WO2006092849A1 - 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置 Download PDF

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WO2006092849A1
WO2006092849A1 PCT/JP2005/003400 JP2005003400W WO2006092849A1 WO 2006092849 A1 WO2006092849 A1 WO 2006092849A1 JP 2005003400 W JP2005003400 W JP 2005003400W WO 2006092849 A1 WO2006092849 A1 WO 2006092849A1
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magnetic
magnetoresistive effect
magnetic layer
effect element
axis direction
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Yoshihiro Sato
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Fujitsu Limited
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    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
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    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment

Definitions

  • the present invention relates to a magnetoresistive effect element and a magnetic memory device, and more particularly to a magnetoresistive effect element whose resistance value changes based on the magnetization direction of a magnetic layer and a magnetic memory device using the same.
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • MRAM stores information by using a combination of magnetization directions in two magnetic layers, and changes in resistance (i.e., current or current) when the magnetic layer directions between these magnetic layers are parallel and antiparallel. The stored information is read by detecting the voltage change).
  • a magnetic tunnel junction (hereinafter referred to as MT J: Magnetic Tunnel Junction) element is known as one of magnetoresistive elements that constitute an MRAM.
  • An MTJ element is a stack of two ferromagnetic magnetic layers with a tunnel insulating film interposed between them. Based on the relationship between the magnetic directions of the two ferromagnetic layers, the magnetic layer is interposed between the tunnel insulating films. This utilizes the phenomenon that the flowing tunnel current changes. That is, the MTJ element has a low element resistance when the magnetic directions of the two ferromagnetic layers are parallel, and has a high element resistance when the two ferromagnetic layers are antiparallel. By associating these two states with data “0” and data “1”, it can be used as a memory element.
  • MRAM memory
  • One of the challenges in MRAM is to reduce power consumption during writing.
  • One way to achieve this is to reduce the current during the rewrite operation.
  • Another issue with MRAM is the rewriting of many MTJ elements over megabits without error. Therefore, a large margin is required for the rewrite operation.
  • toggle operation As one method for securing a wide margin in the rewriting operation, a rewriting operation by rotation of a synthetic magnetic field applied to the MTJ element, a so-called toggle operation is known (for example, see Non-Patent Document 1). .
  • the toggle operation increases the rewrite operation margin, but has the disadvantages of 1) high power consumption and 2) a long rewrite operation time because a read operation is required to check the memory state before the rewrite operation. .
  • FIGS. 16 (a) to 16 (c) are diagrams showing the planar shape of the MTJ element 100, which has been proposed based on a strong viewpoint (see Patent Document 1, Non-Patent Document 2, etc.).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-151260
  • Patent Document 2 JP 2004-128067 A
  • Non-Patent Document 1 M. Durlam et al, "A 0.18 ⁇ m 4Mb toggling MRAM", IEDM 2003
  • Patent Document 2 YK Ha et al "" MRAM with novel shaped cell using synthetic anti-ferromagnetic free layer, 2004 Symposium on VLSI Technology, Digest of Technical Papers, pp.24— 25
  • An object of the present invention is to reduce the rewrite current and widen the rewrite operation margin. Another object of the present invention is to provide a magnetoresistive effect element having a shape that can be easily processed by applying a silicon process, and a high-performance and highly productive magnetic memory device using the magnetoresistive effect element.
  • the first magnetic layer having a fixed magnetic field direction and a second magnetic layer whose magnetic field direction changes in response to an external magnetic field
  • a magnetoresistive element in which a resistance state changes according to a magnetization direction of the second magnetic layer with respect to a magnetic field direction of the first magnetic layer, wherein the second magnetic layer has a magnetic field It has a first recess recessed inward on one side parallel to the difficult axis direction, and a second recess recessed inward on the other side parallel to the magnetic axis difficult axis direction.
  • a magnetoresistive effect element is provided.
  • a first wiring, a second wiring that intersects the first wiring, and an intersection region of the first wiring and the second wiring there is provided a magnetic memory device comprising the magnetoresistive element described above.
  • the first magnetic layer having a fixed magnetic field direction and the second magnetic layer whose magnetic field direction changes in response to an external magnetic field
  • the first magnetic layer In the magnetoresistive effect element in which the resistance state changes according to the magnetization direction of the second magnetic layer with respect to the magnetic layer direction of the layer, the second magnetic layer has a width in the direction of the easy axis of the magnetic layer that is larger than that of the end portion. Since it has a narrow planar shape at the center, an increase in the applied magnetic field in the direction of the hard magnetic axis results in the formation of two regions adjacent to the direction of the hard axis, such that the magnetization directions of the magnetic domains are aligned in a C shape.
  • the shape of the second magnetic layer can be realized within a range applicable to the silicon process. As a result, it is possible to realize a high-performance magnetoresistive element that requires a new processing technology.
  • FIG. 1 is a plan view showing a structure of a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view showing the structure of a magnetic memory device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a partially enlarged sectional view showing the structure of the magnetic memory device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view showing the shape of a magnetoresistive effect element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view showing a magnetic state of a magnetoresistive effect element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the asteroid curve of the magnetoresistive effect element and the write operation margin estimated from the asteroid curve.
  • FIG. 7 A graph showing the asteroid curve of the magnetoresistive element obtained by simulation.
  • FIG. 8 is a graph showing asteroid curve and write operation margin of a conventional magnetoresistive effect element obtained by simulation.
  • FIG. 9 is a graph showing a steroid curve and a write operation margin of a magnetoresistive effect element according to an embodiment of the present invention obtained by simulation.
  • FIG. 10 is a graph showing asteroid curves in a C-type magnetic state and an S-type magnetic state.
  • FIG. 11 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the magnetic memory device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the magnetic memory device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention. 3).
  • FIG. 14 is a process cross-sectional view (part 4) illustrating the method for manufacturing the magnetic memory device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a plan view showing the shape of an MTJ element according to a modification of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a plan view showing the shape of a conventional magnetoresistive element.
  • FIGS. 1-10 A magnetoresistive effect element and a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 1 is a plan view showing the structure of the magnetic memory device according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a schematic sectional view showing the structure of the magnetic memory device according to the present embodiment
  • FIG. 3 is the structure of the magnetic memory device according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a plan view showing the shape of the magnetoresistive effect element according to the present embodiment
  • FIG. 5 is a plan view showing a magnetization state in the magnetoresistive effect element according to the present embodiment
  • FIG. 6 is a magnetoresistive effect.
  • Fig. 7 is a graph showing the asteroid curve of the magnetoresistive element obtained by simulation
  • Fig. 8 is obtained by simulation.
  • FIG. 9 is a graph showing the asteroid curve and write operation margin of a conventional magnetoresistive element, and FIG. 9 is an embodiment of the present invention obtained by simulation.
  • Fig. 10 is a graph showing the steroid curve and write operation margin of the magnetoresistive effect element
  • Fig. 10 is a graph showing the steroid curve in the C-type magnetic state and the S-type magnetic state
  • Figs. It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the magnetic memory device by embodiment.
  • an element isolation film 12 that defines a plurality of active regions is formed! Multiple active areas are each long in the Y direction! They have a rectangular shape and are arranged in a staggered pattern.
  • a plurality of lead lines WL extending in the X direction are formed on the silicon substrate 10 on which the element isolation film 12 is formed.
  • Two word lines WL are extended in each active region.
  • Source / drain regions 16 and 18 are formed in the active regions on both sides of the word line WL, respectively.
  • two selection transistors each having the gate electrode 14 constituted by the word line WL and the source Z drain regions 16 and 18 are formed in each active region.
  • Two selection transistors formed in one active region are The source Z drain region 16 is shared.
  • An interlayer insulating film 20 is formed on the silicon substrate 10 on which the selection transistor is formed. Contact plugs 24 connected to the source / drain regions 16 are embedded in the interlayer insulating film 20. A ground line 26 electrically connected to the source / drain region 16 via the contact plug 24 is formed on the interlayer insulating film 20.
  • An interlayer insulating film 28 is formed on the interlayer insulating film 20 on which the ground line 26 is formed.
  • a write word line 38 is embedded in the interlayer insulating film 28.
  • the write node line 38 is formed on the gate electrode 14.
  • the write word line 38 includes a Ta film 32 as a barrier metal formed along the inner wall of the wiring groove 30, and a high-permeability NiFe film provided to increase the magnetic field. 34 and a Cu film 36 which is a main wiring portion.
  • An interlayer insulating film 40 is formed on the interlayer insulating film 28 in which the write word line 38 is embedded.
  • Contact plugs 44 connected to the source Z / drain regions 18 are embedded in the interlayer insulating films 40, 28, and 20.
  • a lower electrode layer 46 electrically connected to the source Z drain region 18 via the contact plug 44 is formed on the interlayer insulating film 40 in which the contact plug 44 is embedded.
  • An MTJ element 62 is formed on the lower electrode layer 46.
  • the MTJ element 62 includes an antiferromagnetic layer 48 made of a PtMn film, a CoFe film 50a that is a ferromagnetic material, a Ru film 50b that is a nonmagnetic material, and CoFe that is a ferromagnetic material.
  • a fixed magnetic layer 50 made of a laminated film of film 50c, a tunnel insulating film 52 made of an alumina film, a free magnetic layer 54 made of a NiFe film as a ferromagnetic material, and a cap layer 56 made of a Ta film. It is composed of a laminate.
  • An interlayer insulating film 64 is formed on the interlayer insulating film 40 other than the region where the MTJ element 62 is formed.
  • a plurality of bit lines 66 (BL) electrically connected to the MTJ element 62 in the cap layer 56 are formed on the interlayer insulating film 40 in which the MTJ element 62 is embedded.
  • the bit line 66 extends in the Y direction, and is connected to the cap layer 60 of the MTJ element 62 arranged in the Y direction.
  • a 1T-1MTJ type memory cell composed of one selection transistor and one MTJ element.
  • a magnetic memory device having a memory is configured.
  • the magnetic memory device according to the present embodiment is mainly characterized by the planar shape of the MTJ element 62. That is, in the MTJ element 62 of the magnetic memory device according to the present embodiment, as shown in FIG. 4 (a), the recesses 68 are respectively formed on a pair of sides parallel to the magnetically difficult axis direction. The width is narrower than the width of the end portion. Further, as shown in FIGS. 1 and 4B, the MTJ element 62 is provided in a region where the write word line 38 and the bit line 66 intersect, and the easy axis direction of the write word line 38 extends. The magnetic axis is arranged so that the hard axis direction is parallel to the extending direction of the bit line 66.
  • FIG. 5 is a diagram showing a result of the magnetic field in the magnetoresistive effect element according to the present embodiment obtained by LLG simulation.
  • Fig. 5 (a) shows the case where the magnetic field is reversed with the applied magnetic field in the magnetic easy axis direction, where OOe is the applied magnetic field in the magnetic difficult axis direction
  • Fig. 5 (b) is the magnetic field. This is the case where the magnetic field reversal is performed with the applied magnetic field in the easy axis direction, with lOOOe as the applied magnetic field in the hard axis direction.
  • the small arrow represents the direction of the magnetic field in the magnetic domain at that location, and the large arrow roughly represents how the magnetic field direction of each magnetic domain is aligned as V as a whole. Is.
  • a recess 68 is formed as shown in FIG. 5 (a).
  • the direction of the magnetization of each magnetization is in the direction of the easy axis.
  • the region above and below the recess 68 is vertically symmetrical with respect to the central portion where the recess 68 is formed.
  • the magnetic domain directions of the magnetic domains are arranged so that the magnetic field is directed toward the hard axis direction while drawing an arc with the central portion of the MTJ element 62 as a vertex.
  • the magnetic field direction of each magnetic domain in the MTJ element plane is vertically symmetric with respect to the central portion where the recess 68 is formed, and the magnetic field direction of each magnetic domain in each region is They are lined up to draw a C shape as a whole.
  • the magnetization state in which the magnetic domain directions of the magnetic domains are arranged in this way is referred to as C-type.
  • the magnetization direction of each magnetic domain is approximately magnetic.
  • the direction of the combined magnetic field of the magnetic field applied in the easy axis direction and the magnetic field applied in the difficult axis direction (upper right direction in the drawing) It is.
  • the presence of the recesses 68 causes a slight undulation of the magnetic domains, and they are arranged so as to draw one S-shape as a whole in the plane of the MTJ element.
  • the magnetic domain state in which the magnetization directions of the magnetic domains are arranged in this way is referred to as an S shape.
  • the magnetoresistive effect element according to the present embodiment is based on the shape shown in FIG.
  • the magnetization state in this case forms two C-shapes that are vertically symmetric with respect to the recess 68, and the magnetization state when a magnetic field is applied in the easy axis direction and the hard axis direction is one S type as a whole. Is characterized by
  • FIG. 6 (a) shows the asteroid curves of the selected cell and the half-selected cell.
  • the selected cell is a memory cell in which a predetermined write magnetic field is applied in both the easy axis direction and the hard axis direction.
  • the half-selected cell is a memory cell adjacent to the selected cell, in which the same write magnetic field as the selected cell is applied to only one of the magnetic axis direction and the magnetic axis direction. It is.
  • the half-selected cell to which only the write magnetic field in the easy magnetization direction is applied is applied with the leakage magnetic field of the write magnetic field in the hard magnetic axis direction applied to the selected cell, and only the magnetic field in the hard magnetization axis direction is applied.
  • a leakage magnetic field of a write magnetic field in the easy axis direction applied to the selected cell is applied to the half-selected cell.
  • the steroid curve indicates the relationship between the applied magnetic field in the easy axis direction and the applied magnetic field in the hard axis direction necessary to reverse the magnetization of the free magnetic layer of the MTJ element.
  • the area on the graph inside (the origin side) from the asteroid curve is the area where the direction of the magnetic field does not reverse even when a magnetic field is applied, and the area on the graph outside the asteroid curve is the magnetic field applied This is a region where the magnetization direction is reversed.
  • FIG. 6 (b) shows a case where the selected cell has a steeper profile that passes near the origin than the asteroid curve force of FIG. 6 (a).
  • the operation margin area can be expanded as compared with the case of FIG. 6 (a), and the write margin of the MTJ element can be increased.
  • an MTJ element having a steep profile in which the asteroid curve passes near the origin is considered to have a broader write operation margin.
  • FIG. 7 is a graph showing a steroid curve obtained by LLG simulation.
  • the solid line is the MTJ element according to this embodiment (invention)
  • the alternate long and short dash line is the elliptical MTJ element (conventional example 1)
  • the dotted line is the goggle-shaped MTJ element as shown in Fig. 16 (b). This is the case of the element (conventional example 2).
  • the maximum in the easy axis direction was set to 0.4 / ⁇ ⁇
  • the maximum width in the hard axis direction was set to 0.2 m.
  • the asteroid curve of the MTJ element of the present invention and the MTJ element of Conventional Example 2 has a steep recess near the origin, and the asteroid curve of the MTJ element of Conventional Example 1 It has a profile that passes near the origin rather than. Therefore, the MTJ element of the present invention and the MTJ element of Conventional Example 2 are considered to have a wider write operation margin than the MTJ element of Conventional Example 1.
  • FIG. 8 shows the results of LLG simulations for the selected cell and half-selected cell in the MTJ element according to the present embodiment.
  • FIG. 9 shows the selected cell in the MTJ element of Conventional Example 1. The results of the LLG simulation of the asteroid curve of the semi-selected cell are shown.
  • the horizontal axis represents the current value flowing through the signal line (bit line) for applying a magnetic field in the easy axis direction, and corresponds to the applied magnetic field strength in the easy axis direction.
  • the vertical axis is the current value that flows through the signal line (write word line) that applies the magnetic field in the hard axis direction, and corresponds to the applied magnetic field strength in the hard axis direction.
  • the MTJ element of the present invention and the MTJ element of the conventional example 2 have a sharp curve in the magnetic field intensity in the magnetic axis direction where the asteroid curve is present. This is because the magnetic domain state of the magnetic domain in the MTJ element plane changes to C-type force S-type when the value exceeds the specified value.
  • the asteroid curve of the MTJ element having the C-type magnetic state is located outside the asteroid curve of the MTJ element having the S-type magnetic state. For this reason, when the magnetization state changes from C-type to S-type, the asteroid curve approaches the Y-axis in the region where the hard axis magnetic field is large, and a steep profile as shown in the figure is formed. Due to such a rapid profile change, the write operation margin is improved in the area indicated by the ellipse in the figure.
  • the MTJ element of the present invention has a write current operation condition that is equivalent to that of the conventional MTJ element, and can reduce power consumption compared to the case of writing by a toggle operation.
  • the formation of two C-shaped magnetic states in the MTJ element plane is a feature of the MTJ element of the magnetic memory device according to the present embodiment. This characteristic is considered to be a factor that can widen the write operation margin compared to the MTJ element of Conventional Example 2.
  • the mechanism by which the write operation margin becomes wide is not clear, but it can be considered as follows, for example:
  • the formation of two C-shaped magnetic states in the MTJ element according to the present embodiment corresponds to a combination of two MTJ elements that are C-shaped and half in size.
  • the planar shape of the MTJ element of the magnetic memory device according to the present embodiment shown in FIG. 4 is a simple shape having a rectangular shape with symmetrical left and right concave portions on the short side, and is easy to design.
  • the shape and size “position” of the left and right recesses are the same, the asteroid curve is symmetric with respect to the magnetically difficult axis, and the margin can be expanded in the MRAM operation.
  • the concave portion 68 so that its width becomes narrower toward the inside of the MTJ element 62, a C-shaped magnetic field can be stably formed in a state where only the magnetic axis easy axis magnetic field is applied. be able to.
  • the shape of the MTJ element it is preferable to set the aspect ratio so that the length in the easy axis direction of the magnet becomes longer from the viewpoint of stabilizing the magnetization of the free magnetic layer.
  • the aspect ratio is 1: 1
  • a C-shaped magnetization state corresponding to a shape close to 1: 2 is formed above and below the recess, so that a sufficient operating margin is secured.
  • a possible asteroid curve can be obtained stably. This means that the area can be reduced to half that of an MTJ element with an aspect ratio of, for example, 1: 2, which is extremely effective in achieving high integration.
  • FIGS. 11 to 13 are process cross-sectional views showing a manufacturing method of the entire memory cell including the selection transistor and the MTJ element
  • FIG. 14 is a partially enlarged process cross-sectional view showing the MTJ element manufacturing method.
  • the element isolation film 12 is formed on the silicon substrate 10 by, eg, STI (Shallow Trench Isolation) method.
  • a selection transistor having a gate electrode 14 and source Z drain regions 16 and 18 is formed in the active region defined by the element isolation film 12 in the same manner as a normal MOS transistor formation method (FIG. 11 (a)).
  • the surface is flattened by a CMP method, and the silicon oxide film is formed.
  • An interlayer insulating film 20 is formed.
  • a contact hole 22 reaching the source Z drain region 16 is formed in the interlayer insulating film 20 by photolithography and dry etching.
  • a conductive film is deposited and patterned on the interlayer insulating film 20 in which the contact plugs 24 are embedded, and ground lines 26 electrically connected to the source / drain regions 16 through the contact plugs 24.
  • a wiring trench 30 for embedding a write word line is formed in the interlayer insulating film 28 by photolithography and etching (FIG. 11 (d)).
  • a silicon oxide film having a thickness of, for example, lOOnm is deposited on the interlayer insulating film 28 in which the write word line 38 is embedded by, for example, a CVD method, and then the surface is flattened by the CMP method.
  • An interlayer insulating film 40 made of a coating film is formed.
  • contact holes 42 reaching the source / drain regions 18 are formed in the interlayer insulating films 40, 28, 20 by photolithography and dry etching.
  • a Ta film 46a of, eg, a 40 nm-thickness is deposited by, eg, sputtering (FIG. 12). (C)) 0
  • a layer 54 and a cap layer 56 made of, for example, a Ta film with a thickness of 30 nm are sequentially formed.
  • a photoresist film 70 having a pattern of a free magnetic layer to be formed is formed by photolithography.
  • the photoresist film 70 has a rectangular shape that is long in the extending direction of the word line WL (eg, the X direction in FIG. 1) and has a concave portion on the short side as shown in FIG. 4 (FIG. 14A).
  • the shape of the MTJ element 62 shown in FIG. 4 is drawn only by the vertical “horizontal” diagonal patterning rule, it can be designed by a method according to conventional silicon technology. Can be easily realized.
  • etching is performed using the photoresist film 70 as a mask, and the free magnetic layer 54 and the cap layer 56 are patterned.
  • a free magnetic layer 54 having a rectangular shape of 200 X 300 nm long in the extending direction of the word line WL (for example, the X direction in FIG. 1) and having a recess on the short side is formed (FIG. 14B). ).
  • a photoresist film 72 having a pattern of the fixed magnetic layer to be formed is formed by photolithography.
  • the photoresist film 72 has, for example, a rectangular shape that is slightly larger than the pattern of the free magnetic layer 54 (FIG. 14 (c)).
  • the side wall deposits generated during patterning can be reduced. Suppressing an electrical short between the free magnetic layer 54 and the fixed magnetic layer 50 Can do. Thereby, a manufacturing yield can be improved.
  • a photoresist film 74 having a pattern of the lower electrode layer 46 to be formed is formed by photolithography (FIG. 14 (e)).
  • the silicon oxide film is deposited until the MTJ element 62 is exposed by the CMP method.
  • An interlayer insulating film 64 made of a silicon oxide film having a planarized surface is formed (FIG. 13 (b)).
  • a conductive film is deposited and patterned on the interlayer insulating film 64 in which the MTJ element 62 is embedded, and a bit line 66 connected to the MTJ element 62 is formed (FIG. 13 (c)).
  • an insulating layer, a wiring layer, and the like are further formed on the upper layer to complete the magnetic memory device.
  • the free magnetic layer has a planar shape having recesses on a pair of sides parallel to the hard axis direction, so that the applied magnetic field in the hard axis direction can be reduced.
  • the magnetic domain direction of the magnetic domains aligned in a C-shaped manner is adjacent to the magnetic axis of the magnetic domain. As shown, it can exhibit the characteristic of changing to the magnetic domain state in which the magnetic domain directions are aligned. This increases the reversal magnetic field strength when the magnetic field in the hard axis direction is weak and improves disturb resistance. On the other hand, the reversal magnetic field strength when the magnetic field in the hard axis direction is strong decreases and writing is performed. Operation can be facilitated.
  • the applied magnetic field strength required for writing of the magnetoresistive effect element having the above-described planar shape of the free magnetic layer is almost the same as that of the conventional magnetoresistive effect element, and writing by toggle operation is performed. Power consumption can be reduced compared to the case.
  • the above-described shape of the free magnetic layer can be realized within a range applicable to the silicon process. As a result, it is possible to realize a high-performance magnetoresistive element that requires a new processing technology.
  • the MTJ element 62 has a planar shape as shown in FIG. 4.
  • the shape that can exert the effects of the present invention is not limited to that shown in FIG.
  • the magnetoresistive effect element according to the present invention is mainly characterized in that two C-shaped magnetization states are formed in the element plane when only a magnetic field in the easy axis direction is applied. If the shape can realize such a magnetic state, various modifications can be made to the shape shown in FIG.
  • the MTJ element 62 may be a convex polygon having more sides and corners than the basic shape needing to be a rectangular shape.
  • the recess 68 may be arranged at different heights on the left and right sides.
  • the corner may be rounded. Note that, for example, in photolithography intended for microfabrication of 0.4 m or less, the design shape shown in FIG. 4 is used, and the actual shape formed is shown in FIG. As shown in (b).
  • only the outer shape excluding the recess 68 may be rounded.
  • the concave portion 68 whose width becomes narrower toward the inside of the MTJ element 62 can be stably formed in a state where only a magnetic easy axis magnetic field is applied. There is an effect.
  • the fixed magnetic layer 50 has a laminated ferrimagnetic structure including the CoFe film 50a, the Ru film 50b, and the CoFe film 50c. Force configured to reduce the leakage magnetic field For example, a single-layered fixed magnetic layer made of CoFe may be applied.
  • the free magnetic layer 54 may have a single layer structure made of NiF, for example, a CoFeZRuZCoFe laminated structure similar to the fixed magnetic layer 50.
  • the force M is set such that the easy axis direction of the MTJ element 62 is the extending direction of the write word line 38 and the hard axis direction of the MTJ element 62 is the extending direction of the bit line 66.
  • the magnetic axis easy axis direction of the TJ element 62 may be the extending direction of the bit line 66, and the hard axis direction of the MTJ element may be the extending direction of the write word line 38.
  • the signal line used for writing to the MTJ element 62 is not limited to the write word line 38 and the bit line 66, and can be appropriately selected according to the layout and configuration of the memory cell.
  • the present invention is applied to a 1T 1MTJ type magnetic memory device in which one memory cell is configured by one selection transistor and one MTJ element has been described.
  • the configuration is not limited to this.
  • the present invention can be similarly applied to a 2T-2MTJ type magnetic memory device and a 1T 2MTJ type magnetic memory device.
  • the MTJ element is described as an example of the magnetoresistive effect element.
  • the present invention is widely applied to a magnetoresistive effect element using a resistance change based on a spin relationship between magnetic layers. Can do.
  • the present invention can also be applied to a magnetoresistive effect element in which two magnetic layers are stacked via a conductive nonmagnetic layer.
  • the magnetoresistive effect element of the present invention is applied to a magnetic memory device.
  • the magnetoresistive effect element may be applied to other devices using the magnetoresistive effect element.
  • the magnetoresistive effect element according to the present invention can increase the disturb resistance during rewriting while reducing the power consumption by reducing the drive current without complicating the manufacturing process.
  • Low power consumption of magnetic memory device using resistance change based on magnetic field direction This is useful for achieving higher power consumption, higher integration, and higher performance.

Abstract

　磁化方向が固定された第１の磁性層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層とを有し、第１の磁性層の磁化方向に対する第２の磁性層の磁化方向に応じて抵抗状態が変化する磁気抵抗効果素子において、第２の磁性層は、磁化困難軸方向に平行な一の辺に内側に窪んだ第１の凹部を有し、磁化困難軸方向に平行な他の辺に内側に窪んだ第２の凹部を有する。

Description

明 細 書
磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置
技術分野
[0001] 本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置に係り、特に、磁性層の磁化方 向に基づき抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子及びこれを用いた磁気メモリ装置 に関する。
背景技術
[0002] 近年、書き換え可能な不揮発性メモリとして、磁気抵抗効果素子をマトリクス状に配 列した磁気ランダムアクセスメモリ（以下、 MRAM : Magnetic Random Access Memoryという）が注目されている。 MRAMは、 2つの磁性層における磁化方向の組 み合わせを利用して情報を記憶し、これら磁性層間の磁ィ匕方向が平行である場合と 反平行である場合とにおける抵抗変化 (すなわち電流或いは電圧の変化）を検知す ることによって記憶情報の読み出しを行うものである。
[0003] MRAMを構成する磁気抵抗効果素子の 1つとして、磁気トンネル接合 (以下、 MT J： Magnetic Tunnel Junctionという）素子が知られている。 MTJ素子は、 2つの強磁性 磁性層がトンネル絶縁膜を介して積層されたものであり、 2つの強磁性層の磁ィ匕方向 の関係に基づ ヽてトンネル絶縁膜を介して磁性層間を流れるトンネル電流が変化す る現象を利用したものである。すなわち、 MTJ素子は、 2つの強磁性層の磁ィ匕方向が 平行のときに低い素子抵抗を有し、反平行のときには高い素子抵抗を有する。この 2 つの状態をデータ" 0"及びデータ" 1"に関連づけることにより、記憶素子として用いる ことができる。
[0004] MTJ素子の記憶状態を書き換える方法としては、直交する 2本の信号線 (例えばビ ット線及び書き込みワード線）に電流を流し、これら信号線から発生する磁界の合成 磁界を MTJ素子に印加する方法が一般的である。
[0005] MRAMにおける課題の 1つは、書き込み時の消費電力を下げることである。これを 実現する手段の 1つは、書き換え動作時の電流を少なくすることである。また、 MRA Mにおける他の課題は、メガビット以上もの多数の MTJ素子をエラーなく書き換える ことであり、書き換え動作における大きなマージンが求められている。
[0006] 書き換え動作において広いマージンを確保する方法の 1つとして、 MTJ素子へ印 加する合成磁界の回転による書き換え動作、いわゆるトグル動作が知られている（例 えば、非特許文献 1を参照)。しかしながら、トグル動作では書き換え動作マージンは 拡大するものの、 1)消費電力が大きい、 2)書き換え動作の前に記憶状態を確認する ための読み出し動作が必要なため書き換え動作時間が長い、といった欠点がある。
[0007] また、書き込み動作マージンを確保する他の方法として、 MTJ素子の形状を最適 化する方法が知られている。印加磁界と MTJ素子の磁化反転磁界との関係を表す 特性曲線として、いわゆるァステロイド曲線がある。ァステロイド曲線は、 MTJ素子の 形状、サイズ、積層構造等に依存し、ァステロイド曲線の凹みを大きくすることによつ て書き換え動作マージンを広げることができる。図 16 (a)乃至 (c)は、力かる観点に 基づき提案されて!、る MTJ素子 100の平面形状を示す図である（特許文献 1及び非 特許文献 2等を参照)。
特許文献 1：特開 2003— 151260号公報
特許文献 2 :特開 2004-128067号公報
非特許文献 1 : M. Durlam et al, "A 0.18 μ m 4Mb toggling MRAM", IEDM 2003 特許文献 2 : Y. K. Ha et al" "MRAM with novel shaped cell using synthetic anti-ferromagnetic free layer , 2004 Symposium on VLSI Technology, Digest of Technical Papers, pp.24— 25
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] しかしながら、磁気メモリ装置のメモリ容量が増加するにつれ、より広!、書き込み動 作マージン及び書き換え電流の低減が求められている。また、 MTJ素子の平面形状 を工夫してこれらを改善する従来の磁気メモリ装置は、その形状が現在のシリコンテ クノロジにおけるパター-ングルールでは複雑な部類に入ってしまう。したがって、こ のようなパターンを有する MTJ素子を形成するためには、特に MTJ素子の更なる微 細化を図るためには、新たな加工技術が必要であった。
[0009] 本発明の目的は、書き換え電流を低減するとともに書き換え動作マージンを広げる ことができ、シリコンプロセスを適用して容易に加工しうる形状の磁気抵抗効果素子、 並びにこれを用いた高性能且つ生産性に優れた磁気メモリ装置を提供することにあ る。
課題を解決するための手段
[0010] 本発明の一観点によれば、磁ィ匕方向が固定された第 1の磁性層と、外部磁界に応 じて磁ィ匕方向が変化する第 2の磁性層とを有し、前記第 1の磁性層の磁ィ匕方向に対 する前記第 2の磁性層の磁化方向に応じて抵抗状態が変化する磁気抵抗効果素子 であって、前記第 2の磁性層は、磁ィ匕困難軸方向に平行な一の辺に内側に窪んだ 第 1の凹部を有し、前記磁ィ匕困難軸方向に平行な他の辺に内側に窪んだ第 2の凹 部を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。
[0011] また、本発明の他の観点によれば、第 1の配線と、前記第 1の配線に交差する第 2 の配線と、前記第 1の配線と前記第 2の配線との交差領域に設けられた上述の磁気 抵抗効果素子とを有することを特徴とする磁気メモリ装置が提供される。
発明の効果
[0012] 本発明によれば、磁ィ匕方向が固定された第 1の磁性層と、外部磁界に応じて磁ィ匕 方向が変化する第 2の磁性層とを有し、第 1の磁性層の磁ィ匕方向に対する第 2の磁 性層の磁化方向に応じて抵抗状態が変化する磁気抵抗効果素子において、第 2の 磁性層が、磁ィ匕容易軸方向の幅が端部分よりも中央部分において狭い平面形状を 有するので、磁ィ匕困難軸方向への印加磁界の増加により、 C字形を描くように磁区の 磁化方向が並ぶ 2つの領域が磁化困難軸方向に隣接して形成される磁化状態から 、全体として 1つの S字形を描くように磁区の磁ィ匕方向が並ぶ磁ィ匕状態に変化する特 性を呈する。これにより、磁化困難軸方向の磁界が弱いときにおける反転磁界強度 が増カロしてディスターブ耐性を向上しうる一方、磁ィ匕困難軸方向の磁界が強いときに おける反転磁界強度を低下して書き込み動作を容易化することができる。また、従来 の磁気抵抗効果素子と比較して、磁化困難軸方向の磁界の増加に伴う磁化容易軸 方向の反転磁界強度の減少度合いを低減することができる。これにより、書き込み動 作マージンを広げることができる。
[0013] また、第 2の磁性層の形状を上記平面形状とした磁気抵抗効果素子の書き込みに 必要な印加磁界強度は従来の磁気抵抗効果素子の場合とほぼ同等であり、トグル 動作による書き込みの場合と比較して消費電力を低減することができる。
[0014] また、第 2の磁性層の上記形状は、シリコンプロセスに適用できる範囲内で実現す ることができる。これにより、新たな加工技術を投入する必要なぐ高性能の磁気抵抗 効果素子を実現することができる。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]本発明の一実施形態による磁気メモリ装置の構造を示す平面図である。
[図 2]本発明の一実施形態による磁気メモリ装置の構造を示す概略断面図である。
[図 3]本発明の一実施形態による磁気メモリ装置の構造を示す部分拡大断面図であ る。
[図 4]本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の形状を示す平面図である。
[図 5]本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の磁ィ匕状態を示す平面図であ る。
[図 6]磁気抵抗効果素子のァステロイド曲線及びァステロイド曲線から見積もられる書 き込み動作マージンを説明する図である。
[図 7]シミュレーションにより求めた磁気抵抗効果素子のァステロイド曲線を示すダラ フである。
[図 8]シミュレーションにより求めた従来の磁気抵抗効果素子のァステロイド曲線及び 書き込み動作マージンを示すグラフである。
[図 9]シミュレーションにより求めた本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の ァステロイド曲線及び書き込み動作マージンを示すグラフである。
[図 10]C形の磁ィ匕状態及び S形の磁ィ匕状態におけるァステロイド曲線を示すグラフで ある。
[図 11]本発明の一実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程断面図（そ の 1)である。
[図 12]本発明の一実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程断面図（そ の 2)である。
[図 13]本発明の一実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程断面図（そ の 3)である。
[図 14]本発明の一実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程断面図（そ の 4)である。
[図 15]本発明の実施形態の変形例による MTJ素子の形状を示す平面図である。
[図 16]従来の磁気抵抗効果素子の形状を示す平面図である。
符号の説明
10…シリコン基板
12…素子分離膜
14· ··ゲート電極
16, 18…ソース Zドレイン領域
20, 28, 40, 64· ··層間絶縁膜
22, 42…コンタクトホール
24, 44· ··コンタク卜プラグ
26· ··グラウンド線
30· ··配線溝
32· ■•Ta膜
34· ■•NiFe膜
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38· ··書き込みワード線
46· ··下部電極層
48· 反強磁性層
50· ··固定磁化層
52· ' ·トンネル絶縁膜
54· ··自由磁化層
56· '·キャップ層
62· ' •-MTJ素子
66· ' '·ビット線
68· ' '·凹部 70, 72, 74…フォトレジス卜膜
10O MTJ素子
発明を実施するための最良の形態
[0017] 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置について図 1乃 至図 14を用いて説明する。
[0018] 図 1は本実施形態による磁気メモリ装置の構造を示す平面図、図 2は本実施形態 による磁気メモリ装置の構造を示す概略断面図、図 3は本実施形態による磁気メモリ 装置の構造を示す部分拡大断面図、図 4は本実施形態による磁気抵抗効果素子の 形状を示す平面図、図 5は本実施形態による磁気抵抗効果素子における磁化状態 を示す平面図、図 6は磁気抵抗効果素子のァステロイド曲線及びァステロイド曲線か ら見積もられる書き込み動作マージンを説明する図、図 7はシミュレーションにより求 めた磁気抵抗効果素子のァステロイド曲線を示すグラフ、図 8はシミュレーションによ り求めた従来の磁気抵抗効果素子のァステロイド曲線及び書き込み動作マージンを 示すグラフ、図 9はシミュレーションにより求めた本発明の一実施形態による磁気抵抗 効果素子のァステロイド曲線及び書き込み動作マージンを示すグラフ、図 10は C形 の磁ィ匕状態及び S形の磁ィ匕状態におけるァステロイド曲線を示すグラフ、図 11乃至 図 14は本実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程断面図である。
[0019] はじめに、本実施形態による磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置の構造につ!ヽ て図 1乃至図 10を用いて説明する。
[0020] シリコン基板 10には、その表面に複数の活性領域を画定する素子分離膜 12が形 成されて!/ヽる。複数の活性領域はそれぞれが Y方向に長！ヽ矩形形状を有しており、 互 ヽに千鳥格子状に配置されて 、る。
[0021] 素子分離膜 12が形成されたシリコン基板 10上には、 X方向に延在する複数のヮー ド線 WLが形成されている。ワード線 WLは、各活性領域に、それぞれ 2本づつが延 在している。ワード線 WLの両側の活性領域には、ソース/ドレイン領域 16, 18がそ れぞれ形成されている。これにより、各活性領域には、ワード線 WLにより構成される ゲート電極 14とソース Zドレイン領域 16, 18とを有する選択用トランジスタが、それぞ れ 2つづつ形成されている。一の活性領域に形成された 2つの選択用トランジスタは 、ソース Zドレイン領域 16を共用している。
[0022] 選択用トランジスタが形成されたシリコン基板 10上には、層間絶縁膜 20が形成され ている。層間絶縁膜 20には、ソース/ドレイン領域 16に接続されたコンタクトプラグ 2 4が埋め込まれている。層間絶縁膜 20上には、コンタクトプラグ 24を介してソース/ド レイン領域 16に電気的に接続されたグラウンド線 26が形成されている。
[0023] グラウンド線 26が形成された層間絶縁膜 20上には、層間絶縁膜 28が形成されて いる。層間絶縁膜 28には、書き込みワード線 38が埋め込まれている。書き込みヮー ド線 38は、ゲート電極 14上に形成されている。書き込みワード線 38は、図 3に示すよ うに、配線溝 30の内壁に沿って形成されたバリアメタルとしての Ta膜 32と、磁場を強 めるために設けられた透磁率の高 、NiFe膜 34と、主要な配線部である Cu膜 36とに より構成されている。
[0024] 書き込みワード線 38が埋め込まれた層間絶縁膜 28上には、層間絶縁膜 40が形成 されている。層間絶縁膜 40, 28, 20には、ソース Zドレイン領域 18に接続されたコン タクトプラグ 44が埋め込まれて 、る。
[0025] コンタクトプラグ 44が埋め込まれた層間絶縁膜 40上には、コンタクトプラグ 44を介し てソース Zドレイン領域 18に電気的に接続された下部電極層 46が形成されている。 下部電極層 46上には、 MTJ素子 62が形成されている。
[0026] MTJ素子 62は、図 3に示すように、 PtMn膜よりなる反強磁性層 48と、強磁性材料 である CoFe膜 50a、非磁性材料である Ru膜 50b及び強磁性材料である CoFe膜 50 cの積層膜よりなる固定磁ィ匕層 50と、アルミナ膜よりなるトンネル絶縁膜 52と、強磁性 材料である NiFe膜よりなる自由磁化層 54と、 Ta膜よりなるキャップ層 56との積層体 により構成されている。
[0027] MTJ素子 62が形成された領域以外の層間絶縁膜 40上には、層間絶縁膜 64が形 成されている。 MTJ素子 62が埋め込まれた層間絶縁膜 40上には、キャップ層 56に おいて MTJ素子 62に電気的に接続された複数のビット線 66 (BL)が形成されている 。ビット線 66は Y方向に延在して形成されており、 Y方向に並ぶ MTJ素子 62のキヤッ プ層 60に接続されている。
[0028] こうして、 1つの選択トランジスタと 1つの MTJ素子とからなる 1T-1MTJ型のメモリセ ルを有する磁気メモリ装置が構成されて ヽる。
[0029] ここで、本実施形態による磁気メモリ装置は、 MTJ素子 62の平面形状に主たる特 徴がある。すなわち、本実施形態による磁気メモリ装置の MTJ素子 62は、図 4 (a)に 示すように、磁ィ匕困難軸方向と平行な一対の辺にそれぞれ凹部 68が形成されており 、中央部分における幅が端部分の幅よりも狭くなつている。また、 MTJ素子 62は、図 1及び図 4 (b)に示すように、書き込みワード線 38とビット線 66とが交差する領域内に 設けられ、磁化容易軸方向が書き込みワード線 38の延在方向に平行となり、磁ィ匕困 難軸方向がビット線 66の延在方向に平行となるように、配置されて 、る。
[0030] 図 5は、本実施形態による磁気抵抗効果素子における磁ィ匕の様子を LLGシミュレ ーシヨンにより求めた結果を示す図である。なお、図 5 (a)は磁ィ匕困難軸方向の印加 磁界を OOeとして磁ィ匕容易軸方向の印加磁界で磁ィ匕反転を行つた場合であり、図 5 (b)は磁ィ匕困難軸方向の印加磁界を lOOOeとして磁ィ匕容易軸方向の印加磁界で磁 化反転を行った場合である。図中、小さい矢印はその場所の磁区における磁ィ匕方向 を表したものであり、大き 、矢印は各磁区の磁ィ匕方向が全体としてどのように並んで V、るかを大まかに表したものである。
[0031] 磁化容易軸方向（Hx方向）に磁界を印加して磁ィ匕困難軸方向（Hy方向）には磁界 を印加しない場合、図 5 (a)に示すように、凹部 68が形成された中央部分では、各磁 化の磁ィ匕方向は磁ィ匕容易軸方向を向いている。これに対し、凹部 68よりも上側の領 域及び下側の領域は、凹部 68が形成された中央部分を境にして上下対称となって いる。そして、それぞれの領域において、 MTJ素子 62の中心部分を頂点として弧を 描きながら磁ィ匕困難軸方向に向力うように、各磁区の磁ィ匕方向が並んでいる。すな わち、 MTJ素子面内における各磁区の磁ィ匕方向は、凹部 68が形成された中央部分 を境にして上下対称となっており、それぞれの領域における各磁区の磁ィ匕方向は、 全体として C字形を描くように並んでいる。以下、各磁区の磁ィ匕方向がこのように並ぶ 磁化状態を、 C形と呼ぶ。
[0032] 磁化容易軸方向（Hx方向）及び磁ィ匕困難軸方向（Hy方向）に磁界を印加した場 合、図 5 (b)に示すように、各磁区の磁化方向は、概ね磁ィヒ容易軸方向に印加する 磁界と磁ィ匕困難軸方向に印加する磁界との合成磁界の方向（図面、右上方向）を向 いている。ただし、凹部 68の存在により磁区の並びに若干のうねりが生じており、 MT J素子の面内で、全体として 1つの S字形を描くように並んでいる。以下、各磁区の磁 化方向がこのように並ぶ磁ィ匕状態を、 S形と呼ぶ。
[0033] このように、本実施形態による磁気抵抗効果素子は、図 4に示す形状に基づき、磁 化容易軸方向に磁界を印加して磁ィヒ困難軸方向には磁界を印加しな 、場合の磁化 状態が、凹部 68部分を境にして上下対称の 2つの C形を成し、磁化容易軸方向及び 磁化困難軸方向に磁界を印加した場合の磁化状態が、全体で 1つの S形を成すこと に特徴がある。
[0034] 次に、本実施形態による磁気抵抗効果素子について具体的に説明する前に、磁 気抵抗効果素子の特性の指標となるァステロイド曲線について図 6を用いて説明す る。
[0035] 図 6 (a)は、選択セル及び半選択セルのァステロイド曲線を示したものである。ここ で、選択セルとは、磁化容易軸方向及び磁化困難軸方向の双方に、所定の書き込 み磁界が印加されたメモリセルである。また、半選択セルとは、選択セルに隣接する メモリセルであって、磁ィ匕容易軸方向及び磁ィ匕困難軸方向のいずれか一方のみに 選択セルと同じ書き込み磁界が印加されたメモリセルである。磁化容易軸方向の書き 込み磁界のみが印加された半選択セルには、選択セルに印加した磁ィ匕困難軸方向 の書き込み磁界の漏れ磁界が印加され、磁化困難軸方向の磁界のみが印加された 半選択セルには、選択セルに印加した磁化容易軸方向の書き込み磁界の漏れ磁界 が印加される。
[0036] ァステロイド曲線とは、 MTJ素子の自由磁化層を磁化反転するに必要な磁化容易 軸方向への印加磁界と磁ィ匕困難軸方向への印加磁界との関係を示したものである。 すなわち、ァステロイド曲線よりも内側 (原点側）のグラフ上の領域が磁界を印加して も磁ィ匕方向が反転しない領域であり、ァステロイド曲線よりも外側のグラフ上の領域が 磁界の印加により磁化方向が反転する領域である。
[0037] MTJ素子に所定の情報を書き込む際には、選択セルにのみ磁化反転に必要な磁 界を印加し、半選択セル及び非選択セルの磁ィ匕方向はそのまま維持する必要があ る。したがって、 MTJ素子の書き換えを行う際に印加する磁界は、選択セルのァステ ロイド曲線よりも外側の領域であって、半選択セルのァステロイド曲線よりも内側の領 域に設定する必要がある。すなわち、図 6 (a)中のハッチングを付した領域力 書き込 み動作マージンを表すことになる。
[0038] 図 6 (b)は、選択セルのァステロイド曲線力 図 6 (a)のァステロイド曲線よりも原点 近くを通過する急峻なプロファイルを有する場合を示したものである。この場合、図か ら明らかなように、図 6 (a)の場合よりも動作マージンの領域を広げることができ、 MTJ 素子の書き込みマージンを広げることができる。つまり、ァステロイド曲線が原点近く を通過する急峻なプロファイルを有する MTJ素子ほど、一般的に、書き込み動作マ 一ジンが広 、ものと考えられる。
[0039] 図 7は、 LLGシミュレーションにより求めたァステロイド曲線を示すグラフである。図 中、実線は本実施形態による MTJ素子の場合 (本発明）、一点鎖線は楕円形形状の MTJ素子の場合 (従来例 1)、点線は図 16 (b)に示すようなゴーグル形状の MTJ素 子の場合 (従来例 2)である。いずれの MTJ素子においても、磁化容易軸方向の最 大幅を 0. 4 /ζ πι、磁化困難軸方向の最大幅を 0. 2 mとした。
[0040] 図 7に示すように、本発明の MTJ素子及び従来例 2の MTJ素子のァステロイド曲線 は、原点近くに急峻な凹部を有しており、従来例 1の MTJ素子のァステロイド曲線より も原点近くを通過するプロファイルを有している。したがって、本発明の MTJ素子及 び従来例 2の MTJ素子は、従来例 1の MTJ素子よりも書き込み動作マージンが広く なって ヽるものと考えられる。
[0041] 図 8は、本実施形態による MTJ素子における選択セル及び半選択セルのァステロ イド曲線を LLGシミュレーションにより求めた結果を示したものであり、図 9は従来例 1 の MTJ素子における選択セル及び半選択セルのァステロイド曲線を LLGシミュレ一 シヨンにより求めた結果を示したものである。各図において、横軸は磁化容易軸方向 の磁界を印加する信号線 (ビット線）に流す電流値であり、磁ィ匕容易軸方向の印加磁 界強度に相当する。また、縦軸は磁ィ匕困難軸方向の磁界を印加する信号線 (書き込 みワード線）に流す電流値であり、磁ィ匕困難軸方向の印加磁界強度に相当する。
[0042] 図 9に示すように、本実施形態による MTJ素子によれば、図 8に示す従来例 1の M TJ素子と比較して書き込み動作マージンが大幅に拡大することを確認できた。 [0043] 図 7に示す本発明の MTJ素子のァステロイド曲線と従来例 2の MTJ素子のァステロ イド曲線とを比較すると、磁ィ匕困難軸方向の印加磁界が約 150Oeまでは、両者はほ ぼ等しい特性を有している。し力しながら、従来例 2の MTJ素子のァステロイド曲線で は、磁ィ匕困難軸方向の印加磁界が 150Oeを超えるとプロファイルが Y軸に近づいて いるのに対し、本発明の MTJ素子のァステロイド曲線では、磁化困難軸方向の印加 磁界が 200Oeを超えるとプロファイルが Y軸に近づいている。このことは、本発明の MTJ素子の方が、磁ィ匕困難軸方向に磁界を印加しすぎても反転しにく!/、ことを表し ており、従来例 2の MTJ素子よりも書き込み動作マージンが広いことを示している。
[0044] 本発明の MTJ素子及び従来例 2の MTJ素子のァステロイド曲線がある磁ィ匕困難軸 方向の磁界強度において急峻に変化しているのは、磁ィヒ困難軸方向の印加磁界が 所定値を超えると、 MTJ素子面内における磁区の磁ィ匕状態が C形力 S形に変化す るためである。
[0045] 図 10に示すように、 C形の磁ィ匕状態を有する MTJ素子のァステロイド曲線は、 S形 の磁ィ匕状態を有する MTJ素子のァステロイド曲線よりも外側に位置する。このため、 磁化状態が C形から S形に変化することにより、困難軸磁界が大きい領域においてァ ステロイド曲線が Y軸に近接し、図示するような急峻なプロファイルが形成される。こ のようなプロファイルの急激な変化により、図中に楕円を付した領域において書き込 み動作マージンが向上する。
[0046] また、本発明の MTJ素子は、書き込み電流動作条件も従来例の MTJ素子と同等で 高くはなぐトグル動作による書き込みの場合よりも消費電力を低減することができる
[0047] MTJ素子面内に 2つの C形の磁ィ匕状態が形成されることは、本実施形態による磁 気メモリ装置の MTJ素子の特徴である。そして、この特徴力 従来例 2の MTJ素子よ りも書き込み動作マージンを広くできる要因であると考えられる。書き込み動作マージ ンが広くなるメカニズムについては明らかではないが、例えば以下のように考えられる
[0048] すなわち、本実施形態による MTJ素子において 2つの C形の磁ィ匕状態が形成され ることは、 C形を呈し大きさが半分である 2つの MTJ素子が結合されたものに相当す る。 MTJ素子のサイズは小さいほどに反転磁界が大きくなることから、本実施形態に よる磁気メモリ装置の MTJ素子では実効的なサイズが小さくなり、反転磁界強度が増 加したものと、本願発明者は考えている。
[0049] 図 4に示す本実施形態による磁気メモリ装置の MTJ素子の平面形状は、矩形形状 で短辺に左右対称の凹部を有する単純な形状であり、設計が容易である。また、左 右の凹部の形状 ·大きさ'位置 '個数が同じであるため、ァステロイド曲線が磁ィ匕困難 軸に対して対称となり、 MRAM動作においてマージンの拡大を行うことができる。ま た、凹部 68が MTJ素子 62の内部に向かって幅が狭くなる形状とすることにより、磁ィ匕 容易軸磁界のみが印加されている状態で安定して C形の磁ィ匕を形成することができ る。
[0050] 一般に、 MTJ素子の形状としては、自由磁化層の磁化を安定する観点から、磁ィ匕 容易軸方向の長さが長くなるように縦横比を設定することが好ましい。しかしながら、 本発明の MTJ素子の場合、縦横比を 1 : 1としても、凹部の上下には 1 : 2に近い形状 に対応する C形の磁化状態が形成される結果、十分な動作マージンを確保しうるァス テロイド曲線を安定して得ることができる。このことは、縦横比を例えば 1 : 2とした MTJ 素子と比較して半分の面積に小型化できることを意味しており、高集積ィヒを図る上で も極めて有効である。
[0051] 次に、本実施形態による磁気メモリ装置の製造方法について図 11乃至図 14を用 いて説明する。なお、図 11乃至図 13は選択トランジスタ及び MTJ素子を含むメモリ セル全体の製造方法を示す工程断面図であり、図 14は MTJ素子の製造方法を示す 部分拡大工程断面図である。
[0052] まず、シリコン基板 10に、例えば STI (Shallow Trench Isolation)法により、素子分離 膜 12を形成する。
[0053] 次いで、素子分離膜 12により画定された活性領域に、通常の MOSトランジスタの 形成方法と同様にして、ゲート電極 14及びソース Zドレイン領域 16, 18を有する選 択トランジスタを形成する（図 11 (a) )。
[0054] 次 、で、選択トランジスタが形成されたシリコン基板 10上に、例えば CVD法により シリコン酸ィ匕膜を堆積後、 CMP法によりこの表面を平坦ィ匕し、シリコン酸ィ匕膜よりなる 層間絶縁膜 20を形成する。
[0055] 次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜 20に、ソース Zド レイン領域 16に達するコンタクトホール 22を形成する。
[0056] 次いで、例えば CVD法により、ノ リアメタルとしての窒化チタン膜及びタングステン 膜とを堆積後、これら導電膜をエツチノくック或いはポリッシュノックし、コンタクトホー ル 22に埋め込まれソース/ドレイン領域 16に電気的に接続されたコンタクトプラグ 2
4を形成する（図 l l (b) )。
[0057] 次いで、コンタクトプラグ 24が埋め込まれた層間絶縁膜 20上に導電膜を堆積して パター-ングし、コンタクトプラグ 24を介してソース/ドレイン領域 16に電気的に接続 されたグラウンド線 26を形成する。
[0058] 次いで、グラウンド線 26が形成された層間絶縁膜 20上に、例えば CVD法によりシ リコン酸ィ匕膜を堆積後、 CMP法によりこの表面を平坦ィ匕し、シリコン酸ィ匕膜よりなる層 間絶縁膜 28を形成する（図 11 (c) )。
[0059] 次いで、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、層間絶縁膜 28に、書き込みワード 線を埋め込むための配線溝 30を形成する（図 11 (d) )。
[0060] 次いで、例えばスパッタ法により Ta膜 32及び NiFe膜 34を、例えば電解めつき法に より Cu膜 36を、それぞれ堆積後、これら導電膜を CMP法により平坦化し、配線溝 30 内に埋め込まれた書き込みワード線 38を形成する（図 3、図 12 (a) )。
[0061] 次いで、書き込みワード線 38が埋め込まれた層間絶縁膜 28上に、例えば CVD法 により例えば膜厚 lOOnmのシリコン酸ィ匕膜を堆積後、 CMP法によりこの表面を平坦 化し、シリコン酸ィ匕膜よりなる層間絶縁膜 40を形成する。
[0062] 次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜 40, 28, 20に、 ソース/ドレイン領域 18に達するコンタクトホール 42を形成する。
[0063] 次いで、例えば CVD法により、ノ リアメタルとしての窒化チタン膜及びタングステン 膜とを堆積後、これら導電膜をエツチノくック或いはポリッシュノックし、コンタクトホー ル 42に埋め込まれソース Zドレイン領域 18に電気的に接続されたコンタクトプラグ 4
4を形成する（図 12 (b) )。
[0064] 次いで、例えばスパッタ法により、例えば膜厚 40nmの Ta膜 46aを堆積する（図 12 (C) ) 0
[0065] 次いで、 Ta膜 46a上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚 15nmの PtMnよりな る反強磁性層 48と、例えば膜厚 2nmの CoFe膜 50a、例えば膜厚 0. 9nmの Ru膜 5 Ob及び例えば膜厚 3nmの CoFe膜 50cよりなる固定磁ィ匕層 50と、例えば膜厚 1. 2n mのアルミナよりなるトンネル絶縁膜 52と、例えば膜厚 6nmの NiFeよりなる自由磁ィ匕 層 54と、例えば膜厚 30nmの Ta膜よりなるキャップ層 56とを順次形成する。
[0066] 次いで、フォトリソグラフィにより、形成しょうとする自由磁化層のパターンを有するフ オトレジスト膜 70を形成する。フォトレジスト膜 70は、例えばワード線 WLの延在方向（ 例えば図 1の X方向）に長い矩形形状で短辺に凹部を有する図 4に示すような形状と する（図 14 (a) )。
[0067] なお、図 4に示す MTJ素子 62の形状は、縦 '横'斜めのパター-ングルールのみで 描かれる形状であることから、従来のシリコンテクノロジに従った方法での設計が可能 であり、容易に実現することができる。
[0068] 次いで、フォトレジスト膜 70をマスクとしてドライエッチングを行い、自由磁化層 54及 びキャップ層 56をパターユングする。これにより、例えば、ワード線 WLの延在方向（ 例えば図 1の X方向）に長い 200 X 300nmの矩形形状で短辺に凹部を有する自由 磁ィ匕層 54を形成する（図 14 (b) )。
[0069] 次いで、フォトレジスト膜 70を除去した後、フォトリソグラフィにより、形成しょうとする 固定磁ィ匕層のパターンを有するフォトレジスト膜 72を形成する。フォトレジスト膜 72は 、例えば、自由磁ィ匕層 54のパターンよりも一回り大きい矩形形状とする（図 14 (c) )。
[0070] 次 、で、フォトレジスト膜 72をマスクとしてドライエッチングを行 、、トンネル絶縁膜 5 2、固定磁ィ匕層 50及び反強磁性層 48をパターニングする。こうして、反強磁性層 48 、固定磁ィ匕層 50、トンネル絶縁膜 52、自由磁ィ匕層 54及びキャップ層 56の積層体よ りなり、自由磁ィ匕層 54が短辺に凹部を有する矩形形状のパターンを有する MTJ素子 62を形成する（図 14 (d) )。
[0071] 本実施形態による磁気メモリ装置の製造方法のように自由磁ィ匕層 54と固定磁ィ匕層 50とを別々にパターユングすることにより、パターユングの際に発生する側壁付着物 によって自由磁ィ匕層 54と固定磁ィ匕層 50とが電気的にショートすることを抑制すること ができる。これにより、製造歩留まりを向上することができる。
[0072] 次いで、フォトレジスト膜 72を除去した後、フォトリソグラフィにより、形成しょうとする 下部電極層 46のパターンを有するフォトレジスト膜 74を形成する（図 14 (e) )。
[0073] 次!、で、フォトレジスト膜 74をマスクとしてドライエッチングを行!、、 Ta膜 46aをパタ 一-ングする。これにより、 Ta膜 46aよりなり、 MTJ素子 62をコンタクトプラグ 44を介し てソース Zドレイン拡散層 18に電気的に接続する下部電極層 46を形成する（図 14 ( f)ゝ図 13 (a) )。
[0074] 次いで、 MTJ素子 62が形成された層間絶縁膜 40上に、例えば CVD法によりシリコ ン酸ィ匕膜を堆積後、このシリコン酸ィ匕膜を CMP法により MTJ素子 62が露出するまで 平坦化し、表面が平坦化されたシリコン酸ィ匕膜よりなる層間絶縁膜 64を形成する（図 13 (b) )。
[0075] 次いで、 MTJ素子 62が埋め込まれた層間絶縁膜 64上に導電膜を堆積してパター ユングし、 MTJ素子 62に接続されたビット線 66を形成する（図 13 (c) )。
[0076] この後、必要に応じて更に上層に絶縁層や配線層等を形成し、磁気メモリ装置を完 成する。
[0077] このように、本実施形態によれば、自由磁化層が、磁ィ匕困難軸方向と平行な一対の 辺に凹部を有する平面形状を有するので、磁化困難軸方向への印加磁界の増加に より、 C字状を描くように磁区の磁ィ匕方向が並ぶ 2つの領域が磁ィ匕困難軸方向に隣 接して形成される磁ィ匕状態から、全体として 1つの S字状を描くように磁区の磁ィ匕方 向が並ぶ磁ィ匕状態に変化する特性を呈することができる。これにより、磁化困難軸方 向の磁界が弱いときにおける反転磁界強度が増加してディスターブ耐性を向上しうる 一方、磁ィヒ困難軸方向の磁界が強いときにおける反転磁界強度が低下して書き込 み動作を容易化できる。また、従来の磁気抵抗効果素子と比較して、磁化困難軸方 向の磁界の増加に伴う磁ィヒ容易軸方向の反転磁界強度の減少度合 、を低減するこ とができる。これにより、書き込み動作マージンを広げることができる。
[0078] また、自由磁化層の形状を上記平面形状とした磁気抵抗効果素子の書き込みに必 要な印加磁界強度は従来の磁気抵抗効果素子の場合とほぼ同等であり、トグル動 作による書き込みの場合と比較して消費電力を低減することができる。 [0079] また、自由磁ィ匕層の上記形状は、シリコンプロセスに適用できる範囲内で実現する ことができる。これにより、新たな加工技術を投入する必要なぐ高性能の磁気抵抗 効果素子を実現することができる。
[0080] [変形実施形態]
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
[0081] 例えば、上記実施形態では、 MTJ素子 62を図 4に示すような平面形状とした力 本 発明の効果を奏しうる形状は、図 4に示すものに限定されるものではない。
[0082] 本発明による磁気抵抗効果素子は、磁化容易軸方向の磁界のみが印加されて 、 る状態で素子面内に 2つの C形の磁化状態が形成されることを主たる特徴とするもの であり、このような磁ィ匕状態を実現しうる形状であれば、図 4の形状に種々の変形を 施すことができる。
[0083] 例えば、図 15 (a)に示すように、 MTJ素子 62は基本形状を矩形形状とする必要は なぐより多くの辺及び角を有する凸多角形としてもよい。また、凹部 68の位置を、左 右にぉ 、て異なる高さに配置してもよ 、。
[0084] 或いは、図 15 (b)に示すように、角部に丸みを付けた形状としてもよい。なお、例え ば 0. 4 m以下の微細加工を目的としたフォトリソグラフィでは、図 4に示すような設 計形状を用いた場合であって、実際に形成される形状は光近接効果により図 15 (b) に示すようになる。
[0085] 或いは、図 15 (c)に示すように、凹部 68を除く外形のみに丸みを付けた形状として もよい。 MTJ素子 62の内部に向力 ほど幅が狭くなる凹部 68は、前述の通り、磁ィ匕 容易軸磁界のみが印加されて 、る状態で安定して C形の磁ィ匕状態を形成できると 、 う効果がある。
[0086] また、図 15 (b)及び図 15 (c)に示すように凹部 68が上下方向で対称の位置にある 形状では、上半分で C形力 S形に変換する合成磁界強度と、下半分で C形から S形 に変換する合成磁界強度とが同じとなり、ァステロイド曲線のばらつきを抑えることが できるという効果がある。
[0087] また、上記実施形態では、 MTJ素子のうち自由磁ィ匕層側のみを図 4に示す形状に ノターニングしたが、自由磁ィ匕層及び固定磁ィ匕層の双方を図 4に示す形状にパター ユングするようにしてもよ 、。
[0088] また、上記実施形態では、固定磁ィ匕層 50を、 CoFe膜 50aと、 Ru膜 50bと、 CoFe 膜 50cとからなる積層フェリ構造とすることにより、固定磁ィ匕層 50からの漏れ磁界を低 減する構成とした力 例えば CoFeよりなる単層構造の固定磁ィ匕層を適用してもよい
[0089] また、上記実施形態では、自由磁ィ匕層 54を NiFよりなる単層構造とした力 例えば 固定磁ィ匕層 50と同様の CoFeZRuZCoFeの積層構造としてもよい。
[0090] また、上記実施形態では、 MTJ素子 62の磁化容易軸方向を書き込みワード線 38 の延在方向とし、 MTJ素子の磁ィ匕困難軸方向をビット線 66の延在方向とした力 M TJ素子 62の磁ィ匕容易軸方向をビット線 66の延在方向とし、 MTJ素子の磁化困難軸 方向を書き込みワード線 38の延在方向としてもよい。また、 MTJ素子 62の書き込み に用いる信号線は書き込みワード線 38及びビット線 66に限定されるものではなぐメ モリセルのレイアウトや構成に応じて適宜選択することができる。
[0091] また、上記実施形態では、 1つの選択トランジスタと 1つの MTJ素子によって 1つの メモリセルが構成される 1T 1MTJ型の磁気メモリ装置に本発明を適用した場合を示 したが、メモリセルの構成はこれに限定されるものではない。例えば、 2T— 2MTJ型の 磁気メモリ装置や、 1T 2MTJ型の磁気メモリ装置においても、本発明を同様に適用 することができる。
[0092] また、上記実施形態では、磁気抵抗効果素子として MTJ素子を例にして説明した 力 本発明は、磁性層間のスピンの関係に基づく抵抗変化を利用した磁気抵抗効果 素子に広く適用することができる。例えば、 2つの磁性層が導電性の非磁性層を介し て積層された磁気抵抗効果素子においても適用可能である。
[0093] また、上記実施例では、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気メモリ装置に適用する 場合を示したが、磁気抵抗効果素子を用いる他のデバイスに適用してもよい。
産業上の利用可能性
[0094] 本発明による磁気抵抗効果素子は、製造工程を複雑にすることなぐ駆動電流を少 なくして消費電力を少なくしながら書き換え時のディスターブ耐性を高めることができ るものであり、磁性層の磁ィ匕方向に基づく抵抗変化を利用した磁気メモリ装置の低消 費電力化、高集積ィ匕及び高性能化を図るために有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 磁ィ匕方向が固定された第 1の磁性層と、外部磁界に応じて磁ィ匕方向が変化する第 2の磁性層とを有し、前記第 1の磁性層の磁ィヒ方向に対する前記第 2の磁性層の磁 化方向に応じて抵抗状態が変化する磁気抵抗効果素子であって、
前記第 2の磁性層は、磁ィ匕困難軸方向に平行な一の辺に内側に窪んだ第 1の凹 部を有し、前記磁ィ匕困難軸方向に平行な他の辺に内側に窪んだ第 2の凹部を有す る
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
[2] 請求の範囲第 1項記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第 2の磁性層は、四角形形状の前記一の辺に前記第 1の凹部が形成され、前 記他の辺に第 2の凹部が形成された形状を有する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
[3] 請求の範囲第 1項又は第 2項記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第 1の凹部及び前記第 2の凹部は、前記第 2の磁性層の磁化容易軸方向の中 心線に対して対称に形成されて ヽる
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
[4] 請求の範囲第 1項乃至第 3項のいずれか 1項に記載の磁気抵抗効果素子におい て、
前記第 1の凹部及び前記第 2の凹部は、前記磁化困難軸方向の中心線に対して 対称に形成されている
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
[5] 請求の範囲第 1項乃至第 4項のいずれか 1項に記載の磁気抵抗効果素子におい て、
前記第 1の凹部及び前記第 2の凹部の幅は、前記第 2の磁性層の内側に向かうほ ど狭くなつている
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
[6] 請求の範囲第 1項乃至第 5項のいずれか 1項に記載の磁気抵抗効果素子におい て、 前記第 2の磁性層は、外形の角部が丸みを帯びている
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
[7] 請求の範囲第 1項乃至第 6項のいずれか 1項に記載の磁気抵抗効果素子におい て、
前記第 2の磁性層の磁化容易軸方向の幅は、前記第 2の磁性層の前記磁化困難 軸方向の長さ以上である
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
[8] 請求の範囲第 1項乃至第 7項のいずれか 1項に記載の磁気抵抗効果素子におい て、
前記磁化容易軸方向に磁界を印加して前記磁化困難軸方向には磁界を印加しな いとき、前記第 2の磁性層内に、前記第 1の凹部と前記第 2の凹部とを結んでできる 境界線によって区切られる 2つの領域に、前記第 2の磁性層の中心部分を頂点とす る弧を描きながら磁ィ匕容易軸方向に向力うように各磁区の磁ィ匕方向が並ぶ C形の磁 化状態がそれぞれ形成され、
前記磁化容易軸方向及び前記磁化困難軸方向に磁界を印加したときに、前記第 2 の磁性層内に、前記磁化容易軸方向の印加磁界と前記磁化困難軸方向の印加磁 界との合成磁界の方向に向力うように、各磁区の磁ィ匕方向が全体として 1つの S字状 を描くように並ぶ S形の磁化状態が形成される
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
[9] 請求の範囲第 1項乃至第 8項のいずれか 1項に記載の磁気抵抗効果素子におい て、
前記第 1の磁性層は、前記第 2の磁性層とは異なる平面形状を有する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
[10] 請求の範囲第 1項乃至第 8項のいずれか 1項に記載の磁気抵抗効果素子におい て、
前記第 1の磁性層は、前記第 2の磁性層と同じ平面形状を有する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
[11] 第 1の配線と、 前記第 1の配線に交差する第 2の配線と、
前記第 1の配線と前記第 2の配線との交差領域に設けられた請求の範囲第 1項乃 至第 10項のいずれか 1項に記載の磁気抵抗効果素子と
を有することを特徴とする磁気メモリ装置。
請求の範囲第 11項記載の磁気メモリ装置において、
前記第 1の配線は、前記磁気抵抗効果素子の前記第 2の磁性層の磁化容易軸方 向に延在して形成されており、
前記第 2の配線は、前記磁気抵抗効果素子の前記第 2の磁性層の磁ィ匕困難軸方 向に延在して形成されて ヽる
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
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