JP4900647B2 - Magnetic random access memory - Google Patents

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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。   The present invention relates to a magnetic random access memory (MRAM). In particular, the present invention relates to a magnetic memory cell having a magnetoresistive effect and a manufacturing method thereof.

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。   As one of nonvolatile memories, a magnetic random access memory (MRAM) using a magnetoresistive element as a memory cell is known. As the magnetoresistive element, an element exhibiting magnetoresistive effects such as an AMR (Anisotropic MagnetoResistance) effect, a GMR (Giant MagnetoResistance) effect, and a TMR (Tunnel MagnetoResistance) effect is used. An MRAM using a TMR element exhibiting the TMR effect as a memory cell is disclosed in, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1.

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。   FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a general MRAM 100. The MRAM 100 includes a write word line 101 formed along the S direction and a write bit line 102 formed along the T direction. A memory cell 103 is disposed at the intersection of the write word line 101 and the write bit line 102, and the memory cell 103 includes a TMR element.

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。   The structure of a conventional TMR element (magnetoresistance element) is schematically shown in FIG. The TMR element 110 includes a lower electrode layer 111, an antiferromagnetic layer 112, a pinned magnetic layer (pinned layer) 113, a barrier layer 114, a free magnetic layer (free layer) 115, and an upper electrode layer 116. The barrier layer 114 is a nonmagnetic layer including an insulating film or a metal film, and is sandwiched between the fixed magnetic layer 113 and the free magnetic layer 115. The orientation of spontaneous magnetization of the pinned magnetic layer 113 is pinned in a predetermined direction by the antiferromagnetic layer 112. On the other hand, the direction of spontaneous magnetization of the free magnetic layer 115 can be reversed, and is allowed to be parallel or antiparallel to the direction of spontaneous magnetization of the pinned magnetic layer 113.

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。   The resistance value (R + ΔR) of the magnetoresistive element 110 when the magnetization directions of the fixed magnetic layer 113 and the free magnetic layer 115 are “antiparallel” is the resistance value when they are “parallel” due to the magnetoresistance effect. It is known that it is larger than (R). By utilizing this change in resistance value, the MRAM stores data in a nonvolatile manner. Data is rewritten by reversing the magnetization direction of the free magnetic layer 115. Specifically, a write current is supplied to the write word line 101 and the write bit line 102 shown in FIG. When the write current satisfies a predetermined condition, the magnetization direction of the free magnetic layer 115 is reversed by an external magnetic field generated by the write current.

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。   As another writing method, a “Toggle Write Mode” is known (for example, see Patent Document 2). The structure of a TMR element (magnetoresistive element) 120 used in this toggle writing method is schematically shown in FIG. The TMR element 120 includes a lower electrode layer 121, an antiferromagnetic layer 122, a pinned magnetic layer (pinned layer) 123, a barrier layer 124, a free magnetic layer (free layer) 125, and an upper electrode layer 126. The free magnetic layer 125 includes a first magnetic film 131 and a second magnetic film 132 that are antiferromagnetically coupled, and a thin nonmagnetic film 133 is interposed between the first magnetic film 131 and the second magnetic film 132. It is sandwiched. Due to this antiferromagnetic coupling, the directions of spontaneous magnetization of the first magnetic film 131 and the second magnetic film 132 become antiparallel in a stable state.

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。   In FIG. 3, the magnetization direction of the first magnetic film 131 and the magnetization direction of the pinned magnetic layer 123 are “antiparallel” (first state). On the other hand, in the second state (not shown), the magnetization direction of the first magnetic film 131 and the magnetization direction of the pinned magnetic layer 123 are “parallel”. Due to the magnetoresistive effect, the resistance value of the magnetoresistive element 120 in the first state becomes larger than that in the second state. By utilizing this change in resistance value, the toggle type MRAM stores data in a nonvolatile manner. Data is rewritten by reversing the magnetization direction of the magnetic films 131 and 132. Here, since the magnetic films 131 and 132 are antiferromagnetically coupled to each other, when one magnetization is reversed, the other magnetization is also reversed so that the antiparallel state is maintained. That is, the magnetization state of the free magnetic layer 125 changes like a toggle switch between the “first state” and the “second state” at every write operation.

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。   Data is maintained in such an MRAM, that is, the magnetization direction of the free layer is stabilized because the free layer has “magnetic anisotropy”. As magnetic anisotropy, shape anisotropy, material anisotropy, and the like are known, but in general, “shape anisotropy” that provides a large value is used. In this case, the free layer is formed to have an elongated shape (for example, a rectangle) in a plane. The magnetization of the free layer is easy to stabilize along the long axis of the elongated shape, and is difficult to stabilize along the short axis. Therefore, the long axis is called “easy magnetization axis” and the short axis is called “hard magnetization axis”. In the stable state, the magnetization of the free layer is stabilized in one of two directions along the easy axis. As a result, data is stored in the MRAM in a nonvolatile manner. This principle is the same in both the normal TMR element 110 and the toggle type TMR element 120. The normal TMR element 110 is arranged so that the easy axis of the free layer is parallel to the write word line 101 (or write bit line 102) (see FIG. 1). On the other hand, in the case of a toggle type MRAM, as shown in FIG. 4, the TMR element 120 has an easy axis of free layer that forms an angle of about 45 degrees with the write word line 101 (or write bit line 102). Be placed.

特開２００５−１７５３７５号公報JP 2005-175375 A 米国特許ＵＳ６５４５９０６号US Pat. No. 6,545,906 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.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。   As described above, in the conventional MRAM, the free layer is formed to have a long shape on one side. This leads to an increase in memory cell size. If the shape of the free layer approaches a circle or a square, the shape anisotropy decreases and the stability of the magnetization direction in the free layer decreases. In addition, erroneous writing to a memory cell on the same word line or bit line as the memory cell to be written or data destruction due to thermal disturbance is likely to occur. Furthermore, there is a high possibility that a magnetic domain is generated inside the free layer and the change stops in the process of changing the magnetization direction. In some cases, the writing process ends with the magnetic domain remaining, and the setting of the magnetization direction of the free layer, that is, data writing fails.

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。   5A and 5B show write characteristics for different TMR element samples. Specifically, the resistance value of the TMR element is shown on the vertical axis, and the external magnetic field applied to the TMR element is shown on the horizontal axis. In the case of FIG. 5A, the aspect ratio of the planar shape of the TMR element is set to “3”. In this case, it can be seen that the resistance value of the TMR element changes sharply when the magnetization direction changes. On the other hand, in the case of FIG. 5B, the aspect ratio of the planar shape of the TMR element is set to “2”. In this case, it can be seen that the resistance value of the TMR element changes stepwise in the course of changing the magnetization direction. This step-like change indicates the occurrence of magnetic domains. Therefore, conventionally, it has been necessary to set the aspect ratio of the planar shape of the TMR element to about “3”. This makes it difficult to reduce the cell area.

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。   An object of the present invention is to provide a magnetic memory cell capable of reducing the cell area while maintaining a sufficient magnetic anisotropy, and a manufacturing method thereof.

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。   Another object of the present invention is to provide a technique capable of achieving both an increase in capacity of MRAM and an improvement in reliability.

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。   [Means for Solving the Problems] will be described below using the numbers and symbols used in [Best Mode for Carrying Out the Invention]. These numbers and symbols are added in parentheses in order to clarify the correspondence between the description of [Claims] and [Best Mode for Carrying Out the Invention]. However, these numbers and symbols should not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].

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。   In the first aspect of the present invention, a magnetic memory cell (1) includes a pinned layer (3) whose magnetization direction is fixed, a magnetic recording layer (10) whose magnetization direction can be reversed, and a pinned layer (3). ) And a barrier layer (4) sandwiched between magnetic recording layers (10). The magnetic recording layer (10) includes a magnetic body (14) formed on the barrier layer (4) and a cylindrical magnetic body (14) magnetically coupled to the magnetic body (14) via the nonmagnetic body (13). 11). This cylindrical magnetic body (11) has rotational magnetization distributed so as to turn around the first axis (X) along the first direction in one direction. The direction of magnetization of the magnetic body (14) varies depending on the direction of rotational magnetization. The direction of rotational magnetization can be reversed by an external magnetic field.

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。   Preferably, the cylindrical magnetic body (11) has a cylindrical structure surrounding the first axis (X). In that case, the rotational magnetization is distributed so as to make one rotation around the first axis (X) in the cylindrical magnetic body (11).

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。   Moreover, the said cylindrical magnetic body (11) is formed facing the 1st part (11a) and the 1st part (11a) which were formed on the magnetic body (14) via the nonmagnetic body (13). You may have the 2nd part (11b) made, and the 3rd part (11c) which connects between the 1st part (11a) and the 2nd part (11b). The first portion (11a) and the magnetic body (14) are preferably formed in parallel to each other. The magnetic body (14) and the first portion (11a) are antiferromagnetically coupled, and the magnetization direction of the magnetic body (14) is opposite to the rotation magnetization direction of the first portion (11a).

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。   The cylindrical magnetic body (11) may have a coupling region (11a) that is antiferromagnetically coupled to the magnetic body (14) through the nonmagnetic body (13). The magnetization direction of the magnetic body (14) is opposite to the rotation magnetization direction in the coupling region (11a).

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。   Preferably, the cylindrical magnetic body (11) is formed on the outer peripheral surface of the internal nonmagnetic body (12) along the first axis (X). The internal non-magnetic body (12) is preferably exposed to the outside of the cylindrical magnetic body (11). Alternatively, the inner non-magnetic body (12) may be completely covered with the cylindrical magnetic body (11). In that case, the cylindrical cylindrical magnetic body (11) has a first side surface (XZ) parallel to the first axis (X) and a second side surface (YZ) intersecting the first axis, The thickness of the cylindrical magnetic body (11d) on the side surface (YZ) is smaller than the thickness of the cylindrical magnetic body (11a, 11b, 11c) on the first side surface (XZ).

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   The cylindrical magnetic body (11) has a first side surface (XZ) parallel to the first axis (X) and a second side surface (YZ) intersecting the first axis (X). Here, the inclination of the first side surface (XZ) and the inclination of the second side surface (YZ) are different. Specifically, the inclination of the second side surface (YZ) is smaller than the inclination of the first side surface (XZ).

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。   Preferably, the magnetic body (14) has a planar structure parallel to the first axis (X).

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。   The magnetic body (24) may have a cylindrical structure surrounding the second axis (X) along the first direction. In this case, the magnetic body (24) has a second rotational magnetization distributed so as to turn around the second axis (X) in one direction. The direction of the second rotational magnetization is the same as the direction of the rotational magnetization.

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。   In a second aspect of the present invention, the magnetic memory cell (1) includes a pinned layer (3) whose magnetization direction is fixed, a magnetic recording layer (10) whose magnetization direction can be reversed, and a pinned layer (3). ) And a barrier layer (4) sandwiched between magnetic recording layers (10). The magnetic recording layer (10) includes a magnetic body (14) formed on the barrier layer (4) and a cylindrical magnetic body (11) formed on the magnetic body (14) via a non-magnetic body (13). ). The cylindrical magnetic body (11) has a cylindrical structure surrounding the axis (X) along the first direction. The magnetic body (14) has a planar structure parallel to the first axis (X).

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。   In the plane (XY) parallel to the plane on which the above-described magnetic memory cell (1) is mounted, the shape of the magnetic recording layer (10) is preferably square.

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。   In a third aspect of the present invention, a magnetic random access memory is provided. The magnetic random access memory has the magnetic memory cell (1) described above. Specifically, the magnetic random access memory includes the above-described magnetic memory cell (1), a word line (W1), and a bit line (B1) formed so as to intersect the word line (W1). The magnetic memory cell (1) is disposed between the word line (W1) and the bit line (B1). At the time of writing, a first current flows through the word line (W1), and a second current flows through the bit line (B1). The direction of the rotational magnetization of the cylindrical magnetic body (11) is reversed by the combined magnetic field of the first magnetic field generated by the first current and the second magnetic field generated by the second current.

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。   In a fourth aspect of the present invention, a method for manufacturing a magnetic memory cell includes: (A) a step of forming a pinned layer (72 to 74) on an underlayer; Forming a barrier layer (75), and (C) forming a magnetic recording layer on the barrier layer (75). Step (C) includes (a) a step of forming a first nonmagnetic film (52) on the first magnetic film (51), and (b) a process of forming on the first nonmagnetic film (52). Forming a second magnetic film (53); (c) forming a mask layer (54) on the second magnetic film (53); and (d) patterning the mask layer (54). (E) a step of etching the second magnetic film (53) and the first nonmagnetic film (52) using the mask, and (f) a third magnetic film (on the entire surface). 55) and (g) a step of etching back the third magnetic film (55).

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。   The mask has a first side surface (XZ) and a second side surface (YZ) that intersects the first side surface (XZ). In this case, in the step (d), the mask is formed so that the inclination of the first side surface (XZ) and the inclination of the second side surface (YZ) are different. Specifically, in the step (d), (d1) the first side surface (YZ) of the mask is patterned by patterning the mask layer (54) using a first resist mask parallel to the first direction (Y). And (d2) forming a second side surface (YZ) of the mask by patterning the mask layer (54) using a second resist mask that intersects the first direction (Y). Including. The inclination of the first side surface (XZ) is different from the inclination of the second side surface (YZ). In this way, the magnetic memory cell (1) including the cylindrical magnetic body (11) can be easily formed.

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。   In the step (C), (x) a step of forming a magnetic layer (76) on the barrier layer (75) and (y) a non-magnetic layer (77) is formed on the magnetic layer (76). And (z) a step of forming the first magnetic film (51) on the nonmagnetic layer (77).

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。   The magnetic recording layer of the magnetic memory cell according to the present invention has a plurality of magnetic bodies that are magnetically coupled via a non-magnetic body. At least one of the plurality of magnetic bodies has a cylindrical shape, and the magnetic anisotropy of the cylindrical magnetic body is determined not by a planar shape but by a three-dimensional shape. Therefore, even if the planar shape of the cylindrical magnetic body approaches a square, an easy magnetization axis is formed along the circumference of the cylinder, so that sufficient magnetic anisotropy and disturbance resistance can be obtained. In other words, according to the present invention, it is possible to reduce the aspect ratio of the magnetoresistive element and reduce the cell area while maintaining sufficient magnetic anisotropy and disturbance resistance. That is, it is possible to achieve both the increase in the capacity of the MRAM and the improvement in reliability.

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。   A magnetic memory cell of MRAM and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

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。 1. Structure and principle 1-1. First Embodiment FIG. 6 is an overall view showing the structure of a magnetic memory cell (TMR element) 1 according to a first embodiment. A pinned layer 3 is formed on the antiferromagnetic material layer 2, and a magnetic recording layer 10 is formed on the pinned layer 3 via a barrier layer 4. The pinned layer 3 includes a magnetic material, and the direction of the spontaneous magnetization is fixed in a predetermined direction by the antiferromagnetic material layer 2. On the other hand, the magnetic recording layer 10 serves as a free layer, and the direction of spontaneous magnetization can be reversed by an external magnetic field. The barrier layer 4 is a thin tunnel insulating film and is sandwiched between the pinned layer 3 and the magnetic recording layer 10. The pinned layer 3, the barrier layer 4, and the magnetic recording layer 10 form a magnetic tunnel junction (MTJ).

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。   The magnetic recording layer 10 has a plurality of magnetic bodies that are magnetically coupled via a non-magnetic body. According to the present embodiment, at least one of the plurality of magnetic bodies has a “cylindrical shape”. For example, in FIG. 6, the magnetic recording layer 10 includes a cylindrical magnetic body 11 and a magnetic layer 14 that are magnetically coupled via a nonmagnetic layer 13. Specifically, the magnetic layer 14 is formed on the barrier layer 4, the nonmagnetic layer 13 is formed on the magnetic layer 14, and the cylindrical magnetic body 11 is formed on the nonmagnetic layer 13. Is formed.

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。   Here, in order to facilitate the following description, an XYZ coordinate system is introduced. In FIG. 6, the X direction is defined as the direction of the cylindrical axis of the cylindrical magnetic body 11. The Z direction is defined as the direction in which the films are stacked. The X direction and the Z direction are orthogonal to each other. The Y direction is defined to form a right-handed system with the X and Z directions. The surface on which the magnetic memory cell 1 is mounted is the XY plane.

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。   In the present embodiment, the magnetic layer 14 has a “planar” structure parallel to the X axis. On the other hand, the cylindrical magnetic body 11 has a “tubular” structure surrounding the X axis along the X direction. Further, the internal non-magnetic body 12 may be inserted into the hollow portion of the cylindrical magnetic body 11. In other words, the cylindrical magnetic body 11 may be formed on the outer peripheral surface of the internal nonmagnetic body 12 along the X axis. In FIG. 6, the internal nonmagnetic body 12 is exposed to the outside of the cylindrical magnetic body 11 in the YZ plane.

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。   Further, the cylindrical magnetic body 11 can be divided into a bottom portion 11a, an upper portion 11b, and a side portion 11c. The bottom portion 11 a is a portion that is in contact with the nonmagnetic layer 13, and is formed on the magnetic layer 14 with the nonmagnetic layer 13 interposed therebetween. That is, the bottom portion 11 a is formed in parallel with the XY plane and in parallel with the magnetic layer 14. The upper part 11b is a part facing the bottom part 11a, and is parallel to the XY plane. The side part 11c is a part that connects the bottom part 11a and the upper part 11b, and is parallel to the XZ plane. A cylindrical shape of the cylindrical magnetic body 11 is formed by the bottom part 11a, the upper part 11b, and the side part 11c.

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。   The cylindrical magnetic body 11 and the magnetic layer 14 are magnetically coupled via the nonmagnetic layer 13. More specifically, the bottom 11 a of the cylindrical magnetic body 11 is most strongly coupled with the magnetic layer 14. For example, the bottom 11a and the magnetic layer 14 are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 13, and the magnetization direction of the magnetic layer 14 is opposite to the magnetization direction of the bottom 11a. . By magnetically coupling the cylindrical magnetic body 11 and the magnetic layer 14, the characteristics of the magnetic recording layer 10 as a free layer are improved.

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。   An example of the film configuration of such a magnetic memory cell 1 is shown in FIG. In FIG. 7, the antiferromagnetic material layer 2 is a PtMn film. The pinned layer 3 includes a lower CoFe film as a lower magnetic film, an upper CoFe film as an upper magnetic film, and a Ru film as a nonmagnetic film sandwiched between the CoFe films. The lower CoFe film is in contact with the PtMn film, and its magnetization direction is fixed in one direction by antiferromagnetic coupling. The upper CoFe film and the lower CoFe film are also antiferromagnetically coupled, and the magnetization direction of the upper CoFe film is fixed opposite to the magnetization direction of the lower CoFe film. In the following description, the magnetization direction of the pinned layer 3 means the magnetization direction of the upper CoFe film in contact with the barrier layer 4. The barrier layer 4 is an AlO film. The magnetic layer 14 of the magnetic recording layer 10 is a CoFeB film. The nonmagnetic material layer 13 is a Ru film. The cylindrical magnetic body 11 is made of NiFe. Further, the internal nonmagnetic material 12 is made of Ru.

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。   In the magnetic memory cell 1 shown above, since the cylindrical magnetic body 11 has a cylindrical shape instead of a planar shape, its magnetic anisotropy (shape anisotropy) is determined by a three-dimensional shape. Will be. Referring to FIG. 6 described above, the lengths of the cylindrical magnetic body 11 along the X, Y, and Z directions are Lx, Ly, and Lz, respectively. In this case, the shape anisotropy of the cylindrical magnetic body 11 depends not only on Lx and Ly but also on Lz. As one of the lengths of the cylindrical magnetic body 11, the length along the circumference of the cylinder must be taken into consideration. Roughly speaking, the length along the circumference of the cylinder is given by 2Ly + 2Lz. The “length ratio” related to shape anisotropy is given by (2Ly + 2Lz) / Lx.

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。   For example, assume that the shape of the magnetic recording layer 10 (tubular magnetic body 11) on the XY plane is “square” (Lx = Ly, Ly / Lx = 1). Even in that case, since the circumference (2Ly + 2Lz) along the circumference of the cylinder is long, sufficient shape anisotropy is obtained. For example, when Lz = Lx, the length ratio is 4, and a large shape anisotropy is obtained. Even when Lz = 0.5Lx, the length ratio is 3, which is sufficient. As an extreme case, the length ratio is 2 even if Lz = 0. That is, a length ratio greater than at least 2 is realized by the cylindrical magnetic body 11.

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。   Thus, sufficient shape anisotropy can be obtained without increasing the aspect ratio (Lx: Ly) in the XY plane of the magnetic recording layer 1. In other words, the aspect ratio of the magnetic recording layer 10 can be reduced while maintaining sufficient shape anisotropy. Therefore, the area of the magnetic memory cell 1 can be reduced. From the viewpoint of the cell area, it is most preferable that the shape on the XY plane is a square (Lx: Ly = 1: 1).

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。   FIG. 8 shows the magnetization state of the magnetic memory cell 1 according to the present embodiment. Due to the shape anisotropy described above, the easy axis of magnetization of the cylindrical magnetic body 11 is considered to be along the circumference of the cylinder. That is, in the stable state, the magnetization of the cylindrical magnetic body 11 is distributed so as to turn around the X axis in one direction. Such magnetization of the cylindrical magnetic body 11 is hereinafter referred to as “rotational magnetization”. As shown in FIG. 8, the direction of rotational magnetization of the cylindrical magnetic body 11 is allowed to be clockwise or counterclockwise as a whole.

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。   The first magnetization state (0-State) corresponds to a clockwise rotation magnetization distribution. In this case, the magnetization direction of the bottom 11a of the cylindrical magnetic body 11 is the -Y direction. The magnetization direction of the upper part 11b is the + Y direction. The direction of magnetization of the side portion 11c is ± Z direction. Thus, the rotational magnetization is distributed in the cylindrical magnetic body 11 so as to rotate once around the X axis, and forms a closed magnetic circuit. Since the closed magnetic circuit is formed, the leakage magnetic field generated from the end of the magnetic material is reduced. The magnetic layer 14 is magnetically coupled to the bottom portion 11a of the cylindrical magnetic body 11, and the direction of magnetization thereof changes according to the magnetization state of the bottom portion 11a. For example, the magnetic layer 14 is antiferromagnetically coupled to the bottom portion 11a, and the magnetization direction is opposite (+ Y direction) to the magnetization direction of the bottom portion 11a. Further, it is assumed that the magnetization direction of the pinned layer 3 is fixed in the + Y direction. Therefore, in the first magnetization state, the magnetization direction of the pinned layer 3 and the magnetization direction of the magnetic layer 14 are “parallel”. In this case, the resistance value of the magnetic memory cell 1 (TMR element) is “R”.

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。   On the other hand, the second magnetization state (1-State) corresponds to a counterclockwise rotational magnetization distribution. In this case, the magnetization direction of the bottom 11a of the cylindrical magnetic body 11 is the + Y direction. The magnetization direction of the upper part 11b is the -Y direction. The direction of magnetization of the side portion 11c is ± Z direction. Thus, the rotational magnetization is distributed in the cylindrical magnetic body 11 so as to rotate once around the X axis, and forms a closed magnetic circuit. Since the closed magnetic circuit is formed, the leakage magnetic field generated from the end of the magnetic material is reduced. Further, the magnetization direction of the magnetic layer 14 is opposite to the magnetization direction of the bottom portion 11a (−Y direction). Therefore, in the second magnetization state, the magnetization direction of the pinned layer 3 and the magnetization direction of the magnetic layer 14 are “antiparallel”. In this case, the resistance value of the magnetic memory cell 1 (TMR element) becomes a value “R + ΔR” larger than the resistance value in the first magnetization state due to the magnetoresistance effect.

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。   Thus, the magnetization state of the magnetic recording layer 10 is opposite between the first magnetization state and the second magnetization state. The magnetic layer 14 is magnetically coupled to the magnetic recording layer 10 and its magnetization state is also reversed. The resistance value (R + ΔR) of the TMR element in the second magnetization state is larger than the resistance value (R) in the first magnetization state. The magnetic memory cell 1 stores data “0” and “1” by using the difference in resistance value. For example, the first magnetization state is associated with data “0”, and the second magnetization state is associated with data “1”.

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。   Data is written to the magnetic memory cell 1 by changing the magnetization state of the cylindrical magnetic body 11, that is, the direction of rotational magnetization. The direction of rotational magnetization of the cylindrical magnetic body 11 can be reversed by applying an external magnetic field.

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。   During a write operation, a predetermined write current is passed through write word lines and write bit lines arranged above and below the magnetic memory cell 1. As a result, a synthetic external magnetic field mainly composed of components on the XY plane is applied to the magnetic recording layer 10. At this time, the magnetizations of the magnetic layer 14 and the bottom 11a and the top 11b of the cylindrical magnetic body 11 are substantially in the direction of the synthesized external magnetic field. In addition to the influence of the magnetization of the bottom part 11a, the side part 11c is affected by the end part magnetic field (leakage magnetic field) coming out from the end part of the magnetic layer 14 and the bottom part 11a. Due to the influence of the magnetization of the bottom portion 11a and the end magnetic field, the magnetization of the side portion 11c is distributed in a direction in which rotational magnetization is formed along the direction of the magnetization of the bottom portion 11a. Therefore, when the application of the synthetic external magnetic field is stopped, rotational magnetization along the magnetization direction of the bottom portion 11a is formed in the cylindrical magnetic body 11 after all. Here, the cylindrical magnetic body 11 has a large shape anisotropy, and its magnetization state is stable. The final magnetization direction of the magnetic layer 14 is determined by the stable magnetization direction of the cylindrical magnetic body 11. Specifically, the magnetization direction of the magnetic layer 14 is stabilized in the direction opposite to the magnetization direction of the bottom portion 11 a of the cylindrical magnetic body 11. Data “0” or “1” can be written by setting the direction of the write current so that the finally stable magnetization state is different. It is also possible to use a spin transfer method for controlling the magnetization direction of the magnetic recording layer 10 for writing by injecting electrons from the pinned layer 3 side and by injecting electrons from the magnetic recording layer 10 side. It is.

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。   Regarding the reading of data recorded in the magnetic memory cell 1, the resistance value of the magnetic memory cell 1 (TMR element) may be detected. The antiferromagnetic material layer 2 and the magnetic recording layer 10 are connected to a lower electrode and an upper electrode (not shown), respectively, and a predetermined read current flows between the lower electrode and the upper electrode during a read operation. The resistance value of the TMR element can be detected by measuring the magnitude of the read current or the voltage between the lower electrode and the upper electrode.

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。   In addition, when the cylindrical magnetic body 11 is configured with the same thickness on each surface, even if an external magnetic field is applied to change the magnetization state, the magnetizations of the facing surfaces are directed in the same direction. It is difficult to change the state. For this reason, if the thickness is varied, a leakage magnetic field is generated from the end of the surface of the cylindrical magnetic body 11, and the characteristics of the surrounding storage elements are changed. According to the structure of the present invention, the leakage magnetic field can be offset and reduced by the end magnetic field of the magnetic layer 14, and the influence of the leakage magnetic field on the surrounding storage elements can be prevented.

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。   As described above, in the magnetic memory cell 1 according to the present embodiment, the magnetic recording layer 10 as the free layer has the cylindrical magnetic body 11. Therefore, even if the planar shape of the magnetic memory cell 1 approaches a square, an easy axis of magnetization is formed along the circumference of the cylinder, so that sufficient magnetic anisotropy and disturbance resistance can be obtained. In the conventional MRAM, the magnetic anisotropy of the free layer depends on the aspect ratio (Ly / Lx). In order to obtain sufficient shape anisotropy, an aspect ratio of about “3” was required. The increase in the aspect ratio makes it difficult to reduce the cell area. However, according to the present embodiment, it is possible to reduce the aspect ratio of the magnetic recording layer 10 and reduce the cell area while maintaining sufficient magnetic anisotropy and disturbance resistance. That is, it is possible to achieve both the increase in the capacity of the MRAM and the improvement in reliability.

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。   From the viewpoint of the cell area, the case where the shape of the magnetic recording layer 10 on the XY plane is square (Lx: Ly = 1: 1) is most preferable. However, the shape may be a rectangle. For example, as shown in FIG. 9A, Lx: Ly = 1: 1.5 may be used. In this case, the above-mentioned “length ratio (2Ly + 2Lz) / Lx” is larger than 3 no matter how small the height Lz is. That is, sufficient shape anisotropy is obtained. 9B, Lx: Ly = 1: 0.8 may be used. In this case, the height Lz may be adjusted as appropriate so that sufficient shape anisotropy is obtained. In any case, the memory cell area is reduced as compared with the conventional MRAM.

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。 1-2. Second Embodiment In the first embodiment, the internal nonmagnetic body 12 is exposed to the outside of the cylindrical magnetic body 11, but the exposed portion may be covered with a thin magnetic film. . FIG. 10 is an overall view showing the structure of the magnetic memory cell 1 according to the second embodiment. In the present embodiment, the internal nonmagnetic body 12 is completely covered with the cylindrical magnetic body 11.

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。   FIG. 11 shows a cross section (YZ plane) along line AA ′ and a cross section (XZ plane) along line BB ′ in FIG. In the present embodiment, the cylindrical magnetic body 11 has a side portion 11d that appears in the XZ plane section in addition to the side portion 11c that appears in the YZ section. The side portion 11c intersects the Y axis, and the side portion 11d intersects the X axis. As shown in FIG. 11, the side part 11d is thin, and the thickness of the side part 11d along the X direction is at least smaller than the thickness of the side part 11c along the Y direction. Since the influence of the side portion 11d that is a thin magnetic film is small, the magnetic characteristics of the entire cylindrical magnetic body 11 are substantially determined by the bottom portion 11a, the upper portion 11b, and the side portion 11c that are thick magnetic materials. Therefore, the magnetization state of the cylindrical magnetic body 11 according to the present embodiment is the same as the magnetization state of the cylindrical magnetic body 11 according to the first embodiment. Thereby, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

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。 1-3. Third Embodiment In the above-described embodiments, the cylindrical magnetic body 11 has a complete cylindrical structure. However, for the convenience of the manufacturing process, a part of the cylindrical structure of the cylindrical magnetic body 11 is used. May be discontinuous. 12A to 12C are side views showing the structure of the magnetic recording layer 10 according to the third embodiment. As shown in FIGS. 12A to 12C, most of the periphery of the internal nonmagnetic body 12 is covered with the cylindrical magnetic body 11 on the YZ plane, but a part is not covered. The cylindrical magnetic body 11 according to the present embodiment is separated into a first portion 11A and a second portion 11B. The first portion 11A and the second portion 11B are magnetically coupled.

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。   Also in this case, the magnetization of the cylindrical magnetic body 11 is distributed so as to turn around the X axis in one direction. That is, “rotational magnetization” is formed in the cylindrical magnetic body 11. A magnetic body in which a part of the structure is missing from the complete cylindrical structure as in the present embodiment is also regarded as the cylindrical magnetic body 11. It is only necessary that the magnetic body has sufficient magnetic anisotropy and that an annular rotational magnetization is formed in the magnetic body. As a result, the same effect as the above-described embodiment can be obtained.

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。 1-4. Fourth Embodiment In the foregoing embodiment, the magnetic body 14 that contacts the barrier layer 4 has a planar structure, but the magnetic body that contacts the barrier layer 4 also has a cylindrical structure. You may do it. FIG. 13 is an overall view showing the structure of the magnetic memory cell 1 according to the fourth embodiment. In the present embodiment, the magnetic recording layer 10 is formed on the first cylindrical magnetic body 21 formed on the outer peripheral surface of the first internal nonmagnetic body 22 and the outer peripheral surface of the second internal nonmagnetic body 25. The second cylindrical magnetic body 24 is provided. A nonmagnetic layer 23 is sandwiched between the first cylindrical magnetic body 21 and the second cylindrical magnetic body 24, and the first cylindrical magnetic body 21 and the second cylindrical magnetic body 24 are nonmagnetic. Magnetic coupling is performed through the body layer 23.

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。   Each of the first cylindrical magnetic body 21 and the first internal nonmagnetic body 22 is the same as the cylindrical magnetic body 11 and the internal nonmagnetic body 12 in the foregoing embodiments. That is, the first cylindrical magnetic body 21 has a cylindrical structure surrounding the X axis. Further, the first internal nonmagnetic body 22 is formed along the X direction and is inserted into the cavity of the first cylindrical magnetic body 21.

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。   Each of the second cylindrical magnetic body 24 and the second internal nonmagnetic body 25 has the same structure as the first cylindrical magnetic body 21 and the first internal nonmagnetic body 22. That is, the second cylindrical magnetic body 24 has a cylindrical structure surrounding the X axis. Further, the second internal nonmagnetic body 25 is formed along the X direction and is inserted into the cavity of the second cylindrical magnetic body 24. The second cylindrical magnetic body 24 is formed on the barrier layer 4.

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。   FIG. 14 shows the magnetization state of the magnetic memory cell 1 according to the present embodiment. The 1st cylindrical magnetic body 21 has the bottom part 21a, the upper part 21b, and the side part 21c. The 2nd cylindrical magnetic body 22 has the bottom part 24a, the upper part 24b, and the side part 24c. The nonmagnetic layer 23 is sandwiched between the bottom 21a and the top 24b. The barrier layer 4 is sandwiched between the bottom 24 a and the pinned layer 3. Each of the first cylindrical magnetic body 21 and the second cylindrical magnetic body 24 has rotational magnetization distributed so as to rotate around the X axis in one direction. Here, the bottom 21a of the first cylindrical magnetic body 21 and the top 24b of the second cylindrical magnetic body 24 are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 23, and the magnetization direction of the bottom 21a Is opposite to the magnetization direction of the upper portion 24b.

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。   In the first magnetization state (data “0”), the first cylindrical magnetic body 21 has counterclockwise rotational magnetization as a whole, and the magnetization direction of the bottom portion 21a is the + Y direction. Therefore, the magnetization direction of the upper portion 24b of the second cylindrical magnetic body 24 is the -Y direction, and the second cylindrical magnetic body 24 also has counterclockwise rotational magnetization as a whole. That is, the direction of rotational magnetization of the first cylindrical magnetic body 21 and the direction of rotational magnetization of the second cylindrical magnetic body 24 are the same. The magnetization direction of the bottom 24a of the second cylindrical magnetic body 24 is the + Y direction. Therefore, in the first magnetization state, the magnetization direction of the pinned layer 3 and the magnetization direction of the bottom 24a are “parallel”. In this case, the resistance value of the magnetic memory cell 1 (TMR element) is “R”.

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。   In the second magnetization state (data “1”), the first cylindrical magnetic body 21 has a clockwise rotation magnetization as a whole, and the magnetization direction of the bottom portion 21a is the −Y direction. Therefore, the magnetization direction of the upper portion 24b of the second cylindrical magnetic body 24 is the + Y direction, and the second cylindrical magnetic body 24 also has a clockwise rotational magnetization as a whole. That is, the direction of rotational magnetization of the first cylindrical magnetic body 21 and the direction of rotational magnetization of the second cylindrical magnetic body 24 are the same. The magnetization direction of the bottom 24a of the second cylindrical magnetic body 24 is the -Y direction. Therefore, in the second magnetization state, the magnetization direction of the pinned layer 3 and the magnetization direction of the bottom 24a are “antiparallel”. In this case, the resistance value of the magnetic memory cell 1 (TMR element) is “R + ΔR”. Also according to the present embodiment, the same effect as the above-described embodiment can be obtained.

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。 2. Manufacturing Method Next, a manufacturing method of the magnetic memory cell 1 will be described. First, only the method for manufacturing the cylindrical magnetic body 11 will be described. 15A to 15F show an example of the manufacturing process of the cylindrical magnetic body 11. 15A to 15F show a top view (XY plane) and side views (XZ plane, YZ plane).

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。   First, as shown in FIG. 15A, a Ru film 52 as a nonmagnetic film is formed on a NiFe film 51 as a first magnetic film. Further, a NiFe film 53 as a second magnetic film is formed on the Ru film 52, and a Ta film 54 as a mask layer is formed on the NiFe film 53.

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。   Next, as shown in FIG. 15B, the Ta film 54 is patterned through photolithography and RIE (Reactive Ion Etching). Here, a plurality of resist masks parallel to the Y direction are formed, and patterning is performed by using the resist masks. As a result, the Ta film 54 has a parallel pattern along the Y direction. Further, the “YZ side surface” of the Ta film 54 is formed by this patterning. Here, as shown in the side view of FIG. 15B, patterning is performed so that the inclination of the YZ side surface of the Ta film 54 to be formed is about 80 degrees. Note that the Y direction corresponds to the extending direction of a word line, which will be described later, and in this step, the resist mask is processed into a linear shape including a plurality of magnetic memory cells.

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。   After the resist mask is removed, the Ta film 54 is patterned again through photolithography and RIE, as shown in FIG. 15C. Here, a plurality of resist masks parallel to the X direction are formed, and patterning is performed by using the resist masks. As a result, the Ta film 54 has an array pattern. Further, the “XZ side surface” of the Ta film 54 is formed by this patterning. Here, as shown in the side view of FIG. 15C, patterning is performed so that the inclination of the XZ side surface of the Ta film 54 to be formed is approximately 90 degrees. The X direction corresponds to the extending direction of the bit line, which will be described later. In this step, the resist mask is processed into a linear shape including a plurality of magnetic memory cells.

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。   Thus, by patterning the Ta film 54, a plurality of mask patterns 54 arranged in an array are formed. The resist mask may be formed so that the completed mask pattern 54 has a shape (square or rectangular) corresponding to the desired shape of the magnetic memory cell 1. Further, the processing condition of the Ta film 54 may be set to a condition in which the lower NiFe film 53 is hardly processed. Alternatively, a Ru film or the like may be inserted between the Ta film 54 and the NiFe film 53 and used as an etching stopper. The mask pattern 54 formed by this process has a YZ side surface and an XZ side surface. By varying the processing conditions, the inclination of the YZ side surface and the inclination of the XZ side surface of the mask pattern 54 can be made different. In the above example, the mask pattern 54 is formed so that the inclination of the YZ side surface is smaller than the inclination of the XZ side surface.

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。   Next, as shown in FIG. 15D, by using the mask pattern 54, the NiFe film 53 and the Ru film 52 are etched. For example, etching is performed by a combination of ion milling and RIE. Here, since the YZ side surface of the mask pattern 54 is inclined, the YZ side surfaces of the etched NiFe film 53 and Ru film 52 are also inclined.

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。   Next, as shown in FIG. 15E, a NiFe film 55 as a third magnetic film is deposited on the entire surface.

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）。   Next, the entire surface of the NiFe film 55 is etched back, and the structure shown in FIG. 15F is obtained. Specifically, as shown in the YZ cross section, a sidewall made of a NiFe film 55 is formed on the XZ side surfaces of the Ta film 54, the NiFe film 53, and the Ru film 52. On the other hand, as shown in the XZ cross section, the side wall is not formed or hardly formed on the YZ side surface. This is because thick sidewalls are likely to remain on the side with a steep slope, but sidewalls are less likely to remain on the side with a gentle slope. Thereby, a structure in which the Ru film 52 is surrounded by the NiFe films 51, 53, and 55, that is, a structure in which the internal nonmagnetic material 12 is surrounded by the cylindrical magnetic material 11 is obtained. Even if the thin NiFe film 55 remains on the YZ side surface, the thin NiFe film 55 hardly affects the cylindrical magnetic body 11 (see the second embodiment, FIGS. 10 and 11).

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。   The cylindrical magnetic body 11 manufactured in this way has the following characteristics. That is, the cylindrical magnetic body 11 has an XZ side surface and a YZ side surface, and the inclination of the XZ side surface and the inclination of the YZ side surface are different. Specifically, the inclination of the YZ side surface is smaller than the inclination of the XZ side surface.

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。   Next, an overall manufacturing method of the MRAM including the cylindrical magnetic body 11 will be schematically described. FIG. 16 shows an example of the YZ section of the MRAM according to the present invention. The structure shown in FIG. 16 is formed by the following process, for example.

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ＳｉＯ２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ＳｉＯ２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。 First, a semiconductor integrated circuit such as a transistor or a wiring is formed on a silicon substrate. Next, a tungsten plug is formed for connection to the interlayer insulating film and the wiring. After the SiO 2 film 60 (400 nm) is formed on the entire surface by RIE using photolithography and reactive gas, the SiO 2 film 60 in the region where the word line is formed is removed, the groove is formed. Subsequently, a Ta film 61 (10 nm), a NiFe film 62 (20 nm), a Ta film 63 (10 nm), and a Cu film 65 (50 nm) are sequentially formed on the entire surface by sputtering. By performing a chemical polishing (CMP) process on the entire surface, the word line 65 is formed in the previously formed groove portion. The word line 65 is formed to extend in the Y direction.

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。   Next, a seed layer 70 (1 nm) such as a NiFe film and a PtMn film 71 (10 to 20 nm) as the antiferromagnetic material layer 2 are formed on the entire surface. Subsequently, a CoFe film 72 (0.5 to 5 nm), a Ru film 73 (0.5 to 2 nm), and a CoFe film 74 (0.5 to 5 nm) are formed as the pinned layer 3 on the PtMn film 71. . Subsequently, after an Al film (0.3 to 1 nm) is formed, an AlO film 75 as the barrier layer 4 is formed by performing an oxidation treatment.

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。   Next, the magnetic recording layer 10 according to the present invention is formed on the AlO film 75. Specifically, a CoFeB film 76 (0.5 to 6 nm) as the magnetic layer 14 is formed on the AlO film 75, and subsequently, a Ru film 77 (as the non-magnetic layer 13) is formed on the CoFeB film 76. 0.5-5 nm) is formed. Thereafter, the cylindrical magnetic body 11 is formed on the Ru film 77 by the method shown in FIGS. 15A to 15F. For example, a NiFe film 51 (0.5 to 6 nm), a Ru film 52 (0.5 to 100 nm), a NiFe film 53 (0.5 to 6 nm), and a Ta film 54 (100 nm) may be sequentially stacked. In FIG. 16, the structure of the cylindrical magnetic body 11 is not continuous, and the Ta film 56 is partially sandwiched. For this purpose, the Ta film 56 and the NiFe film 55 may be formed on the entire surface before the etch back process. After the cylindrical magnetic body 11 is formed, a predetermined etching process is performed up to the PtMn film, and the magnetic memory cell 1 according to the present invention is completed.

次に、全面にＳｉＮ膜８０（３０ｎｍ）が形成された後、ＳｉＯ２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ＳｉＯ２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。 Next, after a SiN film 80 (30 nm) is formed on the entire surface, a SiO 2 film 81 (150 nm) and a SiN film 82 (200 nm) are sequentially formed. Subsequently, CMP is performed until the SiO 2 film 81 on the magnetic memory cell is exposed, and then the SiO 2 film 81 is etched using the remaining SiN film 82 as a mask, thereby forming a via on the magnetic memory cell. . Subsequently, a Ta film 83 (20 nm) and a Cu film 84 (200 nm) are formed on the entire surface. By performing CMP processing on the entire surface, plugs are formed in the vias.

次に、全面にＳｉＯ２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ＳｉＯ２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。 Next, after the SiO 2 film 90 (400 nm) is deposited on the entire surface by photolithography and RIE, to remove the SiO 2 film 90 in the region where the bit line is formed, the groove is formed. After a Ta91 film (10 nm) and a NiFe film 92 (20 nm) are formed on the entire surface, etch back is performed to form sidewalls on the side surfaces of the grooves. Subsequently, after a Ta film 93 (10 nm) is formed on the entire surface, a Cu film 95 (500 nm) is formed by an anodic oxidation method. By subjecting the entire surface to CMP processing, the bit line 95 is formed in the previously formed groove portion. The bit line 95 is formed to extend in the X direction. Further, a Ta film 96 (5 nm), a NiFe film 97 (20 nm), and a Ta film 98 (20 nm) are sequentially formed, and then left on the wiring by photolithography and RIE.

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。 3. Circuit Configuration and Operation A peripheral circuit that reads and writes data from and to the magnetic memory cell 1 can be appropriately designed by those skilled in the art. FIG. 17 shows one circuit configuration example of an MRAM including peripheral circuits. In FIG. 17, the MRAM includes a plurality of word lines W1 to W3 extending in the Y direction and a plurality of bit lines B1 to B3 extending in the X direction. The plurality of word lines W1 to W3 and the plurality of bit lines B1 to B3 intersect at a plurality of intersections, and a plurality of magnetic memory cells 1 are arranged in an array at each of the plurality of intersections. Each of the upper electrode and the lower electrode of the magnetic memory cell 1 is electrically connected to one of the bit lines and one of the word lines. A selection transistor may be arranged for each magnetic memory cell 1.

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。   One end of each of the word lines W1 to W3 is connected to the word line decoder 31, and the other end is connected to the word line termination circuit 32. One end of each of the bit lines B1 to B4 is connected to the bit line decoder 33, and the other end is connected to the bit line termination circuit 34. The MRAM also includes a word line write current source 35 connected to the word line decoder 31, a bit line write current source 36 and a read current source 37 connected to the bit line decoder 33, and an output potential and a reference potential of the read current source 37. A data discriminator 38 to which Vref is input and a control circuit 40 for controlling the operation of these circuits are provided.

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。   The operation when data “0” is written to the magnetic memory cell 1 is as follows. The control circuit 40 gives write address information to the word line decoder 31 and the word line termination circuit 32. The word line decoder 31 connects the word line connected to the write target cell and the word line write current source 35. Other word lines are grounded. The word line termination circuit 32 grounds all word lines. Further, the control circuit 40 issues an instruction to the word line write current source 35, and the word line write current source 35 supplies a desired write current, for example, a 8 mA write current to the selected word line.

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。   Further, the control circuit 40 gives write address information to the bit line decoder 33 and the bit line termination circuit 34. The bit line decoder 33 connects the bit line connected to the write target cell and the bit line write current source 36. Other bit lines are grounded. The bit line termination circuit 34 applies a positive potential, for example, 0.5 V to the bit line connected to the write target cell, and grounds the other bit lines. Further, the control circuit 40 instructs the bit line write current source 36, and the bit line write current source 36 supplies a desired write current, for example, a write current of “8 mA” to the selected bit line.

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）。   A synthetic magnetic field generated by these write currents is applied to the magnetic memory cell 1. After a predetermined time has elapsed, the control circuit 40 instructs to stop the write current. The word line decoder 31, the bit line decoder 33, and the bit line termination circuit 34 ground all the word lines and bit lines. As a result, as described above, the magnetization direction of the entire cylindrical magnetic body 11 is stabilized along the magnetization direction of the lower portion 11a of the cylindrical magnetic body 11, and rotational magnetization corresponding to “0-State” is formed ( (See FIG. 8).

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。   The operation when data “1” is written to the magnetic memory cell 1 is as follows. The control circuit 40 gives write address information to the word line decoder 31 and the word line termination circuit 32. The word line decoder 31 connects the word line connected to the write target cell and the word line write current source 35. Other word lines are grounded. The word line termination circuit 32 grounds all word lines. Further, the control circuit 40 issues an instruction to the word line write current source 35, and the word line write current source 35 supplies a desired write current, for example, a 8 mA write current to the selected word line.

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。   Further, the control circuit 40 gives write address information to the bit line decoder 33 and the bit line termination circuit 34. The bit line decoder 33 connects the bit line connected to the write target cell and the bit line write current source 36. Other bit lines are grounded. The bit line termination circuit 34 applies a positive potential, for example, 0.5 V to the bit line connected to the write target cell, and grounds the other bit lines. Further, the control circuit 40 issues an instruction to the bit line write current source 36, and the bit line write current source 36 supplies a desired write current, for example, “−8 mA” to the selected bit line.

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）。   A synthetic magnetic field generated by these write currents is applied to the magnetic memory cell 1. After a predetermined time has elapsed, the control circuit 40 instructs to stop the write current. The word line decoder 31, the bit line decoder 33, and the bit line termination circuit 34 ground all the word lines and bit lines. As a result, as described above, the magnetization direction of the entire cylindrical magnetic body 11 is stabilized along the magnetization direction of the lower portion 11a of the cylindrical magnetic body 11, and rotational magnetization corresponding to “1-State” is formed ( (See FIG. 8).

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。   FIG. 18 shows the result of a simulation performed with respect to conditions under which magnetization reversal occurs in the magnetic recording layer 10. In the figure, “Heasy” indicates an external magnetic field along the Y direction, and “Hhard” indicates an external magnetic field along the X direction. In the calculation, the XY plane shape of the magnetic recording layer 10 was set to a square, and the lengths Lx and Ly (see FIG. 6) were both set to 0.1 μm. The film thicknesses of the magnetic layer 14, the NiFe film 51, the Ru film 52, and the NiFe film 53 were set to 1.3 nm, 3.8 nm, 100 nm, and 2.5 nm, respectively. All the magnetic films were calculated as NiFe. In FIG. 18, the dotted line corresponds to the case where the cylindrical magnetic body 11 and the magnetic layer 14 are coupled only by the leakage magnetic field from the pattern end. On the other hand, the solid line corresponds to the case where the cylindrical magnetic body 11 and the magnetic layer 14 are antiferromagnetically coupled. When the film thickness of the nonmagnetic layer 13 (Ru film 77) is about 0.9 nm, strong antiferromagnetic coupling is obtained, and when the film thickness is about 2 nm, the antiferromagnetic coupling is very small. Are known. In any case, it can be seen that magnetization reversal hardly occurs with respect to the external magnetic field along the Y direction, and excellent half-selective resistance is obtained. It can also be seen that when the cylindrical magnetic body 11 and the magnetic layer 14 are antiferromagnetically coupled, magnetization reversal hardly occurs even in the external magnetic field in the X direction, and the half-selection resistance is improved.

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。   Reading of data recorded in the magnetic memory cell 1 is performed as follows. The control circuit 40 gives the address information of the read target cell to the word line decoder 31 and the word line termination circuit 32. The word line decoder 31 grounds the word line connected to the read target cell and puts other word lines into a floating state. The word line termination circuit 32 brings all word lines into a floating state. The control circuit 40 provides address information to the bit line decoder 33 and the bit line termination circuit 34. The bit line decoder 33 connects the bit line connected to the read target cell and the read current source 37. The output potential of the read current source 37 is applied to the other bit lines via the 1 × amplifier 39. The bit line termination circuit 34 brings all the bit lines into a floating state.

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。   Further, the control circuit 40 instructs the read current source 37, and the read current source 37 supplies a predetermined read current, for example, a read current of 10 μA to the selected bit line. Since the unselected bit line and the floating word line have the same potential as the read current source 37, the output potential of the read current source 37 is determined by the resistance value of the read target cell. The data discriminator 38 compares the output potential of the read current source 37 with the reference potential Vref. As described above, since the magnetic memory cell 1 has two resistance values according to the written data, the reference potential Vref only needs to be set between the two output potentials corresponding to the two resistance values. Thereby, the data discriminator 38 can discriminate the data recorded in the read target cell. After a predetermined time has elapsed, the control circuit 40 instructs the read current to stop. The word line decoder 31, the bit line decoder 33, and the bit line termination circuit 34 ground all the word lines and bit lines. This completes the read operation.

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。 4). Summary The magnetic recording layer 10 of the magnetic memory cell 1 according to the present invention has a plurality of magnetic bodies magnetically coupled via a non-magnetic body. At least one of the plurality of magnetic bodies has a cylindrical shape, and the magnetic anisotropy of the cylindrical magnetic body 11 is determined not by a planar shape but by a three-dimensional shape. Therefore, even if the planar shape of the cylindrical magnetic body 11 approaches a square, the magnetization easy axis is formed along the circumference of the cylinder, so that sufficient magnetic anisotropy and disturbance resistance can be obtained. In other words, according to the present invention, it is possible to reduce the aspect ratio of the magnetoresistive element 1 and reduce the cell area while maintaining sufficient magnetic anisotropy and disturbance resistance. That is, it is possible to achieve both the increase in the capacity of the MRAM and the improvement in reliability.

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。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that the embodiment can be appropriately changed by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention.

図１は、従来のＭＲＡＭの構成を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a conventional MRAM. 図２は、従来の磁気抵抗素子の構造を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of a conventional magnetoresistive element. 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。FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of a magnetoresistive element of a conventional toggle write MRAM. 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。FIG. 4 is a plan view showing a configuration of a conventional toggle writing MRAM. 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。FIG. 5A is a graph showing the write characteristics of a conventional magnetoresistive element. 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。FIG. 5B is a graph showing the write characteristics of a conventional magnetoresistive element. 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。FIG. 6 is an overall view showing the magnetic memory cell according to the first embodiment of the present invention. 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。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a structural example of the magnetic memory cell according to the first embodiment. 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。FIG. 8 is a conceptual diagram showing the state of the magnetic memory cell according to the first embodiment. 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。FIG. 9A is a plan view showing an example of the structure of the magnetic memory cell according to the first exemplary embodiment. 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。FIG. 9B is a plan view showing another example of the structure of the magnetic memory cell according to the first exemplary embodiment. 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。FIG. 10 is an overall view showing a magnetic memory cell according to the second embodiment of the present invention. 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。FIG. 11 is a conceptual diagram showing the state of the magnetic memory cell according to the second embodiment. 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。FIG. 12A is a schematic view showing an example of the structure of a magnetic memory cell according to the third embodiment of the present invention. 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。FIG. 12B is a schematic diagram illustrating another example of the structure of the magnetic memory cell according to the third embodiment. 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。FIG. 12C is a schematic view showing still another example of the structure of the magnetic memory cell according to the third exemplary embodiment. 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。FIG. 13 is an overall view showing a magnetic memory cell according to the fourth embodiment of the present invention. 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。FIG. 14 is a conceptual diagram showing the state of the magnetic memory cell according to the fourth embodiment. 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。FIG. 15A is a diagram showing a manufacturing process of the magnetic recording layer of the magnetic memory cell according to the embodiment of the present invention. 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。FIG. 15B is a diagram showing a manufacturing process of the magnetic recording layer of the magnetic memory cell according to the embodiment of the present invention. 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。FIG. 15C is a diagram showing a manufacturing process of the magnetic recording layer of the magnetic memory cell according to the embodiment of the present invention. 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。FIG. 15D is a diagram showing a manufacturing process of the magnetic recording layer of the magnetic memory cell according to the embodiment of the present invention. 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。FIG. 15E is a diagram showing a manufacturing process of the magnetic recording layer of the magnetic memory cell according to the embodiment of the present invention. 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。FIG. 15F is a diagram showing a process of manufacturing the magnetic recording layer of the magnetic memory cell according to the embodiment of the present invention. 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。FIG. 16 is a sectional view showing an example of the structure of the MRAM according to the embodiment of the present invention. 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。FIG. 17 is a block diagram showing a circuit configuration of the MRAM according to the embodiment of the present invention. 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。FIG. 18 is a diagram showing the write characteristics of the magnetic memory cell according to the embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

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 1 Magnetic memory cell (TMR element)
2 Antiferromagnetic layer 3 Pinned layer 4 Barrier layer 10 Magnetic recording layer 11 Cylindrical magnetic body 12 Internal non-magnetic body 13 Non-magnetic body layer 14 Magnetic body layer 21 First cylindrical magnetic body 22 First internal non-magnetic body 23 Nonmagnetic layer 24 Second cylindrical magnetic body 25 Second internal nonmagnetic body 31 Word line decoder 32 Word line termination circuit 33 Bit line decoder 34 Bit line termination circuit 35 Word line write current source 36 Bit line write current source 37 Read Current source 38 Data discriminator 39 Amplifier 40 Control circuit

Claims (5)

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、
前記ワード線と前記ビット線との間に配置された磁気メモリセルと
を具備し、
前記磁気メモリセルは、
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、
前記ピン層、前記バリア層及び前記磁気記録層の積層方向に直交する平面方向は、第１方向であり、
前記筒状磁性体は、前記第１方向に沿った第１軸の周りを取り囲む筒状の構造を有し、前記第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
を有し、
前記第１部分の厚さは、前記第２部分、前記第３部分、前記磁性体のそれぞれの厚さよりも大きく、
前記第１部分、前記第２部分、前記第３部分は同じ材料で形成されており、
前記第１部分と前記磁性体は、互いに平行に形成され、且つ、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り、
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。 A word line through which a first current flows;
A bit line formed to intersect the word line and through which a second current flows;
A magnetic memory cell disposed between the word line and the bit line;
Comprising
The magnetic memory cell is
A pinned layer with a fixed magnetization direction;
A magnetic recording layer whose magnetization direction is reversible;
Comprising a pinned layer and a barrier layer sandwiched between the magnetic recording layers,
The magnetic recording layer is
A magnetic body formed on the barrier layer;
A cylindrical magnetic body magnetically coupled to the magnetic body via a non-magnetic body,
The plane direction orthogonal to the stacking direction of the pinned layer, the barrier layer, and the magnetic recording layer is the first direction,
The cylindrical magnetic body has a cylindrical structure surrounding the first axis along the first direction, and has a rotational magnetization distributed so as to turn around the first axis in one direction.
The cylindrical magnetic body is
A first portion formed on the magnetic body via the non-magnetic body;
A second portion formed opposite the first portion;
A third portion connecting between the first portion and the second portion;
Have
The thickness of the first portion is greater than the thickness of each of the second portion, the third portion, and the magnetic body,
The first part, the second part, and the third part are formed of the same material,
The first portion and the magnetic body are formed in parallel to each other and are antiferromagnetically coupled,
The magnetization direction of the magnetic body is opposite to the rotation magnetization direction of the first portion,
The direction of the rotational magnetization of the cylindrical magnetic body is reversed by a combined magnetic field of a first magnetic field generated by the first current and a second magnetic field generated by the second current.
Magnetic random access memory . 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
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
磁気ランダムアクセスメモリ。 The magnetic random access memory according to claim 1,
The cylindrical magnetic body is a magnetic random access memory formed on an outer peripheral surface of an internal nonmagnetic body along the first axis. 請求項２に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
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
磁気ランダムアクセスメモリ。 The magnetic random access memory according to claim 2 ,
The internal random magnetic body is exposed to the outside of the cylindrical magnetic body. Magnetic random access memory . 請求項２に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
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
磁気ランダムアクセスメモリ。 The magnetic random access memory according to claim 2 ,
The inner non-magnetic body is completely covered with the cylindrical magnetic body,
The cylindrical magnetic body is
A first side parallel to the first axis;
A second side surface intersecting the first axis,
The magnetic random access memory , wherein a thickness of the cylindrical magnetic body on the second side surface is smaller than a thickness of the cylindrical magnetic body on the first side surface. 請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
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
磁気ランダムアクセスメモリ。 The magnetic random access memory according to any one of claims 1 to 4 ,
The magnetic body has a planar structure parallel to the first axis. Magnetic random access memory .
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