JPH11213650A - 磁性薄膜素子および磁性薄膜メモリ素子およびその記録再生方法 - Google Patents

磁性薄膜素子および磁性薄膜メモリ素子およびその記録再生方法

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JPH11213650A JP10015633A JP1563398A JPH11213650A JP H11213650 A JPH11213650 A JP H11213650A JP 10015633 A JP10015633 A JP 10015633A JP 1563398 A JP1563398 A JP 1563398A JP H11213650 A JPH11213650 A JP H11213650A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 微細化可能で情報が安定に保存できる巨大磁
気抵抗メモリの提供。 【解決手段】 垂直磁化膜／非磁性層／垂直磁化膜で磁
気抵抗膜を構成する。非磁性層として良導体を用いた場
合は、スピン散乱型素子として、絶縁膜を用いた場合は
スピントンネル型素子として機能する。この磁性薄膜素
子においては、垂直磁化膜を用いているため、磁性薄膜
の幅を小さくしても反磁界が大きくなることは無く、安
定に磁化保存することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は巨大磁気抵抗（ＧＭ
Ｒ）効果を利用した磁性薄膜素子及びその応用に関する
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
稼働部のない固体メモリであるが、電源が断たれても情
報を失わない、繰り返し書換回数が無限回、放射線が入
射すると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８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
モリーが提案されている。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、このワード線電流及びセンス線電流によって
発生する磁界により情報を書き込みを行う。
【０００４】具体的には図９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右向きの磁界を発
生させて同図（b）に示すように硬質磁性膜ＨＭに
“１”の記録を行い、同図（ｃ）に示すように負の電流
を流して左向きの磁界を発生させて同図（ｄ）に示すよ
うに硬質磁性膜ＨＭに“０”の記録を行う。
【０００５】情報の読み出しは図１０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Ｓ
Ｍ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、その時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。図１０
（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になり、メモリー状態
“１”に対しては、同図（ｂ）の様に小さい抵抗値から
同図（ｃ）の様に大きい抵抗値に変化し、メモリー状態
“０”に対しては、同図（ｄ）の様に大きい抵抗値から
同図（ｅ）の様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とれば、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、メモリ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同時に情報の
保存を行うことができず、高集積化が不可能であると行
った欠点を有していた。
【０００７】本発明は、これらの点に鑑み、微細化する
際に問題となる磁性薄膜の磁化の不安定性の発現を無く
した磁気抵抗効果を有する磁性薄膜素子を提供すること
にある。また、情報保存の安定性の高い、高集積化可能
な磁性薄膜メモリ素子の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の磁性薄膜素子
は、低い保磁力を有する垂直磁化膜からなる第１磁性層
と、高い保磁力を有する垂直磁化膜からなる第２磁性層
が、非磁性層を介して積層されてなる磁気抵抗膜で、該
磁気抵抗膜の抵抗値が、第1磁性層のスピンと第2磁性層
のスピンが同じ向きの場合と異なる向きの場合とで、異
なることを特徴とする。
【０００９】係る特徴によれば、反磁界を減少でき、素
子を微細化しても安定した情報の保存ができる。
【００１０】また、前記磁性薄膜素子の非磁性層が良導
体であることを特徴とする。
【００１１】かかる特徴によれば、大きな磁気抵抗比が
得られ、より高い再生信号のＳ／Ｎ比が得られる。
【００１２】また、前記磁性薄膜素子の非磁性層が絶縁
体であることを特徴とする。
【００１３】かかる特徴によれば、スピントンネル型の
素子を構成できるため、Ｃ／Ｎ比が良好な再生信号を得
ることができる。
【００１４】また、前記磁性薄膜素子を用いた磁気セン
サであることを特徴とする。
【００１５】かかる特徴によれば、検出感度の高いセン
サを提供できる。
【００１６】また、磁性薄膜素子を用いた磁気ヘッドで
あることを特徴とする。
【００１７】かかる特徴によれば、検出感度の高い磁気
ヘッドを提供できる。
【００１８】また、前記磁気抵抗膜と、該磁気抵抗膜上
に絶縁体を介して設けられた良導体からなる書込み線と
を有する磁性薄膜メモリ素子であることを特徴とする。
【００１９】かかる特徴によれば、簡単な構成で磁性抵
抗膜に情報の書き込みが行える。
【００２０】また、前記磁性薄膜メモリ素子において、
前記書込み線が、前記磁気抵抗膜の側面に複数個設けら
れていることを特徴とする。
【００２１】かかる特徴によれば、書き込み時に大きな
磁界を発生できるため安定した書き込みが可能となる。
【００２２】また、前記磁性薄膜メモリ素子において、
前記第１磁性層のスピンの向きによって情報を保存し、
前記第２磁性層のスピンは、記録再生時に同じ方向を維
持することを特徴とする。
【００２３】かかる特徴によれば、抵抗値の絶対値を検
出すれば情報の再生が可能となるため、磁化反転を行わ
ずに情報の再生が可能であり、高速且つ低消費電力での
再生が可能となる。
【００２４】また、前記磁性薄膜メモリ素子において、
前記書込み線に電流を流し該電流により生じる磁界によ
り前記第１磁性層のスピン方向を定め、前記書込み線の
電流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。
【００２５】かかる特徴によれば、情報の再生時に、抵
抗値の絶対値を検出すればよいため、磁化反転を行わず
に情報の再生が可能であり、高速且つ低消費電力での再
生が可能となる。
【００２６】また、前記磁性薄膜メモリ素子において、
前記第２磁性層のスピンの向きによって情報を保存する
ことを特徴とする。
【００２７】かかる特徴によれば、抵抗値の変化を検出
することにより情報を再生できるため、微分検出法等を
用いて検出感度の高い再生を行うことができる。
【００２８】また、前記磁性薄膜メモリ素子において、
前記書込み線に電流を流し該電流により生じる磁界によ
り前記第２磁性層のスピン方向を定め、前記書込み線の
電流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。
【００２９】かかる特徴によれば、情報の再生時に、抵
抗値の変化を検出することにより情報の再生が行えるた
め検出感度の高い再生が可能となる。
【００３０】また、前記磁性薄膜メモリ素子において、
前記磁気抵抗膜の抵抗値を検出して第１磁性層に記録し
た情報を読み込むことを特徴とする。
【００３１】かかる特徴によれば、時間反転させること
なく情報の再生が可能であり、高速且つ低消費電力な再
生が行える。
【００３２】また、前記磁性薄膜メモリ素子において、
再生時に書込み線に流した電流により生じる磁界によ
り、前記第１磁性層のみのスピン方向が反転することに
より生じる抵抗変化を利用して第２磁性層に記録した情
報を読み込むことを特徴とする。
【００３３】かかる特徴によれば、微分検出法等を用い
て検出感度の高い再生が可能となる。
【００３４】また、前記磁性薄膜メモリ素子が基板面上
にマトリックス状に配列されており、前記磁気抵抗膜の
端部が電界効果トランジスタもしくはダイオードからな
る半導体素子に電気的に接続している磁性薄膜メモリで
あることを特徴とする。
【００３５】かかる特徴によれば、高集積なメモリモジ
ュールを得ることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】本発明に関わる磁性薄膜素子にお
いては、垂直磁化膜を用いているため、磁性薄膜の幅を
小さくしても反磁界が大きくなることは無く、安定に磁
化保存することができる。このため情報保存の安定性の
高い、高集積化可能な磁性薄膜素子および磁性薄膜メモ
リ素子の実現することが可能となる。
【００３７】
【実施例】本発明の実施例を、図面を用いてより詳細に
説明する。
【００３８】（実施例１）図1は、本発明の磁性薄膜素
子の構成の例を示したものである。図に示したように、
本発明の磁性薄膜素子は、保磁力が低い第1磁性層と保
磁力が高い第2磁性層からなり、第1磁性層と第2磁性層
は垂直磁化膜である。矢印は磁化、詳しくは磁化を形成
するスピンの方向を示しており、(a)は第1磁性層と第2
磁性層のスピンの向きが平行な場合、(b)は反平行な場
合を示している。
【００３９】第1磁性層及び第2磁性層の材料としては、
例えば希土類元素と鉄族遷移元素(RE-TM)の合金である
フェリ磁性膜、酸化物磁性膜であるガーネット膜、希土
類元素と鉄族遷移元素(RE/TM)の人工格子膜、PtCo、PdC
oなどの垂直磁化を示す磁性材料が挙げられる。
【００４０】RE-TM材料としては、GdFe、GdFeCo、TbF
e、TbFeCo、DyFe、DyFeCoなどが容易に垂直磁化を示す
ので良い。これらの磁性膜の中でGdFe，GdFeCoは保磁力
を小さくすることができるので、第１磁性層の材料とし
てより望ましい。また第２磁性層の材料としては、TbF
e、TbFeCo、DyFe、DyFeCoなどが保磁力を高くすること
ができるので望ましいが、電流によって発生する磁界に
より磁化反転を起こさせる場合には、これらの材料では
保磁力が高すぎて必要な電流値が大きくなりすぎる場合
があるのでGdFe、GdFeCoなどを用いて第1磁性層よりも
保磁力が大きくなるように組成を調節することが良い。
【００４１】本発明の磁性薄膜素子は、第１磁性層と第
２磁性層のスピンの向きが平行の場合と反平行の場合と
で抵抗値が異なることを特徴とする。例えば図１(a)に
示したように第１磁性層と第２磁性層のスピンの向きが
平行の場合には抵抗値が低く、図１(b)に示したように
第１磁性層と第２磁性層のスピンが反平行の場合には抵
抗値が大きい。
【００４２】これをさらにRE-TM材料を例に図２を用い
て具体的に説明する。図２では、白枠の矢印を希土類元
素と鉄族元素の磁化の差である正味の磁化の方向、黒矢
印を鉄族遷移元素の磁化方向として示している。磁性膜
が重希土類元素と鉄族遷移元素からなるフェリ磁性膜の
場合には、それぞれの元素の副格子磁化は逆向きとなっ
ている。このうち希土類元素の磁性は４ｆ電子が起因し
て発生している。しかし、この４ｆ電子は内殻の奥深く
に入っているため、電気伝導にはあまり寄与しない。と
ころで、鉄族遷移元素の磁性の発生に寄与する３ｄ電子
は、外殻に近いため一部伝導電子となっている。このた
め、スピンの向きの相違による磁気抵抗は、鉄族遷移元
素のスピンにより影響を受けやすい。このため磁気抵抗
に起因するスピンの向きとしては鉄族元素のスピンの向
きを見ればよい。例えば図２(a)に示したように、鉄族元
素の磁気モーメントが第1磁性層と第2磁性層とで平行の
場合には抵抗が小さく、図2（b）で示したように反平行
の場合には抵抗が大きい。
【００４３】なお、図２では、各磁性層の正味の磁化と
鉄族元素の磁化が同じ向きを向いている鉄族元素リッチ
（ＴＭリッチ）の場合を示したが、例えば第1磁性層を
希土類元素リッチ（ＲＥリッチ）、第2磁性層をＴＭリ
ッチとしても良く、逆の構成としてもよい。
【００４４】本発明の磁性薄膜素子は、垂直磁化膜から
なっているため、従来の面内磁化膜からなる素子と比較
した場合、微細化した際に磁化の安定性に大きな差が生
じる。具体的には、従来より知られているＮｉＦｅ/Ｃｕ
/Ｃｏなどの磁気抵抗膜で構成した場合、飽和磁化の大き
さは８００emu/cc程度以上あり、素子の幅がサブミクロ
ン程度になると、膜端面の磁極が近づいて反磁界が増加
し、これによってスピンは膜端面で回転し、側面に平行
に配向するようになる。これに対して垂直磁化膜の場合
には、反磁界エネルギーは垂直磁気異方性定数より小さ
く、このため飽和磁化の大きさは大きくても３００emu/
cc程度以下に抑えられており、素子の幅が小さくなって
も膜端面の磁極が近づくことはなく反磁界が増加しな
い。したがって、サブミクロン幅でも十分安定に磁化を
保存することができる。このため例えばメモリ素子に応
用する場合には、集積度が飛躍的に高めることが可能と
なる。
【００４５】（実施例２）本発明の磁性薄膜素子の一例
は、第1磁性層と第2磁性層間の非磁性層を良導体とする
ものである。これを以下ではスピン散乱型の素子と呼
ぶ。この良導体は第1磁性層、第2磁性層よりも伝導率が
高いものが望ましく、一例としてＣｕが挙げられる。
【００４６】Ｃｕを主成分として用いると、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
５Å以上６０Å以下であることが望ましい。
【００４７】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、もしくは第１磁性層と非磁性層
の間および第２磁性層と前記非磁性層の間に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比が得られるため望ましい。この場
合のＣｏを主成分とする層の厚みは５Å以上で２０Å以
下が好ましい。
【００４８】第１磁性層の膜厚は、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２００Å以下であることが望
ましい。さらに好ましくは１５０Å以下が良い。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
が減少してしまい、また磁化を保持できなくなるので、
２０Å以上が望ましく、さらには８０Å以上が望まし
い。
【００４９】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２００Å以下であるこ
とが望ましい。さらに好ましくは１５０Å以下が良い。
しかし、あまり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てしまい、また磁化を保持できなく
なるので、２０Å以上が望ましく、さらには８０Å以上
が望ましい。
【００５０】また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良い。積層する
組数は多い程ＭＲ比が大きくなり好ましいが、余り多く
するとＭＲ磁性層が厚くなり電流を多く必要とする。こ
のため、積層の回数は４０組以下、さらに好ましくは３
〜２０組程度に設けられるのが好ましい。
【００５１】（実施例３）本発明の磁性薄膜素子の他の
例は、第1磁性層と第2磁性層間の非磁性層を絶縁層とす
るスピントンネル膜構成を呈するものである。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おきるようにする。
【００５２】このようなスピントンネル型の素子は先述
したスピン散乱型の素子に比べ、磁気抵抗比が大きいた
めＳ／Ｎが良好な再生信号を得ることができる。
【００５３】本発明のスピントンネル型の磁性薄膜メモ
リ素子は、強磁性体／絶縁体／強磁性体からなる強磁性
トンネル接合を形成しており、強磁性体の伝導電子はそ
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。これにより、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。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望ましい。具体的には
第１磁性層と第２磁性層は、フェルミ面における上下ス
ピンの偏極量が大きいＦｅを主成分として選定し、Ｃｏ
を第２成分として選定してなる。
【００５４】本発明の磁性薄膜素子の第１磁性層及び第
２磁性層の膜厚は、１００Å以上、５０００Å以下であ
ることが望ましい。これは、第１に絶縁体として酸化物
を用いる場合、酸化物の影響で磁性層の酸化物側の界面
の磁性が弱まるため膜厚が薄い場合には磁性が弱まる部
分の膜中に対する支配率が大きくなり、膜の磁性に悪影
響を及ぼすからである。第２に、特にサブミクロンにメ
モリ素子を微細化した場合、第１磁性層、第2磁性層の
体積が小さくなるため、それに応じて各層の垂直磁気異
方性エネルギーが低下し、各層の磁化の保持機能が低下
するからである。また膜厚が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、５０００Å以下
が望ましくより望ましくは１０００Å以下が良い。
【００５５】上述のように本発明の磁性薄膜素子はスピ
ントンネリングによる磁気抵抗効果を用いるため、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、
絶縁層でなければならない。非磁性膜の全部が絶縁層で
あっても、その一部が絶縁層であってもよい。非磁性金
属膜を酸化させた酸化層を利用した例としては、Ａｌ膜
の一部を空気中もしくは真空中でプラズマ酸化により酸
化させてＡｌ2Ｏ3層を形成する例が挙げられる。他に、
窒化アルミニウムＡｌＮｘ，酸化シリコンＳｉＯｘ，窒
化シリコンＳｉＮｘ、ＮｉＯｘが例として挙げられる。
好ましくは、酸化アルミニウムＡｌＯｘがよい。またこ
れは、スピントンネルがおきるには、第１磁性層と第２
磁性層の伝導電子のエネルギーに、適切なポテンシャル
バリアーが存在することが必要であるが、上述の材料で
は、このバリアーを得ることが比較的容易で、製造上も
有利であるからである。
【００５６】また、前記非磁性層は数１０Å程度の均一
な層であって、その絶縁部分の膜厚は５Å以上３０Å以
下であることが望ましい。これは、５Å未満である場
合、第１磁性層と第２磁性層が電気的にショートしてし
まう可能性があるからであり、３０Åを超える場合、電
子のトンネル現象が起きにくくなるからである。さら
に、望ましくは、４Å以上２５Å以下であることが望ま
しい。より望ましくは６Å以上１８Åがよい。
【００５７】（実施例４）本発明の磁性薄膜素子の応用
の一つとして、メモリ素子への応用がある。これは、磁
化の向きによって“０”、“１”の情報を記録し、抵抗
の差によって読み出すものである。
【００５８】図３は、このメモリ素子の概略図を示した
ものである。“０”、“１”の磁化情報は、第１磁性層
もしくは第２磁性層のスピン方向が上向きもしくは下向
きかのどちらかに対応して記録される。第１磁性層、第
２磁性層のどちらの層に情報を保存するかは後述する素
子の構成によって異なる。本発明の磁性薄膜メモリ素子
への記録は、図３に示すように第１、２磁性層の近傍に
置かれた書込み線に電流を流し、それによって発生する
磁界によって第１磁性層もしくは第２磁性層の磁化を反
転させて行う。図３では紙面に向かって電流を流した場
合を示しているが、逆に流せば逆向きの磁界が発生しス
ピンの向きを逆向きにすることができる。情報を第１磁
性層、第２磁性層のどちらに記録するかは、後述するよ
うに媒体のタイプによって異なる。書込み線と磁気抵抗
膜の間には図示していないが絶縁膜が設けられている。
絶縁膜を設けるのは、書込み線と磁気抵抗膜が電気的に
接続されるのを防ぐためである。これは、再生時に磁性
薄膜素子に流す電流が書込み線に洩れて再生信号が劣化
することを防ぐなどのために必要である。
【００５９】この磁気抵抗膜は、前述のように第１磁性
層１１のスピンと第２磁性層１２のスピンが、平行の時
は低い抵抗値を示し、反平行の時は高い抵抗値を示す。
このため、後述するように磁気抵抗膜の抵抗値もしくは
その変化の検出によって記録されたデジタル情報を検出
することができる。
【００６０】上述の書込み線は、磁気抵抗膜に垂直に磁
界がかかるように、電流を流すことができるようにす
る。このためには、書込み線は、膜面と平行に電流が流
れるように配置することがよい。また、書込み線と磁気
抵抗膜の間隔は、長い場合は十分な磁界を印加すること
ができず、短い場合は、書込み線と磁気抵抗膜の間で絶
縁破壊が生じたりトンネル電流が流れたりするので、少
なくとも１０Å以上1μｍ以下で、望ましくは、５０Å以
上１０００Å以下とするのがよい。
【００６１】（実施例５）本発明の磁性薄膜メモリ素子
の第１のタイプは、「メモリ層(第１磁性層)／非磁性層
／ピン層（第２磁性層）」とする構成である。これは、
第１磁性層を磁化情報が保存されるメモリ層、第２磁性
層を保存時、記録時、再生時のいずれの状態でも常に決
められた一定の方向に磁化が配向したピン層とする。図
１はこの場合の構成の記録状態の例を示したものであ
る。“０”、“１”のデータを、第１磁性層の磁化の上
向き（図1（a））、下向き（図1（ｂ））にそれぞれ対
応させる。記録は前述したように書込み線に流す電流に
よる発生磁界によって第１磁性層の磁化を反転させて行
う。こうすれば、“０”のときは抵抗値が小さく、
“１”の場合は抵抗値が大きくなるので、再生時は磁性
層の磁化反転は行わずに抵抗の絶対値で情報の検出を行
うことができる。このため、再生時に抵抗値の変化を検
出するための磁化反転を行う必要がなく、高速で、か
つ、小さい消費電流で再生を行うことができる。
【００６２】なお、上述では第2磁性層のスピンの向き
を上向きとしたが、下向きでもよく、また、“０”、
“１”のデータを第1磁性層の磁化の向きを下向き、上
向きに対応させても良い。
【００６３】また、第1磁性層、第２磁性層ともに磁性
材料としては、前述のRE-TM材料を用いることができる
が、ピン層である第２磁性層は、特に保磁力が高いTbF
e,TbFeCo,DyFe,DyFeCoなどが望ましい。また、第２磁性
層にＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ，ＮｉＯなどの反強磁性材料を
非磁性層界面と反対側に設けて第２磁性層の保磁力を高
めてもよい。
【００６４】第1磁性層の保磁力は低すぎると、メモリ
性能が劣化し、高すぎると記録電流が大きくなるので、
５Oe以上で５０Oe以下が望ましい。第２磁性層の保磁力
は低すぎると記録再生時に磁化反転する恐れが生じ、高
すぎるとスピンを一方向に配向させる初期化作業が困難
であるため、２０Oe以上で２０ｋOe以下にすることが望
ましい。また、第1磁性層の保磁力は第2磁性層の保磁力
の半分程度にすることが望ましい。
【００６５】（実施例６）本発明の磁性薄膜メモリ素子
の第２のタイプは、「検出層(第１磁性層)／非磁性層／
メモリ層（第２磁性層）」とする構成である。これは、
第２磁性層を磁化情報が保存されるメモリ層として、保
磁力の小さい第１磁性層は、第２磁性層に保存された磁
化情報を、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。図５には、このタイプの記録再生時
の磁化構造の例を示している。図５では、“０”、
“１”のデータを、第２磁性層の磁化の上向き（図５
（１a））、下向き（図５（１ｂ））にそれぞれ対応さ
せる。記録は記録電流による発生磁界によって第２磁性
層の磁化を反転させて行う。
【００６６】再生は、書込み線に記録時よりも弱い電
流、もしくは後述するように書込み線を２個設けて１本
の書込み線にのみ電流を流すなどして、記録時よりも小
さい磁界を発生させて、メモリ層の磁化は反転させずに
検出層の磁化のみを反転させる。例えば、“０”を記録
した場合は、図５の（1a）の状態から(2a)の状態に、ま
たはこの逆に、“１”を記録した場合は(1b)の状態から
(2b)の状態に、またはこの逆に変化させる。こうすれ
ば、抵抗値が“０”の場合は小から大へ、“１”の場合
は大から小に変化するので、抵抗値変化により記録情報
を検出することができる。この方式では、抵抗値の絶対
値を検出する方式に比べ、微分検出法等を用いて微少な
信号変化でも検出できるため、検出感度のよい再生を行
うことができる。
【００６７】なお、“０”、“１”のデータを第２磁性
層の磁化を下向き、上向きに対応させても良い。
【００６８】第1磁性層、第２磁性層ともに磁性材料と
しては、前述のRE-TM材料を用いることができるが、ど
ちらの層も記録再生時に磁化反転させるため、より保磁
力の低いGdFe,GdFeCoなどが望ましい。
【００６９】第1磁性層の保磁力は低すぎると、再生信
号が劣化し、高すぎると再生電流が大きくなるので、２
Oe以上で２０Oe以下が望ましい。第２磁性層の保磁力は
低すぎるとメモリ性能が劣化し、高すぎると記録電流が
高くなるので、５Oe以上で５０Oe以下にすることが望ま
しい。また、第1磁性層の保磁力は第2磁性層の保磁力の
半分程度にすることが望ましい。
【００７０】（実施例7）書込み線は、図４に示したよ
うに磁気抵抗膜の近傍に２個以上置くと、それぞれの書
込み線から発生する磁界が合算され、より大きな磁界を
発生されることが可能となる。
【００７１】また、上述の「検出層(第１磁性層)／非磁
性層／メモリ層（第２磁性層）」とする構成で、再生時
に記録時よりも弱い磁界を発生させるため、再生時には
一つの書込み線に電流を流し、記録時に２つの書込み線
に電流を流すようにすれば、再生時と記録時の電流マー
ジンを広げることができ、再生時に誤記録することなく
安定に動作させることができる。
【００７２】（実施例８）1つのメモリチップにおいて
数100Ｍバイトもしくは数Ｇバイトの容量を達成する場
合には、本発明の磁性薄膜素子からなる1ビットのメモ
リセルを数多く配列してマトリックス構成にし、全体の
メモリを構成する。この場合、各セルに対して独立に書
き込みを実行するために、各セルに対して書込み線及び
選択トランジスタを設けると集積度が低くなるため、書
込み線は複数のセルに共通に設けるのが良い。
【００７３】しかし、このような構成では書込み線に電
流を流した場合、複数のメモリセルに同時に磁界が印加
されてしまう。よって記録しようとするメモリセル自体
に電流を流すなどして、一つのメモリセルのみを磁化反
転させることが可能な構成とする必要がある。これには
再生時にメモリセルに独立に電流を流すために設けられ
ている電界効果トランジスタなどのアクティブ素子を利
用すればよい。こうすれば書込み線近傍の多数あるメモ
リセルのうち、一つのみを選択して電流を流すことがで
きる。この電流は、再生時の電流路と同じにすることが
でき、書込み線に流れる電流路と垂直であるため、そこ
から流れる電流から発生する磁界は、書込み線から発生
する磁界と垂直となっているので、アクティブ素子で選
択したメモリセルだけは他のメモリセルよりも大きな合
成磁界が加わり磁化反転ができる。
【００７４】図６、７には、このような例として、磁性
薄膜素子の一端をトランジスタに接続し、他端は電源電
圧VDDに接続した例を示している。磁気抵抗膜の端部に
は、図６、７には図示していないが、それぞれ良導体か
らなる読み込み線が接続されており、この間の抵抗変化
を測定することができるように、センス回路等が接続さ
れる。磁気抵抗膜近傍にはSiO2、SiNxなどからなる絶縁
体を介して書込み線を設ける。また書込み線は紙面垂直
に置かれ、図示していない他のメモリセルの書込みにも
用いられる。なお、再生電流路が図６は面内方向（水平
方向）の場合、図７は垂直方向の場合である。前述のス
ピントンネル型の素子の場合は、図７のような構成とす
る。スピン散乱型の場合は、どちらでもよいが、図７の
ように膜面垂直に流す場合には抵抗の絶対値が小さくな
るので、図６のように面内方向に電流路を持たせるのが
良い。
【００７５】また、「検出層(第１磁性層)／非磁性層／
メモリ層（第２磁性層）」の構成においても、再生時に
は上述の記録時と同様に特定のメモリセルの磁性薄膜素
子に磁界を印加して検出層を磁化反転させることができ
る。これによって抵抗値変化が生じ、その変化はセンス
回路によって増幅されて検出される。こうして多数ある
メモリセルの中から、特定のメモリセルの情報を読むこ
とができる。
【００７６】また、「メモリ層(第１磁性層)／非磁性層
／ピン層（第２磁性層）」の構成の場合には、抵抗の絶
対値を検出するので、アクティブ素子で選択した素子の
抵抗をセンス回路によって増幅されて検出すればよい。
【００７７】尚、上述の実施例で説明した磁性薄膜素
子、磁性薄膜メモリ素子を磁気センサやハードディスク
などの磁気ヘッドに利用してもよい。
【００７８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁性薄膜
素子は、垂直磁化膜を用いた巨大磁気抵抗素子、スピン
トンネル素子であるため、サイズがサブミクロン程度に
小さくなっても安定にスピン状態を保持することができ
る。よって、より高い集積度のメモリが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1実施例を示す図
【図２】図1図示の磁性薄膜素子において、材料にＲＥ
−ＴＭ材料を用いた場合のスピンの状態を説明する図
【図３】図1図示の磁性薄膜素子への書き込み動作を説
明する図
【図４】書き込み線を複数配置した図
【図５】本発明の磁性薄膜メモリ素子の他の形態を説明
する図
【図６】本発明の磁性薄膜メモリ素子をモジュール化し
た構成を説明する図
【図７】本発明の磁性薄膜メモリ素子をモジュール化し
た他の構成を説明する図
【図８】従来構成を示す図
【図９】従来構成の書き込み動作を説明する図
【図１０】従来構成の再生動作を説明する図

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 低い保磁力を有する垂直磁化膜からなる
    第１磁性層と、高い保磁力を有する垂直磁化膜からなる
    第２磁性層が、非磁性層を介して積層されてなる磁気抵
    抗膜であって、該磁気抵抗膜の抵抗値が、第1磁性層の
    スピンと第2磁性層のスピンが同じ向きの場合と異なる
    向きの場合とで、異なることを特徴とした磁性薄膜素
    子。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の非磁性層が良導体である
    ことを特徴とする磁性薄膜素子。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の非磁性層が絶縁体である
    ことを特徴とする磁性薄膜素子。
  4. 【請求項４】 請求項１の磁性薄膜素子を用いた磁気セ
    ンサ。
  5. 【請求項５】 請求項１の磁性薄膜素子を用いた磁気ヘ
    ッド。
  6. 【請求項６】 請求項１記載の磁気抵抗膜と、該磁気抵
    抗膜上に絶縁体を介して設けられた良導体からなる書込
    み線とを有することを特徴とする磁性薄膜メモリ素子。
  7. 【請求項７】 請求項６記載の磁性薄膜メモリ素子にお
    いて、前記書込み線が、前記磁気抵抗膜の側面に複数個
    設けられていることを特徴とする磁性薄膜メモリ素子。
  8. 【請求項８】 請求項６記載の磁性薄膜メモリ素子にお
    いて、前記第１磁性層のスピンの向きによって情報を保
    存し、前記第２磁性層のスピンは、常に同一方向を維持
    することを特徴とする磁性薄膜メモリ素子。
  9. 【請求項９】 請求項６記載の磁性薄膜メモリ素子にお
    いて、前記第２磁性層のスピンの向きによって情報を保
    存することを特徴とする磁性薄膜メモリ素子。
  10. 【請求項１０】 請求項６記載の磁性薄膜メモリ素子が
    基板面上にマトリックス状に配列されており、前記磁気
    抵抗膜の端部が電界効果トランジスタもしくはダイオー
    ドからなる半導体素子に電気的に接続していることを特
    徴とする磁性薄膜メモリ。
  11. 【請求項１１】 請求項８記載の磁性薄膜メモリ素子に
    おいて、前記書込み線に電流を流し該電流により生じる
    磁界により前記第１磁性層のスピン方向を定め、前記書
    込み線の電流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。
  12. 【請求項１２】 請求項８記載の磁性薄膜メモリ素子に
    おいて、前記磁気抵抗膜の抵抗値を検出して第１磁性層
    に記録した情報を読み込むことを特徴とする磁性薄膜メ
    モリの再生方法。
  13. 【請求項１３】 請求項９記載の磁性薄膜メモリ素子に
    おいて、前記書込み線に電流を流し該電流により生じる
    磁界により前記第２磁性層のスピン方向を定め、前記書
    込み線の電流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。
  14. 【請求項１４】 請求項９記載の磁性薄膜メモリ素子に
    おいて、再生時の書込み電流により生じる磁界により、
    前記第１磁性層のみのスピン方向が反転することにより
    生じる抵抗変化を利用して第２磁性層に記録した情報を
    読み込むことを特徴とする磁性薄膜メモリの再生方法。
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