JP2005109200A - Magnetroresistive effect element, magnetic memory cell and magnetic random access memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ装置(MRAM:Magnetic Random Access Memory)に関するものであり、特に、磁気抵抗効果素子に磁気情報を書き込むための構成に特徴のある磁気抵抗効果素子、磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ装置に関するものである。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element, a magnetic memory cell, and a magnetic random access memory (MRAM), and more particularly, a magnetic characteristic of a configuration for writing magnetic information in the magnetoresistive effect element. The present invention relates to a resistance effect element, a magnetic memory cell, and a magnetic random access memory device.
MRAMは、多層磁性構造に電流を流して、磁性体における電子のスピンの向きによって抵抗値が変化することを利用したメモリデバイスであり、DRAM並の集積度及び高速性を持ち、不揮発で無制限に書き換え可能なメモリである。 An MRAM is a memory device that utilizes the fact that a resistance value changes depending on the direction of spin of electrons in a magnetic material by passing an electric current through a multilayer magnetic structure. It has the same degree of integration and high speed as a DRAM, and is non-volatile and unlimited. It is a rewritable memory.
この場合、メモリセルを構成する多層磁性構造としてはGMR(Giant Magneto Resistive)素子或いはMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子が検討されている(例えば、特許文献1或いは特許文献2参照)が、MRAMには大きな抵抗変化が要求されているため、研究開発には主にMTJ素子構造が用いられているので、ここで、図12及び図13を参照して従来のMRAMの一例を説明する。
In this case, a GMR (Giant Magneto Resistive) element or an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element has been studied as a multilayer magnetic structure constituting the memory cell (see, for example,
図12参照
図12は従来のMRAMを構成するメモリセルの概略的断面図であり、まず、n型シリコン基板11の所定領域にp型ウエル領域12を形成するとともに、n型シリコン基板11を選択酸化することによって素子分離酸化膜13を形成したのち、素子形成領域にゲート絶縁膜14を介して読み出しワード線となるWSiからなるゲート電極15を形成し、このゲート電極15をマスクとしてAs等のイオンを注入することによってn- 型LDD(Lightly Doped Drain)領域16を形成する。
See FIG.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a memory cell constituting a conventional MRAM. First, a p-
次いで、全面にSiO2 膜等を堆積させ、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール17を形成したのち、再び、As等をイオン注入することによってn+ 型ドレイン領域18及びn+ 型ソース領域19を形成し、次いで、TEOS(Tetra−Ethyl−Ortho−Silicate)−NSG膜等の厚いSiO2 膜等からなる第1層間絶縁膜20を形成したのち、n+ 型ドレイン領域18及びn+ 型ソース領域19に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをWで埋め込むことによってWプラグ21、22を形成する。
Next, a SiO 2 film or the like is deposited on the entire surface, and anisotropic etching is performed to form the
次いで、全面にTi/TiN/Al/Ti/TiNを堆積させたのちパターニングすることによって、接続導体23及びソース配線層24を形成したのち、再び、TEOS−NSG膜等の厚いSiO2 膜等からなる第2層間絶縁膜25を形成し、次いで、接続導体23に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをWで埋め込むことによってWプラグ26を形成する。
Next, Ti / TiN / Al / Ti / TiN is deposited on the entire surface and then patterned to form the
次いで、再び、全面にTi/TiN/Al/Ti/TiNを堆積させたのちパターニングすることによって、接続導体51と書込み用ワード線52を形成したのち、再び、TEOS−NSG膜等の薄いSiO2 膜等からなる第3層間絶縁膜53を形成し、次いで、接続導体51に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをTi/TiNを介してWで埋め込むことによってWプラグ54を形成する。
Next, Ti / TiN / Al / Ti / TiN is again deposited on the entire surface and then patterned to form the
次いで、再び、全面にAlを堆積させたのちパターニングすることによって、下部電極55を形成したのち、再び、TEOS−NSG膜等の薄いSiO2 膜等からなる第4層間絶縁膜56を堆積させ、次いで、下部電極55が露出するまでCMP(化学機械研磨)して平坦化する。
Next, Al is deposited again on the entire surface and then patterned to form the
次いで、全面にTa下地層57、NiFeフリー層58、Al2 O3 からなるトンネル絶縁層59、CoFeピンド層60、IrMnピン層61、Taキャップ層62を順次堆積させたのち、イオンミリングを施すことによって例えば、0.15μm×0.1μmの大きさのMTJ素子63を形成する。
この場合、MTJ素子63をビット線方向に長い長方形にしているため、NiFeフリー層58のスピン方向はビット線の延在方向に向くのが容易になる。
Next, a
In this case, since the
次いで、再び、TEOS−NSG膜等の薄いSiO2 膜等からなる第5層間絶縁膜64を堆積させたのち、Taキャップ層62が露出するまでCMPして平坦化する。
Next, a fifth interlayer
次いで、全面に、Ti/TiN/Al/Ti/TiN構造の多層導電層を堆積させたのち、書込み用ワード線52と直交する方向に延在するようにパターニングしてビット線65を形成することによって、MRAMの基本構造が完成する。
Next, a multilayer conductive layer having a Ti / TiN / Al / Ti / TiN structure is deposited on the entire surface, and then patterned to extend in a direction orthogonal to the
図13参照
図13は、このようなMRAMを構成するメモリセルの等価回路図であり、書込み用ワード線52とビット線65との交差点にMTJ素子63が配置され、ソース配線層24は接地したプレート線66に接続される。
See FIG.
FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of a memory cell constituting such an MRAM. An
図14参照
図14は、MRAMの書込原理の説明図であり、MTJ素子63への書込みは、ビット線65と書込み用ワード線52とに電流を流し、発生する磁界がNiFeフリー層58のスピン方向を決定することにより行なわれ、CoFeピンド層60と同方向、または逆方向によって“1”または“0”のデータが書き込まれる。
See FIG.
FIG. 14 is an explanatory diagram of the writing principle of the MRAM. In writing to the
即ち、ビット線65と書込み用ワード線52とに同時に電流を流し、生成した合成磁界によって選択及び書き込みを行う。
この場合、NiFeフリー層58は、磁気的異方性(異方性磁界:Hk )が生じるように、長方形になっているため、NiFeフリー層58の磁化方向は、異方性により長方形の長手方向が安定方向(easy方向)となる。
That is, a current is simultaneously supplied to the
In this case, since the NiFe
このため、easy方向に向いた磁化は、磁化方向の反転に必要な磁界(スイッチング磁界)が掛からない限り安定であり、ビット線65或いは書込み用ワード線51の一方のみに電流が流されてもMTJ素子63には書き込みは行われない。
For this reason, the magnetization directed in the easy direction is stable as long as a magnetic field (switching magnetic field) necessary for reversing the magnetization direction is not applied, and even if a current is passed through only one of the
この様なメモリ素子の磁化方向を選択し反転させる方法として、Hard方向(短手方向)に磁界を掛けながらeasy方向に記録用磁界を掛ける方法がある。
書込み用ワード線51に流す書き込み電流Iy によりHard方向に磁界Hy を掛けることにより、磁化方向の回転に必要なエネルギー障壁が下げられる。
この時に同時にビット線65に流す書き込み電流Ix によりeasy方向Hx に磁界を印加すると、選択された素子のみの磁化方向がeasy方向(Hx )に向いて書込が行われる。
As a method of selecting and reversing the magnetization direction of such a memory element, there is a method of applying a recording magnetic field in the easy direction while applying a magnetic field in the Hard direction (short direction).
By applying a magnetic field H y in Hard direction by the write current I y to be supplied to the
The application of a magnetic field by the write current I x in easy direction H x flowing in the
図15参照
図15は書き込みの閾値を示すアステロイド曲線あり、下記の式(1)で表される。
Hx2/3+Hy2/3=Hk2/3 ・・・(1)
プログラムは閾値を超える組み合わせで行われ、閾値の内側にある磁界の組み合わせではプログラムは行われず、外側の磁化の組み合わせでプログラムが行われる。
See FIG.
FIG. 15 shows an asteroid curve indicating a writing threshold, which is represented by the following formula (1).
Hx 2/3 + Hy 2/3 = Hk 2/3 (1)
The program is performed with a combination exceeding the threshold value, and the program is not performed with the combination of magnetic fields inside the threshold value, and the program is performed with the combination of the outer magnetizations.
一方、MTJ素子63からの読み出しは、選択したMTJ素子63のNiFeフリー層58とCoFeピンド層60の間に電圧を印加し、かつ読み出しワード線であるゲート電極15に電圧をかけてアクセストランジスタをオンし、流れ込む電流を読み取ることにより行なわれる。
On the other hand, in reading from the
この場合、MTJにおけるトンネル確率 (トンネル抵抗) は、両側の磁性層の磁化状態に依存することが知られており、磁場によってトンネル抵抗をコントロールできる。
即ち、NiFeフリー層58とCoFeピンド層60の磁化の相対角度をθとすると、トンネル抵抗Rは、
R=Rs +0.5ΔR(1−cosθ) ・・・(2)
で表される。
In this case, it is known that the tunnel probability (tunnel resistance) in the MTJ depends on the magnetization states of the magnetic layers on both sides, and the tunnel resistance can be controlled by a magnetic field.
That is, when the relative angle of magnetization of the NiFe
R = R s + 0.5ΔR (1−cos θ) (2)
It is represented by
したがって、両磁性層の磁化の角度がそろっている時(θ=0 °)にはトンネル抵抗が小さく(R=Rs )となり、両磁性層の磁化が反対向き(θ=180°)のときにはトンネル抵抗が大きくなる(R=Rs +ΔR)。 Therefore, when the magnetization angles of both magnetic layers are aligned (θ = 0 °), the tunnel resistance is small (R = R s ), and when the magnetizations of both magnetic layers are in opposite directions (θ = 180 °). The tunnel resistance increases (R = R s + ΔR).
これは、強磁性体内部の電子が分極していることに起因するためである。
即ち、電子は通常、上向きのスピン状態のもの(up電子)と下向きのスピン状態のもの(down電子)が存在するが、通常の非磁性金属内部の電子は、両電子は同数だけ存在するため、全体として磁性を持たない。
This is because the electrons inside the ferromagnetic material are polarized.
That is, there are usually electrons in the upward spin state (up electrons) and those in the downward spin state (down electrons), but there are the same number of both electrons inside a normal nonmagnetic metal. It has no magnetism as a whole.
一方、強磁性体内部の電子は、up電子数(Nup)とdown電子数(Ndown)が異なるために、全体としてupもしくはdownの磁性を持つ。
電子がトンネルする場合、これらの電子は、それぞれのスピン状態を保ったままトンネルすることが知られており、トンネル先の電子状態に空きがあれば、トンネルが可能であるが、トンネル先の電子状態に空きがなければ、電子はトンネルできないことになる。
On the other hand, the electrons inside the ferromagnet have up or down magnetism as a whole because the number of up electrons (N up ) and the number of down electrons (N down ) are different.
When electrons tunnel, these electrons are known to tunnel while maintaining their respective spin states. If there is a vacancy in the electron state of the tunnel destination, tunneling is possible. If there is no space in the state, electrons cannot tunnel.
したがって、トンネル抵抗の変化率は、電子源の偏極率と、トンネル先の偏極率の積で表され、トンネル抵抗の変化率ΔR/Rs は、
ΔR/Rs =2×P1 ×P2 /(1−P1 ×P2 ) ・・・(3)
で表される。
なお、P1 ,P2 は両磁性層の分極率であり、
P=2(Nup−Ndown)/(Nup+Ndown) ・・・(4)
で表される。
Therefore, the change rate of the tunnel resistance is represented by the product of the polarization rate of the electron source and the polarization rate of the tunnel destination, and the change rate ΔR / R s of the tunnel resistance is
ΔR / R s = 2 × P 1 × P 2 / (1−P 1 × P 2 ) (3)
It is represented by
P 1 and P 2 are polarizabilities of both magnetic layers,
P = 2 (N up −N down ) / (N up + N down ) (4)
It is represented by
この分極率Pは、強磁性金属の種類に依存するものであり、例えば、NiFe、Co、CoFe分極率は各々0.3,0.34,0.46であり、理論的には、各々約20%,26%.54%の磁気抵抗変化率(MR ratio)が期待できる。
このMTJにおけるMR ratioの値は、上述のように異方性磁気抵抗効果(AMR)や、巨大磁気抵抗効果(GMR)よりも大きい。
The polarizability P depends on the type of the ferromagnetic metal. For example, the NiFe, Co, and CoFe polarizabilities are 0.3, 0.34, and 0.46, respectively. 20%, 26%. A magnetoresistance change rate (MR ratio) of 54% can be expected.
The value of MR ratio in this MTJ is larger than the anisotropic magnetoresistance effect (AMR) and the giant magnetoresistance effect (GMR) as described above.
また、トンネル抵抗Rは次式より、絶縁層の絶縁障壁高さφと厚さ、即ち、障壁幅Wに依存し、
R∝exp(W×φ1/2 ) ・・・(5)
で表される。
従って、トンネル抵抗Rは、絶縁障壁高さφが低い場合、また、障壁幅Wが狭い場合に小さくなる。
Further, the tunnel resistance R depends on the insulation barrier height φ and thickness of the insulating layer, that is, the barrier width W from the following equation:
R∝exp (W × φ 1/2 ) (5)
It is represented by
Therefore, the tunnel resistance R becomes small when the insulating barrier height φ is low and when the barrier width W is narrow.
図16参照
図16は、このスピンバルブ構造を持つ強磁性トンネル接合の磁気抵抗効果曲線(MR曲線)であり、上記の式(2)で示したように、磁場に依存してトンネル抵抗が変化する。即ち、NiFeフリー層58のスピンの向きがCoFeピンド層60のスピンの向きと同方向である場合には低抵抗となり、逆方向である場合には高抵抗、例えば、低抵抗時の30〜50%増加となるので、電流の大小を判定することで1ビットの記録を読み出すことができる。
しかし、MRAMの微細化に伴って、MTJ素子を縮小すると形状効果でMTJ素子を構成する磁性体の保磁力が大きくなり、それによって、スイッチング磁界が増大し、書き込みに必要な電流が増えて消費電力が増大してしまうという問題がある。 However, with the miniaturization of the MRAM, when the MTJ element is reduced, the coercive force of the magnetic material constituting the MTJ element increases due to the shape effect, thereby increasing the switching magnetic field and increasing the current required for writing and consumption. There is a problem that electric power increases.
また、MRAMにおいては書込み用ワード線とビット線がそれぞれMTJ素子から離れて配置されるので、微細化に伴って素子間が狭くなると隣接するMTJ素子への干渉が生じる虞れがある。 In addition, in the MRAM, the write word line and the bit line are arranged apart from the MTJ element, so that interference between adjacent MTJ elements may occur if the distance between the elements becomes narrow due to miniaturization.
したがって、本発明は、素子の微細化に伴うスイッチング磁界の増大の問題を解消するとともに、消費電力を低減することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to eliminate the problem of an increase in switching magnetic field associated with the miniaturization of elements and to reduce power consumption.
図1は本発明の原理的構成図であり、ここで図1を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図1参照
上記課題を解決するために、本発明は、磁気抵抗効果素子において、第1の磁性体1、第1の非磁性体2、第2の磁性体3、第2の非磁性体4、及び、第3の磁性体5を順次積層した磁性体/非磁性体/磁性体/非磁性体/磁性体の構造を有するとともに、第1の磁性体1、第2の磁性体3、及び、第3の磁性体5に夫々に配線6〜8を接続したことを特徴とする。
FIG. 1 is a diagram illustrating the basic configuration of the present invention. Means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
In order to solve the above-described problem, the present invention provides a magnetoresistive element in which a first
この様に、磁性体/非磁性体/磁性体/非磁性体/磁性体の構造とし、一方の磁性体/非磁性体/磁性体構造を書込み用とし、他方の磁性体/非磁性体/磁性体を読出用とすることによって、情報を電気的に書き込むことが可能になるので、磁界による書込に伴うスイッチング磁界の増大の問題や干渉の問題を解消することができる。
例えば、第1の磁性体1と第2の磁性体3との間に電流を流すことにより、第2の磁性体3の磁化方向を制御することができる。
Thus, the structure of magnetic body / non-magnetic body / magnetic body / non-magnetic body / magnetic body is used, one magnetic body / non-magnetic body / magnetic body structure is used for writing, and the other magnetic body / non-magnetic body / By using the magnetic material for reading, information can be written electrically, so that the problem of increase in switching magnetic field and the problem of interference associated with writing by a magnetic field can be solved.
For example, the magnetization direction of the second magnetic body 3 can be controlled by passing a current between the first
この場合、第1の非磁性体2或いは第2の非磁性体4の少なくとも一方が絶縁体であることが望ましく、それにより絶縁体からなる非磁性層を介した磁性層間がトンネル接合となるので、大きな抵抗変化を得ることができる。
In this case, it is desirable that at least one of the first
また、第1の非磁性体2或いは第2の非磁性体4の少なくとも一方、特に、書込側の非磁性体は優れた特性が確認されているCuまたはAuのいずれかが望ましい。
In addition, at least one of the first
また、第1の磁性体1及び第3の磁性体5の少なくとも一方は、強磁性体と、強磁性体の磁化方向を固定する反強磁性体との積層構造とすることが望ましく、それによって、安定した動作が可能になる。
なお、反強磁性体を用いない場合には、ピンド層を構成する強磁性体の保磁力の差を利用することになる。
Further, it is desirable that at least one of the first
If no antiferromagnetic material is used, the difference in coercive force of the ferromagnetic materials constituting the pinned layer is used.
また、上述の磁気抵抗効果素子を用い、第2の磁性体3の磁化方向により情報を保持することにより磁気メモリセルを構成することができる。
なお、第2の磁性体3と第3の磁性体5との間の抵抗値を計測することにより、第2の磁性体3の磁化方向を検出することができる。
In addition, a magnetic memory cell can be configured by using the magnetoresistive effect element described above and retaining information according to the magnetization direction of the second magnetic body 3.
The magnetization direction of the second magnetic body 3 can be detected by measuring the resistance value between the second magnetic body 3 and the third magnetic body 5.
また、上述の磁気メモリセルを複数個配列することにより、磁気ランダムアクセスメモリ装置を構成することができる。
この場合、第1の磁性体1と第2の磁性体3との間に選択的に電流を流す書込回路と、第2の磁性体3と第3の磁性体5との間の抵抗値を選択的に取り出す読出回路を設ければ良い。
Further, a magnetic random access memory device can be configured by arranging a plurality of the magnetic memory cells described above.
In this case, a write circuit for selectively passing a current between the first
本発明によれば、磁気抵抗効果素子を磁性体/非磁性体/磁性体/非磁性体/磁性体からなる積層構造とすることによって、情報の書込を電気的に行っているので、セルを微細かしてもスイッチング磁界の増大や消費電力の増大の問題が発生することがなく、MRAMの微細化及び高性能化に寄与するところが大きい。 According to the present invention, since the magnetoresistive effect element has a laminated structure composed of a magnetic body / non-magnetic body / magnetic body / non-magnetic body / magnetic body, information is electrically written. However, there is no problem of an increase in switching magnetic field or power consumption even if it is made finer, which greatly contributes to miniaturization and higher performance of MRAM.
本発明においては、磁気トンネル素子部分に隣接して強磁性体/非磁性体/強磁性体の積層構造を隣接させ、この積層構造に電流を流すことで、情報保持部分の磁化状態を制御するものであり、これにより、新規の磁気メモリセル構造を提供することができ、微細化した場合の電力消費を抑えることができるとともに、隣接素子への影響を小さくすることができる。 In the present invention, a ferromagnetic / nonmagnetic / ferromagnetic laminated structure is adjacent to the magnetic tunnel element portion, and a current is passed through the laminated structure to control the magnetization state of the information holding portion. Thus, a novel magnetic memory cell structure can be provided, and power consumption when miniaturized can be suppressed, and influence on adjacent elements can be reduced.
ここで、図2乃至図9を参照して、本発明の実施例1の製造工程を説明する。
図2参照
まず、n型シリコン基板11の所定領域にp型ウエル領域12を形成するとともに、n型シリコン基板11を選択酸化することによって素子分離酸化膜13を形成したのち、素子形成領域にゲート絶縁膜14を介して読み出しワード線となるWSiからなるゲート電極15を形成し、このゲート電極15をマスクとしてAsイオンを注入することによってn- 型LDD領域16を形成する。
Here, with reference to FIG. 2 thru | or FIG. 9, the manufacturing process of Example 1 of this invention is demonstrated.
See Figure 2
First, a p-
次いで、全面にSiO2 膜を堆積させ、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール17を形成したのち、再び、Asイオン注入することによってn+ 型ドレイン領域18及びn+ 型ソース領域19を形成し、次いで、O3 −TEOS−SiO2 膜からなる厚い第1層間絶縁膜20を形成したのち、n+ 型ドレイン領域18及びn+ 型ソース領域19に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをWで埋め込むことによってWプラグ21、22を形成する。
なお、O3 −TEOS−SiO2 膜の堆積に際しては、TEOS+O3 をソースガスとして用いたCVD法により、400℃で堆積させるものであり、以下の工程においても同様である。
Next, a SiO 2 film is deposited on the entire surface, and anisotropic etching is performed to form the
The O 3 -TEOS-SiO 2 film is deposited at 400 ° C. by the CVD method using TEOS + O 3 as a source gas, and the same applies to the following steps.
図3参照
次いで、スパッタ法を用いて全面にTiN/Al/TiNを堆積させたのちパターニングすることによって、接続導体23及びソース配線層24を形成したのち、再び、O3 −TEOS−SiO2 膜からなる第2層間絶縁膜25を形成し、次いで、接続導体23に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをWで埋め込むことによってWプラグ26を形成する。
なお、ソース配線層24は、最終的には接地したプレート線に接続される。
See Figure 3
Next, after depositing TiN / Al / TiN on the entire surface using a sputtering method and patterning, the
The
図4参照
次いで、再び、スパッタ法を用いて全面にTiN/Al/TiNを堆積させたのちパターニングすることによって、下部電極27を形成したのち、再び、O3 −TEOS−SiO2 膜からなる薄い第3層間絶縁膜28を堆積させ、次いで、下部電極27が露出するまでCMPして平坦化する。
See Figure 4
Next, TiN / Al / TiN is again deposited on the entire surface by sputtering, followed by patterning to form the
図5参照
次いで、スパッタ法を用いることによって、全面に厚さが、例えば、2nmのNiFe下地層29、15nmのPtMnピン層30、3nmCoFeピンド層31、1.5nmのAl−Oからなるトンネル絶縁層32、2nmのCoFeフリー層33、2nmのNiFeフリー層34、3nmのCu中間層35、3nmのCoFeピンド層36、10nmのIrMnピン層37、及び、上部電極となる厚さが、例えば、20nmのAuキャップ層38を順次真空中で堆積させる。
See Figure 5
Next, by using a sputtering method, the entire surface has a thickness of, for example, a 2
図6参照
次いで、レジストパターン39をマスクとしてイオンミリングを施すことによって例えば、0.2μm×0.13μmの大きさのMTJ素子40を形成する。
この場合、MTJ素子40は後述するビット線方向に長い長方形をしているため、CoFeフリー層33及びNiFeフリー層34のeasy方向はビット線の延在方向となる。
See FIG.
Next, by performing ion milling using the resist
In this case, since the
図7参照
次いで、レジストパターン39を設けたまま、再び、全面にO3 −TEOS−SiO2 膜からなる第4層間絶縁膜41をトンネル絶縁膜32の高さまで堆積させ、次いで、厚さが、例えば、3nmのAl層42を堆積させる。
See FIG.
Next, with the resist
図8参照
次いで、レジストパターン39をその上の堆積物とともに除去したのち、Al層42を読み出しワード線となるゲート電極15の方向にパターニングすることによって書込み用ワード線43を構成する。
See FIG.
Next, after removing the resist
図9参照
次いで、再び、全面にO3 −TEOS−SiO2 膜からなる第5層間絶縁膜44を厚く堆積させたのち、CMP法を用いて、Auキャップ層38の表面が露出するまで研磨して、全体を平坦化する。
See FIG.
Next, a fifth
次いで、プラズマCVD法を用いて厚さが、例えば、100nmのp−SiN膜45を堆積させたのち、MTJ素子40に対するコンタクトホールを設け、次いで、スパッタ法を用いて全面に、厚さが、例えば、100nmのTiN層、厚さが、例えば、800nmのAl層、及び、厚さが、例えば、100nmのTiN層を順次堆積させてTiN/Al/TiN構造の多層導電層を堆積させたのち、書込み用ワード線43と直交する方向に延在するようにパターニングしてビット線46を形成することによって、MRAMの基本構造が完成する。
Next, after depositing a p-
次に、MTJ素子40における電流による書込原理を説明する。
一般に、磁性体内部を流れる電流は、上述のようにスピン偏極していることが知られており、アップスピンの電子とダウンスピンの数が異なり、また、スピン偏極した電子と磁性体のスピンとは相互作用を及ぼすことが知られている。
Next, the principle of writing by current in the
In general, it is known that the current flowing inside the magnetic material is spin-polarized as described above, the number of up-spin electrons is different from the number of down-spins. It is known to interact with spin.
このことから、「磁性体/ 非磁性体/ 磁性体」という構造をもつ接合において、この両側の磁性体間に電流を流した場合、片側の磁性体を通過した偏極電子がもう一方の磁性体を通過するときに、磁性体は偏極電子からトルクを受けることになり、このトルクが十分大きい場合、磁性体の磁化は反転することとなる。 Therefore, in a junction with the structure of “magnetic body / non-magnetic body / magnetic body”, when an electric current is passed between the magnetic bodies on both sides, the polarized electrons that have passed through the magnetic body on one side will When passing through the body, the magnetic body will receive torque from the polarized electrons, and when this torque is sufficiently large, the magnetization of the magnetic body will be reversed.
この電流値Ic は、理論計算により、eを素電荷、Mをピンド層の磁化、Aを電流の流れる面積、Hを外部磁界、Hc をフリー層の保磁力、αを全体の材料定数、tをフリー層の膜厚、Pをピンド層の分極率とした場合、
Ic =±e MA( 2πM±H)αt/Hc P ・・・(6)
で与えられる(例えば,Applied Physics Letters,vol.78,pp.3663−3665、及び、Applied Physics Letters,vol.77,pp.3809−3811参照)。
This current value I c is calculated by theoretical calculation, where e is an elementary charge, M is the magnetization of the pinned layer, A is the current flow area, H is the external magnetic field, H c is the coercive force of the free layer, and α is the overall material constant. , T is the thickness of the free layer, and P is the polarizability of the pinned layer,
I c = ± e MA (2πM ± H) αt / H c P (6)
(See, for example, Applied Physics Letters, vol. 78, pp. 3663-3665, and Applied Physics Letters, vol. 77, pp. 3809-3811).
図10及び図11参照
図10はMTJ素子近傍の概念的断面図であり、また、図11は、MTJ素子の読出部のトンネル抵抗の書込み部に流す電流値依存性の説明図であり、書込み部に反転電流Ic を流すことでフリー層を構成する磁性体の磁化方向が反転し、それによって読出部のトンネル抵抗が変化する。
See FIGS. 10 and 11
Figure 10 is a schematic sectional view of the vicinity MTJ elements, and FIG. 11 is an explanatory view of a current-dependent flow to the writing portion of the tunnel resistance of the read portion of the MTJ element, the inversion current I c to the write unit Is reversed to reverse the magnetization direction of the magnetic material constituting the free layer, thereby changing the tunneling resistance of the reading section.
例えば、Auキャップ層38からCoFeフリー層33方向に電子を流した場合、CoFeフリー層33及びNiFeフリー層34の磁化方向は、CoFeピンド層36の磁化方向に整列する。
一方、CoFeフリー層33からAuキャップ層38方向に電子を流した場合、CoFeフリー層33及びNiFeフリー層34の磁化方向は、CoFeピンド層36の磁化方向と反対方向に整列する。
For example, when electrons flow from the
On the other hand, when electrons flow from the CoFe
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は実施例に記載された構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の膜厚等の数値は、単なる一例に過ぎず、時代や必要に応じて適宜変更されるものである。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications can be made.
For example, the above numerical values such as film thickness are merely examples, and may be changed as appropriate according to the times and needs.
また、上記の実施例においては、ピンド層としてCoFeを用いているが、CoFeに限られるものではなく、CoFeと同様にトンネル抵抗率が大きく、且つ、反転のための電流を小さくできる分極率Pの大きな材料を用いても良いものである。 In the above embodiment, CoFe is used as the pinned layer, but it is not limited to CoFe. Like CoFe, the tunneling resistivity is large, and the polarizability P that can reduce the current for inversion is also provided. A large material may be used.
また、上記の実施例においては、フリー層としてCoFe/NiFeの積層膜を用いているが、積層膜に限られるものではなく、単層膜を用いても良いものである。 In the above embodiment, a CoFe / NiFe laminated film is used as the free layer. However, the invention is not limited to the laminated film, and a single layer film may be used.
さらには、ピンド層或いはフリー層を、例えば、CoFe/Ru/CoFe等の反強磁性的に結合したフェリスピン構造膜を用いても良いものであり、この場合、Ruを1nm程度以下で最適化すると、その両側の磁性層が強く反強磁性的に結合して、全体として一つの磁性膜のように振舞う。 Furthermore, an antiferromagnetically coupled ferri-spin structure film such as CoFe / Ru / CoFe may be used for the pinned layer or the free layer. In this case, the Ru is optimized to about 1 nm or less. Then, the magnetic layers on both sides are strongly antiferromagnetically coupled and behave like a single magnetic film as a whole.
また、上記の実施例においては、書込み側のスピンバルブ膜の非磁性層をCuによって構成しているが、Cuに限られるものではなく、Au等の他の非磁性導体を用いても良いものである。 In the above embodiment, the nonmagnetic layer of the spin valve film on the write side is made of Cu, but is not limited to Cu, and other nonmagnetic conductors such as Au may be used. It is.
また、上記の実施例においては、読出側のスピンバルブ膜の非磁性層を成膜したAlを酸化して形成したAl−O膜で構成しているが、Al−O膜に限られるものではなく、Al2 O3 自体を成膜しても良いものであり、さらには、SiN膜等の他の非磁性絶縁体を用いても良いものである。 In the above embodiment, the non-magnetic layer of the spin valve film on the reading side is composed of an Al-O film formed by oxidizing Al, but is not limited to the Al-O film. Alternatively, Al 2 O 3 itself may be formed, and another nonmagnetic insulator such as a SiN film may be used.
また、上記の実施例においては、書込み側のスピンバルブ膜の非磁性層を導電体で構成し、読出側のスピンバルブ膜の非磁性層を絶縁体で構成して、GMR/MTJ構造としているが、両方を同じ構成にして、GMR/GMR構造或いはMTJ/MTJ構造にしても良いものである。 In the above embodiment, the nonmagnetic layer of the write side spin valve film is made of a conductor, and the nonmagnetic layer of the read side spin valve film is made of an insulator to form a GMR / MTJ structure. However, both of them may have the same configuration to have a GMR / GMR structure or an MTJ / MTJ structure.
また、上記の実施例においては、ピンド層を反強磁性層を用いてピン止めしているが、反強磁性層は必ずしも必要がないものであり、ピンド層としてフリー層より保磁力の大きな強磁性体を用い、フリー層の保磁力との差を利用してピン止め状態を保持するようにしても良いものである。 In the above embodiment, the pinned layer is pinned by using an antiferromagnetic layer, but the antiferromagnetic layer is not necessarily required, and the pinned layer has a stronger coercive force than the free layer. A pinned state may be maintained using a magnetic material and utilizing a difference from the coercive force of the free layer.
また、上記の実施例においては、スイッチング素子としてMOSFETを用いて1Tr+1MTJとしてメモリセルを構成しているが、各メモリセルにスイッチング素子を用いずに単純マトリクス型でメモリセルを構成しても良いものである。 In the above embodiment, MOSFETs are used as switching elements and memory cells are configured as 1Tr + 1MTJ. However, memory cells may be configured in a simple matrix type without using switching elements for each memory cell. It is.
さらに、単純マトリクス型でメモリセルを構成する場合には、駆動回路装置は必ずしも半導体装置で構成する必要はなく、ジョセフソン接合素子等を用いた超電導回路装置で構成しても良いものである。 Further, when the memory cell is configured in a simple matrix type, the drive circuit device is not necessarily configured by a semiconductor device, and may be configured by a superconducting circuit device using a Josephson junction element or the like.
ここで再び図1を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図1参照
(付記1) 第1の磁性体1、第1の非磁性体2、第2の磁性体3、第2の非磁性体4、及び、第3の磁性体5を順次積層した磁性体/非磁性体/磁性体/非磁性体/磁性体の構造を有するとともに、前記第1の磁性体1、第2の磁性体3、及び、第3の磁性体5に夫々に配線6〜8を接続したことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
(付記2) 上記第1の非磁性体2或いは第2の非磁性体4の少なくとも一方が絶縁体であることを特徴とする付記1記載の磁気抵抗効果素子。
(付記3) 上記絶縁体からなる非磁性層を介した磁性層間が、トンネル接合であることを特徴とする付記3記載の磁気抵抗効果素子。
(付記4) 上記第1の非磁性体2或いは第2の非磁性体4の少なくとも一方がCuまたはAuのいずれかからなることを特徴とする付記1記載の磁気抵抗効果素子。
(付記5) 上記第1の磁性体1及び第3の磁性体5の少なくとも一方が、強磁性体と、前記強磁性体の磁化方向を固定する反強磁性体との積層構造からなることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1に記載の磁気抵抗効果素子。
(付記6) 上記第1の磁性体1と第2の磁性体3との間に電流を流すことにより、前記第2の磁性体3の磁化方向を制御することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1に記載の磁気抵抗効果素子。
(付記7) 付記1乃至6のいずれか1に記載の磁気抵抗効果素子を含み、上記第2の磁性体3の磁化方向により情報を保持することを特徴とする磁気メモリセル。
(付記8) 上記第2の磁性体3と第3の磁性体5との間の抵抗値を計測することにより、前記第2の磁性体3の磁化方向を検出することを特徴とする付記7記載の磁気メモリセル。
(付記9) 付記4記載の磁気メモリセルを複数個配列したことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ装置。
(付記10) 上記第1の磁性体1と第2の磁性体3との間に選択的に電流を流す書込回路と、上記第2の磁性体3と第3の磁性体5との間の抵抗値を選択的に取り出す読出回路を有することを特徴とする付記9記載の磁気ランダムアクセスメモリ装置。
The detailed features of the present invention will be described again with reference to FIG. 1 again.
Again see Figure 1
(Supplementary Note 1) Magnetic body / non-magnetic body in which the first
(Additional remark 2) At least one of the said 1st
(Additional remark 3) The magnetoresistive effect element of Additional remark 3 characterized by the magnetic layer through the nonmagnetic layer which consists of said insulator being a tunnel junction.
(Additional remark 4) At least one of the said 1st
(Supplementary Note 5) At least one of the first
(Supplementary Note 6) The supplementary notes 1 to 5 are characterized in that the magnetization direction of the second magnetic body 3 is controlled by passing a current between the first
(Additional remark 7) The magnetic memory cell characterized by including the magnetoresistive effect element of any one of
(Additional remark 8) The magnetization direction of the said 2nd magnetic body 3 is detected by measuring the resistance value between the said 2nd magnetic body 3 and the 3rd magnetic body 5,
(Supplementary note 9) A magnetic random access memory device, wherein a plurality of magnetic memory cells according to
(Additional remark 10) Between the said 2nd magnetic body 3 and the 3rd magnetic body 5, the writing circuit which sends an electric current selectively between the said 1st
本発明の活用例としては、MRAMが典型的なものであり、情報機器の不揮発性記憶装置として適用できるものであり、さらには、MRAMとしてではなく、情報保持能力を有する磁気センサとしても適用できるものである。 As an application example of the present invention, MRAM is typical, and can be applied as a nonvolatile storage device of information equipment, and can also be applied as a magnetic sensor having information holding capability instead of MRAM. Is.
1 第1の磁性体
2 第1の非磁性体
3 第2の磁性体
4 第2の非磁性体
5 第3の磁性体
6 配線
7 配線
8 配線
11 n型シリコン基板
12 p型ウエル領域
13 素子分離酸化膜
14 ゲート絶縁膜
15 ゲート電極
16 n- 型LDD領域
17 サイドウォール
18 n+ 型ドレイン領域
19 n+ 型ソース領域
20 第1層間絶縁膜
21 Wプラグ
22 Wプラグ
23 接続導体
24 ソース配線層
25 第2層間絶縁膜
26 Wプラグ
27 下部電極
28 第3層間絶縁膜
29 NiFe下地層
30 PtMnピン層
31 CoFeピンド層
32 トンネル絶縁層
33 CoFeフリー層
34 NiFeフリー層
35 Cu中間層
36 CoFeピンド層
37 IrMnピン層
38 Auキャップ層
39 レジストパターン
40 MTJ素子
41 第4層間絶縁膜
42 Al層
43 書込み用ワード線
44 第5層間絶縁膜
45 p−SiN膜
46 ビット線
51 接続導体
52 書込み用ワード線
53 第3層間絶縁膜
54 Wプラグ
55 下部電極
56 第4層間絶縁膜
57 Ta下地層
58 NiFeフリー層
59 トンネル絶縁層
60 CoFeピンド層
61 IrMnピン層
62 Taキャップ層
63 MTJ素子
64 第5層間絶縁膜
65 ビット線
66 プレート線
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