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JP5472830B2 - Ferromagnetic random access memory - Google Patents

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JP5472830B2
JP5472830B2 JP2011507125A JP2011507125A JP5472830B2 JP 5472830 B2 JP5472830 B2 JP 5472830B2 JP 2011507125 A JP2011507125 A JP 2011507125A JP 2011507125 A JP2011507125 A JP 2011507125A JP 5472830 B2 JP5472830 B2 JP 5472830B2
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    • HELECTRICITY
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Description


本発明は、トンネル磁気抵抗効果(Tunneling Magneto Resistance)を利用して情報を読み出すTMR素子を用いた強磁性ランダムアクセスメモリに関する。

The present invention relates to a ferromagnetic random access memory using a TMR element that reads information using a tunneling magnetoresistance effect.


近年、不揮発性メモリのひとつとして、磁化方向としてデータを記憶する強磁性膜を用いた強磁性ランダムアクセスメモリ(Magnetic Random Access Memory;以下、「MRAM」と記す)が提案され、特に、巨大な磁気抵抗効果を有する強磁性トンネル接合を用いたMRAMの開発がさかんに行われている。

Recently, as one of nonvolatile memories, a ferromagnetic random access memory (Magnetic Random Access Memory; hereinafter referred to as “MRAM”) using a ferromagnetic film that stores data as a magnetization direction has been proposed. MRAM using a ferromagnetic tunnel junction having a resistance effect has been developed extensively.


強磁性トンネル接合は、第1の強磁性膜と第2の強磁性膜の間に非磁性絶縁膜(以下、「トンネルバリア膜」と記す)が挟まれた積層構造を有しており、MRAMは、この積層構造を備えた素子をメモリセルとして用いて構成されている。強磁性トンネル接合のトンネルバリア膜の膜厚方向に電流を流した際の電気抵抗は、第1及び第2の強磁性膜の磁気モーメントの相対角度により変化し、お互いの磁気モーメントが平行の時に電気抵抗は極小となり、反平行の時に電気抵抗は極大となる。この抵抗値の変化はトンネル磁気抵抗効果(Tunneling Magneto Resistance:TMR効果)と呼ばれ、電気抵抗値に対するTMR効果の比(MR比)が大きいほど、記録された情報の読み出しに有利となる。即ち、MRAMにおいては、前記2つの強磁性層の磁気モーメントの向きが平行の場合と反平行の場合を、それぞれ、例えばデータ「1」、「0」と対応づけることでデータを記憶している。強磁性トンネル接合のMR比が大きいほど、データ「1」、「0」の信号差が大きくなる。通常、2つの強磁性膜のうち、一方の強磁性膜を磁気モーメントが固定された「固定層」(又は「ピン層」)として使用し、他方の強磁性膜の磁気モーメントの向きを「固定層」の磁気モーメントに対して平行、或いは反平行にすることでデータが記録される。データが記録される強磁性膜は、一般に、「自由層」又は「記録層」と呼ばれる。本明細書では、データが記録される強磁性膜を「磁気記録層」と呼ぶことにする。

The ferromagnetic tunnel junction has a laminated structure in which a nonmagnetic insulating film (hereinafter referred to as a “tunnel barrier film”) is sandwiched between a first ferromagnetic film and a second ferromagnetic film. Is configured using an element having this laminated structure as a memory cell. The electrical resistance when a current flows in the direction of the thickness of the tunnel barrier film of the ferromagnetic tunnel junction changes depending on the relative angle of the magnetic moment of the first and second ferromagnetic films, and when the magnetic moments are parallel to each other The electric resistance becomes minimum, and the electric resistance becomes maximum when antiparallel. This change in resistance value is called a tunneling magnetoresistance effect (TMR effect), and the larger the ratio (MR ratio) of the TMR effect to the electrical resistance value, the more advantageous it is for reading recorded information. That is, in the MRAM, data is stored by associating, for example, data “1” and “0”, respectively, when the magnetic moment directions of the two ferromagnetic layers are parallel and antiparallel. . The signal difference between data “1” and “0” increases as the MR ratio of the ferromagnetic tunnel junction increases. Usually, one of the two ferromagnetic films is used as a “fixed layer” (or “pinned layer”) with a fixed magnetic moment, and the direction of the magnetic moment of the other ferromagnetic film is “fixed” Data is recorded by making it parallel or anti-parallel to the magnetic moment of the layer. A ferromagnetic film on which data is recorded is generally called a “free layer” or a “recording layer”. In this specification, a ferromagnetic film on which data is recorded is referred to as a “magnetic recording layer”.


MRAMに対するデータの書き込み方法として、従来、特許文献1に開示されているような「アステロイド方式」や、特許文献2、特許文献3に開示されているような「トグル方式」が知られている。これらの書き込み方式によれば、メモリセルサイズにほぼ反比例して、フリー層の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する傾向にある。

Conventionally known methods of writing data to the MRAM include an “asteroid method” as disclosed in Patent Document 1 and a “toggle method” as disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3. . According to these write methods, the reversal magnetic field necessary for reversing the magnetization of the free layer increases in inverse proportion to the memory cell size. That is, the write current tends to increase as the memory cell is miniaturized.


微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、例えば、特許文献4、非特許文献1に開示されているような「スピン注入方式」が提案されている。スピン注入方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流(spin-polarized current)が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する(このような現象を、以下では「スピン注入磁化反転(Spin Transfer Magnetization Switching)」と呼ぶ)。しかしながら、スピン注入磁化反転をTMR素子の磁化反転に適用する場合、強磁性トンネル接合の膜厚方向に電流を流すことになり、強磁性トンネル接合部に係る電圧によりトンネルバリア膜が破壊される恐れがある。

As a write method that can suppress an increase in write current due to miniaturization, for example, a “spin injection method” as disclosed in Patent Document 4 and Non-Patent Document 1 has been proposed. According to the spin injection method, a spin-polarized current is injected into the ferromagnetic conductor, and the magnetization is reversed by a direct interaction between the spin of the conduction electron carrying the current and the magnetic moment of the conductor. (This phenomenon is hereinafter referred to as “Spin Transfer Magnetization Switching”). However, when spin injection magnetization reversal is applied to the magnetization reversal of a TMR element, a current flows in the film thickness direction of the ferromagnetic tunnel junction, and the tunnel barrier film may be destroyed by the voltage applied to the ferromagnetic tunnel junction. There is.


これに対し、スピン偏極電流を磁気記録層の面内方向に流して磁壁を移動させ、これにより記録層の磁化を書き込み電流の方向に応じた向きに反転する方式が提案されている(例えば、特許文献5、特許文献6、特許文献7参照)。この、磁壁移動による書き込み方法について図1を参照しながら簡単に説明する。

In contrast, a method has been proposed in which a spin-polarized current is caused to flow in the in-plane direction of the magnetic recording layer to move the domain wall, thereby reversing the magnetization of the recording layer in a direction corresponding to the direction of the write current (for example, , Patent Document 5, Patent Document 6, and Patent Document 7). This writing method by domain wall movement will be briefly described with reference to FIG.


図1は、典型的な磁気抵抗効果素子200の構成を示し断面図である。磁気抵抗効果素子200は、磁気記録層10と、ピン層12と、それらに挟まれたトンネルバリア膜11とを備えている。図1において、x軸、y軸は、磁気記録層10の面内方向に平行に規定され、z軸は、磁気記録層10の膜厚方向に規定されている。磁気記録層10は、第1磁化固定領域101と磁化反転領域102と第2磁化固定領域103とからなる。第1磁化固定領域101は、磁化反転領域102の第1境界21に接続され、その磁化の向きは、+z方向に固定される。一方、第2磁化固定領域103は、磁化反転領域102の第2境界22に接続され、その磁化の向きは(第1磁化固定領域101の磁化と反対の)−z方向に固定される。第1及び第2磁化固定領域101、103の磁化は、お互い反平行方向である。

FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a typical magnetoresistive element 200. The magnetoresistive effect element 200 includes a magnetic recording layer 10, a pinned layer 12, and a tunnel barrier film 11 sandwiched between them. In FIG. 1, the x axis and the y axis are defined in parallel to the in-plane direction of the magnetic recording layer 10, and the z axis is defined in the film thickness direction of the magnetic recording layer 10. The magnetic recording layer 10 includes a first magnetization fixed region 101, a magnetization switching region 102, and a second magnetization fixed region 103. The first magnetization fixed region 101 is connected to the first boundary 21 of the magnetization switching region 102, and the magnetization direction is fixed in the + z direction. On the other hand, the second magnetization fixed region 103 is connected to the second boundary 22 of the magnetization switching region 102, and the magnetization direction is fixed in the −z direction (opposite to the magnetization of the first magnetization fixed region 101). The magnetizations of the first and second magnetization fixed regions 101 and 103 are antiparallel to each other.


一方、磁化反転領域102の磁化は、磁気記録層10の膜厚方向において反転可能であり、定常状態では、+z方向又は−z方向のいずれかの方向に向けられる。磁気記録層10において、磁壁(Domain Wall;DW)は、第1境界21及び第2境界22のいずれかに形成されることになる。

On the other hand, the magnetization of the magnetization switching region 102 can be reversed in the film thickness direction of the magnetic recording layer 10 and is directed in either the + z direction or the −z direction in a steady state. In the magnetic recording layer 10, a domain wall (DW) is formed at one of the first boundary 21 and the second boundary 22.


ピン層12は、トンネルバリア膜11を挟んで磁気記録層10の磁化反転領域102に対向するように形成される。ピン層12とトンネルバリア膜11と磁化反転領域102とで、強磁性トンネル接合が形成される。

The pinned layer 12 is formed so as to face the magnetization switching region 102 of the magnetic recording layer 10 with the tunnel barrier film 11 interposed therebetween. The pinned layer 12, the tunnel barrier film 11, and the magnetization switching region 102 form a ferromagnetic tunnel junction.


加えて、磁気抵抗効果素子200は、第1磁化固定領域101に接合された第1磁化固定層19と、第2磁化固定領域103に接合された第2磁化固定層20とを備えている。第1磁化固定層19は、磁気的にハードな強磁性材料で構成されており、+z方向の磁化を有している。同様に、第2磁化固定層20は、磁気的にハードな強磁性材料で構成されており、−z方向の磁化を有している。第1磁化固定層19は、第1磁化固定領域101の磁化を+z方向に固定する役割を果たしており、第2磁化固定層20は、第2磁化固定領域103の磁化を−z方向に固定する役割を果たしている。

In addition, the magnetoresistive effect element 200 includes a first magnetization fixed layer 19 bonded to the first magnetization fixed region 101 and a second magnetization fixed layer 20 bonded to the second magnetization fixed region 103. The first magnetization fixed layer 19 is made of a magnetically hard ferromagnetic material and has a magnetization in the + z direction. Similarly, the second magnetization fixed layer 20 is made of a magnetically hard ferromagnetic material and has magnetization in the −z direction. The first magnetization fixed layer 19 plays a role of fixing the magnetization of the first magnetization fixed region 101 in the + z direction, and the second magnetization fixed layer 20 fixes the magnetization of the second magnetization fixed region 103 in the −z direction. Playing a role.


このような磁気抵抗効果素子200に対するデータ書き込みは、次のように行われる。以下では、磁化反転領域102の磁化が−z方向に向けられて磁壁が第1境界21に位置する状態がデータ「1」、磁化が+z方向に向けられて磁壁が第2境界22に位置する状態がデータ「0」に対応付けられているとして説明がなされる。ただし、磁化方向とデータの値の対応は逆でもよいことは当業者には明らかであろう。

Data writing to the magnetoresistive effect element 200 is performed as follows. In the following, the state where the magnetization of the magnetization switching region 102 is oriented in the −z direction and the domain wall is located at the first boundary 21 is data “1”, the magnetization is oriented in the + z direction and the domain wall is located at the second boundary 22. The description will be made assuming that the state is associated with the data “0”. However, it will be apparent to those skilled in the art that the correspondence between the magnetization direction and the data value may be reversed.


データ「0」が書き込まれている磁気記録層10にデータ「1」を書き込む場合には、書き込み電流が、第1磁化固定領域101から磁化反転領域102を通って第2磁化固定領域103に流される。即ち、スピン偏極電子が、第2磁化固定領域103から磁化反転領域102に注入される。これにより、磁壁が第2境界22から第1境界21に移動し、磁化反転領域102の磁化が−z方向へ向けられる、即ち、データ「1」が書き込まれる。

When writing data “1” to the magnetic recording layer 10 in which data “0” is written, a write current flows from the first magnetization fixed region 101 to the second magnetization fixed region 103 through the magnetization switching region 102. It is. That is, spin-polarized electrons are injected from the second magnetization fixed region 103 into the magnetization switching region 102. As a result, the domain wall moves from the second boundary 22 to the first boundary 21 and the magnetization of the magnetization switching region 102 is directed in the −z direction, that is, data “1” is written.


一方、データ「0」を書き込む場合、書き込み電流2が、第2磁化固定領域103から磁化反転領域102を通って第1磁化固定領域101に流される。即ち、スピン偏極電子が、第1磁化固定領域101から磁化反転領域102に注入される。これにより、これにより、磁壁が第1境界21から第2境界22に移動し、磁化反転領域102の磁化が+z方向へ向けられる、即ち、データ「0」が書き込まれる。このように、第1磁化固定領域101と第2磁化固定領域103との間を流れる電流によって磁気記録層10中の磁壁(DW)が磁化反転領域102の第1境界21と第2境界22の間を移動することで、データ書き込みが行われる。

On the other hand, when data “0” is written, the write current 2 flows from the second magnetization fixed region 103 to the first magnetization fixed region 101 through the magnetization switching region 102. That is, spin-polarized electrons are injected from the first magnetization fixed region 101 into the magnetization switching region 102. Thereby, the domain wall moves from the first boundary 21 to the second boundary 22, and the magnetization of the magnetization switching region 102 is directed in the + z direction, that is, data “0” is written. As described above, the domain wall (DW) in the magnetic recording layer 10 is formed between the first boundary 21 and the second boundary 22 of the magnetization switching region 102 by the current flowing between the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103. Data is written by moving between them.


この方式によれば、書き込み時に流れる電流がトンネルバリア膜11を貫通しないため、トンネルバリア膜11の劣化が抑制される。また、スピン注入方式でデータ書き込みが行われるため、メモリセルサイズの縮小に伴って書き込み電流が低減される。更に、メモリセルサイズが縮小されるにつれ磁壁(DW)の移動距離が小さくなるため、メモリセルの微細化に伴い書き込み速度が増加する。

According to this method, since the current flowing at the time of writing does not penetrate the tunnel barrier film 11, deterioration of the tunnel barrier film 11 is suppressed. Further, since data writing is performed by the spin injection method, the write current is reduced as the memory cell size is reduced. Further, as the memory cell size is reduced, the moving distance of the domain wall (DW) is reduced, so that the write speed increases with the miniaturization of the memory cell.


図1には、磁気記録層10が垂直磁気異方性を有しており、磁気記録層10の磁化が膜厚方向に向けられている場合が図示されているが、磁気記録層10の磁化は、面内方向に向けられることも可能である。磁気記録層の磁化が面内方向に向けられる構成は、例えば、非特許文献2に開示されている。

FIG. 1 shows the case where the magnetic recording layer 10 has perpendicular magnetic anisotropy and the magnetization of the magnetic recording layer 10 is directed in the film thickness direction. Can also be oriented in the in-plane direction. A configuration in which the magnetization of the magnetic recording layer is directed in the in-plane direction is disclosed in Non-Patent Document 2, for example.


ただし、書き込み電流の低減の為には、磁気記録層の磁化が面内方向に向けられる構成よりも、磁気記録層10の磁化が膜厚方向に向けられる構成のほうが好ましい。非特許文献2に開示された技術では、電流誘起磁壁移動に必要な電流密度として1×10[A/cm]程度を要している。この場合、例えば磁気記録層10の幅を100nm、膜厚を10nmとした場合の書き込み電流は1mAとなる。一方、非特許文献3には、磁気記録層として垂直磁気異方性を有する材料を用いることによって、書き込み電流を十分小さく低減できることが報告されている。このようなことから、電流誘起磁壁移動を利用してMRAMを製造する場合、磁壁移動が起こる層としては垂直磁気異方性を有する強磁性体を用いることが好ましいと言える。非特許文献4では垂直磁気異方性を有する材料において電流誘起磁壁移動が観測されたことが報告されている。このように垂直磁気異方性を有する材料における電流誘起磁壁移動現象を利用することによって、書き込み電流が低減されたMRAMが提供されることが期待される。

However, in order to reduce the write current, a configuration in which the magnetization of the magnetic recording layer 10 is directed in the film thickness direction is preferable to a configuration in which the magnetization of the magnetic recording layer is directed in the in-plane direction. The technique disclosed in Non-Patent Document 2 requires about 1 × 10 8 [A / cm 2 ] as the current density necessary for current-induced domain wall motion. In this case, for example, when the width of the magnetic recording layer 10 is 100 nm and the film thickness is 10 nm, the write current is 1 mA. On the other hand, Non-Patent Document 3 reports that the write current can be sufficiently reduced by using a material having perpendicular magnetic anisotropy as the magnetic recording layer. For this reason, when manufacturing MRAM using current-induced domain wall motion, it can be said that it is preferable to use a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy as a layer in which domain wall motion occurs. Non-Patent Document 4 reports that current-induced domain wall motion was observed in a material having perpendicular magnetic anisotropy. By utilizing the current-induced domain wall motion phenomenon in the material having perpendicular magnetic anisotropy in this way, it is expected to provide an MRAM with a reduced write current.


書き込み動作において磁壁移動を利用するMRAMを製造する上の一つの問題は、磁壁移動が起こる層に磁壁を安定的に導入することである。特許文献5では、図1に図示されているように第1磁化固定領域101と第2磁化固定領域103の磁化の方向が互いに反対に向いていることで第1境界21又は第2境界22に磁壁が形成される。しかしながら、実際には、所望の位置に磁壁を導入しながら、お互い反対方向を向いた磁化をそれぞれの方向に固定することは容易ではない。

One problem in manufacturing an MRAM that uses domain wall motion in the write operation is to stably introduce the domain wall into the layer where domain wall motion occurs. In Patent Document 5, as shown in FIG. 1, the magnetization directions of the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103 are opposite to each other, so that the first boundary 21 or the second boundary 22 is obtained. A domain wall is formed. However, in practice, it is not easy to fix the magnetizations directed in opposite directions to each other while introducing the domain wall at a desired position.


加えて、第1、第2磁化固定層19、20を第1、第2磁化固定領域101、103の磁化の固定に使用する場合には、第1及び第2磁化固定層19、20からの漏洩磁界によって磁壁移動が妨げられる恐れがあるという問題も発生する。磁壁移動が妨げられることは、安定動作の観点で好ましくない。

In addition, when the first and second magnetization fixed layers 19 and 20 are used to fix the magnetization of the first and second magnetization fixed regions 101 and 103, the first and second magnetization fixed layers 19 and 20 There is also a problem that the domain wall movement may be hindered by the leakage magnetic field. It is not preferable from the viewpoint of stable operation that the domain wall movement is hindered.


非特許文献4ではこのような磁化固定層を用いない方法として磁性細線を形成後、その一部分をエッチングにより除去することによってステップ構造を有する磁性細線を形成する手法を行っている。このようなステップ型の構造においては、膜厚の薄い領域の反転磁場は厚い領域の反転磁場に比べて小さくなることから、膜厚の薄い領域が反転し、厚い領域が反転しないような適当な大きさの磁場を用いることによって磁壁を導入できる。ここでこの外部磁場としては、基板面垂直方向の磁場を用いている。

In Non-Patent Document 4, as a method not using such a magnetization fixed layer, a method of forming a magnetic fine wire having a step structure by forming a magnetic fine wire and then removing a part thereof by etching is performed. In such a step-type structure, the reversal magnetic field in the thin region is smaller than the reversal magnetic field in the thick region, so that the thin region is reversed and the thick region is not reversed. Domain walls can be introduced by using a large magnetic field. Here, a magnetic field perpendicular to the substrate surface is used as the external magnetic field.


しかしながら、このようなステップ構造を設ける場合、エッチングによって磁壁移動領域の磁性層がダメージを受けることが避けられない。ダメージを受けることによって磁性層本来の磁気特性が劣化し、磁壁移動の妨げとなる恐れがある。

However, when such a step structure is provided, it is inevitable that the magnetic layer in the domain wall motion region is damaged by etching. By receiving the damage, the original magnetic characteristics of the magnetic layer may be deteriorated, which may hinder the domain wall movement.


米国特許第5640343号US Pat. No. 5,640,343 米国特許第6545906号US Pat. No. 6,545,906 特表2005−505889号公報JP 2005-505889 A 特開2005−093488号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-093488 特開2005−191032号公報JP 2005-191032 A 国際公開WO2005/069368号International Publication No. WO2005 / 069368 特開2006−73930号公報JP 2006-73930 A


Yagami and Suzuki, Research Trends in Spin Transfer Magnetization Switching (スピン注入磁化反転の研究動向),日本応用磁気学会誌,Vol. 28, No. 9, 2004.Yagami and Suzuki, Research Trends in Spin Transfer Magnetization Switching, Journal of Japan Society of Applied Magnetics, Vol. 28, No. 9, 2004. Physical Review Letters, vol. 92, number 7,p.077205, (2004).Physical Review Letters, vol. 92, number 7, p.077205, (2004). Journal of Applied Physics,vol. 103, p.07E718,(2008).Journal of Applied Physics, vol. 103, p.07E718, (2008). Applied Physics Express, vol. 1, p.011301.Applied Physics Express, vol. 1, p.011301.


したがって、本発明の目的は、書き込み動作に磁壁移動を利用するMRAMにおいて、磁気記録層に安定的に磁壁を導入し、更に、磁化固定層からの漏洩磁界によって磁壁移動が妨げられることを防ぐことにある。

Therefore, an object of the present invention is to stably introduce a domain wall into a magnetic recording layer in an MRAM that uses domain wall motion for a write operation, and further prevent the domain wall motion from being hindered by a leakage magnetic field from the magnetization fixed layer. It is in.


本発明の一の観点では、磁気メモリが、絶縁層と、絶縁層の上に形成された磁気記録層と、トンネルバリア層と、ピン層とを備えている。磁気記録層は、反転可能な磁化を有し、トンネルバリア層を挟んでピン層と対向する磁化反転領域と、磁化反転領域に接合され、磁化の向きが第1方向に固定される第1磁化固定領域と、磁化反転領域に接合され、磁化の向きが第2方向に固定される第2磁化固定領域とを有している。絶縁層には、第1磁化固定領域と磁化反転領域との境界に対応する位置、及び磁化反転領域と第2磁化固定領域との境界に対応する位置に段差が設けられ、これにより、磁気記録層には、第1磁化固定領域と磁化反転領域との境界に第1段差が形成され、磁化反転領域と第2磁化固定領域との境界に第2段差が形成されている。

In one aspect of the present invention, a magnetic memory includes an insulating layer, a magnetic recording layer formed on the insulating layer, a tunnel barrier layer, and a pinned layer. The magnetic recording layer has reversible magnetization, a magnetization reversal region facing the pinned layer across the tunnel barrier layer, and a first magnetization in which the magnetization direction is fixed in the first direction. It has a fixed region and a second magnetization fixed region that is bonded to the magnetization switching region and whose magnetization direction is fixed in the second direction. The insulating layer is provided with a step at a position corresponding to the boundary between the first magnetization fixed region and the magnetization switching region and a position corresponding to the boundary between the magnetization switching region and the second magnetization fixed region. In the layer, a first step is formed at the boundary between the first magnetization fixed region and the magnetization switching region, and a second step is formed at the boundary between the magnetization switching region and the second magnetization fixed region.


本発明によれば、書き込み動作に磁壁移動を利用するMRAMにおいて、磁気記録層に安定的に磁壁を導入し、更に、磁化固定層によって磁壁移動が妨げられることを防ぐための技術が提供される。

According to the present invention, there is provided a technique for stably introducing a domain wall into a magnetic recording layer and further preventing the domain wall movement from being hindered by a magnetization fixed layer in an MRAM that uses domain wall motion for a write operation. .


従来の磁壁移動型MRAMにおけるデータ書き込み方法について説明するための磁気抵抗効果素子の断面図である。It is sectional drawing of the magnetoresistive effect element for demonstrating the data writing method in the conventional domain wall motion type | mold MRAM. 本発明の第1の実施形態のMRAMの構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the structure of MRAM of the 1st Embodiment of this invention. 第1の実施形態のMRAMの磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the magnetoresistive effect element of MRAM of 1st Embodiment. 第2の実施形態のMRAMの磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the magnetoresistive effect element of MRAM of 2nd Embodiment. 第3の実施形態のMRAMの磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the magnetoresistive effect element of MRAM of 3rd Embodiment. 第3の実施形態のMRAMの磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the magnetoresistive effect element of MRAM of 3rd Embodiment.


以下、添付図面を参照しながら、本発明の様々な実施の形態について詳細に説明する。添付図面において、同一又は類似する構成要素は、同一又は対応する符号によって参照されていることに留意されたい。

Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that in the accompanying drawings, the same or similar components are referred to by the same or corresponding reference numerals.


1.第1の実施形態

図2は、本発明の第1の実施形態のMRAMの主要部分の構造を示す断面図である。図2には、当該MRAMの1つのメモリセルに対応する部分が図示されている。メモリセルは、概略的には、記憶素子部分300と選択用トランジスタ部分301とから成る。以下、記憶素子部分300と選択用トランジスタ部分301の構成について詳細に説明する。以下の説明では、MRAMにxyz直交座標系が規定され、そのxyz直交座標系を用いて説明する。

1. First embodiment

FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the main part of the MRAM according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a portion corresponding to one memory cell of the MRAM. The memory cell generally includes a memory element portion 300 and a selection transistor portion 301. Hereinafter, the configuration of the memory element portion 300 and the selection transistor portion 301 will be described in detail. In the following description, an xyz orthogonal coordinate system is defined in the MRAM, and description will be made using the xyz orthogonal coordinate system.


まず、選択用トランジスタ部分301について説明する。半導体基板(例えばp型シリコン基板、p型ウェル領域等)41内には、STI(Shallow Trench Isolation)構造を形成するための素子分離絶縁層42が形成される。この素子分離絶縁層42に囲まれた領域に、読み出し選択スイッチとして使用されるMOSトランジスタ(nチャネル型MOSトランジスタ)Tr1、Tr2が形成される。半導体基板41には、MOSトランジスタTr1、Tr2を構成するゲート絶縁膜43、ゲート電極44及び側壁絶縁層45が形成される。ゲート電極44はy軸方向に延伸するように設けられており、読み出し動作時に、読み出しセルを選択するための読み出しワード線として機能する。ゲート電極44の両側には拡散層46、47が形成される。MOSトランジスタTr1、Tr2を覆うように絶縁層が積層され、さらに拡散層46、47と接続するためのビアコンタクト48がその絶縁層を貫通するように形成される。ビアコンタクト48としては、例えば、タングステンプラグが使用され得る。更に第1金属層が、ビアコンタクト48と当該絶縁層の上に形成される。第1金属層には、コンタクトを縦に積み重ねるためのランド49とビット線50とが形成される。第1金属層の上に更に絶縁層が積層され、その絶縁層を貫通するようにビアコンタクト51が形成される。更に、そのビアコンタクト51と当該絶縁層の上に第2金属層が形成される。第2金属層には、複数のコンタクトを縦に積み重ねるためのランド52が形成される。第2金属層上にはさらに絶縁層が積層され、さらにその絶縁層を貫通するようにビアコンタクト54が形成される。そのビアコンタクト54と当該絶縁層の上に第3金属層が形成される。第3金属層には、いずれも書き込みワード線として使用される第1配線31及び第2配線34が形成される。第1配線31は、第1ビアコンタクト32を介して磁気抵抗効果素子200に接続され、第2配線34は、第2ビアコンタクト33を介して磁気抵抗効果素子200と接続される。

First, the selection transistor portion 301 will be described. In a semiconductor substrate (for example, a p-type silicon substrate, a p-type well region) 41, an element isolation insulating layer 42 for forming an STI (Shallow Trench Isolation) structure is formed. In the region surrounded by the element isolation insulating layer 42, MOS transistors (n-channel MOS transistors) Tr1 and Tr2 used as read selection switches are formed. On the semiconductor substrate 41, a gate insulating film 43, a gate electrode 44, and a sidewall insulating layer 45 constituting the MOS transistors Tr1 and Tr2 are formed. The gate electrode 44 is provided so as to extend in the y-axis direction, and functions as a read word line for selecting a read cell during a read operation. Diffusion layers 46 and 47 are formed on both sides of the gate electrode 44. An insulating layer is laminated so as to cover the MOS transistors Tr1 and Tr2, and a via contact 48 for connecting to the diffusion layers 46 and 47 is formed so as to penetrate the insulating layer. As the via contact 48, for example, a tungsten plug can be used. Furthermore, a first metal layer is formed on the via contact 48 and the insulating layer. On the first metal layer, lands 49 and bit lines 50 for vertically stacking contacts are formed. An insulating layer is further laminated on the first metal layer, and a via contact 51 is formed so as to penetrate the insulating layer. Further, a second metal layer is formed on the via contact 51 and the insulating layer. Lands 52 for vertically stacking a plurality of contacts are formed in the second metal layer. An insulating layer is further laminated on the second metal layer, and a via contact 54 is formed so as to penetrate the insulating layer. A third metal layer is formed on the via contact 54 and the insulating layer. In the third metal layer, the first wiring 31 and the second wiring 34 that are both used as write word lines are formed. The first wiring 31 is connected to the magnetoresistive effect element 200 via the first via contact 32, and the second wiring 34 is connected to the magnetoresistive effect element 200 via the second via contact 33.


次に記憶素子部分300について説明する。図2に図示されているように、記憶素子部分300は、磁気抵抗効果素子200を有している。図3に図示されているように、磁気抵抗効果素子200は、強磁性体層である磁気記録層10と、ピン層12と、トンネルバリア層11とを備えている。トンネルバリア層11は、磁気記録層10とピン層12に挟まれており、これら磁気記録層10、トンネルバリア層11、及びピン層12によって強磁性トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction;MTJ)が形成されている。トンネルバリア層11は、薄く、且つ、非磁性の絶縁層であり、例えばAl膜を酸化して形成したアルミナ酸化膜(Al−Ox)或いは酸化マグネシウム(MgO)で形成される。

Next, the memory element portion 300 will be described. As shown in FIG. 2, the memory element portion 300 includes a magnetoresistive effect element 200. As shown in FIG. 3, the magnetoresistive effect element 200 includes a magnetic recording layer 10 that is a ferromagnetic layer, a pinned layer 12, and a tunnel barrier layer 11. The tunnel barrier layer 11 is sandwiched between the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12, and a magnetic tunnel junction (MTJ) is formed by the magnetic recording layer 10, the tunnel barrier layer 11, and the pinned layer 12. ing. The tunnel barrier layer 11 is a thin and nonmagnetic insulating layer, and is formed of, for example, an alumina oxide film (Al—Ox) or magnesium oxide (MgO) formed by oxidizing an Al film.


磁気記録層10及びピン層12は、垂直磁気異方性を有する強磁性膜であり、磁気記録層10及びピン層12の磁化の向きは、膜厚方向に向けられている。磁気記録層10及びピン層12は、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)又は、これらのいずれかを含む合金から構成される。磁気記録層10及びピン層12が、PtやPdを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えて、B、C、N、O、Al、Si、P、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Au、Smなどを磁気記録層10及びピン層12に添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することもできる。具体的には、磁気記録層10及びピン層12として使用可能な材料としては、Co、Co−Pt、Co−Pd、Co−Cr、Co−Pt−Cr、Co−Cr−Ta、Co−Cr−B、Co−Cr−Pt−B、Co−Cr−Ta−B、Co−V、Co−Mo、Co−W、Co−Ti、Co−Ru、Co−Rh、Fe−Pt、Fe−Pd、Fe−Co−Pt、Fe−Co−Pd、Sm−Coなどが例示される。この他、Fe、Co、Niのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む強磁性膜と非磁性材料膜とを積層することにより垂直磁気異方性を発現させることもできる。具体的には、磁気記録層10及びピン層12として使用可能な積層体としては、Co/Pd積層膜、Co/Pt積層膜、Fe/Au積層膜が例示される。

The magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12 are ferromagnetic films having perpendicular magnetic anisotropy, and the magnetization directions of the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12 are directed in the film thickness direction. The magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12 are made of, for example, iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), or an alloy containing any of these. When the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12 contain Pt and Pd, the perpendicular magnetic anisotropy can be stabilized. In addition to this, B, C, N, O, Al, Si, P, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ag, Hf, Ta, W , Re, Os, Ir, Au, Sm, and the like can be added to the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12 so that desired magnetic characteristics are expressed. Specifically, materials usable as the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12 include Co, Co—Pt, Co—Pd, Co—Cr, Co—Pt—Cr, Co—Cr—Ta, and Co—Cr. -B, Co-Cr-Pt-B, Co-Cr-Ta-B, Co-V, Co-Mo, Co-W, Co-Ti, Co-Ru, Co-Rh, Fe-Pt, Fe-Pd Fe—Co—Pt, Fe—Co—Pd, Sm—Co and the like. In addition, perpendicular magnetic anisotropy can also be expressed by laminating a ferromagnetic film containing any one material selected from Fe, Co, and Ni and a nonmagnetic material film. Specifically, examples of the laminated body that can be used as the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12 include a Co / Pd laminated film, a Co / Pt laminated film, and an Fe / Au laminated film.


また、ピン層12の保磁力を増大させて磁化を固定するために、反強磁性層15がピン層12の上に積層される。即ち、反強磁性層15をピン層12に積層させることで、ピン層12と反強磁性層15の間に働く交換相互作用により、ピン層12に一方向の異方性を発現させて磁化を一方向に固定することが可能となる。上記の反強磁性層15としては、鉄・マンガン(FeMn)、白金・マンガン(PtMn)、ニッケル・マンガン(NiMn)などのマンガン合金反強磁性膜、或いは、コバルト酸化物(CoO)、ニッケル酸化物(NiO)などの酸化物反強磁性膜が使用可能である。

An antiferromagnetic layer 15 is stacked on the pinned layer 12 in order to increase the coercive force of the pinned layer 12 and pin the magnetization. That is, by laminating the antiferromagnetic layer 15 on the pinned layer 12, the pinned layer 12 exhibits unidirectional anisotropy due to the exchange interaction that acts between the pinned layer 12 and the antiferromagnetic layer 15. Can be fixed in one direction. As the antiferromagnetic layer 15, a manganese alloy antiferromagnetic film such as iron / manganese (FeMn), platinum / manganese (PtMn), nickel / manganese (NiMn), cobalt oxide (CoO), nickel oxide, etc. An oxide antiferromagnetic film such as a material (NiO) can be used.


本実施形態では、磁気記録層10が、3つの領域:第1磁化固定領域101、第2磁化固定領域103、及び磁化反転領域102を有している。第1磁化固定領域101、第2磁化固定領域103は、向きが互いに反平行である磁化を有している。一方、磁化反転領域102は、+z方向と−z方向の間で反転可能な磁化を有している。つまり、磁化反転領域102の磁化は、ピン層12の磁化と平行あるいは反平行になることが許される。磁化反転領域102は、第1及び第2磁化固定領域101、103に挟まれた部分に形成されている。上記のピン層12は、この磁化反転領域102とオーバーラップするように形成されている。言い換えれば、磁気記録層10の磁化反転領域102の一部が、トンネルバリア層11を挟んでピン層12に対向しており、ピン層12、トンネルバリア層11、及び磁化反転領域102で強磁性トンネル接合が形成されている。本実施形態では、ピン層12の磁化は、+z方向に固定されているとする。また、第1磁化固定領域101の磁化は+z方向に、第2磁化固定領域103の磁化は−z方向に、それぞれ固定されているとする。

In the present embodiment, the magnetic recording layer 10 has three regions: a first magnetization fixed region 101, a second magnetization fixed region 103, and a magnetization switching region 102. The first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103 have magnetizations whose directions are antiparallel to each other. On the other hand, the magnetization switching region 102 has magnetization that can be switched between the + z direction and the −z direction. That is, the magnetization of the magnetization switching region 102 is allowed to be parallel or antiparallel to the magnetization of the pinned layer 12. The magnetization switching region 102 is formed in a portion sandwiched between the first and second magnetization fixed regions 101 and 103. The pinned layer 12 is formed so as to overlap with the magnetization switching region 102. In other words, a part of the magnetization switching region 102 of the magnetic recording layer 10 faces the pinned layer 12 with the tunnel barrier layer 11 interposed therebetween, and the pinned layer 12, the tunnel barrier layer 11, and the magnetization switching region 102 are ferromagnetic. A tunnel junction is formed. In this embodiment, it is assumed that the magnetization of the pinned layer 12 is fixed in the + z direction. Further, it is assumed that the magnetization of the first magnetization fixed region 101 is fixed in the + z direction, and the magnetization of the second magnetization fixed region 103 is fixed in the −z direction.


磁気記録層10には、図3に図示されているように、2つの段差:第1段差17、第2段差18が形成される。本実施形態では、この第1段差17が第1磁化固定領域101と磁化反転領域102の境界となり、第2段差18が磁化反転領域102と第2磁化固定領域103との境界となる。これらの第1段差17、第2段差18は、絶縁層56に段差を形成し、その段差を覆うように磁気記録層10を形成することによって形成されたものであり、第1段差17、第2段差18の高さは磁気記録層10の膜厚と略等しいかそれより小さい。図3では、第1磁化固定領域101及び第2磁化固定領域103が磁化反転領域102よりも下方に位置するように(即ち、基板41に近いように)段差が形成されているが、逆に磁化反転領域102が第1磁化固定領域101及び第2磁化固定領域103よりも下方に位置するように段差が形成されてもよい。後述されるように、磁気記録層10に第1段差17、第2段差18が形成されることが、磁気記録層に安定的に磁壁を導入するために重要である。

As shown in FIG. 3, two steps: a first step 17 and a second step 18 are formed on the magnetic recording layer 10. In the present embodiment, the first step 17 becomes a boundary between the first magnetization fixed region 101 and the magnetization switching region 102, and the second step 18 becomes a boundary between the magnetization switching region 102 and the second magnetization fixed region 103. The first step 17 and the second step 18 are formed by forming a step in the insulating layer 56 and forming the magnetic recording layer 10 so as to cover the step. The height of the two steps 18 is substantially equal to or smaller than the film thickness of the magnetic recording layer 10. In FIG. 3, the step is formed so that the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103 are located below the magnetization switching region 102 (that is, close to the substrate 41). A step may be formed so that the magnetization switching region 102 is positioned below the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103. As will be described later, the formation of the first step 17 and the second step 18 in the magnetic recording layer 10 is important for stably introducing the domain wall into the magnetic recording layer.


磁気抵抗効果素子200は、更に、第1磁化固定領域101に接合された第1磁化固定層19と、第2磁化固定領域103に接合された第2磁化固定層20とを備えている。第1磁化固定層19は、第1磁化固定領域101の磁化を固定する機能を有しており、第2磁化固定層20は、第2磁化固定領域103の磁化を固定する機能を有している。第1磁化固定層19と第2磁化固定層20は、いずれも、磁気的にハードな強磁性体で形成される。第1の実施形態では、第1磁化固定層19と第2磁化固定層20とが、第1磁化固定層19の磁化が第2磁化固定層20の磁化よりも反転しにくいように構成される。例えば、第1磁化固定層19が第2磁化固定層20よりも磁気的にハードな材料で構成される。

The magnetoresistive effect element 200 further includes a first magnetization fixed layer 19 joined to the first magnetization fixed region 101 and a second magnetization fixed layer 20 joined to the second magnetization fixed region 103. The first magnetization fixed layer 19 has a function of fixing the magnetization of the first magnetization fixed region 101, and the second magnetization fixed layer 20 has a function of fixing the magnetization of the second magnetization fixed region 103. Yes. Both the first magnetization fixed layer 19 and the second magnetization fixed layer 20 are formed of a magnetically hard ferromagnetic material. In the first embodiment, the first magnetization fixed layer 19 and the second magnetization fixed layer 20 are configured so that the magnetization of the first magnetization fixed layer 19 is less likely to be reversed than the magnetization of the second magnetization fixed layer 20. . For example, the first magnetization fixed layer 19 is made of a magnetically harder material than the second magnetization fixed layer 20.


第1磁化固定層19の磁化の向きは、第1磁化固定領域101の磁化と同様に+z方向に向けられており、第2磁化固定層20の磁化の向きは、第2磁化固定領域103の磁化と同様に−z方向に向けられている。図3では第1磁化固定層19が第1磁化固定領域101の下面に直接に接合されているが、上面に接合されていてもよい。また、第1磁化固定層19が第1磁化固定領域101に磁気的に結合されていれば、直接に接合される必要は無い。第2磁化固定層20についても同様に、図3では第2磁化固定層20は上面に直接に接合されていてもよく、第2磁化固定層20が第1磁化固定領域101に磁気的に結合されていれば、直接に接合される必要は無い。

The magnetization direction of the first magnetization fixed layer 19 is directed to the + z direction similarly to the magnetization of the first magnetization fixed region 101, and the magnetization direction of the second magnetization fixed layer 20 is the same as that of the second magnetization fixed region 103. Similar to the magnetization, it is oriented in the -z direction. In FIG. 3, the first magnetization fixed layer 19 is directly bonded to the lower surface of the first magnetization fixed region 101, but may be bonded to the upper surface. Further, if the first magnetization fixed layer 19 is magnetically coupled to the first magnetization fixed region 101, it is not necessary to be directly joined. Similarly, in FIG. 3, the second magnetization fixed layer 20 may be directly bonded to the upper surface in FIG. 3, and the second magnetization fixed layer 20 is magnetically coupled to the first magnetization fixed region 101. If so, it is not necessary to be joined directly.


本実施形態では、第1磁化固定層19の第1段差17に最近接する端19aが、第1磁化固定領域101と磁化反転領域102の境界である第1段差17から離れて形成されている。後述されるように、第1磁化固定層19の端19aが第1段差17から離れて形成されていることが、第1磁化固定層19からの漏洩磁場によって磁壁移動が妨げられることを防ぐために有効である。端19a以外の第1磁化固定層20の端は、第1磁化固定領域101の端と一致しているか、それより外側に位置するように形成される。

In the present embodiment, the end 19 a closest to the first step 17 of the first magnetization fixed layer 19 is formed away from the first step 17 that is the boundary between the first magnetization fixed region 101 and the magnetization switching region 102. As will be described later, the fact that the end 19a of the first magnetization fixed layer 19 is formed away from the first step 17 prevents the domain wall movement from being hindered by the leakage magnetic field from the first magnetization fixed layer 19. It is valid. The ends of the first magnetization fixed layer 20 other than the end 19a are formed so as to coincide with the ends of the first magnetization fixed region 101 or to be located outside thereof.


同様に、第2磁化固定層20の第2段差18に最近接する端20aが、磁化反転領域102と第2磁化固定領域103の境界である第2段差18から離れて形成されている。後述されるように、第2磁化固定層20の端20aが第2段差18から離れて形成されていることが、第2磁化固定層20からの漏洩磁場によって磁壁移動が妨げられることを防ぐために有効である。端20a以外の第2磁化固定層20の端は、第2磁化固定領域103の端と一致しているか、それより外側に位置するように形成される。

Similarly, the end 20 a closest to the second step 18 of the second magnetization fixed layer 20 is formed away from the second step 18 that is the boundary between the magnetization switching region 102 and the second magnetization fixed region 103. As will be described later, the fact that the end 20a of the second magnetization fixed layer 20 is formed away from the second step 18 prevents the domain wall movement from being hindered by the leakage magnetic field from the second magnetization fixed layer 20. It is valid. The ends of the second magnetization fixed layer 20 other than the end 20a are formed so as to coincide with the ends of the second magnetization fixed region 103 or to be located outside thereof.


書き込み電流を流すために、記憶素子部分300には、第1配線31、第1ビアコンタクト32、第2ビアコンタクト33及び第2配線34が設けられる。第1配線31は、第1ビアコンタクト32を介して第1磁化固定層19に接続されており、第2配線34は、第2ビアコンタクト33を介して第2磁化固定層20に接続されている。第1配線31及び第2配線34は、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、タングステン(W)などの電気抵抗の小さい材料によって形成される。本実施形態では、第1配線31、第1ビアコンタクト32、第2ビアコンタクト33及び第2配線34が磁気記録層10に対して下方に配置されているが、上方に配置されることも可能である。

In order to pass a write current, the memory element portion 300 is provided with a first wiring 31, a first via contact 32, a second via contact 33 and a second wiring 34. The first wiring 31 is connected to the first magnetization fixed layer 19 via the first via contact 32, and the second wiring 34 is connected to the second magnetization fixed layer 20 via the second via contact 33. Yes. The first wiring 31 and the second wiring 34 are formed of a material having a low electrical resistance such as aluminum (Al), copper (Cu), tungsten (W), or the like. In the present embodiment, the first wiring 31, the first via contact 32, the second via contact 33, and the second wiring 34 are disposed below the magnetic recording layer 10, but may be disposed above. It is.


図3の磁気抵抗効果素子200は、例えば、下記の工程で製造される。第1配線31及び第2配線34が形成された後、第1配線31及び第2配線34を覆う絶縁層55が形成される。更に、絶縁層55に反応性エッチング(RIE)等で開口を開けた後、その開口を銅(Cu)やタングステン(W)などの導電材料で埋め込むことにより、第1ビアコンタクト32及び第2ビアコンタクト33が形成される。さらに、磁化固定層19、20となる強磁性膜をスパッタリング等により成膜した後、イオンミリング等により不要な部分をエッチングにより除去して第1及び第2磁化固定層19、20が形成される。その後、絶縁層56となる酸化シリコン(SiO)などの絶縁膜を積層した後、その絶縁膜をCMP(Chemical Mechanical Polishing)等により平坦化し、第1及び第2磁化固定層19、20の上の絶縁膜を完全に除去する。続いて、段差を形成するための絶縁膜を再び形成し、この絶縁膜をイオンミリング或いは反応性エッチングにより加工することで磁気記録層10の第1段差17及び第2段差18に対応する位置に段差構造が形成される。これにより、段差を有する絶縁層56が形成される。次に磁気記録層10、トンネルバリア層11、ピン層12及び反強磁性層15となる第1の強磁性膜、絶縁膜、第2の強磁性膜、及び反強磁性膜をスパッタリング等により連続的に成膜し、イオンミリング等によって加工することにより、反強磁性層15、ピン層12、トンネルバリア層11及び磁気記録層10が所望の形状に形成される。これにより、第1及び第2磁化固定層19、20と磁気記録層10の第1及び第2磁化固定領域101、103とが電気的に且つ磁気的に接続され、またピン層12及びトンネルバリア層11が形成される部分も平坦化により表面ラフネスも抑えられることになる。こうして、所望の磁気抵抗効果素子200を形成できる。

The magnetoresistive effect element 200 of FIG. 3 is manufactured by the following processes, for example. After the first wiring 31 and the second wiring 34 are formed, an insulating layer 55 that covers the first wiring 31 and the second wiring 34 is formed. Further, after opening an opening in the insulating layer 55 by reactive etching (RIE) or the like, the opening is filled with a conductive material such as copper (Cu) or tungsten (W), whereby the first via contact 32 and the second via are formed. A contact 33 is formed. Further, after forming a ferromagnetic film to be the magnetization fixed layers 19 and 20 by sputtering or the like, unnecessary portions are removed by etching by ion milling or the like to form the first and second magnetization fixed layers 19 and 20. . Thereafter, an insulating film such as silicon oxide (SiO 2 ) to be the insulating layer 56 is laminated, and then the insulating film is flattened by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like to be formed on the first and second magnetization fixed layers 19 and 20. The insulating film is completely removed. Subsequently, an insulating film for forming a step is formed again, and this insulating film is processed by ion milling or reactive etching, so that it is positioned at a position corresponding to the first step 17 and the second step 18 of the magnetic recording layer 10. A step structure is formed. Thereby, the insulating layer 56 having a step is formed. Next, the first ferromagnetic film, the insulating film, the second ferromagnetic film, and the antiferromagnetic film that become the magnetic recording layer 10, the tunnel barrier layer 11, the pinned layer 12, and the antiferromagnetic layer 15 are continuously formed by sputtering or the like. Thus, the antiferromagnetic layer 15, the pinned layer 12, the tunnel barrier layer 11, and the magnetic recording layer 10 are formed in desired shapes by forming a film and processing it by ion milling or the like. Accordingly, the first and second magnetization fixed layers 19 and 20 and the first and second magnetization fixed regions 101 and 103 of the magnetic recording layer 10 are electrically and magnetically connected, and the pinned layer 12 and the tunnel barrier are also connected. The surface roughness of the portion where the layer 11 is formed is also suppressed by planarization. Thus, a desired magnetoresistance effect element 200 can be formed.


磁気記録層10への磁壁の導入は、下記の手順で行われる:

まず、外部磁場を+z方向に印加した状態で熱処理を施すことにより、第1磁化固定領域101、磁化反転領域102、第2磁化固定領域103、第1磁化固定層19、及び第2磁化固定層20の磁化が+z方向に向けられる。

The introduction of the domain wall into the magnetic recording layer 10 is performed by the following procedure:

First, the first magnetization fixed region 101, the magnetization switching region 102, the second magnetization fixed region 103, the first magnetization fixed layer 19, and the second magnetization fixed layer are performed by performing a heat treatment while applying an external magnetic field in the + z direction. Twenty magnetizations are oriented in the + z direction.


続いて、磁気記録層10に磁壁(DW)を形成するために、外部磁場が−z方向に印加される。このとき印加する磁界の大きさは、磁気記録層10の、第1磁気固定領域101の第1磁化固定層19に磁気的に結合した部分以外の部分と、第2磁化固定層20の磁化を反転し、且つ、第1磁気固定領域101の第1磁化固定層19に磁気的に結合した部分と第1磁化固定層19の磁化は反転しない程度の大きさに設定される。ここで、第1の実施形態では、第1磁化固定層19と第2磁化固定層20とが、第1磁化固定層19の磁化が第2磁化固定層20の磁化よりも反転しにくいように構成されることに留意されたい。この外部磁場の印加により、磁気記録層10の、第1磁気固定領域101の第1磁化固定層19に磁気的に結合した部分が1つの磁区(magnetic domain)を形成し、磁気記録層10の他の部分が別の磁区を形成する。即ち、第1磁化固定層19の端19aに対応する位置21に磁壁が生成される。続いて、位置21に形成された磁壁を第1段差17の位置に移動させるために、外部磁場を徐々に増加させる。このときの磁界の大きさは、第1磁気固定領域101の第1磁化固定層19に磁気的に結合していない部分の磁化を反転させるには十分な大きさで、且つ、第2磁化固定領域103の磁化は反転させない程度の大きさである。このようにして、磁壁を第1段差17に形成することができる。ここで、第1段差17にある磁壁が第2段差18のほうに移動する際、第2段差18がピンサイトとして働くため、磁壁は第2段差18より先には移動できないことに留意されたい。従って、磁壁は第1段差17と第2段差18の間のみ移動できることになる。

Subsequently, in order to form a domain wall (DW) in the magnetic recording layer 10, an external magnetic field is applied in the −z direction. The magnitude of the magnetic field applied at this time depends on the magnetization of the magnetic recording layer 10 other than the portion magnetically coupled to the first magnetization fixed layer 19 of the first magnetic fixed region 101 and the magnetization of the second magnetization fixed layer 20. The magnetization of the first magnetization fixed layer 19 and the portion that is reversed and magnetically coupled to the first magnetization fixed layer 19 of the first magnetic fixed region 101 is set so as not to be reversed. Here, in the first embodiment, the first magnetization fixed layer 19 and the second magnetization fixed layer 20 are configured such that the magnetization of the first magnetization fixed layer 19 is less likely to be reversed than the magnetization of the second magnetization fixed layer 20. Note that it is composed. By applying this external magnetic field, a portion of the magnetic recording layer 10 that is magnetically coupled to the first magnetization fixed layer 19 of the first magnetic fixed region 101 forms one magnetic domain. The other part forms another magnetic domain. That is, a domain wall is generated at the position 21 corresponding to the end 19 a of the first magnetization fixed layer 19. Subsequently, in order to move the domain wall formed at the position 21 to the position of the first step 17, the external magnetic field is gradually increased. The magnitude of the magnetic field at this time is large enough to reverse the magnetization of the portion of the first magnetic pinned region 101 that is not magnetically coupled to the first magnetization pinned layer 19 and the second pinned magnetization is fixed. The magnetization of the region 103 is large enough not to reverse. In this way, the domain wall can be formed in the first step 17. Here, it should be noted that when the domain wall at the first step 17 moves toward the second step 18, the domain wall cannot move before the second step 18 because the second step 18 acts as a pin site. . Therefore, the domain wall can move only between the first step 17 and the second step 18.


磁壁の導入においては、絶縁層56に段差を形成することによって磁気記録層10に第1段差17及び第2段差18が設けられることが重要な役割を果たしている。絶縁層56に段差を形成することによって磁気記録層10に第1段差17及び第2段差18が設けられる構造では、磁気記録層10の膜厚を部分的に薄くするためのエッチングを行わずにピンサイトを安定的に生成することができる。したがって、磁気記録層10に安定的に磁壁を導入することができる。

In the introduction of the domain wall, it is important that the first step 17 and the second step 18 are provided in the magnetic recording layer 10 by forming a step in the insulating layer 56. In the structure in which the first step 17 and the second step 18 are provided in the magnetic recording layer 10 by forming a step in the insulating layer 56, etching for partially reducing the thickness of the magnetic recording layer 10 is not performed. Pinsite can be generated stably. Therefore, the domain wall can be stably introduced into the magnetic recording layer 10.


次に、第1の実施形態における書き込み動作について具体的に述べる。

以下では、磁化反転領域102の磁化が−z方向に向けられて磁壁が第1段差17に位置する状態がデータ「1」、磁化が+z方向に向けられて磁壁が第2段差18に位置する状態がデータ「0」に対応付けられているとして説明がなされる。ただし、磁化方向とデータの値の対応は逆でもよいことは当業者には明らかであろう。

Next, the write operation in the first embodiment will be specifically described.

In the following, the state where the magnetization of the magnetization switching region 102 is oriented in the −z direction and the domain wall is located at the first step 17 is data “1”, and the magnetization is oriented in the + z direction and the domain wall is located at the second step 18. The description will be made assuming that the state is associated with the data “0”. However, it will be apparent to those skilled in the art that the correspondence between the magnetization direction and the data value may be reversed.


データ「0」が書き込まれている磁気記録層10にデータ「1」を書き込む場合には、書き込み電流が、第1磁化固定領域101から磁化反転領域102を通って第2磁化固定領域103に流される。書き込み電流の供給には、第1配線31と第1ビアコンタクト32と第2ビアコンタクト33と第2配線34とが使用される。書き込み電流が流されることにより、スピン偏極電子が、第2磁化固定領域103から磁化反転領域102に注入される。スピン偏極電子が注入されると、スピントランスファー効果により、第2段差18にある磁壁が、第1段差17のほうに移動しようとする。つまり、磁化反転領域102の磁化の向きが+z方向から−z方向へ変わろうとする。この磁壁の移動においては第1段差17がピンサイトとして働くから、磁壁は第1段差17までしか移動できない。従って、前記スピントランスファー効果により磁壁が第1段差17まで移動すると、磁化反転が停止し、結果として磁壁は第1段差17に留まることになる。

When writing data “1” to the magnetic recording layer 10 in which data “0” is written, a write current flows from the first magnetization fixed region 101 to the second magnetization fixed region 103 through the magnetization switching region 102. It is. The first wiring 31, the first via contact 32, the second via contact 33, and the second wiring 34 are used for supplying the write current. When a write current is passed, spin-polarized electrons are injected from the second magnetization fixed region 103 into the magnetization switching region 102. When spin-polarized electrons are injected, the domain wall at the second step 18 tends to move toward the first step 17 due to the spin transfer effect. That is, the magnetization direction of the magnetization switching region 102 tends to change from the + z direction to the −z direction. In this movement of the domain wall, the first step 17 acts as a pin site, so that the domain wall can move only to the first step 17. Therefore, when the domain wall moves to the first step 17 due to the spin transfer effect, the magnetization reversal stops, and as a result, the domain wall remains at the first step 17.


データ「1」が書き込まれている磁気記録層10にデータ「0」を書き込む場合も同様である。データ「0」を書き込む場合、書き込み電流が、第2磁化固定領域103から磁化反転領域102を通って第1磁化固定領域101に流される。即ち、スピン偏極電子が、第1磁化固定領域101から磁化反転領域102に注入される。スピン偏極電子が注入されると、スピントランスファー効果により、第1段差17にある磁壁が、第2段差18のほうに移動しようとする。つまり、磁化反転領域102の磁化の向きが−z方向から+z方向へ変わろうとする。この磁壁の移動においては第2段差18がピンサイトとして働くから、磁壁は第2段差18までしか移動できない。従って、スピントランスファー効果により磁壁が第2段差18まで移動すると、磁化反転が停止し、結果として磁壁は第2段差18に留まることになる。

The same applies when data “0” is written to the magnetic recording layer 10 in which data “1” is written. When writing data “0”, a write current is passed from the second magnetization fixed region 103 to the first magnetization fixed region 101 through the magnetization switching region 102. That is, spin-polarized electrons are injected from the first magnetization fixed region 101 into the magnetization switching region 102. When spin-polarized electrons are injected, the domain wall at the first step 17 tends to move toward the second step 18 due to the spin transfer effect. That is, the magnetization direction of the magnetization switching region 102 tends to change from the −z direction to the + z direction. In this movement of the domain wall, the second step 18 acts as a pin site, so that the domain wall can move only up to the second step 18. Therefore, when the domain wall moves to the second step 18 due to the spin transfer effect, the magnetization reversal stops, and as a result, the domain wall remains at the second step 18.


以上に説明されているように、データ「1」、「0」のいずれを書き込む場合でも、磁壁が第1段差17及び第2段差18を超えて移動できない。その一方で、本実施形態のMRAMにおいては第1及び第2磁化固定層19、20が、第1段差17及び第2段差18から離れて位置している。したがって、本実施形態のMRAMでは、磁壁と第1及び第2磁化固定層19、20との距離を離すことができる。これは、磁化固定層19、20からの漏洩磁界の影響を小さくし、動作を安定化させることに有効である。

As described above, the domain wall cannot move beyond the first step 17 and the second step 18 when writing either data “1” or “0”. On the other hand, in the MRAM of this embodiment, the first and second magnetization fixed layers 19 and 20 are located away from the first step 17 and the second step 18. Therefore, in the MRAM of this embodiment, the distance between the domain wall and the first and second magnetization fixed layers 19 and 20 can be increased. This is effective in reducing the influence of the leakage magnetic field from the magnetization fixed layers 19 and 20 and stabilizing the operation.


一方、磁気記録層10に記録されているデータの読み出しにはTMR効果が利用される。データ読み出し時には、読み出し電流が、ピン層12と磁化反転領域102との間を流れるように供給される。一実施形態では、読み出し電流は、第1磁化固定領域101と第2磁化固定領域103のいずれかから、磁化反転領域102及びトンネルバリア層11を経由して、ピン層12へ流され、さらにピン層12の上に形成された読み出し配線35に流される。その代わりに、読み出し電流が、読み出し配線35からピン層12を通り、トンネルバリア層11及び磁化反転領域102を経由して、第1磁化固定領域101と第2磁化固定領域103のいずれかへ流されてもよい。その読み出し電流又は読み出し電流によって生じた電位差に基づいて磁気抵抗効果素子200の抵抗値が検出され、磁化反転領域102の磁化方向、即ち、磁気記録層10に記録されているデータが識別される。

On the other hand, the TMR effect is used to read data recorded on the magnetic recording layer 10. At the time of data reading, a read current is supplied so as to flow between the pinned layer 12 and the magnetization switching region 102. In one embodiment, the read current is caused to flow from one of the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103 to the pinned layer 12 via the magnetization switching region 102 and the tunnel barrier layer 11, and further to the pinned layer. The current flows through the readout wiring 35 formed on the layer 12. Instead, the read current flows from the read wiring 35 through the pinned layer 12 to the first magnetization fixed region 101 or the second magnetization fixed region 103 via the tunnel barrier layer 11 and the magnetization switching region 102. May be. The resistance value of the magnetoresistive effect element 200 is detected based on the read current or the potential difference generated by the read current, and the magnetization direction of the magnetization switching region 102, that is, the data recorded in the magnetic recording layer 10 is identified.


2.第2の実施形態

図4は、第2の実施形態における磁気抵抗効果素子200の構造を示す断面図である。第2の実施形態における磁気抵抗効果素子200は、概ね、第1の実施形態における磁気抵抗効果素子200と同様の構成を有している。第2の実施形態においても、磁気記録層10に2つの段差:第1段差17、第2段差18が設けられ、磁壁移動が第1段差17と第2段差18の間で行われる。

2. Second embodiment

FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the magnetoresistive effect element 200 according to the second embodiment. The magnetoresistive effect element 200 in the second embodiment generally has the same configuration as the magnetoresistive effect element 200 in the first embodiment. Also in the second embodiment, the magnetic recording layer 10 is provided with two steps: the first step 17 and the second step 18, and the domain wall movement is performed between the first step 17 and the second step 18.


第1の実施形態と第2の実施形態の相違点は、第2の実施形態では磁気抵抗効果素子200に磁化固定層が一つだけしか設けられない点である。即ち、第1磁化固定領域101に磁気的に結合する第1磁化固定層19が設けられる一方で、第2磁化固定領域103に対しては磁化固定層が用意されない。本実施形態では、第2磁化固定層20の代わりに第3コンタクトビア36が第2磁化固定領域103に接合される。

The difference between the first embodiment and the second embodiment is that in the second embodiment, the magnetoresistive effect element 200 is provided with only one magnetization fixed layer. That is, while the first magnetization fixed layer 19 that is magnetically coupled to the first magnetization fixed region 101 is provided, no magnetization fixed layer is prepared for the second magnetization fixed region 103. In the present embodiment, the third contact via 36 is joined to the second magnetization fixed region 103 instead of the second magnetization fixed layer 20.


図4の構造の磁気抵抗効果素子200は、例えば、下記の工程で製造される。第1配線31及び第2配線34が形成された後、第1配線31及び第2配線34を覆う絶縁層55が形成される。更に、絶縁層55に反応性エッチング(RIE)等で開口を開けた後、その開口を銅(Cu)やタングステン(W)などの導電材料で埋め込むことにより、第1ビアコンタクト32及び第2ビアコンタクト33が形成される。さらに、第1磁化固定層19となる強磁性膜をスパッタリング等により成膜した後、イオンミリング等により不要な部分をエッチングにより除去して第1磁化固定層19が形成される。その後、絶縁層56となる酸化シリコン(SiO)などの絶縁膜を積層した後、その絶縁膜をCMP(Chemical Mechanical Polishing)等により平坦化し、第1磁化固定層19の上の絶縁膜を完全に除去する。続いて、当該絶縁膜を貫通する第3ビアコンタクト36が、第1ビアコンタクト32及び第2ビアコンタクト33と同様な方法で形成される。更に、段差を形成するための絶縁膜を再び形成し、この絶縁膜をイオンミリング或いは反応性エッチングにより加工することで磁気記録層10の第1段差17及び第2段差18に対応する位置に段差構造が形成される。これにより、段差を有する絶縁層56が形成される。次に磁気記録層10、トンネルバリア層11、ピン層12及び反強磁性層15となる第1の強磁性膜、絶縁膜、第2の強磁性膜、及び反強磁性膜をスパッタリング等により連続的に成膜し、イオンミリング等によって加工することにより、反強磁性層15、ピン層12、トンネルバリア層11及び磁気記録層10が所望の形状に形成される。

The magnetoresistive effect element 200 having the structure of FIG. 4 is manufactured, for example, by the following process. After the first wiring 31 and the second wiring 34 are formed, an insulating layer 55 that covers the first wiring 31 and the second wiring 34 is formed. Further, after opening an opening in the insulating layer 55 by reactive etching (RIE) or the like, the opening is filled with a conductive material such as copper (Cu) or tungsten (W), whereby the first via contact 32 and the second via are formed. A contact 33 is formed. Further, after forming a ferromagnetic film to be the first magnetization fixed layer 19 by sputtering or the like, unnecessary portions are removed by etching by ion milling or the like to form the first magnetization fixed layer 19. Thereafter, an insulating film such as silicon oxide (SiO 2 ) to be the insulating layer 56 is laminated, and then the insulating film is planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like, and the insulating film on the first magnetization fixed layer 19 is completely formed. To remove. Subsequently, a third via contact 36 penetrating the insulating film is formed in the same manner as the first via contact 32 and the second via contact 33. Further, an insulating film for forming a step is formed again, and this insulating film is processed by ion milling or reactive etching, thereby forming a step at a position corresponding to the first step 17 and the second step 18 of the magnetic recording layer 10. A structure is formed. Thereby, the insulating layer 56 having a step is formed. Next, the first ferromagnetic film, the insulating film, the second ferromagnetic film, and the antiferromagnetic film that become the magnetic recording layer 10, the tunnel barrier layer 11, the pinned layer 12, and the antiferromagnetic layer 15 are continuously formed by sputtering or the like. Thus, the antiferromagnetic layer 15, the pinned layer 12, the tunnel barrier layer 11, and the magnetic recording layer 10 are formed in desired shapes by forming a film and processing it by ion milling or the like.


本実施形態では、磁気記録層10への磁壁(DW)の導入は次のように行われる:

初めに第1磁化固定層19の磁化を所望方向に(本実施形態では+z方向に)固着するための初期化が行われる。具体的には、+z方向に外部磁場を印加した状態で熱処理が施され、第1磁化固定層19の磁化と磁気記録層10の磁化が+z方向に向けられる。これにより、第1磁化固定層19の磁化、及び、第1磁化固定層19と磁気的に結合している第1磁化固定領域101の磁化が+z方向に固定される。

In the present embodiment, the introduction of the domain wall (DW) into the magnetic recording layer 10 is performed as follows:

First, initialization for fixing the magnetization of the first magnetization fixed layer 19 in a desired direction (in the + z direction in the present embodiment) is performed. Specifically, heat treatment is performed with an external magnetic field applied in the + z direction, and the magnetization of the first magnetization fixed layer 19 and the magnetization of the magnetic recording layer 10 are directed in the + z direction. As a result, the magnetization of the first magnetization fixed layer 19 and the magnetization of the first magnetization fixed region 101 magnetically coupled to the first magnetization fixed layer 19 are fixed in the + z direction.


次に、−z方向の外部磁場が印加される。このときの外部磁場は、磁気記録層10の磁化反転領域102及び第2磁化固定領域103の磁化が反転させる一方、第1磁化固定層19の磁化を反転させる大きさより十分小さいように調節される。この外部磁場の印加においては、熱処理は必ずしも必要としない。これにより、第1磁化固定層19と磁気的に接合した領域以外の磁気記録層10の磁化は反転し、従って第1磁化固定層19の端19aに対応する位置21に磁壁が生成される。続いて、位置21に形成された磁壁を第1段差17の位置に移動させるために、外部磁場を徐々に増加させる。このときの外部磁場の方向は第1磁化固定層19の磁化の向きと同じ+z方向である。この外部磁場の印加によって、磁気記録層10において、磁化が+z方向に向けられている領域が徐々に広がっていく。従って、磁壁は、磁化が+z方向の領域を増加させる方向に移動するため、結果として第1段差17のほうに移動する。このときの外部磁場の大きさとしては、磁壁が第1段差17を越えて、第1段差17と第2段差18の間、即ち、磁化反転領域102内に移動するような大きさに設定される。その後、磁化反転領域102に初期化電流を印加することで、磁化反転領域102の中間まで移動した磁壁を第1段差17又は第2段差18に移動させる。

Next, an external magnetic field in the −z direction is applied. The external magnetic field at this time is adjusted to be sufficiently smaller than the magnitude of reversing the magnetization of the first magnetization fixed layer 19 while reversing the magnetization of the magnetization reversal region 102 and the second magnetization fixed region 103 of the magnetic recording layer 10. . In the application of the external magnetic field, heat treatment is not necessarily required. As a result, the magnetization of the magnetic recording layer 10 other than the region magnetically bonded to the first magnetization fixed layer 19 is reversed, so that a domain wall is generated at the position 21 corresponding to the end 19 a of the first magnetization fixed layer 19. Subsequently, in order to move the domain wall formed at the position 21 to the position of the first step 17, the external magnetic field is gradually increased. The direction of the external magnetic field at this time is the + z direction, which is the same as the magnetization direction of the first magnetization fixed layer 19. By applying this external magnetic field, the region in the magnetic recording layer 10 where the magnetization is directed in the + z direction gradually expands. Therefore, the domain wall moves in the direction in which the magnetization increases the region in the + z direction, and as a result, moves toward the first step 17. The magnitude of the external magnetic field at this time is set such that the domain wall moves beyond the first step 17 and moves between the first step 17 and the second step 18, that is, into the magnetization switching region 102. The Thereafter, by applying an initialization current to the magnetization switching region 102, the domain wall that has moved to the middle of the magnetization switching region 102 is moved to the first step 17 or the second step 18.


磁壁を磁化反転領域102の中間に移動させた後で初期化電流を印加する技術的意義は、下記の通りである。仮に第1段差17の位置まで磁壁が移動した時点で外部磁場の印加を止めた場合、磁壁は第1段差17の位置に止まる。この場合、先に述べたように、段差によってピンサイトが形成されることによって磁壁が段差を超えて移動しないため、書き込み電流を印加しても磁壁が移動できない恐れが生じる。一旦、磁壁を磁化反転領域102の中間まで移動させた後、初期化電流を印加することで磁壁を第1段差17又は第2段差18に移動させる手順は、このような問題を回避し、磁壁を第1段差17又は第2段差18に生成させる為に有効である。

The technical significance of applying the initialization current after moving the domain wall to the middle of the magnetization switching region 102 is as follows. If the application of the external magnetic field is stopped when the domain wall moves to the position of the first step 17, the domain wall stops at the position of the first step 17. In this case, as described above, the domain wall does not move beyond the step due to the formation of the pin site due to the step, and therefore, the domain wall may not move even when the write current is applied. The procedure of moving the domain wall to the first step 17 or the second step 18 by moving the domain wall to the middle of the magnetization switching region 102 and then applying the initialization current avoids such a problem. Is effective for generating the first step 17 or the second step 18.


磁壁の導入においては、絶縁層56に段差を形成することによって磁気記録層10に第1段差17及び第2段差18が設けられることが重要な役割を果たしている。絶縁層56に段差を形成することによって磁気記録層10に第1段差17及び第2段差18が設けられる構造では、磁気記録層10の膜厚を部分的に薄くするためのエッチングを行わずにピンサイトを安定的に生成することができる。したがって、磁気記録層10に安定的に磁壁を導入することができる。

In the introduction of the domain wall, it is important that the first step 17 and the second step 18 are provided in the magnetic recording layer 10 by forming a step in the insulating layer 56. In the structure in which the first step 17 and the second step 18 are provided in the magnetic recording layer 10 by forming a step in the insulating layer 56, etching for partially reducing the thickness of the magnetic recording layer 10 is not performed. Pinsite can be generated stably. Therefore, the domain wall can be stably introduced into the magnetic recording layer 10.


第2の実施形態のMRAMにおける書き込み動作及び読み出し動作は、第1の実施形態と同様である。第1の実施形態と同様に、第1磁化固定領域101と第2磁化固定領域103の間で書き込み電流が流され、第1段差17と第2段差18の間で磁壁が移動される。このとき、第2の実施形態においても、第1磁化固定層19が第1段差17から離れて位置している上、第2段差18の周辺には磁化固定層が設けられていないから、第1磁化固定層19からの漏洩磁界の影響を小さくし、動作を安定化させることができる。

The write operation and read operation in the MRAM of the second embodiment are the same as those of the first embodiment. As in the first embodiment, a write current is passed between the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103, and the domain wall is moved between the first step 17 and the second step 18. At this time, also in the second embodiment, the first magnetization pinned layer 19 is located away from the first step 17, and no magnetization pinned layer is provided around the second step 18, The influence of the leakage magnetic field from the single magnetization fixed layer 19 can be reduced, and the operation can be stabilized.


3.第3の実施の形態

図5は、第3の実施形態における磁気抵抗効果素子200の構造を示す斜視図であり、図6は、断面図である。第3の実施形態における磁気抵抗効果素子200は、概ね、第1及び第2の実施形態の磁気抵抗効果素子200と同様の構成を有している。第3の実施形態においても、磁気記録層10に2つの段差:第1段差17、第2段差18が設けられ、磁壁移動が第1段差17と第2段差18の間で行われる。

3. Third embodiment

FIG. 5 is a perspective view showing the structure of the magnetoresistive effect element 200 in the third embodiment, and FIG. 6 is a cross-sectional view. The magnetoresistive effect element 200 in the third embodiment has generally the same configuration as the magnetoresistive effect element 200 in the first and second embodiments. Also in the third embodiment, the magnetic recording layer 10 is provided with two steps: the first step 17 and the second step 18, and the domain wall movement is performed between the first step 17 and the second step 18.


第3の実施形態のMRAMと第1及び第2の実施形態との相違点は、第3の実施形態では第1磁化固定領域101及び第2磁化固定領域103の磁化の固定に磁化固定層を使用しない点である。第3の実施形態では、第1磁化固定領域101に第1ビアコンタクト32が直接に接合され、第2磁化固定領域103に第2ビアコンタクト33が直接に接合される。

The difference between the MRAM of the third embodiment and the first and second embodiments is that in the third embodiment, a magnetization fixed layer is used to fix the magnetization of the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103. It is a point not to use. In the third embodiment, the first via contact 32 is directly bonded to the first magnetization fixed region 101, and the second via contact 33 is directly bonded to the second magnetization fixed region 103.


加えて、第3の実施形態では、第2磁化固定領域103の一部分のパターン幅が他の部分に比べて大きくなっている。即ち、図5に図示されているように、第3の実施形態では、第2磁化固定領域103が第1部分103a及び第2部分103bを備えており、第2部分103bの幅が第1部分103aの幅よりも広い。ここで、第1部分103aは、第2磁化固定領域103のうち磁化反転領域102に接続される部分であり、第2部分103bは、第1部分103aに接続される部分である。

In addition, in the third embodiment, the pattern width of a part of the second magnetization fixed region 103 is larger than that of other parts. That is, as illustrated in FIG. 5, in the third embodiment, the second magnetization fixed region 103 includes the first portion 103a and the second portion 103b, and the width of the second portion 103b is the first portion. It is wider than the width of 103a. Here, the first portion 103a is a portion connected to the magnetization switching region 102 in the second magnetization fixed region 103, and the second portion 103b is a portion connected to the first portion 103a.


図5、図6の磁気抵抗効果素子200は、例えば、下記の工程で製造される。第1配線31及び第2配線34が形成された後、第1配線31及び第2配線34を覆う絶縁層55が形成される。更に、絶縁層55に反応性エッチング(RIE)等で開口を開けた後、その開口を銅(Cu)やタングステン(W)などの導電材料で埋め込むことにより、第1ビアコンタクト32及び第2ビアコンタクト33が形成される。続いて、段差を形成するための絶縁膜を再び形成し、この絶縁膜をイオンミリング或いは反応性エッチングにより加工することで磁気記録層10の第1段差17及び第2段差18に対応する位置に段差構造が形成される。これにより、段差を有する絶縁層55が形成される。次に磁気記録層10、トンネルバリア層11、ピン層12及び反強磁性層15となる第1の強磁性膜、絶縁膜、第2の強磁性膜、及び反強磁性膜をスパッタリング等により連続的に成膜し、イオンミリング等によって加工することにより、反強磁性層15、ピン層12、トンネルバリア層11及び磁気記録層10が所望の形状に形成される。上述のように、磁気記録層10は、第2磁化固定領域103の一部分のパターン幅が他の部分に比べて大きくなるように加工される。これにより、第1及び第2磁化固定層19、20と磁気記録層10の第1及び第2磁化固定領域101、103とが電気的に且つ磁気的に接続され、またピン層12及びトンネルバリア層11が形成される部分も平坦化により表面ラフネスも抑えられることになる。こうして、所望の磁気抵抗効果素子200を形成できる。

The magnetoresistive effect element 200 of FIGS. 5 and 6 is manufactured, for example, by the following process. After the first wiring 31 and the second wiring 34 are formed, an insulating layer 55 that covers the first wiring 31 and the second wiring 34 is formed. Further, after opening an opening in the insulating layer 55 by reactive etching (RIE) or the like, the opening is filled with a conductive material such as copper (Cu) or tungsten (W), whereby the first via contact 32 and the second via are formed. A contact 33 is formed. Subsequently, an insulating film for forming a step is formed again, and this insulating film is processed by ion milling or reactive etching, so that it is positioned at a position corresponding to the first step 17 and the second step 18 of the magnetic recording layer 10. A step structure is formed. Thereby, the insulating layer 55 having a step is formed. Next, the first ferromagnetic film, the insulating film, the second ferromagnetic film, and the antiferromagnetic film that become the magnetic recording layer 10, the tunnel barrier layer 11, the pinned layer 12, and the antiferromagnetic layer 15 are continuously formed by sputtering or the like. Thus, the antiferromagnetic layer 15, the pinned layer 12, the tunnel barrier layer 11, and the magnetic recording layer 10 are formed in desired shapes by forming a film and processing it by ion milling or the like. As described above, the magnetic recording layer 10 is processed so that the pattern width of a part of the second magnetization fixed region 103 is larger than that of the other part. Accordingly, the first and second magnetization fixed layers 19 and 20 and the first and second magnetization fixed regions 101 and 103 of the magnetic recording layer 10 are electrically and magnetically connected, and the pinned layer 12 and the tunnel barrier are also connected. The surface roughness of the portion where the layer 11 is formed is also suppressed by planarization. Thus, a desired magnetoresistance effect element 200 can be formed.


第3の実施形態における磁気記録層10への磁壁の導入は次のように行われる。

初めに磁気記録層10の磁化の向きが一方向に揃えられる。本実施形態では、外部磁場が−z方向に印加され、第1磁化固定領域101、磁化反転領域102、及び第2磁化固定領域103の磁化が−z方向に向けられる。次に、先ほど印加した方向とは反対方向(即ち、+z方向)の外部磁場が印加される。このときの外部磁場の大きさは、第2磁化固定領域103のパターン幅が広い部分103bの磁化が反転しない程度の大きさである。第2磁化固定領域103の部分103bは、図5に図示されているように、磁気記録層10の他の部分よりパターン幅が大きくなっており、従って、磁化反転に必要な磁場(保磁力)が他の部分より大きい。従って、第2磁化固定領域103の部分103bの磁化のみ反転させないことが可能である。また、このとき熱処理は必ずしも必要としない。これにより、磁気記録層10の第1磁化固定領域101、磁化反転領域102、及び第2磁化固定領域103の部分103aの磁化は反転し、部分103a、103bの境界の位置103cに磁壁が生成される。この磁壁を第2段差18に移動させるために、再び外部磁場が−z方向に印加される。これにより、磁化が−z方向の領域が徐々に広がっていき、即ち、位置103cにあった磁壁が第2段差18の方向に移動していき、最終的には、第2段差18に到達する。このとき、第2の実施形態と同様に、外部磁場が、磁壁が第1段差17を越えて、第1段差17と第2段差18の間、即ち、磁化反転領域102の中間に移動するような大きさに設定されてもよい。この場合、その後に磁化反転領域102に初期化電流を印加することで、磁化反転領域102の中間まで移動した磁壁を第1段差17又は第2段差18に移動させる。

The introduction of the domain wall into the magnetic recording layer 10 in the third embodiment is performed as follows.

First, the magnetization direction of the magnetic recording layer 10 is aligned in one direction. In the present embodiment, an external magnetic field is applied in the −z direction, and the magnetizations of the first magnetization fixed region 101, the magnetization switching region 102, and the second magnetization fixed region 103 are directed in the −z direction. Next, an external magnetic field is applied in a direction opposite to the direction applied earlier (that is, the + z direction). The magnitude of the external magnetic field at this time is such a magnitude that the magnetization of the portion 103b where the pattern width of the second magnetization fixed region 103 is wide is not reversed. As shown in FIG. 5, the portion 103b of the second magnetization fixed region 103 has a pattern width larger than that of the other portion of the magnetic recording layer 10, and accordingly, a magnetic field (coercive force) necessary for magnetization reversal. Is larger than other parts. Therefore, it is possible not to reverse only the magnetization of the portion 103 b of the second magnetization fixed region 103. At this time, heat treatment is not necessarily required. Thereby, the magnetization of the portion 103a of the first magnetization fixed region 101, the magnetization switching region 102, and the second magnetization fixed region 103 of the magnetic recording layer 10 is reversed, and a domain wall is generated at the position 103c of the boundary between the portions 103a and 103b. The In order to move the domain wall to the second step 18, an external magnetic field is applied again in the -z direction. As a result, the region in which the magnetization is in the −z direction gradually expands, that is, the domain wall at the position 103 c moves in the direction of the second step 18 and finally reaches the second step 18. . At this time, as in the second embodiment, the external magnetic field moves so that the domain wall moves beyond the first step 17 and between the first step 17 and the second step 18, that is, in the middle of the magnetization switching region 102. It may be set to a large size. In this case, by subsequently applying an initialization current to the magnetization switching region 102, the domain wall that has moved to the middle of the magnetization switching region 102 is moved to the first step 17 or the second step 18.


第1及び第2の実施形態と同様に、磁壁の導入においては、絶縁層56に段差を形成することによって磁気記録層10に第1段差17及び第2段差18が設けられることが重要な役割を果たしている。絶縁層56に段差を形成することによって磁気記録層10に第1段差17及び第2段差18が設けられる構造では、磁気記録層10の膜厚を部分的に薄くするためのエッチングを行わずにピンサイトを安定的に生成することができる。したがって、磁気記録層10に安定的に磁壁を導入することができる。

Similar to the first and second embodiments, in introducing the domain wall, it is important that the first step 17 and the second step 18 are provided in the magnetic recording layer 10 by forming a step in the insulating layer 56. Plays. In the structure in which the first step 17 and the second step 18 are provided in the magnetic recording layer 10 by forming a step in the insulating layer 56, etching for partially reducing the thickness of the magnetic recording layer 10 is not performed. Pinsite can be generated stably. Therefore, the domain wall can be stably introduced into the magnetic recording layer 10.


第3の実施形態のMRAMにおける書き込み動作及び読み出し動作は、第1及び第2の実施形態と同様である。第1の実施形態と同様に、第1磁化固定領域101と第2磁化固定領域103の間で書き込み電流が流され、第1段差17と第2段差18の間で磁壁が移動される。このとき、第3の実施形態においては、磁化固定層が使用されないから、磁化固定層からの漏洩磁界による磁壁移動が妨げられる問題は原理的に起こりえない。従って、第3の実施形態では、動作を安定化させることができる。

The write operation and read operation in the MRAM of the third embodiment are the same as those in the first and second embodiments. As in the first embodiment, a write current is passed between the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103, and the domain wall is moved between the first step 17 and the second step 18. At this time, in the third embodiment, since the magnetization fixed layer is not used, the problem that the domain wall movement due to the leakage magnetic field from the magnetization fixed layer is prevented in principle cannot occur. Therefore, in the third embodiment, the operation can be stabilized.

この出願は、2009年3月31日に出願された特願2009−86048を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。 This application claims the priority on the basis of Japanese Patent Application No. 2009-86048 for which it applied on March 31, 2009, and takes in those the indications of all here.

Claims (7)

絶縁層と、
前記絶縁層の上に形成された磁気記録層と、
前記磁気記録層の上面に形成されたトンネルバリア層と、
ピン層と、
第1磁化固定層
とを備え、
前記磁気記録層は、
反転可能な磁化を有し、前記トンネルバリア層を挟んで前記ピン層と対向する磁化反転領域と、
前記磁化反転領域に接合され、磁化の向きが第1方向に固定される第1磁化固定領域と、
前記磁化反転領域に接合され、磁化の向きが第2方向に固定される第2磁化固定領域
とを有し、
前記第1磁化固定層は、前記磁気記録層の前記第1磁化固定領域の下面に接合されて前記第1磁化固定領域の磁化を固定し、
前記絶縁層には、前記第1磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界に対応する位置、及び前記磁化反転領域と前記第2磁化固定領域との境界に対応する位置に段差が設けられ、これにより、前記磁気記録層には、前記第1磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界に第1段差が形成され、前記磁化反転領域と前記第2磁化固定領域との境界に第2段差が形成されており、
前記第1磁化固定層の端が、前記第1段差から離れて位置している
磁気メモリ。
An insulating layer;
A magnetic recording layer formed on the upper surface of the insulating layer,
A tunnel barrier layer formed on the top surface of the magnetic recording layer ;
The pinned layer ,
A first magnetization fixed layer ,
The magnetic recording layer is
A magnetization reversal region having reversible magnetization and facing the pinned layer across the tunnel barrier layer;
A first magnetization fixed region bonded to the magnetization switching region and having a magnetization direction fixed in a first direction;
A second magnetization fixed region bonded to the magnetization switching region and having a magnetization direction fixed in a second direction;
The first magnetization fixed layer is bonded to the lower surface of the first magnetization fixed region of the magnetic recording layer to fix the magnetization of the first magnetization fixed region,
Wherein the insulating layer, the first magnetization fixed region and the position corresponding to the boundary between the magnetization inversion region, and a step is provided at a position corresponding to the boundary between said magnetization reversal region and the second magnetization fixed region Thereby, in the magnetic recording layer, a first step is formed at the boundary between the first magnetization fixed region and the magnetization switching region, and a second step is formed at the boundary between the magnetization switching region and the second magnetization fixed region. A step is formed ,
A magnetic memory in which an end of the first magnetization fixed layer is located away from the first step .
請求項に記載の磁気メモリであって、
更に、
前記磁気記録層の前記第2磁化固定領域の下面に接合されて前記第2磁化固定領域の磁化を固定する第2磁化固定層を備えており、
前記第2磁化固定層の端が、前記第2段差から離れて位置している
磁気メモリ。
The magnetic memory according to claim 1 ,
Furthermore,
A second magnetization fixed layer that is bonded to the lower surface of the second magnetization fixed region of the magnetic recording layer and fixes the magnetization of the second magnetization fixed region;
The magnetic memory, wherein an end of the second magnetization fixed layer is located away from the second step.
請求項1又は2に記載の磁気メモリであって、The magnetic memory according to claim 1 or 2,
前記第1磁化固定層の端が、前記絶縁層の前記第1磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界に対応する位置にある前記段差から離れて位置しているAn end of the first magnetization fixed layer is located away from the step at a position corresponding to a boundary between the first magnetization fixed region and the magnetization switching region of the insulating layer.
磁気メモリ。Magnetic memory.
請求項2に記載の磁気メモリであって、The magnetic memory according to claim 2,
前記第1磁化固定層の端が、前記絶縁層の前記第1磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界に対応する位置にある前記段差から離れて位置しており、An end of the first magnetization fixed layer is located away from the step located at a position corresponding to a boundary between the first magnetization fixed region and the magnetization switching region of the insulating layer;
前記第2磁化固定層の端が、前記絶縁層の前記第2磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界に対応する位置にある前記段差から離れて位置しているAn end of the second magnetization fixed layer is located away from the step at a position corresponding to a boundary between the second magnetization fixed region and the magnetization switching region of the insulating layer.
磁気メモリ。Magnetic memory.
請求項3又は4のいずれかに記載の磁気メモリであって、The magnetic memory according to claim 3, wherein
前記絶縁層の上面のうちの前記磁化反転領域に接する部分が、前記絶縁層の上面のうちの前記第1磁化固定領域及び前記第2磁化固定領域に接する部分よりも高い位置にあるA portion of the upper surface of the insulating layer that is in contact with the magnetization switching region is located higher than a portion of the upper surface of the insulating layer that is in contact with the first magnetization fixed region and the second magnetization fixed region.
磁気メモリ。Magnetic memory.
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の磁気メモリであって、
前記第1段差及び前記第2段差の高さが磁気記録層の膜厚と略等しいかそれより小さい
磁気メモリ。
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 5,
A magnetic memory in which a height of the first step and the second step is substantially equal to or smaller than a film thickness of the magnetic recording layer.
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の磁気メモリであって、
前記第1磁化固定領域、前記第2磁化固定領域、及び前記磁化反転領域の膜厚が等しい
磁気メモリ。
The magnetic memory according to any one of claims 1 to 6,
The magnetic memory in which the first magnetization fixed region, the second magnetization fixed region, and the magnetization switching region have the same film thickness.
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