JP2007103692A - 磁気メモリセル、磁気ランダムアクセスメモリ、及び磁気メモリセルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】充分な磁気異方性を保ったまま、セル面積を縮小することができる磁気メモリセルを提供すること。
【解決手段】本発明に係る磁気メモリセル１は、磁化の向きが固定されたピン層３と、磁化の向きが反転可能な磁気記録層１０と、ピン層３と磁気記録層１０に挟まれたバリア層４とを備える。磁気記録層１０は、バリア層４上に形成された磁性体１４と、非磁性体１３を介して磁性体１４上に形成された筒状磁性体１１とを有する。筒状磁性体１１は、第１方向に沿った軸の周りを取り囲む筒状の構造を有する。
【選択図】図８

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に関する。特に、本発明は、磁気抵抗効果を有する磁気メモリセル、及びその製造方法に関する。

不揮発性メモリの１つとして、磁気抵抗素子をメモリセルとして用いる磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が知られている。磁気抵抗素子としては、ＡＭＲ（Anisotropic MagnetoResistance）効果、ＧＭＲ（Giant MagnetoResistance）効果、及びＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance）効果といった磁気抵抗効果を示す素子が利用される。ＴＭＲ効果を示すＴＭＲ素子をメモリセルとして用いるＭＲＡＭは、例えば、特許文献１や非特許文献１に開示されている。

図１は、一般的なＭＲＡＭ１００の構成を示す平面図である。ＭＲＡＭ１００は、Ｓ方向に沿って形成された書込みワード線１０１と、Ｔ方向に沿って形成された書込みビット線１０２を備えている。書込みワード線１０１と書込みビット線１０２の交点にはメモリセル１０３が配置されており、このメモリセル１０３がＴＭＲ素子を含んでいる。

従来のＴＭＲ素子（磁気抵抗素子）の構造が、図２に模式的に示されている。ＴＭＲ素子１１０は、下部電極層１１１、反強磁性層１１２、固定磁性層（ピン層）１１３、バリア層１１４、自由磁性層（フリー層）１１５及び上部電極層１１６を含んでいる。バリア層１１４は、絶縁膜あるいは金属膜を含む非磁性層であり、固定磁性層１１３と自由磁性層１１５に挟まれている。固定磁性層１１３の自発磁化の向き（orientation）は、反強磁性層１１２によって所定の方向に固定されている。一方、自由磁性層１１５の自発磁化の向きは反転可能であり、固定磁性層１１３の自発磁化の向きと平行、又は反平行になることが許されている。

固定磁性層１１３と自由磁性層１１５の磁化の向きが“反平行”である場合の磁気抵抗素子１１０の抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値（Ｒ）よりも大きくなることが知られている。この抵抗値の変化を利用することによって、ＭＲＡＭはデータを不揮発的に記憶する。データの書き換えは、自由磁性層１１５の磁化の向きを反転させることによって行われる。具体的には、図１に示された書き込みワード線１０１と書き込みビット線１０２に、それぞれ書き込み電流が供給される。書き込み電流が所定の条件を満たす場合、その書き込み電流により発生する外部磁界によって、自由磁性層１１５の磁化の向きが反転する。

また、別の書き込み方式として、「トグル書き込み方式（Toggle Write Mode）」が知られている（例えば、特許文献２参照）。このトグル書き込み方式で用いられるＴＭＲ素子（磁気抵抗素子）１２０の構造が、図３に模式的に示されている。ＴＭＲ素子１２０は、下部電極層１２１、反強磁性層１２２、固定磁性層（ピン層）１２３、バリア層１２４、自由磁性層（フリー層）１２５及び上部電極層１２６を含んでいる。自由磁性層１２５は、反強磁性的に結合した第１磁性膜１３１と第２磁性膜１３２を含み、第１磁性膜１３１と第２磁性膜１３２との間には、薄い非磁性膜１３３が挟まれている。この反強磁性結合により、第１磁性膜１３１と第２磁性膜１３２の自発磁化の向きは、安定状態において反平行となる。

図３において、第１磁性膜１３１の磁化の向きと固定磁性層１２３の磁化の向きは“反平行”である（第１状態）。一方、図示されない第２状態においては、第１磁性膜１３１の磁化の向きと固定磁性層１２３の磁化の向きは“平行”となる。磁気抵抗効果により、第１状態における磁気抵抗素子１２０の抵抗値は、第２状態よりも大きくなる。この抵抗値の変化を利用することによって、トグル型のＭＲＡＭはデータを不揮発的に記憶する。データの書き換えは、磁性膜１３１、１３２の磁化の向きを反転させることによって行われる。ここで、磁性膜１３１，１３２は互いに反強磁性的に結合しているため、一方の磁化が反転した場合、反平行状態を保つように、他方の磁化も反転する。つまり、自由磁性層１２５の磁化状態は、書き込み動作の度に、「第１状態」と「第２状態」の間でトグルスイッチのように変化する。

このようなＭＲＡＭにおいてデータが維持されるのは、すなわち、フリー層の磁化の向きが安定するのは、フリー層が「磁気異方性」を有しているからである。磁気異方性としては形状異方性や材料異方性などが知られているが、一般的には、大きな値が得られる「形状異方性」が利用される。この場合、フリー層は、平面内で細長い形状（例えば長方形）を有するように形成される。フリー層の磁化は、その細長形状の長軸に沿って安定し易く、短軸に沿って安定しにくい。そのため、長軸は「磁化容易軸」と呼ばれ、短軸は「磁化困難軸」と呼ばれる。安定状態において、フリー層の磁化は、磁化容易軸に沿った２つの方向のいずれかを向いて安定する。これにより、ＭＲＡＭにおいてデータが不揮発的に記憶される。この原理は、通常のＴＭＲ素子１１０においても、トグル型のＴＭＲ素子１２０においても同様である。尚、通常のＴＭＲ素子１１０は、フリー層の磁化容易軸が書込みワード線１０１（あるいは書込みビット線１０２）と平行になるように配置される（図１参照）。一方、トグル型のＭＲＡＭの場合、図４に示されるように、ＴＭＲ素子１２０は、フリー層の磁化容易軸が書込みワード線１０１（あるいは書込みビット線１０２）と約４５度の角をなすように配置される。

特開２００５−１７５３７５号公報 米国特許ＵＳ６５４５９０６号 Durlam M., et al., "Nonvolatile RAM based on Magnetic Tunnel Junction Elements", 2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference, DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, p.130, 2000.

以上に説明されたように、従来のＭＲＡＭでは、フリー層は、一方に長い形状を有するように形成される。このことは、メモリセルサイズの増大を招く。もしフリー層の形状が円や正方形に近づいたとすれば、形状異方性が小さくなり、フリー層における磁化方向の安定度が減少する。そして、書き込み対象のメモリセルと同じワード線もしくはビット線上のメモリセルに対する誤書き込みや、熱擾乱によるデータ破壊が発生しやすくなってしまう。更に、フリー層内部で磁区（magnetic domain）が発生し、磁化方向を変化させる過程で、その変化が止まってしまう可能性が高くなる。場合によっては、磁区が残ったままで書き込みプロセスが終了し、フリー層の磁化方向の設定、すなわちデータ書き込みに失敗する。

図５Ａ及び図５Ｂは、異なるＴＭＲ素子サンプルに関する書き込み特性を示している。具体的には、ＴＭＲ素子の抵抗値が縦軸に示されており、ＴＭＲ素子に印加される外部磁場が横軸に示されている。図５Ａの場合、ＴＭＲ素子の平面形状の縦横比は“３”に設定されている。この場合、磁化方向が変化する際に、ＴＭＲ素子の抵抗値は急峻に変化していることが分かる。一方、図５Ｂの場合、ＴＭＲ素子の平面形状の縦横比は“２”に設定されている。この場合、磁化方向が変化する途中で、ＴＭＲ素子の抵抗値はステップ状に変化していることが分かる。このステップ状の変化は、磁区の発生を示している。従って、従来、ＴＭＲ素子の平面形状の縦横比を“３”程度に設定する必要があった。このことが、セル面積の縮小を困難にしていた。

本発明の目的は、充分な磁気異方性を保ったまま、セル面積を縮小することができる磁気メモリセル及びその製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、ＭＲＡＭの大容量化と信頼性の向上を両立させることができる技術を提供することにある。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の第１の観点において、磁気メモリセル（１）は、磁化の向きが固定されたピン層（３）と、磁化の向きが反転可能な磁気記録層（１０）と、ピン層（３）と磁気記録層（１０）に挟まれたバリア層（４）とを備える。磁気記録層（１０）は、バリア層（４）上に形成された磁性体（１４）と、非磁性体（１３）を介して磁性体（１４）と磁気的に結合した筒状磁性体（１１）とを有する。この筒状磁性体（１１）は、第１方向に沿った第１軸（Ｘ）の周りを一方向に回るように分布する回転磁化を有する。磁性体（１４）の磁化の向きは、回転磁化の向きによって変わる。回転磁化の向きは、外部磁場によって反転可能である。

好適には、上記筒状磁性体（１１）は、第１軸（Ｘ）の周りを取り囲む筒状の構造を有する。その場合、上記回転磁化は、筒状磁性体（１１）中で第１軸（Ｘ）の周りを一回転するように分布する。

また、上記筒状磁性体（１１）は、非磁性体（１３）を介して磁性体（１４）上に形成された第１部分（１１ａ）と、第１部分（１１ａ）に対向して形成された第２部分（１１ｂ）と、第１部分（１１ａ）と第２部分（１１ｂ）との間をつなぐ第３部分（１１ｃ）とを有してもよい。第１部分（１１ａ）と磁性体（１４）は、互いに平行に形成されると好ましい。磁性体（１４）と第１部分（１１ａ）は反強磁性的に結合し、磁性体（１４）の磁化の向きは、第１部分（１１ａ）の回転磁化の向きの逆になる。

また、上記筒状磁性体（１１）は、非磁性体（１３）を介して磁性体（１４）と反強磁性的に結合した結合領域（１１ａ）を有してもよい。磁性体（１４）の磁化の向きは、結合領域（１１ａ）における回転磁化の向きの逆になる。

好適には、上記筒状磁性体（１１）は、第１軸（Ｘ）に沿う内部非磁性体（１２）の外周面上に形成される。その内部非磁性体（１２）は、筒状磁性体（１１）の外部に露出していると好ましい。あるいは、その内部非磁性体（１２）は、筒状磁性体（１１）で完全に覆われていてもよい。その場合、筒状筒状磁性体（１１）は、第１軸（Ｘ）に平行な第１側面（ＸＺ）と、第１軸と交差する第２側面（ＹＺ）とを有し、第２側面（ＹＺ）における筒状磁性体（１１ｄ）の厚さは、第１側面（ＸＺ）における筒状磁性体（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）の厚さより小さい。

上記筒状磁性体（１１）は、第１軸（Ｘ）に平行な第１側面（ＸＺ）と、第１軸（Ｘ）と交差する第２側面（ＹＺ）とを有する。ここで、第１側面（ＸＺ）の傾斜と第２側面（ＹＺ）の傾斜は異なっている。具体的には、第２側面（ＹＺ）の傾斜は、第１側面（ＸＺ）の傾斜より小さい

好適には、上記磁性体（１４）は、第１軸（Ｘ）と平行な平面状の構造を有する。

また、上記磁性体（２４）は、第１方向に沿った第２軸（Ｘ）の周りを取り囲む筒状の構造を有していてもよい。その場合、磁性体（２４）は、第２軸（Ｘ）の周りを一方向に回るように分布する第２回転磁化を有する。第２回転磁化の向きは、上記回転磁化の向きと同じである。

本発明の第２の観点において、磁気メモリセル（１）は、磁化の向きが固定されたピン層（３）と、磁化の向きが反転可能な磁気記録層（１０）と、ピン層（３）と磁気記録層（１０）に挟まれたバリア層（４）とを備える。磁気記録層（１０）は、バリア層（４）上に形成された磁性体（１４）と、非磁性体（１３）を介して磁性体（１４）上に形成された筒状磁性体（１１）とを有する。筒状磁性体（１１）は、第１方向に沿った軸（Ｘ）の周りを取り囲む筒状の構造を有する。磁性体（１４）は、第１軸（Ｘ）と平行な平面状の構造を有する。

上述の磁気メモリセル（１）が搭載される面に平行な面（ＸＹ）において、磁気記録層（１０）の形状は正方形であると好適である。

本発明の第３の観点において、磁気ランダムアクセスメモリが提供される。その磁気ランダムアクセスメモリは、上述の磁気メモリセル（１）を有する。具体的には、磁気ランダムアクセスメモリは、上述の磁気メモリセル（１）と、ワード線（Ｗ１）と、ワード線（Ｗ１）に交差するように形成されたビット線（Ｂ１）とを備える。磁気メモリセル（１）は、ワード線（Ｗ１）とビット線（Ｂ１）との間に配置される。書き込み時、ワード線（Ｗ１）には第１電流が流れ、ビット線（Ｂ１）には第２電流が流れる。筒状磁性体（１１）の回転磁化の向きは、第１電流により発生する第１磁場と第２電流により発生する第２磁場との合成磁場により反転する。

本発明の第４の観点において、磁気メモリセルの製造方法は、（Ａ）下地層の上にピン層（７２〜７４）を形成する工程と、（Ｂ）ピン層（７２〜７４）の上にバリア層（７５）を形成する工程と、（Ｃ）バリア層（７５）の上に磁気記録層を形成する工程とを有する。上記（Ｃ）工程は、（ａ）第１磁性体膜（５１）上に第１非磁性体膜（５２）を形成する工程と、（ｂ）第１非磁性体膜（５２）の上に第２磁性体膜（５３）を形成する工程と、（ｃ）第２磁性体膜（５３）上にマスク層（５４）を形成する工程と、（ｄ）マスク層（５４）をパターニングすることによりマスクを形成する工程と、（ｅ）マスクを用いて第２磁性体膜（５３）及び第１非磁性体膜（５２）をエッチングする工程と、（ｆ）全面に第３磁性体膜（５５）を形成する工程と、（ｇ）第３磁性体膜（５５）をエッチバックする工程とを含む。

上記マスクは、第１側面（ＸＺ）と、第１側面（ＸＺ）と交差する第２側面（ＹＺ）を有する。この場合、上記（ｄ）工程において、マスクは、第１側面（ＸＺ）の傾斜と第２側面（ＹＺ）の傾斜が異なるように形成される。具体的には、上記（ｄ）工程は、（ｄ１）第１方向（Ｙ）に平行な第１レジストマスクを用いてマスク層（５４）をパターニングすることにより、マスクの第１側面（ＹＺ）を形成する工程と、（ｄ２）第１方向（Ｙ）に交差する第２レジストマスクを用いてマスク層（５４）をパターニングすることにより、マスクの第２側面（ＹＺ）を形成する工程とを含む。第１側面（ＸＺ）の傾斜と第２側面（ＹＺ）の傾斜は異なる。このようにして、上記筒状磁性体（１１）を含む磁気メモリセル（１）を容易に形成することができる。

上記（Ｃ）工程は、（ｘ）バリア層（７５）上に磁性体層（７６）を形成する工程と、（ｙ）磁性体層（７６）上に非磁性体層（７７）を形成する工程と、（ｚ）非磁性体層（７７）上に上記第１磁性体膜（５１）を形成する工程とを更に含んでもよい。

本発明に係る磁気メモリセルの磁気記録層は、非磁性体を介して磁気的に結合した複数の磁性体を有する。その複数の磁性体のうち少なくとも１つは筒形状を有しており、その筒状磁性体の磁気異方性は、平面形状ではなく３次元形状によって決定される。従って、筒状磁性体の平面形状が正方形に近づいたとしても、筒の周に沿って磁化容易軸が形成されるので、充分な磁気異方性と擾乱耐性を得ることが可能となる。言い換えれば、本発明によれば、充分な磁気異方性と擾乱耐性を保ったまま、磁気抵抗素子の縦横比を小さくし、セル面積を縮小することが可能となる。すなわち、ＭＲＡＭの大容量化と信頼性の向上の両立が実現される。

添付図面を参照して、本発明に係るＭＲＡＭの磁気メモリセル、及びその製造方法を説明する。

１．構造と原理
１−１．第１の実施の形態
図６は、第１の実施の形態に係る磁気メモリセル（ＴＭＲ素子）１の構造を示す全体図である。反強磁性体層２上にピン層３が形成されており、ピン層３上には、バリア層４を介して磁気記録層１０が形成されている。ピン層３は磁性体を含んでおり、その自発磁化の向きは、反強磁性体層２によって所定の方向に固定されている。一方、磁気記録層１０は、フリー層の役割を果たし、その自発磁化の向きは、外部磁場によって反転可能である。バリア層４は、薄いトンネル絶縁膜であり、ピン層３と磁気記録層１０に挟まれている。これらピン層３、バリア層４、及び磁気記録層１０によって、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。

磁気記録層１０は、非磁性体を介して磁気的に結合した複数の磁性体を有する。本実施の形態によれば、その複数の磁性体のうち少なくとも１つは“筒形状”を有している。例えば図６において、磁気記録層１０は、非磁性体層１３を介して磁気的に結合した筒状磁性体１１と磁性体層１４を有している。具体的には、磁性体層１４がバリア層４上に形成されており、非磁性体層１３が磁性体層１４上に形成されており、筒状磁性体１１が非磁性体層１３上に形成されている。

ここで、以下の説明を容易にするため、ＸＹＺ座標系が導入される。図６において、Ｘ方向は、筒状磁性体１１の筒形状の軸の方向として定義される。また、Ｚ方向は、膜が積層される方向として定義される。Ｘ方向とＺ方向は、直交している。Ｙ方向は、Ｘ，Ｚ方向と右手系をなすように定義される。磁気メモリセル１が搭載される面は、ＸＹ面である。

本実施の形態において、磁性体層１４は、Ｘ軸と平行な“平面状”の構造を有している。一方、筒状磁性体１１は、Ｘ方向に沿ったＸ軸の周りを取り囲む“筒状”の構造を有している。また、筒状磁性体１１の空洞部には、内部非磁性体１２が挿入されていてもよい。言い換えれば、筒状磁性体１１は、Ｘ軸に沿った内部非磁性体１２の外周面上に形成されていてもよい。図６においては、内部非磁性体１２は、ＹＺ面において筒状磁性体１１の外部に露出している。

また、筒状磁性体１１を、底部１１ａ、上部１１ｂ、及び側部１１ｃに区分けすることが可能である。底部１１ａは、非磁性体層１３に接触している部分であり、非磁性体層１３を介して磁性体層１４上に形成されている。つまり、この底部１１ａは、ＸＹ面に平行であり、磁性体層１４と平行に形成されている。上部１１ｂは、底部１１ａと対向する部分であり、ＸＹ面に平行である。側部１１ｃは、底部１１ａと上部１１ｂをつなぐ部分であり、ＸＺ面に平行である。これら底部１１ａ、上部１１ｂ、及び側部１１ｃによって、筒状磁性体１１の筒形状が形成されている。

筒状磁性体１１と磁性体層１４は、非磁性体層１３を介して磁気的にカップリングしている。より具体的には、筒状磁性体１１の底部１１ａが、磁性体層１４と最も強くカップリングしている。例えば、底部１１ａと磁性体層１４は、非磁性体層１３を介して反強磁性的にカップリングしており、磁性体層１４の磁化の向きは、底部１１ａの磁化の向きの逆になる。筒状磁性体１１と磁性体層１４を磁気的にカップリングさせることによって、フリー層としての磁気記録層１０の特性が向上する。

このような磁気メモリセル１の膜構成の一例が、図７に示されている。図７において、反強磁性体層２は、ＰｔＭｎ膜である。ピン層３は、下部磁性体膜としての下部ＣｏＦｅ膜、上部磁性体膜としての上部ＣｏＦｅ膜、及びそれらＣｏＦｅ膜に挟まれた非磁性体膜としてのＲｕ膜から構成されている。下部ＣｏＦｅ膜はＰｔＭｎ膜と接しており、その磁化方向は、反強磁性結合によって一方向に固定されている。上部ＣｏＦｅ膜と下部ＣｏＦｅ膜も反強磁性的に結合しており、上部ＣｏＦｅ膜の磁化方向は、下部ＣｏＦｅ膜の磁化方向の逆に固定される。以下の説明において、ピン層３の磁化の向きとは、バリア層４と接する上部ＣｏＦｅ膜の磁化の向きを意味する。バリア層４は、ＡｌＯ膜である。磁気記録層１０の磁性体層１４は、ＣｏＦｅＢ膜である。非磁性体層１３は、Ｒｕ膜である。筒状磁性体１１は、ＮｉＦｅから形成されている。また、内部非磁性体１２は、Ｒｕから形成されている。

以上に示された磁気メモリセル１において、筒状磁性体１１は、平面形状ではなく筒形状を有しているため、その磁気異方性（形状異方性）は、３次元形状によって決定されることになる。既出の図６を参照して、筒状磁性体１１のＸ，Ｙ，Ｚ方向に沿った長さを、それぞれＬｘ，Ｌｙ，Ｌｚとする。この場合、筒状磁性体１１の形状異方性は、Ｌｘ，Ｌｙだけでなく、Ｌｚにも依存することになる。筒状磁性体１１の長さの１つとして、筒の周に沿った長さも考慮しなければならない。その筒の周に沿った長さは、大雑把に言えば、２Ｌｙ＋２Ｌｚで与えられる。形状異方性に関連する「長さ比」は、（２Ｌｙ＋２Ｌｚ）／Ｌｘで与えられる。

例えば、磁気記録層１０（筒状磁性体１１）のＸＹ面における形状が「正方形」であるとする（Ｌｘ＝Ｌｙ、Ｌｙ／Ｌｘ＝１）。その場合であっても、筒の周に沿った周長（２Ｌｙ＋２Ｌｚ）が長いため、充分な形状異方性が得られる。例えばＬｚ＝Ｌｘの場合、長さ比は４となり、大きな形状異方性が得られる。また、Ｌｚ＝０．５Ｌｘの場合でも、長さ比は３となり充分である。極端な場合として、Ｌｚ＝０の場合であっても、長さ比は２となる。つまり、筒状磁性体１１によって、少なくとも２より大きい長さ比が実現される。

このように、磁気記録層１のＸＹ面における縦横比（Ｌｘ：Ｌｙ）を大きくしなくても、充分な形状異方性が得られる。言い換えれば、充分な形状異方性を保ったまま、磁気記録層１０の縦横比を小さくすることが可能となる。従って、磁気メモリセル１の面積を縮小することが可能となる。セル面積の観点からは、ＸＹ面における形状が正方形（Ｌｘ：Ｌｙ＝１：１）の場合が最も好適である。

図８は、本実施の形態に係る磁気メモリセル１の磁化状態を示している。上述の形状異方性により、筒状磁性体１１の磁化容易軸は、筒の周に沿うと考えられる。つまり、安定状態において、筒状磁性体１１の磁化は、Ｘ軸の周りを一方向に回るように分布する。そのような筒状磁性体１１の磁化は、以下「回転磁化」と参照される。図８に示されるように、筒状磁性体１１の回転磁化の向きは、全体として時計周りあるいは反時計周りになることが許される。

第１の磁化状態（０−Ｓｔａｔｅ）は、時計回りの回転磁化分布に対応している。この場合、筒状磁性体１１の底部１１ａの磁化の向きは、−Ｙ方向である。上部１１ｂの磁化の向きは、＋Ｙ方向である。側部１１ｃの磁化の向きは、±Ｚ方向である。このように、回転磁化は、筒状磁性体１１中で、Ｘ軸の周りを一回転するように分布しており、閉磁路を形成している。閉磁路が形成されるため、磁性体端部から発生する漏れ磁場が低減されている。また、磁性体層１４は、筒状磁性体１１の底部１１ａと磁気的にカップリングしており、その磁化の向きは、底部１１ａの磁化状態に従って変化する。例えば、磁性体層１４は、底部１１ａと反強磁性的に結合しており、その磁化の向きは、底部１１ａの磁化の向きと逆（＋Ｙ方向）になる。また、ピン層３の磁化の向きは、＋Ｙ方向に固定されているとする。よって、第１の磁化状態において、ピン層３の磁化の向きと磁性体層１４の磁化の向きは“平行”である。この場合の磁気メモリセル１（ＴＭＲ素子）の抵抗値は“Ｒ”である。

一方、第２の磁化状態（１−Ｓｔａｔｅ）は、反時計回りの回転磁化分布に対応している。この場合、筒状磁性体１１の底部１１ａの磁化の向きは、＋Ｙ方向である。上部１１ｂの磁化の向きは、−Ｙ方向である。側部１１ｃの磁化の向きは、±Ｚ方向である。このように、回転磁化は、筒状磁性体１１中で、Ｘ軸の周りを一回転するように分布しており、閉磁路を形成している。閉磁路が形成されるため、磁性体端部から発生する漏れ磁場が低減されている。また、磁性体層１４の磁化の向きは、底部１１ａの磁化の向きと逆（−Ｙ方向）になる。よって、第２の磁化状態において、ピン層３の磁化の向きと磁性体層１４の磁化の向きは“反平行”である。この場合の磁気メモリセル１（ＴＭＲ素子）の抵抗値は、磁気抵抗効果によって、第１の磁化状態における抵抗値よりも大きな値“Ｒ＋ΔＲ”となる。

このように、第１の磁化状態と第２の磁化状態とでは、磁気記録層１０の磁化状態は反対になる。磁性体層１４は、磁気記録層１０と磁気的に結合しており、その磁化状態も反対になる。そして、第２の磁化状態におけるＴＭＲ素子の抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、第１の磁化状態における抵抗値（Ｒ）よりも大きくなる。磁気メモリセル１は、この抵抗値の差異を利用することによって、データ「０」及び「１」を記憶する。例えば、第１の磁化状態がデータ「０」に対応づけられ、第２の磁化状態がデータ「１」に対応づけられる。

磁気メモリセル１に対するデータの書き込みは、筒状磁性体１１の磁化状態、すなわち、回転磁化の向きを変えることによって行われる。筒状磁性体１１の回転磁化の向きは、外部磁場を印加することによって反転可能である。

書き込み動作時、磁気メモリセル１の上下に配置された書き込みワード線及び書き込みビット線に、所定の書き込み電流が流される。これにより、磁気記録層１０には、ＸＹ面上の成分を主成分とする合成外部磁場が印加される。この時、磁性体層１４と筒状磁性体１１の底部１１ａ及び上部１１ｂの磁化は、ほぼ合成外部磁場の方向を向く。また、側部１１ｃは、底部１１ａの磁化の影響に加えて、磁性体層１４及び底部１１ａの端部から出る端部磁場（漏れ磁場）の影響を受ける。それら底部１１ａの磁化及び端部磁場の影響によって、側部１１ｃの磁化は、底部１１ａの磁化の向きに沿った回転磁化が形成される向きに分布するようになる。従って、合成外部磁場の印加が停止すると、筒状磁性体１１中には、結局前述の底部１１ａの磁化方向に沿った回転磁化が形成されることになる。ここで、筒状磁性体１１は大きな形状異方性を有しており、その磁化状態は安定する。その安定した筒状磁性体１１の磁化方向によって、磁性体層１４の最終的な磁化方向が決定される。具体的には、磁性体層１４の磁化方向は、筒状磁性体１１の底部１１ａの磁化方向と逆向きに安定する。最終的に安定する磁化状態が異なるように書き込み電流の方向を設定することによって、データ「０」あるいは「１」の書き込みが可能となる。尚、ピン層３側から電子を注入することと磁気記録層１０側から電子を注入することで磁気記録層１０の磁化方向を制御するスピン注入（spin transfer）方式を書き込みに利用することも可能である。

磁気メモリセル１に記録されたデータの読み出しに関しては、その磁気メモリセル１（ＴＭＲ素子）の抵抗値が検出されればよい。反強磁性体層２及び磁気記録層１０は、それぞれ図示されない下部電極及び上部電極に接続されており、読み出し動作時、それら下部電極及び上部電極間に所定の読み出し電流が流される。その読み出し電流の大きさ、あるいは、下部電極と上部電極間の電圧を測定することによって、ＴＭＲ素子の抵抗値を検出することが可能である。

尚、筒状磁性体１１が各面とも同じ厚さで構成された場合、外部磁場を印加して磁化状態を変化させようとしても、向かいあう面同士の磁化が同じ方向を向いてしまうため、磁化状態を変えることが困難である。このため、厚さを異ならせると筒状磁性体１１の面端部から漏れ磁場が発生してしまい、周囲の記憶素子の特性を変化させてしまう。本発明の構造に依れば、磁性体層１４の端部磁場によりこの漏れ磁場を相殺し、小さくすることができ、周囲の記憶素子に漏れ磁場が影響することを防ぐことができる。

以上に説明されたように、本実施の形態に係る磁気メモリセル１において、フリー層としての磁気記録層１０は筒状磁性体１１を有している。従って、磁気メモリセル１の平面形状が正方形に近づいたとしても、筒の周に沿って磁化容易軸が形成されるので、充分な磁気異方性と擾乱耐性を得ることが可能となる。従来のＭＲＡＭにおいては、フリー層の磁気異方性は、縦横比（Ｌｙ／Ｌｘ）に依存していた。充分な形状異方性を得るためには、その縦横比としては「３」程度が必要であった。縦横比が大きくなることは、セル面積の縮小を困難にしていた。しかしながら、本実施の形態によれば、充分な磁気異方性と擾乱耐性を保ったまま、磁気記録層１０の縦横比を小さくし、セル面積を縮小することが可能となる。すなわち、ＭＲＡＭの大容量化と信頼性の向上の両立が実現される。

セル面積の観点から言えば、ＸＹ面における磁気記録層１０の形状が正方形（Ｌｘ：Ｌｙ＝１：１）の場合が最も好適である。但し、その形状は、長方形であっても構わない。例えば、図９Ａに示されるように、Ｌｘ：Ｌｙ＝１：１．５であってもよい。この場合、高さＬｚがどれだけ小さくても、上述の“長さ比（２Ｌｙ＋２Ｌｚ）／Ｌｘ”は、３より大きくなる。つまり、充分な形状異方性が得られる。また、図９Ｂに示されるように、Ｌｘ：Ｌｙ＝１：０．８であってもよい。この場合、充分な形状異方性が得られるように、高さＬｚが適宜調整されればよい。いずれの場合においても、メモリセル面積は、従来のＭＲＡＭと比較して縮小されている。

１−２．第２の実施の形態
第１の実施の形態においては、内部非磁性体１２は筒状磁性体１１の外部に露出していたが、その露出部分が薄い磁性体膜で覆われていてもよい。図１０は、第２の実施の形態に係る磁気メモリセル１の構造を示す全体図である。本実施の形態においては、内部非磁性体１２は筒状磁性体１１で完全に覆われている。

図１１には、図１０中の線Ａ−Ａ´に沿った断面（ＹＺ面）及び線Ｂ−Ｂ´に沿った断面（ＸＺ面）が示されている。本実施の形態においては、筒状磁性体１１は、ＹＺ断面に現れる側部１１ｃに加えて、ＸＺ面断面に現れる側部１１ｄを有している。側部１１ｃはＹ軸と交差しており、側部１１ｄはＸ軸と交差している。図１１に示されるように、側部１１ｄは薄く、Ｘ方向に沿った側部１１ｄの厚さは、少なくともＹ方向に沿った側部１１ｃの厚さより小さい。薄い磁性体膜である側部１１ｄの影響は小さいため、筒状磁性体１１全体の磁気特性は、厚い磁性体である底部１１ａ、上部１１ｂ、及び側部１１ｃでほぼ決定される。従って、本実施の形態に係る筒状磁性体１１の磁化状態は、第１の実施の形態に係る筒状磁性体１１の磁化状態と同様である。これにより、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

１−３．第３の実施の形態
既出の実施の形態においては、筒状磁性体１１は完全な筒状構造を有していたが、製造プロセスの都合上、筒状磁性体１１の筒状構造の一部が不連続になっていてもよい。図１２Ａ〜図１２Ｃは、第３の実施の形態に係る磁気記録層１０の構造を示す側面図である。図１２Ａ〜図１２Ｃに示されるように、ＹＺ面において内部非磁性体１２の周囲のほとんどが筒状磁性体１１で覆われているが、一部は覆われていない。本実施の形態に係る筒状磁性体１１は、第１部分１１Ａと第２部分１１Ｂに分離されている。第１部分１１Ａと第２部分１１Ｂは磁気的にカップリングしている。

この場合においても、筒状磁性体１１の磁化は、Ｘ軸の周りを一方向に回るように分布している。つまり、筒状磁性体１１中には「回転磁化」が形成されている。本実施の形態のように、完全な筒状構造から一部の構造が抜けている磁性体も、筒状磁性体１１とみなされる。その磁性体が充分な磁気異方性を有しており、且つ、その磁性体中に環状の回転磁化が形成されていればよい。これにより、既出の実施の形態と同様の効果が得られる。

１−４．第４の実施の形態
既出の実施の形態において、バリア層４に接触する磁性体１４は、平面状の構造を有していたが、バリア層４に接触する磁性体も筒状の構造を有していてもよい。図１３は、第４の実施の形態に係る磁気メモリセル１の構造を示す全体図である。本実施の形態において、磁気記録層１０は、第１内部非磁性体２２の外周面上に形成された第１筒状磁性体２１と、第２内部非磁性体２５の外周面上に形成された第２筒状磁性体２４を有している。第１筒状磁性体２１と第２筒状磁性体２４の間には非磁性体層２３が挟まれており、それら第１筒状磁性体２１と第２筒状磁性体２４は、非磁性体層２３を介して磁気的にカップリングしている。

第１筒状磁性体２１及び第１内部非磁性体２２のそれぞれは、既出の実施の形態における筒状磁性体１１及び内部非磁性体１２と同様である。つまり、第１筒状磁性体２１は、Ｘ軸の周りを取り囲む筒状の構造を有している。また、第１内部非磁性体２２は、Ｘ方向に沿って形成されており、第１筒状磁性体２１の空洞部に挿入されている。

また、第２筒状磁性体２４及び第２内部非磁性体２５のそれぞれは、第１筒状磁性体２１及び第１内部非磁性体２２と同様の構造を有している。つまり、第２筒状磁性体２４は、Ｘ軸の周りを取り囲む筒状の構造を有している。また、第２内部非磁性体２５は、Ｘ方向に沿って形成されており、第２筒状磁性体２４の空洞部に挿入されている。第２筒状磁性体２４は、バリア層４上に形成されている。

図１４は、本実施の形態に係る磁気メモリセル１の磁化状態を示している。第１筒状磁性体２１は、底部２１ａ、上部２１ｂ、及び側部２１ｃを有している。第２筒状磁性体２２は、底部２４ａ、上部２４ｂ、及び側部２４ｃを有している。非磁性体層２３は、底部２１ａと上部２４ｂに挟まれている。また、バリア層４は、底部２４ａとピン層３に挟まれている。第１筒状磁性体２１及び第２筒状磁性体２４のそれぞれは、Ｘ軸の周りを一方向に回るように分布する回転磁化を有している。ここで、第１筒状磁性体２１の底部２１ａと第２筒状磁性体２４の上部２４ｂは、非磁性体層２３を介して反強磁性的に結合しており、底部２１ａの磁化の向きは、上部２４ｂの磁化の向きと反対である。

第１の磁化状態（データ「０」）において、第１筒状磁性体２１は、全体として反時計周りの回転磁化を有しており、底部２１ａの磁化の向きは＋Ｙ方向である。よって、第２筒状磁性体２４の上部２４ｂの磁化の向きは−Ｙ方向であり、第２筒状磁性体２４も、全体として反時計周りの回転磁化を有している。つまり、第１筒状磁性体２１の回転磁化の向きと、第２筒状磁性体２４の回転磁化の向きは同じである。第２筒状磁性体２４の底部２４ａの磁化の向きは＋Ｙ方向である。よって、第１の磁化状態において、ピン層３の磁化の向きと底部２４ａの磁化の向きは“平行”である。この場合の磁気メモリセル１（ＴＭＲ素子）の抵抗値は“Ｒ”である。

第２の磁化状態（データ「１」）において、第１筒状磁性体２１は、全体として時計周りの回転磁化を有しており、底部２１ａの磁化の向きは−Ｙ方向である。よって、第２筒状磁性体２４の上部２４ｂの磁化の向きは＋Ｙ方向であり、第２筒状磁性体２４も、全体として時計周りの回転磁化を有している。つまり、第１筒状磁性体２１の回転磁化の向きと、第２筒状磁性体２４の回転磁化の向きは同じである。第２筒状磁性体２４の底部２４ａの磁化の向きは−Ｙ方向である。よって、第２の磁化状態において、ピン層３の磁化の向きと底部２４ａの磁化の向きは“反平行”である。この場合の磁気メモリセル１（ＴＭＲ素子）の抵抗値は“Ｒ＋ΔＲ”である。本実施の形態によっても、既出の実施の形態と同様の効果が得られる。

２．製造方法
次に、上述の磁気メモリセル１の製造方法について説明する。まず、筒状磁性体１１の製造方法だけを取り出して説明する。図１５Ａ〜図１５Ｆは、筒状磁性体１１の製造プロセスの一例を示している。図１５Ａ〜図１５Ｆには、上面図（ＸＹ面）及び側面図（ＸＺ面、ＹＺ面）が示されている。

まず、図１５Ａに示されるように、第１磁性体膜としてのＮｉＦｅ膜５１上に、非磁性体膜としてのＲｕ膜５２が形成される。更に、Ｒｕ膜５２上に、第２磁性体膜としてのＮｉＦｅ膜５３が形成され、そのＮｉＦｅ膜５３上に、マスク層としてのＴａ膜５４が形成される。

次に、図１５Ｂに示されるように、フォトリソグラフィ及びＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を通して、Ｔａ膜５４のパターニングが行われる。ここでは、Ｙ方向に沿って平行な複数のレジストマスクが形成され、そのレジストマスクを用いることによってパターニングが行われる。その結果、Ｔａ膜５４は、Ｙ方向に沿って平行なパターンを有することになる。また、このパターニングによって、Ｔａ膜５４の「ＹＺ側面」が形成される。ここで、図１５Ｂの側面図に示されるように、形成されるＴａ膜５４のＹＺ側面の傾斜が８０度程度になるようにパターニングが行われる。尚、Ｙ方向は、後述されるワード線の延在方向に対応しており、本工程において、レジストマスクは、複数の磁気メモリセルを含む線状に加工されている。

レジストマスクが除去された後、図１５Ｃに示されるように、フォトリソグラフィ及びＲＩＥを通して、再度Ｔａ膜５４のパターニングが行われる。ここでは、Ｘ方向に沿って平行な複数のレジストマスクが形成され、そのレジストマスクを用いることによってパターニングが行われる。その結果、Ｔａ膜５４は、アレイ状のパターンを有することになる。また、このパターニングによって、Ｔａ膜５４の「ＸＺ側面」が形成される。ここで、図１５Ｃの側面図に示されるように、形成されるＴａ膜５４のＸＺ側面の傾斜がほぼ９０度になるようにパターニングが行われる。尚、Ｘ方向は、後述されるビット線の延在方向に対応しており、本工程において、レジストマスクは、複数の磁気メモリセルを含む線状に加工されている。

このように、Ｔａ膜５４をパターニングすることによって、アレイ状に配置された複数のマスクパターン５４が形成される。レジストマスクは、出来上がりのマスクパターン５４が所望の磁気メモリセル１の形状に応じた形（正方形又は長方形）を有するように形成されればよい。また、Ｔａ膜５４の加工時の条件は、下層のＮｉＦｅ膜５３が加工されにくい条件に設定されればよい。あるいは、Ｔａ膜５４とＮｉＦｅ膜５３との間にＲｕ膜などが挿入され、それがエッチングストッパーとして利用されても良い。この工程によって形成されるマスクパターン５４は、ＹＺ側面とＸＺ側面を有している。加工条件を異ならせることによって、マスクパターン５４のＹＺ側面の傾斜とＸＺ側面の傾斜を異ならせることができる。上記例においては、ＹＺ側面の傾斜がＸＺ側面の傾斜より小さくなるようにマスクパターン５４が形成されている。

次に、図１５Ｄに示されるように、上記マスクパターン５４を用いることによって、ＮｉＦｅ膜５３及びＲｕ膜５２がエッチングされる。例えば、イオンミリングとＲＩＥの組み合わせによりエッチングが行われる。ここで、マスクパターン５４のＹＺ側面が斜めになっているので、エッチングされたＮｉＦｅ膜５３及びＲｕ膜５２のＹＺ側面も斜めになる。

次に、図１５Ｅに示されるように、全面に第３磁性体膜としてのＮｉＦｅ膜５５が堆積される。

次に、ＮｉＦｅ膜５５の全面がエッチバックされ、図１５Ｆに示される構造が得られる。具体的には、ＹＺ断面に示されるように、Ｔａ膜５４、ＮｉＦｅ膜５３、及びＲｕ膜５２のＸＺ側面には、ＮｉＦｅ膜５５からなるサイドウォールが形成されている。一方、ＸＺ断面に示されるように、ＹＺ側面にはサイドウォールは形成されない、あるいはほとんど形成されない。これは、傾斜が急な側面には厚いサイドウォールが残りやすいが、傾斜が緩やかな側面にはサイドウォールが残りにくいという性質のためである。これにより、Ｒｕ膜５２がＮｉＦｅ膜５１、５３、５５で囲まれた構造、すなわち、内部非磁性体１２が筒状磁性体１１で囲まれた構造が得られる。たとえＹＺ側面に薄いＮｉＦｅ膜５５が残ったとしても、その薄いＮｉＦｅ膜５５は、筒状磁性体１１にほとんど影響を与えない（第２の実施の形態、図１０、図１１参照）。

このようにして製造された筒状磁性体１１は、次のような特徴を有している。すなわち、筒状磁性体１１は、ＸＺ側面とＹＺ側面を有しており、ＸＺ側面の傾斜とＹＺ側面の傾斜は異なっている。具体的には、ＹＺ側面の傾斜は、ＸＺ側面の傾斜より小さい。

次に、上記筒状磁性体１１を含むＭＲＡＭの全体的な製造方法を概略的に述べる。図１６は、本発明に係るＭＲＡＭのＹＺ断面の一例を示している。図１６に示される構造は、例えば次のようなプロセスにより形成される。

まず、シリコン基板にトランジスタや配線等の半導体集積回路が形成される。次に、層間絶縁膜や、上記配線との接続のためタングステンプラグが形成される。全面にＳｉＯ_２膜６０（４００ｎｍ）が形成された後、フォトリソグラフィと反応性ガスを用いたＲＩＥによって、ワード線が形成される領域のＳｉＯ_２膜６０が除去され、溝部が形成される。続いて、スパッタリング法によって、全面にＴａ膜６１（１０ｎｍ）、ＮｉＦｅ膜６２（２０ｎｍ）、Ｔａ膜６３（１０ｎｍ）、及びＣｕ膜６５（５０ｎｍ）が順次成膜される。全面を化学的研磨（ＣＭＰ）処理することにより、先に形成された溝部分にワード線６５が形成される。ワード線６５は、Ｙ方向に延びるように形成されている。

次に、全面にＮｉＦｅ膜等のシード層７０（１ｎｍ）、及び反強磁性体層２としてのＰｔＭｎ膜７１（１０〜２０ｎｍ）が形成される。続いて、ＰｔＭｎ膜７１上に、ＣｏＦｅ膜７２（０．５〜５ｎｍ）、Ｒｕ膜７３（０．５〜２ｎｍ）、及びＣｏＦｅ膜７４（０．５〜５ｎｍ）がピン層３として形成される。続いて、Ａｌ膜（０．３〜１ｎｍ）が成膜された後、酸化処理を行うことによってバリア層４としてのＡｌＯ膜７５が形成される。

次に、ＡｌＯ膜７５上に、本発明に係る磁気記録層１０が形成される。具体的には、ＡｌＯ膜７５上に、磁性体層１４としてのＣｏＦｅＢ膜７６（０．５〜６ｎｍ）が形成され、続いて、ＣｏＦｅＢ膜７６上に非磁性体層１３としてのＲｕ膜７７（０．５〜５ｎｍ）が形成される。その後、Ｒｕ膜７７の上に、図１５Ａ〜図１５Ｆに示された方法で筒状磁性体１１が形成される。例えば、ＮｉＦｅ膜５１（０．５〜６ｎｍ）、Ｒｕ膜５２（０．５〜１００ｎｍ）、ＮｉＦｅ膜５３（０．５〜６ｎｍ）、及びＴａ膜５４（１００ｎｍ）が順次積層されればよい。尚、図１６においては、筒状磁性体１１の構造は連続ではなく、Ｔａ膜５６が一部にはさまっている。そのためには、エッチバック工程の前に、Ｔａ膜５６とＮｉＦｅ膜５５が全面に形成されればよい。筒状磁性体１１が形成された後、ＰｔＭｎ膜まで所定のエッチング処理が施され、本発明に係る磁気メモリセル１が完成する。

次に、全面にＳｉＮ膜８０（３０ｎｍ）が形成された後、ＳｉＯ_２膜８１（１５０ｎｍ）及びＳｉＮ膜８２（２００ｎｍ）が順番に成膜される。続いて、磁気メモリセル上のＳｉＯ_２膜８１が露出するまでＣＭＰが行われた後、残ったＳｉＮ膜８２をマスクとしてＳｉＯ２膜８１をエッチングすることにより、磁気メモリセル上にビアが形成される。続いて、全面にＴａ膜８３（２０ｎｍ）及びＣｕ膜８４（２００ｎｍ）が成膜される。全面をＣＭＰ加工することによって、上記ビアにプラグが形成される。

次に、全面にＳｉＯ_２膜９０（４００ｎｍ）が成膜された後、フォトリソグラフィとＲＩＥによって、ビット線が形成される領域のＳｉＯ_２膜９０を除去され、溝部が形成される。全面にＴａ９１膜（１０ｎｍ）及びＮｉＦｅ膜９２（２０ｎｍ）が形成された後、エッチバックが行われ、溝側面にサイドウォールが形成される。続いて、全面にＴａ膜９３（１０ｎｍ）が成膜された後、Ｃｕ膜９５（５００ｎｍ）が陽極酸化法により形成される。全面をＣＭＰ加工することにより、先に形成された溝部分にビット線９５が形成される。ビット線９５は、Ｘ方向に延びるように形成されている。更に、Ｔａ膜９６（５ｎｍ）、ＮｉＦｅ膜９７（２０ｎｍ）、及びＴａ膜９８（２０ｎｍ）が順次成膜された後、フォトリソグラフィとＲＩＥにより配線上に残される。

３．回路構成と動作
上述の磁気メモリセル１に対するデータの読み書きを実行する周辺回路は、当業者によって適宜設計され得る。図１７には、周辺回路を含むＭＲＡＭの１つの回路構成例が示されている。図１７において、ＭＲＡＭは、Ｙ方向に延在する複数のワード線Ｗ１〜Ｗ３と、Ｘ方向に延在する複数のビット線Ｂ１〜Ｂ３を備えている。複数のワード線Ｗ１〜Ｗ３と複数のビット線Ｂ１〜Ｂ３は複数の交点で交差しており、その複数の交点のそれぞれに複数の磁気メモリセル１がアレイ状に配置されている。磁気メモリセル１の上部電極と下部電極のそれぞれは、いずれかのビット線といずれかのワード線に電気的に接続されている。各磁気メモリセル１に対して選択トランジスタが配置されていてもよい。

ワード線Ｗ１〜Ｗ３の一端はワード線デコーダ３１に接続され、他端はワード線終端回路３２に接続されている。また、ビット線Ｂ１〜Ｂ４の一端はビット線デコーダ３３に接続され、他端はビット線終端回路３４に接続されている。また、ＭＲＡＭは、ワード線デコーダ３１に接続されたワード線書き込み電流源３５、ビット線デコーダ３３に接続されたビット線書き込み電流源３６及び読み出し電流源３７、読み出し電流源３７の出力電位とリファレンス電位Ｖｒｅｆが入力されるデータ判別器３８、及びこれら回路の動作を制御する制御回路４０を備えている。

磁気メモリセル１にデータ“０”を書き込む場合の動作は、次の通りである。制御回路４０は、ワード線デコーダ３１とワード線終端回路３２に書き込みアドレス情報を与える。ワード線デコーダ３１は、書き込み対象セルにつながるワード線とワード線書き込み電流源３５とを接続する。その他のワード線は接地される。ワード線終端回路３２は、すべてのワード線を接地する。更に、制御回路４０はワード線書き込み電流源３５に指示を出し、ワード線書き込み電流源３５は、選択されたワード線に所望の書き込み電流、たとえば８ｍＡの書き込み電流を流す。

また、制御回路４０は、ビット線デコーダ３３とビット線終端回路３４に書き込みアドレス情報を与える。ビット線デコーダ３３は、書き込み対象セルにつながるビット線とビット線書き込み電流源３６とを接続する。その他のビット線は接地される。ビット線終端回路３４は、書き込み対象セルにつながるビット線に正電位、たとえば０．５Ｖを印加し、その他のビット線を接地する。更に、制御回路４０はビット線書き込み電流源３６に指示を出し、ビット線書き込み電流源３６は、選択されたビット線に所望の書き込み電流、たとえば「８ｍＡ」の書き込み電流を流す。

これら書き込み電流により発生する合成磁場が、磁気メモリセル１に印加される。所定の時間が経過した後、制御回路４０は書き込み電流の停止を指示する。また、ワード線デコーダ３１とビット線デコーダ３３とビット線終端回路３４は、全てのワード線とビット線を接地する。その結果、上述の通り、筒状磁性体１１の下部１１ａの磁化方向に沿って、筒状磁性体１１全体の磁化方向が安定し、“０−Ｓｔａｔｅ”に対応する回転磁化が形成される（図８参照）。

磁気メモリセル１にデータ“１”を書き込む場合の動作は、次の通りである。制御回路４０は、ワード線デコーダ３１とワード線終端回路３２に書き込みアドレス情報を与える。ワード線デコーダ３１は、書き込み対象セルにつながるワード線とワード線書き込み電流源３５とを接続する。その他のワード線は接地される。ワード線終端回路３２は、すべてのワード線を接地する。更に、制御回路４０はワード線書き込み電流源３５に指示を出し、ワード線書き込み電流源３５は、選択されたワード線に所望の書き込み電流、たとえば８ｍＡの書き込み電流を流す。

また、制御回路４０は、ビット線デコーダ３３とビット線終端回路３４に書き込みアドレス情報を与える。ビット線デコーダ３３は、書き込み対象セルにつながるビット線とビット線書き込み電流源３６とを接続する。その他のビット線は接地される。ビット線終端回路３４は、書き込み対象セルにつながるビット線に正電位、たとえば０．５Ｖを印加し、その他のビット線を接地する。更に、制御回路４０はビット線書き込み電流源３６に指示を出し、ビット線書き込み電流源３６は、選択されたビット線に所望の書き込み電流、たとえば「−８ｍＡ」の書き込み電流を流す。

これら書き込み電流により発生する合成磁場が、磁気メモリセル１に印加される。所定の時間が経過した後、制御回路４０は書き込み電流の停止を指示する。また、ワード線デコーダ３１とビット線デコーダ３３とビット線終端回路３４は、全てのワード線とビット線を接地する。その結果、上述の通り、筒状磁性体１１の下部１１ａの磁化方向に沿って、筒状磁性体１１全体の磁化方向が安定し、“１−Ｓｔａｔｅ”に対応する回転磁化が形成される（図８参照）。

図１８は、磁気記録層１０において磁化反転が発生する条件に関して行われたシミュレーションの結果を示している。図中において、“Ｈｅａｓｙ”はＹ方向に沿った外部磁場を示し、“Ｈｈａｒｄ”はＸ方向に沿った外部磁場を示す。計算においては、磁気記録層１０のＸＹ面形状は正方形に設定され、長さＬｘ，Ｌｙ（図６参照）はともに０．１μｍに設定された。また、磁性体層１４、ＮｉＦｅ膜５１、Ｒｕ膜５２、ＮｉＦｅ膜５３のそれぞれの膜厚は、１．３ｎｍ、３．８ｎｍ、１００ｎｍ、及び２．５ｎｍに設定された。磁性体膜は、全てＮｉＦｅとして計算が行われた。図１８において、点線は、筒状磁性体１１と磁性体層１４がパターン端部からの漏れ磁場のみでカップリングしている場合に対応している。一方、実線は、筒状磁性体１１と磁性体層１４が反強磁性結合している場合に対応している。非磁性体層１３（Ｒｕ膜７７）の膜厚が０．９ｎｍ程度の場合、強い反強磁性結合が得られ、その膜厚が２ｎｍ程度の場合、反強磁性結合が非常に小さくなることが知られている。いずれの場合においても、Ｙ方向に沿った外部磁場に対しては磁化反転が起こりにくく、優れた半選択耐性が得られていることが分かる。また、また、筒状磁性体１１と磁性体層１４が反強磁性結合している場合、Ｘ方向の外部磁場に対しても磁化反転が起こりにくく、半選択耐性が向上することが分かる。

磁気メモリセル１に記録されたデータの読み出しは、次のように行われる。制御回路４０は、ワード線デコーダ３１とワード線終端回路３２に読み出し対象セルのアドレス情報を与える。ワード線デコーダ３１は、読み出し対象セルにつながるワード線を接地し、その他のワード線をフローティング状態にする。ワード線終端回路３２は、すべてのワード線をフローティング状態にする。また、制御回路４０は、ビット線デコーダ３３とビット線終端回路３４にアドレス情報を与える。ビット線デコーダ３３は、読み出し対象セルにつながるビット線と読み出し電流源３７とを接続する。その他のビット線には、読み出し電流源３７の出力電位が１倍アンプ３９を介して印加される。ビット線終端回路３４は、すべてのビット線をフローティング状態にする。

更に、制御回路４０は読み出し電流源３７に指示を出し、読み出し電流源３７は、選択されたビット線に所定の読み出し電流、例えば１０μＡの読み出し電流を流す。選択されていないビット線とフローティング状態のワード線は、読み出し電流源３７と同電位であるため、読み出し電流源３７の出力電位は読み出し対象セルの抵抗値によって決まる。データ判別器３８は、読み出し電流源３７の出力電位とリファレンス電位Ｖｒｅｆを比較する。上述の通り、磁気メモリセル１は書き込まれたデータにより２つの抵抗値をもつため、その２つの抵抗値に対応する２つの出力電位の間にリファレンス電位Ｖｒｅｆが設定されていればよい。これにより、データ判別器３８は、読み出し対象セルに記録されたデータを判別することができる。所定の時間が経過した後、制御回路４０は読み出し電流の停止を指示する。また、ワード線デコーダ３１とビット線デコーダ３３とビット線終端回路３４は、全てのワード線とビット線を接地する。これにより読み出し動作が完了する。

４．まとめ
本発明に係る磁気メモリセル１の磁気記録層１０は、非磁性体を介して磁気的に結合した複数の磁性体を有する。その複数の磁性体のうち少なくとも１つは筒形状を有しており、その筒状磁性体１１の磁気異方性は、平面形状ではなく３次元形状によって決定される。従って、筒状磁性体１１の平面形状が正方形に近づいたとしても、筒の周に沿って磁化容易軸が形成されるので、充分な磁気異方性と擾乱耐性を得ることが可能となる。言い換えれば、本発明によれば、充分な磁気異方性と擾乱耐性を保ったまま、磁気抵抗素子１の縦横比を小さくし、セル面積を縮小することが可能となる。すなわち、ＭＲＡＭの大容量化と信頼性の向上の両立が実現される。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、実施の形態は当業者によって適宜変更され得ることは明らかである。

図１は、従来のＭＲＡＭの構成を示す平面図である。 図２は、従来の磁気抵抗素子の構造を示す模式図である。 図３は、従来のトグル書き込み方式のＭＲＡＭの磁気抵抗素子の構造を示す模式図である。 図４は、従来のトグル書き込み方式のＭＲＡＭの構成を示す平面図である。 図５Ａは、従来の磁気抵抗素子の書き込み特性を示すグラフである。 図５Ｂは、従来の磁気抵抗素子の書き込み特性を示すグラフである。 図６は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリセルを示す全体図である。 図７は、第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造例を示す断面図である。 図８は、第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの状態を示す概念図である。 図９Ａは、第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の一例を示す平面図である。 図９Ｂは、第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の他の例を示す平面図である。 図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリセルを示す全体図である。 図１１は、第２の実施の形態に係る磁気メモリセルの状態を示す概念図である。 図１２Ａは、本発明の第３の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の一例を示す模式図である。 図１２Ｂは、第３の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の他の例を示す模式図である。 図１２Ｃは、第３の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造の更に他の例を示す模式図である。 図１３は、本発明の第４の実施の形態に係る磁気メモリセルを示す全体図である。 図１４は、第４の実施の形態に係る磁気メモリセルの状態を示す概念図である。 図１５Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの磁気記録層の製造工程を示す図である。 図１５Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの磁気記録層の製造工程を示す図である。 図１５Ｃは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの磁気記録層の製造工程を示す図である。 図１５Ｄは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの磁気記録層の製造工程を示す図である。 図１５Ｅは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの磁気記録層の製造工程を示す図である。 図１５Ｆは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの磁気記録層の製造工程を示す図である。 図１６は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構造例を示す断面図である。 図１７は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの回路構成を示すブロック図である。 図１８は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの書き込み特性を示す図である。

符号の説明

１ 磁気メモリセル（ＴＭＲ素子）
２ 反強磁性体層
３ ピン層
４ バリア層
１０ 磁気記録層
１１ 筒状磁性体
１２ 内部非磁性体
１３ 非磁性体層
１４ 磁性体層
２１ 第１筒状磁性体
２２ 第１内部非磁性体
２３ 非磁性体層
２４ 第２筒状磁性体
２５ 第２内部非磁性体
３１ ワード線デコーダ
３２ ワード線終端回路
３３ ビット線デコーダ
３４ ビット線終端回路
３５ ワード線書き込み電流源
３６ ビット線書き込み電流源
３７ 読み出し電流源
３８ データ判別器
３９ アンプ
４０ 制御回路

Claims (28)

1. 磁化の向きが固定されたピン層と、
   磁化の向きが反転可能な磁気記録層と、
   前記ピン層と前記磁気記録層に挟まれたバリア層と
   を具備し、
   前記磁気記録層は、
   前記バリア層上に形成された磁性体と、
   非磁性体を介して前記磁性体と磁気的に結合した筒状磁性体と
   を有し、
   前記筒状磁性体は、第１方向に沿った第１軸の周りを一方向に回るように分布する回転磁化を有し、
   前記磁性体の磁化の向きは、前記回転磁化の向きによって変わる
   磁気メモリセル。
2. 請求項１に記載の磁気メモリセルであって、
   前記筒状磁性体は、前記第１軸の周りを取り囲む筒状の構造を有する
   磁気メモリセル。
3. 請求項２に記載の磁気メモリセルであって、
   前記回転磁化は、前記筒状磁性体中で前記第１軸の周りを一回転するように分布する
   磁気メモリセル。
4. 請求項２又は３に記載の磁気メモリセルであって、
   前記筒状磁性体は、
   前記非磁性体を介して前記磁性体上に形成された第１部分と、
   前記第１部分に対向して形成された第２部分と、
   前記第１部分と前記第２部分との間をつなぐ第３部分と
   を有する
   磁気メモリセル。
5. 請求項４に記載の磁気メモリセルであって、
   前記第１部分と前記磁性体は、互いに平行に形成された
   磁気メモリセル。
6. 請求項４又は５に記載の磁気メモリセルであって、
   前記磁性体と前記第１部分は反強磁性的に結合し、
   前記磁性体の磁化の向きは、前記第１部分の前記回転磁化の向きの逆である
   磁気メモリセル。
7. 請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
   前記筒状磁性体は、前記非磁性体を介して前記磁性体と反強磁性的に結合した結合領域を有し、
   前記磁性体の磁化の向きは、前記結合領域における前記回転磁化の向きの逆である
   磁気メモリセル。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
   前記筒状磁性体は、前記第１軸に沿う内部非磁性体の外周面上に形成された
   磁気メモリセル。
9. 請求項８に記載の磁気メモリセルであって、
   前記内部非磁性体は、前記筒状磁性体の外部に露出している
   磁気メモリセル。
10. 請求項８に記載の磁気メモリセルであって、
    前記内部非磁性体は、前記筒状磁性体で完全に覆われており、
    前記筒状磁性体は、
    前記第１軸に平行な第１側面と、
    前記第１軸と交差する第２側面と
    を有し、
    前記第２側面における前記筒状磁性体の厚さは、前記第１側面における前記筒状磁性体の厚さより小さい
    磁気メモリセル。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    前記筒状磁性体は、
    前記第１軸に平行な第１側面と、
    前記第１軸と交差する第２側面と
    を有し、
    前記第１側面の傾斜と前記第２側面の傾斜は異なる
    磁気メモリセル。
12. 請求項１１に記載の磁気メモリセルであって、
    前記第２側面の傾斜は、前記第１側面の傾斜より小さい
    磁気メモリセル。
13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁性体は、前記第１軸と平行な平面状の構造を有する
    磁気メモリセル。
14. 請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁性体は、前記第１方向に沿った第２軸の周りを取り囲む筒状の構造を有する
    磁気メモリセル。
15. 請求項１４に記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁性体は、前記第２軸の周りを一方向に回るように分布する第２回転磁化を有する
    磁気メモリセル。
16. 請求項１５に記載の磁気メモリセルであって、
    前記第２回転磁化の向きは、前記回転磁化の向きと同じである
    磁気メモリセル。
17. 請求項１乃至１６のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    前記回転磁化の向きは、外部磁場によって反転可能である
    磁気メモリセル。
18. 磁化の向きが固定されたピン層と、
    磁化の向きが反転可能な磁気記録層と、
    前記ピン層と前記磁気記録層に挟まれたバリア層と
    を具備し、
    前記磁気記録層は、
    前記バリア層上に形成された磁性体と、
    非磁性体を介して前記磁性体上に形成された筒状磁性体と
    を有し、
    前記筒状磁性体は、第１方向に沿った軸の周りを取り囲む筒状の構造を有する
    磁気メモリセル。
19. 請求項１８に記載の磁気メモリセルであって、
    前記磁性体は、前記軸と平行な平面状の構造を有する
    磁気メモリセル。
20. 請求項１乃至１９のいずれかに記載の磁気メモリセルであって、
    該磁気メモリセルが搭載される面に平行な面において、前記磁気記録層の形状は正方形である
    磁気メモリセル。
21. 請求項１乃至２０のいずれかに記載の磁気メモリセルを有する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
22. 請求項１乃至２０のいずれかに記載の磁気メモリセルと、
    第１電流が流れるワード線と、
    前記ワード線に交差するように形成され、第２電流が流れるビット線と
    を具備し、
    前記磁気メモリセルは、前記ワード線と前記ビット線との間に配置され、
    前記筒状磁性体の前記回転磁化の向きは、前記第１電流により発生する第１磁場と前記第２電流により発生する第２磁場との合成磁場により反転する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
23. （Ａ）下地層の上にピン層を形成する工程と、
    （Ｂ）前記ピン層の上にバリア層を形成する工程と、
    （Ｃ）前記バリア層の上に磁気記録層を形成する工程と
    を有し、
    前記（Ｃ）工程は、
    （ａ）第１磁性体膜上に第１非磁性体膜を形成する工程と、
    （ｂ）前記第１非磁性体膜の上に第２磁性体膜を形成する工程と、
    （ｃ）前記第２磁性体膜上にマスク層を形成する工程と、
    （ｄ）前記マスク層をパターニングすることによりマスクを形成する工程と、
    （ｅ）前記マスクを用いて前記第２磁性体膜及び前記第１非磁性体膜をエッチングする工程と、
    （ｆ）全面に第３磁性体膜を形成する工程と、
    （ｇ）前記第３磁性体膜をエッチバックする工程と
    を含む
    磁気メモリセルの製造方法。
24. 請求項２３に記載の磁気メモリセルの製造方法であって、
    前記マスクは、第１側面と、前記第１側面と交差する第２側面を有し、
    前記（ｄ）工程において、前記マスクは、前記第１側面の傾斜と前記第２側面の傾斜が異なるように形成される
    磁気メモリセルの製造方法。
25. 請求項２３に記載の磁気メモリセルの製造方法であって、
    前記（ｄ）工程は、
    （ｄ１）第１方向に平行な第１レジストマスクを用いて前記マスク層をパターニングすることにより、前記マスクの第１側面を形成する工程と、
    （ｄ２）前記第１方向に交差する第２レジストマスクを用いて前記マスク層をパターニングすることにより、前記マスクの第２側面を形成する工程と
    を含み、
    前記第１側面の傾斜と前記第２側面の傾斜は異なる
    磁気メモリセルの製造方法。
26. 請求項２３乃至２５のいずれかに記載の磁気メモリセルの製造方法であって、
    前記（Ｃ）工程は、
    （ｘ）前記バリア層上に磁性体層を形成する工程と、
    （ｙ）前記磁性体層上に非磁性体層を形成する工程と、
    （ｚ）前記非磁性体層上に前記第１磁性体膜を形成する工程と
    を更に含む
    磁気メモリセルの製造方法。
27. 第１の方向に延在する複数のマスク材料を用いた第１の加工手順と、前記第１の方向とは異なる第２の方向に延在する複数のマスク材料を用いた第２の加工手順とにより、アレイ状に配置した複数のパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法。
28. 前記第１の加工手順の条件と前記第２の加工手順の条件を異ならせることにより、前記第１の加工手順で形成されるパターン側面の傾斜と、前記第２の加工手順で形成されるパターン側面の傾斜とを異ならせることを特徴とする請求項２７記載のパターン形成方法。

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