JP3866649B2 - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果を利用してデータの記憶を行う磁気抵抗素子を用いたメモリセルを有する磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【0002】
【従来の技術】
磁気ランダムアクセスメモリ(Magnetic Random Access Memory:以下MRAMと略記する)とは、情報の記録担体として強磁性体の磁化方向を利用した、記録情報を随時、書き換え、保持、読み出すことができる固体メモリの総称である。
【0003】
MRAMのメモリセルは、通常複数の強磁性体を積層した構造を有する。情報の記録は、メモリセルを構成する複数の強磁性体の磁化の相対配置が、平行か、反平行であるかを2進の情報“1”、“0”に対応させて行う。記録情報の書き込みは、各セルの強磁性体の磁化方向を、十字状に交差するように配置された書き込み線に電流を流して生じる電流磁界によって反転させることによって行う。記録保持時の消費電力は原理的にゼロであり、また電源を切っても記録保持が行われる不揮発性メモリである。記録情報の読み出しは、メモリセルの電気抵抗が、セルを構成する強磁性体の磁化方向とセンス電流との相対角、または複数の強磁性層間の磁化の相対角によって変化する現象、いわゆる磁気抵抗効果を利用して行う。
【0004】
MRAMは、従来の誘電体を用いた半導体メモリとその機能を比較すると、下記の(1)〜(3)に示すような多くの利点を有している。(1)完全な不揮発性であり、また1015回以上の書き換え回数が可能で。(2)非破壊読み出しが可能であり、リフレッシュ動作を必要としないため読み出しサイクルを短くすることが可能である。(3)電荷蓄積型のメモリセルに比べ、放射線に対する耐性が強い。MRAMの単位面積あたりの集積度、書き込み、読みだし時間は、おおむねDRAMと同程度となりうることが予想される。従って不揮発性という大きな特色を生かし、携帯機器用の外部記録装置、LSI混載用途、更にはパーソナルコンピューターの主記憶メモリへの応用が期待されている。
【0005】
現在実用化の検討が進められているMRAMでは、メモリセルに磁気抵抗素子として強磁性トンネル接合を形成するMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子を用いている(例えば、非特許文献1参照)。MTJ素子は、主として強磁性層/絶縁層/強磁性層からなる三層膜で構成され、電流は絶縁層をトンネルして流れる。接合の抵抗値は、両強磁性金属層の磁化の相対角の余弦に比例して変化し、両磁化が反平行の場合に極大値をとる。これがTMR(Tunneling Magneto Resistive)効果であり、例えばNiFe/Co/Al2 O3 /Co/NiFeでは、50Oe以下の低磁界において25%を越える磁気抵抗変化率が見出されている。
【0006】
MTJ素子の構造としては、磁界感度改善を目的として、一方の強磁性体に隣接して反強磁性体を配置し、磁化方向を固着させたいわゆるスピンバルブ構造のものが知られている(例えば、非特許文献2参照)。また、磁気抵抗変化率のバイアス依存性を改善するため、二重のトンネルバリアを設けたものも知られている(例えば、非特許文献3参照)。
【0007】
しかしながらGb級の集積度を持つMRAMを開発するためには、解決すべき課題が幾つか残っている。その一つは、書き込み電流の低減である。従来のMRAMでは、配線に電流を流してこれにより発生した磁界でMTJ素子の記録層の磁化方向を反転させる。配線からの発生磁界強度は、配線の電流値、及び配線とMTJ素子との間の距離に依存して変化する。従来知られている報告例では、この磁界強度はおよそ数Oe/mA程度である。更に、MTJ素子の記録層の磁化方向反転閾値(以下スイッチング磁界Hswと定義する)は、次式のようにMTJ素子の磁化困難軸方向のサイズ(以下セル幅wと定義する)に反比例して増大する。
【0008】
Hsw=Hsw0+A/w …(1)
ここで、従来知られているAの値は10〜20(Oe・μm)である。
【0009】
配線の信頼性を考えた場合、エレクトロマイグレーションが一つの制限を与える。エレクトロマイグレーションは配線電流密度で加速されるため、現在LSI製造に用いられているAl−Cu配線、Cu配線での電流密度上限は夫々およそ10mA/μm2 、100mA/μm2 程度である。Gb級の集積度実現に必要な0.1μmルールでの製造を考えた場合、Cu配線を用いた場合でも配線に流せる電流値の上限は1mA程度であり、それにより発生する磁界の値は数Oe程度である。一方、0.1μm程度のサイズのMTJ素子のスイッチング磁界は(1)式に従うと数10Oe以上になる。即ち、現状の技術ではGb級MRAMの実現ははなはだ困難である。
【0010】
この点を解決するため、配線周囲に高透磁率を有する磁性材料からなるキーパ層或いはヨーク構造(磁気回路)を設けた例が提案されている(例えば、特許文献1乃至4参照)。これらの例はいずれも、配線周囲に発生した磁束をキーパ層或いはヨーク構造内に収束させることで、MTJ素子近傍に生じる磁界の向上を図り、書き込み電流値を低減させることを意図したものである。
【0011】
これらのうちで、Gb級の集積度実現に必要な0.1μmルールでの製造が現実的な構造としては、図9に示すような「ヨーク構造」を挙げることができる。図9において、2つのMTJ素子1の夫々に対して電流駆動線2が電気的に接続される。電流駆動線2は、Al等の低抵抗の金属からなる配線コア部3と、TaN等のバリアメタル膜4と、Ni等の高透磁率膜5とからなる。高透磁率膜5は磁界を保持するためのヨークとして機能する。バリアメタル膜4は、配線コア部3と高透磁率膜5との間で金属の相互拡散を防止し、MRAMの信頼性を向上させるために配設される。
【0012】
【特許文献1】
米国特許第5,940,319号明細書
【0013】
【特許文献2】
米国特許第5,956,267号明細書
【0014】
【特許文献3】
国際公開第00/10172号パンフレット
【0015】
【特許文献4】
特開平8-306014号公報
【0016】
【非特許文献1】
Roy Scheuerlein, et al.,A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell,「2000 ISSCC Digest of Technical Papers」,(米国),2000年2月,p.128-129
【0017】
【非特許文献2】
M Sato, et al.,Spin-Valve-Like Properties of Ferromagnetic Tunnel Junctions,「Jpn. J. Appl. Phys.」,1997年,第36巻,Part 2,p.200-201
【0018】
【非特許文献3】
K Inomata, et al.,Spin-dependent tunneling between a soft ferromagnetic layer and hard magnetic nano particles,「Jpn. J. Appl. Phys.」,1997年,第36巻,Part 2,p.1380-1383
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
後述するように、本発明者によれば、図9図示のヨーク構造を実際にMRAMに適用すると、配線抵抗の増加や接続抵抗の増加等のいくつかの問題が発生することが見出されている。本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、改良された磁気回路構造を有するMRAMを提供することを目的とする。
【0020】
本発明の第1の視点は、磁気ランダムアクセスメモリであって、
データを記憶する磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子に選択的に磁界を与える電流駆動線と、
前記電球駆動線からの磁界を保持する磁気回路と、
を具備し、前記電流駆動線は前記磁気抵抗素子に対向する第1面と、前記第1面と反対側の第2面と、前記第1及び第2面間の2つの側面と、を具備し、
前記磁気回路は、前記電流駆動線の前記第1及び第2面側が開放するように前記電流駆動線の前記2つの側面に沿って延在する強磁性材料から実質的になる一対の板部材を具備することを特徴とする。
【0021】
本発明の第2の視点は、磁気ランダムアクセスメモリであって、
磁気抵抗素子を記憶素子とするメモリセルが、マトリクス状に配置されたアドレス毎に配設されたメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイの各行に接続されたワード線と、
前記メモリセルアレイの各列に接続されたビット線と、
前記ワード線及び前記ビット線の少なくとも一方であって、前記磁気抵抗素子に選択的に磁界を与える配線として機能する電流駆動配線の各対間で、前記電流駆動線に沿って延在する仕切り壁と、前記仕切り壁の夫々は、隣接して平行に延びる第1及び第2電流駆動線からの磁界を夫々保持する第1及び第2磁気回路の一部を形成する強磁性材料から実質的になる第1及び第2板部材を有することと、第1及び第2板部材は、絶縁層によって前記第1及び第2電流駆動線から電気的に絶縁されることと、
を具備することを特徴とする。
【0022】
更に、本発明の実施の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、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明者は、本発明の開発の過程において、図9図示のヨーク構造を実際にMRAMに適用した場合に発生する問題点について研究を行った。その結果、以下に述べるような知見を得た。
【0024】
即ち、0.1μmルール世代では、電流駆動線2の配線幅はおよそ100nm程度となる。一方、ヨーク構造をなす高透磁率膜5の膜厚としては、例えば、10nm程度を確保するのが望ましい。更に、バリアメタル膜4の膜厚としては、例えば、5nm程度を確保するのが望ましい。このため、図9図示のヨーク構造を形成すると、100nmの配線幅のうち、高透磁率膜5が両側から10nmずつで合計20nm程度を占め、バリアメタル膜4が両側から5nmずつで合計10nm程度を占めることとなる。
【0025】
即ち、実際の配線材料の余地は100nm−20nm−10nm=70nm程度に減少してしまう。これにより、0.1μm世代でありながら、実際の配線材料幅は70nm程度にまで減少する。その結果、配線電流密度の上昇をまねき、ヨーク構造を用いながらもエレクトロマイグレーションに対する十分な信頼性を得られない可能性が生じてしまう。
【0026】
また、図9図示のヨーク構造では、次のような問題もある。即ち、電流駆動線2は、MRAMのタイプによって、例えば下側のスイッチング素子(図示せず)に電気的に接続される。この場合、図9図示のヨーク構造では、接続抵抗として、電流駆動線2の底部において、高透磁率膜5及びバリアメタル膜4の抵抗値を直列に含むこととなる。MRAMはMTJ素子抵抗の数%〜数十%の変化を検出するものであり、大きな直列抵抗を挟むことは読み出しマージンの低下を引き起こし、大きな問題となる。
【0027】
以下に、このような知見に基づいて構成された本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【0028】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るMRAMを示すブロック図である。このMRAMは同期型のメモリチップ構成を有する。
【0029】
このMRAMは、マトリクス状に配置されたアドレス毎に、磁気抵抗素子(MTJ素子)を記憶素子とするメモリセル24が配設されたメモリセルアレイ21を有する。メモリセルアレイ21の各行にワード線22が接続され、メモリセルアレイ21の各列にビット線23が接続される。なお、図1においては、単純化のため、ワード線22は、書き込みワード線及び読み出しワード線の両者を代表するものとして示されている。
【0030】
ワード線22を選択するため、行アドレスバッファ11、行デコーダ13、15、及び行ドライバ14、16が配設される。ビット線23を選択するため、列アドレスバッファ12、列デコーダ17、及び列ドライバ18が配設される。また、ビット線23には記憶データの読み出しを行うためのセンス回路19が接続される。
【0031】
行アドレスバッファ11及び列アドレスバッファ12は、アドレス信号及びデータ信号等を生成する制御部CS1に接続される。制御部CS1は、メモリセルアレイ21等と同一基板上に混載されるか、或いはメモリセルアレイ21等とは別の素子として形成される。制御部CS1からのアドレス信号は、一旦、行アドレスバッファ11及び列アドレスバッファ12に夫々ラッチされる。
【0032】
読み出し時は、ラッチされたアドレス信号に基づいて、行デコーダ13及び列デコーダ17で行及び列が夫々選択される。書き込み時は、対象メモリセル24のアドレスのビット線23に列ドライバ18から電流が流され、同時に対象メモリセル24のアドレスに相当するワード線22に、左右の行ドライバ14、16から、書き込む情報に応じた電流が印加される。
【0033】
図2は、本発明の第1の実施の形態に係るMRAMの2つのメモリセルに相当する部分を示す平面図であり、図3及び図4は、夫々図2のIII - III 線及びIV- IV線に沿った断面図である。
【0034】
半導体基板40上には、読み出し用のスイッチ素子としてMOSトランジスタ41が形成される。MOSトランジスタ41は、基板40の表面内に形成されたソース拡散層42及びドレイン拡散層43と、基板40の表面のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して配設されたゲート電極44と、を有する。ゲート電極44は、図3の紙面に対して直交して延びる読み出しワード線(図1ではワード線22で代表的に示される)の一部からなる。ソース拡散層42はプラグ45を介して読み出しソース線46に接続される。
【0035】
一方、MOSトランジスタ41のドレイン拡散層43は、プラグ47、49及び配線層48、50、51を介してMTJ素子35に接続される。MTJ素子35は、配線層51と一方の書き込み用電流駆動線であるビット線57(図1ではビット線23で代表的に示される)の間に挟まれる。MTJ素子35の直下には、絶縁膜を介して他方の書き込み用電流駆動線である書き込みワード線56(図1ではワード線22で代表的に示される)が配置される。書き込みワード線56は、ビット線57の延在方向(カラム方向)に対して垂直な方向(ロウ方向)に延在する。図3及び図4において、符号54、55は層間絶縁膜及び素子分離絶縁膜を夫々示す。
【0036】
書き込みワード線56とビット線57とは、図2図示のように互いに直交し、クロスマトリックスを形成する。書き込みワード線56とビット線57との各交点に配置された1つのMTJ素子35は、図1図示の1つのメモリセル24に対応する。MTJ素子35には、書き込みワード線56に流れる電流及びビット線57に流れる電流により形成される磁界によりデータが書き込まれる。なお、図3及び図4ではビット線57が書き込みワード線56の上方にある構成を示しているが、逆の構成も可能である。
【0037】
図3及び図4図示のように、書き込みワード線56及びビット線57、即ち両書き込み用電流駆動線は、断面において幅に対する高さの比(アスペクト比)が1以上、望ましくは1.5〜3となるように形成される。このように、電流駆動線が縦長長方形の断面を有することにより、電流駆動線の断面積が増加し、電流密度の上昇を抑えることができる。これにより、電流密度で加速される配線内のエレクトロマイグレーションを抑制し、MRAMの信頼性を向上させることができる。
【0038】
各MTJ素子35は、トンネルバリア膜(絶縁膜)36を挟んで配設された記録層37と固着層38とを含むスピンバルブ構造を有し、記録層37にデータを記憶する。記録層37は、Fe、Ni、Coを含む強磁性合金の単層または多層膜からなる強磁性層から形成される。記録層37の磁化容易軸方向は書き込みワード線56の延在方向に対して直交する。記録層37の底面は配線層51に電気的に接続される。
【0039】
一方、固着層38は、トンネルバリア膜36側から強磁性層及び高保磁力層が積層された積層構造から形成される。強磁性層はFe、Ni、Coを含む強磁性合金の単層または多層膜からなる。高保磁力層は少なくとも一層のPtMn等の反強磁性体の薄膜からなる反強磁性層を含む。高保磁力層の上面はビット線57に電気的に接続される。
【0040】
なお、MTJ素子35はデュアルスピンバルブ構造のMTJ素子とすることもできる。この場合、MTJ素子35は、記録層を挟んで配設された2つのトンネルバリア膜と、2つのトンネルバリア膜の外側に配設された2つの固着層とを有する。記録層及び各固着層の構造は、例えば、上述のものと同様なものとなる。デュアルスピンバルブ構造を採用することにより、印加電圧に対する磁気抵抗変化率の減少を低減することができ、また耐圧を高めることができる。
【0041】
各書き込みワード線56からの磁界を保持するため、各書き込みワード線56に対して磁気回路60が配設される。各磁気回路60は、書き込みワード線56の両側面及び底面上に配設されたヨーク板62からなる。ヨーク板62は、強磁性材料、望ましくは、高透磁率を有する軟磁性材料から実質的になる。
【0042】
一方、各ビット線57からの磁界を保持するため、各ビット線57に対して磁気回路64が配設される。各磁気回路64は、ビット線57の上下面側が開放するようにビット線57の両側面に沿って延在する一対の板部材65、66からなる。板部材65、66は、強磁性材料、望ましくは、高透磁率を有する軟磁性材料から実質的になる。板部材65、66は、ビット線57の上下面側を開放状態としているため、多層配線構造に対してビット線57を容易且つ確実に電気的に接続をすることができる。即ち、磁気回路64の構成部材による直列抵抗成分を配線構造から除去することができるため、読み出しマージンの向上を図ることができる。
【0043】
各磁気回路64の板部材65、66の夫々は、層間絶縁膜54中に埋め込まれ、層間絶縁膜54によって対応のビット線57から電気的に絶縁される。板部材65、66の夫々は、垂直方向において、ビット線57の上面及び底面を越えて延びる長さを有する。換言すると、板部材65、66の夫々の高さは、ビット線57の高さ(上下面間の距離)よりも大きくなるように設定される。更に、板部材65、66の夫々の頂部には、ビット線57側に向けて傾斜する部分67が形成される。このような板部材65、66により、ビット線57からの磁界を確実に保持することができる。
【0044】
互いに隣接する一対のビット線57間において、左側のビット線57の右側の板部材66(図4中の符号66a参照)と、右側のビット線57の左側の板部材65(図4中の符号65b参照)とは、一体的に形成されたU字形状の膜の一部からなる。U字形状の膜の凹部、即ち、2つの板部材66a、65b間には絶縁層が埋め込まれ、全体として仕切り壁68が形成される。即ち、仕切り壁68は、一対のビット線57間の中央にこれらに沿って平行に延在することとなる。
【0045】
このように、互いに隣接する一対のビット線57間で磁気回路64の板部材65、66を実質的に共用することにより、MRAMにおける磁気回路64の占有率が低下する。従って、その分、電流駆動線に十分な断面積を確保することが可能となる。また、磁気回路64の板部材65、66とビット線57とは、層間絶縁膜54で隔離される。この場合、図9図示の従来の構造において配線コア部3と高透磁率膜5との間で金属の相互拡散を防止するために配設されるバリアメタル膜4を省略することが可能となる。これにより、MRAMの信頼性を向上させると共に、製造工程数を削減することができる。
【0046】
本実施の形態のように、ビット線(電流駆動線)57のアスペクト比が高い場合、磁気回路64の板部材65、66を配線の側面のみに配設しても、MTJ素子35に印加される磁界を効果的に増加することが可能である。一例として、アスペクト比が2の電流駆動線に対して、本実施の形態の磁気回路64を配設した場合と、しない場合とについて実験を行った。その結果、電流駆動線に同じ電流を通した時にMTJ素子35近傍に発生される磁界の比は約1:3(即ち、本実施の形態は約3倍の磁界)であった。また、この効果は、ビット線57の高さに対して板部材65、66の高さを大きくするほど高くなった。
【0047】
上述のように、磁気回路60、64のヨーク板62、板部材65、66は、強磁性材料、望ましくは、高透磁率を有する軟磁性材料から実質的になる。具体的には、これらの部材の材料として、高透磁率を有する磁性材料であるパーマロイ、Mo添加パーマロイ等のNi基合金、センダスト、ファインメット等のFe基合金を用いることができる。またフェライト等の酸化物強磁性体も用いることが可能である。
【0048】
MRAMの書き込み動作における書き込み電流のパルス幅は通常100ns以下である。そのため、磁気回路の材料は、書き込み電流パルスに対してその磁化応答が追従可能な特性を有していることが必要である。その目的から、(1)初透磁率が少なくても100以上であること、(2)飽和磁化が小さいこと、(3)材料の比抵抗が高いこと、が満たされていることが望ましい。これらの条件を満たすため、上述の合金に粒界析出物を作りやすい添加物、例えばSi、B等のメタロイドや、Cu、Cr、V等の金属を加える処理等を行うことにより、該合金の微結晶集合体またはアモルファスを形成することができる。また、磁気回路内の磁区制御を行う目的で、形状を最適化することも可能である。
【0049】
(第2の実施の形態)
図5は、本発明の第2の実施の形態に係るMRAMの4つのメモリセルに相当する部分を示す平面図であり、図6及び図7は、夫々図5のVI- VI線及びVII - VII 線に沿った断面図である。このMRAMはいわゆるクロスポイント型の構造を有する。なお、本実施の形態に係るMRAMの全体の構成を示すブロック図は図1に示すものと実質的に同じである。
【0050】
基板40上の層間絶縁膜54内に複数のワード線(図1ではワード線22で代表的に示される)72と複数のビット線(図1ではビット線23で代表的に示される)(他方の電流駆動線)74とが互いに直行して配設される。ワード線72とビット線74との各交点にはMTJ素子35が配設される。各MTJ素子35は、トンネルバリア膜(絶縁膜)36を挟んで配設された記録層37と固着層38とを含むスピンバルブ構造を有し、記録層37にデータを記憶する。
【0051】
ワード線72及びビット線74は、断面において幅に対する高さの比(アスペクト比)が1以上、望ましくは1.5〜3となるように形成される。ワード線72及びビット線74の夫々は配線部73、75を介してMTJ素子35に電気的に接続される。ワード線72及びビット線74は、データの書き込み及び読み出しの両方の場合に共通に使用される。即ち、MTJ素子35には、夫々が電流駆動線として機能するワード線72及びビット線74に流れる電流により形成される磁界によりデータが書き込まれる。なお、図6及び図7ではビット線74がワード線72の上方にある構成を示しているが、逆の構成も可能である。
【0052】
このような構成のクロスポイント型のMRAMにおいては、書き込み時に生じるワード線72及びビット線74間の電位差に注意が必要である。即ち、MTJ素子35にデータを書き込む際、書き込み電流によりワード線72とビット線74との間に高電圧が発生する場合がある。ワード線72とビット線74とは電気的に接続されているため、該高電圧によりトンネルバリア膜36が絶縁破壊される可能性がある。この問題を回避するため、例えば、MTJ素子35に直列に整流作用を持つ素子を接続する、またはMTJ素子35自体に整流作用を持たせることができる。或いは、回路的な工夫によりMTJ素子35に高電圧が印加されるのを避けることもできる。
【0053】
各ビット線74からの磁界を保持するため、各ビット線74に対して磁気回路64が配設される。即ち、各磁気回路64は、ビット線74の上下面側が開放するようにビット線57の両側面に沿って延在する一対の板部材65、66からなる。図6図示の磁気回路64は、図3図示の磁気回路64と実質的に同じ位置において、同じ材料及び同じ構造で構成されるため、ここでは説明を省略する。
【0054】
一方、各ワード線72からの磁界を保持するため、各ワード線72に対して、磁気回路84が配設される。各磁気回路84は、ワード線72の上下面側が開放するようにワード線72の両側面に沿って延在する一対の板部材85、86からなる。板部材85、86は、図3図示の磁気回路64の板部材65、66と同様の材料から実質的になる。
【0055】
各磁気回路84の板部材85、86の夫々は、層間絶縁膜54中に埋め込まれ、層間絶縁膜54によって対応のワード線72から電気的に絶縁される。板部材85、86の夫々は、垂直方向において、ワード線72の上面及び底面を越えて延びる長さを有する。更に、板部材85、86の夫々の頂部には、ワード線72側に向けて傾斜する部分87が形成される。
【0056】
互いに隣接する一対のワード線72間において、左側のワード線72の右側の板部材86(図6中の符号86a参照)と、右側のワード線72の左側の板部材85(図6中の符号85b参照)とは、一体的に形成されたU字形状の膜の一部からなる。U字形状の膜の凹部、即ち、2つの板部材86a、85b間には絶縁層が埋め込まれ、全体として仕切り壁88が形成される。即ち、仕切り壁88は、一対のワード線72間の中央にこれらに沿って平行に延在することとなる。
【0057】
このような構成の磁気回路84をワード線72に適用することにより、図3図示の磁気回路64と同様な効果をワード線72に関連して得ることができる。
【0058】
図8は、第2の実施の形態の変更例に係るMRAMを示す断面図であり、図5のVI- VI線に対応する部分を示す。この変更例においては、互いに隣接する一対のワード線72間において、図6図示の仕切り壁88とは異なる構造の仕切り壁90が配設される。
【0059】
具体的には、互いに隣接する一対のワード線72間において、左側のワード線72の右側の板部材86(図6中の符号86a参照)と、右側のワード線72の左側の板部材85(図6中の符号85b参照)とは、完全に分離される(電気的に絶縁される)。この構造は、図6図示の板部材86a、85bを含むU字形状の膜の底部を異方性エッチングより除去することにより形成することができる。2つの板部材86a、85b間には絶縁層が埋め込まれ、全体として仕切り壁90が形成される。即ち、仕切り壁90は、一対のワード線72間の中央にこれらに沿って平行に延在することとなる。
【0060】
この変更例によれば、ワード線72に電流を流すことによって生じた磁界は、板部材85、86により効果的にMTJ素子35近傍に集中される。また、近接する板部材86a、85bが逆向きに磁化するため、磁化した板部材85、56からの漏れ磁界は効果的に遮蔽される。このため、隣接するMTJ素子への漏れ磁界による誤書き込みマージンが向上する。
【0061】
なお、上記第1及び第2の実施の形態においては、磁気抵抗素子として、トンネルバリア膜を強磁性層で挟んだMTJ素子35を用いている。しかし、第1及び第2の実施の形態は、磁気抵抗素子として、導電膜を強磁性層で挟んだGMR(Giant Magneto Resistive)効果を利用する素子を用いる場合にも適用することができる。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【0062】
【発明の効果】
本発明によれば、改良された磁気回路構造を有するMRAMを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係るMRAMを示すブロック図。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係るMRAMの2つのメモリセルに相当する部分を示す平面図。
【図3】図2のIII - III 線に沿った断面図。
【図4】図2のIV- IV線に沿った断面図。
【図5】本発明の第2の実施の形態に係るMRAMの4つのメモリセルに相当する部分を示す平面図。
【図6】図5のVI- VI線に沿った断面図。
【図7】図5のVII - VII 線に沿った断面図。
【図8】第2の実施の形態の変更例に係るMRAMを示す断面図であり、図5のVI- VI線に対応する部分を示す。
【図9】MRAMの従来の電流駆動線を示す断面図。
【符号の説明】
35…MTJ素子
36…トンネルバリア膜
37…記録層
38…固着層
41…読み出し用MOSトランジスタ
44…ゲート電極(読み出しワード線)
46…ソース線
51…読み出し用配線層
56…書き込みワード線(電流駆動線)
57…ビット線(電流駆動線)
60…磁気回路
62…ヨーク板
64…磁気回路
65、66…磁気回路の板部材
68…仕切り壁
72…ワード線(電流駆動線)
74…ビット線(電流駆動線)
84…磁気回路
85、86…磁気回路の板部材
88、90…仕切り壁
Claims (12)
- データを記憶する磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子に選択的に磁界を与える電流駆動線と、
前記電流駆動線からの磁界を保持する磁気回路と、
を具備し、前記電流駆動線は前記磁気抵抗素子に対向する第1面と、前記第1面と反対側の第2面と、前記第1及び第2面間の2つの側面と、を具備し、
前記磁気回路は、前記電流駆動線の前記第1及び第2面側が開放するように前記電流駆動線の前記2つの側面に沿って延在する強磁性材料からなる一対の板部材を具備することと、
前記磁気抵抗素子、前記電流駆動線、及び前記磁気回路は、互いに隣接する2つの磁気抵抗素子、2つの電流駆動線、及び2つの磁気回路を夫々具備し、前記2つの電流駆動線間に位置する前記2つの磁気回路の隣接する2つの板部材は、前記2つの電流駆動線間の中央に位置する仕切り壁を形成することと、
前記隣接する2つの板部材は、一体的な膜の一部からなることと、
を特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。 - 前記一対の板部材は、軟磁性材料からな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。
- 前記一対の板部材の夫々は、前記電流駆動線の前記第1及び第2面間の距離よりも大きい高さを有することを特徴とする請求項1または2に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記一対の板部材は、絶縁層によって前記電流駆動線から電気的に絶縁されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記電流駆動線の前記第1面は、前記磁気抵抗素子に電気的に接続されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記電流駆動線の前記2つの側面間の距離に対する、前記第1及び第2面間の距離の比が1以上であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記隣接する2つの板部材間に絶縁層が介在することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 磁気抵抗素子を記憶素子とするメモリセルが、マトリクス状に配置されたアドレス毎に配設されたメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイの各行に接続されたワード線と、
前記メモリセルアレイの各列に接続されたビット線と、
前記ワード線及び前記ビット線の少なくとも一方であって、前記磁気抵抗素子に選択的に磁界を与える配線として機能する電流駆動配線の同じ機能を有する配線の各対間で、前記電流駆動線に沿って延在する仕切り壁と、を具備し、
前記仕切り壁の夫々は、隣接して平行に延びる第1及び第2電流駆動線からの磁界を夫々保持する第1及び第2磁気回路の一部を形成する強磁性材料からなる第1及び第2板部材を有することと、第1及び第2板部材は、絶縁層によって前記第1及び第2電流駆動線から電気的に絶縁されることと、
前記第1及び第2板部材は、一体的な膜の一部からなることと、
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板部材間に絶縁層が介在することを特徴とする請求項8に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第1及び第2板部材の夫々は、前記電流駆動線の高さよりも大きい高さを有することを特徴とする請求項8または9に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記電流駆動線は、前記磁気抵抗素子に電気的に接続されることを特徴とする請求項8乃至10のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第1及び第2板部材は軟磁性材料からなることを特徴とする請求項8乃至11のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
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