JP4759911B2

JP4759911B2 - 磁気記憶素子及び磁気メモリ

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Publication number: JP4759911B2
Application number: JP2003317123A
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Inventors: 広之大森
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Description

本発明は、磁気記憶素子及び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。

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。

これを解決する方法として、例えば２層の磁性体を反強磁性的に結合させた構造の磁気メモリ素子が提案されている（特許文献１参照）。
日経エレクトロニクス２００１．２．１２号（第１６４頁−１７１頁）米国特許出願公開第２００３／００７２１７４号明細書

上述した、２層の磁性体（磁性層）を反強磁性的に結合させた構造の磁気メモリ素子において、記録に必要な磁場（動作磁場）を低減するためには、２層の磁性体の磁気的相互作用を小さくして、外部磁場によって２層の磁性体の磁化が平行になりやすくする必要がある。

そして、上述の構造の磁気メモリ素子に記録を行うためには、外部磁場によって、反平行に結合した２層の磁性層の結合角度を１８０度から傾けなければならない。この傾き角度は、外部磁場の大きさと磁性層間の相互作用の大きさ、磁気異方性に依存する。

磁性層の磁化容易軸方向に磁場をかけていくと、２層の磁性層の合成磁場は増加し、十分に大きな磁場で飽和する。２層の磁性層の合成磁場は、ほぼ外部磁場の大きさに比例するので、比例領域を外挿した飽和磁場をＨｓ_ｅａｓｙとすると、記録動作に必要な最小磁場Ｈ_ｒｅｃはおおよそ√（Ｈｋ・Ｈｓ_ｅａｓｙ）と書ける。ここでＨｋは、膜の磁気異方性や形状による磁気異方性を含めた実効的な異方性磁場である。

つまり、記録に必要な磁場（動作磁場）を低減するには、磁気異方性ＨｋあるいはＨｓ_ｅａｓｙを減らせばよいことになる。磁気異方性Ｈｋは、記録の情報を保持しておくために、ある程度の大きさが必須であるため、記録磁場を下げるにはＨｓ_ｅａｓｙを減らせばよいことになる。
しかしながら、Ｈｓ_ｅａｓｙを減らすには限界があり、あまり小さくすると問題を生じる。

ここで、上述の２層の磁性層が結合した磁気記憶素子の磁化を反転させる方法の概略を図１０に示す。
記録を行う前の状態では、図１０Ａに示すように、２層の磁性層の磁化Ｍα，Ｍβが反平行であり、いずれも磁性層の磁化容易軸方向Ｅに並んでいる。
この状態から、磁場を印加して、磁性層の磁化Ｍα，Ｍβの向きを反転させる。具体的には、図１０Ａに示すように、磁性層の磁化容易軸方向Ｅから左回り４５°の向き（Ｙ軸方向）に磁場Ｈ_Ｗを、右回り４５°の向き（Ｘ軸方向）に磁場Ｈ_Ｂをそれぞれ印加する。
そして、図１０Ｂに示すように、磁場Ｈ_Ｗと磁場Ｈ_Ｂを順次時間差を設けて印加することにより、磁性層の磁化Ｍα，Ｍβに回転の力が加わり、適当な大きさの磁場Ｈ_Ｗ、Ｈ_Ｂで磁化Ｍα，Ｍβの向きを反転させることができる。
しかしながら、この場合、磁化の向きが反転するかどうかは、磁化Ｍα、Ｍβの初期状態によって可能かどうか変わる。

次に、図１０Ａに示した状態に、外部磁場を印加して、記録の書き換えを行った場合の変化を、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す。

図１１Ａは、Ｈｓ_ｅａｓｙが外部磁場に対して大きい場合を示している。
この場合は、２層の磁性層の磁化Ｍα，Ｍβが反平行である初期状態から、書き換えを行うと、書き換えの途中では、各磁性層の磁化Ｍα，Ｍβの向きが、それぞれ磁化容易軸方向Ｅに対してある程度の角度をなした状態となる。
そして、書き換え後は、各磁性層の磁化Ｍα，Ｍβの向きが、初期状態から反転しており、かつ互いに反平行になっている。
このようにして情報の記録が行われる。

図１１Ｂは、Ｈｓ_ｅａｓｙが外部磁場に対して小さい場合を示している。
この場合は、書き換え途中で、２層の磁化Ｍα，Ｍβの向きが、磁化容易軸方向Ｅに並んで平行になってしまう。
このため、書き換え後には、各磁性層の磁化Ｍα，Ｍβの向きが互いに反平行になるものの、初期状態から反転した右上図の状態と、初期状態と同じ状態である右下図の状態とのいずれの状態にもなり得る。
この構成の素子では、図１１Ａに示したように、初期状態を基準として、２層の磁化Ｍα，Ｍβの向きを反転させることにより記録を行うようにしているため、このように書き換え後にいずれの状態にもなり得ると、書き換え後の磁化状態が目的とする記録を達成するとは限らなくなってしまう。
即ち、書き換えにより、記録された情報が揮発してしまうことにもなる。

また、Ｈｓ_ｅａｓｙが外部磁場に対して小さい場合には、２層の磁化Ｍα，Ｍβの向きが完全に平行にならなくても、熱による揺らぎによって、磁化状態が不安定になる可能性がある。

従って、磁性層の磁気的相互作用を小さくすると、上述の飽和磁場Ｈｓ_ｅａｓｙが小さくなるため、動作磁場を低減することはできるが、外部磁場に対する情報の安定性が低下してしまう。

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記憶素子及び磁気メモリを提供するものである。

本発明の磁気記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層が４層の磁性層及び各磁性層間の非磁性層から成り、各磁性層の磁化の大きさが記憶層の上下に対称であり、非磁性層を介して隣接する磁性層の磁化の向きが互いに反平行であり、記憶層とトンネル絶縁膜と、磁化の向きが固定された磁化固定層とが積層され、非磁性層を介して隣接する磁性層間に反強磁性的な相互作用が作用し、１層目の磁性層と２層目の磁性層との間の相互作用の強さが、３層目の磁性層と４層目の磁性層との間の相互作用の強さと等しく、１層目の磁性層と２層目の磁性層との間の相互作用の強さ、及び、３層目の磁性層と４層目の磁性層との間の相互作用の強さが、２層目の磁性層と３層目の磁性層との間の相互作用の強さに対して、大きい、或いは、小さい関係を有し、１層目の磁性層と４層目の磁性層の磁化量が等しく、２層目の磁性層と３層目の磁性層の磁化量が等しく、記憶層の磁性層の磁化容易軸方向から、左回り４５°の向きの第１の磁場と、右回り４５°の向きの第２の磁場とを、順次時間差を設けて印加することにより、記憶層の磁性層の磁化の向きが反転して、情報の記録がなされるものである。

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が４層以上の偶数の磁性層及び各磁性層間の非磁性層から成り、各磁性層の磁化の大きさが記憶層の上下に対称であり、非磁性層を介して隣接する磁性層の磁化の向きが互いに反平行であり、記憶層とトンネル絶縁膜と、磁化の向きが固定された磁化固定層とが積層され、非磁性層を介して隣接する磁性層間に反強磁性的な相互作用が作用し、１層目の磁性層と２層目の磁性層との間の相互作用の強さが、３層目の磁性層と４層目の磁性層との間の相互作用の強さと等しく、１層目の磁性層と２層目の磁性層との間の相互作用の強さ、及び、３層目の磁性層と４層目の磁性層との間の相互作用の強さが、２層目の磁性層と３層目の磁性層との間の相互作用の強さに対して、大きい、或いは、小さい関係を有し、１層目の磁性層と４層目の磁性層の磁化量が等しく、２層目の磁性層と３層目の磁性層の磁化量が等しく、記憶層の磁性層の磁化容易軸方向から、左回り４５°の向きの第１の磁場と、右回り４５°の向きの第２の磁場とを、順次時間差を設けて印加することにより、記憶層の磁性層の磁化の向きが反転して、情報の記録がなされる磁気記憶素子と、互いに交差し、第１の磁場を記憶層に印加する第１の配線と第２の磁場を記憶層に印加する第２の配線とを有し、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ものである。

上述の本発明の磁気記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層が４層以上の偶数の磁性層及び各磁性層間の非磁性層から成り、各磁性層の磁化の大きさが記憶層の上下に対称であり、非磁性層を介して隣接する磁性層の磁化の向きが互いに反平行であることにより、４層以上の偶数の磁性層が磁化の向きが互い違いに、かつ磁化の大きさが上下に対称となっている。
これにより、磁場が加わっていない状態では、記憶層を構成する磁性層の磁化の向きが互い違いであり、隣接する磁性層による相互作用によって記憶層の各磁性層の磁化の向きが安定している。
そして、例えば、記憶層の磁化容易軸方向に対して、それぞれ４５度の角度をなす向きの外部磁場を時間差を設けて印加すれば、記憶層の各磁性層の磁化の向きを回転させることが可能であり、このように磁化の向きを回転させることによって、比較的小さい磁場で磁性層の磁化の向きを反転させて、記録を行うことが可能である。

さらに、磁性層が４層以上あるため、記憶層に強い磁場が印加された場合に、上下の端部の磁性層の磁化の向きが磁場の向きに揃ってしまっていても、各磁性層間の相互作用により、中間部の２層の磁性層の磁化の向きが磁場の方向に揃わないようにすることができる。即ち、全磁性層の磁化の向きが完全には揃わないようにすることができるため、磁場が印加される前の記憶層の各磁性層の磁化の向きが、中間部の２層の磁性層の磁化の向きに反映される。
即ち、強い磁場に対しても、記憶層に記録された磁化情報が失われないようにすることができ、広い磁場範囲で動作させることが可能になる。

さらに、磁性層が４層以上あり、多くの磁性層により記憶層を構成しているため、磁性層の数を多くして磁性体の体積を増やしても、記録を行うために必要となる磁場の大きさがあまり増大しない。

上述の本発明の磁気メモリの構成によれば、上述の本発明の磁気記憶素子と、互いに交差し、第１の磁場を記憶層に印加する第１の配線と第２の磁場を記憶層に印加する第２の配線とを有し、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の記憶層に第１及び第２の磁場（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各磁性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、比較的小さい磁場で記録を行うことが可能な特性を有するので、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。
また、磁気記憶素子が、広い磁場範囲で安定して動作させることが可能な特性を有するので、磁気記憶素子の記憶層に磁化状態として記録された情報を、安定して保持することが可能になる。

また、上述の本発明の磁気記憶素子及び磁気メモリにおいては、記憶層が４層の磁性層から成り、非磁性層を介して隣接する磁性層間に反強磁性的な相互作用が作用し、１層目の磁性層と２層目の磁性層との間の相互作用の強さが、３層目の磁性層と４層目の磁性層との間の相互作用の強さと等しく、１層目の磁性層と２層目の磁性層との間の相互作用の強さ、及び、３層目の磁性層と４層目の磁性層との間の相互作用の強さが、２層目の磁性層と３層目の磁性層との間の相互作用の強さに対して、大きい、或いは、小さい関係を有し、１層目の磁性層と４層目の磁性層の磁化量が等しく、２層目の磁性層と３層目の磁性層の磁化量が等しい構成としたことにより、隣接する磁性層間に作用する反強磁性的な相互作用によって、より効果的に、記憶層に強い磁場に対しても記憶層に磁化状態として記録された情報を保持することができる。また、１層目の磁性層と２層目の磁性層との間の相互作用の強さが、３層目の磁性層と４層目の磁性層との間の相互作用の強さと等しいので、磁化の大きさだけでなく、相互作用の強さのバランスも上下に対称になり、磁性層全体のバランスがよくなる。

上述の本発明の磁気記憶素子及び磁気メモリにおいては、記憶層と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が積層されている構成としたことにより、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、広い磁場範囲で安定して情報の記録動作を行うことが可能になり、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。このため、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。

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。

また、記憶層を構成する磁性層の数を増やしても記録に必要となる磁場の増大が少ないため、記録の保持特性を高めるために磁性体の体積を増やしても、記録磁場の増加が少ない。
これにより、磁気記憶素子を微細化しても、安定して記録を保持することが可能となるため、磁気記憶素子の微細化により高密度化を図り、磁気メモリの記憶容量の増大や磁気メモリの小型化を図ることが可能になる。

本発明の磁気記憶素子の一実施の形態の概略構成図（斜視図）を、図１に示す。
この磁気記憶素子１０は、平面形状が円形状の磁性体から成る４層の磁性層１１，１２，１３，１４が、それぞれの間に非磁性層１５を介して積層されて構成されている。
各磁性層１１，１２，１３，１４は、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。

そして、４層の磁性層１１，１２，１３，１４により、情報が磁化の向きによって記録される記憶層１が構成される。

図１に示す状態では、４層のうち最下層の第１の磁性層１１の磁化Ｍ１が右向き、その上の第２の磁性層１２の磁化Ｍ２が左向き、その上の第３の磁性層１３の磁化Ｍ３が右向き、最上層の第４の磁性層１４の磁化Ｍ４が左向きになっている。
即ち、隣り合う磁性層の磁化の向きが互いに反平行となっている。

また、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に磁気的相互作用Ｊ１が生じ、第２の磁性層１２と第３の磁性層１３との間に磁気的相互作用Ｊ２が生じ、第３の磁性層１３と第４の磁性層１４との間に磁気的相互作用Ｊ３が生じる構成となっている。以下、これら磁気的相互作用Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の極性は、反平行に作用する方を正とする。

さらに、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１の大きさと第４の磁性層１４の磁化Ｍ４の大きさがほぼ等しく、第２の磁性層１２の磁化Ｍ２の大きさと第３の磁性層１３の磁化Ｍ３の大きさがほぼ等しい構成とすることが好ましい。
即ち、磁化の大きさの分布が上下で対称となるように、それぞれの磁性層の磁化の大きさがほぼ等しいことが望ましい。磁化の大きさの差は、１０％程度までは許容可能である。
なお、各磁性層１１，１２，１３，１４の磁化の大きさ（磁化量）は、飽和磁束密度と磁性層の体積の積で定義される。

さらに、より好ましくは、磁気的相互作用Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３として、反強磁性的な相互作用が生じ、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間の相互作用Ｊ１と、第３の磁性層１３と第４の磁性層１４との間の相互作用Ｊ３とについて、相互作用の強さがほぼ等しい構成とする。

磁場が加わっていない安定状態では、図１に示したと同様に、非磁性層１５を介して隣り合う磁性層の磁化の向きが反平行になる。

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、情報を記録する際の動作を説明する。

記録を行う前の状態では、図２Ａに示すように、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１と第３の磁性層１３の磁化Ｍ３が平行であり、第２の磁性層１２の磁化Ｍ２と第４の磁性層１４の磁化Ｍ４が平行であり、磁化Ｍ１，Ｍ３と磁化Ｍ２，Ｍ４とが反平行であり、いずれも磁性層の磁化容易軸方向Ｅに並んでいる。

この状態から、磁場を印加して、磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きを反転させる。具体的には、図２Ａに示すように、各磁性層１１，１２，１３，１４の磁化容易軸方向Ｅから左回り４５°の向き（Ｙ軸方向）に磁場Ｈ_Ｗを、右回り４５°の向き（Ｘ軸方向）に磁場Ｈ_Ｂをそれぞれ印加する。
そして、図２Ｂに示すように、磁場Ｈ_Ｗと磁場Ｈ_Ｂを順次時間差を設けて印加することにより、各磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４に回転の力が加わり、適当な大きさの磁場Ｈ_Ｗ、Ｈ_Ｂで磁化の向きを反転させることができる。

図２に示した向きの磁場として、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１と第４の磁性層１４の磁化Ｍ４とが平行になる程度の大きさの磁場を印加したときの、磁性層の磁化の変化を、図３Ａと図３Ｂにそれぞれ示す。

図３Ａは、磁性層１１，１２，１３，１４の磁気的相互作用Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の大きさがＪ１＝Ｊ３＜Ｊ２の関係を有する場合の動作を示す。
図２Ａに示したと同じ状態の初期状態から、ｙ軸方向の磁場Ｈ_Ｗとｘ軸方向の磁場Ｈ_Ｂを順次印加することにより、最下層の第１の磁性層１１の磁化Ｍ１が右回りに半回転して、最上層の第４の磁性層１４の磁化Ｍ４と平行に並び、磁化容易軸方向Ｅの右上向きになる。中間の第３の磁性層１３の磁化Ｍ３は、右回りに回転するものの、第４の磁性層１４との磁気的相互作用Ｊ３があるため、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１よりも手前までしか回転しない。また、中間の第２の磁性層１２の磁化Ｍ２は、第１の磁性層１１との磁気的相互作用Ｊ１があるため、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１が右上向きになったことにより、これと反発するように右回りに回転している。そして、この場合には、第２の磁性層１２と第３の磁性層１３との磁気的相互作用Ｊ２が比較的強いため、第２の磁性層１２の磁化Ｍ２と第３第３の磁性層１３の磁化Ｍ３とが反平行に近くなる。
さらに、印加された磁場がなくなり、書き換え後の状態では、第４の磁性層１４の磁化Ｍ４が半回転して、磁化容易軸方向Ｅの左下向きになる。第３の磁性層１３の磁化Ｍ３は右回りに回転して、磁化容易軸方向Ｅの右上向きになる。そして、第２の磁性層１２の磁化Ｍ２は、第１の磁性層１１との磁気的相互作用Ｊ１及び第３の磁性層１３との磁気的相互作用Ｊ２等により、右回りに回転して磁化容易軸方向Ｅの左下向きになる。
これにより、初期状態から、４層の磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きが全て反転する。
このようにして、情報の記録（書き換え）が行われる。

また、図３Ｂは、Ｊ１＝Ｊ３＞Ｊ２の関係を有する場合の動作を示す。
この場合、最上層の第１の磁性層１１の磁化Ｍ１と最下層の第４の磁性層１４の磁化Ｍ４の変化は、図３Ａと同様である。中間の第２の磁性層１２の磁化Ｍ２及び第３の磁性層１３の磁化Ｍ３は、書き換え途中の状態では、図３Ａよりも左下寄りになっている。これは、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間の磁気的相互作用Ｊ１、並びに第３の磁性層１３と第４の磁性層１４との間の磁気的相互作用Ｊ３が比較的強く、中間の磁性層１２，１３の磁化Ｍ２，Ｍ３が上下端の磁性層１１，１４の磁化Ｍ１，Ｍ４の向きに近づきにくいからと考えられる。
この場合も、書き換え後には、４層の磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きが全て反転している。

いずれの場合も、第２の磁性層１２の磁化Ｍ２と第３の磁性層１３の磁化Ｍ３とが平行にならなければ、目的とする情報の記録（書き換え）を行うことができる。

なお、Ｘ軸方向の磁場Ｈ_Ｂ及びＹ軸方向の磁場Ｈ_Ｗを印加する順序は、図２Ｂに示した順序に限定されるものではない。図２Ｂとは逆に、Ｘ軸方向の磁場Ｈ_Ｂを先に印加して、時間差を設けてＹ軸方向の磁場Ｈ_Ｗを印加することも可能である。
また、記憶層１に印加するＸ軸方向の磁場Ｈ_Ｂ及びＹ軸方向の磁場Ｈ_Ｗの向きは、合成磁場が記憶層１の磁化容易軸方向Ｅとなるようにすればよく、これらをいずれも図２Ａとは反対の向き（左向きと下向き）としてもよい。

上述の本実施の形態の磁気記憶素子１０の構成によれば、４層の磁性層１１，１２，１３，１４がそれぞれ間に非磁性層１５を介して積層されて記憶層１が構成され、非磁性層１５を介して隣接する磁性層の磁化Ｍ１及びＭ２，Ｍ２及びＭ３，Ｍ３及びＭ４の向きが互いに反平行であり、かつ磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の大きさについてほぼＭ１＝Ｍ４，Ｍ２＝Ｍ３となっていて上下に対称となっている。
これにより、磁場が加わっていない状態では、隣接する磁性層による相互作用Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３によって記憶層１の各磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きが安定している。
従って、記憶層１の各磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きとして、即ち記憶層１の磁化状態として記録されている情報を安定して保持することができる。

また、図２に示したように、Ｘ軸方向の磁場Ｈ_Ｂ及びＹ軸方向の磁場Ｈ_Ｗを時間差を設けて印加することにより、図３に示したように各磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きを回転させることができ、最終的に各磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きを反転させることができる。
これにより、比較的小さい磁場で磁化の向きを反転させて、記録を行うことが可能である。

特に、４層の磁性層１１，１２，１３，１４があるため、記憶層１に強い磁場が印加されて上下の磁性層１１，１４の磁化Ｍ１，Ｍ４の向きが磁場の向きに揃っても、各磁性層間の相互作用Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３により、これら中間の磁性層１２，１３の磁化Ｍ２，Ｍ３の向きが磁場の方向には揃わないようにすることができる。
これにより、磁場が印加される前の記録層１の各磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きが、中間の磁性層１２，１３の磁化Ｍ２，Ｍ３の向きに反映される。
即ち、強い磁場に対しても、記憶層１に記録された磁化情報が失われないようにすることができ、広い磁場範囲で安定して記録動作させることが可能になる。

従って、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１０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、４層の磁性層１１，１２，１３，１４により記憶層を構成していたが、本発明では、さらに記憶層を構成する磁性層を増やして、６層や８層等、さらに多層の層構成とすることも可能である。その場合も、非磁性層を介して隣り合う磁性層が互いに反平行に磁化され、かつ各磁性層の磁化の大きさを積層構造の上下に対して対称に配置した構成とすることにより、同様の効果が得られる。

特に、磁性層の層を多くする場合は、各磁性層の磁化のバランスや製造の容易性等を考慮すると、各磁性層の磁化をほぼ同じにしておいて、偶数層積層するのが好ましい。

また、図１では各磁性層の平面形状が円形状になっているが、平面形状が楕円形状としてもよい。
図１の構成のように各磁性層の磁化容易軸方向が揃うように設定されていれば、平面形状が円形状等の形状異方性の小さい形状であっても構わない。
そして、平面形状を円形や楕円形とすれば、素子の作製が容易になるが、その他の形状であっても、本発明の効果は同様に得られる。

また、本発明において、磁気記憶素子の記憶層を構成するそれぞれの磁性層は、単一の組成からなる構成に限定されるものではなく、複数層の磁性層が積層されたものであってもよく、これら複数の磁性層が強く磁気的に結合したものであれば、一つの磁性層と見なすことができ、さらに上述した条件を満たせば、本発明の効果は有効である。

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、記憶層と、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に記録された情報の内容を検出することが可能になる。この他にも、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４に示す。また、図４に示した磁気メモリの平面図を図５に示す。なお、多数配置された磁気記憶素子１０のうち、図４では縦２個・横２個分を図示し、図５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）４０は、図４及び図５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）４１及び第２の配線（例えばワード線）４２の交点に、平面形状が円形状とされ、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、詳細な図示は省略するが、図１に示した４層の磁性体層１１，１２，１３，１４が非磁性層１５を挟んで積層された記憶層１を有している。

第１の配線４１は、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Ｘ軸方向の磁場を発生させることができる。第２の配線４２は、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Ｙ軸方向の磁場を発生させることができる。
磁気記憶素子１０は、記憶層の磁化容易軸方向が、図２Ｂに示したと同様に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対してそれぞれ４５度をなすように配置されている。

このように磁気メモリ４０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４１及び第２の配線４２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４１及び第２の配線４２を選択し、第１の配線４１と第２の配線４２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、例えば、まず第２の配線４２に電流を流してＹ軸方向の電流磁場Ｈ_ｗを印加して、さらに時間差を設けて、第１の配線４１に電流を流してＸ軸方向の電流磁場Ｈ_Ｂを印加する。これにより、図３Ａ又は図３Ｂの書き込み途中の状態に示したように、磁気記憶素子１０の各磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きが変化する。
その後、第１の配線４１及び第２の配線４２に流していた電流を、時間差を設けて順次停止すれば、さらに磁気記憶素子１０の各磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きが変化して、図３Ａ又は図３Ｂの書き込み後の状態に示したように、元の状態から磁化の向きが反転する。
この状態では、非磁性層１５を介して隣接する磁性層の磁化が反平行となっており、相互作用Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３により磁化の向きが安定しているため、記録された情報を安定して保持することができる。

また、情報の記録を行う際には、前述した磁気トンネル接合のトンネル電流等により、既に磁気記憶素子１０に記憶されている情報の内容を検出するように構成することが望ましい。
そして、磁気記憶素子１０にこれから新たに記録しようとする情報の内容と、既に磁気記憶素子１０に記憶されている情報の内容が異なる場合には、これから記録する情報の内容に対応して、第１の配線４１及び第２配線４２に流す電流の向きを設定して、第１の配線４１及び第２の配線４２に時間差を設けて順次電流を流して、記憶層にＸ軸方向及びＹ軸方向の電流磁場を順次印加することにより、磁気記憶素子１０の記憶層の各磁性層の磁化の向きを、新たに記録する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。

一方、磁気記憶素子１０にこれから新たに記録しようとする情報の内容と、既に磁気記憶素子１０に記憶されている情報の内容とが同一である場合には、情報の書き換えの必要がないため、第１の配線４１及び第２配線４２に電流を流さない。これにより、記録の度に電流磁場を発生させる構成と比較して、消費電力を節約することができる。

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４１及び第２の配線４２から磁気記憶素子１０に電流磁場を印加することにより、記憶層の各磁性層の磁化の向きを反転させて、情報の書き換えを行うことができる。

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４１及び第２の配線４２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４１或いは４２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。第１の配線４１を流れる電流からの電流磁場（Ｘ軸方向の磁場）だけでは、電流磁場の印加によって、記憶層１の磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きが回転するが、特に中間の磁性層１２，１３の磁化Ｍ２，Ｍ３は反転するまでに至らないため、電流磁場を停止したときに、記憶層１の各磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きが反転せずに元の状態に戻る。第２の配線４２を流れる電流からの電流磁場（Ｙ軸方向の磁場）だけでも、同様に、記憶層１の各磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きが反転しない。
即ち、いずれの場合も、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４０の構成によれば、記録する際には、第１の配線４１及び第２の配線４２からのそれぞれの電流磁場の印加により、磁気記憶素子１０の記憶層１の各磁性層１１，１２，１３，１４の磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きを回転させて、最終的に磁化Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の向きを反転させることができるため、容易に記録を行うことができる。一方、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４０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、本発明の磁気記憶素子の構成において、具体的に各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。

まず、比較対照として、従来提案されている、２層の磁性層から成る記憶層を有する構成の磁気記憶素子の特性を調べた。
図１２Ａに平面図を示すように、平面形状が直径１μｍの円形状である磁気記憶素子５０を構成し、磁気記憶素子５０の各層を図１２Ｂの断面図に示すように構成した。
磁気記憶素子５０の上部では、２層の磁性層５３，５４が非磁性層５８を介して積層されることにより、記憶層６０が構成されている。磁気記憶素子５０の下部では、２層の磁性層５１，５２が非磁性層５６を介して積層されることにより、磁化固定層６１が構成されている。磁化固定層６１の下には、反強磁性層５５が設けられ、磁化固定層６１の磁性層５１，５２の磁化の向きを固定している。記憶層６０と磁化固定層６１の間には、トンネル絶縁膜５７が形成されている。
記憶層６０の各磁性層５３，５４は、いずれも厚さを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。
記憶層６０の非磁性層５８は、厚さを１ｎｍとし、相互作用Ｊの大きさを０．０２ｅｒｇ／ｃｍ^２とした。
磁化固定層６１の磁性層５１，５２は、いずれも厚さが２ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓが１２００ｅｍｕ／ｃｍ^３となっている。
磁化固定層６１の非磁性層５６は、厚さが１ｎｍで、相互作用Ｊが１ｅｒｇ／ｃｍ^２になっている。
トンネル絶縁膜５７は、厚さが１ｎｍで、相互作用Ｊがゼロになっている。

この図１２Ａ及び図１２Ｂに示す構成の磁気記憶素子５０において、図１０及び図１１に示したと同様に記録を行った場合の動作を、マイクロマグネティックにより計算した。この計算結果から、動作状態を磁場強度に対してマッピングして、図１３に示す。
図１３の縦軸はＹ軸方向の磁場Ｈ_Ｗを示し、横軸はＸ軸方向の磁場Ｈ_Ｂを示している。
また、この磁気記憶素子５０の記憶層６０の磁化の向きの反転が可能であるかどうかは、磁化の向きの初期状態にも依存するため、図１３では、初期状態に依存せず変化がない場合を×印で示し、一方の初期状態からしか磁化の向きの反転が起こらない場合を△印で示し、どちらの状態からでも反転する場合を○印で示している。

図１３より、この磁気記憶素子５０においては、Ｈ_Ｗ、Ｈ_Ｂともに５０Ｏｅ以上のときに磁化反転が起こるが、磁場が大きすぎると、磁化反転が制限され任意の情報が記録できなくなることがわかる。

続いて、本発明の磁気記憶素子の特性を調べた。
図６Ａに平面図を示すように、平面形状が直径１μｍの円形状である磁気記憶素子１０を構成し、磁気記憶素子１０の各層を図６Ｂの断面図に示すように構成した。
磁気記憶素子１０の上部では、４層の磁性層１１，１２，１３，１４が非磁性層１５を介して積層されることにより、記憶層１が構成されている。磁気記憶素子１０の下部では、２層の磁性層２１，２３が非磁性層２２を介して積層されることにより、磁化固定層１６が構成されている。磁化固定層１６の下には、反強磁性層１８が設けられ、磁化固定層１６の磁性層２１，２２の磁化の向きを固定している。記憶層２０と磁化固定層１６の間には、トンネル絶縁膜１７が形成されている。
記憶層２０の磁性層のうち、第１の磁性層１１及び第４の磁性層１４は、いずれも厚さを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２の磁性層１２及び第３の磁性層１３は、いずれも厚さを２ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｍ^３、材料の異方性磁場Ｈｋを２０Ｏｅとした。
記憶層２０の非磁性層１５は、厚さを１ｎｍとし、相互作用Ｊの大きさを０．０２ｅｒｇ／ｃｍ^２とした。ただし、記憶層２０の真ん中の非磁性層１５は、相互作用Ｊの大きさを０．１ｅｒｇ／ｃｍ^２とした。
磁化固定層１６の磁性層２１，２２は、いずれも厚さが２ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓが１２００ｅｍｕ／ｃｍ^３となっている。
磁化固定層１６の非磁性層２２は、厚さが１ｎｍで、相互作用Ｊが１ｅｒｇ／ｃｍ^２になっている。
トンネル絶縁膜１７は、厚さが１ｎｍで、相互作用Ｊがゼロになっている。
反強磁性層１８は、厚さ２０ｎｍとした。

この図６Ａ及び図６Ｂに示す構成の磁気記憶素子１０において、図２及び図３に示したと同様に記録を行った場合の動作を、マイクロマグネティックにより計算した。この計算結果から、動作状態を磁場強度に対してマッピングして、図７に示す。図７中の印は、それぞれ図１３の印と同じである。

図７より、この磁気記憶素子１０においては、最小の動作磁場は図１３と同じ５０Ｏｅであるが、従来の磁気記憶素子５０と比較して、磁場の強い領域での動作制限が見られず、広い磁場範囲で動作が可能であることがわかる。

また、磁気メモリを構成する磁気記憶素子が微細化すると、記録の保持特性を高めるために磁気記憶素子の異方性と磁性膜厚の積を増やす必要がある。
そこで、次に、磁性層の総膜厚を増やしたときの影響について、計算して調べた。

計算に用いた磁気記憶素子の記憶層の構成を、それぞれ図８Ａ及び図８Ｂに示す。
図８Ａは、従来の２層の磁性層から成り、磁性層の膜厚を変化させた構成である。
記憶層６０の各磁性層５３，５４は、いずれも飽和磁化量Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｍ^３、材料の異方性磁場Ｈｋを２０Ｏｅとして、厚さをｔ（ｎｍ）としている。記憶層６０の非磁性層５８は、厚さを２ｎｍ、相互作用Ｊの大きさを０．０１ｅｒｇ／ｃｍ^２としている。
一方、図８Ｂは、本発明の磁気記憶素子において、１層の磁性層３１の膜厚を固定して、磁性層３１の積層数を増やした構成である。
磁性層３１は、厚さを２ｎｍ、飽和磁化量Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｍ^３、材料の異方性磁場Ｈｋを２０Ｏｅとしている。磁性層３１の間の非磁性層３２は、厚さを２ｎｍ、相互作用Ｊの大きさを０．０１ｅｒｇ／ｃｍ^２としている。
また、図８Ａ及び図８Ｂのいずれの構成も、平面形状が直径１００ｎｍの円形状の磁気記憶素子とした。

図８Ａ及び図８Ｂにそれぞれ示した磁気記憶素子の構成について、記録用の磁場Ｈ_Ｗ，Ｈ_Ｂが同一である条件のもと、反転動作が可能な最小の磁場Ｈ_ｍｉｎと、積算磁性層厚との関係を調べた。
図８Ａの構成では、厚さｔ（ｎｍ）の磁性層を２層有するので、積算磁性層厚は２ｔ（ｎｍ）となる。図８Ｂの構成では、厚さ２ｎｍの磁性層をｎ層（ｎは偶数とする）積層するので、積算磁性層厚は２ｎ（ｎｍ）となる。いずれの構成についても、積算磁性層厚が４ｎｍ〜２０ｎｍの範囲で４ｎｍ刻みになるように設定した。結果を図９に示す。

図９より、従来の磁気記憶素子の構成（線Ａ）においては、積算磁性層厚が増加するに従い、記録に必要な最小磁場も増加していくのに対して、本発明の磁気記憶素子の構成（線Ｂ）においては、積算磁性層厚が増加しても動作に必要な最小磁場がほとんど変化しないことがわかる。
即ち、本発明の磁気記憶素子は、記録磁場を低く保ったままで、積算磁性層厚を大きくして記録保持特性を向上することが可能であることがわかる。

従って、本発明の構成では、磁気記憶素子を微細化しても、安定して記録を保持することが可能となるため、磁気記憶素子の微細化により高密度化を図り、磁気メモリの記憶容量の増大や磁気メモリの小型化を図ることが可能になることがわかる。

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。

本発明の一実施の形態の磁気記憶素子の概略構成図（斜視図）である。Ａ、Ｂ図１の磁気記憶素子の磁化を反転させる方法を説明する図である。Ａ、Ｂ図２Ａに示した状態に、外部磁場を印加して、記録の書き換えを行った場合の変化を示す図である。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４の磁気メモリの平面図である。Ａ、Ｂ本発明の磁気記憶素子の一形態のモデルを示す図である。図６のモデルにおいて、動作状態を磁場強度に対してマッピングした図である。Ａ従来提案されている磁気記憶素子の概略構成図である。Ｂ本発明の磁気記憶素子の他の形態のモデルを示す図である。図８Ａ及び図８Ｂの各磁気記憶素子において、積算磁性層厚を変えたときの最小記録磁場の変化を示した図である。Ａ、Ｂ２層の磁性層が結合した磁気記憶素子の磁化を反転させる方法を説明する図である。Ａ、Ｂ図１０Ａに示した状態に、外部磁場を印加して、記録の書き換えを行った場合の変化を示す図である。Ａ、Ｂ従来提案されている磁気記憶素子の一形態のモデルを示す図である。図１２のモデルにおいて、動作状態を磁場強度に対してマッピングした図である。

符号の説明

１記憶層、１０磁気記憶素子、１１第１の磁性層、１２第２の磁性層、１３第３の磁性層、１４第４の磁性層、１５，３２非磁性層、２０記憶層、３１磁性層、４０磁気メモリ、４１第１の配線、４２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が、４層の磁性層及び各前記磁性層間の非磁性層から成り、
各前記磁性層の磁化の大きさが、前記記憶層の上下に対称であり、
前記非磁性層を介して隣接する前記磁性層の磁化の向きが互いに反平行であり、
前記記憶層とトンネル絶縁膜と、磁化の向きが固定された磁化固定層とが積層され、
前記非磁性層を介して隣接する前記磁性層間に反強磁性的な相互作用が作用し、
１層目の磁性層と２層目の磁性層との間の前記相互作用の強さが、３層目の磁性層と４層目の磁性層との間の前記相互作用の強さと等しく、
１層目の磁性層と２層目の磁性層との間の前記相互作用の強さ、及び、３層目の磁性層と４層目の磁性層との間の前記相互作用の強さが、２層目の磁性層と３層目の磁性層との間の前記相互作用の強さに対して、大きい、或いは、小さい関係を有し、
１層目の磁性層と４層目の磁性層の磁化量が等しく、２層目の磁性層と３層目の磁性層の磁化量が等しく、
前記記憶層の前記磁性層の磁化容易軸方向から、左回り４５°の向きの第１の磁場と、右回り４５°の向きの第２の磁場とを、順次時間差を設けて印加することにより、前記記憶層の前記磁性層の磁化の向きが反転して、情報の記録がなされる
磁気記憶素子。
情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層が、４層の磁性層及び各前記磁性層間の非磁性層から成り、
各前記磁性層の磁化の大きさが、前記記憶層の上下に対称であり、
前記非磁性層を介して隣接する前記磁性層の磁化の向きが互いに反平行であり、
前記記憶層とトンネル絶縁膜と、磁化の向きが固定された磁化固定層とが積層され、
前記非磁性層を介して隣接する前記磁性層間に反強磁性的な相互作用が作用し、
１層目の磁性層と２層目の磁性層との間の前記相互作用の強さが、３層目の磁性層と４層目の磁性層との間の前記相互作用の強さと等しく、
１層目の磁性層と２層目の磁性層との間の前記相互作用の強さ、及び、３層目の磁性層と４層目の磁性層との間の前記相互作用の強さが、２層目の磁性層と３層目の磁性層との間の前記相互作用の強さに対して、大きい、或いは、小さい関係を有し、
１層目の磁性層と４層目の磁性層の磁化量が等しく、２層目の磁性層と３層目の磁性層の磁化量が等しく、
前記記憶層の前記磁性層の磁化容易軸方向から、左回り４５°の向きの第１の磁場と、右回り４５°の向きの第２の磁場とを、順次時間差を設けて印加することにより、前記記憶層の前記磁性層の磁化の向きが反転して、情報の記録がなされる磁気記憶素子と、
互いに交差し、前記第１の磁場を前記記憶層に印加する第１の配線と、前記第２の磁場を前記記憶層に印加する第２の配線とを備え、
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る
磁気メモリ。