JP4666775B2

JP4666775B2 - 磁気薄膜メモリ素子、磁気薄膜メモリおよび情報記録方法

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Publication number: JP4666775B2
Application number: JP2001003750A
Authority: JP
Inventors: 貴司池田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2001-01-11
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2021-01-11
Also published as: JP2002208681A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果を利用する磁気薄膜メモリ素子およびそれを用いた磁気薄膜メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体メモリである半導体メモリは情報機器に多く用いられ、ＤＲＡＭ（Dynamic RAM（Random access Memory））、ＦｅＲＡＭ（Ferroelectric RAM）、フラッシュＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM（Read Only Memory））等その種類も様々である。これら半導体メモリの特性には一長一短があり、現在の情報機器において要求されるスペックのすべてを満たすメモリは存在しない。例えば、ＤＲＡＭは記録密度が高く書き換え可能回数も多いが、揮発性であるため電源を切ると記憶情報は消えてしまう。また、フラッシュＥＥＰＲＯＭは不揮発であるが、消去の時間が長く、情報の高速処理には不向きである。
【０００３】
上記のような半導体メモリの現状に対して、磁気抵抗効果を用いたメモリ（ＭＲＡＭ）は、記録時間、読み出し時間、記録密度、書き換え可能回数、消費電力等において多くの情報機器から求められるスペックをすべて満たすメモリとして有望である。特にスピン依存トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を利用したＭＲＡＭは、大きな読み出し信号が得られることから、高記録密度化あるいは高速読み出しに有利であり、近年の研究報告によればＭＲＡＭとしての実現性が実証されている。
【０００４】
ＭＲＡＭのメモリ素子に用いられる磁気抵抗効果膜の基本構成は、非磁性層を介して磁性層が隣接して形成されたサンドイッチ構造である。非磁性膜の材料としては、ＣｕやＡｌ₂Ｏ₃が良く用いられる。磁気抵抗効果膜において非磁性層にＣｕ等のような導体を用いたものを巨大磁気抵抗効果膜（ＧＭＲ膜）といい、Ａｌ₂Ｏ₃などの絶縁体を用いたものをスピン依存トンネル効果膜（ＴＭＲ膜）という。ＴＭＲ膜は、ＧＭＲ膜に比べて大きな磁気抵抗効果を示すので、ＭＲＡＭのメモリ素子として好ましい。
【０００５】
図１８は面内磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜の電気抵抗を説明するための図で、（ａ）は磁気抵抗効果膜の磁化が平行な状態を模式的に示す断面図、（ｂ）は磁気抵抗効果膜の磁化が反平行な状態を模式的に示す断面図である。図１８中、矢印は磁化の方向を示す。この図１８の例では、磁気抵抗効果膜は、非磁性層１４２を介して二つの磁性層１４１、１４３が積層されたサンドイッチ構造となっている。磁性層１４１、１４３は、いずれも面内磁化膜である。
【０００６】
図１８（ａ）に示すように磁性層１４１、１４３の磁化方向が平行であると、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較的小さく、図１８（ｂ）に示すように磁性層１４１、１４３の磁化方向が反平行であると、電気抵抗は比較的大きくなる。したがって、磁性層１４１、１４３のうち一方の磁性層を記録層、他方を読み出し層として、上記の性質を利用することで記憶情報の読み出しが可能である。
【０００７】
図１９は面内磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜における記録再生原理を説明するための図で、（ａ）および（ｂ）は、記録情報「１」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図、（ｃ）および（ｄ）は、記録情報「０」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図である。図１９中、矢印は磁化の方向を示し、磁気抵抗効果膜の構成は図１８に示したものと同様のため、同じ符号を付している。また、この例では、非磁性層１４２の下部に位置する磁性層１４３を記録層、上部に位置する磁性層１４１を読み出し層とし、記録層の磁化方向が右向きの場合を「１」、左向きの場合を「０」とする。
【０００８】
図１９（ａ）に示すように両磁性層の磁化方向がともに右向きの場合は、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較的小さくなり、図１９（ｂ）に示すように読み出し層の磁化方向が左向きで、記録層の磁化方向が右向きである場合には、電気抵抗は比較的大きくなる。したがって、「１」が記録された状態（記録層の磁化方向が右向き）で、読み出し層の磁化方向が右向きとなるように磁界を印加した後、さらに読み出し層の磁化方向が左向きとなるように磁界を印加する、読み出し操作を行うと、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は大きくなるように変化し、この変化から記録情報「１」を読み出すことが可能である。ただし、読み出しのときに印加する磁界は記録層の磁化方向が変化しないような大きさである。
【０００９】
また、図１９（ｃ）に示すように読み出し層の磁化方向が右向きで、記録層の磁化方向が左向きである場合は、電気抵抗は比較的大きくなり、図１９（ｄ）に示すように両磁性層の磁化方向がともに左向きの場合には、電気抵抗は比較的小さくなる。したがって、「０」が記録されているときには、上記読み出しの操作を行うと、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は小さくなるように変化し、この変化から記録情報「０」を読み出すことが可能である。
【００１０】
上述した面内磁化膜を使用したＭＲＡＭにおいては、ＭＲＡＭの記録密度を高くするために素子サイズを小さくしていくと、磁性層内部で生じる反磁界（自己減磁界）あるいは端面の磁化のカーリングといった影響から情報を保持できなくなる、という問題が生じる。この問題を回避する手法としては、例えば磁性層の形状を長方形にすることが挙げられるが、この場合は、素子サイズを小さくできないため、記録密度の向上はあまり期待できない。そこで、例えば特開平11-213650号公報で述べられているように、垂直磁化膜を用いることにより上記問題を回避しようとする提案がなされている。この方法によれば、素子サイズが小さくなっても反磁界は増加しないので、面内磁化膜を用いたＭＲＡＭよりも小さなサイズの磁気抵抗効果膜が実現可能である。垂直磁気異方性を示す磁性体としては、遷移金属−貴金属系の合金や多層膜、ＣｏＣｒ合金あるいは希土類−遷移金属系の合金や多層膜が挙げられる。
【００１１】
垂直磁化膜を用いたＭＲＡＭも、面内磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜と同様、非磁性層を介して磁性層が積層されたサンドイッチ構造であり、両磁性層の磁化方向が平行であると磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較的小さくなり、磁化方向が反平行であると電気抵抗は比較的大きくなる。
【００１２】
図２０は垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜における記録再生原理を説明するための図で、（ａ）および（ｂ）は、記録情報「１」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図、（ｃ）および（ｄ）は、記録情報「０」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図である。図２０中、矢印は磁化の方向を示し、磁気抵抗効果膜の構成は磁性層が垂直磁化膜である以外は基本的には図１８に示したものと同様であるため、同じ符号を付している。この例では、非磁性層１４２の下部に位置する磁性層１４３を記録層、上部に位置する磁性層１４１を読み出し層とし、記録層の磁化方向が上向きの場合を「１」とし、下向きの場合を「０」とする。
【００１３】
図２０（ａ）に示すように両磁性層の磁化方向がともに上向きの場合は、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較的小さくなり、図２０（ｂ）に示すように読み出し層の磁化方向が下向きで、記録層の磁化方向が上向きの場合には、電気抵抗は比較的大きくなる。したがって、「１」が記録された状態で読み出し層の磁化方向が上向きとなるように磁界を印加した後、さらに読み出し層の磁化方向が下向きとなるように磁界を印加する、読み出しの操作を行うと、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は大きくなるように変化し、この変化から記録情報「１」を読み出すことが可能である。ただし、読み出しのときに印加する磁界は記録層の磁化方向が変化しないような大きさである。
【００１４】
また、図２０（ｃ）に示すように読み出し層の磁化方向が上向きで、記録層の磁化方向が下向きである場合は、電気抵抗は比較的大きくなり、図２０（ｄ）に示すように両磁性層の磁化方向がともに下向きの場合電気抵抗は比較的小さくなる。したがって、「０」が記録されているときには、上記読み出しの操作を行うと、磁気抵抗効果膜の電気抵抗が小さくなるように変化し、この変化から記録情報「０」を読み出すことが可能である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＲＡＭに用いられるメモリ素子（磁気薄膜メモリ素子）は、記録時や再生時に磁界を印加した後は、非磁性層を介して隣接して形成された磁性層のそれぞれの磁化の大きさが飽和していること、すなわちそれぞれの磁性層においてすべてのスピンの方向が一方向に揃っていることが好ましい。ＭＲＡＭで多く使用されている磁性材料は、Ｃｏ、Ｆｅ、ＮｉＦｅあるいはこれらの合金である。例えば、Ｃｏよりなる磁性層の保磁力（磁気飽和状態の強磁性体の磁化を０とする磁場の強さ）は、バルク形のものに於いては１ｋＡ／ｍ程度であるが、数十ｎｍの薄膜に於いては数ｋＡ／ｍ程度になる。また、磁性膜作成条件によっては、飽和磁界は数十ｋＡ／ｍ程度になることもある。さらに微細加工を施した磁性体薄膜では、飽和磁界がさらに大きくなることもある。一方、ＭＲＡＭの情報の記録は、メモリ素子の近くに配された導線に電流を流し、これによって発生する磁界によって磁性層の磁化方向を反転させることで行われるが、導線に流すことのできる電流に限界があるため、メモリ素子に印加できる磁界の強さは１０ｋＡ／ｍ程度までである。従って、導線を用いた記録方法では、磁性層の磁化を完全に反転させることができず、十分な磁気抵抗変化が得られない場合がある。このことは、磁性体の組成、成膜条件、膜構成等を限定してしまう要因、あるいは製造において歩留まりの低下を招く原因となり得る。
【００１６】
特に、垂直磁化膜の磁化反転磁界や磁化飽和磁界は、一般に面内磁化膜よりも大きな値を示すことから、ＭＲＡＭに垂直磁化膜を用いた場合は、その組成や成膜条件等はさらに限定されることになる。
【００１７】
本発明の目的は、上記の問題を解決し、磁化反転磁界や磁化飽和磁界が大きな磁性体を用いても、安定した情報の記録および読み出しが可能な磁気薄膜メモリ素子およびそれを用いた磁気薄膜メモリならびにその情報記録方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の磁気薄膜メモリ素子は、読み出し層および記録層が非磁性層を介して積層された磁気抵抗効果膜を有する磁気薄膜メモリ素子において、前記記録層は、隣接する層間で互いに磁気的に交換結合される複数の磁性層が積層されており、記録温度の高低に応じて、前記非磁性層に隣接する磁性層の磁化方向が該記録層内で生じる交換結合力によって反転可能であり、該磁性層の磁化方向に応じて、前記読み出し層の磁化方向を反転させた際に生じる前記磁気抵抗効果膜の磁気抵抗変化が異なることを特徴とする。
【００１９】
上記の場合、記録層は、少なくとも第１乃至第４の磁性層が順次積層されており、該第１乃至第４の磁性層は、それぞれの磁性層のキュリー温度が、
第３の磁性層＜第１の磁性層＜第２の磁性層＜第４の磁性層
の関係にあり、第４の磁性層の磁化方向が所定の方向に固定されており、記録温度の高低に応じて前記第１の磁性層に１ビットの情報が記録可能に構成されてもよい。
【００２０】
上記の場合、高い方の記録温度において所定の大きさで所定の方向の磁化を持ち、該磁化により発生する浮遊磁界によって第２の磁性層の磁化の反転が可能な第５の磁性層をさらに有していてもよい。
【００２１】
また、第１の磁性層と第２の磁性層との間に、これら磁性層の磁化方向が反平行である場合に層内に所定のエネルギーの磁壁が形成される第６の磁性層を有していてもよい。
【００２２】
さらに、ネール温度が記録温度より高い反強磁性層が第４の磁性層に隣接して設けられてもよい。
【００２３】
さらに、読み出し層がフェリ磁性層であり、その補償温度が室温より高く、記録温度より低いものであってもよい。
【００２４】
本発明の磁気薄膜メモリは、上述のいずれかの磁気薄膜メモリ素子を複数有し、該複数の磁気薄膜メモリ素子の磁気抵抗効果膜を選択的に昇温可能に構成されていることを特徴とする。
【００２５】
本発明の情報記録方法は、隣接する層間で互いに磁気的に交換結合される複数の磁性層からなる記録層と読み出し層とが非磁性層を介して積層された磁気抵抗効果膜を有する磁気薄膜メモリ素子の情報記録方法であって、前記複数の磁性層のうちの前記非磁性層に隣接する磁性層の磁化方向を、記録温度の高低に応じて、前記記録層内で生じる交換結合力によって反転させて情報を記録することを特徴とする。
【００２６】
上記の場合、複数の磁性層として第１乃至第４の磁性層を用い、該第１乃至第４の磁性層のキュリー温度の関係を、
第３の磁性層＜第１の磁性層＜第２の磁性層＜第４の磁性層
とするととも、前記第４の磁性層の磁化方向を所定の方向に固定し、磁気抵抗効果膜を前記第３の磁性層のキュリー温度よりも高い第１の記録温度に昇温して、前記第３の磁性層の磁化を滅磁するとともに、前記第１の磁性層の磁化反転を容易にし、前記第２の磁性層との交換結合力により前記第１の磁性層の磁化方向を前記第４の磁性層の磁化方向として第１の情報を記録し、前記磁気抵抗効果膜を前記第１の記録温度より高い第２の記録温度に昇温するとともに、前記第２の磁性層に対して前記第４の磁性層の磁化方向とは反平行に印加される所定の大きさの磁界を印加して、前記第２の磁性層の磁化方向を前記磁界の方向に揃え、該第２の磁性層との交換結合力により前記第１の磁性層の磁化方向を前記第４の磁性層の磁化方向とは反平行として第２の情報を記録するようにしてもよい。
【００２７】
また、第２の記録温度において所定の大きさで所定の方向の磁化を持つ第５の磁性層を用い、該第５の磁性層が発生する浮遊磁界を前記第２の記録温度による情報記録時に印加される所定の大きさの磁界として用いてもよい。
【００２８】
さらに、第１の磁性層と第２の磁性層との間に第６の磁性層を設けて、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向が反平行である場合に、前記第５の磁性層内に所定のエネルギーの磁壁を形成してもよい。
【００２９】
さらに、ネール温度が記録温度より高い反強磁性層を用いて第４の磁性層の磁化方向を固定することにしてもよい。
【００３０】
上記のとおりの本発明においては、記録層は隣接する層間で互いに磁気的に交換結合される複数の磁性層からなり、非磁性層に隣接する磁性層の磁化方向を記録温度の高低に応じて反転することで１ビットの情報が記録されるが、その反転は、外部磁界によらず、記録層内で生じる交換結合力によって行われる。したがって、従来のように記録層、すなわち非磁性層に隣接する磁性層に磁化反転磁界や磁化飽和磁界が大きな磁性体が用いられても、著しく大きな磁界を印加することなく記録が可能である。
【００３１】
具体的には、記録層を構成する複数の磁性層として第１乃至第４の磁性層が用られ、該第１乃至第４の磁性層のキュリー温度の関係が、
第３の磁性層＜第１の磁性層＜第２の磁性層＜第４の磁性層
とされ、第４の磁性層の磁化方向が所定の方向に固定されたものにおいては、
第３の磁性層のキュリー温度よりも高く、第１の磁性層の磁化方向が第２の磁性層との交換結合力により容易に反転する第１の記録温度では、第３の磁性層の磁化が滅磁するとともに、第１の磁性層の磁化反転を容易にし、第２の磁性層との交換結合力により第１の磁性層の磁化方向が第４の磁性層の磁化方向とされて第１の情報が記録され、
第１の記録温度より高く、第２の磁性層の磁化方向が第４の磁性層の磁化方向とは反平行に印加される所定の大きさの磁界の方向に容易に揃えられる第２の記録温度においては、第２の磁性層の磁化方向がその磁界の方向に揃え、該第２の磁性層との交換結合力により第１の磁性層の磁化方向が第４の磁性層の磁化方向とは反平行とされて第２の情報が記録される。
【００３２】
上記の場合は、磁界の印加は、第２の磁性層の磁化方向を反転させるために用いられており、情報記録が行われる第１の磁性層の磁化方向はその磁界によっては反転せずに、第２の磁性層との交換結合力によって反転する。
【００３３】
本発明のうち、第２の記録温度において所定の大きさの磁化を持つ第５の磁性層を有するものにおいては、この第５の磁性層が発生する浮遊磁界が第２の記録温度時に第２の磁性層に印加されることにより情報記録が行われるので、情報記録時に外部磁界を印加する必要がなくなる。
【００３４】
また、本発明のうち、第１の磁性層と第２の磁性層の間に第６の磁性層が形成されたものにおいては、第１の磁性層と第２の磁性層の磁化方向を反平行に向けることを容易にすることが可能である。この場合、第２の磁性層に記録された情報はより安定に保存される。
【００３５】
また、本発明のうち、ネール温度が記録温度より高い反強磁性層が第４の磁性層に隣接して設けられているものにおいては、該反強磁性層との交換結合力により第４の磁性層の磁化方向が固定される。したがって、第４の磁性層にそれほど保磁力の大きな材料を用いる必要がなくなり、設計時の第４の磁性層に関する材料選択の自由度が向上する。
【００３６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００３７】
図１は、本発明の磁気薄膜メモリ素子に用いらる磁気抵抗効果膜の一実施形態を示す断面構造図である。この磁気抵抗効果膜は、磁性層１、非磁性層２、磁性層３〜６が順次積層されてなる多層膜構造を有する。磁性層１が読み出し層であり、磁性層３〜６が記録層（多層膜）である。磁性層３と磁性層４の間、磁性層４と磁性層５の間、磁性層５と磁性層６の間は、それぞれ交換結合されている。
【００３８】
磁性層３〜６の中では、磁性層６のキュリー温度が最も高く、かつ使用温度範囲内では、磁性層６の磁化方向は固定されている。磁性層４のキュリー温度が、磁性層６のキュリー温度に次いで高く、磁性層５のキュリー温度が最も低い。図１には示されていないが、磁性層６の磁化方向を固定するために、ネール温度が記録温度よりも高い材料よりなる反強磁性層を設けて、これと磁性層６とを交換結合させてもよい。
【００３９】
上記のような多層膜構造を有する磁気抵抗効果膜は、昇温による記録が可能である。以下、磁気抵抗効果膜を構成する各磁性層を面内磁化膜とした場合と、垂直磁化膜とした場合における情報の記録、再生について詳細に説明する。
【００４０】
（１）面内磁化膜の場合
（１−ａ）情報記録
図２は、図１に示す磁気抵抗効果膜の各磁性層に面内磁化膜を用いた場合の情報記録プロセスを説明するための概念図で、（ａ）は「１」が記録されているときの磁化方向を示す模式図、（ｂ）は比較的低い記録温度Ｔ_Lまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｃ）は比較的高い記録温度Ｔ_Hまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｄ）は「０」が記録されているときの磁化方向を示す模式図である。図２中、白抜き矢印は磁化の方向を示し、黒矢印（１０）は外部より印加される磁界を示す。
【００４１】
図２に示す例では、磁気抵抗効果膜はすべての磁性層１、３〜６が面内磁化膜であり、膜面内左向きの方向に外部磁界１０が印加されるようになっている。以下の説明では、磁性層３の磁化方向が右向きのときを「１」とし、左向きのときを「０」とする。
【００４２】
いま例えば図２（ａ）に示すように磁性層３〜６の磁化方向がすべて右向きで「１」が記録されている状態であったとして、これを比較的低い記録温度Ｔ_Lまで昇温する。ただし、この比較的低い記録温度Ｔ_Lは、磁性層５のキュリー温度よりも高く、磁性層４との交換結合力によって磁性層３の磁化の方向が容易に反転可能であるような温度である。また、磁性層４は、その比較的低い記録温度Ｔ_Lまで昇温された状態では、外部印加磁界１０の影響により磁化反転しないような保磁力を有する。このような条件の下では、比較的低い記録温度Ｔ_Lまで昇温されると、図２（ｂ）に示すように磁性層５の磁化が巨視的に消失する（またはその保磁力エネルギーが小さくなる）が、各磁性層３、５、６の磁化方向はいずれも元の磁化状態（右向き）を維持し、外部印加磁界１０による磁化反転は生じない。
【００４３】
上記昇温の後、磁気抵抗効果膜が冷却される過程において、膜温度が磁性層５のキュリー温度を下回ると、磁性層５の磁化が磁性層６の磁化方向と同じ方向で揃い、図２（ａ）の磁化状態に戻る。
【００４４】
次いで、図２（ａ）の状態から比較的高い記録温度Ｔ_Hまで昇温する。この比較的高い記録温度Ｔ_Hは、磁性層４の磁化方向が外部磁界１０の方向に容易に揃うような温度である。このような条件の下では、比較的高い記録温度Ｔ_Hまで昇温されると、図２（ｃ）に示すように磁性層５の磁化が巨視的に消失し、外部印加磁界１０により磁性層４の磁化方向が左向きとなり（磁化反転）、磁性層３の磁化が磁性層４の磁化方向（左向き）に揃う。ただし、磁性層６は元の磁化状態（右向き）が維持される。
【００４５】
上記昇温の後、磁気抵抗効果膜が冷却される過程において、膜温度が磁性層５のキュリー温度を下回ると、磁性層５の磁化が磁性層６の磁化方向（右向き）に揃い、さらに交換結合力によって磁性層４の磁化も磁性層６の磁化方向（右向き）に揃う。ただし、このときの磁性層３と磁性層４の界面における磁壁エネルギーは、磁性層３の保磁力エネルギーよりも小さくなるようにしておく。このため、磁性層３の磁化方向は、外部磁界１０の方向に揃っており、磁性層３と磁性層４の界面には磁壁が存在する。
【００４６】
上記のようにして比較的高い記録温度Ｔ_Hまで昇温されて、膜温度が磁性層５のキュリー温度を下回った後の磁気抵抗効果膜の磁化状態が、図２（ｄ）に示す磁化状態であり、「０」が記録されたことになる。
【００４７】
次いで、図２（ｄ）の磁化状態、つまり「０」が記録された状態から比較的低い記録温度Ｔ_Lまで昇温する。比較的低い記録温度Ｔ_Lまで昇温されると、磁性層５の磁化は巨視的に消失する（またはその保磁力エネルギーは小さくなる）ので、磁性層３の磁化は反転して磁性層４の磁化方向に揃い、図２（ｂ）の磁化状態となる。その後の冷却過程において、膜温度が磁性層５のキュリー温度を下回ると、磁性層５の磁化が磁性層６の磁化方向と同じ方向で揃い、図２（ａ）の磁化状態に戻る。
【００４８】
次いで、図２（ｄ）の状態から比較的高い記録温度Ｔ_Hまで昇温する。この場合も、図２（ａ）から比較的高い記録温度Ｔ_Hまで昇温した場合と同様に、磁性層５の磁化は巨視的に消失するため、磁性層４の磁化方向は外部磁界１０の方向に揃い、図２（ｃ）の磁化状態となる。
【００４９】
以上のことから明らかなように、初期状態が「０」と「１」のどちらが記録された状態であっても、比較的低い記録温度Ｔ_Lまで昇温した場合は、「１」が記録された状態となり、比較的高い記録温度Ｔ_Hまで昇温した場合は、「０」が記録された状態となる。この情報記録では、磁性層を昇温し、交換結合力を用いて記録を行うので、小さな印加磁界で記録を行うことができる。
【００５０】
（１−ｂ）情報再生
次に、記録情報の再生について詳細に説明する。図３（ａ）に、磁気抵抗効果膜に「０」が記録された状態における外部磁界の方向を反転させたときの各磁性層の磁化方向と検出される電気抵抗の変化を示し、図３（ｂ）に、磁気抵抗効果膜に「１」が記録された状態における外部磁界の方向を反転させたときの各磁性層の磁化方向と検出される電気抵抗の変化を示す。
【００５１】
記録情報の読み出しは、磁性層１の磁化方向を反転させたときに生じる磁気抵抗効果膜の電気抵抗の変化を検出することで行う。具体的には、外部磁界１０をまず左向きに向け、次いで右側に向ける。これにより、磁性層１の磁化の方向は、まず左に向き、次いで右に反転することになる。このとき、外部磁界１０によって磁性層３の磁化は反転してはならない。
【００５２】
「０」が記録されている場合は、図３（ａ）に示すように、磁性層１の磁化と磁性層３の磁化は、平行状態から反平行状態へと遷移することになるので、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は低い状態から高い状態に変化する。「１」が記録されている場合は、図３（ｂ）に示すように、磁性層１の磁化と磁性層３の磁化は、反平行状態から平行状態へと遷移することになるので、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は高い状態から低い状態へと変化する。この電気抵抗の変化の違いにより記録された情報を読み出すことが可能である。
【００５３】
上記の読み出し方法では、磁性層１の磁化方向を反転させるために、読み出し層である磁性層１に印加する磁界１０を反転させるようにしているが、室温よりも高く記録温度よりも低い温度範囲に補償温度を有するフェリ磁性体を磁性層１に用いることにより、印加する磁界１０の方向を変化させることなく読み出しが可能となる。
【００５４】
図４は、読み出し層である磁性層にフェリ磁性体を用いた磁気抵抗効果膜の情報再生原理を説明するための図で、（ａ）は室温における磁化状態を模式的に示す断面図、（ｂ）は昇温時における磁化状態を模式的に示す断面図である。この磁気抵抗効果膜は、読み出し層である磁性層１にフェリ磁性体を用いた以外は、前述の図１に示した磁気抵抗効果膜と同様のものである。
【００５５】
磁性層１は、副格子磁化１１と副格子磁化１２が反平行に向いており、室温において副格子磁化１１が優勢となるように構成されている。この磁性層１に室温において外部磁界１０（右向き）が印加された場合は、図４（ａ）に示すように、副格子磁化１１が右向き、副格子磁化１２が左向きとなる。この時点では、副格子磁化１１（右向き）が優勢となっている。
【００５６】
次に、外部磁界１０の向きを変えずに、磁気抵抗効果膜を比較的低い記録温度Ｔ_Lよりも低く、かつ磁性層１の補償温度よりも高い温度まで昇温すると、図４（ｂ）に示すように、副格子磁化１１は副格子磁化１２よりも小さくなるととも、それぞれの磁化の向きが反転（副格子磁化１１が左向きになり、副格子磁化１２が右向きになる）する。つまり、磁気抵抗効果膜の昇温により、磁性層１の各副格子の磁化方向が反転可能である。この時点では、副格子磁化１２（左向き）が優勢となっている。
【００５７】
ここで、補償温度について簡単に説明する。図５は、フェリ磁性体の温度補償を説明するための特性図である。縦軸に自発磁化をとり、横軸に温度をとってある。ここではフェリ磁性体として希土類金属と遷移金属からなる合金を例にとって説明する。白抜き矢印は自発磁化を表し、黒線矢印は遷移金属副格子磁化を表し、破線矢印は希土類副格子磁化を表している。図５に示すように、フェリ磁性体の自発磁化は温度上昇とともに減少し、ある温度で自発磁化の向きが反転する。この自発磁化の向きが反転する温度を補償温度といい、この補償温度では飽和磁化Ｍｓはゼロになる。ただし、飽和磁化Ｍｓがゼロになっても、図５に示すように副格子は磁化モーメントを持つ。この補償温度は、磁性層１の組成比によって変わる。
【００５８】
以上説明した磁気抵抗効果膜は外部磁界１０の印加により情報の記録が行われるようになっているが、情報記録のための磁界を印加する機能を磁気抵抗効果膜自体に付加することにより、外部磁界１０を印加することなく情報の記録を行うことも可能である。
【００５９】
図６は、外部磁界なしに情報の記録を行うことが可能な磁気抵抗効果膜における磁化方向と浮遊磁界の方向を模式的に示す断面図である。この磁気抵抗効果膜は、図１に示した構成に加えて、磁性層６の側に新たな磁性層７が設けられている。この磁性層７は、情報記録に必要な浮遊磁界２０を発生するもので、記録温度において大きな磁化を持ち、磁性層６とは直接接しないように設けられている。この磁性層７の磁化の向きは固定されており、その方向は、磁性層５を介して交換結合力によって生じる、磁性層６の磁化方向に依存した磁性層４の磁化の方向に対して反平行に浮遊磁界２０が印加されるような方向である。この磁気抵抗効果膜においても、外部磁界１０に代えて浮遊磁界２０が利用される点が異なるだけで、その情報の記録は、前述の図２および図４に示した磁気抵抗効果膜の情報の記録と同じである。なお、記録情報の読み出しは、前述の図４に示した構造の磁気抵抗効果膜の場合は、印加磁界の反転を必要としないため問題とならないが、図２に示した構造の磁気抵抗効果膜の場合は、何らかの方法で磁界を反転させる必要がある（図３参照）。この場合は、磁性層７をフェリ磁性体より構成し、そのフェリ磁性体の温度補償を境として浮遊磁界の方向を反転させることで、情報の読み出しを行うことができる。
【００６０】
上記図６の例の他に、磁性層４との交換結合力によって磁性層３の磁化方向が反転して記録情報が消失することを防ぐために、図７に示すように、磁性層３と磁性層４の間に、磁壁エネルギーが小さい材料を用いた磁性層８を形成してもよい。
【００６１】
以上説明した、面内磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜の構成において、磁性層１、３〜８として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉやこれらの合金を用いることが可能である。さらにはＳｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｔ、Ｐｄ等を適量添加することにより、所望のキュリー温度、磁壁エネルギー、保磁力等の磁気特性を調整することも可能である。
【００６２】
さらに、反強磁性層を磁性層６と交換結合させるように形成し、磁性層６の磁化方向を固定してもよい。反強磁性層に使用する反強磁性体としては、ネール温度が高いものが好ましく、例えばα−Ｆｅ₂Ｏ₃、ＮｉＯ、ＭｎＩｒ、ＭｎＰｔ、ＭｎＣｒ、ＣｒＡｌ、ＣｒＧａ等が使用可能である。
【００６３】
（２）垂直磁化膜の場合
（２−ａ）情報記録
図８は、図１に示す磁気抵抗効果膜の各磁性層に垂直磁化膜を用いた場合の情報記録プロセスを説明するための概念図で、（ａ）は「１」が記録されているときの磁化方向を示す模式図、（ｂ）は比較的低い記録温度Ｔ_Lまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｃ）は比較的高い記録温度Ｔ_Hまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｄ）は「０」が記録されているときの磁化方向を示す模式図である。図８中、白抜き矢印は磁化の方向を示し、黒矢印（１０）は外部より印加される磁界を示す。
【００６４】
図８に示す例では、磁気抵抗効果膜はすべての磁性層１、３〜６が垂直磁化膜であり、垂直磁化の方向に外部磁界１０が印加されるようになっている。ここでは、磁性層３の磁化方向が上向きのときを「１」とし、下向きのときを「０」とする。この磁気抵抗効果膜における記録プロセスは、前述の図２に示した面内磁化膜を用いた場合と同様であり、やはり比較的低い記録温度Ｔ_Lまで昇温（図８（ｂ）の状態）した場合は、「１」が記録され（図８（ａ）の状態）、比較的高い記録温度Ｔ_Hまで昇温（図８（ｃ）の状態）した場合には、「０」が記録される（図８（ｄ）の状態）。
【００６５】
本例の垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜においても、面内磁化膜を用いた場合と同様に磁性層１にフェリ磁性体を用いることによって、外部磁界１０の方向を変えることなく記録された情報の読み出しが可能である。図９は、読み出し層である磁性層にフェリ磁性体を用いた磁気抵抗効果膜の情報再生原理を説明するための図で、（ａ）は室温における磁化状態を模式的に示す断面図、（ｂ）は昇温時における磁化状態を模式的に示す断面図である。この磁気抵抗効果膜は、読み出し層である磁性層１にフェリ磁性体を用いた以外は、前述の図８に示した磁気抵抗効果膜と同様のものである。
【００６６】
図９において、磁性層１は、副格子磁化１１と副格子磁化１２が反平行に向いており、室温において副格子磁化１１が優勢となるように構成されている。室温において磁性層１に外部磁界１０（下向き）が印加された状態では、図９（ａ）に示すように、副格子磁化１１が下向き、副格子磁化１２が上向きとなる。この時点では、副格子磁化１１（上向き）が優勢となっている。
【００６７】
外部磁界１０の向きを変えずに、磁気抵抗効果膜を比較的低い記録温度Ｔ_Lよりも低く、かつ磁性層１の補償温度よりも高い温度まで昇温すると、図９（ｂ）に示すように、副格子磁化１１は副格子磁化１２よりも小さくなるととも、それぞれの磁化の向きが反転（副格子磁化１１が上向きになり、副格子磁化１２が下向きになる）する。つまり、磁気抵抗効果膜の昇温により、磁性層１の各副格子の磁化方向が反転可能である。
【００６８】
また、本例の垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜においても、前述の面内磁化膜を用いた場合と同様に、磁気抵抗効果膜に磁界を印加する機能を磁気抵抗効果膜自体に付加することにより、記録時に外部磁界１０を印加することなく情報の記録が可能である。
【００６９】
図１０は、外部磁界なしに情報の記録を行うことが可能な磁気抵抗効果膜における磁化方向と浮遊磁界の方向を模式的に示す断面図である。この磁気抵抗効果膜は、図８に示した構成に加えて、磁性層６の側に新たな磁性層７が設けられている。この磁性層７は、情報記録に必要な浮遊磁界２０を発生するもので、記録温度において大きな磁化を持ち、磁性層６とは直接接しないように設けられている。この磁性層７の磁化の向きは固定されており、その方向は、磁性層５を介して交換結合力によって生じる、磁性層６の磁化方向に依存した磁性層４の磁化の方向に対して反平行に浮遊磁界２０が印加されるような方向である。この磁気抵抗効果膜においても、外部磁界１０に代えて浮遊磁界２０が利用される点が異なるだけで、その情報の記録は、前述の図８および図９に示した情報の記録と同じである。なお、記録情報の読み出しについては、図９に示した構造の磁気抵抗効果膜の場合は、印加磁界の反転を必要としないため問題とならないが、図８に示した構造の磁気抵抗効果膜の場合は、何らかの方法で磁界を反転させる必要がある。この場合は、磁性層７をフェリ磁性体より構成し、そのフェリ磁性体の温度補償を境として浮遊磁界の方向を反転させることで、情報の読み出しを行うことができる。
【００７０】
上述の垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜において、各磁性層１、３〜７に用いられる材料としては、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｎｄ等の希土類金属の中から選ばれた少なくとも一元素とＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属の中から選ばれた少なくとも一元素からなる希土類遷移金属合金、Ｐｔ／Ｃｏ、Ｐｄ／Ｃｏ等の遷移金属と貴金属からなる合金や人工格子多層膜、ＣｏＣｒ合金等、キュリー温度が室温よりも高く垂直磁化を示すものであれば使用可能であるが、特に希土類遷移金属合金は、その組成を調整することによって所望の磁気特性を得ることが容易であるので好ましい。また、大きな磁気抵抗変化を得るためには、磁性層１と磁性層３にスピン分極率の大きな材料を用いることが好ましい。
【００７１】
以上説明した磁気抵抗効果膜により構成される本形態の磁気薄膜メモリ素子において、磁気抵抗効果膜を加熱する方法は特に限定するものではないが、例えば、磁気抵抗効果膜の近くに発熱体を形成して熱伝導により加熱する方法がある。この場合、発熱体としてはニッケルクロム合金や鉄クロムアルミニウム合金等が使用可能である。
【００７２】
磁気薄膜メモリでは、磁気薄膜抵抗膜と発熱体とを有する磁気薄膜メモリ素子が複数配置され、選択的に発熱体に電流を流すことで、磁気薄膜メモリ素子の磁気薄膜抵抗膜を加熱して情報を記録する。選択的に発熱体に電流を流す回路としては、周知のＭＲＡＭの選択回路を使用することができる。
【００７３】
磁気薄膜メモリ素子の磁気薄膜抵抗膜を効率よく昇温するためには、発熱体と磁気薄膜抵抗膜は極力近い場所に配置する必要がある反面、両者は電気的に独立している必要がある。したがって、発熱体と磁気抵抗効果膜は熱伝導率の高い絶縁層を介して隣接して形成されていることが好ましい。このような絶縁体としては、ＢｅＯが挙げられる。また、熱伝導率が著しく高い材料でなくても電気抵抗率が高く、かつ絶縁破壊が起きにくい材料であれば、膜厚を薄くすることにより使用可能である。そのような材料としては、例えばＡｌ₂Ｏ₃やＳｉ₃Ｎ₄等が挙げられる。
【００７４】
発熱体や磁気抵抗効果膜を半導体と電気的に接続する場合は、半導体の熱的ダメージを低減するため、または熱効率を高めるために、発熱体または磁気抵抗効果膜を電気抵抗が低く、かつ、熱伝導率が小さい導体によって形成された層を介して半導体に接続することが好ましい。そのような材料としては、例えばＴｉが挙げられる。
【００７５】
なお、磁気抵抗効果膜の昇温は、上記発熱体による加熱の他、発光体から発せられた光を磁気抵抗効果膜に照射して直接加熱する方法によっても可能である。
【００７６】
【実施例】
次に、本発明の磁気薄膜メモリについて具体例を挙げてその構成を説明する。
【００７７】
（実施例１）
図１１は、本発明の第１の実施例の磁気薄膜メモリ素子の概略構成を示す断面図、図１２は、その磁気薄膜メモリ素子に用いられる磁気抵抗効果膜の断面図である。
【００７８】
この磁気薄膜メモリは、基板２１としてＳｉウエハーが用いられており、その表面を酸化処理することで、約１μmのＳｉＯ₂膜２２が形成されている。ＳｉＯ₂膜２２上部には、膜厚５０ｎｍのＡｌ₅₀Ｃｕ₅₀膜によりなるワード線２３が形成され、さらにその上部にｎ型半導体２４、ｐ型半導体２５、熱遮断膜２６が順次積層されている。熱遮断膜２６には、膜厚１００ｎｍのＴｉを用いている。
【００７９】
熱遮断膜２６の上部には磁気抵抗効果膜４０、膜厚５０ｎｍのＡｌ₅₀Ｃｕ₅₀膜よりなるビット線２７が形成されており、さらにその上部に絶縁膜２８、下部電極２９、発熱体３０が形成されている。発熱体３０は、磁気抵抗効果膜４０を昇温するためのもので、磁気抵抗効果膜４０上にビット線２７上部の電気絶縁膜２８を介して形成されており、その下部において膜厚５０ｎｍのＡｌ₅₀Ｃｕ₅₀膜よりなる下部電極２９と電気的に接続されている。ここでは、発熱体３０に膜厚１００ｎｍのＮｉ₇₅Ｃｒ₂₃Ｍｎ₂を用いている。
【００８０】
発熱体３０の上部には、膜厚１００ｎｍのＴｉ膜よりなる熱遮断膜３１が形成され、さらにその上にｐ型半導体３２、ｎ型半導体３３、膜厚５０ｎｍのＡｌ₅₀Ｃｕ₅₀膜よりなる上部電極３４が形成されている。上部電極３４の上部には、記録情報再生時に外部より磁界を印加するために、絶縁層３５を介して膜厚１００ｎｍのＡｌよりなる導線３６が形成されている。
【００８１】
磁気抵抗効果膜４０は、前述の図１に示した磁気抵抗効果膜を基本とするもので、図１２に示すように磁性層４１、非磁性層４２、磁性層４３、４８、４４〜４６、反強磁性層４９が順次積層されてなる多層膜構造を有する。磁性層４１、非磁性層４２、磁性層４３〜４６がそれぞれ図１に示した磁性層１、非磁性層２、磁性層３〜６に対応する。また、磁性層４８は図７に示した磁性層８に対応する。反強磁性層４９は、磁性層４６の磁化方向を固定するためのもので、その一方向異方性は所定の方向に固定されており、磁性層４６と交換結合されている。
【００８２】
本例では、磁性層４１は膜厚１５ｎｍのＮｉ₇₉Ｆｅ₂₁膜、非磁性層４２は膜厚２ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃膜、磁性層４３は膜厚５ｎｍのＣｏ₅₀Ｆｅ₅₀膜、磁性層４４は膜厚２ｎｍのＣｏ膜、磁性層４５は膜厚３ｎｍのＮｉ₉₂Ｃｒ₈膜、磁性層４６は膜厚５ｎｍのＣｏ膜、磁性層４８は膜厚５ｎｍのＦｅ₈₀Ｃｒ₂₀膜、反強磁性層４９は膜厚５ｎｍのＭｎ₇₀Ｉｒ₃₀膜とした。
【００８３】
以上のように構成される本例の磁気薄膜メモリ素子において、情報の記録は、上部電極３４と下部電極２９を介して、磁気抵抗効果薄膜４０の上部に形成された発熱体３０に電流を流して磁気抵抗効果薄膜４０を適当に昇温することにより行われる。磁気抵抗効果薄膜４０の温度は、発熱体３０に流す電流の大きさを調整することで所望の温度とすることができる。情報記録の際には、磁気抵抗効果薄膜４０の膜面内左方向に磁界を印加する。
【００８４】
記録情報の読み出しは、ビット線２７とワード線２３に定電流を流すとともに、導線３６に電流を流して磁性層４１に磁界を印加する。このとき、導線３６に流す電流の方向を変えることで、磁性層４１に印加する磁界の方向を反転させる。そうすることによって、磁性層４１の磁化は、印加された磁界の方向に揃って反転し、その結果、磁気抵抗効果膜４０の抵抗値に記録情報に伴った磁気抵抗変化を生ずる。
【００８５】
本例の磁気薄膜メモリ素子において、磁気抵抗効果薄膜４０を比較的高い記録温度Ｔ_Hまで昇温した後、磁気抵抗効果薄膜４０の抵抗値を測定したところ、磁気抵抗の値は増加する方向に変化した。また、磁気抵抗効果薄膜４０を比較的低い記録温度Ｔ_Lまで昇温した後、磁気抵抗効果薄膜４０の抵抗値を測定したところ、磁気抵抗の値は減少する方向に変化した。この結果から、記録温度の違い（高低）に応じて１ビットの情報を記録でき、再生できることが分かる。
【００８６】
図１３は、図１１に示した磁気薄膜メモリ素子を複数有する磁気薄膜メモリの概略構成を示す回路図である。図１３中、図１１に示した構成と同じものには、同じ符号を付している。
【００８７】
この磁気薄膜メモリは、ワード線２３、ビット線２７が縦横に複数設けられ、それらの各交差部に磁気薄膜メモリ素子１００が設けられている。ワード線２３に沿って磁界印加用の導線３６および上部電極３４が設けられ、ビット線２７に沿って下部電極２９が設けられている。磁気薄膜メモリ素子１００は行列状に複数配置されているが、いずれも同じ構成であるので、ここでは図１３の右上に位置する磁気薄膜メモリ素子を例にとってその構成を詳細に説明する。
【００８８】
磁気薄膜メモリ素子１００は、図１１に示した構造のもので、磁気抵抗効果膜４０、発熱体３０、ダイオードＤ１（ｎ型半導体２４およびｐ型半導体２５）、ダイオードＤ２（ｎ型半導体３３およびｐ型半導体３２）を有する。磁気抵抗効果膜４０は、一端がダイオードＤ１を介してワード線２３と接続され、他端がビット線２７と接続されている。発熱体３０は、一端がダイオードＤ２を介して上部電極３４と接続され、他端が下部電極２９と接続されている。
【００８９】
ワード線２３の一端はトランジスタＴｒ３の一方の端子と接続されている。トランジスタＴｒ３の他方の端子は固定抵抗Ｒの一端に接続されるとともに、センスアンプＳＡの一方の入力端子に接続されている。固定抵抗Ｒの他端は、電源１０１を介して接地されている。ビット線２７の一端はトランジスタＴｒ４、Ｔｒ５の一方の端子にそれぞれ接続されている。トランジスタＴｒ５の他方の端子は接地され、トランジスタＴｒ４の他方の端子は電源１０２を介して接地されている。
【００９０】
上部電極３４の一端はトランジスタＴｒ１の一方の端子に接続されている。トランジスタＴｒ１の他方の端子は、電源１０３を介して接地されている。下部電極２９の一端はトランジスタＴｒ６を介して接地され、導線３６の一端はトランジスタＴｒ２を介して接地されている。
【００９１】
次に、この磁気薄膜メモリの情報記録動作について説明する。
【００９２】
トランジスタＴｒ１、Ｔｒ６をそれぞれオンにすることにより、上部電極３４と下部電極２９を介して発熱体３０に所望の大きさの電流を流すことができ、これにより、磁気抵抗効果薄膜４０を所望の記録温度に昇温して情報を記録することができる。情報記録時には、トランジスタＴｒ２をオンとして、導線３６に所定の方向に所定の大きさの電流を流し、該導線３６にて発生する磁界を磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果薄膜４０に対して印加する。本例では、磁気薄膜メモリ素子１００が行列状に複数配置されており、各上部電極３４に設けられているトランジスタＴｒ１、各下部電極２９に設けられているトランジスタＴｒ６、各導線３６に設けられているトランジスタＴｒ２をそれぞれオン・オフ制御することにより、特定の磁気薄膜メモリ素子１００の発熱体３０に選択的に電流を流すことができ、その磁気抵抗効果薄膜４０に対して磁界を印加することができる。
【００９３】
続いて、記録情報の読み出し動作について説明する。
【００９４】
▲１▼まず、選択する磁気薄膜メモリ素子１００に接続されているビット線２７のトランジスタＴｒ５をオンにし、トランジスタＴｒ４をオフにする。これ以外のビット線については、その逆の状態、すなわちトランジスタＴｒ５をオフにし、トランジスタＴｒ４をオンにする。また、選択する磁気薄膜メモリ素子１００に接続されているワード線２３のトランジスタＴｒ３をオンにする。ここで、ワード線２３に電源電圧（電源１０１）はビット線２７に接続されている電源電圧（電源１０２）よりも若干低い値であり、その電圧の差は磁気薄膜メモリ素子１００を構成するダイオードＤ１のツェナー電圧よりも小さくなるように設定されている。このため、選択する磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果膜４０の一端はダイオードＤ１を介してプラスの電圧が印加され、他端はグランドに落ちた状態になり、その磁気抵抗効果膜４０に定電流が流れる。なお、その他の磁気薄膜メモリ素子では、トランジスタＴｒ４がオンとされているためにビット線側に高い電圧が印加されることとなり、ダイオードの働きにより磁気抵抗効果膜には電流は流れない。
【００９５】
▲２▼上記のようにして選択された磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果膜４０に定電流を流した状態で、導線３６に順方向に電流を流して磁界を発生させ、次いで逆方向に電流を流して先の磁界とは逆方向に磁界を発生させる。この動作によって、選択された磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果膜４０の非磁性層を介して積層されている読み出し層（磁性層４１）および記録層（磁性層４３）の磁化方向は反平行から平行、あるいは平行から反平行へと変化することとなり、磁気抵抗効果膜４０の抵抗が変化する。
【００９６】
▲３▼選択された磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果膜４０と固定抵抗Ｒは直列に接続されているので、それぞれの抵抗にかかる電位差はそれらの抵抗値の比率に比例し、それらの抵抗にかかる電位差の和は２つの電源（１０１、１０２）の電圧の差で一定である。したがって、磁気抵抗効果膜４０の抵抗値が変化すると、この磁気抵抗効果膜４０にかかる電位差が変化することになる。この電位差の変化量をセンスアンプＳＡで検出することにより、記録情報を読み出す。
【００９７】
（実施例２）
図１４は、本発明の第２の実施例の磁気薄膜メモリ素子の概略構成を示す断面図、図１５は、その磁気薄膜メモリに用いられる磁気抵抗効果膜の断面図である。
【００９８】
この磁気薄膜メモリ素子は、導線３６および絶縁層３５が無いこと、磁気抵抗効果膜４０の構成が異なること以外は、上述の第１の実施例の磁気薄膜メモリ素子の構成と同じである。
【００９９】
磁気抵抗効果膜４０は、前述の図９および図１０に示した磁気抵抗効果膜を基本とするもので、図１５に示すように磁性層４１、非磁性層４２、磁性層４３、４８、４４〜４６が順次積層され、さらに磁性層４６の側に該磁性層４６とは接しないように磁性層４７が設けられた多層膜構造を有する。磁性層４１、非磁性層４２、磁性層４３〜４７はそれぞれ図９に示した磁性層１、非磁性層２、磁性層３〜６および図１０に示した磁性層７に対応する。また、磁性層４８は、磁性層４４との交換結合力によって磁性層４３の磁化方向が反転して記録情報が消失することを防ぐために設けられたもので、図７に示した磁性層８と同様の働きをする。
【０１００】
本例では、磁性層４１に膜厚１０ｎｍのＧｄ₂₆Ｃｏ₇₄膜、非磁性層４２に膜厚２ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃膜、磁性層４３に膜厚１０ｎｍのＴｂ₂₂Ｆｅ₇₅Ｃｏ₃膜、磁性層４４に膜厚２０ｎｍのＤｙ₂₀Ｆｅ₆₂Ｃｏ₁₈膜、磁性層４５に膜厚３ｎｍのＴｂ₁₇Ｆｅ₈₃膜、磁性層４６に膜厚３０ｎｍのＴｂ₂₂Ｃｏ₇₈膜、磁性層４７に膜厚２０ｎｍのＴｂ₁₈Ｆｅ₄₁Ｃｏ₄₁膜、磁性層４８に膜厚５ｎｍのＧｄ₃₂Ｃｏ₆₈膜を用いた。情報を保持する磁性層４３の保磁力は、ここでは６ＭＡ／ｍ以上と著しく大きくしてある。
【０１０１】
本例においても、情報の記録は、上述の第１の実施例の場合と同様に、発熱体３０に電流を流し、磁気抵抗効果膜４０を昇温することで磁性層４３に情報を記録する。ただし、記録時に、磁気抵抗効果膜４０に印加される磁界は、外部磁界ではなく、磁性層４７にて発生する浮遊磁界である。
【０１０２】
図１６は、情報再生時における抵抗値の変化を説明するための図で、（ａ）は「０」が記録されている場合の各磁性層の磁化方向および抵抗値の変化を示す図、（ｂ）は「１」が記録されている場合の各磁性層の磁化方向および抵抗値の変化を示す図である。
【０１０３】
室温において磁性層４１は、Ｇｄ副格子磁化８１が優勢であり、磁性層４７から発生している浮遊磁界とＧｄ副格子磁化８１の方向は平行、浮遊磁界とＣｏ副格子磁化８２の方向は反平行となっている（図１６の（ａ）、（ｂ）の室温のときの磁化状態）。この状態から、磁性層４１をその補償温度よりも僅かに高い温度（ただし、記録温度よりは低い）まで昇温する。そうすると、磁性層４１の磁化はＣｏ副格子磁化８２が優勢となり、昇温に伴う磁化反転により磁性層４７から発生している浮遊磁界とＣｏ副格子磁化８２の方向が平行となり、浮遊磁界とＧｄ副格子磁化８１の方向は反平行となる（図１６の（ａ）、（ｂ）の昇温時の磁化状態）。このように、磁性層４１を昇温することによって磁化状態が反転するので、図１６（ａ）、（ｂ）に示すような記録情報を伴った磁気抵抗変化を生ずる。
【０１０４】
本例の磁気薄膜メモリ素子において、比較的低い記録温度まで昇温した後、図１６（ａ）に示したような昇温による検出を行った結果、磁気抵抗の値は減少する方向に変化し、比較的高い記録温度まで昇温した後、図１６（ｂ）に示したような昇温による検出を行った結果、磁気抵抗の値は増加する方向に変化した。この結果から、記録温度の違い（高低）に応じて１ビットの情報を記録でき、再生できることが分かる。
【０１０５】
図１７は、図１４に示した磁気薄膜メモリ素子を複数有する磁気薄膜メモリの概略構成を示す回路図である。この磁気薄膜メモリは、導線３６およびトランジスタＴＲ２が無いこと、磁気薄膜メモリ素子１００の構成が異なること以外は、上述の図１３に示したものと同じである。図１７中、図１３に示した構成と同じものには、同じ符号を付している。
【０１０６】
この磁気薄膜メモリは、磁気薄膜メモリ素子１００として図１４に示した磁気薄膜メモリ素子が用いられている。情報記録は、図１３に示した磁気薄膜メモリにおける動作と基本的には同じであるが、情報記録時に印加される磁界として、導線３６にて発生する磁界に代えて、磁気薄膜メモリ素子１００を構成する磁性層４７にて発生する浮遊磁界が用られる。よって、本例の磁気薄膜メモリにおける記録動作では、図１３に示した磁気薄膜メモリにおける記録動作で必要であった、「トランジスタＴｒ１をオンとして、導線３６に所定の方向に所定の大きさの電流を流し、該導線３６にて発生する磁界を磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果薄膜４０に対して印加する」という動作が必要なくなる。これ以外の記録動作は、図１３に示した磁気薄膜メモリにおける動作と同じである。
【０１０７】
記録情報の読み出しについては、図１３に示した磁気薄膜メモリにおける読み出し動作▲１▼〜▲３▼のうち、▲２▼の動作が異なるだけで、その他は同じである。以下、本例における▲２▼の動作について説明する。
【０１０８】
本例では、磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果膜４０は、図１６に示したように読み出し層である磁性層４１をその補償温度よりも僅かに高い温度（ただし、記録温度よりは低い）まで昇温することで、その磁化（Ｇｄ副格子磁化８１およびＣｏ副格子磁化８２）の方向を反転させて、記録情報の読み出しを行う。
【０１０９】
動作▲１▼のようにして選択された磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果膜４０に定電流を流した状態で、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ６をそれぞれオンにすることにより、上部電極３４と下部電極２９を介して発熱体３０に所望の大きさの電流を流し、磁気抵抗効果薄膜４０の磁性層４１を室温からその補償温度よりも僅かに高い温度（ただし、記録温度よりは低い）まで昇温する。この動作によって、選択された磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果膜４０の非磁性層を介して積層されている読み出し層（磁性層４１）および記録層（磁性層４３）の磁化方向は、磁性層４１の補償温度を境にして反平行から平行、あるいは平行から反平行へと変化することとなり、磁気抵抗効果膜４０の抵抗が変化する。この抵抗変化に応じた電位差の変化量をセンスアンプＳＡで検出することにより、記録情報を読み出す。
【０１１０】
上記の磁気薄膜メモリにおいては、磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果膜４０の磁性層４１としてフェリ磁性体よりなる磁性層が用いられているため、記録情報の読み出しに印加磁界の反転を必要としないが、磁性層４１にそのようなフェリ磁性体を用いない場合には、記録情報の読み出しの際に印加磁界を何らかの方法で反転させる必要がある。そのような場合は、磁性層４７をフェリ磁性体より構成し、そのフェリ磁性体の温度補償を境として浮遊磁界の方向を反転させることで、情報の読み出しを行うことができる。この場合、上記の▲２▼の動作は、磁性層４７の浮遊磁界を反転させるための動作となる。すなわち、動作▲１▼のようにして選択された磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果膜４０に定電流を流した状態で、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ６をそれぞれオンにすることにより、上部電極３４と下部電極２９を介して発熱体３０に所望の大きさの電流を流し、磁気抵抗効果薄膜４０の磁性層４７を室温からその補償温度よりも僅かに高い温度（ただし、記録温度よりは低い）まで昇温する。この動作によって、選択された磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果膜４０の非磁性層を介して積層されている読み出し層（磁性層４１）および記録層（磁性層４３）の磁化方向は、磁性層４７の補償温度を境にして反平行から平行、あるいは平行から反平行へと変化することとなり、磁気抵抗効果膜４０の抵抗が変化する。この抵抗変化に応じた電位差の変化量をセンスアンプＳＡで検出することにより、記録情報を読み出す。
【０１１１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基本的には記録層内で生じる交換結合力によって情報の記録が行われるので、小さな印加磁界によって磁化の方向を反転することが困難な磁性体を用いた場合であっても、印加磁界を大きくすることなく記録が可能である。よって、記録層の磁性体の組成、成膜条件、膜構成等の選択性を向上させることができ、結果的に、製造における歩留まりの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気薄膜メモリ素子に用いらる磁気抵抗効果膜の一実施形態を示す断面構造図である。
【図２】図１に示す磁気抵抗効果膜を用いた場合の情報記録プロセスを説明するための概念図で、（ａ）は「１」が記録されているときの磁化方向を示す模式図、（ｂ）は比較的低い記録温度Ｔ_Lまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｃ）は比較的高い記録温度Ｔ_Hまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｄ）は「０」が記録されているときの磁化方向を示す模式図である。
【図３】図１に示す磁気抵抗効果膜を用いた場合の情報再生プロセスを説明するための図で、（ａ）は磁気抵抗効果膜に「０」が記録された状態における外部磁界の方向を反転させたときの各磁性層の磁化方向と検出される電気抵抗の変化を示す模式図、（ｂ）は磁気抵抗効果膜に「１」が記録された状態における外部磁界の方向を反転させたときの各磁性層の磁化方向と検出される電気抵抗の変化を示す模式図である。
【図４】図１に示す磁気抵抗効果膜の読み出し層にフェリ磁性体を用いた場合の情報再生原理を説明するための図で、（ａ）は室温における磁化状態を模式的に示す断面図、（ｂ）は昇温時における磁化状態を模式的に示す断面図である。
【図５】フェリ磁性体の温度補償を説明するための特性図である。
【図６】図１に示す磁気抵抗効果膜の一変形例である、外部磁界なしに情報の記録を行うことが可能な磁気抵抗効果膜における磁化方向と浮遊磁界の方向を模式的に示す断面図である。
【図７】図１に示す磁気抵抗効果膜の一変形例を示す図である。
【図８】図１に示す磁気抵抗効果膜の各磁性層に垂直磁化膜を用いた場合の情報記録プロセスを説明するための概念図で、（ａ）は「１」が記録されているときの磁化方向を示す模式図、（ｂ）は比較的低い記録温度Ｔ_Lまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｃ）は比較的高い記録温度Ｔ_Hまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｄ）は「０」が記録されているときの磁化方向を示す模式図である。
【図９】図１に示す磁気抵抗効果膜の読み出し層にフェリ磁性体を用いた磁気抵抗効果膜の情報再生原理を説明するための図で、（ａ）は室温における磁化状態を模式的に示す断面図、（ｂ）は昇温時における磁化状態を模式的に示す断面図である。
【図１０】図１に示す磁気抵抗効果膜の一変形例である、外部磁界なしに情報の記録を行うことが可能な磁気抵抗効果膜における磁化方向と浮遊磁界の方向を模式的に示す断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施例の磁気薄膜メモリ素子の概略構成を示す断面図である。
【図１２】図１１に示す磁気薄膜メモリ素子に用いられる磁気抵抗効果膜の断面図である。
【図１３】図１１に示す磁気薄膜メモリ素子を複数有する磁気薄膜メモリの概略構成を示す回路図である。
【図１４】本発明の第２の実施例の磁気薄膜メモリ素子の概略構成を示す断面図である。
【図１５】図１４に示す磁気薄膜メモリに用いられる磁気抵抗効果膜の断面図である。
【図１６】図１４に示す磁気薄膜メモリの情報再生時における抵抗値の変化を説明するための図で、（ａ）は「０」が記録されている場合の各磁性層の磁化方向および抵抗値の変化を示す模式図、（ｂ）は「１」が記録されている場合の各磁性層の磁化方向および抵抗値の変化を示す模式図である。
【図１７】図１４に示す磁気薄膜メモリ素子を複数有する磁気薄膜メモリの概略構成を示す回路図である。
【図１８】面内磁化膜を用いた従来の磁気抵抗効果膜の電気抵抗を説明するための図で、（ａ）は磁気抵抗効果膜の磁化が平行な状態を模式的に示す断面図、（ｂ）は磁気抵抗効果膜の磁化が反平行な状態を模式的に示す断面図である。
【図１９】面内磁化膜を用いた従来の磁気抵抗効果膜における記録再生原理を説明するための図で、（ａ）および（ｂ）は、記録情報「１」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図、（ｃ）および（ｄ）は、記録情報「０」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図である。
【図２０】垂直磁化膜を用いた従来の磁気抵抗効果膜における記録再生原理を説明するための図で、（ａ）および（ｂ）は、記録情報「１」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図、（ｃ）および（ｄ）は、記録情報「０」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１、３〜８、４１、４３〜４８、１４１、１４３磁性層
２、４２、１４２非磁性層
４９反強磁性層
１０外部磁界
１１、１２副格子磁化
２０浮遊磁界
２１基板
２２ＳｉＯ₂膜
２３ワード線
２４、３３ｎ型半導体
２５、３２ｐ型半導体
２６、３１熱遮断膜
２７ビット線
２８、３５絶縁膜
２９下部電極
３０発熱体
３４上部電極
３６導線
４０磁気抵抗効果膜
８１Ｇｄ副格子磁化
８２Ｃｏ副格子磁化
１００磁気薄膜メモリ素子
Ｔｒ１〜Ｔｒ６トランジスタ
１０１〜１０３電源
ＳＡセンスアンプ
Ｒ固定抵抗
Ｄ１、Ｄ２ダイオード

Claims

読み出し層および記録層が非磁性層を介して積層された磁気抵抗効果膜を有する磁気薄膜メモリ素子において、
前記記録層は、隣接する層間で互いに磁気的に交換結合される複数の磁性層が積層されており、記録温度の高低に応じて、前記非磁性層に隣接する磁性層の磁化方向が該記録層内で生じる交換結合力によって反転可能であり、該磁性層の磁化方向に応じて、前記読み出し層の磁化方向を反転させた際に生じる前記磁気抵抗効果膜の磁気抵抗変化が異なることを特徴とする磁気薄膜メモリ素子。
記録層は、少なくとも第１乃至第４の磁性層が順次積層されており、該第１乃至第４の磁性層は、それぞれの磁性層のキュリー温度が、
第３の磁性層＜第１の磁性層＜第２の磁性層＜第４の磁性層
の関係にあり、第４の磁性層の磁化方向が所定の方向に固定されており、
記録温度の高低に応じて前記第１の磁性層に１ビットの情報が記録可能であることを特徴とする請求項１に記載の磁気薄膜メモリ素子。
高い方の記録温度において所定の大きさで所定の方向の磁化を持ち、該磁化により発生する浮遊磁界によって第２の磁性層の磁化の反転が可能な第５の磁性層をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の磁気薄膜メモリ素子。
第１の磁性層と第２の磁性層との間に、これら磁性層の磁化方向が反平行である場合に層内に所定のエネルギーの磁壁が形成される第６の磁性層を有することを特徴とする請求項２に記載の磁気薄膜メモリ素子。
ネール温度が記録温度より高い反強磁性層が第４の磁性層に隣接して設けられていることを特徴とする請求項２に記載の磁気薄膜メモリ素子。
読み出し層がフェリ磁性層であり、その補償温度が室温より高く、記録温度より低いことを特徴とする請求項１に記載の磁気薄膜メモリ素子。
読み出し層および記録層を構成する磁性層が面内磁化膜であることを特徴とする請求項１に記載の磁気薄膜メモリ素子。
読み出し層および記録層を構成する磁性層が垂直磁化膜であることを特徴とする請求項１に記載の磁気薄膜メモリ素子。
垂直磁化膜が希土類と遷移金属の合金からなることを特徴とする請求項８に記載の磁気薄膜メモリ素子。
読み出し層および記録層を構成する磁性層がスピン依存トンネル効果膜であることを特徴とする請求項１に記載の磁気薄膜メモリ素子。
請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気薄膜メモリ素子を複数有し、該複数の磁気薄膜メモリ素子の磁気抵抗効果膜を選択的に昇温可能に構成されていることを特徴とする磁気薄膜メモリ。
隣接する層間で互いに磁気的に交換結合される複数の磁性層からなる記録層と読み出し層とが非磁性層を介して積層された磁気抵抗効果膜を有する磁気薄膜メモリ素子の情報記録方法であって、
前記複数の磁性層のうちの前記非磁性層に隣接する磁性層の磁化方向を、記録温度の高低に応じて、前記記録層内で生じる交換結合力によって反転させて情報を記録することを特徴とする情報記録方法。
複数の磁性層として第１乃至第４の磁性層を用い、該第１乃至第４の磁性層のキュリー温度の関係を、
第３の磁性層＜第１の磁性層＜第２の磁性層＜第４の磁性層
とするととも、前記第４の磁性層の磁化方向を所定の方向に固定し、
磁気抵抗効果膜を前記第３の磁性層のキュリー温度よりも高い第１の記録温度に昇温して、前記第３の磁性層の磁化を滅磁するとともに、前記第１の磁性層の磁化反転を容易にし、前記第２の磁性層との交換結合力により前記第１の磁性層の磁化方向を前記第４の磁性層の磁化方向として第１の情報を記録し、
前記磁気抵抗効果膜を前記第１の記録温度より高い第２の記録温度に昇温するとともに、前記第２の磁性層に対して前記第４の磁性層の磁化方向とは反平行に印加される所定の大きさの磁界を印加して、前記第２の磁性層の磁化方向を前記磁界の方向に揃え、該第２の磁性層との交換結合力により前記第１の磁性層の磁化方向を前記第４の磁性層の磁化方向とは反平行として第２の情報を記録することを特徴とする請求項１２に記載の情報記録方法。
第２の記録温度による情報記録時に印加される所定の大きさの磁界として外部磁界を用いることを特徴とする請求項１３に記載の情報記録方法。
第２の記録温度において所定の大きさで所定の方向の磁化を持つ第５の磁性層を用い、該第５の磁性層が発生する浮遊磁界を前記第２の記録温度による情報記録時に印加される所定の大きさの磁界として用いることを特徴とする請求項１３に記載の情報記録方法。
第１の磁性層と第２の磁性層との間に第６の磁性層を設けて、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向が反平行である場合に、前記第５の磁性層内に所定のエネルギーの磁壁を形成することを特徴とする請求項１３に記載の情報記録方法。
ネール温度が記録温度より高い反強磁性層を用いて第４の磁性層の磁化方向を固定することを特徴とする請求項１３に記載の情報記録方法。