JP2001519582A - メモリセル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
するメモリセル装置に関する。
gel著、VDI-Technologiezentrum Physikalische Technologien 編集発行から、 磁気抵抗効果を有する層構造が周知である。層構造の構成に応じて、GMR素子
、TMR素子、AMR素子、CMR素子に区別される。
される。すなわち、この層構造は少なくとも2つの強磁性層及びこれらの強磁性
層の間に設けられた非磁性的導層を有し、さらに、いわゆるGMR(巨大磁気抵
抗)効果を、つまりAMR(異方性磁気抵抗)効果に比べて大きな磁気抵抗効果
を示す層構造である。GMR素子の電気抵抗は、2つの強磁性層における磁化が
平行に配向されているか又は反平行に配向されているかに依存する、という事実
をGMR効果として解釈する。
造に対して使用される。この「トンネリング磁気抵抗」層構造は少なくとも2つ
の強磁性層及びこれらの強磁性層の間に設けられた非磁性的絶縁層を有する層構
造である。この場合、この絶縁層は、これら2つの強磁性層の間にトンネル電流
が発生するほど薄い。この層構造も同様に磁気抵抗効果を示す。この磁気抵抗効
果は、2つの強磁性層の間に設けられた非磁性的絶縁層を貫いて流れるスピンポ
ラライズド(spinpolarized)トンネル電流によって惹起される。この場合にお いてもTMR素子の電気抵抗は、2つの強磁性層における磁化が平行に配向され
ているか又は反平行に配向されているかに依存する。
方向に対して垂直方向に異なることによって表される。このAMR効果は、ボリ
ューム効果であり、従って、シングル強磁性層において発生する。
果は、その高い保磁力の故に磁化状態を切り換えるために大きな磁界を必要とす
る。
例えばD.D.Tang et al, IEDM95, p.997-999, D.D.Tang et al, IEEE Trans. on
Magnetics, Vol.31, No.6, 1995, p.3206-3208, F.W.Patten et al, Int. Non V
olatile Memory Technology Conf.,1996, p.1-2 を参照)。このために、メモリ
素子として、一方の強磁性層の磁化方向が例えば隣接する反強磁性層によって固
定保持されるGMR素子が使用される。これらのメモリ素子はリードラインを介
して直列に接続されている。これに対して横方向にワードラインが延在し、これ
らのワードラインはリードラインからもメモリ素子からも絶縁されている。これ
らのワードラインに印加される信号はこれらのワードラインに流れる電流によっ
て磁界を発生させる。この磁界は十分な強度においてこの磁界の中にあるメモリ
素子に影響を与える。情報を書き込むためには、ワードライン及びビットライン
に信号を印加する。これらのワードラインとビットラインとはX/Yラインと呼 ばれ、書き込まれるべきメモリセルの上側において互いに交差する。印加される
信号はこの交点において磁化反転のために十分な磁界を発生させる。情報を読み
出すためにはワードラインに信号が印加され、この信号によって該当するメモリ
セルが2つの磁化状態の間を交互に切り換えられる。リードラインを導通する電
流が測定され、この電流から相応するメモリ素子の抵抗値がもとめられる。
使用することが提案された。このGMR素子は異なる厚さの強磁性層を有する。
情報の読み出しのための磁界は、この磁界が2つの強磁性層のうちの薄い方の層
における磁化だけに影響を与えるように設計仕様される。2つの強磁性層のうち
の厚い方の層における磁化は影響をうけないままである。
モリ素子を有するメモリセル装置を提供することである。
の実施形態は従属請求項から得られる。
本的に平行に延在するビットラインとを有し、これらのワードラインはこれらの
ビットラインに対して横方向に延在する。メモリ素子には磁気抵抗効果を有する
層構造が設けられ、これらのメモリ素子はそれぞれこれらのワードラインのうち
の1つとこれらのビットラインのうちの1つとの間に配置されている。
いて、しばしばXライン又はYラインという概念も使用される。
に積層されている。これによってメモリ素子あたりの所要面積が低下し、パッキ
ング密度が高められる。互いに上下に積層される層の数が多くなればなるほど、
実現できるパッキング密度はますます高まる。この場合、メモリ素子の各層は2
つのライン平面の間に配置されており、一方のライン平面はビットラインを含み
、他方のライン平面はワードラインを含む。ビットラインとワードラインとは互
いに交差する。隣接する層の間にはそれぞれ1つのライン平面が設けられている
。このライン平面はビットラインか又はワードラインを含む。
の構造サイズFの間隔によって製造可能である。この結果、各層毎にメモリ素子
あたりの所要面積は4F2となる。全体としてはn個の層のメモリセル装置にお いてメモリ素子あたり4F2/nの所要面積となる。
導体基板にはこのメモリセル装置を制御するための構成素子が含まれている。
あらゆる周知のTMR素子及びGMR素子が適している。電流が層において平行
に流れる場合(CIP current in plane)よりも電流が層スタックを垂直方向
に貫いて流れる場合(CPP)にGMR効果はより大きい。さらに、異なる抵抗
を有する2つの磁化状態を有するあらゆるXMR素子が適している。メモリアプ
リケーションに適合した大きさの磁界を印加することによってこれらの2つの磁
化状態は交互に切り換えられる。
に配置された非磁性的絶縁層(TMR)乃至は非磁性的導層(GMR)を有する
。メモリ素子はそれぞれ2つの磁化状態を有する。非磁性的絶縁層を使用すると
有利である(TMR素子)。というのも、これにより比較的高い素子抵抗(≧1
00kΩ)が実現できるからである。この比較的高い素子抵抗は電力消費及び信
号/ノイズ比に関して比較的有利である。
の反強磁性層は隣接する強磁性層における磁化方向を固定する。反強磁性層に対
しては、とりわけFe,Mn,Ni,Ir,Tb及びOの元素のうちの少なくと
も1つを含む材料が適している。
間に配置された非磁性層を有し、これら強磁性層のうちの一方の層は他方の層よ
りも厚いか、又は、これらの強磁性層は異なる磁気特性を有する異なる材料から
形成されているか又はこれらの強磁性層は1つの非磁性的絶縁層を有する。これ
によって、ただ1つの強磁性層だけが磁化反転される一方で、もう1つの層は影
響を受けないままであることが達成される。
うちの少なくとも1つの元素を含む材料が適している。強磁性層の厚さは最大2
0nmであり、有利には2nmから10nmの範囲にある。トンネル絶縁体とし
て作用する非磁性層に対しては、絶縁材料としてAl2O3,NiO,HfO2, TiO2,NbO又はSiO2が適している。非磁性層に対する非絶縁材料として
は、Cu又はAgが適している。非磁性層の厚さは、1nmから4nmの範囲に
、有利には2nmから3nmの範囲にある。
び所属のビットラインにはそれぞれ信号が印加される。これによってワードライ
ン及びビットラインに電流が流れ、この電流がそれぞれ磁界を誘導する。ワード
ラインとビットラインとの交点においてこれら両方の磁界の重畳によって生じる
合成磁界はそこにあるメモリ素子の磁化反転をもたらすほど大きい。この交点の
外側では個々の磁界はそこにあるメモリ素子の磁化反転のためには小さすぎる。
ドラインに信号を印加する。この信号によって当該メモリ素子は第1の磁化状態
から第2の磁化状態に切り換えられる。このメモリ素子に接続されているビット
ラインを流れる電流が測定される。この過程において磁化方向が切り換えられる
場合、電流が変化する。電流変化の発生の有無から、格納された情報が推定され
る。この読み出し過程において磁化状態が変化する場合、オリジナル情報が続い
て書き戻されなくてはならない。
スアンプを介して各ビットラインにおける電位が基準電位に調整可能であり、こ
のセンスアンプにおいて出力信号が取り出される。メモリ素子はそれぞれ所属の
ワードラインとビットラインとの間に接続されている。このメモリセル装置の読
み出しのためには、選択されていない全てのワードラインが基準電位に置かれる
。選択されたワードラインには別の電位を有する信号が印加される。これによっ
て、選択されたワードラインから全てのビットラインへの電流路が閉じられる。
各センスアンプにおける出力信号、例えば帰還抵抗のようなセンスアンプの電気
的特性パラメータ、基準電位及びビットライン抵抗から、このワードラインと各
ビットラインとの交点にあるメモリ素子の抵抗が決定される。従って、このメモ
リセル装置の読み出しの際には、格納された情報の変化は発生しない。
入力側は基準電位に、例えばアースに接続されている。ビットラインが反転入力
側に接続される。基準電位が0ボルトである場合、この演算増幅器はビットライ
ンに0ボルトが印加されることを保障する。この演算増幅器の出力信号は選択さ
れたメモリ素子の抵抗に対する尺度である。
のビットライン及びワードラインを有するメモリ素子を示す。図2は、メモリ素
子を有する複数の層を有するメモリセル装置の断面図である。図3は、メモリセ
ル装置のアーキテクチャを示す。
性層4を有する(図1参照)。第1の強磁性層1、非磁性層2及び第2の強磁性
層3は層構造を示している。第1の強磁性層1及び第2の強磁性層3はNiFe
を含み、10nmの厚さを有する。非磁性層2はAl2O3を含み、2nmから3
nmの厚さを有する。反強磁性層4はFeMnを含み、10nmから20nmの
厚さを有する。第1の強磁性層1はワードラインWLに接している。反強磁性層
4はビットラインBLに接している。ビットラインBLはワードラインWLの下
に延在している。代わりに、ビットラインBLがワードラインWLの上側に延在
していてもよい。ビットラインBL及びワードラインWLによって形成される平
面において、メモリ素子Sは例えば0.25μm×0.25μmの断面積を有する
。
が106A/cm2を越えないように設計仕様された厚さを有する。
ビットラインBLに電流IBLが印加される。これらの電流はワードラインWLの
まわりに磁界HWLを、ビットラインBLのまわりに磁界HBLを誘導する。ビット
ラインとワードラインとの交点において結果的に生じる磁界は、第1の強磁性層
1の磁化方向に影響を与えるほど大きい。第2の強磁性層3の磁化はこの層3に
隣接する反強磁性層4によって固定されている。
領域に絶縁構造22を有する(図2参照)。この単結晶シリコン層は担体ボディ
の上に設けられたSOI基板の絶縁層の表面に設けられている。この絶縁構造2
2はSiO2を含み、例えばLOCOSプロセスにおける選択酸化によって又は 浅いトレンチ絶縁(STI)プロセスにおいて平らなトレンチを形成することに
よって形成される。この平らなトレンチは絶縁材料によって充填される。
性領域を定める。
在する第1のビットラインBL1が配置されている。ビットラインBL1は厚さ
0.6μm、長さ50μm、幅0.25μm及び隣の第1のビットラインBL1と
の間の間隔0.25μmを有する。これらのビットラインBL1は例えばAlC u又はシリサイドから形成される。これら隣り合う第1のビットラインBL1は
Si02又はSi3N4から成る平坦化絶縁層23によって互いに絶縁されている 。
素子S1が配置されている。このメモリ素子S1は図1に基づいて説明されたメ
モリ素子Sのように構成されている。これらのメモリ素子S1はそれぞれ第1の
強磁性層1、非磁性層2、第2の強磁性層3及び反強磁性層4を有する。第1の
強磁性層1及び第2の強磁性層3はNiFeを含み、厚さ10nmを有する。非
磁性層2はAl2O3を含み、厚さ2nmから3nmを有する。反強磁性層4はF
eMnを含み、厚さ10nmから20nmを有する。基板21の表面に対して平
行に、これらのメモリ素子S1はそれぞれ0.25μm×0.25μmの断面積を
有する。これらのメモリ素子S1はSi02又はSi3N4から成る平坦化絶縁層 23によって互いに絶縁されている。
ワードラインが配置されている。これらのワードラインは第1のビットラインB
L1に対して垂直方向に延在する。第1の層のメモリ素子S1はそれぞれこれら
ワードラインWLのうちの1つと第1のビットラインBL1のうちの1つとの間
の交点に配置されている。ワードラインWLは例えば厚さ0.6μmを有する。 これらのワードラインWLはAlCu及びTi/TiNを含む。これらのワード ラインWLの幅は0.25μmであり、隣り合ったワードラインWLの間の間隔 は0.25μmである。ワードラインWLの長さは5000μmである。隣り合 ったワードラインWLの間にはSi02から成る平坦化絶縁層25が配置されて いる。
れらのメモリ素子S2は第1の層のメモリ素子S1のようにグリッド状に配置さ
れている。これらのメモリ素子S2はそれぞれワードラインWLのうちの1つに
接触している。これらのメモリ素子S2はメモリ素子S1のように構成されてお
り、第1の強磁性層1、非磁性層2、第2の強磁性層3及び反強磁性層4を有す
る。メモリ素子S2の厚さ及び材料に対しては、メモリ素子S1に関して言及さ
れたことが当てはまる。
されている。この平坦化絶縁層26は例えばデポジション及び化学的機械的研磨
によってSi02又はSi3N4から形成されている。
いる。これらのビットラインBL2はストリップ状であり、互いに平行に延在す
る。さらに、これら第2のビットラインBL2は第1のビットラインBL1に対
して平行に延在している。これら第2のビットラインBL2はAlCu及びTi
/TiNを含み、厚さ0.6μm、長さ50μmを有する。これら第2のビットラ
インBL2は幅0.25μm、及び隣の第2のビットラインBL2との間の間隔 0.25μmを有する。隣り合ったこれら第2のビットラインの間には例えばS i02から成る平坦化絶縁層27によって互いに絶縁されている。
設けられている。この第1のトランジスタT1及び第2のトランジスタT2を介
して第1のビットラインBL1のうちの1つ乃至は第2のビットラインBL2の
うちの1つが制御可能である。第1のトランジスタT1はソース/ドレイン領域 S/D1、ゲート酸化物GOX1、ゲート電極G1及びゲート絶縁物GI1を有 する。第2のトランジスタT2はソース/ドレイン領域S/D2、ゲート酸化物G
OX2、ゲート電極G2及びゲート絶縁物GI2を有する。
て行われる。第2のビットラインBL2は所属の第2のトランジスタT2にコン
タクト28を介して接続されている。このコンタクト28は例えば深いコンタク
トホールを開口することによって実現される。この深いコンタクトホールは平坦
化絶縁層23、24、25、26を貫通し、金属性充填物によって充填される。
代わりに、このコンタクトホールはとりわけマルチステージプロセスにおいて第
1のビットラインBL1、第1の層のメモリ素子S1、ワードラインWL、第2
の層のメモリ素子S2及び第2のビットラインBL2の構造化と同時に開口され
、充填される。このコンタクト28は第2のトランジスタT2のソース/ドレイ ン領域S/D2のうちの1つの表面にまで達する。
=1,2,...nを有する。これらのビットラインに対して横方向にワードライン WLj,j=1,2,...mが延在する。これらのワードラインWLjは同様に互 いに平行に延在している。ビットラインBLiとワードラインWLjとの交点に
各層においてそれぞれメモリ素子Si,jが配置されている(図3参照)。
れている。演算増幅器OPiは帰還されており、それぞれ帰還抵抗RKiを有す
る。演算増幅器OPiはそれぞれ出力側Aiを有する。
抵抗値のうちの1つが割り当てられている。
,jに格納された情報の読み出しのためにワードラインWLjが制御される。こ
のために、ワードラインWLjは例えば+1ボルトの電位に置かれる。他の全て
のワードラインWLl、l≠jは0ボルトに置かれる。全ビットラインBLi,
i=1,2,...nも同様に0ボルトに置かれる。というのも、これらの全ビット ラインBLi,i=1,2,...nは帰還演算増幅器OPiの反転入力側に接続さ れており、この反転入力側は常に0ボルトに調整されるからである。演算増幅器
OPiの出力側Aiにおいて電圧 Uout=1V・R/(Rx+Rl) が取り出される。ただしこの場合、Rは帰還抵抗RKiの抵抗であり、Rxはメ モリ素子Si,jの抵抗であり、Rlは電流が流れるワードラインWLj及びビ ットラインBLiのライン部分の抵抗である。この電圧からメモリ素子Si,j
の抵抗Rxが計算される。なぜなら、その他の数値が既知だからである。
、これらのラインの抵抗は非常に小さい。帰還抵抗RKiは例えば100kΩで
ある。メモリ素子Si,jの抵抗Rxは、第1の強磁性層1と第2の強磁性層3 との磁化が平行に配向されている場合にはほぼ100kΩであり、第1の強磁性
層1と第2の強磁性層3との磁化が反平行に配向されている場合には110kΩ
である。各層には100個のビットラインBLi及び10000個のワードライ
ンWLjが設けられている。よって、入力信号の変化は仮定されるメモリ素子S
i,jの抵抗値に依存して100mVである。10の抵抗比R/(Rx+Rl)に
よって、この変化は演算増幅器OPiの出力側Aiにおいて1ボルトに増幅され
る。
iの間には寄生電流は流れない。電流路は選択されたワードラインWLjと全て
のビットラインBLiとの間でだけ閉じられている。従って、ビットラインBL
iよりも多くのワードラインWLjを使用すると有利である。層メモリ素子あた
り1Mbitを有するメモリセル装置は有利にはn=100個のビットラインB
Li及びM=10000個のワードラインWLjによって構成される。よって、
各層にはたった100個のセンスアンプが必要なだけである。それぞれ選択され
たワードラインBLjに流れる電流は100個のメモリ素子Si,jの並列接続
から得られる。これら100個のメモリ素子Si,jはそれぞれほぼ100kΩ
の抵抗を有する。この並列回路はほぼ1kΩの抵抗を有する。この場合、ビット
ラインBLiの長さは重要ではない。というのも、これは反転チャージ(umlade
n)されないからである。
ドラインWLjにそれぞれmAのオーダーの電流IWL、IBLが印加される。この
電流はライトラインBLiとワードラインWLjのまわりにそれぞれ磁界HWL、
HBLを誘導する。磁界HWL、HBLはビットラインBLiとワードラインWLjと
の交点において第1の強磁性層1の磁化に影響を与える(図1参照)。第2の強
磁性層3の磁化はこれに隣接する反強磁性層4によって固定されている。
Claims (9)
- 【請求項1】 メモリセル装置において、 互いに基本的に平行に延在する複数のワードライン及び互いに基本的に平行に
延在する複数のビットラインが設けられており、前記ワードラインは前記ビット
ラインに対して横方向に延在し、 メモリ素子には磁気抵抗効果を有する層構造が設けられており、前記メモリ素
子はそれぞれ前記ワードラインのうちの1つと前記ビットラインのうちの1つと
の間に配置されており、 前記メモリ素子は少なくとも2つの層に配置されており、該少なくとも2つの
層は互いに上下に配置されている、メモリセル装置。 - 【請求項2】 メモリ素子はそれぞれ2つの強磁性層と該2つの強磁性層の
間に配置された非磁性層とを有し、 前記メモリ素子はそれぞれ2つの磁化状態を有する、請求項1記載のメモリセ
ル装置。 - 【請求項3】 強磁性層はそれぞれFe,Ni,Co,Cr,Mn,Gd,
Dyのうちの少なくとも1つの元素を含み、 前記強磁性層の厚さはそれぞれ20nmより小さいか又は20nmに等しく、 非磁性層はAl2O3,NiO,HfO2,TiO2,NbO,SiO2のうちの 少なくとも1つの材料を含み、1nmから4nmの範囲の厚さを有する、請求項
2記載のメモリセル装置。 - 【請求項4】 反強磁性層が設けられており、該反強磁性層は強磁性層のう
ちの1つに隣接されており、前記反強磁性層は隣接する前記強磁性層における磁
化方向を決定する、請求項2又は3記載のメモリセル装置。 - 【請求項5】 反強磁性層はFe,Mn,Ni,Ir,Tb及びOのうちの
少なくとも1つの元素を含む、請求項4記載のメモリセル装置。 - 【請求項6】 メモリ素子はワードライン及びビットラインによって形成さ
れる平面において0.5μmから20μmの範囲の寸法を有する、請求項1から 5のうちの1項記載のメモリセル装置。 - 【請求項7】 メモリ素子はビットライン及びワードラインよりも高オーム
抵抗であり、それぞれ前記ワードラインのうちの1つと前記ビットラインのうち
の1つとの間に接続されており、 前記ビットラインはそれぞれセンスアンプに接続されており、該センスアンプ
を介して各ビットラインの電位が基準電位に調整可能であり、前記センスアンプ
において出力信号が取り出し可能である、請求項1から6のうちの1項記載のメ
モリセル装置。 - 【請求項8】 センスアンプは帰還演算増幅器を有する、請求項7記載のメ
モリセル装置。 - 【請求項9】 メモリ素子の層あたりのワードライン数はビットライン数よ
りも大きい、請求項7又は8記載のメモリセル装置。
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