JP2005303231A - Magnetic memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁化方向が固定された磁化固定層と、トンネルバリア層と、磁化方向の変化が可能な磁化自由層とが積層されてなるトンネル磁気抵抗効果素子によって磁気メモリ素子が構成され、この磁気メモリ素子からなるメモリ部を有する磁気メモリ装置、特に磁気ランダムアクセスメモリ、即ちいわゆる不揮発性メモリであるMRAM(Magnetic Random Access Memory)として構成された磁気メモリ装置に関するものである。 In the present invention, a magnetic memory element is configured by a tunnel magnetoresistive effect element in which a magnetization fixed layer with a fixed magnetization direction, a tunnel barrier layer, and a magnetization free layer capable of changing the magnetization direction are stacked. The present invention relates to a magnetic memory device having a memory unit composed of a magnetic memory element, and more particularly to a magnetic random access memory, that is, a magnetic memory device configured as an MRAM (Magnetic Random Access Memory) which is a so-called nonvolatile memory.
情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジックなどの素子には、高集積化、高速化、低消費電力化など、一層の高性能化が要求されている。 With the rapid spread of information communication equipment, especially small personal devices such as portable terminals, the elements such as memory and logic that make it up are becoming more highly integrated, faster, and consume less power. Performance improvement is required.
特に不揮発性メモリは、ユビキタス時代に必要不可欠であると考えられている。電源の消耗やトラブルが生じた場合や、サーバーとネットワークが何らかの障害により切断された場合でも、不揮発性メモリは、個人情報を含めた重要な情報を保護することができる。また、最近の携帯機器は、不要の回路ブロックをスタンバイ状態にしてできるだけ消費電力を抑えるように設計されているが、高速のワークメモリと大容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリが実現できれば、消費電力とメモリの無駄を無くすことができる。また、高速の大容量不揮発性メモリが実現できれば、電源を入れると瞬時に起動できる“インスタント・オン”機能も可能になってくる。 In particular, nonvolatile memories are considered essential in the ubiquitous era. The nonvolatile memory can protect important information including personal information even when power is consumed or trouble occurs or the server and the network are disconnected due to some trouble. In addition, recent portable devices are designed to reduce power consumption as much as possible by setting unnecessary circuit blocks to the standby state. However, if a non-volatile memory that can serve both as a high-speed work memory and a large-capacity storage memory can be realized. , Power consumption and memory waste can be eliminated. In addition, if a high-speed, large-capacity nonvolatile memory can be realized, an “instant-on” function that can be instantly started when the power is turned on becomes possible.
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたFRAM(Ferroelectric Random Access Memory )なども挙げられる。 Examples of the non-volatile memory include a flash memory using a semiconductor and an FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) using a ferroelectric.
しかしながら、フラッシュメモリは、アクセス時間が100ns程度と遅いという欠点がある。一方、FRAMにおいては、書き換え可能回数が1012〜1014であり、完全にSRAM(Static Random Access Memory)やDRAM(Dynamic Random Access Memory)に置き換えるには持久力(Endurance)が小さく、また強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという問題が指摘されている。 However, the flash memory has a drawback that the access time is as slow as about 100 ns. On the other hand, in FRAM, the number of rewritable times is 10 12 to 10 14 , and the endurance is small to replace completely with SRAM (Static Random Access Memory) or DRAM (Dynamic Random Access Memory), and ferroelectricity It has been pointed out that microfabrication of body capacitors is difficult.
MRAMは、これらの欠点を有さず、高速性、大容量(高集積化)、無限回の書き換え耐性などの優れた特徴を有する不揮発性メモリとして注目されている(例えば、Wang et al., IEEE Trans. Magn., 33, 4498(1997))。MRAMは、ナノ磁性体特有のスピン依存伝導現象に基づく磁気抵抗効果を利用して読み出しを行う半導体磁気メモリであり、外部から電力を供給することなしに記憶を保持できる不揮発性メモリである。MRAMは、構造が単純であるために高集積化が容易であり、また磁気モーメントの反転により記録を行うために書き換え可能回数が大であり、アクセス時間についても非常に高速であることが予想され、既に100MHzで動作可能であることが報告されている(R.Scheuerlein et al., ISSCC Digest of Technical Papers, p.128-129, Feb.2000)。 MRAM does not have these drawbacks, and has attracted attention as a non-volatile memory having excellent characteristics such as high speed, large capacity (high integration), and infinite rewrite resistance (for example, Wang et al., IEEE Trans. Magn., 33, 4498 (1997)). The MRAM is a semiconductor magnetic memory that performs reading using a magnetoresistive effect based on a spin-dependent conduction phenomenon peculiar to nanomagnets, and is a non-volatile memory that can hold a memory without supplying power from the outside. The MRAM has a simple structure and can be easily integrated. In addition, since the recording can be performed by reversing the magnetic moment, the number of rewritable times is large, and the access time is expected to be very high. Have already been reported to be operable at 100 MHz (R. Scheuerlein et al., ISSCC Digest of Technical Papers, p. 128-129, Feb. 2000).
MRAMに用いられるTMR(Tunnel Magnetoresistance)素子は、磁化自由層(記憶層)と磁化固定層との2つの磁性層の間にトンネルバリア層を挟持した構造を有し、2つの磁性層の磁化方向が「平行」であるか、「反平行」であるかを情報として記憶し、この相対的な磁化方向の違いによってトンネルバリア層を流れる電流の強度が変化することを利用して、情報の読み出しを行う記憶素子である。MRAMは、近年のTMR材料の特性向上により注目を集めるなど、精力的な開発が行われている。 A TMR (Tunnel Magnetoresistance) element used for MRAM has a structure in which a tunnel barrier layer is sandwiched between two magnetic layers of a magnetization free layer (storage layer) and a magnetization fixed layer, and the magnetization directions of the two magnetic layers. Is read as information by using the fact that the intensity of the current flowing through the tunnel barrier layer changes due to the difference in the relative magnetization direction. It is a memory element which performs. MRAM has been vigorously developed, for example, attracting attention due to recent improvements in the properties of TMR materials.
以下、TMR型のMRAMについて更に詳細に説明する。 Hereinafter, the TMR type MRAM will be described in more detail.
図20は、MRAMのメモリセルの記憶素子となるTMR素子10の斜視図である。TMR素子10は、支持基板9の上に設けられ、磁化の方向が比較的容易に反転する磁化自由層(記憶層)2と、磁化の方向が固定されている第1の磁化固定層4と第2の磁化固定層6とを含んでいる。磁化自由層(記憶層)2と第1および第2の磁化固定層4と6には、例えばニッケル、鉄またはコバルト、あるいはこれらの合金を主成分とする強磁性体が用いられる。
FIG. 20 is a perspective view of the
第1の磁化固定層4と第2の磁化固定層6との間には、これらの磁性層が反強磁性的に結合するような導体層5が配置されている。導体層5の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀などが使用可能である。第2の磁化固定層6は反強磁性体層7と接しており、これらの層間に働く交換相互作用によって、第2の磁化固定層6は強い一方向の磁気異方性を持つことになる。反強磁性体層7の材料としては、例えば、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウムなどのマンガン合金や、コバルトやニッケル酸化物などを使用できる。
Between the first magnetization fixed
磁化自由層(記憶層)2は、磁化固定層4の磁化方向と平行な磁化容易軸(強磁性体が容易に磁化される方向軸)を有し、磁化固定層4の磁化方向に対し平行または反平行のいずれかの方向に磁化されやすく、この2つの状態間で比較的容易に磁化方向を反転させ得るように構成されている。従って、磁化自由層(記憶層)2を情報記憶媒体として用いる場合には、磁化固定層4の磁化方向に対し「平行」および「反平行」に磁化した磁化自由層(記憶層)2の2つの状態を、情報の“0”と“1”に対応させる。
The magnetization free layer (memory layer) 2 has a magnetization easy axis (direction axis in which the ferromagnetic material is easily magnetized) parallel to the magnetization direction of the magnetization
また、磁化自由層(記憶層)2と第1の磁化固定層4との間には、アルミニウム、マグネシウム、シリコン等の酸化物もしくは窒化物等からなる絶縁体によるトンネルバリア層3が挟持されており、磁化自由層(記憶層)2と第1の磁化固定層4との磁気的結合を切るとともに、磁化自由層(記憶層)2の磁化方向に応じたトンネル電流を流す役割を担っている。TMR素子10を構成する磁性層および導体層は、主にスパッタリング法により形成されるが、トンネルバリア層3は、スパッタリングで形成された金属膜を酸化もしくは窒化させることにより得ることができる。
In addition, a tunnel barrier layer 3 made of an insulator made of an oxide or nitride such as aluminum, magnesium, or silicon is sandwiched between the magnetization free layer (memory layer) 2 and the first magnetization fixed
トップコート層1は、TMR素子10と、TMR素子10に接続される配線との相互拡散防止や、接触抵抗低減および磁化自由層(記憶層)2の酸化防止という役割があり、通常は、銅、タンタル、窒化チタンおよびチタン等の材料が使用できる。下地電極層8は、TMR素子10と直列に接続される読み出し用のスイッチング素子との接続に用いられる。この下地電極層8は反強磁性体層7を兼ねてもよい。
The
図21は、一般的なMRAMの一部を簡略化して示す拡大斜視図である。ここでは、簡略化のために読み出し回路部分は省略し、1例として9個のメモリセルを示している。MRAMは、相互に交差するビット線11と書き込み用ワード線12を有し、これらの配線11と12が交差する層間に、TMR素子10がマトリックス状に配置されている。
FIG. 21 is an enlarged perspective view showing a part of a general MRAM in a simplified manner. Here, for the sake of simplicity, the read circuit portion is omitted, and nine memory cells are shown as an example. The MRAM has a
図22および16は、MRAMの等価回路図を示している。図22は全体の構成を示し、図23はその部分拡大図である。図23では、1例として6個のメモリセルを示しているが、ビット線11および書き込み用ワード線12の交差点には、TMR素子10と共に、TMR素子10に接続され、情報の読み出しの際に素子選択を行う電界効果トランジスタ15が配されている。更に、電界効果トランジスタ15のON、OFFを制御する読み出し用ワード線13、および読み出された情報を出力するセンスライン14が設けられている。そして、周辺回路部において、ビット線11にはビット線電流駆動回路16が接続され、書き込み用ワード線12には双方向の書き込み用ワード線電流駆動回路17が接続され、センスライン14には読み出された情報を検出するセンスアンプ18が接続されている。
22 and 16 show equivalent circuit diagrams of the MRAM. FIG. 22 shows the overall configuration, and FIG. 23 is a partially enlarged view thereof. In FIG. 23, six memory cells are shown as an example. At the intersection of the
TMR素子10への情報の書き込みは、ビット線11および書き込み用ワード線12に電流を流し、これらから発生する磁界の合成磁界によって、磁化自由層(記憶層)2の磁化方向を、磁化固定層4の磁化方向に対して「平行」または「反平行」に定めることによって行う。
Information is written to the
TMR素子10の磁化自由層(記憶層)2における磁界は、通常、磁化容易軸方向の磁界HEAがビット線11を流れる書き込み電流によって印加され、磁化困難軸方向の磁界HHAが書き込み用ワード線12を流れる書き込み電流によって印加され、これらの磁界HEAとHHAとのベクトル合成による合成磁界が作用する。
A magnetic field in the magnetization free layer (storage layer) 2 of the
MRAMでは、それぞれ一方のみでは磁化反転が起こらない強さの磁界HEA(<Hs)およびHHA(<Hs)を印加し、アステロイド磁化反転特性を利用して、電流を流しているビット線11と書き込み用ワード線12との交差点にあり、HEAとHHAの両磁界が共に作用するメモリセルにだけ磁性スピンの反転を起こさせ、書き込みを行うことが一般的である。以下、この原理を詳述する(US 6,081,445参照。)。
In the MRAM, a magnetic field H EA (<H s ) and H HA (<H s ) having a strength that does not cause magnetization reversal by only one of them is applied, and current is passed using the asteroid magnetization reversal characteristics. There at the intersection of the
図24は、情報書き込み動作時における、TMR素子の磁化自由層(記憶層)2の磁界応答特性を示すアステロイド曲線のグラフである。図24に示すように、磁化容易軸方向に印加された磁界HEAをHx(<Hs)とし、磁化困難軸方向に印加された磁界HHAをHy(<Hs)とすると、HxとHyとのベクトル和である合成磁界Hが磁化自由層(記憶層)2に作用し、この合成磁界Hがアステロイド曲線上の点Cに対応するしきい値Hcより大きく、アステロイド曲線の外部の領域Aに達する大きさであるとき、磁化自由層(記憶層)2の磁化方向を反転させることが可能となる。他方、ベクトル和がアステロイド曲線の内部にとどまる合成磁界Hは、磁化自由層(記憶層)2の磁化方向を反転させることができない。 FIG. 24 is an asteroid curve graph showing the magnetic field response characteristics of the magnetization free layer (memory layer) 2 of the TMR element during the information write operation. As shown in FIG. 24, when the magnetic field H EA applied in the easy axis direction is H x (<H s ) and the magnetic field H HA applied in the hard axis direction is H y (<H s ), H x and H y and a vector sum combined magnetic field H the magnetization free layer (storing layer) applied to the 2, greater than the threshold value H c of the combined magnetic field H corresponding to the point C on the asteroid curve, When the size reaches the area A outside the asteroid curve, the magnetization direction of the magnetization free layer (memory layer) 2 can be reversed. On the other hand, the synthetic magnetic field H in which the vector sum remains inside the asteroid curve cannot reverse the magnetization direction of the magnetization free layer (memory layer) 2.
上述の磁化方向反転特性は、磁化容易軸方向磁界HEAと磁化困難軸方向磁界HHAとが共に存在する場合には、磁化方向を反転させるのに必要な磁界の大きさが、それぞれが単独で作用する場合に比べて低減されると共に、ビット線11と書き込み用ワード線12の2本の書き込み線を用いることにより、両者の交差点にあるメモリセルのTMR素子10にだけ選択的に情報を書き込むことが可能になる原理を示している。
In the magnetization direction reversal characteristics described above, when both the easy magnetization axial magnetic field HEA and the difficult magnetization axial magnetic field HHA are present, the magnitude of the magnetic field required to reverse the magnetization direction is independent. And using two write lines of the
即ち、磁化容易軸方向又は磁化困難軸方向に単独の磁界が作用する場合、磁化反転に必要になる磁界のしきい値は、上記のアステロイド曲線の磁化容易軸(x軸)または磁化困難軸(y軸)上での値Hsである。従って、Hsより小さいHxやHyを作用させても、それぞれ単独では磁化自由層(記憶層)2の磁化方向を反転させることはできない。しかしながら、両者が共に作用する場合には、その合成磁界Hがアステロイド曲線上のしきい値Hcをこえてアステロイド曲線の外部の領域Aに達し、磁化自由層(記憶層)2の磁化方向を反転させることが可能である。 That is, when a single magnetic field acts in the direction of the easy axis or the hard axis, the threshold value of the magnetic field required for the magnetization reversal is the easy axis (x axis) or the hard axis of the asteroid curve. The value H s on the (y-axis). Therefore, even if H x or H y smaller than H s is applied, the magnetization direction of the magnetization free layer (storage layer) 2 cannot be reversed alone. However, if both acting together, the combined magnetic field H reaches the outside of the area A of the asteroid curve beyond the threshold H c on asteroid curve, the magnetization free layer (storing layer) 2 of the magnetization It is possible to reverse the direction.
この際、ビット線11を流れる書き込み電流によって、そのビット線11の下方に配置されたすべてのTMR素子10に、磁化容易軸方向磁界HEAであるHxが印加され、また、書き込み用ワード線12を流れる書き込み電流によって、その書き込み用ワード線12の上方に配置されたすべてのTMR素子10に、磁化困難軸方向磁界HHAであるHyが印加されるものの、ビット線11とワード線12の交差点にあるメモリセル以外のメモリセルでは、HxあるいはHyが単独で作用するのみであるので、情報の書き込みは起こらない。両者が共に作用して情報の書き込みが可能になるのは、ビット線11とワード線12の交差点にあるメモリセルに対してだけである。このようにして、ビット線11と書き込み用ワード線12とを用いることにより、両者の交差点にあるメモリセルにだけ選択的に情報を書き込むことが可能になる。
At this time, by a write current flowing through the
なお、HxまたはHyが一方向反転磁界Hsより大きいと、それが印加されるすべてのメモリセルに情報が書き込まれてしまう不都合が生じるから、HxおよびHyは、Hs未満でなければならない。従って、情報の書き込みのために磁化自由層(記憶層)2に印加する合成磁界の適切な領域は、図24に灰色で示した領域Aである。このため、合成磁界が図中の灰色の領域Aにおさまるように、ビット線11および書き込み用ワード線12に流す電流の大きさなどを調節する。
Note that if H x or H y is larger than the unidirectional reversal magnetic field H s , information is written to all the memory cells to which it is applied. Therefore, H x and H y are less than H s . There must be. Therefore, an appropriate region of the combined magnetic field applied to the magnetization free layer (storage layer) 2 for writing information is a region A shown in gray in FIG. For this reason, the magnitude of the current passed through the
図25は、MRAMのTMR素子10における情報の読み出し動作を説明するための概略断面図である。ここでは、TMR素子10の層構成を概略図示しており、前述した4〜6の磁化固定層を1つにまとめて示し、トップコート層1、反強磁性体層7および下地電極層8は図示を省略している。
FIG. 25 is a schematic cross-sectional view for explaining the information reading operation in the
TMR素子10に記録された情報の読み出しは、磁気抵抗効果の1種であるTMR効果を利用して行う。TMR効果とは、トンネルバリア層を挟んで対向している2つの磁性層間を流れるトンネル電流に対する抵抗が、2つの磁性層の磁性スピンの向きが「平行」であれば小さくなり、「反平行」であれば大きくなる現象である。
Reading of information recorded in the
具体的には、図25示すように、ビット線11から磁化自由層(記憶層)2、トンネルバリア層3および磁化固定層4〜6を貫いて流れるトンネル電流を供給し、上記の抵抗の大小に対応した読み出し電流を下地電極層8から取り出し、読み出し電流の大小によって2つの磁性層の磁性スピンの向きを検出する。
Specifically, as shown in FIG. 25, a tunnel current flowing from the
即ち、図25の左図に示すように、磁化自由層(記憶層)2と磁化固定層4との磁化の方向が「平行」で、磁性スピンが揃っている場合には、これら2つの層の間の抵抗は小さく、大きな読み出し電流がトンネルバリア層3を貫いて流れる。他方、図25の右図に示すように、磁化自由層(記憶層)2と磁化固定層4との磁化の方向が「反平行」で、磁性スピンが逆向きの場合には、これら2つの層の間の抵抗は大きく、トンネルバリア層3を貫いて流れる読み出し電流は小さい。
That is, as shown in the left diagram of FIG. 25, when the magnetization directions of the magnetization free layer (storage layer) 2 and the magnetization fixed
図26を用いて後述するように、TMR素子10の下地電極層8は、読み出し用配線19によって読み出し用トランジスタ15のドレイン電極23へ接続され、読み出し用トランジスタ15のソース電極27はセンスライン14へ接続されている。従って、MRAMの読み出し動作時には、駆動電流が印加されたビット線11へ接続されているTMR素子10のうち、ゲート電極(読み出し用ワード線)13への制御信号の印加によって選択されたTMR素子10の読み出し電流のみが、読み出し用電界効果トランジスタ15を介してセンスライン14へ出力される。このように電界効果トランジスタ15は、TMR素子10に記憶されている情報を選択的に読み出すためのスイッチング素子として機能する。
As will be described later with reference to FIG. 26, the
図26(A)は、従来のMRAMの典型的なアーキテクチャを模式的に示す、メモリ部と周辺回路部との境界領域の要部断面図である。 FIG. 26A is a cross-sectional view of an essential part of a boundary region between a memory portion and a peripheral circuit portion, schematically showing a typical architecture of a conventional MRAM.
図26(A)の左側部分は、メモリ部に配置される多数のメモリセルの1つを示している。各メモリセルの下部には、例えばp型シリコン半導体基板27内に形成されたp型ウェル領域28に、ドレイン電極22、ドレイン領域23、ゲート電極13、ゲート絶縁膜24、ソース領域25、そしてソース電極26よりなるn型の読み出し用電界効果トランジスタ15が設けられ、その上部にセンスライン14、書き込み用ワード線12、TMR素子10およびビット線11が配置されている。
The left portion of FIG. 26A shows one of a large number of memory cells arranged in the memory portion. Under each memory cell, for example, a p-
TMR素子10は、層間絶縁膜50の上に、スパッタ法などによって、例えば、下地電極層8としてタンタル層、反強磁性体層7として白金のマンガン合金層、第2の磁化固定層6として鉄とコバルトの合金層、磁性層を反強磁性的に結合する導体層5としてルテニウム層、第1の磁化固定層4として鉄とコバルトの合金層、トンネルバリア層3として酸化アルミニウム層、磁化自由層2として鉄とコバルトとホウ素との合金層CoFe−30B、トップコート層1としてタリウム層を積層して形成されている。
The
TMR素子10を形成している層4〜8の一部は、読み出し用配線19の形状にパターニングされて配線も兼ねており、この読み出し用配線19は、TMR素子10の読み出し電流を、読み出し用接続孔20と読み出し用ランド21を経て、読み出し用トランジスタ15のドレイン電極22に伝達する働きをする。
A part of the
読み出し用トランジスタ15のゲート電極13は、各セルのゲート電極13が帯状に連結して形成され、読み出し用ワード線13を兼ねている。また、ソース電極26はセンスライン14に接続されている。前述したように、電界効果トランジスタ15は、ゲート電極(読み出し用ワード線)13に所定の制御信号が印加されと、そのセルのTMR素子10の読み出し電流をセンスライン14に送り出すスイッチング素子として機能する。なお、トランジスタ15は、n型又はp型電界効果トランジスタであってよいが、その他、ダイオード、バイポーラトランジスタ、MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)等、各種のスイッチング素子を用いることができる。
The
一方、図26(A)の右側部分は、周辺回路部に形成された周辺回路トランジスタ30の一例を示している。周辺回路トランジスタ30は、具体的には、図23に示したビット線電流駆動回路16や、書き込み用ワード線電流駆動回路17や、センスアンプ18などを構成している。例えば、図26(A)に示した周辺回路トランジスタ30は、ビット線電流駆動回路16を構成している。
On the other hand, the right part of FIG. 26A shows an example of the
図26(B)と(c)は、TMR素子10へ電気的接続を形成する他の方法を示している。図26(B)は、ビット線11をトップコート層1に直接接続する代わりに、接続プラグを介して接続するようにした例である。また、図26(c)は、読み出し用配線19の別の形態を示すもので、読み出し用プラグ20を設ける代わりに、読み出し用ランド21の上部に形成した開口部に読み出し用配線19の構成層を直接埋め込み、読み出し用ランド21との接続を形成した例である。
FIGS. 26B and 26C show another method of forming an electrical connection to the
図26のメモリ装置は、集積回路技術の標準的な材料と方法によって作製される。例えば、ビット線11や書き込み用ワード線12などの配線の形成には、銅やアルミニウムなど、一般的な半導体プロセスで使用されている配線用金属材料が用いられ、銅配線であれば、ダマシン法によって、アルミニウム配線であれば、スパッタ法による膜形成とリソグラフィ技術とドライエッチングによるパターニングによって、形成される。また、電極や接続孔などのプラグ類は、タングステンの埋め込みなどで形成される。
The memory device of FIG. 26 is fabricated by standard materials and methods of integrated circuit technology. For example, a wiring metal material used in a general semiconductor process, such as copper or aluminum, is used for forming the wiring such as the
なお、書き込み用ワード線12の拡大図に示すように、銅配線では、銅イオンの拡散を防ぐバリア層(拡散防止膜)としてタンタル層や窒化タンタル層が用いられるが、図をわかりやすくするため、本明細書の図面では、バリア層の図示を省略する。タングステン電極やタングステンプラグでバリア層として用いられる窒化チタン層なども、同様に図示を省略する。
As shown in the enlarged view of the
また、通常、層間絶縁膜は、酸化シリコン膜をCVD(Chemical Vapor Deposition)法で形成し、拡散防止膜は窒化シリコン膜をCVD法で形成する。 In general, a silicon oxide film is formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method as an interlayer insulating film, and a silicon nitride film is formed by a CVD method as a diffusion prevention film.
上述したように、MRAMは、トンネルバリア層3を2つの強磁性層、磁化自由層2と磁化固定層4〜6とで挟んだTMR素子を、交差して配置されたビット線11と書き込み用ワード線12の交差領域にマトリックス状に配置した基本構造をもち、読み出し用のセル選択スイッチ(MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ15など)を各メモリセルに設けたものである。この構造は、IBM社やMotorola社などにより、試作結果が広く報告されている(後述の特許文献1〜3など参照。)。
As described above, in the MRAM, the
このMRAMの書き込みは、ビット線11と書き込み用ワード線12に流す電流によって発生する磁界により、その交差点にあるTMR素子10に選択的にデータを書き込む電流磁場書き込みという特徴を有する。
This MRAM writing is characterized by current magnetic field writing in which data is selectively written into the
TMR素子を用いるメモリ装置、例えばMRAMの高集積化を進め、メモリ装置を実用化するための課題として、TMR素子の書き込み電流を低減することが求められている。10mA以下、より好ましくは1mA以下のできるだけ小さな書き込み電流による書き込みを可能にするためには、ビット線11および書き込み用ワード線12を流れる電流が磁化自由層2において磁界を生成する効率を高めることが必要である。例えば、図26に示した磁気メモリ装置では、ビット線11(後述の第1配線)および書き込み用ワード線12(後述の第2配線)とTMR素子10の磁化自由層2との距離(図26のxおよびy)をできるだけ小さくすること、より具体的には、(拡散防止膜49を含めた)層間絶縁膜50(後述の第2絶縁膜)の厚さ、および層間絶縁膜54(後述の第1絶縁膜)の厚さをできるだけ薄くすることが求められ、このための種々の施策が工夫されている。
As a problem for increasing the degree of integration of a memory device using a TMR element, for example, an MRAM and putting the memory device into practical use, it is required to reduce the write current of the TMR element. In order to enable writing with the smallest possible write current of 10 mA or less, more preferably 1 mA or less, the current flowing through the
一方、MRAMの周辺回路部では、既に、ビット線11および書き込み用ワード線12などに流す電流を高速で操作し、TMR素子10の高速動作を可能にする既存の技術が確立されている。
On the other hand, in the peripheral circuit portion of the MRAM, an existing technique has already been established that enables high-speed operation of the
ところが、図26に示した従来の磁気メモリ装置では、メモリ部のビット線11および書き込み用ワード線12と、ビット線11を駆動する周辺回路部の上部接続配線103(後述の第3配線)および下部接続配線38(後述の第4配線)とが、それぞれ同じ絶縁層、即ち層間絶縁膜202および46に形成されているため、周辺回路部の上部接続配線103と下部接続配線38との距離Lと上記xとyとの間には、
L=x+y
の関係があり、TMR素子10の低消費電力化および高集積化を目指して、層間絶縁膜50及び/又は層間絶縁膜54の厚さを薄くしてx及び/又はyを減少させると、周辺回路の接続配線間の距離Lも必然的に小さくなり、接続配線間の寄生容量の増大による回路遅延の増大などの問題が生じ、メモリ装置の低消費電力化および高集積化と、メモリ装置の高速動作とが両立し得ないという問題が生じる。
However, in the conventional magnetic memory device shown in FIG. 26, the
L = x + y
If the thickness of the
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、メモリ装置の低消費電力化および高集積化と、メモリ装置の高速動作とが両立し得る構造を有する磁気メモリ装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and an object of the present invention is to provide a magnetic device having a structure in which low power consumption and high integration of a memory device and high-speed operation of the memory device can be compatible. It is to provide a memory device.
即ち、本発明は、磁化方向が固定された磁化固定層と、トンネルバリア層と、磁化方向の変化が可能な磁化自由層とが積層されてなるトンネル磁気抵抗効果素子によって磁気メモリ素子が構成され、この磁気メモリ素子からなるメモリ部を有し、前記トンネル磁気抵抗効果素子に接続された第1配線(例えば、後述のビット線11)が、前記トンネル磁気抵抗効果素子との接続部以外に設けられた第1絶縁層(例えば、後述の層間絶縁膜54)を介して形成され、かつ、前記第1配線とは反対側に第2絶縁層(例えば、後述の層間絶縁膜50)を介して前記トンネル磁気抵抗効果素子に第2配線(例えば、後述の書き込み用ワード線12)が対向配置され、前記第1配線と前記第2配線とを用いて前記トンネル磁気抵抗効果素子へ書き込みを行うように構成された磁気メモリ装置において、
前記第1配線が、前記第1絶縁層とは離間した状態で形成された第3配線(例えば、 後述の上部接続配線65)に接続されて周辺回路部へ導かれていることと、
前記第2配線が、前記第2絶縁層とは離間した状態で形成された第4配線(例えば、 後述の下部接続配線38又は92)に接続されて周辺回路部へ導かれていることと
の少なくとも一方を構成とすることを特徴とする、磁気メモリ装置に係わるものである。
That is, according to the present invention, a magnetic memory element is configured by a tunnel magnetoresistive effect element in which a magnetization fixed layer with a fixed magnetization direction, a tunnel barrier layer, and a magnetization free layer capable of changing the magnetization direction are stacked. A first wiring (for example, a
The first wiring is connected to a third wiring (for example, an upper connection wiring 65 described later) formed in a state of being separated from the first insulating layer and led to the peripheral circuit portion;
The second wiring is connected to a fourth wiring (for example, a
本発明によれば、前記トンネル磁気抵抗効果素子に接続された第1配線が、前記トンネル磁気抵抗効果素子との接続部以外に設けられた第1絶縁層を介して形成され、かつ、前記第1配線とは反対側に絶縁層を介して前記トンネル磁気抵抗効果素子に第2配線が対向配置されるので、前記第1絶縁層および前記第2絶縁層の厚さを減らすことで、前記第1配線および前記第2配線と前記トンネル磁気抵抗効果素子の磁化自由層との距離を縮め、前記第1配線および前記第2配線を流れる電流が前記磁化自由層において磁界を生成する効率を高め、メモリ装置の低消費電力化および高集積化を実現することができる。 According to the present invention, the first wiring connected to the tunnel magnetoresistive effect element is formed via the first insulating layer provided in a portion other than the connection part with the tunnel magnetoresistive effect element, and the first Since the second wiring is disposed opposite to the tunnel magnetoresistive element through the insulating layer on the side opposite to the first wiring, the thickness of the first insulating layer and the second insulating layer can be reduced by reducing the thickness of the first insulating layer and the second insulating layer. Reducing the distance between the one wiring and the second wiring and the magnetization free layer of the tunnel magnetoresistive element, and increasing the efficiency with which the current flowing through the first wiring and the second wiring generates a magnetic field in the magnetization free layer; Low power consumption and high integration of the memory device can be realized.
一方、前記第1配線が、前記第1絶縁層とは離間した状態で形成された第3配線に接続されて周辺回路部へ導かれていることと、前記第2配線が、前記第2絶縁層とは離間した状態で形成された第4配線に接続されて周辺回路部へ導かれていることとの、少なくとも1方を構成の必要条件としているため、前記第3配線と前記第4配線との間に十分な距離を設け、両配線間の寄生容量を低減させることができ、回路遅延を抑え、メモリ装置の高速動作を可能にすることができる。 On the other hand, the first wiring is connected to a third wiring formed in a state of being separated from the first insulating layer and led to a peripheral circuit portion, and the second wiring is connected to the second insulation. The third wiring and the fourth wiring are defined as at least one of the requirements for being connected to the fourth wiring formed in a state of being separated from the layer and being led to the peripheral circuit portion. A sufficient distance can be provided between the wiring lines and the parasitic capacitance between both wirings can be reduced, the circuit delay can be suppressed, and the memory device can be operated at high speed.
上記のように、本発明の磁気メモリ装置によれば、メモリ装置の低消費電力化および高集積化と、メモリ装置の高速動作とを両立させることができる。 As described above, according to the magnetic memory device of the present invention, both low power consumption and high integration of the memory device and high-speed operation of the memory device can be achieved.
本発明において、前記第1配線又は/及び前記第2配線が、これらを埋設した絶縁層(例えば、後述の層間絶縁膜56又は46)を介して形成された前記第3配線又は/及び前記第4配線と接続されているのがよい。前記第3配線又は/及び前記第4配線が、前記第1配線および前記第2配線を埋設した前記絶縁層を介して形成されていると、前記第3配線と前記第4配線との間に、前記第1配線と前記第2配線との距離よりも大きな距離が確保される。
In the present invention, the first wiring and / or the second wiring is formed through the insulating layer (for example, an
この際、前記絶縁層と前記第1配線又は/及び前記第2配線とが同一レベル位置に存在しているのがよい。このようになっていると、前記第1配線と前記第3配線、又は前記第2配線と前記第4配線とが直接重なり合う関係になり、間に層間絶縁膜や接続孔を設けることなく両者を接続することができ、作製工程が少なくなる利点がある。 At this time, it is preferable that the insulating layer and the first wiring or / and the second wiring exist at the same level. In this case, the first wiring and the third wiring, or the second wiring and the fourth wiring are directly overlapped with each other without providing an interlayer insulating film or a connection hole therebetween. There is an advantage that it can be connected and the number of manufacturing steps is reduced.
あるいは、前記絶縁層上又は下に形成された別の絶縁層(例えば、後述の層間絶縁膜72)に接続孔が設けられこの接続孔を介して前記第1配線と前記第3配線、又は/及び、前記第2配線と前記第4配線とが接続されているのもよい。このようになっていると、前記別の絶縁層の厚さや材質を適宜選ぶことで、前記第3配線と前記第4配線との間の距離や寄生容量を調節することができる利点がある。 Alternatively, a connection hole is provided in another insulating layer (for example, an interlayer insulating film 72 described later) formed on or below the insulating layer, and the first wiring and the third wiring, or / In addition, the second wiring and the fourth wiring may be connected. With this configuration, there is an advantage that the distance and the parasitic capacitance between the third wiring and the fourth wiring can be adjusted by appropriately selecting the thickness and material of the other insulating layer.
また、少なくとも前記第1配線及び/又は前記第2配線が、前記トンネル磁気抵抗効果素子に対向する面以外の面の、少なくとも一部において、磁性層で被覆されているのがよい。これによって、前記第1配線及び/又は前記第2配線を流れる電流によって生じる磁束が前記トンネル磁気抵抗効果素子に集められ、より少ない電流で必要な強さの磁界が形成される。前記磁性層は、前記第1配線又は/及び前記第2配線に形成されるのがよく、前記第3配線又は/及び前記第4配線には必要がない。前記磁性層の形成を別工程で前記メモリ部に限定して行うことで、既に確立されている前記周辺回路部での配線形成に影響を与えることを防止でき、例えば配線を含む部分の切断加工等が容易になる。 In addition, at least the first wiring and / or the second wiring may be covered with a magnetic layer on at least a part of the surface other than the surface facing the tunnel magnetoresistive element. As a result, the magnetic flux generated by the current flowing through the first wiring and / or the second wiring is collected in the tunnel magnetoresistive effect element, and a magnetic field having a required strength is formed with a smaller current. The magnetic layer may be formed on the first wiring and / or the second wiring, and is not necessary for the third wiring or / and the fourth wiring. By limiting the formation of the magnetic layer to the memory unit in a separate process, it is possible to prevent the already formed wiring formation in the peripheral circuit unit from being affected. For example, cutting of a part including the wiring Etc. becomes easy.
また、前記第1配線と前記第2配線とが交差して配置され、その交差領域に前記トンネル磁気抵抗効果素子が配置されているのがよい。また前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に前記トンネルバリア層が挟持され、前記第1配線としてのビットライン及び前記第2配線としてのワードラインにそれぞれ電流を流すことによって誘起される磁界で前記磁化自由層を所定方向に磁化して情報を書き込み、この書き込み情報を前記トンネルバリア層を介してのトンネル磁気抵抗効果によって読み出すように構成されているのもよい。これらは、MRAMの標準的な構成である。 Further, it is preferable that the first wiring and the second wiring are arranged so as to intersect with each other, and the tunnel magnetoresistive effect element is disposed in the intersecting region. The tunnel barrier layer is sandwiched between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer, and a magnetic field is induced by flowing a current through the bit line as the first wiring and the word line as the second wiring. Then, the magnetization free layer may be magnetized in a predetermined direction to write information, and the written information may be read by a tunnel magnetoresistance effect through the tunnel barrier layer. These are standard configurations of MRAM.
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
実施の形態1
図1は、実施の形態1に基づく磁気メモリ装置の構造を示す概略断面図である。この磁気メモリ装置は、図26に示した従来例の磁気メモリ装置と対比されるべきものである。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the magnetic memory device according to the first embodiment. This magnetic memory device should be compared with the conventional magnetic memory device shown in FIG.
図26と同様、図1はメモリ部と周辺回路部との境界領域の要部断面図であり、左側部分にメモリ部の構造が示され、右側部分に周辺回路部の構造が示されている。メモリ部の構造は図26と同一であり、周辺回路部の構造のみが異なっている。 As in FIG. 26, FIG. 1 is a cross-sectional view of the main part of the boundary region between the memory unit and the peripheral circuit unit, showing the structure of the memory unit on the left side and the structure of the peripheral circuit unit on the right side. . The structure of the memory portion is the same as that in FIG. 26, and only the structure of the peripheral circuit portion is different.
前述したように、図26に示した磁気メモリ装置では、メモリ部において、ビット線11(前記第1配線)がTMR素子10を埋め込んだ層間絶縁膜54(前記第1絶縁層)を介して形成され、かつ、ビット線11の反対側に、層間絶縁膜50(前記第2絶縁層)を介して書き込み用ワード線12(前記第2配線)が対向配置される一方、周辺回路部においても、ビット線11がそのまま延長され、ビット線11に接続する周辺回路部の上部接続配線103(前記第3配線)が形成されていた。
As described above, in the magnetic memory device shown in FIG. 26, in the memory portion, the bit line 11 (the first wiring) is formed via the interlayer insulating film 54 (the first insulating layer) in which the
その結果、既述したように、ビット線11(前記第1配線)および書き込み用ワード線12(前記第2配線)と、周辺回路部の上部接続配線103(前記第3配線)および下部接続配線38(前記第4配線)とが、それぞれ同じ絶縁層、即ち層間絶縁膜202および46に設けられているため、ビット線11および書き込み用ワード線12とTMR素子10の磁化自由層2との距離をそれぞれxおよびyとし、周辺回路部の上部接続配線103と下部接続配線38との距離Lとすると、
L=x+y
の関係があり、メモリ装置の低消費電力化および高集積化と、メモリ装置の高速動作とが両立し得ないという問題が生じていた。
As a result, as described above, the bit line 11 (the first wiring) and the write word line 12 (the second wiring), the upper connection wiring 103 (the third wiring) and the lower connection wiring in the peripheral circuit portion. 38 (the fourth wiring) are respectively provided in the same insulating layer, that is, the
L = x + y
Therefore, there has been a problem that the low power consumption and high integration of the memory device cannot be compatible with the high speed operation of the memory device.
それに対し、本実施の形態に基づく磁気メモリ装置では、周辺回路部において、上部接続配線65(第3配線)が、拡散防止膜55と層間絶縁膜56と拡散防止膜59とを間に挟んで、層間絶縁膜54(前記第1絶縁層)とは離間した状態で上部に形成され、これにビット線11が接続されているので、周辺回路部の上部接続配線65(前記第3配線)および下部接続配線38(前記第4配線)との距離Lは、
L=x+y+l
となる。但し、lは、拡散防止膜55と層間絶縁膜56と拡散防止膜59との膜厚の合計である。
On the other hand, in the magnetic memory device according to the present embodiment, in the peripheral circuit portion, the upper connection wiring 65 (third wiring) sandwiches the
L = x + y + l
It becomes. However, l is the total thickness of the
従って、ビット線11および書き込み用ワード線12とTMR素子10の磁化自由層2との距離(xおよびy)をできるだけ縮めることにより、ビット線11および書き込み用ワード線12を流れる電流が磁化自由層2において磁界を生成する効率を向上させ、メモリ装置の低消費電力化および高集積化をおこなっても、適切な膜厚の層間絶縁膜56を設けておけば、周辺回路部における上部接続配線65(前記第3配線)と下部接続配線38(前記第4配線)との間に十分な距離Lを確保できるので、寄生容量の増加による回路遅延の問題は生ぜず、メモリ装置の高速動作と両立させることができる。
Therefore, by reducing the distance (x and y) between the
以下、本実施の形態に基づく磁気メモリ装置の他の部分の説明を行い、その製造方法を説明する。 Hereinafter, other parts of the magnetic memory device according to the present embodiment will be described and the manufacturing method thereof will be described.
図1の左側部分は、メモリ部に配置される多数のメモリセルの1つを示している。各メモリセルには、図26に示した従来例の磁気メモリ装置と同様に、例えばp型シリコン半導体基板27内に形成されたp型ウェル領域28に、ドレイン電極22、ドレイン領域23、ゲート電極13、ゲート絶縁膜24、ソース領域25、そしてソース電極26よりなるn型の読み出し用電界効果型トランジスタ15が設けられ、その上部にセンスライン14、書き込み用ワード線12、TMR素子10、ビット線11が配置されている。
The left part of FIG. 1 shows one of a number of memory cells arranged in the memory unit. Each memory cell includes a drain electrode 22, a
TMR素子10は、磁化が比較的容易に反転する磁化自由層(記憶層)2と磁化固定層との2つの磁性層の間にトンネルバリア層3を挟んだ構造で形成されており、2つの磁性層の相対磁化方向により記憶を行い、この相対磁化方向の違いによってトンネルバリア層を流れる電流の強度が変化することを利用して読み出しを行う記憶素子である。
The
TMR素子10は、ここでは細部の図示は省略したが、図13を用いて既述したように、タリウムなどによる下地電極層8/鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウムなどのマンガン合金や、コバルトやニッケル酸化物などによる反強磁性体層7/ニッケル、鉄又はコバルト、或いはこれらの合金からなる強磁性体による第2の磁化固定層6/ルテニウム、銅、クロム、金、銀などによる導体層5/ニッケル、鉄又はコバルト、或いはこれらの合金からなる強磁性体による第1の磁化固定層4/アルミニウム、マグネシウム、シリコン等の酸化物又は窒化物等からなる絶縁体によるトンネルバリア層3/ニッケル、鉄又はコバルト、或いはこれらの合金からなる強磁性体による磁化自由層2/銅、タンタル、窒化チタンなどによるトップコート層1が基板の上に積層された構造を有する。
The
磁化固定層は第1の磁化固定層4と第2の磁化固定層6の2つの磁化固定層を持ち、これらの間には、これらの磁性層が反強磁性的に結合するような導体層5が配置され、第2の磁化固定層6は反強磁性体層7と接しており、これらの層間に働く交換相互作用によって、第2の磁化固定層6は強い一方向の磁気異方性を持ち、第1の磁化固定層4と第2の磁化固定層6の磁化方向は固定されている。
The magnetization fixed layer has two magnetization fixed layers of a first magnetization fixed
また、磁化自由層2と第1の磁化固定層4との間には、アルミニウム、マグネシウム、シリコン等の酸化物又は窒化物等からなる絶縁体によるトンネルバリア層3が挟持されており、磁化自由層2と磁化固定層4との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための役割を担う。これらの磁性層及び導体層は主にスパッタ法により形成されるが、トンネルバリア層3は、スパッタ法で形成された金属膜を酸化もしくは窒化させることにより得ることができる。
Further, between the magnetization free layer 2 and the first magnetization fixed
トップコート層1には、TMR素子10とこのTMR素子に接続される配線との相互拡散防止、接触抵抗低減及び磁化自由層2の酸化防止という役割がある。
The
図1に示したTMR素子10は、層間絶縁膜50を基板として形成され、層4〜8の一部は読み出し用配線19の形状にパターニングされ、配線も兼ねている。読み出し用配線19は、TMR素子10の読み出し電流を、読み出し用接続孔20と読み出し用ランド21を経て、読み出し用トランジスタ15のドレイン電極22に伝達する働きをする。
The
TMR素子10への書き込みは、ビット線11および書き込み用ワード線12に電流を流し、これらから発生する磁界の合成磁界によって、ビット線11と書き込み用ワード線12との交点にあるメモリセルのTMR素子10の磁化自由層(記憶層)2の磁化方向を、磁化固定層に対して「平行」又は「反平行」とすることによって行い、この向きを情報の“0”と“1”に対応させる。
In writing to the
メモリセルにおける磁界は、磁化容易軸方向の磁界HEAがビット線11を流れる書き込み電流によって印加され、磁化困難軸方向の磁界HHAが書き込み用ワード線12を流れる書き込み電流によって印加され、これらの磁界HEAとHHAとのベクトル合成によって合成磁界が与えられる。
The magnetic field in the memory cell is applied by the write current flowing through the
図24は、MRAMの書き込み条件を示すアステロイド曲線であり、印加された磁界HEAおよびHHAによって磁化自由層(記憶層)2の磁化方向の反転が起こるしきい値を示している。このアステロイド曲線の外部に相当する合成磁界が発生すると、磁化反転が可能になるが、アステロイド曲線の内部の合成磁界では、磁化自由層(記憶層)2の磁化方向を一方から他方へ反転させることはできない。MRAMでは、磁界HEAおよびHHAの一方のみでは磁化反転が起こらない磁界HEAおよびHHAを印加し、アステロイド磁化反転特性を利用して、指定されたメモリセルだけに磁性スピンの反転を起こさせ、書き込みを行う。 FIG. 24 is an asteroid curve showing the write condition of the MRAM, and shows the threshold value at which the magnetization direction of the magnetization free layer (memory layer) 2 is reversed by the applied magnetic fields HEA and HHA . When a synthetic magnetic field corresponding to the outside of the asteroid curve is generated, magnetization reversal is possible. However, in the synthetic magnetic field inside the asteroid curve, the magnetization direction of the magnetization free layer (memory layer) 2 is reversed from one to the other. I can't let you. In MRAM, magnetic fields H EA and H HA that do not cause magnetization reversal with only one of magnetic fields H EA and H HA are applied, and magnetic spin reversal is applied only to specified memory cells using asteroid magnetization reversal characteristics. Wake up and write.
但し、電流を流しているビット線11および書き込み用ワード線12の交点以外のセルにおいても、ビット線11または書き込み用ワード線12単独で発生する磁界が印加されるため、それらの大きさが一方向反転磁界HK以上の場合は、交点以外のセルの磁化方向も反転してしまう。このため、ビット線11または書き込み用ワード線12単独で発生する磁界では磁化自由層(記憶層)2の磁化方向の反転が起こらないように、ビット線11および書き込み用ワード線12に流す電流の大きさなどを、合成磁界が図中の灰色の領域におさまるように調整する。
However, since the magnetic field generated by the
情報の読み出しは、磁気抵抗効果を応用したTMR効果を利用して行い、トンネルバリア層2を挟んだ磁化自由層(記憶層)2と磁気固定層4〜7との間にビット線11から電流(トンネル電流)を流し、上記の抵抗の高低に応じた出力電流を、読み出し用電界効果トランジスタ15を介してセンスライン14に取り出すことによって行う。
Information is read using the TMR effect using the magnetoresistive effect, and current is supplied from the
次に、図1に示したMRAMの作製工程のフローを図2〜図9の概略断面図により説明する。書き込み用ワード線12、読み出し用ランド21、周辺回路トランジスタ30のドレイン電極用ランド37および下部接続配線38などの配線層の材料としては、銅やアルミニウムなど、一般的な半導体プロセスで使用されている配線用金属材料を用いることができる。
Next, the flow of the manufacturing process of the MRAM shown in FIG. 1 will be described with reference to the schematic sectional views of FIGS. Materials for wiring layers such as the
初めに、図2(a)〜図4(j)において、基板上にトランジスタを形成し、その上に積層した絶縁膜に下部配線を形成する。 First, in FIGS. 2A to 4J, a transistor is formed on a substrate, and a lower wiring is formed in an insulating film stacked thereon.
まず、図2(a)に示すように、公知の半導体技術によって半導体基板のウェル領域28に読み出し用MOS電界効果トランジスタ15と周辺回路電界効果トランジスタ30の要部を形成する。
First, as shown in FIG. 2A, the main parts of the read MOS
例えば、シリコン基板のp型領域28の表面に酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングを施し、露出させた非活性領域にSTI(Shallow Trench Isolation)またはLOCOS(Local Oxidation of Silicon)による酸化膜41による分離構造を形成する。次に、積層膜を除去後、熱酸化法により酸化シリコン膜を形成し、この上にCVD(Chemical Vapor Deposition)法により多結晶シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングしてゲート電極13と33とを形成する。続いてゲート電極13と33をマスクにしてゲート絶縁膜24と34以外の酸化シリコン膜をエッチング除去する。その後、Nチャネル領域にリンやヒ素などをイオン注入してドレイン領域22と32およびソース領域25と35とを形成する。
For example, after a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film is formed on the surface of the p-
次に、図2(b)に示すように、CVD法により層間絶縁膜42として酸化シリコン膜を堆積させ、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングして、層間絶縁膜42に開口部43を形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, a silicon oxide film is deposited as the
次に、図2(c)に示すように、バリア層として窒化チタンの薄膜(図示省略)をスパッタ法によって表面に形成した後、CVD法によりタングステンなどを開口部43に埋め込み、その後、表面をCMP(Chemical and Mechanical Polishing:化学的機械的研磨)法により平坦化して、タングステンプラグからなるソース電極26を形成する。この際、CMPは、開口部43以外に付着した窒化チタンの薄膜を完全に除き得るところまで行うものとする(以下、同様。)。
Next, as shown in FIG. 2C, a titanium nitride thin film (not shown) is formed on the surface as a barrier layer by a sputtering method, and then tungsten or the like is buried in the
次に、図2(d)に示すように、スパッタ法や蒸着法によりアルミニウムなどの薄膜を形成し、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングして、センスライン14を形成する。
Next, as shown in FIG. 2D, a thin film made of aluminum or the like is formed by sputtering or vapor deposition, and patterning is performed by photolithography and dry etching to form the
次に、図3(e)に示すように、その上にCVD法により層間絶縁膜44として酸化シリコン膜などを堆積させ、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングして、層間絶縁膜44と42を貫通する開口部45を形成する。
Next, as shown in FIG. 3E, a silicon oxide film or the like is deposited thereon as the
次に、図3(f)に示すように、図2(c)の場合と同様にして、バリア層として窒化チタンの薄膜(図示省略)を、層間絶縁膜44の全面にスパッタ法によって形成した後、CVD法によりタングステンなどを開口部43に埋め込み、その後、表面をCMP法によって平坦化して、タングステンプラグからなるドレイン電極22、ドレイン電極31およびソース電極36を形成する。
Next, as shown in FIG. 3F, a titanium nitride thin film (not shown) is formed as a barrier layer on the entire surface of the
次に、図3(g)に示すように、CVD法により層間絶縁膜46として酸化シリコン膜を堆積させ、フォトリソグラフィとドライエッチングによりパターニングして、層間絶縁膜46に配線溝47と開口部48を形成する。
Next, as shown in FIG. 3G, a silicon oxide film is deposited as an
次に、図3(h)に示すように、バリア層としてタンタルまたは窒化タンタルの薄膜(図示省略)を層間絶縁膜46の全面にスパッタ法によって形成した後、CVD法により配線溝47と開口部48に銅を埋め込む。続いて、CMP法により表面を平坦化して、書き込み用ワード線12、読み出し用ランド21、周辺回路トランジスタ30のドレイン電極用ランド37および下部接続配線38を形成する。銅の埋め込みは、銅めっきによって行ってもよい。
Next, as shown in FIG. 3H, a thin film (not shown) of tantalum or tantalum nitride is formed as a barrier layer on the entire surface of the
銅ではなくアルミニウムを用いる場合には、図2(d)の場合と同様に、スパッタ法や蒸着法によりアルミニウムなどの薄膜を形成し、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングして、書き込み用ワード線12、読み出し用ランド21、周辺回路トランジスタ30のドレイン電極用ランド37および下部接続配線38を形成した後、CVD法により酸化シリコンからなる層間絶縁膜46を形成し、表面をエッチバックにより平坦化する。
When aluminum is used instead of copper, a thin film such as aluminum is formed by sputtering or vapor deposition, and patterned by photolithography and dry etching, as in the case of FIG. 12. After forming the read
次に、図4(i)に示すように、銅イオンの拡散を防止する拡散防止膜49として窒化シリコン膜をCVD法により形成した後、層間絶縁膜50として酸化シリコン膜をCVD法によって堆積させ、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングして、開口部51を形成する。
Next, as shown in FIG. 4I, after a silicon nitride film is formed by the CVD method as the
次に、図4(j)に示すように、図2(c)や図3(f)の場合と同様にして、バリア層として窒化チタンの薄膜(図示省略)を、層間絶縁膜50の全面にスパッタ法によって形成した後、CVD法によりタングステンなどを開口部51に埋め込み、その後、表面をCMP法によって平坦化して、タングステンプラグからなる読み出し用プラグ20を形成する。読み出し用プラグ20は、次に形成するTMR素子10と読み出し用トランジスタ15とを接続するための接続孔である。
Next, as shown in FIG. 4 (j), a titanium nitride thin film (not shown) is used as a barrier layer on the entire surface of the
以上で下部配線の形成を終わり、次に、図4(k)〜図5(n)において、層1〜8からなるTMR素子10を形成し、あわせて層4〜8の一部をパターニングして読み出し用配線19を形成する。
With the above, the formation of the lower wiring is completed. Next, in FIGS. 4 (k) to 5 (n), the
まず、図4(k)に示すように、スパッタ法などによって全面に、例えば、下地電極層8としてタンタル層/反強磁性体層7として白金などのマンガン合金層/第2の磁化固定層6として鉄とコバルトの合金層/磁性層を反強磁性的に結合する導体層5としてルテニウム層/第1の磁化固定層4として鉄とコバルトの合金層/トンネルバリア層3として酸化アルミニウム層/磁化自由層2として鉄とコバルトとホウ素との合金層CoFe−30B/トップコート層1としてタリウム層を積層し、TMR素子10を構成する各層を形成する。
First, as shown in FIG. 4K, the entire surface is formed by sputtering or the like, for example, a tantalum layer as the
トンネルバリア層3は、スパッタ法で形成された金属膜を酸化もしくは窒化させることにより得ることができる。また、トップコート層1は、TMR素子10とこのTMR素子に接続される配線との相互拡散防止、接触抵抗低減及び磁化自由層2の酸化防止という役割がある。
The tunnel barrier layer 3 can be obtained by oxidizing or nitriding a metal film formed by sputtering. Further, the
次に、図5(l)に示すように、フォトリソグラフィ技術によりレジストマスク52を形成し、レジストマスク52をマスクとしてドライエッチングにより、トップコート層1をTMR素子の形状に加工する。
Next, as shown in FIG. 5L, a resist mask 52 is formed by photolithography, and the
次に、図5(m)に示すように、トップコート層1をマスクとして、記憶層2及びトンネルバリア層3をエッチングして、TMR素子の形状に加工する。
Next, as shown in FIG. 5 (m), the memory layer 2 and the tunnel barrier layer 3 are etched using the
次に、図5(n)に示すように、フォトリソグラフィ技術によりレジストマスク53を形成し、残りの層4〜8をエッチングして、読み出し用配線19の形状に加工する。この後、レジストマスク53を除去し、TMR素子10と読み出し用配線19の形成を終了する。ここで、層4〜8の読み出し用配線19の部分は、書き込み用ワード線12と上下に重ならないように配置する。
Next, as shown in FIG. 5N, a resist
次に、第3段階として、図6(o)〜図7(r)において、メモリセル部にビット線11を形成する。ビット線11の材料としては、銅やアルミニウムなど、一般的な半導体プロセスに用いられる配線金属材料を用いることができる。更に、ビット線11を流れる電流によってTMR素子10の位置に磁場が生成される効率が向上するように、ビット線11の、TMR素子10に対向していない面、即ち、上面および側面を磁性材料で被覆する構造としてもよい。
Next, as a third stage, the
まず、図6(o)に示すように、CVD法により層間絶縁膜54として酸化シリコン膜を堆積させ、TMR素子10と読み出し用配線19の埋め込みを行う。次に、CVD法により、ビット線11に用いられる銅の拡散を防止するための拡散防止膜55として窒化シリコン膜と、層間絶縁膜56として酸化シリコン膜とを、基板全面に積層して堆積させる。
First, as shown in FIG. 6O, a silicon oxide film is deposited as the
次に、図6(p)に示すように、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングして、配線溝57を形成する。 Next, as shown in FIG. 6P, patterning is performed by a photolithography technique and dry etching to form a wiring groove 57.
次に、図6(q)に示すように、TMR素子10のトップコート層1に接続するための開口部58を形成する。
Next, as shown in FIG. 6 (q), an opening 58 for connecting to the
次に、図7(r)に示すように、図3(h)と同様にして、バリア層としてタンタルまたは窒化タンタルの薄膜(図示省略)を全面にスパッタ法によって形成した後、CVD法により配線溝58に銅を埋め込み、続いて、CMP法により表面を平坦化して、ビット線11を形成する。銅の埋め込みは、銅めっきによって行ってもよい。
Next, as shown in FIG. 7 (r), a tantalum or tantalum nitride thin film (not shown) is formed on the entire surface by sputtering as in FIG. 3 (h), and then wiring by CVD. Copper is embedded in the trench 58, and then the surface is planarized by CMP to form the
銅ではなくアルミニウムを用いる場合には、図2(d)の場合と同様に、スパッタ法や蒸着法によりアルミニウムなどの薄膜を形成し、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングして、ビット線11を形成した後、CVD法により酸化シリコンからなる層間絶縁膜56を形成し、表面をエッチバックにより平坦化する。
In the case of using aluminum instead of copper, as in the case of FIG. 2D, a thin film such as aluminum is formed by sputtering or vapor deposition, and patterning is performed by photolithography and dry etching to form the
次に、最後の段階として、図7(s)〜図9(x)において、周辺回路部にビット線11への上部接続配線65を形成し、続いて表面に保護層を形成する。その後、一般的な半導体プロセスを経てメモリ装置を完成する。上部接続配線65の材料としては、銅やアルミニウムなど、一般的な半導体プロセスに用いられる配線金属材料を用いることができる。
Next, as the last step, in FIGS. 7 (s) to 9 (x), the upper connection wiring 65 to the
まず、図7(s)に示すように、CVD法により、上部接続配線65に用いられる銅の拡散を防止するための拡散防止膜59として窒化シリコン膜と、層間絶縁膜60として酸化シリコン膜とを、基板全面に積層して堆積させる。
First, as shown in FIG. 7S, a silicon nitride film as a
次に、図7(t)に示すように、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングして、周辺回路トランジスタ30への接続孔を形成する位置に凹部61aを形成する。
Next, as shown in FIG. 7 (t), patterning is performed by a photolithography technique and dry etching to form a recess 61a at a position where a connection hole to the
次に、図8(u)に示すように、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングして、配線溝62を形成する。このとき、先に形成した開口部61aはさらに深さを増し、拡散防止膜49に達する凹部61bが形成される。
Next, as shown in FIG. 8 (u), patterning is performed by a photolithography technique and dry etching to form a wiring groove 62. At this time, the opening 61a formed earlier is further increased in depth, and a recess 61b reaching the
次に、図8(v)に示すように、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングにより、拡散防止膜59の開口部63と、ドレイン電極用ランド37に達する開口部64とを形成する。
Next, as shown in FIG. 8V, an opening 63 of the
次に、図9(w)に示すように、バリア層としてタンタルまたは窒化タンタルの薄膜(図示省略)を全面にスパッタ法によって形成した後、めっき法またはCVD法により配線溝62と開口部64に銅を埋め込み、続いて、CMP法により表面を平坦化して、上部接続配線65と、そのビット線11への接続部66とを形成する。
Next, as shown in FIG. 9 (w), a thin film (not shown) of tantalum or tantalum nitride is formed as a barrier layer on the entire surface by sputtering, and then the wiring trench 62 and the
銅ではなくアルミニウムを用いる場合には、図2(d)の場合と同様に、スパッタ法や蒸着法によりアルミニウムなどの薄膜を形成し、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングして、上部接続配線65を形成した後、CVD法により酸化シリコンからなる層間絶縁膜60を形成し、表面をエッチバックにより平坦化する。
When aluminum instead of copper is used, a thin film such as aluminum is formed by sputtering or vapor deposition, and patterned by photolithography and dry etching, as in the case of FIG. Then, an
次に、図9(x)に示すように、CVD法により、上部接続配線65に用いられた銅の拡散を防止するための拡散防止膜67として窒化シリコン膜を形成し、続いて表面保護層68として酸化シリコン膜を基板全面に堆積させる。この後、一般的な半導体プロセスを経てメモリ装置を完成する。
Next, as shown in FIG. 9 (x), a silicon nitride film is formed as a
実施の形態2
図10は、実施の形態2に基づく磁気メモリ装置の構造を示す、メモリ部と周辺回路部との境界領域の概略断面図である。
Embodiment 2
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the boundary region between the memory unit and the peripheral circuit unit, showing the structure of the magnetic memory device according to the second embodiment.
図1に示した実施の形態1に基づく磁気メモリ装置では、ビット線11を設けた層間絶縁膜56の上に積層して拡散防止膜59と層間絶縁膜60とを形成し、層間絶縁膜60にビット線11への上部接続配線65を形成したため、ビット線11(前記第1配線)と上部接続配線65(前記第3配線)とが拡散防止膜59を介して重なり合う関係になり、間に層間絶縁膜や接続孔を設けることなく両者を接続部66で直接接続することができ、作製工程が少なくなる利点がある。
In the magnetic memory device according to the first embodiment shown in FIG. 1, a
それに対し、図10に示した実施の形態2に基づく磁気メモリ装置では、ビット線11を設けた層間絶縁膜56の上に別の絶縁層として拡散防止膜71と層間絶縁膜72とを形成し、これらの絶縁膜に接続孔73を設け、この接続孔73を介してビット線11(前記第1配線)と上部接続配線65とが接続されている。このようになっていると、上部接続配線65(前記第3配線)と下部接続配線38(前記第4配線)との距離Lは、
L=x+y+l+m
で与えられる。ここで、mは、拡散防止膜71と層間絶縁膜72との膜厚の合計である。本実施の形態は、層間絶縁膜72の厚さや材質を適宜選ぶことで、上部接続配線65と下部接続配線38(前記第4配線)との距離Lや寄生容量を調節できる利点があり、メモリ装置の低消費電力化や高集積化と、メモリ装置の高速動作とを両立させることができる。
On the other hand, in the magnetic memory device based on the second embodiment shown in FIG. 10, a diffusion prevention film 71 and an interlayer insulation film 72 are formed as separate insulation layers on the
L = x + y + l + m
Given in. Here, m is the total film thickness of the diffusion preventing film 71 and the interlayer insulating film 72. The present embodiment has an advantage that the distance L and the parasitic capacitance between the upper connection wiring 65 and the lower connection wiring 38 (the fourth wiring) can be adjusted by appropriately selecting the thickness and material of the interlayer insulating film 72. It is possible to achieve both low power consumption and high integration of the device and high-speed operation of the memory device.
実施の形態3
図11は、実施の形態3に基づく磁気メモリ装置の構造を示す、メモリ部と周辺回路部との境界領域の概略断面図である。
Embodiment 3
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the boundary region between the memory unit and the peripheral circuit unit, showing the structure of the magnetic memory device according to the third embodiment.
実施の形態1と2では、上部の上部接続配線65をビット線11よりも上部に設ける方法であったが、図11に示した本実施の形態に基づく磁気メモリ装置では、下部接続配線38を書き込み用ワード線12より下方に設ける方法である。
In the first and second embodiments, the upper upper connection wiring 65 is provided above the
上部接続配線65(前記第3配線)と下部接続配線38(前記第4配線)との距離Lは、
L=x+y+n
で与えられる。ここで、nは、拡散防止膜49と層間絶縁膜50との膜厚の合計である。本実施の形態でも、層間絶縁膜50などの膜厚を適切に設定することで、メモリ装置の低消費電力化および高集積化と、メモリ装置の高速動作とを両立させることができる。
The distance L between the upper connection wiring 65 (the third wiring) and the lower connection wiring 38 (the fourth wiring) is:
L = x + y + n
Given in. Here, n is the total thickness of the
実施の形態4
図12は、実施の形態4に基づく磁気メモリ装置の構造を示す概略断面図である。これは、図1に示したZ−Z線の位置で上下に切断した概略断面図である。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the magnetic memory device according to the fourth embodiment. This is a schematic sectional view taken up and down at the position of the ZZ line shown in FIG.
実施の形態1〜3では、ビット線11を駆動する接続配線について検討したが、本実施の形態は、書き込み用ワード線12を駆動する接続配線にについて検討する。図23で説明したように、書き込み用ワード線12は、周辺回路部において、書き込み用ワード線電流駆動回路17に接続されており、図12の右側部分に示したトランジスタ30は、書き込み用ワード線電流駆動回路17の一部をなすものである。
In the first to third embodiments, the connection wiring for driving the
この場合も、従来の磁気メモリ装置では、メモリ部のビット線11および書き込み用ワード線12と、書き込み用ワード線12を駆動する周辺回路部の接続配線とが同じ絶縁層に形成されるため、周辺回路部の接続配線間の距離Lと前記xとyとの間には、
L=x+y
の関係があり、TMR素子10の低消費電力化および高集積化を目指して、x及び/又はyを減少させていくと、同時に周辺回路の接続配線間の距離Lも小さくなり、接続配線間の寄生容量の増大による回路遅延の増大などが生じ、メモリ装置の低消費電力化および高集積化と、メモリ装置の高速動作とが両立し得ないという問題が生じる。
Also in this case, in the conventional magnetic memory device, the
L = x + y
As x and / or y are reduced in order to reduce the power consumption and increase the integration of the
一方、本実施の形態では、書き込み用ワード線12を駆動する周辺回路部の下部接続配線92が書き込み用ワード線12より下方にある層間絶縁膜44に設けられているため、周辺回路部における下部接続配線92と下部接続配線94との距離Lと、前記xとyとの間には、
L=x+y+k
の関係がある。ここで、kは、層間絶縁膜46と拡散防止膜93との膜厚の合計である。本実施の形態でも、層間絶縁膜46などの膜厚を適切に設定することで、メモリ装置の低消費電力化および高集積化と、メモリ装置の高速動作とを両立させることができる。
On the other hand, in the present embodiment, since the lower connection wiring 92 of the peripheral circuit section for driving the
L = x + y + k
There is a relationship. Here, k is the total thickness of the
実施の形態5
図13は、実施の形態5に基づく磁気メモリ装置の構造を示す概略断面図である。この磁気メモリ装置の基本的構造は、図1に示した実施の形態1に基づく磁気メモリ装置と同じであるが、ビット線11および書き込み用ワード線12が、TMR素子10に対向する面以外の面において磁性体層101、103、105で被覆されている点のみが異なっている。
FIG. 13 is a schematic sectional view showing the structure of the magnetic memory device according to the fifth embodiment. The basic structure of this magnetic memory device is the same as that of the magnetic memory device according to the first embodiment shown in FIG. 1 except that the
磁性体層101、103、105で被覆されているために、ビット線11および書き込み用ワード線12を流れる電流によって生じる磁束がTMR素子10に集められ、より少ない電流で必要な強さの磁界が形成される。磁性体層は、ビット線11および書き込み用ワード線12に形成されるのがよく、周辺回路部の上部接続配線や下部接続配線には設ける必要がない(但し、ビット線11および書き込み用ワード線12と同一工程で作られる配線などに不可避的に形成されてしまう場合はある。)。磁束をTMR素子10に集中させる効果の高い磁性体材料は、透磁率の高い材料が望ましく、例えば、パーマロイを挙げることができる。
Since it is covered with the
その他の部分は実施の形態1と同じであるので細かな説明は省略するが、実施の形態1と同じ特徴を有することは言うまでもない。即ち、ビット線11を設けた層間絶縁膜56の上に積層して拡散防止膜59と層間絶縁膜60とを形成し、層間絶縁膜60にビット線11への上部接続配線65を形成したため、周辺回路部における上部接続配線65と下部接続配線38との距離Lは、
L=x+y+(拡散防止膜55と層間絶縁膜56と拡散防止膜59との膜厚の合計)
となる。
ビット線11および書き込み用ワード線12とTMR素子10の磁化自由層2との距離(xおよびy)をできるだけ縮めることにより、ビット線11および書き込み用ワード線12を流れる電流が磁化自由層2において磁界を生成する効率を向上させ、メモリ装置の低消費電力化および高集積化を実現することができる。この際、適切な膜厚の層間絶縁膜56を設けておけば、周辺回路部の上部接続配線65と下部接続配線38との間に十分な距離Lを確保できるので、寄生容量の増加による回路遅延の問題は生じない。この結果、メモリ装置の低消費電力化および高集積化と、メモリ装置の高速動作とを両立させることができる。
Since other parts are the same as those of the first embodiment, detailed description thereof is omitted, but it is needless to say that the same features as those of the first embodiment are provided. That is, since the
L = x + y + (total thickness of
It becomes.
By reducing the distances (x and y) between the
更に、ビット線11と上部接続配線65とが拡散防止膜59を介して重なり合う関係になり、間に層間絶縁膜や接続孔を設けることなく両者を接続部66で直接接続することができ、作製工程が少なくなる利点がある。
Further, the
次に、実施の形態1との相違点である磁性体層101、103、105の形成方法に重点をおきながら、本実施の形態に基づく磁気メモリ装置の作製方法を説明する。
Next, a manufacturing method of the magnetic memory device according to the present embodiment will be described with emphasis on the method of forming the
まず、図14(a)に示すように、実施の形態1の図2(a)〜図3(f)に示した工程によって、例えば、シリコン基板のp型領域28の表面に電界効果トランジスタ15と30を形成し、その上に積層した層間絶縁膜42と44に、アルミニウム配線からなるセンスライン14と、タングステンプラグからなるドレイン電極22、ソース電極26、ドレイン電極31およびソース電極36を形成する。
First, as shown in FIG. 14A, the
次に、図14(b)に示すように、CVD法により層間絶縁膜46として酸化シリコン膜を堆積させ、フォトリソグラフィとドライエッチングによりパターニングして配線溝47と開口部48を形成する。
Next, as shown in FIG. 14B, a silicon oxide film is deposited as an
次に、層間絶縁膜46の全面にバリア層としてタンタルまたは窒化タンタルの薄膜(図示省略)をスパッタ法によって形成した後、図14(c)に示すように、表面全体に磁性層101をスパッタ法によって形成する。磁性層101の材料は、例えばパーマロイ(NiFe)などを用いるのがよい。
Next, after a tantalum or tantalum nitride thin film (not shown) is formed as a barrier layer on the entire surface of the
次に、図14(d)に示すように、層間絶縁膜46の全面に配線材料である銅層102をメッキ法により成膜し、配線溝47と開口部48とに銅を埋め込む。銅層102をCVD法で形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 14D, a copper layer 102 as a wiring material is formed on the entire surface of the
続いて、CMP法により初めに銅層102を研磨し、次に磁性体層101を研磨して、表面を平坦化すると共に配線溝47と開口部48以外に付着した銅層102と磁性体層101を除去し、図15(e)に示すように、上面以外の3面が磁性体層101で被覆された、クラッド構造を有する書き込み用ワード線12を得る。
Subsequently, the copper layer 102 is first polished by the CMP method, and then the
次に、CVD法により銅イオンの拡散を防止する拡散防止膜49として窒化シリコン膜を形成した後、層間絶縁膜50として酸化シリコン膜をCVD法によって堆積させ、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングして、開口部を形成する。バリア層として窒化チタンの薄膜(図示省略)を層間絶縁膜50の全面にスパッタ法によって形成した後、CVD法によりタングステンなどを上記の開口部に埋め込み、その後、表面をCMP法によって平坦化して、図15(f)に示すように、タングステンプラグからなる読み出し用プラグ20を形成する。
Next, after a silicon nitride film is formed as a
次に、実施の形態1の図4(k)〜図5(n)に示した工程によって、TMR素子10と、その下地電極層を読み出し用プラグ20に接続するための読み出し用プラグ20とを作製する。まず、スパッタ法などによって基板全面にTMR素子10を構成する各層を積層して形成し、これをフォトリソグラフィ技術とドライエッチングにより、図15(g)に示すように、TMR素子10と読み出し用配線19の形状に加工する。
Next, the
次に、図15(h)に示すように、CVD法により、ビット線11として用いられる銅の拡散を防止するための拡散防止膜55として窒化シリコン膜と、ビット線11を形成する層間絶縁膜56として酸化シリコン膜とを、基板全面に積層して堆積させる。
Next, as shown in FIG. 15H, a silicon nitride film as an
次に、図16(i)に示すように、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングして、配線溝57を形成し、TMR素子10のトップコート層1に接続するための開口部58を形成する。
Next, as shown in FIG. 16 (i), patterning is performed by photolithography and dry etching to form a wiring groove 57 and an opening 58 for connecting to the
次に、バリア層としてタンタルまたは窒化タンタルの薄膜(図示省略)を全面にスパッタ法によって形成した後、図16(j)に示すように、表面全体に磁性体層103をスパッタ法によって形成する。磁束を集中させる効果の高い磁性体としては、例えば、パーマロイ(NiFe)などが挙げられる。
Next, after a tantalum or tantalum nitride thin film (not shown) is formed on the entire surface by sputtering as a barrier layer, a
次に、図16(k)に示すように、エッチングにより配線溝57の底部の磁性体層103を除去する。これによって、基板上には、配線溝57の側壁にのみ磁性体層103が残る。
Next, as shown in FIG. 16K, the
次に、図17(l)に示すように、層間絶縁膜56の全面に配線材料である銅をメッキ法により成膜し、配線溝57に銅層104を埋め込む。銅層102をCVD法で形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 17L, copper, which is a wiring material, is formed on the entire surface of the
続いて、図17(m)に示すように、CMP法により初めに銅層104を研磨して、表面を平坦化すると共に配線溝57以外に付着した銅と磁性材料を除去し、側面が磁性体層103で被覆されたビット線11を得る。
Subsequently, as shown in FIG. 17 (m), the copper layer 104 is first polished by the CMP method to flatten the surface and remove the copper and magnetic material adhering to other than the wiring grooves 57, and the side surfaces are magnetic. The
次に、図17(n)に示すように、表面全体に磁性体層105をスパッタ法によって形成する。
Next, as shown in FIG. 17 (n), a
次に、図18(o)に示すように、リソグラフィとエッチングによりビット線11の上部に磁性体層105をパターンニングすることで、底面以外の3面が磁性体層103と105とで被覆された、クラッド構造を有するビット線11を得る。
Next, as shown in FIG. 18 (o), the
次に、図18(p)に示すように、CVD法により、上部接続配線65に用いられる銅の拡散を防止するための拡散防止膜59として窒化シリコン膜と、層間絶縁膜60として酸化シリコン膜とを、基板全面に積層して堆積させる。
Next, as shown in FIG. 18 (p), a silicon nitride film as a
次に、図18(q)に示すように、実施の形態1の図7(t)〜図8(v)に示した工程によって、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりパターニングして、配線溝62、周辺回路トランジスタ30のドレイン電極へ接続するための貫通孔64、およびビット線11への接続部となる開口部63を形成する。
Next, as shown in FIG. 18 (q), by the steps shown in FIGS. 7 (t) to 8 (v) of the first embodiment, patterning is performed by a photolithography technique and dry etching, and wiring trenches 62, A through
次に、バリア層としてタンタルまたは窒化タンタルの薄膜(図示省略)を全面にスパッタ法によって形成した後、図19(r)に示すように、メッキ法により全面に銅を成膜し、配線溝62と貫通孔64に銅を埋め込む。銅の埋め込みは、CVD法によって行ってもよい。
Next, after forming a thin film (not shown) of tantalum or tantalum nitride as a barrier layer on the entire surface by sputtering, copper is formed on the entire surface by plating as shown in FIG. Then, copper is embedded in the through
次に、図19(s)に示すように、CMP法により銅層106を研磨して、表面を平坦化すると共に配線溝62以外に付着した銅層106を除去し、上部接続配線65を得る。 Next, as shown in FIG. 19 (s), the copper layer 106 is polished by CMP to planarize the surface and remove the copper layer 106 adhering to portions other than the wiring trenches 62 to obtain the upper connection wiring 65. .
次に、図示省略したが、CVD法により、上部接続配線65に用いられた銅の拡散を防止するための拡散防止膜67として窒化シリコン膜を形成し、続いて表面保護層68として酸化シリコン膜を基板全面に堆積させる。この後、一般的な半導体プロセスを経て、実施の形態5に基づく磁気記憶装置が完成する。
Next, although not shown, a silicon nitride film is formed as a
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these examples at all, and can be suitably changed in the range which does not deviate from the main point of invention.
MRAMは、高速かつ不揮発性の大容量メモリとしてユビキタス時代に必要不可欠なものであると考えられており、あらゆる電子装置、とりわけ、高速化、低消費電力化、高集積化などの、一層の高性能化が要求されている情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器に好適である。 MRAM is considered to be indispensable in the ubiquitous era as a high-speed and non-volatile large-capacity memory, and it is considered that all electronic devices, in particular, higher speed, lower power consumption, higher integration, etc. It is suitable for information communication equipment for which performance enhancement is required, particularly for personal small equipment such as a portable terminal.
1…トップコート層、2…磁化自由層(記憶層)、3…トンネルバリア層、
4…第1の磁化固定層、5…反強磁性結合層、6…第2の磁化固定層、
7…反強磁性体層、8…下地電極層、9…支持基板、10…メモリセル(TMR素子)、
11…ビット線、12…書き込み用ワード線、
13…ゲート電極(読み出し用ワード線)、14…センスライン、
15…読み出し用電界効果トランジスタ(選択用トランジスタ)、
16…ビット線電流駆動回路、17…ワード線電流駆動回路、18…センスアンプ、
19…読み出し用配線、20…読み出し用プラグ、21…読み出し用ランド、
22…ドレイン電極、23…ドレイン領域、24…ゲート絶縁膜、25…ソース領域、
26…ソース電極、27…シリコン基板、28…ウェル領域、
30…周辺回路トランジスタ、31…ドレイン電極、32…ドレイン領域、
33…ゲート電極、34…ゲート絶縁膜、35…ソース領域、36…ソース電極、
37…ドレイン電極用ランド、38…下部接続配線、
41…酸化シリコン膜(例えば、LOCOSやSTI)、
42、44、46、50、54、56、60…層間絶縁膜、
43、45、48、51、58、62、63…開口部、47、57、61…配線溝、
49、55、59、67…拡散防止膜(窒化シリコン)、52、53…レジストマスク、64…貫通孔、65…接続部、66…ビット接続線、68…絶縁膜、71…拡散防止膜、72…層間絶縁膜、74…接続孔、81、84、86…拡散防止膜、
82、83、85…層間絶縁膜、101、103、105…磁性体層、
102、104、106…銅層、201、204…拡散防止膜、202…層間絶縁膜、
205…絶縁膜
DESCRIPTION OF
4 ... 1st magnetization fixed layer, 5 ... Antiferromagnetic coupling layer, 6 ... 2nd magnetization fixed layer,
7 ... Antiferromagnetic material layer, 8 ... Under electrode layer, 9 ... Support substrate, 10 ... Memory cell (TMR element),
11: Bit line, 12: Write word line,
13: Gate electrode (read word line), 14: Sense line,
15: Field effect transistor for reading (selection transistor),
16 ... bit line current drive circuit, 17 ... word line current drive circuit, 18 ... sense amplifier,
19 ... Reading wiring, 20 ... Reading plug, 21 ... Reading land,
22 ... Drain electrode, 23 ... Drain region, 24 ... Gate insulating film, 25 ... Source region,
26 ... Source electrode, 27 ... Silicon substrate, 28 ... Well region,
30 ... peripheral circuit transistor, 31 ... drain electrode, 32 ... drain region,
33 ... Gate electrode, 34 ... Gate insulating film, 35 ... Source region, 36 ... Source electrode,
37 ... Drain electrode land, 38 ... Lower connection wiring,
41 ... Silicon oxide film (for example, LOCOS and STI),
42, 44, 46, 50, 54, 56, 60 ... interlayer insulating film,
43, 45, 48, 51, 58, 62, 63 ... opening, 47, 57, 61 ... wiring groove,
49, 55, 59, 67 ... Diffusion prevention film (silicon nitride), 52, 53 ... Resist mask, 64 ... Through hole, 65 ... Connection part, 66 ... Bit connection line, 68 ... Insulating film, 71 ... Diffusion prevention film, 72 ... Interlayer insulating film, 74 ... Connection hole, 81, 84, 86 ... Diffusion prevention film,
82, 83, 85 ... interlayer insulating films, 101, 103, 105 ... magnetic layers,
102, 104, 106 ... copper layer, 201, 204 ... diffusion prevention film, 202 ... interlayer insulation film,
205 ... Insulating film
Claims (8)
前記第1配線が、前記第1絶縁層とは離間した状態で形成された第3配線に接続され て周辺回路部へ導かれていることと、
前記第2配線が、前記第2絶縁層とは離間した状態で形成された第4配線に接続され て周辺回路部へ導かれていることと
の少なくとも一方を構成とすることを特徴とする、磁気メモリ装置。 A magnetic memory element is configured by a tunnel magnetoresistive effect element in which a magnetization fixed layer with a fixed magnetization direction, a tunnel barrier layer, and a magnetization free layer capable of changing the magnetization direction are stacked. A first wiring connected to the tunnel magnetoresistive effect element is formed via a first insulating layer provided in a portion other than the connection part with the tunnel magnetoresistive effect element, and A second wiring is disposed opposite to the tunnel magnetoresistive element through a second insulating layer on the opposite side of the first wiring, and the tunnel magnetoresistive element is formed using the first wiring and the second wiring. In a magnetic memory device configured to perform writing,
The first wiring is connected to a third wiring formed in a state of being separated from the first insulating layer and led to a peripheral circuit portion;
The second wiring is configured to constitute at least one of being connected to a fourth wiring formed in a state of being separated from the second insulating layer and being led to a peripheral circuit portion. Magnetic memory device.
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