JP2009295775A - Magnetic storage element and magnetic storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気記憶素子および磁気記憶装置に関し、特に、反転電流を低減しつつ、反転効率を大きくした磁気記憶素子および磁気記憶装置に関する。 The present invention relates to a magnetic memory element and a magnetic memory device, and more particularly, to a magnetic memory element and a magnetic memory device that increase inversion efficiency while reducing inversion current.
近年、新世代の不揮発性磁気記憶装置として、MRAM(Magnetic Random Access Memory)デバイスが注目されている。MRAMデバイスは、半導体集積回路に形成された複数の薄膜磁性体からなるメモリセルを用いて不揮発のデータ記憶を行ない、かつ、メモリセルの各々に対してランダムアクセスが可能な不揮発性磁気記憶装置である。
MRAMデバイスとして、スピン偏極した電子を記録層の磁性体に流すこと(スピン注入)により、磁性体の磁化方向を反転させるSTT−MRAM(Spin-Transfer Torque MRAM)が提案されている(例えば、非特許文献1、2参照)。かかるスピン注入による磁化反転方式では、電子の持つスピン角運動量が記憶層の磁性体の角運動量と相互作用することによってスピンの伝達が行われる。スピン注入による磁化反転はメモリセルのサイズが小さくなるほど、磁化反転に必要な電流が小さくなるといった特長があり、大容量かつ高集積化に適している。
In recent years, MRAM (Magnetic Random Access Memory) devices have attracted attention as a new generation of nonvolatile magnetic storage devices. An MRAM device is a non-volatile magnetic storage device that performs non-volatile data storage using memory cells made of a plurality of thin film magnetic bodies formed in a semiconductor integrated circuit, and allows random access to each memory cell. is there.
As an MRAM device, an STT-MRAM (Spin-Transfer Torque MRAM) that reverses the magnetization direction of the magnetic material by flowing spin-polarized electrons through the magnetic material of the recording layer (spin injection) has been proposed (for example, Non-patent documents 1 and 2). In the magnetization reversal method by spin injection, spin is transmitted by the interaction of the spin angular momentum of electrons with the angular momentum of the magnetic substance in the storage layer. Magnetization reversal by spin injection has a feature that the current required for magnetization reversal decreases as the size of the memory cell decreases, and is suitable for large capacity and high integration.
更に、反転電流を低減するために、ピン層/トンネル層/フリー層/トンネル層/ピン層の積層構造のように、1つのセルの中に2つのトンネル接合を重ねた構造も提案されている。かかる構造では、2つのピン層の磁化方向が反平行(平行かつ逆向き)となり、上下のトンネル接合が互いにスピンフィルタの役目をすることにより、両方向の電流においてスピン偏極した電子が注入され、フリー層の磁化方向を反転させるのに必要な反転電流が低減できる。
しかしながら、かかる積層構造では反転電流が低減できる一方で、例えば下部ピン層とフリー層の磁化が平行の場合には、上部ピン層とフリー層の磁化方向は反平行となってしまうため、抵抗の変化率が減少するという問題があった。上下のトンネル層の膜厚を異なるようにして、各接合の抵抗値を変える等の対策も提案されているが、十分な解決策とはいえなかった。 However, in such a laminated structure, the reversal current can be reduced. On the other hand, for example, when the magnetizations of the lower pinned layer and the free layer are parallel, the magnetization directions of the upper pinned layer and the free layer are antiparallel. There was a problem that the rate of change decreased. Although measures such as changing the resistance value of each junction by changing the thickness of the upper and lower tunnel layers have been proposed, it has not been a sufficient solution.
そこで、本発明は、フリー層の磁化方向を反転させるのに必要な反転電流を低減しつつ、磁化方向を反転させた場合の抵抗の変化率も大きくした磁気記憶素子および磁気記憶装置の提供を目的とする。 Therefore, the present invention provides a magnetic memory element and a magnetic memory device that reduce the reversal current necessary to reverse the magnetization direction of the free layer and increase the rate of change in resistance when the magnetization direction is reversed. Objective.
本発明の一の態様では、スピン偏極した電子により磁化方向を反転させる磁気記憶素子であって、第1ピン層と、第1トンネル絶縁層と、第1フリー層との積層構造を含む第1単位磁気記憶素子と、第2ピン層と、第2トンネル絶縁層と、第2フリー層との積層構造を含む第2単位磁気記憶素子と、第1ピン層と第2ピン層を電気的に接続して、第1単位磁気記憶素子と第2単位磁気記憶素子とを直列に接続する接続電極とを含み、電子の移動方向に垂直な方向の第2単位磁気記憶素子の断面積が、第1単位磁気記憶素子の断面積より大きいことを特徴とする磁気記憶素子である。 According to one aspect of the present invention, a magnetic memory element that reverses the magnetization direction by spin-polarized electrons and includes a stacked structure of a first pinned layer, a first tunnel insulating layer, and a first free layer. The first unit magnetic memory element, the second pinned layer, the second tunnel insulating layer, and the second unit magnetic memory element including a laminated structure of the second free layer, the first pinned layer, and the second pinned layer are electrically connected. And a connecting electrode for connecting the first unit magnetic memory element and the second unit magnetic memory element in series, and the cross-sectional area of the second unit magnetic memory element in the direction perpendicular to the electron moving direction is A magnetic memory element having a larger cross-sectional area than the first unit magnetic memory element.
本発明の他の態様では、上記磁気記憶素子が、マトリックス状に配置されたことを特徴とする磁気記憶装置である。 In another aspect of the present invention, the magnetic memory device is characterized in that the magnetic memory elements are arranged in a matrix.
本発明にかかる磁気記憶装素子および磁気記憶装置では、低電流で効率よくフリー層の磁化方向を反転できるとともに、磁化方向が反転した場合の抵抗変化率も大きくすることができる。 In the magnetic memory device and the magnetic memory device according to the present invention, the magnetization direction of the free layer can be efficiently reversed at a low current, and the resistance change rate when the magnetization direction is reversed can be increased.
以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, “top”, “bottom”, “left”, “right” and names including these terms are used as appropriate, but these directions make it easy to understand the invention with reference to the drawings. Therefore, a mode in which the embodiment is inverted upside down or rotated in an arbitrary direction is naturally included in the technical scope of the present invention.
図1は、全体が100で表される、本実施の形態にかかる磁気記憶装置の断面図である。また、図2は、磁気記憶装置100を上方から見た場合の概略図である。図2の上下方向は、図1の紙面に垂直な方向に相当する。
FIG. 1 is a cross-sectional view of the magnetic memory device according to the present embodiment, the whole being represented by 100. FIG. 2 is a schematic view of the
図1に示すように、磁気記憶装置100は、シリコン等の半導体基板1を含む。半導体基板1には、酸化シリコン等からなる素子分離絶縁膜2が設けられている。素子分離絶縁膜2によって電気的に分離された素子形成領域には、素子選択用のトランジスタ10が形成されている。トランジスタ10は、半導体基板1上に設けられたゲート絶縁膜11と、その上に設けられたゲート電極12を含む。ゲート電極12の両側には、酸化シリコン等からなるサイドウォール13が設けられている。また、半導体基板1には、ゲート電極12を挟むようにソース/ドレイン領域14が設けられている。
As shown in FIG. 1, the
半導体基板1の上には、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層20が設けられている。層間絶縁層20には、例えばTiN/Tiからなるバリアメタル層(図示せず)を介して、例えばタングステンからなるコンタクトプラグ22が埋め込まれている。コンタクトプラグ22は、ソース/ドレイン領域14に電気的に接続されている。
On the semiconductor substrate 1, an
コンタクトプラグ22の上には、例えばTaN/Taからなるバリアメタル膜(図示せず)を介して、例えばCuからなるコンタクトプラグ24が埋め込まれ、更に、コンタクトプラグ24上には、例えばTaN/Taからなるバリアメタル膜(図示せず)を介して、例えば銅からなるコンタクトプラグ26が埋め込まれている。
A
コンタクトプラグ26の上には、例えばTaからなる引き出し配線(下部電極)30が設けられ、その上に磁気記憶素子(TMR(Tunneling Magneto Resistance)素子)50が設けられている。磁気記憶素子50の上には、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層60が設けられている。層間絶縁層60には、例えばTaN/Taからなるバリアメタル膜(図示せず)を介して、例えば銅からなるコンタクトプラグ28が埋め込まれている。層間絶縁層60の上には、コンタクトプラグ28と接続するように、例えば銅からなるビットライン(BL)40が設けられている。
On the
図3は、図1中に示した磁気記憶素子(メモリセル)50を拡大した断面図である。磁気記憶装置100は、複数の磁気記憶素子50がマトリックス状に配置された構造となっている。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the magnetic memory element (memory cell) 50 shown in FIG. The
図3に示すように、磁気記憶素子50は、接続電極530により接続された2つの単位磁気記憶素子510、520を含む。引き出し電極30の上には、それぞれ反強磁性層511、521が形成されている。反強磁性層511、521の上には、ピン層(固着層:PL)512、522、非磁性体(誘電体)であるトンネル絶縁層(TN)513、523、強磁性体であるフリー層(記憶層:FL)514、524が設けられている。フリー層514、524の上には、例えばCu等からなる上部電極(TE)515、525が設けられている。なお、上部電極515、525が接続電極530を形成しても構わない。
As shown in FIG. 3, the
ピン層512、522には、例えば、PtMn、IrMn、FeMn、PtCrMn、NiMn、NiO、Fe2O3などの反強磁性体と、Co、Fe、Ni、Al、B、Si、Zr、Nb、Cr、Taなどの元素を1種又は複数からなる強磁性体とを交換結合させた構造や、薄い非磁性層を介して強磁性体と強磁性体とを結合させたSAF構造(Synthetic AntiFerromagnet構造)を反強磁性層上に積層した構造が用いられる。
The
また、トンネル絶縁層513、523には、例えばMg、Al、Siなどを含む酸化物や窒化物(例えばAlN、SiN)又はこれらを混合した材料が用いられる。また、記憶層(フリー層)FLはCo、Fe、Ni、Al、B、Si、Zr、Nb、Cr、Taなどの元素を1種又は複数からなる強磁性体であり、固着層PLに使われる強磁性体と同じ材料を用いることが好ましいが、異なった強磁性体材料を用いても構わない。
For the
更に、図3からもわかるように、磁気記憶素子50は、断面積(図3では紙面に対して横に垂直な方向の断面積)の小さな単位磁気記憶素子510と、断面積の大きな単位磁気記憶素子520とが、接続金属530により直列に接続された構造となっている。接続金属530には、スピン拡散長が、磁気記憶素子間よりも充分に長い金属(例えばCu等)を用いることが好ましい。接続金属530は磁気記憶素子の全面を覆っている必要は無く、一部でも同等の効果を示す。
Further, as can be seen from FIG. 3, the
かかる構造では、磁気記憶素子50を構成する単位磁気記憶素子510、520が、断面積を除いて同じ積層構造を有しているため、1つの磁気記憶素子を作製する従来の製造方法に比較して、新たな製膜工程等を追加することなく、磁気記憶素子50の作製が可能となる。
In such a structure, the unit
次に、図4を参照しながら、磁気記憶素子50の動作について説明する。磁気記憶素子50は、薄い非磁性層(トンネル絶縁層513、523)を介して、強磁性体(ピン層512、522)と強磁性体(フリー層514、524)とを積層した構造となっている。図4中、図3と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
Next, the operation of the
図4(a)に示すように、初期状態は、単位磁気記憶素子510、520のフリー層514、524の磁化方向(スピンの向き)がすべて右方向となった状態(反平行状態)となっている。
As shown in FIG. 4A, the initial state is a state in which the magnetization directions (spin directions) of the
次に、図4(b)中に矢印で示す方向(単位磁気記憶素子520から単位磁気記憶素子510に向かう方向)に書き換え電流iを流す。
磁気抵抗素子50のフリー層514、524の磁化方向を反転させるのに必要な磁化反転電流Iswは、フリー層514、524を流れる反転電流の電流密度によって決まる。このため、断面積の異なる2つの単位磁気記憶素子510、520を有する場合、大面積単位磁気記憶素子520の磁化反転電流は、小面積の単位磁気記憶素子520の反転電流よりも大きくなる。
Next, the rewriting current i is supplied in the direction indicated by the arrow in FIG. 4B (the direction from the unit
The magnetization reversal current Isw necessary for reversing the magnetization direction of the
従って、
Isw(小面積素子)<書き換え電流i<Isw(大面積素子)
ただし、Isw(小面積素子)はフリー層514の磁化方向反転に必要な電流、
Isw(大面積素子)はフリー層524の磁化方向反転に必要な電流、
となるような書き換え電流(動作電流)iを用いて書き込みを行うと、小面積素子のフリー層514の磁化方向は反転し、大面積素子のフリー層524の磁化方向は反転しない。かかる状態(平行状態)を図4(b)に示す。
つまり、書き換え電流iを用いる限り、大面積素子のフリー層524の磁化方向は常に一定(ここでは、右方向)となる。
Therefore,
Isw (small area element) <rewrite current i <Isw (large area element)
However, Isw (small area element) is a current required for reversing the magnetization direction of the
Isw (large area element) is a current required for reversing the magnetization direction of the
When writing is performed using such a rewriting current (operating current) i, the magnetization direction of the
That is, as long as the rewriting current i is used, the magnetization direction of the
一方、各単位磁気記憶素子510、520の抵抗は、逆に断面積に反比例することから、直列に接続された二つの単位磁気記憶素子510、520からなる磁気記憶素子50の素子抵抗は、小面積素子である単位磁気記憶素子510の抵抗によってほぼ決まる。このため、小面積素子である単位磁気記憶素子510のフリー層514の磁化方向が反転すれば、大面積素子である単位磁気記憶素子520のフリー層524の磁化方向が反転しなくても、磁気記憶素子50としての抵抗変化率は変わらない。
On the other hand, since the resistance of each unit
次に、再度、磁化方向を反転させて、図4(c)に示す反平衡状態にする場合について説明する。図4(c)に示す方向(単位磁気記憶素子510から単位磁気記憶素子520に向かう方向)に書き換え電流iを流すと、フリー層514に注入される電子は、固着層522から、大面積の単位磁気抵抗素子520のフリー層524を経て注入されるため、それぞれの層がもつ磁化方向に偏極されたスピン偏極電子となる。この場合、フリー層524が常に一定の磁化方向(右向き)であるため、右方向に変局したスピン偏極電子がフリー層514に注入される。このため、フリー層514の磁気方向の反転に必要な反転電流を低減することができる。
Next, the case where the magnetization direction is reversed again to achieve the anti-equilibrium state shown in FIG. When a rewrite current i is applied in the direction shown in FIG. 4C (the direction from the unit
図5は、全体が200で表される、本発明の実施の形態にかかる他の磁気記憶装置の概略的な断面図である。図5中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。磁気記憶装置200では、磁気記憶装置100ではコンタクトプラグ24としてのみ使用していた金属層を、ビットライン(図1では符号40で表示)としても使用している。これにより、磁気記憶装置の構造や製造工程の簡略化が可能となる。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of another magnetic memory device according to an embodiment of the present invention, indicated as a whole by 200. In FIG. 5, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts. In the
図6は、図5のビットラインを用いることにより、大面積の単位磁気抵抗素子520のフリー層(FL)の磁化の向きを一方向に揃えるための構造を示す。即ち、ビットライン40(図5では、単位磁気抵抗素子520の下方にある、ビットラインを兼ねるコンタクトプラグ24)に電流を流し、その誘導磁場によって、フリー層524の磁化方向を一定に揃える(誘導磁場の磁界方向とフリー層524の磁化方向を一致させる)ことを可能としたものである。これにより、磁気記憶装置の動作安定性等を向上させることができる。
FIG. 6 shows a structure for aligning the magnetization direction of the free layer (FL) of the large-area unit
図7は、全体が300で表される、本発明の実施の形態にかかる他の磁気記憶装置の概略的な断面図である。図7中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。磁気記憶装置300では、複数の磁気抵抗素子520が引き出し電極30で接続されている。即ち、図7の紙面に垂直な方向に引き出し電極30が延在し、その上に複数の磁気抵抗素子520が接続されている。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of another magnetic memory device according to the embodiment of the present invention, indicated as a whole by 300. In FIG. 7, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts. In the
引き出し電極30は、コンタクトプラグ22、24、26を介してトランジスタ10に接続され、更にトランジスタ10を介してビットライン40に接続されている。
The
更に、図8に示す磁気記憶装置350では、引き出し電極30の上に、大面積の磁気抵抗素子520が、一体として形成された構造を示す。図8は、図2と同じ方向から見た場合の概略図である。
即ち、図7では、引き出し電極30の上に並置した複数の磁気抵抗素子520を、図8では一体構造として形成している。
Further, the
That is, in FIG. 7, a plurality of
図8の磁気記憶装置350のように、小面積の磁気記憶素子510と、大面積の磁気記憶素子520との面積の差を大きくした方が、磁気記憶装置350の書き換え電流のマージンを大きくすることができる。
As in the
比較例
図9、10に、比較のために、従来のシングル接合構造およびダブル接合構造の磁気記憶素子を示す。(a)〜(c)の状態は、図4の(a)〜(c)の状態に相当する。
Comparative Example FIGS. 9 and 10 show conventional magnetic memory elements having a single junction structure and a double junction structure for comparison. The states (a) to (c) correspond to the states (a) to (c) in FIG.
図9に示すように、シングル接合構造の磁気記憶素子では、ピン層(PN)、トンネル絶縁層(TN)、フリー層(FL)が積層された構造となっている。
初期状態(a)の磁気記憶素子に対して、(b)に矢印で示す方向に電流を流すことにより、フリー層(FL)の磁化方向が反転して平衡状態となる。
一方、(c)に矢印で示す方向に電流を流すことにより、フリー層(FL)の磁化方向が反転して、反平行状態となる。
As shown in FIG. 9, the single-junction magnetic memory element has a structure in which a pinned layer (PN), a tunnel insulating layer (TN), and a free layer (FL) are stacked.
By passing a current in the direction indicated by the arrow in (b) with respect to the magnetic memory element in the initial state (a), the magnetization direction of the free layer (FL) is reversed to be in an equilibrium state.
On the other hand, by passing an electric current in the direction indicated by the arrow in (c), the magnetization direction of the free layer (FL) is reversed and the antiparallel state is obtained.
(b)平衡状態から(c)反平行状態に、フリー層(FL)の磁化方向を反転させる場合、フリー層(FL)にスピン偏極したスピンを注入できないため(図9(c)では上から下方向に)、反転電流が大きくなるという問題があった。 (B) When the magnetization direction of the free layer (FL) is reversed from the equilibrium state to the (c) antiparallel state, spin-polarized spins cannot be injected into the free layer (FL) (in FIG. There is a problem that the reversal current becomes large.
図10に示すように、ダブル接合構造の磁気記憶素子では、ピン層(PN1、2)、トンネル絶縁層(TN1、2)が、フリー層(FL)を挟んで対称となる位置に積層された構造となっている。
初期状態(a)の磁気記憶素子に対して、(b)に矢印で示す方向に電流を流すことにより、フリー層(FL)の磁化方向が反転して平衡状態となる。
一方、(c)に矢印で示す方向に電流を流すことにより、フリー層(FL)の磁化方向が反転して、反平行状態となる。
As shown in FIG. 10, in the magnetic memory element having a double junction structure, the pinned layers (PN1, 2) and the tunnel insulating layers (TN1, 2) are stacked at symmetrical positions with the free layer (FL) interposed therebetween. It has a structure.
By passing a current in the direction indicated by the arrow in (b) with respect to the magnetic memory element in the initial state (a), the magnetization direction of the free layer (FL) is reversed to be in an equilibrium state.
On the other hand, by passing an electric current in the direction indicated by the arrow in (c), the magnetization direction of the free layer (FL) is reversed and the antiparallel state is obtained.
かかるダブル接合構造の磁気記憶素子では反転電流が低減できる一方で、例えば下部ピン層(PN1)とフリー層(FL)の磁化が平行の場合((b)平行状態)には、上部ピン層(PL2)とフリー層(FL)の磁化方向は反平行となるため、抵抗の変化率が減少するという問題があった。 In such a magnetic memory element having a double junction structure, the reversal current can be reduced. For example, when the magnetizations of the lower pinned layer (PN1) and the free layer (FL) are parallel ((b) parallel state), the upper pinned layer ( Since the magnetization directions of PL2) and the free layer (FL) are antiparallel, there is a problem that the rate of change in resistance decreases.
1 半導体基板、2 素子分離絶縁膜、10 トランジスタ、11 ゲート絶縁膜、12 ゲート電極、13 サイドウォール、14 ソース/ドレイン領域、20、60 層間絶縁層、22、24、26、28 コンタクトプラグ、30 引き出し電極、40 ビットライン、50 磁気記憶素子(メモリセル)、100 磁気記憶装置、510 単位磁気抵抗素子(小面積)、520 単位磁気抵抗素子(大面積)、530 接続電極。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate, 2 Element isolation insulating film, 10 Transistor, 11 Gate insulating film, 12 Gate electrode, 13 Side wall, 14 Source / drain region, 20, 60 Interlayer insulating layer, 22, 24, 26, 28 Contact plug, 30 Lead electrode, 40 bit line, 50 magnetic memory element (memory cell), 100 magnetic memory device, 510 unit magnetoresistive element (small area), 520 unit magnetoresistive element (large area), 530 connection electrode.
Claims (8)
第1ピン層と、第1トンネル絶縁層と、第1フリー層との積層構造を含む第1単位磁気記憶素子と、
第2ピン層と、第2トンネル絶縁層と、第2フリー層との積層構造を含む第2単位磁気記憶素子と、
該第1ピン層と該第2ピン層を電気的に接続して、該第1単位磁気記憶素子と該第2単位磁気記憶素子とを直列に接続する接続電極とを含み、
該電子の移動方向に垂直な方向の該第2単位磁気記憶素子の断面積が、該第1単位磁気記憶素子の断面積より大きいことを特徴とする磁気記憶素子。 A magnetic memory element that reverses the magnetization direction by spin-polarized electrons,
A first unit magnetic memory element including a laminated structure of a first pinned layer, a first tunnel insulating layer, and a first free layer;
A second unit magnetic memory element including a stacked structure of a second pinned layer, a second tunnel insulating layer, and a second free layer;
A connection electrode that electrically connects the first pin layer and the second pin layer to connect the first unit magnetic memory element and the second unit magnetic memory element in series;
A magnetic memory element, wherein a cross-sectional area of the second unit magnetic memory element in a direction perpendicular to a moving direction of the electrons is larger than a cross-sectional area of the first unit magnetic memory element.
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---|---|---|---|---|
EP4191591A4 (en) * | 2020-08-13 | 2023-08-30 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Storage unit and related device |
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2008
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