JP3871572B2 - 磁気記憶装置 - Google Patents

磁気記憶装置 Download PDF

Info

Publication number
JP3871572B2
JP3871572B2 JP2002007601A JP2002007601A JP3871572B2 JP 3871572 B2 JP3871572 B2 JP 3871572B2 JP 2002007601 A JP2002007601 A JP 2002007601A JP 2002007601 A JP2002007601 A JP 2002007601A JP 3871572 B2 JP3871572 B2 JP 3871572B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
insulating film
magnetoresistive effect
effect element
interlayer insulating
tunnel magnetoresistive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2002007601A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2003209225A (ja
Inventor
田 知 正 上
橋 茂 樹 高
野 実 天
達 也 岸
藤 好 昭 斉
山 勝 哉 西
田 博 明 與
尾 吉 昭 浅
田 佳 久 岩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2002007601A priority Critical patent/JP3871572B2/ja
Publication of JP2003209225A publication Critical patent/JP2003209225A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3871572B2 publication Critical patent/JP3871572B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子を用いて“1”、“0”情報の記憶を行う構造をメモリセルとして用いた磁気記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、情報記憶素子として、トンネル磁気抵抗効果素子(以下、TMR(Tunneling Magneto Resistive)素子とも云う)をメモリセルに利用した磁気ランダムアクセスメモリ(以下、MRAM(Magnetic Random Access Memory))が提案されている。このMRAMは、例えば、ISSCC2000 Technical Digest p.128「A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell」に、Roy Scheuerlein et.alによって開示されている。このMRAMは記憶セルアレイを有し、この記憶セルアレイは、マトリクス状に配置された複数の記憶セルを有し、各記憶セルはTMR素子と選択トランジスタとを備えている。
【0003】
TMR素子の一般的な構成を図8に示す。この図8に示すTMR素子32は、下地層32a上に形成された反強磁性層32bと、この反強磁性層32b上に形成された強磁性層32cと、この強磁性層32c上に形成されたトンネルバリア層32dと、このトンネルバリア層32d上に形成された強磁性層32eと、この極磁性層32e上に形成された保護層32fとを備えている。すなわち、TMR素子32は、絶縁材からなるトンネルバリア層32dが2枚の強磁性体の薄膜32c、32eで挟まれた構造を有しており、トンネルバリア層32dを挟む上下の強磁性層32c、32eのスピンの向きが互いに平行になった場合と互いに反平行になった場合の2つの状態を作ることが可能である。
【0004】
スピンの向きが上下の磁性体で互いに平行になった場合、強磁性層32c、32eの間に挟まれた薄いトンネルバリア層32dを流れるトンネル電流に対する抵抗は最も低くなり、この状態で“1”を記憶させることができる。一方、スピンの向きが上下の強磁性層32c、32eで互いに反平行になった場合、強磁性層32c、32eの間に挟まれた薄いトンネルバリア層32dを流れるトンネル電流に対する抵抗は最も高くなり、この状態で“0”を記憶させることができる。
【0005】
次に、このTMR素子と選択トランジスタを有する記憶セルの構成を図9を参照して説明する。基板に、ゲート電極2a、ドレイン領域2b、ソース領域2cを有する選択トランジスタ(MOSトランジスタ)2が形成されている。この選択トランジスタ2は素子分離絶縁膜4に素子分離された領域に形成されている。ゲート電極2aは読み出し用のワード線として用いられる。この選択トランジスタ2は層間絶縁膜6によって覆われている。この層間絶縁膜6にはソース領域2cに接続プラグ8を介して接続する配線10が設けられている。この配線10には所定の電位(例えば、接地電位)が印加される。また、層間絶縁膜6にはドレイン領域2bに接続する接続プラグ12が設けられている。層間絶縁膜6は層間絶縁膜14によって覆われており、この層間絶縁膜14には接続プラグ12に接続する接続プラグ16が設けられている。層間絶縁膜14は層間絶縁膜18によって覆われており、この層間絶縁膜18には接続プラグ16に接続する接続プラグ22と、書き込みワード線20が設けられた構成となっている。書き込みワード線20は、ゲート電極2a上に位置するように配置される。層間絶縁膜18は層間絶縁膜24によって覆われており、この層間絶縁膜24には接続プラグ22に接続するプラグ26が設けられた構成となっている。また、層間絶縁膜24上には接続プラグ26に接続する下部電極30が設けられている。この下部電極30上にはTMR素子32が形成され、このTMR素子上には上部電極34が形成されている。この上部電極34上にはビット線36が接続されている。なお、このビット線36と下部電極30とは層間絶縁膜28によって絶縁された構成となっている。
【0006】
次に、上記記憶セルの動作原理に関して簡単に説明する。一般的にTMR素子はトンネルバリア層32dを挟む上下の強磁性層32c、32eのうちの一方のスピンの向きを外部磁界に対して固定しておく。スピンの向きを固定した強磁性層を磁化固着層という。なお、この磁化固着層のスピンの向きの固定は、反強磁性層32bによって行う。2つ強磁性層のうちのもう一方の層を磁化自由層と呼ぶ。そうすることで、TMR素子に“1”、“0”情報を書き込む場合は、書き込みワード線20とビット線36をそれぞれ選択し、これら選択された書き込みワード線20とビット線36の両方にそれぞれ所定の電流を流すことにより、書き込みワード線20とビット線36との交差部に位置している記憶セル内のTMR素子の磁化自由層の磁化の向きが、書き込もうとするデータに対応したものとなる。一方、TMR素子32に書き込まれた“1”、“0”情報を読み出す場合は、読み出し用ワード線2aとビット線36を選択し、選択されたビット線36に所定の電流を流すことにより、選択されたビット線36、上部電極34、TMR素子32、下部電極30、プラグ26,22,16,12、選択トランジスタ2のドレイン2bおよびソース2cに電流が流れる。このときのビット線36に発生する電圧値が、上記選択された記憶セルに格納されていたデータに対応したものとなる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記TMR素子32を利用したMRAMにおいては、以下の問題がある。ワード線およびビット線にそれぞれ所定の電流を流すことにより電流磁界を発生し、TMR素子32にデータを書き込むが、書き込みに十分な磁界を得るためには、大きな電流を流さなければならない。このことは、TMR素子32の消費電力増大、また、電流を流すための記憶セル周辺の駆動回路が大きくなり、チップサイズが増大するといった問題に繋がる。
【0008】
そこで、上記問題を克服するために、TMR素子32の書き込み磁界を低減する工夫が積極的になされている。通常は磁化自由層の材料を最適化し適切な書き込み磁界を有するTMR素子になるように工夫している。
【0009】
しかしながら、TMR素子の書き込み磁界はTMR素子のサイズの縮小とともに大きくなることがわかっている。例えば、集積度を上げるためにTMR素子のサイズを半分にすると、おおよそ書き込み磁界は2倍になることがわかっており、現状の材料系の工夫だけでは、高集積なMRAMは出来ない。
【0010】
本発明は上記事情を考慮してなされたものであり、書き込みに要する電流を低減し、記憶セルの高密度化が可能な磁気記憶装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の態様による磁気記憶装置は、磁気抵抗効果素子と、この磁気抵抗効果素子の一端と電気的に接続される電極とを有する記憶セルがマトリクス状に配列された記憶セルアレイと、前記記憶セル内の磁気抵抗効果素子に情報を書き込む際に選択されて所定の電流が流れる書き込みワード線と、前記磁気抵抗効果素子の他端に電気的に接続され前記磁気抵抗効果素子に情報を書き込むときおよび前記磁気抵抗効果素子から情報を読み出すときに選択されてそれぞれ所定の電流が流れるビット線と、前記電極と前記書き込みワード線とを電気的に絶縁する第1絶縁膜と、前記ビット線と前記電極とを電気的に絶縁する第2絶縁膜と、を備え、前記第1絶縁膜は、第2絶縁膜に比べて熱伝導率が高いことを特徴とする。
【0012】
なお、前記第1絶縁膜は前記電極と同じ形状かまたはより大きな形状にパターニングされているように構成しても良い。
【0013】
なお、前記第1絶縁膜は、Al、SiNx、およびAlNの内の一つから構成され、前記第2絶縁膜はSiOから構成されていても良い。
【0014】
また、本発明の第2の態様による磁気記憶装置は、磁気抵抗効果素子と、この磁気抵抗効果素子の一端と電気的に接続される電極とを有する記憶セルがマトリクス状に配列された記憶セルアレイと、前記記憶セル内の磁気抵抗効果素子に情報を書き込む際に選択されて所定の電流が流れる書き込みワード線と、
前記磁気抵抗効果素子の他端に電気的に接続され前記磁気抵抗効果素子に情報を書き込むときおよび前記磁気抵抗効果素子から情報を読み出すときに選択されてそれぞれ所定の電流が流れるビット線と、前記電極と前記書き込みワード線とを電気的に絶縁する第1絶縁膜と、を備え、前記第1絶縁膜の熱伝導率をQ(W/(cm・deg))、前記第1絶縁膜の膜厚をt(nm)としたとき、熱伝導率Qと膜厚tとの比Q/tが5.0×10−4よりも大きいことを特徴とする。
【0015】
なお、前記磁気抵抗効果素子はトンネル磁気抵抗効果素子であっても良い。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を説明する前に本発明に至った経緯について述べる。
【0017】
本発明者がMRAM内のTMR素子の図10に示すアステロイド曲線を詳細に調べたところ、室温での書き込みに時に対して、50℃での特性(図10のグラフg参照)は、室温での特性(図10のグラフg参照)に比べて、書き込みに要する磁場が小さくなることがわかった。なお、図10は、FeCo系の強磁性薄膜を用いたTMR素子の、室温と50℃時の、書き込みに要する磁場の変化を示すグラフである。図10からわかるようにTMR素子の動作温度が上昇することにより、アステロイド曲線は縮小し、書き込みに要する磁界は小さくなることがわかる。
【0018】
一方、TMR素子は、従来の技術の項で図9を用いて説明したように、TMR素子の上下に設置された配線、すなわち書き込みワード線20とビット線36に流した電流磁界によって書き込みされるが、このときに書き込みワード線20は電流によって発熱する。そこで、書き込み時に、選択された書き込みワード線20から発せられた熱を用いて、選択された記憶セルのTMR素子を他の選択されていない記憶セルのTMR素子に比べて温度が高くなるように構成すれば、書き込み磁界を低減することが可能となり、電流を小さくすることができることになると本発明者は考えた。
【0019】
書き込み時に、選択された書き込みワード線20から発せられた熱を用いて、選択された記憶セルのTMR素子を他の選択されていない記憶セルのTMR素子に比べて温度が高くなるようにした構成を本発明の実施形態として、以下説明する。
【0020】
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による磁気記憶装置を、図1を参照して説明する。この実施形態の磁気記憶装置は、記憶セルアレイを備え、この記憶セルアレイは、マトリクス状に配列された複数の記憶セルを有し、各記憶セルは、TMR素子と、選択トランジスタとを備えている。図1は、本実施形態による磁気記憶装置の記憶セルの概略の構成を示す断面図であり、TMR素子20が配置された近傍の断面を示し、選択トランジスタは図示していない。
【0021】
本実施形態の磁気記憶装置に係る記憶セルは、図1に示すように、層間絶縁膜14上に層間絶縁膜18が形成され、この層間絶縁膜18に、書き込みワード線20と、接続プラグ22が形成されている。なお、この接続プラグ22は、図9に示す従来の磁気記憶装置の記憶セルと同様に、図1には示していない接続プラグを介して選択トランジスタのドレイン領域に接続された構成となっている。
【0022】
これらの層間絶縁膜18、書き込みワード線20、および接続プラグ22を覆うように層間絶縁膜24が形成されている。そして、接続プラグ22に接続するための開口部が層間絶縁膜24に設けられ、上記開口部の底面および側面並びに上記層間絶縁膜24上にTMR素子20の下部電極30が形成された構成となっている。この下部電極30上の、上記書き込みワード線20のほぼ真上の位置に、下部電極30に電気的に接続されたTMR素子32が設けられ、このTMR素子32上には、TMR素子32に電気的に接続された上部電極34が設けられた構成となっている。そして、上部電極34にはビット線36が接続された構成となっている。なお、下部電極30とビット線36は層間絶縁膜28によって電気的に絶縁されている。なお、TMR素子32は、例えば図8に示す構成の積層膜を備えている。
【0023】
次に、図1に示す本実施形態の磁気記憶装置の製造方法を図2および図3を参照して説明する。
【0024】
まず、磁気記憶装置の駆動回路などが作りこまれた基板上に形成された絶縁膜14上に、例えばAlからなる金属層を堆積し、この金属層をパターニングすることにより、書き込みワード線20および、TMR素子の下部電極と選択トランジスタをつなぐ接続プラグ22を形成する(図2(a)参照)。
【0025】
次に、図2(b)に示すように、TEOS(Tetra-Etoxy-Ortho-Silicate)をプラズマ分解し、SiOからなる層間絶縁膜18を、書き込みワード線20の厚み以上に堆積する。
【0026】
その後、例えば、CMP(Chemical Mechanical Polishing)を用いて絶縁膜18の表層から削り込み層間絶縁膜18を平坦化し、書き込みワード線20の上部に所定の膜厚の層間絶縁層18が残るようにする(図2(c)参照)。書き込みワード線20上部に残された層間絶縁膜18が図1に示す層間絶縁膜24となる。すなわち、この製造方法においては、図1に示す層間絶縁膜18と層間絶縁膜24が同じ材料から形成されて、図2に示す層間絶縁膜18となっている。
【0027】
次に、図2(d)に示すように、接続プラグ22上の層間絶縁膜18に開口部23を形成する。その後、下部電極となる金属層30、TMR素子となる積層膜32、上部電極となる金属層34を連続的にスパッタ法で積層する。本実施形態においては、TMR素子32を構成する積層膜は、図8に示す構成の積層膜を有し、Taからなるバリア層32a、Ir−Mnからなる反強磁性層32b、CoFeからなる強磁性層(磁化固着層)32c、Alからなるトンネルバリア層32d、CoFeNiからなる強磁性層(磁化自由層)32e、Taからなる保護膜32fを順次積層した構成となっている。その後、金属層34およびTMR素子32の積層膜をTMR素子の形状となるようにパターニングし、上部電極34およびTMR素子32を形成する(図2(e)参照)。
【0028】
次に、図3(a)に示すように、金属層30を所定の形状にパターニングし、下部電極30を形成する。続いて、図3(b)に示すように、下部電極30、上部電極34、TMR素子32を覆うように、層間絶縁膜28を成膜した。層間絶縁膜28の材質は熱伝導率の低い、TEOSプラズマ分解したSiOを用いた。その後、CMPを用いて、層間絶縁膜28を平坦化し、上部電極34を露出させる(図3(b)参照)。
【0029】
次に、例えばAlを主成分とする金属層を堆積し、所定の形状にパターニングすることによりビット線36を形成する(図3(c)参照)。一般的には、信頼性を向上させるために、この後、SiN等の絶縁層を必要な部分に堆積させるが、本発明の趣旨には必須ではない。
【0030】
次に、このように形成された記憶セルの層間絶縁膜18の厚さtを20nm、30nm、50nm、100nmにそれぞれしたときのTMR素子32を書き換えるのに必要な電流量を、書き換え時の電流パルス幅を一定として測定した場合の層間絶縁膜24の厚さtを横軸にプロットしたグラフを図4に示す。この図4に示す測定結果から層間絶縁膜24の膜厚が薄いほど、電流量が少なくて済むことがわかる。実際、層間絶縁膜24の膜厚によって、書き込みワード線20とTMR素子32との距離が変わってくるが、磁界の強さが上記距離に反比例する効果を差し引いても層間絶縁膜24の膜厚が薄いほうが書き込みに要する電流量が減少していることが分かった。なお、図4において、実線で示したグラフは、層間絶縁膜24の膜厚に対して、磁界の強さのみで見積もった場合の書き込みに必要な電流の大きさを示している。また、図4より分かるように、層間絶縁膜24がSiOから構成されている場合、層間絶縁膜24の膜厚tがおおよそ30nm以下であれば、書き込みに必要な電流量の低減を達成することが可能であることを確認できた。SiOの熱伝導率は他の測定から、おおよそ0.014(W/cm・deg)と分かっている。書き込みに必要な電流量を低減させる効果が顕著となる範囲は、書き込みの駆動方法によって多少変わるが、幾つかのサンプルから、
熱伝導率(W/cm・deg)/絶縁膜の厚み(nm)>5.0×10−4
であれば効果が顕著となることが分かった。
【0031】
以上説明したように、書き込みワード線20と、TMR素子32との間に形成される層間絶縁膜24を構成する材料の熱伝導率(W/cm・deg)と、層間絶縁膜24の厚さ(nm)との比が5.0×10−4を越えるように、層間絶縁膜24の材料と膜厚を選択して形成すれば、書き込みに必要な電流量を低減させることが可能となり、記憶セルの高密度化を達成することができる。
【0032】
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による磁気記憶装置を、図5を参照して説明する。この第2の実施形態の磁気記憶装置は、図1に示す第1実施形態の磁気記憶装置において、TMR素子32と書き込みワード線20を絶縁している層間絶縁膜18の材料として熱伝導率の良いAlNを用いたものである。
【0033】
この第2実施形態による磁気記憶装置の製造工程断面図を図5に示す。
【0034】
まず、磁気記憶装置の駆動回路などが作りこまれた基板上に形成された絶縁膜14上に、例えばAlからなる金属層を堆積し、この金属層をパターニングすることにより、書き込みワード線20および、TMR素子の下部電極と選択トランジスタをつなぐ接続プラグ22を形成する(図5(a)参照)。続いて、図5(a)に示すように、TEOSをプラズマ分解し、SiOからなる層間絶縁膜18を、書き込みワード線20の厚み以上に堆積する。その後、例えば、CMPを用いて絶縁膜18の表層から削り込み層間絶縁膜18を平坦化し、書き込みワード線20および接続プラグ22が露出するようにする(図5(a)参照)。
【0035】
次に、図5(b)に示すように、AlNを反応性スパッタ法を用いて100nm堆積し、層間絶縁膜24を形成する。続いて、接続プラグ22上の層間絶縁膜24に開口部25を形成する。その後、下部電極となる金属層30、TMR素子となる積層膜32、上部電極となる金属層34を連続的にスパッタ法で積層する。本実施形態においては、TMR素子32を構成する積層膜は、図8に示す構成の積層膜を有し、Taからなるバリア層32a、Ir−Mnからなる反強磁性層32b、CoFeからなる強磁性層(磁化固着層)32c、Alからなるトンネルバリア層32d、CoFeNiからなる強磁性層(磁化自由層)32e、Taからなる保護膜32fを順次積層した構成となっている。その後、金属層34およびTMR素子32の積層膜をTMR素子の形状となるようにパターニングし、上部電極34およびTMR素子32を形成する(図5(c)参照)。
【0036】
次に、図5(d)に示すように、金属層30を所定の形状にパターニングし、下部電極30を形成する。続いて、図5(e)に示すように、下部電極30、上部電極34、TMR素子32を覆うように、層間絶縁膜28を成膜した。層間絶縁膜28の材質は熱伝導率の低い、TEOSプラズマ分解したSiOを用いた。その後、CMPを用いて、層間絶縁膜28を平坦化し、上部電極34を露出させる(図5(e)参照)。
【0037】
次に、例えばAlを主成分とする金属層を堆積し、所定の形状にパターニングすることによりビット線36を形成する(図5(f)参照)。
【0038】
AlNはSiOに比べ1桁程度熱導電率が高いので、書き込みワード線20とTMR素子32の電気的短絡を防止しながら、書き込みに必要とする電流を低減することが可能となる。このため、記憶セルの高密度化を達成することができる。また、上述の製造方法においては、書き込みワード線20上の層間絶縁膜18を一旦取り除いてから、新たに層間絶縁膜24を成膜するため、精度良く、欠陥のない絶縁膜を形成することが出来、歩留まり向上に寄与する。
【0039】
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による磁気記憶装置を、図6を参照して説明する。この実施形態の磁気記憶装置に係る記憶セルの上面図を図6(a)に示し、図6(a)に示す切断線A−A’で切断したときの断面図を図6(b)に示す。
【0040】
上記の第1乃至第2実施形態の磁気記憶装置においては、書き込みワード線20上の層間絶縁膜24はパターニングされておらず、書き込みワード線20の熱は比較的TMR素子32の無い部分にも逃げやすい。
【0041】
そこで、本実施形態の磁気記憶装置は、図1に示す第1実施形態の磁気記憶装置において、層間絶縁膜24を下部電極30と同じパターンとなるように形成するとともに(図6参照)、層間絶縁膜24の熱伝導率が層間絶縁膜18および層間絶縁膜28の熱伝導率よりも高くなるような材料を選択した構成となっている。具体的には、層間絶縁膜18,28を形成する材料としてSiOを用い、層間絶縁膜24を形成する材料としてAl、SiNx、またはAlNを用いた構成となっている。
【0042】
次に、この実施形態による磁気記憶装置の製造工程を、図6を参照して説明する。
【0043】
まず、磁気記憶装置の駆動回路などが作りこまれた基板上に形成された絶縁膜14上に、例えばAlからなる金属層を堆積し、この金属層をパターニングすることにより、書き込みワード線20および、TMR素子の下部電極と選択トランジスタをつなぐ接続プラグ22を形成する。続いて、TEOSをプラズマ分解し、SiOからなる層間絶縁膜18を、書き込みワード線20の厚み以上に堆積する。その後、例えば、CMPを用いて絶縁膜18の表層から削り込み層間絶縁膜18を平坦化し、書き込みワード線20および接続プラグ22が露出するようにする。
【0044】
次に、AlNを反応性スパッタ法を用いて100nm堆積し、層間絶縁膜24を形成する。続いて、接続プラグ22上の層間絶縁膜24に開口部25を形成する。その後、下部電極となる金属層30、TMR素子となる積層膜32、上部電極となる金属層34を連続的にスパッタ法で積層する。本実施形態においては、TMR素子32を構成する積層膜は、図8に示す構成の積層膜を有し、Taからなるバリア層32a、Ir−Mnからなる反強磁性層32b、CoFeからなる強磁性層(磁化固着層)32c、Alからなるトンネルバリア層32d、CoFeNiからなる強磁性層(磁化自由層)32e、Taからなる保護膜32fを順次積層した構成となっている。その後、金属層34およびTMR素子32の積層膜をTMR素子の形状となるようにパターニングし、上部電極34およびTMR素子32を形成する。
【0045】
次に、フォトレジストパターンを形成し、このフォトレジストパターンをマスクとして、金属層30をパターニングし、下部電極30を形成する。続いて、同じマスクを用いて層間絶縁膜24をパターニングする。その後、下部電極30およびパターニングされた層間絶縁膜24を覆うように、全面に、熱伝導率の低い材料、例えばSiOからなる層間絶縁膜28を成膜する。
【0046】
次に、CMPを用いて、層間絶縁膜28を平坦化し、上部電極34を露出させる。続いて、例えばAlを主成分とする金属層を堆積し、所定の形状にパターニングすることによりビット線36を形成する。
【0047】
なお、本実施形態においては、層間絶縁膜24をパターニングする際に、下部電極30をパターニングするときのマスクと同じマスクを用いて行ったが、異なるマスクを用いてパターニングすれば、層間絶縁膜24の一部のみが除去されて下部電極30よりも大きなサイズの層間絶縁膜24が残置される。
【0048】
第1実施形態と比較して、駆動条件にもよるが、書き込み時の電流を低減させる効果が顕著の場合は、第1実施形態に比べて、書き込み電流を2割程度低減させることができた。
【0049】
この実施形態も、書き込みに必要とする電流を低減することが可能となり、これにより記憶セルの高密度化を達成することができる。
【0050】
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態による磁気記憶装置の書き込み方法を、図7を参照して説明する。
【0051】
上記第1乃至第3実施形態の磁気記憶装置においては、書き込みワード線20およびビット線36の発生する熱をTMR素子32へ伝えることにより、書き込みに必要とする電流を低減させており、書き込みワード線20およびビット線36の温度が上昇することが必要である。このため書き込みワード線20およびビット線36の温度を適当な温度まで上昇させることが必要である。実際にMRAMをメモリチップに実装した場合、書き込み用の配線に流せる電流は数V程度の駆動電流の場合、一般的に数mA程度のオーダとなる。TMR素子は実際に書き込みに要する時間は非常に短くて済むが、パルス幅を極端に短くすると、上記実施形態による磁気記憶装置の場合、書き込みワード線20およびビット線36の温度が上昇せず、書き込み電流の低減が期待できない。
【0052】
そこで、書き込みワード線20およびビット線36の内の一方に加えるパルス電流のパルス幅を長くしておくことで、温度の上昇を大きくすることが可能となる。しかしながら、単純にパルス幅を広くすると書き込みに要する時間が長くなるが、書き込みワード線20およびビット線36のどちらかの一方に印加されるパルスのパルス幅のみを長くすることで、複数行または列を連続的に書き込みする場合には、他の行または列を書いている間に、次に書き込みをする行または列に事前にパルスを加えることで、高速化が図れる。この結果、回路の制限等から書き込みに十分な電流を得ることができない場合にも、書き込み電流を低減させることのできるMRAMを実現することができる。
【0053】
図7は、書き込みワード線20およびビット線36に印加されるそれぞれのパルスのタイミングを示す。図7(a)は単純にパルス幅を長くしているが、図7(b)は電流方向を正負に反転させている。実験結果からは図7(b)の方が配線の持つ寄生容量によって消費する電力が大きくなり効果が顕著だった。TMR素子に”0”、”1”を書き込む際に電流方向を反転させる配線側で行ったほうが、回路規模が小さくなってよい。実際はこの実施形態にとらわれず、どちらのパルス幅を長くしてもよく、パルスを分断してもよい。
【0054】
また、このとき周囲の温度をセンシングして、MRAMの駆動電源電圧をセンシングした温度に応じて、例えば、温度が30℃のときは3.3V、50℃のときは3.0V、80℃のときは2.7Vとすることで、書き込みワード線20およびビット線36に流れる電流値を変化させることができ、書き込み時の温度を一定にする方向に制御ができた。このような制御は本発明において有利である。
【0055】
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態による磁気記憶装置を、図11を参照して説明する。この実施形態の磁気記憶装置は、記憶セルアレイを備え、この記憶セルアレイは、マトリクス状に配列された複数の記憶セルを有し、各記憶セルは、TMR素子と、選択トランジスタとを備えている。図11は、本実施形態による磁気記憶装置の記憶セルの概略の構成を示す断面図である。
【0056】
この記憶セルは、図11に示すように、基板に、ゲート電極2a、ドレイン領域2b、ソース領域2cを有する選択トランジスタ(MOSトランジスタ)2が形成されている。この選択トランジスタ2は素子分離絶縁膜4に素子分離された領域に形成されている。ゲート電極2aは読み出し用のワード線として用いられる。この選択トランジスタ2は層間絶縁膜6によって覆われている。
【0057】
この層間絶縁膜6にはソース領域2cに接続プラグ8を介して接続する配線10が設けられている。この配線10には所定の電位(例えば、接地電位)が印加される。また、層間絶縁膜6にはドレイン領域2bに接続する接続プラグ12が設けられている。層間絶縁膜6は層間絶縁膜14によって覆われており、この層間絶縁膜14には接続プラグ12に接続する接続プラグ16が設けられている。なお、接続プラグ16は、図11に示す断面には位置していず破線で示している。
【0058】
層間絶縁膜14上には、複数のビット線が形成され、図11には1本のビット線36のみを示している。また、層間絶縁膜14上には、これらの複数のビット線間に層間絶縁膜(図示せず)が設けられている。この層間絶縁膜には接続プラグ16に接続する破線で示す接続プラグ22が設けられた構成となっている。なお、この図11に示すビット線36は、図11に示す記憶セルに情報を書き込むときおよび上記記憶セルから情報を読み出すときに選択されて、それぞれ所定の電流が流れるように構成されている。
【0059】
ビット線36上には、このビット線36に一端が電気的に接続するTMR素子32が設けられている。すなわち、ビット線36はTMR素子32の下部電極の役割を果たしている。なお、このTMR素子32は、ゲート電極2a上に位置するように配置される。またTMR素子32上には導電材料からなるピラー部62が設けられた構成となっている。このピラー部62はTMR素子32の他端と電気的に接続された構成となっている。これらのTMR素子32、ピラー部62は層間絶縁膜60によって覆われている。なお、この層間絶縁膜60には、接続プラグ22に接続する接続プラグ26が設けられている。この接続プラグ26は図11に示す断面には位置していないため、破線で示している。
【0060】
層間絶縁膜60上にはTMR素子32の上部電極64が設けられており、この上部電極64はピラー部62と接続プラグ26とを電気的に接続するように構成されている。この上部電極64を覆うように層間絶縁膜66が形成され、この層間絶縁膜66上には書き込みワード線20が設けられた構成となっている。書き込みワード線20は、TMR素子32上に位置するように配置される。
【0061】
層間絶縁膜60は、ビット線36と上部電極64とを電気的に絶縁し、層間絶縁膜66は上部電極64と書き込みワード線20とを電気的に絶縁する構成となっている。
【0062】
本実施形態においては、層間絶縁膜66は、他の層間絶縁膜、例えば層間絶縁膜60に比べて高い熱伝導率の材料からなっている。例えば、層間絶縁膜60はSiOから構成され、層間絶縁膜66は、AlN、Al、またはSiNxから構成される。
【0063】
以上説明したように、本実施形態においては、書き込みワード線20と上部電極64とを電気的に絶縁する層間絶縁膜66は、ビット線36と上部電極64とを電気的に絶縁する層間絶縁膜60よりも熱伝導率の高い材料から構成されているので、書き込み時に、選択されたワード線から発せられた熱は層間絶縁膜66を介してTMR素子32に伝えることが可能となり、選択された記憶セルのTMR素子を、他の選択されていない記憶セルのTMR素子に比べて温度を高くすることができる。これにより、書き込みに要する電流を低減することが可能となり、記憶セルの高密度化を実現することができる。
【0064】
なお、第5実施形態においては、書き込みワード線20下の層間絶縁膜66はパターニングされておらず、書き込みワード線20の熱は比較的TMR素子32の無い部分にも逃げやすい。そこで、図12に示すように、上部電極64を覆う所定の領域のみに形成すれば、第3実施形態の場合と同様に、書き込み時の電流を第5実施形態に比べて低減させることができる。また、この場合も、記憶セルの高密度化を達成することができる。
【0065】
本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。
【0066】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、書き込み時の電流を低減することが可能となり、記憶セルの高密度化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による磁気記憶装置の構成を示す断面図。
【図2】第1実施形態による磁気記憶装置の製造工程を示す工程断面図。
【図3】第1実施形態による磁気記憶装置の製造工程を示す工程断面図。
【図4】第1実施形態の効果を説明するグラフ。
【図5】本発明の第2実施形態による磁気記憶装置の製造工程を示す工程断面図。
【図6】本発明の第3実施形態による磁気記憶装置の構成を示す図。
【図7】本発明の第4実施形態による磁気記憶装置の書き込み方法を説明するタイミングチャート。
【図8】TMR素子を構成する積層膜の一具体例を示す図。
【図9】従来の磁気記憶装置の記憶セルの構成を示す断面図。
【図10】TMR素子のアステロイド曲線を示すグラフ。
【図11】本発明の第5実施形態による磁気記憶装置の構成を示す断面図。
【図12】第5実施形態の変形例による磁気記憶装置の構成を示す断面図。
【符号の説明】
2 選択トランジスタ
2a ゲート電極(読み出し用ワード線)
2b ドレイン領域
2c ソース領域
4 素子分離絶縁膜
6 層間絶縁膜
8 接続プラグ
10 配線
12 接続プラグ
14 層間絶縁膜
16 接続プラグ
18 接続プラグ
20 書き込みワード線
22 接続プラグ
24 層間絶縁膜
26 接続プラグ
28 層間絶縁膜
30 下部電極
32 TMR素子
32a 下地層
32b 反強磁性層
32c 強磁性層
32d トンネルバリア層
32e 強磁性層
32f 保護層
34 上部電極
36 ビット線
60 層間絶縁膜
62 ピラー部
64 上部電極
66 層間絶縁膜

Claims (5)

  1. トンネル磁気抵抗効果素子と、このトンネル磁気抵抗効果素子の下端と電気的に接続される電極とを有する記憶セルがマトリクス状に配列された記憶セルアレイと、
    前記記憶セル内のトンネル磁気抵抗効果素子の直下を通り、前記トンネル磁気抵抗効果素子に情報を書き込む際に選択されて所定の電流が流れる書き込みワード線と、
    前記トンネル磁気抵抗効果素子の上端に電気的に接続され前記トンネル磁気抵抗効果素子に情報を書き込むときおよび前記トンネル磁気抵抗効果素子から情報を読み出すときに選択されてそれぞれ所定の電流が流れるビット線と、
    前記電極と前記書き込みワード線とを電気的に絶縁する第1絶縁膜と、
    前記ビット線と前記電極とを電気的に絶縁する第2絶縁膜と、
    を備え、
    前記第1絶縁膜は、前記第2絶縁膜に比べて熱伝導率が高いことを特徴とする磁気記憶装置。
  2. トンネル磁気抵抗効果素子と、このトンネル磁気抵抗効果素子の上端と電気的に接続される電極とを有する記憶セルがマトリクス状に配列された記憶セルアレイと、
    前記記憶セル内のトンネル磁気抵抗効果素子の直上を通り、前記トンネル磁気抵抗効果素子に情報を書き込む際に選択されて所定の電流が流れる書き込みワード線と、
    前記トンネル磁気抵抗効果素子の下端に電気的に接続され前記トンネル磁気抵抗効果素子に情報を書き込むときおよび前記トンネル磁気抵抗効果素子から情報を読み出すときに選択されてそれぞれ所定の電流が流れるビット線と、
    前記電極と前記書き込みワード線とを電気的に絶縁する第1絶縁膜と、
    前記ビット線と前記電極とを電気的に絶縁する第2絶縁膜と、
    を備え、
    前記第1絶縁膜は、第2絶縁膜に比べて熱伝導率が高いことを特徴とする磁気記憶装置。
  3. 前記第1絶縁膜は前記電極と同じ形状かまたはより大きな形状にパターニングされていることを特徴とする請求項1または2記載の磁気記憶装置。
  4. 前記第1絶縁膜は、Al、SiNx、およびAlNの内の一つから構成され、前記第2絶縁膜はSiOから構成されてい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記憶装置。
  5. トンネル磁気抵抗効果素子と、このトンネル磁気抵抗効果素子の下端と電気的に接続される電極とを有する記憶セルがマトリクス状に配列された記憶セルアレイと、
    前記記憶セル内のトンネル磁気抵抗効果素子の直下を通り、前記トンネル磁気抵抗効果素子に情報を書き込む際に選択されて所定の電流が流れる書き込みワード線と、
    前記トンネル磁気抵抗効果素子の上端に電気的に接続され前記トンネル磁気抵抗効果素子に情報を書き込むときおよび前記トンネル磁気抵抗効果素子から情報を読み出すときに選択されてそれぞれ所定の電流が流れるビット線と、
    前記電極と前記書き込みワード線とを電気的に絶縁する第1絶縁膜と、
    を備え、前記第1絶縁膜の熱伝導率をQ(W/(cm・deg))、前記第1絶縁膜の膜厚をt(nm)としたとき、熱伝導率Qと膜厚tとの比Q/tが5.0×10−4よりも大きいことを特徴とする磁気記憶装置。
JP2002007601A 2002-01-16 2002-01-16 磁気記憶装置 Expired - Fee Related JP3871572B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002007601A JP3871572B2 (ja) 2002-01-16 2002-01-16 磁気記憶装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002007601A JP3871572B2 (ja) 2002-01-16 2002-01-16 磁気記憶装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2003209225A JP2003209225A (ja) 2003-07-25
JP3871572B2 true JP3871572B2 (ja) 2007-01-24

Family

ID=27646075

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002007601A Expired - Fee Related JP3871572B2 (ja) 2002-01-16 2002-01-16 磁気記憶装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3871572B2 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2860910B1 (fr) * 2003-10-10 2006-02-10 Commissariat Energie Atomique Dispositif a jonction tunnel magnetique et procede d'ecriture/lecture d'un tel dispositif
JP4590862B2 (ja) * 2003-12-15 2010-12-01 ソニー株式会社 磁気メモリ装置及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2003209225A (ja) 2003-07-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7092283B2 (en) Magnetic random access memory devices including heat generating layers and related methods
US6670660B2 (en) Semiconductor memory device utilizing tunnel magneto resistive effects and method for manufacturing the same
US7307302B2 (en) Magneto-resistive effect element and magnetic memory
US7119410B2 (en) Magneto-resistive effect element and magnetic memory
US6914806B2 (en) Magnetic memory device
US6765821B2 (en) Magnetic memory
US6909129B2 (en) Magnetic random access memory
US6924520B2 (en) MRAM including unit cell formed of one transistor and two magnetic tunnel junctions (MTJS) and method for fabricating the same
US8796793B2 (en) Magnetoresistive element, magnetic random access memory and method of manufacturing the same
US6838721B2 (en) Integrated circuit with a transitor over an interconnect layer
US20030128580A1 (en) High-density magnetic random access memory device and method of operating the same
US7041603B2 (en) Method for producing magnetic memory device
EP1398789B1 (en) Magnetic random access memory with soft magnetic reference layers
US20060262597A1 (en) Magnetic memory device and method for production thereof
US20240257853A1 (en) Transistorless memory cell
JP3906172B2 (ja) 磁気ランダムアクセスメモリおよびその製造方法
US20220246837A1 (en) Nonvolatile memory devices having magnetic tunnel junction memory cells therein
US20120068282A1 (en) Semiconductor device and manufacturing method of the same
JP2007258533A (ja) 半導体記憶装置及びその駆動方法
US6839274B2 (en) Magnetic random access memory
US20050094456A1 (en) Heating MRAM cells to ease state switching
US6778428B2 (en) Magnetic random access memory (MRAM) cells including an access transistor and a bit line that are connected to a terminal of a magnetic resistor, and methods of operating same
JP3871572B2 (ja) 磁気記憶装置
JP2009224477A (ja) 半導体記憶装置及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20060612

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060616

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060801

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060901

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060913

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20061006

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20061017

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101027

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111027

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111027

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121027

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131027

Year of fee payment: 7

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees