(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の強磁性層と、
第２の強磁性層と、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の間に設けられている非磁性層と
を備え、
該非磁性層は、外部磁界により該非磁性層の抵抗が変化するものから構成されていることを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項２】
第１の強磁性層と、
第２の強磁性層と、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられている非磁性層と
を備え、
該非磁性層は、トンネルダイオードから構成され、外部磁界により該トンネルダイオードの特性が変化することを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気メモリ素子において、
前記非磁性層はＩＩＩ−Ｖ族金属間化合物からなることを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の磁気メモリ素子において、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層は垂直磁化を有することを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の磁気メモリ素子を用いたことを特徴とする磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度磁気メモリ（ＭＲＡＭ）に適した磁気メモリ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子は、従来の異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）素子や巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子に比べて大きな出力が得られることから、ＨＤＤ用再生ヘッドや磁気メモリへの応用が考えられている。
【０００３】
特に、磁気メモリにおいては、半導体メモリと同じく稼動部の無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、繰り返し回数が無限回である、放射線が入射しても記録内容が消失する危険性が無い等、半導体メモリと比較して有用である。
【０００４】
従来のＭＴＪ素子の構成を図４に示す。なお、このような構造はたとえば特開平９―１０６５１４号公報に示されている。
【０００５】
図４のＭＴＪ素子は、反強磁性層４１、強磁性層４２、絶縁層４３、強磁性層４４を積層したものである。ここで、反強磁性層４１としてはＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ等の合金が用いられ、強磁性層４２及び強磁性層４４としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ或はこれらの合金が用いられる。また、絶縁層４３としては各種の酸化物や窒化物が検討されているが、Ａｌ２Ｏ３膜の場合に最も高い磁気抵抗（ＭＲ）比が得られることが知られている。
【０００６】
また、この他に、反強磁性層４１を除いた構成で、強磁性層４２と強磁性層４４の保磁力差を利用したＭＴＪ素子の提案もなされている。
【０００７】
図４の構造のＭＴＪ素子を磁気メモリに使用する場合の動作原理を図５に示す。各強磁性層の磁化方向を矢印で示している。
【０００８】
強磁性層４２及び強磁性層４４の磁化はいずれも膜面内にあり、平行もしくは反平行となるように実効的な一軸磁気異方性を有している。そして、強磁性層４２の磁化は反強磁性層４１との交換結合により実質的に一方向に固定され、強磁性層４４の磁化の方向で記録を保持する。
【０００９】
このメモリ層となる強磁性層４４の磁化が平行もしくは反平行でＭＴＪ素子の抵抗が異なることを検出して読み出しを行い、ＭＴＪ素子の近傍に配置した電流線が発生する磁界を利用して強磁性層４４の磁化の向きを変えることで書き込みを行う。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＴＪ素子を磁気メモリに適用するには、熱雑音の影響を低減し、半導体センスアンプでの読み出しを可能とするために、ＭＴＪ素子の抵抗値をある程度低くする必要があるが、そのためには絶縁層となるＡｌ２Ｏ３膜を１ｎｍ以下の非常に薄い膜厚で形成する必要がある。
【００１１】
しかしながら、Ａｌ２Ｏ３膜をこのように薄くすると、抵抗値は下がるものの磁気抵抗変化率も同時に劣化するという問題があった。これは主にＡｌ２Ｏ３膜の形成方法に起因すると考えられる。すなわち、１ｎｍ以下の非常に薄いＡｌ膜を酸素プラズマ中で酸化する方法では、イオンやラジカル状態の活性酸素をＡｌ膜の酸化に用いるので、薄いＡｌ膜のみを選択的に酸化することは困難である。例えば、Ａｌ膜を十分に酸化しようとすると、バリア層に接する強磁性層表面も部分的に酸化される可能性が高く、一方、強磁性層の酸化を回避しようとすると、Ａｌ膜の酸化が不十分となる。
【００１２】
また、１ｎｍ以下の非常に薄いＡｌ２Ｏ３膜をピンホールフリーで作成することは非常に困難であり、特に磁気メモリのように多数のＭＴＪ素子を必要とする場合には、歩留まりの低下をまねく。
【００１３】
本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、磁気メモリに要求される抵抗値及び磁気抵抗変化率を有し、ピンホールによる歩留まり低下を招くことのない磁気メモリ素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１発明は、第１の強磁性層と、第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の間に設けられている非磁性層とを備え、該非磁性層は、外部磁界により該非磁性層の抵抗が変化するものから構成されていることを特徴とする。また、第２発明は、第１発明において、前記非磁性層はＩＩＩ−Ｖ族金属間化合物からなることを特徴とする。
【００１５】
また、第３発明は、第１の強磁性層と、第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられている非磁性層とを備え、該非磁性層は、トンネルダイオードから構成され、外部磁界により該トンネルダイオードの特性が変化することを特徴とする。
【００１６】
また、第４発明は、第１または第３発明において、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層は垂直磁化を有することを特徴とする。
【００１７】
また、第５発明は、磁気メモリに第１乃至第４発明のいずれか一つの磁気メモリ素子を用いることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の磁気メモリ素子に関する実施例について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１に本発明の磁気メモリ素子に関する実施例の構造を示す。図１に示すように、基板１１上に第１の配線層１２を介して第１の強磁性層１３、非磁性層１４、第２の強磁性層１５が形成され、その上に絶縁層１６を介して第２の配線層１７が形成されている。非磁性層１４は外部磁界で抵抗が変化する材料で構成されている。
【００２０】
このような磁気メモリ素子の作成方法を以下に示す。
【００２１】
表面を熱酸化したＳｉ基板１１上にマグネトロンスパッタ装置内で５０ｎｍ厚のＡｌ膜からなる第１の配線層１２、２０ｎｍ厚のＦｅ膜からなる第１の強磁性層１３、２０ｎｍ厚のＩｎＳｂ膜からなる非磁性層１４、３０ｎｍ厚のＣｏＦｅ膜からなる第２の強磁性層１５を連続して成膜した。スパッタ条件は、Ａｒ圧力＝５ｍＴｏｒｒ、高周波電力＝１００Ｗ（ターゲット径＝４インチ）である。
【００２２】
比較のため、非磁性層１４となる上記ＩｎＳｂ膜の代わりに、１ｎｍ厚のＡｌ膜を形成した後、同一真空中で酸素プラズマによりＡｌ膜を酸化してＡｌ２Ｏ３膜としたＭＴＪ膜も作成した。
【００２３】
次に、通常のフォトリソグラフィ技術とイオンミリング技術を用いて、上記の多層膜を下部配線形状に加工した。さらに、第２の強磁性層１５上に素子寸法を規定するためのレジストパターンを形成し、第１の強磁性層１３までイオンミリングした。このレジストを残したまま３００ｎｍ厚のＳｉＯ２膜からなる絶縁層１６を高周波マグネトロンスパッタ装置で成膜した後、レジストのリフトオフを行った。
【００２４】
次に、２００ｎｍ厚のＡｌ膜からなる第２の配線層１７を高周波マグネトロンスパッタ装置で成膜した後、通常のフォトリソグラフィ技術とＲＩＥ技術を用いて上部配線を形成し、磁気メモリ素子を完成した。比較用のＭＴＪ素子も同様の方法で形成した。
【００２５】
このようにして形成した磁気メモリ素子とＭＴＪ素子の磁気抵抗変化を測定したところ、非磁性層１４としてＩｎＳｂ膜を使用した磁気メモリ素子は、Ａｌ２Ｏ３膜を使用したＭＴＪ素子よりも大きな磁気抵抗変化と低い素子抵抗が得られた。
【００２６】
本実施例の磁気メモリ素子が磁気メモリに使用可能な機能を生じるメカニズムを図２に示す。図２では簡略化のため第１の強磁性層１３、非磁性層１４及び第２の強磁性層１５のみを示しており、各強磁性層内部の磁化方向及び外部の漏洩磁界の方向を矢印で示している。図２（ａ）では第１強磁性層１３及び第２強磁性層１５の磁化は平行となっている。この時、非磁性層１４には両強磁性層の端部磁極による磁界Ｈが印可されている。一方、図２（ｂ）では第１強磁性層１３及び第２強磁性層１５の磁化は反平行となっている。この時、両強磁性層の端部磁極による磁界は互いに打ち消しあうため、非磁性層１４には実質的に磁界が印可されないことになる。従って、磁界によって電気特性の変化する材料で非磁性層１４を構成することにより、両強磁性層の磁化の平行、反平行を検出することが可能となり、磁気メモリに使用できる。
【００２７】
本実施例に使用したＩｎＳｂの抵抗が外部磁界で変化することは例えば、Ｈ．Ｗｅｌｋｅｒ「Ｚ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．１３８（１９５４）Ｐ．３２２」で報告されている。
【００２８】
非磁性層１４としては、上記のように外部磁界で材料の抵抗が変化するもの以外に、トンネルダイオードのような半導体素子を使用することも可能である。ＩｎＳｂで形成されたトンネルダイオードの特性が外部磁界で変化する例は例えば、Ａ．Ｒ．Ｃａｌａｗａ「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．５（１９６０）Ｐ．５５」で報告されている。
【００２９】
さらにまた、ＭｎＳｂの微粒子で構成された薄膜は超常磁性体で外部磁界の印加に対して大きな抵抗変化を示すことがＨ．Ａｋｉｎａｇａ「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７６（２０００）Ｐ．３５７」で知られており、このように人工的な構造を有する膜を非磁性層１４として使用することも可能である。
【００３０】
上記の実施例においては、第１の強磁性層１３としてＦｅ膜、第２の強磁性層１５としてＣｏＦｅ膜が使用されているが、それ以外にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ或はこれらの合金を用いることができる
強磁性層の膜厚は１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。膜厚が薄すぎると熱エネルギーの影響で超常磁性化してしまうので、強磁性層の膜厚は１ｎｍ以上であることが好ましく、一方、膜厚が厚すぎると端部磁極の影響が大きくなるため、強磁性層の膜厚は１００ｎｍ以下であることが好ましい。また、各強磁性層を多層膜で構成することも可能であり、この場合は合計の膜厚を１ｎｍ以上１００ｎｍ以下に設定すれば良い。
【００３１】
非磁性層の膜厚は、使用する材料もしくは半導体素子の抵抗と磁界に対する感度の兼ね合いで決定すれば良く、ＭＴＪ素子でのＡｌ２Ｏ３膜のような制約（１ｎｍ以下）は無い。
【００３２】
上記の実施例においては、図２に示すように、両強磁性層の磁化はいずれも膜面内方向を向いているが、膜に垂直な磁化の構成とすることも可能である。その時、非磁性層１４に印可される磁界の様子を図３に示す。図３（ａ）では第１強磁性層１３及び第２強磁性層１５の垂直磁化は同じ方向を向いている。この時、非磁性層１４には両強磁性層の端部磁極による磁界Ｈが印可されている。一方、図３（ｂ）では第１強磁性層１３及び第２強磁性層１５の垂直磁化は逆方向を向いている。この時、両強磁性層の端部磁極による磁界は互いに打ち消しあうため、非磁性層１４には実質的に磁界が印可されないことになる。非磁性層１４は磁界によって電気特性の変化する材料で構成されていることから、両強磁性層の垂直磁化の平行、反平行を検出することが可能となり、磁気メモリに使用できる。
【００３３】
上記の実施例においては、非磁性層１４としてＩｎＳｂによる抵抗或いはトンネルダイオードが記載されているが、これらに限定される必要はなく、第１強磁性層１３及び第２強磁性層１５方向に電流を流した時、外部磁界で電気的特性が変化するものであれば良いことは明らかである。さらにまた、上記の実施例においては、非磁性層１４は第１強磁性層１３及び第２強磁性層１５と直接電気的に接しているが、非磁性層１４が第１強磁性層１３及び第２強磁性層１５と相互拡散等を生じるのを防止するために中間に保護層等を挿入することも可能であり、ＭＴＪ素子と比較して設計の自由度が高い。
【００３４】
また、上記の実施例において、磁気メモリ素子は両強磁性層と非磁性層とで構成されているが、磁気メモリへの応用に際しては、片側の強磁性層の磁化方向を反強磁性層との交換結合で固定する等の方策が必要なことは明らかである。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、非磁性層に絶縁層を使用する必要がないことから、素子特性を低下させることなく、素子抵抗を低くすることができる。更にまた、トンネルダイオードのような半導体素子の導入が可能となり、磁気メモリ素子の特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の構造図である。
【図２】本発明の磁気メモリ素子のメカニズムを説明する図である
【図３】本発明の他の構成を説明する図である。
【図４】従来のＭＴＪ素子の構成を示す図である。
【図５】従来のＭＴＪ素子を磁気メモリに使用する場合の動作原理を示す図である。
【符号の説明】
１１  基板
１２  第１の配線層
１３  第１の強磁性層
１４  非磁性層
１５  第２の強磁性層
１６  絶縁層
１７  第２の配線層
４１  反強磁性層
４２、４４  強磁性層
４３  絶縁層
【図１】
0003558951.tif 000002
【図２】
0003558951.tif 000003
【図３】
0003558951.tif 000004
【図４】
0003558951.tif 000005
【図５】
0003558951.tif 000006