CN100447893C - 磁随机存取存储器 - Google Patents

Abstract

一种磁随机存取存储器，其具备磁性材料结构体，该磁性材料结构体与设置在多条第1信号线和具有与第1信号线的方向垂直的方向的多条第2信号线之间的每个交点上的存储单元相对应。每个存储单元具有包括由第1阈值函数以上的外加磁场使自发磁化的方向反向的自发磁化层的磁阻元件。在每个磁性材料结构体中，由第2阈值函数以上的外加磁场生成的磁场比由未达到第2阈值的外加磁场生成的磁场强。在将由被选择的第1和第2信号线生成的第1合成磁场外加在磁性材料结构体上的磁随机存取存储器中，按照对选择存储单元变为第1阈值函数以上的强度，在非选择存储单元上变为未达到第1阈值函数的强度的方式生成第1合成磁场和磁性材料结构体磁场之间的第2合成磁场的元件外加磁场。

Description

磁随机存取存储器

技术领域

本发明涉及磁随机存取存储器。

背景技术

磁随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory：MRAM)作为可高速写入，且具有高擦写次数的非易失性存储器而受到关注。

图1表示在美国专利(USP 5、640、343)中公开的典型的MRAM。该MRAM包括将存储单元101配置为矩阵的存储单元阵列。存储单元101，设置在沿X轴方向(字线方向)延伸的字线102和沿Y轴方向(位线方向)延伸的位线103之间。

如图2A和图2B所示，各存储单元101包括磁阻元件(自旋阀)。磁阻元件具有由强磁性材料形成的引脚(pin)层104和自由(free)层105以及设置在引脚层104和自由层105之间的非磁性的间隔(spacer)层106。为了将期望的偏置外加在存储单元101上也可将引脚层104连接在二极管107上。在非磁性的间隔层106为非常薄的绝缘层时，将磁阻元件称作MTJ(Magnetic Tunnel Junction)。由强磁性材料形成的引脚层104和自由层105，任意一个都具有自发磁化(残留磁化)。将引脚层104的自发磁化固定在+X方向，自由层105的自发磁化可在+X方向和-X方向自由反向。在自由层105上付与各向异性，其自发磁化按照易朝向X轴方向的方式形成。

存储单元101，将1位数据作为自由层105的自发磁化的方向进行存储。存储单元101取得两个状态：引脚层104的自发磁化的方向与自由层105的自发磁化方向相同的“平行”状态，和引脚层104的自发磁化方向与自由层105的自发磁化的方向相反的“反向平行”状态。存储单元101将“平行”状态和“反向平行”状态中的一方作为“0”，将另一方作为“1”，存储1位的数据。

从存储单元101数据读出，通过检测磁阻效应的存储单元101的电阻的变化而进行。引脚层104以及自由层105的自发磁化的方向通过磁阻效应对存储单元101的电阻带来影响。存储单元101的电阻，在引脚层104和自由层105的自发磁化为平行状态的情况下为第1值R(图2B)，在为反向平行状态的情况下为第2值R+ΔR(图2A)。因此通过检测存储单元101的电阻，能够检测存储在单元中的数据。

对多个存储单元101中的期望的选择存储单元的数据写入通过以下的步骤进行。参照图1，将字线102中有关选择存储单元的字线选为选择字线，将位线103中有关选择存储单元的位线选为选择位线。在选择字线和选择位线上流过电流，根据由选择字线所产生的磁场和由选择位线产生的磁场的合成磁场，使选择存储单元的自由层105的自发磁化朝向期望的方向。

由选择位线产生的磁场和由选择字线所产生的磁场，其作用不同。由选择位线产生的磁场决定选择存储单元的自由层105的自发磁化的方向。沿Y轴方向延伸的选择位线上一流过电流，在+X方向或-X方向上就产生磁场，根据该磁场选择存储单元的自由层105的自发磁化的方向变为+X方向或-X方向。在没有连接在选择位线上的存储单元101上，不外加使自由层105的自发磁化反转的磁场，因此保存与选择位线不交叉的自由层105的自发磁化的方向。

另一方面，由选择字线所产生的磁场，使选择存储单元的自由层105的自发磁化的反向变地更容易。由选择字线所产生的磁场的方向为+Y方向或-Y方向，是与自由层105的自发磁化的所能朝向的方向垂直的方向。因此，由选择字线所产生的磁场不直接决定自由层105的自发磁化的方向。然而，自由层105的强磁性材料通过外加与自发磁化的方向垂直的方向的磁场，容易反转其自发磁化。由选择字线所产生的磁场朝向与自由层105的自发磁化垂直的方向，因此选择存储单元的自由层105的矫顽力变小。

另一方面，在与选择位线连接的存储单元101中，没有被选择的未选择存储单元中，不外加由选择字线所产生的磁场。因此，未选择存储单元的自由层105的矫顽力没有变小。这意味着由选择存储单元和未选择存储单元在自由层105的矫顽力上存在差值。根据选择存储单元和未选择存储单元之间的矫顽力的差值，可在选择存储单元中选择性地写入数据。

从图3A到图3C是表示对以上所说明的选择存储单元选择性地写入数据的原理的图。自由层105的矫顽力表示称作星形曲线(asteroid curve)(磁化反转磁场曲线)的特性。该特性发挥着作为阈值函数的作用。通过外加位于星形曲线外侧的区域上的磁场，磁场超过矫顽力，从而将自由层105的自发磁化反向。从图3A到图3C的星形曲线表示一旦将由选择位线和选择字线在X轴和Y轴的两方向上形成45°方向的合成磁场外加在自由层105上，则自由层105的自发磁化最容易被反转。

流过选择位线和选择字线的电流，按照分别由选择位线和选择字线所产生的磁场的合成磁场，存在于星形曲线的外侧的区域，且由选择位线和选择字线分别单独产生的磁场，存在于星形曲线的外侧的区域中的方式被选择。通过由这种方式选择流过选择位线和选择字线的电流，在选择存储单元上可选择性地写入数据。

有关上述的MRAM的数据写入动作的技术的课题之一是消耗电能。如上所述MRAM的数据写入，采用由电流产生的磁场，通过使自发磁化反向而进行。由此需要较大的电流。该大电流使MRAM的数据的写入动作时的消耗电能增大。

用于使数据写入动作时的消耗电能减小的MRAM，在特开2001-273760号公报中被公开。MRAM在进行写入的电流线的上面或下面具备由高导磁率材料构成的高导磁率层。高导磁率层使由电流线产生的磁场集中在存储单元中，可有效抑制数据写入时的消耗电能。

用于使数据写入动作时的消耗电能减少的其它的MRAM在特开2002-110938号公报中被公开。该现有例的MRAM在字线的上面以及侧面，位线的底面以及侧面上具备磁性膜。磁性膜由高饱和磁化软磁性材料或金属-非金属纳米粒状(nano grannular)材料形成。磁性膜可使磁场在存储单元上有效发挥作用，可有效抑制数据写入时的消耗电能。

在MRAM的数据写入动作中的其它技术的课题为选择存储单元的选择性。如上所述在MRAM中，通过配合自由层的星形曲线形状，适当选择流过选择位线和选择字线的写入电流的大小，实现对选择存储单元的写入。因此，需要将流过选择位线和选择字线的写入电流和自由层的星形曲线进行高精度调整。但是起因于制造工艺的差异或MRAM的使用环境的变化，故很难避免流过选择位线和选择字线的写入电流或星形曲线存在某种程度的变动。该变动使选择存储单元的选择性恶化，在数据的写入时存在发生使非期望的数据写入未选择存储单元中这样的误动作。

有关上述说明的磁随机存取存储器在日本公开公报(JP-P2002-8367A)中被公开。在该现有例中磁随机存取存储器具有多条传感线以及多条字线，在传感线和字线的交点上分别将单位存储单元设置为二维阵列状。各单位存储单元包括具备压降元件功能的单元选择开关和磁阻元件的串联连接。在传感线的每一个上具备电容部，存储在电容部上的电荷顺次通过传感线、单元选择开关以及磁电阻元件进行放电，根据由放电所产生的电容部的电压变化判断磁阻元件的磁保持状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可提高存储单元的选择性，使写入动作可稳定化的磁随机存取存储器。

本发明的另一目的在于提供一种通过将层叠亚铁磁性材料(ferry)结构体设置在存储单元上而提高存储单元的选择性的磁随机存取存储器。

本发明的另一目的在于提供一种通过调整层叠亚铁磁性材料结构体内的非磁性层的膜厚而提高存储单元的选择性的磁随机存取存储器。

根据本发明的第1方案，磁随机存取存储器具备：多条第1信号线，其按照在第1方向上延伸的方式设定；多条第2信号线，其按照在与所述第1方向垂直的第2方向上延伸的方式设定；多个存储单元，其被分别设置在所述多条第1信号线和所述多条第2信号线之间的交叉点上；多个磁性材料结构体，其分别对所述多个存储单元设置，其中，所述多个存储单元的每一个，具有磁阻元件，该磁阻元件包括具有第1阈值函数的自发磁化层，所述自发磁化层的方向在外加具有所述第1阈值函数值以上强度的元件外加磁场时反转，所述多个磁性材料结构体的每一个，具有第2阈值函数，响应结构体外加磁场生成磁性材料结构体磁场，在所述结构体外加磁场具有第2阈值函数值以上的强度时，作为所述磁性材料结构体磁场生成第1结构体磁场，在所述结构体外加磁场具有未达到所述第2阈值函数值的强度时，作为所述磁性材料结构体磁场，生成比所述第1结构体磁场弱的第2结构体磁场，在作为第1选择信号线的所述多条第1信号线中的一条上流过第1写入电流生成第1磁场，在作为第2选择信号线的所述多条第2信号线中的一条上流过第2写入电流生成第2磁场，将所述第1磁场和所述第2磁场之间的第1合成磁场，作为所述结构体外加磁场，外加在所述磁性材料结构体上，对设置在所述第1选择信号线和所述第2选择信号线的交叉点上的作为所述多个存储单元的一个的选择存储单元，外加具有所述第1阈值函数值以上的强度的所述元件外加磁场；在所述选择存储单元以外的未选择存储单元的每一个上，外加具有未达到所述第1阈值函数值的强度的所述元件外加磁场，由此作为所述元件外加磁场，生成所述第1合成磁场和所述磁性材料结构体磁场之间的第2合成磁场。

在此，多个磁性材料结构体的每一个具备：由强磁性材料形成的第1磁性层；和由强磁性材料形成的第2磁性层；和在第1磁性层和第2磁性层之间设置的非磁性层。非磁性层具有第1磁性层和第2磁性层反强磁性耦合的膜厚。特别优选第2阈值函数基于非磁性层的膜厚确定。优选在没有外加结构体外加磁场时，由磁性材料结构体生成的磁性材料结构体磁场的强度实质上为0的偏置方案。

此外，在对应选择存储单元的磁性材料结构体上，外加作为结构体外加磁场，具有比第2阈值函数值大的强度的第1合成磁场，对应选择存储单元的磁性材料结构体生成作为磁性材料结构体磁场的第3磁场，将第1合成磁场和第3磁场的合成磁场，作为具有第1阈值函数值以上的强度的元件外加磁场，外加在选择存储的磁阻元件上；在对应未选择存储单元的每一个的磁性材料结构体上，具有未达到第2阈值函数值的强度的第1合成磁场，作为结构体外加磁场进行外加，对应未选择存储单元的磁性材料结构体，生成作为磁性材料结构体磁场的第4磁场，也可以将第1合成磁场和第4磁场的合成磁场，作为具有未达到第1阈值函数值的强度的元件外加磁场，外加在选择存储的磁阻元件上。

或者，在对应选择存储单元的磁性材料结构体上，具有未达到第2阈值函数值的强度的第1合成磁场作为结构体外加磁场进行外加，对应选择存储单元的磁性材料结构体生成作为磁性材料结构体磁场的第4磁场，将第1合成磁场和第4磁场的合成磁场，作为具有第1阈值函数值以上的强度的元件外加磁场，外加在选择存储的磁阻元件上；在对应未选择存储单元的每一个的磁性材料结构体上，具有第2阈值函数值以上的强度的第1合成磁场，作为结构体外加磁场进行外加，在对应未选择存储单元的磁性材料结构体生成作为磁性材料结构体磁场的第3磁场，也可以将第1合成磁场和第3磁场的合成磁场，作为具有未达到第1阈值函数值的强度的元件外加磁场，外加在选择存储的磁阻元件上。

优选将第1信号线和第2信号线，设置在对应多个存储单元中的存储单元和对应存储单元的磁性材料结构体之间，将磁性材料结构体直接或间接设置在第1信号线上。此外，也可将多个存储单元的每一个和对应存储单元的磁性材料结构体，设置在对应存储单元的第1信号线和对应存储单元的第2信号线之间。在此，磁性材料结构体也可具有圆形的平面结构，磁性材料结构体也可具有椭圆形的平面结构。此时，磁性材料结构体的椭圆形的长轴也可以朝向第1方向和第2方向，也可朝向第1方向和第2方向以外的方向。优选磁性材料结构体的椭圆形的长轴朝向对第1方向和第2方向的每一个呈45°的方向。

在本发明的第2方案中，磁随机存取存储器，具备：多条第1信号线，其按照在第1方向上延伸的方式设定；和多条第2信号线，其按照在与第1方向实质垂直的第2方向上延伸的方式设定；和多个存储单元，其分别包括具有根据存储的数据将磁化方向反转的自发磁化的磁阻元件，分别设置在多条第1信号线和多条第2信号线交叉位置的每一个上；和多个磁性材料结构体，其对应多个存储单元的每一个而设置，根据感应的磁化，在对应的存储单元所包括的磁阻元件上外加磁场。在多个存储单元中，将对应从多条第1信号线中选择的第1选择信号线和从多条第2信号线中选择的第2选择信号线交叉的交点而设置的存储单元作为选择存储单元；在多个磁性材料结构体中，将对应选择存储单元的磁性材料结构体作为选择磁性材料结构体；在与第1选择信号线交叉的多个存储单元中，将选择存储单元以外的存储单元作为第1未选择存储单元。在多个磁性材料结构体中，将对应第1未选择存储单元的磁性材料结构体作为第1未选择磁性材料结构体时，由在写入动作时流过第1选择信号线的第1写入电流、和在写入动作时流过第2选择信号线的第2写入电流外加在选择磁性材料结构体上的合成磁场H_xy，和由合成磁场H_xy在选择磁性材料结构体上感应的磁化M_xy，和在写入动作时由第1写入电流外加在第1未选择磁性材料结构体上的磁场H_y，和由磁场H_y，在第1未选择磁性材料结构体上感应的磁化M_y满足下述关系：M_xy/H_xy≠M_y/H_y。

此外，在与第2选择信号线交叉的多个存储单元中，优选将选择存储单元以外的存储单元作为第2未选择存储单元；在多个磁性材料结构体中，将对应第2未选择存储单元的磁性材料结构体作为第2未选择磁性材料结构体时，合成磁场H_xy，和磁化M_xy，和在写入动作时通过第2写入电流外加在第2未选择磁性材料结构体上的磁场H_x，和由磁场H_x在第2未选择磁性材料结构体上感应的磁化M_x满足下述关系：M_xy/H_xy≠M_x/H_x。

此外，优选将多个磁性材料结构体设置如下的位置上：在由第1写入电流和第2写入电流外加在选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场、和由第1写入电流外加在第1未选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场增强的方向上感应出磁化M_xy和磁场M_y的位置上；磁场H_y、合成磁场H_xy、磁化M_y以及磁化M_xy满足：M_xy/H_xy＞M_y/H_y。

在此，将第1信号线和第2信号线设置在多个磁性材料结构体和多个存储单元之间；磁场H_y、合成磁场H_xy、磁化M_y以及磁化M_xy满足：M_xy/H_xy＞M_y/H_y。此时，优选在与第2选择信号线交叉的多个存储单元中，将选择存储单元以外的存储单元作为第2未选择存储单元；在多个磁性材料结构体中，将对应第2未选择存储单元的磁性材料结构体作为第2未选择磁性材料结构体时，合成磁场H_xy，和磁化M_xy，和在写入动作时由第2写入电流外加在第2未选择磁性材料结构体上的磁场H_x，和由磁场H_x在第2未选择磁性材料结构体上感应出的磁化M_x满足：M_xy/H_xy＞M_x/H_x。

此外，优选将多个磁性材料结构体设置在如下的位置上：由第1写入电流和第2写入电流外加在选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场、和由第1写入电流外加在第1未选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场减弱的方向上感应出磁化M_xy和磁场M_y的位置上；磁场H_y、合成磁场H_xy、磁化M_y以及磁化M_xy满足：M_xy/H_xy＜M_y/H_y。

此外，优选将多个磁性材料结构体和多个存储单元设置在第1信号线和第2信号线之间；磁场H_y、合成磁场H_xy、磁化M_y以及磁化M_xy满足：M_xy/H_xy＜M_y/H_y。

优选在与第2选择信号线交叉的多个存储单元中，将选择存储单元以外的存储单元作为第2未选择存储单元；在多个磁性材料结构体中，将对应第2未选择存储单元的磁性材料结构体作为第2未选择磁性材料结构体时，合成磁场H_xy，和磁化M_xy，和在写入动作时由第2写入电流外加在第2未选择磁性材料结构体上的磁场H_x，和由磁场H_x在第2未选择磁性材料结构体上感应的磁化M_x满足：M_xy/H_xy＜M_x/H_x。此时，优选多个磁性材料结构体的每一个是包括下述结构的层叠亚铁磁性材料结构体：由强磁性材料形成的第1磁性层；和由强磁性材料形成的第2磁性层；和非磁性层，其被设置在第1磁性层和第2磁性层之间，具有第1磁性层和第2磁性层反强磁性耦合的膜厚。

此外，优选多个磁性材料结构体的每一个是包括下述结构的层叠亚铁磁性材料结构体：由强磁性材料形成的第1磁性层；和由强磁性材料形成的第2磁性层；和非磁性层，其被设置在第1磁性层和第2磁性层之间，具有第1磁性层和第2磁性层反强磁性耦合的膜厚，合成磁场H_xy比在合成磁场H_xy的方向中的层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_txy更大；磁场H_y比在磁场H_y的方向中的层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_ty更小。

此外，优选多个磁性材料结构体的每一个是包括下述结构的层叠亚铁磁性材料结构体：由强磁性材料形成的第1磁性层；和由强磁性材料形成的第2磁性层；和非磁性层，其被设置在第1磁性层和第2磁性层之间，具有第1磁性层和第2磁性层反强磁性耦合的膜厚；合成磁场H_xy比在合成磁场H_xy的方向中的层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_txy更大；磁场H_x比在磁场H_x的方向中的层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_tx更小；磁场H_y比在磁场H_y的方向中的层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_ty更小。

在磁阻元件上，按照磁阻元件具有的自发磁化的方向与第1方向实质上相同的方式付与各向异性；在层叠亚铁磁性材料结构体上，也可按照第1磁性层和第2磁性层具有的自发磁化的方向朝向与第1方向不垂直的第3方向的方式付与各向异性。此时优选第1方向和第3方向形成的角实质上为45°。

优选合成磁场H_xy的方向实质上相对第3方向垂直。

此外，优选多个磁性材料结构体的每一个是包括下述结构的层叠亚铁磁性材料结构体：由强磁性材料形成的第1磁性层；和由强磁性材料形成的第2磁性层；和非磁性层，其被设置在第1磁性层和第2磁性层之间，具有第1磁性层和第2磁性层反强磁性耦合的膜厚；合成磁场H_xy比在合成磁场H_xy的方向中的层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_txy更小；磁场H_y比在磁场H_y的方向中的层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_ty更大。

此外，优选在磁阻元件上，按照磁阻元件具有的自发磁化的方向与第1方向实质上相同的方式付与各向异性；在层叠亚铁磁性材料结构体上，按照第1磁性层和第2磁性层所具有的自发磁化的方向与第1方向实质上相同的方式付与各向异性。

优选多个磁性材料结构体的每一个是包括下述结构的层叠亚铁磁性材料结构体：由强磁性材料形成的第1磁性层；和由强磁性材料形成的第2磁性层；和非磁性层，其被设置在第1磁性层和第2磁性层之间，具有第1磁性层和第2磁性层反强磁性耦合的膜厚，合成磁场H_xy比在合成磁场H_xy的方向中的层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_txy更小；磁场H_x比在磁场H_x的方向中的层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_tx更大；磁场H_y比在磁场H_y的方向中的层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_ty更大。

优选在磁阻元件上，按照磁阻元件具有的自发磁化的方向与第1方向实质上相同的方式付与各向异性；在层叠亚铁磁性材料结构体上，按照第1磁性层和第2磁性层具有的自发磁化的方向朝向与第1方向不垂直的第3方向的方式付与各向异性。此时，优选合成磁场H_xy的方向实质上与第3方向相同。

附图说明：

图1是表示现有的磁随机存取存储器(MRAM)的图。

图2A和2B是表示在现有的MRAM中所使用的存储单元的结构的剖视图。

图3A到3C是表示对现有的MRAM的存储单元的写入原理的图。

图4是表示本发明的第1实施例的MRAM的电路构成的电路图。

图5是表示第1实施例的MRAM的存储单元的剖视图。

图6是表示存储单元内的磁阻元件结构的图。

图7A到7C是表示层叠亚铁磁性材料结构体结构的图。

图8是表示层叠亚铁磁性材料结构体的第1磁性层和第2磁性层之间的耦合常数的图。

图9是表示磁阻元件和层叠亚铁磁性材料结构体结构的平面图。

图10A和10B是表示层叠亚铁磁性材料结构体特性的图。

图11A是表示外加在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体上的合成磁场H_2xy的图。

图11B是表示外加在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体上的磁场H_2x的图。

图11C是表示外加在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体上的磁场H_2y的图。

图12是表示作用在磁阻元件上的磁场H_1y、H_2y以及H_3y的图。

图13是表示外加在选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场H_s、和外加在字线选择位线未选择存储单元以及位线选择字线未选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场H_us。

图14是表示本发明的第2实施例的MRAM电路的电路图。

图15是表示第2实施例的MRAM的存储单元的剖视图。

图16是表示在第2实施例中的磁阻元件和层叠亚铁磁性材料结构体之间的设置的平面图。

图17A是表示在第2实施例中的层叠亚铁磁性材料结构体的难轴方向的磁场-磁化特性的图。

图17B是表示层叠亚铁磁性材料结构体55的容易轴方向的磁场-磁化特性的图。

图17C是表示层叠亚铁磁性材料结构体55的中间方向的磁场-磁化特性的图。

图18是表示第2实施例中的作用在磁阻元件上的磁场H_1y、H_2y以及H_3y的图。

图19A是表示外加在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体上的合成磁场H_2xy的图。

图19B是表示外加在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体上的磁场H_2y的图。

图19C是表示外加在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体上的磁场H_2x的图。

图20是表示外加在选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场H_s、和外加在对应字线选择位线未选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场H_us1、和外加在对应位线选择字线未选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场H_us2的图。

图21是本发明的第3实施例的MRAM的存储单元的剖视图。

图22是表示关于第3实施例的磁阻元件和层叠亚铁磁性材料结构体之间设置的平面图。

图23A是表示在第3实施例中，外加在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体上的合成磁场H_2xy的图。

图23B是表示外加在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体上的合成磁场H_2y的图。

图23C是表示外加在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体上的合成磁场H_2x的图。

图24A是表示，在“0”的写入时，外加在选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场H_s、和外加在对应字线选择位线未选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场H_us1、和外加在对应位线选择字线未选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场H_us2的图。

图24B是表示，在“1”的写入时，外加在选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场H_s、和外加在字线选择位线未选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场H_us1、和外加在应位线选择字线未选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场H_us2的图。

图25是表示本发明的第4实施例的MRAM的存储单元的剖视图。

图26是表示关于第4实施例的磁阻元件和层叠亚铁磁性材料结构体之间的设置的平面图。

图27A是表示在第4实施例中，外加在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体上的合成磁场H_2xy的图。

图27B是表示外加在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体上的合成磁场H_2x的图。

图27C是表示外加在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体上的合成磁场H_2y的图。

图28是表示在第4实施例中，外加在选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场H_s、和外加在字线选择位线未选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场H_us1、和外加在位线选择字线未选择存储单元所包括的磁阻元件上的磁场H_us2的图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的磁随机存取存储器(MRAM)。

(第1实施方式)

本发明的第1实施例的MRAM，如图4所示，具备将存储单元2设置为矩阵的存储单元阵列1。在存储单元阵列1上设置沿X轴方向延伸的写入字线3、与写入字线3平行设置的读出字线4、沿Y轴方向延伸的位线5。X轴方向和Y轴方向实质上垂直。在本说明书中，“X轴方向”包括X轴正方向(+X方向)和X轴负方向(-X方向)两个方向，“Y轴方向”包括Y轴正方向(+Y方向)和Y轴负方向(-Y方向)两个方向，故在使用中应注意。将存储单元2分别设置在写入字线3和位线5交叉的交点上。

存储单元2包括MOS晶体管6和磁阻元件(自旋阀)7。将MOS晶体管6设置在磁阻元件7和接地端子14之间。在读出动作时，为了将磁阻元件7连接在接地端子14上而使用MOS晶体管6。磁阻元件7具有可反转的自发磁化，对应该自发磁化的方向保持存储数据。将磁阻元件7设置在MOS晶体管6和位线5之间。关于磁阻元件7的结构的详细内容在下面讲述。

将写入字线3连接在写入X选择器8上。写入X选择器8在写入动作时，从写入字线3中选择一条作为选择写入字线。将写入X选择器8连接在X侧电流源电路9上。X侧电流源电路9生成写入电流Ix，将生成的写入电流Ix介由写入X选择器8供给到选择写入字线上。

将读出字线4连接在读出X选择器10上。读出X选择器10在读出动作时，从读出字线4中选择1条作为选择读出字线，将选择读出字线置为高电位(High)。将连接在选择读出字线上的MOS晶体管6导通，导通的MOS晶体管6将磁阻元件7连接在接地端子14上。在将磁阻元件7电连接在接地端子14上的状态下，一旦将电压外加在位线5上检测电流就流过磁阻元件7。根据检测电流检测磁阻元件7的电阻，根据被检测的电阻判断存储单元2的数据。

将位线5连接在Y选择器11上。Y选择器11在写入动作时以及读出动作时，从多条位线5中选择1条作为选择位线。将Y选择器11连接在Y侧电流源电路12和读出放大器13上。Y侧电流源电路12生成写入电流Iy，将写入电流Iy供给到选择位线上。将读出放大器13在读出动作时连接在选择位线上，根据流过磁阻元件7的电流判断存储在存储单元2上的数据。

图5是表示存储单元2的结构剖视图。参照图5，将MOS晶体管6形成在半导体基板21的表面部上。MOS晶体管6的源极6a介由连接器22连接在具有接地电位的接地线23上。将接地线23作为接地端子14使用。将MOS晶体管6的栅极6b作为读出字线4使用。MOS晶体管6的漏极6c介由连接器24连接在沿Y轴方向延伸的引出的布线层25上。将磁阻元件7形成在引出的布线层25的上方。

图6是详细表示磁阻元件7的结构的放大剖视图。参照图6，磁阻元件7包括引脚层26、绝缘势垒层27以及自由层28。将引脚层26形成在引出的布线层25的上方，将绝缘势垒层27形成在引脚层26的上方，将自由层28形成在绝缘势垒层27的上方。引脚层26和自由层28任一个都由强磁性材料形成，分别具有自发磁化。将引脚层26的自发磁化固定在+X方向。自由层28的自发磁化可反转，可朝向+X方向和-X方向两个方向。将存储在存储单元2上的数据作为自由层28的自发磁化的方向存储。在引脚层26和自由层28之间设置的绝缘势垒层27由绝缘体形成。绝缘势垒层27的膜厚根据在膜厚方向(Z轴方向)上流过隧道(tunnel)电流的程度而变薄。

图9是存储单元2的俯视图。如图9所示，磁阻元件7实质上具有椭圆形。磁阻元件7的长轴与X轴方向平行。这种结构在磁阻元件7上付与引脚层26以及自由层27的自发磁化的方向变为X轴方向的各向异性。

再次参照图5，磁阻元件7介由连接器29连接在位线5上。如上所述，位线5按照沿Y轴方向延伸的方式设置。在位线5的上侧形成写入字线3。将位线5和写入字线3由层间绝缘膜分离。如上所述，写入字线3按照沿X轴方向延伸的方式设置。

在写入字线3的上方局部形成层叠亚铁磁性材料结构体30。将层叠亚铁磁性材料结构体30设置在每个存储单元2上。如下所述，层叠亚铁磁性材料结构体30的每一个具有增强外加在对应的存储单元2所包括的磁阻元件7上的磁场的作用。

从图7A到7C表示层叠亚铁磁性材料结构体30的剖面结构。如图7A所示，层叠亚铁磁性材料结构体30包括第1磁性层31、非磁性间隔层32以及第2磁性层33。第1磁性层31和第2磁性层33任一个都由强磁性材料形成，设置在第1磁性层31和第2磁性层33之间的非磁性间隔层32由非磁性材料形成。如图9所示，层叠亚铁磁性材料结构体30在平面上实质为圆形，具有各向同性的形状。这种结构在X-Y平面内将层叠亚铁磁性材料结构体30的磁场-磁化特性各向同性化。

参照图7A，层叠亚铁磁性材料结构体30的非磁性间隔层32的膜厚t按照第1磁性层31和第2磁性层33反强磁性耦合的方式设定。因此，在层叠亚铁磁性材料结构体30上不外加磁场的状态下，如图7C所示第1磁性层31和第2磁性层33具有相互逆方向的自发极化，第1磁性层31和第2磁性层33反强磁性耦合。在该状态中，层叠亚铁磁性材料结构体30整体的磁化实质上为零。即在层叠亚铁磁性材料结构体30上不外加磁场的状态中，层叠亚铁磁性材料结构体30实质上没有磁矩。优选层叠亚铁磁性材料结构体30没有磁矩而使磁阻元件7的偏置磁场变小。在层叠亚铁磁性材料结构体30作为整体具有磁矩的情况下，将由磁矩产生的磁场外加在磁阻元件7上。因此，在选择写入字线以及选择位线上没有外加写入电流Ix、Iy的状态中，在磁阻元件7上外加由磁矩产生的磁场。该磁场将反向磁阻元件7的自由层28的自发磁化的反向磁场(矫顽力)非对称化，这就是磁阻元件7具有偏置磁场的原因。不优选在磁阻元件7中存在偏置磁场使写入电流Ix以及Iy增大，使存储单元2的动作余裕减少。层叠亚铁磁性材料结构体30没有磁矩，可有效防止在磁阻元件7中产生偏置磁场。

图8是表示第1磁性层31和第2磁性层33之间的耦合系数的曲线图。参照图8，耦合系数按照在第1磁性层31和第2磁性层33反强磁性耦合的情况下为正的方式被定义。在非磁性间隔层32的膜厚t非常接近0的情况下，第1磁性层31和第2磁性层33之间的耦合系数为负，存在于第1磁性层31和第2磁性层33强磁性耦合的强磁性区域中。膜厚t从0开始增大，在某一膜厚时耦合系数变为正，第1磁性层31和第2磁性层33就变为反强磁性耦合。进一步耦合系数在某一膜厚为最大值。进一步膜厚增加，耦合系数边减小边振荡。非磁性间隔层32的膜厚t按照第1磁性层31和第2磁性层33之间的耦合系数为正的方式而被设定。非磁性间隔层32的膜厚t实质上适于按照耦合系数为最大的方式而设定膜厚，以便对于非磁性间隔层32的膜厚t的偏差，第1磁性层31和第2磁性层33之间的反强磁性的耦合稳定。

图7B表示合适的层叠亚铁磁性材料结构体30的剖面结构。在合适的层叠亚铁磁性材料结构体30中，第1磁性层31包括NiFe层31a和CoFe层31b，第2磁性层33包括CoFe层33a和NiFe层33b。非磁性间隔层32由Ru层形成。在NiFe层31a的上方形成CoFe层31b，在CoFe层31b的上方形成Ru层32。在Ru层32的上方形成CoFe层33a，在CoFe层33a的上方形成NiFe层33b。

这种层叠亚铁磁性材料结构体30的结构使层叠亚铁磁性材料结构体30的特性的调节变得更容易，因此具有设计便利的优点。层叠亚铁磁性材料结构体30的磁化的大小由NiFe层31a和NiFe层33b之间的厚度单独决定。进一步，第1磁性层31和第2磁性层33之间的耦合常数由Ru层32的厚度单独决定。由此层叠亚铁磁性材料结构体30的特性由NiFe层31a、NiFe层33b以及Ru层32的厚度自由决定。

图10A和10B表示具有这种结构的层叠亚铁磁性材料结构体30的磁场-磁化特性。图10B表示层叠亚铁磁性材料结构体30的理想的磁场-磁化特性。层叠亚铁磁性材料结构体30的磁场-磁化特性，在与阈值磁场H_t相比外部磁场大的区域和小的区域中，其动作不同。该阈值依赖于磁场的方向而不同，作为阈值函数发挥作用。阈值磁场H_t是第1磁性层31和第2磁性层33之间的反强磁性耦合实质上完全消失的磁场。层叠亚铁磁性材料结构体30的整体的磁化M，在理想的情况下在外部磁场H未达到阈值磁场H_t时非常小。磁化M在阈值磁场H_t中不连续增加，在外部磁场H超过阈值磁场H_t的区域中，磁化M相对外部磁场H线性增加。层叠亚铁磁性材料结构体30表示为相关的磁场-磁化特性，在未达到阈值磁场H_t时根据在第1磁性层31和第2磁性层33之间的反强磁性的耦合磁化M变小，另一方面，外部磁场H一旦超过阈值磁场H_t，第1磁性层31和第2磁性层33之间的反强磁性耦合就变为强磁性耦合，这正是在层叠亚铁磁性材料结构体30上产生与外部磁场大致成比例的磁化M的原因。

但是，实质上层叠亚铁磁性材料结构体30常常表示在图10A中所示的那种特性。即层叠亚铁磁性材料结构体30在外部磁场H未达到阈值磁场H_t的区域中，相对磁场H磁化M非线性增加，表现为以下凸的磁场-磁化特性，在外部磁场H超过阈值磁场H_t的区域中，层叠亚铁磁性材料结构体30的磁化M，表现相对磁场H线性增加的磁场-磁化特性。特别具有在图9中所示的那种各向同性的形状的层叠亚铁磁性材料结构体30，由于内部具有小磁区，所以根据该磁区的磁化在未达到阈值磁场H_t的区域中，表示在图10A中所示的那种非线性特性的倾向很强。

在图10A和图10B的任一个情况下都将阈值磁场作为界限，层叠亚铁磁性材料结构体30的磁场-磁化特性改变其动作。如下所述，这种层叠亚铁磁性材料结构体30的磁场-磁化特性，在提高存储单元2的选择性中起重要的作用。阈值磁场H_t的调节通过调节第1磁性层31和第2磁性层33之间的耦合系数而可进行调节。以下，将磁场的大小未达到阈值磁场H_t的区域称作非线性磁化区域，将磁场的大小超过阈值磁场H_t的区域称作线性磁化区域。在将非线性磁化区域的任意的磁场H_NL和线性磁化区域的任意的磁场H_L分别外加在层叠亚铁磁性材料结构体30上时，在层叠亚铁磁性材料结构体30上所感应的磁化M_NL和M_L满足下述关系：

M_L/H_L＞M_NL/H_NL    (1)

式1表示在线性磁化区域中的有效磁化率χ_L(＝M_L/H_L)比在非线性磁化区域中的有效磁化率χ_NL(＝M_NL/H_NL)更大。

在第1实施例的MRAM中，根据具有上述特性的层叠亚铁磁性材料结构体30的作用，将外加在作为写入地址的选择存储单元的磁阻元件7上的磁场选择性地增大，由此提高了选择存储单元的选择性。以下说明其详细内容。

参照图4，第1实施例的MRAM的写入动作由选择选择存储单元开始。由写入X选择器8选择写入字线3中的1条作为选择写入字线，由Y选择器11选择位线5中的一条作为选择位线。将存储单元2中有关选择写入字线和选择位线之间的交点的存储单元选为选择存储单元。以下，将在存储单元2中与选择位线相关、但与选择写入字线无关的存储单元，记为位线选择字线未选择存储单元；与选择写入字线相关、与选择位线无关的存储单元记为字线选择位线未选择存储单元。在选择选择写入字线和选择位线之后，在选择写入字线上，通过X侧电流源电路9，写入电流Ix流过+X方向，在选择位线上，通过Y侧电流源电路12写入电流Iy流过+Y方向或-Y方向。写入电流Iy的方向由在选择存储单元中写入的数据决定。

参照图5，根据流过+X方向的写入电流Ix，在字线选择位线未选择存储单元的磁阻元件7上外加+Y方向的磁场H_1y。进一步，根据流过+Y方向(或-Y方向)的写入电流Iy，在位线选择字线未选择存储单元的磁阻元件7上外加-X方向(或+X方向)的磁场H_1x。进一步在选择存储单元的磁阻元件7上外加上述的磁场H_1x和磁场H_1y的合成磁场H_1xy。

在将写入字线3和位线5设置在层叠亚铁磁性材料结构体30和磁阻元件7之间的情况下，上述的层叠亚铁磁性材料结构体30在流过写入电流Ix以及写入电流Iy时，具有增强外加在字线选择位线未选择存储单元、位线选择字线未选择存储单元以及选择存储单元的磁阻元件7上的磁场的作用。

参照图12，对字线选择位线未选择存储单元进行说明。由于在选择写入字线上流过+X方向的写入电流Ix，如图12所示在字线选择位线未选择存储单元的磁阻元件7上外加+Y方向的磁场H_1y。进一步，由写入电流Ix在与字线选择位线未选择存储单元相对应的层叠亚铁磁性材料结构体30上外加-Y方向的磁场H_2y。根据磁场H_2y的外加，在层叠亚铁磁性材料结构体30上在-Y方向上感应磁场M_y。在层叠亚铁磁性材料结构体30上感应的磁场M_y，将磁场H_3y外加在字线选择位线未选择存储单元的磁阻元件7上。在将选择写入字线设置在磁阻元件7和层叠亚铁磁性材料结构体30之间的情况下，磁场H_3y与磁场H_1y相同都为+Y方向。因此，层叠亚铁磁性材料结构体30，在选择写入字线上流过写入电流Ix时，有增强外加在字线选择位线未选择存储单元的磁阻元件7上的磁场的作用。同样可知：与位线选择字线未选择存储单元以及选择存储单元的每一个相对应的层叠亚铁磁性材料结构体30，有增强外加在位线选择字线未选择存储单元以及选择存储单元的磁阻元件7上的磁场的作用。

由此，层叠亚铁磁性材料结构体30具有增强外加在磁阻元件7上的磁场的作用，在第1实施例的MRAM中，利用上述的层叠亚铁磁性材料结构体30的磁场-磁化特性，将外加在选择存储单元所包括的磁阻元件7上的磁场选择性地显著增强。该动作可有效提高选择存储单元的选择性。以下，说明利用层叠亚铁磁性材料结构体30的磁场-磁化特性，提高选择存储单元的选择性的详细内容。

在以下的说明中，如图11A所示那样，将通过分别流过选择写入字线以及选择位线的写入电流Ix、Iy外加在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体30上的磁场作为H_2xy。进一步，如图11B所示那样，将通过流过选择位线的写入电流Iy外加在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体30上的磁场作为H_2x。进一步，如图11C所示那样，将根据流过选择写入字线的写入电流Ix外加在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体30上的磁场作为H_2y。磁场H_2xy是磁场H_2x和H_2y的合成磁场。

参照图11A到11C，提高选择存储单元的选择性，通过按照满足以下的条件的方式选择写入电流Ix、Iy以及阈值磁场H_t而达到。

H_2xy＞H_t

H_2x＜H_t    (2)

H_2x＞H_t

即写入电流Ix、Iy按照下述方式选择：外加在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体30上的合成磁场H_2xy存在于线性磁化区域中，外加在与位线选择字线未选择存储单元以及字线选择位线未选择存储单元的每一个相对应的层叠亚铁磁性材料结构体30上的磁场H_2x、磁场H_2y存在于非线性区域中。此外，也可以将磁场H_2x、磁场H_2y、对选择存储器的层叠亚铁磁性材料结构体30的磁场的合成磁场选在非线性区域中。

磁场H_2xy在线性磁化区域中，且磁场H_2x以及磁场H_2y在非线性化区域中，因此根据式(1)式(3)成立。

M_xy/H_2xy＞M_x/H_2x

M_xy/H_2xy＞M_y/H_2y    (3)

式中，M_xy是在外加磁场H_2xy时在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体30上感应的磁化，M_x是在外加磁场H_2x时在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体30上感应的磁化，M_y是在外加磁场H_2y时在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体30上感应的磁化。

式(3)表示对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体30的有效磁化率χ_xy(＝M_xy/H_2xy)，与位线选择字线未选择存储单元以及字线选择位线未选择存储单元的每一个相对应的层叠亚铁磁性材料结构体30的有效磁化率χ_x(＝M_x/H_2x)、χ_y(＝M_y/H_2y)不同或更大。

由层叠亚铁磁性材料结构体30外加在磁阻元件7上的磁场与在层叠亚铁磁性材料结构体30上感应的磁化的大小成比例，因此由式(3)可推导出下式(4)。

H_3xy/H_2xy＞H_3x/H_2x

H_3xy/H_2xy＞H_3y/H_2y    (4)

即

H_3xy/H_3x＞H_2xy/H_2x

H_3xy/H_3y＞H_2xy/H_2y    (4)’

式中，H_3xy是由对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体30外加在选择存储单元的磁阻元件7上的磁场，H_3x是由对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体30外加在位线选择字线未选择存储单元的磁阻元件7上的磁场，H_3y是由对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体30外加在字线选择位线未选择存储单元的磁阻元件7上的磁场。

式(4)’表示外加在选择存储单元所包括的磁阻元件7上的磁场，与在字线选择位线未选择存储单元以及位线选择字线未选择存储单元所包括的磁阻元件7相比明显增强。例如，磁场H_2x和磁场H_2y大小相等，因此考虑磁场H_3x和磁场H_3y大小相等的情况。作为磁场H_2x和磁场H_2y的合成磁场的磁场H_2xy是磁场H_2x(H_2y)的2^1/2倍。另一方面，根据式(4)’得到下述式(5)。

H_3xy＞2^1/2H_3x(2^1/2H_3y)    (5)

即由对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体30外加在选择存储单元的磁阻元件7上的磁场H_3xy，比由对应字线选择位线未选择存储单元(以及位线选择字线未选择存储单元)的层叠亚铁磁性材料结构体30外加在字线选择位线未选择存储单元所包括的磁阻元件7上的磁场H_3x的2^1/2倍更大。

式(5)表示外加在选择存储单元所包括的磁阻元件7上的磁场与外加在字线选择位线未选择存储单元以及位线选择字线未选择存储单元所包括的磁阻元件7上的磁场进行比较，明显增强(参照图13)。通过选择性显著增强外加在选择存储单元所包括的磁阻元件7上的磁场而提高选择存储单元的选择性。

由此在第1实施例中，外加在选择存储单元所包括的磁阻元件7上的磁场与外加在字线选择位线未选择存储单元以及位线选择字线未选择存储单元所包括的磁阻元件7上的磁场进行比较，明显选择性地增强。通过选择性地增强外加在选择存储单元所包括的磁阻元件7上的磁场，有效提高选择存储单元的选择性。

在本实施例中，代替层叠亚铁磁性材料结构体30，将由反强磁性材料膜形成的磁性材料结构体设置在存储单元2的每一个上，理论上应该也能得到同样的效果。但是实质上，由于反强磁性体的阈值磁场H_t非常大，所以外加在对应选择存储单元的磁性构造体上的合成磁场H_2xy很难变得比阈值磁场H_t更大。优选层叠亚铁磁性材料结构体30的使用可实质提高上述作用的选择存储单元的选择性。

(第2实施例)

图14表示本发明的第2实施例的MRAM。第2实施例的MRAM在存储单元中不包括晶体管，具有所谓交叉点型单元阵列的构成。

第2实施例的MRAM具备将存储单元42设置为矩阵的交叉点型单元阵列41。在交叉点型单元阵列41上设置沿X轴方向延伸的字线43和沿Y轴方向延伸的位线44。将存储单元2分别设置在字线43和位线44交叉的交点上。存储单元42包括磁阻元件45。磁阻元件45具有可反转的自发磁化，根据其自发磁化的方向保持数据。将磁阻元件45的每一个设置在字线43和位线44之间。

将字线43连接在X选择器46上。X选择器46在写入动作时以及读出动作时，从字线43中选择一条作为选择字线。将X选择器46连接在X侧电流源电路47上。X侧电流源电路47生成写入电流Ix，供给到选择写入字线中。

将位线44连接在Y选择器48上。Y选择器48在写入动作时以及读出动作时从多条位线44中选择1条作为选择位线。将Y选择器48连接在Y侧电流源电路49和读出放大器50上。Y侧电流源电路49生成写入电流Iy，将生成的写入电流Iy供给到选择位线上。读出放大器50在读出动作时连接在选择位线上，根据流过磁阻元件45的电流判断存储在存储单元42中的数据。

图15是表示存储单元42的结构的剖视图。参照图15，在基板51的上方形成层间绝缘膜52。在层间绝缘膜52的上方形成位线44。如上所述，位线44沿Y轴方向延伸。位线44介由连接器53连接在各存储单元42的磁阻元件45上。

磁阻元件45具有与在图6中所示的磁阻元件7相同的剖面结构。即磁阻元件45具备：引脚层26，其具有固定在+X方向的自发磁化；和自由层27，其具有在+X方向和-X方向上可反转的自发磁化；和绝缘势垒28，其被设置在引脚层26和自由层27之间。如图16所示，磁阻元件45实质上具有椭圆的平面形状。磁阻元件45的长轴与X轴方向平行。这种结构在磁阻元件45上付与引脚层27以及自由层27的自发磁化的方向变为X轴方向的各向异性。

如图15所示，将层叠亚铁磁性材料结构体55介由连接器54设置在磁阻元件45上，并与其连接。将层叠亚铁磁性材料结构体55介由连接器56连接在字线43上。如上所述，将字线43沿X轴方向设置。

层叠亚铁磁性材料结构体55具有与从图4A到4C所示的层叠亚铁磁性材料结构体30相同的剖面结构。层叠亚铁磁性材料结构体55包括第1磁性层31、第2磁性层33和设置在第1磁性层31和第2磁性层33之间的非磁性间隔层32。非磁性间隔层32的膜厚按照第1磁性层31和第2磁性层33反强磁性耦合的方式选择。但是如图16所示，层叠亚铁磁性材料结构体55的平面结构与层叠亚铁磁性材料结构体30的平面结构不同。层叠亚铁磁性材料结构体55实质上具有椭圆的平面形状，层叠亚铁磁性材料结构体55的长轴与X轴方向平行。层叠亚铁磁性材料结构体55的形状的各向异性在层叠亚铁磁性材料结构体55的磁场-磁化特性上付与各向异性。层叠亚铁磁性材料结构体55的形状的各向异性，使层叠亚铁磁性材料结构体55的第1磁性层31和第2磁性层33分别具有的自发磁化的方向容易朝向X轴方向，很难朝向Y轴方向。但是，第1磁性层31和第2磁性层33反强磁性耦合，因此第1磁性层31和第2磁性层33之间的自发磁化互相反向平行(anti-parallel)。将自发磁化容易朝向的方向称作容易轴方向，将自发磁化难以朝向的方向称作难轴方向。在第2实施例中，容易轴方向为X轴方向，难轴方向为Y轴方向。

从图17A到17C表示层叠亚铁磁性材料结构体55的磁场-磁化特性。如图17A所示，在难轴方向(Y轴方向)上外加外部磁场H_hard的情况下，层叠亚铁磁性材料结构体55表示相对外部磁场H_hard线性的磁场-磁化特性。另一方面，如图17B所示，在容易轴方向(X轴方向)上外加外部磁场H_easy的情况下，层叠亚铁磁性材料结构体55根据外部磁场H_easy是否超过阈值磁场H_t而表示不同的动作。在外部磁场H_easy未达到阈值磁场H_t的情况下，为了不破坏层叠亚铁磁性材料结构体55的内部的反强磁性耦合，很难感应磁化，层叠亚铁磁性材料结构体55的磁场实质上为零。另一方面，在阈值磁场H_t中层叠亚铁磁性材料结构体55的磁化不连续增加，在外部磁场H_easy不超过阈值磁场H_t的区域中，层叠亚铁磁性材料结构体55的磁化相对外部磁场H_easy线性增加。图17B表示层叠亚铁磁性材料结构体55的理想的特性。但是，通过提高层叠亚铁磁性材料结构体55的各向异性，可将与这种理想特性接近的特性付与在层叠亚铁磁性材料结构体55上。在难轴方向和容易轴方向之间的方向(中间方向)上外加外部磁场H_mid的情况下，如图17C所示，层叠亚铁磁性材料结构体55表示将在图17A和图17B中所示的磁场-磁化特性折中的磁场-磁化特性。在中间方向上外加比阈值磁场H_t小的外部磁场H_mid的情况下，层叠亚铁磁性材料结构体55感应微小且对外部磁场H_mid呈线性的磁化。在阈值磁场H_tmid中，层叠亚铁磁性材料结构体55的磁化不连续增大，在外部磁场H_mid超过阈值磁场H_tmid的区域中，层叠亚铁磁性材料结构体55的磁化相对外部磁场H_mid线性增加。在超过阈值磁场H_tmid的区域中的层叠亚铁磁性材料结构体55的磁化增加率比在未达到阈值磁场H_tmid的区域中的层叠亚铁磁性材料结构体55的磁化增加率更大。中间方向的磁场-磁化特性的阈值磁场H_t比容易轴方向的磁场-磁化特性的阈值磁场H_t更小。中间方向的磁场-磁化特性的阈值磁场H_t，外部磁场的方向从容易轴方向分离越远则变地越小。因此，相对外部磁场H_mid的阈值磁场H_t的轨迹(H_t曲线)变为从图19A到19C所示的那样的形状。

与第1实施例相同，将磁场比阈值磁场H_t更大的区域定义为线性磁化区域，将磁场比阈值磁场H_t小的区域定义为非线性磁化区域。但是，在将磁场外加在难轴方向上的情况下，由于与磁场的大小无关的磁化相对磁场线性增加，所以对难轴方向的阈值磁场H_t为零。即对于难轴方向，任意大小的磁场存在于线性磁化区域。

在第2实施例中，由具有上述特性的层叠亚铁磁性材料结构体55的作用，提高选择存储单元的选择性。以下说明其详细内容。

参照图14，第2实施例的MRAM的写入动作由选择选择存储单元开始。通过X选择器46将字线43中的一条选为选择字线，通过Y选择器48将位线44中的一条选为选择位线。将存储单元42中的选择字线和选择位线交叉点的存储单元选为选择存储单元。与第1实施例相同，将在存储单元42中连接在选择位线上但没有连接在选择字线上的未选择存储单元记为位线选择字线未选择存储单元，与选择字线连接但没有与选择位线连接的未选择存储单元记为字线选择位线未选择存储单元。在选择选择字线和选择位线之后，在选择字线上通过X侧电流源电路47写入电流Ix流过+X方向，在选择位线上通过Y侧电流源电路49写入电流Iy流过+Y方向或-Y方向。写入电流Iy的方向根据在选择存储单元中写入的数据决定。

参照图18，根据流过+X方向的写入电流Ix，在字线选择位线未选择存储单元的磁阻元件45上外加+Y方向的磁场H_1y。进一步根据流过+Y方向(或-Y方向)的写入电流Iy，在位线选择字线未选择存储单元的磁阻元件45上外加-X方向(或+X方向)的磁场H_1x。进一步在选择存储单元的磁阻元件45上外加上述磁场H_1x和上述磁场H_1y之间的合成磁场H_1xy。将磁阻元件45和层叠亚铁磁性材料结构体55设置在字线43和位线44之间。由此，层叠亚铁磁性材料结构体55，在已流过写入电流Ix以及写入电流Iy时，具有减弱外加在字线选择位线未选择存储单元、位线选择字线未选择存储单元以及选择存储单元的磁阻元件45上的磁场的作用。

以下对字线选择位线未选择存储单元进行说明。

参照图18，在选择字线上流过+X方向的写入电流Ix，在字线选择位线未选择存储单元的磁阻元件45上外加+Y方向的磁场H_1y。进一步，写入电流Ix在对应字线选择位线未选择存储单元设置的层叠亚铁磁性材料结构体55上外加+Y方向的磁场H_2y。通过磁场H_2y的外加，在层叠亚铁磁性材料结构体55上感应+Y方向的磁场M_y。在层叠亚铁磁性材料结构体55上感应的磁化M_y将磁场H_3y外加在字线选择位线未选择存储单元的磁阻元件45上。在将磁阻元件45和层叠亚铁磁性材料结构体55设置在选择字线的同一侧的情况下，磁场H_3y为与磁场H_1y相反的-Y方向。因此，层叠亚铁磁性材料结构体55，在写入电流I_x流过选择字线时，具有减弱外加在字线选择位线未选择存储单元的磁阻元件45上的磁场的作用。

根据同样的研究可知，分别对应位线选择字线未选择存储单元以及选择存储单元设置的层叠亚铁磁性材料结构体55具有减弱外加在位线选择字线未选择存储单元以及该选择存储单元的磁阻元件45上的磁场的作用。

在第2实施例的MRAM中，利用上述的层叠亚铁磁性材料结构体55的磁场-磁化特性，外加在字线选择位线未选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场与外加在选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场相比较，明显减弱。这种动作可有效提高对字线选择位线未选择存储单元的选择存储单元的选择性。以下说明利用层叠亚铁磁性材料结构体55的磁场-磁化特性，提高选择存储单元的选择性的详细内容。

参照图17A到17C，在第2实施例中，对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55、对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55以及对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55具有互相不同的磁场-磁化特性。在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上外加由流过选择位线的写入电流I_y生成的X轴方向(容易轴方向)的磁场H_2x和由流过选择字线的写入电流Ix生成的Y轴方向(难轴方向)的磁场H_2y的合成磁场H_2xy。因此，在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上在中间方向上外加磁场。故对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55具有在图17C中所示的磁场-磁化特性。

另一方面，在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上只外加Y轴方向(难轴方向)的磁场H_2y，因此对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55具有在图17A中所示的磁场-磁化特性。进一步，在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上只外加X轴方向(容易轴方向)的磁场H_2x，因此对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55具有在图17B中所示的磁场-磁化特性。在层叠亚铁磁性材料结构体55具有上述特性的情况下，通过按照满足下述条件式(6-1)、(6-2)的方式设定写入电流Ix、Iy的大小，可只在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上感应大的磁化。

H_2x＜H_teasy    (6-1)

H_2xy＜H_tmid    (6-2)

式中，H_teasy是关于容易轴方向的阈值，H_tmid是关于合成磁场H_2xy的方向(中间方向)的阈值。

在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上外加难轴方向(Y轴方向)的磁场H_2y。即如图17B所示，磁场H_2y存在于线性化区域中。因此从图17A可知，在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上感应相对磁场H_2y线性增加的磁化M_y。

另一方面，如式(6-1)所示，在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上，将比阈值磁场H_teasy小的磁场H_2x外加在容易轴方向(X轴方向)上。即如图19C所示，磁场H_2x存在于非线性磁化区域中。因此，从图17B可知在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上感应的磁化M_x非常小。进一步，如式(6-2)所示，在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上将比阈值磁场H_tmid小的磁场H_2xy外加在中间方向上。即如图19A所示，磁场H_2xy存在于非线性磁化区域中。因此，在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上感应的磁化M_xy非常小。

根据以上的研究，由于满足式(6-1)、(6-2)，可知下式(7)成立：

M_y/H_2y》M_x/H_2x(≈0)，

M_y/H_2y》M_xy/H_2xy(≈0)，    (7)

式(7)表示对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55的有效的磁化率χ_y(＝M_y/H_2y)，明显比对应选择存储单元以及位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55的有效的磁化率χ_xy(＝M_xy/H_2xy)、χ_x(＝M_x/H_2x)大。

在通过层叠亚铁磁性材料结构体55外加在磁阻元件45上的磁场，与在层叠亚铁磁性材料结构体55上感应的磁化的大小成比例。因此，式(7)表示在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上，将明显比对应选择存储单元以及位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55大的磁场外加在磁阻元件45上。此时，H_teasy、H_thard、H_tmid发挥作为阈值函数的功能。

如上所述，由层叠亚铁磁性材料结构体55外加在磁阻元件45上的磁场，在减弱由写入电流Ix、Iy外加在磁阻元件45上的磁场的方向上作用，因此如图20所示，外加在字线选择位线未选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场H_us1比外加在选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场H_s明显减弱。由此，有效提高对字线选择位线未选择存储单元的选择存储单元的选择性。但是，根据上述的提高选择性的原理分析可知，在第2实施例的MRAM中，不能提高对位线选择字线未选择存储单元的选择存储单元的选择性。

如上所述，在第2实施例的MRAM中，外加在字线选择位线未选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场，与外加在选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场相比明显减弱。由此，相对提高了对字线选择位线未选择存储单元的选择存储单元的选择性。

在第2实施例中，由于层叠亚铁磁性材料结构体55的长轴与Y轴方向平行，在对位线选择字线未选择存储单元的选择存储单元的选择性变化时，也能提高对字线选择位线未选择存储单元的选择存储单元的选择性。但是，如本实施例所述，优选层叠亚铁磁性材料结构体55的长轴与X轴方向平行。如上所述，磁阻元件45的引脚层26和自由层28的自发磁化朝向X轴方向。将引脚层26和自由层28的自发磁化朝向X轴方向，在MRAM的制造工序的过程中，通过将外部磁场外加在X轴方向上而进行。对X轴方向的外部磁场的外加，在层叠亚铁磁性材料结构体55上付与X轴方向的各向异性，层叠亚铁磁性材料结构体55的容易轴方向的磁场-磁化特性接近图14B所示的理想的特性。这非常适于提高对字线选择位线未选择存储单元的选择存储单元的选择性。

(第3实施例)

接着，参照图21和图22，对本发明的第3实施例的MRAM进行说明。第3实施例的MRAM，如图21以及图22所示，改变了磁阻元件45和层叠亚铁磁性材料结构体55的设置。如图21所示，在存储单元42的剖面结构中，将磁阻元件45和层叠亚铁磁性材料结构体55的位置进行交换。进一步，如图22所示，层叠亚铁磁性材料结构体55实质上具有椭圆的平面形状。层叠亚铁磁性材料结构体55的长轴对X轴只倾斜角θ。θ为典型的45°。第3实施例的MRAM的其它部分的结构与第2实施例相同。第3实施例的MRAM电路与在图14中所示的第2实施例的MRAM电路相同。如图23A到23C所示，由于层叠亚铁磁性材料结构体55对X轴只倾斜角θ，所以层叠亚铁磁性材料结构体55的容易轴方向以及难轴方向也只倾斜角θ。层叠亚铁磁性材料结构体55的容易轴方向是对+X方向形成角θ的方向，层叠亚铁磁性材料结构体55的难轴方向是对+Y方向形成角θ的方向。在此，在图23A到23C中所示的H_x是+X方向的磁场，H_y是+Y方向的磁场，H_easy是容易轴方向的磁场，H_hand是难轴方向的磁场。层叠亚铁磁性材料结构体55，在容易轴方向上外加磁场时，阈值磁场H_t变为最大，在难轴方向上外加磁场时，阈值磁场H_t实质上为零。与第2实施例相同，层叠亚铁磁性材料结构体55如从图17A到17C中所示，对容易轴方向、难轴方向以及中间方向表示不同的磁场-磁化特性。

利用这种层叠亚铁磁性材料结构体55的特性，在第3实施例的MRAM的写入动作中，提高对字线选择位线未选择存储单元和位线选择字线未选择存储单元的两方的选择存储单元的选择性。

在第3实施例的MRAM中，按照满足下述的任一个条件的方式，在选择字线以及选择位线上分别流过写入电流Ix以及Iy。

条件A：

在选择字线上，流过+X方向的写入电流Ix。

在选择位线上，流过+Y方向的写入电流Iy。

条件B：

在选择字线上，流过-X方向的写入电流Ix。

在选择位线上，流过-Y方向的写入电流Iy。

根据写入的数据决定选择条件A、B中的哪一个。在本实施例中，在将“0”写入到选择存储单元上的情况下，选择条件A；在将“1”写入到选择存储单元上的情况下，选择条件B。由流过写入电流Ix以及写入电流Iy，在字线选择位线未选择存储单元、位线选择字线未选择存储单元以及选择存储单元所包括的磁阻元件45上外加磁场。如第2实施例所说明过的那样，由于将磁阻元件45和层叠亚铁磁性材料结构体55设置在字线43和位线44之间，所以层叠亚铁磁性材料结构体55，在流过写入电流Ix以及写入电流Iy时，具有减弱外加在字线选择位线未选择存储单元、位线选择字线未选择存储单元以及选择存储单元的磁阻元件45上的磁场的作用。

在第3实施例的MRAM中，利用上述的层叠亚铁磁性材料结构体55的磁场-磁化特性，在字线选择位线未选择存储单元以及位线选择字线未选择存储单元所包括的磁阻元件45上外加磁场。此时的磁场，与外加在选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场相比明显减弱。这种动作可有效提高对字线选择位线未选择存储单元以及位线选择字线未选择存储单元的两方的选择存储单元的选择性。以下，详细说明利用层叠亚铁磁性材料结构体55的磁场-磁化特性，提高选择存储单元的选择性。

以下对将“0”写入选择存储单元的情况进行说明。在将“0”写入选择存储单元的情况下，根据+X方向的写入电流Ix，在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上外加+Y方向的磁场H_2y。如图23B所示，磁场H_2y朝向容易轴方向和难轴方向之间的中间方向。进一步，根据+Y方向的写入电流Iy，在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上外加+X方向的磁场H_2x。如图23C所示，磁场H_2x朝向容易轴方向和难轴方向之间的中间方向。在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上，外加+X方向的磁场H_2x和+Y方向的磁场H_2y的合成磁场H_2xy。写入电流Ix和写入电流Iy的大小，按照外加在对应选择存储单元的磁阻元件55上的合成磁场H_2xy的方向和磁阻元件55的容易轴方向实质上相同的方式，即按照合成磁场H_2xy实质上朝向与X轴方向形成角θ方向的方式决定。

由此在决定写入电流Ix和写入电流Iy的大小的情况下，如图23A所示，在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上外加朝向容易轴方向的合成磁场H_2xy。因此，对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55表示在图17B中所示的磁场-磁化特性。另一方面，在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上只外加中间方向的磁场H_2y。因此，对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55，表示在图17C中所示的磁场-磁化特性。

同样，在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上只外加中间方向的磁场H_2x。因此，对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55，表示在图17C中表示的磁场-磁化特性。此时，为了提高选择存储单元的选择性，写入电流Ix和写入电流Iy按照满足下述条件(8-1)、(8-2)、(8-3)的方式而被决定。

H_2x＞H_tx        (8-1)

H_2y＞H_ty        (8-2)

H_2xy＜H_teasy    (8-3)

式中，H_teasy是对容易轴方向的阈值，H_tx是对磁场H_2x的方向(中间方向)的阈值，H_ty是对磁场H_2y的方向(中间方向)的阈值。虽然合成磁场H_2xy的大小比磁场H_2x以及磁场H_2y的大小大，但由于对容易轴方向的阈值磁场H_teasy比对中间方向的阈值磁场H_tx、H_ty更大，所以可按照满足式(8-1)～(8-3)的方式决定写入电流Ix和写入电流Iy。

根据式(8-1)，在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上，将比阈值磁场H_tx大的磁场H_2x外加在中间方向上。即如图23C所示，磁场H_2x存在于线性磁化区域。因此，根据图17C可知，在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上生成对磁场H_2x线性增加的磁化M_x。

同样，根据式(8-2)，在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上，将比阈值磁场H_ty大的磁场H_2y外加在中间方向上。即，如图23B所示，磁场H_2x存在于线性磁化区域。因此，从图14C可知，在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上感应对磁场H_2y线性增加的磁化M_y。

另一方面，如式(8-3)所示，在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上，在容易轴方向上外加比阈值磁场H_teasy小的合成磁场H_2xy。即如图23A所示，合成磁场H_2xy存在于非线性磁化区域。因此在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上感应的磁化M_xy非常小。

根据以上的研究，由满足式(8-1)～(8-3)，可知下述式(9)成立。

M_x/H_2x》M_xy/H_2xy(≈0)，

M_y/H_2y》M_xy/H_2xy(≈0)，    (9)

式(9)表示分别对应位线选择字线未选择存储单元和字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55的有效的磁化率χ_x(＝M_x/H_2x)、χ_y(＝M_y/H_2y)明显比对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55的有效磁化率χ_xy(＝M_xy/H_2xy)大。

由于层叠亚铁磁性材料结构体55外加在磁阻元件45上的磁场，因为与在层叠亚铁磁性材料结构体55上感应的磁化的大小成比例，所以式(9)表示分别对应位线选择字线未选择存储单元和字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55将明显比对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55大的磁场外加在磁阻元件45上。

如上所述，由层叠亚铁磁性材料结构体55外加在磁阻元件45上的磁场，在减弱由写入电流Ix、Iy外加在磁阻元件45上的磁场的方向上作用。因此，如图24A所示，外加在字线选择位线未选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场H_us1和外加在位线选择字线未选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场H_us2，与外加在选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场H_s相比明显减弱。

关于在选择存储单元上写入“0”的情况，通过进行与在选择存储单元上写入“0”的情况相同的研究，如图24B所示，可知外加在字线选择位线未选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场H_us1和外加在位线选择字线未选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场H_us2，与外加在选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场H_s相比明显减弱。

如上所述，在第3实施例中外加在字线选择位线未选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场H_us1和外加在位线选择字线未选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场H_us2，与外加在选择存储单元所包括的磁阻元件45上的磁场H_s相比明显减弱。由此，有效提高了选择存储单元的选择性。

在第3实施例中，不需要外加在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上的合成磁场H_2xy的方向与容易轴的方向完全相同。合成磁场H_2xy的方向也可朝向中间方向。但是，合成磁场H_2xy的方向要求比磁场H_2x以及磁场H_2y的方向更接近容易轴。进一步，合成磁场H_2xy要求满足代替式(8-3)的式(8-3)’：

H_2xy＜H_txy    (8-3)’

式中，H_txy是有关合成磁场H_2xy的方向的层叠亚铁磁性材料结构体55的阈值。式(8-3)表示合成磁场H_2xy存在于非线性磁化区域，因此在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上感应的磁化M_xy小。

(第4实施例)

图25表示本发明的第4实施例的MRAM的剖面结构。第4实施例的MRAM与第1实施例相同，在各存储单元2上具有设置MOS晶体管6的结构，第4实施例的MRAM的电路结构与在图4中表示的第1实施例中的电路结构相同。第4实施例的MRAM与第1实施例的MRAM在下述方面不同：将在图5中所示的第1实施例的MRAM的层叠亚铁磁性材料结构体30置换为第2实施例以及第3实施例的层叠亚铁磁性材料结构体55。相对第1实施例的层叠亚铁磁性材料结构体30在xy平面上具有各向同性的特性，在第4实施例中所使用的层叠亚铁磁性材料结构体55，如图26所示，实质上具有椭圆的平面形状，在X-Y平面上具有各向异性的特性。与第3实施例相同，层叠亚铁磁性材料结构体55的长轴对X轴只倾斜角θ。θ为典型的45°。由于层叠亚铁磁性材料结构体55对X轴只倾斜角θ，所以层叠亚铁磁性材料结构体55的容易轴方向以及难轴方向也只倾斜角θ。层叠亚铁磁性材料结构体55的容易轴方向是对+X方向形成角θ的方向，层叠亚铁磁性材料结构体55的难轴方向是对+Y方向形成角θ的方向。

在第4实施例的MRAM中，利用层叠亚铁磁性材料结构体55的特性，选择性增强外加在选择存储单元的磁阻元件7上的磁场，由此提高了选择存储单元的选择性。以下，说明其详细内容。

第4实施例的MRAM的数据的写入与第1实施例相同，通过在选择写入字线上流过写入电流Ix，在选择位线上流过写入电流Iy而进行。通过流过写入电流Ix、写入电流Iy，在选择存储单元、字线选择位线未选择存储单元以及位线选择字线未选择存储单元所包括的磁阻元件7上外加磁场。通过流过写入电流Ix以及写入电流Iy，在层叠亚铁磁性材料结构体55上外加磁场，感应磁化。第4实施例的MRAM与第1实施例相同，将写入字线3和位线5设置在层叠亚铁磁性材料结构体55和磁阻元件7之间，在层叠亚铁磁性材料结构体55上感应的磁化起增强外加在磁阻元件7上磁场的作用。

图27A表示外加在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上的合成磁场H_2xy，图27B表示外加在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上的磁场H_2x，图27C表示外加在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上的磁场H_2y。合成磁场H_2xy是磁场H_2x和磁场H_2y的合成磁场。

如图27A所示，写入电流Ix和写入电流Iy的大小，按照外加在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上的合成磁场H_2xy实质上与层叠亚铁磁性材料结构体55的难轴方向相同的方式设定。由于在难轴方向上阈值磁场H_t为0，所以合成磁场H_2xy存在于线性磁化区域中。对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55表示在图17A中所示的磁化-磁场特性，在对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上，由合成磁场H_2xy感应较大的磁化M_xy。

进一步，写入电流Ix和写入电流Iy的大小，按照外加在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上的磁场H_2x和外加在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上的磁场H_2y满足下述条件(10-1)、(10-2)的方式进行选择：

H_2x＜H_tx    (10-1)

H_2y＜H_ty    (10-2)

式中，H_tx是关于磁场H_2x的方向(中间方向)的阈值，H_ty是关于磁场H_2y的方向(中间方向)的阈值。

根据式(10-1)，在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上，将比阈值磁场H_tx小的磁场H_2x外加在中间方向上。即如图27B所示，磁场H_2x存在于非线性磁化区域中。因此，从图17C可知，在对应位线选择字线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上感应的磁化M_x非常小。

同样，根据式(10-2)，在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上，将比阈值磁场H_ty小的磁场H_2y外加在中间方向上。即如图27C所示，磁场H_2y存在于非线性磁化区域中。因此，从图17C可知，在对应字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55上感应的磁化M_y非常小。

根据以上的分析，由于满足式(10-1)、(10-2)，可知下述式(11)成立：

M_xy/H_2xy》M_x/H_2x(≈0)，

M_xy/H_2xy》M_y/H_2y(≈0)，    (11)

式(11)表示对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55的有效磁化率χ_xy(＝M_xy/H_2xy)明显比分别对应位线选择字线未选择存储单元和字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55的有效的磁化率χ_x(＝M_x/H_2x)、χ_y(＝M_y/H_2y)更大。

由于层叠亚铁磁性材料结构体55外加在磁阻元件7上的磁场与在层叠亚铁磁性材料结构体55上感应的磁化的大小成比例，所以式(11)表示对应选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55将明显比分别对应位线选择字线未选择存储单元和字线选择位线未选择存储单元的层叠亚铁磁性材料结构体55更大的磁场外加在磁阻元件7上。

如上所述，将由层叠亚铁磁性材料结构体55外加在磁阻元件7上的磁场，在增强由写入电流Ix、Iy外加在磁阻元件7上的磁场的方向上生成。因此，如图27A到27C所示，外加在选择存储单元所包括的磁阻元件7上的磁场H_s，与外加在字线选择位线未选择存储单元所包括的磁阻元件7上的磁场H_us1和外加在位线选择字线未选择存储单元所包括的磁阻元件7上的磁场H_us2相比明显增强。由此，有效提高了选择存储单元的选择性。

在特开2002-110938号公报中所述的现有的MRAM中，由包括含有钴的高饱和磁化软磁性材料以及金属-非金属纳米粒状膜中的任意一个的磁性膜将字线或位线除去一面而围起来。该现有的MRAM，只不过是以增强磁场为重点。此外，虽然讲述了如果不用上述的磁性膜而采用强磁性膜/非磁性层/强磁性层的三层膜，在这些强磁性层之间介由非磁性层进行反强磁性的相互作用，但是没有对其结构和作用的进行详细记载。假设三层膜按照将字线或位线除去一面围起来的方式形成。此外，没有进行对三层膜的磁化阈值的用法以及其磁化强度的关系的研究。在本发明中，通过对该关系的研究，提供一种提高选择存储单元的选择性，使MRAM的写入动作稳定化的技术。

Claims (32)

1、一种磁随机存取存储器，其特征在于，具备：

多条第1信号线，其按照在第1方向上延伸的方式设定；

多条第2信号线，其按照在与所述第1方向垂直的第2方向上延伸的方式设定；

多个存储单元，其被分别设置在所述多条第1信号线和所述多条第2信号线之间的交叉点上；

多个磁性材料结构体，其分别对所述多个存储单元设置，

其中，

所述多个存储单元的每一个，具有磁阻元件，该磁阻元件包括具有第1阈值函数的自发磁化层，所述自发磁化层的方向在外加具有所述第1阈值函数值以上强度的元件外加磁场时反转，

所述多个磁性材料结构体的每一个，具有第2阈值函数，响应结构体外加磁场生成磁性材料结构体磁场，在所述结构体外加磁场具有第2阈值函数值以上的强度时，作为所述磁性材料结构体磁场生成第1结构体磁场，在所述结构体外加磁场具有未达到所述第2阈值函数值的强度时，作为所述磁性材料结构体磁场，生成比所述第1结构体磁场弱的第2结构体磁场，

在作为第1选择信号线的所述多条第1信号线中的一条上流过第1写入电流生成第1磁场，在作为第2选择信号线的所述多条第2信号线中的一条上流过第2写入电流生成第2磁场，将所述第1磁场和所述第2磁场之间的第1合成磁场，作为所述结构体外加磁场，外加在所述磁性材料结构体上，

对设置在所述第1选择信号线和所述第2选择信号线的交叉点上的作为所述多个存储单元的一个的选择存储单元，外加具有所述第1阈值函数值以上的强度的所述元件外加磁场；在所述选择存储单元以外的未选择存储单元的每一个上，外加具有未达到所述第1阈值函数值的强度的所述元件外加磁场，由此作为所述元件外加磁场，生成所述第1合成磁场和所述磁性材料结构体磁场之间的第2合成磁场。

2、根据权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述多个磁性材料结构体的每一个具备：

由强磁性材料形成的第1磁性层；

由强磁性材料形成的第2磁性层；

和在所述第1磁性层和所述第2磁性层之间设置的非磁性层。

3、根据权利要求2所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述非磁性层具有使得所述第1磁性层和所述第2磁性层反强磁性耦合的膜厚。

4、根据权利要求3所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述第2阈值函数基于所述非磁性层的膜厚而决定。

5、根据权利要求2～4中的任一项所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

在没有外加所述结构体外加磁场时，由所述磁性材料结构体生成的磁性材料结构体磁场的强度为“0”。

6、根据权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

在将所述第1写入电流供给到所述第1选择信号线，将所述第2写入电流供给到所述第2选择信号线时，强度比所述第2阈值函数值大的所述第1合成磁场，作为所述结构体外加磁场外加在对应所述选择存储单元的所述磁性材料结构体上，并且对应所述选择存储单元的所述磁性材料结构体，作为所述磁性材料结构体磁场，生成第1结构体磁场，以便将所述第1合成磁场和所述第1结构体磁场的第2合成磁场，作为具有所述第1阈值函数值以上的强度的所述元件外加磁场，外加在所述选择存储单元的所述磁阻元件上；

具有未达到所述第2阈值函数值的强度的所述第1合成磁场，作为所述结构体外加磁场，外加在对应所述未选择存储单元的每一个的所述磁性材料结构体上，并且对应所述未选择存储单元的所述磁性材料结构体，作为所述磁性材料结构体磁场，生成有第2结构体磁场，由此将所述第1合成磁场和所述第2结构体磁场的第2合成磁场，作为具有未达到所述第1阈值函数值的强度的所述元件外加磁场，外加在所述选择存储单元的所述磁阻元件上。

7、根据权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

在将所述第1写入电流供给到所述第1选择信号线，将所述第2写入电流供给到所述第2选择信号线时，具有未达到所述第2阈值函数值的强度的所述第1合成磁场，作为所述结构体外加磁场，外加在对应所述选择存储单元的所述磁性材料结构体上，并且对应所述选择存储单元的所述磁性材料结构体，作为所述磁性材料结构体磁场，生成所述第2结构体磁场，以便将所述第1合成磁场和所述第2结构体磁场的合成磁场，作为具有所述第1阈值函数值以上的强度的所述元件外加磁场，外加在所述选择存储单元的所述磁阻元件上；

具有所述第2阈值函数值以上的强度的所述第1合成磁场，作为所述结构体外加磁场，外加在对应所述未选择存储单元的每一个的所述磁性材料结构体上，并且对应所述未选择存储单元的所述磁性材料结构体，作为所述磁性材料结构体磁场，生成第1结构体磁场，以便将所述第1合成磁场和所述第1结构体磁场的合成磁场，作为具有未达到所述第1阈值函数值的强度的所述元件外加磁场，外加在所述选择存储单元的所述磁阻元件上。

8、根据权利要求6所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

将所述第1信号线和所述第2信号线，设置在所述多个存储单元中的对应的存储单元和对应该存储单元的所述磁性材料结构体之间；

将所述磁性材料结构体直接或间接设置在所述第1信号线上。

9、根据权利要求7所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

将所述多个存储单元的每一个和与该存储单元相对应且位于该存储单元之上或之下的所述磁性材料结构体，设置在对应所述存储单元的所述第1信号线和对应所述存储单元的所述第2信号线之间。

10、根据权利要求6或8所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述磁性材料结构体具有圆形的平面结构。

11、根据权利要求6所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述磁性材料结构体具有椭圆形的平面结构。

12、根据权利要求11所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述磁性材料结构体的所述椭圆形的长轴，朝向除所述第1方向和所述第2方向以外的方向。

13、根据权利要求12所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述磁性材料结构体的所述椭圆形的长轴，朝向相对于所述第1方向和所述第2方向中的每一个呈45°的方向。

14、一种磁随机存取存储器，其特征在于，具备：

多条第1信号线，其按照在第1方向上延伸的方式设定；

多条第2信号线，其按照在与所述第1方向垂直的第2方向上延伸的方式设定；

多个存储单元，其分别包括具有根据存储的数据将磁化方向反转的自发磁化的磁阻元件，分别设置在所述多条第1信号线和所述多条第2信号线交叉位置的每一个上；和

多个磁性材料结构体，其对所述多个存储单元的每一个设置，根据感应的磁化，在对应的所述存储单元所包括的所述磁阻元件上外加磁场；

其中，

在所述多个存储单元中，将对应从所述多条第1信号线中选择的第1选择信号线和从所述多条第2信号线中选择的第2选择信号线交叉的交点而设置的存储单元作为选择存储单元；

在所述多个存储单元中，将对应所述选择存储单元的磁性材料结构体作为选择磁性材料结构体；

在与所述第1选择信号线交叉的所述多个存储单元中，将所述选择存储单元以外的存储单元作为第1未选择存储单元；

在所述多个磁性材料结构体中，将对应所述第1未选择存储单元的磁性材料结构体作为第1未选择磁性材料结构体时，

由在写入动作时流过所述第1选择信号线的第1写入电流、和在所述写入动作时流过所述第2选择信号线的第2写入电流，外加在所述选择磁性材料结构体上的合成磁场H_xy，和由所述合成磁场H_xy在所述选择磁性材料结构体上感应的磁化M_xy，和在所述写入动作时由所述第1写入电流外加在所述第1未选择磁性材料结构体上的磁场H_y，和由所述磁场H_y在所述第1未选择磁性材料结构体上感应的磁化M_y满足下述关系：

M_xy/H_xy≠M_y/H_y。

15、根据权利要求14所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

在与所述第2选择信号线交叉的所述多个存储单元中，将所述选择存储单元以外的存储单元作为第2未选择存储单元；

在所述多个磁性材料结构体中，将对应所述第2未选择存储单元的磁性材料结构体作为第2未选择磁性材料结构体时，

所述合成磁场H_xy、所述磁化M_xy、在所述写入动作时由所述第2写入电流外加在所述第2未选择磁性材料结构体上的磁场H_x、由所述磁场H_x在所述第2未选择磁性材料结构体上感应的磁化M_x满足下述关系：

M_xy/H_xy≠M_x/H_x。

16、根据权利要求14所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

将所述多个磁性材料结构体设置在如下的位置上：在由所述第1写入电流和所述第2写入电流外加在所述选择存储单元所包括的所述磁阻元件上的磁场、和由所述第1写入电流外加在所述第1未选择存储单元所包括的所述磁阻元件上的磁场增强的方向上感应出的所述磁化M_xy和所述磁场M_y的位置；

所述磁场H_y、所述合成磁场H_xy、所述磁化M_y以及所述磁化M_xy满足：M_xy/H_xy＞M_y/H_y。

17、根据权利要求14所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

将所述第1信号线和所述第2信号线设置在所述多个磁性材料结构体和所述多个存储单元之间；

所述磁场H_y、所述合成磁场H_xy、所述磁化M_y以及所述磁化M_xy满足：M_xy/H_xy＞M_y/H_y。

18、根据权利要求17所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

在所述第2选择信号线交叉的所述多个存储单元中，将所述选择存储单元以外的存储单元作为第2未选择存储单元；

在所述多个磁性材料结构体中，将对应所述第2未选择存储单元的磁性材料结构体作为第2未选择磁性材料结构体时，

所述合成磁场Hxy、所述磁化Mxy、在所述写入动作时由所述第2写入电流外加在所述第2未选择磁性材料结构体上的磁场Hx、由所述磁场Hx在所述第2未选择磁性材料结构体上感应的磁化Mx满足：

M_xy/H_xy＞M_x/H_x。

19、根据权利要求14所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

将所述多个磁性材料结构体设置在如下的位置上：在由所述第1写入电流和所述第2写入电流外加在所述选择存储单元所包括的所述磁阻元件上的磁场、和由所述第1写入电流外加在所述第1未选择存储单元所包括的所述磁阻元件上的磁场减弱的方向上感应所述磁化M_xy和所述磁场M_y的位置；

所述磁场H_y、所述合成磁场H_xy、所述磁化M_y以及所述磁化M_xy满足：M_xy/H_xy＜M_y/H_y。

20、根据权利要求14所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

将所述多个磁性材料结构体和所述多个存储单元位于所述第1信号线和所述第2信号线之间；

所述磁场H_y、所述合成磁场H_xy、所述磁化M_y以及所述磁化M_xy满足：M_xy/H_xy＜M_y/H_y。

21、根据权利要求20所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

在所述第2选择信号线交叉的所述多个存储单元中，将所述选择存储单元以外的存储单元作为第2未选择存储单元；

在所述多个磁性材料结构体中，将对应所述第2未选择存储单元的磁性材料结构体作为第2未选择磁性材料结构体时，

所述合成磁场H_xy、所述磁化M_xy、在所述写入动作时由所述第2写入电流外加在所述第2未选择磁性材料结构体上的磁场H_x、由所述磁场H_x在所述第2未选择磁性材料结构体上感应的磁化M_x满足：

M_xy/H_xy＜M_x/H_x。

22、根据权利要求14所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述多个磁性材料结构体的每一个是包括下述结构的层叠亚铁磁性材料结构体：

由强磁性材料形成的第1磁性层；

由强磁性材料形成的第2磁性层；和

非磁性层，其被设置在所述第1磁性层和第2磁性层之间，具有所述第1磁性层和所述第2磁性层反强磁性耦合的膜厚。

23、根据权利要求16所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述多个磁性材料结构体的每一个是包括下述结构的层叠亚铁磁性材料结构体：

由强磁性材料形成的第1磁性层；

由强磁性材料形成的第2磁性层；和

非磁性层，其被设置在所述第1磁性层和第2磁性层之间，具有所述第1磁性层和所述第2磁性层反强磁性耦合的膜厚，

其中，

所述合成磁场H_xy，比在所述合成磁场H_xy的方向中的所述层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_txy更大，

所述磁场H_y，比在所述磁场H_y的方向中的所述层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_ty更小。

24、根据权利要求18所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述多个磁性材料结构体的每一个是包括下述结构的层叠亚铁磁性材料结构体：

由强磁性材料形成的第1磁性层；

由强磁性材料形成的第2磁性层；和

非磁性层，其被设置在所述第1磁性层和第2磁性层之间，具有所述第1磁性层和所述第2磁性层反强磁性耦合的膜厚，

其中，

所述合成磁场H_xy，比在所述合成磁场H_xy的方向中的所述层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_txy更大；

所述磁场H_x，比在所述磁场H_x的方向中的所述层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_tx更小；

所述磁场H_y，比在所述磁场H_y的方向中的所述层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_ty更小。

25、根据权利要求24所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

在所述磁阻元件上，按照所述磁阻元件所具有的自发磁化的方向与所述第1方向相同的方式付与各向异性；

在所述层叠亚铁磁性材料结构体上，按照所述第1磁性层和所述第2磁性层所具有的自发磁化的方向朝向与所述第1方向不垂直的第3方向的方式付与各向异性。

26、根据权利要求25中所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述第1方向和所述第3方向形成的角度为45°。

27、根据权利要求25中所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述合成磁场H_xy的方向相对所述第3方向垂直。

28、根据权利要求19所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述多个磁性材料结构体的每一个是包括下述结构的层叠亚铁磁性材料结构体：

由强磁性材料形成的第1磁性层；

由强磁性材料形成的第2磁性层；和

非磁性层，其被设置在所述第1磁性层和第2磁性层之间，具有所述第1磁性层和所述第2磁性层反强磁性耦合的膜厚，

其中，

所述合成磁场H_xy比在所述合成磁场H_xy的方向中的所述层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_txy更小；

所述磁场H_y比在所述磁场H_y的方向中的所述层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_ty更大。

29、根据权利要求28所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

在所述磁阻元件上，按照所述磁阻元件所具有的自发磁化的方向与所述第1方向相同的方式付与各向异性；

在所述层叠亚铁磁性材料结构体上，按照所述第1磁性层和所述第2磁性层所具有的自发磁化的方向与所述第1方向相同的方式付与各向异性。

30、根据权利要求21所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述多个磁性材料结构体的每一个是包括下述结构的层叠亚铁磁性材料结构体：

由强磁性材料形成的第1磁性层；

由强磁性材料形成的第2磁性层；和

非磁性层，其被设置在所述第1磁性层和第2磁性层之间，具有所述

第1磁性层和所述第2磁性层反强磁性耦合的膜厚，

其中，

所述合成磁场H_xy比在所述合成磁场H_xy的方向中的所述层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_txy更小；

所述磁场H_x比在所述磁场H_x的方向中的所述层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_tx更大；

所述磁场H_y比在所述磁场H_y的方向中的所述层叠亚铁磁性材料结构体的阈值磁场H_ty更大。

31、根据权利要求30所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

在所述磁阻元件上，按照所述磁阻元件所具有的自发磁化的方向与所述第1方向相同的方式付与各向异性；

在所述层叠亚铁磁性材料结构体上，按照所述第1磁性层和所述第2磁性层具有的自发磁化的方向朝向与所述第1方向不垂直的第3方向的方式付与各向异性。

32、根据权利要求21所述的磁随机存取存储器，其特征在于，

所述合成磁场H_xy的方向与所述第3方向相同。

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