JP2003060172A - Magnetic memory cell - Google Patents

Magnetic memory cell

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JP2003060172A
JP2003060172A JP2001248583A JP2001248583A JP2003060172A JP 2003060172 A JP2003060172 A JP 2003060172A JP 2001248583 A JP2001248583 A JP 2001248583A JP 2001248583 A JP2001248583 A JP 2001248583A JP 2003060172 A JP2003060172 A JP 2003060172A
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JP
Japan
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magnetic
layer
write line
magnetic field
current
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Application number
JP2001248583A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Kano
博司 鹿野
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve reliability by preventing a discontinuity due to electromigration by reducing the write current without lowering the reliability in a magnetic memory device (e.g. MRAM). SOLUTION: A magnetic memory cell comprises a magnetic material having a means for writing information by generating a magnetic field inversion according to a current magnetic field. The memory cell further comprises the write line for generating a magnetic field for writing (bit write line 11, word write line 21) having a composite structure of conductor layers 12, 22 made of nonmagnetic conductors, and magnetic material layers 13, 23 made of soft magnetic materials having high permeability in such a manner that the layers 13, 23 each has a specific resistance of four times or more as large as that of each of the layers 12, 22.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気記憶素子に関
し、詳しくは書き込み線に特徴を有する磁気記憶素子に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic storage element, and more particularly to a magnetic storage element characterized by a write line.

【0002】[0002]

【従来の技術】情報通信機器、特に携帯端末などの個人
用小型機器の飛躍的な普及にともない、これを構成する
メモリ素子やロジック素子には、高集積化、高速化、低
消費電力化など、一層の高性能化が要求されている。特
に不揮発性メッキの高密度・大容量化は、可動部分の存
在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光
ディスクを置き換える技術としてますます重要に成って
きている。
2. Description of the Related Art With the rapid spread of information communication equipment, especially small personal equipment such as portable terminals, the memory elements and logic elements constituting them are highly integrated, high speed, low power consumption, etc. However, higher performance is required. In particular, increasing the density and capacity of non-volatile plating is becoming more and more important as a technology for replacing hard disks and optical disks that are essentially impossible to miniaturize due to the presence of moving parts.

【0003】不揮発性メモリとしては、半導体を用いた
フラッシュメモリや強誘電体を用いたFRAM(Ferro
electric Random Access Memory)等があげられる。し
かしながら、フラッシュメモリは書き込み速度がμsの
オーダーと遅いという課題がある。一方、FRAMは、
書き換え可能回数が少ないという課題を有している。
Non-volatile memory includes a flash memory using a semiconductor and an FRAM (Ferro Ferro) using a ferroelectric.
electric Random Access Memory). However, the flash memory has a problem that the writing speed is low, on the order of μs. On the other hand, FRAM is
There is a problem that the number of rewritable times is small.

【0004】上記課題を有さない不揮発性メモリとして
注目されているのが、例えば「Wanget al., IEEE Tran
s. Magn.33 (1997),4498に記載されているような、MR
AM(Magnetic Random Access Memory)と呼ばれる磁
気メモリであり、近年のTMR(Tunnel Magneto Resis
tance)材料の特性向上により、注目を集めるようにな
ってきている。
As a non-volatile memory that does not have the above-mentioned problems, for example, “Wang et al., IEEE Tran.
MR as described in s. Magn.33 (1997), 4498.
This is a magnetic memory called AM (Magnetic Random Access Memory), and has been used in recent years with TMR (Tunnel Magneto Resis
tance) Due to the improvement of the characteristics of materials, it is getting more and more attention.

【0005】MRAMは、構造が単純であるため高集積
化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記録
を行うために、十分な書き換え可能回数が得られる。ま
たアクセス時間についても非常に高速であることが予想
され、すでにナノ秒台で動作することが確認されてい
る。
Since the MRAM has a simple structure, it can be easily highly integrated, and since the recording is performed by the rotation of the magnetic moment, a sufficient number of rewritable times can be obtained. The access time is also expected to be extremely fast, and it has already been confirmed to operate in the nanosecond range.

【0006】MRAMでは、素子アレイのうち、特定の
ビットに情報を記録するために、アレイを縦横に横切る
ビット書き込み線とワード書き込み線とを設け、その交
差領域に位置する素子のみを、アステロイド特性を使用
して選択書き込みを行う方法(例えば特開平10−11
6490号公報参照)が知られている。
In the MRAM, in order to record information in a specific bit in the element array, a bit write line and a word write line which traverse the array in the vertical and horizontal directions are provided, and only the element located in the intersection region is asteroid. A method of performing selective writing using characteristics (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-11
No. 6490) is known.

【0007】次に、一般的なMRAMを、図3のMRA
Mの一部を簡略化した拡大斜視図によって説明する。な
お、図3では、簡略化のため、読み出し回路部分は省略
した。
Next, a general MRAM is replaced with the MRA of FIG.
An enlarged perspective view of a part of M will be described. Note that the read circuit portion is omitted in FIG. 3 for simplification.

【0008】図3に示すように、このMRAMの回路で
は9個のメモリセルが示されており、相互に交差するビ
ット書き込み線101、102、103およびワード書
き込み線104、105、106を有する。それらの書
き込み線の交点には、TMR(TMRはTunnel Magneti
c Resistanceの略)材料などで構成されている磁気抵抗
効果素子111〜119が配置されている。TMR素子
は、ニッケル、鉄もしくはコバルト、またはそれらのう
ちの少なくとも2種以上の合金からなる磁性体を有する
情報記憶層を含み、書き込み線に流す書き込み電流によ
り発生する磁界によって、情報記憶層の磁化方向を変化
させることにより、情報の書き込みを行う。各書き込み
線は、一般にアルミニウムもしくは銅もしくはこれらの
合金のような導電性物質(金属)で形成されている。各
書き込み線は、化学的もしくは物理的に堆積された導電
性物質(金属)を選択的にエッチングすることで形成さ
れる。
As shown in FIG. 3, nine memory cells are shown in this MRAM circuit, and bit write lines 101, 102, 103 and word write lines 104, 105, 106 intersecting each other are provided. At the intersection of those writing lines, TMR (TMR is Tunnel Magneti
Magnetoresistive elements 111 to 119 made of a material or the like are arranged. The TMR element includes an information storage layer having a magnetic substance made of nickel, iron, cobalt, or an alloy of at least two or more thereof, and the magnetization of the information storage layer is magnetized by a magnetic field generated by a write current flowing in a write line. Information is written by changing the direction. Each write line is generally formed of a conductive material (metal) such as aluminum, copper, or an alloy thereof. Each write line is formed by selectively etching a chemically or physically deposited conductive material (metal).

【0009】上記図3によって説明したMRAMの原理
回路を図4の回路図によって説明する。
The principle circuit of the MRAM described with reference to FIG. 3 will be described with reference to the circuit diagram of FIG.

【0010】図4に示すように、このMRAMの回路で
は6個のメモリセルが示されており、図3に対応する相
互に交差するワード書き込み線104、105、10
6、およびビット書き込み線101、102を有する。
これらの書き込み線の交点には、記憶素子となるTMR
素子111、112、114、115、117、118
が配置され、さらに読み出しの際に素子選択を行うもの
で各記憶素子に対応して電界効果トランジスタ121、
122、124、125、127、128が接続されて
いる。さらに電界効果トランジスタ121、124、1
27にはセンス線131が接続され、電界効果トランジ
スタ122、125、128にはセンス線132が接続
されている。
As shown in FIG. 4, in this MRAM circuit, six memory cells are shown, and word write lines 104, 105, 10 corresponding to FIG.
6 and bit write lines 101 and 102.
At the intersection of these write lines, a TMR that becomes a storage element
Elements 111, 112, 114, 115, 117, 118
Are arranged, and the element selection is performed at the time of reading. The field effect transistor 121, which corresponds to each memory element,
122, 124, 125, 127, 128 are connected. Further, field effect transistors 121, 124, 1
A sense line 131 is connected to 27, and a sense line 132 is connected to the field effect transistors 122, 125, 128.

【0011】上記センス線131はセンスアンプ133
に接続され、センス線132はセンスアンプ134に接
続され、それぞれ素子に記憶された情報を検出する。ま
た、ビット書き込み線101の両端には、書き込み線用
双方向性電流源141、142が接続、ビット書き込み
線102の両端には、書き込み線用双方向性電流源14
3、144が接続されている。さらにワード書き込み線
104には、ワード書き込み線用双方向性電流源151
が接続され、ワード書き込み線105には、ワード書き
込み線用双方向性電流源152が接続され、ワード書き
込み線106には、ワード書き込み線用双方向性電流源
153が接続されている。
The sense line 131 is the sense amplifier 133.
, And the sense line 132 is connected to the sense amplifier 134 to detect the information stored in each element. Write line bidirectional current sources 141 and 142 are connected to both ends of the bit write line 101, and write line bidirectional current sources 14 are connected to both ends of the bit write line 102.
3, 144 are connected. Further, the word write line 104 has a bidirectional current source 151 for the word write line.
The word write line 105 is connected to the word write line bidirectional current source 152, and the word write line 106 is connected to the word write line bidirectional current source 153.

【0012】前記図3および図4に対応するMRAMの
単一セルの断面構成を、図5の概略構成断面図によって
説明する。
The sectional structure of a single cell of the MRAM corresponding to FIGS. 3 and 4 will be described with reference to the schematic sectional view of FIG.

【0013】図5に示すように、半導体基板211上
に、ゲート領域212、ソース領域213、ドレイン領
域214よりなる電界効果型トランジスタ215が配置
され、その上部にワード書き込み線221、TMR素子
層231、ビット書き込み線241が配置されている。
また、ドレイン領域214にはプラグ216を介してセ
ンスライン251が接続されている。
As shown in FIG. 5, a field effect transistor 215 composed of a gate region 212, a source region 213 and a drain region 214 is arranged on a semiconductor substrate 211, and a word write line 221 and a TMR element layer 231 are formed on the field effect transistor 215. , Bit write lines 241 are arranged.
A sense line 251 is connected to the drain region 214 via a plug 216.

【0014】次に、メモリセルに使用するTMR膜の構
成を図6の概略構成斜視図によって説明する。
Next, the structure of the TMR film used for the memory cell will be described with reference to the schematic perspective view of FIG.

【0015】図6に示すように、TMR膜310は、磁
化が比較的容易に回転する記憶層311と磁化固定層と
を含む。磁化固定層は、第1の磁化固定層313と第2
の磁化固定層315との二つの磁化固定層を有し、その
間には、これらの磁性体層が反強磁性的に結合するよう
な導体層314が配置されている。この導体層314の
材料としては、ルテニウム(Ru)、銅(Cu)、クロ
ム(Cr)、金(Au)、銀(Ag)等が使用できる。
As shown in FIG. 6, the TMR film 310 includes a storage layer 311 whose magnetization rotates relatively easily and a magnetization fixed layer. The magnetization fixed layer includes the first magnetization fixed layer 313 and the second magnetization fixed layer 313.
Of the magnetic pinned layer 315 and the magnetic pinned layer 315, and the conductor layer 314 is arranged between them so that these magnetic layers are antiferromagnetically coupled. As a material of the conductor layer 314, ruthenium (Ru), copper (Cu), chromium (Cr), gold (Au), silver (Ag), or the like can be used.

【0016】第2の磁化固定層315は反強磁性体層3
16と接して形成されていて、第2の磁化固定層315
と反強磁性体層316との層間に働く交換相互作用によ
って、第2の磁化固定層315は強い一方向の磁気異方
性を持つことになる。反強磁性体層316の材料として
は、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、イ
リジウム(Ir)、ロジウム(Rh)などのマンガン合
金、コバルトやニッケル等の酸化物などが使用できる。
The second magnetization fixed layer 315 is the antiferromagnetic layer 3
16 and is formed in contact with the second magnetization fixed layer 315.
The second magnetic pinned layer 315 has strong unidirectional magnetic anisotropy due to the exchange interaction between the antiferromagnetic material layer 316 and the antiferromagnetic material layer 316. As a material of the antiferromagnetic material layer 316, a manganese alloy such as iron (Fe), nickel (Ni), platinum (Pt), iridium (Ir) or rhodium (Rh), or an oxide such as cobalt or nickel is used. it can.

【0017】また、記憶層311と第1の磁化固定層3
13との間にはアルミニウム、マグネシウム、シリコン
等の酸化層、もしくは窒化物からなる絶縁体によるトン
ネルバリア層312が配置されており、記憶層311と
主に第1の磁化固定層313との磁気的結合を切るとと
もに、トンネル電流を流すための役割を担う。上記トン
ネルバリア層312以外の上記各膜は主にスパッタリン
グ法により形成され、トンネルバリア層312はスパッ
タリングで形成された金属膜を酸化もしくは窒化させる
ことにより得ることができる。
The storage layer 311 and the first magnetization fixed layer 3 are also provided.
A tunnel barrier layer 312 made of an insulating layer made of an oxide or a nitride of aluminum, magnesium, silicon or the like is arranged between the storage layer 311 and the magnetic layer 13 of the first magnetization fixed layer 313. It has a role to cut the static coupling and to pass a tunnel current. The respective films other than the tunnel barrier layer 312 are mainly formed by a sputtering method, and the tunnel barrier layer 312 can be obtained by oxidizing or nitriding a metal film formed by sputtering.

【0018】上記構成のメモリセルでは、磁気抵抗効果
によるトンネル電流の変化を検出して情報を読み出す
が、その効果は記憶層と磁化固定層との相対磁化方向に
依存する。
In the memory cell having the above structure, a change in tunnel current due to the magnetoresistive effect is detected and information is read out. The effect depends on the relative magnetization direction between the storage layer and the magnetization fixed layer.

【0019】以上のように、MRAMのアレイでは、ビ
ット書き込み線およびワード書き込み線からなる格子の
交点にメモリセルが配置されている。MRAMの場合、
ワード書き込み線とビット書き込み線とを使用すること
で、アステロイド磁化反転特性を利用し、選択的に個々
のメモリセルに書き込むことが一般的である。
As described above, in the MRAM array, the memory cells are arranged at the intersections of the grids of bit write lines and word write lines. In case of MRAM,
By using the word write line and the bit write line, it is common to selectively write in individual memory cells by utilizing the asteroid magnetization reversal characteristic.

【0020】単一の記憶領域における合成磁化は、それ
に印加された容易軸方向磁界HEAと困難軸方向磁界H
HA とのベクトル合成によって決まる。ビット書き込み
線を流れる電流はセルに容易軸方向の磁界(HEA )を
印加し、ワード書き込み線を流れる電流はセルに困難軸
方向の磁界(HHA )を印加する。
The combined magnetization in a single memory area is the magnetic field H EA and the hard axis magnetic field H EA applied to it.
Determined by vector composition with HA . The current flowing through the bit write line applies a magnetic field in the easy axis direction (H EA ) to the cell, and the current flowing through the word write line applies a magnetic field in the hard axis direction (H HA ).

【0021】図7に示すアステロイド曲線は、印加され
た容易軸方向磁界HEA および困難軸方向磁界HHA によ
る記憶層磁化方向の反転しきい値を示している。アステ
ロイド曲線外部に相当する合成磁界ベクトルが発生する
と、磁界反転が生じる。アステロイド曲線内部の合成磁
界ベクトルは、その電流双安定状態の一方からセルを反
転させることはない。また、電流を流しているワード線
およびビット線の交点以外のセルにおいても、ワード線
もしくはビット線単独で発生する磁界が印加されるた
め、それらの大きさが一方向反転磁界HK 以上の場合
は、交点以外のセルの磁化方向も反転するので、合成磁
界が斜線で示す部分401にある場合のみ、選択された
セルを選択書き込みが可能となる。
The asteroid curve shown in FIG. 7 shows the reversal threshold value of the magnetization direction of the storage layer due to the applied easy-axis direction magnetic field H EA and hard-axis direction magnetic field H HA . When a synthetic magnetic field vector corresponding to the outside of the asteroid curve is generated, magnetic field reversal occurs. The resultant magnetic field vector inside the asteroid curve does not invert the cell from one of its current bistable states. In addition, since the magnetic field generated by the word line or the bit line alone is applied to cells other than the intersection of the word line and the bit line that are passing current, when the magnitude of these is greater than or equal to the one-way reversal magnetic field H K. Since the magnetization directions of the cells other than the intersections are also inverted, the selected cell can be selectively written only when the combined magnetic field is in the shaded portion 401.

【0022】[0022]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記書
き込み線には、アルミニウムや銅のような半導体装置に
通常使用されている導電体薄膜が用いられ、例えば反転
磁界20Oeの素子に0.25μm線幅の書きこみ線で
書き込むためには、約2mAの電流が必要であった。書
き込み線の厚さが線幅と同等の場合、その際の電流密度
は3.2MA/cm2 となり、エレクトロマイグレーシ
ョンによる断線限界値に近くなる。
However, for the write line, a conductor thin film such as aluminum or copper which is usually used in semiconductor devices is used. For example, a 0.25 μm line width element is used for a switching field of 20 Oe. A writing current of about 2 mA was required to write with the writing line. When the thickness of the write line is equal to the line width, the current density at that time is 3.2 MA / cm 2 , which is close to the breaking limit value due to electromigration.

【0023】原理上、被記録領域の保磁力を小さくする
ことにより書き込み電流を減少させることができるが、
外部の磁気的な攪乱によって情報記録素子の信頼性が低
下するため、この手法には限界がある。そのため、MR
AMにおいては書き込み電流を低減することが重要な課
題となっている。
In principle, the write current can be reduced by reducing the coercive force of the recording area.
This method has a limit because the reliability of the information recording element is deteriorated by external magnetic disturbance. Therefore, MR
Reducing the write current has become an important issue in AM.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされた磁気記憶素子である。
The present invention is a magnetic memory device made to solve the above problems.

【0025】本発明の磁気記憶素子は、電流磁界により
磁界反転を生じさせることにより情報を書き込む手段を
持つ磁性体を用いたもので、書き込みを行うための磁界
を発生させる書き込み線が、非磁性導体からなる導電体
層と、高透磁率を持つ軟磁性体からなる磁性体層との複
合構造を有する磁気記憶素子において、前記磁性体層は
前記導電体層の4倍以上の比抵抗を有するものである。
The magnetic memory element of the present invention uses a magnetic material having means for writing information by causing magnetic field inversion by a current magnetic field, and the write line for generating the magnetic field for writing is non-magnetic. In a magnetic memory element having a composite structure of a conductor layer made of a conductor and a magnetic layer made of a soft magnetic material having a high magnetic permeability, the magnetic layer has a specific resistance that is four times or more that of the conductor layer. It is a thing.

【0026】上記磁気記憶素子では、書き込みを行うた
めの磁界を発生させる書き込み線が、非磁性導体からな
る導電体層と、高透磁率を持つ軟磁性体からなる磁性体
層との複合構造を有し、磁性体層が導電体層の4倍以上
の比抵抗を有することから、書き込みにおける電流使用
効率の低下を抑えることができるので、書き込み時の電
流を低減することが可能になる。
In the above magnetic memory element, the write line for generating a magnetic field for writing has a composite structure of a conductor layer made of a non-magnetic conductor and a magnetic layer made of a soft magnetic material having a high magnetic permeability. In addition, since the magnetic layer has a resistivity that is four times or more that of the conductor layer, it is possible to suppress a decrease in current use efficiency during writing, and thus it is possible to reduce the current during writing.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】本発明の磁気記憶素子に係る一実
施の形態を、図1の要部を示す概略構成斜視図によって
説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of a magnetic memory element of the present invention will be described with reference to the schematic perspective view showing the main part of FIG.

【0028】図1に示すように、本実施の形態の磁気記
憶素子(MRAM)は、電流磁界により磁界反転を生じ
させることにより情報を書き込む手段を持つ磁性体を用
いたものであり、相互に交差するビット書き込み線11
とワード書き込み線21とを有し、上記ビット書き込み
線11とワード書き込み線21との交点には、磁気抵抗
効果素子31が配置されている。
As shown in FIG. 1, the magnetic memory element (MRAM) of the present embodiment uses magnetic bodies having means for writing information by causing magnetic field reversal by a current magnetic field, and mutually. Bit write lines 11 that intersect
And a word write line 21, and a magnetoresistive effect element 31 is arranged at the intersection of the bit write line 11 and the word write line 21.

【0029】上記磁気抵抗効果素子31は、例えばTM
R(TMRはTunnel Magnetic Resistanceの略)材料な
どで構成されており、ニッケル、鉄もしくはコバルト、
またはそれらのうちの少なくとも2種以上の合金からな
る磁性体を有する情報記憶層を含み、ビット書き込み線
11およびワード書き込み線21に流す書き込み電流に
より発生する磁界によって、情報記憶層の磁化方向を変
化させることにより、情報が書き込まれる。
The magnetoresistive element 31 is, for example, TM
R (TMR is an abbreviation for Tunnel Magnetic Resistance) is composed of materials such as nickel, iron or cobalt,
Alternatively, the magnetization direction of the information storage layer is changed by a magnetic field generated by a write current flowing through the bit write line 11 and the word write line 21 including an information storage layer having a magnetic body made of an alloy of at least two of them. By doing so, the information is written.

【0030】上記ビット書き込み線11は、非磁性導体
からなる導電体層12と、高透磁率を持つ軟磁性体から
なる磁性体層13との複合構造を有し、磁性体層13
は、ビット書き込み線11の磁気抵抗効果素子31側と
は反対側の面に配置されている。そして、磁性体層13
は導電体層12の4倍以上の比抵抗を有するものであ
る。
The bit write line 11 has a composite structure of a conductor layer 12 made of a non-magnetic conductor and a magnetic layer 13 made of a soft magnetic substance having a high magnetic permeability.
Are arranged on the surface of the bit write line 11 opposite to the magnetoresistive effect element 31 side. Then, the magnetic layer 13
Has a specific resistance that is at least four times that of the conductor layer 12.

【0031】また上記ワード書き込み線21は、非磁性
導体からなる導電体層22と、高透磁率を持つ軟磁性体
からなる磁性体層23との複合構造を有し、磁性体層2
3は、ワード書き込み線21の磁気抵抗効果素子31側
とは反対側の面に配置されている。そして、磁性体層2
3は導電体層22の4倍以上の比抵抗を有するものであ
る。
The word write line 21 has a composite structure of a conductor layer 22 made of a non-magnetic conductor and a magnetic layer 23 made of a soft magnetic material having a high magnetic permeability.
3 is arranged on the surface of the word write line 21 opposite to the magnetoresistive effect element 31 side. And the magnetic layer 2
3 has a resistivity that is four times or more that of the conductor layer 22.

【0032】上記ビット書き込み線11は、スパッタリ
ング法、めっき法もしくは化学的気相成長法によりアル
ミニウム、銅もしくはこれらの合金からなる導電体層1
2を成膜した後、スパッタリング法もしくはめっき法に
よって磁性体層13を成膜する。その後、イオンミリン
グもしくは反応性イオンエッチングにより所望のパター
ンに形成する。上記ワード書き込み線21は、ビット書
き込み線11とは逆の順番で成膜した後、イオンミリン
グもしくは反応性イオンエッチングにより所望のパター
ンに形成する。この例では、ビット書き込み線11とワ
ード書き込み線21との両方に2層構造を適用している
が、片方のみでも効果がある。
The bit write line 11 is a conductor layer 1 made of aluminum, copper or an alloy thereof by a sputtering method, a plating method or a chemical vapor deposition method.
After depositing 2, the magnetic layer 13 is deposited by sputtering or plating. After that, a desired pattern is formed by ion milling or reactive ion etching. The word write line 21 is formed into a desired pattern by ion milling or reactive ion etching after forming the film in the reverse order of the bit write line 11. In this example, the two-layer structure is applied to both the bit write line 11 and the word write line 21, but it is also effective to use only one of them.

【0033】このような書き込み構造とすることで、書
き込み時の電流を低減することが可能になる。
With such a writing structure, the current during writing can be reduced.

【0034】ところで、上記説明した構造のビット書き
込み線11およびワード書き込み線21から発生する磁
界の大きさは、電流中心と記録素子との間隔にほぼ反比
例する。したがって、一定の電流で効率良く磁界を印加
しようとする場合、電流中心を素子に近づけるほうが良
い。
By the way, the magnitude of the magnetic field generated from the bit write line 11 and the word write line 21 having the above-described structure is almost inversely proportional to the distance between the current center and the recording element. Therefore, in order to efficiently apply a magnetic field with a constant current, it is better to bring the current center closer to the element.

【0035】次に、上記磁性体層が導電体層の4倍以上
の比抵抗を有するものとする理由を説明する。
Next, the reason why the magnetic layer has a specific resistance that is at least four times that of the conductor layer will be described.

【0036】前記図1に示した構造の磁気メモリ素子で
は、効率良く書き込みを行うために書き込み効率を90
%以上とする必要がある。図2に示すように、導電体層
12(22)と磁性体層13(23)の厚さをそれぞれ
0.1μmとし、線幅を0.25μm、記録層が導電体
層12(22)に密着している場合、磁性体層の比抵抗
が無限大の場合に対する素子への印加磁界の比を書き込
み効率として、この書き込み効率と(磁性体層の比抵
抗)/(導電体層の比抵抗)で表す磁性体層と導電体層
との比抵抗比との関係から、上記記録構造において、書
き込み効率を90%以下に低下させないためには、磁性
体層の比抵抗は導電体層の比抵抗に対しておよそ4倍以
上とすることが必要となることがわかる。
In the magnetic memory device having the structure shown in FIG. 1, the write efficiency is set to 90 in order to write efficiently.
It must be at least%. As shown in FIG. 2, the conductor layer 12 (22) and the magnetic layer 13 (23) each have a thickness of 0.1 μm, a line width of 0.25 μm, and the recording layer is a conductor layer 12 (22). When they are in close contact, the ratio of the magnetic field applied to the element when the specific resistance of the magnetic layer is infinite is the writing efficiency, and this writing efficiency and (specific resistance of magnetic layer) / (specific resistance of conductive layer) From the relationship between the specific resistance ratio between the magnetic material layer and the conductive material layer represented by), in order to prevent the writing efficiency from being reduced to 90% or less in the above recording structure, the specific resistance of the magnetic material layer is the specific resistance of the conductive material layer. It can be seen that the resistance needs to be about four times or more.

【0037】半導体装置でよく用いられている導電体材
料としてアルミニウムがある。バルクのアルミニウムの
比抵抗は、2.65μΩ・cmであり、上記条件を満た
すためには、磁性体材料の比抵抗がおよそ10μΩ・c
m以上でなければならない。磁性体層の比抵抗が導電体
層の比抵抗のおよそ9倍以上の25μΩ・cm以上にす
ればさらに望ましい。この場合、書き込みにおける電流
使用効率の低下を5%以下に抑えることができる。
Aluminum is a commonly used conductor material in semiconductor devices. The specific resistance of bulk aluminum is 2.65 μΩ · cm, and in order to satisfy the above condition, the specific resistance of the magnetic material is approximately 10 μΩ · c.
must be at least m. It is more desirable that the specific resistance of the magnetic layer is 25 μΩ · cm or more, which is about 9 times or more the specific resistance of the conductive layer. In this case, it is possible to suppress the decrease in current use efficiency in writing to 5% or less.

【0038】以上のような理由により、前記図1に示し
た磁性体層13(23)は導電体層12(22)の4倍
以上の比抵抗を有するものを用いている。
For the above reason, the magnetic layer 13 (23) shown in FIG. 1 has a resistivity that is four times or more that of the conductor layer 12 (22).

【0039】本発明に使用できる上記導電体層12、2
2は、アルミニウムの他に、銅もしくは銅とアルミニウ
ムとの合金、タングステンのような導電性物質(金属)
で形成することができる。
The conductor layers 12, 2 which can be used in the present invention
In addition to aluminum, 2 is a conductive substance (metal) such as copper, an alloy of copper and aluminum, or tungsten.
Can be formed with.

【0040】本発明に使用できる磁性体層13(23)
に用いることができる材料としては、ニッケル鉄合金
(例えばパーマロイ)に、タンタル(Ta)やニオブ
(Nb)の添加物を加え、比抵抗を25μΩ・cm以上
にした材料がある。例えば、スパッタリング法により成
膜したタンタルを5at%添加したNi0.8Fe0.2合金
((Ni0.8Fe0.20.95Ta0.05)の比抵抗は100
μΩcmであり、十分に使用することができる。また、
これらの添加元素を0.5at%以上添加すると、比抵抗
は25μΩ・cm以上となるため、使用可能となる。ま
た、添加元素としては、上記タンタルやニオブ以外に、
ホウ素、炭素、アルミニウム、シリコン、リン、チタ
ン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリ
ブデン、ハフニウム、タングステンおよびイットリウム
のうちの少なくとも1種以上の元素を用いることができ
る。上記膜の成膜方法は、スパッタリング法以外に、電
気めっき法、蒸着法等の方法を用いることも可能であ
る。
Magnetic layer 13 (23) usable in the present invention
As a material that can be used for, there is a material in which an additive such as tantalum (Ta) or niobium (Nb) is added to a nickel iron alloy (for example, permalloy) to have a specific resistance of 25 μΩ · cm or more. For example, the specific resistance of a Ni 0.8 Fe 0.2 alloy ((Ni 0.8 Fe 0.2 ) 0.95 Ta 0.05 ) added with 5 at% of tantalum formed by a sputtering method is 100.
It is μΩcm, and can be sufficiently used. Also,
When these additive elements are added in an amount of 0.5 at% or more, the specific resistance becomes 25 μΩ · cm or more, and thus it can be used. In addition to the above tantalum and niobium, as an additive element,
At least one element selected from boron, carbon, aluminum, silicon, phosphorus, titanium, vanadium, chromium, zirconium, niobium, molybdenum, hafnium, tungsten and yttrium can be used. As a method for forming the film, an electroplating method, a vapor deposition method, or the like can be used in addition to the sputtering method.

【0041】上記パーマロイは、その組成によっては5
0μΩ・cm程度の比抵抗を有するNi0.55Fe0.45
金のような材料もあり、これも使用することもできる。
また、45パーマロイと呼ばれるNi0.45Fe0.55合金
のような鉄の含有量が多い材料も使用できる。これらの
材料は、めっき法、スパッタリング法、蒸着法等の成膜
方法により成膜が可能である。
The above permalloy has a composition of 5 depending on its composition.
There is a material such as Ni 0.55 Fe 0.45 alloy having a specific resistance of about 0 μΩ · cm, and this can also be used.
Further, a material having a high iron content, such as a Ni 0.45 Fe 0.55 alloy called 45 permalloy, can also be used. These materials can be formed into a film by a film forming method such as a plating method, a sputtering method, or a vapor deposition method.

【0042】その他、一般に100μΩ・cm程度の比
抵抗を有するアモルファス系磁性材料も適しており、例
えば、CoZr、CoHf、CoZrTa、CoNbT
a、CoFeB、CoFeC、FeC、FeB、FeN
bB、FeNbC、CoTaB、CoTaC等の材料が
使用できる。これらの材料は、めっき法、スパッタリン
グ法、蒸着法等の成膜方法により成膜が可能である。
In addition, an amorphous magnetic material having a specific resistance of about 100 μΩ · cm is generally suitable, for example, CoZr, CoHf, CoZrTa, CoNbT.
a, CoFeB, CoFeC, FeC, FeB, FeN
Materials such as bB, FeNbC, CoTaB and CoTaC can be used. These materials can be formed into a film by a film forming method such as a plating method, a sputtering method, or a vapor deposition method.

【0043】また、鉄やコバルトの合金を基材にした酸
化物、窒化物もしくは酸化窒化物も、40μΩ・cmな
いし100μΩ・cm以上の比抵抗を有するので使用す
ることができる。これらの材料は、ガス中スパッタリン
グにより成膜することができる。例えば、FeO−N、
CoO−N、CoFeN、CoFeO、CoFeO−N
などが使用でき、成膜時に、アルゴンガスに5%〜30
%の酸素ガス、窒素ガス、もしくは酸素と窒素との混合
ガスを用いたスパッタリング法、蒸着法等で形成するこ
とができる。まためっき法でも成膜が可能である。ま
た、これらの材料にホウ素、炭素等の添加物を1at%〜
5at%加えることで、グラニュラー化を促進させ、抵抗
をさらに高めることも可能である。
Oxides, nitrides or oxynitrides based on iron or cobalt alloys can be used because they have a specific resistance of 40 μΩ · cm to 100 μΩ · cm or more. These materials can be formed into a film by sputtering in gas. For example, FeO-N,
CoO-N, CoFeN, CoFeO, CoFeO-N
Etc. can be used, and 5% to 30% of argon gas is used at the time of film formation.
% Oxygen gas, nitrogen gas, or a mixed gas of oxygen and nitrogen, a sputtering method, an evaporation method, or the like can be used. Further, it is possible to form a film by a plating method. In addition, additives such as boron and carbon are added to these materials at 1 at%
By adding 5 at%, it is possible to promote granularity and further increase resistance.

【0044】上記めっき法は、例えばめっき液にニッケ
ル、鉄、コバルト等の硫酸化物もしくは塩酸化物にバナ
ジウム、クロム等のナトリウム塩、アンモニウム塩を添
加しためっき液を用いる。例えば、(Ni0.8Fe0.2
0.95Ta0.05合金を成膜するめっき液としては、硫酸ニ
ッケルと硫酸鉄の溶液にタンタル酸ナトリウムを添加し
ためっき液を用いる。めっき液の温度は、室温(例えば
20℃)〜60℃に設定する。めっき液のpHは塩酸に
より調整し、例えば2.0〜4.0程度に調整する。
In the above plating method, for example, a plating solution prepared by adding a sulfate, such as nickel, iron, or cobalt, or a salt oxide, to which a sodium salt such as vanadium or chromium, or an ammonium salt is added, is used. For example, (Ni 0.8 Fe 0.2 )
As a plating solution for forming a 0.95 Ta 0.05 alloy film, a plating solution obtained by adding sodium tantalate to a solution of nickel sulfate and iron sulfate is used. The temperature of the plating solution is set to room temperature (for example, 20 ° C) to 60 ° C. The pH of the plating solution is adjusted with hydrochloric acid, for example, about 2.0 to 4.0.

【0045】上記スパッタリング法は、例えばRFマグ
ネトロンスパッタリング装置を用い、一例として、成膜
雰囲気を0.2Paのアルゴン雰囲気とし、投入電力を
500Wに設定して成膜を行う。ターゲットには所望の
組成の膜が得られるような組成に調合した合金ターゲッ
トを用いる。また、成膜時の基板温度は適宜設定する。
In the above-mentioned sputtering method, for example, an RF magnetron sputtering apparatus is used, and as an example, the film forming atmosphere is an argon atmosphere of 0.2 Pa, and the input power is set to 500 W to form the film. As the target, an alloy target prepared to have a composition capable of obtaining a film having a desired composition is used. The substrate temperature during film formation is set appropriately.

【0046】また、グラニュラー膜をスパッタリング法
によって成膜するには、スパッタリングガスにアルゴン
と30%の酸素もしくは30%の窒素との混合ガスを用
いる。
To form a granular film by a sputtering method, a mixed gas of argon and 30% oxygen or 30% nitrogen is used as a sputtering gas.

【0047】蒸着法による成膜は、所望の組成の膜が得
られるような組成に調合した蒸着源を用い、例えば電子
ビーム蒸着により成膜する。
The film formation by the vapor deposition method is performed by, for example, electron beam vapor deposition using a vapor deposition source prepared to have a composition capable of obtaining a film having a desired composition.

【0048】[0048]

【発明の効果】以上、説明したように本発明の磁気メモ
リ素子によれば、小さいワード書き込み電流での情報書
き込みが可能となるので、書き込み電流を従来よりも低
減することができ、磁気記憶素子の消費電力の低減、書
き込み線のエレクトロマイグレーション破断の低減によ
る信頼性の向上、書き込み線ドライバ回路の縮小による
チップ面積の縮小化等の効果が得られる。
As described above, according to the magnetic memory device of the present invention, it is possible to write information with a small word write current, so that the write current can be reduced as compared with the conventional one, and the magnetic memory device. It is possible to obtain effects such as a reduction in power consumption, a reduction in electromigration breakage of the write line, an improvement in reliability, and a reduction in the write line driver circuit to reduce a chip area.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の磁気記憶素子に係る一実施の形態を示
す要部の概略構成斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view of a schematic configuration of a main part showing an embodiment of a magnetic memory element of the present invention.

【図2】素子への印加磁界と磁性体層と導電体層の比抵
抗の比との関係図である。
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a magnetic field applied to an element and a ratio of specific resistances of a magnetic layer and a conductive layer.

【図3】MRAMの構成の一部を簡略化して示した概略
構成斜視図である。
FIG. 3 is a schematic configuration perspective view showing a simplified part of the configuration of the MRAM.

【図4】MRAMの原理回路を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing a principle circuit of an MRAM.

【図5】MRAMの単一セルの断面構成を示す概略構成
断面図である。
FIG. 5 is a schematic configuration sectional view showing a sectional configuration of a single cell of the MRAM.

【図6】メモリセルに使用するTMR膜の構成を示す概
略構成斜視図である。
FIG. 6 is a schematic configuration perspective view showing a configuration of a TMR film used for a memory cell.

【図7】容易軸方向磁界HEA および困難軸方向磁界H
HA による記憶層磁化方向の反転しきい値を示すアステ
ロイド曲線である。
FIG. 7: Easy axis magnetic field H EA and hard axis magnetic field H
3 is an asteroid curve showing the reversal threshold of the magnetization direction of the memory layer by HA .

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…ビット書き込み線、12…導電体層、13…磁性
体層、21…ワード書き込み線、22…導電体層、23
…磁性体層
11 ... Bit write line, 12 ... Conductor layer, 13 ... Magnetic layer, 21 ... Word write line, 22 ... Conductor layer, 23
... Magnetic layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5E049 AA01 AA04 AA07 AA09 AC01 AC10 BA16 5F033 HH08 HH09 HH11 HH15 HH16 MM05 PP06 PP15 PP27 VV16 WW04 XX03 XX05 XX33 5F083 FZ10 GA05 GA30 JA31 JA36 JA37 JA60 KA01 PR03 PR21 PR22    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 5E049 AA01 AA04 AA07 AA09 AC01                       AC10 BA16                 5F033 HH08 HH09 HH11 HH15 HH16                       MM05 PP06 PP15 PP27 VV16                       WW04 XX03 XX05 XX33                 5F083 FZ10 GA05 GA30 JA31 JA36                       JA37 JA60 KA01 PR03 PR21                       PR22

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電流磁界により磁界反転を生じさせるこ
とにより情報を書き込む手段を持つ磁性体を用いたもの
で、 書き込みを行うための磁界を発生させる書き込み線が、
非磁性導体からなる導電体層と、高透磁率を持つ軟磁性
体からなる磁性体層との複合構造を有する磁気記憶素子
において、 前記磁性体層は前記導電体層の4倍以上の比抵抗を有す
ることを特徴とする磁気記憶素子。
1. A magnetic material having a means for writing information by causing magnetic field reversal by a current magnetic field, wherein a write line for generating a magnetic field for writing is
In a magnetic memory element having a composite structure of a conductor layer made of a non-magnetic conductor and a magnetic layer made of a soft magnetic material having a high magnetic permeability, the magnetic layer has a specific resistance of 4 times or more that of the conductor layer. A magnetic storage element having:
【請求項2】 前記磁性体層は、鉄、コバルトおよびニ
ッケルのうちの1種からなる、もしくはこれらのうちの
少なくとも2種以上からなる合金であって、 ホウ素、炭素、アルミニウム、シリコン、リン、チタ
ン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリ
ブデン、ハフニウム、タンタル、タングステンおよびイ
ットリウムのうちの少なくとも1種以上の元素を0.5
at%以上含むことを特徴とする請求項1記載の磁気記憶
素子。
2. The magnetic layer is an alloy composed of one of iron, cobalt and nickel, or an alloy composed of at least two of these, and includes boron, carbon, aluminum, silicon, phosphorus, 0.5 or more of at least one element selected from titanium, vanadium, chromium, zirconium, niobium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten and yttrium.
The magnetic memory element according to claim 1, wherein the magnetic memory element contains at% or more.
【請求項3】 前記磁性体層は、 アモルファス磁性体からなることを特徴とする請求項1
記載の磁気記憶素子。
3. The magnetic layer is made of an amorphous magnetic material.
The magnetic storage element described.
【請求項4】 前記磁性体層は、 窒化物、酸化物もしくは酸化窒化物のグラニュラー磁性
体からなることを特徴とする請求項1記載の磁気記憶素
子。
4. The magnetic memory element according to claim 1, wherein the magnetic layer is made of a granular magnetic substance of nitride, oxide or oxynitride.
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