JP4665382B2

JP4665382B2 - 磁気メモリ

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Inventors: 広之大森
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Description

本発明は、磁気メモリに関するものであり、特に不揮発性メモリに用いて好適なものである。

コンピュータ等の情報機器においては、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度のＤＲＡＭが広く使用されている。
しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。

そして、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている（例えば非特許文献１参照）。

ＭＲＡＭは直交する２種類のアドレス線（例えばワード線とビット線）がそれぞれ複数本形成され、これら２種類のアドレス線の各交点に磁気記憶素子が設けられることにより、多数の磁気記憶素子がマトリクス状に配置された磁気メモリ（磁気記憶装置）を構成している。そして、２種類のアドレス線について、それぞれ特定のアドレス線に電流を流すことにより、その電流磁場によって、電流を流したアドレス線の交点に位置する磁気記憶素子のみを選択して、その磁気記憶素子の記憶層の磁化を反転させて、情報の記録を行っている。
日経エレクトロニクス２００１．２．１２号（第１６４頁−１７１頁）

今後、ＭＲＡＭの記憶容量を増加するために、高密度化を図る必要があり、メモリセルを構成する磁気記憶素子の縮小化が求められることから、磁気記憶素子の記憶層の寸法も小さくする必要がある。

しかしながら、記憶層の寸法を小さくすると、磁化の熱揺らぎにより長時間のうちに情報が書き換わってしまう問題がある。

この磁化の熱揺らぎによって情報が書き換わることを防ぎ、記録された情報を長時間安定に保持するためには、磁気記憶素子の磁化を反転させるのに必要な磁場即ち保磁力を大きくする必要がある。

しかしながら、保磁力を大きくすると、情報の記録に必要な電流も多く必要になり、消費電力の増加やエレクトロマイグレーションによる配線の断線等の問題が生じる。

上述した問題の解決のために、本発明においては、情報を安定して保持することができると共に、小さい磁場で情報の記録を行うことができる磁気メモリを提供するものである。

本発明の磁気メモリは、情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層と、外部磁場により磁化状態が変化する補助磁性層とを少なくとも有して成り、補助磁性層が非磁性層により分割された複数層の磁性層から成り、補助磁性層のうちの非磁性層を介して隣り合う磁性層間に反平行に磁化する磁気的相互作用を有し、補助磁性層の偶数番目の磁性層の磁化量の総和と補助磁性層の奇数番目の磁性層の磁化量の総和とがほぼ等しい磁気記憶素子と、互いに交差する第１の配線と第２の配線とを備え、第１の配線は、記憶層の磁化困難軸方向に延びて形成されており、電流を流すことにより、記憶層の磁化容易軸方向の磁場を発生させることができ、第２の配線は、記憶層の磁化容易軸方向に延びて形成されており、電流を流すことにより、記憶層の磁化困難軸方向の磁場を発生させることができ、第１の配線と第２の配線とが交差する交点付近にそれぞれ磁気記憶素子が配置されて成り、情報の記録の際には、第２の配線からの磁場によって、補助磁性層の磁化の向きを記憶層の磁化困難軸方向に向け、記憶層の保磁力を低下させて、この状態において、第１の配線からの磁場を記憶層に印加することにより、記憶層の磁化の向きを反転させるものである。

上述の本発明の磁気メモリの構成によれば、磁気記憶素子が、情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層と、外部磁場により磁化状態が変化する補助磁性層とを少なくとも有し、補助磁性層が非磁性層により分割された複数層の磁性層から成り、補助磁性層のうちの非磁性層を介して隣り合う磁性層間に反平行に磁化する磁気的相互作用を有するため、補助磁性層全体の見かけの磁化が小さくなっており、外部磁場により補助磁性層の磁化の方向を容易に変化させることが可能になる。
これにより、比較的小さな外部磁場を印加するだけで、補助磁性層の磁化の向きが記憶層の磁化困難軸方向に変化して、記憶層の保磁力に影響を与えるようになることから、記憶層の磁化容易軸方向の保磁力が急激に減少する。
このように記憶層の磁化容易軸方向の保磁力が急激に減少するため、記憶層の磁化容易軸方向の比較的小さな外部磁場の印加により、記憶層の磁化の向きを反転させて（磁化状態を変更して）、記憶層に情報の記録を行うことができる。

記憶層の磁化容易軸方向のみに外部磁場を印加しても、ある程度の磁場の大きさ（比較的大きい磁場）までは補助磁性層の磁化状態に変化がないので、磁化容易軸のみの磁場では記憶層の保磁力が大きく変化せず、保磁力が高い状態が維持される。
これに対して、記憶層の磁化容易軸方向の磁場に加えて、さらに記憶層の磁化困難軸方向にも磁場を加えると、補助磁性層の磁化の向きが記憶層の磁化困難軸方向に変化して、記憶層の保磁力に影響を与えるようになる。

そして、補助磁性層の偶数番目の磁性層の磁化量の総和と補助磁性層の奇数番目の磁性層の磁化量の総和とがほぼ等しいことにより、補助磁性層全体の見かけの磁化がゼロ又は微小となり、記憶層の磁化の向きを一方に反転するために必要な磁界と、磁化の向きを他方に反転するために必要な磁界をほぼ等しくすることができ、記憶層の磁化反転動作をほぼ対称とすることができる。

上述の本発明の磁気メモリの構成によれば、上述の構成の磁気記憶素子と、互いに交差する第１の配線と第２の配線とを有し、第１の配線は、記憶層の磁化困難軸方向に延びて形成されており、電流を流すことにより、記憶層の磁化容易軸方向の磁場を発生させることができ、第２の配線は、記憶層の磁化容易軸方向に延びて形成されており、電流を流すことにより、記憶層の磁化困難軸方向の磁場を発生させることができ、第１の配線と上記第２の配線とが交差する交点付近に、それぞれ磁気記憶素子が配置されて成ることにより、第１の配線や第２の配線に電流を流すことにより磁気記憶素子に磁場（電流磁場）を印加することが可能であり、この磁場により記憶層の磁化の向きを変化させて情報を記録することが可能である。
そして、磁気記憶素子が、上述したように、補助磁性層の作用によって記憶層の保磁力が小さくなる特性を有するので、情報の記録の際に、第２の配線からの磁場によって、補助磁性層の磁化の向きを記憶層の磁化困難軸方向に向け、記憶層の保磁力を低下させて、この状態において、第１の配線からの磁場を記憶層に印加して、記憶層の磁化の向きを反転させることにより、情報の記録に必要となる磁場を小さくすることができ、この磁場を発生させるために配線に流す電流を低減することが可能になる。

上述の本発明の磁気メモリにおいて、記憶層と補助磁性層とが同じ平面形状のパターンに形成され、非磁性層を介して積層されている構成としたときには、記憶層・非磁性層・補助磁性層とを積層形成して、容易にパターニングして磁気記憶素子を製造することができる。
また、上述の本発明の磁気メモリにおいて、記憶層と、記憶層の補助磁性層とは反対側に配置されたトンネル絶縁膜と、記憶層に対してトンネル絶縁膜を介して配置され、磁化の向きが固定された磁化固定層とが積層されている構成としたときには、磁化固定層の磁化の向きを記憶層の磁化の向きの基準として参照することが可能になり、またトンネル絶縁膜を流れるトンネル電流の電流量を検出することによって記憶層の磁化状態を検出することが可能になる。

上述の本発明によれば、補助磁性層からの影響により記憶層の保磁力に影響を与えて、記憶層の磁化容易軸方向の比較的小さな外部磁場の印加によって記憶層に情報の記録を行うことができる。
これにより、容易に情報の記録を行うことが可能になると共に、電流により発生した外部磁場を磁気記憶素子に印加して情報の記録を行う構成において、情報の記録に必要となる電流を低減することができ、消費電流を低減することができる。

また、補助磁性層に外部磁場が印加されていないときや、記憶層の磁化容易軸方向の外部磁場のみが印加されているときには、記憶層の保磁力が高い状態が維持されるため、記憶層に記録された情報を安定して保持することができる。

従って、本発明により、記録された情報を安定して保持すると共に、少ない記録電流で記録ができ、消費電力の少ない磁気メモリを実現することが可能になる。

本発明の磁気メモリを構成する磁気記憶素子の一実施の形態の概略構成図（斜視図）を、図１Ａ及び図１Ｂに示す。
この磁気記憶素子１０は、情報が磁化の向きにより記録される記憶層１を有して構成されている。
この記憶層１は、平面形状が楕円形状の磁性体により形成され、図中左右方向が磁化容易軸方向になるように配置されている。

また、記憶層１と、それぞれ図示しないが、トンネル絶縁膜と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを積層して成る磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ）を構成することができる。この場合、記憶層と磁化固定層（参照層とも称される）の相対的な磁化方向を検出することにより記憶層１に記録された情報の内容を検出することが可能になる。

本実施の形態の磁気記憶素子１０では、特に、記憶層１の上方に、補助磁性層２が設けられている。この補助磁性層２は、上層の第１の磁性層１１及び下層の第２の磁性層１２の２層の磁性層が、非磁性層１３を介して積層されている。
また、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１と、第２の磁性層１２の磁化Ｍ２とについて、外部磁場が印加されていない状態で、磁化の向きが互いに反平行であり、かつＭ１≒Ｍ２である特徴を有する。このような状態を安定して保持させるために、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に反強磁性的な相互作用、即ち交換相互作用Ｊを適度な大きさで有していることが好ましい。
なお、記憶層１と補助磁性層２とは、これらの間に設けられた非磁性層（図示せず）により磁気的に分離されている構成とする。

続いて、上述の構成を有する本実施の形態の磁気記憶素子１０において、情報を記録する方法を説明する。

まず、図１Ａに示す状態は、補助磁性層２の第１の磁性層１１の磁化Ｍ１が右向き、第２の磁性層１２の磁化Ｍ２が左向きになっている。記憶層１の磁化Ｍは右向きになっている。

次に、例えば前後方向（記憶層１の磁化困難軸方向）の外部磁界と左右方向（記憶層１の磁化容易軸方向）の外部磁界とを印加して、これらの外部磁界によって、図１Ｂに示すように、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１を奥向き、第２の磁性層１２の磁化Ｍ２を手前向きに変化させる。このとき、磁化Ｍ１，Ｍ２の向きは不連続に変化する。
これにより、記憶層１にかかる磁場の向きが急激に前後方向に変化するため、記憶層１の保磁力を低下するように作用して、記憶層１の保磁力が大幅に低下する。

このとき、記憶層１の磁化容易軸方向の磁界として、左向きの外部磁界を印加していれば、記憶層１の磁化Ｍを左向きに反転させることができる。
同様に、記憶層１の磁化Ｍが左向きになっている状態から右向きになっている状態に反転させる場合には、例えば前後方向の外部磁界と右向きの外部磁界とを印加して、補助磁性層２の磁化の向きを変化させて、記憶層１の保磁力を低下させ、さらに右向きの外部磁界により、記憶層１の磁化Ｍを右向きに反転させればよい。

このように、補助磁性層２の磁化Ｍ１，Ｍ２の向きを図中前後方向にすることにより、記憶層１の保磁力を大幅に低下させることができるため、容易に記憶層１の磁化Ｍの向きを反転させて、記憶層１に記録を行うことができる。
従って、記憶層１に記録を行うために必要な、記憶層１の磁化容易軸方向の外部磁界を小さくしても記録を行うことが可能になり、この外部磁界を電流磁界により印加するために必要となる電流を低減することが可能になる。

そして、本実施の形態の磁気記憶素子１０においては、補助磁性層２を設けたことにより、上述したように、補助磁性層２の作用により記憶層１の保磁力が大幅に低下する特性を有しているため、通常のＭＲＡＭの素子でみられるような、なめらかなアステロイド曲線とは異なり、急激な変化を伴うアステロイド曲線が得られる。

上述の本実施の形態の磁気記憶素子１０の構成によれば、記憶層１に対して補助磁性層２を設け、この補助磁性層２を第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２の２層の磁性層が非磁性層１３を介して積層された構成とし、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１と第２の磁性層１２の磁化Ｍ２とが互いに反平行の向きになるように結合して磁気的相互作用を有することにより、補助磁性層２全体の見かけの磁化が小さくなり、外部磁場の印加により補助磁性層２の磁化（磁性層１１，１２の磁化Ｍ１，Ｍ２）の方向を変化させることが容易になる。
これにより、外部磁場の印加によって補助磁性層２の磁化の方向を記憶層の磁化困難軸方向に変化させて、補助磁性層２から記憶層１に対してその磁化困難軸方向に磁場を作用させることができ、記憶層１の磁化容易軸方向の保磁力を大幅に減少させることが可能になる。

一方、補助磁性層２に外部磁場が印加されていない状態では、補助磁性層２の磁化Ｍ１，Ｍ２の方向と記憶層１の磁化Ｍの方向とが、記憶層１の磁化容易軸方向になる。このとき、記憶層１の磁化容易軸方向の保磁力が高い状態が維持されるため、記憶層１に記録された情報が安定して保持される。

また、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１と第２の磁性層１２の磁化Ｍ２とが、ほぼ等しい大きさである構成とされていることにより、補助磁性層２全体の見かけの磁化がゼロ又は微小となり、記憶層１の磁化Ｍの向きを一方に反転するために必要な磁界と、磁化Ｍの向きを他方に反転するために必要な磁界をほぼ等しくすることができ、記憶層１の磁化反転動作をほぼ対称とすることができる。

従って、記録された情報を安定して保持することができ、かつ情報の記録に必要な磁場を小さくすることができる。
これにより、配線に電流を流して磁気記憶素子に電流磁場を印加する構成の磁気メモリでは、情報の記録に必要となる電流量を小さくすることができるため、消費電力の少ない磁気メモリを実現することができる。

上述の実施の形態では、記憶層１と補助磁性層２の各磁性層１１，１２とを同じパターン形状として、これらを積層して磁気記憶素子１０を構成したが、本発明では、これら記憶層及び補助磁性層が同じパターン形状である構成に限定されるものではない。
上述した実施の形態のように、記憶層１と補助磁性層２の各磁性層１１，１２とを同じパターン形状とすると、磁気記憶素子１０を製造する際に、積層構造を成膜して同一マスクでパターニングすることができるため、製造が容易であるという利点を有する。

上述の実施の形態では、補助磁性層２を２層の磁性層１１，１２により構成したが、本発明では３層以上の磁性層により補助磁性層を構成してもよい。
３層以上の磁性層により補助磁性層を構成した場合でも、上述の実施の形態と同様に、補助磁性層の作用により記憶層の保磁力を大幅に低減する効果が得られる。
このとき、補助磁性層の奇数番目の磁性層の磁化量（各磁性層の磁束密度と体積の積で決まる）の総和と、偶数番目の磁性層の磁化量の総和とをほぼ等しくすれば、補助磁性層に磁場が影響していない状態で補助磁性層全体の見かけの磁化がゼロ又は微小となることから、記憶層の磁化反転動作がほぼ対称となり、記憶層の磁化の向きを容易に反転させることができる。補助磁性層の見かけの磁化が残っていると、記憶層に影響を及ぼして記憶層の磁化反転動作が非対称になる等の問題を生じるが、磁化量の総和の差が１０分の１程度までなら、影響は少ないため本発明の効果が充分に得られる。
なお、補助磁性層の各磁性層間には、非磁性層を介した相互作用が働いていてもよいし、静磁気的な結合をしていてもよい。

また、記憶層は、上述の実施の形態のように、単層の磁性層で構成してもよいし、複数の磁性層を積層してもよいし、非磁性層を介して磁気的に相互作用している複数層の磁性層で構成してもよい。

同様に、磁化固定層（参照層）は、単層の磁性層で構成してもよいし、複数の磁性層を積層してもよいし、非磁性層を介して磁気的に相互作用している複数層の磁性層で構成してもよく、強い異方性を磁性層に付与して一方向に磁化を固定してもよいし、反強磁性体との積層によって磁化を固定してもよいし、容易に磁化反転するようにして外部磁場によって磁化方向を決定してもよい。

なお、記憶層の磁化状態の検出（読み出し）を行うための構成としては、前述した記憶層にトンネル絶縁層を介して磁化固定層（参照層）を積層した磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ）の他にも、例えば巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）やホール素子等を用いることが考えられる。

次に、本発明の磁気メモリの一実施の形態として、上述の実施の形態の磁気記憶素子１０を用いて構成した磁気メモリの概略構成図（斜視図）を図２に示す。また、図２に示した磁気メモリの平面図を図３に示す。なお、多数配置された磁気記憶素子１０のうち、図２では縦２個・横２個分を図示し、図３では縦４個・横４個分を図示している。

この磁気メモリ（磁気記憶装置）５０は、図２及び図３に示すように、マトリクス状に直交配置させたそれぞれ多数の第１の配線（例えばビット線）５１及び第２の配線（例えばワード線）５２の交点に、平面形状が楕円形状とされ、図１に示した構造を有する磁気記憶素子１０を配置して構成されている。
各磁気記憶素子１０は、図１に示したように、記憶層１と、２層の磁性体層１１，１２が非磁性層１３を挟んで積層された補助磁性層２とを有して構成されている。

第１の配線５１は、記憶層１の磁化困難軸方向（Ｙ軸方向）に延びて形成されており、電流を流すことにより、記憶層１の磁化容易軸方向（Ｘ軸方向）の磁場を発生させることができる。第２の配線５２は、記憶層１の磁化容易軸方向（Ｘ軸方向）に延びて形成されており、電流を流すことにより、記憶層１の磁化困難軸方向（Ｙ軸方向）の磁場を発生させることができる。

このように磁気メモリ５０を構成した場合、例えば次のようにして磁気記憶素子１０に対して記録を行う。

多数ある第１の配線５１及び第２の配線５２から、記録を行う磁気記憶素子１０に対応するそれぞれ１本の第１の配線５１及び第２の配線５２を選択し、第１の配線５１と第２の配線５２に電流を流して、記録を行う磁気記憶素子１０に対して電流磁場を印加する。

具体的には、第２の配線５２に電流を流して、記憶層１の磁化困難軸方向（Ｙ軸方向）の電流磁場を印加する。
また、磁気記憶素子１０に記憶する情報の内容に対応して、第１の配線５１に流す電流の向きを設定して、第１の配線５１に電流を流して、記憶層１の磁化容易軸方向（Ｘ軸方向）の電流磁場を印加する。
そして、これらの電流磁場により、磁気記憶素子１０の補助磁性層２の各磁性層１１，１２の磁化をＹ軸方向に向ける（図１Ｂに示した状態にする）。
これにより、補助磁性層２の作用によって、記憶層１の保磁力が大幅に低下するため、磁気記憶素子１０の記憶層１の磁化の向きを情報の内容に対応した向きとすることができる。このようにして、磁気記憶素子１０に記録を行うことができる。

その後、第１の配線５１及び第２の配線５２に流していた電流を停止すれば、補助磁性層２の各磁性層１１，１２の磁化がＸ軸方向に戻り（図１Ａに示した状態になり）、記憶層１の保磁力が大きい状態に戻る。これにより、記録された情報を安定して保持することができる。

これらの過程を、情報の記録が必要な磁気記憶素子１０に対して行うことにより、情報の記録が必要な全ての磁気記憶素子１０に情報の記録を行うことができる。

上述したように記録を行うことにより、選択された磁気記憶素子１０では、対応する第１の配線５１及び第２の配線５２から磁気記憶素子１０に電流磁場を印加して、補助磁性層２の作用により記憶層１の保磁力を低下させると共に、記録する情報の内容に対応して向きが設定された磁界が印加されて、この磁界により記憶層１に磁化状態が記録される。
一方、選択されていない磁気記憶素子１０では、対応する第１の配線５１及び第２の配線５２の両方から磁気記憶素子１０に電流磁場が印加されることがない。

一方の配線５１或いは５２が選択された磁気記憶素子１０と共通であっても、他方の配線が共通でなければ磁気記憶素子１０には一方の電流磁場しか印加されない。
一方の電流磁場だけでは補助磁性層２の磁化の方向が変化しないため、記憶層１の保磁力が大きいままであり、記憶層１の磁化容易軸方向によっても記憶層１の磁化が反転しない。
即ち、記憶層１に記録された磁化状態を保持することができる。

上述の本実施の形態の磁気メモリ５０の構成によれば、記録する際には磁気記憶素子１０の記憶層１の保磁力を低下させて容易に記録を行うことができ、いったん記録された磁化状態は、改めて記録を行うまで安定して保持することができる。
そして、記録容量を大きくするために磁気記憶素子を微小化するほど、保磁力が増大して記録を行うことが難しくなり、また磁化を安定して保持することが難しくなる傾向があるため、本実施の形態の磁気メモリ５０は、記憶容量を増大させるために好適である。

（実施例）
ここで、本発明の磁気メモリを構成する磁気記憶素子において、具体的に記憶層及び補助磁性層の寸法や磁化量を設定して、特性がどのようになるか検討を行った。

図４Ａに平面図を示すように、平面形状が楕円形状であり、長軸の長さを１μｍ、短軸の長さを０．５μｍとした磁気記憶素子１０を、モデルとして採用し、磁気記憶素子１０の各層を、図４Ｂに断面図を示すように構成した。

記憶層１は、厚さを５ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｍ^３、材料の異方性磁場Ｈｋを２０Ｏｅとした。
第１の磁性層１１は、厚さをｔ１とし、材料の異方性磁場をＨｋ１とし、第２の磁性層１２は、厚さをｔ２とし、材料の異方性磁場をＨｋ２とし、第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２をいずれも飽和磁化量Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｍ^３として、非磁性層１３の厚さを２ｎｍとし、交換相互作用Ｊの大きさをＪ１とした。
記憶層１と補助磁性層２との間には、厚さｄの非磁性層１７が設けられ、この非磁性層１７における交換相互作用Ｊはゼロ（０ｅｒｇ／ｃｍ^２）になっている。
また、記憶層１に対して、補助磁性層２とは反対の側（下層側）に、トンネル絶縁膜１６を介して磁化固定層１５を設けた。磁化固定層１５は、磁性層２１・非磁性層２２・磁性層２３が積層されて構成され、その下の反強磁性体層１４により磁性層２１及び２３の磁化の向きが固定されている。磁性層２１及び磁性層２３は、いずれも厚さが２ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓが１２００ｅｍｕ／ｃｍ^３、材料の異方性磁場Ｈｋが１０Ｏｅとなっている。磁化固定層１５の非磁性層２２は、厚さが１ｎｍで、交換相互作用Ｊが１ｅｒｇ／ｃｍ^２になっている。トンネル絶縁膜１６は、厚さが１ｎｍで、交換相互作用Ｊがゼロになっている。

まず、補助磁性層２の各磁性層１１，１２の厚さを変えて、特性の変化を調べた。
記憶層１と補助磁性層２との間の非磁性層１７の厚さｄを１０ｎｍとし、補助磁性層２の第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２の異方性磁場Ｈｋ１，Ｈｋ２を共に２０Ｏｅとし、補助磁性層２の第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間にある非磁性層１３における交換相互作用Ｊの大きさＪ１を０．０１ｅｒｇ／ｃｍ^２とした。
そして、補助磁性層２の第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２の厚さｔ１，ｔ２を共に、２ｎｍ，３ｎｍ，４ｎｍ，５ｎｍと変えて、それぞれの厚さｔ１，ｔ２における、記憶層１の磁化容易軸方向の磁場Ｈ_ｅａｓｙと磁化困難軸方向の磁場Ｈ_ｈａｒｄとによるアステロイド曲線を、マイクロマグネティック計算により求めた。また、比較対照として、補助磁性層を設けないで記憶層のみとした場合もアステロイド曲線を求めた。結果を図５に示す。

図５より、補助磁性層２の磁性層１１，１２の厚さを厚くしていくと、磁化困難軸方向の磁場Ｈ_ｈａｒｄが加わったときの記憶層１の保磁力の低下が起こり、膜厚が厚くなるほど、より低い磁場で記憶層１の保磁力が減少するようになることがわかる。
ただし、磁性層１１，１２の厚さが５ｎｍ以上になると、磁化困難軸方向の磁場を印加しない状態の保磁力が減少してしまい、記録の保持特性が劣化してしまうため、好ましくない。
従って、図４のモデルでは、磁性層１１，１２の厚さを３ｎｍ〜４ｎｍにすると、良好な特性が得られることがわかる。

次に、補助磁性層２の交換相互作用Ｊの大きさを変えて、特性の変化を調べた。
記憶層１と補助磁性層２との間の非磁性層１７の厚さｄを１０ｎｍとし、補助磁性層２の第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２の異方性磁場Ｈｋ１，Ｈｋ２を共に２０Ｏｅとし、補助磁性層２の第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２の厚さｔ１，ｔ２を共に４ｎｍとした。
そして、補助磁性層２の第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間にある非磁性層１３における交換相互作用Ｊの大きさＪ１を、０，０．０１，０．０２，０．０５，０．１（ｅｒｇ／ｃｍ^２）と変えて、それぞれの交換相互作用の大きさＪ１における、記憶層１の磁化容易軸方向の磁場Ｈ_ｅａｓｙと磁化困難軸方向の磁場Ｈ_ｈａｒｄとによるアステロイド曲線を、マイクロマグネティック計算により求めた。結果を図６に示す。
なお、交換相互作用Ｊは、正側が反平行となるように作用する方向である。

図６より、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間には、交換相互作用Ｊがなくとも、静磁結合が生じるために、記憶層１の磁化困難軸方向にある程度磁場をかけると、記憶層１の保磁力が減少することがわかる。
さらに、交換相互作用Ｊを増やしていくと、記憶層１の保磁力を減少させるための磁化困難軸方向の磁場を小さくできることがわかる。
ただし、交換相互作用Ｊをある程度以上大きくしてしまうと、磁化困難軸方向に磁場を印加しない状態の保磁力が減少してしまうため、好ましくない。
従って、交換相互作用Ｊの大きさを、ある程度の範囲内に選定すると、好ましい特性が得られることがわかる。

次に、記憶層１と補助磁性層２との間の距離を変えて、特性の変化を調べた。
補助磁性層２の第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２の異方性磁場Ｈｋ１，Ｈｋ２を共に２０Ｏｅとし、補助磁性層２の第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２の厚さｔ１，ｔ２を共に４ｎｍとし、補助磁性層２の第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間にある非磁性層１３における交換相互作用Ｊの大きさＪ１を０．０１ｅｒｇ／ｃｍ^２とした。
そして、記憶層１と補助磁性層２との間の距離、即ち記憶層１と補助磁性層２との間の非磁性層１７の厚さｄを、５ｎｍ，１０ｎｍ，２０ｎｍと変えて、それぞれの距離ｄにおける、記憶層１の磁化容易軸方向の磁場Ｈ_ｅａｓｙと磁化困難軸方向の磁場Ｈ_ｈａｒｄとによるアステロイド曲線を、マイクロマグネティック計算により求めた。結果を図７に示す。

図７より、記憶層１と補助磁性層２との距離が近い場合は、補助磁性層２を構成する各磁性層１１，１２からの磁場が記憶層１に及ぼす影響に差が大きくなるため、アステロイド曲線の上下で非対称となることがわかる。
従って、記憶層１と補助磁性層２とをある程度離す必要があることがわかる。

次に、補助磁性層２の磁性層１１，１２の磁気異方性を変えて、特性の変化を調べた。
補助磁性層２の第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２の厚さｔ１，ｔ２を共に４ｎｍとし、記憶層１と補助磁性層２との間の距離、即ち記憶層１と補助磁性層２との間の非磁性層１７の厚さｄを１０ｎｍとし、補助磁性層２の第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間にある非磁性層１３における交換相互作用Ｊの大きさＪ１を０．０１ｅｒｇ／ｃｍ^２とした。
そして、補助磁性層２の第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２の異方性磁場Ｈｋ１，Ｈｋ２を共に、１０Ｏｅ，２０Ｏｅ，４０Ｏｅと変えて、それぞれの異方性磁場Ｈｋ１，Ｈｋ２における、記憶層１の磁化容易軸方向の磁場Ｈ_ｅａｓｙと磁化困難軸方向の磁場Ｈ_ｈａｒｄとによるアステロイド曲線を、マイクロマグネティック計算により求めた。結果を図８に示す。

図８より、補助磁性層２の磁性層１１，１２の磁気異方性Ｈｋを大きくすると、磁化困難軸方向にかける磁場の大きさを小さくできることがわかる。
ただし、磁気異方性Ｈｋを大きくしすぎると、記憶層１の保磁力が小さくなり好ましくない。
従って、補助磁性層２の磁性層１１，１２の磁気異方性Ｈｋを、ある程度の範囲内に選定すると、良好な特性が得られることがわかる。

次に、補助磁性層２の第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との膜厚の比を変えて、特性の変化を調べた。
記憶層１と補助磁性層２との間の非磁性層１７の厚さｄを１０ｎｍとし、補助磁性層２の第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２の異方性磁場Ｈｋ１，Ｈｋ２を共に２０Ｏｅとし、補助磁性層２の第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間にある非磁性層１３における交換相互作用Ｊの大きさＪ１を０．０１ｅｒｇ／ｃｍ^２とした。
そして、補助磁性層２の第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２の厚さｔ１，ｔ２を変えて、それぞれの厚さｔ１，ｔ２における、記憶層１の磁化容易軸方向の磁場Ｈ_ｅａｓｙと磁化困難軸方向の磁場Ｈ_ｈａｒｄとによるアステロイド曲線を、マイクロマグネティック計算により求めた。なお、補助磁性層２を構成するそれぞれの磁性層１１，１２の磁化方向を変えた初期状態から計算した。
それぞれの結果を図９Ａ〜図９Ｅに示す。図９Ａは、第１の磁性層１１の厚さｔ１を４．５ｎｍとし、第２の磁性層１２の厚さｔ２を３．５ｎｍとした場合である。図９Ｂは、第１の磁性層１１の厚さｔ１を４．２５ｎｍとし、第２の磁性層１２の厚さｔ２を３．７５ｎｍとした場合である。図９Ｃは、第１の磁性層１１の厚さｔ１を４ｎｍとし、第２の磁性層１２の厚さｔ２を４ｎｍとした場合（図５の４ｎｍの場合と同じ）である。図９Ｄは、第１の磁性層１１の厚さｔ１を３．７５ｎｍとし、第２の磁性層１２の厚さｔ２を４．２５ｎｍとした場合である。図９Ｅは、第１の磁性層１１の厚さｔ１を３．５ｎｍとし、第２の磁性層１２の厚さｔ２を４．５ｎｍとした場合である。

図９Ｃに示すように、第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２の厚さｔ１，ｔ２が共に４ｎｍのときは、補助層の磁化の初期状態によってほとんど変化がないが、図９Ｄ及び図９Ｅに示すように、第２の磁性層１２の厚さｔ２が厚くなるに従って、記憶層１の磁化の初期状態による差が大きくなる。
また、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、第１の磁性層１１の厚さｔ１が厚いときは、記憶層１の磁化の初期状態による差は小さいが、アステロイド曲線の上側の曲線と下側の曲線が交差するので好ましくない。

この結果より、２層の磁性層１１，１２の厚さｔ１，ｔ２の差が０．５ｎｍ程度であれば、本発明による効果が充分得られるが、厚さｔ１，ｔ２の差が１ｎｍ以上になると動作に制限が必要となる。
そして、２層の磁性層１１，１２の厚さｔ１，ｔ２の差がほぼ１０％以内（膜厚比が０．９〜１．１）であれば、良好なアステロイド曲線が得られることがわかった。

次に、磁気記憶素子のモデルを、より寸法の小さいモデルとして、同様にマイクロマグネティックの計算を行った。
計算に用いた磁気記憶素子３０のモデルの平面形状を図１０Ａに示し、各層の構造を図１０Ｂに示す。この場合は、補助磁性層２を４層の磁性層３１，３２，３３，３４とその間の非磁性層３５とにより構成している。その他の層の数と種類は図４Ｂと同様であるため、図４Ｂと同一符号を付している。
磁気記憶素子３０は、平面形状が楕円形状であり、長軸の長さを１５０ｎｍとし、短軸の長さを１００ｎｍとして、図４に示したモデルよりも長軸・短軸がそれぞれ数倍小さい寸法としている。
記憶層１は、厚さを５ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｍ^３、材料の異方性磁場Ｈｋを２０Ｏｅとした。
補助磁性層２の各磁性層３１，３２，３３，３４は、いずれも飽和磁化量Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｍ^３として、厚さを３．５ｎｍとして、材料の異方性磁場Ｈｋを２０Ｏｅとした。また、各磁性層３１，３２，３３，３４間の非磁性層３５の厚さを２ｎｍとし、交換相互作用Ｊの大きさを０．０２ｅｒｇ／ｃｍ^２とした。
記憶層１と補助磁性層２との間の非磁性層１７は、厚さを２０ｎｍとして、この非磁性層１７における交換相互作用Ｊはゼロ（０ｅｒｇ／ｃｍ^２）になっている。
また、磁化固定層１５の磁性層２１及び磁性層２３は、いずれも飽和磁化量Ｍｓが１２００ｅｍｕ／ｃｍ^３、材料の異方性磁場Ｈｋが１０Ｏｅとなっているが、磁性層２１の厚さを２．３ｎｍ、磁性層２３の厚さを１．７ｎｍとして、２層の厚さを異ならせている。磁化固定層１５の非磁性層２２は、厚さが１ｎｍで、交換相互作用Ｊが１ｅｒｇ／ｃｍ^２になっている。トンネル絶縁膜１６は、厚さが１ｎｍで、交換相互作用Ｊがゼロになっている。
そして、記憶層１の磁化容易軸方向の磁場Ｈ_ｅａｓｙと磁化困難軸方向の磁場Ｈ_ｈａｒｄとによるアステロイド曲線を、マイクロマグネティック計算により求めた。計算結果を、図１０に示した構成と、併せて比較対照として補助磁性層がない構成とについて、それぞれ図１１に示す。

図１１より、補助磁性層２を設けることにより、アステロイド曲線の変化が急峻に変化しており、素子寸法が大きい図５の場合と同様の傾向を示していることから、素子寸法が小さくても本発明の効果が得られることが確かめられた。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

Ａ、Ｂ本発明の磁気メモリを構成する磁気記憶素子の一実施の形態の概略構成図（斜視図）である。図１の磁気記憶素子を用いた磁気メモリの概略構成図（斜視図）である。図２の磁気メモリの平面図である。Ａ、Ｂ本発明の磁気メモリを構成する磁気記憶素子の一形態のモデルを示す図である。図４のモデルにおいて、補助磁性層の膜厚を変えたときのアステロイド曲線の変化を示した図である。図４のモデルにおいて、補助磁性層の磁性層間の交換相互作用の大きさを変えたときのアステロイド曲線の変化を示した図である。図４のモデルにおいて、記憶層と補助磁性層との距離を変えたときのアステロイド曲線の変化を示した図である。図４のモデルにおいて、補助磁性層の磁気異方性の大きさを変えたときのアステロイド曲線の変化を示した図である。Ａ〜Ｅ図４のモデルにおいて、補助磁性層の２層の磁性層の厚さを変えたときのアストロイド曲線の変化を示した図である。Ａ、Ｂ本発明の磁気メモリを構成する磁気記憶素子の他の形態のモデルを示す図である。図１０のモデルにおいて、補助磁性層の有無によるアステロイド曲線の変化を示した図である。

符号の説明

１記憶層、２補助磁性層、１０磁気記憶素子、１１第１の磁性層、１２第２の磁性層、１３，１７，２２，３５非磁性層、１４反強磁性体層、１５磁化固定層、１６トンネル絶縁膜、２１，２２，３１，３２，３３，３４磁性層、５０磁気メモリ、５１第１の配線、５２第２の配線

Claims

情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層と、
外部磁場により磁化状態が変化する補助磁性層とを少なくとも有して成り、
前記補助磁性層が、非磁性層により分割された複数層の磁性層から成り、
前記補助磁性層のうちの前記非磁性層を介して隣り合う前記磁性層間に反平行に磁化する磁気的相互作用を有し、前記補助磁性層の偶数番目の磁性層の磁化量の総和と、前記補助磁性層の奇数番目の磁性層の磁化量の総和とがほぼ等しい磁気記憶素子と、
互いに交差する第１の配線と第２の配線とを備え、
前記第１の配線は、前記記憶層の磁化困難軸方向に延びて形成されており、電流を流すことにより、前記記憶層の磁化容易軸方向の磁場を発生させることができ、
前記第２の配線は、前記記憶層の磁化容易軸方向に延びて形成されており、電流を流すことにより、前記記憶層の磁化困難軸方向の磁場を発生させることができ、
前記第１の配線と前記第２の配線とが交差する交点付近に、それぞれ前記磁気記憶素子が配置されて成り、
情報の記録の際には、前記第２の配線からの磁場によって、前記補助磁性層の磁化の向きを前記記憶層の磁化困難軸方向に向け、前記記憶層の保磁力を低下させて、この状態において、前記第１の配線からの磁場を前記記憶層に印加することにより、前記記憶層の磁化の向きを反転させる
磁気メモリ。
前記磁気記憶素子は、前記記憶層と前記補助磁性層とが、同じ平面形状のパターンに形成され、非磁性層を介して積層されている請求項１に記載の磁気メモリ。
前記磁気記憶素子は、前記記憶層と、前記記憶層の前記補助磁性層とは反対側に配置されたトンネル絶縁膜と、前記記憶層に対して前記トンネル絶縁膜を介して配置され、磁化の向きが固定された磁化固定層とが積層されている請求項１又は請求項２に記載の磁気メモリ。