WO2007119708A1 - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

　本発明による磁気ランダムアクセスメモリは、反転可能な磁化を有する磁化反転領域を備え、面内方向に書き込み電流が流される磁気記録層と、固定された磁化を有する磁化固定層と、磁化反転領域と磁化固定層との間に設けられた非磁性層と、磁気記録層に対向するように設けられ、磁気記録層で発生した熱を受け取って放熱する機能を有する吸熱構造体とを具備する。このような磁気ランダムアクセスメモリは、吸熱構造体によって磁気記録層で発生した熱を放熱し、面内方向に流れる書き込み電流による温度上昇を抑制することができる。

Description

明 細 書

磁気ランダムアクセスメモリ

技術分野

[0001] 本発明は、 MRAM (磁気ランダムアクセスメモリ）に関しており、特に、スピン偏極電 流を用 ヽて磁ィ匕を反転させてデータを書き込む MRAMに関する。

背景技術

[0002] 近年提案されている有力な MRAMの書き込み方式の一つ力 スピン偏極電流を 書き込み電流として磁気記録層に注入することによって磁気記録層の磁化を反転さ せるスピン注入磁化反転方式（spin momentum transfer)である。電流磁界による磁 化反転では、メモリセルのサイズが小さくなると共に必要な電流が増大するのに対し 、スピン注入磁化反転方法では、メモリセルのサイズが小さくなると共に必要な電流 が減少する。従って、スピン注入磁化反転方法は、大容量の MRAMを実現する有 力な方法であると考えられて 、る。

[0003] しかしながら、スピン注入磁化反転方式を磁気トンネル接合素子（magnetic tunnel j unction device)に適用する場合には、トンネルバリア層の破壊の問題を克服する必 要がある。スピン注入磁ィ匕反転方式によって磁ィ匕を反転させようとすると、現状では、 数 mA以上のスピン偏極電流を磁気記録層に注入する必要がある。しかし、このよう な大きな電流を磁気トンネル接合に流すことは、トンネルバリア層の破壊を招く恐れ がある。

[0004] トンネルバリア層の破壊の問題を克服するためのアプローチの一つ力 磁気記録 層の面内方向にスピン偏極電流を流すことによって磁ィ匕反転を起こす技術である。こ のような技術は、例えば、特開 2005— 191032号公報、特開 2005— 123617号公 報、及び米国特許第 6, 781, 871号公報に開示されている。磁気記録層の面内方 向にスピン偏極電流を流すことにより、磁気記録層の磁壁を移動させ、及び Z又はス ピン偏極電流によって磁気記録層の磁化にトルクを作用させ、これにより磁気記録層 の磁ィ匕を反転させることができる。磁気記録層の面内方向にスピン偏極電流を流す 技術は、トンネルバリア層にスピン偏極電流を流すことを不要化し、トンネルバリア層 の破壊の問題を有効に回避することができる。

[0005] 発明者の検討によれば、磁気記録層の面内方向にスピン偏極電流を流す MRAM の一つの問題は、磁気記録層における発熱である。強磁性体は、一般に、電気抵抗 率が大きいので、磁気記録層の面内方向における抵抗は不可避的に大きい。その 一方で、磁気記録層の磁ィ匕を反転させるためには、ある程度大きいスピン偏極電流 を流さざるを得ない。したがって、データ書き込みのために磁気記録層の面内方向に スピン偏極電流を流すと、メモリセルの温度が上昇してしまう。メモリセルの温度上昇 は、 MRAMの動作の信頼性を低下させるため好ましくない。磁気記録層を面内方向 に流れる書き込み電流による温度上昇を抑制するための技術の提供が望まれる。 発明の開示

[0006] 従って、本発明の目的は、磁気記録層を面内方向に流れる書き込み電流による温 度上昇を抑制する技術を提供することにある。

[0007] 本発明の一の観点において、磁気ランダムアクセスメモリは、反転可能な磁化を有 する磁化反転領域を備え、面内方向に書き込み電流が流される磁気記録層と、固定 された磁化を有する磁化固定層と、磁化反転領域と磁化固定層との間に設けられた 非磁性層と、磁気記録層に対向するように設けられ、磁気記録層で発生した熱を受 け取って放熱する機能を有する吸熱構造体とを具備する。このような磁気ランダムァ クセスメモリは、吸熱構造体によって磁気記録層で発生した熱を放熱し、面内方向に 流れる書き込み電流による温度上昇を抑制することができる。

[0008] 一実施形態では、磁気記録層は、更に、磁化反転領域の第 1境界に接続された第 1磁化固定領域と、前記磁化反転領域の第 2境界に接続された第 2磁化固定領域と を備えている。この場合、書き込み電流は、前記第 1磁化固定領域から第 2磁化固定 領域に、又は第 2磁ィ匕固定領域力 第 1磁ィ匕固定領域に流される。

[0009] 放熱効率を向上させるためには、吸熱構造体は、前記磁気記録層に直接に接合さ れることが好ましい。

[0010] 一実施形態では、当該磁気ランダムアクセスメモリは、更に、第 1磁化固定領域に 電気的に接続された第 1配線と、第 2磁化固定領域に電気的に接続された第 2配線 とを具備する。この場合、吸熱構造体は、第 1磁化固定領域と第 1配線との間に設け られることが好ましい。

[0011] 当該磁気ランダムアクセスメモリが、更に、第 2磁ィ匕固定領域と第 2配線とを接続す るビアコンタクトを備える場合には、吸熱構造体に開口が設けられ、ビアコンタクトは、 前記開口を貫通するように設けられることが好ま 、。

[0012] 当該磁気ランダムアクセスメモリは、更に、第 2磁ィ匕固定領域と第 2配線との間に磁 気記録層に対向するように設けられ、前記磁気記録層で発生した熱を受け取って放 熱する機能を有する他の吸熱構造体を具備することが好ましい。

[0013] この場合、吸熱構造体は、第 1磁ィヒ固定領域に直接に接合され、他の吸熱構造体 は、第 2磁ィ匕固定領域に直接に接合されることが好ましい。

[0014] 当該磁気ランダムアクセスメモリが、更に、磁ィ匕固定層に電気的に接続されている 第 3配線を備える場合、吸熱構造体は、第 3配線と磁ィ匕固定層の間に設けられてもよ い。この場合、吸熱構造体は、磁ィ匕固定層に直接に接合されることが好ましい。この 場合、吸熱構造体は、第 3配線が設けられている配線層の直下のビアコンタクト層に 設けられることが好ましい。

[0015] 他の実施形態では、第 3配線が、読み出し電流が流される第 1方向に延伸する配 線本体部分と、配線本体部分から、第 1方向に垂直な第 2方向に突出する突出部と を備えることにより、吸熱構造体として機能することが好ましい。

[0016] 他の実施形態では、更に、第 1磁化固定領域に電気的に接続され、書き込み電流 が流される第 1配線は、書き込み電流が流される第 1方向に延伸する配線本体部分 と、配線本体部分から、第 1方向に垂直な第 2方向に突出する突出部とを備えること によって吸熱構造体として機能することが好まし 、。

[0017] 吸熱構造体は、第 1磁化固定領域に電気的に接続された第 1配線と、第 2磁化固 定領域に電気的に接続された第 2配線と同一の配線層に位置してもよい。

[0018] また、吸熱構造体は、磁ィ匕固定層に電気的に接続されている第 3配線と同一の配 線層に位置していてもよい。

[0019] 本発明の他の観点において、磁気ランダムアクセスメモリは、反転可能な磁化を有 する磁化反転領域と、磁化反転領域の第 1境界に接続された第 1磁化固定領域と、 磁化反転領域の第 2境界に接続された第 2磁化固定領域とを備え、面内方向に書き 込み電流が流される磁気記録層と、固定された磁化を有する磁化固定層と、磁化反 転領域と磁化固定層との間に設けられた非磁性層と、第 1磁化固定領域に電気的に 接続された第 1配線とを具備する。書き込み電流は、第 1磁化固定領域から第 2磁化 固定領域に、又は前記第 2磁化固定領域から前記第 1磁化固定領域に流される。第 1配線は、書き込み電流が流される第 1方向に延伸する配線本体部分と、配線本体 部分から、前記第 1方向に垂直な第 2方向に突出し、且つ、磁気記録層に対向する 突出部とを備えている。

[0020] このような構成の磁気ランダムアクセスメモリでは、突出部を備えた第 1配線が磁気 記録層で発生した熱を放熱する吸熱構造体として機能し、面内方向に流れる書き込 み電流による温度上昇を抑制することができる。

[0021] 本発明の更に他の観点において、磁気ランダムアクセスメモリは、反転可能な磁ィ匕 を有する磁化反転領域を備え、面内方向に書き込み電流が流される磁気記録層と、 固定された磁化を有する磁化固定層と、磁化反転領域と磁化固定層との間に設けら れた非磁性層と、磁化固定層に電気的に接続された第 3配線とを具備する。第 3配 線は、読み出し電流が流される第 1方向に延伸する配線本体部分と、配線本体部分 から、第 1方向に垂直な第 2方向に突出し、且つ、磁気記録層に対向する突出部とを 備えている。

[0022] このような構成の磁気ランダムアクセスメモリでは、突出部を備えた第 3配線が磁気 記録層で発生した熱を放熱する吸熱構造体として機能し、面内方向に流れる書き込 み電流による温度上昇を抑制することができる。

図面の簡単な説明

[0023] [図 1A]図 1Aは、本発明の一実施形態の MRAMの構成を示す断面図である。

[図 1B]図 1Bは、図 1 Aの MRAMの機能を説明する概念図である。

[図 2]図 2は、本発明の一実施形態の MRAMの構成を示す平面図である。

[図 3]図 3は、本発明の他の実施形態の MRAMの構成を示す断面図である。

[図 4]図 4は、本発明の更に他の実施形態の MRAMの構成を示す断面図である。

[図 5A]図 5Aは、実施例 1の MRAMの構成を示す斜投影図である。

[図 5B]図 5Bは、実施例 1の MRAMの構成を示す平面図である。 [図 6A]図 6Aは、実施例 2の MRAMの構成を示す斜投影図である。

[図 6B]図 6Bは、実施例 2の MRAMの構成を示す平面図である。

[図 7A]図 7Aは、実施例 3の MRAMの構成を示す斜投影図である。

[図 7B]図 7Bは、実施例 3の MRAMの構成を示す平面図である。

[図 8A]図 8Aは、実施例 4の MRAMの構成を示す斜投影図である。

[図 8B]図 8Bは、実施例 4の MRAMの他の構成を示す斜投影図である。

[図 9A]図 9Aは、実施例 5の MRAMの構成を示す斜投影図である。

[図 9B]図 9Bは、実施例 5の MRAMの他の構成を示す斜投影図である。

[図 9C]図 9Cは、実施例 5の MRAMの更に他の構成を示す斜投影図である。

[図 10A]図 10Aは、実施例 6の MRAMの構成を示す斜投影図である。

[図 10B]図 10Bは、実施例 6の MRAMの構成を示す平面図である。

[図 11A]図 11Aは、実施例 7の MRAMの構成を示す斜投影図である。

[図 11B]図 11Bは、実施例 7の MRAMの構成を示す平面図である。

[図 12A]図 12Aは、実施例 8の MRAMの構成を示す斜投影図である。

[図 12B]図 12Bは、実施例 8の MRAMの構成を示す平面図である。

[図 13A]図 13Aは、実施例 9の MRAMの構成を示す斜投影図である。

[図 13B]図 13Bは、実施例 9の MRAMの構成を示す平面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0024] 以下、添付図面を参照しながら、本発明の様々な実施形態を説明する。図におい て、同一又は類似する構成要素は、同一又は対応する符号によって参照されている ことに留意されたい。

[0025] 図 1Aは、本発明の一実施形態に係る MRAMの概略的な構成を示す断面図であ る。本発明の一実施形態の MRAMでは、絶縁層 10にメモリセル 1が形成されている 。メモリセル 1は、磁気記録層 2と、トンネルバリア層 3と、磁ィ匕固定層 4とを備えている

[0026] 磁気記録層 2は、図 2に示されているように、磁化反転領域 5と、磁ィ匕固定領域 6、 7 とを備えている。磁化反転領域 5は、その磁ィ匕の方向として 1ビットのデータを記憶す る領域である。磁化反転領域 5は、 X軸方向に長い形状を有しており、磁化反転領域 5の磁ィ匕は、 X軸方向に平行に向けられている。磁化反転領域 5は、磁気的にソフトな 強磁性体で形成されており磁化反転領域 5の磁化は反転可能である。本実施形態 では、磁ィ匕反転領域 5の磁ィ匕の方向が +x方向である状態がデータ「1」に対応付け られ、磁化反転領域 5の磁化の方向が X方向である状態が、データ「0」に対応付け られている。

[0027] 磁ィ匕固定領域 6、 7は、スピン偏極電流を磁化反転領域 5に面内方向に注入するた めに使用される領域であり、いずれも強磁性体で構成されている。磁ィ匕固定領域 6は 、磁ィ匕反転領域 5の一端に位置する境界 8において磁ィ匕反転領域 5に接合され、磁 化固定領域 7は、磁化反転領域 5の他端に位置する境界 9において磁化反転領域 5 に接合されている。磁ィ匕固定領域 6、 7は、磁ィ匕反転領域 5に X軸方向において隣接 しており、 X軸方向に長い形状を有している。磁ィ匕固定領域 6、 7の磁化の方向は、い ずれも、磁ィ匕反転領域 5に向力 方向に向けて固定されている。具体的には、磁ィ匕固 定領域 6の磁ィ匕は、 +x方向に向けて固定されており、磁ィ匕固定領域 7の磁ィ匕は、 X方向に向けて固定されている。その代わりに、磁ィ匕固定領域 6、 7の磁化の方向は、 いずれも、磁ィ匕反転領域 5から離れる方向に向けて固定されてもよい。この場合、磁 化固定領域 6の磁ィ匕は、 X方向に向けて固定され、磁ィ匕固定領域 7の磁ィ匕は、 + x 方向に向けて固定される。

[0028] 図 1Aを再度に参照して、トンネルバリア層 3は、磁化固定層 4と磁化反転領域 5との 間でトンネル電流を流すための薄 、非磁性の絶縁層である。トンネルバリア層 3は、 例えば、酸ィ匕アルミニウム (AIO )、酸ィ匕マグネシウム（MgO)で形成される。

[0029] 磁ィ匕固定層 4は、磁ィ匕が固定されている強磁性層である。磁ィ匕固定層 4は、磁気的 にハードな強磁性体で、例えば、 CoFeで形成されている。図 2に示されているように 、磁ィ匕固定層 4は、 X軸方向に長い形状を有しており、磁ィ匕固定層 4の磁ィ匕は、 - X 方向に向けられている。磁気記録層 2の磁化反転領域 5、トンネルバリア層 3、及び磁 化固定層 4は、 TMR効果を発現する磁気トンネル接合 (MTJ)を構成しており、その 磁気トンネル接合の抵抗は、磁化固定層 4と磁化反転領域 5との磁化の相対方向に 依存している。

[0030] 磁ィ匕反転領域 5に記憶されているデータの読み出しには、磁気トンネル接合の TM R効果が利用される。トンネルバリア層 3、及び磁化固定層 4で構成される磁気トンネ ル接合の抵抗は、 TMR効果により、磁化固定層 4と磁化反転領域 5と磁化の相対方 向に依存して 、る。磁化固定層 4と磁化反転領域 5との磁化が反平行 (anti-parallel) である場合は、当該磁気トンネル接合は相対的に高い抵抗を示し、磁化固定層 4と 磁ィ匕反転領域 5との磁ィ匕が平行である場合は、当該磁気トンネル接合は相対的に低 い抵抗を示す。磁気トンネル接合の抵抗の変化を検出することにより、磁気記録層 2 に記憶されているデータが識別される。磁気トンネル接合の抵抗の変化は、磁気トン ネル接合に所定の電圧を印加して磁気トンネル接合に流れる電流を測定すること〖こ より、又は、磁気トンネル接合に所定の電流を流して磁気トンネル接合に発生する電 圧を測定することにより識別可能である。

[0031] 磁ィ匕反転領域 5へのデータの書き込みは、磁ィ匕固定領域 6又は磁ィ匕固定領域 7か ら磁化反転領域 5にスピン偏極電流を注入することによって行われる。データ「 1」を 書き込む場合、磁気記録層 2を +x方向に電流が流される。これにより、（磁化が +x 方向に固定されて 、る)磁化固定領域 6から磁化反転領域 5にスピン偏極電流が注 入される。注入されたスピン偏極電流によって磁ィ匕反転領域 5の磁壁が +x方向に押 され、又は、磁ィ匕にトルクが作用され、磁化反転領域 5の磁化が +x方向に向けられ る。これにより、データ「1」が磁気記録層に書き込まれる。一方、データ「0」を書き込 む場合、（磁化が X方向に固定されている)磁ィ匕固定領域 7から磁ィ匕反転領域 5に スピン偏極電流が注入される。これにより、磁化反転領域 5の磁化が X方向に向け られる。

[0032] 本発明の一実施形態の MRAMには、更に、吸熱構造体 11、 12が設けられている 。吸熱構造体 11は、磁気記録層 2の下面と対向するように設けられ、吸熱構造体 12 は、磁気記録層 2の上面に対向するように設けられている。この吸熱構造体 11、 12 は、熱伝導性が高い材料、具体的には、銅、アルミ、タングステンのような金属で形成 され、磁気記録層 2の発生した熱を受け取って放熱する役割を果たす。図 1Bに示さ れているように、強磁性体で形成されている磁気記録層 2は、その抵抗が不可避的 に大きいため、書き込み動作時にスピン偏極電流を流すと磁気記録層 2の発熱が問 題になる。図 1Bに示されているように、吸熱構造体 11、 12は、磁気記録層 2で発生 した熱を放熱するヒートシンクとして機能し、磁気記録層 2の温度上昇を有効に抑制 する。図 1Aの MRAMでは、磁気記録層 2の上面と下面にそれぞれに対向する吸熱 構造体 11、 12が設けられている力 吸熱構造体 11、 12のうちの一方のみが設けら れることも可會である。

[0033] 図 3に示されているように、吸熱構造体 11は、磁気記録層 2の下面に直接に接合さ れることも可能である。吸熱構造体 11が磁気記録層 2に直接に接合されていることは 、放熱効率を向上させるために好適である。同様に、吸熱構造体 12は、磁化固定層 4に直接に接合されて 、ることも可會である。

[0034] 磁気記録層 2における磁化反転領域 5と磁化固定領域 6、 7の幾何学的な配置は、 図 1に示されているような、磁化反転領域 5と磁化固定領域 6、 7がー直線上に並んで いる配置に限定されない。例えば、図 4に示されているように、磁化反転領域 5が X軸 方向に長く形成される一方で、磁ィ匕固定領域 6、 7が y軸方向に長く形成されることも 可能である。この場合、磁ィ匕固定領域 6、 7の磁ィ匕は、いずれも、 +y方向に固定され る。その代わりに、磁ィ匕固定領域 6、 7の磁化が、いずれも— y方向に固定されることも 可能である。

[0035] 以下では、本発明のより具体的な実施例を説明する。

[0036] (実施例 1)

図 5Aは、実施例 1の MRAMの構成を示す斜投影図である。図 1Aの MRAMと同 様に、メモリセル 1は、磁気記録層 2と、トンネルバリア層 3と、磁ィ匕固定層 4とを備えて いる。磁ィ匕固定層 4は、ビアコンタクト 19を介して読み出し電流 Iを流すための上部

R

配線 21に接続されている。上部配線 21は、 y軸方向に延伸するように設けられてい る。読み出し電流 Iは、 y軸方向に流れることになる。

R

[0037] 実施例 1では、吸熱構造体 11が、メモリセル 1の磁気記録層 2と、書き込み電流 I

W1

、 I を流すための下部配線 15、 18の間に設けられる。下部配線 15、 18は、いずれ

W2

も、 y軸方向に延伸するように設けられている。吸熱構造体 11は、ビアコンタクト 14を 介して下部配線 15に接続されるともに、ビアコンタクト 13を介して磁気記録層 2の磁 化固定領域 6に接続されている。下部配線 18は、ビアコンタクト 16を介して磁気記録 層 2の磁ィ匕固定領域 7に接続されている。ビアコンタクト 16は、吸熱構造体 11に設け られた開口 11aを貫通するように設けられており、吸熱構造体 11とは電気的に分離さ れている。

[0038] このような構成の MRAMでは、読み出し動作時には、上部配線 21と下部配線 15 との間（又は上部配線 21と下部配線 18との間に）電圧が印加され、読み出し電流 I

R

が上部配線 21からメモリセル 1を介して下部配線 15に流される。読み出し電流 I の

R

大きさから、磁気記録層 2の磁化反転領域 5に記憶されて ヽるデータが判別される。 一方、書き込み動作時には、書き込むべきデータに応じて、下部配線 15から下部配 線 18に書き込み電流 I が流され、又は、下部配線 18から下部配線 15に書き込み

W1

電流 I が流される。書き込み電流 I が下部配線 15から下部配線 18に流されると、

W2 W1

磁化固定領域 6から磁化反転領域 5にスピン偏極電流が注入され、磁化反転領域 5 の磁ィ匕が +x方向に向けられる。即ち、データ「1」が磁気記録層に書き込まれる。逆 に、書き込み電流 I が下部配線 18から下部配線 15に流されると、磁化固定領域 7

W2

力 磁ィ匕反転領域 5にスピン偏極電流が注入され、磁化反転領域 5の磁化が—X方 向に向けられる。即ち、データ「0」が磁気記録層に書き込まれる。

[0039] 吸熱構造体 11は、磁気記録層 2と対向する面積がなるべく大きくなるような形状及 び配置で配置されることが好ましい。図 5Bは、吸熱構造体 11の好適な形状及び配 置を示す平面図である。吸熱構造体 11は、少なくとも、磁気記録層 2の磁化反転領 域 5と磁ィ匕固定領域 6の全体に対向するように設けられることが好適である。このよう な配置は、磁気記録層 2と対向する面積を増大させ、吸熱構造体 11の放熱効率を 有効に向上させる。吸熱構造体 11が磁気記録層 2と対向する面積を一層に増大さ せるためには、吸熱構造体 11に設けられた開口 11aに対向する部分を除いて、吸熱 構造体 11が磁気記録層 2の全体に対向するように設けられることが好適である。図 5 Bには、吸熱構造体 11に設けられた開口 11aに対向する部分を除いて、吸熱構造体 11が磁気記録層 2の全体に対向するように設けられて 、る吸熱構造体 11の配置が 図示されている。

[0040] (実施例 2)

図 6Aは、実施例 2の MRAMの構成を示す斜投影図である。実施例 2では、 2つの 吸熱構造体 11A、 11Bが、磁気記録層 2と下部配線 15、 18の間に設けられる。吸熱 構造体 11Aは、ビアコンタクト 13を介して磁気記録層 2の磁ィ匕固定領域 6に接続され ると共に、ビアコンタクト 14を介して下部配線 15に接続されている。一方、吸熱構造 体 11 Bは、ビアコンタクト 16を介して磁気記録層 2の磁化固定領域 7に接続されると 共に、ビアコンタクト 17を介して下部配線 18に接続されている。このような構成の実 施例 2の MRAMでは、読み出し動作及び書き込み動作が、実施例 1の MRAMと同 様にして行われる。

[0041] 吸熱構造体 11A、 11Bは、磁気記録層 2と対向する面積がなるべく大きくなるような 形状及び配置で配置されることが好ましい。図 6Bは、吸熱構造体 11A、 1 IBの好適 な構造及び配置を示す平面図である。吸熱構造体 11Aは、少なくとも磁気記録層 2 の磁ィ匕固定領域 6の全体に対向するように設けられることが好適であり、吸熱構造体 11Bは、少なくとも磁気記録層 2の磁ィ匕固定領域 7の全体に対向するように設けられ ることが好適である。このような配置は、吸熱構造体 11 A、 1 IBが磁気記録層 2と対 向する面積を増大させ、放熱効率を有効に向上させる。

[0042] 磁気記録層 2と対向する面積を一層に増大させるためには、吸熱構造体 11A、 11 Bは、磁気記録層 2の磁ィ匕反転領域 5の少なくとも一部に対向するように配置されるこ とが一層に好適であり、吸熱構造体 11A、 1 IBが磁ィ匕固定層 4の下面（トンネルバリ ァ層 3に接合する面）の少なくとも一部に対向するように配置されることが更に好適で ある。図 6Bには、吸熱構造体 11A、 1 IBのそれぞれ力 磁化固定層 4の下面の一部 に対向する配置が図示されている。吸熱構造体 11A、 11Bは、その間隔が狭いこと が好適であり、最も好適には、吸熱構造体 11A、 11Bは、当該 MRAMのデザインル ールの最小ピッチと同一の間隔で分離されていることが好適である。

[0043] (実施例 3)

図 7Aは、実施例 3の MRAMの構成を示す斜投影図である。実施例 3では、吸熱 構造体 12が、メモリセル 1の磁ィ匕固定層 4と上部配線 21の間に設けられる。吸熱構 造体 12は、ビアコンタクト 19を介して磁ィ匕固定層 4に接続されると共に、ビアコンタク ト 20を介して上部配線 21に接続されている。このような構成の実施例 3の MRAMで は、読み出し動作及び書き込み動作が、実施例 1の MRAMと同様にして行われる。

[0044] 吸熱構造体 12は、磁気記録層 2と対向する面積がなるべく大きくなるような形状及 び配置で配置されることが好ましい。図 7Bは、吸熱構造体 12の好適な構造及び配 置を示す平面図である。吸熱構造体 12は、少なくとも磁気記録層 2のうちのビアコン タクト 13、 16の間の部分の全体に対向するように設けられることが好適である。このよ うな配置は、磁気記録層 2の発熱する部分 (即ち、スピン偏極電流が流れる部分)の 全体の放熱を可能にする。一層に放熱効率を向上させるためには、吸熱構造体 12 力 磁気記録層 2の全体に対向するように設けられることが一層に好適である。このよ うな配置は、磁気記録層 2と対向する面積を増大させ、吸熱構造体 12の放熱効率を 有効に向上させる。

[0045] (実施例 4)

図 8Aは、実施例 4の MRAMの構成を示す斜投影図である。実施例 4の MRAMで は、吸熱構造体 11が、磁気記録層 2の下面の全面に直接に接合される。吸熱構造 体 11は、ビアコンタクト 14を介して下部配線 15に接続され、更に、ビアコンタクト 17 を介して下部配線 18に接続される。吸熱構造体 11は、磁気記録層 2よりも高い抵抗 率を有する材料で形成される。これは、書き込み電流を磁気記録層 2により多く流す ために重要である。図 8Aの MRAMでは、吸熱構造体 11に書き込み電流が分流さ れるが、吸熱構造体 11は、磁気記録層 2よりも高い抵抗率を有する材料で形成され ることにより、吸熱構造体 11に流れる電流を小さくすることができる。一方で、吸熱構 造体 11が、磁気記録層 2の下面の全面に直接に接合されることは、磁気記録層 2か ら吸熱構造体 11に熱を伝わりやすくし、放熱効率を有効に向上させる。このような構 成の実施例 4の MRAMでは、読み出し動作及び書き込み動作が、実施例 1の MRA Mと同様にして行われる。

[0046] 図 8Bは、実施例 4の MRAMの他の構成を示す斜投影図である。実施例 4の MRA Mでは、 2つの吸熱構造体 11A、 11Bが、磁気記録層 2の下面に直接に接合される 。吸熱構造体 11Aは、磁気記録層 2の磁ィ匕固定領域 6に直接に接合されると共に、 ビアコンタクト 14を介して下部配線 15に接続される。一方、吸熱構造体 11Bは、磁気 記録層 2の磁ィ匕固定領域 7に直接に接合されると共に、ビアコンタクト 17を介して下 部配線 18に接続される。 2つの吸熱構造体 11A、 1 IBが、磁気記録層 2の下面に直 接に接合されることは、磁気記録層 2から吸熱構造体 11A、 11Bに熱を伝わりやすく し、放熱効率を有効に向上させる。その一方で、吸熱構造体 11A、 11Bが電気的に 分離されているため、（磁気記録層 2を流れずに）吸熱構造体 11に流れる電流を小さ くすることができる。このような構成の実施例 4の MRAMでは、読み出し動作及び書 き込み動作が、実施例 1の MRAMと同様にして行われる。

[0047] 吸熱構造体 11Aは、書き込み電流 I が流れる下部配線 15よりも、 X軸方向の幅（

W1

即ち、下部配線 15が延伸する方向と垂直方向の幅）が、大きいことが好適である。こ のような構造は、磁気記録層 2から吸熱構造体 11 A、 1 IBに熱を伝わりやすくし、放 熱効率を有効に向上させる。同様に、吸熱構造体 11Bは、書き込み電流 I が流れ

W2 る下部配線 18よりも、 X軸方向の幅 (即ち、下部配線 18が延伸する方向と垂直方向 の幅）が、大きいことが好適である。

[0048] (実施例 5)

図 9Aは、実施例 5の MRAMの構成を示す斜投影図である。実施例 5の MRAMで は、吸熱構造体 12が磁ィ匕固定層 4に直接に接合される。吸熱構造体 12は、上部配 線 21が設けられている配線層の直下に位置するビアコンタクト層に設けられており、 吸熱構造体 12は、上部配線 21に直接に接合されている。吸熱構造体 12は、主とし て、銅 (Cu)又はタングステン (W)で形成される。上部配線 21が設けられている配線 層の直下に位置するビアコンタクト層に吸熱構造体 12が設けられる構造は、吸熱構 造体 12を形成するための工程を追カ卩的に必要としないため好適である。このような 構成の実施例 5の MRAMの読み出し動作及び書き込み動作は、実施例 1の MRA Mと同様にして行われる。

[0049] 吸熱構造体 12は、読み出し電流 Iが流れる下部配線 15よりも、 X軸方向の幅 (即ち

R

、下部配線 15が延伸する方向と垂直方向の幅）が、大きいことが好適である。このよう な構造は、磁気記録層 2から吸熱構造体 12に熱を伝わりやすくし、放熱効率を有効 に向上させる。

[0050] また、吸熱構造体 12の膜厚 dは、磁気記録層 2の膜厚 dよりも厚いことが好適であ

2 1

る。このような構造は、放熱効率を有効に向上させる。

[0051] 図 9B、図 9Cに示されているように、吸熱構造体 12は、磁ィ匕固定層 4と完全に位置 整合されている（aligned)必要はない。図 9Bに示されているように、吸熱構造体 12は 、磁ィ匕固定層 4の一部分だけに接合するように設けられることが可能である。また、図 9Cに示されているように、吸熱構造体 12は、磁ィ匕固定層 4の上面の全体に接合され 、且つ、磁ィ匕固定層 4からはみ出すように配置されることが可能である。

[0052] (実施例 6)

図 10Aは、実施例 6の MRAMの構成を示す斜投影図である。実施例 6の MRAM では、上部配線 21が吸熱構造体として機能するような形状に形成される。即ち、上部 配線 21に、その延伸方向（実施例 6では y軸方向）と垂直な方向（実施例 6では X軸 方向）に突出する突出部 21aが設けられる。突出部 21aは、磁気記録層 2の上面に 対向するような形状に形成される。このような形状を有する上部配線 21は、吸熱構造 体として有効に機能し、磁気記録層 2で発生した熱を効果的に放熱する。上部配線 2 1を吸熱構造体として機能させる構造では、吸熱構造体を形成するための配線層を 必要としないため、少ない配線層で MRAMを構成することを可能にする。このような 構成の実施例 6の MRAMの読み出し動作及び書き込み動作は、実施例 1の MRA Mと同様にして行われる。

[0053] 上部配線 21は、磁気記録層 2と対向する面積がなるべく大きくなるような形状及び 配置で配置されることが好ましい。図 10Bは、好適な上部配線 21の形状を示す平面 図である。上部配線 21の配線本体部分 21bは、 y軸方向（読み出し電流 Iが流され

R

る方向）に延伸するように設けられており、突出部 21aは、配線本体部分 21bから X軸 方向に突出するように設けられている。突出部 21aは、上部配線 21が少なくとも磁気 記録層 2のうちのビアコンタクト 13、 16の間の部分の全体に対向するような形状を有 するように設けられることが好適である。このような配置は、磁気記録層 2の発熱する 部分 (即ち、スピン偏極電流が流れる部分)の全体の放熱を可能にする。一層に放熱 効率を向上させるためには、上部配線 21が、磁気記録層 2の全体に対向するように 設けられることが一層に好適である。このような配置は、磁気記録層 2と対向する面積 を増大させ、上部配線 21の放熱効率を有効に向上させる。

[0054] (実施例 7)

図 11Aは、実施例 7の MRAMの構成を示す斜投影図である。実施例 6の MRAM では、下部配線 15、 18が吸熱構造体として機能するような形状に形成される。即ち、 下部配線 15に、その延伸方向（実施例 7では y軸方向）と垂直な方向（実施例 7では X軸方向）に突出する突出部 15aが設けられ、下部配線 18に、その延伸方向と垂直 な方向に突出する突出部 18aが設けられる。突出部 15a、 18aは、磁気記録層 2の上 面に対向するような形状に形成される。このような形状を有する下部配線 15、 18は、 吸熱構造体として有効に機能し、磁気記録層 2で発生した熱を効果的に放熱する。 下部配線 15、 18を吸熱構造体として機能させる構造では、吸熱構造体を形成する ための配線層を必要としな 、ため、少な 、配線層で MRAMを構成することを可能に する。このような構成の実施例 7の MRAMの読み出し動作及び書き込み動作は、実 施例 1の MRAMと同様にして行われる。

[0055] 下部配線 15、 18は、磁気記録層 2と対向する面積がなるべく大きくなるような形状 及び配置で配置されることが好ましい。図 11Bは、好適な下部配線 15、 18の形状を 示す平面図である。下部配線 15の配線本体部分 15bは、 y軸方向（書き込み電流 I

W

が流される方向）に延伸するように設けられており、突出部 15aは、配線本体部分 21 bから X軸方向に突出するように設けられている。同様に、下部配線 18の配線本体部 分 18bは、 y軸方向（書き込み電流 I

W2が流される方向）に延伸するように設けられて おり、突出部 18aは、配線本体部分 18bから X軸方向に突出するように設けられてい る。

[0056] 突出部 15aは、下部配線 15が少なくとも磁気記録層 2の磁ィ匕固定領域 6の全体に 対向するように設けられることが好適であり、突出部 18aは、下部配線 18が少なくとも 磁気記録層 2の磁ィ匕固定領域 7の全体に対向するように設けられることが好適である 。このような配置は、下部配線 15、 18が磁気記録層 2と対向する面積を増大させ、放 熱効率を有効に向上させる。

[0057] 突出部 15a、 18aは、下部配線 15、 18が磁気記録層 2の磁化反転領域 5の少なく とも一部に対向するように配置されることが好適であり、下部配線 15、 18が磁ィ匕固定 層 4の下面（トンネルバリア層 3に接合する面）の少なくとも一部に対向するように配置 されることが更〖こ好適である。図 11Bには、下部配線 15、 18のそれぞれ力 磁ィ匕固 定層 4の下面の一部に対向する配置が図示されている。突出部 15a、 18aは、その 間隔が狭いことが好適であり、最も好適には、突出部 15a、 18aは、当該 MRAMの デザインルールの最小ピッチと同一の間隔で分離されていることが好適である。

[0058] (実施例 8)

図 12Aは、実施例 8の MRAMの構成を示す斜投影図である。実施例 8の MRAM では、磁気記録層 2の下面に対向する吸熱構造体 11が、下部配線 15、 18が形成さ れる配線層と同一の配線層に設けられる。吸熱構造体 11は、下部配線 15、 18の間 に設けられており、下部配線 15、 18から電気的に絶縁されている。吸熱構造体 11が 、下部配線 15、 18が形成される配線層と同一の配線層に設けられる構成は、吸熱 構造体を形成するための工程を追カ卩的に必要としないため好適である。

[0059] 吸熱構造体 11は、磁気記録層 2と対向する面積がなるべく大きくなるような形状及 び配置で配置されることが好ましい。このためには、図 12Bに示されているように、吸 熱構造体 11が磁気記録層 2を横断するように設けられて ヽることが好適である。

[0060] カロえて、磁気記録層 2と対向する面積をなるベく大きくするためには、下部配線 15 と吸熱構造体 11とは、当該 MRAMのデザインルールの最小ピッチと同一の間隔で 分離されていることが好適である。同様に、下部配線 18と吸熱構造体 11とは、当該 MRAMのデザインルールの最小ピッチと同一の間隔で分離されていることが好適で ある。

[0061] (実施例 9)

図 13Aは、実施例 8の MRAMの構成を示す斜投影図である。実施例 8の MRAM では、磁気記録層 2の上面に対向する吸熱構造体 12A、 12Bが、上部配線 21が形 成される配線層と同一の配線層に設けられる。吸熱構造体 12A、 12Bは、上部配線 21から電気的に絶縁されている。吸熱構造体 12A、 12Bが、上部配線 21が形成さ れる配線層と同一の配線層に設けられる構成は、吸熱構造体を形成するための工程 を追カ卩的に必要としな 、ため好適である。

[0062] 吸熱構造体 12A、 12Bは、磁気記録層 2と対向する面積がなるべく大きくなるような 形状及び配置で配置されることが好ま Uヽ。磁気記録層 2と対向する面積をなるベく 大きくするためには、図 13Bに示されているように、吸熱構造体 12A、 12Bは、磁気 記録層 2の磁ィ匕反転領域 5の少なくとも一部に対向するように配置されることが好適 であり、吸熱構造体 12A、 12Bが磁ィ匕固定層 4の上面（トンネルバリア層 3に接合す る面）の少なくとも一部に対向するように配置されることが更に好適である。図 13Bに は、吸熱構造体 12A、 12Bのそれぞれ力 磁ィ匕固定層 4の上面の一部に対向する 配置が図示されている。上部配線 21と吸熱構造体 12Aとの間隔は狭いことが好適で あり、最も好適には、上部配線 21と吸熱構造体 12Aとは、当該 MRAMのデザインル ールの最小ピッチと同一の間隔で分離されていることが好適である。同様に、上部配 線 21と吸熱構造体 12Bとは、当該 MRAMのデザインルールの最小ピッチと同一の 間隔で分離されて ヽることが好適である。

実施例 1〜9では、磁気記録層 2の上面に対向する吸熱構造体と、下面に対向する 吸熱構造体の一方のみが含まれる MRAMが提示されて ヽるが、放熱効率を一層に 向上させるためには、磁気記録層 2の上面に対向する吸熱構造体と、下面に対向す る吸熱構造体の両方が MRAMに含まれることが好適である。詳細には、図 5A、図 6 、図 8、図 11A、図 12Aのうちの一の図に示されている吸熱構造体の配置と、図 7A、 図 9A〜図 9C、図 10A、図 13Aのうちの一の図に示されている吸熱構造体の配置と の両方が MRAMに採用されることが好適である。

Claims

請求の範囲

[1] 反転可能な磁化を有する磁化反転領域を備え、面内方向に書き込み電流が流さ れる磁気記録層と、

固定された磁ィ匕を有する磁ィ匕固定層と、

前記磁ィ匕反転領域と前記磁ィ匕固定層との間に設けられた非磁性層と、 前記磁気記録層に対向するように設けられ、前記磁気記録層で発生した熱を受け 取って放熱する機能を有する吸熱構造体

とを具備する

磁気ランダムアクセスメモリ。

[2] 請求の範囲 1に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

前記磁気記録層は、更に、

前記磁化反転領域の第 1境界に接続され、固定された磁化を有する第 1磁化固 定領域と、

前記磁化反転領域の第 2境界に接続された固定された磁化を有する第 2磁化固 定領域

とを備え、

前記書き込み電流は、前記第 1磁化固定領域から前記第 2磁化固定領域に、又は 前記第 2磁化固定領域から前記第 1磁化固定領域に流される

磁気ランダムアクセスメモリ。

[3] 請求の範囲 2に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

更に、

前記第 1磁化固定領域に電気的に接続された第 1配線と、

前記第 2磁化固定領域に電気的に接続された第 2配線

とを具備し、

前記吸熱構造体は、前記第 1磁化固定領域と前記第 1配線との間に設けられた 磁気ランダムアクセスメモリ。

[4] 請求の範囲 3に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

更に、 前記第 2磁ィ匕固定領域と前記第 2配線とを接続するビアコンタクトを備え、 前記吸熱構造体には開口が設けられ、

前記ビアコンタクトは、前記開口を貫通するように設けられている

磁気ランダムアクセスメモリ。

[5] 請求の範囲 2に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

更に、

前記第 2磁化固定領域と前記第 2配線との間に前記磁気記録層に対向するよう〖こ 設けられ、前記磁気記録層で発生した熱を受け取って放熱する機能を有する他の吸 熱構造体

を具備する

磁気ランダムアクセスメモリ。

[6] 請求の範囲 5に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

前記吸熱構造体は、前記第 1磁ィヒ固定領域に直接に接合され、

前記他の吸熱構造体は、前記第 2磁ィ匕固定領域に直接に接合された

磁気ランダムアクセスメモリ。

[7] 請求の範囲 1に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

前記吸熱構造体は、前記磁気記録層に直接に接合された

磁気ランダムアクセスメモリ。

[8] 請求の範囲 1に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

更に、

前記磁化固定層に電気的に接続されて!ヽる第 3配線を備え、

前記吸熱構造体は、前記第 3配線と前記磁化固定層の間に設けられた 磁気ランダムアクセスメモリ。

[9] 請求の範囲 8に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

前記吸熱構造体は、前記磁ィヒ固定層に直接に接合された

磁気ランダムアクセスメモリ。

[10] 請求の範囲 9に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

前記吸熱構造体は、前記第 3配線が設けられている配線層の直下のビアコンタクト 層に設けられた

磁気ランダムアクセスメモリ。

[11] 請求の範囲 1に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

更に、前記磁化固定層に電気的に接続された第 3配線を具備し、

前記第 3配線が、読み出し電流が流される第 1方向に延伸する配線本体部分と、前 記配線本体部分から、前記第 1方向に垂直な第 2方向に突出する突出部とを備える ことにより、前記吸熱構造体として機能する

磁気ランダムアクセスメモリ。

[12] 請求の範囲 2に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

更に、前記第 1磁化固定領域に電気的に接続され、前記書き込み電流が流される 第 1配線を具備し、

前記第 1配線は、前記書き込み電流が流される第 1方向に延伸する配線本体部分 と、前記配線本体部分から、前記第 1方向に垂直な第 2方向に突出する突出部とを 備えることにより、前記吸熱構造体として機能する

磁気ランダムアクセスメモリ。

[13] 請求の範囲 2に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

前記第 1磁化固定領域に電気的に接続された第 1配線と、

前記第 2磁化固定領域に電気的に接続された第 2配線

とを具備し、

前記吸熱構造体は、前記第 1配線及び前記第 2配線と同一の配線層に位置する 磁気ランダムアクセスメモリ。

[14] 請求の範囲 1に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、

前記磁化固定層に電気的に接続されて!ヽる第 3配線を備え、

前記吸熱構造体は、前記第 3配線と同一の配線層に位置する

磁気ランダムアクセスメモリ。

[15] 反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、前記磁化反転領域の第 1境界に接続さ れた第 1磁化固定領域と、前記磁化反転領域の第 2境界に接続された第 2磁化固定 領域とを備え、面内方向に書き込み電流が流される磁気記録層と、 固定された磁ィ匕を有する磁ィ匕固定層と、

前記磁ィ匕反転領域と前記磁ィ匕固定層との間に設けられた非磁性層と、 前記第 1磁化固定領域に電気的に接続された第 1配線

とを具備し、

前記書き込み電流は、前記第 1磁化固定領域から前記第 2磁化固定領域に、又は 前記第 2磁化固定領域から前記第 1磁化固定領域に流され、

前記第 1配線は、

前記書き込み電流が流される第 1方向に延伸する配線本体部分と、

前記配線本体部分から、前記第 1方向に垂直な第 2方向に突出し、且つ、前記磁 気記録層に対向する突出部

とを備える

磁気ランダムアクセスメモリ。

反転可能な磁化を有する磁化反転領域を備え、面内方向に書き込み電流が流さ れる磁気記録層と、

固定された磁ィ匕を有する磁ィ匕固定層と、

前記磁ィ匕反転領域と前記磁ィ匕固定層との間に設けられた非磁性層と、 前記磁化固定層に電気的に接続された第 3配線

とを具備し、

前記第 3配線は、

読み出し電流が流される第 1方向に延伸する配線本体部分と、

前記配線本体部分から、前記第 1方向に垂直な第 2方向に突出し、且つ、前記磁 気記録層に対向する突出部

とを備える

磁気ランダムアクセスメモリ。