JP2008004625A - Storage element and memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成り、膜面に垂直な方向に電流を流して、スピン偏極した電子を注入することにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子及びこの記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。 The present invention comprises a storage layer for storing the magnetization state of a ferromagnetic layer as information and a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, and a current is passed in a direction perpendicular to the film surface to spin-polarized electrons. The present invention relates to a memory element that changes the magnetization direction of the memory layer by injecting, and a memory including the memory element, and is suitable for application to a nonvolatile memory.
コンピュータ等の情報機器では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なDRAMが広く使われている。
しかし、DRAMは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。
In information devices such as computers, DRAMs with high speed and high density are widely used as random access memories.
However, since DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, a nonvolatile memory in which information does not disappear is desired.
そして、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)が注目され、開発が進められている(例えば非特許文献1参照)。 As a candidate for a non-volatile memory, a magnetic random access memory (MRAM) that records information by magnetization of a magnetic material has attracted attention and is being developed (for example, see Non-Patent Document 1).
MRAMは、ほぼ直交する2種類のアドレス配線(ワード線、ビット線)にそれぞれ電流を流して、各アドレス配線から発生する電流磁場によって、アドレス配線の交点にある磁気記憶素子の磁性層の磁化を反転して情報の記録を行うものである。 In the MRAM, current is supplied to two types of address lines (word lines and bit lines) that are substantially orthogonal to each other, and the magnetization of the magnetic layer of the magnetic memory element at the intersection of the address lines is caused by a current magnetic field generated from each address line. Inverted information is recorded.
一般的なMRAMの模式図(斜視図)を、図9に示す。
シリコン基板等の半導体基体110の素子分離層102により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域108、ソース領域107、並びにゲート電極101が、それぞれ形成されている。
また、ゲート電極101の上方には、図中前後方向に延びるワード線105が設けられている。
ドレイン領域108は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域108には、配線109が接続されている。
そして、ワード線105と、上方に配置された、図中左右方向に延びるビット線106との間に、磁化の向きが反転する記憶層を有する磁気記憶素子103が配置されている。この磁気記憶素子103は、例えば磁気トンネル接合素子(MTJ素子)により構成される。
さらに、磁気記憶素子103は、水平方向のバイパス線111及び上下方向のコンタクト層104を介して、ソース領域107に電気的に接続されている。
ワード線105及びビット線106にそれぞれ電流を流すことにより、電流磁界を磁気記憶素子103に印加して、これにより磁気記憶素子103の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。
A schematic diagram (perspective view) of a general MRAM is shown in FIG.
A
A
The
A
Further, the
By applying current to each of the
そして、MRAM等の磁気メモリにおいて、記録した情報を安定に保持するためには、情報を記録する磁性層(記憶層)が、一定の保磁力を有していることが必要である。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流さなければならない。
ところが、MRAMを構成する素子の微細化に従い、磁化の向きを反転させるために必要となる電流量が増大する傾向を示す反面、アドレス配線も細くなるため、充分な電流が流せなくなってくる。
In order to stably hold recorded information in a magnetic memory such as MRAM, it is necessary that a magnetic layer (storage layer) for recording information has a certain coercive force.
On the other hand, in order to rewrite the recorded information, a certain amount of current must be passed through the address wiring.
However, as the elements constituting the MRAM are miniaturized, the amount of current required for reversing the direction of magnetization tends to increase. On the other hand, the address wiring also becomes thin, so that a sufficient current cannot flow.
そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリが注目されている(例えば、特許文献1、特許文献2、非特許文献2、非特許文献3参照)。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。
Accordingly, attention has been paid to a memory having a configuration using magnetization reversal by spin injection as a configuration capable of performing magnetization reversal with a smaller current (for example, Patent Document 1,
Magnetization reversal by spin injection is to cause magnetization reversal in another magnetic material by injecting spin-polarized electrons that have passed through the magnetic material into another magnetic material.
例えば、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)や磁気トンネル接合素子(MTJ素子)に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。 For example, when a current is passed through a giant magnetoresistive element (GMR element) or a magnetic tunnel junction element (MTJ element) in a direction perpendicular to the film surface, magnetization of at least a part of the magnetic layer of these elements is performed. Can be reversed.
そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、電流を増やさずに磁化反転を実現することができる利点を有している。 Magnetization reversal by spin injection has an advantage that magnetization reversal can be realized without increasing current even if the element is miniaturized.
上述したスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの模式図を図7及び図8に示す。図7は斜視図、図8は断面図である。
シリコン基板等の半導体基体60の素子分離層52により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域58、ソース領域57、並びにゲート電極51が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極51は、図4中前後方向に延びるワード線を兼ねている。
ドレイン領域58は、図7中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域58には、配線59が接続されている。
そして、ソース領域57と、上方に配置された、図7中左右方向に延びるビット線56との間に、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子53が配置されている。
この記憶素子53は、例えば磁気トンネル接合素子(MTJ素子)により構成される。図中61及び62は磁性層を示しており、2層の磁性層61,62のうち、一方の磁性層を磁化の向きが固定された磁化固定層として、他方の磁性層を磁化の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層とする。
また、記憶素子53は、ビット線56と、ソース領域57とに、それぞれ上下のコンタクト層54を介して接続されている。これにより、記憶素子53に電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
7 and 8 are schematic views of a memory having a configuration using the above-described magnetization reversal by spin injection. 7 is a perspective view, and FIG. 8 is a cross-sectional view.
A
The
A
The
The
このようなスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの場合、図9に示した一般的なMRAMと比較して、デバイス構造を単純化することができ、そのために高密度化が可能になる、という特徴も有している。
また、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界により磁化反転を行う一般的なMRAMと比較して、素子の微細化が進んでも、書き込みの電流が増大しないという利点がある。
In the case of a memory configured to use such magnetization reversal by spin injection, the device structure can be simplified as compared with the general MRAM shown in FIG. 9, and therefore high density can be achieved. , Also has the feature.
Further, by utilizing magnetization reversal by spin injection, there is an advantage that the write current does not increase even when the element is miniaturized as compared with a general MRAM in which magnetization reversal is performed by an external magnetic field.
ところで、MRAMの場合は、記憶素子とは別に書き込み配線(ワード線やビット線)を設けて、書き込み配線に電流を流して発生する電流磁界により、情報の書き込み(記録)を行っている。そのため、書き込み配線に、書き込みに必要となる電流量を充分に流すことができる。 In the case of an MRAM, a write wiring (word line or bit line) is provided separately from a memory element, and information is written (recorded) by a current magnetic field generated by passing a current through the write wiring. Therefore, a sufficient amount of current required for writing can be passed through the write wiring.
一方、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリにおいては、記憶素子に流す電流によりスピン注入を行って、記憶層の磁化の向きを反転させる必要がある。
そして、このように記憶素子に直接電流を流して情報の書き込み(記録)を行うことから、書き込みを行うメモリセルを選択するために、記憶素子を選択トランジスタと接続してメモリセルを構成する。この場合、記憶素子に流れる電流は、選択トランジスタに流すことが可能な電流(選択トランジスタの飽和電流)の大きさに制限される。
このため、選択トランジスタの飽和電流以下の電流で書き込みを行う必要があり、スピン注入の効率を改善して、記憶素子に流す電流を低減する必要がある。
On the other hand, in a memory configured to use magnetization reversal by spin injection, it is necessary to reverse the magnetization direction of the storage layer by performing spin injection with a current flowing through the storage element.
Since the current is directly supplied to the memory element and information is written (recorded) as described above, the memory cell is configured by connecting the memory element to a selection transistor in order to select a memory cell to be written. In this case, the current flowing through the memory element is limited to the magnitude of the current that can flow through the selection transistor (the saturation current of the selection transistor).
Therefore, it is necessary to perform writing with a current lower than the saturation current of the selection transistor, and it is necessary to improve the efficiency of spin injection and reduce the current flowing through the memory element.
また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには記憶層の両側に接している中間層をトンネル絶縁層(トンネルバリア層)とした記憶素子の構成にすることが効果的である。
このように中間層としてトンネル絶縁層を用いた場合には、トンネル絶縁層が絶縁破壊することを防ぐために、記憶素子に流す電流量に制限が生じる。この観点からも、スピン注入時の電流を抑制する必要がある。
Also, in order to increase the read signal, it is necessary to secure a large rate of change in magnetoresistance. To that end, a memory element having a tunnel insulating layer (tunnel barrier layer) as an intermediate layer in contact with both sides of the memory layer is required. The configuration is effective.
When the tunnel insulating layer is used as the intermediate layer as described above, the amount of current flowing through the memory element is limited in order to prevent the tunnel insulating layer from being broken down. From this viewpoint, it is necessary to suppress the current during spin injection.
絶縁層等の絶縁バリアの絶縁破壊について、以下の式が成り立つ(例えば、非特許文献4参照)。
The following equation holds for dielectric breakdown of an insulating barrier such as an insulating layer (see Non-Patent
一般に、絶縁層が用いられている半導体等の素子では、絶縁層の膜厚が3nm以上であり、比較的高い耐圧を有しているために、絶縁破壊は起こりにくい。
これに対して、スピン注入を利用した記憶素子において、中間層としてトンネル絶縁層を用いた場合には、膜厚1nm程度のトンネル絶縁層に3〜10MA/cm2の大電流を流さなければならない。このため、記憶素子に定常電流を流すと、絶縁層部分の温度が200℃〜300℃上昇してしまい、絶縁層が破壊しやすくなってしまう。
In general, in an element such as a semiconductor in which an insulating layer is used, since the insulating layer has a thickness of 3 nm or more and has a relatively high breakdown voltage, dielectric breakdown hardly occurs.
In contrast, in a memory element using spin injection, when a tunnel insulating layer is used as an intermediate layer, a large current of 3 to 10 MA / cm 2 must flow through the tunnel insulating layer having a thickness of about 1 nm. . For this reason, when a steady current is passed through the memory element, the temperature of the insulating layer portion is increased by 200 ° C. to 300 ° C., and the insulating layer is easily broken.
前述した絶縁破壊に関する式(1)を、耐圧と温度との関係に変形すると、下記の式(2)となる。印加電圧Eが耐圧に相当する。 When formula (1) relating to dielectric breakdown described above is transformed into the relationship between breakdown voltage and temperature, formula (2) below is obtained. The applied voltage E corresponds to the withstand voltage.
式(2)から、温度が高くなるほど、耐圧が低下することがわかる。
従って、記憶素子の温度の上昇を防ぐことにより、耐圧を向上させることができると考えられる。
From equation (2), it can be seen that the higher the temperature, the lower the breakdown voltage.
Therefore, it is considered that the breakdown voltage can be improved by preventing the temperature of the memory element from rising.
上述した問題の解決のために、本発明においては、絶縁層部分の温度上昇を抑制することにより、高い信頼性を有する記憶素子、並びにこの記録素子を有するメモリを提供するものである。 In order to solve the above-described problem, the present invention provides a memory element having high reliability and a memory having this recording element by suppressing a temperature rise in an insulating layer portion.
本発明の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して中間層を介して磁化固定層が設けられ、この中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われ、記憶層又は磁化固定層を構成する強磁性層の熱伝導率が30W/(K・m)以上であるものである。
また、本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する2種類の配線とを備え、記憶素子は上記本発明の記憶素子の構成であり、2種類の配線の交点付近かつ2種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら2種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れるものである。
The storage element of the present invention has a storage layer that retains information according to the magnetization state of a magnetic material, and a magnetization fixed layer is provided via an intermediate layer for the storage layer, the intermediate layer is made of an insulator, By injecting spin-polarized electrons in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer changes, information is recorded on the storage layer, and the ferromagnetic layer constituting the storage layer or magnetization fixed layer The thermal conductivity is 30 W / (K · m) or more.
The memory of the present invention includes a memory element having a memory layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material, and two types of wirings that intersect each other, and the memory element has the configuration of the memory element of the present invention. A memory element is arranged near the intersection of two types of wiring and between the two types of wiring, and a current in the stacking direction flows through the memory element through these two types of wiring.
上述の本発明の記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して中間層を介して磁化固定層が設けられ、この中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるので、積層方向に電流を流してスピン偏極した電子を注入することによって情報の記録を行うことができる。
また、記憶層又は磁化固定層を構成する強磁性層の熱伝導率が30W/(K・m)以上であることにより、絶縁体から成る中間層で熱が発生しても、記憶層又は磁化固定層を構成する強磁性層を通じて、容易に放熱させることができる。これにより、温度上昇による中間層の絶縁破壊を防ぎ、また記憶素子の温度上昇を抑制することが可能になるため、情報を安定して記録・保持することが可能になる。
According to the configuration of the above-described storage element of the present invention, the storage layer that retains information according to the magnetization state of the magnetic material is provided, and the magnetization fixed layer is provided to the storage layer via the intermediate layer. Is made of an insulator, and by injecting spin-polarized electrons in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer changes and information is recorded in the storage layer, so a current flows in the stacking direction. Information can be recorded by injecting spin-polarized electrons.
Further, since the thermal conductivity of the ferromagnetic layer constituting the storage layer or the magnetization fixed layer is 30 W / (K · m) or more, even if heat is generated in the intermediate layer made of an insulator, the storage layer or magnetization Heat can be easily dissipated through the ferromagnetic layer constituting the fixed layer. As a result, it is possible to prevent dielectric breakdown of the intermediate layer due to the temperature rise and to suppress the temperature rise of the memory element, so that information can be stably recorded and held.
上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する2種類の配線とを備え、記憶素子は上記本発明の記憶素子の構成であり、2種類の配線の交点付近かつ2種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら2種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れるものであることにより、2種類の配線を通じて記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、記憶素子の中間層の絶縁破壊を防ぎ、記憶素子の温度上昇を抑制することが可能になるため、情報を安定して記録・保持することが可能になる。
According to the configuration of the memory of the present invention described above, the memory element includes a memory element having a memory layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material, and two types of wiring intersecting each other. The memory element is arranged near the intersection of two types of wiring and between the two types of wiring, and current in the stacking direction flows through the memory element through these two types of wiring. Information can be recorded by spin injection by passing a current in the stacking direction of the memory element through the wiring.
In addition, since it is possible to prevent dielectric breakdown of the intermediate layer of the memory element and suppress an increase in the temperature of the memory element, it is possible to stably record and hold information.
上述の本発明によれば、情報を安定して記録・保持することが可能になるため、特性バランスに優れた記憶素子を構成することができる。
これにより、動作エラーをなくして、記憶素子の動作マージンを充分に得ることができる。
また、記憶素子の中間層の絶縁破壊を防ぐことができる。
従って、安定して動作する、信頼性の高いメモリを実現することができる。
According to the above-described present invention, it is possible to stably record and hold information, and thus it is possible to configure a storage element with excellent characteristic balance.
Thereby, an operation error can be eliminated and a sufficient operation margin of the memory element can be obtained.
In addition, dielectric breakdown of the intermediate layer of the memory element can be prevented.
Therefore, a highly reliable memory that operates stably can be realized.
まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
本発明は、前述したスピン注入により、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うものである。記憶層は、強磁性層等の磁性体により構成され、情報を磁性体の磁化状態(磁化の向き)により保持するものである。
First, an outline of the present invention will be described prior to description of specific embodiments of the present invention.
In the present invention, information is recorded by reversing the magnetization direction of the storage layer of the storage element by the spin injection described above. The memory layer is made of a magnetic material such as a ferromagnetic layer, and holds information by the magnetization state (magnetization direction) of the magnetic material.
スピン注入により磁性層の磁化の向きを反転させる基本的な動作は、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)もしくは磁気トンネル接合素子(MTJ素子)から成る記憶素子に対して、その膜面に垂直な方向に、ある閾値以上の電流を流すものである。このとき、電流の極性(向き)は、反転させる磁化の向きに依存する。
この閾値よりも絶対値が小さい電流を流した場合には、磁化反転を生じない。
The basic operation of reversing the magnetization direction of the magnetic layer by spin injection is perpendicular to the film surface of a storage element composed of a giant magnetoresistive element (GMR element) or a magnetic tunnel junction element (MTJ element). A current exceeding a certain threshold is passed in the direction. At this time, the polarity (direction) of the current depends on the direction of magnetization to be reversed.
When a current having an absolute value smaller than this threshold is passed, magnetization reversal does not occur.
本発明では、選択トランジスタの飽和電流値を考慮して、記憶層と磁化固定層との間の非磁性の中間層として、絶縁体から成るトンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合(MTJ)素子を構成する。
トンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合(MTJ)素子を構成することにより、非磁性導電層を用いて巨大磁気抵抗効果(GMR)素子を構成した場合と比較して、磁気抵抗変化率(MR比)を大きくすることができ、読み出し信号強度を大きくすることができるためである。
In the present invention, a magnetic tunnel junction (MTJ) element is formed using a tunnel insulating layer made of an insulator as a nonmagnetic intermediate layer between the storage layer and the magnetization fixed layer in consideration of the saturation current value of the selection transistor. Constitute.
By constructing a magnetic tunnel junction (MTJ) element using a tunnel insulating layer, a magnetoresistance change rate (MR ratio) is compared with a case where a giant magnetoresistive effect (GMR) element is constructed using a nonmagnetic conductive layer. This is because the read signal intensity can be increased.
しかしながら、トンネル絶縁層を用いたMTJ素子から成る記憶素子を構成した場合には、電流を流す際に絶縁膜の耐圧よりも大きな電圧がかかると、記憶素子が破壊されてしまう。
このとき、記憶素子が破壊される電圧は、現象論的に、前述した式(1)及び式(2)により算出することができる。
However, in the case where a memory element composed of an MTJ element using a tunnel insulating layer is configured, if a voltage higher than the withstand voltage of the insulating film is applied when a current is passed, the memory element is destroyed.
At this time, the voltage at which the memory element is destroyed can be calculated phenomenologically by the above-described equations (1) and (2).
本発明では、上記式(2)で表されるように、温度が低いほど破壊電圧(耐圧)が上昇することを利用して、記憶素子の温度を積極的に低くすることを考える。
一般に、抵抗体に定常電流を流した場合には、ジュール熱が発生するため、記憶素子に流した電流の二乗に比例して発熱が生じる。MRAMの場合には、書き込み用のワード線に電流を流し、その電流が作る磁界を用いて書き込みを行うため、絶縁破壊はさほど気にならないが、スピン注入メモリの場合には、比較的弱い電流(10μA〜50μA)で読み出しを行い、比較的強い電流(300μA〜1mA)で書き込みを行うため、書き込み時に100℃〜300℃の温度上昇が発生してしまう。
In the present invention, as expressed by the above formula (2), it is considered to actively lower the temperature of the memory element by utilizing the fact that the breakdown voltage (breakdown voltage) increases as the temperature decreases.
Generally, when a steady current is passed through a resistor, Joule heat is generated, so heat is generated in proportion to the square of the current passed through the memory element. In the case of MRAM, current is passed through a word line for writing and writing is performed using a magnetic field generated by the current. Therefore, dielectric breakdown is not a concern, but in the case of a spin injection memory, a relatively weak current is used. Since reading is performed at (10 μA to 50 μA) and writing is performed at a relatively strong current (300 μA to 1 mA), a temperature rise of 100 ° C. to 300 ° C. occurs during writing.
絶縁膜の破壊も、書き込み時に起きることが多い。書き込み時には、読み出し時よりも高い電圧がかかり、電流量も多くなるからである。 The breakdown of the insulating film often occurs at the time of writing. This is because a higher voltage is applied at the time of writing than at the time of reading, and the amount of current increases.
MTJ素子から成る記憶素子がメモリとして存在し得るためには、トンネル絶縁層が磁化の向きを反転させる閾値電圧よりも十分に大きな耐圧を持っていなければならない。
上記式(2)からわかるように、温度が高くなるほど、耐圧は低下する。このため、耐圧が閾値電圧を下回ることがないように、記憶素子の温度の上昇を極力抑えることが求められる。
例えば、熱平衡状態に達している場合に、100℃温度が余分に上昇していると、200mV耐圧が低くなる。
In order for a memory element composed of an MTJ element to exist as a memory, the tunnel insulating layer must have a breakdown voltage sufficiently higher than a threshold voltage for reversing the magnetization direction.
As can be seen from the above equation (2), the higher the temperature, the lower the breakdown voltage. For this reason, it is required to suppress the increase in the temperature of the memory element as much as possible so that the withstand voltage does not fall below the threshold voltage.
For example, when the temperature reaches 100 ° C. when the thermal equilibrium state is reached, the 200 mV withstand voltage is lowered.
従って、本発明においては、トンネル絶縁層を挟む記憶層又は磁化固定層を構成する強磁性層の熱伝導率を30W/(K・m)以上にすることにより、熱を配線に逃がし、トンネル絶縁層に熱が蓄積しないようにする。
さらに、より好ましくは、記憶素子を備えたメモリにおいて、記憶素子にスピン注入を行うための積層方向の電流を流す配線に、熱伝導率30W/(K・m)以上の配線材料を用いて、配線から熱が逃げやすくする。また、より好ましくは、記憶素子に接続された配線の材料や、配線に接続される記憶素子の電極の材料に、熱伝導率30W/(K・m)以上の材料を用いる。
もし、トンネル絶縁層を挟む磁性層及び配線材料に熱伝導率30W/(K・m)未満の材料を使った場合には、熱伝導率に伴ってトンネル絶縁層部分の温度が上昇してしまう。
Therefore, in the present invention, the thermal conductivity of the ferromagnetic layer constituting the storage layer or the magnetization fixed layer sandwiching the tunnel insulating layer is set to 30 W / (K · m) or more, so that heat is released to the wiring and tunnel insulation is achieved. Avoid accumulation of heat in the layer.
Further preferably, in a memory including a memory element, a wiring material having a thermal conductivity of 30 W / (K · m) or more is used for a wiring for passing a current in a stacking direction for performing spin injection to the memory element. Make it easier for heat to escape from the wiring. More preferably, a material having a thermal conductivity of 30 W / (K · m) or more is used for the material of the wiring connected to the memory element and the material of the electrode of the memory element connected to the wiring.
If a material having a thermal conductivity of less than 30 W / (K · m) is used for the magnetic layer and the wiring material sandwiching the tunnel insulating layer, the temperature of the tunnel insulating layer increases with the thermal conductivity. .
30W/(K・m)以上の熱伝導率を有する強磁性層の材料(強磁性材料)としては、例えば、Ni,CoFe,CoFeAl,CoFeB(例えば、Co40Fe40B20の組成;数字は原子%)等が挙げられる。
また、30W/(K・m)以上の熱伝導率を有する、配線や電極の材料としては、Cu,Al,Ta,W等が挙げられる。
なお、各種の強磁性材料の熱伝導率を表1に示し、各種の配線材料の熱伝導率を表2に示す。
Examples of the ferromagnetic layer material (ferromagnetic material) having a thermal conductivity of 30 W / (K · m) or more include Ni, CoFe, CoFeAl, and CoFeB (for example, composition of Co40Fe40B20; the numbers are atomic%). Can be mentioned.
Moreover, Cu, Al, Ta, W etc. are mentioned as a material of wiring and an electrode which has the heat conductivity of 30 W / (K * m) or more.
The thermal conductivity of various ferromagnetic materials is shown in Table 1, and the thermal conductivity of various wiring materials is shown in Table 2.
ところで、記憶素子に流す電流を短いパルス電流にすれば、記憶素子の温度上昇が少なくなるということが、一般的に知られている。
しかし、実際にパルス電流による温度上昇を測定する手段がないため、シミュレーションを用いて、パルス幅により温度上昇値がどのように変化するかを計算した(図4参照)。
この結果をみると、1μs(マイクロ秒)以上のパルス幅では、素子温度が一定になっているが、1μs未満の短いパルス幅では素子温度が一定の状態にまで達していないことがわかる。1ns(ナノ秒)においては、温度は温度がほとんど上昇していないことがわかる。
つまり、1μs以上のパルス幅のパルス電流を使用するよりは、10ns以上100nsのパルス幅を使用して動作させたときに、特に、トンネル絶縁層をはさむ強磁性層の熱伝導率を30W/(K・m)以上にすることが有効に働く。
これにより、スピン注入を用いたメモリにおいて、素子の発熱が極力抑えられるために、素子の破壊電圧が上昇し、メモリ自体の信頼性が向上する。
By the way, it is generally known that if the current flowing through the memory element is set to a short pulse current, the temperature rise of the memory element is reduced.
However, since there is no means for actually measuring the temperature rise due to the pulse current, how the temperature rise value varies depending on the pulse width was calculated using simulation (see FIG. 4).
From this result, it is understood that the element temperature is constant at a pulse width of 1 μs (microseconds) or more, but the element temperature does not reach a constant state at a short pulse width of less than 1 μs. It can be seen that at 1 ns (nanosecond), the temperature hardly increases.
That is, when using a pulse width of 10 ns or more and 100 ns rather than using a pulse current having a pulse width of 1 μs or more, the thermal conductivity of the ferromagnetic layer sandwiching the tunnel insulating layer is 30 W / ( K · m) or more works effectively.
As a result, in the memory using spin injection, since the heat generation of the element is suppressed as much as possible, the breakdown voltage of the element is increased, and the reliability of the memory itself is improved.
さらにまた、トンネル絶縁層の材料として、特に、酸化マグネシウム(MgO)を用いることにより、これまで一般的に用いられてきた酸化アルミニウムを用いた場合よりも、磁気抵抗変化率(MR比)を大きくすることができる。
一般に、スピン注入効率はMR比に依存し、MR比が大きいほど、スピン注入効率が向上し、磁化反転電流密度を低減することができる。
従って、中間層であるトンネル絶縁層の材料として酸化マグネシウムを用い、同時に上述の構成の記憶層を用いることにより、スピン注入による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み(記録)を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。
これにより、MR比(TMR比)を確保して、スピン注入による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み(記録)を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。
Furthermore, by using magnesium oxide (MgO) as the material of the tunnel insulating layer, the magnetoresistance change rate (MR ratio) is made larger than when aluminum oxide that has been generally used so far is used. can do.
In general, the spin injection efficiency depends on the MR ratio, and the higher the MR ratio, the higher the spin injection efficiency and the lower the magnetization reversal current density.
Therefore, by using magnesium oxide as the material of the tunnel insulating layer, which is an intermediate layer, and simultaneously using the memory layer having the above-described structure, the write threshold current due to spin injection can be reduced, and information can be written (recorded) with a small current. )It can be performed. In addition, the read signal intensity can be increased.
As a result, the MR ratio (TMR ratio) can be ensured, the write threshold current by spin injection can be reduced, and information can be written (recorded) with a small current. In addition, the read signal intensity can be increased.
トンネル絶縁層を酸化マグネシウム(MgO)膜により形成する場合には、MgO膜が結晶化していて、001方向に結晶配向性を維持していることがより望ましい。 When the tunnel insulating layer is formed of a magnesium oxide (MgO) film, it is more desirable that the MgO film is crystallized and the crystal orientation is maintained in the 001 direction.
なお、本発明において、記憶層と磁化固定層との間の中間層は、酸化マグネシウムから成る構成(トンネル絶縁層)とする他にも、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、SiO2、Bi2O3、MgF2、CaF、SrTiO2、AlLaO3、Al−N−O等の各種の絶縁体、誘電体、半導体を用いて構成することもできる。 In the present invention, the intermediate layer between the storage layer and the magnetization fixed layer is made of magnesium oxide (tunnel insulating layer), for example, aluminum oxide, aluminum nitride, SiO 2 , Bi 2 O 3 , MgF 2 , CaF, SrTiO 2 , AlLaO 3 , Al—N—O, and other various insulators, dielectrics, and semiconductors can also be used.
また、中間層に酸化マグネシウムを用いた場合に、優れたMR特性を得るためには、一般に、アニール温度を300℃以上、望ましくは340℃〜360℃の高い温度とすることが要求される。これは、従来中間層に用いられている酸化アルミニウムの場合のアニール温度の範囲(250℃〜280℃)と比較して、高温になっている。
これは、酸化物と磁性層の相分離を促し、整合界面を形成するためであり、同時に酸化マグネシウム等のバリア層の適正な内部構造や結晶構造を形成するために必要になるからであると考えられる。
In order to obtain excellent MR characteristics when magnesium oxide is used for the intermediate layer, it is generally required that the annealing temperature is set to a high temperature of 300 ° C. or higher, desirably 340 ° C. to 360 ° C. This is higher than the annealing temperature range (250 ° C. to 280 ° C.) in the case of aluminum oxide conventionally used for the intermediate layer.
This is to promote phase separation between the oxide and the magnetic layer to form a matching interface, and at the same time, it is necessary to form an appropriate internal structure or crystal structure of the barrier layer such as magnesium oxide. Conceivable.
このため、記憶素子の強磁性層にも、この高い温度のアニールに耐性を有するように、耐熱性のある強磁性材料を用いることにより、優れたMR特性を得ることができる。 For this reason, excellent MR characteristics can be obtained by using a heat-resistant ferromagnetic material so that the ferromagnetic layer of the memory element is resistant to this high temperature annealing.
トンネル絶縁層の面積抵抗値は、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流密度を得る観点から、数十Ωμm2程度以下に制御する必要がある。
そして、MgO膜から成るトンネル絶縁層では、面積抵抗値を上述の範囲とするために、MgO膜の膜厚を1.5nm以下に設定する必要がある。
The sheet resistance value of the tunnel insulating layer needs to be controlled to about several tens of Ωμm 2 or less from the viewpoint of obtaining a current density necessary for reversing the magnetization direction of the storage layer by spin injection.
In the tunnel insulating layer made of the MgO film, the film thickness of the MgO film needs to be set to 1.5 nm or less in order to make the sheet resistance value in the above range.
また、記憶層の磁化の向きを、小さい電流で容易に反転できるように、記憶素子を小さくすることが望ましい。
従って、好ましくは、記憶素子の面積を0.04μm2以下とする。
In addition, it is desirable to make the memory element small so that the magnetization direction of the memory layer can be easily reversed with a small current.
Accordingly, the area of the memory element is preferably 0.04 μm 2 or less.
なお、上述した構成条件を有する記憶層と、材料又は組成範囲の異なる他の強磁性層とを直接積層させることも可能である。また、強磁性層と軟磁性層とを積層させたり、複数層の強磁性層を軟磁性層や非磁性層を介して積層させたりすることも可能である。このように積層させた場合でも、本発明の効果が得られる。
特に複数層の強磁性層を非磁性層に介して積層させた構成としたときには、強磁性層の層間の相互作用の強さを調整することが可能になるため、記憶素子の寸法がサブミクロン以下になっても、磁化反転電流が大きくならないように抑制することが可能になるという効果が得られる。この場合の非磁性層の材料としては、Ru,Os,Re,Ir,Au,Ag,Cu,Al,Bi,Si,B,C,Cr,Ta,Pd,Pt,Zr,Hf,W,Mo,Nbまたはそれらの合金を用いることができる。
Note that it is also possible to directly stack a storage layer having the above-described configuration conditions and another ferromagnetic layer having a different material or composition range. It is also possible to stack a ferromagnetic layer and a soft magnetic layer, or to stack a plurality of ferromagnetic layers via a soft magnetic layer or a nonmagnetic layer. The effect of the present invention can be obtained even when stacked in this way.
In particular, when a configuration in which a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer, the strength of the interaction between the ferromagnetic layers can be adjusted. Even if it becomes below, the effect that it becomes possible to suppress so that a magnetization reversal current may not become large is acquired. The material of the nonmagnetic layer in this case is Ru, Os, Re, Ir, Au, Ag, Cu, Al, Bi, Si, B, C, Cr, Ta, Pd, Pt, Zr, Hf, W, Mo. , Nb or their alloys can be used.
磁化固定層は、一方向の異方性を有していることが望ましく、記憶層は一軸異方性を有していることが望ましい。
また、磁化固定層及び記憶層のそれぞれの膜厚は、1nm〜30nmであることが好ましい。
The magnetization fixed layer preferably has unidirectional anisotropy, and the storage layer preferably has uniaxial anisotropy.
Moreover, it is preferable that each film thickness of a magnetization fixed layer and a memory layer is 1 nm-30 nm.
記憶素子のその他の構成は、スピン注入により情報を記録する記憶素子の従来公知の構成と同様とすることができる。 The other configuration of the storage element can be the same as a conventionally known configuration of the storage element that records information by spin injection.
磁化固定層は、強磁性層のみにより、或いは反強磁性層と強磁性層の反強磁性結合を利用することにより、その磁化の向きが固定された構成とする。
また、磁化固定層は、単層の強磁性層から成る構成、或いは複数層の強磁性層を非磁性層を介して積層した積層フェリ構造とする。
磁化固定層を積層フェリ構造としたときには、磁化固定層の外部磁界に対する感度を低下させることができるため、外部磁界による磁化固定層の不要な磁化変動を抑制して、記憶素子を安定して動作させることができる。さらに、各強磁性層の膜厚を調整することができ、磁化固定層からの漏洩磁界を抑えることができる。
積層フェリ構造の磁化固定層を構成する強磁性層の材料としては、Co,CoFe,CoFeB等を用いることができる。また、非磁性層の材料としては、Ru,Re,Ir,Os等を用いることができる。
The magnetization fixed layer has a configuration in which the magnetization direction is fixed only by the ferromagnetic layer or by using the antiferromagnetic coupling between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer.
In addition, the magnetization fixed layer has a single-layered ferromagnetic layer structure or a laminated ferrimagnetic structure in which a plurality of ferromagnetic layers are stacked via a nonmagnetic layer.
When the magnetization pinned layer has a laminated ferrimagnetic structure, the sensitivity of the magnetization pinned layer to the external magnetic field can be reduced. Therefore, unnecessary magnetization fluctuations in the magnetization pinned layer due to the external magnetic field are suppressed, and the memory element operates stably. Can be made. Furthermore, the film thickness of each ferromagnetic layer can be adjusted, and the leakage magnetic field from the magnetization fixed layer can be suppressed.
Co, CoFe, CoFeB, or the like can be used as the material of the ferromagnetic layer constituting the magnetization fixed layer having the laminated ferrimagnetic structure. Moreover, Ru, Re, Ir, Os etc. can be used as a material of a nonmagnetic layer.
反強磁性層の材料としては、FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO、Fe2O3等の磁性体を挙げることができる。
また、これらの磁性体に、Ag,Cu,Au,Al,Si,Bi,Ta,B,C,O,N,Pd,Pt,Zr,Hf,Ir,W,Mo,Nb等の非磁性元素を添加して、磁気特性を調整したり、その他の結晶構造や結晶性や物質の安定性等の各種物性を調整したりすることができる。
Examples of the material of the antiferromagnetic layer include magnetic materials such as FeMn alloy, PtMn alloy, PtCrMn alloy, NiMn alloy, IrMn alloy, NiO, and Fe 2 O 3 .
In addition, nonmagnetic elements such as Ag, Cu, Au, Al, Si, Bi, Ta, B, C, O, N, Pd, Pt, Zr, Hf, Ir, W, Mo, and Nb are included in these magnetic materials. Can be added to adjust the magnetic properties and other physical properties such as crystal structure, crystallinity and material stability.
また、記憶素子の膜構成は、記憶層が磁化固定層の上側に配置される構成でも、下側に配置される構成でも全く問題はない。 In addition, the film configuration of the storage element has no problem whether the storage layer is disposed above the magnetization fixed layer or the lower layer.
なお、記憶素子の記憶層に記録された情報を読み出す方法としては、記憶素子の記憶層に薄い絶縁膜を介して、情報の基準となる磁性層を設けて、絶縁層を介して流れる強磁性トンネル電流によって読み出してもよいし、磁気抵抗効果により読み出してもよい。 As a method for reading information recorded in the memory layer of the memory element, a ferromagnetic layer that flows through the insulating layer is provided by providing a magnetic layer serving as a reference of information via a thin insulating film in the memory layer of the memory element. Reading may be performed by a tunnel current or may be performed by a magnetoresistive effect.
続いて、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の一実施の形態として、メモリの概略構成図(斜視図)を図1に示す。
このメモリは、互いに直交する2種類のアドレス配線(例えばワード線とビット線)の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができる記憶素子が配置されて成る。
即ち、シリコン基板等の半導体基体10の素子分離層2により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域8、ソース領域7、並びにゲート電極1が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極1は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線(例えばワード線)を兼ねている。
ドレイン領域8は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域8には、配線9が接続されている。
Next, embodiments of the present invention will be described.
As an embodiment of the present invention, a schematic configuration diagram (perspective view) of a memory is shown in FIG.
In this memory, a storage element capable of holding information in a magnetized state is arranged near the intersection of two types of address lines (for example, a word line and a bit line) orthogonal to each other.
That is, the
The
そして、ソース領域7と、上方に配置された、図中左右方向に延びる他方のアドレス配線(例えばビット線)6との間に、記憶素子3が配置されている。この記憶素子3は、スピン注入により磁化の向きが反転する強磁性層から成る記憶層を有する。
また、この記憶素子3は、2種類のアドレス配線1,6の交点付近に配置されている。
この記憶素子3は、ビット線6と、ソース領域7とに、それぞれ上下のコンタクト層4を介して接続されている。
これにより、2種類のアドレス配線1,6を通じて、記憶素子3に上下方向の電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
The
The
The
As a result, a current in the vertical direction can be passed through the
また、本実施の形態のメモリの記憶素子3の断面図を図2に示す。
図2に示すように、この記憶素子3は、スピン注入により磁化M1の向きが反転する記憶層17に対して、下層に磁化固定層31を設けている。磁化固定層31の下に反強磁性層12が設けられ、この反強磁性層12により、磁化固定層31の磁化の向きが固定される。
記憶層17と磁化固定層31との間には、トンネルバリア層(トンネル絶縁層)となる絶縁層16が設けられ、記憶層17と磁化固定層31とにより、MTJ素子が構成されている。
また、反強磁性層12の下には下地層11が形成され、記憶層17の上にはキャップ層18が形成されている。これら下地層11及びキャップ層18は、記憶素子3の下部電極及び上部電極をも兼ねる。
A cross-sectional view of the
As shown in FIG. 2, the
An insulating
A
磁化固定層31は、積層フェリ構造となっている。
具体的には、磁化固定層31は、2層の強磁性層13,15が、非磁性層14を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
磁化固定層31の各強磁性層13,15が積層フェリ構造となっているため、強磁性層13の磁化M13が右向き、強磁性層15の磁化M15が左向きとなっており、互いに反対向きになっている。これにより、磁化固定層31の各強磁性層13,15から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
The magnetization fixed
Specifically, the magnetization fixed
Since each of the
磁化固定層31の強磁性層13,15の材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの1種もしくは2種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにNb,Zr,Gd,Ta,Ti,Mo,Mn,Cu等の遷移金属元素やSi,B,C等の軽元素を含有させることもできる。また、例えばCoFe/NiFe/CoFeの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を直接(非磁性層を介さずに)積層して、強磁性層13,15を構成してもよい。
磁化固定層31の積層フェリを構成する非磁性層14の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。
非磁性層14の膜厚は、材料によって変動するが、好ましくは、ほぼ0.5nmから2.5nmの範囲で使用する。
The material of the
As the material of the
Although the film thickness of the
本実施の形態においては、特に、記憶素子3の記憶層17が、熱伝導率が30W/(K・m)以上の強磁性層である構成とする。
このような強磁性層の材料としては、例えば、前述したNi,CoFe,CoFeAl,CoFeB(例えば、Co40Fe40B20の組成;数字は原子%)等を使用することができる。
In the present embodiment, in particular, the
As the material of such a ferromagnetic layer, for example, the aforementioned Ni, CoFe, CoFeAl, CoFeB (for example, composition of Co40Fe40B20; the number is atomic%), or the like can be used.
また、本実施の形態においては、図2の記憶素子3において電極を兼ねる下地層11及びキャップ層18、並びに、図1のコンタクト層4やビット線6等の配線のうち、少なくともいずれかに、熱伝導率が30W/(K・m)以上の材料を用いる。
このような電極や配線の材料としては、前述した、Cu,Al,Ta,W等を使用することができる。
Further, in the present embodiment, at least one of the
As materials for such electrodes and wiring, the above-described Cu, Al, Ta, W, etc. can be used.
さらに、本実施の形態において、中間層である絶縁層16を、酸化マグネシウム層とした場合には、磁気抵抗変化率(MR比)を高くすることができる。
このようにMR比を高くすることによって、スピン注入の効率を向上して、記憶層17の磁化M1の向きを反転させるために必要な電流密度を低減することができる。
Furthermore, in this embodiment, when the insulating
By increasing the MR ratio in this way, the efficiency of spin injection can be improved, and the current density required for reversing the direction of the magnetization M1 of the
本実施の形態の記憶素子3は、下地層11からキャップ層18までを真空装置内で連続的に形成して、その後エッチング等の加工によって記憶素子3のパターンを形成することにより、製造することができる。
The
上述の本実施の形態によれば、記憶素子3の記憶層17が、熱伝導率が30W/(K・m)以上の強磁性層であることにより、記憶層17の熱伝導率が高く、トンネル絶縁層16で発生した熱を、記憶層17を通じて容易に放熱させることができるので、絶縁層16の温度を下げることができる。これにより、絶縁層16の絶縁破壊を防ぎ、記憶素子3の温度上昇を抑制することが可能になる。
According to the above-described embodiment, the
また、本実施の形態によれば、図2の記憶素子3において電極を兼ねる下地層11及びキャップ層18、並びに、図1のコンタクト層4やビット線6等の配線のうち、少なくともいずれかに、熱伝導率が30W/(K・m)以上の材料を用いることにより、電極11,18や配線4,6の熱伝導率が高いので、記憶層17を通じて逃がした熱を、電極11,18や配線4,6を通じて、容易に(記憶素子3の外に)逃がすことができる。これにより、記憶素子3の温度上昇を抑制することが可能になる。
Further, according to the present embodiment, at least one of the
そして、本実施の形態によれば、記憶素子3の温度上昇を抑制することが可能になるため、情報を安定して記録・保持することが可能になり、特性バランスに優れた記憶素子3を構成することができる。これにより、動作エラーをなくして、記憶素子3の動作マージンを充分に得ることができる。
従って、安定して動作する、信頼性の高いメモリを実現することができる。
According to the present embodiment, the temperature rise of the
Therefore, a highly reliable memory that operates stably can be realized.
また、図2に示した記憶素子3を備え、図1に示した構成のメモリは、メモリを製造する際に、一般の半導体MOS形成プロセスを適用できるという利点を有している。例えば、340℃〜360℃のアニールにも、記憶層17の磁気特性が劣化することがなく、耐えうるようになる。
従って、本実施の形態の記憶素子3を備えたメモリを、汎用メモリとして適用することが可能になる。
Further, the memory having the
Therefore, a memory including the
(実施例)
ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に記憶層を構成する強磁性材料等、各層の材料や膜厚等を選定して、記憶素子の温度や耐圧の温度依存性を調べた。
実際のメモリでは、図1や図7に示したように、記憶素子以外にもスイッチング用の半導体回路等が存在するが、ここでは、記憶素子のみを形成したウェハにより検討を行った。
(Example)
Here, in the configuration of the memory element of the present invention, the temperature dependence of the temperature and breakdown voltage of the memory element was examined by selecting the material and film thickness of each layer, such as the ferromagnetic material that specifically constitutes the memory layer. .
As shown in FIG. 1 and FIG. 7 in an actual memory, there are switching semiconductor circuits and the like in addition to the memory element. Here, a study was performed using a wafer on which only the memory element was formed.
厚さ0.725mmのシリコン基板上に、厚さ300nmの熱酸化膜を形成し、その上に図2に示した構成の記憶素子3を形成した。
具体的には、図2に示した構成の記憶素子3において、各層の材料及び膜厚を、下地膜11を膜厚3nmのTa膜、反強磁性層12を膜厚20nmのPtMn膜、磁化固定層31を構成する強磁性層13を膜厚2nmのCoFe膜、強磁性層15を膜厚2.5nmのCoFeB膜、積層フェリ構造の磁化固定層31を構成する非磁性層14を膜厚0.8nmのRu膜、トンネル絶縁層となる絶縁層(バリア層)16を酸化マグネシウム膜、記憶層17を強磁性層、キャップ層18を膜厚5nmのTa膜と選定し、また下地膜11と反強磁性層12との間に図示しない膜厚100nmのCu膜(後述するワード線となるもの)を設けて、各層を形成した。
上記膜構成で、PtMn膜の組成はPt50Mn50(原子%)、CoFe膜の組成はCo90Fe10(原子%)とした。なお、記憶層17の強磁性層は、後述する強磁性材料を使用した。
A thermal oxide film having a thickness of 300 nm was formed on a silicon substrate having a thickness of 0.725 mm, and the
Specifically, in the
In the above film configuration, the composition of the PtMn film was Pt50Mn50 (atomic%), and the composition of the CoFe film was Co90Fe10 (atomic%). For the ferromagnetic layer of the
酸化マグネシウム膜から成る絶縁層16以外の各層は、DCマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化マグネシウム(MgO)膜から成る絶縁層16は、RFマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
さらに、記憶素子3の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、10kOe・360℃・2時間の熱処理を行い、反強磁性層12のPtMn膜の規則化熱処理を行った。
Each layer other than the insulating
The insulating
Further, after each layer of the
次に、ワード線部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、ワード線以外の部分の積層膜に対してArプラズマにより選択エッチングを行うことにより、ワード線(下部電極)を形成した。この際に、ワード線部分以外は、基板の深さ5nmまでエッチングされた。
その後、電子ビーム描画装置により記憶素子3のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、記憶素子3を形成した。記憶素子3部分以外は、ワード線のCu層直上までエッチングした。
Next, after masking the word line portion by photolithography, the word line (lower electrode) was formed by performing selective etching with Ar plasma on the laminated film other than the word line. At this time, except for the word line portion, the substrate was etched to a depth of 5 nm.
Thereafter, a mask of the pattern of the
なお、記憶素子には、磁化反転に必要なスピントルクを発生させるために、記憶素子に充分な電流を流す必要があるため、トンネル絶縁層の抵抗値を抑える必要がある。
そこで、記憶素子3のパターンを、短軸0.09μm×長軸0.18μmの楕円形状として、記憶素子3の面積抵抗値(Ωμm2)が20Ωμm2となるようにした。
Note that in order to generate a spin torque necessary for magnetization reversal in the memory element, it is necessary to pass a sufficient current through the memory element, and thus it is necessary to suppress the resistance value of the tunnel insulating layer.
Therefore, the pattern of the
次に、記憶素子3部分以外を、厚さ100nm程度のAl2O3のスパッタリングによって絶縁した。
その後、フォトリソグラフィを用いて、上部電極となるビット線及び測定用のパッドを形成した。
このようにして、記憶素子3の試料を作製した。
Next, the portions other than the
Thereafter, a bit line to be an upper electrode and a measurement pad were formed using photolithography.
In this way, a sample of the
以上、作製した記憶素子3の各試料に対して、それぞれ以下のようにして、特性の評価を行った。
As described above, the characteristics of each sample of the produced
<素子温度の測定>
実際の素子温度を調べる目的で、磁化固定層31のピン磁界の温度変化を測定した。
磁化固定層31のピン磁界の測定では、ウェハをのせる測定基板をヒーターで暖めて、温度制御を行いながら、基板温度を25℃,40℃,60℃,80℃,100℃,120℃と変化させて、それぞれの基板温度におけるピン磁界を測定した。ピン磁界は、温度を上昇させていくと、線形に弱まっていく性質がある。この性質を用いると、あるピン磁界での素子温度が概算できる。10mV単位で100mVから1Vまで印加電圧を増加させていき、そのときのピン磁界を測定し、ある印加電圧における実際の記憶素子3の温度を算出した。また、印加電圧と抵抗値から、記憶素子3に流れる電流量を算出した。
<Measurement of element temperature>
For the purpose of examining the actual element temperature, the temperature change of the pin magnetic field of the magnetization fixed
In the measurement of the pin magnetic field of the magnetization fixed
そして、記憶素子3の絶縁層16の酸化マグネシウム膜の厚さを変更することにより、記憶素子3の抵抗値を異ならせた2種類の記憶素子3(素子A及び素子B)について、それぞれ測定を行った。絶縁層16の酸化マグネシウム膜の厚さは、素子Aが0.75nmであり、素子Bが0.8nmである。
測定結果として、記憶素子3に流れる電流と、記憶素子3の電流を流していないときに対する温度上昇との関係を、図3に示す。
Then, by measuring the thickness of the magnesium oxide film of the insulating
As a measurement result, FIG. 3 shows the relationship between the current flowing through the
図3より、記憶素子3の抵抗値により温度上昇の程度が異なるものの、記憶素子3に流れる電流量を大きくするほど、温度上昇も大きくなることがわかる。
FIG. 3 shows that although the degree of temperature rise varies depending on the resistance value of the
<耐圧の測定>
記憶素子の破壊特性を評価するためには、耐圧(破壊電圧)の測定を行えばよい。
この耐圧の測定は、以下のようにして行うことができる。
記憶素子3に、10μsから100msのパルス電圧を印加して、電圧値を100mVから10mVステップで大きくしていって、記憶素子3が破壊されるまで測定(ステップストレス法)を行った。破壊されたときの電圧をその記憶素子3の耐圧とした。
基板温度を変える場合には、ピン磁界の測定の場合同様に、ウェハをのせる測定基板をヒーターで暖め、温度制御を行いながら、基板温度を25℃,40℃,60℃,80℃,100℃,120℃と変化させて、そのときの耐圧を、ステップストレス法を用いて測定した。
<Measurement of pressure resistance>
In order to evaluate the breakdown characteristics of the memory element, the breakdown voltage (breakdown voltage) may be measured.
This breakdown voltage measurement can be performed as follows.
A pulse voltage of 10 μs to 100 ms was applied to the
When changing the substrate temperature, the measurement substrate on which the wafer is placed is heated with a heater and the substrate temperature is controlled at 25 ° C., 40 ° C., 60 ° C., 80 ° C., 100 as in the case of measuring the pin magnetic field. The pressure resistance at that time was measured using the step stress method while changing the temperature to 120 ° C.
<温度シミュレーション>
市販の温度シミュレーターであるANSYSを用いて、記憶素子3の温度の計算を行った。
計算に使用したモデルの積層方向の断面図を図6に示す。
上部電極19を膜厚220nm、キャップ層18を膜厚5nm、強磁性層(記憶層)17を膜厚2nm、絶縁層16を膜厚1nmのMgO膜、強磁性層15を膜厚3nm、非磁性層14を膜厚0.8nmのRu膜、磁性層13を膜厚2.0nmのCoFe(Co90%Fe10%)膜、反強磁性層12を膜厚30nmのPtMn膜、下部電極11を膜厚30nm、埋め込み絶縁材料20をSiO2に、基板21の厚さを525μmにそれぞれ設定した。xy方向から見ると、素子部分の形状は、50nm×100nmで、電極部分は10μm×2μmの長方形となっている。
他の計算条件として、基板21の温度を25℃に固定し、電流は下部電極11から入り上部電極19に抜けて流れるように設定した。電流については、パルス幅1ns(ナノ秒;以下同様),10ns,100ns,1μs(マイクロ秒;以下同様),10μs,100μsの電流及び、定常電流で計算を行った。パルス電流の形状は台形で、パルス幅×0.2(秒)で目標電流まで上昇し、パルス幅×0.2(秒)で0まで下がるような形状を仮定した。
<Temperature simulation>
The temperature of the
A cross-sectional view of the model used in the calculation in the stacking direction is shown in FIG.
The
As another calculation condition, the temperature of the
まず、記憶層17の強磁性層の熱伝導率をCoFeの熱伝導率の値に固定して、パルス幅を1ns,10ns,100ns,1μs,10μs,100μsと変化させて、各パルス幅の電流を流したときの絶縁層(MgO)16における平均温度を計算した。この計算を、基板温度25℃・電流量500μA、基板温度25℃・電流量300μA、基板温度100℃・電流量300μAの3種類の条件に対して、それぞれ行った。
計算結果として、それぞれの条件における、パルス幅と絶縁層16の温度上昇との関係を、図4に示す。図4の縦軸は、絶縁層16の温度を示している。
First, the thermal conductivity of the ferromagnetic layer of the
As a calculation result, the relationship between the pulse width and the temperature rise of the insulating
図4より、基板温度及び電流量の条件に関らず、パルス幅1μs以上では、パルス幅を大きくしても(温度上昇した後の)温度が変わらず、熱平衡状態に達していることがわかる。
一方、パルス幅の短い1nsの領域では、500μAという電流を流しても、基板温度との差が小さく、ほとんど温度変化がないことがわかる。
そして、パルス幅10ns〜1μsの領域では、パルス幅を大きくするほど、温度上昇が大きくなっていることがわかる。従って、前述したように、1μs以上の大きいパルス幅のパルス電流を使用するよりは、10ns以上100nsのパルス幅を使用して書き込みの動作を行ったときに、トンネル絶縁層をはさむ強磁性層17,15の熱伝導率を30W/(K・m)以上にすることが有効に働く。
From FIG. 4, it can be seen that, regardless of the substrate temperature and the amount of current, when the pulse width is 1 μs or more, the temperature does not change (after the temperature rises) and the thermal equilibrium state is reached even if the pulse width is increased. .
On the other hand, in the 1 ns region with a short pulse width, even when a current of 500 μA is passed, the difference from the substrate temperature is small and there is almost no temperature change.
It can be seen that in the region with a pulse width of 10 ns to 1 μs, the temperature rise increases as the pulse width is increased. Therefore, as described above, the
さらに、素子の温度があまり上昇せず、耐圧が下がらないような強磁性層の熱伝導率を求めるために、印加電流のパルス幅を1μsにして、絶縁層16を挟む強磁性層17,15の熱伝導率を同一とした上でこれら強磁性層17,15の熱伝導率を変化させて、絶縁層16の温度上昇を計算により求めた。強磁性層17,15の熱伝導率[W/(K・m)]は、0.03,0.3,3.0,30,100の各値として、電流量300μAと電流量500μAとで、それぞれ計算を行った。
計算結果として、強磁性層17,15の熱伝導率と絶縁層16の温度上昇との関係を、図5に示す。
Further, in order to obtain the thermal conductivity of the ferromagnetic layer so that the temperature of the element does not increase so much and the withstand voltage does not decrease, the pulse width of the applied current is set to 1 μs, and the
As a calculation result, the relationship between the thermal conductivity of the
図5より、いずれの電流量の場合も、強磁性層17,15の熱伝導率を30W/(K・m)以下にすると、温度が上昇し始めることが分かる。
つまり、強磁性層17,15の熱伝導率を30W/(K・m)以上にしておけば、温度の上昇はほとんどなく、素子の破壊電圧が上昇し、メモリとしての信頼性が向上することになる。
From FIG. 5, it can be seen that the temperature begins to rise when the thermal conductivity of the
That is, if the thermal conductivity of the
上述の実施の形態では、記憶層17を熱伝導率が30W/(K・m)以上の強磁性層である構成としたが、記憶層の代わりに、磁化固定層を構成する強磁性層(例えば図2の記憶素子3では、強磁性層13,15)を熱伝導率が30W/(K・m)以上の強磁性層である構成としてもよい。また、記憶層と磁化固定層とを共に熱伝導率が30W/(K・m)以上の強磁性層である構成としてもよい。
In the above-described embodiment, the
また、電極や配線については、全てを熱伝導率が30W/(K・m)以上の材料を用いて構成すればそれに越したことはないが、少なくともいずれかの材料を熱伝導率が30W/(K・m)以上とすれば、熱を記憶素子の外部に逃がしやすくする効果が得られる。 In addition, with regard to the electrodes and wiring, if all are made of a material having a thermal conductivity of 30 W / (K · m) or more, it will not exceed that, but at least one of the materials has a thermal conductivity of 30 W / If it is (K · m) or more, an effect of easily releasing heat to the outside of the memory element can be obtained.
さらにまた、本発明では、上述の各実施の形態で示した記憶素子3の膜構成に限らず、様々な膜構成を採用することが可能である。
Furthermore, the present invention is not limited to the film configuration of the
上述の各実施の形態では、磁化固定層31が2層の強磁性層13,15と非磁性層14から成る積層フェリ構造となっているが、例えば、磁化固定層を単層の強磁性層により構成してもよい。
In each of the embodiments described above, the magnetization fixed
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
3 記憶素子、11 下地層、12 反強磁性層、13,15 強磁性層、14 非磁性層、16 トンネル絶縁層、17 記憶層、18 キャップ層、31 磁化固定層 3 Memory element, 11 Underlayer, 12 Antiferromagnetic layer, 13, 15 Ferromagnetic layer, 14 Nonmagnetic layer, 16 Tunnel insulating layer, 17 Memory layer, 18 Cap layer, 31 Magnetization fixed layer
Claims (5)
前記記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、
前記中間層が、絶縁体から成り、
積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われ、
前記記憶層又は前記磁化固定層を構成する強磁性層の熱伝導率が30W/(K・m)以上である
ことを特徴とする記憶素子。 It has a storage layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material,
A magnetization fixed layer is provided via an intermediate layer for the storage layer,
The intermediate layer is made of an insulator;
By injecting spin-polarized electrons in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer changes, and information is recorded on the storage layer.
The memory element, wherein the ferromagnetic layer constituting the memory layer or the magnetization fixed layer has a thermal conductivity of 30 W / (K · m) or more.
互いに交差する2種類の配線を備え、
前記記憶素子は、前記記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、前記中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われ、前記記憶層又は前記磁化固定層を構成する強磁性層の熱伝導率が30W/(K・m)以上であり、
前記2種類の配線の交点付近かつ前記2種類の配線の間に、前記記憶素子が配置され、
前記2種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れる
ことを特徴とするメモリ。 A storage element having a storage layer for retaining information by the magnetization state of the magnetic material;
Two types of wiring crossing each other,
The storage element is provided with a magnetization fixed layer via an intermediate layer with respect to the storage layer, the intermediate layer is made of an insulator, and the storage layer is injected with spin-polarized electrons. The direction of magnetization of the magnetic layer changes, information is recorded on the storage layer, and the thermal conductivity of the ferromagnetic layer constituting the storage layer or the fixed magnetization layer is 30 W / (K · m) or more. Yes,
The storage element is disposed near the intersection of the two types of wiring and between the two types of wiring,
A memory in which a current in the stacking direction flows in the memory element through the two types of wirings.
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JP2006170277A JP2008004625A (en) | 2006-06-20 | 2006-06-20 | Storage element and memory |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009107780A1 (en) * | 2008-02-28 | 2009-09-03 | 日本電気株式会社 | Magnetoresistive memory device and operation method thereof |
JP5299423B2 (en) * | 2008-04-17 | 2013-09-25 | ソニー株式会社 | Recording method of magnetic memory element |
JP2022519527A (en) * | 2019-02-01 | 2022-03-24 | ゼンジテック ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | Arrangement of adjacent layer structures for magnetoresistive magnetic field sensor, magnetoresistive magnetic field sensor and its manufacturing method |
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2006
- 2006-06-20 JP JP2006170277A patent/JP2008004625A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009107780A1 (en) * | 2008-02-28 | 2009-09-03 | 日本電気株式会社 | Magnetoresistive memory device and operation method thereof |
JP5299423B2 (en) * | 2008-04-17 | 2013-09-25 | ソニー株式会社 | Recording method of magnetic memory element |
JP2022519527A (en) * | 2019-02-01 | 2022-03-24 | ゼンジテック ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | Arrangement of adjacent layer structures for magnetoresistive magnetic field sensor, magnetoresistive magnetic field sensor and its manufacturing method |
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