JP2002280639A - 磁気抵抗素子、それを用いたメモリ素子、メモリセル及びメモリ素子の記録再生方法 - Google Patents
磁気抵抗素子、それを用いたメモリ素子、メモリセル及びメモリ素子の記録再生方法Info
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- H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
- H01F10/3281—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn only by use of asymmetry of the magnetic film pair itself, i.e. so-called pseudospin valve [PSV] structure, e.g. NiFe/Cu/Co
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Abstract
(57)【要約】
【課題】メモリ素子などに用いられる磁気抵抗素子にお
いて、ピン層からの静磁界によりメモリ層の反転磁界が
オフセットすることを抑制する。 【解決手段】膜面垂直方向に磁化した第１磁性層１と、
絶縁層Ｎ２と、膜面垂直方向に磁化した第２磁性層２と
が順に積層されてなり、第２磁性層２の保磁力が第１磁
性層１の保磁力より高く、第１磁性層１と第２磁性層２
の磁化の相対角度により第１磁性層１と第２磁性層２の
間に絶縁層Ｎ２を介して電流を流した際の抵抗値が異な
る磁気抵抗素子において、第２磁性層２から第１磁性層
１に印加される磁界が第１磁性層１の保磁力よりも小さ
くなるようにする。
いて、ピン層からの静磁界によりメモリ層の反転磁界が
オフセットすることを抑制する。 【解決手段】膜面垂直方向に磁化した第１磁性層１と、
絶縁層Ｎ２と、膜面垂直方向に磁化した第２磁性層２と
が順に積層されてなり、第２磁性層２の保磁力が第１磁
性層１の保磁力より高く、第１磁性層１と第２磁性層２
の磁化の相対角度により第１磁性層１と第２磁性層２の
間に絶縁層Ｎ２を介して電流を流した際の抵抗値が異な
る磁気抵抗素子において、第２磁性層２から第１磁性層
１に印加される磁界が第１磁性層１の保磁力よりも小さ
くなるようにする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、不揮発性メモリな
どに応用される磁気抵抗素子に関する。
どに応用される磁気抵抗素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、高密度性、速応性、不揮発性を備
えた固体記憶素子として、磁気抵抗効果を利用して情報
を記憶する磁気メモリ素子が注目されており、磁気メモ
リ素子を用いたメモリ装置として、磁気ランダム・アク
セス・メモリ（ＭＲＡＭ；magnetic random access mem
ory）が注目されている。このような磁気メモリ素子に
よれば、磁性層の磁化の方向によって情報を記録するこ
とができ、記録情報を半永久的に保持する不揮発性メモ
リを構成することができる。このため、磁気メモリ素子
は、例えば携帯端末やカードにおける情報記憶素子等の
各種の記録素子としての利用が期待されている。特に、
スピントンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を用いた磁気メ
モリ素子は、ＴＭＲ効果による高出力特性を利用するこ
とができ、高速読み出しが可能であるため、その実用化
が期待されている。
えた固体記憶素子として、磁気抵抗効果を利用して情報
を記憶する磁気メモリ素子が注目されており、磁気メモ
リ素子を用いたメモリ装置として、磁気ランダム・アク
セス・メモリ（ＭＲＡＭ；magnetic random access mem
ory）が注目されている。このような磁気メモリ素子に
よれば、磁性層の磁化の方向によって情報を記録するこ
とができ、記録情報を半永久的に保持する不揮発性メモ
リを構成することができる。このため、磁気メモリ素子
は、例えば携帯端末やカードにおける情報記憶素子等の
各種の記録素子としての利用が期待されている。特に、
スピントンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を用いた磁気メ
モリ素子は、ＴＭＲ効果による高出力特性を利用するこ
とができ、高速読み出しが可能であるため、その実用化
が期待されている。
【０００３】磁気メモリ素子において、情報を記憶する
ための最小の単位部分を磁気メモリセルと呼ぶ。磁気メ
モリセルは、一般に、メモリ層と基準層とを有する。基
準層は、通常、磁化方向が特定の方向に固定または固着
（pinned；ピン止め）された磁性材料の層である。メモ
リ層は、データを記憶する層で、通常、外部から磁界を
加えることにより磁化方向を変えることができる磁性材
料の層である。このような磁気メモリセルの論理状態
は、メモリ層内の磁化方向が、基準層内の磁化方向と平
行か否かによって決まる。磁気抵抗（ＭＲ）効果によ
り、互いの磁化方向が平行な場合には磁気メモリセルの
抵抗が小さくなり、互いの方向が平行ではない場合には
磁気メモリセルの抵抗が大きくなる。磁気メモリセルの
論理状態は、一般に、その抵抗率を測定することによっ
て決定される。
ための最小の単位部分を磁気メモリセルと呼ぶ。磁気メ
モリセルは、一般に、メモリ層と基準層とを有する。基
準層は、通常、磁化方向が特定の方向に固定または固着
（pinned；ピン止め）された磁性材料の層である。メモ
リ層は、データを記憶する層で、通常、外部から磁界を
加えることにより磁化方向を変えることができる磁性材
料の層である。このような磁気メモリセルの論理状態
は、メモリ層内の磁化方向が、基準層内の磁化方向と平
行か否かによって決まる。磁気抵抗（ＭＲ）効果によ
り、互いの磁化方向が平行な場合には磁気メモリセルの
抵抗が小さくなり、互いの方向が平行ではない場合には
磁気メモリセルの抵抗が大きくなる。磁気メモリセルの
論理状態は、一般に、その抵抗率を測定することによっ
て決定される。
【０００４】このような磁気メモリセルに対する情報の
書き込みは、磁気メモリ内の導体に電流を流して生じる
磁界によりメモリ層内の磁化方向を変えることによって
行われる。書き込まれた情報の読出しには、抵抗の絶対
値を検出する絶対検出方式が採用される。
書き込みは、磁気メモリ内の導体に電流を流して生じる
磁界によりメモリ層内の磁化方向を変えることによって
行われる。書き込まれた情報の読出しには、抵抗の絶対
値を検出する絶対検出方式が採用される。
【０００５】磁気メモリセルは、高集積化のために微細
化が要求されるが、一般に、面内磁化膜においては、微
細化に伴って膜面内の反磁界によりスピンが膜端面でカ
ーリングして、磁化情報が安定に保存できないといった
問題が生じる。これに対して本発明者は、膜面垂直方向
に磁化した磁性膜（垂直磁化膜）を用いたＴＭＲ素子を
特開平１１−２１３６５０号公報において開示してい
る。この垂直磁化膜は、微細化してもカーリングの問題
が発生することがないため、磁気メモリセルの微細化に
適している
化が要求されるが、一般に、面内磁化膜においては、微
細化に伴って膜面内の反磁界によりスピンが膜端面でカ
ーリングして、磁化情報が安定に保存できないといった
問題が生じる。これに対して本発明者は、膜面垂直方向
に磁化した磁性膜（垂直磁化膜）を用いたＴＭＲ素子を
特開平１１−２１３６５０号公報において開示してい
る。この垂直磁化膜は、微細化してもカーリングの問題
が発生することがないため、磁気メモリセルの微細化に
適している
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】垂直磁化膜を用いたＴ
ＭＲ素子による磁気メモリセルは、２つの磁性層が薄い
非磁性層（トンネル絶縁膜）を挟んで積層されているた
め、磁気メモリセル内の一方の磁性層から発生する漏洩
磁界が他方の磁性層に印加し、外部磁界がない場合にお
いても磁界が印加された状態となる。
ＭＲ素子による磁気メモリセルは、２つの磁性層が薄い
非磁性層（トンネル絶縁膜）を挟んで積層されているた
め、磁気メモリセル内の一方の磁性層から発生する漏洩
磁界が他方の磁性層に印加し、外部磁界がない場合にお
いても磁界が印加された状態となる。
【０００７】図１４は、垂直磁化膜を有するＴＭＲ素子
について、磁化の方向の例を示している。低い保磁力を
持つ磁性層１００と高い保磁力を持つ磁性層２００とが
トンネル絶縁膜３００を挟む形で構成されている。図示
した例では、（ａ），（ｂ）のどちらも磁性層２００は
図示下向きに磁化されており、磁性層１００は、（ａ）
では下向き、（ｂ）では上向きに磁化している。ここで
磁性層２００は常に下向きの一方向に磁化されたピン層
であり、磁性層１００は下向きか上向きかで磁化情報を
有しているメモリ層である。これらの状態は、例えば、
（ａ）が“０”を記録した状態、（ｂ）が“１”を記録
した状態と考えてよい。
について、磁化の方向の例を示している。低い保磁力を
持つ磁性層１００と高い保磁力を持つ磁性層２００とが
トンネル絶縁膜３００を挟む形で構成されている。図示
した例では、（ａ），（ｂ）のどちらも磁性層２００は
図示下向きに磁化されており、磁性層１００は、（ａ）
では下向き、（ｂ）では上向きに磁化している。ここで
磁性層２００は常に下向きの一方向に磁化されたピン層
であり、磁性層１００は下向きか上向きかで磁化情報を
有しているメモリ層である。これらの状態は、例えば、
（ａ）が“０”を記録した状態、（ｂ）が“１”を記録
した状態と考えてよい。
【０００８】図１５の（ａ）には、この素子のＭＲカー
ブ（抵抗と印加磁界の関係を示した図）を、角型比が１
であって磁性膜からの漏洩磁界がないと仮定して示し
た。磁性層（ピン層）２００は磁化方向を変えないた
め、磁性層（メモリ層）１００の磁化方向に対応した抵
抗変化が現れている。オフセット磁界がなければ、保磁
力Ｈｃと同じ大きさの磁界Ｈ１もしくはＨ２を印加する
だけで、メモリ層に記録を行うことができる。Ｈ１は磁
性層１００を上向きから下向きに反転する磁界であり、
Ｈ２は磁性層１００を下向きから上向きに反転する磁界
である。
ブ（抵抗と印加磁界の関係を示した図）を、角型比が１
であって磁性膜からの漏洩磁界がないと仮定して示し
た。磁性層（ピン層）２００は磁化方向を変えないた
め、磁性層（メモリ層）１００の磁化方向に対応した抵
抗変化が現れている。オフセット磁界がなければ、保磁
力Ｈｃと同じ大きさの磁界Ｈ１もしくはＨ２を印加する
だけで、メモリ層に記録を行うことができる。Ｈ１は磁
性層１００を上向きから下向きに反転する磁界であり、
Ｈ２は磁性層１００を下向きから上向きに反転する磁界
である。
【０００９】しかし実際には、磁性層（ピン層）２００
からは下向きの磁界が磁性層（メモリ層）１００に印加
されているため、ＭＲカーブは（ｂ）に示すようにオフ
セット磁界Ｈｏ分だけシフトする。この場合には、記録
磁界はＨ２＝Ｈｃ＋Ｈｏ，Ｈ１＝Ｈｃ−Ｈｏとなり、図
１４の（ｂ）から（ａ）の状態に書き換えに必要な磁界
はＨｏ分だけ小さくなり、逆に（ａ）から（ｂ）に書き
換える場合は必要磁界がＨｏ分だけ大きくなる。これ
は、書き込み線に流す電流値が大きくなることを意味
し、このため、消費電流が大きくなるか、あるいは書き
込み線の配線の許容電流密度を超える場合には書き込み
ができなくなるといった問題が生じてしまう。また、こ
の場合、メモリセルは、そこに記録された情報に応じて
反転磁界の大きさが異なるため、マトリックス状に配置
されたメモリセルを直交する２本の書込み線で記録する
場合に、例えば、反転磁界Ｈ２を要するメモリセルの情
報を書き換えようとすると、そのとなりに存在する反転
磁界Ｈ１を要するメモリセルの情報も書き換えてしま
う、といった、誤記録動作が発生する可能性が高くな
る。さらに、図１５の（ｃ）に示したように、オフセッ
ト磁界Ｈｏが保磁力Ｈｃよりも大きくなると、磁界が０
の状態で一つの抵抗値しか取りえなくなるため、絶対検
出が困難となる。
からは下向きの磁界が磁性層（メモリ層）１００に印加
されているため、ＭＲカーブは（ｂ）に示すようにオフ
セット磁界Ｈｏ分だけシフトする。この場合には、記録
磁界はＨ２＝Ｈｃ＋Ｈｏ，Ｈ１＝Ｈｃ−Ｈｏとなり、図
１４の（ｂ）から（ａ）の状態に書き換えに必要な磁界
はＨｏ分だけ小さくなり、逆に（ａ）から（ｂ）に書き
換える場合は必要磁界がＨｏ分だけ大きくなる。これ
は、書き込み線に流す電流値が大きくなることを意味
し、このため、消費電流が大きくなるか、あるいは書き
込み線の配線の許容電流密度を超える場合には書き込み
ができなくなるといった問題が生じてしまう。また、こ
の場合、メモリセルは、そこに記録された情報に応じて
反転磁界の大きさが異なるため、マトリックス状に配置
されたメモリセルを直交する２本の書込み線で記録する
場合に、例えば、反転磁界Ｈ２を要するメモリセルの情
報を書き換えようとすると、そのとなりに存在する反転
磁界Ｈ１を要するメモリセルの情報も書き換えてしま
う、といった、誤記録動作が発生する可能性が高くな
る。さらに、図１５の（ｃ）に示したように、オフセッ
ト磁界Ｈｏが保磁力Ｈｃよりも大きくなると、磁界が０
の状態で一つの抵抗値しか取りえなくなるため、絶対検
出が困難となる。
【００１０】また、角型比が１でない場合については、
図１６に示すように、無磁界の状態での抵抗値Ｒ２が反
平行磁化状態の最大抵抗値Ｒｍａｘよりも小さくなる。
この場合には、読み出しの抵抗値の差Ｒ２−Ｒ１が小さ
くなって、検出感度が悪化してしまう。この現象は、オ
フセット磁界Ｈｏが保磁力Ｈｃよりも小さくても発生す
る。ここでＲ１は外部磁場が０での最小抵抗値であり、
Ｒ２は外部磁場が０での最大抵抗値である。図１６の
（ａ）はオフセット磁界Ｈｏが存在する場合、（ｂ）は
オフセット磁界Ｈｏが存在しない場合を示している。
図１６に示すように、無磁界の状態での抵抗値Ｒ２が反
平行磁化状態の最大抵抗値Ｒｍａｘよりも小さくなる。
この場合には、読み出しの抵抗値の差Ｒ２−Ｒ１が小さ
くなって、検出感度が悪化してしまう。この現象は、オ
フセット磁界Ｈｏが保磁力Ｈｃよりも小さくても発生す
る。ここでＲ１は外部磁場が０での最小抵抗値であり、
Ｒ２は外部磁場が０での最大抵抗値である。図１６の
（ａ）はオフセット磁界Ｈｏが存在する場合、（ｂ）は
オフセット磁界Ｈｏが存在しない場合を示している。
【００１１】加えて角型比が１でない場合においては図
１６（ｂ）に示すように保磁力と同じ大きさの磁界を印
加しても、磁化が完全に飽和しない。この際の、磁化を
完全に飽和させるすなわちＭ＝Ｍｓとする磁界のことを
磁化飽和磁界Ｈｓとよぶ。このような場合においてはオ
フセット磁界が磁化飽和磁界Ｈｓよりも大きいときには
抵抗値を一つしかとりえなくなるためやはり絶対検出す
るのが困難となる。
１６（ｂ）に示すように保磁力と同じ大きさの磁界を印
加しても、磁化が完全に飽和しない。この際の、磁化を
完全に飽和させるすなわちＭ＝Ｍｓとする磁界のことを
磁化飽和磁界Ｈｓとよぶ。このような場合においてはオ
フセット磁界が磁化飽和磁界Ｈｓよりも大きいときには
抵抗値を一つしかとりえなくなるためやはり絶対検出す
るのが困難となる。
【００１２】そこで本発明の目的は、メモリ素子などに
用いられる磁気抵抗素子において、このようなピン層か
らの静磁界によりメモリ層の反転磁界がオフセットする
課題を解決するとともに、このような磁気抵抗素子を用
いたメモリ素子及びその記録再生方法を提供することに
ある。
用いられる磁気抵抗素子において、このようなピン層か
らの静磁界によりメモリ層の反転磁界がオフセットする
課題を解決するとともに、このような磁気抵抗素子を用
いたメモリ素子及びその記録再生方法を提供することに
ある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、膜面垂
直方向に磁化した第１磁性層と、絶縁層と、膜面垂直方
向に磁化した第２磁性層とが順に積層されてなり、前記
第２磁性層の保磁力が前記第１磁性層の保磁力より高
く、前記第１磁性層と前記第２磁性層の磁化の相対角度
により前記第１磁性層と前記第２磁性層間に前記絶縁層
を介して電流を流した際の抵抗値が異なる磁気抵抗素子
において、前記第２磁性層から前記第１磁性層に印加さ
れる磁界が前記第１磁性層の磁化飽和磁界よりも小さい
ことを特徴とする磁気抵抗素子、及び、前記第２磁性層
はフェリ磁性膜からなる前記記載の磁気抵抗素子、及
び、前記第１磁性層及び前記第２磁性層はそれぞれフェ
リ磁性膜からなる前記記載の磁気抵抗素子、及び、前記
第２磁性層の残留磁化Ｍ（ｅｍｕ／ｃｃ），膜厚ｈ（ｎ
ｍ）及び長さＬ（μｍ）と前記第１磁性層の保磁力Ｈｃ
（Ｏｅ）とが、 Ｍ×ｈ／(７５×Ｌ＋２．６)＜Ｈｃ の関係を満たす、前記記載の磁気抵抗素子、及び、前記
第２磁性層の残留磁化Ｍ（ｅｍｕ／ｃｃ），膜厚ｈ（ｎ
ｍ）及び長さＬ（μｍ）と前記第１磁性層の保磁力Ｈｃ
（Ａ／ｍ）とが、 Ｍ×ｈ／(７５×Ｌ＋２．６)＜４π×Ｈｃ／１０００ の関係を満たす（ただしπは円周率）、前記記載の磁気
抵抗素子、及び、前記第２磁性層の磁化が常に同じ方向
に固着している前記記載の磁気抵抗素子、及び、前記第
１磁性層の保磁力Ｈｃが２００Ｏｅ（１．５９×１０4
Ａ／ｍ）以下である前記記載の磁気抵抗素子、及び、前
記第２磁性層の膜厚が２ｎｍから１００ｎｍの範囲にあ
る前記記載の磁気抵抗素子、及び、前記第２磁性層が補
償組成付近のフェリ磁性膜からなる前記記載の磁気抵抗
素子、及び、前記第２磁性層が希土類鉄族元素合金フェ
リ磁性膜からなり、その組成における希土類元素の量が
補償組成から±２．６原子％の範囲内である、前記記載
の磁気抵抗素子、及び、前記第２磁性層の飽和磁化が１
００ｅｍｕ／ｃｃ以下である前記記載の磁気抵抗素子、
及び、前記フェリ磁性層は、Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙのうち少
なくとも１種を含む希土類元素とＦｅ，Ｃｏのうち少な
くとも１種を含む鉄族元素とからなる前記記載の磁気抵
抗素子、及び、前記記載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵
抗素子の膜面に垂直方向の磁界を発生する磁場発生手段
とを有し、前記磁場発生手段を用いて前記磁気抵抗素子
に情報の記録を行うメモリ素子、及び、戦機記載のメモ
リ素子の磁気抵抗素子の一端を電界効果トランジスタの
ドレイン領域に接続し、他端をビット線に接続したこと
を特徴とするメモリセル、及び、前記記載のメモリ素子
を使用し、前記メモリ素子の前記第１磁性層の磁化の向
きにより情報を記録し、抵抗値の大小を読み取って情報
を再生する、メモリ素子の記録再生方法、によって達成
される。
直方向に磁化した第１磁性層と、絶縁層と、膜面垂直方
向に磁化した第２磁性層とが順に積層されてなり、前記
第２磁性層の保磁力が前記第１磁性層の保磁力より高
く、前記第１磁性層と前記第２磁性層の磁化の相対角度
により前記第１磁性層と前記第２磁性層間に前記絶縁層
を介して電流を流した際の抵抗値が異なる磁気抵抗素子
において、前記第２磁性層から前記第１磁性層に印加さ
れる磁界が前記第１磁性層の磁化飽和磁界よりも小さい
ことを特徴とする磁気抵抗素子、及び、前記第２磁性層
はフェリ磁性膜からなる前記記載の磁気抵抗素子、及
び、前記第１磁性層及び前記第２磁性層はそれぞれフェ
リ磁性膜からなる前記記載の磁気抵抗素子、及び、前記
第２磁性層の残留磁化Ｍ（ｅｍｕ／ｃｃ），膜厚ｈ（ｎ
ｍ）及び長さＬ（μｍ）と前記第１磁性層の保磁力Ｈｃ
（Ｏｅ）とが、 Ｍ×ｈ／(７５×Ｌ＋２．６)＜Ｈｃ の関係を満たす、前記記載の磁気抵抗素子、及び、前記
第２磁性層の残留磁化Ｍ（ｅｍｕ／ｃｃ），膜厚ｈ（ｎ
ｍ）及び長さＬ（μｍ）と前記第１磁性層の保磁力Ｈｃ
（Ａ／ｍ）とが、 Ｍ×ｈ／(７５×Ｌ＋２．６)＜４π×Ｈｃ／１０００ の関係を満たす（ただしπは円周率）、前記記載の磁気
抵抗素子、及び、前記第２磁性層の磁化が常に同じ方向
に固着している前記記載の磁気抵抗素子、及び、前記第
１磁性層の保磁力Ｈｃが２００Ｏｅ（１．５９×１０4
Ａ／ｍ）以下である前記記載の磁気抵抗素子、及び、前
記第２磁性層の膜厚が２ｎｍから１００ｎｍの範囲にあ
る前記記載の磁気抵抗素子、及び、前記第２磁性層が補
償組成付近のフェリ磁性膜からなる前記記載の磁気抵抗
素子、及び、前記第２磁性層が希土類鉄族元素合金フェ
リ磁性膜からなり、その組成における希土類元素の量が
補償組成から±２．６原子％の範囲内である、前記記載
の磁気抵抗素子、及び、前記第２磁性層の飽和磁化が１
００ｅｍｕ／ｃｃ以下である前記記載の磁気抵抗素子、
及び、前記フェリ磁性層は、Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙのうち少
なくとも１種を含む希土類元素とＦｅ，Ｃｏのうち少な
くとも１種を含む鉄族元素とからなる前記記載の磁気抵
抗素子、及び、前記記載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵
抗素子の膜面に垂直方向の磁界を発生する磁場発生手段
とを有し、前記磁場発生手段を用いて前記磁気抵抗素子
に情報の記録を行うメモリ素子、及び、戦機記載のメモ
リ素子の磁気抵抗素子の一端を電界効果トランジスタの
ドレイン領域に接続し、他端をビット線に接続したこと
を特徴とするメモリセル、及び、前記記載のメモリ素子
を使用し、前記メモリ素子の前記第１磁性層の磁化の向
きにより情報を記録し、抵抗値の大小を読み取って情報
を再生する、メモリ素子の記録再生方法、によって達成
される。
【００１４】
【発明の実施の形態】次に、本発明の好ましい実施の形
態について、図面を参照して説明する。
態について、図面を参照して説明する。
【００１５】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態の磁気抵抗素子の膜構成を示す断面図であ
る。図中、矢印は各磁性層における磁化の方向を示して
いる。また、（ａ），（ｂ）は、この磁気抵抗素子がと
り得る２通りの磁化状態を示している。
の実施形態の磁気抵抗素子の膜構成を示す断面図であ
る。図中、矢印は各磁性層における磁化の方向を示して
いる。また、（ａ），（ｂ）は、この磁気抵抗素子がと
り得る２通りの磁化状態を示している。
【００１６】図１に示すように、膜面垂直方向に磁化し
た第１磁性層１と非磁性の絶縁層Ｎ２と膜面垂直方向に
磁化した第２磁性層２とがこの順に積層されている。絶
縁層Ｎ２の厚さは、この絶縁層Ｎ２をはさんで両方の磁
性層１，２の間にトンネル電流が流れる程度のものであ
る。第２磁性層２の保磁力は第１磁性層１の保磁力より
高くなっており、また、第１磁性層１と第２磁性層２の
磁化の相対角度により、第１磁性層１と第２磁性層２の
間に絶縁層Ｎ２を介して電流を流した際の抵抗値が異な
るようになっている。具体的には、第１磁性層１／絶縁
層Ｎ２／第２磁性層２は強磁性トンネル接合を形成して
おり、各磁性層１，２の伝導電子はそのスピンを保った
まま絶縁層Ｎ２をトンネルする。そのため両方の磁性層
１，２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して検出される。両方の磁性層
１，２の磁化が平行の場合には抵抗値が小さく、反平行
の場合には抵抗値が大きくなる。
た第１磁性層１と非磁性の絶縁層Ｎ２と膜面垂直方向に
磁化した第２磁性層２とがこの順に積層されている。絶
縁層Ｎ２の厚さは、この絶縁層Ｎ２をはさんで両方の磁
性層１，２の間にトンネル電流が流れる程度のものであ
る。第２磁性層２の保磁力は第１磁性層１の保磁力より
高くなっており、また、第１磁性層１と第２磁性層２の
磁化の相対角度により、第１磁性層１と第２磁性層２の
間に絶縁層Ｎ２を介して電流を流した際の抵抗値が異な
るようになっている。具体的には、第１磁性層１／絶縁
層Ｎ２／第２磁性層２は強磁性トンネル接合を形成して
おり、各磁性層１，２の伝導電子はそのスピンを保った
まま絶縁層Ｎ２をトンネルする。そのため両方の磁性層
１，２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して検出される。両方の磁性層
１，２の磁化が平行の場合には抵抗値が小さく、反平行
の場合には抵抗値が大きくなる。
【００１７】第２磁性層２は、記録再生時に、常に同じ
方向、例えば下向きに磁化されている。一方、第１磁性
層１の磁化の方向は、記録情報に応じて磁化状態が上向
きもしくは下向きになる。
方向、例えば下向きに磁化されている。一方、第１磁性
層１の磁化の方向は、記録情報に応じて磁化状態が上向
きもしくは下向きになる。
【００１８】情報の記録は、第１磁性層の磁化の向きに
よって決定される。第１磁性層の磁化は図示（ａ）では
下向きであり、（ｂ）では上向きであるが、これらをそ
れぞれ二値記憶の“０”と“１”に対応させることがで
きる。これらの状態は、この素子の近傍に絶縁膜を介し
て配置した書き込み線に電流を流して垂直方向の磁界を
発生させ、その電流の向きによって制御することができ
る。電流の方向により、印加磁界の向きが変化する。こ
のようにして記録された情報を読み出すときには、素子
の膜面垂直方向に電流を流す。第１磁性層の磁化と第２
磁性層の磁化、特に鉄族元素の磁化がこれら磁性層間で
平行であるか反平行であるかによって素子抵抗値が異な
るので、素子の抵抗値を測定し基準抵抗との差などを読
み込むことによって、記録された情報を読み出すことが
できる。
よって決定される。第１磁性層の磁化は図示（ａ）では
下向きであり、（ｂ）では上向きであるが、これらをそ
れぞれ二値記憶の“０”と“１”に対応させることがで
きる。これらの状態は、この素子の近傍に絶縁膜を介し
て配置した書き込み線に電流を流して垂直方向の磁界を
発生させ、その電流の向きによって制御することができ
る。電流の方向により、印加磁界の向きが変化する。こ
のようにして記録された情報を読み出すときには、素子
の膜面垂直方向に電流を流す。第１磁性層の磁化と第２
磁性層の磁化、特に鉄族元素の磁化がこれら磁性層間で
平行であるか反平行であるかによって素子抵抗値が異な
るので、素子の抵抗値を測定し基準抵抗との差などを読
み込むことによって、記録された情報を読み出すことが
できる。
【００１９】第２磁性層は、例えばフェリ磁性体からな
る垂直磁化膜である。第２磁性層２として希土類鉄族合
金からなる磁性層を用いた場合について、図２を用いて
説明する。図２において実線の矢印は鉄族元素の副格子
磁化の方向を示し、点線の矢印は希土類元素の副格子磁
化の方向を示している。この第２磁性層２は、補償組成
付近の組成に設定されている。すなわち、希土類元素の
副格子磁化の大きさと鉄族元素の副格子磁化の大きさは
ほぼ等しい。図３は、希土類鉄族合金における希土類元
素の含有量と飽和磁化Ｍｓとの関係を示すグラフであ
る。図３に示すように、希土類鉄族合金膜の磁化は、希
土類元素の量によって変化する。第２磁性層２の全体の
磁化はこれらの副格子磁化の差になるため、第２磁性層
２の磁化の大きさは十分小さくすることができる。磁性
層から発生する磁界の大きさは磁化の大きさに比例する
ため、補償組成に近い希土類鉄族合金膜を用いることに
より、第２磁性層２から第１磁性層１に印加される漏洩
磁界を十分小さくすることができる。また磁気抵抗効果
における抵抗変化は、主に鉄族元素の副格子磁化の大き
さに依存すると考えられているが、上記の本実施形態の
磁気抵抗素子においては、鉄族元素副格子磁化の大きさ
を小さくせずに全体の磁化の大きさを小さくできるた
め、磁気抵抗効果を劣化させずに、オフセット磁界を十
分小さくすることが可能となる。
る垂直磁化膜である。第２磁性層２として希土類鉄族合
金からなる磁性層を用いた場合について、図２を用いて
説明する。図２において実線の矢印は鉄族元素の副格子
磁化の方向を示し、点線の矢印は希土類元素の副格子磁
化の方向を示している。この第２磁性層２は、補償組成
付近の組成に設定されている。すなわち、希土類元素の
副格子磁化の大きさと鉄族元素の副格子磁化の大きさは
ほぼ等しい。図３は、希土類鉄族合金における希土類元
素の含有量と飽和磁化Ｍｓとの関係を示すグラフであ
る。図３に示すように、希土類鉄族合金膜の磁化は、希
土類元素の量によって変化する。第２磁性層２の全体の
磁化はこれらの副格子磁化の差になるため、第２磁性層
２の磁化の大きさは十分小さくすることができる。磁性
層から発生する磁界の大きさは磁化の大きさに比例する
ため、補償組成に近い希土類鉄族合金膜を用いることに
より、第２磁性層２から第１磁性層１に印加される漏洩
磁界を十分小さくすることができる。また磁気抵抗効果
における抵抗変化は、主に鉄族元素の副格子磁化の大き
さに依存すると考えられているが、上記の本実施形態の
磁気抵抗素子においては、鉄族元素副格子磁化の大きさ
を小さくせずに全体の磁化の大きさを小さくできるた
め、磁気抵抗効果を劣化させずに、オフセット磁界を十
分小さくすることが可能となる。
【００２０】第２磁性層２に用いられる磁性層の例とし
ては、比較的保磁力の高いＴｂＦｅ，ＴｂＦｅＣｏ，Ｄ
ｙＦｅ，ＤｙＦｅＣｏなどがあげられる。また、第１磁
性層１に用いられる磁性層の例としては、比較的保磁力
の低いＧｄＦｅ，ＧｄＦｅＣｏなどがあげられる。
ては、比較的保磁力の高いＴｂＦｅ，ＴｂＦｅＣｏ，Ｄ
ｙＦｅ，ＤｙＦｅＣｏなどがあげられる。また、第１磁
性層１に用いられる磁性層の例としては、比較的保磁力
の低いＧｄＦｅ，ＧｄＦｅＣｏなどがあげられる。
【００２１】本実施形態における第２磁性層２は、例え
ば補償組成付近で飽和磁化Ｍｓが小さい膜を用いる。こ
の場合、反転磁界は大きくなるので、この磁気抵抗素子
は、第２磁性層をピン層として用いることができ、絶対
検出用の構成として適している。また、垂直磁化膜は、
容易に保磁力を数ｋＯｅ以上にすることができるので、
面内磁化膜のように反強磁性膜を用いてピン止めする必
要がない。このため、本発明の磁気抵抗素子では、構造
を複雑化することなく、簡単な構造で所望の特性を得る
ことが可能である。
ば補償組成付近で飽和磁化Ｍｓが小さい膜を用いる。こ
の場合、反転磁界は大きくなるので、この磁気抵抗素子
は、第２磁性層をピン層として用いることができ、絶対
検出用の構成として適している。また、垂直磁化膜は、
容易に保磁力を数ｋＯｅ以上にすることができるので、
面内磁化膜のように反強磁性膜を用いてピン止めする必
要がない。このため、本発明の磁気抵抗素子では、構造
を複雑化することなく、簡単な構造で所望の特性を得る
ことが可能である。
【００２２】（第２の実施形態）表１は、膜厚ｈ（ｎ
ｍ），長さＬ（μｍ），幅Ｌ（μｍ）で、外部磁場が０
の時の磁化（残留磁化）Ｍ（ｅｍｕ／ｃｃ）を持つ垂直
磁化膜の中心部で上面からの距離ｚ（ｎｍ）の位置にお
ける膜面垂直方向の漏洩磁界Ｈをエルステッド（Ｏｅ）
単位およびアンペア毎メートル（Ａ／ｍ）単位で示した
ものである。漏洩磁界は、長さ（＝幅）Ｌが小さくなる
と、また膜厚が厚くなると、またＭが大きくなると、大
きくなる。表１に示したｚ＝１．５ｎｍは、ＭＲＡＭに
用いられるスピントンネル膜の膜厚の代表値であって、
標準的に用いられる膜厚範囲であり、ｚ＝０．５ｎｍ〜
３ｎｍの範囲で、表１の数値がほぼ当てはまると考えら
れる。
ｍ），長さＬ（μｍ），幅Ｌ（μｍ）で、外部磁場が０
の時の磁化（残留磁化）Ｍ（ｅｍｕ／ｃｃ）を持つ垂直
磁化膜の中心部で上面からの距離ｚ（ｎｍ）の位置にお
ける膜面垂直方向の漏洩磁界Ｈをエルステッド（Ｏｅ）
単位およびアンペア毎メートル（Ａ／ｍ）単位で示した
ものである。漏洩磁界は、長さ（＝幅）Ｌが小さくなる
と、また膜厚が厚くなると、またＭが大きくなると、大
きくなる。表１に示したｚ＝１．５ｎｍは、ＭＲＡＭに
用いられるスピントンネル膜の膜厚の代表値であって、
標準的に用いられる膜厚範囲であり、ｚ＝０．５ｎｍ〜
３ｎｍの範囲で、表１の数値がほぼ当てはまると考えら
れる。
【００２３】
【表１】
【００２４】漏洩磁界ＨをＯｅ単位で表すとして、これ
らをＭ／Ｈ×ｈをＬに対して示すと図４に示すようにな
り、これらの関係が（式１） Ｍ／Ｈ×ｈ＝７５×Ｌ＋２．６ （式１） で表される。したがって、漏洩磁界Ｈ（Ｏｅ）は（式
２） Ｈ＝Ｍ×ｈ／（７５×Ｌ＋２．６） （式２） で表される。漏洩磁界をＡ／ｍ単位で表せば、πを円周
率として、 Ｈ＝２５０×Ｍ×ｈ／［π×（７５×Ｌ＋２．６）］ （式２’） で表される。
らをＭ／Ｈ×ｈをＬに対して示すと図４に示すようにな
り、これらの関係が（式１） Ｍ／Ｈ×ｈ＝７５×Ｌ＋２．６ （式１） で表される。したがって、漏洩磁界Ｈ（Ｏｅ）は（式
２） Ｈ＝Ｍ×ｈ／（７５×Ｌ＋２．６） （式２） で表される。漏洩磁界をＡ／ｍ単位で表せば、πを円周
率として、 Ｈ＝２５０×Ｍ×ｈ／［π×（７５×Ｌ＋２．６）］ （式２’） で表される。
【００２５】第１の実施形態の磁気抵抗素子を考える
と、オフセット磁界は、第１磁性層１の磁化飽和磁界よ
りも小さい必要がある。したがって、磁化飽和磁界は保
持力以上の大きさを有しているので（式２）より、第２
磁性層２の残留磁化Ｍ（ｅｍｕ／ｃｃ），膜厚ｈ（ｎ
ｍ），素子長さＬ（μｍ），第１磁性層の保磁力Ｈｃ
（Ｏｅ）は、 Ｍ×ｈ／（７５×Ｌ＋２．６）＜Ｈｃ （式３） の関係を満たすこととなる。保磁力ＨｃをＡ／ｍ単位で
表すとすれば、 ２５０×Ｍ×ｈ／［π×（７５×Ｌ＋２．６）］＜Ｈｃ （式３’） の関係を満たすことになる。
と、オフセット磁界は、第１磁性層１の磁化飽和磁界よ
りも小さい必要がある。したがって、磁化飽和磁界は保
持力以上の大きさを有しているので（式２）より、第２
磁性層２の残留磁化Ｍ（ｅｍｕ／ｃｃ），膜厚ｈ（ｎ
ｍ），素子長さＬ（μｍ），第１磁性層の保磁力Ｈｃ
（Ｏｅ）は、 Ｍ×ｈ／（７５×Ｌ＋２．６）＜Ｈｃ （式３） の関係を満たすこととなる。保磁力ＨｃをＡ／ｍ単位で
表すとすれば、 ２５０×Ｍ×ｈ／［π×（７５×Ｌ＋２．６）］＜Ｈｃ （式３’） の関係を満たすことになる。
【００２６】（第３の実施形態）第１の実施形態に示し
た素子に代表される本発明の磁気抵抗素子は、第１磁性
層を情報を磁化方向で記録するメモリ層とし、第２磁性
層を磁化方向が固着されたピン層としてもよいし、第１
磁性層を検出層、第２磁性層をメモリ層としてもよい。
後者の場合には、第２磁性層をその磁化方向で情報を記
録し、読出し時に第１磁性層のみを磁化反転させて、そ
の際の抵抗変化を検出することによって情報を再生す
る。
た素子に代表される本発明の磁気抵抗素子は、第１磁性
層を情報を磁化方向で記録するメモリ層とし、第２磁性
層を磁化方向が固着されたピン層としてもよいし、第１
磁性層を検出層、第２磁性層をメモリ層としてもよい。
後者の場合には、第２磁性層をその磁化方向で情報を記
録し、読出し時に第１磁性層のみを磁化反転させて、そ
の際の抵抗変化を検出することによって情報を再生す
る。
【００２７】ただし、本発明の磁気抵抗素子は、後述す
るようにフェリ磁性体を用いてその磁化を小さくした場
合には、保磁力（磁化反転磁界）が大きくなる。保磁力
が大きいと、磁化反転に要するエネルギー、例えば書き
込み線に流す電流値が大きくなる。このため、本発明の
磁気抵抗素子は、好ましくは、第２磁性層を磁化方向が
固着された磁性層として、第１磁性層に磁化情報を記録
するのがよい。この場合には、読出し時に磁化反転の必
要がないため、消費電力を小さくすることができる。
るようにフェリ磁性体を用いてその磁化を小さくした場
合には、保磁力（磁化反転磁界）が大きくなる。保磁力
が大きいと、磁化反転に要するエネルギー、例えば書き
込み線に流す電流値が大きくなる。このため、本発明の
磁気抵抗素子は、好ましくは、第２磁性層を磁化方向が
固着された磁性層として、第１磁性層に磁化情報を記録
するのがよい。この場合には、読出し時に磁化反転の必
要がないため、消費電力を小さくすることができる。
【００２８】（第４の実施形態）第１の実施形態に示し
た磁気抵抗素子の構成において、第１磁性層１の保磁力
は、それが大きいほど書き込み時に必要な電流が大きく
なるため、少なくとも２００Ｏｅ（１．５９×１０4Ａ
／ｍ）以下であることが民生用途として現実的である。
さらに消費電力などの観点から、１００Ｏｅ（７．９６
×１０3Ａ／ｍ）以下で、５０Ｏｅ（３．９８×１０3Ａ
／ｍ）以下が良く、さらに２０Ｏｅ（１．５９×１０3
Ａ／ｍ）以下が良く、好ましくは１０Ｏｅ（７９６Ａ／
ｍ）以下に抑えるのがよい。また、外部の磁界の影響に
より磁化が揺らいでしまうのを防ぐためには５Ｏｅ以上
が好ましい。
た磁気抵抗素子の構成において、第１磁性層１の保磁力
は、それが大きいほど書き込み時に必要な電流が大きく
なるため、少なくとも２００Ｏｅ（１．５９×１０4Ａ
／ｍ）以下であることが民生用途として現実的である。
さらに消費電力などの観点から、１００Ｏｅ（７．９６
×１０3Ａ／ｍ）以下で、５０Ｏｅ（３．９８×１０3Ａ
／ｍ）以下が良く、さらに２０Ｏｅ（１．５９×１０3
Ａ／ｍ）以下が良く、好ましくは１０Ｏｅ（７９６Ａ／
ｍ）以下に抑えるのがよい。また、外部の磁界の影響に
より磁化が揺らいでしまうのを防ぐためには５Ｏｅ以上
が好ましい。
【００２９】したがって、第２磁性層２の残留磁化Ｍ
（ｅｍｕ／ｃｃ），膜厚ｈ（ｎｍ），素子長さＬ（μ
ｍ）は、（式４）の関係 Ｍ×ｈ／（７５×Ｌ＋２．６）＜２００ （式４） を満たすことがよい。
（ｅｍｕ／ｃｃ），膜厚ｈ（ｎｍ），素子長さＬ（μ
ｍ）は、（式４）の関係 Ｍ×ｈ／（７５×Ｌ＋２．６）＜２００ （式４） を満たすことがよい。
【００３０】（第５の実施形態）第１の実施形態に示す
構成の磁気抵抗素子において、第２磁性層２の残留磁化
Ｍ（ｅｍｕ／ｃｃ）は、第２磁性層の膜厚ｈ（ｎｍ），
素子長さＬ（μｍ），第１磁性層１の保磁力Ｈｃ（Ｏ
ｅ）を用いて、（式５）で表される。
構成の磁気抵抗素子において、第２磁性層２の残留磁化
Ｍ（ｅｍｕ／ｃｃ）は、第２磁性層の膜厚ｈ（ｎｍ），
素子長さＬ（μｍ），第１磁性層１の保磁力Ｈｃ（Ｏ
ｅ）を用いて、（式５）で表される。
【００３１】 Ｍ＝Ｈｃ／ｈ×（７５×Ｌ＋２．６） （式５） 第１磁性層１の保磁力ＨｃをＡ／ｍ単位で表すとする
と、式５は、 Ｍ＝π×Ｈｃ／［２５０×ｈ×（７５×Ｌ＋２．６）］ （式５’） となる。
と、式５は、 Ｍ＝π×Ｈｃ／［２５０×ｈ×（７５×Ｌ＋２．６）］ （式５’） となる。
【００３２】一方、第２磁性層の膜厚ｈは、２ｎｍから
１００ｎｍ程度に設定されるのが好ましい。これは、２
ｎｍより薄い場合は，磁化を安定的に保つことが容易で
はなくなるからである。また，１００ｎｍより厚い場合
には，許される磁化の値が小さくなり、組成マージンが
取れなくなるからである。また、エッチングがしにくい
などのプロセス上の問題も発生しやすくなる。このた
め、好ましくは、８０ｎｍ以下、さらに好ましくは５０
ｎｍ以下が良い。
１００ｎｍ程度に設定されるのが好ましい。これは、２
ｎｍより薄い場合は，磁化を安定的に保つことが容易で
はなくなるからである。また，１００ｎｍより厚い場合
には，許される磁化の値が小さくなり、組成マージンが
取れなくなるからである。また、エッチングがしにくい
などのプロセス上の問題も発生しやすくなる。このた
め、好ましくは、８０ｎｍ以下、さらに好ましくは５０
ｎｍ以下が良い。
【００３３】表２に、素子長さＬが０．１μｍ，０．２
μｍ，０．３μｍ，０．４μｍ，０．５μｍ、第２磁性
層２の膜厚ｈが２ｎｍ，５ｎｍ，１０ｎｍ，２０ｎｍ，
３０ｎｍ，４０ｎｍ，５０ｎｍ、第１磁性層の保磁力Ｈ
ｃが５Ｏｅ（３９８Ａ／ｍ），１０Ｏｅ（７９６Ａ／
ｍ），２０Ｏｅ（１．５９×１０3Ａ／ｍ），５０Ｏｅ
（３．９８×１０3Ａ／ｍ）のそれぞれの値から選ばれ
る場合における第２磁性層２の残留磁化Ｍ（ｅｍｕ／ｃ
ｃ）の値を示した。
μｍ，０．３μｍ，０．４μｍ，０．５μｍ、第２磁性
層２の膜厚ｈが２ｎｍ，５ｎｍ，１０ｎｍ，２０ｎｍ，
３０ｎｍ，４０ｎｍ，５０ｎｍ、第１磁性層の保磁力Ｈ
ｃが５Ｏｅ（３９８Ａ／ｍ），１０Ｏｅ（７９６Ａ／
ｍ），２０Ｏｅ（１．５９×１０3Ａ／ｍ），５０Ｏｅ
（３．９８×１０3Ａ／ｍ）のそれぞれの値から選ばれ
る場合における第２磁性層２の残留磁化Ｍ（ｅｍｕ／ｃ
ｃ）の値を示した。
【００３４】
【表２】
【００３５】オフセット磁界は、前述したとおり、５０
Ｏｅ（３．９８×１０3Ａ／ｍ）以下がよく、好ましく
は２０Ｏｅ（１．５９×１０3Ａ／ｍ）以下、さらに好
ましくは１０Ｏｅ（７９６Ａ／ｍ）以下、最も好ましく
は５Ｏｅ（３９８Ａ／ｍ）以下に抑えることがよい。素
子サイズとしては、０．３μｍ以下が実用的な不揮発メ
モリの集積度の観点から望ましい。第２磁性層の膜厚
は、２ｎｍ以下が良いことを前述したが、表２から分か
るように、好ましくは５ｎｍ以上が良い。したがって第
２磁性層２の磁化の大きさとしては、１００ｅｍｕ／ｃ
ｃ以下が望ましく、より好ましくは５０ｅｍｕ／ｃｃ以
下、さらに好ましくは２０ｅｍｕ／ｃｃ以下、最も好ま
しくは１０ｅｍｕ／ｃｃ以下がよい。
Ｏｅ（３．９８×１０3Ａ／ｍ）以下がよく、好ましく
は２０Ｏｅ（１．５９×１０3Ａ／ｍ）以下、さらに好
ましくは１０Ｏｅ（７９６Ａ／ｍ）以下、最も好ましく
は５Ｏｅ（３９８Ａ／ｍ）以下に抑えることがよい。素
子サイズとしては、０．３μｍ以下が実用的な不揮発メ
モリの集積度の観点から望ましい。第２磁性層の膜厚
は、２ｎｍ以下が良いことを前述したが、表２から分か
るように、好ましくは５ｎｍ以上が良い。したがって第
２磁性層２の磁化の大きさとしては、１００ｅｍｕ／ｃ
ｃ以下が望ましく、より好ましくは５０ｅｍｕ／ｃｃ以
下、さらに好ましくは２０ｅｍｕ／ｃｃ以下、最も好ま
しくは１０ｅｍｕ／ｃｃ以下がよい。
【００３６】また、前述で、素子の長さＬは、磁気抵抗
素子の幅と長さのうち，長い方のことを言う。
素子の幅と長さのうち，長い方のことを言う。
【００３７】（第６の実施形態）図５に、Ｇｄx(Ｆｅ
1-yＣｏy)1-xの(y＝0.1〜0.5)希土類鉄族合金膜につい
て、組成と飽和磁化との関係を示した。Ｔｂx(Ｆｅ1-y
Ｃｏy)1-x，Ｄｙx(Ｆｅ1-yＣｏy)1-xについても同様の
関係を示す。第４の実施形態で述べたとおり、第１の実
施形態の構成の磁気抵抗素子においては、第２磁性層２
の磁化の大きさとしては，１００ｅｍｕ／ｃｃ以下が望
ましく、より好ましくは５０ｅｍｕ／ｃｃ以下、さらに
好ましくは２０ｅｍｕ／ｃｃ以下、最も好ましくは１０
ｅｍｕ／ｃｃ以下がよい。図５を参照すると、そのよう
な磁化の大きさを有する組成の膜として、補償組成付近
の±２．６原子％以内であることが望ましく、±２．０
原子％以内であることがより好ましく、さらに好ましく
は±１．４原子％以内が良く、最も望ましくは±０．２
５原子％以内がよい。その場合、希土類副格子磁化優勢
な組成と鉄族元素副格子磁化優勢な組成とのどちらを用
いてもよい。
1-yＣｏy)1-xの(y＝0.1〜0.5)希土類鉄族合金膜につい
て、組成と飽和磁化との関係を示した。Ｔｂx(Ｆｅ1-y
Ｃｏy)1-x，Ｄｙx(Ｆｅ1-yＣｏy)1-xについても同様の
関係を示す。第４の実施形態で述べたとおり、第１の実
施形態の構成の磁気抵抗素子においては、第２磁性層２
の磁化の大きさとしては，１００ｅｍｕ／ｃｃ以下が望
ましく、より好ましくは５０ｅｍｕ／ｃｃ以下、さらに
好ましくは２０ｅｍｕ／ｃｃ以下、最も好ましくは１０
ｅｍｕ／ｃｃ以下がよい。図５を参照すると、そのよう
な磁化の大きさを有する組成の膜として、補償組成付近
の±２．６原子％以内であることが望ましく、±２．０
原子％以内であることがより好ましく、さらに好ましく
は±１．４原子％以内が良く、最も望ましくは±０．２
５原子％以内がよい。その場合、希土類副格子磁化優勢
な組成と鉄族元素副格子磁化優勢な組成とのどちらを用
いてもよい。
【００３８】（第７の実施形態）上述した各実施形態に
よる本発明の磁気抵抗素子に、垂直方向の磁界を発生さ
せる磁場発生手段を設けることで、この磁場発生手段を
用いて磁気抵抗素子に情報の記録を行い、メモリ素子と
することができる。例えば図６に示すように、書き込み
線９００を図示していない絶縁膜を介して磁気抵抗素子
の近傍に配置する。絶縁膜を設けるのは、磁気抵抗素子
と書き込み線との電気的な接触を防ぐためである。書き
込み線９００は、紙面の垂直方向に延びており、（ａ）
では、紙面に向かって電流を流すことにより、第１磁性
層１の磁化を上向きとする。また（ｂ）では、紙面から
手前に向かって電流を流すことにより、第１磁性層１の
磁化を下向きにすることができる。このようにして、書
き込み線に流す電流の方向に基づいて磁気抵抗素子に二
値の情報の記録を行うことができる。
よる本発明の磁気抵抗素子に、垂直方向の磁界を発生さ
せる磁場発生手段を設けることで、この磁場発生手段を
用いて磁気抵抗素子に情報の記録を行い、メモリ素子と
することができる。例えば図６に示すように、書き込み
線９００を図示していない絶縁膜を介して磁気抵抗素子
の近傍に配置する。絶縁膜を設けるのは、磁気抵抗素子
と書き込み線との電気的な接触を防ぐためである。書き
込み線９００は、紙面の垂直方向に延びており、（ａ）
では、紙面に向かって電流を流すことにより、第１磁性
層１の磁化を上向きとする。また（ｂ）では、紙面から
手前に向かって電流を流すことにより、第１磁性層１の
磁化を下向きにすることができる。このようにして、書
き込み線に流す電流の方向に基づいて磁気抵抗素子に二
値の情報の記録を行うことができる。
【００３９】（第８の実施形態）上述した磁気抵抗素子
を用いてメモリを構成する場合には、このような磁気抵
抗素子からなるメモリセルをマトリックス状に配置す
る。この際に生じるメモリセル間のクロストークを解消
するためには、スイッチング素子を設けるとよい。
を用いてメモリを構成する場合には、このような磁気抵
抗素子からなるメモリセルをマトリックス状に配置す
る。この際に生じるメモリセル間のクロストークを解消
するためには、スイッチング素子を設けるとよい。
【００４０】図７は、スイッチング素子を有するメモリ
セルアレイを示したものであり、ここでは、メモリセル
アレイ中にある多数あるメモリセルのうちの１つのみを
取り出して示したものである。実際には、図示横方向と
奥手方向に同様のメモリセルが並んでおり、上面から見
てマトリックス状に配置されている。
セルアレイを示したものであり、ここでは、メモリセル
アレイ中にある多数あるメモリセルのうちの１つのみを
取り出して示したものである。実際には、図示横方向と
奥手方向に同様のメモリセルが並んでおり、上面から見
てマトリックス状に配置されている。
【００４１】図７において、シリコン半導体ｐ型基板３
３上に作成したｎ+領域であるソース領域３２及びドレ
イン領域３１と、ゲート電極８０とからなるＭＯＳＦＥ
Ｔ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）のうち、
ドレイン領域３１に磁気抵抗素子の一端が接続されてい
る。磁気抵抗素子の他端はセンス線４０に接続される。
３上に作成したｎ+領域であるソース領域３２及びドレ
イン領域３１と、ゲート電極８０とからなるＭＯＳＦＥ
Ｔ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）のうち、
ドレイン領域３１に磁気抵抗素子の一端が接続されてい
る。磁気抵抗素子の他端はセンス線４０に接続される。
【００４２】記録情報の書き込み・消去は、紙面垂直方
向に延びた書き込み線９００と紙面横方向に延びたセン
ス線４０とに電流を流すことで、それらの交点に位置し
た磁気抵抗素子（メモリセル）に記録を行うことができ
る。ソース領域３２に接続された電極７０は接地されて
おり、センス線４０の左端に電流源、右端にセンス回路
を設けることで、磁気抵抗素子の抵抗値に応じた電位を
センス回路に与えることができ、情報の検出が可能とな
る。
向に延びた書き込み線９００と紙面横方向に延びたセン
ス線４０とに電流を流すことで、それらの交点に位置し
た磁気抵抗素子（メモリセル）に記録を行うことができ
る。ソース領域３２に接続された電極７０は接地されて
おり、センス線４０の左端に電流源、右端にセンス回路
を設けることで、磁気抵抗素子の抵抗値に応じた電位を
センス回路に与えることができ、情報の検出が可能とな
る。
【００４３】（第９の実施形態）図８及び図９には、
０．２μｍ角の垂直磁化膜から発生する膜面垂直方向の
漏洩磁界の分布を示した。具体的には、この漏洩磁界分
布は、図１０に示すように、第１の実施形態の構成の磁
気抵抗素子において、第２磁性層２の磁化Ｍから発生す
る漏洩磁界が第１磁性層１に印加される様子を示したも
のである。漏洩磁界としては第２磁性層２から１ｎｍ上
面での値を用いた。
０．２μｍ角の垂直磁化膜から発生する膜面垂直方向の
漏洩磁界の分布を示した。具体的には、この漏洩磁界分
布は、図１０に示すように、第１の実施形態の構成の磁
気抵抗素子において、第２磁性層２の磁化Ｍから発生す
る漏洩磁界が第１磁性層１に印加される様子を示したも
のである。漏洩磁界としては第２磁性層２から１ｎｍ上
面での値を用いた。
【００４４】図８において、太実線１は磁化が５０ｅｍ
ｕ／ｃｃ、太実線２は磁化が１０ｅｍｕ／ｃｃ、細実線
３は磁化が５ｅｍｕ／ｃｃ、点線４は磁化が２ｅｍｕ／
ｃｃの場合を示している。膜厚は、全て５０ｎｍであ
る。
ｕ／ｃｃ、太実線２は磁化が１０ｅｍｕ／ｃｃ、細実線
３は磁化が５ｅｍｕ／ｃｃ、点線４は磁化が２ｅｍｕ／
ｃｃの場合を示している。膜厚は、全て５０ｎｍであ
る。
【００４５】図９において、実線１は膜厚が５０ｎｍ、
点線２は膜厚が３０ｎｍであり、どちらも磁化は１０ｅ
ｍｕ／ｃｃである場合を示している。これらの磁化、膜
厚は、例えばＴｂＦｅ，ＧｄＦｅ，ＤｙＦｅ，ＤｙＦｅ
Ｃｏ，ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏなどの希土類鉄族合
金からなる垂直磁化膜においては容易に達成されうるも
のである。
点線２は膜厚が３０ｎｍであり、どちらも磁化は１０ｅ
ｍｕ／ｃｃである場合を示している。これらの磁化、膜
厚は、例えばＴｂＦｅ，ＧｄＦｅ，ＤｙＦｅ，ＤｙＦｅ
Ｃｏ，ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏなどの希土類鉄族合
金からなる垂直磁化膜においては容易に達成されうるも
のである。
【００４６】図１１は、従来の構成の面内磁化膜の場合
に、ピン層１２の磁化ＲＭからメモリ層１１に漏洩磁界
が印加される様子を示したものである。ピン層１２とメ
モリ層１１の間には、絶縁層１３が形成されている。図
１２は、０．２μｍ角のこのような面内磁化膜から発生
する１ｎｍ上面での膜面横方向の漏洩磁界の分布を示し
たものである。端面において、１４００Ｏｅ（１１１×
１０3Ａ／ｍ）程度の磁界が印加されることがわかる。
また図１３は、０．２μｍ×０．６μｍの面内磁化膜か
ら発生する１ｎｍ上面での膜面横方向の漏洩磁界分布を
示したものであり、この場合でも１０００Ｏｅ（７９．
６×１０3Ａ／ｍ）程度の磁界が印加されている。図１
２及び図１３に示した面内磁化膜は、膜厚３ｎｍで磁化
の大きさが１０００ｅｍｕ／ｃｃである。面内磁化膜に
おいては、磁化方向のスピンの動きが磁化反転を決定す
るため、この端面での漏洩磁界は、磁化反転に重要な寄
与をし、具体的にはオフセット磁界の増加を示すことが
想定される。
に、ピン層１２の磁化ＲＭからメモリ層１１に漏洩磁界
が印加される様子を示したものである。ピン層１２とメ
モリ層１１の間には、絶縁層１３が形成されている。図
１２は、０．２μｍ角のこのような面内磁化膜から発生
する１ｎｍ上面での膜面横方向の漏洩磁界の分布を示し
たものである。端面において、１４００Ｏｅ（１１１×
１０3Ａ／ｍ）程度の磁界が印加されることがわかる。
また図１３は、０．２μｍ×０．６μｍの面内磁化膜か
ら発生する１ｎｍ上面での膜面横方向の漏洩磁界分布を
示したものであり、この場合でも１０００Ｏｅ（７９．
６×１０3Ａ／ｍ）程度の磁界が印加されている。図１
２及び図１３に示した面内磁化膜は、膜厚３ｎｍで磁化
の大きさが１０００ｅｍｕ／ｃｃである。面内磁化膜に
おいては、磁化方向のスピンの動きが磁化反転を決定す
るため、この端面での漏洩磁界は、磁化反転に重要な寄
与をし、具体的にはオフセット磁界の増加を示すことが
想定される。
【００４７】以上の結果より、垂直磁化膜と面内磁化膜
とを比較すると、垂直磁化膜では２００Ｏｅ（１５．９
×１０3Ａ／ｍ）以下、面内磁化膜では、１０００Ｏｅ
（７９．６×１０3Ａ／ｍ）以上の漏洩磁界が印加され
ることが分かる。しかも、本発明におけるような垂直磁
化膜においては、膜厚と磁化を設定することにより、漏
洩磁界の大きさを５０Ｏｅ（３．９８×１０3Ａ／
ｍ）、さらには、１０Ｏｅ（７９６Ａ／ｍ）以下に抑え
ることが可能である。このことから、本発明の磁気抵抗
素子においては、オフセット磁界を低減できることがわ
かる。
とを比較すると、垂直磁化膜では２００Ｏｅ（１５．９
×１０3Ａ／ｍ）以下、面内磁化膜では、１０００Ｏｅ
（７９．６×１０3Ａ／ｍ）以上の漏洩磁界が印加され
ることが分かる。しかも、本発明におけるような垂直磁
化膜においては、膜厚と磁化を設定することにより、漏
洩磁界の大きさを５０Ｏｅ（３．９８×１０3Ａ／
ｍ）、さらには、１０Ｏｅ（７９６Ａ／ｍ）以下に抑え
ることが可能である。このことから、本発明の磁気抵抗
素子においては、オフセット磁界を低減できることがわ
かる。
【００４８】一般に従来のＴＭＲ素子に用いられていた
面内磁化膜は、ＮｉＦｅ，Ｃｏ，Ｆｅなどからなり、飽
和磁化Ｍｓの大きさは８００〜１５００ｅｍｕ／ｃｃ程
度と大きい。しかもこのような膜では、一般に、磁化を
小さくすると抵抗変化率も減少するので、抵抗変化率を
保ちながらオフセット磁界を低減することは難しい。し
かし希土類鉄族合金のようなフェリ磁性体では、抵抗変
化の割合を落させずに容易に飽和磁化Ｍｓの大きさを数
１０ｅｍｕ／ｃｃ程度に小さくすることが可能である。
磁性体からの漏洩磁界の大きさは、飽和磁化Ｍｓに比例
しているため、フェリ磁性体の場合には、磁化の大きさ
を小さくすることが可能で、その際、オフセット磁界を
抑制することが可能である。
面内磁化膜は、ＮｉＦｅ，Ｃｏ，Ｆｅなどからなり、飽
和磁化Ｍｓの大きさは８００〜１５００ｅｍｕ／ｃｃ程
度と大きい。しかもこのような膜では、一般に、磁化を
小さくすると抵抗変化率も減少するので、抵抗変化率を
保ちながらオフセット磁界を低減することは難しい。し
かし希土類鉄族合金のようなフェリ磁性体では、抵抗変
化の割合を落させずに容易に飽和磁化Ｍｓの大きさを数
１０ｅｍｕ／ｃｃ程度に小さくすることが可能である。
磁性体からの漏洩磁界の大きさは、飽和磁化Ｍｓに比例
しているため、フェリ磁性体の場合には、磁化の大きさ
を小さくすることが可能で、その際、オフセット磁界を
抑制することが可能である。
【００４９】
【発明の効果】以上説明したように本発明の磁気抵抗素
子によれば、反転磁界のオフセットが減少し、書き込み
消去時の電流が低減するという効果がある。また、メモ
リセルを微細化しても、記録情報の検出が不可能になる
ことがなく、高集積化が実現できるという効果がある。
子によれば、反転磁界のオフセットが減少し、書き込み
消去時の電流が低減するという効果がある。また、メモ
リセルを微細化しても、記録情報の検出が不可能になる
ことがなく、高集積化が実現できるという効果がある。
【図１】本発明の第１の実施形態の磁気抵抗素子を示す
断面図である。
断面図である。
【図２】第２磁性層として希土類鉄族合金膜を用いた磁
気抵抗素子を示す断面図である。
気抵抗素子を示す断面図である。
【図３】希土類鉄族合金における組成と飽和磁化の大き
さの関係を示すグラフである。
さの関係を示すグラフである。
【図４】垂直磁化膜からの漏洩磁界Ｈと素子サイズとの
関係を示すグラフである。
関係を示すグラフである。
【図５】希土類鉄族合金における組成と飽和磁化の関係
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図６】メモリセルの基本構成を示す図である。
【図７】半導体素子とハイブリッド化したメモリセルの
基本構成を示す図である。
基本構成を示す図である。
【図８】本発明に基づく磁気抵抗素子における漏洩磁界
の分布を示すグラフである。
の分布を示すグラフである。
【図９】本発明に基づく磁気抵抗素子における漏洩磁界
の分布を示すグラフである。
の分布を示すグラフである。
【図１０】本発明に基づく磁気抵抗素子における漏洩磁
界の印加状態を模式的に示した図である。
界の印加状態を模式的に示した図である。
【図１１】従来の面内磁化膜を用いた磁気抵抗素子にお
ける漏洩磁界の印加状態を模式的に示した図である。
ける漏洩磁界の印加状態を模式的に示した図である。
【図１２】従来の面内磁化膜を用いた磁気抵抗素子にお
ける漏洩磁界の分布を示すグラフである。
ける漏洩磁界の分布を示すグラフである。
【図１３】従来の面内磁化膜を用いた磁気抵抗素子にお
ける漏洩磁界の分布を示すグラフである。
ける漏洩磁界の分布を示すグラフである。
【図１４】従来の磁気抵抗素子の構成の一例を示す断面
図である。
図である。
【図１５】角型比が１の場合のＭＲカーブにおけるオフ
セット磁界を示すグラフである。
セット磁界を示すグラフである。
【図１６】角型比が１でない場合のＭＲカーブにおける
オフセット磁界を示すグラフである。
オフセット磁界を示すグラフである。
１ 第１磁性層 ２ 第２磁性層 Ｎ２ 絶縁層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｇ１１Ｂ 5/39 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４７
Claims (14)
- 【請求項１】 膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と、
絶縁層と、膜面垂直方向に磁化した第２磁性層とが順に
積層されてなり、前記第２磁性層の保磁力が前記第１磁
性層の保磁力より高く、前記第１磁性層と前記第２磁性
層の磁化の相対角度により前記第１磁性層と前記第２磁
性層間に前記絶縁層を介して電流を流した際の抵抗値が
異なる磁気抵抗素子において、 前記第２磁性層から前記第１磁性層に印加される磁界が
前記第１磁性層の磁化飽和磁界よりも小さいことを特徴
とする磁気抵抗素子。 - 【請求項２】 前記第２磁性層はフェリ磁性膜からなる
請求項１に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項３】 前記第１磁性層及び前記第２磁性層はそ
れぞれフェリ磁性膜からなる請求項１に記載の磁気抵抗
素子。 - 【請求項４】 前記第２磁性層の残留磁化Ｍ（ｅｍｕ／
ｃｃ），膜厚ｈ（ｎｍ）及び長さＬ（μｍ）と前記第１
磁性層の保磁力Ｈｃ（Ｏｅ）とが、 Ｍ×ｈ／(７５×Ｌ＋２．６)＜Ｈｃ の関係を満たす、請求項１に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項５】 前記第２磁性層の磁化が常に同じ方向に
固着している請求項１に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項６】 前記第１磁性層の保磁力Ｈｃが２００Ｏ
ｅ以下である請求項４に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項７】 前記第２磁性層の膜厚が２ｎｍから１０
０ｎｍの範囲にある請求項４に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項８】 前記第２磁性層が補償組成付近のフェリ
磁性膜からなる請求項２に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項９】 前記第２磁性層が希土類鉄族元素合金フ
ェリ磁性膜からなり、その組成における希土類元素の量
が補償組成から±２．６原子％の範囲内である、請求項
８に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項１０】 前記第２磁性層の飽和磁化が１００ｅ
ｍｕ／ｃｃ以下である請求項１に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項１１】 前記フェリ磁性層は、Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄ
ｙのうち少なくとも１種を含む希土類元素とＦｅ，Ｃｏ
のうち少なくとも１種を含む鉄族元素とからなる請求項
２に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項１２】 請求項１乃至１１のいずれか１項に記
載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子の膜面に垂直方
向の磁界を発生する磁場発生手段とを有し、 前記磁場発生手段を用いて前記磁気抵抗素子に情報の記
録を行うメモリ素子。 - 【請求項１３】 請求項１２に記載のメモリ素子の磁気
抵抗素子の一端を電界効果トランジスタのドレイン領域
に接続し、他端をビット線に接続したことを特徴とする
メモリセル。 - 【請求項１４】 請求項１２に記載のメモリ素子を使用
し、 前記メモリ素子の前記第１磁性層の磁化の向きにより情
報を記録し、 抵抗値の大小を読み取って情報を再生する、メモリ素子
の記録再生方法。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001078471A JP3667244B2 (ja) | 2001-03-19 | 2001-03-19 | 磁気抵抗素子、それを用いたメモリ素子、磁気ランダムアクセスメモリ及び磁気ランダムアクセスメモリの記録再生方法 |
| TW091104994A TW559807B (en) | 2001-03-19 | 2002-03-15 | Magnetoresistive element and MRAM using the same |
| US10/098,117 US6853580B2 (en) | 2001-03-19 | 2002-03-15 | Magnetoresistive element and MRAM using the same |
| KR10-2002-0014500A KR100515623B1 (ko) | 2001-03-19 | 2002-03-18 | 자기저항소자 및 자기저항소자를 이용하는 ｍｒａｍ |
| EP02006095A EP1244118B1 (en) | 2001-03-19 | 2002-03-18 | Magnetoresistive element and MRAM using the same |
| DE60212479T DE60212479T2 (de) | 2001-03-19 | 2002-03-18 | Magnetoresistives Element und Benützung für MRAM |
| CNB02120599XA CN1221043C (zh) | 2001-03-19 | 2002-03-19 | 磁阻元件以及使用该元件的磁性随机访问存储器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001078471A JP3667244B2 (ja) | 2001-03-19 | 2001-03-19 | 磁気抵抗素子、それを用いたメモリ素子、磁気ランダムアクセスメモリ及び磁気ランダムアクセスメモリの記録再生方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002280639A true JP2002280639A (ja) | 2002-09-27 |
| JP3667244B2 JP3667244B2 (ja) | 2005-07-06 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| EP (1) | EP1244118B1 (ja) |
| JP (1) | JP3667244B2 (ja) |
| KR (1) | KR100515623B1 (ja) |
| CN (1) | CN1221043C (ja) |
| DE (1) | DE60212479T2 (ja) |
| TW (1) | TW559807B (ja) |
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