JP2008270809A - 磁気ランダムアクセスメモリおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】書き込みエラーが生じにくいＭＲＡＭを提供する。
【解決手段】分割メモリセル群は、Ｘ軸方向に延在するワード線と、Ｙ軸方向に延在するビット線と、それらの交差点に各々配置された磁気メモリ素子とを含む。ワード線は、第１のグローバル書込線および第１の選択スイッチを介して第１の共通書込線と接続され、第２の選択スイッチおよび第２のグローバル書込線を介して第２の共通書込線と接続される。磁気メモリ素子は、Ｘ軸方向に沿った磁化を有するピンド層と、フリー層と、それらに挟まれた中間層との積層構造を含む。フリー層は、Ｘ軸方向の磁化容易軸を有する第１の領域ＡＲ１と、Ｘ軸方向と５°以上９０°以下の角度をなす磁化容易軸を有する２つの尖端部分からなる第２の領域ＡＲ２とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の磁気メモリ素子を備えた磁気ランダムアクセスメモリ、およびその製造方法に関する。

磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunneling Junction）素子およびスピンバルブ（ＳＶ：Spin Valve）型ＧＭＲ素子は、非磁性層（ＭＴＪ素子の場合には誘電体からなるトンネルバリア層であり、ＳＶ型ＧＭＲ素子の場合には遷移金属層）によって分離された２つの強磁性層を備えたものであり、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memry）のようなメモリ素子としての使用が広く研究されている。通常、一方の強磁性層は、一定方向に固定された磁化を有するピンド層であり、他方の強磁性層は、磁化が自由に反転するフリー層である。

ＭＲＡＭでは、磁気メモリ素子としてのＭＴＪ素子やＧＭＲ素子などの積層体は、形状（磁気）異方性を発現するように成形されている。図８（Ａ）に示したように、磁気メモリ素子８１の形状異方性は、真円以外の平面形状であれば、必ず存在する。休止状態（非駆動状態）では、フリー層の磁化は積層体（セル）の長軸方向に沿って配向しており、ピンド層の磁化方向に平行または逆平行な状態となっている。磁気メモリ素子８１では、長軸が磁化容易軸８１Ｅとなり、磁化困難軸８１Ｈと直交している。図８（Ｂ）にＭＴＪ素子の断面を示す。図８（Ｂ）に示したように、ＭＴＪ素子は、フリー層１１と、トンネルバリア層１２と、ピンド層１３とを順に備えている。ピンド層１３は、一定方向に固定された磁化Ｊ１３を有し、フリー層１１は、外部磁界に応じて磁化Ｊ１１が変化する性質を有している。

ＭＲＡＭセル（磁気メモリ素子）に格納されるディジタル情報はフリー層の磁化方向によって異なる。 図９は、ピンド層の磁化方向に沿った外部磁界Ｈによって変化するＭＴＪ素子の抵抗値Ｒを表している。外部磁界Ｈが零のときの最小の抵抗値Ｒｓおよび最大の抵抗値Ｒｍを示す２つの状態は、それぞれ、ピンド層の磁化方向とフリー層の磁化方向とが互いに平行または逆平行である場合に対応する。２つの状態の切り替えを行うのに要する磁界Ｈｓ（スイッチング磁界Ｈｓ）の大きさは、ＭＴＪ素子の形状磁気異方性エネルギーによって決定される。併せてさらなる外部磁界が磁化困難軸に沿って印加されるとき、スイッチング磁界Ｈｓは減少し、磁化困難軸方向の外部磁界Ｈｙが最大値（飽和磁界Ｈｙ_sat）に達した場合、スイッチング磁界Ｈｓは零となる。

ＭＲＡＭでは、ＭＲＡＭセルへの書込を行う際、２つの電流線によって供給される合成外部磁界を用いる。図１０は、一般的なＭＲＡＭの構成例を表す。図１０に示したように、磁化容易軸方向の磁界成分をビット線３１によって付与し、磁化困難軸方向の磁界成分をワード線３２によって付与する。その際、ビット線３１およびワード線３２の双方を個別の電流Ｉbit，Ｉwordが流れる。合成磁界により、形状磁気異方性の存在に関わらず、選択したＭＲＡＭセル３３の磁化方向を所望の方向へ設定する（変更する）ことができる。ＭＲＡＭセルの形状を若干変化させることで、選択したＭＲＡＭセル３３の書き換えに必要なビット線３１およびワード線３２の合成磁界が変化する。全てのＭＲＡＭセルに対して確実に書込を可能とするには、ビット線３１およびワード線３２を各々流れる電流Ｉbit，Ｉwordを、最も大きな形状異方性を有するＭＲＡＭセルのスイッチングに必要とされるレベルに設定しなければならない。

しかしながら、書込対象として選択したＭＲＡＭセル（以下、選択セルという。）３３に書込を行う際、その選択セル３３と同じビット線３１またはワード線３２に沿って配置された書込の対象としない他のＭＲＡＭセル３４にも、そのビット線３１またはワード線３２を流れる電流Ｉbit，Ｉwordによって生じる誘導磁界が及ぶこととなる。この誘導磁界は選択セル３３に及ぶ合成磁界よりも強度が小さいものの、偶然に上記他のＭＲＡＭセル３４に意図しない書込がなされる可能性がある。その場合、書き込みエラーとなってしまう。上記他のＭＲＡＭセル３４を、半選択セル３４と呼ぶ。半選択セル３４が偶発的に書き込まれてしまう可能性は、ビット線３１やワード線３２を流れる電流の大きさ、スイッチング磁界Ｈｓおよび困難軸方向の飽和磁界Ｈｙ_satに依存する。より大きなビット線電流Ｉbitおよびワード線電流Ｉwordと、より小さなスイッチング磁界Ｈｓおよび飽和磁界Ｈｙ_satは、半選択セル３４が偶発的に書き込まれてしまう可能性を高める。スイッチング磁界Ｈｓおよび飽和磁界Ｈｙ_satの大きさには様々なバリエーションがある。したがって、ビット線電流Ｉbitおよびワード線電流Ｉwordの双方の値を注意深く選択する必要がある。すなわち、低すぎれば選択セル３３への書込を行うことができず、大きすぎれば半選択セル３４への書き込みエラーが生じる。

ＭＲＡＭの書込ウィンドウ、すなわち、ビット線電流およびワード線電流のうち、書き込みエラーが生じることなく書込動作を行うことが可能な範囲は、３つの要件によって決定される。具体的には、選択セル３３への書込に必要となるビット線３１およびワード線３２からの合成磁界、ビット線３１の誘導磁界とワード線電流Ｉword＝０のときの最小のスイッチング磁界Ｈｓとの差、ワード線３２の誘導磁界と飽和磁界Ｈｙ_satの最小値との差の３つである。選択セル３３への書込を行うのに十分な大きさであり、かつ、半選択セル３４への書込エラーを生じさせない程度に十分に小さなウインドウを有することは極めて重要である。その書込ウィンドウは、形状異方性が高まることで拡大され得る。しかし、このアプローチは、より大きなビット線電流Ｉbitおよびワード線電流Ｉwordを必要とするする。より大きなビット線電流Ｉbitおよびワード線電流Ｉwordは、高密度化の妨げになるので望ましくない。

従来、フリー層の磁化構造をＣ形状に制限することで、ワード線電流Ｉword＝０のときのスイッチング磁界Ｈｓを大きくする一方で、ワード線電流Ｉword≠０のときのスイッチング磁界Ｈｓを維持する試みがなされている（例えば特許文献１および特許文献２参照）。
米国特許第６７９８６９０号明細書 米国特許第６７９８６９１号明細書

この方法では、ＭＴＪセルを曲線状にパターニングすることで目的を達成している。特許文献１，２に記載されているように、Ｃ形状のフリー層は、より高いスイッチング磁界Ｈｓをもたらす。図７に示したように、小さな磁化困難軸磁界でのスイッチング磁界Ｈｓは、ＭＲＡＭセルのフリー層が円形または楕円形の場合（曲線７１）よりもＣ形状の場合（曲線７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃ）に著しく高くなる。なお、図７の横軸は、飽和磁界Ｈｙ_satに対する、フリー層の磁化困難軸方向（Ｙ軸方向）の磁界Ｈ_hardの比を表し、図７の縦軸は、飽和磁界Ｈｙ_satに対する、フリー層の磁化容易軸方向（Ｘ軸方向）のスイッチング磁界Ｈｓの比を表している。高い磁化困難軸磁界においては、Ｃ形状の場合のスイッチング磁界Ｈｓが円形または楕円形の場合のそれと一致する。よって、Ｃ形状のＭＲＡＭセルは、ビット線の誘導磁界と、ワード線電流Ｉword＝０のときの最小のスイッチング磁界Ｈｓとの差を増大させることができる。

このアプローチは、ビット線に沿った半選択セルへの書き込みエラーの可能性をある程度低減するのに有効である。書込ウィンドウは主に、選択セルへの書込に必要な書込磁界、およびワード線による誘導磁界と最小の飽和磁界Ｈｙ_satとによって規定される。上記特許文献１，２では、ＭＲＡＭの書込動作点７３は、図７に示したように、曲線７Ａ〜７Ｃの屈曲部の近くに設定されている。動作ポイントの問題点は、Ｃ形状のスイッチングモードから円形または楕円形のスイッチングモードへと変化する屈曲点が、非常に幅広い分布を有しているということである。このことは、選択セルへの書込を行うための磁界において、著しく増大した変動をもたらすこととなり、結果として書込ウィンドウは大幅に減少する。

さらに、ビット線やワード線に沿った半選択セルの問題の取り扱いに関する他のアプローチとしては、特許文献３，４に記載のセグメント化された書込機構がある。
米国特許第６３３５８９０号明細書 米国特許第６４９０２１７号明細書

上の引用文献に加えて、関連する以下の引用文献が見つかった。
米国特許第６２７２０４０号明細書 米国特許第６５９４１９１号明細書 米国特許第７０２００１５号明細書

上述したように、半選択セルへの意図しない書込に関する問題に対しては種種の検討がなされている。しかしながら、最近では、ＭＲＡＭの高容量化に伴う、ＭＲＡＭセルのさらなる高密度実装が求められてきている。そのため、そのような高密度実装した場合であっても書き込みエラーの少ないＭＲＡＭが望まれる。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、半選択セルへの意図しない書き込み（書き込みエラー）が生じにくい磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。具体的には、動作点が、より安定した領域にある磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。また、本発明の第２の目的は、上記のような磁気ランダムアクセスメモリの製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、まず、磁気メモリ素子の形状を、磁化を促進するＣ形状とする。このＣ形状において、フリー層の中央部分の磁化容易軸はピンド層の磁化と平行であり、フリー層の２つの尖端部分の磁化容易軸はピンド層の磁化方向に対して所定の角度を有している。２つの尖端部分は、フリー層の磁化反転を誘導する核として機能する。さらに、ある数の磁気メモリ素子を１つの単位として分割メモリセル群を構成し、書込対象とする磁気メモリ素子を含む分割メモリセル群におけるワード線のみに書込電流を供給する分割書込方式を採用する。具体的には以下の通りである。

本発明の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、第１方向に延在する一のワード線、第１方向と交差する第２方向に延在する複数のビット線、およびワード線とビット線との交差点に各々配置された複数の磁気メモリ素子をそれぞれ含む複数の分割メモリセル群と、第１方向に延在し、複数の分割メモリセル群に共通に設けられた第１および第２の共通書込線と、第２方向に延在し、第２方向に沿って配列された複数の分割メモリセル群におけるワード線と共通に接続され、かつ、第１の選択スイッチを介して第１の共通書込線とも接続された第１のグローバル書込線と、第２方向に延在し、第２方向に沿って配列された複数の分割メモリセル群におけるワード線と第２の選択スイッチを介して共通に接続され、かつ、第２の共通書込線とも接続された第２のグローバル書込線とを備えた磁気ランダムアクセスメモリを製造する方法であって、第１方向の磁場中においてピンド層と、中間層と、フリー層とを順に積層することにより積層体を形成したのち、フリー層が、第１方向の磁化容易軸を有する第１の領域と、第１方向と５°以上９０°以下の角度をなす磁化容易軸を有する２つの尖端部分からなる第２の領域とを含み、第１の領域が、第２の領域の面積の１０％以上９５％以下に相当する面積を占めるように積層体をパターニングすることで磁気メモリ素子を形成するようにしたものである。

本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、以下の（１）〜（４）の各要件を備えるようにしたものである。
（１）第１方向に延在する一のワード線と、第１方向と交差する第２方向に延在する複数のビット線と、ワード線とビット線との交差点に各々配置された複数の磁気メモリ素子とをそれぞれ含む複数の分割メモリセル群。
（２）第１方向に延在し、複数の分割メモリセル群に共通に設けられた第１および第２の共通書込線。
（３）第２方向に延在し、第２方向に沿って配列された複数の分割メモリセル群におけるワード線と共通に接続され、かつ、第１の選択スイッチを介して第１の共通書込線とも接続された第１のグローバル書込線。
（４）第２方向に延在し、第２方向に沿って配列された複数の分割メモリセル群におけるワード線と第２の選択スイッチを介して共通に接続され、かつ、第２の共通書込線とも接続された第２のグローバル書込線。
ここで、磁気メモリ素子は、第１方向に沿った磁化を有するピンド層と、フリー層と、それらに挟まれた中間層との積層構造を含み、フリー層は、第１方向の磁化容易軸を有する第１の領域と、第１方向と５°以上９０°以下の角度をなす磁化容易軸を有する２つの尖端部分からなる第２の領域とを含み、第１の領域が、第２の領域の面積の１０％以上９５％以下に相当する面積を占めている。

本発明の磁気ランダムアクセスメモリおよびその製造方法では、上記の構成により、選択セルへの書き込みに要する磁界が最小限に収まり、ワード線に沿った半選択セルは存在しなくなり、必要とされるビット線からの磁界が著しく低減され、ビット線に沿った半選択セルの問題も解消される。特に、第２の領域における尖端部分が、第１の領域に対してより大きく屈曲し、より鋭い形状であると、書き込みに要する磁界がより低減される。

本発明の磁気ランダムアクセスメモリおよびその製造方法によれば、分割メモリセル群ごとにセグメント化された回路構造と共にＣ形状の磁気メモリ素子を採用するようにしたので、その構成上、書き込み対象としない半選択セルへの偶発的な、意図しない書込エラーが生じにくくなる。よって、より高集積化した磁気ランダムアクセスメモリを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）３００の要部構成を表す概略図である。このＭＲＡＭ３００は、例えば、分割されてマトリクス状に配列された複数のメモリセル群３３４，３３６，３３８，３４０を備えている。なお、図１では、４つのメモリセル群３３４，３３６，３３８，３４０のみを示すが、ＭＲＡＭ３００におけるメモリセル群の数は、これに限定されるものではない。

メモリセル群３３４は、Ｘ軸方向に延在する一のワード線３２６と、Ｘ軸方向と交差するＹ軸方向に延在する複数のビット線３０６，３０８と、ワード線３２６とビット線３０６，３０８との交差点に各々配置された複数の磁気メモリ素子３４２，３４４とを含んでいる。

同様に、メモリセル群３３６は、Ｘ軸方向に延在する一のワード線３２８と、Ｙ軸方向に延在する複数のビット線３１０，３１２と、ワード線３２８とビット線３１０，３１２との交差点に各々配置された複数の磁気メモリ素子３４６，３４８とをそれぞれ含んでいる。また、メモリセル群３３８は、Ｘ軸方向に延在する一のワード線３３０と、Ｙ軸方向に延在する複数のビット線３０６，３０８と、ワード線３３０とビット線３０６，３０８との交差点に各々配置された複数の磁気メモリ素子３５０，３５２とをそれぞれ含んでいる。また、メモリセル群３４０は、Ｘ軸方向に延在する一のワード線３３２と、Ｙ軸方向に延在する複数のビット線３１０，３１２と、ワード線３３２とビット線３１０，３１２との交差点に各々配置された複数の磁気メモリ素子３５４，３５６とをそれぞれ含んでいる。すなわち、メモリセル群３３４，３３８はビット線３０６，３０８を共有しており、メモリセル群３３６，３４０はビット線３１０，３１２を共有している。

ＭＲＡＭ３００は、さらに、これらのメモリセル群３３４，３３６，３３８，３４０に共通に設けられた第１および第２の共通書込線３０２，３０４を備えている。第１および第２の共通書込線３０２，３０４は、その一端が電流ソース／シンク３０１と接続されている。電流ソース／シンク３０１は、各磁気メモリ素子３４２，３４４，３４６，３４８，３５０，３５２，３５４，３５６に不安定化電流を供給するものである。

第１の共通書込線３０２は、Ｙ軸方向に延在する第１のグローバル書込線３１４を介して、メモリセル群３３４のワード線３２６およびメモリセル群３３８のワード線３３０とそれぞれ接続されている。第１の共通書込線３０２と第１のグローバル書込線３１４との間には、ビット・スライス選択スイッチ３２２が設けられている。さらに、第１の共通書込線３０２は、Ｙ軸方向に延在する第１のグローバル書込線３１８を介して、メモリセル群３３６のワード線３２８およびメモリセル群３４０のワード線３３２とそれぞれ接続されている。第１の共通書込線３０２と第１のグローバル書込線３１８との間には、ビット・スライス選択スイッチ３２４が設けられている。

第２の共通書込線３０４は、Ｙ軸方向に延在する第２のグローバル書込線３１６を介して、メモリセル群３３４のワード線３２６およびメモリセル群３３８のワード線３３０とそれぞれ接続されている。第２のグローバル書込線３１６とワード線３２６との間には、メモリセル群選択スイッチ３７４が設けられており、第２のグローバル書込線３１６とワード線３３０との間には、メモリセル群選択スイッチ３７８が設けられている。さらに、第２の共通書込線３０４は、Ｙ軸方向に延在する第２のグローバル書込線３２０を介して、メモリセル群３３６のワード線３２８およびメモリセル群３４０のワード線３３２とそれぞれ接続されている。第２のグローバル書込線３２０とワード線３２８との間には、メモリセル群選択スイッチ３７６が設けられており、第２のグローバル書込線３２０とワード線３３２との間には、メモリセル群選択スイッチ３８０が設けられている。ここで、メモリセル群選択スイッチ３７４，３７６の各ゲートは、Ｘ軸方向に延在する書込ワード線３８６と共通に接続されている。同様に、メモリセル群選択スイッチ３７８，３８０の各ゲートは、Ｘ軸方向に延在する書込ワード線３８８と共通に接続されている。書込ワード線３８６，３８８には、それぞれ、図示しない周辺回路から、メモリセル群選択スイッチ３７４，３７６，３７８，３８０を駆動制御するためのメモリセル群選択信号が入力されるようになっている。

なお、磁気メモリ素子３４２，３４４，３４６，３４８は、ゲート端子が読取ワード線３８２と接続されたＦＥＴ３５８，３６０，３６２，３６４をそれぞれ介して接地されており、磁気メモリ素子３５０，３５２，３５４，３５６は、ゲート端子が読取ワード線３８４と接続されたＦＥＴ３６６，３６８，３７０，３７２をそれぞれ介して接地されている。

このように、ＭＲＡＭ３００においては、Ｙ軸方向に配列されたメモリセル群３３４，３３８、第１のグローバル書込線３１４、および第２のグローバル書込線３１６によって構成されるビット・スライスＮと、Ｙ軸方向に配列されたメモリセル群３３６，３４０、第１のグローバル書込線３１８、および第２のグローバル書込線３２０によって構成されるビット・スライスＮ＋１とがＸ軸方向に配列された構成を備えている。なお、同様の構成のビット・スライスをさらに備えるようにしてもよい。

電流ソース／シンク３０１から特定のビット・スライス（例えばビット・スライスＮまたはビット・スライスＮ＋１）に供給される不安定化電流は、ビット・スライス選択スイッチ３２２，３２４によって選択的に制御される。すなわち、ビット・スライス選択スイッチ３２２，３２４の各々が、ビット・スライス選択信号３９０，３９２に応じて第１の共通書込線３０２から第１のグローバル書込線３１４，３１６へ不安定化電流を供給するようになっている。

各磁気メモリ素子３４２，３４４，３４６，３４８，３５０，３５２，３５４，３５６は、いずれも、Ｘ軸方向に沿った磁化を有するピンド層と、フリー層と、それらに挟まれたトンネルバリア層との積層構造を含むＭＴＪ素子である。積層構造の輪郭は、例えば図２に示したように、Ｃ形状をなしている。すなわち、少なくともフリー層は、（Ｘ軸方向へ細長く延在することで）Ｘ軸方向の磁化容易軸Ｊ１を有する第１の領域ＡＲ１と、Ｘ軸方向と所定の角度（例えば５°以上９０°以下の角度）をなす磁化容易軸Ｊ２を有する２つの尖端部分（エッジ部分）からなる第２の領域ＡＲ２とを含む形状となっている。ここで、例えば第１の領域ＡＲ１が、第２の領域ＡＲ２の面積の１０％以上９５％以下に相当する面積を占めていることが望ましい。第２の領域ＡＲ２を構成する２つのエッジ部分は、互いに対称な関係にあってもよいし、または互いに異なった寸法を有する非対称な関係にあってもよい。

以下、磁気メモリ素子に採用可能な、平面形状の具体例を列挙する。

図３（Ａ）は、アルファ（α）型の磁気メモリ素子の平面形状を例示するものである。その平面形状の輪郭は、３つの直線部分と、内側に凸の左右対称な曲線部分１３１とによって構成されている。

図３（Ｂ）は、ベータ（β）型の磁気メモリ素子の平面形状を例示するものである。その平面形状の輪郭は、３つの直線部分と、内側に凸の左右非対称な曲線部分１３２とによって構成されている。

図３（Ｃ）は、ガンマ（γ）型の磁気メモリ素子の平面形状を例示するものである。その平面形状の輪郭は、一の直線部分と、一端がその直線部分の両端と接続されて互いに対向すると共に外側に凸をなす一対の曲線部分と、それら一対の曲線部分の他端同士を連結すると共に直線部分と対向して配置された他の曲線部分１３３とを有するものである。他の曲線部分１３３は、内に凸であると共に左右対称である。

図３（Ｄ）は、デルタ（δ）型の磁気メモリ素子の平面形状を例示するものである。その平面形状の輪郭は、一の直線部分と、一端がその直線部分の両端と接続されて互いに対向すると共に外側に凸をなす一対の曲線部分と、それら一対の曲線部分の他端同士を連結すると共に直線部分と対向して配置された他の曲線部分１３４とを有するものである。他の曲線部分１３４は、内に凸であると共に左右非対称である。

図４（Ａ）に示した磁気メモリ素子は、その平面形状の輪郭が凹部を含む六角形をなし、凹部を構成する連続した３辺が同一の長さを有するものである。

図４（Ｂ）は、イプシロン（ε）型の磁気メモリ素子の平面形状を例示するものである。その平面形状の輪郭は、互いに平行に対向する一対の直線部分４１１と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の曲線部分４１２，４１３とを有している。曲線部分４１２は、外側に凸をなし、曲線部分４１３は、外側に凹をなしている。曲線部分４１２および曲線部分４１３は、互いにほぼ同一の曲率半径を有している。

図４（Ｃ）は、ゼータ（ζ）型の磁気メモリ素子の平面形状を例示するものである。その平面形状の輪郭は、互いに平行な一対の直線部分４２１と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の曲線部分４２２，４２３とを有している。曲線部分４２２は、外側に凸をなし、曲線部分４２３は、外側に凹をなしている。曲線部分４２３は、曲線部分４２２よりも小さな曲率半径を有している。

図４（Ｄ）は、イータ（η）型の磁気メモリ素子の平面形状を例示するものである。その平面形状の輪郭は、互いに平行な一対の直線部分４３１と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の曲線部分４３２，４３３とを有している。曲線部分４３２は、外側に凸をなし、曲線部分４３３は、外側に凹をなしている。曲線部分４３３は、曲線部分４３２よりも大きな曲率半径を有している。

図５（Ａ）は、シータ（θ）型の磁気メモリ素子の平面形状を例示するものである。その平面形状の輪郭は、（左右対称な形状を有する）一対の同心の円弧５０１，５０２（各々中心角が１８０°未満である）と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の直線部分５０３，５０４とを有している。

図５（Ｂ）は、イオタ（ι）型の磁気メモリ素子の平面形状を例示するものである。その平面形状の輪郭は、（左右対称な形状を有する）一対の同心の円弧５１１，５１２（各々１８０°を超える中心角である）と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の直線部分５１３，５１４とを有している。

図５（Ｃ）は、カッパ（κ）型の磁気メモリ素子の平面形状を例示するものである。その平面形状の輪郭は、（左右対称な形状を有する）一対の同心の円弧５２１，５２２（各々１８０°未満の中心角である）と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の曲線部分５２３，５２４とを有している。

図５（Ｄ）は、ラムダ（λ）型の磁気メモリ素子の平面形状を例示するものである。その平面形状の輪郭は、（左右対称な形状を有する）一対の同心の円弧５３１，５３２（各々１８０°を超える中心角である）と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の曲線部分５３３，５３４とを有している。

図６（Ａ）〜図６（Ｄ）は、それぞれ、三日月型、ソーセージ型、ブーメラン型、パックマン（packman）型（行商人型）の磁気メモリ素子の平面形状を例示するものである。また、図６（Ｅ）は、より複雑化した磁気メモリ素子の平面形状を例示するものである。

このようなＭＲＡＭ３００では、ワード線３２６，３２８，３３０，３３２およびビット線３０６，３０８，３１０，３１２は、磁気メモリ素子３４２，３４４，３４６，３４８，３５０，３５２，３５４，３５６への論理状態の書込を選択的に行うための電流線であり、それらを流れる電流によって生じる誘導磁界によって論理状態のスイッチングが行われる。具体的には、ビット線３０６，３０８，３１０，３１２を流れる電流によって誘導される第１の領域ＡＲ１の磁化容易軸方向（Ｘ軸方向）に沿った磁界Ｈｘと、ワード線３２６，３２８，３３０，３３２を流れる不安定化電流によって誘導される第１の領域ＡＲ１の磁化困難軸方向に沿った磁界Ｈｙとのベクトル和が閾値（スイッチング磁界Ｈｓ）を超えることで、フリー層のスイッチングが生じ、論理状態の書込がなされる。本実施の形態では、複数のメモリセル群のうち、書込対象とする選択セルを含むメモリセル群におけるワード線のみに不安定化電流を流し、選択セル（書込対象の磁気メモリ素子）を不安定状態にしておく（スイッチング磁界Ｈｓを超えるのに必要な、磁化困難軸方向に沿った最大の磁界Ｈｙを付与しておく）ことで、半選択セルへの意図しない書込がなされることを防ぐことができる。

例えば、メモリセル群３３４における磁気メモリ素子３４２，３４４に書込を行う場合には、以下のように行う（図１参照）。まず、イネーブル信号３０３の入力によって電流ソース／シンク３０１を駆動させると共に、ビット・スライス選択信号３９０をビット・スライス選択スイッチ３２２へ入力することでビット・スライス選択スイッチ３２２を開状態とする。これにより、不安定化電流を、第１の共通書込線３０２を介して第１のグローバル書込線３１４へ供給することができる。さらに、書込ワード線３８６に対し、メモリセル群選択スイッチ３７４を駆動制御するためのメモリセル群選択信号を入力することで、第１のグローバル書込線３１４からワード線３２６へ不安定化電流を導き、第２のグローバル書込線３１６と第２の共通書込線３０４とを順次経由して電流ソース／シンク３０１へ戻すようにする。これにより、磁化困難軸方向の磁界Ｈｙが磁気メモリ素子３４２，３４４に付与され、磁気メモリ素子３４２，３４４は不安定化状態となる。そこで、ビット線３０６，３０８に所定の電流を流し、磁化容易軸方向の磁界Ｈｘを磁気メモリ素子３４２，３４４に付与することでフリー層の磁化方向のスイッチングが生じ、所望の論理状態の書込を行うことができる。この際、ビット線３０６，３０８に所定の電流を流すことで、磁気メモリ素子３５０，３５２に対しても磁化容易軸方向の磁界Ｈｘが及ぶこととなるが、それらは磁化困難軸方向の磁界Ｈｙが付与されていないので（不安定化されていないので）、フリー層の磁化方向のスイッチングは生じない。

このような、分割されたメモリセル群を複数備えたＭＲＡＭ３００における、選択された磁気メモリ素子の動作点（すなわち、磁界Ｈｙに対するスイッチング磁界Ｈｓの大きさ）は、図７に、符号７４で示した通りである。なお、符号７３は、図１０に示した従来のＭＲＡＭにおける選択された磁気メモリ素子の動作点である。ＭＲＡＭ３００は、従来と比べて選択セルと半選択セルとの間の書込マージンが著しく増大する。さらに、ＭＲＡＭ３００では、磁化容易軸に沿った大きな磁界は必要とされず、磁気メモリ素子への書込に必要なビット線電流が著しく低下する可能性がある。

ＭＲＡＭ３００における磁気メモリ素子３４２を形成するにあたっては、まず、Ｘ軸方向の磁場中においてピンド層と、トンネルバリア層と、フリー層とを順に積層することにより積層体を形成したのち、フリー層が、Ｘ軸方向の磁化容易軸を有する第１の領域ＡＲ１と、Ｘ軸方向と５°以上９０°以下の角度をなす磁化容易軸を有する２つの尖端部分からなる第２の領域ＡＲ２とを含むように上記積層体をパターニングすればよい。

このように、本実施の形態のＭＲＡＭ３００によれば、Ｃ形状の磁気メモリ素子と、分割書込方式とを組み合わせて採用することで、正確な書込操作を行うための（ワード線電流およびビット線電流の）十分なマージンを確保することができる。

以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。すなわち当技術分野を熟知した当業者であれば理解できるように、上記実施の形態は本願発明の一具体例であり、本願発明は、上記の内容に限定されるものではない。製造方法、構造および寸法などの修正および変更は、本発明と一致する限り、好ましい具体例に対応して行われる。

例えば、本実施の形態では、磁気メモリ素子としてＭＴＪ素子を例に挙げて説明するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。磁気メモリ素子として、例えばＧＭＲ素子を採用することもできる。その場合、中間層はトンネルバリア層ではなく、銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ）などからなる非磁性金属層となる。

本発明の一実施の形態としてのＭＲＡＭの概略構成を表す説明図である。 図１に示したＭＲＡＭにおける磁気メモリ素子の構成を説明するための概略図である。 図１に示した磁気メモリ素子における平面形状の第１〜第５の具体例を表す概略図である。 図１に示した磁気メモリ素子における平面形状の第６〜第８の具体例を表す概略図である。 図１に示した磁気メモリ素子における平面形状の第９〜第１２の具体例を表す概略図である。 図１に示した磁気メモリ素子における平面形状の第１３〜第１７の具体例を表す概略図である。 飽和磁界Ｈｙ_satに対するフリー層の磁化困難軸方向の磁界Ｈ_hardの比と、飽和磁界Ｈｙ_satに対するフリー層の磁化容易軸方向のスイッチング磁界Ｈｓの比との関係を表す特性図である。 一般的な磁気メモリ素子（ＭＴＪ素子）における平面および断面を表す概略図である。 一般的な磁気メモリ素子（ＭＴＪ素子）における外部磁界に対する抵抗値の変化を表す特性図である。 一般的なＭＲＡＭの構成を表す概略図である。

符号の説明

３００…磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、３０１…電流ソース／シンク、３０２…第１の共通書込線、３０４…第２の共通書込線、３０６，３０８，３１０，３１２…ビット線、３１４，３１８…第１のグローバル書込線、３１６，３２０…第２のグローバル書込線、３２２，３２４…ビット・スライス選択スイッチ、３２６，３２８，３３０，３３２…ワード線、３３４，３３６，３３８，３４０…メモリセル群、３４２，３４４，３４６，３４８，３５０，３５２，３５４，３５６…磁気メモリ素子、３７４，３７６，３７８，３８０…メモリセル群選択スイッチ、３８２，３８４…読取ワード線、３８６，３８８…書込ワード線、３９０，３９２…ビット・スライス選択信号、ＡＲ１…第１の領域、ＡＲ２…第２の領域。

Claims (28)

1. 第１方向に延在する一のワード線と、前記第１方向と交差する第２方向に延在する複数のビット線と、前記ワード線と前記ビット線との交差点に各々配置された複数の磁気メモリ素子とをそれぞれ含む複数の分割メモリセル群と、
   前記第１方向に延在し、前記複数の分割メモリセル群に共通に設けられた第１および第２の共通書込線と、
   前記第２方向に延在し、前記第２方向に沿って配列された前記複数の分割メモリセル群におけるワード線と共通に接続され、かつ、第１の選択スイッチを介して前記第１の共通書込線とも接続された第１のグローバル書込線と、
   前記第２方向に延在し、前記第２方向に沿って配列された前記複数の分割メモリセル群におけるワード線と第２の選択スイッチを介して共通に接続され、かつ、前記第２の共通書込線とも接続された第２のグローバル書込線とを備えた磁気ランダムアクセスメモリの製造方法であって、
   前記第１方向の磁場中においてピンド層と、中間層と、フリー層とを順に積層することにより積層体を形成したのち、
   前記フリー層が、前記第１方向の磁化容易軸を有する第１の領域と、前記第１方向と５°以上９０°以下の角度をなす磁化容易軸を有する２つの尖端部分からなる第２の領域とを含み、前記第１の領域が、前記第２の領域の面積の１０％以上９５％以下に相当する面積を占めるように前記積層体をパターニングすることで前記磁気メモリ素子を形成する
   ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
2. 前記積層体を、その平面形状がアルファ型、ベータ型、ガンマ型、デルタ型、イプシロン型、ゼータ型、イータ型、シータ型、イオタ型、カッパ型、ラムダ型、三日月型、ソーセージ型またはブーメラン型をなすようにパターニングする
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
3. 前記磁気メモリ素子の平面形状の輪郭を、３つの直線部分と、内側に凸の左右対称な曲線部分とによって構成されたものとする
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
4. 前記磁気メモリ素子の平面形状の輪郭を、３つの直線部分と、内側に凸の左右非対称な曲線部分とによって構成されたものとする
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
5. 前記磁気メモリ素子の平面形状の輪郭を、一の直線部分と、一端が前記直線部分の両端と接続されて互いに対向すると共に外側に凸をなす一対の曲線部分と、それら一対の曲線部分の他端同士を連結すると共に前記直線部分と対向する他の曲線部分とを有するものとし、かつ、前記他の曲線部分を、内に凸であると共に左右対称なものとする
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
6. 前記磁気メモリ素子の平面形状の輪郭を、一の直線部分と、一端が前記直線部分の両端と接続されて互いに対向すると共に外側に凸をなす一対の曲線部分と、それら一対の曲線部分の他端同士を連結すると共に前記直線部分と対向する他の曲線部分とを有するものとし、かつ、前記他の曲線部分を、内に凸であると共に左右非対称なものとする
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
7. 前記磁気メモリ素子の平面形状の輪郭を、凹部を含む六角形とし、前記凹部を構成する連続した３辺が同一の長さを有するものとする
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
8. 前記磁気メモリ素子の平面形状の輪郭を、対向する一対の直線部分と、それら一対の直線部分の両端をそれぞれ繋ぐ第１および第２の曲線部分とを有するものとし、
   前記第１の前記曲線部分を外側に凸とすると共に前記第２の前記曲線部分を外側に凹とし、
   前記第１および第２の曲線部分が互いに同一の曲率半径を有するようにする
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
9. 前記磁気メモリ素子の平面形状の輪郭を、対向する一対の直線部分と、それら一対の直線部分の両端をそれぞれ繋ぐ第１および第２の曲線部分とを有するものとし、
   前記第１の前記曲線部分が外側に凸をなすと共に前記第２の前記曲線部分が外側に凹をなし、前記第１の曲線部分が前記第２の曲線部分よりも大きな曲率半径を有するようにする
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
10. 前記磁気メモリ素子の平面形状の輪郭を、対向する一対の直線部分と、それら一対の直線部分の両端をそれぞれ繋ぐ第１および第２の曲線部分とを有するものとし、
    前記第１の前記曲線部分を外側に凸とすると共に前記第２の前記曲線部分を外側に凹とし、
    前記第２の曲線部分が前記第１の曲線部分よりも大きな曲率半径を有するようにする
    ことを特徴とする請求項１記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
11. 前記磁気メモリ素子の平面形状の輪郭を、一対の同心の円弧と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の直線部分とを有するものとし、
    前記一対の同心の円弧が各々１８０°未満の中心角を有するようにする
    ことを特徴とする請求項１記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
12. 前記磁気メモリ素子平面形状の輪郭を、一対の同心の円弧と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の直線部分とを有するものとし、
    前記一対の同心の円弧が各々１８０°を超える中心角を有するようにする
    ことを特徴とする請求項１記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
13. 前記磁気メモリ素子の平面形状の輪郭を、一対の同心の円弧と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の曲線部分とを有するものとし、
    前記一対の同心の円弧が各々１８０°未満の中心角を有するようにする
    ことを特徴とする請求項１記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
14. 前記磁気メモリ素子の平面形状の輪郭を、一対の同心の円弧と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の曲線部分とを有するものとし、
    前記一対の同心の円弧が各々１８０°を超える中心角を有するようにする
    ことを特徴とする請求項１記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
15. 第１方向に延在する一のワード線と、前記第１方向と交差する第２方向に延在する複数のビット線と、前記ワード線と前記ビット線との交差点に各々配置された複数の磁気メモリ素子とをそれぞれ含む複数の分割メモリセル群と、
    前記第１方向に延在し、前記複数の分割メモリセル群に共通に設けられた第１および第２の共通書込線と、
    前記第２方向に延在し、前記第２方向に沿って配列された前記複数の分割メモリセル群におけるワード線と共通に接続され、かつ、第１の選択スイッチを介して前記第１の共通書込線とも接続された第１のグローバル書込線と、
    前記第２方向に延在し、前記第２方向に沿って配列された前記複数の分割メモリセル群におけるワード線と第２の選択スイッチを介して共通に接続され、かつ、前記第２の共通書込線とも接続された第２のグローバル書込線とを備え、
    前記磁気メモリ素子は、前記第１方向に沿った磁化を有するピンド層と、フリー層と、それらに挟まれた中間層との積層構造を含み、
    前記フリー層は、前記第１方向の磁化容易軸を有する第１の領域と、前記第１方向と５°以上９０°以下の角度をなす磁化容易軸を有する２つの尖端部分からなる第２の領域とを含み、前記第１の領域は、前記第２の領域の面積の１０％以上９５％以下に相当する面積を占めている
    ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
16. 前記磁気メモリ素子は、その平面形状がアルファ型、ベータ型、ガンマ型、デルタ型、イプシロン型、ゼータ型、イータ型、シータ型、イオタ型、カッパ型、ラムダ型、三日月型、ソーセージ型またはブーメラン型をなしている
    ことを特徴とする請求項１５記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
17. 前記磁気メモリ素子は、その平面形状の輪郭が、３つの直線部分と、内側に凸の左右対称な曲線部分とによって構成されたものである
    ことを特徴とする請求項１５記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
18. 前記磁気メモリ素子は、その平面形状の輪郭が、３つの直線部分と、内側に凸の左右非対称な曲線部分とによって構成されたものである
    ことを特徴とする請求項１５記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
19. 前記磁気メモリ素子は、その平面形状の輪郭が、一の直線部分と、一端が前記直線部分の両端と接続されて互いに対向すると共に外側に凸をなす一対の曲線部分と、それら一対の曲線部分の他端同士を連結すると共に前記直線部分と対向する他の曲線部分とを有するものであり、
    前記他の曲線部分は、内に凸であると共に左右対称である
    ことを特徴とする請求項１５記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
20. 前記磁気メモリ素子は、その平面形状の輪郭が、一の直線部分と、一端が前記直線部分の両端と接続されて互いに対向すると共に外側に凸をなす一対の曲線部分と、それら一対の曲線部分の他端同士を連結すると共に前記直線部分と対向する他の曲線部分とを有するものであり、
    前記他の曲線部分は、内に凸であると共に左右非対称である
    ことを特徴とする請求項１５記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
21. 前記磁気メモリ素子は、その平面形状の輪郭が凹部を含む六角形をなし、前記凹部を構成する連続した３辺が同一の長さを有するものである
    ことを特徴とする請求項１５記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
22. 前記磁気メモリ素子は、その平面形状の輪郭が、対向する一対の直線部分と、それら一対の直線部分の両端をそれぞれ繋ぐ第１および第２の曲線部分とを有し、
    前記第１の前記曲線部分が外側に凸をなすと共に前記第２の前記曲線部分が外側に凹をなしており、
    前記第１および第２の曲線部分が、互いに同一の曲率半径を有する
    ことを特徴とする請求項１５記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
23. 前記磁気メモリ素子は、その平面形状の輪郭が、対向する一対の直線部分と、それら一対の直線部分の両端をそれぞれ繋ぐ第１および第２の曲線部分とを有し、
    前記第１の前記曲線部分が外側に凸をなすと共に前記第２の前記曲線部分が外側に凹をなしており、
    前記第１の曲線部分が、前記第２の曲線部分よりも大きな曲率半径を有する
    ことを特徴とする請求項１５記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
24. 前記磁気メモリ素子は、その平面形状の輪郭が、対向する一対の直線部分と、それら一対の直線部分の両端をそれぞれ繋ぐ第１および第２の曲線部分とを有し、
    前記第１の前記曲線部分が外側に凸をなすと共に前記第２の前記曲線部分が外側に凹をなしており、
    前記第２の曲線部分が、前記第１の曲線部分よりも大きな曲率半径を有する
    ことを特徴とする請求項１５記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
25. 前記磁気メモリ素子は、その平面形状の輪郭が、一対の同心の円弧と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の直線部分とを有しており、
    前記一対の同心の円弧は、各々１８０°未満の中心角を有する
    ことを特徴とする請求項１５記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
26. 前記磁気メモリ素子は、その平面形状の輪郭が、一対の同心の円弧と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の直線部分とを有しており、
    前記一対の同心の円弧は、各々１８０°を超える中心角を有する
    ことを特徴とする請求項１５記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
27. 前記磁気メモリ素子は、その平面形状の輪郭が、一対の同心の円弧と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の曲線部分とを有しており、
    前記一対の同心の円弧は、各々１８０°未満の中心角を有する
    ことを特徴とする請求項１５記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
28. 前記磁気メモリ素子は、その平面形状の輪郭が、一対の同心の円弧と、それらの両端をそれぞれ繋ぐ一対の曲線部分とを有しており、
    前記一対の同心の円弧は、各々１８０°を超える中心角を有する
    ことを特徴とする請求項１５記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
    

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