JP2008211058A

JP2008211058A - 磁気ランダムアクセスメモリ及びその書き込み方法

Info

Publication number: JP2008211058A
Application number: JP2007047697A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kajiyama; 健梶山; Tsuneo Inaba; 恒夫稲場
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-09-11
Also published as: KR20080079627A; US7629637B2; KR100938721B1; US20080205125A1

Abstract

【課題】磁気抵抗効果素子の加工ばらつきを抑制する。
【解決手段】磁気ランダムアクセスメモリは、第１の方向に延在された第１及び第２のビット線ＢＬ１、ＢＬ２と、第１のビット線に接続され、磁化方向が固定された第１の固定層と磁化方向が反転可能な第１の記録層と第１の固定層及び第１の記録層の間に設けられた第１の非磁性層とを有し、第１の固定層及び第１の記録層の間に流す第１の電流の向きに応じて第１の固定層及び第１の記録層の磁化方向が平行状態又は反平行状態となる第１の磁気抵抗効果素子ＭＴＪ１と、第２のビット線に接続され、磁化方向が固定された第２の固定層と磁化方向が反転可能な第２の記録層と第２の固定層及び第２の記録層の間に設けられた第２の非磁性層とを有し、第１及び第２の記録層は同じ第１の層１３で形成され、第２の固定層及び第２の記録層の間に流す第２の電流の向きに応じて第２の固定層及び第２の記録層の磁化方向が平行状態又は反平行状態となる第２の磁気抵抗効果素子ＭＴＪ２とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピン注入磁化反転型の磁気ランダムアクセスメモリ及びその書き込み方法に関する。

スピン注入磁化反転型の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）では、書き込み動作時の反転電流を低減させるため、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子の反転させる磁性領域を小さく加工する必要がある。さらに、動作マージンを向上させるため、ＭＴＪ素子の加工ばらつきを小さくする必要がある。

尚、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のようなものがある。
特開２００１−２５６７７３号公報特開２００２−２３１９０４号公報特開２００４−４７０２７号公報米国特許出願公開第２００４／０１７９３９３号明細書

本発明は、磁気抵抗効果素子の加工ばらつきを抑制することが可能な磁気ランダムアクセスメモリ及びその書き込み方法を提供する。

本発明の第１の視点による磁気ランダムアクセスメモリは、第１の方向に延在された第１のビット線と、前記第１のビット線と前記第１の方向と異なる第２の方向において隣り合い、前記第１の方向に延在された第２のビット線と、前記第１のビット線に接続され、磁化方向が固定された第１の固定層と磁化方向が反転可能な第１の記録層と前記第１の固定層及び前記第１の記録層の間に設けられた第１の非磁性層とを有し、前記第１の固定層及び前記第１の記録層の間に流す第１の電流の向きに応じて前記第１の固定層及び前記第１の記録層の前記磁化方向が平行状態又は反平行状態となる第１の磁気抵抗効果素子と、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の方向において隣接し、前記第２のビット線に接続され、磁化方向が固定された第２の固定層と磁化方向が反転可能な第２の記録層と前記第２の固定層及び前記第２の記録層の間に設けられた第２の非磁性層とを有し、前記第１及び第２の記録層は前記第２の方向に延在する同じ第１の層で形成され、前記第２の固定層及び前記第２の記録層の間に流す第２の電流の向きに応じて前記第２の固定層及び前記第２の記録層の前記磁化方向が平行状態又は反平行状態となる第２の磁気抵抗効果素子とを具備する。

本発明の第２の視点による磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法は、第１の方向に延在された第１のビット線と、前記第１のビット線と前記第１の方向と異なる第２の方向において隣り合い、前記第１の方向に延在された第２のビット線と、前記第１のビット線に接続され、磁化方向が固定された第１の固定層と磁化方向が反転可能な第１の記録層と前記第１の固定層及び前記第１の記録層の間に設けられた第１の非磁性層とを有する第１の磁気抵抗効果素子と、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の方向において隣接し、前記第２のビット線に接続され、磁化方向が固定された第２の固定層と磁化方向が反転可能な第２の記録層と前記第２の固定層及び前記第２の記録層の間に設けられた第２の非磁性層とを有し、前記第１及び第２の記録層は前記第２の方向に延在する同じ第１の層で形成された第２の磁気抵抗効果素子とを備え、前記第１の磁気抵抗効果素子に書き込む場合、書き込み電流を前記第１の固定層及び前記第１の記録層間に流し、前記書き込み電流を流す方向に応じて前記第１の記録層の磁化を前記第１の固定層の磁化に対して平行又は反平行にするステップを具備し、前記書き込み電流を調整することで前記第１の記録層の磁化反転の広がりを制御する。

本発明によれば、磁気抵抗効果素子の加工ばらつきを抑制することが可能な磁気ランダムアクセスメモリ及びその書き込み方法を提供できる。

本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。

以下に説明する第１乃至第３の実施形態では、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）について説明する。第４の実施形態では、各実施形態で用いられるＭＴＪ素子（Magnetic Tunnel Junction）（磁気抵抗効果素子）について説明する。

［１］第１の実施形態
［１−１］構造
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの平面図を示す。図２（ａ）は、図１のＩＩＡ−ＩＩＡ線に沿った断面図を示す。図２（ｂ）は、図１のＩＩＢ−ＩＩＢ線に沿った断面図を示す。以下に、第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの構造について説明する。

図１に示すように、複数の隣り合うビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３がＸ方向に延在され、これらビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３を跨ぐようにワード線ＷＬがＹ方向（Ｘ方向と交差する方向）に延在されている。ビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３下には、ＭＴＪ膜１０がＹ方向に繋がって延在されている。従って、ＭＴＪ膜１０は、ワード線ＷＬの延在方向と同方向に延びるライン状で形成され、セル毎に分断させずに複数のセルを連続して跨いでいる。ここで、ＭＴＪ膜１０とビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３との各交点には、各セルのＭＴＪ素子ＭＴＪ１、ＭＴＪ２、ＭＴＪ３が存在する。ＭＴＪ素子ＭＴＪ１、ＭＴＪ２、ＭＴＪ３の各上面は、コンタクトＣ２を介してビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３にそれぞれ接続されている。ＭＴＪ素子ＭＴＪ１、ＭＴＪ２、ＭＴＪ３の各底面は、コンタクトＣ１を介してトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３にそれぞれ接続されている。

図２（ａ）に示すように、半導体基板（例えばシリコン基板）１内には、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造の素子分離絶縁膜２が形成されている。半導体基板１上にはゲート絶縁膜（図示せず）を介してゲート電極３が形成され、このゲート電極３の両側の半導体基板１内にソース／ドレイン拡散層４ａ、４ｂが形成され、スイッチング素子として機能するトランジスタ（例えばＭＯＳトランジスタ）Ｔｒ１が形成されている。

トランジスタＴｒ１のソース／ドレイン拡散層４ａ上にはコンタクトＣ１が配置され、このコンタクトＣ１上にはＭＴＪ素子ＭＴＪ１が配置されている。ＭＴＪ素子ＭＴＪ１は、固定層（ピン層）１１と非磁性層１２と記録層（フリー層）１３が順に積層されたＭＴＪ膜１０で形成されている。ＭＴＪ素子ＭＴＪ１の上面上にはコンタクトＣ２が配置され、このコンタクトＣ２上にはビット線ＢＬ１が配置されている。このビット線ＢＬ１は、例えば電源端子及び接地端子に接続されている。

図２（ｂ）に示すように、ＭＴＪ膜１０を構成する固定層１１、非磁性層１２、記録層１３の全ては、Ｙ方向に繋がっている。但し、ＭＴＪ素子ＭＴＪ１、ＭＴＪ２、ＭＴＪ３毎に、記録層１３はコンタクトＣ２を介してビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３にそれぞれ接続され、固定層１１はコンタクトＣ１を介してソース／ドレイン拡散層４ａに接続されている。

［１−２］原理
図３は、本発明の第１の実施形態に係る書き込み反転部分の伝播の原理を説明するための図を示す。以下に、第１の実施形態に係る書き込み反転部分の伝播の原理について説明する。

図３に示すように、スピン注入磁化反転による書き込み動作では、選択セルのトランジスタをオン状態にし、ＭＴＪ素子ＭＴＪの膜面に対して垂直方向に電流Ｉを流す。そして、固定層１１から記録層１３の方向へ電流Ｉを流す場合と記録層１３から固定層１１の方向へ電流Ｉを流す場合とで、記録層１３の磁化を固定層１１の磁化と同じ方向又は異なる方向に設定する。つまり、ＭＴＪ素子ＭＴＪは、固定層１１及び記録層１３の間に流す電流Ｉの向きに応じて、固定層１１及び記録層１３の磁化方向が平行状態又は反平行状態となる。

このような書き込み動作において、書き込み電流Ｉの通電時間を長くすると、記録層１３内で磁化反転の伝播が横方向に起こる。つまり、スピントルクの伝播による磁壁移動及び熱の効果で、記録層１３の磁化反転領域が拡大する。この効果を利用することにより、反転電流密度Ｊｃは同じでも電流通電時間を長くすることで磁化反転領域を拡大することができる。これは、スピンの伝播による磁壁移動により説明でき、電流通電による発熱によっても効果は強められる。

［１−３］書き込み動作
図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る“０”書き込み動作を説明するための図を示す。図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る“１”書き込み動作を説明するための図を示す。ここで、図４（ａ）及び図５（ａ）はワード線の延在方向における模式的な断面図であり、図４（ｂ）及び図５（ｂ）はビット線の延在方向における模式的な断面図である。以下に、第１の実施形態に係る書き込み動作について説明する。

図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、“０”データを書き込む場合、ＭＴＪ素子ＭＴＪの記録層１３から固定層１１の方向に電流Ｉを流す。すなわち、電子ｅを固定層１１側から記録層１３側へ注入する。これにより、固定層１１及び記録層１３の磁化は、同じ方向に向き、平行状態となる。この低抵抗状態Ｒｐを“０”データと規定する。

図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、“１”データを書き込む場合、ＭＴＪ素子ＭＴＪの固定層１１から記録層１３の方向に電流Ｉを流す。すなわち、電子ｅを記録層１３側から固定層１１側へ注入する。これにより、固定層１１及び記録層１３の磁化は、逆方向に向き、反平行状態となる。この高抵抗状態Ｒａｐを“１”データと規定する。

ここで、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、本実施形態ではワード線方向にＭＴＪ膜１０が繋がっているが、このワード線方向で見た場合、ＭＴＪ膜１０の上側のビット線ＢＬはセル毎に分断されており、ＭＴＪ膜１０の下側はトランジスタＴｒでセル毎に分断されている。このため、隣接セルへの回り込み電流が発生せず、読み取りマージンを劣化させることはない。但し、記録層１３の磁化反転領域については、書き込み電流Ｉにより移動する磁壁が隣接セルとの間で止まるように、書き込み電流の通電時間等を制御する必要がある。

尚、図６に示すように、ＭＴＪ膜１０をビット線ＢＬと平行方向に繋げた場合、ＭＴＪ膜１０を含む導通部を通った回り込み電流が生じ、読み取り時のセンスマージンを劣化させる恐れがある。このため、ＭＴＪ膜１０は、図６のようにビット線ＢＬと同方向に延在させるよりも、図４（ｂ）及び図５（ｂ）のようにビット線ＢＬの方向ではセル毎に分断させる方が望ましい。

［１−４］読み出し動作
第１の実施形態の読み出し動作では、磁気抵抗（Magneto Resistive）効果を利用する。

選択セルのＭＴＪ素子ＭＴＪにつながるトランジスタＴｒをオン状態とし、読み出し電流を例えばビット線ＢＬからＭＴＪ素子ＭＴＪを通ってトランジスタＴｒの方向へ流す。そして、この読み出し電流に基づいて読み出されたＭＴＪ素子ＭＴＪの抵抗値により、“１”、“０”データの判別が行われる。

尚、読み出し動作時は、定電圧を印加して電流値を読み出してもよいし、定電流を印加して電圧値を読み出してもよい。

［１−５］効果
上記第１の実施形態によれば、ワード線方向においてＭＴＪ膜１０をセル毎に分断せずに繋げて延在させる。つまり、ＭＴＪ膜１０はライン状に形成すればよいため、セル毎にＭＴＪ素子の面積を小さくかつ制御性良く加工する必要がないので、加工プロセス的に容易となる。従って、加工寸法の制御性を容易にし、ＭＴＪ素子の加工ばらつきを抑制することが可能となる。

また、ＭＴＪ膜１０をライン状に形成した場合であっても、書き込み電流の通電時間を調整し、記録層１３の磁化反転領域の広がりを制御することにより、セル毎の書き込み動作も実現可能である。

［２］第２の実施形態
第２の実施形態は、書き込み電流の通電時間等を調整することで多値メモリを実現する例である。

［２−１］原理
図７（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る書き込み反転部分の伝播の原理を説明するための図を示す。図８は、本発明の第２の実施形態に係る書き込み動作時の電流パルスの波形図を示す。以下に、第２の実施形態に係る書き込み反転部分の伝播の原理について説明する。

図７（ａ）乃至（ｃ）に示すように、書き込み電流Ｉを流すと、磁化反転領域Ｒ（書き込み範囲）が左右に広がっていく。つまり、初期状態に上向きであった記録層１３の磁化が、コンタクトＣ２の付近から次第に下向きに反転していく。換言すると、１セル内において、固定層１１及び記録層１３の反平行状態の磁化が増加していく。

ここで、ＭＴＪ素子ＭＴＪの抵抗値は固定層１１及び記録層１３の磁化が平行であるか又は反平行であるかにより変化するため、磁化反転領域Ｒの広がりの範囲によってＭＴＪ素子ＭＴＪの抵抗値が変化する。このように、１セルの抵抗値を制御することができ、多値メモリを実現することが可能となる。

図８に示すように、書き込み電流Ｉの調整は、例えば、書き込み電流を流す通電時間（電流パルスの個数）を変化させる場合や、電流パルスの幅Ｗを変化させる場合等が考えられる。尚、本実施形態では、パルス幅を減らすと書き込みが不安定となり電流量を上げる必要がある。よって、パルスの数を増やすよりパルス幅を増減させて電流量を調整するのが得策である。このため、書き込み電流パルス幅を制御することで書き込み範囲を制御する機構を備えていることが有用である。

［２−２］書き込み動作
図９（ａ）乃至（ｃ）、図１０、図１１を用いて、多値メモリを実現する書き込み動作について説明する。

第２の実施形態に係る書き込み動作は、上記第１の実施形態と同様、スピン注入磁化反転技術を用いて、書き込み電流Ｉを調整することで磁化反転領域Ｒを制御する。ここで、第１の実施形態では、１セル内の記録層１３の全ての磁化を固定層１１の磁化に対して平行又は反平行状態とし、２値の状態を作り出していた。これに対し、第２の実施形態では、上記２値の状態に加え、１セル内において平行状態と反平行状態との両方が混在した状態を作り出し、３値以上の多値メモリを実現する。

例えば３値メモリを実現するには、以下のような３つの抵抗状態を作り出すとよい。

図９（ａ）に示すように、１セル内の記録層１３の全ての磁化が固定層１１の磁化に対して平行であるとき、ＭＴＪ素子ＭＴＪの抵抗値は最も低くなる。この場合の抵抗値を第１の抵抗値Ｒ１とする。

図９（ｂ）に示すように、１１セル内の記録層１３の全ての磁化が固定層１１の磁化に対して反平行であるとき、ＭＴＪ素子ＭＴＪの抵抗値は最も高くなる。この場合の抵抗値を第２の抵抗値Ｒ２とする。

図９（ｃ）に示すように、１セル中に上述する平行状態と反平行状態の磁化が両方存在するとき、すなわち、記録層１３が固定層１１の磁化に対して平行である磁化と固定層１１の磁化に対して反平行である磁化とを有するとき、ＭＴＪ素子ＭＴＪの抵抗値は上述する第１及び第２の抵抗値Ｒ１、Ｒ２の間の値をとる。この場合の抵抗値を第３の抵抗値Ｒ３とする。

従って、本例の場合、図１０に示すように、３つの抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を作り出すことができる。

ここで、図１１に示すように、第３の抵抗値Ｒ３は、さらに細かくしきい値を設けることで、例えば３つの抵抗値Ｒ３ａ、Ｒ３ｂ、Ｒ３ｃを作り出すこともできる。この場合、５値メモリを実現できる。このように、抵抗値Ｒ３のしきい値の設定の仕方により、３値以上の抵抗値を作り出すことができる。

尚、本実施形態のように１セル内の磁化反転領域の範囲によって多値化を制御するには、初期状態が“１”、“０”のどちらの状態であるかを判断することが望ましい。このため、書き込み前に選択セルのデータを読み出すステップを備えてもよい。

また、書き込みシーケンス中に読み出し動作が入ってもよい。すなわち、選択セルの値を読みながら書き込みを調整するベリファイ（Verify）書き込みを行ってもよい。このベリファイ書き込みは、例えば以下のように行われる。まず、選択セルにスピン注入書き込みを行う（第１ステップ）。この書き込み動作を行った後に、選択セルの抵抗値を読み出し、所定のしきい値に達したかどうかを判定する（第２ステップ）。その結果、所定のしきい値に達していないと判定された場合、選択セルに対して再びスピン注入書き込みを行う（第３ステップ）。この第３ステップの書き込み動作では、第１ステップの書き込み動作時を基準として書き込み電流Ｉの通電時間等を調整するとよい。このようなベリファイ書き込みを行うことで、ＭＴＪ素子ＭＴＪの抵抗値の制御性を高めることができる。

［２−３］読み出し動作
第２の実施形態では、上記第１の実施形態と同様の磁気抵抗効果を利用した読み出し動作を行うため、説明は省略する。

［２−４］効果
上記第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第２の実施形態では、書き込み電流Ｉの広がりを調整することで１セル内の磁化反転領域Ｒを制御する。これにより、１セルで３値以上の抵抗値を作り出すことができ、多値メモリを実現できる。

［３］第３の実施形態
第３の実施形態は、各実施形態のＭＴＪ素子の上下の少なくとも一方のコンタクトを小さくした例である。

［３−１］構造
図１２乃至図１４は、本発明の第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのビット線方向の断面図を示す。以下に、第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの構造について説明する。

図１２乃至図１４に示すように、第３の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、ＭＴＪ素子ＭＴＪの上下のコンタクトＣ１、Ｃ２の少なくとも一方を細く形成し、コンタクトＣ１、Ｃ２とＭＴＪ素子ＭＴＪとの間にキャップ層ＣＰ１、ＣＰ２を設けている点である。

図１２では、ＭＴＪ素子ＭＴＪ上のコンタクトＣ２が細くなっている。そして、コンタクトＣ２とＭＴＪ素子ＭＴＪとの間にキャップ層ＣＰ２が設けられている。コンタクトＣ２がキャップ層ＣＰ２を介して記録層１３と接触する部分におけるビット線方向の幅は、記録層１３のビット線方向の幅よりも細くなっている。

図１３は、いわゆるトップピン構造の例である。すなわち、固定層１１が記録層１３より上方に位置しているため、記録層１３にはコンタクトＣ１が接続している。このため、図１３では、ＭＴＪ素子ＭＴＪ下のコンタクトＣ１が細くなっている。そして、コンタクトＣ１とＭＴＪ素子ＭＴＪとの間にキャップ層ＣＰ１が設けられている。コンタクトＣ１がキャップ層ＣＰ１を介して記録層１３と接触する部分におけるビット線方向の幅は、記録層１３のビット線方向の幅よりも細くなっている。

図１４では、ＭＴＪ素子ＭＴＪ上下のコンタクトＣ１、Ｃ２が細くなっている。そして、コンタクトＣ１とＭＴＪ素子ＭＴＪとの間にキャップ層ＣＰ１が設けられ、コンタクトＣ２とＭＴＪ素子ＭＴＪとの間にキャップ層ＣＰ２が設けられている。

尚、図１２乃至図１４において、コンタクトＣ１、Ｃ２は、ＭＴＪ素子ＭＴＪ（記録層１３）の中央に位置してもよいし、中央からずらして配置してもよい。

キャップ層ＣＰ１、ＣＰ２の抵抗値は、記録層１３の抵抗値より例えば一桁程度高いことが望ましい。このキャップ層ＣＰ１、ＣＰ２の材料としては、例えば、非磁性層１２の材料、シート抵抗の大きいバリアメタル材料等が挙げられる。ここで、非磁性層１２の材料としては、後述する［４−３］欄を参照されたい。バリアメタル材料としては、例えば、次の（ａ）〜（ｋ）の材料が挙げられる。

（ａ）Ｔｉ
（ｂ）Ｔａ
（ｃ）Ｔｉを含む化合物（例えば、ＴｉＮ、ＴｉＷ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉ_ｘ、ＴｉＢ_２、ＴｉＢ、ＴｉＣ）
（ｄ）Ｔａを含む化合物（例えば、ＴａＢ_２、ＴａＢ、ＴａＣ、ＴａＮ、Ｔａ_４Ｎ_５、Ｔａ_５Ｎ_６、Ｔａ_２Ｎ）
（ｅ）Ｚｒを含む化合物（例えば、ＺｒＢ_２、ＺｒＢ、ＺｒＣ、ＺｒＮ）
（ｆ）Ｈｆを含む化合物（例えば、ＨｆＢ、ＨｆＣ、ＨｆＮ）
（ｇ）Ｖを含む化合物（例えば、ＶＢ_２、ＶＢ、ＶＣ、ＶＮ）
（ｈ）Ｎｂを含む化合物（例えば、ＮｂＢ_２、ＮｂＢ、ＮｂＣ、ＮｂＮ）
（ｉ）Ｃｒを含む化合物（例えば、ＣｒＢ_２、ＣｒＢ、Ｃｒ_２Ｂ、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ｃｒ_２Ｎ、ＣｒＮ）
（ｊ）Ｍｏを含む化合物（例えば、Ｍｏ_２Ｂ_３、ＭｏＢ_２、ＭｏＢ、Ｍｏ_２Ｂ、Ｍｏ_ｘＣ_ｙ、Ｍｏ_２Ｃ、ＭｏＮ）
（ｋ）Ｗを含む化合物（例えば、Ｗ_ｘＢ_ｙ、Ｗ_２Ｂ_５、Ｗ_ｘＣ_ｙ、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、Ｗ_ｘＮ_ｙ、ＷＮ）
キャップ層ＣＰ１、ＣＰ２は、プロセスの容易性からＭＴＪ素子ＭＴＪと同一の平面形状が望ましいが、異なる平面形状でもよい。キャップ層ＣＰ１、ＣＰ２の上面（コンタクトＣ１、Ｃ２側の面）の面積は、コンタクトＣ１、Ｃ２の底面（キャップ層ＣＰ１、ＣＰ２側の面）の面積よりも大きいことが望ましい。

［３−２］効果
上記第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第３の実施形態では、ＭＴＪ素子ＭＴＪの上下の少なくとも一方のコンタクトＣ１、Ｃ２を細くすることで、このコンタクトＣ１、Ｃ２の記録層１３に接触する面積を小さくしている。このため、書き込み動作時に、コンタクトＣ１、Ｃ２とＭＴＪ素子ＭＴＪとの局所的な接触部分から磁化反転が生じ、磁壁移動効果により磁化反転が伝播することで、素子全体の磁化が反転する。このため、書き込み動作時、小コンタクトの効果により、書き込み電流を低減することができる。さらに、記録層１３よりも高抵抗のキャップ層ＣＰ１、ＣＰ２を設けることで、電流拡散による効果の減少を防ぐことができる。

［４］第４の実施形態
第４の実施形態では、各実施形態で用いられるＭＴＪ素子について説明する。

［４−１］変形例
上述する第１の実施形態では、例えば図２（ｂ）に示すように、ＭＴＪ膜１０を構成する固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３の３つの層が全てワード線ＷＬ方向に繋がっていた。しかしながら、ＭＴＪ膜１０は、上述する形状に限定されず、例えば次のような形状に変形することが可能である。

（変形例１）
図１５は、本発明の第４の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの変形例１の一部断面図を示す。以下に、変形例１の構造について説明する。

図１５に示すように、変形例１において、図２（ｂ）と異なる点は、セル間に区切りとして凸部２１ａ、２１ｂを形成している点である。例えば、ＭＴＪ素子ＭＴＪ１とＭＴＪ素子ＭＴＪ２との間において、記録層１３のコンタクトＣ２側（記録層１３の非磁性層１２と反対側）の側面にコンタクトＣ２との接触面よりも上方に突出する凸部２１ａを設け、固定層１１のコンタクトＣ１側（固定層１１の非磁性層１２と反対側）の側面にコンタクトＣ１との接触面よりも下方に突出する凸部２１ｂを設けている。

尚、凸部２１ａ、２１ｂは記録層１３及び固定層１１の両側に必ずしも設ける必要はない。例えば、記録層１３の磁化を安定させることを考慮すると、記録層１３の上面にのみ凸部２１ａを設けてもよい。

上記変形例１によれば、セル間に設けられた凸部２１ａ、２１ｂがセルの区切りとなるため、セル毎の記録層１３の磁化方向を安定させることができる。

（変形例２）
図１６は、本発明の第４の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの変形例２の一部断面図を示す。以下に、変形例２の構造について説明する。

図１６に示すように、変形例２において、図２（ｂ）と異なる点は、セル間に区切りとして凹部２２ａ、２２ｂを形成している点である。例えば、ＭＴＪ素子ＭＴＪ１とＭＴＪ素子ＭＴＪ２との間において、記録層１３のコンタクトＣ２側（記録層１３の非磁性層１２と反対側）の側面にコンタクトＣ２との接触面よりも下方に窪む凹部２２ａを設け、固定層１１のコンタクトＣ１側（固定層１１の非磁性層１２と反対側）の側面にコンタクトＣ１との接触面よりも上方に窪む凹部２２ｂを設けている。

尚、凹部２２ａ、２２ｂは記録層１３及び固定層１１の両側に必ずしも設ける必要はない。例えば、記録層１３の磁化を安定させることを考慮すると、記録層１３の上面にのみ凹部２２ａを設けてもよい。

上記変形例２によれば、セル間に設けられた凹部２２ａ、２２ｂがセルの区切りとなるため、セル毎の記録層１３の磁化方向を安定させることができる。

（変形例３）
図１７は、本発明の第４の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの変形例３の一部断面図を示す。以下に、変形例３の構造について説明する。

図１７に示すように、変形例３において、図２（ｂ）と異なる点は、固定層１１、非磁性層１２、記録層１３の３層が一体となって波打った形状となっている点である。

ここで、ビット線に接続するセル部分におけるＭＴＪ膜１０は平坦となり、セル間に凹凸部２３ができることが望ましい。また、セルの幅Ｗ１は、セル間の幅Ｗ２よりも長いことが望ましい。これらにより、記録層１３の磁化方向を一方向に保ち易くなる。

上記変形例３によれば、セル間に設けられた凹凸部２３がセルの区切りとなるため、セル毎の記録層１３の磁化方向を安定させることができる。

（変形例４）
図１８は、本発明の第４の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの変形例４の一部断面図を示す。以下に、変形例４の構造について説明する。

図１８に示すように、変形例３において、図２（ｂ）と異なる点は、ワード線方向に記録層１３だけが繋がり、固定層１１及び非磁性層１２はセル毎に分断されている点である。

上記変形例４によれば、固定層１１及び非磁性層１２がセル毎に分断されていることで、回り込み電流が小さくなる。

（変形例５）
図１９は、本発明の第４の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの変形例５の一部断面図を示す。以下に、変形例５の構造について説明する。

図１９に示すように、変形例３において、図２（ｂ）と異なる点は、ワード線方向に記録層１３及び非磁性層１２だけが繋がり、固定層１１はセル毎に分断されている点である。

上記変形例５によれば、非磁性層１２がセル毎に分断されていない。このため、変形例４と比べて、加工が容易になる。

［４−２］磁化配置
ＭＴＪ素子ＭＴＪの固定層１１及び記録層１３の磁化方向は、膜面に対して垂直方向を向いていてもよいし（垂直磁化型）、膜面に対して平行方向に向いていてもよい（平行磁化型）。尚、垂直磁化型のＭＴＪ素子ＭＴＪであれば、従来のように素子形状の長手方向で磁化方向が決定されることがなくなるという利点がある。

［４−３］材料
ＭＴＪ素子ＭＴＪは、例えば以下のような材料からなる。

固定層１１及び記録層１３の材料には、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらの合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ_２、ＲＸＭｎＯ_３ーｙ（Ｒ；希土類、Ｘ；Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ）などの酸化物の他、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂなどのホイスラー合金などを用いることが好ましい。また、これら磁性体には、強磁性を失わないかぎり、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂなどの非磁性元素が多少含まれていてもよい。

非磁性層１２の材料には、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＴｉＯ_２、ＡｌＬａＯ_３などの様々な誘電体を使用することができる。これらの誘電体には、酸素、窒素、フッ素欠損が存在していてもよい。

固定層１１の非磁性層１２と反対側の面には、固定層１１の磁化方向を固着させるための反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層の材料としては、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３などを用いることが好ましい。

尚、垂直磁化型のＭＴＪ素子ＭＴＪを実現するための垂直磁気材料の例としては、例えば次のようなものがある。

まず、固定層１１及び記録層１３の垂直磁気材料に使用されるような高い保磁力を持つ磁性材料は、１×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ以上の高い磁気異方性エネルギー密度を持つ材料により構成される。以下、その材料例について説明する。

（例１)
「Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）のうちの少なくとも１つと、Ｃｒ（クロム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）のうちの少なくとも１つとを含む合金からなるもの」
例えば、規則合金としては、Ｆｅ（５０）Ｐｔ（５０）、Ｆｅ（５０）Ｐｄ（５０）、Ｃｏ（５０）Ｐｔ（５０）などがある。例えば、不規則合金としては、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金などがある。

（例２)
「Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ又はこれらのうちの１つを含む合金と、Ｐｄ、Ｐｔのうちの１つ又はこれらのうちの１つを含む合金とが、交互に積層された構造を持つもの」
例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子などがある。Ｃｏ／Ｐｔ人工格子を使用した場合及びＣｏ／Ｐｄ人工格子を使用した場合においては、抵抗変化率（ＭＲ比）は、約４０％、という大きな値を実現できる。

（例３)
「希土類金属のうちの少なくとも１つ、例えば、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、又は、Ｇｄ（ガドリニウム）と、遷移金属のうちの少なくとも１つとからなるアモルファス合金」
例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏなどがある。

次に、記録層１３は、上述のような高い保磁力を持つ磁性材料から構成することもできるし、組成比の調整、不純物の添加、厚さの調整などを行って、上述のような高い保磁力を持つ磁性材料よりも磁気異方性エネルギー密度が小さい磁性材料から構成してもよい。以下、その材料例について説明する。

（例１）
「Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つと、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄのうちの少なくとも１つとを含む合金に、不純物を添加したもの」
例えば、規則合金としては、Ｆｅ（５０）Ｐｔ（５０）、Ｆｅ（５０）Ｐｄ（５０）、又は、Ｃｏ（５０）Ｐｔ（５０）に、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｇなどの不純物を加えて磁気異方性エネルギー密度を低下させたものなどがある。例えば、不規則合金としては、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、又は、ＣｏＣｒＮｂ合金について、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度を低下させたものなどがある。

（例２）
「Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ又はこれらのうちの１つを含む合金と、Ｐｄ、Ｐｔのうちの１つ又はこれらのうちの１つを含む合金とが、交互に積層された構造を持つものであって、前者の元素若しくは合金からなる層の厚さ、又は、後者の元素若しくは合金からなる層の厚さを調整したもの」
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ又はこれらのうちの１つを含む合金についての厚さの最適値と、Ｐｄ、Ｐｔのうちの１つ又はこれらのうちの１つを含む合金についての厚さの最適値とが存在し、厚さがこれら最適値から離れるに従い、磁気異方性エネルギー密度は、次第に低下する。

（例３）
「希土類金属のうちの少なくとも１つ、例えば、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、又は、Ｇｄ（ガドリニウム）と、遷移金属のうちの少なくとも１つとからなるアモルファス合金の組成比を調整したもの」
例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏなどのアモルファス合金の組成比を調整し、磁気異方性エネルギー密度を小さくしたものがある。

［４−４］平面形状
上記各実施形態のＭＴＪ素子ＭＴＪの平面形状は、例えば、長方形、正方形、円、楕円、六角形、菱型、平行四辺形、十字型、ビーンズ型（凹型）等、種々に変更することが可能である。

平行磁化型のＭＴＪ素子ＭＴＪの場合、形状磁気異方性を利用するときは、例えば、ＭＴＪ素子ＭＴＪの短辺方向（磁化困難軸方向）をＦ（最小加工寸法）とすると、長手方向（磁化容易軸方向）は２Ｆ程度にした形状が望ましい。

垂直磁化型のＭＴＪ素子ＭＴＪの場合、磁化方向は形状に依存しないため、上述するいずれの形状を用いてもよい。

［４−５］トンネル接合構造
ＭＴＪ素子ＭＴＪは、１重トンネル接合（シングルジャンクション）構造でもよいし、２重トンネル接合（ダブルジャンクション）構造でもよい。

１重トンネル接合構造のＭＴＪ素子ＭＴＪは、図１などに示すように、固定層１１と、記録層１３と、固定層１１及び記録層１３間に設けられた非磁性層１２とを有する。つまり、ＭＴＪ素子ＭＴＪが非磁性層を１層有する。

２重トンネル接合構造のＭＴＪ素子ＭＴＪは、第１の固定層と、第２の固定層と、第１及び第２の固定層間に設けられた記録層と、第１の固定層及び記録層間に設けられた第１の非磁性層と、第２の固定層及び記録層間に設けられた第２の非磁性層とを有する。つまり、ＭＴＪ素子ＭＴＪが非磁性層を２層有する。

ここで、２重トンネル接合構造を構成する第１及び第２の固定層、記録層、第１及び第２の非磁性層の全ての層を例えばワード線ＷＬ方向に連続したライン形状にしてもよいし、記録層だけをライン形状にしてその他の層はセル毎に分断することも可能である。

２重トンネル接合構造の場合、１重トンネル接合構造の場合よりも、同じ外部バイアスを印加したときのＭＲ（Magneto Resistive）比（“１”状態、“０”状態の抵抗の変化率）の劣化が少なく、より高いバイアスで動作できる。すなわち、２重トンネル接合構造は、セル内の情報を読み出す際に有利となる。

その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

本発明の第１の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリを示す平面図。図２（ａ）は、図１のＩＩＡ−ＩＩＡ線に沿った断面図、図２（ｂ）は、図１のＩＩＢ−ＩＩＢ線に沿った断面図。本発明の第１の実施形態に係る書き込み反転部分の伝播の原理を説明するための図。図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る“０”書き込み動作を説明するための図。図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る“１”書き込み動作を説明するための図。本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ膜をビット線方向に延在させた場合の模式図。図７（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る書き込み反転部分の伝播の原理を説明するための図。本発明の第２の実施形態に係る書き込み動作時の電流パルスの波形図。図９（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る３つの抵抗状態のＭＴＪ素子の断面図。本発明の第２の実施形態に係る多値メモリの３つの抵抗値を示す図。本発明の第２の実施形態に係る多値メモリの５つの抵抗値を示す図。本発明の第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのビット線方向の断面図。本発明の第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのビット線方向の断面図。本発明の第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのビット線方向の断面図。本発明の第４の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの変形例１の一部断面図。本発明の第４の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの変形例２の一部断面図。本発明の第４の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの変形例３の一部断面図。本発明の第４の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの変形例４の一部断面図。本発明の第４の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの変形例５の一部断面図。

符号の説明

１…半導体基板、２…素子分離絶縁膜、３…ゲート電極、４ａ、４ｂ…ソース／ドレイン拡散層、１０…ＭＴＪ膜、１１…固定層、１２…非磁性層、１３…記録層、ＭＴＪ…ＭＴＪ素子、Ｔｒ…トランジスタ、Ｃ１、Ｃ２…コンタクト、ＣＰ１、ＣＰ２…キャップ層。

Claims

第１の方向に延在された第１のビット線と、
前記第１のビット線と前記第１の方向と異なる第２の方向において隣り合い、前記第１の方向に延在された第２のビット線と、
前記第１のビット線に接続され、磁化方向が固定された第１の固定層と磁化方向が反転可能な第１の記録層と前記第１の固定層及び前記第１の記録層の間に設けられた第１の非磁性層とを有し、前記第１の固定層及び前記第１の記録層の間に流す第１の電流の向きに応じて前記第１の固定層及び前記第１の記録層の前記磁化方向が平行状態又は反平行状態となる第１の磁気抵抗効果素子と、
前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の方向において隣接し、前記第２のビット線に接続され、磁化方向が固定された第２の固定層と磁化方向が反転可能な第２の記録層と前記第２の固定層及び前記第２の記録層の間に設けられた第２の非磁性層とを有し、前記第１及び第２の記録層は前記第２の方向に延在する同じ第１の層で形成され、前記第２の固定層及び前記第２の記録層の間に流す第２の電流の向きに応じて前記第２の固定層及び前記第２の記録層の前記磁化方向が平行状態又は反平行状態となる第２の磁気抵抗効果素子と
を具備することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
前記第１及び第２の非磁性層は、前記第２の方向に延在する同じ第２の層で形成され、
前記第１及び第２の固定層は、前記第２の方向に延在する同じ第３の層で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
第１の方向に延在された第１のビット線と、
前記第１のビット線と前記第１の方向と異なる第２の方向において隣り合い、前記第１の方向に延在された第２のビット線と、
前記第１のビット線に接続され、磁化方向が固定された第１の固定層と磁化方向が反転可能な第１の記録層と前記第１の固定層及び前記第１の記録層の間に設けられた第１の非磁性層とを有する第１の磁気抵抗効果素子と、
前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の方向において隣接し、前記第２のビット線に接続され、磁化方向が固定された第２の固定層と磁化方向が反転可能な第２の記録層と前記第２の固定層及び前記第２の記録層の間に設けられた第２の非磁性層とを有し、前記第１及び第２の記録層は前記第２の方向に延在する同じ第１の層で形成された第２の磁気抵抗効果素子とを備え、
前記第１の磁気抵抗効果素子に書き込む場合、書き込み電流を前記第１の固定層及び前記第１の記録層間に流し、前記書き込み電流を流す方向に応じて前記第１の記録層の磁化を前記第１の固定層の磁化に対して平行又は反平行にするステップを具備し、
前記書き込み電流を調整することで前記第１の記録層の磁化反転の広がりを制御することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法。
前記書き込み電流の通電時間を制御し、前記書き込み電流を流すことで移動する前記第１の層内の磁壁を前記第１及び第２の磁気抵抗効果素子間で止めることを特徴とする請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法。
前記書き込み電流によりセル内の前記磁化反転の範囲を調整することで、前記第１の磁気抵抗効果素子の第１乃至第３の抵抗値を作り出し、
前記第１の抵抗値は、前記セル内において、前記第１の記録層の全ての磁化が前記第１の固定層の磁化に対して平行である場合に作り出され、
前記第２の抵抗値は、前記セル内において、前記第１の記録層の全ての磁化が前記第１の固定層の磁化に対して反平行である場合に作り出され、
前記第３の抵抗値は、前記セル内において、前記第１の記録層が前記第１の固定層の磁化に対して平行である第１の磁化と前記第１の固定層の磁化に対して反平行である第２の磁化とを有する場合に作り出される
ことを特徴とする請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法。