JP2014049659A - Magnetic memory - Google Patents
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Abstract
Description
実施形態は、磁気メモリに関する。 Embodiments relate to a magnetic memory.
磁気メモリとして、例えば、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magneto-resistive Random Access Memory)が知られている。 As a magnetic memory, for example, a magnetic random access memory (MRAM) is known.
磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み動作のバラツキを小さくすることは、信頼性の向上に不可欠な課題である。そのためには、例えば、記憶層の保磁力を大きくし、磁気抵抗効果素子(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)の磁化の安定性を向上させればよい。一般的に、スピン注入書き込みの磁気ランダムアクセスメモリに用いられる垂直磁化方式のMTJ素子において、記憶層の垂直磁気異方性は、起源に磁気弾性エネルギーが加わり生じるため,内部応力および外部応力が印加されると異方性磁界の分散が起こり、記憶層の保磁力が低下して書き込み動作のバラツキが起こる。よって、書き込み動作のバラツキを抑えるには、記憶層にかかる内部応力および外部応力を厳密に制御して、垂直磁化の保磁力を維持することで磁化を安定させる技術が必要となる。 In the magnetic random access memory, reducing the variation in the write operation is an indispensable issue for improving the reliability. For this purpose, for example, the coercive force of the storage layer may be increased to improve the magnetization stability of the magnetoresistive effect element (MTJ: Magnetic Tunnel Junction). Generally, in a perpendicular magnetization type MTJ element used in a magnetic random access memory for spin injection writing, the perpendicular magnetic anisotropy of the storage layer is caused by the addition of magnetoelastic energy to the origin, so internal stress and external stress are applied. Then, the anisotropic magnetic field is dispersed, the coercive force of the memory layer is lowered, and the writing operation is varied. Therefore, in order to suppress the variation in the write operation, a technique for stabilizing the magnetization by strictly controlling the internal stress and the external stress applied to the storage layer and maintaining the coercive force of the perpendicular magnetization is required.
実施形態は、磁気メモリにおける書き込み動作のバラツキを抑制する技術を提案する。 The embodiment proposes a technique for suppressing variation in write operation in a magnetic memory.
実施形態によれば、磁気メモリは、膜面に対して垂直かつ不変の磁化方向を持つ参照層、膜面に対して垂直かつ可変の磁化方向を持つ記憶層及び、これらの層間に配置される非磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、前記参照層、前記記憶層及び前記非磁性層の積層方向に対して垂直な方向にある前記磁気抵抗効果素子の側壁を覆う側壁保護膜と、前記側壁保護膜を覆う層間絶縁膜とを具備し、前記記憶層は、正の磁歪定数を有し、前記記憶層の内部応力は、圧縮応力であることを特徴とする。また、前記記憶層が、負の磁歪定数を有する場合、前記記憶層の内部応力は引張応力である。 According to the embodiment, the magnetic memory is disposed between the reference layer having a magnetization direction perpendicular to the film surface and an invariable magnetization direction, the storage layer having a magnetization direction perpendicular to the film surface and a variable value, and these layers. A magnetoresistive effect element having a nonmagnetic layer, a side wall protective film covering a side wall of the magnetoresistive effect element in a direction perpendicular to a stacking direction of the reference layer, the storage layer, and the nonmagnetic layer, and the side wall An interlayer insulating film covering the protective film, wherein the storage layer has a positive magnetostriction constant, and the internal stress of the storage layer is a compressive stress. Further, when the storage layer has a negative magnetostriction constant, the internal stress of the storage layer is a tensile stress.
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
[基本思想]
磁気メモリにおいて、記憶層に用いる強磁性体膜の自発磁化の方向(磁化容易軸)が膜面に対して垂直方向(垂直磁化)である時、書き込み動作のバラツキが最も問題となる。一因として、記憶層に磁場を掛けない状態でも、熱エネルギーおよび磁気弾性エネルギーなどの影響により、記憶層の各原子の磁気モーメントの方向に揺らぎが生じて強磁性体全体の垂直磁化が減少することで、書き込み動作にバラツキが生じると考えられる。
[Basic idea]
In a magnetic memory, when the direction of spontaneous magnetization (easy magnetization axis) of a ferromagnetic film used for a storage layer is perpendicular to the film surface (perpendicular magnetization), the variation in write operation becomes the most problematic. For one reason, even when no magnetic field is applied to the memory layer, fluctuations in the direction of the magnetic moment of each atom in the memory layer occur due to the effects of thermal energy and magnetoelastic energy, and the perpendicular magnetization of the entire ferromagnetic material decreases. Therefore, it is considered that the writing operation varies.
ここで、記憶層が正の磁歪定数を有する垂直磁化膜である場合、記憶層の異方性磁界の起源に磁気弾性エネルギーが加わるため、記憶層へ応力がかかると、磁気弾性エネルギーを通じて異方性磁界の分散が起こり、書き込み動作のバラツキが生じる。このように、磁気弾性エネルギーを通じて異方性磁界が変化することを逆磁歪効果という。正の磁歪定数を有する垂直磁化の記憶層では、逆磁歪効果により圧縮応力の方向が短軸となり、圧縮応力の方向に対して垂直な方向に引張応力が生じて長軸となるので、引張応力の方向に磁化が誘起されて異方性磁界が歪む。よって、正の磁歪定数を有する垂直磁化の記憶層の場合、異方性磁界の磁化困難軸を圧縮方向として、磁化容易軸を逆磁歪効果の磁化誘起方向となるように設計すれば、垂直磁化を補完することが可能となる。 Here, when the storage layer is a perpendicular magnetization film having a positive magnetostriction constant, magnetoelastic energy is applied to the origin of the anisotropic magnetic field of the storage layer. The magnetic field is dispersed and the writing operation varies. Thus, the change of the anisotropic magnetic field through the magnetoelastic energy is called the inverse magnetostriction effect. In a perpendicularly magnetized memory layer having a positive magnetostriction constant, the direction of compressive stress becomes a minor axis due to the inverse magnetostrictive effect, and a tensile stress is generated in a direction perpendicular to the direction of the compressive stress, resulting in a major axis. Magnetization is induced in this direction, and the anisotropic magnetic field is distorted. Therefore, in the case of a perpendicular magnetization storage layer having a positive magnetostriction constant, if the magnetization hard axis of the anisotropic magnetic field is set as the compression direction and the easy magnetization axis is set as the magnetization induction direction of the inverse magnetostriction effect, Can be complemented.
以下の実施形態では、書き込み動作のバラツキが記憶層における垂直磁化の分散にあるという点を鑑み、記憶層にかかる応力を厳密に制御することで逆磁歪効果がもたらす垂直磁化の補完により、書き込み動作のバラツキを抑制する。 In the following embodiments, in consideration of the fact that the variation in the write operation is due to the dispersion of the perpendicular magnetization in the storage layer, the write operation is performed by complementing the perpendicular magnetization caused by the inverse magnetostriction effect by strictly controlling the stress applied to the storage layer. To suppress the variation of
このように、記憶層にかかる応力を制御することで、書き込み動作のバラツキを抑制できれば、例えば、垂直磁化の記憶層を備える磁気抵抗効果素子とスピン注入書き込みとを利用する磁気メモリにおいて、書き込み動作のバラツキの課題とは切り離して、磁気抵抗効果素子のサイズを小さくし、磁化反転エネルギー(保磁力)を小さくし、さらに、書き込み電流の低減を図ることが可能である。 In this way, if variation in the write operation can be suppressed by controlling the stress applied to the storage layer, for example, in a magnetic memory using a magnetoresistive effect element having a perpendicular magnetization storage layer and spin injection writing, the write operation Apart from this variation problem, it is possible to reduce the size of the magnetoresistive effect element, to reduce the magnetization reversal energy (coercive force), and to reduce the write current.
図1は、磁気メモリの磁気抵抗効果素子を示している。 FIG. 1 shows a magnetoresistive element of a magnetic memory.
磁気抵抗効果素子10は、下地層11と、下地層11上の記憶層12と、記憶層12上の非磁性層(トンネルバリア層)14と、非磁性層14上の参照層13とを備える。記憶層12は、膜面に対して垂直かつ可変の磁化方向を持ち、参照層13は、膜面に対して垂直かつ不変の磁化方向を持つ。
The
側壁保護膜15は、磁気抵抗効果素子10の側壁、即ち、記憶層12、参照層13及び非磁性層14の積層方向に対して垂直な方向にある磁気抵抗効果素子10の側壁を覆う。また、層間絶縁膜16は、側壁保護膜15を覆う。
The side wall
この構造は、参照層13が記憶層12よりも上にあるトップピン型であるが、これに代えて、参照層13が記憶層12よりも下にあるボトムピン型であっても良い。
This structure is a top pin type in which the
尚、記憶層12中の矢印は、膜面と平行方向、つまり磁化困難軸の方向から記憶層12に対して応力が掛かった時に、逆磁歪効果によって生じる磁化誘起方向を示している。磁化誘起方向は、膜面に対して垂直方向、つまり磁化容易軸および垂直磁化方向と一致しているので、垂直磁化の補完が可能である。
An arrow in the
例えば、正の磁歪定数を有する記憶層12の場合、記憶層12の内部応力を圧縮応力とすれば、逆磁歪効果により磁気モーメントが誘起されるので、記憶層12の垂直磁化は補完される。
For example, in the case of the
また、負の磁歪定数を有する記憶層12の場合、記憶層12の内部応力を引張応力とすれば、膜面に対して垂直方向に垂直磁化が補完される。
In the case of the
尚、記憶層12の上面および下面に接する層は積層構造でも良い。ただし、記憶層12が上下に接する層の界面から受ける外部応力は、記憶層12が正の磁歪定数の場合は圧縮応力であり、記憶層12が負の磁歪定数の場合は引張応力である。
The layer in contact with the upper surface and the lower surface of the
このような磁気抵抗効果素子の構造によれば、正または負の磁歪定数を有する記憶層は逆磁歪効果によって垂直磁化を補完できるので、書き込み動作のバラツキを抑制できる。 According to such a magnetoresistive element structure, the storage layer having a positive or negative magnetostriction constant can complement the perpendicular magnetization by the inverse magnetostriction effect, and therefore, variation in write operation can be suppressed.
以下、上述の基本思想を具現化したいくつかの実施例を説明する。 Hereinafter, some embodiments embodying the above-mentioned basic idea will be described.
[実施例]
・第1の実施例
図2は、第1の実施例を示している。
[Example]
First Embodiment FIG. 2 shows a first embodiment.
同図は、磁気メモリの磁気抵抗効果素子を示している。 This figure shows a magnetoresistive effect element of a magnetic memory.
尚、同図において、図1と同じ要素には同じ符号を付すことにより、その説明を省略する。 In the figure, the same elements as those in FIG.
本例の特徴は以下の点にある。 The feature of this example is as follows.
記憶層12が、正の磁歪定数を有する強磁性体であるとき、その内部応力は圧縮応力である。記憶層12が側壁保護膜15に対して膜面と平行方向に圧縮応力を印加する一方、側壁保護膜15は、記憶層12から受けた圧縮応力を、弾性エネルギーを介して記憶層12へ印加する。この時、記憶層12の垂直磁化は、逆磁歪効果によって膜面に対して垂直方向に誘起され、補完される。
When the
また、記憶層12が、負の磁歪定数を有する強磁性体であるとき、その内部応力は引張応力である。記憶層12が側壁保護膜15に対して膜面と平行方向に引張応力を印加する一方、側壁保護膜15は、記憶層12から受けた引張応力を、弾性エネルギーを介して記憶層12へ印加する。この時、記憶層12の垂直磁化は、逆磁歪効果によって膜面に対して垂直方向に誘起され、補完される。
When the
正または負の磁歪定数を有する代表的な材料としては、例えば(Co-Fe)80at%-B20at%があり、(Co-Fe)中のFeが40at%以上の場合に正の磁歪定数となり、40at%以下の場合に負の磁歪定数となる。また、Co-Feの場合は、Coが80at%以下だと正の磁歪定数となり、80at%以上だと負の磁歪定数となる。さらに、Ni-Feの場合、Niが80at%以下だと正の磁歪定数となり、80at%以上だと負の磁歪定数となる。Co-Pdの場合、Coが40at%以上だと正磁歪となり、80at%以下だと負の磁歪定数となる。 A typical material having a positive or negative magnetostriction constant is, for example, (Co-Fe) 80 at% -B20 at%, and when Fe in (Co-Fe) is 40 at% or more, a positive magnetostriction constant is obtained. Negative magnetostriction constant at 40at% or less. In the case of Co—Fe, when the Co content is 80 at% or less, a positive magnetostriction constant is obtained. When the Co content is 80 at% or more, a negative magnetostriction constant is obtained. Furthermore, in the case of Ni-Fe, when Ni is 80 at% or less, a positive magnetostriction constant is obtained, and when Ni is 80 at% or more, a negative magnetostriction constant is obtained. In the case of Co-Pd, positive magnetostriction is obtained when Co is 40 at% or more, and negative magnetostriction constant is obtained when it is 80 at% or less.
また、圧縮応力を有する材料の組成制御としては、ある固体密度の物体に原子半径の大きい元素を添加する方法があり、原子半径の大きな元素が原子半径の小さな元素へ圧縮応力を印加するので、ある固体密度の物体は、圧縮応力をおよぼす材料となる。例えば、Co合金やFe合金などへ、これらよりも原子半径の大きい元素(Ta,W,Pt,Pd,Zr,Hf,Nb)を数%添加すると、圧縮応力を有する材料となる。逆に、ある固体密度の物体へ原子半径の小さい元素を添加すると、引張応力をおよぼす材料となる。例えば、Co合金やFe合金などへ、Co合金やFe合金よりも原子半径の小さい元素(B,C,N,O,Mg,Al)を数%添加すると、引張り応力を及ぼす材料となる。 In addition, as a composition control of a material having compressive stress, there is a method of adding an element having a large atomic radius to an object having a certain solid density, and since an element having a large atomic radius applies compressive stress to an element having a small atomic radius, An object of a certain solid density becomes a material that exerts a compressive stress. For example, when an element (Ta, W, Pt, Pd, Zr, Hf, Nb) having a larger atomic radius than these is added to a Co alloy, an Fe alloy, or the like, a material having a compressive stress is obtained. On the contrary, when an element having a small atomic radius is added to an object having a certain solid density, a material that exerts a tensile stress is obtained. For example, when a few percent of an element (B, C, N, O, Mg, Al) having a smaller atomic radius than a Co alloy or Fe alloy is added to a Co alloy or Fe alloy, it becomes a material that exerts a tensile stress.
また、圧縮応力を有する材料を成膜する条件としては、膜の原子密度が大きくなるように基板温度を、例えば数100℃にして加熱成膜する方法がある。例えば、スパッタ法の場合、ガス圧を下げる、成膜レートを上げる、基板にバイアス電圧を印加する等の方法があり、CVD法の場合、ガス圧を上げる、原子層成長(AtomicLayerDeposition)にする、プラズマCVD法において、基板にバイアス電圧を印加する等の手法を用いると、圧縮応力をおよぼす材料を成膜することができる。逆に、膜の原子密度が小さくなるように基板温度を、例えば10℃以下に冷却して成膜すると、引張応力をおよぼす材料となる。例えば、スパッタ法の場合は、ガス圧を上げる、成膜レートを下げる等の手法があり、CVD法の場合は、ガス圧を下げる、排気速度を上げる等の手法を用いると、引張応力をおよぼす材料を成膜することができる。 As a condition for forming a material having a compressive stress, there is a method of forming a film by heating at a substrate temperature of, for example, several hundred degrees C. so as to increase the atomic density of the film. For example, in the case of sputtering, there are methods such as lowering the gas pressure, increasing the deposition rate, applying a bias voltage to the substrate, etc., and in the case of CVD, increasing the gas pressure, atomic layer deposition (AtomicLayer Deposition), When a method such as applying a bias voltage to the substrate is used in the plasma CVD method, a material that exerts a compressive stress can be formed. On the contrary, when the film is formed by cooling the substrate temperature to, for example, 10 ° C. or less so that the atomic density of the film is reduced, a material that exerts tensile stress is obtained. For example, in the case of sputtering, there are methods such as raising the gas pressure and lowering the film formation rate, and in the case of CVD, using a method such as lowering the gas pressure and increasing the exhaust speed causes tensile stress. The material can be deposited.
このように、第1の実施例によれば、記憶層12の内部応力を制御することが可能なので、逆磁歪効果による磁化誘起により、記憶層12の垂直磁化を補完できる。したがって、垂直磁化の保磁力が増し、書き込み動作のバラツキを抑制することが可能である。
As described above, according to the first embodiment, the internal stress of the
・第2の実施例
図3は、第2の実施例を示している。
Second Embodiment FIG. 3 shows a second embodiment.
同図も、磁気メモリの磁気抵抗効果素子を示している。 This figure also shows the magnetoresistive element of the magnetic memory.
尚、同図において、図1と同じ要素には同じ符号を付すことにより、その説明を省略する。 In the figure, the same elements as those in FIG.
本例の場合、第1の実施例とは異なり、正の磁歪定数を有する記憶層12の内部応力つまり圧縮応力は、記憶層12の下面および上面に存在する第1の界面および第2の界面に働く剪断応力により誘発されるという特徴がある。言い換えれば、第1の界面および第2の界面に働く剪断応力により記憶層12の側壁が圧縮されるので、弾性エネルギーを介して記憶層12は膜面と平行方向に圧縮応力を発生する。同時に、記憶層12の膜面に対して垂直方向に引張応力が生じて、逆磁歪効果の磁化誘起により垂直磁化を補完することが可能である。
In the case of this example, unlike the first example, the internal stress, that is, the compressive stress of the
また、負の磁歪定数を有する記憶層12の内部応力つまり引張応力は、記憶層12の下面および上面に存在する第1の界面および第2の界面に働く剪断応力により誘発されるという特徴がある。言い換えれば、第1の界面および第2の界面に働く剪断応力により記憶層12の側壁が引張られるので、弾性エネルギーを介して記憶層12は膜面と平行方向に引張応力を発生する。同時に、逆磁歪効果の磁化誘起により垂直磁化を補完することが可能である。
Further, the internal stress, that is, the tensile stress of the
尚、正または負の磁歪定数を有する材料、圧縮応力または引張応力を有する材料の組成制御、および成膜条件については、第1の実施例と重複するので省略する。 The composition control of a material having a positive or negative magnetostriction constant, a material having a compressive stress or a tensile stress, and the film forming conditions are the same as those in the first embodiment, and are therefore omitted.
このように、第2の実施例によれば、正の磁歪定数を有する記憶層12とその上下で隣接する層との界面に発生している剪断応力に起因して、記憶層12に圧縮応力が印加されている。そのため、逆磁歪効果によって記憶層12の膜面に対して垂直方向に磁化が誘起され、垂直磁化を補完するこができる。よって、例えば垂直磁化が分散して書き込み動作のバラツキが増大するという事態が発生することはない。
As described above, according to the second embodiment, the compressive stress is applied to the
・第3の実施例
図4は、第3の実施例を示している。
Third Embodiment FIG. 4 shows a third embodiment.
同図も、磁気メモリの磁気抵抗効果素子を示している。 This figure also shows the magnetoresistive element of the magnetic memory.
尚、同図において、図1と同じ要素には同じ符号を付すことにより、その説明を省略する。 In the figure, the same elements as those in FIG.
本例の場合、第1の実施例とは異なり、正の磁歪定数を有する記憶層12の内部応力つまり圧縮応力は、側壁保護膜15の圧縮応力により誘発されるという特徴がある。これは、側壁保護膜15の内部応力により、記憶層12は膜面に対して垂直方向に引張られ、膜厚が膜面に対して垂直方向に伸びるが、記憶層12の体積は変化しないので、膜面に対して平行方向に圧縮される。つまり、記憶層12は、膜厚の変化に応じた圧縮応力を発揮することで、逆磁歪効果により垂直磁化を補完している。
In this example, unlike the first example, the internal stress, that is, compressive stress of the
また、負の磁歪定数を有する記憶層12の内部応力つまり引張応力は、側壁保護膜15の引張応力により誘発されるという特徴がある。つまり、記憶層は、膜厚の変化に応じた引張応力を発揮することで、逆磁歪効果により垂直磁化を補完している。
In addition, the internal stress, that is, the tensile stress of the
側壁保護膜15の材料として、SiN、SiO2、SiONなどの絶縁膜がある。これらの絶縁膜において、Siリッチの場合は圧縮応力となり、Oリッチ又はNリッチの場合は引張応力となる。また、SiNを側壁保護膜として用いた場合、側壁保護膜の内部応力は、SiNをさらに酸化することにより調整することができる(内部応力は、酸化により圧縮応力が大きくなる方向に作用する)。さらに、側壁保護膜は単層でも積層でも良い。
Examples of the material of the sidewall
第3の実施例の変形例として、図5に示すように、層間絶縁膜16の内部応力つまり圧縮応力を、側壁保護膜15を介して正の磁歪定数を有する記憶層12へ印加した場合、第3の実施例と同容に、記憶層12に圧縮応力が誘発される。したがって、記憶層12は、逆磁歪効果により垂直磁化を補完することが可能である。
As a modification of the third embodiment, as shown in FIG. 5, when the internal stress of the
また、層間絶縁膜16の内部応力が引張応力である場合、負の磁歪定数を有する記憶層12へ層間絶縁膜16の引張応力を側壁保護膜15を介して印加すると、記憶層12に引張応力が誘発される。したがって、記憶層12は、逆磁歪効果により垂直磁化を補完することが可能である。
When the internal stress of the
層間絶縁膜16の材料としては、側壁保護膜15と同様に、SiN、SiO2、SiONなどの絶縁膜がある。
As a material of the
尚、正または負の磁歪定数を有する材料、圧縮応力または引張応力を有する材料の組成制御、および成膜条件については、第1の実施例と重複するので省略する。 The composition control of a material having a positive or negative magnetostriction constant, a material having a compressive stress or a tensile stress, and the film forming conditions are the same as those in the first embodiment, and are therefore omitted.
このように、第3の実施例によれば、側壁保護膜15の内部応力によって、記憶層12に内部応力が生じるため、逆磁歪効果によって垂直磁化が誘起される。したがって、記憶層12の垂直磁化の分散による書き込み動作のバラツキは低減できる。
As described above, according to the third embodiment, since the internal stress is generated in the
・第4の実施例
図6は、第4の実施例を示している。
Fourth Embodiment FIG. 6 shows a fourth embodiment.
同図も、磁気メモリの磁気抵抗効果素子を示している。 This figure also shows the magnetoresistive element of the magnetic memory.
尚、同図において、図1と同じ要素には同じ符号を付すことにより、その説明を省略する。 In the figure, the same elements as those in FIG.
本例の場合、第1の実施例とは異なり、正の磁歪定数を有する記憶層12の内部応力つまり圧縮応力は、側壁保護膜15の熱膨張係数が記憶層12の熱膨張係数よりも小さいときに、誘発されるという特徴がある。これは、記憶層12の熱膨張係数が側壁保護膜15の熱膨張係数よりも大きいため、記憶層12は膨張して側壁保護膜15を押すが、側壁保護膜15の反作用により押し返され、結果的に膜面に対して平行方向に圧縮される。この時、記憶層12の膜厚は膜面に対して垂直方向に引張られ、逆磁歪効果により垂直磁化が誘起される。
In this example, unlike the first example, the internal stress of the
また、負の磁歪定数を有する記憶層12の内部応力つまり引張応力は、側壁保護膜15の熱膨張係数が記憶層12の熱膨張係数よりも大きいときに、誘発されるという特徴がある。つまり、側壁保護膜15から受ける外部応力に応じて、記憶層12の内部に引張応力が生じるので、逆磁歪効果によって記憶層12の垂直磁化を補完することができる。
In addition, the internal stress, that is, the tensile stress of the
側壁保護膜15の材料として、SiN、SiO2、SiONなどの絶縁膜がある。
Examples of the material of the sidewall
第4の実施例の変形例として、正の磁歪定数を有する記憶層12の内部応力つまり圧縮応力は、層間絶縁膜16の熱膨張係数が記憶層12の熱膨張係数よりも小さいときに、誘発されるという特徴がある。これは、記憶層12の熱膨張係数が層間絶縁膜16の熱膨張係数よりも大きいため、記憶層12は膨張して側壁保護膜15を介して層間絶縁膜16を押すが、層間絶縁膜16の反作用により側壁保護膜15を介して押し返され、結果的に膜面に対して平行方向に圧縮される。この時、記憶層12の膜厚は膜面に対して垂直方向に引張られ、逆磁歪効果により垂直磁化が誘起される。
As a modification of the fourth embodiment, the internal stress, that is, compressive stress, of the
また、負の磁歪定数を有する記憶層12の内部応力つまり引張応力は、層間絶縁膜16の熱膨張係数が記憶層12の熱膨張係数よりも大きいときに、誘発されるという特徴がある。つまり、層間絶縁膜16から側壁保護膜15を介して受ける外部応力に応じて、記憶層12の内部に引張応力が生じるので、逆磁歪効果によって記憶層12の垂直磁化を補完することができる。
Further, the internal stress, that is, the tensile stress of the
層間絶縁膜16の材料としては、側壁保護膜15と同様に、SiN、SiO2、SiONなどの絶縁膜がある。
As a material of the
尚、側壁保護膜15の材料、層間絶縁膜16の材料、正または負の磁歪定数を有する材料、圧縮応力または引張応力を有する材料に対する組成制御、および成膜条件については、第1の実施例と重複するので省略する。ただし、側壁保護膜15および層間絶縁膜16の形成温度は、例えば、200度以上である。
The composition of the material for the sidewall
このように、本例は、側壁保護膜15の熱膨張率と、記憶層12の熱膨張率の差に起因して、記憶層12が側壁保護膜15から外部応力を受けると、記憶層12の膜面と平行方向に内部応力生じる。同時に、記憶層12の膜面に対して垂直方向に、逆磁歪効果による垂直磁化の誘起が起こるので、記憶層12の垂直磁化が補完される。したがって、垂直磁化の分散による書き込み動作のバラツキは抑制できる。
Thus, in this example, when the
[効果]
図7は、磁気抵抗効果素子の素子サイズに対する記憶層の垂直磁化保磁力を示している。同図の横軸は素子サイズで、左側から右側にかけて素子サイズが大きくなる。一方、同図の縦軸は記憶層の垂直磁化保磁力で、下側から上側にかけて記憶層の垂直磁化保磁力が大きくなる。白抜きの点は、正の磁歪定数を有する記憶層へ引張応力を印加して記憶層の内部に引張応力を発生させた場合の、素子サイズに対する記憶層の垂直磁化保磁力を示しており、黒塗りの点は、正の磁歪定数を有する記憶層へ圧縮応力を印加して記憶層の内部に圧縮応力を発生させた場合の、素子サイズに対する記憶層の垂直磁化保磁力を示している。
[effect]
FIG. 7 shows the perpendicular magnetization coercivity of the storage layer with respect to the element size of the magnetoresistive effect element. The horizontal axis of the figure is the element size, and the element size increases from the left side to the right side. On the other hand, the vertical axis in the figure is the perpendicular magnetization coercivity of the storage layer, and the perpendicular magnetization coercivity of the storage layer increases from the lower side to the upper side. The white dots indicate the perpendicular magnetization coercivity of the storage layer with respect to the element size when tensile stress is applied to the storage layer having a positive magnetostriction constant to generate tensile stress inside the storage layer. Black dots indicate the perpendicular magnetization coercivity of the storage layer with respect to the element size when compressive stress is applied to the storage layer having a positive magnetostriction constant to generate compression stress inside the storage layer.
図に示すように、記憶層の内部応力が圧縮応力である場合、記憶層の内部応力が引張応力である場合と比較して、素子サイズに対する記憶層の垂直磁化保磁力が大きくなる傾向にある。また、記憶層の内部応力が圧縮応力である場合の方が、記憶層の内部応力が引張応力である場合のよりも素子サイズに対する記憶層の垂直磁化保磁力におけるバラツキが抑えられる傾向にある。 As shown in the figure, when the internal stress of the storage layer is a compressive stress, the perpendicular magnetization coercivity of the storage layer with respect to the element size tends to be larger than when the internal stress of the storage layer is a tensile stress. . In addition, when the internal stress of the memory layer is a compressive stress, variations in the perpendicular magnetization coercivity of the memory layer with respect to the element size tend to be suppressed compared to when the internal stress of the memory layer is a tensile stress.
このように、記憶層が正の磁歪定数を有する場合、記憶層の内部応力を圧縮応力とすることで、記憶層の垂直磁化保磁力を大きくすることが可能なので、書き込み動作のバラツキを抑制することが可能である。 As described above, when the storage layer has a positive magnetostriction constant, it is possible to increase the perpendicular magnetization coercivity of the storage layer by using the internal stress of the storage layer as a compressive stress, thereby suppressing variations in the write operation. It is possible.
尚、記憶層が負の磁歪定数を有する場合も、同様の関係を得ることができる。即ち、記憶層の内部応力が引張応力である場合、記憶層の内部応力が圧縮応力である場合と比較して、素子サイズに対する記憶層の垂直磁化保磁力が大きくなる傾向にある。また、記憶層の内部応力が引張応力である場合の方が、記憶層の内部応力が圧縮応力である場合よりも素子サイズに対する記憶層の垂直磁化保磁力におけるバラツキが抑えられる傾向にある。 The same relationship can be obtained when the memory layer has a negative magnetostriction constant. That is, when the internal stress of the storage layer is a tensile stress, the perpendicular magnetization coercivity of the storage layer with respect to the element size tends to be larger than when the internal stress of the storage layer is a compressive stress. Further, when the internal stress of the storage layer is a tensile stress, the variation in the perpendicular magnetization coercivity of the storage layer with respect to the element size tends to be suppressed compared to the case where the internal stress of the storage layer is a compressive stress.
「適用例」
上述の実施例に係わる磁気メモリを、磁気ランダムアクセスメモリに適応した場合について説明する。
Application example
A case where the magnetic memory according to the above-described embodiment is applied to a magnetic random access memory will be described.
以下では、一例として、1つのメモリセルが1つの磁気抵抗効果素子と1つの選択トランジスタを備える1T1R型メモリセルアレイを説明する。 Hereinafter, as an example, a 1T1R type memory cell array in which one memory cell includes one magnetoresistive element and one select transistor will be described.
図8は、1T1R型メモリセルアレイの等価回路の一例を示している。 FIG. 8 shows an example of an equivalent circuit of the 1T1R type memory cell array.
メモリセルアレイ17は、アレイ状に配置される複数のメモリセルMCを備える。1つのメモリセルMCは、1つの磁気抵抗効果素子Rと1つの選択トランジスタ(FET)SWとを備える。 The memory cell array 17 includes a plurality of memory cells MC arranged in an array. One memory cell MC includes one magnetoresistive element R and one select transistor (FET) SW.
磁気抵抗効果素子Rと選択トランジスタSWは、直列接続され、その一端は、第1のビット線BL1に接続され、他端は、第2のビット線BL2に接続される。選択トランジスタSWの制御端子(ゲート端子)は、第2の方向に延びるワード線WLに接続される。 The magnetoresistive element R and the selection transistor SW are connected in series, one end of which is connected to the first bit line BL1, and the other end is connected to the second bit line BL2. A control terminal (gate terminal) of the selection transistor SW is connected to a word line WL extending in the second direction.
第1のビット線BL1は、第1の方向に延び、その一端は、ビット線ドライバ/シンカー18に接続される。第2のビット線BL2は、第1の方向に延び、その一端は、ビット線ドライバ/シンカー&読み出し回路19に接続される。
The first bit line BL1 extends in the first direction, and one end thereof is connected to the bit line driver / sinker 18. The second bit line BL2 extends in the first direction, and one end thereof is connected to the bit line driver / sinker & read
但し、第1のビット線BL1がビット線ドライバ/シンカー&読み出し回路19に接続され、第2のビット線BL2がビット線ドライバ/シンカー18に接続されるように、変形することも可能である。
However, the first bit line BL1 can be modified to be connected to the bit line driver / sinker & read
また、ビット線ドライバ/シンカー18及びビット線ドライバ/シンカー&読み出し回路19の位置は、逆でもよいし、両者が同じ位置に配置されていてもよい。
Further, the positions of the bit line driver / sinker 18 and the bit line driver / sinker &
ワード線WLは、第2の方向に延び、その一端は、ワード線ドライバ20に接続される。
The word line WL extends in the second direction, and one end thereof is connected to the
図9は、メモリセルの一例を示している。 FIG. 9 shows an example of a memory cell.
選択トランジスタSWは、半導体基板21内のアクティブエリアAA内に配置される。アクティブエリアAAは、半導体基板21内の素子分離絶縁層22により取り囲まれる。本例では、素子分離絶縁層22は、STI(Shallow Trench Isolation)構造を有する。
The selection transistor SW is disposed in the active area AA in the
選択トランジスタSWは、半導体基板21内のソース/ドレイン拡散層23a,23bと、これらの間のチャネル上のゲート絶縁層24と、ゲート絶縁層24上のゲート電極25とを備える。ゲート電極25は、ワード線WLとして機能する。
The selection transistor SW includes source / drain diffusion layers 23 a and 23 b in the
層間絶縁層26は、選択トランジスタSWを覆う。層間絶縁層26の上面は、平坦であり、下部電極27は、層間絶縁層26上に配置される。下部電極27は、コンタクトプラグ28を介して、選択トランジスタSWのソース/ドレイン拡散層23bに接続される。
The interlayer insulating
磁気抵抗効果素子Rは、下部電極27上に配置される。また、上部電極29は、磁気抵抗効果素子R上に配置される。上部電極29は、例えば、磁気抵抗効果素子Rを加工するときのハードマスクとして機能する。
The magnetoresistive effect element R is disposed on the
側壁保護膜15は、磁気抵抗効果素子Rの側壁を覆う。
The sidewall
層間絶縁層16は、側壁保護膜15上に配置され、磁気抵抗効果素子Rを覆う。層間絶縁層16の上面は、平坦であり、第1及び第2のビット線BL1,BL2は、層間絶縁層16上に配置される。第1のビット線BL1は、上部電極29に接続される。第2のビット線BL2は、コンタクトプラグ30を介して、選択トランジスタSWのソース/ドレイン拡散層23aに接続される。
The interlayer insulating
ここで、磁気抵抗効果素子Rの側面は、側壁保護膜15で覆われている。また、磁気抵抗効果素子Rの記憶層の内部応力は、上述の実施例に示したように、記憶層の垂直磁化を補完するために、正の磁歪定数を有するときは圧縮応力であり、負の磁歪定数を有するときは引張応力である。ただし、記憶層の垂直磁化が補完されるような磁気抵抗効果素子Rの素子構造であれば、上述の実施例に示した構造以外に、様々な形態をとることが可能である。
Here, the side surface of the magnetoresistive element R is covered with the sidewall
さらに、磁気抵抗効果素子Rの製造では、記憶層にかかる応力を調整して記憶層の垂直磁化を補完するように、記憶層および記憶層に接する上下左右の層を公知の堆積技術用いて成膜条件や材料の組成を調整する。ここで、磁気抵抗効果素子Rをエッチングでパターニングするときは、加工精度を向上させるため、例えば、IBE(Ion beam etching)、RIE(Reactive Ion beam etching)、あるいは、GCIB(Gas cluster Ion beam etching)を利用する。 Further, in the manufacture of the magnetoresistive effect element R, the storage layer and the upper, lower, left and right layers in contact with the storage layer are formed using a known deposition technique so as to adjust the stress applied to the storage layer and complement the perpendicular magnetization of the storage layer. Adjust film conditions and material composition. Here, when patterning the magnetoresistive element R by etching, for example, IBE (Ion beam etching), RIE (Reactive Ion beam etching), or GCIB (Gas cluster Ion beam etching) is used to improve the processing accuracy. Is used.
ここで、これらの方法により磁気抵抗効果素子Rをパターニングするとき、磁気抵抗効果素子Rの側壁に、再付着層(Re-deposition layer)としての残渣が形成されることが知られている。そのため、その残渣の絶縁化や、残渣が発生しないような磁気抵抗効果素子Rのテーパー角(積層構造内の各層の膜面と側面とのなす角度)、加工条件(ガスの種類など)を最適化することが必要である。また、残渣に対しては、記憶層のサイズと参照層のサイズを異ならせ、両者のパターニングを別々に行うといった手法も有効である。 Here, when the magnetoresistive element R is patterned by these methods, it is known that a residue as a re-deposition layer is formed on the side wall of the magnetoresistive element R. Therefore, the insulation of the residue, the taper angle of the magnetoresistive effect element R (the angle formed between the film surface and the side surface of each layer in the laminated structure) and the processing conditions (gas type, etc.) are optimized. It is necessary to make it. For the residue, it is also effective to make the size of the storage layer and the size of the reference layer different and pattern them separately.
[むすび]
実施形態によれば、書き込み動作のバラツキを抑制することが可能である。
[Musubi]
According to the embodiment, it is possible to suppress variations in the write operation.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10、R:磁気抵抗効果素子、11:下地層、12:記憶層、13:参照層、14:非磁性層、15:側壁保護膜、16:層間絶縁膜、17:メモリセルアレイ、18:ビット線ドライバ/シンカー、19:ビット線ドライバ/シンカー&読み出し回路、20:ワード線ドライバ、21:半導体基板、22:素子分離絶縁層、23a,23b:ソース/ドレイン拡散層、24:ゲート絶縁層、25:ゲート電極、26:層間絶縁層、27:下部電極、28:コンタクトプラグ、29:上部電極、30:コンタクトプラグ、SW: 選択トランジスタ(FET)、MC:メモリセル、BL1:第1のビット線、BL2:第2のビット線、WL:ワード線、AA:アクティブエリア 10, R: magnetoresistive effect element, 11: underlayer, 12: storage layer, 13: reference layer, 14: nonmagnetic layer, 15: sidewall protective film, 16: interlayer insulating film, 17: memory cell array, 18: bit Line driver / sinker, 19: bit line driver / sinker & readout circuit, 20: word line driver, 21: semiconductor substrate, 22: element isolation insulating layer, 23a, 23b: source / drain diffusion layer, 24: gate insulating layer, 25: gate electrode, 26: interlayer insulating layer, 27: lower electrode, 28: contact plug, 29: upper electrode, 30: contact plug, SW: selection transistor (FET), MC: memory cell, BL1: first bit Line, BL2: second bit line, WL: word line, AA: active area
Claims (10)
前記参照層、前記記憶層及び前記非磁性層の積層方向に対して垂直な方向にある前記磁気抵抗効果素子の側壁を覆う側壁保護膜と、
前記側壁保護膜を覆う層間絶縁膜とを具備し、
前記記憶層は、正の磁歪定数を有し、
前記記憶層の内部応力は、圧縮応力である
ことを特徴とする磁気メモリ。 A magnetoresistive element having a reference layer having a magnetization direction perpendicular to the film surface and an invariable magnetization direction, a storage layer having a magnetization direction perpendicular to the film surface and a variable, and a nonmagnetic layer disposed between these layers; ,
A sidewall protective film that covers a sidewall of the magnetoresistive effect element in a direction perpendicular to the stacking direction of the reference layer, the storage layer, and the nonmagnetic layer;
An interlayer insulating film covering the sidewall protective film,
The storage layer has a positive magnetostriction constant;
The magnetic memory, wherein the internal stress of the memory layer is a compressive stress.
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ。 The magnetic memory according to claim 1, wherein the storage layer has a composition that itself generates the compressive stress.
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ。 The magnetic memory according to claim 1, wherein the compressive stress is applied by a compressive stress generated in the sidewall protective film.
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ。 The magnetic memory according to claim 1, wherein the compressive stress is applied by a compressive stress generated in the interlayer insulating film.
前記参照層、前記記憶層及び前記非磁性層の積層方向に対して垂直な方向にある前記磁気抵抗効果素子の側壁を覆う側壁保護膜と、
前記側壁保護膜を覆う層間絶縁膜とを具備し、
前記記憶層は、負の磁歪定数を有し、
前記記憶層の内部応力は、引張応力である
ことを特徴とする磁気メモリ。 A magnetoresistive element having a reference layer having a magnetization direction perpendicular to the film surface and an invariable magnetization direction, a storage layer having a magnetization direction perpendicular to the film surface and a variable, and a nonmagnetic layer disposed between these layers; ,
A sidewall protective film that covers a sidewall of the magnetoresistive effect element in a direction perpendicular to the stacking direction of the reference layer, the storage layer, and the nonmagnetic layer;
An interlayer insulating film covering the sidewall protective film,
The storage layer has a negative magnetostriction constant;
The magnetic memory according to claim 1, wherein the internal stress of the memory layer is a tensile stress.
ことを特徴とする請求項6に記載の磁気メモリ。 The magnetic memory according to claim 6, wherein the storage layer has a composition that generates the tensile stress by itself.
ことを特徴とする請求項6に記載の磁気メモリ。 The magnetic memory according to claim 6, wherein the tensile stress is applied by a tensile stress generated in the sidewall protective film.
ことを特徴とする請求項6に記載の磁気メモリ。 The magnetic memory according to claim 6, wherein the tensile stress is applied by a tensile stress generated in the interlayer insulating film.
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