(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直磁化膜からなる第１磁性層と，前記第１磁性層よりも高い保磁力を有する垂直磁化膜からなる第２磁性層と、前記第１，第２磁性層の間に非磁性層と、を有し，前記第１磁性層及び第２磁性層が希土類元素及び鉄族遷移元素からなり、垂直磁化膜の状態で、前記第１磁性層の鉄族遷移元素の磁気モーメントと、第２磁性層の鉄族遷移元素の磁気モーメントとが平行な状態と反平行な状態で抵抗値が異なることを特徴とする磁性薄膜素子。
【請求項２】
前記鉄族遷移元素の磁気モーメントが平行な場合に抵抗が小さく、反平行な場合に抵抗が大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁性薄膜素子。
【請求項３】
前記第１磁性層は前記希土類元素としてＧｄを有しており、前記第２磁性層は前記希土類金属としてＴｂもしくはＤｙを有することを特徴とする請求項１に記載の磁性薄膜素子。
【請求項４】
前記第１磁性層及び第２磁性層は前記希土類元素としてＧｄを有することを特徴とする請求項１に記載の磁性薄膜素子。
【請求項５】
前記第１磁性層及び第２磁性層が鉄族遷移元素リッチであることを特徴とする請求項１に記載の磁性薄膜素子。
【請求項６】
前記第１磁性層が希土類元素リッチ、第２磁性層が鉄族遷移元素リッチであることを特徴とする請求項１に記載の磁性薄膜素子。
【請求項７】
前記第１磁性層が鉄族遷移元素リッチ、第２磁性層が希土類元素リッチであることを特徴とする請求項１に記載の磁性薄膜素子。
【請求項８】
前記非磁性層が良導体であることを特徴とする請求項１に記載の磁性薄膜素子。
【請求項９】
前記良導体がＣｕであることを特徴とする請求項８に記載の磁性薄膜素子。
【請求項１０】
前記良導体が０．５ｎｍ〜６ｎｍであることを特徴とする請求項８に記載の磁性薄膜素子。
【請求項１１】
前記第１磁性層及び第２磁性層の膜厚が２〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項８に記載の磁性薄膜素子。
【請求項１２】
前記非磁性層が絶縁体を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁性薄膜素子。
【請求項１３】
前記絶縁体が非磁性金属膜を酸化させた酸化層であることを特徴とする請求項１２に記載の磁性薄膜素子。
【請求項１４】
前記絶縁体がＡｌＯｘ、ＡｌＮｘ，ＳｉＯｘ，ＳｉＮｘ，ＮｉＯｘから選ばれる少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１２に記載の磁性薄膜素子。
【請求項１５】
前記絶縁体の膜厚が０．５〜３ｎｍであることを特徴とする請求項１２に記載の磁性薄膜素子。
【請求項１６】
前記第１磁性層及び第２磁性層の膜厚が１０〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１２に記載の磁性薄膜素子。
【請求項１７】
請求項１に記載の磁性薄膜素子と、電流を流すことにより発生する磁界を前記磁性薄膜素子に印加する良導体からなる書き込み線を有することを特徴とする磁性薄膜メモリ素子。
【請求項１８】
垂直磁化膜からなる第１磁性層と，前記第１磁性層よりも高い保磁力を有する垂直磁化膜からなる第２磁性層と、前記第１，第２磁性層の間に非磁性層と、を有し、前記第１，第２磁性層が垂直磁化膜の状態で、前記第１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化が平行な状態と反平行な状態で抵抗値が異なる磁気抵抗膜を有するメモリセルが基板上にマトリックス状に配され、更に，前記メモリセル近傍に絶縁体を介して設けられた良導体からなる書き込み線を有し、前記磁気抵抗膜が前記メモリセル選択用の半導体素子に電気的に接続されていることを特徴とする磁性薄膜メモリ。
【請求項１９】
前記メモリセル選択用の半導体素子が、電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１８に記載の磁性薄膜メモリ。
【請求項２０】
前記磁気抵抗膜と前記書き込み線の間隔が１〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１８に記載の磁性薄膜メモリ。
【請求項２１】
前記第１磁性層及び第２磁性層が希土類元素及び鉄族遷移元素から成る合金薄膜であることを特徴とする請求項１８に記載の磁性薄膜メモリ。
【請求項２２】
前記第１磁性層が前記希土類元素としてＧｄを含み、前記第２磁性層が前記希土類元素としてＴｂもしくはＤｙを含むことを特徴とする請求項２１に記載の磁性薄膜メモリ。
【請求項２３】
前記第１磁性層及び第２磁性層は前記希土類元素としてＧｄを含むことを特徴とする請求項２１に記載の磁性薄膜メモリ。
【請求項２４】
前記第１磁性層及び第２磁性層がガーネット膜であることを特徴とする請求項１８に記載の磁性薄膜メモリ。
【請求項２５】
前記第１磁性層及び第２磁性層が希土類元素と鉄族遷移元素の人工格子膜であることを特徴とする請求項１８に記載の磁性薄膜メモリ。
【請求項２６】
前記第１磁性層及び第２磁性層がＰｔ合金からなることを特徴とする請求項１８に記載の磁性薄膜メモリ。
【請求項２７】
前記書込み線が、前記各メモリセルに対して複数個設けられていることを特徴とする請求項１８に記載の磁性薄膜メモリ。
【請求項２８】
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請求項１８に記載の磁性薄膜メモリ。
【請求項２９】
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請求項１８に記載の磁性薄膜メモリ。
【請求項３０】
請求項２８に記載の磁性薄膜メモリにおいて、前記書込み線に電流を流して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。
【請求項３１】
請求項２８に記載の磁性薄膜メモリにおいて、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。
【請求項３２】
請求項２９に記載の磁性薄膜メモリにおいて、前記書込み線に電流を流して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。
【請求項３３】
請求項２９に記載の磁性薄膜メモリにおいて、再生時の書き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。
【請求項３４】
請求項１の磁性薄膜素子を用いた磁気センサ。
【請求項３５】
請求項１の磁性薄膜素子を用いた磁気ヘッド。
【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（ＧＭＲ）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、垂直磁化膜からなる第１磁性層と，前記第１磁性層よりも高い保磁力を有する垂直磁化膜からなる第２磁性層と、前記第１，第２磁性層の間に非磁性層と、を有し，前記第１磁性層及び第２磁性層が希土類元素及び鉄族遷移元素からなり、垂直磁化膜の状態で、前記第１磁性層の鉄族遷移元素の磁気モーメントと、第２磁性層の鉄族遷移元素の磁気モーメントとが平行な状態と反平行な状態で抵抗値が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】
前記磁性薄膜素子と、電流を流すことにより発生する磁界を前記磁性薄膜素子に印加する良導体からなる書き込み線を有す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】
また本発明の磁性薄膜メモリは、垂直磁化膜からなる第１磁性層と，前記第１磁性層よりも高い保磁力を有する垂直磁化膜からなる第２磁性層と、前記第１，第２磁性層の間に非磁性層と、を有し、前記第１，第２磁性層が垂直磁化膜の状態で、前記第１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化が平行な状態と反平行な状態で抵抗値が異なる磁気抵抗膜を有するメモリセルが基板上にマトリックス状に配され、更に，前記メモリセル近傍に絶縁体を介して設けられた良導体からなる書き込み線を有し、前記磁気抵抗膜が前記メモリセル選択用の半導体素子に電気的に接続されていることを特徴とする。
【００２１】
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。
【００２２】
また、前記磁性薄膜メモリは前記書込み線が、前記各メモリセルに対して複数個設けられていることを特徴とする。
【００２３】
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。
【００２４】
また、前記磁性薄膜メモリにおいて、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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、前記磁性薄膜メモリにおいて、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。
【００２７】
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。
【００２８】
また、前記磁性薄膜メモリにおいて、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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、前記磁性薄膜メモリにおいて、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。
【００３１】
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。
【００３２】
また、前記磁性薄膜メモリにおいて、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。
【００３３】
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。
【００３４】
また、前記磁性薄膜メモリにおいて、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。
【００３５】
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。
【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、PdCo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、TbFe、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、TbFe、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TbFe,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、２Oe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
【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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