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JP2007123512A - Magnetic storage device - Google Patents

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JP2007123512A
JP2007123512A JP2005313052A JP2005313052A JP2007123512A JP 2007123512 A JP2007123512 A JP 2007123512A JP 2005313052 A JP2005313052 A JP 2005313052A JP 2005313052 A JP2005313052 A JP 2005313052A JP 2007123512 A JP2007123512 A JP 2007123512A
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Japan
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bit line
magnetoresistive effect
effect element
write
layer
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Withdrawn
Application number
JP2005313052A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeharu Kuroiwa
丈晴 黒岩
Takashi Osanaga
隆志 長永
Taisuke Furukawa
泰助 古川
Masakazu Taki
正和 滝
Shuichi Ueno
修一 上野
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Renesas Technology Corp
Original Assignee
Renesas Technology Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic storage device capable of reducing a space for a memory cell. <P>SOLUTION: Magnetoresistance effect elements 15(J) are positioned so as to be vertically held between a write line 9a and bit lines B in an area where the write line 9a is crossed with the bit lines B. The magnetoresistance effect elements 15 have a lamination structure including a fixing layer 12, a tunnel insulating layer 13, and a recording layer 14. The fixing layer 12 of the magnetoresistance effect element 15 is electrically connected to the drain of a transistor 3a(T) for element selection via connection members 11, 7a. The write line 9a(WT) is electrically connected to the connection members 11, 7a. The recording layer 14 of the magnetoresistance effect elements 15 is electrically connected to the reading bit line 20a(RB) via a connection member 18a. The writing bit line 24a is positioned at interval above the reading bit line 20a. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は磁気記憶装置に関し、特に、トンネル磁気抵抗効果を有する磁気抵抗効果素子を用いた磁気記憶装置に関するものである。   The present invention relates to a magnetic memory device, and more particularly to a magnetic memory device using a magnetoresistive element having a tunnel magnetoresistive effect.

磁気抵抗(MR:Magneto Resistance)効果は、磁性体に磁界を加えることにより電気抵抗が変化する現象であり、磁界センサや磁気ヘッドなどに利用されている。近年、たとえば非特許文献1、2にあるように、非常に大きな磁気抵抗効果を示す巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magneto Resistance)効果材料として、FeとCr、CととCuなどの人工格子膜などが提案されている。   The magnetoresistance (MR) effect is a phenomenon in which electric resistance changes when a magnetic field is applied to a magnetic material, and is used in magnetic field sensors, magnetic heads, and the like. In recent years, for example, as described in Non-Patent Documents 1 and 2, as a giant magnetoresistance (GMR) effect material exhibiting a very large magnetoresistance effect, artificial lattice films such as Fe and Cr, C and Cu, etc. Has been proposed.

また、強磁性層間の交換結合作用がなくなる程度に厚い非磁性金属層を持つ強磁性層、非磁性層、強磁性層および反強磁性層からなる積層構造を用いた磁気抵抗効果素子が提案されている。このような磁気抵抗効果素子では、強磁性層と反強磁性層とを交換結合させて、その強磁性層の磁気モーメントを固定し、他方の強磁性層のスピンのみを外部磁場で容易に反転できるようにしている。これが、いわゆるスピンバルブ膜として知られている素子である。   In addition, a magnetoresistive element using a laminated structure composed of a ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, a ferromagnetic layer, and an antiferromagnetic layer having a nonmagnetic metal layer that is thick enough to eliminate exchange coupling action between ferromagnetic layers has been proposed. ing. In such a magnetoresistive effect element, the ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer are exchange-coupled to fix the magnetic moment of the ferromagnetic layer, and only the spin of the other ferromagnetic layer is easily inverted by an external magnetic field. I can do it. This is an element known as a so-called spin valve film.

この素子では、2つの強磁性層間の交換結合が弱いために小さな磁場でスピンが反転できる。このため、スピンバルブ膜は上記の人工格子膜に比べて高感度の磁気抵抗素子を提供することができる。反強磁性体としては、FeMn、IrMn、PtMnなどが用いられている。このスピンバルブ膜には用いる際に膜面内方向に電流が流されることになるが、上記のような特徴を有していることで、スピンバルブ膜は高密度磁気記録用再生ヘッドに用いられている。   In this element, since the exchange coupling between the two ferromagnetic layers is weak, the spin can be reversed with a small magnetic field. Therefore, the spin valve film can provide a magnetoresistive element having higher sensitivity than the above artificial lattice film. As the antiferromagnetic material, FeMn, IrMn, PtMn, or the like is used. When this spin valve film is used, an electric current flows in the in-plane direction. However, the spin valve film is used in a reproducing head for high-density magnetic recording because of the above characteristics. ing.

一方、たとえば非特許文献3にあるように、膜面に対して垂直方向に電流を流す垂直磁気抵抗効果を利用すると、さらに大きな磁気抵抗効果が得られることが、提案されている。また、たとえば非特許文献4にあるように、強磁性層、絶縁層および強磁性層からなる3層膜に対して、外部磁場を印加する方法が提案されている。この方法は、外部磁場によって上記3層膜の2つの強磁性層のスピンを互いに平行または反平行とし、膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが異なることを利用する。すなわち、この方法は、強磁性トンネル接合によるトンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling Magneto-Resistance)効果を利用するものである。   On the other hand, as described in Non-Patent Document 3, for example, it has been proposed that a larger magnetoresistive effect can be obtained by using the perpendicular magnetoresistive effect in which a current flows in a direction perpendicular to the film surface. For example, as disclosed in Non-Patent Document 4, a method of applying an external magnetic field to a three-layer film including a ferromagnetic layer, an insulating layer, and a ferromagnetic layer has been proposed. This method utilizes the fact that the spins of the two ferromagnetic layers of the three-layer film are parallel or antiparallel to each other by an external magnetic field, and the magnitude of the tunnel current in the direction perpendicular to the film surface is different. That is, this method uses a tunneling magneto-resistance (TMR) effect by a ferromagnetic tunnel junction.

また、近年では、たとえば非特許文献5および非特許文献6にあるように、GMR高かを利用したGMR素子およびTMR効果を利用したTMR素子(磁気抵抗効果素子)を不揮発性磁気記憶半導体装置(MRAM:Magnetic Random Access Memory)に利用する技術が提案されて、保磁力の異なる2つの強磁性層で非磁性金属層を挟んだ擬スピンバルブ素子や強磁性トンネル効果素子が検討されている。   In recent years, for example, as disclosed in Non-Patent Document 5 and Non-Patent Document 6, a GMR element using the GMR height and a TMR element (magnetoresistance effect element) using the TMR effect are replaced with a nonvolatile magnetic memory semiconductor device ( A technique used for MRAM (Magnetic Random Access Memory) has been proposed, and a pseudo spin valve element and a ferromagnetic tunnel effect element in which a nonmagnetic metal layer is sandwiched between two ferromagnetic layers having different coercive forces have been studied.

このような擬スピンバルブ素子や強磁性トンネル効果素子をMRAMへ利用する際には、これらの素子をマトリックス状に配置し、別途形成された所定の配線に電流を流すことによって発生する磁界を素子に印加することになる。そして、情報の書き込みは、各素子を構成する2つの磁性層における磁化の方向を互いに平行または反平行に制御することにより行われ、その磁化の向きが「1」または「0」に対応する情報として記録されることになる。一方、情報の読出しは、GMR効果やTMR効果を利用して行なわれることになる。   When such a pseudo spin valve element or a ferromagnetic tunnel effect element is used for an MRAM, these elements are arranged in a matrix and a magnetic field generated by passing a current through a predetermined wiring formed separately is generated. Will be applied. Information is written by controlling the magnetization directions in the two magnetic layers constituting each element to be parallel or antiparallel to each other, and the magnetization direction corresponds to “1” or “0”. Will be recorded. On the other hand, information is read using the GMR effect or the TMR effect.

MRAMにおいては、GMR効果を用いるよりも、TMR効果を利用した方が消費電力が少ないことから、主としてTMR素子を用いることが検討されている。TMR素子を利用したMRAMでは、室温におけるMR変化率が20%以上と大きく、かつトンネル接合における抵抗が大きい。このため、より大きな出力電圧が得られること、また、読出し時にスピン反転をする必要がなく、それだけ小さい電流で読出しが可能である。このような特徴をTMR素子は有していることから、TMR素子は、高速書込みと読出しとが可能な低消費電力型の不揮発性半導体記憶装置への利用が期待されている。
特開2000-353791号公報 D.H. Mosca et al.,"Oscillatory interlayer coupling and giant magnetoresistance in Co/Cu multilayers", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 94 (1991) pp.L1-L5 S.S.P.Parkin et al.,"Oscillatory Magnetic Exchange Coupling through Thin Copper Layers", Physical Review Letters, vol.66, No.16, 22 April 1991, pp.2152-2155 W.P.Pratt et al.,"Perpendicular Giant Magnetoresistances of Ag/Co Multilayers", Physical Review Letters, vol.66, No.23, 10 June 1991, pp.3060-3063 T. Miyazaki et al.,"Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al2O3/Fe junction", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 139 (1995), pp.L231-L234 S.Tehrani et al.,"High density submicron magnetoresistive random access memory (invited)", Journal of Applied Physics, vol.85, No.8, 15 April 1999, pp.5822-5827 M.Durlam et al.,"A 0.18μm 4Mb Toggling MRAM", 2003 IEDM Tech. Dig., pp.995-997
In the MRAM, since the power consumption is smaller when the TMR effect is used than when the GMR effect is used, it is mainly studied to use the TMR element. In an MRAM using a TMR element, the MR ratio at room temperature is as large as 20% or more, and the resistance at the tunnel junction is large. For this reason, a larger output voltage can be obtained, and it is not necessary to perform spin inversion at the time of reading, and reading can be performed with such a small current. Since the TMR element has such a feature, the TMR element is expected to be used for a low power consumption type nonvolatile semiconductor memory device capable of high-speed writing and reading.
JP 2000-353791 A DH Mosca et al., "Oscillatory comprising coupling and giant magnetoresistance in Co / Cu multilayers", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 94 (1991) pp.L1-L5 SSPParkin et al., "Oscillatory Magnetic Exchange Coupling through Thin Copper Layers", Physical Review Letters, vol.66, No.16, 22 April 1991, pp.2152-2155 WPPratt et al., "Perpendicular Giant Magnetoresistances of Ag / Co Multilayers", Physical Review Letters, vol.66, No.23, 10 June 1991, pp.3060-3063 T. Miyazaki et al., "Giant magnetic tunneling effect in Fe / Al2O3 / Fe junction", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 139 (1995), pp.L231-L234 S. Tehrani et al., "High density submicron magnetoresistive random access memory (invited)", Journal of Applied Physics, vol.85, No.8, 15 April 1999, pp.5822-5827 M. Durlam et al., "A 0.18μm 4Mb Toggling MRAM", 2003 IEDM Tech. Dig., Pp.995-997

しかしながら、従来のMRAMでは次のような問題点があった。非特許文献5によれば、MRAMのメモリセルには、TMR素子とトランジスタ素子の他に、ソース線、ライト線、ビット線、そして、TMR素子とトランジスタ素子とを電気的に接続する接続部材が必要とされる。情報の書き込みでは、所定のライト線とビット線の双方に電流を流すことによって、特定のTMR素子の磁化が行われる。一方、情報の読み取りでは、磁化に伴うTMR素子の抵抗に基づいて、所定のビット線を経て特定のTMR素子を流れる電流が検知される。   However, the conventional MRAM has the following problems. According to Non-Patent Document 5, in addition to the TMR element and the transistor element, the MRAM memory cell includes a source line, a write line, a bit line, and a connection member that electrically connects the TMR element and the transistor element. Needed. In writing information, a specific TMR element is magnetized by passing a current through both a predetermined write line and a bit line. On the other hand, in reading information, a current flowing through a specific TMR element via a predetermined bit line is detected based on the resistance of the TMR element accompanying magnetization.

このようにビット線は情報の読み出しにおいてTMR素子と電気的に接続される必要があるところ、情報の書き込みにおいては、ビット線とライト線との双方に電流を流す必要があるために、ビット線に加えてライト線もTMR素子に電気的に接続される構造とすると、電流を流すタイミングのずれによってTMR素子が絶縁破壊を起こしてしまうという問題が生じる。これを回避するために、たとえば特許文献1にあるように、ライト線は、TMR素子および接続部材とは電気的に接続されない構造が採用されている。   In this way, the bit line needs to be electrically connected to the TMR element in reading information, and in writing information, it is necessary to pass a current through both the bit line and the write line. In addition to this, if the structure is such that the write line is also electrically connected to the TMR element, there arises a problem that the TMR element causes dielectric breakdown due to a difference in timing of current flow. In order to avoid this, for example, as disclosed in Patent Document 1, a structure in which the write line is not electrically connected to the TMR element and the connection member is employed.

ライト線と接続部材とを電気的に分離した構造とするために、メモリセルごとにライト線と接続部材との間に層間絶縁膜を充填する必要がある。そのため、メモリセルの全体ではメモリセルの数の分だけ層間絶縁膜膜を充填する領域が要求されて、1枚のウェハから得られる磁気記憶装置の数(チップ数)が制限されてしまうという問題があった。また、このことが磁気記憶装置の小型化を阻害する要因の一つになった。   In order to obtain a structure in which the write line and the connection member are electrically separated, it is necessary to fill an interlayer insulating film between the write line and the connection member for each memory cell. For this reason, the entire memory cell requires a region filled with the interlayer insulating film as many as the number of memory cells, and the number of magnetic memory devices (number of chips) obtained from one wafer is limited. was there. This has also become one of the factors that hinder downsizing of the magnetic storage device.

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的はメモリセルの占有面積の削減が図られる磁気記憶装置を提供することである。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a magnetic memory device capable of reducing the area occupied by memory cells.

本発明に係る磁気記憶装置は、ライト線とビット線と磁気抵抗効果素子とトランジスタ素子と接続部材とを含むメモリセルを有している。ライト線は第1の方向に延在するように形成されている。ビット線はライト線と上下方向に間隔を隔てられ、第1の方向と交差する第2の方向に延在するように形成されている。磁気抵抗効果素子はライト線とビット線とが交差する領域において、ライト線とビット線との間に挟み込まれるように形成されている。トランジスタ素子は磁気抵抗効果素子の動作を制御する。接続部材は磁気抵抗効果素子とトランジスタ素子とを電気的に接続する。ビット線は読み取りビット線および書き込みビット線を備えている。その読み取りビット線は磁気抵抗効果素子と電気的に接続されている。また、書き込みビット線は磁気抵抗効果素子と電気的に絶縁されている。そして、ライト線は接続部材と電気的に接続されている。   The magnetic memory device according to the present invention has a memory cell including a write line, a bit line, a magnetoresistive effect element, a transistor element, and a connection member. The write line is formed to extend in the first direction. The bit lines are spaced apart from the write lines in the vertical direction, and are formed to extend in a second direction that intersects the first direction. The magnetoresistive element is formed so as to be sandwiched between the write line and the bit line in a region where the write line and the bit line intersect. The transistor element controls the operation of the magnetoresistive element. The connecting member electrically connects the magnetoresistive effect element and the transistor element. The bit line includes a read bit line and a write bit line. The read bit line is electrically connected to the magnetoresistive element. The write bit line is electrically insulated from the magnetoresistive element. The light line is electrically connected to the connection member.

この磁気記憶装置によれば、書き込み動作の際にそれぞれ所定の電流が流される書き込みビット線およびライト線のうち、書き込みビット線を磁気抵抗効果素子に電気的に接続させないことによって、ライト線を磁気抵抗効果素子に電気的に接続することができる。これにより、従来、ライト線と接続部材とを電気的に絶縁するために必要とされた、ライト線と接続部材との間に層間絶縁膜を充填する領域をメモリセルの数の分だけ削減することができる。その結果、1枚のウェハから得られる磁気記憶装置のチップ数を増やすことができる。また、磁気記憶装置の小型化を図ることが可能になる。   According to this magnetic memory device, the write bit line is not electrically connected to the magnetoresistive effect element among the write bit line and the write line through which a predetermined current flows during the write operation, so that the write line is magnetically connected. It can be electrically connected to the resistance effect element. As a result, the area where the interlayer insulating film is filled between the write line and the connection member, which is conventionally required to electrically insulate the write line and the connection member, is reduced by the number of memory cells. be able to. As a result, it is possible to increase the number of chips of the magnetic storage device obtained from one wafer. In addition, the magnetic storage device can be reduced in size.

(磁気記憶装置におけるメモリセルの回路と構造)
本発明の実施の形態に係る磁気記憶装置について、まず、磁気記憶装置のメモリセルの回路について説明する。図1に示すように、磁気記憶装置では、1つのメモリセルM(点線枠内)は、素子選択用トランジスタTと磁気抵抗効果素子(強磁性トンネル接合素子)Jとから構成されて、そのメモリセルMがマトリクス状に複数形成されている。
(Circuit and structure of memory cell in magnetic storage device)
Regarding the magnetic memory device according to the embodiment of the present invention, first, a circuit of a memory cell of the magnetic memory device will be described. As shown in FIG. 1, in a magnetic memory device, one memory cell M (within a dotted frame) is composed of an element selection transistor T and a magnetoresistive effect element (ferromagnetic tunnel junction element) J, and the memory A plurality of cells M are formed in a matrix.

その磁気抵抗効果素子Jに対して、情報の書き込みと読み取りを行うためのライト線WTとビット線Bとが交差する。ビット線Bは、読み出しビット線RBと書き込みビット線WBの2本のビット線からなる。読み出しビット線RBは、一方向(たとえば行)に位置する磁気抵抗効果素子Jのそれぞれの一端の側に電気的に接続されている。書き込みビット線WBは磁気抵抗効果素子Jとは電気的に接続されずに、読み出しビット線RBと並走する。   A write line WT and a bit line B for writing and reading information intersect the magnetoresistive effect element J. The bit line B includes two bit lines, a read bit line RB and a write bit line WB. The read bit line RB is electrically connected to one end side of each of the magnetoresistive effect elements J located in one direction (for example, a row). The write bit line WB is not electrically connected to the magnetoresistive effect element J and runs in parallel with the read bit line RB.

一方、ライト線WTは、他方向(たとえば列)に位置する磁気抵抗効果素子Jのそれぞれの他端の側に電気的に接続されている。また、その磁気抵抗効果素子Jの他端の側は、素子選択用トランジスタTのドレイン側と接続されている。一方向に位置する素子選択用トランジスタTのそれぞれのソース側が、ソース線Sによって電気的に接続されている。また、他方向に位置する素子選択用トランジスタTのそれぞれのゲートが、ワード線WDによって互いに電気的に接続されている。   On the other hand, the write line WT is electrically connected to the other end side of each magnetoresistive effect element J located in the other direction (for example, column). The other end side of the magnetoresistive effect element J is connected to the drain side of the element selection transistor T. The source sides of the element selection transistors T located in one direction are electrically connected by the source line S. The gates of the element selection transistors T located in the other direction are electrically connected to each other by the word line WD.

次に、磁気記憶装置の構造について説明する。図2に示すように、半導体基板1におけるメモリセル領域MRでは、素子分離絶縁膜2によって区切られた素子形成領域の表面(半導体基板の表面)に素子選択用トランジスタ3a(T)が形成されている。素子選択用トランジスタ3aは、半導体基板1の表面上にゲート絶縁膜5を介在させて形成されたゲート電極本体4を備えている。そのゲート電極4を挟んで一方の側に位置する半導体基板1の表面部分には所定導電型の不純物領域からなるドレイン領域1aが形成され、他方の側に位置する半導体基板1の表面部分には所定導電型の不純物領域からなるソース領域1bが形成されている。   Next, the structure of the magnetic storage device will be described. As shown in FIG. 2, in the memory cell region MR in the semiconductor substrate 1, the element selection transistor 3 a (T) is formed on the surface of the element formation region (the surface of the semiconductor substrate) partitioned by the element isolation insulating film 2. Yes. The element selection transistor 3 a includes a gate electrode body 4 formed on the surface of the semiconductor substrate 1 with a gate insulating film 5 interposed. A drain region 1a made of an impurity region of a predetermined conductivity type is formed on the surface portion of the semiconductor substrate 1 located on one side with the gate electrode 4 in between, and on the surface portion of the semiconductor substrate 1 located on the other side A source region 1b made of an impurity region of a predetermined conductivity type is formed.

素子選択用トランジスタ3aを覆うように層間絶縁膜6が形成されている。その層間絶縁膜6上にライト線9a(WT)が形成されている。そのライト線9aと素子選択用トランジスタ3aのドレイン領域1aとを電気的に接続する接続部材7aが、層間絶縁膜6を貫通するように形成されている。ライト線9aを覆うように、層間絶縁膜8,10が形成されている。その層間絶縁膜10上に磁気抵抗効果素子15(J)が形成されている。磁気抵抗効果素子15は、固着層12、トンネル絶縁層13および記録層14を備えて構成される。その磁気抵抗効果素子15とライト線9aとを電気的に接続する接続部材11が、層間絶縁膜10を貫通するように形成されている。   An interlayer insulating film 6 is formed so as to cover the element selection transistor 3a. A write line 9 a (WT) is formed on the interlayer insulating film 6. A connection member 7a for electrically connecting the write line 9a and the drain region 1a of the element selection transistor 3a is formed so as to penetrate the interlayer insulating film 6. Interlayer insulating films 8 and 10 are formed so as to cover the write line 9a. A magnetoresistive effect element 15 (J) is formed on the interlayer insulating film 10. The magnetoresistive element 15 includes a fixed layer 12, a tunnel insulating layer 13, and a recording layer 14. A connecting member 11 that electrically connects the magnetoresistive effect element 15 and the write line 9 a is formed so as to penetrate the interlayer insulating film 10.

磁気抵抗効果素子15を覆うように層間絶縁膜17が形成されている。その層間絶縁膜17上に読み取りビット線20a(RB)が形成されている。読み取りビット線20aと磁気抵抗効果素子15とを電気的に接続する接続部材18aが、層間絶縁膜17を貫通するように形成されている。読み取りビット線20aを覆うように層間絶縁膜21が形成されている。その層間絶縁膜21上に書き込みビット線24a(WB)が形成されている。その書き込みビット線24aを覆うように層間絶縁膜25が形成されている。その層間絶縁膜25上に所定の配線層28aが形成されている。   An interlayer insulating film 17 is formed so as to cover the magnetoresistive effect element 15. A read bit line 20 a (RB) is formed on the interlayer insulating film 17. A connection member 18 a that electrically connects the read bit line 20 a and the magnetoresistive effect element 15 is formed so as to penetrate the interlayer insulating film 17. An interlayer insulating film 21 is formed so as to cover the read bit line 20a. A write bit line 24 a (WB) is formed on the interlayer insulating film 21. An interlayer insulating film 25 is formed so as to cover the write bit line 24a. A predetermined wiring layer 28 a is formed on the interlayer insulating film 25.

一方、半導体基板1における周辺回路領域RRでは、論理回路を構成するトランジスタ3bが形成されている。そのトランジスタ3bの上には、所定の配線層9b,20b,24b,28bと、その各配線層9b,20b,24b,28bを電気的に接続する接続部材7b,18b,22,26が形成されている。   On the other hand, in the peripheral circuit region RR in the semiconductor substrate 1, a transistor 3b constituting a logic circuit is formed. On the transistor 3b, predetermined wiring layers 9b, 20b, 24b, and 28b and connection members 7b, 18b, 22, and 26 that electrically connect the wiring layers 9b, 20b, 24b, and 28b are formed. ing.

次に、メモリセルの構造についてさらに詳しく説明する。図3に示すように、情報としての磁化が行われる磁気抵抗効果素子15(J)は、ライト線9aとビット線Bとが交差する領域において、ライト線9aとビット線Bとに上下方向から挟み込まれるように位置する。磁気抵抗効果素子14は、固着層12、トンネル絶縁層13および記録層14の積層構造とされる。固着層12では、磁化の方向が固定されている。また、記録層14では、所定の配線(書き込みビット線24a)に流れる電流によって生じる磁界やスピン偏極した電子の注入によって磁化方向が変化する。   Next, the structure of the memory cell will be described in more detail. As shown in FIG. 3, in the magnetoresistive effect element 15 (J) in which the magnetization as information is performed, the write line 9a and the bit line B intersect with the write line 9a and the bit line B in the vertical direction. Located so as to be sandwiched. The magnetoresistive effect element 14 has a laminated structure of a fixed layer 12, a tunnel insulating layer 13 and a recording layer 14. In the pinned layer 12, the direction of magnetization is fixed. In the recording layer 14, the magnetization direction is changed by injection of a magnetic field generated by a current flowing through a predetermined wiring (write bit line 24 a) or spin-polarized electrons.

その磁気抵抗効果素子15の固着層12側が、接続部材11,7aを介して素子選択用トランジスタ3a(T)のドレインに電気的に接続されている。その接続部材11,7aにライト線9a(WT)が電気的に接続されている。一方、磁気抵抗効果素子15の記録層14側は、接続部材18aを介して読み取りビット線20a(RB)に電気的に接続されている。その読み取りビット線20aの上方に間隔を隔てて書き込みビット線24aが位置する。   The pinned layer 12 side of the magnetoresistive effect element 15 is electrically connected to the drain of the element selection transistor 3a (T) via the connection members 11 and 7a. A light wire 9a (WT) is electrically connected to the connecting members 11 and 7a. On the other hand, the recording layer 14 side of the magnetoresistive effect element 15 is electrically connected to the read bit line 20a (RB) via the connection member 18a. The write bit line 24a is positioned above the read bit line 20a with a space therebetween.

(磁気記憶装置におけるメモリセルの動作)
次に、メモリセルの動作について説明する。書き込み動作は、書き込みビット線24aとライト線9aに所定の電流を流し、磁気抵抗効果素子15を磁化することによって行われる。まず、選択された書き込みビット線24aとライト線9aのそれぞれに所定の電流を流すことによって、書き込みビット線24aとライト線9aのまわりにはそれぞれ電流の流れの方向に対応した磁界が生じる。選択された書き込みビット線24aとライト線9aとが交差する領域に位置する磁気抵抗効果素子15には、書き込みビット線24aを流れる電流によって生じた磁界とライト線9aを流れる電流によって生じた磁界との合成磁界が作用することになる。
(Operation of Memory Cell in Magnetic Storage Device)
Next, the operation of the memory cell will be described. The write operation is performed by magnetizing the magnetoresistive effect element 15 by applying a predetermined current to the write bit line 24a and the write line 9a. First, by supplying a predetermined current to each of the selected write bit line 24a and the write line 9a, a magnetic field corresponding to the direction of current flow is generated around the write bit line 24a and the write line 9a. The magnetoresistive effect element 15 located in the region where the selected write bit line 24a and the write line 9a cross each other has a magnetic field generated by the current flowing through the write bit line 24a and a magnetic field generated by the current flowing through the write line 9a. The combined magnetic field acts.

このとき、その合成磁界によって、磁気抵抗効果素子15の記録層14が固着層12の磁化の方向と同じ向きに磁化される態様と、記録層14が固着層12の磁化の方向とは反対の向きに磁化される態様がある。こうして、記録層14と固着層12の磁化の向きが、同じ向き(平行)の場合と互いに反対向き(反平行)の場合とが実現されて、この磁化の向きが「0」または「1」に対応する情報として記録されることになる。   At this time, the composite magnetic field causes the recording layer 14 of the magnetoresistive effect element 15 to be magnetized in the same direction as the magnetization direction of the pinned layer 12, and the magnetization direction of the recording layer 14 is opposite to the magnetization direction of the pinned layer 12. There is a mode of being magnetized in the direction. In this way, the recording layer 14 and the pinned layer 12 have the same magnetization direction (parallel) and opposite directions (antiparallel), and the magnetization direction is “0” or “1”. Will be recorded as information corresponding to.

次に、読み出し動作は、特定のメモリセルの磁気抵抗効果素子15に所定の電流を流し、磁化の向きによる抵抗値の違いを検知することによって行われる。まず、特定のメモリセルの選択用トランジスタ3aがON状態とされて、所定のセンス信号が読み出しビット線20aから特定の磁気抵抗効果素子15を経て、接続部材11,7aおよび選択用トランジスタ3aを介してソース線Sに流れる。   Next, the read operation is performed by applying a predetermined current to the magnetoresistive effect element 15 of a specific memory cell and detecting a difference in resistance value depending on the direction of magnetization. First, the selection transistor 3a of a specific memory cell is turned on, and a predetermined sense signal passes from the read bit line 20a through the specific magnetoresistive effect element 15 via the connection members 11 and 7a and the selection transistor 3a. Flows to the source line S.

このとき、磁気抵抗効果素子15における記録層14と固着層12の磁化の向きが同じ向き(平行)の場合では抵抗値が相対的に低く、記録層14と固着層12の磁化の向きが互いに反対向き(反平行)の場合では抵抗値が相対的に高くなる。   At this time, when the magnetization directions of the recording layer 14 and the pinned layer 12 in the magnetoresistive effect element 15 are the same direction (parallel), the resistance value is relatively low, and the magnetization directions of the recording layer 14 and the pinned layer 12 are mutually different. In the opposite direction (antiparallel), the resistance value is relatively high.

これにより、磁気抵抗効果素子15の磁化の向きが平行の場合では、ソース線Sに流れるセンス信号の強度は所定の参照メモリセルの信号強度より大きくなる。一方、磁気抵抗効果素子15の磁化の向きが反平行の場合では、センス信号の強度は所定の参照メモリセルの信号強度より小さくなる。こうして、センス信号の強度が所定の参照メモリセルの信号強度よりも大きいか小さいかによって、特定のメモリセルに書き込まれた情報が「0」であるか「1」であるかが判定されることになる。   Thereby, when the magnetization directions of the magnetoresistive effect element 15 are parallel, the intensity of the sense signal flowing through the source line S becomes larger than the signal intensity of a predetermined reference memory cell. On the other hand, when the magnetization direction of the magnetoresistive effect element 15 is antiparallel, the intensity of the sense signal is smaller than the signal intensity of a predetermined reference memory cell. Thus, whether the information written in the specific memory cell is “0” or “1” is determined depending on whether the intensity of the sense signal is larger or smaller than the signal intensity of the predetermined reference memory cell. become.

本磁気記憶装置におけるメモリセルでは、上述したように、ビット線Bとして、磁気抵抗効果素子15に電気的に接続される読み取りビット線RBと、磁気抵抗効果素子15に電気的に接続されていない書き込みビット線WBを備えていることで、ライト線WTを磁気抵抗効果素子15と選択用トランジスタTとを電気的に接続する接続部材11,7aに接続させることができる。これにより、メモリセル領域の占有面積を削減することができる。   In the memory cell in this magnetic memory device, as described above, the read bit line RB electrically connected to the magnetoresistive effect element 15 and the magnetoresistive effect element 15 are not electrically connected as the bit line B. By providing the write bit line WB, the write line WT can be connected to the connection members 11 and 7a that electrically connect the magnetoresistive effect element 15 and the selection transistor T. As a result, the area occupied by the memory cell region can be reduced.

このことについて、比較例に係る磁気記憶装置の構造を交えて説明する。比較例に係る磁気記憶装置では、まず、図4に示すように、メモリセルにおける磁気抵抗効果素子PJに対して情報の書き込みと読み取りを行うためのライト線PWTとビット線PBとが交差する。ビット線PBは、一方向(たとえば行)に位置する磁気抵抗効果素子PJのそれぞれの一端の側に電気的に接続されている。   This will be described together with the structure of the magnetic memory device according to the comparative example. In the magnetic memory device according to the comparative example, first, as shown in FIG. 4, the write line PWT and the bit line PB for writing and reading information to and from the magnetoresistive effect element PJ in the memory cell intersect. The bit line PB is electrically connected to one end side of each of the magnetoresistive effect elements PJ located in one direction (for example, a row).

一方、ライト線PWTは、他方向(たとえば列)に位置する磁気抵抗効果素子PJのそれぞれの他端の側に電気的に接続されている。また、その磁気抵抗効果素子PJの他端の側は、素子選択用トランジスタPTのドレイン側と接続されている。一方向に位置する素子選択用トランジスタPTのそれぞれのソース側が、ソース線PSによって電気的に接続されている。また、他方向に位置する素子選択用トランジスタPTのそれぞれのゲートが、ワード線PWDによって互いに電気的に接続されている。   On the other hand, the write line PWT is electrically connected to the other end side of each magnetoresistive effect element PJ located in the other direction (for example, column). The other end side of the magnetoresistive effect element PJ is connected to the drain side of the element selection transistor PT. The source sides of the element selection transistors PT positioned in one direction are electrically connected by the source line PS. In addition, the gates of the element selection transistors PT located in the other direction are electrically connected to each other by the word line PWD.

そのメモリセルの構造について詳しく説明する。図5に示すように、情報としての磁化が行われる磁気抵抗効果素子115(PJ)は、ライト線109aとビット線120(PB)とが交差する領域において、ライト線109a(PWT)とビット線120とに上下方向から挟み込まれるように位置する。磁気抵抗効果素子115の固着層112側が、接続部材107aを介して素子選択用トランジスタPTのドレインに電気的に接続されている。その接続部材107aにライト線109aが電気的に接続されている。一方、磁気抵抗効果素子115の記録層114側は、接続部材118aを介してビット線120に電気的に接続されている。   The structure of the memory cell will be described in detail. As shown in FIG. 5, the magnetoresistive effect element 115 (PJ) that is magnetized as information has a write line 109a (PWT) and a bit line in a region where the write line 109a and the bit line 120 (PB) intersect. It is located so that it may be pinched | interposed into 120 from a vertical direction. The fixed layer 112 side of the magnetoresistive effect element 115 is electrically connected to the drain of the element selection transistor PT via the connection member 107a. The light wire 109a is electrically connected to the connecting member 107a. On the other hand, the recording layer 114 side of the magnetoresistive effect element 115 is electrically connected to the bit line 120 via a connecting member 118a.

既に説明したように、磁気抵抗効果素子115(PJ)にビット線120(PB)とライト線109a(PWT)との双方が電気的に接続される構造では、書き込み動作において、ビット線120(PB)とライト線109a(PWT)と電流を流すタイミングのずれによって磁気抵抗効果素子115(PJ)が絶縁破壊を起こすおそれがある。   As already described, in the structure in which both the bit line 120 (PB) and the write line 109a (PWT) are electrically connected to the magnetoresistive effect element 115 (PJ), the bit line 120 (PB ) And the write line 109a (PWT) and the timing of current flow may cause the magnetoresistive element 115 (PJ) to break down.

これを解消するために、比較例に係る磁気記憶装置のメモリセルでは、ライト線109a(PWT)は、磁気抵抗効果素子115(PJ)および接続部材107aとは電気的に接続されない構造が採用されている。すなわち、図5に示すように、ライト線109a(PWT)は接続部材107aとは間隔Lを隔てられて、層間絶縁膜(図示せず)を充填する領域が確保されている。   In order to solve this problem, the memory cell of the magnetic memory device according to the comparative example employs a structure in which the write line 109a (PWT) is not electrically connected to the magnetoresistive effect element 115 (PJ) and the connection member 107a. ing. That is, as shown in FIG. 5, the write line 109a (PWT) is spaced from the connection member 107a by a distance L, and a region for filling an interlayer insulating film (not shown) is secured.

これに対して、上述した磁気記憶装置のメモリセルでは、書き込み動作の際にそれぞれ所定の電流が流される書き込みビット線WBおよびライト線WTのうち、書き込みビット線WBを磁気抵抗効果素子15に電気的に接続させないことによって、ライト線WTを磁気抵抗効果素子15(接続部材11,7a)に電気的に接続することができる。これにより、比較例において、ライト線と接続部材とを電気的に絶縁するために必要とされた、ライト線と接続部材との間に層間絶縁膜を充填する領域をメモリセルの数の分だけ削減することができる。その結果、1枚のウェハから得られる磁気記憶装置のチップ数を増やすことができる。また、磁気記憶装置の小型化を図ることが可能になる。   In contrast, in the memory cell of the magnetic memory device described above, of the write bit line WB and the write line WT through which a predetermined current flows during the write operation, the write bit line WB is electrically connected to the magnetoresistive effect element 15. Therefore, the write line WT can be electrically connected to the magnetoresistive effect element 15 (connecting members 11 and 7a). As a result, in the comparative example, the area filled with the interlayer insulating film between the write line and the connection member, which is necessary for electrically insulating the write line and the connection member, is as many as the number of memory cells. Can be reduced. As a result, it is possible to increase the number of chips of the magnetic storage device obtained from one wafer. In addition, the magnetic storage device can be reduced in size.

また、ライト線WTは読み出しビット線RBとともに磁気抵抗効果素子15に電気的に接続されているが、書き込み動作時では、読み出しビット線RBには電流は流されないので、絶縁破壊等の問題は生じない。   Further, the write line WT is electrically connected to the magnetoresistive effect element 15 together with the read bit line RB. However, no current flows through the read bit line RB during the write operation, which causes problems such as dielectric breakdown. Absent.

(磁気抵抗効果素子の配置態様と構造)
磁気記憶装置におけるメモリセル領域では、メモリセルはマトリクス状に複数配設されることになる。そのメモリセルにおける磁気抵抗効果素子の配置パターンには2つの態様が想定される。まず、配置態様の一つとして図6に示される並進配置がある。この並進配置では、ライト線9aが延在する方向に沿って位置するメモリセルのそれぞれでは、平面的に磁気抵抗効果素子(記録層14)15が位置する領域に対してビット線Bが延在する方向の一方の側に接続部材11が位置する。ライト線9aは、磁気抵抗効果素子15の固着層12およびトンネル絶縁層13が位置する領域の直下において接続部材11に向って延在する。
(Arrangement mode and structure of magnetoresistive effect element)
In the memory cell region in the magnetic memory device, a plurality of memory cells are arranged in a matrix. Two modes are assumed for the arrangement pattern of the magnetoresistive effect element in the memory cell. First, there is a translational arrangement shown in FIG. In this translational arrangement, in each of the memory cells located along the direction in which the write line 9a extends, the bit line B extends in a plane with respect to the region where the magnetoresistive element (recording layer 14) 15 is located. The connecting member 11 is located on one side in the direction of the movement. The write line 9 a extends toward the connection member 11 immediately below the region where the pinned layer 12 and the tunnel insulating layer 13 of the magnetoresistive effect element 15 are located.

次に、配置態様の他の一つとして図7に示される交互配置がある。交互配置では、ライト線9aが延在する方向に沿って位置するメモリセルのそれぞれでは、平面的に磁気抵抗効果素子(記録層14)15が位置する領域に対してビット線Bが延在する方向の一方に側に接続部材11が位置する配置と、磁気抵抗効果素子(記録層14)15が位置する領域に対してビット線Bが延在する方向の他方の側に接続部材11が位置する配置とが交互に設定されている。ライト線9aは、磁気抵抗効果素子15の固着層12およびトンネル絶縁層13が位置する領域の直下において接続部材11に向って延在する。   Next, as another arrangement mode, there is an alternate arrangement shown in FIG. In the alternate arrangement, in each of the memory cells positioned along the direction in which the write line 9a extends, the bit line B extends in a plane with respect to the region where the magnetoresistive effect element (recording layer 14) 15 is positioned. The connection member 11 is positioned on one side of the direction, and the connection member 11 is positioned on the other side of the direction in which the bit line B extends with respect to the region where the magnetoresistive element (recording layer 14) 15 is positioned. The arrangement to be performed is set alternately. The write line 9 a extends toward the connection member 11 immediately below the region where the pinned layer 12 and the tunnel insulating layer 13 of the magnetoresistive effect element 15 are located.

上述したように、磁気記憶装置では、磁気抵抗効果素子15における磁化の向きが「0」または「1」に対応する情報となる。情報を保持するにはその磁化の方向を維持する必要がある。磁化の方向を維持するためには、平面形状が一方向に延在する異方性形状とすることが望ましく、これにより、磁化は異方性形状に起因した反磁界によって長手方向に強くとどまることになる。   As described above, in the magnetic memory device, the magnetization direction in the magnetoresistive effect element 15 is information corresponding to “0” or “1”. In order to retain information, it is necessary to maintain the magnetization direction. In order to maintain the direction of magnetization, it is desirable that the planar shape be an anisotropic shape extending in one direction, so that the magnetization remains strongly in the longitudinal direction due to the demagnetizing field due to the anisotropic shape. become.

次に、そのような異方性形状を有する磁気抵抗効果素子の配置パターンについて、並進配置の場合を例に挙げて説明する。まず、図8に示される配置パターンでは、磁気抵抗効果素子15の記録層14の延在する方向がライト線9aが延在する方向と同じ方向とされる。この場合には、記録層14の延在する方向と直交する方向にビット線Bが延在する。   Next, the arrangement pattern of the magnetoresistive effect element having such an anisotropic shape will be described by taking a translational arrangement as an example. First, in the arrangement pattern shown in FIG. 8, the direction in which the recording layer 14 of the magnetoresistive element 15 extends is the same as the direction in which the write line 9a extends. In this case, the bit line B extends in a direction orthogonal to the direction in which the recording layer 14 extends.

次に、図9に示される配置パターンでは、記録層14の延在する方向はライト線9aが延在する方向と45°傾いた方向とされる。この場合に、ライト線9aと直交するビット線Bも記録層14の延在する方向と45°傾いた方向に延在することになる。また、この配置パターンでは、接続部材11は記録層14が延在する方向に位置する。このように、記録層14をライト線9aが延在する方向と45°傾けて延在させることで、ビット線B方向の距離をより縮めることができて、磁気記憶装置におけるメモリセル領域の占有面積の削減を図ることができる。   Next, in the arrangement pattern shown in FIG. 9, the direction in which the recording layer 14 extends is a direction inclined by 45 ° from the direction in which the write line 9a extends. In this case, the bit line B orthogonal to the write line 9a also extends in a direction inclined by 45 ° from the direction in which the recording layer 14 extends. In this arrangement pattern, the connection member 11 is positioned in the direction in which the recording layer 14 extends. Thus, by extending the recording layer 14 at an angle of 45 ° with respect to the direction in which the write line 9a extends, the distance in the bit line B direction can be further reduced, and the memory cell area occupied in the magnetic memory device can be reduced. The area can be reduced.

そして、図10に示される配置パターンでは、記録層14の延在する方向がライト線9aが延在する方向とビット線Bが延在する方向の双方に45°傾いた方向とされたうえで、接続部材11が記録層14に対してビット線Bが延在する方向の側に位置する。この配置パターンでは、記録層14をライト線9aが延在する方向と45°傾けて延在させるとともに、接続部材11を記録層14に対してビット線Bが延在する方向に延在させることで、ビット線B方向に加えてライト線9a方向の距離も縮めることができる。これにより、磁気記憶装置におけるメモリセル領域の占有面積の削減をさらに図ることができて、1枚のウェハから得られる磁気記憶装置の数(チップ数)を増やすことができ、また、磁気記憶装置の小型化を図ることが可能になる。   In the arrangement pattern shown in FIG. 10, the direction in which the recording layer 14 extends is inclined by 45 ° in both the direction in which the write line 9a extends and the direction in which the bit line B extends. The connecting member 11 is located on the side of the recording layer 14 in the direction in which the bit line B extends. In this arrangement pattern, the recording layer 14 is inclined at 45 ° with respect to the direction in which the write line 9 a extends, and the connection member 11 is extended in the direction in which the bit line B extends with respect to the recording layer 14. Thus, the distance in the direction of the write line 9a in addition to the direction of the bit line B can be reduced. Thereby, the occupation area of the memory cell region in the magnetic memory device can be further reduced, the number of magnetic memory devices (number of chips) obtained from one wafer can be increased, and the magnetic memory device Can be reduced in size.

なお、ライト線9a,WTの端部の位置は、磁気抵抗効果素子15の位置に制約されるものではないが、ライト線9a,WTは磁気抵抗効果素子15に情報を記録するための磁界を発生することができればよい。発生した磁界を効率的に磁気抵抗効果素子15に印加するために、図11に示すように、ライト線9a,WTの端部を、平面レイアウト上、磁気抵抗効果素子15の記録層14の端部99aにまで延在させることが好ましい(紙面に向って右側のメモリセル参照)。また、隣接するメモリセルとのスペースが許されるのであればライト線WTの端部を磁気抵抗効果素子15の記録層14の端部99aから平面的にはみ出してもよいが(紙面に向って左側のメモリセル参照)、隣接する磁気抵抗効果素子15の領域に平面的に入らないことが必要とされる。   The positions of the end portions of the write lines 9a and WT are not restricted by the position of the magnetoresistive effect element 15, but the write lines 9a and WT have a magnetic field for recording information on the magnetoresistive effect element 15. It only needs to be generated. In order to efficiently apply the generated magnetic field to the magnetoresistive effect element 15, as shown in FIG. 11, the end portions of the write lines 9a and WT are arranged on the end of the recording layer 14 of the magnetoresistive effect element 15 on the plane layout. It is preferable to extend to the portion 99a (refer to the memory cell on the right side of the drawing). If the space between the adjacent memory cells is allowed, the end of the write line WT may protrude planarly from the end 99a of the recording layer 14 of the magnetoresistive effect element 15 (on the left side toward the paper surface). In other words, it is necessary not to enter the area of the adjacent magnetoresistive element 15 in a planar manner.

そのライト線9aによって生じる磁界を効率的に磁気抵抗効果素子15に印加するために、ライト線9aの三方を高透磁率の材料によって被覆した構造であってもよい。なお、書き込みビット線WBについては、図12に示すように、書き込み動作を確実に行うために、磁気抵抗効果素子15の直上に配置させることが望ましい。   In order to efficiently apply the magnetic field generated by the write line 9a to the magnetoresistive effect element 15, a structure in which three sides of the write line 9a are covered with a material having a high magnetic permeability may be employed. As shown in FIG. 12, the write bit line WB is desirably arranged immediately above the magnetoresistive effect element 15 in order to reliably perform the write operation.

また、書き込み動作や読み取り動作の省電力化を図るために、図13に示すように、磁気抵抗効果素子15と読み取りビット線20aとの間に介在する層間絶縁膜17や、読み取りビット線20aと書き込みビット線24aとの間に介在する層間絶縁膜21の膜厚をより薄くして、読み取りビット線20aと書き込みビット線24aとを磁気抵抗効果素子15にさらに接近させるようにしてもよい。また、図14に示すように、磁気抵抗効果素子15の固着層12をライト線9aに直接接続させた構造としてもよい。さらに、図15に示すように、読み取りビット線20aを磁気抵抗効果素子15の記録層14に直接接続させた構造としてもよい。   Further, in order to save power in the write operation and the read operation, as shown in FIG. 13, the interlayer insulating film 17 interposed between the magnetoresistive effect element 15 and the read bit line 20a, the read bit line 20a, The film thickness of the interlayer insulating film 21 interposed between the write bit line 24a may be made thinner so that the read bit line 20a and the write bit line 24a are closer to the magnetoresistive effect element 15. Further, as shown in FIG. 14, the fixed layer 12 of the magnetoresistive effect element 15 may be directly connected to the write line 9a. Further, as shown in FIG. 15, the read bit line 20 a may be directly connected to the recording layer 14 of the magnetoresistive effect element 15.

こうして、ライト線9aと磁気抵抗効果素子15の表面との距離が短くなることによって、ライト線9aを流れる電流によって生じる磁界が効果的に磁気抵抗効果素子15に印加されて、少ない電流で書き込みが可能になる。さらに、ライト線9aに加えて、書き込みビット線24aと磁気抵抗効果素子15との距離を短くなることによって、より一層省電力化が期待される。   Thus, by reducing the distance between the write line 9a and the surface of the magnetoresistive effect element 15, the magnetic field generated by the current flowing through the write line 9a is effectively applied to the magnetoresistive effect element 15, and writing can be performed with a small current. It becomes possible. Further, in addition to the write line 9a, the distance between the write bit line 24a and the magnetoresistive effect element 15 is shortened, so that further power saving is expected.

また、省電力化を図るために、ビット線Bやライト線9aを周辺回路領域における対応する配線層の膜厚よりも厚く形成してもよい。すなわち、書き込みビット線24a、読み取りビット線20aとライト線9aとの少なくとも一つについて、周辺回路領域における対応する配線層を、磁気抵抗効果素子に向って膜厚が厚くなるように形成してもよい。たとえば図16は、読み取りビット線20a,RWの膜厚を周辺回路領域RRにおける対応する配線層20bの膜厚よりも厚く形成した構造を示す。   In order to save power, the bit line B and the write line 9a may be formed thicker than the corresponding wiring layer in the peripheral circuit region. That is, for at least one of the write bit line 24a, the read bit line 20a, and the write line 9a, a corresponding wiring layer in the peripheral circuit region may be formed so as to increase in thickness toward the magnetoresistive element. Good. For example, FIG. 16 shows a structure in which the read bit lines 20a and RW are formed thicker than the corresponding wiring layer 20b in the peripheral circuit region RR.

なお、この読み取りビット線20aとライト線9aの場合には、周辺回路領域における対応する配線層9b、20bの膜厚よりも厚くして、読み取りビット線20aあるいはライト線9aを磁気抵抗効果素子15に接触させるようにしてもよい。このことによっても、情報の書き込みをより少ない電流で確実に行うことができ、また、情報の読み取りをより確実に行うことができる。   In the case of the read bit line 20a and the write line 9a, the read bit line 20a or the write line 9a is made thicker than the corresponding wiring layers 9b and 20b in the peripheral circuit region so that the magnetoresistive effect element 15 is used. You may make it contact. This also makes it possible to reliably write information with less current and to read information more reliably.

なお、上述した磁気記憶装置では、磁気抵抗効果素子15の下方にライト線9aが配置され、磁気抵抗効果素子15の上方に読み取りビット線20aと書き込みビット線24aが配置された構造を例に挙げて説明したが、この構造とは反対に、磁気抵抗効果素子15の下方に読み取りビット線20aと書き込みビット線24aが配置され、磁気抵抗効果素子15の上方にライト線9aが配置された構造でも、同様の効果を得ることができる。   In the magnetic memory device described above, a structure in which the write line 9a is disposed below the magnetoresistive effect element 15 and the read bit line 20a and the write bit line 24a are disposed above the magnetoresistive effect element 15 is taken as an example. However, in contrast to this structure, the read bit line 20a and the write bit line 24a are disposed below the magnetoresistive effect element 15, and the write line 9a is disposed above the magnetoresistive effect element 15. The same effect can be obtained.

(磁気記憶装置の製造方法)
次に、上述した磁気記憶装置の製造方法の一例について説明する。まず、図17に示すように、半導体基板1の主表面における所定の領域に素子分離絶縁膜2を形成することによって、メモリセル領域MRおよび周辺回路領域RRが形成される。そのメモリセル領域MRおよび周辺回路領域RRに位置する半導体基板の表面にゲート絶縁膜5を介してゲート電極本体4が形成される。そのゲート電極本体4等をマスクとして半導体基板1の表面に所定導電型の不純物を導入することにより、不純物領域からなるドレイン領域1aおよびソース領域1bが形成される。こうして、メモリセル領域MRでは、ゲート電極4、ドレイン領域1aおよびソース領域1bを含む素子選択用トランジスタ3aが形成され、周辺回路領域RRでは、論理回路を構成するトランジスタ3bが形成される。
(Method for manufacturing magnetic storage device)
Next, an example of a method for manufacturing the magnetic storage device described above will be described. First, as shown in FIG. 17, by forming element isolation insulating film 2 in a predetermined region on the main surface of semiconductor substrate 1, memory cell region MR and peripheral circuit region RR are formed. Gate electrode body 4 is formed on the surface of the semiconductor substrate located in memory cell region MR and peripheral circuit region RR via gate insulating film 5. By introducing impurities of a predetermined conductivity type into the surface of the semiconductor substrate 1 using the gate electrode body 4 or the like as a mask, a drain region 1a and a source region 1b made of impurity regions are formed. Thus, in the memory cell region MR, the element selection transistor 3a including the gate electrode 4, the drain region 1a, and the source region 1b is formed, and in the peripheral circuit region RR, the transistor 3b constituting the logic circuit is formed.

その素子選択用トランジスタ3aおよびトランジスタ3bを覆うように、たとえばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により層間絶縁膜6が形成される。その層間絶縁膜6に対して所定の写真製版およびエッチングを施すことによって、半導体基板1の表面を露出するコンタクトホール6a,6bが形成される。そのコンタクトホール6a,6bを充填するように層間絶縁膜6上にタングステン層(図示せず)が形成される。そのタングステン層に対してCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理を施すことによって、あるいは、RIE(Reactive Ion Etching)法によりタングステン層の全面にエッチングを施すことによって、層間絶縁膜6の上面上に位置するタングステン層の部分が除去されて、図18に示すように、コンタクトホール6a,6b内に接続部材7a,7bが形成される。   An interlayer insulating film 6 is formed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method so as to cover the element selection transistor 3a and the transistor 3b. By performing predetermined photoengraving and etching on the interlayer insulating film 6, contact holes 6a and 6b exposing the surface of the semiconductor substrate 1 are formed. A tungsten layer (not shown) is formed on interlayer insulating film 6 so as to fill contact holes 6a and 6b. By performing CMP (Chemical Mechanical Polishing) on the tungsten layer or etching the entire surface of the tungsten layer by RIE (Reactive Ion Etching), tungsten positioned on the upper surface of the interlayer insulating film 6 is formed. The layer portion is removed, and connection members 7a and 7b are formed in the contact holes 6a and 6b as shown in FIG.

次に、図19に示すように、たとえばCVD法により層間絶縁膜6上にさらに層間絶縁膜8が形成される。その層間絶縁膜8に所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、メモリセル領域MRでは、ライト線を形成するための開口部8aが形成される。周辺回路領域RRでは、所定の配線層を形成するための開口部8bが形成される。その開口部8a,8bを充填するように、層間絶縁膜8上にたとえば銅膜(図示せず)が形成される。その銅膜にCMP処理を施すことによって、層間絶縁膜8の上面上に位置する銅膜が除去されて、メモリセル領域MRでは開口部8a内にライト線9aが形成される。周辺回路領域RRでは配線層9bが形成される。   Next, as shown in FIG. 19, an interlayer insulating film 8 is further formed on interlayer insulating film 6 by, eg, CVD. By performing predetermined photoengraving and etching on the interlayer insulating film 8, an opening 8a for forming a write line is formed in the memory cell region MR. In the peripheral circuit region RR, an opening 8b for forming a predetermined wiring layer is formed. For example, a copper film (not shown) is formed on the interlayer insulating film 8 so as to fill the openings 8a and 8b. By subjecting the copper film to a CMP process, the copper film located on the upper surface of the interlayer insulating film 8 is removed, and a write line 9a is formed in the opening 8a in the memory cell region MR. In the peripheral circuit region RR, a wiring layer 9b is formed.

次に、図20に示すように、層間絶縁膜8上にたとえばCVD法によりさらに層間絶縁膜10が形成される。その層間絶縁膜10に所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、ライト線9aの表面を露出するコンタクトホール10aが形成される。そのコンタクトホール10a内を充填するように層間絶縁膜10上にたとえばタングステン層(図示せず)が形成され、そのタングステン層にたとえばCMP処理等を施すことによって層間絶縁膜10の上面上に位置するタングステン層が除去されて、コンタクトホール10a内に接続部材11が形成される。   Next, as shown in FIG. 20, an interlayer insulating film 10 is further formed on interlayer insulating film 8 by, for example, a CVD method. By performing predetermined photoengraving and etching on the interlayer insulating film 10, a contact hole 10a exposing the surface of the write line 9a is formed. For example, a tungsten layer (not shown) is formed on interlayer insulating film 10 so as to fill contact hole 10a, and the tungsten layer is positioned on the upper surface of interlayer insulating film 10 by performing, for example, CMP processing or the like. The tungsten layer is removed, and the connection member 11 is formed in the contact hole 10a.

次に、メモリセル領域MRにおける層間絶縁膜10の上に、磁気抵抗効果素子15が形成される。その磁気抵抗効果素子15は、固着層12、トンネル絶縁層13および記録層14の積層膜から構成される。まず、固着層となる膜として、たとえば膜厚約20nmの白金マンガン膜(反強磁性材料)と膜厚約3nmのコバルト合金膜(強磁性材料)が順次形成される。次に、トンネル絶縁層となる膜として、膜厚約1nmのアルミニウム酸化膜が形成される。そして、記録層となる膜として、膜厚約3nmのニッケル合金膜が形成される(いずれも図示せず)。なお、白金マンガン膜〜ニッケル合金膜は、たとえばMBE(Molecular Beam Epitaxy)法によって形成される。   Next, the magnetoresistive effect element 15 is formed on the interlayer insulating film 10 in the memory cell region MR. The magnetoresistive effect element 15 is composed of a laminated film of a pinned layer 12, a tunnel insulating layer 13 and a recording layer 14. First, for example, a platinum manganese film (antiferromagnetic material) having a film thickness of about 20 nm and a cobalt alloy film (ferromagnetic material) having a film thickness of about 3 nm are sequentially formed as a film to be a fixed layer. Next, an aluminum oxide film having a thickness of about 1 nm is formed as a film to be a tunnel insulating layer. Then, a nickel alloy film having a thickness of about 3 nm is formed as a film to be a recording layer (none of which is shown). The platinum manganese film to the nickel alloy film are formed by, for example, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method.

その後、そのニッケル合金膜、アルミニウム酸化膜、コバルト合金膜および白金マンガン膜に所定のエッチングを施すことによって、図21に示すように、固着層12、トンネル絶縁層13および記録層14を備えた所定形状の磁気抵抗効果素子15が形成されることになる。   Thereafter, the nickel alloy film, the aluminum oxide film, the cobalt alloy film, and the platinum manganese film are subjected to predetermined etching, whereby a predetermined layer including the fixed layer 12, the tunnel insulating layer 13, and the recording layer 14 is provided as shown in FIG. A magnetoresistive effect element 15 having a shape is formed.

次に、こうして形成された磁気抵抗効果素子15がその後のドライエッチングや洗浄等によってダメージを受けないように、図22に示すように、磁気抵抗効果素子15を覆うように保護膜16が形成される。その保護膜16を覆うように、層間絶縁膜10上にさらに層間絶縁膜17が形成される。次に、その層間絶縁膜17上にさらに層間絶縁膜19が形成される。   Next, as shown in FIG. 22, a protective film 16 is formed so as to cover the magnetoresistive effect element 15 so that the magnetoresistive effect element 15 thus formed is not damaged by subsequent dry etching, cleaning, or the like. The An interlayer insulating film 17 is further formed on the interlayer insulating film 10 so as to cover the protective film 16. Next, an interlayer insulating film 19 is further formed on the interlayer insulating film 17.

その層間絶縁膜19,17に対して、デュアルダマシン法により所定の接続部材と配線層が形成される。まず、層間絶縁膜19に対して所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、メモリセル領域MRでは、読み取りビット線を形成するための開口部(図示せず)が形成される。周辺回路領域RRでは、配線層を形成するための開口部19aが形成される。   A predetermined connection member and a wiring layer are formed on the interlayer insulating films 19 and 17 by a dual damascene method. First, by performing predetermined photoengraving and etching on the interlayer insulating film 19, an opening (not shown) for forming a read bit line is formed in the memory cell region MR. In the peripheral circuit region RR, an opening 19a for forming a wiring layer is formed.

次に、層間絶縁膜17に対して所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、メモリセル領域MRでは、磁気抵抗効果素子15の記録層14の表面を露出するコンタクトホール17aが形成される。周辺回路領域RRでは、配線層9bの表面を露出するコンタクトホール17bが形成される。なお、層間絶縁膜19,17に記録層14の表面と配線層9bの表面とをそれぞれ露出するコンタクトホールを形成した後に、層間絶縁膜19に開口部19a等を形成するようにしてもよい。   Next, by performing predetermined photoengraving and etching on the interlayer insulating film 17, a contact hole 17a exposing the surface of the recording layer 14 of the magnetoresistive effect element 15 is formed in the memory cell region MR. In the peripheral circuit region RR, a contact hole 17b exposing the surface of the wiring layer 9b is formed. In addition, after forming contact holes exposing the surface of the recording layer 14 and the surface of the wiring layer 9 b in the interlayer insulating films 19 and 17, an opening 19 a and the like may be formed in the interlayer insulating film 19.

次に、コンタクトホール17a,17bおよび開口部19a等内を充填するように層間絶縁膜19上にたとえば銅膜(図示せず)が形成される。その銅膜にたとえばCMP処理等を施すことによって層間絶縁膜19の上面上に位置する銅膜の部分が除去されて、メモリセル領域MRでは、コンタクトホール17a内には記録層14に電気的に接続される接続部材18aが形成されるとともに、開口部内にはその接続部材18aに電気的に接続される読み取りビット線20aが形成される。一方、周辺回路領域RRでは、コンタクトホール17b内に配線層9bに電気的に接続される接続部材18bが形成されるとともに、開口部19a内には接続部材18bに電気的に接続される配線層20bが形成される。   Next, for example, a copper film (not shown) is formed on interlayer insulating film 19 so as to fill contact holes 17a, 17b, opening 19a and the like. The copper film is subjected to, for example, a CMP process to remove a portion of the copper film located on the upper surface of the interlayer insulating film 19. In the memory cell region MR, the contact hole 17 a is electrically connected to the recording layer 14. A connection member 18a to be connected is formed, and a read bit line 20a electrically connected to the connection member 18a is formed in the opening. On the other hand, in the peripheral circuit region RR, a connection member 18b electrically connected to the wiring layer 9b is formed in the contact hole 17b, and a wiring layer electrically connected to the connection member 18b is formed in the opening 19a. 20b is formed.

次に、図23に示すように、読み取りビット線20aおよび配線層20bを覆うように、層間絶縁膜17上にさらに層間絶縁膜21が形成される。次に、その層間絶縁膜21上にさらに層間絶縁膜23が形成される。その層間絶縁膜23,21に対して、デュアルダマシン法により所定の接続部材と配線層が形成される。まず、層間絶縁膜23に対して所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、メモリセル領域MRでは、書き込みビット線を形成するための開口部(図示せず)が形成される。周辺回路領域RRでは、配線層を形成するための開口部23aが形成される。   Next, as shown in FIG. 23, an interlayer insulating film 21 is further formed on the interlayer insulating film 17 so as to cover the read bit line 20a and the wiring layer 20b. Next, an interlayer insulating film 23 is further formed on the interlayer insulating film 21. A predetermined connection member and a wiring layer are formed on the interlayer insulating films 23 and 21 by a dual damascene method. First, by performing predetermined photoengraving and etching on the interlayer insulating film 23, an opening (not shown) for forming a write bit line is formed in the memory cell region MR. In the peripheral circuit region RR, an opening 23a for forming a wiring layer is formed.

次に、層間絶縁膜21に対して所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、周辺回路領域RRでは、配線層20bの表面を露出するコンタクトホール21aが形成される。なお、層間絶縁膜23,21に配線層20bの表面を露出するコンタクトホールを形成した後に、層間絶縁膜23に開口部23a等を形成するようにしてもよい。   Next, by performing predetermined photoengraving and etching on the interlayer insulating film 21, a contact hole 21a exposing the surface of the wiring layer 20b is formed in the peripheral circuit region RR. The contact holes that expose the surface of the wiring layer 20b may be formed in the interlayer insulating films 23 and 21, and then the opening 23a and the like may be formed in the interlayer insulating film 23.

次に、コンタクトホール21aおよび開口部23a等内を充填するように層間絶縁膜23上にたとえば銅膜(図示せず)が形成される。その銅膜にたとえばCMP処理等を施すことによって層間絶縁膜23の上面上に位置する銅膜の部分が除去されて、メモリセル領域MRでは、開口部内に書き込みビット線24aが形成される。一方、周辺回路領域RRでは、コンタクトホール21a内に配線層20bに電気的に接続される接続部材22が形成されるとともに、開口部23a内にその接続部材22に電気的に接続される配線層24bが形成される。   Next, for example, a copper film (not shown) is formed on interlayer insulating film 23 so as to fill contact hole 21a, opening 23a and the like. The copper film is subjected to, for example, a CMP process to remove a portion of the copper film located on the upper surface of the interlayer insulating film 23, and a write bit line 24a is formed in the opening in the memory cell region MR. On the other hand, in the peripheral circuit region RR, the connection member 22 electrically connected to the wiring layer 20b is formed in the contact hole 21a, and the wiring layer electrically connected to the connection member 22 in the opening 23a. 24b is formed.

次に、図24に示すように、書き込みビット線24aおよび配線層24bを覆うように、層間絶縁膜23上に層間絶縁膜25が形成される。次に、その層間絶縁膜25上にさらに層間絶縁膜27が形成される。その層間絶縁膜27,25に対して、デュアルダマシン法により所定の接続部材と配線層が形成される。まず、層間絶縁膜27に所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、メモリセル領域MRでは、所定の配線層を形成するための開口部27aが形成される。また、周辺回路領域RRでは、所定の配線層を形成するための開口部27bが形成される。次に、層間絶縁膜25に所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、周辺回路領域RRでは、配線層24bの表面を露出するコンタクトホール25aが形成される。   Next, as shown in FIG. 24, an interlayer insulating film 25 is formed on the interlayer insulating film 23 so as to cover the write bit line 24a and the wiring layer 24b. Next, an interlayer insulating film 27 is further formed on the interlayer insulating film 25. A predetermined connection member and a wiring layer are formed on the interlayer insulating films 27 and 25 by a dual damascene method. First, by performing predetermined photoengraving and etching on the interlayer insulating film 27, an opening 27a for forming a predetermined wiring layer is formed in the memory cell region MR. In the peripheral circuit region RR, an opening 27b for forming a predetermined wiring layer is formed. Next, by performing predetermined photoengraving and etching on the interlayer insulating film 25, a contact hole 25a exposing the surface of the wiring layer 24b is formed in the peripheral circuit region RR.

次に、コンタクトホール25aおよび開口部27a,27b内を充填するように、層間絶縁膜27上にたとえば銅膜(図示せず)が形成される。その銅膜にCMP処理を施すことによって、層間絶縁膜27の上面上に位置する銅膜が除去されて、メモリセル領域MRでは開口部内に配線層28aが形成される。周辺回路領域RRでは、コンタクトホール25a内に配線層24bに電気的に接続される接続部材26が形成されるとともに、開口部27bにその接続部材26に電気的に接続される配線層28bが形成される。こうして、図2に示す磁気記憶装置が形成されることになる。   Next, for example, a copper film (not shown) is formed on interlayer insulating film 27 so as to fill contact hole 25a and openings 27a and 27b. By performing a CMP process on the copper film, the copper film located on the upper surface of the interlayer insulating film 27 is removed, and a wiring layer 28a is formed in the opening in the memory cell region MR. In the peripheral circuit region RR, a connection member 26 electrically connected to the wiring layer 24b is formed in the contact hole 25a, and a wiring layer 28b electrically connected to the connection member 26 is formed in the opening 27b. Is done. Thus, the magnetic memory device shown in FIG. 2 is formed.

なお、上述した磁気記憶装置の製造方法では、接続部材7a等として、タングステン層を例に挙げて説明したが、たとえばシリコンを適用してもよい。また、銅、チタンあるいはタンタル等の金属を適用してもよい。さらに、このような金属の合金やこのような金属の窒化物等も適用することができる。また、接続部材7a等の形成方法としてCMP法あるいはRIE法を例に挙げて説明したが、たとえばメッキ法、スパッタリング法、CVD法等を適用してもよい。金属として銅を適用する場合には、いわゆるダマシン法を適用することができ、接続部材7aと並行して配線層を形成することもできる。   In the above-described manufacturing method of the magnetic memory device, the tungsten layer has been described as an example of the connection member 7a and the like. However, for example, silicon may be applied. Moreover, you may apply metals, such as copper, titanium, or a tantalum. Furthermore, such metal alloys and nitrides of such metals can also be applied. Further, although the CMP method or the RIE method has been described as an example of the method for forming the connection member 7a and the like, for example, a plating method, a sputtering method, a CVD method, or the like may be applied. When copper is used as the metal, a so-called damascene method can be applied, and a wiring layer can be formed in parallel with the connection member 7a.

また、ライト線9aの形成方法としてシングルダマシン法を例に挙げて説明したが、ライト線9aを接続部材7aと同時に形成する場合には、デュアルダマシン法を適用することもできる。さらに、配線材料としてシリコン、タングステン、アルミニウム、チタン等の金属、そのような金属の合金あるいはそのような金属の化合物を適用することによって、ドライエッチングによる配線の形成も可能になる。   Further, the single damascene method has been described as an example of the method of forming the write line 9a. However, when the write line 9a is formed simultaneously with the connecting member 7a, the dual damascene method can be applied. Furthermore, by using a metal such as silicon, tungsten, aluminum, or titanium, an alloy of such a metal, or a compound of such a metal as a wiring material, wiring can be formed by dry etching.

また、磁気抵抗効果素子15より上方に位置する、読み取りビット線20a、接続部材18a、配線層20bおよび接続部材18bの形成方法、書き込みビット線24a、配線層24bおよび接続部材22の形成方法、そして、配線層28a,28bおよび接続部材26の形成方法としてデュアルダマシン法を例に挙げて説明したが、シングルダマシン法を適用して接続部材と配線層とを別個に形成してもよい。なお、配線層と配線層との間に介在する層間絶縁膜の膜厚は適用デバイスによって異なることになるが、この磁気記憶装置では、当該膜厚はたとえば約40nmとされる。   Also, a method for forming the read bit line 20a, the connection member 18a, the wiring layer 20b, and the connection member 18b, a method for forming the write bit line 24a, the wiring layer 24b, and the connection member 22 positioned above the magnetoresistive element 15, and Although the dual damascene method has been described as an example of the method for forming the wiring layers 28a, 28b and the connection member 26, the connection member and the wiring layer may be formed separately by applying a single damascene method. Note that the film thickness of the interlayer insulating film interposed between the wiring layers differs depending on the device to be applied, but in this magnetic memory device, the film thickness is, for example, about 40 nm.

また、磁気抵抗効果素子15に関して、磁気抵抗効果素子15のトンネル絶縁層13としてアルミニウム酸化物を例に挙げて説明したが、トンネル絶縁層13としては非磁性材料が好ましく、たとえばアルミニウム、シリコン、タンタル、マグネシウムなどの金属、その金属の酸化物、その金属の窒化物、その金属の合金、その合金の酸化物、その合金の窒化物等が好ましい。そのトンネル絶縁層13は、膜厚約0.3〜5nm程度の比較的薄い膜として形成されることが好ましい。このように、トンネル絶縁層が非磁性材料の場合には、いわゆる膜面に対して垂直方向の巨大磁気抵抗効果を利用することもできる。   The magnetoresistive effect element 15 has been described by taking aluminum oxide as an example of the tunnel insulating layer 13 of the magnetoresistive effect element 15, but the tunnel insulating layer 13 is preferably a nonmagnetic material, for example, aluminum, silicon, tantalum. A metal such as magnesium, an oxide of the metal, a nitride of the metal, an alloy of the metal, an oxide of the alloy, and a nitride of the alloy are preferable. The tunnel insulating layer 13 is preferably formed as a relatively thin film having a thickness of about 0.3 to 5 nm. Thus, when the tunnel insulating layer is made of a nonmagnetic material, the so-called giant magnetoresistance effect in the direction perpendicular to the film surface can be used.

さらに、磁気抵抗効果素子15の固着層12として白金マンガン合金膜とコバルト鉄合金膜との積層構造を例に挙げ、記録層14としてニッケル鉄合金膜を例に挙げたが、固着層12および記録層14としては、強磁性材料からなることが好ましく、たとえば、ニッケル、鉄および/またはコバルトを主成分とする磁気材料が好ましい。さらには、磁気特性向上と熱的安定性のために、その磁気材料にホウ素、窒素、シリコンなどの添加物を導入してもよい。さらに、また、NiMnSb、Co2MnGeなどのハーフメタルなどを適用することも可能である。ハーフメタルでは一方のスピンバンドにエネルギギャップが存在するので、これを用いることによってより大きな磁気効果を得ることができ、その結果、大きな信号出力を得ることができる。 Further, the pinned layer 12 of the magnetoresistive effect element 15 is exemplified by a laminated structure of a platinum manganese alloy film and a cobalt iron alloy film, and the recording layer 14 is exemplified by a nickel iron alloy film. The layer 14 is preferably made of a ferromagnetic material, for example, a magnetic material mainly composed of nickel, iron and / or cobalt. Furthermore, additives such as boron, nitrogen, and silicon may be introduced into the magnetic material in order to improve the magnetic characteristics and thermal stability. Furthermore, it is also possible to apply a half metal such as NiMnSb or Co 2 MnGe. In the half metal, there is an energy gap in one spin band. By using this, a larger magnetic effect can be obtained, and as a result, a large signal output can be obtained.

固着層では、反強磁性層と強磁性層との積層構造とすることで、磁化方向をより固定することができる。つまり、反強磁性層が強磁性層のスピンの向きを固定することで、強磁性層の磁化の方向が一定に保たれる。反強磁性層としては、鉄などの強磁性材料または貴金属の少なくとも1つと、マンガンとの化合物が好ましい。   In the fixed layer, the magnetization direction can be more fixed by adopting a laminated structure of an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer. That is, the antiferromagnetic layer fixes the spin direction of the ferromagnetic layer, so that the magnetization direction of the ferromagnetic layer is kept constant. The antiferromagnetic layer is preferably a compound of manganese and at least one of a ferromagnetic material such as iron or a noble metal.

なお、上述した製造方法では、この磁気抵抗効果素子を構成する固着層、トンネル絶縁層および記録層をそれぞれMBE法によって形成する場合を例に挙げたが、MBE法の他に、たとえばスパッタ法、化学気相成長法あるいは蒸着法などにより形成することも可能である。   In the manufacturing method described above, the case where the pinned layer, the tunnel insulating layer, and the recording layer constituting the magnetoresistive effect element are formed by the MBE method is taken as an example. In addition to the MBE method, for example, a sputtering method, It can also be formed by chemical vapor deposition or vapor deposition.

また、上述した磁気記憶装置の製造方法では、磁気抵抗効果素子15の固着層12が接続部材11に直接接続される場合を例に挙げて説明したが、固着層12と接続部材11が形成される層間絶縁膜8との間に導電層を介在させてもよい。この場合、その導電層は、固着層12と重なるように固着層12の平面形状と同じ形状に形成してもよい。その導電層の材料として、低抵抗の金属、たとえば白金、ルテニウム、銅、アルミニウム、タンタル等を適用することが好ましい。また、導電層の膜厚として、その導電層の上に形成される固着層12、トンネル絶縁層13および記録層14の平坦性が損なわれないように、たとえば300nm以下にすることが好ましい。   In the above-described method for manufacturing a magnetic memory device, the case where the pinned layer 12 of the magnetoresistive effect element 15 is directly connected to the connection member 11 has been described as an example. However, the pinned layer 12 and the connection member 11 are formed. A conductive layer may be interposed between the interlayer insulating film 8. In this case, the conductive layer may be formed in the same shape as the planar shape of the fixed layer 12 so as to overlap the fixed layer 12. As a material for the conductive layer, it is preferable to apply a low-resistance metal such as platinum, ruthenium, copper, aluminum, tantalum or the like. Further, the film thickness of the conductive layer is preferably set to, for example, 300 nm or less so that the flatness of the fixed layer 12, the tunnel insulating layer 13 and the recording layer 14 formed on the conductive layer is not impaired.

なお、固着層12を記録層14と同じ大きさに形成する場合には、導電層が接続部材7aと接続されるように導電層を固着層14よりも大きく形成する必要があるが、導電層が固着層よりも大きく形成されたとしても、磁気抵抗効果素子として何ら問題はない。   In the case where the fixing layer 12 is formed in the same size as the recording layer 14, the conductive layer needs to be formed larger than the fixing layer 14 so that the conductive layer is connected to the connection member 7a. Is larger than the pinned layer, there is no problem as a magnetoresistive element.

このように層間絶縁膜8と磁気抵抗効果素子15との間に所定の導電層を介在させることによって、接続部材11をたとえば銅により形成した場合には、磁気抵抗効果素子15をエッチングによってパターニングする際に、銅の接続部材11が腐食するのを阻止することもできる。また、その導電層として磁気抵抗効果素子15の固着層12の抵抗よりも低い抵抗からなる材料を適用することで、読み出しの際の電流の経路の抵抗を下げることができて、読み出し速度の向上を図ることもできる。   In this way, when the connecting member 11 is made of copper, for example, by interposing a predetermined conductive layer between the interlayer insulating film 8 and the magnetoresistive effect element 15, the magnetoresistive effect element 15 is patterned by etching. At this time, the copper connecting member 11 can be prevented from corroding. Further, by applying a material having a resistance lower than the resistance of the pinned layer 12 of the magnetoresistive effect element 15 as the conductive layer, the resistance of the current path at the time of reading can be lowered, and the reading speed is improved. Can also be planned.

また、さらに、上述した磁気記憶装置では、磁気抵抗効果素子が形成された後の工程において磁気抵抗効果素子15がダメージを受けるのを防止するために、磁気抵抗効果素子15を覆うように保護膜16を形成する場合を例に挙げて説明した。製造工程において磁気抵抗効果素子15が受ける可能性のあるダメージとしては、たとえば層間絶縁膜を形成する際の熱処理がある。層間絶縁膜としてシリコン酸化膜を形成する場合、温度約400℃程度の酸化雰囲気のもとでシリコン酸化膜が形成されることになる。   Further, in the magnetic memory device described above, a protective film is provided so as to cover the magnetoresistive effect element 15 in order to prevent the magnetoresistive effect element 15 from being damaged in the process after the magnetoresistive effect element is formed. The case of forming 16 has been described as an example. As damage that the magnetoresistive effect element 15 may receive in the manufacturing process, for example, there is a heat treatment when an interlayer insulating film is formed. When a silicon oxide film is formed as an interlayer insulating film, the silicon oxide film is formed under an oxidizing atmosphere at a temperature of about 400 ° C.

このとき、酸化雰囲気のもとで磁性膜が酸化するおそれがあり、これよって、磁気抵抗効果素子の磁気特性が劣化してしまうことがある。磁気抵抗効果素子を、シリコン窒化膜等の保護膜16により被覆することで、保護膜はこの酸化のバリアとして機能して磁気抵抗効果素子を保護することができる。   At this time, the magnetic film may be oxidized under an oxidizing atmosphere, which may deteriorate the magnetic characteristics of the magnetoresistive element. By covering the magnetoresistive effect element with the protective film 16 such as a silicon nitride film, the protective film functions as a barrier for this oxidation and can protect the magnetoresistive effect element.

また、このような酸化を防ぐために、層間絶縁膜として、シリコン窒化膜などの非酸化性雰囲気のもとで成膜可能な薄膜と、酸化性絶縁膜との2層構造としてもよい。この場合、2層構造の層間絶縁膜のうち、シリコン窒化膜が磁気抵抗効果素子の保護膜となる。   In order to prevent such oxidation, the interlayer insulating film may have a two-layer structure of a thin film that can be formed under a non-oxidizing atmosphere such as a silicon nitride film and an oxidizing insulating film. In this case, of the two-layer interlayer insulating film, the silicon nitride film serves as a protective film for the magnetoresistive element.

また、さらに、保護膜としては、絶縁性金属窒化物、絶縁性金属炭化物およびFeよりも酸化物生成自由エネルギーが低い金属の酸化処理によって形成した金属酸化物のうち少なくとも1つの材料を含む膜が好ましい。このような材料を用いることにより、少なくともFeを含む磁性材料薄膜を用いた磁気記憶半導体装置の製造工程における酸化工程中に磁気抵抗効果素子が酸化するのを抑制することができる。その結果、製造が容易でかつ動作特性が安定した磁気記憶半導体装置を得ることができる。   Further, as the protective film, a film containing at least one material among an insulating metal nitride, an insulating metal carbide, and a metal oxide formed by oxidation treatment of a metal having a lower free energy of oxide generation than Fe is used. preferable. By using such a material, it is possible to suppress the magnetoresistive element from being oxidized during the oxidation process in the manufacturing process of the magnetic memory semiconductor device using the magnetic material thin film containing at least Fe. As a result, a magnetic memory semiconductor device that is easy to manufacture and has stable operating characteristics can be obtained.

なお、磁気抵抗効果素子を含むメモリセルと論理回路とを搭載した混載デバイスに対して、保護膜としてシリコン窒化膜のように比較的誘電率の高い材料を酸化バリヤとして用いる場合には、次のことに留意しなければならない。すなわち、たとえば論理回路からなるデバイスでは、デバイスの動作速度やアクセスタイミングをも考慮して、金属配線層間の容量や配線抵抗が設定されている。そのため、誘電率の高い材料が論理回路部に配置されると、論理回路部における金属配線層間の容量などが所定の設計パラメータの範囲から外れてしまい、デバイスが所望の動作を行わなくなるおそれがある。これを回避するには、保護膜を磁気抵抗効果素子15だけを被覆するように形成して、論理回路が形成される周辺回路領域RRには保護膜を形成させない構造とすることが好ましい。   When a material having a relatively high dielectric constant, such as a silicon nitride film, is used as an oxide barrier for a mixed device including a memory cell including a magnetoresistive element and a logic circuit, It must be noted. That is, for example, in a device composed of a logic circuit, the capacitance and wiring resistance between metal wiring layers are set in consideration of the operation speed and access timing of the device. Therefore, if a material with a high dielectric constant is placed in the logic circuit section, the capacitance between the metal wiring layers in the logic circuit section may fall outside the predetermined design parameter range, and the device may not perform a desired operation. . In order to avoid this, it is preferable that the protective film is formed so as to cover only the magnetoresistive effect element 15, and the protective film is not formed in the peripheral circuit region RR where the logic circuit is formed.

上述した磁気抵抗効果素子を利用した磁気記憶装置では、記憶情報の読み出しを記憶状態を破壊することなく行なうことが可能である。そのため、再書き込みをする動作が不要であり、読み出し速度が高速になる。また、磁化反転速度は1ナノ秒以下であるので、情報の書き込みも非常に高速で行うことができる。さらに、磁化反転動作に関しては、一般に反転を繰り返すことにより特性が劣化する疲労現象は生じないといわれている。すなわち、MRAMと称される当該磁気記憶装置により、事実上、動作回数に制限がない不揮発性メモリデバイスを提供できることになる。   In the magnetic storage device using the magnetoresistive effect element described above, it is possible to read the stored information without destroying the storage state. This eliminates the need for rewriting and increases the reading speed. Further, since the magnetization reversal speed is 1 nanosecond or less, information can be written at a very high speed. Furthermore, with respect to the magnetization reversal operation, it is generally said that a fatigue phenomenon in which the characteristics deteriorate due to repeated reversal does not occur. That is, the magnetic storage device called MRAM can provide a non-volatile memory device with virtually no limit on the number of operations.

上述した特徴は、記憶装置単体としても有用であるが、上記メモリセルを論理回路と混載した混載デバイスの場合に、より一層有用に作用する。すなわち、混載デバイスの場合、高速動作に基づいてネットワーク環境や移動体通信における情報のインタラクティブな取り扱い環境が改善される。さらに、コンピュータや携帯端末等へ当該磁気記憶装置を適用することによって消費電力の低減や動作環境の改善などを大幅に図ることができることになる。   The above-described feature is useful as a single memory device, but it works even more effectively in the case of a mixed device in which the memory cell is mixed with a logic circuit. That is, in the case of a mixed device, an interactive handling environment of information in a network environment or mobile communication is improved based on high-speed operation. Furthermore, by applying the magnetic storage device to a computer, a portable terminal or the like, it is possible to greatly reduce power consumption and improve the operating environment.

また、上述した磁気記憶装置では、半導体基板を利用した磁気記憶装置について説明したが、磁気抵抗効果素子とライト線およびビット線に係る配線層との関係は、情報の記憶に限定されるものではなく、たとえば磁気センサ、磁気記録ヘッド、磁気記録媒体などのパターン化された磁気素子等に広く適用することが可能である。   In the magnetic memory device described above, the magnetic memory device using the semiconductor substrate has been described. However, the relationship between the magnetoresistive effect element and the wiring layer related to the write line and the bit line is not limited to information storage. For example, the present invention can be widely applied to patterned magnetic elements such as a magnetic sensor, a magnetic recording head, and a magnetic recording medium.

また、さらに、上述した磁気記憶装置では、1つのメモリセルに1つの磁気抵抗効果素子を設けたメモリセルを例に挙げて説明したが、1つのメモリセルに2つ以上の磁気抵抗効果素子を設けてもよく、また、それらのメモリセルが互いに積層されていてもよい。   Further, in the magnetic memory device described above, a memory cell in which one memory cell is provided with one magnetoresistive element has been described as an example. However, two or more magnetoresistive elements are provided in one memory cell. These memory cells may be stacked on each other.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示にすぎず、これに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiments disclosed herein are merely examples in all respects, and the present invention is not limited thereto. The present invention is defined by the terms of the claims, rather than the scope described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明の実施の形態に係る磁気記憶装置におけるメモリセルの等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the memory cell in the magnetic memory device which concerns on embodiment of this invention. 同実施の形態において、メモリセル領域および周辺回路領域の構造を示す断面図である。4 is a cross-sectional view showing the structure of a memory cell region and a peripheral circuit region in the same embodiment. 同実施の形態において、メモリセル領域における1つのメモリセルの構造を示す部分斜視図である。4 is a partial perspective view showing a structure of one memory cell in a memory cell region in the same embodiment. FIG. 同実施の形態において、比較例に係る磁気記憶装置におけるメモリセルの等価回路を示す図である。4 is a diagram showing an equivalent circuit of a memory cell in a magnetic memory device according to a comparative example in the embodiment. FIG. 同実施の形態において、比較例に係る磁気記憶装置のメモリセル領域における1つのメモリセルの構造を示す部分斜視図である。4 is a partial perspective view showing a structure of one memory cell in a memory cell region of a magnetic memory device according to a comparative example in the embodiment. FIG. 同実施の形態において、磁気抵抗効果素子の平面形状の第1の例を示す部分平面図である。5 is a partial plan view showing a first example of a planar shape of a magnetoresistive effect element in the embodiment. FIG. 同実施の形態において、磁気抵抗効果素子の平面形状の第2の例を示す部分平面図である。In the embodiment, it is a partial plan view showing a second example of the planar shape of the magnetoresistive effect element. 同実施の形態において、磁気抵抗効果素子の平面形状の第3の例を示す部分平面図である。In the same embodiment, it is a fragmentary top view which shows the 3rd example of the planar shape of a magnetoresistive effect element. 同実施の形態において、磁気抵抗効果素子の平面形状の第4の例を示す部分平面図である。In the same embodiment, it is a fragmentary top view which shows the 4th example of the planar shape of a magnetoresistive effect element. 同実施の形態において、磁気抵抗効果素子の平面形状の第5の例を示す部分平面図である。FIG. 10 is a partial plan view showing a fifth example of the planar shape of the magnetoresistive effect element in the embodiment. 同実施の形態において、磁気抵抗効果素子とライト線の位置関係を示す平面図である。In the same embodiment, it is a top view which shows the positional relationship of a magnetoresistive effect element and a write line. 同実施の形態において、磁気抵抗効果素子と書き込みビット線との位置関係を示す平面図である。In the same embodiment, it is a top view which shows the positional relationship of a magnetoresistive effect element and a write bit line. 同実施の形態において、変形例に係るメモリセルの部分の構造を示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing a structure of a memory cell portion according to a modification in the embodiment. 同実施の形態において、他の変形例に係るメモリセルの部分の構造を示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing a structure of a memory cell portion according to another modification example in the embodiment. 同実施の形態において、さらに他の変形例に係るメモリセルの部分の構造を示す断面図である。FIG. 22 is a cross-sectional view showing a structure of a memory cell portion according to still another modification in the embodiment. 同実施の形態において、さらに他の変形例に係るメモリセルの部分の構造を示す断面図である。FIG. 22 is a cross-sectional view showing a structure of a memory cell portion according to still another modification in the embodiment. 同実施の形態において、磁気記憶装置の製造方法の一工程を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a step of the method for manufacturing the magnetic memory device in the embodiment. 同実施の形態において、図17に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 17 in the same embodiment. 同実施の形態において、図18に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 19 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 18 in the same embodiment. 同実施の形態において、図19に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 20 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 19 in the same embodiment. 同実施の形態において、図20に示す工程における磁気抵抗効果素子の部分を示す部分拡大断面図である。FIG. 21 is a partial enlarged cross-sectional view showing a portion of the magnetoresistive effect element in the step shown in FIG. 20 in the same embodiment. 同実施の形態において、図20に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 21 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 20 in the same embodiment. 同実施の形態において、図22に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 23 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 22 in the same embodiment. 同実施の形態において、図23に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 24 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 23 in the same embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板、1a ドレイン領域、1b ソース領域、2 素子分離絶縁膜、3a,T 素子選択用トランジスタ、3b トランジスタ、4 ゲート電極本体、5 ゲート絶縁膜、6,8,10,17,19,21,23,25,27 層間絶縁膜、6a,8b,10a,17a,21a,25a コンタクトホール、7a,11,18a,18b,22,26 接続部材、9a,WT ライト線、9b,20b,24b,28a,28b 配線層、12 固着層、13 トンネル絶縁層、14 記録層、15,J 磁気抵抗効果素子、16 保護膜、20a,RB 読み取りビット線、24a,WB 書き込みビット線、WD ワード線、S ソース線、B ビット線、M メモリセル。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate, 1a drain region, 1b source region, 2 element isolation insulating film, 3a, T element selection transistor, 3b transistor, 4 gate electrode body, 5 gate insulating film, 6, 8, 10, 17, 19, 21 , 23, 25, 27 Interlayer insulating film, 6a, 8b, 10a, 17a, 21a, 25a Contact hole, 7a, 11, 18a, 18b, 22, 26 Connection member, 9a, WT write line, 9b, 20b, 24b, 28a, 28b Wiring layer, 12 pinned layer, 13 tunnel insulating layer, 14 recording layer, 15 J magnetoresistive effect element, 16 protective film, 20a, RB read bit line, 24a, WB write bit line, WD word line, S Source line, B bit line, M Memory cell.

Claims (10)

第1の方向に延在するように形成されたライト線と、
前記ライト線と上下方向に間隔を隔てられ、前記第1の方向と交差する第2の方向に延在するように形成されたビット線と、
前記ライト線と前記ビット線とが交差する領域において、前記ライト線と前記ビット線との間に挟み込まれるように形成された磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の動作を制御するトランジスタ素子と、
前記磁気抵抗効果素子と前記トランジスタ素子とを電気的に接続する接続部材と
を含むメモリセルを有し、
前記ビット線は読み取りビット線および書き込みビット線を備え、
前記読み取りビット線は前記磁気抵抗効果素子と電気的に接続され、
前記書き込みビット線は前記磁気抵抗効果素子と電気的に絶縁され、
前記ライト線は前記接続部材と電気的に接続されている、磁気記憶装置。
A light line formed to extend in a first direction;
A bit line that is vertically spaced from the write line and extends in a second direction intersecting the first direction;
A magnetoresistive effect element formed so as to be sandwiched between the write line and the bit line in a region where the write line and the bit line intersect;
A transistor element for controlling the operation of the magnetoresistive element;
A memory cell including a connection member that electrically connects the magnetoresistive element and the transistor element;
The bit line comprises a read bit line and a write bit line;
The read bit line is electrically connected to the magnetoresistive element;
The write bit line is electrically insulated from the magnetoresistive element;
The magnetic storage device, wherein the write line is electrically connected to the connection member.
前記接続部材は、
第1の接続部材と、
前記第1の接続部材と前記磁気抵抗効果素子とを電気的に接続する第2の接続部材と
を含む、請求項1記載の磁気記憶装置。
The connecting member is
A first connecting member;
The magnetic storage device according to claim 1, further comprising a second connection member that electrically connects the first connection member and the magnetoresistive effect element.
前記第2の接続部材は前記磁気抵抗効果素子を構成する材料とは異なる材料から形成された、請求項2記載の磁気記憶装置。   The magnetic memory device according to claim 2, wherein the second connection member is formed of a material different from a material constituting the magnetoresistive effect element. 前記メモリセルはマトリクス状に複数形成され、
前記第1の方向に沿って位置するメモリセルのそれぞれでは、メモリセルの配置の態様として、平面的に前記磁気抵抗効果素子が位置する領域に対して前記第2の方向の一方の側に前記接続部材が位置する並進配置とされた、請求項1〜3のいずれかに記載の磁気記憶装置。
A plurality of the memory cells are formed in a matrix,
In each of the memory cells located along the first direction, as a mode of arrangement of the memory cells, the memory cell is arranged on one side in the second direction with respect to a region where the magnetoresistive effect element is planarly located. The magnetic storage device according to claim 1, wherein the magnetic storage device is in a translational arrangement in which the connection member is located.
前記磁気抵抗効果素子は、磁化の方向を維持するために平面形状が第3の方向に延在する異方性形状の領域を含み、
前記磁気抵抗効果素子では、前記第3の方向が前記第1の方向と前記第2の方向との双方に交差するように設定された、請求項4記載の磁気記憶装置。
The magnetoresistive element includes an anisotropic region in which a planar shape extends in a third direction in order to maintain the direction of magnetization,
5. The magnetic memory device according to claim 4, wherein in the magnetoresistive element, the third direction is set to intersect both the first direction and the second direction. 6.
前記第1の方向と前記第2の方向とは直交し、
前記第3の方向は、前記第1の方向と前記第2の方向に対して45°傾いた方向とされた、請求項5記載の磁気記憶装置。
The first direction and the second direction are orthogonal to each other,
The magnetic storage device according to claim 5, wherein the third direction is a direction inclined by 45 ° with respect to the first direction and the second direction.
前記メモリセルはマトリクス状に複数形成され、
前記第1の方向に沿って位置するメモリセルのそれぞれでは、メモリセルの配置の態様として、平面的に前記磁気抵抗効果素子が位置する領域に対して前記第2の方向の一方に側に前記接続部材が位置する配置と、平面的に前記磁気抵抗効果素子が位置する領域に対して前記第2の方向の他方の側に前記接続部材が位置する配置とが交互に設定された交互配置とされた、請求項1〜3のいずれかに記載の磁気記憶装置。
A plurality of the memory cells are formed in a matrix,
In each of the memory cells positioned along the first direction, as a mode of arrangement of the memory cells, the one side in the second direction with respect to the region where the magnetoresistive element is positioned in a plane Alternating arrangement in which the arrangement in which the connecting member is located and the arrangement in which the connecting member is located on the other side in the second direction with respect to the region in which the magnetoresistive effect element is located in a plane are alternately set The magnetic storage device according to claim 1.
前記ライト線は、対応する前記磁気抵抗効果素子の領域の端部にまで延在して前記磁気抵抗効果素子と平面的に重なるように形成されている、請求項1〜7のいずれかに記載の磁気記憶装置。   The said write line is formed so that it may extend to the edge part of the area | region of the said corresponding magnetoresistive effect element, and it may overlap with the said magnetoresistive effect element planarly. Magnetic storage device. 前記書き込みビット線は前記磁気抵抗効果素子の直上に配置された、請求項1〜8のいずれかに記載の磁気記憶装置。   The magnetic storage device according to claim 1, wherein the write bit line is disposed immediately above the magnetoresistive effect element. 所定の半導体基板に、前記メモリセルが複数形成されたメモリセル領域と、前記メモリセルのそれぞれを制御する論理回路が形成された周辺回路領域とが配置された、請求項1〜9のいずれかに記載の磁気記憶装置。   10. The memory cell region in which a plurality of the memory cells are formed and a peripheral circuit region in which a logic circuit for controlling each of the memory cells is disposed on a predetermined semiconductor substrate. The magnetic storage device described in 1.
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