JP2004241672A - 磁気記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】素子サイズ縮小化に伴い、磁気抵抗効果型の記憶素子の記憶層の保磁力を大きくするとともに、消費電流の低減を図る。
【解決手段】第１配線１１と、第１配線１１と立体的に交差する第２配線１２と、第１配線１１と第２配線１２との交差領域に第２配線と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子１３とを備えた磁気記憶装置において、第１配線１１の両側面および記憶素子１３側とは反対側の面に高透磁率層からなる第１磁性体層２１を、第１配線１１側壁に形成された部分が第１配線１１よりも記憶素子１３側に突き出した状態に形成し、かつ第１磁性体層２１の突出した部分より記憶素子１３方向に記憶素子１３と間隔を置いて高透磁率材料からなる第１延長部分２２を形成し、同様に第２配線１２に対しても高透磁率層からなる第２磁性体層２４および第２延長部分２５を形成したものである。
【選択図】 図１
【解決手段】第１配線１１と、第１配線１１と立体的に交差する第２配線１２と、第１配線１１と第２配線１２との交差領域に第２配線と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子１３とを備えた磁気記憶装置において、第１配線１１の両側面および記憶素子１３側とは反対側の面に高透磁率層からなる第１磁性体層２１を、第１配線１１側壁に形成された部分が第１配線１１よりも記憶素子１３側に突き出した状態に形成し、かつ第１磁性体層２１の突出した部分より記憶素子１３方向に記憶素子１３と間隔を置いて高透磁率材料からなる第１延長部分２２を形成し、同様に第２配線１２に対しても高透磁率層からなる第２磁性体層２４および第２延長部分２５を形成したものである。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気記憶装置に関し、詳しくは強磁性体のスピン方向が平行もしくは反平行によって抵抗値が変化することを利用して情報を記憶する不揮発性の磁気記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器の飛躍的な普及にともない、これを構成するメモリ素子やロジック素子等の素子には、高集積化、高速化、低消費電力化など、一層の高性能化が要求されている。特に不揮発性メモリはユビキタス時代に必要不可欠の素子と考えられている。
【０００３】
例えば、電源の消耗やトラブル、サーバーとネットワークが何らかの障害により切断された場合であっても、不揮発性メモリは個人の重要な情報を保護することができる。そして、不揮発性メモリの高密度化、大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディスクを置き換える技術としてますます重要になってきている。
【０００４】
また、最近の携帯機器は不要な回路ブロックをスタンバイ状態にしてでき得る限り消費電力を抑えようと設計されているが、高速ネットワークメモリと大容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリが実現できれば、消費電力とメモリとの無駄を無くすことができる。また、電源を入れると瞬時に起動できる、いわゆるインスタント・オン機能も高速の大容量不揮発性メモリが実現できれば可能になってくる。
【０００５】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などがあげられる。しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒の桁であるため遅いという欠点がある。また構造が複雑なために高集積化が困難であり、しかも、アクセス時間が１００ｎｓ程度と遅いという欠点がある。一方、ＦＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が１０１２〜１０１４回で、完全にスタティックランダムアクセスメモリやダイナミックランダムアクセスメモリに置き換えるには耐久性が低いという問題が指摘されている。また、強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという課題も指摘されている。
【０００６】
これらの欠点を有さない不揮発性メモリとして注目されているのが、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）もしくはＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）メモリと呼ばれる、強磁性トンネル結合（ＭＴＪ）が室温で大きな磁気抵抗比（ＭＲ比）を持つことを利用した磁気メモリであり、近年のトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ：という、ＴＭＲはＴｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅの略）材料の特性向上により注目を集めるようになってきている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
ＭＴＪ構造の基本構造は２つの強磁性層の間に絶縁層を挟んだ構造で、一方の強磁性層（固定層）の磁化方向を固定し、もう一方の強磁性層（自由層）の磁化の方向が平行または反平行となることで、抵抗が大きく変化する。このような磁化の平行、反平行状態で２つの情報を記憶でき、また磁化の状態によるＴＭＲ素子の抵抗変化を利用してセルデータを読み出すことができる。書き込みは配線に流れる電流によって発生する磁界により、この自由層の磁化の向きを反転させることにより行われる。具体的には書き込みワード線とビット線により、発生する合成磁界（アステロイド曲線で表される）によって行われる。
【０００８】
ＭＲＡＭは、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記憶を行うために、書き換え回数が大であると予測されている。またアクセス時間についても、非常に高速であることが予想され、既に１００ＭＨｚで動作可能であることが報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。また、ＴＭＲ効果により高出力が得られるようになった現在では、大きく改善されてきている。
【０００９】
また、ＭＲＡＭには、構造上の本質的な課題が存在する。ＭＲＡＭにおける記憶は、配線に電流を流すことによって発生する電流磁場によって記憶層の磁化を回転させることで行っている。ところが、高集積化によって、配線が細くなるにともない、書き込み線に流すことができる臨界電流値が下がるため、得られる磁界が小さくなり、被記憶領域の保磁力を小さくせざるを得ない。これは、情報記憶装置の信頼性が低下することを意味する。また、磁界は光や電子線のように絞ることができないため、高集積化した場合にはクロストークの大きな原因になると考えられる。これを防止するためにキーパ構造等も提案されているが、構造の複雑化は避けられない。以上のように、電流磁場による書き込みには本質的に多くの課題があり、電流磁場による書き込みが将来のＭＲＡＭにおける大きな欠点になる恐れがある。
【００１０】
上述の通り、高速化・高集積化が容易という長所を有するＭＲＡＭではあるが、書き込みは、ＴＭＲ素子に近接させて設けられたビット線と書き込み用ワード線に電流を流し、その発生磁界によって行う。ＴＭＲ素子の記憶層（記憶層）の反転磁界は材料にもよるが、１．５８ｋＡ／ｍ〜１５．８ｋＡ／ｍ（２０Ｏｅ〜２００Ｏｅ）が必要であり、このときの電流は数十ｍＡになる。これは消費電流の増大につながり、素子の低寿命化、発熱、消費電力の増加という半導体素子にとってはデメリットとなることが多い。
【００１１】
例えば、図７に示すように、書き込みワード線１１１とこれに直交するビット線１１２とを設け、その交差領域に記憶素子（例えばＴＭＲ素子）１１３を設けた構造（例えば、特許文献１）では、磁化反転させるのに要する電流が上述のように大きくなってしまう。
【００１２】
この消費電流が増大する問題を解決するために、書き込みワード線およびビット線の周りを高透磁率磁性体からなる磁性層でシールドして、電流が発生する磁束を集中させる構造（以下、クラッド構造という）が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１３】
図８に磁性体層により形成されるクラッド構造を用いたＭＲＡＭの一部を簡略化した図を示す。図８に示すように、ワード線１１１の周りに対して、磁気抵抗効果型の記憶素子（例えばＴＭＲ素子）１１３側の面以外を高透磁率材料からなる第１磁性体層（フラックスガイド）１１６で覆い磁束を記憶素子１１３に集中させるようにしている。同様に、ビット線１１２の周りに対して、記憶素子１１３側の面以外を高透磁率材料からなる第２磁性体層（フラックスガイド）１１７で覆い磁束を記憶素子１１３に集中させるようにしている。このような構造を採ることで消費電流をほぼ半減できる。
【００１４】
さらに、上記第１磁性体層１１６の側壁部分を第１配線１１１の記憶素子１１３側の面よりも記憶素子１１３側に延長させた構成、および上記第２磁性体層１１７の側壁部分を第２配線１１２の記憶素子１１３側の面よりも記憶素子１１３側に延長させた構成が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【００１５】
また、高集積化という面からは、ビット線と書き込みワード線のサイズはリソグラフィ技術から決まる最小線幅に近いサイズが要求される。書き込み電流値が高くなると、エレクトロマイグレーション等の配線の信頼性が課題になる。この課題を解決するためには銅配線を用いることが有効であると考えられる。
【００１６】
【特許文献１】
特開平１１−３１７０７１号公報（第６−７頁、第１−２図）
【特許文献２】
特開２００２−２４６５６６号公報（第４頁、図６）
【特許文献３】
特願２００２−０８５０９５号明細書（第２２−２４頁および第３５−３６頁、図１および図１３）
【非特許文献１】
Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａｇｎ． ３３ （１９９７） ｐ４４９８−４５１２
【非特許文献２】
Ｒ．Ｓｃｈｅｕｅｒｌｅｉｎ ｅｔ ａｌ， ＩＳＳＣＣ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｐａｐｅｒｓ （Ｆｅｂ．２０００） ｐ１２８−１２９
【非特許文献３】
Ｍａｔｔｓｏｎ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ７７（１９９３） ｐ．１８５
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、今後のサイズ縮小化に伴い、ＴＭＲ素子の自由層の保磁力を大きくする必要があり、そのため、自由層の磁化反転をさせるのに必要な発生磁界が増大し、その結果、消費電流が増加する。したがって、さらに消費電流を低減する方法が必要となる。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた磁気記憶装置である。
【００１９】
本発明の磁気記憶装置は、第１配線と、前記第１配線と立体的に交差する第２配線と、前記第１配線と前記第２配線との交差領域に前記第２配線と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子とを備えた磁気記憶装置において、前記第１配線の両側面および前記記憶素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる第１磁性体層が形成され、前記第１磁性体層は、前記第１配線側壁に形成された部分が前記第１配線よりも前記記憶素子側に突き出した状態に形成され、前記第１磁性体層の突出した部分より前記記憶素子方向に高透磁率材料からなる第１延長部分が形成され、前記第２配線の両側面および前記記憶素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる第２磁性体層が形成され、前記第２磁性体層は、前記第２配線側壁に形成された部分が前記第２配線よりも前記記憶素子側に突き出した状態に形成され、前記第２磁性体層の突出した部分より前記記憶素子方向に前記第１磁性体層と間隔を置いて高透磁率材料からなる第２延長部分が形成されているものである。また、第１延長部分もしくは第２延長部分のいずれか一方が形成されたものである。
【００２０】
上記磁気記憶装置では、第１磁性体層は、第１配線側壁に形成された部分が第１配線よりも記憶素子側に突き出した状態に形成され、第１磁性体層の突出した部分より記憶素子方向に延長形成されていることから、記憶素子に第１配線で発生させた電流磁界を集中させることが容易になり、書き込み電流が大幅に低減できる。また本発明の構成では、従来の技術の前記図８で説明した構成のものよりも約２倍の磁束集中効果が望める。また、第２磁性体層は、第２配線側壁に形成された部分が第２配線よりも記憶素子側に突き出した状態に形成され、第２磁性体層の突出した部分より記憶素子方向に第１磁性体層と間隔を置いて延長形成されていることから、上記第１磁性体層と同様なる作用・効果が得られる。また、第２磁性体層は第１磁性体層と間隔をおいて形成されることから、第１配線と第２配線とが短絡することはない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の磁気記憶装置に係る第１実施の形態を、図１の部分破砕斜視断面図によって説明する。
【００２２】
図１に示すように、第１配線（書き込みワード線）１１と、第１配線１１と立体的に交差する第２配線（ビット線）１２とが設けられている。第１配線１１と第２配線１２との交差領域には第２配線１２と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子１３が備えられている。本実施の形態では、記憶素子１３は、選択用半導体素子１４を介して第１配線１１上に形成されていて、第２配線１２側で第２配線１２に電気的に接続されている。
【００２３】
上記第１配線１１の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面（第１配線１１の下面）には、高透磁率層からなる第１磁性体層２１が形成されている。この第１磁性体層２１は、第１配線１１側壁に形成された部分が第１配線１１上面よりも記憶素子１３側、すなわち上方に突き出した状態に形成され、かつ第１磁性体層２１の突出した部分は、その一部が記憶素子１３方向に延長形成されている。この第１延長部分２２は、記憶素子１３、後述する第２磁性体層２４、延長部分２５に接続することなく形成されている。以下、第１磁性体層２１と第１延長部分２２とを併せて第１フラックスガイドという。
【００２４】
上記第２配線１２の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面（第２配線１２の下面）には、高透磁率層からなる第２磁性体層２４が形成されている。この第２磁性体層２４は、第２配線１２側壁に形成された部分が第２配線１２上面よりも記憶素子１３側、すなわち下方に突き出した状態に形成され、かつ第２磁性体層２４の突出した部分は、その一部が記憶素子１３方向に延長形成されている。この延長形成されている第２延長部分２５は、記憶素子１３や前述する第１磁性体層２１に接続することなく形成されている。以下、第２磁性体層２４と第２延長部分２５とを併せて第２フラックスガイドという。
【００２５】
上記磁気記憶装置１では、第１磁性体層２１は、第１配線１１側壁に形成された部分が第１配線１１よりも記憶素子１３側に突き出した状態に形成され、第１磁性体層２１の突出した部分より記憶素子１３方向に第１延長部分２２が形成されていることから、記憶素子１３に第１配線１１で発生させた電流磁界を集中させることが容易になり、書き込み電流が大幅に低減できる。また本発明の構成では、従来の技術の前記図８で説明した構成のものよりも約２倍の磁束集中効果が望める。また、第２磁性体層２４は、第２配線１２側壁に形成された部分が第２配線１２よりも記憶素子１３側に突き出した状態に形成され、第２磁性体層２４の突出した部分より記憶素子１３方向に第１磁性体層２１と間隔を置いて第２延長部分２５が形成されていることから、上記第１磁性体層２１と同様なる作用・効果が得られる。また、第２磁性体層２４は第１磁性体層２１と間隔をおいて形成されることから、第１配線１１と第２配線１２とが短絡することはない。
【００２６】
上記第１磁性体層２１および上記第２磁性体層２４は、例えば軟磁性体で形成される。軟磁性体としては、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金またはニッケル鉄合金に第３元素として、例えばタンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）等を添加した合金、さらに少なくとも前記２種以上を添加した合金（ＮｉＦｅＭｏＣｕ、ＮｉＦｅＣｏＭｏ等）、鉄アルミニウム（ＦｅＡｌ）合金、フェライト合金、コバルト（Ｃｏ）系アモルファス合金、窒化鉄（ＦｅＮ）系微結晶合金、窒化コバルト（ＣｏＮ）系微結晶合金等を用いることができる。
【００２７】
次に、上記記憶素子１３の一例を説明する。上記記憶素子１３は、磁化固定層３０２、トンネル絶縁層３０３、記憶層（自由層ともいう）３０４、さらに導電性を有する保護層（キャップ層ということもある）３１３を順に積層して構成されている。そして、記憶層３０４の磁化方向が記憶素子１３の長手方向となるように、かつアスペクト比が２〜３となるように形成されている。これによりスイッチングばらつきを抑制することができる。磁化固定層３０２は、強磁性体層の単層構造であってもよく、もしくは２層以上の強磁性体層を、導電体層を挟んで積層させた構造であってもよい。また、ＴＭＲ素子と反強磁性層（図示せず）を介して直列に接続される選択用半導体素子１４との接続に、下地導電層（図示せず）を形成することも可能である。また、下地導電層を反強磁性体層によって兼ねることも可能である。
【００２８】
上記磁化固定層３０２および上記記憶層３０４は、例えば、ニッケル、鉄もしくはコバルト、またはニッケル、鉄およびコバルトのうちの少なくとも２種からなる合金のような、強磁性体からなる。上記導電体層は、例えば、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等で形成されている。上記磁化固定層３０２は、反強磁性体層（図示せず）と接する状態に形成されていて、これらの層間に働く交換相互作用によって、磁化固定層３０２は、強い一方向の磁気異方性を有している。上記反強磁性体層（図示せず）は、例えば、鉄・マンガン合金、ニッケル・マンガン合金、白金マンガン合金、イリジウム・マンガン合金、ロジウム・マンガン合金、コバルト酸化物およびニッケル酸化物のうちの１種を用いることができる。
【００２９】
上記トンネル絶縁層３０３は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、酸化窒化マグネシウムもしくは酸化窒化シリコンからなる。上記トンネル絶縁層３０３は、上記記憶層３０４と上記磁化固定層３０２との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための機能を有する。これらの磁性膜および導電体膜は、主に、スパッタリング法によって形成される。トンネル絶縁層３０３は、スパッタリング法によって形成された金属膜を酸化、窒化もしくは酸化窒化させることにより得ることができる。
【００３０】
さらに最上層には保護層３１３が形成されている。この保護層３１３は、ＴＭＲ素子１３と別のＴＭＲ素子１３とを接続する配線との相互拡散防止、接触抵抗低減および記憶層３０４の酸化防止という機能を有する。通常、銅、窒化タンタル、タンタル、窒化チタン等の材料により形成されている。
【００３１】
また、上記選択用半導体素子は、例えば、ダイオードもしくはトランジスタ（例えば、電界効果トランジスタ）で形成されている。
【００３２】
次に、本発明の磁気記憶装置に係る第２実施の形態を、図２によって説明する。図２は、（１）に平面レイアウト図を示し、（２）にＸ−Ｘ’線断面図を示し、（３）にＹ−Ｙ’線断面図を示す。
【００３３】
図２に示すように、第１配線（書き込みワード線）１１と、第１配線１１と立体的に交差する第２配線（ビット線）１２とが設けられている。第１配線１１と第２配線１２との交差領域には第２配線１２と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子１３が備えられている。第２配線１２と記憶素子１３との接続は導電性の保護層（図示せず）を介して成される。本実施の形態では、記憶素子１３は、選択用半導体素子１４を介して第１配線１１上に形成されていて、第２配線１２側で保護層３１３を介して第２配線１２に電気的に接続されている。
【００３４】
上記第１配線１１の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面（第１配線１１の下面）には、高透磁率層からなる第１磁性体層２１が形成されている。この第１磁性体層２１は、第１配線１１側壁に形成された部分が第１配線１１上面よりも記憶素子１３側に突き出した状態に形成され、かつ第１磁性体層２１の突出した部分は、その一部が上記記憶素子１３を同等の厚さを有して記憶素子１３方向に延長形成されている。この延長形成されている第１延長部分２２は、記憶素子１３や後述する第２磁性体層２４、第２延長部分２５に接続することなく形成されている。
【００３５】
上記第２配線１２の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面（第２配線１２の下面）には、高透磁率層からなる第２磁性体層２４が形成されている。この第２磁性体層２４は、第２配線１２側壁に形成された部分が第２配線１２上面よりも記憶素子１３側に突き出した状態に形成され、かつ第２磁性体層２４の突き出した部分は、その一部が上記記憶素子１３を同等の厚さを有して記憶素子１３方向に延長形成されている。この延長形成されている第２延長部分２５は、記憶素子１３や前述する第１磁性体層２１、第１延長部分２２に接続することなく形成されている。
【００３６】
上記図２によって説明した構成では、第１配線（書き込みワード線）および第２配線（ビット線）１２で発生した磁界を効率良く記憶素子（例えばＴＭＲ素子）１３近傍に集中できるようなり、前記図１によって説明した構造に比べて、磁束の強さは約２倍となる。
【００３７】
次に、本発明の磁気記憶装置に係る第２実施の形態を、図３によって説明する。図３は、（１）に平面レイアウト図を示し、（２）にＸ−Ｘ’線断面図を示し、（３）にＹ−Ｙ’線断面図を示す。
【００３８】
図３に示すように、第１配線（書き込みワード線）１１と、第１配線１１と立体的に交差する第２配線（ビット線）１２とが設けられている。第１配線１１と第２配線１２との交差領域には第２配線１２と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子１３が備えられている。第２配線１２と記憶素子１３との接続は導電性の保護層（図示せず）を介して成される。本実施の形態では、記憶素子１３は、選択用半導体素子１４を介して第１配線１１上に形成されていて、第２配線１２側で第２配線１２に電気的に接続されている。
【００３９】
上記第１配線１１の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面（第１配線１１の下面）には、高透磁率層からなる第１磁性体層２１が形成されている。この第１磁性体層２１は、第１配線１１側壁に形成された部分が第１配線１１上面よりも記憶素子１３側に突き出した状態に形成されている。この第１磁性体層２１の突出した部分には、上記記憶素子１３と対向する位置より記憶素子１３方向に向かってかつ上記記憶素子１３と隔絶した状態に、上記記憶素子１３を構成する強磁性体材料からなる固定層３０２、トンネル絶縁層３０３および強磁性体材料からなる自由層（記憶層）３０４と同一層で形成される第１延長部分２２が、その固定層３０２の部分が第１磁性体層２１の突出した部分に接続される状態で形成されている。したがって、上記固定層３０２および自由層３０４は、例えばＦｅＣｏＢで形成されている。
【００４０】
さらに、上記第２配線１２の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面（第２配線１２の下面）には、高透磁率層からなる第２磁性体層２４が形成されている。この第２磁性体層２４は、第２配線１２側壁に形成された部分が第２配線１２上面よりも記憶素子１３側に突き出した状態に形成されている。この第２磁性体層２４の突出した部分には、上記記憶素子１３と対向する位置より記憶素子１３方向に向かってかつ上記記憶素子１３と隔絶した状態に、上記記憶素子１３を構成する強磁性体材料からなる固定層３０２、トンネル絶縁層３０３および強磁性体材料からなる自由層（記憶層）３０４と同一層で形成される第２延長部分２５が、その自由層３０４の部分が第２磁性体層２４の突出した部分に接続される状態で形成されている。そして、第１延長部分２２と第２延長部分２５とは離間された状態に形成されている。
【００４１】
上記図３によって説明した構成では、第１配線（書き込みワード線）および第２配線（ビット線）１２で発生した磁界を効率良く記憶素子（例えばＴＭＲ素子）１３近傍に集中できるようなり、前記図１によって説明した構造に比べて、磁束の強さは約２倍となる。
【００４２】
上記図１乃至図３に示した構成では、記憶素子方向に形成されている延長部分２２、２５の両方を設けたが、例えばどちらか一方のみを設けることも可能である。
【００４３】
次に、前記図７に示したような配線構造と、前記図８に示したような配線構造において、記憶素子（ＴＭＲ素子）１１３の自由層の磁化方向を反転させるために必要な磁界（スイッチング磁界）を発生させるのに必要な電流のアステロイド曲線を、それぞれ図４と図５とに示す。各図面の縦軸はビット線電流を示し、横軸は書き込みワード線電流を示す。また、ＴＭＲ素子１１３と書き込みワード線までの距離をｄとした。各配線の電流値がアステロイド曲線の外側に有れば自由層はスイッチングする。したがってアステロイド曲線で囲まれる面積が小さくなるほど消費電力が小さくなることを示す。この結果を見ると、前記図７に示したような配線構造よりは前記図８に示したような配線構造の方が書き込み電流を半減できることがわかる。また、ビット線の場合も同様に書き込み電流を半減できる。つまり、各配線を高透磁率材料で覆った構造において、全体の消費電流は１／４になる。
【００４４】
次に、本発明の前記図１に示した構造のアステロイド曲線を図６に示す。図６において、丸印は前記図７に示したような配線構造を示し、正方形印はビット線のみに本発明の構成を適用した場合であり、ひし形印は書き込みワード線のみに本発明の構成を設けた場合であり、三角印は書き込みワード線およびビット線の両方に本発明の構成を適用した場合を示す。
【００４５】
図６からわかるように、書き込みワード線およびビット線の両方に本発明の構成を適用した場合には、従来構成の１／２０に書き込み電流を低減することができる。また、ビット線のみに本発明の構成を適用した場合には従来構成の１／４に書き込み電流を低減することができ、書き込みワード線のみに本発明の構成を適用した場合には従来構成の１／５に書き込み電流を低減できることがわかる。したがって、書き込みワード線のみに、もしくはビット線のみに本発明の構成を適用することも有効であることがわかる。さらに、前記図８に示したような配線構造のアステロイド曲線（前記図５）と比較した場合においても、およそ２／５に書き込み電流を低減できることがわかる。
【００４６】
また、上記第２、第３実施の形態の構造においても、ほぼ同様の書き込み電流低減の効果が得られる。従って本発明の構造を用いれば、大幅な書き込み電流低減が実現できることがわかる。また、第３実施の形態のように、記憶素子を構成する磁性材料を第１、第２フラックスガイドの延長部分に用いることにより、構成の簡単化が図れる。
【００４７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の磁気記憶装置によれば、第１磁性体層は、第１配線側壁に形成された部分が第１配線よりも記憶素子側に突き出した状態に形成され、第１磁性体層の突出した部分より記憶素子方向に延長形成されているので、記憶素子に第１配線で発生させた電流磁界を集中させることが容易になり、書き込み電流が大幅に低減できる。また、第２磁性体層は、第２配線側壁に形成された部分が第２配線よりも記憶素子側に突き出した状態に形成され、第２磁性体層の突出した部分より記憶素子方向に第１磁性体層と間隔を置いて延長形成されているので、上記第１磁性体層と同様なる作用・効果が得られる。よって、記憶素子に印加する書き込み磁界を安定に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気記憶装置に係る第１実施の形態を示す部分破砕斜視断面図である。
【図２】本発明の磁気記憶装置に係る第２実施の形態を示す図面であって、（１）は平面レイアウト図であり、（２）は（１）図中のＸ−Ｘ’線断面図であり、（３）は（１）図中のＹ−Ｙ’線断面図である。
【図３】本発明の磁気記憶装置に係る第３実施の形態を示す図面であって、（１）は平面レイアウト図であり、（２）は（１）図中のＸ−Ｘ’線断面図であり、（３）は（１）図中のＹ−Ｙ’線断面図である。
【図４】図７に示した配線構造における記憶素子（ＴＭＲ素子）の自由層の磁化方向を反転させるために必要な磁界（スイッチング磁界）を発生させるのに必要な電流のアステロイド曲線を示す図面である。
【図５】図８に示した配線構造における記憶素子（ＴＭＲ素子）の自由層の磁化方向を反転させるために必要な磁界（スイッチング磁界）を発生させるのに必要な電流のアステロイド曲線を示す図面である。
【図６】図１に示した本発明の磁気記憶装置における記憶素子（ＴＭＲ素子）の自由層の磁化方向を反転させるために必要な磁界（スイッチング磁界）を発生させるのに必要な電流のアステロイド曲線を示す図面である。
【図７】従来の磁気記憶装置を示す斜視図である。
【図８】従来のフラックスガイドを有する磁気記憶装置を示す斜視図である。である。
【符号の説明】
１…磁気記憶装置、１１…第１配線、１２…第２配線、１３…記憶素子、２１…第１磁性体層、２２…第１延長部分、２４…第２磁性体層、２５…第２延長部分
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気記憶装置に関し、詳しくは強磁性体のスピン方向が平行もしくは反平行によって抵抗値が変化することを利用して情報を記憶する不揮発性の磁気記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器の飛躍的な普及にともない、これを構成するメモリ素子やロジック素子等の素子には、高集積化、高速化、低消費電力化など、一層の高性能化が要求されている。特に不揮発性メモリはユビキタス時代に必要不可欠の素子と考えられている。
【０００３】
例えば、電源の消耗やトラブル、サーバーとネットワークが何らかの障害により切断された場合であっても、不揮発性メモリは個人の重要な情報を保護することができる。そして、不揮発性メモリの高密度化、大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディスクを置き換える技術としてますます重要になってきている。
【０００４】
また、最近の携帯機器は不要な回路ブロックをスタンバイ状態にしてでき得る限り消費電力を抑えようと設計されているが、高速ネットワークメモリと大容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリが実現できれば、消費電力とメモリとの無駄を無くすことができる。また、電源を入れると瞬時に起動できる、いわゆるインスタント・オン機能も高速の大容量不揮発性メモリが実現できれば可能になってくる。
【０００５】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などがあげられる。しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒の桁であるため遅いという欠点がある。また構造が複雑なために高集積化が困難であり、しかも、アクセス時間が１００ｎｓ程度と遅いという欠点がある。一方、ＦＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が１０１２〜１０１４回で、完全にスタティックランダムアクセスメモリやダイナミックランダムアクセスメモリに置き換えるには耐久性が低いという問題が指摘されている。また、強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという課題も指摘されている。
【０００６】
これらの欠点を有さない不揮発性メモリとして注目されているのが、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）もしくはＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）メモリと呼ばれる、強磁性トンネル結合（ＭＴＪ）が室温で大きな磁気抵抗比（ＭＲ比）を持つことを利用した磁気メモリであり、近年のトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ：という、ＴＭＲはＴｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅの略）材料の特性向上により注目を集めるようになってきている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
ＭＴＪ構造の基本構造は２つの強磁性層の間に絶縁層を挟んだ構造で、一方の強磁性層（固定層）の磁化方向を固定し、もう一方の強磁性層（自由層）の磁化の方向が平行または反平行となることで、抵抗が大きく変化する。このような磁化の平行、反平行状態で２つの情報を記憶でき、また磁化の状態によるＴＭＲ素子の抵抗変化を利用してセルデータを読み出すことができる。書き込みは配線に流れる電流によって発生する磁界により、この自由層の磁化の向きを反転させることにより行われる。具体的には書き込みワード線とビット線により、発生する合成磁界（アステロイド曲線で表される）によって行われる。
【０００８】
ＭＲＡＭは、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記憶を行うために、書き換え回数が大であると予測されている。またアクセス時間についても、非常に高速であることが予想され、既に１００ＭＨｚで動作可能であることが報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。また、ＴＭＲ効果により高出力が得られるようになった現在では、大きく改善されてきている。
【０００９】
また、ＭＲＡＭには、構造上の本質的な課題が存在する。ＭＲＡＭにおける記憶は、配線に電流を流すことによって発生する電流磁場によって記憶層の磁化を回転させることで行っている。ところが、高集積化によって、配線が細くなるにともない、書き込み線に流すことができる臨界電流値が下がるため、得られる磁界が小さくなり、被記憶領域の保磁力を小さくせざるを得ない。これは、情報記憶装置の信頼性が低下することを意味する。また、磁界は光や電子線のように絞ることができないため、高集積化した場合にはクロストークの大きな原因になると考えられる。これを防止するためにキーパ構造等も提案されているが、構造の複雑化は避けられない。以上のように、電流磁場による書き込みには本質的に多くの課題があり、電流磁場による書き込みが将来のＭＲＡＭにおける大きな欠点になる恐れがある。
【００１０】
上述の通り、高速化・高集積化が容易という長所を有するＭＲＡＭではあるが、書き込みは、ＴＭＲ素子に近接させて設けられたビット線と書き込み用ワード線に電流を流し、その発生磁界によって行う。ＴＭＲ素子の記憶層（記憶層）の反転磁界は材料にもよるが、１．５８ｋＡ／ｍ〜１５．８ｋＡ／ｍ（２０Ｏｅ〜２００Ｏｅ）が必要であり、このときの電流は数十ｍＡになる。これは消費電流の増大につながり、素子の低寿命化、発熱、消費電力の増加という半導体素子にとってはデメリットとなることが多い。
【００１１】
例えば、図７に示すように、書き込みワード線１１１とこれに直交するビット線１１２とを設け、その交差領域に記憶素子（例えばＴＭＲ素子）１１３を設けた構造（例えば、特許文献１）では、磁化反転させるのに要する電流が上述のように大きくなってしまう。
【００１２】
この消費電流が増大する問題を解決するために、書き込みワード線およびビット線の周りを高透磁率磁性体からなる磁性層でシールドして、電流が発生する磁束を集中させる構造（以下、クラッド構造という）が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１３】
図８に磁性体層により形成されるクラッド構造を用いたＭＲＡＭの一部を簡略化した図を示す。図８に示すように、ワード線１１１の周りに対して、磁気抵抗効果型の記憶素子（例えばＴＭＲ素子）１１３側の面以外を高透磁率材料からなる第１磁性体層（フラックスガイド）１１６で覆い磁束を記憶素子１１３に集中させるようにしている。同様に、ビット線１１２の周りに対して、記憶素子１１３側の面以外を高透磁率材料からなる第２磁性体層（フラックスガイド）１１７で覆い磁束を記憶素子１１３に集中させるようにしている。このような構造を採ることで消費電流をほぼ半減できる。
【００１４】
さらに、上記第１磁性体層１１６の側壁部分を第１配線１１１の記憶素子１１３側の面よりも記憶素子１１３側に延長させた構成、および上記第２磁性体層１１７の側壁部分を第２配線１１２の記憶素子１１３側の面よりも記憶素子１１３側に延長させた構成が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【００１５】
また、高集積化という面からは、ビット線と書き込みワード線のサイズはリソグラフィ技術から決まる最小線幅に近いサイズが要求される。書き込み電流値が高くなると、エレクトロマイグレーション等の配線の信頼性が課題になる。この課題を解決するためには銅配線を用いることが有効であると考えられる。
【００１６】
【特許文献１】
特開平１１−３１７０７１号公報（第６−７頁、第１−２図）
【特許文献２】
特開２００２−２４６５６６号公報（第４頁、図６）
【特許文献３】
特願２００２−０８５０９５号明細書（第２２−２４頁および第３５−３６頁、図１および図１３）
【非特許文献１】
Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａｇｎ． ３３ （１９９７） ｐ４４９８−４５１２
【非特許文献２】
Ｒ．Ｓｃｈｅｕｅｒｌｅｉｎ ｅｔ ａｌ， ＩＳＳＣＣ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｐａｐｅｒｓ （Ｆｅｂ．２０００） ｐ１２８−１２９
【非特許文献３】
Ｍａｔｔｓｏｎ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ７７（１９９３） ｐ．１８５
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、今後のサイズ縮小化に伴い、ＴＭＲ素子の自由層の保磁力を大きくする必要があり、そのため、自由層の磁化反転をさせるのに必要な発生磁界が増大し、その結果、消費電流が増加する。したがって、さらに消費電流を低減する方法が必要となる。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた磁気記憶装置である。
【００１９】
本発明の磁気記憶装置は、第１配線と、前記第１配線と立体的に交差する第２配線と、前記第１配線と前記第２配線との交差領域に前記第２配線と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子とを備えた磁気記憶装置において、前記第１配線の両側面および前記記憶素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる第１磁性体層が形成され、前記第１磁性体層は、前記第１配線側壁に形成された部分が前記第１配線よりも前記記憶素子側に突き出した状態に形成され、前記第１磁性体層の突出した部分より前記記憶素子方向に高透磁率材料からなる第１延長部分が形成され、前記第２配線の両側面および前記記憶素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる第２磁性体層が形成され、前記第２磁性体層は、前記第２配線側壁に形成された部分が前記第２配線よりも前記記憶素子側に突き出した状態に形成され、前記第２磁性体層の突出した部分より前記記憶素子方向に前記第１磁性体層と間隔を置いて高透磁率材料からなる第２延長部分が形成されているものである。また、第１延長部分もしくは第２延長部分のいずれか一方が形成されたものである。
【００２０】
上記磁気記憶装置では、第１磁性体層は、第１配線側壁に形成された部分が第１配線よりも記憶素子側に突き出した状態に形成され、第１磁性体層の突出した部分より記憶素子方向に延長形成されていることから、記憶素子に第１配線で発生させた電流磁界を集中させることが容易になり、書き込み電流が大幅に低減できる。また本発明の構成では、従来の技術の前記図８で説明した構成のものよりも約２倍の磁束集中効果が望める。また、第２磁性体層は、第２配線側壁に形成された部分が第２配線よりも記憶素子側に突き出した状態に形成され、第２磁性体層の突出した部分より記憶素子方向に第１磁性体層と間隔を置いて延長形成されていることから、上記第１磁性体層と同様なる作用・効果が得られる。また、第２磁性体層は第１磁性体層と間隔をおいて形成されることから、第１配線と第２配線とが短絡することはない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の磁気記憶装置に係る第１実施の形態を、図１の部分破砕斜視断面図によって説明する。
【００２２】
図１に示すように、第１配線（書き込みワード線）１１と、第１配線１１と立体的に交差する第２配線（ビット線）１２とが設けられている。第１配線１１と第２配線１２との交差領域には第２配線１２と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子１３が備えられている。本実施の形態では、記憶素子１３は、選択用半導体素子１４を介して第１配線１１上に形成されていて、第２配線１２側で第２配線１２に電気的に接続されている。
【００２３】
上記第１配線１１の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面（第１配線１１の下面）には、高透磁率層からなる第１磁性体層２１が形成されている。この第１磁性体層２１は、第１配線１１側壁に形成された部分が第１配線１１上面よりも記憶素子１３側、すなわち上方に突き出した状態に形成され、かつ第１磁性体層２１の突出した部分は、その一部が記憶素子１３方向に延長形成されている。この第１延長部分２２は、記憶素子１３、後述する第２磁性体層２４、延長部分２５に接続することなく形成されている。以下、第１磁性体層２１と第１延長部分２２とを併せて第１フラックスガイドという。
【００２４】
上記第２配線１２の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面（第２配線１２の下面）には、高透磁率層からなる第２磁性体層２４が形成されている。この第２磁性体層２４は、第２配線１２側壁に形成された部分が第２配線１２上面よりも記憶素子１３側、すなわち下方に突き出した状態に形成され、かつ第２磁性体層２４の突出した部分は、その一部が記憶素子１３方向に延長形成されている。この延長形成されている第２延長部分２５は、記憶素子１３や前述する第１磁性体層２１に接続することなく形成されている。以下、第２磁性体層２４と第２延長部分２５とを併せて第２フラックスガイドという。
【００２５】
上記磁気記憶装置１では、第１磁性体層２１は、第１配線１１側壁に形成された部分が第１配線１１よりも記憶素子１３側に突き出した状態に形成され、第１磁性体層２１の突出した部分より記憶素子１３方向に第１延長部分２２が形成されていることから、記憶素子１３に第１配線１１で発生させた電流磁界を集中させることが容易になり、書き込み電流が大幅に低減できる。また本発明の構成では、従来の技術の前記図８で説明した構成のものよりも約２倍の磁束集中効果が望める。また、第２磁性体層２４は、第２配線１２側壁に形成された部分が第２配線１２よりも記憶素子１３側に突き出した状態に形成され、第２磁性体層２４の突出した部分より記憶素子１３方向に第１磁性体層２１と間隔を置いて第２延長部分２５が形成されていることから、上記第１磁性体層２１と同様なる作用・効果が得られる。また、第２磁性体層２４は第１磁性体層２１と間隔をおいて形成されることから、第１配線１１と第２配線１２とが短絡することはない。
【００２６】
上記第１磁性体層２１および上記第２磁性体層２４は、例えば軟磁性体で形成される。軟磁性体としては、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金またはニッケル鉄合金に第３元素として、例えばタンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）等を添加した合金、さらに少なくとも前記２種以上を添加した合金（ＮｉＦｅＭｏＣｕ、ＮｉＦｅＣｏＭｏ等）、鉄アルミニウム（ＦｅＡｌ）合金、フェライト合金、コバルト（Ｃｏ）系アモルファス合金、窒化鉄（ＦｅＮ）系微結晶合金、窒化コバルト（ＣｏＮ）系微結晶合金等を用いることができる。
【００２７】
次に、上記記憶素子１３の一例を説明する。上記記憶素子１３は、磁化固定層３０２、トンネル絶縁層３０３、記憶層（自由層ともいう）３０４、さらに導電性を有する保護層（キャップ層ということもある）３１３を順に積層して構成されている。そして、記憶層３０４の磁化方向が記憶素子１３の長手方向となるように、かつアスペクト比が２〜３となるように形成されている。これによりスイッチングばらつきを抑制することができる。磁化固定層３０２は、強磁性体層の単層構造であってもよく、もしくは２層以上の強磁性体層を、導電体層を挟んで積層させた構造であってもよい。また、ＴＭＲ素子と反強磁性層（図示せず）を介して直列に接続される選択用半導体素子１４との接続に、下地導電層（図示せず）を形成することも可能である。また、下地導電層を反強磁性体層によって兼ねることも可能である。
【００２８】
上記磁化固定層３０２および上記記憶層３０４は、例えば、ニッケル、鉄もしくはコバルト、またはニッケル、鉄およびコバルトのうちの少なくとも２種からなる合金のような、強磁性体からなる。上記導電体層は、例えば、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等で形成されている。上記磁化固定層３０２は、反強磁性体層（図示せず）と接する状態に形成されていて、これらの層間に働く交換相互作用によって、磁化固定層３０２は、強い一方向の磁気異方性を有している。上記反強磁性体層（図示せず）は、例えば、鉄・マンガン合金、ニッケル・マンガン合金、白金マンガン合金、イリジウム・マンガン合金、ロジウム・マンガン合金、コバルト酸化物およびニッケル酸化物のうちの１種を用いることができる。
【００２９】
上記トンネル絶縁層３０３は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、酸化窒化マグネシウムもしくは酸化窒化シリコンからなる。上記トンネル絶縁層３０３は、上記記憶層３０４と上記磁化固定層３０２との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための機能を有する。これらの磁性膜および導電体膜は、主に、スパッタリング法によって形成される。トンネル絶縁層３０３は、スパッタリング法によって形成された金属膜を酸化、窒化もしくは酸化窒化させることにより得ることができる。
【００３０】
さらに最上層には保護層３１３が形成されている。この保護層３１３は、ＴＭＲ素子１３と別のＴＭＲ素子１３とを接続する配線との相互拡散防止、接触抵抗低減および記憶層３０４の酸化防止という機能を有する。通常、銅、窒化タンタル、タンタル、窒化チタン等の材料により形成されている。
【００３１】
また、上記選択用半導体素子は、例えば、ダイオードもしくはトランジスタ（例えば、電界効果トランジスタ）で形成されている。
【００３２】
次に、本発明の磁気記憶装置に係る第２実施の形態を、図２によって説明する。図２は、（１）に平面レイアウト図を示し、（２）にＸ−Ｘ’線断面図を示し、（３）にＹ−Ｙ’線断面図を示す。
【００３３】
図２に示すように、第１配線（書き込みワード線）１１と、第１配線１１と立体的に交差する第２配線（ビット線）１２とが設けられている。第１配線１１と第２配線１２との交差領域には第２配線１２と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子１３が備えられている。第２配線１２と記憶素子１３との接続は導電性の保護層（図示せず）を介して成される。本実施の形態では、記憶素子１３は、選択用半導体素子１４を介して第１配線１１上に形成されていて、第２配線１２側で保護層３１３を介して第２配線１２に電気的に接続されている。
【００３４】
上記第１配線１１の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面（第１配線１１の下面）には、高透磁率層からなる第１磁性体層２１が形成されている。この第１磁性体層２１は、第１配線１１側壁に形成された部分が第１配線１１上面よりも記憶素子１３側に突き出した状態に形成され、かつ第１磁性体層２１の突出した部分は、その一部が上記記憶素子１３を同等の厚さを有して記憶素子１３方向に延長形成されている。この延長形成されている第１延長部分２２は、記憶素子１３や後述する第２磁性体層２４、第２延長部分２５に接続することなく形成されている。
【００３５】
上記第２配線１２の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面（第２配線１２の下面）には、高透磁率層からなる第２磁性体層２４が形成されている。この第２磁性体層２４は、第２配線１２側壁に形成された部分が第２配線１２上面よりも記憶素子１３側に突き出した状態に形成され、かつ第２磁性体層２４の突き出した部分は、その一部が上記記憶素子１３を同等の厚さを有して記憶素子１３方向に延長形成されている。この延長形成されている第２延長部分２５は、記憶素子１３や前述する第１磁性体層２１、第１延長部分２２に接続することなく形成されている。
【００３６】
上記図２によって説明した構成では、第１配線（書き込みワード線）および第２配線（ビット線）１２で発生した磁界を効率良く記憶素子（例えばＴＭＲ素子）１３近傍に集中できるようなり、前記図１によって説明した構造に比べて、磁束の強さは約２倍となる。
【００３７】
次に、本発明の磁気記憶装置に係る第２実施の形態を、図３によって説明する。図３は、（１）に平面レイアウト図を示し、（２）にＸ−Ｘ’線断面図を示し、（３）にＹ−Ｙ’線断面図を示す。
【００３８】
図３に示すように、第１配線（書き込みワード線）１１と、第１配線１１と立体的に交差する第２配線（ビット線）１２とが設けられている。第１配線１１と第２配線１２との交差領域には第２配線１２と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子１３が備えられている。第２配線１２と記憶素子１３との接続は導電性の保護層（図示せず）を介して成される。本実施の形態では、記憶素子１３は、選択用半導体素子１４を介して第１配線１１上に形成されていて、第２配線１２側で第２配線１２に電気的に接続されている。
【００３９】
上記第１配線１１の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面（第１配線１１の下面）には、高透磁率層からなる第１磁性体層２１が形成されている。この第１磁性体層２１は、第１配線１１側壁に形成された部分が第１配線１１上面よりも記憶素子１３側に突き出した状態に形成されている。この第１磁性体層２１の突出した部分には、上記記憶素子１３と対向する位置より記憶素子１３方向に向かってかつ上記記憶素子１３と隔絶した状態に、上記記憶素子１３を構成する強磁性体材料からなる固定層３０２、トンネル絶縁層３０３および強磁性体材料からなる自由層（記憶層）３０４と同一層で形成される第１延長部分２２が、その固定層３０２の部分が第１磁性体層２１の突出した部分に接続される状態で形成されている。したがって、上記固定層３０２および自由層３０４は、例えばＦｅＣｏＢで形成されている。
【００４０】
さらに、上記第２配線１２の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面（第２配線１２の下面）には、高透磁率層からなる第２磁性体層２４が形成されている。この第２磁性体層２４は、第２配線１２側壁に形成された部分が第２配線１２上面よりも記憶素子１３側に突き出した状態に形成されている。この第２磁性体層２４の突出した部分には、上記記憶素子１３と対向する位置より記憶素子１３方向に向かってかつ上記記憶素子１３と隔絶した状態に、上記記憶素子１３を構成する強磁性体材料からなる固定層３０２、トンネル絶縁層３０３および強磁性体材料からなる自由層（記憶層）３０４と同一層で形成される第２延長部分２５が、その自由層３０４の部分が第２磁性体層２４の突出した部分に接続される状態で形成されている。そして、第１延長部分２２と第２延長部分２５とは離間された状態に形成されている。
【００４１】
上記図３によって説明した構成では、第１配線（書き込みワード線）および第２配線（ビット線）１２で発生した磁界を効率良く記憶素子（例えばＴＭＲ素子）１３近傍に集中できるようなり、前記図１によって説明した構造に比べて、磁束の強さは約２倍となる。
【００４２】
上記図１乃至図３に示した構成では、記憶素子方向に形成されている延長部分２２、２５の両方を設けたが、例えばどちらか一方のみを設けることも可能である。
【００４３】
次に、前記図７に示したような配線構造と、前記図８に示したような配線構造において、記憶素子（ＴＭＲ素子）１１３の自由層の磁化方向を反転させるために必要な磁界（スイッチング磁界）を発生させるのに必要な電流のアステロイド曲線を、それぞれ図４と図５とに示す。各図面の縦軸はビット線電流を示し、横軸は書き込みワード線電流を示す。また、ＴＭＲ素子１１３と書き込みワード線までの距離をｄとした。各配線の電流値がアステロイド曲線の外側に有れば自由層はスイッチングする。したがってアステロイド曲線で囲まれる面積が小さくなるほど消費電力が小さくなることを示す。この結果を見ると、前記図７に示したような配線構造よりは前記図８に示したような配線構造の方が書き込み電流を半減できることがわかる。また、ビット線の場合も同様に書き込み電流を半減できる。つまり、各配線を高透磁率材料で覆った構造において、全体の消費電流は１／４になる。
【００４４】
次に、本発明の前記図１に示した構造のアステロイド曲線を図６に示す。図６において、丸印は前記図７に示したような配線構造を示し、正方形印はビット線のみに本発明の構成を適用した場合であり、ひし形印は書き込みワード線のみに本発明の構成を設けた場合であり、三角印は書き込みワード線およびビット線の両方に本発明の構成を適用した場合を示す。
【００４５】
図６からわかるように、書き込みワード線およびビット線の両方に本発明の構成を適用した場合には、従来構成の１／２０に書き込み電流を低減することができる。また、ビット線のみに本発明の構成を適用した場合には従来構成の１／４に書き込み電流を低減することができ、書き込みワード線のみに本発明の構成を適用した場合には従来構成の１／５に書き込み電流を低減できることがわかる。したがって、書き込みワード線のみに、もしくはビット線のみに本発明の構成を適用することも有効であることがわかる。さらに、前記図８に示したような配線構造のアステロイド曲線（前記図５）と比較した場合においても、およそ２／５に書き込み電流を低減できることがわかる。
【００４６】
また、上記第２、第３実施の形態の構造においても、ほぼ同様の書き込み電流低減の効果が得られる。従って本発明の構造を用いれば、大幅な書き込み電流低減が実現できることがわかる。また、第３実施の形態のように、記憶素子を構成する磁性材料を第１、第２フラックスガイドの延長部分に用いることにより、構成の簡単化が図れる。
【００４７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の磁気記憶装置によれば、第１磁性体層は、第１配線側壁に形成された部分が第１配線よりも記憶素子側に突き出した状態に形成され、第１磁性体層の突出した部分より記憶素子方向に延長形成されているので、記憶素子に第１配線で発生させた電流磁界を集中させることが容易になり、書き込み電流が大幅に低減できる。また、第２磁性体層は、第２配線側壁に形成された部分が第２配線よりも記憶素子側に突き出した状態に形成され、第２磁性体層の突出した部分より記憶素子方向に第１磁性体層と間隔を置いて延長形成されているので、上記第１磁性体層と同様なる作用・効果が得られる。よって、記憶素子に印加する書き込み磁界を安定に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気記憶装置に係る第１実施の形態を示す部分破砕斜視断面図である。
【図２】本発明の磁気記憶装置に係る第２実施の形態を示す図面であって、（１）は平面レイアウト図であり、（２）は（１）図中のＸ−Ｘ’線断面図であり、（３）は（１）図中のＹ−Ｙ’線断面図である。
【図３】本発明の磁気記憶装置に係る第３実施の形態を示す図面であって、（１）は平面レイアウト図であり、（２）は（１）図中のＸ−Ｘ’線断面図であり、（３）は（１）図中のＹ−Ｙ’線断面図である。
【図４】図７に示した配線構造における記憶素子（ＴＭＲ素子）の自由層の磁化方向を反転させるために必要な磁界（スイッチング磁界）を発生させるのに必要な電流のアステロイド曲線を示す図面である。
【図５】図８に示した配線構造における記憶素子（ＴＭＲ素子）の自由層の磁化方向を反転させるために必要な磁界（スイッチング磁界）を発生させるのに必要な電流のアステロイド曲線を示す図面である。
【図６】図１に示した本発明の磁気記憶装置における記憶素子（ＴＭＲ素子）の自由層の磁化方向を反転させるために必要な磁界（スイッチング磁界）を発生させるのに必要な電流のアステロイド曲線を示す図面である。
【図７】従来の磁気記憶装置を示す斜視図である。
【図８】従来のフラックスガイドを有する磁気記憶装置を示す斜視図である。である。
【符号の説明】
１…磁気記憶装置、１１…第１配線、１２…第２配線、１３…記憶素子、２１…第１磁性体層、２２…第１延長部分、２４…第２磁性体層、２５…第２延長部分
Claims (6)
- 第１配線と、
前記第１配線と立体的に交差する第２配線と、
前記第１配線と前記第２配線との交差領域に前記第２配線と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子とを備えた磁気記憶装置において、
前記第１配線の両側面および前記記憶素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる第１磁性体層が形成され、
前記第１磁性体層は、前記第１配線側壁に形成された部分が前記第１配線よりも前記記憶素子側に突き出した状態に形成され、
前記第１磁性体層の突出した部分より前記記憶素子方向に前記記憶素子と間隔を置いて高透磁率材料からなる第１延長部分が形成され、
前記第２配線の両側面および前記記憶素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる第２磁性体層が形成され、
前記第２磁性体層は、前記第２配線側壁に形成された部分が前記第２配線よりも前記記憶素子側に突き出した状態に形成され、
前記第２磁性体層の突出した部分より前記記憶素子方向に前記第１磁性体層および前記記憶素子と間隔を置いて高透磁率材料からなる第２延長部分が形成されている
ことを特徴とする磁気記憶装置。 - 前記記憶素子は、前記第１配線と選択用半導体素子を介して接続される
ことを特徴とする請求項１記載の磁気記憶装置。 - 前記記憶素子は、トンネル絶縁層を強磁性体層で挟んで構成されるトンネル磁気抵抗素子からなり、
前記第１磁性体層の延長形成部分は前記トンネル磁気抵抗素子の前記第１配線側に形成される強磁性体層と同一層で形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の磁気記憶装置。 - 前記記憶素子は、トンネル絶縁層を強磁性体層で挟んで構成されるトンネル磁気抵抗素子からなり、
前記第２磁性体層の延長形成部分は前記トンネル磁気抵抗素子の前記第２配線側に形成される強磁性体層と同一層で形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の磁気記憶装置。 - 第１配線と、
前記第１配線と立体的に交差する第２配線と、
前記第１配線と前記第２配線との交差領域に前記第２配線と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子とを備えた磁気記憶装置において、
前記第１配線の両側面および前記記憶素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる磁性体層が形成され、
前記磁性体層は、前記第１配線側壁に形成された部分が前記第１配線よりも前記記憶素子側に突き出した状態に形成され、
前記磁性体層の突出した部分より前記記憶素子方向に前記記憶素子と間隔を置いて高透磁率材料からなる延長部分が形成されている
ことを特徴とする磁気記憶装置。 - 第１配線と、
前記第１配線と立体的に交差する第２配線と、
前記第１配線と前記第２配線との交差領域に前記第２配線と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子とを備えた磁気記憶装置において、
前記第２配線の両側面および前記記憶素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる磁性体層が形成され、
前記磁性体層は、前記第２配線側壁に形成された部分が前記第２配線よりも前記記憶素子側に突き出した状態に形成され、
前記磁性体層の突出した部分より前記記憶素子方向に前記記憶素子と間隔を置いて高透磁率材料からなる延長部分が形成されている
ことを特徴とする磁気記憶装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003030340A JP2004241672A (ja) | 2003-02-07 | 2003-02-07 | 磁気記憶装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003030340A JP2004241672A (ja) | 2003-02-07 | 2003-02-07 | 磁気記憶装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004241672A true JP2004241672A (ja) | 2004-08-26 |
Family
ID=32957257
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003030340A Abandoned JP2004241672A (ja) | 2003-02-07 | 2003-02-07 | 磁気記憶装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004241672A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007311604A (ja) * | 2006-05-19 | 2007-11-29 | Tdk Corp | 磁気記憶装置 |
| US7535755B2 (en) | 2006-03-30 | 2009-05-19 | Fujitsu Limited | Magnetic memory device and method for fabricating the same |
| JP2011233916A (ja) * | 2004-11-12 | 2011-11-17 | Spansion Llc | 他の素子の処理の間のメモリセルの活性層の保護 |
-
2003
- 2003-02-07 JP JP2003030340A patent/JP2004241672A/ja not_active Abandoned
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|---|---|---|---|---|
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| US7535755B2 (en) | 2006-03-30 | 2009-05-19 | Fujitsu Limited | Magnetic memory device and method for fabricating the same |
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