JP2007258533A - Semiconductor memory device and its driving system - Google Patents
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Description
本発明は、半導体記憶装置及びその駆動方法に係り、特に不揮発性のメモリ素子を備えた半導体記憶装置及びその駆動方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device and a driving method thereof, and more particularly to a semiconductor memory device including a nonvolatile memory element and a driving method thereof.
近年、書き換え可能な不揮発性メモリとして、磁気抵抗効果素子をマトリクス状に配列した磁気ランダムアクセスメモリ(以下、MRAM:Magnetic Random Access Memoryという)が注目されている。MRAMは、2つの磁性層における磁化方向の組み合わせを利用して情報を記憶し、これら磁性層間の磁化方向が平行である場合と反平行である場合とにおける抵抗変化(すなわち電流或いは電圧の変化)を検知することによって記憶情報の読み出しを行うものである。 In recent years, a magnetic random access memory (hereinafter referred to as MRAM: Magnetic Random Access Memory) in which magnetoresistive effect elements are arranged in a matrix is drawing attention as a rewritable nonvolatile memory. The MRAM stores information using a combination of magnetization directions in two magnetic layers, and changes in resistance (that is, changes in current or voltage) when the magnetization directions between these magnetic layers are parallel and antiparallel. The stored information is read by detecting this.
MRAMを構成する磁気抵抗効果素子としては、GMR(Giant Magnetoresistive)素子やTMR(Tunneling Magnetoresistive)素子が検討されている。なかでも、大きな抵抗変化が得られるTMR素子が、MRAMに用いる磁気抵抗効果素子として注目されている。 As magnetoresistive elements that constitute the MRAM, GMR (Giant Magnetoresistive) elements and TMR (Tunneling Magnetoresistive) elements have been studied. In particular, a TMR element that can obtain a large resistance change has attracted attention as a magnetoresistive effect element used in MRAM.
TMR素子は、2つの強磁性層がトンネル絶縁膜を介して積層されたものであり、2つの強磁性層の磁化方向の関係に基づいてトンネル絶縁膜を介して磁性層間を流れるトンネル電流が変化する現象を利用したものである。すなわち、TMR素子は、2つの強磁性層の磁化方向が平行のときに低い素子抵抗を有し、反平行のときには高い素子抵抗を有する。この2つの状態をデータ“0”及びデータ“1”に関連づけることにより、記憶素子として用いることができる。 A TMR element has two ferromagnetic layers stacked via a tunnel insulating film, and the tunnel current flowing between the magnetic layers changes via the tunnel insulating film based on the relationship between the magnetization directions of the two ferromagnetic layers. This is a phenomenon that uses the phenomenon. That is, the TMR element has a low element resistance when the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are parallel, and has a high element resistance when the two ferromagnetic layers are antiparallel. By associating these two states with data “0” and data “1”, it can be used as a memory element.
また、近年、新たなメモリ素子として、RRAM(Resistance Random Access Memory)と呼ばれる不揮発性半導体記憶装置が注目されている。RRAMは、抵抗値が異なる複数の抵抗状態を有し、外部から電気的刺激を与えることにより抵抗状態が変化する抵抗記憶素子を用い、抵抗記憶素子の高抵抗状態と低抵抗状態とを例えば情報の“0”と“1”とに対応づけることにより、メモリ素子として利用するものである。RRAMは、高速性、大容量性、低消費電力性等、そのポテンシャルの高さから、その将来性が期待されている。
上記MRAMやRRAMは不揮発性の半導体記憶装置であり、電源を切断した後も記憶情報を保持することができる。一方、MRAMやRRAMをワークメモリとして使用する場合、内容を書き換えた後にその内容を初期状態にイニシャライズするためには、読み出し専用メモリ(ROM)やハードディスク装置等のストレージメモリから情報を読み出し、再度書き込む必要がある。しかしながら、このような初期化方法は、セル毎又は特定のブロックごとに行わなければならず、高速での初期化が困難であった。 The MRAM and RRAM are nonvolatile semiconductor memory devices, and can retain stored information even after the power is turned off. On the other hand, when MRAM or RRAM is used as a work memory, in order to initialize the contents after rewriting the contents, the information is read from a read-only memory (ROM) or a storage memory such as a hard disk device and written again. There is a need. However, such an initialization method must be performed for each cell or for each specific block, and initialization at high speed is difficult.
本発明の目的は、高速・不揮発性を有するワークメモリであるとともに、所望の状態への高速のイニシャライズが可能な半導体記憶装置及びその駆動方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device capable of high-speed initialization into a desired state and a driving method thereof, as well as a work memory having high speed and non-volatility.
本発明の一観点によれば、一対の電極と、前記一対の電極間に形成された抵抗記憶材料よりなる抵抗記憶層とを有し、高抵抗状態と低抵抗状態とを記憶し、電圧又は電流の印加によって前記高抵抗状態と前記低抵抗状態とを切り換える抵抗記憶素子と、一対の電極と、前記一対の電極間に形成され、固定磁化層、非磁性層及び自由磁化層が積層された積層体とを有し、前記固定磁化層の磁化方向と前記自由磁化層の磁化方向との関係に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子とを有し、前記抵抗記憶素子の前記一対の電極のうちの一方と前記磁気抵抗効果素子の前記一対の電極のうちの一方とが接続されていることを特徴とする半導体記憶装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, a pair of electrodes and a resistance memory layer made of a resistance memory material formed between the pair of electrodes, the high resistance state and the low resistance state are stored, the voltage or A resistive memory element that switches between the high resistance state and the low resistance state by applying a current, a pair of electrodes, and a pair of electrodes, and a fixed magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a free magnetic layer are stacked. A magnetoresistive effect element whose resistance value changes according to the relationship between the magnetization direction of the fixed magnetization layer and the magnetization direction of the free magnetization layer, and the pair of the resistance memory elements. One of the electrodes is connected to one of the pair of electrodes of the magnetoresistive effect element. A semiconductor memory device is provided.
また、本発明の他の観点によれば、一対の電極と、前記一対の電極間に形成された抵抗記憶材料よりなる抵抗記憶層とを有し、高抵抗状態と低抵抗状態とを記憶し、電圧又は電流の印加によって前記高抵抗状態と前記低抵抗状態とを切り換える抵抗記憶素子と、一対の電極と、前記一対の電極間に形成され、固定磁化層、非磁性層及び自由磁化層が積層された積層体とを有し、前記固定磁化層の磁化方向と前記自由磁化層の磁化方向との関係に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子とを有し、前記抵抗記憶素子の前記一対の電極のうちの一方と前記磁気抵抗効果素子の前記一対の電極のうちの一方とが接続された半導体記憶装置の駆動方法であって、前記磁気抵抗効果素子に記録された情報を初期化する際に、前記抵抗記憶素子の前記一対の電極のうちの他方と前記磁気抵抗効果素子の前記一対の電極のうちの他方との間に電圧を印加し、前記抵抗記憶素子の抵抗状態に応じた電流を前記磁気抵抗効果素子に流すことにより、前記抵抗記憶素子に記録された情報を前記磁気抵抗効果素子に転写することを特徴とする半導体記憶装置の駆動方法が提供される。 Further, according to another aspect of the present invention, a pair of electrodes and a resistance memory layer made of a resistance memory material formed between the pair of electrodes are stored, and a high resistance state and a low resistance state are memorized. A resistance memory element that switches between the high resistance state and the low resistance state by application of voltage or current, a pair of electrodes, and a pair of electrodes, and a fixed magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a free magnetic layer, A magnetoresistive effect element whose resistance value changes in accordance with the relationship between the magnetization direction of the fixed magnetization layer and the magnetization direction of the free magnetization layer. A method of driving a semiconductor memory device in which one of the pair of electrodes and one of the pair of electrodes of the magnetoresistive effect element are connected, wherein information recorded in the magnetoresistive effect element is initially stored The one of the resistance memory elements A voltage is applied between the other of the electrodes of the magnetoresistive effect element and the other of the pair of electrodes of the magnetoresistive effect element, and a current corresponding to the resistance state of the resistance memory element is caused to flow through the magnetoresistive effect element Thus, there is provided a method for driving a semiconductor memory device, wherein information recorded in the resistance memory element is transferred to the magnetoresistive element.
本発明によれば、磁気抵抗効果素子と抵抗記憶素子とを直列接続して1つのメモリセルを構成し、磁気抵抗効果素子をワークメモリとして用い、抵抗記憶素子をストレージメモリとして用いるので、高速且つ不揮発性を有するワークメモリを構成することができる。また、抵抗記憶素子から磁気抵抗効果素子への情報の転送は、抵抗記憶素子と磁気抵抗効果素子との直列接続体に所定の駆動電圧を印加するだけで実行できるため、磁気抵抗効果素子を所望の状態へ高速でイニシャライズすることができる。 According to the present invention, a magnetoresistive effect element and a resistance memory element are connected in series to constitute one memory cell, the magnetoresistive effect element is used as a work memory, and the resistance memory element is used as a storage memory. A non-volatile work memory can be configured. In addition, since the transfer of information from the resistance memory element to the magnetoresistive effect element can be performed only by applying a predetermined drive voltage to the serial connection body of the resistance memory element and the magnetoresistive effect element, the magnetoresistive effect element is desired. It is possible to initialize to the state at high speed.
本発明の一実施形態による半導体記憶装置及びその製造方法を図1乃至図12を用いて説明する。 A semiconductor memory device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は本実施形態による半導体記憶装置の基本構造を示す回路図、図2は本実施形態による半導体記憶装置の基本構造を示す概略断面図、図3は本実施形態による半導体記憶装置の構造を示す回路図、図4は本実施形態による半導体記憶装置の構造を示す平面図、図5は本実施形態による半導体記憶装置の構造を示す概略断面図、図6は本実施形態による半導体記憶装置における磁気抵抗効果素子の構造を示す概略断面図、図7乃至図12は本実施形態による半導体記憶装置の製造方法を示す工程断面図である。 1 is a circuit diagram showing the basic structure of the semiconductor memory device according to the present embodiment, FIG. 2 is a schematic sectional view showing the basic structure of the semiconductor memory device according to the present embodiment, and FIG. 3 shows the structure of the semiconductor memory device according to the present embodiment. FIG. 4 is a plan view showing the structure of the semiconductor memory device according to the present embodiment, FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the semiconductor memory device according to the present embodiment, and FIG. 6 shows the semiconductor memory device according to the present embodiment. FIG. 7 to FIG. 12 are process cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the semiconductor memory device according to the present embodiment.
はじめに、本実施形態による半導体記憶装置の基本構造について図1及び図2を用いて説明する。 First, the basic structure of the semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
本実施形態による半導体記憶装置は、図1に示すように、抵抗記憶素子RRと磁気抵抗効果素子RMとの直列接続体により単位セルが構成されたものである。抵抗記憶素子RRは、RRAMの単位記憶素子として用いられる可変抵抗素子であり、電流又は電圧の印加により抵抗値が変化する絶縁性の抵抗記憶材料と、これを挟持する一対の電極とにより構成される。磁気抵抗効果素子RMは、MRAMの単位記憶素子として用いられる可変抵抗素子であり、例えば、磁化の向きが固定された固定磁化層と、磁化の向きが変化する自由磁化層と、これらの間に挟持されたバリア層とにより構成されるスピン注入型のTMR素子である。 The semiconductor memory device according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, the resistance memory element unit cell by the series connection of the R R and the magnetoresistive element R M is one configured. Configuration resistance memory element R R is a variable resistive element used as a unit storage element RRAM, and an insulating resistance memory material whose resistance value changes by application of current or voltage by a pair of electrodes which sandwich this Is done. The magnetoresistive element R M is a variable resistive element used as a unit storage element MRAM, for example, a fixed magnetization layer in which a magnetization direction is fixed, a free magnetic layer which changes its magnetization direction, between the A spin injection type TMR element constituted by a barrier layer sandwiched between two layers.
抵抗記憶素子RRと磁気抵抗効果素子RMとは、一方の端子が互いに接続されており、この接続端子V2には駆動電圧を印加できるようになっている。磁気抵抗効果素子RMの他方の端子V1及び抵抗記憶素子RRの他方の端子V0には、それぞれ所定の駆動電圧を印加できるようになっている。 The resistance memory element R R and the magnetoresistive element R M, and one terminal are connected to each other, and to be able to apply a driving voltage to the connection terminal V2. The magnetoresistive element R M and the other terminal V1 and the resistance memory element R other terminal V0 R's are adapted to each be applying a predetermined driving voltage.
図1に示す回路構成は、例えば図2に示す素子構造により実現することができる。 The circuit configuration shown in FIG. 1 can be realized by the element structure shown in FIG.
電極10上には、抵抗記憶材料よりなる抵抗記憶層12が形成されている。抵抗記憶層12上には、電極14が形成されている。電極14上には、反強磁性層18が形成されている。反強磁性層18上には、固定磁化層20が形成されている。固定磁化層20上には、バリア層22が形成されている。バリア層22上には、自由磁化層24が形成されている。自由磁化層24上には、電極26が形成されている。こうして、電極10、抵抗記憶層12及び電極14よりなる抵抗記憶素子16と、電極14、反強磁性層18、固定磁化層20、バリア層22、自由磁化層24及び電極26よりなる磁気抵抗効果素子28とを有し、抵抗記憶素子16と磁気抵抗効果素子28とが電極14により直列接続された単位素子構造が形成されている。
A
抵抗記憶素子RR及び磁気抵抗効果素子RMの素子パラメータは、端子V0と端子V1との間に抵抗記憶素子RRのセット電圧及びリセット電圧の何れよりも低い電圧を印加したときに、抵抗記憶素子RRが低抵抗状態の場合にのみ磁気抵抗効果素子RMの磁気反転電流密度以上の電流密度の書き込み電流を流すことができるように、適宜設定する。 The device parameter of the resistance memory element R R and the magnetoresistive element R M, upon application of a voltage lower than either of the set voltage and the reset voltage of the resistance memory element R R between the terminals V0 and the terminal V1, the resistance memory element R R is only to be able to flow a write current of the magnetic reversal current density above the current density of the magnetoresistive element R M in the case of low-resistance state, appropriately set.
例えば、抵抗記憶素子RRは、高抵抗状態のときの抵抗値が400kΩ、低抵抗状態のときの抵抗値が40kΩ、セット電圧及びリセット電圧が4Vより大きくなるように、素子を設計する。また、磁気抵抗効果素子RMは、素子面積が0.1×0.1μm2、高抵抗状態のときの抵抗値が40kΩ、低抵抗状態のときの抵抗値が高抵抗状態のときの1/3(13.3kΩ)、磁化反転電流密度が5×105A/cm2(磁化反転電流Ic=0.05mA)、読み出し電流(Ic/5)が0.01mA、パルス電流による耐圧が2Vとなるように、素子を設計する。これらパラメータは、抵抗記憶素子及び磁気抵抗効果素子における一般的な範囲内であり、本発明の半導体記憶装置を構成するうえで特別な材料や構造を採用する必要はない。
For example, the resistance memory element R R, the resistance value when the high resistance state 400 kilohms, the resistance value when the low-
次に、本実施形態による半導体記憶装置の駆動方法について図1を用いて説明する。 Next, the method for driving the semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
本実施形態による半導体記憶装置において、磁気抵抗効果素子RMは、ワークメモリとして使用する記憶素子である。抵抗記憶素子RRは、ワークメモリを初期化するための所定の情報を記憶するストレージメモリとして使用する記憶素子である。抵抗記憶素子RRに記憶された情報は、必要に応じて磁気抵抗効果素子RMに書き出され、磁気抵抗効果素子RMを初期化するために用いられる。 In the semiconductor memory device according to the present embodiment, the magnetoresistive element RM is a memory element used as a work memory. Resistance memory element R R is a storage element used as a storage memory for storing predetermined information for initializing the working memory. Information stored in the resistive memory element R R is optionally written to the magneto-resistive element R M, is used to initialize the magneto-resistive element R M.
まず、抵抗記憶素子RRに、イニシャル情報の書き込みを行う。抵抗記憶素子RRへの書き込みは、端子V0と端子V2との間に所定の書き込み電圧を印加することにより行う。抵抗記憶素子RRへの書き込みには、高抵抗状態を書き込むリセットと、低抵抗状態を書き込むセットとがある。通常は、低抵抗状態の書き込みに必要なセット電圧の方が、高抵抗状態の書き込みに必要なリセット電圧よりも高い。ここでは、抵抗記憶素子RRのセット電圧及びリセット電圧の何れもが、4Vより高い電圧であるものとする。また、抵抗記憶素子RRの高抵抗状態の抵抗値が400kΩ、低抵抗状態の抵抗値が40kΩであるものとする。 First, the resistance memory element R R, writing initial information. Writing to the resistance memory element R R is performed by applying a predetermined write voltage between the terminals V0 and the terminal V2. The writing to the resistance memory element R R, is a reset for writing a high resistance state, a set of writing the low resistance state. Usually, the set voltage required for writing in the low resistance state is higher than the reset voltage required for writing in the high resistance state. Here, both of the set and reset voltages of the resistance memory element R R is assumed to be higher than 4V voltage. The resistance value of the high resistance state of the resistance memory element R R is 400 kilohms, the resistance value in the low resistance state is assumed to be 40 k.OMEGA.
なお、抵抗記憶素子RRへのイニシャル情報の書き込みは、必要に応じて行えばよく、必ずしも毎回行う必要はない。 Incidentally, the writing of initial information to the resistance memory element R R may be carried out according to need, it is not necessarily performed each time.
次に、磁気抵抗効果素子RMの記録情報をリセットする。磁気抵抗効果素子RMの記録情報のリセットは、磁気抵抗効果素子RMに所定の書き込み電流を流すことにより行う。ここでは、磁気抵抗効果素子RMの磁化反転に必要な書き込み電流の電流密度(磁化反転電流密度)Jcが5×105A/cm2以上であるものとする。また、磁気抵抗効果素子RMの素子面積は0.1×0.1μm2であり、初期状態における素子抵抗が13.3kΩ(低抵抗状態)であるものとする。 Then, reset the recorded information of the magnetoresistive element R M. Reset of the recording information of the magnetoresistive element R M is performed by passing a predetermined write current to the magnetoresistive element R M. Here, the current density (magnetization reversal current density) of the write current necessary for magnetization switching of the magnetoresistive element R M Jc is assumed at 5 × 10 5 A / cm 2 or more. Further, the element area of the magnetoresistive element R M is a 0.1 × 0.1 [mu] m 2, the element resistance in the initial state is assumed to be 13.3Keiomega (low resistance state).
端子V1に例えば0Vを印加し、端子V2に例えば0.7Vの電圧を印加すると、磁気抵抗効果素子RMには端子V2から端子V1方向へ、電流密度が約5.3×105A/cm2の書き込み電流I1が流れる。これにより、磁気抵抗効果素子RMでは固定磁化層に対する磁化方向が反平行となるように自由磁化層の磁化反転が生じ、低抵抗状態から高抵抗状態へと抵抗状態が変化する。これにより、磁気抵抗効果素子RMの素子抵抗は40kΩに増加し、磁気抵抗効果素子RMの高抵抗状態へのリセットが完了する。 Is applied to the terminal V1 to 0V for example, is applied to the terminal V2, for example, 0.7V voltage, from the terminal V2 to the terminal V1 direction to the magnetoresistive element R M, the current density of about 5.3 × 10 5 A / A write current I 1 of cm 2 flows. As a result, in the magnetoresistive effect element RM , the magnetization reversal of the free magnetic layer occurs so that the magnetization direction with respect to the fixed magnetic layer is antiparallel, and the resistance state changes from the low resistance state to the high resistance state. Accordingly, the element resistance of the magnetoresistive element R M is increased to 40 k.OMEGA, reset to the high resistance state of the magnetoresistive element R M is completed.
次いで、抵抗記憶素子RRに記録されている情報を、磁気抵抗効果素子RMに転写する。磁気抵抗効果素子RMへの情報の転写は、端子V0と端子V1との間に所定の駆動電圧を印加することにより行う。ここでは、端子V0と端子V1との間に、抵抗記憶素子RRのセット電圧及びリセット電圧の何れよりも低い電圧であって、抵抗記憶素子RRが低抵抗状態の場合にのみ磁気反転電流密度(5×105A/cm2)以上の電流密度の書き込み電流が流れるような電圧、例えば4Vを印加する。すなわち、端子V0へは例えば0Vを印加し、端子V1へは例えば4Vを印加する。 Then, the information recorded to the resistance memory element R R, are transferred to the magnetoresistive element R M. Transfer of information to the magnetoresistive element R M is performed by applying a predetermined drive voltage between the terminals V0 and the terminal V1. Here, between the terminals V0 and the terminal V1, a voltage lower than either of the set voltage and the reset voltage of the resistance memory element R R, magnetic reversal current only when the resistance memory element R R is in the low resistance state A voltage at which a write current having a current density equal to or higher than the density (5 × 10 5 A / cm 2 ) flows, for example, 4 V is applied. That is, for example, 0V is applied to the terminal V0, and 4V is applied to the terminal V1, for example.
このとき、抵抗記憶素子RRが低抵抗状態(40kΩ)の場合には、磁気抵抗効果素子RMには約2Vの電圧が印加され、磁化反転電流密度以上の電流密度(5×105A/cm2)を有する書き込み電流I2が端子V1から端子V0方向に流れる。これにより、磁気抵抗効果素子RMでは固定磁化層に対する磁化方向が平行となるように自由磁化層の磁化反転が生じ、高抵抗状態から低抵抗状態へと抵抗状態が変化する。 At this time, when the resistance memory element R R is in the low resistance state (40 k.OMEGA) is the magnetoresistive element R M is the applied voltage of approximately 2V is, the magnetization reversal current density above the current density (5 × 10 5 A / Cm 2 ), the write current I 2 flows from the terminal V1 toward the terminal V0. Thereby, in the magnetoresistive effect element RM , the magnetization reversal of the free magnetic layer occurs so that the magnetization direction with respect to the fixed magnetic layer is parallel, and the resistance state changes from the high resistance state to the low resistance state.
一方、抵抗記憶素子RRが高抵抗状態(400kΩ)の場合には、磁気抵抗効果素子RMに印加される電圧は約0.4Vであり、磁気抵抗効果素子RMに流れる電流の電流密度は磁化反転電流密度よりも低い1×105A/cm2程度となる。これにより、磁気抵抗効果素子RMでは自由磁化層の磁化反転は生じず、磁気抵抗効果素子RMは高抵抗状態のまま維持される。 On the other hand, if the resistance memory element R R has a high resistance (400 kilohms), the voltage applied to the magnetoresistive element R M is about 0.4V, the current density of the current flowing through the magnetoresistive element R M Is about 1 × 10 5 A / cm 2, which is lower than the magnetization reversal current density. Thereby, in the magnetoresistive effect element RM , the magnetization reversal of the free magnetic layer does not occur, and the magnetoresistive effect element RM is maintained in the high resistance state.
こうして、抵抗記憶素子RRに記録されている情報が何れの抵抗状態の場合にも、その情報を磁気抵抗効果素子RMにそのまま転写することができる。 Thus, when information recorded in the resistance memory element R R is any resistance state can also be directly transfers the information to the magnetoresistive element R M.
この後、抵抗記憶素子RRに記録されていた情報を転写した磁気抵抗効果素子RMは、ワークメモリとして用いる。 Thereafter, the magnetoresistive element R M the transfer of the information recorded in the resistance memory element R R is used as a work memory.
磁気抵抗効果素子RMからの情報の読み出しは、端子V1と端子V2との間に所定の読み出し電流を流し、端子V1と端子V2との間の電位差を検出することにより行う。端子V1と端子V2との間に流す読み出し電流値を例えば0.01mAとすると、磁気抵抗効果素子RMが低抵抗状態(13.3kΩ)のとき、端子V1と端子V2との間には0.133Vの読み出し電圧が出力される。また、磁気抵抗効果素子RMが高抵抗状態(40kΩ)のとき、端子V1と端子V2との間には0.4Vの読み出し電圧が出力される。したがって、磁気抵抗効果素子RMが低抵抗状態の場合と高抵抗状態の場合とで、約0.266V程度の十分な読み出し電圧マージンを確保することができる。 Reading information from the magnetoresistance effect element R M is flowed predetermined read current between the terminal V1 and the terminal V2, by detecting the potential difference between the terminals V1 and the terminal V2. When the read current value is, for example 0.01mA to flow between the terminal V1 and the terminal V2, when the magnetoresistive element R M is in the low resistance state (13.3kΩ), between the terminal V1 and the terminal V2 0 A read voltage of 133 V is output. Moreover, when the magnetoresistive element R M has a high resistance (40 k.OMEGA), a read voltage of 0.4V is outputted between the terminals V1 and the terminal V2. Therefore, a magnetic resistance effect element R M is in the case of the high-resistance state in the case of the low-resistance state, to secure a sufficient read voltage margin of approximately 0.266V.
磁気抵抗効果素子RMに記録された情報の書き換えは、端子V1と端子V2との間に所定の駆動電圧を印加して磁化反転電流密度以上の電流密度の書き込み電流を流すことにより行う。 Rewriting of information recorded on the magnetoresistive element R M is carried out by passing a write current of the magnetization reversal current density above the current density by applying a predetermined drive voltage between the terminals V1 and the terminal V2.
そして、ワークメモリの初期化が必要な場合には、上記と同様の手順により、磁気抵抗効果素子RMの情報のリセットと抵抗記憶素子RRからの情報の転写とを改めて行う。 Then, if necessary initialization of working memory, by the same procedure as described above, again performing the transfer of information from the reset and the resistance memory element R R information of the magnetoresistive element R M.
なお、上記手順では磁気抵抗効果素子RMの記録情報を高抵抗状態にリセットしたが、低抵抗状態にリセットすることもできる。 In the above procedure has been reset the record information of the magnetoresistive element R M to the high resistance state can also be reset to a low resistance state.
磁気抵抗効果素子RMを低抵抗状態にリセットする場合、端子V2に例えば0Vを印加し、端子V1に例えば2Vの電圧を印加する。これにより、磁気抵抗効果素子RMには端子V1から端子V2方向へ、電流密度が約5×105A/cm2の書き込み電流が流れる。これにより、磁気抵抗効果素子RMでは固定磁化層に対する磁化方向が平行となるように自由磁化層の磁化反転が生じ、高抵抗状態から低抵抗状態へと抵抗状態が変化する。これにより、磁気抵抗効果素子RMの素子抵抗は13.3kΩに減少し、磁気抵抗効果素子RMの低抵抗状態へのリセットが完了する。 To reset the magnetoresistive element R M in the low resistance state, 0V is applied to, for example, in the terminal V2, is applied, for example, 2V voltage terminal V1. Thus, the magnetoresistive element R M from the terminal V1 to the terminal V2 direction, a current density of about 5 × 10 5 A / cm 2 of the write current flows. Thereby, in the magnetoresistive effect element RM , the magnetization reversal of the free magnetic layer occurs so that the magnetization direction with respect to the fixed magnetic layer is parallel, and the resistance state changes from the high resistance state to the low resistance state. Accordingly, the element resistance of the magnetoresistive element R M is reduced to 13.3Keiomega, reset to the low resistance state of the magnetoresistive element R M is completed.
磁気抵抗効果素子RMへの情報の転写は、端子V0と端子V1との間に所定の駆動電圧を印加することにより行う。ここでは、端子V0と端子V1との間に、抵抗記憶素子RRのセット電圧及びリセット電圧の何れよりも低い電圧であって、抵抗記憶素子RRが低抵抗状態の場合にのみ磁化反転電流密度(5×105A/cm2)以上の電流密度の書き込み電流が流れるような電圧、例えば2.7Vを印加する。すなわち、端子V0へは例えば2.7Vを印加し、端子V1へは例えば0Vを印加する。 Transfer of information to the magnetoresistive element R M is performed by applying a predetermined drive voltage between the terminals V0 and the terminal V1. Here, between the terminals V0 and the terminal V1, the resistance memory element R and a set voltage and a voltage lower than any of the reset voltage of the R, the resistance memory element R R only magnetization reversal current when the low resistance state A voltage at which a write current having a current density equal to or higher than the density (5 × 10 5 A / cm 2 ) flows, for example, 2.7 V is applied. That is, for example, 2.7 V is applied to the terminal V0, and 0 V is applied to the terminal V1, for example.
このとき、抵抗記憶素子RRが低抵抗状態(40kΩ)の場合には、磁気抵抗効果素子RMには約0.7Vの電圧が印加され、磁化反転電流密度以上の電流密度(5×105A/cm2)を有する書き込み電流が端子V0から端子V1方向に流れる。これにより、磁気抵抗効果素子RMでは固定磁化層に対する磁化方向が反平行になるように自由磁化層の磁化反転が生じ、低抵抗状態から高抵抗状態へと抵抗状態が変化する。 At this time, when the resistance memory element R R is in the low resistance state (40 k.OMEGA), the voltage of about 0.7V is applied to the magnetoresistive element R M, the magnetization reversal current density above the current density (5 × 10 5 A / cm 2 ) flows from the terminal V0 toward the terminal V1. As a result, in the magnetoresistive effect element RM , the magnetization reversal of the free magnetic layer occurs so that the magnetization direction with respect to the fixed magnetic layer becomes antiparallel, and the resistance state changes from the low resistance state to the high resistance state.
一方、抵抗記憶素子RRが高抵抗状態(400kΩ)の場合には、磁気抵抗効果素子RMに印加される電圧は約0.1Vであり、磁気抵抗効果素子RMに流れる電流の電流密度は磁化反転電流密度よりも低い約0.6×105A/cm2程度となる。これにより、磁気抵抗効果素子RMでは自由磁化層の磁化反転は生じず、磁気抵抗効果素子RMは低抵抗状態のまま維持される。 On the other hand, if the resistance memory element R R has a high resistance (400 kilohms), the voltage applied to the magnetoresistive element R M is about 0.1 V, the current density of the current flowing through the magnetoresistive element R M Is about 0.6 × 10 5 A / cm 2, which is lower than the magnetization reversal current density. Thereby, in the magnetoresistive effect element RM , the magnetization reversal of the free magnetic layer does not occur, and the magnetoresistive effect element RM is maintained in the low resistance state.
この場合、抵抗記憶素子RRの抵抗状態と磁気抵抗効果素子RMに転写した抵抗状態とは逆になるが、情報“0”,“1”と抵抗記憶素子RR及び磁気抵抗効果素子RMの抵抗状態との対応関係を予め定義しておけば、使用上問題はない。 In this case, although contrary to transcribed resistance state to the resistive state and the magnetoresistive element R M of the resistance memory element R R, information "0", "1" and the resistance memory element R R and the magnetoresistive element R If the correspondence relationship with the resistance state of M is defined in advance, there is no problem in use.
次に、本実施形態による半導体記憶装置の具体的な構造について図3乃至図6を用いて説明する。 Next, the specific structure of the semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
図3は、図1の単位素子構造を用いて構成したメモリセルアレイの一例を示す回路図である。図3に示すように、1つのメモリセルMCは、1つのセル選択トランジスタTrと、抵抗記憶素子RRと、磁気抵抗効果素子RMとを有している。セル選択トランジスタTrのソース端子はソース線SL(SL1)に接続され、ゲート端子はワード線WL(WL1)に接続されている。抵抗記憶素子RR及び磁気抵抗効果素子RMの一端は、セル選択トランジスタTrのドレイン端子にそれぞれ接続されている。抵抗記憶素子RR及び磁気抵抗効果素子RMの他端は、それぞれ別々のビット線BL(BL11,BL12)に接続されている。そして、このようなメモリセルMCが、列方向(図面縦方向)及び行方向(図面横方向)に隣接して形成されている。 FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of a memory cell array configured using the unit element structure of FIG. As shown in FIG. 3, one memory cell MC has a one cell selection transistor Tr, a resistance memory element R R, and a magneto-resistive element R M. The source terminal of the cell selection transistor Tr is connected to the source line SL (SL1), and the gate terminal is connected to the word line WL (WL1). One end of the resistance memory element R R and the magnetoresistive element R M is connected to the drain terminal of the cell selection transistor Tr. The other end of the resistance memory element R R and the magnetoresistive element R M are connected to each separate bit line BL (BL11, BL12). Such memory cells MC are formed adjacent to each other in the column direction (vertical direction in the drawing) and the row direction (horizontal direction in the drawing).
列方向には、複数のワード線WL1,WL2,WL3…が配されており、列方向に並ぶメモリセルMCに共通の信号線を構成している。また、列方向には、ソース線SL1,SL2…が配され、列方向に並ぶメモリセルMCに共通の信号線を構成している。 A plurality of word lines WL1, WL2, WL3,... Are arranged in the column direction, and constitute a common signal line for the memory cells MC arranged in the column direction. Further, source lines SL1, SL2,... Are arranged in the column direction, and constitute a common signal line for the memory cells MC arranged in the column direction.
行方向(図面横方向)には、複数のビット線BL11,BL12,BL21,BL22,BL31,BL32…が配されており、行方向に並ぶメモリセルMCに共通の信号線を構成している。 In the row direction (horizontal direction in the drawing), a plurality of bit lines BL11, BL12, BL21, BL22, BL31, BL32... Are arranged to constitute a common signal line for the memory cells MC arranged in the row direction.
図4及び図5は、図3の回路構成を実現する具体的な素子構造を示す平面図及び概略断面図である。図5(a)は図4のA−A′線断面図であり、図5(b)は図4のB−B′線断面図である。 4 and 5 are a plan view and a schematic sectional view showing a specific element structure for realizing the circuit configuration of FIG. 5A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 4, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG.
シリコン基板30には、素子領域を画定する素子分離膜32が形成されている。シリコン基板30の素子領域には、ゲート電極34及びソース/ドレイン領域36,38を有するセル選択トランジスタが形成されている。
An
ゲート電極34は、図4に示すように、列方向(図面縦方向)に隣接するセル選択トランジスタのゲート電極34を共通接続するワード線WLとしても機能する。
As shown in FIG. 4, the
セル選択トランジスタが形成されたシリコン基板10上には、ソース/ドレイン領域36に電気的に接続されたコンタクトプラグ44が埋め込まれた層間絶縁膜40が形成されている。
On the
コンタクトプラグ44が埋め込まれた層間絶縁膜40上には、コンタクトプラグ44を介してソース/ドレイン領域36に電気的に接続されたソース線46が形成されている。
A
ソース線42が形成された層間絶縁膜40上には、層間絶縁膜48が形成されている。層間絶縁膜48上には、行方向(図面横方向)に延在するビット線50が形成されている。ビット線50が形成された層間絶縁膜48上には、ビット線50に電気的に接続されたコンタクトプラグ56が埋め込まれた層間絶縁膜52が形成されている。
An interlayer insulating
コンタクトプラグ56が埋め込まれた層間絶縁膜52上には、コンタクトプラグ56を介してビット線50に電気的に接続された下部電極58と、下部電極58上に形成された抵抗記憶材料層60と、抵抗記憶材料層60上に形成された上部電極62とを有する抵抗記憶素子64が形成されている。
On the
抵抗記憶素子64が形成された層間絶縁膜52上には、抵抗記憶素子64の上部電極62に電気的に接続されたコンタクトプラグ74が埋め込まれた層間絶縁膜66が形成されている。層間絶縁膜66,52,48,40には、ソース/ドレイン領域38に電気的に接続されたコンタクトプラグ72が埋め込まれている。
On the
コンタクトプラグ72,74が埋め込まれた層間絶縁膜66上には、コンタクトプラグ72,74を電気的に接続する下部電極層76が形成されている。下部電極層72上には、磁気抵抗効果素子90が形成されている。磁気抵抗効果素子90は、図6に示すように、下部電極層76上に形成された下地層78と、下地層78上に形成された反強磁性層80と、反強磁性層80上に形成され、強磁性層82c/非磁性層82b/強磁性層82aの積層フェリ構造よりなる固定磁化層82と、固定磁化層82上に形成されたバリア層84と、バリア層84上に形成された自由磁化層86と、自由磁化層86上に形成されたキャップ層88とにより構成されている。
On the
下部電極層76及び磁気抵抗効果素子90が形成された層間絶縁膜66上には、磁気抵抗効果素子90に電気的に接続されたコンタクトプラグ96が埋め込まれた層間絶縁膜92が形成されている。
An interlayer insulating
層間絶縁膜92上には、コンタクトプラグ96を介して磁気抵抗効果素子90に電気的に接続され、行方向(図面横方向)に延在するビット線98が形成されている。
On the
こうして、図3に示す回路構成を有する半導体記憶装置が構成されている。 Thus, the semiconductor memory device having the circuit configuration shown in FIG. 3 is configured.
次に、本実施形態による半導体記憶装置の製造方法について図7乃至図12を用いて説明する。なお、図7乃至図9は図4のA−A′線断面における工程断面図、図10乃至図12は図4のB−B′線断面における工程断面図である。 Next, the method for fabricating the semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 7 to 9 are process cross-sectional views taken along the line AA 'in FIG. 4, and FIGS. 10 to 12 are process cross-sectional views taken along the line BB' in FIG.
まず、シリコン基板30内に、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法により、素子領域を画定する素子分離膜32を形成する。
First, an
次いで、シリコン基板30の素子領域上に、通常のMOSトランジスタの製造方法と同様にして、ゲート電極34及びソース/ドレイン領域36,38を有するセル選択トランジスタを形成する(図7(a)、図10(a))。
Next, a cell selection transistor having a
次いで、セル選択トランジスタが形成されたシリコン基板30上に、例えばCVD法によりシリコン酸化膜を堆積し、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜40を形成する。
Next, on the
次いで、リソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜40に、ソース/ドレイン領域36に達するコンタクトホール42を形成する。
Next, contact holes 42 reaching the source /
次いで、例えばCVD法によりバリアメタル及びタングステン膜を堆積後、これら導電膜をエッチバックし、コンタクトホール42内に、ソース/ドレイン領域36に電気的に接続されたコンタクトプラグ44を形成する。
Next, after depositing a barrier metal and a tungsten film by, for example, a CVD method, these conductive films are etched back to form contact plugs 44 electrically connected to the source /
次いで、コンタクトプラグ44が埋め込まれた層間絶縁膜40上に、コンタクトプラグ44を介してソース/ドレイン領域36に電気的に接続されたソース線46を形成する(図7(b)、図10(b))。
Next, a
次いで、ソース線46が形成された層間絶縁膜40上に、例えばCVD法によりシリコン酸化膜を堆積し、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜48を形成する。
Next, a silicon oxide film is deposited on the
次いで、層間絶縁膜48上に、ビット線50を形成する(図7(c)、図10(c))。
Next, the
次いで、ビット線50が形成された層間絶縁膜48上に、例えばCVD法によりシリコン酸化膜を堆積し、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜52を形成する。
Next, a silicon oxide film is deposited on the
次いで、リソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜52に、ビット線50に達するコンタクトホール54を形成する。
Next, a
次いで、例えばCVD法によりバリアメタル及びタングステン膜を堆積後、これら導電膜をエッチバックし、コンタクトホール54内に、ビット線50に電気的に接続されたコンタクトプラグ56を形成する(図8(a)、図11(a))。
Next, after depositing a barrier metal and a tungsten film by, for example, the CVD method, the conductive film is etched back to form a
次いで、コンタクトプラグ56が埋め込まれた層間絶縁膜52上に、例えばプラチナよりなる下部電極58と、例えばPr1−xCaxMnO3よりなる抵抗記憶材料層60と、例えばプラチナよりなる上部電極62とを有する抵抗記憶素子64を形成する(図11(b))。下部電極58及び上部電極62を構成するプラチナは、例えばスパッタ法により形成することができる。また、Pr1−xCaxMnO3よりなる抵抗記憶材料層60は、レーザアブレーション法、ゾルゲル法、スパッタ法、MOCVD法等により形成することができる。
Next, on the
下部電極58及び上部電極62は、プラチナのほか、例えばIr、W、Ni、Au、Cu、Ag、Pd、Zn、Cr、Al、Mn、Ta、Si、TaN、TiN、Ru、ITO、NiO、IrO、SrRuO、CoSi2、WSi2、NiSi、MoSi2、TiSi2、Al−Si、Al−Cu、Al−Si−Cu等により形成することができる。また、抵抗記憶材料層60は、Pr1−xCaxMnO3のほか、TiOx、NiOx、YOx、CeOx、MgOx、ZnOx、ZrOx、HfOx、WOx、NbOx、TaOx、CrOx、MnOx、AlOx、VOx、SiOx等や、La1−xCaxMnO3、SrTiO3、YBa2Cu3Oy、LaNiO等の複数の金属や半導体原子を含む酸化物材料により形成することができる。
The
次いで、抵抗記憶素子64が形成された層間絶縁膜52上に、例えばCVD法によりシリコン酸化膜を堆積し、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜66を形成する。
Next, a silicon oxide film is deposited on the
次いで、リソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜66に、ソース/ドレイン領域38に達するコンタクトホール68及び抵抗記憶素子64の上部電極62に達するコンタクトホール70を形成する。
Next, a
次いで、例えばCVD法によりバリアメタル及びタングステン膜を堆積後、これら導電膜をエッチバックし、コンタクトホール68,70内に、ソース/ドレイン領域38に電気的に接続されたコンタクトプラグ72と、抵抗記憶素子64の上部電極62に電気的に接続されたコンタクトプラグ74とをそれぞれ形成する(図8(b)、図11(c))。
Next, after depositing a barrier metal and a tungsten film by, for example, a CVD method, the conductive film is etched back, and contact plugs 72 electrically connected to the source /
次いで、コンタクトプラグ72,74が埋め込まれた層間絶縁膜66上に、例えばTaよりなり、プラグ72とプラグ74とをソース/ドレイン領域38に電気的に接続する下部電極層76と、下部電極層76上に形成された磁気抵抗効果素子90とを形成する(図9(a)、図12(a))。
Next, on the
磁気抵抗効果素子90は、例えば図6に示すように、下部電極層76上に形成されたNiFeよりなる下地層78と、下地層78上に形成されたIrMnよりなる反強磁性層80と、反強磁性層80上に形成され、CoFeよりなる強磁性層82aと、Ruよりなる非磁性層82bと、CoFeBよりなる強磁性層82cとからなる積層フェリ構造の固定磁化層82と、固定磁化層82上に形成されたMgOよりなるバリア層84と、バリア層84上に形成されたCoFeBよりなる自由磁化層86と、自由磁化層86上に形成されたTaよりなるキャップ層(上部電極層)88とにより構成する。
For example, as shown in FIG. 6, the
次いで、下部電極層76及び磁気抵抗効果素子90が形成された層間絶縁膜66上に、例えばCVD法によりシリコン酸化膜を堆積し、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜92を形成する。
Next, a silicon oxide film is deposited on the
次いで、リソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜92に、磁気抵抗効果素子90に達するコンタクトホール94を形成する。
Next, a
次いで、例えばCVD法によりバリアメタル及びタングステン膜を堆積後、これら導電膜をエッチバックし、コンタクトホール94内に、磁気抵抗効果素子90に電気的に接続されたコンタクトプラグ96を形成する。
Next, after depositing a barrier metal and a tungsten film by, for example, the CVD method, the conductive film is etched back, and a
次いで、コンタクトプラグ96が埋め込まれた層間絶縁膜92上に、コンタクトプラグ96を介して磁気抵抗効果素子90に電気的に接続されたビット線98を形成する。
(図9(b)、図12(b))。
Next, a
(FIG. 9B, FIG. 12B).
この後、必要に応じて更に上層の配線層を形成し、本実施形態による半導体記憶装置を完成する。 Thereafter, if necessary, an upper wiring layer is formed, and the semiconductor memory device according to the present embodiment is completed.
このように、本実施形態によれば、1つのメモリセルを磁気抵抗効果素子と抵抗記憶素子とにより構成し、磁気抵抗効果素子をワークメモリとして用い、抵抗記憶素子をストレージメモリとして用いるので、高速且つ不揮発性を有するワークメモリを構成することができる。また、抵抗記憶素子から磁気抵抗効果素子への情報の転送は、抵抗記憶素子と磁気抵抗効果素子との直列接続体に所定の駆動電圧を印加するだけで実行できるため、磁気抵抗効果素子を所望の状態へ高速でイニシャライズすることができる。 As described above, according to the present embodiment, one memory cell includes a magnetoresistive effect element and a resistance memory element, the magnetoresistive effect element is used as a work memory, and the resistance memory element is used as a storage memory. In addition, a non-volatile work memory can be configured. In addition, since the transfer of information from the resistance memory element to the magnetoresistive effect element can be performed only by applying a predetermined drive voltage to the serial connection body of the resistance memory element and the magnetoresistive effect element, the magnetoresistive effect element is desired. It is possible to initialize to the state at high speed.
また、抵抗記憶素子と磁気抵抗効果素子とは垂直方向に積層することができる。これにより、単位メモリセルに必要とされる床面積を大幅に狭くすることができ、半導体記憶装置の集積度を向上することができる。 In addition, the resistance memory element and the magnetoresistive effect element can be stacked in the vertical direction. Thereby, the floor area required for the unit memory cell can be significantly reduced, and the degree of integration of the semiconductor memory device can be improved.
[変形実施形態]
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
例えば、上記実施形態では、抵抗記憶素子64と磁気抵抗効果素子90とをシリコン基板10上に積層して配置したが、これら素子は必ずしも積層する必要はない。本発明の半導体記憶装置は、図3に示す回路構成を基本とするものであり、各素子の配置は図5に記載の構造に限定されるものではない。例えば、図5において、下部電極層76上に抵抗記憶素子64及び磁気抵抗効果素子90を形成し、層間絶縁膜92上にビット線50,98を形成することも可能である。
For example, in the above-described embodiment, the
また、上記実施形態では、スピン注入により磁気抵抗効果素子90の記憶情報をリセットしたが、磁気抵抗効果素子90に所定方向の磁界を印加して自由磁化層を磁化反転することにより記憶情報をリセットしてもよい。この場合、総ての又は特定ブロックの磁気抵抗効果素子を一括してリセットすることも可能である。
In the above embodiment, the stored information of the
また、上記実施形態では、磁気抵抗効果素子として、2つの強磁性層間にトンネル絶縁膜を挟んで構成されるTMR型のスピン注入磁化反転素子を適用した場合について示したが、2つの強磁性層間にCu,Ag,Au,Ru等の非磁性金属中間層を挟んで構成されるGMR型のスピン注入磁化反転素子においても同様に適用することができる。 In the above-described embodiment, the case where the TMR type spin injection magnetization reversal element configured by sandwiching the tunnel insulating film between the two ferromagnetic layers is applied as the magnetoresistive effect element has been described. Further, the present invention can be similarly applied to a GMR type spin injection magnetization reversal element configured by sandwiching a nonmagnetic metal intermediate layer such as Cu, Ag, Au, or Ru.
以上詳述したように、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。 As described above in detail, the features of the present invention are summarized as follows.
(付記1) 一対の電極と、前記一対の電極間に形成された抵抗記憶材料よりなる抵抗記憶層とを有し、高抵抗状態と低抵抗状態とを記憶し、電圧又は電流の印加によって前記高抵抗状態と前記低抵抗状態とを切り換える抵抗記憶素子と、
一対の電極と、前記一対の電極間に形成され、固定磁化層、非磁性層及び自由磁化層が積層された積層体とを有し、前記固定磁化層の磁化方向と前記自由磁化層の磁化方向との関係に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子とを有し、
前記抵抗記憶素子の前記一対の電極のうちの一方と前記磁気抵抗効果素子の前記一対の電極のうちの一方とが接続されている
ことを特徴とする半導体記憶装置。
(Additional remark 1) It has a pair of electrodes and a resistance memory layer made of a resistance memory material formed between the pair of electrodes, stores a high resistance state and a low resistance state, and applies the voltage or current to A resistance memory element that switches between a high resistance state and the low resistance state;
A pair of electrodes and a laminate formed by laminating a fixed magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a free magnetic layer formed between the pair of electrodes, the magnetization direction of the fixed magnetic layer and the magnetization of the free magnetic layer A magnetoresistive effect element whose resistance value changes according to the relationship with the direction,
One of the pair of electrodes of the resistance memory element is connected to one of the pair of electrodes of the magnetoresistive effect element. A semiconductor memory device, wherein:
(付記2) 請求項1記載の半導体記憶装置において、
前記磁気抵抗効果素子に記録された情報を初期化する際に、前記抵抗記憶素子の前記一対の電極のうちの他方と前記磁気抵抗効果素子の前記一対の電極のうちの他方との間に電圧を印加し、前記抵抗記憶素子の抵抗状態に応じた電流を前記磁気抵抗効果素子に流すことにより、前記抵抗記憶素子に記録された情報を前記磁気抵抗効果素子に転写する情報初期化手段を更に有する
ことを特徴とする半導体記憶装置。
(Supplementary note 2) In the semiconductor memory device according to claim 1,
When initializing information recorded in the magnetoresistive effect element, a voltage is applied between the other of the pair of electrodes of the resistance memory element and the other of the pair of electrodes of the magnetoresistive effect element. And an information initialization means for transferring the information recorded in the resistance memory element to the magnetoresistive effect element by applying a current corresponding to the resistance state of the resistance memory element to the magnetoresistive effect element. A semiconductor memory device comprising:
(付記3) 請求項1又は2記載の半導体記憶装置において、
前記磁気抵抗効果素子は、スピンの注入により前記自由磁化層の磁化反転を行うスピン注入磁化反転型の素子である
ことを特徴とする半導体記憶装置。
(Appendix 3) In the semiconductor memory device according to
The semiconductor memory device, wherein the magnetoresistive effect element is a spin injection magnetization reversal element that performs magnetization reversal of the free magnetic layer by spin injection.
(付記4) 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体記憶装置において、
前記抵抗記憶素子の前記一対の電極のうちの前記一方と前記磁気抵抗効果素子の前記一対の電極のうちの前記一方との接続部分に接続されたセル選択トランジスタを更に有する
ことを特徴とする半導体記憶装置。
(Appendix 4) In the semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 3,
The semiconductor further comprising a cell selection transistor connected to a connection portion between the one of the pair of electrodes of the resistance memory element and the one of the pair of electrodes of the magnetoresistive effect element. Storage device.
(付記5) 一対の電極と、前記一対の電極間に形成された抵抗記憶材料よりなる抵抗記憶層とを有し、高抵抗状態と低抵抗状態とを記憶し、電圧又は電流の印加によって前記高抵抗状態と前記低抵抗状態とを切り換える抵抗記憶素子と、一対の電極と、前記一対の電極間に形成され、固定磁化層、非磁性層及び自由磁化層が積層された積層体とを有し、前記固定磁化層の磁化方向と前記自由磁化層の磁化方向との関係に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子とを有し、前記抵抗記憶素子の前記一対の電極のうちの一方と前記磁気抵抗効果素子の前記一対の電極のうちの一方とが接続された半導体記憶装置の駆動方法であって、
前記磁気抵抗効果素子に記録された情報を初期化する際に、前記抵抗記憶素子の前記一対の電極のうちの他方と前記磁気抵抗効果素子の前記一対の電極のうちの他方との間に電圧を印加し、前記抵抗記憶素子の抵抗状態に応じた電流を前記磁気抵抗効果素子に流すことにより、前記抵抗記憶素子に記録された情報を前記磁気抵抗効果素子に転写する
ことを特徴とする半導体記憶装置の駆動方法。
(Additional remark 5) It has a resistance memory layer which consists of a pair of electrodes and the resistance memory material formed between the pair of electrodes, memorizes a high resistance state and a low resistance state, and applies the voltage or current to A resistance memory element that switches between a high-resistance state and the low-resistance state; a pair of electrodes; and a stacked body that is formed between the pair of electrodes and includes a fixed magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a free magnetic layer. And a magnetoresistive effect element whose resistance value changes in accordance with the relationship between the magnetization direction of the fixed magnetization layer and the magnetization direction of the free magnetization layer, and one of the pair of electrodes of the resistance memory element And a driving method of a semiconductor memory device in which one of the pair of electrodes of the magnetoresistive effect element is connected,
When initializing information recorded in the magnetoresistive effect element, a voltage is applied between the other of the pair of electrodes of the resistance memory element and the other of the pair of electrodes of the magnetoresistive effect element. The information recorded in the resistive memory element is transferred to the magnetoresistive effect element by applying a current corresponding to the resistance state of the resistive memory element to the magnetoresistive effect element. A method for driving a storage device.
(付記6) 請求項5記載の半導体記憶装置の駆動方法において、
前記抵抗記憶素子の前記一対の電極のうちの前記他方と前記磁気抵抗効果素子の前記一対の電極のうちの前記他方との間に印加する前記電圧は、前記抵抗記憶素子が前記低抵抗状態のときには前記自由磁化層が磁化反転する磁化反転電流密度以上の電流が流れ、前記抵抗記憶素子が前記高抵抗状態のときには前記磁化反転電流密度より小さい電流が流れる値に設定する
ことを特徴とする半導体記憶装置の駆動方法。
(Supplementary Note 6) In the semiconductor memory device driving method according to claim 5,
The voltage applied between the other of the pair of electrodes of the resistance memory element and the other of the pair of electrodes of the magnetoresistive element is such that the resistance memory element is in the low resistance state. The semiconductor is characterized in that a current that is equal to or higher than a magnetization reversal current density at which the free magnetic layer undergoes magnetization reversal sometimes flows, and a current that is smaller than the magnetization reversal current density flows when the resistance memory element is in the high resistance state. A method for driving a storage device.
(付記7) 請求項5又は6記載の半導体装置の駆動方法において、
前記抵抗記憶素子に記録された前記情報を前記磁気抵抗効果素子に転写する前に、前記磁気抵抗効果素子に記録されている情報をリセットする
ことを特徴とする半導体記憶装置の駆動方法。
(Supplementary note 7) In the driving method of the semiconductor device according to
A method of driving a semiconductor memory device, comprising: resetting information recorded in the magnetoresistive effect element before transferring the information recorded in the resistive memory element to the magnetoresistive effect element.
10,14,26…電極
12…抵抗記憶材料層
16…抵抗記憶素子
18…反強磁性層
20…固定磁化層
22…バリア層
24…自由磁化層
28…磁気抵抗効果素子
30…シリコン基板
32…素子分離膜
34…ゲート電極
36,38…ソース/ドレイン領域
40,48,52,66,92…層間絶縁膜
42,54,68,70,94…コンタクトホール
44,56,72,74,96…コンタクトプラグ
46…ソース線
50,98…ビット線
58…下部電極
60…抵抗記憶材料層
62…上部電極
64…抵抗記憶素子
76…下部電極層
78…下地層
80…反強磁性層
82…固定磁化層
82a,82c…強磁性層
82b…非磁性層
84…バリア層
86…自由磁化層
88…キャップ層
90…磁気抵抗効果素子
DESCRIPTION OF
Claims (5)
一対の電極と、前記一対の電極間に形成され、固定磁化層、非磁性層及び自由磁化層が積層された積層体とを有し、前記固定磁化層の磁化方向と前記自由磁化層の磁化方向との関係に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子とを有し、
前記抵抗記憶素子の前記一対の電極のうちの一方と前記磁気抵抗効果素子の前記一対の電極のうちの一方とが接続されている
ことを特徴とする半導体記憶装置。 A resistance memory layer made of a resistance memory material formed between the pair of electrodes, storing a high resistance state and a low resistance state, and applying the voltage or current to the high resistance state; A resistance memory element that switches between the low resistance states;
A pair of electrodes and a laminate formed by laminating a fixed magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a free magnetic layer formed between the pair of electrodes, the magnetization direction of the fixed magnetic layer and the magnetization of the free magnetic layer A magnetoresistive effect element whose resistance value changes according to the relationship with the direction,
One of the pair of electrodes of the resistance memory element is connected to one of the pair of electrodes of the magnetoresistive effect element. A semiconductor memory device, wherein:
前記磁気抵抗効果素子に記録された情報を初期化する際に、前記抵抗記憶素子の前記一対の電極のうちの他方と前記磁気抵抗効果素子の前記一対の電極のうちの他方との間に電圧を印加し、前記抵抗記憶素子の抵抗状態に応じた電流を前記磁気抵抗効果素子に流すことにより、前記抵抗記憶素子に記録された情報を前記磁気抵抗効果素子に転写する情報初期化手段を更に有する
ことを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 1.
When initializing information recorded in the magnetoresistive effect element, a voltage is applied between the other of the pair of electrodes of the resistance memory element and the other of the pair of electrodes of the magnetoresistive effect element. And an information initialization means for transferring the information recorded in the resistance memory element to the magnetoresistive effect element by applying a current corresponding to the resistance state of the resistance memory element to the magnetoresistive effect element. A semiconductor memory device comprising:
前記磁気抵抗効果素子に記録された情報を初期化する際に、前記抵抗記憶素子の前記一対の電極のうちの他方と前記磁気抵抗効果素子の前記一対の電極のうちの他方との間に電圧を印加し、前記抵抗記憶素子の抵抗状態に応じた電流を前記磁気抵抗効果素子に流すことにより、前記抵抗記憶素子に記録された情報を前記磁気抵抗効果素子に転写する
ことを特徴とする半導体記憶装置の駆動方法。 A resistance memory layer made of a resistance memory material formed between the pair of electrodes, storing a high resistance state and a low resistance state, and applying the voltage or current to the high resistance state; A resistance memory element that switches between the low resistance state, a pair of electrodes, and a stacked body that is formed between the pair of electrodes and includes a fixed magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a free magnetic layer, and A magnetoresistive effect element whose resistance value changes in accordance with the relationship between the magnetization direction of the magnetization layer and the magnetization direction of the free magnetization layer, and one of the pair of electrodes of the resistance memory element and the magnetoresistance A method of driving a semiconductor memory device in which one of the pair of electrodes of an effect element is connected,
When initializing information recorded in the magnetoresistive effect element, a voltage is applied between the other of the pair of electrodes of the resistance memory element and the other of the pair of electrodes of the magnetoresistive effect element. The information recorded in the resistive memory element is transferred to the magnetoresistive effect element by applying a current corresponding to the resistance state of the resistive memory element to the magnetoresistive effect element. A method for driving a storage device.
前記抵抗記憶素子の前記一対の電極のうちの前記他方と前記磁気抵抗効果素子の前記一対の電極のうちの前記他方との間に印加する前記電圧は、前記抵抗記憶素子が前記低抵抗状態のときには前記自由磁化層が磁化反転する磁化反転電流密度以上の電流が流れ、前記抵抗記憶素子が前記高抵抗状態のときには前記磁化反転電流密度より小さい電流が流れる値に設定する
ことを特徴とする半導体記憶装置の駆動方法。 The method of driving a semiconductor memory device according to claim 3.
The voltage applied between the other of the pair of electrodes of the resistance memory element and the other of the pair of electrodes of the magnetoresistive element is such that the resistance memory element is in the low resistance state. The semiconductor is characterized in that a current that is equal to or higher than a magnetization reversal current density at which the free magnetic layer undergoes magnetization reversal sometimes flows, and a current that is smaller than the magnetization reversal current density flows when the resistance memory element is in the high resistance state. A method for driving a storage device.
前記抵抗記憶素子に記録された前記情報を前記磁気抵抗効果素子に転写する前に、前記磁気抵抗効果素子に記録されている情報をリセットする
ことを特徴とする半導体記憶装置の駆動方法。
The method for driving a semiconductor device according to claim 3 or 4,
A method of driving a semiconductor memory device, comprising: resetting information recorded in the magnetoresistive effect element before transferring the information recorded in the resistive memory element to the magnetoresistive effect element.
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