JP3634761B2 - 磁気抵抗素子、該磁気抵抗素子を用いたメモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリ、並びに記録再生方法 - Google Patents

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。
【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てランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ；ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）を構成することが検討されている。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。
【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】
また、磁気メモリセルには、メモリ層と検出層とを有するタイプもある。このタイプの磁気メモリセルの場合、読出しでは、検出層の磁化方向を反転させてその際に生じる抵抗変化によりメモリ層の磁化方向を検出するため、差動検出方式が採用される。
【０００６】
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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
垂直磁化膜を用いたＴＭＲ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。
【０００８】
図２０には、垂直磁化膜の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おり、図２０の（ａ），（ｂ）のどちらでも磁性層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。このため、磁気メモリセルとしての抵抗値は、（ｂ）の方が（ａ）よりも大きい。
【０００９】
この状態は、絶対値検出方式を用いた構成、すなわち、磁性層２００が基準層（ピン層）であって磁性層１００がメモリ層であり、（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し、差動検出方式を用いた構成、すなわち、磁性層２００がメモリ層であって磁性層１００が検出層であり、検出時に外部磁界によって（ａ）に示す状態から（ｂ）に示す状態へ磁化反転させたと考えてもよい。
【００１０】
図２１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２００は磁化方向を変えないため、磁性層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。もしくは、検出層の磁化反転を行うことができる。Ｈ１は第１磁性層を上向きから下向きに反転する磁界であり、Ｈ２は第１磁性層を下向きから上向きに反転する磁界である。
【００１１】
しかし実際には、磁性層２００からは下向きの磁界が磁性層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２１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２１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、絶対検出ができなくなる。
【００１２】
同様に、角型比が１でない場合については、図２２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２２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。
【００１３】
以上は、主に絶対値検出方式を想定して述べたが、差動検出方式を用いた場合でも同様である。図２３は、差動検出方式のメジャーループを記したものである。
【００１４】
以上述べたようなＴＭＲ素子における諸課題は、従来の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に用いられている面内磁化膜を用いた磁気抵抗素子においては特に顕著である。
【００１５】
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、一方の磁性層からの静磁界により他方の磁性層の反転磁界がオフセットする課題、反転磁界が増加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。
【００１６】
【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、非磁性層と、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磁性層間に前記非磁性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磁性層は、互いに反平行に磁化した垂直磁化膜である第３磁性層及び第４磁性層からなることを特徴とする磁気抵抗素子、及び、
前記第３磁性層及び前記第４磁性層の少なくとも一方がフェリ磁性層であり、前記第３磁性層及び前記第４磁性層が交換結合している前記記載の磁気抵抗素子、及び、
前記第３磁性層及び前記第４磁性層のうち前記第３磁性層が前記非磁性層側に配置しており、前記第３磁性層が鉄族元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜からなり、前記第４磁性層が希土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金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３磁性層及び前記第４磁性層のうち前記第３磁性層が前記非磁性層側に配置しており、前記第３磁性層が鉄族元素を主成分とするフェロ磁性層からなり、前記第４磁性層が希土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金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、
前記第３磁性層と前記第４磁性層との間に絶縁膜が設けられている前記記載の磁気抵抗素子、及び、
前記第１磁性層は、互いに平行に磁化した垂直磁化膜である第５磁性層及び第６磁性層からなる、前記記載の磁気抵抗素子、及び、
前記第６磁性層が鉄族元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜で、前記第５磁性層が鉄族元素を主成分とするフェロ磁性膜からなる前記記載の磁気抵抗素子、及び、
前記第１磁性層は、互いに反平行に磁化した垂直磁化膜である第５磁性層及び第６磁性層からなる、前記記載の磁気抵抗素子、及び、
前記第５磁性層が鉄族元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜からなり、前記第６磁性層が希土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜からなる、もしくはこの逆の構成からなる前記記載の磁気抵抗素子、及び、
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磁性層の保磁力よりも小さいことを特徴とする前記記載の磁気抵抗素子、及び、
前記非磁性層が絶縁層である前記記載の磁気抵抗素子、及び、
前記絶縁層を介して流れる電流がトンネル電流である、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、
前記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メモリセルを基板上に有する磁気ランダムアクセスメモリ、及び、
前記記載の磁気ランダムアクセスメモリの記録再生方法であって、前記メモリ素子の前記第２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記録再生方法、及び、
前記記載の磁気ランダムアクセスメモリの記録再生方法であって、前記メモリ素子の前記第２磁性層の磁化の向きにより情報を記録し、読出し時に前記第１磁性層の磁化を反転させて抵抗値の変化を読み取って情報を再生する記録再生方法、
によって達成される。
【００１７】
【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。
【００１８】
（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。この磁気抵抗素子から絶対検出方式でデータを読出すものとすれば、（ａ），（ｂ）はそれぞれ二値の記録の“０”と“１”に対応する。
【００１９】
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。また、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いる。この磁気抵抗素子では、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り、この抵抗値を検出することによって、この磁気抵抗素子に書き込まれた情報を判別でき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。
【００２０】
この磁気抵抗素子では、第２磁性層２は、互いに反平行に磁化した垂直磁化膜である第３磁性層２１及び第３磁性層２２とを積層して構成されている。第３磁性層２１の方が第１磁性層１側に（すなわち絶縁層Ｎ２に接するように）設けられている。図１に示す例では、第３磁性層２１の磁化は上向きで、第４磁性層２２の磁化は下向きに配向している。よって、第１磁性層１には、第３磁性層２１の磁化からは上向きの磁界が印加され、第４磁性層２２からは下向きの磁界が印加されることになる。第１磁性層１には印加される磁界は、これらの磁界を合成したものとなるため、第２磁性層が１層の磁性層のみからなる場合と比較して、第１磁性層１にかかる漏洩磁界を小さくすることができる。したがって、第１磁性層１の反転磁界がオフセットする問題が抑制され、磁気メモリセルに適用する場合であれば書き込み電流の低減を図ることができる。
【００２１】
なお図２に示すように、第３磁性層２１と第４磁性層２２の磁化の向きは、第３磁性層２１が下向き、第４磁性層が２２が上向きになっていてもかまわない。
【００２２】
（第２の実施形態）
第１の実施形態で述べた磁化が反平行の状態となる２層膜（第２の磁性層）の構成の方法として、フェリ磁性層を用いて交換結合２層膜とする方法と、保磁力の異なる２層膜を静磁結合させる方法がある。
【００２３】
さらに、フェリ磁性層を用いて交換結合２層膜とする方法には、第３磁性層２１と第４磁性層２２の少なくともどちらかの磁性層がフェリ磁性層であって、これら第３磁性層２１と第４磁性層２２が交換結合している構成が挙げられる。これらについて、以下の第３及び第４の実施形態で詳細を述べる。
【００２４】
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態の磁気抵抗素子の膜構成の一例を示す断面図である。この磁気抵抗素子は、第１の実施形態の磁気抵抗素子と同様のものであり、特に、第２磁性層２を構成する第３磁性層２１及び第４磁性層２２がいずれも希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜からなり、第３磁性層２１は鉄族元素副格子磁化優勢となり、第４磁性層２２は希土類元素副格子磁化優勢となっている。第１磁性層１及び絶縁層Ｎ２については、第１の実施形態と同じである。なお、図３において、（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おり、また、第３磁性層２１及び第４磁性層２２に示した実線は鉄族元素副格子磁化の向きを、点線は希土類元素副格子磁化の向きを示しており、それらの長さは、各副格子磁化の大きさを示している。
【００２５】
ここで第３磁性層２１と第４磁性層２２とは互いに交換結合している。希土類鉄族合金においては、鉄族元素が交換結合力に支配的であるため、鉄族元素は同じ方向を向き、結果として、それらと反平行に磁化する希土類元素も、第３磁性層２１及び第４磁性層２２において相互に同じ向きとなる。このようなフェリ磁性膜の全体の磁化は、各々の副格子磁化の差となる。よって、図３に示す第３磁性層２１と第４磁性層２２の各々の全体の磁化の向きは、図１に示すものと同じなり、第３磁性層２１と第４磁性層２２の正味の磁化は、互いに逆向きになっている。このため、第２磁性層２の全体としての磁化は、第３磁性層２１と第４磁性層２２のいずれの磁化よりも小さい。またフェリ磁性層は、Ｆｅ，Ｃｏ，ＦｅＣｏ，ＮｉＦｅなどの膜面内方向に配向した面内磁化膜と比較して、もともと磁化の大きさが小さいので、この第３の実施形態の磁気抵抗素子においては、第１磁性層１に第２磁性層２から印加される磁界の大きさは、従来の素子と比較して格段に小さいものとなる。
【００２６】
この第３の実施形態においては、第２磁性層２を飽和磁化Ｍｓの比較的大きい２層から構成することが可能である。したがって、反転磁界を低減することも可能である。よってこの第３の実施形態の磁気抵抗素子を磁気メモリセルとして用いる場合には、絶対検出構成とすることができるともに、差動検出型の構成とすることも可能である。
【００２７】
なお、図４は、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。希土類鉄族合金では、一般に希土類原子の磁化の方向と鉄族原子の磁化の方法とが反平行となる。したがって、両方の原子からの合成磁気モーメントは、希土類元素と鉄族元素とのある組成（これを補償組成と呼ぶ）を境にして、希土類元素副格子磁化優勢あるいは鉄族元素副格子磁化優勢となる。また、飽和磁化Ｍｓも、補償組成において見かけ上０となり、補償組成から離れるにつれて大きくなる。
【００２８】
（第４の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態の磁気抵抗素子の膜構成の一例を示す断面図である。この磁気抵抗素子は、第１の実施形態の磁気抵抗素子と同様のものであり、特に、第３磁性層２１が鉄族元素を主成分とするフェロ磁性層からなり、第４磁性層２２が希土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜からなっている。第１磁性層１及び絶縁層Ｎ２については、第１の実施形態と同じである。なお、図５において、（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おり、また、第３磁性層２１及び第４磁性層２２に示した実線は鉄族元素副格子磁化の向きを、点線は希土類元素副格子磁化の向きを示しており、それらの長さは、各副格子磁化の大きさを示している。
【００２９】
すなわちこの第４の実施形態の磁気抵抗素子は、第２磁性層が鉄族元素薄膜（第３磁性層２１）と希土類鉄族合金薄膜（第４磁性層２２）との２層膜からなる点を特徴とする。この場合には、トンネル障壁膜である絶縁層Ｎ２との界面で分極率の高い磁性膜を設ければ、ＭＲ（磁気抵抗）比を向上することも可能となる。すなわち第３磁性層２１を、トンネル障壁膜に接した側に設けると良い。第３磁性層２１で使用できる鉄族元素薄膜としては、Ｆｅ，Ｃｏ，ＦｅＣｏなどの薄膜が挙げられる。中でもＦｅＣｏは、分極率が高く、ＭＲ比を高めることが可能であるので、最もよい。ただし、鉄族元素は、通常、単層膜では、膜面内方向に配向するため、第４磁性層２２からの交換結合力によって、膜面垂直方向に磁化配向させている。
【００３０】
図６は、この磁気抵抗素子の磁化の配向状態を示したものである。第２磁性層２が反平行磁化状態の２層膜からなっているため、第１磁性層１への漏洩磁界を低減することが可能となる。
【００３１】
この実施形態においても、第２磁性層２を飽和磁化Ｍｓの比較的大きい２層から構成することが可能である。第１磁性層への漏洩磁界を低減するために、第２磁性層を磁化の小さい単層膜を用いた場合では、保磁力が高くなる傾向があるが、磁化の大きい２層膜構成とすれば、保磁力を高くすることなく、第１磁性層への漏洩磁界を低減することが可能である。したがって、オフセット磁界を低減するとともに反転磁界を低減することも可能である。
【００３２】
（第５の実施形態）
本発明の磁気抵抗素子に用いられるフェリ磁性層として、希土類元素と鉄族元素の合金からなる磁性膜が良いが、より具体的には、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のが望ましい。これは、これらの希土類鉄族元素合金は、スパッタリング等の汎用の成膜機により、室温で容易に垂直磁化膜が得られるためである。特に、ＭＲＡＭなどを製造する半導体製造プロセスでは高温プロセスはＭＯＳトランジスタの性能の劣化などの悪影響が発生しやすいため、室温で垂直磁化膜を成膜可能である点は、有効である。
【００３３】
（第６の実施形態）
図７は、本発明の第６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。この磁気抵抗素子は、図１に示すものと同様の構成のものであるが、第３磁性層２１と第４磁性層２２の間に絶縁膜５００が設けられている点で相違する。絶縁膜５００が設けられていることにより、第３磁性層２１と第４磁性層２２の間の静磁結合を抑えて反平行磁化状態とすることが可能である。
【００３４】
この構成において、第３磁性層２１と第４磁性層２２とを反平行磁化状態とするためには、保磁力の異なる膜を用いる方法がある。たとえば第３磁性層２１が第４磁性層２２よりも高い保磁力を有する場合、まず、外部磁界を印加して第３磁性層２１を磁化反転させたあとに、逆方向で第３磁性層２１の保磁力よりも小さくかつ第４磁性層２２の保磁力よりも高い外部磁界を印加して、第４磁性層２２を第３磁性層２１とは逆方向に磁化させる。
【００３５】
保磁力は、組成変更、例えば希土類鉄族合金などのフェリ磁性膜を用いた場合にはおのおのの副格子磁化となる元素の組成を変更するなどして、所望の値に設定することが可能である。
【００３６】
（第７の実施形態）
上述の各実施形態では第２磁性層を２層構成としたが、第２磁性層に加えて第１磁性層も２層構成とすることができる。図８は、第７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。この磁気抵抗素子において第１磁性層１は、互いに平行に磁化した垂直磁化膜である第５磁性層１１と第６磁性層１２からなっている。ここでは第５磁性層１１の方が第２磁性層２側に（すなわち絶縁層Ｎ２に接するように）設けられている。これは、トンネル障壁膜である絶縁層Ｎ２との界面で分極率の高い磁性膜を設ければ、ＭＲ（磁気抵抗）比を向上することが可能だからである。このような磁性膜としては、Ｆｅ，Ｃｏ，ＦｅＣｏなどの薄膜が挙げられる。中でもＦｅＣｏは、分極率が高く、ＭＲ比を高めることが可能であるので、最もよい。ただし、鉄族元素は、通常、単層膜では、膜面内方向に配向するため、第６磁性層１２からの交換結合力によって、膜面垂直方向に磁化配向させている。
【００３７】
第５磁性層１１としては、例えば図８に示すように、鉄族元素からなるフェロ磁性体からなる磁性層で、第６磁性層１２は、鉄族元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜を用いることができる。この場合の第５磁性層１１及び第６磁性層１２の全体の磁化を示すと図９に示すようになる。上述したように第２磁性層は、互いに反平行の磁化からなる２層膜（第３磁性層２１及び第４磁性層２２）で構成されている。このため、第１磁性層１にかかる第２磁性層２の磁化による磁界は小さいが、第２磁性層２にかかる第１磁性層１の磁化による磁界は大きい。
【００３８】
このような構成は、第２磁性層２をピン層（基準層）として、第１磁性層１をメモリ層とする構成に適している。これは、ピン層は磁化反転の必要がないため、十分大きな保磁力に設定することが可能であり、第１磁性層１からの漏洩磁界を受けても影響が少なくすることが可能なためである。逆に、第１磁性層１はメモリ層のため、書き込み線の消費電流をできるだけ小さくように保磁力（磁化反転磁界）を小さくし、第２磁性層からの漏洩磁界によるオフセット磁界を低減することが必要である。これは、第２磁性層２を反平行磁化からなる２層膜として構成したために達成可能である。
【００３９】
上述した例では、第６磁性層１２を鉄族元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜で構成したが、土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜で構成することも可能である。図１０はそのような磁気抵抗素子の膜構成を示す断面図であり、図１１は図１０に示す磁気抵抗素子における第５磁性層１１及び第６磁性層１２の全体の磁化を示す図である。
【００４０】
（第８の実施形態）
第２磁性層に加えて第１磁性層も反平行磁化状態の２層構成とすることができる例として、図２４に示すように、第１磁性層、第２磁性層ともに、フェリ磁性膜からなる２層膜構成とする例がある前述と同じく、実線は鉄族元素副格子磁化の向きを、点線は希土類元素副格子磁化の向きを示しており、それらの長さは、各副格子磁化の大きさを示している。図２４においては、第５磁性層１１は希土類元素副格子磁化優勢、第６磁性層１２が鉄族元素副格子磁化優勢、第３磁性層２１が鉄族元素副格子磁化優勢、第４磁性層２２が希土類元素副格子磁化優勢な、それぞれ、希土類元素と鉄族元素の合金膜である。ここでは第５磁性層１１の方が第２磁性層２側に（すなわち絶縁層Ｎ２に接するように）設けられている。よって、この磁気抵抗素子において第１磁性層１は、互いに反平行に磁化した垂直磁化膜である第５磁性層１１と第６磁性層１２からなっており、第２磁性層２も、互いに反平行に磁化した垂直磁化膜である第３磁性層２１と第４磁性層２２からなっている。この場合の第５磁性層１１及び第６磁性層１２の全体の磁化を示すと図２５に示すようになる。
【００４１】
この実施の形態においては、第１磁性層、第２磁性層のどちらの層からもお互いに大きな漏洩磁界が印加されないため、ともに、保磁力を小さくすることが可能である。従って、第１磁性層１、第２磁性層２ともに、磁化反転させることができ、絶対検出の他、差動検出も可能である。従って、このような構成は、第２磁性層２をメモリ層として、第１磁性層１を検出層とする構成に適している。
【００４２】
上述した例では、第５磁性層１１を希土類元素副格子磁化優勢で、第６磁性層１２を鉄族元素優勢な組成としたが、この逆にしても良い。第３磁性層と第４磁性層についても同様である。しかし、トンネル効果に起因するのは、主に、鉄族元素であるため、トンネル障壁膜に近い層、つまり、第３磁性層２１と第５磁性層１１を鉄族元素副格子磁化優勢とするのが、好ましい。
【００４３】
（第９の実施形態）
ここでは、本発明の磁気抵抗素子における磁性層からの漏洩磁界の平面分布を従来例と比較して具体的に示す。
【００４４】
図１２は、上述した第１の実施形態による磁気抵抗素子の第２磁性層２から第１磁性層１に印加される漏洩磁界の様子を示したものである。第２磁性層は互いに反平行に磁化した第３磁性層２１と第４磁性層２２からなる。第２磁性層２から発生する磁界は、第３磁性層２１及び第４磁性層２２でほぼキャンセルされるが、説明のため、上向きに磁化した第３磁性層２１からの磁界が下向きに磁化した第４磁性層２２からの磁界よりもやや大きい場合について示してある。
【００４５】
これに対して図１３は、従来例の面内磁化膜を用いた磁気抵抗素子の膜構成を示している。従来の磁気抵抗素子においても、上部磁性層４１、絶縁層４２及び下部磁性層４３をこの順に積層した構成において、下部磁性層４３を相互に反平行に磁化した磁性層５１と磁性層５２とから構成することが可能である。ただし、磁性層５１と磁性層５２の間にＲｕなどからなる中間層５３を設けて、これらの磁性層５１，５２が反平行磁化状態になるようにすることが必要である。この中間層５３として設けられるＲｕの膜厚は、０．７ｎｍ程度であって±０．１ｎｍ程度の許容範囲しかなく、製造マージンが狭く歩留まりが低下する要因となる。これに対して、本発明の磁気抵抗素子は、このような中間層が不要であり、作成工程の簡素化及び製造マージン上で、有利である。
【００４６】
図１４は、図１２に示した磁気抵抗素子に関して、図１２の横軸ｘに対しての漏洩磁界を示したもので、０．２μｍ角で、希土類元素優勢（ＲＥリッチ）で磁化が２０ｅｍｕ／ｃｃで膜厚２０ｎｍの希土類鉄族合金と鉄族元素優勢（ＴＭリッチ）で磁化が２０ｅｍｕ／ｃｃで膜厚３０ｎｍの希土類鉄族合金との２層膜からなる第２磁性層２の上面１ｎｍの地点での膜面垂直方向の磁界を示したものである。最高でも５０Ｏｅ（３．９８×１０^３Ａ／ｍ）以下の磁界しか印加されない。
【００４７】
図１５は、同様に図１２に示した磁気抵抗素子に関して、０．２μｍ角で、ＲＥリッチで磁化が５０ｅｍｕ／ｃｃで膜厚５０ｎｍの希土類鉄族合金と膜厚１ｎｍでＣｏ（磁化の大きさ１０００ｅｍｕ／ｃｃ）との２層膜からなる第２磁性層２の上面１ｎｍの地点での膜面垂直方向の磁界を示したものである。最高でも２５０Ｏｅ（１９．９×１０^３Ａ／ｍ）以下の磁界しか印加されない。
【００４８】
図１６は、同様に図１２に示した磁気抵抗素子に関して、０．２μｍ角で、ＲＥリッチで磁化が５０ｅｍｕ／ｃｃで膜厚５０ｎｍの希土類鉄族合金と膜厚１ｎｍでＣｏ（磁化の大きさ８００ｅｍｕ／ｃｃ）との２層膜からなる第２磁性層２の上面１ｎｍの地点での膜面垂直方向の磁界を示したものである。最高でも１７０Ｏｅ（１３．５×１０^３Ａ／ｍ）以下の磁界しか印加されない。
【００４９】
比較例として図１７に、０．２μｍ角のＣｏ（膜厚４ｎｍ）とＲｕ（膜厚０．７ｎｍ）とＣｏ（膜厚３ｎｍ）との積層膜からなる面内磁化膜からなる従来の素子（図１３参照）の上面１ｎｍでの膜面横方向の漏洩磁界を示した。Ｃｏの磁化は１０００ｅｍｕ／ｃｃとした。端面で約１０００Ｏｅ（７９．６×１０^３Ａ／ｍ）の磁界が印加されている。
【００５０】
また図１８に、図１７に示すものと同様の構成で０．２μｍ×０．６μｍとサイズだけ異なる従来の素子における漏洩磁界を示した。長方形のサイズにしても、端面で５００Ｏｅ（３９．８×１０^３Ａ／ｍ）近くの漏洩磁界が印加されていることがわかる。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、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。
【００５１】
また図示していないが、垂直磁化膜からなる単層膜に関しては、０．２μｍ角で、磁化が１２０ｅｍｕ／ｃｃで膜厚５０ｎｍの希土類鉄族合金単層膜からなる第２磁性層の上面１ｎｍの地点での膜面垂直方向の磁界は、４００Ｏｅ（３１．８×１０^３Ａ／ｍ）以上であり、このため、第１の磁性層に大きな磁界が印加されることとなる。
【００５２】
（第１０の実施形態）
上述した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該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１９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。
【００５３】
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。
【００５４】
以上説明したように本発明の磁気抵抗素子によれば、従来の面内磁化膜を用いた素子および従来の垂直磁化膜を用いた素子に比較して、漏洩磁界を大幅に小さくすることが可能である。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、互いに反平行に磁化した垂直磁化膜である第３磁性層及び第４磁性層によって第２磁性層を構成することにより、磁気ランダムアクセスメモリなどに使用される磁気抵抗素子において、反転磁界のオフセットを減少し、書き込み消去時の電流を低減することができ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、高集積化を実現できすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の磁気抵抗素子の一例を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態の磁気抵抗素子の別の例を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態の磁気抵抗素子の一例を示す断面図である。
【図４】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。
【図５】本発明の第４の実施形態の磁気抵抗素子の一例を示す断面図である。
【図６】図５に示す磁気抵抗素子の磁化の配向状態を示す図である。
【図７】本発明の第６の実施形態の磁気抵抗素子の一例を示す断面図である。
【図８】本発明の第７の実施形態の磁気抵抗素子の一例を示す断面図である。
【図９】図８に示す磁気抵抗素子における第５及び第６磁性層の全体の磁化を示す図である。
【図１０】本発明の第７の実施形態の磁気抵抗素子の別の例を示す断面図である。
【図１１】図１０に示す磁気抵抗素子における第５及び第６磁性層の全体の磁化を示す図である。
【図１２】本発明の磁気抵抗素子における漏洩磁界の印加状態を示す図である。
【図１３】従来の磁気抵抗素子における漏洩磁界の印加状態を示す図である。
【図１４】本発明の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。
【図１５】本発明の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。
【図１６】本発明の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。
【図１７】従来の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。
【図１８】従来の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。
【図１９】メモリセルの基本構成を示す図である。
【図２０】従来の磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。
【図２１】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。
【図２２】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。
【図２３】角型比が１でオフセット磁界が大きい場合のＭＲカーブのグラフである。
【図２４】本発明の第８の実施形態の磁気抵抗素子の別の例を示す断面図である。
【図２５】図２４に示す磁気抵抗素子における第５及び第６磁性層の全体の磁化を示す図である。
【符号の説明】
１ 第１磁性層
２ 第２磁性層
１１ 第５磁性層
１２ 第６磁性層
２１ 第３磁性層
２２ 第４磁性層
５００ 絶縁膜
Ｎ２ 絶縁層

Claims (17)

1. 膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と、非磁性層と、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磁性層間に前記非磁性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磁性層は、互いに反平行に磁化した垂直磁化膜である第３磁性層及び第４磁性層からなることを特徴とする磁気抵抗素子。
2. 前記第３磁性層及び前記第４磁性層の少なくとも一方がフェリ磁性層であり、前記第３磁性層及び前記第４磁性層が交換結合している請求項１に記載の磁気抵抗素子。
3. 前記第３磁性層及び前記第４磁性層のうち前記第３磁性層が前記非磁性層側に配置しており、前記第３磁性層が鉄族元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜からなり、前記第４磁性層が希土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜からなる請求項１に記載の磁気抵抗素子。
4. 前記第３磁性層及び前記第４磁性層のうち前記第３磁性層が前記非磁性層側に配置しており、前記第３磁性層が鉄族元素を主成分とするフェロ磁性層からなり、前記第４磁性層が希土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜からなる請求項１に記載の磁気抵抗素子。
5. 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請求項２に記載の磁気抵抗素子。
6. 前記第３磁性層と前記第４磁性層との間に絶縁膜が設けられている請求項１に記載の磁気抵抗素子。
7. 前記第１磁性層は、互いに平行に磁化した垂直磁化膜である第５磁性層及び第６磁性層からなる、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
8. 前記第６磁性層が鉄族元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜で、前記第５磁性層が鉄族元素を主成分とするフェロ磁性膜からなる請求項７に記載の磁気抵抗素子。
9. 前記第１磁性層は、互いに反平行に磁化した垂直磁化膜である第５磁性層及び第６磁性層からなる、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
10. 前記第５磁性層が鉄族元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜からなり、前記第６磁性層が希土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族元素合金フェリ磁性膜からなる，もしくはこの逆の構成からなる請求項９に記載の磁気抵抗素子。
11. 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磁性層の保磁力よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
12. 前記非磁性層が絶縁層である請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
13. 前記絶縁層を介して流れる電流がトンネル電流である、請求項１２に記載の磁気抵抗素子。
14. 請求項１乃至１３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。
15. 請求項１４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メモリセルを基板上に有する磁気ランダムアクセスメモリ。
16. 請求項１５に記載の磁気ランダムアクセスメモリの記録再生方法であって、
    前記メモリ素子の前記第２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記録再生方法。
17. 請求項１５に記載の磁気ランダムアクセスメモリの記録再生方法であって、
    前記メモリ素子の前記第２磁性層の磁化の向きにより情報を記録し、
    読出し時に前記第１磁性層の磁化を反転させて抵抗値の変化を読み取って情報を再生する記録再生方法。

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