磁存储器、半导体装置、电子设备和读取磁存储器的方法与流程

本公开涉及一种磁存储器、半导体装置、电子设备和读取磁存储器的方法。

背景技术：

随着从大容量服务器到移动终端的各种信息装置的迅速发展，在元件例如构成各种信息装置的存储器和逻辑电路中追求更高的性能，例如更高的集成、更高的速度和更低的功耗。特别是，非易失性半导体存储器的进展是显著的。例如，作为大容量文件存储器的快闪存储器正在广泛地被使用并且几乎排除了硬盘驱动器。另一方面，考虑到对于代码存储和工作存储器的应用，已经开发了各种类型的半导体存储器，例如铁电随机存取存储器(feram)、磁性随机存取存储器(mram)、和相变随机存取存储器(pcram)，以替换当前通常使用的nor快闪存储器、动态随机存取存储器(dram)等等。请注意，这些中的一些已经投入实际使用。

以上中的一种，mram，利用通过改变mram的磁存储元件的磁体的磁化状态引起的电阻变化而存储信息。因此，可以通过确定由磁化状态的变化确定的磁存储元件的电阻状态(具体地，磁存储元件的电阻的大小)来读取存储的信息。此种mram能够高速运行，可以几乎无限地进行重写(超过1015次)，并且具有高可靠性，因此mram已经被用于例如工业自动化和飞行器等领域。此外，由于其高速的运行和高可靠性，mram预期在未来发展为代码存储器和工作存储器。

此外，在mram中，使用自旋转矩磁化反转将磁体的磁化反转的mram具有以上优点例如高速运行，并且可以实现低电耗和大容量，因此具有更高的期待值。请注意，这种使用自旋转矩磁化反转的mram被称为自旋转移扭矩磁性随机存取存储器(stt-mram)(自旋注入型mram)。

此外，为了提高存储容量，换言之提高容量，正在考虑stt-mram的高密度化。实现高密度化的一种方法是将多个磁存储元件放在一个存储单元中并且将多级信息存储在一个存储单元中。例如，如以下专利文献1中所公开，可能提及了其中相对于基板垂直堆叠的两个磁存储元件在一个存储单元中串联电连接的结构。此外，以下专利文献2公开了读取存储多级信息的存储单元的方法。

在写入其中如上所述的多个磁存储元件布置在一个存储单元中并且多级信息被存储在一个存储单元中的磁存储器时，可以将一个存储单元在包括的两个不同的磁存储元件放入两种电阻状态中(高电阻状态和低电阻状态)。例如，在一个存储单元中，存在四种电阻状态(例如，ra+rb、ra+rb+δrb、ra+rb+δra和ra+rb+δra+δrb四种)的组合，并且在读取存储单元时，通过确定四种电阻状态来读取存储的信息。

引用目录

专利文献

专利文献1：日本专利申请特许公开号2005-310829

专利文献2：国际公开2011/135984

非专利文献

非专利文献1：s.mangin等人，naturematerials，vol.5march2006，p.210

技术实现要素：

本发明待解决的问题

在读取其中如上所述的多个磁存储元件布置在一个存储单元中并且多级信息存储在一个存储单元中的磁存储器时，在通过与单比特磁存储器类似的方式执行读取的情况下，读裕度降低。详细地，在上述存储单元读取中，必须分辨它是四种电阻状态(例如，ra+rb、ra+rb+δrb、ra+rb+δra和ra+rb+δra+δrb四种)中相邻电阻状态中的任一种。然而，四种电阻状态的电阻值之间的差值小于在一个存储单元中具有一个磁存储元件的单比特磁存储器中两种电阻状态的电阻值之间的差值，因此读裕度降低。当读裕度降低时，由于制造变化等等，变得难以确定存储多级信息的磁存储器的电阻状态，并且容易发生读取误差或发生不能从中读取信息的大量缺损存储单元。因此，在存储多级信息的磁存储器中，已经需要在充足地保证读裕度的同时能够读取的读取方法。

所以，本公开提议一种新型和改进的磁存储器、半导体装置、电子设备和磁存储器的读取方法，其在充足地保证存储多级信息的磁存储器的读裕度的同时能够进行读取。

解决方案

根据本公开，提供了一种磁存储器，其包括：第一磁存储元件和第二磁存储元件，其设置在彼此交叉的第一配线和第二配线之间，并且串联地电连接；第三配线，其在所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件之间电连接；第一确定单元，其基于通过所述第三配线流过所述第一磁存储元件的电流来确定所述第一磁存储元件的磁化状态；和第二确定单元，其基于通过所述第一配线流过所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件的电流来确定所述第二磁存储元件的磁化状态，其中基于所述第一确定单元的确定结果改变所述第二确定单元的确定状态。

此外，根据本公开，提供了一种半导体装置，其包括：磁存储器，其包括在磁体的磁化状态下保持信息的多个磁存储元件，和运算装置，其设置在与所述磁存储器相同的芯片上，所述磁存储器包括：第一磁存储元件和第二磁存储元件，其设置在彼此交叉的第一配线和第二配线之间，并且串联地电连接；第三配线，其在所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件之间电连接；第一确定单元，其基于通过所述第三配线流过所述第一磁存储元件的电流来确定所述第一磁存储元件的磁化状态；和第二确定单元，其基于通过所述第一配线流过所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件的电流来确定所述第二磁存储元件的磁化状态，其中基于所述第一确定单元的确定结果改变所述第二确定单元的确定状态。

此外，根据本公开，提供了一种电子设备，其包括：磁存储器，其包括在磁体的磁化状态下保持信息的多个磁存储元件，所述磁存储器包括：第一磁存储元件和第二磁存储元件，其设置在彼此交叉的第一配线和第二配线之间，并且串联地电连接；第三配线，其在所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件之间电连接；第一确定单元，其基于通过所述第三配线流过所述第一磁存储元件的电流来确定所述第一磁存储元件的磁化状态；和第二确定单元，其基于通过所述第一配线流过所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件的电流来确定所述第二磁存储元件的磁化状态，其中基于所述第一确定单元的确定结果改变所述第二确定单元的确定状态。

此外，根据本公开，提供了一种读取磁存储器的方法，其包括：所述磁存储器包括在磁体的磁化状态下保持信息的多个磁存储元件，所述磁存储器包括：第一磁存储元件和第二磁存储元件，其设置在彼此交叉的第一配线和第二配线之间，并且串联地电连接；第三配线，其在所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件之间电连接；第一确定单元，其确定所述第一磁存储元件的磁化状态；和第二确定单元，其确定所述第二磁存储元件的磁化状态，所述方法包括通过所述第一确定单元基于通过所述第三配线流过所述第一磁存储元件的电流来确定所述第一磁存储元件的磁化状态，基于所述第一确定单元的确定结果改变所述第二确定单元的确定状态，和通过所述第二确定单元基于通过所述第一配线流过所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件的电流来确定所述第二磁存储元件的磁化状态。

本发明的效果

如上所述，根据本公开，在存储多级信息的磁存储器中，可以在充足地保证读裕度的同时执行读取。

请注意，如上所述的效果不一定是限制性的，本说明书中示出的任何效果或者能够从本说明书领会的其他效果可以与上述效果一同展示，或替代上述效果。

附图说明

图1是示意性地示出了根据本公开的实施方式的mtj元件10的堆栈式结构的示例的说明图；

图2是示意性地示出了根据本公开的实施方式的磁存储器1的示例的示意性结构图(透视图)；

图3是示意性地示出了根据本公开的实施方式的磁存储器1的示例的示意性结构图(剖视图)；

图4是示意性地示出了根据本公开的实施方式的磁存储器1的示例的电路图；

图5是示意性地示出了根据本公开的实施方式的磁存储器1的外围电路的示例的电路图；

图6是解释根据本公开的实施方式的读取磁存储器1的方法的示意图；

图7是示意性地示出了根据比较实施例的存储多级信息的磁存储器的示例的电路图；

图8是解释根据比较实施例的存储多级信息的磁存储器的电阻状态的示例的示意图；

图9是解释根据比较实施例的读取存储多级信息的磁存储器的示例的示意图。

具体实施方式

将参照附图具体描述本公开的优选实施方式。请注意，在本说明书和附图中，相同的参考数字被给予具有实质上相同功能结构的组成元件，并且省去多余的说明。

此外，在本说明书和附图中，具有实质上相同功能结构的多个组成元件可以通过在相同的参考数字后加上不同的字母来进行区分。例如，具有实质上相同功能结构或逻辑含义的多个结构根据需要被区分为mtj元件10a和mtj元件10b。然而，在不需要特别地区分具有实质上相同功能结构的多个组成元件的每一个的情况下，仅附加上相同的参考数字。例如，在不必特别区分mtj元件10a和mtj元件10b的情况下，它们的每一个仅被称为mtj元件10。

此外，本说明书中参考的附图是用于说明和增进对本公开的实施方式的理解的，并且为了清晰起见，附图中示出的形状、尺寸、比例等等可能与实际不同。此外，附图中示出的装置等等可以在考虑到以下描述和公知技术的情况下进行适当地设计和改变。此外，在下述描述中，磁存储器等等的堆栈式结构的垂直方向对应于配置有磁存储元件的基板的表面向上的情况下的相对方向，并且可能不同于根据真实的重力加速度的垂直方向。

此外，在以下描述中，当描述磁化方向(磁矩)和磁各向异性时，为方便起见，将使用术语例如"垂直方向"(垂直于薄膜表面的方向)和"面内方向"(平行于薄膜表面的方向)。然而，这些术语未必意味着确切的磁化方向。例如，措词例如"磁化方向为垂直方向"和具有垂直的磁各向异性"意思是垂直方向的磁化与面内方向的磁化相比占优势的状态。同样地，例如，措词例如"磁化方向为面内方向"或"具有面内的磁各向异性"意思是面内方向的磁化与垂直方向的磁化相比占优势的状态。

此外，在以下描述中，除非在电路中的描述中另做说明，"连接"意指多个元件电连接。此外，以下描述中的"连接"不仅包括多个元件的直接地电连接，还包括通过其他元件间接地电连接。

请注意，将按照以下顺序进行描述。

1.根据本公开的技术背景

1.1.stt-mram的概述

1.2.mtj元件的基本结构

1.3.有关写入和读取的机构

1.4.有关面内磁化和垂直磁化stt-mram

1.5.有关读取存储多级信息的存储单元的方法的检验

2.本公开的一个实施方式

2.1.磁存储器1的配置

2.2.读取方法

3.结论

4.补充

<<1.与本公开有关的技术背景>>

<1.1.stt-mram的概述>

首先，在描述本公开的实施方式之前，将描述本公开的技术背景。根据本公开的技术涉及stt-mram(自旋注入型mram)。

如上所述，根据磁体的磁化状态存储信息的mram可以高速运行，可以几乎无限地进行重写(超过1015次)，高度可靠，因此，mram已经被用于各种领域。在这种mram中，对于其中通过从配线生成的电流磁场将磁体的磁化反转的mram，由于磁化反转的方法，难以降低功耗和增加容量。这是因为，在利用通过使用来自配线的电流磁场而磁化反转的mram中，需要等于或大于预定阈值的电流来生成具有可以将磁体的磁化反转的强度的电流磁场，并且在写入时的功耗很可能增加。此外，在利用通过使用来自配线的电流磁场而磁化反转的mram中，由于针对各磁存储元件设置用于生成电流磁场的配线，所以对于磁存储元件的小型化存在限制。

所以，考虑通过使用来自配线的电流磁场以外的方法将磁体的磁化进行反转的mram。更准确地说，考虑其中使用自旋扭矩磁化反转来反转磁体的磁化的stt-mram。stt-mram具有mram的可以高速运行以及重写次数几乎无限的优点，并且可以用于实现较低功耗和较大容量，因此stt-mram具有高的期望值。

作为stt-mram的存储元件，使用磁性隧道结(mtj)元件(磁存储元件)。mtj元件主要包括固定层和包括磁体的存储层，以及设置在固定层和存储层之间的非磁性层。然后，当已经穿过在预定方向上固定的具有磁矩的磁体(固定层)的自旋极化电子进入另一个磁体(存储层)时，mtj元件利用通过施加扭矩到另一个磁体的磁矩而生成磁矩反转的事实来执行存储。详细地，等于或大于预定阈值的电流流动，并且通过自旋极化电子向其施加等于或大于预定阈值的扭矩的磁体的磁矩在平行于所施加的扭矩的方向上反转。请注意，可以通过改变流过磁体的电流的极性来控制磁矩的反转方向。此外，在mtj元件中，非磁性层中的电阻在固定层和存储层的磁矩的方向相同的平行状态下比两者磁矩的方向相反的非平行状态下更低，并且整个mtj元件的电阻是低的。所以，在mtj元件中，使用磁矩的状态(磁化状态)引起的电阻状态的差异来存储1/0信息。

对于大约0.1μm尺度的mtj元件，引起如上所述的自旋转矩磁化反转所需的电流的绝对值为1ma或更小。此外，反转电流的总值随着mtj元件的体积减小而降低。请注意，在利用从配线生成的电流磁场反转磁体的磁化的情况下，磁化反转所需的电流大约为数个ma。所以，利用自旋转矩磁化反转的stt-mram可以在低电耗下运行，因为与利用来自配线的电流磁场引起的磁化反转的mram相比，可以使写入所需的电流变得非常小。

此外，在利用配线引起的电流磁场进行磁化反转的mram中，需要配线(例如用于生成电流磁场的字线)，但是在stt-mram，这种配线变得不必要。所以，与利用来自配线的电流磁场进行磁化反转的mram相比，stt-mram可以使mtj元件具有简单的结构，并且mtj元件的小型化变得容易，因此可以实现进一步增加磁存储器的容量。

如上所述，在维持可以以高速并且几乎无限地执行信息重写的mram的特征的同时，stt-mram可以实现低电耗和大容量。

<1.2.mtj元件的基本结构>

接下来，将参考图1描述利用自旋转矩磁化反转的stt-mram的mtj元件10的基本结构。图1是示意性地示出了根据本公开的实施方式的mtj元件10的堆栈式结构的示例的说明图。

mtj元件10是存储一条信息(1/0)的磁存储元件。在mtj元件10之上和之下，设置彼此正交的地址用配线(换言之，字线和位线)，并且将mtj元件10连接至这些配线的交叉点附近的字线和位线。请注意，在图1中，省去了这些配线的示图。

如图1所示，mtj元件10具有这样的结构：具有固定在预定方向上的磁矩的固定层102、非磁性层104、磁矩方向可变的存储层106和盖层108顺序地堆叠在基底层100上。此外，虽然在图1中未示出，mtj元件10夹在上电极和下电极之间。此外，mtj元件10的一个端子通过选择晶体管(未示出)电连接至另一个配线(未示出)和字线(未示出)，并且mtj元件10的另一个端子电连接至位线(未示出)。结果，在由选择晶体管选择的mtj元件10中，通过字线和位线在mtj元件的下电极和上电极之间施加电压，并且执行对mtj元件10的存储层106上信息的写入和读取。

固定层102包括包含铁磁材料的磁体，并且磁矩方向由高矫顽力等来固定。非磁性层104包括各种非磁体等，并且设置在固定层102和存储层106之间。存储层106包括包含铁磁材料的磁体，并且磁矩的方向根据要存储的信息而变化。此外，基底层100和盖层108用作电极、结晶取向的控制薄膜、保护薄膜等等。

请注意，作为mtj10的堆栈式结构，图1示出了非磁性层104和固定层102相对于存储层106向下堆叠的结构，但是mtj元件10不限于这一结构。例如，mtj元件10可以进一步包括另一个层，或固定层102和存储层106的位置可以互换。

<1.3.写入和读取的机构>

随后，将描述mtj元件10中写入和读取信息的机构。首先，将描述mtj元件10中写入信息的机构。在mtj元件10中，利用如上所述的自旋转矩磁化反转来执行向存储层106的信息的写入。

这里，将描述自旋转矩磁化反转的细节。已知电子具有两种自旋角动量，所以，将自旋角动量暂时定义为两种自旋角动量，即，向上自旋角动量和向下自旋角动量。在非磁体内部，向上自旋角动量的数目和向下自旋角动量的数目相同，而在铁磁材料内部，这两个数目之间有差异。

此外，在这里，考虑的是以下情况：在mtj元件10中，固定层102和存储层106的磁矩处于彼此方向不同的反平行状态，并且在这个状态中，使电子从固定层102进入存储层106。

在电子穿过固定层102的情况下，发生自旋极化，即，向上自旋角动量和向下自旋角动量的数目产生差异。此外，在非磁性层104的厚度足够薄的情况下，这种自旋极化被缓和，并且在正常非磁体中该状态变成未极化(面向上和面向下的电子的数目相同)之前，电子可以进入存储层106。

在存储层106中，自旋极化的方向与进入的电子的方向相反。因此，为了降低整个系统的能量，将进入电子的一部分反向，即，改变自旋角动量的方向。此时，由于自旋角动量被存储在整个系统中，将相当于由反向电子引起的自旋角动量的变化的总和的反作用施加于存储层106的磁矩。

在电流(即，每单位时间经过的电子的数目)较小的情况下，改变方向的电子的总数也小，因此存储层106的磁矩中生成的自旋角动量的变化也小。另一方面，当电流(即，每单位时间经过的电子的数目)增加时，可以在单位时间内将所需的自旋角动量变化施加至存储层106的磁矩。自旋角动量的时间变化为扭矩，当扭矩超过预定阈值时，存储层106的磁矩开始反转，并且在180度反转状态下变得稳定。请注意，在180度反转状态下存储层106的磁矩变得稳定，原因是组成存储层106的磁体具有易磁化轴并且具有单轴各向异性。通过上述机构，mtj元件10从反平行状态变为平行状态，在平行状态中固定层102和存储层106的磁矩的方向相同。

此外，在平行状态中，在引起电子从存储层106移动至固定层102的方向上反向地提供电流的情况下，当到达固定层102通过被固定层102反射而被反转的电子在进入存储层106的同时将扭矩施加给存储层106。因此，存储层106的磁矩被所施加的扭矩反转，并且mtj元件10从平行状态变为反平行状态。

然而，引起从平行状态到反平行状态的反转的反转电流的量比从反平行状态到平行状态的反转的情况下更大。请注意，发生从平行状态到反平行状态的反转，原因是(简单来说)由于固定层102的磁矩被固定，所以固定层102中的反转是困难的，并且将存储层106的磁矩反转以便保存整个系统的自旋角动量。如上所述，通过在从固定层102向着存储层106的方向上或者在相反方向上提供等于或大于对应于各极性的预定阈值的电流来执行mtj元件10中的1/0存储。如上所述，通过将mtj元件10中的存储层106的磁矩反转并且改变mtj元件10的电阻状态来执行mtj元件10中的1/0写入。

接下来，将描述读取mtj元件10中的信息的机构。在mtj元件10中，利用磁阻效应执行从存储层106的信息的读取。具体地，在夹持mtj元件10的下电极(未显示)和上电极(未显示)之间提供电流的情况下，mtj元件10的电阻状态基于固定层102和存储层106的磁矩的方向是否处于互相平行的状态或反平行的状态而变化。然后，可以通过确定元件10的电阻状态(换言之，mtj元件10指示的电阻的大小)来读取存储在存储层106中的信息。

<1.4.关于面内磁化和垂直磁化stt-mram>

顺便提及，在stt-mram中，存在利用在面内方向具有磁各向异性的磁体的面内磁化stt-mram和利用在垂直方向上具有磁各向异性的磁体的垂直磁化stt-mram。通常，垂直磁化stt-mram被认为比面内磁化stt-mram更适合于更低功率和更大容量。这是因为，垂直磁化stt-mram具有在自旋转矩磁化反转中要超过的、更低的能障(energybarrier)，并且有利于维持其中垂直磁化薄膜的高磁各向异性由于容量的增大而变得更精细的存储载体的热稳定性。

具体地，假定面内磁化stt-mram的反转电流为ic_para，可以由下列等式(1)和(2)表示反转电流。

[等式1]

从平行状态到反平行状态的反转电流：

ic_para＝(a·α·ms·v/g(0)/p)(hk+2πms)(1)

从反平行状态到平行状态的反转电流：

ic_para＝-(a·α·ms·v/g(π)/p)(hk+2πms)(2)

此外，假定垂直磁化stt-mram的反转电流为ic_perp，可以由下列等式(3)和(4)表示反转电流。

[等式2]

从平行状态到反平行状态的反转电流：

ic_perp＝(a·α·ms·v/g(0)/p)(hk-4πms)(3)

从反平行状态到平行状态的反转电流：

ic_perp＝-(a·α·ms·v/g(π)/p)(hk-4πms)(4)

在上述等式(1)到(4)中，a是常数，α是阻尼常数，ms是饱和磁化，v是元件体积，g(0)p和g(π)p是与分别在平行状态和反平行状态下将自旋转矩传送到另一个磁性层的效率有关的系数，hk是磁各向异性(参见非专利文献1)。

在这里，将面内磁化stt-mram和具有相同磁体的垂直磁化stt-mram中的反转电流考虑在内，将上述等式(1)和上述等式(3)互相比较，并且将上述等式(2)和上述等式(4)互相比较。根据该比较，垂直磁化stt-mram情况下的(hk-4πms)小于面内磁化stt-mram情况下的(hk+2πms)。因此，很清楚的是，反转电流在垂直磁化stt-mram中较小，并且考虑到降低写入时刻的反转电流，是合适的。

请注意，根据如下所述的本公开的实施方式的磁存储器可以是面内磁化stt-mram或者垂直磁化stt-mram的任一个。

<1.5.有关读取存储多级信息的存储单元的方法的检验>

接下来，将描述本发明人考虑的读取存储多级信息的存储单元的方法。如上所述，为了提高stt-mram的容量，要求stt-mram的进一步的高密度化。然而，stt-mram的单元面积的下限基于设计规则来确定，设计规则定义配线(例如位线和字线)和连接配线的接触部分的形状、尺寸等。所以，对于高密度化，已经考虑这样的结构：在一个存储单元中在垂直方向上堆叠的两个磁存储元件串联地电连接，并且将多级信息存储在一个存储单元中。

首先，将参考图7描述根据本文考虑的比较示例的存储多级信息的磁存储器的示例。图7是示意性地示出根据比较示例的存储多级信息的磁存储器的示例的电路图。请注意，在图7中，选取和显示与根据比较示例的磁存储器中的一个存储单元所对应的部分。如图7中所示，在根据比较示例的存储单元中，两个mtj元件10a和10b以及选择晶体管20在彼此正交的的地址配线(换言之，位线70和字线72)之间串联地电连接。此外，如稍后描述，这些mtj元件10a和10b的电阻特征在相同的存储状态(电阻状态)下彼此不同。此外，在这些mtj元件10a和10b中，如稍后所描述，将各存储层106的磁矩反转的反转电流的阈值也彼此不同。

接下来，将参考图8和9描述根据图7中示出的比较示例的存储单元的读取。图8是用于解释根据比较示例的存储多级信息的磁存储器的电阻状态的示例的示意图。此外，图9是用于解释根据比较示例的读取存储多级信息的磁存储器的方法的示例的示意图。请注意，在以下描述中，假定mtj元件10a和10b的电阻特征在相同存储状态(低电阻状态或高电阻状态)下彼此不同。具体地，对于mtj元件10a，假定具有低电阻下的低电阻状态下的电阻值为ra，具有高电阻下的高电阻状态下的电阻值为ra+δra，并且对于mtj元件10b，假定在低电阻状态下的电阻值为rb，在高电阻状态下的电阻值为rb+δrb。此外，假定电阻值ra、rb、ra+δra和rb+δrb具有互相不同的绝对值。换言之，低电阻状态下的mtj元件10a和10b呈现不同的电阻值，高电阻状态下的mtj元件10a和10b也呈现不同的电阻值。此外，在以下描述中，假定mtj元件10a和10b的反转电流彼此不同。具体地，在比较示例中，假定mtj元件10a的反转电流的阈值为+ia和-ia，mtj元件10b的反转电流的阈值为+ib和-ib。此外，在比较示例中，设置反转电流的阈值+ia、-ia、+ib和-ib中的每一个，使得绝对值不同，并且满足-ib<-ia<0<+ia<+ib。

首先，将参考图8描述根据图7中示出的比较示例的存储单元的电阻状态。在根据比较示例的存储单元中，可以通过写入电流使mtj元件10a和10b的合并串联电阻达到四种电阻状态。更具体地说，合成串联电阻的电阻状态为(从较高一侧开始)ra+rb+δra+δrb、ra+rb+δra、ra+rb+δrb和ra+rb四种。可以通过确定这四种电阻状态之间的差值来根据比较示例从存储单元读取信息。

接下来，将参考图9描述根据具有如上所述的四种电阻状态的比较示例读取存储单元的方法的示例。

分两步执行根据比较示例的读取方法。首先，在根据比较示例的读取方法中，在第一步骤，将要与合成串联电阻比较的基准电阻设置为rr2，并且使用外围电路(未显示)确定存储单元中合成串联电阻的状态。此时，将合成串联电阻的状态确定为a)ra+rb+δra+δrb或ra+rb+δra，和b)ra+rb+δrb或ra+rb中的一种。然后，在第一步骤的结果为a)的情况下，将基准电阻设置为rr1，并且执行第二步骤。此外，根据第二步骤的结果，将合成串联电阻的状态判定为ra+rb+δra+δrb或者ra+rb+δra中的任一种。另一方面，在第一步骤的结果为b)的情况下，将基准电阻设置为rr3，并且执行第二步骤。此外，根据第二步骤的结果，将合成串联电阻的状态判定为ra+rb+δrb或者ra+rb中的任一种。

此时，在任一情况下，在第二步骤中，确定其是否为四种合成串联电阻状态中彼此邻近的电阻状态中的任一种。此时相邻电阻状态的电阻值之间的差值小于在一个存储单元中具有一个磁存储元件的单比特存储单元中两个电阻状态的电阻值之间的差值。因此，在根据比较示例的存储单元中，在执行根据上述比较示例的读取的情况下，与单比特存储单元相比，读裕度降低。

所以，在用于存储多级信息的磁存储器中，已经需要能够在充分确保读裕度的同时进行读取的读取方法。然后，考虑到这种情况，本发明人开始创建如下所述的本公开的实施方式。以下，将描述本发明人创建的本公开的实施方式的细节。

<<2.本公开的一个实施方式>>

<2.1.磁存储器的配置>

以下将参考图1至4描述根据本公开的实施方式的磁存储器1的配置。图2是示意性地示出根据本实施方式的磁存储器1的示例的示意配置图(透视图)。图3是示意性地示出根据本实施方式的磁存储器1的示例的示意配置图(剖视图)。此外，图4是示意性地示出根据本实施方式的1的磁存储器的示例的电路图。请注意，在以下描述中，假定包括在根据本实施方式的磁存储器1中的mtj元件10为垂直磁化mtj元件。然而，在本实施方式中，mtj元件10不限于垂直磁化mtj元件，并且可以是面内磁化mtj元件。

如图2所示，在根据本实施方式的磁存储器1中，串联地电连接的mtj元件(第二磁存储元件)10a和mtj元件(第一磁存储元件)10b被布置在彼此交叉(正交)的两种地址配线(例如位线70和字线72)的交叉点附近。此外，并行延伸至位线(第一配线)70的配线(第三配线)76在两个mtj元件10a和10b之间电连接。此外，与mtj元件10b相对的、mtj元件10a的端子电连接至位线70，与mtj元件10a相对的、mtj元件10b的端子电连接至选择晶体管20。请注意，mtj元件10a和10b在相同的存储状态下具有不同的电阻值(具体地，高电阻状态下mtj元件10a和10b的电阻值彼此不同，并且进一步地，低电阻状态下mtj元件10a和10b的电阻值彼此不同)，此外，将mtj元件10a和10b的各存储层106的磁矩反转的反转电流的阈值彼此不同。具体地，在以下描述中，对于mtj元件10a，假定具有低电阻的低电阻状态下的电阻值为ra，具有高电阻的高电阻状态下的电阻值为ra+δra，此外假定mtj元件10a的反转电流阈值为+ia和-ia。此外，对于mtj元件10b，假定低电阻状态下的电阻值为rb，高电阻状态下的电阻值为rb+δrb，mtj元件10b的反转电流阈值为+ib和-ib。然后，设置反转电流的阈值+ia、-ia、+ib和-ib中的每一个，使得绝对值不同，并且满足-ib<-ia<0<+ia<+ib。

更具体地说，如图2所示，在磁存储器1中，用于选择mtj元件10a和10b的选择晶体管20形成在通过半导体基板200(例如硅基板)的元件隔离层206隔离的区域中。选择晶体管20具有栅电极(字线)72、源区202和漏区204。请注意，在所示的示例中，一个存储单元包括两个mtj元件10a和10b以及一个用于选择mtj元件10a和10b的选择晶体管20。然后，在磁存储器1中，将多个存储单元布置在半导体基板200上。请注意，在图2中，选取和显示了磁存储器1中与四个存储单元所对应的部分。此外，在图3和4中，选取和显示了磁存储器1中与一个存储单元所对应的部分。

此外，栅电极72在图2的景深方向上延伸，并且作为一个地址配线(字线(第二配线)72)。配线74电连接至漏区204，漏区204被配置为能够通过配线74酌情改变电位。请注意，在图2中所示的示例中，对于彼此接近的选择晶体管20共有地形成漏区204。此外，彼此串联电连接的两个mtj元件10a和10b被布置在源区202之上。在与字线72正交的的方向上延伸的配线76在串联连接的两个mtj元件10a和10b之间电连接。此外，作为另一地址配线的位线70在与字线72正交的方向上在串联连接的两个mtj元件10a和10b之上延伸。此外，在源区202和mtj元件10b之间、在mtj元件10b和配线76之间、在配线76和mtj元件10a之间以及mtj元件10a和位线70之间设置接触层208。这些通过接触层208彼此电连接。

此外，如上所述，mtj元件10a和10b可以通过利用自旋转矩磁化反转将各存储层106的磁矩反转来写入1/0信息。请注意，稍后将描述mtj元件10的具体的堆栈式结构。

此外，磁存储器1装备有电源电路(未显示)，该电源电路能够向字线72、配线74和位线70施加所需电流。在写入信息的时候，电源电路将电压施加至将执行写入的所需存储单元所对应的地址配线(换言之，字线72和位线70)，并向mtj元件10a和10b提供电流。此时，将地址配线和连接到漏区204的配线74的电位适当地进行调整，以便流过mtj元件10a和10b的电流变得比各自的反转电流(阈值)更大。结果，mtj元件10a和10b的各存储层106的磁矩的方向被反转，并且可以向mtj元件10a和10b写入信息。此时，通过利用配线74适当地调整漏区204的电位，可以控制流向mtj元件10a和10b的电流的方向，并且可以控制mtj元件10a和10b的各存储层106中对磁矩进行反转的方向。换言之，通过适当地调整漏区204的电位，可以控制向mtj元件10a和10b写入"1"和"0"信息的哪一个。

另一方面，在读取信息的时候，通过上述电源电路将电压施加给期望读取的所需存储单元所对应的的字线72，并检测通过mtj元件10a和10b从配线76或位线70流向选择晶体管20的电流。由于mtj元件10a和10b中的每一个的电阻由于隧道磁电阻(tmr)效应而根据mtj元件10a和10b的各存储层106中的磁矩的方向而变化，所以可以基于所检测的当前值的大小读取1/0信息。此时，由于在读取时候的电流远小于写入时候流动的电流，所以mtj元件10a和10b的各存储层106中的磁矩的方向在读取的时候不改变。即，在mtj元件10a和10b中，可以读取无损方式下的信息。请注意，稍后将描述根据本实施方式的读取方法的细节。

接下来，将描述根据本实施方式的mtj元件10a和10b的堆栈式结构。如图1所示，mtj元件10a和10b具有如下结构：具有磁矩的固定层102在预定方向上固定，非磁性层104、磁矩方向可变的存储层106和盖层108顺序地堆叠在基底层100上。

在本实施方式中，固定层102和存储层106包括铁磁材料。铁磁材料的示例包括非晶形垂直磁性材料例如tbfeco和gdfeco，或具有结晶磁各向异性的磁性材料例如copt和fept。此外，铁磁材料的示例还包括选自fe、co和ni中的至少一种或多种和选自b和c中的至少一种或多种的合金磁性材料。请注意，固定层102和存储层106优选地包括co-fe-b基合金磁性材料。稍后将描述细节。

此外，在固定层102中，磁矩的方向不应该由写入或读取改变，但是固定层102不是必须固定在具体的方向上。例如，通过与存储层106相比提高固定层102的矫顽力、薄膜厚度、或提高磁阻尼常数使得与存储层106相比磁矩的方向不太可能改变，这样是足够的。此外，通过使反铁磁体例如ptmn或irmn与固定层102接触或将与其反铁磁体接触的磁体通过非磁性体例如ru磁性地耦合来固定磁矩的方向。

此外，固定层可以具有堆叠的铁结构(也被称为堆叠的铁蛋白(ferripin)结构)，其中至少两个磁性层和非磁性层例如ru堆叠。由于固定层102具有堆叠的铁蛋白结构，所以有可能对外部磁场变得钝化，阻端由固定层102引起的漏磁场，以及增强由将多个磁性层耦合的中间层引起的、固定层102的垂直磁各向异性。

此外，在存储层106中使用的垂直磁化薄膜中，优选地调整组成使得垂直磁化薄膜接收到的有效去磁磁场的大小小于饱和磁化量ms。例如如上所述，选择co-fe-b合金磁性材料作为存储层106的铁磁材料，由存储层106接收到的有效去磁磁场的大小降低，这样使得去磁磁场的大小小于存储层106的饱和磁化量ms。结果，可以使得存储层106的磁矩的方向垂直于薄膜表面。

此外，在本实施方式中，优选将存储层106形成为使由存储层106接收到的有效去磁磁场的大小小于存储层106的饱和磁化量ms。从而，存储层106接收到的去磁磁场变低，可以降低用于将存储层106的磁矩方向反转的写入电流的量。这是因为，存储层106具有垂直磁各向异性，因此反转电流变小，这在去磁磁场中是有利的。

此外，在本实施方式中，非磁性层104包括非磁性材料。更具体地说，非磁性层104可以通过使用例如各种绝缘体(例如氧化镁、氧化铝、氮化铝、sio2、bi2o3、mgf2、caf、srtio2、allao3或al-n-o)、电介质和半导体来形成。此外，在非磁性层104包括氧化镁的情况下，可以提高磁阻比(mr比)。通过这样提高mr比，可以改善自旋注入的效率，并且可以降低用于将存储层106的磁矩方向反转的电流密度。此外，形成非磁性层104的材料可以替换为金属材料，并且可以通过巨磁阻(gmr)效应来执行自旋注入。此外，调整非磁性层104的薄膜厚度，使得可以充分确保mtj元件10a和10b的每一个的耐压特征。

此外，基底层100和盖层108被用作电极和晶体取向的控制薄膜，并且还用作保护层。具体地，基底层100包括各种金属材料或合金材料，并且实现与基底层100下方设置的电极层(未显示)之间出色的传导性。此外，盖层108包括非磁性体例如(比如)ru，防止包括在mtj元件10中的固定层102和存储层106的氧化，并且实现与盖层108上设置的电极层(未显示)之间出色的传导性。

此外，在以上描述中，根据本实施方式的磁存储器1的一个存储单元已经描述为包括两个串联的mtj元件10a和10b，但是在本实施方式中，不限于此。在本实施方式中，例如彼此串联连接的三个或更多个mtj元件10可以包括在一个存储单元中。在该情况下，将包括在一个存储单元中的各mtj元件10的各存储层106的磁矩进行反转的反转电流的阈值彼此不同，并且在同样的电阻状态下各mtj元件10的电阻值彼此不同。另外，在该情况下，mtj元件10之间连接的配线76延伸与一个存储单元中包括的mtj元件10的增加相对应的量。

此外，根据本实施方式的mtj元件10a和10b可以通过如下形成：在真空装置中连续地形成从基底层100到盖层108的部分，然后通过处理(例如蚀刻)来使mtj元件10a和10b成型。请注意，可以例如通过如下形成两个堆叠的mtj元件10a和10b：形成位于下侧的mtj元件10b，然后形成接触层208，并且形成位于接触层208的上侧的mtj元件10a。作为选择，可以如下形成两个堆叠的mtj元件10a和10b：顺序地形成两个mtj元件10a和10b的各堆叠层，然后使它们一起成型。

此外，如上所述，在根据本实施方式的磁存储器1中，包括在一个存储单元中的mtj元件10a和10b的、相同电阻状态下的各自的电阻值彼此不同。此外，在根据本实施方式的磁存储器1中，将包括在一个存储单元中的mtj元件10a和10b的各存储层106的磁矩进行反转的反转电流的阈值彼此不同。换言之，在本实施方式中，堆叠的mtj元件10a和10b具有不同的特征。如上所述，在创建具有彼此不同的特征的mtj元件10a和10b的情况下，将mtj元件10a和10b形成为具有组成不同的材料的堆栈式结构是足够的。此外，mtj元件10a和10b的各堆叠层的薄膜厚度可以形成为彼此不同。作为选择，可以通过具有相同组成的材料和相同薄膜厚度的堆叠层形成mtj元件10a和10b。这样的话，执行处理使得当被垂直于mtj元件10a和10b的堆叠方向的平面切断时的元件截面形状彼此不同，是足够的。具体地，在通过具有相同组成相同材料和相同薄膜厚度的堆叠层形成mtj元件10a和10b的情况下，用于mtj元件10a和10b的反转所需的电压实质上相同。因此，通过处理当被垂直于堆叠方向的平面切断时的mtj元件10a和10b的截面积，可以将mtj元件10a和10b的反转电流设置为不同的值。此外，在本实施方式中，可以将上述方法合并，以创建具有不同的特征的mtj元件10a和10b。

接下来，将参考图5描述读取根据本实施方式的磁存储器1所需的外围电路的示例。图5是示意性地示出根据本实施方式的磁存储器1的外围电路的示例的电路图。如图5所示，对于根据上述本实施方式的磁存储器1的存储单元，外围电路主要包括两个感测放大器30a和30b、三个参考元件40、50a和50b，以及两个开关60a和60b。

包括在外围电路中的参考元件40、50a和50b包括例如电阻元件，并且在感测放大器30a和30b(稍后描述)确定mtj元件10a和10b的电阻状态时被用作参考。更具体地说，将参考元件40设置为在mtj元件10b处于高电阻状态的情况下的电阻值(rb+δrb)和mtj元件10b处于低电阻状态的情况下的电阻值(rb)之间的中间电阻值。将参考元件50a设置为在mtj元件10b处于低电阻状态并且mtj元件10a处于高电阻状态的情况下电阻的合成值(ra+rb+δra)和在mtj元件10b处于低电阻状态并且mtj元件10a处于低电阻状态的情况下电阻的合成值(ra+rb)之间的中间电阻值。将参考元件50b设置为在mtj元件10b处于高电阻状态并且mtj元件10a处于高电阻状态的情况下电阻的合成值(ra+rb+δra+δrb)和在mtj元件10b处于高电阻状态并且mtj元件10a处于低电阻状态的情况下电阻的合成值(ra+rb+δrb)之间的中间电阻值。

感测放大器30a和30b具有检测经过mtj元件10a和10b等等的感测电流和经过参考元件40、50a和50b的参考电流，以及比较这些电流的值的功能。具体地，感测放大器(第一确定单元)30a将由mtj元件10b的电阻引起的感测电流与由参考元件40引起的参考电流进行比较，来确定mtj元件10b的电阻状态。此外，感测放大器30a基于确定结果控制开关60a和60b，并且将感测放大器(第二确定单元)30b使用的参考元件切换为参考元件50a和50b中的一个。此外，感测放大器30b将由mtj元件10a和10b的合成电阻引起的感测电流与由参考元件50a和50b引起的参考电流进行比较，来确定mtj元件10a和10b的合成电阻的电阻状态。

具体地，包括在磁存储器1的电源电路(未显示)将电压施加至要读取的所需存储单元所对应的字线72。然后，感测放大器30a检测从配线76经过mtj元件10b流向选择晶体管20的电流，并且将电流的值与流过参考元件40的电流值进行比较，以确定mtj元件10b的电阻状态。此外，感测放大器30b检测从位线70经过mtj元件10a和10b流向选择晶体管20的电流，并且将电流的值与流向参考元件50a和50b中任一个的电流值进行比较。然后，感测放大器30b通过比较确定mtj元件10a和10b的合成电阻的电阻状态。

请注意，在本实施方式中，外围电路等等不限于图5中所示电路，可以使用其他外围电路。例如，在本实施方式中，外围电路可以由感测放大器配置。在这种情况下，将感测放大器通过多个开关电连接至磁存储器1中包括的多个mtj元件、参考元件和配线。

以上已经描述了根据本实施方式的磁存储器1的配置。请注意，根据本实施方式的磁存储器1的配置不限于如上所述的配置。换言之，在根据本实施方式的磁存储器中，mtj元件10a和10b如图2到4中所示彼此串联连接并且包括在一个存储单元内，在mtj元件10a和10b之间设置配线76是足够的。此外，在本实施方式中，mtj元件10a和10b的每一个的堆栈式结构和外围电路的配置不限于图1和5中所示的那些。

<2.2.读取方法>

接下来，将参考图6描述读取根据上述本实施方式的磁存储器1的方法。图6是解释读取根据本实施方式的磁存储器1的方法的示意图。

分两步执行根据本实施方式的读取。请注意，图6的上部示出了第一步骤中mtj元件10b的两种电阻状态的概率密度分布(在图中由实线示出)。此外，图6的下部的左面示出了在mtj元件10b处于低电阻状态的情况下mtj元件10a和10b的合成电阻的两种电阻状态的概率密度分布(在图中以实线示出)。此外，图6的下部的右面示出了在mtj元件10b处于高电阻状态的情况下mtj元件10a和10b的合成电阻的两种电阻状态的概率密度分布。请注意，概率密度分布表示(考虑到制造变化等等)各电阻状态下的电阻值的变化的范围以及电阻值的概率。

首先，在第一步骤，通过磁存储器1中包括的电源电路(未示出)将电压施加至要读取的所需存储单元所对应的字线72。此外，电源电路通过配线76向mtj元件10b施加读出电流，感测放大器30a确定mtj元件10b的电阻状态。具体地，用于第一步骤的确定的参考元件40被设置为在mtj元件10b处于高电阻状态的情况下的电阻值(rb+δrb)和在mtj元件10b处于低电阻状态的情况下的电阻值(rb)之间的中间电阻值。然后，如图6的上部所示，感测放大器30a检测从配线76经过mtj元件10b流向选择晶体管20的电流，并将电流的值与流过参考元件40的电流值进行比较。根据比较的结果，可以确定mtj元件10b的电阻状态是否为低电阻状态(rb)和高电阻状态(rb+δrb)中的任一种。在图6的上部，位于在低电阻状态(rb)下的概率密度分布的范围的最右侧的一端和位于在高电阻状态(rb+δrb)下概率密度分布的范围的最左侧的一端之间沿着x轴方向的宽度对应于读裕度。

此外，在第一步骤中，感测放大器30a确定mtj元件10b的电阻状态，并且根据mtj元件10b的所确定的电阻状态，切换在第二步骤中执行确定的感测放大器30b的确定状态。

具体地，在第一步骤中，在mtj元件10b被确定为处于低电阻状态(rb)的情况下，如下切换感测放大器30b的确定状态。在这种情况下，根据第一步骤的结果，在通过将mtj元件10a和mtj元件10b结合而获得的四种电阻状态(ra+rb、ra+rb+δrb、ra+rb+δra和ra+rb+δra+δrb)中，mtj元件10a和10b的电阻状态为最低电阻状态(ra+rb)或者第三低电阻状态(ra+rb+δra)(图6的下部的左侧的实线)。所以，在这种情况下，关闭开关60a，打开开关60b，并且切换感测放大器30b的确定状态，使得参考元件50a被用作用来读取感测放大器30b的参考元件。请注意，将参考元件50a设置为具有在最低电阻状态(ra+rb)和第三低电阻状态(ra+rb+δra)之间的中间电阻值。

然后，在第二步骤中，电源电路(未显示)通过位线70向mtj元件10a和mtj元件10b施加读出电流。此外，感测放大器30b检测从位线70经过mtj元件10a和mtj元件10b流向选择晶体管20的电流，并且将电流的值与流过参考元件50a的电流值进行比较。以这种方式，感测放大器30b可以确定mtj元件10a和10b的合成电阻的电阻状态是否为最低电阻状态(ra+rb)或第三低电阻状态(ra+rb+δra)中的任一种。此外，结合第一步骤的确定结果，可以确定mtj元件10a的电阻状态是否为低电阻状态(ra)或者高电阻状态(ra+δra)中的任一种。

请注意，此时，如图6的下部的左侧所示，感测放大器30b确定状态是否为如上所述四种电阻状态中通过一种电阻状态彼此邻近的两种电阻状态(ra+rb和ra+rb+δra)中的任一种(图6的下部的左侧中实线表示的概率密度分布)。此外，在图6的下部的左侧，位于在最低电阻状态(ra+rb)下的概率密度分布的范围的最右侧的一端和位于第三低电阻状态(ra+rb+δra)下概率密度分布的范围的最左侧的一端之间沿着x轴方向的宽度对应于读裕度。

换言之，如图6的下部的左侧所示，感测放大器30b确定状态是否为如上所述四种电阻状态中通过一种电阻状态彼此邻近的两种电阻状态(ra+rb和ra+rb+δra)中的任一种，而不确定状态是否为彼此直接地邻近的两种电阻状态中的任一种。如图6的下部的左侧所示，在直接邻近的电阻状态下(由实线和虚线显示的概率密度分布)，存在概率密度分布的尾端彼此重叠的部分。如上所述，在概率密度分布的尾端重叠的情况下，取决于制造变化，存在感测放大器30b邻近的电阻状态之间的差值不能确定的可能性。另一方面，在本实施方式中，确定状态是否为经由一种电阻状态而彼此邻近的两种电阻状态(ra+rb和ra+rb+δra)中的任一种(在图6中以实线表示的概率密度分布)。如图6的下部的左侧所示，在通过一种电阻状态邻近的两种电阻状态(ra+rb和ra+rb+δra)下，由实线表示的概率密度分布彼此不重叠。此外，两种电阻状态(ra+rb和ra+rb+δra)的读裕度也具有足够大的宽度。因此，可以理解，感测放大器30b可以精确地确定状态是否为经由一种电阻状态彼此邻近的两种邻近的电阻状态(ra+rb和ra+rb+δra)中的任一种。换言之，在本实施方式中，可以通过确定状态是否为经由一种电阻状态彼此邻近的两种电阻状态中的任一种来充分地确保读裕度。

另一方面，在第一步骤中，在mtj元件10b被确定为处于高电阻状态(rb+δrb)的情况下，如下切换感测放大器30b的确定状态。在这种情况下，根据第一步骤的结果，在通过将mtj元件10a和mtj元件10b结合而获得的四种电阻状态(ra+rb、ra+rb+δrb、ra+rb+δra和ra+rb+δra+δrb)中，mtj元件10a和10b的电阻状态为第二低电阻状态(ra+rb+δrb)或者最高电阻状态(ra+rb+δra+δrb)(图6的下部的右侧的实线)。所以，在这种情况下，打开开关60a，关闭开关60b，并且切换感测放大器30b的确定状态，以便参考元件50b被用作用来读取感测放大器30b的参考元件。请注意，将参考元件50b设置为具有第二低电阻状态(ra+rb+δrb)和最高电阻状态(ra+rb+δra+δrb)之间的中间电阻值。

然后，在第二步骤中，电源电路(未示出)通过位线70向mtj元件10a和mtj元件10b施加读出电流。此外，感测放大器30b检测从位线70经过mtj元件10a和mtj元件10b流向选择晶体管20的电流，并将电流的值与流过参考元件50b的电流值进行比较。这样，感测放大器30b可以确定mtj元件10a和mtj元件10b的电阻状态是否为第二低电阻状态(ra+rb+δrb)和最高电阻状态(ra+rb+δra+δrb)中的任一种。此外，结合第一步骤的确定结果，可以确定mtj元件10a的电阻状态是否为低电阻状态(ra)或者高电阻状态(ra+δra)中的任一种。

请注意，如图6的下部的右侧所示，感测放大器30b确定状态是否为如上所述的四种电阻状态中通过一种电阻状态彼此邻近的两种电阻状态(ra+rb+δrb和ra+rb+δra+δrb)中的任一种(由图6的下部的右侧中的实线表示的概率密度分布)。此外，在图6的下部的右侧，位于在第二低电阻状态(ra+rb+δrb)下的概率密度分布的范围的最右侧的一端和位于在最高电阻状态(ra+rb+δra+δrb)下概率密度分布的范围的最左侧的一端之间沿着x轴方向的宽度对应于读裕度。

换句话说，如图6的下部的右侧所示，感测放大器30b确定状态是否为如上所述四种电阻状态中通过一种电阻状态彼此邻近的两种电阻状态(ra+rb+δrb和ra+rb+δra+δrb)中的任一种，而不确定状态是否为彼此直接地邻近的两种电阻状态中的任一种。在本实施方式中，如图6的下部的右侧所示，在通过一种电阻状态邻近的两种电阻状态(ra+rb+δrb和ra+rb+δra+δrb)下，由实线表示的概率密度分布彼此不重叠。此外，两种电阻状态(ra+rb+δrb和ra+rb+δra+δrb)的读裕度也具有足够大的宽度。因此，可以理解，感测放大器30b可以精确地确定状态是否为经由一种电阻状态彼此邻近的两种邻近的电阻状态(ra+rb+δrb和ra+rb+δra+δrb)中的任一种。换言之，在本实施方式中，可以通过确定状态是否为经由一种电阻状态彼此邻近的两种电阻状态中的任一种来充分地确保读裕度。

如上所述，在根据本实施方式的读取方法中，分两步执行该方法，根据第一步骤的确定结果切换第二步骤中使用的参考元件，并且执行第二步骤的读取。这样，在存储多级信息的磁存储器中，可以在充分地确保读裕度的同时执行读取。

请注意，对于为了确保充足的读裕度而将mtj元件10a和mtj元件10b合并而获得的四种电阻状态(ra+rb、ra+rb+δrb、rarb+δra和ra+rb+δra+δrb)，优选电阻状态的电阻值之间的差值为彼此接近的值。此外，对于最低电阻状态(ra+rb)和第三低电阻状态(ra+rb+δra)之间的关系，优选第三低电阻状态(ra+rb+δra)的电阻值大约为最低电阻状态(ra+rb)的电阻值的两倍。此外，同样对于第二低电阻状态(ra+rb+δrb)和最高电阻状态(ra+rb+δra+δrb)之间的关系，优选最高电阻状态(ra+rb+δra+δrb)的电阻值大约为第二低电阻状态(ra+rb+δrb)的电阻值的两倍。

<<3.总结>>

如上所述，根据本实施方式，在存储多级信息的磁存储器1中，可以在充分地确保读裕度的同时执行读取。精确地，在根据本实施方式的读取方法中，分两步执行该方法，在第一步骤确定mtj元件10b的电阻状态，并且根据第一步骤的确定结果切换第二步骤中使用的参考元件50。此外，在根据本实施方式的读取方法中，在第二步骤，确定mtj元件10a和10b的合成电阻的电阻状态。然后，根据本实施方式的读取方法使用第一和第二步骤中的确定结果，来确定具有两个mtj元件10a和10b的、存储多级信息的磁存储器1的存储信息。根据本实施方式，在第二步骤要确定的电阻状态的电阻值之间的差值大约等于在单比特磁存储器中要确定的电阻状态的电阻值之间的差值。如此，可以在充分地确保读裕度的同时执行读取。

换言之，根据本公开的实施方式的磁存储器1，尽管存储多级信息，但是具有与单比特磁存储器近乎相等的读裕度。因此，根据本实施方式，可以实现stt-mram的高密度和大容量，而不会牺牲读裕度。

请注意，根据本实施方式的磁存储器1可以与形成运算装置等等的半导体电路一起安装在相同的半导体芯片上，以便形成半导体装置(片上系统：soc)。此外，根据本实施方式的磁存储器1可以安装在其中可以安装存储装置的各种电力设备中。例如，磁存储器1可以安装在各种电子设备例如各种移动装置(智能手机、平板个人电脑(pc)等等)、笔记本pc、可佩戴装置、游戏装置、音乐装置、视频装置或数字式照相机，作为暂时存储的内存或作为存储器。

<<4.补充>>

虽然以上已经参考附图详细地描述了本公开的最优方案，但是本公开的技术范围不限于这些示例。显而易见的是，本公开所属的技术领域的技术人员可以在权利要求书所描述的技术概念的范围内想到各种变型和修改，并且当然，可以理解，这些变型和修改属于本公开的技术范围。

此外，本说明书所描述的效果仅仅是说明性的或示例性的，不是限制性的。即，根据本公开的方法可以与如上所述的效果一起或者代替如上所述的效果，而展示对本领域技术人员来说根据本说明书的描述显而易见的其他效果。

请注意，下列配置也在本公开的技术范围内。

(1)一种磁存储器，其包含：第一磁存储元件和第二磁存储元件，其设置在彼此交叉的第一配线和第二配线之间，并且串联地电连接；第三配线，其在所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件之间电连接；第一确定单元，其基于通过所述第三配线流向所述第一磁存储元件的电流来确定所述第一磁存储元件的磁化状态；第二确定单元，其基于通过所述第一配线流向所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件的电流来确定所述第二磁存储元件的磁化状态，其中基于所述第一确定单元的确定结果改变所述第二确定单元的确定状态。

(2)根据以上(1)所述的磁存储器，其中在对应于所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件的磁化状态的所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件的合成电阻可能获得的四种电阻状态中，所述第二确定单元确定状态是否为经由所述电阻状态中的一个而彼此邻近的、所述电阻状态中的两个中的任一种，以确定所述第二磁存储元件的磁化状态。

(3)根据以上(1)或(2)所述的磁存储器，进一步包含多个参考元件，其在所述第一确定单元和所述第二确定单元确定所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件的磁化状态时使用，其中切换所述第二确定单元使用的所述参考元件以改变所述第二确定单元的确定状态。

(4)根据以上(3)所述的磁存储器，进一步包含开关，其基于所述第一确定单元的确定结果来切换电连接至所述第二确定单元的所述参考元件。

(5)根据以上(1)至(4)中任一项所述的磁存储器，其中所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件在相同的存储状态下具有不同的电阻值。

(6)根据以上(5)所述的磁存储器，其中所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件具有不同的截面形状或截面面积。

(7)根据以上(1)至(6)中任一项所述的磁存储器，其中所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件包含垂直磁化型的自旋注入磁存储元件。

(8)根据以上(1)至(6)中任一项所述的磁存储器，其中所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件包含面内磁化型的自旋注入磁存储元件。

(9)一种半导体装置，其包含磁存储器，其包括在磁体的磁化状态下保持信息的多个磁存储元件，和运算装置，其设置在与所述磁存储器相同的芯片上，所述磁存储器包括：第一磁存储元件和第二磁存储元件，其设置在彼此交叉的第一配线和第二配线之间，并且串联地电连接；第三配线，其在所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件之间电连接；第一确定单元，其基于通过所述第三配线流向所述第一磁存储元件的电流来确定所述第一磁存储元件的磁化状态；第二确定单元，其基于通过所述第一配线流向所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件的电流来确定所述第二磁存储元件的磁化状态，其中基于所述第一确定单元的确定结果改变所述第二确定单元的确定状态。

(10)一种电子设备，其包含磁存储器，其包括在磁体的磁化状态下保持信息的多个磁存储元件，所述磁存储器包括：第一磁存储元件和第二磁存储元件，其设置在彼此交叉的第一配线和第二配线之间，并且串联地电连接；第三配线，其在所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件之间电连接；第一确定单元，其基于通过所述第三配线流向所述第一磁存储元件的电流来确定所述第一磁存储元件的磁化状态；第二确定单元，其基于通过所述第一配线流向所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件的电流来确定所述第二磁存储元件的磁化状态，其中基于所述第一确定单元的确定结果改变所述第二确定单元的确定状态。

(11)一种读取磁存储器的方法，所述磁存储器包括在磁体的磁化状态下保持信息的多个磁存储元件，所述磁存储器包括：第一磁存储元件和第二磁存储元件，其设置在彼此交叉的第一配线和第二配线之间，并且串联地电连接；第三配线，其在所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件之间电连接；第一确定单元，其确定所述第一磁存储元件的磁化状态；和第二确定单元，其确定所述第二磁存储元件的磁化状态，所述方法包括通过所述第一确定单元基于通过所述第三配线流向所述第一磁存储元件的电流来确定所述第一磁存储元件的磁化状态，基于所述第一确定单元的确定结果改变所述第二确定单元的确定状态，以及通过第二确定单元基于通过所述第一配线流向所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件的电流来确定所述第二磁存储元件的磁化状态。

(12)根据以上(11)所述的读取磁存储器的方法，其中通过在对应于所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件的磁化状态的所述第一磁存储元件和所述第二磁存储元件的合成电阻可能获得的四种电阻状态中确定状态是否为经由所述电阻状态中的一个而彼此邻近的、所述电阻状态中的两个中的任一种，来执行对所述第二磁存储元件的磁化状态的确定。

参考符号列表

1磁存储器

10、10a、10bmtj元件

20选择晶体管

30a、30b感测放大器

40、50a、50b参考元件

60a、60b开关

70位线

72字线

74、76配线

100基底层

102固定层

104非磁性层

106存储层

108盖层

200半导体基板

202源区

204漏区

206元件隔离层

208接触层。