JPH10302456A

JPH10302456A - 磁性薄膜メモリ素子及びそれを用いた磁性薄膜メモリ

Info

Publication number: JPH10302456A
Application number: JP9111037A
Authority: JP
Inventors: Naoki Nishimura; 直樹西村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-04-28
Filing date: 1997-04-28
Publication date: 1998-11-13
Anticipated expiration: 2017-04-28
Also published as: JP4136028B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、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
た磁性薄膜メモリを提供することを目的とする。【解決手段】基板上に、膜面内の一方向に磁化配向し
低い保磁力を有する第１磁性層と、この第１磁性層の磁
化配向と平行または反平行に磁化配向し高い保磁力を有
する第２磁性層と、この第１磁性層と第２磁性層との層
間に設けられた非磁性層とを有し、この第１磁性層から
第２磁性層までの積層構造の層方向の電気抵抗が、磁気
配向により変化する磁気抵抗素子に、さらに第１磁性層
および磁性層に接して第３磁性層を設け、外部磁界が０
のときに第１磁性層、第２磁性層および第３磁性層によ
りこの非磁性層を囲む閉磁路を構成することを特徴とす
る磁性薄膜メモリ素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【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性薄
膜メモリ素子およびそれを用いた磁性薄膜メモリに関す
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
可動部のない固体メモリであるが、電源が断たれても情
報を失わず、繰り返し書き換え回数が無限回であり、放
射線が入射しても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）効果を利用した薄膜磁気メモリ
は、従来から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１２に示したように硬質磁
性膜ＨＭ／非磁性膜ＮＭ／軟磁性膜ＳＭ／非磁性膜ＮＭ
なる構成要素を複数回積層してメモリー素子とした固体
メモリが提案されている。このメモリー素子には金属導
体と接合されてセンス線Ｓが、また、絶縁膜Ｉによって
上記センス線Ｓと絶縁されたワード線Ｗ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り情報の書き込みを行う。

【０００４】具体的には図１３に示したように、ワード
線Ｗ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ＨＭの磁化反転を行いメ
モリー状態“０”，“１”の記録を行う。例えば同図
（ａ）に示すように正の電流を流して、同図（ｂ）に示
すように右向きの磁界を発生させて硬質磁性膜ＨＭに
“１”の記録を行い、また同図（ｃ）に示すように負の
電流を流して、同図（ｄ）に示すように左向きの磁界を
発生させて硬質磁性膜ＨＭに“０”の記録を行う。情報
の読み出しは図１４に示すようにワード線Ｗに記録電流
より小さい電流Ｉを流して軟磁性膜ＳＭ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ＳＭと硬質磁性膜ＨＭ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
のとき生ずる抵抗変化により“１”，“０”のメモリー
状態を判別することができる。

【０００５】同図（ａ）に示した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となり、
メモリー状態“１”に対しては、同図（ｂ）のように小
さい抵抗値から同図（ｃ）のように大きい抵抗値に変化
する。メモリー状態“０”に対しては、同図（ｄ）のよ
うに大きい抵抗値から同図（ｅ）のように小さい抵抗値
に変化する。このようにして抵抗の変化を読み取れば、
記録後の軟磁性膜ＳＭの磁化状態に関わらず硬質磁性膜
ＨＭ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。従って上記構成の磁性
薄膜メモリは、ビットセルを微細化すると共に情報の保
存ができず、高集積化が不可能であるといった欠点を有
していた。

【０００７】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を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】また、本発明はさらに安定した記録再生を
実現し、非磁性層の製造マージンが広く、再生時間が短
く、ノイズの少ない再生を実現する磁性薄膜メモリの記
録再生方法提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に、膜
面内の一方向に磁化配向し低い保磁力を有する第１磁性
層と、この第１磁性層の磁化配向と平行または反平行に
磁化配向し高い保磁力を有する第２磁性層と、この第１
磁性層と第２磁性層との層間に設けられた非磁性層とを
有し、この第１磁性層から第２磁性層までの積層構造の
層方向の電気抵抗が、前記第１磁性層の磁化方向とこの
第２磁性層の磁化方向が平行のときは低い抵抗値を示
し、反平行のときは高い抵抗値を示す磁気抵抗素子を用
いた磁性薄膜メモリ素子であって、前記第１磁性層およ
び第２磁性層と共に前記非磁性層を囲むように前記第１
磁性層および第２磁性層に接して第３磁性層が設けら
れ、外部磁界が０のときには前記第１磁性層の磁化方向
と前記第２磁性層の磁化方向が反平行状態を示して第１
磁性層、第２磁性層および第３磁性層によりこの非磁性
層を囲む閉磁路を構成することを特徴とする磁性薄膜メ
モリ素子に関する。

【００１０】本発明で用いられる基板は、特に制限はな
いがシリコン基板を用いるとメモリ動作に必要なスイッ
チング素子、センス回路、ドライバー、アンプ等の半導
体素子を本発明の磁性薄膜素子と同一の基板上に作成す
ることができる。

【００１１】前記第３磁性層は、前記第１磁性層および
前記第２磁性層の側面に接して設けられることが好まし
い。

【００１２】また、前記第３磁性層は、前記第１磁性層
と前記第２磁性層の層間にあって前記非磁性層の両端に
設けられていてもよく、さらにこの場合には前記第３磁
性層の全体の長さは、前記非磁性層の長さの３分の１以
下であることが好ましい。

【００１３】本発明の磁性薄膜メモリ素子において、第
１磁性層および第２磁性層の長さＬ（μｍ）と磁性層の
膜厚ｔ（μｍ）との関係は、（式１）で表されることが
好ましい。

【００１４】（式１）Ｌ＜３０×ｔまた、前記磁性薄膜素子を複数個配列したときに、隣接
する磁性薄膜素子の第２磁性層間の距離ｄ（μｍ）と第
１磁性層および第２磁性層の膜厚ｔ（μｍ）との関係が
（式２）で表されることが好ましい。

【００１５】（式２）ｄ＜３．３８×ｔ^0.68 前記第３磁性層の磁気異方性、保磁力は、前記第１磁性
層および前記第２磁性層の磁気異方性、保磁力より小さ
いことが好ましい。

【００１６】前記第３磁性層の材料としては、Ｎｉお
よびＦｅを主要構成成分とする金属膜からなることが好
ましい。

【００１７】また、前記第３磁性層の材料として、Ｇ
ｄＦｅ、ＮｄＦｅおよびＴｂＦｅからなる群より選ばれ
る少なくとも１種の合金を含む金属膜からなることも好
ましい。

【００１８】さらに前記第３磁性層は絶縁性材料からな
ることも好ましい。

【００１９】前記第１磁性層の保磁力は、前記第２磁性
層の保磁力の半分以下であることが好ましく、前記第２
磁性層の保磁力は５［Ｏｅ］以上で５０［Ｏｅ］以下で
あることが好ましく、この場合、第１磁性層の保磁力は
２［Ｏｅ］以上で２５［Ｏｅ］以下であることが好まし
い。

【００２０】前記第１磁性層および前記第２磁性層の長
さと幅の比は、２以上であり、長さ方向に前記第３磁性
層が設けられていることが好ましい。

【００２１】前記第１磁性層は、Ｎｉ、ＦｅおよびＣ
ｏからなる群より選ばれる少なくとも１種を構成成分と
する金属膜からなることが好ましい。

【００２２】また前記第２磁性層は、Ｆｅおよび／また
はＣｏを主要構成成分とする金属膜からなることが好ま
しい。

【００２３】本発明の磁性薄膜メモリの第１の例は、ス
ピン依存トンネリングにより磁気抵抗効果が生じること
を特徴とする。この場合、前記非磁性層はＡｌＯ_x、Ａ
ｌＮ_x、ＳｉＯ_x、ＳｉＮ_xおよびＮｉＯ_xからなる群より
選ばれる少なくとも１種の化合物からなることが好まし
く、前記非磁性層の膜厚は４オングストローム以上２５
オングストローム以下であることが好ましい。また前記
第１磁性層および第２磁性層の膜厚は２０オングストロ
ーム以上が好ましくさらには８０オングストローム以上
が好ましく、５０００オングストローム以下が好ましく
より好ましくは１０００オングストローム以下がよい。

【００２４】本発明の磁性薄膜メモリの第２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。この場合、前記非磁性層に良導体である金属層を
用いることが好ましく、特にＣｕを構成成分とすること
が好ましい。この非磁性層の膜厚は５オングストローム
以上６０オングストローム以下であることが好ましい。
また前記第１磁性層および第２磁性層の膜厚は２０オン
グストローム以上２００オングストローム以下であるこ
とが好ましい。

【００２５】また前記第１磁性層と前記非磁性層の間、
もしくは前記第２磁性層と前記非磁性層の間、またはそ
の両方にＣｏを主成分とする磁性層が設けられているこ
とが好ましい。

【００２６】また、前記磁性薄膜素子は、前記非磁性層
を挟んで第１磁性層および第２磁性層が２回以上３０回
以下に積層することも可能である。

【００２７】本発明の磁性薄膜メモリは、マトリックス
状に配列された複数の上記の磁性薄膜メモリ素子と、縦
（または横方向）に並ぶ複数の磁性薄膜メモリ素子の第
２磁性層（または第１磁性層）に接続される第１ワード
線と、この第１ワード線と交差する方向に並ぶ複数の磁
性薄膜メモリ素子の第１磁性層（または第２磁性層）に
接続される第２ワード線とを有し、各磁性薄膜メモリ素
子が第１ワード線および第２ワード線により挟まれて構
成される。

【００２８】本発明の磁性薄膜メモリに記録を行う場
合、第１ワード線と第２ワード線に電流を流しこの電流
により生じる合成磁界により前記第２磁性層の磁化方向
を定め、前記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。また再生する場
合は、再生時のワード電流により生じる磁界により、前
記メモリ素子の第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。前記ワード電流に
より生じる磁界は、第１磁性層の反転磁界より大きく、
第２磁性層の反転磁界より小さい。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明の磁性薄膜メモリ素子にお
いては、保存時には記録に関わる磁性膜が閉磁路を構成
するため、反磁界による悪影響をなくすことが可能であ
り、安定に磁化情報を保存できる。従って、１ビットの
セル幅を小さくすることができ、集積度の高い磁性薄膜
メモリを実現することができる。

【００３０】また隣接セルに漏洩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。

【００３１】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。

【００３２】また非磁性層の製造マージンを広げること
が可能であり、再生時の抵抗ばらつきを抑えることがで
きＳ／Ｎを向上させることができる。

【００３３】［磁性薄膜メモリ素子の構成］次に本発明
を図面を用いてより詳細に説明する。図１および図２は
本発明の磁性薄膜メモリ素子の一例を示す説明図であ
る。図１（ａ）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。また図
１（ｂ）は図１の構成のメモリ素子の磁化状態をより詳
細に示したものである。また図１（ｃ）は図１（ａ）の
構成のメモリ素子の磁化状態を第１磁性層側の上面から
示したものである。

【００３４】図１に示すように、本発明に関わる磁気抵
抗薄膜素子は、膜面内の一方向に磁化方向がある第１磁
性層１および第２磁性層２が、非磁性層を介して積層さ
れており、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磁性層およ
び第２磁性層および第３磁性層が非磁性層を囲むように
配置されている。

【００３５】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。

【００３６】図１（ａ）には、それぞれの層の磁化方向
として主な向きを示したが、詳細には第３磁性層の磁化
は図１（ｂ）に示すように緩やかに曲がって環状のルー
プを作っており、安定なエネルギー状態が実現されてい
る。第１、２および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
めに好ましい。図１（ｃ）に示すように、第１磁性層の
磁化は一方向に一様に配向している。また第２磁性層の
磁化状態も磁化方向を逆向きにした以外は図１（ｃ）と
同じように一方向に一様に配向した状態となっており、
安定な磁化状態が実現されている。

【００３７】第３磁性層は、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３磁性層は、第１磁性
層および第２磁性層に比べて磁気異方性、保磁力が小さ
く透磁率が高く、容易に任意の磁化方向をとれる材料が
好ましい。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起きる
磁壁エネルギーの上昇を抑えるために好ましい。

【００３８】第３磁性層の材料としては、磁歪定数、磁
気異方性が小さく、第１磁性層、第２磁性層より保磁力
が小さい磁性材料が好ましい。このようなものとしてＮ
ｉおよびＦｅを主要構成成分とする金属膜が挙げられ、
具体的にはＮｉＦｅおよびＮｉＦｅＣｏ等を挙げること
ができる。また、第３磁性層の材料として垂直磁化膜を
用いることも好ましく、ＧｄＦｅ、ＮｄＦｅおよびＴｂ
Ｆｅからなる群より選ばれる少なくとも１種の合金を含
む金属膜等が用いられる。この合金としては、Ｇｄ_xＦ
ｅ_100-x、Ｎｄ_xＦｅ_100-xおよびＴｂ_xＦｅ_100-x等を挙
げることができる。これらの垂直磁化膜については、ｘ
は元素組成で１０以上３５以下が好ましい。これらの合
金はさらにＣｏ等の添加元素を混入させて用いることが
できる。

【００３９】なお、図１では、第３磁性層は、第１磁性
層および非磁性層および第２磁性層の側面に接するよう
に配置されているが、図２（ａ）に示したように、第３
磁性層３を第１磁性層１および第２磁性層２の中間に配
置して、非磁性層４の一部を置き換える形で設けてもよ
い。図２（ａ）の構成を磁化状態を詳細に示すと図２
（ｂ）のように閉磁路を構成しており、この場合磁化の
環状ループの曲率の大きいところは第１磁性層および第
２磁性層中に存在している。第１磁性層を上から見ると
図２（ｃ）に示すようにこの構成の素子においても第１
磁性層の磁化は一方向に一様に配向している。また第２
磁性層の磁化状態も磁化方向を逆向き以外は図２（ｃ）
と同じように一方向に一様に配向した状態となってお
り、安定な磁化状態が実現されている。

【００４０】図２の構成の場合には、第３磁性層３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以内にすることが好ましい。より好ましくは４
分の１以下である。この構成の素子の場合は、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のがより好まし
い。

【００４１】また上述では図１および図２の構成のメモ
リ素子を示したが、これらを兼ね備えた構成でもよく、
第１磁性層および第２磁性層が第３磁性層を介して、全
体として環状の磁化ループが形成される形で形成されれ
ばよい。

【００４２】［第１の実施形態］本発明の磁性薄膜メモ
リの第１の形態においては、スピン依存トンネリングに
よる磁気抵抗効果が生じる磁性薄膜メモリ素子を用い
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または図２に示す第１磁性層／非磁性層／第２
磁性層の構造において、非磁性層には薄い絶縁層を用い
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。

【００４３】本発明で用いる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。従っ
て、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。

【００４４】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好ましい。具体的
にはＮｉ、ＦｅおよびＣｏからなる群より選ばれる少な
くとも１種を構成成分とする金属膜からなることが好ま
しい。具体的にはＦｅ、Ｃｏ、ＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ、Ｎ
ｉＦｅＣｏ等を挙げることができる。ＮｉＦｅの元素組
成は、Ｎｉ_xＦｅ_100-xとした場合、ｘは０以上８２以下
が好ましい。より具体的には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ₇₂Ｆｅ
₂₈、Ｎｉ₅₁Ｆｅ ₄₉、Ｎｉ₄₂Ｆｅ₅₈、Ｎｉ₂₅Ｆｅ₇₅、Ｎｉ
₉Ｆｅ₉₁等が挙げられる。特にフェルミ面における上下
スピンの偏極量が大きいＦｅを含むものが好ましく、さ
らにＣｏを第２成分として含むものが好ましい。

【００４５】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
みが反転し、保存時には第２磁性層と環状ループを形成
しやすいような材料を選択する。

【００４６】従って、第１磁性膜を形成する材料として
は、上述の組成のなかでもＮｉを含む軟磁性材料が好ま
しく、具体的にはＮｉＦｅまたはＮｉＦｅＣｏを含む合
金膜を用いることがより好ましい。ＮｉＦｅの元素組成
は、Ｎｉ_xＦｅ_100-xとした場合、ｘは３０以上８２以下
が好ましい。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以上８
２以下、ｙは０以上９０以下が好ましい。

【００４７】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十分得られない場合
があるので２０オングストローム以上が好ましく、さら
には８０オングストローム以上が好ましい。再生時に電
流を膜面に対して垂直に流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ
Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｔｏｔｈｅｆｉｌｍ
Ｐｌａｎｅ）−ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔ
ａｎｃｅ）効果を用いる場合では、スピンの向きを保存
して動ける距離、即ちスピン拡散長が重要因子となる。
そこで第１磁性層の膜厚は、スピン拡散長より薄くする
ことが好ましく、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、５０００オングストローム
以下が好ましく、１０００オングストローム以下がさら
に好ましい。

【００４８】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”と”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、および、
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、特にＦｅおよび／また
はＣｏを主要構成成分とする金属膜からなるものが好ま
しい。例えばＦｅ、ＦｅＣｏ、Ｃｏ等の磁性膜をあげる
ことができる。

【００４９】また第２磁性層に保磁力の制御、耐食性の
向上などの目的でＰｔ等の添加元素を加えてもよい。Ｃ
ｏ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Ｃ
ｏ_100-x-yＦｅ_xＰｔ_yとして元素組成ｘおよび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を
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
節してもよい。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。

【００５０】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。

【００５１】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、また再生信号出力が減少してし
まうセルの抵抗値が小さくなり、また磁化を保持できな
くなるので２０オングストローム以上が好ましく、さら
には８０オングストローム以上が好ましい。ＣＰＰ−Ｍ
Ｒ効果を用いる場合では、スピンの向きを保存して動け
る距離、即ちスピン拡散長が重要因子となる。そこで第
２磁性層の膜厚は、スピン拡散長より薄くすることが好
ましく、厚すぎるとセルの抵抗値が大きくなりすぎる、
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、５０００オングストロ
ーム以下が好ましく、より好ましくは１０００オングス
トローム以下がよい。

【００５２】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。この実施形態
における非磁性層は、第１磁性層と第２磁性層の間を絶
縁する層であり、層の全部が絶縁材料で形成されていて
も、多層構造としてその一部の層を絶縁層とすることも
できる。特に一部を絶縁層にしてその厚みを極小にする
ことにより、磁気抵抗効果を更に高めることができる。

【００５３】非磁性層に用いる絶縁材料としては、Ａｌ
Ｏ_x、ＡｌＮ_x、ＳｉＯ_x、ＳｉＮ_x、およびＮｉＯ_x等を
挙げることができる。この中でもＡｌ₂Ｏ₃が絶縁性が高
く緻密であるため好ましい。絶縁材料が酸化膜である場
合は、例えばＡｌ膜を形成し、その一部を空気中で酸化
させてＡｌ₂Ｏ₃層を形成することができる。

【００５４】また、前記非磁性層は数１０オングストロ
ーム程度の均一な層であって、その膜厚は４オングスト
ローム以上２５オングストローム以下であることが好ま
しい。より好ましくは６オングストローム以上１８オン
グストロームがよい。

【００５５】［第２の実施形態］本発明の磁性薄膜メモ
リの第２の実施形態は、スピン依存散乱により磁気抵抗
効果が生じる磁性薄膜メモリ素子を用いる。このスピン
依存散乱による磁気抵抗効果は、例えば図１または図２
に示す様に第１磁性層／非磁性層／第２磁性層の構造に
おいて、非磁性層には良導体である金属層を用いる。こ
のスピン依存散乱により磁気抵抗効果は、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。
即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。一方、前記の非磁性
層を介した各磁性層が反強磁性配列となって、いずれの
スピンを持つ伝導電子も反対方向のスピンを持った磁性
原子によって同等に散乱されるために前記の場合の抵抗
値よりも大きくなる。そして再生時に電流を膜面に対し
て垂直に流すＣＰＰ−ＭＲ効果を用いる。このＣＰＰ−
ＭＲは膜面に平行に電流を流すＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ
ＩｎｐｌａｎｅｔｏｔｈｅｆｉｌｍＰｌａｎ
ｅ）−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る信号検出感度を高
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。

【００５７】第１磁性層は、Ｎｉ、ＦｅおよびＣｏから
なる群より選ばれる少なくとも１種を構成成分とする金
属膜からなることが好ましい。この金属（合金）として
は、例えばＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＦｅＣｏおよびＣ
ｏＦｅＢ等を挙げることができる。ＮｉＦｅの元素組成
は、Ｎｉ_xＦｅ_100-xとした場合、ｘは３５以上８６以下
が好ましい。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以上７
０以下、ｙは３０以上９０以下が好ましく、さらにｙは
６０以上８５以下が好ましい。

【００５８】また、第１磁性層として、ＣｏおよびＦｅ
を主要構成成分とするアモルファス合金からなることも
好ましい。具体的には、Ｃｏ₈₄Ｆｅ₉Ｂ₇、Ｃｏ₇₂Ｆｅ₈
Ｂ₂₀等の組成をもつＣｏＦｅＢ等のアモルファス磁性体
が挙げられる。

【００５９】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、およ
び安定に磁化状態を保存できることが必要である。

【００６０】第２磁性層は、Ｆｅおよび／またはＣｏを
主要構成成分とする金属膜からなることが好ましい。例
えばＦｅ、ＦｅＣｏ、Ｃｏ等の金属（合金）を挙げるこ
とができる。また、Ｐｔ等の添加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およびｙを調
節して保磁力を制御すればよい。

【００６１】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されることが必要
である。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２００オングストロ
ーム以下であることが好ましい。さらに好ましくは１５
０オングストローム以下がよい。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、また磁
化を保持できなくなる場合があるので、２０オングスト
ローム以上が好ましく、さらには８０オングストローム
以上が好ましい。

【００６２】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
うに設定されるため、少なくとも２００オングストロー
ム以下であることが好ましい。さらに好ましくは１５０
オングストローム以下がよい。しかしあまり薄すぎると
メモリ保持性能が劣化し、また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う場合があるので、２０
オングストローム以上が好ましく、さらには８０オング
ストローム以上が好ましい。

【００６３】この実施形態においては、非磁性層は良導
体からなり、好ましくは、Ｃｕを主成分として用いるこ
とが、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。また、
非磁性層の膜厚は５オングストローム以上６０オングス
トローム以下であることが好ましい。

【００６４】また、この実施形態では、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そ
の両方の間に、Ｃｏを主成分とする磁性層を設けると、
磁気抵抗比が高くなるため、より高いＳ／Ｎ比が得られ
るため好ましい。この場合のＣｏを主成分とする層の厚
みは２０オングストローム以下が好ましい。

【００６５】また本発明ではＳ／Ｎ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ほどＭＲ比が大きくなり好まし
いが、積層する組数を余り多くすると磁性層と非磁性層
との界面に乱れが生じやすくなる等の問題が発生するの
で、積層の回数は４０組以下、さらに好ましくは３〜２
０組程度とすることが好ましい。

【００６６】［メモリの構成］次に上述した磁性薄膜メ
モリ素子を多数配列して固体メモリを作成する場合のメ
モリセルの配列構造について詳細に説明する。

【００６７】図６は、本発明の磁性薄膜メモリの例を上
面から見た図である。メモリセル１７は１個の磁性薄膜
メモリ素子を有する１個の記憶単位である。この図では
多数のメモリセル１７のうち一部のみ図示し他の大部分
は省略している。

【００６８】本発明の磁性薄膜メモリは、縦または横方
向に並ぶ第１ワード線とこの第１ワード線と交差する方
向に並ぶ第２ワード線とを有しており、その交差する部
分に磁性薄膜メモリ素子が配列されている。磁性薄膜メ
モリ素子は上下から第１ワード線と第２ワード線によっ
て挟まれて、それぞれがマトリックス状に並列に接続さ
れている。

【００６９】第１ワード線および第２ワード線は、記録
と同時に再生のために設けられているものである。各第
１ワード線と各第２ワード線の両端には、駆動回路領域
９、１０、１１が設けられ、この領域には、各ワード線
および各センス線を選択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。

【００７０】本発明に用いられるワード線の材料として
は、導電率が第１、２、３磁性層よりも大きな良導体を
用いる。例えばアルミニウム、銅、タングステン、もし
くはこれらの混合物、またはこれらとシリコンなどとの
混合物などが挙げられる。

【００７１】図３は図１を一部分を拡大して立体的に示
したものである。同図に示した様にメモリ素子１０１、
１０２、１０３は並列に配列され各メモリ素子間は図示
していないが絶縁体が設けられておりメモリ素子同士が
電気的に導通することを防いでいる。第１ワード線５
１、５２、５３と第２ワード線６はメモリ素子を挟んで
直交して設けられている。

【００７２】また、図４は本発明の磁性薄膜メモリの別
の配列構造例を示したものである。この構成では第３磁
性層がメモリセルの間を充填する形で設けられており、
第３磁性層が他のメモリ素子との素子間を分離する目的
も兼ねており構造が簡略になって好ましい。この場合、
第３磁性層は絶縁性の磁性体で形成されることが必要で
ある。たとえば、酸化物磁性材料を用いることが好まし
い。具体的にはＭＦｅ ₂Ｏ₄で表される化合物において、
元素ＭとしてＮｉ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｍｎ等を用いると抵抗
率が大きいため好ましい。特に、ＮｉＦｅ₂Ｏ₄が抵抗率
が最も高いので好ましい。

【００７３】本発明の磁性薄膜メモリの別の配列構造例
を図５に示した。この場合メモリ素子は図２に示した素
子の構成となっている。この場合にはメモリ素子間は図
３で示したと同じく、各メモリ素子間は図示していない
が絶縁体が設けられておりメモリ素子同士が電気的に導
通することを防いでいる。

【００７４】尚、図３、４、５には示していないが、メ
モリ素子間のクロストークを防ぐために、各磁性薄膜メ
モリ素子の片側もしくは両側にスイッチング素子を設け
てもよい。スイッチング素子によって選択的に特定の１
メモリセルを選ぶことができる場合には第１ワード線お
よび第２ワード線は直交せずに平行に位置していてもよ
い。

【００７５】また、基板としてシリコン等の半導体基板
を用いる場合には、第２ワード線を良導体等で別途設け
る必要は必ずしもなく、半導体の基板中に不純物元素を
パターン状に添加する等の公知の方法により電流の流れ
るチャンネルを形成し、これを第２ワード線として用い
ることもできる。

【００７６】本発明の磁性薄膜メモリは、従来の磁性薄
膜メモリと異なり、セルサイズを小さくしても磁化情報
の保存性を保つことが可能である。この本発明の効果を
以下に従来例と比較しながら説明する。

【００７７】磁化情報の保存性が悪化する程度は磁性層
の内部に生じる反磁界の大きさに依存し、反磁界が大き
くなればなるほど磁化の保存性は悪化する。反磁界の大
きさは、磁性膜を円盤形の楕円体と仮定すれば大まかな
値を見積もることができる。

【００７８】図７は、磁性層の長さＬと反磁界の大きさ
の関係をグラフに示したものである。

【００７９】図７（ａ）には、比較例として図９（ａ）
に示したような記録層として単層磁性膜１１１を用いた
場合に、反磁界Ｈｄを磁性層の長さＬに対して示した。
ここで磁性層の幅は長さに等しいとし、飽和磁化は典型
的なパーマロイ（Ｎｉ₈₀Ｆｅ ₂₀）の値である８００ｅｍ
ｕ／ｃｃとし、磁性層の膜厚は１００オングストロー
ム、２００オングストローム、３００オングストローム
の３種類の膜厚で求めた。反磁界は、磁性層の膜厚が薄
くなると小さくなるが１００オングストロームの磁性層
膜厚においても磁性層長さＬが１μｍ以下で約１００
［Ｏｅ］以上の非常に大きな値になることがわかる。

【００８０】図７（ｂ）には、別の比較例として図９
（ｂ）に示した２層膜について同様に求めた。この場合
も磁性層の幅は長さに等しいとし、飽和磁化は、８００
ｅｍｕ／ｃｃ、磁性層１２１、磁性層１２２の膜厚は等
しいとして１００オングストローム、２００オングスト
ローム、３００オングストロームの３種類の膜厚で求め
た。非磁性層１２３の膜厚は１０オングストロームとし
た。この２層膜の場合は、一方の磁性層１２１に生じる
反磁界は他層１２２からの静磁界Ｈｓｔで緩和されるの
で、実効的に磁性層内部にかかる磁界Ｈｄ−Ｈｓｔを求
めた。ここでＨｓｔは、磁荷がスピンカーリングするこ
となく端面に存在したと仮定した。実際にはスピンカー
リングするためＨｓｔは求められた値より小さくなる
が、それでもＨｄ−Ｈｓｔは磁性膜の長さＬが短くなる
につれて急激に、大きくなることがわかる。

【００８１】第２磁性層の保磁力は、ワード電流の大き
さの制約から５［Ｏｅ］以上５０［Ｏｅ］以下にするこ
とが好ましく、更に好ましくは１０［Ｏｅ］から３０
［Ｏｅ］程度にするのがよい。Ｈｄ−Ｈｓｔの大きさが
２［Ｏｅ］以上では保磁力の１０分の１程度より大きく
なり安定な磁化保存は困難である。Ｈｄ−Ｈｓｔが２
［Ｏｅ］となる磁性層の長さＬは、磁性層の膜厚が１０
０オングストロームの時に０．３μｍ、２００オングス
トロームの時に０．６μｍ、３００オングストロームの
時に０．９μｍである。このため従来の技術である２層
磁性膜の反平行磁化状態を用いた場合には、磁性層の膜
厚が１００オングストローム以上では磁性体長さ０．３
μｍ以下のメモリセルで磁化の安定な保存が困難にな
り、さらに磁性層の膜厚が２００オングストローム以上
では磁性体長さ０．６μｍ以下のメモリセルで、磁性層
の膜厚が３００オングストローム以上では０．９μｍ以
下のメモリセルで磁化の安定保存が困難になることがわ
かる。

【００８２】Ｈｄ−Ｈｓｔが２［Ｏｅ］となる磁性層の
長さＬ（μｍ）を磁性層の膜厚ｔ（μｍ）に対してプロ
ットすると図１０となり、Ｌとｔの関係は（式１）で表
される。

【００８３】（式１）Ｌ（μｍ）＝３０×ｔ（μｍ）これに対して図７（ｃ）には、図９（ｂ）に図示した従
来の２層磁性膜に第３磁性層を設けた本発明の閉磁路構
成からなる磁性膜について、反磁界（磁性体内部で発生
する磁界Ｈｉｎ）を示したが、磁性層の膜厚および磁性
膜の長さＬによらず反磁界は０であり、磁化の配向性を
妨げる反磁界の大きさが、効果的に抑えられている。従
って、本発明では、磁性層の膜厚ｔ（μｍ）と磁性層の
長さＬ（μｍ）との関係が（式２）の条件の時であって
も磁化が安定に保存される。

【００８４】（式２）Ｌ（μｍ）＜３０×ｔ（μｍ）即ち、本発明の磁性薄膜メモリ素子は、メモリセルを微
細化して高集積化した際も、安定に磁化情報の保存が可
能である。

【００８５】また、比較例である従来の磁性薄膜では、
形状が幅と長さが等しい形、たとえば上から見て正方形
の形もしくは円形のような形にした場合には、面内方向
に磁化配向させるのに十分な磁気異方性をだすのは困難
であった。従って従来の磁性薄膜メモリでは長さと幅の
比を２から３倍以上にして形状異方性により磁化配向さ
せるようにしていた。しかしこの場合においても、上述
の様にスピンが乱れが生じるため、室温付近でも磁性が
消失する、いわゆる超常磁性（スーパーパラ磁性）現象
がおきやすく、磁化の保存が不安定になるといった問題
があった。

【００８６】これに対して、本発明の磁性薄膜メモリ
は、磁性薄膜の形状が正方形の場合でも環状ループにす
ることによって比較的大きな異方性が生じる。このため
メモリセルを正方形にしても情報安定性を確保すること
ができ結果として集積度を飛躍的に高めることができ
る。本発明の磁性薄膜メモリを比較的高温の条件下で使
用する可能性がある場合などは、長さと幅の比を１より
大きくして形状異方性を出してより高くしてより保存性
高める様にしてもよい。この場合は形状異方性の効果は
長さと幅の比が２以上でその効果が明確になる。このた
め磁性薄膜メモリ素子の長さと幅の比は２以上とするの
がよい。この場合には第３磁性層は長さ方向に設けるの
がよい。

【００８７】また別の磁気異方性を誘起する方法とし
て、成膜中に磁界を印加する方法があり、この方法は容
易であってかつ有効である。これを行うには、第１磁性
層および第２磁性層の成膜中に永久磁石などを用いて基
板に対して面内の一方向に磁界を印加すればよい。磁界
の強度は１０［Ｏｅ］以上の外部磁界を印加して行うこ
とが好ましい。更に好ましくは５０［Ｏｅ］以上の磁界
を成膜中に一方向に印加するのがよい。この場合第３磁
性層は、磁界を印加した方向に設けるのがよい。

【００８８】さらに本発明の磁性薄膜メモリ素子は外部
に漏洩磁界が発生しないことが特徴である。このため、
セルサイズを小さくしてもより安定に情報の記録再生を
行うが可能である。

【００８９】この効果を比較例とともに図８に示す。図
８（ａ）、（ｂ）は図９（ａ）、（ｂ）に示した従来の
単層膜または２層膜のメモリ素子を直列に並べたとき
に、隣接するメモリ素子の側面に発生する面内方向の磁
界の大きさＨｎを磁性膜間の距離ｄに対してプロットし
たものである。図８（ｃ）も同様に図３〜５に示したよ
うな本発明の磁性薄膜メモリ素子について、隣接するメ
モリ素子の側面に発生する面内方向の磁界の大きさＨｎ
を隣り合うメモリ素子の第１磁性層間もしくは第２磁性
層間の距離ｄに対してプロットしたものである。磁性膜
の長さは全て０．２μｍとし、飽和磁化および磁性膜、
非磁性膜の膜厚は前述の図７の場合と同じとした。

【００９０】図８（ａ）から比較例である単層磁性膜で
は、０．６μｍ以下のメモリ素子間距離ｄでは、１００
オングストローム以上の膜厚で５［Ｏｅ］以上の磁界が
発生し、図８（ｂ）から別の比較例である２層の磁性膜
では、磁性層の膜厚に応じて急激に大きくなることがわ
かる。前述したように第２磁性層の保磁力は５［Ｏｅ］
以上５０［Ｏｅ］以下にすることが好ましく、更に好ま
しくは１０［Ｏｅ］から３０［Ｏｅ］程度にするのがよ
く、再生時には記録時の半分以下の磁界を印加するのが
好ましいので、５［Ｏｅ］以上２０［Ｏｅ］以下の発生
磁界で磁化反転させることがより好ましい。

【００９１】このため隣接のメモリ素子から発生する磁
界Ｈｎが１［Ｏｅ］に達した場合、ワード線から発生さ
せる磁界に対して記録時は１０分の１程度、再生時は５
分の１程度の大きさになりえるため録再生時、特には再
生時に誤動作の大きな原因となりえる。隣接のメモリ素
子から発生する磁界Ｈｎが１［Ｏｅ］となる磁性膜間の
距離ｄは、磁性層の膜厚ｔが１００オングストロームの
時に０．１５μｍ、２００オングストロームの時に０．
２５μｍ、３００オングストロームの時に０．３３μｍ
である。さらに他の磁性層膜厚に対しても求めて、磁性
膜間の距離ｄ（μｍ）を磁性層の膜厚ｔ（μｍ）に対し
てプロットすると図１１となり、ｄとｔの関係は（式
３）で表される。

【００９２】（式３）ｄ＝３．３８×ｔ^0.68 このため従来の技術である２層磁性膜の反平行磁化状態
を用いた場合には、磁性層の膜厚が１００オングストロ
ーム以上では磁性膜間の距離ｄを０．１５μｍ以下にす
ると磁化の安定な保存が困難になり、さらに磁性層の膜
厚が２００オングストローム以上では磁性膜間の距離ｄ
が０．２５μｍ以下で、磁性層の膜厚が３００オングス
トローム以上では磁性膜間の距離ｄが０．３３μｍ以下
で安定な記録再生が困難になることがわかる。従って従
来のセル構造では、集積度を上げるためにセル間の幅を
小さくすることが困難となり高集積化が不可能である。

【００９３】これに対して、本発明の磁性薄膜メモリ素
子では、図８（ｃ）に示したように磁性層の膜厚によら
ず隣接セルに漏洩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、本発明
の磁性薄膜メモリは、磁性層の膜厚ｔ（μｍ）と磁性膜
間の距離ｄ（μｍ）との関係が（式４）の場合であって
も隣接セルに漏洩磁界が漏れ出さないため、従来の技術
比較してより大きな効果が得られる。

【００９４】（式４）ｄ＜３．３８×ｔ^0.68 ［記録方法］次に本発明の磁性薄膜メモリ素子を用いた
記録方法の例を示す。本発明のメモリ素子は、図６およ
び図３から図５に示したように５１、５２、５３等の第
１ワード線５および第２ワード線７の２本の電極線が設
けられており、この各線に電流を流せばアンペールの法
則に従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り第２磁性層
が反転出来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。従っ
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。尚、磁化反転の可否は、
磁性層のアステロイド曲線で記述される。

【００９５】尚、第１ワード線と第２ワード線はメモリ
素子によって電気的に連結されている。しかし、例えば
メモリ素子の抵抗を第１ワード線および第２ワード線の
抵抗値にくらべて大きく設定すれば、記録時に第１ワー
ド線の両端および第２ワード線の両端に電流を流しても
メモリセルを通過する電流値は無視できるくらい小さい
ので、上述のような記録を行うことができる。

【００９６】あるいは、上述したようにスイッチング素
子をメモリ素子の片側もしくは両側に設けて選択的に特
定の１メモリセルを選ぶようにすれば、特定の１メモリ
素子の情報を書き換えることが可能である。

【００９７】また、第１ワード線および第２ワード線以
外に、これらと絶縁層を介してさらに別のワード線を同
様に設けて記録を行ってもよい。

【００９８】第２磁性層は、安定に磁化状態を保存する
ことが好ましいので、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好ましく、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
保磁力は決定される。具体的には第２磁性層の保磁力は
５［Ｏｅ］以上で５０［Ｏｅ］以下が好ましい。さらに
好ましくは１０［Ｏｅ］以上で３０［Ｏｅ］以下が好ま
しい。

【００９９】また、保磁力を制御する等の目的で基板の
上に、バッファー層を設けてその上にメモリ素子を形成
してもよい。これは、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。前記バッファー層として、例えばＳｉ
Ｎ等の絶縁材料が好ましい。

【０１００】［再生方法］次に本発明の磁性薄膜メモリ
を用いた再生方法の例を示す。

【０１０１】本発明の磁性薄膜メモリの抵抗値は、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。本発明の磁性薄膜メモリは、保存時は反平
行の磁化状態であるため高い抵抗状態にある。

【０１０２】本発明の磁性薄膜メモリ素子を用いた再生
方法の第１の例を、例えば図３のメモリセル１０２の情
報を読み出す場合を例にとって説明する。

【０１０３】まず第１ワード線の両瑞に電流を流して例
えば図の右方向に磁界を発生させる。この磁界の大きさ
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。この時、第２磁性層に記録された磁化が
右向きの時は、第１磁性層は保存時の左向きから右方向
に反転して第１磁性層と第２磁性層の磁化向きが同じ方
向になり、メモリセルの抵抗値は小さくなる。一方第２
磁性層に記録された磁化が左向きの時は、第１磁性層は
保存時の右向きのままで、第１磁性層と第２磁性層の磁
化向きは反平行であるので、抵抗値は大きい状態のまま
である。

【０１０４】この状態で第１ワード線５２の端部と第２
ワード線６の端部に電圧をかけてメモリセル１０２に電
流を流しメモリセル１０２の抵抗値の大ききを検出すれ
ば、その抵抗の大きさによって第２記録層に保存された
磁化情報を読み出すことができる。

【０１０５】次に再生方法の第２の例を以下に説明す
る。

【０１０６】初めに第１ワード線５２の端部と第２ワー
ド線６の端部に電圧をかけてメモリセル１０２に電流を
流しメモリセル１０２の抵抗値の大きさを検出する。こ
の抵抗は高い抵抗値である。この状態から第１ワード線
５２の両端にも電流を流して、上述と同じく第１磁性層
の磁化が反転できる程度の磁界を発生させる。この際の
抵抗の変化を第１ワード線５２の端部と第２ワード線６
の端部で測定すれば、抵抗の変化の有無によって第２記
録層に保存された磁化情報を読み出すことができる。

【０１０７】上述ではメモリセル１０２の情報を読み出
す場合について記したが、他のセルを読み出す場合も同
じである。

【０１０８】尚、第３磁性層は、第１磁性層の磁化が第
２磁性層と平行になった場合は、第１磁性層および第２
磁性層が磁界印加中で最も安定な状態に磁化配向して安
定化する。また、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好ましく、さ
らに好ましくは３分の１以下がよい。

【０１０９】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、常に一定となっている。従っ
て、本発明の磁気抵抗素子を用いた再生方法は、メモリ
セルの磁化状態が定まっていない従来の磁性薄膜メモリ
を用いた再生方法と比較して、抵抗のばらつきが無くな
るためよりノイズの少なく精度の良い検出が可能であ
る。

【０１１０】本発明の記録再生にはパルス電流を用いる
が、このパルスの時間幅は、長すぎると、アクセス速度
が遅くなったり、消費電力が大きくなる。短すぎると、
適切な記録再生が行われなくなる。このため一回のパル
スの時間幅は、１ｎｓから５００μｓの間にするのが良
く、さらに好ましくは４ｎｓから１００ｎｓの間にする
のがよい。また電流は多く流すと配線材料のエレクトロ
マイグレーションが発生して断線の危険が増し、少ない
場合は良好な記録再生が実現しなくなる場合がある。電
流値は、電線の断面積も考慮して定めることができる
が、通常１０μＡから５００ｍＡの間にすることが好ま
しい。更に好ましくは、５０μＡから１０ｍＡの間にす
ることがよい。

【０１１１】

【実施例】次に本発明の磁性薄膜メモリ素子を作製して
動作を確認した。メモリ素子の成膜および加工はマグネ
トロンスパッタ装置およびフォーカスイオンビーム装置
を用いて行った。スパッタ成膜は、スパッタチャンバー
を５×１０^-5Ｐａの高真空にしたのち、スパッタガスと
してＡｒガスを導入して０．１Ｐａとして、ガラス基板
上に行った。

【０１１２】第１磁性層および第２磁性層の成膜は、長
手方向に磁化容易軸ができるように２００［Ｏｅ］の磁
界を印加しながら行った。

【０１１３】はじめに１ｃｍ角のガラス基板上の全面に
下部電極として膜厚１０μｍのＡｌ膜を成膜した。

【０１１４】次に、第１磁性層としてＮｉ₃₀（Ｆｅ₇₀Ｃ
ｏ₃₀）₇₀薄膜（膜厚５００オングストローム）を成膜し
た。次いでこの第１磁性層上に厚さ３０オングストロー
ムのＡｌ薄膜を成膜した。

【０１１５】次いでスパッタチャンバー内に微量の酸素
を導入して基板側に負の電位を印加して逆スパッタを行
いながらこのＡｌ膜の表面を酸化させ、絶縁層としてＡ
ｌ₂Ｏ₃層を約１５オングストロームで形成した。更にこ
の上に第２磁性層としてＦｅ₃₀Ｃｏ₇₀薄膜（膜厚５００
オングストローム）を成膜した。

【０１１６】さらに上部電極として、Ａｌ膜を５μｍ厚
で成膜した。

【０１１７】各層の膜厚の制御は、スパッタ電力を調整
することで行った。磁性層の元素組成比は、Ｎｉ、Ｆｅ
およびＣｏのターゲットの各々のスパッタ電力を調節す
ることで行った。

【０１１８】次に第１磁性層、絶縁層、第２磁性層およ
び上部電極からなる積層部分のみを０．４μｍ×０．６
μｍの大きさに加工したのち、加工された第１磁性層、
絶縁層および第２磁性層の長さ方向の側面に接するよう
に第３磁性層としてＮｉ₅₀Ｆｅ₅₀を成膜および加工し
て、図１の構成の磁性薄膜メモリ素子を作成した。第３
磁性層は、幅は第１、２磁性層と同じ０．４μｍで、長
さは０．６μｍとし膜厚は１０３０オングストロームと
して側面両側に付け、図１と同じ構成となるようにし
た。

【０１１９】次に、ＳｉＮを成膜し続いてイオンビーム
によるエッチングを行い、第１磁性層、絶縁層および第
２磁性層の周囲に保護膜を形成した。その後、前記の上
部電極と接するように上部端子電極として５ｍｍ角のＡ
ｌ膜を膜厚１０μｍで形成した。

【０１２０】次いで、Ｉｎを用いて下部電極と上部端子
電極の各々にＣｕ線を接続して磁性薄膜メモリ素子を作
成した。

【０１２１】次にこの素子に磁界２５［Ｏｅ］を左向き
に印加して”０”の記録を行った。磁界は素子の長さ方
向に沿った面内方向に印加した。次に電極線に１０μＡ
の電流を流しながら抵抗値を測定しながら同様に左向き
の方向の磁界１０［Ｏｅ］を発生させたところ、抵抗値
が低くなり、磁界を印加するのをやめると抵抗値が元の
大きな値に戻った。右向きに１０［Ｏｅ］を発生させた
ところ、抵抗値に変化は見られなかった。また左向きの
磁界２５［Ｏｅ］を長さ方向の印加して”０”の記録を
行ったのち同様の操作を行ったところ、左向きの弱い磁
界では抵抗値の変化は見られなかったが、右向きの磁界
では抵抗値が低くなるのが観測された。この時の磁気抵
抗比は約７％であった。本実験例により本発明の磁性薄
膜メモリ素子が良好に動作することが確認された。

【０１２２】

【発明の効果】本発明によれば、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を提供することができる。

【０１２３】また、本発明によれば、さらに安定した記
録再生を実現し、非磁性層の製造マージンが広く、再生
時間が短く、ノイズの少ない再生を実現する磁性薄膜メ
モリの記録再生方法提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ
素子の構造断面説明図である。矢印は磁化方向を示す。（ｂ）本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ素子の磁
化状態を詳細に示した断面図である。（ｃ）本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ素子の磁
化状態を上面から詳細に示した説明図である。

【図２】（ａ）本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ
素子の構造断面説明図である。（ｂ）本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ素子の磁
化状態を詳細に示した断面説明図である。（ｃ）本発明の一実施例である磁性薄膜メモリの磁化状
態を上面から詳細に示した説明図である。

【図３】本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ素子の
配列構造を示した立体説明図である。

【図４】本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ素子の
配列構造を示した立体説明図である。

【図５】本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ素子の
配列構造を示した立体説明図である。

【図６】本発明の一実施例である磁性薄膜メモリの全体
図である。

【図７】正方形の形状の磁性体について内部磁界の磁性
体長さＬに対する依存性を示した図である。（ａ）比較
例である単層膜について反磁界Ｈｄを示した図。（ｂ）
比較例である２層膜について１つの層の反磁界Ｈｄから
もう一つの層からの静磁界Ｈｓｔを差し引いたＨｄ−Ｈ
ｓｔを示した図。（ｃ）本発明の磁性薄膜メモリ素子に
ついて示した図。

【図８】面内方向の漏洩磁界Ｈｎの磁性体側面からの距
離ｄに対する依存性を示したものである。（ａ）比較例
である単層膜について反磁界Ｈｄを示した図。（ｂ）比
較例である２層膜について１つの層の反磁界Ｈｄからも
う一つの層からの静磁界Ｈｓｔを差し引いたＨｄ−Ｈｓ
ｔを示した図。（ｃ）本発明の磁性薄膜メモリ素子につ
いて示した図。

【図９】比較例の磁性薄膜メモリ素子の構造断面説明図
である。（ａ）単層磁性膜の磁化状態を示した図。
（ｂ）２層磁性膜の状態を示した図。

【図１０】比較例の従来技術である反平行磁化状態の２
層磁性膜について、キャンセルできない反磁界の大きさ
Ｈｄ−Ｈｓｔが２［Ｏｅ］となる磁性層の長さＬを磁性
層の膜厚ｔに対して示した図。

【図１１】比較例の従来技術である反平行磁化状態の２
層磁性膜について、隣接のメモリ素子から発生する磁界
Ｈｎが１［Ｏｅ］となる磁性膜間の距離ｄを磁性層の膜
厚ｔに対して示した図。

【図１２】巨大磁気抵抗効果を用いた従来の磁性薄膜メ
モリを示す磁性薄膜の断面説明図である。Ｗはワード
線、Ｓはセンス線、Ｉは絶縁層、ＨＭは硬質磁性膜、Ｓ
Ｍは軟磁性膜、ＮＭは非磁性膜を示す。

【図１３】巨大磁気抵抗効果を用いた従来の磁性薄膜メ
モリの記録動作を示す図である。（ａ）、（ｃ）ワード
電流Ｉの時間Ｔ応答を示す図。（ｂ），（ｄ）従来の磁
性薄膜メモリの磁化状態を示す図、ＩＤは電流の向き、
Ｗはワード線、Ｓはセンス線、Ｉは絶縁層、ＨＭは硬質
磁性膜、ＳＭは軟磁性膜、ＮＭは非磁性膜を示す。

【図１４】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。（ａ）、（ｃ）ワード
電流Ｉの時間Ｔ応答を示す図。（ｂ），（ｄ）従来の磁
性薄膜メモリの磁化状態を示す図、ＩＤは電流の向き、
Ｗはワード線、Ｓはセンス線、Ｉは絶縁層、ＨＭは硬質
磁性膜、ＳＭは軟磁性膜、ＮＭは非磁性膜を示す。

【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、５１、５２、５３第１ワード線６第２ワード線９、１０、１１駆動回路領域１０１、１０２、１０３メモリ素子

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１０年７月３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項５

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】また、前記第３磁性層の材料として、Ｇｄ
ＦｅおよびＴｂＦｅからなる群より選ばれる少なくとも
１種の合金を含む金属膜からなることも好ましい。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３８】第３磁性層の材料としては、磁歪定数、磁
気異方性が小さく、第１磁性層、第２磁性層より保磁力
が小さい磁性材料が好ましい。このようなものとしてＮ
ｉおよびＦｅを主要構成成分とする金属膜が挙げられ、
具体的にはＮｉＦｅおよびＮｉＦｅＣｏ等を挙げること
ができる。また、第３磁性層の材料として垂直磁化膜を
用いることも好ましく、ＧｄＦｅ、ＮｄＦｅおよびＴｂ
Ｆｅからなる群より選ばれる少なくとも１種の合金を含
む金属膜等が用いられる。この合金としては、Ｇｄ_ｘＦ
ｅ_{１００−ｘ}およびＴｂ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}等を挙げるこ
とができる。これらの垂直磁化膜については、ｘは元素
組成で１０以上３５以下が好ましい。これらの合金はさ
らにＣｏ等の添加元素を混入させて用いることができ
る。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５５】［第２の実施形態］本発明の磁性薄膜メモ
リの第２の実施形態は、スピン依存散乱により磁気抵抗
効果が生じる磁性薄膜メモリ素子を用いる。このスピン
依存散乱による磁気抵抗効果は、例えば図１または図２
に示す様に第１磁性層／非磁性層／第２磁性層の構造に
おいて、非磁性層には良導体である金属層を用いる。こ
のスピン依存散乱により磁気抵抗効果は、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。
即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。一方、前記の非磁性
層を介した各磁性層が反強磁性配列となった場合、いず
れのスピンを持つ伝導電子も反対方向のスピンを持った
磁性原子によって同等に散乱されるために前記の場合の
抵抗値よりも大きくなる。そして再生時に電流を膜面に
対して垂直に流すＣＰＰ−ＭＲ効果を用いる。このＣＰ
Ｐ−ＭＲは膜面に平行に電流を流すＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅ
ｎｔＩｎｐｌａｎｅｔｏｔｈｅｆｉｌｍＰｌａ
ｎｅ）−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る信号検出感度を
高くすることができる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、膜面内の一方向に磁化配向し
低い保磁力を有する第１磁性層と、この第１磁性層の磁
化配向と平行または反平行に磁化配向し高い保磁力を有
する第２磁性層と、この第１磁性層と第２磁性層との層
間に設けられた非磁性層とを有し、この第１磁性層から
第２磁性層までの積層構造の層方向の電気抵抗が、前記
第１磁性層の磁化方向とこの第２磁性層の磁化方向が平
行のときは低い抵抗値を示し、反平行のときは高い抵抗
値を示す磁気抵抗素子を用いた磁性薄膜メモリ素子であ
って、前記第１磁性層および第２磁性層と共に前記非磁
性層を囲むように前記第１磁性層および第２磁性層に接
して第３磁性層が設けられ、外部磁界が０のときには前
記第１磁性層の磁化方向と前記第２磁性層の磁化方向が
反平行状態を示して第１磁性層、第２磁性層および第３
磁性層によりこの非磁性層を囲む閉磁路を構成すること
を特徴とする磁性薄膜メモリ素子。
【請求項２】前記第１磁性層および第２磁性層の長さ
Ｌ（μｍ）（磁化方向）と第１磁性層および第２磁性層
の膜厚ｔ（μｍ）との関係が（式１）で表されることを
特徴とする請求項１記載の磁性薄膜メモリ素子。（式１）Ｌ＜３０×ｔ
【請求項３】前記磁性薄膜素子を複数個配列したとき
に、隣接する磁性薄膜素子の第２磁性層間の距離ｄ（μ
ｍ）と第１磁性層および第２磁性層の膜厚ｔ（μｍ）と
の関係が（式２）で表されることを特徴とする請求項１
記載の磁性薄膜メモリ素子。（式２）ｄ＜３．３８×ｔ^0.68
【請求項４】前記第３磁性層は、ＮｉおよびＦｅを主
要構成成分とする金属膜からなることを特徴とする請求
項１記載の磁性薄膜メモリ素子。
【請求項５】前記第３磁性層は、ＧｄＦｅ、ＮｄＦｅ
およびＴｂＦｅからなる群より選ばれる少なくとも１種
の合金を含む金属膜からなることを特徴とする請求項１
記載の磁性薄膜メモリ素子。
【請求項６】前記第３磁性層は、絶縁性材料からなる
ことを特徴とする請求項１記載の磁性薄膜メモリ素子。
【請求項７】前記絶縁材料は、一般式ＭＦｅ₂Ｏ₄（但
し、ＭはＮｉ、Ｃｏ、ＭｇまたはＭｎを表す。）で表さ
れる化合物であることを特徴とする請求項６記載の磁性
薄膜メモリ素子。
【請求項８】前記非磁性層が絶縁膜で形成され、第１
磁性層と第２磁性層のスピン依存トンネリングにより磁
気抵抗効果が生じることを特徴とする請求項１記載の磁
性薄膜メモリ素子。
【請求項９】前記非磁性層は、ＡｌＯ_x、ＡｌＮ_x、Ｓ
ｉＯ_x、ＳｉＮ_xおよびＮｉＯ_xからなる群より選ばれる
少なくとも１種の化合物からなることを特徴とする請求
項８記載の磁性薄膜メモリ素子。
【請求項１０】前記非磁性層の膜厚は４オングストロ
ーム以上２５オングストローム以下である請求項９記載
の磁性薄膜メモリ素子。
【請求項１１】マトリックス状に配列された請求項１
記載の複数の磁性薄膜メモリ素子と、縦（または横方
向）に並ぶ複数の磁性薄膜メモリ素子の第２磁性層（ま
たは第１磁性層）に接続される第１ワード線と、この第
１ワード線と交差する方向に並ぶ複数の磁性薄膜メモリ
素子の第１磁性層（または第２磁性層）に接続される第
２ワード線とを有し、各磁性薄膜メモリ素子が第１ワー
ド線および第２ワード線により挟まれていることを特徴
とする磁性薄膜メモリ。
【請求項１２】マトリックス状に配列された請求項１
記載の複数の磁性薄膜メモリ素子と、縦（または横方
向）に並ぶ複数の磁性薄膜メモリ素子の第２磁性層（ま
たは第１磁性層）に接続される第１ワード線と、この第
１ワード線と交差する方向に並ぶ複数の磁性薄膜メモリ
素子の第１磁性層（または第２磁性層）に接続される第
２ワード線とを有し、各磁性薄膜メモリ素子が第１ワー
ド線および第２ワード線により挟まれている磁性薄膜メ
モリの記録方法であって、前記第１ワード線と第２ワード線に電流を流し、この電
流により生じる合成磁界により前記第２磁性層の磁化方
向を定め、前記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１３】請求項１２記載の方法によって記録さ
れた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、前記メモリ素子の第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
変化を検出することを特徴とする磁性薄膜メモリの再生
方法。