JP3658331B2 - メモリ素子の記録再生方法、磁気抵抗素子及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents
メモリ素子の記録再生方法、磁気抵抗素子及び磁気ランダムアクセスメモリ Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性固体メモリなどに使用される磁気抵抗素子に関し、特に、２重トンネル垂直磁化ＴＭＲ素子である磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子を用いたメモリ素子及びメモリセルと、そのようなメモリ素子の記録再生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁気抵抗素子を用いた磁気メモリが盛んに研究されている。この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 Memory）は、情報の保存に磁性膜を用いているため、電源を落としても情報が消えない、すなわち不揮発性であるという特徴を有している。
【０００３】
ＭＲＡＭのメモリセルには、スピントンネル効果による磁気抵抗素子が設けられている。この素子は、一般にＴＭＲ素子と呼ばれており、抵抗変化率（ＭＲ比）が従来の磁気抵抗素子と比較して大きく、抵抗値も数ＫΩから数十ＫΩとＭＲＡＭのメモリセルとして最適な値に設定することが可能なため、ＭＲＡＭの記憶素子として一般的に用いられている。
【０００４】
ところが、このＴＭＲ素子は、素子にかかるバイアス電圧が大きくなると、ＭＲ比が減少するという特性を持ち合わせている。例えば、数ｍＶで５０％近いＭＲ比が得られているが、５００ｍＶで約２０％になるといった報告がなされている。ＭＲＡＭでは、数１００ｍＶのバイアス電圧がＴＭＲ素子に印加されるため、この減少率は無視できないレベルであり、検出感度を劣化させることになる。
【０００５】
このＴＭＲ素子のＭＲ比のバイアス電圧依存性の課題に対する対策案として、絶縁層を２個設けたＴＭＲ素子を用いることが提案されている。例えば、特開平９−２６０７４３号公報には、膜面内方向に磁化された磁性層を用いて、磁性層と絶縁層と磁性層と絶縁層と磁性層の積層構造により、トンネル接合膜を作成した素子が開示されている。図１１は絶縁層を２つ有する従来のＴＭＲ素子の構成を示すものであり、（ａ）は二値の記録の一方に対応する磁化状態を示し、（ｂ）は二値の記録の他方に対応する磁化状態を示している。図中、矢印は各磁性層の磁化の方向を示している。このＴＭＲ素子は、面内磁化膜である第１磁性層１１、第１非磁性層Ｎ１１、面内磁化膜である第２磁性層１２、第２非磁性層Ｎ１２及び面内磁化膜である第３磁性層１３をこの順に積層したものであって、各磁性層１１〜１３の保磁力の差異を利用して、中央に位置する第２磁性層１２の磁化方向を、より保磁力の高い第１磁性層１１及び第３磁性層１３の磁化方向に対して平行にするか（ａ）、あるいは反平行にするか（ｂ）で、二値の情報を記憶し、また、これら２つの状態間でトンネル膜の抵抗値に差ができるようにして、記憶された情報を読み出せるようにする。
【０００６】
このような絶縁層を２個設けたＴＭＲ素子は、通常のＴＭＲ素子を２個直列に接続するのと同じように、１つのトンネル障壁膜にかかるバイアス電圧が半減するため、ＭＲ比のバイアス電圧による劣化が小さくなるといった効果がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示した従来の磁気抵抗素子は、バイアス電圧依存性に対しては効果があるものの、素子サイズが小さくなると磁化状態が不安定になるといった課題が生じる。これは、磁気抵抗素子に面内磁化膜を用いているために生じ、特に図１１の（ａ）に示す磁化状態の場合には、各磁性層の磁化が同じ方向を向くために、磁性膜の端面にある磁極による自己磁界（反磁界）が各層に印加され、各層の磁化状態がより不安定となる。このために、（ａ）に示す状態のように一方向に磁化配向させるためには、磁化容易軸方向に磁性膜を長くするといった素子形状の改良で対策を取ることが一般的である。これは、素子サイズが大きくなり、メモリセル面積の増加、すなわち、集積度の低下の原因となる。
【０００８】
さらに、図１１の（ａ），（ｂ）の２つの状態のうち、（ｂ）の状態は磁性層１１〜１３から出る磁束が閉じるため、エネルギー的に安定な状態である。しかし（ａ）の状態は、各磁性層１１〜１３の磁化が反発しあうため、エネルギー的に高い状態にあり不安定である。このため、磁化状態を（ｂ）から（ａ）にするのに必要な磁界が、磁化状態を（ａ）から（ｂ）にするのに必要な磁界よりも大きくなる。磁気メモリ素子において、情報の記録のために磁性膜の磁化を反転させるためには、書き込み線に電流を流してそこから発生する磁界を磁性膜に印加する。このため、反転磁界が大きくなると、書き込み線には大きな電流を流す必要があり、全体の消費電力が大きくなってしまう。また、磁化状態（ａ）は、エネルギー的に不安定であるため、熱などの影響で（ｂ）の状態に変わりやすい特性を有する。このため、情報の安定性に欠けることとなる。
【０００９】
これらの不安定性や反転磁界の問題は、素子サイズが小さくなるとより顕著になる傾向がある。したがって、従来提案された素子においては、集積度を高くしようとすると、磁化状態が不安定になったり、反転磁界が増加するといった課題があった。
【００１０】
そこで本発明の目的は、磁化状態が安定であるとともに情報の記録を低消費電流で安定して行うことができる磁気抵抗素子と、このような磁気抵抗素子を用いたメモリ素子及びメモリセルと、これらのメモリ素子に対する記録再生方法とを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題に鑑み、本発明者は、磁気抵抗素子を構成する磁性膜として反磁界エネルギーの小さい磁性膜を用い、さらに反平行磁化状態のときと平行磁化状態のときとでエネルギー的に差異の少ない媒体構成を用いることによって、上記課題を解決することを見出し、本発明を完成させた。
【００１２】
すなわち上記の目的は、
（１）膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と、第１非磁性層と、膜面垂直方向に磁化した第２磁性層と、第２非磁性層と、膜面垂直方向に磁化した第３磁性層とが順に積層され、第１磁性層及び第３磁性層の保磁力がいずれも第２磁性層の保磁力よりも小さい磁気抵抗素子を有するメモリ素子の記録再生方法であって、第２磁性層の磁化方向を記録情報に応じて変化させ、第１磁性層及び前記第３磁性層の磁化方向を読出し時に反転させるようにしたことを特徴とするメモリ素子の記録再生方法、及び、
（２）第１磁性層の磁化の向きと第３磁性層の磁化の向きが反平行である（１）に記載のメモリ素子の記録再生方法、及び、
（３）第１磁性層及び第３磁性層の一方が鉄族元素副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜であり、第１磁性層及び第３磁性層の他方が希土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜である、（２）に記載のメモリ素子の記録再生方法、及び、
（４）第１非磁性層及び第２非磁性層が絶縁層からなる（１）〜（３）に記載のメモリ素子の記録再生方法、及び、
（５）メモリ素子が基板上に複数配され、メモリ素子の少なくとも一つを選択して、情報の記録再生を行うことを特徴とする、（１）〜（４）に記載のメモリ素子の記録再生方法、及び、
（６）膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と、第１非磁性層と、膜面垂直方向に磁化した第２磁性層と、第２非磁性層と、膜面垂直方向に磁化した第３磁性層とが順に積層され、第１磁性層と第１非磁性層の間、第２磁性層と第１非磁性層の間、第２磁性層と第２非磁性層の間、第２非磁性層と第３磁性層の間の少なくとも一つに、第１磁性層もしくは第２磁性層もしくは第３磁性層よりもスピン分極率の高い磁性層が設けられ、スピン分極率の高い磁性層が、ＣｏＦｅからなることを特徴とする磁気抵抗素子、及び、
（７）基板上に、（６）に記載の磁気抵抗素子と、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、磁気抵抗素子を含み、そ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有することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ、
によって達成される。
【００１３】
【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。
【００１４】
（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構造の一例を示したものである。図中矢印は各磁性層の磁化方向を示しており、また、（ａ），（ｂ）はこの磁気抵抗素子が安定してとりえる２つの磁化状態のそれぞれを示している。
【００１５】
この磁気抵抗素子は、膜面垂直方向に磁化した第１磁性層１と、第１非磁性層Ｎ１と、膜面垂直方向に磁化した第２磁性層２と、第２非磁性層Ｎ２と、膜面垂直方向に磁化した第３磁性層３と、を順に積層して構成したものである。図示（ａ）の状態では、全ての磁性層１〜３の磁化は上向きであり、（ｂ）の状態では、第２磁性層２のみが下向きの磁化となっている。各非磁性層Ｎ１，Ｎ２としては絶縁層が用いられる。これらの非磁性層Ｎ１，Ｎ２はトンネル電流が流れる程度の厚さであって、スピントンネル効果によってそのトンネル抵抗値が変化するようになっている。ここでは絶縁層である非磁性層が２層設けられており、各磁性層が垂直磁化膜によって構成されているから、このような磁気抵抗素子のことを２重トンネル垂直磁化ＴＭＲ素子とも呼ぶ。この素子の膜厚方向に電流を流すと、（ａ）の状態では磁化が平行の状態なので抵抗は小さいが、（ｂ）の状態では、第１磁性層１と第２磁性層２の磁化が反平行、第２磁性層２と第３磁性層３の磁化も反平行のため、抵抗が大きくなる。
【００１６】
このように絶縁層を２個含んだＴＭＲ素子では、素子の上下に印加した電圧の１／２の電圧が個々の絶縁層に印加される。このため、ＭＲ比のバイアス電圧依存性は軽減され、ＭＲ比の劣化を抑えることが可能となる。
【００１７】
また垂直磁化膜は、一般に反磁界エネルギーが小さく、磁化の大きさが面内磁化膜と比較して小さい。したがって、この磁気抵抗素子によれば、積層された各磁性層の磁化から他の磁性層にかかる磁界の大きさを小さくすることができ、容易に、反平行磁化状態とすることができる。また、外部磁界がない場合に他の磁性層にかかる磁界を低減できるため、ＭＲカーブ（抵抗と印加磁界の関係を示したグラフ）が漏洩磁界分だけずれるシフト量が小さくなる。このシフト磁界（オフセット磁界）が低減できることは、すなわち、反転磁界の増大を抑制できることであり、これにより、消費電力を抑制することが可能となる。
【００１８】
（第２の実施形態）
図１に示したような第２磁性層２の磁化方向のみが変化した磁化状態は、第１の実施形態に示す層構成において、第１磁性層１と第３磁性層３の保磁力を第２磁性層２の保磁力よりも高く設定することにより実現できる。すなわち、この素子に対し第１磁性層１及び第３磁性層３の保磁力よりも大きな磁界を印加してこれらの磁性層の向きを配向させた後、これより小さな磁界を印加して第２磁性層２の磁化の向きを変更することによって、実現される。この素子においては、外部磁界によって第２磁性層２の磁化方向を変えることで、スピントンネル効果による素子抵抗値を大きくしたり小さくしたりすることができる。
【００１９】
（第３の実施形態）
第２の実施形態とは逆に、第１の実施形態に示す層構成において第１磁性層１と第３磁性層３の保磁力を第２磁性層２の保磁力よりも低く設定すれば、図２に示すように、第２磁性層２の磁化方向を固定したまま、第１磁性層１及び第３磁性層３の磁化の方向を外部磁界によって変化させることができる。これにより、図２の（ａ）に示す低抵抗状態と（ｂ）に示す高抵抗状態とを作ることができる。
【００２０】
（第４の実施形態）
第２の実施形態の磁気抵抗素子において、第１磁性層１と第３磁性層３の磁化方向を一定にし、第２磁性層２の磁化方向を記録情報に応じて変化させ、読出し時に抵抗値を検出すれば、メモリ素子として機能させることができる。
【００２１】
（第５の実施形態）
第２の実施形態に示す磁気抵抗素子において、第１磁性層１と第３磁性層３の磁化方向を記録情報に応じて変化させ、第２磁性層の磁化方向を読出し時に反転させることとすれば、メモリ素子とすることができる。図３にその例を示した。図３において、（ａ−１）及び（ａ−２）では、第１磁性層１及び第３磁性層３が上向きに記録されており、一方、（ｂ−１）及び（ｂ−２）では下向きに記録されており、それぞれが、“０”，“１”の二値のデータに相当する。（ａ−１）及び（ａ−２）の違いは、第２磁性層２の磁化の方向である。（ｂ−１）及び（ｂ−２）の違いも、第２磁性層２の磁化の方向である。各々の場合についてもいずれも、まず、素子に上向きの磁界を印加したのち、下向きの磁界を印加するものとする。この際の磁界は、第２磁性層２の磁化のみが反転するように、第２磁性層２の保磁力よりも大きく、第１磁性層１及び第３磁性層３の保磁力よりも小さく設定する。第１磁性層１及び第３磁性層３が上向きに記録されている場合は、抵抗値については、（ａ−１）が低い状態、（ａ−２）が高い状態であるため、高い状態から低い状態へ遷移するが、第１磁性層１及び第３磁性層３が下向きに記録されている場合は、抵抗値については、（ｂ−１）が高い状態、（ｂ−２）が低い状態であるため、低い状態から高い状態に遷移する。このような抵抗値の状態の変化をセンシングすれば、記録されている情報を読み出すことができる。
【００２２】
（第６の実施形態）
第３の実施形態３の磁気抵抗素子において、第２磁性層２の磁化方向を一定にし、第１磁性層１と第３磁性層３の磁化方向を記録情報に応じて変化させ、読出し時に抵抗値を検出すれば、メモリ素子として機能させることができる。
【００２３】
（第７の実施形態）
第３の実施形態の磁気抵抗素子において、第２磁性層２の磁化方向を記録情報に応じて変化させ、第１磁性層１及び第３磁性層３の磁化方向をいずれも読出し時に反転させることとすれば、この磁気抵抗素子をメモリ素子に応用することができる。図４にその例を示した。図４において、（ａ−１），（ａ−２）は第２磁性層２が上向きの状態を示し、これら両者の違いは、第１磁性層１及び第３磁性層３の磁化がいずれも上向きか下向きかである。また、（ｂ−１），（ｂ−２）では第２磁性層２が下向きに記録されており、両者は、第１磁性層１及び第３磁性層３の磁化がいずれも上向きか下向きかで相違している。（ａ−１），（ａ−２）は“０”，“１”の二値データの一方に対応し、（ｂ−１），（ｂ−２）は他方に対応する。
【００２４】
この実施形態においても、第５の実施形態の場合と同様に、まず、素子に上向きの磁界を印加したのち、下向きの磁界を印加するものとする。この際の磁界は、第１磁性層１及び第３磁性層の磁化が反転し第２磁性層の磁化が反転しないように、第２磁性層２の保磁力よりも小さく、第１磁性層１及び第３磁性層３の保磁力よりも大きく設定する。そして、第５の実施形態と同様にして抵抗値の状態の変化をセンシングすれば、記録されている情報を読み出すことができる。
【００２５】
（第８の実施形態）
第２の実施形態の磁気抵抗素子において、第１磁性層１の磁化の向きと第３磁性層３の磁化の向きを反平行にすることによって、第２磁性層２に印加される漏洩磁界を低減することができる。図５にこの素子構成を示した。図中、第１磁性層１及び第３磁性層３中の矢印のうち、外側の白抜きの矢印はその磁性層の総体としての磁化の向きを示しており、内側の黒実線の矢印は、磁気抵抗効果に影響を与える副格子磁化の向きを示している。
【００２６】
第１磁性層１と第３磁性層３の磁化は反平行であるため、これらの磁性層の磁化から第２磁性層に印加される漏洩磁界は、相互に打ち消しあって弱まる。このため、第２磁性層２は、他の磁性層からの結合力を受けない単層膜のように振舞うことができ、反転磁界の増大やシフトなどをなくすことができる。
【００２７】
（第９の実施形態）
第８の実施形態の磁気抵抗素子を実現するためには、第１磁性層１を鉄族元素副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜とし、第３磁性層を希土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜とすればよい。希土類鉄族合金膜は、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であるフェリ磁性体であって、正味の磁化は、これらの副格子磁化の差となる。また、磁気抵抗に起因するのは、主に鉄族元素の副格子磁化である。よって、どちらかの磁性層を鉄族元素副格子磁化優勢、他の磁性層を希土類元素副格子磁化優勢とすれば、正味の磁化と磁気抵抗に起因する磁化の方向を反平行にしたりすることが可能である。
【００２８】
また、第１磁性層１を希土類元素副格子磁化優勢、第３磁性層３を鉄族元素副格子磁化優勢としてもよい。
【００２９】
（第１０の実施形態）
本発明の磁気抵抗素子における各非磁性層Ｎ１，Ｎ２は、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）がおきるようにＣｕなどの良導体にしてもよいし、スピントンネル効果がおきるようにＡｌ2Ｏ3などの絶縁体にしてもよい。しかし、スピントンネル効果の方がＧＭＲ効果より磁気抵抗変化率が大きく、ＭＲＡＭのメモリセルに適した抵抗値に設定することが可能なため、スピントンネル効果がおきるようにすることが好ましい。すなわち、第１非磁性層Ｎ１及び第２非磁性層Ｎ２の両方が絶縁層からなることが望ましい。
【００３０】
（第１１の実施形態）
本発明において、磁気抵抗素子を構成する垂直磁化膜である第１磁性層、第２磁性層及び第３磁性層は、膜面垂直方向に磁化しかつ磁気抵抗効果をもたらすものならどのようなものでも使用できる。そのような垂直磁化膜として、例えば、希土類鉄族合金膜、ＣｏＣｒ合金膜、ガーネット膜などを使用することができる。中でも、希土類−鉄族元素合金は、室温で成膜後に容易に垂直磁化膜となる点、アモルファス合金のため結晶粒界の悪影響がない点などから好ましい。したがって、第１磁性層１、第２磁性層２及び第３磁性層３の全てを希土類元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜とすることが好ましい。
【００３１】
希土類鉄族合金膜として、本発明における第１磁性層１、第２磁性層２及び第３磁性層３に使用できるものとして、例えば、ＧｄＦｅ，ＧｄＦｅＣｏ，ＴｂＦｅ，ＴｂＦｅＣｏ，ＤｙＦｅ，ＤｙＦｅＣｏなどが挙げられる。これらの磁性膜は、垂直磁気異方性が、Ｇｄ，Ｄｙ，Ｔｂを含む順に大きくなる傾向がある。このため、保磁力の高い層にはＴｂＦｅ，ＴｂＦｅＣｏなどを用いるのがよく、保磁力の低い層にはＧｄＦｅもしくはＧｄＦｅＣｏを用いるのがよい。
【００３２】
また，第１磁性層、第２磁性層、第３磁性層の膜厚は、２ｎｍから１μｍまでの範囲が良い。これは，２ｎｍより薄くなると磁化を一方向に保存しておくことが容易でなくなるためである。１μｍより厚くなると加工が難しい、ラフネスが大きくなってトンネル障壁膜がショートする、などの製造プロセスの問題が発生するためであり、好ましくは１００ｎｍ以下が良い。さらに望ましくは，５ｎｍ以上５０ｎｍ以下がよい。
【００３３】
図６は、希土類元素と鉄族元素の合金からなるフェリ磁性膜を用いた本発明に基づく磁気抵抗素子の磁化状態を示したものである。層構成自体は第１の実施形態のものと同様である。第１磁性層１及び第３磁性層３における実線は鉄族元素（ＴＥ）の副格子磁化の向きを示し、点線は希土類元素（ＲＥ）の副格子磁化の向きを示している。図６は、第１磁性層１及び第３磁性層３の磁化の方向が一定であって第２磁性層２の磁化方向を反転させる場合を示している。
【００３４】
交換結合力に関して鉄族元素の交換力が希土類元素の交換力よりも強いので、磁性層間の交換結合力には主に鉄族元素が寄与する。図６の（ａ）では鉄族元素副格子磁化が平行となっており、スピントンネル効果における低抵抗状態となっている。（ｂ）では、第１磁性層１と第２磁性層２の間、及び、第２磁性層２と第３磁性層３の間では反平行磁化状態となっており、高抵抗状態となっている。
【００３５】
また、図７は、図６に示すものと同じ原理であるが、第２磁性層２の磁化の方向が一定であって、第１磁性層１及び第３磁性層３の磁化が反転する場合を示している。
【００３６】
この実施の形態においては、第１磁性層１、第２磁性層２及び第３磁性層３は、全て、希土類元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜とするとことが好ましい。
【００３７】
（第１２の実施形態）
磁気抵抗効果、特にスピントンネル効果を高めて磁気抵抗変化率を高めるためには、非磁性層の両側に、スピン分極率の高い材料の磁性層を設けることが望ましい。第１磁性層、第２磁性層、第３磁性層は、膜面垂直方向に磁化した磁性膜である。これらの磁性膜が十分高い抵抗変化率を生じせしめない場合には、非磁性層の両側に抵抗変化率が高くなるような磁性膜を設けて、これらの磁性膜が垂直磁化膜と磁気的に結合するようにすればよい。抵抗変化率が高くなる磁性膜とは、特にスピントンネル効果の場合、スピン分極率が高いことに相当する。したがって、第１磁性層と第１非磁性層の間、第２磁性層と第１非磁性層の間、第２磁性層と第２非磁性層の間、第２非磁性層と第３磁性層の間の少なくとも１箇所に、スピン分極率の高い磁性層が設けると良い。
【００３８】
また、磁気的な結合としては，交換結合と静磁結合が挙げられる。このうち、交換結合は、膜面に均一に作用し、磁性層間に非磁性層を設ける必要がないので、磁気的な結合としては、交換結合がより望ましい。
【００３９】
スピン分極率が高い磁性層の膜厚としては、原子オーダーから、１０ｎｍの範囲がよい。好ましくは、１ｎｍから５ｎｍの範囲がよい。スピン分極率が高い材料は、フェロ磁性材料などがあげられ、例えばＦｅ，Ｃｏ，ＦｅＣｏなどであり、磁化が大きいために反磁界により膜面内方向に磁化しやすい性質がある。第１磁性層、第２磁性層、第３３磁性層と交換結合させて垂直方向に磁化させるためには薄いほうが、垂直に磁化させやすいからである。
【００４０】
図８は、このようなスピン分極率の高い磁性層を有する磁気抵抗素子を示している。この磁気抵抗素子は、第１の実施形態の磁気抵抗素子において、第１磁性層１と第１非磁性層Ｎ１の間に高スピン分極率材料層Ｍ１、第１非磁性層Ｎ１と第２磁性層２の間に高スピン分極率材料層Ｍ２、第２磁性層２と第２非磁性層Ｎ２の間に高スピン分極率材料層Ｍ３、第２非磁性層Ｎ２と第３磁性層３の間に高スピン分極率材料層Ｍ４をそれぞれ設けた構成のものである。
【００４１】
高スピン分極率材料層Ｍ１〜Ｍ４としては、Ｃｏ，Ｆｅ，ＣｏＦｅなどの層を用いることができるが、中でも、ＣｏＦｅが、高いＭＲ比を達成されるために、好ましい。またこれらの材料は、単独で膜形成した場合には面内磁化膜となるため、薄膜として形成して第１磁性層１、第２磁性層２、第３磁性層３などと交換結合させることにより垂直磁化膜とすることが好ましい。
【００４２】
（第１３の実施形態）
本発明に基づく前述した各実施形態の磁気抵抗素子に、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９に示すように、図示しない絶縁膜を介して書き込み線９００を磁気抵抗素子の近傍に配置する。ここで絶縁膜を設けるのは、磁気抵抗素子と書き込み線９００との電気的な接触を防ぐためである。
【００４３】
書き込み線９００は、紙面の垂直方向に延びており、（ａ）では、紙面奥側に向かって電流を流すことにより、第２磁性層２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２磁性層１の磁化を下向きにすることができる。
【００４４】
（第１４の実施形態）
メモリ装置（ＭＲＡＭ）を構成する場合には、それぞれ上述したようなメモリ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。
【００４５】
図１０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の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。
【００４６】
図１０において、シリコン半導体のｐ型基板３３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ＭＯＳＦＥＴ（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に上述の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。
【００４７】
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。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、磁気抵抗素子として垂直磁化膜を用いるとともに２つの非磁性層を設けることにより、素子を微細化しても安定に磁化情報を保存することができるとともに、ＭＲ比のバイアス依存性を改善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を示す断面図である。
【図２】第３の実施形態における磁気抵抗素子の磁化状態を示す図である。
【図３】第５の実施形態におけるメモリ素子からの情報の読出しを説明する図である。
【図４】第７の実施形態におけるメモリ素子からの情報の読出しを説明する図である。
【図５】第８の実施形態における磁気抵抗素子の磁化状態を説明する図である。
【図６】第１１の実施形態における磁気抵抗素子の磁化状態の例を示す図である。
【図７】第１１の実施形態における磁気抵抗素子の磁化状態の別の例を示す図である。
【図８】第１２の実施形態の磁気抵抗素子の断面図である。
【図９】メモリ素子の基本構成を示す図である。
【図１０】メモリセルの構成の一例を示す断面図である。
【図１１】従来の磁気抵抗素子の構成の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１１ 第１磁性層
２，１２ 第２磁性層
３，１３ 第３磁性層
３１ ドレイン領域
３２ ソース領域
３３ Ｓｉ基板
４０ センス線
７０ ソース電極
８０ ゲート電極
９００ 書き込み線
Ｎ１，Ｎ１１ 第１非磁性層
Ｎ２，Ｎ１２ 第２非磁性層
Ｍ１〜Ｍ４ 高スピン分極率材料層
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性固体メモリなどに使用される磁気抵抗素子に関し、特に、２重トンネル垂直磁化ＴＭＲ素子である磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子を用いたメモリ素子及びメモリセルと、そのようなメモリ素子の記録再生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁気抵抗素子を用いた磁気メモリが盛んに研究されている。この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 Memory）は、情報の保存に磁性膜を用いているため、電源を落としても情報が消えない、すなわち不揮発性であるという特徴を有している。
【０００３】
ＭＲＡＭのメモリセルには、スピントンネル効果による磁気抵抗素子が設けられている。この素子は、一般にＴＭＲ素子と呼ばれており、抵抗変化率（ＭＲ比）が従来の磁気抵抗素子と比較して大きく、抵抗値も数ＫΩから数十ＫΩとＭＲＡＭのメモリセルとして最適な値に設定することが可能なため、ＭＲＡＭの記憶素子として一般的に用いられている。
【０００４】
ところが、このＴＭＲ素子は、素子にかかるバイアス電圧が大きくなると、ＭＲ比が減少するという特性を持ち合わせている。例えば、数ｍＶで５０％近いＭＲ比が得られているが、５００ｍＶで約２０％になるといった報告がなされている。ＭＲＡＭでは、数１００ｍＶのバイアス電圧がＴＭＲ素子に印加されるため、この減少率は無視できないレベルであり、検出感度を劣化させることになる。
【０００５】
このＴＭＲ素子のＭＲ比のバイアス電圧依存性の課題に対する対策案として、絶縁層を２個設けたＴＭＲ素子を用いることが提案されている。例えば、特開平９−２６０７４３号公報には、膜面内方向に磁化された磁性層を用いて、磁性層と絶縁層と磁性層と絶縁層と磁性層の積層構造により、トンネル接合膜を作成した素子が開示されている。図１１は絶縁層を２つ有する従来のＴＭＲ素子の構成を示すものであり、（ａ）は二値の記録の一方に対応する磁化状態を示し、（ｂ）は二値の記録の他方に対応する磁化状態を示している。図中、矢印は各磁性層の磁化の方向を示している。このＴＭＲ素子は、面内磁化膜である第１磁性層１１、第１非磁性層Ｎ１１、面内磁化膜である第２磁性層１２、第２非磁性層Ｎ１２及び面内磁化膜である第３磁性層１３をこの順に積層したものであって、各磁性層１１〜１３の保磁力の差異を利用して、中央に位置する第２磁性層１２の磁化方向を、より保磁力の高い第１磁性層１１及び第３磁性層１３の磁化方向に対して平行にするか（ａ）、あるいは反平行にするか（ｂ）で、二値の情報を記憶し、また、これら２つの状態間でトンネル膜の抵抗値に差ができるようにして、記憶された情報を読み出せるようにする。
【０００６】
このような絶縁層を２個設けたＴＭＲ素子は、通常のＴＭＲ素子を２個直列に接続するのと同じように、１つのトンネル障壁膜にかかるバイアス電圧が半減するため、ＭＲ比のバイアス電圧による劣化が小さくなるといった効果がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示した従来の磁気抵抗素子は、バイアス電圧依存性に対しては効果があるものの、素子サイズが小さくなると磁化状態が不安定になるといった課題が生じる。これは、磁気抵抗素子に面内磁化膜を用いているために生じ、特に図１１の（ａ）に示す磁化状態の場合には、各磁性層の磁化が同じ方向を向くために、磁性膜の端面にある磁極による自己磁界（反磁界）が各層に印加され、各層の磁化状態がより不安定となる。このために、（ａ）に示す状態のように一方向に磁化配向させるためには、磁化容易軸方向に磁性膜を長くするといった素子形状の改良で対策を取ることが一般的である。これは、素子サイズが大きくなり、メモリセル面積の増加、すなわち、集積度の低下の原因となる。
【０００８】
さらに、図１１の（ａ），（ｂ）の２つの状態のうち、（ｂ）の状態は磁性層１１〜１３から出る磁束が閉じるため、エネルギー的に安定な状態である。しかし（ａ）の状態は、各磁性層１１〜１３の磁化が反発しあうため、エネルギー的に高い状態にあり不安定である。このため、磁化状態を（ｂ）から（ａ）にするのに必要な磁界が、磁化状態を（ａ）から（ｂ）にするのに必要な磁界よりも大きくなる。磁気メモリ素子において、情報の記録のために磁性膜の磁化を反転させるためには、書き込み線に電流を流してそこから発生する磁界を磁性膜に印加する。このため、反転磁界が大きくなると、書き込み線には大きな電流を流す必要があり、全体の消費電力が大きくなってしまう。また、磁化状態（ａ）は、エネルギー的に不安定であるため、熱などの影響で（ｂ）の状態に変わりやすい特性を有する。このため、情報の安定性に欠けることとなる。
【０００９】
これらの不安定性や反転磁界の問題は、素子サイズが小さくなるとより顕著になる傾向がある。したがって、従来提案された素子においては、集積度を高くしようとすると、磁化状態が不安定になったり、反転磁界が増加するといった課題があった。
【００１０】
そこで本発明の目的は、磁化状態が安定であるとともに情報の記録を低消費電流で安定して行うことができる磁気抵抗素子と、このような磁気抵抗素子を用いたメモリ素子及びメモリセルと、これらのメモリ素子に対する記録再生方法とを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題に鑑み、本発明者は、磁気抵抗素子を構成する磁性膜として反磁界エネルギーの小さい磁性膜を用い、さらに反平行磁化状態のときと平行磁化状態のときとでエネルギー的に差異の少ない媒体構成を用いることによって、上記課題を解決することを見出し、本発明を完成させた。
【００１２】
すなわち上記の目的は、
（１）膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と、第１非磁性層と、膜面垂直方向に磁化した第２磁性層と、第２非磁性層と、膜面垂直方向に磁化した第３磁性層とが順に積層され、第１磁性層及び第３磁性層の保磁力がいずれも第２磁性層の保磁力よりも小さい磁気抵抗素子を有するメモリ素子の記録再生方法であって、第２磁性層の磁化方向を記録情報に応じて変化させ、第１磁性層及び前記第３磁性層の磁化方向を読出し時に反転させるようにしたことを特徴とするメモリ素子の記録再生方法、及び、
（２）第１磁性層の磁化の向きと第３磁性層の磁化の向きが反平行である（１）に記載のメモリ素子の記録再生方法、及び、
（３）第１磁性層及び第３磁性層の一方が鉄族元素副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜であり、第１磁性層及び第３磁性層の他方が希土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜である、（２）に記載のメモリ素子の記録再生方法、及び、
（４）第１非磁性層及び第２非磁性層が絶縁層からなる（１）〜（３）に記載のメモリ素子の記録再生方法、及び、
（５）メモリ素子が基板上に複数配され、メモリ素子の少なくとも一つを選択して、情報の記録再生を行うことを特徴とする、（１）〜（４）に記載のメモリ素子の記録再生方法、及び、
（６）膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と、第１非磁性層と、膜面垂直方向に磁化した第２磁性層と、第２非磁性層と、膜面垂直方向に磁化した第３磁性層とが順に積層され、第１磁性層と第１非磁性層の間、第２磁性層と第１非磁性層の間、第２磁性層と第２非磁性層の間、第２非磁性層と第３磁性層の間の少なくとも一つに、第１磁性層もしくは第２磁性層もしくは第３磁性層よりもスピン分極率の高い磁性層が設けられ、スピン分極率の高い磁性層が、ＣｏＦｅからなることを特徴とする磁気抵抗素子、及び、
（７）基板上に、（６）に記載の磁気抵抗素子と、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、磁気抵抗素子を含み、そ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有することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ、
によって達成される。
【００１３】
【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。
【００１４】
（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構造の一例を示したものである。図中矢印は各磁性層の磁化方向を示しており、また、（ａ），（ｂ）はこの磁気抵抗素子が安定してとりえる２つの磁化状態のそれぞれを示している。
【００１５】
この磁気抵抗素子は、膜面垂直方向に磁化した第１磁性層１と、第１非磁性層Ｎ１と、膜面垂直方向に磁化した第２磁性層２と、第２非磁性層Ｎ２と、膜面垂直方向に磁化した第３磁性層３と、を順に積層して構成したものである。図示（ａ）の状態では、全ての磁性層１〜３の磁化は上向きであり、（ｂ）の状態では、第２磁性層２のみが下向きの磁化となっている。各非磁性層Ｎ１，Ｎ２としては絶縁層が用いられる。これらの非磁性層Ｎ１，Ｎ２はトンネル電流が流れる程度の厚さであって、スピントンネル効果によってそのトンネル抵抗値が変化するようになっている。ここでは絶縁層である非磁性層が２層設けられており、各磁性層が垂直磁化膜によって構成されているから、このような磁気抵抗素子のことを２重トンネル垂直磁化ＴＭＲ素子とも呼ぶ。この素子の膜厚方向に電流を流すと、（ａ）の状態では磁化が平行の状態なので抵抗は小さいが、（ｂ）の状態では、第１磁性層１と第２磁性層２の磁化が反平行、第２磁性層２と第３磁性層３の磁化も反平行のため、抵抗が大きくなる。
【００１６】
このように絶縁層を２個含んだＴＭＲ素子では、素子の上下に印加した電圧の１／２の電圧が個々の絶縁層に印加される。このため、ＭＲ比のバイアス電圧依存性は軽減され、ＭＲ比の劣化を抑えることが可能となる。
【００１７】
また垂直磁化膜は、一般に反磁界エネルギーが小さく、磁化の大きさが面内磁化膜と比較して小さい。したがって、この磁気抵抗素子によれば、積層された各磁性層の磁化から他の磁性層にかかる磁界の大きさを小さくすることができ、容易に、反平行磁化状態とすることができる。また、外部磁界がない場合に他の磁性層にかかる磁界を低減できるため、ＭＲカーブ（抵抗と印加磁界の関係を示したグラフ）が漏洩磁界分だけずれるシフト量が小さくなる。このシフト磁界（オフセット磁界）が低減できることは、すなわち、反転磁界の増大を抑制できることであり、これにより、消費電力を抑制することが可能となる。
【００１８】
（第２の実施形態）
図１に示したような第２磁性層２の磁化方向のみが変化した磁化状態は、第１の実施形態に示す層構成において、第１磁性層１と第３磁性層３の保磁力を第２磁性層２の保磁力よりも高く設定することにより実現できる。すなわち、この素子に対し第１磁性層１及び第３磁性層３の保磁力よりも大きな磁界を印加してこれらの磁性層の向きを配向させた後、これより小さな磁界を印加して第２磁性層２の磁化の向きを変更することによって、実現される。この素子においては、外部磁界によって第２磁性層２の磁化方向を変えることで、スピントンネル効果による素子抵抗値を大きくしたり小さくしたりすることができる。
【００１９】
（第３の実施形態）
第２の実施形態とは逆に、第１の実施形態に示す層構成において第１磁性層１と第３磁性層３の保磁力を第２磁性層２の保磁力よりも低く設定すれば、図２に示すように、第２磁性層２の磁化方向を固定したまま、第１磁性層１及び第３磁性層３の磁化の方向を外部磁界によって変化させることができる。これにより、図２の（ａ）に示す低抵抗状態と（ｂ）に示す高抵抗状態とを作ることができる。
【００２０】
（第４の実施形態）
第２の実施形態の磁気抵抗素子において、第１磁性層１と第３磁性層３の磁化方向を一定にし、第２磁性層２の磁化方向を記録情報に応じて変化させ、読出し時に抵抗値を検出すれば、メモリ素子として機能させることができる。
【００２１】
（第５の実施形態）
第２の実施形態に示す磁気抵抗素子において、第１磁性層１と第３磁性層３の磁化方向を記録情報に応じて変化させ、第２磁性層の磁化方向を読出し時に反転させることとすれば、メモリ素子とすることができる。図３にその例を示した。図３において、（ａ−１）及び（ａ−２）では、第１磁性層１及び第３磁性層３が上向きに記録されており、一方、（ｂ−１）及び（ｂ−２）では下向きに記録されており、それぞれが、“０”，“１”の二値のデータに相当する。（ａ−１）及び（ａ−２）の違いは、第２磁性層２の磁化の方向である。（ｂ−１）及び（ｂ−２）の違いも、第２磁性層２の磁化の方向である。各々の場合についてもいずれも、まず、素子に上向きの磁界を印加したのち、下向きの磁界を印加するものとする。この際の磁界は、第２磁性層２の磁化のみが反転するように、第２磁性層２の保磁力よりも大きく、第１磁性層１及び第３磁性層３の保磁力よりも小さく設定する。第１磁性層１及び第３磁性層３が上向きに記録されている場合は、抵抗値については、（ａ−１）が低い状態、（ａ−２）が高い状態であるため、高い状態から低い状態へ遷移するが、第１磁性層１及び第３磁性層３が下向きに記録されている場合は、抵抗値については、（ｂ−１）が高い状態、（ｂ−２）が低い状態であるため、低い状態から高い状態に遷移する。このような抵抗値の状態の変化をセンシングすれば、記録されている情報を読み出すことができる。
【００２２】
（第６の実施形態）
第３の実施形態３の磁気抵抗素子において、第２磁性層２の磁化方向を一定にし、第１磁性層１と第３磁性層３の磁化方向を記録情報に応じて変化させ、読出し時に抵抗値を検出すれば、メモリ素子として機能させることができる。
【００２３】
（第７の実施形態）
第３の実施形態の磁気抵抗素子において、第２磁性層２の磁化方向を記録情報に応じて変化させ、第１磁性層１及び第３磁性層３の磁化方向をいずれも読出し時に反転させることとすれば、この磁気抵抗素子をメモリ素子に応用することができる。図４にその例を示した。図４において、（ａ−１），（ａ−２）は第２磁性層２が上向きの状態を示し、これら両者の違いは、第１磁性層１及び第３磁性層３の磁化がいずれも上向きか下向きかである。また、（ｂ−１），（ｂ−２）では第２磁性層２が下向きに記録されており、両者は、第１磁性層１及び第３磁性層３の磁化がいずれも上向きか下向きかで相違している。（ａ−１），（ａ−２）は“０”，“１”の二値データの一方に対応し、（ｂ−１），（ｂ−２）は他方に対応する。
【００２４】
この実施形態においても、第５の実施形態の場合と同様に、まず、素子に上向きの磁界を印加したのち、下向きの磁界を印加するものとする。この際の磁界は、第１磁性層１及び第３磁性層の磁化が反転し第２磁性層の磁化が反転しないように、第２磁性層２の保磁力よりも小さく、第１磁性層１及び第３磁性層３の保磁力よりも大きく設定する。そして、第５の実施形態と同様にして抵抗値の状態の変化をセンシングすれば、記録されている情報を読み出すことができる。
【００２５】
（第８の実施形態）
第２の実施形態の磁気抵抗素子において、第１磁性層１の磁化の向きと第３磁性層３の磁化の向きを反平行にすることによって、第２磁性層２に印加される漏洩磁界を低減することができる。図５にこの素子構成を示した。図中、第１磁性層１及び第３磁性層３中の矢印のうち、外側の白抜きの矢印はその磁性層の総体としての磁化の向きを示しており、内側の黒実線の矢印は、磁気抵抗効果に影響を与える副格子磁化の向きを示している。
【００２６】
第１磁性層１と第３磁性層３の磁化は反平行であるため、これらの磁性層の磁化から第２磁性層に印加される漏洩磁界は、相互に打ち消しあって弱まる。このため、第２磁性層２は、他の磁性層からの結合力を受けない単層膜のように振舞うことができ、反転磁界の増大やシフトなどをなくすことができる。
【００２７】
（第９の実施形態）
第８の実施形態の磁気抵抗素子を実現するためには、第１磁性層１を鉄族元素副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜とし、第３磁性層を希土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜とすればよい。希土類鉄族合金膜は、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であるフェリ磁性体であって、正味の磁化は、これらの副格子磁化の差となる。また、磁気抵抗に起因するのは、主に鉄族元素の副格子磁化である。よって、どちらかの磁性層を鉄族元素副格子磁化優勢、他の磁性層を希土類元素副格子磁化優勢とすれば、正味の磁化と磁気抵抗に起因する磁化の方向を反平行にしたりすることが可能である。
【００２８】
また、第１磁性層１を希土類元素副格子磁化優勢、第３磁性層３を鉄族元素副格子磁化優勢としてもよい。
【００２９】
（第１０の実施形態）
本発明の磁気抵抗素子における各非磁性層Ｎ１，Ｎ２は、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）がおきるようにＣｕなどの良導体にしてもよいし、スピントンネル効果がおきるようにＡｌ2Ｏ3などの絶縁体にしてもよい。しかし、スピントンネル効果の方がＧＭＲ効果より磁気抵抗変化率が大きく、ＭＲＡＭのメモリセルに適した抵抗値に設定することが可能なため、スピントンネル効果がおきるようにすることが好ましい。すなわち、第１非磁性層Ｎ１及び第２非磁性層Ｎ２の両方が絶縁層からなることが望ましい。
【００３０】
（第１１の実施形態）
本発明において、磁気抵抗素子を構成する垂直磁化膜である第１磁性層、第２磁性層及び第３磁性層は、膜面垂直方向に磁化しかつ磁気抵抗効果をもたらすものならどのようなものでも使用できる。そのような垂直磁化膜として、例えば、希土類鉄族合金膜、ＣｏＣｒ合金膜、ガーネット膜などを使用することができる。中でも、希土類−鉄族元素合金は、室温で成膜後に容易に垂直磁化膜となる点、アモルファス合金のため結晶粒界の悪影響がない点などから好ましい。したがって、第１磁性層１、第２磁性層２及び第３磁性層３の全てを希土類元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜とすることが好ましい。
【００３１】
希土類鉄族合金膜として、本発明における第１磁性層１、第２磁性層２及び第３磁性層３に使用できるものとして、例えば、ＧｄＦｅ，ＧｄＦｅＣｏ，ＴｂＦｅ，ＴｂＦｅＣｏ，ＤｙＦｅ，ＤｙＦｅＣｏなどが挙げられる。これらの磁性膜は、垂直磁気異方性が、Ｇｄ，Ｄｙ，Ｔｂを含む順に大きくなる傾向がある。このため、保磁力の高い層にはＴｂＦｅ，ＴｂＦｅＣｏなどを用いるのがよく、保磁力の低い層にはＧｄＦｅもしくはＧｄＦｅＣｏを用いるのがよい。
【００３２】
また，第１磁性層、第２磁性層、第３磁性層の膜厚は、２ｎｍから１μｍまでの範囲が良い。これは，２ｎｍより薄くなると磁化を一方向に保存しておくことが容易でなくなるためである。１μｍより厚くなると加工が難しい、ラフネスが大きくなってトンネル障壁膜がショートする、などの製造プロセスの問題が発生するためであり、好ましくは１００ｎｍ以下が良い。さらに望ましくは，５ｎｍ以上５０ｎｍ以下がよい。
【００３３】
図６は、希土類元素と鉄族元素の合金からなるフェリ磁性膜を用いた本発明に基づく磁気抵抗素子の磁化状態を示したものである。層構成自体は第１の実施形態のものと同様である。第１磁性層１及び第３磁性層３における実線は鉄族元素（ＴＥ）の副格子磁化の向きを示し、点線は希土類元素（ＲＥ）の副格子磁化の向きを示している。図６は、第１磁性層１及び第３磁性層３の磁化の方向が一定であって第２磁性層２の磁化方向を反転させる場合を示している。
【００３４】
交換結合力に関して鉄族元素の交換力が希土類元素の交換力よりも強いので、磁性層間の交換結合力には主に鉄族元素が寄与する。図６の（ａ）では鉄族元素副格子磁化が平行となっており、スピントンネル効果における低抵抗状態となっている。（ｂ）では、第１磁性層１と第２磁性層２の間、及び、第２磁性層２と第３磁性層３の間では反平行磁化状態となっており、高抵抗状態となっている。
【００３５】
また、図７は、図６に示すものと同じ原理であるが、第２磁性層２の磁化の方向が一定であって、第１磁性層１及び第３磁性層３の磁化が反転する場合を示している。
【００３６】
この実施の形態においては、第１磁性層１、第２磁性層２及び第３磁性層３は、全て、希土類元素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜とするとことが好ましい。
【００３７】
（第１２の実施形態）
磁気抵抗効果、特にスピントンネル効果を高めて磁気抵抗変化率を高めるためには、非磁性層の両側に、スピン分極率の高い材料の磁性層を設けることが望ましい。第１磁性層、第２磁性層、第３磁性層は、膜面垂直方向に磁化した磁性膜である。これらの磁性膜が十分高い抵抗変化率を生じせしめない場合には、非磁性層の両側に抵抗変化率が高くなるような磁性膜を設けて、これらの磁性膜が垂直磁化膜と磁気的に結合するようにすればよい。抵抗変化率が高くなる磁性膜とは、特にスピントンネル効果の場合、スピン分極率が高いことに相当する。したがって、第１磁性層と第１非磁性層の間、第２磁性層と第１非磁性層の間、第２磁性層と第２非磁性層の間、第２非磁性層と第３磁性層の間の少なくとも１箇所に、スピン分極率の高い磁性層が設けると良い。
【００３８】
また、磁気的な結合としては，交換結合と静磁結合が挙げられる。このうち、交換結合は、膜面に均一に作用し、磁性層間に非磁性層を設ける必要がないので、磁気的な結合としては、交換結合がより望ましい。
【００３９】
スピン分極率が高い磁性層の膜厚としては、原子オーダーから、１０ｎｍの範囲がよい。好ましくは、１ｎｍから５ｎｍの範囲がよい。スピン分極率が高い材料は、フェロ磁性材料などがあげられ、例えばＦｅ，Ｃｏ，ＦｅＣｏなどであり、磁化が大きいために反磁界により膜面内方向に磁化しやすい性質がある。第１磁性層、第２磁性層、第３３磁性層と交換結合させて垂直方向に磁化させるためには薄いほうが、垂直に磁化させやすいからである。
【００４０】
図８は、このようなスピン分極率の高い磁性層を有する磁気抵抗素子を示している。この磁気抵抗素子は、第１の実施形態の磁気抵抗素子において、第１磁性層１と第１非磁性層Ｎ１の間に高スピン分極率材料層Ｍ１、第１非磁性層Ｎ１と第２磁性層２の間に高スピン分極率材料層Ｍ２、第２磁性層２と第２非磁性層Ｎ２の間に高スピン分極率材料層Ｍ３、第２非磁性層Ｎ２と第３磁性層３の間に高スピン分極率材料層Ｍ４をそれぞれ設けた構成のものである。
【００４１】
高スピン分極率材料層Ｍ１〜Ｍ４としては、Ｃｏ，Ｆｅ，ＣｏＦｅなどの層を用いることができるが、中でも、ＣｏＦｅが、高いＭＲ比を達成されるために、好ましい。またこれらの材料は、単独で膜形成した場合には面内磁化膜となるため、薄膜として形成して第１磁性層１、第２磁性層２、第３磁性層３などと交換結合させることにより垂直磁化膜とすることが好ましい。
【００４２】
（第１３の実施形態）
本発明に基づく前述した各実施形態の磁気抵抗素子に、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９に示すように、図示しない絶縁膜を介して書き込み線９００を磁気抵抗素子の近傍に配置する。ここで絶縁膜を設けるのは、磁気抵抗素子と書き込み線９００との電気的な接触を防ぐためである。
【００４３】
書き込み線９００は、紙面の垂直方向に延びており、（ａ）では、紙面奥側に向かって電流を流すことにより、第２磁性層２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２磁性層１の磁化を下向きにすることができる。
【００４４】
（第１４の実施形態）
メモリ装置（ＭＲＡＭ）を構成する場合には、それぞれ上述したようなメモリ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。
【００４５】
図１０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の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。
【００４６】
図１０において、シリコン半導体のｐ型基板３３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ＭＯＳＦＥＴ（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に上述の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。
【００４７】
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。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、磁気抵抗素子として垂直磁化膜を用いるとともに２つの非磁性層を設けることにより、素子を微細化しても安定に磁化情報を保存することができるとともに、ＭＲ比のバイアス依存性を改善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を示す断面図である。
【図２】第３の実施形態における磁気抵抗素子の磁化状態を示す図である。
【図３】第５の実施形態におけるメモリ素子からの情報の読出しを説明する図である。
【図４】第７の実施形態におけるメモリ素子からの情報の読出しを説明する図である。
【図５】第８の実施形態における磁気抵抗素子の磁化状態を説明する図である。
【図６】第１１の実施形態における磁気抵抗素子の磁化状態の例を示す図である。
【図７】第１１の実施形態における磁気抵抗素子の磁化状態の別の例を示す図である。
【図８】第１２の実施形態の磁気抵抗素子の断面図である。
【図９】メモリ素子の基本構成を示す図である。
【図１０】メモリセルの構成の一例を示す断面図である。
【図１１】従来の磁気抵抗素子の構成の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１１ 第１磁性層
２，１２ 第２磁性層
３，１３ 第３磁性層
３１ ドレイン領域
３２ ソース領域
３３ Ｓｉ基板
４０ センス線
７０ ソース電極
８０ ゲート電極
９００ 書き込み線
Ｎ１，Ｎ１１ 第１非磁性層
Ｎ２，Ｎ１２ 第２非磁性層
Ｍ１〜Ｍ４ 高スピン分極率材料層
Claims (7)
- 膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と、第１非磁性層と、膜面垂直方向に磁化した第２磁性層と、第２非磁性層と、膜面垂直方向に磁化した第３磁性層とが順に積層され、前記第１磁性層及び前記第３磁性層の保磁力がいずれも前記第２磁性層の保磁力よりも小さい磁気抵抗素子を有するメモリ素子の記録再生方法であって、
前記第２磁性層の磁化方向を記録情報に応じて変化させ、前記第１磁性層及び前記第３磁性層の磁化方向を読出し時に反転させるようにしたことを特徴とするメモリ素子の記録再生方法。 - 前記第１磁性層の磁化の向きと前記第３磁性層の磁化の向きが反平行である請求項１に記載のメモリ素子の記録再生方法。
- 前記第１磁性層及び前記第３磁性層の一方が鉄族元素副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜であり、前記第１磁性層及び前記第３磁性層の他方が希土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜である、請求項２に記載のメモリ素子の記録再生方法。
- 前記第１非磁性層及び前記第２非磁性層が絶縁層からなる請求項１乃至３いずれか１項に記載のメモリ素子の記録再生方法。
- 前記メモリ素子が基板上に複数配され、該メモリ素子の少なくとも一つを選択して、情報の記録再生を行うことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のメモリ素子の記録再生方法。
- 膜面垂直方向に磁化した第１磁性層と、第１非磁性層と、膜面垂直方向に磁化した第２磁性層と、第２非磁性層と、膜面垂直方向に磁化した第３磁性層とが順に積層され、前記第１磁性層と前記第１非磁性層の間、前記第２磁性層と前記第１非磁性層の間、前記第２磁性層と前記第２非磁性層の間、前記第２非磁性層と前記第３磁性層の間の少なくとも一つに、前記第１磁性層もしくは前記第２磁性層もしくは前記第３磁性層よりもスピン分極率の高い磁性層が設けられ、該スピン分極率の高い磁性層が、ＣｏＦｅからなることを特徴とする磁気抵抗素子。
- 基板上に、請求項６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、
前記磁気抵抗素子を含み、そ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有することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
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