JP2004031640A - Magnetic memory device - Google Patents

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    • H10B61/00Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic memory device wherein density is increased and power consumption is reduced is realized. <P>SOLUTION: On a surface of a silicon substrate 10 wherein an MOS transistor QN is formed, a plurality of TMR(tunneling magnetoresistive) elements VR are stacked being embedded in interlayer insulating films 40. Writing bit lines W-BL and writing word lines W-WL which intersect each other are arranged above and below sandwiching the respective TMR elements VR. Yoke members 51, 52 are formed on surfaces except surfaces facing the TMR elements VR of the writing bit lines W-BL and the writing word lines W-WL. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、トンネル型磁気抵抗効果により”1”、”0”情報を記憶するメモリセルを用いた磁気メモリ装置(磁気ランダムアクセスメモリ)に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、新たな原理により情報を記憶するメモリが数多く提案されている。そのうちの一つに、Roy Scheuerlein et. Al. によって提案されたトンネル型磁気抵抗(TMR:Tunneling Magneto Resistive)効果を利用したメモリがある(例えば、ISSCC2000 Technical Digest p.128 「A 10ns Read and Write Non−Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell」を参照)。
【0003】
TMR効果を用いた磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM: Magmetic Random Access Memory)は、TMR素子により”1”、”0”情報を記憶する。TMR素子は、図35に示すように、2つの磁性層(強磁性層)101,102により絶縁層(トンネルバリア)103を挟んだ構造を有する。TMR素子に記憶される二値情報は、2つの磁性層101,102のスピンの向きが平行か又は反平行かによって定義される。ここで、平行とは、2つの磁性層101,102のスピンの向き(矢印で示す)が同じであることを意味し、反平行とは、2つの磁性層101,102のスピンの向きが逆平行であることを意味する。
【0004】
通常、TMR素子の2つの磁性層101,102の一方は、反磁性層が配置されて、スピンの向きが固定された固定層と呼ばれ、他方はスピンの向きが電流磁界により切り換えられる記録層となる。図35に示すように、2つの磁性層101,102のスピンの向きが平行となった場合、これら2つの磁性層に挟まれた絶縁層(トンネルバリア)103のトンネル抵抗は、最も低くなる。この状態が例えばデータ”1”状態である。また、2つの磁性層101,102のスピンの向きが反平行になった場合、これら2つの磁性層に挟まれた絶縁層103のトンネル抵抗は、最も高くなる。この状態がデータ”0”状態である。
【0005】
この様なTMR素子を用いたMRAMは、図34に示すように、互いに交差する書きこみワード線(W−WL)とデータ選択線(ビット線)(BL)の交点に配置されて、セルアレイが構成される。データ書き込みは、書き込みワード線W−WL及びデータ選択線BLに電流を流し、両配線に流れる電流により作られる磁界を用いて、TMR素子のスピンの向きを平行又は反平行にすることにより達成される。
【0006】
例えば、書き込み時、データ選択線BLには、一方向に向かう電流のみを流し、書き込みワード線W−WLには、書き込みデータに応じて、異なる方向の電流を流す。書き込みワード線W−WLに第1の方向に向かう電流を流すとき、TMR素子のスピンの向きは、平行(”1”状態)となり、第2の方向に向かう電流を流すとき、TMR素子のスピンの向きは、反平行(”0”状態)となる。
【0007】
より具体的に説明すると、TMR素子には、書き込み時に、その長辺方向である磁化容易軸(Easy−Axis)方向の磁界Hxとこれと直交する磁化困難軸(Hard−Axis)方向の磁界Hyとの合成磁界がかかる。これにより、TMR素子は、図36のTMR曲線に示すように、抵抗値が変化する。図36の縦軸は、TMR素子の抵抗値変化率を示しており、MR比と呼ばれる。MR比は、用いる磁性層の性質により変化するが、10数%〜50%程度のものが得られている。
【0008】
図36の実線及び点線に示すように、磁化困難軸方向の磁界Hyの大きさによって、TMR素子の抵抗値を変えるために必要な磁化容易軸方向の磁界Hxの大きさも変化する。この現象を利用することによって、セルアレイのうち、選択された書き込みワード線W−WL及び選択されたデータ選択線BLの交点に存在するTMR素子のみにデータを書き込むことができる。
【0009】
この様子をさらにアステロイド曲線を用いて説明する。TMR素子のアステロイド曲線は、例えば図37に示すようになる。磁化容易軸方向の磁界Hxと磁化困難軸方向の磁界Hyとの合成磁界の大きさが、アステロイド曲線の外側(黒丸の位置)にあれば、磁性層のスピンの向きを反転させることができる。逆に、Hx,Hyの合成磁界の大きさがアステロイド曲線の内側(白丸の位置)にある場合には、磁性層のスピンの向きを反転させることはできない。
従って、磁化容易軸方向の磁界Hxと磁化困難軸方向の磁界Hyとの合成磁界の大きさを変え、合成磁界の大きさのHx−Hy平面内における位置を変えることにより、TMR素子に対するデータの書き込みを制御できることになる。
【0010】
データ読み出しは、選択されたTMR素子に電流を流し、そのTMR素子の抵抗値を検出することにより容易に行うことができる。具体的には、TMR素子に直列にスイッチ素子を接続して電流経路を作る。選択されたTMR素子のみ、スイッチ素子がオンになって電流が流れるようにすれば、TMR素子のデータを読み出すことができる。
【0011】
図38は、スイッチ素子としてMOSFETを適用した場合のメモリセル断面図である。この場合、MOSFETのゲート電極が読み出しワード線R−WLとなる。選択された読み出しワード線R−WLを“H”としてMOSFETをオンとして、選択されたビット線BLからTMR素子を通り、MOSFETを通って流れる電流の大小を読むことにより、データを判別することができる。
【0012】
図39はスイッチ素子としてダイオードを適用した場合のメモリセル断面図である。この場合読み出しワード線はないが、TMR素子の抵抗の大小により、ダイオードがオン,オフとなるようにすれば、やはりビット線の電流検出によってデータを判別することができる。
なお図38及び図39において、TMR素子のスピンの向きは示していないが、紙面に対して垂直方向(書き込みワード線W−WLの方向)でも平行方向(ビット線BLの方向)でもかまわない。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
上述したTMR素子を用いたMRAMにおいて、低消費電力でデータ“1”,“0”の大きなMR比の差を実現するためには、TMR素子に対して、書き込みワード線及びビット線の電流磁界を効率的に集中させることが必要になる。しかし薄膜で構成される微小なTMR素子に電流磁界を集中させることは簡単ではない。この点については、書き込みワード線やビット線のTMR素子に対向する面以外の面にヨーク材を被覆することにより、電流磁界をTMR素子に集中させるという提案が、既になされている(米国特許第6,174,737参照)。
一方、従来提案されているTMR素子を用いたMRAMは、図38或いは図39に示したように、マトリクス配列されるTMR素子がそれぞれスイッチ素子を介してビット線と基準電位線の間に接続される。即ち、一つのTMR素子に一つのスイッチ素子が必要とされるため、セル面積の縮小が困難である。
【0014】
この発明は、高密度化と低消費電力化を図った磁気メモリ装置を提供することを目的としている。
【0015】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る磁気メモリ装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成されたスイッチング素子と、前記半導体基板上に層間絶縁膜を介して積層されて前記スイッチング素子に接続された複数のトンネル磁気抵抗素子と、前記層間絶縁膜内に前記各トンネル磁気抵抗素子の近傍を通るように埋設された第1の書き込み用配線と、前記層間絶縁膜に前記各トンネル磁気抵抗素子の近傍を通り且つ前記第1の書き込み用配線と交差するように埋設された第2の書き込み用配線と、前記第1及び第2の書き込み用配線の少なくとも一方の前記トンネル磁気抵抗素子に対向する面を除く面に形成されたヨーク材と、を有することを特徴とする。
【0016】
この発明によると、複数のトンネル磁気抵抗素子を積層することにより、MRAMの高密度化が可能になる。また、各トンネル磁気抵抗素子にデータ書き込みのための磁界を与える書き込み用配線にヨーク材を形成することによって、磁界をトンネル磁気抵抗素子に集中させることができ、書き込み電流の低減が図られる。
【0017】
この発明において例えば、第1及び第2の書き込み用配線は、各トンネル磁気抵抗素子を挟んで上下に配設され、ヨーク材は、各書き込み用配線の側面及び前記トンネル磁気抵抗素子と対向する面と反対側の面に形成される。
或いはまた、第1及び第2の書き込み用配線は、少なくとも一部が上下に隣接するトンネル磁気抵抗素子の間の共有配線として形成することもできる。この場合、その共有配線には側面にヨーク材が形成されることになる。
【0018】
この発明において、積層される複数のトンネル磁気抵抗素子は、例えばスイッチング素子に直列接続される。このとき、複数のトンネル磁気抵抗素子の上部に最上部のトンネル磁気抵抗素子の端子電極に接続されるデータ線が配設される。
【0019】
また、複数のトンネル磁気抵抗素子は、並列接続状態で積層することもできる。この場合、トンネル磁気抵抗素子の一方の端子電極は、スイッチング素子に共通接続され、他方の端子電極は、複数のトンネル磁気抵抗素子の上部に配設されたデータ線に共通接続される。
【0020】
また、複数のトンネル磁気抵抗素子は、複数個ずつ並列接続されたセットがスイッチング素子に複数個直列接続された状態で積層することもできる。この場合、複数のトンネル磁気抵抗素子の上部に、最上部セットのトンネル磁気抵抗素子の端子電極に共通接続されるデータ線が配設される。
【0021】
更に、複数のトンネル磁気抵抗素子は、一端がスイッチング素子に共通接続され、他端には、第1及び第2の書き込み用配線の一方が、トンネル磁気抵抗素子の端子電極及び電流配線を兼ねて接続されるようにしてもよい。この場合、データ線は、スイッチング素子のトンネル磁気抵抗素子との接続端子と反対側の端子に接続されるように、層間絶縁膜の複数のトンネル磁気抵抗素子の下部に埋設されるようにすればよい。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
[実施の形態1]
図1は、積層型MRAMの一つのセルユニット部の等価回路を示している。このセルユニットは、4個のTMR素子VR1〜VR4がひとつのスイッチ素子であるMOSトランジスタQNに直列接続されて構成されている。直列接続されたTMR素子VR1〜VR4の一方の端子電極は、データ線である読み出しビット線R−BLに接続され、MOSトランジスタQNのソースは、ソース線SLに接続される。
【0023】
各々のTMR素子VR1〜VR4の近傍には、データ書き込み時に電流磁界を与えるための、互いに交差した書き込み用配線である書き込みビット線W−BLと書き込みワード線W−WLが配設される。MOSトランジスタQNのゲート電極が読み出しワード線R−WLとして、書き込みワード線W−WLと並行して連続的に配設される。
【0024】
この積層型MRAMは、一つのMOSトランジスタQNで4つのTMR素子VR1〜VR4にアクセスするようになっている。これは、従来のような一つのスイッチング素子と一つのTMR素子の場合のような読み出し法ではセルに選択性がとれないため、独特の読み出し方法が必要となる。まず、ある読み出しワード線R−WLと読み出しビット線R−BLを選択することで、一つのセルユニットが選択される。そして選択されたセルユニットの複数のTMR素子VR1〜VR4に流れる電流をセンスアンプで読みとり、その値をストアしておく。
【0025】
次に、選択セルに対応する書き込みワード線W−WLと書き込みビット線W−BLを選択することで、選択セルに例えばデータ“1”を書き込む。再度読み出しワード線R−WLと読み出しビット線R−BLを選択し、選択されたセルユニットに流れる電流をセンスアンプで読み取り、その値を先のセンスしてストアしていた値と比較する。もし、値が異なれば選択セルのデータは“0”、同じならば“1”となる。以上により、セルユニット内の選択セルのデータを判別することができる。データ“0”の場合、破壊読み出しとなるので、再書き込みを行う。
【0026】
図2は、以上の積層MRAMの積層構造を示し、図3はセルのレイアウトを示している。図2は、書き込みビット線W−BLに沿った断面図であるが、実際には、TMR素子VR(VR1〜VR4)は、図3に示したように、MOSトランジスタQNが形成された素子領域の外の素子分離領域に形成され、図2の断面には同時には現れないので、ここでは透視的な模式的断面図として示している。以下の実施の形態も同様である。
【0027】
図示のように、シリコン基板10の素子分離絶縁膜11で囲まれた素子領域にMOSトランジスタQNが形成される。MOSトランジスタQNのゲート電極が、図3に示すように一方向に連続的に形成されて、読み出しワード線(R−WL)12となる。このMOSトランジスタQNが形成された基板上に、膜堆積とパターニングの繰り返しによって、層間絶縁膜40で分離された4個のTMR素子VRが積層されている。
【0028】
具体的に、MOSトランジスタQNのソース14は、コンタクト21を介して第1層金属膜によるソース線SLに接続され、ドレイン13はコンタクト31を介してソース線SLと同じ金属膜による中継電極22に接続される。各TMR素子VRは、トンネルバリア層を挟む強磁性層を有し、これが下部金属電極26(26a〜26d)と上部金属電極28(28a〜28d)により挟まれている。
各TMR素子VRの直下近傍には、層間絶縁膜40に埋め込まれて読み出しワード線12と並行するように書き込みワード線(W−WL)25(25a〜25d)が配設されている。各TMR素子VRの直上近傍には、層間絶縁膜40に埋め込まれて読み出しワード線12や書き込みワード線25と交差する書き込みビット線(W−BL)30(30a〜30d)が配設されている。
【0029】
各TMR素子VRの下部電極26及び上部電極28は、図3に示すように、TMR素子VRの領域からMOSトランジスタQNのドレイン13の領域まで引き出されている。そして下部電極26は、ドレイン領域13上で、書き込みワード線25と同じ金属膜でパターニングされた中継用電極24(24a〜24d)を介し、コンタクトプラグ31を介して、その下のTMR素子VRの上部電極28に順次接続され、最下部のTMR素子VR1の下部電極26aは、中継電極24,22を介しコンタクトプラグ31を介してドレイン13に接続される。これにより、各TMR素子VRは、MOSトランジスタQNに直列接続される。
【0030】
最上部のTMR素子VRの上には、書き込みワード線30と並行するデータ線である読み出しビット線(R−BL)41が配設されている。読み出しビット線41は、コンタクトプラグ31を介してTMR素子VRの上部電極28に接続されている。
【0031】
以上の積層MRAMを基本として、書き込みビット線(W−BL)30と書き込みワード線(W−WL)25の周囲にヨーク材を形成した構造が、図4及び図5である。図4は、図2に対応する断面であり、図5はこれと直交する書き込みワード線25に沿った断面である。図示のように、書き込みワード線25には、そのTMR素子VRと対向する面を除く面(側面及び底面)を覆うようにヨーク材51が形成されている。ヨーク材51の両開放上端は、TMR素子VRの両短辺部の近くに位置するようにする。書き込みビット線30にも同様に、TMR素子VRと対向する面を除く面(側面及び上面)にヨーク材51が形成されている。このヨーク材52の両開放下端は、図5に示すように、TMR素子VRの両長辺の近傍に位置するように、書き込みビット線30の底面より下に延長した状態に形成されている。
【0032】
ヨーク材51,52には、代表的にはNi−Fe合金、Co−Ni合金等の導電性ヨーク材が用いられる。その他、Co−(Zr,Hf,Nb,Ta,Ti)系、(Co,Ni,Fe)−(Si,B)−(P,Al,Mo,Nb,Mn)系のアモルファス材料も用いることができる。
【0033】
この様に書き込みビット線30と書き込みワード線25の周囲にヨーク材を形成することにより、これらに書き込み電流を流したときに発生磁界をTMR素子VRに効果的に集中させることができる。このことは、TMR素子の書き込み電流の低減につながる。また、書き込みビット線30及び書き込みワード線25の側面にあるヨーク材は、隣接セルが近接して配置された場合に書き込み磁界の非選択セルへの影響を抑制する働きをするため、MRAMセルの高密度化にも有利である。以上により、書き込み電流の低減とクロストークの低減を図った大容量MRAMが得られる。
【0034】
[実施の形態2]
図6は、図2の積層構造を基本として、書き込みビット線(W−BL)30を上下の二つずつのセルで共有させた実施の形態を示している。書き込みビット線30の共有に伴って、書き込みワード線(W−WL)25についても、2番目と3番目のTMR素子VR2,VR3で共有させている。最上部のTMR素子VR4についてはその上方に書き込みワード線25dを、最下部のTMR素子VR1については、その下方に書き込みワード線25aを配置している。
【0035】
以上の積層MRAMを基本として、書き込みビット線(W−BL)30と書き込みワード線(W−WL)25の周囲にヨーク材を形成した構造が、図7及び図8である。図7は、図6に対応する断面であり、図8はこれと直交する書き込みワード線25に沿った断面である。
【0036】
書き込みワード線25、書き込みビット線30が上下のTMR素子VRで共有されているため、ヨーク材51,52はこれらの配線の両側面のみに配置している。書き込みビット線30の側面のヨーク材52は、図8に示すように、ビット線金属膜の上下面からTMR素子VRの近くまで延在させており、これによりTMR素子VRにより磁界を集中させることを可能としている。
【0037】
これにより、先の実施の形態と同様の効果が得られる他、積層膜の共有により、積層構造及び製造工程が簡単になる。また、書き込みビット線30の側面のヨーク材52を上下に延長させることによって、書き込み電流の一層の低減が可能になる。
【0038】
[実施の形態3]
図9は、他の積層型MRAMの等価回路を示している。この積層型MRAMでは、4個のTMR素子VRがひとつのスイッチ素子であるMOSトランジスタQNに並列接続されている。各々のTMR素子VRには、下部電極側に配置された書き込みワード線W−WLと上部電極側に配置された書き込みビット線W−BLが互いに交差して設けられる。各TMR素子VRの一端は、MOSトランジスタQNを介してソース線SLに接続され、他端は積層構造の最上部に形成される読み出しビット線R−BLに接続される。MOSトランジスタQNのゲートが読み出しワード線R−WLとなることは、先の実施の形態と同じである。
【0039】
4個のTMR素子VRは並列接続であるが、その読み出し法は先の実施の形態の直列接続の場合と同様である。即ち、セルユニットの電流の読み出し、選択セルへの“1”データ書き込み、及び再度セルニットの電流の読み出しを行って、2回の読み出し電流の比較によりデータを判別することができる。
【0040】
図10は、以上の積層MRAMの積層構造を示し、図11はセルのレイアウトを示している。図10は、書き込みビット線W−BLに沿った断面図であり、TMR素子VR(VR1〜VR4)は、図11に示したように、MOSトランジスタQNが形成された素子領域の外の素子分離領域に形成され、実際には図2の断面には同時には現れない。
【0041】
MOSトランジスタQNのソース14は、コンタクト21を介して第1層金属膜によるソース線(SL)23に接続され、ドレイン13はコンタクト31を介してソース線SLと同じ金属膜による中継電極22に接続される。各TMR素子VRは、先の実施の形態と同様に層間絶縁膜40内に埋め込まれて順次積層され、下部金属電極26(26a〜26d)と上部金属電極28(28a〜28d)により挟まれている。各TMR素子VRの直下近傍には、層間絶縁膜40に埋め込まれて読み出しワード線12と並行するように書き込みワード線(W−WL)25(25a〜25d)が配設されている。各TMR素子VRの直上近傍には、層間絶縁膜40に埋め込まれて読み出しワード線12や書き込みワード線25と交差する書き込みビット線(W−BL)30(30a〜30d)が配設されている。
【0042】
各TMR素子VRの下部電極26及び上部電極28は、図11に示すように、それぞれMOSトランジスタQNのドレイン13の領域及びソース14の領域上まで導かれている。各下部電極26は、ドレイン領域13上で、書き込みワード線25と同じ金属膜でパターニングされた中継用電極24(24a〜24d)を介し、コンタクトプラグ31を介して、ドレイン13に並列接続される。上部電極28は、コンタクトプラグ32を介して並列接続され、最上部に配設された読み出しビット線(R−BL)41に接続されている。
【0043】
図12は、図10の積層構造を基本として、書き込みビット線(W−BL)30と書き込みワード線(W−WL)25の周囲にヨーク材を形成した構造であり、図13は、これと直交する書き込みワード線25に沿った断面である。図示のように、書き込みワード線25には、そのTMR素子VRと対向する面を除く面(側面及び底面)を覆うようにヨーク材51が形成されている。ヨーク材51の両開放上端は、TMR素子VRの両短辺部に近い位置にある。書き込みビット線30にも同様に、TMR素子VRと対向する面を除く面(側面及び上面)にヨーク材51が形成されている。このヨーク材52の両開放下端は、図13に示すように、TMR素子VRの両長辺の近傍に位置するように、書き込みビット線30の底面より下に延長した状態に形成されている。
【0044】
この様に書き込みビット線30と書き込みワード線25の周囲にヨーク材を形成することにより、先の実施の形態と同様に、発生磁界をTMR素子VRに効果的に集中させることができ、隣接セルへの磁界の漏れを抑制することができる。従って、書き込み電流の低減とクロストークの低減を図った大容量MRAMが得られる。
【0045】
[実施の形態4]
図14は、図10の積層構造を基本として、書き込みビット線(W−BL)30を上下の二つずつのセルで共有させた実施の形態を示している。書き込みビット線30の共有に伴って、書き込みワード線(W−WL)25についても、2番目と3番目のTMR素子VR2,VR3で共有させている。最上部のTMR素子VR4についてはその上方に書き込みワード線25dを、最下部のTMR素子VR1については、その下方に書き込みワード線25aを配置している。書き込みビット線30の共有化に伴って、TMR素子VR1,VR3の下部電極26a,26bと、TMR素子VR2,VR4の上部電極28b,28dを共通に拡散層13に、TMR素子VR1,VR3の上部電極28a,28cとTMR素子VR2,VR4の下部電極26b,26dを共通に読み出しビット線(R−BL)41に接続している。
【0046】
以上の積層MRAMを基本として、書き込みビット線(W−BL)30と書き込みワード線(W−WL)25の周囲にヨーク材を形成した構造が、図15及び図16である。図15は、図14に対応する断面であり、図16はこれと直交する書き込みワード線25に沿った断面である。
【0047】
書き込みワード線25、書き込みビット線30が上下のTMR素子VRで共有されているため、ヨーク材51,52はこれらの配線の両側面のみに配置している。書き込みビット線30の側面のヨーク材52は、図16に示すように、ビット線金属膜の上下面からTMR素子VRの近くまで延在させており、これによりTMR素子VRにより磁界を集中させることを可能としている。
【0048】
これにより、実施の形態2と同様、金属膜の共有により、積層構造及び製造工程が簡単になる。また、書き込みビット線30の側面のヨーク材52を上下に延長させることによって、書き込み電流の一層の低減が可能になる。
【0049】
[実施の形態5]
図17は、他の積層型MRAMの一つのセルユニット部の等価回路を示している。このセルユニットは、4個のTMR素子VR1〜VR4が2個ずつ並列接続されて、これが一つのスイッチ素子であるMOSトランジスタQNに直列接続されて構成されている。TMR素子VR4の端子電極は、データ線である読み出しビット線R−BLに接続され、MOSトランジスタQNのソースは、ソース線SLに接続される。
【0050】
書き込みワード線W−WLは、二つのTMR素子VR2,VR3の間では共有され、残りのTMR素子VR1,VR4にはそれぞれ独立に設けられている。書き込みビット線W−BLは、二つずつのTMR素子VR1,VR2の間及びVR3,VR4の間で共有されている。
【0051】
図18は、この積層MRAMの書き込みビット線W−BLに沿った断面を示しており、図19はそのセルレイアウトを示している。図19に示したように、第1及び第3のTMR素子VR1,VR3の下部電極26a,26cと、第2及び第4のTMR素子VR2,VR4の上部電極28b,28dとが同じパターンでMOSトランジスタのドレイン13の領域まで導かれる。そしてドレイン13の領域上で、下部電極26a,26cと上部電極28b,28dの間がそれぞれコンタクトプラグ31により接続される。
【0052】
また、第1及び第3のTMR素子VR1,VR3の上部電極28a,28cと、第2及び第4のTMR素子VR2,VR4の下部電極26b,26dとが同じパターンでMOSトランジスタのゲート領域まで導かれる。そしてゲート領域上で、下部電極26b,26dと上部電極28a,28cの間がそれぞれコンタクトプラグ32により接続される。最下部のTMR素子VR1の下部電極26aはコンタクトプラグ31を介してドレイン13に接続され、最上部のTMR素子VR4の下部電極26dは、コンタクトプラグ32を介して最上層の読み出しビット線(R−BL)41に接続される。
【0053】
これにより、等価的には、図17に示したように、TMR素子を2個ずつ並列接続してこれを直列接続したセルユニットが構成される。
【0054】
以上の積層MRAMを基本として、書き込みビット線(W−BL)30と書き込みワード線(W−WL)25の周囲にヨーク材を形成した構造が、図20及び図21である。図20は、図18に対応する断面であり、図21はこれと直交する書き込みワード線25に沿った断面である。
【0055】
書き込みワード線25には、そのTMR素子VRと対向する面を除く側面と底面にヨーク材51が形成されている。書き込みビット線30には同様に、TMR素子VRに対向する面を除いて、上面と側面にヨーク材52が形成されている。
書き込みビット線30の側面のヨーク材52は、図21に示すように、ビット線金属膜の上下面からTMR素子VRの近くまで延在させており、これによりTMR素子VRにより磁界を集中させることを可能としている。
【0056】
以上により、先の実施の形態と同様に、発生磁界をTMR素子VRに効果的に集中させることができ、隣接セルへの磁界の漏れを抑制することができる。従って、書き込み電流の低減とクロストークの低減を図った大容量MRAMが得られる。
【0057】
[実施の形態6]
図22は、図18の積層構造を基本として、書き込みビット線(W−BL)30を上下の二つずつのTMR素子で共有させた実施の形態を示している。書き込みビット線30の共有に伴って、書き込みワード線(W−WL)25についても、2番目と3番目のTMR素子VR2,VR3で共有させている。最上部のTMR素子VR4についてはその上方に書き込みワード線25dを、最下部のTMR素子VR1については、その下方に書き込みワード線25aを配置している。図23は、そのセルレイアウトであり、これは図19と同じである。
【0058】
図22の積層MRAMを基本として、書き込みビット線(W−BL)30と書き込みワード線(W−WL)25の周囲にヨーク材を形成した構造が、図24及び図25である。図24は、図22に対応する断面であり、図25はこれと直交する書き込みワード線25に沿った断面である。
【0059】
書き込みワード線25には、側面のみにヨーク材51が形成されている。書き込みビット線30には同様に、側面のみにヨーク材52が形成されている。これにより、各TMR素子VRにより磁界を集中させることを可能としている。
【0060】
[実施の形態7]
図26は、他の積層型MRAMの一つのセルユニット部の等価回路を示している。このセルユニットは、4個のTMR素子VR1〜VR4が一つのスイッチ素子であるMOSトランジスタQNに並列接続されているが、それぞれ独立にアクセス可能に構成されている。即ち、MOSトランジスタQNの一端は、データ線である読み出しビット線R−BLに接続され、各TMR素子VRの書き込みワード線W−BLは、それぞれTMR素子VRの一端に接続されて、読み出し時の電流配線ともなる。
【0061】
図27は、この積層MRAMの積層構造を示す書き込みビット線に沿った断面図であり、図28はセルレイアウトである。MOSトランジスタQNのソース14は、コンタクトプラグ21を介して第1層金属配線である読み出しビット線(R−BL)41に接続されている。読み出しビット線41は、図28に示すようにMOSトランジスタの領域の外に引き出されて、素子分離領域に配設されている。MOSトランジスタが形成された上に、順次TMR素子VRが積層されている。各TMR素子VRの上部電極を兼ねて、書き込みビット線(W−BL)30が形成されている。各TMR素子VRの下方には、書き込みワード線(W−WL)25が埋め込まれている。
【0062】
各TMR素子VRの下部電極26は、図28に示すように、MOSトランジスタQNのドレイン13の領域上まで導かれており、書き込みワード線25と同時に形成される中継電極24及びコンタクトプラグ31を介してドレイン13に共通接続されている。
【0063】
図29及び図30は、図27の積層MRAMを基本として、書き込みビット線(W−BL)30と書き込みワード線(W−WL)25の周囲にヨーク材を形成した構造である。図29は、図27に対応する断面であり、図30はこれと直交する書き込みワード線25に沿った断面である。
【0064】
書き込みワード線25には、そのTMR素子VRと対向する面を除く側面と底面にヨーク材51が形成されている。書き込みビット線30には同様に、TMR素子VRに対向する面を除いて、上面と側面にヨーク材52が形成されている。
これにより、TMR素子VRにより磁界を集中させることができる。従って、先の実施の形態と同様に、書き込み電流の低減と隣接セルへの磁界の漏れを抑制した大容量MRAMが得られる。
【0065】
[実施の形態8]
図31は、他の積層MRAMの構造を図27と対応させて示している。図27と異なる点は、書き込みビット線30を各TMR素子VRの下方に埋め込み、書き込みワード線25を各TMR素子VRの上部に配置してこの書き込みワード線25をTMR素子VRの端子配線として用いていることである。従って、等価的には図26と同様になる。
【0066】
図32及び図33は、図31の積層MRAMを基本として、書き込みビット線(W−BL)30と書き込みワード線(W−WL)25の周囲にヨーク材を形成した構造である。図32は、図31に対応する断面であり、図33はこれと直交する書き込みワード線25に沿った断面である。
【0067】
書き込みワード線25には、そのTMR素子VRと対向する面を除く側面と上面にヨーク材51が形成されている。書き込みビット線30には同様に、TMR素子VRに対向する面を除いて、底面と側面にヨーク材52が形成されている。これにより、TMR素子VRにより磁界を集中させることができる。従って、先の実施の形態と同様に、書き込み電流の低減と隣接セルへの磁界の漏れを抑制した大容量MRAMが得られる。
【0068】
なお以上の実施の形態において、ヨーク材を設ける場合に、書き込みワード線と書き込みビット線の双方に形成しているが、いずれか一方のみに形成することによっても、書き込み電流低減効果が得られる。
また、選択スイッチング素子としてMOSトランジスタを用いた例を示したが、ダイオードを用いた場合にも同様にこの発明を適用することができる。
【0069】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、磁気メモリ装置の高密度化と低消費電力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態による積層MRAMの等価回路を示す図である。
【図2】同積層MRAMの積層構造を示す模式的断面図である。
【図3】同積層MRAMのセルレイアウトを示す図である。
【図4】同積層MRAMを改良した積層MRAMを図2に対応させて示す模式的断面図である。
【図5】図4と直交する方向の模式的断面図である。
【図6】他の実施の形態による積層MRAMの模式的断面図である。
【図7】同積層MRAMを改良した積層MRAMを図6に対応させて示す模式的断面図である。
【図8】図7と直交する方向の模式的断面図である。
【図9】他の実施の形態による積層MRAMの等価回路を示す図である。
【図10】同積層MRAMの積層構造を示す模式的断面図である。
【図11】同積層MRAMのセルレイアウトを示す図である。
【図12】同積層MRAMを改良した積層MRAMを図10に対応させて示す模式的断面図である。
【図13】図12と直交する方向の模式的断面図である。
【図14】他の実施の形態による積層MRAMの模式的断面図である。
【図15】同積層MRAMを改良した積層MRAMを図14に対応させて示す模式的断面図である。
【図16】図15と直交する方向の模式的断面図である。
【図17】他の実施の形態による積層MRAMの等価回路を示す図である。
【図18】同積層MRAMの積層構造を示す模式的断面図である。
【図19】同積層MRAMのセルレイアウトを示す図である。
【図20】同積層MRAMを改良した積層MRAMを図18に対応させて示す模式的断面図である。
【図21】図20と直交する方向の模式的断面図である。
【図22】他の実施の形態の積層MRAMの積層構造を示す模式的断面図である。
【図23】同積層MRAMのセルレイアウトを示す図である。
【図24】同積層MRAMを改良した積層MRAMを図22に対応させて示す模式的断面図である。
【図25】図24と直交する方向の模式的断面図である。
【図26】他の実施の形態による積層MRAMの等価回路を示す図である。
【図27】同積層MRAMの積層構造を示す模式的断面図である。
【図28】同積層MRAMのセルレイアウトを示す図である。
【図29】同積層MRAMを改良した積層MRAMを図27に対応させて示す模式的断面図である。
【図30】図29と直交する方向の模式的断面図である。
【図31】他の実施の形態の積層MRAMの積層構造を示す模式的断面図である。
【図32】同積層MRAMを改良した積層MRAMを図31に対応させて示す模式的断面図である。
【図33】図32と直交する方向の模式的断面図である。
【図34】MRAMの書き込み原理を説明するための図である。
【図35】TMR素子の基本構造と動作原理を説明するための図である。
【図36】TMR素子の特性を示す図である。
【図37】TMR素子の原理を説明するためのアステロイド曲線である。
【図38】TMR素子の集積化構造を示す図である。
【図39】TMR素子の他の集積化構造を示す図である。
【符号の説明】
10…シリコン基板、11…素子分離絶縁膜、12…読み出しワード線(R−WL)、13,14…ドレイン,ソース、21…コンタクトプラグ、23…ソース線(SL)、25(25a〜25d)…書き込みワード線(W−WL)、26(26a〜26d)…下部電極、27(27a〜27d)…TMR素子(VR)、28(28a〜28d)…上部電極、30(30a〜30d)…書き込みビット線(W−BL)、31,32…コンタクトプラグ、40…層間絶縁幕、41…読み出しビット線(R−BL)、51,52…ヨーク材。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic memory device (magnetic random access memory) using a memory cell that stores "1" and "0" information by a tunnel-type magnetoresistance effect.
[0002]
[Prior art]
In recent years, many memories for storing information based on a new principle have been proposed. One of them is Roy Skeuerlein et. Al. For example, there is a memory using a tunneling magnetoresistive (TMR) effect proposed by the company (for example, ISSCC2000 Technical Digest p.128 "A 10 ns Read and Write Non-Joint Monthly Railway International Union of Railways National Railways Monthly Monthly Journal of the United States of America). in each Cell ").
[0003]
A magnetic random access memory (MRAM: Magnetic Random Access Memory) using the TMR effect stores "1" and "0" information by a TMR element. The TMR element has a structure in which an insulating layer (tunnel barrier) 103 is sandwiched between two magnetic layers (ferromagnetic layers) 101 and 102 as shown in FIG. The binary information stored in the TMR element is defined by whether the spin directions of the two magnetic layers 101 and 102 are parallel or antiparallel. Here, “parallel” means that the spin directions (indicated by arrows) of the two magnetic layers 101 and 102 are the same, and “antiparallel” means that the spin directions of the two magnetic layers 101 and 102 are opposite. It means that they are parallel.
[0004]
Usually, one of the two magnetic layers 101 and 102 of the TMR element is called a fixed layer in which a diamagnetic layer is arranged and the spin direction is fixed, and the other is a recording layer in which the spin direction is switched by a current magnetic field. It becomes. As shown in FIG. 35, when the spin directions of the two magnetic layers 101 and 102 become parallel, the tunnel resistance of the insulating layer (tunnel barrier) 103 sandwiched between these two magnetic layers becomes the lowest. This state is, for example, the data “1” state. When the spin directions of the two magnetic layers 101 and 102 are antiparallel, the tunnel resistance of the insulating layer 103 sandwiched between these two magnetic layers becomes the highest. This state is the data "0" state.
[0005]
As shown in FIG. 34, an MRAM using such a TMR element is arranged at the intersection of a write word line (W-WL) and a data selection line (bit line) (BL) that intersect each other. Be composed. Data writing is achieved by applying a current to the write word line W-WL and the data selection line BL, and making the spin directions of the TMR element parallel or anti-parallel using a magnetic field created by the current flowing through both the lines. You.
[0006]
For example, at the time of writing, only a current flowing in one direction flows through the data selection line BL, and a current flowing in a different direction flows through the write word line W-WL in accordance with write data. When a current flowing in the first direction flows through the write word line W-WL, the spin direction of the TMR element becomes parallel ("1" state). When a current flowing in the second direction flows, the spin direction of the TMR element changes. Are antiparallel ("0" state).
[0007]
More specifically, in the TMR element, at the time of writing, a magnetic field Hx in the direction of the easy axis (Easy-Axis) which is the long side direction and a magnetic field Hy in the direction of the hard axis (Hard-Axis) orthogonal thereto. And a combined magnetic field is applied. Thereby, the resistance value of the TMR element changes as shown by the TMR curve in FIG. The vertical axis in FIG. 36 indicates the rate of change in the resistance value of the TMR element, and is called the MR ratio. Although the MR ratio changes depending on the properties of the magnetic layer used, a ratio of about 10% to 50% is obtained.
[0008]
As shown by the solid line and the dotted line in FIG. 36, the magnitude of the magnetic field Hx in the easy axis direction required to change the resistance value of the TMR element also changes according to the magnitude of the magnetic field Hy in the hard axis direction. By utilizing this phenomenon, data can be written only to the TMR element existing at the intersection of the selected write word line W-WL and the selected data selection line BL in the cell array.
[0009]
This situation will be further described using an asteroid curve. The asteroid curve of the TMR element is, for example, as shown in FIG. If the magnitude of the combined magnetic field of the magnetic field Hx in the easy axis direction and the magnetic field Hy in the hard axis direction is outside the asteroid curve (the position of the black circle), the spin direction of the magnetic layer can be reversed. . Conversely, when the magnitude of the combined magnetic field of Hx and Hy is inside the asteroid curve (the position of the white circle), the spin direction of the magnetic layer cannot be reversed.
Therefore, by changing the magnitude of the combined magnetic field of the magnetic field Hx in the direction of the easy axis and the magnetic field Hy in the direction of the hard axis and changing the position of the magnitude of the combined magnetic field in the Hx-Hy plane, the data of the TMR element Writing can be controlled.
[0010]
Data reading can be easily performed by applying a current to the selected TMR element and detecting the resistance value of the TMR element. Specifically, a current path is created by connecting a switch element in series with the TMR element. If only the selected TMR element is turned on and the current flows, the data of the TMR element can be read.
[0011]
FIG. 38 is a cross-sectional view of a memory cell when a MOSFET is applied as a switch element. In this case, the gate electrode of the MOSFET becomes the read word line R-WL. The selected read word line R-WL is set to “H” to turn on the MOSFET, and by reading the magnitude of the current flowing from the selected bit line BL through the TMR element and through the MOSFET, data can be determined. it can.
[0012]
FIG. 39 is a sectional view of a memory cell when a diode is applied as a switch element. In this case, there is no read word line, but if the diode is turned on and off depending on the resistance of the TMR element, data can be determined by detecting the current of the bit line.
Although the spin direction of the TMR element is not shown in FIGS. 38 and 39, the spin direction may be either perpendicular (to the write word line W-WL) or parallel to the bit line (to the bit line BL).
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In the MRAM using the above-described TMR element, in order to realize a large MR ratio difference between the data “1” and “0” with low power consumption, the current magnetic field of the write word line and the bit line is required for the TMR element. Needs to be concentrated efficiently. However, it is not easy to concentrate a current magnetic field on a minute TMR element composed of a thin film. In this regard, it has been proposed that the yoke material be coated on a surface other than the surface of the write word line or the bit line facing the TMR element so that the current magnetic field is concentrated on the TMR element (US Pat. 6, 174, 737).
On the other hand, in the conventionally proposed MRAM using the TMR element, as shown in FIG. 38 or 39, the TMR elements arranged in a matrix are connected between a bit line and a reference potential line via switch elements. You. That is, since one TMR element requires one switch element, it is difficult to reduce the cell area.
[0014]
An object of the present invention is to provide a magnetic memory device that achieves higher density and lower power consumption.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
A magnetic memory device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a switching element formed on the semiconductor substrate, and a plurality of tunnel magnetoresistors stacked on the semiconductor substrate via an interlayer insulating film and connected to the switching element. An element, a first write wiring buried in the interlayer insulating film so as to pass in the vicinity of each of the tunnel magnetoresistive elements; and A second write wiring buried so as to intersect with the first write wiring and at least one of the first and second write wirings formed on a surface excluding a surface facing the tunnel magnetoresistive element; And a yoke material.
[0016]
According to the present invention, by stacking a plurality of tunnel magnetoresistive elements, it is possible to increase the density of the MRAM. Further, by forming a yoke material on a write wiring for applying a magnetic field for writing data to each tunneling magneto-resistance element, the magnetic field can be concentrated on the tunneling magneto-resistance element, and the write current can be reduced.
[0017]
In the present invention, for example, the first and second write wirings are disposed vertically above and below each tunnel magnetoresistive element, and the yoke material is formed on the side surface of each write wiring and the surface facing the tunnel magnetoresistive element. Formed on the opposite side.
Alternatively, the first and second write wirings can be formed at least partially as shared wiring between vertically adjacent tunneling magneto-resistance elements. In this case, a yoke material is formed on the side surface of the shared wiring.
[0018]
In the present invention, the plurality of stacked tunneling magneto-resistance elements are connected in series to, for example, a switching element. At this time, a data line connected to the terminal electrode of the uppermost tunneling magneto-resistance element is provided above the plurality of tunneling magneto-resistance elements.
[0019]
Further, a plurality of tunneling magneto-resistance elements can be stacked in a parallel connection state. In this case, one terminal electrode of the tunneling magneto-resistance element is commonly connected to the switching element, and the other terminal electrode is commonly connected to a data line provided above the plurality of tunneling magneto-resistance elements.
[0020]
Further, the plurality of tunnel magnetoresistive elements can be stacked in a state where a plurality of sets each connected in parallel are connected in series to the switching element. In this case, a data line commonly connected to the terminal electrodes of the uppermost set of tunneling magneto-resistance elements is provided above the plurality of tunneling magneto-resistance elements.
[0021]
Further, one end of the plurality of tunneling magneto-resistance elements is commonly connected to the switching element, and at the other end, one of the first and second write wirings also serves as a terminal electrode and a current wiring of the tunneling magneto-resistance element. You may make it connected. In this case, the data line may be buried under the plurality of tunneling magneto-resistance elements in the interlayer insulating film so as to be connected to the terminal of the switching element opposite to the connection terminal with the tunneling magneto-resistance element. Good.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
FIG. 1 shows an equivalent circuit of one cell unit of the stacked MRAM. This cell unit is configured such that four TMR elements VR1 to VR4 are connected in series to a MOS transistor QN as one switch element. One terminal electrode of the TMR elements VR1 to VR4 connected in series is connected to a read bit line R-BL which is a data line, and a source of the MOS transistor QN is connected to a source line SL.
[0023]
In the vicinity of each of the TMR elements VR1 to VR4, a write bit line W-BL and a write word line W-WL, which are write wirings crossing each other, are provided to apply a current magnetic field at the time of data writing. The gate electrode of the MOS transistor QN is continuously provided as a read word line R-WL in parallel with the write word line W-WL.
[0024]
In this stacked MRAM, one MOS transistor QN accesses four TMR elements VR1 to VR4. This is because a cell cannot have selectivity in a reading method such as the case of one switching element and one TMR element as in the related art, so that a unique reading method is required. First, one cell unit is selected by selecting a read word line R-WL and a read bit line R-BL. Then, currents flowing through the plurality of TMR elements VR1 to VR4 of the selected cell unit are read by the sense amplifier, and the values are stored.
[0025]
Next, by selecting the write word line W-WL and the write bit line W-BL corresponding to the selected cell, for example, data “1” is written to the selected cell. The read word line R-WL and the read bit line R-BL are selected again, the current flowing through the selected cell unit is read by the sense amplifier, and the value is compared with the value previously sensed and stored. If the values are different, the data of the selected cell is "0", and if the values are the same, it is "1". As described above, the data of the selected cell in the cell unit can be determined. In the case of data "0", destructive reading is performed, so rewriting is performed.
[0026]
FIG. 2 shows a stacked structure of the above stacked MRAM, and FIG. 3 shows a cell layout. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the write bit line W-BL. Actually, as shown in FIG. 3, the TMR elements VR (VR1 to VR4) are formed in the element region where the MOS transistor QN is formed. Are formed at the same time in the element isolation region, and do not appear at the same time in the cross section of FIG. 2, and are shown here as schematic perspective cross sectional views. The same applies to the following embodiments.
[0027]
As shown, a MOS transistor QN is formed in an element region of a silicon substrate 10 surrounded by an element isolation insulating film 11. The gate electrode of the MOS transistor QN is formed continuously in one direction as shown in FIG. 3, and becomes a read word line (R-WL) 12. On the substrate on which the MOS transistor QN is formed, four TMR elements VR separated by an interlayer insulating film 40 are stacked by repeating film deposition and patterning.
[0028]
Specifically, the source 14 of the MOS transistor QN is connected via a contact 21 to a source line SL made of a first layer metal film, and the drain 13 is connected via a contact 31 to a relay electrode 22 made of the same metal film as the source line SL. Connected. Each TMR element VR has a ferromagnetic layer sandwiching a tunnel barrier layer, which is sandwiched between lower metal electrodes 26 (26a to 26d) and upper metal electrodes 28 (28a to 28d).
Write word lines (W-WL) 25 (25a to 25d) buried in the interlayer insulating film 40 and arranged in parallel with the read word lines 12 are provided immediately below each TMR element VR. Write bit lines (W-BL) 30 (30a to 30d) embedded in the interlayer insulating film 40 and intersecting with the read word lines 12 and the write word lines 25 are provided immediately above each TMR element VR. .
[0029]
As shown in FIG. 3, the lower electrode 26 and the upper electrode 28 of each TMR element VR are drawn from the region of the TMR device VR to the region of the drain 13 of the MOS transistor QN. The lower electrode 26 is provided on the drain region 13 via the relay electrode 24 (24a to 24d) patterned with the same metal film as the write word line 25, via the contact plug 31, and the TMR element VR thereunder. The lower electrode 26a of the lowermost TMR element VR1 is sequentially connected to the upper electrode 28, and is connected to the drain 13 via the relay electrodes 24 and 22 and the contact plug 31. Thereby, each TMR element VR is connected in series to the MOS transistor QN.
[0030]
A read bit line (R-BL) 41 which is a data line parallel to the write word line 30 is provided on the uppermost TMR element VR. The read bit line 41 is connected to the upper electrode 28 of the TMR element VR via the contact plug 31.
[0031]
4 and 5 show a structure in which a yoke material is formed around the write bit line (W-BL) 30 and the write word line (W-WL) 25 based on the above laminated MRAM. 4 is a cross section corresponding to FIG. 2, and FIG. 5 is a cross section along a write word line 25 orthogonal to the cross section. As shown in the drawing, a yoke material 51 is formed on the write word line 25 so as to cover the surface (side surface and bottom surface) except the surface facing the TMR element VR. Both open upper ends of the yoke member 51 are located near both short sides of the TMR element VR. Similarly, the yoke material 51 is formed on the surface (side surface and upper surface) of the write bit line 30 except for the surface facing the TMR element VR. As shown in FIG. 5, both open lower ends of the yoke member 52 extend below the bottom surface of the write bit line 30 so as to be located near both long sides of the TMR element VR.
[0032]
As the yoke members 51 and 52, a conductive yoke material such as a Ni—Fe alloy or a Co—Ni alloy is typically used. In addition, Co- (Zr, Hf, Nb, Ta, Ti) -based, (Co, Ni, Fe)-(Si, B)-(P, Al, Mo, Nb, Mn) -based amorphous materials may be used. it can.
[0033]
By forming the yoke material around the write bit line 30 and the write word line 25 in this manner, the magnetic field generated when a write current flows through these can be effectively concentrated on the TMR element VR. This leads to a reduction in the write current of the TMR element. Further, the yoke material on the side surfaces of the write bit line 30 and the write word line 25 functions to suppress the influence of the write magnetic field on the non-selected cells when the adjacent cells are arranged close to each other. It is also advantageous for high density. As described above, a large-capacity MRAM in which the write current and the crosstalk are reduced can be obtained.
[0034]
[Embodiment 2]
FIG. 6 shows an embodiment in which the write bit line (W-BL) 30 is shared by two upper and lower cells based on the stacked structure of FIG. With the sharing of the write bit line 30, the write word line (W-WL) 25 is also shared by the second and third TMR elements VR2 and VR3. A write word line 25d is arranged above the uppermost TMR element VR4, and a write word line 25a is arranged below the lowermost TMR element VR1.
[0035]
FIGS. 7 and 8 show a structure in which a yoke material is formed around the write bit line (W-BL) 30 and the write word line (W-WL) 25 based on the above stacked MRAM. 7 is a cross section corresponding to FIG. 6, and FIG. 8 is a cross section along a write word line 25 orthogonal to the cross section.
[0036]
Since the write word line 25 and the write bit line 30 are shared by the upper and lower TMR elements VR, the yoke members 51 and 52 are arranged only on both side surfaces of these wires. As shown in FIG. 8, the yoke material 52 on the side surface of the write bit line 30 extends from the upper and lower surfaces of the bit line metal film to the vicinity of the TMR element VR, so that the magnetic field can be concentrated by the TMR element VR. Is possible.
[0037]
Accordingly, the same effects as those of the above embodiment can be obtained, and the sharing of the laminated film simplifies the laminated structure and the manufacturing process. Further, by extending the yoke material 52 on the side surface of the write bit line 30 vertically, the write current can be further reduced.
[0038]
[Embodiment 3]
FIG. 9 shows an equivalent circuit of another stacked MRAM. In this stacked MRAM, four TMR elements VR are connected in parallel to a MOS transistor QN, which is one switch element. In each of the TMR elements VR, a write word line W-WL disposed on the lower electrode side and a write bit line W-BL disposed on the upper electrode side are provided to cross each other. One end of each TMR element VR is connected to a source line SL via a MOS transistor QN, and the other end is connected to a read bit line R-BL formed at the top of the stacked structure. The fact that the gate of the MOS transistor QN becomes the read word line R-WL is the same as in the previous embodiment.
[0039]
Although the four TMR elements VR are connected in parallel, the reading method is the same as in the case of the series connection of the above embodiment. That is, the reading of the current of the cell unit, the writing of “1” data to the selected cell, and the reading of the current of the cell unit are performed again, and the data can be determined by comparing the read current twice.
[0040]
FIG. 10 shows a stacked structure of the above stacked MRAM, and FIG. 11 shows a cell layout. FIG. 10 is a cross-sectional view along the write bit line W-BL. As shown in FIG. 11, the TMR elements VR (VR1 to VR4) are separated from the element region where the MOS transistor QN is formed, as shown in FIG. It does not appear at the same time in the cross section of FIG.
[0041]
The source 14 of the MOS transistor QN is connected via a contact 21 to a source line (SL) 23 made of a first-layer metal film, and the drain 13 is connected via a contact 31 to a relay electrode 22 made of the same metal film as the source line SL. Is done. Each TMR element VR is embedded in the interlayer insulating film 40 and sequentially laminated as in the previous embodiment, and is sandwiched between the lower metal electrode 26 (26a to 26d) and the upper metal electrode 28 (28a to 28d). I have. Write word lines (W-WL) 25 (25a to 25d) buried in the interlayer insulating film 40 and arranged in parallel with the read word lines 12 are provided immediately below each TMR element VR. Write bit lines (W-BL) 30 (30a to 30d) embedded in the interlayer insulating film 40 and intersecting with the read word lines 12 and the write word lines 25 are provided immediately above each TMR element VR. .
[0042]
As shown in FIG. 11, the lower electrode 26 and the upper electrode 28 of each TMR element VR are respectively guided to the region of the drain 13 and the region of the source 14 of the MOS transistor QN. Each lower electrode 26 is connected in parallel to the drain 13 via a contact plug 31 via a relay electrode 24 (24a to 24d) patterned with the same metal film as the write word line 25 on the drain region 13. . The upper electrode 28 is connected in parallel via a contact plug 32, and is connected to a read bit line (R-BL) 41 provided at the top.
[0043]
FIG. 12 shows a structure in which a yoke material is formed around a write bit line (W-BL) 30 and a write word line (W-WL) 25 based on the laminated structure of FIG. 10, and FIG. 4 is a cross section taken along a perpendicular write word line 25. As shown in the drawing, a yoke material 51 is formed on the write word line 25 so as to cover the surface (side surface and bottom surface) excluding the surface facing the TMR element VR. Both open upper ends of the yoke member 51 are located near both short sides of the TMR element VR. Similarly, the yoke material 51 is formed on the surface (side surface and upper surface) of the write bit line 30 except for the surface facing the TMR element VR. As shown in FIG. 13, both open lower ends of the yoke member 52 are formed below the bottom surface of the write bit line 30 so as to be located near both long sides of the TMR element VR.
[0044]
By forming the yoke material around the write bit line 30 and the write word line 25 in this manner, the generated magnetic field can be effectively concentrated on the TMR element VR as in the previous embodiment, and the adjacent cell Magnetic field leakage can be suppressed. Therefore, a large-capacity MRAM with a reduced write current and reduced crosstalk can be obtained.
[0045]
[Embodiment 4]
FIG. 14 shows an embodiment in which the write bit line (W-BL) 30 is shared by two upper and lower cells based on the stacked structure of FIG. With the sharing of the write bit line 30, the write word line (W-WL) 25 is also shared by the second and third TMR elements VR2 and VR3. A write word line 25d is arranged above the uppermost TMR element VR4, and a write word line 25a is arranged below the lowermost TMR element VR1. With the sharing of the write bit line 30, the lower electrodes 26a and 26b of the TMR elements VR1 and VR3 and the upper electrodes 28b and 28d of the TMR elements VR2 and VR4 are shared by the diffusion layer 13 and the upper parts of the TMR elements VR1 and VR3. The electrodes 28a and 28c and the lower electrodes 26b and 26d of the TMR elements VR2 and VR4 are commonly connected to a read bit line (R-BL) 41.
[0046]
15 and 16 show a structure in which a yoke material is formed around the write bit line (W-BL) 30 and the write word line (W-WL) 25 based on the above-described stacked MRAM. FIG. 15 is a cross section corresponding to FIG. 14, and FIG. 16 is a cross section along a write word line 25 orthogonal to the cross section.
[0047]
Since the write word line 25 and the write bit line 30 are shared by the upper and lower TMR elements VR, the yoke members 51 and 52 are arranged only on both side surfaces of these wires. As shown in FIG. 16, the yoke material 52 on the side surface of the write bit line 30 extends from the upper and lower surfaces of the bit line metal film to the vicinity of the TMR element VR, thereby concentrating the magnetic field by the TMR element VR. Is possible.
[0048]
Thus, as in the second embodiment, the sharing of the metal film simplifies the laminated structure and the manufacturing process. Further, by extending the yoke material 52 on the side surface of the write bit line 30 vertically, the write current can be further reduced.
[0049]
[Embodiment 5]
FIG. 17 shows an equivalent circuit of one cell unit of another stacked MRAM. In this cell unit, two TMR elements VR1 to VR4 are connected in parallel two by two, and these are connected in series to a MOS transistor QN as one switch element. The terminal electrode of the TMR element VR4 is connected to a read bit line R-BL which is a data line, and the source of the MOS transistor QN is connected to a source line SL.
[0050]
The write word line W-WL is shared between the two TMR elements VR2 and VR3, and is provided independently for the remaining TMR elements VR1 and VR4. The write bit line W-BL is shared between two TMR elements VR1 and VR2, and between VR3 and VR4.
[0051]
FIG. 18 shows a cross section along the write bit line W-BL of the laminated MRAM, and FIG. 19 shows a cell layout thereof. As shown in FIG. 19, the lower electrodes 26a and 26c of the first and third TMR elements VR1 and VR3 and the upper electrodes 28b and 28d of the second and fourth TMR elements VR2 and VR4 have the same pattern of MOS. It is led to the region of the drain 13 of the transistor. Then, on the region of the drain 13, the lower electrode 26a, 26c and the upper electrode 28b, 28d are connected by the contact plug 31, respectively.
[0052]
The upper electrodes 28a and 28c of the first and third TMR elements VR1 and VR3 and the lower electrodes 26b and 26d of the second and fourth TMR elements VR2 and VR4 have the same pattern and extend to the gate region of the MOS transistor. I will On the gate region, the lower electrodes 26b, 26d and the upper electrodes 28a, 28c are connected by contact plugs 32, respectively. The lower electrode 26a of the lowermost TMR element VR1 is connected to the drain 13 via the contact plug 31, and the lower electrode 26d of the uppermost TMR element VR4 is connected to the uppermost read bit line (R- BL) 41.
[0053]
Thus, equivalently, as shown in FIG. 17, a cell unit is formed in which two TMR elements are connected in parallel and two TMR elements are connected in series.
[0054]
20 and 21 show a structure in which a yoke material is formed around the write bit line (W-BL) 30 and the write word line (W-WL) 25 based on the stacked MRAM described above. FIG. 20 is a cross section corresponding to FIG. 18, and FIG. 21 is a cross section along a write word line 25 orthogonal to the cross section.
[0055]
The yoke material 51 is formed on the write word line 25 on the side surface and the bottom surface other than the surface facing the TMR element VR. Similarly, a yoke material 52 is formed on the upper and side surfaces of the write bit line 30 except for the surface facing the TMR element VR.
As shown in FIG. 21, the yoke material 52 on the side surface of the write bit line 30 extends from the upper and lower surfaces of the bit line metal film to the vicinity of the TMR element VR, thereby concentrating the magnetic field by the TMR element VR. Is possible.
[0056]
As described above, similarly to the previous embodiment, the generated magnetic field can be effectively concentrated on the TMR element VR, and the leakage of the magnetic field to the adjacent cell can be suppressed. Therefore, a large-capacity MRAM with a reduced write current and reduced crosstalk can be obtained.
[0057]
Embodiment 6
FIG. 22 shows an embodiment in which the write bit line (W-BL) 30 is shared by two upper and lower TMR elements based on the laminated structure of FIG. With the sharing of the write bit line 30, the write word line (W-WL) 25 is also shared by the second and third TMR elements VR2 and VR3. A write word line 25d is arranged above the uppermost TMR element VR4, and a write word line 25a is arranged below the lowermost TMR element VR1. FIG. 23 shows the cell layout, which is the same as FIG.
[0058]
FIGS. 24 and 25 show a structure in which a yoke material is formed around a write bit line (W-BL) 30 and a write word line (W-WL) 25 based on the laminated MRAM of FIG. FIG. 24 is a cross section corresponding to FIG. 22, and FIG. 25 is a cross section along a write word line 25 orthogonal to the cross section.
[0059]
The write word line 25 has a yoke material 51 formed only on the side surface. Similarly, the yoke material 52 is formed only on the side surface of the write bit line 30. This enables the magnetic field to be concentrated by each TMR element VR.
[0060]
Embodiment 7
FIG. 26 shows an equivalent circuit of one cell unit of another stacked MRAM. In this cell unit, four TMR elements VR1 to VR4 are connected in parallel to a MOS transistor QN as one switch element, but are configured to be independently accessible. That is, one end of the MOS transistor QN is connected to a read bit line R-BL which is a data line, and the write word line W-BL of each TMR element VR is connected to one end of the TMR element VR, respectively. Also serves as current wiring.
[0061]
FIG. 27 is a cross-sectional view along a write bit line showing a stacked structure of the stacked MRAM, and FIG. 28 is a cell layout. The source 14 of the MOS transistor QN is connected via a contact plug 21 to a read bit line (R-BL) 41 which is a first layer metal wiring. The read bit line 41 is drawn out of the region of the MOS transistor as shown in FIG. 28 and is provided in the element isolation region. After the MOS transistors are formed, the TMR elements VR are sequentially stacked. A write bit line (W-BL) 30 is formed also as an upper electrode of each TMR element VR. A write word line (W-WL) 25 is buried below each TMR element VR.
[0062]
As shown in FIG. 28, the lower electrode 26 of each TMR element VR is led up to the region of the drain 13 of the MOS transistor QN, and passes through the relay electrode 24 and the contact plug 31 formed simultaneously with the write word line 25. And is commonly connected to the drain 13.
[0063]
FIGS. 29 and 30 show a structure in which a yoke material is formed around a write bit line (W-BL) 30 and a write word line (W-WL) 25 based on the stacked MRAM of FIG. FIG. 29 is a cross section corresponding to FIG. 27, and FIG. 30 is a cross section along a write word line 25 orthogonal to the cross section.
[0064]
The yoke material 51 is formed on the write word line 25 on the side surface and the bottom surface other than the surface facing the TMR element VR. Similarly, a yoke material 52 is formed on the upper and side surfaces of the write bit line 30 except for the surface facing the TMR element VR.
Thereby, the magnetic field can be concentrated by the TMR element VR. Therefore, as in the previous embodiment, a large-capacity MRAM in which the write current is reduced and the leakage of the magnetic field to adjacent cells is suppressed can be obtained.
[0065]
Embodiment 8
FIG. 31 shows the structure of another stacked MRAM in association with FIG. 27 is different from FIG. 27 in that the write bit line 30 is embedded below each TMR element VR, the write word line 25 is arranged above each TMR element VR, and this write word line 25 is used as a terminal wiring of the TMR element VR. It is that. Therefore, it is equivalent to FIG.
[0066]
FIGS. 32 and 33 show a structure in which a yoke material is formed around the write bit line (W-BL) 30 and the write word line (W-WL) 25 based on the laminated MRAM of FIG. FIG. 32 is a cross section corresponding to FIG. 31, and FIG. 33 is a cross section along a write word line 25 orthogonal to the cross section.
[0067]
In the write word line 25, a yoke material 51 is formed on the side surface and the upper surface excluding the surface facing the TMR element VR. Similarly, a yoke material 52 is formed on the bottom and side surfaces of the write bit line 30 except for the surface facing the TMR element VR. Thereby, the magnetic field can be concentrated by the TMR element VR. Therefore, as in the previous embodiment, a large-capacity MRAM in which the write current is reduced and the leakage of the magnetic field to adjacent cells is suppressed can be obtained.
[0068]
In the above embodiments, when the yoke material is provided, the yoke material is formed on both the write word line and the write bit line. However, the write current reduction effect can be obtained by forming only one of the yoke material and the write bit line.
Although an example using a MOS transistor as the selective switching element has been described, the present invention can be similarly applied to a case where a diode is used.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, high density and low power consumption of a magnetic memory device can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an equivalent circuit of a stacked MRAM according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view showing a laminated structure of the laminated MRAM.
FIG. 3 is a diagram showing a cell layout of the stacked MRAM.
FIG. 4 is a schematic sectional view showing a laminated MRAM obtained by improving the laminated MRAM, corresponding to FIG.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view in a direction orthogonal to FIG.
FIG. 6 is a schematic sectional view of a stacked MRAM according to another embodiment.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a laminated MRAM obtained by improving the laminated MRAM, corresponding to FIG.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view in a direction orthogonal to FIG.
FIG. 9 is a diagram showing an equivalent circuit of a stacked MRAM according to another embodiment.
FIG. 10 is a schematic sectional view showing a laminated structure of the laminated MRAM.
FIG. 11 is a diagram showing a cell layout of the stacked MRAM.
FIG. 12 is a schematic sectional view showing a laminated MRAM obtained by improving the laminated MRAM, corresponding to FIG. 10;
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view in a direction orthogonal to FIG.
FIG. 14 is a schematic sectional view of a stacked MRAM according to another embodiment.
FIG. 15 is a schematic sectional view showing a laminated MRAM obtained by improving the laminated MRAM, corresponding to FIG.
16 is a schematic cross-sectional view in a direction orthogonal to FIG.
FIG. 17 is a diagram showing an equivalent circuit of a stacked MRAM according to another embodiment.
FIG. 18 is a schematic sectional view showing a laminated structure of the laminated MRAM.
FIG. 19 is a diagram showing a cell layout of the stacked MRAM.
FIG. 20 is a schematic sectional view showing a laminated MRAM obtained by improving the laminated MRAM, corresponding to FIG. 18;
21 is a schematic cross-sectional view in a direction orthogonal to FIG.
FIG. 22 is a schematic cross-sectional view illustrating a stacked structure of a stacked MRAM according to another embodiment.
FIG. 23 is a diagram showing a cell layout of the stacked MRAM.
FIG. 24 is a schematic sectional view showing a laminated MRAM obtained by improving the laminated MRAM, corresponding to FIG. 22;
FIG. 25 is a schematic cross-sectional view in a direction orthogonal to FIG.
FIG. 26 is a diagram showing an equivalent circuit of a stacked MRAM according to another embodiment.
FIG. 27 is a schematic sectional view showing a laminated structure of the laminated MRAM.
FIG. 28 is a diagram showing a cell layout of the stacked MRAM.
FIG. 29 is a schematic cross-sectional view showing a laminated MRAM obtained by improving the laminated MRAM, corresponding to FIG. 27;
30 is a schematic sectional view in a direction orthogonal to FIG. 29.
FIG. 31 is a schematic sectional view showing a laminated structure of a laminated MRAM according to another embodiment.
FIG. 32 is a schematic cross-sectional view showing a laminated MRAM obtained by improving the laminated MRAM, corresponding to FIG. 31;
FIG. 33 is a schematic sectional view in a direction orthogonal to FIG. 32;
FIG. 34 is a diagram for explaining the principle of writing in the MRAM.
FIG. 35 is a view for explaining the basic structure and operation principle of the TMR element.
FIG. 36 is a diagram showing characteristics of the TMR element.
FIG. 37 is an asteroid curve for explaining the principle of a TMR element.
FIG. 38 is a diagram showing an integrated structure of a TMR element.
FIG. 39 is a diagram showing another integrated structure of the TMR element.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Silicon substrate, 11 ... Element isolation insulating film, 12 ... Read word line (R-WL), 13, 14 ... Drain, source, 21 ... Contact plug, 23 ... Source line (SL), 25 (25a-25d) ... write word line (W-WL), 26 (26a-26d) ... lower electrode, 27 (27a-27d) ... TMR element (VR), 28 (28a-28d) ... upper electrode, 30 (30a-30d) ... Write bit lines (W-BL), 31, 32 contact plugs, 40 interlayer insulation curtains, 41 read bit lines (R-BL), 51, 52 yoke materials.

Claims (7)

半導体基板と、
前記半導体基板に形成されたスイッチング素子と、
前記半導体基板上に層間絶縁膜を介して積層されて前記スイッチング素子に接続された複数のトンネル磁気抵抗素子と、
前記層間絶縁膜内に前記各トンネル磁気抵抗素子の近傍を通るように埋設された第1の書き込み用配線と、
前記層間絶縁膜に前記各トンネル磁気抵抗素子の近傍を通り且つ前記第1の書き込み用配線と交差するように埋設された第2の書き込み用配線と、
前記第1及び第2の書き込み用配線の少なくとも一方の前記トンネル磁気抵抗素子に対向する面を除く面に形成されたヨーク材と、
を有することを特徴とする磁気メモリ装置。
A semiconductor substrate;
A switching element formed on the semiconductor substrate,
A plurality of tunneling magneto-resistance elements stacked on the semiconductor substrate via an interlayer insulating film and connected to the switching element;
A first write wiring buried in the interlayer insulating film so as to pass near each of the tunnel magnetoresistive elements;
A second write wiring buried in the interlayer insulating film so as to pass near each of the tunnel magnetoresistive elements and intersect with the first write wiring;
A yoke material formed on a surface of at least one of the first and second write wirings except a surface facing the tunnel magnetoresistive element;
A magnetic memory device comprising:
前記第1及び第2の書き込み用配線は、各トンネル磁気抵抗素子を挟んで上下に配設されており、且つ、
前記ヨーク材は、前記各書き込み用配線の側面及び前記トンネル磁気抵抗素子と対向する面と反対側の面に形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の磁気メモリ装置。
The first and second write wirings are disposed vertically above and below each tunnel magnetoresistive element, and
2. The magnetic memory device according to claim 1, wherein the yoke material is formed on a side surface of each of the write wirings and a surface opposite to a surface facing the tunnel magnetoresistive element.
前記第1及び第2の書き込み用配線は、少なくとも一部が上下に隣接するトンネル磁気抵抗素子の間の共有配線として形成されており且つ、
前記ヨーク材は、前記共有配線の側面に形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の磁気メモリ装置。
The first and second write wirings are formed at least partially as shared wiring between vertically adjacent tunneling magneto-resistance elements, and
2. The magnetic memory device according to claim 1, wherein the yoke material is formed on a side surface of the shared wiring.
前記複数のトンネル磁気抵抗素子は前記スイッチング素子に直列接続され、
前記複数のトンネル磁気抵抗素子の上部に配設されて最上部のトンネル磁気抵抗素子の端子電極に接続されたデータ線を有する
ことを特徴とする請求項1記載の磁気メモリ装置。
The plurality of tunnel magnetoresistive elements are connected in series to the switching element,
2. The magnetic memory device according to claim 1, further comprising a data line disposed above said plurality of tunneling magneto-resistance elements and connected to a terminal electrode of an uppermost tunneling magneto-resistance element.
前記複数のトンネル磁気抵抗素子は、一方の端子電極が前記スイッチング素子に共通接続され、
前記複数のトンネル磁気抵抗素子の上部に前記複数のトンネル磁気抵抗素子の他方の端子電極に共通接続されたデータ線を有する
ことを特徴とする請求項1記載の磁気メモリ装置。
The plurality of tunneling magneto-resistance elements have one terminal electrode commonly connected to the switching element,
2. The magnetic memory device according to claim 1, further comprising a data line commonly connected to the other terminal electrodes of the plurality of tunneling magneto-resistance elements, above the plurality of tunneling magneto-resistance elements.
前記複数のトンネル磁気抵抗素子は、複数個ずつ並列接続されたセットが前記スイッチング素子に複数個直列接続され、
前記複数のトンネル磁気抵抗素子の上部に配設されて最上部セットのトンネル磁気抵抗素子の端子電極に共通接続されたデータ線を有する
ことを特徴とする請求項1記載の磁気メモリ装置。
The plurality of tunneling magneto-resistance elements, a plurality of sets connected in parallel each other are connected in series to the switching element,
2. The magnetic memory device according to claim 1, further comprising a data line disposed above the plurality of tunneling magneto-resistance elements and commonly connected to terminal electrodes of the topmost set of tunneling magneto-resistance elements.
前記複数のトンネル磁気抵抗素子は、一端が前記スイッチング素子に共通接続され、
前記第1及び第2の書き込み用配線の一方は、対応する各トンネル磁気抵抗素子の他端に端子電極及び電流配線を兼ねて接続され、
前記層間絶縁膜の前記複数のトンネル磁気抵抗素子の下部に埋設されて、前記スイッチング素子の前記トンネル磁気抵抗素子との接続端子と反対側の端子に接続されたデータ線を有する
ことを特徴とする請求項1記載の磁気メモリ装置。
One end of the plurality of tunneling magneto-resistance elements is commonly connected to the switching element,
One of the first and second write wirings is connected to the other end of each of the corresponding tunneling magneto-resistance elements, also serving as a terminal electrode and a current wiring,
A data line is embedded in the interlayer insulating film below the plurality of tunneling magneto-resistance elements and connected to a terminal of the switching element opposite to a connection terminal with the tunneling magneto-resistance element. The magnetic memory device according to claim 1.
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