JP2004153182A - Magnetic memory - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To stabilize the storage status of a memory cell by making mis-writing preventable at writing. <P>SOLUTION: A magnetic memory is provided with a memory cell provided with: a magnetoresistance effect element 3; a cell bit line 6 which is branched from a bit line BL and makes a writing current flow to the magnetoresistance effect element; a yoke 8, having an easily-magnetized axis direction same as the magnetoresistance effect element, which is provided to the cell bit line; and a writing-selective transistor 19 in which one of source/drain is connected to the cell bit line. Consequently, mis-writing can be prevented at writing, and the storage status of the memory cell is stabilized. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)に関する。
【0002】
【従来の技術】
磁気ランダムアクセスメモリ(以下、MRAMとも云う)とは、情報を記憶するメモリセルに磁気抵抗効果を有する磁気抵抗効果素子を用いたメモリ装置であって、高速動作、大容量、不揮発性を特徴とする次世代メモリ装置として注目されている。磁気抵抗効果とは、強磁性体に磁場を印加すると強磁性体の磁化の向きに応じて電気抵抗が変化する現象である。磁気抵抗効果素子を構成する強磁性体の磁化の向きを情報の記録に用い、磁化の向きに対応する電気抵抗の大小で情報を読み出すことによりメモリ装置として動作させることができる。
【0003】
近年、2つの強磁性層の間にトンネルバリア層と呼ばれる絶縁層を挿入したサンドイッチ構造を含む強磁性トンネル接合において、トンネル磁気抵抗効果(以下、TMR効果とも云う)により20%以上の磁気抵抗変化率(MR比)が得られるようになったことをきっかけとして、トンネル磁気効果を利用した強磁性トンネル接合磁気抵抗効果素子(以下、TMR素子とも云う)を用いたMRAMが期待と注目を集めている。
【0004】
MRAMのメモリセルにTMR素子を用いる場合、トンネルバリア層を挟む二つの強磁性層のうち、一方の強磁性層を磁化の向きが変化しないように固定した磁化固着層(または基準層とも云う)とし、もう一方の強磁性層を外部磁界に応じて磁化の向きが反転する磁化自由層(または記憶層とも云う)とする。基準層と記憶層の磁化の向きが平行な状態と反平行な状態を2進情報の “0”と“1”に対応付けることで情報を記憶することができる。記録情報の書き込みは、TMR素子近傍に設けられた書き込み配線に電流を流して発生する誘導磁場により記憶層の磁化の向きを反転させることにより行う。
【0005】
従来のMRAMでは、書き込みに要する電流が大きいことが、普及を妨げており、書き込み電流低減が重要な課題であった。また、記録情報の読み出しは、TMR効果による抵抗変化分を検出することにより行う。従って記憶層にはTMR効果による抵抗変化率(MR比)が大きく、磁化反転に必要な磁場すなわちスイッチング磁場が小さいほうが好ましい。
【0006】
一方、基準層の磁化は反転しにくくなるように磁化の向きを固定することが必要であり、そのためには、強磁性層に接するように反強磁性層を設けて交換結合力により磁化反転を起こりにくくするという方法が用いられ、このような構造はスピンバルブ型構造と呼ばれている。この構造において基準層の磁化の向きは磁場を印加しながら熱処理すること(磁化固着アニール)により決定される。
【0007】
上述したように、図15(a)に示すように、TMR素子3の記憶層3cの磁化反転は、書き込み配線80に流した電流による誘導磁場を用いるため、記憶層3cのスイッチング磁場が大きいと書き込み配線に流す電流が大きくなり、消費電力が大きくなるという問題がある。これを解決するために、図15(b)に示すように書き込み配線80を軟磁性材料82で被覆し、書き込み配線80から発生した誘導磁場をTMR素子3の近傍で強めるというヨーク付き配線が提案されている。なお、図15(a)、(b)において、TMR素子3は、基準層3a、トンネル絶縁層3b、および記憶層3cから構成されている。
【0008】
書き込み配線の周囲に高透磁率材料からなる薄膜(ヨーク)を設けたMRAMが提案されている(例えば、特許文献1、および特許文献2参照)。
【0009】
【特許文献1】
米国特許第5,659,499号明細書
【特許文献2】
特開2002−110938号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
書き込み配線としてヨーク付きを用いた場合の問題点を、書き込みに使うビット線にはTMR素子を構成する基準層および記憶層の磁化容易軸方向に磁場をかける電流を流し、ワード線にはTMR素子を構成する基準層および記憶層の磁化困難軸方向に磁場をかける電流を流す場合を例にとって説明する。
【0011】
一般に、MRAMにおいては、ビット線がひとつのカラムに共通であるため、書き込みビット線BLの周囲に形成したヨーク82には、図16の矢印90に示した方向、すなわち、書き込み電流が流れる方向に一軸磁気異方性を付与するよう、磁場中でアニールすることが行われている。仮に、ヨーク82に図16の矢印92の方向、すなわち書き込み電流が流れる方向と直交する方向に一軸磁気異方性の成分が有り、この方向に残留磁化が残っている場合に、あるメモリセルに情報“1”を記憶させようとして書き込み電流をビット線BLに流すと、同じビット線BL上の、情報“0”を記憶させた他のメモリセルには“1”の方向に磁場が掛り、記憶状態が不安定になってしまう。従って図16の矢印90に示した方向に一軸磁気異方性を付与するよう、磁場中アニールが必要となる。
【0012】
しかしながら、この矢印90に示した方向はTMR素子3に一軸磁気異方性を付与する方向(磁化容易軸方向)と直交するため、両者を両立する作製は非常に困難である。ヨーク82の一軸磁気異方性とTMR素子3の一軸磁気異方性が直交するように製作した場合には、ビット線BLのヨーク82には磁化容易軸の乱れや図16の矢印92の方向に残留磁化が発生し、記憶状態が不安定になるとともに他のメモリセルの記録ビットを反転させるという問題があった。なお、書き込みワード線のヨークには、TMR素子と同じ方向に一軸磁気異方性が付与される。
【0013】
また、従来のMRAMでは、ビット線電流による磁場とワード線電流による磁場との合成磁場で記憶層の磁化を反転させることが行われている。その結果、あるメモリセルに記録する際は、上記メモリセルと同じビット線上の他のメモリセルと同じワード線上の他のメモリセルがhalf selectionの状態になる。half selectionの状態にあるメモリセルに誤書き込みが起きないためには、メモリセル毎のスイッチング磁場のばらつきを非常に抑制することが必要である。
【0014】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、書き込みの際に誤書き込みを防止することができ、メモリセルの記憶状態が安定化することのできる磁気メモリを提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様による磁気メモリは、磁気抵抗効果素子と、ビット線から枝分かれし前記磁気抵抗効果素子に書き込み電流を流すセルビット線と、このセルビット線に設けられ、前記磁気抵抗効果素子と同じ磁化容易軸方向を有するヨークと、前記セルビット線にソース・ドレインの一方が接続する書き込み選択トランジスタとを、それぞれ有するメモリセルを備えたことを特徴とする。
【0016】
なお、前記磁気抵抗効果素子と同じ磁化容易軸方向を有するとは、ヨークの少なくとも一部分が磁気抵抗効果素子と同じ磁化容易軸方向を有していることを意味する。
【0017】
なお、前記セルビット線は、前記磁気抵抗効果素子の一端と電気的に接続される第1配線部と、絶縁膜を介して前記磁気抵抗効果素子の側部に沿って設けられ前記書き込み選択トランジスタのソース・ドレインの一方に接続される第2配線部とを有しており、前記第1および第2配線部に前記ヨークが設けられていることが好ましい。
【0018】
なお、前記磁気抵抗効果素子の他端には書き込み電流が流れるワード線が電気的に接続されていても良い。
【0019】
なお、前記磁気抵抗効果素子の一端には読み出し用のワード線が電気的に接続され、前記セルビット線は、前記ビット線から枝分かれした第1配線部と、絶縁膜を介して前記磁気抵抗効果素子の側部に沿って設けられ一端が前記第1配線部に接続される第2配線部と、一端が前記第2配線部の他端に接続され、他端が前記書き込み選択トランジスタのソース・ドレインの一方に接続され、前記磁気抵抗効果素子を挟んで前記第1配線部と略平行に設けられる部分を有する第3配線部とを有し、前記磁気抵抗効果素子の他端は前記第1配線部または第3配線部の一方に電気的に接続され、前記第1および第2配線部に前記ヨークが設けられ、前記第3配線部には前記磁気抵抗効果素子と同じ磁化容易軸方向を有する第2ヨークが設けられていても良い。
【0020】
なお、前記メモリセルは、前記磁気抵抗効果素子の他端に引き出し電極を介してソース・ドレインの一方が接続される読み出し選択トランジスタを備えていても良い。
【0021】
なお、前記引き出し電極の前記磁気抵抗効果素子と反対側に絶縁膜を介して書き込み電流が流れるワード線が形成されていても良い。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【0023】
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を図1に示し、メモリセルアレイの構成を図2に示す。この実施形態による磁気メモリのメモリセル2は、TMR素子3と、セルビット線6と、ヨーク8と、読み出し選択トランジスタ17と、書き込み選択トランジスタ19とを備えている。
【0024】
TMR素子3は、下部電極層、下地層、反強磁性層、強磁性層(基準層)、トンネル絶縁層、強磁性層(記憶層)、上部電極を備えている。セルビット線6は、共用ビット線BLから枝分かれしてTMR素子3の上部電極と電気的に接続される第1配線部6aと、この第1配線部6aに接続され接続プラグ7を介して書き込み選択トランジスタ19のソースおよびドレインの一方に接続される第2配線部6bとを有している。第1配線部6aは、共用ビット線BLとほぼ平行な部分を有し、TMR素子3の磁化容易軸方向と所定の角度をなす方向に電流が流れるように設けられる。第2配線部6bは図示しない絶縁膜を介してTMR素子3の側部に沿って設けられる。
【0025】
ヨーク8は、TMR素子3が設けられた側とは反対側の第1配線部6a上に形成されている。そして、このヨーク8は磁化容易軸方向が、図1に示すように、TMR素子3の磁化容易軸方向と同じ方向を少なくとも一部分が有するように形成されている。
【0026】
また、TMR素子3の下部電極は引き出し電極14および接続プラグ15を介して読み出し選択トランジスタ17のソースおよびドレインの一方に接続される。なお、TMR素子3の下部電極は引き出し電極14を兼用していても良い。
【0027】
読み出し選択トランジスタ17は、ソースおよびドレインの他方が接続プラグ18を介して接地電源に接続され、ゲートが読み出し選択ワード線RWLを兼ねている。また、書き込み選択トランジスタ19は、ソースおよびドレインの他方が、書き込み電流を流す際に用いられるコモン線20に接続され、ゲートが書き込み選択ワード線WWLを兼ねている。
【0028】
次に、本実施形態による磁気メモリの書き込み動作および読み出し動作を、図2を参照して説明する。ロウがi(i=1,・・・)番目で書き込み選択ワード線WWLおよび読み出し選択ワード線RWLに接続され、カラムがj(j=1,・・・)番目で共用ビット線BLに接続されたメモリセル2が選択された場合を考える。上記選択されたメモリセル2にビットデータを書き込む場合を説明する。ロウがi番目でカラムがj番目のメモリセル2を選択するアドレスがロウデコーダ41およびカラムデコーダ45に入力される。すると、ロウデコーダ41によってロウ選択トランジスタ31がONされて書き込み選択ワード線WWLが選択されるとともにカラムデコーダ45によってカラム選択トランジスタ35がONされて共用ビット線BLが選択される。このとき、カラム選択トランジスタ37はONされずOFF状態となっている。またロウ選択トランジスタ32もOFF状態となっている。カラム選択トランジスタ35がONすることにより共用ビット線BLに書き込み電流が流れる。そして、ロウ選択トランジスタ31がONすることにより電位Vbが書き込み選択トランジスタ19のゲートに印加され、書き込み選択トランジスタ19がONする。このとき、カラム選択トランジスタ35もONしているので、書き込み電流は共用ビット線BLから、選択されたメモリセル2のセルビット線6に流れる。このとき、共用ビット線BLに接続されているが選択されない他のメモリセルのセルビット線6には書き込み電流は流れない。選択されたメモリセル2のセルビット線6に流れる書き込み電流によって誘導された電流磁場はヨーク8によって強められ、選択されたメモリセル2を構成するTMR素子3の記憶層の磁化を反転させる。
【0029】
書き込み電流の流し方について説明する。通常のMRAMにおいては、図10に示すように、書き込み配線、例えば書き込みビット線BLの一端にドライバと呼ばれるトランジスタ72を設け、もう一端にシンカーと呼ばれるトランジスタ74を設けて、電流を流す。書き込みビット線BLには、“0”を記録する場合と“1”を記録する場合で2方向に電流を流す。したがってドライバ72とシンカー74を2組設ける必要がある。本実施形態では、共用ビット線BLからセルビット線6に分岐して書き込み電流を流す。この書き込み電流を流すための書き込み電流駆動回路の概略の構成を図11に示す。図11では2組のドライバ72a、72bとシンカー74a、74bが設けられている。各メモリセルの書き込み選択トランジスタ19には、2方向の電流が流れる。コモン線20の電位を「L」レベル(例えば0V)にするか「H」レベル(例えば1.5V)にするかによって電流方向が変わる。例えば、カラムがj(=1,・・・)番目のメモリセル2にデータ“1”を書き込む場合には、カラム選択信号CSL1の電位を「H」レベルにし、カラム選択信号CSL0の電位を「L」レベルにする。すると、ドライバ72aとシンカー74bがONし、ドライバ72bとシンカー74aがOFF状態となるため、書き込み電流は電流源Vwb1からドライバ72a、共用ビット線BL、セルビット線6、書き込み選択トランジスタ19、コモン線20、およびシンカー74bを流れる。カラムがj(=1,・・・)番目のメモリセル2にデータ“0”を書き込む場合には、カラム選択信号CSL0の電位を「H」レベルにし、カラム選択信号CSL1の電位を「L」レベルにする。すると、ドライバ72bとシンカー74aがONし、ドライバ72aとシンカー74bがOFF状態となるため、書き込み電流は電流源Vwb0からドライバ72b、コモン線20、書き込み選択トランジスタ19、セルビット線6、共用ビット線BL、およびシンカー74aを流れる。したがって、データ“1”とデータ“0”を書き込む場合とでは、セルビット線6に流れる電流の向きが反対となる。
【0030】
書き込み電流がそれほど大きくなく、共用ビット線BLの両端の電圧差がそれほど大きくなければ、各メモリセル2の書き込み選択トランジスタ19はNチャネルMOSFETが一つで済む。電流が大きい場合は、各メモリセルにPチャンネルMOSFETとNチャネルMOSFETを設ける方法もあるが、高密度メモリを実現するには各セルに書き込み選択トランジスタ19は一つが望ましい。
【0031】
次に、再び図2に戻り、選択されたメモリセルからビットデータを読み出す場合を説明する。ロウがi番目でカラムがj番目のメモリセル2を選択するアドレスがロウデコーダ41およびカラムデコーダ45に入力される。すると、ロウデコーダ41によってロウ選択トランジスタ32がONされて読み出し選択ワード線RWLが選択されるとともにカラムデコーダ45によってカラム選択トランジスタ35、37がONされて共用ビット線BLが選択される。このとき、ロウ選択トランジスタ31はOFF状態である。カラム選択トランジスタ35がON状態となると共用ビット線BLjに電流が流れる。このとき、ロウ選択トランジスタ32がON状態となっているので、選択されたメモリセル2の読み出し選択トランジスタ17もON状態となり、上記電流は共用ビット線BLからセルビット線6、TMR素子3、および読み出し選択トランジスタ17を流れる。これにより、共用ビット線BLの電位はTMR素子3の抵抗に応じた値となる。この電位がカラム選択トランジスタ37を介してセンスアンプ62に送られ、基準電位VREFと比較されることにより、TMR素子3に記憶されたデータが読み出される。
【0032】
以上説明したように、本実施形態においては、共用ビット線BLから枝分かれしたセルビット線6を各メモリセル2に設けるとともにセルビット線6上に設けられたヨーク8の磁化容易軸方向をTMR素子3の磁化容易軸方向とほぼ同じとなるようにしたので、ヨーク8に残留磁化が発生した場合や、ヨーク8の磁化容易軸方向に磁化の乱れが発生した場合でも、これらの残留磁化や磁化の乱れは、TMR素子3に書き込んだ情報と同じ方向に磁場を発生することになり、これにより、TMR素子3の記憶状態が安定する。また、各メモリセル2にセルビット線6と書き込み選択トランジスタ17が設けられているので、選択されたメモリセルに書き込み電流を流すときに、同じカラム上の他のメモリセルには書き込み電流が流れない。この結果およびTMR素子3の記憶状態が安定であることにより、他のメモリセルの記録ビットを反転させることがなく、誤書き込みを防止することができる。
【0033】
また、ヨーク8に付与する一軸磁気異方性とTMR素子3に付与する一軸磁気異方性が同じ方向であるので、TMR素子3に一軸磁気異方性を付与する工程と、ヨーク8に一軸磁気異方性を付与する工程とを、同じ磁界の方向で、一括して行うことができる。その結果、従来に比べて製造工程が簡略化され、コストが下がる。
【0034】
なお、第1実施形態においては、セルビット線6は第1配線部6aと第2配線部6bからなっており、第1配線部6aに流れる電流による電流磁場ばかりでなく、TMR素子3の側部に配置された第2配線部6bに流れる電流による電流磁場もTMR素子3の書き込みに用いることができる。このため、従来よりも少ない電流で書き込みを行うことができる。
【0035】
また、第1実施形態においては、書き込みはセルビット線6から発生する電流磁場によって行うので、TMR素子3の磁化容易軸方向とセルビット線6に流れる電流の方向とが直交するのではなく、ある傾き角をなしている方が、書き込み電流を低減することができ、好ましい。この傾き角は典型的には45度が選ばれる。例えば、第1の実施形態において、セルビット線6の向きを変えずにTMR素子3の磁化容易軸方向がセルビット線6に流れる電流の方向とある角度(例えば45度)をなすようにTMR素子3の位置を変えるか、または、TMR素子3の位置を変えずにTMR素子3の近傍のセルビット線6の向きを変えることにより可能となる。
【0036】
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を図3に示し、メモリセルアレイの構成を図4に示す。この実施形態による磁気メモリのメモリセル2は、TMR素子2と、セルビット線6と、ヨーク8、9と、読み出し選択トランジスタ17と、書き込み選択トランジスタ19とを備えている。
【0037】
TMR素子3は、下部電極層、下地層、反強磁性層、強磁性層(基準層)、トンネル絶縁層、強磁性層(記憶層)、上部電極を備えている。セルビット線6は、共用ビット線BLから枝分かれしてTMR素子3の上部電極と電気的に接続される第1配線部6aと、この第1配線部6aに接続され接続プラグ7を介して書き込み選択トランジスタ19のソースおよびドレインの一方に接続される第2配線部6bとを有している。第1配線部6aは、共用ビット線BLとほぼ平行な部分を有し、TMR素子3の磁化容易軸方向と直交する方向に電流が流れるように設けられる。第2配線部6bは図示しない絶縁膜を介してTMR素子3の側部に沿って設けられる。
【0038】
ヨーク8は、TMR素子3が設けられた側とは反対側の第1配線部6a上に形成されている。そして、このヨーク8の磁化容易軸方向は、図3に示すように、TMR素子3の磁化容易軸方向と同じ方向となるように形成されている。また、ヨーク9は、TMR素子3の下部電極に接続する引き出し電極14の下側に図示しない絶縁膜を介して設けられた書き込みワード線WLの引き出し電極14に対向する面を除いて書き込みワード線WLを被覆するように形成されている。そして、このヨーク9もヨーク8と同様に、磁化容易軸方向が、図3に示すように、TMR素子3の磁化容易軸方向と同じ方向となるように形成されている。なお、セルビット線6は書き込みワード線WLとほぼ直交するように形成される。
【0039】
また、TMR素子3の下部電極は引き出し電極14および接続プラグ15を介して読み出し選択トランジスタ17のソースおよびドレインの一方に接続される。なお、TMR素子3の下部電極は引き出し電極14を兼用していても良い。
【0040】
読み出し選択トランジスタ17は、ソースおよびドレインの他方が接続プラグ18を介して接地電源に接続され、ゲートが読み出し選択ワード線RWLを兼ねている。また、書き込み選択トランジスタ19は、ソースおよびドレインの他方が、書き込み電流を流す際に用いられるコモン線20に接続され、ゲートが書き込み選択ワード線WWLを兼ねている。
【0041】
次に、本実施形態による磁気メモリの書き込み動作および読み出し動作を、図4を参照して説明する。ロウがi(i=1,・・・)番目で書き込み選択ワード線WWLおよび読み出し選択ワード線RWLに接続され、カラムがj(j=1,・・・)番目で共用ビット線BLに接続されたメモリセル2が選択された場合を考える。上記選択されたメモリセル2にビットデータを書き込む場合を説明する。ロウがi番目でカラムがj番目のメモリセル2を選択するアドレスがロウデコーダ41およびカラムデコーダ45に入力される。すると、ロウデコーダ41によってロウ選択トランジスタ31およびロウ選択トランジスタ33がONされて書き込み選択ワード線WWLおよび書き込みワード線WLが選択されるとともにカラムデコーダ45によってカラム選択トランジスタ35がONされて共用ビット線BLが選択される。このとき、カラム選択トランジスタ37はONされずOFF状態となっている。またロウ選択トランジスタ32もOFF状態となっている。カラム選択トランジスタ35がONすることにより共用ビット線BLに書き込み電流が流れる。そして、ロウ選択トランジスタ31がONすることにより電位Vbが書き込み選択トランジスタ19のゲートに印加され、書き込み選択トランジスタ19がONする。このとき、カラム選択トランジスタ35もONしているので、書き込み電流は共用ビット線BLから、選択されたメモリセル2のセルビット線6に流れる。なお、このとき、共用ビット線BLに接続されているが選択されない他のメモリセルのセルビット線6には書き込み電流は流れない。一方、ロウ選択トランジスタ33もONしているので選択された書き込みワード線WLに書き込み電流が流れる。選択されたメモリセル2のセルビット線6に流れる書き込み電流によって誘導される電流磁場はヨーク8によって強められ、書き込みワード線WLに流れる書き込み電流によって誘導される電流磁場はヨーク9によって強められる。これらの強められた電流磁場によって、選択されたメモリセル2を構成するTMR素子3の記憶層の磁化が反転させられる。なお、書き込み電流の流し方は、第1実施形態の場合と同様にして行う。
【0042】
また、選択されたメモリセルからビットデータを読み出す場合も第1実施形態の場合と同様にして行う。
【0043】
従来のMRAMにおいては、一般に、ビット線による電流磁場と書き込みワード線WLによる電流磁場との合成磁場でTMR素子3の記憶層の磁化を反転させることが行われている。その結果、あるメモリセルにデータを記録する際は、同じビット線上のメモリセルと同じワード線上のセルがhalf selectionの状態になる。half selectionの状態にあるメモリセル2に誤書き込みが起きない為には、メモリセル毎のスイッチング磁場のばらつきを非常に抑制することが必要である。
【0044】
このスイッチング磁場のばらつきの抑制について、図12を参照して説明する。図12での仮定は、アステロイド曲線を
2/3+(H/a)2/3=H 2/3
と表し、磁化困難軸方向に反磁界が大きいためにアステロイドが伸びていることを、パラメータaで表している。その伸張の上限レベルをa、下限レベルをa、その比r(=a/a) とする。磁場のヒステリシス幅の1/2を保磁力H(>0)、そのバラツキをdHとする。平均オフセット磁界Hoff (>0)、バラツキをdHoffとする。誤書き込みが起きないためには以下の3つの不等式を満たす必要がある。図12中の矢印A1の条件は以下の不等式となる。
【0045】
【数1】

Figure 2004153182
図12中の矢印A2の条件は以下の不等式になる。
【0046】
【数2】
Figure 2004153182
図12中の矢印A3の条件は以下の不等式になる。
【0047】
【数3】
Figure 2004153182
以上の3つの不等式を連立すると、以下の式が得られる。
【0048】
【数4】
Figure 2004153182
誤書き込みが起きないためには、Hoff, dHoff, r, dH, が上式を満たすように小さいことが必要である。実際にメモリとして実用になるには、標準偏差をσとすると±6σの範囲内で誤書き込みが無い必要がある。その場合は、例えば、
=36[Oe]、かつa/a≦1.7
を仮定すると
6σ(H)≦3.5[Oe]、 Hoff≦3.5[Oe]、 6σ(Hoff)≦3.5[Oe]
の条件を満たす必要がある。
【0049】
MRAMの製造上、多数のメモリセルに渡って上記条件ほど高精度にスイッチング磁場のばらつきを抑制することは従来困難であった。しかし、本実施形態のように、各メモリセルに設けられたトランジスタを書き込み選択用に用い、1メモリセル毎に書込電流を流す方式の場合は、原理的にいくらばらつきがあろうとも、磁化容易軸方向に十分大きな磁場をかければ書き込める。
【0050】
その理由を、以下説明する。ビット線から枝分かれしたセルビット線毎に電流を流すため、ビット線方向の他のメモリセルはhalf sectionの状態にならない。したがって、図12の矢印A2の条件は、不要になり、制約が無くなる。その結果、x方向(磁化容易軸方向)に十分大きな磁場をかければ誤書き込みが無くなる。
【0051】
したがって、本実施形態は、スイッチング磁場のメモリセル毎のばらつきに非常に強い磁気メモリ、すなわち誤書き込みの起きにくい磁気メモリを得ることができる。
【0052】
以上説明したように、本実施形態においては、共用ビット線BLから枝分かれしたセルビット線6を各メモリセル2に設けるとともにセルビット線6上に設けられたヨーク8の磁化容易軸方向をTMR素子3の磁化容易軸方向とほぼ同じとなるようにしたので、ヨーク8に残留磁化が発生した場合や、ヨーク8の磁化容易軸方向に磁化の乱れが発生した場合でも、これらの残留磁化や磁化の乱れは、TMR素子3に書き込んだ情報と同じ方向に磁場を発生することになり、これにより、TMR素子3の記憶状態が安定する。また、各メモリセル2にセルビット線6と書き込み選択トランジスタ17が設けられているので、選択されたメモリセルに書き込み電流を流すときに、同じカラム上の他のメモリセルには書き込み電流が流れない。この結果およびTMR素子3の記憶状態が安定であることにより、他のメモリセルの記録ビットを反転させることがなく、誤書き込みを防止することができる。
【0053】
また、ヨーク8、9に付与する一軸磁気異方性とTMR素子3に付与する一軸磁気異方性がほぼ同じ方向であるので、TMR素子3に一軸磁気異方性を付与する工程と、ヨーク8、9に一軸磁気異方性を付与する工程とを、同じ磁界の方向で、一括して行うことができる。その結果、従来に比べて製造工程が簡略化され、コストが下がる。
【0054】
なお、第2実施形態においては、セルビット線6は第1配線部6aと第2配線部6bからなっており、第1配線部6aに流れる電流による電流磁場ばかりでなく、TMR素子3の側部に配置された第2配線部6bに流れる電流による電流磁場もTMR素子3の書き込みに用いることができる。このため、従来よりも少ない電流で書き込みを行うことができる。
【0055】
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を図5に示し、メモリセルアレイの構成を図6に示す。この実施形態による磁気メモリは第2実施形態の磁気メモリの読み出し選択トランジスタ17を削除するとともに書き込みワード線WLが読み出しワード線を兼ねた構成となっている。したがって、TMR素子3の下部電極は書き込みワード線WLに電気的に接続された構成となっている。また、セルビット線6の第1配線部6a上には第2実施形態と同様にヨーク8aが設けられているが、第2配線部6b上にもヨーク8bが設けられている。なお、図5に示すように、TMR素子3、セルビット線6のヨーク8a,8b、およびワード線WLのヨーク9の磁化容易軸方向はほぼ同じ方向となるように形成される。
【0056】
この第3実施形態による磁気メモリの選択されたメモリセル2へのデータの書き込みは、第2実施形態の場合と同様にして行う。この第3実施形態による磁気メモリの選択されたメモリセル2からのデータ読み出し動作はクロスポイント型と呼ばれる方法で行われる。ロウがi番目でカラムがj番目のメモリセル2からデータを読み出す場合は、ロウデコーダ41によってロウ選択トランジスタ33をON、カラムデコーダ45によってカラムトランジスタ37をONさせる。このとき、ロウ選択トランジスタ34およびカラムトランジスタ35はOFF状態とする。これにより、書き込みワード線WLからTMR素子3、セルビット線6を介して共用ビット線BLに電流が流れる。このとき、共用ビット線BLの電位はTMR素子3に記憶されたデータに応じた値となる。この共用ビット線BLの電位をセンスアンプ61,62において基準電位VREFと比較することにより、TMR素子3に記憶されたデータが読み出される。
【0057】
この第3実施形態のように読み出し選択トランジスタを用いないでクロスポイント型で読み出す場合には、読み出しに選択性を持たせることが必要である。すなわち、選択したメモリセル以外の他のメモリセルからの回り込み電流をセンスしないようにすることが必要になる。その第1の方式は、図6に示したように、読出しワード線WLの上下にロウ選択トランジスタ33、34と、ロウデコーダ41、44を設ける方式である。読み出すべきメモリセルへの読み出しワード線WLをロウ選択信号RSL(i)で選択して読出し用電流を流す場合、他のワード線WL(m≠i)はRSL(m)で選択されて下のロウデコーダ44に接続される。その結果、選択したメモリセル以外の他のメモリセルを通った電流は下のロウデコーダ44に吸い込まれてセンスアンプ61、62には流れない。
【0058】
第2の方式を、図9を参照して説明する。この方式ではビット線BL(j=1,・・・)毎にセンスアンプ61を設け、3組のセンスアンプの61j−1、61、61j+1の出力をセレクタ65によって選択し、この選択した出力がセンスアンプ62を介して外部に出力される。その結果、選択したセル以外の他のセルを通った電流は他のセンスアンプに入り、選択したセンスアンプには入らない。
【0059】
これらの方式により、読出し選択トランジスタを使わずとも、選択性を持たせた読出しができる。各メモリセル2に読出し用に設けられたトランジスタやダイオードがある場合は、これらの特性のばらつき、例えばトランジスタのON抵抗のばらつきが、読出し信号のばらつきになり、問題となっていた。ここで説明した読出し選択トランジスタを使わない方法の場合は、トランジスタやダイオードのばらつきに左右されない利点がある。
【0060】
以上説明したように、第3実施形態においては、セルビット線6はL字型に曲がってTMR素子3の周囲を取り巻いており、セルビット線6の周囲に被覆したヨーク8a、8bの効果と相俟って、TMR素子3において大きな磁場を発生できる。このセル構造では特に、書き込みワード線WLがTMR素子3に最も近くなるため、TMR素子3において最も強い磁場を発生できる。書き込みワード線WLには断面がコの字型のヨーク9を設けることで磁場を強くする。したがって、書き込みに要する電流を小さくするができる。また、図5に示したように、セルビット線6のヨーク8a,8bと、ワード線WLのヨーク9と、TMR素子3の磁化容易軸は同じ方向に形成されるので、TMR素子3の記憶状態は安定となる。またTMR素子3の記憶状態が安定であること、およびメモリセル毎に、セルビット線6と書き込み選択トランジスタ19が設けられていることにより、選択されたメモリセル以外のメモリセルの記録ビットが反転するのを防止することができる。この結果およびTMR素子3の記憶状態が安定であることにより、他のメモリセルの記録ビットを反転させることがなく、誤書き込みを防止することができる。
【0061】
また、ヨーク8a、8bおよびTMR素子3の磁化容易軸方向がほぼ一致しているので、ヨーク8a、8bおよびTMR素子3に一軸磁気異方性を付与する工程を一括して行うことが可能となり、製造工程が簡略化され、製造コストを下げることができる。
【0062】
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を図7に示す。この第4実施形態による磁気メモリは、図5に示す第3実施形態の磁気メモリの書き込みおよび読み出し兼用のワード線WLを読み出し専用のワード線RWLに置き換えるとともにセルビット線6が第1配線部6aおよび第2配線部6bだけでなく、読み出しワード線RWLの下側に図示しない絶縁膜を介して配置された第3配線部6cを備えるように構成されている。そして、第1乃至第3配線部6a、6b、6cには、それぞれヨーク8a、8b、8cが設けられている。これらのヨーク8a、8b、8cは、磁化容易軸方向がTMR素子3の磁化容易軸方向とほぼ一致するように形成される。
【0063】
この第4実施形態による磁気メモリの読み出し動作は、第3実施形態の磁気メモリの場合と同様にして行う。しかし、書き込み動作は、第1実施形態の場合と同様に、セルビット線6からの電流磁場によって行う。したがって、第1実施形態の場合と同様に、書き込み電流を低減するためには、セルビット線6の第1および第3配線部6a、6cは、TMR素子3の磁化容易軸方向と所定の角度(例えば、45度)をなすように形成することが望ましい。
【0064】
この第4実施形態によれば、セルビット線6には、磁化容易軸方向がTMR素子3の磁化容易軸方向にほぼ一致するヨーク8a、8b、8cが設けられているとともに各メモリセルに書き込み選択トランジスタが設けられているため、TMR素子3の記憶状態は安定となり、さらに選択されたメモリセル以外のメモリセルの記録ビットが反転するのを防止することができる。
【0065】
また、セルビット線6は、第1乃至第3配線部6a、6b、6cがTMR素子3を取り囲むように形成されているとともに、第1乃至第3配線部6a、6b、6cには、ヨーク8a、8b、8cがそれぞれ設けられているので、小さな書き込み電流で大きな磁場を発生することが可能となる。
【0066】
また、ヨーク8a、8b、8cおよびTMR素子3の磁化容易軸方向がほぼ一致しているので、ヨーク8a、8b、8cおよびTMR素子3に一軸磁気異方性を付与する工程を一括して行うことが可能となり、製造工程が簡略化され、製造コストを下げることができる。
【0067】
なお、第4実施形態においては、ワード線RWLは読み出し専用であるため、第3実施形態の書き込みと読み出しを兼ねたワード線WLに比べて薄くすることができ、また、ワード線RWLを覆うヨークが不要となる。
【0068】
なお、この第4の実施形態においては、TMR素子3は第1配線部6aに電気的に接続されるように設けたが、第1配線部6aに接続されず、第3配線部6cに電気的に接続されるように設けても良い。
【0069】
(第5実施形態)
第1および第2実施形態による磁気メモリでは、一つのTMR素子3に二つのトランジスタ17、19が必要であり、その分、各メモリセル2の必要面積が大きくなり、高密度に配置したメモリを作ることが困難である欠点がある。しかし、読出しの選択性をきちんと取れる利点がある。
【0070】
これに対して、第3および第4実施形態による磁気メモリでは、読出し選択トランジスタ17を用いないため、メモリセル2の必要面積はそれほど大きくならない利点がある。しかし、読み出しをクロスポイント型と呼ばれる方法で行うため、回り込み電流があって読出しの選択性をあまり取れない欠点がある。
【0071】
これら両者の利点を併せ持つ磁気メモリを、本発明の第5実施形態として説明する。この第5実施形態による磁気メモリのメモリセルアレイを図8に示す。図8に示すように、本実施形態の磁気メモリにおいては、一つのTMR素子3に一つの書き込み選択トランジスタ19が設けられているが、読み出し選択トランジスタは2個から16個のTMR素子3に一つだけ設けた構成となっている。この結果、読み出しの選択性をある程度確保しつつ、高密度に配置したメモリを作ることができる。図8では、4個のTMR素子3に一つの読み出し選択トランジスタ17を配置している。読み出し時に4個のTMR素子3が同時に選択されるが、それぞれを独立の4個のセンスアンプ60〜60で読み出すため、回り込み電流の影響を受けずに独立して読み出せる。
【0072】
(第6実施形態)
次に、本発明の第6実施形態による磁気メモリの製造方法を説明する。この第6実施形態による製造方法は、図7に示す第4実施形態による磁気メモリを製造するものであり、以下、図7を参照して説明する。
【0073】
まず、p型シリコン基板を用意する。次に、書き込み選択トランジスタ19としてNチャンネルMOSFETを通常のCMOSプロセスで形成する。このとき、ゲート電極はそのまま書き込み選択ワード線WWLとして働くよう形成する。ドレインとソース上に電極7を形成し、コモン線20を配線する。
【0074】
次に、絶縁層(図示せず)を形成する。その後、第3配線部6cを形成する。第3配線部6cに用いる材料は、Al、Al−Cu、Cu、Ag等が考えられるが、ここではダマシン法で形成したCuが用いられている。第3配線部6cには強磁性体であるNiFeからなるヨーク8cが被覆された配線となっている。なお、ヨーク8cにはバリアメタルとしてNiFeの外側にTiN、NiFeとCuの間にはCoFeが挿入されている。
【0075】
次に、図示しない絶縁膜を形成し、その上に読み出しワード線RWLを形成し、更に図示しない絶縁膜を被覆し、この絶縁膜を、読み出しワード線RWLが露出するように平坦化する。次に、TMR積層膜3を堆積する。このTMR積層膜3は、ワード線WL上に、膜厚20nmのTaからなる下部配線接続層、膜厚5nmのRuからなるバッファ層、膜厚6nmのIrMnからなる反強磁性層、膜厚2nmのCo90Fe10からなる磁化固着層、膜厚1nmのAlからなるトンネルバリア層、膜厚3nmのNi79Fe21からなる磁化自由層、膜厚2nmのCuからなる表面保護層、膜厚20nmのRuからなるエッチングストップ層兼表面保護層、Taからなる上部接続層を順次積層することによって得られる。
【0076】
次に、TiNまたはTaをハードマスクとして用いて、TMR積層膜3を所定の形状にエッチング、例えば0.24×0.48μmの長方形にし、TMR素子3を形成する。その後、層間絶縁膜(図示せず)を堆積する。TMR素子3の横に、垂直方向のセルビット線6bを形成するための直方体のビアホールを上記層間絶縁膜に形成する。このビアホールを形成している垂直面4面の内、3面を強磁性体であるNiFeで被覆する。これが垂直方向のセルビット線6bのヨーク8bとして働く。NiFeからなるヨーク8bの外側にバリアメタルとして、TiNが挿入されている。続いて上記ビアホールをダマシン法を用いてCuで埋める。NiFeとCu層との間にはCoFeが挿入されている。
【0077】
次に、TMR素子3の上部接続層とコンタクトが取れるよう上記層間絶縁膜をエッチングする。共用ビット線BLおよびセルビット線6aを形成するためにCuからなる金属膜を、TMR素子3の上部接続層と接続するように、また垂直方向のセルビット線6bと接続するように堆積する。続いて、共用ビット線BLおよびセルビット線を形成するようにCuからなる金属膜をエッチングする。平面配置で見ると、各TMR素子3の間に共用ビット線BLを配置し、そこから分岐したセルビット線6が各TMR素子3の直上を通るよう配置する。
【0078】
次に、セルビット線6aの最上層と側面を強磁性体であるNiFe膜で被覆し、ヨーク8aが形成された配線とする。なお、NiFeからなるヨーク8aとセルビット線6aとの間にはバリアメタルとしてCoFe膜が挿入されている。また、バリアメタルとしては、CoFeの代わりにTa、TiN、TaN、W、WNなども使い得る。なお、ヨーク8aの上にTiNからなるバリアメタルを形成しても良い。
【0079】
ヨーク8aを形成した後、図示しない保護層を堆積する。続いて、磁場中でアニールし、TMR素子3と、ビット線ヨーク8a、8b、8cに一括して同じ方向に一軸磁気異方性を付与する。磁場の方向は、図7で示した方向であり、アニール条件は、例えば、285℃で1時間、6.5kOeの磁場中で行う。この磁場中でのアニール直後は、磁化自由層の磁化方向とヨークの残留磁化から磁化自由層にかかる磁界とは反平行になっている。すなわち、磁化自由層の磁化は不安定な状態に置かれている。そこで、メモリとして出荷する前に、書き込み配線に電流を流して“0”の状態に初期化することが望ましい。この工程によって、磁化自由層の磁化とヨークの残留磁化から磁化自由層にかかる磁場とが平行になる。
【0080】
TMR素子3は重要不可欠な要素としてトンネルバリア層がある。これは1〜2nmと薄い絶縁層であり、静電放電破壊に弱い。従来の磁気メモリの製造プロセスにおいては、典型的にはTMR素子3の上部接続層を露出させるために層間絶縁膜をドライエッチング、例えばリアクティブイオンエッチング(RIE)する際に、図14の矢印に示すように、表面に溜まった電荷がTMR素子3を通って放電し、トンネルバリア層を静電放電破壊する問題があった。これは、TMR素子3から読出し選択トランジスタ17、或いはワード線を通って基板への電流パスがあるためである。しかし、第1乃至第6実施形態による磁気メモリのメモリセル構造では、図13に示すように、TMR素子3毎に、TMR素子3の脇にセルビット線6bが基板に向けて通っており、このセルビット線6bの方がTMR素子3に比べて抵抗が低い。このため、表面に溜まった電荷はTMR素子3を通らずにセルビット線6bを通って放電される。その結果、作製プロセス中のトンネルバリア層の破壊が起きにくい。
【0081】
なお、上記実施形態で説明した以外の構造のTMR素子を用いても良い。例えば、この構造のTMR素子は、ワード線WL上に、膜厚5nmのTaからなる下部配線接続層、膜厚5nmのNiFeCrからなるシード層、膜厚12nmのPtMnからなる反強磁性層、膜厚2nmのCo90Fe10からなる磁化固着層、膜厚0.8nmのRuからなる中間層、膜厚2nmのCo90Fe10からなる磁化固着層、膜厚1nmのAlからなるトンネルバリア層、膜厚3nmのNi81Fe19からなる磁化自由層、膜厚10nmのTaからなる保護層、Alからなる上部配線接続層を順次積層することによって得られる。この構造は、磁化固着層として交換結合膜、すなわちシンセティック・反強磁性層を用いた場合である。
【0082】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、書き込みの際に誤書き込みを防止することができ、メモリセルの記憶状態を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。
【図2】第1実施形態による磁気メモリのメモリセルアレイを示す配線図。
【図3】本発明の第2実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。
【図4】第2実施形態による磁気メモリのメモリセルアレイを示す配線図。
【図5】本発明の第3実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。
【図6】第3実施形態による磁気メモリのメモリセルアレイを示す配線図。
【図7】本発明の第4実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。
【図8】本発明の第5実施形態による磁気メモリのメモリセルアレイを示す配線図。
【図9】第3実施形態において、選択したメモリセル以外の他のメモリセルからの回り込み電流をセンスしないようにする他の方式を説明する図。
【図10】書き込み電流の流し方を説明する図。
【図11】書き込み電流の流し方を説明する図。
【図12】誤書き込みが起きないことを説明する図。
【図13】製造工程中にTMR素子に静電絶縁破壊が生じるのを防止することができることを説明する図。
【図14】製造工程中にTMR素子に静電絶縁破壊が生じるのを説明する図。
【図15】従来の磁気メモリの書き込み配線を示す図。
【図16】従来の磁気メモリの問題点を説明する図。
【符号の説明】
2 メモリセル
3 TMR素子
6 セルビット線
6a 第1配線部
6b 第2配線部
7 接続プラグ
8 ヨーク
8a ヨーク
8b ヨーク
9 ヨーク
14 引き出し電極
15 接続プラグ
17 読み出し選択トランジスタ
18 接続プラグ
19 書き込み選択トランジスタ
20 コモン線
BL 共用ビット線
WL 書き込みワード線
RWL 読み出し選択ワード線
WWL 書き込み選択ワード線[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic random access memory (MRAM).
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A magnetic random access memory (hereinafter, also referred to as an MRAM) is a memory device using a magnetoresistive element having a magnetoresistive effect in a memory cell for storing information, and is characterized by high-speed operation, large capacity, and non-volatility. As a next generation memory device. The magnetoresistance effect is a phenomenon in which when a magnetic field is applied to a ferromagnetic material, the electric resistance changes according to the direction of magnetization of the ferromagnetic material. The memory device can be operated as a memory device by using the direction of magnetization of the ferromagnetic material constituting the magnetoresistive element for recording information and reading the information depending on the magnitude of electric resistance corresponding to the direction of magnetization.
[0003]
In recent years, in a ferromagnetic tunnel junction including a sandwich structure in which an insulating layer called a tunnel barrier layer is inserted between two ferromagnetic layers, a magnetoresistance change of 20% or more due to a tunnel magnetoresistance effect (hereinafter, also referred to as a TMR effect). MRAM using a ferromagnetic tunnel junction magnetoresistive element (hereinafter, also referred to as a TMR element) utilizing a tunnel magnetic effect has attracted attention and attention since the ratio (MR ratio) has been obtained. I have.
[0004]
When a TMR element is used in a memory cell of an MRAM, one of two ferromagnetic layers sandwiching a tunnel barrier layer is fixed to a magnetization pinned layer (also referred to as a reference layer) so that the direction of magnetization does not change. The other ferromagnetic layer is a magnetization free layer (or a storage layer) whose magnetization direction is reversed according to an external magnetic field. Information can be stored by associating a state where the magnetization directions of the reference layer and the storage layer are parallel and an anti-parallel state with binary information “0” and “1”. Writing of recording information is performed by reversing the direction of magnetization of the storage layer by an induced magnetic field generated by passing a current through a write wiring provided near the TMR element.
[0005]
In a conventional MRAM, the large current required for writing has prevented its spread, and reducing the writing current has been an important issue. Reading of recorded information is performed by detecting a resistance change due to the TMR effect. Therefore, it is preferable that the storage layer has a large resistance change rate (MR ratio) due to the TMR effect and a small magnetic field required for magnetization reversal, that is, a switching magnetic field.
[0006]
On the other hand, it is necessary to fix the direction of magnetization so that the magnetization of the reference layer is not easily reversed. For this purpose, an antiferromagnetic layer is provided so as to be in contact with the ferromagnetic layer, and the magnetization reversal is performed by exchange coupling force. A method of reducing the occurrence is used, and such a structure is called a spin valve type structure. In this structure, the direction of magnetization of the reference layer is determined by performing a heat treatment while applying a magnetic field (annealing annealing).
[0007]
As described above, as shown in FIG. 15A, the magnetization reversal of the storage layer 3c of the TMR element 3 uses the induced magnetic field due to the current flowing through the write wiring 80, so that the switching magnetic field of the storage layer 3c is large. There is a problem that a current flowing through the write wiring increases and power consumption increases. In order to solve this, as shown in FIG. 15B, a wiring with a yoke is proposed in which the writing wiring 80 is covered with a soft magnetic material 82 and the induced magnetic field generated from the writing wiring 80 is strengthened near the TMR element 3. Have been. In FIGS. 15A and 15B, the TMR element 3 includes a reference layer 3a, a tunnel insulating layer 3b, and a storage layer 3c.
[0008]
An MRAM in which a thin film (yoke) made of a high magnetic permeability material is provided around a write wiring has been proposed (for example, see Patent Documents 1 and 2).
[0009]
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 5,659,499
[Patent Document 2]
JP-A-2002-110938
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The problem in the case where a yoke is used as a write wiring is that a current for applying a magnetic field in the direction of the easy axis of the reference layer and the storage layer constituting the TMR element flows through the bit line used for writing, and the TMR element flows through the word line. Will be described by way of an example in which a current is applied to apply a magnetic field in the direction of the hard axis of the reference layer and the storage layer.
[0011]
In general, in the MRAM, the bit line is common to one column, and therefore, the yoke 82 formed around the write bit line BL is provided in the direction shown by the arrow 90 in FIG. 16, that is, in the direction in which the write current flows. Annealing in a magnetic field has been performed to impart uniaxial magnetic anisotropy. If the yoke 82 has a uniaxial magnetic anisotropy component in the direction of arrow 92 in FIG. 16, that is, the direction orthogonal to the direction in which the write current flows, and the residual magnetization remains in this direction, a certain memory cell When a write current is applied to the bit line BL to store the information “1”, a magnetic field is applied in the direction of “1” to other memory cells on the same bit line BL that store the information “0”, The memory state becomes unstable. Therefore, annealing in a magnetic field is required to impart uniaxial magnetic anisotropy in the direction indicated by arrow 90 in FIG.
[0012]
However, the direction indicated by the arrow 90 is orthogonal to the direction in which the uniaxial magnetic anisotropy is imparted to the TMR element 3 (the direction of the easy axis of magnetization), and it is very difficult to make them compatible. When the yoke 82 is manufactured such that the uniaxial magnetic anisotropy of the TMR element 3 is orthogonal to the uniaxial magnetic anisotropy of the TMR element 3, the yoke 82 of the bit line BL has disturbance of the axis of easy magnetization and the direction of the arrow 92 in FIG. In this case, there is a problem that residual magnetization occurs, the storage state becomes unstable, and recording bits of other memory cells are inverted. The yoke of the write word line is given uniaxial magnetic anisotropy in the same direction as the TMR element.
[0013]
In a conventional MRAM, the magnetization of the storage layer is reversed by a composite magnetic field of a magnetic field generated by a bit line current and a magnetic field generated by a word line current. As a result, when data is recorded in a certain memory cell, the other memory cells on the same word line as the other memory cells on the same bit line as the above memory cell are in a half selection state. In order to prevent an erroneous write from occurring in a memory cell in a half selection state, it is necessary to greatly suppress the variation in the switching magnetic field for each memory cell.
[0014]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a magnetic memory capable of preventing erroneous writing at the time of writing and stabilizing the storage state of a memory cell. And
[0015]
[Means for Solving the Problems]
A magnetic memory according to one embodiment of the present invention includes a magnetoresistive element, a cell bit line branched from a bit line and flowing a write current to the magnetoresistive element, and provided on the cell bit line and having the same magnetization as the magnetoresistive element. The memory cell includes a yoke having an easy axis direction and a write selection transistor having one of a source and a drain connected to the cell bit line.
[0016]
Note that having the same easy axis direction as the magnetoresistive element means that at least a part of the yoke has the same easy axis direction as the magnetoresistive element.
[0017]
The cell bit line is provided along a first wiring portion electrically connected to one end of the magnetoresistive element, and a side portion of the magnetoresistive element via an insulating film, and is provided with a write select transistor. Preferably, a second wiring portion connected to one of the source and the drain is provided, and the yoke is provided in the first and second wiring portions.
[0018]
A word line through which a write current flows may be electrically connected to the other end of the magnetoresistive element.
[0019]
Note that a read word line is electrically connected to one end of the magnetoresistive element, and the cell bit line is connected to a first wiring portion branched from the bit line and the magnetoresistive element via an insulating film. A second wiring portion provided along a side portion of the second wiring portion, one end of which is connected to the first wiring portion, one end of which is connected to the other end of the second wiring portion, and the other end of which is a source / drain of the write selection transistor. A third wiring portion having a portion provided substantially in parallel with the first wiring portion with the magnetoresistive effect element interposed therebetween, and the other end of the magnetoresistive effect element is connected to the first wiring portion. And the first and second wiring portions are provided with the yoke, and the third wiring portion has the same easy axis direction of magnetization as the magnetoresistive element. A second yoke is provided Good.
[0020]
The memory cell may include a read select transistor to which one of a source and a drain is connected to the other end of the magnetoresistive element via a lead electrode.
[0021]
Note that a word line through which a write current flows may be formed on the opposite side of the extraction electrode from the magnetoresistive element via an insulating film.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
(1st Embodiment)
FIG. 1 shows a configuration of a memory cell of the magnetic memory according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a configuration of a memory cell array. The memory cell 2 of the magnetic memory according to this embodiment includes a TMR element 3, a cell bit line 6, a yoke 8, a read select transistor 17, and a write select transistor 19.
[0024]
The TMR element 3 includes a lower electrode layer, a base layer, an antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer (reference layer), a tunnel insulating layer, a ferromagnetic layer (memory layer), and an upper electrode. The cell bit line 6 is branched from the shared bit line BL and is electrically connected to the upper electrode of the TMR element 3. A second wiring portion 6b connected to one of the source and the drain of the transistor 19. The first wiring portion 6a has a portion substantially parallel to the shared bit line BL, and is provided so that a current flows in a direction at a predetermined angle with respect to the easy axis direction of the TMR element 3. The second wiring portion 6b is provided along the side of the TMR element 3 via an insulating film (not shown).
[0025]
The yoke 8 is formed on the first wiring portion 6a on the side opposite to the side on which the TMR element 3 is provided. As shown in FIG. 1, the yoke 8 is formed such that the direction of the easy axis has at least partly the same direction as the direction of the easy axis of the TMR element 3.
[0026]
The lower electrode of the TMR element 3 is connected to one of the source and the drain of the read selection transistor 17 via the extraction electrode 14 and the connection plug 15. Note that the lower electrode of the TMR element 3 may also serve as the extraction electrode 14.
[0027]
The other of the read select transistor 17 has the other of the source and the drain connected to the ground power supply via the connection plug 18, and the gate also serves as the read select word line RWL. In the write selection transistor 19, the other of the source and the drain is connected to a common line 20 used when a write current flows, and the gate also serves as a write selection word line WWL.
[0028]
Next, the write operation and the read operation of the magnetic memory according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. When the row is the i-th row (i = 1,...), The selected word line WWL is written.iAnd read select word line RWLi, The column is j-th (j = 1,...) And the shared bit line BLjIs selected when the memory cell 2 connected to is selected. A case where bit data is written to the selected memory cell 2 will be described. An address for selecting the memory cell 2 having the i-th row and the j-th column is input to the row decoder 41 and the column decoder 45. Then, the row decoder 41 causes the row selection transistor 31iIs turned on and the write selection word line WWLiIs selected, and the column selection transistor 35 isjIs turned on and the shared bit line BLjIs selected. At this time, the column selection transistor 37jIs not turned on and is in the off state. Also, the row selection transistor 32iIs also in the OFF state. Column selection transistor 35jIs turned on, the shared bit line BLj, A write current flows. Then, the row selection transistor 31iIs turned on, the potential Vb is applied to the gate of the write selection transistor 19, and the write selection transistor 19 is turned on. At this time, the column selection transistor 35jIs also ON, the write current is applied to the shared bit line BL.j, Flows to the cell bit line 6 of the selected memory cell 2. At this time, the shared bit line BLj, But no write current flows through the cell bit line 6 of another memory cell that is not selected. The current magnetic field induced by the write current flowing through the cell bit line 6 of the selected memory cell 2 is strengthened by the yoke 8, and reverses the magnetization of the storage layer of the TMR element 3 constituting the selected memory cell 2.
[0029]
A method for supplying a write current will be described. In an ordinary MRAM, as shown in FIG. 10, a transistor 72 called a driver is provided at one end of a write wiring, for example, a write bit line BL, and a transistor 74 called a sinker is provided at the other end, and a current flows. A current flows in the write bit line BL in two directions when "0" is recorded and "1" is recorded. Therefore, it is necessary to provide two sets of the driver 72 and the sinker 74. In the present embodiment, a write current flows from the shared bit line BL to the cell bit line 6. FIG. 11 shows a schematic configuration of a write current drive circuit for supplying the write current. In FIG. 11, two sets of drivers 72a and 72b and sinkers 74a and 74b are provided. A current flows in two directions through the write selection transistor 19 of each memory cell. The current direction changes depending on whether the potential of the common line 20 is set to the “L” level (for example, 0 V) or the “H” level (for example, 1.5 V). For example, when writing data “1” to the j-th (= 1,...) -Th memory cell 2 in the column, the column selection signal CSL1jOf the column selection signal CSL0jIs set to the “L” level. Then, the driver 72a and the sinker 74b are turned on, and the driver 72b and the sinker 74a are turned off. Therefore, the write current is supplied from the current source Vwb1 to the driver 72a, the shared bit line BL, the cell bit line 6, the write selection transistor 19, and the common line 20. , And sinker 74b. When writing data “0” to the j-th (= 1,...) -Th memory cell 2, the column selection signal CSL0jOf the column selection signal CSL1jIs set to the “L” level. Then, the driver 72b and the sinker 74a are turned on, and the driver 72a and the sinker 74b are turned off. Therefore, the write current is supplied from the current source Vwb0 to the driver 72b, the common line 20, the write selection transistor 19, the cell bit line 6, and the shared bit line BL. , And sinker 74a. Therefore, when data “1” and data “0” are written, the direction of the current flowing through the cell bit line 6 is opposite.
[0030]
If the write current is not so large and the voltage difference between both ends of the shared bit line BL is not so large, the write selection transistor 19 of each memory cell 2 needs only one N-channel MOSFET. When the current is large, there is a method of providing a P-channel MOSFET and an N-channel MOSFET in each memory cell. However, in order to realize a high-density memory, one write selection transistor 19 is desirably provided in each cell.
[0031]
Next, returning to FIG. 2, a case where bit data is read from the selected memory cell will be described. An address for selecting the memory cell 2 having the i-th row and the j-th column is input to the row decoder 41 and the column decoder 45. Then, the row decoder 41 causes the row selection transistor 32iIs turned on and the read selected word line RWLiIs selected, and the column selection transistor 35 isj, 37jIs turned on and the shared bit line BLjIs selected. At this time, the row selection transistor 31iIs in the OFF state. Column selection transistor 35jIs turned on, a current flows through the shared bit line BLj. At this time, the row selection transistor 32iIs in the ON state, the read selection transistor 17 of the selected memory cell 2 is also in the ON state, and the above-mentioned current is supplied to the shared bit line BL.jFrom the cell bit line 6, the TMR element 3, and the read selection transistor 17. Thereby, the shared bit line BLjHas a value corresponding to the resistance of the TMR element 3. This potential is applied to the column selection transistor 37.j, And is compared with the reference potential VREF, so that the data stored in the TMR element 3 is read.
[0032]
As described above, in the present embodiment, the cell bit line 6 branched from the shared bit line BL is provided in each memory cell 2 and the direction of the easy axis of the yoke 8 provided on the cell bit line 6 is set to the direction of the TMR element 3. Since the direction of the magnetization is substantially the same as the direction of the easy axis of magnetization, even when the residual magnetization occurs in the yoke 8 or the disturbance of the magnetization occurs in the direction of the easy axis of the yoke 8, the residual magnetization and the disturbance of the magnetization are generated. Generates a magnetic field in the same direction as the information written in the TMR element 3, whereby the storage state of the TMR element 3 is stabilized. Further, since the memory cell 2 is provided with the cell bit line 6 and the write selection transistor 17, when a write current flows through the selected memory cell, the write current does not flow through other memory cells on the same column. . As a result and the stable storage state of the TMR element 3, it is possible to prevent erroneous writing without inverting the recording bit of another memory cell.
[0033]
Since the uniaxial magnetic anisotropy given to the yoke 8 and the uniaxial magnetic anisotropy given to the TMR element 3 are in the same direction, the step of giving the TMR element 3 uniaxial magnetic anisotropy, The step of providing magnetic anisotropy can be performed collectively in the same magnetic field direction. As a result, the manufacturing process is simplified as compared with the related art, and the cost is reduced.
[0034]
In the first embodiment, the cell bit line 6 includes a first wiring portion 6a and a second wiring portion 6b. Not only a current magnetic field caused by a current flowing through the first wiring portion 6a but also a side portion of the TMR element 3 is formed. A current magnetic field caused by a current flowing through the second wiring portion 6b disposed in the TMR element 3 can also be used for writing in the TMR element 3. For this reason, writing can be performed with a smaller current than before.
[0035]
In the first embodiment, since writing is performed by a current magnetic field generated from the cell bit line 6, the direction of the axis of easy magnetization of the TMR element 3 and the direction of the current flowing through the cell bit line 6 are not orthogonal but at a certain inclination. An angle is preferable because the write current can be reduced. This inclination angle is typically selected to be 45 degrees. For example, in the first embodiment, without changing the direction of the cell bit line 6, the direction of the axis of easy magnetization of the TMR element 3 forms a certain angle (for example, 45 degrees) with the direction of the current flowing through the cell bit line 6. , Or by changing the direction of the cell bit line 6 near the TMR element 3 without changing the position of the TMR element 3.
[0036]
(2nd Embodiment)
Next, FIG. 3 shows a configuration of a memory cell of a magnetic memory according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows a configuration of a memory cell array. The memory cell 2 of the magnetic memory according to this embodiment includes a TMR element 2, a cell bit line 6, yokes 8, 9, a read select transistor 17, and a write select transistor 19.
[0037]
The TMR element 3 includes a lower electrode layer, a base layer, an antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer (reference layer), a tunnel insulating layer, a ferromagnetic layer (memory layer), and an upper electrode. The cell bit line 6 is branched from the shared bit line BL and is electrically connected to the upper electrode of the TMR element 3. A second wiring portion 6b connected to one of the source and the drain of the transistor 19. The first wiring portion 6a has a portion substantially parallel to the shared bit line BL, and is provided so that a current flows in a direction orthogonal to the easy axis direction of the TMR element 3. The second wiring portion 6b is provided along the side of the TMR element 3 via an insulating film (not shown).
[0038]
The yoke 8 is formed on the first wiring portion 6a on the side opposite to the side on which the TMR element 3 is provided. The direction of the easy axis of the yoke 8 is formed to be the same as the direction of the easy axis of the TMR element 3 as shown in FIG. The yoke 9 has a write word line WL provided on the lower side of the lead electrode 14 connected to the lower electrode of the TMR element 3 via a not-shown insulating film, except for a surface of the write word line WL facing the lead electrode 14. It is formed so as to cover WL. 3, the yoke 9 is formed so that the direction of the easy axis of magnetization is the same as the direction of the easy axis of magnetization of the TMR element 3, as shown in FIG. The cell bit line 6 is formed so as to be substantially orthogonal to the write word line WL.
[0039]
The lower electrode of the TMR element 3 is connected to one of the source and the drain of the read selection transistor 17 via the extraction electrode 14 and the connection plug 15. Note that the lower electrode of the TMR element 3 may also serve as the extraction electrode 14.
[0040]
The other of the read select transistor 17 has the other of the source and the drain connected to the ground power supply via the connection plug 18, and the gate also serves as the read select word line RWL. In the write selection transistor 19, the other of the source and the drain is connected to a common line 20 used when a write current flows, and the gate also serves as a write selection word line WWL.
[0041]
Next, the write operation and the read operation of the magnetic memory according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. When the row is the i-th row (i = 1,...), The selected word line WWL is written.iAnd read select word line RWLi, The column is j-th (j = 1,...) And the shared bit line BLjIs selected when the memory cell 2 connected to is selected. A case where bit data is written to the selected memory cell 2 will be described. An address for selecting the memory cell 2 having the i-th row and the j-th column is input to the row decoder 41 and the column decoder 45. Then, the row decoder 41 causes the row selection transistor 31iAnd row selection transistor 33iIs turned on and the write selection word line WWLiAnd write word line WLiIs selected, and the column selection transistor 35 isjIs turned on and the shared bit line BLjIs selected. At this time, the column selection transistor 37jIs not turned on and is in the off state. Also, the row selection transistor 32iIs also in the OFF state. Column selection transistor 35jIs turned on, the shared bit line BLj, A write current flows. Then, the row selection transistor 31iIs turned on, the potential Vb is applied to the gate of the write selection transistor 19, and the write selection transistor 19 is turned on. At this time, the column selection transistor 35jIs also ON, the write current is applied to the shared bit line BL.j, Flows to the cell bit line 6 of the selected memory cell 2. At this time, the shared bit line BLj, But no write current flows through the cell bit line 6 of another memory cell that is not selected. On the other hand, the row selection transistor 33iIs also ON, the selected write word line WLi, A write current flows. The current magnetic field induced by the write current flowing through the cell bit line 6 of the selected memory cell 2 is strengthened by the yoke 8, and the write word line WLiThe magnetic field induced by the write current flowing through the yoke 9 is strengthened by the yoke 9. The magnetization of the storage layer of the TMR element 3 constituting the selected memory cell 2 is reversed by the enhanced current magnetic field. The writing current is applied in the same manner as in the first embodiment.
[0042]
Also, the case of reading bit data from the selected memory cell is performed in the same manner as in the first embodiment.
[0043]
In the conventional MRAM, the magnetization of the storage layer of the TMR element 3 is generally reversed by a combined magnetic field of a current magnetic field generated by a bit line and a current magnetic field generated by a write word line WL. As a result, when data is recorded in a certain memory cell, a memory cell on the same bit line and a cell on the same word line are in a half selection state. In order to prevent an erroneous write from occurring in the memory cell 2 in the half selection state, it is necessary to greatly suppress the variation in the switching magnetic field for each memory cell.
[0044]
The suppression of the variation of the switching magnetic field will be described with reference to FIG. The assumption in FIG. 12 is that the asteroid curve
Hx 2/3+ (Hy/ A)2/3= Hc 2/3
The parameter a indicates that the asteroid is elongated due to a large demagnetizing field in the hard axis direction. The upper limit level of the expansion is aU, The lower level is aL, Its ratio r (= aU/ AL). The coercive force H is の of the hysteresis width of the magnetic fieldc(> 0), the variation is dHcAnd Average offset magnetic field Hoff  (> 0), variation is dHoffAnd In order to prevent erroneous writing, the following three inequalities must be satisfied. The condition of arrow A1 in FIG. 12 is the following inequality.
[0045]
(Equation 1)
Figure 2004153182
The condition of the arrow A2 in FIG. 12 is the following inequality.
[0046]
(Equation 2)
Figure 2004153182
The condition of the arrow A3 in FIG. 12 becomes the following inequality.
[0047]
(Equation 3)
Figure 2004153182
When the above three inequalities are simultaneously established, the following equation is obtained.
[0048]
(Equation 4)
Figure 2004153182
To prevent erroneous writing, Hoff, DHoff, R, dHc, Must be small enough to satisfy the above equation. For practical use as a memory, it is necessary that there is no erroneous writing within a range of ± 6σ, where σ is a standard deviation. In that case, for example,
Hc= 36 [Oe] and aU/ AL≦ 1.7
Assuming
6σ (Hc) ≦ 3.5 [Oe], Hoff≦ 3.5 [Oe], 6σ (Hoff) ≦ 3.5 [Oe]
Condition must be satisfied.
[0049]
In the manufacture of MRAM, it has been conventionally difficult to suppress the variation of the switching magnetic field with high accuracy under the above conditions over a large number of memory cells. However, in the case of a method in which a transistor provided in each memory cell is used for write selection and a write current flows for each memory cell as in the present embodiment, no matter how much variation may occur in principle, Writing is possible if a sufficiently large magnetic field is applied in the easy axis direction.
[0050]
The reason will be described below. Since a current flows through each cell bit line branched from the bit line, other memory cells in the bit line direction do not enter the half section state. Therefore, the condition of the arrow A2 in FIG. 12 becomes unnecessary, and the restriction is eliminated. As a result, erroneous writing is eliminated if a sufficiently large magnetic field is applied in the x direction (the direction of the easy axis).
[0051]
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to obtain a magnetic memory that is extremely resistant to the variation of the switching magnetic field among the memory cells, that is, a magnetic memory in which erroneous writing hardly occurs.
[0052]
As described above, in the present embodiment, the cell bit line 6 branched from the shared bit line BL is provided in each memory cell 2 and the direction of the easy axis of the yoke 8 provided on the cell bit line 6 is set to the direction of the TMR element 3. Since the direction of the magnetization is substantially the same as the direction of the easy axis of magnetization, even when the residual magnetization occurs in the yoke 8 or the disturbance of the magnetization occurs in the direction of the easy axis of the yoke 8, the residual magnetization and the disturbance of the magnetization are generated. Generates a magnetic field in the same direction as the information written in the TMR element 3, whereby the storage state of the TMR element 3 is stabilized. Further, since the memory cell 2 is provided with the cell bit line 6 and the write selection transistor 17, when a write current flows through the selected memory cell, the write current does not flow through other memory cells on the same column. . As a result and the stable storage state of the TMR element 3, it is possible to prevent erroneous writing without inverting the recording bit of another memory cell.
[0053]
Further, since the uniaxial magnetic anisotropy given to the yokes 8 and 9 and the uniaxial magnetic anisotropy given to the TMR element 3 are almost in the same direction, a step of giving the TMR element 3 uniaxial magnetic anisotropy, The steps of imparting uniaxial magnetic anisotropy to 8 and 9 can be performed collectively in the same magnetic field direction. As a result, the manufacturing process is simplified as compared with the related art, and the cost is reduced.
[0054]
In the second embodiment, the cell bit line 6 includes a first wiring portion 6a and a second wiring portion 6b. Not only a current magnetic field caused by a current flowing through the first wiring portion 6a but also a side portion of the TMR element 3 is formed. A current magnetic field caused by a current flowing through the second wiring portion 6b disposed in the TMR element 3 can also be used for writing in the TMR element 3. For this reason, writing can be performed with a smaller current than before.
[0055]
(Third embodiment)
Next, FIG. 5 shows a configuration of a memory cell of a magnetic memory according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 6 shows a configuration of a memory cell array. The magnetic memory according to this embodiment has a configuration in which the read selection transistor 17 of the magnetic memory according to the second embodiment is eliminated and the write word line WL also serves as a read word line. Therefore, the lower electrode of the TMR element 3 is electrically connected to the write word line WL. The yoke 8a is provided on the first wiring portion 6a of the cell bit line 6 as in the second embodiment, but the yoke 8b is also provided on the second wiring portion 6b. As shown in FIG. 5, the TMR element 3, the yokes 8a and 8b of the cell bit line 6, and the yoke 9 of the word line WL are formed so that the directions of easy axes of magnetization are substantially the same.
[0056]
Data writing to the selected memory cell 2 of the magnetic memory according to the third embodiment is performed in the same manner as in the second embodiment. The operation of reading data from the selected memory cell 2 of the magnetic memory according to the third embodiment is performed by a method called a cross-point type. When data is read from the memory cell 2 having the i-th row and the j-th column, the row selection transistor 33 is read by the row decoder 41.iIs turned ON, and the column transistor 37 isjIs turned on. At this time, the row selection transistor 34iAnd column transistor 35jIs in the OFF state. Thereby, the shared bit line BL is transferred from the write word line WL through the TMR element 3 and the cell bit line 6.jCurrent flows through At this time, the shared bit line BLjHas a value corresponding to the data stored in the TMR element 3. This shared bit line BLjIs compared with reference potential VREF in sense amplifiers 61 and 62, so that data stored in TMR element 3 is read.
[0057]
In the case where reading is performed in a cross-point type without using a read selection transistor as in the third embodiment, it is necessary to provide readability with selectivity. That is, it is necessary not to sense a sneak current from another memory cell other than the selected memory cell. In the first method, as shown in FIG. 6, row select transistors 33 are provided above and below a read word line WL.i, 34iAnd row decoders 41 and 44 are provided. Read word line WL to the memory cell to be readiIs selected by the row selection signal RSL (i) and the read current flows, the other word lines WLm(M ≠ i) is selected by RSL (m) and connected to the lower row decoder 44. As a result, the current that has passed through other memory cells than the selected memory cell is sucked into the lower row decoder 44 and does not flow through the sense amplifiers 61 and 62.
[0058]
The second method will be described with reference to FIG. In this method, the bit line BLj(J = 1,...) For each sense amplifier 61jAnd 61 pairs of three sense amplifiersj-1, 61j, 61j + 1Is selected by the selector 65, and the selected output is output to the outside via the sense amplifier 62. As a result, current passing through cells other than the selected cell enters another sense amplifier and does not enter the selected sense amplifier.
[0059]
According to these methods, selective read can be performed without using a read select transistor. When each memory cell 2 has a transistor or a diode provided for reading, variations in these characteristics, for example, variations in the ON resistance of the transistor become variations in the read signal, which is a problem. The method using no read selection transistor described here has an advantage that it is not affected by variations in transistors and diodes.
[0060]
As described above, in the third embodiment, the cell bit line 6 is bent in an L-shape and surrounds the periphery of the TMR element 3, and is combined with the effects of the yokes 8a and 8b covering the periphery of the cell bit line 6. Therefore, a large magnetic field can be generated in the TMR element 3. In particular, in this cell structure, the write word line WL is closest to the TMR element 3, so that the TMR element 3 can generate the strongest magnetic field. A magnetic field is strengthened by providing a yoke 9 having a U-shaped cross section in the write word line WL. Therefore, the current required for writing can be reduced. Further, as shown in FIG. 5, the yokes 8a and 8b of the cell bit line 6, the yokes 9 of the word lines WL, and the easy magnetization axis of the TMR element 3 are formed in the same direction. Becomes stable. Further, since the storage state of the TMR element 3 is stable and the cell bit line 6 and the write selection transistor 19 are provided for each memory cell, the recording bits of the memory cells other than the selected memory cell are inverted. Can be prevented. As a result and the stable storage state of the TMR element 3, it is possible to prevent erroneous writing without inverting the recording bit of another memory cell.
[0061]
Further, since the directions of easy axes of magnetization of the yokes 8a and 8b and the TMR element 3 are substantially coincident with each other, it is possible to collectively perform the process of imparting uniaxial magnetic anisotropy to the yokes 8a and 8b and the TMR element 3. The manufacturing process is simplified, and the manufacturing cost can be reduced.
[0062]
(Fourth embodiment)
Next, FIG. 7 shows a configuration of a memory cell of a magnetic memory according to a fourth embodiment of the present invention. In the magnetic memory according to the fourth embodiment, the write / read word line WL of the magnetic memory of the third embodiment shown in FIG. 5 is replaced with a read-only word line RWL, and the cell bit line 6 is connected to the first wiring portion 6a. In addition to the second wiring portion 6b, a third wiring portion 6c is provided below the read word line RWL via an insulating film (not shown). The first to third wiring portions 6a, 6b, 6c are provided with yokes 8a, 8b, 8c, respectively. These yokes 8a, 8b, 8c are formed such that the direction of the easy axis of magnetization substantially coincides with the direction of the easy axis of the TMR element 3.
[0063]
The read operation of the magnetic memory according to the fourth embodiment is performed in the same manner as the magnetic memory according to the third embodiment. However, the write operation is performed by the current magnetic field from the cell bit line 6, as in the case of the first embodiment. Therefore, as in the case of the first embodiment, in order to reduce the write current, the first and third wiring portions 6a and 6c of the cell bit line 6 are set at a predetermined angle (with respect to the easy axis direction of the TMR element 3). For example, it is desirable to form them at 45 degrees.
[0064]
According to the fourth embodiment, the cell bit line 6 is provided with the yokes 8a, 8b and 8c whose easy axis directions substantially coincide with the easy axis direction of the TMR element 3, and also selects and writes data into each memory cell. Since the transistor is provided, the storage state of the TMR element 3 becomes stable, and the recording bits of memory cells other than the selected memory cell can be prevented from being inverted.
[0065]
The cell bit line 6 is formed so that the first to third wiring portions 6a, 6b, 6c surround the TMR element 3, and the first to third wiring portions 6a, 6b, 6c have a yoke 8a. , 8b and 8c are provided, so that a large magnetic field can be generated with a small write current.
[0066]
In addition, since the directions of the axes of easy magnetization of the yokes 8a, 8b, 8c and the TMR element 3 are substantially the same, the step of imparting uniaxial magnetic anisotropy to the yokes 8a, 8b, 8c and the TMR element 3 is performed collectively. It is possible to simplify the manufacturing process and reduce the manufacturing cost.
[0067]
In the fourth embodiment, the word line RWL is read-only, so that the word line RWL can be made thinner than the word line WL for both writing and reading in the third embodiment, and a yoke that covers the word line RWL. Becomes unnecessary.
[0068]
In the fourth embodiment, the TMR element 3 is provided so as to be electrically connected to the first wiring portion 6a. However, the TMR element 3 is not connected to the first wiring portion 6a, and is electrically connected to the third wiring portion 6c. It may be provided so as to be connected to each other.
[0069]
(Fifth embodiment)
In the magnetic memory according to the first and second embodiments, two transistors 17 and 19 are required for one TMR element 3, and accordingly, the required area of each memory cell 2 is increased, and a memory arranged at high density is required. There are drawbacks that are difficult to make. However, there is an advantage that read selectivity can be properly taken.
[0070]
On the other hand, the magnetic memories according to the third and fourth embodiments have an advantage that the required area of the memory cell 2 is not so large because the read selection transistor 17 is not used. However, since reading is performed by a method called a cross-point type, there is a drawback that there is a sneak current and reading selectivity cannot be sufficiently obtained.
[0071]
A magnetic memory having both of these advantages will be described as a fifth embodiment of the present invention. FIG. 8 shows a memory cell array of the magnetic memory according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 8, in the magnetic memory of the present embodiment, one write select transistor 19 is provided for one TMR element 3, but one read select transistor is provided for two to 16 TMR elements 3. Only one is provided. As a result, it is possible to produce a memory arranged at high density while ensuring the read selectivity to some extent. In FIG. 8, one read selection transistor 17 is arranged for four TMR elements 3. At the time of reading, four TMR elements 3 are simultaneously selected.1~ 604, And can be read independently without being affected by the sneak current.
[0072]
(Sixth embodiment)
Next, a method for manufacturing the magnetic memory according to the sixth embodiment of the present invention will be described. The manufacturing method according to the sixth embodiment is for manufacturing the magnetic memory according to the fourth embodiment shown in FIG. 7, and will be described below with reference to FIG.
[0073]
First, a p-type silicon substrate is prepared. Next, an N-channel MOSFET is formed as the write selection transistor 19 by a normal CMOS process. At this time, the gate electrode is formed so as to function as the write selection word line WWL. The electrode 7 is formed on the drain and the source, and the common line 20 is wired.
[0074]
Next, an insulating layer (not shown) is formed. After that, the third wiring portion 6c is formed. The material used for the third wiring portion 6c may be Al, Al-Cu, Cu, Ag, or the like. Here, Cu formed by a damascene method is used. The third wiring portion 6c is a wiring covered with a yoke 8c made of NiFe which is a ferromagnetic material. In the yoke 8c, TiN is inserted outside NiFe as a barrier metal, and CoFe is inserted between NiFe and Cu.
[0075]
Next, an insulating film (not shown) is formed, a read word line RWL is formed thereon, and an insulating film (not shown) is further covered. The insulating film is flattened so that the read word line RWL is exposed. Next, the TMR laminated film 3 is deposited. The TMR laminated film 3 has a lower wiring connection layer made of Ta with a thickness of 20 nm, a buffer layer made of Ru with a thickness of 5 nm, an antiferromagnetic layer made of IrMn with a thickness of 6 nm, and a thickness of 2 nm on the word line WL. Co90Fe10Pinned layer made of Al, 1 nm thick Al2O3Barrier layer made of Ni, 3 nm thick Ni79Fe21, A surface protection layer made of Cu with a thickness of 2 nm, an etching stop layer / surface protection layer made of Ru with a thickness of 20 nm, and an upper connection layer made of Ta.
[0076]
Next, the TMR laminated film 3 is etched into a predetermined shape using TiN or Ta as a hard mask, for example, 0.24 × 0.48 μm2And the TMR element 3 is formed. After that, an interlayer insulating film (not shown) is deposited. Next to the TMR element 3, a rectangular parallelepiped via hole for forming a vertical cell bit line 6b is formed in the interlayer insulating film. Three of the four vertical surfaces forming the via holes are covered with a ferromagnetic material, NiFe. This serves as a yoke 8b for the cell bit line 6b in the vertical direction. TiN is inserted outside the yoke 8b made of NiFe as a barrier metal. Subsequently, the via hole is filled with Cu using a damascene method. CoFe is inserted between the NiFe and the Cu layer.
[0077]
Next, the above-mentioned interlayer insulating film is etched so as to make contact with the upper connection layer of the TMR element 3. A metal film made of Cu for forming the common bit line BL and the cell bit line 6a is deposited so as to be connected to the upper connection layer of the TMR element 3 and to be connected to the vertical cell bit line 6b. Subsequently, the metal film made of Cu is etched so as to form the shared bit line BL and the cell bit line. In a plan view, the shared bit line BL is arranged between the TMR elements 3, and the cell bit line 6 branched therefrom is arranged so as to pass right above each TMR element 3.
[0078]
Next, the uppermost layer and side surfaces of the cell bit line 6a are covered with a NiFe film, which is a ferromagnetic material, to form a wiring on which a yoke 8a is formed. Note that a CoFe film is inserted as a barrier metal between the yoke 8a made of NiFe and the cell bit line 6a. Further, as the barrier metal, Ta, TiN, TaN, W, WN, or the like can be used instead of CoFe. Note that a barrier metal made of TiN may be formed on the yoke 8a.
[0079]
After forming the yoke 8a, a protective layer (not shown) is deposited. Subsequently, annealing is performed in a magnetic field to give the TMR element 3 and the bit line yokes 8a, 8b, 8c collectively uniaxial magnetic anisotropy in the same direction. The direction of the magnetic field is the direction shown in FIG. 7, and the annealing condition is, for example, at 285 ° C. for 1 hour in a magnetic field of 6.5 kOe. Immediately after annealing in this magnetic field, the magnetization direction of the magnetization free layer and the magnetic field applied to the magnetization free layer from the residual magnetization of the yoke are antiparallel. That is, the magnetization of the magnetization free layer is in an unstable state. Therefore, before shipment as a memory, it is desirable to initialize the state to “0” by flowing a current to the write wiring. By this step, the magnetization of the magnetization free layer and the magnetic field applied to the magnetization free layer from the residual magnetization of the yoke become parallel.
[0080]
The TMR element 3 has a tunnel barrier layer as an indispensable element. This is an insulating layer as thin as 1 to 2 nm and is vulnerable to electrostatic discharge breakdown. In a conventional manufacturing process of a magnetic memory, typically, when dry etching, for example, reactive ion etching (RIE) an interlayer insulating film to expose an upper connection layer of the TMR element 3, an arrow shown in FIG. As shown, the electric charge accumulated on the surface is discharged through the TMR element 3, and there is a problem that the tunnel barrier layer is destroyed by electrostatic discharge. This is because there is a current path from the TMR element 3 to the substrate through the read selection transistor 17 or the word line. However, in the memory cell structure of the magnetic memory according to the first to sixth embodiments, as shown in FIG. 13, for each TMR element 3, a cell bit line 6b passes beside the TMR element 3 toward the substrate. The resistance of the cell bit line 6b is lower than that of the TMR element 3. Therefore, the charges accumulated on the surface are discharged through the cell bit line 6b without passing through the TMR element 3. As a result, destruction of the tunnel barrier layer during the manufacturing process hardly occurs.
[0081]
Note that a TMR element having a structure other than that described in the above embodiment may be used. For example, the TMR element having this structure includes a lower wiring connection layer made of Ta with a thickness of 5 nm, a seed layer made of NiFeCr with a thickness of 5 nm, an antiferromagnetic layer made of PtMn with a thickness of 12 nm, and a film on the word line WL. 2 nm thick Co90Fe10Pinned layer made of Ru, an intermediate layer made of Ru with a thickness of 0.8 nm, and Co with a thickness of 2 nm90Fe10Pinned layer made of Al, 1 nm thick Al2O3Barrier layer made of Ni, 3 nm thick Ni81Fe19, A protection layer made of Ta having a thickness of 10 nm, and an upper wiring connection layer made of Al. This structure is a case where an exchange coupling film, that is, a synthetic antiferromagnetic layer is used as the magnetization fixed layer.
[0082]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, erroneous writing can be prevented at the time of writing, and the storage state of the memory cell can be stabilized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a memory cell of a magnetic memory according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a wiring diagram showing a memory cell array of the magnetic memory according to the first embodiment.
FIG. 3 is a sectional view showing a configuration of a memory cell of a magnetic memory according to a second embodiment;
FIG. 4 is a wiring diagram showing a memory cell array of the magnetic memory according to the second embodiment.
FIG. 5 is a sectional view showing the configuration of a memory cell of a magnetic memory according to a third embodiment;
FIG. 6 is a wiring diagram showing a memory cell array of a magnetic memory according to a third embodiment.
FIG. 7 is a sectional view showing a configuration of a memory cell of a magnetic memory according to a fourth embodiment;
FIG. 8 is a wiring diagram showing a memory cell array of a magnetic memory according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating another method for preventing a sneak current from a memory cell other than a selected memory cell from being sensed in the third embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating how a write current flows.
FIG. 11 is a diagram illustrating how a write current flows.
FIG. 12 illustrates that erroneous writing does not occur.
FIG. 13 is a diagram illustrating that it is possible to prevent electrostatic breakdown from occurring in a TMR element during a manufacturing process.
FIG. 14 is a view for explaining that electrostatic breakdown occurs in a TMR element during a manufacturing process.
FIG. 15 is a diagram showing write wiring of a conventional magnetic memory.
FIG. 16 is a diagram illustrating a problem of a conventional magnetic memory.
[Explanation of symbols]
2 memory cells
3 TMR element
6 cell bit line
6a first wiring section
6b Second wiring section
7 Connection plug
8 York
8a York
8b York
9 York
14 Leader electrode
15 Connection plug
17 Read select transistor
18 Connection plug
19 Write selection transistor
20 common wire
BL shared bit line
WL write word line
RWL read select word line
WWL write select word line

Claims (6)

磁気抵抗効果素子と、ビット線から枝分かれし前記磁気抵抗効果素子に書き込み電流を流すセルビット線と、このセルビット線に設けられ、前記磁気抵抗効果素子と同じ磁化容易軸方向を有するヨークと、前記セルビット線にソース・ドレインの一方が接続する書き込み選択トランジスタとを、それぞれ有するメモリセルを備えたことを特徴とする磁気メモリ。A magnetoresistive element, a cell bit line branched from a bit line and flowing a write current to the magnetoresistive element, a yoke provided on the cell bit line and having the same easy axis direction as the magnetoresistive element, and a cell bit line. A magnetic memory, comprising: memory cells each having a write selection transistor connected to one of a source and a drain to a line. 前記セルビット線は、前記磁気抵抗効果素子の一端と電気的に接続される第1配線部と、絶縁膜を介して前記磁気抵抗効果素子の側部に沿って設けられ前記書き込み選択トランジスタのソース・ドレインの一方に接続される第2配線部とを有しており、前記第1および第2配線部に前記ヨークが設けられていることを特徴とする請求項1記載の磁気メモリ。The cell bit line is provided along a first wiring portion electrically connected to one end of the magnetoresistive element and a side portion of the magnetoresistive effect element via an insulating film. 2. The magnetic memory according to claim 1, further comprising a second wiring portion connected to one of the drains, wherein the yoke is provided in the first and second wiring portions. 前記磁気抵抗効果素子の他端には書き込み電流が流れるワード線が電気的に接続されていることを特徴とする請求項2記載の磁気メモリ。3. The magnetic memory according to claim 2, wherein a word line through which a write current flows is electrically connected to the other end of the magnetoresistive element. 前記磁気抵抗効果素子の一端には読み出し用のワード線が電気的に接続され、前記セルビット線は、前記ビット線から枝分かれした第1配線部と、絶縁膜を介して前記磁気抵抗効果素子の側部に沿って設けられ一端が前記第1配線部に接続される第2配線部と、一端が前記第2配線部の他端に接続され、他端が前記書き込み選択トランジスタのソース・ドレインの一方に接続され、前記磁気抵抗効果素子を挟んで前記第1配線部と略平行に設けられる部分を有する第3配線部とを有し、前記磁気抵抗効果素子の他端は前記第1配線部または第3配線部の一方に電気的に接続され、前記第1および第2配線部に前記ヨークが設けられ、前記第3配線部には前記磁気抵抗効果素子と同じ磁化容易軸方向を有する第2ヨークが設けられていることを特徴とする請求項1記載の磁気メモリ。A word line for reading is electrically connected to one end of the magnetoresistive element, and the cell bit line is connected to a first wiring portion branched from the bit line and a side of the magnetoresistive element via an insulating film. A second wiring portion provided along the portion and having one end connected to the first wiring portion; one end connected to the other end of the second wiring portion; and the other end being one of a source and a drain of the write selection transistor. A third wiring portion having a portion provided substantially in parallel with the first wiring portion with the magnetoresistive effect element interposed therebetween, and the other end of the magnetoresistive effect device is connected to the first wiring portion or A second wiring portion electrically connected to one of the third wiring portions, the first and second wiring portions provided with the yoke, and the third wiring portion having a second direction having the same easy axis of magnetization as the magnetoresistive element; That a yoke is provided The magnetic memory of claim 1 wherein symptoms. 前記メモリセルは、前記磁気抵抗効果素子の他端に引き出し電極を介してソース・ドレインの一方が接続される読み出し選択トランジスタを備えていることを特徴とする請求項2記載の磁気メモリ。3. The magnetic memory according to claim 2, wherein the memory cell includes a read select transistor having one of a source and a drain connected to the other end of the magnetoresistive element via a lead electrode. 前記引き出し電極の前記磁気抵抗効果素子と反対側に絶縁膜を介して書き込み電流が流れるワード線が形成されていることを特徴とする請求項5記載の磁気メモリ。6. The magnetic memory according to claim 5, wherein a word line through which a write current flows is formed on an opposite side of the extraction electrode from the magnetoresistive element via an insulating film.
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