JP2003110094A - 垂直磁化膜を用いた磁気メモリ及びその製造方法 - Google Patents
垂直磁化膜を用いた磁気メモリ及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】垂直磁化膜を用いた磁気メモリで使用される磁
気抵抗素子において、微細化する際に問題となる反転磁
界の増大をなくす。 【解決手段】 垂直磁化膜からなる第１磁性層１１と非
磁性層１０と垂直磁化膜からなる第２磁性層１２が積層
された磁気抵抗素子と、磁界発生機構と、を有する磁気
メモリにおいて、式（１）であらわされる第１磁性層１
１の反転磁界Ｈｃが、磁界発生機構から発生する磁界よ
りも小さくなるようにする。 【数１】 Ｋｕ，Ｍｓは、各々、第１磁性層１１の垂直磁気異方性
定数、飽和磁化であり、ｆは、第１磁性層１１の膜厚を
Ｔ、幅と長さをＷとすると、ｆ=7×10-13(T/W)4−2×10
-9(T/W)3＋3×10-6(T/W)2−0.0019(T/W)+0.9681であ
る。
気抵抗素子において、微細化する際に問題となる反転磁
界の増大をなくす。 【解決手段】 垂直磁化膜からなる第１磁性層１１と非
磁性層１０と垂直磁化膜からなる第２磁性層１２が積層
された磁気抵抗素子と、磁界発生機構と、を有する磁気
メモリにおいて、式（１）であらわされる第１磁性層１
１の反転磁界Ｈｃが、磁界発生機構から発生する磁界よ
りも小さくなるようにする。 【数１】 Ｋｕ，Ｍｓは、各々、第１磁性層１１の垂直磁気異方性
定数、飽和磁化であり、ｆは、第１磁性層１１の膜厚を
Ｔ、幅と長さをＷとすると、ｆ=7×10-13(T/W)4−2×10
-9(T/W)3＋3×10-6(T/W)2−0.0019(T/W)+0.9681であ
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、スピントンネル効
果などの磁気抵抗効果を利用した磁性薄膜素子及びその
応用に関し、特に、不揮発メモリの応用に関するもので
ある。
果などの磁気抵抗効果を利用した磁性薄膜素子及びその
応用に関し、特に、不揮発メモリの応用に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】磁性薄膜メモリは、半導体メモリと同じ
く可動部のな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、放射線が
入射しても記録内容が消失する危険性がない等、半導体
メモリと比較して有利な点がある。特に近年、スピント
ンネル（ＴＭＲ）効果を利用した薄膜磁気メモリは、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。これらの磁気メモリは、ランダムアクセス性
があるためマグネティックランダムアクセスメモリ（Ｍ
ＲＡＭ）と呼ばれている。
く可動部のな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、放射線が
入射しても記録内容が消失する危険性がない等、半導体
メモリと比較して有利な点がある。特に近年、スピント
ンネル（ＴＭＲ）効果を利用した薄膜磁気メモリは、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。これらの磁気メモリは、ランダムアクセス性
があるためマグネティックランダムアクセスメモリ（Ｍ
ＲＡＭ）と呼ばれている。
【０００３】しかし、上記構成の磁性薄膜メモリは、メ
モリ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と同時に情報の保存を行うことがで
きず、高集積化が不可能であると行った欠点を有してい
た。
モリ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と同時に情報の保存を行うことがで
きず、高集積化が不可能であると行った欠点を有してい
た。
【０００４】本発明者は、この面内磁化膜の集積化に関
する問題点に鑑み、垂直磁化膜を用いた磁気抵抗素子
を、特開平１１−２１３６５０号公報にて公開した。こ
の磁気抵抗素子は、微細化しても、安定に磁化を保存で
きる点で優位な特徴を有している。
する問題点に鑑み、垂直磁化膜を用いた磁気抵抗素子
を、特開平１１−２１３６５０号公報にて公開した。こ
の磁気抵抗素子は、微細化しても、安定に磁化を保存で
きる点で優位な特徴を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】また、面内磁化膜は、
微細化すると反転磁界が増大することが知られている。
例えばアメリカで発行されているジャーナル・オブ・ア
プライドフィズィックス(J. Appl. Phys.)の８１号，ペ
ージ３９９２，１９９７年発行によると、面内磁化膜で
は、幅の逆数に比例して反転磁界が増大し、０．２５μ
ｍでは、約２６０Ｏｅと大きな値になることが報告され
ている。磁性膜がそれ以下に微細化するとさらに反転磁
界は増大すると考えられる。
微細化すると反転磁界が増大することが知られている。
例えばアメリカで発行されているジャーナル・オブ・ア
プライドフィズィックス(J. Appl. Phys.)の８１号，ペ
ージ３９９２，１９９７年発行によると、面内磁化膜で
は、幅の逆数に比例して反転磁界が増大し、０．２５μ
ｍでは、約２６０Ｏｅと大きな値になることが報告され
ている。磁性膜がそれ以下に微細化するとさらに反転磁
界は増大すると考えられる。
【０００６】ＭＲＡＭでは、情報の記録は、書込み線に
電流を流してそれから発生する磁界で磁性膜を磁化反転
させて行う。このため反転磁界が増大すると、書込み電
流が増大して消費電力が増大するばかりか、書込み線の
限界電流密度以上の電流が必要になると書換えそのもの
ができなくなるといった問題が発生する。
電流を流してそれから発生する磁界で磁性膜を磁化反転
させて行う。このため反転磁界が増大すると、書込み電
流が増大して消費電力が増大するばかりか、書込み線の
限界電流密度以上の電流が必要になると書換えそのもの
ができなくなるといった問題が発生する。
【０００７】この微細化に伴う反転磁界の増大は、垂直
磁化膜においても起こりうる可能性がある。これは、後
述するように、膜厚を一定にして、微細化すると形状異
方性が増大することにより、より垂直方向に磁化しやす
くなり、反転に伴うエネルギーが増大することによる。
磁化膜においても起こりうる可能性がある。これは、後
述するように、膜厚を一定にして、微細化すると形状異
方性が増大することにより、より垂直方向に磁化しやす
くなり、反転に伴うエネルギーが増大することによる。
【０００８】本発明は、これらの点に鑑み、垂直磁化膜
を用いたＭＲＡＭにおいて、微細化する際に問題となる
反転磁界の増大をなくし熱的に安定となる、磁気抵抗効
果を有する磁性薄膜素子を提供することにある。
を用いたＭＲＡＭにおいて、微細化する際に問題となる
反転磁界の増大をなくし熱的に安定となる、磁気抵抗効
果を有する磁性薄膜素子を提供することにある。
【０００９】
【発明を解決するための手段】本発明者は、上記課題に
鑑み、垂直磁化膜において反転磁界の増大に起因するフ
ァクターを見出し、磁性膜の物性値との関連から、微細
化しても反転磁界が増大しない膜構造を見出した。ま
た、微細化しても熱によって磁化反転しない膜物性値の
条件を見出した。
鑑み、垂直磁化膜において反転磁界の増大に起因するフ
ァクターを見出し、磁性膜の物性値との関連から、微細
化しても反転磁界が増大しない膜構造を見出した。ま
た、微細化しても熱によって磁化反転しない膜物性値の
条件を見出した。
【００１０】すなわち本発明の磁性薄膜素子は、以下の
［１］〜［２１］のいずれかによって規定されるもので
ある。
［１］〜［２１］のいずれかによって規定されるもので
ある。
【００１１】［１］垂直磁化膜からなる第１磁性層と非
磁性層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてな
り、第２磁性層の反転磁界が、第１磁性層の反転磁界よ
り小さく、第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁化方
向の相対角度によって、第１磁性層と第２磁性層間に電
流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子と、磁気抵
抗素子の第１磁性層の磁化方向を反転させるために設け
られた磁界発生機構と、を有した磁気メモリであって、
以下の式（１）であらわされる第１磁性層の反転磁界Ｈ
ｃが、磁界発生機構から発生する磁界よりも小さくなる
ように設定されることを特徴とする磁気メモリ。
磁性層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてな
り、第２磁性層の反転磁界が、第１磁性層の反転磁界よ
り小さく、第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁化方
向の相対角度によって、第１磁性層と第２磁性層間に電
流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子と、磁気抵
抗素子の第１磁性層の磁化方向を反転させるために設け
られた磁界発生機構と、を有した磁気メモリであって、
以下の式（１）であらわされる第１磁性層の反転磁界Ｈ
ｃが、磁界発生機構から発生する磁界よりも小さくなる
ように設定されることを特徴とする磁気メモリ。
【００１２】
【数５】
【００１３】ここで、Ｋｕ，Ｍｓは、各々、第１磁性層
の垂直磁気異方性定数、飽和磁化であり、ｆは、第１磁
性層の膜厚をＴ、幅、長さをＷとすると、式（２）で表
されるファクターである。
の垂直磁気異方性定数、飽和磁化であり、ｆは、第１磁
性層の膜厚をＴ、幅、長さをＷとすると、式（２）で表
されるファクターである。
【００１４】
【数６】
【００１５】［２］前記記載の磁気メモリであって、磁
界発生機構が、磁気抵抗素子の近傍に配置された書込み
配線とこの書込み配線に電流を流すための電流源から構
成されることを特徴とする磁気メモリ。
界発生機構が、磁気抵抗素子の近傍に配置された書込み
配線とこの書込み配線に電流を流すための電流源から構
成されることを特徴とする磁気メモリ。
【００１６】［３］書込み配線が、ＡｌもしくはＣｕも
しくはＡｌＣｕを主成分とすることを特徴とする前記記
載の磁気メモリ。
しくはＡｌＣｕを主成分とすることを特徴とする前記記
載の磁気メモリ。
【００１７】［４］磁気抵抗素子の上面にビット線が設
けられ、ビット線と、ビット線に電流を流すための電流
源と、磁気抵抗素子の近傍に配置され、ビット線と直交
する方向に配置された書込み線と、書込み配線に電流を
流すための電流源とから、磁界発生機構が構成され、ビ
ット線と書込み線とによって、マトリックス状に構成さ
れた複数の磁気抵抗素子のうち特定の磁気抵抗素子のみ
を書き換えることを特徴とする磁気メモリ。
けられ、ビット線と、ビット線に電流を流すための電流
源と、磁気抵抗素子の近傍に配置され、ビット線と直交
する方向に配置された書込み線と、書込み配線に電流を
流すための電流源とから、磁界発生機構が構成され、ビ
ット線と書込み線とによって、マトリックス状に構成さ
れた複数の磁気抵抗素子のうち特定の磁気抵抗素子のみ
を書き換えることを特徴とする磁気メモリ。
【００１８】［５］前記記載の磁気メモリであって、非
磁性層が絶縁層であり、スピントンネル効果によって磁
気抵抗効果が発生することを特徴とする磁気メモリ。
磁性層が絶縁層であり、スピントンネル効果によって磁
気抵抗効果が発生することを特徴とする磁気メモリ。
【００１９】［６］前記記載の磁気メモリであって、第
１の磁性層の反転磁界Ｈｃが５００Ｏｅ以下であること
を特徴とする磁気メモリ。
１の磁性層の反転磁界Ｈｃが５００Ｏｅ以下であること
を特徴とする磁気メモリ。
【００２０】［７］前記記載の磁気メモリであって、少
なくとも第１磁性層が希土類元素と鉄族元素との合金か
らなるフェリ磁性体から構成されることを特徴とする磁
気メモリ。
なくとも第１磁性層が希土類元素と鉄族元素との合金か
らなるフェリ磁性体から構成されることを特徴とする磁
気メモリ。
【００２１】［８］前記記載の磁気メモリであって、第
１磁性層と第２磁性層とが希土類元素と鉄族元素との合
金からなるフェリ磁性膜から構成されることを特徴とす
る磁気メモリ。
１磁性層と第２磁性層とが希土類元素と鉄族元素との合
金からなるフェリ磁性膜から構成されることを特徴とす
る磁気メモリ。
【００２２】［９］前記記載の磁気メモリであって、第
１磁性層と非磁性層との間に第３磁性層、第２磁性層と
非磁性層との間に第４磁性層が設けられ、第１磁性層と
第３磁性層、及び、第２磁性層と第４磁性層とは磁気的
に結合しており、第３磁性層、第４磁性層が第１磁性
層、第２磁性層よりもスピン分極率が大きい材料である
ことを特徴とする磁気メモリ。
１磁性層と非磁性層との間に第３磁性層、第２磁性層と
非磁性層との間に第４磁性層が設けられ、第１磁性層と
第３磁性層、及び、第２磁性層と第４磁性層とは磁気的
に結合しており、第３磁性層、第４磁性層が第１磁性
層、第２磁性層よりもスピン分極率が大きい材料である
ことを特徴とする磁気メモリ。
【００２３】［１０］第１磁性層、第２磁性層が、Ｇ
ｄ，Ｔｂ，Ｄｙから少なくとも１種の希土類元素とＦ
ｅ，Ｃｏの少なくとも１種の元素との合金からなること
を特徴とする前記の磁気メモリ。
ｄ，Ｔｂ，Ｄｙから少なくとも１種の希土類元素とＦ
ｅ，Ｃｏの少なくとも１種の元素との合金からなること
を特徴とする前記の磁気メモリ。
【００２４】［１１］第３磁性層と第４磁性層が、Ｆ
ｅ，Ｃｏの少なくとも１種の元素との合金からなること
を特徴とする前記記載の磁気メモリ。
ｅ，Ｃｏの少なくとも１種の元素との合金からなること
を特徴とする前記記載の磁気メモリ。
【００２５】［１２］前記記載の磁気メモリであって、
第１磁性層の飽和磁化が、微細化するに伴ってが大きく
設定されることを特徴とする磁気メモリ。
第１磁性層の飽和磁化が、微細化するに伴ってが大きく
設定されることを特徴とする磁気メモリ。
【００２６】［１３］垂直磁化膜からなる第１磁性層と
絶縁層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてな
り、第２磁性層の反転磁界が、第１磁性層の反転磁界Ｈ
ｃより小さく、第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁
化方向の相対角度によって、第１磁性層と第２磁性層間
に電流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を有す
る磁気メモリであって、Ｍｓ，Ｋｕを第１磁性層の飽和
磁化、垂直異方性定数とし、ｆが式（４）で表されると
して、式（３）で表される
絶縁層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてな
り、第２磁性層の反転磁界が、第１磁性層の反転磁界Ｈ
ｃより小さく、第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁
化方向の相対角度によって、第１磁性層と第２磁性層間
に電流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を有す
る磁気メモリであって、Ｍｓ，Ｋｕを第１磁性層の飽和
磁化、垂直異方性定数とし、ｆが式（４）で表されると
して、式（３）で表される
【００２７】
【数７】
【００２８】Ｑの値が１００以上であることを特徴とす
る磁気メモリ。
る磁気メモリ。
【００２９】
【数８】
【００３０】ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔａは温
度、Ｔは膜厚、Ｗは幅である。
度、Ｔは膜厚、Ｗは幅である。
【００３１】［１４］前記記載の磁気メモリであって、
第１の磁性層の反転磁界Ｈｃが２００Ｏｅ以下であるこ
とを特徴とする磁気メモリ。
第１の磁性層の反転磁界Ｈｃが２００Ｏｅ以下であるこ
とを特徴とする磁気メモリ。
【００３２】［１５］前記記載の磁気メモリであって、
第１の磁性層の反転磁界Ｈｃが１００Ｏｅ以下であるこ
とを特徴とする磁気メモリ。
第１の磁性層の反転磁界Ｈｃが１００Ｏｅ以下であるこ
とを特徴とする磁気メモリ。
【００３３】［１６］前記記載の磁気メモリであって、
第１の磁性層の反転磁界Ｈｃが１０Ｏｅ以上であること
を特徴とする磁気メモリ。
第１の磁性層の反転磁界Ｈｃが１０Ｏｅ以上であること
を特徴とする磁気メモリ。
【００３４】［１７］垂直磁化膜からなる第１磁性層と
絶縁層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてな
り、第２磁性層の反転磁界が、第１磁性層の反転磁界よ
り小さく、第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁化方
向の相対角度によって、第１磁性層と第２磁性層間に電
流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を有する磁
気メモリであって、少なくとも、第１磁性層が、微細化
するに伴って飽和磁化が大きく設定されることを特徴と
する磁気メモリ。
絶縁層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてな
り、第２磁性層の反転磁界が、第１磁性層の反転磁界よ
り小さく、第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁化方
向の相対角度によって、第１磁性層と第２磁性層間に電
流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を有する磁
気メモリであって、少なくとも、第１磁性層が、微細化
するに伴って飽和磁化が大きく設定されることを特徴と
する磁気メモリ。
【００３５】［１８］前記記載の磁気メモリであって、
第１磁性層が希土類元素と鉄族元素との合金からなるフ
ェリ磁性膜であって、第１磁性層が、微細化するに伴っ
て、希土類元素副格子磁化優勢の組成の場合には希土類
元素の添加割合を増やし、鉄族元素副格子磁化優勢の組
成の場合には鉄族元素の添加割合を増やすことで、飽和
磁化を大きく設定することを特徴とする磁気メモリ。
第１磁性層が希土類元素と鉄族元素との合金からなるフ
ェリ磁性膜であって、第１磁性層が、微細化するに伴っ
て、希土類元素副格子磁化優勢の組成の場合には希土類
元素の添加割合を増やし、鉄族元素副格子磁化優勢の組
成の場合には鉄族元素の添加割合を増やすことで、飽和
磁化を大きく設定することを特徴とする磁気メモリ。
【００３６】［１９］垂直磁化膜からなる第１磁性層と
絶縁層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてな
り、第２磁性層の反転磁界が、第１磁性層の反転磁界よ
り小さく、第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁化方
向の相対角度によって、第１磁性層と第２磁性層間に電
流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を有する磁
気メモリであって、少なくとも、第１磁性層が、微細化
するに伴って垂直異方性定数が小さく設定されることを
特徴とする磁気メモリ。
絶縁層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてな
り、第２磁性層の反転磁界が、第１磁性層の反転磁界よ
り小さく、第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁化方
向の相対角度によって、第１磁性層と第２磁性層間に電
流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を有する磁
気メモリであって、少なくとも、第１磁性層が、微細化
するに伴って垂直異方性定数が小さく設定されることを
特徴とする磁気メモリ。
【００３７】［２０］前記記載の磁気メモリであって、
第２磁性層の磁化方向をあらかじめ膜面垂直の上もしく
は下のどちらかの一方向に初期化したピン層とし、第１
磁性層の磁化が膜面垂直の上もしくは下のどちらかの方
向かで情報を記録し、磁気抵抗素子の第１磁性層と第２
磁性層間に膜面垂直方向に電流を流して、第１磁性層の
磁化方向による抵抗値の大小によって、記録された情報
を読み出すことを特徴とした磁気メモリ。
第２磁性層の磁化方向をあらかじめ膜面垂直の上もしく
は下のどちらかの一方向に初期化したピン層とし、第１
磁性層の磁化が膜面垂直の上もしくは下のどちらかの方
向かで情報を記録し、磁気抵抗素子の第１磁性層と第２
磁性層間に膜面垂直方向に電流を流して、第１磁性層の
磁化方向による抵抗値の大小によって、記録された情報
を読み出すことを特徴とした磁気メモリ。
【００３８】［２１］前記記載の磁気メモリであって、
第１磁性層の特性上の要件を第２磁性層にも適用し、第
２磁性層に情報を記録し、読み出し時に第１磁性層のみ
の磁化を反転させて、その際に生じる抵抗変化を検出し
て情報を再生する差動検出型の構成としたことを特徴と
する磁気メモリ。
第１磁性層の特性上の要件を第２磁性層にも適用し、第
２磁性層に情報を記録し、読み出し時に第１磁性層のみ
の磁化を反転させて、その際に生じる抵抗変化を検出し
て情報を再生する差動検出型の構成としたことを特徴と
する磁気メモリ。
【００３９】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の好ましい形
態を図面を参照してより詳細に説明する。
態を図面を参照してより詳細に説明する。
【００４０】実施の形態１：図７は、この実施の形態の
磁気メモリで用いる磁気抵抗素子を示している。本実施
の形態の磁気メモリは、垂直磁化膜からなる第１磁性層
１１と非磁性層１０と垂直磁化膜からなる第２磁性層１
２が積層されてなり、第２磁性層１２の反転磁界が、第
１磁性層１１の反転磁界より小さく、第１磁性層１１の
磁化方向と第２磁性層１２の磁化方向の相対角度によっ
て、第１磁性層１１と第２磁性層１２間に電流を流した
時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子の第
１磁性層１１の磁化方向を反転させるために設けられた
磁界発生機構（不図示）と、からなる。
磁気メモリで用いる磁気抵抗素子を示している。本実施
の形態の磁気メモリは、垂直磁化膜からなる第１磁性層
１１と非磁性層１０と垂直磁化膜からなる第２磁性層１
２が積層されてなり、第２磁性層１２の反転磁界が、第
１磁性層１１の反転磁界より小さく、第１磁性層１１の
磁化方向と第２磁性層１２の磁化方向の相対角度によっ
て、第１磁性層１１と第２磁性層１２間に電流を流した
時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子の第
１磁性層１１の磁化方向を反転させるために設けられた
磁界発生機構（不図示）と、からなる。
【００４１】この磁気メモリに記録を行う場合、磁界発
生機構を用いて磁気抵抗素子に磁界を与えて、第１磁性
層１１の磁化方向を膜面垂直の上もしくは下方向に磁化
する。第２磁性層１２は、あらかじめ、膜面垂直方向の
上もしくは下方向に磁化させておき、記録と読み出し時
と保存時に磁化方向が変化しないようにする。よって第
１磁性層１１の磁化方向で磁気抵抗素子の抵抗値が決ま
る。読み出しは、磁気抵抗素子の抵抗値の大小を検出し
て行う。
生機構を用いて磁気抵抗素子に磁界を与えて、第１磁性
層１１の磁化方向を膜面垂直の上もしくは下方向に磁化
する。第２磁性層１２は、あらかじめ、膜面垂直方向の
上もしくは下方向に磁化させておき、記録と読み出し時
と保存時に磁化方向が変化しないようにする。よって第
１磁性層１１の磁化方向で磁気抵抗素子の抵抗値が決ま
る。読み出しは、磁気抵抗素子の抵抗値の大小を検出し
て行う。
【００４２】磁気メモリを高集積化する場合には、磁性
膜を微細化することが必要である。磁性膜を微細化する
と、磁化方向を反転させるために必要な磁界、反転磁
界、が増大するといった問題がある。以下にこれを垂直
磁化膜について詳細に説明する。
膜を微細化することが必要である。磁性膜を微細化する
と、磁化方向を反転させるために必要な磁界、反転磁
界、が増大するといった問題がある。以下にこれを垂直
磁化膜について詳細に説明する。
【００４３】一般に、磁性体の内部には、磁化方向と逆
向きに反磁界が発生することが知られている。例えば、
膜面垂直方向に磁化した膜、つまり垂直磁化膜では、こ
の反磁界は、無限の大きさの膜においては、４πＭｓの
大きさであることが知られている。ここでＭｓは飽和磁
化であり、πは円周率である。有限の大きさの膜でも、
膜厚に対して十分大きなサイズを持つべた膜では、反磁
界は、この４πＭｓで良く近似できる。
向きに反磁界が発生することが知られている。例えば、
膜面垂直方向に磁化した膜、つまり垂直磁化膜では、こ
の反磁界は、無限の大きさの膜においては、４πＭｓの
大きさであることが知られている。ここでＭｓは飽和磁
化であり、πは円周率である。有限の大きさの膜でも、
膜厚に対して十分大きなサイズを持つべた膜では、反磁
界は、この４πＭｓで良く近似できる。
【００４４】しかし、垂直磁化膜を微細化すると、この
近似からのずれは、無視できなくなる。図１は、反磁界
の大きさを、４πＭｓを１とした比率（＝ファクター
ｆ）で示したもので、本発明者が見出したものである。
例えばｆが０．５とは反磁界が２πＭｓであることを示
す。垂直磁化膜のサイズは、幅Ｗ、長さＷの長さ／幅＝
１の形状で、膜厚は１０ｎｍから６０ｎｍである（図中
のパラメーター１０〜６０ｎｍｔ）。膜厚によってｆの
減少の度合いが異なり、膜厚が大きくなると減少の度合
いは大きくなる。しかし、いずれも１μｍ以下のサイズ
になると、反磁界は４πＭｓでは近似できなくなる。例
えば、０．２μｍ×０．２μｍのサイズで膜厚５０ｎｍ
の垂直磁化膜では、反磁界は０．６５×４πＭｓとなっ
て反磁界が十分サイズの大きいべた膜よりも小さくな
る。このファクターｆは、垂直磁化膜の膜厚と幅の比で
規格化すると、図２のように１本の曲線でほぼ近似でき
る。この近似式は、以下の式（５）で表される。
近似からのずれは、無視できなくなる。図１は、反磁界
の大きさを、４πＭｓを１とした比率（＝ファクター
ｆ）で示したもので、本発明者が見出したものである。
例えばｆが０．５とは反磁界が２πＭｓであることを示
す。垂直磁化膜のサイズは、幅Ｗ、長さＷの長さ／幅＝
１の形状で、膜厚は１０ｎｍから６０ｎｍである（図中
のパラメーター１０〜６０ｎｍｔ）。膜厚によってｆの
減少の度合いが異なり、膜厚が大きくなると減少の度合
いは大きくなる。しかし、いずれも１μｍ以下のサイズ
になると、反磁界は４πＭｓでは近似できなくなる。例
えば、０．２μｍ×０．２μｍのサイズで膜厚５０ｎｍ
の垂直磁化膜では、反磁界は０．６５×４πＭｓとなっ
て反磁界が十分サイズの大きいべた膜よりも小さくな
る。このファクターｆは、垂直磁化膜の膜厚と幅の比で
規格化すると、図２のように１本の曲線でほぼ近似でき
る。この近似式は、以下の式（５）で表される。
【００４５】
【数９】
【００４６】で表される。ここで、Ｔは膜厚、Ｗは幅で
ある。
ある。
【００４７】微細化して反磁界が減少するということ
は、つまり、垂直方向に磁化しやすくなるということに
なる。これは形状異方性によって、垂直配向しやすくな
ったと解釈できる。垂直磁化膜が磁化反転するときに
は、必ず、膜面内に配向する過程を通るので、微細化す
ると反転磁界が増大することになる。
は、つまり、垂直方向に磁化しやすくなるということに
なる。これは形状異方性によって、垂直配向しやすくな
ったと解釈できる。垂直磁化膜が磁化反転するときに
は、必ず、膜面内に配向する過程を通るので、微細化す
ると反転磁界が増大することになる。
【００４８】磁化反転が膜面内で均一に起きる一斉回転
モデルでは、垂直磁化膜の反転磁界（＝反転磁界）Ｈｃ
を表すと、
モデルでは、垂直磁化膜の反転磁界（＝反転磁界）Ｈｃ
を表すと、
【００４９】
【数１０】
【００５０】で表される。ここでｆは、図１もしくは図
２の縦軸で示した値で、Ｋｕは垂直異方性定数、Ｍｓは
飽和磁化である。式（６）からも、垂直磁化膜を微細化
するとＨｃが増大することがわかる。
２の縦軸で示した値で、Ｋｕは垂直異方性定数、Ｍｓは
飽和磁化である。式（６）からも、垂直磁化膜を微細化
するとＨｃが増大することがわかる。
【００５１】なお、一般にべた膜の垂直磁化膜の反転磁
界は、磁壁の移動に伴っておこる磁壁移動モデルで説明
されることが多いが、微細化すると、一斉回転モデルで
説明することが必要になる。つまり、磁壁の幅は有限で
あるので、垂直磁化膜をサブミクロンサイズに微細化す
ると、磁壁が存在し得ないか、もしくは、膜そのものが
磁壁と考えられる程度に、磁壁の大きさが磁性膜の大き
さに対して十分大きくなるためである。さらには、この
磁壁移動モデルは、上向きと下向きに磁化した膜の間に
ある磁壁が、移動するモデルであり、磁性膜下部の基板
もしくは下地膜の表面粗さがあらいか、もしくは、膜厚
にばらつきがあるなどにより、磁壁のエネルギーが場所
によって異なる場合である。よって、スピントンネル膜
のように、表面粗さが十分小さくなるように制御されて
いる膜などでは、磁壁移動でなく、一斉回転で、磁化反
転が記述されると考えられる。
界は、磁壁の移動に伴っておこる磁壁移動モデルで説明
されることが多いが、微細化すると、一斉回転モデルで
説明することが必要になる。つまり、磁壁の幅は有限で
あるので、垂直磁化膜をサブミクロンサイズに微細化す
ると、磁壁が存在し得ないか、もしくは、膜そのものが
磁壁と考えられる程度に、磁壁の大きさが磁性膜の大き
さに対して十分大きくなるためである。さらには、この
磁壁移動モデルは、上向きと下向きに磁化した膜の間に
ある磁壁が、移動するモデルであり、磁性膜下部の基板
もしくは下地膜の表面粗さがあらいか、もしくは、膜厚
にばらつきがあるなどにより、磁壁のエネルギーが場所
によって異なる場合である。よって、スピントンネル膜
のように、表面粗さが十分小さくなるように制御されて
いる膜などでは、磁壁移動でなく、一斉回転で、磁化反
転が記述されると考えられる。
【００５２】従って、第１磁性層に記録を行うために
は、式（６）で表された反転磁界Ｈｃを、磁界発生装置
から発生される磁界の大きさよりも小さくすることが必
要である。
は、式（６）で表された反転磁界Ｈｃを、磁界発生装置
から発生される磁界の大きさよりも小さくすることが必
要である。
【００５３】磁性膜を反転させるのに、一般的に用いら
れているのは、書き込み線に電流を流して、そこから発
生する磁界によって、行うものである。この場合、書き
込み線から発生できる磁界の大きさは、書込み線に用い
る材料や配線の断面積にもよるが、ＭＲＡＭの実用化さ
れるサイズが少なくとも１μｍ以下で、高集積化のため
には０．５μｍ以下、望ましくは０．２μｍ以下である
ことを考えると、５００Ｏｅ以上の反転磁界の磁性膜を
反転させることは、困難と考えられる。また２００Ｏｅ
以上の反転磁界の磁性膜を反転させることは、容易でな
いと考えられる。また消費電力を考慮すると１００Ｏｅ
以下の反転磁界の磁性膜を用いることが望ましい。
れているのは、書き込み線に電流を流して、そこから発
生する磁界によって、行うものである。この場合、書き
込み線から発生できる磁界の大きさは、書込み線に用い
る材料や配線の断面積にもよるが、ＭＲＡＭの実用化さ
れるサイズが少なくとも１μｍ以下で、高集積化のため
には０．５μｍ以下、望ましくは０．２μｍ以下である
ことを考えると、５００Ｏｅ以上の反転磁界の磁性膜を
反転させることは、困難と考えられる。また２００Ｏｅ
以上の反転磁界の磁性膜を反転させることは、容易でな
いと考えられる。また消費電力を考慮すると１００Ｏｅ
以下の反転磁界の磁性膜を用いることが望ましい。
【００５４】従って、式（６）の反転磁界Ｈｃは、少な
くとも５００Ｏｅ以下、望ましくは２００Ｏｅ以下、さ
らに望ましくは１００Ｏｅ以下であることが良い。
くとも５００Ｏｅ以下、望ましくは２００Ｏｅ以下、さ
らに望ましくは１００Ｏｅ以下であることが良い。
【００５５】また、反転磁界は、小さすぎると、情報の
保存性に問題が生じる。このため、少なくとも１０Ｏｅ
以上、このましくは２０Ｏｅ以上がよい。
保存性に問題が生じる。このため、少なくとも１０Ｏｅ
以上、このましくは２０Ｏｅ以上がよい。
【００５６】実施の形態２：微細化にともなって増大す
る反転磁界を抑制し、低減する方法の一つとして、飽和
磁化Ｍｓを大きくする方法がある。例えば、希土類元素
と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜は、希土類元
素の副格子磁化と鉄族元素の副格子磁化が反平行に磁化
しているため、希土類元素と鉄族元素の組成比率によっ
て飽和磁化の大きさを変えることができる。例えば、図
４は、Ｇｄx（Ｆｅ100-yＣｏy）100-x膜について、組成
と飽和磁化の関係を示したものである。この図では、飽
和磁化Ｍｓは、（Ｇｄの副格子磁化−ＦｅＣｏの副格子
磁化）として示してある。このため、図の縦軸がプラス
の場合は希土類元素副格子磁化優勢、マイナスの場合は
鉄族元素副格子磁化優勢である。従って飽和磁化を大き
くする場合、希土類元素副格子磁化優勢の場合は希土類
元素を増やし、鉄族元素副格子磁化優勢の場合は鉄族元
素を増やす。
る反転磁界を抑制し、低減する方法の一つとして、飽和
磁化Ｍｓを大きくする方法がある。例えば、希土類元素
と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜は、希土類元
素の副格子磁化と鉄族元素の副格子磁化が反平行に磁化
しているため、希土類元素と鉄族元素の組成比率によっ
て飽和磁化の大きさを変えることができる。例えば、図
４は、Ｇｄx（Ｆｅ100-yＣｏy）100-x膜について、組成
と飽和磁化の関係を示したものである。この図では、飽
和磁化Ｍｓは、（Ｇｄの副格子磁化−ＦｅＣｏの副格子
磁化）として示してある。このため、図の縦軸がプラス
の場合は希土類元素副格子磁化優勢、マイナスの場合は
鉄族元素副格子磁化優勢である。従って飽和磁化を大き
くする場合、希土類元素副格子磁化優勢の場合は希土類
元素を増やし、鉄族元素副格子磁化優勢の場合は鉄族元
素を増やす。
【００５７】後述するように垂直異方性定数Ｋｕを小さ
くする方法もあるが、Ｋｕは磁性膜の材料や成膜条件に
束縛され、これらが容易に変えられない場合、Ｍｓを変
更することは組成変更で容易にできるので、反転磁界低
減の方法としてＭｓを大きくする方法は、有効である。
また、組成を変更すればよいので、式（６）に当てはま
るかどうかを検証する必要がなく、メモリの設計条件に
当てはまる膜条件を見出すのに有用である。
くする方法もあるが、Ｋｕは磁性膜の材料や成膜条件に
束縛され、これらが容易に変えられない場合、Ｍｓを変
更することは組成変更で容易にできるので、反転磁界低
減の方法としてＭｓを大きくする方法は、有効である。
また、組成を変更すればよいので、式（６）に当てはま
るかどうかを検証する必要がなく、メモリの設計条件に
当てはまる膜条件を見出すのに有用である。
【００５８】実施の形態３：反転磁界低減の別の方法と
して、垂直異方性定数Ｋｕを小さくする方法がある。例
えば、希土類元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁
性膜では、希土類元素の種類によって、Ｋｕが異なるこ
とが知られている。例えば、希土類元素がＴｂ，Ｄｙ，
Ｇｄの順で、Ｋｕが小さくなる。またこれらのフェリ磁
性膜にＳｍ，Ｎｄなどを添加することによって、Ｋｕを
下げることも有用である。また、磁性膜を成膜する際の
成膜条件によってもＫｕは異なることが知られている。
例えば成膜する際に、基板側に逆バイアスを印加するこ
とや成膜時にスパッタガスを変更することによってＫｕ
を変更できることが知られている。
して、垂直異方性定数Ｋｕを小さくする方法がある。例
えば、希土類元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁
性膜では、希土類元素の種類によって、Ｋｕが異なるこ
とが知られている。例えば、希土類元素がＴｂ，Ｄｙ，
Ｇｄの順で、Ｋｕが小さくなる。またこれらのフェリ磁
性膜にＳｍ，Ｎｄなどを添加することによって、Ｋｕを
下げることも有用である。また、磁性膜を成膜する際の
成膜条件によってもＫｕは異なることが知られている。
例えば成膜する際に、基板側に逆バイアスを印加するこ
とや成膜時にスパッタガスを変更することによってＫｕ
を変更できることが知られている。
【００５９】実施の形態４：磁性体を微細化すると、外
部磁界を印加しなくとも、熱エネルギーによって確率的
に磁化反転が起こることが知られている。これはスーパ
ーパラ磁性（超常磁性）の問題といわれる。スーパーパ
ラ磁性とは、磁性体の微細化によって、磁気異方性エネ
ルギーが熱エネルギーと同等になると、あたかも１個１
個の磁性粒子がパラ磁性（常磁性）の１個１個の原子磁
気モーメントのように熱振動する現象である。
部磁界を印加しなくとも、熱エネルギーによって確率的
に磁化反転が起こることが知られている。これはスーパ
ーパラ磁性（超常磁性）の問題といわれる。スーパーパ
ラ磁性とは、磁性体の微細化によって、磁気異方性エネ
ルギーが熱エネルギーと同等になると、あたかも１個１
個の磁性粒子がパラ磁性（常磁性）の１個１個の原子磁
気モーメントのように熱振動する現象である。
【００６０】磁性体を微細化するとき、スーパーパラ磁
性になるまで小さくしなくとも、統計力学的にある確率
で磁化反転が起こり、これが記録情報の破壊につながる
ことが、ハードディスクなどの記録媒体で指摘されてい
る。
性になるまで小さくしなくとも、統計力学的にある確率
で磁化反転が起こり、これが記録情報の破壊につながる
ことが、ハードディスクなどの記録媒体で指摘されてい
る。
【００６１】ＭＲＡＭも同様の問題が発生することが考
えられる。本発明の垂直磁化膜の場合には、異方性エネ
ルギーは、Ｋｕ−２πＭｓ2×ｆで表され、磁性膜の体
積をｖとすると、温度エネルギーｋＴ（ｋはボルツマン
定数、Ｔａは温度）に対して、以下に示すＱの値が、
えられる。本発明の垂直磁化膜の場合には、異方性エネ
ルギーは、Ｋｕ−２πＭｓ2×ｆで表され、磁性膜の体
積をｖとすると、温度エネルギーｋＴ（ｋはボルツマン
定数、Ｔａは温度）に対して、以下に示すＱの値が、
【００６２】
【数１１】
【００６３】熱によって磁化反転が起こるかどうかを示
す目安になる。このＱが１００以上あれば、実用上問題
ないといわれており、本発明においても、式（７）の値
が１００以上であることが良く、好ましくは２００以上
あると良い。
す目安になる。このＱが１００以上あれば、実用上問題
ないといわれており、本発明においても、式（７）の値
が１００以上であることが良く、好ましくは２００以上
あると良い。
【００６４】実施の形態４：本発明の磁気抵抗素子に
は、巨大磁気抵抗効果を用いたものやスピントンネル効
果を用いたものが適用できるが、好ましくは、スピント
ンネル効果を用いるのがよい。この場合、図７に示す磁
気抵抗素子において、第１磁性層１１と第２磁性層１２
の間の非磁性層１０には絶縁膜を用い、電流を第１磁性
層１１と第２磁性層１２の間に流す。絶縁膜の厚さは、
０．５ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲で好ましくは、１ｎｍ〜
１．６ｎｍの範囲が良い。絶縁膜（トンネル障壁層）の
材料としては、酸化アルミニウムＡｌ2Ｏ3などが用いら
れる。
は、巨大磁気抵抗効果を用いたものやスピントンネル効
果を用いたものが適用できるが、好ましくは、スピント
ンネル効果を用いるのがよい。この場合、図７に示す磁
気抵抗素子において、第１磁性層１１と第２磁性層１２
の間の非磁性層１０には絶縁膜を用い、電流を第１磁性
層１１と第２磁性層１２の間に流す。絶縁膜の厚さは、
０．５ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲で好ましくは、１ｎｍ〜
１．６ｎｍの範囲が良い。絶縁膜（トンネル障壁層）の
材料としては、酸化アルミニウムＡｌ2Ｏ3などが用いら
れる。
【００６５】第１磁性層、第２磁性層としては、希土類
元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜が望まし
い。例えば希土類元素としては、Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙから
少なくとも１種の希土類元素とＦｅ，Ｃｏの少なくとも
１種の元素との合金からなる膜で、ＧｄＦｅ，ＧｄＦｅ
Ｃｏ，ＴｂＦｅ，ＴｂＦｅＣｏ，ＤｙＦｅ，ＤｙＦｅＣ
ｏなどが挙げられる。第１磁性層としてはＧｄＦｅＣ
ｏ、第２磁性層としてはＴｂＦｅＣｏもしくはＤｙＦｅ
Ｃｏを用いるのが良い。
元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜が望まし
い。例えば希土類元素としては、Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙから
少なくとも１種の希土類元素とＦｅ，Ｃｏの少なくとも
１種の元素との合金からなる膜で、ＧｄＦｅ，ＧｄＦｅ
Ｃｏ，ＴｂＦｅ，ＴｂＦｅＣｏ，ＤｙＦｅ，ＤｙＦｅＣ
ｏなどが挙げられる。第１磁性層としてはＧｄＦｅＣ
ｏ、第２磁性層としてはＴｂＦｅＣｏもしくはＤｙＦｅ
Ｃｏを用いるのが良い。
【００６６】またスピントンネル効果をより大きくする
ために、絶縁膜の両側に、スピン分極率の高い材料を設
けるのが良い。具体的には、磁気抵抗素子において、図
８に示すように、第１磁性層１１と非磁性層１０との間
に第３磁性層１３、第２磁性層１２と非磁性層１０との
間に第４磁性層１４を設け、第１磁性層１１と第３磁性
層１３、及び、第２磁性層１２と第４磁性層１４とは磁
気的に結合するようにし、第３磁性層１３、第４磁性層
１４は第１磁性層１１、第２磁性層１２よりもスピン分
極率が大きい材料とする。第３磁性層１３と第４磁性層
１４は、Ｆｅ，Ｃｏの少なくとも１種の元素との合金か
らなることがよい。前記の磁気的結合としては、交換結
合を用いるのがよい。このために、第３磁性層１３と第
４磁性層１４の膜厚は、０．５〜２．５ｎｍ程度にする
のが良い。
ために、絶縁膜の両側に、スピン分極率の高い材料を設
けるのが良い。具体的には、磁気抵抗素子において、図
８に示すように、第１磁性層１１と非磁性層１０との間
に第３磁性層１３、第２磁性層１２と非磁性層１０との
間に第４磁性層１４を設け、第１磁性層１１と第３磁性
層１３、及び、第２磁性層１２と第４磁性層１４とは磁
気的に結合するようにし、第３磁性層１３、第４磁性層
１４は第１磁性層１１、第２磁性層１２よりもスピン分
極率が大きい材料とする。第３磁性層１３と第４磁性層
１４は、Ｆｅ，Ｃｏの少なくとも１種の元素との合金か
らなることがよい。前記の磁気的結合としては、交換結
合を用いるのがよい。このために、第３磁性層１３と第
４磁性層１４の膜厚は、０．５〜２．５ｎｍ程度にする
のが良い。
【００６７】実施の形態５：高集積磁気メモリとして実
用化するためには、本発明の磁気抵抗素子をマトリック
ス状に配置して各素子を選択することが必要となる。こ
のためには、磁気抵抗素子の上面にビット線を設け、こ
のビット線と、ビット線に電流を流すための電流源と、
磁気抵抗素子の近傍に配置され、ビット線と直交する方
向に配置された書込み線と、書込み線に電流を流すため
の電流源とから、磁界発生機構が構成されるようにす
る。ビット線と書込み線とによって、マトリックス状に
構成された複数の磁気抵抗素子のうち特定の磁気抵抗素
子のみを書き換える。書込み線からは膜面垂直方向の磁
界を印加し、ビット線からは膜面平行の磁界を印加すた
場合に、それらの交点付近の特定の一つの素子には、磁
化反転に十分な磁界がかかるようにする。これにより選
択記録が可能となる。また選択読み出しのために、磁気
抵抗素子の下部に、電界効果トランジスタなどの選択ト
ランジスタを設けるとよい。また、各素子にダイオード
を接続して単純マトリックス構成としてもよい。
用化するためには、本発明の磁気抵抗素子をマトリック
ス状に配置して各素子を選択することが必要となる。こ
のためには、磁気抵抗素子の上面にビット線を設け、こ
のビット線と、ビット線に電流を流すための電流源と、
磁気抵抗素子の近傍に配置され、ビット線と直交する方
向に配置された書込み線と、書込み線に電流を流すため
の電流源とから、磁界発生機構が構成されるようにす
る。ビット線と書込み線とによって、マトリックス状に
構成された複数の磁気抵抗素子のうち特定の磁気抵抗素
子のみを書き換える。書込み線からは膜面垂直方向の磁
界を印加し、ビット線からは膜面平行の磁界を印加すた
場合に、それらの交点付近の特定の一つの素子には、磁
化反転に十分な磁界がかかるようにする。これにより選
択記録が可能となる。また選択読み出しのために、磁気
抵抗素子の下部に、電界効果トランジスタなどの選択ト
ランジスタを設けるとよい。また、各素子にダイオード
を接続して単純マトリックス構成としてもよい。
【００６８】また上述では、第１磁性層に情報を記録す
る場合について記述したが、第２磁性層に情報を記録
し、読み出し時に第１磁性層のみの磁化を反転させて、
その際に生じる抵抗変化を検出して情報を再生する差動
検出型の構成としてもよい。
る場合について記述したが、第２磁性層に情報を記録
し、読み出し時に第１磁性層のみの磁化を反転させて、
その際に生じる抵抗変化を検出して情報を再生する差動
検出型の構成としてもよい。
【００６９】
【実施例】以下、実施例によって本発明をさらに詳しく
説明する。
説明する。
【００７０】（実施例１）図５および表１は、磁性膜の
微細化にしたがって飽和磁化Ｍｓを大きく設定した場合
の反転磁界Ｈｃ及びＱを示している。磁性膜の膜厚は５
０ｎｍである。また、Ｑはｖ×（Ｋｕ−２πＭｓ2）／
（ｋＴ）である。ここで、ｋはボルツマン定数１．３８
×１０-16ｅｒｇ／Ｋ、Ｔは２９８Ｋ（室温）、ｖは磁
性膜の体積（＝Ｗ×Ｗ×膜厚）である。このＱは、熱擾
乱によって磁性体の磁化が反転することの可能性を示す
値で、１００以上の値であれば、実用上問題ないと言わ
れている。
微細化にしたがって飽和磁化Ｍｓを大きく設定した場合
の反転磁界Ｈｃ及びＱを示している。磁性膜の膜厚は５
０ｎｍである。また、Ｑはｖ×（Ｋｕ−２πＭｓ2）／
（ｋＴ）である。ここで、ｋはボルツマン定数１．３８
×１０-16ｅｒｇ／Ｋ、Ｔは２９８Ｋ（室温）、ｖは磁
性膜の体積（＝Ｗ×Ｗ×膜厚）である。このＱは、熱擾
乱によって磁性体の磁化が反転することの可能性を示す
値で、１００以上の値であれば、実用上問題ないと言わ
れている。
【００７１】結果より、幅Ｗが小さくなっても反転磁界
は１３０Ｏｅ付近で増大しないことがわかる。また熱擾
乱による磁化反転に関しても問題ないことが分かる。
は１３０Ｏｅ付近で増大しないことがわかる。また熱擾
乱による磁化反転に関しても問題ないことが分かる。
【００７２】このように、垂直磁化膜に希土類元素と鉄
族元素からなる合金膜等のフェリ磁性体を用いて、サイ
ズの縮小化に伴い飽和磁化が大きくすることで、反転磁
界の増大を防ぐことができる。
族元素からなる合金膜等のフェリ磁性体を用いて、サイ
ズの縮小化に伴い飽和磁化が大きくすることで、反転磁
界の増大を防ぐことができる。
【００７３】
【表１】
【００７４】（実施例２）飽和磁化Ｍｓを１２６ｅｍｕ
／ｃｃ一定として、垂直異方性定数Ｋｕを変えた場合の
反転磁界とＱとを表２に示した。
／ｃｃ一定として、垂直異方性定数Ｋｕを変えた場合の
反転磁界とＱとを表２に示した。
【００７５】
【表２】
【００７６】（比較例１）面内磁化膜の反転磁界は、膜
厚Ｔ、幅Ｗの長方形の膜では、反転磁界Ｈｃは、
厚Ｔ、幅Ｗの長方形の膜では、反転磁界Ｈｃは、
【００７７】
【数１２】
【００７８】であらわされることが知られている。たと
えば、膜厚５ｎｍのＮｉＦｅ（Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃ
ｃ）の膜では、図６に示したように、縮小化にともなっ
て反転磁界が増大する。そして、ＭＲＡＭに一般に用い
られている面内磁化膜は、ＮｉＦｅ，Ｃｏ，ＣｏＦｅな
どで、飽和磁化Ｍｓは、材料によって決まっており変え
ることができない。このため、本発明のように、サイズ
縮小化に伴う反転磁界の増大を抑制することができな
い。
えば、膜厚５ｎｍのＮｉＦｅ（Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃ
ｃ）の膜では、図６に示したように、縮小化にともなっ
て反転磁界が増大する。そして、ＭＲＡＭに一般に用い
られている面内磁化膜は、ＮｉＦｅ，Ｃｏ，ＣｏＦｅな
どで、飽和磁化Ｍｓは、材料によって決まっており変え
ることができない。このため、本発明のように、サイズ
縮小化に伴う反転磁界の増大を抑制することができな
い。
【００７９】（比較例２）図３は、５０ｎｍの膜厚、Ｋ
ｕ＝８．８×１０4ｅｒｇ／ｃｃ、Ｍｓ＝１２６ｅｍｕ
／ｃｃで、平面が正方形の垂直磁化膜について、その幅
Ｗ（＝長さ）と反転磁界の関係を示したものである。微
細化とともに反転磁界が増大し、０．１μｍ×０．１μ
ｍでは、６７２Ｏｅに達している。反転磁界が増大する
ことは、書き込み線の消費電流が増大するとともに、限
界電流密度に達すると、書き込みができなくなるといっ
た問題が発生する。
ｕ＝８．８×１０4ｅｒｇ／ｃｃ、Ｍｓ＝１２６ｅｍｕ
／ｃｃで、平面が正方形の垂直磁化膜について、その幅
Ｗ（＝長さ）と反転磁界の関係を示したものである。微
細化とともに反転磁界が増大し、０．１μｍ×０．１μ
ｍでは、６７２Ｏｅに達している。反転磁界が増大する
ことは、書き込み線の消費電流が増大するとともに、限
界電流密度に達すると、書き込みができなくなるといっ
た問題が発生する。
【００８０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁性薄膜
素子は、そのサイズがサブミクロン程度に小さくなって
も反転磁界の増大が抑えられ、熱的に安定に磁化情報が
保存できる、より高い集積度のメモリが実現できるとい
う効果がある。
素子は、そのサイズがサブミクロン程度に小さくなって
も反転磁界の増大が抑えられ、熱的に安定に磁化情報が
保存できる、より高い集積度のメモリが実現できるとい
う効果がある。
【図１】磁性膜のサイズと反磁界の大きさを４πＭｓ2
を１として規格化したファクターｆとの関係を示す図で
ある。
を１として規格化したファクターｆとの関係を示す図で
ある。
【図２】ファクターｆと磁性膜の膜厚Ｔ、幅Ｗとの比と
の関係を示した図である。
の関係を示した図である。
【図３】比較例における垂直磁化膜の反転磁界と磁性膜
の幅の関係を示した図である。
の幅の関係を示した図である。
【図４】Ｇｄx（Ｆｅ100-yＣｏy）100-x膜における組成
と飽和磁化Ｍｓとの関係を示した図である。
と飽和磁化Ｍｓとの関係を示した図である。
【図５】本発明における反転磁界と磁性膜の幅の関係を
示した図である。
示した図である。
【図６】比較例における面内磁化膜の反転磁界と磁性膜
の幅の関係を示した図である。
の幅の関係を示した図である。
【図７】本発明に基づく磁気メモリで使用される磁気抵
抗素子の一例を示す模式断面図である。
抗素子の一例を示す模式断面図である。
【図８】本発明に基づく磁気メモリで使用される磁気抵
抗素子の別の例を示す模式断面図である。
抗素子の別の例を示す模式断面図である。
１０ 非磁性層
１１ 第１磁性層
１２ 第２磁性層
１３ 第３磁性層
１４ 第４磁性層
【手続補正書】
【提出日】平成１４年１２月１８日（２００２．１２．
１８）
１８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 垂直磁化膜を用いた磁気メモリ及び
その製造方法
その製造方法
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【数１】
ここで、Ｋｕ，Ｍｓは、各々、該第１磁性層の垂直磁気
異方性定数、飽和磁化であり、ｆは、該第１磁性層の膜
厚をＴ、幅と長さをＷとすると、式（２）で表されるフ
ァクターである。
異方性定数、飽和磁化であり、ｆは、該第１磁性層の膜
厚をＴ、幅と長さをＷとすると、式（２）で表されるフ
ァクターである。
【数２】
【数３】
Ｑの値が１００以上であることを特徴とする磁気メモ
リ。
リ。
【数４】
ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔａは温度、Ｔは膜厚、
Ｗは幅である。
Ｗは幅である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】すなわち本発明の磁性薄膜素子及びその製
造方法は、以下の［１］〜［２１］のいずれかによって
規定されるものである。
造方法は、以下の［１］〜［２１］のいずれかによって
規定されるものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３４】［１７］垂直磁化膜からなる第１磁性層と
絶縁層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてな
り、第２磁性層の反転磁界が、第１磁性層の反転磁界よ
り小さく、第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁化方
向の相対角度によって、第１磁性層と第２磁性層間に電
流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を有する磁
気メモリの製造方法であって、磁気抵抗素子が微細化す
るに伴って少なくとも第１磁性層の飽和磁化が大きく設
定されることを特徴とする磁気メモリの製造方法。
絶縁層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてな
り、第２磁性層の反転磁界が、第１磁性層の反転磁界よ
り小さく、第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁化方
向の相対角度によって、第１磁性層と第２磁性層間に電
流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を有する磁
気メモリの製造方法であって、磁気抵抗素子が微細化す
るに伴って少なくとも第１磁性層の飽和磁化が大きく設
定されることを特徴とする磁気メモリの製造方法。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３５】［１８］前記記載の磁気メモリの製造方法
であって、第１磁性層が希土類元素と鉄族元素との合金
からなるフェリ磁性膜であって、第１磁性層が、微細化
するに伴って、希土類元素副格子磁化優勢の組成の場合
には希土類元素の添加割合を増やし、鉄族元素副格子磁
化優勢の組成の場合には鉄族元素の添加割合を増やすこ
とで、飽和磁化を大きく設定することを特徴とする磁気
メモリの製造方法。
であって、第１磁性層が希土類元素と鉄族元素との合金
からなるフェリ磁性膜であって、第１磁性層が、微細化
するに伴って、希土類元素副格子磁化優勢の組成の場合
には希土類元素の添加割合を増やし、鉄族元素副格子磁
化優勢の組成の場合には鉄族元素の添加割合を増やすこ
とで、飽和磁化を大きく設定することを特徴とする磁気
メモリの製造方法。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３６】［１９］垂直磁化膜からなる第１磁性層と
絶縁層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてな
り、第２磁性層の反転磁界が、第１磁性層の反転磁界よ
り小さく、第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁化方
向の相対角度によって、第１磁性層と第２磁性層間に電
流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を有する磁
気メモリの製造方法であって、磁気抵抗素子が微細化す
るに伴って少なくとも第１磁性層の垂直異方性定数が小
さく設定されることを特徴とする磁気メモリの製造方
法。
絶縁層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてな
り、第２磁性層の反転磁界が、第１磁性層の反転磁界よ
り小さく、第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁化方
向の相対角度によって、第１磁性層と第２磁性層間に電
流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を有する磁
気メモリの製造方法であって、磁気抵抗素子が微細化す
るに伴って少なくとも第１磁性層の垂直異方性定数が小
さく設定されることを特徴とする磁気メモリの製造方
法。
Claims (21)
- 【請求項１】 垂直磁化膜からなる第１磁性層と非磁性
層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてなり、
該第２磁性層の反転磁界が、該第１磁性層の反転磁界よ
り小さく、該第１磁性層の磁化方向と該第２磁性層の磁
化方向の相対角度によって、該第１磁性層と該第２磁性
層間に電流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子
と、該磁気抵抗素子の該第１磁性層の磁化方向を反転さ
せるために設けられた磁界発生機構と、を有した磁気メ
モリにおいて、 以下の式（１）であらわされる該第１磁性層の反転磁界
Ｈｃが、該磁界発生機構から発生する磁界よりも小さく
なるように設定されることを特徴とする磁気メモリ。 【数１】 ここで、Ｋｕ，Ｍｓは、各々、該第１磁性層の垂直磁気
異方性定数、飽和磁化であり、ｆは、該第１磁性層の膜
厚をＴ、幅と長さをＷとすると、式（２）で表されるフ
ァクターである。 【数２】 - 【請求項２】 前記磁界発生機構が、前記磁気抵抗素子
の近傍に配置された書込み線と該書込み線に電流を流す
ための電流源から構成されることを特徴とする請求項１
に記載の磁気メモリ。 - 【請求項３】 前記書込み線が、ＡｌもしくはＣｕもし
くはＡｌＣｕを主成分とすることを特徴とする請求項２
記載の磁気メモリ。 - 【請求項４】 前記磁気抵抗素子の上面にビット線が設
けられ、 該ビット線と、該ビット線に電流を流すための電流源
と、前記磁気抵抗素子の近傍に配置され該ビット線と直
交する方向に配置された書込み線と、該書込み線に電流
を流すための電流源とから、前記磁界発生機構が構成さ
れ、 該ビット線と該書込み線とによって、マトリックス状に
構成された複数の磁気抵抗素子のうち特定の磁気抵抗素
子のみを書き換えることを特徴とする請求項１に記載の
磁気メモリ。 - 【請求項５】 前記非磁性層が絶縁層であり、スピント
ンネル効果によって磁気抵抗効果が発生することを特徴
とする請求項１に記載の磁気メモリ。 - 【請求項６】 前記第１の磁性層の反転磁界Ｈｃが５０
０Ｏｅ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁
気メモリ。 - 【請求項７】 少なくとも前記第１磁性層が希土類元素
と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性体から構成され
ることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。 - 【請求項８】 前記第１磁性層と前記第２磁性層とが希
土類元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜から
構成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモ
リ。 - 【請求項９】 前記第１磁性層と前記非磁性層との間に
第３磁性層、前記第２磁性層と前記非磁性層との間に第
４磁性層が設けられ、該第１磁性層と該第３磁性層、及
び、該第２磁性層と該第４磁性層とは磁気的に結合して
おり、該第３磁性層、該第４磁性層が該第１磁性層、該
第２磁性層よりもスピン分極率が大きい材料であること
を特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。 - 【請求項１０】 前記第１磁性層及び第２磁性層が、Ｇ
ｄ，Ｔｂ，Ｄｙから少なくとも１種の希土類元素とＦ
ｅ，Ｃｏの少なくとも１種の元素との合金からなること
を特徴とする請求項５記載の磁気メモリ。 - 【請求項１１】 前記第３磁性層及び第４磁性層が、Ｆ
ｅ，Ｃｏの少なくとも１種の元素との合金からなること
を特徴とする請求項６記載の磁気メモリ。 - 【請求項１２】 前記第１磁性層の飽和磁化が、微細化
するに伴って大きく設定されることを特徴とする請求項
１記載の磁気メモリ。 - 【請求項１３】 垂直磁化膜からなる第１磁性層と絶縁
層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてなり、
該第２磁性層の反転磁界が、該第１磁性層の反転磁界Ｈ
ｃより小さく、該第１磁性層の磁化方向と該第２磁性層
の磁化方向の相対角度によって、該第１磁性層と該第２
磁性層間に電流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素
子を有する磁気メモリであって、 Ｍｓ，Ｋｕを該第１磁性層の飽和磁化、垂直異方性定数
とし、ｆが式（４）で表されるとして、式（３）で表さ
れる 【数３】 Ｑの値が１００以上であることを特徴とする磁気メモ
リ。 【数４】 ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔａは温度、Ｔは膜厚、
Ｗは幅である。 - 【請求項１４】 前記第１の磁性層の反転磁界Ｈｃが２
００Ｏｅ以下であることを特徴とする請求項１３に記載
の磁気メモリ。 - 【請求項１５】 前記第１の磁性層の反転磁界Ｈｃが１
００Ｏｅ以下であることを特徴とする請求項１４に記載
の磁気メモリ。 - 【請求項１６】 前記第１の磁性層の反転磁界Ｈｃが１
０Ｏｅ以上であることを特徴とする請求項１乃至１５の
いずれか１項に記載の磁気メモリ。 - 【請求項１７】 垂直磁化膜からなる第１磁性層と絶縁
層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてなり、
該第２磁性層の反転磁界が、該第１磁性層の反転磁界よ
り小さく、該第１磁性層の磁化方向と該第２磁性層の磁
化方向の相対角度によって、該第１磁性層と該第２磁性
層間に電流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を
有する磁気メモリであって、 少なくとも、該第１磁性層が、微細化するに伴って飽和
磁化が大きく設定されることを特徴とする磁気メモリ。 - 【請求項１８】 前記第１磁性層が希土類元素と鉄族元
素との合金からなるフェリ磁性膜であって、前記第１磁
性層が、微細化するに伴って、希土類元素副格子磁化優
勢の組成の場合には希土類元素の添加割合を増やし、鉄
族元素副格子磁化優勢の組成の場合には鉄族元素の添加
割合を増やすことで、飽和磁化を大きく設定することを
特徴とする請求項１７に記載の磁気メモリ。 - 【請求項１９】 垂直磁化膜からなる第１磁性層と絶縁
層と垂直磁化膜からなる第２磁性層が積層されてなり、
該第２磁性層の反転磁界が、該第１磁性層の反転磁界よ
り小さく、該第１磁性層の磁化方向と該第２磁性層の磁
化方向の相対角度によって、該第１磁性層と該第２磁性
層間に電流を流した時の抵抗値が異なる磁気抵抗素子を
有する磁気メモリであって、 少なくとも、該第１磁性層が、微細化するに伴って垂直
異方性定数が小さく設定されることを特徴とする磁気メ
モリ。 - 【請求項２０】 前記第２磁性層の磁化方向をあらかじ
め膜面垂直の上もしくは下のどちらかの一方向に初期化
したピン層とし、前記第１磁性層の磁化が膜面垂直の上
もしくは下のどちらかの方向かで情報を記録し、前記磁
気抵抗素子の前記第１磁性層と前記第２磁性層間に膜面
垂直方向に電流を流して、前記第１磁性層の磁化方向に
よる抵抗値の大小によって、記録された情報を読み出す
ことを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか１項に記
載の磁気メモリ。 - 【請求項２１】 前記第１磁性層の特性上の要件を前記
第２磁性層にも適用し、前記第２磁性層に情報を記録
し、読み出し時に前記第１磁性層のみの磁化を反転させ
て、その際に生じる抵抗変化を検出して情報を再生する
差動検出型の構成としたことを特徴とする請求項１乃至
２０のいずれか１項に記載の磁気メモリ。
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