JP3298767B2 - 磁性薄膜メモリ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁性層の磁化方向によ
って情報を記録する磁性薄膜メモリに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、磁気抵抗効果を応用した薄膜磁気
ヘッド、磁性薄膜メモリを初めとした素子の開発が進め
られている。従来、磁気抵抗効果材料としては異方性磁
気抵抗（ＡＭＲ）効果を応用したＮｉＦｅ（パーマロ
イ）などが代表的であった。ＡＭＲとは磁性体の磁化と
センス電流の相対角度に依存してその電気抵抗が変化す
る現象であり、その抵抗変化率はパーマロイで３％程度
であった。

【０００３】これに対して磁性層と非磁性層を交互に積
層した人工格子膜は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果と呼ば
れる大きな磁気抵抗変化を示すことが知られ、基礎、応
用の両面から盛んに研究されている。ＧＭＲ効果はＡＭ
Ｒ効果とは異なり、その抵抗変化率が、磁化と電流の相
対角度ではなく、非磁性層を介して積層された２つの磁
性層の磁化の相対角度に依存する。

【０００４】特にスピンバルブと呼ばれる構造を有する
ＧＭＲ材料は、その動作磁場が小さく、しかもＡＭＲ材
料よりも大きな抵抗変化率を示すので、応用上注目され
ている。スピンバルブは、基本的には非磁性層を介して
積層されて２つの磁性層からなる３層構造をとってい
る。ここで、一方の磁性層の磁化方向は固定されており
（ピンニング層）、他方の磁性層の磁化方向は、比較的
弱い外部磁界により自由に動くことができる。又、両磁
性層の磁化容易軸は平行で、両磁性層の磁化方向は、外
部磁界により同一方向又は逆方向することができ、その
結果、抵抗値が変化する。

【０００５】例えば、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ， ４３，
ｐ１２９７，（１９９１）には、磁性層ＮｉＦｅ／非
磁性層Ｃｕ／磁性層ＮｉＦｅ／反強磁性層ＦｅＭｎを積
層した素子の例が示されている。ここで、反強磁性層Ｆ
ｅＭｎと接して積層されたＮｉＦｅ磁性層（ピンニング
層）はＦｅＭｎとの交換結合力によってその磁化の向き
が固定されている。一方、もう一つのＮｉＦｅ磁性層
（フリー層）は外部磁場によって自由にその磁化の向き
を変えることができ、その結果、ＧＭＲ効果を示す。

【０００６】又、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，
３３，Ｌ１６６８，（１９９４）には非磁性層Ｃｕを介
して保磁力の大きなＣｏＰｔ（ハード層）と保磁力の小
さなＮｉＦｅＣｏ（ソフト層）を積層した例が示されて
いる。ここで、ソフト層の磁化方向は、比較的弱い外部
磁界で、自由に動かすことができ、その結果、ＧＭＲ効
果が得られる。このような保磁力差を用いるタイプのＧ
ＭＲは、上述の反強磁性層を用いるスピンバルブと区別
して、弱結合型と呼ばれる。

【０００７】ところで、これら磁気抵抗効果を応用した
磁性薄膜メモリについて、いくつかの提案がなされてい
る。

【０００８】例えば、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａ
ｇ．，２６， ｐ２８２８，（１９９０）には、図４に
示されるような構成を有するＡＭＲ磁気メモリが提案さ
れている。このＡＭＲ磁気メモリは、２種類の磁性層７
１と磁性層７３を非磁性層７２を介して積層したサンド
イッチ膜を用いており、サンドイッチ膜には記録再生時
にデジット電流７５が流され、その上にはこれと直行す
る方向にワード電流７７が流されるようになっている。
このデジット電流７５とワード電流７７によって発生す
る磁界７６、磁界７８によって記録再生が行われる。

【０００９】まず、記録時には、ワード電流７７とデジ
ット電流７５を流し、このときのデジット電流の方向に
よって電流を切った後の定常状態に於ける２つの磁性層
の磁化方向が変化し、この２つの磁性層の磁化方向に情
報の「０」と「１」を対応させている。

【００１０】一方、再生時には、ワード線７４に記録時
よりも弱い電流を流し、同時にデジット線７３にも検出
電流を流す。このとき記録された情報（「０」又は
「１」）によって、２つの磁性層の磁化方向が異なるた
め、ＡＭＲ効果により抵抗値に差異が生じ、この抵抗値
の差異を検出することにより、記録されている情報が
「０」であるか、又は「１」であるかを判別することが
できる。

【００１１】又、ＧＭＲを利用した磁性薄膜メモリとし
ては、ＵＳＰ５，３４３，４２２に磁性層／非磁性層／
磁性層／反強磁性層のスピンバルブ型構造をとるものが
例示されている。図５（ａ）はスピンバルブ型のＭＲ磁
性膜を用いた磁性薄膜メモリの断面説明図である。同図
に於いては、基板５上にＭＲ磁性膜１、読み出し線２が
順次積層されており、その上に絶縁層３を介して、読み
出し線２と直交する方向に書き込み線４が設けられてい
る。

【００１２】又、図５（ｂ）は、この磁性薄膜メモリの
ＭＲ磁性膜を構成する各層を示した断面図である。同図
に於いては、基板５上にＮｉＦｅからなる第２磁性層
（フリー層）１４、Ｃｕからなる非磁性層１３、ＮｉＦ
ｅからなる第１磁性層（ピンニング層）１２、ＦｅＭｎ
からなる反強磁性層１１が順次積層されている。

【００１３】次に、このスピンバルブ型のＭＲ磁性膜を
用いた磁性薄膜メモリに情報を記録する方法を説明す
る。

【００１４】図６（ａ）、（ｂ）は、スピンバルブ型の
磁性薄膜メモリ素子に情報を記録する場合（フリー層に
記録する場合）を示し、２１は書き込み線で、３１はピ
ンニング層に対応する第１磁性層で、３２は非磁性層
で、３３はフリー層に対応する第２磁性層である。ここ
で、第１磁性層３１と第２磁性層３３の磁化容易軸は平
行で、これらの磁化容易軸は書き込み線２１と直交する
方向に設定されている。又、２２、２３は、書き込み線
２１を流れる書き込み電流によって発生する磁界であ
り、その磁界の方向は、書き込み線２１を流れる書き込
み電流の方向によって決まる。かかる書き込み電流によ
って発生する、磁界２２又は磁界２３によって、フリー
層に対応する第２磁性層３３の磁化方向が印加磁界の方
向設定され、その磁化方向に２値の「０」、「１」を対
応させることによって、情報を記録している 図６（ａ）に於いては、書き込み線２１を流れる書き込
み電流によって発生した磁界（紙面上で時計回りの磁
界）２２で、第２磁性層３３を、第１磁性層３１の磁化
方向と逆の方向（紙面上で左方向）に磁化させている。
一方、（ｂ）に於いては、書き込み線２１を流れる書き
込み電流によって発生した磁界（紙面上で反時計回りの
磁界）２３で、第２磁性層３３を、第１磁性層３１の磁
化方向と同一の方向（紙面上で右方向）に磁化させてい
る。尚、書き込み線２１を流れる書き込み電流によって
発生する磁界（以下、記録磁界という）が、ピンニング
層に対応する第１磁性層３１が磁化反転を起こす磁界よ
り大きい場合、記録磁界を印加したときには、第１磁性
層３１も記録磁界の方向に磁化されるが、記録磁界を取
り除けば、記録磁界を印加する前の状態に戻る。

【００１５】次に、上述のようにして記録された情報を
再生する場合について、図６（ｃ）（ｄ）を用いて説明
する。尚、図６（ｃ）は、同図（ａ）に示した磁界２２
で記録された情報を再生する場合を示し、図６（ｄ）
は、同図（ｂ）に示した磁界２３で記録された情報を再
生する場合を示す。

【００１６】上記磁界２２又は磁界２３により記録され
た情報を再生する場合には、読み出し線２５に読み出し
電流を流しながら、書き込み線２１にパルス電流（以
下、再生電流という）を一定の方向に流す。ここで、書
き込み線２１に流れる再生電流によって発生する磁界２
４は、第２磁性層３３の保磁力より大きいが、第１磁性
層３１の磁化方向を反転させない。

【００１７】図６（ｃ）の場合、情報を記録したときの
磁界２２と再生電流によって発生した磁界２４が、逆方
向になるため、再生電流を流したときに、第２磁性層３
３の磁化方向が反転し、磁性薄膜メモリ素子であるＭＲ
磁性膜の抵抗値が小さくなる。その結果、読み出し電流
が流れている読み出し線２５の出力側に電圧変化（電圧
の上昇）が生じる。一方、（ｄ）の場合、情報を記録し
たときの磁界２３と再生電流によって発生した磁界２４
が、同一方向なので、再生電流を流したときに、第２磁
性層３３の磁化方向が反転せず、磁性薄膜メモリ素子で
あるＭＲ磁性膜の抵抗値も変化しない。従って、読み出
し電流が流れている読み出し線２５の出力側にも電圧変
化が生じない。

【００１８】つまり、再生電流を流したときに、電圧変
化が生じるか否かによって、磁化方向に対応させた情報
である「０」と「１」を判別することができる。尚、電
圧変化が生じた場合には、第２磁性層３３の磁化方向
が、再生前と逆の方向になるため、再生時に記録されて
いた情報が破壊される。

【００１９】又、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｐ
ａｒｔ２， ３４， Ｌ４１５，（１９９５）には、ハ
ード層／非磁性層／ソフト層の弱結合型構造を用いたメ
モリ素子の例が示されている。この弱結合型では、情報
を記録するときに、書き込み線を流れる電流によって発
生した磁界により、ハード層を磁界の方向に磁化させ、
ハード層の磁化方向に「０」と「１」を対応させて情報
を記録する。そして、再生時は、読み出し線に一定の電
流を流しながら、書き込み線に極性が変化する（流れる
方向が変化する）パルス電流を流し、この電流によって
発生した磁界により、ソフト層の磁化方向だけが、磁界
の変化に従って変化する（このときハード層の磁化方向
は変化しない）。このとき、ハード層の磁化方向によっ
て素子の抵抗値は低抵抗から高抵抗又は高抵抗から低抵
抗へと変化し、この２つの変化の仕方により「０」と
「１」を対応させた第２磁性層の磁化方向を判別してい
る。尚、情報を記録しているハード層の磁化方向は、再
生時に変化しないため、記録されている情報を非破壊で
再生することができる。

【００２０】又、特開平６−３０２１８４号公報には、
２種類以上の保磁力の異なった磁性層を、非磁性層を介
して交互に積層し、これらの磁性層が互いに交換結合さ
せた弱結合型のＭＲ磁性膜を用いた磁性薄膜メモリが示
されている。この弱結合型のＭＲ磁性膜は、図５（ｃ）
に示したように、非磁性層１５、保磁力の大きな磁性層
（ハード層）１６、非磁性層１７、保磁力の小さな磁性
層（ソフト層）１８の順番で積層された１周期の多層膜
が、複数周期積み重ねられている。このＭＲ磁性膜を用
いた磁性薄膜メモリに於いては、記録時には、ハード層
とソフト層は共に記録磁界の方向に磁化されるが、再生
時にはソフト層だけが再生磁界の方向に磁化され、再生
後に、ソフト層の磁化方向は、ハード層からの交換結合
力によって、ハード層の磁化方向と同一の方向に戻るよ
うになっている。従って、再生時に読み出し線の出力側
に生じる電圧変化（再生時にソフト層が磁化反転を起こ
したときの電圧変化）は負のパルスになる。又、再生時
に、記録されている情報が破壊されない。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ようなＭＲ磁性膜を用いた磁性薄膜メモリは、図７
（ａ）の平面図と（ｂ）のＡＡ’断面図に示したよう
に、全く同じＭＲ磁性膜からなる磁性薄膜メモリ単位素
子をマトリックス状に配列し（書き込み線５１、５２、
５３と書き込み補助線６１、６２、６３が直交する部分
に、マトリックス状に配列する）構成される。そして、
書き込み線５１、５２、５３と直交する方向に並べられ
たメモリ素子は、直列に接続される（読み出し線２を形
成する）ため、これら直列に接続されたメモリ素子（同
一の読み出し線に接続されたメモリ素子）に記録されて
いる情報を同時に再生することができない。

【００２２】例えば、図７（ｂ）のＡＡ’断面に示した
部分の磁性薄膜メモリ素子４１、４２、４３は、同一の
読み出し線２に直列に接続されているため、書き込み線
５１、５２、５３に同時に再生電流を流した場合、読み
出し線２の出力側に生じる電圧変化は、いずれのメモリ
素子によるものか判別できない。従って、磁性薄膜メモ
リ素子４１、４２、４３に記録されている情報を同時に
再生することができない。

【００２３】そこで、本発明は、同一の読み出し線に接
続された複数の磁性薄膜メモリ素子に記録されている情
報を、同時に２素子以上再生することができ、メモリの
高速化に好適な磁性薄膜メモリ素子を提供することを目
的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段及び作用】請求項１記載の
磁性薄膜メモリは、磁気抵抗効果を示す磁性薄膜に情報
を記憶する磁性薄膜メモリに於いて、再生出力電圧の異
なる２種類以上の前記磁性薄膜からなる単位素子が同一
の読み出し線上に電気的に直列に接続されたことを特徴
とするものである。

【００２５】請求項２記載の磁性薄膜メモリは、請求項
１記載の磁性薄膜メモリに於いて、直列に接続されたｎ
種類（但し、ｎは２以上の整数）の磁性薄膜の再生出力
電圧ｖ（ｋ）（但し、ｋは２以上ｎ以下の整数）が、 ｖ（ｋ）＝２×ｖ（ｋ−１） を満たすことを特徴とするものである。

【００２６】請求項３記載の磁性薄膜メモリは、請求項
１記載の磁性薄膜メモリに於いて、磁気抵抗変化率がほ
ぼ同一であり、電気抵抗が異なる磁性薄膜を用いたこと
を特徴とするものである。

【００２７】請求項４記載の磁性薄膜メモリは、請求項
１乃至請求項３記載の磁性薄膜メモリに於いて、磁性薄
膜メモリを構成する磁性薄膜が、スピンバルブ型の多層
膜であることを特徴とするものである。

【００２８】請求項５記載の磁性薄膜メモリは、請求項
１乃至請求項３記載の磁性薄膜メモリに於いて、磁性薄
膜メモリを構成する磁性薄膜が、保磁力の異なる２種類
以上の磁性層を有し、該磁性層の磁化方向の相対関係に
より抵抗値が変化する磁性薄膜を用いた弱結合型の多層
膜であることを特徴とするものである。

【００２９】本発明にかかる磁性薄膜メモリは上述のよ
うな構成により、同一の読み出し線に接続された複数の
メモリ単位素子に記録された情報を、同時に２素子以上
再生することができる。

【００３０】

【実施例】

（本発明にかかる再生方法）以下、本発明にかかる磁性
薄膜メモリに於いて、同一の読み出し線に接続された磁
性薄膜メモリ素子（直列に接続された磁性薄膜メモリ素
子）の２以上の素子に記録された情報を、同時に再生す
る方法について説明する。

【００３１】図１は、マトリックス状に配列された磁性
薄膜メモリ素子Ｍ［k,n］（ｋ＝０〜３、ｎ＝０〜３）
を示し、磁性薄膜メモリ素子Ｍ［0,n］（ｎ＝０〜３）
は、読み出し線Ｌ０により直列に接続され、磁性薄膜メ
モリ素子Ｍ［1,n］（ｎ＝０〜３）は、読み出し線Ｌ１
により直列に接続され、磁性薄膜メモリ素子Ｍ［2,n］
（ｎ＝０〜３）は、読み出し線Ｌ２により直列に接続さ
れ、磁性薄膜メモリ素子Ｍ［3,n］（ｎ＝０〜３）は、
読み出し線Ｌ３により直列に接続されている。又、磁性
薄膜メモリ素子Ｍ［k,0］（ｋ＝０〜３）に、記録磁界
及び再生磁界を印加するために書き込み線Ｌａが、磁性
薄膜メモリ素子Ｍ［k,1］（ｋ＝０〜３）に、記録磁界
及び再生磁界を印加するために書き込み線Ｌｂが、磁性
薄膜メモリ素子Ｍ［k,2］（ｋ＝０〜３）に、記録磁界
及び再生磁界を印加するために書き込み線Ｌｃが、磁性
薄膜メモリ素子Ｍ［k,3］（ｋ＝０〜３）に、記録磁界
及び再生磁界を印加するために書き込み線Ｌｄが、それ
ぞれ設けられている。

【００３２】ここで、磁性薄膜メモリ素子Ｍ［0,n］
（ｎ＝０〜３）のいずれかのメモリ素子に於いて抵抗値
の変化が生じた場合は、その素子に於ける電圧降下が変
化し、読み出し線Ｌ１の出力側に電圧変化が生じる。
又、磁性薄膜メモリ素子Ｍ［0,n］（ｎ＝０〜３）のう
ちの複数のメモリ素子に抵抗値の変化が生じた場合は、
読み出し線Ｌ０の出力側には、それらを合計した抵抗値
の変化量に応じた電圧変化が生じる。

【００３３】尚、磁性薄膜メモリ素子Ｍ［1,n］（ｎ＝
０〜３）が接続された読み出し線Ｌ１、磁性薄膜メモリ
素子Ｍ［2,n］（ｎ＝０〜３）が接続された読み出し線
Ｌ２、磁性薄膜メモリ素子Ｍ［3,n］（ｎ＝０〜３）が
接続された読み出し線Ｌ３についても同様に、それぞれ
の読み出し線に接続されたメモリ素子に於ける抵抗値の
変化を合計した変化量に応じた電圧変化が生じる。

【００３４】従って、書き込み線Ｌａ、書き込み線Ｌ
ｂ、書き込み線Ｌｃ及び書き込み線Ｌｄに、同時に再生
電流を流した場合、磁性薄膜メモリ素子Ｍ［k,n］（ｋ
＝０〜３、ｎ＝０〜３）に於ける抵抗変化をΔＲ［k,
n］（ｋ＝０〜３、ｎ＝０〜３）とすれば、読み出し線
Ｌ０に生じる電圧変化Ｖ０、読み出し線Ｌ１に生じる電
圧変化Ｖ１、読み出し線Ｌ２に生じる電圧変化Ｖ２及び
読み出し線Ｌ３に生じる電圧変化Ｖ３は、次式で与えら
れる。尚、読み出し線を流れる電流をＩｓとした。

【００３５】 Ｖ０＝（ΔＲ［0,0］＋ΔＲ［0,1］＋ΔＲ［0,2］＋ΔＲ［0,3］）×Ｉｓ ・・・（１） Ｖ１＝（ΔＲ［1,0］＋ΔＲ［1,1］＋ΔＲ［1,2］＋ΔＲ［1,3］）×Ｉｓ ・・・（２） Ｖ２＝（ΔＲ［2,0］＋ΔＲ［2,1］＋ΔＲ［2,2］＋ΔＲ［2,3］）×Ｉｓ ・・・（３） Ｖ３＝（ΔＲ［3,0］＋ΔＲ［3,1］＋ΔＲ［3,2］＋ΔＲ［3,3］）×Ｉｓ ・・・（４） 本発明の磁性薄膜メモリ素子に於いては、各メモリ素子
に於ける低抵抗状態と高抵抗状態に於ける抵抗値の差で
ある抵抗変化量に差異を設け、状態変化（低抵抗状態か
ら高抵抗状態への変化、又は高抵抗状態から低抵抗状態
への変化）を起こしたメモリ素子の組合せに応じて、読
み出し線に生じる電圧変化を異ならせている。

【００３６】例えば、磁性薄膜メモリ素子Ｍ［k,0］
（ｋ＝０〜３）に於いて状態変化が起こったとき（メモ
リ素子に「１」が記録されたいる場合にだけ、状態変化
が起こるとすれば「０」が記録されたいる場合には、状
態変化が起こらない）の各単位素子の再生出力電圧をｖ
（ｋ、０）とする。このとき再生出力電圧ｖ（ｋ、０）
は読み出し電流Ｉｓと磁気抵抗変化量Δｒの積に対応す
るとする。すなわち、ｖ（ｋ、０）＝Ｉｓ・Δｒとあら
わされる。また、磁性薄膜メモリ素子Ｍ［k,1］（ｋ＝
０〜３）に於いて状態変化が起こったときの再生出力電
圧ｖ（ｋ、１）はｖ（ｋ、１）＝２×ｖ（ｋ、０）＝２
×Ｉｓ・Δｒであらわされる。さらにＭ［k,２］、Ｍ
［k,２］（ｋ＝０〜３）に於いて状態変化が起こったと
きの再生出力電圧ｖ（ｋ、２）、ｖ（ｋ、２）はそれぞ
れｖ（ｋ、２）＝２×ｖ（ｋ、１）＝４×Ｉｓ・Δｒ
で、ｖ（ｋ、３）＝２×ｖ（ｋ、２）＝８×Ｉｓ・Δｒ
でであらわされる。

【００３７】従って、例えばＭ［0,1］、Ｍ［0,2］、Ｍ
［0,3］、Ｍ［0,4］に記録されている情報が（１、１、
０、０）であれば、式１より、Ｖ０は次式で与えられ
る。

【００３８】Ｖ０＝（Δｒ＋Δｒ×２＋０＋０）Ｉｓ＝
Ｉｓ・Δｒ×３ 又、記録されている情報が（１、０、１、０）であれ
ば、式１より、Ｖ０は次式で与えられる。

【００３９】Ｖ０＝（Δｒ＋０＋Δｒ×４＋０）Ｉｓ＝
Ｉｓ・Δｒ×５ 又、記録されている情報が（１、０、１、０）であれ
ば、式１より、Ｖ０は次式で与えられる。

【００４０】Ｖ０＝（Δｒ＋０＋０＋Δｒ×８）Ｉｓ＝
Ｉｓ・Δｒ×９ つまり、Ｍ［0,1］、Ｍ［0,2］、Ｍ［0,3］、Ｍ［0,4］
に記録されている情報に応じて、読み出し線Ｌ０に生じ
る電圧変化Ｖ０は、０からＩｓ・Δｒ×１５までの１６
レベルで変化する。

【００４１】このため、書き込み線Ｌａ、書き込み線Ｌ
ｂ、書き込み線Ｌｃ及び書き込み線Ｌｄに、同時に再生
電流を流した場合、読み出し線Ｌ０に生じる電圧変化Ｖ
０は、表１に示したようになる。

【００４２】

【表１】

【００４３】尚、本発明は、磁気抵抗効果を示す磁性薄
膜に情報を記憶する磁性薄膜メモリ、特に磁性薄膜がス
ピンバルブ型の多層膜を構成する磁性薄膜メモリ、又
は、保磁力の異なる２種類以上の磁性層を有し、磁性層
の磁化方向の相対関係により抵抗値が変化する弱結合型
の多層膜を構成する磁性薄膜メモリに於いて実施するこ
とができる。

【００４４】上記スピンバルブ型の磁性薄膜メモリ素子
では、ピンニング層の磁化方向が一定方向に揃えられて
いて、フリー層の磁化方向として情報ｂを記録する。そ
して、フリー層の磁化方向が、ピンニング層の磁化方向
と同一の場合は、低抵抗状態になり、逆の場合は、高抵
抗状態になる。従って、ピンニング層の磁化方向と再生
磁界の方向が同一の場合、磁性薄膜メモリ素子に再生磁
界を印加したときの抵抗値の変化は、無変化又は高抵抗
から低抵抗への変化になる。一方、ピンニング層の磁化
方向と再生磁界の方向が逆の場合、磁性薄膜メモリ素子
に再生磁界を印加したときの抵抗値の変化は、無変化又
は低抵抗から高抵抗への変化になる。尚、スピンバルブ
型の磁性薄膜メモリ素子では、再生磁界を印加したとき
のフリー層の磁化方向が、再生磁界を取り除いた後も維
持されるため、読み出し線に生じる電圧変化の波形は、
ピンニング層の磁化方向と再生磁界の方向が同一の場
合、図２（ａ）に示したよに電圧値が降下し、ピンニン
グ層の磁化方向と再生磁界の方向が逆の場合、（ｂ）に
示したよに電圧値が上昇する。

【００４５】又、複数のハード層とソフト層を非磁性層
を介して交互に積層した弱結合型の磁性薄膜メモリ素子
のようにハード層の磁化方向として情報を記録し、記録
磁界や再生磁界を印加していないときは、ソフト層の磁
化方向が、常にハード層の磁化方向と同一方向になるメ
モリ素子を用いた磁性薄膜メモリの場合、再生磁界を印
加し、ソフト層が磁化反転を起こしたときだけ、高抵抗
状態になり、その後、再生磁界を取り除くと低抵抗状態
に戻る。従って、読み出し線に生じる電圧変化の波形
は、図３に示したような負のパルス信号なる。

【００４６】尚、図２のスピンバルブ型及び図３の複数
のハード層とソフト層を非磁性層を介して交互に積層し
た弱結合型の磁性薄膜メモリ素子のいずれについても、
再生磁界を印加したときの電圧変化Ｖｎを検出すること
により、同一の読み出し線に接続された複数のメモリ素
子に記録された情報を同時に再生することができる。

【００４７】（本発明にかかる磁性薄膜メモリ素子の形
成方法）本発明にかかる磁性薄膜メモリを構成するメモ
リ素子、つまり、異なる抵抗値変化量のメモリ素子を形
成する方法について説明する。

【００４８】まず、スピンバルブ型の磁性薄膜メモリ素
子を形成するの場合について説明する。

【００４９】本実施例では、結晶化ガラス基板（コーニ
ング社製フォトセラム）を用い、磁性薄膜メモリ素子と
なるＭＲ磁性膜をイオンビームスパッタ法により成膜し
た。ここでは、２×10^-7Torrまで真空引きを行ったの
ち、基板を間接水冷し、回転させながら、0.3 Ａ／ｓｅ
ｃの成膜速度で［Ｔａ（５０）／８１Ｎｉ１９Ｆｅ（７
０）／Ｃｕ（４０）／８１Ｎｉ１９Ｆｅ（７０）／Ｆｅ
Ｍｎ（１５０）／Ｔａ（５０）］のＭＲ磁性膜を作製し
た。尚、上記［Ｔａ（５０）／８１Ｎｉ１９Ｆｅ（７
０）／Ｃｕ（４０）／８１Ｎｉ１９Ｆｅ（７０）／Ｆｅ
Ｍｎ（１５０）／Ｔａ（５０）］に於いて、（）内の数
字は各層の層厚（単位はＡ）を示す。従って、上記ＭＲ
磁性膜は、層厚５０ＡのＴａからなる下地層、層厚７０
Ａで、８１wt％Ｎｉ１９wt％Ｆｅのパーマロイ組成（Ｎ
ｉＦｅ）合金からなる磁性層（フリー層）、層厚４０Ａ
のＣｕからなる非磁性金属層、層厚７０Ａ厚で、８１wt
％Ｎｉ１９wt％Ｆｅのパーマロイ組成（ＮｉＦｅ）合金
からなる磁性層（ピンニング層）、層厚１５０ＡのＦｅ
Ｍｎからなる反強磁性層、層厚５０ＡのＴａからなる酸
化保護層を順次積層したＭＲ磁性膜である。又、成膜中
は、２００［Oe］の磁界を印加することで、磁性薄膜メ
モリ素子になるＭＲ磁性膜の磁化容易軸を印加磁界の方
向に揃えた。このＭＲ磁性膜をフォトリソグラフィで所
望形状にマスクした後、イオンミリング法により単位メ
モリ素子になる素子形状にパターニングした。ここで
は、４種類の磁気抵抗変化量（磁気抵抗変化量の比を
１：２：４：８とした）を有するメモリ素子を形成する
ため、それぞれの単位メモリ素子の形状を、縦１０μｍ
横１０μｍ、縦１０μｍ横２０μｍ、縦１０μｍ横４０
μｍ、縦１０μｍ横８０μｍの４種類の長方形にパター
ニングした。

【００５０】このように形成した上記４種類の磁性薄膜
メモリ素子に於いては、単位長あたりの抵抗値変化量が
同一で、これらのメモリ素子は長手方向に直列接続され
るため、４種類のメモリ素子の磁気抵抗変化量は、その
横の長さの比である１：２：４：８になる。

【００５１】つまり、図１に示したＭ[k,0]、Ｍ[k,1]、
Ｍ[k,2]、Ｍ[k,3]（ｋ＝０〜３）は、それぞれ上記縦１
０μｍ横１０μｍ、縦１０μｍ横２０μｍ、縦１０μｍ
横４０μｍ、縦１０μｍ横８０μｍの長方形にパターニ
ングした磁性薄膜メモリ素子に対応する。

【００５２】上述のように、ほぼ均一なＭＲ磁性膜（磁
気抵抗変化率がほぼ同一のＭＲ磁性膜）を形成し、パタ
ーニングの際に各メモリ素子の形状を異ならせ、その抵
抗値に差異を設ければ、容易に磁気抵抗変化量の異なる
メモリ素子を形成することができる。

【００５３】尚、同一の読み出し線に接続されたメモリ
素子の磁気抵抗変化量は、全て異ならせる必要はなく、
同時に再生するグループ内のメモリ素子に於いて、その
磁気抵抗変化量に差異を設ければ十分である。つまり、
同時に再生することのない、メモリ素子同士の磁気抵抗
変化量が同一であってもよい。

【００５４】又、同時に再生する２種以上のメモリ素子
の磁気抵抗変化は、そのメモリ素子に異なる情報を記録
した場合に、読み出し線の出力側に異なる電圧変化がえ
られれば、上述のような、１：２：４：８のような磁気
抵抗変化量の比である必要はない。

【００５５】次に、上記単位メモリ素子の両端にフォト
レジストを被覆し、ＳｉＯ２をＲＦスパッタ法により成
膜した後、リフトオフすることによりメモリ素子の上面
にのみ層厚２５０ＡのＳｉＯ２からなる絶縁層を形成し
た。続いて、この上面にＣｒ／Ｃｕ／Ｃｒ膜を形成し、
パターニングすることにより読み出し線となる電極を形
成した。更に、この上面に、層厚２５００ＡのＳｉＯ２
からなる絶縁層で被膜した後、Ｃｒ／Ｃｕ／Ｃｒ膜を形
成し、パターニングすることにより書き込み線となる電
極を形成し、磁性薄膜メモリを作製した。

【００５６】この磁性薄膜メモリの書き込み線に、書き
込み電流を流しフリー層に情報を記録した後、書き込み
線に再生電流を２５mA、読み出し線に読み出し電流を５
mA流し、そのときに、読み出し線の出力側に生じる電圧
変化を測定した。尚、本測定に於いては、再生磁界を右
方向とし、右方向又は左方向の記録磁化でフリー層に情
報を記録した。

【００５７】その結果を、０を除く最小電圧変化（縦１
０μｍ横１０μｍの磁性薄膜メモリ素子に磁界を印加
し、そのメモリ素子だけに抵抗値の変化を生じさせたと
きに、読み出し線の出力側に生じる電圧変化）をΔｖと
して、表２に示した。

【００５８】

【表２】

【００５９】同表に示したように、読み出し線の出力側
に生じる電圧変化は、各メモリ素子のフリー層の磁化方
向に応じて、０からΔｖ×１５の間で変化した。

【００６０】次に、磁性薄膜メモリ素子を弱結合型のＭ
Ｒ磁性膜により構成した場合について説明する。

【００６１】この場合も、上記スピンバルブ型の場合と
同様に、結晶化ガラス基板（コーニング社製フォトセラ
ム）を用い、磁性薄膜メモリ素子となるＭＲ磁性膜をイ
オンビームスパッタ法により成膜した。ここでは、２×
10^-7Torrまで真空引きを行ったのち、基板を間接水冷
し、回転させながら、0.3Ａ／ｓｅｃの成膜速度で、
［Ｃｕ（４０）／８１Ｎｉ１９Ｆｅ（３０）／Ｃｕ（４
０）／ＣｏＰｔ（７０）］×５のＭＲ磁性膜を作製し
た。尚、上記［Ｃｕ（４０）／８１Ｎｉ１９Ｆｅ（３
０）／Ｃｕ（４０）／ＣｏＰｔ（７０）］×５は、層厚
４０ＡのＣｕからなる非磁性金属層、層厚３０Ａで、８
１wt％Ｎｉ１９wt％Ｆｅのパーマロイ組成（ＮｉＦｅ）
合金からなる磁性層（ソフト層）、層厚４０ＡのＣｕか
らなる非磁性金属層、層厚７０Ａ厚のＣｏＰｔ合金から
なる磁性層（ハード層）を５周期積層したＭＲ磁性膜で
ある。又、成膜中は、２００［Oe］の磁界を印加するこ
とで、磁性薄膜メモリ素子になるＭＲ磁性膜に異方性を
付与した。

【００６２】このＭＲ磁性膜を、上記スピンバルブ型の
場合と同様に、フォトリソグラフィで所望形状にマスク
した後、イオンミリング法により、縦１０μｍ横１０μ
ｍ、縦１０μｍ横２０μｍ、縦１０μｍ横４０μｍ、縦
１０μｍ横８０μｍの４種類の長方形にパターニングし
た。その後、上記スピンバルブ型の場合と同様に、読み
出し線と書き込み線を形成し、磁性薄膜メモリを作製し
た。

【００６３】この磁性薄膜メモリの書き込み線に、書き
込み電流を流しハード層に情報を記録した後、書き込み
線に再生電流を２５mA、読み出し線に読み出し電流を５
mA流し、そのときに、読み出し線の出力側に生じる電圧
変化を測定した。

【００６４】その結果、上記スピンバルブ型の場合と同
様に、読み出し線の出力側に生じる電圧変化は、各メモ
リ素子のハード層の磁化方向に応じて、０からΔｖ×１
５の間で変化した。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる磁
性薄膜メモリは、同一の読み出し線に接続された複数の
メモリ素子に記録された情報を、同時に２素子以上再生
することができるので、メモリの再生時間を短縮し、メ
モリの高速化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁性薄膜メモリに記録されている情報
の再生方法を説明するための模式図である。

【図２】書き込み線に流す再生電流と読み出し線の出力
側の電圧を示す波形図である。

【図３】書き込み線に流す再生電流と読み出し線の出力
側の電圧を示す波形図である。

【図４】ＡＭＲを用いた磁性薄膜メモリを示す斜視図で
ある。

【図５】磁性薄膜メモリとそのＭＲ磁性膜を示す断面図
である。

【図６】スピンバルブ型のＭＲ磁性膜を用いた磁性薄膜
メモリの記録再生方式を示す模式図である。

【図７】ＭＲ磁性膜がマットリックス状に配列された磁
性薄膜メモリを示す平面図と断面図である。

【符号の説明】

１ ＭＲ磁性層 ２ 読み出し線 ３ 絶縁層 ４ 書き込み線 ５ 基板 １１ 反強磁性層 １２ 第１磁性層（ピンニング層） １３ 非磁性層 １４ 第２磁性層（フリー層） １５、１７ 非磁性層 １６ 第１磁性層（ハード層） １８ 第２磁性層（ソフト層） ２２、２３ 磁界（記録磁界） ２４、２４ａ、２４ｂ 磁界（再生磁界）

フロントページの続き (72)発明者 荒木 悟 東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティ ーディーケイ株式会社内 (72)発明者 篠浦 治 東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティ ーディーケイ株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−302184（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G11C 11/14 - 11/15 H01L 27/10 447 H01L 43/08

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気抵抗効果を示す磁性薄膜に情報を記
   憶する磁性薄膜メモリに於いて、再生出力電圧の異なる
   ２種類以上の前記磁性薄膜からなる単位素子が同一の読
   み出し線上に電気的に直列に接続されたことを特徴とす
   る磁性薄膜メモリ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の磁性薄膜メモリに於い
   て、直列に接続されたｎ種類（但し、ｎは２以上の整
   数）の磁性薄膜の再生出力電圧ｖ（ｋ）（但し、ｋは２
   以上ｎ以下の整数）が、 ｖ（ｋ）＝２×ｖ（ｋ−１） を満たすことを特徴とする磁性薄膜メモリ。
3. 【請求項３】 請求項１記載の磁性薄膜メモリに於い
   て、磁気抵抗変化率がほぼ同一であり、電気抵抗が異な
   る磁性薄膜を用いたことを特徴とする磁性薄膜メモリ。
4. 【請求項４】 請求項１乃至請求項３記載の磁性薄膜メ
   モリに於いて、磁性薄膜メモリを構成する磁性薄膜が、
   スピンバルブ型の多層膜であることを特徴とする磁性薄
   膜メモリ。
5. 【請求項５】 請求項１乃至請求項３記載の磁性薄膜メ
   モリに於いて、磁性薄膜メモリを構成する磁性薄膜が、
   保磁力の異なる２種類以上の磁性層を有し、該磁性層の
   磁化方向の相対関係により抵抗値が変化する磁性薄膜を
   用いた弱結合型の多層膜であることを特徴とする磁性薄
   膜メモリ。