JP3891511B2

JP3891511B2 - 磁性薄膜メモリ及びその記録再生方法

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Publication number: JP3891511B2
Application number: JP15522597A
Authority: JP
Inventors: 直樹西村
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Priority date: 1997-06-12
Filing date: 1997-06-12
Publication date: 2007-03-14
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁化の向きによって情報を記録し、磁気抵抗効果によって再生する磁気抵抗素子（磁性薄膜メモリ素子）、並びにそれを用いた磁性薄膜メモリ及びその記録再生方法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稼働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である、放射線が入射すると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、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を利用した磁性薄膜メモリは、従来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。
【０００３】
例えば、日本応用磁気学会誌Ｖｏｌ．２０，ｐ２２（１９９６）には、図１１に示すような硬質磁性膜１０１／非磁性膜１０２／軟磁性膜１０３なる構成要素を非磁性膜を介して複数回積層してメモリー素子とした固体メモリーが提案されている。このメモリー素子には、金属導体と接合されたセンス線１０４、および絶縁膜１０５によってこのセンス線と絶縁されたワード線１０６が各々設けられており、このワード線電流およびセンス線電流によって発生する磁界によって情報の書き込みを行う。
【０００４】
具体的には、図１２に示すように、ワード線１０６に電流Ｉを流し、電流の向きＩＤによって異なる方向の磁界を発生させて硬質磁性膜１０１の磁化反転を行い、メモリー状態「０」又は「１」の記録を行う。例えば、図１２（ａ）に示すように正の電流を流して右向きの磁界を発生させて硬質磁性膜に「１」の記録を行い、図１２（ｃ）に示すように負の電流を流して左向きの磁界を発生させて硬質磁性膜に「０」の記録を行う。
【０００５】
情報の読み出しは、図１３に示すようにワード線に記録電流より小さい電流Ｉを流して軟磁性膜の磁化反転のみを起こし、その際の抵抗変化を測定する。巨大磁気抵抗効果を利用すれば軟磁性膜と硬質磁性膜の磁化が平行の場合と反平行の場合で抵抗値が異なるので、その時生ずる抵抗変化により「１」及び「０」のメモリー状態を判別することができる。図１３（ａ）に示すような正から負のパルスを印加すると、軟磁性膜は右向きから左向きになり、メモリー状態「１」に対しては、図１３（ｂ）のように小さい抵抗値を示す状態から図１３（ｃ）のように大きい抵抗値を示す状態に変化し、メモリー状態「０」に対しては、図１３（ｄ）のように大きい抵抗値を示す状態から図１３（ｅ）のように小さい抵抗値を示す状態に変化する。このようにして抵抗の変化を読みとれば、記録後の軟磁性膜の磁化状態に関わらず硬質磁性膜に記録した情報の読み出しが可能であり、非破壊読み出しが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記構成の磁性薄膜メモリは、ビット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。そのため、上記構成の磁性薄膜メモリは、ビットセルを微細化するにしたがい情報の保存が困難となり、高集積化が不可能であるといった欠点を有していた。
【０００７】
従来の２層の磁性層からなるメモリでは、各磁性層の磁化の向きは平行、反平行のどちらの状態も存在し、特に非磁性層の厚さが４０ｎｍを超える場合には一様でなく定まらない。また、非磁性層を４０ｎｍ以下に薄くした場合では、非磁性層の厚さによっては磁化が反平行状態または平行状態の一方を取り得る場合があるが、非磁性層の厚さを薄くするにしたがって２層の磁化が平行、反平行を繰り返すようになる。このため、磁化が反平行となる非磁性層の膜厚のマージンが狭いといった問題がある。すなわち、反平行の磁化状態を、１つのメモリ上にある数多くのメモリ素子で安定的に実現することは困難であった。
【０００８】
また、２層の磁性層の磁化が保存状態で平行であると、メモリ素子外部へ、無視できない大きさの磁界が漏れ、隣接するセルに誤記録・誤再生する場合がある。このため、従来のものは記録・再生が不安定であった。
【０００９】
そこで本発明は、これらの点に鑑み、ビットセルを微細化する際に問題となる磁性薄膜の反磁界をなくし、高集積化を可能にした磁性薄膜メモリ素子およびメモリの提供を目的とする。
【００１０】
さらに、保存時においては磁化安定性が高く情報の保存性に優れ、記録時においては弱い磁界でも磁化反転し消費電力の小さい磁性薄膜メモリ素子およびメモリの提供を目的とする。
【００１１】
また、安定して記録再生でき、再生時間が短く、ノイズの少ない記録再生方法の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の目的を達成するために種々の検討を重ねた結果、本発明を完成した。
【００１３】
本発明は、基板と、該基板上に、主に膜面内の一方向に磁化配向しており低い保磁力を有する第１磁性層と、主に膜面内の一方向に磁化配向しており前記第１磁性層よりも高い保磁力を有する第２磁性層が非磁性層を介して積層され、前記第１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化が平行の時は低い抵抗値を示し、反平行の時は前記平行状態よりも高い抵抗値を示す磁気抵抗素子を有し、該磁気抵抗素子の抵抗値の違いによる情報を記録する磁性薄膜メモリであって、前記磁気抵抗素子は、外部磁界が０の時に前記第１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化が反平行状態を示し、前記第１磁性層、第２磁性層およびこれらに接して設けられた第３磁性層により非磁性層を囲むように閉磁路が構成され、前記第３磁性層のキュリー温度が前記第１磁性層および第２磁性層のキュリー温度より低く、前記磁性薄膜メモリは、前記情報の記録を行うためのワード線を有し、該ワード線に電流を流すことによりワード線から磁界を発生させ、更にワード線の発熱で前記第３の磁性層をキュリー温度以上に昇温させ磁性を消失させることにより、前記第２の磁性層を磁化反転させて情報の記録を行うことを特徴とする磁性薄膜メモリに関する。
【００１４】
また本発明は、前記磁気抵抗素子がマトリックス状に配列され、縦または横方向に並ぶ該磁気抵抗素子を直列に接続するセンス線と、該センス線と交差する方向に並ぶ前記磁気抵抗素子列に電気的に絶縁された形で近接して設けられるワード線とを備えたことを特徴とする磁性薄膜メモリに関する。
【００１５】
また本発明は、前記磁気抵抗素子がマトリックス状に配列され、縦または横方向に並ぶ第１ワード線と該第１ワード線と交差する方向に並ぶ第２ワード線とにより前記磁気抵抗素子が並列に接続されていることを特徴とする磁性薄膜メモリに関する。
【００１６】
また本発明は、前記磁気抵抗素子がダイオード又はトランジスタからなる半導体素子と接続されたハイブリッド構造を有することを特徴とする磁性薄膜メモリに関する。
【００１７】
また本発明は、前記磁性薄膜メモリの記録方法であって、前記ワード線に電流を流し、該電流により生じる磁界により第２磁性層の磁化方向を定め、該ワード線の電流を流す方向を変えることにより「０」と「１」の状態を記録することを特徴とする磁性薄膜メモリの記録方法に関する。
【００１８】
また本発明は、前記磁性薄膜メモリの再生方法であって、再生時のワード電流により生じる磁界により、前記磁気抵抗素子の第１磁性層のみの磁化方向が反転することにより生じる抵抗変化を利用することを特徴とする磁性薄膜メモリの再生方法に関する。
【００１９】
本発明の磁性薄膜メモリは、保存時には記録に関わる磁性膜が閉磁路となっているため、反磁界による悪影響を無くすことが可能であり、安定に磁化情報を保存できる。このため１ビットのセル幅を小さくすることができ、集積度が高い磁性薄膜メモリを実現することができる。また、隣接セルに磁界が漏れ出さないため、より安定に情報の記録再生を行うことが可能となる。また、再生を１パルスで行うことができるためアクセス時間を短縮することができる。
【００２０】
また、磁化が反平行となる非磁性層の膜厚のマージンが広くなるため、容易に、低コストで作製できる。
【００２１】
本発明の磁性薄膜メモリ素子は、磁界を印加していない状態では、第１磁性層と第２磁性層の磁化は常に逆向きとなっており、このためアクセスしない他のメモリセルの抵抗値は常に一定になっている。従って、本発明のメモリ素子を用いた再生方法は、メモリ素子の磁化状態が定まっていない従来の方法と比較して、抵抗のバラツキが無くなるため、よりノイズの少ない精度のよい検出が可能である（Ｓ／Ｎが向上）。
【００２２】
本発明の磁性薄膜メモリは、上記のように保存時には記録に関わる磁性膜が閉磁路となっているため、反磁界による悪影響を無くすことが可能であり、安定に磁化情報を保存できる。一方、記録時においては、閉磁路が切断されて容易に磁化反転するようになっている。このため、本発明によれば、消費電力が少なく、かつ集積度が高く、保存安定性が良好な磁性薄膜メモリを実現することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。図１及び図２は本発明の磁性薄膜メモリ素子の一例を示す構造断面図である。図１において、１は第１磁性層、２は第２磁性層、３は第３磁性層、４は非磁性層を示す。また矢印は各磁性層における主な磁化方向を示している。
【００２４】
図１に示すように、本発明の薄膜状の磁気抵抗素子は、膜面内の一方向に磁化方向がある第１磁性層１及び第２磁性層２が、非磁性層４を介して積層されており、この第１磁性層および第２磁性層の側面には第３磁性層３が設けられており、全体として第１磁性層と第２磁性層と第３磁性層とで非磁性層を囲むように構成されている。外部磁界が０の保存状態では、第１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化は反平行であって、第３磁性層を介して閉磁路構成となっている。
【００２５】
図１では、第３磁性層は、第１磁性層、非磁性層および第２磁性層の側面に接するように配置されているが、図２に示すように第３磁性層を第１磁性層と第２磁性層との間に配置して、非磁性層の一部を置き換える形で設けてもよい。この場合には、第３磁性層の占有範囲を大きくしすぎると磁気抵抗効果が低下するので、第３磁性層の合計の長さは非磁性層の長さに対して３分の１以内にすることが望ましい。より望ましくは４分の１以下がよい。図２の構成の素子における第３磁性層は、閉磁路のうち主に垂直磁化領域を受け持つ部分なので垂直磁化成分が大きい材料を用いることが好ましい。
【００２６】
図１及び図２には、それぞれの層の磁化の向きを簡略化して示したが、詳細には第３磁性層の磁化は緩やかに曲がって環状のループを形成しており、安定なエネルギー状態が実現されている。従来知られている第３磁性層を有しない磁性２層膜構造では、磁荷の密度が高い端面でスピンが曲がってしまい、磁化が安定に保持されないが、本発明の磁性薄膜メモリ素子においては安定に磁化情報を保存することができる。
【００２７】
データの記録は、後述するように隣接するワード線から発生する磁界でおこなう。この際、ワード線からの発熱によりメモリセルは温度が上昇する。本発明の磁性薄膜メモリ素子は、第３磁性層のキュリー温度が第１及び第２磁性層のキュリー温度よリも低く設定されているため、記録しようとするメモリ素子の第３磁性層は、磁化の環状のループを形成するに十分な磁性を無くしてしまう。よって磁化情報を保存する第２磁性層は磁化反転しやすくなる。このため、安定に磁化情報を記録するとともに、記録を小さい電流で行うことができる。
【００２８】
第３磁性層のキュリー温度は、低すぎると保存時において第２磁性層に記録された磁化情報を安定に保存するのが妨げられ、高すぎると記録時に磁化の環状ループを切れやすくする本発明の効果が薄れてしまう。
【００２９】
第１磁性層の例として、磁歪が０であるＮｉ₆₆Ｆｅ₁₆Ｃｏ₁₈及びＮｉ₁₄Ｆｅ₁₃Ｃｏ₇₃が挙げられ、これらのキュリー温度はそれぞれ約７００℃及び約１０００℃である。また、第２磁性層の例としてＦｅＣｏが挙げられ、そのキュリー温度は図７に示すように約９００℃である。
【００３０】
第３磁性層は、第１及び第２磁性層のキュリー温度より低く設定する必要があるため５００℃以下が望ましい。また、保存時の温度が５０℃近くまで上昇することを考慮すると１００℃以上が望ましい。このため第３磁性層のキュリー温度は１００℃以上で５００℃以下が望ましい。より望ましくは１２０℃以上で４００℃以下がよい。さらに望ましくは１５０℃以上で３００℃以下がよい。さらに望ましくは１５０℃以上で２００℃以下がよい。
【００３１】
第３磁性層の室温での保磁力は４Ｏｅ以上で６Ｏｅ以下がよい。
【００３２】
図３に、（Ｎｉ_xＦｅ_100-x）_100-yＣｏ_yの組成とキュリー温度の関係を示す。図３より、第３磁性層の組成は、（Ｎｉ_xＦｅ_100-x）_100-yＣｏ_yとすると、キュリー温度を５００℃以下にするためには２５＜ｘ＜５０、０≦ｙ＜３０の範囲内で適当な組成を選択することが望ましい。キュリー温度をより好ましい３００℃以下にするためには２０＜×＜４０、０≦ｙ＜２０の範囲内で適当な組成を選択することが望ましい。
【００３３】
図４には、（Ｎｉ_xＦｅ_100-x）_100-yＣｏ_yの組成と飽和磁化Ｍｓの関係を示す。図４に示すように飽和磁化Ｍｓは少なくとも５００ｅｍｕ／ｃｃ以上あり、本発明の効果を示すことができる。
【００３４】
図５には、Ｇｄ_x（Ｆｅ_100-yＣｏ_y）_100-xの組成とキュリー温度の関係を示す。図５より、第３磁性層の組成は、Ｇｄ_x（Ｆｅ_100-yＣｏ_y）_100-xとすると、例えばキュリー温度を２００℃以下にするためには、４３≦ｘ、０≦ｙ≦５０、又はｘ≦１８、ｙ≦５などの組成を選択することが望ましい。また、例えばキュリー温度を１００℃以上にするためにはｘ≦５０とすることが望ましい。
【００３５】
図６には、Ｇｄ_x（Ｆｅ_100-yＣｏ_y）_100-xの組成と飽和磁化Ｍｓの関係を示す。図６より、飽和磁化が±５０Ｏｅ以内となる組成では、第３磁性層における磁束密度が小さくなって、本発明の効果を大きく発揮できない。このためｘは２４％±２％の範囲内を避けることが望ましい。
【００３６】
第３磁性層は、磁化の環状ループのうち曲率の大きいところを担っているため、第１磁性層および第２磁性層に比べて磁気異方性および保磁力が小さく、透磁率が高く、容易に任意の磁化方向を取れる材料が望ましい。また、第３磁性層に磁壁エネルギーが小さい材料を選択することも、スピンがカーブする場合におきる磁壁エネルギーの上昇を抑えるために好ましい。本発明の磁性薄膜メモリの磁化は環状のループを形成しており、磁路が閉磁路となっているため安定な磁化状態が実現できる。第１、第２及び第３磁性層内部の至る所で磁束密度と断面積の積が一定であることが完全な閉磁路ができるために望ましい。第３磁性層の材料としては、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏが挙げられ、磁歪定数、磁気異方性が小さく、第１磁性層および第２磁性層より保磁力が小さい磁性材料が好ましい。また、Ｇｄ _x Ｆｅ _100-x 、Ｔｂ _x Ｆｅ _100- _xなどの垂直磁化膜を主成分としてもよい。これらの垂直磁化膜については、ｘは元素組成で１０〜３５が望ましく、さらにＣｏ等の元素を添加してもよい。垂直磁化膜の中ではＧｄＦｅが保磁力が小さいため最も望ましい。
【００３７】
メモリセルの配列構造
次に、本発明の磁性薄膜メモリ素子を多数配列して固体メモリを作製する場合のメモリセルの配列構造の例（直列配列構造および並列配列構造）を説明する。
【００３８】
直列配列構造
図８（ａ）は図１に示す本発明の磁性薄膜メモリ素子を直列に配列した構造例を立体的に示したものである。図８（ａ）に示すように、メモリ素子１０は直列に配列され、各メモリ素子の上部にはワード線５が設けられている。また、メモリ素子の下部には別のワード線６が設けられている。ここで、センス線はメモリ素子１０を直列に結んだものである。
【００３９】
図８（ａ）では省略しているが各ワード線とメモリ素子との間には絶縁層が充填されており、ワード線とメモリ素子間が電気的に導通するのを防いでいる。また、センス線とワード線５で記録を行う場合には、ワード線６は設けなくともよい。また、メモリ素子間の抵抗を低減するために、メモリ素子間を良導体で接続したり、第３磁性層の上部に良導体を設けたりしてもよい。この良導体はＡｌなどの少なくとも第１磁性層および第２磁性層よりも抵抗率の低い材料を主成分とするものが望ましい。
【００４０】
再生時にはセンス線に電流を流すため第３磁性層を電流が通過する。この際に第３磁性層の磁化状態が再生信号に影響を与えると好ましくないので、これを避けるために第３磁性層のセンス線方向の長さは５００Ａ以上とするのが望ましい。
【００４１】
図９（ａ）は、本発明の磁性薄膜メモリ素子を直列に配列した場合のメモリの平面図である。メモリ素子１０は直列に並んでセンス線７を構成している。同図では横方向にセンス線を配置したが、縦方向にセンス線を配置してもよい。ワード線５は、同図には示していない絶縁層を介して各メモリ素子の直上に置かれ、センス線と直交して配置されている。センス線７の下部には、ワード線５と直交するワード線６を設けてもよい。主に、ワード線は記録をするために、センス線は再生信号を取り出すために設けられる。各ワード線と各センス線の両端９０、１００、１１０には、これらを駆動するためのデコーダー、ドライバ等の半導体素子が設けられている。また、センス線の端部には、再生信号を増幅するセンスアンプが組み込まれている。本発明に用いられるワード線は、どれも導電率が第１、第２、第３磁性層よりも大きな良導体からなる。ワード線の例としては、アルミニウム、銅、タングステン若しくはこれらの合金、又はこれらとシリコン等との混合物などが挙げられる。本発明の磁性薄膜メモリ素子の基板は、Ｓｉを主成分とする基板であることが望ましい。これは、上述の半導体素子を本発明のメモリ素子と同一の基板上に作製することが可能になるためである。
【００４２】
並列配列構造
図８（ｂ）に、図１に示す本発明の磁性薄膜メモリ素子を並列に配列した構造を示す。メモリ素子１０は、図８（ｂ）に示すように並列に配列され、各メモリ素子の上部にはワード線５が、下部にはワード線６が設けられている。ここで、ワード線５とメモリ素子１０とワード線６を結んだものがセンス線となる。
【００４３】
図９（ｂ）は、本発明の磁性薄膜メモリ素子を並列に配列したメモリの平面図である。メモリ素子１０は、縦または横方向に並ぶワード線５及びこれと交差するワード線６により並列に接続されてなる。各ワード線の両端９０、１００、１１０には、これらを選択駆動するためのデコーダー、ドライバー等の半導体素子が設けられている。これらのワード線は、記録と同時に再生のために設けられている。ワード線５、６の端部には、再生信号を増幅するセンスアンプが組み込まれている。
【００４４】
本発明のメモリセルの構造
次に、本発明のメモリセルの構造の別の例を図１０を用いて説明する。
【００４５】
図１０（ａ-1）及び（ａ-2）には直列に接続した複数個の本発明のメモリ素子を一単位とした構造を並列に配列して、各構造のクロストーク解消のためにダイオードを設けたメモリセルの配列構造の一単位の回路図とデバイス構造の断面図を、図１０（ｂ-1）及び（ｂ-2）にはトランジスタと本発明のメモリ素子を接続したアクティブマトリックス構造の一単位の回路図とデバイス構造の断面図を、図１０（ｃ-1）及び（ｃ-2）には並列にメモリセルを配列した構造であって、クロストーク解消のためにダイオードと本発明のメモリ素子を接続した構造の一単位の回路図とデバイス構造の断面図を示す。図１０に示すように、本発明のメモリ素子がダイオードやトランジスタからなる半導体素子と接続されたハイブリッド構造を形成すると、製造プロセスはやや複雑になるが、メモリ素子を前述の単純マトリックスで配列した場合に発生する浮遊容量等のインピーダンス成分を排除することができ、より安定な動作を行うことができる。
【００４６】
本発明の磁性薄膜メモリ素子を用いた記録方法
次に、本発明の磁性薄膜メモリ素子を用いた記録方法の一例を説明する。この磁性薄膜メモリ素子には、ワード線およびセンス線が設けられており、この各線に電流を流せばアンペールの法則にしたがって磁界が発生する。これら２本の電極線は直交しているため発生する磁界も直交しており、メモリセルの磁性層にかかる磁界はこれらの直交する磁界のベクトル和となる。この状態でワード線電流によリ第２磁性層が反転できる程度の大きさの磁界を印加すれば第２磁性層の磁化は所望の方向に配向して記録が行われる。したがって、マトリックス上の多数のセルから特定のセルのみの記録を行うことが可能である。
【００４７】
さらにこの際にワード線からの発熱で、セル部分、特に電流を流した直交するワード線の下のメモリセルの部分は、温度が高くなる。本発明の特徴として、第３磁性層のキュリー温度は低く設定されているため、記録しようとするメモリ素子の第３磁性層は磁化の環状のループを形成するに十分な磁性を無くしてしまう。したがって、第２磁性層は磁化反転しやすくなる。すなわち、記録しようとするメモリセルのみ磁化反転磁界が小さくなり、そのほかのメモリセルは高い磁化反転磁界を有することとなる。これにより、保存時には磁化が安定し保存性に優れ、記録時には小さい磁界で反転できるため記録電流が低減できる。
【００４８】
なお、磁化反転の可否は、磁性層のアステロイド曲線で示される。第２磁性層は、安定に磁化状態を保存することが望ましいので、高い保磁力を有することが必要である。しかし、同時にワード線がエレクトロマイグレーションによって断線するのを防ぐため、および消費電力を抑えるためには、小さい電流によって発生する弱い磁界で第２磁性層の磁化を反転できることが望ましく、このためには、第２磁性層は低い保磁力を有することが必要である。この両方の要請を満たすように第２磁性層の保磁力が決定される。具体的には第２磁性層の保磁力は５〜５０Ｏｅが望ましい。さらに好ましくは１０〜３０Ｏｅである。
【００４９】
上述のようにワード線およびセンス線で本発明の基本的な記録および後述する再生を行うことができるので、図８中のワード線６は必ずしも設ける必要はないが、より大きな磁界を発生させるためにワード線５と直交するワード線６を用いて記録および後述する再生を行ってもよい。また、メモリ素子の上にあるワード線５を省いてメモリ素子の下にあるワード線６をセンス線７と直交する方向に配置してもよい。但し、半導体素子とメモリ素子を同一基板上に作り込む場合、ワード線はメモリ素子を成膜後に作製する方が製造が容易になる。このため、基板／第１磁性層／非磁性層／第２磁性層／絶縁層／ワード線の順序で構成するのが好ましい。
【００５０】
また、保磁力を制御するなどの目的で基板とメモリ素子との間にバッファー層を設けてもよい。これは、主に絶縁体からなるバッファー層を設けることにより、異なるメモリセル間の保磁力のばらつきを抑えることができたり、保磁力の絶対値を制御することが容易になるからである。このようなバッファー層としては、例えばＳｉＮからなる絶縁材料が挙げられる。
【００５１】
本発明の磁性薄膜メモリ素子を用いた再生方法
次に、本発明の磁性薄膜メモリ素子を用いた再生方法の一例を説明する。本発明の磁性薄膜メモリは、スピン依存散乱による巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を示し、その抵抗値は、第１磁性層と第２磁性層の磁化が平行の時は低く、反平行の時は高くなる。再生の際には、メモリ素子の上部または下部にあるワード線に記録時よりも弱い電流を流して小さい磁界を発生させる。この磁界は、再生の際に保存した磁化情報が消えないようにするため、第１磁性層のみが反転し第２磁性層は反転しない大きさとする。第１磁性層の保磁力は第２磁性層の保磁力よりも小さいことが必要である。十分な発生磁界のマージンを確保するためには、第１磁性層の保磁力は第２磁性層の保磁力の半分以下であることが望ましく、さらに望ましくは３分の１以下である。また、ワード線から発生する磁界が、第１磁性層の反転磁界よりも大きく、第２磁性層の反転磁界よりも小さくなるように電流値を設定する。
【００５２】
さらに、記録時と同様に、この際にワード線電流からの発熱で、セル部分、特に電流を流した直交するワード線の下のメモリセルの部分は温度が高くなる。本発明の特徴として、第３磁性層のキュリー温度は低く設定されているため、記録しようとするメモリ素子の第３磁性層は、磁化の環状のループを形成するに十分な磁性を無くしてしまう。したがって第２磁性層は磁化反転しやすくなる。すなわち、記録しようとするメモリセルのみ磁化反転磁界が小さくなり、そのほかのメモリセルは高い磁化反転磁界を有することとなる。これにより、保存時には磁化が安定し保存性に優れ、記録時には小さい磁界で反転できるため記録時の電流を低減できる。
【００５３】
なお、上述では１セルのみの再生について記したが、現実にはマトリックス上に多数のセルが配置されており、特定のセルの磁化情報のみを再生する必要がある。このためには記録と同じように、対象となるセルに接続されているセンス線に電流を流すと同時にセンス線と直交するワード線にも電流を流して磁界を発生させて、対象セルの第１磁性層のみが磁界のアステロイド曲線の外側の磁界がかかるようすることで達成される。または直交する２本のワード線を用いて特定のセルの第１磁性層のみを反転させる。前記抵抗変化は、縦または横方向に並ぶメモリ素子を直列に接続するセンス線の両端で測定される。具体的には、図９（ａ）及び（ｂ）に示す９０、１００もしくは１１０の部分に抵抗変化を検出するための半導体素子が配置されており、一本のセンス線に並んだセルを順次再生することが可能である。
【００５４】
本発明の磁性薄膜メモリ素子の第１の例
本発明の磁性薄膜メモリ素子の第１の例は、スピン依存散乱により磁気抵抗効果が生じることを特徴とする。このスピン依存散乱による磁気抵抗効果は、例えば図１に示すように第１磁性層／非磁性層／第２磁性層の構造において、非磁性層に良導体からなる金属層を用いることによって発生させることができる。このスピン依存散乱による磁気抵抗効果は、伝導電子の散乱がスピンによって大きく異なることに由来している。すなわち、磁化と同じ向きのスピンを持つ伝導電子はあまり散乱されないため抵抗が小さくなるが、磁化と反対向きのスピンを持つ伝導電子は散乱によって抵抗が大きくなる。そのため、第１磁性層と第２磁性層の磁化が反対向きである場合は、同じ向きである場合の抵抗値よりも大きくなる。
【００５５】
再生電流は、膜面に平行または垂直に流す２つの方式のどちらでもよい。再生時には、電流を膜面に対して垂直に流すＣＰＰ（Current Perpendicular to the film Plane）−ＭＲ（Magneto-Resistance）効果を用いる。このＣＰＰ−ＭＲは、膜面に平行に電流を流すＣＩＰ（Current Inplane to the filmm Plane）一ＭＲ効果よりも伝導電子が界面を横切る確率が増えるため、大きな抵抗変化率が得られ、信号検出感度を高くすることができる。
【００５６】
この場合の第１磁性層と第２磁性層と非磁性層の特徴を示す。第１磁性層は、第２磁性層と環状ループを形成するとともに、第２磁性層に保存された磁化情報を巨大磁気抵抗効果を利用して読み出すために設けられたものである。第１磁性層はＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主成分として用いられるか、Ｃｏ、Ｆｅを主成分とするアモルファス合金として用いられることが望ましい。例えばＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＦｅＣｏ、ＣｏＦｅＢなどの磁性膜からなる。ＮｉＦｅの元素組成は、Ｎｉ_xＦｅ_100-xとした場合、ｘは３５〜８６が望ましい。また、ＮｉＦｅＣｏの元素組成は、Ｎｉ_x（Ｆｅ_100-yＣｏ_y）_100-xとした場合、ｘは１０〜７０、ｙは３０〜９０が望ましく、さらにｙは６０〜８５が望ましい。また、Ｃｏ₈₄Ｆｅ₉Ｂ₇、Ｃｏ₇₂Ｆｅ₈Ｂ₂₀等の組成を持つＣｏＦｅＢ等のアモルファス磁性体を用いてもよい。
【００５７】
第２磁性層は、主に磁化情報を保存する目的で設けられたもので、「０」、「１」の情報に応じて磁化の向きが決定される。第２磁性層は、第１磁性層と同じく巨大磁気抵抗効果が効率的に発生すること、及び安定に磁化状態を保存できることが必要である。第２磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏを主成分とする磁性層からなっており、例えばＦｅ、ＦｅＣｏ、Ｃｏ等の磁性膜からなる。また、Ｐｔ等の元素を加えてもよい。ＣｏにＦｅを添加すると保磁力は小さくなり、Ｐｔを添加すると保磁力は大きくなるので、第２磁性層を例えばＣｏ_100-x-yＦｅ_xＰｔ_yとして元素組成ｘ及びｙを調節して保磁力を制御すればよい。同様に第１磁性層の保磁力もＦｅ、Ｃｏの組成比およびＰｔ等の元素の量で調節することができる。
【００５８】
第１磁性層の膜厚は、散乱型の巨大磁気抵抗効果が効率よく発生するように設定することが必要である。ＣＰＰ−ＭＲでは、スピンの向きを保存して動ける距離、すなわち、スピン拡散長が重要因子となる。具体的には、第１磁性層の膜厚が電子の平均自由行程より大幅に大きくなると、フォノン散乱を受けてその効果が薄れるため、少なくとも２００Ａ以下であることが望ましい。さらに好ましくは１５０Ａ以下がよい。しかし、薄すぎるとセルの抵抗値が小さくなり再生信号出力が減少してしまい、また磁化を保持できなくなるので、２０Ａ以上が望ましく、さらには８０Ａ以上が望ましい。
【００５９】
第２磁性層の膜厚も第１磁性層の場合と同様に、散乱型の巨大磁気抵抗効果が効率よく発生するように設定するためには、少なくとも２００Ａ以下であることが望ましい。さらに好ましくは１５０Ａ以下がよい。しかし、あまり薄すぎるとメモリ保持性能が劣化したり、セルの抵抗値が小さくなり再生信号出力が減少したり、また磁化を保持できなくなるので２０Ａ以上が望ましく、さらには８０Ａ以上が望ましい。
【００６０】
非磁性層は良導体、好ましくはＣｕを主成分とするものが用いられる。これは、磁性層とフェルミエネルギー準位が近く、密着性もよいため、磁化方向が変わるときに界面で抵抗が生じ易く、大きな磁気抵抗比を得るのに好都合であるからである。また、非磁性層の膜厚は５〜６０Ａであることが望ましい。
【００６１】
第１磁性層と非磁性層の間もしくは第２磁性層と非磁性層の間、または第１磁性層と非磁性層の間および第２磁性層と前記非磁性層の間にＣｏを主成分とする磁性層が設けられると、磁気抵抗比が高くなるため、より高いＳ／Ｎ比が得られるため望ましい。この場合のＣｏを主成分とする層の厚みは２０Ａ以下が好ましい。またＳ／Ｎ比を向上させるために、第１磁性層／非磁性層／第２磁性層／非磁性層を１つのユニットとして、このユニットを積層してもよい。積層する組数は多い程ＭＲ比が大きくなり好ましいが、余り多くするとＭＲ磁性層が厚くなり電流を多く必要とする。このため、積層の回数は４０組以下が好ましく、３〜２０組がより好ましい。
【００６２】
本発明の磁性薄膜メモリ素子の第２の例
本発明の磁性薄膜メモリ素子の第２の例は、スピン依存トンネリングによリ磁気抵抗効果が生じることを特徴とする。このスピントンネリングによる磁気抵抗効果は、例えば図１に示すように第１磁性層／非磁性層／第２磁性層の構造において、非磁性層に薄い絶縁層を用いることによって発生させることができる。そして、再生時に電流を膜面に対して垂直に流した際に第１磁性層から第２磁性層へ電子のトンネル現象が起きるようにする。
【００６３】
本発明のスピン依存トンネリングタイプの磁性薄膜メモリ素子は、強磁性体金属において伝導電子がスピン偏極を起こしているため、フェルミ面における上向きスピンと下向きスピンの電子状態が異なっており、このような強磁性体金属を用いて、強磁性体と絶縁体と強磁性体からなる強磁性トンネル接合を作ると、伝導電子はそのスピンを保ったままトンネルするため、両磁性層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なって現れる。これにより、第１磁性層と第２磁性層の磁化が平行の場合は抵抗が小さく、第１磁性層と第２磁性層の磁化が反平行の場合は抵抗が大きくなる。上向きスピンと下向きスピンの状態密度の差が大きい方がこの抵抗値は大きくなりより大きな再生信号が得られるので、第１磁性層と第２磁性層はスピン分極率の高い磁性材料を用いることが望ましい。具体的には第１磁性層と第２磁性層は、フェルミ面における上下スピンの偏極量が大きいＦｅを選定し、Ｃｏを第２成分として選定してなる。具体的には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを主成分とした材料から選択して用いることが望ましい。好ましくは、Ｆｅ、Ｃｏ、ＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ等がよい。ＮｉＦｅの元素組成は、Ｎｉ_xＦｅ_100-xとした場合、ｘは０〜８２が望ましい。よリ具体的には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ₇₂Ｆｅ₂₈、Ｎｉ₅₁Ｆｅ₄₉、Ｎｉ₄₂Ｆｅ₅₈、Ｎｉ₂₅Ｆｅ₇₅、Ｎｉ₉Ｆｅ₉₁等が挙げられる。
【００６４】
第１磁性層は、第２磁性層と環状ループを形成するとともに、第２磁性層に保存された磁化情報をスピントンネルによる巨大磁気抵抗効果を利用して読み出すために設けられたものである。第１磁性層は第２磁性層よりも低い保磁力を有し、再生時には第１磁性層のみが反転するようにする。また、第２磁性層と環状ループを形成しやすいようにする。このため上述の組成のうちＮｉを含む軟磁性材料が望ましく、具体的にはＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏを主成分として用いることが望ましい。ＮｉＦｅの元素組成は、Ｎｉ_xＦｅ_100-xとした場合、ｘは３０〜８２が望ましい。またＮｉＦｅＣｏの元素組成は、Ｎｉ_x（Ｆｅ_100-yＣｏ_y）_100-xとした場合、ｘは３０〜８２、ｙは０〜９０が望ましい。第１磁性層の膜厚は、薄すぎるとセルの抵抗値が小さくなって再生信号出力が減少してしまうので２０Ａ以上が望ましく、さらには８０Ａ以上が望ましい。また厚すぎるとセルの抵抗値が大きくなりすぎる等の問題があるので、５０００Ａ以下が望ましく、より望ましくは１０００Ａ以下がよい。
【００６５】
第２磁性層は、主に磁化情報を保存する目的で設けられたもので、「０」、「１」の情報に応じて磁化の向きが決まる。第２磁性層は、第１磁性層と同じく巨大磁気抵抗効果が効率的に発生すること、及び安定に磁化状態を保存できることが必要である。第２磁性層は第１磁性層よりも高い保磁力を有する。このため第２磁性層は上述の組成のうち、Ｆｅ、Ｃｏを主成分として用いることが望ましい。例えばＦｅ、ＦｅＣｏ、Ｃｏ等の磁性膜からなる。また第２磁性層に保磁力の制御や耐食性の向上などの目的でＰｔ等の元素を加えてもよい。ＣｏにＦｅを添加すると保磁力は小さくなり、Ｐｔを添加すると保磁力は大きくなるので、第２磁性層を例えばＣｏ_100-x-yＦｅ_xＰｔ_yとして元素組成ｘ及びｙを調節して保磁力を制御すればよい。また成膜時の基板温度高くすることによっても保磁力を高めることができるので別の保磁力の制御方法として成膜時の基板温度を調節することもよい。この方法と前述した強磁性薄膜の組成を調節する方法とを組合せてもよい。また、第１磁性層の保磁力の調節も上述と同様に、膜組成と成膜時の基板温度で調節することができる。
【００６６】
第２磁性層の膜厚は、あまり薄すぎるとメモリ保持性能が劣化したり、セルの抵抗値が小さくなり再生信号出力が減少したり、また磁化を保持できなくなるので２０Ａ以上が望ましく、さらには８０Ａ以上が望ましい。また厚すぎるとセルの抵抗値が大きくなりすぎたり、またワード電極からの距離が離れて磁化反転が起きにくくなるなどの問題があるので、５０００Ａ以下が望ましく、より望ましくは１０００Ａ以下がよい。
【００６７】
非磁性層は、電子がスピンを保持してトンネルするために非磁性でなければならない。非磁性膜の全部が絶縁層であっても、その一部が絶縁層であってもよい。一部を絶縁層にしてその厚みを極小にすることにより、磁気抵抗効果をさらに高めることができる。非磁性金属膜を酸化させた酸化層にする例としては、Ａｌ膜の一部を空気中で酸化させてＡｌ₂Ｏ₃層を形成する例が挙げられる。非磁性層は絶縁体からなり、好ましくは、ＡｌＯ_x、ＡｌＮ_x、ＳｉＯ_x、ＳｉＮ_x、ＮｉＯ_xを主成分として用いられてなる。このうちＡｌ₂Ｏ₃層が絶縁性が高く緻密であるため好ましい。また、非磁性層は数１０Ａ程度の均一な層であって、その膜厚は４〜２５Ａであることが望ましい。より望ましくは６〜１８Ａである。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、磁化情報の保存性に優れ、高い集積度と高い信頼性を有し、消費電力の小さい磁性薄膜メモリ素子およびメモリを提供できる。
【００６９】
また、非磁性層の製造マージンが広いため、容易に、低コストで磁性薄膜メモリ素子を作製できる。
【００７０】
また、安定した記録再生ができ、再生時間が短く、ノイズの少ない記録再生方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁性薄膜メモリ素子の構造断面図である。
【図２】本発明の磁性薄膜メモリ素子の構造断面図である。
【図３】ＮｉＦｅＣｏの組成とキュリー温度の関係を示すグラフである。
【図４】ＮｉＦｅＣｏの組成と飽和磁化Ｍｓの関係を示すグラフである。
【図５】ＧｄＦｅＣｏの組成とキュリー温度の関係を示すグラフである。
【図６】ＧｄＦｅＣｏの組成と飽和磁化Ｍｓの関係を示す図である。
【図７】ＦｅＣｏの組成とキュリー温度の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の磁性薄膜メモリ素子の配列構造の説明図である。
【図９】本発明の磁性薄膜メモリの平面図である。
【図１０】本発明の磁性薄膜メモリ素子の配列構造の説明図である。
【図１１】巨大磁気抵抗効果を用いた従来の磁性薄膜メモリの構造断面図である。
【図１２】巨大磁気抵抗効果を用いた従来の磁性薄膜メモリの記録動作を示す図である。
【図１３】巨大磁気抵抗効果を用いた従来の磁性薄膜メモリの再生動作を示す図である。
【符号の説明】
１第１磁性層
２第２磁性層
３第３磁性層
４非磁性層
５、６ワード線
７センス線
１０メモリ素子
９１メモリ素子
９２ワード線
９３コントロールゲート
９４トランジスタ
９５ダイオード
９６Ｐ基板
１０１硬質磁性膜
１０２軟磁性膜
１０３非磁性膜
１０４センス線
１０５絶縁膜
１０６ワード線
ＩＤ電流の向き

Claims

基板と、該基板上に、主に膜面内の一方向に磁化配向しており低い保磁力を有する第１磁性層と、主に膜面内の一方向に磁化配向しており前記第１磁性層よりも高い保磁力を有する第２磁性層が非磁性層を介して積層され、前記第１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化が平行の時は低い抵抗値を示し、反平行の時は前記平行状態よりも高い抵抗値を示す磁気抵抗素子を有し、該磁気抵抗素子の抵抗値の違いによる情報を記録する磁性薄膜メモリであって、
前記磁気抵抗素子は、外部磁界が０の時に前記第１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化が反平行状態を示し、前記第１磁性層、第２磁性層およびこれらに接して設けられた第３磁性層により非磁性層を囲むように閉磁路が構成され、前記第３磁性層のキュリー温度が前記第１磁性層および第２磁性層のキュリー温度より低く、
前記磁性薄膜メモリは、前記情報の記録を行うためのワード線を有し、該ワード線に電流を流すことによりワード線から磁界を発生させ、更にワード線の発熱で前記第３の磁性層をキュリー温度以上に昇温させ磁性を消失させることにより、前記第２の磁性層を磁化反転させて情報の記録を行うことを特徴とする磁性薄膜メモリ。
前記第３磁性層のキュリー温度が１００〜５００℃である請求項１記載の磁性薄膜メモリ。
前記第３磁性層の保磁力が、第１磁性層および第２磁性層の保磁力より小さい請求項１又は２記載の磁性薄膜メモリ。
請求項１〜３のいずれかに記載の磁性薄膜メモリの記録方法であって、前記ワード線に電流を流し、該電流により生じる磁界により第２磁性層の磁化方向を定め、該ワード線の電流を流す方向を変えることにより「０」と「１」の状態を記録することを特徴とする磁性薄膜メモリの記録方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の磁性薄膜メモリの再生方法であって、再生時のワード電流により生じる磁界により、前記磁気抵抗素子の第１磁性層のみの磁化方向が反転することにより生じる抵抗変化を利用することを特徴とする磁性薄膜メモリの再生方法。