專利名稱：存儲裝置及其制造方法
存儲裝置及其制造方法
關(guān)聯(lián)申請
本申請以日本專利申請2011-194633號(申請日2011年9月7日)為基礎(chǔ)申請， 享受優(yōu)先權(quán)。本申請通過參照該基礎(chǔ)申請而包含基礎(chǔ)申請的全部內(nèi)容。技術(shù)領(lǐng)域
實施例涉及存儲裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
磁阻存儲器(MRAM Magnetoresistive Random Access Memory)是利用磁隧道結(jié) (MTJ Magnetic Tunnel Junction)元件的電阻的變化進行信息的存儲的非易失性存儲器的一種。MTJ元件具有一對強磁性層和設(shè)置在該一對強磁性層間的隧道障壁層。MTJ元件是根據(jù)強磁性層的磁化方向中的平行、反平行的狀態(tài)改變相對于流過隧道障壁層的隧道電流的電阻值的元件?；谶@樣的MRAM的存儲裝置中，期望制造步驟的進一步簡化。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供在采用磁隧道結(jié)元件的構(gòu)造中，可實現(xiàn)制造步驟的簡化的存儲裝置及其制造方法。
實施例的存儲裝置包括第I信號線、第2信號線、晶體管、存儲區(qū)域、導(dǎo)通區(qū)域。
晶體管分別控制第I信號線和第2信號線之間流過的第I方向的電流及與第I方向相反的第2方向的電流的導(dǎo)通。
存儲區(qū)域在第I信號線和晶體管的一端之間連接。另外，存儲區(qū)域具有第I平行閾值以上的電流流過上述第I方向時磁化方向成為平行，第I反平行閾值以上的電流流過上述第2方向時磁化方向成為反平行的第I磁隧道結(jié)元件。
導(dǎo)通區(qū)域在第2信號線和晶體管的另一端之間連接。
根據(jù)本發(fā)明實施例，可提供在采用磁隧道結(jié)元件的構(gòu)造中，可實現(xiàn)制造步驟的簡化的存儲裝置及其制造方法。



圖 1(a) (C)是例示第I實施例的存儲裝置的構(gòu)成的示意截面圖。圖 2是例示第I實施例的存儲裝置的示意平面圖。圖3(a) (C)是圖2所示部分的示意擴大截面圖。圖4(a) (b)是存儲裝置的電路構(gòu)成的例示圖。
圖5(a) (b)是說明具體寫入操作的示意截面圖。
圖6(a) 圖9(b)是說明本實施例的制造方法的示意截面圖。圖10(a) (C)是例示第3實施例的存儲裝置的示意截面圖。圖11(a) 圖12(b)是說明本實施例的制造方法的示意截面圖。
圖13是例示第5實施例的存儲裝置的示意截面圖。圖14(a) (b)是例示存儲區(qū)域及導(dǎo)通區(qū)域的層構(gòu)造的示意截面圖。圖15是例示存儲裝置及其周邊電路的方框圖。圖16(a) (d)是說明具體寫入操作的示意截面圖。
具體實施例方式以下，根據(jù)圖說明本發(fā)明的實施例。
另外，圖面只是示意或概念，各部分的厚度和寬度的關(guān)系、部分間的大小的比例等不必與現(xiàn)實相同。另外，即使表示相同部分的場合，根據(jù)圖面，相對的尺寸、比例也可能不同。另外，本說明書和各圖中，現(xiàn)有圖中與前述同樣的要素附上同一符號，詳細說明適當(dāng)省略。(第I實施例)圖1(a) (C)是例示第I實施例的存儲裝置的構(gòu)成的示意截面圖。圖2是例示第I實施例的存儲裝置的示意平面圖。圖3(a) (C)是圖2所示部分的示意擴大截面圖。圖4(a) (b)是存儲裝置的電路構(gòu)成的例示圖。圖I (a)表示圖2所示A-A線截面。圖3 (a)表示圖2所示B-B線截面。圖3 (b)表示圖2所示C-C截面。圖3(c)表示圖2所示D-D線截面。本實施例的存儲裝置110包括第I信號線BL(I)、第2信號線BL (2)、晶體管Tr、存儲區(qū)域10、導(dǎo)通區(qū)域20。第I信號線BL(I)及第2信號線BL⑵例如是位線。晶體管Tr分別控制在第I信號線BL(I)和第2信號線BL(2)之間流過的第I方向的電流及第I方向相反的第2方向的電流的導(dǎo)通。晶體管Tr,例如MISFET (Metal InsulatorSemiconductor Field effect transistor :金屬絕緣體半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)。實施例中，從第2信號線BL (2)經(jīng)由晶體管Tr向第I信號線BL (I)的電流的方向dl設(shè)為第I方向，其相反方向d2設(shè)為第2方向。圖2中，示意表示了存儲裝置110的平面布局。如圖2，在存儲裝置110例如等間隔交互配置多條第I信號線BL(I)及多條第2信號線BL⑵。這里，實施例中，第I信號線BL⑴及第2信號線BL⑵的延伸方向設(shè)為X軸方向(行方向)。另外，X軸方向正交的方向設(shè)為Y軸方向(列方向)。多條第I信號線BL(I)及多條第2信號線BL⑵中，以相鄰的一對第I信號線BL(I)及第2信號線BL(2)為一組，按各組處理獨立的信號。晶體管Tr設(shè)置在一對第I信號線BL⑴及第2信號線BL⑵之間。在該一對第I信號線BL(I)及第2信號線BL(2)之間，多個晶體管Tr并列配置。多個晶體管Tr在X軸方向及Y軸方向分別以第I間距Pl設(shè)置。多條第I信號線BL(I)與晶體管Tr及多條第2信號線BL(2)在Y軸方向以第2間距P2交互配置。即，多條第I信號線BL(I)及多條第2信號線BL(2)逐條交互沿Y軸方向以第2間距P2配置。第2間距P2是第I間距Pl的一半。
在與第I信號線BL(I)及第2信號線BL⑵正交的方向(Y軸方向)，配置多個控制線WL?？刂凭€WL是例如字線。多條控制線WL在X軸方向以第I間距Pl配置。以該控制線WL為柵極電極，在第I信號線BL(I)及第2信號線BL(2)和控制線WL的交差位置設(shè)置晶體管Tr。在該多個晶體管Tr，分別形成存儲區(qū)域10及導(dǎo)通區(qū)域20。多個存儲區(qū)域10及多個導(dǎo)通區(qū)域20以第I間距Pl分別在X軸方向及Y軸方向配置。另外，多個存儲區(qū)域10和多個導(dǎo)通區(qū)域20在X軸方向及Y軸方向相互錯開一半間距(第I間距Pl的一半)配置。圖I (a)表示以這樣的多個晶體管Tr中一個為中心的截面。本實施例的存儲裝置110中，以該一個晶體管Tr為中心的構(gòu)成形成一個單位。沿第I信號線BL(I)及第2信號 線BL(2)的方向和控制線WL的方向，多個單位矩陣狀配置。存儲裝置110中的該單位的構(gòu)成相同，因此以下的說明中，進行以一個單位為中心的說明。如圖4(a)的電路圖及圖4(b)的方框圖，存儲區(qū)域10連接在第I信號線BL(I)和晶體管Tr的一端之間。另外，導(dǎo)通區(qū)域20連接在第2信號線BL(2)和晶體管Tr的另一端之間。這里，晶體管Tr的一端是晶體管Tr的源極或漏極。本實施例中，晶體管Tr的一端設(shè)為源極。另外，晶體管Tr的另一端是晶體管Tr的漏極或源極。本實施例中，晶體管Tr的另一端設(shè)為漏極。S卩，晶體管Tr的源極側(cè)經(jīng)由存儲區(qū)域10與第I信號線BL⑴連接，漏極側(cè)經(jīng)由導(dǎo)通區(qū)域20與第2信號線BL⑵連接。從而，選擇晶體管Tr的控制線WL后，在一對第I信號線BL⑴及第2信號線BL⑵之間，存儲區(qū)域10及導(dǎo)通區(qū)域20串聯(lián)連接。如圖I (a)，存儲區(qū)域10具有，第I平行閾值以上的電流流過方向dl時磁化方向成為平行，第I反平行閾值以上的電流流過方向d2時磁化方向成為反平行的第I磁隧道結(jié)元件MTJ⑴。另外，導(dǎo)通區(qū)域20具有第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)。第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)即使流過第I平行閾值以上的電流及第I反平行閾值以上的電流之一，磁化方向也維持。另外，第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)在比第I平行閾值大的第2平行閾值以上的電流流過第2方向d2時磁化方向成為平行，比第I反平行閾值大的第2反平行閾值以上的電流流過第I方向dl時磁化方向成為反平行。這里，平行閾值及反平行閾值是磁隧道結(jié)元件的磁化方向反相的電流的閾值，本實施例中，該電流值也稱為“磁化反相的閾值”。圖I (b)是例示第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)的構(gòu)造的示意截面圖，圖I (C)是例示第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)的構(gòu)造的示意截面圖。第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)包括按第I下部強磁性體層即第I磁化自由層101⑴、第I隧道障壁層102(1)及第I上部強磁性體層即第I磁化固定層103(1)的順序?qū)盈B的第I層疊體ST1。這里，這些層的層疊方向設(shè)為「Z軸方向」。另外，Z軸方向中，從第I磁化自由層101(1)朝向第I磁化固定層103(1)的方向設(shè)為“上(上側(cè))”，其反對方向設(shè)為“下(下側(cè))”。Z軸方向是與X軸方向及Y軸方向正交的方向。另外，在第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)，在第I磁化自由層101(1)的下側(cè)設(shè)置第I下部層104(1)，在第I磁化固定層103(1)上側(cè)設(shè)置第I上部導(dǎo)電層105(1)。
第I磁化固定層103(1)包含反強磁性層或強磁性層，磁化方向(旋轉(zhuǎn)的方向)設(shè)為難以反相。另一方面，第I磁化自由層101(1)包含強磁性層，磁化方向設(shè)為容易反相。第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)中，根據(jù)相對于第I磁化固定層103(1)的磁化方向的第I磁化自由層101(1)的磁化方向為平行還是反平行，在通過第I隧道障壁層102(1)的隧道電流的電阻值發(fā)生變化。從而，第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)中，根據(jù)想存儲的信息，控制第I磁化自由層101(1)的磁化方向，通過隧道電流量讀取電阻值的變化，可以讀出存儲的信息。這里，相對于磁化固定層(例如，第I磁化固定層103(1))的磁化方向，磁化自由層(例如，第I磁化自由層101(1))的磁化方向成為平行的狀態(tài)稱為平行狀態(tài)(以下稱為“P狀態(tài)”)，而成為反平行的狀態(tài)稱為反平行狀態(tài)(以下稱為“AP狀態(tài)”)。
第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)中，在第I磁化自由層101⑴和第I磁化固定層103 (I)之間，流過第I平行閾值以上的電流，或第I反平行閾值以上的電流時，第I磁化自由層101(1)的磁化方向反相。具體地說，從第I磁化自由層101(1)向第I磁化固定層103(1)流過第I平行閾值以上的電流(ilP)時，第I磁化自由層101(1)的磁化方向成為P狀態(tài)。即，第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)通過方向dl的電流(ilP)，成為P狀態(tài)。另一方面，從第I磁化固定層103 (I)向第I磁化自由層101 (I)流過第I反平行閾值以上的電流(ilA)時，第I磁化自由層101(1)的磁化方向成為AP狀態(tài)。S卩，第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)通過方向d2的電流(ilA)，成為AP狀態(tài)。這里，電流ilA比電流ilP大。例如，電流iIA是電流iIP的I. 2倍程度。第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)具有與第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)同樣的構(gòu)造。S卩，第2下部強磁性體層即第2磁化自由層101(2)與第I磁化自由層101(1)對應(yīng)，第2隧道障壁層102(2)與第I隧道障壁層102(1)對應(yīng)，第2上部強磁性體層即第2磁化固定層103(2)與第I磁化固定層103(1)對應(yīng)。另外，第2下部層104(2)與第I下部層104(1)對應(yīng)，第2上部導(dǎo)電層105(2)與第I上部導(dǎo)電層105(1)對應(yīng)。第2磁隧道結(jié)元件MTJ⑵中，在第2磁化自由層101⑵和第2磁化固定層103 (2)之間，比第I平行閾值大的第2平行閾值以上的電流或比第I反平行閾值大的第2反平行閾值以上的電流流過時，第2磁化自由層101(2)的磁化方向反相。但是，第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)中，即使流過第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)的磁化方向反相的電流QlP及ilA),磁化方向也不反相而維持。本實施例中，第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)的磁化方向維持P狀態(tài)。從而，第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)成為低電阻狀態(tài)，起到導(dǎo)通區(qū)域20的功能。本實施例的存儲裝置110中，通過上述的電流ilP及ilA，控制第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)的A狀態(tài)及AP狀態(tài)，在存儲區(qū)域10存儲信息。即，本實施例的存儲裝置110中，根據(jù)第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)的A狀態(tài)及AP狀態(tài)，可以存儲2值的信息。在存儲區(qū)域10記錄信息的場合和從存儲區(qū)域10讀出信息的場合，第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)都維持P狀態(tài)，即低電阻狀態(tài)，即使具有磁隧道結(jié)元件的層構(gòu)造，也起到導(dǎo)通區(qū)域20的功能。這里，說明本實施例的存儲裝置110的各部的配置例。
如圖I (a)，晶體管Tr在例如硅的半導(dǎo)體基板50形成。在半導(dǎo)體基板50，晶體管Tr的源極區(qū)域61及漏極區(qū)域62以規(guī)定的間隔形成。半導(dǎo)體基板50的主面50a上，在源極區(qū)域61及漏極區(qū)域62之間隔著柵極絕緣膜63設(shè)置了控制線WL。以控制線WL作為柵極電極，控制晶體管Tr的0N/0FF (導(dǎo)通/截止)。半導(dǎo)體基板50的主面50a上，設(shè)置覆蓋控制線WL的絕緣膜81。在晶體管Tr的源極區(qū)域61上方，設(shè)置貫通絕緣膜81的第I通孔31。第I通孔31與源極區(qū)域61導(dǎo)通。另一方面，在晶體管Tr的漏極區(qū)域62上方，設(shè)置貫通絕緣膜81的第2通孔32。第2通孔32與漏極區(qū)域62導(dǎo)通。第I通孔31上，設(shè)置第I下部金屬41 (I)，其上設(shè)置第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)。另夕卜，第2通孔32上設(shè)置第2下部金屬41 (2)，其上設(shè)置第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)。在第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)上設(shè)置第I上部金屬42(1)，其上設(shè)置第I信號線BL(1)。另外，在第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)上設(shè)置第2上部金屬42 (2)，其上設(shè)置第2信號 線 BL (2)。在第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)及第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)的周邊設(shè)置絕緣膜82。第I信號線BL(I)及第2信號線BL (2)在該絕緣膜82上側(cè)露出。這里，為了改變第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)及第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)的磁化反相的閾值，有改變構(gòu)成第I層疊體STl及第2層疊體ST2的層的材料的方法和改變第I磁化自由層101 (I)及第2磁化自由層101⑵的體積的方法。本實施例中，作為一例，通過改變第I磁化自由層101(1)及第2磁化自由層101(2)的體積，改變磁化反相的閾值。磁化反相的閾值隨著第I磁化自由層101(1)及第2磁化自由層101(2)的體積越大而越大。本實施例中，第I層疊體STl的第I磁化自由層101⑴和第2層疊體ST2的第2磁化自由層101(2)在同一平面上以同一厚度設(shè)置。另外，兩層的材料相同。另外，第I層疊體STl的第I隧道障壁層102(1)和第2層疊體ST2的第2隧道障壁層102(2)在同一平面上以同一厚度設(shè)置。另外，兩層的材料相同。另外，第I層疊體STl的第I磁化固定層103(1)和第2層疊體ST2的第2磁化固定層103(2)在同一平面上以同一厚度設(shè)置。另外，兩層的材料相同。因而，通過改變第I層疊體STl及第2層疊體ST2從Z軸方向看的外形的面積來改變第I磁化自由層101(1)及第2磁化自由層101(2)的體積，可以改變磁化反相的閾值。如圖2，從第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)及第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)的Z軸方向看的外形，即，從第I層疊體STl及第2層疊體ST2的Z軸方向看的外形成為圓形狀。本實施例中，與第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)的直徑Dl相比，第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)的直徑D2大。從而，與第I磁化自由層101(1)的體積相比，第2磁化自由層101(2)的體積大，即使在第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)流過電流(ilP及ilA),磁化方向也不反相而維持。另一方面，P狀態(tài)中的第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)及第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)的電阻值與從Z軸方向看的外形的面積成反比例。本實施例中，通過使從Z軸方向看的第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)的面積比第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)大，實現(xiàn)P狀態(tài)的低電阻化，即使是磁隧道結(jié)元件，也可以起到導(dǎo)通區(qū)域20的作用。作為具體一例，使第2磁隧道結(jié)元件MTJ⑵的直徑D2為第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)的直徑Dl的約2. O倍。從而，第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)的P狀態(tài)的電阻值成為第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)的P狀態(tài)的電阻值的約O. 5倍。如先前說明，本實施例的存儲裝置110中，第I層疊體STl及第2層疊體ST2的層構(gòu)造相同。從而，分別一樣層疊磁化自由層、隧道障壁層及磁化固定層后，通過一次蝕刻，可以形成直徑Dl及D2的第I層疊體STl及第2層疊體ST2。另外，實施例中，導(dǎo)通區(qū)域20也可以是不包括第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)的構(gòu)成。另外，導(dǎo)通區(qū)域20也可以是不包含強磁性體的構(gòu)成。即，導(dǎo)通區(qū)域20也可以僅僅由導(dǎo)通部件構(gòu)成。如圖2，多個存儲區(qū)域10及多個導(dǎo)通區(qū)域20通過在X軸方向及Y軸方向以均等間距布局，在多個存儲區(qū)域10及多個導(dǎo)通區(qū)域20形成時可以減少曝光步驟。即，以不均等間距布局的場合，難以保持光刻的平衡，必須分別通過個別的曝光步驟形成存儲區(qū)域10及導(dǎo) 通區(qū)域20。另一方面，若以均等間距布局，則可保持光刻的平衡，以相同曝光步驟形成存儲區(qū)域10及導(dǎo)通區(qū)域20。從而，可以減少曝光步驟。另外，導(dǎo)通區(qū)域20僅僅由導(dǎo)通部件構(gòu)成的場合，可以使從Z軸方向看的存儲區(qū)域10的外形和導(dǎo)通區(qū)域20的外形相同，而且可以保持光刻的平衡，制造精度高的制品。接著，說明本實施例的存儲裝置110的操作。如圖4(b)，作為存儲裝置110的周邊電路，設(shè)置了信號發(fā)生裝置90及讀出放大器91。信號發(fā)生裝置90在第I信號線BL⑴及第2信號線BL⑵之間施加寫入電壓或讀出電壓。另外，讀出放大器91的一方被輸入例如第I信號線BL(I)的電壓,另一方被輸入?yún)⒄针妷簉ef。該讀出放大器91的比較結(jié)果成為存儲的信息的讀出值。接著，說明信息的寫入操作的具體例。進行信息的寫入時，信號發(fā)生裝置90在第I信號線BL(I)及第2信號線BL (2)之間施加為了流過電流ilP及ilA之一的電壓，作為寫入電壓。在信息的寫入之前，第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)成為P狀態(tài)，即低電阻狀態(tài)。圖5(a) (b)是說明具體的寫入操作的示意截面圖。圖5(a)例示了選擇晶體管Tr的控制線WL，從第2信號線BL⑵向第I信號線BL(I)流過電流ilP時的操作。在第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)，從第I磁化自由層101 (I)向第I磁化固定層103 (I)流過電流ilP。電流iIP是第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)的磁化反相的閾值(第I平行閾值)以上的電流值。從而，第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)通過流過電流ilP而成為P狀態(tài)。另一方面，在第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)，從第2磁化固定層103 (2)向第2磁化自由層101⑵流過電流ilP。電流ilP是比第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)的磁化反相的閾值小的電流值。從而，即使在第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)流過電流ilP，也不進行磁化的反相，P狀態(tài)維持。本實施例中，AP狀態(tài)設(shè)為比特的“1”，P狀態(tài)設(shè)為比特的“O”。從而，圖5(a)例示的操作中，成為存儲“ O ”。圖5(b)例示了選擇晶體管Tr的控制線WL，從第I信號線BL⑴向第2信號線BL(2)流過電流ilA時的操作。在第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)，從第I磁化固定層103 (I)向第I磁化自由層101 (I)流過電流ilA。電流i IA是第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)的磁化反相的閾值(第I反平行閾值)以上的電流值。從而，第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)通過流過電流ilA而成為AP狀態(tài)。另一方面，在第2磁隧道結(jié)元件MTJ⑵，從第2磁化自由層101⑵向第2磁化固定層103 (2)流過電流ilA。電流ilA是比第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)的磁化反相的閾值小的電流值。從而，即使在第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)流過電流ilA，也不進行磁化的反相，P狀態(tài)維持。從而，圖5(b)例示的操作中，成為存儲“I”。上述的寫入操作中，第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)都維持P狀態(tài)，保持低電阻狀態(tài)。從而，即使進行流過任一的電流ilP及ilA的寫入操作時，第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)都起到 導(dǎo)通區(qū)域20的電流通路的作用。接著，說明信息的讀出操作的具體例。信息的讀出時，信號發(fā)生裝置90在第I信號線BL(I)及第2信號線BL (2)之間施加讀出電壓。讀出電壓比用于流過寫入時的電流ilP及ilA的電壓小。如圖4(b)，第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)中，根據(jù)AP狀態(tài)及P狀態(tài)，電阻值變化。另一方面，第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)維持P狀態(tài)，即低電阻狀態(tài)。從而，讀出電壓施加時，第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)起到導(dǎo)通區(qū)域20的電流通路的作用。從而，第I信號線BL(I)和參照電壓ref的差分變化，可以進行存儲的信息的判別。這里，說明基于第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)的P狀態(tài)及AP狀態(tài)的電阻值的一例。第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)為AP狀態(tài)的場合，電阻值例如7千歐(kQ)。第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)的MR比(磁阻比)設(shè)為例如200%的場合，基于第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)的P狀態(tài)(“O”)及AP狀態(tài)(“I”)的合計的電阻值成為如下?！癘”的場合，合計的電阻值成為IOkQ (寄生電阻)?！癐”的場合，合計的電阻值成為24kΩ。讀出放大器91的輸出根據(jù)上述的電阻值而變化。從而，根據(jù)讀出放大器91的輸出，可以判別存儲的信息。這樣，存儲裝置110可以根據(jù)第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)的P狀態(tài)及AP狀態(tài)的電阻值的變化，進行信息的記錄及讀出。另外，寫入操作及讀出操作中，第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)都起到導(dǎo)通區(qū)域20的作用。本實施例中，第I層疊體STl及第2層疊體ST2設(shè)為相同層構(gòu)造，因此在晶體管Tr和第2信號線BL(2)之間不必另外設(shè)置導(dǎo)通部(通孔等)，可以簡化制造步驟。(第2實施例)接著，作為第2實施例，說明存儲裝置110的制造方法。圖6(a) 圖9(b)是說明本實施例的制造方法的示意截面圖。首先，如圖6 (a),在半導(dǎo)體基板50利用例如CMOS (Complementary Metal OxideSemiconductor :互補金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝形成晶體管Tr。從而,在半導(dǎo)體基板50的主面50a側(cè)形成源極區(qū)域61及漏極區(qū)域62，在這些之間隔著柵極絕緣膜63形成控制線WL。接著，在晶體管Tr上形成絕緣膜81，在源極區(qū)域61及漏極區(qū)域62上形成貫通絕緣膜81的第I通孔31及第2通孔32。為了形成第I通孔31及第2通孔32，首先，在絕緣膜81形成貫通孔，在貫通孔的內(nèi)壁形成阻擋金屬后，例如通過CVD(ChemicalVapor Deposition :化學(xué)氣相沉積)埋入鶴(W)。然后，通過 CMP (Chemical MechanicalPolishing :化學(xué)機械拋光)使表面的平坦化。接著，如圖6(b)，在平坦化絕緣膜81上，形成基底金屬層41?；捉饘賹?1采用例如鉭(Ta)?；捉饘賹?1的表面粗糙度在例如O. 2納米(nm)以下。接著，如圖7 (a)，在基底金屬層41上，形成按磁化自由層101、隧道障壁層102及磁化固定層103的順序?qū)盈B的層疊膜SL。另外，在層疊膜SL上形成上部導(dǎo)電層材料105。另外，層疊膜SL及上部導(dǎo)電層材料105也可以連續(xù)成膜。磁化自由層101采用例如CoFeB。隧道障壁層102采用例如M g O。磁化固定層103采用例如CoFeB。
另外，上部導(dǎo)電層材料105 例如為 Si02、SiN, Ta、TiAlxNy' TaN, TiN, WN、W、Al2O30上部導(dǎo)電層材料105可以是采用這些材料之一的單層膜，也可以是采用至少2種的層疊膜。接著，在上部導(dǎo)電層材料105上涂布光刻膠，通過光刻形成光刻膠圖形Rl及R2。以該光刻膠圖形Rl及R2為掩模，蝕刻上部導(dǎo)電層材料105。蝕刻方法例如可以采用RIE (Reactive Ion Etching :反應(yīng)離子蝕刻)、IBE (Ion Beam Etching :離子束蝕刻)及濕蝕刻。根據(jù)需要，也可以將這些組合進行蝕刻。未蝕刻而殘留的部分成為第I上部導(dǎo)電層105(1)及第2上部導(dǎo)電層105(2)。第I上部導(dǎo)電層105(1)及第2上部導(dǎo)電層105(2)在然后的蝕刻中用作硬掩模。從而，第I上部導(dǎo)電層105(1)及第2上部導(dǎo)電層105(2)從Z軸方向看的外形與第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)及第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)的外形對應(yīng)。根據(jù)該第I上部導(dǎo)電層105(1)及第2上部導(dǎo)電層105(2)的外形，可以設(shè)定第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)及第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)的大小。本實施例中，例如，第I上部導(dǎo)電層105(1)及第2上部導(dǎo)電層105(2)從Z軸方向看的外形分別設(shè)為圓形狀，第2上部導(dǎo)電層105(2)的直徑設(shè)為第I上部導(dǎo)電層105(1)的直徑的約2. O倍。然后，以第I上部導(dǎo)電層105(1)及第2上部導(dǎo)電層105(2)為硬掩模層，蝕刻層疊膜SL。蝕刻方法可以采用例如RIE、高溫RIE(例如，150°C 300°C)及IBE。根據(jù)需要，也可以將這些組合進行蝕刻。通過該蝕刻，如圖7(b)，形成層疊膜SL殘留的一部分即第I層疊體STl及層疊膜SL殘留的另一部分即第2層疊體ST2。即，在第I上部導(dǎo)電層105(1)的下側(cè)，形成第I磁化自由層101 (I)、第I隧道障壁層102 (I)及第I磁化固定層103 (I)的第I層疊體STl，在第2上部導(dǎo)電層105(2)的下側(cè)，形成第2磁化自由層101 (2)、第2隧道障壁層102(2)及第2磁化固定層103(2)的第2層疊體ST2。第I層疊體STl從Z軸方向看的面積比第2層疊體ST2從Z軸方向看的面積小。第I層疊體STl及第2層疊體ST2形成后，用保護膜83覆蓋這些。作為保護膜83，例如采用Si具、Al203、Alx0y(富含氧氣:x < 2、y = 3)、Si02、SiAlxOy,TiO2,ZrO2之一或這些中至少2個的組合。成膜方法采用例如濺射法(包含斜入射淀積)>CVD>ALD (Atomic Layer Deposition :原子層沉積)。本實施例中，作為保護膜83的一例，通過濺射法(包含斜入射淀積)形成30nm的膜厚的SiN。接著，如圖8(a)，淀積層間絕緣膜84，在第I層疊體STl及第2層疊體ST2之間埋入。層間絕緣膜84采用例如Si02、SiOF, SiOC0然后，通過CMP使層間絕緣膜84平坦化。另外，平坦化后，將層間絕緣膜84背蝕刻，使第I上部導(dǎo)電層105(1)及第2上部導(dǎo)電層105(2)上側(cè)的一部分露出。接著，如圖8(b)，在露出的第I上部導(dǎo)電層105(1)及第2上部導(dǎo)電層105(2)上，使上部金屬材料42淀積，使第I上部導(dǎo)電層105(1)及第2上部導(dǎo)電層105(2)接觸。上部金屬材料42采用例如Ti，Ta，TiN, W，TaN0接著，通過光刻及蝕刻，除去上部金屬材料42、層間絕緣膜84及基底金屬層41的一部分。從而，如圖9(a)，從Z軸方向看，包含第I層疊體STl及第2層疊體ST2的部分以外的上部金屬材料42、層間絕緣膜84及基底金屬層41被除去。然后，使保護膜85淀積。保護膜85的材料與保護膜83同樣。接著，如圖9 (b)，在保護膜85上使絕緣膜82淀積，進行表面的平坦化后，例如通過鑲嵌法形成銅(Cu)的第I信號線BL (I)及第2信號線BL (2)。從而，在第I信號線BL (I)和第I通孔31之間，形成具有第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)的存儲區(qū)域10，在第2信號線BL⑵ 和第2通孔32之間，形成具有第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)的導(dǎo)通區(qū)域20。通過這樣的步驟，完成存儲裝置110。上述的制造方法中，如圖7(a) (b)的步驟那樣，按磁化自由層101、隧道障壁層102及磁化固定層103的順序分別同樣成膜后，通過蝕刻一次形成不同大小的第I層疊體STl及第2層疊體ST2。從而，于第I層疊體STl形成后通過個別步驟在第2通孔32上形成導(dǎo)通部件的場合比，可以顯著實現(xiàn)制造步驟的簡化。另外，根據(jù)用作蝕刻時的硬掩模的第I上部導(dǎo)電層105(1)及第2上部導(dǎo)電層105(2)的大小，可以簡單且正確設(shè)定第I層疊體STl及第2層疊體ST2的大小，容易制造體積不同的第I磁化自由層101 (I)及第2磁化自由層 101(2)。另外，存儲裝置110中，如圖2，包括多個存儲區(qū)域10(圖2中，表示了第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)的區(qū)域)和多個導(dǎo)通區(qū)域20(圖2中，表示了第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)的區(qū)域)。多個存儲區(qū)域10分別在X軸方向(行方向)及Y軸方向(列方向)以同一間距(第I間距P1)配置。另外，多個導(dǎo)通區(qū)域20分別在X軸方向(行方向)及Y軸方向(列方向)以同一間距(與存儲區(qū)域10的間距相同的第I間距Pl)配置。從而，多個存儲區(qū)域10和多個導(dǎo)通區(qū)域20在X軸方向及Y軸方向相互錯開半個間距配置。通過這樣的布局，可保持存儲區(qū)域10及導(dǎo)通區(qū)域20形成時采用的光刻的平衡。從而，即使存儲區(qū)域10及導(dǎo)通區(qū)域20的大小不同，也可以抑制制造偏差，提供穩(wěn)定的制品。(第3實施例)圖10(a) (C)是例示第3實施例的存儲裝置的示意截面圖。圖10(a)表示以晶體管Tr中的一個為中心的截面。圖10(b)是例示第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)的構(gòu)造的示意截面圖，圖10(c)是例示導(dǎo)通區(qū)域的構(gòu)造的示意截面圖。如圖10，本實施例的存儲裝置120中，與圖I的存儲裝置110比，導(dǎo)通區(qū)域21的層構(gòu)造不同。S卩，存儲裝置120的導(dǎo)通區(qū)域21與存儲區(qū)域10的第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)的部分層構(gòu)造相同。具體地說，存儲裝置120中的導(dǎo)通區(qū)域21包括與第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)的層疊體STl的一部分相同的第2磁化自由層101 (2)及第2磁化固定層103 (2)。即，在導(dǎo)通區(qū)域21的層疊體ST21未設(shè)置導(dǎo)通區(qū)域20的第2層疊體ST2所包含的第2隧道障壁層102 (2)。這樣的存儲裝置120中，與第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)的層疊體STl相同的層可以用相同制造步驟形成，實現(xiàn)制造步驟的簡化。另一方面，在導(dǎo)通區(qū)域21未設(shè)置在導(dǎo)通區(qū)域20的第2層疊體ST2包含的第2隧道障壁層102 (2)。從而，與導(dǎo)通區(qū)域20比，可以實現(xiàn)導(dǎo)通區(qū)域21的低電阻化。
另外，圖10的存儲裝置120中，從Z軸方向看，第I層疊體STl的外形的大小和層疊體ST21的外形的大小不同，但是，也可以是相同外形(相同面積)。即，在層疊體ST21未設(shè)置隧道障壁層，因此，即使與第I層疊體STl相同外形，也可以充分低電阻化。從而，可以充分發(fā)揮作為導(dǎo)通區(qū)域20的功能。(第4實施例)接著，作為第4實施例，說明存儲裝置120的制造方法。圖11(a) 圖12(b)是說明本實施例的制造方法的示意截面圖。這里，圖11 (a)的在半導(dǎo)體基板50上的晶體管Tr的形成、隔著柵極絕緣膜63的控制線WL的形成、絕緣膜81的形成、第I通孔31及第2通孔32的形成、基底金屬層41的形成與圖6(a) (b)的步驟同樣。接著,在基底金屬層41上形成磁化自由層101A。接著,在磁化自由層IOlA上涂布光刻膠，通過光刻在磁化自由層IOlA上的第2通孔32上形成光刻膠圖形R。接著，如圖11 (b)，在磁化自由層IOlA及光刻膠圖形R上形成隧道障壁層102A。然后，通過除去光刻膠圖形R，使隧道障壁層102A的一部分提升。從而，如圖12(a)，除去第2通孔32上的隧道障壁層102A，在該部分形成開口。接著，如圖12 (b)，在形成開口的隧道障壁層102A上，順序?qū)盈B磁化固定層103A及上部導(dǎo)電層材料105A，形成層疊膜SL。然后，與圖7(b) 圖9(b)的步驟同樣，蝕刻層疊膜SL,形成第I層疊體STl及層疊體ST21，形成存儲區(qū)域10及導(dǎo)通區(qū)域21。通過這樣的步驟，完成存儲裝置120。通過上述的制造方法，可以通過層疊膜SL的一次蝕刻，一次形成第I層疊體STl及層疊體ST21。從而，與在第I層疊體STl形成后通過個別步驟在第2通孔32上形成導(dǎo)通部件的場合比，可以顯著簡化制造步驟。(第5實施例)圖13是例示第5實施例的存儲裝置的示意截面圖。圖14(a) (b)是例示存儲區(qū)域及導(dǎo)通區(qū)域的層構(gòu)造的示意截面圖。如圖13，本實施例的存儲裝置130在存儲區(qū)域10設(shè)有第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)、第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)，在導(dǎo)通區(qū)域20設(shè)有第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)、第4磁隧道結(jié)元件 MTJ (4)。第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)設(shè)置在第I信號線BL⑴和第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)之間。第3磁隧道結(jié)元件MTJ(3)在不同于第I平行閾值的第3平行閾值以上的電流流過第I方向dl時磁化方向成為平行，不同于第I反平行閾值的第3反平行閾值以上的電流流過第2方向d2時磁化方向成為反平行。第3平行閾值比第I平行閾值小或大。第3反平行閾值比第I反平行閾值小或大。本實施例中，以第3平行閾值比第I平行閾值小，第3反平行閾值比第I反平行閾值小的場合為例。如圖14(a)，第3磁隧道結(jié)元件MTJ(3)在第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)上層疊。第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)具有第3磁化自由層101 (3)、第3隧道障壁層102(3)及第3磁化固定層103(3)順序?qū)盈B的第3層疊體ST3。另外，在第3磁化自由層101 (3)的下側(cè)設(shè)置第3下部層104 (3)，在第3磁化固定層103 (3)上側(cè)設(shè)置第3上部導(dǎo)電層105 (3)。該第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)中的第3層疊體ST3的層疊順序和第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)中的第I層疊體STl的層疊順序相同。即，第I層疊體STl從下向上，按第I磁化自由層101 (I)、第I隧道障壁層102 (I)及第I磁化固定層103 (I)的順序?qū)盈B，第3層疊 體ST3也以同樣順序?qū)盈B。這樣，第I層疊體STl及第3層疊體ST3的層疊構(gòu)造設(shè)置在第I下部金屬41 (I)和第I上部金屬42(1)之間。第I層疊體STl從Z軸方向看的外形的大小和第3層疊體ST3從Z軸方向看的外形的大小相等。從而，為了改變第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)及第3磁隧道結(jié)元件MTJ(3)的磁化反相的閾值，有改變構(gòu)成第I層疊體STl及第3層疊體ST3的層的材料的方法和改變磁化自由層的厚度的方法。通過這些至少一個方法，本實施例中，將第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)的磁化反相的閾值設(shè)定成比第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)的磁化反相的閾值小。這樣的存儲區(qū)域10的構(gòu)造中，例如，沿第I信號線BL(I)到第2信號線BL⑵的電流的方向，第I層疊體STl的層疊順序和第3層疊體ST3的層疊順序成為相同。從而，相對于電流方向的A狀態(tài)及P狀態(tài)的狀態(tài)變化在第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)及第3磁隧道結(jié)元件MTJ(2)成為相同。另外，除了該特性，還利用磁化反相的閾值的不同，控制第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)及第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)的P狀態(tài)及AP狀態(tài)。第4磁隧道結(jié)元件MTJ (4)設(shè)置在第2信號線BL (2)和第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)之間。第4磁隧道結(jié)元件MTJ(4)在不同于第2平行閾值的第4平行閾值以上的電流流過第2方向d2時磁化方向成為平行，在不同于第2反平行閾值的第4反平行閾值以上的電流流過第I方向dl時磁化方向成為反平行。第4平行閾值比第2平行閾值小或大。第4反平行閾值比第2反平行閾值小或大。本實施例中，以第4平行閾值比第2平行閾值小，第4反平行閾值比第2反平行閾值小的場合為例。如圖14(b)，第4磁隧道結(jié)元件MTJ(4)在第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)上層疊。第4磁隧道結(jié)元件MTJ (4)具有按第4磁化自由層101 (4)、第4隧道障壁層102 (4)及第4磁化固定層103(4)的順序?qū)盈B的第4層疊體ST4。另外，在第4磁化自由層101(4)的下側(cè)設(shè)置第4下部層104 (4)，在第4磁化固定層103 (4)上側(cè)設(shè)置第4上部導(dǎo)電層105 (4)。該第4磁隧道結(jié)元件MTJ (4)中的第4層疊體ST4的層疊順序和第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)中的第2層疊體ST2的層疊順序成為相同。即，第2層疊體ST2從下向上，按第2磁化自由層101 (2)、第2隧道障壁層102 (2)及第2磁化固定層103 (2)的順序?qū)盈B，第4層疊體ST4也以同樣順序?qū)盈B。
這樣，第2層疊體ST2及第4層疊體ST4的層疊構(gòu)造設(shè)置在第2下部金屬41 (2)和第2上部金屬42(2)之間。第2層疊體ST2從Z軸方向看的外形的大小和第4層疊體ST4從Z軸方向看的外形的大小相等。從而，為了改變第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)及第4磁隧道結(jié)元件MTJ (4)的磁化反相的閾值，有改變構(gòu)成第2層疊體ST2及第4層疊體ST4的層的材料的方法和改變磁化自由層的厚度的方法。通過這些至少一個的方法,第4磁隧道結(jié)元件MTJ (4)的磁化反相的閾值設(shè)定成比第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)的磁化反相的閾值小。這樣的導(dǎo)通區(qū)域20的構(gòu)造中，第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)的磁化反相的閾值及第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)的磁化反相的閾值即使在第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)及第4磁隧道結(jié)元件MTJ (4)流過，第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)及第4磁隧道結(jié)元件MTJ (4)的磁化方向也不反相而維持P狀態(tài)。 從而，第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)及第4磁隧道結(jié)元件MTJ (4)成為低電阻狀態(tài)，起到作為導(dǎo)通區(qū)域20的功能。這樣，通過采用在存儲區(qū)域10層疊第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)及第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)，在導(dǎo)通區(qū)域20層疊第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)及第4磁隧道結(jié)元件MTJ (4)的構(gòu)造，可以在存儲裝置130中實現(xiàn)存儲2比特的信息的構(gòu)成。另外，圖13的存儲裝置130中，適用在存儲區(qū)域10及導(dǎo)通區(qū)域20都層疊磁隧道結(jié)元件的構(gòu)成，但是也可以適用僅僅在存儲區(qū)域10及導(dǎo)通區(qū)域20的一方層疊磁隧道結(jié)元件的構(gòu)造。另外，存儲區(qū)域10及導(dǎo)通區(qū)域20各自中層疊的磁隧道結(jié)元件的數(shù)也可以為3個以上。接著，本實施例的存儲裝置130的操作說明。圖15是例示存儲裝置及其周邊電路的方框圖。圖16(a) (d)是說明具體的寫入操作的示意截面圖。圖16中，示意圖示了存儲裝置130中的第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I) 第4磁隧道結(jié)元件MTJ⑷、電流的方向及A狀態(tài)和AP狀態(tài)。如圖15，作為存儲裝置130的周邊電路，設(shè)置信號發(fā)生裝置90及讀出放大器91。在晶體管Tr和第I信號線BL(I)之間設(shè)置的存儲區(qū)域10中，在晶體管Tr側(cè)設(shè)置第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)，在第I信號線BL(I)側(cè)設(shè)置第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)。另外，在晶體管Tr和第2信號線BL (2)之間設(shè)置的導(dǎo)通區(qū)域20中，在晶體管Tr側(cè)設(shè)置第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)，在第2信號線BL (2)側(cè)設(shè)置第4磁隧道結(jié)元件MTJ (4)。接著，說明信息的寫入操作的具體例。信息的寫入時，信號發(fā)生裝置90在第I信號線BL(I)及第2信號線BL(2)之間施加為了流過電流ilA、ilP、i3A及i3P之一的電壓，作為寫入電壓。這里，電流i3A是用于將第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)設(shè)為AP狀態(tài)的電流。電流i3A是在第3反平行閾值以上，小于第I反平行閾值的值。電流i3P是用于將第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)設(shè)為P狀態(tài)的電流。電流i3P是在第3平行閾值以上，小于第I平行閾值的值。另外，信息的寫入之前，第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)及第4磁隧道結(jié)元件MTJ(4)成為P狀態(tài)，即低電阻狀態(tài)。
另外，即使電流i 1A、ilP、13么及丨3 之一流過，第2磁隧道結(jié)元件組\1(2)及第4磁隧道結(jié)元件MTJ (4)也都不發(fā)生磁化的反相,維持P狀態(tài)。圖16(a)例示了電流ilA流過時的操作。S卩，選擇圖15的晶體管Tr的控制線WL，從第I信號線BL⑴向第2信號線BL⑵流過電流ilA時的操作。第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)及第3磁隧道結(jié)元件MTJ(3)通過流過電流ilA，兩方都成為AP狀態(tài)。第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)及第4磁隧道結(jié)元件MTJ(4)即使流過電流ilA，也維持P狀態(tài)，起到導(dǎo)通區(qū)域20的功能。本實施例中，AP狀態(tài)設(shè)為比特的“ I ”，P狀態(tài)設(shè)為比特的“O”。另外，作為一例，按第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)、第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)的順序表示2比特的信息，。從而，圖16(a)例示的操作中，存儲2比特的“11”。 圖16(b)例示了在成為圖16(a)的狀態(tài)后，電流i3P流過時的操作。S卩，選擇圖15的晶體管Tr的控制線WL，從第2信號線BL⑵向第I信號線BL(I)流過電流i3P時的操作。電流i3P流過時，僅僅第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)成為P狀態(tài)，其他磁隧道結(jié)元件MTJ(I) ,MTJ (2)及MTJ (4)的狀態(tài)不反相而維持。第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)及第4磁隧道結(jié)元件MTJ (4)起到導(dǎo)通區(qū)域20的功能。從而，圖16(b)例示的操作中，存儲2比特的“10”。圖16(c)例示了電流ilP流過時的操作。即，選擇圖15的晶體管Tr的控制線WL，從第2信號線BL⑵向第I信號線BL⑴流過電流ilP時的操作。第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)及第3磁隧道結(jié)元件MTJ(3)通過流過電流ilP，兩方都成為P狀態(tài)。第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)及第4磁隧道結(jié)元件MTJ (4)即使流過電流i IP也維持P狀態(tài)，起到導(dǎo)通區(qū)域20的功能。從而，圖16(c)例示的操作中，存儲2比特的“00”。圖16(d)例示了在成為圖16(c)的狀態(tài)后，電流i3A流過時的操作。S卩，選擇圖15的晶體管Tr的控制線WL，從第I信號線BL(I)向第2信號線BL⑵流過電流i3A時的操作。電流i3A流過時，僅僅第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)成為AP狀態(tài)，其他磁隧道結(jié)元件MTJ(I) ,MTJ (2)及MTJ (4)的狀態(tài)不反相而維持。第2磁隧道結(jié)元件MTJ (2)及第4磁隧道結(jié)元件MTJ (4)起到導(dǎo)通區(qū)域20的功能。從而，圖16(d)例示的操作中，存儲2比特的“01”。這里，匯總寫入操作。存儲“00”的場合，電流ilP流過。存儲“01”的場合，電流ilP流過后，電流i3A流過。存儲“ 10”的場合，電流ilA流過后，電流i3P流過。存儲“11”的場合，電流i IA流過。接著，說明信息的讀出操作的具體例。進行信息的讀出時，信號發(fā)生裝置90在第I信號線BL⑴及第2信號線BL⑵之間施加讀出電壓。讀出電壓比最小的寫入電壓小。存儲裝置130中，根據(jù)第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)及第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)的AP狀態(tài)及P狀態(tài)的組合，合計的電阻值變化。從而，第I信號線BL (I)和參照電壓ref的差分變化，可以進行存儲的信息的判別。這里，表示了基于第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)及第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)的AP狀態(tài)及P狀態(tài)的電阻值的一例。第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)為AP狀態(tài)的場合，電阻值例如是7千歐(k Ω )。另外，第3磁隧道結(jié)元件MTJ(3)為AP狀態(tài)的場合，電阻值例如是3k Ω。第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)及第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)的MR比(磁阻比)例如設(shè)為200%的場合，基于第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)及第3磁隧道結(jié)元件MTJ(3)的AP狀態(tài)及P狀態(tài)的組合的合計電阻值如下。 “00”的場合，合計的電阻值成為IOkQ (寄生電阻)?！?0”的場合，合計的電阻值成為16kQ。“01”的場合，合計的電阻值成為24k Ω?！?1”的場合，合計的電阻值成為30k Ω。讀出放大器91的輸出根據(jù)上述的合計的電阻值而變化。從而，根據(jù)讀出放大器91的輸出可以判別存儲的信息。另外，本實施例中，在第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)的AP狀態(tài)的電阻值和第3磁隧道結(jié)元件MTJ(3)的AP狀態(tài)的電阻值設(shè)有差分。因而，在“10”的場合和“01”的場合中，合計的電阻值產(chǎn)生差異，通過讀出放大器91的輸出，可以進行判別。這樣，半導(dǎo)體存儲裝置130通過第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)及第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)可以與多值化對應(yīng)。另外，寫入操作及讀出操作中，第2磁隧道結(jié)元件MTJ(2)及第4磁隧道結(jié)元件MTJ(4)都起到導(dǎo)通區(qū)域20的作用。本實施例中，存儲區(qū)域10及導(dǎo)通區(qū)域20采用相同層構(gòu)造，因此，在晶體管Tr和第2信號線BL(2)之間不必另外設(shè)置導(dǎo)通部(通孔等)，可以簡化制造步驟。如以上說明，根據(jù)實施例的存儲裝置及其制造方法，可以用磁隧道結(jié)元件實現(xiàn)與多值化對應(yīng)的構(gòu)造，實現(xiàn)層構(gòu)造及制造步驟的簡化。另外，上述說明了本實施例及其變形例，但是本發(fā)明不限于這些例。例如，對于第I磁隧道結(jié)元件MTJ (I)及第3磁隧道結(jié)元件MTJ (3)，P狀態(tài)設(shè)為比特“0”，AP狀態(tài)設(shè)為比特“1”，但是也可以逆轉(zhuǎn)。另外，對于第I磁隧道結(jié)元件MTJ(I)及第3磁隧道結(jié)元件MTJ(3)，AP狀態(tài)的電阻值為一例，不限于此。另外，對前述的各實施例或其變形例，本專業(yè)技術(shù)人員可以適宜進行構(gòu)成要素的追加、削除、設(shè)計變更或者適宜組合各實施例的特征，但是只要包括本發(fā)明的要旨，也是本發(fā)明的范圍所包含的。雖然說明了本發(fā)明的幾個實施例，但是這些實施例只是例示，而不是限定發(fā)明的范圍。這些新實施例可以各種形態(tài)實施，在不脫離發(fā)明的要旨的范圍，可以進行各種省略、置換、變更。這些實施例及其變形是發(fā)明的范圍和要旨所包含的，也是權(quán)利要求的范圍記載的發(fā)明及其均等的范圍所包含的。
權(quán)利要求
1.一種存儲裝置，其特征在于，包括 第I信號線； 第2信號線； 晶體管，分別控制上述第I信號線和上述第2信號線之間流過的第I方向的電流及與上述第I方向相反的第2方向的電流的導(dǎo)通； 存儲區(qū)域，在上述第I信號線和上述晶體管的一端之間連接，具有第I平行閾值以上的電流流過上述第I方向時磁化方向成為平行，第I反平行閾值以上的電流流過上述第2方向時磁化方向成為反平行的第I磁隧道結(jié)元件； 在上述第2信號線和上述晶體管的另一端之間連接的導(dǎo)通區(qū)域。
2.權(quán)利要求I所述的存儲裝置，其特征在于， 上述導(dǎo)通區(qū)域包含強磁性體，具有上述第I平行閾值以上的電流或第I反平行閾值以上的電流流過時磁化方向都維持的第2磁隧道結(jié)元件。
3.權(quán)利要求2所述的存儲裝置，其特征在于， 上述第2磁隧道結(jié)元件在比上述第I平行閾值大的第2平行閾值以上的電流流過上述第2方向時磁化方向成為平行，比上述第I反平行閾值大的第2反平行閾值以上的電流流過上述第I方向時磁化方向成為反平行。
4.權(quán)利要求2所述的存儲裝置，其特征在于， 上述第I磁隧道結(jié)元件具有按第I下部強磁性體層、第I隧道障壁層及第I上部強磁性體層的順序?qū)盈B的第I層疊體， 上述第2磁隧道結(jié)元件具有按第2下部強磁性體層、第2隧道障壁層及第2上部強磁性體層的順序?qū)盈B的第2層疊體。
5.權(quán)利要求4所述的存儲裝置，其特征在于， 上述第I下部強磁性體層和上述第2下部強磁性體層在同一平面上設(shè)置為同一厚度， 上述第I隧道障壁層和上述第2隧道障壁層在同一平面上設(shè)置為同一厚度， 上述第I上部強磁性體層和上述第2上部強磁性體層在同一平面上設(shè)置為同一厚度。
6.權(quán)利要求4所述的存儲裝置，其特征在于， 上述第I下部強磁性體層的體積比上述第2下部強磁性體層的體積小。
7.權(quán)利要求I所述的存儲裝置，其特征在于， 上述導(dǎo)通區(qū)域具有與上述第I磁隧道結(jié)元件的至少部分的層構(gòu)造相同的層構(gòu)造。
8.權(quán)利要求I所述的存儲裝置，其特征在于， 上述存儲區(qū)域，設(shè)置在上述第I信號線和上述第I磁隧道結(jié)元件之間，具有不同于上述第I平行閾值的第3平行閾值以上的電流流過上述第I方向時磁化方向成為平行，不同于上述第I反平行閾值的第3反平行閾值以上的電流流過上述第2方向時磁化方向成為反平行的第3磁隧道結(jié)元件。
9.權(quán)利要求8所述的存儲裝置，其特征在于， 上述導(dǎo)通區(qū)域，設(shè)置在上述第2信號線和上述第2磁隧道結(jié)元件之間，具有與上述第3磁隧道結(jié)元件的至少部分的層構(gòu)造相同的層構(gòu)造的層疊體。
10.權(quán)利要求I所述的存儲裝置，其特征在于， 包括多個上述存儲區(qū)域和多個上述導(dǎo)通區(qū)域，上述多個存儲區(qū)域在行方向及列方向分別以同一間距配置， 上述多個導(dǎo)通區(qū)域在上述行方向及上述列方向分別以同一上述間距配置， 上述多個存儲區(qū)域和上述多個導(dǎo)通區(qū)域在上述行方向及上述列方向相互錯開半個間距而配置。
11.權(quán)利要求10所述的存儲裝置，其特征在于，包括 在上述行方向及上述列方向分別以第I間距設(shè)置的多個上述晶體管； 在上述行方向及上述列方向中的一個方向延伸，以上述第I間距的一半的第2間距逐條交互配置的多條上述第I信號線及多條上述第2信號線； 在上述行方向及上述列方向中的另一個方向延伸，以上述第I間距配置的多條控制線， 在上述多個晶體管分別形成上述存儲區(qū)域及上述導(dǎo)通區(qū)域。
12.權(quán)利要求4所述的存儲裝置，其特征在于， 上述第I下部強磁性體層是磁化自由層，上述第I上部強磁性體層是磁化固定層。
13.一種存儲裝置的制造方法，其特征在于，包括 在半導(dǎo)體基板形成晶體管，由絕緣膜覆蓋上述晶體管的步驟； 形成貫通上述絕緣膜并與上述晶體管的源極區(qū)域或漏極區(qū)域?qū)ǖ牡贗通孔和貫通上述絕緣膜并與上述晶體管的漏極區(qū)域或源極區(qū)域?qū)ǖ牡?通孔的步驟； 在上述第I通孔及上述第2通孔上形成按下部強磁性體層、隧道障壁層及上部強磁性體層的順序?qū)盈B的層疊膜的步驟； 蝕刻上述層疊膜，在上述第I通孔上殘留上述層疊膜的一部分，形成具有第I磁隧道結(jié)元件的存儲區(qū)域，并且在上述第2通孔上殘留上述層疊膜的另一部分，形成導(dǎo)通區(qū)域的步驟。
14.權(quán)利要求13所述的存儲裝置的制造方法，其特征在于， 在上述導(dǎo)通區(qū)域，形成由上述層疊膜的上述另一部分形成的第2磁隧道結(jié)元件。
15.權(quán)利要求14所述的存儲裝置的制造方法，其特征在于， 蝕刻上述層疊膜的步驟中，從上述層疊膜的層疊方向看，上述第I磁隧道結(jié)元件的面積比上述第2磁隧道結(jié)元件的面積小。
16.權(quán)利要求14所述的存儲裝置的制造方法，其特征在于， 在上述半導(dǎo)體基板，在行方向及列方向分別以同一間距形成多個上述晶體管， 在上述多個晶體管分別形成上述第I磁隧道結(jié)元件及上述第2磁隧道結(jié)元件。
17.一種存儲裝置的制造方法，其特征在于，包括 在半導(dǎo)體基板形成晶體管，由絕緣膜覆蓋上述晶體管的步驟； 形成貫通上述絕緣膜并與上述晶體管的源極區(qū)域或漏極區(qū)域?qū)ǖ牡贗通孔和貫通上述絕緣膜并與上述晶體管的漏極區(qū)域或源極區(qū)域?qū)ǖ牡?通孔的步驟； 在上述第I通孔及上述第2通孔上形成下部強磁性體層的步驟； 在上述下部強磁性體層上的除上述第2通孔上的部分形成隧道障壁層，在上述第2通孔上及上述隧道障壁層上形成上部強磁性體層的步驟； 蝕刻由上述下部強磁性體層、上述隧道障壁層及上述上部強磁性體層形成的層疊膜，形成具有在上述第I通孔上殘留上述層疊膜的一部分的第I磁隧道結(jié)元件的存儲區(qū)域，并且形成具有在上述第2通孔上殘留上述下部強磁性體層及上述上部強磁性體層的一部分的層疊體的導(dǎo)通區(qū)域的步驟。
18.權(quán)利要求17所述的存儲裝置的制造方法，其特征在于， 從上述層疊膜的層疊方向看，上述第I磁隧道結(jié)元件的面積與上述層疊體的面積相同。
全文摘要
實施例的存儲裝置包括第1信號線、第2信號線、晶體管、存儲區(qū)域、導(dǎo)通區(qū)域。晶體管分別控制第1信號線和第2信號線之間流過的第1方向的電流及與第1方向相反的第2方向的電流的導(dǎo)通。存儲區(qū)域在第1信號線和晶體管的一端之間連接，具有第1平行閾值以上的電流流過第1方向時磁化方向成為平行，第1反平行閾值以上的電流流過第2方向時磁化方向成為反平行的第1磁隧道結(jié)元件。導(dǎo)通區(qū)域在第2信號線和晶體管的另一端之間連接。
文檔編號G11C11/16GK102983148SQ20121007218
公開日2013年3月20日 申請日期2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月7日
發(fā)明者山中貴哉, 首藤晉 申請人:株式會社 東芝