(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、反強磁性層と、第１の強磁性層と、非磁性層と、第２の強磁性層とをこの順に配置し、該反強磁性層は、第１の強磁性層と交換結合しており、
前記第１の強磁性層の磁化方向を情報に応じて変化させて記録を行う磁気メモリ素子であって、
前記反強磁性層の一方向異方性の向きは、前記第１の強磁性層の磁化方向と平行であり、該第１の強磁性層の磁化方向が反転することにより、反転することを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項２】
前記非磁性層は、絶縁体層であることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３】
前記非磁性層は、金属層であることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４】
前記反強磁性層は、絶縁体で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。
【請求項５】
前記第１の強磁性層の磁化方向を情報に応じて変化させて磁気メモリ素子に記録される情報の読み出しは、
前記第２の強磁性層を、前記第１の強磁性層に記録された情報を読み出すための検出層として行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気メモリ素子に関するものであり、好適な印加磁界で動作し、かつ高い磁気抵抗変化率を示すとともに高記録密度化が可能な非破壊型磁気メモリ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗効果型メモリ素子は、磁性層の磁化方向をディジタル情報に対応させ記録を行うものである。従って、記録の保持に外部からのエネルギー供給を必要としない。また、半導体メモリと比較して製造工程が簡素であり、特に基板材料を限定するものではないため、安価な大容量不揮発性メモリとして期待される。磁気抵抗効果型メモリ素子は、図１に示すように基本的に２層の強磁性層の間に非磁性層を有したサンドイッチ構造である。二つの強磁性層の保磁力は異なり、保磁力の比較的小さな層を検出層、保磁力の比較的大きな層をメモリ層とする。図においてはメモリ層を非磁性層の下側に、検出層を非磁性層の上側に配しているが、メモリ層と検出層の位置が逆になっていても構わない。
【０００３】
記録はメモリ層の磁化反転磁界よりも大きな磁界（Ｈｗ）を印加し、この記録磁界の方向にメモリ層の磁化を平行に向けることで達成される。例えば図２に．示したようにメモリ層の磁化が左向きの場合を『０』、右向きの場合を『１』とする。ただし、検出層の磁化反転磁界はメモリ層の磁化反転磁界よりも小さいので、記録直後は両層の磁化方向は平行である。検出は、メモリ素子に一定の大きさの直流電流を流すとともに、検出層の磁化反転磁界よりも大きく、メモリ層の磁化反転磁界よりも小さな磁界（Ｈａ）を印如し、検出層の磁化反転に伴う電位の変化を調べることにより行われる。両磁性層の磁化方向が平行である場合、そのメモリ素子の抵抗率は、磁化方向が反平行である場合と比べて小さい。
【０００４】
図３に示すように、『０』，が記録されたメモリ素子に＋Ｈａの検出磁界を印加すると両磁性層の磁化方向は反平行となって電位は高くなり、次いで一Ｈａを印加すると両磁性層の磁化方向は平行となって電位は低くなる。このようにして得られた信号を微分回路に通すことで負のパルスが得られる。同様に『１』が記録されたメモリ素子では逆に正のパルスが得られる。また、この検出方式では検出された信号が、検出前の検出層の磁化方向に無関係である。
【０００５】
検出層とメモリ層の磁化反転磁界に差を持たせるために、例えば検出層にはＮｉＦｅ等の保磁力の小さな材料を用い、メモリ層にはＣｏＦｅ等の保磁力の大きな材料を用いるが、両強磁性層問には、お互いの磁化の方向を平行に向けようとする静磁結合力が働いていているため、メモリ素子として動作させるためには、２つの層の保磁力の差がこの静磁結合力よりも大きくなければならない。
【０００６】
【発明が解決しようとしている課題】
検出層とメモリ層の間に形成された非磁性層が金属層である場合、その膜厚が薄い方がより大きな磁気抵抗変化率が得られるので好ましい。ところが非磁性金属層の薄膜化により静磁結合力が増加し、磁化の反平行状態が得られなくなってしまう。
【０００７】
また、面積の小さなメモリ素子では、反磁界の影響により大きな保磁力を維持することが困難となる。これは非磁性層が絶縁膜であるスピントンネル型のメモリ素子においても問題となる。ところが非破壊型磁気メモリ素子のメモリ層の材料として十分な大きさの保磁力を有する材料はいまだ提案されていない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも、反強磁性層と、第１の強磁性層と、非磁性層と、第２の強磁性層とをこの順に配置し、該反強磁性層は、第１の強磁性層と交換結合しており、前記第１の強磁性層の磁化方向を情報に応じて変化させて記録を行う磁気メモリ素子であって、前記反強磁性層の一方向異方性の向きは、前記第１の強磁性層の磁化方向と平行であり、該第１の強磁性層の磁化方向が反転することにより、反転することを特徴とする磁気メモリ素子を特徴とするものである。なお、前記反強磁性層は、絶縁体であってもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照してさらに、詳細に説明する。
図４（ａ）に本発明の磁気メモリ素子の膜構成断面図を示す。１は基板、２は反強磁性層、３は第１の強磁性層、４は非磁性層、５は第２の強磁性層である。
【００１０】
また、図４（ｂ）に示すように積層順序を逆にしてもよい。反強磁性層にはＭｎＦｅ、ＭｎＩｒ、ＭｎＰｔ、ＭｎＰｔＣｒ、ＡｌＣｒ等のＭｎ系あるいはＣｒ系反強磁性体やＮｉＯ、α−Ｆｅ2０3等の酸化物反強磁性体が用いられ、ネール点が動作温度より高いものが好ましい。特に酸化物反強磁性体を用いた磁気メモリ素子は反強磁性体中の電子の分流が無いので高い磁気抵抗変化率が期待できる。第１および第２の強磁性層にはＣｏ、ＣｏＦｅ、Ｆｅ、ＮｉＦｅ等が使用可能である。非磁性層にはＣｕやＡｌ2０3等が用いられる。
【００１１】
反強磁性層の一方向異方性の反転は、交換結合している第１の強磁性層の磁化を介して行われる。
【００１２】
すなわち、反強磁性層の一方向異方性の方向と第１の強磁性層の磁化方向が平行である状態で、これらの方向と反平行に外部磁界を印加すると、第１の強磁性層の磁化が反転し、これと交換結合している反強磁性層の原子の磁気モーメントも反転し、さらに相互作用によって反強磁性層内の原子の磁気モーメントが順次反転することにより反強磁性層の一方向異方性が反転する。
【００１３】
本発明における第１の強磁性層の保磁力は、第１の強磁性層の膜厚、第１の強磁性層と反強磁性層の間の交換結合力あるいは反強磁性層の膜厚によって変化する。
特に第１の強磁性層あるいは反強磁性層の膜厚を適当に選ぶことにより容易に保磁力を調節することが可能である。図５に第１の磁性層の膜厚による保磁力の変化を示す。ただし、測定に用いたサンプルは、ガラス基板上に反強磁性層として１０ｎｍのＮｉＯ層、第１の強磁性層としてＣｏＦｅ層、非磁性層として５ｎｍのＣｕ層、第２の強磁性層として５ｎｍのＮｉＦｅ層を順次積層した磁気メモリ素子である。この図からわかるように第１の強磁性層の保磁力は膜厚にほぼ反比例している。また、図６は上記磁気メモリ素子において、ＦｅＣｏ層の膜厚を５ｎｍ一定とし、ＮｉＯ層の膜厚を変えた場合の第１磁性層の保磁力の変化を示したものである。ＮｉＯ層の膜厚が厚くなるに従って、第１の強磁性層の保磁力が大きくなり、ＮｉＯ層の膜厚を変えることによっても第１の強磁性層の保磁力を調節できることがわかる。ただし、この磁気メモリ素子では、ＮｉＯ層の膜厚が２０ｎｍになると磁化曲線や磁気抵抗曲線において磁界方向のシフトが見られ、ＮｉＯ層の一方向異方性の反転が不完全になっている。
【００１４】
第１の強磁性層、非磁性層、第２の強磁性層、反強磁性層が順次積層された磁気メモリ素子は例えば特開平６−２９５４１９号公報で提案されている。しかし、この公報で提案されている磁気メモリ素子は、反強磁性層と結合している第２の強磁性層の磁化方向は固定されており、反強磁性の一方向異方性も反転しないものである。また、特開平９−１３９０６８号公報では反強磁性と交換結合している強磁性層の磁化方向が反転する磁気メモリ素子が開示されているが、反強磁性の一方向異方性が反転しないものであるために印加磁界の方向によって、磁化が反平行になる磁界の大きさが異なっている。このような磁気メモリ素子は、記録磁界あるいは検出磁界の大きさがそれぞれ印加する方向により異なるので、磁界印加回路が煩雑になり好ましくない。反強磁性層の一方向異方性を反転させるためには、反強磁性層内に交換エネルギーを蓄積し得ないように反強磁性層の膜厚を選ぶことが必要である。ただし、そのような膜厚は、反強磁性層の材料や構造により異なる。
【００１５】
図７に本発明の磁気メモリ素子の磁気抵抗曲線と、対応する強磁性層の磁化方向と反強磁性層の一方向異方性の方向の変化の様子を示す。印加磁界ＨがＨ＜−Ｈ1である場合を初期状態とする。このときの各層の磁化および一方向異方性の方向は（ａ）のようにすべて印加磁界の方向と平行である。この状態から印加磁界をＨ2＜Ｈ＜Ｈ1とすると比較的保磁力の小さな第２の強磁性層の磁化が反転し第１の強磁性層と第２の強磁性層の磁化方向が反平行となり抵抗率が高くなる。Ｈ2は第２の強磁性層が有する本来の保磁力Ｈc2と両強磁性層の間に働く静磁結合力Ｈsの和で表される。さらに印加磁界を大きくしＨ1＜Ｈとすると第１の強磁性層の磁化と反強磁性層の一方向異方性が同時に反転し、抵抗率は再び小さくなる。Ｈ2は第１の強磁性層の本来の保磁力Ｈc1と反強磁性層との間に働く交換結合力Ｈｅｘの和から第２の強磁性層との間に働く静磁結合力Ｈsを引いた形で表される。さらに、印加磁界を−Ｈ1＜Ｈ＜−Ｈ2とすると第２の強磁性層の磁化が反転し、さらに印加磁界をＨ＜一Ｈ1とすることで初期状態に戻る。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。
（実施例１）
ガラス基板上に第２の強磁性層として５nmのＮｉ80Ｆｅ20層、非磁性層として２．２ｎｍのＣｕ層、第１の強磁性層として５ｎｍのＣｏ90Ｆｅ10層、反強磁性層として３ｎmのＩｒ50Mn50層を真空を破ることなくスパッタリングによって順次積層した。強磁性層の磁化反転を急峻にするために、各層成膜中に検出および記録磁界印加方向に平行に約６ｋＡ／mの直流磁界を印加し、面内一軸磁気異方性を誘起させた。
【００１７】
図８は上記のようにして作成した磁気メモリ素子の磁気抵抗変化率の測定結果である。２ｋＡ／mから６ｋＡ／mの磁界範囲で磁化が反平行となり、約５．９％の高い磁気抵抗変化率が得られている。
（実施例２）
ガラス基板上に反強磁性層として１０ｎmのNｉ50O50層、第１の強磁性層として３nmのＣｏ90Ｆｅ10層、非磁性層として２．４ｎmのＣｕ層、第２の強磁性層として３nmのＮｉ80Ｆｅ20層を真空を破ることなくスパッタリングによって順次積層した。強磁性層の磁化反転を急峻にするために、各層成膜中に検出および記録磁界印加方向に平行に約６ｋＡ／mの直流磁界を印加し、面内一軸磁気異方性を誘起させた。
【００１８】
図９は上記のようにして作成した磁気メモリ素子の磁気抵抗変化率の測定結果である。２ｋＡ／mから６．５ｋＡ／mの磁界範囲で磁化が反平行となり、約５．５％の高い磁気抵抗変化率が得られている。
（実施例３）
ガラス基板上に反強磁性層として１５ｎｍのＮｉ50Ｏ50層、第１の強磁性層として１０ｎｍのＣｏ90ＦｅlO層、２ｎｍのＡｌ層を順次積層した後、チヤンバー内に酸素ガスを導入し、該Ａｌ層を酸化させ非磁性酸化物層とした。再びチヤンバー内を十分に真空引きした後、第２の強磁性層として１０ｎｍのＮｉ80Ｆｅ20層を形成した。このようにして得られたスピントンネル膜をリソグラフイープロセスによって１０μｍ角の大きさに加工した後、フォーカスイオンビーム加工装置によって電極を作成し、微少磁気メモリ素子とした。強磁性層の磁化反転を急峻にするために、各層成膜中に検出おまび記録磁界印加方向に平行に約６ｋＡ／ｍの直流磁界を印加し、面内一軸磁気異方性を誘起させた。
【００１９】
図１０は上記のようにして作成した磁気メモリ素子の磁気抵抗変化率の測定結果である。０．５ｋＡ／ｍから４ｋＡ／ｍの磁界範囲で磁化が反平行となり、約１１．５％の高い磁気抵抗変化率が得られている。
〔比較例〕
比較例一１
ガラス基板上に第２の強磁性層として５ｎｍのＮｉ80Ｆｅ20層、非磁性層として２．２ｎｍのＣｕ層、第１の強磁性層として５ｎｍのＣｏ90Ｆｅ10層を、反強磁性層として５０ｎｍのＩｒ50Ｍｎ50層を真空を破ることなくスパッタリングによって順次積層した。強磁性層の磁化反転を急峻にするために、各層成膜中に検出および記録磁界印加方向に平行に約６ｋＡ／ｍの直流磁界を印加し、面内一軸磁気異方性を誘起させた。
【００２０】
図１１は上記のようにして作成した磁気メモリ素子の磁気抵抗変化率の測定結果である。この磁気メモリ素子は、反磁性層の膜厚が厚いために一方向異方性が反転せず、磁気抵抗変化率曲線がＹ軸に対して非対称である。
比較例−２                                                ．
ガラス基板上に第１の強磁性層として３ｎｍのＣｏ90Ｆｅ10層、非磁性層として２．２ｎmのＣｕ層、第２の強磁性層として３ｎmのＮｉ80Ｆｅ20層を真空を破ることなくスパッタリングによって順次積層した。強磁性層の磁化反転を急峻にするために、各層成膜中に検出および記録磁界印加方向に平行に約６ｋＡ／ｍの直流磁界を印加し、面内一増由磁気異方性を誘起させた。
【００２１】
図１２は上記のようにして作成した磁気メモリ素子の磁気抵抗変化率の測定結果である。両磁性層の磁化反転がほぼ同時に起きているため、高い磁気抵抗変化率は得られていない。
比較例−３
ガラス基板上に第１の強磁性層として３ｎｍのＣｏ90ＦｅlO層、非磁性層として５ｎｍのＣｕ層、第２の強磁性層として３ｎｍのＮｉ80Ｆｅ20層を真空を破ることなくスパッタリングによって順次積層した。
強磁性層の磁化反転を急峻にするために、各層成膜中に検出および記録磁界印加方向に平行に約６ｋＡ／ｍの直流磁界を印加し、面内一軸磁気異方性を誘起させた。
【００２２】
図１３は上記のようにして作成した磁気メモリ素子の磁気抵抗変化率の測定結果である。
０・３ｋＡ／ｍから１・４ｋＡ／ｍの磁界範囲で磁化が反平行となっているが、非磁性金属層の膜厚が厚いため、磁気抵抗変化に関与する電子の割合が減少し、磁気抵抗変化率は約２．７％と低い。
比較例−４
ガラス基板上に第１の強磁性層として１０ｎｍのＣｏ90ＦｅlO層、２ｎｍのＡｌ層を順次積層した後、チヤンバー内に酸素ガスを導入し、該Ａｌ層を酸化させ非磁性酸化層とした。
【００２３】
再びチヤンバー内を十分に真空引きした後、第２の強磁性層として１０ｎｍのＮｉ88Ｆｅ20層を形成した。このようにして得られたスピントンネル膜をリソグラフイープロセスによって１０μm角の大きさに加工した後、フォーカスイオンビーム加工装置によって電極を作成し、微小磁気メモリ素子とした。強磁性層の磁化反転を急峻にするために、各層成膜中に検出および記録磁界印加方向に平行に約６ｋＡ／ｍの直流磁界を印加し、面内一軸磁気異方性を誘起きせた。
【００２４】
図１４は上記のようにして作成した磁気メモリ素子の磁気抵抗変化率の測定結果である。両磁性層の磁化反転磁界の差が小さいため、磁化の反平行状態が
不十分となり、磁気抵抗変化率は約１．２５％と小さい。
【００２５】
【発明の効果】
上記のように本発明の磁気メモリ素子は第１の強磁性層の保磁力を容易に調整することが可能であり、磁気メモリ素子のサイズを小さくしても反磁界による保磁力の減少を相殺でき、記録密度の高い磁気メモリチップを提供できる。
また、強磁性層の間に形成された非磁性金属層の膜厚を薄くすることが可能であり、高い磁気抵抗変化率を有する磁気メモリ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の磁気メモリ素子の基本膜構成の断面図である。
【図２】従来の磁気メモリ素子の記録後の磁化方向を示す図である。
【図３】従来の磁気メモリ素子の検出方法を示す図である。
【図４】本発明の磁気メモリ素子の基本膜構成の断面図である。
【図５】本発明の磁気メモリ素子の第１の磁性層の膜厚に対する第１の磁性層の保磁力の変化を示すグラフである。
【図６】本発明の磁気メモリ素子の反強磁性層の膜厚に対する第１の磁性層の保磁力の変化を示すグラフである。
【図７】本発明の磁気メモリ素子の磁気抵抗曲線と磁化の方向および反強磁性層の一方向異方性の方向を示す図である。
【図８】実施例１の磁気メモリ素子の磁気抵抗変化率曲線を示すグラフである。
【図９】実施例２の磁気メモリ素子の磁気抵抗変化率曲線を示すグラフである。
【図１０】実施例３の磁気メモリ素子の磁気抵抗変化率曲線を示すグラフである。
【図１１】比較例１の磁気メモリ素子の磁気抵抗変化率曲線を示すグラフである。
【図１２】比較例２の磁気メモリ素子の磁気抵抗変化率曲線を示すグラフである。
【図１３】比較例３の磁気メモリ素子の磁気抵抗変化率曲線を示すグラフである。
【図１４】比較例４の磁気メモリ素子の磁気抵抗変化率曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
１．基板
２．反強磁性層
３．第１の強磁性層
４．非磁性層
５．第２の強磁性層
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0003673661.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
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