JP5472832B2 - Magnetic memory - Google Patents

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Description

本発明は、スピントランスファー方式の磁気メモリに関する。   The present invention relates to a spin transfer type magnetic memory.

近年、高速で大容量の不揮発性メモリの開発への要求がますます高まっている。例えば、携帯端末等の小型情報機器において、高速のワークメモリと大容量のストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリが実現されれば、消費電力やメモリ領域の無駄をなくすことができる。また、高速で大容量の不揮発メモリが実現されれば、電源ONの後瞬時に機器を起動できる「インスタント・オン」機能も可能になってくる。   In recent years, there has been an increasing demand for the development of high-speed and large-capacity nonvolatile memories. For example, in a small information device such as a portable terminal, if a non-volatile memory that can serve as both a high-speed work memory and a large-capacity storage memory is realized, power consumption and waste of a memory area can be eliminated. In addition, if a high-speed and large-capacity nonvolatile memory is realized, an “instant-on” function that can instantly start the device after the power is turned on becomes possible.

大容量・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリの1つが、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetic Random Access Memory)である。MRAMでは、磁気抵抗効果により抵抗値が変化する「磁気抵抗素子」が、メモリセルとして利用される。より詳細には、磁気抵抗素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、磁化方向が反転可能な磁気記録層(磁化自由層)と、それら磁化固定層と磁気記録層とに挟まれた非磁性層とから構成される。磁化固定層と磁気記録層の磁化方向が“反平行”である場合の抵抗値(R+ΔR)は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値(R)よりも大きくなる。MRAMのメモリセルは、このような抵抗値の変化を利用することによって、データを不揮発的に記憶する。   One promising nonvolatile memory from the viewpoint of large capacity and high-speed operation is a magnetic random access memory (MRAM). In the MRAM, a “magnetoresistance element” whose resistance value changes due to the magnetoresistance effect is used as a memory cell. More specifically, the magnetoresistive element is sandwiched between a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, a magnetic recording layer (magnetization free layer) whose magnetization direction can be reversed, and the magnetization fixed layer and the magnetic recording layer. It is comprised from a nonmagnetic layer. The resistance value (R + ΔR) when the magnetization directions of the magnetization fixed layer and the magnetic recording layer are “antiparallel” is larger than the resistance value (R) when they are “parallel” due to the magnetoresistance effect. The memory cell of the MRAM stores data in a nonvolatile manner by utilizing such a change in resistance value.

磁気抵抗素子としては、巨大磁気抵抗(GMR:Giant MagnetoResistance)効果を利用したGMR素子や、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunnel MagnetoResistance)効果を利用したMTJ(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)素子が知られている。MTJ素子の場合、磁化固定層と磁気記録層とに挟まれる非磁性層として、MgOやAl等の絶縁層(トンネルバリア層)が用いられる。一般に、MTJ素子のMR比(=ΔR/R)は、GMR素子のものよりも大きい。更に、MTJ素子の抵抗値は、GMR素子のものよりも高く、直列接続されるトランジスタのon抵抗と同等な値に調整可能である。これらのことは、データ読み出し信号の観点から好ましく、MTJ素子をMRAMのメモリセルとして用いることは好適である。As a magnetoresistive element, a GMR element using a giant magnetoresistive (GMR) effect and an MTJ (MTJ: magneto tunnel junction) element using a tunnel magnetoresistive (TMR) effect are known. . In the case of an MTJ element, an insulating layer (tunnel barrier layer) such as MgO or Al 2 O 3 is used as a nonmagnetic layer sandwiched between a magnetization fixed layer and a magnetic recording layer. In general, the MR ratio (= ΔR / R) of the MTJ element is larger than that of the GMR element. Furthermore, the resistance value of the MTJ element is higher than that of the GMR element, and can be adjusted to a value equivalent to the on resistance of the transistors connected in series. These are preferable from the viewpoint of the data read signal, and it is preferable to use the MTJ element as a memory cell of the MRAM.

データ書き込みは、磁気記録層の磁化方向を反転させることによって行われる。代表的なデータ書き込み方式は「電流磁界方式」である。電流磁界方式によれば、磁気抵抗素子の近傍に配置された書き込み配線に書き込み電流が流される。そして、その書き込み電流により発生する書き込み磁界が磁気記録層に印加され、それにより磁気記録層の磁化方向が反転させられる。この電流磁界方式によれば、磁気記録層の磁化方向の反転に必要な反転磁界は、磁気抵抗素子のサイズにほぼ反比例して、大きくなる。すなわち、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加してしまうという問題点がある。   Data writing is performed by reversing the magnetization direction of the magnetic recording layer. A typical data writing method is a “current magnetic field method”. According to the current magnetic field method, a write current is caused to flow through the write wiring arranged in the vicinity of the magnetoresistive element. Then, a write magnetic field generated by the write current is applied to the magnetic recording layer, thereby reversing the magnetization direction of the magnetic recording layer. According to this current magnetic field method, the reversal magnetic field required for reversal of the magnetization direction of the magnetic recording layer becomes large in inverse proportion to the size of the magnetoresistive element. That is, there is a problem that the write current increases as the memory cell is miniaturized.

微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、「スピントランスファー(spin
transfer)方式」が提案されている(例えば、非特許文献1を参照)。スピントランスファー方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流(spin−polarized current)が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化方向が反転する。このような磁化反転は、「スピン注入磁化反転(Spin Transfer Magnetization Switching)」とも呼ばれる。スピン注入磁化反転の概略を、図1を参照することによって説明する。
As a write method that can suppress an increase in write current due to miniaturization, “spin transfer (spin
"transfer" method has been proposed (see Non-Patent Document 1, for example). According to the spin transfer method, a spin-polarized current is injected into the ferromagnetic conductor, and the magnetization direction is reversed by a direct interaction between the spin of the conduction electron carrying the current and the magnetic moment of the conductor. To do. Such magnetization reversal is also referred to as “Spin Transfer Magnetization Switching”. An outline of spin injection magnetization reversal will be described with reference to FIG.

図1は、典型的なメモリセル100(2端子MTJ素子)の構成を示している。メモリセル100は、第1端子T101、第2端子T102、磁化固定層110、トンネルバリア層120、及び磁気記録層(磁化自由層)130を備えている。トンネルバリア層120は、磁化固定層110と磁気記録層130との間に挟まれており、それら磁化固定層110、トンネルバリア層120及び磁気記録層130によって磁気トンネル接合(MTJ)が形成されている。更に、第1端子T101が磁化固定層110に接続されており、第2端子T102が磁気記録層130に接続されている。言い換えれば、MTJの両端に第1端子T101と第2端子T102がそれぞれ接続されている。このように構成された2端子MTJ素子が、メモリセル100として用いられる。   FIG. 1 shows a configuration of a typical memory cell 100 (two-terminal MTJ element). The memory cell 100 includes a first terminal T101, a second terminal T102, a magnetization fixed layer 110, a tunnel barrier layer 120, and a magnetic recording layer (magnetization free layer) 130. The tunnel barrier layer 120 is sandwiched between the magnetization fixed layer 110 and the magnetic recording layer 130, and a magnetic tunnel junction (MTJ) is formed by the magnetization fixed layer 110, the tunnel barrier layer 120, and the magnetic recording layer 130. Yes. Further, the first terminal T101 is connected to the magnetization fixed layer 110, and the second terminal T102 is connected to the magnetic recording layer 130. In other words, the first terminal T101 and the second terminal T102 are connected to both ends of the MTJ. The two-terminal MTJ element configured as described above is used as the memory cell 100.

このメモリセル100において、磁化固定層110と磁気記録層130の磁化方向が“平行”である低抵抗状態はデータ“0”に対応付けられ、それらが“反平行”である高抵抗状態はデータ“1”に対応付けられる。データ読み出し時には、適度な大きさの読み出し電流が、MTJを貫通するように第1端子T101と第2端子T102との間に流される。その読み出し電流に基づいて、抵抗値の大小、すなわち、記録データが“1”か“0”かを判定することができる。   In this memory cell 100, a low resistance state in which the magnetization directions of the magnetization fixed layer 110 and the magnetic recording layer 130 are “parallel” is associated with data “0”, and a high resistance state in which they are “antiparallel” is data. Corresponds to “1”. At the time of data reading, a moderately large read current is passed between the first terminal T101 and the second terminal T102 so as to penetrate the MTJ. Based on the read current, it is possible to determine the magnitude of the resistance value, that is, whether the recording data is “1” or “0”.

データ書き込み時には、書き込み電流が、MTJを貫通するように第1端子T101と第2端子T102との間に流される。具体的には、データ“1”からデータ“0”への遷移時、書き込み電流は、第2端子T102から第1端子T101へと流される。この場合、スピンフィルターとしての磁化固定層110と同じスピン状態を有する電子が、磁化固定層110からトンネルバリア層120を通して磁気記録層130に移動する。スピントランスファー効果により、磁気記録層130の磁化方向が反転し、磁化固定層110の磁化方向と“平行”になる。一方、データ“0”からデータ“1”への遷移時、書き込み電流は、第1端子T101から第2端子T102へと流される。この場合、スピンフィルターとしての磁化固定層110と同じスピン状態を有する電子が、磁気記録層130からトンネルバリア層120を通して磁化固定層110に移動する。スピントランスファー効果により、磁気記録層130の磁化方向が反転し、磁化固定層110の磁化方向と“反平行”になる。   At the time of data writing, a write current is passed between the first terminal T101 and the second terminal T102 so as to penetrate the MTJ. Specifically, at the time of transition from data “1” to data “0”, the write current flows from the second terminal T102 to the first terminal T101. In this case, electrons having the same spin state as the magnetization fixed layer 110 serving as a spin filter move from the magnetization fixed layer 110 to the magnetic recording layer 130 through the tunnel barrier layer 120. Due to the spin transfer effect, the magnetization direction of the magnetic recording layer 130 is reversed and becomes “parallel” to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 110. On the other hand, at the time of transition from data “0” to data “1”, the write current flows from the first terminal T101 to the second terminal T102. In this case, electrons having the same spin state as the magnetization fixed layer 110 as a spin filter move from the magnetic recording layer 130 to the magnetization fixed layer 110 through the tunnel barrier layer 120. Due to the spin transfer effect, the magnetization direction of the magnetic recording layer 130 is reversed and becomes “antiparallel” to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 110.

このように、スピントランスファー方式では、スピン電子の移動によりデータ書き込みが行われる。膜面に垂直に注入される書き込み電流(スピン偏極電流)の方向に応じて、磁気記録層130の磁化方向を規定することが可能である。ここで、スピン注入磁化反転の閾値は、スピン偏極電流の電流密度に依存することが知られている。従って、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、スピン注入磁化反転に必要な書き込み電流が減少する。メモリセルの微細化に伴って書き込み電流が減少するため、スピントランスファー方式は、MRAMの大容量化の実現にとって重要である。   Thus, in the spin transfer method, data writing is performed by the movement of spin electrons. The magnetization direction of the magnetic recording layer 130 can be defined according to the direction of the write current (spin polarization current) injected perpendicular to the film surface. Here, it is known that the threshold value of the spin injection magnetization reversal depends on the current density of the spin-polarized current. Therefore, as the memory cell size is reduced, the write current required for spin injection magnetization reversal decreases. Since the write current decreases with the miniaturization of the memory cell, the spin transfer method is important for realizing a large capacity of the MRAM.

但し、図1で示された構成の場合、読み出し電流経路と書き込み電流経路が同じである。すなわち、読み出し電流だけでなく大きな書き込み電流も、MTJを貫通するように流れる。このことは、次のような問題点を引き起こす。   However, in the case of the configuration shown in FIG. 1, the read current path and the write current path are the same. That is, not only the read current but also a large write current flows through the MTJ. This causes the following problems.

まず、データ書き込み時、書き込み電流を流すための高電圧がトンネルバリア層120に印加される。そのような高電圧の印加は、絶縁層であるトンネルバリア層120における絶縁破壊の原因となる。絶縁破壊が発生したメモリセル100は、もはや正常に機能せず、不良セルとなる。これは、メモリの信頼性を低下させる。   First, at the time of data writing, a high voltage for flowing a write current is applied to the tunnel barrier layer 120. The application of such a high voltage causes dielectric breakdown in the tunnel barrier layer 120 that is an insulating layer. The memory cell 100 in which the dielectric breakdown has occurred no longer functions normally and becomes a defective cell. This reduces the reliability of the memory.

トンネルバリア層120に印加される電圧を低減するために、トンネルバリア層120の抵抗値を下げることが考えられる。しかしながら、トンネルバリア層120の抵抗値が小さくなると、MTJに直列接続されるトランジスタのon抵抗とのバランスが崩れてしまい、それはデータ読み出し信号量の低下を招く。また、抵抗値を下げるためにトンネルバリア層120の膜厚が小さくされた場合、ピンホール等の欠陥が増加し、絶縁破壊がより発生しやすくなる。これらのことは、結局、メモリの信頼性を低下させる。   In order to reduce the voltage applied to the tunnel barrier layer 120, it is conceivable to lower the resistance value of the tunnel barrier layer 120. However, when the resistance value of the tunnel barrier layer 120 becomes small, the balance with the on-resistance of the transistors connected in series to the MTJ is lost, which causes a reduction in the amount of data read signals. Further, when the thickness of the tunnel barrier layer 120 is reduced in order to reduce the resistance value, defects such as pinholes increase, and dielectric breakdown is more likely to occur. These things ultimately reduce the reliability of the memory.

更に、非特許文献2及び非特許文献3によれば、スピン注入磁化反転を実現しながら書き込み電流のパルス幅を低減するためには、書き込み電流量を増加させる必要がある。すなわち、書き込み速度を上げて高速動作を実現するためには、書き込み電流を更に増やす必要がある。この場合、絶縁破壊が発生しやすくなり、メモリの信頼性が低下する。   Further, according to Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3, in order to reduce the pulse width of the write current while realizing the spin injection magnetization reversal, it is necessary to increase the write current amount. That is, it is necessary to further increase the write current in order to increase the write speed and realize a high-speed operation. In this case, dielectric breakdown tends to occur, and the reliability of the memory decreases.

以上に説明されたように、書き込み電流がMTJを貫通する場合、トンネルバリア層120において絶縁破壊が発生しやすくなり、それはメモリ信頼性の低下を招く。   As described above, when the write current passes through the MTJ, the dielectric breakdown is likely to occur in the tunnel barrier layer 120, which causes a decrease in memory reliability.

関連技術として、特許文献1(特開2005−50907号公報)は、スピントランスファー方式に基づく磁気抵抗素子を開示している。その磁気抵抗素子は、第1磁化固着層と、第2磁化固着層と、第1磁化固着層と第2磁化固着層との間に設けられた磁気記録層と、第1磁化固着層と磁気記録層との間に設けられたトンネルバリア層と、磁気記録層と第2磁化固着層との間に設けられる中間層と、を備える。第1磁化固着層と第2磁化固着層の磁化方向は、逆方向である。この磁気抵抗素子では、第1磁化固着層と第2磁化固着層の両方から磁気記録層に対してスピントランスファーが発生する。これにより、書き込み電流が低減されている。但し、読み出し電流経路と書き込み電流経路は同一であり、書き込み電流がトンネルバリア層を貫通することに変わりはない。   As a related technique, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-50907) discloses a magnetoresistive element based on a spin transfer method. The magnetoresistive element includes a first magnetization fixed layer, a second magnetization fixed layer, a magnetic recording layer provided between the first magnetization fixed layer and the second magnetization fixed layer, a first magnetization fixed layer, and a magnetic A tunnel barrier layer provided between the recording layer and an intermediate layer provided between the magnetic recording layer and the second magnetization pinned layer. The magnetization directions of the first magnetization pinned layer and the second magnetization pinned layer are opposite to each other. In this magnetoresistive element, spin transfer occurs from both the first magnetization fixed layer and the second magnetization fixed layer to the magnetic recording layer. Thereby, the write current is reduced. However, the read current path and the write current path are the same, and the write current does not change through the tunnel barrier layer.

特開2005−50907号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-50907

J. C. Slonczewski, "Current-drivenexcitation of magnetic multilayers", Journal of Magnetism and MagneticMaterials, 159, 1996, L1-L7.J. C. Slonczewski, "Current-drivenexcitation of magnetic multilayers", Journal of Magnetism and MagneticMaterials, 159, 1996, L1-L7. R. H. Koch et al., "Time-ResolvedReversal of Spin-Transfer Switching in a Nanomagnet", Physical Review Letters,92, 2004, 088302.R. H. Koch et al., "Time-ResolvedReversal of Spin-Transfer Switching in a Nanomagnet", Physical Review Letters, 92, 2004, 088302. R. Heindl et al., "Size dependence ofintrinsic spin transfer switching current density in elliptical spinvalues", Applied Physics Letters, 92, 2008, 262504.R. Heindl et al., "Size dependence of intrinsic spin transfer switching current density in elliptical spinvalues", Applied Physics Letters, 92, 2008, 262504.

以上に説明されたように、図1で示されたスピントランスファー方式の場合、読み出し電流経路と書き込み電流経路は同一であり、書き込み電流がトンネルバリア層(MTJ)を貫通する。この場合、トンネルバリア層において絶縁破壊が発生しやすくなり、それは信頼性の低下を招く。   As described above, in the case of the spin transfer method shown in FIG. 1, the read current path and the write current path are the same, and the write current passes through the tunnel barrier layer (MTJ). In this case, dielectric breakdown is likely to occur in the tunnel barrier layer, which causes a decrease in reliability.

本発明の1つの目的は、トンネルバリア層における絶縁破壊を防止することができるスピントランスファー方式の磁気メモリを提供することにある。   One object of the present invention is to provide a spin transfer type magnetic memory capable of preventing dielectric breakdown in a tunnel barrier layer.

本発明の1つの観点において、複数のメモリセルを備えるスピントランスファー方式の磁気メモリが提供される。複数のメモリセルの各々は、磁化方向が反転可能な強磁性層を含む磁気記録層と、磁化方向が固定された強磁性層を含むセンス層と、磁気記録層とセンス層との間に挟まれたトンネルバリア層と、磁化方向が固定された強磁性層を含む第1スピン供給層と、磁気記録層と第1スピン供給層との間に挟まれた第1非磁性層と、第1端子と、第2端子と、第3端子と、を備えている。第1端子は、センス層及びトンネルバリア層を介して、磁気記録層に接続されている。第2端子は、第1スピン供給層及び第1非磁性層を介して、磁気記録層に接続されている。第3端子は、センス層、トンネルバリア層、第1スピン供給層及び第1非磁性層を介することなく、磁気記録層に接続されている。   In one aspect of the present invention, a spin transfer type magnetic memory including a plurality of memory cells is provided. Each of the plurality of memory cells is sandwiched between a magnetic recording layer including a ferromagnetic layer whose magnetization direction can be reversed, a sense layer including a ferromagnetic layer having a fixed magnetization direction, and the magnetic recording layer and the sense layer. A tunnel barrier layer, a first spin supply layer including a ferromagnetic layer with a fixed magnetization direction, a first nonmagnetic layer sandwiched between the magnetic recording layer and the first spin supply layer, A terminal, a second terminal, and a third terminal. The first terminal is connected to the magnetic recording layer via the sense layer and the tunnel barrier layer. The second terminal is connected to the magnetic recording layer via the first spin supply layer and the first nonmagnetic layer. The third terminal is connected to the magnetic recording layer without passing through the sense layer, tunnel barrier layer, first spin supply layer, and first nonmagnetic layer.

本発明の他の観点において、半導体集積回路が提供される。その半導体集積回路は、複数の第1メモリセルを備えるスピントランスファー方式の第1磁気メモリと、複数の第2メモリセルを備えるスピントランスファー方式の第2磁気メモリと、を具備する。   In another aspect of the present invention, a semiconductor integrated circuit is provided. The semiconductor integrated circuit includes a spin transfer type first magnetic memory including a plurality of first memory cells and a spin transfer type second magnetic memory including a plurality of second memory cells.

複数の第1メモリセルの各々は、磁化方向が反転可能な強磁性層を含む第1磁気記録層と、磁化方向が固定された強磁性層を含む第1センス層と、第1磁気記録層と第1センス層との間に挟まれた第1トンネルバリア層と、磁化方向が固定された強磁性層を含む第1スピン供給層と、第1磁気記録層と第1スピン供給層との間に挟まれた第1非磁性層と、第1端子と、第2端子と、第3端子と、を備えている。第1端子は、第1センス層及び第1トンネルバリア層を介して、第1磁気記録層に接続されている。第2端子は、第1スピン供給層及び第1非磁性層を介して、第1磁気記録層に接続されている。第3端子は、第1センス層、第1トンネルバリア層、第1スピン供給層及び第1非磁性層を介することなく、第1磁気記録層に接続されている。   Each of the plurality of first memory cells includes a first magnetic recording layer including a ferromagnetic layer whose magnetization direction can be reversed, a first sense layer including a ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed, and a first magnetic recording layer A first tunnel barrier layer sandwiched between the first and second sense layers, a first spin supply layer including a ferromagnetic layer having a fixed magnetization direction, a first magnetic recording layer, and a first spin supply layer A first nonmagnetic layer, a first terminal, a second terminal, and a third terminal sandwiched therebetween are provided. The first terminal is connected to the first magnetic recording layer via the first sense layer and the first tunnel barrier layer. The second terminal is connected to the first magnetic recording layer via the first spin supply layer and the first nonmagnetic layer. The third terminal is connected to the first magnetic recording layer without passing through the first sense layer, the first tunnel barrier layer, the first spin supply layer, and the first nonmagnetic layer.

複数の第2メモリセルの各々は、磁化方向が反転可能な強磁性層を含む第2磁気記録層と、磁化方向が固定された強磁性層を含む第2センス層と、第2磁気記録層と第2センス層との間に挟まれた第2トンネルバリア層と、第2センス層に接続された第4端子と、第2磁気記録層に接続された第5端子と、を備えている。   Each of the plurality of second memory cells includes a second magnetic recording layer including a ferromagnetic layer whose magnetization direction can be reversed, a second sense layer including a ferromagnetic layer having a fixed magnetization direction, and a second magnetic recording layer And a second tunnel barrier layer sandwiched between the second sense layer, a fourth terminal connected to the second sense layer, and a fifth terminal connected to the second magnetic recording layer. .

本発明に係るスピントランスファー方式の磁気メモリによれば、トンネルバリア層における絶縁破壊を防止することが可能となる。その結果、メモリの信頼性が向上する。   The spin transfer magnetic memory according to the present invention can prevent dielectric breakdown in the tunnel barrier layer. As a result, the reliability of the memory is improved.

上記及び他の目的、長所、特徴は、次の図面と共に説明される本発明の実施の形態により明らかになるであろう。   The above and other objects, advantages, and features will become apparent from the embodiments of the present invention described in conjunction with the following drawings.

図1は、典型的なMRAMのメモリセルの構成を概略的に示している。FIG. 1 schematically shows the configuration of a typical MRAM memory cell. 図2は、本発明の実施の形態に係るMRAMの構成を概略的に示している。FIG. 2 schematically shows a configuration of the MRAM according to the embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施の形態に係るMRAMのメモリセルの構成を概略的に示している。FIG. 3 schematically shows the configuration of the memory cell of the MRAM according to the embodiment of the present invention. 図4は、図3で示されたメモリセルにおける読み出し電流の経路を示している。FIG. 4 shows a path of a read current in the memory cell shown in FIG. 図5は、図3で示されたメモリセルにおける書き込み電流の経路を示している。FIG. 5 shows a path of a write current in the memory cell shown in FIG. 図6は、第1の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell according to the first embodiment. 図7は、第1の実施の形態におけるセルレイアウトを示す平面図である。FIG. 7 is a plan view showing a cell layout in the first embodiment. 図8は、第1の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of the memory cell according to the first embodiment. 図9は、第2の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell according to the second embodiment. 図10は、第2の実施の形態におけるセルレイアウトを示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing a cell layout in the second embodiment. 図11は、第2の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す回路図である。FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of a memory cell according to the second embodiment. 図12は、第3の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell according to the third embodiment. 図13は、第4の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell according to the fourth embodiment. 図14は、第5の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell according to the fifth embodiment. 図15は、第6の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell according to the sixth embodiment. 図16は、第7の実施の形態に係る半導体チップの構成を概略的に示している。FIG. 16 schematically shows a configuration of a semiconductor chip according to the seventh embodiment. 図17は、第7の実施の形態に係るメモリセルの構成を示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell according to the seventh embodiment.

添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

本発明の実施の形態において、スピントランスファー方式の磁気メモリが提供される。以下、スピントランスファー方式のMRAMを例に挙げて説明する。図2は、本実施の形態に係るMRAMの構成を概略的に示している。図2に示されるように、MRAMは、アレイ状に配置された複数のメモリセル1を備えている。   In an embodiment of the present invention, a spin transfer magnetic memory is provided. Hereinafter, a spin transfer type MRAM will be described as an example. FIG. 2 schematically shows the configuration of the MRAM according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the MRAM includes a plurality of memory cells 1 arranged in an array.

図3は、本実施の形態に係るメモリセル1(3端子MTJ素子)の構成を示している。メモリセル1は、第1端子T1、第2端子T2、第3端子T3、センス層(第1磁化固定層)10、トンネルバリア層20、磁気記録層(磁化自由層)30、非磁性層40、及びスピン供給層(第2磁化固定層)50を備えている。   FIG. 3 shows a configuration of the memory cell 1 (three-terminal MTJ element) according to the present embodiment. The memory cell 1 includes a first terminal T1, a second terminal T2, a third terminal T3, a sense layer (first magnetization fixed layer) 10, a tunnel barrier layer 20, a magnetic recording layer (magnetization free layer) 30, and a nonmagnetic layer 40. , And a spin supply layer (second magnetization fixed layer) 50.

センス層(第1磁化固定層)10は、磁化方向が固定された強磁性層を含んでいる。センス層10は、非磁性層を介して複数の強磁性層が積層された積層フェリ構造を有していてもよい。その場合も、複数の強磁性層の各々の磁化方向は固定されている。このセンス層10に含まれる強磁性層のうち1つはトンネルバリア層20と接触している。以下の説明において、センス層10の磁化方向とは、トンネルバリア層20と接触する強磁性層の磁化方向を意味する。   The sense layer (first magnetization fixed layer) 10 includes a ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed. The sense layer 10 may have a laminated ferrimagnetic structure in which a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer. Also in that case, the magnetization directions of the plurality of ferromagnetic layers are fixed. One of the ferromagnetic layers included in the sense layer 10 is in contact with the tunnel barrier layer 20. In the following description, the magnetization direction of the sense layer 10 means the magnetization direction of the ferromagnetic layer in contact with the tunnel barrier layer 20.

トンネルバリア層20は、センス層10と磁気記録層30との間に挟まれた絶縁層である。トンネルバリア層20は、例えばMgOやAl等の絶縁材料で形成される。The tunnel barrier layer 20 is an insulating layer sandwiched between the sense layer 10 and the magnetic recording layer 30. The tunnel barrier layer 20 is formed of an insulating material such as MgO or Al 2 O 3 .

非磁性層40は、スピン供給層50と磁気記録層30との間に挟まれている。非磁性層40は、例えばRuやCu等の非磁性導電材料で形成される。   The nonmagnetic layer 40 is sandwiched between the spin supply layer 50 and the magnetic recording layer 30. The nonmagnetic layer 40 is formed of a nonmagnetic conductive material such as Ru or Cu, for example.

スピン供給層(第2磁化固定層)50は、磁化方向が固定された強磁性層を含んでいる。スピン供給層50は、非磁性層を介して複数の強磁性層が積層された積層フェリ構造を有していてもよい。その場合も、複数の強磁性層の各々の磁化方向は固定されている。このスピン供給層50に含まれる強磁性層のうち1つは非磁性層40と接触している。以下の説明において、スピン供給層50の磁化方向とは、非磁性層40と接触する強磁性層の磁化方向を意味する。スピン供給層50はセンス層10と物理的に離れている。また、スピン供給層50の磁化方向は、センス層10の磁化方向と平行あるいは反平行である。   The spin supply layer (second magnetization fixed layer) 50 includes a ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed. The spin supply layer 50 may have a laminated ferrimagnetic structure in which a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer. Also in that case, the magnetization directions of the plurality of ferromagnetic layers are fixed. One of the ferromagnetic layers included in the spin supply layer 50 is in contact with the nonmagnetic layer 40. In the following description, the magnetization direction of the spin supply layer 50 means the magnetization direction of the ferromagnetic layer in contact with the nonmagnetic layer 40. The spin supply layer 50 is physically separated from the sense layer 10. The magnetization direction of the spin supply layer 50 is parallel or antiparallel to the magnetization direction of the sense layer 10.

磁気記録層(磁化自由層)30は、磁化方向が反転可能な強磁性層を含んでいる。磁気記録層30の磁化方向は、センス層10の磁化方向と“平行”あるいは“反平行”となることが許される。また、磁気記録層30の磁化方向は、スピン供給層50の磁化方向と“平行”あるいは“反平行”となることが許される。   The magnetic recording layer (magnetization free layer) 30 includes a ferromagnetic layer whose magnetization direction can be reversed. The magnetization direction of the magnetic recording layer 30 is allowed to be “parallel” or “antiparallel” with the magnetization direction of the sense layer 10. In addition, the magnetization direction of the magnetic recording layer 30 is allowed to be “parallel” or “anti-parallel” with the magnetization direction of the spin supply layer 50.

磁気記録層30は、トンネルバリア層20を介してセンス層10に接続されている。すなわち、センス層10、トンネルバリア層20及び磁気記録層30によって、MTJが形成されている。このMTJを含む部分は、以下「MTJ部SR」と参照される。MTJ部SRは、少なくともセンス層10、トンネルバリア層20及び磁気記録層30を含んでいる。MTJ部SRは、非磁性層40及びスピン供給層50を含んでいてもよい。後に説明されるように、MTJ部SRには、データ読み出し時に読み出し電流Irが流れる。逆に、読み出し電流Irが流れる部分をMTJ部SRと定義することもできる。   The magnetic recording layer 30 is connected to the sense layer 10 through the tunnel barrier layer 20. That is, the MTJ is formed by the sense layer 10, the tunnel barrier layer 20, and the magnetic recording layer 30. The portion including the MTJ is hereinafter referred to as “MTJ portion SR”. The MTJ portion SR includes at least the sense layer 10, the tunnel barrier layer 20, and the magnetic recording layer 30. The MTJ portion SR may include a nonmagnetic layer 40 and a spin supply layer 50. As will be described later, a read current Ir flows in the MTJ portion SR when reading data. Conversely, the portion through which the read current Ir flows can also be defined as the MTJ portion SR.

また、磁気記録層30は、非磁性層40を介してスピン供給層50に接続されている。これら磁気記録層30、非磁性層40及びスピン供給層50は、「スピントランスファー部SW」を形成している。スピントランスファー部SWは、磁気記録層30、非磁性層40及びスピン供給層50を含むが、センス層10とトンネルバリア層20は含まないことに留意されたい。後に説明されるように、スピントランスファー部SWには、データ書き込み時に書き込み電流Iwが流れる。逆に、書き込み電流Iwが流れる部分をスピントランスファー部SWと定義することもできる。   The magnetic recording layer 30 is connected to the spin supply layer 50 through the nonmagnetic layer 40. The magnetic recording layer 30, the nonmagnetic layer 40, and the spin supply layer 50 form a “spin transfer portion SW”. It should be noted that the spin transfer unit SW includes the magnetic recording layer 30, the nonmagnetic layer 40, and the spin supply layer 50, but does not include the sense layer 10 and the tunnel barrier layer 20. As will be described later, a write current Iw flows through the spin transfer unit SW during data writing. Conversely, the portion through which the write current Iw flows can also be defined as the spin transfer unit SW.

第1端子T1は、MTJ部SRの一端に接続されている。より詳細には、図3に示されるように、第1端子T1は、MTJ部SRのセンス層10に接続されている。つまり、第1端子T1は、センス層10及びトンネルバリア層20を介して、磁気記録層30に接続されている。   The first terminal T1 is connected to one end of the MTJ portion SR. More specifically, as shown in FIG. 3, the first terminal T1 is connected to the sense layer 10 of the MTJ portion SR. That is, the first terminal T1 is connected to the magnetic recording layer 30 via the sense layer 10 and the tunnel barrier layer 20.

第2端子T2は、スピントランスファー部SWの一端に接続されている。より詳細には、図3に示されるように、第2端子T2は、スピントランスファー部SWのスピン供給層50に接続されている。つまり、第2端子T2は、スピン供給層50及び非磁性層40を介して、磁気記録層30に接続されている。   The second terminal T2 is connected to one end of the spin transfer unit SW. More specifically, as shown in FIG. 3, the second terminal T2 is connected to the spin supply layer 50 of the spin transfer unit SW. That is, the second terminal T2 is connected to the magnetic recording layer 30 through the spin supply layer 50 and the nonmagnetic layer 40.

第3端子T3は、スピントランスファー部SWの他端に接続されている。より詳細には、図3に示されるように、第3端子T3は、磁気記録層30に接続されている。ここで、第3端子T3は、上述のセンス層10、トンネルバリア層20、非磁性層40及びスピン供給層50を介することなく、磁気記録層30に接続されていることに留意されたい。このことは、第2端子T2と第3端子T3を用いることによって、スピントランスファー部SWを貫通するがトンネルバリア層20を貫通しない電流を流すことができることを意味する。   The third terminal T3 is connected to the other end of the spin transfer unit SW. More specifically, as shown in FIG. 3, the third terminal T <b> 3 is connected to the magnetic recording layer 30. Here, it should be noted that the third terminal T3 is connected to the magnetic recording layer 30 without the sense layer 10, the tunnel barrier layer 20, the nonmagnetic layer 40, and the spin supply layer 50 described above. This means that by using the second terminal T2 and the third terminal T3, a current that passes through the spin transfer unit SW but does not pass through the tunnel barrier layer 20 can flow.

図4は、データ読み出し時の読み出し電流Irの経路PRを示している。読み出し電流Irは、第1端子T1と第2端子T2の間、あるいは、第1端子T1と第3端子T3との間に流される。いずれの場合であっても、読み出し電流Irは、トンネルバリア層20を通してセンス層10(第1磁化固定層)と磁気記録層30との間を流れる。センス層10と磁気記録層30の磁化方向が“平行”である場合、MTJ部SRの抵抗値は比較的低く、その低抵抗状態はデータ“0”に対応付けられる。一方、センス層10と磁気記録層30の磁化方向が“反平行”である場合、MTJ部SRの抵抗値は比較的高く、その高抵抗状態はデータ“1”に対応付けられる。図4に示される読み出し電流Irに基づいて、その抵抗値の大小、すなわち、記録データが“1”か“0”かを判定することができる。   FIG. 4 shows the path PR of the read current Ir at the time of data reading. The read current Ir flows between the first terminal T1 and the second terminal T2 or between the first terminal T1 and the third terminal T3. In any case, the read current Ir flows between the sense layer 10 (first magnetization fixed layer) and the magnetic recording layer 30 through the tunnel barrier layer 20. When the magnetization directions of the sense layer 10 and the magnetic recording layer 30 are “parallel”, the resistance value of the MTJ portion SR is relatively low, and the low resistance state is associated with data “0”. On the other hand, when the magnetization directions of the sense layer 10 and the magnetic recording layer 30 are “antiparallel”, the resistance value of the MTJ portion SR is relatively high, and the high resistance state is associated with data “1”. Based on the read current Ir shown in FIG. 4, the magnitude of the resistance value, that is, whether the recording data is “1” or “0” can be determined.

図5は、データ書き込み時の書き込み電流Iwの経路PWを示している。書き込み電流Iwは、第2端子T2と第3端子T3の間に流される。つまり、書き込み電流Iwは、非磁性層40を通してスピン供給層50と磁気記録層30との間を流れる。このとき、磁化方向が固定されたスピン供給層50はスピンフィルターとしての役割を果たし、スピン供給層50と磁気記録層30との間でスピントランスファーが発生する。   FIG. 5 shows a path PW of the write current Iw at the time of data writing. The write current Iw is passed between the second terminal T2 and the third terminal T3. That is, the write current Iw flows between the spin supply layer 50 and the magnetic recording layer 30 through the nonmagnetic layer 40. At this time, the spin supply layer 50 whose magnetization direction is fixed serves as a spin filter, and spin transfer occurs between the spin supply layer 50 and the magnetic recording layer 30.

例えば図5に示されるように、センス層10とスピン供給層50の磁化方向が逆向きの場合を考える。データ“0”の状態では、磁気記録層30の磁化方向は、センス層10の磁化方向と“平行”であり、スピン供給層50の磁化方向と“反平行”である。一方、データ“1”の状態では、磁気記録層30の磁化方向は、センス層10の磁化方向と“反平行”であり、スピン供給層50の磁化方向と“平行”である。データ“0”からデータ“1”への遷移時、書き込み電流Iwは、第3端子T3から第2端子T2へと流される。この場合、スピン供給層50と同じスピン状態を有する電子が、スピン供給層50から非磁性層40を通して磁気記録層30に移動する。スピントランスファー効果により、磁気記録層30の磁化方向が反転し、スピン供給層50の磁化方向と“平行”になる。一方、データ“1”からデータ“0”への遷移時、書き込み電流は、第2端子T2から第3端子T3へと流される。この場合、スピン供給層50と同じスピン状態を有する電子が、磁気記録層30から非磁性層40を通してスピン供給層50に移動する。スピントランスファー効果により、磁気記録層30の磁化方向が反転し、スピン供給層50の磁化方向と“反平行”になる。このように、書き込み電流Iwの方向に応じて、磁気記録層30の磁化方向を規定することが可能である。   For example, as shown in FIG. 5, consider a case where the magnetization directions of the sense layer 10 and the spin supply layer 50 are opposite to each other. In the data “0” state, the magnetization direction of the magnetic recording layer 30 is “parallel” to the magnetization direction of the sense layer 10 and “anti-parallel” to the magnetization direction of the spin supply layer 50. On the other hand, in the data “1” state, the magnetization direction of the magnetic recording layer 30 is “antiparallel” to the magnetization direction of the sense layer 10 and “parallel” to the magnetization direction of the spin supply layer 50. At the time of transition from data “0” to data “1”, the write current Iw flows from the third terminal T3 to the second terminal T2. In this case, electrons having the same spin state as the spin supply layer 50 move from the spin supply layer 50 to the magnetic recording layer 30 through the nonmagnetic layer 40. Due to the spin transfer effect, the magnetization direction of the magnetic recording layer 30 is reversed and becomes “parallel” to the magnetization direction of the spin supply layer 50. On the other hand, at the time of transition from data “1” to data “0”, the write current flows from the second terminal T2 to the third terminal T3. In this case, electrons having the same spin state as the spin supply layer 50 move from the magnetic recording layer 30 to the spin supply layer 50 through the nonmagnetic layer 40. Due to the spin transfer effect, the magnetization direction of the magnetic recording layer 30 is reversed and becomes “antiparallel” to the magnetization direction of the spin supply layer 50. Thus, the magnetization direction of the magnetic recording layer 30 can be defined according to the direction of the write current Iw.

以上に説明されたように、本実施の形態によれば、スピントランスファー方式によりデータ書き込みが行われる。スピントランスファー方式の場合、メモリセルの微細化に伴って、書き込み電流Iwをより小さくすることが可能である。このことは、MRAMの大容量化及び低消費電力の観点から好適である。   As described above, according to the present embodiment, data is written by the spin transfer method. In the case of the spin transfer method, the write current Iw can be further reduced as the memory cell is miniaturized. This is preferable from the viewpoint of increasing the capacity of the MRAM and reducing the power consumption.

また、本実施の形態では、図5から明らかなように、書き込み電流Iwがトンネルバリア層20を貫通しない。第2端子T2と第3端子T3との間の書き込み電流経路PW(スピントランスファー部SW)は、磁気記録層30、非磁性層40及びスピン供給層50を含んでいるが、センス層10とトンネルバリア層20を含んでいない。従って、第2端子T2と第3端子T3を用いることによって、スピントランスファー部SWを貫通するがトンネルバリア層20を貫通しない書き込み電流Iwを流すことができるのである。大きな書き込み電流Iwがトンネルバリア層20を貫通しないため、トンネルバリア層20の劣化や絶縁破壊が防止される。その結果、MRAMの信頼性が向上する。   In the present embodiment, as is clear from FIG. 5, the write current Iw does not penetrate the tunnel barrier layer 20. The write current path PW (spin transfer unit SW) between the second terminal T2 and the third terminal T3 includes the magnetic recording layer 30, the nonmagnetic layer 40, and the spin supply layer 50. The barrier layer 20 is not included. Therefore, by using the second terminal T2 and the third terminal T3, the write current Iw that passes through the spin transfer unit SW but does not pass through the tunnel barrier layer 20 can be passed. Since the large write current Iw does not penetrate the tunnel barrier layer 20, the tunnel barrier layer 20 can be prevented from being deteriorated or broken down. As a result, the reliability of the MRAM is improved.

更に、本実施の形態では、読み出し電流経路PRと書き込み電流経路PWが異なっているため、読み出し特性と書き込み特性とを別々に最適化することが可能である。例えば、読み出し特性は、トンネルバリア層20を含むMTJに主に依存するが、そのトンネルバリア層20は書き込み電流経路PWには含まれていない。従って、データ書き込みの観点から要請される制約を受けることなく、トンネルバリア層20を設計することが可能となる。結果として、MTJのMR比を高くすることが可能となる。また、MTJの抵抗値を、直列接続されるトランジスタのon抵抗と同等な値に調整することも可能である。これらにより、データ読み出し時に充分な大きさの読み出し信号を得ることが可能となる。   Further, in the present embodiment, since the read current path PR and the write current path PW are different, it is possible to optimize the read characteristics and the write characteristics separately. For example, the read characteristics mainly depend on the MTJ including the tunnel barrier layer 20, but the tunnel barrier layer 20 is not included in the write current path PW. Therefore, the tunnel barrier layer 20 can be designed without being restricted from the viewpoint of data writing. As a result, the MR ratio of MTJ can be increased. It is also possible to adjust the MTJ resistance value to a value equivalent to the on resistance of the transistors connected in series. As a result, a sufficiently large read signal can be obtained when reading data.

更に、書き込み速度を上げて高速動作を実現するために、書き込み電流Iwのパルス幅を低減することができる。この場合、書き込み電流量を増加させる必要があるが、書き込み電流Iwはトンネルバリア層20を貫通しないため、絶縁破壊は発生しない。すなわち、絶縁破壊や信頼性劣化を招くことなく、書き込み速度を向上させることが可能である。   Furthermore, the pulse width of the write current Iw can be reduced in order to increase the write speed and realize high-speed operation. In this case, it is necessary to increase the amount of write current, but since the write current Iw does not penetrate the tunnel barrier layer 20, dielectric breakdown does not occur. That is, it is possible to improve the writing speed without causing dielectric breakdown or reliability deterioration.

尚、読み出し電流経路PRと書き込み電流経路PWのそれぞれに選択トランジスタが設けられてもよい。その場合、データ読み出し時及びデータ書き込み時の「回り込み電流」を抑制することが可能となる。回り込み電流とは、選択メモリセルに対する電流経路と並列な経路上を流れる電流であって、当該選択メモリセルを通過しない電流のことである。書き込み対象ビットあるいは読み出し対象ビットのみを選択的に操作することが可能となるため、アレイ規模を大型化することが可能となり、また、高速動作も可能となる。   Note that a selection transistor may be provided in each of the read current path PR and the write current path PW. In this case, it is possible to suppress “sneak current” during data reading and data writing. The sneak current is a current that flows on a path parallel to the current path for the selected memory cell and does not pass through the selected memory cell. Since only the write target bit or the read target bit can be selectively operated, the array scale can be increased, and high-speed operation is also possible.

以下、様々な実施の形態を詳しく説明する。   Hereinafter, various embodiments will be described in detail.

1.第1の実施の形態
図6は、第1の実施の形態に係るメモリセル1の構成を示す断面図である。図7は、第1の実施の形態におけるセルレイアウトを示す平面図である。図8は、第1の実施の形態に係るメモリセル1の構成を示す回路図である。尚、半導体基板5の表面に垂直な方向がZ方向と定義され、その表面と平行な平面がXY平面と定義される。Z方向とXY平面とは互いに直交している。
1. First Embodiment FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a memory cell 1 according to a first embodiment. FIG. 7 is a plan view showing a cell layout in the first embodiment. FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of the memory cell 1 according to the first embodiment. A direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 5 is defined as the Z direction, and a plane parallel to the surface is defined as the XY plane. The Z direction and the XY plane are orthogonal to each other.

メモリセル1は、半導体基板5上に形成されている。本実施の形態では、センス層10、トンネルバリア層20、磁気記録層30、非磁性層40及びスピン供給層50が、この順番で半導体基板5側から積層されている。つまり、磁気記録層30は、トンネルバリア層20と非磁性層40との間に挟まれている。   The memory cell 1 is formed on the semiconductor substrate 5. In the present embodiment, the sense layer 10, the tunnel barrier layer 20, the magnetic recording layer 30, the nonmagnetic layer 40, and the spin supply layer 50 are stacked in this order from the semiconductor substrate 5 side. That is, the magnetic recording layer 30 is sandwiched between the tunnel barrier layer 20 and the nonmagnetic layer 40.

センス層10、磁気記録層30、及びスピン供給層50は、面内磁気異方性を有する面内磁化膜、あるいは、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜で形成される。図6で示される例では、センス層10、磁気記録層30、及びスピン供給層50は、面内磁化膜で形成されている。センス層10の磁化方向は−X方向に固定されており、スピン供給層50の磁化方向は+X方向に固定されている。磁気記録層30の磁化方向は、+X方向あるいは−X方向を向く。トンネルバリア層20は、例えば、MgO膜やAl膜等の絶縁膜である。非磁性層40は、例えば、Ru膜やCu膜等の非磁性金属膜、あるいは、低抵抗な酸化物膜である。The sense layer 10, the magnetic recording layer 30, and the spin supply layer 50 are formed of an in-plane magnetization film having in-plane magnetic anisotropy or a perpendicular magnetization film having perpendicular magnetic anisotropy. In the example shown in FIG. 6, the sense layer 10, the magnetic recording layer 30, and the spin supply layer 50 are formed of in-plane magnetization films. The magnetization direction of the sense layer 10 is fixed in the −X direction, and the magnetization direction of the spin supply layer 50 is fixed in the + X direction. The magnetization direction of the magnetic recording layer 30 faces the + X direction or the −X direction. The tunnel barrier layer 20 is an insulating film such as an MgO film or an Al 2 O 3 film, for example. The nonmagnetic layer 40 is, for example, a nonmagnetic metal film such as a Ru film or a Cu film, or a low resistance oxide film.

センス層10の上面上には、トンネルバリア層20を介して磁気記録層30が形成されている。センス層10の底面は、半導体基板5上に形成された第1コンタクト部60に接続されている。第1コンタクト部60は、ビアや配線を含んでいる。第1コンタクト部60は、下地層や、センス層10の磁化方向を固定するための反強磁性層を含んでいてもよい。   A magnetic recording layer 30 is formed on the upper surface of the sense layer 10 via a tunnel barrier layer 20. The bottom surface of the sense layer 10 is connected to a first contact part 60 formed on the semiconductor substrate 5. The first contact part 60 includes vias and wiring. The first contact portion 60 may include an underlayer and an antiferromagnetic layer for fixing the magnetization direction of the sense layer 10.

磁気記録層30の上面上には、非磁性層40を介してスピン供給層50が形成されている。より詳細には、磁気記録層30の上面は、異なる第1領域R1と第2領域R2とを有している。非磁性層40及びスピン供給層50は、第1領域R1上に形成されている。スピン供給層50上には、上部接続部70が形成されている。上部接続部70は、キャップ層や、スピン供給層50の磁化方向を固定するための反強磁性層を含んでいてもよい。上部接続部70は、更に、X方向に延在する上部配線PLに接続されている。本実施の形態では、この上部接続部70が、第2端子T2に相当する。   A spin supply layer 50 is formed on the upper surface of the magnetic recording layer 30 with a nonmagnetic layer 40 interposed therebetween. More specifically, the top surface of the magnetic recording layer 30 has different first regions R1 and second regions R2. The nonmagnetic layer 40 and the spin supply layer 50 are formed on the first region R1. An upper connection portion 70 is formed on the spin supply layer 50. The upper connection portion 70 may include a cap layer and an antiferromagnetic layer for fixing the magnetization direction of the spin supply layer 50. The upper connection portion 70 is further connected to an upper wiring PL extending in the X direction. In the present embodiment, the upper connection portion 70 corresponds to the second terminal T2.

半導体基板5上には第2コンタクト部90が形成されている。第2コンタクト部90は、ビアや配線を含んでいる。更に、第2コンタクト部90と磁気記録層30との間をつなぐように、非磁性導体層80が形成されている。この非磁性導体層80は、磁気記録層30の上面の第2領域R2に接続するように形成されており、非磁性層40及びスピン供給層50からは物理的に離れている。   A second contact portion 90 is formed on the semiconductor substrate 5. The second contact portion 90 includes a via and a wiring. Further, a nonmagnetic conductor layer 80 is formed so as to connect between the second contact portion 90 and the magnetic recording layer 30. The nonmagnetic conductor layer 80 is formed so as to be connected to the second region R2 on the upper surface of the magnetic recording layer 30, and is physically separated from the nonmagnetic layer 40 and the spin supply layer 50.

メモリセル1は更に、半導体基板5上に形成された第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2を備えている。第1トランジスタTR1のゲート電極は、X方向に延在する第1ワード線WL1に接続されている。第2トランジスタTR2のゲート電極は、X方向に延在する第2ワード線WL2に接続されている。   The memory cell 1 further includes a first transistor TR1 and a second transistor TR2 formed on the semiconductor substrate 5. The gate electrode of the first transistor TR1 is connected to the first word line WL1 extending in the X direction. The gate electrode of the second transistor TR2 is connected to the second word line WL2 extending in the X direction.

第1トランジスタTR1は、第1端子T1とセンス層10との間に介在している。より詳細には、第1トランジスタTR1のソース/ドレインの一方は、第1端子T1に接続されている。第1端子T1は、更に、Y方向に延在する第1ビット線BL1に接続されている。第1トランジスタTR1のソース/ドレインの他方は、第1コンタクト部60を介して、センス層10に接続されている。   The first transistor TR1 is interposed between the first terminal T1 and the sense layer 10. More specifically, one of the source / drain of the first transistor TR1 is connected to the first terminal T1. The first terminal T1 is further connected to a first bit line BL1 extending in the Y direction. The other of the source / drain of the first transistor TR1 is connected to the sense layer 10 via the first contact portion 60.

第2トランジスタTR2は、第3端子T3と磁気記録層30との間に介在している。より詳細には、第2トランジスタTR2のソース/ドレインの一方は、第3端子T3に接続されている。第3端子T3は、更に、Y方向に延在する第2ビット線BL2に接続されている。第2トランジスタTR2のソース/ドレインの他方は、第2コンタクト部90及び非磁性導体層80を介して、磁気記録層30の上面の第2領域R2に接続されている。   The second transistor TR2 is interposed between the third terminal T3 and the magnetic recording layer 30. More specifically, one of the source / drain of the second transistor TR2 is connected to the third terminal T3. The third terminal T3 is further connected to a second bit line BL2 extending in the Y direction. The other of the source / drain of the second transistor TR2 is connected to the second region R2 on the upper surface of the magnetic recording layer 30 via the second contact portion 90 and the nonmagnetic conductor layer 80.

本実施の形態では、MTJ部SRは、センス層10、トンネルバリア層20、磁気記録層30、非磁性層40及びスピン供給層50を含んでいる。読み出し電流Irが流れる読み出し電流経路PRは、第1端子T1と第2端子T2との間である。その読み出し電流経路PR上には、第1トランジスタTR1が選択トランジスタとして設けられている。データ読み出し時、第1ワード線WL1にハイレベルの電圧が印加され、第1トランジスタTR1がONする。一方、第2ワード線WL2にはローレベルの電圧が印加され、第2トランジスタTR2はOFFする。更に、第1ビット線BL1と上部配線PLとの間に読み出し電圧が印加される。その結果、第1端子T1と第2端子T2との間の読み出し電流経路PRに、読み出し電流Irが流れる。   In the present embodiment, the MTJ portion SR includes a sense layer 10, a tunnel barrier layer 20, a magnetic recording layer 30, a nonmagnetic layer 40, and a spin supply layer 50. A read current path PR through which the read current Ir flows is between the first terminal T1 and the second terminal T2. A first transistor TR1 is provided as a selection transistor on the read current path PR. At the time of data reading, a high level voltage is applied to the first word line WL1, and the first transistor TR1 is turned on. On the other hand, a low level voltage is applied to the second word line WL2, and the second transistor TR2 is turned OFF. Further, a read voltage is applied between the first bit line BL1 and the upper wiring PL. As a result, the read current Ir flows through the read current path PR between the first terminal T1 and the second terminal T2.

スピントランスファー部SWは、磁気記録層30、非磁性層40及びスピン供給層50を含むが、センス層10とトンネルバリア層20は含まない。書き込み電流Iwが流れる書き込み電流経路PWは、第2端子T2と第3端子T3との間である。その書き込み電流経路PW上には、第2トランジスタTR2が選択トランジスタとして設けられている。データ書き込み時、第2ワード線WL2にハイレベルの電圧が印加され、第2トランジスタTR2がONする。一方、第1ワード線WL1にはローレベルの電圧が印加され、第1トランジスタTR1はOFFする。更に、第2ビット線BL2と上部配線PLとの間に書き込み電圧が印加される。その結果、第2端子T2と第3端子T3との間の書き込み電流経路PWに、書き込み電流Iwが流れる。その書き込み電流Iwは、トンネルバリア層20を貫通しない。   The spin transfer unit SW includes the magnetic recording layer 30, the nonmagnetic layer 40, and the spin supply layer 50, but does not include the sense layer 10 and the tunnel barrier layer 20. A write current path PW through which the write current Iw flows is between the second terminal T2 and the third terminal T3. A second transistor TR2 is provided as a selection transistor on the write current path PW. At the time of data writing, a high level voltage is applied to the second word line WL2, and the second transistor TR2 is turned on. On the other hand, a low level voltage is applied to the first word line WL1, and the first transistor TR1 is turned off. Further, a write voltage is applied between the second bit line BL2 and the upper wiring PL. As a result, the write current Iw flows through the write current path PW between the second terminal T2 and the third terminal T3. The write current Iw does not penetrate the tunnel barrier layer 20.

尚、本実施の形態に係るセル構成の場合、図7に示されるように、1メモリセルあたりの単位セル面積を16F(F:Feature Size:リソグラフィーでの最小線幅)に設計可能である。In the case of the cell configuration according to the present embodiment, as shown in FIG. 7, the unit cell area per memory cell can be designed to be 16F 2 (F: Feature Size: the minimum line width in lithography). .

2.第2の実施の形態
図9は、第2の実施の形態に係るメモリセル1の構成を示す断面図である。図10は、第2の実施の形態におけるセルレイアウトを示す平面図である。図11は、第2の実施の形態に係るメモリセル1の構成を示す回路図である。第1の実施の形態と重複する説明は、適宜省略される。
2. Second Embodiment FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of a memory cell 1 according to a second embodiment. FIG. 10 is a plan view showing a cell layout in the second embodiment. FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of the memory cell 1 according to the second embodiment. The description overlapping with the first embodiment is omitted as appropriate.

本実施の形態では、スピン供給層50、非磁性層40、磁気記録層30、トンネルバリア層20及びセンス層10が、この順番で半導体基板5側から積層されている。磁気記録層30は、トンネルバリア層20と非磁性層40との間に挟まれている。   In the present embodiment, the spin supply layer 50, the nonmagnetic layer 40, the magnetic recording layer 30, the tunnel barrier layer 20, and the sense layer 10 are stacked in this order from the semiconductor substrate 5 side. The magnetic recording layer 30 is sandwiched between the tunnel barrier layer 20 and the nonmagnetic layer 40.

スピン供給層50の上面上には、非磁性層40を介して磁気記録層30が形成されている。スピン供給層50の底面は、半導体基板5上に形成された第1コンタクト部60に接続されている。第1コンタクト部60は、ビアや配線を含んでいる。第1コンタクト部60は、下地層や、スピン供給層50の磁化方向を固定するための反強磁性層を含んでいてもよい。   A magnetic recording layer 30 is formed on the upper surface of the spin supply layer 50 with a nonmagnetic layer 40 interposed therebetween. The bottom surface of the spin supply layer 50 is connected to a first contact part 60 formed on the semiconductor substrate 5. The first contact part 60 includes vias and wiring. The first contact portion 60 may include an underlayer and an antiferromagnetic layer for fixing the magnetization direction of the spin supply layer 50.

磁気記録層30の上面上には、トンネルバリア層20を介してセンス層10が形成されている。より詳細には、磁気記録層30の上面は、異なる第1領域R1と第2領域R2とを有している。トンネルバリア層20及びセンス層10は、第1領域R1上に形成されている。センス層10上には、上部接続部70が形成されている。上部接続部70は、キャップ層や、センス層10の磁化方向を固定するための反強磁性層を含んでいてもよい。上部接続部70は、更に、X方向に延在する上部配線PLに接続されている。本実施の形態では、この上部接続部70が、第1端子T1に相当する。   A sense layer 10 is formed on the upper surface of the magnetic recording layer 30 via a tunnel barrier layer 20. More specifically, the top surface of the magnetic recording layer 30 has different first regions R1 and second regions R2. The tunnel barrier layer 20 and the sense layer 10 are formed on the first region R1. An upper connection portion 70 is formed on the sense layer 10. The upper connection portion 70 may include a cap layer and an antiferromagnetic layer for fixing the magnetization direction of the sense layer 10. The upper connection portion 70 is further connected to an upper wiring PL extending in the X direction. In the present embodiment, the upper connection portion 70 corresponds to the first terminal T1.

半導体基板5上には第2コンタクト部90が形成されている。第2コンタクト部90は、ビアや配線を含んでいる。更に、第2コンタクト部90と磁気記録層30との間をつなぐように、非磁性導体層80が形成されている。この非磁性導体層80は、磁気記録層30の上面の第2領域R2に接続するように形成されており、トンネルバリア層20及びセンス層10からは物理的に離れている。   A second contact portion 90 is formed on the semiconductor substrate 5. The second contact portion 90 includes a via and a wiring. Further, a nonmagnetic conductor layer 80 is formed so as to connect between the second contact portion 90 and the magnetic recording layer 30. The nonmagnetic conductor layer 80 is formed so as to be connected to the second region R2 on the upper surface of the magnetic recording layer 30, and is physically separated from the tunnel barrier layer 20 and the sense layer 10.

メモリセル1は更に、半導体基板5上に形成された第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2を備えている。第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2のゲート電極は、共に、X方向に延在する共通のワード線WLに接続されている。   The memory cell 1 further includes a first transistor TR1 and a second transistor TR2 formed on the semiconductor substrate 5. The gate electrodes of the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are both connected to a common word line WL extending in the X direction.

第1トランジスタTR1は、第2端子T2とスピン供給層50との間に介在している。より詳細には、第1トランジスタTR1のソース/ドレインの一方は、第2端子T2に接続されている。第2端子T2は、更に、Y方向に延在する第1ビット線BL1に接続されている。第1トランジスタTR1のソース/ドレインの他方は、第1コンタクト部60を介して、スピン供給層50に接続されている。   The first transistor TR1 is interposed between the second terminal T2 and the spin supply layer 50. More specifically, one of the source / drain of the first transistor TR1 is connected to the second terminal T2. The second terminal T2 is further connected to a first bit line BL1 extending in the Y direction. The other of the source / drain of the first transistor TR1 is connected to the spin supply layer 50 via the first contact portion 60.

第2トランジスタTR2は、第3端子T3と磁気記録層30との間に介在している。より詳細には、第2トランジスタTR2のソース/ドレインの一方は、第3端子T3に接続されている。第3端子T3は、更に、Y方向に延在する第2ビット線BL2に接続されている。第2トランジスタTR2のソース/ドレインの他方は、第2コンタクト部90及び非磁性導体層80を介して、磁気記録層30の上面の第2領域R2に接続されている。   The second transistor TR2 is interposed between the third terminal T3 and the magnetic recording layer 30. More specifically, one of the source / drain of the second transistor TR2 is connected to the third terminal T3. The third terminal T3 is further connected to a second bit line BL2 extending in the Y direction. The other of the source / drain of the second transistor TR2 is connected to the second region R2 on the upper surface of the magnetic recording layer 30 via the second contact portion 90 and the nonmagnetic conductor layer 80.

本実施の形態では、MTJ部SRは、センス層10、トンネルバリア層20、磁気記録層30、非磁性層40及びスピン供給層50を含んでいる。読み出し電流Irが流れる読み出し電流経路PRは、第1端子T1と第2端子T2との間である。その読み出し電流経路PR上には、第1トランジスタTR1が選択トランジスタとして設けられている。データ読み出し時、ワード線WLにハイレベルの電圧が印加され、第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2がONする。また、第2ビット線BL2はフローティング状態(Hi−Z)に設定される。更に、第1ビット線BL1と上部配線PLとの間に読み出し電圧が印加される。その結果、第1端子T1と第2端子T2との間の読み出し電流経路PRに、読み出し電流Irが流れる。   In the present embodiment, the MTJ portion SR includes a sense layer 10, a tunnel barrier layer 20, a magnetic recording layer 30, a nonmagnetic layer 40, and a spin supply layer 50. A read current path PR through which the read current Ir flows is between the first terminal T1 and the second terminal T2. A first transistor TR1 is provided as a selection transistor on the read current path PR. At the time of data reading, a high level voltage is applied to the word line WL, and the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are turned on. The second bit line BL2 is set in a floating state (Hi-Z). Further, a read voltage is applied between the first bit line BL1 and the upper wiring PL. As a result, the read current Ir flows through the read current path PR between the first terminal T1 and the second terminal T2.

スピントランスファー部SWは、磁気記録層30、非磁性層40及びスピン供給層50を含むが、センス層10とトンネルバリア層20は含まない。書き込み電流Iwが流れる書き込み電流経路PWは、第2端子T2と第3端子T3との間である。その書き込み電流経路PW上には、第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2が選択トランジスタとして設けられている。データ書き込み時、ワード線WLにハイレベルの電圧が印加され、第1トランジスタTR1及び第2トランジスタTR2がONする。また、上部配線70はフローティング状態(Hi−Z)に設定される。更に、第1ビット線BL1と第2ビット線BL2との間に書き込み電圧が印加される。その結果、第2端子T2と第3端子T3との間の書き込み電流経路PWに、書き込み電流Iwが流れる。その書き込み電流Iwは、トンネルバリア層20を貫通しない。   The spin transfer unit SW includes the magnetic recording layer 30, the nonmagnetic layer 40, and the spin supply layer 50, but does not include the sense layer 10 and the tunnel barrier layer 20. A write current path PW through which the write current Iw flows is between the second terminal T2 and the third terminal T3. A first transistor TR1 and a second transistor TR2 are provided as selection transistors on the write current path PW. At the time of data writing, a high level voltage is applied to the word line WL, and the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are turned on. The upper wiring 70 is set in a floating state (Hi-Z). Further, a write voltage is applied between the first bit line BL1 and the second bit line BL2. As a result, the write current Iw flows through the write current path PW between the second terminal T2 and the third terminal T3. The write current Iw does not penetrate the tunnel barrier layer 20.

尚、図10に示されるように、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とでワード線WLが共用されている。更に、ビット線(BL1,BL2)につながるコンタクトが、隣接セル間で共用されている。その結果、図10に示されるように、1メモリセルあたりの単位セル面積を12F(F:Feature Size:リソグラフィーでの最小線幅)に設計可能である。As shown in FIG. 10, the first transistor TR1 and the second transistor TR2 share the word line WL. Further, contacts connected to the bit lines (BL1, BL2) are shared between adjacent cells. As a result, as shown in FIG. 10, the unit cell area per memory cell can be designed to be 12F 2 (F: Feature Size: the minimum line width in lithography).

3.第3の実施の形態
図12は、第3の実施の形態に係るメモリセル1の構成を示す断面図である。第3の実施の形態は、磁気記録層30の構成を除いて、既出の第1の実施の形態と同じである。第1の実施の形態と重複する説明は、適宜省略される。
3. Third Embodiment FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration of a memory cell 1 according to a third embodiment. The third embodiment is the same as the first embodiment described above except for the configuration of the magnetic recording layer 30. The description overlapping with the first embodiment is omitted as appropriate.

本実施の形態において、磁気記録層30は、第1磁気記録層31、第2磁気記録層32、及び非磁性層33を含んでいる。第1磁気記録層31は、磁化方向が反転可能な強磁性層であり、トンネルバリア層20と接触している。第2磁気記録層32は、磁化方向が反転可能な強磁性層であり、非磁性層40と接触している。非磁性層33は、第1磁気記録層31と第2磁気記録層32との間に挟まれている。非磁性層33は、例えばRuやCu等の非磁性導電材料で形成される。   In the present embodiment, the magnetic recording layer 30 includes a first magnetic recording layer 31, a second magnetic recording layer 32, and a nonmagnetic layer 33. The first magnetic recording layer 31 is a ferromagnetic layer whose magnetization direction can be reversed, and is in contact with the tunnel barrier layer 20. The second magnetic recording layer 32 is a ferromagnetic layer whose magnetization direction can be reversed, and is in contact with the nonmagnetic layer 40. The nonmagnetic layer 33 is sandwiched between the first magnetic recording layer 31 and the second magnetic recording layer 32. The nonmagnetic layer 33 is formed of a nonmagnetic conductive material such as Ru or Cu, for example.

第1磁気記録層31と第2磁気記録層32は、非磁性層33を介して、互いに磁気的に結合している。例えば、第1磁気記録層31と第2磁気記録層32は、非磁性層33を介して、反強磁性的に結合している。第2磁気記録層32の磁化方向が反転すると、それにつられて、第1磁気記録層31の磁化方向も反転する。   The first magnetic recording layer 31 and the second magnetic recording layer 32 are magnetically coupled to each other via the nonmagnetic layer 33. For example, the first magnetic recording layer 31 and the second magnetic recording layer 32 are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 33. When the magnetization direction of the second magnetic recording layer 32 is reversed, the magnetization direction of the first magnetic recording layer 31 is also reversed accordingly.

図12では、第1磁気記録層31の上面は、異なる第1領域R1と第2領域R2とを有している。第2磁気記録層32は、第1領域R1上に非磁性層33を介して形成されている。そして、第2磁気記録層32上に、非磁性層40及びスピン供給層50が積層されている。一方、第2トランジスタTR2につながる非磁性導体層80は、第2領域R2上の非磁性層33に接続されている。この非磁性層導体層80は、第2磁気記録層32、非磁性層40及びスピン供給層50からは物理的に離れている。あるいは、非磁性層33が第2コンタクト部90に直接つながるように延長され、非磁性導体層80が省かれてもよい。いずれの場合も、第3端子T3は、第2トランジスタTR2を介して、磁気記録層30の非磁性層33に接続される。   In FIG. 12, the upper surface of the first magnetic recording layer 31 has different first regions R1 and second regions R2. The second magnetic recording layer 32 is formed on the first region R1 via the nonmagnetic layer 33. A nonmagnetic layer 40 and a spin supply layer 50 are stacked on the second magnetic recording layer 32. On the other hand, the nonmagnetic conductor layer 80 connected to the second transistor TR2 is connected to the nonmagnetic layer 33 on the second region R2. The nonmagnetic conductor layer 80 is physically separated from the second magnetic recording layer 32, the nonmagnetic layer 40, and the spin supply layer 50. Alternatively, the nonmagnetic layer 33 may be extended so as to be directly connected to the second contact portion 90, and the nonmagnetic conductor layer 80 may be omitted. In any case, the third terminal T3 is connected to the nonmagnetic layer 33 of the magnetic recording layer 30 via the second transistor TR2.

データ読み出し/書き込み時の電圧制御、セルレイアウト等は、第1の実施の形態と同様である。   The voltage control, cell layout, etc. at the time of data reading / writing are the same as those in the first embodiment.

4.第4の実施の形態
図13は、第4の実施の形態に係るメモリセル1の構成を示す断面図である。第4の実施の形態は、磁気記録層30の構成を除いて、既出の第2の実施の形態と同じである。第2の実施の形態と重複する説明は、適宜省略される。
4). Fourth Embodiment FIG. 13 is a cross-sectional view showing a configuration of a memory cell 1 according to a fourth embodiment. The fourth embodiment is the same as the second embodiment described above except for the configuration of the magnetic recording layer 30. Description overlapping with the second embodiment is omitted as appropriate.

本実施の形態において、磁気記録層30は、第1磁気記録層31、第2磁気記録層32、及び非磁性層33を含んでいる。第1磁気記録層31は、磁化方向が反転可能な強磁性層であり、非磁性層40と接触している。第2磁気記録層32は、磁化方向が反転可能な強磁性層であり、トンネルバリア層20と接触している。非磁性層33は、第1磁気記録層31と第2磁気記録層32との間に挟まれている。非磁性層33は、例えばRuやCu等の非磁性導電材料で形成される。   In the present embodiment, the magnetic recording layer 30 includes a first magnetic recording layer 31, a second magnetic recording layer 32, and a nonmagnetic layer 33. The first magnetic recording layer 31 is a ferromagnetic layer whose magnetization direction can be reversed, and is in contact with the nonmagnetic layer 40. The second magnetic recording layer 32 is a ferromagnetic layer whose magnetization direction can be reversed, and is in contact with the tunnel barrier layer 20. The nonmagnetic layer 33 is sandwiched between the first magnetic recording layer 31 and the second magnetic recording layer 32. The nonmagnetic layer 33 is formed of a nonmagnetic conductive material such as Ru or Cu, for example.

第1磁気記録層31と第2磁気記録層32は、非磁性層33を介して、互いに磁気的に結合している。例えば、第1磁気記録層31と第2磁気記録層32は、非磁性層33を介して、反強磁性的に結合している。第2磁気記録層32の磁化方向が反転すると、それにつられて、第1磁気記録層31の磁化方向も反転する。   The first magnetic recording layer 31 and the second magnetic recording layer 32 are magnetically coupled to each other via the nonmagnetic layer 33. For example, the first magnetic recording layer 31 and the second magnetic recording layer 32 are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 33. When the magnetization direction of the second magnetic recording layer 32 is reversed, the magnetization direction of the first magnetic recording layer 31 is also reversed accordingly.

図13では、第1磁気記録層31の上面は、異なる第1領域R1と第2領域R2とを有している。第2磁気記録層32は、第1領域R1上に非磁性層33を介して形成されている。そして、第2磁気記録層32上に、トンネルバリア層20及びセンス層10が積層されている。一方、第2トランジスタTR2につながる非磁性導体層80は、第2領域R2上の非磁性層33に接続されている。この非磁性層導体層80は、第2磁気記録層32、トンネルバリア層20及びセンス層10からは物理的に離れている。あるいは、非磁性層33が第2コンタクト部90に直接つながるように延長され、非磁性導体層80が省かれてもよい。いずれの場合も、第3端子T3は、第2トランジスタTR2を介して、磁気記録層30の非磁性層33に接続される。   In FIG. 13, the upper surface of the first magnetic recording layer 31 has different first regions R1 and second regions R2. The second magnetic recording layer 32 is formed on the first region R1 via the nonmagnetic layer 33. The tunnel barrier layer 20 and the sense layer 10 are stacked on the second magnetic recording layer 32. On the other hand, the nonmagnetic conductor layer 80 connected to the second transistor TR2 is connected to the nonmagnetic layer 33 on the second region R2. The nonmagnetic layer conductor layer 80 is physically separated from the second magnetic recording layer 32, the tunnel barrier layer 20, and the sense layer 10. Alternatively, the nonmagnetic layer 33 may be extended so as to be directly connected to the second contact portion 90, and the nonmagnetic conductor layer 80 may be omitted. In any case, the third terminal T3 is connected to the nonmagnetic layer 33 of the magnetic recording layer 30 via the second transistor TR2.

データ読み出し/書き込み時の電圧制御、セルレイアウト等は、第2の実施の形態と同様である。   The voltage control, cell layout, etc. at the time of data reading / writing are the same as those in the second embodiment.

5.第5の実施の形態
図14は、第5の実施の形態に係るメモリセル1の構成を示す断面図である。第5の実施の形態は、スピントランスファー部SWの構成を除いて、既出の第1の実施の形態と同じである。第1の実施の形態と重複する説明は、適宜省略される。
5. Fifth Embodiment FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration of a memory cell 1 according to a fifth embodiment. The fifth embodiment is the same as the first embodiment described above, except for the configuration of the spin transfer unit SW. The description overlapping with the first embodiment is omitted as appropriate.

本実施の形態において、スピントランスファー部SWは、磁気記録層30、第1非磁性層40A、第1スピン供給層50A、第2非磁性層40B、及び第2スピン供給層50Bを有している。第1非磁性層40Aは、磁気記録層30と第1スピン供給層50Aとの間に挟まれている。第2非磁性層40Bは、磁気記録層30と第2スピン供給層50Bとの間に挟まれている。   In the present embodiment, the spin transfer unit SW includes the magnetic recording layer 30, the first nonmagnetic layer 40A, the first spin supply layer 50A, the second nonmagnetic layer 40B, and the second spin supply layer 50B. . The first nonmagnetic layer 40A is sandwiched between the magnetic recording layer 30 and the first spin supply layer 50A. The second nonmagnetic layer 40B is sandwiched between the magnetic recording layer 30 and the second spin supply layer 50B.

より詳細には、磁気記録層30の上面は、異なる第1領域R1と第2領域R2とを有している。第1非磁性層40A及び第1スピン供給層50Aは、第1領域R1上に形成されている。これら第1非磁性層40A及び第1スピン供給層50Aは、第1の実施の形態における非磁性層40及びスピン供給層50(図6参照)のそれぞれに対応しており、第1スピン供給層50A上に上部接続部70が形成されている。一方、第2非磁性層40B及び第2スピン供給層50Bは、第2領域R2上に形成されている。第2トランジスタTR2とつながる非磁性導体層80は、第2スピン供給層50Bと接触しており、第2スピン供給層50B及び第2非磁性層40Bを介して磁気記録層30の第2領域R2に接続されている。   More specifically, the top surface of the magnetic recording layer 30 has different first regions R1 and second regions R2. The first nonmagnetic layer 40A and the first spin supply layer 50A are formed on the first region R1. The first nonmagnetic layer 40A and the first spin supply layer 50A correspond to the nonmagnetic layer 40 and the spin supply layer 50 (see FIG. 6) in the first embodiment, respectively. An upper connection portion 70 is formed on 50A. On the other hand, the second nonmagnetic layer 40B and the second spin supply layer 50B are formed on the second region R2. The nonmagnetic conductor layer 80 connected to the second transistor TR2 is in contact with the second spin supply layer 50B, and the second region R2 of the magnetic recording layer 30 via the second spin supply layer 50B and the second nonmagnetic layer 40B. It is connected to the.

第1スピン供給層50Aと第2スピン供給層50Bの各々は、磁化方向が固定された強磁性層である。ここで、第1スピン供給層50Aと第2スピン供給層50Bの固定磁化方向は反対向きである。図14で示された例では、第1スピン供給層50Aの磁化方向は−X方向に固定されており、第2スピン供給層50Bの磁化方向は+X方向に固定されている。これにより、データ書き込み時の磁気記録層30に対するスピントランスファーの効率が向上する。その結果、書き込み電流Iwを更に低減することが可能となる。   Each of the first spin supply layer 50A and the second spin supply layer 50B is a ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed. Here, the fixed magnetization directions of the first spin supply layer 50A and the second spin supply layer 50B are opposite to each other. In the example shown in FIG. 14, the magnetization direction of the first spin supply layer 50A is fixed in the −X direction, and the magnetization direction of the second spin supply layer 50B is fixed in the + X direction. This improves the efficiency of spin transfer for the magnetic recording layer 30 during data writing. As a result, the write current Iw can be further reduced.

データ読み出し/書き込み時の電圧制御、セルレイアウト等は、第1の実施の形態と同様である。   The voltage control, cell layout, etc. at the time of data reading / writing are the same as those in the first embodiment.

6.第6の実施の形態
図15は、第6の実施の形態に係るメモリセル1の構成を示す断面図である。第6の実施の形態は、スピントランスファー部SWの構成が、既出の第2の実施の形態と異なっている。第2の実施の形態と重複する説明は、適宜省略される。
6). Sixth Embodiment FIG. 15 is a cross-sectional view showing a configuration of a memory cell 1 according to a sixth embodiment. In the sixth embodiment, the configuration of the spin transfer unit SW is different from the second embodiment described above. Description overlapping with the second embodiment is omitted as appropriate.

本実施の形態において、スピントランスファー部SWは、磁気記録層30、第1非磁性層40A、第1スピン供給層50A、第2非磁性層40B、及び第2スピン供給層50Bを有している。第1非磁性層40Aは、磁気記録層30と第1スピン供給層50Aとの間に挟まれている。第2非磁性層40Bは、磁気記録層30と第2スピン供給層50Bとの間に挟まれている。   In the present embodiment, the spin transfer unit SW includes the magnetic recording layer 30, the first nonmagnetic layer 40A, the first spin supply layer 50A, the second nonmagnetic layer 40B, and the second spin supply layer 50B. . The first nonmagnetic layer 40A is sandwiched between the magnetic recording layer 30 and the first spin supply layer 50A. The second nonmagnetic layer 40B is sandwiched between the magnetic recording layer 30 and the second spin supply layer 50B.

より詳細には、磁気記録層30の底面は、異なる第1領域R1と第2領域R2とを有している。第1非磁性層40A及び第1スピン供給層50Aは、第1領域R1上に形成されている。これら第1非磁性層40A及び第1スピン供給層50Aは、第2の実施の形態における非磁性層40及びスピン供給層50(図9参照)のそれぞれに対応している。第1スピン供給層50Aは、第1コンタクト部60を介して第1トランジスタTR1に接続されている。一方、第2非磁性層40B及び第2スピン供給層50Bは、第2領域R2上に形成されている。第2スピン供給層50Bは、第2コンタクト部90を介して第2トランジスタTR2に接続されている。非磁性導体層80は省かれている。第2トランジスタTR2は、第2スピン供給層50B及び第2非磁性層40Bを介して、磁気記録層30の第2領域R2に接続されている。   More specifically, the bottom surface of the magnetic recording layer 30 has different first regions R1 and second regions R2. The first nonmagnetic layer 40A and the first spin supply layer 50A are formed on the first region R1. The first nonmagnetic layer 40A and the first spin supply layer 50A correspond to the nonmagnetic layer 40 and the spin supply layer 50 (see FIG. 9) in the second embodiment, respectively. The first spin supply layer 50A is connected to the first transistor TR1 through the first contact portion 60. On the other hand, the second nonmagnetic layer 40B and the second spin supply layer 50B are formed on the second region R2. The second spin supply layer 50B is connected to the second transistor TR2 through the second contact portion 90. The nonmagnetic conductor layer 80 is omitted. The second transistor TR2 is connected to the second region R2 of the magnetic recording layer 30 via the second spin supply layer 50B and the second nonmagnetic layer 40B.

第1スピン供給層50Aと第2スピン供給層50Bの各々は、磁化方向が固定された強磁性層である。ここで、第1スピン供給層50Aと第2スピン供給層50Bの固定磁化方向は反対向きである。図15で示された例では、第1スピン供給層50Aの磁化方向は−X方向に固定されており、第2スピン供給層50Bの磁化方向は+X方向に固定されている。これにより、データ書き込み時の磁気記録層30に対するスピントランスファーの効率が向上する。その結果、書き込み電流Iwを更に低減することが可能となる。   Each of the first spin supply layer 50A and the second spin supply layer 50B is a ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed. Here, the fixed magnetization directions of the first spin supply layer 50A and the second spin supply layer 50B are opposite to each other. In the example shown in FIG. 15, the magnetization direction of the first spin supply layer 50A is fixed in the −X direction, and the magnetization direction of the second spin supply layer 50B is fixed in the + X direction. This improves the efficiency of spin transfer for the magnetic recording layer 30 during data writing. As a result, the write current Iw can be further reduced.

データ読み出し/書き込み時の電圧制御、セルレイアウト等は、第2の実施の形態と同様である。   The voltage control, cell layout, etc. at the time of data reading / writing are the same as those in the second embodiment.

尚、矛盾しない限りにおいて、上述の第1〜第6の実施の形態のうち2以上を組み合わせてもよい。   As long as there is no contradiction, two or more of the first to sixth embodiments described above may be combined.

7.第7の実施の形態
図16は、第7の実施の形態に係る半導体集積回路(半導体チップ)の構成を概略的に示している。この半導体集積回路は、異なる種類の第1MRAMと第2MRAMとを搭載している。つまり、異なる種類の第1MRAM及び第2MRAMが、1チップ上に集積されている。
7). Seventh Embodiment FIG. 16 schematically shows a configuration of a semiconductor integrated circuit (semiconductor chip) according to a seventh embodiment. This semiconductor integrated circuit is equipped with different types of first MRAM and second MRAM. That is, different types of first MRAM and second MRAM are integrated on one chip.

第1MRAMのメモリセルは、これまでの実施の形態で説明されたメモリセル1(3端子MTJ素子)である。つまり、第1MRAMは、スピントランスファー方式のMRAMであり、図2で示されたMRAMと同様に、アレイ状に配置された複数のメモリセル1を備えている。一方、第2MRAMのメモリセルは、図1で示されたメモリセル100(2端子MTJ素子)である。つまり、第2MRAMは、スピントランスファー方式のMRAMであり、アレイ状に配置された複数のメモリセル100を備えている。   The memory cell of the first MRAM is the memory cell 1 (three-terminal MTJ element) described in the above embodiments. That is, the first MRAM is a spin transfer type MRAM, and includes a plurality of memory cells 1 arranged in an array like the MRAM shown in FIG. On the other hand, the memory cell of the second MRAM is the memory cell 100 (two-terminal MTJ element) shown in FIG. That is, the second MRAM is a spin transfer MRAM, and includes a plurality of memory cells 100 arranged in an array.

図17は、本実施の形態に係るメモリセル構成を示す断面図である。第1MRAMのメモリセル1も第2MRAMのメモリセル100も、同じ半導体基板5上に形成されている。第1MRAMのメモリセル1の例として、第1の実施の形態で説明されたものが示されている。   FIG. 17 is a cross-sectional view showing a memory cell configuration according to the present embodiment. Both the first MRAM memory cell 1 and the second MRAM memory cell 100 are formed on the same semiconductor substrate 5. As an example of the memory cell 1 of the first MRAM, the one described in the first embodiment is shown.

第2MRAMのメモリセル100は、磁化固定層(センス層)110、磁気記録層130、磁化固定層110と磁気記録層130との間に挟まれたトンネルバリア層120、磁化固定層110に接続された第4端子T4、及び磁気記録層130に接続された第5端子T5を備えている。第4端子T4は、Y方向に延在する第3ビット線BL3に接続されている。また、第4端子T4と磁化固定層110との間には、半導体基板5上に形成された第3トランジスタTR3が介在している。第3トランジスタTR3のゲート電極は、X方向に延在する第3ワード線WL3に接続されている。第5端子T5は、X方向に延在する上部配線PL2に接続されている。   The memory cell 100 of the second MRAM is connected to the fixed magnetization layer (sense layer) 110, the magnetic recording layer 130, the tunnel barrier layer 120 sandwiched between the fixed magnetization layer 110 and the magnetic recording layer 130, and the fixed magnetization layer 110. The fourth terminal T4 and the fifth terminal T5 connected to the magnetic recording layer 130 are provided. The fourth terminal T4 is connected to the third bit line BL3 extending in the Y direction. Further, a third transistor TR3 formed on the semiconductor substrate 5 is interposed between the fourth terminal T4 and the magnetization fixed layer 110. The gate electrode of the third transistor TR3 is connected to the third word line WL3 extending in the X direction. The fifth terminal T5 is connected to the upper wiring PL2 extending in the X direction.

第2MRAMのメモリセル100の製造プロセスは、第1MRAMのメモリセル1の製造プロセスに包含される。すなわち、第1MRAMのメモリセル1を製造する際、第2MRAMのメモリセル100をも同時に製造することが可能である。例えば、メモリセル100の磁化固定層110、トンネルバリア層120及び磁気記録層130は、それぞれ、メモリセル1のセンス層10、トンネルバリア層20及び磁気記録層30と同じプロセスで同じ層に形成され得る。また、上部配線(PL、PL2)、トランジスタ(TR1、TR2、TR3)、ワード線(WL1、WL2、WL3)、ビット線(BL1、BL2、BL3)、コンタクト部のそれぞれの製造プロセスも、メモリセル1とメモリセル100とで共通化できる。また、メモリセル100においては、スピン供給層50、非磁性導体層80、第2コンタクト部90を作成するプロセスは不要である。   The manufacturing process of the memory cell 100 of the second MRAM is included in the manufacturing process of the memory cell 1 of the first MRAM. That is, when the memory cell 1 of the first MRAM is manufactured, the memory cell 100 of the second MRAM can be manufactured at the same time. For example, the magnetization fixed layer 110, the tunnel barrier layer 120, and the magnetic recording layer 130 of the memory cell 100 are formed in the same layer by the same process as the sense layer 10, the tunnel barrier layer 20, and the magnetic recording layer 30 of the memory cell 1, respectively. obtain. In addition, the manufacturing process of the upper wiring (PL, PL2), the transistors (TR1, TR2, TR3), the word lines (WL1, WL2, WL3), the bit lines (BL1, BL2, BL3), and the contact portion is also a memory cell. 1 and the memory cell 100 can be shared. Further, in the memory cell 100, the process of creating the spin supply layer 50, the nonmagnetic conductor layer 80, and the second contact portion 90 is not necessary.

以上に説明されたように、本実施の形態では、2種類のMRAMが1チップ上に形成される。第1MRAMのメモリセル1(3端子MTJ素子)では、上述の通り、書き込み電流Iwがトンネルバリア層20を貫通しない。そのため、トンネルバリア層20の劣化が発生せず、書き換え回数は実質的に無制限である。また、このメモリセル1は、高速書き込み、高速読み出しが可能であるという特徴も有している。一方、第2MRAMのメモリセル100(2端子MTJ素子)は、メモリセル1(3端子MTJ素子)と比較してセルサイズが小さいという特徴を有している。従って、第1MRAMと第2MRAMを、用途に応じて使い分けることができる。   As described above, in this embodiment, two types of MRAM are formed on one chip. In the memory cell 1 (three-terminal MTJ element) of the first MRAM, the write current Iw does not penetrate the tunnel barrier layer 20 as described above. Therefore, deterioration of the tunnel barrier layer 20 does not occur, and the number of rewrites is virtually unlimited. The memory cell 1 also has a feature that high-speed writing and high-speed reading are possible. On the other hand, the memory cell 100 (two-terminal MTJ element) of the second MRAM has a feature that the cell size is smaller than that of the memory cell 1 (three-terminal MTJ element). Therefore, the first MRAM and the second MRAM can be used properly according to the application.

例えば、本実施の形態をマイコンチップに応用することができる。MCU(マイクロコンピューティング・ユニット:マイコン)の主な構成要素は、CPU、SRAM、フラッシュメモリであり、それら構成要素が1チップ(混載メモリチップ)に集積されている。SRAMには、(1)書き込み回数無制限、(2)高速書込み、(3)高速読み出し、といった特性が要求される。一方、フラッシュメモリには、(1)メモリセルの小型化、(2)高速読み出し、といった特性が要求される。従って、マイコンチップのSRAM及びフラッシュメモリを、それぞれ、本実施の形態に係る第1MRAM及び第2MRAMで置き換えることができる。SRAMが不揮発性のMRAMで置き換えられるため、暗電流が大幅に削減される。また、上述の通り、同じ製造プロセスで第1MRAMと第2MRAMを同時に作成することができ、好適である。   For example, the present embodiment can be applied to a microcomputer chip. The main components of the MCU (microcomputer unit: microcomputer) are a CPU, SRAM, and flash memory, and these components are integrated on one chip (mixed memory chip). The SRAM is required to have characteristics such as (1) unlimited writing frequency, (2) high-speed writing, and (3) high-speed reading. On the other hand, flash memory is required to have characteristics such as (1) miniaturization of memory cells and (2) high-speed reading. Therefore, the SRAM and flash memory of the microcomputer chip can be replaced with the first MRAM and the second MRAM according to the present embodiment, respectively. Since the SRAM is replaced with a non-volatile MRAM, the dark current is greatly reduced. Further, as described above, the first MRAM and the second MRAM can be simultaneously created by the same manufacturing process, which is preferable.

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

本出願は、2009年9月28日に出願された日本国特許出願2009−222979を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。   This application claims the priority on the basis of the Japan patent application 2009-222979 for which it applied on September 28, 2009, and takes in those the indications of all here.

Claims (10)

複数のメモリセルを備えるスピントランスファー方式の磁気メモリであって、
前記複数のメモリセルの各々は、
磁化方向が反転可能な強磁性層を含む磁気記録層と、
磁化方向が固定された強磁性層を含むセンス層と、
前記磁気記録層と前記センス層との間に挟まれたトンネルバリア層と、
磁化方向が固定された強磁性層を含む第1スピン供給層と、
前記磁気記録層と前記第1スピン供給層との間に挟まれた第1非磁性層と、
前記センス層及び前記トンネルバリア層を介して、前記磁気記録層に接続された第1端子と、
前記第1スピン供給層及び前記第1非磁性層を介して、前記磁気記録層に接続された第2端子と、
前記センス層、前記トンネルバリア層、前記第1スピン供給層及び前記第1非磁性層を介することなく、前記磁気記録層に接続された第3端子とを備え、
前記各々のメモリセルは、更に、基板上に形成された第1トランジスタ及び第2トランジスタを備え、
前記センス層、前記トンネルバリア層、前記磁気記録層、前記第1非磁性層、及び前記第1スピン供給層は、この順番で前記基板側から積層されており、
前記第1トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第1端子に接続されており、その他方は前記センス層に接続されており、
前記第2トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第3端子に接続されており、その他方は前記磁気記録層に接続され、
前記第1非磁性層は、前記磁気記録層の上面の第1領域上に形成されており、
前記磁気記録層の前記上面は、前記第1領域と異なる第2領域を有し、
前記第2トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記第2領域に接続されている
磁気メモリ。
A spin transfer magnetic memory comprising a plurality of memory cells,
Each of the plurality of memory cells includes
A magnetic recording layer including a ferromagnetic layer whose magnetization direction is reversible;
A sense layer including a ferromagnetic layer with a fixed magnetization direction;
A tunnel barrier layer sandwiched between the magnetic recording layer and the sense layer;
A first spin supply layer including a ferromagnetic layer having a fixed magnetization direction;
A first nonmagnetic layer sandwiched between the magnetic recording layer and the first spin supply layer;
A first terminal connected to the magnetic recording layer via the sense layer and the tunnel barrier layer;
A second terminal connected to the magnetic recording layer via the first spin supply layer and the first nonmagnetic layer;
A third terminal connected to the magnetic recording layer without passing through the sense layer, the tunnel barrier layer, the first spin supply layer, and the first nonmagnetic layer ;
Each of the memory cells further includes a first transistor and a second transistor formed on the substrate,
The sense layer, the tunnel barrier layer, the magnetic recording layer, the first nonmagnetic layer, and the first spin supply layer are stacked in this order from the substrate side,
One of the source and drain of the first transistor is connected to the first terminal, and the other is connected to the sense layer,
One of the source and drain of the second transistor is connected to the third terminal, the other is connected to the magnetic recording layer,
The first nonmagnetic layer is formed on a first region on the top surface of the magnetic recording layer,
The top surface of the magnetic recording layer has a second region different from the first region;
The other of the source and the drain of the second transistor is connected to the second region.
Magnetic memory.
請求項1に記載の磁気メモリであって、The magnetic memory according to claim 1,
前記磁気記録層は、The magnetic recording layer is
前記トンネルバリア層と接触し、磁化方向が反転可能な第1磁気記録層と、A first magnetic recording layer in contact with the tunnel barrier layer and capable of reversing the magnetization direction;
前記第1非磁性層と接触し、磁化方向が反転可能な第2磁気記録層と、A second magnetic recording layer in contact with the first nonmagnetic layer and having a reversible magnetization direction;
前記第1磁気記録層と前記第2磁気記録層との間に挟まれた非磁性層とA nonmagnetic layer sandwiched between the first magnetic recording layer and the second magnetic recording layer;
を有し、Have
前記第1磁気記録層と前記第2磁気記録層は、前記非磁性層を介して磁気的に結合しており、The first magnetic recording layer and the second magnetic recording layer are magnetically coupled via the nonmagnetic layer,
前記第2トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記磁気記録層の前記非磁性層に接続されているThe other of the source and the drain of the second transistor is connected to the nonmagnetic layer of the magnetic recording layer.
磁気メモリ。Magnetic memory.
請求項1に記載の磁気メモリであって、The magnetic memory according to claim 1,
前記各々のメモリセルは、Each of the memory cells has
磁化方向が固定された強磁性層を含む第2スピン供給層と、A second spin supply layer including a ferromagnetic layer having a fixed magnetization direction;
前記磁気記録層と前記第2スピン供給層との間に挟まれた第2非磁性層とA second nonmagnetic layer sandwiched between the magnetic recording layer and the second spin supply layer;
を更に備え、Further comprising
前記第2非磁性層は、前記第2領域上に形成されており、The second nonmagnetic layer is formed on the second region;
前記第2トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記第2スピン供給層及び前記第2非磁性層を介して、前記第2領域に接続されており、The other of the source and the drain of the second transistor is connected to the second region via the second spin supply layer and the second nonmagnetic layer,
前記第1スピン供給層と前記第2スピン供給層の固定磁化方向は反対であるThe fixed magnetization directions of the first spin supply layer and the second spin supply layer are opposite to each other.
磁気メモリ。Magnetic memory.
複数のメモリセルを備えるスピントランスファー方式の磁気メモリであって、A spin transfer magnetic memory comprising a plurality of memory cells,
前記複数のメモリセルの各々は、Each of the plurality of memory cells includes
磁化方向が反転可能な強磁性層を含む磁気記録層と、A magnetic recording layer including a ferromagnetic layer whose magnetization direction is reversible;
磁化方向が固定された強磁性層を含むセンス層と、A sense layer including a ferromagnetic layer with a fixed magnetization direction;
前記磁気記録層と前記センス層との間に挟まれたトンネルバリア層と、A tunnel barrier layer sandwiched between the magnetic recording layer and the sense layer;
磁化方向が固定された強磁性層を含む第1スピン供給層と、A first spin supply layer including a ferromagnetic layer having a fixed magnetization direction;
前記磁気記録層と前記第1スピン供給層との間に挟まれた第1非磁性層と、A first nonmagnetic layer sandwiched between the magnetic recording layer and the first spin supply layer;
前記センス層及び前記トンネルバリア層を介して、前記磁気記録層に接続された第1端子と、A first terminal connected to the magnetic recording layer via the sense layer and the tunnel barrier layer;
前記第1スピン供給層及び前記第1非磁性層を介して、前記磁気記録層に接続された第2端子と、A second terminal connected to the magnetic recording layer via the first spin supply layer and the first nonmagnetic layer;
前記センス層、前記トンネルバリア層、前記第1スピン供給層及び前記第1非磁性層を介することなく、前記磁気記録層に接続された第3端子とを備え、A third terminal connected to the magnetic recording layer without passing through the sense layer, the tunnel barrier layer, the first spin supply layer, and the first nonmagnetic layer;
前記各々のメモリセルは、更に、基板上に形成された第1トランジスタ及び第2トランジスタを備え、Each of the memory cells further includes a first transistor and a second transistor formed on the substrate,
前記第1スピン供給層、前記第1非磁性層、前記磁気記録層、前記トンネルバリア層、及び前記センス層は、この順番で前記基板側から積層されており、The first spin supply layer, the first nonmagnetic layer, the magnetic recording layer, the tunnel barrier layer, and the sense layer are stacked in this order from the substrate side,
前記第1トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第2端子に接続されており、その他方は前記第1スピン供給層に接続されており、One of the source and the drain of the first transistor is connected to the second terminal, and the other is connected to the first spin supply layer.
前記第2トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第3端子に接続されており、その他方は前記磁気記録層に接続され、One of the source and drain of the second transistor is connected to the third terminal, the other is connected to the magnetic recording layer,
前記トンネルバリア層は、前記磁気記録層の上面の第1領域上に形成されており、The tunnel barrier layer is formed on the first region of the upper surface of the magnetic recording layer;
前記磁気記録層の前記上面は、前記第1領域と異なる第2領域を有し、The top surface of the magnetic recording layer has a second region different from the first region;
前記第2トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記第2領域に接続されているThe other of the source and the drain of the second transistor is connected to the second region.
磁気メモリ。Magnetic memory.
請求項4に記載の磁気メモリであって、The magnetic memory according to claim 4,
前記磁気記録層は、The magnetic recording layer is
前記第1非磁性層と接触し、磁化方向が反転可能な第1磁気記録層と、A first magnetic recording layer in contact with the first nonmagnetic layer and having a reversible magnetization direction;
前記トンネルバリア層と接触し、磁化方向が反転可能な第2磁気記録層と、A second magnetic recording layer in contact with the tunnel barrier layer and capable of reversing the magnetization direction;
前記第1磁気記録層と前記第2磁気記録層との間に挟まれた非磁性層とA nonmagnetic layer sandwiched between the first magnetic recording layer and the second magnetic recording layer;
を有し、Have
前記第1磁気記録層と前記第2磁気記録層は、前記非磁性層を介して磁気的に結合しており、The first magnetic recording layer and the second magnetic recording layer are magnetically coupled via the nonmagnetic layer,
前記第2トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記磁気記録層の前記非磁性層に接続されているThe other of the source and the drain of the second transistor is connected to the nonmagnetic layer of the magnetic recording layer.
磁気メモリ。Magnetic memory.
請求項4に記載の磁気メモリであって、The magnetic memory according to claim 4,
前記各々のメモリセルは、Each of the memory cells has
磁化方向が固定された強磁性層を含む第2スピン供給層と、A second spin supply layer including a ferromagnetic layer having a fixed magnetization direction;
前記磁気記録層と前記第2スピン供給層との間に挟まれた第2非磁性層とA second nonmagnetic layer sandwiched between the magnetic recording layer and the second spin supply layer;
を更に備え、Further comprising
前記第1非磁性層は、前記磁気記録層の底面の第1領域上に形成されており、The first nonmagnetic layer is formed on a first region of a bottom surface of the magnetic recording layer;
前記磁気記録層の前記底面は、前記第1領域と異なる第2領域を有し、The bottom surface of the magnetic recording layer has a second region different from the first region;
前記第2非磁性層は、前記第2領域上に形成されており、The second nonmagnetic layer is formed on the second region;
前記第2トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記第2スピン供給層及び前記第2非磁性層を介して、前記第2領域に接続されており、The other of the source and the drain of the second transistor is connected to the second region via the second spin supply layer and the second nonmagnetic layer,
前記第1スピン供給層と前記第2スピン供給層の固定磁化方向は反対であるThe fixed magnetization directions of the first spin supply layer and the second spin supply layer are opposite to each other.
磁気メモリ。Magnetic memory.
請求項4乃至6のいずれか一項に記載の磁気メモリであって、The magnetic memory according to any one of claims 4 to 6,
前記第1トランジスタのゲート電極と前記第2トランジスタのゲート電極は、共通のワード線に接続されているThe gate electrode of the first transistor and the gate electrode of the second transistor are connected to a common word line.
磁気メモリ。Magnetic memory.
複数の第1メモリセルを備えるスピントランスファー方式の第1磁気メモリと、A spin transfer type first magnetic memory comprising a plurality of first memory cells;
複数の第2メモリセルを備えるスピントランスファー方式の第2磁気メモリとA spin transfer type second magnetic memory comprising a plurality of second memory cells;
を具備し、Comprising
前記複数の第1メモリセルの各々は、Each of the plurality of first memory cells includes:
磁化方向が反転可能な強磁性層を含む第1磁気記録層と、A first magnetic recording layer including a ferromagnetic layer whose magnetization direction is reversible;
磁化方向が固定された強磁性層を含む第1センス層と、A first sense layer including a ferromagnetic layer with a fixed magnetization direction;
前記第1磁気記録層と前記第1センス層との間に挟まれた第1トンネルバリア層と、A first tunnel barrier layer sandwiched between the first magnetic recording layer and the first sense layer;
磁化方向が固定された強磁性層を含む第1スピン供給層と、A first spin supply layer including a ferromagnetic layer having a fixed magnetization direction;
前記第1磁気記録層と前記第1スピン供給層との間に挟まれた第1非磁性層と、A first nonmagnetic layer sandwiched between the first magnetic recording layer and the first spin supply layer;
前記第1センス層及び前記第1トンネルバリア層を介して、前記第1磁気記録層に接続された第1端子と、A first terminal connected to the first magnetic recording layer via the first sense layer and the first tunnel barrier layer;
前記第1スピン供給層及び前記第1非磁性層を介して、前記第1磁気記録層に接続された第2端子と、A second terminal connected to the first magnetic recording layer via the first spin supply layer and the first nonmagnetic layer;
前記第1センス層、前記第1トンネルバリア層、前記第1スピン供給層及び前記第1非磁性層を介することなく、前記第1磁気記録層に接続された第3端子とA third terminal connected to the first magnetic recording layer without passing through the first sense layer, the first tunnel barrier layer, the first spin supply layer, and the first nonmagnetic layer;
を備え、With
前記複数の第2メモリセルの各々は、Each of the plurality of second memory cells includes:
磁化方向が反転可能な強磁性層を含む第2磁気記録層と、A second magnetic recording layer including a ferromagnetic layer whose magnetization direction is reversible;
磁化方向が固定された強磁性層を含む第2センス層と、A second sense layer including a ferromagnetic layer with a fixed magnetization direction;
前記第2磁気記録層と前記第2センス層との間に挟まれた第2トンネルバリア層と、A second tunnel barrier layer sandwiched between the second magnetic recording layer and the second sense layer;
前記第2センス層に接続された第4端子と、A fourth terminal connected to the second sense layer;
前記第2磁気記録層に接続された第5端子とを備え、A fifth terminal connected to the second magnetic recording layer,
前記第1メモリセルの各々は、更に、基板上に形成された第1トランジスタ及び第2トランジスタを備え、Each of the first memory cells further includes a first transistor and a second transistor formed on the substrate,
前記第1センス層、前記第1トンネルバリア層、前記第1磁気記録層、前記第1非磁性層、及び前記第1スピン供給層は、この順番で前記基板側から積層されており、The first sense layer, the first tunnel barrier layer, the first magnetic recording layer, the first nonmagnetic layer, and the first spin supply layer are stacked in this order from the substrate side,
前記第1トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第1端子に接続されており、その他方は前記第1センス層に接続されており、One of the source and drain of the first transistor is connected to the first terminal, and the other is connected to the first sense layer,
前記第2トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第3端子に接続されており、その他方は前記第1磁気記録層に接続され、One of the source and drain of the second transistor is connected to the third terminal, and the other is connected to the first magnetic recording layer.
前記第1非磁性層は、前記第1磁気記録層の上面の第1領域上に形成されており、The first nonmagnetic layer is formed on a first region of the upper surface of the first magnetic recording layer;
前記第1磁気記録層の前記上面は、前記第1領域と異なる第2領域を有し、The upper surface of the first magnetic recording layer has a second region different from the first region;
前記第2トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記第2領域に接続されているThe other of the source and the drain of the second transistor is connected to the second region.
半導体集積回路。Semiconductor integrated circuit.
複数の第1メモリセルを備えるスピントランスファー方式の第1磁気メモリと、A spin transfer type first magnetic memory comprising a plurality of first memory cells;
複数の第2メモリセルを備えるスピントランスファー方式の第2磁気メモリとA spin transfer type second magnetic memory comprising a plurality of second memory cells;
を具備し、Comprising
前記複数の第1メモリセルの各々は、Each of the plurality of first memory cells includes:
磁化方向が反転可能な強磁性層を含む第1磁気記録層と、A first magnetic recording layer including a ferromagnetic layer whose magnetization direction is reversible;
磁化方向が固定された強磁性層を含む第1センス層と、A first sense layer including a ferromagnetic layer with a fixed magnetization direction;
前記第1磁気記録層と前記第1センス層との間に挟まれた第1トンネルバリア層と、A first tunnel barrier layer sandwiched between the first magnetic recording layer and the first sense layer;
磁化方向が固定された強磁性層を含む第1スピン供給層と、A first spin supply layer including a ferromagnetic layer having a fixed magnetization direction;
前記第1磁気記録層と前記第1スピン供給層との間に挟まれた第1非磁性層と、A first nonmagnetic layer sandwiched between the first magnetic recording layer and the first spin supply layer;
前記第1センス層及び前記第1トンネルバリア層を介して、前記第1磁気記録層に接続された第1端子と、A first terminal connected to the first magnetic recording layer via the first sense layer and the first tunnel barrier layer;
前記第1スピン供給層及び前記第1非磁性層を介して、前記第1磁気記録層に接続された第2端子と、A second terminal connected to the first magnetic recording layer via the first spin supply layer and the first nonmagnetic layer;
前記第1センス層、前記第1トンネルバリア層、前記第1スピン供給層及び前記第1非磁性層を介することなく、前記第1磁気記録層に接続された第3端子とA third terminal connected to the first magnetic recording layer without passing through the first sense layer, the first tunnel barrier layer, the first spin supply layer, and the first nonmagnetic layer;
を備え、With
前記複数の第2メモリセルの各々は、Each of the plurality of second memory cells includes:
磁化方向が反転可能な強磁性層を含む第2磁気記録層と、A second magnetic recording layer including a ferromagnetic layer whose magnetization direction is reversible;
磁化方向が固定された強磁性層を含む第2センス層と、A second sense layer including a ferromagnetic layer with a fixed magnetization direction;
前記第2磁気記録層と前記第2センス層との間に挟まれた第2トンネルバリア層と、A second tunnel barrier layer sandwiched between the second magnetic recording layer and the second sense layer;
前記第2センス層に接続された第4端子と、A fourth terminal connected to the second sense layer;
前記第2磁気記録層に接続された第5端子とを備え、A fifth terminal connected to the second magnetic recording layer,
前記第1メモリセルの各々は、更に、基板上に形成された第1トランジスタ及び第2トランジスタを備え、Each of the first memory cells further includes a first transistor and a second transistor formed on the substrate,
前記第1スピン供給層、前記第1非磁性層、前記第1磁気記録層、前記第1トンネルバリア層、及び前記第1センス層は、この順番で前記基板側から積層されており、The first spin supply layer, the first nonmagnetic layer, the first magnetic recording layer, the first tunnel barrier layer, and the first sense layer are stacked in this order from the substrate side,
前記第1トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第2端子に接続されており、その他方は前記第1スピン供給層に接続されており、One of the source and the drain of the first transistor is connected to the second terminal, and the other is connected to the first spin supply layer.
前記第2トランジスタのソース及びドレインの一方は前記第3端子に接続されており、その他方は前記第1磁気記録層に接続され、One of the source and drain of the second transistor is connected to the third terminal, and the other is connected to the first magnetic recording layer.
前記トンネルバリア層は、前記第1磁気記録層の上面の第1領域上に形成されており、The tunnel barrier layer is formed on a first region of an upper surface of the first magnetic recording layer;
前記第1磁気記録層の前記上面は、前記第1領域と異なる第2領域を有し、The upper surface of the first magnetic recording layer has a second region different from the first region;
前記第2トランジスタの前記ソース及び前記ドレインの前記他方は、前記第2領域に接続されているThe other of the source and the drain of the second transistor is connected to the second region.
半導体集積回路。Semiconductor integrated circuit.
請求項8又は9に記載の半導体集積回路であって、A semiconductor integrated circuit according to claim 8 or 9, wherein
前記第1磁気記録層と前記第2磁気記録層とは同じ層に形成され、The first magnetic recording layer and the second magnetic recording layer are formed in the same layer,
前記第1トンネルバリア層と前記第2トンネルバリア層とは同じ層に形成され、The first tunnel barrier layer and the second tunnel barrier layer are formed in the same layer,
前記第1センス層と前記第2センス層とは同じ層に形成されたThe first sense layer and the second sense layer are formed in the same layer.
半導体集積回路。Semiconductor integrated circuit.
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