１ ソース領域、１２ ドレイン領域、１３ ゲート絶縁膜、１４ ゲート電極、１５ 接続部材、１６ ピン層、１７ 非磁性層、１８ フリー層、２０ 電子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気記憶装置に関し、特に、トンネル磁気抵抗効果を有する磁気抵抗効果素子を用いた磁気記憶装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、磁気抵抗効果素子を用いた磁気記憶装置の開発が進められている。磁気抵抗効果素子は、強磁性層、非磁性層および強磁性層の積層膜を基本とする積層構造を有し、２つの強磁性層のスピンが平行（状態“０”）の場合と反平行（状態“１”）の場合とで、積層膜を厚み方向に流れる電流の大きさが異なる性質を利用するものである。すなわち、磁気抵抗効果素子は、トンネル磁気抵抗効果を利用した素子である。
【０００３】
磁気記憶装置では、その磁気抵抗効果素子における２層の強磁性層による電子のスピンの２つの状態が、「１」または「０」に対応する情報として記録されることになる。一方、スピンの２つの状態での電流値の差あるいは抵抗値の違いを検知することによって、情報の読み出しが行なわれることになる。その強磁性層のスピンの向きを制御するために、電流を流すことによって発生する磁界を利用する磁気記憶装置がある。
【０００４】
ところが、この種の磁気記憶装置では、磁気記憶装置の微細化とともに磁気抵抗効果素子も微細化されると、強磁性層のスピンの向きを反転させるためのエネルギーが増大し、結果として極めて大きな電流を流さなければならず、消費電力が増大してしまうという問題が生じた。
【０００５】
これを解消するために、磁界を利用せずに磁気抵抗効果素子に電流を流すことによってスピンの向きを制御する磁気記憶装置が提案されている。この種の磁気記憶装置では、磁気抵抗効果素子を流れる電子が強磁性層の電子にエネルギーを与えることによって、強磁性層の電子のスピンの向きが制御されることになる。なお、磁気抵抗効果素子に電流を流すことによってスピンの向きを制御する磁気記憶装置を開示した文献として、たとえば、特許文献１，２および非特許文献１がある。
【特許文献１】特開２００６−５４０４６号公報
【特許文献２】特開２００５−１１６８８８号公報
【非特許文献１】M.Durlam et al.,"A 0.18μm 4Mb Toggling MRAM", 2003 IEDM Tech. Dig., pp.995-997.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の磁気記憶装置では、次のような問題点があった。強磁性層の電子のスピンの向きを制御するために、磁気抵抗効果素子には約１００μＡ〜５００μＡ程度の電流を流す必要がある。そのため、磁気抵抗効果素子に接続されているアクセストランジスタのゲート幅にもその電流値に対応した相応の長さが要求されて、アクセストランジスタの占有面積を削減することができなかった。その結果、メモリセルのサイズを小さくすることができず、磁気記憶装置の小型化を阻害する要因の一つとなっていた。
【０００７】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、メモリセルのサイズをより小さくして小型化に寄与する磁気記憶装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る磁気記憶装置は、第１配線と複数の磁気抵抗効果素子と複数のスイッチング素子と第２配線と第３配線とを備えている。第１配線は第１の方向に延在する。複数の磁気抵抗効果素子は、第１配線に対して互いに間隔を隔ててそれぞれ接続されている。複数のスイッチング素子は、それぞれ電極、第１領域および第２領域を有し、複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれに対して第１領域にて接続されている。第２配線は、複数のスイッチング素子のそれぞれの第２領域と接続されて前記第１の方向に延在する。第３配線は、複数の磁気抵抗効果素子のうち、互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子の間に平面的に位置し、第１の方向と交差する第２の方向に延在する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る磁気記憶装置によれば、磁気抵抗効果素子における所定の層の電子のスピンの向きを磁場のアシストによって反転させるための第３配線が形成されていることで、そのような第３配線を備えない磁気記憶装置の場合と比べて、より少ない電流によって書き込み動作を行なうことができて、スイッチング素子の寸法を縮めることができる。また、その第３配線が、２つの磁気抵抗効果素子の間に平面的に位置することで、２つの磁気抵抗効果素子で一本の第３配線が共有化されて、スイッチング素子の寸法をさらに縮めることができる。その結果、磁気記憶装置の小型化を大幅に図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１
実施の形態１に係る磁気記憶装置について説明する。はじめに、磁気記憶装置のメモリセル１の回路図を図１に示す。図１に示すように、１つのメモリセル１は、アクセストランジスタ２と磁気抵抗効果素子３とから構成され、そのメモリセル１がマトリクス状に複数形成されている。複数のメモリセル１のうち、一方向に沿って位置するメモリセル１では、各磁気抵抗効果素子３，３ａ，３ｂの一端側は、一方向に延在するビット線４ａ，４ｂ（第１配線）に接続され、他端側はアクセストランジスタ２，２ａ，２ｂのドレインに接続されている。そのアクセストランジスタ２，２ａ，２ｂのソース側は、ビット線４ａ，４ｂと平行に延在するソース線５（第２配線）に接続されている。一方向と直交する他の方向に沿って位置するメモリセル１では、各アクセストランジスタ２，２ａ，２ｂのゲート電極１４が、他の方向に延在するワード線６ａ，６ｂに接続されている。
【００１１】
さらに、この磁気記憶装置のメモリセル１では、磁気抵抗効果素子３のフリー層（強磁性層）のスピンの向きを磁場のアシストによって反転させるためのデータアシスト線７（第３配線）が形成されている。後述するように、データアシスト線７は、２つの磁気抵抗効果素子３，３ａ，３ｂで一本のデータアシスト線を共有する態様で、一方向に互いに隣接する一の磁気抵抗効果素子３ａと他の磁気抵抗効果素子３ｂとの間に平面的に位置するように形成されている。
【００１２】
次に、メモリセル１の構造を図２、図３および図４に示す。なお、図２および図３では、簡単のために層間絶縁膜等は図示されていない。まず、図２および図３に示すように、半導体基板１０の表面上にゲート絶縁膜１３を介在させてゲート電極１４が形成されている。そのゲート電極１４を挟んで半導体基板１０の一方の側の領域にドレイン領域１２が形成され、他方の側の領域にソース領域１１が形成されている。ゲート電極１４、ソース領域１１およびドレイン領域１２によりアクセストランジスタ２が構成される。
【００１３】
そのアクセストランジスタ２の上方には、ソース線５が形成されている。アクセストランジスタ２のソース領域１１は、接続部材１５を介してソース線５に接続されている。さらに、アクセストランジスタ２の上方には、磁気抵抗効果素子３が形成されている。磁気抵抗効果素子３は、ピン層１６、非磁性層１７およびフリー層１８からなる積層構造とされる。各層の機能等については後述する。アクセストランジスタ２のドレイン領域１２は、接続部材１５を介して磁気抵抗効果素子３のピン層１６に接続されている。その磁気抵抗効果素子３の上方にはビット線４ａが形成されている。ビット線４ａはソース線５と平行に延在する。磁気抵抗効果素子３のフリー層１８がビット線４ａに接続されている。
【００１４】
そして、本磁気記憶装置では、データアシスト線７が、２つの磁気抵抗効果素子３で一本のデータアシスト線を共有する態様で形成されている。図４に示すように、平面（２次元）的には、データアシスト線７は、ビット線４ａが延在する方向に沿って互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子３，３ａ，３ｂの間の領域に位置する。そして、図２および図３に示すように、高さ（３次元）方向では、データアシスト線７は２つの磁気抵抗効果素子３，３ａ，３ｂが位置する高さよりも低い位置に形成されている。
【００１５】
次に、磁気抵抗効果素子３について説明する。図２または図３に示すように、情報としての磁化が行なわれる磁気抵抗効果素子３は、ピン層１６、非磁性層１７およびフリー層１８の積層構造とされる。ピン層１６およびフリー層１８は、たとえば、ＣｏＦｅＢから形成された強磁性層からなり、ピン層１６では磁化方向（電子のスピンの向き）が固定されている。非磁性層１７は、たとえば、ＭｇＯから形成されている。また、フリー層１８では、後述するように、スピン偏極した電子の注入と、データアシスト線７に流れる電流によって生じる磁界とによって磁化の向き（電子のスピンの向き）が変化する。
【００１６】
次に、上述した磁気記憶装置の動作として、まず、書き込み動作について説明する。磁気記憶装置では、情報として“０”を書き込む動作は、ピン層１６の電子のスピンの向きとフリー層１８の電子のスピンの向きとを同じ向きにする平行化書き込みと称される。一方、情報として“１”を書き込む動作は、ピン層１６の電子のスピンの向きとフリー層１８の電子のスピンの向きとを互いに反対の向きにする反平行化書き込みと称される。
【００１７】
はじめに、平行化書き込みについて説明する。まず、特定のメモリセル１に対応するビット線として、たとえばビット線４ａに所定の電流を流し、対応するアクセストランジスタ２ａをオンすることによって、電流はビット線４ａから対応する磁気抵抗効果素子３ａ、アクセストランジスタ２ａのドレイン領域１２およびソース領域１１を経てソース線５に流れる。このとき、図５に示すように、磁気抵抗効果素子３ａでは、フリー層１８からピン層１６へ向って電流（矢印４５）が流れることで、ピン層１６の側には、電子２０が注入される。この電子２０のスピンには２つの向き（矢印３１，３２）が存在する。そのピン層１６に注入された電子２０のほとんどは、ピン層１６を通過する際に、ピン層１６の電子のスピンの向き（矢印４０）と同じ向きを有するように電子のスピンが偏極されることになる。
【００１８】
次に、図６に示すように、ピン層１６でスピン偏極した電子２０は、非磁性層１７を通過してフリー層１８に達する。図７に示すように、フリー層１８に達した電子２０は、フリー層１８の電子２０へスピントルクを及ぼす。このとき、データアシスト線７に所定の電流を流すことによってデータアシスト線７の回りに形成される磁場が、電子２０のスピンの回転をアシストする。磁場が電子２０のスピンの回転をアシストすることで、容易にフリー層１８の電子２０のスピンの向きが変えられて、図８に示すように、フリー層１８の電子２０のスピンが反平行から平行へ反転することになる。なお、磁場によるアシストについては後で詳しく説明する。こうして、フリー層１８の電子のスピンが反平行から平行（矢印４２）へ反転し、平行化書き込みが完了する。
【００１９】
次に、反平行化書き込みについて説明する。まず、特定のメモリセル１に対応するソース線４ａに所定の電流を流し、対応するアクセストランジスタ２ｂをオンすることによって、電流はソース線５から対応するアクセストランジスタ２ｂのソース領域１１、ドレイン領域１２および磁気抵抗効果素子３ｂを経てビット線４ａに流れる。このとき、図９に示すように、磁気抵抗効果素子３ｂでは、ピン層１６からフリー層１８へ向って電流（矢印４６）が流れることで、フリー層１８の側に電子２０が注入される。
【００２０】
次に、図１０に示すように、フリー層１８でスピン偏極した電子２０は非磁性層１７を通過する。非磁性層１７を通過した電子２０のうち、ピン層１６の電子２０のスピンの向き（矢印４０）と同じ向きのスピンの電子２０はトンネル確率が高く、ピン層１６を容易にトンネルする。一方、ピン層１６の電子のスピンの向きと反対向きのスピンの電子２０は、ピン層１６で反射されることになる。図１１に示すように、ピン層１６で反射された電子２０は非磁性層１７を通過し、フリー層１８の電子２０へスピントルクを及ぼす。
【００２１】
このとき、データアシスト線７に所定の電流を流すことによってデータアシスト線７の回りに形成される磁場が、電子２０のスピンの回転をアシストする。磁場が電子２０のスピンの回転をアシストすることで、容易にフリー層１８の電子２０のスピンの向きが変えられて、図１２に示すように、フリー層１８の電子２０のスピンが平行から反平行へ反転することになる。なお、磁場によるアシストについては後で詳しく説明する。こうして、フリー層１８の電子２０のスピンが平行から反平行へ反転し、反平行化書き込みが完了する。
【００２２】
次に、磁気記憶装置の読み出し動作について説明する。読み出し動作は、アクセストランジスタ２をオンし、ビット線４ａ，４ｂから磁気抵抗効果素子３を流れアクセストランジスタ２のソース領域１１を経てソース線５に流れる電流を測定することによって行なわれる。
【００２３】
平行化書き込みが行なわれた磁気抵抗効果素子３ａでは、磁気抵抗効果素子３ａの抵抗値は相対的に低くなる。そのため、磁気抵抗効果素子３ａを経てソース線５を流れる電流値は基準電流値よりも高くなる。一方、反平行化書き込みが行なわれた磁気抵抗効果素子３ｂでは、磁気抵抗効果素子３ｂの抵抗値は相対的に高くなる。そのため、磁気抵抗効果素子３ｂを経てソース線５を流れる電流値は基準電流値よりも低くなる。
【００２４】
これにより、基準電流値よりも高い電流値が検知された磁気抵抗効果素子３ａには、情報として“０”が書き込まれていると判断される。一方、基準電流値よりも低い電流値が検知された磁気抵抗効果素子３ｂには、情報として“１”が書き込まれていると判断される。こうして、メモリセル１の磁気抵抗効果素子３から、“０”あるいは“１”が読み出されることになる。
【００２５】
上述した磁気記憶装置では、磁気抵抗効果素子３のフリー層１８の電子２０のスピンの向きを磁場のアシストによって反転させるためのデータアシスト線７が形成されていることで、データアシスト線を備えない磁気抵抗効果素子の場合と比べて、より少ない電流によって書き込み動作を行なうことができ、そして、アクセストランジスタ２のゲート幅を縮めることができる。さらに、そのデータアシスト線７が、２つの磁気抵抗効果素子３で一本のデータアシスト線を共有する態様で形成されていることで、メモリセルのゲート長方向の寸法を縮めることができる。このことについて具体的に説明する。
【００２６】
まず、比較例として、データアシスト線を備えない磁気記憶装置を想定し、その書き込み動作について説明する。はじめに、平行化書き込みでは、図１３に示すように、フリー層１１８からピン層１１６へ向って電流（矢印１４５）が流れることで、ピン層１１６の側に電子１２０が注入される。電子１２０のスピンには２つの向き（矢印１３１，１３２）が存在する。次に、図１４に示すように、ピン層１１６を通過する電子１２０のほとんどは、ピン層１１６の電子のスピンの向きと同じ向き（矢印１４０）となるように電子１２０のスピンが偏極される。
【００２７】
ピン層１１６でスピン偏極した電子１２０は、非磁性層１１７を通過してフリー層１１８に達する。次に、図１５に示すように、フリー層１１８に達した電子１２０は、フリー層１１８の電子１２０へスピントルクを及ぼす。そして、図１６に示すように、フリー層１１８の電子１２０のスピンが反平行から平行（矢印１４２）へ反転し、平行化書き込みが完了する。
【００２８】
次に、反平行化書き込みでは、図１７に示すように、ピン層１１６からフリー層１１８へ向って電流（矢印１４６）が流れることで、フリー層１１８の側に電子１２０が注入される。次に、図１８に示すように、フリー層１１８でスピン偏極した電子１２０が非磁性層１１７を通過し、透過した電子１２０のうち、ピン層１１６の電子のスピンの向き（矢印１４０）と同じ向きのスピンの電子１２０がピン層１１６を容易にトンネルする。一方、ピン層１１６の電子のスピンの向きと反対向きのスピンの電子１２０は、ピン層１１６で反射されることになる。
【００２９】
次に、図１９に示すように、反射された電子１２０は非磁性層１１７を通過し、フリー層１１８の電子１２０へスピントルクを及ぼす。そして、図２０に示すように、フリー層１１８の電子１２０のスピンが平行から反平行へ反転し、反平行化書き込みが完了する。このように、比較例に係る磁気記憶装置では、磁気抵抗効果素子１０３に流される電流のみによって電子１２０のスピンの向きが変えられることになる。
【００３０】
一方、上述したデータアシスト線７を備えた磁気記憶装置の平行化書き込み動作では、図２１に示すように、フリー層１８に達した電子２０が、フリー層１８の電子２０へスピントルクを及ぼす際に、データアシスト線７に電流が流されて、その電流によって生じる磁界（矢印４７）によって、電子２０のスピンの向きを反転させる動作がアシストされることになる。また、反平行化書き込み動作では、図２２に示すように、フリー層１８に達した電子２０が、フリー層１８の電子２０へスピントルクを及ぼす際に、データアシスト線７に電流が流されて、その電流によって生じる磁界（矢印４７）によって、電子２０のスピンの向きを反転させる動作がアシストされることになる。
【００３１】
その結果、本磁気記憶装置では、書き込み動作において磁場（矢印４７）のアシストを得ることで、電流のみによってフリー層の電子のスピンの向きを反転させる場合と比べて、約半分の電流をもってフリー層１８の電子２０のスピンを反転させて平行化書き込みや反平行化書き込みを行なうことができる。図５および図９（本磁気記憶装置）に示されるピン層１８に注入される電子２０の数と、図１３および図１７（比較例）に示されるピン層１１８に注入される電子１２０の数との差は、この電流値の相対的な違いを表すものである。
【００３２】
こうして、図２３に示すように、比較例に係る磁気記憶装置では、書き込み動作を行なうための所望の電流を磁気抵抗効果素子１０３に流すために、アクセストランジスタ１０２のゲート電極１１４には所定のゲート幅Ｗが要求されるのに対して、図２４に示すように、本磁気記憶装置では、その電流が比較例の場合の電流の約半分となることで、アクセストランジスタ２のゲート幅を約半分（Ｗ／２）に縮めることができる。
【００３３】
次に、他の比較例として、図２５に示すように、磁気抵抗効果素子１０３の直下にデータアシスト線１０７ａ，１０７ｂが形成されている磁気記憶装置を想定する。この磁気記憶装置では、ゲート（ワード線）が延在する方向と直交する方向に位置する個々の磁気抵抗効果素子１０３に対応するデータアシスト線１０７ａ，１０７ｂを形成する領域を確保する必要がある。そのため、メモリセル１０１のゲート長方向には所定の長さＬ２が要求される。
【００３４】
一方、本磁気記憶装置では、電子のスピンの向きをアシストするデータアシスト線７は、２つの磁気抵抗効果素子３ａ，３ｂで一本のデータアシスト線を共有するように形成されている。これにより、データアシスト線７の数が半減し、メモリセル１のゲート長方向の長さＬ１（Ｌ１＜Ｌ２）をさらに縮めることができる。こうして、メモリセル１領域のゲート幅方向の寸法とゲート長方向の寸法を縮めることができて、磁気記憶装置の小型化を大幅に図ることができる。
【００３５】
なお、データアシスト線が、２つの磁気抵抗効果素子で一本のデータアシスト線を共有するように形成されている場合には、磁気抵抗効果素子はデータアシスト線に対して斜め上方に位置することになる。そのため、図２６に示すように、データアシスト線７，１０７に流される電流により発生する磁場（矢印４７）のうち、磁気抵抗効果素子３，３ａ，３ｂのフリー層の電子のスピンの反転に寄与する磁場（水平成分）の強度は、データアシスト線１０７の直上に磁気抵抗効果素子１０３が位置する場合の磁場（水平成分）の強度と比べて弱くなるが、フリー層の電子のスピンの回転をアシストするには十分な強度とされる。
【００３６】
実施の形態２
前述した磁気記憶装置では、磁気抵抗効果素子が形成されている位置よりも低い位置に、データアシスト線が形成されている場合を例に挙げて説明した。ここでは、磁気抵抗効果素子が形成されている位置よりも高い位置に、データアシスト線が形成されている場合を例に挙げて説明する。
【００３７】
そのメモリセルの構造を図２７、図２８および図２９に示す。まず、図２７に示すように、平面（２次元）的には、データアシスト線７はビット線４ａ，４ｂが延在する方向に沿って互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子３ａ，３ｂの間の領域に位置する。そして、図２８および図２９に示すように、高さ（３次元）方向では、データアシスト線７は２つの磁気抵抗効果素子３ａ，３ｂが位置する高さよりも高い位置に形成されている。また、ビット線４ａ，４ｂは、そのデータアシスト線７よりも薄く形成されている。
【００３８】
なお、これ以外の構成については前述した磁気記憶装置と同様なので、同一部材には同一符合を付しその説明を省略する。また、回路も前述した磁気記憶装置の回路と同様であり（図１参照）、その説明を省略する。
【００３９】
次に、上述した磁気記憶装置の動作について説明する。まず、書き込み動作は前述した磁気記憶装置の書き込み動作と同じである。はじめに、平行化書き込みでは、まず、ピン層の側に電子が注入される（図５参照）。次に、ピン層を通過する電子のほとんどは、ピン層の電子のスピンの向きと同じ向きを有するようにスピンが偏極される。ピン層でスピン偏極した電子は、非磁性層を通過してフリー層に達する（図６参照）。次に、フリー層に達した電子は、フリー層の電子へスピントルクを及ぼす（図７参照）。
【００４０】
このとき、図３０に示すように、データアシスト線７に電流が流されて、その電流によって生じる磁界（矢印４７）によって電子２０のスピンの向きを反転させる動作がアシストされることになる。こうして、スピントルクと磁界によってフリー層１８の電子２０のスピンが反平行から平行へ容易に反転し、平行化書き込みが完了する（図８参照）。
【００４１】
次に、反平行化書き込み動作では、まず、フリー層の側に電子が注入される（図９参照）。次に、フリー層でスピン偏極した電子が非磁性層を通過し、透過した電子のうち、ピン層の電子のスピンの向きと同じ向きのスピンの電子がピン層を容易にトンネルする。一方、ピン層の電子のスピンの向きと反対向きのスピンの電子は、ピン層で反射される（図１０参照）。次に、反射された電子は非磁性層を通過し、フリー層の電子へスピントルクを及ぼす（図１１参照）。
【００４２】
このとき、図３１に示すように、データアシスト線７に電流が流されて、その電流によって生じる磁界（矢印４７）によって、電子２０のスピンの向きを反転させる動作がアシストされることになる。こうして、スピントルクと磁界によってフリー層１８の電子のスピンが反平行から平行へ容易に反転し、反平行化書き込みが完了する（図１２参照）。
【００４３】
次に、読み出し動作も、前述した磁気記憶装置の読み出し動作と同じである。平行化書き込みが行なわれた磁気抵抗効果素子では、磁気抵抗効果素子の抵抗値は相対的に低くなる。一方、反平行化書き込みが行なわれた磁気抵抗効果素子では、磁気抵抗効果素子の抵抗値は相対的に高くなる。この性質を利用して、基準電流値よりも高い電流値が検知された磁気抵抗効果素子には、情報として“０”が書き込まれていると判断される。そして、基準電流値よりも低い電流値が検知された磁気抵抗効果素子には、情報として“１”が書き込まれていると判断される。こうして、メモリセルの磁気抵抗効果素子から、“０”あるいは“１”が読み出されることになる。
【００４４】
上述した磁気記憶装置では、書き込み動作において磁場のアシストを得ることで、電流のみによってフリー層の電子のスピンの向きを反転させる場合と比べて、約半分の電流をもってフリー層の電子のスピンを反転させて平行化書き込みや反平行化書き込みを行なうことができる。これにより、データアシスト線を備えない磁気記憶装置（図２３参照）の場合と比較して、その電流が比較例の場合の電流の約半分となることで、図３２に示すように、アクセストランジスタ２のゲート幅を約半分（Ｗ／２）に縮めることができる。
【００４５】
また、磁気抵抗効果素子の直下または直上にデータアシスト線が形成されている磁気記憶装置の場合（図２５参照）と比較すると、データアシスト線の数が半減し、メモリセルのゲート長方向の長さＬ１をさらに縮めることができる。こうして、図３２に示すように、メモリセル領域のゲート幅方向の寸法とゲート長方向の寸法を縮めることができて、磁気記憶装置の小型化を大幅に図ることができる。さらに、図３３に示すように、データアシスト線７の数を削減できる分、たとえばアドレス選択信号線や電源配線等の他の配線８，９を形成することができる。
【００４６】
また、上述した磁気記憶装置では、電流のみによってフリー層の電子のスピンの向きを反転させる、データアシスト線を備えない磁気記憶装置の場合と比べて、ビット線に流す電流が大幅に低減する。これにより、ビット線の厚みをより薄く形成することができる。ビット線の厚みがより薄くなることで、データアシスト線に流される電流によって生じる磁場が磁気抵抗効果素子に及ぼす強度を強めることができ、より確実に電子のスピンを反転させることができる。また、電子のスピンの反転をアシストするのに、より少ない電流をもって行なうことができる。
【００４７】
なお、上述した各磁気記憶装置の書き込み動作において、データアシスト線７に流す電流の向きとして、紙面に向って手前から奥へ向って流す場合を例に挙げて説明したが、紙面に向って奥側から手前へ向って流すようにしても、電子のスピンの反転をアシストすることができる。
【００４８】
また、上述した各磁気記憶装置では、データアシスト線７は、平面的には、ビット線４ａが延在する方向に沿って互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子３，３ａ，３ｂの間の領域のほぼ中央に位置する場合を例に挙げて説明した。データアシスト線の平面的（２次元）な位置としては、１本のデータアシスト線の磁界が互いに隣接する磁気抵抗効果素子の双方に及ぶのであれば、このような中央付近に限られず、データアシスト線の一部が一方の磁気抵抗効果素子に平面的に重なるような位置でもよい。
【００４９】
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る磁気記憶装置におけるメモリセルの回路図である。
【図２】同実施の形態において、メモリセルの構造を示す断面図である。
【図３】同実施の形態において、メモリセルの構造を示す断面斜視図である。
【図４】同実施の形態において、メモリセルの構造を示す平面図である。
【図５】同実施の形態において、メモリセルの平行化書き込み動作を説明するための、注入される電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第１の状態を示す断面図である。
【図６】同実施の形態において、図５に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第２の状態を示す断面図である。
【図７】同実施の形態において、図６に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第３の状態を示す断面図である。
【図８】同実施の形態において、図７に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第４の状態を示す断面図である。
【図９】同実施の形態において、メモリセルの反平行化書き込み動作を説明するための、注入される電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第１の状態を示す断面図である。
【図１０】同実施の形態において、図９に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第２の状態を示す断面図である。
【図１１】同実施の形態において、図１０に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第３の状態を示す断面図である。
【図１２】同実施の形態において、図１１に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第４の状態を示す断面図である。
【図１３】比較例に係る磁気記憶装置において、メモリセルの平行化書き込み動作を説明するための、注入される電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第１の状態を示す断面図である。
【図１４】図１３に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第２の状態を示す断面図である。
【図１５】図１４に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第３の状態を示す断面図である。
【図１６】図１５に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第４の状態を示す断面図である。
【図１７】比較例に係る磁気記憶装置において、メモリセルの反平行化書き込み動作を説明するための、注入される電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第１の状態を示す断面図である。
【図１８】図１７に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第２の状態を示す断面図である。
【図１９】図１８に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第３の状態を示す断面図である。
【図２０】図１９に示す状態の後の、注入された電子のスピンおよび磁気抵抗効果素子の電子のスピンの第４の状態を示す断面図である。
【図２１】同実施の形態において、平行化書き込み動作の図７に示す第３の状態における、フリー層の電子のスピンを反転させるのを磁場がアシストする様子を示す部分断面図である。
【図２２】同実施の形態において、反平行化書き込み動作の図１１に示す第３の状態における、フリー層の電子のスピンを反転させるのを磁場がアシストする様子を示す部分断面図である。
【図２３】比較例に係る磁気記憶装置のメモリセルのアクセストランジスタおよびその周辺の構造を示す断面斜視図である。
【図２４】同実施の形態において、磁気記憶装置のメモリセルのアクセストランジスタおよびその周辺の構造を示す断面斜視図である。
【図２５】他の比較例に係る磁気記憶装置のメモリセルのアクセストランジスタおよびその周辺の構造を示す断面斜視図である。
【図２６】同実施の形態において、磁場のアシストの様子を説明するための断面図である。
【図２７】本発明の実施の形態２に係る磁気記憶装置のメモリセルの構造を示す平面図である。
【図２８】同実施の形態において、メモリセルの構造を示す断面図である。
【図２９】同実施の形態において、メモリセルの構造を示す断面斜視図である。
【図３０】同実施の形態において、平行化書き込み動作における、フリー層の電子のスピンを反転させるのを磁場がアシストする様子を示す部分断面図である。
【図３１】同実施の形態において、反平行化書き込み動作における、フリー層の電子のスピンを反転させるのを磁場がアシストする様子を示す部分断面図である。
【図３２】同実施の形態において、磁気記憶装置のメモリセルのアクセストランジスタおよびその周辺の構造を示す断面斜視図である。
【図３３】同実施の形態において、変形例に係る磁気記憶装置のメモリセルの構造を示す断面斜視図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ メモリセル、２，２ａ，２ｂ アクセストランジスタ、３，３ａ，３ｂ 磁気抵抗効果素子、４ａ，４ｂ ビット線、５ ソース線、６ａ，６ｂ ワード線、７ データアシスト線、８，９ 配線、１０ 半導体基板、１１ ソース領域、１２ ドレイン領域、１３ ゲート絶縁膜、１４ ゲート電極、１５ 接続部材、１６ ピン層、１７ 非磁性層、１８ フリー層、２０ 電子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延在する第１配線と、
前記第１配線に対して互いに間隔を隔ててそれぞれ接続された複数の磁気抵抗効果素子と、
それぞれ電極、第１領域および第２領域を有し、複数の前記磁気抵抗効果素子のそれぞれに対して前記第１領域にて接続された複数のスイッチング素子と、
複数の前記スイッチング素子のそれぞれの前記第２領域と接続されて前記第１の方向に延在する第２配線と、
複数の前記磁気抵抗効果素子のうち、互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子の間に平面的に位置し、前記第１の方向と交差する第２の方向に延在する第３配線と
を備えた、磁気記憶装置。
【請求項２】
前記第３配線は、２つの前記磁気抵抗効果素子が位置する高さよりも低い位置に形成された、請求項１記載の磁気記憶装置。
【請求項３】
前記第１配線は前記第１領域よりも上方に位置し、
前記磁気抵抗効果素子は、前記第１配線が位置する高さと前記第１領域が位置する高さとの間の高さに位置し、
前記第２配線は、前記磁気抵抗効果素子が位置する高さと前記第１領域が位置する高さとの間の高さに位置し、
前記第３配線は、前記第２配線が位置する高さよりも高い位置に位置する、請求項２記載の磁気記憶装置。
【請求項４】
前記第３配線は、２つの前記磁気抵抗効果素子が位置する高さよりも高い位置に形成された、請求項１記載の磁気記憶装置。
【請求項５】
前記第１配線は前記第１領域よりも上方に位置し、
前記磁気抵抗効果素子は、前記第１配線が位置する高さと前記第１領域が位置する高さとの間の高さに位置し、
前記第３配線は、前記第１配線が位置する高さよりも高い位置に位置する、請求項４記載の磁気記憶装置。
【請求項６】
前記第１配線は前記第３配線よりも薄く形成された、請求項４または５に記載の磁気記憶装置。
【請求項７】
前記第３配線は、互いに隣接する２つの前記磁気抵抗効果素子の間に平面的に中央に形成された、請求項１〜６のいずれかに記載の磁気記憶装置。
【請求項１】
第１の方向に延在する第１配線と、
前記第１配線に対して互いに間隔を隔ててそれぞれ接続された複数の磁気抵抗効果素子と、
それぞれ電極、第１領域および第２領域を有し、複数の前記磁気抵抗効果素子のそれぞれに対して前記第１領域にて接続された複数のスイッチング素子と、
複数の前記スイッチング素子のそれぞれの前記第２領域と接続されて前記第１の方向に延在する第２配線と、
複数の前記磁気抵抗効果素子のうち、互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子の間に平面的に位置し、前記第１の方向と交差する第２の方向に延在する第３配線と
を備えた、磁気記憶装置。
【請求項２】
前記第３配線は、２つの前記磁気抵抗効果素子が位置する高さよりも低い位置に形成された、請求項１記載の磁気記憶装置。
【請求項３】
前記第１配線は前記第１領域よりも上方に位置し、
前記磁気抵抗効果素子は、前記第１配線が位置する高さと前記第１領域が位置する高さとの間の高さに位置し、
前記第２配線は、前記磁気抵抗効果素子が位置する高さと前記第１領域が位置する高さとの間の高さに位置し、
前記第３配線は、前記第２配線が位置する高さよりも高い位置に位置する、請求項２記載の磁気記憶装置。
【請求項４】
前記第３配線は、２つの前記磁気抵抗効果素子が位置する高さよりも高い位置に形成された、請求項１記載の磁気記憶装置。
【請求項５】
前記第１配線は前記第１領域よりも上方に位置し、
前記磁気抵抗効果素子は、前記第１配線が位置する高さと前記第１領域が位置する高さとの間の高さに位置し、
前記第３配線は、前記第１配線が位置する高さよりも高い位置に位置する、請求項４記載の磁気記憶装置。
【請求項６】
前記第１配線は前記第３配線よりも薄く形成された、請求項４または５に記載の磁気記憶装置。
【請求項７】
前記第３配線は、互いに隣接する２つの前記磁気抵抗効果素子の間に平面的に中央に形成された、請求項１〜６のいずれかに記載の磁気記憶装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【公開番号】特開２００９−５４６９８（Ｐ２００９−５４６９８Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１８３５１（Ｐ２００７−２１８３５１）
【出願日】平成１９年８月２４日（２００７．８．２４）
【出願人】（５０３１２１１０３）株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２４日（２００７．８．２４）
【出願人】（５０３１２１１０３）株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【Ｆターム（参考）】
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