JP2010219104A - 磁気メモリ素子、磁気メモリ、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁気メモリ素子70は、磁化自由層10と非磁性層20とリファレンス層30と磁化固定層群40と導電層50とを具備する。磁化自由層10は、垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成され、第1磁化固定領域11aと、第2磁化固定領域11bと、第1磁化固定領域と第2磁化固定領域とに隣接した磁化自由領域12とを備える。第1磁化固定領域11a及び第2磁化固定領域11bは、互いに反平行方向に固定された磁化を有する。磁化固定層群40は、第1磁化固定領域11aと磁気的に結合した第1磁化固定層群40aと、第2磁化固定領域11bと磁気的に結合した第2磁化固定層群40bとを備える。導電層50は、第1磁化固定層群40aに隣接する。
【選択図】図1A
Description
図1A〜図1Cは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の主要な部分の構造の一例を模式的に示している。図1Aはその斜視図を、図1Bは断面図を、図1Cは平面図である。なお、図に示されているx−y−z座標系において、z軸は基板垂直方向を示し、x−y軸は基板平面に平行であるものとする。この磁気メモリ素子70は、磁化自由層10と非磁性層20とリファレンス層30と磁化固定層群40と導電層50を具備する。
図2A及び図2Bは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の“0”、“1”それぞれのメモリ状態における磁化の状態を模式的に示す断面図である。図2Aは“0”状態における磁化の状態を、図2Bは“1”状態における磁化の状態を示している。なお、ここでは第1磁化固定領域11aの磁化は+z方向に固定され、第2磁化固定領域11bの磁化は−z方向に固定されているものとする。
図3A及び図3Bは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子への情報の書き込み方法を模式的に示す断面図である。なお、図3A及び図3Bでは簡単のために非磁性層20、リファレンス層30は省略されている。いま、図2Aで定義された“0”状態において図3Aに矢印Iwriteで示された方向に書き込み電流を導入する。このとき伝導電子は第1磁化自由層10において第2磁化固定領域11bから磁化自由領域12を経由して第1磁化固定領域11aへと流れる。このとき第2磁化固定領域11bと磁化自由領域12の境界に形成された磁壁DWにはスピントランスファートルク(Spin Transfer Torque;STT)が働き、−x方向に移動する。すなわち電流誘起磁壁移動が起こる。ここで、第1磁化固定領域11aと磁化自由領域12との境界よりも−x方向では、書き込み電流は、第1磁化固定層群40aへの流れ込みのために減少する。そのため、磁壁DWは第1磁化固定領域11aと磁化自由領域12との境界で停止する。この状態は図2Bで定義された“1”状態に相当する。このようにして“1”書き込みを行うことができる。
図4A及び図4Bは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子からの情報の読み出し方法を模式的に示す断面図である。本実施の形態においては主にトンネル磁気抵抗効果(Tunneling Magnetoresistive effect;TMR effect)を利用して情報の読み出しを行う。そのために第1磁化自由層10(の磁化自由領域12)、非磁性層20、及びリファレンス層30から構成される磁気トンネル接合(MTJ)を貫通する方向に電流Ireadを導入する。なおこのIreadの方向には任意性がある。
図5は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの1ビット分の回路の構成の一例を示す回路図である。この磁気メモリセル80の例では、磁気記憶素子70は3端子の素子であり、ワード線WL、グラウンド線GL、及びビット線対BLa、BLbに接続されている。例えば、リファレンス層30につながる端子は、読み出しのためのグラウンド線GLに接続されている。第1磁化固定層群40a、導電層50を経由して第1磁化固定領域11aにつながる端子は、トランジスタTRaのソース/ドレインの一方に接続され、ソース/ドレインの他方は、ビット線BLaに接続されている。第2磁化固定層群40bを経由して第2磁化固定領域11bにつながる端子は、トランジスタTRbのソース/ドレインの一方に接続され、ソース/ドレインの他方は、ビット線BLbに接続されている。トランジスタTRa、TRbのゲートは、共通のワード線WLに接続されている。
図7A〜図7Fは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子70を製造する方法の一例を示す断面図である。はじめに、層間絶縁層110に埋設され下配線へと接続されたビア(Via)が露出する基板上に、導電層50となる層50Aを堆積させる(図7A)。次に、成膜された層50Aをパターニングして導電層50を形成し、続いて磁化固定層群40となる層40Aを堆積させる(図7B)。このとき、導電層50が形成されているため、導電層50の上部は他の場所と比べて最表面の高さが高くなる。次に、成膜された層40Aをパターニングして第1磁化固定層群40a及び第2磁化固定層群40bを形成し、続いて層間絶縁層120(例示:SiO2)を堆積する。これにより、導電層50、第1磁化固定層群40a及び第2磁化固定層群40bが層間絶縁層120に埋め込まれる(図7C)。
図1A〜図1C、図2A〜図2Bで説明されたように、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子70では磁化自由層10に単一の磁壁DWを導入する必要がある。図9A及び図9Bは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子70を初期化する方法の一例を示す断面図である。ただし、図9A及び図9Bでは磁気メモリ素子70のうち、非磁性層20、リファレンス層30は分かり易さのために省略されている。
次に磁化自由層10、非磁性層20、リファレンス層30、磁化固定層群40、及び導電層50に用いる材料について説明する。
次に、本実施の形態で得られる効果について説明する。本実施の形態においては、電流誘起磁壁移動現象を書き込み方法に用いたMRAMにおいて、磁化自由層10に磁壁を容易に導入するために、磁化固定層群40として第1磁化固定層群40aと第2磁化固定層群40bとが設けられる。さらに第1磁化固定層群40aに隣接して導電層50が設けられる。そして導電層50の膜厚と第1磁化固定層群40aの合計膜厚との和は第2磁化固定層群40bの合計膜厚と等しく形成される。またこの構成を製造する際にCMPが用いられる。これによって下部配線との間で良好なコンタクトが得られると同時に磁化自由層10の成膜面は平滑に形成でき、加えて第1磁化固定層群40aと第2磁化固定層群40bの間で磁気特性を異ならせることができるため、磁化自由層10に容易に磁壁を導入することができる。
図10A〜図10C、図11A〜図11F、図12、図13A〜図13F、図14、図15A〜図15F(いずれも後述)は本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子70の第1の変形例の構造、及びそれらの製造方法を模式的に示している。第1の変形例は磁化固定層群40の膜構成、構造に係る。
図16A〜図16Dは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子70の第2の変形例の構造を模式的に示している。図16Aはその斜視図を、図16Bはx−z断面図を、図16Cはy−z断面図を、図16Dはx−y断面図をそれぞれ示している。第2の変形例は当該磁気メモリ素子70の読み出し方法に関する。
図18及び図19は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子70の第3の変形例の構造を模式的に示す断面図である。本実施の形態においては磁化自由層10における第1磁化固定領域11aと第2磁化固定領域11bとはそれぞれ第1磁化固定層群40aと第2磁化固定層群40bと磁気的に結合していることを説明した。ここで、磁化自由層10と第1磁化固定層群40a、第2磁化固定層群40bは隣接していなくてもよい。具体的には図18に示されているように磁化自由層10の下面に隣接して下地層15が設けられてもよい。また、図19に示されているように磁化固定層群40の上面に隣接してキャップ層41が設けられていてもよい。
10A、20A、30A、40A、40−1A、40−2A、40−3A、50A 層
11a 第1磁化固定領域
11b 第2磁化固定領域
12 磁化自由領域
15 下地層
20 非磁性層
30 リファレンス層
40 磁化固定層群
40a 第1磁化固定層群
40b 第2磁化固定層群
40b−1、40a−1 第1強磁性層
40b−2、40a−2 第2強磁性層
40b−3、40a−3 結合層
41 キャップ層
50 (第1)導電層
60 第2導電層
70 磁気メモリ素子
80 磁気メモリセル
90 磁気メモリ
91 メモリセルアレイ
92 Xドライバ
93 Yドライバ
94 コントローラ
110、120、130、140 層間絶縁層
Claims (11)
- 磁化自由層と、
非磁性層と、
前記非磁性層に隣接したリファレンス層と、
磁化固定層群と、
導電層とを具備し、
前記磁化自由層は、
垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成され、
第1磁化固定領域と、
第2磁化固定領域と、
前記第1磁化固定領域と前記第2磁化固定領域とに隣接した磁化自由領域とを備え、
前記第1磁化固定領域及び前記第2磁化固定領域は、互いに反平行方向に固定された磁化を有し、
前記磁化固定層群は、
前記第1磁化固定領域と磁気的に結合した第1磁化固定層群と、
前記第2磁化固定領域と磁気的に結合した第2磁化固定層群とを備え、
前記導電層は、前記第1磁化固定層群に隣接する
磁気メモリ素子。 - 請求項1記載の磁気メモリ素子であって、
前記導電層の膜厚と前記第1磁化固定層群の合計膜厚との和は、前記第2磁化固定層群の合計膜厚に等しい
磁気メモリ素子。 - 請求項2記載の磁気メモリ素子であって、
前記導電層、前記磁化固定層群、前記磁化自由層が基板側からこの順に積層して設けられる
磁気メモリ素子。 - 請求項3記載の磁気メモリ素子であって、
前記磁化固定層群が垂直磁気異方性を有する強磁性体を含有する
磁気メモリ素子。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
前記第1磁化固定層群と前記第2磁化固定層群の少なくとも一方は、
第1強磁性層と、
第2強磁性層と、
前記第1強磁性層と前記第2強磁性層とに隣接した結合層とを含む
磁気メモリ素子。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
前記第1磁化固定層群と前記第2磁化固定層群の少なくとも一方は、
第1強磁性層と、
前記第1強磁性層に隣接した第2強磁性層とを含む
磁気メモリ素子。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
前記第1磁化固定層群と前記第2磁化固定層群のいずれか一方は、突出部を有する
磁気メモリ素子。 - 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
前記非磁性層は、前記磁化自由領域に隣接して設けられ、
前記リファレンス層は、前記非磁性層に隣接して前記磁化自由領域とは反対側に設けられる
磁気メモリ素子。 - 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
前記磁化自由領域から基板平行平面において第1の方向にずれるようにして設けられた補助磁化自由層を更に具備し、
前記非磁性層は、前記補助磁化自由層に隣接して設けられ、
前記リファレンス層は、前記非磁性層に隣接して前記補助磁化自由層とは反対側に設けられる
磁気メモリ素子。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の複数の磁気メモリ素子を具備する磁気メモリ。
- 隣り合う第1ビア及び第2ビアのうち、前記第1ビア上に導電層を形成するプロセスと、
前記導電層及び前記第2ビアを覆うように磁性層を形成するプロセスと、
前記磁性層をパターニングして、前記導電層及び前記第2ビア上にそれぞれ第1磁化固定層群及び第2磁化固定層群を形成するプロセスと、
前記導電層、前記第1磁化固定層群、及び前記第2磁化固定層群を絶縁層で埋め込むプロセスと、
CMP(Chemical Mechanical Polishing)により平坦化して、前記第1磁化固定層群及び前記第2磁化固定層群の頭出しを行うプロセスと、
磁化自由層と、非磁性層と、リファレンス層とを形成するプロセスとを具備する
磁気メモリの製造方法。
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