JPH113585A - 磁性薄膜メモリ素子およびその記録再生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 保存時においては磁化安定性が高く、記録時
においては弱い磁界でも磁化反転し消費電力が小さく、
安定した記録再生ができ、高集積化が可能な磁性薄膜メ
モリ素子を提供する。 【解決手段】 基板上に、膜面内の一方向に磁化配向し
ており低い保磁力を有する第１磁性層と、膜面内の一方
向に磁化配向しており高い保磁力を有する第２磁性層が
非磁性層を介して積層され、第１磁性層の磁化と第２磁
性層の磁化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磁気抵抗素子であって、外部磁界が
０の時に第１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化は反平行
状態を示し、第１磁性層、第２磁性層およびこれらに接
して設けられた第３磁性層により非磁性層を囲むように
閉磁路が構成され、第３磁性層のキュリー温度が第１磁
性層および第２磁性層のキュリー温度より低い磁性薄膜
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気抵
抗素子（磁性薄膜メモリ素子）、並びにそれを用いた磁
性薄膜メモリ及びその記録再生方法に関するものであ
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である、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）効果を利用した磁性薄膜メモリ
は、従来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．２
０，ｐ２２（１９９６）には、図１１に示すような硬質
磁性膜１０１／非磁性膜１０２／軟磁性膜１０３なる構
成要素を非磁性膜を介して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たセンス線１０４、および
絶縁膜１０５によってこのセンス線と絶縁されたワード
線１０６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って情報の書
き込みを行う。

【０００４】具体的には、図１２に示すように、ワード
線１０６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１０１の磁化反転
を行い、メモリー状態「０」又は「１」の記録を行う。
例えば、図１２（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硬質磁性膜に「１」の記録を行
い、図１２（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硬質磁性膜に「０」の記録を行う。

【０００５】情報の読み出しは、図１３に示すようにワ
ード線に記録電流より小さい電流Ｉを流して軟磁性膜の
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と硬質磁性膜の
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」及び「０」のメ
モリー状態を判別することができる。図１３（ａ）に示
す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、図１３（ｂ）のように小さい抵抗値を示す状態から
図１３（ｃ）のように大きい抵抗値を示す状態に変化
し、メモリー状態「０」に対しては、図１３（ｄ）のよ
うに大きい抵抗値を示す状態から図１３（ｅ）のように
小さい抵抗値を示す状態に変化する。このようにして抵
抗の変化を読みとれば、記録後の軟磁性膜の磁化状態に
関わらず硬質磁性膜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。そのため、上記構成の
磁性薄膜メモリは、ビットセルを微細化するにしたがい
情報の保存が困難となり、高集積化が不可能であるとい
った欠点を有していた。

【０００７】従来の２層の磁性層からなるメモリでは、
各磁性層の磁化の向きは平行、反平行のどちらの状態も
存在し、特に非磁性層の厚さが４０ｎｍを超える場合に
は一様でなく定まらない。また、非磁性層を４０ｎｍ以
下に薄くした場合では、非磁性層の厚さによっては磁化
が反平行状態または平行状態の一方を取り得る場合があ
るが、非磁性層の厚さを薄くするにしたがって２層の磁
化が平行、反平行を繰り返すようになる。このため、磁
化が反平行となる非磁性層の膜厚のマージンが狭いとい
った問題がある。すなわち、反平行の磁化状態を、１つ
のメモリ上にある数多くのメモリ素子で安定的に実現す
ることは困難であった。

【０００８】また、２層の磁性層の磁化が保存状態で平
行であると、メモリ素子外部へ、無視できない大きさの
磁界が漏れ、隣接するセルに誤記録・誤再生する場合が
ある。このため、従来のものは記録・再生が不安定であ
った。

【０００９】そこで本発明は、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素子およ
びメモリの提供を目的とする。

【００１０】さらに、保存時においては磁化安定性が高
く情報の保存性に優れ、記録時においては弱い磁界でも
磁化反転し消費電力の小さい磁性薄膜メモリ素子および
メモリの提供を目的とする。

【００１１】また、安定して記録再生でき、再生時間が
短く、ノイズの少ない記録再生方法の提供を目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の目的
を達成するために種々の検討を重ねた結果、本発明を完
成した。

【００１３】第１の発明は、基板上に、主に膜面内の一
方向に磁化配向しており低い保磁力を有する第１磁性層
と、主に膜面内の一方向に磁化配向しており高い保磁力
を有する第２磁性層が非磁性層を介して積層され、第１
磁性層の磁化と第２磁性層の磁化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磁気抵抗素子
であって、外部磁界が０の時に第１磁性層の磁化と第２
磁性層の磁化は反平行状態を示し、第１磁性層、第２磁
性層およびこれらに接して設けられた第３磁性層により
非磁性層を囲むように閉磁路が構成され、第３磁性層の
キュリー温度が第１磁性層および第２磁性層のキュリー
温度より低いことを特徴とする磁性薄膜メモリ素子に関
する。

【００１４】第２の発明は、第１の発明の磁性薄膜メモ
リ素子がマトリックス状に配列され、縦または横方向に
並ぶ該メモリ素子を直列に接続するセンス線と、該セン
ス線と交差する方向に並ぶ前記メモリ素子列に電気的に
絶縁された形で近接して設けられるワード線とを備えた
ことを特徴とする磁性薄膜メモリに関する。

【００１５】第３の発明は、第１の発明の磁性薄膜メモ
リ素子がマトリックス状に配列され、縦または横方向に
並ぶ第１ワード線と該第１ワード線と交差する方向に並
ぶ第２ワード線とにより前記メモリ素子が並列に接続さ
れていることを特徴とする磁性薄膜メモリに関する。

【００１６】第４の発明は、第１の発明の磁性薄膜メモ
リ素子がダイオード又はトランジスタからなる半導体素
子と接続されたハイブリッド構造を有することを特徴と
する磁性薄膜メモリに関する。

【００１７】第５の発明は、第２、第３又は第４の発明
の磁性薄膜メモリにおいて、ワード線に電流を流し、該
電流により生じる磁界により第２磁性層の磁化方向を定
め、該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に関する。

【００１８】第６の発明は、第２、第３又は第４の発明
の磁性薄膜メモリにおいて、再生時のワード電流により
生じる磁界により、該メモリ素子の第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
ことを特徴とする磁性薄膜メモリの再生方法に関する。

【００１９】本発明の磁性薄膜メモリは、保存時には記
録に関わる磁性膜が閉磁路となっているため、反磁界に
よる悪影響を無くすことが可能であり、安定に磁化情報
を保存できる。このため１ビットのセル幅を小さくする
ことができ、集積度が高い磁性薄膜メモリを実現するこ
とができる。また、隣接セルに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、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。

【００２０】また、磁化が反平行となる非磁性層の膜厚
のマージンが広くなるため、容易に、低コストで作製で
きる。

【００２１】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になっている。従っ
て、本発明のメモリ素子を用いた再生方法は、メモリ素
子の磁化状態が定まっていない従来の方法と比較して、
抵抗のバラツキが無くなるため、よりノイズの少ない精
度のよい検出が可能である（Ｓ／Ｎが向上）。

【００２２】本発明の磁性薄膜メモリは、上記のように
保存時には記録に関わる磁性膜が閉磁路となっているた
め、反磁界による悪影響を無くすことが可能であり、安
定に磁化情報を保存できる。一方、記録時においては、
閉磁路が切断されて容易に磁化反転するようになってい
る。このため、本発明によれば、消費電力が少なく、か
つ集積度が高く、保存安定性が良好な磁性薄膜メモリを
実現することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて詳細に説明する。図１及び図２は本発明の磁性
薄膜メモリ素子の一例を示す構造断面図である。図１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。

【００２４】図１に示すように、本発明の薄膜状の磁気
抵抗素子は、膜面内の一方向に磁化方向がある第１磁性
層１及び第２磁性層２が、非磁性層４を介して積層され
ており、この第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磁性層と
第２磁性層と第３磁性層とで非磁性層を囲むように構成
されている。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。

【００２５】図１では、第３磁性層は、第１磁性層、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に示すように第３磁性層を第１磁性層と
第２磁性層との間に配置して、非磁性層の一部を置き換
える形で設けてもよい。この場合には、第３磁性層の占
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以内にすることが望ましい。より望ましくは４
分の１以下がよい。図２の構成の素子における第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ことが好まし
い。

【００２６】図１及び図２には、それぞれの層の磁化の
向きを簡略化して示したが、詳細には第３磁性層の磁化
は緩やかに曲がって環状のループを形成しており、安定
なエネルギー状態が実現されている。従来知られている
第３磁性層を有しない磁性２層膜構造では、磁荷の密度
が高い端面でスピンが曲がってしまい、磁化が安定に保
持されないが、本発明の磁性薄膜メモリ素子においては
安定に磁化情報を保存することができる。

【００２７】データの記録は、後述するように隣接する
ワード線から発生する磁界でおこなう。この際、ワード
線からの発熱によりメモリセルは温度が上昇する。本発
明の磁性薄膜メモリ素子は、第３磁性層のキュリー温度
が第１及び第２磁性層のキュリー温度よリも低く設定さ
れているため、記録しようとするメモリ素子の第３磁性
層は、磁化の環状のループを形成するに十分な磁性を無
くしてしまう。よって磁化情報を保存する第２磁性層は
磁化反転しやすくなる。このため、安定に磁化情報を記
録するとともに、記録を小さい電流で行うことができ
る。

【００２８】第３磁性層のキュリー温度は、低すぎると
保存時において第２磁性層に記録された磁化情報を安定
に保存するのが妨げられ、高すぎると記録時に磁化の環
状ループを切れやすくする本発明の効果が薄れてしま
う。

【００２９】第１磁性層の例として、磁歪が０であるＮ
ｉ₆₆Ｆｅ₁₆Ｃｏ₁₈及びＮｉ₁₄Ｆｅ₁₃Ｃｏ₇₃が挙げられ、
これらのキュリー温度はそれぞれ約７００℃及び約１０
００℃である。また、第２磁性層の例としてＦｅＣｏが
挙げられ、そのキュリー温度は図７に示すように約９０
０℃である。

【００３０】第３磁性層は、第１及び第２磁性層のキュ
リー温度より低く設定する必要があるため５００℃以下
が望ましい。また、保存時の温度が５０℃近くまで上昇
することを考慮すると１００℃以上が望ましい。このた
め第３磁性層のキュリー温度は１００℃以上で５００℃
以下が望ましい。より望ましくは１２０℃以上で４００
℃以下がよい。さらに望ましくは１５０℃以上で３００
℃以下がよい。さらに望ましくは１５０℃以上で２００
℃以下がよい。

【００３１】第３磁性層の室温での保磁力は４ Ｏｅ以
上で６ Ｏｅ以下がよい。

【００３２】図３に、（Ｎｉ_xＦｅ_100-x）_100-yＣｏ_yの
組成とキュリー温度の関係を示す。図３より、第３磁性
層の組成は、（Ｎｉ_xＦｅ_100-x）_100-yＣｏ_yとすると、
キュリー温度を５００℃以下にするためには２５＜ｘ＜
５０、０≦ｙ＜３０の範囲内で適当な組成を選択するこ
とが望ましい。キュリー温度をより好ましい３００℃以
下にするためには２０＜×＜４０、０≦ｙ＜２０の範囲
内で適当な組成を選択することが望ましい。

【００３３】図４には、（Ｎｉ_xＦｅ_100-x）_100-yＣｏ_y
の組成と飽和磁化Ｍｓの関係を示す。図４に示すように
飽和磁化Ｍｓは少なくとも５００ｅｍｕ／ｃｃ以上あ
り、本発明の効果を示すことができる。

【００３４】図５には、Ｇｄ_x（Ｆｅ_100-yＣｏ_y）_100-x
の組成とキュリー温度の関係を示す。図５より、第３磁
性層の組成は、Ｇｄ_x（Ｆｅ_100-yＣｏ_y）_100-xとする
と、例えばキュリー温度を２００℃以下にするために
は、４３≦ｘ、０≦ｙ≦５０、又はｘ≦１８、ｙ≦５な
どの組成を選択することが望ましい。また、例えばキュ
リー温度を１００℃以上にするためにはｘ≦５０とする
ことが望ましい。

【００３５】図６には、Ｇｄ_x（Ｆｅ_100-yＣｏ_y）_100-x
の組成と飽和磁化Ｍｓの関係を示す。図６より、飽和磁
化が±５０ Ｏｅ以内となる組成では、第３磁性層にお
ける磁束密度が小さくなって、本発明の効果を大きく発
揮できない。このためｘは２４％±２％の範囲内を避け
ることが望ましい。

【００３６】第３磁性層は、磁化の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１磁性層および
第２磁性層に比べて磁気異方性および保磁力が小さく、
透磁率が高く、容易に任意の磁化方向を取れる材料が望
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おきる
磁壁エネルギーの上昇を抑えるために好ましい。本発明
の磁性薄膜メモリの磁化は環状のループを形成してお
り、磁路が閉磁路となっているため安定な磁化状態が実
現できる。第１、第２及び第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
できるために望ましい。第３磁性層の材料としては、Ｎ
ｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏが挙げられ、磁歪定数、磁気異方
性が小さく、第１磁性層および第２磁性層より保磁力が
小さい磁性材料が好ましい。また、Ｇｄ_xＦｅ_100-x、Ｎ
ｄ_xＦｅ_100-x、Ｔｂ_xＦｅ_100-xなどの垂直磁化膜を主成
分としてもよい。これらの垂直磁化膜については、ｘは
元素組成で１０〜３５が望ましく、さらにＣｏ等の元素
を添加してもよい。垂直磁化膜の中ではＧｄＦｅが保磁
力が小さいため最も望ましい。

【００３７】メモリセルの配列構造 次に、本発明の磁性薄膜メモリ素子を多数配列して固体
メモリを作製する場合のメモリセルの配列構造の例（直
列配列構造および並列配列構造）を説明する。

【００３８】直列配列構造 図８（ａ）は図１に示す本発明の磁性薄膜メモリ素子を
直列に配列した構造例を立体的に示したものである。図
８（ａ）に示すように、メモリ素子１０は直列に配列さ
れ、各メモリ素子の上部にはワード線５が設けられてい
る。また、メモリ素子の下部には別のワード線６が設け
られている。ここで、センス線はメモリ素子１０を直列
に結んだものである。

【００３９】図８（ａ）では省略しているが各ワード線
とメモリ素子との間には絶縁層が充填されており、ワー
ド線とメモリ素子間が電気的に導通するのを防いでい
る。また、センス線とワード線５で記録を行う場合に
は、ワード線６は設けなくともよい。また、メモリ素子
間の抵抗を低減するために、メモリ素子間を良導体で接
続したり、第３磁性層の上部に良導体を設けたりしても
よい。この良導体はＡｌなどの少なくとも第１磁性層お
よび第２磁性層よりも抵抗率の低い材料を主成分とする
ものが望ましい。

【００４０】再生時にはセンス線に電流を流すため第３
磁性層を電流が通過する。この際に第３磁性層の磁化状
態が再生信号に影響を与えると好ましくないので、これ
を避けるために第３磁性層のセンス線方向の長さは５０
０Ａ以上とするのが望ましい。

【００４１】図９（ａ）は、本発明の磁性薄膜メモリ素
子を直列に配列した場合のメモリの平面図である。メモ
リ素子１０は直列に並んでセンス線７を構成している。
同図では横方向にセンス線を配置したが、縦方向にセン
ス線を配置してもよい。ワード線５は、同図には示して
いない絶縁層を介して各メモリ素子の直上に置かれ、セ
ンス線と直交して配置されている。センス線７の下部に
は、ワード線５と直交するワード線６を設けてもよい。
主に、ワード線は記録をするために、センス線は再生信
号を取り出すために設けられる。各ワード線と各センス
線の両端９０、１００、１１０には、これらを駆動する
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。また、センス線の端部には、再生信号を増幅す
るセンスアンプが組み込まれている。本発明に用いられ
るワード線は、どれも導電率が第１、第２、第３磁性層
よりも大きな良導体からなる。ワード線の例としては、
アルミニウム、銅、タングステン若しくはこれらの合
金、又はこれらとシリコン等との混合物などが挙げられ
る。本発明の磁性薄膜メモリ素子の基板は、Ｓｉを主成
分とする基板であることが望ましい。これは、上述の半
導体素子を本発明のメモリ素子と同一の基板上に作製す
ることが可能になるためである。

【００４２】並列配列構造 図８（ｂ）に、図１に示す本発明の磁性薄膜メモリ素子
を並列に配列した構造を示す。メモリ素子１０は、図８
（ｂ）に示すように並列に配列され、各メモリ素子の上
部にはワード線５が、下部にはワード線６が設けられて
いる。ここで、ワード線５とメモリ素子１０とワード線
６を結んだものがセンス線となる。

【００４３】図９（ｂ）は、本発明の磁性薄膜メモリ素
子を並列に配列したメモリの平面図である。メモリ素子
１０は、縦または横方向に並ぶワード線５及びこれと交
差するワード線６により並列に接続されてなる。各ワー
ド線の両端９０、１００、１１０には、これらを選択駆
動するためのデコーダー、ドライバー等の半導体素子が
設けられている。これらのワード線は、記録と同時に再
生のために設けられている。ワード線５、６の端部に
は、再生信号を増幅するセンスアンプが組み込まれてい
る。

【００４４】本発明のメモリセルの構造 次に、本発明のメモリセルの構造の別の例を図１０を用
いて説明する。

【００４５】図１０（ａ-1）及び（ａ-2）には直列に接
続した複数個の本発明のメモリ素子を一単位とした構造
を並列に配列して、各構造のクロストーク解消のために
ダイオードを設けたメモリセルの配列構造の一単位の回
路図とデバイス構造の断面図を、図１０（ｂ-1）及び
（ｂ-2）にはトランジスタと本発明のメモリ素子を接続
したアクティブマトリックス構造の一単位の回路図とデ
バイス構造の断面図を、図１０（ｃ-1）及び（ｃ-2）に
は並列にメモリセルを配列した構造であって、クロスト
ーク解消のためにダイオードと本発明のメモリ素子を接
続した構造の一単位の回路図とデバイス構造の断面図を
示す。図１０に示すように、本発明のメモリ素子がダイ
オードやトランジスタからなる半導体素子と接続された
ハイブリッド構造を形成すると、製造プロセスはやや複
雑になるが、メモリ素子を前述の単純マトリックスで配
列した場合に発生する浮遊容量等のインピーダンス成分
を排除することができ、より安定な動作を行うことがで
きる。

【００４６】本発明の磁性薄膜メモリ素子を用いた記録
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
一例を説明する。この磁性薄膜メモリ素子には、ワード
線およびセンス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したが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
ド線電流によリ第２磁性層が反転できる程度の大きさの
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。したがって、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。

【００４７】さらにこの際にワード線からの発熱で、セ
ル部分、特に電流を流した直交するワード線の下のメモ
リセルの部分は、温度が高くなる。本発明の特徴とし
て、第３磁性層のキュリー温度は低く設定されているた
め、記録しようとするメモリ素子の第３磁性層は磁化の
環状のループを形成するに十分な磁性を無くしてしま
う。したがって、第２磁性層は磁化反転しやすくなる。
すなわち、記録しようとするメモリセルのみ磁化反転磁
界が小さくなり、そのほかのメモリセルは高い磁化反転
磁界を有することとなる。これにより、保存時には磁化
が安定し保存性に優れ、記録時には小さい磁界で反転で
きるため記録電流が低減できる。

【００４８】なお、磁化反転の可否は、磁性層のアステ
ロイド曲線で示される。第２磁性層は、安定に磁化状態
を保存することが望ましいので、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望
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磁性層の保磁力が決定される。具体的には第２磁性層
の保磁力は５〜５０ Ｏｅが望ましい。さらに好ましく
は１０〜３０ Ｏｅである。

【００４９】上述のようにワード線およびセンス線で本
発明の基本的な記録および後述する再生を行うことがで
きるので、図８中のワード線６は必ずしも設ける必要は
ないが、より大きな磁界を発生させるためにワード線５
と直交するワード線６を用いて記録および後述する再生
を行ってもよい。また、メモリ素子の上にあるワード線
５を省いてメモリ素子の下にあるワード線６をセンス線
７と直交する方向に配置してもよい。但し、半導体素子
とメモリ素子を同一基板上に作り込む場合、ワード線は
メモリ素子を成膜後に作製する方が製造が容易になる。
このため、基板／第１磁性層／非磁性層／第２磁性層／
絶縁層／ワード線の順序で構成するのが好ましい。

【００５０】また、保磁力を制御するなどの目的で基板
とメモリ素子との間にバッファー層を設けてもよい。こ
れは、主に絶縁体からなる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。このようなバッファー層としては、
例えばＳｉＮからなる絶縁材料が挙げられる。

【００５１】本発明の磁性薄膜メモリ素子を用いた再生
方法 次に、本発明の磁性薄膜メモリ素子を用いた再生方法の
一例を説明する。本発明の磁性薄膜メモリは、スピン依
存散乱による巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を示し、その
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。再生の際には、メモリ素
子の上部または下部にあるワード線に記録時よりも弱い
電流を流して小さい磁界を発生させる。この磁界は、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。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望ましく、さらに望ま
しくは３分の１以下である。また、ワード線から発生す
る磁界が、第１磁性層の反転磁界よりも大きく、第２磁
性層の反転磁界よりも小さくなるように電流値を設定す
る。

【００５２】さらに、記録時と同様に、この際にワード
線電流からの発熱で、セル部分、特に電流を流した直交
するワード線の下のメモリセルの部分は温度が高くな
る。本発明の特徴として、第３磁性層のキュリー温度は
低く設定されているため、記録しようとするメモリ素子
の第３磁性層は、磁化の環状のループを形成するに十分
な磁性を無くしてしまう。したがって第２磁性層は磁化
反転しやすくなる。すなわち、記録しようとするメモリ
セルのみ磁化反転磁界が小さくなり、そのほかのメモリ
セルは高い磁化反転磁界を有することとなる。これによ
り、保存時には磁化が安定し保存性に優れ、記録時には
小さい磁界で反転できるため記録時の電流を低減でき
る。

【００５３】なお、上述では１セルのみの再生について
記したが、現実にはマトリックス上に多数のセルが配置
されており、特定のセルの磁化情報のみを再生する必要
がある。このためには記録と同じように、対象となるセ
ルに接続されているセンス線に電流を流すと同時にセン
ス線と直交するワード線にも電流を流して磁界を発生さ
せて、対象セルの第１磁性層のみが磁界のアステロイド
曲線の外側の磁界がかかるようすることで達成される。
または直交する２本のワード線を用いて特定のセルの第
１磁性層のみを反転させる。前記抵抗変化は、縦または
横方向に並ぶメモリ素子を直列に接続するセンス線の両
端で測定される。具体的には、図９（ａ）及び（ｂ）に
示す９０、１００もしくは１１０の部分に抵抗変化を検
出するための半導体素子が配置されており、一本のセン
ス線に並んだセルを順次再生することが可能である。

【００５４】本発明の磁性薄膜メモリ素子の第１の例 本発明の磁性薄膜メモリ素子の第１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
のスピン依存散乱による磁気抵抗効果は、例えば図１に
示すように第１磁性層／非磁性層／第２磁性層の構造に
おいて、非磁性層に良導体からなる金属層を用いること
によって発生させることができる。このスピン依存散乱
による磁気抵抗効果は、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。すなわち、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が、磁化と反対向きのスピンを持
つ伝導電子は散乱によって抵抗が大きくなる。そのた
め、第１磁性層と第２磁性層の磁化が反対向きである場
合は、同じ向きである場合の抵抗値よりも大きくなる。

【００５５】再生電流は、膜面に平行または垂直に流す
２つの方式のどちらでもよい。再生時には、電流を膜面
に対して垂直に流すＣＰＰ（Current Perpendicular to
thefilm Plane）−ＭＲ（Magneto-Resistance）効果を
用いる。このＣＰＰ−ＭＲは、膜面に平行に電流を流す
ＣＩＰ（Current Inplane to the filmm Plane）一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、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。第１磁性層はＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主
成分として用いられるか、Ｃｏ、Ｆｅを主成分とするア
モルファス合金として用いられることが望ましい。例え
ばＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＦｅＣｏ、ＣｏＦｅＢなど
の磁性膜からなる。ＮｉＦｅの元素組成は、Ｎｉ_xＦｅ
_100-xとした場合、ｘは３５〜８６が望ましい。また、
ＮｉＦｅＣｏの元素組成は、Ｎｉ_x（Ｆｅ_100-yＣｏ_y）
_100-xとした場合、ｘは１０〜７０、ｙは３０〜９０が
望ましく、さらにｙは６〜８５が望ましい。また、Ｃｏ
₈₄Ｆｅ₉Ｂ₇、Ｃｏ₇₂Ｆｅ₈Ｂ₂₀等の組成を持つＣｏＦｅ
Ｂ等のアモルファス磁性体を用いてもよい。

【００５７】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、及び
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、Ｆｅ、Ｃｏを主成分とする磁性層からなってお
り、例えばＦｅ、ＦｅＣｏ、Ｃｏ等の磁性膜からなる。
また、Ｐｔ等の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_x
Ｐｔ_yとして元素組成ｘ及びｙを調節して保磁力を制御
すればよい。同様に第１磁性層の保磁力もＦｅ、Ｃｏの
組成比およびＰｔ等の元素の量で調節することができ
る。

【００５８】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することが必要で
ある。ＣＰＰ−ＭＲでは、スピンの向きを保存して動け
る距離、すなわち、スピン拡散長が重要因子となる。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２００Ａ以下であることが望ま
しい。さらに好ましくは１５０Ａ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
少してしまい、また磁化を保持できなくなるので、２０
Ａ以上が望ましく、さらには８０Ａ以上が望ましい。

【００５９】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
うに設定するためには、少なくとも２００Ａ以下である
ことが望ましい。さらに好ましくは１５０Ａ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
たり、セルの抵抗値が小さくなり再生信号出力が減少し
たり、また磁化を保持できなくなるので２０Ａ以上が望
ましく、さらには８０Ａ以上が望ましい。

【００６０】非磁性層は良導体、好ましくはＣｕを主成
分とするものが用いられる。これは、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からである。また、非磁性層の
膜厚は５〜６０Ａであることが望ましい。

【００６１】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
する磁性層が設けられると、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２０Ａ以下が好まし
い。またＳ／Ｎ比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
い程ＭＲ比が大きくなり好ましいが、余り多くするとＭ
Ｒ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組以下が好ましく、３〜２０組がより
好ましい。

【００６２】本発明の磁性薄膜メモリ素子の第２の例 本発明の磁性薄膜メモリ素子の第２の例は、スピン依存
トンネリングによリ磁気抵抗効果が生じることを特徴と
する。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に示すように第１磁性層／非磁性層／第２磁
性層の構造において、非磁性層に薄い絶縁層を用いるこ
とによって発生させることができる。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。

【００６３】本発明の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。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を選定し、Ｃｏを第
２成分として選定してなる。具体的には、Ｆｅ、Ｃｏ、
Ｎｉを主成分とした材料から選択して用いることが望ま
しい。好ましくは、Ｆｅ、Ｃｏ、ＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ、
ＮｉＦｅＣｏ等がよい。ＮｉＦｅの元素組成は、Ｎｉ_x
Ｆｅ_100-xとした場合、ｘは０〜８２が望ましい。よリ
具体的には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ₇₂Ｆｅ₂₈、Ｎｉ₅₁Ｆ
ｅ₄₉、Ｎｉ₄₂Ｆｅ₅₈、Ｎｉ₂₅Ｆｅ₇₅、Ｎｉ₉Ｆｅ₉₁等が
挙げられる。

【００６４】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
みが反転するようにする。また、第２磁性層と環状ルー
プを形成しやすいようにする。このため上述の組成のう
ちＮｉを含む軟磁性材料が望ましく、具体的にはＮｉＦ
ｅ、ＮｉＦｅＣｏを主成分として用いることが望まし
い。ＮｉＦｅの元素組成は、Ｎｉ_xＦｅ_100-xとした場
合、ｘは３０〜８２が望ましい。またＮｉＦｅＣｏの元
素組成は、Ｎｉ_x（Ｆｅ_100-yＣｏ_y）_100-xとした場合、
ｘは３０〜８２、ｙは０〜９０が望ましい。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
信号出力が減少してしまうので２０Ａ以上が望ましく、
さらには８０Ａ以上が望ましい。また厚すぎるとセルの
抵抗値が大きくなりすぎる等の問題があるので、５００
０Ａ以下が望ましく、より望ましくは１０００Ａ以下が
よい。

【００６５】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、及び安定
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、Ｆｅ、Ｃｏを主成分として
用いることが望ましい。例えばＦｅ、ＦｅＣｏ、Ｃｏ等
の磁性膜からなる。また第２磁性層に保磁力の制御や耐
食性の向上などの目的でＰｔ等の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及び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す
ることもよい。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。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。

【００６６】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たり、セルの抵抗値が小さくなり
再生信号出力が減少したり、また磁化を保持できなくな
るので２０Ａ以上が望ましく、さらには８０Ａ以上が望
ましい。また厚すぎるとセルの抵抗値が大きくなりすぎ
たり、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、５０００Ａ以下が
望ましく、より望ましくは１０００Ａ以下がよい。

【００６７】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。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。一部を絶縁層にしてその厚みを極小にすることに
より、磁気抵抗効果をさらに高めることができる。非磁
性金属膜を酸化させた酸化層にする例としては、Ａｌ膜
の一部を空気中で酸化させてＡｌ₂Ｏ₃層を形成する例が
挙げられる。非磁性層は絶縁体からなり、好ましくは、
ＡｌＯ_x、ＡｌＮ_x、ＳｉＯ_x、ＳｉＮ_x、ＮｉＯ _xを主成
分として用いられてなる。このうちＡｌ₂Ｏ₃層が絶縁性
が高く緻密であるため好ましい。また、非磁性層は数１
０Ａ程度の均一な層であって、その膜厚は４〜２５Ａで
あることが望ましい。より望ましくは６〜１８Ａであ
る。

【００６８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、磁化情報の保存性に優れ、高い集積度と高い信
頼性を有し、消費電力の小さい磁性薄膜メモリ素子およ
びメモリを提供できる。

【００６９】また、非磁性層の製造マージンが広いた
め、容易に、低コストで磁性薄膜メモリ素子を作製でき
る。

【００７０】また、安定した記録再生ができ、再生時間
が短く、ノイズの少ない記録再生方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁性薄膜メモリ素子の構造断面図であ
る。

【図２】本発明の磁性薄膜メモリ素子の構造断面図であ
る。

【図３】ＮｉＦｅＣｏの組成とキュリー温度の関係を示
すグラフである。

【図４】ＮｉＦｅＣｏの組成と飽和磁化Ｍｓの関係を示
すグラフである。

【図５】ＧｄＦｅＣｏの組成とキュリー温度の関係を示
すグラフである。

【図６】ＧｄＦｅＣｏの組成と飽和磁化Ｍｓの関係を示
す図である。

【図７】ＦｅＣｏの組成とキュリー温度の関係を示すグ
ラフである。

【図８】本発明の磁性薄膜メモリ素子の配列構造の説明
図である。

【図９】本発明の磁性薄膜メモリの平面図である。

【図１０】本発明の磁性薄膜メモリ素子の配列構造の説
明図である。

【図１１】巨大磁気抵抗効果を用いた従来の磁性薄膜メ
モリの構造断面図である。

【図１２】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。

【図１３】巨大磁気抵抗効果を用いた従来の磁性薄膜メ
モリの再生動作を示す図である。

【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、６ ワード線 ７ センス線 １０ メモリ素子 ９１ メモリ素子 ９２ ワード線 ９３ コントロールゲート ９４ トランジスタ ９５ ダイオード ９６ Ｐ基板 １０１ 硬質磁性膜 １０２ 軟磁性膜 １０３ 非磁性膜 １０４ センス線 １０５ 絶縁膜 １０６ ワード線 ＩＤ 電流の向き

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

【手続補正書】

【提出日】平成１０年７月１６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３６】第３磁性層は、磁化の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１磁性層および
第２磁性層に比べて磁気異方性および保磁力が小さく、
透磁率が高く、容易に任意の磁化方向を取れる材料が望
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おきる
磁壁エネルギーの上昇を抑えるために好ましい。本発明
の磁性薄膜メモリの磁化は環状のループを形成してお
り、磁路が閉磁路となっているため安定な磁化状態が実
現できる。第１、第２及び第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
できるために望ましい。第３磁性層の材料としては、Ｎ
ｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏが挙げられ、磁歪定数、磁気異方
性が小さく、第１磁性層および第２磁性層より保磁力が
小さい磁性材料が好ましい。また、Ｇｄ_xＦｅ_100-x、Ｔ
ｂ_xＦｅ_100-x などの垂直磁化膜を主成分としてもよい。
これらの垂直磁化膜については、ｘは元素組成で１０〜
３５が望ましく、さらにＣｏ等の元素を添加してもよ
い。垂直磁化膜の中ではＧｄＦｅが保磁力が小さいため
最も望ましい。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５６

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。第１磁性層はＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主
成分として用いられるか、Ｃｏ、Ｆｅを主成分とするア
モルファス合金として用いられることが望ましい。例え
ばＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＦｅＣｏ、ＣｏＦｅＢなど
の磁性膜からなる。ＮｉＦｅの元素組成は、Ｎｉ_xＦｅ
_100-xとした場合、ｘは３５〜８６が望ましい。また、
ＮｉＦｅＣｏの元素組成は、Ｎｉ_x（Ｆｅ_100-yＣｏ_y）
_100-xとした場合、ｘは１０〜７０、ｙは３０〜９０が
望ましく、さらにｙは６０〜８５が望ましい。また、Ｃ
ｏ₈₄Ｆｅ₉Ｂ₇、Ｃｏ₇₂Ｆｅ₈Ｂ₂₀等の組成を持つＣｏＦ
ｅＢ等のアモルファス磁性体を用いてもよい。

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１０】

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に、主に膜面内の一方向に磁化配
   向しており低い保磁力を有する第１磁性層と、主に膜面
   内の一方向に磁化配向しており高い保磁力を有する第２
   磁性層が非磁性層を介して積層され、第１磁性層の磁化
   と第２磁性層の磁化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磁気抵抗素子であって、外
   部磁界が０の時に第１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化
   は反平行状態を示し、第１磁性層、第２磁性層およびこ
   れらに接して設けられた第３磁性層により非磁性層を囲
   むように閉磁路が構成され、第３磁性層のキュリー温度
   が第１磁性層および第２磁性層のキュリー温度より低い
   ことを特徴とする磁性薄膜メモリ素子。
2. 【請求項２】 第３磁性層のキュリー温度が１００〜５
   ００℃である請求項１記載の磁性薄膜メモリ素子。
3. 【請求項３】 第３磁性層の保磁力が、第１磁性層およ
   び第２磁性層の保磁力より小さい請求項１記載の磁性薄
   膜メモリ素子。
4. 【請求項４】 請求項１記載の磁性薄膜メモリ素子がマ
   トリックス状に配列され、縦または横方向に並ぶ該メモ
   リ素子を直列に接続するセンス線と、該センス線と交差
   する方向に並ぶ前記メモリ素子列に電気的に絶縁された
   形で近接して設けられるワード線とを備えたことを特徴
   とする磁性薄膜メモリ。
5. 【請求項５】 請求項１記載の磁性薄膜メモリ素子がマ
   トリックス状に配列され、縦または横方向に並ぶ第１ワ
   ード線と該第１ワード線と交差する方向に並ぶ第２ワー
   ド線とにより前記メモリ素子が並列に接続されているこ
   とを特徴とする磁性薄膜メモリ。
6. 【請求項６】 請求項１記載の磁性薄膜メモリ素子がダ
   イオード又はトランジスタからなる半導体素子と接続さ
   れたハイブリッド構造を有することを特徴とする磁性薄
   膜メモリ。
7. 【請求項７】 請求項４、５又は６記載の磁性薄膜メモ
   リにおいて、ワード線に電流を流し、該電流により生じ
   る磁界により第２磁性層の磁化方向を定め、該ワード線
   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。
8. 【請求項８】 請求項４、５又は６記載の磁性薄膜メモ
   リにおいて、再生時のワード電流により生じる磁界によ
   り、該メモリ素子の第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ことを特徴とす
   る磁性薄膜メモリの再生方法。