JP2013254981A - 磁気メモリ素子およびそれを用いる記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の磁性層、第1の磁性層に積層した絶縁層および絶縁層に積層した第2の磁性層を備える磁気トンネル接合部を下部電極と上部電極間に設け、第1の磁性層および第2の磁性層の少なくともいずれかを、その磁性層の磁化容易軸方向に伸びるように歪み変形させた磁気メモリ素子であって、第1の磁性層の側面と第2の磁性層の側面とに接するように、第1の磁性層の側面と第2の磁性層の側面とを他の金属から絶縁する層間絶縁膜が備えられており、第1の磁性層および第2の磁性層の少なくともいずれかを層間絶縁膜によって側面から圧縮して歪み変形させることを特徴とする磁気メモリ素子。
【選択図】 図5
Description
一般的に、強磁性層の磁化の熱安定性の指標となる因子としてKuV/kBTが用いられる。ここで、Vは強磁性層の体積、kBはボルツマン定数、Tは温度である。この関係より、強磁性層の形状が与えられると、熱安定性は、磁気異方性エネルギーKuと温度Tのみによって定まることとなる。前述した通り、磁気異方性エネルギーは磁性層の内部応力によって変化するため、結果として、磁気メモリ素子の記録磁化の熱安定性は記録層20の内部応力によって変化することになる。磁気メモリ素子を集積化してMRAMとして利用するためには、熱安定性因子(Thermal Stability Factor)KuV/kBTの値を60以上にする必要があると言われている。つまり、MRAMを作製するためには、各素子中の磁性層における磁化の熱安定性を高める必要があり、そのためには磁気異方性エネルギーKuを高めなくてはならない。
本発明のある態様では、歪み変形を積極的に利用して記録層の磁化の熱安定性の悪化を防止しまたは改善する。この際の歪み変形の作用について説明する。図3の平面図と正面図において二点鎖線によって示したような歪み変形の無い磁性層があるとする。そして、この磁性層に全方向から均等に中心に向かう半径方向の応力、すなわち中心対称な応力が加わっているとする。その結果、図3において実線によって示されているように、この磁性層は、面内での大きさ(半径または直径)がわずかに小さくなり膜厚がわずかに増加するように歪んで変形する。図3の平面図に示した矢印はこの変形における周縁部の変位である。本願の全般にわたってこのような状態を、面内方向に中心対称な圧縮応力がかかる状態と定義する。このように、面内(膜面)方向に圧縮応力がかかる状態においては、磁性層は面内方向に圧縮されて小さくなり、縦方向(垂直方向)には伸びることになる。よって、面内方向に圧縮応力がかかる状態では、垂直磁化膜は容易軸方向すなわち膜厚方向に伸ばされるように歪み変形する。これにより磁化膜の磁気異方性エネルギーが向上し、膜に垂直な方位の垂直磁化の熱安定性を改善することができる。なお、説明のために、図面では実際には微小な変形を拡大して表現している。
[第1の実施形態]
以下さらに図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図5に本発明の第1の実施形態を示す。図5において図1と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。図5においては、層間絶縁膜23Xを利用して、固定層22及び記録層20の側面から圧縮応力を加えて、固定層22及び記録層20を歪み変形させて磁化容易軸方向に延びる面内形状が得られるようにすることにより、圧縮応力または磁化容易軸方向に延びる歪み変形によって記録磁化の熱安定性を向上させる構成としている。
[第2の実施形態]
図6に本発明の第2の実施形態を示す。図6の構成においては、記録層20および固定層22の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する材料を下部電極14として用いる点を図1の構成から変更している。すなわち本実施の形態は、下部電極14の収縮力を利用して、固定層22および記録層20を圧縮する構成としている。
[第3の実施形態]
図7に本発明、第3の実施形態を示す。図7においては、集積した磁気メモリ素子をパッケージに封止する際に用いる封止剤(エポキシ樹脂)の収縮を利用して記録層20及び固定層22の面内方向に圧縮応力を発生させる構成としている。
[第4の実施形態]
図8に本発明の第4の実施形態を示す。図8においては、磁気メモリ素子を集積化してMRAMを作製し、そのMRAMチップ1がダイフレーム41に搭載されている。MRAMチップ1はボンディングワイヤ42によってリードフレーム43に接続され、MRAMチップ1は、ダイフレーム41と共に樹脂パッケージ44によって封入されている。本実施例においては、半導体プロセスの最後にMRAMチップを樹脂パッケージに封止する際にダイフレーム41とMRAMチップ1とを共にたわませたまま樹脂を硬化させて封止することによって、MRAMチップ内の磁性層に圧縮応力を与える構成とする。図示しないが、ダイフレーム41とMRAMチップ1基板たわませた状態を維持するためのダイフレーム41とMRAMチップ1を囲む保持用のフレームを備え、ダイフレーム41の図上左右両端の下側とMRAMチップ1の上側とのそれぞれに、上向きおよび下向きに保持用フレームを当接させて応力をMRAMチップ1に生じさせ、保持フレームごと樹脂パッケージによって封止することができる。なお、この実施形態においては、必ずしも硬化時に収縮する樹脂を用いなくとも良い。
10:記憶装置
1:MRAMチップ
11:ビット線
12:上部電極
13:MTJ部
14:下部電極
15:基板
16:ゲート領域
17:コンタクト部
18:ワード線
20:記録層(第2の磁性層)
21:絶縁層
22:固定層(第1の磁性層)
23、23X:層間絶縁膜
24:ドレイン領域
25:ソース領域
41:ダイフレーム
42:ボンディングワイヤ
43:リードフレーム
44:樹脂パッケージ
101:応力の向きを示す矢印
102、102A、102B:磁化の向きを示す矢印
Claims (13)
- 第1の磁性層、該第1の磁性層に積層した絶縁層および該絶縁層に積層した第2の磁性層を備える磁気トンネル接合部を下部電極と上部電極間に設け、
前記第1の磁性層および前記第2の磁性層の少なくともいずれかを、その磁性層の磁化容易軸方向に伸びるように歪み変形させた磁気メモリ素子であって、
前記第1の磁性層の側面と前記第2の磁性層の側面とに接するように、前記第1の磁性層の側面と前記第2の磁性層の側面とを他の金属から絶縁する層間絶縁膜が備えられており、
前記第1の磁性層および前記第2の磁性層の少なくともいずれかを前記層間絶縁膜によって側面から圧縮して歪み変形させることを特徴とする磁気メモリ素子。 - 前記第1の磁性層側に位置する前記下部電極を、前記第1の磁性層および前記第2の磁性層の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する材料で形成し、
前記下部電極を収縮させて前記第1の磁性層を圧縮することにより前記第1の磁性層および前記第2の磁性層の少なくともいずれかを歪み変形させることを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ素子。 - 前記第1の磁性層および前記第2の磁性層が垂直磁化膜であり、
前記第1の磁性層および前記第2の磁性層の少なくともいずれかを、膜面に対し垂直方向に伸びるように歪み変形させることを特徴とする請求項1または2に記載の磁気メモリ素子。 - 前記第1の磁性層および前記第2の磁性層が面内磁化膜であり、
面内形状が楕円または長方形にされていて長軸方向に伸びるように歪み変形させることを特徴とする請求項1または2に記載の磁気メモリ素子。 - 第1の磁性層、該第1の磁性層に積層した絶縁層および該絶縁層に積層した第2の磁性層を備える磁気トンネル接合部を下部電極と上部電極間に設け、
前記第1の磁性層および前記第2の磁性層の少なくともいずれかに、面内のいずれかの方向に向く圧縮応力が残るように構成された磁気メモリ素子であって、
前記第1の磁性層の側面と前記第2の磁性層の側面とに接するように、前記第1の磁性層の側面と前記第2の磁性層の側面とを他の金属から絶縁する層間絶縁膜が備えられており、
前記第1の磁性層および前記第2の磁性層の少なくともいずれかを前記層間絶縁膜によって側面から圧縮して前記圧縮応力を発生させることを特徴とする磁気メモリ素子。 - 前記第1の磁性層側に位置する前記下部電極を、前記第1の磁性層および前記第2の磁性層の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する材料で形成し、
前記下部電極を収縮させて前記第1の磁性層を圧縮することにより前記圧縮応力を発生させることを特徴とする請求項5に記載の磁気メモリ素子。 - 前記第1の磁性層および前記第2の磁性層が、希土類−遷移金属合金の単層膜であるか、または、希土類−遷移金属合金とスピン偏極膜との積層膜であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1の磁性層および前記第2の磁性層が、希土類−遷移金属合金と、FeCo合金薄膜またはFeCoB合金薄膜のいずれかとの積層膜であることを特徴とする請求項7に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1の磁性層または前記第2の磁性層が、グラニュラー垂直磁化膜の単層膜であるか、または、グラニュラー垂直磁化膜とスピン偏極膜とを積層した積層膜であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1の磁性層または前記第2の磁性層が、グラニュラー垂直磁化膜と、FeCo合金薄膜またはFeCoB合金薄膜のいずれかとの積層膜であることを特徴とする請求項9に記載の磁気メモリ素子。
- 請求項1ないし10のいずれか1項に記載の磁気メモリ素子を記憶素子として用いる記憶装置。
- 複数の前記磁気メモリ素子と、
流動性のある封止材を硬化させて該複数の磁気メモリ素子を内部に封入する封止パッケージと
を備え、前記封止材を硬化させる際の収縮によって、前記磁気メモリ素子の前記第1の磁性層または前記第2の磁性層を、膜面に対し垂直方向に伸張するように歪み変形させるか、または、前記第1の磁性層および前記第2の磁性層の少なくともいずれかに、面内のいずれかの方向に向く圧縮応力を残留させることを特徴とする請求項11に記載の記憶装置。 - 複数の前記磁気メモリ素子が配設された基板を置くダイフレームと、
流動性のある封止材を硬化させて該複数の磁気メモリ素子を前記ダイフレームとともに内部に封入する封止パッケージと
を備え、前記ダイフレームをたわませることにより、前記磁気メモリ素子の前記第1の磁性層または前記第2の磁性層を膜面に対し垂直方向に伸張するように歪み変形させるか、または、前記第1の磁性層または前記第2の磁性層の面内のいずれかの向きに圧縮応力を残留させて、前記ダイフレームをたわませたまま前記封止材を硬化させて前記封止パッケージの内部に封入したことを特徴とする請求項11に記載の記憶装置。
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