(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１の磁性層、非磁性層、第２の磁性層から構成され、前記第１および第２の磁性層が垂直磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリであって、
前記各磁気抵抗効果素子の上下平面に電流線を配置し、
前記各磁気抵抗効果素子への記録は、前記各磁気抵抗効果素子に隣接する両磁気抵抗効果素子の上または下の一方の前記電流線を駆動して行い、
前記各磁気抵抗効果素子にかかる磁界を強めると共に、前記各磁気抵抗効果素子以外への漏れ磁界を遮断するための高透磁率層を、前記各磁気抵抗効果素子に対し上面に配置された前記電流線の上部と、前記各磁気抵抗効果素子に対し下面に設置された前記電流線の下部とに、配置したことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項２】
少なくとも第１の磁性層、非磁性層、第２の磁性層から構成され、前記第１および第２の磁性層が垂直磁気異方性を有する各磁気抵抗効果素子の上下平面に電流線を配置し、
かつ、前記各磁気抵抗効果素子の上部に配置された電流線の上部に高透磁率層を配置すると共に、前記各磁気抵抗効果素子の下部に配置された電流線の下部に高透磁率層を配置し、
前記各磁気抵抗効果素子に隣接する両磁気抵抗効果素子の上または下の一方の電流線に互いに逆向きの電流を流すことによって、前記各磁気抵抗効果素子に情報を記録することを特徴とする磁気メモリの記録方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は垂直磁気異方性を有する磁性層で構成された磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ及びその記録方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気磁性層と非磁性層を積層して得られる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子やトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子は従来の異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）素子と比較して大きな磁気抵抗変化率を有することから、磁気センサーとして高い性能が期待できる。
【０００３】
ＧＭＲ素子については既にハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の再生用磁気ヘッドとして実用化されている。一方、ＴＭＲ素子はＧＭＲ素子よりも更に高い磁気抵抗変化率を有することから、磁気ヘッドのみならず、磁気メモリへの応用も考えられている。
【０００４】
従来のＴＭＲ素子の基本的な構成例として特開平９―１０６５１４号公報に示されている例を図１０に示す。
【０００５】
図１０に示すように、ＴＭＲ素子は、第１の磁性層１０１、絶縁層１０２、第２の磁性層１０３、反強磁性層１０４を積層したものである。ここで、第１の磁性層１０１および第２の磁性層１０３は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、或はこれらの合金からなる強磁性体であり、反強磁性層１０４は、ＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ等であり、絶縁層１０２はＡｌ2Ｏ3である。
【０００６】
また、図１０の絶縁層１０２をＣｕ等の導電性を有する非磁性層に置き換えるとＧＭＲ素子となる。
【０００７】
従来のＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子では、磁性層部分の磁化が面内方向であるため、狭トラック幅の磁気ヘッドや高集積化磁気メモリのように素子寸法が微細化すると、端部磁極で生じる反磁界の影響を強く受けるようになる。このため磁性層の磁化方向が不安定となり、均一な磁化を維持することが困難になり、磁気ヘッドおよび磁気メモリの動作不良を発生させることになる。
【０００８】
これを解決する方法として、垂直磁気異方性を有する磁性層を用いた磁気抵抗効果素子が特開平１１―２１３６５０号公報に開示されている。該公報の素子構造を図１１に示す。
【０００９】
図１１において、磁気抵抗効果素子は、低い保磁力を有する垂直磁化膜からなる第１の磁性層１１１と、高い保磁力を有する垂直磁化膜からなる第２の磁性層１１３の間に非磁性層１１２が挟まれた構造をしている。なお、第１の磁性層および第２の磁性層には希土類−遷移元素合金のフェリ磁性膜、ガーネット膜、ＰｔＣｏ、ＰｄＣｏなどが用いられている。
【００１０】
この場合、端部磁極は磁性膜表面に生じることから、素子の微細化に伴う反磁界の増加は抑えられる。従って、磁性膜の垂直磁気異方性エネルギーが端部磁極による反磁界エネルギーよりも十分大きければ、素子の寸法に関係なく磁化を垂直方向に安定化させることができる。
【００１１】
一方、垂直磁化膜を用いた磁気メモリへの記録方法について、特開平１１―２１３６５０号公報で開示されているものを用いて説明する。該公報の磁気抵抗効果素子、および書き込み線の配列を図１２に示す。
【００１２】
図１２の素子の構造は図１１と同様、第１磁性層１２１、非磁性層１２２、第２磁性層１２３からなる。第１磁性層１２１をメモリ層とした場合、該素子への情報の記録は、素子の両横に設置されている記録用電流線１２４、１２５に電流を流し、上記電流線から発生する磁界によって第１磁性層１２１の磁化を反転させることにより行う。例えば、第１磁性層１２１の磁化の向きを素子上方にしたい場合には、記録用電流線１２４に紙面上方、記録用電流線１２５には紙面下方に電流を流す。これら２本の電流線から発生する磁界の合成成分は素子上方となるため、第１磁性層１２１の磁化を素子上方に配列させることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記記録用電流線を磁気抵抗効果素子の横に配置すると、該素子の高集積化には不利である。図１２のように記録用電流線を素子の両横に配置した場合には、隣接する素子間の距離は配線ルール（Ｆ）を用ると４Ｆとなる。これに対して、素子間に記録用電流線が存在しない通常の配列パターンでは、隣接する素子間の距離は２Ｆとなる。メモリ作成においては、素子の高集積化が重要であることを考慮すると、図１２に示された磁気メモリでは素子の高集積化には不利となる。
【００１４】
さらに、図１２で示された配線パターンでは、選択された素子の横部に位置する素子には記録されないが、選択された素子の奥行き方向（紙面上方、或は紙面下方）に位置する素子には記録が行われてしまう。その結果、マトリクス状に配列している素子のクロスポイントを選択することはできない。
【００１５】
そこで本発明は上記課題を考慮し、従来に比べ集積度が高く、かつマトリクス状に配列している素子のクロスポイントに情報を記録することができる磁気メモリおよび記録方法を提供する。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１発明は、少なくとも第１の磁性層、非磁性層、第２の磁性層から構成され、前記第１および第２の磁性層が垂直磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリであって、前記各磁気抵抗効果素子の上下平面に電流線を配置し、前記各磁気抵抗効果素子への記録は、前記各磁気抵抗効果素子に隣接する両磁気抵抗効果素子の上または下の一方の前記電流線を駆動して行い、前記各磁気抵抗効果素子にかかる磁界を強めると共に、前記各磁気抵抗効果素子以外への漏れ磁界を遮断するための高透磁率層を、前記各磁気抵抗効果素子に対し上面に配置された前記電流線の上部と、前記各磁気抵抗効果素子に対し下面に設置された前記電流線の下部とに、配置したことを特徴とする磁気メモリである。
【００１７】
また、第２発明は、少なくとも第１の磁性層、非磁性層、第２の磁性層から構成され、前記第１および第２の磁性層が垂直磁気異方性を有する各磁気抵抗効果素子の上下平面に電流線を配置し、かつ、前記各磁気抵抗効果素子の上部に配置された電流線の上部に高透磁率層を配置すると共に、前記各磁気抵抗効果素子の下部に配置された電流線の下部に高透磁率層を配置し、前記各磁気抵抗効果素子に隣接する両磁気抵抗効果素子の上または下の一方の電流線に互いに逆向きの電流を流すことによって、前記各磁気抵抗効果素子に情報を記録することを特徴とする磁気メモリの記録方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図をもとに本発明について詳細に説明する。
【００１９】
＜実施例１＞
図１に本実施例の磁気メモリの概略構成図を示す。本実施例の磁気メモリは、磁性層１３、非磁性層１４、磁性層１５からなる磁気抵抗効果素子、および該素子の上部、あるいは下部に配置した電流線１２、１６からなる。
【００２０】
なお、該素子の上方に位置する電流線１２の上部、および該素子の下方に位置する電流線１６の下部にはそれぞれ高透磁率層１１、１７が設けられている。電流線１２、１６の上部あるいは下部に高透磁率層１１、１７を設けることにより、前記磁気抵抗効果素子の記録層に対して上記電流線から発生する磁界を集中させ、効率的に記録を行うことができる。
【００２１】
本実施例の磁気メモリでは、最隣接素子間隔は最小配線ルールＦを用いて２Ｆとなる。従来技術のように記録用電流線を素子の横に配置した磁気メモリでは際隣接素子間隔が４Ｆであるのに比べると、素子間距離を半分に縮めたことになり従来技術に対して高密度化を実現したことになる。
【００２２】
電流線１２、１６はＡｌ，Ｃｕなどの導電性非磁性体からなり、上記電流線１２の上部もしくは電流線１６の下部に設けられた高透磁率層１１もしくは１７の材料としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＺｒＮｂなどが用いられる。
【００２３】
第１の磁性層１２および第２の磁性層１４は、いずれも希土類金属（ＲＥ）と鉄族遷移金属（ＴＭ）の非晶質合金垂直磁化膜、あるいはＣｏＣｒ系合金などの結晶質合金垂直磁化膜からなる。
【００２４】
第１の磁性層１３を記録層とした場合、前記第１の磁性層は上記電流線から発生する磁界によって磁化反転可能な保磁力Ｈｃを有し、かつ垂直磁気異方性を保持している必要がある。このような特性を満足する第１の磁性層１３の材料としては、Ｃｅ、Ｐｒ等の軽希土類金属を含有する希土類−遷移金属二元合金（ＣｅＣｏ、ＰｒＣｏなど）、或いは上記軽希土類金属―重希土類金属―遷移金属からなる三元合金（ＰｒＧｄＦｅ、ＰｒＧｄＣｏ、ＰｒＴｂＦｅ、ＰｒＴｂＣｏ、ＰｒＦｅＣｏなど）があげられる。
【００２５】
一方、第２の磁性層１５は垂直磁気異方性を維持しつつ、上記電流線から発生する磁界により充分磁化反転しない程度の大きさの保磁力を有している必要がある。このような特性を満足する第２の磁性層１５に適する材料としては、希土類金属として主としてＴｂ、Ｇｄ等の重希土類金属―遷移金属からなる二元合金（ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＧｄＦｅ、ＧｄＣｏなど）、或いは重希土類金属―遷移金属からなる三元合金（ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏなど）、更にはＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ等の垂直磁気異方性を有する強磁性体があげられる。
【００２６】
前記第１および第２の磁性層の膜厚は、薄膜化による超常磁性化を考慮して５０Å以上、厚膜化による微細加工の困難性を考慮して５０００Å以下が望ましい。
【００２７】
なお、非磁性層１４には従来のＧＭＲ素子で使用されているＣｕ等の導電性を有する非磁性体、あるいはＴＭＲ素子で使用されているＡｌ2Ｏ3膜を用いることもできるが、磁性層の希土類金属が酸化される危険性を考慮すると、絶縁性の非磁性層としては、ＡｌＮ、ＢＮ等のような窒化膜、或いはＳｉ、ダイヤモンド、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）等のような共有結合を有する絶縁膜を用いるのが望ましい。
【００２８】
非磁性層の膜厚は、ＴＭＲ素子の場合には、膜厚が５Å以下であると磁性層間で電気的にショートしてしまう可能性があり、膜厚が３０Å以上である場合、電子のトンネル現象が起きにくくなってしまうため、５Å以上３０Å以下がよい。一方、ＧＭＲ素子では、膜厚が厚くなると素子抵抗が小さくなりすぎて磁気抵抗変化率も低下するため、５０Å以下がよい。
【００２９】
なお、図には示していないが、電流線と磁気抵抗素子が接続されるのを防ぐために、電流線と磁気抵抗素子の間には絶縁膜が設けられている。これは再生時に磁性薄膜素子に流す電流が記録用電流線に漏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。
【００３０】
次に、図２をもとに素子配列と電流線の配置について説明する。なお、本実施例では、磁性層内部の磁化状態を安定に保つため、円筒形に加工した素子を用いる。
【００３１】
前述したように磁気抵抗効果素子２１〜２５と電流線２６ａ〜２７ｃとは異なる平面上に存在する。ここで、電流線２６ａ、２６ｂ、２６ｃはそれぞれ素子２４、２２、２５の上部平面上に存在し、電流線２７ａ、２７ｂ、２７ｃはそれぞれ素子２１、２２、２３の下部平面上に存在する。
【００３２】
図２のようにマトリクス状に素子が配列している場合のクロスポイントに存在する素子２２の選択方法について説明する。
【００３３】
記録用電流線２６ａ、２６ｃに電流を流し、列方向について素子を選択する。ただし、これだけでは行方向の素子を選択することができない（素子２１、２２、２３の全てが選択される）ため、もう一方の記録用電流線２７ａ、２７ｃにも電流を流すことによりクロスポイント２２を選択することができる。
【００３４】
なお、図１で説明したように、記録用電流線２６ａ、２６ｂ、２６ｃの上部、もしくは電流線２７ａ、２７ｂ、２７ｃの下部には高透磁率材料からなる層が設けられている。
【００３５】
図３に示すように、第１の磁性層３１、非磁性層３２、第２の磁性層３３からなる磁気抵抗効果素子において、“０”、“１”の磁化情報を表す記録層の磁化状態は、記録層（第１磁性層３１）の磁化の向きが（ａ）上向き、（ｂ）下向きのどちらかに対応して記録される。
【００３６】
一方、記録した情報の読み出しは第１の磁性層３１と第２の磁性層３３の磁化の相対的な向きに依存する抵抗値の差により“０”、“１”の識別を行う。即ち、図３（ａ）のように第１の磁性層３１と第２の磁性層３３の磁化の向きが平行の場合は低い抵抗値を示すのに対し、図３（ｂ）のように第１の磁性層３１と第２の磁性層３３の磁化の向きが反平行の場合は高い抵抗値を示す。
【００３７】
次に、図４、５をもとに、本発明における記録方法の詳細を説明する。
【００３８】
本発明の磁気抵抗効果素子への記録は、図４に示す素子（４４〜４６）上部に配置した電流線４３ａおよび４３ｂ、または、図５に示す素子（５３〜５５）下部に配置した電流線５６ａおよび５６ｃから発生する磁界の合成成分を用いて行う。
【００３９】
ここで、電流線４３ａと電流線４３ｂ、電流線５６ａと電流線５６ｂには、それぞれ逆向きに電流を流す。
【００４０】
電流線４３ａと電流線４３ｂ、または、電流線５６ａと電流線５６ｂから発生する磁界は、電流線の上部あるいは下部に設置された高透磁率層（４２ａ、４２ｃ、５７ａ、５７ｃ）により楕円形になる。
【００４１】
このように電流線の上部、もしくは下部に高透磁率材料を配置すると、電流線から発生する磁界は高透磁率層側では遮蔽される。そのため電流線の周りの磁界は非対称となり、素子側により強い磁界を及ぼすことになる。この結果、高透磁率材料を設置しない場合に比べて記録層の磁化を効率的に反転させることが可能となる。
【００４２】
ここでは、前記磁気抵抗効果素子の記録層４４、５３の磁化の向きを素子上方に向けさせる場合の記録方法を示しているが、前記記録層４４、５３の磁化の向きを素子下方に向けさせるには、図４、図５における記録用電流線４３ａ、電流線４３ｂ、電流線５６ａ、電流線５６ｂに流す電流の向きを逆向きにすればよい。
【００４３】
また、前記素子を磁気メモリとして用いる場合、読み出し用の電流線が必要となる。読み出し用の電流線は素子上下部と接続している必要があり、記録用電流線と別に配線を設けることもできるが、記録用電流線と素子を接続することにより記録用電流線が読み出し用電流線を兼ねることも可能である。
【００４４】
一方、磁気メモリとして用いる場合に、トランジスタ上に前記素子を積層するという構造が考えられているが、その場合は素子下部とトランジスタが接続されていなければならない。そのため、トランジスタ上に前記素子を積層する場合には素子上方の記録用電流線は読み出し用電流線と兼ねることが可能であるが、素子下部の記録用電流線は独立に存在することになる。
【００４５】
＜実施例２＞
図６に本実施例の磁気メモリの概略構成図を示す。本実施例の磁気メモリは、磁性層６３／非磁性層６４／磁性層６５からなる磁気抵抗効果素子、並びに該素子と異なる平面上に位置し、該素子と隣合う素子との中間に配置した電流線６２、６６からなる。
【００４６】
なお、前記磁気抵抗効果素子の上方に位置する電流線６２の上部、および該素子の下方に位置する電流線６６の下部にはそれぞれ高透磁率層６１、６７が設けられている。電流線６２、６６の上部あるいは下部に高透磁率層６１、６７を設けることにより、前記磁気抵抗効果素子の記録層に対して上記電流線から発生する磁界を集中させ、効率的に記録を行うことができる。
【００４７】
本発明の磁気メモリでは、実施例１の場合と同様、最隣接素子間隔は最小配線ルールＦを用いて２Ｆとなり、本実施例の場合も従来技術の際隣接素子間隔４Ｆに比べると、素子間距離を半分に縮めたことになる。
【００４８】
次に、素子配列と記録用電流線の配置について、図７を用いて説明する。本実施例では、磁性層内部の磁化状態を安定に保つため、実施例１と同じく円筒形に加工した素子を用いる。
【００４９】
図６で示したように、磁気抵抗効果素子７１〜７５と記録用電流線７６〜７９とは異なる平面上に存在する。ここで、記録用電流線７６、７７は素子７１〜７５の上部平面上に存在し、該電流線７６は素子７２と７４から等距離、電流線７７は素子７２と７５から等距離の位置にある。一方、電流線７８、７９は素子７１〜７５の下部平面上に存在し、電流線７８は素子７１と７２から等距離、電流線７９は素子７２と７３から等距離の位置にある。
【００５０】
図７のようにマトリクス状に素子が配列している場合のクロスポイントに存在する素子７２の選択方法について説明する。
【００５１】
電流線７６、７７に電流を流し、列方向について素子を選択する。ただし、これだけでは行方向の素子を選択することができない（素子７１、７２、７３の全てが選択される）ため、もう一方の記録用電流線７８、７９にも電流を流すことによりクロスポイント７２を選択することができる。
【００５２】
なお、図６で説明したように、記録用電流線７６、７７の上部、もしくは電流線７８、７９の下部には高透磁率材料からなる層が設けられている。
【００５３】
本実施例における素子構造ならびに磁気メモリとして用いる材料は実施例１の場合と同じである。
【００５４】
本実施例における記録方法の詳細を図８、図９をもとに説明する。本発明の磁気抵抗効果素子への記録は図８に示す素子上部に配置した記録用電流線８３、または、図９に示す素子下部に配置した記録用電流線９６から発生する磁界の合成成分を用いて行う。ここで、隣接する電流線にはそれぞれ逆向きに電流を流す。
【００５５】
記録用電流線８３、もしくは９６から発生する磁界は、上記電流線の上部あるいは下部に設置された高透磁率層のため楕円形になる。このように記録用電流線の上部、もしくは下部に高透磁率材料を配置すると、記録用電流線から発生する磁界は高透磁率層側では遮蔽される。そのため電流線の周りの磁界は非対称となり、素子側により強い磁界を及ぼすことになる。この結果、高透磁率材料を設置しない場合に比べて記録層の磁化を効率的に反転させることが可能となる。
【００５６】
ここでは、前記磁気抵抗効果素子の記録層８４、９３の磁化の向きを素子上方に向けさせる場合の記録方法を示しているが、前記記録層８４、９３の磁化の向きを素子下方に向けさせるには、図８、図９における記録用電流線８３、９６に流す電流の向きを逆向きにすればよい。
【００５７】
また、前記素子を磁気メモリとして用いる場合、読み出し用の電流線が必要となる。読み出し用の電流線は素子上下部と接続している必要があり、記録用電流線と別に配線を設けることもできるが、記録用電流線と素子を接続することにより記録用電流線が読み出し用電流線を兼ねることも可能である。
【００５８】
一方、磁気メモリとして用いる場合に、トランジスタ上に前記素子を積層するという構造が考えられているが、その場合は素子下部とトランジスタが接続されていなければならない。そのため、トランジスタ上に前記素子を積層する場合には素子上方の記録用電流線は読み出し用電流線と兼ねることが可能であるが、素子下部の記録用電流線は独立に存在することになる。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、従来に比べ集積度が高く、高効率の記録を行うことのできる磁気メモリならびに磁気メモリへの記録方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例1における磁気メモリの概略構成図である。
【図２】実施例１における磁気抵抗効果素子、ならびに電流線の配置図を示した図である。
【図３】磁気抵抗効果素子における“０”、“１”の磁化状態を示した図である。
【図４】実施例1における記録方法を説明する図である。
【図５】実施例1における記録方法を説明する図である。
【図６】実施例２における磁気メモリの概略構造図である。
【図７】実施例２における磁気抵抗効果素子、ならびに電流線の配置図を示した図である。
【図８】実施例２における記録方法を説明する図である。
【図９】実施例２における記録方法を説明する図である。
【図１０】従来の磁気抵抗効果素子を示した図である。
【図１１】従来の磁気抵抗効果素子を示した図である。
【図１２】従来の磁気抵抗効果素子への記録方法を示した図である。
【符号の説明】
１１、１７、４２ａ〜４２ｃ、４８、５１、５７ａ〜５７ｃ、
６１、６７、８１、８８、９１、９８                    高透磁率層
１２、１６、２６ａ〜２６ｃ、２７ａ〜２７ｃ、
４３ａ〜４３ｃ、４７、５２、５６ａ〜５６ｃ、
６２、６６、７６〜７９、８３、８７、９２、９６        記録用電流線
１３、３１、４４、５３、６３、８４、９３              第１の磁性層
１４、３２、４５、５４、６４、８５、９４、            非磁性層
１５、３３、４６、５５、６５、８６、９５              第２の磁性層
２１〜２５、７１〜７５                                磁気抵抗効果素子
４１、５８、８２、９７                                発生磁界
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003653442.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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