(57)【要約】【課題】小さい磁界で記録することができ、情報を安定して保持することができる磁気記憶素子及びその記録方法、並びにこの磁気記憶素子を備えて駆動回路を簡略化することができる磁気記憶装置を提供する。【解決手段】記憶層１３・非磁性層１４・磁化固定層１５が積層されて成り、記憶層１３が遷移金属ＴＭを主成分とする第１の磁性層１１と、希土類金属ＲＥを主成分とする第２の磁性層１２とが直接積層されて構成され、室温状態において第１の磁性層１１の磁化の量が第２の磁性層１２の磁化の量よりも小さい磁気記憶素子を構成する。また、この磁気記憶素子の記憶層に対して、加熱と磁界印加により一方の向きの磁化状態を記録し、加熱により第１の磁性層及び磁化固定層に磁気結合を作用させて他方の向きの磁化状態を記録する。さらに、この磁気記憶素子と、記憶層と磁化固定層との相対磁化を読み出す手段と、記憶層に対して一方の向きの電流磁界を印加する配線と、記憶層を加熱する加熱手段とを備えた磁気記憶装置を構成する。【選択図】  図２
2004172218.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化状態を情報として保持する記憶層、非磁性層、並びに磁化の向きが固定された磁化固定層が積層されて成り、
上記記憶層は、遷移金属を主成分とする第１の磁性層と、希土類金属を主成分とする第２の磁性層とが直接積層されて構成され、室温状態において上記第１の磁性層の磁化の量が上記第２の磁性層の磁化の量よりも小さい
ことを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項２】
上記記憶層を構成する上記第１の磁性層及び上記第２の磁性層のうち、上記第１の磁性層が上記磁化固定層に近い側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項３】
磁化状態を情報として保持する記憶層、非磁性層、並びに磁化の向きが固定された磁化固定層が積層されて成り、
上記記憶層は、遷移金属を主成分とする第１の磁性層と、希土類金属を主成分とする第２の磁性層とが直接積層されて構成され、室温状態において上記第１の磁性層の磁化の量が上記第２の磁性層の磁化の量よりも小さい磁気記憶素子に対して、
上記記憶層を加熱すると共に、該記憶層に磁界を印加して、該記憶層に一方の向きの磁化状態を記録し、
上記記憶層を加熱して上記第１の磁性層及び上記磁化固定層に磁気結合を作用させて、該記憶層に他方の向きの磁化状態を記録する
ことを特徴とする磁気記憶素子の記録方法。
【請求項４】
磁化状態を情報として保持する記憶層、非磁性層、磁化の向きが固定された磁化固定層が積層されて成り、該記憶層が遷移金属を主成分とする第１の磁性層と希土類金属を主成分とする第２の磁性層とが直接積層されて構成され、室温状態において上記第１の磁性層の磁化の量が上記第２の磁性層の磁化の量よりも小さい磁気記憶素子と、
上記記憶層と上記磁化固定層との相対磁化を電気抵抗の変化により読み出す手段と、
上記記憶層に対して、一方の向きの電流磁界を印加する配線と、
上記記憶層を加熱する加熱手段とを備えた
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項５】
上記配線は、上記記憶層に電気的に接続され、上記加熱手段を兼ねることを特徴とする請求項４に記載の磁気記憶装置。
【請求項６】
磁気記憶素子に対して、上記配線の他にさらに第２の配線が設けられ、該配線及び該第２の配線により上記加熱手段が構成されることを特徴とする請求項５に記載の磁気記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性メモリに用いて好適な磁気記憶素子及びその記録方法、並びに磁気記憶素子を用いて構成された磁気記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ等の情報機器においては、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度のＤＲＡＭが広く使用されている。
しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。
【０００３】
そして、不揮発メモリとして、磁性体の磁化状態により情報を記録する磁気記憶素子を用いた磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）の開発が進められている（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
日経エレクトロニクス  ２００１．２．１２号（第１６４頁−１７１頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
今後、ＭＲＡＭにおいても、記憶容量を増加したり、装置を小型化したりするために、高密度化を図る必要があり、これによりメモリセルを構成する磁気記憶素子のさらなる縮小化が求められる。
【０００６】
ＭＲＡＭに用いられる磁気記憶素子では、磁性体の形状を長方形や楕円にすることにより発生する反磁界を用いて磁化を安定化している。
磁性体は、寸法の縮小化に従って保磁力が増加する傾向を有し、ＭＲＡＭに用いられる磁気記憶素子においても、縮小化に伴い保磁力が増加していく。
【０００７】
この磁気記憶素子の縮小化に伴う保磁力の増加に対応して、記録時においてより大きい磁界を印加する必要が生じる。
そして、ＭＲＡＭでは、ワード線やビット線に流す電流（記録電流）により磁界を発生させて磁気記憶素子に記録を行っていることから、大きな記録電流が必要となる。
このため、磁気記憶素子を縮小化して素子の数を多くすることによりＭＲＡＭの記憶容量を大きくしようとすると、ＭＲＡＭの消費電流が増大してしまう。
従って、ＭＲＡＭの記憶容量を増加するためには、磁気記憶素子の保磁力を低減して、記録電流を低減することが望まれる。
【０００８】
一方、磁気記憶素子を縮小化したときに、記録した情報を安定に保持するためには、ある程度の大きさの保磁力が必要になる。
従って、磁気記憶素子を縮小化したときには、保磁力を低減して記録電流を低減することと、記録した情報を安定に保持するためにある程度の保磁力を有することという、相反する条件を満たす必要がある。
【０００９】
さらに、ＭＲＡＭでは、ワード線やビット線に流す電流から発生する磁界を利用して、この磁界の向きにより磁気記憶素子の記憶層の磁化の向きを変えて情報を記録している。このため、記憶層の磁化の向きを変えるために、電流の向きを切り替える必要がある。
このことから、ワード線やビット線の両端に供給する電位の組み合わせが多くなり、駆動回路が複雑になるため、高記録密度化する上で障害となるという問題もある。
【００１０】
上述した問題の解決のために、本発明においては、小さい磁界で記録することができ、情報を安定して保持することができる磁気記憶素子及びその記録方法、並びにこの磁気記憶素子を備えて小さい記録電流で記録することができ、安定して情報を記憶することができると共に、駆動回路を簡略化することができる磁気記憶装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気記憶素子は、磁化状態を情報として保持する記憶層、非磁性層、並びに磁化の向きが固定された磁化固定層が積層されて成り、記憶層が遷移金属を主成分とする第１の磁性層と希土類金属を主成分とする第２の磁性層とが直接積層されて構成され、室温状態において第１の磁性層の磁化の量が第２の磁性層の磁化の量よりも小さいものである。
【００１２】
また、上記本発明の磁気記憶素子において、記憶層を構成する第１の磁性層及び第２の磁性層のうち、第１の磁性層が磁化固定層に近い側に配置されている構成とするを可とする。
【００１３】
本発明の磁気記憶素子の記録方法は、磁化状態を情報として保持する記憶層、非磁性層、並びに磁化の向きが固定された磁化固定層が積層されて成り、記憶層が遷移金属を主成分とする第１の磁性層と希土類金属を主成分とする第２の磁性層とが直接積層されて構成され、室温状態において第１の磁性層の磁化の量が第２の磁性層の磁化の量よりも小さい磁気記憶素子に対して、記憶層を加熱すると共に記憶層に磁界を印加することにより記憶層に一方の向きの磁化状態を記録し、記憶層を加熱して第１の磁性層及び磁化固定層に磁気結合を作用させることにより記憶層に他方の向きの磁化状態を記録するものである。
【００１４】
本発明の磁気記憶装置は、磁化状態を情報として保持する記憶層、非磁性層、磁化の向きが固定された磁化固定層が積層されて成り、記憶層が遷移金属を主成分とする第１の磁性層と希土類金属を主成分とする第２の磁性層とが直接積層されて構成され、室温状態において第１の磁性層の磁化の量が第２の磁性層の磁化の量よりも小さい磁気記憶素子と、記憶層と磁化固定層との相対磁化を電気抵抗の変化により読み出す手段と、記憶層に対して一方の向きの電流磁界を印加する配線と、記憶層を加熱する加熱手段とを備えたものである。
【００１５】
また、上記本発明の磁気記憶装置において、配線を記憶層に電気的に接続し、加熱手段を兼ねる構成とするを可とする。
また、上記本発明の磁気記憶装置において、磁気記憶素子に対して配線の他にさらに第２の配線を設け、これら配線及び第２の配線により加熱手段を構成するを可とする。
【００１６】
上述の本発明の磁気記憶素子の構成によれば、記憶層が遷移金属を主成分とする第１の磁性層と希土類金属を主成分とする第２の磁性層とが直接積層されて構成され、室温状態において第１の磁性層の磁化の量が第２の磁性層の磁化の量よりも小さいため、室温状態においては記憶層全体の磁化の向きが第２の磁性層の磁化の向きと同じになる。そして、記憶層を加熱して温度を上昇させていくと、第２の磁性層の磁化が小さくなって、記憶層全体の磁化が小さくなることから、より小さい磁界で記憶層の磁化を変化させて記録を行うことが可能になる。
また、記憶層、非磁性層、磁化固定層が積層されて磁気記憶素子が構成されていることにより、磁化固定層と記憶層の遷移金属を主成分とする第１の磁性層との間に磁気結合を発生させて、これら磁化固定層の磁化の向きと第１の磁性層の磁化の向きを同じ（平行）に揃えることが可能になる。この磁気結合を作用させるには、記憶層をさらに加熱して温度を上昇させることにより、希土類金属を主成分とする第２の磁性層の磁化をさらに小さくして、記憶層全体の磁化がほとんどない状態、或いは非常に小さい状態とすればよい。
これにより、記憶層に磁界を印加しなくても、これら磁化固定層の磁化の向きと第１の磁性層の磁化の向きを同じ（平行）に揃えて、室温状態では記憶層全体の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとを反平行にすることが可能になる。
【００１７】
さらに、上記本発明の磁気記憶素子において、記憶層を構成する第１の磁性層及び第２の磁性層のうち、第１の磁性層が磁化固定層に近い側に配置されている構成としたときには、遷移金属を主成分とする第１の磁性層の方が磁化固定層に近い側に配置されるため、通常遷移金属を用いて構成される磁化固定層との相互作用を強くすることができ、これらの間に配置された非磁性層を流れる電流を流れやすくして、記憶層の磁化状態の読み出しを容易に行うことができる。
【００１８】
上述の本発明の磁気記憶素子の記録方法によれば、上述の本発明の磁気記憶素子に対して、記憶層を加熱すると共に記憶層に磁界を印加することにより記憶層に一方の向きの磁化状態を記録し、記憶層を加熱して第１の磁性層及び磁化固定層に磁気結合を作用させることにより記憶層に他方の向きの磁化状態を記録することにより、記憶層に他方の向きの磁化状態を記録する際には、記憶層に磁界を印加しなくても加熱と磁気結合の作用とによって記録を行うことができる。
これにより、記憶層に印加する磁界を、記憶層を一方の向きの磁化状態とする方の、一方の向きの磁界だけにすることが可能になる。
【００１９】
上述の本発明の磁気記憶装置の構成によれば、上述の本発明の磁気記憶素子と、記憶層と磁化固定層との相対磁化を電気抵抗の変化により読み出す手段と、記憶層に対して一方の向きの電流磁界を印加する配線と、記憶層を加熱する加熱手段とを備えたことにより、磁気記憶素子に対して上述した記録方法により記録を行うことが可能である。
即ち加熱手段により記憶層を加熱すると共に配線に電流を流して一方の向きの電流磁界を記憶層に印加して、記憶層に一方の向きの磁化状態を記録することができる。また、加熱手段により記憶層を加熱して第１の磁性層及び磁化固定層に磁気結合を作用させることにより、電流磁界を印加する配線に電流を流さなくても、記憶層に他方の向きの磁化状態を記録することができる。
【００２０】
さらに、上記本発明の磁気記憶装置において、配線を記憶層に電気的に接続し加熱手段を兼ねる構成としたときには、配線から記憶層に電流を流すことができるため、記憶層に効率良く電流磁界を作用させることができる。また、加熱と磁界の印加とを同時に行うことが容易になる。
また、上記本発明の磁気記憶装置において、磁気記憶素子に対して配線の他にさらに第２の配線を設け、これら配線及び第２の配線により加熱手段を構成したときには、配線及び第２の配線を選択することにより任意の磁気記憶素子を選択して記録を行うことができる。また、加熱手段が２種類の配線からなるため、これら配線に流す電流の組み合わせにより、加熱の状態を変えることができ、これにより記憶層に記録される磁化状態を変えることも可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
本発明では、磁化の向きによる記録を保持する記憶層として、遷移金属を主成分とする第１の磁性層と希土類金属を主成分とする第２の磁性層とを直接積層した磁気記憶素子を構成する。さらに、記憶層に対して、非磁性層（例えばトンネル絶縁層や非金属層）を介して磁化固定層を配置して構成する。
【００２２】
即ち本発明の磁気記憶素子では、図３Ａに示すように、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２を直接積層して記憶層１３を構成する。
第１の磁性層１１が遷移金属（ＴＭ）を主成分とし、第２の磁性層１２が希土類金属（ＲＥ）を主成分としており、これら第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２が直接積層されているため、図３Ａに示すように、第１の磁性層１１の遷移金属（ＴＭ）の磁気モーメント（磁化）Ｍ１の向きと、第２の磁性層１２の希土類金属（ＲＥ）の磁気モーメント（磁化）Ｍ２の向きとが互いに反対向き（反平行）になるように結合する。室温状態においてはこの図３Ａに示す状態となっている。
さらに、本発明では、室温状態において第１の磁性層１１の磁化Ｍ１の量が第２の磁性層１２の磁化Ｍ２の量よりも小さい構成（Ｍ１＜Ｍ２）とする。
従って、室温状態では、記憶層１３全体の磁化Ｍは、第２の磁性層１２の磁化Ｍ２と同じ向きになっている。
【００２３】
第１の磁性層１１の遷移金属（ＴＭ）の磁化Ｍ１の大きさは温度による変化が小さいが、第２の磁性層１２の希土類金属（ＲＥ）の磁化Ｍ２の大きさは温度上昇により減少していく。
従って、この構成の記憶層１３に対して、加熱を行って温度を上昇させると、図３Ｂに示すように、第２の磁性層１２の希土類金属（ＲＥ）の磁化Ｍ２が小さくなってくる。これにより、記憶層１３全体の磁化Ｍが、室温状態よりも小さくなる。
さらに加熱を行って温度を上昇させると、図３Ｃに示すように、第２の磁性層１２の希土類金属（ＲＥ）の磁化Ｍ２がさらに小さくなって、第１の磁性層１１の遷移金属（ＴＭ）の磁化Ｍ１とほぼ等しくなる（Ｍ１＝Ｍ２）。これにより、記憶層１３全体の磁化Ｍはほぼ０となる。
さらに加熱を行って温度を上昇させると、図３Ｄに示すように、第２の磁性層１２の希土類金属（ＲＥ）の磁化Ｍ２がさらに小さくなって、第１の磁性層１１の遷移金属（ＴＭ）の磁化Ｍ１よりも小さくなる（Ｍ１＞Ｍ２）。これにより、記憶層１３全体の磁化Ｍは、第１の磁性層１１の遷移金属（ＴＭ）の磁化Ｍ１の向きと同じになり、室温状態とは反対の向きになる。
【００２４】
なお、室温状態において第１の磁性層１１の磁化Ｍ１が第２の磁性層１２の磁化Ｍ２よりも大きい（Ｍ１＞Ｍ２）構成とすると、記憶層１３全体の磁化Ｍの大きさが加熱による温度上昇に従い増大していくため、加熱しても記憶層１３の保磁力を低減できないので好ましくない。
【００２５】
そして、図３Ｂ〜図３Ｄに示した各状態では、図３Ａに示した室温状態と比較して、記憶層１３全体の磁化Ｍが非常に小さくなっており、これにより記憶層１３全体の保磁力も小さくなっている。
図３Ｃに示したように記憶層１３全体の磁化Ｍが０になった状態、もしくは図３Ｂ又は図３Ｄの状態よりもさらに図３Ｃに近く記憶層１３全体の磁化Ｍが非常に小さくなった状態では、形状による磁気異方性及び外部からの磁界の影響がほとんどなくなってしまい、例えば層間の磁気相互作用等の影響が大きくなる。
従って、記憶層１３全体の保磁力は小さくなっているが、磁化の向きを制御するために必要な磁界の大きさは小さくならない。
【００２６】
そこで、本発明では、上述の構成の記憶層１３に対して、さらに図４Ａに示すように、例えばトンネル絶縁膜１４或いはその他の非磁性層を介して、磁化固定層１５を配置して、磁気記憶素子を構成する。
そして、図３Ｃに示した記憶層１３全体の磁化Ｍがほぼ０となる状態、もしくはその近傍の状態即ち記憶層１３全体の磁化Ｍが充分小さい状態において、磁化固定層１５と記憶層１３との間に磁気相互作用による磁気結合を発生させる。
この磁気結合により、磁界を印加しなくても、図４Ｂに示すように記憶層１３のうち第１の磁性層１１の遷移金属（ＴＭ）の磁化Ｍ１を、磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きと同じ向き（平行）にすることができる。
この状態から磁気記憶素子を冷却すると、図４Ｃに示すように第１の磁性層１１の磁化Ｍ１は磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きと平行となり、第２の磁性層１２の磁化Ｍ２は第１の磁性層１１の磁化Ｍ１及び磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きと反平行となるため、記憶層１３全体の磁化Ｍは磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きと反平行となる。
【００２７】
さらに、情報を記憶するためには、記憶層１３全体の磁化Ｍの向きを磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きとは平行な状態、即ち記憶層１３の第１の磁性層１１の磁化Ｍ１の向きを磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きと反平行の状態にもする必要がある。
この状態にするためには、例えば、図５Ｄに示すように、温度上昇により記憶層１３全体の磁化Ｍが室温状態より小さくなって保磁力が低下した状態において、図５Ｅに示すように磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きと同じの向きの磁界Ｈを印加することが考えられる。この磁界Ｈにより、図５Ｅに示すように、記憶層１３全体の磁化Ｍの向きを磁界Ｈと同じ向きに反転させることができる。ただし、記憶層１３全体の磁化Ｍが小さくなりすぎると、前述したように磁界Ｈの影響を受けにくくなるため、あまり高い温度にしないようにする。
このように記録を行うようにすれば、一方の向きの磁界Ｈのみで記憶層１３の磁化Ｍの向きを、磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きに対して、平行の状態、並びに反平行の状態に変化させて、情報の記録を行うことができる。
【００２８】
続いて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
本発明の磁気記憶素子の一実施の形態の概略構成図を図１に示す。
この磁気記憶素子１０は、前述した構成の記憶層１３と磁化固定層１５とが、トンネル絶縁膜１４を挟んで配置されて磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ）１６が構成されている。
この磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ）１６は、図中左右方向が磁性層の磁化容易軸方向になり、紙面に垂直な方向が磁性層の磁化困難軸方向になるように、配置されている。
また、記憶層１３を加熱するための加熱手段として、抵抗加熱部２１が記憶層１３上に配置されている。この抵抗加熱部２１は、その両端に接続された第１の配線２２に電流を流すことにより発熱するものである。第１の配線２２は、図中左右方向に伸びており、磁気トンネル接合素子１６の磁性層の磁化容易軸方向と平行になっている。
磁気トンネル接合素子１６の下方には、紙面に垂直な方向（磁気トンネル接合素子１６の磁性層の磁化困難軸方向）に伸びる第２の配線２３が配置され、この第２の配線２３により磁気トンネル接合素子１６に対して、その磁性層の磁化容易軸方向である図中右向き或いは左向きの磁界が印加される。
磁化固定層１５の下には、磁化を検出するための第３の配線２４が接続されている。図中２５は、トランジスタ等を搭載した基板を示す。
【００２９】
さらに図１の磁気記憶素子１０において、磁気トンネル接合素子１６付近の詳細な断面図を図２に示す。
図２に示すように、記憶層１３は、遷移金属（ＴＭ）を主成分とする第１の磁性層１１上に、希土類金属（ＲＥ）を主成分とする第２の磁性層１２が直接積層された２層構造となっている。
また、図３Ａで説明したと同様に、室温状態において、第１の磁性層１１の磁化が第２の磁性層１２の磁化よりも小さい構成とされる。
さらに、遷移金属（ＴＭ）を主成分とする第１の磁性層１１の方が第２の磁性層１２よりも磁化固定層１５に近い側に配置されているので、トンネル絶縁膜１４を通じたトンネル電流量を多くすることができる。
磁化固定層１５は、強磁性層１７と、強磁性層１７の磁化を一方向に固定する反強磁性層１８とが積層されて構成されている。
磁化固定層１５の下の下地膜１９と、記憶層１３の上の保護膜２０は、図１では図示を省略している。
【００３０】
記憶層１３の第１の磁性層１１には、遷移金属、例えばＣｏＦｅを使用することができ、第２の磁性層１２には、希土類金属、例えばＧｄを使用することができる。そして、例えば、第１の磁性層１１を膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜、第２の磁性層１２を膜厚５ｎｍのＧｄ膜とした場合には、第２の磁性層１２の磁化を第１の磁性層１１の磁化より大きくすることができる。
トンネル絶縁膜１４には、例えば膜厚０．８ｎｍのＡｌ２  Ｏ３  膜を使用することができる。
また、磁化固定層１５の強磁性層１７には、例えば膜厚２ｎｍのＣｏ膜を使用することができ、反強磁性層１８には、例えば膜厚２０ｎｍのＰｔＭｎ膜を使用することができる。
下地膜１９には、例えば膜厚１０ｎｍのＴａ膜を使用することができ、保護膜には、例えば膜厚５ｎｍのＴａ膜を使用することができる。
【００３１】
なお、第２の磁性層１２にＧｄを用いた場合には、Ｇｄ単体のキュリー温度が約３００Ｋ（約３０℃）であり、通常の使用温度でキュリー温度を超えて第２の磁性層１２の磁化が消失してしまうことが懸念されるが、本実施の形態では、遷移金属からなる第１の磁性層１１と直接積層されることにより第２の磁性層１２の磁化が安定化して実効的にキュリー温度が上がるため、通常の使用温度で第２の磁性層１２の磁化が消失するようなことはない。
【００３２】
本実施の形態の磁気記憶素子１０では、第１の配線２２に電流を流して抵抗加熱部２１を発熱させることにより、記憶層１３を加熱することができる。
また、第２の配線２３に電流を流すことにより、電流磁界を発生させて、この電流磁界を記憶層１３に対して印加することができる。この電流磁界により、記憶層１３の磁化の向きを磁化固定層１５の磁化の向きと平行な状態或いは反平行な状態のいずれかの状態に制御にして、記憶層１３に情報を記録することができる。
そして、記録時に、抵抗加熱部２１により記憶層１３を加熱することにより、図３Ａ及び図３Ｂに示したように記憶層１３全体の磁化Ｍが室温状態よりも小さくなり、その分小さい電流磁界で情報の記録を行うことができる。
【００３３】
図１に示す構成の磁気記憶素子１０に対して、通常のＭＲＡＭに用いられる磁気記憶素子と同様に、第２の配線２３に流す電流の向きを変えることにより電流磁界の向きを変える構成としても、情報を記録することが可能である。しかしながら、このような構成とすると、第２の配線２３に両方向の電流を流すために駆動回路が複雑になる。
【００３４】
そこで、本実施の形態では、図１に示す構成の磁気記憶素子１０において、記憶層１３の第１の磁性層（遷移金属層）１１と磁化固定層１５との磁気結合を利用して、図４Ｂに示したと同様に第１の磁性層１１の磁化Ｍ１の向きと磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きを平行にする。
これにより、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１の向きを磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きと平行にするとき、即ち図４Ｃに示したように記憶層１３全体の磁化Ｍの向きを磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きと反平行にするときには、磁界の印加が不要になるため、第２の配線２３に電流を流さなくてもよく、第１の配線２２に電流を流して抵抗加熱部２１により記憶層１３を加熱するだけですむ。
【００３５】
一方、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１の向きを磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きと反平行にするとき、即ち記憶層１３全体の磁化Ｍの向きを磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きと平行にするときには、第１の配線２２に電流を流して抵抗加熱部２１により記憶層１３を加熱すると共に、第２の配線２３に電流を流して電流磁界を記憶層１３に印加する。
このとき、第２の配線２３に流す電流の向きは、この電流により発生する電流磁界が、記憶層１３に対して磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きと同じ向きに作用するように設定する。
また、記憶層１３が電流磁界の影響を受けるようにするために、第１の配線２２に流す電流の電流量等を設定して、記憶層１３の温度を制御する。
【００３６】
本実施の形態では、このようにして、記録時に第２の配線２３に流す電流の向きを一方だけにすることが可能になる。これにより、第２の配線２３の両方の向きに電流を流す場合と比較して、第２の配線２３の両端に供給する電位の組み合わせの数を低減することができ、第２の配線２３に電流を流す駆動回路を簡略化することができる。
【００３７】
そして、本実施の形態の磁気記憶素子１０において、記憶層１３に記録された磁化情報の検出（読み出し）は、従来のＭＲＡＭに用いられている磁気記憶素子と同様にして行うことができる。
即ち、記憶層１３の磁化Ｍの向きと磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きとが平行（同じ向き）の関係にあるか、反平行（反対向き）の関係にあるかによって、トンネル絶縁膜１４を流れるトンネル電流に対する抵抗が変化するので、この抵抗値又は電流値によって、記憶層１３に記録された磁化情報を検出することができる。
【００３８】
上述の本実施の形態の磁気記憶素子１０によれば、遷移金属を主成分とする第１の磁性層１１と、希土類金属を主成分とする第２の磁性層１２とを直接積層して成り、かつ室温状態で第２の磁性層１２の磁化Ｍ２が第１の磁性層１１の磁化Ｍ１よりも大きい構成の記憶層１３を有することにより、記憶層１３を加熱して記憶層１３全体の磁化Ｍを室温状態よりも小さくすれば、比較的小さい磁界によっても記憶層１３全体の磁化Ｍの向きを変えることが可能になる。
【００３９】
そして、記憶層１３に対して、トンネル絶縁層１４を介して磁化固定層１５が配置されているため、記憶層１３を加熱して記憶層１３全体の磁化Ｍを非常に小さくすれば、遷移金属を主成分とする第１の磁性層１１と磁化固定層１５との間に磁気結合を発生させて、磁界を印加しなくても、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１と磁化固定層１５の磁化Ｍ３とを同じ向きにすることができる。
【００４０】
これにより、記憶層１３の上に配置した抵抗加熱部２１を発熱させて記憶層１３を加熱するだけで、第２の配線２３に流れる電流からの電流磁界を発生させなくても、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１と磁化固定層１５の磁化Ｍ３とを同じ向きにすることができる。
従って、第２の配線２３に流す電流の向きを、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１と磁化固定層１５の磁化Ｍ３とを反対の向きにするような電流磁界を発生させる向きだけ、即ち一方の向きだけにすることが可能になるため、第２の配線２３に電流を流す駆動回路を簡略化することができる。
【００４１】
そして、マトリクス状に直交配置させたそれぞれ複数本の第１の配線２２及び第２の配線２３の交点に、本実施の形態の磁気記憶素子１０を配置することにより、ＭＲＡＭ等の磁気記憶装置を構成することができる。
【００４２】
このように磁気記憶装置を構成した場合、通常のＭＲＡＭと同様に、磁気記憶素子１０の記憶層１３に電流磁界を印加する第２の配線２３に対して両方の向きに電流を流す構成としたときには、電流を流す第１の配線２２及び第２の配線２３を選定し、かつ第２の配線に流す電流の向きを選定することにより、多数の磁気記憶素子１０の中から任意の磁気記憶素子１０を選択して、「０」又は「１」の情報を記録することができる。
【００４３】
これに対して、上述の本実施の形態で説明したように、磁化固定層１５との磁気結合を利用して、第２の配線２３に流す電流の向きを一方だけにする構成としたときには、上述の方法によって任意の磁気記憶素子１０を選択して、「０」或いは「１」の任意の情報を記録することが不可能になる。
この構成において、任意の情報を記録するためには、例えば次のような方法を採る。
ここで、例えば第２の配線２３に電流を流して電流磁界を発生させることによって「０」の情報が記録され、磁化固定層１５との磁気結合を発生させることによって「１」の情報が記録されるとして説明する。
「０」の情報を記録するためには、選択したい磁気記憶素子１０に対応する第１の配線２２及び第２の配線２３に電流を流す。このとき、第１の配線２２に流す電流の量は、比較的小さくする。これにより、選択したい磁気記憶素子１０にだけ加熱と電流磁界の印加の両方が行われて、「０」の情報が記録される。加熱だけが行われた磁気記憶素子１０や、電流磁界の印加だけが行われた磁気記憶素子１０では、記憶層１３の磁化が変化せず、例えば「１」の情報が記録されていればそのまま保持される。
「１」の情報を記録するためには、選択したい磁気記憶素子１０に対応する第１の配線２２に電流を流す。このとき、第１の配線２２に流す電流の量は、比較的大きくして磁化固定層１５との磁気結合が作用する温度に記憶層１３を加熱する。これにより、選択したい磁気記憶素子１０と、同じ第１の配線２２に対応する磁気記憶素子１０とにおいて、磁気結合が作用して、「１」の情報が記録される。このままでは、同じ第１の配線２２に対応する磁気記憶素子に全て「１」の情報が記録されてしまうため、予め同じ第１の配線に対応する磁気記憶素子１０に記憶された情報の内容を読み取って別の場所（例えば他の記憶媒体や同じ磁気記憶装置の空いている磁気記憶素子）に記憶しておき、「０」の情報が記憶されていた磁気記憶素子１０に対しては、第１の配線２２の電流を停止して磁気記憶素子１０が冷却される過程において、その素子１０に対応する第２の配線２３に電流を流して電流磁界を印加して「０」の情報に記録しなおせばよい。
【００４４】
ここで、本実施の形態の磁気記憶素子１０における、記憶層１３の磁化状態の温度変化を測定するために、記憶層１３を構成する第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２の２層のみを成膜して、磁化の温度変化を調べた。
第１の磁性膜１１として膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜を成膜し、その上に第２の磁性膜１２として膜厚５ｎｍのＧｄ膜を成膜して記憶層１３を形成した。この記憶層１３に対して、１ｋＯｅの磁界を印加させながら、温度を変化させて記憶層１３全体の磁化の変化を測定した。
【００４５】
測定結果を図６に示す。この図６は、記憶層１３の全体の磁化について、室温状態の磁化量Ｍ０を基準とした磁化量Ｍｓの比率（Ｍｓ／Ｍ０）の温度Ｔによる変化を表している。
図６より、温度上昇により磁化量Ｍｓが減少していき、１４０℃付近で磁化量Ｍｓが最小でほぼ０になっていることが確認できる。即ち、反平行に配列した第１の磁性層（ＣｏＦｅ膜）１１の磁化Ｍ１と第２の磁性層（Ｇｄ膜）１２の磁化Ｍ２がこの温度において等しくなっていることが確認できる。
【００４６】
さらに、図２の構成の磁気トンネル接合素子１６において、磁界Ｈの大きさとトンネル抵抗Ｒとの関係を調べた。
図２に示した構成の磁気トンネル接合素子１６の積層構造を成膜した後、これを長軸２μｍ・短軸１μｍの楕円形状に加工して、この素子１６の長軸方向に磁界Ｈを印加して、この磁界Ｈの強度とトンネル絶縁膜１４を通じて流れるトンネル電流のトンネル抵抗Ｒの関係を測定した。そして、この測定を、それぞれ磁気トンネル接合素子１６を、室温、１２５℃、１７５℃にした状態で行った。
【００４７】
測定結果を図７Ａ〜図７Ｃに示す。図７Ａは室温、図７Ｂは１２５℃、図７Ｃは１７５℃の温度における測定結果である。なお、図７Ａ〜図７Ｃにおいて、磁界Ｈは、磁化固定層１５の磁化の向きと同じ向きのときを正、反対向きのときを負としている。
【００４８】
ここで、図７Ａ〜図７Ｃの各図において、抵抗値Ｒの大きい状態から抵抗値Ｒの小さい状態に変化する過程で、抵抗値Ｒが最大値と最小値の平均値になるときの磁界Ｈの値をＨｆ−Ｈｃ、抵抗値Ｒの小さい状態から抵抗値Ｒの大きい状態に変化するときの同じく最大値と最小値の平均値になるときの磁界Ｈの値をＨｆ＋Ｈｃとする。同様の測定を他の温度でも行って、各温度におけるＨｆとＨｃの値をとると図８のようになる。
Ｈｃは１４０℃付近で０となり、その正から負に変化する。Ｈｆも１４０℃付近より低温では正、高温では負になっているが、Ｈｆは１４０℃の前後で絶対値が大きくなっている。
【００４９】
ここで、Ｈｆの絶対値がＨｃの絶対値よりも大きくなる（｜Ｈｆ｜＞｜Ｈｃ｜）温度範囲（１１５℃〜１６０℃程度）では、例えば図７Ｂに示す１２５℃の状態と同様に、磁界Ｈがない（即ちＨ＝０である）ときに抵抗値Ｒが小さい状態で磁化が安定する。
図２の構成の磁気トンネル接合素子１６においては、通常の磁気トンネル接合素子と同様に、磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きとトンネル絶縁膜１４に接する第１の磁性層（遷移金属）１１の磁化Ｍ１の向きが同じ（平行である）ときにトンネル抵抗値Ｒが小さくなり、反対向き（反平行）のときにトンネル抵抗値Ｒが大きくなる。
【００５０】
つまり、１１５℃〜１６０℃程度の温度範囲では、磁界Ｈを印加しなくても、トンネル抵抗値Ｒが小さい状態、即ち記憶層１３の第１の磁性層（遷移金属）１１の磁化Ｍ１の向きが磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きと同じ（平行である）状態になっていることを示している。
即ちこの温度まで記憶層１３を加熱してから冷却すれば、前述したように、磁界を印加しなくても記憶層１３全体の磁化Ｍの向きを、磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きと反平行にすることができる。
【００５１】
一方、この状態とは逆の方向に記憶層１３全体の磁化Ｍを向けるためには、前述したように、記憶層１３に対する磁界Ｈの影響がなくならない程度に加熱した状態で、磁界Ｈを印加する。
上述の磁界Ｈの影響がなくならない程度というのは、おおむね図８において｜Ｈｃ｜＞｜Ｈｆ｜となる温度範囲である。
このとき、図７Ａから、記憶層１３にＨｆ＋Ｈｃ以上の磁界Ｈを印加すればよいことがわかる。記憶層１３を加熱することによって、室温状態と比較してＨｆ＋Ｈｃが小さくなるため、その分記録に必要な磁界Ｈも小さくなる。
【００５２】
ところで、記録電流をさらに低減するために、記憶層１３に印加する磁界Ｈをもっと小さくしたい場合が考えられる。
そこで、記憶層１３に電流を流し、この電流により発生する電流磁界によって記憶層１３の磁化状態を変えるように構成する。
このように構成すれば、第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２のそれぞれに電流磁場が作用するので、電流磁界をあまり大きくしなくても、また温度上昇により記憶層１３全体の磁化（見かけ上の磁化）Ｍが小さくなっていても、記憶層１３の各磁性層１１及び１２に有効に磁界を作用させることができる。
この記憶層１３に流す電流により発生する電流磁界を利用して記憶層１３の磁化状態を変える場合には、記憶層１３の磁化容易軸方向の電流磁界を発生させるために、記憶層１３の磁化困難軸方向に電流を流す必要がある。
従って、図１の磁気記憶素子１０の抵抗加熱部２１及び第１の配線２２とは異なり、抵抗加熱部や電流を流す配線を記憶層１３の磁化困難軸方向に配置することになる。例えば抵抗加熱部２１を記憶層１３の短軸方向（磁化困難軸方向）に配置した場合の磁気記憶素子の概略断面図を図１０Ａに示し、例えば記憶層１３に直接接続した配線２２を記憶層１３の短軸方向（磁化困難軸方向）に配置した場合の磁気記憶素子の概略断面図を図１０Ｂに示す。
【００５３】
このように、記憶層１３に直接電流を流して電流磁界を印加したときの磁化の変化について調べた。
図２の構成の磁気トンネル接合素子１６に対して、その記憶層１３の短軸方向の端部に電極を取り付け、記憶層１３に電流を流せるように構成した。
そして、あらかじめ外部からの磁界により、記憶層１３全体の磁化Ｍを磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きとは逆向きになるように初期化した（図４Ｃと同じ状態）。
次に、第１の磁性層１１に対して磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きとは逆向きの電流磁場が作用するようなパルス電流を流した後、磁化が反転したかどうか（図４Ａと同じ状態になったかどうか）をトンネル抵抗Ｒによって確認した。これをパルス電流のパルス幅（時間）を同じにして電流値を変えて、それぞれ測定を行った。
この測定結果として、パルス電流値ｉに対する磁化の反転確率ＰＲを図９に示す。この反転確率ＰＲは１０個の素子を各１０回測定して反転した確率を示す。
【００５４】
図９より、パルス電流値ｉがおよそ０．７〜１．１ｍＡの範囲で確実な磁化反転が観測される。
なお、パルス電流値ｉが１．３ｍＡ以上では磁化が反転していないが、これは電流値ｉが大きいため、素子温度がさらに上昇したことにより、前述した｜Ｈｃ｜＜｜Ｈｆ｜の条件が満たされて、記憶層１３の第１の磁性層（遷移金属層）１１の磁化Ｍ１と磁化固定層１５の磁化Ｍ３が同じ向きになり（図４Ｂと同じ状態）、パルス電流の後冷却された室温状態においては、記憶層１３全体の磁化Ｍの向きと磁化固定層１５の磁化Ｍ３が逆向きになる（図４Ｃと同じ状態）ため、結果として初期状態と変化がないように見えるからである。
【００５５】
つまり、電流値の大小によって記憶層１３に記録する情報を選択できることがわかる。これにより、配線２２に流す電流の向きを一方の向きのみとしても、電流値の大小だけで記録を行うことが可能になる。
【００５６】
ところで、ＭＲＡＭのような磁気記憶装置において、磁気記憶素子を高密度に集積するためには、直交したマトリクス状に形成された配線の任意の交点にある磁気記憶素子を選択して、その磁化状態を変化させる必要がある。
しかしながら、図１０Ａ又は図１０Ｂに示した構成の磁気記憶素子を採用した場合には、配線２２に電流を流すだけで任意の磁気記憶素子を選択して記録しようとすると、個々の磁気記憶素子の配線２２を独立して駆動する必要があり、駆動回路が複雑になるため好ましくない。
【００５７】
そこで、マトリクス状に配置された磁気記憶素子の選択を容易に行うために、記憶層に電流を流す配線の他に、記憶層を加熱する配線を設ける方法が考えられる。
このように構成した磁気記憶素子の実施の形態を次に示す。
【００５８】
本発明の磁気記憶素子の他の実施の形態として、複数の配線を加熱手段として利用する磁気記憶素子の構造を図１１に示す。図１１Ａは磁気記憶素子の長軸方向（即ち磁化容易軸方向）の断面図を示し、図１１Ｂは磁気記憶素子の短軸方向（即ち磁化困難軸方向）の断面図である。
本実施の形態においても、記憶層１３を含む磁気トンネル接合素子１６の構成は、先に図１に示した磁気記憶素子１０の実施の形態と同様の構成になっている。
本実施の形態の磁気記憶素子４０では、記憶層１３に対して、長方形状に形成された記憶層１３の短軸方向（磁化困難軸方向）に電流を流す配線３０が直接接続されている。また、記憶層１３の上方に少し間を置いて、かつ記憶層１３の長軸方向（磁化容易軸方向）に平行に、記憶層１３を加熱するための抵抗加熱部２７が配置されている。この抵抗加熱部２７には、配線２８が接続されており、この配線２８により抵抗加熱部２７に電流が流れて発熱する。
また、図中２６は、トランジスタ等の回路を搭載した半導体基板を示す。
【００５９】
本実施の形態の磁気記憶素子４０では、抵抗加熱部２７が記憶層１３と接触せず、少し間を置いて形成されているため、記憶層１３に対する抵抗加熱部２７からの磁界の影響は小さくなる。従って、抵抗加熱部２７は記憶層１３に対する磁界印加手段とはならず、もっぱら加熱手段として作用する。
一方、記憶層１３に配線３０が直接接続されていることにより、この配線３０に電流を流したときには、電流により記憶層１３を加熱することができると共に、記憶層１３の各磁性層１１，１２に対して電流の向きに対応した磁界を印加することができる。即ち配線３０は、加熱手段兼磁界印加手段として作用する。
【００６０】
そして、本実施の形態の磁気記憶素子４０を縦横にマトリクス状に配置して、抵抗加熱用の配線２８及び記憶層１３に電流を流すための配線３０のそれぞれを同じ列又は同じ行の磁気記憶素子４０同士で結合して、磁気記憶装置を構成することができる。これにより、２つの配線２８及び３０の交点にある磁気記憶素子４０の選択を容易に行うことが可能な磁気記憶装置を構成することができる。
【００６１】
次に、本実施の形態の磁気記憶素子４０に対して情報を記録する方法を、図１１及び図１２を参照して説明する。
ここで、記憶層１３全体の磁化が磁化固定層１５の磁化と同じ向きである状態で「０」の情報が記録され、逆向きである状態で「１」の情報が記録されるとする。
また、配線３０から記憶層１３に流す電流の向きは、記憶層１３に対して、磁化固定層１５の磁化とは反対の向きに電流磁界を印加するような向きとする。
【００６２】
まず、図１２の左側に示すように、抵抗加熱部２７に流すパルス電流Ｐ１の方が記憶層１３に流すパルス電流Ｐ２よりも先の場合には、パルス電流Ｐ１により抵抗加熱部２７に電流が流れて抵抗加熱部２７からの加熱が先に行われる。そして、パルス電流Ｐ２により加熱及び磁界の印加が行われる。
パルス電流Ｐ１により抵抗加熱部２７からの加熱がなされて温度が上昇し、さらに加熱が行われた状態で磁界の印加が行われるため、温度が上昇して磁界の影響が小さくなり、いったん第１の磁性層１１が磁化固定層１５と磁気結合して、第１の磁性層１１の磁化と磁化固定層１５の磁化の向きが平行になる。
その後、パルス電流Ｐ１の方が先に電流がなくなり、その状態でパルス電流Ｐ２があるため、温度の低下時には配線３０からの電流による電流磁界が印加されている。これにより、第１の磁性層（遷移金属層）１１の磁化が、電流磁界の向き即ち磁化固定層１５の磁化と反対の向きになり、さらに室温状態に冷却されると、この第１の磁性層１１の磁化とは反対の向きの第２の磁性層１２の磁化が強くなるため記憶層１３全体の磁化は磁化固定層１５の磁化と同じ向きの状態になる。
このようにして、「０」の情報が記録される。
【００６３】
一方、図１２の右側に示すように、抵抗加熱部２７に流すパルス電流Ｐ１の方が記憶層１３に流すパルス電流Ｐ２よりも後の場合には、パルス電流Ｐ２により加熱及び磁界の印加が行われ、さらにパルス電流Ｐ１による加熱が行われる。
パルス電流Ｐ２により加熱がなされて温度が上昇し、さらにパルス電流Ｐ１による加熱が行われるため、温度が上昇して磁界の影響が小さくなり、いったん第１の磁性層１１が磁化固定層１５と磁気結合して、第１の磁性層１１の磁化と磁化固定層１５の磁化の向きが平行になる。
その後、パルス電流Ｐ２の方が先に電流がなくなり、その状態でパルス電流Ｐ１があるため、温度の低下時には配線３０からの電流による電流磁界が印加されていない。これにより、第１の磁性層（遷移金属層）１１の磁化が磁化固定層１５の磁化と同じ（平行の）向きのままであり、さらに室温状態に冷却されると、この第１の磁性層１１の磁化とは反対の向きの第２の磁性層１２の磁化が強くなるため記憶層１３全体の磁化は磁化固定層１５の磁化とは反対の向きの状態になる。
このようにして、「１」の情報が記録される。
【００６４】
従って、２つのパルス電流Ｐ１及びＰ２の時間をずらすことにより、いずれのパルス電流Ｐ１或いはＰ２を先にするかに対応して、記憶層１３の磁化の向きを変化させることができ、その結果として「０」の情報或いは「１」の情報を記録することができる。
【００６５】
上述の本実施の形態の磁気記憶素子４０によれば、記憶層１３の磁化状態を、配線３０に流す一方の向きの電流のみで変えることができる。
これにより、配線３０の両方の向きに電流を流す場合と比較して、配線３０の両端に供給する電位の組み合わせの数を低減することができる。例えば一方が高電位及び両方が同電位の状態にするだけですみ、一方が低電位で他方が高電位の状態にする必要がなくなる。
従って、磁気記憶素子４０を多数集積して磁気記憶装置を構成したときに、配線３０に電流を流す駆動回路を簡素化することができ、高密度に集積しやすくなる。
【００６６】
また、配線３０から記憶層１３に直接電流を流して電流磁界を印加することにより、電流磁界が記憶層１３に効率的に作用するため、図１のように記憶層１３から離れた配線２３から電流磁界を印加する場合と比較して、より小さい記録電流で記録することが可能になる。
そして、配線３０から記憶層１３に流した電流により、記憶層１３を加熱して温度上昇させることができるため、記憶層１３の保磁力が室温状態と比較して小さくなった状態で電流磁界を印加することから、記録に必要な電流磁界を小さくすることができ、この観点からも、小さい記録電流で記録することが可能になる。
【００６７】
さらに、配線３０から記憶層１３に直接電流を流して記憶層１３を加熱すると共に、配線２８から抵抗加熱部２７に電流を流して記憶層１３を加熱するので、それぞれ複数本ある配線３０及び配線２８の中から選択することにより、マトリクス状に多数配置された磁気記憶素子に対して、任意の位置の磁気記憶素子に対して、容易に選択記録を行うことができる。
【００６８】
上述の実施の形態では、２つの配線２８，３０に流すパルス電流Ｐ１，Ｐ２のタイミングをずらして、これらの順序を変えて情報の記録を行ったが、本発明ではその他の方法により磁気記憶素子の記憶層に記録を行うこともできる。その場合の実施の形態を次に示す。
【００６９】
本発明の磁気記憶素子のさらに他の実施の形態の概略構成図を図１３に示す。図１３に示すように、磁気記憶素子５０の第１の磁性層１１及び第２の磁性層１２から成る記憶層１３にパルス電流Ｉｐを流し、このパルス電流Ｉｐによって発生する電流磁界Ｈを用いて、記憶層１３に対して磁界を印加する。
パルス電流Ｉｐの向きは、記憶層１３の第１の磁性層（遷移金属層）１１に対して、電流磁界Ｈが磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きと反対の向きに作用するように設定する。
このように記憶層１３にパルス電流Ｉｐを流すための構成としては、図１１Ｂの配線３０と同様に、記憶層１３の短軸方向（磁化困難軸方向）に直接配線を接続し、駆動回路から配線にパルス電流Ｉｐを流すようにすればよい。配線から記憶層１３に直接電流を流して電流磁界を印加すれば、電流により加熱して温度上昇させて、記憶層１３の保磁力が小さくなった状態で電流磁界を印加することから、記録に必要な電流磁界を小さくすることができ、小さい記録電流で記録することが可能になる。
【００７０】
記憶層１３の温度とＨｃ，Ｈｆとの関係は、先に図８に示したような傾向があり、温度上昇により、Ｈｃが減少する一方でＨｆが増加して、ある温度Ｔｘまで上昇するとＨｆ＞Ｈｃとなる。
そして、記憶層１３に直接配線を接続し、電流を流していくと、図１４に示すように、経過時間がある時間ｔｘ  経過したとき、上述のＨｆ＞Ｈｃとなる温度Ｔｘに達し、その後温度上昇が鈍くなって、ある温度付近で飽和する。
【００７１】
本実施の形態の磁気記憶素子５０では、この図１４に示す変化を利用して、図１５に示すように、パルス電流Ｉｐのパルス幅（時間）を時間ｔｘ  より長くする、或いは短くすることにより、以下のように情報の記録を行う。
【００７２】
ここで、記憶層１３全体の磁化が磁化固定層１５の磁化と同じ向きである状態で「０」の情報が記録され、逆向きである状態で「１」の情報が記録されるとする。
まず、パルス電流Ｉｐのパルス幅を時間ｔｘ  よりも短くしたときには、記憶層１３の温度はＴｘ未満までしか上がらず、その状態でパルス電流Ｉｐによる電流磁界Ｈが記憶層１３に印加される。これにより、電流磁界Ｈの影響によって、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１の向きが、磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きとは反平行となる。そして、パルス電流Ｉｐが終了することにより、記憶層１３が室温状態に冷却されると、この第１の磁性層１１の磁化Ｍ１とは反対の向きの第２の磁性層１２の磁化Ｍ２が強くなるため記憶層１３全体の磁化は磁化固定層１５の磁化Ｍ３と同じ向きの状態になる。
このようにして、「０」の情報が記録される。
【００７３】
一方、パルス電流Ｉｐのパルス幅を時間ｔｘ  よりも長くしたときには、記憶層１３の温度はＴｘ以上まで上がり、その状態でパルス電流Ｉｐによる電流磁界Ｈが記憶層１３に印加される。これにより、電流磁界Ｈの影響よりも磁化固定層１５の磁化Ｍ３との磁気結合が強くなるため、第１の磁性層１１の磁化Ｍ１の向きが、磁化固定層１５の磁化Ｍ３の向きとは平行となる。そして、パルス電流Ｉｐが終了することにより、記憶層１３が室温状態に冷却されると、この第１の磁性層１１の磁化Ｍ１とは反対の向きの第２の磁性層１２の磁化Ｍ２が強くなるため記憶層１３全体の磁化は磁化固定層１５の磁化Ｍ３と反平行の状態になる。
このようにして、「１」の情報が記録される。
【００７４】
従って、パルス電流Ｉｐのパルス幅（時間）をｔｘ  より長く、或いはｔｘ  より短くすることにより、記憶層１３の磁化の向きを変化させることができ、その結果として「０」の情報或いは  「１」の情報を記録することができる。
【００７５】
上述の本実施の形態の磁気記憶素子によれば、先の実施の形態と同様に、記憶層１３の磁化状態を、一方の向きの電流Ｉｐのみで変えることができる。
これにより、電流Ｉｐを流すための配線の両端に供給する電位の組み合わせの数を、配線の両方向に電流を流す場合と比較して、低減することができる。
従って、磁気記憶素子を多数集積して磁気記憶装置を構成したときに、駆動回路等を簡素化することができ、高密度に集積しやすくなる。
【００７６】
本実施の形態の磁気記憶素子においても、記憶層１３に直接接続した配線から電流を流して記憶層１３を加熱すると共に、さらに図１１Ａに示したと同様にこの配線と直交する他の配線に電流を流して記憶層１３を加熱する構成とすれば、直交する２種類の配線のそれぞれ複数本の中から電流を流す配線を選択することにより、マトリクス状に多数配置された磁気記憶素子に対して、任意の位置の磁気記憶素子に選択的に記録を行うことができる。
【００７７】
なお、上述の各実施の形態の磁気記憶素子において、記憶層１３と磁化固定層１５との間に、トンネル絶縁層１４の代わりにＣｕ層等の非磁性導体層を用いて、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を構成し、この巨大磁気抵抗効果素子の巨大磁気抵抗効果によって、記憶層１３と磁化固定層１５の相対的な磁化を読み出すことも可能である。
トンネル絶縁膜１４を用いた磁気トンネル接合素子１６を構成した方が、抵抗変化率が大きいため、磁化の検出が容易になり、磁気記憶素子や磁気記憶装置の簡略化に有効である利点を有する。
【００７８】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００７９】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、加熱により室温状態と比較して小さい磁界により記憶層に対して記録を行うことが可能になる。また、室温状態では加熱時よりも記憶層の磁化が大きく保磁力が大きくなり、記録した情報が安定して保持される。
さらに、記憶層を加熱して温度上昇させることにより、磁化固定層と第１の磁性層との間に磁気結合を作用させれば、記憶層を加熱するだけで記憶層に磁界を印加しなくても、記憶層に一方の向きの磁化状態を記録することが可能になる。従って、記憶層に他方の向きの磁化状態を記録するときだけ、記憶層に磁界を印加させればよく、記憶層に印加する磁界を一方の向きの磁界だけにすることができる。これにより、記憶層に磁界を印加する手段の構成を簡略化することができる。
【００８０】
さらに、本発明の磁気記憶装置によれば、磁気記憶素子の記憶層に電流磁界を印加する配線に電流を流して記憶層に一方の向きの磁化状態を記録し、この配線に電流を流さなくても記憶層に他方の向きの磁化状態を記録することができるため、配線に流す電流を一方の向きの電流だけにすることができる。これにより、配線に両方の向きの電流を流す場合と比較して、配線の両端に供給する電位の組み合わせを低減することができ、配線に電流を流す駆動回路を簡略化することができる。これにより、磁気記憶装置の構成を簡略化して、容易に高密度化を図ることが可能になる。
【００８１】
特に、本発明の磁気記憶装置において、配線を記憶層に電気的に接続し加熱手段を兼ねる構成としたときには、記憶層に効率良く電流磁界を作用させることができるため、より小さい電流で記録することが可能になる。
また、磁気記憶素子に対して配線の他にさらに第２の配線を設け、これら配線及び第２の配線により加熱手段を構成したときには、配線及び第２の配線を選択することにより任意の磁気記憶素子を選択して記録を行うことができ、容易に選択記録を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気記憶素子の一実施の形態の概略構成図である。
【図２】図１の磁気トンネル接合素子付近の詳細な断面図である。
【図３】Ａ〜Ｄ  本発明の磁気記憶素子の記憶層の磁化状態の温度変化を示す図である。
【図４】Ａ〜Ｃ  本発明の磁気記憶素子に対する記録動作を説明する図である。
【図５】Ｄ、Ｅ  本発明の磁気記憶素子に対する記録動作を説明する図である。
【図６】記憶層の磁化量の室温状態の磁化量との比の温度変化を示す図である。
【図７】図２の磁気トンネル接合素子に印加した磁界の強度とトンネル抵抗との関係を測定した結果を示す図である。
Ａ  室温状態の測定結果である。
Ｂ  １２５℃にした状態の測定結果である。
Ｃ  １７５℃にした状態の測定結果である。
【図８】図２の磁気トンネル接合素子において、各温度におけるＨｆとＨｃの値を示す図である。
【図９】図２の磁気トンネル接合素子に対してパルス電流を流して、パルス電流値に対する磁化の反転確率を測定した結果を示す図である。
【図１０】Ａ、Ｂ  記憶層に直接電流を流して電流磁界を印加する構成とした磁気記憶素子の概略断面図である。
【図１１】本発明の磁気記憶素子の他の実施の形態の概略構成図である。
Ａ  磁気記憶素子の長軸方向（磁化容易軸方向）の断面図である。
Ｂ  磁気記憶素子の短軸方向（磁化困難軸方向）の断面図である。
【図１２】図１１の磁気記憶素子に対して情報を記録する方法を説明する図である。
【図１３】本発明の磁気記憶素子のさらに他の実施の形態の概略構成図である。
【図１４】記憶層に直接配線を接続して電流を流したときの、経過時間と記憶層の温度との関係を示す図である。
【図１５】図１４の磁気記憶素子に対して情報を記録する方法を説明する図である。
【符号の説明】
１０，４０，５０  磁気記憶素子、１１  第１の磁性層、１２  第２の磁性層、１３  記憶層、１４  トンネル絶縁層、１５  磁化固定層、１６  磁気トンネル接合素子、１７  強磁性層、１８  反強磁性層、２１，２７  抵抗加熱部、２８，３０  配線、Ｐ１，Ｐ２，Ｉｐ  パルス電流
【図１】
2004172218.tif 000003
【図２】
2004172218.tif 000004
【図３】
2004172218.tif 000005
【図４】
2004172218.tif 000006
【図５】
2004172218.tif 000007
【図６】
2004172218.tif 000008
【図７】
2004172218.tif 000009
【図８】
2004172218.tif 000010
【図９】
2004172218.tif 000011
【図１０】
2004172218.tif 000012
【図１１】
2004172218.tif 000013
【図１２】
2004172218.tif 000014
【図１３】
2004172218.tif 000015
【図１４】
2004172218.tif 000016
【図１５】
2004172218.tif 000017