JP2000076843A

JP2000076843A - 磁性薄膜メモリ素子およびその記録再生方法、画像録画再生装置

Info

Publication number: JP2000076843A
Application number: JP11096117A
Authority: JP
Inventors: Naoki Nishimura; 直樹西村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-05-18
Filing date: 1999-04-02
Publication date: 2000-03-14

Abstract

(57)【要約】【課題】磁性薄膜の磁化の不安定性を無くし、メモリ
セル１個の面積に２ビット以上の情報が記録でき、集積
度を飛躍的に高くした磁性薄膜メモリ素子を提供する。【解決手段】低い保磁力を有する垂直磁化膜からなる
第１磁性層１と高い保磁力を有する垂直磁化膜からなる
第２磁性層２が非磁性層３を介して積層されてなる磁気
抵抗膜１０であって、第２磁性層のスピンの向きによっ
て情報を記録し、スピンが同じ向きの場合と異なる向き
の場合とで抵抗値が異なる磁気抵抗膜１０及び良導体か
らなる書込み線４０を有してなる素子を２個以上積層し
てなることを特徴とする磁性薄膜メモリ素子、及び記録
再生方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁化の向きによっ
て情報を記録し、磁気抵抗効果によって再生する磁性薄
膜メモリ素子およびその記録再生方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁性薄膜メモリは、半導体メモリと同じ
く稼働部の無い固体メモリであるが、電源が断たれても
情報を失わない、繰り返し書換回数が無限回である、放
射線が入射すると記録内容が消失するという危険性が無
い等、半導体メモリと比較して有利な点がある。特に近
年、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を利用した磁性薄膜メ
モリは、従来から提案されている異方性磁気抵抗効果を
用いた磁性薄膜メモリと比較して、大きな出力が得られ
るため注目されている。

【０００３】例えば日本応用磁気学会誌ＶＯＬ２０、Ｐ
２２（１９９６）には、図１０に示すような硬質磁性膜
ＨＭ／非磁性膜ＮＭ／軟磁性膜ＳＭ／（非磁性膜ＮＭ）
なる構成要素を複数回積層してメモリー素子とした固体
メモリーが提案されている。このメモリー素子には、金
属導体と接合されたセンス線Ｓが、また、絶縁膜Ｉによ
ってセンス線Ｓと絶縁されたワード線Ｗが各々設けられ
ており、このワード線電流及びセンス線電流によって発
生する磁界により情報の書き込みを行う。

【０００４】具体的には、図８に示すように、ワード線
Ｗに電流Ｉを流し、電流の向きＩＤによって異なる方向
の磁界を発生させて、硬質磁性膜ＨＭの磁化反転を行
い、メモリー状態“０”、“１”の記録を行う。例えば
同図（ａ）に示すように正の電流を流して右向きの磁界
を発生させ、同図（ｂ）に示すように硬質磁性膜ＨＭに
“１”の記録を行い、また例えば同図（ｃ）に示すよう
に負の電流を流して左向きの磁界を発生させ、同図
（ｄ）に示すように硬質磁性膜ＨＭに“０”の記録を行
う。

【０００５】情報の読み出しは、図９に示すように、ワ
ード線Ｗに記録電流より小さい電流Ｉを流して軟磁性膜
ＳＭの磁化反転のみを起こし、その際の抵抗変化を測定
することにより行なう。ここで巨大磁気抵抗効果を利用
すれば、軟磁性膜ＳＭと硬質磁性膜ＨＭの磁化が平行の
場合と反平行の場合で抵抗値が異なるので、その時生ず
る抵抗変化により“１”、“０”のメモリー状態を判別
することができる。具体的には、図９（ａ）に示すよう
な正から負のパルスを印加すると、軟磁性膜ＳＭは右向
きから左向きになり、メモリー状態“１”に対しては、
同図（ｂ）のように小さい抵抗値から同図（ｃ）のよう
に大きい抵抗値に変化し、メモリー状態“０”に対して
は、同図（ｄ）のように大きい抵抗値から同図（ｅ）の
ように小さい抵抗値に変化する。このようにして抵抗の
変化を読みとれば、記録後の軟磁性膜ＳＭの磁化状態に
関わらず硬質磁性膜ＨＭに記録した情報の読み出しが可
能となり、即ち非破壊読み出しが可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記構成の磁
性薄膜メモリは、ビットセルの面積を小さくするに伴っ
て、磁性層内部で生じる反磁界（自己減磁界）が無視で
きなくなり、記録保持する磁性層の磁化方向が一方向に
定まらず不安定となってしまう。従って上記構成の磁性
薄膜メモリは、ビットセルを微細化するほど情報の保存
が困難となるので、高集積化が不可能という欠点が有っ
た。さらに、記録電流から発生する磁界が十分でないた
め、記録が不安定になったり、情報保存の安定性に欠け
るという欠点が有った。

【０００７】また、上記構成の磁性薄膜メモリ素子は、
１ビットの情報に１つのメモリセルの面積を有するた
め、集積度をＤＲＡＭ以上に上げることが困難であっ
た。

【０００８】本発明は、これらの点に鑑み、微細化する
際に問題となる磁性薄膜の磁化の不安定性を無くし、さ
らに、メモリセル１個の面積において、２ビット以上の
情報が記録でき、集積度を飛躍的に高くすることが可能
な磁性薄膜メモリ素子およびその記録再生方法及び画像
録画再生装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の磁性薄膜メモリ
素子は、低い保磁力を有する垂直磁化膜からなる第１磁
性層と、高い保磁力を有する垂直磁化膜からなる第２磁
性層が非磁性層を介して積層されてなる磁気抵抗膜であ
って、該第２磁性層のスピンの向きによって情報を記録
し該第１磁性層のスピンと該第２磁性層のスピンが同じ
向きの場合と異なる向きの場合とで該磁気抵抗膜の抵抗
値が異なる磁気抵抗膜、及び、該磁気抵抗膜の近傍に絶
縁体を介して設けられた良導体からなる書込み線を有し
てなる素子を、少なくとも２個以上積層してなることを
特徴とする磁性薄膜メモリ素子である。

【００１０】また本発明の記録方法は、本発明の磁性薄
膜メモリ素子の書込み線に電流を流し、該電流により生
じる磁界により、該磁性薄膜メモリ素子の第２磁性層の
スピン方向を定め、該書込み線の電流方向を変えること
により“０”と“１”の状態を記録することを特徴とす
る磁性薄膜メモリ素子の記録方法である。

【００１１】また本発明の再生方法は、本発明の磁性薄
膜メモリ素子の書込み線に電流を流し、該電流により生
じる磁界により、該磁性薄膜メモリ素子の第１磁性層の
みのスピンを反転させ、これにより生じる抵抗変化を利
用して第２磁性層に記録した情報を読み込むことを特徴
とする磁性薄膜メモリ素子の再生方法である。

【００１２】本発明に関わる磁性薄膜メモリ素子におい
ては、垂直磁化膜を用いているため、磁性薄膜の幅を小
さくしても反磁界が大きくなることはなく、安定に磁化
保存することができる。このため情報保存の安定性の高
い、高集積化可能な磁性薄膜メモリ素子および磁性薄膜
メモリ素子を実現することが可能となる。

【００１３】また、本発明の画像録画装置は、被写体の
像を光電変換素子上に結像させるレンズ群、結像された
像を電気信号に変換する光電変換素子、及び前記電気信
号を記録する記録媒体を少なくとも備え、記録媒体とし
て上記薄膜メモリ素子を用いるものである。

【００１４】本発明の画像再生装置は、上記磁性薄膜メ
モリ素子に画像が電気信号として記憶されており、この
磁性薄膜メモリから電気信号を読み出して、この電気信
号を画像として表示するものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて詳細に説明する。

【００１６】図１は、本発明のメモリ素子の構成例を示
したものである。本発明のメモリ素子は保磁力が低い第
１磁性層１と保磁力の高い第２磁性層２とが非磁性層３
を介して積層されて構成される磁気抵抗膜１０と、磁気
抵抗膜１０の近傍に図示していない絶縁体を介して設け
られる良導体からなる書込み線４０とを有し、この構成
が少なくとも２個以上積層されてなることを特徴とす
る。磁気抵抗膜１１は、磁気抵抗膜１０とは異なる情報
を記録するもので、記録には書込み線４１を用いる。書
込み線４０と書込み線４１との間には図示していない絶
縁体があり、電気的に接続されることがない。磁気抵抗
膜１０と磁気抵抗膜１１の間には、誤記録などのために
良導体２０が設けられることがある。

【００１７】“０”、“１”の磁化情報は、第２磁性層
２のスピン方向が上向きもしくは下向きかのどちらかに
対応して記録される。例えば図１において磁気抵抗膜１
０に情報を記録する場合には、近傍に置かれた書込み線
４０に電流を流して生じる磁界によって第２磁性層２の
磁化を反転させて行う。図１では紙面に向かって電流を
流し下向きに磁化させた場合を示している。電流を逆向
きに流せば磁化の向きを逆にすることができる。書込み
線４０から発生する磁界は磁気抵抗膜１１には十分印加
されないので、磁気抵抗膜４１の情報を書換えることは
ない。磁気抵抗膜１１に情報を記録する場合は、書込み
線４１に電流を流して行う。このため、従来の１ビット
のメモリセルに２ビット以上の情報を記録することが可
能であり、集積度が飛躍的に向上する。

【００１８】図２は、磁気抵抗膜の磁化状態の例を示し
たものである。矢印は磁化、詳しく磁化を形成するスピ
ンの方向を示しており、（ａ）は第１磁性層と第２磁性
層のスピンの向きが平行で抵抗値は低い。（ｂ）は反平
行で抵抗値は高い。このため、後述するように磁気抵抗
膜の抵抗値の変化の検出によって記録されたデジタル情
報を検出することができる。

【００１９】上述の書込み線には、磁気抵抗膜に垂直に
磁界がかかるように電流を流す。このため、書込み線は
膜面と平行に電流が流れるように配置することがよい。
また、書込み線と磁気抵抗膜の間隔は、長い場合は十分
な磁界を印加することができず、短い場合は、書込み線
と磁気抵抗膜の間で絶縁破壊が生じたりトンネル電流が
流れたりするので、少なくとも１０Å以上１μｍ以下
で、望ましくは５０Å以上１０００Å以下とするのがよ
い。

【００２０】なお、図１では、メモリ素子を２個積層し
た場合を述べたが、２個には限らず、２個以上２５６個
の範囲で積層することができる。ただし、あまり積層回
数を増やすと、信号出力が低下する、膜の平坦性が失わ
れる、などの問題が発生するので、積層回数は、２個以
上１６個以下が望ましい。

【００２１】書込み線は、図３に示したように磁気抵抗
膜の近傍に２個以上置くと、それぞれの書込み線から発
生する磁界が合算され、より大きな磁界を発生されるこ
とが可能となる。また、後述するように、再生時には記
録時よりも弱い磁界を発生させるので、再生時には一つ
の書込み線に電流を流し、記録時に２つの書込み線に電
流を流すようにすれば、再生時と記録時の電流マージン
を広げることができ、再生時に誤記録することなく安定
に動作させることができる。

【００２２】一つのメモリチップにおいて数１００Ｍバ
イトもしくは数Ｇバイトの容量を達成する場合には、本
発明のメモリ素子を数多く配列してマトリックス構成に
し、全体のメモリを構成する。この場合、書込み線は複
数のメモリ素子に共通に設けるのがよい。例えば図１の
構成の素子を複数個平面状に設置し、書込み線はそれら
のメモリ素子に共通に設ける。

【００２３】この際には書込み線に電流を流した場合、
複数のメモリ素子に同じように磁界が印加されるので、
磁性薄膜メモリ素子の磁気抵抗膜自体に電流を流して磁
界を発生し、記録するメモリセルだけ他のセルよりも多
くの磁界がかかるようにする。このためにはトランジス
タなどのアクティブ素子を各素子に設けることが望まし
い。こうすると多数の磁性薄膜メモリ素子のうち、一つ
を選択し、さらに書込み線で一つのメモリセルを選択し
て記録することができる。

【００２４】図４には、このような例として、磁性薄膜
メモリ素子の一端を電界効果トランジスタ５００のドレ
イン電極５０３に接続し、他端は電源電圧Ｖ_DDになって
いる電極５０４に接続した例を示している。５０１はソ
ース電極、５０２はゲート電極である。また、再生時に
は上述の記録時と同様に特定のメモリセルの磁性薄膜メ
モリ素子に磁界を印加して検出層を磁化反転させること
ができる。これによって抵抗値変化が生じ、その変化は
ソース電極５０１から取り出してセンス回路によって増
幅されて検出される。こうして多数あるメモリセルの中
から、特定のメモリセルの情報を読むことができる。

【００２５】本発明の磁性薄膜メモリ素子の第２磁性層
は、磁化情報が保存されるメモリ層であり、保磁力の小
さい第１磁性層は、第２磁性層に保存された磁化情報
を、磁気抵抗効果を利用して読み出すために設けられた
ものである。図６には、記録再生時の磁化構造の例を示
している。図６では、“０”、“１”のデータを、第２
磁性層の磁化の上向き（図６（１ａ））、下向き（図６
（１ｂ））にそれぞれ対応させる。記録は記録電流によ
る発生磁化によって第１磁性層の磁化を反転させて行
う。本発明の磁性薄膜メモリ素子は、磁化の向きによっ
て“０”、“１”の情報を記録し、抵抗の差によって読
み出すものである。

【００２６】再生は、書込み線に記録時よりも弱い電
流、もしくは後述するように書込み線を２個設けて１本
の書込み線にのみ電流を流すなどして、記録時よりも小
さい磁界を発生させて、メモリ層の磁化は反転させずに
検出層の磁化のみを反転させる。例えば、“０”を記録
した場合は、図６の（１ａ）の状態から（２ａ）の状態
に、またはこの逆に、“１”を記録した場合は（１ｂ）
の状態から（２ｂ）の状態に、またはこの逆に変化させ
る。こうすれば、抵抗値が“０”の場合は小から大へ、
“１”の場合は大から小に変化するので、抵抗値変化に
より記録情報を検出することができる。この方式では、
検出感度のよい再生を行うことができる。なお、
“０”、“１”のデータを第２磁性層の磁化の下向き、
上向きに対応させてもよい。第１磁性層、第２磁性層と
もに磁性材料としては、前述のＲＥ−ＴＭ材料を用いる
ことができるが、どちらの層も記録再生時に磁化反転さ
せるため、より保磁力の低いＧｄＦｅ、ＧｄＦｅＣｏな
どが望ましい。

【００２７】第１磁性層の保持力は低すぎると、再生信
号が劣化し、高すぎると再生電流が大きくなるので、２
Oe以上で２０ Oe以下が望ましい。第２磁性層の保磁力
は低すぎるとメモリ性能が劣化し、高すぎると記録電流
が高くなるので５ Oe以上５０ Oe以下にすることが望ま
しい。また、第１磁性層の保磁力は第２磁性層の保磁力
の半分程度にすることが望ましい。

【００２８】第１磁性層及び第２磁性層の材料として
は、例えば希土類元素と鉄族遷移元素（ＲＥ−ＴＭ）の
合金であるフェリ磁性膜もしくは希土類元素と鉄族遷移
元素からなる人工格子膜、酸化物磁性膜であるガーネッ
ト膜、Ｐｔ／Ｃｏ等の人工格子膜など垂直磁化を示す磁
性材料が挙げられる。

【００２９】ＲＥ−ＴＭ材料としては、ＧｄＦｅ、Ｇｄ
ＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＦ
ｅＣｏなどが容易に垂直磁化を示すのでよい。これらの
磁性膜の中でＧｄＦｅ、ＧｄＦｅＣｏは保磁力を小さく
することができるので、第１磁性層の材料としてより望
ましい。また第２磁性層の材料としては、ＴｂＦｅ、Ｔ
ｂＦｅＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＦｅＣｏなどが保磁力を高
くすることができるので望ましい。但し、電流によって
発生する磁界により磁化反転を起こさせる場合には、こ
れらの材料では保磁力が高すぎて必要な電流値が大きく
なりすぎる場合があるのでＧｄＦｅ、ＧｄＦｅＣｏなど
を用いて第１磁性層よりも保磁力が大きくなるように組
成を調節することがよい。

【００３０】前述のように、本発明のメモリ素子は、第
１磁性層と第２磁性層のスピンの向きが平行で抵抗値は
低く、反平行で抵抗値は高い。これをさらにＲＥ−ＴＭ
合金材料を例に図５を用いて具体的に説明する。図５で
は、白枠の矢印を希土類元素と鉄族元素の磁化の差であ
る正味の磁化の方向、黒矢印を鉄族遷移元素の磁化方向
として示している。磁性膜が重希土類元素と鉄族遷移元
素からなるフェリ磁性膜の場合には、それぞれの元素の
副格子磁化は逆向きとなっている。このうち希土類元素
の磁性は４ｆ電子が起因している。この４ｆ電子は内殻
の奥深くに入っているため、伝導にはあまり寄与しな
い。しかし鉄族遷移元素の３ｄ電子は、外殻に近いため
一部伝導電子となっている。このため、スピンの向きの
相違による磁気抵抗は、鉄族遷移元素のスピンにより影
響を受けやすい。このため磁気抵抗に起因するスピンの
向きとしては鉄族元素のスピンの向きを見ればよい。例
えば図５（ａ）に示したように、鉄族元素の磁気モーメ
ントが第１磁性層と第２磁性層とで平行の場合には抵抗
が小さく、図５（ｂ）で示したように反平行の場合には
抵抗が大きい。

【００３１】なお、図５では、各磁性層の正味の磁化と
鉄族元素の磁化が同じ向きを向いている鉄族元素リッチ
（ＴＭリッチ）の場合を示したが、例えば第１磁性層を
希土類元素リッチ（ＲＥリッチ）、第２磁性層をＴＭリ
ッチとしてもよく、逆の構成としてもよい。

【００３２】本発明の磁性薄膜メモリ素子は、垂直磁化
膜からなっているため、従来の面内磁化膜からなる素子
と比較した場合、微細化した際に磁化の安定性に大きな
差が生じる。具体的には、従来より知られているＮｉＦ
ｅ／Ｃｕ／Ｃｏなどの磁気抵抗膜で構成した場合、飽和
磁化の大きさは８００ｅｍｕ／ｃｃ程度以上あり、素子
の幅がサブミクロン程度になると、膜端面の磁極が近づ
いて反磁界が増加し、これによってスピンは膜端面で回
転し、側面に平行に配向するようになる。これに対して
垂直磁化膜の場合には、反磁界エネルギーは垂直磁気異
方性定数より小さく、このため、飽和磁化の大きさは大
きくても３００ｅｍｕ／ｃｃ程度以下に抑えられてお
り、素子の幅が小さくなっても膜端面の磁極が近づくこ
とはなく反磁界が増加しない。したがって、サブミクロ
ン幅でも十分安定に磁化を保存することができる。この
ため、例えばメモリ素子に応用する場合には、集積度を
飛躍的に高めることが可能となる。

【００３３】本発明において垂直磁化膜の飽和磁化の大
きさは、好ましくは２５０ｅｍｕ／ｃｃ以下、さらに好
ましくは２００ｅｍｕ／ｃｃ以下がよい。また、小さす
ぎると保磁力が大きすぎてしまうので、５０ｅｍｕ／ｃ
ｃ以上が好ましい。

【００３４】本発明の磁性薄膜メモリ素子の一例は、第
１磁性層と第２磁性層間の非磁性層を良導体とするもの
である。これを以下ではスピン散乱型の素子を呼ぶ。こ
の良導体は第１磁性層、第２磁性層よりも伝導率が高い
ものが望ましく、一例としてＣｕが挙げられる。Ｃｕを
主成分として用いると、磁性層とフェルミエネルギー準
位が近く、密着性もよいため、磁化方向が変わるときに
界面で抵抗が生じやすく大きな磁気抵抗比を得るのに好
都合である。また、非磁性層の膜厚は５Å以上６０Å以
下であることが望ましい。

【００３５】第１磁性層と非磁性層の間、もしくは第２
磁性層と非磁性層の間、もしくは第１磁性層と非磁性層
の間および第２磁性層と前記非磁性層の間にＣｏを主成
分とする磁性層を設けると、磁気抵抗比が高くなるた
め、より高いＳ／Ｎ比が得られるため望ましい。この場
合のＣｏを主成分とする層の厚みは５Å以上で２０Å以
下が好ましい。

【００３６】第１磁性層の膜厚は、巨大磁気抵抗効果が
効率よく発生するように設定されることが必要である。
具体的には、第１磁性層の膜厚が電子の平均自由行程よ
り大幅に大きくなると、フォノン散乱を受けてその効果
が薄れるため、少なくとも２００Å以下であることが望
ましい。さらに好ましくは１５０Å以下がよい。しか
し、薄すぎるとセルの抵抗値が小さくなり再生信号出力
が減少してしまい、また磁化を保持できなくなるので、
２０Å以上が望ましく、さらには８０Å以上が望まし
い。

【００３７】第２磁性層の膜厚も第１磁性層の場合と同
様に、散乱型の巨大磁気抵抗効果が効率よく発生するよ
うに設定されるため、少なくともとも２００Å以下であ
ることが望ましい。さらに好ましくは１５０Å以下がよ
い。しかしあまり薄すぎるとメモリ保持性能が劣化し、
また再生信号出力が減少してしまうセルの抵抗値が小さ
くなり、また磁化を保持できなくなるので、２０Å以上
が望ましく、さらには８０Å以上が望ましい。

【００３８】また、Ｓ／Ｎを向上せるために、｛第１磁
性層／非磁性層／第２磁性層／非磁性層｝を一つのユニ
ットとして、このユニットを積層してもよい。積層する
組数は多いほどＭＲ比が大きくなり好ましいが、余り多
くするとＭＲ磁性層が厚くなり電流を多く必要とする。
このため、積層の回数は４０組以下、さらに好ましくは
３〜２０組程度に設けられるのが好ましい。

【００３９】本発明の磁性薄膜メモリ素子の他の例は、
第１磁性層と第２磁性層間の非磁性層を絶縁層とするス
ピントンネル膜構成を呈するものである。再生時に電流
を膜面に対して垂直に流した際に第１磁性層から第２磁
性層へ電子のトンネル現象がおきるようにする。

【００４０】本発明のスピントンネル型の磁性薄膜メモ
リ素子は、強磁性体金属において伝導電子がスピン偏極
を起こしているため、フェルミ面における上向きスピン
と下向きスピンの電子状態が異なっており、このような
強磁性体金属を用いて、強磁性体と絶縁体と強磁性体か
らなる強磁性トンネル接合を作ると、伝導電子はそのス
ピンを保ったままトンネルするため、両磁性層の磁化状
態によってトンネル確率が変化し、それがトンネル抵抗
の変化となって現れる。これにより、第１磁性層と第２
磁性層の磁化が平行の場合は抵抗が小さく第１磁性層と
第２磁性層の磁化が反平行の場合は抵抗が大きくなる。
上向きスピンと下向きスピンの状態密度の差が大きい方
がこの抵抗値は大きくなりより大きな再生信号が得られ
るので、第１磁性層と第２磁性層はスピン分極率の高い
磁性材料を用いることが望ましい。具体的には第１磁性
層と第２磁性層は、フェルミ面における上下スピンの偏
極量が大きいＦｅを主成分として選定し、Ｃｏを第２成
分として選定してなる。

【００４１】その第１磁性層および第２磁性層の膜厚
は、５００Å以上、５０００Å以下であることが望まし
い。これは、第１に非磁性層に酸化物を用いる場合、酸
化物の影響で磁性層の非磁性層側の界面の磁性が弱ま
り、この影響が膜厚が薄い場合大きいことが挙げられ
る。第２に、酸化アルミニウム非磁性層を、Ａｌを成膜
したのちに酸素を導入して酸化させて作成する場合、ア
ルミニウムが数１０Å残り、この影響が、磁性層が１０
０Å以下である場合、大きくなって適切なメモリ特性が
得られないためである。第３に、特にサブミクロンにメ
モリ素子を微細化した場合、第１磁性層のメモリ保持性
能が、また、第２磁性層の一定の磁化の保持機能が衰え
るからである。また厚すぎるとセルの抵抗値が大きくな
りすぎるなどの問題があるので、５０００Å以下が望ま
しく、より望ましくは１０００Å以下がよい。

【００４２】上述のように本発明の磁気抵抗メモリ素子
はスピントンネリングによる磁気抵抗効果を用いるた
め、非磁性層は、電子がスピンを保持してトンネルする
ために、絶縁層でなければならない。非磁性膜の全部が
絶縁層であっても、その一部が絶縁層であってもよい。
非磁性金属膜を酸化させた酸化層にする例としては、Ａ
ｌ膜の一部を空気中もしくは真空中でプラズマ酸化によ
り酸化させてＡ１₂Ｏ₃層を形成する例が挙げられる。ほ
かに、窒化アルミニウム（ＡｌＮｘ）、酸化シリコン
（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、酸化ニッケ
ル（ＮｉＯｘ）が例として挙げられる。特に、酸化アル
ミニウム（ＡｌＯｘ）が好ましい。また、これは、スピ
ントンネルがおきるには、第１磁性層と第２磁性層の伝
導電子のエネルギーに、適切なポテンシャルバリアーが
存在することが必要であるが、上述の材料では、このバ
リアーを得ることが比較的容易で、製造上も有利である
からである。

【００４３】また、前記非磁性層は数１０Å程度の均一
な層であって、その絶縁部分の膜厚は５Å以上３０Å以
下であることが望ましい。これは、５Å未満である場
合、第１磁性層と第２磁性層が電気的にショートしてし
まう可能性があるからであり、３０Åを超える場合、電
子のトンネル現象が起きにくくなるからである。さらに
望ましくは、４Å以上２５Å以下であることが望まし
い。より望ましくは６Å以上１８Åがよい。

【００４４】

【実施例】以下、本発明を実施例により更に詳細に説明
する。

【００４５】＜実施例１＞図１の構成の磁性薄膜メモリ
素子（但し積層数４回）を作製した。ここで、第１磁性
層の材料はＧｄ₁₈Ｆｅ₈₂、膜厚は４ｎｍ、保磁力は５ O
eとした。非磁性層の材料はＣｕ、膜厚は５ｎｍとし
た。第２磁性層の材料はＧｄ₁₉Ｆｅ₈₁、膜厚は１０ｎ
ｍ、保磁力は１５ Oeとした。書込み線の材料はＡｌと
した。

【００４６】この磁性薄膜メモリ素子に対して、４つの
各メモリ素子の横の書込み線のそれぞれに２０ｍＡの電
流を流し、電流の方向により、“０”“１”“１”
“０”をそれぞれのメモリ素子に記録した。

【００４７】記録後の磁性薄膜メモリ素子を再生するた
めに、各書込み線に１０ｍＡの電流を正負の方向に流し
て、第１磁性層のみを反転させて磁気抵抗膜部分の抵抗
変化を測定した。その結果、記録情報に対応した抵抗変
化が得られ情報が正確に再生できた。

【００４８】以上説明した本発明の磁性薄膜メモリ素子
は、画像録画再生装置の記録媒体として用いることがで
きる。図１０は、図４に示す磁性薄膜メモリ素子を記録
媒体として用いた画像録画再生装置の構成例を示すブロ
ック図である。録画する場合、レンズ系により撮像素子
９０上に結像し、撮像素子からの信号をＡ／Ｄ変換器９
１によりデジタル信号に変換し、強磁性体を用いた固体
メモリを用いた記録媒体９２に書き込む。

【００４９】再生する場合は、記録媒体９２からのデジ
タル信号をＤ／Ａ変換器９３でアナログ信号に変換し、
通常の処理回路にてディスプレイ９４に表示する。

【００５０】＜実施例２＞図４に示した磁性薄膜メモリ
素子を記録媒体として用い、図１０の画像録画再生装置
を実施例を以下に説明する。

【００５１】図４に示す磁性薄膜メモリ素子は、集積度
を高くすることができるので、１ＧｂｉｔＤＲＡＭが作
成可能なＫｒＦエキシマレーザーを用いる０．１６μｍ
のデザインルールで作成すると、１チップに、４Ｇｂｉ
ｔの容量の集積度が達成できる。ＰＣＭＣＩＡタイプ２
のメモリカードに、８個のチップを乗せることにより、
４Ｇｂｙｔｅの容量の固体メモリカードができる。搭載
するチップ数８個という数は、携帯機器として使用でき
るカードの大きさ、消費電力、コストを考えると実用上
の上限である。ＭＰＥＧ２で圧縮した場合、現行テレビ
の受信品質画像は５Ｍｂｐｓ程度で記録できる。

【００５２】カードに転送するデータの書込み時間は、
スピン反転時間が２ｎｓｅｃであることより、チップ全
体として、選択トランジスタによるアクセス時間等を考
慮にいれても１００ｎｓ以下となる。したがって、これ
らのカードに録画できる時間は１．８時間となる。その
ため、本発明の磁気抵抗膜で構成される固体メモリを記
録媒体とする画像録画装置では、動画像の記録媒体とし
て十分に使用することができる。

【００５３】表１（本発明の画像録画装置に用いられる
巨大磁気抵抗メモリ（ＧＭＲメモリ）と比較例であるフ
ラッシュメモリ、強誘電体メモリの容量と録画時間を示
す対比表）に、これらをまとめて示す。表中のＧＭＲ
は、図４に示す構成のＧＭＲメモリを示す。

【００５４】

【表１】

【００５５】なお、最近の画像録画装置、特に携帯用の
ビデオカメラは、機器サイズが手のひらサイズ近くまで
小型化されている。このため記録媒体は、ＰＣＭＣＩＡ
タイプ２の半分程度の大きさにすることが好ましい。

【００５６】この際には、記録容量は半分となるので、
実施例４，５に示したＧＭＲ膜を多重に積層するタイプ
のデバイスが、より本発明の特徴を生かすことができ、
より好ましいものである。

【００５７】また、上述では動画像を録画する場合につ
いて示したが、大容量を必要とする静止画像の場合も同
様である。

【００５８】本発明の画像録画装置に用いるメモリは、
半導体スイッチング素子を設けてあり、高集積化した際
にもランダムアクセスが可能である。また、物理的に移
動する固体ヘッド等が無いので、消費電力も抑えること
ができ、摩耗による劣化もなく、小型軽量である。ま
た、スピンによる情報保存のため、ほぼ無限に繰り返し
記録再生が可能である。

【００５９】次に不揮発メモリに必要な書き換え耐久性
について以下に示す。

【００６０】ＧＭＲメモリでは、磁性体の原子のスピン
が反転するに伴って情報が書き換えられるため、可能な
書き換え回数は、１０^１５以上とほぼ無限大である。例
として書き換えのアクセス時間を２００秒として転送速
度５Ｍｂｐｓで「０」、「１」のデータの書き換えを繰
り返し行うと、１０^１５回とは、約６年間以上、連続に
書き換えを行ったことに相当する。したがって、本発明
の画像録画装置では、実質的に無限回、繰り返し録画が
可能である。

【００６１】表２（本発明の画像録画装置に用いられる
巨大磁気抵抗メモリ（ＧＭＲメモリ）と比較例であるフ
ラッシュメモリ、強誘電体メモリの書き換え耐久性を示
す対比表）に、これらをまとめて示す。表中のＧＭＲ
は、図４に示す構成のＧＭＲメモリを示す。

【００６２】

【表２】

【００６３】以下に、表１及び表２に示した比較例１及
び２に関して説明する。

【００６４】＜比較例１＞フラッシュメモリを用いて実
施例２と同じ記録を行った。フラッシュメモリでは、高
集積化は、２５６Ｍｂｉｔまでできる。しかしトンネル
膜を電子が通過してフローディングゲートに電子を注入
するが、このトンネル膜は、情報保存のときには、電子
がぬけないように厚くする必要がある。そのため、厚い
トンネル膜を通過するのに時間がかかり、結果として書
込み速度は、チップあたり１ｍｓｅｃとかなり記録速度
が遅い。したがって、動画像の記録は不可能であった。

【００６５】フラッシュメモリの書き換え耐久性につい
て以下に示す。上述のようにフラッシュメモリでは、記
録時に厚いトンネル膜を電子が通過するため、書き換え
頻度が１０⁶以下で劣化する。実施例２と同様に書き換
えのアクセス時間を２００秒として転送速度５Ｍｂｐｓ
で「０」、「１」のデータの書き換えを繰り返し行う
と、１０⁶回とは、０．２秒間連続に書き換えを行った
ことに相当する。したがって、フラッシュメモリでは耐
久性よく記録することができない。

【００６６】＜比較例２＞強誘電体メモリを用いて実施
例２と同じ記録を行った。強誘電体メモリは、比較的高
速に記録することができるが、集積度は、４Ｍｂｉｔを
超えるクラスで大きな課題がある。これは、結晶材料の
ため、高温の熱処理が必要であるため、容量部が作成し
にくいことがある。４Ｍｂｙｔｅのカードに記録した場
合、７秒しか記録できず、実用化は難しい。

【００６７】強誘電体メモリの書き換え耐久性について
以下に示す。上述のように強誘電体メモリでは、特定の
原子の位置が結晶格子内で移動し、その際の分極によっ
て情報を記録する。したがって、繰り返し記録すると、
次第に原子位置が中間のところで安定に保持されるよう
になって、分極量が減少してしまい、書き換え頻度が１
０¹¹以下で劣化する。

【００６８】実施例２と同様に書き換えのアクセス時間
を２００秒として転送速度５Ｍｂｐｓで「０」、「１」
のデータの書き換えを繰り返し行うと、１０¹¹回とは、
５時間３６分連続に書き換えを行ったことに相当する。
したがって、強誘電体メモリでは耐久性よく記録するこ
とができない。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
微細化する際に問題となる磁性薄膜の磁化の不安定性を
無くし、さらに、メモリセル１個の面積において、２ビ
ット以上の情報が記録でき、集積度を飛躍的に高くする
ことが可能な磁性薄膜メモリおよびその記録再生方法及
び画像録画再生装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一形態である磁性薄膜メモリ素子の断
面図である。

【図２】本発明の一形態である磁性薄膜メモリ素子の磁
性層の断面図である。

【図３】本発明の一形態である磁性薄膜メモリ素子の断
面図である。

【図４】本発明の一形態である磁性薄膜メモリ素子の断
面図である。

【図５】本発明の一形態である磁性薄膜メモリ素子の磁
性層の断面図である。

【図６】本発明の一形態である磁性薄膜メモリ素子の磁
性層の断面図である。

【図７】従来の磁性薄膜メモリを示す磁性薄膜の断面図
である。

【図８】従来の磁性薄膜メモリの記録動作を示す説明図
である。

【図９】従来の磁性薄膜メモリの再生動作を示す説明図
である。

【図１０】本発明の磁性薄膜メモリ素子を用いた画像録
画再生装置の一実施例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１第１磁性層２第２磁性層３非磁性層４０，４１，４２，５１，５２書込み選択線１０，１１磁気抵抗膜２０良導体５００半導体トランジスタ５０１ソース電極５０２ゲート電極５０３ドレイン電極５０４ＶＤＤ電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低い保磁力を有する垂直磁化膜からなる
第１磁性層と、高い保磁力を有する垂直磁化膜からなる
第２磁性層が非磁性層を介して積層されてなる磁気抵抗
膜であって、該第２磁性層のスピンの向きによって情報
を記録し該第１磁性層のスピンと該第２磁性層のスピン
が同じ向きの場合と異なる向きの場合とで該磁気抵抗膜
の抵抗値が異なる磁気抵抗膜、及び、該磁気抵抗膜の近
傍に絶縁体を介して設けられた良導体からなる書込み線
を有してなる素子を、少なくとも２個以上積層してなる
ことを特徴とする磁性薄膜メモリ素子。
【請求項２】前記書込み線が、各磁気抵抗膜に対して
複数個設けられている請求項１記載の磁性薄膜メモリ素
子。
【請求項３】請求項１記載の磁性薄膜メモリ素子を、
基板上にマトリックス状に配列してなり、該磁性薄膜メ
モリ素子の磁気抵抗膜の端部がトランジスタからなる半
導体素子に電気的に接続している磁性薄膜メモリ。
【請求項４】請求項１記載の磁性薄膜メモリ素子の書
込み線に電流を流し、該電流により生じる磁界により、
該磁性薄膜メモリ素子の第２磁性層のスピン方向を定
め、該書込み線の電流方向を変えることにより“０”と
“１”の状態を記録することを特徴とする磁性薄膜メモ
リ素子の記録方法。
【請求項５】請求項１記載の磁性薄膜メモリ素子の書
込み線に電流を流し、該電流により生じる磁界により、
該磁性薄膜メモリ素子の第１磁性層のみのスピンを反転
させ、これにより生じる抵抗変化を利用して第２磁性層
に記録した情報を読み込むことを特徴とする磁性薄膜メ
モリ素子の再生方法。
【請求項６】被写体の像を光電変換素子上に結像させ
るレンズ群、結像された像を電気信号に変換する光電変
換素子、及び前記電気信号を記録する記録媒体を少なく
とも備えて成る画像録画装置において、前記記録媒体
が、請求項１記載の磁性薄膜メモリ素子から成ることを
特徴とする画像録画装置。
【請求項７】画像を電気信号として記憶した記録媒体
から電気信号を読み出して、この電気信号を画像として
表示する画像再生装置において、前記記録媒体が、請求
項１記載の磁性薄膜メモリ素子から成ることを特徴とす
る画像再生装置。