JP2003298019A - 磁気記憶装置 - Google Patents
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Abstract
込み/読み出しマージンの大きい高集積化された磁気記
憶装置を提供する。 【解決手段】筒型に形成された磁気固定層と、筒型をな
す磁気固定層の外部表面又は内部表面のいずれかを覆う
ように形成されたトンネル絶縁膜と、トンネル絶縁膜を
介して磁気固定層に対向しトンネル絶縁膜の表面を覆う
ように形成された磁気自由層とを含み、かつ、磁気固定
層の磁化の方向が筒型の中心軸方向に対して並行な磁気
抵抗素子を具備する磁気記憶装置を提供する。
Description
り、特にトンネル型磁気抵抗素子を具備する磁気記憶装
置及びその製造方法に関するものである。
型磁気抵抗素子(Tunneling MagnetoResistance elemen
t: TMR)を記憶素子として用いるものがある。しか
し、従来のTMR素子は、記憶素子の形状が矩形平面と
して形成されていたため、矩形平面の周辺部分で不規則
な磁区が発生し、磁気抵抗比(MR比)が減少するとい
う問題があった。
区の発生を抑制し、MR比の改善を図るため、TMR素
子の長辺が短辺に対してとくに大きくなるように形成
し、さらにTMRの長辺方向と磁化の方向が平行になる
ように加工されていたため、磁気記憶装置の微細化の妨
げになっていた。
長辺が大きい矩形平面からなるTMR素子を用いた磁気
記憶装置は、微細化又は高集積化に適しないという問題
があった。本発明は上記の問題を解決すべくなされたも
ので、微細化及び高集積化に適したTMR素子を具備す
る磁気記憶装置を提供しようとするものである。
は、筒型に形成された磁気固定層と、筒型をなす磁気固
定層の外部表面又は内部表面のいずれかを覆うように形
成されたトンネル絶縁膜と、トンネル絶縁膜を介して磁
気固定層に対向しトンネル絶縁膜の表面を覆うように形
成された磁気自由層とを含み、かつ、磁気固定層の磁化
の方向が筒型の中心軸方向に対して並行なトンネル型磁
気抵抗素子を具備することを特徴とする。また、本発明
の磁気記憶装置の製造方法は、磁気固定層又は磁気自由
層を筒型に形成する工程と、磁気固定層又は磁気自由層
上にトンネル絶縁膜を形成する工程と、トンネル絶縁膜
を介して磁気固定層に対向する磁気自由層、又は磁気自
由層に対向する磁気固定層を形成する工程と、磁気固定
層の磁化の方向を筒型の中心軸方向に対して並行にする
工程を含むことを特徴とする。
施形態を詳細に説明する。
本発明の特徴を示すため、図13、図14を用いて従来
の矩形平面型TMR素子を用いた磁気記憶装置の構成例
について説明する。
R型の磁気記憶装置の構成を示す図である。図13に示
す磁気記憶装置は、磁気固定層1、トンネル絶縁膜2、
磁気自由層3からなる矩形平面型TMR素子と、TMR
素子の磁気自由層3に電気的に接続された書き込み/読
み出し共通配線(ビット線)6aと、TMR素子の磁気
固定層に電気的に接続された読み出し電極10と、TM
R素子の外側近傍に配置された書き込み配線(ワード
線)7と、読み出し電極10及び書き込み/読み出し選
択トランジスタ13の一方の電流電極(ソース又はドレ
イン領域)の間に接続されたコンタクトプラグ11と、
書き込み/読み出し選択トランジスタ13の他方の電流
電極(ドレイン又はソース領域)に接続されたコンタク
トプラグ16と、このコンタクトプラグ16に接続され
た書き込み/読み出し電流を供給する配線17から構成
される。
層をなすものであり、トンネル絶縁膜2を介して磁気固
定層1と対向する磁気自由層3の磁化の方向を矩形平面
型TMR素子の長辺方向に揃える役割を果たすものであ
る。このように、磁気固定層1により磁気自由層3の磁
化の方向を長辺方向に揃え、書き込み配線の電流による
磁界を用いて磁気自由層3の磁化を反転し、この磁化の
反転がトンネル絶縁膜2を流れるトンネル電流の変化、
すなわちTMR素子のMR比として読み出される。
R素子は、その周辺部に不規則な磁区が発生し、また、
TMR素子を微細化するほど全面積に対する周辺部の面
積比率が増加するので、TMR素子を微細化するほどM
R比が大きく低下し、磁気記憶装置の読み出しマージン
が減少するという欠点があった。また、反磁場の影響に
よる不規則な磁区の発生を低減するため、長辺が大きい
矩形平面型TMR素子を用いれば、長辺の大きさに合わ
せて配線や電極を形成する必要があるので、磁気記憶装
置の高密度化、高集積化の大きな制約となっていた。
てクロスポイント型に構成された従来の磁気記憶装置の
主要部が示されている。図14に示す磁気記憶装置の主
要部は、磁気固定層1、トンネル絶縁膜2、磁気自由層
3からなる矩形平面型TMR素子と、TMR素子の磁気
自由層3に電気的に接続された書き込み/読み出し共通
配線6aと、TMR素子の磁気固定層1に電気的に接続
された書き込み/読み出し共通配線7aから構成され
る。
線を全て共通化することで配線構成を単純化し、ある程
度TMR素子アレイを高密度化することは可能である
が、矩形平面型TMR素子の長辺の大きさに合わせて太
い配線を用いる必要があるので、磁気記憶装置の十分な
高密度化を達成することができなかった。
て、本発明の第1の実施形態に係るTMR素子の構造と
製造方法について説明する。図1は第1の実施形態に係
るTMR素子の主要部を示す鳥瞰図である。図1に示す
TMR素子は、筒型の磁気固定層1の上にトンネル絶縁
膜2を介して磁気自由層3を積層することにより、TM
R素子が筒型に形成される。
面に対して垂直な筒型の軸方向(Z軸方向)に固定され
た、磁気自由層の磁化Mzを示しており、書き込み配線
の電流による磁界を用いて磁気自由層の磁化Mzを反転
することにより2値の情報を記憶することができる。こ
のように、軸方向に長い筒型TMR素子は、長辺が大き
い従来の矩形平面型TMR素子に比べて長辺の周辺部に
おける不規則な磁区が発生がないのでMR比を大幅に向
上することができる。
長く形成されるので、反磁場の影響を最小にし、筒型の
終端部近傍における不規則な磁区の発生もまた最小とな
り、MR比をさらに改善することが可能になる。なお、
図1では本発明の筒型TMR素子の断面構造を見やすく
するため軸方向を短縮し、筒型の中心部における内部構
造を省略した図が示されている。
子の断面構造と製造方法を具体的に説明する。図2
(a)に示す筒型TMR素子は、筒の中心軸をなす円形
断面のプラグ5と、プラグ5の表面上に形成された層間
絶縁膜4と、層間絶縁膜4上に形成された磁気固定層1
と、磁気固定層1上に形成されたトンネル絶縁膜2と、
トンネル絶縁膜2上に形成された磁気自由層3とを用い
て円筒型に形成される。後に示すように、プラグ5は磁
気自由層3への書き込みに用いられる。
絶縁膜4が矩形断面に近い形状に加工され、その上に矩
形断面に近い形状の磁気固定層1と、トンネル絶縁膜2
と、磁気自由層3が積層される他は図2(a)と同様に
構成される。このとき、プラグ5を矩形断面に近い形状
とし、その上に層間絶縁膜4と、磁気固定層1と、トン
ネル絶縁膜2と、磁気自由層3を積層してもほぼ同様の
書き込み機能が示される。
素子において、プラグ5と磁気固定層1を電気的に絶縁
することができれば単に両者の間にギャップを設け、層
間絶縁膜4を省略してもよい。
(a)に比べてプラグ5aと磁気固定層1の間の層間絶
縁膜4が存在しないことが相違する。すなわち、図2
(c)に示す筒型TMR素子では、プラグ5aと磁気固
定層1とが電気的に接続されている。後に示すように、
プラグ5aは書き込み/読み出しの機能を兼ねるので、
図2(c)では図2(a)、図2(b)のプラグ5と区
別して、書き込み/読み出し共通のプラグ5aとして表
示されている。
(b)と異なりプラグ5aを矩形断面に近い形状とし、
さらに層間絶縁膜4を省略してプラグ5aと磁気固定層
1とを電気的に接続し、書き込み/読み出し共通のプラ
グ5aとしている。
型トンネル絶縁膜2の内部表面に磁気固定層1を形成
し、トンネル絶縁膜2を介して磁気固定層1と対向し前
記トンネル絶縁膜2の外部表面を覆うように磁気自由層
3を形成していたが、積層順を逆にして筒型トンネル絶
縁膜2の内部表面に磁気自由層3を形成し、トンネル絶
縁膜2を介して磁気自由層3と対向しトンネル絶縁膜2
の外部表面を覆うように磁気固定層1を形成してもよ
い。
形成した筒型TMR素子において、図2(c)、図2
(d)に示すように、書き込み/読み出し共通のプラグ
5aと磁気自由層3を電気的に接続すれば、書き込み電
流が磁気自由層3に流れるため、磁化の反転に用いる電
流による磁界が多少弱められることになるが、磁気自由
層3の電気伝導度は書き込みプラグ用金属の電気伝導度
に比べて十分小さいので、書き込み電流が磁気自由層3
に流れることから生じる書き込みマージンの低下は無視
することができる。
ように、書き込み/読み出し共通のプラグ5aと磁気自
由層3を電気的に接続すれば、書き込み電流と磁気自由
層との距離が最小となるので書き込み効率が向上し、書
き込み電流密度と配線の断面積を小さくすることができ
る。また、磁気記憶装置の製造に際し自己整合工程の導
入が容易になるという利点がある。
シリコン基板上に筒型TMR素子を集積化した本発明の
第2の実施形態に係る磁気記憶装置について説明する。
及びトンネル絶縁膜2及び磁気自由層3からなる筒型T
MR素子と、層間絶縁膜4(図示せず)と、筒型TMR
素子の内側に設けた書き込みプラグ5と、書き込みプラ
グ5の一方の終端部に接続された書き込み配線(ビット
線)6と、筒型TMR素子の外側に設けられ、シリコン
基板に平行な書き込み配線(ワード線)7と、磁気固定
層1の側面の形状に合わせて削り込むように電気的に接
続されたシリコン基板15に平行な読み出し電極9と、
読み出し電極9に接続された読み出し配線8と、磁気自
由層3の側面の形状に合わせて削り込むように電気的に
接続されたシリコン基板15に平行な読み出し電極10
と、一方の終端部が読み出し電極10に接続された読み
出しプラグ11と、シリコン基板15に形成された書き
込み選択トランジスタ12と、読み出し選択トランジス
タ13から構成される。
1の側面の形状に合わせて削り込むように、また読み出
し電極10を磁気自由層3の側面の形状に合わせて削り
込むように電気的に接続すれば、自己整合的な製造工程
を用いることができるので磁気記憶装置の製造が容易に
なる。
み選択トランジスタ12の電流端子の1つ(ソース又は
ドレイン領域)に接続され、読み出しプラグ11の他方
の終端部は読み出し選択トランジスタ13の電流端子の
1つ(ソース又はドレイン領域)に接続される。
る配線系が形成できれば、必ずしも書き込みプラグ5及
び読み出しプラグ11の他方の終端部を図3に示す書き
込み選択トランジスタ12及び読み出し選択トランジス
タ13に接続する構成に限定されない。このことは、以
下の全ての実施形態に共通する事項である。
基準層をなすものであり、トンネル絶縁膜2を介して磁
気固定層1と対向するように形成された磁気自由層3の
磁化の方向を筒型TMR素子の軸方向に揃える役割を果
たしている。このように磁気固定層1により磁気自由層
3の磁化の方向を筒型の軸方向に揃え、書き込み配線6
に接続された書き込みプラグ5及び書き込み配線7の電
流による磁界を用いて磁気自由層3の磁化の方向を反転
し、この磁化の反転がトンネル絶縁膜2を流れるトンネ
ル電流の変化、すなわち筒型TMR素子のMR比が読み
出し配線8、読み出し電極9及び読み出し電極10、読
み出しプラグ11、読み出し選択トランジスタ13を通
じて読み出される。
いれば、従来の矩形平面型TMR素子に比べて素子の長
手方向がシリコン基板表面に対して垂直に配置されるの
で、面積効率が大幅に向上すると同時に周辺部における
不規則な磁区の発生が少なく、TMR素子を微細化して
も高いMR比を維持することが可能となり、高集積化さ
れた磁気記憶装置として十分な書き込み/読み出し動作
マージンを確保することができる。
れているが、図3に示す磁気記憶装置は集積回路技術を
用いて製造されるので、層間絶縁膜4はシリコン基板上
の配線構造全体を埋め込むように形成される。また、本
発明の筒型TMR素子は、プラグの形成工程を変形する
ことにより容易に磁気記憶装置に導入することができ
る。
3の実施形態について説明する。第3の実施形態の磁気
記憶装置は、筒型TMR素子の内側に設けられ、磁気固
定層1に電気的に接続された書き込み/読み出し共通プ
ラグ5aと、プラグ5aの一方の終端部に接続された書
き込み/読み出し共通配線6aと、筒型TMR素子の外
側に設けられ、シリコン基板15に平行な書き込み配線
7と、磁気自由層3の側面の形状に合わせて削り込まれ
るように電気的に接続された、シリコン基板15に平行
な読み出し電極10と、一方の終端部が読み出し電極1
0に接続された読み出しプラグ11と、シリコン基板1
5に形成された書き込み選択トランジスタ12及び読み
出し選択トランジスタ13から構成される。
の他方の終端部は書き込み選択トランジスタの電流端子
の1つに接続され、読み出しプラグ11の他方の終端部
は読み出し選択トランジスタの電流端子の1つに接続さ
れる。
に接続されたプラグ5a及び書き込み配線7の電流によ
る磁界を用いて磁気自由層3の磁化を反転し、この磁化
の反転によるトンネル絶縁膜2のトンネル電流の変化が
書き込み/読み出し共通配線6aに接続されたプラグ5
a、読み出し電極10、読み出しプラグ11、読み出し
選択トランジスタ13を通じて読み出される。
定層1に接続されるので、磁気固定層1に書き込み電流
が流れるが、磁化が反転する磁気自由層3には書き込み
電流が流れないので磁気記憶装置の書き込みマージンに
は何等の影響も及ぼさない。このように、プラグ5aを
磁気固定層1と電気的に接続し、書き込み/読み出し共
通電極として用いれば、磁気記憶装置の製造工程が簡略
化されると同時に配線数が減少するので、第2の実施形
態に比べてさらに高集積化を図ることができる。
4の実施形態について説明する。第4の実施形態の磁気
記憶装置は、筒型TMR素子の内側に設けられ、磁気固
定層1と電気的に接続された書き込み/読み出し共通プ
ラグ5aと、プラグ5aの一方の終端部に接続された書
き込み/読み出し共通配線6aと、筒型TMR素子の外
側に設けられ、磁気自由層3の側面の形状に合わせて削
り込まれるように磁気自由層3と電気的に接続されたシ
リコン基板15に平行な書き込み/読み出し共通配線7
aと、同様に筒型TMR素子の外側に設けられ、磁気自
由層3の側面の形状に合わせて削り込まれるように磁気
自由層3と電気的に接続されたシリコン基板15に平行
な書き込み/読み出し配線10aと、シリコン基板15
に形成された書き込み選択トランジスタ12から構成さ
れる。
の他方の端子は書き込み選択トランジスタ12の電流端
子の1つに接続される。
に接続されたプラグ5a及び書き込み/読み出し共通配
線7a、10aの電流による磁界を用いて磁気自由層3
の磁化を反転し、この磁化の反転によるトンネル絶縁膜
2のトンネル電流の変化が書き込み/読み出し共通配線
6aに接続されたプラグ5a、書き込み/読み出し共通
配線7a、10aを通じて読み出される。
子の磁気自由層3への書き込みに際し、互いに平行な1
対の書き込み/読み出し共通配線7a、10aに逆方向
の電流が流されるので電流による磁界が互いに強め合
い、磁気自由層3への書き込み磁界を均一化する効果が
ある。また、トンネル電流の変化も書き込み/読み出し
共通配線7a、10aを用いて磁気自由層3の両側面か
ら読み出されるので、第4の実施形態によれば、書き込
み/読み出しマージンの大きい1トランジスタ/1TM
R型の高集積化された磁気記憶装置を得ることができ
る。
5の実施形態について説明する。第5の実施形態の磁気
記憶装置は、筒型TMR素子の内側に設けられ、磁気固
定層1に電気的に接続された書き込み/読み出し共通プ
ラグ5aと、プラグ5aの一方の終端部に接続された書
き込み/読み出し共通配線6aと、筒型TMR素子の外
側に設けられ、磁気自由層3の側面の形状に合わせて削
り込むように、磁気自由層3と電気的に接続されたシリ
コン基板15に平行な書き込み/読み出し共通配線7a
と、シリコン基板15に形成された書き込み選択トラン
ジスタ12から構成される。なお、書き込み/読み出し
共通プラグ5aの他方の端子は書き込み選択トランジス
タ12の電流端子の1つに接続される。
に接続されたプラグ5a及び書き込み/読み出し共通配
線7aの電流による磁界を用いて磁気自由層3の磁化を
反転し、この磁化の反転によるトンネル絶縁膜2のトン
ネル電流の変化が書き込み/読み出し共通配線7a、プ
ラグ5a、書き込み/読み出し共通配線10aを通じて
読み出される。
を用いて説明したクロスポイント型に相当し、配線構成
を単純化することで1トランジスタ/1TMR型の高集
積化された磁気記憶装置を実現することが可能になる。
を用いて第6の実施形態について説明する。第6の実施
形態では、図3乃至図6に示す第2乃至第5の実施形態
における書き込み配線7及び書き込み/読み出し配線7
aの変形例について説明する。
における書き込み配線7の変形例について説明する。図
7に示す書き込み配線7は、層間絶縁膜20で覆われた
筒型TMR素子の外部表面の形状に合わせて回り込むよ
うに層間絶縁膜20の外部表面に接続される。その他の
配線構成は、図3に示す第2の実施形態に係る磁気記憶
装置と同様に、読み出し電極9が磁気固定層1と電気的
に接続され、読み出し電極10が磁気自由層3と電気的
に接続される。、図7に示すように、シリコン基板と平
行なループ状の書き込み配線7を配置し、図7の矢印に
示すように書き込み電流を流せば、図3に示す直線状の
書き込み配線7に比べて書き込み電流によるZ軸方向の
磁界が均一化し、磁気自由層3との磁気的結合が増加す
るので書き込みマージンの大きい磁気記憶装置を実現す
ることができる。
の形態における書き込み配線7の変形例について説明す
る。図8に示す書き込み配線7は、層間絶縁膜20で覆
われた筒型TMR素子の外部表面の形状に合わせて回り
込むように層間絶縁膜20の外部表面に接続される。そ
の他の配線構成は、図4に示す第3の実施形態に係る磁
気記憶装置と同様に読み出し電極10が磁気自由層3と
電気的に接続され、書き込み/読み出し共通のプラグ5
aが磁気固定層1と電気的に接続される。
プ状の書き込み配線7を配置し、図8の矢印に示すよう
に書き込み電流を流せば、書き込みマージンの大きい磁
気記憶装置を実現することができる。
の形態における書き込み/読み出し共通配線7a、10
aの変形例について説明する。図9に示す書き込み/読
み出し共通配線7a、10aは、磁気自由層3からなる
筒型TMR素子の外部表面の形状に合わせて回り込むよ
うに磁気自由層3外部表面に電気的に接続される。その
他の配線構成は、図5に示す第4の実施形態における磁
気記憶装置と同様に、書き込み/読み出し共通のプラグ
5aが磁気固定層1と電気的に接続される。
平行に1対のループ状書き込み配線7a、10aを配置
し、図9の矢印に示すように互いに逆方向の書き込み電
流を流せば、図5に示す1対の直線状の書き込み配線7
a、10aに互いに逆方向の書き込み電流を流す場合に
比べて書き込み電流によるZ軸方向の磁界が均一化し、
磁気自由層3との磁気的結合が増加するので書き込みマ
ージンの大きい磁気記憶装置を実現することができる。
a、10aは磁気自由層3と電気的に接続されるので、
書き込み電流が磁気自由層3に流れ磁化の反転に用いる
電流による磁界が多少弱められることになるが、磁気自
由層3の電気伝導度は書き込み/読み出し共通配線7
a、10aに用いる金属の電気伝導度に比べて十分小さ
いので、書き込み電流が磁気自由層3に流れることから
生じる磁気記憶装置の書き込みマージンの低下は無視す
ることができる。
10aの抵抗によりギャップDに電位差を生じ、この電
位差がギャップDにおける磁気自由層3に逆方向の電流
を流すことになるが、磁気自由層3の電気伝導度が十分
小さいので、この逆方向電流による磁気記憶装置の書き
込みマージンの低下は無視することができる。
るほど書き込み電流によるZ軸方向の磁界が均一化して
磁気自由層3との磁気的結合が増加し、書き込みマージ
ンの大きい1トランジスタ/1TMR型の高集積化され
た磁気記憶装置を実現することが可能になる。
施の形態における書き込み/読み出し共通配線7aの変
形例について説明する。図10に示す書き込み/読み出
し共通配線7aは、磁気自由層3からなる筒型TMR素
子の外部表面の形状に合わせて回り込むように磁気自由
層3外部表面に電気的に接続される。その他の配線構成
は、図6に示す第5の実施形態に係る磁気記憶装置と同
様に、書き込み/読み出し共通のプラグ5aが磁気固定
層1と電気的に接続される。
と平行なループ状の書き込み/読み出し共通配線7aを
配置し、矢印に示すように書き込み電流を流せば、書き
込みマージンの大きい1トランジスタ/1TMR型の高
集積化された磁気記憶装置を実現することができる。な
お、書き込み/読み出し共通配線7aが磁気自由層3と
電気的に接続されることで磁気自由層3にリーク電流を
発生し、リークした書き込み電流による磁気記憶装置の
書き込みマージンの低下は、図9を用いて説明した理由
により無視することができる。
2を用いて第7の実施形態について説明する。第7の実
施形態では、TMR素子を備える磁気記憶装置におい
て、本発明の筒型TMR素子が従来の1トランジスタ/
1TMR型又はクロスポイント型のセルアレイ構成に組
み込まれたときの書き込み/読み出し動作の概要と、特
に筒型TMR素子の読み出し動作において、センスアン
プと筒型TMR素子との接続上、生じる利点を詳細に説
明する。
ルアレイの構成を示す。点線て囲まれた領域23におい
て、第1のセルは抵抗で表示されたTMR素子21と、
直列に接続されたセルトランジスタQ1から構成され
る。第2のセルはTMR素子22と、直列に接続された
セルトランジスタQ2から構成される。第1、第2のセ
ルは、読み出しワード線WL1と1対のカラム線(ビッ
ト線)SL1、/SL1との間に接続される。セルアレイ
には、ロウ選択回路24と、カラム選択回路25と、カ
ラム選択トランジスタQ3、Q4と、センスアンプ26が
接続される。
子(例えば図4のプラグ5a)は、カラム選択線S
L1、SL2に接続され、TMR素子21、22の他方の
端子(例えば図4の電極10)はセルトランジスタ
Q1、Q2を介して接地される。
込み動作について説明する。書き込み動作は、破線の書
き込みワード線WL1と、カラム選択トランジスタQ3、
Q4で選択された1対のカラム線SL1、/SL1に書き
込み電流を流すことにより行われる。
書き込み配線7に対応し、カラム選択トランジスタ
Q3、Q4の1つは、図4の書き込み選択トランジスタ1
2に相当する。したがって、図11において書き込みワ
ード線WL1と直交するカラム選択線SL1は、図4にお
けるTMR素子のカラム5aと接続される。
選択された書き込みワード線WL1、及びカラム選択回
路25で選択された1対のカラム線SL1、/SL1に書
き込み電流を流し、1対のTMR素子の磁化を誘起す
る。このときセンスアンプ26は、入力部の切り替えス
イッチ(図示せず)により切り離される。
1、/SL1に微小な読み出し電流を流し、1対のTMR
素子の間に生じた抵抗の変化がセンスアンプ26を用い
て読み出される。このとき、TMR素子の内部表面の全
面に電気的に接続された図4のカラム5aは、図11の
センスアンプ26に接続される。
によるクロスポイント型TMR素子のセルアレイ構成に
ついて説明する。図12ではロウ及びカラムの選択は、
一方の端子が接地されたスイッチの開閉で示される。セ
ンスアンプ37は、入力バッファ35、36を備えてい
る。
る。TMR素子27に記憶データを書き込む場合、TM
R素子27はセンスアンプから切り離され、ロウ側スイ
ッチ28をオンにして、スイッチ28に接続されたワー
ド線の1つに書き込み電流IRを流す。また、カラム側
スイッチ29をオンにして、スイッチ29に接続された
ビット線の1つに書き込み電流ICを流す。このように
して、TMR素子27に記憶データが書き込まれる。
出す場合には、スイッチ31をオフとして、TMR素子
30の一方の端子に接続されたワード線を接地から切り
離し、スイッチ32をオフとして、TMR素子30の他
方の端子に接続されたビット線を接地から切り離し、ス
イッチ33、34を用いてこれらのワード線及びビット
線をセンスアンプ37に接続し、TMR素子30に微小
な読み出し電流を流すことにより磁化の反転により生じ
たTMR素子30の抵抗変化を検出する。センスアンプ
37とワード線及びビット線との接続や切り離しは図示
しない切り替えスイッチを用いて行われる。
れたTMR素子のカラム5aは、ワード線又はビット線
のいずれかに接続されるので、図12のクロスポイント
型回路でも、図11と同様にTMR素子のカラム5aは
センスアンプと接続される。
ラム5aは、TMR素子の微小な読み出し電流をセンス
アンプに伝える電流端子として電気的接続面積が大き
く、かつ占有面積が小さいという優れた特徴を有する。
の外部表面は筒形の両端部にのみに合わせマージンをと
れば、ほぼ前面をトンネル絶縁膜を介して内部表面に対
向する電流端子とすることができるので、高いMR比で
高感度の読み出し電流の検出を行うことができる。
は、例えば一方の電流端子を広い接続面積でセンスアン
プに接続しても、他方の電流端子に対しては、素子の周
辺部全体に亘って電流端子形成の合わせマージンをとる
必要があるので接続面積が減少し、本発明の筒型TMR
素子のように高いMR比で高感度の読み出し電流の検出
を行うことができない。
れることはない。例えば、第1の実施形態において、円
形及び矩形断面に近い筒型TMR素子について説明した
が、筒型TMR素子の断面形状については種々の変形例
が考えられる。また、磁気固定層1、磁気自由層3を含
む筒型TMR素子の構造と積層方法についても多くの変
形例が存在する。
MR素子の磁気固定層とその内側におけるプラグとの接
続方法、筒型TMR素子の磁気自由層とその外側におけ
る電極及び配線との接続方法は、互いに役割を入れ替え
ることで種々の変形例を構成することができる。さらに
筒型TMR素子の内側に磁気自由層を配置し、外側に磁
気固定層を配置することもできる。本発明は、これら全
ての変形例に対して適用可能であり、これらは全て本発
明の範囲内に含まれる。その他本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施することができる。
によれば、周辺部における不規則な磁区の発生が最小と
なり、MR比が向上すると同時にTMR素子の面積効率
を高めることができるので、書き込み/読み出しマージ
ンの大きい高集積化された磁気記憶装置を提供すること
が可能になる。
図。
図。
き込み配線の構成図。
き込み配線の他の構成図。
き込み配線の他の構成図。
書き込み配線の他の構成図。
イの構成図。
アレイの構成図。
Claims (15)
- 【請求項1】 筒状に形成された磁気固定層と、 前記筒状をなす磁気固定層の外部表面又は内部表面のい
ずれかを覆うように形成された絶縁膜と、 前記絶縁膜を介して前記磁気固定層と対向し前記絶縁膜
の表面を覆うように形成された磁気自由層とを含み、か
つ、前記磁気固定層の磁化の方向が前記筒状の中心軸方
向に対して並行であることを特徴とする磁気抵抗素子を
具備する磁気記憶装置。 - 【請求項2】 前記磁気記憶装置は半導体基板上に形成
されており、前記磁気抵抗素子は、前記筒状の中心軸方
向が前記半導体基板表面に対して垂直となるように配置
されることを特徴とする請求項1記載の磁気記憶装置。 - 【請求項3】 前記磁気記憶装置は、前記筒状をなす磁
気抵抗素子の中心軸方向に沿って内側に配置されたプラ
グを具備することを特徴とする請求項1記載の磁気記憶
装置。 - 【請求項4】 前記磁気記憶装置において、前記プラグ
が前記磁気抵抗素子の内部表面と電気的に絶縁される場
合には、前記プラグは前記磁気抵抗素子の書き込みプラ
グとなり、前記プラグが前記磁気抵抗素子の内部表面と
電気的に接続される場合には、前記プラグは前記磁気抵
抗素子の書き込み/読み出し共通プラグとなることを特
徴とする請求項3記載の磁気記憶装置。 - 【請求項5】 前記磁気記憶装置において、前記プラグ
が前記磁気抵抗素子の内部表面と電気的に接続される場
合には、前記プラグの一方の端は前記磁気抵抗素子のセ
ンスアンプの入力部と電気的に接続されることを特徴と
する請求項4記載の磁気記憶装置。 - 【請求項6】 前記磁気記憶装置は半導体基板上に形成
されており、前記磁気記憶装置は、前記筒状をなす磁気
抵抗素子の外側近傍に前記半導体基板表面と並行に配置
された配線又は電極を具備することを特徴とする請求項
1記載の磁気記憶装置。 - 【請求項7】 前記磁気記憶装置において、前記磁気抵
抗素子の表面は前記配線と電気的に絶縁されることを特
徴とする請求項6記載の磁気記憶装置。 - 【請求項8】 前記磁気記憶装置において、前記配線が
前記磁気抵抗素子の外部表面と電気的に絶縁される場合
には、前記配線は前記磁気抵抗素子の書き込み配線とな
り、前記配線又は前記電極が前記磁気抵抗素子の外部表
面と電気的に接続される場合には、前記配線は前記磁気
抵抗素子の書き込み/読み出し共通配線となり、前記電
極は前記磁気抵抗素子の読み出し電極となることを特徴
とする請求項6記載の磁気記憶装置。 - 【請求項9】 前記磁気記憶装置において、前記配線は
前記磁気抵抗素子を挟むように形成された第1、第2の
配線からなり、前記第1、第2の配線は前記磁気抵抗素
子の外部表面と電気的に接続されており、かつ前記第
1、第2の配線は前記磁気抵抗素子の1対の書き込み/
読み出し共通配線となることを特徴とする請求項6に記
載の磁気記憶装置。 - 【請求項10】 前記磁気記憶装置において、前記配線
は前記磁気抵抗素子を挟むように形成された第1、第2
の配線からなり、前記第1、第2の配線は前記磁気抵抗
素子の1対の書き込み配線となることを特徴とする請求
項7に記載の磁気記憶装置。 - 【請求項11】 前記磁気記憶装置において、前記配線
又は前記電極が前記磁気抵抗素子の外部表面と電気的に
接続される場合には、前記配線又は前記電極は前記磁気
抵抗素子の外部表面の形状に合わせて削り込まれるよう
に前記外部表面と電気的に接続されることを特徴とする
請求項6記載の磁気記憶装置。 - 【請求項12】 前記磁気記憶装置において、前記配線
又は前記電極は絶縁膜で覆われた前記磁気抵抗素子の外
部表面の形状に合わせて削り込まれるように前記絶縁膜
の外部表面と接続されることを特徴とする請求項7記載
の磁気記憶装置。 - 【請求項13】 前記磁気記憶装置において、前記配線
が前記磁気抵抗素子の外部表面と電気的に接続される場
合には、前記配線は前記磁気抵抗素子の外部表面の形状
に合わせて回り込むように前記外部表面と接続され、前
記配線が前記磁気抵抗素子の外部表面と電気的に絶縁さ
れる場合には、前記配線は絶縁膜で覆われた前記磁気抵
抗素子の外部表面の形状に合わせて回り込むように前記
絶縁膜の外部表面と接続されることを特徴とする請求項
6記載の磁気記憶装置。 - 【請求項14】 前記磁気記憶装置は半導体基板上に形
成されており、前記磁気記憶装置は、前記筒状をなす磁
気抵抗素子の外側近傍に前記半導体基板表面と並行に前
記磁気抵抗素子を挟むように形成された配線及び電極を
具備し、前記配線は前記磁気抵抗素子の外部表面と電気
的に絶縁された前記磁気抵抗素子の書き込み配線をな
し、前記電極は前記磁気抵抗素子の外部表面と電気的に
接続された前記磁気抵抗素子の読み出し電極をなすこと
を特徴とする請求項1記載の磁気記憶装置。 - 【請求項15】 磁気固定層又は磁気自由層を筒型に形
成する工程と、前記磁気固定層又は前記磁気自由層上に
絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を介して前記磁気
固定層に対向する磁気自由層、又は前記磁気自由層に対
向する磁気固定層を形成する工程と、前記磁気固定層の
磁化の方向を前記筒型の中心軸方向に対して並行にする
工程と、を含む磁気抵抗素子を具備する磁気記憶装置の
製造方法。
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