(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
読み出し層および記録層が非磁性層を介して積層された磁気薄膜メモリ素子において、
前記読み出し層は、その磁化方向が所定の方向に固定され、
前記記録層は、隣接する層間で互いに磁気的に交換結合される複数の磁性層が積層されており、記録温度の高低に応じて、前記非磁性層に隣接する磁性層の磁化方向が該記録層内で生じる交換結合力によって反転可能であり、
前記複数の磁性層は、少なくとも第１乃至第４の磁性層が順次積層されたものとされており、該第１乃至第４の磁性層は、それぞれの磁性層のキュリー温度が、
第３の磁性層＜第１の磁性層＜第２の磁性層＜第４の磁性層
の関係にあり、第４の磁性層の磁化方向が所定の方向に固定されており、
記録温度の高低に応じて前記第１の磁性層に１ビットの情報が記録可能であることを特徴とする磁気薄膜メモリ素子。
【請求項２】
高い方の記録温度において所定の大きさで所定の方向の磁化を持ち、該磁化により発生する浮遊磁界によって第２の磁性層の磁化の反転が可能な第５の磁性層をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の磁気薄膜メモリ素子。
【請求項３】
第１の磁性層と第２の磁性層との間に、これら磁性層の磁化方向が反平行である場合に層内に所定のエネルギーの磁壁が形成される第６の磁性層を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気薄膜メモリ素子。
【請求項４】
ネール温度が記録温度より高い反強磁性層が第４の磁性層に隣接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁気薄膜メモリ素子。
【請求項５】
ネール温度が記録温度より高い反強磁性層が読み出し層に隣接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁気薄膜メモリ素子。
【請求項６】
読み出し層および記録層を構成する磁性層が面内磁化膜であることを特徴とする請求項１に記載の磁気薄膜メモリ素子。
【請求項７】
読み出し層および記録層を構成する各磁性層が垂直磁化膜であることを特徴とする請求項１に記載の磁気薄膜メモリ素子。
【請求項８】
垂直磁化膜が希土類と遷移金属の合金からなることを特徴とする請求項７に記載の磁気薄膜メモリ素子。
【請求項９】
読み出し層および記録層を構成する磁性層がスピン依存トンネル効果膜であることを特徴とする請求項１に記載の磁気薄膜メモリ素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気薄膜メモリ素子が複数設けられ、これら磁気薄膜メモリ素子を選択的に昇温する加熱手段を備えることを特徴とする磁気薄膜メモリ。
【請求項１１】
隣接する層間で互いに磁気的に交換結合される複数の磁性層からなる記録層と読み出し層とが非磁性層を介して積層された磁気薄膜メモリ素子の情報記録再生方法であって、
前記読み出し層の磁化を所定の方向に固定し、
前記複数の磁性層のうちの前記非磁性層に隣接する磁性層の磁化方向を、記録温度の高低に応じて、前記記録層内で生じる交換結合力によって反転させて１ビットの情報を記録し、
前記読み出し層の磁化方向と前記非磁性層に隣接する磁性層の磁化方向が平行、反平行のそれぞれの場合における前記磁気薄膜メモリ素子の磁気抵抗値の違いを前記１ビットの情報に対応づけて読み出すことを含み、
前記１ビットの情報の記録において、
前記複数の磁性層として第１乃至第４の磁性層を用い、該第１乃至第４の磁性層のキュリー温度の関係を、
第３の磁性層＜第１の磁性層＜第２の磁性層＜第４の磁性層
とするとともに、前記第４の磁性層の磁化方向を所定の方向に固定し、
前記記録層を前記第３の磁性層のキュリー温度よりも高い第１の記録温度に昇温して、前記第３の磁性層の磁化を滅磁するとともに、前記第１の磁性層の磁化反転を容易にし、前記第２の磁性層との交換結合力により前記第１の磁性層の磁化方向を前記第４の磁性層の磁化方向として第１の情報を記録し、
前記記録層を前記第１の記録温度より高い第２の記録温度に昇温するとともに、前記第２の磁性層に対して前記第４の磁性層の磁化方向とは反平行に印加される所定の大きさの磁界を印加して、前記第２の磁性層の磁化方向を前記磁界の方向に揃え、該第２の磁性層との交換結合力により前記第１の磁性層の磁化方向を前記第４の磁性層の磁化方向とは反平行として第２の情報を記録することを含むことを特徴とする情報記録再生方法。
【請求項１２】
第２の記録温度による情報記録時に印加される所定の大きさの磁界として外部磁界を用いることを特徴とする請求項１１に記載の情報記録再生方法。
【請求項１３】
第２の記録温度において所定の大きさで所定の方向の磁化を持つ第５の磁性層を用い、該第５の磁性層が発生する浮遊磁界を前記第２の記録温度による情報記録時に印加される所定の大きさの磁界として用いることを特徴とする請求項１１に記載の情報記録再生方法。
【請求項１４】
第１の磁性層と第２の磁性層との間に第６の磁性層を設けて、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向が反平行である場合に、前記第６の磁性層内に所定のエネルギーの磁壁を形成することを特徴とする請求項１１に記載の情報記録再生方法。
【請求項１５】
ネール温度が記録温度より高い反強磁性層を用いて第４の磁性層の磁化方向を固定することを特徴とする請求項１１に記載の情報記録再生方法。
【請求項１６】
ネール温度が記録温度より高い反強磁性層を用いて読み出し層の磁化方向を固定することを特徴とする請求項１１に記載の情報記録再生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果を利用する磁気薄膜メモリ素子およびそれを用いた磁気薄膜メモリならびにその情報記録再生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体メモリである半導体メモリは情報機器に多く用いられ、ＤＲＡＭ（Dynamic RAM（Random access Memory））、ＦｅＲＡＭ（Ferroelectric RAM）、フラッシュＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM（Read Only Memory））等その種類も様々である。これら半導体メモリの特性には一長一短があり、現在の情報機器において要求されるスペックのすべてを満たすメモリは存在しない。例えば、ＤＲＡＭは記録密度が高く書き換え可能回数も多いが、揮発性であるため電源を切ると記憶情報は消えてしまう。また、フラッシュＥＥＰＲＯＭは不揮発であるが、消去の時間が長く、情報の高速処理には不向きである。
【０００３】
上記のような半導体メモリの現状に対して、磁気抵抗効果を用いたメモリ（ＭＲＡＭ）は、記録時間、読み出し時間、記録密度、書き換え可能回数、消費電力等において多くの情報機器から求められるスペックをすべて満たすメモリとして有望である。特にスピン依存トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を利用したＭＲＡＭは、大きな読み出し信号が得られることから、高記録密度化あるいは高速読み出しに有利であり、近年の研究報告によればＭＲＡＭとしての実現性が実証されている。
【０００４】
ＭＲＡＭのメモリ素子に用いられる磁気抵抗効果膜の基本構成は、非磁性層を介して磁性層が隣接して形成されたサンドイッチ構造である。非磁性膜の材料としては、ＣｕやＡｌ2Ｏ3が良く用いられる。磁気抵抗効果膜において非磁性層にＣｕ等のような導体を用いたものを巨大磁気抵抗効果膜（ＧＭＲ膜）といい、Ａｌ2Ｏ3などの絶縁体を用いたものをスピン依存トンネル効果膜（ＴＭＲ膜）という。ＴＭＲ膜は、ＧＭＲ膜に比べて大きな磁気抵抗効果を示すので、ＭＲＡＭのメモリ素子として好ましい。
【０００５】
図１３は面内磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜の電気抵抗を説明するための図で、（ａ）は磁気抵抗効果膜の磁化が平行な状態を模式的に示す断面図、（ｂ）は磁気抵抗効果膜の磁化が反平行な状態を模式的に示す断面図である。図１３中、矢印は磁化の方向を示す。この図１３の例では、磁気抵抗効果膜は、非磁性層１４２を介して二つの磁性層１４１、１４３が積層されたサンドイッチ構造となっている。磁性層１４１、１４３は、いずれも面内磁化膜である。
【０００６】
図１３（ａ）に示すように磁性層１４１、１４３の磁化方向が平行であると、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較的小さく、図１３（ｂ）に示すように磁性層１４１、１４３の磁化方向が反平行であると、電気抵抗は比較的大きくなる。したがって、磁性層１４１、１４３のうち一方の磁性層を記録層、他方を読み出し層として、上記の性質を利用することで記憶情報の読み出しが可能である。
【０００７】
図１４は面内磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜における記録再生原理を説明するための図で、（ａ）および（ｂ）は、記録情報「１」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図、（ｃ）および（ｄ）は、記録情報「０」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図である。図１４中、矢印は磁化の方向を示し、磁気抵抗効果膜の構成は図１３に示したものと同様のため、同じ符号を付している。また、この例では、非磁性層１４２の下部に位置する磁性層１４３を記録層、上部に位置する磁性層１４１を読み出し層とし、記録層の磁化方向が右向きの場合を「１」、左向きの場合を「０」とする。
【０００８】
図１４（ａ）に示すように両磁性層の磁化方向がともに右向きの場合（平行）は、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較的小さくなり、図１４（ｂ）に示すように読み出し層の磁化方向が左向きで、記録層の磁化方向が右向きである場合（反平行）には、電気抵抗は比較的大きくなる。また、図１４（ｃ）に示すように読み出し層の磁化方向が右向きで、記録層の磁化方向が左向きである場合（反平行）は、電気抵抗は比較的大きくなり、図１４（ｄ）に示すように両磁性層の磁化方向がともに左向きの場合（平行）には、電気抵抗は比較的小さくなる。つまり、読み出し層の磁化方向が右向きに固定されている場合に、電気抵抗が大きければ、記録層には「０」が記録されていることになり、電気抵抗が小さければ、「１」が記録されていることになる。また、読み出し層の磁化方向が左向きに固定されている場合に、電気抵抗が大きければ、記録層には「１」が記録されていることになり、電気抵抗が小さければ、「０」が記録されていることになる。
【０００９】
上述したような面内磁化膜を使用したＭＲＡＭにおいては、ＭＲＡＭの記録密度を高くするために素子サイズを小さくしていくと、磁性層内部で生じる反磁界（自己減磁界）あるいは端面の磁化のカーリングといった影響から情報を保持できなくなる、という問題が生じる。この問題を回避する手法としては、例えば磁性層の形状を長方形にすることが挙げられるが、この場合は、素子サイズを小さくできないため、記録密度の向上はあまり期待できない。
【００１０】
そこで、特開平11-213650号公報で述べられているように、垂直磁化膜を用いることにより上記問題を回避しようとする提案がなされている。この方法によれば、素子サイズが小さくなっても反磁界は増加しないので、面内磁化膜を用いたＭＲＡＭよりも小さなサイズの磁気抵抗効果膜が実現可能である。垂直磁気異方性を示す磁性体としては、遷移金属−貴金属系の合金や多層膜、ＣｏＣｒ合金あるいは希土類−遷移金属系の合金や多層膜が挙げられる。
【００１１】
垂直磁化膜を用いたＭＲＡＭも、面内磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜と同様、非磁性層を介して磁性層が積層されたサンドイッチ構造であり、両磁性層の磁化方向が平行であると磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較的小さくなり、磁化方向が反平行であると電気抵抗は比較的大きくなる。
【００１２】
図１５は垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜における記録再生原理を説明するための図で、（ａ）および（ｂ）は、記録情報「１」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図、（ｃ）および（ｄ）は、記録情報「０」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図である。図１５中、矢印は磁化の方向を示し、磁気抵抗効果膜の構成は磁性層が垂直磁化膜である以外は基本的には図１３に示したものと同様であるため、同じ符号を付している。この例では、非磁性層１４２の下部に位置する磁性層１４３を記録層、上部に位置する磁性層１４１を読み出し層とし、記録層の磁化方向が上向きの場合を「１」とし、下向きの場合を「０」とする。
【００１３】
図１５（ａ）に示すように両磁性層の磁化方向がともに上向きの場合は、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較的小さく、図１５（ｂ）に示すように読み出し層の磁化方向が下向きで、記録層の磁化方向が上向きの場合には、電気抵抗は比較的大きい。また、図１５（ｃ）に示すように読み出し層の磁化方向が上向きで、記録層の磁化方向が下向きである場合は、電気抵抗は比較的大きく、図１５（ｄ）に示すように両磁性層の磁化方向がともに下向きの場合電気抵抗は比較的小さい。つまり、読み出し層の磁化方向が上向きに固定されている場合に、電気抵抗が大きければ、記録層には「０」が記録されていることになり、電気抵抗が小さければ、「１」が記録されていることになる。また、読み出し層の磁化方向が下向きに固定されている場合に、電気抵抗が大きければ、記録層には「１」が記録されていることになり、電気抵抗が小さければ、「０」が記録されていることになる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＲＡＭに用いられるメモリ素子（磁気薄膜メモリ素子）は、記録時や再生時に磁界を印加した後は、非磁性層を介して隣接して形成された磁性層のそれぞれの磁化の大きさが飽和していること、すなわちそれぞれの磁性層においてすべてのスピンの方向が一方向に揃っていることが好ましい。ＭＲＡＭで多く使用されている磁性材料は、Ｃｏ、Ｆｅ、ＮｉＦｅあるいはこれらの合金である。例えば、Ｃｏよりなる磁性層の保磁力（磁気飽和状態の強磁性体の磁化を０とする磁場の強さ）は、バルク形のものに於いては１ｋＡ／ｍ程度であるが、数十ｎｍの薄膜に於いては数ｋＡ／ｍ程度になる。また、磁性膜作成条件によっては、飽和磁界は数十ｋＡ／ｍ程度になることもある。さらに微細加工を施した磁性体薄膜では、飽和磁界がさらに大きくなることもある。一方、ＭＲＡＭの情報の記録は、メモリ素子の近くに配された導線に電流を流し、これによって発生する磁界によって磁性層の磁化方向を反転させることで行われるが、導線に流すことのできる電流に限界があるため、メモリ素子に印加できる磁界の強さは１０ｋＡ／ｍ程度までである。従って、導線を用いた記録方法では、磁性層の磁化を完全に反転させることができず、十分な磁気抵抗変化が得られない場合がある。このことは、磁性体の組成、成膜条件、膜構成等を限定してしまう要因、あるいは製造において歩留まりの低下を招く原因となり得る。
【００１５】
特に、垂直磁化膜の磁化反転磁界や磁化飽和磁界は、一般に面内磁化膜よりも大きな値を示すことから、ＭＲＡＭに垂直磁化膜を用いた場合は、その組成や成膜条件等はさらに限定されることになる。
【００１６】
本発明の目的は、上記の問題を解決し、磁化反転磁界や磁化飽和磁界が大きな磁性体を用いても、安定した情報の記録および読み出しが可能な磁気薄膜メモリ素子およびそれを用いた磁気薄膜メモリならびにその情報記録再生方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の磁気薄膜メモリ素子は、読み出し層および記録層が非磁性層を介して積層された磁気薄膜メモリ素子において、前記読み出し層は、その磁化方向が所定の方向に固定され、前記記録層は、隣接する層間で互いに磁気的に交換結合される複数の磁性層が積層されており、記録温度の高低に応じて、前記非磁性層に隣接する磁性層の磁化方向が該記録層内で生じる交換結合力によって反転可能であることを特徴とする。
【００１８】
上記の場合、記録層は、少なくとも第１乃至第４の磁性層が順次積層されており、該第１乃至第４の磁性層は、それぞれの磁性層のキュリー温度が、
第３の磁性層＜第１の磁性層＜第２の磁性層＜第４の磁性層
の関係にあり、第４の磁性層の磁化方向が所定の方向に固定されており、
記録温度の高低に応じて前記第１の磁性層に１ビットの情報が記録可能であるように構成してもよい。
【００１９】
上記の場合、高い方の記録温度において所定の大きさで所定の方向の磁化を持つ、該磁化により発生する浮遊磁界によって第２の磁性層の磁化の反転が可能な第５の磁性層をさらに有していてもよい。
【００２０】
また、第１の磁性層と第２の磁性層との間に、これら磁性層の磁化方向が反平行である場合に層内に所定のエネルギーの磁壁が形成される第６の磁性層を有していてもよい。
【００２１】
さらに、ネール温度が記録温度より高い反強磁性層が第４の磁性層に隣接して設けられていてもよい。
【００２２】
さらに、ネール温度が記録温度より高い反強磁性層が読み出し層に隣接して設けられていてもよい。
【００２３】
本発明の磁気薄膜メモリは、上述のいずれかに記載の磁気薄膜メモリ素子が複数設けられ、これら磁気薄膜メモリ素子を選択的に昇温する加熱手段を備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明の情報記録再生方法は、隣接する層間で互いに磁気的に交換結合される複数の磁性層からなる記録層と読み出し層とが非磁性層を介して積層された磁気薄膜メモリ素子の情報記録再生方法であって、前記読み出し層の磁化を所定の方向に固定し、前記複数の磁性層のうちの前記非磁性層に隣接する磁性層の磁化方向を、記録温度の高低に応じて、前記記録層内で生じる交換結合力によって反転させて１ビットの情報を記録し、前記読み出し層の磁化方向と前記非磁性層に隣接する磁性層の磁化方向が平行、反平行のそれぞれの場合における前記磁気薄膜メモリ素子の磁気抵抗値の違いを前記１ビットの情報に対応づけて読み出すことを含むこと特徴とする。
【００２５】
上記の場合、複数の磁性層として第１乃至第４の磁性層を用い、該第１乃至第４の磁性層のキュリー温度の関係を、
第３の磁性層＜第１の磁性層＜第２の磁性層＜第４の磁性層
とするとともに、前記第４の磁性層の磁化方向を所定の方向に固定し、記録層を前記第３の磁性層のキュリー温度よりも高い第１の記録温度に昇温して、前記第３の磁性層の磁化を滅磁するとともに、前記第１の磁性層の磁化反転を容易にし、該第２の磁性層との交換結合力により前記第１の磁性層の磁化方向を前記第４の磁性層の磁化方向として第１の情報を記録し、前記記録層を前記第１の記録温度より高い第２の記録温度に昇温するとともに、前記第２の磁性層に対して前記第４の磁性層の磁化方向とは反平行に印加される所定の大きさの磁界を印加して、前記第２の磁性層の磁化方向を前記磁界の方向に揃え、該第２の磁性層との交換結合力により前記第１の磁性層の磁化方向を前記第４の磁性層の磁化方向とは反平行として第２の情報を記録することを含んでいてもよい。
【００２６】
また、第２の記録温度において所定の大きさで所定の方向の磁化を持つ第５の磁性層を用い、該第５の磁性層が発生する浮遊磁界を前記第２の記録温度による情報記録時に印加される所定の大きさの磁界として用いてもよい。
【００２７】
さらに、第１の磁性層と第２の磁性層との間に第６の磁性層を設けて、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向が反平行である場合に、前記第６の磁性層内に所定のエネルギーの磁壁を形成するようにしてもよい。
【００２８】
さらに、ネール温度が記録温度より高い反強磁性層を用いて第４の磁性層の磁化方向を固定するようにしてもよい。
【００２９】
さらに、ネール温度が記録温度より高い反強磁性層を用いて読み出し層の磁化方向を固定するようにしてもよい。
【００３０】
上記のとおりの本発明においては、記録層は隣接する層間で互いに磁気的に交換結合される複数の磁性層からなり、非磁性層に隣接する磁性層の磁化方向を記録温度の高低に応じて反転することで１ビットの情報が記録されるが、その反転は、外部磁界によらず、記録層内で生じる交換結合力によって行われる。したがって、従来のように記録層、すなわち非磁性層に隣接する磁性層に磁化反転磁界や磁化飽和磁界が大きな磁性体が用いられても、十分な磁気抵抗変化を得ることができる。
【００３１】
具体的には、記録層を構成する複数の磁性層として第１乃至第４の磁性層が用られ、該第１乃至第４の磁性層のキュリー温度の関係が、
第３の磁性層＜第１の磁性層＜第２の磁性層＜第４の磁性層
とされ、第４の磁性層の磁化方向が所定の方向に固定されたものにおいては、第３の磁性層のキュリー温度よりも高く、第１の磁性層の磁化方向が第２の磁性層との交換結合力により容易に反転する第１の記録温度では、第３の磁性層の磁化が滅磁するとともに、第１の磁性層の磁化反転を容易にし、第２の磁性層との交換結合力により第１の磁性層の磁化方向が第４の磁性層の磁化方向とされて第１の情報が記録され、第１の記録温度より高く、第２の磁性層の磁化方向が第４の磁性層の磁化方向とは反平行に印加される所定の大きさの磁界の方向に容易に揃えられる第２の記録温度においては、第２の磁性層の磁化方向がその磁界の方向に揃え、該第２の磁性層との交換結合力により第１の磁性層の磁化方向が第４の磁性層の磁化方向とは反平行とされて第２の情報が記録される。
【００３２】
上記の場合は、磁界の印加は、第２の磁性層の磁化方向を反転させるために用いられており、情報記録が行われる第１の磁性層の磁化方向はその磁界によっては反転せずに、第２の磁性層との交換結合力によって反転する。
【００３３】
また、本発明においては、読み出し層の磁化方向は予め所定の方向に固定されており、この読み出し層の磁化方向と第１の磁性層の磁化方向とが平行であるか、反平行であるかで、当該磁気薄膜メモリ素子の抵抗値が異なる。したがって、上記のようにして第１の磁性層に記録された情報を、外部磁界を印加することなく読み出すことが可能である。
【００３４】
本発明のうち、第２の記録温度において所定の大きさの磁化を持つ第５の磁性層を有するものにおいては、この第５の磁性層が発生する浮遊磁界が第２の記録温度時に第２の磁性層に印加されることにより情報記録が行われるので、情報記録時に外部磁界を印加する必要がなくなる。
【００３５】
また、本発明のうち、第１の磁性層と第２の磁性層の間に第６の磁性層が形成されたものにおいては、第１の磁性層と第２の磁性層の磁化方向を反平行に向けることを容易にすることが可能である。この場合、第２の磁性層に印加される磁界はより小さくて済む。
【００３６】
さらに、本発明のうち、ネール温度が記録温度より高い反強磁性層が第４の磁性層に隣接して設けられているものにおいては、該反強磁性層との交換結合力により第４の磁性層の磁化方向が固定される。したがって、第４の磁性層にそれほど保磁力の大きな材料を用いる必要がなくなり、設計時の第４の磁性層に関する材料選択の自由度が向上する。
【００３７】
さらに、本発明のうち、ネール温度が記録温度より高い反強磁性層が第１の磁性層に隣接して設けられているものにおいては、該反強磁性層との交換結合力により第１の磁性層の磁化方向が固定される。したがって、第１の磁性層にそれほど保磁力の大きな材料を用いる必要がなくなり、設計時の第１の磁性層に関する材料選択の自由度が向上する。
【００３８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００３９】
図１は、本発明の一実施形態である磁気薄膜メモリ素子に用いられる磁気抵抗効果膜の断面構造図である。この磁気抵抗効果膜は、磁性層１、非磁性層２、磁性層３〜６が順次積層されてなる多層膜構造を有する。磁性層１が読み出し層であり、磁性層３〜６が記録層（多層膜）である。磁性層３と磁性層４の間、磁性層４と磁性層５の間、磁性層５と磁性層６の間は、それぞれ磁気的に交換結合されている。磁性層１の磁化方向は所定の方向に固定されている。図１には示されていないが、磁性層１の磁化方向を固定するために、ネール温度が記録温度よりも高い材料よりなる反強磁性層を設けて、これと磁性層１とを交換結合させてもよい。
【００４０】
磁性層３〜６の中では、磁性層６のキュリー温度が最も高く、かつ使用温度（記録温度）範囲内では、この磁性層６の磁化方向は固定されている。磁性層４のキュリー温度が、磁性層６のキュリー温度に次いで高く、磁性層５のキュリー温度が最も低い。図１には示されていないが、磁性層６の磁化方向を固定するために、ネール温度が記録温度よりも高い材料よりなる反強磁性層を設けて、これと磁性層６とを交換結合させてもよい。
【００４１】
上記のような多層膜構造を有する磁気抵抗効果膜は、昇温による記録が可能である。以下、磁気抵抗効果膜の各磁性層を面内磁化膜とした場合と、垂直磁化膜とした場合における情報の記録、再生について詳細に説明する。
【００４２】
（１）面内磁化膜の場合
（１−ａ）情報記録
図２は、図１に示す磁気抵抗効果膜の各磁性層に面内磁化膜を用いた場合の情報記録プロセスを説明するための概念図で、（ａ）は「１」が記録されているときの磁化方向を示す模式図、（ｂ）は比較的低い記録温度ＴLまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｃ）は比較的高い記録温度ＴHまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｄ）は「０」が記録されているときの磁化方向を示す模式図である。図２中、白抜き矢印は磁化の方向を示し、黒矢印（１０）は外部より印加される磁界を示す。
【００４３】
図２に示す例では、磁気抵抗効果膜はすべての磁性層１、３〜６が面内磁化膜であり、膜面内左向きの方向に外部磁界１０が印加されるようになっている。以下の説明では、磁性層３の磁化方向が右向きのときを「１」とし、左向きのときを「０」とする。
【００４４】
いま例えば図２（ａ）に示すように磁性層３〜６の磁化方向がすべて右向きで「１」が記録されている状態であったとして、これを比較的低い記録温度ＴLまで昇温する。ただし、この比較的低い記録温度ＴLは、磁性層５のキュリー温度よりも高く、磁性層４との交換結合力によって磁性層３の磁化の方向が容易に反転可能であるような温度である。また、磁性層４は、その比較的低い記録温度ＴLまで昇温された状態では、外部印加磁界１０の影響により磁化反転しないような保磁力を有する。このような条件の下では、比較的低い記録温度ＴLまで昇温されると、図２（ｂ）に示すように磁性層５の磁化が巨視的に消失する（またはその保磁力エネルギーが小さくなる）が、各磁性層３、４、６の磁化方向はいずれも元の磁化状態（右向き）を維持し、外部印加磁界１０による磁化反転は生じない。
【００４５】
上記昇温の後、磁気抵抗効果膜が冷却される過程において、膜温度が磁性層５のキュリー温度を下回ると、磁性層５の磁化が磁性層６の磁化方向と同じ方向で揃い、図２（ａ）の磁化状態に戻る。
【００４６】
次いで、図２（ａ）の状態から比較的高い記録温度ＴHまで昇温する。この比較的高い記録温度ＴHは、磁性層４の磁化方向が外部磁界１０の方向に容易に揃うような温度である。このような条件の下では、比較的高い記録温度ＴHまで昇温されると、図２（ｃ）に示すように磁性層５の磁化が巨視的に消失し、外部印加磁界１０により磁性層４の磁化方向が左向きとなり（磁化反転）、磁性層３の磁化が磁性層４の磁化方向（左向き）に揃う。ただし、磁性層６は元の磁化状態（右向き）が維持される。
【００４７】
上記昇温の後、磁気抵抗効果膜が冷却される過程において、膜温度が磁性層５のキュリー温度を下回ると、磁性層５の磁化が磁性層６の磁化方向（右向き）に揃い、さらに交換結合力によって磁性層４の磁化も磁性層６の磁化方向（右向き）に揃う。ただし、このときの磁性層３と磁性層４の界面における磁壁エネルギーは、磁性層３の保磁力エネルギーよりも小さくなるようにしておく。このため、磁性層３の磁化方向は、外部磁界１０の方向に揃っており、磁性層３と磁性層４の界面には磁壁が存在する。
【００４８】
上記のようにして比較的高い記録温度ＴHまで昇温されて、膜温度が磁性層５のキュリー温度を下回った後の磁気抵抗効果膜の磁化状態が、図２（ｄ）に示す磁化状態であり、「０」が記録されたことになる。
【００４９】
次いで、図２（ｄ）の磁化状態、つまり「０」が記録された状態から比較的低い記録温度ＴLまで昇温する。比較的低い記録温度ＴLまで昇温し、その後の冷却過程において磁性層３の磁化は交換結合力によって磁性層４の磁化方向に揃い、図２（ｂ）の磁化状態となる。膜温度が磁性層５のキュリー温度を下回ると、磁性層５の磁化が磁性層６の磁化方向と同じ方向で揃い、図２（ａ）の磁化状態に戻る。
【００５０】
次いで、図２（ｄ）の状態から比較的高い記録温度ＴHまで昇温する。この場合も、図２（ａ）から比較的高い記録温度ＴHまで昇温した場合と同様に、磁性層５の磁化は巨視的に消失するため、磁性層４の磁化方向は外部磁界１０の方向に揃い、図２（ｃ）の磁化状態となる。
【００５１】
以上のことから明らかなように、初期状態が「０」と「１」のどちらが記録された状態であっても、比較的低い記録温度ＴLまで昇温した場合は、「１」が記録された状態となり、比較的高い記録温度ＴHまで昇温した場合は、「０」が記録された状態となる。この情報記録では、磁性層を昇温し、交換結合力を用いて記録を行うので、小さな印加磁界で記録を行うことができる。
【００５２】
（１−ｂ）情報再生
記録情報の読み出しは、磁性層１（読み出し層）の磁化方向と磁性層３の磁化方向とが平行であるか、反平行であるかで、磁気抵抗効果膜の抵抗値が異なることを利用する。すなわち、磁性層１の磁化方向は予め初期化方向に固定されており、磁性層３の磁化方向は記録情報が「０」か「１」かによってその磁化方向が磁性層１の磁化方向に対して平行、反平行（図２の（ａ）および（ｄ）参照）となるので、磁気抵抗効果膜の抵抗値は記録情報が「０」か「１」かによってその値が異なる。よって、磁気抵抗効果膜の抵抗値の大小を検出することで、外部磁界を印加することなく記録情報の読み出しを行うことができる。
【００５３】
以上説明した磁気抵抗効果膜は外部磁界１０の印加により情報の記録が行われるようになっているが、情報記録のための磁界を印加する機能を磁気抵抗効果膜自体に付加することにより、外部磁界１０を印加することなく情報の記録を行うことも可能である。
【００５４】
図３は、外部磁界なしに情報の記録を行うことが可能な磁気抵抗効果膜における磁化方向と浮遊磁界の方向を模式的に示す断面図である。この磁気抵抗効果膜は、図１に示した構成に加えて、磁性層６の側に新たな磁性層７が設けられている。この磁性層７は、情報記録に必要な浮遊磁界２０を発生するもので、記録温度において大きな磁化を持ち、磁性層６とは直接接しないように設けられている。この磁性層７の磁化の向きは固定されており、その方向は、比較的高い記録温度ＴHまで昇温したときの磁性層４の磁化の方向に対して反平行に浮遊磁界２０が印加されるような方向である。この磁気抵抗効果膜においても、外部磁界１０に代えて浮遊磁界２０が利用される点が異なるだけで、その情報の記録は、前述の図２に示した情報の記録と同じである。
【００５５】
上記図３の例の他に、磁性層４との交換結合力によって磁性層３の磁化方向が反転して記録情報が消失することを防ぐために、図４に示すように、磁性層３と磁性層４の間に、磁壁エネルギーが小さい材料を用いた磁性層８を形成してもよい。
【００５６】
以上説明した、面内磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜の構成において、磁性層１、３〜８として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉやこれらの合金を用いることが可能である。さらにはＳｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｔ、Ｐｄ等を適量添加することにより、所望のキュリー温度、磁壁エネルギー、保磁力等の磁気特性を調整することも可能である。
【００５７】
さらに、第１の反強磁性層を磁性層６と交換結合させるように形成し、磁性層６の磁化方向を固定してもよいし、第２の反強磁性層を磁性層１と交換結合させるように形成し、磁性層１の磁化方向を固定してもよい。これら反強磁性層に使用する反強磁性体としては、ネール温度が高いものが好ましく、例えばα−Ｆｅ2Ｏ3、ＮｉＯ、ＭｎＩｒ、ＭｎＰｔ、ＭｎＣｒ、ＣｒＡｌ、ＣｒＧａ等が使用可能である。
【００５８】
（２）垂直磁化膜の場合
（２−ａ）情報記録
図５は、図１に示す磁気抵抗効果膜の各磁性層に垂直磁化膜を用いた場合の情報記録プロセスを説明するための概念図で、（ａ）は「１」が記録されているときの磁化方向を示す模式図、（ｂ）は比較的低い記録温度ＴLまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｃ）は比較的高い記録温度ＴHまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｄ）は「０」が記録されているときの磁化方向を示す模式図である。図５中、白抜き矢印は磁化の方向を示し、黒矢印（１０）は外部より印加される磁界を示す。
【００５９】
図５に示す例では、磁気抵抗効果膜はすべての磁性層１、３〜６が垂直磁化膜であり、垂直磁化の方向に外部磁界１０が印加されるようになっている。ここでは、磁性層３の磁化方向が上向きのときを「１」とし、下向きのときを「０」とする。この磁気抵抗効果膜における記録プロセスは、前述の図２に示した面内磁化膜を用いた場合と同様であり、やはり比較的低い記録温度ＴLまで昇温（図５（ｂ）の状態）した場合は、「１」が記録され（図５（ａ）の状態）、比較的高い記録温度ＴHまで昇温（図５（ｃ）の状態）した場合には、「０」が記録される（図５（ｄ）の状態）。
【００６０】
本例の垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜においても、前述の面内磁化膜を用いた場合と同様に、磁気抵抗効果膜に磁界を印加する機能を磁気抵抗効果膜自体に付加することにより、記録時に外部磁界１０を印加することなく情報の記録が可能である。
【００６１】
図６は、外部磁界なしに情報の記録を行うことが可能な磁気抵抗効果膜における磁化方向と浮遊磁界の方向を模式的に示す断面図である。この磁気抵抗効果膜は、図５に示した磁気抵抗効果膜の構成に加えて、磁性層６の側に新たな磁性層７が設けられている。この磁性層７は、情報記録に必要な浮遊磁界２０を発生するもので、記録温度において大きな磁化を持ち、磁性層６とは直接接しないように設けられている。この磁性層７の磁化の向きは固定されており、その方向は、比較的高い記録温度ＴHまで昇温したときの磁性層４の磁化の方向に対して反平行に浮遊磁界２０が印加されるような方向である。この磁気抵抗効果膜においても、外部磁界１０に代えて浮遊磁界２０が利用される点が異なるだけで、その情報の記録は、前述の図５に示した情報の記録と同じである。
【００６２】
上述した垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜において、各磁性層１、３〜７に用いられる材料としては、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｎｄ等の希土類金属の中から選ばれた少なくとも一元素とＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属の中から選ばれた少なくとも一元素からなる希土類遷移金属合金、Ｐｔ／Ｃｏ、Ｐｄ／Ｃｏ等の遷移金属と貴金属からなる合金や人工格子多層膜、ＣｏＣｒ合金等、キュリー温度が室温よりも高く垂直磁化を示すものであれば使用可能であるが、特に希土類遷移金属合金は、その組成を調整することによって所望の磁気特性を得ることが容易であるので好ましい。また、大きな磁気抵抗変化を得るためには、磁性層１と磁性層３にスピン分極率の大きな材料を用いることが好ましい。
【００６３】
以上説明した磁気抵抗効果膜により構成される本形態の磁気薄膜メモリ素子において、磁気抵抗効果膜を加熱する方法は特に限定するものではないが、例えば、磁気抵抗効果膜の近くに発熱体を形成して熱伝導により加熱する方法がある。この場合、発熱体としてはニッケルクロム合金や鉄クロムアルミニウム合金等が使用可能である。
【００６４】
磁気薄膜メモリでは、磁気薄膜抵抗膜と発熱体とを有する磁気薄膜メモリ素子が複数配置され、選択的に発熱体に電流を流すことで、磁気薄膜メモリ素子の磁気薄膜抵抗膜を加熱して情報を記録する。選択的に発熱体に電流を流す回路として、周知のＭＲＡＭの選択回路を使用することができる。
【００６５】
磁気薄膜メモリ素子の磁気薄膜抵抗膜を効率よく昇温するためには、発熱体と磁気薄膜抵抗膜は極力近い場所に配置する必要がある反面、両者は電気的に独立している必要がある。したがって、発熱体と磁気抵抗効果膜は熱伝導率の高い絶縁層を介して隣接して形成されていることが好ましい。このような絶縁体としては、ＢｅＯが挙げられる。また、熱伝導率が著しく高い材料でなくても電気抵抗率が高く、かつ絶縁破壊が起きにくい材料であれば、膜厚を薄くすることにより使用可能である。そのような材料としては、例えばＡｌ2Ｏ3やＳｉ3Ｎ4等が挙げられる。
【００６６】
発熱体や磁気抵抗効果膜を半導体と電気的に接続する場合は、半導体の熱的ダメージを低減するため、または熱効率を高めるために、発熱体または磁気抵抗効果膜を電気抵抗が低く、かつ、熱伝導率が小さい導体によって形成された層を介して半導体に接続することが好ましい。そのような材料としては、例えばＴｉが挙げられる。
【００６７】
なお、磁気抵抗効果膜の昇温は、上記発熱体による加熱の他、発光体から発せられた光を磁気抵抗効果膜に照射して直接加熱する方法によっても可能である。
【００６８】
【実施例】
次に、本発明の磁気薄膜メモリ素子について具体例を挙げてその構成を説明する。
【００６９】
（実施例１）
図７は、本発明の第１の実施例の磁気薄膜メモリ素子の概略構成を示す断面図、図８は、その磁気薄膜メモリ素子に用いられる磁気抵抗効果膜の断面図である。
【００７０】
この磁気薄膜メモリ素子は、基板２１としてＳｉウエハーが用いられており、その表面を酸化処理することで、約１μmのＳｉＯ2膜２２が形成されている。ＳｉＯ2膜２２上部には、膜厚５０ｎｍのＡｌ50Ｃｕ50膜によりなるワード線２３が形成され、さらにその上部にｎ型半導体２４、ｐ型半導体２５、熱遮断膜２６が順次積層されている。熱遮断膜２６には、膜厚１００ｎｍのＴｉを用いている。
【００７１】
熱遮断膜２６の上部には磁気抵抗効果膜４０、膜厚５０ｎｍのＡｌ50Ｃｕ50膜よりなるビット線２７が形成されており、さらにその上部に絶縁膜２８、下部電極２９、発熱体３０が形成されている。発熱体３０は、磁気抵抗効果膜４０を昇温するためのもので、磁気抵抗効果膜４０上にビット線２７上部の電気絶縁膜２８を介して形成されており、その下部において膜厚５０ｎｍのＡｌ50Ｃｕ50膜よりなる下部電極２９と電気的に接続されている。ここでは、発熱体３０に膜厚１００ｎｍのＮｉ75Ｃｒ23Ｍｎ2を用いている。
【００７２】
発熱体３０の上部には、膜厚１００ｎｍのＴｉ膜よりなる熱遮断膜３１が形成され、さらにその上にｐ型半導体３２、ｎ型半導体３３、膜厚５０ｎｍのＡｌ50Ｃｕ50膜よりなる上部電極３４が形成されている。上部電極３４の上部には、記録情報再生時に外部より磁界を印加するために、絶縁層３５を介して膜厚１００ｎｍのＡｌよりなる導線３６が形成されている。
【００７３】
磁気抵抗効果膜４０は、前述の図１に示した磁気抵抗効果膜を基本とするもので、図８に示すように反強磁性層５０、磁性層４１、非磁性層４２、磁性層４３〜４６、４８、反強磁性層４９が順次積層されてなる多層膜構造を有する。磁性層４１、非磁性層４２、磁性層４３〜４６がそれぞれ図１に示した磁性層１、非磁性層２、磁性層３〜６に対応する。また、磁性層４８は図４に示した磁性層８に対応する。反強磁性層４９は、磁性層４６の磁化方向を固定するためのもので、その一方向異方性の方向は固定されており、磁性層４６と交換結合されている。反強磁性層５０は、磁性層１の磁化方向を固定するためのもので、その磁化方向は固定されており、磁性層１と交換結合されている。
【００７４】
本例では、反強磁性層５０は膜厚５ｎｍのＭｎ70Ｉｒ30膜、磁性層４１は膜厚１０ｎｍのＣｏ50Ｆｅ50膜、非磁性層４２は膜厚２ｎｍのＡｌ2Ｏ3膜、磁性層４３は膜厚５ｎｍのＣｏ50Ｆｅ50膜、磁性層４４は膜厚２ｎｍのＣｏ膜、磁性層４５は膜厚３ｎｍのＮｉ92Ｃｒ8膜、磁性層４６は膜厚５ｎｍのＣｏ膜、磁性層４８は膜厚５ｎｍのＦｅ80Ｃｒ20膜、反強磁性層４９は膜厚５ｎｍのＭｎ70Ｉｒ30膜とした。また、各磁性層を成膜する際には、右方向に磁界を印加し、磁性層に一軸異方性を誘起させるとともに、磁性層１と磁性層６の磁化方向を右方向に固定している。
【００７５】
以上のように構成される本例の磁気薄膜メモリ素子において、情報の記録は、上部電極３４と下部電極２９を介して、磁気抵抗効果薄膜４０の上部に形成された発熱体３０に電流を流して磁気抵抗効果薄膜４０を適当に昇温することにより行われる。磁気抵抗効果薄膜４０の温度は、発熱体３０に流す電流の大きさを調整することで所望の温度とすることができる。情報記録の際には、磁気抵抗効果薄膜４０の膜面内左方向に磁界を印加する。
【００７６】
記録された情報の読み出しは、ワード線２３およびビット線２７に定電流を流し、磁気薄膜メモリ素子にかかる電圧を検出することで行う。このようにして検出される電圧値は、磁気抵抗効果薄膜４０に記録された情報を伴った値を示す。
【００７７】
発熱体３０による加熱により、磁気抵抗効果薄膜４０を比較的高い記録温度ＴHまで昇温した後、ワード線２３およびビット線２７に定電流を流して磁気薄膜メモリ素子にかかる電圧を測定し、次いで磁気抵抗効果薄膜４０を比較的低い記録温度ＴLまで昇温した後、ワード線２３およびビット線２７に定電流を流して磁気薄膜メモリ素子にかかる電圧を測定した結果、比較的高い記録温度ＴHまで昇温した場合の電圧値は、比較的低い記録温度ＴLまで昇温した場合の電圧値よりも高い値を示した。この結果から、記録温度の違い（高低）に応じて１ビットの情報を記録できることが分かる。
【００７８】
図９は、図７に示した磁気薄膜メモリ素子を複数有する磁気薄膜メモリの概略構成を示す回路図である。図９中、図７に示した構成と同じものには、同じ符号を付している。
【００７９】
この磁気薄膜メモリは、ワード線２３、ビット線２７が縦横に複数設けられ、それらの各交差部に磁気薄膜メモリ素子１００が設けられている。ワード線２３に沿って磁界印加用の導線３６および上部電極３４が設けられ、ビット線２７に沿って下部電極２９が設けられている。磁気薄膜メモリ素子１００は行列状に複数配置されているが、いずれも同じ構成であるので、ここでは図９の右上に位置する磁気薄膜メモリ素子を例にとってその構成を詳細に説明する。
【００８０】
磁気薄膜メモリ素子１００は、図７に示した構造のもので、磁気抵抗効果膜４０、発熱体３０、ダイオードＤ１（ｎ型半導体２４およびｐ型半導体２５）、ダイオードＤ２（ｎ型半導体３３およびｐ型半導体３２）を有する。磁気抵抗効果膜４０は、一端がダイオードＤ１を介してワード線２３と接続され、他端がビット線２７と接続されている。発熱体３０は、一端がダイオードＤ２を介して上部電極３４と接続され、他端が下部電極２９と接続されている。
【００８１】
ワード線２３の一端はトランジスタＴｒ３の一方の端子と接続されている。トランジスタＴｒ３の他方の端子は固定抵抗Ｒの一端に接続されるとともに、センスアンプＳＡの一方の入力端子に接続されている。固定抵抗Ｒの他端は、電源１０１を介して接地されている。ビット線２７の一端はトランジスタＴｒ４、Ｔｒ５の一方の端子にそれぞれ接続されている。トランジスタＴｒ５の他方の端子は接地され、トランジスタＴｒ４の他方の端子は電源１０２を介して接地されている。
【００８２】
上部電極３４の一端はトランジスタＴｒ１の一方の端子に接続されている。トランジスタＴｒ１の他方の端子は、電源１０３を介して接地されている。下部電極２９の一端はトランジスタＴｒ６を介して接地され、導線３６の一端はトランジスタＴｒ２を介して接地されている。
【００８３】
次に、この磁気薄膜メモリの情報記録動作について説明する。
【００８４】
トランジスタＴｒ１、Ｔｒ６をそれぞれオンにすることにより、上部電極３４と下部電極２９を介して発熱体３０に所望の大きさの電流を流すことができ、これにより、磁気抵抗効果薄膜４０を所望の記録温度に昇温して情報を記録することができる。情報記録時には、トランジスタＴｒ２をオンとして、導線３６に所定の方向に所定の大きさの電流を流し、該導線３６にて発生する磁界を磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果薄膜４０に対して印加する。本例では、磁気薄膜メモリ素子１００が行列状に複数配置されており、各上部電極３４に設けられているトランジスタＴｒ１、各下部電極２９に設けられているトランジスタＴｒ６、各導線３６に設けられているトランジスタＴｒ２をそれぞれオン・オフ制御することにより、特定の磁気薄膜メモリ素子１００の発熱体３０に選択的に電流を流すことができ、その磁気抵抗効果薄膜４０に対して磁界を印加することができる。
【００８５】
続いて、記録情報の読み出し動作について説明する。
【００８６】
▲１▼まず、選択する磁気薄膜メモリ素子１００に接続されているビット線２７のトランジスタＴｒ５をオンにし、トランジスタＴｒ４をオフにする。これ以外のビット線については、その逆の状態、すなわちトランジスタＴｒ５をオフにし、トランジスタＴｒ４をオンにする。また、選択する磁気薄膜メモリ素子１００に接続されているワード線２３のトランジスタＴｒ３をオンにする。ここで、ワード線２３に電源電圧（電源１０１）はビット線２７に接続されている電源電圧（電源１０２）よりも若干低い値であり、その電圧の差は磁気薄膜メモリ素子１００を構成するダイオードＤ１のツェナー電圧よりも小さくなるように設定されている。このため、選択する磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果膜４０の一端はダイオードＤ１を介してプラスの電圧が印加され、他端はグランドに落ちた状態になり、その磁気抵抗効果膜４０に定電流が流れる。なお、その他の磁気薄膜メモリ素子では、トランジスタＴｒ４がオンとされているためにビット線側に高い電圧が印加されることとなり、ダイオードの働きにより磁気抵抗効果膜には電流は流れない。
【００８７】
▲２▼上記のようにして選択された磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果膜４０に定電流を流した状態で、導線３６に所定の方向に電流を流して磁界を発生させる。選択された磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果膜４０の非磁性層を介して積層されている読み出し層（磁性層４１（磁化方向は固定））および記録層（磁性層４３）の磁化方向が反平行か、平行かで磁気抵抗効果膜４０の抵抗が異なる。
【００８８】
▲３▼選択された磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果膜４０と固定抵抗Ｒは直列に接続されているので、それぞれの抵抗にかかる電位差はそれらの抵抗値の比率に比例し、それらの抵抗にかかる電位差の和は２つの電源（１０１、１０２）の電圧の差で一定である。したがって、磁気抵抗効果膜４０の抵抗値が異なると、この磁気抵抗効果膜４０にかかる電位差も異なることになる。この電位差の大小をセンスアンプＳＡで検出することにより、記録情報を読み出す。
【００８９】
（実施例２）
図１０は、本発明の第２の実施例の磁気薄膜メモリ素子の概略構成を示す断面図、図１１は、その磁気薄膜メモリ素子に用いられる磁気抵抗効果膜の断面図である。
【００９０】
この磁気薄膜メモリ素子は、導線３６および絶縁層３５が無いこと、磁気抵抗効果膜４０の構成が異なること以外は上述の第１の実施例のものと同様のものである。
【００９１】
磁気抵抗効果膜４０は、前述の図６に示した磁気抵抗効果膜を基本とするもので、図１１に示すように磁性層４１、非磁性層４２、磁性層４３、４８、４４〜４６が順次積層され、さらに磁性層４６の側に該磁性層４６とは接しないように磁性層４７が設けられた多層膜構造を有する。磁性層４１、非磁性層４２、磁性層４３〜４７はそれぞれ図６に示した磁性層１、非磁性層２、磁性層３〜７に対応する。また、磁性層４８は、磁性層４４との交換結合力によって磁性層４３の磁化方向が反転して記録情報が消失することを防ぐために設けられたもので、図４に示した磁性層８と同様の働きをする。
【００９２】
本例では、磁性層４１に膜厚１０ｎｍのＧｄ26Ｃｏ74膜、非磁性層４２に膜厚２ｎｍのＡｌ2Ｏ3膜、磁性層４３に膜厚１０ｎｍのＴｂ22Ｆｅ75Ｃｏ3膜、磁性層４４に膜厚２０ｎｍのＤｙ20Ｆｅ62Ｃｏ18膜、磁性層４５に膜厚３ｎｍのＴｂ17Ｆｅ83膜、磁性層４６に膜厚３０ｎｍのＴｂ22Ｃｏ78、磁性層４７に膜厚２０ｎｍのＴｂ18Ｆｅ41Ｃｏ41膜、磁性層４８に膜厚５ｎｍのＧｄ32Ｃｏ68膜を用いた。情報を保持する磁性層４３の保磁力は、ここでは６ＭＡ／ｍ以上と著しく大きくした。
【００９３】
上述した条件で作製した磁気薄膜メモリ素子を２００℃まで加熱し、同時に磁気抵抗効果薄膜４０に対して膜面法線方向上向きに１．６ＭＡ／ｍの大きさの磁界を印加し、磁性層４６の磁化方向を上向きに向けた後、室温において膜面法線方向下向きに１ＭＡ／ｍの大きさの磁界を印加して磁性層４７の磁化方向を下向きに向けた。
【００９４】
上記のような処理を施した磁気薄膜メモリ素子において、上述の第１の実施例の場合と同様に、発熱体３０による加熱により、磁気抵抗効果薄膜４０を比較的高い記録温度ＴHまで昇温した後、ワード線２３およびビット線２７に定電流を流して磁気薄膜メモリ素子にかかる電圧を測定し、次いで磁気抵抗効果薄膜４０を比較的低い記録温度ＴLまで昇温した後、ワード線２３およびビット線２７に定電流を流して磁気薄膜メモリ素子にかかる電圧を測定した結果、比較的高い記録温度ＴHまで昇温した場合の電圧値は、比較的低い記録温度ＴLまで昇温した場合の電圧値よりも高い値を示した。この結果から、記録温度の違い（高低）に応じて１ビットの情報を記録できることが分かる。
【００９５】
図１２は、図１０に示した磁気薄膜メモリ素子を複数有する磁気薄膜メモリの概略構成を示す回路図である。この磁気薄膜メモリは、導線３６およびトランジスタＴＲ２が無いこと、磁気薄膜メモリ素子１００の構成が異なること以外は、上述の図９に示したものと同じである。図１２中、図９に示した構成と同じものには、同じ符号を付している。
【００９６】
この磁気薄膜メモリは、磁気薄膜メモリ素子１００として図１０に示した磁気薄膜メモリ素子が用いられている。情報記録は、図９に示した磁気薄膜メモリにおける動作と基本的には同じであるが、情報記録時に印加される磁界として、導線３６にて発生する磁界に代えて、磁気薄膜メモリ素子１００を構成する磁性層４７にて発生する浮遊磁界が用られる。よって、本例の磁気薄膜メモリにおける記録動作では、図９に示した磁気薄膜メモリにおける記録動作で必要であった、「トランジスタＴｒ２をオンとして、導線３６に所定の方向に所定の大きさの電流を流し、該導線３６にて発生する磁界を磁気薄膜メモリ素子１００の磁気抵抗効果薄膜４０に対して印加する」という動作が必要なくなる。これ以外の記録動作は、図９に示した磁気薄膜メモリにおける動作と同じである。
【００９７】
また、記録情報の読み出しについても、導線３６にて発生する磁界に代えて磁気薄膜メモリ素子１００を構成する磁性層４７にて発生する浮遊磁界が用られるので、図９に示した磁気薄膜メモリにおける読み出し動作▲１▼〜▲３▼のうち、▲２▼の動作が必要なくなる。したがって、動作▲１▼の後に、動作▲３▼に移って、磁気抵抗効果膜４０にかかる電位差の大小がセンスアンプＳＡで検出され、記録情報が読み出される。
【００９８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基本的には記録層内で生じる交換結合力によって情報の記録が行われるので、小さな印加磁界によって磁化の方向を反転することが困難な磁性体を用いた場合であっても、印加磁界を大きくすることなく記録が可能である。よって、記録層の磁性体の組成、成膜条件、膜構成等の選択性を向上させることができ、結果的に、製造における歩留まりの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気薄膜メモリ素子に用いらる磁気抵抗効果膜の一実施形態を示す断面構造図である。
【図２】図１に示す磁気抵抗効果膜を用いた場合の情報記録プロセスを説明するための概念図で、（ａ）は「１」が記録されているときの磁化方向を示す模式図、（ｂ）は比較的低い記録温度ＴLまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｃ）は比較的高い記録温度ＴHまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｄ）は「０」が記録されているときの磁化方向を示す模式図である。
【図３】図１に示す磁気抵抗効果膜の一変形例である、外部磁界なしに情報の記録を行うことが可能な磁気抵抗効果膜における磁化方向と浮遊磁界の方向を模式的に示す断面図である。
【図４】図１に示す磁気抵抗効果膜の一変形例を示す図である。
【図５】図１に示す磁気抵抗効果膜の各磁性層に垂直磁化膜を用いた場合の情報記録プロセスを説明するための概念図で、（ａ）は「１」が記録されているときの磁化方向を示す模式図、（ｂ）は比較的低い記録温度ＴLまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｃ）は比較的高い記録温度ＴHまで昇温したときの磁化方向を示す模式図、（ｄ）は「０」が記録されているときの磁化方向を示す模式図である。
【図６】図１に示す磁気抵抗効果膜の一変形例である、外部磁界なしに情報の記録を行うことが可能な磁気抵抗効果膜における磁化方向と浮遊磁界の方向を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の第１の実施例の磁気薄膜メモリ素子の概略構成を示す断面図である。
【図８】図７に示す磁気薄膜メモリ素子に用いられる磁気抵抗効果膜の断面図である。
【図９】図７に示した磁気薄膜メモリ素子を複数有する磁気薄膜メモリの概略構成を示す回路図である。
【図１０】本発明の第２の実施例の磁気薄膜メモリ素子の概略構成を示す断面図である。
【図１１】図１０に示す磁気薄膜メモリに用いられる磁気抵抗効果膜の断面図である。
【図１２】図１０に示す磁気薄膜メモリ素子を複数有する磁気薄膜メモリの概略構成を示す回路図である。
【図１３】面内磁化膜を用いた従来の磁気抵抗効果膜の電気抵抗を説明するための図で、（ａ）は磁気抵抗効果膜の磁化が平行な状態を模式的に示す断面図、（ｂ）は磁気抵抗効果膜の磁化が反平行な状態を模式的に示す断面図である。
【図１４】面内磁化膜を用いた従来の磁気抵抗効果膜における記録再生原理を説明するための図で、（ａ）および（ｂ）は、記録情報「１」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図、（ｃ）および（ｄ）は、記録情報「０」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図である。
【図１５】垂直磁化膜を用いた従来の磁気抵抗効果膜における記録再生原理を説明するための図で、（ａ）および（ｂ）は、記録情報「１」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図、（ｃ）および（ｄ）は、記録情報「０」の読み出しを行う場合の磁化の状態を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１、３〜８、４１、４３〜４８、１４１、１４３  磁性層
２、４２、１４２  非磁性層
４９、５０  反強磁性層
１０  外部磁界
２０  浮遊磁界
２１  基板
２２  ＳｉＯ2膜
２３  ワード線
２４、３３  ｎ型半導体
２５、３２  ｐ型半導体
２６、３１  熱遮断膜
２７  ビット線
２８、３５  絶縁膜
２９  下部電極
３０  発熱体
３４  上部電極
３６  導線
４０  磁気抵抗効果膜
１００  磁気薄膜メモリ素子
Ｔｒ１〜Ｔｒ６  トランジスタ
１０１〜１０３  電源
ＳＡ  センスアンプ
Ｒ  固定抵抗
Ｄ１、Ｄ２  ダイオード
【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】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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