JP2009146995A - Magnetic memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は磁気記憶装置に関し、特に、磁気抵抗効果素子を用いた磁気記憶装置に関するものである。 The present invention relates to a magnetic memory device, and more particularly to a magnetic memory device using a magnetoresistive effect element.
磁気抵抗(MR:magnetoresistive)効果は、磁性体に磁界を加えることにより電気抵抗が変化する現象であり、磁界センサや磁気ヘッドなどに利用されている。特に、非常に大きな磁気抵抗効果を示す巨大磁気抵抗(GMR:giant magnetoresistance)効果材料として、Fe/Cr、Co/Cuなどの人工格子膜などが非特許文献1、2で紹介されている。
The magnetoresistive (MR) effect is a phenomenon in which electric resistance changes when a magnetic field is applied to a magnetic material, and is used in magnetic field sensors, magnetic heads, and the like. In particular, Non-Patent
また、強磁性層間の交換結合作用がなくなる程度に厚い非磁性金属層を持つ強磁性層/非磁性層/強磁性層/反強磁性層からなる積層構造を用いた磁気抵抗効果素子が提案されている。この素子では、強磁性層と反強磁性層とが交換結合されて、その強磁性層の磁気モーメントが固定され、他方の強磁性層のスピンのみが外部磁場で容易に反転できるようにされている。これが、いわゆるスピンバルブ膜として知られている素子である。この素子では、2つの強磁性層間の交換結合が弱いために小さな磁場でスピンが反転できる。このため、スピンバルブ膜は上記交換結合膜に比べて高感度の磁気抵抗素子を提供することができる。反強磁性体としては、FeMn、IrMn、PtMnなどが用いられている。このスピンバルブ膜は、高密度磁気記録用再生ヘッドに用いられており、使用の際には膜面内方向に電流が流される。 In addition, a magnetoresistive effect element using a laminated structure composed of a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer / antiferromagnetic layer having a nonmagnetic metal layer thick enough to eliminate exchange coupling action between ferromagnetic layers has been proposed. ing. In this element, the ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer are exchange-coupled, the magnetic moment of the ferromagnetic layer is fixed, and only the spin of the other ferromagnetic layer can be easily reversed by an external magnetic field. Yes. This is an element known as a so-called spin valve film. In this element, since the exchange coupling between the two ferromagnetic layers is weak, the spin can be reversed with a small magnetic field. Therefore, the spin valve film can provide a magnetoresistive element having higher sensitivity than the exchange coupling film. As the antiferromagnetic material, FeMn, IrMn, PtMn, or the like is used. This spin valve film is used in a reproducing head for high-density magnetic recording, and when used, a current flows in the in-plane direction of the film.
一方、膜面に対して垂直方向に電流を流す垂直磁気抵抗効果を利用すると、更に大きな磁気抵抗効果が得られることが、非特許文献3に示されている。
On the other hand, Non-Patent
さらには、強磁性トンネル接合によるトンネル磁気抵抗(TMR:tunneling magneto-resistive)効果も、非特許文献4に示されている。このトンネル磁気抵抗は、強磁性層/絶縁層/強磁性層からなる3層膜において、外部磁界によって2つの強磁性層のスピンを互いに平行あるいは反平行にすることにより、膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが異なることを利用したものである。 Further, Non-Patent Document 4 also shows a tunneling magneto-resistive (TMR) effect due to a ferromagnetic tunnel junction. This tunneling magnetoresistance is achieved by making the spins of the two ferromagnetic layers parallel or antiparallel to each other in a tunnel layer in the direction perpendicular to the film surface by an external magnetic field in a three-layer film comprising a ferromagnetic layer / insulating layer / ferromagnetic layer. This is based on the fact that the magnitude of the current is different.
近年では、GMRおよびTMR素子を、不揮発性磁気記憶半導体装置(MRAM:magnetic random access memory)に利用する研究が、たとえば非特許文献5〜7に示されている。 In recent years, researches using GMR and TMR elements in nonvolatile magnetic memory semiconductor devices (MRAM: magnetic random access memory) have been shown, for example, in Non-Patent Documents 5-7.
この場合、保磁力の異なる2つの強磁性層で非磁性金属層を挟んだ擬スピンバルブ素子や強磁性トンネル効果素子が検討されている。MRAMへ利用する場合には、これらの素子をマトリックス状に配置し、別に設けられた配線に電流が流されることで磁界が印加され、各素子を構成する2つの磁性層が互いに平行、反平行に制御されることにより、"1"、"0"が記録される。読み出しはGMRやTMR効果を利用して行なわれる。 In this case, a pseudo spin valve element or a ferromagnetic tunnel effect element in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between two ferromagnetic layers having different coercive forces has been studied. When used in an MRAM, these elements are arranged in a matrix, and a magnetic field is applied by passing a current through a separately provided wiring. The two magnetic layers constituting each element are parallel and antiparallel to each other. By controlling this, “1” and “0” are recorded. Reading is performed using the GMR or TMR effect.
GMR効果よりもTMR効果を利用した方が低消費電力であるため、MRAMにおいては主としてTMR素子を用いることが検討されている。TMR素子を利用したMRAMでは、室温でMR変化率が20%以上と大きく、かつトンネル接合における抵抗が大きいので、より大きな出力電圧が得られる。またTMR素子を利用したMRAMでは、読み出し時にスピン反転をする必要がなく、それだけ小さい電流で読み出しが可能である。このためTMR素子を利用したMRAMは高速書き込み・読み出し可能な低消費電力型の不揮発性半導体記憶装置として期待されている。 Since the power consumption is lower when the TMR effect is used than when the GMR effect is used, the use of the TMR element is mainly studied in the MRAM. In the MRAM using the TMR element, the MR change rate is as large as 20% or more at room temperature and the resistance at the tunnel junction is large, so that a larger output voltage can be obtained. In addition, in an MRAM using a TMR element, it is not necessary to perform spin inversion at the time of reading, and reading can be performed with a small current. Therefore, the MRAM using the TMR element is expected as a low power consumption type nonvolatile semiconductor memory device capable of high-speed writing / reading.
MRAMの書き込み動作においては、TMR素子における強磁性層の磁気特性が制御されることが望まれる。具体的には、非磁性層を挟む2つの強磁性層の相対的な磁化方向を、平行・反平行に制御する技術、および所望のセルにおける一方の磁性層を確実かつ効率的に磁化反転する技術が望まれる。非磁性層を挟む2つの強磁性層の相対的な磁化方向を、交差する2つの配線を用いて膜面内において均一に平行・反平行に制御する技術は、たとえば特許文献1、3、4に示されている。
In the write operation of the MRAM, it is desired that the magnetic characteristics of the ferromagnetic layer in the TMR element be controlled. Specifically, a technique for controlling the relative magnetization directions of two ferromagnetic layers sandwiching a nonmagnetic layer to be parallel and antiparallel, and magnetization reversal of one magnetic layer in a desired cell reliably and efficiently Technology is desired. A technique for controlling the relative magnetization directions of two ferromagnetic layers sandwiching a nonmagnetic layer to be parallel and antiparallel uniformly in the film plane using two intersecting wirings is disclosed in, for example,
特許文献3によれば、MRAMのメモリセルには、交差する2つの配線層と、磁気記憶素子と、トランジスタ素子と、磁気記憶素子およびトランジスタ素子を電気的に接続する接続部材とが必要とされる。磁気記憶素子は、強磁性体である記録層と、固着層と、記録層および固着層に挟まれた非磁性層とを有している。
According to
またMRAMでは、高集積化のためにセルの微細化が実施された場合、磁性層の膜面方向の大きさに依存して反磁界により反転磁界が増大する。これにより書き込み時に大きな磁界が必要となり、消費電力も増大する。このため、特許文献2、5、6に示されるように強磁性層の形状を最適化し、磁化反転を容易にする技術が提案されている。
In the MRAM, when the cell is miniaturized for high integration, the reversal magnetic field increases due to the demagnetizing field depending on the size of the magnetic layer in the film surface direction. This requires a large magnetic field at the time of writing and increases power consumption. For this reason, as shown in
この磁化反転は、選択された交差する2つの配線層の双方に電流が流されることで生じる合成磁界によって、特定の磁気記憶素子の記録層について選択的に行なわれる。この際、磁気記憶素子における記録層の形状が、磁化困難軸に対して対称とされ、かつ磁化容易軸に関して非対称とされていれば、書き換えに用いることができる磁界範囲を拡大することができることが特許文献5、6に開示されている。
ここで磁気記憶素子がマトリクス状に多数並べられた場合を考える。このとき、上記従来のMRAMでは、通常、交差する2つの配線層の交差部中心近傍と、磁気記憶素子の記録層の平面形状に外接する矩形形状の重心位置とが平面視上でほぼ一致するように配置されている。 Consider a case where a large number of magnetic memory elements are arranged in a matrix. At this time, in the conventional MRAM, the vicinity of the center of the intersecting portion of the two wiring layers intersecting each other and the position of the center of gravity of the rectangular shape circumscribing the planar shape of the recording layer of the magnetic memory element substantially coincide in plan view. Are arranged as follows.
このように記録層が配置されると、製造工程ばらつきなどに起因して記録層の位置ずれが生じた場合に、磁化反転に必要な配線電流が大きく変動するという問題があった。この結果、特定の磁気記憶素子に対して選択的な書込動作を確実に行なうことができる磁界範囲が狭められてしまうので、書込動作の信頼性が低下してしまうという問題があった。 When the recording layer is arranged in this way, there is a problem that the wiring current required for magnetization reversal greatly fluctuates when the recording layer is displaced due to manufacturing process variations or the like. As a result, the magnetic field range in which the selective writing operation can be surely performed on a specific magnetic memory element is narrowed, so that the reliability of the writing operation is lowered.
それゆえ、本発明の目的は、信頼性の高い書込動作を行なうことができる磁気記憶装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a magnetic storage device capable of performing a highly reliable write operation.
本実施の形態における磁気記憶装置は、基板と、第1および第2配線と、磁気記憶素子とを有している。第1配線は、基板上に設けられ、平面形状が第1の軸を中心軸として第1の軸に沿って延びる部分を有している。第2配線は、基板上に設けられ、平面形状が第1の軸と交差する第2の軸を中心軸として第2の軸に沿って延びる部分を有し、基板の厚み方向の間隔を空けて第1配線と交差している。磁気記憶素子は、記録層と固着層とを含み、第1および第2配線が間隔を空けて互いに交差する領域において第1および第2配線に少なくとも一部が挟まれている。記録層は、磁化容易軸を有し、かつ平面形状が磁化容易軸に対して非対称である。固着層は、固定された磁化方向を有している。記録層の平面形状に外接する矩形の重心と第1および第2の軸の交点との距離に比して、記録層の平面形状の重心と交点との距離が小さい。 The magnetic memory device in the present embodiment has a substrate, first and second wirings, and a magnetic memory element. The first wiring is provided on the substrate and has a planar shape extending along the first axis with the first axis as the central axis. The second wiring is provided on the substrate and has a portion extending along the second axis with the second axis having a planar shape intersecting the first axis as a central axis, and is spaced from the substrate in the thickness direction. Crosses the first wiring. The magnetic memory element includes a recording layer and a pinned layer, and at least a portion is sandwiched between the first and second wirings in a region where the first and second wirings cross each other with a space therebetween. The recording layer has an easy magnetization axis, and the planar shape is asymmetric with respect to the easy magnetization axis. The pinned layer has a fixed magnetization direction. The distance between the center of gravity of the planar shape of the recording layer and the intersection is smaller than the distance between the center of gravity of the rectangle circumscribing the planar shape of the recording layer and the intersection of the first and second axes.
本実施の形態の磁気記憶装置によれば、記録層と配線層との相対位置のずれに起因して磁化反転電流がばらつくことが抑制されることにより、書込みされる磁気記憶素子の選択がより確実に行なわれるので、信頼性の高い書込動作を行なうことができる。 According to the magnetic memory device of the present embodiment, the variation of the magnetization reversal current due to the displacement of the relative position between the recording layer and the wiring layer is suppressed, so that the magnetic memory element to be written can be selected more. Since it is performed reliably, a highly reliable writing operation can be performed.
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
(メモリセルの回路と構造)
まず、本発明の実施の形態における磁気記憶装置に関し、磁気記憶装置のメモリセルの回路について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Circuit and structure of memory cell)
First, a circuit of a memory cell of a magnetic storage device will be described with respect to the magnetic storage device in the embodiment of the present invention.
図1は、本発明の一実施の形態における磁気記憶装置のメモリセルの回路図である。図1を参照して、磁気記憶装置では、1つのメモリセルMC(点線枠内)は、素子選択用トランジスタTRと磁気記憶素子(強磁性トンネル接合素子)MMとから構成されている。メモリセルMCはマトリクス状に複数形成されている。 FIG. 1 is a circuit diagram of a memory cell of a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, in the magnetic memory device, one memory cell MC (within a dotted frame) is composed of an element selection transistor TR and a magnetic memory element (ferromagnetic tunnel junction element) MM. A plurality of memory cells MC are formed in a matrix.
その磁気記憶素子MMに対して、情報の書き換えと読み取りを行なうためのライト線WTとビット線BLとが交差する。ライト線WTは、一方向(たとえば列)に並んで配置された磁気記憶素子MMに沿って延びているが、磁気記憶素子MMとは電気的には接続されていない。ビット線BLは、他方向(たとえば行)に並んで配置された磁気記憶素子MMのそれぞれの一端の側に電気的に接続されている。 A write line WT and a bit line BL for rewriting and reading information intersect the magnetic memory element MM. The write line WT extends along the magnetic memory elements MM arranged in one direction (for example, a column), but is not electrically connected to the magnetic memory elements MM. The bit line BL is electrically connected to one end side of each of the magnetic memory elements MM arranged in the other direction (for example, a row).
磁気記憶素子MMの他端の側は、素子選択用トランジスタTRのドレイン側と電気的に接続されている。一方向に並んで配置された複数の素子選択用トランジスタTRのそれぞれのゲートが、ワード線WDによって互いに電気的に接続されている。また、他方向に並んで配置された複数の素子選択用トランジスタTRのそれぞれのソース側が、ソース線SLによって電気的に接続されている。 The other end side of the magnetic memory element MM is electrically connected to the drain side of the element selection transistor TR. The gates of the plurality of element selection transistors TR arranged side by side in one direction are electrically connected to each other by a word line WD. The source sides of the plurality of element selection transistors TR arranged side by side in the other direction are electrically connected by the source line SL.
次に、本実施の形態における磁気記憶装置の構造について説明する。
図2は、本発明の一実施の形態における磁気記憶装置の構成を示す概略断面図である。図2を参照して、半導体基板11におけるメモリセル領域MRでは、素子分離絶縁膜12によって区切られた素子形成領域の表面(半導体基板11の表面)に素子選択用トランジスタTRが形成されている。素子選択用トランジスタTRは、ドレイン領域Dと、ソース領域Sと、ゲート電極本体Gとを主に有している。ドレイン領域Dおよびソース領域Sは、互いに所定の距離を開けて半導体基板11の表面に形成されている。ドレイン領域Dおよびソース領域Sは、互いに所定導電型の不純物領域から形成されている。ゲート電極本体Gは、ドレイン領域Dおよびソース領域Sに挟まれる領域上にゲート絶縁膜GIを介在して形成されている。ゲート電極本体Gの側壁は、サイドウォール状の側壁絶縁膜SIによって覆われている。
Next, the structure of the magnetic memory device in this embodiment will be described.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the magnetic memory device according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, in memory cell region MR in
素子選択用トランジスタTRを覆うように層間絶縁膜13が形成されている。この層間絶縁膜13にはその上面からドレイン領域Dに達する孔が設けられている。この孔内には接続部材14が形成されている。層間絶縁膜13上には、層間絶縁膜15が形成されている。この層間絶縁膜15にはその上面から接続部材14に達する孔と層間絶縁膜13に達する孔とが形成されている。これらの孔の各々にはライト線WTと接続部材16とが形成されている。その接続部材16は、接続部材14によってドレイン領域Dと電気的に接続されている。
An interlayer insulating
ライト線WTと接続部材16とを覆うように、層間絶縁膜13上に層間絶縁膜17が形成されている。この層間絶縁膜17にはその上面から接続部材16に達する孔が設けられている。この孔内には接続部材18が形成されている。層間絶縁膜17上には、導電層19と、磁気記憶素子MMとが形成されている。その導電層19は、接続部材18、16、14によってドレイン領域Dと電気的に接続されている。
An interlayer insulating
磁気記憶素子MMは磁気抵抗効果素子であり、下から順に積層された、固着層1と、非磁性層であるトンネル絶縁層2と、記録層3とを有している。固着層1は、導電層19に接するように形成されている。
The magnetic memory element MM is a magnetoresistive element, and includes a pinned
磁気記憶素子MMを覆うように保護膜20が形成されており、その保護膜20上に層間絶縁膜21が形成されている。この保護膜20および層間絶縁膜21には、これらの膜20、21を貫通して記録層3に達する孔が設けられている。この孔内には、接続部材23が形成されている。層間絶縁膜21上には、ビット線BLが形成されている。このビット線BLは、接続部材23によって磁気記憶素子MMに電気的に接続されている。
A
ビット線BLを覆うように層間絶縁膜26が形成されている。その層間絶縁膜21上には、所定の配線層29および絶縁層28が形成されている。
An interlayer insulating
一方、半導体基板11における周辺(論理)回路領域RRでは、論理回路を構成するトランジスタTRAが形成されている。このトランジスタTRAは、半導体基板11の表面に互いに所定の距離を置いて形成された1対のソース/ドレイン領域S/Dと、その1対のソース/ドレイン領域S/Dに挟まれる領域上にゲート絶縁膜GIを介して形成されたゲート電極Gとを有している。ゲート電極Gの側壁は、サイドウォール状の側壁絶縁膜SIによって覆われている。
On the other hand, in the peripheral (logic) circuit region RR in the
このトランジスタTRAの上には、所定の配線層16、25、29と、その各配線層16、25、29を電気的に接続する為の接続部材14、23、27と、層間絶縁膜13、15、17、21、24、26、28とが形成されている。
On this transistor TRA, predetermined wiring layers 16, 25, 29,
次に、メモリセルの構造についてさらに詳しく説明する。
図3は磁気記憶素子MMの付近の構成を概略的に示す斜視図である。図3を参照して、情報としての磁化が行われる磁気記憶素子MMは、ライト線WTとビット線BLとが交差する領域において、ライト線WTとビット線BLとに上下方向から挟み込まれるように配置されている。磁気記憶素子MMは、たとえば固着層1、トンネル絶縁層2および記録層3の積層構造とされる。固着層1では、磁化の方向が固定されている。また、記録層3では、所定の配線(たとえばビット線BL)に流れる電流によって生じる磁界やスピン偏極した電子の注入によって磁化方向が変化する。
Next, the structure of the memory cell will be described in more detail.
FIG. 3 is a perspective view schematically showing a configuration in the vicinity of the magnetic memory element MM. Referring to FIG. 3, magnetic storage element MM that is magnetized as information is sandwiched between write line WT and bit line BL from above and below in a region where write line WT and bit line BL intersect. Has been placed. The magnetic memory element MM has a laminated structure of a fixed
その磁気記憶素子MMの固着層1が、図2に示すように導電層19および接続部材18、16、14を介して素子選択用トランジスタTRのドレイン領域Dに電気的に接続されている。一方、磁気記憶素子MMの記録層3側は、接続部材23を介してビット線BLに電気的に接続されている。
As shown in FIG. 2, the pinned
図4は、本発明の一実施の形態における磁気記憶素子の構成を概略的に示す断面図である。図4を参照して、本実施の形態では、記録層3は、その平面視上の面積が固着層1側に向かって面積が大きくなるように構成されている。つまり、記録層3の膜厚方向の断面形状は、固着層1側に向かって記録層3の膜厚方向に垂直な方向の面積が大きくなるような形状を有している。このため、記録層3の磁化分布の膜厚方向における磁化の重心Gaの位置は、記録層3の膜厚方向において固着層1に近い側、具体的には、記録層3の膜厚の1/2の位置(図中一点鎖線A−Aで示す位置)よりも固着層1側に存在している。なお「膜厚方向における磁化の重心」とは、膜厚方向に垂直であり、かつ記録層3の磁気モーメントを等しい値に二分する面に含まれる位置のことである。
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the magnetic memory element in one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, in the present embodiment,
図4における記録層3の膜厚方向の断面形状は、たとえば台形で近似することができる。その台形の断面形状における底面(トンネル絶縁層2側の面)と側面とのなす角度θは、90度未満が好ましく、80度以下がより好ましい。また、記録層3の磁気モーメントを維持しつつ角度θが小さくされると、記録層3の平面形状、すなわち記録層3の底面の平面形状が拡がってしまう。この結果、磁気記憶素子MM部の平面視上の面積の増大、ひいてはチップサイズの増大が生じる。このため角度θは45度以上が好ましい。
The cross-sectional shape in the film thickness direction of the
外部から与えられる磁界によって磁化の向きが変化する記録層3については、一般に、結晶構造や形状などによって磁化しやすい方向がある。この方向はエネルギが低い状態であり、磁化しやすい方向は磁化容易軸(Ea:Easy-axis)と呼ばれる。これに対して、磁化されにくい方向は、磁化困難軸(Ha:Hard-axis)と呼ばれる。
The
図5は、本発明の一実施の形態における磁気記憶装置の記録層の平面形状と、磁化容易軸および磁化困難軸の方向とを説明するための概略平面図である。図5を参照して、本実施の形態においては、矢印91に示す方向と平行な方向が、磁化容易軸63の方向である。また、磁化容易軸63に垂直な方向が磁化困難軸64の方向である。
FIG. 5 is a schematic plan view for explaining the planar shape of the recording layer and the directions of the easy magnetization axis and the hard magnetization axis in one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, in the present embodiment, the direction parallel to the direction indicated by arrow 91 is the direction of
矩形RCは、記録層3の平面形状に外接する形状を有しており、2つの辺が磁化容易軸63と平行な図形である。記録層3の形状は、矩形RCの4つの垂直な角部のうち2つの角部が曲線に置き換えられた形状を有している。以下にこの記録層3の形状について詳しく説明する。
The rectangle RC has a shape circumscribing the planar shape of the
記録層3の平面形状は、磁化容易軸63方向に平行な直線部702、703と、磁化困難軸64方向(磁化容易軸63に垂直な軸方向)に平行な直線部704a、704bとを有している。直線部703は、直線部704aおよび704bのそれぞれと直接接続されることで垂直な角部を形成している。一方、直線部702は、直線部704aおよび704bのそれぞれと、曲線部701aおよび701bの各々を介して接続されている。本実施の形態においては、曲線部701aおよび曲線部701bは、それぞれ円弧になるように形成されている。これにより、記録層3の平面形状が、磁化容易軸63に対して非対称かつ磁化困難軸64(磁化容易軸63に垂直な軸)に対して線対称になるように形成されている。
The planar shape of the
上記のように記録層3の平面形状が磁化容易軸63に対して非対称であるため、一般に、記録層3の平面形状の重心GPは、矩形RCの重心DPとは異なる位置である。なお矩形RCの重心DPは、矩形RCの1対の対角線DG、DGの交点である。
Since the planar shape of the
また、記録層3の平面形状は、磁化容易軸63の方向の長さが磁化困難軸64の方向の長さよりも長くなるように形成されている。すなわち矩形RCは磁化容易軸63の方向に沿った長辺を有している。矩形RCの長辺と短辺との比は、たとえば1.2である。
The planar shape of the
なお本実施の形態においては固着層1およびトンネル絶縁層2も図5に示した記録層3の平面形状とほぼ同様の形状を有しているが、本発明はこの形態に限られず、たとえば、記録層3のみが曲線部を有するように形成され、固着層1およびトンネル絶縁層2は、平面形状が矩形になるように形成され、かつ平面視されたときに記録層3よりも大きくなるように形成されていても構わない。すなわちトンネル絶縁層2および固着層1は、平面形状が記録層3と同じ形状であってもよいし、記録層3の平面形状を含み、かつ記録層3よりも大きい面積を有する任意の平面形状であってもよい。
In the present embodiment, the pinned
図6は、本発明の一実施の形態における磁気記憶装置の、記録層、ライト線およびビット線の相対的な位置関係を示す説明図である。図5および図6を参照して、ライト線WTおよびビット線BL(第1および第2配線)のそれぞれの平面形状は、ライト線中心軸CWTおよびビット線中心軸CBL(第1および第2の軸)の各々を中心軸としている。またライト線WTおよびビット線BLのそれぞれの平面形状は、ライト線中心軸CWTおよびビット線中心軸CBLの各々に沿って延びている。ライト線中心軸CWTおよびビット線中心軸CBLのそれぞれは、磁化容易軸63および磁化困難軸64の各々と同じ方向を有している。ライト線中心軸CWTおよびビット線中心軸CBLは互いに垂直に交差することで交点APを形成している。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relative positional relationship between the recording layer, the write line, and the bit line in the magnetic storage device according to the embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 5 and 6, the planar shape of each of write line WT and bit line BL (first and second wiring) is as follows: write line center axis CWT and bit line center axis CBL (first and second lines). Each axis is a central axis. The planar shapes of the write line WT and the bit line BL extend along the write line central axis CWT and the bit line central axis CBL, respectively. Each of the write line center axis CWT and the bit line center axis CBL has the same direction as each of the
なお本実施の形態においては交点APと記録層3の重心GPとが一致しているが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、重心GPと交点APとの距離が、矩形RCの重心DPと交点APとの距離よりも小さければよい。好ましくは、重心GPと交点APとの距離は、重心GPと重心DPとの距離の半分以下である。さらに好ましくは本実施の形態のように重心GPが交点APと一致している。
In the present embodiment, the intersection point AP and the gravity center GP of the
(メモリセルの動作)
次に、メモリセルの動作について説明する。
(Memory cell operation)
Next, the operation of the memory cell will be described.
図2を参照して、読み出し動作は、特定のメモリセルの磁気記憶素子MMに所定の電流を流し、磁化の向きによる抵抗値の違いを検知することによって行われる。まず、特定のメモリセルの選択用トランジスタTRがON状態とされて、所定のセンス信号がビット線BLから特定の磁気記憶素子MMを経て、接続部材18、16、14および選択用トランジスタTRを介してソース線SLに伝わる。
Referring to FIG. 2, a read operation is performed by passing a predetermined current through magnetic storage element MM of a specific memory cell and detecting a difference in resistance value depending on the direction of magnetization. First, the selection transistor TR of a specific memory cell is turned on, and a predetermined sense signal passes through the specific magnetic memory element MM from the bit line BL via the
このとき、磁気記憶素子MMにおける記録層3と固着層1の磁化の向きが同じ向き(平行)の場合では抵抗値が相対的に低く、記録層3と固着層1の磁化の向きが互いに反対向き(反平行)の場合では抵抗値が相対的に高くなる。トンネル磁気抵抗効果素子は、記録層3と固着層1との各磁化方向が平行の場合には抵抗値が小さくなり、かつ記録層3と固着層1との各磁化方向が反平行の場合には抵抗値が大きくなる特性を有している。
At this time, when the magnetization directions of the
これにより、磁気記憶素子MMの磁化の向きが平行の場合では、ソース線SLに流れるセンス信号の強度は所定の参照メモリセルの信号強度より大きくなる。一方、磁気記憶素子MMの磁化の向きが反平行の場合では、センス信号の強度は所定の参照メモリセルの信号強度より小さくなる。こうして、センス信号の強度が所定の参照メモリセルの信号強度よりも大きいか小さいかによって、特定のメモリセルに書き込まれた情報が「0」であるか「1」であるかが判定されることになる。 Thereby, when the magnetization direction of the magnetic memory element MM is parallel, the intensity of the sense signal flowing through the source line SL becomes larger than the signal intensity of a predetermined reference memory cell. On the other hand, when the magnetization direction of the magnetic memory element MM is antiparallel, the intensity of the sense signal is smaller than the signal intensity of a predetermined reference memory cell. Thus, whether the information written in the specific memory cell is “0” or “1” is determined depending on whether the intensity of the sense signal is larger or smaller than the signal intensity of the predetermined reference memory cell. become.
書き込み(書き換え)動作については、ビット線BLとライト線WTに所定の電流を流し、磁気記憶素子MMを磁化(磁化反転)することによって行われる。まず、選択されたビット線BLとライト線WTのそれぞれに所定の電流を流すことによってビット線BLとライト線WTのまわりにはそれぞれ電流の流れの方向に対応した磁界(図6の矢印53aおよび54a)が生じる。選択されたビット線BLとライト線WTとが交差する領域に位置する磁気記憶素子MMには、ビット線BLを流れる電流によって生じた磁界とライト線WTを流れる電流によって生じた磁界との合成磁界(図6の矢印55a)が作用することになる。
The write (rewrite) operation is performed by flowing a predetermined current through the bit line BL and the write line WT to magnetize (magnetize inversion) the magnetic memory element MM. First, by applying a predetermined current to each of the selected bit line BL and write line WT, a magnetic field (indicated by
このとき、その合成磁界によって、磁気記憶素子MMの記録層3が固着層1の磁化の方向と同じ向きに磁化される態様と、記録層3が固着層1の磁化の方向とは反対の向きに磁化される態様とがある。こうして、記録層3と固着層1の磁化の向きが同じ向き(平行)の場合と互いに反対向き(反平行)の場合とが実現されて、この磁化の向きが「0」または「1」に対応する情報として記録されることになる。
At this time, the composite magnetic field causes the
(磁気記憶装置の製造方法)
次に、上述した磁気記憶素子および磁気記憶装置の製造方法の一例について説明する。
(Method for manufacturing magnetic storage device)
Next, an example of a method for manufacturing the above-described magnetic memory element and magnetic memory device will be described.
図7〜図11は、本発明の一実施の形態における磁気記憶装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。まず、図7を参照して、半導体基板11の主表面における所定の領域に素子分離絶縁膜12を形成することによって、メモリセル領域MRおよび周辺回路領域RRが形成される。そのメモリセル領域MRおよび周辺回路領域RRに位置する半導体基板11の表面にゲート絶縁膜GIを介してゲート電極本体Gが形成される。そのゲート電極本体Gなどをマスクとして半導体基板11の表面に所定導電型の不純物を導入することにより、不純物領域からなるドレイン領域Dおよびソース領域Sと、1対のソース/ドレイン領域S/Dが形成される。こうして、メモリセル領域MRでは、ゲート電極G、ドレイン領域Dおよびソース領域Sを含む素子選択用トランジスタTRが形成され、周辺回路領域RRでは、論理回路を構成するトランジスタTRAが形成される。
7 to 11 are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the magnetic memory device according to the embodiment of the present invention in the order of steps. First, referring to FIG. 7, by forming element
その素子選択用トランジスタTRおよびトランジスタTRAを覆うように、たとえばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により層間絶縁膜13が形成される。その層間絶縁膜13に対して所定の写真製版およびエッチングを施すことによって、半導体基板11の表面を露出するコンタクトホール13a、13bが形成される。そのコンタクトホール13a、13bを充填するように層間絶縁膜13上にたとえばタングステン層(図示せず)が形成される。そのタングステン層に対してCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理を施すことによって、層間絶縁膜13の上面上に位置するタングステン層の部分が除去される。
An interlayer insulating
図8を参照して、上記のタングステン層の除去により、コンタクトホール13a、13b内の各々にタングステン層が残存されて接続部材14が形成される。
Referring to FIG. 8, by removing the tungsten layer, the tungsten layer remains in each of contact holes 13 a and 13 b to form
図9を参照して、たとえばCVD法により層間絶縁膜13上にさらに層間絶縁膜15が形成される。その層間絶縁膜15に所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、メモリセル領域MRでは、ライト線および所定の配線層を形成するための開口部15a、15bが形成される。また、周辺回路領域RRでは、所定の配線層を形成するための開口部15cが層間絶縁膜15に形成される。その開口部15a、15b、15cを充填するように、層間絶縁膜15上にたとえば銅層(図示せず)が形成される。その銅層にCMP処理を施すことによって、層間絶縁膜15の上面上に位置する銅層が除去されて、開口部15a、15b、15c内に銅層が残存される。これにより、メモリセル領域MRでは開口部15a内にライト線WT、開口部15b内に配線層16が形成される。また周辺回路領域RRでは開口部15c内に配線層16が形成される。
Referring to FIG. 9,
なお、開口部15a、15b、15cを充填する銅層の形成においては、銅層と層間絶縁膜との反応を防止するための反応防止層が積層される場合がある。さらに、ライト線WTの形成時には、配線電流磁界を所定の磁気記憶素子へ集中させるため、銅層は高透磁率膜と積層される場合がある。
In the formation of the copper layer filling the
図10を参照して、層間絶縁膜15上にたとえばCVD法によりさらに層間絶縁膜17が形成される。その層間絶縁膜17に所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、配線層16の表面を露出するコンタクトホール17aが形成される。そのコンタクトホール17a内を充填するように層間絶縁膜17上にたとえば銅層(図示せず)が形成される。その銅層にたとえばCMP処理等を施すことによって層間絶縁膜17の上面上に位置する銅層が除去され、コンタクトホール17a内に銅層が残存されて接続部材18が形成される。
Referring to FIG. 10, an
次に、メモリセル領域MRにおける層間絶縁膜17の上に、導電層19と磁気記憶素子MMとが形成される。その磁気記憶素子MMは、固着層1と、トンネル絶縁層2と、記録層3との積層膜から構成される。まず、固着層1となる膜として、たとえば膜厚約20nmの白金マンガン膜(反強磁性層)と膜厚約3nmのコバルト合金膜(強磁性層)が順次形成される。次に、トンネル絶縁層2となる膜として、たとえば膜厚約1nmのアルミニウム酸化膜が形成される。そして、記録層3としては、たとえば膜厚約3nmのニッケル合金膜が形成される(いずれも図示せず)。なお、白金マンガン膜、コバルト合金膜、アルミニウム酸化膜、ニッケル合金膜は、たとえばスパッタ法によって形成される。
Next, the
その後、そのニッケル合金膜、アルミニウム酸化膜、コバルト合金膜および白金マンガン膜に所定の写真製版およびエッチングを施すことによって、固着層1、トンネル絶縁層2および記録層3を備えた所定形状の磁気記憶素子MMが形成されることになる。一般的に、エッチング後のレジストパターン除去においてドライプロセス(アッシング)を用いる場合には酸素を主成分とするガスが使用される。好ましくは、固着層1、記録層3の構成材料に対して酸化性でないガス、たとえば水素、窒素、アンモニア、およびそれらの混合ガスを用い、固着層1、記録層3の酸化が抑制される。
Thereafter, the nickel alloy film, the aluminum oxide film, the cobalt alloy film, and the platinum manganese film are subjected to predetermined photoengraving and etching to thereby form a magnetic memory having a predetermined shape including the fixed
なお記録層3の断面形状を台形形状などのテーパ状の形状とする方法としては、たとえば記録層3のパターニングをドライエッチングを用いて行なえばよい。さらに具体的には、たとえばイオンビームエッチングを用いる方法がある。この方法では、半導体基板11の基板面の法線に対して傾斜した角度でAr(アルゴン)などの不活性ガスのイオンビームが入射される。この際、半導体基板11が基板面の法線方向を保持しつつ回転される。また別の方法としては、Cl(塩素)系あるいはCO(一酸化炭素)系ガスを含む反応性ガスを用いたRIE(Reactive Ion Etching)による方法がある。この方法の場合は、エッチングのためのマスク(たとえばレジストマスクもしくは金属/酸化物からなるハードマスク)が、あらかじめテーパ形状とされるか、あるいはエッチング中に後退させられる。
As a method for changing the cross-sectional shape of the
また、固着層1は、反強磁性層/強磁性層/非磁性層/強磁性層の積層構造とする場合がある。また、記録層3は、磁気特性の異なる強磁性膜の積層や強磁性層/非磁性層/強磁性層の積層構造としても問題ない。
The pinned
図11を参照して、磁気記憶素子MMがその後のプロセスによってダメージを受けないように、磁気記憶素子MMを覆うように保護膜20が形成される。その保護膜20を覆うように層間絶縁膜17上にたとえばCVD法によりさらに層間絶縁膜21が形成される。メモリセル領域MRでは、その層間絶縁膜21および保護膜20に所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、記録層3の表面を露出するコンタクトホール21aが形成される。また周辺回路領域RRでは、その層間絶縁膜21および層間絶縁膜17に所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、配線層16の表面に達するコンタクトホール21bが形成される。これらのコンタクトホール21a、21b内を充填するように層間絶縁膜21上にたとえば銅層(図示せず)が形成される。その銅層にたとえばCMP処理等を施すことによって層間絶縁膜21の上面上に位置する銅層が除去され、コンタクトホール21a、21b内の各々に銅層が残存されて接続部材23が形成される。
Referring to FIG. 11,
その層間絶縁膜21を覆うように層間絶縁膜21上にたとえばCVD法によりさらに層間絶縁膜24が形成される。その層間絶縁膜24に所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、メモリセル領域MRでは層間絶縁膜24にビット線を形成するための開口部が形成され、周辺回路領域RRでは層間絶縁膜24に開口部24aが形成される。これらの開口部内を充填するように層間絶縁膜24上にたとえば銅層(図示せず)が形成される。その銅層にたとえばCMP処理等を施すことによって層間絶縁膜24の上面上に位置する銅層が除去され、ビット線用の開口部内に銅層が残存されてビット線BLが形成され、開口部24a内には銅層が残存されて配線層25が形成される。
An interlayer insulating
なお上記においてはシングルダマシン法について説明したが、層間絶縁膜21の形成後に、さらに層間絶縁膜24を形成し、それらの層間絶縁膜21、24に対して、デュアルダマシン法により所定の接続部材と配線層が形成されてもよい。この場合、まず層間絶縁膜24に対して所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、メモリセル領域MRでは、ビット線を形成するための開口部(図示せず)が形成される。周辺回路領域RRでは、配線層を形成するための開口部24aが形成される。次に、層間絶縁膜21に対して所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、メモリセル領域MRでは、磁気記憶素子MMの記録層3の表面に達するコンタクトホール21aが形成される。周辺回路領域RRでは、配線層16の表面に達するコンタクトホール21bが形成される。なお、層間絶縁膜21、24にコンタクトホールを形成した後に、層間絶縁膜24に開口部24aなどが形成されてもよい。
Although the single damascene method has been described above, an
次に、コンタクトホール21a、21bおよび開口部24aなどの内部を充填するように層間絶縁膜24上にたとえば銅層(図示せず)が形成される。その銅層にたとえばCMP処理等を施すことによって層間絶縁膜24の上面上に位置する銅層の部分が除去される。これにより、メモリセル領域MRでは、コンタクトホール21a内を埋め込んで記録層3に電気的に接続される接続部材23が形成されると共に、開口部内にはその接続部材23に電気的に接続されるビット線BLが形成される。なお、接続部材23を用いなくても、ビット線BLと記録層3とが電気的に接続できれば問題はない。一方、周辺回路領域RRでは、コンタクトホール21b内に配線層16に電気的に接続される接続部材23が形成されるとともに、開口部24a内には接続部材23に電気的に接続される配線層25が形成される。
Next, for example, a copper layer (not shown) is formed on
図2を参照して、上記で形成されたビット線BLおよび配線層25を覆うように、層間絶縁膜24上に、さらに層間絶縁膜26が形成される。周辺回路領域RRにおいては層間絶縁膜26に孔が形成され、その孔に接続部材27が形成される。この層間絶縁膜26上にさらに層間絶縁膜28が形成される。その層間絶縁膜28に開口部が形成され、その開口部に配線層29が形成される。
Referring to FIG. 2, an
なお上記においてはシングルダマシン法について説明したが、層間絶縁膜26の形成後に、さらに層間絶縁膜28を形成し、それらの層間絶縁膜26、28に対して、上記と同様にデュアルダマシン法により接続部材27と配線層29が形成されてもよい。
Although the single damascene method has been described above, an
以上により、本実施の形態の磁気記憶装置が製造される。
なお、上述した磁気記憶装置の製造方法では、接続部材14などとして、タングステン層を例に挙げて説明したが、たとえばシリコンが適用されてもよい。また、銅、チタンあるいはタンタルなどの金属が適用されてもよい。さらに、このような金属の合金やこのような金属の窒化物なども適用することができる。また、接続部材14などの形成方法としてCMP法あるいはRIE法を例に挙げて説明したが、たとえばメッキ法、スパッタリング法、CVD法などが適用されてもよい。金属として銅を適用する場合には、いわゆるダマシン法を適用することができ、接続部材14と並行して配線層を形成することもできる。
As described above, the magnetic storage device of the present embodiment is manufactured.
In the above-described method for manufacturing a magnetic memory device, a tungsten layer has been described as an example of the
また、ライト線WTの形成方法としてシングルダマシン法を例に挙げて説明したが、ライト線WTを接続部材14と同時に形成する場合には、デュアルダマシン法を適用することもできる。さらに、配線材料としてシリコン、タングステン、アルミニウム、チタンなどの金属、そのような金属の合金あるいはそのような金属の化合物を適用することによって、ドライエッチングによる配線の形成も可能になる。
Further, the single damascene method has been described as an example of the method for forming the write line WT. However, when the write line WT is formed at the same time as the connecting
また配線層と配線層との間に介在する層間絶縁膜の膜厚は適用デバイスによって異なることになるが、この磁気記憶装置では、当該膜厚はたとえば約40nmである。 The film thickness of the interlayer insulating film interposed between the wiring layers differs depending on the applied device. In this magnetic memory device, the film thickness is, for example, about 40 nm.
また磁気記憶素子MMのトンネル絶縁層2としてアルミニウム酸化物を例に挙げて説明したが、トンネル絶縁層2としては非磁性材料が好ましい。たとえばアルミニウム、シリコン、タンタル、マグネシウムなどの金属の酸化物、その金属の窒化物、シリケートなどに代表されるその金属の合金酸化物、あるいはその合金の窒化物などがトンネル絶縁層2として好ましい。また、そのトンネル絶縁層2は、膜厚約0.3〜5nm程度の比較的薄い膜として形成されることが好ましい。なお、トンネル絶縁層2に換えて非磁性金属材料を用いる場合には、いわゆる膜面に対して垂直方向の巨大磁気抵抗効果を利用することもできる。
The
さらに、磁気記憶素子MMの固着層1として白金マンガン合金膜とコバルト鉄合金膜との積層構造を例に挙げ、記録層3としてニッケル鉄合金膜を例に挙げたが、固着層1および記録層3については、たとえばニッケル、鉄および/またはコバルトを主成分とする強磁性材料が好ましい。さらに、その強磁性材料の磁気特性向上と熱的安定性のため、それら強磁性材料にホウ素、窒素、シリコン、モリブデンなどの添加物が導入されてもよい。特に、記録層3に対しては、記録層3上に記録層3の磁気特性を改善する体心立方型、ルチル型、塩化ナトリウム型、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する結晶性材料薄膜を積層する、および/またはタンタル、ルテニウムなどの酸化防止膜を積層するなどして、磁気特性の向上・安定化を図ることも可能である。さらに、ハーフメタルと呼ばれるNiMnSb、Co2Mn(Ge,Si)、Co2Fe(Al,Si)、(Zn,Mn)Fe2O4などを適用することも可能である。ハーフメタルでは一方のスピンバンドにエネルギギャップが存在するので、非常に大きな磁気効果を得ることができ、その結果、大きな信号出力を得ることができる。
Further, as the pinned
固着層1では、反強磁性層と強磁性層との積層構造とすることで、磁化方向をより固定することができる。つまり、反強磁性層が強磁性層のスピンの向きを固定することで、強磁性層の磁化の方向が一定に保たれる。反強磁性層としては、鉄などの強磁性材料または貴金属の少なくとも1つと、マンガンとの化合物が好ましい。
In the pinned
なお、上述した製造方法では、この磁気記憶素子を構成する固着層1、トンネル絶縁層2および記録層3をそれぞれスパッタリング法によって形成する場合を例に挙げた。しかし、固着層1、トンネル絶縁層2および記録層3のそれぞれは、スパッタリング法の他にも、たとえばMBE(Molecular Beam Epitaxy)法、化学気相成長法あるいは蒸着法などにより形成することも可能である。
In the manufacturing method described above, the case where the pinned
また、上述した磁気記憶装置の製造方法では、磁気記憶素子MMの固着層1と接続部材18との間に導電層19がある場合について説明したが、固着層1と接続部材18とが直接接続されていてもよい。また、接続部材18を介さずに配線層16とその導電層19とを直接接続させた構造としてもよい。この場合、その導電層19は、固着層1と平面視において重なるように固着層1の平面形状と同じ形状に形成されてもよい。その導電層19の材料として、低抵抗の金属、たとえば白金、ルテニウム、銅、アルミニウム、タンタル等を適用することが好ましい。また、導電層19の膜厚としては、その導電層の上に形成される固着層1、トンネル絶縁層2および記録層3の平坦性が損なわれないように、たとえば300nm以下にすることが好ましい。
In the above-described method for manufacturing the magnetic memory device, the case where the
なお、固着層1を記録層3と平面視において同じ大きさに形成する場合には、導電層19が接続部材14と接続されるように導電層19を固着層1よりも平面視において大きく形成する必要がある。このように導電層19が固着層1よりも平面的に大きく形成されたとしても、磁気記憶素子として何ら問題はない。
When the
このように層間絶縁膜15と磁気記憶素子MMとの間に所定の導電層19を介在させることによって、接続部材18をたとえば銅により形成した場合には、磁気記憶素子MMをエッチングによってパターニングする際に、銅の接続部材18が腐食するのを阻止することもできる。また、その導電層19に磁気記憶素子MMの固着層1の抵抗よりも低い抵抗からなる材料を適用することで、読み出しの際の電流の経路の抵抗を下げることができ、読み出し速度の向上を図ることもできる。
In this manner, when the connecting
また、さらに、上述した本実施の形態の磁気記憶装置では、磁気記憶素子MMが形成された後の工程において磁気記憶素子MMがダメージを受けるのを防止するために、磁気記憶素子MMを覆うように保護膜20を形成する場合を例に挙げて説明した。製造工程において磁気記憶素子MMが被る可能性のあるダメージとしては、たとえば層間絶縁膜を形成する際の熱処理がある。層間絶縁膜としてシリコン酸化膜を形成する場合、約400℃程度の酸化雰囲気のもとでシリコン酸化膜が形成されることになる。
Further, in the magnetic memory device of the present embodiment described above, the magnetic memory element MM is covered so as to prevent the magnetic memory element MM from being damaged in the process after the magnetic memory element MM is formed. The case where the
このとき、酸化雰囲気のもとで磁性膜が酸化するおそれがあり、これによって、磁気記憶素子MMの磁気特性が劣化してしまうことがある。磁気記憶素子MMを、シリコン窒化膜や酸化アルミニウム膜等の保護膜20により被覆することで、保護膜20はこの酸化のバリアとして機能して磁気記憶素子MMを保護することができる。
At this time, the magnetic film may be oxidized under an oxidizing atmosphere, which may degrade the magnetic characteristics of the magnetic memory element MM. By covering the magnetic memory element MM with a
また、このような酸化を防ぐために、層間絶縁膜が、シリコン窒化膜などの非酸化性雰囲気のもとで成膜可能な薄膜と、酸化性絶縁膜との2層構造とされてもよい。この場合、2層構造の層間絶縁膜のうち、シリコン窒化膜が磁気記憶素子MMの保護膜となる。 In order to prevent such oxidation, the interlayer insulating film may have a two-layer structure of a thin film that can be formed under a non-oxidizing atmosphere such as a silicon nitride film and an oxidizing insulating film. In this case, of the two-layered interlayer insulating film, the silicon nitride film serves as a protective film for the magnetic memory element MM.
さらに、保護膜20としては、絶縁性金属窒化物、絶縁性金属炭化物およびFeよりも酸化物生成自由エネルギが低い金属の酸化処理によって形成した金属酸化物のうち少なくとも1つの材料を含む膜が好ましい。このような材料を用いることにより、少なくとも、Feを含む磁性材料薄膜を用いた磁気記憶装置の製造工程における酸化工程中に磁気記憶素子MMが酸化するのを抑制することができる。その結果、製造が容易でかつ動作特性が安定した磁気記憶装置を得ることができる。
Furthermore, the
(作用効果)
本実施の形態の磁気記憶装置の主な作用効果について、以下に説明する。
(Function and effect)
The main operational effects of the magnetic storage device according to the present embodiment will be described below.
図12は、本発明の一実施の形態における記録層の重心の位置とアステロイド曲線との相関を説明するためのグラフである。図6および図12を参照して、図6に示すように交点APと記録層3の重心GPとが一致している場合、図12の点を実測値して含むアステロイド曲線35が得られた。またアステロイド曲線36および37のそれぞれは、交点APと記録層3の重心GPとが距離X>0だけずれた場合および距離2Xだけずれた場合の計算上のアステロイド曲線を示している。なお、この計算に際して、記録層3の強磁性材料と、この強磁性材料からなる部分の厚みとは同じとされた。図12のグラフの横軸は磁化困難軸方向の磁界Hxを生じさせるためにライト線WTに流す電流IWTを示し、縦軸は磁化容易軸方向の磁界Hyを生じさせるためにビット線BLに流す電流IBLを示す。図中の点は、記録層3の磁化の向きが磁界Hyの負の向きの状態で一定のライト線電流IWTが印加された際に磁化の向きを反転させるのに必要なビット線電流IBLが計測された結果を示す。
FIG. 12 is a graph for explaining the correlation between the position of the center of gravity of the recording layer and the asteroid curve in one embodiment of the present invention. 6 and 12, when the intersection point AP and the center of gravity GP of the
図5に示す形状を有する記録層3が採用された場合、後に図17を用いて説明するように、アステロイド曲線35においてライト線電流IWTが一定の値(以下、「磁化困難軸方向しきい値」という)より小さくなると、磁化容易軸方向の反転に必要なビット線電流IBLは急激に大きくなる。すなわち、ライト線電流IWTが磁化困難軸方向しきい値よりも小さい領域においてのみ、磁化反転に大きなビット線電流IBLが必要になる。
When the
交点APと記録層3の重心APとの位置がずれると、磁化反転に必要な電流値が変動し、アステロイド曲線はアステロイド曲線35からアステロイド曲線36、37に変化する。この結果、記録層の磁化反転を行なうことができる領域(図中ハッチング領域)46が狭くなったり、あるいは情報の書き込みができなくなったりする。
When the position of the intersection point AP and the center of gravity AP of the
従来例では、交点AP近傍と、矩形RCの重心DPとがほぼ一致するように配置されていた。記録層3の平面形状が磁化容易軸方向に対して非対称であれば、交点APと重心GPとは一致せずに平面視上でたとえば距離Xだけ離れることになる。この場合の記録層のアステロイド曲線はアステロイド曲線36と等価になる。
In the conventional example, the vicinity of the intersection AP and the center of gravity DP of the rectangle RC are arranged so as to substantially coincide with each other. If the planar shape of the
MRAMのような高集積化デバイスでは、ライト線WT、ビット線BLおよび記録層3の相対的な配置を、多数の磁気記憶素子MMのすべてにおいて均一に形成することは困難である。したがって従来例において、ライト線WT、ビット線BLおよび記録層3の相対的な位置がさらに距離Xだけずれると、重心GPは交点APからX+X=2Xだけずれる。この結果、記録層のアステロイド曲線はアステロイド曲線37で表され、記録層の磁化反転を行なうことができる領域46が大幅に狭くなったり、あるいは情報の書き込みができなくなったりする。
In a highly integrated device such as an MRAM, it is difficult to uniformly form the relative arrangement of the write line WT, the bit line BL, and the
本実施の形態によれば、図6に示すように、マトリクス状に並んだ磁気記憶素子MMの記録層3の重心GPを交点APとほぼ一致させることにより、磁化反転に必要な配線電流のばらつきを抑制することができる。よって重心GPと交点APとのずれ量(距離)は、より小さくされることが好ましく、特に、重心GPと重心DPとの距離の半分以下とされると、上記のばらつきの抑制効果が大きく得られる。 According to the present embodiment, as shown in FIG. 6, the variation in the wiring current necessary for the magnetization reversal is achieved by making the center of gravity GP of the recording layers 3 of the magnetic memory elements MM arranged in a matrix substantially coincide with the intersection AP. Can be suppressed. Therefore, it is preferable that the amount of deviation (distance) between the center of gravity GP and the intersection point AP is made smaller. In particular, when the distance between the center of gravity GP and the center of gravity DP is less than half of the distance, the above-described variation suppressing effect can be greatly obtained. It is done.
次に、本実施の形態の他の作用効果について、以下に説明する。
固着層1を構成する強磁性層からの漏れ磁界が外部磁界に重畳することにより、漏れ磁界成分だけ磁化反転磁界が変化する。本実施の形態では固着層1を構成する強磁性層からの漏れ磁界は磁化困難軸方向しきい値をシフトさせることになるため、磁化困難軸方向しきい値が高磁界側にシフトした場合では、情報の書き込みができなくなることが考えられ、磁化困難軸方向しきい値が低磁界側にシフトした場合は、ビット線BLおよび/またはライト線WTに電流を流して形成された磁界によって非選択の磁気記憶素子が誤って磁化反転することが考えられる。すなわち、磁化困難軸方向しきい値が素子毎にばらつくと書き込みエラーが起こる可能性がある。
Next, other functions and effects of the present embodiment will be described below.
When the leakage magnetic field from the ferromagnetic layer constituting the pinned
磁化困難軸方向しきい値ばらつきを低減するためには、漏れ磁界成分を全ての磁気記憶素子MMでゼロにする、または、外部磁界が印加されていない場合における固着層1からの漏れ磁界を全ての磁気記憶素子MMで同じにし、外部磁界が印加されている場合における固着層1の磁化の傾きを全ての磁気記憶素子MMで同じにすればよい。しかしながら、MRAMのような高集積化デバイスでは、全ての磁気記憶素子MMに対して固着層1からの漏れ磁界を同じに設定することは事実上困難である。
In order to reduce the variation in the threshold value in the hard axis direction, the leakage magnetic field component is set to zero in all the magnetic memory elements MM, or all the leakage magnetic fields from the pinned
本実施の形態では、固着層1からの距離が近く固着層1からの漏れ磁界の影響を受けやすい記録層3の部分の磁化を増大させる構成が採用されている。
In the present embodiment, a configuration is adopted in which the magnetization of the portion of the
図4を参照して、本実施の形態では、記録層3は、その平面視における面積が固着層1側に向かって面積が大きくなるように構成されている。このため、記録層3の磁化分布の膜厚方向における磁化の重心Gaの位置は、記録層3の膜厚方向(図中上下方向)において固着層1に近い側、具体的には記録層3の膜厚の1/2の位置(一点鎖線A−A)よりも固着層1側の位置に存在する。このため、固着層1からの距離が近く漏れ磁界の影響が大きい部分での記録層3の磁化が大きくなるので、漏れ磁界成分による記録層3の磁化反転磁界のシフトが抑制される。この結果、磁化困難軸方向しきい値が漏れ磁界に対して安定になる。換言すれば、固着層1からの漏れ磁界に起因する磁化困難軸方向しきい値ばらつきを低減することができる。
Referring to FIG. 4, in the present embodiment,
一般に、記録層3の総磁化が大きくなると磁化反転磁界が増大することが知られている。本実施の形態では、記録層3の平面視における面積が記録層3の上面(固着層1と反対側の面)に向かって小さくなっている分だけ記録層3全体の総磁化の大きさが抑制される。このため磁化反転磁界の増大が抑制されるので、外部磁界により効率よく磁化反転を行なうことができる。
In general, it is known that the magnetization reversal field increases as the total magnetization of the
上記効果については、記録層3の磁化分布の膜厚方向における磁化の重心Gaの位置が記録層3膜厚の1/2よりも固着層1側に存在すればよい。このため、記録層3の断面形状について、たとえば台形で近似すると、底面部と側面部のなす角度θが90度より小さければ良く、80度以下であることがより好ましい。また、底面部と側面部のなす角度θが小さい場合、磁気記憶素子MM部の平面視における面積の増大、ひいてはチップサイズの増大に繋がるため、底面部と側面部のなす角度θについては、45度以上80度以下であることがさらに好ましい。
With respect to the above effect, it is only necessary that the position of the center of gravity Ga of the magnetization in the film thickness direction of the magnetization distribution of the
また、底面部と側面部のなす角度θが80度より大きい場合でも、図13および図14に示す構成でも上記と同様の効果が得られる。図13は本発明の一実施の形態における磁気記憶素子の構成を概略的に示す断面図であり、図14は図13の記録層中のXIV−XIV線に沿う相の含有割合の変化を示す図である。図13を参照して、記録層3は、記録層3の主成分となる強磁性体の第1相と、その第1相の飽和磁化よりも小さな飽和磁化を持つ強磁性体の第2相もしくは常磁性を示す第2相とを有している。図14を参照して、その第2相が固着層1側から記録層3表面に向かって連続的に含有割合を増している。記録層3がこの構造を有する場合でも記録層3の磁化分布の膜厚方向における磁化の重心Gaの位置が記録層3の膜厚の1/2よりも固着層1側に存在することになるため、上記と同様の効果が得られる。
Further, even when the angle θ formed by the bottom surface portion and the side surface portion is larger than 80 degrees, the same effects as described above can be obtained with the configurations shown in FIGS. 13 and 14. FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the magnetic memory element according to one embodiment of the present invention, and FIG. 14 shows changes in the phase content along the XIV-XIV line in the recording layer of FIG. FIG. Referring to FIG. 13, the
また、固着層1からの距離が近く固着層1からの漏れ磁界の影響を受けやすい記録層3の一部分の磁化を増大させるためには、記録層3を積層膜構造とすることも有効である。図15および図16のそれぞれは、本発明の一実施の形態の第2および第3の変形例の各々における磁気記憶素子の記録層を積層膜構造とした場合の構成を示す概略断面図である。図15を参照して、記録層3は、たとえば相対的に飽和磁化の大きな第1の強磁性層3aと、相対的に飽和磁化の小さな第2の強磁性層3bとの少なくとも2層を有する積層膜構造からなっている。また図16を参照して、記録層3は、相対的に飽和磁化の大きな第1の強磁性層3aと、相対的に飽和磁化の小さな第2の強磁性層3bと、その第1および第2の強磁性層3a、3b間に挟まれた非磁性層3cとの少なくとも3層を有する積層構造であってもよい。図15および図16に示すように記録層3中において相対的に飽和磁化の大きな第1の強磁性層3aが固着層1側に位置し、かつ相対的に飽和磁化の小さな第2の強磁性層3bが記録層3表面側に位置することで、記録層3の磁化分布の膜厚方向における磁化の重心Gaの位置が記録層3の膜厚の1/2よりも固着層1側に存在することになる。
In order to increase the magnetization of a part of the
図16に示す強磁性層3a/非磁性層3c/強磁性層3bの3層構造では、2つの強磁性層3a、3bが強磁性的に結合する場合と、スピン交換相互作用あるいは静磁結合作用によって反強磁性的に結合する場合とがある。いずれの場合においても、飽和磁化の大きな第1の強磁性層3aが固着層1側に配置されるような構造とすれば、固着層1からの漏れ磁界に起因する磁化困難軸方向しきい値ばらつきを低減することができる。
In the three-layer structure of
また強磁性層3a/非磁性層3c/強磁性層3bの3層構造において、2つの強磁性層3a、3bが、たとえば同じ強磁性材料から構成されるなど、2つの強磁性層3a、3bの飽和磁化が同じである場合であっても、強磁性層3a、3bに実効的な膜厚の差が与えられることで、2層の磁化量に差が与えられる。これにより磁化量の大きな第1の強磁性層3aが固着層1側に配置されるような構造が設けられるので、上記と同様に固着層1からの漏れ磁界に起因する磁化困難軸方向しきい値ばらつきを低減することができる。
Further, in the three-layer structure of the
次に記録層の平面形状を図5に示す形状とすることによる作用効果について説明する。
上記作用効果を説明するうえで、まず書き換え動作についてさらに詳しく説明する。
Next, the function and effect of setting the planar shape of the recording layer to the shape shown in FIG. 5 will be described.
In describing the above-described effects, first, the rewriting operation will be described in more detail.
図17は、本発明の一実施の形態におけるアステロイド曲線と、矩形形状の記録層を有する比較例におけるアステロイド曲線との相違を説明するためのグラフである。図17を参照して、本実施の形態のアステロイド曲線35と、矩形形状の記録層を有する比較例におけるアステロイド曲線31との相違が、記録層3の強磁性材料とその強磁性材料からなる部分の厚さとが一定とされた条件の下で比較されている。グラフの横軸は、磁化困難軸方向の磁界Hxを生じさせるためにライト線WTに流す電流IWTを示し、縦軸は、磁化容易軸方向の磁界Hyを生じさせるためにビット線BLに流す電流IBLを示す。アステロイド曲線35上にプロットされている点は、記録層3の磁化の向きが磁界Hyの負の向きの状態で一定のライト線電流IWTが印加された場合に、磁化の向きが反転されるのに必要なビット線電流IBLが計測された結果を示している。
FIG. 17 is a graph for explaining a difference between an asteroid curve in one embodiment of the present invention and an asteroid curve in a comparative example having a rectangular recording layer. Referring to FIG. 17, the difference between the
図5に示す形状を有する記録層3が採用されると、アステロイド曲線35に示すように、ライト線電流IWTが磁化困難軸方向しきい値より小さくなれば、磁化容易軸方向の磁化反転に必要なビット線電流IBLは急激に大きくなる。すなわち、ライト線電流IWTが磁化困難軸方向しきい値よりも小さい領域においてのみ、磁化容易軸方向に対して大きな磁化反転電流が必要になる。また、磁化困難軸方向しきい値よりもライト線電流IWTが大きければ、逆に、反転に必要なビット線電流IBLは小さくなる。
When the
記録層3の磁化反転を行なうことができる領域(図中右下がりハッチング領域)45については、記録層3の平面形状が矩形形状である場合の磁化反転を行なうことができる領域(図中左下がりハッチング領域)41よりも大きくなっており、特に磁界Hyで示される磁化容易軸方向に領域が大きくなっている。したがって磁化容易軸方向のみに磁界が印加された場合に磁化反転が生じてしまうことを抑制することができる。すなわち、当該書込みビット線BLに沿って配列された複数の磁気記憶素子MMのそれぞれの記録層3のうちの磁化反転されることが意図されていない記録層3の磁化反転を抑制することができる。よって書込みエラーを低減することができる。
As for the
このように、図5に示した平面形状を有する記録層3を備える磁気記憶素子MMにおいては、非選択の磁気記憶素子MMにおいて磁化反転に必要な電流を従来の記録層よりも大きくして、選択された磁気記憶素子MMにおいては、磁化反転に必要な電流を従来よりも小さくすることができる。したがって、磁気記憶素子MMの選択についての信頼性が向上する。
Thus, in the magnetic memory element MM including the
図17に示すように、磁化反転に必要なビット線電流IBLの大きさがライト線電流IWTの大きさに依存して顕著に異なる現象は、磁化状態の差異に起因する。図18および図19は、磁化容易軸方向の磁界と磁化困難軸方向の磁界との合成磁界が、反転磁界よりも小さい場合と大きい場合との磁化分布を示す図であり、本発明の一実施の形態における磁気記憶素子の記録層の平面図である。図18および図19中のそれぞれの矢印は、それぞれの位置における磁化の向きを示している。図18および図19は、それぞれの磁界Hyが同じ大きさで、磁界Hxの大きさが異なるように磁界が印加されている。図18にて印加されている磁界Hxは磁化困難軸方向しきい値よりも小さく、図19にて印加されている磁界Hxは磁化困難軸方向しきい値よりも大きい。 As shown in FIG. 17, the phenomenon in which the magnitude of the bit line current IBL necessary for the magnetization reversal is significantly different depending on the magnitude of the write line current IWT is due to the difference in the magnetization state. FIG. 18 and FIG. 19 are diagrams showing magnetization distributions when the combined magnetic field of the magnetic field in the easy magnetization direction and the magnetic field in the hard magnetization direction is smaller and larger than the reversal magnetic field. It is a top view of the recording layer of the magnetic memory element in the form. Each arrow in FIGS. 18 and 19 indicates the direction of magnetization at each position. In FIG. 18 and FIG. 19, the magnetic field is applied so that each magnetic field Hy has the same magnitude and the magnitude of the magnetic field Hx is different. The magnetic field Hx applied in FIG. 18 is smaller than the hard axis threshold value, and the magnetic field Hx applied in FIG. 19 is larger than the hard axis threshold value.
図18に示されるような磁化分布の形態はC型(第1の磁化分布)と呼ばれ、安定な磁化状態であるため磁化容易軸方向の磁化反転磁界は大きくなる。これに対し、図19に示されるような磁化分布の形態はS型(第2の磁化分布)と呼ばれ、外部磁界によるトルクを受けやすく磁化反転磁界が急激に小さくなる。このS型とC型との磁化分布状態の概念図を図20(a)(b)に示す。本実施の形態の記録層3は、このS型とC型との磁化分布状態を外部磁界によって制御できる平面形状を有している。
The form of the magnetization distribution as shown in FIG. 18 is called C-type (first magnetization distribution), and since it is a stable magnetization state, the magnetization reversal magnetic field in the easy axis direction becomes large. On the other hand, the form of the magnetization distribution as shown in FIG. 19 is called S-type (second magnetization distribution), and the magnetization reversal magnetic field is abruptly reduced because it is easily subjected to torque by an external magnetic field. 20A and 20B are conceptual diagrams of the magnetization distribution states of the S type and the C type. The
このように、記録層3の平面形状を磁化容易軸に対して非対称にして、かつ磁化容易軸に垂直な軸に対して対称の形状にすることによって、上記のようなS型とC型の磁化分布状態を得ることができる。S型とC型の磁化分布状態を得ることにより、図17に示すように記録層3の磁化反転を行なうことができる領域45が大きくなり、磁化容易軸方向のみに磁界が印加されて生じる磁化反転を抑制することができる。
Thus, by making the planar shape of the
(変形例)
上記においてはS型とC型の磁化分布状態を得ることのできる記録層3の平面形状として図5に示す形状について説明したが、記録層3の平面形状はこれ以外の形状であってもよい。たとえば、記録層3の平面形状は、図21、図22に示すような磁化容易軸63に対して非対称かつ磁化困難軸64に対して対称な形状であってもよい。図21は異なる曲率の曲線が結ばれてできる形状の例であり、図22は複数の直線が結ばれてできる形状の例である。
(Modification)
In the above description, the shape shown in FIG. 5 has been described as the planar shape of the
また磁化容易軸63に対して非対称かつ磁化困難軸64に対して対称な形状であって、その形状の一部に図23に示すような凸部、図24に示すような凹部を有する場合であってもビット線電流IBL、およびライト線電流IWTによって生じる磁界で記録層3の磁化分布をC型とS型に遷移できれば問題ない。
Further, the shape is asymmetric with respect to the
また図25および図26に示すように、記録層3の磁化容易軸方向および固着層1の磁化方向が記録層3の平面形状と内部で接する矩形形状における短辺方向にあってもビット線電流IBL、およびライト線電流IWTによって生じる磁界で記録層3の磁化分布をC型とS型に遷移できればよい。
As shown in FIGS. 25 and 26, even if the easy axis direction of magnetization of the
さらに図27に示すように記録層3の平面形状が磁化容易軸63および磁化困難軸64に対してそれぞれ非対称になる場合であってもよい。また図28に示すように記録層3の磁化容易軸63が磁化容易軸63と同じ方向に磁界を与える配線方向(ライト線WTの延在方向)63aに対して傾いて配置されている場合であってもよい。図27に示す形状の場合には図29に示すS型および図30に示すC型のように、図28に示す形状の場合には図31に示すS型および図32に示すC型のように磁化分布が変化する。
Further, as shown in FIG. 27, the planar shape of the
なお、上述した記録層3の平面形状に限らず、記録層3が固着層1の強磁性層に起因する漏れ磁界を与えられた場合において、記録層3の面内方向における重心GPが記録層3の形状中心より磁化困難軸方向に移動した位置になる場合でも同様の効果を得ることが可能である。
The center of gravity GP in the in-plane direction of the
図21から図26に示したいずれの形状においても、磁気記憶素子MMの記録層3の膜面方向形状に関する重心GPをライト線WT、ビット線BLの交差部中心近傍と平面視上でほぼ一致させることにより、ライト線WT、ビット線BL、および記録層3の相対位置関係のずれに起因した磁化反転時の配線電流ばらつきを抑制できる。
In any of the shapes shown in FIGS. 21 to 26, the center of gravity GP regarding the shape in the film surface direction of the
また、記録層3が固着層1の強磁性層に起因する漏れ磁界を与えられた場合において、記録層3の磁化分布の膜厚方向における磁化の重心Gaの位置が記録層3膜厚の1/2よりも固着層1側にあるようにすることで固着層1からの漏れ磁界に起因する磁化困難軸方向しきい値ばらつきを低減することができる。
Further, when the
なお、本実施の形態で示したように磁化容易軸63に対して非対称かつ磁化困難軸64に対して対称な記録層3の形状をもつ磁気記憶素子MMがマトリックス状に多数並べられる場合、接続部材18と磁気記憶素子MMとの配置としては、たとえば図33または図34に示される配置がある。いずれの配置であっても、接続部材18の配置によらずビット線電流IBL、およびライト線電流IWTによって生じる磁界で記録層3の磁化分布をC型とS型に遷移できる。また、ライト線WT毎に磁気記憶素子MMの配置が異なる場合には、記録層3の形状ばらつきに起因する磁化反転挙動の変動を抑制できるように、ライト線電流IWTの向きを制御することが好ましい。たとえば、図35または図36の配置の場合、隣り合うライト線WTについて逆方向のライト線電流IWTを用いることが好ましい。
When a large number of magnetic memory elements MM having the shape of the
さらに、情報の読み出し動作時において、常に選択セルの読み出し経路とリファレンスセルの読み出し経路との差を小さくし、寄生抵抗や寄生容量に起因した読み出し電流ばらつきを小さくするセルアーキテクチャに本実施の形態を用いる場合、たとえば図35の配置に対応づけるとすると、図37のようなセル配置も考えられる。図37に準じる配置では、ビット線BL方向に対し1つおきに同じ対称性のセルが並ぶことになるため、たとえば、図38または図39のようなセル配置も可能である。なお、この例では、ビット線BLの幅は磁気記憶素子MMの大きさとほぼ同じであるが、ビット線BL幅が磁気記憶素子MMの大きさに対して大きいあるいは小さい場合であっても、ビット線電流IBL、およびライト線電流IWTによって生じる磁界で記録層3の磁化を反転できれば問題ない。
Furthermore, the present embodiment is applied to a cell architecture that always reduces the difference between the read path of the selected cell and the read path of the reference cell during information read operation, and reduces the read current variation due to parasitic resistance and capacitance. When used, for example, if it is associated with the arrangement of FIG. 35, a cell arrangement as shown in FIG. 37 is also conceivable. In the arrangement according to FIG. 37, cells having the same symmetry are arranged every other bit line BL direction, and therefore, for example, a cell arrangement as shown in FIG. 38 or 39 is possible. In this example, the width of the bit line BL is substantially the same as the size of the magnetic memory element MM, but even if the bit line BL width is larger or smaller than the size of the magnetic memory element MM, There is no problem if the magnetization of the
なお、磁気記憶素子を含むメモリセルと論理回路とを搭載した混載デバイスに対して、保護膜としてシリコン窒化膜のように比較的誘電率の高い材料を酸化バリアとして用いる場合には、次のことに留意しなければならない。すなわち、たとえば論理回路からなるデバイスでは、デバイスの動作速度やアクセスタイミングをも考慮して、金属配線層間の容量や配線抵抗が設定されている。そのため、誘電率の高い材料が論理回路部に配置されると、論理回路部における金属配線層間の容量などが所定の設計パラメータの範囲から外れてしまい、デバイスが所望の動作を行わなくなるおそれがある。これを回避するには、保護膜は磁気記憶素子MMだけを被覆するように形成して、論理回路が形成される周辺回路領域RRには保護膜を形成させない構造とすることもできる。 When a material with a relatively high dielectric constant, such as a silicon nitride film, is used as an oxidation barrier for a mixed device that includes memory cells including a magnetic memory element and a logic circuit, the following is required. You must keep in mind. That is, for example, in a device composed of a logic circuit, the capacitance and wiring resistance between metal wiring layers are set in consideration of the operation speed and access timing of the device. Therefore, if a material with a high dielectric constant is placed in the logic circuit section, the capacitance between the metal wiring layers in the logic circuit section may fall outside the predetermined design parameter range, and the device may not perform a desired operation. . In order to avoid this, the protective film may be formed so as to cover only the magnetic memory element MM, and the protective film may not be formed in the peripheral circuit region RR where the logic circuit is formed.
上述した磁気記憶素子を利用した磁気記憶装置では、記憶情報の読み出しを記憶状態を破壊することなく行なうことが可能である。そのため、再書き込みをする動作が不要であり、読み出し速度が高速になる。また、磁化反転速度は1ナノ秒以下であるので、情報の書き込みも非常に高速で行なうことができる。さらに、磁化反転動作に関しては、一般に反転を繰り返すことにより特性が劣化する疲労現象は生じないといわれている。すなわち、MRAMと称される当該磁気記憶装置により、事実上、動作回数に制限がない不揮発性メモリデバイスを提供できることになる。 In the magnetic storage device using the above-described magnetic storage element, it is possible to read out stored information without destroying the storage state. This eliminates the need for rewriting and increases the reading speed. In addition, since the magnetization reversal speed is 1 nanosecond or less, information can be written at a very high speed. Furthermore, with respect to the magnetization reversal operation, it is generally said that a fatigue phenomenon in which the characteristics deteriorate due to repeated reversal does not occur. That is, the magnetic storage device called MRAM can provide a non-volatile memory device with virtually no limit on the number of operations.
上述した特徴は、記憶装置単体としても有用であるが、上記メモリセルを論理回路と混載した混載デバイスの場合において、より一層有用に作用する。すなわち、混載デバイスの場合、高速動作に基づいて、ネットワーク環境や移動体通信における情報のインタラクティブな取り扱い環境が改善される。さらに、コンピュータや携帯端末等へ当該磁気記憶装置を適用することによって消費電力の低減や動作環境の改善などを大幅に図ることができることになる。 The above-described feature is useful as a single memory device, but it works even more effectively in the case of a mixed device in which the memory cell is mixed with a logic circuit. That is, in the case of an embedded device, the interactive environment for handling information in a network environment or mobile communication is improved based on high-speed operation. Furthermore, by applying the magnetic storage device to a computer, a portable terminal or the like, it is possible to greatly reduce power consumption and improve the operating environment.
また、上述した磁気記憶素子および磁気記憶装置では、半導体基板を利用した磁気記憶装置について説明したが、磁気抵抗効果素子とライト線およびビット線に係る配線層との関係は、情報の記憶に限定されるものではなく、たとえば磁気センサ、磁気記録ヘッド、磁気記録媒体などのパターン化された磁気素子等に広く適用することが可能である。 In the magnetic memory element and the magnetic memory device described above, the magnetic memory device using the semiconductor substrate has been described. However, the relationship between the magnetoresistive effect element and the wiring layer related to the write line and the bit line is limited to information storage. For example, the present invention can be widely applied to patterned magnetic elements such as a magnetic sensor, a magnetic recording head, and a magnetic recording medium.
また、さらに、上述した磁気記憶素子および磁気記憶装置では、1つのメモリセルに1つの磁気記憶素子を設けたメモリセルを例に挙げて説明したが、1つのメモリセルに2つ以上の磁気記憶素子を設けてもよく、また、それらのメモリセルが互いに積層されていてもよい。 Further, in the above-described magnetic memory element and magnetic memory device, a memory cell in which one memory cell is provided with one magnetic memory element has been described as an example. However, two or more magnetic memories are stored in one memory cell. Elements may be provided, and those memory cells may be stacked on each other.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示にすぎず、これに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示されるもので、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed herein are merely examples in all respects, and the present invention is not limited thereto. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the scope described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた磁気記憶装置に特に有利に適用され得る。 The present invention can be particularly advantageously applied to a magnetic memory device using a magnetoresistive effect element.
1 固着層、2 トンネル絶縁層、3 記録層、3a,3b 強磁性層、3c 非磁性層、11 半導体基板、12 素子分離絶縁膜、13,15,17,21,24,26,28 層間絶縁膜、13a,17a,21a,21b コンタクトホール、14,16,18,23,27 接続部材、15a,15b,15c,24a 開口部、16,25,29 配線層、19 導電層、20 保護膜、28 絶縁層、AP 交点、BL ビット線、D ドレイン領域、DP 矩形の重心、G ゲート電極、GI ゲート絶縁膜、MC メモリセル、MM 磁気記憶素子、MR メモリセル領域、RR 周辺回路領域、S ソース領域、S/D ソース/ドレイン領域、SL ソース線、TR 素子選択用トランジスタ、TRA トランジスタ、WD ワード線、WT ライト線、GP 記録層の平面形状の重心。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記基板上に設けられ、平面形状が第1の軸を中心軸として前記第1の軸に沿って延びる部分を有する第1配線と、
前記基板上に設けられ、平面形状が前記第1の軸と交差する第2の軸を中心軸として前記第2の軸に沿って延びる部分を有し、前記基板の厚み方向の間隔を空けて前記第1配線と交差する第2配線と、
磁化容易軸を有しかつ平面形状が前記磁化容易軸に対して非対称である記録層と、固定された磁化方向を有する固着層とを含み、前記第1および第2配線が前記間隔を空けて互いに交差する領域において前記第1および第2配線に少なくとも一部が挟まれた磁気記憶素子とを備え、
前記記録層の平面形状に外接する矩形の重心と前記第1および第2の軸の交点との距離に比して、前記記録層の平面形状の重心と前記交点との距離が小さい、磁気記憶装置。 A substrate,
A first wiring having a portion provided on the substrate and having a planar shape extending along the first axis with the first axis as a central axis;
A planar portion having a portion extending along the second axis with a second axis intersecting the first axis as a central axis, and spaced in the thickness direction of the substrate; A second wiring crossing the first wiring;
A recording layer having an easy magnetization axis and a planar shape asymmetric with respect to the easy magnetization axis; and a fixed layer having a fixed magnetization direction, wherein the first and second wirings are spaced apart from each other. A magnetic memory element at least partially sandwiched between the first and second wirings in a region intersecting each other,
A magnetic memory in which the distance between the center of gravity of the planar shape of the recording layer and the intersection is smaller than the distance between the center of gravity of the rectangle circumscribing the planar shape of the recording layer and the intersection of the first and second axes apparatus.
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