JP4798895B2 - Ferromagnetic memory and its heat-assisted drive method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強磁性体を用いた不揮発性メモリに関し、特に、強磁性体メモリの熱補助駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、強磁性体は外部から印加された磁場によって強磁性体内に発生した磁化が外部磁場を取り除いた後にも残留する(これを残留磁化という)という特性を有している。また、強磁性体は磁化の方向や磁化の有無などによってその電気抵抗が変化する。これは磁気抵抗効果と呼ばれており、そのときの電気抵抗値の変化率を磁気抵抗比(Magneto-Resistance Ratio;MR比)という。磁気抵抗比が大きい材料としては巨大磁気抵抗(GMR;Giant Magneto-Resistance)材料や超巨大磁気抵抗(CMR;Colossal Magneto-Resistance)材料があり、金属、合金、複合酸化物などである。例えば、Fe、Ni、Co、Gd、Tbおよびこれらの合金や、LaXSr1-XMnO9、LaXCa1-XMnO9などの複合酸化物などの材料がある。磁気抵抗材料の残留磁化を利用すれば、磁化方向や磁化の有無により電気抵抗値を選択して情報を記憶する不揮発性メモリを構成することができる。このような不揮発性メモリは磁気メモリ(MRAM;Magnetic Random Access Memory)と呼ばれている。
【0003】
近年、開発が進められているMRAMの多くは、巨大磁気抵抗材料の強磁性体の残留磁化で情報を記憶しており、磁化方向の違いによって生じる電気抵抗値の変化を電圧に変換して記憶した情報が読み出される方式を採用している。また、書込み用配線に電流を流して誘起される磁場により強磁性体メモリセルの磁化方向を変化させることで、メモリセルに情報を書き込み、また、その情報を書き換えることができる。
【0004】
MRAMのセルとしては、トンネル絶縁膜を2つの強磁性体で挟んだ構造をもつ、トンネル磁気抵抗素子(TMR;Tunnel Magneto-Resistance、MTJ;Magnetic Tunnel Junction)が高い磁気抵抗変化率(MR比)をもち、もっとも実用化に近いデバイスと期待されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来のMRAMは、記録層となる強磁性体の磁化によって情報が保持され、情報書き換え時に書き込み配線に電流を流し、その電流が誘起する磁場によって、記録層の磁化方向を変更することが前提となっている。ところが、セル面積を小さくしていくと、強磁性体の反磁場が大きくなり、より大きな書き換え磁場を与える必要がある。そうすると、書き込み配線に流すべき電流量が増大する結果となり、セル面積を小さくするにしたがって書き込み配線の電流密度は、劇的に大きくなる。このため、0.2μmより設計ルールが小さくなると、書き込み配線が電流密度の大きさに耐えられなくなる恐れがある。
【0006】
この問題を解決するため、特開2000−285668号公報に公開されているような、磁気メモリ素子に素子加熱手段を備えるといった提案がなされているが、素子加熱には、発熱体を過熱するための配線を別途用意する必要があり、構造が複雑でセル面積を小さくする際の障害になりやすい欠点がある。
【0007】
本発明は、このような従来の技術が有する未解決の課題を解決するべくなされたものであり、簡単な構造でかつ、セル面積を小さくしても安定に情報を書き込むことができる強磁性体メモリの熱補助駆動方法を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の強磁性体メモリの熱補助駆動方法は、上記目的を達成するために、それぞれが第1および第2の強磁性体膜を有し、該第1および第2の強磁性体膜の磁化方向が平行である場合と、反平行である場合とで異なる電気抵抗値を示す複数の可変抵抗器と、予め、互いに平行な複数のビット線と、互いに平行で該ビット線に交差する複数のワード線と、半導体基板上に形成され、制御端子が所定のワード線に接続され一方の端子が接地されたスイッチング素子と、強磁性体の磁化の方向により異なる電気抵抗値の選択を可能とし、スイッチング素子の他方の端子に一方の端子が接続され所定のビット線に他方の端子が接続された可変抵抗器と、電流を流すことで誘起される磁場によって可変抵抗器の抵抗値を選択する書き込み配線と、所定のビット線に接続されていて可変抵抗器の抵抗値を検出する信号検知回路とを有し、情報書き込みの際に、選択された可変抵抗器に電流を流し、可変抵抗器の温度を常温より高くして、情報書き込みを行うことを特徴とする。
【0009】
可変抵抗器の温度を常温より高くすることにより、強磁性体の磁化反転に必要な磁場を小さくすることが可能である。これは、強磁性体がキュリー温度に近づくと徐々に残留磁化が弱まり、キュリー温度より高い温度になると常磁性体になり、残留磁化を失う。すなわち、強磁性体をキュリー温度異常に加熱し、弱い磁場であっても印加しながら、温度を低くすることで容易に磁化反転させることができる。
【0011】
また、可変抵抗器はトンネル磁気抵抗素子であってもよい。
【0012】
また、スイッチング素子は電界効果型トランジスタであってもよし、薄膜トランジスタを用いてもよい。
【0013】
また、可変抵抗器は、トンネル磁気抵抗素子の強磁性体膜の磁化方向を膜面に対して水平方向としたものを用いてもよいし、垂直方向としたものを用いてもよい。
【0014】
さらに、トンネル磁気抵抗素子は、保磁力の大きい第1の強磁性体と、該第1の強磁性体よりも保磁力の小さい第2の強磁性体にトンネル絶縁膜が挟まれてなるものを用いてもよい。
【0015】
さらにまた、書き込み動作時の前記可変抵抗器の温度が、記録層強磁性体のキュリー温度より高くなるようにしてもよい。
本発明による強磁性体メモリは、上記のいずれかに記載の方法により駆動される。
本発明の他の形態による共磁性体メモリは、それぞれが第1および第2の強磁性体膜を有し、該第1および第2の強磁性体膜の磁化方向が平行である場合と、反平行である場合とで異なる電気抵抗値を示す複数の可変抵抗器を備え、情報書き込みの際に、選択された前記可変抵抗器に電流が流され、前記可変抵抗器の温度が常温より高くされて、情報書き込みが行われる。
【0016】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0017】
図1は、本発明の一実施形態を示す、面内磁化型の強磁性体メモリの構成図である。実施例の面内磁化型の強磁性体メモリは、半導体基板1上に、素子分離領域2と、不純物拡散により形成されたソース/ドレイン領域3とゲート電極として機能するワード線4からなる電界効果型トランジスタ13と、そのソースにプラグ5を経由して接続された接地線7と、ドレインにはプラグ5と金属層6とプラグ8を経由して接続されたローカル配線9と、ローカル配線9の上にピン層(強磁性体)/絶縁層/記録層(強磁性体)からなり下部電極部に接続されたトンネル磁気抵抗素子11と、トンネル磁気抵抗素子11の上部電極に接続されたビット線12と、トンネル磁気抵抗素子11の下側に配置された書き込み線10とから構成されている。
【0018】
この他に、トンネル磁気抵抗素子11に接するように、下部電極部に発熱層を配置しておいても良い。
【0019】
この実施形態では、面内磁化型の強磁性体メモリは、書き込み線10とビット線12に書き込み電流を流し、ビット線12に流れる電流により発生する磁場が、トンネル磁気抵抗素子11に含まれる記録層の磁化方向を決定し、書き込み線10に流れる電流により発生する磁場がトンネル磁気抵抗素子11の記録層の磁化を反転しやすくする。書き込み動作時には、書き込み配線10に書き込み電流を流すと同時にビット線12にも電流を流し、さらにワード線4に電圧を与え、スイッチング素子として機能する電界効果型トランジスタ13をオンとし、ビット線12から分岐した電流が前記トンネル磁気抵抗素子11を貫通して、接地線7まで流れる。この動作により、トンネル磁気抵抗素子11の記録層がキュリー温度付近まで加熱されると、きわめて磁化が反転しやすくなる。この状態から、電界効果型トランジスタ13をオフとし、前記トンネル磁気抵抗素子11に貫通電流が流れなくなると、急速にその温度は低くなり、ビット線12に流れる電流が誘起する磁場方向に沿うように、記録層の磁化方向が決定される。
【0020】
図2に、この書き込み動作において、各配線に与える電圧、電流パルスの変動状況を模式的に示す。
【0021】
図3は、本発明の一実施形態を示す、垂直磁化型の強磁性体メモリの構成図である。本実施例の垂直磁化型の強磁性体メモリは、半導体基板1上に、素子分離領域2と、不純物拡散により形成されたソース/ドレイン領域3とゲート電極として機能するワード線4からなる電界効果型トランジスタ13と、そのソースにプラグ5を経由して接続された接地線7と、そのドレインにはプラグ5と金属層6とプラグ8を経由して接続された下部電極14と、下部電極14上にピン層(強磁性体)/絶縁層/記録層(強磁性体)からなるトンネル磁気抵抗素子11と、トンネル磁気抵抗素子11の上部電極に接続されたビット線12と、トンネル磁気抵抗素子11の下側横に配置された書き込み線10とから構成されている。
【0022】
この他に、トンネル磁気抵抗素子11に接するように、下部電極14に発熱層を配置しておいても良い。
【0023】
この実施形態では、書き込み線10とビット線12に書き込み電流を流し、書き込み線10に流れる電流により発生する磁場が、トンネル磁気抵抗素子11に含まれる記録層の磁化方向を決定し、ビット線12に流れる電流により発生する磁場がトンネル磁気抵抗素子11の記録層の磁化を反転しやすくする。
【0024】
情報の書き換え動作は、面内磁化型の強磁性体メモリの場合と同様である。
【0025】
本発明の駆動方法を実現することにより、設計ルールの小さい強磁性体メモリにおいても、簡単な構造でかつ、容易な駆動方法により、情報を安定に書き換えることができる。
【0026】
次に、本実施形態の強磁性体メモリの具体例を示す。
(第1の具体例)
第1の具体例では、トンネル絶縁膜を2つの強磁性体薄膜で挟んだ構造をもつTMR素子を、強磁性体の磁化方向を変更可能に選択することで電気抵抗値を可変とした可変抵抗器として用いたものである。
【0027】
ここでは可変抵抗器(TMR層)は保磁力の大きいハード層と、それよりも保磁力の小さいソフト層によってトンネル絶縁膜を挟んだ構造であり、面内磁化するものである。TMR層はハード層とソフト層の磁化方向が平行の場合と反平行の場合で抵抗値が異なる。そして、この磁化方向は外部から磁場を与えない限り持続されるため不揮発性メモリを実現できる。
【0028】
まず、第1の具体例におけるメモリの試作工程について説明する。
【0029】
図4に示すように、p型シリコン基板15上に、SiO2からなる埋め込み型素子分離領域16と、スイッチング素子として機能する電界効果型トランジスタのドレインおよびソースとなるn型拡散領域17と、SiO2ゲート絶縁膜18とポリシリコンゲート電極19を形成する。
【0030】
次に、図5に示すように、層間絶縁膜を形成し、表面を平坦化した後コンタクトホールをあけ、タングステンを埋め込むことによってなるプラグ20を形成する。次に、Ti/AlCuSi/Tiからなる配線層を形成し、フォトリソグラフィー工程を経てビア21と接地線22を形成する。
【0031】
次に、図6に示すように、層間絶縁膜を形成し、表面を平坦化した後、配線を形成する部分に溝を形成し、主に銅からなる書き込み配線23を埋め込むように形成する。この手法には、メッキ法を用いる。書き込み配線23および層間絶縁膜上面は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)にて平坦化する。この書き込み線23は図7では示されていないが、別途書き込み電流制御用トランジスタと接続されている。
【0032】
次に、図7に示すように、厚さ50nm程度の層間絶縁膜を形成した後、コンタクトホールをあけ、タングステンからなるプラグ24を形成し、表面を平坦化する。次に、主にTiNからなるローカル配線層を形成、フォトリソグラフィー工程を経た後、ローカル配線25となる。
【0033】
次に、図8に示すように、Cu/CoFe/Al2O3/γ―MnFeの積層構造26を作製し、層間絶縁膜を形成した後、CMPプロセスによって、上部のCu電極を露出させる。γ―MnFe層をピン層とし、CoFeを記録層とする。
【0034】
次に、図9に示すように、主に銅からなるビット線27を銅メッキとCMPによる埋め込みプロセスによって形成し、保護膜28を形成して完成となる。
【0035】
また、センスアンプを周辺回路として作製した。
【0036】
このような構造のメモリを0.5μmルール(最小加工寸法が0.5μm)で設計し、4×4個のセルを有するテストチップを作製した。回路の概略を図10に示す。一つのセル(C11、C12、C13・・・)は、1個の電界効果型トランジスタ(FET;T11、T12、T13・・・)とそのドレイン端子と接続された1個の可変抵抗器(TMR;R11、R12、R13・・・)からなり、可変抵抗器の他端はビット線(BL1、BL2、BL3、BL4)に接続され、FETのソース端子は接地され、FETのゲート電極端子はワード線(WL1、WL2、WL3、WL4)に接続される。また、各ビット線はその電位を参照電圧(Ref.)と比較するためのセンスアンプ(SA1、SA2、SA3、SA4)に接続される。また、書き込み線(WRL1、WRL2、WRL3、WRL4)は、各TMRの直下に配置される。また、各ビット線は、接地用トランジスタ(T1、T2、T3、T4)によって、接地電位にすることができる。
【0037】
図11は、テストチップのセル部分を上から見た様子を示したものである。図中、細かい点線で示される1マスが最小加工寸法0.5μmを表している。可変抵抗器(TMR)は、縦横比3の長方形をしており、長手方向に磁化容易軸があり、縦方向に磁化する。ビット線(BL)に流れる電流に向きによってTMRの磁化の向きを決定し、書き込み線(WRL)に流す電流は、TMRの磁化容易軸に対し垂直の磁場を発生し、磁化を反転しやすくするための補助磁場を発生させる役割を持つ。
【0038】
図10におけるセルC22に「1」を書き込む動作について説明する。書き込み線WRL2とビット線BL2に電流を流し(この際T2はオン状態にする)、次にワード線WL2の電圧を上げ電界効果型トランジスタT22をオンとし、TMR(R22)に貫通電流を流して加熱し、TMR(R22)の記録層とピン層の磁化方向が反平行となるよう、前記記録層の磁化を反転させる。このときのビット線BL2とワード線WL2に流れる電流値は、それぞれ5mAであった。また、TMR(R22)に流れる貫通電流値は、約60μAである。この操作によって、TMR(R22)を高抵抗状態とすることができる。
次に、セルC22の情報を読み出すため、選択トランジスタT22をオンとし、BL2に定電流を流し、ビット線BL2と参照電圧とをセンスアンプSA2により比較する。この場合、R22は高抵抗状態なので、BL2の電位の方が参照電圧より高くなり、SA2は「Hi」信号を出力する。
【0039】
一方、書き込み時に、電界効果型トランジスタT22をオフとしたままとし、TMR(R22)に貫通電流を流さず、すなわち加熱せずに書き込み動作を終了したところ、情報が書き換わらなかった。
【0040】
これによって、本発明になる動作の有効性が確かめられた。
(第2の具体例)
第1の具体例と同様な試作工程により、図12に示すようなメモリセルを試作した。第1の具体例と異なる点は、TbFe/Al2O3/GdFe積層膜からなるTMR層29が形成されており、書き込み線23をTMR層29の横に設けて垂直磁化させる構造を採った点である。
【0041】
このメモリセルについて、第1の具体例と同様の動作試験を行った結果、同様に本発明になる動作の効果が確認できた。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、設計ルールが小さくなっても、簡単な構造でかつ、容易方法で、強磁性体メモリの情報書き換えが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態における強磁性体メモリの構成を示す断面図である。
【図2】本発明の駆動時における電圧、電流の印加方法を示すための説明図である。
【図3】本発明の一実施形態における強磁性体メモリの構成を示す断面図である。
【図4】第1の具体例の試作工程を示す断面図(1)である。
【図5】第1の具体例の試作工程を示す断面図(2)である。
【図6】第1の具体例の試作工程を示す断面図(3)である。
【図7】第1の具体例の試作工程を示す断面図(4)である。
【図8】第1の具体例の試作工程を示す断面図(5)である。
【図9】第1の具体例の試作工程を示す断面図(6)である。
【図10】第1の具体例の強磁性体メモリ構成を示す回路図である。
【図11】第1の具体例の強磁性体メモリ構成を示す平面配置図である。
【図12】第2の具体例の強磁性体メモリ構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 素子分離領域
3 ソース/ドレイン領域
4 ワード線
5 プラグ
6 金属層
7 接地線
8 プラグ
9 ローカル配線
10 書き込み線
11 トンネル磁気抵抗素子
12 ビット線
13 電界効果型トランジスタ
14 下部電極
15 p型シリコン基板
16 埋め込み型素子分離領域
17 n型拡散領域
18 SiO2ゲート絶縁膜
19 ポリシリコンゲート電極
20 タングステンプラグ
21 ビア
22 接地線
23 銅書き込み線
24 タングステンプラグ
25 TiNローカル配線
26 Cu/CoFe/Al2O3/γ−MnFe
27 銅ビット線
28 保護膜
29 TbFe/Al2O3/GdFe[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonvolatile memory using a ferromagnetic material, and more particularly to a heat-assisted driving method for a ferromagnetic memory.
[0002]
[Prior art]
In general, a ferromagnetic material has a characteristic that magnetization generated in the ferromagnetic material by a magnetic field applied from the outside remains even after the external magnetic field is removed (this is called residual magnetization). In addition, the electrical resistance of the ferromagnetic material changes depending on the direction of magnetization and the presence or absence of magnetization. This is called the magnetoresistive effect, and the rate of change of the electrical resistance value at that time is called a magnetoresistance ratio (MR ratio). Materials having a large magnetoresistance ratio include giant magnetoresistive (GMR) materials and super magnetoresistive (CMR) materials, such as metals, alloys, and complex oxides. For example, Fe, Ni, Co, Gd, or Tb, and alloys, there are materials such as composite oxide such as La X Sr 1-X MnO 9 , La X Ca 1-
[0003]
In recent years, many MRAMs being developed are storing information by the remanent magnetization of a ferromagnetic material of a giant magnetoresistive material, and the change in electrical resistance value caused by the difference in magnetization direction is converted into a voltage and stored. A method is adopted in which the read information is read out. Further, by changing the magnetization direction of the ferromagnetic memory cell by a magnetic field induced by passing a current through the write wiring, information can be written to the memory cell and the information can be rewritten.
[0004]
The MRAM cell has a tunnel magnetoresistive element (TMR: Tunnel Magneto-Resistance, MTJ: Magnetic Tunnel Junction) having a structure in which a tunnel insulating film is sandwiched between two ferromagnets. It is expected to be the device that is the closest to practical use.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional MRAM is based on the premise that information is held by the magnetization of a ferromagnetic material serving as a recording layer, a current is passed through the write wiring during information rewriting, and the magnetization direction of the recording layer is changed by a magnetic field induced by the current. It has become. However, as the cell area is reduced, the demagnetizing field of the ferromagnetic material increases, and it is necessary to apply a larger rewriting magnetic field. This results in an increase in the amount of current to be passed through the write wiring, and the current density of the write wiring increases dramatically as the cell area is reduced. For this reason, if the design rule becomes smaller than 0.2 μm, the write wiring may not be able to withstand the large current density.
[0006]
In order to solve this problem, a proposal has been made that an element heating means is provided in a magnetic memory element as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-285668. However, in heating the element, the heating element is overheated. This wiring has to be prepared separately, and the structure is complicated, which tends to be an obstacle to reducing the cell area.
[0007]
The present invention has been made to solve such an unsolved problem of the conventional technology, and has a simple structure and a ferromagnetic material capable of stably writing information even if the cell area is reduced. It is an object of the present invention to provide a heat assisted driving method for a memory.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, each of the thermally assisted driving methods for a ferromagnetic memory according to the present invention includes first and second ferromagnetic films, and each of the first and second ferromagnetic films. A plurality of variable resistors having different electric resistance values depending on whether the magnetization directions are parallel and antiparallel, a plurality of bit lines parallel to each other, and a plurality of parallel crossing the bit lines. And a switching element formed on a semiconductor substrate with a control terminal connected to a predetermined word line and one terminal grounded, and a different electrical resistance value depending on the magnetization direction of the ferromagnetic material. The resistance value of the variable resistor is selected by a variable resistor having one terminal connected to the other terminal of the switching element and the other terminal connected to a predetermined bit line, and a magnetic field induced by passing a current. Write wiring and predetermined A signal detection circuit connected to the bit line to detect the resistance value of the variable resistor, and when writing information, a current is passed through the selected variable resistor, and the temperature of the variable resistor is raised above room temperature. Thus, information writing is performed.
[0009]
By making the temperature of the variable resistor higher than room temperature, it is possible to reduce the magnetic field required for the magnetization reversal of the ferromagnetic material. This is because the remanent magnetization gradually weakens as the ferromagnetic material approaches the Curie temperature, and becomes a paramagnetic material at a temperature higher than the Curie temperature and loses the remanent magnetization. That is, it is possible to easily reverse the magnetization by lowering the temperature while heating the ferromagnetic material to an abnormal Curie temperature and applying even a weak magnetic field.
[0011]
The variable resistor may be a tunnel magnetoresistive element.
[0012]
The switching element may be a field effect transistor or a thin film transistor.
[0013]
The variable resistor may be one in which the magnetization direction of the ferromagnetic film of the tunnel magnetoresistive element is horizontal with respect to the film surface, or one in which the magnetization direction is vertical.
[0014]
Further, the tunnel magnetoresistive element includes a first ferromagnetic material having a large coercive force and a second ferromagnetic material having a coercive force smaller than that of the first ferromagnetic material, and a tunnel insulating film sandwiched between them. It may be used.
[0015]
Furthermore, the temperature of the variable resistor during the write operation may be higher than the Curie temperature of the recording layer ferromagnetic material.
The ferromagnetic memory according to the present invention is driven by any one of the methods described above .
The co-magnetic memory according to another aspect of the present invention includes a first and second ferromagnetic films, respectively, and the magnetization directions of the first and second ferromagnetic films are parallel to each other; Provided with a plurality of variable resistors showing different electric resistance values when they are anti-parallel, when writing information, a current is passed through the selected variable resistor, and the temperature of the variable resistor is higher than room temperature Thus, information writing is performed.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 is a configuration diagram of an in-plane magnetization type ferromagnetic memory showing an embodiment of the present invention. The in-plane magnetization type ferromagnetic memory according to the embodiment has a field effect comprising an
[0018]
In addition, a heat generating layer may be disposed on the lower electrode portion so as to be in contact with the
[0019]
In this embodiment, in the in-plane magnetization type ferromagnetic memory, a write current is supplied to the
[0020]
FIG. 2 schematically shows the fluctuation state of the voltage and current pulse applied to each wiring in this write operation.
[0021]
FIG. 3 is a configuration diagram of a perpendicular magnetization type ferromagnetic memory showing an embodiment of the present invention. The perpendicular magnetization type ferromagnetic memory of the present embodiment has a field effect comprising an
[0022]
In addition, a heat generating layer may be disposed on the
[0023]
In this embodiment, a write current is passed through the
[0024]
The information rewriting operation is the same as in the case of the in-plane magnetization type ferromagnetic memory.
[0025]
By realizing the driving method of the present invention, information can be stably rewritten with a simple structure and an easy driving method even in a ferromagnetic memory with a small design rule.
[0026]
Next, a specific example of the ferromagnetic memory according to the present embodiment will be shown.
(First specific example)
In the first specific example, a variable resistance whose electric resistance value is variable by selecting a TMR element having a structure in which a tunnel insulating film is sandwiched between two ferromagnetic thin films so that the magnetization direction of the ferromagnetic substance can be changed is selected. Used as a container.
[0027]
Here, the variable resistor (TMR layer) has a structure in which a tunnel insulating film is sandwiched between a hard layer having a large coercive force and a soft layer having a smaller coercive force, and is in-plane magnetized. The resistance value of the TMR layer differs depending on whether the magnetization directions of the hard layer and the soft layer are parallel or antiparallel. Since this magnetization direction is maintained unless a magnetic field is applied from the outside, a nonvolatile memory can be realized.
[0028]
First, the memory trial process in the first specific example will be described.
[0029]
As shown in FIG. 4, on a p-
[0030]
Next, as shown in FIG. 5, an interlayer insulating film is formed, the surface is planarized, contact holes are opened, and a
[0031]
Next, as shown in FIG. 6, after an interlayer insulating film is formed and the surface is flattened, a groove is formed in a portion where the wiring is to be formed, and a
[0032]
Next, as shown in FIG. 7, after an interlayer insulating film having a thickness of about 50 nm is formed, contact holes are formed, plugs 24 made of tungsten are formed, and the surface is flattened. Next, a local wiring layer mainly made of TiN is formed, and after the photolithography process, the
[0033]
Next, as shown in FIG. 8, a
[0034]
Next, as shown in FIG. 9, a
[0035]
A sense amplifier was fabricated as a peripheral circuit.
[0036]
A memory having such a structure was designed with a 0.5 μm rule (minimum processing size of 0.5 μm), and a test chip having 4 × 4 cells was produced. An outline of the circuit is shown in FIG. One cell (C11, C12, C13...) Has one field effect transistor (FET; T11, T12, T13...) And one variable resistor (TMR) connected to its drain terminal. R11, R12, R13..., And the other end of the variable resistor is connected to the bit lines (BL1, BL2, BL3, BL4), the FET source terminal is grounded, and the FET gate electrode terminal is the word Connected to lines (WL1, WL2, WL3, WL4). Each bit line is connected to a sense amplifier (SA1, SA2, SA3, SA4) for comparing the potential with a reference voltage (Ref.). Further, the write lines (WRL1, WRL2, WRL3, WRL4) are arranged immediately below each TMR. Each bit line can be set to the ground potential by the grounding transistors (T1, T2, T3, T4).
[0037]
FIG. 11 shows a state where the cell portion of the test chip is viewed from above. In the figure, one square indicated by a fine dotted line represents a minimum processing dimension of 0.5 μm. The variable resistor (TMR) has a rectangular shape with an aspect ratio of 3, has an easy axis in the longitudinal direction, and is magnetized in the longitudinal direction. The direction of the magnetization of the TMR is determined by the direction of the current flowing through the bit line (BL), and the current flowing through the write line (WRL) generates a magnetic field perpendicular to the easy axis of TMR and makes it easy to reverse the magnetization. For generating an auxiliary magnetic field.
[0038]
The operation of writing “1” to the cell C22 in FIG. 10 will be described. A current is passed through the write line WRL2 and the bit line BL2 (T2 is turned on at this time), then the voltage of the word line WL2 is raised to turn on the field effect transistor T22 and a through current is passed through TMR (R22). By heating, the magnetization of the recording layer is reversed so that the magnetization directions of the TMR (R22) recording layer and the pinned layer are antiparallel. At this time, the current values flowing through the bit line BL2 and the word line WL2 were 5 mA, respectively. The through current value flowing through TMR (R22) is about 60 μA. By this operation, TMR (R22) can be brought into a high resistance state.
Next, in order to read the information in the cell C22, the selection transistor T22 is turned on, a constant current is supplied to BL2, and the bit line BL2 is compared with the reference voltage by the sense amplifier SA2. In this case, since R22 is in a high resistance state, the potential of BL2 becomes higher than the reference voltage, and SA2 outputs a “Hi” signal.
[0039]
On the other hand, at the time of writing, when the field effect transistor T22 was kept off and no writing current was passed through TMR (R22), that is, the writing operation was terminated without heating, information was not rewritten.
[0040]
As a result, the effectiveness of the operation according to the present invention was confirmed.
(Second specific example)
A memory cell as shown in FIG. 12 was made by a trial production process similar to that of the first specific example. The difference from the first specific example is that a
[0041]
As a result of performing an operation test similar to that of the first specific example on this memory cell, the effect of the operation according to the present invention was confirmed.
[0042]
【The invention's effect】
According to the present invention, even if the design rule is reduced, it is possible to rewrite information in the ferromagnetic memory with a simple structure and an easy method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a ferromagnetic memory according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram for illustrating a method of applying voltage and current during driving according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a ferromagnetic memory according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view (1) showing a trial production process of a first specific example;
FIG. 5 is a cross-sectional view (2) showing a trial manufacturing process of a first specific example;
FIG. 6 is a cross-sectional view (3) showing a trial production process of the first specific example;
FIG. 7 is a cross-sectional view (4) showing a trial production process of the first specific example;
FIG. 8 is a cross-sectional view (5) showing a trial production process of the first specific example;
FIG. 9 is a sectional view (6) showing a trial production process of the first specific example;
FIG. 10 is a circuit diagram showing a ferromagnetic memory configuration of a first specific example;
FIG. 11 is a plan layout view showing a ferromagnetic memory configuration of a first specific example;
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a ferromagnetic memory configuration of a second specific example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
27
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