JP4091298B2 - 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、トンネル磁気抵抗(Tunneling Magneto Resistive)効果により“1”,“0”−情報を記憶するTMR素子を利用してメモリセルを構成した磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM: Magnetic Random Access Memory)に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、新たな原理により情報を記憶するメモリが数多く提案されているが、そのうちの一つに、Roy Scheuerlein et.al.によって提案されたトンネル磁気抵抗(Tunneling Magneto Resistive: 以後、TMRと表記する。) 効果を利用したメモリがある(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」を参照)。
【0003】
磁気ランダムアクセスメモリは、TMR素子により“1”,“0”−情報を記憶する。TMR素子は、2つの磁性層(強磁性層)により絶縁層(トンネルバリア)を挟んだ構造を有する。TMR素子に記憶される情報は、2つの磁性層のスピンの向きが平行か又は反平行かによって判断される。
【0004】
ここで、平行とは、2つの磁性層のスピンの向きが同じであることを意味し、反平行とは、2つの磁性層のスピンの向きが逆向きであることを意味する。
【0005】
通常、TMR素子を構成する2つの磁性層のうちの一つは、スピンの向きが固定される固定層となるため、“1”,“0”−情報をTMR素子に記憶させる場合には、書き込み情報に応じて、これら2つの磁性層のうちの他の一つ(自由層)のスピンの向きを変えてやればよい。
【0006】
ところで、近年では、種々のデバイス構造又は回路構造のMRAMが提案されており、そのうちの一つに、一つのスイッチング素子(選択トランジスタ)に複数のTMR素子を接続したデバイス構造が知られている。この構造は、セルの高密度化や読み出しマージンの向上を図るうえで有利である。
【0007】
例えば、特願2000−296082(平成12年9月28日出願)は、上部配線と下部配線の間に複数のTMR素子を並列に接続したセル構造を提案する。このセル構造では、図9及び図10に示すように、複数のTMR素子10が基板上に複数段(本例では、3段)に積み上げられる。また、各段においては、上部配線11と下部配線12の間に複数のTMR素子10が並列に接続される。
【0008】
上部配線11は、X方向に延び、その一端は、選択トランジスタ14に接続される。下部配線12も、X方向に延び、その一端は、センスアンプ(S/A)15などの周辺回路に接続される。本例では、読み出し電流は、上部配線11、TMR素子10、下部配線12という経路、即ち、X方向に沿って流れる。書き込み配線13は、TMR素子10に隣接して配置され、Y方向に延びている。
【0009】
図11及び図12のセル構造は、図9及び図10の下部配線と書き込み配線を一体化した例である。
【0010】
下部配線12は、Y方向に延び、その一端は、センスアンプ(S/A)に接続される。書き込み時には、下部配線12は、書き込み配線として機能する。読み出し時には、下部配線12は、読み出し配線として機能する。読み出し電流は、まず、上部配線(X方向)11に流れ、この後、TMR素子10を経由して下部配線(Y方向)12に流れる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
磁気ランダムアクセスメモリのセルの基本構造は、1つのTMR素子に1つのスイッチング素子(選択トランジスタ)を対応させた1セル−1トランジスタ構造である。しかし、TMR素子を複数段に積み重ねたデバイス構造では、1つのTMR素子に1つのスイッチング素子を対応させると、スイッチング素子数が多くなり、セルの高密度化に不利となる。
【0012】
そこで、TMR素子10を複数段に積み重ねたデバイス構造の場合、1つのTMR素子に1つのスイッチング素子を対応させなくても、読み出し動作や書き込み動作を行うことができるようなデバイス構造が採用される。
【0013】
例えば、図9乃至図12に示すデバイス構造では、TMR素子10のアレイの各段において、上部配線10と下部配線12との間に複数のTMR素子10を接続する。そして、例えば、上部配線11の一端に選択トランジスタ14を接続し、下部配線12の一端にセンスアンプ(S/A)15を接続する。
【0014】
しかし、この場合、図9及び図10の例では、TMR素子10のアレイの各段に、上部配線(書き込み配線兼読み出し配線)11、下部配線(読み出し配線)12及び書き込み配線13の合計3本の配線を配置しなければならず、また、図11及び図12の例では、TMR素子10のアレイの各段に、上部配線(書き込み配線兼読み出し配線)11及び下部配線(書き込み配線兼読み出し配線)12の合計2本の配線を配置しなければならない。
【0015】
そして、基板上に複数段に積み重ねられたTMR素子のアレイ内に、このような書き込み配線や読み出し配線(電流パス配線)を配置する場合、TMR素子の積み重ね段数が多くなるに従い、デバイス構造が複雑になり、以下のような問題が発生する。
【0016】
▲1▼ TMR素子の特性は、それが配置される面(下地膜)の平坦度に大きな影響を受ける。この平坦度は、TMR素子の積み重ね段数が多くなればなるほど悪化するため、TMR素子の積み重ね段数の増加に従い、TMR素子の特性の劣化が生じる。
【0017】
▲2▼ 3本又はそれ以上の配線を用いてTMR素子に対するデータの書き込み/読み出しを行う場合(例えば、図9及び図10)、1本の読み出し線と1本の書き込み線は、互いに絶縁されていなければならず、かつ、その1本の読み出し線は、TMR素子に接触していなければならない。つまり、1本の書き込み線は、TMR素子から、その1本の読み出し線の厚さ分だけ、余分に離れてしまう。
【0018】
ところで、書き込み線に流す電流により発生させる磁界の強さは、距離の二乗に反比例することは周知の事実である。従って、上述のように、3本又はそれ以上の配線を用いる場合、1本の書き込み配線とTMR素子との距離が大きくなり、そのばらつきも大きくなる。つまり、その1本の書き込み配線に流す電流によりTMR素子に与える磁界のばらつきが大きくなり、書き込みに必要な磁界対して、十分なマージンを確保しなければならなくなる。
【0019】
▲3▼ TMR素子のアレイの各段に配置される配線のそれぞれの端部には、トランジスタが接続される。また、これらの配線は、TMR素子のアレイ上においてX方向又はY方向に延びている。このため、これら配線に接続されるトランジスタは、アレイの端部のエリア(又はアレイの周辺部)に集中して配置されることになる(図13)。
【0020】
一方、TMR素子に対するデータの書き込み/読み出し動作においては、TMR素子の特性に起因し、大電流が必要になることが知られている。このため、これら配線に接続されるトランジスタのサイズ(又はピッチ)は、必然的に大きくなる。
【0021】
従って、TMR素子の積み重ね段数が増加すると、これに比例して、1ロウ又は1カラム内に設けなければならないトランジスタ数が増加し、アレイの周辺部に全てのトランジスタを配置できなくなったり、TMR素子のピッチがトランジスタのピッチに影響を受け、TMR素子の高集積化を図ることができなくなる。
【0022】
本発明の目的は、TMR素子のアレイ内に配置される配線のレイアウトを工夫することにより、TMR素子の積み重ね段数が増加しても、下地膜の平坦度を悪化させないこと(TMR素子の特性の劣化を生じさせないこと)、アレイ内の配線のレイアウトの自由度を向上させ、TMR素子に与える磁界のばらつきをなくすこと、アレイの直下にもトランジスタを配置できるようにし、アレイの周辺部にトランジスタが密集するのを防止することにある。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、複数段に積み重ねられた複数のTMR素子を有するアレイと、前記アレイ内にそれぞれ異なる目的で配置される複数の配線とを備え、前記複数の配線のうちの1つは、前記複数のTMR素子が積み重ねられる方向に延びている。
【0024】
前記複数のTMR素子が積み重ねられる方向に延びる配線は、データ書き込み時に磁界を発生させること、及び、データ読み出し時に読み出し電流を流すことの少なくとも1つを目的とする配線である。
【0025】
前記複数のTMR素子が積み重ねられる方向に延びる配線は、前記TMR素子から電気的に分離されている。
【0026】
前記TMR素子のアレイの各段において、前記複数のTMR素子が積み重ねられる方向に延びる配線は、2つのTMR素子に共有されている。
【0027】
前記アレイ内にそれぞれ異なる目的で配置される複数の配線は、前記複数のTMR素子が積み重ねられる方向に延びる第1配線と、前記TMR素子のアレイの各段に配置され、前記第1配線に直交する第2配線とを含む。
【0028】
さらに、前記アレイ内にそれぞれ異なる目的で配置される複数の配線は、前記第1配線及び前記第2配線にそれぞれ直交する第3配線を含む。
【0029】
前記複数のTMR素子が積み重ねられる方向に延びる配線は、前記TMR素子のアレイの直下に配置されるスイッチング素子に接続される。前記スイッチング素子は、MOSトランジスタである。
【0030】
前記複数のTMR素子が積み重ねられる方向に延びる配線は、前記TMR素子のアレイの段数と同じ数の複数の部分から構成されている。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の磁気ランダムアクセスメモリについて詳細に説明する。
【0032】
本発明は、TMR素子が複数段に積み重ねられたアレイ構造を有する磁気ランダムアクセスメモリに適用される。
【0033】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの特徴は、データの書き込み/読み出しに使用する複数本の配線を、三次元的に配置されたTMR素子のアレイ内に、三次元的に配置した点に特徴を有する。
【0034】
即ち、従来では、データの書き込み/読み出しに使用する配線の全てが、X方向又はY方向に延びていた。これに対し、本発明の磁気ランダムアクセスメモリでは、TMR素子が複数段に積み重ねられる方向をZ軸方向とし、各段においてTMR素子がX−Y軸方向にアレイを構成しているとした場合に、データの書き込み/読み出しに使用する複数本の配線のうちの少なくとも1本を、Z軸方向に延ばしている。
【0035】
このように、データの書き込み/読み出しに使用する配線を三次元的に配置することにより、Z軸方向に延びる配線は、例えば、コンタクトプロセスで形成できるため、Z軸方向に積み重ねるX−Y軸方向に延びる配線の数を減らすことができ、TMR素子の積み重ね段数が増えても、下地膜の平坦度の向上、TMR素子の特性の向上を実現できる。
【0036】
また、データの書き込み/読み出しに使用する配線を三次元的に配置すれば、アレイ内の配線のレイアウトの自由度が増し、例えば、2本の書き込み配線をTMR素子の近傍に配置することができ、TMR素子に与える磁界のばらつきを抑えることができる。
【0037】
さらに、Z軸方向に延びた配線については、その一端は、TMR素子のアレイの直下に存在することになる。従って、その配線に接続されるトランジスタを容易にアレイの直下に形成することができ、アレイの周辺部にトランジスタが集中することがなくなる。
【0038】
[第1実施の形態]
図1は、本発明の第1実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ部のレイアウトの概要を示している。
【0039】
半導体基板上には、複数のTMR素子10が複数段(本例では、3段)に積み重ねられている。また、各段においては、TMR素子10は、X−Y平面内においてアレイを構成している。
【0040】
上部配線11は、読み出し配線として機能し、X方向に延びている。上部配線11は、例えば、TMR素子10の自由層に接触している。下部配線12は、読み出し配線及び書き込み配線として機能し、Y方向に延びている。下部配線12は、例えば、TMR素子10の固定層に接触している。また、例えば、上部配線11の一端には、選択トランジスタが接続され、下部配線12の一端には、センスアンプ(S/A)が接続される。
【0041】
書き込み配線13は、Z軸方向に延び、Z軸方向に積み重ねられている複数のTMR素子10の近傍に配置される。TMR素子10に書き込むデータ(自由層の磁化の向き)は、下部配線12に流れるY軸方向に流れる電流により発生する磁界と書き込み配線13に流れるZ軸方向に流れる電流により発生する磁界との合成磁界により決定される。
【0042】
書き込み配線13の基板側の一端には、選択トランジスタ(例えば、MOSトランジスタ)14が接続される。この選択トランジスタ14は、TMR素子10のアレイの直下に配置される。
【0043】
このようなデバイス構造によれば、データの書き込み/読み出しに使用する複数本の配線のうちの少なくとも1本(本例では、書き込み配線13)を、Z軸方向に延ばしている。
【0044】
例えば、3本の配線を用いて書き込み/読み出しを実行する場合を考えると、従来では、この3本の配線の全てがX軸方向又はY軸方向に延びていたため、TMR素子のアレイの1段当たり、少なくとも3回の多層配線プロセスが必要であった。これに対し、本発明では、Z軸方向に延びる配線については、コンタクトプロセスで形成できるため、TMR素子のアレイの1段当たりの多層配線プロセスの数を減らすことができる。
【0045】
これにより、TMR素子の積み重ね段数が増えても、下地膜の平坦度の向上、TMR素子の特性の向上を実現できる。
【0046】
また、データの書き込み/読み出しに使用する配線を三次元的に配置すれば、アレイ内の配線のレイアウトの自由度が増す。
【0047】
例えば、3本の配線を用いて書き込み/読み出しを実行する場合を考えると、従来では、書き込み専用の配線とTMR素子の間には、読み出し線が配置される構造となり、書き込み専用の配線とTMR素子の距離が大きくなっていた。これに対し、本発明では、例えば、書き込み専用の配線をZ軸方向に延ばすことにより、この書き込み専用の配線をTMR素子の近傍に配置することができ、TMR素子に与える磁界のばらつきを抑えることができる。
【0048】
さらに、Z軸方向に延びた書き込み配線については、その一端は、TMR素子のアレイの直下に存在することになる。従って、その配線に接続されるトランジスタを容易にアレイの直下に形成することができ、アレイの周辺部におけるトランジスタの密集を緩和することができる。
【0049】
なお、本実施の形態では、TMR素子のアレイ内に3種類の配線を配置し、各配線は、互いに直交し、かつ、互いに異なる方向に延びるようなデバイス構造としている。このようにすれば、各配線に接続されるトランジスタを基板上に分散配置できるからである。
【0050】
但し、本発明では、Z方向に延びる配線が少なくとも1本存在していれば足り、それ以外の配線が複数本存在する場合には、それらについては、同一方向に延びていても、又は、異なる方向に延びていても、どちらでも構わない。
【0051】
[第2実施の形態]
上述の第1実施の形態では、TMR素子のアレイ内に3種類の配線が配置された場合を示したが、本発明は、書き込み/読み出し配線としての機能を有する2種類の配線のみをTMR素子のアレイ内に配置する場合にも適用できる。
【0052】
図2は、本発明の第2実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ部のレイアウトの概要を示している。
【0053】
半導体基板上には、複数のTMR素子10が複数段(本例では、3段)に積み重ねられている。また、各段においては、TMR素子10は、X−Y平面内においてアレイを構成している。
【0054】
TMR素子10上には、導電膜パターン11Aが形成される。書き込み配線及び読み出し配線(電流パス配線)として機能する配線13は、Z軸方向に延び、Z軸方向に積み重ねられている複数のTMR素子10の近傍に配置される。また、配線13は、Z軸方向に積み重ねられている複数のTMR素子10の導電パターン11Aに接続される。
【0055】
配線13の基板側の一端には、選択トランジスタ(例えば、MOSトランジスタ)14が接続される。この選択トランジスタ14は、TMR素子10のアレイの直下に配置される。
【0056】
下部配線12は、書き込み配線及び読み出し配線(電流パス配線)として機能し、Y方向に延びている。下部配線12は、例えば、TMR素子10の固定層に接触している。また、例えば、下部配線12の一端には、センスアンプ(S/A)が接続される。
【0057】
TMR素子10に書き込むデータ(自由層の磁化の向き)は、下部配線12に流れるY軸方向に流れる電流により発生する磁界と配線13に流れるZ軸方向に流れる電流により発生する磁界との合成磁界により決定される。
【0058】
このようなデバイス構造によれば、データの書き込み/読み出しに使用する複数本の配線のうちの少なくとも1本(本例では、配線13)を、Z軸方向に延ばしている。Z軸方向に延びる配線については、コンタクトプロセスで形成できるため、TMR素子のアレイの1段当たりの多層配線プロセスの数を減らすことができる。
【0059】
本実施の形態では、TMR素子のアレイの各段において、X方向又はY方向に延びる配線は、1本のみであるため、上述の第1実施の形態に比べて、さらに、下地膜の平坦度の向上、TMR素子の特性の向上を実現できる。
【0060】
また、データの書き込み/読み出しに使用する配線を三次元的に配置することにより、アレイ内の配線のレイアウトの自由度が増し、また、TMR素子に与える磁界のばらつきを抑えることができる。
【0061】
さらに、Z軸方向に延びた書き込み配線については、その一端は、TMR素子のアレイの直下に配置される。つまり、その配線に接続されるトランジスタは、TMR素子のアレイの直下に配置されることになり、アレイの周辺部におけるトランジスタの密集を緩和することができる。
【0062】
[第3実施の形態]
本実施の形態は、上述の第1実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリの変形例である。
【0063】
上述の第1実施の形態では、TMR素子のアレイの1つの段内においては、1つのTMR素子に対して1本の書き込み配線が対応していたが、本実施の形態では、TMR素子のアレイの1つの段内においては、X方向に隣接する2つのTMR素子に対して1本の書き込み配線を対応させるようにしている。つまり、TMR素子のアレイの1つの段内においては、1本の書き込み配線は、2つのTMR素子に挟まれている。
【0064】
このような構成にすることで、Z軸方向に延びる書き込み配線の本数を、上述の第1実施の形態で必要な本数の半分に減らすことができ、その分だけ、TMR素子の高密度化を実現できる。
【0065】
図3は、本発明の第3実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ部のレイアウトの概要を示している。
【0066】
半導体基板上には、複数のTMR素子10が複数段(本例では、3段)に積み重ねられている。また、各段においては、TMR素子10は、X−Y平面内においてアレイを構成している。
【0067】
上部配線11は、読み出し配線として機能し、X方向に延びている。上部配線11は、例えば、TMR素子10の自由層に接触している。下部配線12は、読み出し配線及び書き込み配線として機能し、Y方向に延びている。下部配線12は、例えば、TMR素子10の固定層に接触している。また、例えば、上部配線11の一端には、選択トランジスタが接続され、下部配線12の一端には、センスアンプ(S/A)が接続される。
【0068】
書き込み配線13は、Z軸方向に延び、Z軸方向に積み重ねられている複数のTMR素子10の近傍に配置される。
【0069】
さらに、本実施の形態では、TMR素子10のアレイの1つの段内においては、X方向に隣接する2つのTMR素子に対して1本の書き込み配線13を対応させている。つまり、TMR素子のアレイの1つの段内においては、1本の書き込み配線13は、2つのTMR素子に挟まれている。
【0070】
このような構成にすることで、Z軸方向に延びる書き込み配線13の本数を減らすことができ、その分だけ、TMR素子の高密度化を実現できる。
【0071】
書き込み配線13の基板側の一端には、選択トランジスタ(例えば、MOSトランジスタ)14が接続される。この選択トランジスタ14は、TMR素子10のアレイの直下に配置される。
【0072】
TMR素子10に書き込むデータ(自由層の磁化の向き)は、下部配線12に流れるY軸方向に流れる電流により発生する磁界と書き込み配線13に流れるZ軸方向に流れる電流により発生する磁界との合成磁界により決定される。
【0073】
ここで、本実施の形態では、書き込み配線13に一方向に向かう電流を流す場合、図6に示すように、TMR素子10のアレイの1つの段内においては、書き込み配線13の左側に存在するTMR素子に与えられる磁界の向きa1と、その右側に存在するTMR素子に与えられる磁界の向きa2は、互いに逆となる。
【0074】
従って、同一の書き込み動作に対して、書き込み配線13の左右に存在する2つのTMR素子の磁化状態は、互いに異なるものとなる。
【0075】
つまり、この場合に、2つのTMR素子に記憶されたデータが同じであるとすると、書き込み配線13の左側のTMR素子に記憶されたデータを読み出す場合の“1”/“0”判定の条件と、書き込み配線13の右側のTMR素子に記憶されたデータを読み出す場合の“1”/“0”判定の条件とを、互いに逆にする必要がある。
【0076】
このようなデバイス構造によれば、データの書き込み/読み出しに使用する複数本の配線のうちの少なくとも1本(本例では、書き込み配線13)を、Z軸方向に延ばしている。つまり、Z軸方向に延びる配線については、コンタクトプロセスで形成できるため、TMR素子のアレイの1段当たりの多層配線プロセスの数を減らすことができる。
【0077】
これにより、TMR素子の積み重ね段数が増えても、下地膜の平坦度の向上、TMR素子の特性の向上を実現できる。
【0078】
また、データの書き込み/読み出しに使用する配線を三次元的に配置することにより、アレイ内の配線のレイアウトの自由度を増すことができる。また、例えば、書き込み専用の配線をZ軸方向に延ばすことにより、この書き込み専用の配線をTMR素子の近傍に配置することができ、TMR素子に与える磁界のばらつきを抑えることができる。
【0079】
さらに、Z軸方向に延びた書き込み配線については、その一端は、TMR素子のアレイの直下に存在することになる。従って、その配線に接続されるトランジスタを容易にアレイの直下に形成することができ、アレイの周辺部におけるトランジスタの密集を緩和することができる。
【0080】
また、本実施の形態では、TMR素子のアレイの1つの段内においては、X方向に隣接する2つのTMR素子に対して1本の書き込み配線を対応させている。つまり、TMR素子のアレイの1つの段内においては、1本の書き込み配線は、2つのTMR素子に挟まれている。このような構成にすることで、Z軸方向に延びる書き込み配線の本数を減らすことができ、その分だけ、TMR素子の高密度化を実現できる。
【0081】
なお、本実施の形態では、TMR素子のアレイ内に3種類の配線を配置し、各配線は、互いに直交し、かつ、互いに異なる方向に延びるようなデバイス構造としている。このようにすれば、各配線に接続されるトランジスタを基板上に分散配置できるからである。
【0082】
但し、本発明では、Z方向に延びる配線が少なくとも1本存在していれば足り、それ以外の配線が複数本存在する場合には、それらについては、同一方向に延びていても、又は、異なる方向に延びていても、どちらでも構わない。
【0083】
[第4実施の形態]
上述の第3実施の形態では、TMR素子のアレイ内に3種類の配線を配置した場合の磁気ランダムアクセスメモリを示した。本実施の形態では、書き込み/読み出し配線としての機能を有する2種類の配線のみをTMR素子のアレイ内に配置した磁気ランダムアクセスメモリについて説明する。
【0084】
図4は、本発明の第4実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ部のレイアウトの概要を示している。
【0085】
半導体基板上には、複数のTMR素子10が複数段(本例では、簡単のため、1段のみ示す)に積み重ねられている。また、各段においては、TMR素子10は、X−Y平面内においてアレイを構成している。
【0086】
TMR素子10上には、導電膜パターン11Aが形成される。書き込み配線及び読み出し配線(電流パス配線)として機能する配線13は、Z軸方向に延び、Z軸方向に積み重ねられている複数のTMR素子10の近傍に配置される。また、配線13は、Z軸方向に積み重ねられている複数のTMR素子10の導電パターン11Aに接続される。
【0087】
さらに、本実施の形態では、TMR素子10のアレイの1つの段内においては、X方向に隣接する2つのTMR素子に対して1本の書き込み配線13を対応させている。つまり、TMR素子のアレイの1つの段内においては、1本の書き込み配線13は、2つのTMR素子に挟まれている。
【0088】
このような構成にすることで、Z軸方向に延びる書き込み配線13の本数を減らすことができ、その分だけ、TMR素子の高密度化を実現できる。
【0089】
配線13の基板側の一端には、選択トランジスタ(例えば、MOSトランジスタ)14が接続される。この選択トランジスタ14は、TMR素子10のアレイの直下に配置される。
【0090】
下部配線12は、書き込み配線及び読み出し配線(電流パス配線)として機能し、Y方向に延びている。下部配線12は、例えば、TMR素子10の固定層に接触している。また、例えば、下部配線12の一端には、センスアンプ(S/A)が接続される。
【0091】
TMR素子10に書き込むデータ(自由層の磁化の向き)は、下部配線12に流れるY軸方向に流れる電流により発生する磁界と配線13に流れるZ軸方向に流れる電流により発生する磁界との合成磁界により決定される。
【0092】
このようなデバイス構造によれば、データの書き込み/読み出しに使用する複数本の配線のうちの少なくとも1本(本例では、配線13)を、Z軸方向に延ばしている。Z軸方向に延びる配線については、コンタクトプロセスで形成できるため、TMR素子のアレイの1段当たりの多層配線プロセスの数を減らすことができる。
【0093】
本実施の形態では、TMR素子のアレイの各段において、X方向又はY方向に延びる配線は、1本のみであるため、上述の第3実施の形態に比べて、さらに、下地膜の平坦度の向上、TMR素子の特性の向上を実現できる。
【0094】
また、データの書き込み/読み出しに使用する配線を三次元的に配置することにより、アレイ内の配線のレイアウトの自由度が増し、また、TMR素子に与える磁界のばらつきを抑えることができる。
【0095】
さらに、Z軸方向に延びた書き込み配線については、その一端は、TMR素子のアレイの直下に配置される。つまり、その配線に接続されるトランジスタは、TMR素子のアレイの直下に配置されることになり、アレイの周辺部におけるトランジスタの密集を緩和することができる。
【0096】
また、本実施の形態では、TMR素子のアレイの1つの段内においては、X方向に隣接する2つのTMR素子に対して1本の書き込み配線を対応させている。つまり、TMR素子のアレイの1つの段内においては、1本の書き込み配線は、2つのTMR素子に挟まれている。このような構成にすることで、Z軸方向に延びる書き込み配線の本数を減らすことができ、その分だけ、TMR素子の高密度化を実現できる。
【0097】
[第5実施の形態]
上述の第1乃至第4実施の形態では、書き込み専用の配線、又は、書き込み/読み出し配線として機能する配線を、Z軸方向に延ばした場合の例について説明した。しかし、本発明は、TMR素子のアレイ内に配置される複数種類の配線の少なくとも1つをZ軸方向に延ばす点に特徴を有するものである。
【0098】
そこで、本実施の形態では、読み出し専用の配線をZ軸方向に延ばした場合の例について説明する。
【0099】
図5は、本発明の第5実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ部のレイアウトの概要を示している。
【0100】
半導体基板上には、複数のTMR素子10が複数段(本例では、簡単のため、1段のみ示す)に積み重ねられている。また、各段においては、TMR素子10は、X−Y平面内においてアレイを構成している。
【0101】
TMR素子10上には、導電膜パターン11Aが形成される。読み出し専用配線(電流パス配線)11は、Z軸方向に延び、Z軸方向に積み重ねられている複数のTMR素子10の近傍に配置される。また、読み出し専用配線11は、Z軸方向に積み重ねられている複数のTMR素子10の導電膜パターン11Aに共通に接続される。
【0102】
さらに、本実施の形態では、TMR素子10のアレイの1つの段内においては、X方向に隣接する2つのTMR素子に対して1つの読み出し専用配線11を対応させている。つまり、TMR素子のアレイの1つの段内においては、1つの読み出し専用配線11は、2つのTMR素子に挟まれている。
【0103】
このような構成にすることで、Z軸方向に延びる読み出し専用配線11の本数を減らすことができ、その分だけ、TMR素子の高密度化を実現できる。
【0104】
読み出し専用配線11の基板側の一端には、選択トランジスタ(例えば、MOSトランジスタ)14が接続される。この選択トランジスタ14は、TMR素子10のアレイの直下に配置される。
【0105】
TMR素子10の上方には、TMR素子10に近接しているが、接触していない書き込み専用配線13が配置されている。書き込み専用配線13は、X方向に延びている。書き込み専用配線13の一端又は両端には、選択トランジスタが接続される。
【0106】
下部配線12は、読み出し配線及び書き込み配線として機能し、Y方向に延びている。下部配線12は、例えば、TMR素子10の固定層に接触している。また、下部配線12の一端には、センスアンプ(S/A)が接続される。
【0107】
TMR素子10に書き込むデータ(自由層の磁化の向き)は、下部配線12に流れるY軸方向に流れる電流により発生する磁界と書き込み配線13に流れるX軸方向に流れる電流により発生する磁界との合成磁界により決定される。
【0108】
このようなデバイス構造によれば、データの書き込み/読み出しに使用する複数本の配線のうちの少なくとも1本(本例では、読み出し専用配線11)を、Z軸方向に延ばしている。つまり、Z軸方向に延びる配線については、コンタクトプロセスで形成できるため、TMR素子のアレイの1段当たりの多層配線プロセスの数を減らすことができる。
【0109】
これにより、TMR素子の積み重ね段数が増えても、下地膜の平坦度の向上、TMR素子の特性の向上を実現できる。
【0110】
また、データの書き込み/読み出しに使用する配線を三次元的に配置することにより、アレイ内の配線のレイアウトの自由度を増すことができる。また、例えば、読み出し専用の配線をZ軸方向に延ばすことにより、X方向に延びる書き込み専用の配線をTMR素子の直上かつ近傍に配置することができ、TMR素子に与える磁界のばらつきを抑えることができる。
【0111】
さらに、Z軸方向に延びた読み出し専用配線については、その一端は、TMR素子のアレイの直下に存在することになる。従って、その配線に接続されるトランジスタを容易にアレイの直下に形成することができ、アレイの周辺部におけるトランジスタの密集を緩和することができる。
【0112】
また、本実施の形態では、TMR素子のアレイの1つの段内においては、X方向に隣接する2つのTMR素子に対して1つの読み出し専用配線を対応させている。つまり、TMR素子のアレイの1つの段内においては、1つの読み出し専用配線は、2つのTMR素子に挟まれている。このような構成にすることで、Z軸方向に延びる読み出し専用配線の本数を減らすことができ、その分だけ、TMR素子の高密度化を実現できる。
【0113】
[第6実施の形態]
上述の第1乃至第5実施の形態においては、Z軸方向に延びる配線は、コンタクトプロセスにより形成できることを説明した。しかし、TMR素子の積み重ね段数が非常に多くなると、コンタクトホールを1回のエッチング工程で形成することが難しくなる。
【0114】
そこで、本実施の形態では、Z軸方向に延びる配線を1度に形成するのではなく、複数回に分けて形成する技術を提案する。
【0115】
図7では、複数段に積み重ねられたTMR素子のアレイ構造に関して、1段ごとに、TMR素子及びX軸方向又はY軸方向に延びる配線を形成すると共に、Z軸方向に延びる配線も形成することを提案する。この場合、Z軸方向に延びる配線は、複数の部分1−1,1−2,1−3,1−4の集合から構成される。
【0116】
図8の例は、図7の技術を改良したものである。
【0117】
図7の例では、Z軸方向に延びる配線の各部分1−1,1−2,1−3,1−4にアライメントのずれが生じた場合に、断線や配線抵抗の増大などの問題が生じる。そこで、本例では、複数段に積み重ねられたTMR素子のアレイ構造に関して、1段ごとに、Z軸方向に延びる配線を形成すると共に、その上に、アライメントのずれを考慮して、中間層2−1,2−2,2−3を形成する。これにより、Z軸方向に延びる配線の各部分1−1,1−2,1−3,1−4にアライメントのずれが生じても、断線や配線抵抗の増大などの問題が生じない。
【0118】
[その他]
上述の第1乃至第5実施の形態において、TMR素子のアレイ内の配線に接続されるトランジスタは、MOSトランジスタが一般的であるが、バイポーラトランジスタやダイオードなどであってもよい。
【0119】
本発明は、TMR素子が複数段に積み重ねられたセルアレイ構造を有する磁気ランダムアクセスメモリであれば、如何なる構造のものにも適用可能である。
【0120】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の磁気ランダムアクセスメモリによれば、TMR素子のアレイ内に配置される複数種類の配線のうちの少なくとも1つを縦方向(TMR素子の積み重ね方向)に延ばしている。
【0121】
その結果、横方向に延びる配線の数を減らすことができ、下地膜の平坦度の悪化を防止し、TMR素子の特性の劣化を抑制できるようになる。また、アレイ内の配線のレイアウトの自由度が向上し、TMR素子に与える磁界のばらつきが小さくなる。さらに、アレイの直下にトランジスタを配置できるようになるため、アレイの周辺部におけるトランジスタの密集を緩和できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施の形態に関わるメモリのアレイ部を示す図。
【図2】本発明の第2実施の形態に関わるメモリのアレイ部を示す図。
【図3】本発明の第3実施の形態に関わるメモリのアレイ部を示す図。
【図4】本発明の第4実施の形態に関わるメモリのアレイ部を示す図。
【図5】本発明の第5実施の形態に関わるメモリのアレイ部を示す図。
【図6】図3の書き込み配線と2つのTMR素子の関係を示す図。
【図7】本発明の第6実施の形態に関わるZ軸方向に延びる配線を示す図。
【図8】本発明の第6実施の形態に関わるZ軸方向に延びる配線を示す図。
【図9】従来のメモリのアレイ部を示す図。
【図10】従来のメモリのアレイ部を示す図。
【図11】従来のメモリのアレイ部を示す図。
【図12】従来のメモリのアレイ部を示す図。
【図13】従来のメモリのアレイ部を示す図。
【符号の説明】
1−1,・・・1−4 :Z方向に延びる配線の部分、
2−1,・・・2−3 :中間層、
10 :TMR素子、
11 :上部配線、
11A :導電膜パターン、
12 :下部配線,
13 :書き込み配線、
14 :スイッチング素子、
15 :センスアンプ、
16 :TMR素子のアレイ、
17,18,19A,19B :TMR素子のアレイの端部のエリア。
Claims (2)
- 第1TMR素子を有する第1アレイユニットと、前記第1アレイユニット上に積み重ねられ、第2TMR素子を有する第2アレイユニットと、前記第1及び第2アレイユニットが積み重ねられる第1方向に延び、前記第1及び第2TMR素子に隣接する第1書き込み線と、前記第1書き込み線と前記第1TMR素子の一端とを接続する第1導電パターンと、前記第1書き込み線と前記第2TMR素子の一端とを接続する第2導電パターンと、前記第1TMR素子の他端に接続され、前記第1方向に交差する第2方向に延びる第2書き込み線と、前記第2TMR素子の他端に接続され、前記第2方向に延びる第3書き込み線とを具備し、前記第1書き込み線に流れる電流によって発生する磁界と前記第2書き込み線に流れる電流によって発生する磁界との合成磁界を用いて前記第1TMR素子に対してデータを書き込み、前記第1書き込み線に流れる電流によって発生する磁界と前記第3書き込み線に流れる電流によって発生する磁界との合成磁界を用いて前記第2TMR素子に対してデータを書き込み、前記第1、第2及び第3書き込み線は、それぞれ、読み出し線としても機能することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
- 第1及び第2TMR素子を有する第1アレイユニットと、前記第1アレイユニット上に積み重ねられ、第3及び第4TMR素子を有する第2アレイユニットと、前記第1及び第2アレイユニットが積み重ねられる第1方向に延びる第1書き込み線と、前記第1書き込み線と前記第1及び第2TMR素子の一端とを接続する第1導電パターンと、前記第1書き込み線と前記第3及び第4TMR素子の一端とを接続する第2導電パターンと、前記第1TMR素子の他端に接続され、前記第1方向に交差する第2方向に延びる第2書き込み線と、前記第2TMR素子の他端に接続され、前記第2方向に延びる第3書き込み線と、前記第3TMR素子の他端に接続され、前記第2方向に延びる第4書き込み線と、前記第4TMR素子の他端に接続され、前記第2方向に延びる第5書き込み線とを具備し、前記第1書き込み線は、前記第1、第2、第3及び第4TMR素子に共有され、前記第1書き込み線に流れる電流によって発生する磁界と前記第2書き込み線に流れる電流によって発生する磁界との合成磁界を用いて前記第1TMR素子に対してデータを書き込み、前記第1書き込み線に流れる電流によって発生する磁界と前記第3書き込み線に流れる電流によって発生する磁界との合成磁界を用いて前記第2TMR素子に対してデータを書き込み、前記第1書き込み線に流れる電流によって発生する磁界と前記第4書き込み線に流れる電流によって発生する磁界との合成磁界を用いて前記第3TMR素子に対してデータを書き込み、前記第1書き込み線に流れる電流によって発生する磁界と前記第5書き込み線に流れる電流によって発生する磁界との合成磁界を用いて前記第4TMR素子に対してデータを書き込み、前記第1、第2、第3、第4、第5書き込み線は、それぞれ、読み出し線としても機能することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
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