(57)【要約】【課題】記録時では記憶層全体の保磁力を低下させて小さい磁界で記録でき、記録時以外では記憶層全体の保持力をある程度高くして記録された情報を安定に保持できる、磁磁気記憶素子、磁気記憶素子の記録方法を提供する。また、記録電流を小さくすることができ記憶が安定した、磁気記憶装置を提供するものである。【解決手段】磁性層の磁化の向きによって記録を保持する磁気記憶素子であって、記録を保持する記憶層１が、第１、第２及び第３の磁性層２，３及び４が順次積層された構成であり、第１及び前記第３の磁性層２，４は遷移金属からなり、第２の磁性層３は希土類金属からなり、室温状態で、第１の磁性層２と第２の磁性層３、第２の磁性層３と第３の磁性層４のそれぞれの磁化（１０２と１０３，１０３と１０４）の向きが反平行であり、室温状態で、第１の磁性層２と第３の磁性層４の磁化の量の和が第２の磁性層３の磁化の量よりも大きい磁気記憶素子を構成する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性層の磁化の向きによって記録を保持する磁気記憶素子であって、
前記記録を保持する記憶層が、第１、第２及び第３の磁性層が順次積層された構成であり、
前記第１及び前記第３の磁性層は遷移金属からなり、前記第２の磁性層は希土類金属からなり、
室温状態で、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層のそれぞれの磁化の向きが反平行であり、
室温状態で、前記第１の磁性層と前記第３の磁性層の磁化の量の和が前記第２の磁性層の磁化の量よりも大きい
ことを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項２】
前記第１の磁性層の磁化の量と前記第３の磁性層の磁化の量が略等しい、ことを特徴とする請求項１記載の磁気記憶素子。
【請求項３】
磁性層の磁化の向きによって記録を保持する磁気記憶素子の記録方法であって、
前記記録を保持する記憶層が、第１、第２及び第３の磁性層が順次積層された構成であり、前記第１及び前記第３の磁性層は遷移金属からなり、前記第２の磁性層は希土類金属からなり、室温状態で、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層のそれぞれの磁化の向きが反平行であり、室温状態で、前記第１の磁性層と前記第３の磁性層の磁化の量の和が前記第２の磁性層の磁化の量よりも大きい磁気記憶素子に対して、
前記記憶層を、前記第２の磁性層のキュリー温度以上、前記第１及び第３の磁性層のキュリー温度以下に加熱し磁界を印加して記録を行う
ことを特徴とする磁気記憶素子の記録方法。
【請求項４】
磁性層の磁化の向きによって記録を保持する磁気記憶素子を用いた磁気記憶装置であって、
前記記録を保持する記憶層が、第１、第２及び第３の磁性層が順次積層された構成であり、前記第１及び前記第３の磁性層は遷移金属からなり、前記第２の磁性層は希土類金属からなり、室温状態で、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層のそれぞれの磁化の向きが反平行であり、室温状態で、前記第１の磁性層と前記第３の磁性層の磁化の量の和が前記第２の磁性層の磁化の量よりも大きい磁気記憶素子と、
前記記憶層を加熱する加熱手段と、
前記記憶層に磁界を印加する配線とを備えた
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項５】
前記加熱手段として配線を用いてなる、ことを特徴とする請求項４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磁気記憶素子の記録方法、並びに磁気記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、コンピュータ等の情報機器分野では、記憶装置として動作が高速で高密度なＤＲＡＭが広く用いられている。しかしＤＲＡＭは電源を切ると記憶データ（情報）が消えてしまう揮発性の記憶装置であるため、記憶データが消えない不揮発性の記憶装置が望まれてきている。
近年、このような不揮発性の記憶装置の候補として、磁性体の磁化の向きで情報を記録する磁気記憶装置、所謂ＭＲＡＭ（磁気ランダム・アクセス・メモリ）が注目され開発が進められてきている。
【０００３】
図９は、このような磁気記憶装置に用いられる磁気記憶素子の一例を示す概略構成図である。
磁気記憶素子２０の基本的な構成としては、例えば、２つの強磁性層２１，２２とその間に挟まれた非磁性層（絶縁層）２３から形成された構成が知られている（例えば、非特許文献１及び非特許文献２参照）。２つの強磁性層２１，２２のうち一方の強磁性層２２は記録された情報を保持する記憶層となっており、他方の強磁性層２１は磁化の向きを一方向に固定する役割をもつ反強磁性層が設けられてなる磁化固定層となっている。
【０００４】
そして、このような磁気記憶素子２０では、図１０Ａに示すように、非磁性層２３を挟んで一方の強磁性層２１と他方の強磁性層２２の磁化１２１，１２２の向きが平行であり抵抗値が低い場合を“０”とし、一方、図１０Ｂに示すように、強磁性層２１と他方の強磁性層２２の磁化１２１，１２２の向きが反平行であり抵抗値が高い場合を例えば“１”として、情報の記録（書き換え）を行っている。なお、図中の太い矢印は磁化の向きを示している。
【０００５】
この記録動作は、例えば磁気記憶素子２０上で磁気記憶素子２０の長手方向に直交するように配されてなる配線に電流（所謂記録電流）を流すことにより行なわれる。
例えば、“０”の状態から“１”の状態に書き換えるには、図１０Ａに示す状態において、Ｙ方向に向かって電流を流すと、配線の周りには時計回りに磁界（所謂電流磁界）が発生するので、この配線の真下にある磁気記憶素子２０は−Ｘ方向の磁界を受け、この磁界により上層の強磁性層２２の磁化１２２の向きが反転して、図１０Ｂに示すように、一方の強磁性層２１と他方の強磁性層２２の磁化１２１，１２２の向きが反平行な“１”の状態となる。
【０００６】
反対に“１”の状態から“０”の状態に書き換えるには、図１０Ｂに示す状態において、−Ｙ方向に向かって電流を流すと、配線の周りには反時計回りに磁界（電流磁界）が発生するので、磁気記憶素子２０はＸ方向の磁界を受け、この磁界により上層の強磁性層２２の磁化１２２の向きが反転して、図１０Ａで示したような、一方の強磁性層２１と他方の強磁性層２２の磁化１２１，１２２の向きが平行な“０”の状態となる。
【０００７】
一方、記録された情報を読み出す場合は、２つの強磁性層２１，２２のそれぞれの磁化１２１，１２２の向きが平行のとき抵抗が小さく、反平行のとき抵抗が大きいという磁気記憶素子２０の特性を利用して、例えば、磁気記憶素子２０の積層面と垂直な方向に電流を流し、近接して設けられた検出装置等により磁気記憶素子２０から流れ出る電流の大きさを検出することにより、記録されている情報が、“０”の状態か“１”の状態かを判別することで行われる。
【０００８】
このような磁気記憶素子２０を磁気記憶装置に用いる場合は、例えば、複数の第１の配線と、この第１の配線に直交するようにして配される複数の第２の配線との交点に前述した磁気記憶素子２０を配置して構成する。
そして、記録（書き換え）を行う場合は、２本の配線（第１の配線、第２の配線）のそれぞれに流れる電流の大きさを調整することにより、その２本の配線の交点にある磁気記憶素子２０のみを書き換えるようにしている。また、記録された情報を読み出す場合は、前述と同様に、磁気記憶素子２０の積層面と垂直な方向に電流を流し、磁気記憶素子２０から流れ出る電流の大きさを調整することにより、記録されている情報が“０”の状態か“１”の状態かを判別することで行われる。
【０００９】
【非特許文献１】
日経エレクトロニクス，２０００．  ６．  ５（第７７１号，ｐ．  １６７）
【非特許文献２】
日経エレクトロニクス，２００１．  ２．  １２（第７８９号，ｐ．  １６７）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、磁気記憶装置では、高密度化を図るために今後更に微細化することが必要であり、このような磁気記憶装置に用いられる磁気記憶素子２０自体のサイズも更に縮小されることが必要とされる。しかしながら、実際に素子サイズが縮小された磁気記憶素子２０を磁気記憶装置に用いた場合、記録時に記録電流が大きくなってしまうという問題が生じる。
【００１１】
即ち、磁気記憶素子２０では、配線に電流を流すことで磁界（電流磁界）を発生させ、この磁界により磁化を反転させることで記録を行っている。ここで、素子サイズが縮小されると、長手方向より幅方向の反磁界が大きくなるので、この大きくなった反磁界以上に磁界を大きくしなければ磁化の向きは反転しないため、必然的に記録用の電流磁界を大きくしなければならなくなる。これが、記録電流が大きくなる要因である。記録電流が大きくなると、記憶容量を増加する上で問題となったり、消費電力を大幅に増加させてしまう。
【００１２】
記録電流を小さくするためには、保磁力を低くして記録に必要な磁界を小さくすることが考えられるが、磁気記憶素子２０の記憶層２２に記録された情報を安定して保持するためには、記録時以外ではある程度の保磁力が必要となるため、充分に保磁力を低くすることができない。
【００１３】
このように、素子サイズが縮小された場合は、記録時では少ない記録電流で記録を行えるようにするために保磁力を低くしたいが、記録時以外では記録された情報を安定して保持するためにある程度の高い保磁力を得たいという相反する条件を満たす必要がある。
【００１４】
本発明は、上述の点に鑑み、記録時では記憶層全体の保磁力を低下させて小さい磁界で記録でき、記録時以外では記憶層全体の保磁力をある程度高くして記録された情報を安定に保持できる磁気記憶素子及び磁気記憶素子の記録方法を提供するものである。
また、本発明は、小さな記録電流で安定な記憶ができる磁気記憶装置を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁性層の磁化の向きによって記録を保持する磁気記憶素子であって、記録を保持する記憶層が、第１、第２及び第３の磁性層が順次積層された構成であり、第１及び第３の磁性層が遷移金属からなり、第２の磁性層が希土類金属からなり、室温状態で、第１の磁性層と第２の磁性層、第２の磁性層と第３の磁性層のそれぞれの磁化の向きが反平行であり、室温状態で、第１の磁性層の磁化の量と第３の磁性層の磁化の量の和が第２の磁性層の磁化の量よりも大きくなるようにして構成する。
【００１６】
本発明の磁気記憶素子によれば、記録を保持する記憶層が第１、第２及び第３の磁性層が順次積層された構成であり、第１及び第３の磁性層が遷移金属からなり、第２の磁性層が希土類金属からなるので、記録時に加熱することにより、遷移金属からなる第１及び第３の磁性層の磁化よりも先に希土類金属からなる第２の磁性層の磁化が消失して、第１の磁性層と第３の磁性層が交換結合される。従って、記憶層全体の磁化の量が小さくなり、記憶層全体の保磁力が低くなり、より小さい磁界で記録を行える。
【００１７】
更に、室温状態で、第１の磁性層と第２の磁性層、第２の磁性層と第３の磁性層のそれぞれの磁化の向きが反平行であり、且つ、第１の磁性層の磁化の量と第３の磁性層の磁化の量の和が第２の磁性層の磁化の量よりも大きいので、記録時以外（加熱されていない状態）では、記憶層全体の保磁力が高くなっており、記録された情報を安定して保持できる。
【００１８】
本発明は、磁性層の磁化の向きによって記録を保持する磁気記憶素子の記録方法であって、記録を保持する記憶層が、第１、第２及び第３の磁性層が順次積層された構成であり、第１及び第３の磁性層は遷移金属からなり、第２の磁性層は希土類金属からなり、室温状態で、第１の磁性層と第２の磁性層、第２の磁性層と第３の磁性層のそれぞれの磁化の向きが反平行であり、室温状態で、第１の磁性層と第３の磁性層の磁化の量の和が第２の磁性層の磁化の量よりも大きい磁気記憶素子に対して、第２の磁性層のキュリー温度以上、第１及び第３の磁性層のキュリー温度以下に加熱し磁界を印加して記録を行うようにする。
【００１９】
本発明の記憶素子の記録方法によれば、前述した本発明の磁気記憶素子の記録を保持する記憶層を、第２の磁性層のキュリー温度以上、第１及び第３の磁性層のキュリー温度以下に加熱し磁界を印加して記録を行うので、この時、第１及び第３の磁性層の磁化は残るが第２の磁性層の磁化は消失する。これにより、前述したように記憶層全体の保磁力を低くでき、小さい磁界で記録を行える。
【００２０】
また、前述と同様に、記録を保持する記憶層が第１、第２及び第３の磁性層が順次積層された構成であり、第１及び第３の磁性層が遷移金属からなり、第２の磁性層が希土類金属からなり、更に、室温状態で、第１の磁性層と第２の磁性層、第２の磁性層と第３の磁性層のそれぞれの磁化の向きが反平行であり、室温状態で、第１の磁性層の磁化の量と第３の磁性層の磁化の量の和が、第２の磁性層の磁化の量よりも大きいので、記録時以外では、記憶層全体の保磁力が高く、記録された情報を安定して保持できる。
【００２１】
本発明は、磁性層の磁化の向きによって記録を保持する磁気記憶素子を用いた磁気記憶装置であって、記録を保持する記憶層が、第１、第２及び第３の磁性層が順次積層された構成であり、第１及び前記第３の磁性層は遷移金属からなり、第２の磁性層は希土類金属からなり、室温状態で、第１の磁性層と第２の磁性層、第２の磁性層と第３の磁性層のそれぞれの磁化の向きが反平行であり、室温状態で、第１の磁性層と第３の磁性層の磁化の量の和が第２の磁性層の磁化の量よりも大きい磁気記憶素子と、記憶層を加熱する加熱手段と、記憶層に磁界を印加する配線とを備えるようにする。
【００２２】
本発明の磁気記憶装置によれば、前述した本発明の磁気記憶素子と、記憶層を加熱する加熱手段と、記憶層に磁界を印加する配線を備えて成るので、記録時は加熱手段により記憶層を加熱することにより小さい磁界で記録を行うことができるので、記憶層に磁界を印加する配線に流す電流を小さくすることができる。一方、記録時以外は記憶を安定して保持できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を説明するにあたり、先ず、本発明の基本的な構成とその動作を説明する。図１は本発明の磁気記憶素子、特にその記憶層の基本構成を示す拡大図である。
本発明の磁気記憶素子では、記憶層１を、第１の磁性層２、第２の磁性層３及び第３の磁性層４を順次積層して３層構造となるように構成する。
上下に配置されてなる第１の磁性層２及び第３の磁性層４は遷移金属からなる構成とし、その間に配置されてなる第２の磁性層３は希土類金属からなる構成とする。なお、ＴＭは遷移金属を、ＲＥは希土類金属を示している。
【００２４】
図２は、このような記録層を、例えば従来の磁気記憶素子と同様に、非磁性層及び磁化固定層と組み合わせた場合を示す。図示の例では、非磁性層（絶縁層）７を挟んで上方に前述の記憶層１が配置され、下方に磁化固定層６が配置されて磁気記憶素子が構成されている。
なお、例えば、ホール素子により読み出しを行う場合は、この非磁性層７及び磁化固定層６は不要である。
【００２５】
図３は、上述した記憶層の磁化の状態を示す模式図であり、図中の太い矢印は磁化の向きを示している。上下に配された遷移金属からなる第１の磁性層２及び第３の磁性層４は磁化１０２，１０４の向きが同一方向となっており、真ん中に配された希土類金属からなる第２の磁性層３の磁化１０３の向きは両側の第１の磁性層２及び第３の磁性層４の磁化１０２，１０４の向きとは反対方向に向いている。これにより、第１の磁性層２と第２の磁性層３の磁性層、第２の磁性層３と第３の磁性層４のそれぞれの磁化（  １０２と１０３、１０３と１０４）  の向きは反平行となっている。
【００２６】
ここで、第１の磁性層２の飽和磁束密度をＭ１、厚さをＴ１、第２の磁性層３の飽和磁束密度をＭ２、厚さをＴ２、第３の磁性層４の飽和磁束密度をＭ１、厚さをＴ３として表すと、第１の磁性層２の磁化の量は（Ｍ１×Ｔ１）、第２の磁性層３の磁化の量は（Ｍ２×Ｔ２）、第３の磁性層４の磁化の量は（Ｍ３×Ｔ３）で表される。従って、本発明の構成での記憶層１全体の磁化の量は、（Ｍ１×Ｔ１）＋（Ｍ３×Ｔ３）−（Ｍ２×Ｔ２）で表される。即ち、記憶層１全体の磁化の量は、各磁性層２，３及び４の磁化の量と向きに対応した値となっている。
【００２７】
本発明では、この記憶層１全体の磁化の量を、（Ｍ１×Ｔ１）＋（Ｍ３×Ｔ３）＞（Ｍ２×Ｔ２）で表すように、第１の磁性層２の磁化の量と第３の磁性層４の磁化の量の和が第２の磁性層３の磁化の量よりも大きくなるように構成する。即ち、これは、記憶層１全体の磁化１０１の向きが遷移金属からなる第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４の向きに追従した向きとなることを意味している。
このように、第１及び第３の磁性層２，４の磁化の量の和が第２の磁性層３の磁化の量より大きい場合は、記憶層１全体として高い保磁力を得られた状態となっている。
【００２８】
次に、上述した磁気記憶素子の記録動作を示す。
この記録動作は図４に示す記憶層のみの分解斜視図を用いて説明する。
なお、図中Ｘ方向は磁化容易軸方向、図中Ｙ方向は磁化困難軸方向を示している。
先ず、図４Ａに示すように、室温状態では、前述したように、第１の磁性層２と第２の磁性層３、第２の磁性層３と第３の磁性層４のそれぞれの磁化（  １０２と１０３、１０３と１０４）  の向きは反平行となっており、また、第１の磁性層２の磁化の量と第３の磁性層４の磁化の量の和が第２の磁性層３の磁化の量よりも大きくなるように構成されているので、記憶層１全体の磁化１０１の向きは、第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４の向きと同じ向き（＋Ｘ方向）となっている。ここでは、上述したように、保磁力が高い状態となっている。
【００２９】
次に、記憶層１が図示しない加熱手段により加熱されると、先ず、遷移金属からなる第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４よりも先に希土類金属からなる第２の磁性層３の磁化１０３が消失する。そして、このように第２の磁性層３の磁化１０３が消失することで、第１及び第３の磁性層２，４の磁気的な相関が変化して、図４Ｂに示すように、第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４の向きが互いに安定して存在することができる向きに傾き（面内方向に９０°）、第１の磁性層と第３の磁性層２，４が交換結合した状態となる。これにより、記憶層１全体の磁化の量が小さくなり、記憶層１全体の保磁力が低くなる。
なお、図４Ｂでは、第１の磁性層２の磁化１０２の向きが図４中では−Ｙ方向に向いた場合を上段に、第１の磁性層２の磁化１０２の向きが図４中では＋Ｙ方向に向いた場合を下段に示している。第１の磁性層２と第３の磁性層４が交換結合した状態ではこの２通りの場合のいずれか一方になる。これ以降は、これら２通りの場合を並べて図示する。
【００３０】
ここで、希土類金属からなる第２の磁性層３の磁化１０３が遷移金属からなる第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４よりも先に消失するのは、希土類金属が遷移金属よりもキュリー温度が低いためである。
本発明では、第２の磁性層３のキュリー温度よりも高く、第１及び第３の磁性層２，４のキュリー温度よりも低い温度に加熱して記録を行う。
【００３１】
次に、このような状態で、図４Ｃに示すように、磁界（図中矢印Ｈ）を発生させると、第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４の向きが磁界Ｈの方向に少し傾いた状態になる。
この状態で、加熱を停止して温度が徐々に下がり再び室温状態になると、図４Ｄに示すように、磁界により少し傾けられていた第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４の向きが磁化容易軸方向（−Ｘ方向）に傾く。
ここで、再び第２の磁性層３の磁化１０３が現れ、この第２の磁性層３の磁化１０３の向きは第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４の向きとは反対方向（＋Ｘ方向）に向いているが、第２の磁性層３の磁化の量は第１及び第３の磁性層２，４の磁化の量の和よりも小さいので、記憶層１全体の磁化１０１の向きは、第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４の向きと同じ向きとなる。即ち、記憶層１全体の磁化１０１の向きが図４Ａに示した状態から反転された状態となる。
なお、記憶層１全体の磁化１０１の向きを図４Ｄの向きから図４Ａの向きに反転させる場合は、磁界Ｈを図４Ｃとは逆方向に印加すればよい。
【００３２】
このように、本発明では、記録時以外（加熱されていない室温状態）では、図４Ａで示したように、第１の磁性層２と第２の磁性層３、第２の磁性層３と第３の磁性層４のそれぞれの磁化（１０２と１０３、１０３と１０４）  の向きが反平行となっており、第１の磁性層２の磁化の量と第３の磁性層４の磁化の量の和が第２の磁性層３の磁化の量よりも大きいので、記憶層１全体の保磁力を高くすることができ、記録された情報を安定して保持できる。
【００３３】
また、記録時では、図４Ｂで示したように、加熱によって第２の磁性層３の磁化１０３が第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４よりも先に消失することで、第１の磁性層と第３の磁性層２，４が交換結合して記憶層１全体の保磁力を低くすることができる。従って、図４Ｃで示したように、小さい磁界Ｈで第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４の向きを少し傾けておくだけで、加熱が停止されて徐々に温度が下がった後では、第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４の向きを記録前の状態から反転することができる。
このように、本発明では記録に必要な磁界を小さくすることができるため、電流により磁界を印加する場合には、少ない記録電流で記録を行うことができる。
【００３４】
また、上述した本発明の構成に加えて、第１の磁性層２の磁化の量と第３の磁性層４の磁化の量を略等しくした場合は、図４Ｂで示す交換結合した状態において、記憶層１全体の磁化１０１が略０（ゼロ）となるので、前述した場合よりも少ない磁界で磁化の向きを反転させることができ、記録電流をより少なくできる。
【００３５】
ここで、上述した本発明のような記録動作をするためには、次に示すような構成が必要である。
即ち、加熱により第２の磁性層３の磁化１０３が完全に消失しないと、第１の磁性層２と第３の磁性層４が交換結合しないので、記憶層１全体の保磁力が低くならない。このため、第２の磁性層３は、第１及び第３の磁性層２，４よりもキュリー温度が低い必要がある。そこで、本発明では、第２の磁性層３は希土類金属（ＲＥ）から構成し、第１及び第３の磁性層２，４は遷移金属（ＴＭ）から構成するようにしている。
【００３６】
ここで、希土類金属（ＲＥ）からなる第２の磁性層３に、例えば遷移金属（ＴＭ）が含まれている場合、記録時に加熱されても、磁化が消失せずに残ってしまう。また、遷移金属（ＴＭ）からなる第１及び第３の磁性層２，４に、例えば希土類金属（ＲＥ）が含まれている場合、室温状態での記憶層１全体の保磁力が記録時に加熱された状態よりも小さくなってしまうので、記録を安定して保持できない。これにより、第１、第２及び第３の磁性層はすべて遷移金属（ＴＭ）、希土類金属（ＲＥ）のうちいずれか一方を用いて構成するようにしている。
【００３７】
更に、記憶層１において、室温状態で、第１及び第３の磁性層２，４の磁化の量の和が第２の磁性層３の磁化の量よりも大きい構成とするようにしたのは、記録時の加熱により、第２の磁性層３の磁化１０３が消失する前に、記憶層１全体の磁化１０１の向きが反転して、磁化が不安定にならないようにするためである。これとは逆に、室温状態で、第２の磁性層３の磁化の量が第１及び第２の磁性層２，４の磁化の量の和よりも大きくなるようにした場合は、第２の磁性層３の磁化１０３が消失する前に記憶層１の全体の磁化１０１の向きが反転してしまい実用上好ましくない。
【００３８】
また、例えば、第１、第２及び第３の磁性層２，３及び４を、すべて遷移金属（ＴＭ）から構成した場合は、加熱しても保磁力が低下せず、記憶層１全体の磁化１０１の量が大きく保磁力が高いままであるので好ましくない。
また、すべて希土類金属（ＲＥ）から構成した場合は、加熱により記憶層１の保磁力が低くなるものの、各層のキュリー温度の差が少ないので、上下の層を残して真ん中だけを消失させるためには、加熱温度の微調整が必要となり、実用上好ましくない。
【００３９】
次に、上述した本発明の磁気記憶素子の具体的な実施の形態を説明する。
本実施の形態においても、磁気記憶素子、特にその記憶層を次に示すようにして構成した。
記憶層１は、図１に示したように、第１の磁性層２、第２の磁性層３及び第３の磁性層４を順次積層して３層構造となるように構成し、上下に配置されてなる第１の磁性層２及び第３の磁性層４は遷移金属から、その間に配置されてなる第２の磁性層３は希土類金属からなる構成とした。
【００４０】
第１及び第３の磁性層２，４を構成する遷移金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうち少なくとも１種を主成分とするもであればよく、例えばＣｏＦｅを用いることができる。
また、第２の磁性層３を構成する希土類金属としては、例えばＧｄを用いることができる。
例えば、第１及び第３の磁性層２，４に例えば同じ膜厚の３ｎｍのＣｏＦｅ層を用い、第２の磁性層３に例えば膜厚１．５ｎｍのＧｄ層を用いることができる。なお、各磁性層２，３及び４の成膜は例えばスパッタリング法を用いて行うことができる。
【００４１】
このような記憶層１を、例えば従来の磁気記録素子と同様に、非磁性層及び磁化固定層と組み合わせる場合は、図２に示したように、例えば非磁性層（絶縁層）７を挟んで上方に記憶層１が配置され、下方に磁化固定層６が配置された構成とする。図示の例では、非磁性層７を挟んで上方に記憶層１を配置し、下方に磁化固定層６を配置しているが、上方に磁化固定層６を配置し、下方に記憶層１を配置することもできる。また、磁気記憶素子は長方形に形成しているが、例えば楕円形に形成することもできる。
なお、例えば、ホール素子により読み出しを行う場合は、非磁性層７及び磁化固定層６は不要である。
【００４２】
ここで、図１に示した磁気記憶素子１を作製して特性を調べた。第１の磁性層２として膜厚３ｎｍのＣｏＦｅ層、第２の磁性層３として膜厚１．５ｎｍのＧｄ層、第３の磁性層４として膜厚３ｎｍのＣｏＦｅ層を形成して、積層構造の記憶層を作製した。この積層構造をフォトリソグラフィーを用いて、短軸２μｍ  、長軸４μｍの長方形に加工した。この磁気記憶素子１の長軸方向について測定した保磁力と温度の関係を図５に示す。図５に示すように、保磁力が約１００℃付近で一気に低くなっており、この状態で記録を行うことができる。
【００４３】
一方、比較例として膜厚３ｎｍの遷移金属（ＣｏＦｅ）単層膜で記憶層が形成された磁気記憶素子を同じ形状で作製し、この構成について保磁力と温度の関係を調べた結果を図６に示す。図６より、この比較例の場合では、加熱を行っても保磁力はほとんど変化せず、磁気記憶装置に用いた際に、磁気記憶装置の動作領域（２５０℃以下）で保磁力を低くして記録を行うことができないことがわかる。
【００４４】
本実施の形態では、このように磁気記憶素子を構成したので、記録前は、図４Ａに示したように、第１の磁性層２と第２の磁性層３、第２の磁性層３と第３の磁性層４のそれぞれの磁化（１０２と１０３、１０３と１０４）の向きが反平行となっており、第１の磁性層２及び第３の磁性層４の磁化の量の和が第２の磁性層３の磁化の量よりも大きいので、記憶層１全体の保磁力を高くすることができ、記録された情報を安定して保持できる。
【００４５】
また、記録時では、図４Ｂで示したように、加熱によって第２の磁性層３の磁化１０３が第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４よりも先に消失するため、第１の磁性層と第３の磁性層２，４が交換結合して記憶層１全体の保磁力を低くすることができる。従って、図４Ｃで示したように、小さい磁界（矢印Ｈ）で第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４の向きを少し傾けておくだけで、加熱が停止されて温度が下がった後では、第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４の向きを記録前の状態から反転することができる。
このように、記録に必要な磁界を小さくすることができるため、電流により磁界を印加する場合には、少ない記録電流で記録を行うことができる。
【００４６】
なお、第２の磁性層３にＧｄを用いた場合は、Ｇｄ単体のキュリー温度は約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３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及び第３の磁性層２，４と積層されることで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３の磁化が消失するようなことはない。
【００４７】
このような本実施の形態の磁気記憶素子は、例えば、磁気記憶装置（ＭＲＡＭ）に用いることができ、このように磁気記憶装置に用いた場合、高密度化を図ることや消費電力の低減化を図ることが可能となる。
【００４８】
続いて、本発明の磁気記憶装置の一実施の形態として、上述の実施の形態の磁気記憶素子を適用した磁気記憶装置（ＭＲＡＭ）の一形態の概略構成図を図７に示す。
本実施の形態の磁気記憶装置１０は、上述した本実施の形態の磁気記憶素子５と、記憶層１を加熱する加熱手段１１と、記憶層１に磁界を印加する配線１２が設けられてなる構成である。
記憶層１を加熱する加熱手段１１としては、本実施の形態では配線１１を用いており、この配線１１は記憶層１に直接接触して配置されてなる。また、配線１２は、電流磁界を発生させて記憶層１に磁界を印加させるものである。
１３及び１４は各配線（配線１１及び配線１２）に流れる電流をコントロールするトランジスタであり、１５は記録された情報を読み出す際に用いられるトランジスタである。
【００４９】
磁気記憶素子５は、上述したように、その記憶層１が、第１の磁性層２、第２の磁性層３及び第３の磁性層４が順次積層された３層構造で構成されてなり、第１及び第３の磁性層２，４は遷移金属、例えばＣｏＦｅ（コバルト鉄）から構成され、第２の磁性層３は希土類金属、例えばＧｄ（ガドリニウム）から構成されている。
そして、このような記憶層１と、例えば非磁性体層７及び磁化固定層６とを積層して磁気記憶素子５を構成している。
【００５０】
次に、このような本実施の形態の磁気記憶素子を用いた磁気記憶装置における記録動作を以下に示す。
記録前、磁気記憶装置では、磁気記憶素子、特にその記憶層１が図４Ａに示したように保磁力が高い状態となっているので、記憶が安定している。
【００５１】
次に、記録時には、配線１１に電流を流すことにより、この配線１１に直接接触して配置された磁気記憶素子５が加熱される。これにより、記憶層１の第２の磁性層３の磁化１０３が第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４よりも先に消失されて、第１の磁性層２と第３の磁性層２，４が交換結合されるので、記憶層１全体の保磁力が低くなる。
【００５２】
ここで、配線１１に垂直な面における記憶層１の断面図を図８Ａ及び図８Ｂに示す。図８Ａに示すように、配線１１により紙面の表側から裏側に向けて電流を流すと、電流により発生する磁界は時計回りになり、第１の磁性層２の磁化１０２の向きは左向き、第３の磁性層４の磁化１０４の向きは右向きに作用する。図８Ｂに示すように、配線１１により紙面の裏側から表側に向けて電流を流すと、電流により発生する磁界は反時計回りになり、第１の磁性層２の磁化１０２の向きは右向き、第３の磁性層４の磁化１０４の向きは左向きに作用する。このように、記憶層１に直接電流を流した場合、電流により発生する磁界が第１及び第３の磁性層２及び４の磁化１０２，１０４の向きをそれぞれ反平行にするように作用するので、より効果的に磁化を交換結合させることができる。この場合には、配線１１に流す電流による磁界の作用により、交換結合したときの第１及び第３の磁性層２及び４の磁化１０２，１０４の向きが、配線１１に流す電流の向きに対応して図４Ｂの２通りの場合のうちいずれか一方になる。
【００５３】
この後、磁界印加用の配線１２に電流を流すことにより、配線１２の回りに電流磁界が発生され、記憶層１に磁界が印加される。ここで、記憶層１では、この磁界によって第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４の向きが少し傾けられた状態とされる。
この後、加熱が停止されることで、温度が下がった後では、第１及び第３の磁性層２，４の磁化１０２，１０４の向きが反転されて、記憶層１全体の磁化１０１の向きが記録前の状態から反転されたこととなる。即ち、記録に必要な電流磁界が小さくてすむので、配線１２に流す記録電流を小さくすることができる。
【００５４】
また、記録された情報を読み出す際は、２つの強磁性層（本実施の形態では記憶層１及び磁化固定層６）のそれぞれの磁化の向きが平行のとき抵抗が小さく、反平行のとき抵抗が大きいという磁気記憶素子５の特性を利用して、例えば、磁気記憶素子５の積層面に垂直な方向に電流を流し、そこに流れるトンネル電流の大きさを近接して設けられた検出装置等により検出することで行うことができる。
【００５５】
なお、磁気記憶素子５（記憶層１）を加熱する加熱手段として、本実施の形態では記憶層１に直接接触して配置された配線１１を用いたが、磁気記憶素子５に近接して加熱用の素子を配置してもよく、またレーザ光を照射して加熱を行うこともできる。
【００５６】
上述した本実施の形態の磁気記憶素子５を用いた磁気記憶装置１０によれば、記録時以外では記憶素子１の記憶層１全体の保磁力を高くして、安定して記録を保持することができる。また、記録時では記憶素子１の記憶層１全体の保磁力を低くして、少ない記録電流で記録を行うことができる。従って、配線１２に流す電流を小さくして消費電流を低減することができる。
【００５７】
なお、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。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の記憶素子によれば、加熱を行うことにより、遷移金属からなる第１及び第３の磁性層の磁化よりも先に希土類金属からなる第２の磁性層の磁化が消失して、第１の磁性層と第３の磁性層が交換結合されるので、記録を保持する記憶素子の全体の磁化の量が小さくなり記録を保持する記憶素子全体の保磁力を低くできる。
従って、記録時に加熱を行うことにより、小さい磁界で記録を行うことが可能になる。そして、電流磁界を印加して記録を行う場合は、記録電流を少なくすることができる。
【００５９】
また、室温状態で、第１の磁性層と第２の磁性層、第２の磁性体と第３の磁性体のそれぞれの磁化の向きが反平行であり、第１の磁性層の磁化の量と第３の磁性層の磁化の量の和が、第２の磁性層の磁化の量よりも大きいので、記録時以外では、記録を保持する記憶素子全体の保磁力が高く、記録された情報を安定して保持することができる。
【００６０】
本発明の磁気記憶素子の記録方法によれば、遷移金属からなる第１及び第３の磁性層の磁化よりも先に希土類金属からなる第２の磁性層の磁化を消失させて、第１の磁性層と第３の磁性層を交換結合させて、記録を保持する記憶素子の全体の磁化の量を小さくして記録を保持する記憶素子全体の保磁力を低くできる。
また、記録時以外では、前述と同様に、記録を保持する記憶素子全体の保磁力が高く、記録された情報を安定して保持することができる。
【００６１】
本発明の磁気記憶装置によれば、上述した本発明の磁気記憶素子を有してなり、配線に電流を流すことにより、素子に磁界を印加するので、記録時では記録電流を大きくすることなく記録を行うことができ、記録時以外では記録された情報を安定して保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気記憶素子の記憶層の基本構成を示す概略構成図である。
【図２】本発明の磁気記憶素子の構成の一形態を示す概略構成図である。
【図３】図１の記憶層の磁化の状態を模式的に示す図である。
【図４】Ａ〜Ｄ  本発明の磁気記憶素子の記録動作を示す分解斜視図である。
【図５】図１の磁気記憶素子の保磁力と温度の関係を示す図である。
【図６】比較例の磁気記憶素子の保磁力と温度の関係を示す図である。
【図７】本実施の磁気記憶装置の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図８】Ａ、Ｂ  配線により記憶層を加熱した場合の電流磁界による磁化の向きの変化を示す断面図である。
【図９】従来の磁気記憶素子の基本構成の一例を示す概略構成図である。
【図１０】Ａ、Ｂ  従来の磁気記憶素子の記録状態を示す模式図である。
【符号の説明】
１・・・記憶層、２・・・第１の磁性層、３・・・第２の磁性層、４・・・第３の磁性層、５・・・磁気記憶装置、６・・・磁化固定層、７・・・非磁性層、１０・・・磁気記憶装置、１１・・・配線、１２・・・配線（磁界印加用）、１０１・・・記憶層全体の磁化、１０２・・・第１の磁性層の磁化、１０３・・・第２の磁性層の磁化、１０４・・・第３の磁性層の磁化
【図１】
2004165380.tif 000003
【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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