JP2004153182A - Magnetic memory - Google Patents
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Abstract
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WWLiおよび読み出し選択ワード線RWLiに接続され、カラムがj(j=1,・・・)番目で共用ビット線BLj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31iがONされて書き込み選択ワード線WWLi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35jがONされて共用ビット線BLjが選択される。このとき、カラム選択トランジスタ37j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32iもOFF状態となっている。カラム選択トランジスタ35jがONすることにより共用ビット線BLjに書き込み電流が流れる。そして、ロウ選択トランジスタ31i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35jもONしているので、書き込み電流は共用ビット線BLj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BLj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CSL1jの電位を「H」レベルにし、カラム選択信号CSL0j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CSL0jの電位を「H」レベルにし、カラム選択信号CSL1j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32iがONされて読み出し選択ワード線RWLi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35j、37jがONされて共用ビット線BLjが選択される。このとき、ロウ選択トランジスタ31iはOFF状態である。カラム選択トランジスタ35j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32i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BLj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BLj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37j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WWLiおよび読み出し選択ワード線RWLiに接続され、カラムがj(j=1,・・・)番目で共用ビット線BLj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31iおよびロウ選択トランジスタ33iがONされて書き込み選択ワード線WWLiおよび書き込みワード線WLi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35jがONされて共用ビット線BLjが選択される。このとき、カラム選択トランジスタ37j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32iもOFF状態となっている。カラム選択トランジスタ35jがONすることにより共用ビット線BLjに書き込み電流が流れる。そして、ロウ選択トランジスタ31i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35jもONしているので、書き込み電流は共用ビット線BLj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BLj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33iもONしているので選択された書き込みワード線WLi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WLi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
Hx 2/3+(Hy/a)2/3=Hc 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aU、下限レベルをaL、その比r(=aU/aL) とする。磁場のヒステリシス幅の1/2を保磁力Hc(>0)、そのバラツキをdHc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】
図12中の矢印A2の条件は以下の不等式になる。
【0046】
【数2】
図12中の矢印A3の条件は以下の不等式になる。
【0047】
【数3】
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】
誤書き込みが起きないためには、Hoff, dHoff, r, dHc, 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、
Hc=36[Oe]、かつaU/aL≦1.7
を仮定すると
6σ(Hc)≦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33iをON、カラムデコーダ45によってカラムトランジスタ37jをONさせる。このとき、ロウ選択トランジスタ34iおよびカラムトランジスタ35j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BLjに電流が流れる。このとき、共用ビット線BLj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BLj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33i、34i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WLi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WLm(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BLj(j=1,・・・)毎にセンスアンプ61jを設け、3組のセンスアンプの61j−1、61j、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601〜604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Al2O3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0.24×0.48μm2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Al2O3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
[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
[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
[0012]
However, the direction indicated by the
[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
[0024]
The
[0025]
The
[0026]
The lower electrode of the
[0027]
The other of the read
[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
[0029]
A method for supplying a write current will be described. In an ordinary MRAM, as shown in FIG. 10, a
[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
[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
[0032]
As described above, in the present embodiment, the
[0033]
Since the uniaxial magnetic anisotropy given to the
[0034]
In the first embodiment, the
[0035]
In the first embodiment, since writing is performed by a current magnetic field generated from the
[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
[0037]
The
[0038]
The
[0039]
The lower electrode of the
[0040]
The other of the read
[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
[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
[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)
The condition of the arrow A2 in FIG. 12 is the following inequality.
[0046]
(Equation 2)
The condition of the arrow A3 in FIG. 12 becomes the following inequality.
[0047]
(Equation 3)
When the above three inequalities are simultaneously established, the following equation is obtained.
[0048]
(Equation 4)
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
[0053]
Further, since the uniaxial magnetic anisotropy given to the
[0054]
In the second embodiment, the
[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
[0056]
Data writing to the selected
[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
[0058]
The second method will be described with reference to FIG. In this method, the bit line BLj(J = 1,...) For each
[0059]
According to these methods, selective read can be performed without using a read select transistor. When each
[0060]
As described above, in the third embodiment, the
[0061]
Further, since the directions of easy axes of magnetization of the
[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
[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
[0064]
According to the fourth embodiment, the
[0065]
The
[0066]
In addition, since the directions of the axes of easy magnetization of the
[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
[0069]
(Fifth embodiment)
In the magnetic memory according to the first and second embodiments, two
[0070]
On the other hand, the magnetic memories according to the third and fourth embodiments have an advantage that the required area of the
[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
[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
[0074]
Next, an insulating layer (not shown) is formed. After that, the
[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
[0076]
Next, the TMR laminated
[0077]
Next, the above-mentioned interlayer insulating film is etched so as to make contact with the upper connection layer of the
[0078]
Next, the uppermost layer and side surfaces of the
[0079]
After forming the
[0080]
The
[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
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