(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、
前記記憶層が少なくとも２種類の異なる飽和磁束密度を有する３層以上の磁性層からなり、
前記記憶層の下端部及び上端部には、前記３層以上の磁性層のうち、高い飽和磁束密度を有する高飽和磁束密度層が配置され、
前記下端部の前記高飽和磁束密度層の磁化の向きと、前記上端部の前記高飽和磁束密度層の磁化の向きとが、互いに反平行であり、
前記下端部の前記高飽和磁束密度層と前記上端部の前記高飽和磁束密度層との中間に、低い飽和磁束密度を有する低飽和磁束密度層が配置され、
情報の記録を行う際に、前記記憶層の前記高飽和磁束密度層及び前記低飽和磁束密度層に、前記記憶層の面内方向の電流を流して、前記下端部の前記高飽和磁束密度層の磁化の向きと前記上端部の前記高飽和磁束密度層の磁化の向きとを変化させる
磁気記憶素子。
【請求項２】
前記記憶層に対して、トンネル絶縁層又は非磁性層を介して磁化の向きが固定された磁化固定層が設けられている請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項３】
前記下端部の前記高飽和磁束密度層及び前記上端部の前記高飽和磁束密度層のうち、一方の高飽和磁束密度磁性層がＧｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏから選ばれた少なくとも一種を主成分とし、他方の高飽和磁束密度磁性層がＦｅ，Ｃｏから選ばれた少なくとも一種を主成分とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項４】
前記下端部の前記高飽和磁束密度層及び前記上端部の前記高飽和磁束密度層が、いずれもＦｅ，Ｃｏから選ばれた少なくとも一種を主成分とし、前記下端部の前記高飽和磁束密度層及び前記上端部の前記高飽和磁束密度層の間の少なくとも一個所に非磁性層が設けられている請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項５】
前記下端部の前記高飽和磁束密度層及び前記上端部の前記高飽和磁束密度層が、いずれもＧｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏから選ばれた少なくとも一種を主成分とし、前記下端部の前記高飽和磁束密度層及び前記上端部の前記高飽和磁束密度層の間の少なくとも一個所に非磁性層が設けられている請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項６】
前記下端部の前記高飽和磁束密度層及び前記上端部の前記高飽和磁束密度層が、ほぼ同じ磁化量とされている請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項７】
前記低飽和磁束密度層の比抵抗が、前記高飽和磁束密度層の比抵抗よりも低い請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項８】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、
前記記憶層が少なくとも２種類の異なる飽和磁束密度を有する３層以上の磁性層からなり、
前記記憶層の下端部及び上端部には、前記３層以上の磁性層のうち、高い飽和磁束密度を有する高飽和磁束密度層が配置され、
前記下端部の前記高飽和磁束密度層の磁化の向きと、前記上端部の前記高飽和磁束密度層の磁化の向きとが、互いに反平行であり、
前記下端部の前記高飽和磁束密度層と前記上端部の前記高飽和磁束密度層との中間に、低い飽和磁束密度を有する低飽和磁束密度層が配置されている磁気記憶素子に対して、
前記記憶層の前記高飽和磁束密度層及び前記低飽和磁束密度層に、前記記憶層の面内方向の電流を流すことにより、前記下端部の前記高飽和磁束密度層の磁化の向きと前記上端部の前記高飽和磁束密度層の磁化の向きとを変化させて、前記記憶層に情報の記録を行う
磁気記憶素子の記録方法。
【請求項９】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、
前記記憶層が少なくとも２種類の異なる飽和磁束密度を有する３層以上の磁性層からなり、
前記記憶層の下端部及び上端部には、前記３層以上の磁性層のうち、高い飽和磁束密度を有する高飽和磁束密度層が配置され、
前記下端部の前記高飽和磁束密度層の磁化の向きと、前記上端部の前記高飽和磁束密度層の磁化の向きとが、互いに反平行であり、
前記下端部の前記高飽和磁束密度層と前記上端部の前記高飽和磁束密度層との中間に、低い飽和磁束密度を有する低飽和磁束密度層が配置されている磁気記憶素子と、
前記磁気記憶素子に接続された電極とを有し、
情報の記録を行う際に、前記電極を通じて、前記記憶層の前記高飽和磁束密度層及び前記低飽和磁束密度層に、前記記憶層の面内方向の電流が流れ、前記下端部の前記高飽和磁束密度層の磁化の向きと前記上端部の前記高飽和磁束密度層の磁化の向きとが変化する
磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記憶素子及びその記録方法、磁気メモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ等の情報機器では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なＤＲＡＭが広く使われている。
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、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
ＭＲＡＭでは、情報を記録して保持させる磁性層（記憶層）を、長方形や楕円等の平面形状として、その反磁界を利用した形状異方性によって磁化を安定化することにより、記録された情報を長期間にわたって保持している。これにより、不揮発メモリとして使用することが可能となっている。
また、情報の記録は、直交する２種類のアドレス配線（例えば、ワード線やビット線）のそれぞれに電流を流し、発生する電流磁場によって、アドレス配線の交点にある磁気記憶素子において、情報を記録して保持させる磁性層（記憶層）の磁化の向きを反転させることにより行っている。
【０００５】
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寸法のさらなる縮小化が求められる。
磁気記憶素子の寸法が縮小化された場合でも、情報を長期間にわたって保持できるためには、磁気記憶素子の磁気異方性、特に情報を記録して保持させる磁性層（記憶層）の磁気異方性を大きくする必要がある。
【０００６】
しかし、記憶層の磁気異方性を大きくすると、記憶層の保磁力が増加して、情報の記録に大きな電流が必要となることから、消費電力の増加や電流駆動回路の大型化が不可避となり、高密度メモリを実現する上で問題となる。
【０００７】
そこで、情報の記録に必要な電流（記録電流）を低減する方法として、磁化の向きを反平行に結合させた２層の磁性層により記憶層を構成して、保磁力の増加を抑えようとする試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。
【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）
【特許文献１】特表２００２−５２０８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、磁気記憶素子の寸法が縮小化された場合に、外乱磁場に対して安定であるためには、ある程度の大きさの保磁力は必須であり、記録電流の低減には限界があった。
【０００９】
上述した問題の解決のために、本発明においては、磁気記憶素子において、ある程度の大きさの保磁力を確保すると共に、低い記録電流で記録を行うことを可能にする磁気記憶素子及びその記録方法、並びに磁気記憶素子を備えた磁気メモリを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の磁気記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層が少なくとも２種類の異なる飽和磁束密度を有する３層以上の磁性層からなり、記憶層の下端部及び上端部には、３層以上の磁性層のうち、高い飽和磁束密度を有する高飽和磁束密度層が配置され、下端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きと、上端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きとが、互いに反平行であり、下端部の高飽和磁束密度層と上端部の高飽和磁束密度層との中間に、低い飽和磁束密度を有する低飽和磁束密度層が配置され、情報の記録を行う際に、記憶層の高飽和磁束密度層及び低飽和磁束密度層に、記憶層の面内方向の電流を流して、下端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きと上端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きとを変化させるものである。
【００１１】
上述の本発明の磁気記憶素子の構成によれば、記憶層が少なくとも２種類の異なる飽和磁束密度を有する３層以上の磁性層からなり、記憶層の下端部及び上端部には、３層以上の磁性層のうち、高い飽和磁束密度を有する高飽和磁束密度層が配置され、下端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きと、上端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きとが、互いに反平行であり、下端部の高飽和磁束密度層と上端部の高飽和磁束密度層との中間に、低い飽和磁束密度を有する低飽和磁束密度層が配置され、情報の記録を行う際に、記憶層の高飽和磁束密度層及び低飽和磁束密度層に、記憶層の面内方向の電流を流して、下端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きと上端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きとを変化させることにより、下端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きと、上端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きとが、互いに反平行であるために、記憶層の面内方向に電流を流したときに発生する磁場と、下端部及び上端部のそれぞれの高飽和磁束密度層の磁化とが有効に作用する。
これにより、少ない電流量で、下端部及び上端部のそれぞれの高飽和磁束密度層の磁化の向きを変化させて、記憶層に情報の記録を行うことが可能になる。
【００１２】
本発明の磁気記憶素子の記録方法は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、記憶層が少なくとも２種類の異なる飽和磁束密度を有する３層以上の磁性層からなり、記憶層の下端部及び上端部には、３層以上の磁性層のうち、高い飽和磁束密度を有する高飽和磁束密度層が配置され、下端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きと、上端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きとが、互いに反平行であり、下端部の高飽和磁束密度層と上端部の高飽和磁束密度層との中間に、低い飽和磁束密度を有する低飽和磁束密度層が配置されている磁気記憶素子に対して、記憶層の面内方向の電流を記憶層の高飽和磁束密度層及び低飽和磁束密度層に流すことにより、下端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きと上端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きとを変化させて、記憶層に情報の記録を行うものである。
【００１３】
上述の本発明の磁気記憶素子の記録方法によれば、上記本発明の磁気記憶素子に対して、記憶層の面内方向の電流を記憶層の高飽和磁束密度層及び低飽和磁束密度層に流すことにより、下端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きと上端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きとを変化させて、記憶層に情報の記録を行うので、情報の記録を行う際に、電流により発生する磁場と、下端部及び上端部のそれぞれの高飽和磁束密度層の磁化とが有効に作用し、少ない電流量で記憶層に情報の記録を行うことができる。
【００１４】
本発明の磁気メモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、記憶層が少なくとも２種類の異なる飽和磁束密度を有する３層以上の磁性層からなり、記憶層の下端部及び上端部には、３層以上の磁性層のうち、高い飽和磁束密度を有する高飽和磁束密度層が配置され、下端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きと、上端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きとが、互いに反平行であり、下端部の高飽和磁束密度層と上端部の高飽和磁束密度層との中間に、低い飽和磁束密度を有する低飽和磁束密度層が配置されている磁気記憶素子と、磁気記憶素子に接続された電極とを有し、情報の記録を行う際に、電極を通じて、記憶層の高飽和磁束密度層及び低飽和磁束密度層にその面内方向の電流が流れ、下端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きと上端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きとが変化するものである。
【００１５】
上述の本発明の磁気メモリの構成によれば、上記本発明の磁気記憶素子と、磁気記憶素子に接続された電極とを有し、情報の記録を行う際に、電極を通じて、記憶層の高飽和磁束密度層及び低飽和磁束密度層にその面内方向の電流が流れ、下端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きと上端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きとが変化することにより、情報の記録を行う際には、記憶層の面内方向に流れる電流により発生する磁場と、下端部及び上端部のそれぞれの高飽和磁束密度層の磁化とが有効に作用し、少ない電流量で磁気記憶素子の記憶層に情報の記録を行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
上述の本発明によれば、少ない記録電流で情報の記録を行うことが可能になる。
これにより、磁気記憶素子の縮小化により記憶層の保磁力が大きくなっても、少ない電流量で情報の記録を行うことが可能になることから、記録時の消費電力の低減を図ることや、メモリセルの磁気記憶素子を縮小化して、磁気メモリの記憶容量の増大、高密度化、高集積化、小型化を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要を説明する。
【００１８】
図１０Ａに模式的断面図を示すように、平面状の導体１０１を絶縁体１０２で挟み、導体１０１にその面内方向（図１０Ａでは紙面に垂直に手前から奥に向かう向き）に電流を流した場合を考える。
そして、導体１０１の膜厚方向の位置Ｘと発生する磁場Ｈの強度との関係を、模式的に図１０Ａに併せて示す。
【００１９】
図１０Ａより、磁場Ｈの強度は導体１０１の表面で最も強く、磁場の極性は、図中右側の表面と左側の表面とが逆の極性になっている。
【００２０】
そこで、図１０Ｂに模式的断面図を示すように、導体１０１の両表面付近にそれぞれ高い飽和磁束密度を有する磁性層（高飽和磁束密度層）１０３を配置して、さらに２層の磁性層１０３で磁化Ｍが互いに反対向きになるように磁化Ｍを相互作用させると、電流磁場Ｈを最も有効に磁化Ｍの回転トルクに変えることできる。
【００２１】
本発明では、図１０Ｂに示したような、両表面付近にそれぞれ高飽和磁束密度層１０３が配置された導体１０１を、情報を磁化状態で保持する記憶層として用いる。
そして、記憶層両端の高飽和磁束密度層１０３の磁化量を同程度に設定しておけば、外部磁場から受ける磁気力を両側の高飽和磁束密度層１０３で打ち消すことができ、外部磁場の影響を減らすことができる。
【００２２】
なお、記憶層両端の高飽和磁束密度層１０３の磁化Ｍを磁気的に結合させるためには、導体（記憶層）１０１の中央部の中間層１０４も磁性体であることが望ましいが、中間層１０４は電流磁場Ｈの効果が少なく、外部磁場の効果が大きいので、飽和磁束密度の小さな材料で構成する（低飽和磁束密度層とする）ことが望ましい。
また、両端の高飽和磁束密度層１０３において効率的に電流磁場を発生させるためには、中間層（低飽和磁束密度層）１０４の比抵抗が、両側の高飽和磁束密度層１０３の比抵抗よりも低い（小さい）ことが望ましい。
【００２３】
高飽和磁束密度磁性層の材料としては、Ｃｏ，Ｆｅ及びそれらの合金、またはＧｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ（希土類金属）及びそれらの合金、さらにそれらを含む酸化物等を用いることができる。
低飽和磁束密度磁性層の材料としては、Ｎｉ及びその合金（ＮｉＦｅ等）、３ｄ遷移元素と希土類元素からなるフェリ磁性体等を用いることができる。
【００２４】
導体（記憶層）１０１の両端の高飽和磁束密度層１０３の磁化Ｍの向きを互いに反平行にするためには、次のような構成が考えられる。
（１）一方の高飽和磁束密度層を、Ｆｅ，Ｃｏから選ばれた少なくとも一種（３ｄ遷移金属）を主成分とする層で構成し、もう一方の高飽和磁束密度層を、Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏから選ばれた少なくとも一種（希土類金属）を主成分とする層で構成する。
（２）両方の高飽和磁束密度層１０３を、３ｄ遷移金属（Ｆｅ，Ｃｏから選ばれた少なくとも一種）を主成分とする層同士、或いは希土類金属（Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏから選ばれた少なくとも一種）を主成分とする層同士の組み合わせとすると共に、２層の高飽和磁束密度層１０３の間の任意の場所（少なくとも一個所）にＲｕ，Ｒｅ等の層間結合を媒介する層（非磁性層）を挿入し、この層間結合を媒介する層（非磁性層）の膜厚を制御する。
【００２５】
続いて、本発明の一実施の形態として、磁気記憶素子の概略構成図（断面図）を図１に示す。
この磁気記憶素子１０は、下層から、高飽和磁束密度層１、低飽和磁束密度層２、高飽和磁束密度層３が積層されて記憶層４が構成されている。
また、下層の高飽和磁束密度層１の磁化の向きと上層の高飽和磁束密度層３の磁化の向きとが互いに反平行になっているものとする。
【００２６】
本実施の形態の磁気記憶素子１０の構成によれば、記憶層４の下端及び上端にそれぞれ高飽和磁束密度層１，３が設けられ、下層の高飽和磁束密度層１の磁化の向きと上層の高飽和磁束密度層３の磁化の向きとが互いに反平行であることにより、図１０Bに示したと同様に、記憶層４の面内方向に電流を流して発生させた電流磁場を、最も有効に高飽和磁束密度層１，３の磁化の回転トルクに変えることができる。これにより、比較的小さい電流量で、高飽和磁束密度層１，３の磁化の向きを反転させて、記憶層４に情報の記録を行うことが可能になる。
【００２７】
従って、記録に必要な電流量（記録電流）を低減して、記録時の消費電力の低減を図ることが可能になる。これにより、磁気記憶素子１０の縮小化により記憶層４の保磁力が大きくなっても、少ない電流量で情報の記録を行うことが可能になる
【００２８】
さらに、本実施の形態の磁気記憶素子１０の構成によれば、２層の高飽和磁束密度層１及び３の間に低飽和磁束密度層２が設けられているため、記憶層４に対する外部磁場の影響を低減することができる。
【００２９】
さらに、図１に示した本実施の形態の構成の磁気記憶素子１０によりメモリセルを構成し、メモリセルを多数配置することにより、多数のメモリセルを有する磁気メモリを構成することができる。
例えば、交差するように配置された多数本の２種類の配線の交点付近に、磁気記憶素子１０から成るメモリセルを配置して、磁気メモリを構成する。そして、磁気記憶素子１０の両端部に電極を接続し、電極を配線（一方の配線或いは両方の配線）に接続して、磁気記憶素子１０の記憶層４の面内方向に電流が流れるように構成する。このように構成すれば、情報の記録時に、配線から電極を通じて、磁気記憶素子１０の記憶層４の面内方向に電流を流し、記憶層の上下端の高飽和磁束密度層１，３の磁化の向きを変化（例えば反転）させて情報の記録を行うことができる。
【００３０】
本実施の形態の磁気記憶素子１０は、磁気記憶素子１０の縮小化により記憶層４の保磁力が大きくなっても、少ない電流量で情報の記録を行うことが可能になることから、メモリセルを構成する磁気記憶素子１０の縮小化によって、磁気メモリの記憶容量の増大、高密度化、高集積化、小型化を図ることが可能になる。
【００３１】
なお、上述の実施の形態の磁気記憶素子１０は、例えば、膜厚１ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る下層の高飽和磁束密度層１、膜厚５ｎｍのＧｄＣｏ膜から成る低飽和磁束密度層２、膜厚１．５ｎｍのＧｄ膜から成る上層の高飽和磁束密度層３を積層して構成することができる。
この場合、下層の高飽和磁束密度層１及び上層の高飽和磁束密度層３が異なる材料により形成されているため、飽和磁束密度の値は異なるが、いずれも低飽和磁束密度層２よりは高い飽和磁束密度を有する。
そして、下層の高飽和磁束密度層１がＣｏＦｅ膜即ち３ｄ遷移金属の合金であり、上層の高飽和磁束密度３がＧｄ膜即ち重希土類であることから、下層の高飽和磁束密度層１の磁化の向きと上層の高飽和磁束密度層３の磁化の向きとが互いに反平行になる。
【００３２】
次に、本発明の他の実施の形態として、磁気記憶素子の概略構成図（断面図）を図２に示す。
この磁気記憶素子２０は、下層から、高飽和磁束密度層１１、低飽和磁束密度層１２、非磁性層１３、低飽和磁束密度層１４、高飽和磁束密度層１５が積層されて記憶層１６が構成されている。また、下層の高飽和磁束密度層１１の磁化の向きと上層の高飽和磁束密度層１５の磁化の向きとが互いに反平行になっているものとする。
【００３３】
本実施の形態の磁気記憶素子２０の構成によれば、記憶層１６の下端及び上端にそれぞれ高飽和磁束密度層１１，１５が設けられ、下層の高飽和磁束密度層１１の磁化の向きと上層の高飽和磁束密度層１５の磁化の向きとが互いに反平行であることにより、先の実施の形態の磁気記憶素子１０と同様に、記憶層１６の面内方向に電流を流して発生させた電流磁場を、最も有効に高飽和磁束密度層１１，１５の磁化の回転トルクに変えることができる。これにより、比較的小さい電流量で、高飽和磁束密度層１１，１５の磁化の向きを反転させて、記憶層１６に情報の記録を行うことが可能になる。
【００３４】
従って、記録に必要な電流量（記録電流）を低減して、記録時の消費電力の低減を図ることが可能になる。これにより、磁気記憶素子２０の縮小化により記憶層１６の保磁力が大きくなっても、少ない電流量で情報の記録を行うことが可能になる。
【００３５】
さらに、本実施の形態の磁気記憶素子２０の構成によれば、２層の高飽和磁束密度層１１及び１５の間に低飽和磁束密度層１２，１４が設けられているため、記憶層１６に対する外部磁場の影響を低減することができる。
【００３６】
さらにまた、本実施の形態の磁気記憶素子２０の構成によれば、中間層に非磁性層１３が設けられていることにより、非磁性層１３を例えばＲｕやＲｅ等の層間結合を媒介する材料で構成した場合に、非磁性層１３の作用によって、両端部の２層の高飽和磁束密度層１１及び１５の磁化の向きを互いに反平行にすることができる。
なお、この非磁性層の作用は、非磁性層の位置が低飽和磁束密度層１２，１４と高飽和磁束密度層１１，１５との間にあっても得られるものである。
【００３７】
さらに、図２に示した本実施の形態の構成の磁気記憶素子２０によりメモリセルを構成し、メモリセルを多数配置することにより、多数のメモリセルを有する磁気メモリを構成することができる。
例えば、交差するように配置された多数本の２種類の配線の交点付近に、磁気記憶素子２０から成るメモリセルを配置して、磁気メモリを構成する。そして、磁気記憶素子２０の両端部に電極を接続し、電極を配線（一方の配線或いは両方の配線）に接続して、磁気記憶素子２０の記憶層１６の面内方向に電流が流れるように構成する。このように構成すれば、情報の記録時に、配線から電極を通じて、磁気記憶素子２０の記憶層１６の面内方向に電流を流し、記憶層の上下端の高飽和磁束密度層１１，１５の磁化の向きを変化（例えば反転）させて情報の記録を行うことができる。
【００３８】
本実施の形態の磁気記憶素子２０は、磁気記憶素子２０の縮小化により記憶層１６の保磁力が大きくなっても、少ない電流量で情報の記録を行うことが可能になることから、メモリセルを構成する磁気記憶素子２０の縮小化によって、磁気メモリの記憶容量の増大、高密度化、高集積化、小型化を図ることが可能になる。
【００３９】
ところで、上述の各実施の形態の磁気記憶素子１０，２０の構成において、磁気記憶素子１０，２０の記憶層４，１６の面内方向に電流を流すためには、磁気記憶素子１０，２０の両端部付近に電極を接続しなければならないが、磁気記憶素子１０，２０が微細化されるに従い、通常のフォトリソグラフィー工程では電極を作製することが困難になってくる。
そこで、側壁に鉛直面や傾斜面のある溝に導体膜を成膜し、絶縁膜と導体膜との積層膜を用いて磁気記憶素子に電極を接続することが考えられる。
【００４０】
このようにして磁気記憶素子に接続する電極を作製する方法を、図３〜図７の工程図に示す。図３〜図７の各図において、図Ａは上面から見た平面図を示し、図Ｂは断面図を示している。
【００４１】
まず、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、基板（図示せず）上に形成された絶縁層２１に、フォトリソグラフィー工程やエッチング工程により、溝を形成する。溝は図中右側の平坦面と、図中中央の傾斜面２２とを有している。
次に、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、傾斜面２２を含み、絶縁層２１の上に、導体層２３と絶縁層２４とを交互に複数層積層する。図４Ｂでは、４層の導体層２３の間に３層の絶縁層２４が形成されている。
次に、積層された導体層２３及び絶縁層２４のうち、溝の平坦面上の部分（不要部分）をエッチング等により除去した後、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、表面に絶縁層２５を形成して、溝等を埋める。
次に、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、表面を研磨することによって平坦化して、導体層２３と絶縁層２４を表面に露出させる。
【００４２】
続いて、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、磁気記憶素子３０と電極のための接続部２６，２７を形成する。磁気記憶素子３０は、４層の導体層２３上に跨っている。右側の接続部２６は最も右端の導体層２３に接続され、左側の接続部２７は最も左端の導体層２３に接続されている。これにより、右側の接続部２６−右端の導体層２３−磁気記憶素子３０−左端の導体層２３−左側の接続部２７という電流経路が形成される。
【００４３】
なお、右側の接続部２６と左側の接続部２７とが直接（磁気記憶素子３０を介さずに）導体層２３で短絡することがなければよいので、右側の接続部２６及び左側の接続部２７がそれぞれ２層目の導体層２３にまで跨って形成されていても問題ない。このように導体層２３が４層形成されていることにより、接続部２６及び２７の位置ずれに対するマージンをもつことができる。
【００４４】
また、図３〜図７では、溝の側壁を傾斜面２２としていたが、溝の側壁を鉛直面としても、同様に電極を形成することができる。
【００４５】
上述の各実施の形態では、記憶層４，１６により磁気記憶素子１０，２０を構成していたが、記憶層４，１６に対して、記憶層４，１６の磁化状態（下端部及び上端部の高飽和磁束密度層の磁化の向き）を検出し、記憶層４，１６に記録された情報を読み出すための構成を付加して磁気記憶素子を構成してもよい。
例えば、記憶層に対して、その下端部或いは上端部にトンネル絶縁層を設け、このトンネル絶縁層を介して磁化の向きが固定された磁化固定層（参照層）が設けられ、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている構成としてもよい。このような構成にすれば、トンネル絶縁層を流れるトンネル電流を検出して、磁化固定層（参照層）と記憶層との磁化の向きの相対的関係を検知することができ、これにより、記憶層に記録された情報を読み出すことが可能である。
また、トンネル絶縁層の代わりに非磁性層（非磁性導電層）を設けて巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を構成したり、ホール素子を用いたりすることも可能である。
【００４６】
なお、上述の各実施の形態では、高飽和磁束密度層が、記憶層４，１６の下端部及び上端部のみに設けられた構成であったが、本発明では、さらに記憶層の中間部にも高飽和磁束密度層が形成されていてもよい。また、低飽和磁束密度層を３層以上とすることも可能である。
本発明では、記憶層が少なくとも２種類の異なる飽和磁束密度を有する３層以上の磁性層から成り、記憶層の下端部及び上端部に高飽和磁束密度層が配置され、下端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きと、上端部の高飽和磁束密度層の磁化の向きとが、互いに反平行であり、下端部の高飽和磁束密度層と上端部の前記高飽和磁束密度層との中間に、低飽和磁束密度層が配置されていればよい。
【００４７】
（実施例）
ここで、本発明の磁気記憶素子を実際に作製し、特性を調べた。
【００４８】
まず、実施例として、図２に示した構成の磁気記憶素子２０を作製した。各層の膜厚及び材料は、それぞれ、下層の高飽和磁束密度層１１を膜厚１ｎｍのＣｏＦｅ膜、下層の低飽和磁束密度層１２を膜厚６ｎｍのＮｉＦｅ膜、非磁性層１３を膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜、上層の低飽和磁束密度層１４を膜厚２ｎｍのＮｉＦｅ膜、上層の高飽和磁束密度層１５を膜厚１ｎｍのＣｏＦｅ膜とした。
【００４９】
同様に、比較例として、図１１に示すように、２層の高飽和磁束密度層５１，５３の間に非磁性層５２を配置して記憶層５４を構成した磁気記憶素子５０を作製した。各層の膜厚及び材料は、それぞれ、下層の高飽和磁束密度層５１を膜厚５ｎｍのＣｏＦｅ膜、非磁性層５２を膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜、上層の高飽和磁束密度層５３を膜厚３ｎｍのＣｏＦｅ膜とした。
【００５０】
そして、実施例の磁気記憶素子２０及び比較例の磁気記憶素子５０に対して、さらに特性を測定するために、それぞれの記憶層１６，５４にトンネル絶縁膜を介して、膜厚３ｎｍのＣｏＦｅ膜、膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜、膜厚３ｎｍのＣｏＦｅ膜の積層構造の磁化固定層（参照層）、膜厚３０ｎｍのＰｔＭｎ膜から成る反強磁性層、さらに記憶層１６，５４に電流を流すための電極を形成した。
また、磁気記憶素子２０，５０は、楕円形状を有し大きさが長軸０．６μｍ・短軸０．３μｍとなるように平面パターンを形成し、楕円の長軸方向（磁化容易軸方向）に電流が流れるように電極を形成し、電極間の距離を０．３μｍとした。
【００５１】
なお、低飽和磁束密度層１２，１４に用いたＮｉＦｅの飽和磁束密度は０．８テスラであり、高飽和磁束密度層１１，１５，５１，５３に用いたＣｏＦｅの飽和磁束密度は１．９テスラである。
比較例の記憶層５４の抵抗は１２．４Ωであり、実施例（図２）の記憶層１６の抵抗は１１．５Ωであった。
【００５２】
このようにして作製した磁気記憶素子２０，５０に対して、特性の測定を行った。
具体的には、磁気記憶素子２０，５０の記憶層１６，５４に外部磁場を印加して、トンネル絶縁膜を介して流れる強磁性トンネル電流を検出して行った。そして、記憶層１６，５４にパルス電流を流さない場合と、記憶層１６，５４に周期的にパルス電流を流した場合とでそれぞれ測定を行った。
【００５３】
まず、パルス電流を流さないで、磁気記憶素子２０，５０の長軸方向（磁化容易軸方向）に外部磁場を印加した場合において、外部磁場の変化に対するトンネル抵抗の変化を測定した結果を図８に示す。図８では、実施例（図２）の場合を実線で示し、比較例（図１１）の場合を破線で示している。
【００５４】
図８より、実施例、比較例とも保磁力に大きな差はないことがわかる。
従って、いずれの構成も、外部磁場に対する記録の安定性を有することがわかる。
【００５５】
次に、磁気記憶素子２０，５０の記憶層１６，５４に２ｍＡのパルス電流を周期的に流しながら、磁気記憶素子２０，５０の長軸の方向（磁化容易軸方向）に外部磁場を印加した場合において、外部磁場の変化に対するトンネル抵抗の変化を測定した結果を図９に示す。図９では、実施例（図２）の場合を実線で示し、比較例（図１１）の場合を破線で示している。
【００５６】
図９を図８と比較することにより、比較例の場合は、保磁力の変化が少ないのに対して、実施例の場合は、保磁力が約半分に減少していることがわかる。
即ち、実施例の場合は、記憶層１６にパルス電流を流すことによって、保磁力を減少させ、記録に必要な電流を低減させることが可能になることがわかる。
従って、実施例の構成にすることによって、外部磁場や熱揺らぎ等に対する記録の安定性を低下させることなく、記録に必要な電流のみを低減させることができる。
【００５７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施の形態の磁気記憶素子の概略構成図（断面図）である。
【図２】本発明の他の実施の形態の磁気記憶素子の概略構成図（断面図）である。
【図３】Ａ、Ｂ  磁気記憶素子に接続した電極を作製する方法を示す工程図である。
【図４】Ａ、Ｂ  磁気記憶素子に接続した電極を作製する方法を示す工程図である。
【図５】Ａ、Ｂ  磁気記憶素子に接続した電極を作製する方法を示す工程図である。
【図６】Ａ、Ｂ  磁気記憶素子に接続した電極を作製する方法を示す工程図である。
【図７】Ａ、Ｂ  磁気記憶素子に接続した電極を作製する方法を示す工程図である。
【図８】外部磁場に対するトンネル抵抗の変化を示した図である。
【図９】パルス電流を流したときの外部磁場に対するトンネル抵抗の変化を示す図である。
【図１０】Ａ  平面状の導体の面内方向に電流を流したときに発生する磁場の大きさを模式的に示した図である。  Ｂ  平面状の導体の両端面に高飽和磁束密度層を配置した場合に、面内方向に電流を流したときの状態を示す図である。
【図１１】比較例の磁気記憶素子の概略断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１，３，１１，１５  高飽和磁束密度層、２，１２，１４  低飽和磁束密度層、４，１６  記憶層、１０，２０  磁気記憶素子、１３  非磁性層
【図１】
0004720085.tif 000002
【図２】
0004720085.tif 000003
【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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