JP4480411B2

JP4480411B2 - トンネル接合体およびトンネル接合体を用いたメモリ

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Publication number: JP4480411B2
Application number: JP2004029863A
Authority: JP
Inventors: 淳作新田; 佳明関根
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-02-05
Also published as: JP2005223158A

Description

本発明は、互いに異なる磁化特性を有する複数の磁性層を用いて構成されるトンネル接合体およびトンネル接合体を用いたメモリに関する。

従来、ＵＬＳＩ（Ultra Large Scale Integrated Circuit）の高性能化は、半導体素子の微細化、高集積化の進展によってもたらされてきた。このうち、高集積化に伴って、（１）素子間配線の複雑化、（２）配線容量の増大による配線遅延時間の増大、（３）素子数の増加による消費電力の増大など、高速動作を阻害する回路上の問題が顕在化する一方、微細化も限界に近づきつつあるのが現状である。

このようなＵＬＳＩの一例である汎用メモリＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）は、これまで微細加工を駆使することによって大容量化することが可能であったが、ギガビット時代を迎えるとともに、技術的に更なる大容量化を図ることが困難になってきている。特に、ＤＲＡＭの場合には、記憶情報を維持するためのリフレッシュ動作が不可欠なため、大容量化に伴って、このリフレッシュ動作のための消費電力の増大が問題となってきた。

近年、このリフレッシュ動作を回避することのできるメモリとして、電源をオフにしてもメモリ状態が安定的に保持される不揮発性機能を備えた磁性体を用いて構成される磁性体メモリＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）が注目されてきている（例えば、非特許文献１および２を参照）。このＭＲＡＭは、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling MagnetoResistance）や巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant MagnetoResistance）を利用するものであり、例えば、磁気抵抗効果素子を構成する磁性体電極の磁化方向に応じて生じるトンネル抵抗の異なった２つの状態を異なる論理値“０”と“１”に対応させるものである。

このようなＭＲＡＭは、不揮発性、高速書き込み・読み出し、非破壊読み出し、大容量化、無制限の書き換え耐性などの点において、フラッシュメモリやＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）等、他の不揮発性メモリと比較しても優れた機能を有している。
松山公秀、「磁性ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の課題と可能性」、応用物理 vol.69、No.9, pp.1074-1079, 2000. R. Scheuerlein, W. Gallagher, S. Parkin, A. Lee, S. Ray, R. Robertazzia, and W. Reohr, IEEE Intl. Solid-State Circuit Corf. (ISSCC2000) Dig. of Tech. Papers, pp.128, 2000.

しかしながら、従来のＭＲＡＭは、上述した回路上の問題に加えて、磁性体電極の磁化方向が平行か反平行かに応じて二つの論理値０と１のいずれかを記憶するため、一つのメモリセルに１ｂｉｔの情報しか記憶することができず、メモリの大容量化を実現する上では必ずしも充分とは言い切れなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、記憶容量の大容量化を実現すると共に、回路の高速動作を可能とするトンネル接合体およびトンネル接合体を用いたメモリを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、互いに異なる磁化特性を有する複数の磁性層がトンネル接合されて成るトンネル接合体であって、前記複数の磁性層のうち少なくとも一つの磁性層が、中空部を備えることによって磁化の方向が全体として一定方向に向かう流れを形成している第１のオニオン状態と磁化の方向が全体として前記一定方向とは反対方向に向かう流れを形成している第２のオニオン状態と磁化の方向が前記中空部に沿って渦状に回転しているボルテクス状態の３つの離散的な磁化状態を有し、前記トンネル接合体が３つ以上の論理値をとることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、中空部を備えることによって磁化の方向が全体として一定方向に向かう流れを形成している第１のオニオン状態と磁化の方向が全体として前記一定方向とは反対方向に向かう流れを形成している第２のオニオン状態と磁化の方向が前記中空部に沿って渦状に回転しているボルテクス状態の３つの離散的な磁化状態を有する第１の磁性層と、この第１の磁性層と異なる磁化特性を有する第２の磁性層と、前記第１および第２の磁性層の間に介在するトンネル絶縁層とから成り、３つ以上の論理値をとることを特徴とするトンネル接合体である。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記第２の磁性層は、前記第１の磁性層と同一形状をなすことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の発明において、前記中空部を備える磁性層は、回転対称な軸を少なくとも一つ有する形状をなすことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項記載のトンネル接合体がマトリックス状に配置され、当該マトリックスの同一行および同一列に対応する位置に配置されたトンネル接合体同士がそれぞれ接続されて成ることを特徴とするトンネル接合体を用いたメモリである。

本発明によれば、中空部を備える磁性層を用いてトンネル接合体を構成し、更にこのトンネル接合体を複数個用いてメモリを構成することにより、記憶容量の大容量化を実現すると共に、回路の高速動作を可能とするトンネル接合体およびトンネル接合体を用いたメモリを提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るトンネル接合体は、中空部が設けられて成る第１の磁性層と、この第１の磁性層と異なる磁化特性を有する第２の磁性層と、これらの第１および第２の磁性層の間に積層されて介在するトンネル絶縁層とから構成されている。

＜中空部を備えた磁性層の構成＞
まず、本実施形態において、中空部を備える第１の磁性層の例として適用が想定される磁性体リングについて説明する。

図１は、本実施形態において適用される磁性体リングの構成を示す図（電子顕微鏡写真）である。同図に示す磁性体リング１は、両側面（その一方が図１に示される面）が中心対称な環であり、なおかつ中空部が円柱であるような中空円柱形状をなす磁性層であり、図１では半導体ホール素子３の上に設置されている。この磁性体リング１の外径ｄ_oはたかだか３μｍ（ここで１μｍ＝１０^-6ｍ）程度であるが、中空部の大きさは適宜変更することができる、したがって、中空内径ｄ_i、および外径ｄ_oと内径ｄ_iから求められるリング幅Ｌ（＝（ｄ_o−ｄ_i）／２）は、さまざまな値をとることができる。

図２は、外径ｄ_oが２μｍ、厚み（円筒の高さ）が６０ｎｍ（ここで１ｎｍ＝１０^-9ｍ）の磁性体リング１のリング幅Ｌを系統的に変えながら、磁化特性の変化（ヒステリシス）を調べた結果を示すものである。２次元電子ガスをなす半導体ホール素子３に平行（図１の矢印の方向）に外部磁場Ｂ（ｍＴ＝１０^-3Ｔ）を印加すると、磁性体リング１の外縁部から漏れ出す漏れ磁場の垂直な方向（紙面に垂直な方向）の成分によって電子が曲げられ、半導体ホール素子３を流れる電流の向きが変化する。これにより、図１の鉛直方向にホール電圧が生じる（ホール効果）。図２では、このホール効果に伴って得られるホール抵抗Ｒ_HALL（Ω）（磁場による電流に垂直な方向の抵抗）を測定し、磁性体リング１の磁化特性を評価した。なお、外部磁場Ｂは、図１で水平方向右向きを正とし、ホール抵抗Ｒ_HALLは、正の磁場Ｂによって生じる向きを正とした。

ヒステリシス曲線Ｈ₁は、磁性体リング１が穴のあいていないディスク（ｄ_i＝０）対応するもので、この場合にはヒステリシスの形状が明瞭ではない。

ヒステリシス曲線Ｈ₂、Ｈ₃、Ｈ₄、およびＨ₅は、順に内径ｄ_i（リング幅Ｌ）が０.４μｍ（０.８μｍ）、０.８μｍ（０.６μｍ）、１.２μｍ（０.４μｍ）、および１.６μｍ（０.２μｍ）である場合の外部磁場Ｂとホール抵抗Ｒ_HALLの関係を示すものであり、この記載順にリング幅Ｌが狭くなっていく。そして、図２によれば、リング幅Ｌが狭くなるにつれて急峻なヒステリシスへと変化することが分かる。したがって、リング幅の狭い磁性体リング１は、通常の磁性体の磁化特性と異なり、ヒステリシス曲線に３つの安定な抵抗状態が離散的に現われ、これらの安定な抵抗状態の間で急峻に転移する（図２のヒステリシス曲線Ｈ₄およびＨ₅を参照）。

ところで、図２に示す磁性体リング１の磁化特性が磁性体リング１の磁化特性を反映したものであることは、ランダウ・リフシッツ・ギルバート（ＬＬＧ）方程式を用いた磁化特性のモデル計算と良い一致が見られることから確かめることができる（この解析の詳細については、M. Steiner and J. Nitta, accepted in Appl. Phys. Lett. を参照のこと）。より具体的には、ＬＬＧ方程式を用いたモデル計算によって得た磁化のシミュレーション結果によると、３つの安定した離散的な抵抗状態に対応する磁化状態は、磁化ベクトルが全体として一定方向に向かう流れを形成している二つの「オニオン（onion）状態」Ｏ₁およびＯ₂と、磁化ベクトルがリングに沿って渦上に回転している「ボルテクス（vortex）状態」Ｖに相当している。

図３は、このようなＬＬＧ方程式によるシミュレーション結果と磁性体リング１の磁化状態の対応を示す説明図である。同図（ｂ）において、磁性体リング１の内部に記載された矢印は、各磁化状態における磁性体リング１内部の磁化の方向（磁化ベクトル）を示している。そして、これらの磁化状態のうち、オニオン状態Ｏ₁およびＯ₂が、それぞれホール抵抗Ｒ_HALLの最大値および最小値を示す磁化状態に対応し、ボルテクス状態Ｖが、ホール抵抗Ｒ_HALLが中間的な値を取る磁化状態に対応していることが確かめられる。ちなみに、図３に示す記号（Ｉ）、（II）、（III）、および（IV）は、各状態間の遷移を示しており、図３（ａ）のヒステリシス曲線Ｈ（抵抗状態）と図３（ｂ）の磁性体リング１の内部の磁化状態の対応を明確にするためのものである。

なお、急峻なヒステリシスを有する磁性体リング１のマイナーループ特性は、一旦ある磁化状態に達すれば、次の磁化状態に転移するまで、３つの磁化状態は安定に保持されるとともに、ゼロ磁場に戻してもこれらの状態が保持されることが確認された。

本実施形態において、磁性体リング１が条件によってこのように３つの安定した状態から成るヒステリシスを有することは、明瞭な離散的出力を提供するために極めて重要である。なぜならば、このように明瞭な離散的な安定状態をメモリ状態に対応させることができれば、少なくとも３値から成るメモリを構成することが可能となるからである。

＜トンネル接合体の構成＞
次に、以上説明した磁化特性を有する磁性体リング１を第１の磁性層として構成されるトンネル接合体について説明する。

図４は、本実施形態に係るトンネル接合体の概略構成を示す斜視図であり、図５は図４のＸ−Ｘ線断面図である。これらの図に示すトンネル接合体１００は、二つの磁性体電極１１および１３が磁気トンネル接合をなして構成されている。これらの磁性体電極の材料としては、パーマロイ（鉄ニッケル合金）、コバルト、鉄等を含む（希薄）磁性半導体が想定される。また、磁性体電極１１および１３の間には、アルミ酸化膜等の薄膜から成るトンネル絶縁層１５が介在し、この３者が積層されることによってトンネル接合体１００が構成されている。

本実施形態においては、磁性体電極１１として磁性体リング１を用いているため、図５に示すように、磁性体電極１１の内部は中空となっている。なお、この中空部の内径（ｄ_i）磁性体電極１１の外径（ｄ_o）は、図２および図３を用いて説明したように、その磁性体電極１１の磁化特性が急峻なヒステリシスを有するように決定される。

これに対して、磁性体電極１３は平板形状をなしており、そのヒステリシスは通常の磁性体と同様に正負２つの離散的な磁化状態を取る。

これらの磁性体電極１１および１３の磁化特性は、磁性体電極の形状やその磁性体電極をなす磁性体材料を変更することによって制御する。このように磁性体のヒステリシスを制御できることは、例えば、J. Nitta, T. Schaepers, H.B. Heersche, T. Koga, Y. Sato, and H. Takayanagi, Jpn. J. Appl. Phys. 41, 2497 (2002) に示されている。

ところで、図４および図５では座標系Σを導入しているが、これは以下に説明する磁場等の正方向を定義するための便宜上のものである。この点については、後述する図面に記載されている座標系についても同様である。

図６は、（ａ）磁性体電極１１および１３として実現される磁性体の磁化特性と、（ｂ）磁性体電極１１および１３から構成されるトンネル接合体１００におけるトンネル抵抗の変化の様子を示す図である。同図において、外部から印加する磁場Ｂの正方向は、図４および図５の＋ｘ方向であるとする。磁化およびトンネル抵抗の正負は、この磁場Ｂの向きの定義に伴って決まるものとする。

図６（ａ）に示す場合、磁性体電極１１は磁性体リング１から構成されているため、ヒステリシス曲線Ｈ₁₁は、図２および図３（ａ）に示すヒステリシス曲線と同様の形状をなしている。これに対して、第２の磁性層である磁性体電極１３は平板形状をなしており、二つの安定した磁化状態を有する通常の強磁性体と同様の磁化特性を示す（ヒステリシス曲線Ｈ₁₃）。そして、これらの二つの磁性体電極は、互いに異なる保磁力をもつように制御されている。より具体的には、磁性体電極１１の保磁力が磁性体電極１３の保磁力よりも大きくなるように制御されている。

図６（ｂ）は、印加する外部磁場Ｂを図６（ａ）負方向から正方向へと徐々に変化させていったとき、各磁性体電極の磁化状態の変化に応じてトンネル抵抗がどのように変化するかを示している。初期状態では、二つの磁性体電極１１および１３の磁化方向は平行なため、トンネル抵抗値は最小値であるＲ₃をとる。なお、ここでいう「平行」とは、磁性体電極１１のオニオン状態が全体として指向する方向と磁性体電極１３の磁化ベクトルが全体として指向する方向が一致することを意味している。以下においても、同様の意味で「平行」という表現を用いることにする。

磁場Ｂの向きが負から正へ変わってしばらくすると、まず保磁力の小さい磁性体電極１３の磁化が負から正へと反転する。この時点では磁性体電極１１の方の磁化状態はオニオン状態Ｏ₂のままなので、両者の磁化方向は反平行となり、大きなトンネル抵抗Ｒ₁が生じることになる。ここでいう「反平行」は、すでに定義した「平行」の反対の概念であることはいうまでもなく、磁性体電極１１のオニオン状態が全体として指向する方向と磁性体電極１３の磁化ベクトル全体の指向する方向が１８０度の角度をなすことを意味している。以下においても、同様の意味で「反平行」という表現を用いる。

その後、磁場を大きくしていくと、磁性体電極１１の状態が遷移して、オニオン状態Ｏ₂から磁化ゼロのボルテクス状態Ｖに到達する。このときには、Ｒ₁よりも小さくＲ₃よりも大きいトンネル抵抗Ｒ₂をとる。

更に磁場を大きくしていくと、磁性体電極１１がボルテクス状態Ｖから磁化が正であるオニオン状態Ｏ₁に達するため、再び二つの磁性体電極の磁化方向が平行となり、トンネル抵抗値は最小値（Ｒ₃）となる。

図７は、図６と同じ磁性体電極１１および１３の磁化特性（図７（ａ））と、これらの磁性体電極１１および１３によって構成されるトンネル接合体１００のトンネル抵抗のヒステリシス特性（図７（ｂ））の関係を示すものである。同図においては、外部磁場Ｂを正方向から負方向へと変化させたときに生じるトンネル抵抗Ｒのヒステリシスを与えている。

この場合、初期状態では、二つの磁性体電極１１および１３の磁化方向は共に正方向を向いて平行なため、トンネル抵抗値は最小値（Ｒ₃）をとる。

磁場Ｂの向きが負に変わってしばらくすると、まず保磁力の小さい磁性体電極１３の磁化が正から負へと反転する。この時点では磁性体電極１１の方の磁化状態はオニオン状態Ｏ₁のままなので、両者の磁化方向は反平行となり、大きなトンネル抵抗Ｒ₁が生じることになる。

その後、磁場Ｂをさらに負方向に絶対値を大きくしていくと、磁性体電極１１の状態が遷移してオニオン状態Ｏ₁から磁化ゼロのボルテクス状態Ｖに到達する。このときには、Ｒ₁よりも小さいトンネル抵抗Ｒ₂が生じる。

更に磁場を負方向に大きくしていくと、磁性体電極１１がボルテクス状態Ｖから磁化が負であるオニオン状態Ｏ₂に達するため、再び二つの磁性体電極の磁化方向が平行となり、トンネル抵抗値は最小（Ｒ₃）となる。

このようにして、本実施形態のトンネル接合体１００には、磁場Ｂの値に応じた３つの離散的な抵抗状態が存在する。したがって、各抵抗状態に対してメモリ状態を対応付けることにより、３つの論理値を割り当てることのできるトンネル接合体を構成することができる。具体的には、図８に示すように、磁性体電極１１のオニオン状態Ｏ₁をメモリ状態（論理値）“１”、ボルテクス状態Ｖをメモリ状態“０”、オニオン状態Ｏ₂をメモリ状態“−１”にそれぞれ対応付けることができる。

図９は、以上説明したトンネル接合体１００を用いたメモリセルの一構成例を示す図である。同図に示すように、トンネル接合体１００は、絶縁層５３によって分離された書き込み線であるワード線５１に接続される。

図９に示すメモリセルを複数個を用いてメモリを構成する場合には、通常のＭＲＡＭと同様に、複数のトンネル接合体１００を縦横にマトリックス状に配置し、同じ行（または列）に位置する各トンネル接合体１００の磁性体電極１１をワード線５１で接続する一方、同じ列（または行）に位置する磁性体電極１３をビット線で接続すればよい。

＜書き込み＞
図１０は、トンネル接合体１００を構成する磁性体電極１１（磁性体リング１）に３つの論理値に対応する情報を書き込む際、ワード線５１に流す電流によって発生する磁場の方向と大きさ（これを書き込みレベルと称する）を示すものである。なお、以下の説明では、図９の＋ｘ方向（紙面裏側から手前向き）に加える電流と磁場の向きを正の向きと定義する。

各書き込みレベルに応じて書き込まれるメモリ状態は次のとおりである：
磁性体電極１１は、充分強い正の磁場（書き込みレベル）Ｂ₁によりオニオン状態Ｏ₁、すなわちメモリ状態“１”を書き込むことができる。
また、それぞれ正および負の中間的な磁場である磁場（書き込みレベル）Ｂ₂およびＢ₃により、ボルテクス状態Ｖ、すなわちメモリ状態“０”を書き込むことができる。
加えて、充分強い負の磁場（書き込みレベル）Ｂ₄により、オニオン状態Ｏ₂、すなわちメモリ状態“−１”を書き込むことができる。

各書き込みレベルの絶対値は、書き込みレベルがＢ₁（またはＢ₄）の場合、図６（ａ）でボルテクス状態Ｖからオニオン状態Ｏ₁に遷移する磁場の絶対値（または図７（ａ）でボルテクス状態Ｖからオニオン状態Ｏ₂に遷移する磁場の絶対値）よりも大きければよい。また、中間的な書き込みレベルＢ₂およびＢ₃の絶対値は、オニオン状態Ｏ₁またはＯ₂を実現する磁場の絶対値であればよい。

図１１は、以上説明した書き込みスキームによって書き込み後に付与されるメモリ状態と書き込み後の磁性体電極１１および１３の磁化状態ｓ₁₁およびｓ₁₃の対応を示す図である。同図においては、磁性体電極１１の磁化状態を矢印（オニオン状態）または丸印（ボルテクス状態）によって表している（図３（ｂ）および図８と同様）。他方、磁性体電極１３の磁化状態は正負を指向する二つの磁化状態をとるので、これを左右の矢印で記載している。矢印の大きさが、各状態の強さを概ね表していることはいうまでもない。

磁性体リング１の構成において説明したマイナーループ特性により、磁性体電極１１の３つの離散的な磁化状態は、磁場をゼロに戻しても安定に存在し続ける。したがって、本実施形態のトンネル接合体１００を用いることによって不揮発性メモリ状態を実現することが可能となる。

＜読み出し＞
次に、上記の如く書き込まれた不揮発性メモリ状態の読み出しスキームについて説明する。

図１２は、この読み出しの際にワード線５１に流す電流パルスの例を示す図である。同図における磁場の正方向は、図１０におけるものと同じであり、図９の＋ｘ方向として定義される。ワード線５１に流す電流によって生じるパルス磁場Ｂ₊およびＢ_-は、磁性体電極１３の磁化を反転させるのに充分であるが、磁性体電極１１の磁化状態を変化させるこができないレベルであればよい。すなわち、パルス磁場Ｂ₊およびＢ_-の絶対値が、磁性体電極１３の保磁力より大きく、磁性体電極１１をオニオン状態Ｏ₁またはＯ₂からボルテクス状態Ｖに遷移させることのない程度の値をとるように設定すればよい。

図１３は、図１２に示す磁場を生じたときの磁性体電極１１と１３の磁化状態変化とトンネル抵抗変化ΔＲの関係を示すと共に、各状態変化によって読み出すメモリ状態を示す図である。同図に示すように、ワード線５１にパルス磁場Ｂ₊またはＢ_-を印加することによって磁性体電極１３の磁化は常に反転するので、この反転に伴って生じるトンネル抵抗変化ΔＲが正の場合（ΔＲ＞０）には、磁性体電極１１のメモリ状態が“１”であったことが読み出せる。
同様にして、トンネル抵抗変化ΔＲがほぼゼロの場合（ΔＲ〜０）は、磁性体電極１１のメモリ状態が“０”の状態を、抵抗変化ΔＲが負の場合（ΔＲ＜０）は、磁性体電極１１のメモリ状態が“−１”であったことをそれぞれ読み出すことができる。

以上の結果によれば、トンネル接合体１００から構成されるメモリセルでは、読み出しプロセスの前後で磁性体電極１１のメモリ状態が変化しないこと、すなわち「非破壊読み出し」が可能であることが分かる。

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、明瞭な３つの離散的磁化状態を有する磁性体リングをトンネル接合体をなす一方の磁性層として用いることにより、少なくとも３つの論理値をとるメモリ素子を実現することが可能となる。

また、本実施形態によれば、このトンネル接合体を複数個用いてメモリを構成することにより、記憶容量の大容量化が可能なメモリを実現できる。

本実施形態で実現される多値論理は、ディジタル技術で用いられている２値（バイナリー）論理の代わりをなすものとして従来から提案されている（例えば、樋口龍雄、亀山充隆著、「多値情報処理−ポストバイナリエレクトロニクス−」、昭晃堂、ISBN4-7856-1179-0 を参照）。この多値論理を用いると、２値論理に比べて回路の構成要素となる素子数を少なくすることができると共に、素子間の配線も単純化することができ、配線に関わる問題の軽減が期待されている。

この意味で、本実施形態によれば、回路の高速動作を可能とし、将来の超高速、超省電力計算機に向けて基本的となるメモリ要素技術を提供することができる。

（第２の実施形態）
図１４は、本発明の第２の実施形態に係るトンネル接合体の構成を示す図である。同図に示すトンネル接合体２００は、トンネル絶縁層２５を介してトンネル接合を形成する二つの磁性体電極２１および２３が同一の形状、すなわち前述した磁性体リング１によって構成されることを特徴とする。図１５は、図１４のＹ−Ｙ線断面図であり、この図からも明らかなように、二つの磁性体リング１の形状は同一である。

本実施形態においては、磁性体電極２１のみならず磁性体電極２３も磁性体リング１から構成されるため、二つの磁性体電極が、共に離散的な３つの安定した磁化状態を有する。そこで、保磁力等の磁化特性が異なる二つの磁性体リング１を磁性体電極１１および１３としてそれぞれ用いることにより、第１の実施形態と同様の機能を具備させることが可能である。

図１６は、（ａ）磁性体電極２１および２３の磁化特性と、（ｂ）磁性体電極２１および２３から構成されるトンネル接合体２００におけるトンネル抵抗の変化の様子を示す図である。

図１６（ａ）に示す場合、磁性体電極２１および２３は、共に磁性体リング１から構成されるため、ヒステリシス曲線Ｈ₂₁およびＨ₂₃は、図２および図３（ａ）に示すヒステリシス曲線Ｈと同様の形状をなしている。そして、これらの磁性体電極は、互いに異なった保磁力を有している。図１６（ａ）に示す場合、磁性体電極２１の保磁力が磁性体電極２３の保磁力よりも大きくなるように制御されている。

図１６（ｂ）は、印加する外部磁場Ｂを負から正へと変化させていったとき、各磁性体電極の磁化状態の変化に応じてトンネル抵抗がどのように変化するかを示している。初期状態では、二つの磁性体電極１１および１３の磁化方向は平行なため、トンネル抵抗値は最小値であるＲ₆をとる。

磁場Ｂの向きが負から正へ変わってしばらくすると、まず保磁力の小さい磁性体電極２３が磁化ゼロのボルテクス状態Ｖをとるようになる。この時点では磁性体電極２１の方の磁化状態はオニオン状態Ｏ₂のままなので、トンネル抵抗値はＲ₆よりも大きい値であるＲ₅をとる。

その後、磁場Ｂの値を大きくしていくと、磁性体電極２３の状態が遷移して、ボルテクス状態Ｖからオニオン状態Ｏ₁に到達する。このとき、トンネル抵抗はＲ₅よりも更に大きいＲ₄をとる。

更に磁場Ｂを大きくしていくと、今度は磁性体電極２１がボルテクス状態Ｖに到達し、トンネル抵抗はＲ₅となる。

その後、引き続き磁場Ｂを大きくしていくと、磁性体電極２１も磁化が正であるオニオン状態Ｏ₁に達するため、再び二つの磁性体電極の磁化方向が平行となり、トンネル抵抗値は最小（Ｒ₆）となる。

図１７は、図１６と同じ磁性体電極２１および２３の磁化特性（図１７（ａ））と、これらの磁性体電極２１および２３によって構成されるトンネル接合体２００のトンネル抵抗のヒステリシス特性（図１７（ｂ））の関係を示すものである。同図においては、外部磁場Ｂを正方向から負方向へと徐々に変化させていったときに生じるトンネル抵抗Ｒのヒステリシス特性を与えており、図１６の場合と同様にトンネル抵抗は３つの離散的な値Ｒ₄、Ｒ₅、Ｒ₆をとる。

図１７に示す場合、初期状態では、二つの磁性体電極２１および２３の磁化方向は共に正方向を向いて平行なため、トンネル抵抗値は最小値（Ｒ₆）をとる。

磁場Ｂの向きが正から負に変わってしばらくすると、まず保磁力の小さい磁性体電極２３の磁化がボルテクス状態Ｖへと変化する。この時点では磁性体電極２１の方の磁化状態はオニオン状態Ｏ₁のままなので、両者の磁化方向は反平行となり、Ｒ₆よりも大きなトンネル抵抗Ｒ₅が生じる。

その後、磁場Ｂをさらに負方向に絶対値を大きくしていくと、磁性体電極２３の磁化状態が遷移してボルテクス状態Ｖからオニオン状態Ｏ₂へと変化し、Ｒ₅よりも小さいトンネル抵抗Ｒ₃が生じる。

更に磁場を負方向に大きくしていくと、今度は磁性体電極２１がボルテクス状態Ｖに達し、トンネル抵抗は再びＲ₅となる。その後、磁場Ｂを引き続き負方向に絶対値が大きくなるようにしていき、磁性体電極２１が磁化状態がオニオン状態Ｏ₂に達すると、再び二つの磁性体電極の磁化方向が平行となり、トンネル抵抗値は最小（Ｒ₆）となる。

このようにしてトンネル接合体２００には、磁場Ｂの値に応じた３つの離散的な抵抗状態が存在する。したがって、各状態に対してメモリ状態を対応付けることにより、３値からなるメモリ素子を構成することができる。本実施形態においては、例えば磁性体電極２１のオニオン状態Ｏ₁をメモリ状態（論理値）“２”、ボルテクス状態Ｖをメモリ状態“１”、オニオン状態Ｏ₂をメモリ状態“０”にそれぞれ対応付けることができる。この論理値として、第１の実施形態と同様の値を付与することも勿論可能である。

なお、メモリ状態の書き込みおよび読み出しの各スキームは、本質的に第１の実施形態と同様である。すなわち、磁性体電極２１に絶縁層を介してワード線を接続させ、このワード線に書き込みレベル（図１０を参照）とパルス磁場（図１２を参照）を適宜印加することによって書き込みおよび読み出しをそれぞれ行う。

以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

加えて本実施形態によれば、各磁性体電極およびトンネル絶縁層を作製した後、同一エッチングプロセスでトンネル接合体を形成することが可能であるため、第１の実施形態に比べて一段と作製プロセスが容易になるという利点を有する。

（第２の実施形態の変形例）
本実施形態においては、互いに異なる磁化特性を有する磁性体リング１を更に多重に積層することによってトンネル接合体を構成することも可能である。

図１８は、このような本実施形態の変形例に係るトンネル接合体の構成を示す斜視図である。同図に示すトンネル接合体３００は、互いに異なる磁化特性を有する３つの磁性体電極３１、３３、および３７をトンネル接合することによって構成したものである。磁性体電極の間に積層されて介在しているのがトンネル絶縁層３５および３９であることはいうまでもない。

このような構成を有するトンネル接合体３００を用いると、トンネル抵抗は４つの安定した抵抗状態をとる。図１９は、本変形例におけるトンネル抵抗のヒステリシス特性を示す図であり、同図においては、磁性体電極について磁場を負から正へ変化させた場合と正から負へ変化させた場合のトンネル抵抗値の変化を重ねて記述したものである。図６、７および図１６および図１７からも明らかなように、磁場Ｂが正のときのトンネル抵抗の状態が、磁場を負から正へと変化させていったときに生じるものであり、磁場が負の時のトンネル抵抗の状態が、磁場を負から正へと変化させていったときに生じるものである。この図１９に示すように、トンネル接合体３００においては、トンネル抵抗値が、４つの安定した抵抗値Ｒ₇、Ｒ₈、Ｒ₉、およびＲ₁₀をとるヒステリシスを形成する。

以上説明したように、トンネル接合体３００は、４つの安定した抵抗状態を形成することができるので、例えば抵抗値Ｒ₇の状態をメモリ状態“３”、抵抗値Ｒ₈の状態をメモリ状態“２”、抵抗値Ｒ₉の状態をメモリ状態“１”、抵抗値Ｒ₁₀の状態をメモリ状態“０”に対応付けることにより、２ｂｉｔの情報を記憶させるメモリを構成することが可能となる。

なお、トンネル接合する磁性体電極の数を増やすことによって更に多層のトンネル接合体を構成すれば、多ビット化を図ることができるのは勿論である。実際、安定状態が８個存在し、取り得るメモリ状態が８値となるようにすれば３ｂｉｔの情報を記録することが可能となる。同様に安定状態が１６個存在し、その結果取り得るメモリ状態が１６値となるようにすれば４ｂｉｔの情報を記録することが可能となる。更に多層のトンネル接合体を構成すれば、一段と多くの情報を記録することが可能となる。

このような本実施形態の一変形例によれば、明瞭な離散的抵抗レベルのしきい値を複数設定し、１つのメモリ素子で更に多値の情報を記録可能とすることができ、大容量メモリ化に一段と好適なトンネル接合体およびトンネル接合体を用いたメモリを提供することが可能となる。

（その他の実施形態）
以上、本発明を実施する上で最良と思われる形態を説明してきたが、本発明は、上述した実施の形態にその適用範囲が限定されると理解されるべきではない。

例えば、中空部を備えた磁性層としての磁性体リングの形状は、必ずしも図１等に示される中空円柱形状に限られるわけではない。他にも、高さに対する垂直平面の形状が多角形、楕円等でもよい。また、高さ方向にテーパを有していたり、三角形状（この場合磁性体リングが錘状になる）をなしていてもよい。更に一般的には、回転対称な軸を少なくとも一つ有するような形状であればどのようなものであっても構わない。

加えて、必ずしも回転対称な軸を備えてなくともよく、例えば中空部が円の中心を通過しない中空円柱形状をなすような磁性層を用いることも可能である。この場合には、ボルテクス状態Ｖの渦の方向（右回り、左回り）を制御することができる（軸対称な場合のボルテクス状態Ｖでは、初期状態によってボルテクス状態Ｖの渦方向が変わる）。図２０は、このような本発明の他の実施形態に係るトンネル接合体４００の構成例を示す断面図である。同図に示すように、トンネル絶縁層４５を介して積奏される二つの磁性体電極４１および４３が備える中空部を非対称な位置に配置、接合することにより、各々の磁性体電極で逆回りのボルテクス状態Ｖを作り出し、トンネル抵抗値を高くすることも可能である。

このような例を挙げるまでもなく、本発明は、特許請求の範囲に記載された内容を逸脱しない範囲内においてさまざまな実施の形態等を含み得るものである。

本発明の第１の実施形態に係るトンネル接合体で用いる磁性体リングの構成を示す図（電子顕微鏡写真）である。図１の磁性体リングのリング幅に応じた磁化特性の変化を示す図である。図１の磁性体リングのヒステリシスと磁化状態の対応を示す説明図である。本発明の第１の実施形態に係るトンネル接合体の構成を示す斜視図である。図４のＸ−Ｘ線断面図である。図４のトンネル接合体の磁化状態の変化に伴うトンネル抵抗の変化を示す図である。図４のトンネル接合体の磁化状態の変化に伴うトンネル抵抗の変化例（第２例）を示す図である。磁化状態とメモリ状態の対応を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るメモリセルの構成を示す正面図である。メモリへの書き込みレベルを示す図である。書き込み後の磁化状態とメモリ状態の関係を示す図である。メモリ状態を読み出す際に印加する磁場を示す図である。読み出すメモリ状態と磁性体電極およびトンネル抵抗値の変化の関係を示す図である。本発明の第２の実施形態に係るトンネル接合体の構成を示す斜視図である。図１４のＹ−Ｙ線断面図である。図１４のトンネル接合体の磁化状態の変化に伴うトンネル抵抗の変化例を示す図である。図１４のトンネル接合体の磁化状態の変化に伴うトンネル抵抗の変化例（第２例）を示す図である。本発明の第２の実施形態の変形例に係るトンネル接合体の構成を示す斜視図である。図１８のトンネル接合体の磁化状態の変化に伴うトンネル抵抗の変化を示す図である。本発明の他の実施形態に係るトンネル接合体の構成を示す断面図である。

符号の説明

１磁性体リング
３半導体ホール素子
１１、１３、２１、２３、３１、３３、３７、４１、４３磁性体電極
１５、２５、３５、３９、４５トンネル絶縁層
５１ワード線
５３絶縁層
１００、２００、３００、４００トンネル接合体
Ｏ₁、Ｏ₂ オニオン状態
Ｖボルテクス状態

Claims

互いに異なる磁化特性を有する複数の磁性層がトンネル接合されて成るトンネル接合体であって、
前記複数の磁性層のうち少なくとも一つの磁性層が、中空部を備えることによって磁化の方向が全体として一定方向に向かう流れを形成している第１のオニオン状態と磁化の方向が全体として前記一定方向とは反対方向に向かう流れを形成している第２のオニオン状態と磁化の方向が前記中空部に沿って渦状に回転しているボルテクス状態の３つの離散的な磁化状態を有し、
前記トンネル接合体が３つ以上の論理値をとること
を特徴とするトンネル接合体。
中空部を備えることによって磁化の方向が全体として一定方向に向かう流れを形成している第１のオニオン状態と磁化の方向が全体として前記一定方向とは反対方向に向かう流れを形成している第２のオニオン状態と磁化の方向が前記中空部に沿って渦状に回転しているボルテクス状態の３つの離散的な磁化状態を有する第１の磁性層と、
この第１の磁性層と異なる磁化特性を有する第２の磁性層と、
前記第１および第２の磁性層の間に介在するトンネル絶縁層と
から成り、
３つ以上の論理値をとることを特徴とするトンネル接合体。
前記第２の磁性層は、前記第１の磁性層と同一形状をなすことを特徴とする請求項２記載のトンネル接合体。
前記中空部を備える磁性層は、回転対称な軸を少なくとも一つ有する形状をなすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のトンネル接合体。
請求項１乃至４のいずれか１項記載のトンネル接合体がマトリックス状に配置され、当該マトリックスの同一行および同一列に対応する位置に配置されたトンネル接合体同士がそれぞれ接続されて成ることを特徴とするトンネル接合体を用いたメモリ。