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JP2018148159A - 磁気メモリ、磁気メモリの記録方法及び磁気メモリの読み出し方法 - Google Patents

磁気メモリ、磁気メモリの記録方法及び磁気メモリの読み出し方法 Download PDF

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JP2018148159A JP2017044678A JP2017044678A JP2018148159A JP 2018148159 A JP2018148159 A JP 2018148159A JP 2017044678 A JP2017044678 A JP 2017044678A JP 2017044678 A JP2017044678 A JP 2017044678A JP 2018148159 A JP2018148159 A JP 2018148159A
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Hiroyuki Omori
広之 大森
細見　政功
Masakatsu Hosomi
政功 細見
肥後　豊
Yutaka Higo
豊 肥後
裕行 内田
Hiroyuki Uchida
裕行 内田
直基 長谷
Naoki Hase
直基 長谷
佐藤　陽
Akira Sato
陽 佐藤
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Abstract

【課題】１つのメモリセルに多値情報を記録しつつ、製造コストの増加を抑えることが可能な、磁気メモリを提供する。【解決手段】磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する第１及び第２のトンネル接合素子と、前記第１及び第２のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された第１の選択トランジスタと、前記第１のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第１の配線と、前記第２のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第２の配線と、を備える、磁気メモリを提供する。【選択図】図２

Description

本開示は、磁気メモリ、磁気メモリの記録方法及び磁気メモリの読み出し方法に関する。
大容量サーバからモバイル端末に至るまで、各種情報機器の飛躍的な発展に伴い、これを構成するメモリやロジックなどの素子においても高集積化、高速化、低消費電力化等、さらなる高性能化が追求されている。特に不揮発性半導体メモリの進歩は著しく、例えば、大容量ファイルメモリとしてのフラッシュメモリは、ハードディスクドライブを駆逐する勢いで普及が進んでいる。一方、コードストレージ用途さらにはワーキングメモリへの適用を睨み、現在一般に用いられているＮＯＲフラッシュメモリ、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等を置き換えるべくＦｅＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ−Ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の様々なタイプの半導体メモリの開発が進められている。なお、これらのうちの一部は既に実用化されている。
上述したうちの１つであるＭＲＡＭは、ＭＲＡＭの有するメモリ素子の磁性体の磁化方向を反転させることにより、メモリ素子の電気抵抗が変化することを利用して、情報の記録を行う。従って、磁化方向の反転によって決定される上記メモリ素子の抵抗状態、詳細には、メモリ素子の電気抵抗の大小を判別することにより、記録された情報を読み出すことができる。このようなＭＲＡＭは、高速動作が可能でありつつ、ほぼ無限（１０１５回以上）の書き換えが可能であり、さらには信頼性も高いことから、すでに産業オートメーションや航空機などの分野で使用されている。さらに、ＭＲＡＭは、その高速動作と高い信頼性とから、今後コードストレージやワーキングメモリへの展開が期待されている。
さらに、上述のＭＲＡＭのうち、スピントルク磁化反転を用いて磁性体の磁化方向を反転させるＭＲＡＭについては、高速動作等の上述の利点を有しつつ、低消費電力化、大容量化が可能であることから、更なる大きな期待が寄せられている。なお、このようなスピントルク磁化反転を利用したＭＲＡＭは、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ)（スピン注入型ＭＲＡＭ）と呼ばれている（例えば、非特許文献１、２参照）。
また、ＭＲＡＭの記録密度をより高める方法として、各メモリセルに記録される情報を多値化することが検討されている。例えば、下記の特許文献１には、１つのメモリセルに、２つのトンネル接合素子（ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子ともいう）を設け、１つのメモリセルに記録される情報を多値化した磁気メモリが開示されている。詳細には、当該特許文献１には、１つのメモリセルは、互いに並列接続された２つのＭＴＪ素子と、これらに接続された１つの選択トランジスタにより構成されている。このような構成においては、メモリセルのいずれか一方のＭＴＪ素子に対して選択的に情報を記録したり、各ＭＴＪ素子に記録された情報を区別して読み出したりするために、２つのＭＴＪ素子の磁気特性（反転電流、素子抵抗値等）を互いに異なるものとしている。より具体的には、当該特許文献１では、２つのＭＴＪ素子は、互いに異なる積層構造を持っている。
特開２００８−２７７５４２号公報
Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ ｂ,５４,９３５３（１９９６） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ,１５９,Ｌ１（１９９６）
上記特許文献１では、先に説明したように、１つのメモリセルに含まれる２つのＭＴＪ素子の磁気特性を互いに異なるものとするために、互いに異なる積層構造を持つ２つのＭＴＪ素子を形成している。しかしながら、上記特許文献１に開示の技術によれば、異なる積層構造を作り分けることから、磁気メモリの製造において工程数の増加を招き、その結果、磁気メモリの製造コストの増加を抑えることは難しい。
そこで、本開示では、１つのメモリセルに多値情報を記録しつつ、製造コストの増加を抑えることが可能な、新規且つ改良された磁気メモリ、磁気メモリの記録方法及び磁気メモリの読み出し方法を提案する。
本開示によれば、磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する第１及び第２のトンネル接合素子と、前記第１及び第２のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された第１の選択トランジスタと、前記第１のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第１の配線と、前記第２のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第２の配線と、を備える、磁気メモリが提供される。
また、本開示によれば、マトリックス状に配置された複数のメモリセルを備え、前記メモリセルのそれぞれは、磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する複数のトンネル接合素子と、前記複数のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された選択トランジスタと、前記トンネル接合素子のそれぞれの他端に電気的に接続された複数の配線と、を有する、磁気メモリが提供される。
また、本開示によれば、磁気メモリの記録方法であって、前記磁気メモリは、磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する第１及び第２のトンネル接合素子と、前記第１及び第２のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された選択トランジスタと、前記第１のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第１の配線と、前記第２のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第２の配線と、を有しており、前記選択トランジスタを導通状態にし、前記第１の配線と前記第２の配線との間に電位差を与える、ことを含む磁気メモリの記録方法が提供される。
また、本開示によれば、磁気メモリの記録方法であって、前記磁気メモリは、マトリックス状に配置された複数のメモリセルを備え、前記メモリセルのそれぞれは、磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する複数のトンネル接合素子と、前記複数のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された選択トランジスタと、前記トンネル接合素子のそれぞれの他端に電気的に接続された複数の配線と、を有しており、前記メモリセルにおいて、前記選択トランジスタを通電状態にし、前記複数の配線の間に電位差を与える、ことを含む、磁気メモリの記録方法が提供される。
さらに、本開示によれば、磁気メモリの読み出し方法であって、前記磁気メモリは、磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する第１及び第２のトンネル接合素子と、前記第１及び第２のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された選択トランジスタと、前記第１のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第１の配線と、前記第２のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第２の配線と、前記選択トランジスタの、前記第１及び第２のトンネル接合素子と逆側に電気的に接続された第３の配線と、を有しており、前記選択トランジスタを導通状態にし、前記第１及び第２の配線に、前記第３の配線に対して第１の極性を持つように電圧を印加し、次いで、前記第１の配線又は前記第２の配線に、前記第３の配線に対して前記第１の極性とは逆の極性である第２の極性を持つように電圧を印加することを含む、磁気メモリの読み出し方法が提供される。
以上説明したように本開示によれば、１つのメモリセルに多値情報を記録しつつ、製造コストの増加を抑えることが可能である。
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
本開示の一実施形態に係るＭＴＪ素子１００の積層構造の一例を模式的に示す説明図である。 本開示の第１の実施形態に係るメモリセル１０を模式的に示す回路図である。 本開示の第１の実施形態に係るメモリセル１０の記録方法を説明する説明図である。 本開示の第１の実施形態に係るメモリセル１０の周辺回路の一例を模式的に示す回路図である。 本開示の第１の実施形態に係るメモリセル１０の読み出し方法を説明する説明図である。 本開示の第２の実施形態に係る磁気メモリ１を模式的に示す回路図である。 本開示の第２の実施形態に係る磁気メモリ１の記録方法の一例を説明するための説明図である。 本開示の第２の実施形態に係る磁気メモリ１の具体的な構成の一例の斜視図である。 図８の磁気メモリ１の回路図である。 本開示の第２の実施形態に係る磁気メモリ１の具体的な構成の他の一例の斜視図である。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
また、本明細書および図面において、実質的に同一または類似の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なる数字を付して区別する場合がある。ただし、実質的に同一または類似の機能構成を有する複数の構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。また、異なる実施形態の類似する構成要素については、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合がある。ただし、類似する構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。
そして、以下の説明で参照される図面は、本開示の一実施形態の説明とその理解を促すための図面であり、わかりやすくするために、図中に示される形状や寸法、比などは実際と異なる場合がある。さらに、図中に示される磁気メモリ等は、以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。また、以下の説明においては、磁気メモリ等の積層構造の上下方向は、メモリ素子が設けられた基板上の面を上とした場合の相対方向に対応し、実際の重力加速度に従った上下方向とは異なる場合がある。
また、以下の説明においては、磁化方向（磁気モーメント）や磁気異方性について説明する際に、便宜的に「垂直方向」（膜面に対して垂直な方向）及び「面内方向」（膜面に対して平行な方向）等の用語を用いる。ただし、これらの用語は、必ずしも磁化の厳密な方向を意味するものではない。例えば、「磁化方向が垂直方向である」や「垂直磁気異方性を有する」等の文言は、面内方向の磁化に比べて垂直方向の磁化が優位な状態であることを意味している。同様に、例えば、「磁化方向が面内方向である」や「面内磁気異方性を有する」等の文言は、垂直方向の磁化に比べて面内方向の磁化が優位な状態であることを意味している。
以下の説明においては、「略同一」とは、数学的又は幾何学的に同一である場合だけを意味するのではなく、本開示の一実施形態に係る磁気メモリの動作や製造工程において許容される程度の違いがある場合も含むことを意味する。
さらに、以下の回路構成の説明の際には、特段の断りがない限りは、「接続」とは、複数の要素の間を電気的に接続することを意味する。さらに、以下の説明における「接続」には、複数の要素を直接的に、且つ、電気的に接続する場合だけでなく、他の要素を介して間接的に、且つ、電気的に接続する場合も含む。
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．本開示に係る技術的背景
１．１．ＳＴＴ−ＭＲＡＭの概要
１．２．ＭＴＪ素子の基本構造
１．３．記録及び読み出し方法について
１．４．多値情報を記憶するメモリセルについて
２．第１の実施形態
２．１．第１の実施形態に係るメモリセル１０の構成
２．２．第１の実施形態に係る記録方法
２．３．第１の実施形態に係る読み出し方法
３．第２の実施形態
３．１．第２の実施形態に係る磁気メモリ１の構成
３．２．第２の実施形態に係る記録方法
３．３．第２の実施形態に係る磁気メモリ１の具体的な構成例
４．まとめ
５．補足
＜＜１．本開示に係る技術的背景＞＞
＜１．１．ＳＴＴ−ＭＲＡＭの概要＞
以下に説明する本開示の実施形態は、ＳＴＴ-ＭＲＡＭに関するものである。そこで、本開示の一実施形態を具体的に説明する前に、本開示に係る技術的背景として、ＳＴＴ−ＭＲＡＭの概要を説明する。
先に説明したように、ＳＴＴ-ＭＲＡＭは、スピントルク磁化反転を用いて磁性体の磁化を反転させることにより記録を行う。ＳＴＴ-ＭＲＡＭは、高速動作が可能で、且つ、書き換え回数がほぼ無限大であり、低消費電力化、大容量化を進めることができることから、大きな期待が寄せられている。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭ（磁気メモリ）のメモリ素子としては、ＭＴＪ素子が用いられる。ＭＴＪ素子では、磁性体からなる参照層及び記録層と、参照層と記録層との間に設けられた絶縁層とを主に有する。そして、当該ＭＴＪ素子は、所定の方向に固定された磁気モーメントを有する磁性体（参照層）を通過したスピン偏極電子が、他の磁性体（記録層）に進入する際に、他の磁性体の磁気モーメントにトルクを与えることにより磁気モーメントの反転が生じることを利用して記録を行う。さらに、当該ＭＴＪ素子においては、参照層及び記録層の磁気モーメントの方向が同じ方向である平行状態の方が、両者の磁気モーメントの方向が逆の方向である反平行状態に比べて、絶縁層における電気抵抗が低くなり、ＭＴＪ素子の電気抵抗が低くなる。そこで、ＭＴＪ素子においては、磁気モーメントの状態（磁化状態）に起因する抵抗状態の違いを利用して１／０の情報の記録がなされる。
＜１．２．ＭＴＪ素子の基本構造＞
次に、図１を参照して、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ（磁気メモリ）のＭＴＪ素子１００の基本構造について説明する。なお、以下に説明する本開示の実施形態に係るＭＴＪ素子１００についても、図１を用いて説明したＭＴＪ素子１００の基本構造と同様の構造を持つものとする。また、図１は、本開示の一実施形態に係るＭＴＪ素子１００の積層構造の一例を模式的に示す説明図である。
ＭＴＪ素子１００は、情報（１／０）を記憶するメモリ素子である。ＭＴＪ素子１００の上下には、互いに直交するアドレス用配線（例えば、ワード線及びビット線）が設けられ、ＭＴＪ素子１００は、これら配線の交点付近にてワード線及びビット線と接続される。なお、図１においては、これら配線の図示については省略している。
図１に示すように、ＭＴＪ素子１００は、下地層２００の上に、所定の方向に磁気モーメント（磁化方向）が固定された参照層２０２と、絶縁層２０４と、磁気モーメントの向きを反転することが可能な記録層２０６と、キャップ層２０８とが順次積層されている構造を持つ。また、図１においては図示が省略されているが、ＭＴＪ素子１００は、上部電極と下部電極とによって挟まれている。さらに、ＭＴＪ素子１００の一方の端子は、選択トランジスタ（図示省略）を介してアドレス用配線（図示省略）に電気的に接続され、ＭＴＪ素子１００の他方の端子は、他のアドレス用配線（図示省略）と電気的に接続される。これにより、選択トランジスタによって選択されたＭＴＪ素子１００において、アドレス用配線を介して、ＭＴＪ素子１００の下部電極と上部電極との間に電圧が印加され、当該ＭＴＪ素子１００の記録層２０６に対する情報の書き込み及び読み出しが行われる。
参照層２０２は、強磁性体材料を含む磁性体によって形成され、高い保磁力等によって、磁気モーメントの方向が固定されている。記録層２０６は、強磁性体材料を含む磁性体によって形成され、記録する情報に対応して磁気モーメントの方向が変化する。例えば、上記強磁性体材料としては、例えば、ＴｂＦｅＣｏおよびＧｄＦｅＣｏなどの非晶質垂直磁化材料、又は、ＣｏＰｔおよびＦｅＰｔなどの結晶磁気異方性を有する磁性体材料が挙げられる。さらには、当該強磁性体材料としては、例えば、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉのうちから選択された少なくとも１種以上と、ＢおよびＣのうちから選択された少なくとも１種以上との合金磁性体材料も挙げることができる。
絶縁層２０４は、各種の絶縁体等から形成され、参照層２０２と記憶層２０６との間に設けられる。例えば、絶縁層２０４は、例えば、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ＳｉＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ、ＳｒＴｉＯ２、ＡｌＬａＯ３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ等の各種の絶縁体、誘電体、半導体を用いて形成することができる。
さらに、下地層２００及びキャップ層２０８は、電極、結晶配向性の制御膜、保護膜等として機能する。詳細には、下地層２００は、各種金属材料又は合金材料にて形成され、下地層２００の下に設けられる電極（図示省略）との間で優れた導通を実現する。また、キャップ層２０８は、例えばＲｕ等の非磁性体によって形成され、ＭＴＪ素子１００に含まれる参照層２０２及び記録層２０６の酸化を防止し、キャップ層２０８の上に設けられる電極（図示省略）との間で優れた導通を実現する。
なお、図１では、ＭＴＪ１００の積層構造として、記録層２０６を基準として下方向に絶縁層２０４及び参照層２０２が積層された構造を示したが、ＭＴＪ素子１００は、かかる構造に限定されない。例えば、ＭＴＪ素子１００は、下地層２００及びキャップ層２０８を含んでいなくてもよく、さらに他の層を含んでもよいし、参照層２０２と記録層２０６との位置を入れ替えてもよい。すなわち、ＭＴＪ素子１００は、参照層２０２と、記録層２０６と、当該参照層２０２と当該記録層２０６との間に矜持された絶縁層２０４とを有していればよい。
＜１．３．記録及び読み出し方法について＞
（記録方法）
続いて、ＭＴＪ素子１００における情報の記録及び読み出し方法について説明する。まずは、ＭＴＪ素子１００における情報の記録方法について説明する。ＭＴＪ素子１００では、記録層２０６への情報の書き込みは、先に説明したように、スピントルク磁化反転を用いて行われる。
ここで、スピントルク磁化反転の詳細について説明する。電子は、２種類のスピン角運動量をもつことが知られている。そこで、スピン角運動量を、仮に上向きのスピン角運動量と、下向きのスピン角運動量との２種類のスピン角運動量として定義する。非磁性体内部では、上向きのスピン角運動量と下向きのスピン角運動量とが同数であり、強磁性体内部では、これら両者の数に差がある。
さらに、ここでは、ＭＴＪ素子１００において、参照層２０２と記録層２０６との磁気モーメントの向きが互いに異なる反平行状態にあり、この状態において、電子を参照層２０２から記録層２０６へ進入させる場合について考える。
電子が参照層２０２を通過した場合には、スピン偏極が生じ、すなわち、上向きのスピン角運動量と下向きのスピン角運動量との数に差が生じる。さらに、絶縁層２０４の厚さが十分に薄い場合には、このスピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極（上向きと下向きの電子の数が同数）状態になる前に、当該電子は、記録層２０６に進入することができる。
記録層２０６では、スピン偏極の方向は進入した電子と逆になっている。従って、系全体のエネルギーを下げるために、進入した電子の一部は、反転、すなわちスピン角運動量の向きが変化する。この際、系全体ではスピン角運動量が保存されることから、反転した電子によるスピン角運動量の変化の合計と等価な反作用が記録層２０６の磁気モーメントに与えられる。
電流、すなわち、単位時間に通過する電子の数が少ない場合には、向きを変える電子の総数も少ないために記録層２０６の磁気モーメントに発生するスピン角運動量変化も小さい。一方、電流、すなわち、単位時間に通過する電子の数を多くすると、記録層２０６の磁気モーメントに所望するスピン角運動量変化を単位時間内に与えることができる。スピン角運動量の時間変化はトルクであり、トルクが所定の閾値を超えると記録層２０６の磁気モーメントは反転を開始し、１８０度反転した状態で安定となる。なお、記録層２０６の磁気モーメントが１８０度反転した状態で安定となるのは、記録層２０６を構成する磁性体に磁化容易軸が存在し、一軸異方性があるためである。上記のような仕組みにより、ＭＴＪ素子１００は、反平行状態から、参照層２０２と記録層２０６との磁気モーメントの向きが互いに同じとなる平行状態へと変化する。
また、平行状態において、電流を逆に記録層２０６から参照層２０２へ電子を侵入させるような向きで流した場合には、参照層２０２へ到達した際に参照層２０２で反射されて反転した電子が、記録層２０６に進入する際に記録層２０６にトルクを与える。従って、与えられたトルクにより、記録層２０６の磁気モーメントは反転し、ＭＴＪ素子１００は平行状態から反平行状態へと変化する。
このように、ＭＴＪ素子１００における１／０の記録は、参照層２０２から記録層２０６に向かう方向又はその逆向きに、それぞれの極性に対応する所定の閾値以上の電流を流すことによって行われる。
（読み出し方法）
次に、ＭＴＪ素子１００における情報の読み出し方法について説明する。ＭＴＪ素子１００においては、記録層２０６からの情報の読み出しは、磁気抵抗効果を用いて行われる。詳細には、ＭＴＪ素子１００においては、平行状態の方が反平行状態に比べて、絶縁層２０４における電気抵抗が低くなり、ＭＴＪ素子１００全体としての電気抵抗が低くなる。そこで、ＭＴＪ素子１００を挟む下部電極（図示省略）と上部電極（図示省略）との間に電流を流し、ＭＴＪ素子１００が示す電気抵抗の大小を判別することによって、記録層２０６に記憶された情報を読み出すことができる。
＜１．４．多値情報を記憶するメモリセルについて＞
ところで、本発明者らは、ＭＲＡＭ（磁気メモリ）の記録密度をより高める方法として、各メモリセルに記録する情報を多値化することを検討した。詳細には、ＭＲＡＭのＭＴＪ素子１００等は、ビット線、ワード線といった配線や、配線間を接続するコンタクト部の形状及び大きさ等を定めたデザインルールに基づいて、その下限が定められている。従って、ＭＴＪ素子１００を微細にすることにより、ＭＲＡＭの記録密度を高めることには限界があった。そこで、本発明者らは、記録密度を高めるために、上記特許文献１に開示された構成のように、１つのメモリセル内に互いに並列に接続された２つのＭＴＪ素子１００を設け、１つのメモリセルに多値情報を記録することができるＭＲＡＭについて検討を行った。
具体的には、最初に本発明者らが検討を行ったメモリセルの構成は、互いに並列に接続された２つのＭＴＪ素子１００と、１つの選択トランジスタとを含む。これら２つのＭＴＪ素子１００の一端は、共通する１つの選択トランジスタに接続され、さらに、２つのＭＴＪ素子１００の他端は、共通する１つのアドレス線（ワード線又はビット線）に接続されている。
このようなメモリセルにおいては、メモリセルのいずれか一方のＭＴＪ素子１００に対して選択的に情報を記録したり、各ＭＴＪ素子１００に記録された情報を区別して読み出したりするために、２つのＭＴＪ素子１００の磁気特性を互いに異なるものとすることが求められる。そこで、１つのメモリセルに含まれる２つのＭＴＪ素子１００の磁気特性を互いに異なるものとするために、上記特許文献１では、２つのＭＴＪ素子１００を作り分けし、互いに異なる積層構造を持つＭＴＪ素子を形成している。しかしながら、上述のメモリセルを採用した場合、異なる積層構造を作り分けることから、磁気メモリの製造の工程数の増加を招き、その結果、製造コストの増加を抑えることは難しい。
また、上述のメモリセルにおいては、２つのＭＴＪ素子１００は互いに異なる磁気特性を持っていることから、上記ＭＴＪ素子１００に選択的に記録するためには、２つのＭＴＪ素子１００の両方に、異なる記録電圧（高電圧、低電圧）を２段階で同時に印加することとなる。しかしながら、本発明者らの検討によると、このように２つのＭＴＪ素子１００に２段階で電圧を印加することは、磁気メモリの記録時の消費電力の増加を招くことがわかった。また、上述のメモリセルにおいては、両方のＭＴＪ素子１００に同時に記録電圧が印加されることから、意図しないＭＴＪ素子１００にも情報が記録され、記録エラーが生じやすい。
さらに、上述のメモリセルには２つのＭＴＪ素子１００が含まれており、各ＭＴＪ素子１００は２種類の抵抗状態を持つことから、当該メモリセルから情報を読み出す際には、４種類の抵抗状態を判別しなくてはならない。４種類の抵抗状態における抵抗値の差分は、１つのメモリセルに１つのＭＴＪ素子１００を有する単ビットのＭＲＡＭにおける２種類の抵抗状態の抵抗値の差分に比べて小さくなることから、読み出しマージンが低下する。さらに、製造時のバラツキに起因して読み出しマージンが低下することもあることから、条件によっては、４種類の抵抗状態の判別が難しくなり、読み出しエラーが生じやすくなる。すなわち、上述のようなメモリセルは、製造バラツキに弱いと言える。
このような状況を踏まえて、本発明者らは、１つのメモリセルに多値情報を記録しつつ、記録エラー及び読み出しエラーの発生を避けることができ、且つ、消費電力及び製造コストの増加を抑えることが可能な磁気メモリ、磁気メモリの記録方法及び磁気メモリの読み出し方法について鋭意検討を重ねた。そして、本発明者らは、本発明者らの独自の検討に基づき、以下に説明する本開示の一実施形態を創作するに至った。以下に、本発明者らが創作した本開示の一実施形態の詳細を説明する。
＜＜２．第１の実施形態＞＞
＜２．１．第１の実施形態に係るメモリセル１０の構成＞
まずは、図２を参照して、本開示の第１の実施形態に係るメモリセル１０の構成を説明する。図２は、本実施形態に係るメモリセル１０を模式的に示す回路図である。
図２に示すように、本実施形態に係るメモリセル１０は、２つのＭＴＪ素子（第１及び第２のトンネル接合素子）１００ａ、１００ｂと、２つのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂの一端に電気的に接続された１つの選択トランジスタ３００とを有する。すなわち、選択トランジスタ３００は、２つのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂに共通して設けられる。さらに、２つのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂの他端は、それぞれ異なるワード線（第１の配線）４００ａ、ワード線（第２の配線）４００ｂに接続されている。ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは、先に説明した図１に示すような積層構造を有するＭＴＪ素子である。また、選択トランジスタ３００は、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタであり、詳細には、ｎ型ＭＯＳトランジスタ又はｐ型ＭＯＳトランジスタのいずれかであることができる。さらに、選択トランジスタ３００のドレイン（又は、ソース）にＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂの一端が電気的に接続されている。また、選択トランジスタ３００のゲートは、コントロール線５００に接続され、選択トランジスタ３００のＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂと接続されていないソース（又は、ドレイン）は、ビット線（第３の配線）６００に接続されている。
なお、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは、互いに略同一の磁気特性（反転電流、素子抵抗値等）を持つ。詳細には、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは、高抵抗状態における素子抵抗値が略同一であり、且つ、低抵抗状態における素子抵抗値が略同一である。また、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは、それぞれの有する記録層２０６の磁気モーメントが反転する反転電流の閾値も互いに略同一である。
従って、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは、例えば、互いに略同一の形状を有し、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂの有する各層は、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂで共通する材料及び略同一の膜厚を有することができる。これにより、本実施形態においては、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂを作り分ける必要がないことから、製造における工程数の増加を避け、その結果、製造コストの増加を避けることができる。
なお、図２においては、１つのメモリセル１０に２つのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂが設けられているが、本実施形態においては、これに限定されるものではない。例えば、１つのメモリセル１０に、互いに並列に接続された３つ以上のＭＴＪ素子１００が含まれていてもよい。この場合、３つ以上のＭＴＪ素子１００は、共通する１つの選択トランジスタ３００に接続されており、且つ、互いに異なるワード線４００に接続されていればよい。
また、上述の説明においては、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは、互いに略同一の磁気特性を持つものとして説明したが、本実施形態においては、これに限定されるものではなく、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは、互いに異なる磁気特性を持っていてもよい。この場合、製造コストの増加を避けることは難しくなるが、以下に説明する記録方法及び読み出し方法を適用することが可能となる。
＜２．２．第１の実施形態に係る記録方法＞
次に、第１の実施形態に係るメモリセル１０における記録方法について、図３を参照して説明する。図３は、本実施形態に係るメモリセル１０の記録方法を説明する説明図であり、詳細には、当該メモリセル１０における、４つの記録パターンを示している。なお、以下の説明においては、ワード線４００ａにおける電位をＶ１、ワード線４００ｂにおける電位をＶ２、選択トランジスタ３００とＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂとが電気的に接続されているノード７００の電位をＶ３として示す。
まず、図３の一番左側に示されるＶ１＞Ｖ２＝Ｖ３の記録パターンを説明する。この場合、選択トランジスタ３００を通電状態にすると、ワード線４００ａの電位Ｖ１とノード７００の電位Ｖ３との電位差により、ＭＴＪ素子１００ａに上から下向きに電流が流れ、ＭＴＪ素子１００ａには、電流の流れる向きに応じた情報が記録される。一方、ワード線４００ｂの電位Ｖ２とノード７００の電位Ｖ３と間には電位差がないことから、ＭＴＪ素子１００ｂには電流が流れず、ＭＴＪ素子１００ｂには、情報が記録されない。
また、図３の左から２番目に示されるＶ１＜Ｖ２＝Ｖ３の記録パターンを説明する。この場合、ＭＴＪ素子１００ａには、ワード線４００ａの電位Ｖ１とノード７００の電位Ｖ３との電位差により、上述とは逆の向きの電流、すなわち下から上向きに電流が流れる。その結果、ＭＴＪ素子１００ａには、電流の流れる向きに応じて上述とは逆の極性を持つ情報が記録される。この場合も、ワード線４００ｂの電位Ｖ２とノード７００の電位Ｖ３と間には電位差がないことから、ＭＴＪ素子１００ｂには電流が流れず、ＭＴＪ素子１００ｂには、情報が記録されない。
さらに、図３の一番右側及び右から２番目に示すように、上述のパターンとは逆になるように電位を設定する、すなわち、Ｖ２＞Ｖ１＝Ｖ３又はＶ２＜Ｖ１＝Ｖ３になるように電位を設定する。このようにすることで、電流の流れる向きに応じた極性を持つ情報がＭＴＪ素子１００ｂに記録される。
以上のように、本実施形態においては、選択トランジスタ３００を通電状態にし、ワード線４００ａとワード線４００ｂとの間に電位差を与えることにより、メモリセル１０のＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂのいずれかに対して選択的に情報を記録する。
すなわち、本実施形態においては、メモリセル１０の２つのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは互いに異なるワード線４００ａ、４００ｂと接続されている。従って、ワード線４００ａ、４００ｂに与える電位を制御することにより、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂのいずれか一方に選択的に記録電圧を印加することは容易である。その結果、本実施形態によれば、メモリセル１０に含まれる両方のＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂに同時に記録電圧が印加されることを避けることができ、意図しないＭＴＪ素子１００にも情報が記録されるといった記録エラーが生じることを避けることができる。すなわち、メモリセル１０の２つのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂが互いに略同一の磁気特性を持っていても、選択的に一方のＭＴＪ素子１００に情報を記録することができる。
また、本実施形態においては、２つのＭＴＪ素子１００は互いに略同一の磁気特性を持っていることから、上記ＭＴＪ素子１００の一方に選択的に情報を記録するためには、略同一の記録電圧をいずれか一方のＭＴＪ素子１００に選択的に電圧を印加すればよい。その結果、２つのＭＴＪ素子１００に２段階で記録電圧を同時に印加することを避けることができることから、本実施形態によれば、磁気メモリの記録時の消費電力の増加を避けることができる。
なお、ノード７００の電位Ｖ３は、ワード線４００ａの電位Ｖ１又はワード線４００ｂの電位Ｖ２とほぼ同じ電位を持つことが好ましい。従って、選択トランジスタ３００のオン抵抗を考慮して、選択トランジスタ３００のソースに接続されたビット線６００の電位を以下のように設定することは好ましい。ＭＴＪ素子１００側から選択トランジスタ３００へ電流を流そうとする場合には、ビット線６００の電位をノード７００の電位Ｖ３よりも低電位に設定することが好ましい。また、同様に、選択トランジスタ３００からＭＴＪ素子１００側へ電流を流そうとする場合には、ビット線６００の電位をノード７００の電位Ｖ３よりも高電位に設定することが好ましい。
なお、上述の説明においては、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは、互いに略同一の磁気特性を持つものとして説明したが、本実施形態においては、これに限定されるものではなく、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは、互いに異なる磁気特性を持っていてもよい。例えば、２つのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは多少異なる磁気特性を持っているものの、製造バラツキに起因して、所望する程度の磁気特性の差を確保できていない場合がある。このような場合であっても、本実施形態の記録方法によれば、メモリセル１０のＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂのいずれかに対して選択的に情報を記録することができる。
＜２．３．第１の実施形態に係る読み出し方法＞
次に、第１の実施形態に係るメモリセル１０における読み出し方法について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、本実施形態に係るメモリセル１０の周辺回路の一例を模式的に示す回路図であり、図５は、本実施形態に係るメモリセル１０の読み出し方法を説明する説明図である。なお、以下の説明においては、ＭＴＪ素子１００ａの素子抵抗値をＲａ、ＭＴＪ素子１００ｂの素子抵抗値をＲｂとする。
ところで、本実施形態に係るメモリセル１０には２つのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂが含まれており、各ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは２種類の抵抗状態を持つことから、当該メモリセルから情報を読み出す際には、４種類の抵抗状態を判別しなくてはならない。詳細には、メモリセル１０における抵抗状態は以下の４種類の抵抗状態を持つ。ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂがともに高抵抗状態にある場合（以下、ＨＨ状態と呼ぶ）、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂがともに低抵抗状態にある場合（以下ＬＬ状態と呼ぶ）、ＭＴＪ素子１００ａが高抵抗状態にあり、且つＭＴＪ素子１００ｂが低抵抗状態にある場合（以下、ＨＬ状態と呼ぶ）、及び、当該ＨＬ状態の逆である場合（以下、ＬＨ状態と呼ぶ）の４種類である。
４種類の抵抗状態における抵抗値の差分は、１つのメモリセルに１つのＭＴＪ素子を有する単ビットの磁気メモリにおける２種類の抵抗状態の抵抗値の差分に比べて小さくなることから、読み出しマージンが低下する。従って、製造時のバラツキに起因して読み出しマージンがさらに低下した場合には、４種類の抵抗状態の判別が難しくなり、読み出しエラーが生じやすくなる。
そこで、本実施形態に係る読み出し方法では、２つのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂが互いに異なるワード線４００ａ、４００ｂと接続されていることを利用して、２段階のステップで電圧を印加して、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂから情報を読み出す。このようにすることで、本実施形態においては、製造バラツキ等に起因して読み出しマージンが低下しても４種類の抵抗状態の判別を行うことができ、読み出しエラーの発生を避けることができる。
以下に、本実施形態に係る読み出し方法の一例として、図４に示すようなビット線６００に接続された電流−電圧変換アンプ８００を用いた読み出し方法について説明する。
まず、図４に示されるような回路において情報を読み出す場合には、読み出したい情報が記録されたメモリセル１０の選択トランジスタ３００を導電状態とする。さらに、ビット線６００の電位を０Ｖに設定する。
そして、第１段階目のステップとして、ワード線４００ａの電位Ｖ１及びワード線４００ｂの電位Ｖ２の両方を、所定の読み出し電位ＶＲｅａｄに設定する。このように設定した場合、ビット線６００に流れる電流Ｉ１は、以下の数式１で示すことができる。
Figure 2018148159
次に、第２段階目のステップとして、ワード線４００ａの電位Ｖ１を、所定の読み出し電位ＶＲｅａｄに設定し、ワード線４００ｂの電位Ｖ２を、所定の読み出し電位ＶＲｅａｄと同じ絶対値を持ち、所定の読み出し電位ＶＲｅａｄの逆の極性を持つように、すなわち、−ＶＲｅａｄに設定する。このように設定した場合、ビット線６００に流れる電流Ｉ２は、以下の数式２で示すことができる。
Figure 2018148159
さらに、上記数式１及び２により、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂの素子抵抗Ｒａ、Ｒｂは以下のような数式３で示すことができる。
Figure 2018148159
従って、２段階のステップで電流−電圧変換アンプ８００により検知された２つの電流値Ｉ１、Ｉ２を用いて演算処理を行うことにより、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂの素子抵抗Ｒａ、Ｒｂを求めることができる。さらに、求めたＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂの素子抵抗Ｒａ、Ｒｂから、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂに記録された情報を知ることができる。
すなわち、本実施形態においては、選択トランジスタ３００を導通状態にし、ワード線４００ａ、４００ｂに、ビット線６００に対して第１の極性を持つように電圧を印加し、次いで、ワード線４００ａ、４００ｂのいずれか一方に、ビット線６００に対して上記第１の極性とは逆の極性である第２の極性を持つように電圧を印加する。このように、本実施形態に係る読み出し方法では、２つのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂが互いに異なるワード線４００ａ、４００ｂと接続されていることを利用して、２段階のステップで電圧を印加して、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂから情報を読み出すことができる。
上述のように、演算処理を行ってそれぞれのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂの素子抵抗Ｒａ、Ｒｂを求めてもよいが、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂの情報の読み出しにおいては、それぞれのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂの抵抗状態が判別できればよい。そこで、以下においては、図５に示すように、１つのメモリセルの４種類の抵抗状態を判別することにより、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂの情報の読み出す方法について説明する。
まず、本実施形態に係る読み出し方法は、上述の１段階目のステップとして、図５の上段に示されるような３値判定を行う。詳細には、１段階目のステップとして、選択トランジスタ３００を導電状態とし、ビット線６００の電位を０Ｖとし、ワード線４００ａの電位Ｖ１及びワード線４００ｂの電位Ｖ２の両方を、所定の読み出し電位ＶＲｅａｄに設定する。このように設定した場合、ビット線６００に流れる電流Ｉ１を検知することにより、メモリセル１０の抵抗状態が、「ＨＨ状態」、「ＬＬ状態」、「ＨＬ状態及びＬＨ状態」の３種類のいずれかにあるかを判別することができる（３値判定）。なお、本実施形態においては、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは略同一の磁気特性を持つことから、メモリセル１０の抵抗状態がＨＬ状態又はＬＨ状態にある場合には、当該ステップにおいては、ＨＬ状態及びＬＨ状態のいずれかであるかを判別することはできない。
そこで、１段階目のステップでメモリセル１０の抵抗状態がＨＬ状態又はＬＨ状態にある場合と判別された場合、すなわち、抵抗状態が未確定である場合には、上述の２段階目のステップを行う。詳細には、２段階目のステップとして、ワード線４００ａの電位Ｖ１を所定の読み出し電位ＶＲｅａｄに設定し、ワード線４００ｂの電位Ｖ２を−ＶＲｅａｄに設定する。このように、当該ステップにおいては、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂには異なる電圧が印加されていることから、図５の下段に示すように、ＨＬ状態とＬＨ状態とを判別することができる（２値判定）。
このように、必要に応じて２段階目のステップを行えばよいことから、情報の読み出しにかかる時間を短くすることができる。なお、上述の読み出し方法は、２段階のステップを繰り返し複数回行うことで、読み出しエラーをより避けることができる。また、本実施形態においては、周辺回路等は図４に示す回路に限定されることなく、他の周辺回路を用いてもよい。
以上のように、本実施形態の読み出し方法は、２つのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂが互いに異なるワード線４００ａ、４００ｂと接続されていることを利用して、２段階のステップで電圧を印加して、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂから情報を読み出す。従って、メモリセル１０の２つのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂが互いに略同一の磁気特性を持っていても、それぞれのＭＴＪ素子１００から情報を読み出すことができる。
なお、上述の説明においては、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは、互いに略同一の磁気特性を持つものとして説明したが、本実施形態においては、これに限定されるものではなく、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは、互いに異なる磁気特性を持っていてもよい。例えば、２つのＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは多少異なる磁気特性を持っているものの、製造バラツキに起因して、所望する程度の磁気特性の差を確保できていない場合がある。このような場合であっても、本実施形態の読み出し方法によれば、メモリセル１０のＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂのそれぞれから情報を読み出すことができる。
以上のように、本実施形態によれば、１つのメモリセル１０に多値情報を記録しつつ、記録エラー及び読み出しエラーの発生を避けることができ、且つ、消費電力及び製造コストの増加を抑えることが可能な磁気メモリ１、磁気メモリ１の記録方法及び磁気メモリ１の読み出し方法を提供することができる。
＜＜３．第２の実施形態＞＞
実際の磁気メモリ１は、上述の第１の実施形態に係るメモリセル１０を複数有する。そこで、以下に、このような磁気メモリ１の構成、及び磁気メモリ１の記録方法について説明する。
＜３．１．第２の実施形態に係る磁気メモリ１の構成＞
まずは、本実施形態に係る磁気メモリ１の構成について、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る磁気メモリ１を模式的に示す回路図である。
図６に示すように、磁気メモリ１は、複数のメモリセル１０ａ〜ｃを有し、第１の実施形態と同様に、同一のメモリセル１０に含まれるＭＴＪ素子１００の一端は、互いに異なるワード線４００に接続されている。さらに、メモリセル１０に含まれるＭＴＪ素子１００の一方に接続されたワード線４００は、当該メモリセル１０に隣接する他のメモリセル１０に含まれるＭＴＪ素子１００の一方に接続されている。すなわち、互いに隣接する２つのメモリセル１０の間においては、それぞれのメモリセル１０に含まれる一方のＭＴＪ素子１００が互いに１つのワード線４００を共有している。
具体的には、磁気メモリ１は、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂと、選択トランジスタ３００ａとを有するメモリセル１０ａを有し、ＭＴＪ素子１００ａ、１００ｂは、互いに異なるワード線４００ａ、４００ｂに接続されている。さらに、磁気メモリ１は、上記メモリセル１０ａに隣接するメモリセル１０ｂを有し、当該メモリセル１０ｂは、ＭＴＪ素子１００ｃ、１００ｄと選択トランジスタ（第２の選択トランジスタ）３００ｂとを有する。また、ＭＴＪ素子（第３のトンネル接合素子）１００ｃは、上記ワード線４００ｂに接続されている。
なお、本実施形態においては、互いに隣接する２つのメモリセル１０の間においては、それぞれのメモリセル１０に含まれる一方のＭＴＪ素子１００が互いに１つのワード線４００を共有することにより、ワード線４００の数を減らし、製造コストを抑えている。しかしながら、本実施形態においては、ワード線４００を共有するような構成に限定されるものではなく、少なくとも、同一のメモリセル１０においてＭＴＪ素子１００は異なるワード線４００に接続されていればよい。
＜３．２．第２の実施形態に係る記録方法＞
次に、図６を参照しながら、本実施形態に係る磁気メモリ１の記録方法について説明する。本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ワード線４００の間の電位差を制御することにより、１つのメモリセル１０に含まれる２つのＭＴＪ素子１００のいずれかに記録するかを選択することができる。
ここでは、図６のＭＴＪ素子１００ｃ及びＭＴＪ素子１００ｄへ情報を記録する場合について説明する。
まず、ワード線４００ｂを高電位、ワード線４００ｃを低電位に設定し、選択トランジスタ３００ｂが非導通状態にある場合には、ＭＴＪ素子１００ｃ及びＭＴＪ素子１００ｄの両方に同一値の電流が流れる。
そこで、コントロール線５００ｂに電圧を印加し、選択トランジスタ３００ｂを導通状態した場合には、ワード線４００ｂ、４００ｃとビット線６００との電位差により、ＭＴＪ素子１００ｃとＭＴＪ素子１００ｄに流れる電流に差がつく。詳細には、ビット線６００の電位が低電位であれば、ＭＴＪ素子１００ｃを流れる電流は増加し、ＭＴＪ素子１００ｄを流れる電流は減少する。一方、ビット線６００の電位が高電位であれば、ＭＴＪ素子１００ｃを流れる電流は減少し、ＭＴＪ素子１００ｄを流れる電流は増加する。従って、増加した電流によりＭＴＪ素子１００に記録可能となり、減少した電流によりＭＴＪ素子１００に記録ができないように各電位を設定することにより、ＭＴＪ素子１００ｃとＭＴＪ素子１００ｄとのいずれかに選択的に情報を記録することができる。また、ワード線４００ｂを低電位、ワード線４００ｃを高電位に設定した場合も、上述とは逆の設定を行うことにより、ＭＴＪ素子１００ｃとＭＴＪ素子１００ｄとのいずれかに選択的に情報を記録することができる。すなわち、本実施形態においては、１つのメモリセル１０の２つのＭＴＪ素子１００に流れる電流値に差を設けることにより、選択的に一方のＭＴＪ素子１００に情報を記録することができる。
なお、上記で示した以外のワード線４００には電流が流れないように非接続（フローティング）にし、同様に、上記で示した以外のコントロール線５００も各選択トランジスタ３００が非導通状態になるような電圧に設定する。
すなわち、本実施形態においては、メモリセル１０の選択トランジスタ３００を通電状態し、当該メモリセル１０のＭＴＪ素子１００のそれぞれに接続された２つのワード線４００の間に電位差もしくは電流値の差を与えることにより、一方のＭＴＪ素子１００に記録を行うことができる。
なお、上述の記録方法においては、各ワード線４００、ビット線６００の電位及び選択トランジスタ３００の導通状態を制御することにより、同時に複数のＭＴＪ素子１００に所望する情報を記録することも可能である。このように制御することにより、磁気メモリ１の記録にかかる時間を短くすることができる。
本実施形態においては、メモリセル１０のＭＴＪ素子１００のそれぞれに接続された２つのワード線４００の間に電位差を与えることにより、一方のＭＴＪ素子１００に記録を行うことができる。このような方法を応用することにより、２段階のステップを行うことにより、磁気メモリ１の有する各ＭＴＪ素子１００に順次情報を記録することができる。
例えば、図７を参照して、磁気メモリ１の有する各ＭＴＪ素子１００に順次情報を記録する方法について説明する。図７は、本実施形態に係る磁気メモリ１の記録方法の一例を説明するための説明図である。詳細には、図７の左側には、１段階目のステップにおける、各ワード線４００に印加される電圧のパターンを示し、図７の右側には、２段階目のステップにおける、各ワード線４００に印加される電圧のパターンを示す。図７に示される各電圧パターンにおいては、横軸が時間経過を示し、縦方向が各ワード線４００に印加される電圧を示す。
図７の左側に示すように、１段階目のステップとして、各ワード線４００に印加する電圧を低電圧（第１の電圧）から高電圧（第２の電圧）に順次切り替える。電圧が切り替えられた箇所に対応するメモリセル１０の一方のＭＴＪ素子１００に情報が記録されることから、順次、各メモリセル１０の一方のＭＴＪ素子１００に情報が記録されることとなる。
さらに、図７の右側に示すように、２段階目のステップとして、各ワード線４００に印加する電圧を高電圧（第２の電圧）から低電圧（第２の電圧）に順次切り替える。このようにして与えられた電位差の極性により、今度は、電圧が切り替えられた箇所に対応するメモリセル１０の他方のＭＴＪ素子１００に情報が記録される。従って、上述のように順次電圧を切り替えることで、順次、各メモリセル１０の他方のＭＴＪ素子１００に情報が記録されることとなる。
すなわち、上述の記録方法においては、磁気メモリ１の有する各ＭＴＪ素子１００に順次情報を記録することができる。なお、上述の記録方法においては、設定する電圧を逆にしてもよく、電圧を切り替える順番を逆にしてもよい。
＜３．３．第２の実施形態に係る磁気メモリ１の具体的な構成例＞
次に、本実施形態に係る磁気メモリ１の具体的な構成を、図８及び図９を参照して説明する。図８は、本実施形態に係る磁気メモリ１の具体的な構成の一例の斜視図であり、図９は、図８の磁気メモリ１の回路図である。なお、図８及び図９においては、磁気メモリ１の一部を抜き出して示している。
図８に示されるように、本実施形態に係る磁気メモリ１においては、基板９００上にマトリックス状に配置された複数のメモリセル１０を有し、各メモリセル１０は、２つのＭＴＪ素子１００と、選択トランジスタ３００とを有する。
詳細には、基板９００上には、コントロール線５００ａ〜ｄが、第１の方向に沿って延伸するように設けられている。コントロール線５００ａ〜ｄは、各選択トランジスタ３００のゲート電極として機能し、コントロール線５００ａ〜ｄを挟むようにして、基板９００の表面層には、各選択トランジスタ３００のソース９０２及びドレイン９０４が設けられている。なお、図９においては、互いに隣接する２つのメモリセル１０においては、選択トランジスタ３００は、互いにソース９０２又はドレイン９０４を共有するように設けられている。言い換えると、図９に示す例においては、隣接する選択トランジスタ３００との間には、選択トランジスタ３００を分離するための分離層が設けられていない。このように分離層を設けないような構成を採用することにより、磁気メモリ１における記録密度を向上させている。なお、この場合、磁気メモリ１の動作時において、隣接する選択トランジスタ３００のゲート電圧（すなわち、コントロール線５００）の電圧を制御することにより、隣接する選択トランジスタ３００との分離を行うことができる。
また、ソース９０２上には、コンタクトビア９０６が設けられており、当該コンタクトビア９０６により、ソース９０２は、上記第１の方向と直交する第２の方向に沿って延伸するビット線６００ａ、６００ｂに接続されている。さらに、ドレイン９０４上にもコンタクトビア９０８が設けられており、ドレイン９０４は、当該コンタクトビア９０６により、マトリックス状に配置された複数のＭＴＪ素子１００のうちの２つのＭＴＪ素子１００と接続されている。さらに、同一のコンタクトビア９０６に接続する２つのＭＴＪ素子１００の上には、互いに異なるワード線４００が設けられている。ワード線４００ａ〜ｄは、上記第１の方向に沿って延伸するように設けられている。
なお、図８の構成例の一部を抜き出して回路図として表したものが、図９となる。
図８及び図９に示す磁気メモリ１において、ＭＴＪ１００ｂに「１」の情報を記録する場合には、コントロール線５００ａ及びワード線４００ａに高電圧を印加し、ビット線６００ｂに低電圧を印加し、それ以外の配線をフローティング状態にすればよい。一方、ＭＴＪ１００ｂに「０」の情報を記録する場合には、コントロール線５００ａ及びビット線６００ｂに高電圧を印加し、ワード線４００ａに低電圧を印加すればよい。
なお、先に説明したように、本実施形態においては、選択トランジスタ３００は、ｎ型のＭＯＳトランジスタ又はｐ型のＭＯＳトランジスタであってもよく、選択トランジスタ３００の極性により、対応するコントロール線５００に印加する電圧を変える。
なお、本実施形態においては、磁気メモリ１の構成例は、図８に示す例に限定されるものではなく、他の構成例であってもよい。例えば、他の例について、図１０を参照して説明する。図１０は、本実施形態に係る磁気メモリ１の具体的な構成の他の一例の斜視図である。図８に示す例では、ＭＴＪ素子１００の上にワード線４００を設けているが、図１０に示すように、ＭＴＪ素子１００の下にワード線４００を設けてもよい。
また、本実施形態に係る磁気メモリ１は、一般的な半導体装置の製造に用いられる装置、及び条件を用いることで製造することが可能である。例えば、本実施形態に係る磁気メモリ１は、スパッタ法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｏｎ）法、フォトリソグラフィ法、エッチング法、およびＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈ）法などを適宜用いることで製造することが可能である。
＜＜４．まとめ＞＞
以上のように、本開示の実施形態によれば、１つのメモリセル１０に多値情報を記録しつつ、記録エラー及び読み出しエラーの発生を避けることができ、且つ、消費電力及び製造コストの増加を抑えることが可能な磁気メモリ１、磁気メモリ１の記録方法及び磁気メモリ１の読み出し方法を提供することができる。
なお、本開示の実施形態に係るＭＴＪ素子１００は、垂直磁化膜を有するＭＴＪ素子であることに限定されるものではなく、面内磁化膜を有するＭＴＪ素子であってもよい。
また、本実施形態に係る磁気メモリ１は、演算装置等を成す半導体回路とともに同一の半導体チップに搭載されて半導体装置（Ｓｙｓｔｅｍ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ:ＳｏＣ）をなしてもよい。また、本実施形態に係る磁気メモリ１は、記憶装置が搭載され得る各種の電気機器に実装されてよい。例えば、磁気メモリ１は、各種のモバイル機器（スマートフォン、タブレットＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等）、ノートＰＣ、ウェアラブルデバイス、ゲーム機器、音楽機器、ビデオ機器、又はデジタルカメラ等の、各種の電子機器に、一時記憶のためのメモリとして、あるいはストレージとして搭載されてよい。
＜＜５．補足＞＞
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する第１及び第２のトンネル接合素子と、
前記第１及び第２のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された第１の選択トランジスタと、
前記第１のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第１の配線と、
前記第２のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第２の配線と、
を備える、磁気メモリ。
（２）
前記第１及び第２のトンネル接合素子は、互いに略同一の磁気特性を有する、上記（１）に記載の磁気メモリ。
（３）
前記第１及び第２のトンネル接合素子は、互いに略同一の形状を有し、
前記第１及び第２のトンネル接合素子の有する各層は、前記第１のトンネル接合素子と前記第２のトンネル接合素子とで共通する材料及び略同一の膜厚を有する、
上記（２）に記載の磁気メモリ。
（４）
前記積層構造を有する第３のトンネル接合素子と、
前記第３のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された第２の選択トランジスタと、
をさらに備え、
前記第３のトンネル接合素子の他端は、前記第２の配線に電気的に接続されている、
上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の磁気メモリ。
（５）
マトリックス状に配置された複数のメモリセルを備え、
前記メモリセルのそれぞれは、
磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する複数のトンネル接合素子と、
前記複数のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された選択トランジスタと、
前記トンネル接合素子のそれぞれの他端に電気的に接続された複数の配線と、
を有する、
磁気メモリ。
（６）
互いに隣接する２つの前記メモリセルにおいては、前記配線のうちの少なくとも１つの前記配線を共有する、上記（５）に記載の磁気メモリ。
（７）
互いに隣接する２つの前記メモリセルにおいては、前記選択トランジスタは、互いにソース又はドレインを共有するように設けられる、上記（６）に記載の磁気メモリ。
（８）
磁気メモリの記録方法であって、
前記磁気メモリは、
磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する第１及び第２のトンネル接合素子と、
前記第１及び第２のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された選択トランジスタと、
前記第１のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第１の配線と、
前記第２のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第２の配線と、
を有しており、
前記選択トランジスタを導通状態にし、
前記第１の配線と前記第２の配線との間に電位差を与える、
ことを含む磁気メモリの記録方法。
（９）
磁気メモリの記録方法であって、
前記磁気メモリは、
マトリックス状に配置された複数のメモリセルを備え、
前記メモリセルのそれぞれは、
磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する複数のトンネル接合素子と、
前記複数のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された選択トランジスタと、
前記トンネル接合素子のそれぞれの他端に電気的に接続された複数の配線と、
を有しており、
前記メモリセルにおいて、
前記選択トランジスタを通電状態にし、
前記複数の配線の間に電位差を与える、
ことを含む、磁気メモリの記録方法。
（１０）
前記複数のメモリセルにおいて、
複数の前記選択トランジスタを通電状態にし、
前記複数の配線に印加する電圧を第１の電圧から第２の電圧に順次切り替え、
次いで、前記複数の配線に印加する電圧を前記第２の電圧から前記第１の電圧へ順次切り替える、
ことを含む、
上記（９）に記載の磁気メモリの記録方法。
（１１）
磁気メモリの読み出し方法であって、
前記磁気メモリは、
磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する第１及び第２のトンネル接合素子と、
前記第１及び第２のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された選択トランジスタと、
前記第１のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第１の配線と、
前記第２のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第２の配線と、
前記選択トランジスタの、前記第１及び第２のトンネル接合素子と逆側に電気的に接続された第３の配線と、
を有しており、
前記選択トランジスタを導通状態にし、
前記第１及び第２の配線に、前記第３の配線に対して第１の極性を持つように電圧を印加し、
次いで、前記第１の配線又は前記第２の配線に、前記第３の配線に対して前記第１の極性とは逆の極性である第２の極性を持つように電圧を印加する
ことを含む、磁気メモリの読み出し方法。
１ 磁気メモリ
１０、１０ａ〜ｃ メモリセル
１００、１００ａ〜ｆ ＭＴＪ素子
２００ 下地層
２０２ 参照層
２０４ 絶縁層
２０６ 記録層
２０８ キャップ層
３００、３００ａ〜ｃ 選択トランジスタ
４００、４００ａ〜ｄ ワード線
５００、５００ａ〜ｄ コントロール線
６００ ビット線
７００ ノード
８００ 電流−電圧変換アンプ
９００ 基板
９０２ ソース
９０４ ドレイン
９０６、９０８ コンタクトビア

Claims (11)

  1. 磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する第１及び第２のトンネル接合素子と、
    前記第１及び第２のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された第１の選択トランジスタと、
    前記第１のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第１の配線と、
    前記第２のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第２の配線と、
    を備える、磁気メモリ。
  2. 前記第１及び第２のトンネル接合素子は、互いに略同一の磁気特性を有する、請求項１に記載の磁気メモリ。
  3. 前記第１及び第２のトンネル接合素子は、互いに略同一の形状を有し、
    前記第１及び第２のトンネル接合素子の有する各層は、前記第１のトンネル接合素子と前記第２のトンネル接合素子とで共通する材料及び略同一の膜厚を有する、
    請求項２に記載の磁気メモリ。
  4. 前記積層構造を有する第３のトンネル接合素子と、
    前記第３のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された第２の選択トランジスタと、
    をさらに備え、
    前記第３のトンネル接合素子の他端は、前記第２の配線に電気的に接続されている、
    請求項１に記載の磁気メモリ。
  5. マトリックス状に配置された複数のメモリセルを備え、
    前記メモリセルのそれぞれは、
    磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する複数のトンネル接合素子と、
    前記複数のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された選択トランジスタと、
    前記トンネル接合素子のそれぞれの他端に電気的に接続された複数の配線と、
    を有する、
    磁気メモリ。
  6. 互いに隣接する２つの前記メモリセルにおいては、前記配線のうちの少なくとも１つの前記配線を共有する、請求項５に記載の磁気メモリ。
  7. 互いに隣接する２つの前記メモリセルにおいては、前記選択トランジスタは、互いにソース又はドレインを共有するように設けられる、請求項６に記載の磁気メモリ。
  8. 磁気メモリの記録方法であって、
    前記磁気メモリは、
    磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する第１及び第２のトンネル接合素子と、
    前記第１及び第２のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された選択トランジスタと、
    前記第１のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第１の配線と、
    前記第２のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第２の配線と、
    を有しており、
    前記選択トランジスタを導通状態にし、
    前記第１の配線と前記第２の配線との間に電位差を与える、
    ことを含む磁気メモリの記録方法。
  9. 磁気メモリの記録方法であって、
    前記磁気メモリは、
    マトリックス状に配置された複数のメモリセルを備え、
    前記メモリセルのそれぞれは、
    磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する複数のトンネル接合素子と、
    前記複数のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された選択トランジスタと、
    前記トンネル接合素子のそれぞれの他端に電気的に接続された複数の配線と、
    を有しており、
    前記メモリセルにおいて、
    前記選択トランジスタを通電状態にし、
    前記複数の配線の間に電位差を与える、
    ことを含む、磁気メモリの記録方法。
  10. 前記複数のメモリセルにおいて、
    複数の前記選択トランジスタを通電状態にし、
    前記複数の配線に印加する電圧を第１の電圧から第２の電圧に順次切り替え、
    次いで、前記複数の配線に印加する電圧を前記第２の電圧から前記第１の電圧へ順次切り替える、
    ことを含む、
    請求項９に記載の磁気メモリの記録方法。
  11. 磁気メモリの読み出し方法であって、
    前記磁気メモリは、
    磁化方向が固定された参照層、磁化方向が反転可能な記録層、及び前記参照層と前記記録層との間に挟持された絶縁層からなる積層構造をそれぞれ有する第１及び第２のトンネル接合素子と、
    前記第１及び第２のトンネル接合素子の一端に電気的に接続された選択トランジスタと、
    前記第１のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第１の配線と、
    前記第２のトンネル接合素子の他端と電気的に接続された第２の配線と、
    前記選択トランジスタの、前記第１及び第２のトンネル接合素子と逆側に電気的に接続された第３の配線と、
    を有しており、
    前記選択トランジスタを導通状態にし、
    前記第１及び第２の配線に、前記第３の配線に対して第１の極性を持つように電圧を印加し、
    次いで、前記第１の配線又は前記第２の配線に、前記第３の配線に対して前記第１の極性とは逆の極性である第２の極性を持つように電圧を印加する
    ことを含む、磁気メモリの読み出し方法。
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