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JP4876572B2 - Magnetic memory - Google Patents
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JP4876572B2 - Magnetic memory - Google Patents

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Description

本発明は、磁気メモリに関する。   The present invention relates to a magnetic memory.

現在、コンピュータや通信機器などの情報処理装置に用いられている汎用メモリとしてはDRAM、SRAMなどの揮発性メモリが使用されている。しかしながら、DRAMなどの揮発性メモリでは、記憶を保持するためにリフレッシュを行うなど、絶えず電流を供給しておく必要が有り、また、電源を切った場合、全ての情報が失われる。そのため、情報を記憶する手段、すなわち、不揮発性のメモリを別に設ける必要が有り、フラッシュEEPROMやハードディスク装置などが現在用いられている。これら不揮発性メモリにおいては情報処理の高速化に伴ってアクセスの高速化が重要な課題となっている。   Currently, volatile memories such as DRAMs and SRAMs are used as general-purpose memories used in information processing apparatuses such as computers and communication devices. However, in a volatile memory such as a DRAM, it is necessary to continuously supply a current, for example, to refresh the memory, and when the power is turned off, all information is lost. For this reason, it is necessary to provide a means for storing information, that is, a non-volatile memory, and flash EEPROMs and hard disk devices are currently used. In these nonvolatile memories, speeding up access is an important issue as information processing speeds up.

しかしながら、これらの不揮発性メモリはアクセス速度、信頼性、消費電力などの点で、いまだ不十分である。   However, these nonvolatile memories are still insufficient in terms of access speed, reliability, power consumption, and the like.

さらに携帯情報機器の急速な普及および高性能化にともない、いつでも何処でも情報処理が行える、いわゆるユビキタスコンピューティングを目指した情報機器の開発が急速に進められている。この様な機器の開発におけるキーデバイスとして、信頼性の高い高速、大容量不揮発メモリの開発が強く求められている。   In addition, with the rapid spread of portable information devices and higher performance, information devices aiming at so-called ubiquitous computing that can perform information processing anywhere at any time are being rapidly developed. As a key device in the development of such a device, development of a reliable, high-speed, large-capacity nonvolatile memory is strongly demanded.

不揮発メモリの高速化に有効な技術としては、強磁性体層の磁化容易軸に沿った磁化の方向によって情報を記憶する磁性薄膜素子が、マトリックス状に配列されたMRAM(Magnetic Random Access Memory)が有望視されている。MRAMでは2つの強磁性体の、磁化の向きによって情報を記憶する。微小な強磁性体の磁化反転速度は2nsec以下と言われており、高速メモリとしての可能性がある。記憶情報の読み出しには、基準の磁化の向きに対して、感磁層の磁化の向きが、平行化か反並行かによる抵抗変化が生じるのを電流または電圧の変化として検出する。   As an effective technique for increasing the speed of the nonvolatile memory, there is an MRAM (Magnetic Random Access Memory) in which magnetic thin film elements that store information according to the direction of magnetization along the easy axis of the ferromagnetic layer are arranged in a matrix. Promising. In the MRAM, information is stored according to the magnetization directions of two ferromagnetic materials. The magnetization reversal speed of a minute ferromagnet is said to be 2 nsec or less, and there is a possibility as a high speed memory. In reading the stored information, a change in resistance depending on whether the magnetization direction of the magnetosensitive layer is parallel or antiparallel to the reference magnetization direction is detected as a change in current or voltage.

MRAMには、巨大磁気抵抗(GMR;Giant Magnetoresistance)効果を用いるものがある。GMR効果を用いたMRAMとしては、特許文献1に示されたものが知られている。GMR効果とは、磁化容易軸に平行な2つの磁性層の磁化方向が平行な場合に抵抗値が最小になり、反平行の場合最大になる現象である。GMR効果を用いたMRAMには2つの強磁性体の保持力の差を利用して情報を書き込み/読み出しをおこなうPseudo spin valve型、非磁性層を挟んで反強磁性層との反強磁性結合により磁化方向を固定し固定層と外部磁界により磁化方向が変わる自由層をもったSpin Valve型がある。   Some MRAMs use a giant magnetoresistance (GMR) effect. As an MRAM using the GMR effect, the one disclosed in Patent Document 1 is known. The GMR effect is a phenomenon in which the resistance value is minimized when the magnetization directions of two magnetic layers parallel to the easy axis of magnetization are parallel and maximized when the magnetization directions are antiparallel. MRAM using the GMR effect is a pseudo spin valve type for writing / reading information by utilizing the difference in coercive force of two ferromagnets, antiferromagnetic coupling with an antiferromagnetic layer across a nonmagnetic layer There is a Spin Valve type having a free layer in which the magnetization direction is fixed by the fixed layer and the magnetization direction is changed by an external magnetic field.

GMR効果を用いたMRAMでは抵抗値の変化を電流値または電圧値の変化により読み取る。また、いずれの場合も情報を書き込むためには、配線を流れる電流による誘導磁界(電流磁界)により磁性層の磁化方向を反転させる方法が取られている。   In the MRAM using the GMR effect, a change in resistance value is read by a change in current value or voltage value. In any case, in order to write information, a method of reversing the magnetization direction of the magnetic layer by an induced magnetic field (current magnetic field) due to a current flowing through the wiring is used.

GMRでの抵抗変化をさらに改善するために、強磁性トンネル(TMR;Tunnel Magnetoresistance)効果を利用したMRAMが提案されている。TMR効果は、薄い絶縁層を挟んだ2つの強磁性層間の、磁化方向の相対角度により絶縁層を介して流れるトンネル電流が変化する現象である。磁化方向が平行な場合に抵抗値が最小になり、反平行の場合最大になる。TMRでは例えばCoFe/Al酸化物/CoFeにおいて抵抗変化率40%以上と大きく、また抵抗値が高いため、MOS−FETなどの半導体デバイスと組み合わせた場合のインピダンスマッチングが取りやすい。そのため、GMRと比較して高出力化が容易で、記憶容量やアクセス速度の向上が期待されている。TMR効果を用いたMRAMは、特許文献2及び特許文献3に記載されている。   In order to further improve resistance change in GMR, an MRAM using a ferromagnetic tunnel (TMR) effect has been proposed. The TMR effect is a phenomenon in which a tunnel current flowing through an insulating layer changes depending on the relative angle of the magnetization direction between two ferromagnetic layers sandwiching a thin insulating layer. The resistance value is minimized when the magnetization directions are parallel, and is maximized when the magnetization directions are antiparallel. TMR, for example, has a large resistance change rate of 40% or more in CoFe / Al oxide / CoFe and has a high resistance value, and therefore impedance matching when combined with a semiconductor device such as a MOS-FET can be easily obtained. Therefore, it is easy to increase the output as compared with GMR, and improvement in storage capacity and access speed is expected. The MRAM using the TMR effect is described in Patent Document 2 and Patent Document 3.

TMR効果を用いたMRAMでは、配線の電流磁界により、磁性膜の磁化方向を所定の方向に変化させて情報を記憶する方法が取られている。記憶された情報の読み出しには、絶縁層に垂直な方向に電流を流し、薄膜磁性素子の抵抗値の変化を検出することによって情報を読み出す方法が取られている。   In the MRAM using the TMR effect, a method of storing information by changing the magnetization direction of the magnetic film in a predetermined direction by the current magnetic field of the wiring is employed. In order to read the stored information, a method of reading information by passing a current in a direction perpendicular to the insulating layer and detecting a change in the resistance value of the thin film magnetic element is employed.

多くのMRAMは、格子状に配線されたビット線とワード線の交点にTMR素子を配置した構造を有する。通常のTMR素子は、2つの強磁性層間に非磁性層を有する強磁性層/非磁性絶縁層/強磁性層の三層構造からなる。強磁性層は、通常は厚さ10nm以下の遷移金属磁性元素(Fe、Co、Ni)又は遷移金属磁性元素の合金(CoFe、CoFeNi、NiFe等)からなり、非磁性絶縁層は、AlやMgO等からなる。 Many MRAMs have a structure in which TMR elements are arranged at intersections between bit lines and word lines wired in a lattice pattern. A normal TMR element has a three-layer structure of a ferromagnetic layer / nonmagnetic insulating layer / ferromagnetic layer having a nonmagnetic layer between two ferromagnetic layers. The ferromagnetic layer is usually made of a transition metal magnetic element (Fe, Co, Ni) or an alloy of transition metal magnetic elements (CoFe, CoFeNi, NiFe, etc.) having a thickness of 10 nm or less, and the nonmagnetic insulating layer is made of Al 2 O. 3 and MgO.

TMR素子を構成する一方の強磁性層(固定層)は、磁化の向きを固定しており、他方の強磁性層(感磁層又は自由層)は磁化の向きが外部磁界に応じて回転する。なお、固定層の構造としては、反強磁性層(FeMn、IrMn、PtMn、NiMn等)を一方の強磁性層に付与した交換結合型が良く用いられる。   One ferromagnetic layer (fixed layer) constituting the TMR element has a fixed magnetization direction, and the other ferromagnetic layer (magnetic sensitive layer or free layer) rotates in accordance with an external magnetic field. . As the structure of the fixed layer, an exchange coupling type in which an antiferromagnetic layer (FeMn, IrMn, PtMn, NiMn, etc.) is provided to one ferromagnetic layer is often used.

メモリ情報の「1」、「0」は、TMR素子を構成する2つの強磁性体の磁化の向きの状態に応じて、すなわち、磁化の方向が平行であるか、反平行であるかに依存して規定される。これら2つの強磁性体の磁化の向きが反平行の時、磁化の向きが平行の時に比べて、厚み方向の電気抵抗の値が大きい。   “1” and “0” of the memory information depend on the state of the magnetization directions of the two ferromagnetic materials constituting the TMR element, that is, whether the magnetization directions are parallel or antiparallel. It is prescribed as When the magnetization directions of these two ferromagnets are antiparallel, the electric resistance value in the thickness direction is larger than when the magnetization directions are parallel.

したがって、「1」、「0」の情報の読出しは、TMR素子の厚み方向に電流を流し、MR(磁気抵抗)効果によるTMR素子の抵抗値又は電流値を測定することで行う。   Therefore, reading of information of “1” and “0” is performed by passing a current in the thickness direction of the TMR element and measuring the resistance value or current value of the TMR element due to the MR (magnetoresistive) effect.

「1」、「0」の情報の書き込みは、TMR素子近傍に配置した配線に電流を流すことで形成される磁界の作用によって、TMR素子の感磁層の磁化の向きを回転させることで行うことが、従来、行われている。   The writing of information of “1” and “0” is performed by rotating the magnetization direction of the magnetosensitive layer of the TMR element by the action of a magnetic field formed by passing a current through a wiring arranged in the vicinity of the TMR element. This has been done in the past.

素子を高集積化して高密度のメモリの実現を図る場合、磁気抵抗効果素子の微小化に伴って磁性層の長さと厚みの比率が小さくなることにより、反磁界が増大し、磁性体の磁化方向を変えるための磁界強度が増大し、大きな書き込み電流が必要となる。   When a high-density memory is realized by high integration of the element, the demagnetizing field increases due to the reduction in the ratio of the length and thickness of the magnetic layer as the magnetoresistive element is miniaturized, thereby increasing the magnetization of the magnetic material. The strength of the magnetic field for changing the direction increases, and a large write current is required.

書き込み電流を低減するため、感磁層の磁化方向を情報の「1」、「0」に対応するように変える書き込み動作において、磁性体に磁界を印加することによる磁化反転方法の他、スピン偏極電流によるスピントランスファートルクを用いたスピン注入磁化反転が知られている。   In order to reduce the write current, in the write operation for changing the magnetization direction of the magnetosensitive layer so as to correspond to information “1” and “0”, in addition to the magnetization reversal method by applying a magnetic field to the magnetic material, the spin polarization Spin injection magnetization reversal using spin transfer torque by pole current is known.

情報の読み出し方法としては各セルに読み出し選択トランジスタを設け、選択セルの読み出しトランジスタのみを導通状態にして、選択セルの磁気抵抗効果素子の抵抗を読み取る方式が一般的である。   As a method of reading information, generally, a read selection transistor is provided in each cell, and only the read transistor of the selected cell is made conductive to read the resistance of the magnetoresistive effect element of the selected cell.

スピントランスファートルクとは、一方の強磁性体から非磁性層を介して他方の強磁性体に電流を流した場合、他方の強磁性体の磁化方向を変えようとするトルクである。したがって、注入電流のスピンの向きを制御すれば、他方の磁性体の磁化の向きを変更することが可能とされている。   The spin transfer torque is a torque for changing the magnetization direction of the other ferromagnetic material when a current is passed from one ferromagnetic material to the other ferromagnetic material via the nonmagnetic layer. Therefore, by controlling the spin direction of the injection current, it is possible to change the magnetization direction of the other magnetic material.

例えば、微小な強磁性層/非磁性層/強磁性層からなる積層体の膜面に垂直な方向に電流を流すと強磁性体の磁化反転が生じる。この現象はスピン注入磁化反転と呼ばれており、強磁性層と非磁性層との接合面において上向きスピン(アップスピン)の電子と下向きスピン(ダウンスピン)の電子のエネルギー状態が異なるため、アップスピンおよびダウンスピンの電子の透過率や反射率が異なりスピン分極電流が流れる。   For example, when a current is passed in a direction perpendicular to the film surface of a laminate composed of a small ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, magnetization reversal of the ferromagnetic material occurs. This phenomenon is called spin-injection magnetization reversal, and the energy state of up-spin (up spin) and down-spin (down spin) electrons is different at the interface between the ferromagnetic layer and the nonmagnetic layer. Spin transmittance and reflectivity of spin and down spin electrons are different and spin polarization current flows.

強磁性層に流れ込んだスピン分極電流のスピン偏極電子は強磁性層の電子と交換相互作用をして電子間にトルクが発生し磁化反転が生じる。これはオープンな電流磁界による磁化反転とは異なり、磁性体内部の電流により磁化反転がおきるため、隣接セルへの影響が小さく、素子の微小化に伴って書き込み電流が増大しにくく、逆に微小化により書き込み電流を減少させることができる。したがって、情報を記録する方法としてスピン注入磁化反転を用いることにより、高密度の磁気メモリを実現することができる。   The spin-polarized electrons of the spin-polarized current that have flowed into the ferromagnetic layer interact with the electrons in the ferromagnetic layer to generate torque between the electrons, resulting in magnetization reversal. This is different from magnetization reversal due to an open current magnetic field, because magnetization reversal occurs due to the current inside the magnetic material, so the influence on adjacent cells is small, and the write current is unlikely to increase with the miniaturization of the element, and conversely Thus, the write current can be reduced. Therefore, a high-density magnetic memory can be realized by using spin injection magnetization reversal as a method of recording information.

スピントランスファートルクを利用して、強磁性体の磁化の向きを変える方法としては、(I)緩和スイッチ(Relaxing Switching)法、(II)歳差スイッチ(Precessional Switching)法、(III)緩和歳差スイッチ(Relaxing−Precessional Switching)法などが知られている。   Methods for changing the magnetization direction of a ferromagnetic material using spin transfer torque include (I) a relaxation switching method, (II) a precession switching method, and (III) a relaxation precession. A switch (Relaxing-Precisional Switching) method and the like are known.

緩和スイッチ法では、感磁層の磁化の向きを、固定層からのスピントランスファートルクで制御するが、固定層の磁化の向きは膜面内にあり、感磁層の磁化容易軸と平行である。したがって、感磁層の磁化の向きを反転させる場合、反転の初期段階において、スピントランスファートルクと、磁化を有効磁界方向に向けようとするSpin Relaxingが競合する。また、固定層の磁化の向きと感磁層の磁化の向きが平行に近い反転の初期段階では、スピントランスファートルクが小さいため、反転に時間を要する。すなわち、緩和スイッチ法では、これらの力に抗しながら平衡状態へ徐々に磁化の向きを変更させていくので、磁化の向きを反転させるためには、大きな電流が必要となる。磁化反転に必要なスピントランスファートルクの大きさはLLG(Landau−Lifshitz−Gilbert)方程式に含まれるギルバート減衰定数に比例する。   In the relaxation switch method, the magnetization direction of the magnetosensitive layer is controlled by the spin transfer torque from the fixed layer, but the magnetization direction of the fixed layer is in the film plane and parallel to the easy axis of magnetization of the magnetosensitive layer. . Therefore, when the magnetization direction of the magnetosensitive layer is reversed, in the initial stage of the reversal, the spin transfer torque competes with Spin Relaxing which attempts to direct the magnetization in the effective magnetic field direction. In addition, at the initial stage of reversal in which the magnetization direction of the fixed layer and the magnetization direction of the magnetosensitive layer are nearly parallel, the spin transfer torque is small, so that it takes time for the reversal. That is, in the relaxation switch method, since the direction of magnetization is gradually changed to an equilibrium state against these forces, a large current is required to reverse the direction of magnetization. The magnitude of the spin transfer torque necessary for the magnetization reversal is proportional to the Gilbert attenuation constant included in the LLG (Landau-Lifshitz-Gilbert) equation.

歳差スイッチ法では、感磁層の磁化の向きを、固定層からのスピントランスファートルクで制御するが、固定層の磁化の向きは、膜面に対して垂直方向であり、感磁層の磁化容易軸に対して垂直である。スピントランスファートルクによって、感磁層の磁化の向きが、膜面に対して垂直成分を持ち、その反磁界によって、膜面内方向に回転を始める。スピントランスファートルクは、感磁層の磁化が面内で回転しても一定であるため、短時間で磁化反転が可能である。しかしながら、スピントランスファートルクは、感磁層の磁化反転後においても電流が流れている限り作用するため、電流の通電時間によっては感磁層の磁化が再反転してしまう。したがって、この方法では、非常に精密な電流の時間制御が要求される。   In the precession switch method, the magnetization direction of the magnetosensitive layer is controlled by the spin transfer torque from the fixed layer, but the magnetization direction of the fixed layer is perpendicular to the film surface, and the magnetization of the magnetosensitive layer is It is perpendicular to the easy axis. Due to the spin transfer torque, the magnetization direction of the magnetosensitive layer has a component perpendicular to the film surface, and the demagnetizing field starts to rotate in the in-film direction. Since the spin transfer torque is constant even if the magnetization of the magnetosensitive layer rotates in the plane, the magnetization reversal is possible in a short time. However, since the spin transfer torque acts as long as a current flows even after the magnetization reversal of the magnetosensitive layer, the magnetization of the magnetosensitive layer is reinverted depending on the current application time. Therefore, this method requires very precise current time control.

そこで考えられた緩和歳差スイッチ法は、歳差スイッチ法において、外部磁界を感磁層の磁化困難軸方向に印加する。この場合、歳差スイッチ法で要求された電流の精緻な時間制御を必要としないが、スピントランスファートルクの精密な制御が必要とされる。   The relaxed precession switch method considered there is an application of an external magnetic field in the hard axis direction of the magnetosensitive layer in the precession switch method. In this case, precise time control of the current required by the precession switch method is not required, but precise control of the spin transfer torque is required.

このような磁気メモリは、例えば、下記非特許文献1、非特許文献2に記載されている。
米国特許5,343,422号明細書 米国特許5,629,92号明細書 特開平9−91949号公報 W.C. Jeong, J.H.Park, J.H.Oh, G.T.Jeong, H.S. Jeong and Kinam Kim、 ″Highly scalable MRAM using filed assisted curent induced switching″、Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, p.184−185, 2005 森瀬博史、中村志保″第29回日本磁気学会学術講演概要集″、P183、2005
Such a magnetic memory is described in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, for example.
US Pat. No. 5,343,422 US Pat. No. 5,629,92 Japanese Patent Laid-Open No. 9-91949 W. C. Jeong, J.A. H. Park, J.M. H. Oh, G. T.A. Jeong, H.C. S. Jeong and Kinam Kim, "Highly scalable MRAM using filled assisted current induced switching", Symposium on VLSI Technology Digest Tech. 184-185, 2005 Hiroshi Morise and Shiho Nakamura “Abstracts of the 29th Annual Meeting of the Magnetic Society of Japan”, P183, 2005

しかしながら、従来の磁気メモリを高密度化するためには、感磁層の磁化反転に必要な電流を磁気抵抗効果素子の大きさに比例して小さくする必要がある。この場合、磁気抵抗効果素子の磁化反転閾値が低下するため、不要な外部磁界の影響によって、意図しない磁化反転が生じる可能性があり、記憶したデータにエラーが発生するという問題がある。   However, in order to increase the density of the conventional magnetic memory, it is necessary to reduce the current required for the magnetization reversal of the magnetosensitive layer in proportion to the size of the magnetoresistive element. In this case, since the magnetization reversal threshold value of the magnetoresistive effect element is lowered, there is a possibility that unintended magnetization reversal may occur due to the influence of an unnecessary external magnetic field, and an error occurs in stored data.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、意図しない磁化反転を抑制可能な磁気メモリを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide a magnetic memory capable of suppressing unintended magnetization reversal.

上述の課題を解決するため、本発明に係る磁気メモリは、複数の記憶領域を配列してなる磁気メモリにおいて、個々の記憶領域は、第1配線と、第2配線と、第1配線と第2配線との間に配置され、且つ、第1配線と第2配線に電気的に接続され、基準面上に形成された磁気抵抗効果素子と、スピン注入によって磁気抵抗効果素子における感磁層の磁化の向きが変化するよう、磁気抵抗効果素子に設けられたスピンフィルタと、第1配線及び第2配線の基準面上の部分と、磁気抵抗効果素子とを覆い、磁気抵抗効果素子の厚み方向に垂直な全方位に位置して、前記磁気抵抗効果素子の周囲を囲む磁気ヨークと、を備え、第1配線と第2配線は、情報の読み出し時には、第1配線及び第2配線を流れる各読み出し電流の向きが同一であって、第1配線及び第2配線の周囲の各磁界が、磁気抵抗効果素子の感磁層内において相殺されるように配置されており、第1配線及び前記第2配線は、情報の書き込み時には、第1配線及び前記第2配線を流れる各電流の向きが逆向きであって、第1配線及び第2配線の周囲の各磁界の双方が、感磁層の磁化の向きをスピン注入によって変更する力をアシストするように配置されており、第1及び第2配線は、基準面に対して垂直に延びる垂直配線をそれぞれ有しており、垂直配線が接続される回路素子を有する半導体基板と、半導体基板と磁気抵抗効果素子との間に介在する磁性層と、を備え、それぞれの垂直配線は、磁性層に設けられたスルーホールを介して、回路素子に接続されていることを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, a magnetic memory according to the present invention is a magnetic memory in which a plurality of storage areas are arranged. Each storage area includes a first wiring, a second wiring, a first wiring, and a first wiring. A magnetoresistive element disposed on the reference plane and disposed between the two wirings and electrically connected to the first wiring and the second wiring, and a magnetosensitive layer of the magnetoresistive effect element by spin injection. The thickness direction of the magnetoresistive effect element is covered so as to cover the spin filter provided in the magnetoresistive effect element, the portion on the reference plane of the first wiring and the second wiring, and the magnetoresistive effect element so that the direction of magnetization changes. A magnetic yoke that surrounds the periphery of the magnetoresistive element , and the first wiring and the second wiring each flow through the first wiring and the second wiring when reading information. The direction of the read current is the same, Each magnetic field around the wiring and the second wiring is arranged so as to cancel out in the magnetosensitive layer of the magnetoresistive effect element, and the first wiring and the second wiring are the first wiring when information is written. And the direction of each current flowing through the second wiring is opposite, and both magnetic fields around the first wiring and the second wiring assist the force to change the magnetization direction of the magnetosensitive layer by spin injection. The first and second wirings each have a vertical wiring extending perpendicularly to the reference plane, a semiconductor substrate having a circuit element to which the vertical wiring is connected, a semiconductor substrate, And a magnetic layer interposed between the magnetoresistive effect element, and each vertical wiring is connected to the circuit element through a through hole provided in the magnetic layer.

この磁気メモリによれば、磁気ヨークが第1配線及び第2配線の基準面上の部分と、磁気抵抗効果素子とを覆い、磁気抵抗効果素子の厚み方向に垂直な全方位に位置しているので、磁気抵抗効果素子や第1配線及び第2配線の基準面上の部分への外部磁界の導入が抑制される。したがって、磁気抵抗効果素子における感磁層の意図しない磁化反転を抑制することができる。   According to this magnetic memory, the magnetic yoke covers the portion on the reference plane of the first wiring and the second wiring and the magnetoresistive effect element, and is positioned in all directions perpendicular to the thickness direction of the magnetoresistive effect element. Therefore, the introduction of an external magnetic field to the magnetoresistive element, the first wiring and the second wiring on the reference surface is suppressed. Therefore, unintended magnetization reversal of the magnetosensitive layer in the magnetoresistive effect element can be suppressed.

第1及び第2配線は、基準面に対して垂直に延びる垂直配線をそれぞれ有していることが望ましい。第1及び第2配線は垂直方向に抜けて、外部回路に接続されるため、磁気ヨークに磁気抵抗効果素子の周囲を囲ませることができる。   It is desirable that the first and second wirings each have a vertical wiring extending perpendicular to the reference plane. Since the first and second wirings pass through in the vertical direction and are connected to an external circuit, the magnetic yoke can be surrounded by the magnetic yoke.

本発明の磁気メモリは、垂直配線が接続される回路素子を有する半導体基板と、半導体基板と磁気抵抗効果素子との間に介在する磁性層とを備えることが好ましい。この場合、回路素子が形成される半導体基板から磁気抵抗効果素子へ導入される磁界を、磁性層によって遮断することができる。   The magnetic memory of the present invention preferably includes a semiconductor substrate having a circuit element to which a vertical wiring is connected, and a magnetic layer interposed between the semiconductor substrate and the magnetoresistive element. In this case, the magnetic layer introduced into the magnetoresistive effect element from the semiconductor substrate on which the circuit element is formed can be blocked by the magnetic layer.

なお、このような外部磁界シールド構造は、高密度化された磁気メモリで特に有効となる。すなわち、感磁層の面積が0.01μm以下であることが好ましい。 Such an external magnetic field shield structure is particularly effective in a high-density magnetic memory. In other words, the area of the magnetosensitive layer is preferably 0.01 μm 2 or less.

本発明によれば、磁化反転に必要な電流量を低減可能な磁気メモリを提供することができる。   According to the present invention, a magnetic memory capable of reducing the amount of current required for magnetization reversal can be provided.

以下、実施の形態に係る磁気メモリについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。実施の形態に係る磁気メモリは、X列Y行の複数の記憶領域P(X,Y)を配列してなり、各記憶領域P(X,Y)は磁気抵抗効果素子5を備えている。   Hereinafter, the magnetic memory according to the embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used for the same elements, and redundant description is omitted. The magnetic memory according to the embodiment is formed by arranging a plurality of storage areas P (X, Y) in X columns and Y rows, and each storage area P (X, Y) includes a magnetoresistive element 5.

図1は、1つの記憶領域P(X,Y)の斜視図である。   FIG. 1 is a perspective view of one storage area P (X, Y).

個々の記憶領域P(X,Y)は、第1配線6と、第2配線7と、第1配線6の途中位置6aと第2配線7との間に配置され、且つ、第1配線6の途中位置6aと第2配線7に電気的に接続された磁気抵抗効果素子5と、スピン注入によって磁気抵抗効果素子5における感磁層の磁化の向きが変化するよう、磁気抵抗効果素子5に設けられたスピンフィルタFLとを備えている。   Each storage area P (X, Y) is disposed between the first wiring 6, the second wiring 7, the midway position 6 a of the first wiring 6, and the second wiring 7, and the first wiring 6. The magnetoresistive effect element 5 electrically connected to the intermediate position 6a and the second wiring 7 and the magnetoresistive effect element 5 so that the magnetization direction of the magnetosensitive layer in the magnetoresistive effect element 5 is changed by spin injection. And a provided spin filter FL.

第1配線6はX軸に沿って延びており、第2配線7もX軸に沿って延びている。各配線6,7の幅方向はY軸に平行であり、厚み方向はZ軸に平行である。   The first wiring 6 extends along the X axis, and the second wiring 7 also extends along the X axis. The width direction of each wiring 6 and 7 is parallel to the Y axis, and the thickness direction is parallel to the Z axis.

第1配線6の途中位置6aと第2配線7との間に電流を流すと、双方の配線6,7をそれぞれ囲むように磁界E6,E7が発生する。すなわち、磁界E6,E7はX軸を囲むように発生し、その向きは磁気抵抗効果素子5における感磁層の位置ではY軸に略平行となる。   When a current is passed between the middle position 6a of the first wiring 6 and the second wiring 7, magnetic fields E6 and E7 are generated so as to surround both the wirings 6 and 7, respectively. That is, the magnetic fields E6 and E7 are generated so as to surround the X axis, and the direction thereof is substantially parallel to the Y axis at the position of the magnetosensitive layer in the magnetoresistive effect element 5.

第1配線6の両端はそれぞれ端子VWと端子VRに接続され、第2配線7の一端は端子VCに接続され、他端は磁気抵抗効果素子5の下面に接続されている。第2配線7の一端と端子VCとの間にはスイッチ(電界効果トランジスタ:回路素子)QRが介在している。   Both ends of the first wiring 6 are connected to the terminal VW and the terminal VR, respectively, one end of the second wiring 7 is connected to the terminal VC, and the other end is connected to the lower surface of the magnetoresistive element 5. A switch (field effect transistor: circuit element) QR is interposed between one end of the second wiring 7 and the terminal VC.

情報の読み出し時には、情報の書き込み用端子VWを開放する。   When reading information, the information writing terminal VW is opened.

書き込み用端子VWを開放した状態で、端子VCの電位を読み出し用端子VRの電位に対して相対的に高くし、スイッチQRをONすると、第2配線7の端子VCから磁気抵抗効果素子5を介して第1配線6の読み出し用端子VRに情報読み出し電流IR1が流れ、互いに同一回転方向の磁界E6及び磁界E7が発生する。情報の読み出し時における磁界E6及び磁界E7は、X軸正方向に進む方向に共に右回りである。したがって、これらの配線間に位置する磁気抵抗効果素子5の位置における磁界E6,E7は互い相殺する。なお、磁界E6,E7は磁気ヨーク内を通っている。このような磁気ヨークは、第1及び/又は第2配線6,7の長手方向を囲み、感磁層2の厚み方向に垂直な方向の延長線上に位置する端部を有している。第1及び/又は第2配線6,7を電流が流れることによって、配線の周囲を囲むように発生した磁力線は、磁気ヨーク内を通り、その端部から感磁層内に導かれる。 When the potential of the terminal VC is made relatively high with respect to the potential of the read terminal VR while the write terminal VW is opened, and the switch QR is turned on, the magnetoresistive effect element 5 is connected from the terminal VC of the second wiring 7. Thus, an information read current IR1 flows to the read terminal VR of the first wiring 6, and a magnetic field E6 and a magnetic field E7 in the same rotation direction are generated. The magnetic field E6 and the magnetic field E7 at the time of reading information are both clockwise in the direction of traveling in the positive direction of the X axis. Therefore, the magnetic fields E6 and E7 at the position of the magnetoresistive effect element 5 located between these wirings cancel each other. The magnetic fields E6 and E7 pass through the magnetic yoke. Such a magnetic yoke surrounds the longitudinal direction of the first and / or second wirings 6 and 7 and has an end portion located on an extension line in a direction perpendicular to the thickness direction of the magnetosensitive layer 2. When a current flows through the first and / or second wirings 6 and 7, magnetic lines generated so as to surround the wirings pass through the magnetic yoke and are guided into the magnetosensitive layer from the ends thereof.

一方、書き込み用端子VWを開放した状態で、端子VCの電位を、読み出し用端子VRの電位に対して相対的に低くし、スイッチQRをONすると、第1配線6の読み出し用端子VRから磁気抵抗効果素子5を介して第2配線7の端子VCに情報読み出し電流IR2が流れ、互いに同一回転方向の磁界E6及び磁界E7が発生する。情報の読み出し時における磁界E6及び磁界E7は、X軸負方向に進む方向に共に右回りである。したがって、これらの配線間に位置する磁気抵抗効果素子5の位置における磁界E6,E7は互い相殺する。 On the other hand, when the write terminal VW is opened and the potential of the terminal VC is made relatively low with respect to the potential of the read terminal VR and the switch QR is turned on, the read terminal VR of the first wiring 6 is magnetically connected. An information read current IR2 flows to the terminal VC of the second wiring 7 through the resistance effect element 5, and a magnetic field E6 and a magnetic field E7 in the same rotation direction are generated. The magnetic field E6 and the magnetic field E7 at the time of reading information are both clockwise in the direction of traveling in the negative direction of the X axis. Therefore, the magnetic fields E6 and E7 at the position of the magnetoresistive effect element 5 located between these wirings cancel each other.

このように、情報の読み出し時には、第1配線6及び第2配線7を流れる読み出し電流IR1,IR2の向きが同一であって、第1配線6及び第2配線7の周囲の磁界E6,E7が、磁気抵抗効果素子5の感磁層内において相殺されるように配置されている。情報読み出し時においては、双方の磁界E6,E7が相殺しているので、感磁層の磁化の向きを変更する力が弱くなり、したがって、ノイズの混入や読み出し電流の増加によっても感磁層の磁化反転が生じず、磁気メモリの信頼性を向上させることができる。 As described above, when reading information, the directions of the read currents I R1 and I R2 flowing through the first wiring 6 and the second wiring 7 are the same, and the magnetic fields E6 and E6 around the first wiring 6 and the second wiring 7 are used. E7 is disposed so as to cancel out in the magnetosensitive layer of the magnetoresistive element 5. At the time of reading information, since both magnetic fields E6 and E7 cancel each other, the force to change the magnetization direction of the magnetosensitive layer is weakened. Therefore, even if noise is mixed or the read current increases, Magnetization reversal does not occur, and the reliability of the magnetic memory can be improved.

逆に、情報の書き込み時には、情報の読み出し用端子VRを開放する。読み出し用端子VRを開放した状態で、端子VCの電位を書き込み用端子VWの電位に対して相対的に高くし、スイッチQRをONすると、第2配線7の端子VCから磁気抵抗効果素子5を介して第1配線6の書き込み用端子VWに情報書き込み電流IW0が流れ、互いに逆回転方向の磁界E6及び磁界E7が発生する。このとき、情報の書き込み時における磁界E6はX軸負方向に進む方向に右回りであり、磁界E7はX軸正方向に進む方向に右回りである。したがって、これらの配線間に位置する磁気抵抗効果素子5には、Y軸負方向の向き磁界が作用する。 Conversely, when information is written, the information reading terminal VR is opened. When the read terminal VR is opened and the potential of the terminal VC is made relatively high with respect to the potential of the write terminal VW and the switch QR is turned on, the magnetoresistive effect element 5 is connected from the terminal VC of the second wiring 7. Thus, the information write current IW0 flows to the write terminal VW of the first wiring 6 to generate a magnetic field E6 and a magnetic field E7 in the reverse rotation direction. At this time, the magnetic field E6 at the time of writing information is clockwise in the direction of traveling in the negative X-axis direction, and the magnetic field E7 is clockwise in the direction of traveling in the positive X-axis direction. Therefore, a direction magnetic field in the negative Y-axis direction acts on the magnetoresistive effect element 5 located between these wirings.

一方、読み出し用端子VRを開放した状態で、端子VCの電位を、書き込み用端子VWの電位に対して相対的に低くし、スイッチQRをONすると、第1配線6の書き込み用端子VWから磁気抵抗効果素子5を介して第2配線7の端子VCに情報書き込み電流IW1が流れ、互いに逆回転方向の磁界E6及び磁界E7が発生する。このとき、情報の書き込み時における磁界E6はX軸正方向に進む方向に右回りであり、磁界E7はX軸負方向に進む方向に右回りである。したがって、これらの配線間に位置する磁気抵抗効果素子5には、Y軸正方向の向き磁界が作用する。 On the other hand, when the read terminal VR is opened, the potential of the terminal VC is relatively lowered with respect to the potential of the write terminal VW, and the switch QR is turned on, the magnetic force is applied from the write terminal VW of the first wiring 6 to the magnetic field. An information write current IW1 flows to the terminal VC of the second wiring 7 through the resistance effect element 5, and a magnetic field E6 and a magnetic field E7 in the reverse rotation direction are generated. At this time, the magnetic field E6 at the time of writing information is clockwise in the direction of traveling in the positive direction of the X axis, and the magnetic field E7 is clockwise in the direction of traveling in the negative direction of the X axis. Therefore, a direction magnetic field in the positive direction of the Y-axis acts on the magnetoresistive effect element 5 located between these wirings.

ここで、第1配線6及び第2配線7は、情報の書き込み時には、第1配線6及び第2配線7を流れる電流IW0、IW1の向きが逆向きであって、第1配線6及び第2配線7の周囲の磁界E6,E7の双方が、感磁層の磁化の向きをスピン注入によって変更する力(スピンランスファートルク)をアシストするように配置されている。特定の偏極したスピンは、スピンフィルタFLを透過又は反射して、感磁層内へ注入され、スピントランスファートルクを発生する。したがって、情報の書き込み時においては、スピン注入時の磁化の向きの変更力に加えて、第1配線6及び第2配線7を流れる電流に起因する磁界E6,E7のアシスト力によって、感磁層の磁化の向きが容易に変更される。 Here, when writing information, the first wiring 6 and the second wiring 7 have the currents I W0 and I W1 flowing through the first wiring 6 and the second wiring 7 in opposite directions, and the first wiring 6 and the second wiring 7 Both of the magnetic fields E6 and E7 around the second wiring 7 are arranged to assist a force (spin transfer torque) for changing the magnetization direction of the magnetosensitive layer by spin injection. The specific polarized spin is transmitted or reflected through the spin filter FL and injected into the magnetosensitive layer to generate a spin transfer torque. Therefore, at the time of writing information, in addition to the force for changing the direction of magnetization at the time of spin injection, the magnetosensitive layer is assisted by the assisting force of the magnetic fields E6 and E7 caused by the current flowing through the first wiring 6 and the second wiring 7. The magnetization direction is easily changed.

なお、スピン注入磁化反転を伴った磁気抵抗効果素子では、強磁性体を含む積層体の膜面に垂直な方向に電流を流すことにより強磁性体の磁化方向を反転させる。強磁性層と非磁性層との接合面においてアップスピン電子とダウンスピン電子の透過率の違いにより、スピン分極電流が流れる。強磁性層に流れ込んだスピン分極電流のスピン偏極電子は強磁性層の電子と交換相互作用をして電子間にトルクが発生し磁化反転が生じる。強磁性層の磁化反転の方向は、積層体に流す書き込み電流IW0,IW1の方向により決定される。したがって、電流の向きにより強磁性体の磁化方向の平行/反平行を制御でき、情報を記録することができる。 In the magnetoresistive effect element accompanied by the spin injection magnetization reversal, the magnetization direction of the ferromagnetic material is reversed by passing a current in a direction perpendicular to the film surface of the laminated body including the ferromagnetic material. A spin-polarized current flows due to the difference in transmittance between up-spin electrons and down-spin electrons at the interface between the ferromagnetic layer and the nonmagnetic layer. The spin-polarized electrons of the spin-polarized current that have flowed into the ferromagnetic layer interact with the electrons in the ferromagnetic layer to generate torque between the electrons, resulting in magnetization reversal. The direction of magnetization reversal of the ferromagnetic layer is determined by the direction of the write currents I W0 and I W1 that flow through the stack. Therefore, the parallel / antiparallel magnetization direction of the ferromagnetic material can be controlled by the direction of the current, and information can be recorded.

図2は、磁気抵抗効果素子5の縦断面図(磁化の向き平行時)(a)、磁気抵抗効果素子5の縦断面図(磁化の向き反平行時)(b)である。   FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the magnetoresistive element 5 (when the magnetization direction is parallel) (a), and a longitudinal sectional view of the magnetoresistive element 5 (when the magnetization direction is antiparallel) (b).

磁気抵抗効果素子5は、トンネルバリア層を構成する絶縁層3を、感磁層2と固定層4とで挟んだ構造を有する。固定層4は、強磁性層4aと、磁化の向きを固定化させるために強磁性層4aに接合した反強磁性層4bとを備えており、磁気抵抗効果素子5はTMR素子を構成している。すなわち、磁気抵抗効果素子5は、感磁層2と(第1)固定層4との間に絶縁層3を備えたTMR素子である。TMR素子は、記憶された感磁層2の磁化の向きと固定層4の磁化の向きとの相違に応じて、読み出し時に絶縁層3をトンネルバリア層として通過する電子割合が異なる現象を利用した素子であり、高感度の記憶情報検出を行うことができる。   The magnetoresistive element 5 has a structure in which an insulating layer 3 constituting a tunnel barrier layer is sandwiched between a magnetosensitive layer 2 and a fixed layer 4. The fixed layer 4 includes a ferromagnetic layer 4a and an antiferromagnetic layer 4b joined to the ferromagnetic layer 4a in order to fix the magnetization direction. The magnetoresistive element 5 constitutes a TMR element. Yes. That is, the magnetoresistive effect element 5 is a TMR element including the insulating layer 3 between the magnetosensitive layer 2 and the (first) fixed layer 4. The TMR element utilizes a phenomenon in which the proportion of electrons passing through the insulating layer 3 as a tunnel barrier layer during reading differs according to the difference between the stored magnetization direction of the magnetosensitive layer 2 and the magnetization direction of the fixed layer 4. It is an element and can detect stored information with high sensitivity.

なお、図1に示したスピンフィルタFLは、固定層と非磁性層を接合してなり、この非磁性層は感磁層2に接合している。スピンフィルタFLを通過した電子は、TMR素子に導入されるため、感磁層2の磁化の向きと固定層4の磁化の向きの平行、反平行に応じて、情報の書き込み・読み出しを行うことができる。   The spin filter FL shown in FIG. 1 is formed by bonding a fixed layer and a nonmagnetic layer, and this nonmagnetic layer is bonded to the magnetosensitive layer 2. Since electrons that have passed through the spin filter FL are introduced into the TMR element, information writing / reading is performed according to whether the magnetization direction of the magnetosensitive layer 2 and the magnetization direction of the fixed layer 4 are parallel or antiparallel. Can do.

メモリ情報の「1」、「0」は、TMR素子を構成する固定層4と感磁層2の磁化の向きの状態に応じて、すなわち、磁化の方向が平行であるか(図2(a))、反平行であるか(図2(b))に依存して規定される。固定層4と感磁層2の磁化の向きが反平行の時(図2(b))、磁化の向きが平行の時に比べて(図2(a))、厚み方向の電気抵抗Rの値が大きい。換言すれば、平行時の抵抗Rは閾値R以下であり、反平行時の抵抗Rは閾値Rよりも大きくなる。したがって、「1」、「0」の情報の読出しは、TMR素子の厚み方向に電流I(IR1又はIR2)を流し、MR(磁気抵抗)効果によるTMR素子の抵抗値又は電流値を測定することで行う。例えば、低抵抗の平行状態を「0」、高抵抗の反平行状態を「1」とする。 “1” and “0” of the memory information correspond to the state of magnetization directions of the fixed layer 4 and the magnetosensitive layer 2 constituting the TMR element, that is, whether the magnetization directions are parallel (FIG. 2A )), Or depending on whether they are anti-parallel (FIG. 2B). When the magnetization directions of the fixed layer 4 and the magnetosensitive layer 2 are antiparallel (FIG. 2B), the value of the electric resistance R in the thickness direction is larger than when the magnetization directions are parallel (FIG. 2A). Is big. In other words, the resistance R when parallel is equal to or less than the threshold value R0 , and the resistance R when antiparallel is larger than the threshold value R0 . Therefore, when reading the information of “1” and “0”, the current I R (I R1 or I R2 ) flows in the thickness direction of the TMR element, and the resistance value or current value of the TMR element due to the MR (magnetoresistance) effect is obtained. This is done by measuring. For example, the low resistance parallel state is “0” and the high resistance anti-parallel state is “1”.

なお、図1に示した磁界E6,E7について補足説明すると、第1配線6及び第2配線7を流れることによって発生する磁界E6,E7は、略同一平面(YZ平面)内において発生しているが、厳密には配線の長手方向(X軸)に沿ってずれている。すなわち、感磁層2内における磁界の相殺は、完全ではない。   In addition, if it supplementarily demonstrates about the magnetic fields E6 and E7 shown in FIG. 1, the magnetic fields E6 and E7 which generate | occur | produce by flowing through the 1st wiring 6 and the 2nd wiring 7 will generate | occur | produce in substantially the same plane (YZ plane). However, strictly speaking, they are displaced along the longitudinal direction (X axis) of the wiring. That is, the cancellation of the magnetic field in the magnetosensitive layer 2 is not complete.

本例では、個々の記憶領域P(X,Y)の記憶部は、磁気抵抗効果素子5を囲む磁気ヨーク8を備えているので、各配線6,7を流れることによって発生した各磁界E6,E7が磁気ヨーク8(図4参照)内に引き込まれ、感磁層2を含む磁気抵抗効果素子5に集中して磁界E6,E7を与えている。すなわち、情報の読み出し時における感磁層2内における磁界E6,E7が近接し、その相殺が効率的に行われている。また、上述の磁界アシストを用いたスピン注入型の磁気メモリにおいては、情報の書き込み時において、磁気ヨークを用いることにより、感磁層2内における磁界E6,E7を近接させ、合成磁界強度を増加させて、書き込み電流を著しく低減することができる。   In this example, the storage section of each storage area P (X, Y) includes the magnetic yoke 8 surrounding the magnetoresistive effect element 5, so that each magnetic field E 6 generated by flowing through each wiring 6, 7. E7 is drawn into the magnetic yoke 8 (see FIG. 4), and concentrates on the magnetoresistive effect element 5 including the magnetosensitive layer 2 to give magnetic fields E6 and E7. That is, the magnetic fields E6 and E7 in the magnetosensitive layer 2 at the time of reading information are close to each other, and the cancellation is efficiently performed. In the spin-injection type magnetic memory using the above-mentioned magnetic field assist, the magnetic field E6 and E7 in the magnetosensitive layer 2 are brought close to each other and the combined magnetic field strength is increased by using a magnetic yoke when writing information. Thus, the write current can be significantly reduced.

磁界アシストがない場合のスピン注入磁化反転に要する書き込み電流の閾値は5×10A/cmであるが、磁界アシストをスピン注入と同時に用いた場合にはスピン注入磁化反転に要する書き込み電流の閾値は2.5×10A/cmとなった。なお、断面U字型であって配線6,7の長手方向に垂直な箇所が開放した磁気ヨークを用いた場合には、スピン注入磁化反転に要する書き込み電流の閾値は5×10A/cmとなった。すなわち、磁気ヨークと磁界アシストを用いたスピン注入磁化反転型の磁気メモリの書き込み電流の大きさは、磁界アシストがない場合の書き込み電流の1/10、磁界アシストがあって磁気ヨークがない場合の書き込み電流の1/5に低減することができた。 The threshold of the write current required for the spin injection magnetization reversal without the magnetic field assist is 5 × 10 7 A / cm 2 , but when the magnetic field assist is used simultaneously with the spin injection, the write current required for the spin injection magnetization reversal is The threshold value was 2.5 × 10 7 A / cm 2 . When a magnetic yoke having a U-shaped cross section and having an open portion perpendicular to the longitudinal direction of the wirings 6 and 7 is used, the threshold value of the write current required for spin injection magnetization reversal is 5 × 10 6 A / cm. 2 That is, the magnitude of the write current of the spin injection magnetization reversal type magnetic memory using the magnetic yoke and the magnetic field assist is 1/10 of the write current without the magnetic field assist, and there is no magnetic yoke with the magnetic field assist. It was possible to reduce to 1/5 of the write current.

図3は、磁気抵抗効果素子5を含む素子主要部の縦断面構成を示す図である。   FIG. 3 is a diagram showing a longitudinal cross-sectional configuration of the main part of the element including the magnetoresistive effect element 5.

この素子主要部は、反強磁性層4b上に積層した強磁性層4a、絶縁層3、感磁層2からなるTMR素子と、TMR素子上に積層した非磁性導電層41及び固定層40からなるスピンフィルタFLとを備えている。固定層4、41の磁化の向きはY軸に平行である。   The main part of the element is composed of a TMR element composed of a ferromagnetic layer 4a, an insulating layer 3 and a magnetosensitive layer 2 laminated on an antiferromagnetic layer 4b, and a nonmagnetic conductive layer 41 and a fixed layer 40 laminated on the TMR element. The spin filter FL is provided. The magnetization directions of the fixed layers 4 and 41 are parallel to the Y axis.

なお、上述の第1配線6及び第2配線7は、磁気抵抗効果素子5の位置において、固定層4の磁化の向き(Y軸)及び厚み方向(Z軸)の双方に垂直な方向(X軸)に延びている。第1配線6及び第2配線7の長手方向(X軸)を囲む方向は、感磁層2の位置において、固定層4の磁化の向きに一致するため、情報書き込み時に第1配線6及び第2配線7に通電を行った場合には、磁化の向きの変更を有効にアシストすることができる。   The first wiring 6 and the second wiring 7 described above are in the direction (X) perpendicular to both the magnetization direction (Y axis) and the thickness direction (Z axis) of the fixed layer 4 at the position of the magnetoresistive element 5. (Shaft). Since the direction surrounding the longitudinal direction (X-axis) of the first wiring 6 and the second wiring 7 coincides with the magnetization direction of the fixed layer 4 at the position of the magnetosensitive layer 2, the first wiring 6 and the second wiring 7 are written during information writing. When power is applied to the two wirings 7, it is possible to assist effectively in changing the magnetization direction.

また、スピンフィルタFLは、感磁層2上に設けられた非磁性導電層41と、非磁性導電層41に接触した(第2)固定層40とを備え、この第2固定層40の磁化容易軸の向き(Y軸)は、(第1)固定層4の磁化容易軸の向き(Y軸)と平行である。したがって、感磁層2内に電子を注入する場合、特定の方向にスピンが偏極したスピン偏極電流が感磁層2内に注入され、感磁層2の電子との相互作用により磁化が反転する。   The spin filter FL includes a nonmagnetic conductive layer 41 provided on the magnetosensitive layer 2 and a (second) fixed layer 40 in contact with the nonmagnetic conductive layer 41. The magnetization of the second fixed layer 40 The direction of the easy axis (Y axis) is parallel to the direction of the easy axis of magnetization (Y axis) of the (first) pinned layer 4. Therefore, when electrons are injected into the magnetosensitive layer 2, a spin-polarized current whose spin is polarized in a specific direction is injected into the magnetosensitive layer 2, and magnetization is caused by interaction with electrons in the magnetosensitive layer 2. Invert.

感磁層2の材料としては、例えばCo、CoFe、NiFe、NiFeCo、CoPt、CoFeBなどの強磁性材料を用いることができる。感磁層2は配線層より膜面に垂直に流れる電流により磁化方向を変化させることができ、感磁層2の面積が小さいほど磁化反転のために必要な電流(電流の閾値)を小さくすることができる。   As the material of the magnetosensitive layer 2, ferromagnetic materials such as Co, CoFe, NiFe, NiFeCo, CoPt, and CoFeB can be used. The magnetosensitive layer 2 can change the magnetization direction by a current flowing perpendicularly to the film surface from the wiring layer, and the smaller the area of the magnetosensitive layer 2 is, the smaller the current (threshold of current) required for magnetization reversal is. be able to.

磁気ヨークによる外部磁界シールド構造は、高密度化された磁気メモリで特に有効となる。磁気メモリの高密度化の観点からも感磁層2の面積は0.01μm以下が好ましい。なお、感磁層2の面積が0.01μmを超えると、磁化反転に必要な閾値電流値が増大するために、情報の記録が困難になる。さらに感磁層2は厚みが小さいほど磁化反転のための電流の閾値を小さくすることができる。感磁層2の厚みは0.01μm以下が好ましい。厚みが0.01μmを超えると磁化反転に必要な電流値が増大し、情報の記録が困難になる。 The external magnetic field shield structure using the magnetic yoke is particularly effective for a high-density magnetic memory. From the viewpoint of increasing the density of the magnetic memory, the area of the magnetosensitive layer 2 is preferably 0.01 μm 2 or less. If the area of the magnetosensitive layer 2 exceeds 0.01 μm 2 , the threshold current value necessary for magnetization reversal increases, making it difficult to record information. Further, the smaller the thickness of the magnetosensitive layer 2, the smaller the current threshold for magnetization reversal. The thickness of the magnetosensitive layer 2 is preferably 0.01 μm or less. If the thickness exceeds 0.01 μm, the current value necessary for magnetization reversal increases, making it difficult to record information.

非磁性絶縁層3の材料としては、Al、Zn、Mgといった金属の酸化物または窒化物、例えばAlやMgOが好適である。固定層4、40の構造としては、反強磁性層を強磁性材料層に付与した交換結合型を用いることができる。また、反強磁性体の材料としては、IrMn、PtMn、FeMn、NiMn、PtPdMn、RuMn、NiO、またはこれらのうち任意の組み合わせの材料を用いることができる。非磁性層41の材料としては、CuやRuを用いることができる。各種配線材料としては、Cu、AuCu、W、Al等を用いることができる。非磁性導電層41の材料としては、例えばCuを用いることができる。 As a material of the nonmagnetic insulating layer 3, an oxide or nitride of a metal such as Al, Zn, or Mg, for example, Al 2 O 3 or MgO is preferable. As the structure of the fixed layers 4 and 40, an exchange coupling type in which an antiferromagnetic layer is added to a ferromagnetic material layer can be used. As the antiferromagnetic material, IrMn, PtMn, FeMn, NiMn, PtPdMn, RuMn, NiO, or any combination of these materials can be used. As a material of the nonmagnetic layer 41, Cu or Ru can be used. As various wiring materials, Cu, AuCu, W, Al, or the like can be used. As the material of the nonmagnetic conductive layer 41, for example, Cu can be used.

図4は、密閉型の磁気ヨーク8を備えた記憶部の斜視図である。   FIG. 4 is a perspective view of the storage unit including the sealed magnetic yoke 8.

下部絶縁層200上に、第2配線7、磁気抵抗効果素子5、第1配線6を順次積層した後、これを覆う絶縁被覆を形成し、この上に磁気ヨーク8を形成する。磁気ヨークは磁気抵抗効果素子5とは離間している。磁気ヨーク8の側壁は、磁気抵抗効果素子5のZ軸の周囲の全てにおいて連続しており、磁気ヨーク8の頂壁は側壁の頂面に設けられ、磁気抵抗効果素子5を封止している。   The second wiring 7, the magnetoresistive effect element 5, and the first wiring 6 are sequentially stacked on the lower insulating layer 200, and then an insulating coating is formed to cover it, and the magnetic yoke 8 is formed thereon. The magnetic yoke is separated from the magnetoresistive element 5. The side wall of the magnetic yoke 8 is continuous all around the Z axis of the magnetoresistive effect element 5, and the top wall of the magnetic yoke 8 is provided on the top surface of the side wall to seal the magnetoresistive effect element 5. Yes.

下部絶縁層200及びこの上に形成された磁性層80には、半導体基板100(図7参照)に到達するスルーホールH1,H2,H3が設けられている。水平方向(XY平面内)に延びた第2配線7の一端は垂直配線A1に接続され、垂直配線A1はスルーホールH1を介して半導体基板100内の素子(トランジスタQR)に接続されている。水平方向に延びた第1配線6の一端は、垂直配線A2に接続され、垂直配線A2はスルーホールH2を介して半導体基板100内の素子(端子VW)に接続されている。水平方向に延びた第1配線6の他端は、垂直配線A3に接続され、垂直配線A3はスルーホールH3を介して半導体基板100内の素子(端子VR)に接続されている。   The lower insulating layer 200 and the magnetic layer 80 formed thereon are provided with through holes H1, H2, and H3 that reach the semiconductor substrate 100 (see FIG. 7). One end of the second wiring 7 extending in the horizontal direction (in the XY plane) is connected to the vertical wiring A1, and the vertical wiring A1 is connected to an element (transistor QR) in the semiconductor substrate 100 through a through hole H1. One end of the first wiring 6 extending in the horizontal direction is connected to the vertical wiring A2, and the vertical wiring A2 is connected to an element (terminal VW) in the semiconductor substrate 100 through a through hole H2. The other end of the first wiring 6 extending in the horizontal direction is connected to a vertical wiring A3, and the vertical wiring A3 is connected to an element (terminal VR) in the semiconductor substrate 100 through a through hole H3.

上述の密閉型の磁気ヨーク8を用いた場合、磁気抵抗効果素子5の外部からの漏れ磁束やノイズが、側方のいずれの方向から伝播してきても、磁気ヨーク8によって全てシールドされるため、信頼性に優れるという効果がある。   When the above-described sealed magnetic yoke 8 is used, the leakage magnetic flux and noise from the outside of the magnetoresistive effect element 5 are all shielded by the magnetic yoke 8 even if they propagate from any side. There is an effect that it is excellent in reliability.

詳説すれば、磁気ヨーク8は、第1配線6及び第2配線7の基準面SS上の部分と、磁気抵抗効果素子5とを覆っており、磁気抵抗効果素子5の厚み方向に垂直な全方位に位置している。したがって、磁気抵抗効果素子5や第1配線6及び第2配線7の基準面SS上の部分への外部磁界の導入が抑制される。この構造では、磁気抵抗効果素子5における感磁層の意図しない磁化反転を抑制することができる。   More specifically, the magnetic yoke 8 covers the portion of the first wiring 6 and the second wiring 7 on the reference plane SS and the magnetoresistive element 5, and is perpendicular to the thickness direction of the magnetoresistive element 5. Located in the direction. Therefore, the introduction of an external magnetic field to the portion of the magnetoresistive effect element 5, the first wiring 6, and the second wiring 7 on the reference surface SS is suppressed. With this structure, unintended magnetization reversal of the magnetosensitive layer in the magnetoresistive element 5 can be suppressed.

また、第1配線6及び第2配線7は、基準面SSに対して垂直に延びる垂直配線(A2,A3),A1をそれぞれ有しており、第1配線6及び第2配線7は垂直方向に抜けて、外部回路に接続されるため、磁気ヨーク8に磁気抵抗効果素子5の周囲を囲ませることができる。   The first wiring 6 and the second wiring 7 have vertical wirings (A2, A3) and A1 extending perpendicularly to the reference plane SS, respectively. The first wiring 6 and the second wiring 7 are in the vertical direction. Since the magnetic yoke 8 is connected to an external circuit, the periphery of the magnetoresistive element 5 can be surrounded by the magnetic yoke 8.

この磁気メモリは、垂直配線(A2,A3),A1が接続される回路素子を有する半導体基板100(図7参照)と、半導体基板100と磁気抵抗効果素子5との間に介在する磁性層80とを備えている。この場合、トランジスタ等の回路素子が形成される半導体基板100から磁気抵抗効果素子5へ導入される磁界を、磁性層80によって遮断することができる。なお、磁性層80の材料は磁気ヨーク8と同一である。   This magnetic memory includes a semiconductor substrate 100 (see FIG. 7) having circuit elements to which vertical wirings (A2, A3) and A1 are connected, and a magnetic layer 80 interposed between the semiconductor substrate 100 and the magnetoresistive effect element 5. And. In this case, the magnetic layer 80 can block the magnetic field introduced into the magnetoresistive element 5 from the semiconductor substrate 100 on which circuit elements such as transistors are formed. The material of the magnetic layer 80 is the same as that of the magnetic yoke 8.

なお、上述の磁気メモリは、磁気抵抗効果素子を高密度化しても、書き込み電流の増加が抑制でき、また、隣接する磁気抵抗効果素子に影響を与えず、また、アシスト磁界をスピン注入と共に用いるため、高速のアクセス速度を得ることができる。   The above-described magnetic memory can suppress an increase in write current even if the magnetoresistive effect element is increased in density, does not affect the adjacent magnetoresistive effect element, and uses an assist magnetic field together with spin injection. Therefore, a high access speed can be obtained.

図5は、第1配線6及び第2配線7の別の配置について示す記憶部近傍の斜視図である。   FIG. 5 is a perspective view of the vicinity of the storage unit showing another arrangement of the first wiring 6 and the second wiring 7.

第1配線6と第2配線7とは直交しており、第1配線6の基準面SS上の部分の両端からは垂直配線A2,A3が延びており、第2配線7の基準面SS上の終端からは垂直配線A1が延びている。

図6は、上記記憶領域Pを複数備えた磁気メモリの回路図である。
The first wiring 6 and the second wiring 7 are orthogonal to each other, the vertical wirings A2 and A3 extend from both ends of the portion of the first wiring 6 on the reference surface SS, and on the reference surface SS of the second wiring 7 A vertical wiring A1 extends from the end of the wiring.

FIG. 6 is a circuit diagram of a magnetic memory having a plurality of the storage areas P.

この磁気メモリは、スイッチQRの導通を制御するゲートに接続されたワード線WLを備えており、ワード線WLの電位はスイッチング回路SWCによって決定される。また、読み出し用端子VRは第1ビット線BL1、書き込み用端子VWは第2ビット線BL2、端子VCは第3ビット線BL3に接続され、これらのビット線BL1,BL2,BL3の電位は制御回路CONTによって制御される。   This magnetic memory includes a word line WL connected to a gate that controls conduction of the switch QR, and the potential of the word line WL is determined by the switching circuit SWC. The read terminal VR is connected to the first bit line BL1, the write terminal VW is connected to the second bit line BL2, and the terminal VC is connected to the third bit line BL3. The potentials of these bit lines BL1, BL2, and BL3 are controlled by a control circuit. Controlled by CONT.

なお、特定のアドレスの記憶領域P(X,Y)に情報を書き込む場合(例えば「1」)、該当するY列目の記憶領域の読み出し用端子VRを開放し、書き込み用端子VWの電位を共通端子VCに対して相対的に増加させ、スイッチング回路SWCがワード線WLの電位を制御してX行目のスイッチQRをONする。これにより、磁気抵抗効果素子5の感磁層の磁化の向きが固定層の磁化の向きに対して、例えば、「反平行」となり、「1」が書き込まれる。   When information is written into the storage area P (X, Y) at a specific address (eg, “1”), the read terminal VR of the corresponding Y-th storage area is opened, and the potential of the write terminal VW is set to be the same. The switching circuit SWC controls the potential of the word line WL to turn on the switch QR in the X-th row. As a result, the magnetization direction of the magnetosensitive layer of the magnetoresistive element 5 is, for example, “anti-parallel” with respect to the magnetization direction of the fixed layer, and “1” is written.

「0」と書き込む場合には、これらの磁化の向きを、例えば、「平行」とする。すなわち、特定のアドレスの記憶領域P(X,Y)に情報を書き込む場合(例えば「0」)、該当するY列目の記憶領域の読み出し用端子VRを開放し、書き込み用端子VWの電位を共通端子VCに対して相対的に減少させ、スイッチング回路SWCがワード線WLの電位を制御してX行目のスイッチQRをONする。これにより、例えば、「0」が書き込まれる。   In the case of writing “0”, the direction of the magnetization is, for example, “parallel”. That is, when information is written to the storage area P (X, Y) at a specific address (for example, “0”), the read terminal VR of the corresponding Y-th storage area is opened, and the potential of the write terminal VW is set. The switching circuit SWC controls the potential of the word line WL to turn on the switch QR in the X-th row. Thereby, for example, “0” is written.

特定のアドレスの記憶領域P(X,Y)の情報を読み出す場合、該当するY列目の記憶領域の書き込み用端子VWを開放し、読み出し用端子VRの電位を共通端子VCに対して相対的に増加させ、スイッチング回路SWCがワード線WLの電位を制御してX行目のスイッチQRをONする。これにより、記憶領域P(X,Y)に位置する磁気抵抗効果素子5に書き込まれた情報「1」「0」に応じた電流が、読み出し用端子VRと共通端子VCとの間を流れ、これに基づき記憶情報を判別することができる。なお、読み出し時の電流の向きは、これとは逆であってもよく、設計に応じて適宜設定すればよい。   When reading the information in the storage area P (X, Y) of a specific address, the write terminal VW of the corresponding Y-th storage area is opened, and the potential of the read terminal VR is relative to the common terminal VC. The switching circuit SWC controls the potential of the word line WL to turn on the switch QR in the Xth row. Thereby, a current corresponding to the information “1” and “0” written in the magnetoresistive effect element 5 located in the storage area P (X, Y) flows between the read terminal VR and the common terminal VC. Based on this, the stored information can be determined. Note that the direction of the current at the time of reading may be opposite to this, and may be set as appropriate according to the design.

なお、スイッチング回路SWC及び制御回路CONTは、半導体基板内に形成される。   Note that the switching circuit SWC and the control circuit CONT are formed in the semiconductor substrate.

図7は、図6に示した磁気メモリのVII−VII矢印縦断面図である。   7 is a vertical cross-sectional view of the magnetic memory shown in FIG. 6 taken along the line VII-VII.

読み出し配線7を構成する下部電極は、半導体基板100上に形成された絶縁層200を厚み方向に貫通する垂直配線A1を介して、読み出しトランジスタQRのソース又はドレイン電極34aに接続されている。ここでは、ドレイン電極34aとする。読み出しトランジスタQRのゲート電極34gは、ワード線WL自体を構成する又はワード線WLに接続されている。読み出しトランジスタQRは、ドレイン電極34a,ソース電極34bと、ゲート電極34gと、ドレイン電極34a,ソース電極34b直下に形成されたドレイン領域34a’,ソース領域34b’からなり、ゲート電極34gの電位に応じてドレイン電極34a,ソース電極34bは接続される。ソース電極34bは、内部接続配線15を介してビット線BL3に接続されている。   The lower electrode constituting the readout wiring 7 is connected to the source or drain electrode 34a of the readout transistor QR via a vertical wiring A1 that penetrates the insulating layer 200 formed on the semiconductor substrate 100 in the thickness direction. Here, the drain electrode 34a is used. The gate electrode 34g of the read transistor QR constitutes the word line WL itself or is connected to the word line WL. The read transistor QR includes a drain electrode 34a, a source electrode 34b, a gate electrode 34g, a drain region 34a ′ and a source region 34b ′ formed immediately below the drain electrode 34a and the source electrode 34b, and corresponds to the potential of the gate electrode 34g. Thus, the drain electrode 34a and the source electrode 34b are connected. The source electrode 34b is connected to the bit line BL3 through the internal connection wiring 15.

図8は、図6に示した磁気メモリのVIII−VIII矢印縦断面図である。   8 is a vertical cross-sectional view of the magnetic memory shown in FIG. 6 taken along line VIII-VIII.

読み出しトランジスタQRの周囲には、LOCOS(local oxidation of silicon)による酸化膜(SiO)Fが形成されている。 An oxide film (SiO 2 ) F made of LOCOS (local oxidation of silicon) is formed around the read transistor QR.

また、ビット線BL1、BL2,BL3やワード線WLは、半導体基板100上に形成された下部絶縁層200内に埋設されており、下部絶縁層200上には上部絶縁層24が成されている。また、下部絶縁層200内には必要に応じて複数の配線が設けられる。垂直配線A1は、半導体基板100の表面から下部絶縁層200を貫通する配線である。半導体基板100は例えばSiからなり、ソース領域及びドレイン領域には半導体基板100とは異なる導電型の不純物が添加されている。下部絶縁層200はSiO等からなる。 The bit lines BL 1, BL 2, BL 3 and the word line WL are embedded in a lower insulating layer 200 formed on the semiconductor substrate 100, and an upper insulating layer 24 is formed on the lower insulating layer 200. . A plurality of wirings are provided in the lower insulating layer 200 as necessary. The vertical wiring A1 is a wiring that penetrates the lower insulating layer 200 from the surface of the semiconductor substrate 100. The semiconductor substrate 100 is made of, for example, Si, and impurities of a conductivity type different from that of the semiconductor substrate 100 are added to the source region and the drain region. The lower insulating layer 200 is made of SiO 2 or the like.

図9は、図1に示した磁気メモリにおける読み出し電流I及び書き込み電流IW0、IW1の値と磁気抵抗効果素子5の抵抗値との関係を示すグラフである。 Figure 9 is a graph showing the relationship between the resistance value of the read current I R and a write current I W0, the value and the magnetoresistive element 5 I W1 in the magnetic memory shown in FIG.

情報記録時の書き込み電流IW1,IW0の絶対値は1mA前後であり、情報読み出し時の読み出し電流Iの絶対値は0.4mA前後である。正の書き込み電流IW1の絶対値が0.8mAを超えると、感磁層の磁化反転が生じて反平行状態「1」が記録され、負の書き込み電流IW0の絶対値が0.8mAを超えると、感磁層の磁化反転が生じて平行状態「0」が記録される。 The absolute value of the information recording time of the write current I W1, I W0 is around 1 mA, the absolute value of the read current I R at information reading is around 0.4 mA. When the absolute value of the positive write current I W1 exceeds 0.8 mA, magnetization reversal of the magnetosensitive layer occurs and the antiparallel state “1” is recorded, and the absolute value of the negative write current I W0 becomes 0.8 mA. If exceeded, magnetization reversal of the magnetosensitive layer occurs and a parallel state “0” is recorded.

すなわち、強磁性層(磁化固定層)/非磁性層/強磁性層の積層体において、積層体の正方向に電流を増やしてゆくと所定の閾値(臨界電流)で強磁性層の磁化方向が反転し、磁化固定層と強磁性層との磁化方向が反平行(=「1」)となり磁気抵抗効果素子の抵抗値が増大する。その後、電流値を負の方向に減少させてゆくと、負の所定の閾値(臨界電流)で強磁性層の磁化が反転し、磁化固定層と強磁性層との磁化方向が平行(=「0」)となり磁気抵抗効果素子5の抵抗値が減少する。なお、これらの情報の記録ができる電流値は、消費電力や外部へのノイズの影響も考慮して1.5mA以下に設定してある。   That is, in a ferromagnetic layer (magnetization pinned layer) / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer laminate, when the current is increased in the positive direction of the laminate, the magnetization direction of the ferromagnetic layer is changed at a predetermined threshold (critical current). The magnetization direction of the magnetization fixed layer and the ferromagnetic layer becomes antiparallel (= “1”) and the resistance value of the magnetoresistive effect element increases. Thereafter, when the current value is decreased in the negative direction, the magnetization of the ferromagnetic layer is reversed at a predetermined negative threshold (critical current), and the magnetization directions of the magnetization fixed layer and the ferromagnetic layer are parallel (= “ 0 ") and the resistance value of the magnetoresistive element 5 decreases. Note that the current value at which such information can be recorded is set to 1.5 mA or less in consideration of the power consumption and the influence of external noise.

なお、スピン注入磁化反転を伴った記録素子では、臨界電流値を超えない電流を流した場合は、強磁性体の磁化方向は変化することはないため、読出しのための電流を臨界電流値以下にすることにより、記録した情報を書き換えることなく、非破壊による読み出しを行うことができる。   In a recording element with spin injection magnetization reversal, when a current that does not exceed the critical current value is passed, the magnetization direction of the ferromagnet does not change, so the current for reading is less than the critical current value. By doing so, it is possible to perform non-destructive reading without rewriting the recorded information.

また、膜面に垂直に流れる電流により感磁層の磁化反転を行うことにより、データに記録を行うスピン注入記録においては、反転のための電流は1×10〜1×10A/cmと大きく、また、TMR素子の抵抗は比較的高い。したがって、書込み電流を流した場合、TMR素子部の発熱が大きくなる傾向があるが、上述の磁気メモリでは、配線に磁気ヨーク8を設けているので、配線を流れる電流によって生じる電流磁界を効率的に感磁層に印加し、より少ない電流でスピン注入磁化反転を行わせている。さらに、磁気ヨーク8により外部磁界による外部磁界によるデータを記録した感磁層への影響を低減でき、メモリデバイスの外部磁界耐性を改善することができる。 In spin injection recording in which data is recorded by performing magnetization reversal of the magnetosensitive layer by current flowing perpendicularly to the film surface, the current for reversal is 1 × 10 8 to 1 × 10 6 A / cm. 2 and the resistance of the TMR element is relatively high. Therefore, when a write current is passed, heat generation in the TMR element portion tends to increase. However, in the above-described magnetic memory, since the magnetic yoke 8 is provided in the wiring, a current magnetic field generated by the current flowing in the wiring is efficiently generated. Then, the spin injection magnetization reversal is performed by applying a smaller current to the magnetosensitive layer. Furthermore, the magnetic yoke 8 can reduce the influence of the external magnetic field on the magnetosensitive layer in which data is recorded by the external magnetic field, and can improve the external magnetic field resistance of the memory device.

次に、上述の磁気メモリの製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the above magnetic memory will be described.

なお、下部絶縁層200上には予め磁性層80(図7参照)を形成しておくが、図面上の記載は省略する。   Although the magnetic layer 80 (see FIG. 7) is formed on the lower insulating layer 200 in advance, the description on the drawing is omitted.

まず、図10(a)に示すように、下部絶縁層200上に中央部が開口したホトレジストPR1をパターニングする。次に、図10(b)に示すように、スパッタ法などでホトレジストPR1上に電極層7を堆積する。さらに、図10(c)に示すように、リフトオフを行い、ホトレジストPR1上の電極材料を除去する。しかる後、図10(d)に示すように、下部絶縁層200上にタンタルからなる下地層201、IrMnからなる反強磁性層4b、CoFeからなる強磁性層4a、Alからなる絶縁層3、CoFeからなる感磁層2、Ruからなる非磁性導電層41、CoFeからなる強磁性層40、タンタルからなるキャップ層202を順次堆積する。なお、絶縁層3は、Alの堆積後にこれを酸化することで形成することもできる。堆積にはスパッタ法を用いることができる。次に、図10(e)に示すように、キャップ層202の中央部上にホトレジストPR2をパターニングする。すなわち、ホトレジストPR2は下部配線7の上方に位置する。 First, as shown in FIG. 10A, a photoresist PR1 having an opening at the center is patterned on the lower insulating layer 200. Next, as shown in FIG. 10B, an electrode layer 7 is deposited on the photoresist PR1 by sputtering or the like. Further, as shown in FIG. 10C, lift-off is performed to remove the electrode material on the photoresist PR1. Thereafter, as shown in FIG. 10D, an underlayer 201 made of tantalum, an antiferromagnetic layer 4b made of IrMn, a ferromagnetic layer 4a made of CoFe, and an insulation made of Al 2 O 3 are formed on the lower insulating layer 200. The layer 3, the magnetosensitive layer 2 made of CoFe, the nonmagnetic conductive layer 41 made of Ru, the ferromagnetic layer 40 made of CoFe, and the cap layer 202 made of tantalum are sequentially deposited. The insulating layer 3 can also be formed by oxidizing it after depositing Al. A sputtering method can be used for the deposition. Next, as shown in FIG. 10E, a photoresist PR2 is patterned on the central portion of the cap layer 202. Next, as shown in FIG. That is, the photoresist PR2 is located above the lower wiring 7.

しかる後、図11(f)に示すように、ホトレジストPR2をマスクとして、積層体のドライエッチングを行う。このエッチングは下部配線7の表面が露出するまで行う。次に、図11(g)に示すように、ホトレジストPR2を除去した後、下部絶縁層200上にSiOからなる中間絶縁層200’をスパッタ法やCVD法などでキャップ層202が中間絶縁層200’内に埋め込まれるまで堆積する。そして、図11(h)に示すように、キャップ層202の表面が露出するまで、CMP(Chemical Mechanical Polish)装置を用いて中間絶縁層200’を研磨し、中間絶縁層200’の表面を平滑化する。 Thereafter, as shown in FIG. 11F, the stacked body is dry-etched using the photoresist PR2 as a mask. This etching is performed until the surface of the lower wiring 7 is exposed. Next, as shown in FIG. 11 (g), after removing the photoresist PR2, the cap layer 202 is formed on the lower insulating layer 200 by using a sputtering method, a CVD method or the like to form an intermediate insulating layer 200 ′ made of SiO 2 on the lower insulating layer 200. Deposit until embedded in 200 '. Then, as shown in FIG. 11H, the intermediate insulating layer 200 ′ is polished using a CMP (Chemical Mechanical Polish) apparatus until the surface of the cap layer 202 is exposed, and the surface of the intermediate insulating layer 200 ′ is smoothed. Turn into.

次に、図12(i)に示すように、中間絶縁層200’の表面上に中央部が開口したホトレジストPR3をパターニングする。しかる後、ホトレジストPR3上にスパッタ法などで配線材料6を堆積し(図12(j))、ホトレジストPR3のリフトオフを行い、キャップ層202上に上部配線6を形成する(図12(k))。配線構造としては、Ti,Cu,Taなどの材料の1種からなる単層構造あるいは複数種からなる多層構造などを用いることができる。   Next, as shown in FIG. 12I, a photoresist PR3 having an opening at the center is patterned on the surface of the intermediate insulating layer 200 '. Thereafter, a wiring material 6 is deposited on the photoresist PR3 by sputtering or the like (FIG. 12 (j)), the photoresist PR3 is lifted off, and an upper wiring 6 is formed on the cap layer 202 (FIG. 12 (k)). . As the wiring structure, a single layer structure composed of one kind of material such as Ti, Cu, Ta, or a multilayer structure composed of a plurality of kinds can be used.

しかる後、図13に示すように、上部配線6をマスクとして周囲の絶縁層200’を下部絶縁層200(又は磁性層80:図7参照)の表面が露出するまでドライエッチングし、露出した素子及び基板表面上を保護絶縁膜200iで被覆する(図13(l))。しかる後、下部絶縁層200上に素子形成領域を含む領域が開口したホトレジストPRをパターニングし(図13(m))、続いて、この上にNiFeなどの磁気材料を堆積し、リフトオフを行って密閉型の磁気ヨーク8が完成する(図13(n))。   Thereafter, as shown in FIG. 13, the surrounding insulating layer 200 ′ is dry-etched using the upper wiring 6 as a mask until the surface of the lower insulating layer 200 (or the magnetic layer 80: see FIG. 7) is exposed, thereby exposing the exposed element. Then, the surface of the substrate is covered with a protective insulating film 200i (FIG. 13L). Thereafter, a photoresist PR having a region including an element formation region opened on the lower insulating layer 200 is patterned (FIG. 13 (m)). Subsequently, a magnetic material such as NiFe is deposited thereon and lift-off is performed. The sealed magnetic yoke 8 is completed (FIG. 13 (n)).

本発明は、磁気メモリに利用することができる。   The present invention can be used for a magnetic memory.

記憶領域P(X,Y)の斜視図である。It is a perspective view of storage area P (X, Y). 磁気抵抗効果素子5の縦断面図(磁化の向き平行時)(a)、磁気抵抗効果素子5の縦断面図(磁化の向き反平行時)(b)である。FIG. 3 is a longitudinal sectional view (when the magnetization direction is parallel) (a) of the magnetoresistive effect element 5, and a longitudinal sectional view (when the magnetization direction is antiparallel) (b) of the magnetoresistive effect element 5. 磁気抵抗効果素子5を含む素子主要部の縦断面構成を示す図である。4 is a diagram showing a longitudinal cross-sectional configuration of a main part of an element including a magnetoresistive effect element 5. FIG. 密閉型の磁気ヨーク8を備えた記憶部の斜視図である。3 is a perspective view of a storage unit including a sealed magnetic yoke 8. FIG. 第1配線6及び第2配線7の別の配置について示す記憶部近傍の斜視図である。FIG. 6 is a perspective view of the vicinity of a storage unit showing another arrangement of the first wiring 6 and the second wiring 7. 記憶領域Pを複数備えた磁気メモリの回路図である。3 is a circuit diagram of a magnetic memory including a plurality of storage areas P. FIG. 図6に示した磁気メモリのVII−VII矢印縦断面図である。It is a VII-VII arrow longitudinal cross-sectional view of the magnetic memory shown in FIG. 図6に示した磁気メモリのVIII−VIII矢印縦断面図である。It is a VIII-VIII arrow longitudinal cross-sectional view of the magnetic memory shown in FIG. 図1に示した磁気メモリにおける読み出し電流I及び書き込み電流IW0、IW1の値と磁気抵抗効果素子5の抵抗値との関係を示すグラフである。Is a graph showing the relationship between the resistance value of the read current I R and a write current I W0, the value of I W1 and the magnetoresistive element 5 in the magnetic memory shown in FIG. 磁気メモリの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a magnetic memory. 磁気メモリの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a magnetic memory. 磁気メモリの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a magnetic memory. 磁気メモリの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a magnetic memory.

符号の説明Explanation of symbols

2・・・感磁層、3・・・非磁性絶縁層、4・・・固定層、5・・・磁気抵抗効果素子、6・・・上部配線、6a・・・途中位置、7・・・下部配線、8・・・磁気ヨーク、24・・・上部絶縁層、41・・・非磁性導電層、100・・・半導体基板、200・・・下部絶縁層、201・・・下地層、202・・・キャップ層、A1・・・垂直配線、A2・・・垂直配線、BL1,BL2,BL3・・・ビット線、CONT・・・制御回路、FL・・・スピンフィルタ、H1,H2,H3・・・スルーホール、P・・・記憶領域、QR・・・トランジスタ、SWC・・・スイッチング回路、VC・・・共通端子、VR・・・端子、WL・・・ワード線、80・・・磁性層。 2 ... magnetic sensitive layer, 3 ... nonmagnetic insulating layer, 4 ... fixed layer, 5 ... magnetoresistive element, 6 ... upper wiring, 6a ... halfway position, 7 Lower wiring, 8 ... magnetic yoke, 24 ... upper insulating layer, 41 ... nonmagnetic conductive layer, 100 ... semiconductor substrate, 200 ... lower insulating layer, 201 ... underlayer, 202 ... cap layer, A1 ... vertical wiring, A2 ... vertical wiring, BL1, BL2, BL3 ... bit line, CONT ... control circuit, FL ... spin filter, H1, H2, H3 ... through hole, P ... memory area, QR ... transistor, SWC ... switching circuit, VC ... common terminal, VR ... terminal, WL ... word line, 80 .. -Magnetic layer.

Claims (2)

複数の記憶領域を配列してなる磁気メモリにおいて、
個々の前記記憶領域は、
第1配線と、
第2配線と、
前記第1配線と前記第2配線との間に配置され、且つ、前記第1配線と前記第2配線に電気的に接続され、基準面上に形成された磁気抵抗効果素子と、
スピン注入によって前記磁気抵抗効果素子における感磁層の磁化の向きが変化するよう、前記磁気抵抗効果素子に設けられたスピンフィルタと、
前記第1配線及び前記第2配線の前記基準面上の部分と、前記磁気抵抗効果素子とを覆い、前記磁気抵抗効果素子の厚み方向に垂直な全方位に位置して、前記磁気抵抗効果素子の周囲を囲む磁気ヨークと、
を備え
前記第1配線と前記第2配線は、情報の読み出し時には、前記第1配線及び前記第2配線を流れる各読み出し電流の向きが同一であって、前記第1配線及び前記第2配線の周囲の各磁界が、前記磁気抵抗効果素子の感磁層内において相殺されるように配置されており、
前記第1配線及び前記第2配線は、情報の書き込み時には、前記第1配線及び前記第2配線を流れる各電流の向きが逆向きであって、前記第1配線及び前記第2配線の周囲の各磁界の双方が、前記感磁層の磁化の向きをスピン注入によって変更する力をアシストするように配置されており、
前記第1及び第2配線は、前記基準面に対して垂直に延びる垂直配線をそれぞれ有しており、
前記垂直配線が接続される回路素子を有する半導体基板と、
前記半導体基板と前記磁気抵抗効果素子との間に介在する磁性層と、
を備え
それぞれの前記垂直配線は、前記磁性層に設けられたスルーホールを介して、前記回路素子に接続されていることを特徴とする磁気メモリ。
In a magnetic memory formed by arranging a plurality of storage areas,
Each said storage area is
A first wiring;
A second wiring;
A magnetoresistive element disposed between the first wiring and the second wiring and electrically connected to the first wiring and the second wiring and formed on a reference plane;
A spin filter provided in the magnetoresistive element so that the magnetization direction of the magnetosensitive layer in the magnetoresistive element is changed by spin injection;
A portion on the reference surface of the first wiring and the second wiring, the covers and the magnetoresistive element, positioned perpendicular omnidirectional in the thickness direction of the magnetoresistive element, the magnetoresistive element A magnetic yoke that surrounds
Equipped with a,
When the information is read, the first wiring and the second wiring have the same direction of each read current flowing through the first wiring and the second wiring, and the first wiring and the second wiring are arranged around the first wiring and the second wiring. Each magnetic field is disposed so as to cancel out in the magnetosensitive layer of the magnetoresistive element,
In the first wiring and the second wiring, the direction of each current flowing through the first wiring and the second wiring is opposite when writing information, and the first wiring and the second wiring are arranged around the first wiring and the second wiring. Both magnetic fields are arranged to assist the force that changes the magnetization direction of the magnetosensitive layer by spin injection,
The first and second wirings each have a vertical wiring extending perpendicular to the reference plane ,
A semiconductor substrate having a circuit element to which the vertical wiring is connected;
A magnetic layer interposed between the semiconductor substrate and the magnetoresistive element;
Equipped with a,
Each of the vertical interconnection lines via through holes provided in the magnetic layer, magnetic memory characterized in that it is connected to the circuit element.
感磁層の面積が0.01μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ。
The magnetic memory according to claim 1, wherein the area of the magnetosensitive layer is 0.01 μm 2 or less.
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