JP2003068992A

JP2003068992A - 垂直磁化膜を用いた磁気抵抗メモリ

Info

Publication number: JP2003068992A
Application number: JP2001252975A
Authority: JP
Inventors: Naoki Nishimura; 直樹西村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2003-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】書込み線の断面形状をメモリセル面積が大き
くならないように改良し、効率的に磁界を垂直磁化膜か
らなる磁気抵抗素子に発生させることによって、集積度
を落とさない垂直磁化膜を用いた磁気抵抗メモリを提供
する。【解決手段】膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と非
磁性層と膜面垂直方向に磁化した第２磁性層とを積層し
てなり、積層方向の抵抗が該第１磁性層と該第２磁性層
の磁化の相対角度によって異なる磁気抵抗素子と、該磁
気抵抗素子の側面近傍に設けられ、隣接する２つの磁気
抵抗素子に共用化され、線幅が該磁気抵抗素子の幅より
も幅広い導電体からなる書込み線とを有する。書込み線
の線幅は、磁気抵抗素子の幅の１.５倍以上４倍以下で
あることが望ましく、磁気抵抗素子の幅の２倍以上３.
５倍以下であっても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気抵抗素子を用
いた不揮発固体メモリに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、磁気抵抗素子を用いた磁気メモリ
が盛んに研究されている。この磁気メモリ（Magnetic R
andom Access Memory :MRAM）は、情報の保存に磁性膜
を用いているため、電源を落としても情報が消えない、
不揮発である特徴を有している。

【０００３】このＭＲＡＭのメモリセルには、一般に磁
気抵抗効果素子が用いられており、その中でもスピント
ンネル効果による磁気抵抗素子がよく用いられている。
この素子は、一般にＴＭＲ素子と呼ばれており、抵抗変
化率（ＭＲ比）が従来の磁気抵抗素子と比較して大き
く、抵抗値も数Ｋから数十ＫΩとＭＲＡＭのメモリセル
として最適な値に設定することが可能なため、ＭＲＡＭ
の記憶素子として一般的に用いられている。

【０００４】この磁気抵抗素子に記録する場合、磁気抵
抗膜近傍に置かれた、アルミニウムや銅などの良導体か
らなる書込み線に電流を流して発生する磁界を磁気抵抗
素子に印加して、磁気抵抗素子のうちメモリ層となる磁
性膜の磁化方向を変えて行う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述において、書込み
線に流すことができる電流値は、書込み線がエレクトロ
マイグレーションによって断線することが無いように、
その限界電流密度以下の値にすることが必要である。

【０００６】ところが、電流値が小さい場合には、発生
する磁界も小さくなり、記録素子である磁性膜の磁化反
転ができない、すなわち、情報の記録ができなくなる。
例えば、アルミニウム合金からなる書込み線を用いた場
合には、その限界電流密度は１MA／ｃｍ²程度のため、
発生させることができる磁界の大きさが小さい。また、
銅を用いた場合には、アルミニウムと比較して１０倍程
度の限界電流密度であるが、この場合においても、設計
ルールが小さくなると、書込み線の大きさも小さくなり
発生磁界が小さくなる。

【０００７】ただ単純に限界電流密度の範囲内の電流
で、発生磁界を大きくするためには、書込み線の断面積
を大きくすれば良い。しかし、書込み線の線幅を大きく
すると、メモリセル面積が大きくなる。また、書込み線
の膜厚を厚くすると、書込み線の膜厚と線幅の比が大き
くなり、製造プロセス上の問題が発生したり、効果的に
磁気抵抗素子に磁界を印加することが困難になる。

【０００８】本発明の目的は、書込み線の断面形状をメ
モリセル面積が大きくならないように改良し、効率的に
磁界を垂直磁化膜からなる磁気抵抗素子に発生させるこ
とによって、集積度を落とさない垂直磁化膜を用いた磁
気抵抗メモリを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気メモリ素子
は、膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と非磁性層と膜
面垂直方向に磁化した第２磁性層とを積層してなり、積
層方向の抵抗が該第１磁性層と該第２磁性層の磁化の相
対角度によって異なる磁気抵抗素子と、該磁気抵抗素子
の側面近傍に設けられ、隣接する２つの磁気抵抗素子に
共用化され、線幅が該磁気抵抗素子の幅よりも幅広い導
電体からなる書込み線とを有する。

【００１０】また、書込み線の線幅は、磁気抵抗素子の
幅の１.５倍以上４倍以下であることが望ましく、磁気
抵抗素子の幅の２倍以上３.５倍以下であっても良い。

【００１１】また、書込み線の膜厚と書込み線の線幅の
比が０．５以上４以下であることが望ましく、書込み線
の膜厚と書込み線の線幅の比が１以上３以下であっても
良い。

【００１２】また、第１磁性層と第２磁性層はフェリ磁
性膜あるいは希土類元素と鉄族元素の合金からなってい
ても良い。

【００１３】また、書込み線はアルミニウムあるいは銅
を主成分としてなっていても良い。

【００１４】さらに、本発明の磁気メモリ素子の記録方
法は、膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と非磁性層と
膜面垂直方向に磁化した第２磁性層とを積層してなり、
積層方向の抵抗が該第１磁性層と該第２磁性層の磁化の
相対角度によって異なる磁気抵抗素子と、該磁気抵抗素
子の側面近傍に設けられ、隣接する２つの磁気抵抗素子
に共用化され、線幅が該磁気抵抗素子の幅よりも幅広い
導電体からなる書込み線とを有する磁気メモリ素子の隣
接する２つの書込み線に互いに逆向きの電流を流して、
磁気抵抗素子の磁化状態を変えることを特徴とする。

【００１５】また、隣接する２つの書込み線の端は電気
的に接続され、磁気抵抗素子の磁化状態を変えることを
特徴とする。

【００１６】また、磁気メモリの記録方法は、書込み線
に電流を流して、磁気抵抗素子の膜面垂直に同一方向の
磁界を発生させることを特徴とする。

【００１７】さらに、本発明の磁気メモリ記憶装置は、
膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と非磁性層と膜面垂
直方向に磁化した第２磁性層とを積層してなり、積層方
向の抵抗が該第１磁性層と該第２磁性層の磁化の相対角
度によって異なる磁気抵抗素子と、該磁気抵抗素子の側
面近傍に設けられ、隣接する２つの磁気抵抗素子に共用
化され、線幅が該磁気抵抗素子の幅よりも幅広い導電体
からなる書込み線とを有する磁気メモリ素子が電界効果
トランジスタと接続されてなることを特徴とする。

【００１８】また、磁気メモリ記憶装置は、磁気抵抗素
子の上面にビット線が接続されており、該ビット線と該
書込み線とに電流を流して、その合成磁場によって、マ
トリックス上の特定メモリ素子の磁化状態を変更するこ
とを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図１は、本発明の
磁気メモリ素子断面図の一例を示したものである。本発
明のメモリ素子は、膜面垂直方向に磁化した第１磁性層
と非磁性層と膜面垂直方向に磁化した第２磁性層からな
る磁気抵抗素子であって、その積層方向の抵抗が該第１
磁性層と該第２磁性層の磁化の相対角度によって異なる
磁気抵抗素子２と、該磁気抵抗素子の側面近傍に導電体
からなる書込み線３が設けられている。この書込み線は
隣接する２つのメモリ素子において共通化されており、
その線幅は磁気抵抗素子２の幅よりも長いことを特徴と
する。

【００２０】また、磁気抵抗素子２の上部には、ビット
線４が接続されており、下部には、下部選択線１０が設
けられている。書込み線３と下部選択線１０は、紙面垂
直方向に延びた配線で、ビット線４は、左右に延びた配
線である。

【００２１】本発明の磁気メモリにおいては、前述のよ
うに、書込み線３が隣接する左右のメモリセル間で共有
化されているとともに、その幅が磁気抵抗素子よりも広
いため、より大きな磁界を磁気抵抗素子に印加させるこ
とが可能である。

【００２２】例えば、図３は、図４に示したように、幅
Wの磁気抵抗素子に、幅＝３W、膜厚T＝Wの２つの書込み
線に互いに逆向きの電流を流した場合に、書込み線の上
面から０．１μｍの距離Lに発生する膜面垂直方向の磁
界HzをWに対してプロットしたものである。磁気抵抗素
子と書込み線の距離はWとしてある。図4には、２つの書
込み線の中央で上部Lの位置に磁気抵抗素子があるが図
示はしていない。書込み線に流す電流密度は、10MA/cm²
とした。この値は、Cu配線についてのエレクトロマイグ
レーション耐性の限界電流密度例である。図３の共通化
（３W、T）と書かれた線がその結果であるが、それよ
り、磁気抵抗素子の幅W=0.2μｍでは、７５Oeの磁界が
発生する。この場合、書込み線の幅は0.6μｍである。

【００２３】（比較例１）比較例として、図５に示すよ
うに磁気抵抗素子の幅Wで、書込み線の幅、磁気抵抗素
子と書込み線の距離もWとした場合に、同様の計算を行
った結果が、図３の非共通化（W、T）と示した線であ
る。

【００２４】この場合には、図より、W=0.2μｍでは、T
/W=1で３２Oe、T/W=2で５２Oeの磁界が発生する。この
場合、TMR素子の幅も0.2μｍである。また、W=0.1μmで
は、T/W=1で１２Oe、T/W=2で３０Oeである。

【００２５】比較例１に基づいたＭＲＡＭメモリセルの
断面図を図６に示した。図３と同様であるが、書込み線
が一つのメモリ素子に対して独立して設けられている点
で、大きく異なる。図２と図６を比較すると、本発明の
メモリ素子は、セル面積が比較例と比べて大きくならな
いことがわかる。すなわち、本発明のメモリ素子は、集
積度を落とすことなく、発生磁界を大きくできる。

【００２６】（実施形態２）図２は、図１における書込
み線配置を元に、ＭＲＡＭメモリセルを想定した場合の
メモリセル断面図である。ｐ型Ｓｉ基板上にn＋領域が
形成され、ゲート電極６とソース電極５とドレイン電極
７からなるたＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体／電界効
果トランジスタ）が構成されている。そのドレイン電極
７に、ＴＭＲ素子２が形成され、さらにビット線４が接
続されている。ＴＭＲ素子の近傍には、書込み線３が設
けられている。書込み線３は、隣接する左右のＴＭＲ素
子の中間に置かれており、隣接する左右の２つのメモリ
セル間で共有化されている。図２の断面構造は、紙面の
垂直方向にも並んでいて、全体としてマトリックス構造
をなしている。書込み線３は、紙面垂直方向にある図示
していないメモリセルについても共有化されている。

【００２７】このため、ＴＭＲ素子２に記録を行う場合
には、その直上のビット線４に電流を流すとともに、隣
接する左右の書込み線３に反対方向の電流を流す。こう
すると、マトリックス上の多数のメモリセルの中で、特
定の一つのメモリセルの中のＴＭＲ素子にのみ、垂直方
向の大きな磁界が印加されることになる。反転に必要な
磁界をこの印加磁界より大きくしておけば、特定のメモ
リ素子のみ書換えを行うことが可能となる。

【００２８】（実施形態３）図１は、本発明の磁気メモ
リ素子断面図の一例を示したものである。磁気抵抗素子
は、スピントンネル型の素子（TMR素子）で、膜面垂直
方向に磁化した第１磁性層と絶縁体からなる非磁性層と
膜面垂直方向に磁化した第２磁性層が積層されてなる。
第１磁性層、第２磁性層は、フェリ磁性膜、例えば希土
類元素と鉄族元素の合金膜からなる。第１磁性層と第２
磁性層には、保磁力の差が設けられており、例えば保磁
力の大きい層が初期化された磁化方向を保つピン層、保
磁力の小さい層が磁化の向きによって情報を保存するメ
モリ層とする。

【００２９】TMR素子近傍には、絶縁膜を介して紙面垂
直方向に延びた書込み線が配置されている。書込み線
は、アルミニウムや銅などの伝導率が磁性層よりも高い
良導体からなる。

【００３０】

【発明の効果】本発明の磁気抵抗素子によれば、垂直磁
化膜を用いているために、微細化しても安定に磁化情報
を保存することができるとともに、ＭＲ比のバイアス依
存性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁気抵抗素子の一例の断面を示す図

【図２】図１における書込み線配置をもとに、ＭＲＡＭ
メモリセルを想定した場合のメモリセル断面図である

【図３】幅Wの磁気抵抗素子に、幅＝３W、膜厚T＝Wの２
つの書込み線に互いに逆向きの電流を流した場合に、書
込み線の上面から０．１μｍの距離Lに発生する膜面垂
直方向の磁界HzをWに対してプロットした図である。

【図４】幅Wの磁気抵抗素子に、幅＝３W、膜厚T＝Wの２
つの書込み線に互いに逆向きの電流を流した場合に、書
込み線の上面から０．１μｍの距離Lに発生する膜面垂
直方向の磁界Hzを示す図である。

【図５】磁気抵抗素子の幅Wで、書込み線の幅、磁気抵
抗素子と書込み線の距離もWとした場合に、書込み線の
上面から０．１μｍの距離Lに発生する膜面垂直方向の
磁界Hzを示す図である。

【図６】比較例１に基づいたＭＲＡＭメモリセルの断面
図である。

【符号の説明】

２磁気抵抗素子３書込み線４ビット線５ソース電極６ゲート電極７ドレイン電極１０下部選択線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と非
磁性層と膜面垂直方向に磁化した第２磁性層とを積層し
てなり、積層方向の抵抗が該第１磁性層と該第２磁性層
の磁化の相対角度によって異なる磁気抵抗素子と、該磁気抵抗素子の側面近傍に設けられ、隣接する２つの
磁気抵抗素子に共用化され、該共用化された配線幅が該
磁気抵抗素子の幅よりも広い導電体からなる書込み線と
を有する磁気メモリ素子。
【請求項２】前記書込み線の線幅が、前記磁気抵抗素
子の幅の１.５倍以上４倍以下であることを特徴とする
請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３】前記書込み線の線幅が、前記磁気抵抗素
子の幅の２倍以上３.５倍以下であることを特徴とする
請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４】前記書込み線の膜厚と前記書込み線の線
幅の比が０．５以上４以下であることを特徴とする請求
項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項５】前記書込み線の膜厚と前記書込み線の線
幅の比が１以上３以下であることを特徴とする請求項１
に記載の磁気メモリ素子。
【請求項６】前記第１磁性層と第２磁性層がフェリ磁
性膜からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気メ
モリ素子。
【請求項７】前記第１磁性層と第２磁性層が希土類元
素と鉄族元素の合金からなることを特徴とする請求項１
に記載の磁気メモリ素子。
【請求項８】前記書込み線がアルミニウムを主成分とし
てなることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素
子。
【請求項９】前記書込み線が銅を主成分としてなること
を特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項１０】膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と
非磁性層と膜面垂直方向に磁化した第２磁性層とを積層
してなり、積層方向の抵抗が該第１磁性層と該第２磁性
層の磁化の相対角度によって異なる磁気抵抗素子と、該
磁気抵抗素子の側面近傍に設けられ、隣接する２つの磁
気抵抗素子に共用化され、線幅が該磁気抵抗素子の幅よ
りも幅広い導電体からなる書込み線とを有する磁気メモ
リ素子の隣接する２つの前記書込み線に互いに逆向きの
電流を流して、前記磁気抵抗素子の磁化状態を変えるこ
とを特徴とする磁気メモリ素子の記録方法。
【請求項１１】隣接する２つの前記書込み線の端が電気
的に接続され、前記磁気抵抗素子の磁化状態を変えるこ
とを特徴とする請求項１０に記載の磁気メモリ素子の記
録方法。
【請求項１２】前記書込み線に電流を流して、前記磁気
抵抗素子の膜面垂直に同一方向の磁界を発生させること
を特徴とする請求項１０に記載の磁気メモリの記録方
法。
【請求項１３】膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と
非磁性層と膜面垂直方向に磁化した第２磁性層とを積層
してなり、積層方向の抵抗が該第１磁性層と該第２磁性
層の磁化の相対角度によって異なる磁気抵抗素子と、該
磁気抵抗素子の側面近傍に設けられ、隣接する２つの磁
気抵抗素子に共用化され、線幅が該磁気抵抗素子の幅よ
りも幅広い導電体からなる書込み線とを有する磁気メモ
リ素子が電界効果トランジスタと接続されてなることを
特徴とする磁気メモリ記憶装置。
【請求項１４】前記磁気抵抗素子の上面にビット線が接
続されており、該ビット線と該書込み線とに電流を流し
て、その合成磁場によって、マトリックス上の特定メモ
リ素子の磁化状態を変更することを特徴とする請求項１
３に記載の磁気メモリ記憶装置。