特開 2022-49406 磁気記憶装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022049406

(43)【公開日】2022-03-29

(54)【発明の名称】磁気記憶装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/8239 20060101AFI20220322BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20220322BHJP

   H01L 45/00 20060101ALI20220322BHJP

【ＦＩ】

H01L27/105 447

H01L43/08 Z

H01L45/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020155599

(22)【出願日】2020-09-16

(71)【出願人】

【識別番号】318010018

【氏名又は名称】キオクシア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】特許業務法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】板井 翔吾

(72)【発明者】

【氏名】大坊 忠臣

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 雄一

(72)【発明者】

【氏名】小松 克伊

【テーマコード（参考）】

4M119

5F092

【Ｆターム（参考）】

4M119AA07

4M119AA08

4M119BB01

4M119CC05

4M119DD09

4M119DD17

4M119DD26

4M119DD31

4M119DD42

4M119EE22

4M119EE27

5F092AA15

5F092AC12

5F092AD03

5F092AD23

5F092AD25

5F092BB23

5F092BB36

5F092BB43

5F092BC03

5F092BC04

5F092BC07

5F092BC46

(57)【要約】      （修正有）

【課題】安定した読み出し動作を行うことが可能な磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】磁気記憶装置は、磁気抵抗効果素子４０と、磁気抵抗効果素子に対して直列に接続され、２端子間に印加される電圧が閾電圧以上になると電気的に非導通状態から電気的に導通状態へと変わる２端子型のスイッチング素子と、を備える。磁気抵抗効果素子は、固定された磁化方向を有する第１の磁性層４１と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層４２と、第１の磁性層と第２の磁性層との間に設けられ、可変の磁化方向を有する第３の磁性層４３と、第１の磁性層と第３の磁性層との間に設けられた第１の非磁性層４６と、第２の磁性層と第３の磁性層との間に設けられた第２の非磁性層４７と、を備える
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

固定された磁化方向を有する第１の磁性層と、
固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、可変の磁化方向を有する第３の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の非磁性層と、
前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第２の非磁性層と、
を備える磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に対して直列に接続され、２端子間に印加される電圧が閾電圧以上になると電気的に非導通状態から電気的に導通状態へと変わる２端子型のスイッチング素子と、
を備えることを特徴とする磁気記憶装置。

【請求項2】

前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向とは互いに平行である
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。

【請求項3】

前記磁気抵抗効果素子は、前記第３の磁性層の磁化方向が前記第１及び第２の磁性層の磁化方向に対して平行である第１の抵抗状態と、前記第３の磁性層の磁化方向が前記第１及び第２の磁性層の磁化方向に対して反平行である第２の抵抗状態とを有する
ことを特徴とする請求項２に記載の磁気記憶装置。

【請求項4】

前記第１の抵抗状態及び前記第２の抵抗状態は、前記磁気抵抗効果素子に流れる電流の方向に応じて設定される
ことを特徴とする請求項３に記載の磁気記憶装置。

【請求項5】

前記磁気抵抗効果素子は、
固定された磁化方向を有する第４の磁性層と、
固定された磁化方向を有する第５の磁性層と、
をさらに備え、
前記第４及び第５の磁性層の磁化方向は、前記第１及び第２の磁性層の磁化方向に対して反平行であり、
前記第１、第２及び第３の磁性層は、前記第４の磁性層と前記第５の磁性層との間に設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の磁気記憶装置。

【請求項6】

前記第１の磁性層、前記第３の磁性層及び前記第１の非磁性層は、第１の磁気抵抗効果素子部分を構成し、
前記第２の磁性層、前記第３の磁性層及び前記第２の非磁性層は、第２の磁気抵抗効果素子部分を構成し、
前記第１の磁気抵抗効果素子部分のＭＲ比と前記第２の磁気抵抗効果素子部分のＭＲ比とは互いに異なる
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。

【請求項7】

前記第１、第２及び第３の磁性層は、垂直磁化を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。

【請求項8】

第１の方向に延伸する第１の配線と、
前記第１の方向と交差する第２の方向に延伸する第２の配線と、
をさらに備え、
前記磁気抵抗効果素子及び前記スイッチング素子は、前記第１の配線と前記第２の配線との間に直列に接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、磁気記憶装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体基板上に、磁気抵抗効果素子及びスイッチング素子（セレクタ）を含むメモリセルが集積化された不揮発性の磁気記憶装置が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第１０３０４５０９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

安定した読み出し動作を行うことが可能な磁気記憶装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態に係る磁気記憶装置は、固定された磁化方向を有する第１の磁性層と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、可変の磁化方向を有する第３の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の非磁性層と、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第２の非磁性層と、を備える磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に対して直列に接続され、２端子間に印加される電圧が閾電圧以上になると電気的に非導通状態から電気的に導通状態へと変わる２端子型のスイッチング素子と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1A】実施形態に係る磁気記憶装置の構成の一例を模式的に示した斜視図である。

【図1B】実施形態に係る磁気記憶装置の構成の他の例を模式的に示した斜視図である。

【図2】実施形態に係る磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子の構成を模式的に示した断面図である。

【図3】実施形態に係る磁気記憶装置に含まれるセレクタの構成を模式的に示した断面図である。

【図4】実施形態に係る磁気記憶装置に含まれるセレクタの電流－電圧特性を模式的に示した図である。

【図5】磁気記憶装置の読み出し動作において要求される電流の範囲について示した図である。

【図6】実施形態に係る磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子に対して書き込みを行うときの動作を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

【0008】

図１Ａは、実施形態に係る不揮発性の磁気記憶装置の構成を模式的に示した斜視図である。図１Ａに示した構造は、半導体基板（図示せず）上に集積化されている。

【0009】

図１Ａに示すように、本実施形態に係る磁気記憶装置は、Ｘ方向に延伸する複数の第１の配線１０と、Ｘ方向と交差するＹ方向に延伸する複数の第２の配線２０と、複数の第１の配線１０と複数の第２の配線２０との間に接続された複数のメモリセル３０とを含んでいる。第１の配線１０及び第２の配線２０の一方はワード線に対応し、他方はビット線に対応する。

【0010】

各メモリセル３０は、磁気抵抗効果素子４０と、磁気抵抗効果素子４０に対して直列に接続されたセレクタ（スイッチング素子）５０とを含んでいる。図１Ａに示した例では、磁気抵抗効果素子４０とセレクタ５０との間に、導電性のバッファ層６０が設けられている。なお、本実施形態では、磁気抵抗効果素子４０がＭＴＪ（magnetic tunnel junction）素子の場合で説明を行う。

【0011】

所望のメモリセル３０に接続された第１の配線１０と第２の配線２０との間に所定の電圧を印加することで、所望のメモリセル３０に含まれるセレクタ５０がオン状態となり、所望のメモリセル３０に含まれる磁気抵抗効果素子４０に対して読み出し或いは書き込みを行うことが可能である。

【0012】

なお、図１Ａに示した磁気記憶装置は、磁気抵抗効果素子４０の上層側にセレクタ５０が設けられた構成であるが、図１Ｂに示すように、セレクタ５０の上層側に磁気抵抗効果素子４０が設けられた構成であってもよい。

【0013】

図２は、上述した磁気抵抗効果素子４０の構成を模式的に示した断面図である。

【0014】

図２に示すように、磁気抵抗効果素子４０は、第１の磁性層４１、第２の磁性層４２、第３の磁性層４３、第４の磁性層４４、第５の磁性層４５、第１のトンネルバリア層（第１の非磁性層）４６、第２のトンネルバリア層（第２の非磁性層）４７、第１の中間層４８及び第２の中間層４９を含んでおり、これらの層４１～４９がＺ方向に積層された構造を有している。

【0015】

具体的には、第１の磁性層４１と第２の磁性層４２との間に第３の磁性層４３が設けられ、第１の磁性層４１と第３の磁性層４３との間に第１のトンネルバリア層（第１の非磁性層）４６が設けられ、第２の磁性層４２と第３の磁性層４３との間に第２のトンネルバリア層（第２の非磁性層）４７が設けられている。また、第１の磁性層４１、第２の磁性層４２及び第３の磁性層４３が、第４の磁性層４４と第５の磁性層４５との間に設けられている。

【0016】

第１の磁性層４１は、固定された磁化方向を有する強磁性層であり、第１の参照層ＲＬ１の一部として機能する。固定された磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わらないことを意味する。第１の磁性層４１は、例えば、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有するＣｃＦｅＢ層で形成されている。

【0017】

第２の磁性層４２も、固定された磁化方向を有する強磁性層であり、第２の参照層ＲＬ２の一部として機能する。第１の磁性層４１の磁化方向と第２の磁性層４２の磁化方向とは互いに平行である。すなわち、第１の磁性層４１の磁化方向と第２の磁性層４２の磁化方向とは同一方向である。第２の磁性層４２も、例えば、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有するＣｃＦｅＢ層で形成されている。

【0018】

第３の磁性層４３は、可変の磁化方向を有する強磁性層であり、記憶層ＳＬとして機能する。可変の磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わることを意味する。第３の磁性層４３は、例えば、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有するＣｃＦｅＢ層で形成されている。

【0019】

第４の磁性層４４は、固定された磁化方向を有する強磁性層であり、第１の参照層ＲＬ１の一部として機能する。第４の磁性層４４の磁化方向は、第１の磁性層４１の磁化方向に対して反平行である。すなわち、第４の磁性層４４の磁化方向は、第１の磁性層４１の磁化方向に対して逆方向である。第４の磁性層４４は、例えば、コバルト（Ｃｏ）層及びプラチナ（Ｐｔ）層が交互に積層された超格子層で形成されている。

【0020】

第５の磁性層４５も、固定された磁化方向を有する強磁性層であり、第２の参照層ＲＬ２の一部として機能する。第５の磁性層４５の磁化方向は、第２の磁性層４２の磁化方向に対して反平行である。すなわち、第５の磁性層４５の磁化方向は、第２の磁性層４２の磁化方向に対して逆方向である。第５の磁性層４５も、例えば、コバルト（Ｃｏ）層及びプラチナ（Ｐｔ）層が交互に積層された超格子層で形成されている。

【0021】

第１のトンネルバリア層（第１の非磁性層）４６は、第１の磁性層４１と第３の磁性層４３との間に設けられた絶縁層である。第１のトンネルバリア層４６は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有するＭｇＯ層で形成されている。

【0022】

第２のトンネルバリア層（第２の非磁性層）４７は、第２の磁性層４２と第３の磁性層４３との間に設けられた絶縁層である。第２のトンネルバリア層４７も、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有するＭｇＯ層で形成されている。

【0023】

第１の中間層４８は、第１の磁性層４１と第４の磁性層４４との間に設けられ、所定の金属材料で形成されている。

【0024】

第２の中間層４９は、第２の磁性層４２と第５の磁性層４５との間に設けられ、所定の金属材料で形成されている。

【0025】

上述した磁気抵抗効果素子４０は、垂直磁化を有するＳＴＴ（spin transfer torque）型の磁気抵抗効果素子である。具体的には、第１の磁性層４１、第２の磁性層４２、第３の磁性層４３、第４の磁性層４４及び第５の磁性層４５の磁化方向はいずれも、それぞれの膜面に対して垂直方向である。

【0026】

上述した磁気抵抗効果素子４０は、第３の磁性層４３の磁化方向が第１の磁性層４１及び第２の磁性層４２の磁化方向に対して平行であるときには、相対的に低抵抗状態（第１の抵抗状態）を呈し、第３の磁性層４３の磁化方向が第１の磁性層４１及び第２の磁性層４２の磁化方向に対して反平行であるときには、相対的に高抵抗状態（第２の抵抗状態）を呈する。

【0027】

したがって、磁気抵抗効果素子４０は、抵抗状態（低抵抗状態、高抵抗状態）に応じて２値データを記憶することが可能である。また、磁気抵抗効果素子４０の抵抗状態は、磁気抵抗効果素子４０を流れる電流の方向に応じて設定することが可能である。

【0028】

上述した磁気抵抗効果素子４０は、実質的に２つの磁気抵抗効果素子部分を含んでいると考えることができる。具体的には、第１の磁性層４１、第３の磁性層４３、第４の磁性層４４、第１のトンネルバリア層４６及び第１の中間層４８によって第１の磁気抵抗効果素子部分が構成され、第２の磁性層４２、第３の磁性層４３、第５の磁性層４５、第２のトンネルバリア層４７及び第２の中間層４９によって第２の磁気抵抗効果素子部分が構成される。この場合、第１の磁気抵抗効果素子部分のＭＲ比（magnetoresistance ratio）と第２の磁気抵抗効果素子部分のＭＲ比とは互いに異なっている。

【0029】

図３は、上述したセレクタ（スイッチング素子）５０の構成を模式的に示した断面図である。

【0030】

図３に示すように、セレクタ５０は、第１の電極５１と、第２の電極５２と、第１の電極５１と第２の電極５２との間に設けられたセレクタ材料層５３とを含んでいる。セレクタ５０は、２端子型のスイッチング素子であり、２端子間に印加される電圧が閾電圧未満の場合には、そのスイッチング素子は“高抵抗状態”、例えば電気的に非導通状態であり、２端子間に印加される電圧が閾電圧以上になると、スイッチング素子は“低抵抗状態”、例えば、電気的に導通状態へと変わる。

【0031】

図４は、本実施形態で用いられるセレクタ５０の電流－電圧特性を模式的に示した図である。

【0032】

セレクタ５０は、非線形な電流－電圧特性を有しており、２端子間に印加される電圧が増加して閾電圧Ｖｔｈに達するとオフ状態（非導通状態）からオン状態（導通状態）に移行し、オン状態になると２端子間の電圧が閾電圧Ｖｔｈよりも低いホールド電圧Ｖｈｏｌｄ（このとき、セレクタ５０には電流Ｉｈｏｌｄが流れる）に移行して電流が急激に増加する特性を有している。また、セレクタ５０は、２端子間に印加される電圧が減少してホールド電圧Ｖｈｏｌｄに達するとオン状態からオフ状態に移行する特性を有している。また、セレクタ５０は、双方向（正方向及び負方向）で互いに対称的な電流－電圧特性を有していてもよい。

【0033】

本実施形態では、上述した磁気記憶装置を用いることにより、安定した読み出し及び書き込み動作を行うことが可能となる。以下、詳細に説明する。

【0034】

図５は、読み出し動作において要求される電流（磁気抵抗効果素子４０及びセレクタ５０が直列接続されたメモリセル３０に流れる電流）の範囲について示した図である。

【0035】

図５（ａ）は、セレクタ５０の電流－電圧特性を模式的に示した図であり、図４に示した電流－電圧特性を簡単化して示した図である。図５（ｂ）は、磁気抵抗効果素子４０のＷＥＲ（write error rate）と磁気抵抗効果素子４０に流れる電流（すなわち、セレクタ５０に流れる電流）との関係を模式的に示した図である。

【0036】

すでに述べたように、セレクタ５０は、２端子間に印加される電圧が増加して閾電圧Ｖｔｈに達するとオフ状態からオン状態に移行し、オン状態になると２端子間の電圧が閾電圧Ｖｔｈよりも低いホールド電圧Ｖｈｏｌｄに移行して電流が急激に増加する。２端子間の電圧が閾電圧Ｖｔｈからホールド電圧Ｖｈｏｌｄに移行するまでの範囲は不安定な範囲であるため、安定した読み出し動作を行うためには、ホールド電圧Ｖｈｏｌｄに移行したときの電流Ｉｈｏｌｄよりも大きな電流をセレクタ５０に流すことが必要である。

【0037】

一方、磁気抵抗効果素子４０に対して書き込みを行うときには、読み出し電流よりも大きな書き込み電流を磁気抵抗効果素子４０に流す必要がある。具体的には、図５（ｂ）に示すように、書き込み電流の下限値Ｉｗ０よりも大きな電流を磁気抵抗効果素子４０に流す必要があり、書き込み電流の下限値Ｉｗ０から電流が増加するにしたがってＷＥＲ（write error rate）は減少する。これを読み出し電流の観点から考えると、読み出し時には、書き込み電流の下限値Ｉｗ０よりも小さな読み出し電流を磁気抵抗効果素子４０に流す必要がある。読み出し時にＩｗ０よりも大きな電流が磁気抵抗効果素子４０に流れると、磁気抵抗効果素子４０に誤って書き込みが行われるおそれがあり、リードディスターブが生じる可能性がある。

【0038】

したがって、的確な読み出し動作を行うためには、ホールド電流Ｉｈｏｌｄよりも大きく且つ書き込み電流の下限値Ｉｗ０よりも小さな読み出し電流を設定する必要がある。さらに、安定した読み出し動作を行うためには十分なマージンを確保することが重要であるが、ＩｈｏｌｄとＩｗ０との差を大きくとることは容易ではない。

【0039】

本実施形態では、上述した磁気抵抗効果素子４０を用いることにより、以下に述べるように、読み出し動作時のマージンを増加させることができ、リードディスターブが抑制された安定した読み出し動作を行うことが可能である。

【0040】

図６は、磁気抵抗効果素子４０に対して書き込みを行うときの動作を説明するための図である。なお、第１の磁性層４１～第５の磁性層４５内に示された矢印は、電子のスピンの方向を表している。

【0041】

まず、磁気抵抗効果素子４０に“０”を書き込む場合について説明する。すなわち、磁気抵抗効果素子４０に、低抵抗状態（第３の磁性層４３の磁化方向が、第１の磁性層４１及び第２の磁性層４２の磁化方向に対して平行になる状態）を設定する場合について説明する。磁気抵抗効果素子４０に“０”を書き込む場合には、図６の上層側から下層側に向かって電流を流す。したがって、電子“ｅ^- ”は、図６の下層側から上層側に向かって流れる。

【0042】

すでに述べたように、本実施形態の磁気抵抗効果素子４０は、実質的に２つの磁気抵抗効果素子部分４０ａ及び４０ｂを含んでいる。すなわち、第１の磁性層４１、第３の磁性層４３、第４の磁性層４４、第１のトンネルバリア層４６及び第１の中間層４８によって第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａが構成され、第２の磁性層４２、第３の磁性層４３、第５の磁性層４５、第２のトンネルバリア層４７及び第２の中間層４９によって第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂが構成される。

【0043】

まず、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａのみについて考えると、第１の磁性層４１から第３の磁性層４３に向かって電子ｅ^- が流れる。第１の磁性層４１からは上向きのスピンを有する電子ｅ^- が第３の磁性層４３に注入されやすいため、第３の磁性層４３内では上向きのスピンを有する電子ｅ^- が支配的となる。したがって、第３の磁性層４３の磁化方向は、第１の磁性層４１の磁化方向に対して平行になる。

【0044】

一方、第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂのみについて考えると、第３の磁性層４３から第２の磁性層４２に向かって電子ｅ^- が流れる。第３の磁性層４３からは上向きのスピンを有する電子ｅ^- が第２の磁性層４２に注入されやすいため、第３の磁性層４３内には下向きのスピンを有する電子ｅ^- が残る。したがって、第３の磁性層４３の磁化方向は、第２の磁性層４２の磁化方向に対して反平行になる。

【0045】

上述したように、磁気抵抗効果素子４０に“０”を書き込む場合、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａでは、第３の磁性層４３の磁化方向は第１の磁性層４１の磁化方向に対して平行になりやすく、第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂでは、第３の磁性層４３の磁化方向は第２の磁性層４２の磁化方向に対して反平行になりやすい。しかしながら、実際には、第３の磁性層４３は、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａと第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂとで共通である。そのため、第３の磁性層４３の磁化方向は、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａの書き込み効率（第１のトンネルバリア層４６を介した電子の注入効率）と第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂの書き込み効率（第２のトンネルバリア層４７を介した電子の注入効率）との関係に依存して決まる。第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａの書き込み効率の方が第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂの書き込み効率よりも高ければ、第３の磁性層４３の磁化方向は、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａでの磁化方向に基づき、上向きに設定される。その結果、第３の磁性層４３の磁化方向は、第１の磁性層４１及び第２の磁性層４２の磁化方向に対して平行となり、磁気抵抗効果素子４０には“０”が書き込まれることになる。

【0046】

次に、磁気抵抗効果素子４０に“１”を書き込む場合について説明する。すなわち、磁気抵抗効果素子４０に、高抵抗状態（第３の磁性層４３の磁化方向が、第１の磁性層４１及び第２の磁性層４２の磁化方向に対して反平行になる状態）を設定する場合について説明する。磁気抵抗効果素子４０に“１”を書き込む場合には、図６の下層側から上層側に向かって電流を流す。したがって、電子“ｅ^- ”は、図６の上層側から下層側に向かって流れる。

【0047】

まず、第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂのみについて考えると、第２の磁性層４２から第３の磁性層４３に向かって電子ｅ^- が流れる。第２の磁性層４２からは上向きのスピンを有する電子ｅ^- が第３の磁性層４３に注入されやすいため、第３の磁性層４３内では上向きのスピンを有する電子ｅ^- が支配的となる。したがって、第３の磁性層４３の磁化方向は、第２の磁性層４２の磁化方向に対して平行になる。

【0048】

一方、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａのみについて考えると、第３の磁性層４３から第１の磁性層４１に向かって電子ｅ^- が流れる。第３の磁性層４３からは上向きのスピンを有する電子ｅ^- が第１の磁性層４１に注入されやすいため、第３の磁性層４３内には下向きのスピンを有する電子ｅ^- が残る。したがって、第３の磁性層４３の磁化方向は、第１の磁性層４１の磁化方向に対して反平行になる。

【0049】

上述したように、磁気抵抗効果素子４０に“１”を書き込む場合、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａでは、第３の磁性層４３の磁化方向は第１の磁性層４１の磁化方向に対して反平行になりやすく、第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂでは、第３の磁性層４３の磁化方向は第２の磁性層４２の磁化方向に対して平行になりやすい。したがって、磁気抵抗効果素子４０に“０”を書き込む場合の議論と同様の議論により、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａの書き込み効率が第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂの書き込み効率よりも高ければ、第３の磁性層４３の磁化方向は、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａでの磁化方向に基づき、下向きに設定される。その結果、第３の磁性層４３の磁化方向は、第１の磁性層４１及び第２の磁性層４２の磁化方向に対して反平行となり、磁気抵抗効果素子４０には“１”が書き込まれることになる。

【0050】

上述したように、磁気抵抗効果素子４０に“０”を書き込む場合及び“１”を書き込む場合いずれの場合も、第３の磁性層４３には磁化方向を上向きにしようとする作用と下向きにしようとする作用が働く。その結果、両作用の差分が実質的に第３の磁性層４３に対して働くことになる。そのため、２つの磁気抵抗効果素子部分４０ａ及び４０ｂで構成された本実施形態の磁気抵抗効果素子４０は、１つの磁気抵抗効果素子部分のみで構成された一般的な磁気抵抗効果素子に比べて、書き込み電流を大きくする必要がある。

【0051】

このように、本実施形態の磁気抵抗効果素子４０では、書き込み電流を大きくしなければ書き込みを行うことができないため、読み出し電流を大きくしても読み出し時に誤って書き込みが行われてしまうことを防止することができる。したがって、本実施形態では、読み出し動作時のマージンを増加させることができ、リードディスターブが抑制された安定した読み出し動作を行うことが可能となる。

【0052】

また、本実施形態では、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａのＭＲ比と第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂのＭＲ比とが互いに異なっている。具体的には、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａのＭＲ比の方が第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂのＭＲ比よりも高くなっている。

【0053】

一般に、磁気抵抗効果素子では、“０”を書き込む場合の方が“１”を書き込む場合よりも書き込み効率が高い。そのため、仮に第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａのＭＲ比と第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂのＭＲ比とが同じであるとすると、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａ及び２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂのいずれに対しても常に“０”が書き込まれてしまう。そのため、書き込み電流の流れる方向によらず、磁気抵抗効果素子４０には常に“０”が書き込まれることになる。

【0054】

本実施形態では、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａのＭＲ比を第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂのＭＲ比よりも高くすることで、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａの書き込み効率（第１のトンネルバリア層４６を介した電子の注入効率）が第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂの書き込み効率（第２のトンネルバリア層４７を介した電子の注入効率）よりも高くなる。そのため、上述したような問題を回避することができ、図６の上層側から下層側に向かって電流を流す（すなわち、電子“ｅ^- ”を図６の下層側から上層側に向かって流す）ことで磁気抵抗効果素子４０に“０”を書き込むことができ、図６の下層側から上層側に向かって電流を流す（すなわち、電子“ｅ^- ”を図６の上層側から下層側に向かって流す）ことで磁気抵抗効果素子４０に“１”を書き込むことができる。

【0055】

また、本実施形態では、磁気抵抗効果素子４０が実質的に第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａと第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂとの直列接続によって構成されているため、一般的な磁気抵抗効果素子に比べて読み出し電圧が高くなる。そのため、磁気抵抗効果素子４０に“０”（低抵抗状態）が記憶されている場合の読み出し電圧と、磁気抵抗効果素子４０に“１”（高抵抗状態）が記憶されている場合の読み出し電圧との差を大きくすることができる。したがって、磁気抵抗効果素子４０に記憶されているデータ（０又は１）を確実に読み出すことができる。

【0056】

また、読み出し電圧が高くても、第１の磁気抵抗効果素子部分４０ａ及び第２の磁気抵抗効果素子部分４０ｂそれぞれに対しては分圧された電圧が印加されるので、第１のトンネルバリア層４６及び第２のトンネルバリア層４７それぞれに印加される電圧は増加しない。したがって、読み出し電圧が高くても、第１のトンネルバリア層４６及び第２のトンネルバリア層４７に大きな電圧が印加されることを抑制することが可能である。

【0057】

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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

【符号の説明】

【0058】

１０…第１の配線 ２０…第２の配線 ３０…メモリセル
４０…磁気抵抗効果素子
４０ａ…第１の磁気抵抗効果素子部分 ４０ｂ…第２の磁気抵抗効果素子部分
４１…第１の磁性層 ４２…第２の磁性層 ４３…第３の磁性層
４４…第４の磁性層 ４５…第５の磁性層
４６…第１のトンネルバリア層（第１の非磁性層）
４７…第２のトンネルバリア層（第２の非磁性層）
４８…第１の中間層 ４９…第２の中間層
５０…セレクタ（スイッチング素子）
５１…第１の電極 ５２…第２の電極 ５３…セレクタ材料層
６０…バッファ層

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】