TWI222230B - Magnetic memory - Google Patents
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Description
1222230 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於磁性記憶體,而更爲詳細則是有關擁 有堆疊具有強磁性隧道接合型等之磁阻效果元件之記憶體 單元之構造,且可解決記憶單元間之串訊問題,可達以低 消耗電力進行安定記錄、讀取的磁性記憶體。 【先前技術】 使用磁性體膜之磁電效果元件係使用於磁頭,磁性感 測器等之同時,並提案使用於固體磁性記憶體(磁電效果 記憶體:MRAM ( Magnetic Random Access Memory) ) 〇 近年來,於2個磁性金屬層之間,***1層電介質的 夾層構造膜中,對於膜面垂直地流動電流,並作爲利用隧 道電流之磁電效果元件,提案有所謂「強磁性穿隧接合元 件(Tunneling Magneto-Resistance effect:TMR 元件), 於強磁性穿隧接合元件中,由於可得到2 0%以上之磁阻變 化率(J.Apple.Phys.79,4724 ( 1 996 )),故提升了 MRAM民生化應用之可能性。 此強磁性穿隧接合元件係於強磁性電極上成膜 0.6nm〜2.0nm厚度之薄A1 (鋁)層之後,將此表面經由曝 露於氧輝光放電或氧氣,形成由Al2〇3而成之隧道隔層 而實現。 另外,提案有於此強磁性單重穿隧接合之單側一方的 強磁性層賦予反強磁性層,令單方作爲磁化固定層之構造 -7- (2) (2)1222230 之強磁性單重穿隧接合(日本特開平104227號公報)。 又,亦提案有藉由分散於電介質中之磁性粒子的強磁 性穿隧接合及強磁性二重穿隧接合(連續膜)。( Phys.Rev.B56 ( 10 ),R5 74 7 ( 1 997 ),應用磁性學會雜誌 23,4-2, ( 1 999 ) , Ap p 1 · P h y s . L e 11 · 7 3 ( 19) ,2829 ( 1 998 ) ,Jp n . J . Ap p 1. P hy s . 3 9 , L 1 0 3 5 ( 200 1 ))。 於此,由於可得到20%〜50%之磁阻變化率的情況及 爲得到所期望之輸出電壓値而施加於強磁性穿隧接合元件 之電壓値即使增加,亦可抑制磁阻變化率的減少之情況, 因此有了 MRAM之應用之可能性。 採用此等強磁性單重穿隧接合或強磁性二重穿隧接合 之磁性記錄元件係具有非揮發性,寫入讀取時間亦快速達 10ns以下,改寫次數亦有1015以上之電位。特別是採用 強磁性二重穿隧接合之磁性記錄元件係如上述所述,即使 爲了得到所期望之輸出電壓値而增加施加於強磁性穿隧接 合元件之電壓値,仍可抑制磁阻變化率的減少之故,作爲 磁性記錄元件顯示了其優異特性。 但關於記憶體之元件尺寸使用ITr (電晶體)-1TMR 結構(例如揭示於USP5,734,605號公報)時,有著無法 縮小半導體之 DRAM (Dynamic Random Access Memory) 尺寸以下之問題。 但是,爲了解決此問題,提案有於位元線(bit )與 字元線(word)之間,串聯連接TMR元件與二極體之二 極體型結構(USP5,640,3 4 3號公報)及,於位元線(bit -8 - (3) )與字元線(word )之間配置TMR元件之單純矩陣型結 構(DE 19744095,W0 9914760)。 但,不論是何者,皆爲於寫入至記憶層時,以電流脈 衝所造成之電流磁場進行反轉之故,消耗電力爲大,配線 容許電流密度上有其極限之故,可堆積之單元數則有其限 制,又,寫入電流之絕對値亦及於1 m A程度之故,驅動 器之面積會有變大等之問題 爲此,與其他之非揮發固體磁性記憶體之FeRAM ( 強介電質隨機存取記憶)或快閃記憶體等比較之時,需改 善的問題仍多。 對於此等之問題,提案有於寫入配置之周圍,設置高 導磁率之磁性材料所成薄膜的固體磁性記憶裝置(美國專 利5 6 5 94 99號、美國專利5 94〇3 19號)。根據此等之磁性 記憶裝置,於配線之周圍,設置高導磁性膜之故,於對磁 性記錄層之資訊寫入,可有效減低磁性記錄層之資訊寫入 所需的電流値。 【發明內容】 但是,美國專利56594 99號所揭示之磁性記憶裝置中 ,施加於磁阻效果膜之記錄層的磁場爲不均’美國專利 5 6 5 6 2 7 6號和美國專利5 9 4 〇 3 1 9號所揭示之磁性記憶裝置 中,則如「雙自旋閥型雙重穿隧接合」’於堆積之磁性層 中心部,設置自由層(記錄層)的構造中’於自由層難以 有效施加磁場。 -9- (4) (4)1222230 又,另一方面,國際專利申請案 WO 00/10172中所 揭示之磁性記憶裝置中,雖成爲可於自由層施加大磁場之 構造,但其製造上極爲困難。 又,更且,經由本發明人獨自之檢討結果,於寫入配 線之周圍,設置由如此磁性材料所形成之被覆層時,得知 此被覆層之磁化狀態極爲重要。即,得知不控制被覆層之 磁化狀態時,無法將自寫入配線之電流磁場有效率地透加 於磁阻效果元件之記錄層。又,同時,由於被覆層之磁化 方向,於接近之磁阻效果元件間,會產生磁性之相互作用 ,曲線會變形之故,對於寫入邊取會產生不良的影響。 本發明係根據有關課題之認識而成者,其目的乃提供 於寫入配線之周圍,設置磁性材料所成之被覆層時,經由 控制該磁化狀態,可有效率地將電流磁場施加於記錄層之 磁性記憶體。 【爲解決課題之手段】 爲達上述目的,本發明之第1之磁性記憶體乃具備 具有磁性記錄層之磁阻效果元件, 和於前述磁阻效果元件之上或下,向第1之方向延伸 存在的第1之配線; 藉由於前述第1之配線經由流有電流而形成之磁場, 於前述磁性記錄層記錄資訊的磁性記憶體中, 前述第1之配線乃於該兩側面之至少任一者,具有結 晶磁性向異性定數K1爲5x 104erg/CC以下之磁性體所成 -10- (5) (5)1222230 被覆層; 前述被覆層乃具有沿前述第1之配線之長度手向,磁 化容易之單軸向異性爲特徵者。 根據上述構成時,可解除對於鄰接記憶單元之寫入串 訊,且安定藉由被覆層之寫入磁場地,施加於磁阻效果元 件,更且可解除此磁阻效果元件間之無用之磁性相互作用 〇 又,本發明之第2之磁性記憶體乃具備 具有延伸存在於第1之方向的第1之配線, 和設於前述第1之配線上的磁阻效果元件, 和於前述磁阻效果元件之上,延伸存在於與前述第1 之方各交叉方向的第2之配線; 藉由於前述第1及第2之配線經由流有電流而形成之 磁場,於前述磁阻效果元件之記錄層,記錄2値資訊之任 一的磁性記憶體中, 前述第1及第2之配線之至一者乃至少於該兩側面, 具有結晶磁性向異性定數K1爲5x 104erg/Cc以下之磁性 體所成被覆層; 前述被覆層乃具有設置該被覆層之配線之長度手向, 磁化容易之單軸向異性爲特徵者。 根據上述構成時,可解除對於鄰接記憶單元之寫入串 訊,且安定藉由被覆層之寫入磁場地,施加於磁阻效果元 件’更且可解除此磁阻效果元件間之無用之磁性相互作用 -11 - (6) (6)1222230 在此所謂「交叉」乃指於空間上,2條之配線非平行 且不相交地加以配置之狀態。 又,本發明之第3之磁性記憶體乃具備 具有延伸存在於第1之方向的第1之配線, 和設於前述第1之配線上的磁阻效果元件, 和於前述磁阻效果元件之上,延伸存在於與前述第1 之方各交叉方向的第2之配線; 藉由於前述第1及第2之配線經由流有電流而形成之 磁場,於前述磁阻效果元件之記錄層,記錄2値資訊之任 一的磁性記憶體中, 前述第1及第2之配線之至一者乃至少於該兩側面, 具有磁性體所成被覆層; 更具備由前述配線視之,鄰接於前述被覆層之外側設 置之導電性非磁性材料所成導電層爲特徵者。 【發明之效果】 $口以上所詳述,根據本發明可實現超低消費電力·低 « @ •無串訊之大容量磁性記憶體,對於產業上有很大的 利益。 【實施方式】 [發明之實施形態】 &下’參照圖面,對於本發明之實施形態加以說明。 ® 1乃單純化表示本發明之磁性記憶體之記憶單元主 -12- (7) (7)1222230 要部分之模式圖。即同圖(a )係表示包含於記憶單元之 一對之寫入配線及磁阻效果元件的正面圖,同圖(b )係 該平面圖,同圖(c )係該側面圖。 即,本發明之磁性記憶體乃於磁阻效果元件C之上下 ,對向設置略正交之一對之寫入配線BL、WL。於磁阻效 果元件C,經由施加磁場,設置該磁化方向可反轉之磁性 記錄層。然後,經由於一對之寫入配線BL、WL各流動寫 入電流所產生之合成磁場,適切反轉此磁性記錄層之磁化 方向,執行「寫入」,即執行資訊之記錄。 一對之寫入配線BL、WL係於該周圍具有磁性材料所 成被覆層SM。被覆層SM乃各設於各別之配線之兩面側 及由磁阻效果元件視之背面側,具有防止磁場之洩漏之作 用。即,經由設置被覆層SM,可防止鄰接於寫入配線BL 、WL所產生之電流磁場所成左右方向或上下方向的其他 之記憶單元的「寫入串訊」。 又,更且,如此之被覆層SM乃其本身成爲所謂「磁 性軛」,引導寫入配線BL、WL周圍所產生電流磁場,具 有集中於磁阻效果元件C之磁性記錄層的作用。結果,可 減低寫入電流,使記憶體之消耗電力下降。 再則,於本發明中,可將如此被覆層SM之磁化容易 方向Μ,對於配線BL、WL之長度方向,形成於平行之方 向。於如此配線長軸方向,將單軸向異性設於被覆層SM 時,可使與該正下或正上之磁阻效果元件C的磁性相互作 用之影響變小,抑制經由寫入電流所產生電流磁場之「不 -13- (8) (8)1222230 均」,使配線上之串訊之影響減小。 即,未規定被覆層SM之磁化方向時,電流磁場所成 被覆層SM之磁化方向之反轉會變得非一定之故,施加於 磁阻效果元件之磁性記錄層的寫入磁場會有參差之疑慮。 又,被覆層SM之磁化方向朝向磁阻效果元件C之方向, 爲產生磁性之相互作用,於寫入或讀取動作,會有產生不 安定之現象的疑慮。 對此,將被覆層SM之磁化容易方向,規定於配線 BL、WL之長度方向時,可解決此等之問題,可進行安定 之寫入、讀取。 做爲如此被覆層S Μ之材料,使用結晶磁性向異性定 數Κ1爲5x 104erg/CC以下之材料爲佳。具體而言,例如 可使用鎮鐵(Ni-Fe)合金、銘·錄(Co-Ni)合金、銘鐵 鎳(Co-Fe-Ni)合金、或鈷(Co)和鉻(Zr)、給(Hf) 、鈮(N b )、鉅(T a )、鈦(T a )之至少任一之合金( 包含非晶質合金)、或(Co、Fe、Ni) - (Si、B) - (P、 A1、Mo、Nb、Μη )系等之非晶質合金、(Fe、Co ) - ( B 、Si、Hf、Zi*、Sm、Ta、Al) - (F、〇、N)系等之金屬· 非金屬奈米碳膜,或絕緣性肥粒鐵等。 例如,經由選擇適當的目標組成,坡莫合金(NiFe ) 之K1可容易地選擇約2x 103erg/cc,CoNi之K1可容易 地選擇約4x 104erg/cc,CoFeNi之K1可容易地選擇約1 X 104erg/cc 〇 又’將此等之任一所成薄膜,可做爲單層加以使用, -14- (9) (9)1222230 或堆積複數種類之薄膜加以使用。 對於此等之材料所成被覆層SM,爲沿配線BL、WL 之長軸方向供予單軸各異性,規定被覆層SM之形狀,或 附予磁性層亦可。 例如,如圖2所示,將沿配線BL、EL之周圍之被覆 層SM的長度之合計(2L2 + L3 ),較配線BL、EL之長軸 方向之被覆層SM的長度爲短時,經由形狀效果,沿 長軸方向之單軸向貫性則不生成。 又,更且,考量實際使用之磁性材料的磁區範圍尺寸 時,將上述被覆層SM的長度之合計(2L2 + L3),更期望 成爲1 μηι以下爲佳。即,成爲此範圍時,難以產生配線 長軸方向以外之磁化。 又,另一方面,令配線BL、WL之長軸方向之被覆層 SM之長度,成爲磁阻效果元件之長軸方向之長度1之 約1 . 5倍時,無來自寫入配線BL、WL之浮動磁場(stary f i e 1 d )之影響,可得安定之開關特性。 又,令被覆層SM之厚度t!、t2成爲0.05 μπι以下時 ,該膜厚方向之反磁場會變大,於磁場中退火時,不形成 沿膜厚方向之磁性向異性。就結果而言,可使正下或正上 之磁阻效果元件C之磁性相互作用之影響變小,抑制經由 寫入電流所產生之寫入磁場的不均,可使配線上之串訊影 響變小。 又,經由形狀效果,做爲得單軸向異性之一個方法, 有複數分割設於配線BL、WL之周圍的被覆層sΜ的方法 -15- (10) (10)1222230 圖3係例示具有如此分割之被覆層SM之配線剖面的 模示圖。即,於同圖(a )表示之具體例時,被覆層SM 係於配線BL、WL之兩側面及背面,各別分割獨立地加以 設置。如此地,於配線周圍方向,分割被覆層SM時,可 容易之成爲將各被覆層SM沿配線之長度方向之「細長」 形狀,可容易賦予沿配線長軸方向之單軸向異性。然而, 形成於配線BL、WL之寫入電流磁場乃將配線BL、WL 之周圍回流被覆層SM之內部地加以形成之故,於分割之 被覆層SM之「連接縫」,由被覆層SM之端面至端面, 通過磁束。因此,如此地,分割被覆層SM時,由該「連 接縫」至周圍,幾乎無磁場洩漏的問題。 又,圖3 ( b )所表之具體例之時,被覆層SM乃分割 爲配線BL、WL。將配線之角爲被覆層SM所被覆之故, 對於磁束之洩漏,尤其特別有利。 又,圖3 ( c )所表之具體例時,於配線BL、WL之 側,分割被覆層SM。更且,於圖3 ( d )之具體側之時, 於背面分割被覆層SM。圖3 ( e )乃於配線上形成阻隔金 屬層BM,被覆層SM乃分割於配線之兩側面和阻隔金屬 層BM上而設置。 以上,如圖3所例示,將被覆層SM經由分割於配線 BL、WL之周圍方向,可使被覆層SM容易成爲「細長」 形狀,可確實且容易賦予沿配線長軸方向之單軸向異性。 然而,做爲製造圖3(c)及(d)所表示之構造的方 -16- (11) (11)1222230 法,例如形成配線BL、WL之後,順序形成被覆層SM。 又,做爲製造圖3(e)表示之構造的方法,堆積各 配線和阻隔金屬層,於經由RIE等之方法加以圖案化時, 進行配線之側蝕刻地,選擇各材料或蝕刻條件。如此之時 ,阻隔金屬層BM之兩端較配線向外側突出,形成過附著 。於此狀態,將被覆層SM經由電鍍等之方法形成時,得 圖3 ( e )所表之構造。 另一方面,做爲規定被覆層S Μ之磁化方向的方法, 有堆積反強磁性體所成層之方法。 圖4 ( a )及(b )乃表示堆積反強磁性體所成層之被 覆層的槪念圖。 即,於磁性體所成被覆層SM之周圍,堆積強磁性層 AF。如此地,經由堆積強磁性層AF,可將被覆層之磁化 方向固定於配線長軸方向。於此時,反強磁性層AF乃如 圖4 ( a )所示,堆積於被覆層S Μ之外側即可,或圖4 ( b )所示,堆積於被覆層SM之內側亦可。又,於2層或 其以上之被覆層SM之層間,***反強磁性層AF亦可。 又,於被覆層SM和反強磁性層AF間,***非磁性 層,調節被覆層SΜ和反強磁性層AF之磁性結合亦可。 又,如圖3所煽,分割被覆層SM,於各堆積反強磁 性層AF亦可。如此之時,更可確實供予單軸向異性。 又,於各略正交之一對之寫入配線BL、WL,如此地 設置反強磁性層AF之時,需將各反強磁性層AF之磁化 方向,固定於各配線長軸方向之步驟。 -17- (12)1222230 爲此,例如對於上述之配線BL、WL,使 (強磁性/反強磁性間之結合力成爲0的溫度 強磁性層即可。即,經由磁場中退火處理,於 溫度之過程,首先,於形成保護溫度高之反強 線之長軸方向,透加平行之磁場,經由冷卻至 低溫,固定磁化方向。之後,對於另一方之配 向,於平行方向,施加磁場地,經由冷卻至較 置之反強磁性層之保護溫度的低溫,固定磁化 如此之方法係經由使用保護溫度爲5 0 °C程 種類之反強磁性體而實施。反強磁性體之保護 鎳·錳爲43〇°C、白金錳爲3 60°C、銥·錳爲 錳爲150°C。因此,選擇此等中之任一者之2 上下之配線BL、WL即可。 又,做爲被覆層SM之材料,使用結晶磁 數Kl ( 1次項)爲5x 104erg/cc以下之材料時 至反強磁性層 AF和強磁性膜之保護溫度以_ SM之長度及厚度等滿足上述所定之條件時,: 線方向,可各確實附予單軸向異性。 如此,經由對應納爾溫度,順序降低溫度 正交之一對之寫入配線,將被覆層SM之磁化 線長軸方向。
又,於此等配線和被覆層SM間或被覆層 ,設置氮化鉅(TaN)、氮化矽(SiN)、氮化 等所成「阻隔金屬」爲佳。又,於被覆層SM 用保護溫度 )不同的反 由高溫下降 磁性層的配 較保護溫度 線之長軸方 形成於此配 方向。 度不同的2 溫度乃例如 2 70〇C、鐵 個,使用於 性向異性常 ,經由加熱 h,被覆層 於正交之配 ,對於各略 ,固定於配 SM之外側 :鈦(TiN) 和反強磁性 -18- (13) (13)1222230 膜之間,***銅(Cu )等所成非磁性層,調整被覆層SM 和反強磁性膜之相互作用,調整軟磁性特性亦可。 以上,對於在於被覆層SM賦予單軸向異性之方法加 以說明。 另一方面,就本發明而言,於被覆層S Μ之外側或內 側,可設置銅等所成導電層。此導電層乃將被覆層SM經 由電鍍等之方法形成之時,做爲種晶層作用之。 圖4 ( c )及(d )乃表示設置如此導電層之配線之橫 剖面的模式圖。 即,圖4 ( c )乃於位元線BL或字元線WL之外側, 設置被覆層SM,於該周圍設置導電層CL。更且,於導電 層CL之外側,設置阻隔金屬層BM。阻隔金屬層BM之 周圍則例如可經由Si 02等之絕緣層IL埋入。在此,阻隔 金屬層BM乃由TiN或TaN等所成,被覆層SM等之材料 則具有防止擴散至周圍之機能。 圖4 ( c )所示之配線構造乃由該周圍順序形成之情 形,爲有利之構造者。即,於絕緣層IL形成配線用之溝 ,於該溝之內壁,首先形成阻隔金屬層BM。因此,之後 ,形成導電層CL。導電層CL乃例如經由銅等加以形成 〇 接著,將導電層CL做爲種晶層,於其上,經由電鍍 法,形成由磁性體所成被覆層SM。然後,於被覆層SM 之內側,經由電鍍法等,形成配線BL ( WL )。 根據以上說明之步驟時,經由將導電層CL做爲種晶 -19- (14) (14)1222230 層使用,可防止被覆層SM之島狀成長。即,可將薄且均 勻之被覆層S Μ經由電鍍法加以形成。由此地,經由形成 薄且均勻之被覆層SM,可容易賦予單軸向異性。 另一方面,表於圖4 ( d )之構造時,於位元線BL或 字元線WL之外側,首先,設置阻隔金屬層BM,於該外 側,依導電層CL、被覆層SM、阻隔層BB之順序設置。 被覆層SM之周圍例如經由絕緣層IL加以埋入。阻隔層 BB乃例如經由SiN等加以形成。 圖4 ( d )之構造乃適用於由內側之配線BL ( WL )順 序形成之步驟。即,於此時,將銅等所成導電層CL做爲 種晶層,於該表面,將被覆層SM經由鍍層法加以形成。 此時,可防止被覆層SM之島狀成長。即可將薄且均勻之 被覆層SM經由鍍層法加以形成。由此,經由形成薄且均 勻之被覆層SM,可容易賦予單軸向異性。 然而,圖4 ( c )之構造乃例如適於形成於磁阻效果 元件C之下側的配線。 另一方面,圖4 ( d )之構造乃適於形成於磁阻效果 元件C之上側的配線。
圖4(c) 、( d )之任一之情形下,阻隔金屬層BM 或阻隔層BB乃具有構成被覆層SM之元素,藉由埋入周 , 圍之絕緣層IL,或磁阻效果元件C,防止擴散於設於該下 _ 方之MO S電晶體等之半導體元件部的機能。 以上,對於設於被覆層SM之外側或內側的導電層 CL加以說明。 •20- (15) (15)1222230 另一方面,於此等之被覆層SM,經由更設置朝向磁 阻效果元件C之突出部,可更實現低消耗電力、低電流之 自旋反轉。 圖5乃例示具有如此突出部之被覆層的模式圖。 即,於同圖所示,設置由寫入配線BL、WL之側面, 朝向磁阻效果元件C之方向突出之突出部P。 設置如此突出部P時,可將引導至被覆層SM中之寫 入磁場,集中於磁阻效果元件C之磁化記錄層。即,本發 明之被覆層SM乃做爲「磁性軛」被作用,引導形成於配 線BL、WL之周圍之寫入磁場。然後,經由設置如此突出 部P,將寫入磁場之放出端,接近磁阻效果元件C之磁性 記錄層,可有效地加以施加。 圖6及圖7乃例示設置如此突出部P時之配線BL、 WL和磁阻效果元件C之關係模示圖。即,圖6之具體例 時,於上側配線之被覆層SM,設置突出部P。然後,於 圖7之具體側時,更且於下側配線之被覆層SM,設置突 出部P。 如此等之具體例,經由於被覆層SM設置突出部P, 可將寫入磁場之放出端,接近於磁阻效果元件C,可更提 升電流磁場效率,達成低消耗電力化、低電流化。 又,如此地,可減低寫入電流時,可使驅動電路之容 量變小,寫入配線之粗細可變細之故,可縮小記憶體之尺 寸,提升集積層。 又’更且’經由下降寫入電流,可抑制寫入配線之電 -21 - (16) (16)1222230 子遷移等之問題,提升磁性記憶體之可靠性,而延長壽命 〇 圖8乃例示施加寫入用電流脈衝時之被覆層之磁區( 範圍)之變化的模式圖。即,同圖(a )乃對於位元線BL ,由平行方向所視之圖,同圖(b )乃對於字元線 WL, 由平行方向所視之圖。 將寫入配線BL、WL通過電流脈衝時,經由電流脈衝 之寬度(對應於透加時間),於被覆層SM形成磁壁。然 後,視配線BL、WL之長軸方向,僅於存在電流脈衝之處 ,對於磁阻效果元件C有效傳達磁場,經由上下之配線之 磁場Η的合成磁場,磁化反轉磁阻效果元件C之磁氣記 錄層。 然而,上述磁阻效果元件之磁化方向乃使圖8所表示 ,不一定需要爲直線狀,經由形成「邊緣區域」等而彎曲 者亦可。即,磁性記錄層之磁化方向乃對應於該平面形態 ,進行種種之變化。 圖9乃表示本發明之磁阻效果元件之磁性記錄層之平 面形態之具體側的模式圖。即,磁阻效果元件之磁性記錄 層乃例如表於同圖(a),可爲於長方形之一方之對角兩 端附加突出部的形妖,或表於同圖(b )之平行四邊形, 或表於同圖(c)之菱形,表於同圖(d)之橢圓形,或( e )之邊緣傾斜型等之各種形狀。於此等各具體例中,如 箭頭所表示,形成磁化。 在此,將磁性記錄層,圖案化成爲圖9 ( a )〜(c ) -22- (17) (17)1222230 ' (e )所表示之形狀時,雖然實際上角部被圓滑化之的 _开彡爲多’如此地將角部圓滑化亦可。此等之非對稱之形 ^ %可將微縮術中所使用之標記之圖案形狀,經由成爲非 對稱形狀,可容易地被製作。 又’在此,磁阻效果元件之磁性記錄層之寬度W和 長度L之比L/W乃12以上爲佳,於長度L之方向賦予 單軸向異性爲佳。 接著,對於可使用於本發明之磁性記憶體之磁阻效果 元件C之構造,參照圖1 〇〜圖1 4加以說明。 圖1 〇及圖1 1乃表示具有強磁性單重穿隧接合的磁阻 效果元件之剖面構造的模式圖。 即,圖1 〇之磁阻效果元件時,於基材層BF上,反 強磁性層AF、強磁性層FM、隧道隔層ΤΒ、強磁性層FM 、保護層ΡΒ,依此順序堆積。鄰接於反強磁性層AF堆積 之強磁性層FM則做爲磁化固著層(釘紮層(pinned layer ))作用,堆積於隧道隔層TB上之強磁性層FM則做爲 記錄層(自由層)加以作用。 圖1 1之磁阻效果元件時,於隧道隔層TB之上下, 各設置堆積強磁性層FM和非磁性層NM和強磁性層FM 的堆積膜SL。此時,設於反強磁性層AF和隧道隔層TB 間之堆積膜SL則做爲磁化固定層加以作用,設於隧道隔 層TB上之堆積膜SL則做爲記錄層加以作用。 圖1 2至圖1 4乃例示具有強磁性雙重穿隧接合的磁阻 效果元件之剖面構造的模式圖。對於此等之圖面,關於圖 •23- (18)1222230 1 1及圖1 2,則與前述者同樣,附上同〜 細說明。 圖1 2乃至於圖14例示之構造中,皆 隔層TB,於該上下,設有強磁性層FM或 非磁性層NM之堆積膜SL。於此例示之 件之時,鄰接於上下之反強磁性層AF FM或堆積膜則做爲磁化固定層加以作用 道隔層TB間之強磁性層FM或堆積膜SL 作用。 採用如此雙重穿隧接合時,在於對於 向,可使電流變化(或電壓變化)變小的 〇 然而,於本發明之磁性記憶體所使用 則不限定於圖1 〇乃至於圖1 4所例示者, 用例如堆積第1之強磁性層和非磁性層和 之所謂「自旋閥構造」之磁阻效果元件等 做爲磁阻效果元件採用任一構造之時 性層做爲磁化方向實質上固定之「磁化固 釘紮層)」而作用,將另一方之強磁性層 部之磁場,做爲使磁化方向可變之「磁性 〇 又,如後之詳述,由於讀取方式,可 性層之強磁性層,做爲記錄層加以使用。 於此等磁阻效果元件中,可作爲磁化 符號,省略其詳 設有2層之隧道 丨強磁性層FM和 雙重穿隧接合元 堆積之強磁性層 ’設於2層之隧 則做爲記錄層而 記錄層之磁化方 部分上爲有利的 之磁阻效果元件 除此之外,可使 第2之強磁性層 亦可。 ,將一方之強磁 定層(亦有稱爲 ,經由施加從外 記錄層」而作用 將鄰接於反強磁 固定層來採用之 -24- (19)1222230 強磁性體,例如可採用例如:Fe (鐵)、Co (鈷)、 鎳),或此等合金或,自旋分極率大之磁鐵礦、CrO RXMnO a - y (在此R係表示稀土類、X係表示Ca ( 、Ba (鋇)、Sr (緦))等氧化物,或NiMnSb (鎳· 銻)、PtMnSb (白金·錳·銻)、Co2MnGe等之惠 (鐘銘銅)磁性合金。 此等材料所成之磁性固定層係具有一方向異方性 ,另外其厚度係〇. lnm以上lOOnm以下爲佳。更且 強磁性層之膜厚係必須爲不成爲超常磁性之程度之厚 而厚度爲〇.4nm以上爲佳。 又,做爲磁化固定層使用之強磁性體係以附加反 性膜來固定磁化者爲佳。做爲如此之反強磁性膜係可 Fe (鐵)-Μη (錳)、Pt (白金)-Μη (錳)、Pt ( )-Cr (鉻)-Μη (錳)、Ni (鎳)-Μη (錳)、Ir ( ! Mu (錳)、NiO (氧化鎳)、Fe203 (氧化鐵)、或 之磁性半導體等。 又,於此待磁性體係可添加Ag (銀)、Cu (銅 An (金)、A1 (鋁)、Mg (鎂)、Si (矽)、Bi ( 、Ta (鉅)、:B (硼)、(:(碳)、Ο (氧)、N (氮 Pd (鈀)、Pt (白金)、Zr (銷)、Ir (銥)、W ( 、Mo (鉬)、Nb (鈮)、Η (氫)等非磁性元素,來 磁性特性,或調節其他結晶性、機械特性、化學特性 種物性。 另一方面,做爲磁化固定層亦可採用強磁性層與
Ni ( 2 ' 鈣) 猛· 斯勒 爲佳 ,此 度, 強磁 列舉 白金 R )- 上述 )' f必) )' 鎢) 調節 等各 非磁 -25- (20) (20)1222230 性層之堆積膜。例如,可採用圖1 1等所例示之強磁性層 /非磁性層/強磁性層之3層構造。此時,藉由非磁性層, 於兩側之強磁性層,發揮反強磁性之層間的相互作用者爲 佳。 更具體而言,做爲將磁性層固著於一方向之方法,將 Co ( Co-Fe ) /Ru/Co ( Co-Fe ) 、Co ( Co-Fe ) /Ir (銥) /Co ( Co-Fe) 、Co ( Co-Fe) /Os (餓)/Co ( Co-Fe)、磁 性半導體強磁性層/磁性半導體非磁性層/磁性半導體強磁 性層等之3層構造之堆積膜做爲磁化固定層,更且鄰接於 此設置反強磁性膜爲佳。 做爲此時之反強磁性膜,亦與前述之構成相同地可採 用 Fe-Mn、Pt-Μη、Pt-Cr-Mn、Ni-Mn、Ir-Mn、NiO、 Fe203、磁性半導體等。當採用此構造時,除了此磁化固 定層之磁化牢固地固定磁化之外,另外可減少(或調節) 由磁化固定層之拽漏磁場(s t r a y f i e 1 d ),並根據改變形 成磁化固定層之2層強磁性層膜厚,可調整磁性記錄層之 磁化偏移。 另一方面,作爲磁性記錄層(自由層)之材料,亦與 磁化固定層相同地可採用例如Fe (鐵)、Co (鈷)、Ni (鎳)、或此等合金或、自旋分極率大之磁鐵礦、Ci*02、 RXMn03.y (在此R係表示稀土類、X係表示Ca (鈣)、 Ba (鋇)、Sr (緦))等氧化物、或NiMnSb (鎳·錳‘ 銻)、PtMnSb (白金錳·銻)等之惠斯勒(錳鋁銅)磁 性合金。 -26- (21) (21)1222230 做爲由此等材料所成之磁性記錄層之強磁性層係對於 膜面具有略平行之方向之單軸向異性爲佳,另外其厚度係 0.1 nm以上,100 nm以下爲佳。更且,此強磁性層之膜厚 係必須爲不成爲超常磁性之程度之厚度,厚度爲〇.4nm以 上爲更佳。 又,做爲磁性記錄層可採用軟磁性層/強磁性層之2 層構造、或強磁性層/軟磁性層/強磁性層之3層構造。而 做爲磁性記錄層,使用強磁性層/非磁性層/強磁性層之3 層構造、或強磁性層/非磁性層/強磁性層/非磁性層/強磁 性層之5層構造,經由控制強磁性層之層間的相互作用強 度,即使爲記憶單元之磁性記錄層之單元寬度成爲次微米 時,亦不用增加電流磁場之消耗電力,可得到更佳之效果 。5層構造之時,中間強磁性層係使用以軟磁性層或非磁 性元素所分割之強磁性層爲更佳。 於磁性記錄層中,可於磁性體添加 Ag (銀)、Cu ( 銅)、An (金)、A1 (鋁)、Mg (鎂)、Si (矽)、Bi (鉍)、Ta (鉅)、B (硼)、C (碳)、Ο (氧)、N ( 氮)、Pd (鈀)、Pt (白金)、Zr (鉻)、Ir (銥)、W (鎢)、Mo (鉬)、Nb (鈮)、Η (氫)等非磁性元素, 調節磁性特性、或調節其他結晶性、機械特性、化學特性 等各種物性。 另一方面,於做爲磁阻效果元件採用TMR元件之時 ,做爲設置在磁化固定層與磁化記錄層之間的隧道隔層 ΤΒ之材料係可採用Α12〇3 (氧化鋁)、Si02 (氧化矽)、 -27- (22) (22)1222230
MgO (氧化鎂)、A1N (氮化鋁)、Bi203 (氧化鉍)、 MgF2 (氟化鎂)、CaF2 (氟化鈣)、SrTi02 (氧化鈦緦) 、AlLa03 (氧化鑭鋁(La之外可爲其他之之稀土類元素 ))、A1-N-0 (氧化氫化鋁)、非磁性半導體(ZnO、 InMn、GaN、GaAs、Ti02、Zn、Te或於此攙雜過渡金屬 )等。 此等化合物係從化學量論來看,並不需要完全正確之 組合’可存在有氧素、氫素、氟素等之欠損或過度不足。 又,此絕緣層(介電質層)之厚度係隧道電流流動程度之 厚度爲薄者爲佳,而實際上係10nm以下爲佳。 如此之磁阻效果元件係可使用各種濺射法、蒸鍍法, 分子線磊晶法、CVD法等之通常的薄膜形成手段,形成 在特定之基板上。做爲此情況之基板係例如可使用S i ( 矽)、Si〇2 (氧化矽)、Al2〇3 (氧化鋁)、尖晶石、A1N (氮化鋁)、GaAs、GaN等各種之基板。 又,於基板上,做爲基材層及保護層等。設置由Ta (鉅)、Ti (鈦)、Pt (白金)、Pd (鈀)、Au (金)、 Ti (鈦)/Pt (白金)、Ta (鉅)/Pt (白金)、Ti (·鈦) /Pd (鈀)、Ta (鉅)/Pd (鈀)、(:u (銅),A1 (鋁)、 GaAs、GaN、ZnO、Ti02等之半導體基材等所成層亦可。 以上,對於本發明之磁性記憶體所使用之磁阻效果元 件之堆積構造進行說明。 接著,對於本發明磁性記憶體之單元構造,列舉具體 例加以說明。 -28- (23) (23)1222230 圖15至圖17乃表示使用開關電晶體時之單元之架構 的模式剖面圖。即,同圖(a )乃對於位元線BL從垂直 方向所視之圖,同圖(b )乃對於字元線WL從垂直方向 所視之圖。 做爲開關電晶體,使用MOSFET時,讀取乃將下部 選擇電晶體T開啓,藉由磁阻效果元件C,於位元線BL ,流入感測電流而進行。 另一方面,寫入乃使用正交之位元線BL和字元線 WL而進行。然後,於此等位元線BL及字元線WL中, 關於圖1至圖8,設置賦予如前述之單軸向異性之被覆層 SM 〇 又,圖16所表之具體例時,於被覆層SM設置突出 部P,於位元線BL、字元線WL,可將被覆層SM接近磁 阻效果元件C之故,更可以低消耗電力、低電流進行寫入 〇 又,圖1 7所表示之具體例時,分割被覆層SM之突 出部P而設置。即,突出部P乃從設於位元線BL之被覆 層SM分離,設於連接於磁阻效果元件C之讀取位元線 RBL之側面。於設置突出部p之時,位元線BL之周圍方 向之被覆層之長度易於變長之故,有形狀效果下降的情形 。對此,如本具體例,經由分離突出部P而設置,可賦予 形狀效果所成單軸向異性。 另一方面,爲實現更爲超大容量之記憶體,使用可堆 積記憶陣列之架構,進行多層化爲佳。在此,接著。對於 -29- (24) (24)1222230 可容易進行堆積化架構加以說明。 圖18乃表示本發明可使用之架構之第2之具體例的 模式圖。即,同圖乃表示記憶陣列之剖面構造。於此架構 時,於讀取/寫入用位元線BL,藉由二極體D,並列連接 磁阻效果元件C。然後,於各磁阻效果元件C之另一端, 連接讀取/寫入用字元線WL。 於讀取時,將連接於目的之磁阻效果元件C之位元線 BL和字元線WL,經由選擇電晶體ST選擇,由感測放大 電路SA檢出電流。又,於寫入時,仍然將連接於目的之 磁阻效果元件C之位元線BL和字元線WL,經由選擇電 晶體ST選擇,流入寫入電流。此時,於位元線BL和字 元線WL,合成各產生之磁場的寫入磁場,經由將磁阻效 果元件C之磁性記錄層之磁化,朝向特定之方向,而進行 寫入。 二極體D乃具有於此等讀取時或寫入時,藉由配線成 爲矩陣狀之其他之磁阻效果元件C,遮斷流動之迂迴電流 的功能。 圖19及圖2〇乃表示在於圖18之架構中可採用之被 覆層SM之具體例的模式圖。 於此等之圖面中,爲了簡單說明,僅顯示位元線BL · 、磁阻效果元件C、二極體D、字元線WL,省略此等以 外之要素。於此等之具體例記憶單元中,寫入乃使用正交 之位元線B L和字元線WL加以進行。於位元線B L及字 元線WL中,關於圖1乃至圖8,設置前述被覆層SM, -30- (25) (25)1222230 更且亦形成突出部p。. 然後,圖20之具體例時,分離突出部P,設於二極 體D之側面,可更確實形成形狀效果所產生單軸向異性 。做爲如此突出部P之形成方法,於二極體D之形成後 ,於該上面及側面,堆積絕緣層,於其上堆積突出部P之 材料。之後,將堆積於二極體D上之絕緣層和突出部P 之材料,經由CMP等之方法硏磨除去即可。 接著,對於可採用於本發明之磁性記憶體之架構之第 3之具體例加以說明。 圖2 1乃表示可堆積化記憶陣列之架構之第3之具體 例的模式圖。即,同圖係袠示記憶陣列之剖面構造。 於此架構中,於讀取/寫入用位元線BL和讀取用位元 線Br間,成爲並列連接複數之磁阻效果元件C的「雲梯 型」構成。更且,接近各磁阻效果元件C,寫入字元線 WL則配線於與位元線交叉之方向。 對於磁阻效果元件之寫入乃將於讀取/寫入用位元線 BL經由流入寫入電流所產生之磁場,和於寫入用字元線 WL經由流入寫入電流所產生之磁場的合成磁場,作用於 磁阻效果元件之磁性記錄層而進行。 另一方面,於讀取之時,於位元線BL1及Br之間, 施加電壓。結果,流入電流在此之間並聯連接之所有磁阻 效果元件。此電流的合計,經由感測放大器S A檢出,接 近於目的之磁阻效果元件之字元線WL,施加寫入電壓, 將目的之磁阻效果元件之磁性記錄層之磁化改寫至特定之 -31 - (26) (26)1222230 方向。根據檢出此時之電流變化,可進行目的之磁阻效果 元件之讀取。 即,改寫前之磁性記錄層之磁化方向如與改寫後之磁 化方向爲相同時,根據感測放大器SA所檢測之電流則沒 有變化。但,於寫入前後,磁性記錄層5 2之磁化方向反 轉之時,根據感測放大器SA所檢測之電流則經由磁阻效 果而變化。如此,可讀取改寫前之磁性記錄層之磁化方向 ,即收容資料。 但,此方法係對應於讀取時變化之收容資料,即對應 所謂「破壞讀取」。 對此,將磁阻效果元件之構成,成爲磁化自由層/絕 緣層(非磁性層)/磁性記錄層之構造的時,可進行所謂 「非破壞讀取」。即,使用此構造之磁阻效果元件之時, 於磁性記錄層記錄磁化方向,在讀取時,使磁性記錄層之 磁化方向作適宜的變化,經由比較感測電流,可讀取磁性 記錄層之磁化方向。但對於此情況係有必要較磁性記錄層 之磁化反轉磁場,磁化自由層之磁化反轉磁場者爲小地加 以設計。 圖2 2乃例示於圖2 1之架構中所設之被覆層SM的模 式圖。在此,爲了簡單說明,僅表示位元線BL、磁阻效 果元件C、字元線WL,省略除此等以外之要素。 圖22所表之具體例中,寫入乃使用正交之位元線BL 和字元線WL加以進行。然後,於此等經由設置被覆層 SM,無寫入串訊之虞,可進行以低消耗電力、低電流之 -32- (27) (27)1222230 寫入。 接著,對於可採用本發明之磁性記憶體之架構之第4 之具體例加以說明。 圖23乃表示可堆積化記憶陣列之架構之第4之具體 例的模式圖。即,同圖係表示記憶陣列之剖面構造,即, 同圖(a )乃對於位元線BL由垂直方向所視之圖,同圖 (b )乃對於字元線WL由垂直方向所視之圖。 於此架構中,於讀取/寫入用位元線BL,並列連接複 數之磁阻效果元件C,於此等磁阻效果元件之另一端,各 讀取用位元線B r則連接成爲矩陣狀。 更且,接近於此等之讀取用位元線Br,配線寫入用 字元線WL。 對於.磁阻效果元件之寫入乃將於讀取/寫入用位元線 BL,經由流入寫入電流所產生之磁場,和於寫入字元線 WL,經由流入寫入電流所產生之磁場的合成磁場,經由 作用於磁阻效果元件之磁性記錄層而進行。 另一方面,經由選擇電晶體ST,選擇位元線Bl和 B r,於目的之磁阻效果元件,流入感測電流,經由感測放 大器S A加以檢出。 圖24及圖25乃表示圖23之架構可設置之被覆層SM 的模式圖。即,圖(a )乃對於位元線B L由平行方向所 視之圖,同圖(b )乃對於字元線WL由平行方向所視之 圖。 然而,圖24及圖25乃表示與圖23反轉上下關係之 -33- (28) (28)1222230 狀態。又,於此圖中,亦爲了簡單說明’僅表示位元線 BL及Br、磁阻效果元件C、字元線WL,省略除此等以 外之要素。 如圖24所表示,於位元線BL及字元線WL,設置具 有單軸向異性之被覆層SM,更且於字元線形成突出部P 〇 如此之時,無寫入串訊之虞’可進行以低消耗電力' 低電流之寫入。 又,表於圖之具體側之情形,於字元線WL中, 突出部P則分離而設。即’此突出部p與設於字兀線WL 之周圍之被覆層s Μ分離’形成於讀取用位元線Β Γ之側 面。如此分離之時,易於產生形狀效果所造成之單軸向異 性。 接著,對於可採用本發明之磁性記憶體之架構之第5 之具體例加以說明。 圖26乃表示可使用於本發明之架構之第5之具體例 的模式圖。即,同圖係表示記憶陣列之剖面構造。 此具體例之情形下,讀取用位元線Br藉由引線1,連 接於磁阻效果元件C,於磁阻效果元件之正下方,配線有 寫入用字元線WL。 圖27乃表示圖26之架構之被覆層之具體例之模示圖 。於此圖中,亦爲了簡單說明,僅表示位元線BL、磁阻 效果元件C、字元線WL,省略除此等以外之要素。如此 地,於位元線BL及字元線WL,經由設置具有單軸向異 -34- (29)1222230 性之被覆層SM,可無串訊之虞,安定進行寫入及 作,以低消耗電力、低電流進行寫入。 圖28及圖29乃表示本發明可使用之被覆層之 型例的模示圖。 即,如例示於此等之圖面,可將磁阻效果元件 絕緣體IN所埋入,被覆該兩端地,延伸出被覆層 以形成。 圖30乃至圖37係表示於圖18至圖27之堆積 構造的模式剖面。此等之圖面中,關於圖1乃至Ϊ 與前述者同樣之要素則附加同一之符號,省略詳細 首先,圖30及圖31係表示關於圖18乃至圖 積前述架構之構造。 圖3 0之具體例中,將寫入字元線WL,對於 之磁阻效果元件C 1、C2而言,被共通使用之故, SM僅設於側面。於此時,在於被覆層SM經由賦 長度方向之單軸向異性,可進行安定之記錄、再生 另一方面,表於圖3 5之具體例時,於字元線 ***被覆層SM。此被覆層SM乃遮斷由上下之位3 所產生之寫入磁場,具有抑制上下間之寫入串訊的 又,將此被覆層SM由絕緣體形成之時,可各獨立 之字元線WL加以使用。 接著,圖36及圖37乃表示關於圖26及圖27 前述架構之構造。 圖3 6之具體例時,將寫入字元線WL,對於 讀取動 另一變 C經由 SM加 架構之 S 29, 說明。 20,堆 該上下 被覆層 予配線 〇 WL中 ί;線 BL 功能。 該上下 ,堆積 該上下 -35- (30) (30)1222230 之磁阻效果元件C 1、C2而言,被共通使用之故,被覆層 s Μ僅設於側面。於此時,在於被覆層s Μ經由賦予配線 長度方向之單軸向異性,可進行安定之記錄、再生。 另一方面,表於圖3 7之具體例時,於字元線WL中 ***被覆層SM。此被覆層SM乃遮斷由上下之位元線BL 所產生之寫入磁場,具有抑制上下間之寫入串訊的功能。 又,將此被覆層SM由絕緣體形成之時,可各獨立該上下 之字元線WL加以使用。 . 以上,如圖3 0乃至圖3 7所例示,成爲堆積型之構造 時,可使之更大容量化。於如此堆積化時,本發明乃關於 圖1至圖8,如前所述,發揮明顯之作用。 【實施例】 以下,參照實施例,對於本發明之實施形態,更詳細 地加以說明。 (第1之實施例) 首先,做爲本發明之第1之實施例,將表於圖23及 圖24之單純矩陣構造之記憶陣列爲基本,形成具有1 Οχ 1 〇之TMR單元的磁性記憶體。在此,配線之本體爲銅( Cu )所成示1 μΐΏ之導電層。因此之後,將絕緣層以CVD 法製作之後,進行CMP,進行平坦化。之後,將具有強 磁性雙重穿隧接合的TMR之堆積構造膜,經由濺鑛法加 以成膜。 -36- (31) (31)1222230 各層之材質及層厚係,由下側依序爲Ta ( 3nm ) /Ru (3nm) /Ir-Mn ( 8nm) /CoFe ( 3nm) /Ru ( lnm) /CoFe ( 3nm ) /A10x ( lnm ) /CoFeNi ( 2nm ) /Cu ( 1.5nm ) /CoFeNi ( 2nm) /A10x ( lnm) /CoFe ( 3nm) /Ru ( lnm) /CoFe ( 3nm ) /IrMn ( 8nm) /Ta ( 9nm) Ru ( 3nm) o 接著.,將最上層之Ru層做爲硬式光罩使用,藉由使 用氯系之鈾刻氣體的RIE,經由至下側之Ru/Ta配線層蝕 刻堆積構造層,製作TMR元件之獨立圖案。 之後,以同樣之方法形成層間絕緣膜,進行平坦化之 後’成膜字元線WL,進行圖案化之後,經由鍍層法,形 成被覆層SM。此時,對於被覆層SM之厚度成爲〇.〇! μιη〜0.06 μηι,TMR元件之短軸長度爲〇·25 μιη,長軸長度 爲0.3 μηι〜0·8 μηι之範圍變化的試料,l3(圖2所示)之 長度爲TMR長度+0.15 μιη。 在此,被覆層S Μ中,爲形成較配線WL向下突出之 突出部Ρ,於形成配線後,掘入該兩側之絕緣側,形成溝 道,於該內壁,濺鍍金屬之種晶層,於其上鍍上被覆層 S Μ之材料,經由埋入溝道而形成。 又’製作令上部字元線WL和下部字元線WL之被覆 層SM之長度(圖2之1^),以從TMR之長軸長度至2.0 μπι的範圍內變化之試料。L!爲2·0 μιη時,鄰接之被覆層 S Μ間則完全連接而一體化。此時,字元線w L之被覆層 SM之膜面垂直方向長度(圖2之L2)爲0·2μηι。 之後,導入可施加磁場之熱處理爐,於TMR元件之 -37- (32) (32)1222230 fe性記錄層,導入單軸向異性,又於磁性固定層,導入單 方向向異性。然而,做爲被覆層S Μ之材料,使用結晶磁 性向異性常數Kl ( 1次項)爲5x 104erg/cc以下之材料( 例如鎳鐵、鈷鐵鎳、銘、鏡等)之故,對於TMR元件進 行磁場中退火的條件(例如7000高斯、3 00°C、1小時) ,賦予單軸向異性。 如此製作之本發明之磁性記憶體中,測定進行1 〇次 寫入後之TMR信號輸出,以檢測旗標圖案,反轉tmr元 件之「1」位準,和「0」位準,調查動作不良之有無。此 時’最佳化寫入電流脈衝電流値和脈衝寬度,以串訊最小 之條件進行。 將此結果,於圖3 8至圖41,以一覽表加以表示。由 此等之結果視之,做爲被覆層SM之材料,使用結晶磁性 向異性常數ΚΙ (1次項)爲5x 104erg/cc以下之材料時, 得知未觀察到由於形狀效果所造成產生單軸向異性的動作 不良’可得良好的特性。然而,在此,L2爲0.2 μηι。 即’較本實施例,磁性被覆層之厚度較〇·〇6 μηι爲薄 之時’又’尤其在L!>1 μηι ^ (2L2 + L3)之時,可知無 動作不良。 又’於上述實施例之配線,藉由Cn (厚0.5nm), 將FeMn (厚8nm )和IrMn (厚4nm ),賦予各配線之實 施例結果,於圖42至圖44以一覽表表示。賦予反強磁性 膜之時,與圖38〜圖41比較可明白得知,動作不良明顯 減少’可得更好之效果。 -38- (33) (33)1222230 又,本發明人則做爲比較例,做爲被覆層S Μ之材料 ,使用結晶磁性向異性常數Kl ( 1次項)爲lx i〇5erg/cc 之鈷合金(Co^Fe^ ),試作磁性記憶體,調查其動作。 圖4 5及圖4 6,乃顯示此比較例之結果的一覽表。圖 4〇、圖41未發現動作不良之構造中,在於圖45、46則產 生動作不良。如此地,使用結晶磁性向異性常數K1 ( 1 次項)爲lx l〇5erg/cc之材料時,於被覆層SM中,形狀 效果所造成之單軸向異性則變得不安定,而造成動作不良 (第2之實施例) 接著,做爲本發明之第2之實施例,將表於圖26及 圖27之矩陣構造之記憶陣列爲基本,形成具有1 Ox 1 0之 TMR單元的磁性記憶體。 對於此磁性記憶體之構造,則根據該製造手續說明時 ,則爲如下。 於未圖示之基板上,首先,做爲下層之位元線BL, 具有經由鍍層法,鎳鐵(NiFe )所成之被覆層SM,製作 銅(Cu )所成示1 μπι之配線層。因此之後’將絕緣層以 C VD法製作之後,形成連接孔,堆入鎢電極之後’進行 CMP,進行平坦化。之後,將具有連接配線Μχ和強磁性 雙重穿隧接合的TMR之堆積構造膜’經由濺鍍法加以成 膜。 各層之材質及層厚係,由下側依序爲Ta ( 3nm ) /Ru -39- (34) (34)1222230 (3 n m ) /Ρt - Μ η ( 12ηm ) / CοFe ( 3 ηm ) /Ru ( 1 ηm ) /CοFe (3 n m ) /ΑΙΟχ ( lnm) /CoFeNi ( 2nm ) /Ru ( 1 .5 n m ) /CoFeNi ( 2 n m ) /A10x ( lnm) /CoFe ( 3nm) /Ru ( lnm) /CoFe ( 3nm) /Pt-Mn ( 1 2nm ) /Ta ( 9nm ) Ru ( 3 nm ) o 接著,將最上層之Ru層做爲硬式光罩使用,藉由使 用氯系之蝕刻氣體的RIE,經由至下側之Ru/Ta配線層蝕 刻堆積構造層,製作TMR元件之獨立圖案。 之後,做爲絕緣體,將SiOx經由低溫TEOS法堆積 ,藉由CMP法平坦化後,成膜讀取用位元線Br,經由圖 案化而形成,之後,以同樣之方法形成層間絕緣膜,進行 平坦化之後,成膜字元線WL,進行圖案化之後,以鍍層 法,製作被覆層SM。 此時,對於被覆層SM之厚度成爲0.01 μιη〜0.06 μπι ,TMR元件之短軸長度爲 0.25 μπι,長軸長度爲 0.3 μπι〜0.8 μπι之範圍變化的試料,L3之長度爲TMR長度加 上 0. 1 5 μπι。又,製作令上部字元線WL和下部字元線 WL之被覆層SM之長度(L!),以從長軸長度至2.0 μπι 的範圍內變化之試料。L i爲2.0 μπι時,被覆層S Μ則完 全連接。此時,被覆於字元線WL之被覆層SM之膜面垂 直方向長度(L2)爲0.2 μιη。 之後,導入可施加磁場之熱處理爐,於TMR元件之 磁性記錄層,導入單軸向異性,又於磁性固定層,導入單 方向向異性。 如此製作之本發明之磁性記憶體中,測定進行1 0次 -40- (35) (35)1222230 寫入後之TMR信號輸出,以檢測旗標圖案,反轉TMR元 件之「1」位準,和「〇」位準,調查動作不良之有無。此 . 時,最佳化寫入電流脈衝電流値和脈衝寬度,以串訊最小 之條件進行。 將此結果,於圖47至圖50,以一覽表加以表示。由 < 此等之結果視之,於被覆層SM,得知未觀察到由於形狀 # 效果所造成產生單軸向異性的動作不良,可得良好的特性 〇 βρ,本實施例中,磁性被覆層之厚度較0.06 μιη爲薄 之時,又,尤其在1^>1 μηι g (2L2 + L3)之時,可知無 動作不良。然而,在此,L2爲 0.2μπι。 又,本發明人則做爲比較例,做爲被覆層SM之材料 ,使用結晶磁性向異性常數Kl ( 1次項)爲lx 1 05 erg/cc 之鈷合金(CwoFe^),試作磁性記憶體,調查其動作。 圖5 1及圖5 2,乃顯示此比較例之結果的一覽表。圖 49、圖50未發現動作不良之構造中,在於圖51、52則產 生動作不良。如此地,使用結晶磁性向異性常數K1 ( 1 次項)爲lxl05erg/cc之材料時,於被覆層SM中,形狀 效果所造成之單軸向異性則變得不安定,而造成動作不良 〇 又,對於上述實施例之配線,藉由Cu (厚〇.7nm) ,將FeMn (厚6nm)和IrMn (厚5nm),賦予各配線之 貫施例結果,於圖53至圖55以一覽表表示。賦予反強磁 性膜之時,動作不良明顯減少,可得更好之效果。 -41 - (36) (36)1222230 以上,參照具體例地,對於本發明之實施形態做了說 明。但,本發明係並不侷限於這些具體例。例如有關構成 磁阻效果元件之強磁性體、絕緣膜、反強磁性體、非磁性 金屬層、電極等之具體的材料、及膜厚、形狀、尺寸等係 可根據該業者做適當選擇,同樣地可以實施本發明,而得 到相同效果之構成者,亦包含在本發明之範圍。 同樣地,關於以構成本發明之磁性記憶體之構造、材 質、形狀、尺寸,亦根據該業者做適當選擇,同樣地實施 於本發明,而得到相同效果之構成者,亦包含在本發明之 範圍。 其他,做爲本發明之實施形態,將上述之磁性記憶體 作爲基礎,有關該業者適宜作設計變更來實施之所有的磁 性記憶體者,亦同樣屬於本發明之範圍。 【圖式簡單說明】 【圖1】 單純化表示本發明之磁性記憶體之記憶單元主要部分 之模式圖,同圖(a )係表示包含於記憶單元之一對之寫 入配線及磁阻效果元件的正面圖,同圖(b )係該平面圖 ,同圖(c )係該側面圖。 【圖2】 經由形狀之效果,爲說明沿長軸方向產生單軸向異性 之槪念圖。 【圖3】 -42- (37) (37)1222230 例示具有分割之被覆層S Μ之配線剖面的模示圖。 【圖4】 表示堆積反強磁性體所成層的被覆層的槪念圖。 【圖5】 例示具有突出部之被覆層的模式圖。 【圖6】 例示設置突出部Ρ時之配線BL、WL和磁阻效果元件 C之關係模示圖。 【圖7】 例示設置突出部Ρ時之配線BL、WL和磁阻效果元件 C之關係模示圖。 【圖8】 施加寫入用電流脈衝時之被覆層之磁區(提供者)之 變化的模式圖。 【圖9】 表示本發明之磁阻效果元件之磁性記錄層之平面形態 的具體例的模式圖。 【圖1 0】 表示具有強磁性單重穿隧接合之磁阻效果元件的剖面 構造之模式圖。 【圖1 1】 表示具有強磁性單重穿隧接合之磁阻效果元件的剖面 構造之模式圖。 【圖12】 -43- (38) (38)1222230 例示具有強磁性二重穿隧接合之磁阻效果元件的剖面 構造之模式圖。 【圖1 3】 例示具有強磁性二重穿隧接合之磁阻效果元件的剖面 構造之模式圖。 【圖14】 例示具有強磁性二重穿隧接合之磁阻效果元件的剖面 構造之模式圖。 【圖15】 顯示使用開關電晶體時之單元之架構的模式剖面圖。 【圖1 6】 顯示使用開關電晶體時之單元之架構的模式剖面圖。 【圖17】 顯示使用開關電晶體時之單元之架構的模式剖面圖。 【圖18】 表示本發明可使用之架構之第2之具體例的模式圖。 【圖19】 表示本發明可使用之架構之第2之具體例的模式圖。 【圖20】 表示圖1 8之架構中可採用之被覆層s Μ之具體側的 模式圖。 【圖2 1】 表示可堆積化記憶陣列之架構之第3之具體例的模式 圖。 -44 - (39) (39)1222230 【圖22】 表示圖1 8之架構中可採用之被覆層SM之具體側的 模式圖。 【圖23】 表示可堆積化記憶陣列之架構之第4之具體例的模式 圖。 【圖2 4】 表示圖23之架構中可設置之被覆層SM之模式圖。 【圖25】 表示圖23之架構中可設置之被覆層SM之模式圖。 【圖26】 表示於本發明可使用之架構之第5之具體側的模式圖 〇 【圖27】 表示圖26之架構之被覆層SM之具體側之模式圖。 【圖28】 表示於本發明可使用之被覆層之另外變形例的模式圖 〇 【圖29】 表示於本發明可使用之被覆層之另外變形例的模式圖 〇 【圖30】 表示關於堆積圖18至圖20之前述架構的構造。 【圖3 1】 -45- (40) (40)1222230 表示關於堆積圖18至圖20之前述架構的構造。 【圖32】 表示關於堆積圖21至圖22之前述架構的構造。 【圖33】 表示關於堆積圖21至圖22之前述架構的構造。 【圖34】 表示關於堆積圖23至圖24之前述架構的構造。 【圖35】 表示關於堆積圖至圖24之前述架構的構造。 【圖3 6】 表示關於堆積圖26至圖27之前述架構的構造。 【圖37】 表示關於堆積圖20至圖27之前述架構的構造。 【圖38】 表示第1之實施例之評估結果之一覽表。 【圖39】 表示第1之實施例之評估結果之一覽表。 【圖40】 表示第1之實施例之評估結果之一覽表。 【圖4 1】 表示第1之實施例之評估結果之一覽表。 【圖42】 表示於第1實施例之配線附予反強磁性膜之變型例的 評估結果之一覽表。 -46- (41) (41)1222230 【圖43〕 表示於第1實施例之配線附予反強磁性膜之變型例的 評估結果之一覽表。 【圖44】 表示於第1實施例之配線附予反強磁性膜之變型例的 評估結果之一覽表。 【圖45】 表示比較例之評估結果之一覽表。 【圖4 6】 表示比較例之評估結果之一覽表。 【圖47】 表示第2之實施例之評估結果之一覽表。 【圖4 8】 表示第2之實施例之評估結果之一覽表。
【圖49 J 表示第2之實施例之評估結果之一覽表。 【圖50】 表示第2之實施例之評估結果之一覽表。 【圖5 1】 表示比較例之評估結果之一覽表。 【圖52】 表示比較例之評估結果之一覽表。 【圖53】 表示於第2實施例之配線附予反強磁性膜之變型例的 -47- (42) (42)1222230 評估結果之一覽表。 【圖54】 表示於第2實施例之配線附予反強磁性膜之變型例的 評估結果之一覽表。 【圖55】 表示於第2實施例之配線附予反強磁性膜之變型例的 評估結果之一覽表。 【主要元件對照表】 SM 被覆層 WL 字元線 BL 位元線 c、Cl、C2 磁阻效果元件 Μ 單軸向異性 CL 導電層 AF 反強磁性層 ΒΒ 阻隔層 IL 絕緣層 Ρ 突出部 Η 磁場 ΡΒ 保護層 FM 強磁性層 ΤΒ 隧道阻隔層 BF 基材層
Claims (1)
1222230 年么月Θ曰
(1) 拾、申請專利範圍 第921 00048號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國93年6月18日修正 1、 一種磁性記憶體, 具有磁性記錄層之磁阻效果元件, 和於前述磁阻效果元件之上或下,向第1之方向延伸 存在的第1之配線; 藉由於前述第1之配線經由流有電流而形成之磁場, 於前述磁性記錄層記錄資訊的磁性記憶體,其特徵係 前述第1之配線乃於該兩側面之至少任一之側面,具 有磁性體所成被覆層; 前述被覆層乃具有沿前述第1之配線之長度手向,磁 化容易之單軸向異性者。 2、 如申請專利範圍第1項之磁性記憶體,其中,前 述被覆層係沿前述第1之配線之周圍’該長度之合計爲1 μηι以下者。 3、 如申請專利範圍第1項之磁性記憶體,其中,前 述被覆層之厚度係0·05μπι以下者。 4、 如申請專利範圍第1項之磁性記憶體,其中,前 述被覆層係沿則述配線之則述長度方向’延伸存在於相互 略平行之方向,分割成爲複數之部分加以設置者。 5、 如申請專利範圍第1項之磁性記憶體,其中,於 (2) (2)1222230 前述被覆層堆積由反強磁性體所成之層。 6、 如申請專利範圍第1項之磁性記憶體,其中,前 述被覆層係具有朝向前述磁阻效果元件,較前述配線突出 之突出部。 7、 如申請專利範圍第1項之磁性記憶體,其中,前 述被覆層係具有與接近於前述配線設置之部分分離,而接 近前述磁阻效果元件設置之部分。 8、 如申請專利範圍第1項之磁性記憶體,其中,前 述被覆層係經由鎳鐵(Ni-Fe )合金、鈷·鎳(Co-Ni )合 金、鈷鐵鎳(Co-Fe-Ni )合金、或鈷(Co )和鉻(Zr )、 鈴(Hf )、鈮(Nb )、鉅(Ta )、鈦(Ta )之至少任一 之合金、或(Co、Fe、Ni) - (Si、B ) - (P、Al、Mo、 Nb、Mn )系等之非晶質合金、(Fe、Co ) - ( B、Si、Hf 、Zr、Sm、Ta、Al) - (F、0、N)系等之金屬-非金屬奈 米碳膜,或絕緣性肥粒鐵所成群選擇之任一者所構成者。 9、 如申請專利範圍第1項之磁性記憶體,其中,由 前述第1之配線視之,更具備鄰接於前述被覆層之外側所 設之導電性非磁性材料所成導電層。 1 0、如申請專利範圍第9項之磁性記憶體,其中,前 述導電性非磁性材料係令銅爲主成分。 η、如申請專利範圍第1項之磁性記憶體,其中,前 述被覆層係由結晶磁性向異性定數Κ1爲5χ 1 04erg/cc以 下之磁性體所成。 1 2、一種磁性記憶體,具備 -2- (3) (3)1222230 具有延伸存在於第1之方向的第1之配線, 和設於前述第1之配線上的磁阻效果元件, 和於前述磁阻效果元件之上,延伸存在於與前述第】 之方各交叉方向的第2之配線; 藉由於前述第1及第2之配線經由流有電流而形成之 磁場,於前述磁阻效果元件之記錄層,記錄2値資訊之任 一的磁性記憶體,其特徵係 前述第1及第2之配線之至一者乃於該兩側面之至少 任一側面,具有磁性體所成被覆層; 前述被覆層乃具有設置該被覆層之配線之長度手向, 磁化容易之單軸向異性。 1 3、如申請專利範圍第1 2項之磁性記憶體,其中, 前述被覆層係沿前述第1之配線之周圍,該長度之合計爲 1 μπι以下者。 1 4、如申請專利範圍第1 2項之磁性記憶體,其中, 前述被覆層之厚度係0.05 μηι以下者。 1 5、如申請專利範圍第1 2項之磁性記憶體,其中, 前述被覆層係沿前述配線之前述長度方向,延伸存在於相 互略平行之方向,分割成爲複數之部分加以設置者。 】6、如申請專利範圍第1 2項之磁性記憶體,其中, 於前述被覆層堆積由反強磁性體所成之層。 1 7、如申請專利範圍第1 2項之磁性記憶體,其中, 各前述第1及第2之配線具有前述被覆層; 具有前述第]之配線之前述被覆層中,堆積具有第] -3- (4) (4)1222230 之保護溫度之反強磁性體所成之層; 具有前述第2之配線之前述被覆層中,堆積具有與第 1之保護溫度不同之第2之保護溫度之反強磁性體所成之 層。 1 8、如申請專利範圍第1 2項之磁性記憶體,其中, 前述被覆層係具有朝向前述磁阻效果元件,較前述配線突 出之突出部。 1 9、如申請專利範圍第1 2項之磁性記憶體,其中, 前述被覆層係具有與接近於前述配線設置之部分分離,而 接近前述磁阻效果元件設置之部分。 2 0、如申請專利範圍第1 2項之磁性記憶體,其中, 前述被覆層係經由鎳鐵(Ni-Fe )合金、鈷·鎳(Co-Ni ) 合金、鈷鐵鎳(Co-Fe-Ni )合金、或鈷(Co )和鉻(Zr ) 、給(Hf )、鈮(Nb )、鉬(Ta )、鈦(Ta )之至少任 —之合金、或(Co、Fe、Ni) - (Si、B) - (P、Al、Mo 、Nb、Μη )系等之非晶質合金、(Fe、Co ) - ( B、Si、 Hf、Zr、Sm、Ta、A1 ) - ( F、Ο ' N )系等之金屬-非金屬 奈米碳膜,或絕緣性肥粒鐵所成群選擇之任一者所構成者 〇 2 1、如申請專利範圍第1 2項之磁性記憶體,其中, 前述被覆層係由結晶磁性向異性定數K1爲5 X 1 04erg/cc 以下之磁性體所成。 22、如申請專利範圍第1 2項之磁性記憶體,其中, 由前述第1之配線視之,更具備鄰接於前述被覆層之外側 -4- (5) (5)1222230 所設之導電性非磁性材料所成導電層。 23、 如申請專利範圍第22項之磁性記憶體,其中, . 前述導電性非磁性材料係令銅爲主成分。 · 24、 一種磁性記憶體,具備 . 具有延伸存在於第1之方向的第1之配線, * 和設於前述第1之配線上的磁阻效果元件, ^ 和於前述磁阻效果元件之上,延伸存在於與前述第1 之方各交叉方向的第2之配線; φ 藉由於前述第1及第2之配線經由流有電流而形成之 磁場,於前述磁阻效果元件之記錄層,記錄2値資訊之任 一的磁性記憶體,其特徵係 前述第1及第2之配線之至一者乃至少於該兩側面, 具有磁性體所成被覆層; 更具備由前述配線視之,鄰接於前述被覆層之外側設 置之導電性非磁性材料所成導電層。 25、 如申請專利範圍第24項之磁性記憶體,其中, 41 前述導電性非磁性材料係令銅爲主成分。 26、 如申請專利範圍第24項之磁性記憶體,其中, 前述被覆層係由結晶磁性向異性定數K1爲5 X 1 04erg/cc 以下之磁性體所成。 \ 27、 如申請專利範圍第24項之磁性記憶體,其中, % 於前述被覆層堆積由反強磁性體所成之層。
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