(57)【要約】【課題】  安定的に磁性体薄膜に情報を記録し、且つ検出でき、更に製造不良が少なくて歩留まりが高い不揮発性メモリを提供する。【解決手段】  ホール素子３と、該ホール素子上に半絶縁体２を介して形成した磁性体薄膜とを有し、磁性体薄膜１に記録磁界を印加して磁性体薄膜を磁化することによって、その磁化方向を２値の情報として記録し、ホール素子に駆動電流を流したときに磁化された磁性体薄膜からの磁界によって生起されるホール電圧を検出して情報の読出しを行う不揮発性メモリ１０において、駆動電流を磁性体薄膜の磁化を反転し得る第１の電流値でもってホール素子に印加することによって磁性体薄膜を磁化して情報を記録し、駆動電流を磁化が反転しない第２の電流値でもってホール素子に印加して一方の磁極から発生する磁界によってホール素子に生じるホール電圧を検出して情報を読み出すようにする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホール素子と、該ホール素子上に半絶縁体を介して形成した磁性体薄膜とを有し、前記磁性体薄膜に正又は逆方向の記録磁界を印加して前記磁性体薄膜を正又は逆方向に磁化することによって、その磁化方向を２値の情報として記録し、前記ホール素子に駆動電流を流したときに前記磁化された磁性体薄膜からの磁界によって生起されるホール電圧を検出することによって前記情報の読出しを行う不揮発性メモリにおいて、
前記磁性体薄膜の一方の磁極が前記ホール素子の感磁部に配置されており、前記駆動電流を前記磁性体薄膜の磁化を反転し得る第１の電流値でもって前記ホール素子に印加することによって、前記磁性体薄膜を磁化して前記情報を記録し、前記駆動電流を前記磁化が反転しない第２の電流値でもって前記ホール素子に印加することによって、前記一方の磁極から発生する磁界によって前記ホール素子に生じる前記ホール電圧を検出して前記情報を読み出すように構成したことを特徴とする不揮発性メモリ。
【請求項２】
前記磁性体薄膜は、矩形状の一軸異方性を有し、少なくともＣｏとＳｍとを含有するアモルファス合金からなり、その磁化容易軸が前記駆動電流の方向に対して略直角の方向にあることを特徴とする請求項１の不揮発性メモリ。
【請求項３】
前記半絶縁体は、前記ホール素子と前記磁性体薄膜との間の電気抵抗が、前記ホール素子の磁性体薄膜の長さ分の電気抵抗値よりも大きくなるという条件を満足することを特徴とする請求項１又は２の不揮発性メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体薄膜を磁化させることで情報を記録保持し、ホール効果を利用して記録された情報を再生する不揮発性メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特にコンピュータにおける情報の記憶・読み出しが可能な半導体メモリとして、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）が広く普及している。これらは、半導体集積回路内のコンデンサに蓄積される電荷により情報の記録保持を行うものであり、電源供給の停止によって記録されていた情報が失われる揮発性のメモリである。
【０００３】
一方、近年、デジタルカメラ、ビデオムービ、携帯電話などの普及にともない、小型で持ち運び可能な大容量の不揮発性固体メモリの需要が急速に高まっている。固体メモリは、ハードディスクや光ディスクのような機械的な駆動を必要としないので、上記のようなモバイル用のメモリとして有用である。現在、実用化されているこれらリムーバブルの固体メモリは全て、誘電体の電荷の有無を情報として記憶し、読み出している。
しかし、この方式のメモリにおいては、情報の消去・書き込みに長い時間を要するのみならず、情報の書き込み・読み出しの可能な繰り返し回数が少ない、といった問題があり、将来の情報書き込み・読み出しの高速化に対して必ずしも十分な特性を有していない。
【０００４】
次世代の不揮発性固体メモリの候補としては、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ：Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＲＡＭ）、相変化抵抗型メモリ（ＰＲＡＭ：Ｐｈａｓｅ  ｃｈａｎｇｅ  ＲＡＭ  又は、ＯＵＭ：Ｏｖｏｎｉｃ  Ｕｎｉｆｉｅｄ  Ｍｅｍｏｒｙともいう）、抵抗型メモリ（ＲＲＡＭ：Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ＲＡＭ）などが提案されているが、さらに、上記要求を全て満たすものとして、磁性体薄膜に磁界を加えると電気抵抗が変化する現象（磁気抵抗効果）を利用した高速で、且つ繰り返し性の高い不揮発性メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ＲＡＭ）が提案され、各所で精力的に研究開発が進んでいる。
【０００５】
また、上記要求を満足するもう１つの不揮発性固体メモリの候補として、磁性体薄膜を磁化させることで情報を記録保持し、この記録された情報をホール効果を利用して再生するようにした磁気メモリ（以下、ＨＲＡＭ：Ｈａｌｌ  ｅｆｆｅｃｔ  ＲＡＭともいう）があり、ＨＲＡＭに対する情報の書き込み／読み出しを行うための駆動方法も提案されている。
ホール効果による読み出し信号の変化は、ＭＲＡＭで利用される磁気抵抗効果の抵抗変化率よりも大きくできる可能性があり、ＭＲＡＭよりも優れたメモリとして期待される。このＨＲＡＭには、磁性体薄膜の異常ホール効果を利用するものと、磁性体薄膜とホール素子を組合わせたハイブリッド型とがあるが、異常ホール効果を示す磁性体薄膜の種類は限定されるのに対し、ハイブリッド型では材料の組合わせに対する自由度が大きい。
【０００６】
ハイブリッド型のＨＲＡＭとして、メモリセルが備えるＭＯＳトランジスタのソースまたはドレインを２つの領域に分割し、該２つの領域に接続される２本のデータ線、及び該２本のデータ線を情報の書き込み時に短絡させるためのスイッチをそれぞれ設けるように構成し、情報の書き込み時にＭＯＳトランジスタのチャネル領域に流れる書き込み電流により、記録する情報に応じた方向に磁性体薄膜を磁化させ、これに対して情報の読み出し時に２本のデータ線に流れる読み出し電流をそれぞれ検出し、その２本のデータ線に流れる読み出し電流の大小関係から前記磁性体薄膜に記録された情報を再生するようにしたＨＲＡＭが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１７０９３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来のＨＲＡＭにおいては、磁性体薄膜に信号を書き込むときに磁界を発生させるための書き込み線が個別に必要であり、メモリの構造が複雑であるという問題があった。
そして、メモリの構造が複雑になると、製造コストが高くなるばかりでなく、製造不良が発生する割合も高くなり、歩留りを低下させるという問題がある。
更に、特許文献１に示されるメモリは、ドレインが２つの領域に分割されている必要があり、構造をより複雑化させているという問題がある。
また更に、特許文献１に示されるメモリは、磁性体薄膜とＭＯＳトランジスタとを絶縁するための層間絶縁層が設けられており、このため磁性体薄膜はＭＯＳトランジスタに対して電気的に浮いた状態となっている。この結果、静電気などの帯電により静電破壊を起こす危険性を持っているので、更なる製造不良の発生の増加、歩留りの低下を引き起こす、という問題があった。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、情報の読み出し時に、磁性体薄膜から発生する磁界が効率良くホール素子の感磁部に達し、大きな読み出し信号を得ることができる、簡単なメモリ構成を有し、製造コストが安く、安定的に磁性体薄膜に情報を記録し、且つ検出でき、更に製造不良が少なくて歩留まりが高い不揮発性メモリを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る発明は、ホール素子と、該ホール素子上に半絶縁体を介して形成した磁性体薄膜とを有し、前記磁性体薄膜に正又は逆方向の記録磁界を印加して前記磁性体薄膜を正又は逆方向に磁化することによって、その磁化方向を２値の情報として記録し、前記ホール素子に駆動電流を流したときに前記磁化された磁性体薄膜からの磁界によって生起されるホール電圧を検出することによって前記情報の読出しを行う不揮発性メモリにおいて、前記磁性体薄膜の一方の磁極が前記ホール素子の感磁部に配置されており、前記駆動電流を前記磁性体薄膜の磁化を反転し得る第１の電流値でもって前記ホール素子に印加することによって、前記磁性体薄膜を磁化して前記情報を記録し、前記駆動電流を前記磁化が反転しない第２の電流値でもって前記ホール素子に印加することによって、前記一方の磁極から発生する磁界によって前記ホール素子に生じる前記ホール電圧を検出して前記情報を読み出すように構成したことを特徴とする不揮発性メモリである。
【００１１】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記磁性体薄膜は、矩形状の一軸異方性を有し、少なくともＣｏとＳｍとを含有するアモルファス合金からなり、その磁化容易軸が前記駆動電流の方向に対して略直角の方向にある。
また例えば請求項３に規定するように、前記半絶縁体は、前記ホール素子と前記磁性体薄膜との間の電気抵抗が、前記ホール素子の磁性体薄膜の長さ分の電気抵抗値よりも大きくなるという条件を満足する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の不揮発性メモリによれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
ホール素子上に、半絶縁体を介して磁性体薄膜を形成することにより不揮発性メモリを構成したので、情報の読み出し時に磁性体薄膜から発生する磁界が効率良くホール素子の感磁部に達し大きな読み出し信号を得ることができる。
またメモリ構成を簡単化でき、しかも製造コストを安くでき、磁性体薄膜に情報を安定的に記録し検出することができる。
また磁性体薄膜を、矩形状に形成して一軸異方性を有し、少なくともＣｏとＳｍとを有するアモルファス合金とすることで、磁性体薄膜の内部での交換結合力を強くできるので、設定できる書き込み電流のマージンを大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る不揮発メモリの実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る不揮発性メモリを示す基本構成図である。図２は本発明に係る不揮発性メモリに信号を書き込む場合を説明するための模式図である。図３は本発明に係る不揮発性メモリから信号を読み出す場合を説明するための模式図である。
【００１４】
図１に示すように、本発明に係る不揮発性メモリ（以下、単に「メモリ」ともいう）１０は、基本構成として、ホール素子３と、このホール素子３上に半絶縁体２を介して配置した磁性体薄膜１とにより主に構成される。この磁性体薄膜１の配置としては、ホール素子３の感磁部であるホール素子３の略中央部にその一端が位置するようにされている。なお、このホール素子３は後述するように十字型形状の４端子構造を有するものであるが、図では通電部の形状のみを示してあるので、磁性体薄膜１の端部がはみ出して見えているが、実際はホール素子３のホール電圧検出端子上に渡って配置されている。この点は以下の図２及び図３でも同様である。
【００１５】
上記ホール素子３としては、ホール効果を示すあらゆる半導体を適用可能である。適用される半導体としては、Ｐ型、Ｎ型のいずれでも良いが、一般的には、Ｎ型が、キャリア移動度が大きく、大きなホール効果が得られるので好ましい。中でも、大きなホール効果が得られるものとして、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＰといった化合物半導体が有効である。
【００１６】
上記磁性体薄膜１としては、自発磁化を発し、かつ残留磁化を有するものを用いる。この磁性体薄膜１の配置としては、磁性体薄膜１の一方の磁極から発生する磁界がホール素子３の感磁部に位置するような構成にすると好ましい。
磁性体薄膜１の材質としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びこれらの合金、更にはこれらと非磁性金属との合金が用いられる。特に、本発明に係る不揮発性メモリに用いる磁性体薄膜１として好適なのは、一軸異方性を有し、その磁化容易軸がホール素子３に印加する電流の方向に対してほぼ直角の方向に向いたものである。
【００１７】
このような特性を有する磁性体薄膜１として、少なくとも磁性遷移金属（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）と軽希土類（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ）とを含有するアモルファス合金が好ましい。これは、遷移金属と希土類とから成るアモルファス合金が大きな一軸異方性を有し、かつ、遷移金属原子と軽希土類原子が有する磁気モーメントが同じ方向にあることから、大きな磁束密度が得られるため、大きな読み出し信号が得られるからである。中でも、ＣｏとＳｍとを含有したアモルファス合金が更に好ましい。
上記半絶縁体２としては、ホール素子３と磁性体薄膜１との間の電気抵抗値が、ホール素子の磁性体薄膜の長さ分の電気抵抗値よりも大きくなる、という条件を満足する程度に導電性を有するものであれば良い。
【００１８】
具体的には、半絶縁体２の体積抵抗率をρｓｖとし、表面抵抗率をρｓｓとしたとき、下記の式１及び式２を満足するものである。
ρｓｖ  ＞  ρＨ ・Ｓ／(dＨ・dＳ)   …  （１）
かつ
ρｓｓ＜  １０４ Ω／sq  …  （２）
ここで、ρＨ はホール素子の抵抗率、Sは磁性体薄膜の面積、dＨ、dＳはそれぞ れ、ホール素子３及び半絶縁体２の厚さである。式１は磁性体薄膜１へリークする電流の影響を少なくする条件、式２は磁性体薄膜１の帯電を防止するための条件である。
【００１９】
また式１は、ホール素子３の長さ方向に対する抵抗RＨ、半絶縁体２の厚さ方向に対する抵抗RＳがそれぞれ、下記の式３及び式４とを表せることにより導かれる。
RＨ  ＝ρＨ/dＨ    …  （３）
RＳ  ＝ρＳ・dＳ/S    …  （４）
このとき更に、下記の式５を満足すれば、磁性体薄膜１へのリーク電流をほとんど考慮に入れる必要がなくなり、更に好ましい。
ρＳＶ ＞  １０・ρＨ・S/(dＨ・dＳ)   …  （５）
【００２０】
上記式１及び式２を満たす半絶縁体２の材質としては、例えば、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、またＳｉ、Ｇｅに代表される半導体およびそれらに不純物を含有させたもの、またＡｌＮｘ、ＳｉＮｘ、ＴｉＮｘ、ＴａＮｘ等の金属窒化物が用いられる。また、先にホール素子３の材料として挙げた化合物半導体の中から、ホール素子３よりもキャリア濃度を少なくして上記条件を満足するものであっても良い。特に、ホール素子３と同系統の化合物半導体を選ぶと、ホール素子３上に直接エピタキシャル成長させて形成することができるので好ましい。
【００２１】
ここで、半絶縁体２に関して、ホール素子３と磁性体薄膜１との間の電気抵抗値が、ホール素子３に電流を流すときの電極間のホール素子３の電気抵抗値よりも大きくなるという条件を満足する程度に導電性を有するようにすると、磁性体薄膜１に静電気が帯電することがなく、静電破壊を起こさないので、製造不良の発生頻度が低く、歩留りを高くすることができる。
【００２２】
次に、図１で示した不揮発性メモリ１０に信号を書き込む方法について、図２に沿って説明する。磁性体薄膜１の磁化が紙面に向かって右向きの場合が“１”、左向きの場合が“０”に対応するものとする。
図２（Ａ）に示すように、“１”を書き込む場合は、ホール素子３に、紙面の手前から奥に向かって書き込み用電流Ｉｗを流す。これによってホール素子３の周辺には、時計回りに磁界Ｆ１が発生する。このとき磁性体薄膜１には、右向きの磁界が印加されるので、磁性体薄膜１は右向きに磁化され、“１”が記録されたことになる。
【００２３】
図２（Ｂ）に示すように、“０”を書き込む場合は、ホール素子３に、紙面の奥から手前に向かって書き込み用電流Ｉｗを流す。これによってホール素子３の周辺には、反時計回りに磁界Ｆ２が発生する。このとき磁性体薄膜１には、左向きの磁界が印加されるので、磁性体薄膜１は左向きに磁化され、“０”が記録されたことになる。
以上の書き込み時において、磁性体薄膜１に印加される磁界Ｆ１またはＦ２は、磁性体薄膜１の全領域に亘って磁性体薄膜１の保磁力Ｈｃよりも大きくなるように、書き込み用電流Ｉｗを定めるのが好ましい。ただし、磁性体薄膜１が少なくともＣｏとＳｍとを含有したアモルファス合金のように、長手方向に一軸異方性が強く、かつ交換結合力の強い材料よりなる場合は、磁界は必ずしも全領域にわたって保磁力Ｈｃよりも大きい必要はなく、磁性体薄膜１の半分以上の領域が保磁力Ｈｃより大きくなれば、磁性体薄膜１を所望の方向に磁化することが可能である。このようにして、２値の情報を記録することができる。
【００２４】
次に、図１で示した不揮発性メモリ１０の信号を読み出す方法について、図３に沿って説明する。ここでホール素子３には、上記書き込み用電流Ｉｗを流す方向に対して直交する方向（図中の左右方向）に発生する電位差を出力する増幅器５が接続されている。尚、両電流は、Ｉｗ＞Ｉｒの関係にある。
ホール素子３はＮ型の半導体であると仮定し、紙面の手前から奥に向かって読み出し用電流Ｉｒを流す。図３（Ａ）に示すように、“１”が書き込まれた磁性体薄膜１からは、ホール素子３の上から下に向かって磁界Ｆ３が発生している。するとホール効果によってホール素子３の左右間で電位差が発生し、右側が高電圧、左側が低電圧となり、これを増幅器５で検出することによって信号“１”が読み出される。
【００２５】
図３（Ｂ）に示すように、“０”が書き込まれた磁性体薄膜１からは、ホール素子３の下から上に向かって磁界Ｆ４が発生している。するとホール効果によってホール素子３の左右間で電位差が発生し、右側が低電圧、左側が高電圧となり、これを増幅器５で検出することによって信号“０”が読み出される。
上記信号読み出し過程において、読み出し用電流Ｉｒの方向は上記と逆に、紙面の奥から手前に向かって設定することもできる。この場合は、ホール素子３に発生する左右間の電位差も上記と逆になる。
【００２６】
また読み出し用電流Ｉｒは大きいほど、ホール効果が大きくなるので読み出し信号が大きく取れて都合が良いが、磁性体薄膜１の磁化が反転しない程度に小さな値に設定する必要がある。ただし磁性体薄膜１が少なくともＣｏとＳｍとを含有したアモルファス合金のように、長手方向に一軸異方性が強く、かつ交換結合力の強いものである場合は、磁性体薄膜１の半分以上の領域が保磁力Ｈｃより大きくならない範囲で読み出し用電流Ｉｒを大きく設定することができ、好ましい。
【００２７】
上述のように構成することにより、次のような効果を発揮することができる。
まず、一つの不揮発性メモリセルが、ホール素子３と磁性体薄膜１とが積層された構造から成り、磁性体薄膜１の残留磁化の方向をメモリ情報に対応させ、磁性体薄膜１の磁化が反転しうる電流、すなわち書き込み電流Ｉｗを所定の方向にホール素子３に流して磁性体薄膜１の磁化を所定の方向に向けることによって情報の書き込みを行い、磁性体薄膜１の磁化が反転しない電流、すなわち読み出し電流Ｉｒをホール素子３に流し、磁性体薄膜１から発生する磁界によって生じるホール電圧を検出することで情報の読み出しを行う構成としたので、メモリ構成が簡単になり、製造コストが安く、製造不良の発生頻度も低くなり、歩留りを向上させることができる。
【００２８】
また、上記不揮発性メモリにおける磁性体薄膜１が一軸異方性を有し、磁化容易軸がホール素子３の電流に対してほぼ直角の方向に位置し、磁性体薄膜１の一方の磁極から発生する磁界がホール素子３の感磁部に位置する構成としたので、情報の読み出し時に、磁性体薄膜１から発生する磁界が効率良くホール素子３の感磁部に達し、大きな読み出し信号を得ることができる。
また上記磁性体薄膜１を、少なくとも磁性遷移金属と軽希土類とを含有するものすることにより、上記特性を有する磁性体薄膜１を得ることができる。
【００２９】
また上記磁性体薄膜１を、少なくともＣｏとＳｍとを含有したアモルファス合金とすることにより、上記特性を有する磁性体薄膜１を得ることができるのに加え、磁性体薄膜１の内部での交換結合力が強くなるので、設定できる書き込み電流のマージンを大きくすることができる。
また上記不揮発性メモリにおける、ホール素子３と磁性体薄膜１との間に半絶縁体２を有し、この半絶縁体２は、ホール素子３と磁性体薄膜１との間の電気抵抗値が、ホール素子３に電流を流すときの電極間のホール素子３の電気抵抗値よりも大きくなるという条件を満足する程度に導電性を有するように設定することにより、磁性体薄膜１に静電気が帯電することがなくなるので、静電破壊が起きることを防止でき、この結果、製造不良の発生頻度が低く、歩留りを高くすることができる。
【００３０】
次に、上記不揮発性メモリの最良の形態について有限要素法による磁界解析を行ったので、その磁界解析結果について説明する。
まず、信号読み出し時について解析を行った。
図４は本発明に係る不揮発性メモリにおける信号を読み出す場合を想定した磁界解析のためのモデルを示す図である。図５は本発明に係る不揮発性メモリにおける信号を読み出す場合を想定した磁界解析結果を示すグラフである。
【００３１】
図４に示すような長さ１μｍ×厚さ０．１μｍの磁性体薄膜１のモデルを作成した。この磁性体薄膜１から発生する磁界のｙ方向成分Ｈｙを、磁性体薄膜１から０．０５μｍ離れたところ（ｘ＝０〜３μｍ、ｙ＝−０．０５μｍ、図４中の点線部分）に対して調べた。解析は、磁性体薄膜１の残留磁化方向が、面内方向（ｘ方向）と垂直方向（ｙ方向）のそれぞれの場合に対して行った。磁性体薄膜１の磁気特性は、保磁力Ｈｃ＝１００Ｏｅ、残留磁束密度Ｂｒ＝１Ｔとし、垂直磁化に対しては、保磁力Ｈｃ＝１００Ｏｅ、残留磁束密度Ｂｒ＝０．２５Ｔの場合も検討した。垂直磁化の場合、残留磁束密度Ｂｒが大きいほど磁性体薄膜１の内部に発生する反磁界が垂直方向に対して強くなって垂直方向に磁化容易軸を持ち難くなる。このため垂直方向に磁化容易軸を持つものは、重希土類と遷移金属から成るアモルファス合金に代表されるフェリ磁性体薄膜などに限られ、期待できる垂直磁化の残留磁束密度Ｂｒは０．２５Ｔ程度である。
【００３２】
図５に得られた解析結果を示す。図５から分かるように、磁性体薄膜１が面内磁化の場合、磁性体薄膜１のエッジ付近（ｘ＝２μｍ）で、大きな磁界Ｈｙが得られる。これに対し、磁性体薄膜１が垂直磁化の場合には、磁束密度Ｂｒ＝１Ｔであっても面内磁化ほどの磁界Ｈｙが得られない。更に、より現実的な磁束密度Ｂｒ＝０．２５Ｔの場合には更に磁界Ｈｙは小さくなる。
図４の点線部分にホール素子３の表面を設定した場合、ホール効果は垂直方向の磁界Ｈｙに比例して大きくなるので、磁性体薄膜１の残留磁化方向は、垂直方向（垂直磁化）よりも面内方向（面内磁化）の方が有利であることが分かる。
【００３３】
次に、信号書き込み時について解析を行った。図６は本発明に係る不揮発性メモリにおける信号を書き込む場合を想定した磁界解析のためのモデルを示す図である。図７は本発明に係る不揮発性メモリにおける信号を書き込む場合を想定した磁界解析結果を示すグラフである。
図６に示すような幅１μｍ×厚さ０．５μｍのホール素子３のモデルを作成した。このホール素子３に、紙面垂直に手前から奥の方向に１００ｍＡの書き込み用電流Ｉｗを流したとき、ホール素子３から０．０５μｍ離れたところ（ｘ＝０〜１μｍ、ｙ＝０．０５μｍ、図６中の点線部分）に対して、ｘ方向の磁界Ｈｘおよびｙ方向の磁界Ｈｙを調べた。
【００３４】
図７に得られた解析結果を示す。ｘ軸の全領域で磁界Ｈｘは６０Ｏｅ以上になっている。これは、図６の点線位置に磁性体薄膜１を配置させた場合、保磁力Ｈｃが６０Ｏｅ以下であれば、磁性体薄膜１をｘ軸の正の方向に磁化させることができ、図２における信号“１”が書き込めたことを意味する。尚、磁界Ｈｙは参考のために記してある。
信号“０”を書き込む場合は、図６に示すホール素子３に流す電流の方向を、紙面垂直に奥から手前にするだけで良く、他は同様である。
【００３５】
更に、磁性体薄膜１の交換結合が強く、保磁力Ｈｃの磁界で一斉に磁化反転する性質の磁性体薄膜であれば、磁性体薄膜の半分以上の領域で保磁力Ｈｃ以上の磁界が印加されれば信号が書き込める。図７の例では、半分以上の領域（ｘ＝０．４９〜１．０μｍの領域）で磁界Ｈｘは２５０Ｏｅ以上になっているので、保磁力Ｈｃは２５０Ｏｅ以下であれば良い。
ここで磁界の強さはホール素子３に流す電流に比例するので、磁性体薄膜１の特性と位置に応じて、書き込みのための電流値を設定すれば良い。
【００３６】
一方、読み出しを行う場合には、ホール素子３に流す電流値は、磁性体薄膜１に印加される磁界が保磁力Ｈｃ以下になるように設定する。このとき、磁性体薄膜１の交換結合が強く、保磁力Ｈｃの磁界で一斉に磁化反転する性質の磁性体薄膜１であれば、磁性体薄膜１の半分以上の領域で保磁力Ｈｃ以下の磁界であれば、破壊読み出しになることはないので、電流値のマージンを大きくとることができる。
そして本発明を実現するための最良の磁性体薄膜１としては、少なくともＣｏとＳｍとを含有したアモルファス合金を用いるのが好ましいことが確認できた。
【００３７】
次に、磁性体薄膜としてＣｏ−Ｓｍアモルファス合金を用いた時の評価結果について説明する。図８はＣｏ−Ｓｍ薄膜の面内容易軸方向のＭ−Ｈカーブ（磁化曲線）を示す図である。図９はＣｏ−Ｓｍ薄膜の３方向のＭ−Ｈカーブ（磁化曲線）である。
ここではマグネトロンスパッタ法で基板上にＣｏ−Ｓｍ薄膜（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．１μｍ）を作製した。成膜時には約５０Ｏｅの磁界を基板に印加し、磁化容易軸はその磁界方向に付与された。
【００３８】
図８は膜面内方向の磁化容易軸方向に磁界を印加した場合である。図８より、保磁力Ｈｃ＝１２０Ｏｅ、残留磁化Ｍｒ＝８ｍｅｍｕ／ｃｍ２ ・０．１μｍ＝８００ｅｍｕ／ｃｍ３ である。残留磁気Ｂｒ［Ｔ］＝（４π／１０４)・Ｍｒ［ｅｍｕ／ｃｍ３ ］であるので、Ｂｒ＝４π／１０４ ×８００Ｔ＝１．０Ｔである。図から分かるように、この磁性体薄膜は、保磁力Ｈｃの磁界のところで一斉に磁化反転が起きており、接線角型比は０．９以上あり、ほぼ１に近い。ここで接線角型比とは、磁化曲線の角型性を示す指標の１つであり、その定義は、磁化曲線の第２象限において、Ｈ軸と交わる点（−Ｈｃ）を通る接線と、Ｍｒを通るＨ軸に平行な線との交点のＨ座標をＨａとしたとき、Ｈａ／Ｈｃで表される値であり、１に近いほど角型性の高いことを示す。
また、角型比（飽和磁化Ｍｓと残留磁化Ｍｒとの比Ｍｒ／Ｍｓ）も０．９以上でほぼ１に近い。保磁力Ｈｃの値は小さ過ぎると記録安定性が悪く、大き過ぎると大きな書き込み電流が必要になるので、１００Ｏｅから２００Ｏｅの範囲が好ましい。
【００３９】
図９は、図８の膜面内方向の磁化容易軸方向に加えて、膜面内方向の磁化困難軸方向および膜面垂直方向の３方向に対して、Ｈ軸（横軸）を１０ＫＯｅまで広げて測定したものである。図９より明らかに、膜面内方向の磁化容易軸方向に対して極めて強い異方性を有している。異方性磁界Ｈｋは磁化困難軸方向の磁化曲線が飽和する磁界と定義することができるので、面内方向に対しては異方性磁界Ｈｋ＝４ｋＯｅ、垂直方向も含めた３次元的な意味での異方性磁界Ｈｋは約４０ｋＯｅ（垂直方向のカーブにおいて、１０ｋＯｅでのＭが約Ｍｓ／４であるので）に達する。
【００４０】
Ｃｏ−Ｓｍ薄膜にこのような一軸異方性を付与する方法としては、上記のように成膜時に基板に磁界を印加する方法以外に、成膜後、磁化が飽和する磁界を印加しながら結晶化温度以下で熱処理を行う方法もある。
ここで用いられるＣｏ−Ｓｍ薄膜は、広く永久磁石材料として用いられる結晶質とは異なり、アモ  ルファスであることがＸ線回折によって確かめられている。つまり、このＣｏ−Ｓｍ薄膜に付与される一軸異方性は、Ｃｏ原子とＳｍ原子との原子配列による誘導磁気異方性と強い交換結合に寄与するものである。
【００４１】
以上の結果を踏まえて、本発明の不揮発性メモリのより具体的な実施の形態について述べる。
図１０は本発明に係る不揮発性メモリの第一の形態を示す具体的構成図である。図１１は本発明に係る不揮発性メモリの第一の形態を用いたメモリアレイを示す模式図である。ここで図１０（Ａ）は平面図を示し、図１０（Ｂ）は横方向断面図を示す。
図１０に示すように、この不揮発性メモリ１０は、板状の基板２０上に、ホール素子３、半絶縁体２及び磁性体薄膜１を、図１において説明したように順次積層して形成されている。上記ホール素子３は、ここでは十字型に形成されており、この十字型のホール素子３の４つの端部にそれぞれ電極２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄが設けられている。上記ホール素子３は例えば図６において説明した場合と同じとする。そして、上記磁性体薄膜１の磁化容易軸方向２４に沿って対向するように配置された２つの電極２２Ｃ、２２Ｄ間に読み出された出力電圧が出力されるようになっている。また他方の対向するように配置された２つの電極２２Ａ、２２Ｂ間に、書き込み用電流や読み出し用電流が印加される。
【００４２】
この場合、上記各部材の具体的な材料としては、次に示す２系統の材料を用いることができる。例えば基板２０として絶縁物質であるガラス基板を用いた場合には、ホール素子３としてＩｎＳｂを用い、半絶縁体２としてダイヤモンドライクカーボンを用いることができる。また例えば基板２０としてＳ．Ｉ．（Ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｅｄ）ＧａＡｓ基板を用いた場合には、ホール素子３としてｎ−ＧａＡｓを用い、半絶縁体２としてＳ．Ｉ．ＧａＡｓを用いることができ、この場合はホール素子３及び半絶縁体２を順次エピタキシャル成長させることができる。
【００４３】
上記２系統のいずれの場合もホール素子３および半絶縁体２の抵抗率はそれぞれ１０−２Ωｃｍ及び１０７Ωｃｍである。ホール素子３の断面は上述したように 図６で示した寸法とする。よって、
ρＨ×S/(dＨ×dＳ)=10−２×10−４×10−４/(0.5 ×10−４×0.05×10−４)=0.4<< ρＳＶ=1  0７
であるので、前記式１及び式５を満足する。更に、
ρＳＳ ＝ 10７/10−４＝10１１Ω/sq ＜ 10１４Ω/sq
であるので、前記式２を満足している。
【００４４】
また磁性体薄膜１としてＣｏ−Ｓｍ薄膜を用いる。磁性体薄膜１とホール素子３との位置関係は、図６で示した通りとする。Ｃｏ−Ｓｍ薄膜は図８及び図９で示した磁気特性を有し、磁化容易軸は図１０の左右方向（矢印の方向）２４に設定する。
信号を書き込む場合は、電極２２Ａ、２２Ｂ間に書き込み用電流を流し、発生する磁界によって磁性体薄膜１の磁化を左右のいずれかの方向に向ける。書き込み用電流を流す方向は、前述した書き込みの原理に従って、書き込む信号に応じて、磁性体薄膜１の磁化を左右のどちらの方向に向けるかで定める。
【００４５】
また書き込み用電流Ｉｗの電流値は、５０ｍＡ以上とする。その理由について説明する。図７において、Ｉｗ＝１００ｍＡのとき、ｘ軸の半分以上の領域（ｘ＝０．５〜１．０μｍの領域）でＨｘは２５０Ｏｅ以上になっている。ＩｗとＨｘとは比例するので、Ｉｗ＝５０ｍＡのときにはｘ軸の半分以上の領域で、Ｈｘは２５０×（５０／１００）＝１２５Ｏｅ以上となる。ここで、磁性体薄膜１がＣｏ−Ｓｍアモルファス合金であって、Ｈｃが１２０Ｏｅであるので、ｘ軸の半分以上の領域で、Ｈｘが１２０Ｏｅ以上となっているので、Ｉｗ＝５０ｍＡで磁性体薄膜１の磁化を反転させることができ、信号が書き込める。
このとき、磁性体薄膜１へのリーク電流を考慮しなければならない場合、つまり式１を満たすが式５を満たさない場合は、リークする電流を見越してホール素子３に流す電流が上記と一致するようにトータルの電流値を設定すれば良い。
【００４６】
次に、信号を読み出すためには、前述した読み出しの原理に従って、５０ｍＡより小さな読み出し用電流、例えば５ｍＡを電極２２Ａと電極２２Ｂとの間に流し、電極２２Ｃと電極２２Ｄとの間の電圧を読み出し信号として検出する。読み出し用電流の電流値を、ｘ軸の半分以上の領域でＨｘがＨｃを超えない値に選ぶことによって、読み出し時に磁性体薄膜１の磁化が反転することはない。
【００４７】
次に、上記不揮発性メモリ１０をアレイ化した場合の例を図１１に示す。
ここでメモリアレイには複数のメモリセルＭＣが縦横にマトリクス状に配列されている。そして、各メモリセルＭＣは、図１０において示した構成の不揮発性メモリ１０とホール素子３の入力側の電極の一方、例えば電極２２Ｂ（図１０参照）に接続された選択トランジスタ３０とにより構成される。この選択トランジスタとしては例えば電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を用いることができる。そして、列方向（図中、上下方向）に沿って延びるようにして複数の選択線Ｗ１〜Ｗ３…と、複数の出力線Ｒ１〜Ｒ４…とが列毎に配列されている。各選択線Ｗ１〜Ｗ３…は、対応する列方向の各選択トランジスタ３０のゲートにそれぞれ共通に接続されている。また各出力線Ｒ１〜Ｒ４…は、メモリセルＭＣのホール素子３の出力側の電極２２Ｃと、これに横方向に隣り合うホール素子３の他方の出力側の電極２２Ｄとにそれぞれ共通に接続される。また行方向（図中、左右方向）に沿って延びるように複数の入力線Ｂ１〜Ｂ４…が行毎に配列されている。各入力線Ｂ１〜Ｂ４…は、メモリセルＭＣのホール素子３の入力側の電極２２Ａと、これに縦方向に隣り合うホール素子３の他方の入力側の電力２２Ｂとにそれぞれ共通に接続される。
【００４８】
ここで、図１１中の最も左上のメモリセルＭＣに信号を書き込む場合について説明すると、選択線Ｗ１に電圧を印加してこの選択トランジスタ３０をＯＮにし、入力線Ｂ１と入力線Ｂ２との間に電圧を印加して書き込み用電流Ｉｗを流し、磁性体薄膜１を所定の方向に磁化させる。書き込み用電流Ｉｗの方向は入力線Ｂ１と入力線Ｂ２に印加する電圧の大小で制御し、書き込み用電流Ｉｗの大きさは、選択線Ｗ１に印加する電圧、つまり選択トランジスタ３０のゲート電圧で制御する。
【００４９】
上記メモリセルＭＣの信号を読み出す場合は、選択線Ｗ１に電圧を印加して選択トランジスタ３０をＯＮにし、入力線Ｂ１と入力線Ｂ２との間に電圧を印加して読み出し用電流Ｉｒを流し、出力線Ｒ１、Ｒ２間で発生するホール電圧を読み出し信号として検出する。選択線Ｗ１に印加する電圧値は、書き込み時に印加する電圧よりも小さく設定して、磁性体薄膜１の磁化が反転しないようにする。
【００５０】
図１０及び図１１に示す場合は、不揮発性メモリ１０と選択トランジスタ３０とが分離された例であるが、ホール素子部をＦＥＴ構造にして、両者の機能を合体させることも可能である。その例を図１２に示す。すなわち図１２は本発明に係る不揮発性メモリの第ニの形態を示す具体的構成図である。図１３は本発明に係る不揮発性メモリの第ニの形態を用いたメモリアレイを示す模式図である。図１２（Ａ）は平面図を示し、図１２（Ｂ）は縦方向断面図を示す。
【００５１】
図に示すように、ホール素子３の部分にＦＥＴチャネルを形成してこの部分に選択トランジスタ３０を作り込み、両機能を兼用させる。ここで図中、”Ｇ”はゲートを示し、”Ｓ”はソースを示し、”Ｄ”はドレインを示す。
【００５２】
上記不揮発性メモリを用いたメモリアレイの例を図１３に示す。ここでは各選択線Ｗ１〜Ｗ３…が、列方向の選択トランジスタ３０の各ゲートにそれぞれ共通に接続されている。また、入力線Ｂ１〜Ｂ４…が行方向の選択トランジスタ３０の各ソースと、これより縦方向に隣り合う選択トランジスタ３０の各ドレインとに、それぞれ共通に接続されている。書き込み、読み出しの方法は、図１０及び図１１で示したメモリアレイと同様である。これによれば、図１０及び図１１で示したメモリアレイに比べてセルサイズを小さくすることができ、大容量のメモリアレイとして有効である。
【００５３】
また半絶縁体の作用により磁性体薄膜に静電気が帯電することがなく、各メモリセルは静電破壊を起こさないので、製造不良の発生頻度が低く、歩留りが高い。
上述のように構成されたメモリアレイは、デジタルカメラ、ビデオムービー、携帯電話等モバイル機器用の外部メモリ、コンピュータ用の内・外部メモリ（ＤＲＡＭ、ＨＤＤ、ＣＤ／ＤＶＤの置換え）、ＡＶ機器その他家電製品のメモリ等に利用でき、またコンピュータ用のメインメモリとして利用すれば、インスタントオンのコンピュータが実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る不揮発性メモリを示す基本構成図である。
【図２】本発明に係る不揮発性メモリにおける信号を書き込む場合を示す模式図である。
【図３】本発明に係る不揮発性メモリにおける信号を読み出す場合を示す模式図である。
【図４】本発明に係る不揮発性メモリにおける信号を読み出す場合を想定した磁界解析のためのモデルを示す図である。
【図５】本発明に係る不揮発性メモリにおける信号を読み出す場合を想定した磁界解析結果を示すグラフである。
【図６】本発明に係る不揮発性メモリにおける信号を書き込む場合を想定した磁界解析のためのモデルを示す図である。
【図７】本発明に係る不揮発性メモリにおける信号を書き込む場合を想定した磁界解析結果を示すグラフである。
【図８】Ｃｏ−Ｓｍ薄膜の面内容易軸方向のＭ−Ｈカーブ（磁化曲線）を示す図である。
【図９】Ｃｏ−Ｓｍ薄膜の３方向のＭ−Ｈカーブ（磁化曲線）である。
【図１０】本発明に係る不揮発性メモリの第一の形態を示す具体的構成図である。
【図１１】本発明に係る不揮発性メモリの第一の形態を用いたメモリアレイを示す模式図である。
【図１２】本発明に係る不揮発性メモリの第ニの形態を示す具体的構成図である。
【図１３】本発明に係る不揮発性メモリの第ニの形態を用いたメモリアレイを示す模式図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…磁性体薄膜、２…半絶縁体、３…ホール素子、１０…不揮発性メモリ（メモリ）。
【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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