JP2007324172A - 磁気メモリ装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】記録層の幅を狭くする場合であっても磁壁の移動を規制する規制領域を所定の間隔で確実に形成しうる磁気メモリ装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】所定の間隔で段差１５′が形成された線状の記録層２２であって、段差が形成された領域が磁壁３０の移動を規制する規制領域３２となり、規制領域間の領域が記録ビット３４となる記録層２２を有している。記録層に所定の間隔で段差が形成されており、かかる段差が形成された箇所が磁壁の移動を規制する規制領域となるため、記録層の幅を狭くした場合であっても、磁壁の移動を規制する規制領域を所定の間隔で確実に形成することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気メモリ装置及びその製造方法に係り、特に線状の記録層を有する磁気メモリ装置及びその製造方法に関する。

近年、書き換え可能な不揮発性メモリとして、磁気抵抗効果素子をマトリクス状に配列した磁気ランダムアクセスメモリ（以下、ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memoryという）が注目されている。ＭＲＡＭは、２つの磁性層における磁化方向の組み合わせを利用して情報を記憶し、これら磁性層間の磁化方向が平行である場合と反平行である場合とにおける抵抗変化（すなわち電流或いは電圧の変化）を検知することによって記憶情報の読み出しを行うものである。

ＭＲＡＭを構成する磁気抵抗効果素子としては、ＧＭＲ（Giant MagnetoResistive）素子やＴＭＲ（Tunneling MagnetoResistive）素子が知られている。なかでも、大きな抵抗変化が得られるＴＭＲ素子が、ＭＲＡＭに用いる磁気抵抗効果素子として注目されている。ＴＭＲ素子は、２つの強磁性層がトンネル絶縁膜を介して積層されたものであり、２つの強磁性層の磁化方向の関係に基づいてトンネル絶縁膜を介して磁性層間を流れるトンネル電流が変化する現象を利用したものである。すなわち、ＴＭＲ素子は、２つの強磁性層の磁化方向が平行のときに低い素子抵抗を有し、反平行のときには高い素子抵抗を有する。この２つの状態をデータ“０”及びデータ“１”に関連づけることにより、記憶素子として用いることができる。

また、記録層に切り込みを形成することにより、磁壁の移動を規制する規制領域を記録層に形成する技術が提案されている（非特許文献３参照）。非特許文献３に記載された技術は、磁気メモリ装置に応用することが期待される。
特開平１１−３１７０７１号公報 特開２００４−１５８７６６号公報 屋上公二郎等, 「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, pp. 937-948 A. Yamaguchi et al., "Real-space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires", Physical Review Letters, Vol. 92, No. 7, p. 077205-1 (2004) A. Himeno et al., "Dynamics of a magnetic domain wall in magnetic wires with an artificial neck", Journal of Applied Physics, Vol. 93, No. 10, pp. 8430-8432 (2003)

記憶容量の大きい磁気メモリ装置を提供するためには、記録層の微細化を図ることが重要である。しかし、記録層の幅を狭くした場合には、磁壁の移動を規制する規制領域を形成するための切り込みをフォトリソグラフィ技術により形成することは極めて困難となる。

本発明の目的は、記録層の幅を狭くする場合であっても磁壁の移動を規制する規制領域を所定の間隔で確実に形成しうる磁気メモリ装置及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、所定の間隔で段差が形成された線状の記録層であって、前記段差が形成された領域が磁壁の移動を規制する規制領域となり、前記規制領域間の領域が記録ビットとなる記録層を有することを特徴とする磁気メモリ装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、所定の間隔で屈曲部が形成された線状の記録層であって、前記屈曲部が磁壁の移動を規制する規制領域となり、前記規制領域間の領域が記録ビットとなる記録層を有することを特徴とする磁気メモリ装置が提供される。

また、本発明の更に他の観点によれば、所定の間隔で段差が形成された下地層を形成する工程と、前記下地層上に前記段差に交差するように線状の記録層を形成する工程であって、前記下地層の前記段差に起因して前記記録層に形成された段差が磁壁の移動を規制する規制領域となり、前記規制領域間の領域が記録ビットとなる記録層を形成する工程とを有することを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法が提供される。

また、本発明の更に他の観点によれば、所定の間隔で屈曲部が形成された線状の記録層を形成する工程であって、前記屈曲部が磁壁の移動を規制する規制領域となり、前記規制領域間の領域が記録ビットとなる記録層を形成する工程を有することを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、記録層に所定の間隔で段差が形成されており、かかる段差が形成された箇所が磁壁の移動を規制する規制領域となるため、記録層の幅を狭くした場合であっても、磁壁の移動を規制する規制領域を所定の間隔で確実に形成することができる。

また、本発明によれば、記録層に所定の間隔で屈曲部が形成されており、かかる屈曲部においては記録層の形状が急峻に変化している。このため、かかる屈曲部は磁壁の移動を規制する規制領域として機能し得る。このため、本発明によれば、記録層の幅を比較的狭く設定した場合であっても、磁壁の移動を規制する規制領域を所定の間隔で確実に形成することができる。

図１８は、提案されている磁気メモリ装置を示す概念図である。

図１８に示すように、情報を記録するための記録層１２２が線状に形成されている。記録層１２２の材料としては強磁性体が用いられている。線状の記録層１２２には、磁壁３０の移動を規制する規制領域（ピニングサイト、Pinning site）１３２が所定の間隔で形成されている。かかる規制領域１３２は、記録層１２２の側部に形成された切り込み（ノッチ）１２８により形成されている。記録層１２２に形成された規制領域１３２により、各々の記録ビット１３４が画定されている。図１８における矢印は、記録ビット１３４の磁化方向を示している。互いに隣接する記録ビット１３４の磁化方向が反対方向を向いている場合には、これらの記録ビット１３４の間には磁壁１３０が存在する。なお、互いに隣接する記録ビット１３４の磁化方向が同じ方向である場合には、これらの記録ビット１３４の間には磁壁１３０は存在しない。磁壁１３０を介して磁化方向が反対方向を向くことは、強磁性体の一般的な性質である。

多数の記録ビット１３４のうちの一の記録ビット１３４には、バリア層１３６を介して固定磁化層１３８ａが形成されている。これらバリア層１３６及び固定磁化層１３８ａにより書き込み素子１０２が構成されている。書き込み素子１０２には電極１５６ａが接続されている。

また、多数の記録ビット１３４のうちの他の記録ビット１３４には、バリア層１３６を介して固定磁化層１３８ｂが形成されている。これらバリア層１３６及び固定磁化層１３８ｂにより読み出し素子１０４が構成されている。読み出し素子１０４には電極１５６ｂが接続されている。

このような提案されている磁気メモリ装置においては、記録層１２２の長手方向に電流を流した際に生ずるスピントルクにより、磁壁１３０を適宜移動させることが可能である、具体的には、例えば１．２×１０^１２Ａ／ｍ^２、０．５〜５μｓのパルス電流を記録層１２２に流すことにより、３ｍ／秒の速度で磁壁１３０を移動させることが可能である（非特許文献２参照）。そして、磁壁１３０を適宜移動させつつ、記録ビット１３４に記録された情報を読み出し、また、記録ビット１３４に情報を書き込むことが可能である。

しかしながら、提案されている磁気メモリ装置では、記録層１２２の幅Ｄが０．２μｍ程度と比較的広かった。更なる記録密度を向上し、記憶容量の大きい磁気メモリ装置を提供するためには、記録層の幅Ｄを数５０ｎｍ程度にまで狭くすることが好ましい。しかし、記録層の幅Ｄを例えば２００ｎｍより狭くする場合には、磁壁の移動を規制する規制領域１３２を形成するための切り込み（ノッチ）１２８をフォトリソグラフィ技術により形成することは極めて困難となる。

本願発明者らは鋭意検討した結果、以下のように磁気メモリ装置を構成することにより、記録層の幅を狭くする場合であっても磁壁の移動を規制する規制領域を所定の間隔で確実に形成しうる磁気メモリ装置及びその製造方法を提供し得ることに想到した。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による磁気メモリ装置及びその製造方法を図１乃至図９を用いて説明する。図１は、本実施形態による磁気メモリ装置の一部を示す斜視図である。図２は、本実施形態による磁気メモリ装置を示す断面図及び平面図である。図２（ｂ）は平面図であり、図２（ａ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ′線断面図である。図３は、本実施形態による磁気メモリ装置を示す平面図及び断面図である。図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。なお、書き込み素子（書き込み手段）２とコンタクトプラグ５４との間、及び読み出し素子（読み出し手段）４とコンタクトプラグ５４との間には、記録層２２に数百個〜数万個の記録ビット３４が形成されているが、図２においては図示を省略している。

（磁気メモリ装置）
まず、本実施形態による磁気メモリ装置について図１乃至図３を用いて説明する。

シリコン基板１０上には、層間絶縁膜１２が形成されている。なお、シリコン基板１０上には、図示しないトランジスタ等が適宜形成されている。

層間絶縁膜１２には、層間絶縁膜１４が形成されている。

層間絶縁膜１４には、溝１６ａ、１６ｂが形成されている。溝１６ａ、１６ｂ内には、書き込み素子２の下部電極１８ａと、読み出し素子４の下部電極１８ｂとが埋め込まれている。下部電極１８ａ、１８ｂは、シリコン基板１０上に形成されたトランジスタ（図示せず）等に適宜電気的に接続されている。

下部電極１８ａ、１８ｂが埋め込まれた層間絶縁膜（下地層）１４の表面には、段差１５が形成されている。段差１５は、下地層１４の表層部に所定の間隔で溝１７を形成することにより構成されている。下地層１４の表面における段差１５の深さＨ_１は、後述する記録層の厚さＨ_２の３分の１以上とする。即ち、下地層１４の表面における段差１５の深さＨ_１と記録層２２の厚さＨ_２とが、以下の式を満たすようにする。

Ｈ_１≧ １／３×Ｈ_２ ……（１）
とする。本実施形態において下地層１４の表面における段差１５の深さＨ_１を記録層２２の厚さＨ_２の３分の１以上とするのは、下地層１４の段差１５に起因して記録層２２に形成される段差１５′を十分に大きく設定するためである。

ここでは、段差の深さＨ_１を、例えば５ｎｍとする。後述するように、記録層２２の厚さＨ_２は、例えば２ｎｍとする。従って、下地層１４の表面における段差１５の深さＨ_１と記録層２２の厚さＨ_２とは、上記の式を満たしている。

本実施形態において下地層１４の表面に段差１５を形成しているのは、下地層１４の表面の段差１５に起因して記録層２２に段差１５′を形成し、段差１５′が形成された領域を磁壁３０の移動を規制する規制領域３２とするためである。

溝１７による段差１５が形成された下地層１４上には、細線状（帯状）の記録層２２が形成されている。記録層２２は、段差１５に交差するように形成されている。記録層２２の材料としては、例えば強磁性体であるＣｏＦｅＢが用いられている。記録層２２の厚さＨ_２は、例えば２ｎｍ程度とする。記録層２２の長さは、例えば１．４ｍｍとする。記録層２２の幅Ｄ（図２（ｂ）参照）は、例えば５０ｎｍ程度とする。溝１７の幅、即ち、段差１５の間隔Ｌは、例えば６０ｎｍとする。記録層２２は図３（ａ）に示すように所定のピッチで多数配列されている。記録層２２の数は、例えば１０００００本とする。

記録層２２のうちの段差１５′が形成された箇所においては、記録層２２の形状が急峻に変化している。このように形状が急峻に変化している箇所には、磁壁３０をトラップさせることが可能である。このため、記録層２２のうちの段差１５′が形成されている領域は、磁壁３０の移動を規制する規制領域（ピニングサイト）３２として機能する。

規制領域３２にトラップされた磁壁３０は、記録層２２の長手方向に電流を流した際に生ずるスピントルクにより、適宜移動させることが可能である。

規制領域３２間の領域は記録ビット３４となる。即ち、記録層２２の各々の記録ビット３４は、規制領域３２により画定される。このため、１つの記録ビット３４の長さＬは、規制領域３２の間隔Ｌと等しい。規制領域３２の間隔Ｌ、即ち、１つの記録ビット３４の長さＬは、例えば６０ｎｍ程度とする。

メモリ部のサイズを１．４ｍｍ×１．１ｍｍに設定し、各々の構成要素の寸法を上記のように構成した場合には、例えば１．２Ｇビットの記憶容量を有する磁気メモリ装置を構成することが可能である。

下部電極１８ａ、１８ｂの上方における記録層２２上には、ＭｇＯより成るバリア層３６を介して、積層フェリ構造を有する固定磁化層３８ａ、３８ｂが形成されている。固定磁化層３８ａ、３８ｂは、ＣｏＦｅＢより成る強磁性層４０と、Ｒｕより成る非磁性層４２と、ＣｏＦｅより成る強磁性層４４と、ＰｔＭｎより成る反強磁性層４６とを、順次積層して成る積層膜により構成されている。

固定磁化層３８上には、Ｔａより成る接続電極４８ａ、４８ｂが形成されている。

記録層２２、固定磁化層３８ａ、３８ｂ及び接続電極４８ａ、４８ｂが形成された層間絶縁膜１４上には、接続電極４８ａ、４８ｂの上面が露出するように層間絶縁膜５０が埋め込まれている。

層間絶縁膜５０には、記録層２２の両端に達するコンタクトホール５２がそれぞれ形成されている。

コンタクトホール５２内には、コンタクトプラグ５４が埋め込まれている。

コンタクトプラグ５４等が埋め込まれた層間絶縁膜５０上には、書き込み素子２の上部電極５６ａ、読み出し素子４の上部電極５６ｂ及び配線５６ｃ、５６ｄ形成されている。

下部電極１６ａ、バリア層３６、固定磁化層３８ａ、接続電極４８ａ及び上部電極５６ａにより、記録層２２の記録ビット３４に情報を書き込むための書き込み素子２が構成されている。

下部電極１６ｂ、バリア層３６、固定磁化層３８ｂ、接続電極４８ｂ及び上部電極５６ｂにより、記録層２２の記録ビット３４に記録された情報を読み出すための読み出し素子４が構成されている。

配線５６ｃ、５６ｄは、コンタクトプラグ５４を介して、記録層２２の端部にそれぞれ電気的に接続されている。

上部電極５６ａ、５６ｂ及び配線５６ｃ、５６ｄが形成された層間絶縁膜５０上には、上部電極５６ａ、５６ｂ及び配線５６ｃ、５６ｄを埋め込むように層間絶縁膜５８が形成されている。

こうして本実施形態による磁気メモリ装置が構成されている。

（動作原理）
次に、本実施形態による磁気メモリ装置の動作原理について図１及び図２を用いて説明する。

まず、記録層２２の記録ビット３４への情報の書き込み方法について説明する。なお、図１における矢印の方向は、磁化方向を示している。

記録層２２の記録ビット３４への情報の書き込みは、記録層２２の記録ビット３４の磁化方向を、固定磁化層３８ａの磁化方向と同じ方向（平行）又は固定磁化層３８ａの磁化方向とは反対方向（反平行）に設定することにより行う。

記録層２２の記録ビット３４の磁化方向を反平行から平行に反転させる場合には、上部電極５６ａの電位に対して下部電極１８ａの電位を高く設定する。そうすると、膜面に垂直に記録層２２側から固定磁化層３８ａ側へ電流が流れ、スピン偏極した伝導電子が固定磁化層３８ａから記録層２２に流れ込み、記録層３８ａの電子と交換相互作用をする。この結果、電子間にはトルクが発生し、このトルクが十分に大きいと記録層２２の記録ビット３４の磁化方向が反平行から平行に反転する。

一方、記録層２２の記録ビット３４の磁化方向を平行から反平行に反転させる場合には、下部電極１８ａの電位に対して上部電極５６ａの電位を高く設定する。そうすると、上記とは逆の作用により、記録層２２の記録ビット３４の磁化方向が平行から反平行に反転する。

互いに隣接する記録ビット３４の磁化方向が反対方向を向いている場合には、これらの記録ビット３４の間には磁壁３０が存在する。一方、互いに隣接する記録ビット３４の磁化方向が同じ方向である場合には、これらの記録ビットの間には磁壁３０は存在しない。なお、磁壁３０を介して磁化方向が反対方向を向くことは、強磁性体の一般的な性質である。

本実施形態による磁気メモリ装置では、記録層２２の長手方向に電流を流す際に生ずるスピントルクにより、磁壁３０を適宜移動させることが可能であり、これに伴って、記録ビット３４に書き込まれた情報を適宜シフトさせることができる。書き込み素子２により直接情報が書き込まれる記録ビット３４は１つのみであるが、磁壁３０を移動させることにより記録ビット３４に書き込まれた情報をシフトさせることができるため、各々の記録ビット３４に情報を書き込むことが可能である。

即ち、記録層２２の長手方向に沿って電流を流すと、電子スピンの流れる方向に磁壁３０が移動する。例えば、図１において右向きに電流を流すと、電子スピンは左向きに流れ、磁壁３０は左側に移動する。また、図１において左向きに電流を流すと、電子スピンは右向きに流れ、磁壁３０は右側に移動する。磁壁３０の移動に伴って、磁壁３０により画定されている磁区が移動する。換言すれば、磁壁３０の移動に伴って、記録ビット３４に書き込まれている情報がシフトする。記録ビット３４に書き込まれている情報を適宜シフトさせつつ記録ビット３４への情報の書き込むことにより、各々の記録ビット３４に情報を書き込むことが可能である。

次に、記録層２２の記録ビット３４に書き込まれた情報の読み出し方法について説明する。

固定磁化層３８ｂの磁化方向と固定磁化層３８ｂに対向する記録ビット３４の磁化方向とが反対方向（反平行）の場合には、下部電極１８ｂと上部電極５６ｂとの間は高抵抗状態となる。一方、固定磁化層３８ｂの磁化方向と固定磁化層３８ｂに対向する記録ビット３４の磁化方向とが同じ方向（平行）の場合には、下部電極１８ｂと上部電極５６ｂとの間は低抵抗状態となる。高抵抗状態と低抵抗状態の２つの状態は、データ“０”又はデータ“１”に関連づけられている。高抵抗状態と低抵抗状態の２つの状態が、データ“０”又はデータ“１”に関連づけられているため、記録層２２の記録ビット３４に書き込まれた情報を判定することができる。

このように、本実施形態によれば、記録層２２に段差１５′が形成されており、かかる段差１５′が形成された箇所が磁壁３０の移動を規制する規制領域３２となるため、記録層２２の幅を狭くした場合であっても、磁壁３０の移動を規制する規制領域３２を所定の間隔で確実に形成することができる。

（磁気メモリ装置の製造方法）
次に、本実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を図４乃至図９を用いて説明する。図４乃至図９は、本実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程図である。図４（ａ）乃至図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）乃至図９（ｂ）は断面図であり、図６（ｂ）及び図７（ｂ）は平面図である。図６（ａ）は、図６（ｂ）のＡ−Ａ′線断面図である。図７（ａ）は、図７（ｂ）のＡ−Ａ′線断面図である。

まず、トランジスタ（図示せず）等が形成されたシリコン基板１０上に、例えばＣＶＤ法により、シリコン酸化膜より成る層間絶縁膜１２を形成する。

次に、層間絶縁膜１２上に、例えばＣＶＤ法により、膜厚２００ｎｍのシリコン酸化膜より成る層間絶縁膜１４を形成する（図４（ａ）参照）。

次に、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用い、層間絶縁膜１４に溝１６ａ、１６ｂを形成する。かかる溝１６ａ、１６ｂは、書き込み素子２の下部電極１８ａ及び読み出し素子４の下部電極１８ｂを埋め込むためのものである。

次に、例えばスパッタリング法により、膜厚４００ｎｍのＣｕ膜を形成する。

次に、ＣＭＰ法により、層間絶縁膜１４の表面が露出するまでＣｕ膜を研磨する。こうして、溝１６ａ、１６ｂ内に、Ｃｕより成る下部電極１８ａ、１８ｂが形成される（図４（ｃ）参照）。

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、層間絶縁膜（下地層）１４の表層部に溝１７を形成する。かかる溝１７は、下地層１４の表面に段差１５を形成するためのものである。溝１７の深さは、例えば５ｎｍ程度とする。溝１７の幅は、例えば６０ｎｍとする。溝のピッチは、例えば１２０ｎｍとする（図５（ａ）参照）。

次に、全面に、例えばスパッタリング法により、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜を形成する。ＣｏＦｅＢ膜は、記録層２２となるものである。

次に、全面に、例えばスパッタリング法により、膜厚１ｎｍのＭｇＯ膜を形成する。ＭｇＯ膜は、バリア層（トンネル絶縁膜）３６となるものである。

次に、全面に、例えばスパッタリング法により、ＣｏＦｅＢ膜４０、Ｒｕ膜４２、ＣｏＦｅ膜４４及びＰｔＭｎ膜４６を順次形成する。ＣｏＦｅＢ膜４０の膜厚は、例えば２．３ｎｍ程度とする。Ｒｕ膜４２の膜厚は、例えば０．８ｎｍ程度とする。ＣｏＦｅ膜４４の膜厚は、例えば１．７ｎｍ程度とする。ＰｔＭｎ膜４６の膜厚は、例えば２０ｎｍ程度とする。ＣｏＦｅＢ膜４０、Ｒｕ膜４２、ＣｏＦｅ膜４４及びＰｔＭｎ膜４６より成る積層膜は、固定磁化層３８ａ、３８ｂとなるものである。ＰｔＭｎ膜４６は、固定磁化層３８ａ、３８ｂの一部を構成する反強磁性層となるものである。

次に、全面に、例えばスパッタリング法により、膜厚５０ｎｍのＴａ膜４８を形成する。Ｔａ膜は、接続電極４８ａ、４８ｂとなるものである（図５（ｂ）参照）。

次に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜（図示せず）を形成する。

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜を記録層２２の平面形状にパターニングする。

次に、フォトレジスト膜をマスクとして、イオンミリング又はＲＩＥ（Reactive Ion Etching、反応性イオンエッチング）により、Ｔａ膜４８、ＰｔＭｎ膜４６、ＣｏＦｅ膜４４、Ｒｕ膜４２、ＣｏＦｅＢ膜４０、ＭｇＯ膜３６、ＣｏＦｅＢ膜２２をパターニングする（図６（ａ）及び図６（ｂ）参照）。この後、フォトレジスト膜を剥離する。

次に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜（図示せず）を形成する。

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜を書き込み素子２の平面形状及び読み出し素子４の平面形状にパターニングする。書き込み素子２及び読み出し素子４のそれぞれの寸法は、例えば３０ｎｍ×９０ｎｍとする。

次に、フォトレジスト膜をマスクとして、Ｔａ膜４８、ＰｔＭｎ膜４６、ＣｏＦｅ膜４４、Ｒｕ膜４２、ＣｏＦｅＢ膜４０、ＭｇＯ膜３６をエッチングする。この際、記録層２２を過度にエッチングしてしまうことがないよう、エッチングの終点を制御する。こうして、ＭｇＯより成るバリア層３６が形成される。また、ＣｏＦｅＢ膜４０、Ｒｕ膜４２、ＣｏＦｅ膜４４及びＰｔＭｎ膜４６より成る固定磁化層３８ａ、３８ｂが形成される。また、Ｔａ膜より成る接続電極４８ａ、４８ｂが形成される（図７（ａ）及び図７（ｂ）参照）。

次に、例えばＣＶＤ法により、膜厚２００ｎｍのシリコン酸化膜より成る層間絶縁膜５０を形成する。

次に、例えばＣＭＰ法により、接続電極４８ａ、４８ｂの表面が露出するまで層間絶縁膜５０を研磨する（図８（ａ）参照）。

次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、記録層２２のそれぞれの端部に達するコンタクトホール５２を、層間絶縁膜５０に形成する（図８（ｂ）参照）。

次に、例えばＣＶＤ法により、窒化チタンより成るバリアメタル膜を形成する。

次に、例えばＣＶＤ法により、タングステン膜を形成する。

次に、例えばＣＭＰ法により、層間絶縁膜５０の表面が露出するまで、タングステン膜及びバリアメタル膜を研磨する。こうして、コンタクトホール５２内にコンタクトプラグ５４が埋め込まれる（図９（ａ）参照）。

次に、例えばスパッタリング法により、膜厚２００ｎｍのＣｕ膜を形成する。

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、Ｃｕ膜をパターニングする。これにより、Ｃｕより成る上部電極５６ａ、５６ｂ、及びＣｕより成る配線５６ｃ、５６ｄが形成される。

次に、上部電極５６ａ、５６ｂ及び配線５６ｃ、５６ｄを覆うように層間絶縁膜５８を形成する。

こうして本実施形態による磁気メモリ装置が製造される（図９（ｂ）参照）。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による磁気メモリ装置及びその製造方法を図１０乃至図１７を用いて説明する。図１０は、本実施形態による磁気メモリ装置を示す平面図及び断面図である。図１０（ａ）は、記録層２２ａを示す平面図である。なお、書き込み素子２とコンタクトプラグ５４との間、及び読み出し素子４とコンタクトプラグ５４との間には、記録層２２ａに数百個〜数万個の記録ビット３４が形成されているが、図１０においては図示を省略している。図１乃至図９に示す第１実施形態による磁気メモリ装置及びその製造方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。

（磁気メモリ装置）
本実施形態による磁気メモリ装置は、記録層２２ａに所定の間隔で屈曲部１９が形成されており、かかる屈曲部１９が磁壁３０の移動を規制する規制領域３２ａとなっていることに主な特徴がある。

図１０に示すように、本実施形態では、記録層２２ａがジグザグに形成されている。即ち、記録層２２ａには、所定の間隔で屈曲部１９が形成されている。記録層２２ａの材料としては、例えば強磁性体であるＣｏＦｅＢが用いられている。記録層２２ａの厚さは、例えば２ｎｍとする。

屈曲部１９における記録層２２ａの屈曲角θは、０°＜θ＜１５１°とする。

図１１は、記録層２２ａの屈曲角θと磁壁が消失する外部磁界との関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。図１１における横軸は記録層の屈曲角θを示しており、縦軸は磁壁が消失する外部磁界Ｈ_ｄｐｉｎを示している。シミュレーションの際には、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）シミュレータを用いた。

図１１から分かるように、屈曲角θが小さいほど、磁壁が消失する外部磁界の大きさは大きくなる。即ち、屈曲角θが比較的小さい場合には、外部磁界が比較的大きい場合であっても、磁壁は消失しにくい。

一方、屈曲角θを１５１°以上に設定した場合には、外部磁界が比較的小さい場合であっても磁壁が比較的容易に消失してしまう。

磁壁３０が外部磁界によって消失しにくいということは、磁壁３０がエネルギー的に安定であることを意味する。従って、外部磁界によって磁壁３０が消失しにくいように屈曲部１９の屈曲角θを設定すれば、磁壁３０の移動を十分に規制し得る規制領域３２ａを屈曲部１９に形成することが可能となる。従って、屈曲部１９における記録層２２ａの屈曲角θは、０°＜θ＜１５１°とすることが望ましい。

記録層２２ａの幅Ｄ、即ち、記録ビット３４の幅Ｄは、例えば５０ｎｍ程度とする。

記録層２２ａのうちの屈曲部１９においては、記録層２２ａの形状が急峻に変化している。このように形状が急峻に変化している領域は、磁壁３０の移動を規制する規制領域３２ａとして機能し得る。規制領域３２ａにトラップされた磁壁３０は、記録層２２ａに電流を流した際に生ずるスピントルクにより、適宜移動させることが可能である。

記録層２２ａの各々の記録ビット３４は、規制領域３２ａにより画定される。即ち、危機性領域３２ａ間の領域が記録ビット３４となる。このため、１つの記録ビット３４の長さＬは、規制領域３２の間隔と等しくなる。規制領域３２の間隔Ｌ、即ち１つの記録ビット３４の長さＬは、例えば６０ｎｍ程度とする。

下部電極１８ａ、１８ｂの上方における記録層２２ａ上には、ＭｇＯより成るバリア層３６を介して、固定磁化層３８ａ、３８ｂが形成されている。固定磁化層３８ａ、３８ｂは、ＣｏＦｅＢ膜４０とＲｕ膜４２とＣｏＦｅ膜４４とＰｔＭｎ膜４６との積層膜より成る積層フェリ構造となっている。

固定磁化層３８ａ、３８ｂ上には、Ｔａより成る接続電極４８ａ、４８ｂが形成されている。

記録層２２ａ、固定磁化層３８ａ、３８ｂ及び接続電極４８ａ、４８ｂが形成された層間絶縁膜１４上には、接続電極４８ａ、４８ｂの上面が露出するように層間絶縁膜５０が埋め込まれている。

層間絶縁膜５０には、記録層２２ａの両端にそれぞれ接続されたコンタクトプラグ５４が埋め込まれている。

コンタクトプラグ５４等が埋め込まれた層間絶縁膜５０上には、書き込み素子２の上部電極５６ａ、読み出し素子４の上部電極５６ｂ及び配線５６ｃ、５６ｄが形成されている。配線５６ｃ、５６ｄは、コンタクトプラグ５４を介して記録層２２ａに電気的に接続されている。

上部電極５６ａ、５６ｂ及び配線５６ｃ、５６ｄが形成された層間絶縁膜５０上には、上部電極５６ａ、５６ｂ及び配線５６ｃ、５６ｄを埋め込むように層間絶縁膜５８が形成されている。

こうして本実施形態による磁気メモリ装置が構成されている。

本実施形態によれば、記録層２２ａに所定の間隔で屈曲部１９が形成されており、かかる屈曲部１９においては記録層２２ａの形状が急峻に変化している。このため、かかる屈曲部１９は磁壁３０の移動を規制する規制領域３２ａとして機能しうる。極めて幅の狭い記録層１２２に、規制領域１３２を形成するための切り込み１２８（図１８参照）をフォトリソグラフィ技術により形成することは極めて困難であるが、本実施形態のように屈曲部１９を有する幅の狭い記録層２２ａをフォトリソグラフィ技術により形成することは比較的容易である。このように、本実施形態によれば、記録層２２ａの幅を比較的狭く設定した場合であっても、磁壁３０の移動を規制する規制領域３２ａを所定の間隔で確実に形成することができる。

（磁気メモリ装置の製造方法）
次に、本実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を図１２乃至図１７を用いて説明する。図１２乃至図１７は、本実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程図である。図１２（ａ）乃至図１４（ａ）、及び図１５（ａ）乃至図１７は断面図であり、図１４（ｂ）は平面図である。

まず、トランジスタ（図示せず）等が形成されたシリコン基板１０上に、シリコン酸化膜より成る層間絶縁膜１２を形成する工程から、溝１６ａ、１６ｂ内に下部電極１８ａ、１８ｂを埋め込む工程までは、図４（ａ）乃至図４（ｃ）を用いて上述した第１実施形態による磁気メモリ装置の製造方法と同様であるので説明を省略する（図１２（ａ）乃至図１２（ｃ）参照）。

次に、全面に、例えばスパッタリング法により、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜２２ａを形成する。ＣｏＦｅＢ膜２２ａは、記録層となるものである。

次に、全面に、例えばスパッタリング法により、膜厚１ｎｍのＭｇＯ膜３６を形成する。ＭｇＯ膜３６は、バリア層（トンネル絶縁膜）３６となるものである。

次に、全面に、例えばスパッタリング法により、ＣｏＦｅＢ膜４０、Ｒｕ膜４２、ＣｏＦｅ膜４４及びＰｔＭｎ膜４６を順次形成する。ＣｏＦｅＢ膜４０の膜厚は、例えば２．３ｎｍ程度とする。Ｒｕ膜４２の膜厚は、例えば０．８ｎｍ程度とする。ＣｏＦｅ膜４４の膜厚は、例えば１．７ｎｍ程度とする。ＰｔＭｎ膜４６の膜厚は、例えば２０ｎｍ程度とする。ＣｏＦｅＢ膜４０、Ｒｕ膜４２、ＣｏＦｅ膜４４及びＰｔＭｎ膜４６より成る積層膜は、固定磁化層３８ａ、３８ｂとなるものである。ＰｔＭｎ膜４６は、固定磁化層３８ａ、３８ｂの一部を構成する反強磁性層となるものである。

次に、全面に、例えばスパッタリング法により、膜厚５０ｎｍのＴａ膜４８を形成する。Ｔａ膜は、接続電極４８ａ、４８ｂとなるものである（図１３参照）。

次に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜（図示せず）を形成する。

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜を記録層２２の平面形状にパターニングする。

次に、フォトレジスト膜をマスクとして、イオンミリング又はＲＩＥ（Reactive Ion Etching、反応性イオンエッチング）により、Ｔａ膜４８、ＰｔＭｎ膜４６、ＣｏＦｅ膜４４、Ｒｕ膜４２、ＣｏＦｅＢ膜４０、ＭｇＯ膜３６、ＣｏＦｅＢ膜２２ａをパターニングする（図１４参照）。ＣｏＦｅＢ膜２２ａ、ＭｇＯ膜３６、ＣｏＦｅＢ膜４０、Ｒｕ膜４２、ＣｏＦｅ膜４４、ＰｔＭｎ膜４６及びＴａ膜４８より成る積層体の平面形状は図１４（ｂ）のようになる。なお、図１４（ｂ）は、かかる積層体の一部のみを示したものである。この後、フォトレジスト膜を剥離する。

次に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜（図示せず）を形成する。

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜を書き込み素子２の平面形状及び読み出し素子４の平面形状にパターニングする。書き込み素子２及び読み出し素子４のそれぞれの寸法は、例えば３０ｎｍ×９０ｎｍとする。

次に、フォトレジスト膜をマスクとして、Ｔａ膜４８、ＰｔＭｎ膜４６、ＣｏＦｅ膜４４、Ｒｕ膜４２、ＣｏＦｅＢ膜４０、ＭｇＯ膜３６をエッチングする。この際、記録層２２を過度にエッチングしてしまうことがないよう、エッチングの終点を制御する。こうして、ＭｇＯより成るバリア層３６が形成される。また、ＣｏＦｅＢ膜４０、Ｒｕ膜４２、ＣｏＦｅ膜４４及びＰｔＭｎ膜４６より成る固定磁化層３８ａ、３８ｂが形成される。また、Ｔａ膜より成る接続電極４８ａ、４８ｂが形成される（図１５（ａ）参照）。

次に、例えばＣＶＤ法により、膜厚２００ｎｍのシリコン酸化膜より成る層間絶縁膜５０を形成する。

次に、例えばＣＭＰ法により、接続電極４８ａ、４８ｂの表面が露出するまで層間絶縁膜５０を研磨する（図１５（ｂ）参照）。

次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、記録層２２のそれぞれの端部に達するコンタクトホール５２を、層間絶縁膜５０に形成する（図１６（ａ）参照）。

次に、例えばＣＶＤ法により、窒化チタンより成るバリアメタル膜を形成する。

次に、例えばＣＶＤ法により、タングステン膜を形成する。

次に、例えばＣＭＰ法により、層間絶縁膜５０の表面が露出するまで、タングステン膜及びバリアメタル膜を研磨する。こうして、コンタクトホール５２内にコンタクトプラグ５４が埋め込まれる（図１６（ｂ）参照）。

次に、例えばスパッタリング法により、膜厚２００ｎｍのＣｕ膜を形成する。

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、Ｃｕ膜をパターニングする。これにより、Ｃｕより成る上部電極５６ａ、５６ｂ、及びＣｕより成る配線５６ｃ、５６ｄが形成される。

次に、上部電極５６ａ、５６ｂ及び配線５６ｃ、５６ｄを覆うように層間絶縁膜５８を形成する。

こうして本実施形態による磁気メモリ装置が製造される（図１７参照）。

［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、記録層２２、２２ａを構成する強磁性体としてＣｏＦｅＢを用いる場合を例に説明したが、記録層２２、２２ａの材料はＣｏＦｅＢに限定されるものではない。Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのうちの少なくとも１種類以上を含む強磁性体を強磁性層２６の材料として適宜用いることができる。例えば、強磁性層２６として、Ｃｏ層、Ｎｉ層、Ｆｅ層、ＮｉＦｅ層、ＣｏＦｅ層、ＣｏＮｉ層、ＣｏＮｉＦｅ層等を用いてもよい。

また、上記実施形態では、固定磁化層３８ａ、３８ｂの一部を構成する強磁性層４０としてＣｏＦｅＢを用いる場合を例に説明したが、かかる強磁性層４０の材料はＣｏＦｅＢに限定されるものではない。Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのうちの少なくとも１種類以上を含む強磁性体を強磁性層４０の材料として適宜用いることができる。例えば、強磁性層４０として、Ｃｏ層、Ｎｉ層、Ｆｅ層、ＮｉＦｅ層、ＣｏＦｅ層、ＣｏＮｉ層、ＣｏＮｉＦｅ層等を用いてもよい。

また、上記実施形態では、固定磁化層３８ａ、３８ｂの一部を構成する強磁性層４４としてＣｏＦｅを用いる場合を例に説明したが、かかる強磁性層４４の材料はＣｏＦｅに限定されるものではない。Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのうちの少なくとも１種類以上を含む強磁性体を強磁性層４４の材料として適宜用いることができる。例えば、強磁性層４４として、Ｃｏ層、Ｎｉ層、Ｆｅ層、ＮｉＦｅ層、ＣｏＮｉ層、ＣｏＮｉＦｅ層等を用いてもよい。

また、上記実施形態では、固定磁化層３８ａ、３８ｂの一部を構成する反強磁性層４６の材料としてＰｔＭｎを用いる場合を例に説明したが、かかる反強磁性層４６の材料はＰｔＭｎに限定されるものではない。例えば、ＩｒＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ等の他の反強磁性材料を反強磁性層４６の材料として用いてもよい。

また、上記実施形態では、固定磁化層の一部を構成する非磁性層４２の材料としてＲｕ膜を用いる場合を例に説明したが、かかる非磁性層４２の材料はＲｕに限定されるものではない。例えば、Ｒｈ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ等の非磁性材料を非磁性層４２の材料として用いてもよい。

また、上記実施形態では、バリア層（トンネル絶縁膜）３６の材料としてＭｇＯを用いる場合を例に説明したが、バリア層３６の材料はＭｇＯに限定されるものではない。例えば、ＡｌＯ_Ｘ、ＨｆＯ_Ｘ、ＴｉＯ_Ｘ、ＴａＯ_Ｘ等の絶縁材料をバリア層３６の材料として適宜用いてもよい。

また、上記実施形態では、書き込み素子２と読み出し素子４の両方を別個に設ける場合を例に説明したが、書き込み素子と読み出し素子とを兼ねる書き込み／読み出し素子を形成してもよい。

また、上記実施形態では、書き込み素子２としてＴＭＲ素子を用いる場合を例に説明したが、書き込み素子２はＴＭＲ素子に限定されるものではない。例えばＧＭＲ素子を書き込み素子２として用いてもよい。読み出し素子２をＧＭＲ素子により構成する場合には、記録層２２、２２ａ上に、例えば膜厚６ｎｍのＣｕ膜、膜厚４ｎｍのＣｏＦｅ膜、膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜、膜厚４ｎｍのＣｏＦｅ膜及び膜厚２０ｎｍのＰｔＭｎ膜より成る積層体を形成することにより、かかる積層体より成るＧＭＲ素子を構成すればよい。

また、上記実施形態では、読み出し素子４としてＴＭＲ素子を用いる場合を例に説明したが、読み出し素子４はＴＭＲ素子に限定されるものではない。例えばＧＭＲ素子を読み出し素子４として用いてもよい。読み出し素子４をＧＭＲ素子により構成する場合には、記録層２２、２２ａ上に、例えば膜厚６ｎｍのＣｕ膜、膜厚４ｎｍのＣｏＦｅ膜、膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜、膜厚４ｎｍのＣｏＦｅ膜及び膜厚２０ｎｍのＰｔＭｎ膜より成る積層体を形成することにより、かかる積層体より成るＧＭＲ素子を構成すればよい。

また、配線（図示せず）によって書き込み手段を構成してもよい。配線に電流を流した際に生ずる磁界により、記録ビット３４の磁化方向を制御するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、記録層２２、２２ａの上方にバリア層３６を介して固定磁化層３８ａ、３８ｂを設けたが、記録層２２、２２ａの下方にバリア層３６を介して固定磁化層３８ａ、３８ｂを設けてもよい。

以上詳述したように、本発明の特徴をまとめると以下のようになる。

（付記１）
所定の間隔で段差が形成された線状の記録層であって、前記段差が形成された領域が磁壁の移動を規制する規制領域となり、前記規制領域間の領域が記録ビットとなる記録層を有する
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
（付記２）
付記１記載の磁気メモリ装置において、
前記記録層は、前記所定の間隔で段差が形成された下地層上に形成されており、
前記下地層の前記段差の高さは、前記記録層の厚さの３分の１以上である
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
（付記３）
所定の間隔で屈曲部が形成された線状の記録層であって、前記屈曲部が磁壁の移動を規制する規制領域となり、前記規制領域間の領域が記録ビットとなる記録層を有する
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
（付記４）
付記３記載の磁気メモリ装置において、
前記記録層は、ジグザグ状に形成されている
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
（付記５）
付記４記載の磁気メモリ装置において、
前記屈曲部における屈曲角θは、０°＜θ＜１５１°である
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
（付記６）
付記１又は３記載の磁気メモリ装置において、
前記所定の間隔は、１つの前記記録ビットに相当する間隔である
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
（付記７）
所定の間隔で段差が形成された下地層を形成する工程と、
前記下地層上に前記段差に交差するように線状の記録層を形成する工程であって、前記下地層の前記段差に起因して前記記録層に形成された段差が磁壁の移動を規制する規制領域となり、前記規制領域間の領域が記録ビットとなる記録層を形成する工程と
を有することを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
（付記８）
所定の間隔で屈曲部が形成された線状の記録層を形成する工程であって、前記屈曲部が磁壁の移動を規制する規制領域となり、前記規制領域間の領域が記録ビットとなる記録層を形成する工程を有する
ことを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。

本発明の第１実施形態による磁気メモリ装置の一部を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態による磁気メモリ装置を示す断面図及び平面図である。 本発明の第１実施形態による磁気メモリ装置を示す平面図及び断面図である。 本発明の第１実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程図（その１）である。 本発明の第１実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程図（その２）である。 本発明の第１実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程図（その３）である。 本発明の第１実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程図（その４）である。 本発明の第１実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程図（その５）である。 本発明の第１実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程図（その６）である。 本発明の第２実施形態による磁気メモリ装置を示す平面図及び断面図である。 記録層の屈曲角と磁壁が消失する外部磁界との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程図（その１）である。 本発明の第２実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程図（その２）である。 本発明の第２実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程図（その３）である。 本発明の第２実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程図（その４）である。 本発明の第２実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程図（その５）である。 本発明の第２実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程図（その６）である。 提案されている磁気メモリ装置を示す概念図である。

符号の説明

２…書き込み素子
４…読み出し素子
１０…シリコン基板
１２…層間絶縁膜
１４…層間絶縁膜
１５、１５′…段差
１６ａ、１６ｂ…溝
１７…溝
１８ａ、１８ｂ…下部電極
１９…屈曲部
２２、２２ａ…記録層
３０…磁壁
３２…規制領域（ピニングサイト）
３４…記録ビット
３６…バリア層（トンネル絶縁膜）
３８ａ、３８ｂ…固定磁化層
４０…強磁性層
４２…非磁性層
４４…強磁性層
４６…反強磁性層
４８ａ、４８ｂ…接続電極
５０…層間絶縁膜
５２…コンタクトホール
５４…コンタクトプラグ
５６ａ、５６ｂ…上部電極
５６ｃ、５６ｄ…配線
５８…層間絶縁膜
１０２…書き込み素子
１０４…読み出し素子
１２２…記録層
１２８…切り込み（ノッチ）
１３０…磁壁
１３２…規制領域（ピニングサイト）
１３４…記録ビット
１３６…バリア層（トンネル絶縁膜）
１３８ａ、１３８ｂ…固定磁化層
１５６ａ、１５６ｂ…上部電極

Claims (5)

1. 所定の間隔で段差が形成された線状の記録層であって、前記段差が形成された領域が磁壁の移動を規制する規制領域となり、前記規制領域間の領域が記録ビットとなる記録層を有する
   ことを特徴とする磁気メモリ装置。
2. 請求項１記載の磁気メモリ装置において、
   前記記録層は、前記所定の間隔で段差が形成された下地層上に形成されており、
   前記下地層の前記段差の高さは、前記記録層の厚さの３分の１以上である
   ことを特徴とする磁気メモリ装置。
3. 所定の間隔で屈曲部が形成された線状の記録層であって、前記屈曲部が磁壁の移動を規制する規制領域となり、前記規制領域間の領域が記録ビットとなる記録層を有する
   ことを特徴とする磁気メモリ装置。
4. 所定の間隔で段差が形成された下地層を形成する工程と、
   前記下地層上に前記段差に交差するように線状の記録層を形成する工程であって、前記下地層の前記段差に起因して前記記録層に形成された段差が磁壁の移動を規制する規制領域となり、前記規制領域間の領域が記録ビットとなる記録層を形成する工程と
   を有することを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
5. 所定の間隔で屈曲部が形成された線状の記録層を形成する工程であって、前記屈曲部が磁壁の移動を規制する規制領域となり、前記規制領域間の領域が記録ビットとなる記録層を形成する工程を有する
   ことを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。

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