(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性膜が第一及び第二の磁性膜に挟まれている構造を持った磁気抵抗効果膜において、
前記第一及び第二の磁性膜が垂直磁化膜であり、前記第一の磁性膜に接して，且つ前記非磁性膜には接しない位置に、磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いている磁性膜が配され、前記第一の磁性膜と交換結合をしており、前記第一磁性膜の磁化反転磁界は前記第二の磁性膜の磁化反転磁界よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗効果膜。
【請求項２】
非磁性膜が第一及び第二の磁性膜に挟まれている構造を持った磁気抵抗効果膜において、
前記第一及び第二の磁性膜が垂直磁化膜であり、前記第一の磁性膜に接して，且つ前記非磁性膜には接しない位置に、磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いている磁性膜が配され、前記第一の磁性膜と交換結合をしており、前記磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いている磁性膜と交換結合している前記第一磁性膜の磁化反転磁界は前記第１磁性膜が単層で設けられた時と比べて小さいことを特徴とする磁気抵抗効果膜。
【請求項３】
更に、前記垂直磁化膜と前記非磁性膜の間に前記垂直磁化膜よりもスピン分極率の大きな層が挿入されており、前記垂直磁化膜と前記スピン分極率の大きな層が交換結合していることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果膜。
【請求項４】
磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いている第一の磁性膜と、第二の磁性膜と、非磁性膜と、第三の磁性膜と、磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いている第四の磁性膜とがこの順に形成され、
前記第二の磁性膜及び第三の磁性膜が垂直磁化膜であり、
前記第一の磁性膜と前記第二の磁性膜、および前記第三の磁性膜と前記第四の磁性膜がそれぞれ交換結合しており、
前記第一の磁性膜と交換結合した第二の磁性膜の磁化反転磁界は、前記第四の磁性膜と交換結合した第三の磁性膜の磁化反転磁界よりも大きいことを特徴とする磁気抵抗効果膜。
【請求項５】
前記第二の磁性膜と前記非磁性膜との間に前記第二の磁性膜よりもスピン分極率が大きく前記第二の磁性膜と交換結合している層が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗効果膜。
【請求項６】
更に、前記第三の磁性膜と前記非磁性膜との間に前記第三の磁性膜よりもスピン分極率が大きく前記第三の磁化膜と交換結合している層が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果膜。
【請求項７】
前記スピン分極率の大きな層が粒形状であることを特徴とする請求項３、５、６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果膜。
【請求項８】
前記磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いている磁性膜の磁化が、4kA/m以下の大きさの磁界によって、膜面垂直方向に向くことを特徴とする請求項１、２または４に記載の磁気抵抗効果膜。
【請求項９】
前記磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いた方向に向いている磁性膜の磁化が、前記垂直磁化膜と交換結合している状態において、少なくとも部分的に膜面垂直方向に対して傾いていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果膜。
【請求項１０】
前記非磁性膜が絶縁体であることを特徴とする請求項1から９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果膜。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果膜を備えたメモリ素子において、
前記磁気抵抗効果膜の膜面垂直方向に磁界を印加する手段と、
前記磁気抵抗効果膜の電気抵抗を検出する手段とを備えたことを特徴とするメモリ素子。
【請求項１２】
前記磁界を印加する手段が導線であることを特徴とする請求項１１に記載のメモリ素子。
【請求項１３】
更に、前記磁気抵抗効果膜の膜面垂直方向から傾いた方向に磁界を印加する手段を備えたことを特徴とする請求項１１に記載のメモリ素子。
【請求項１４】
請求項１または２に記載の磁気抵抗効果膜をメモリ素子として用いたメモリにおいて、
情報の記録時に、非磁性膜を挟んでいる磁性膜のうち、磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いている磁性膜と接して設けられている磁性膜の磁化方向を変化させ、他方の磁性膜の磁化方向は変化させずに情報の記録再生を行なうことを特徴とするメモリ。
【請求項１５】
請求項１または２に記載の磁気抵抗効果膜をメモリ素子として用いたメモリにおいて、
非磁性膜に接して形成されている磁性膜のうち、零磁場中で磁化が膜面垂直方向に向いている磁性膜を記録層とし、磁化が膜面垂直方向から傾いている磁性膜を、前記記録層に記録された情報を読み出すための読み出し層とすることを特徴とするメモリ。
【請求項１６】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果膜をメモリ素子として用いたメモリにおいて、
記録あるいは読み出し時に印加される磁界に対して、非磁性膜に隣接して形成されている磁性膜のうち、非磁性膜の一方の膜面に接して形成されている磁性膜の磁化は反転することなく、非磁性膜の他方の膜面に接して形成されている磁性膜の磁化は反転することを特徴とするメモリ。
【請求項１７】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果膜をメモリ素子として用いたメモリにおいて、
前記磁気抵抗効果膜を複数配列し、所望の磁気抵抗効果膜に選択的に記録する手段と、
所望の磁気抵抗効果膜に記録された情報を選択的に読み出す手段とを備えたことを特徴とするメモリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直磁化膜の磁化反転磁界を低減させる方法を用いた磁気抵抗効果膜、それを備えたメモリ素子及びそれを用いたメモリに関する。
【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、FeRAM、フラッシュEEPROM等その種類も様々である。これら半導体メモリの特性は一長一短であり、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が存在しない。例えば、DRAMは記録密度が高く書き換え可能回数も多いが、揮発性であり電源を切ると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、近年の研究報告においてMRAMとしての実現性が実証されている。
【０００４】
MRAMの素子として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。非磁性膜として良く用いられる材料としてCuやAl2O3が挙げられる。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磁気抵抗効果膜（TMR膜）という。一般にTMR膜はGMR膜に比べて大きな磁気抵抗効果を示す。
【０００５】
図１３（ａ）に示すように二つの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、図１３（ｂ）に示すように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、一方の磁性層を記録層、他方を読み出し層とし、上記の性質を利用することで情報の読み出しが可能である。例えば非磁性層12の上部に位置する磁性層13を記録層、下部に位置する磁性層14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。図１４（ａ）に示すように両磁性層の磁化方向が右向きの場合、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較的小さく、図１４（ｂ）に示すように読み出し層の磁化方向が右向きでかつ記録層の磁化方向が左向きであると電気抵抗は比較的大きい。また、図１４（ｃ）に示すように読み出し層の磁化方向が左向きでかつ記録層の磁化方向が右向きであると電気抵抗は比較的大きく、図１４（ｄ）に示すように両磁性層の磁化方向が左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。あるいは、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。
【０００６】
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、面内磁化膜を使用したMRAMは反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ためには、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、この方法では素子サイズが小さくできないために記録密度の向上があまり期待されない。そこで、例えば特開平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。この方法では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。
【０００７】
垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜は、面内磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜と同様に、二つの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、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。非磁性層22の上部に位置する磁性層23を記録層、下部に位置する磁性層21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』、下向きの場合を『0』とする。図１５（ａ）に示すように両磁性層の磁化方向が上向きの場合、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較的小さく、図１５（ｃ）に示すように読み出し層の磁化方向が下向きでかつ記録層の磁化方向が上向きであると電気抵抗は比較的大きくなる。したがって、『1』が記録された状態で読み出し層の磁化方向が上向きとなるように磁界を印加した後、さらに読み出し層の磁化方向が下向きとなるように磁界を印加すると、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は大きくなるように変化し、この変化から『1』を読み出すことが可能である。ただし、読み出しのときに印加する磁界は記録層の磁化方向が変化しないような大きさである。また、図１５（ｂ）に示すように読み出し層の磁化方向が上向きでかつ記録層の磁化方向が下向きであると電気抵抗は比較的大きくなり、図１５（ｄ）に示すように両磁性層の磁化方向が下向きの場合電気抵抗は比較的小さくなる。したがって、『0』が記録されているときには、読み出しの操作を行うと電気抵抗が小さくなるように変化するので『0』を読み出すことが可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
垂直磁化膜としては、Gd、Dy、Tb等の希土類金属から選ばれる少なくとも１種類の元素とCo、Fe、Ni等の遷移金属から選ばれる少なくとも１種類の元素の合金膜や人工格子膜、Co/Pt等遷移金属と貴金属の人工格子膜、CoCr等の膜面垂直方向の結晶磁気異方性を有する合金膜が主として挙げられる。垂直磁化膜の磁化反転磁界は、一般に遷移金属による面内磁気異方性を有するそれよりも大きく、例えば面内磁化膜であるパーマロイの磁化反転磁界が数百A/m程度であるのに対し、垂直磁化膜であるCo/Pt人工格子膜では数十kA/m程度と著しく大きい。希土類金属と遷移金属の合金膜は、希土類金属の副格子磁化と遷移金属の副格子磁化が反平行に向くため、膜組成によって見かけ上の磁化の大きさが異なる。したがってその磁化反転磁界は組成により異なる。GdFe合金膜は、希土類金属と遷移金属の合金膜の中でも比較的磁化反転磁界は小さいが、磁化曲線の角型比が１から小さくなり始める臨界組成付近で通常数千A/m程度の磁化反転磁界を有する。
【０００９】
垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜でセンサーやメモリ等を構成した場合、上記の理由から大きな磁界を印加しなければ動作しない。したがって、例えばセンサーにおいては浮遊磁界を磁気抵抗効果膜の磁性層に集中させる必要があり、メモリにおいては大きな磁界を発生させる工夫が必要になる。メモリに印加する磁界は一般的に導線に電流を流し発生させるが、特に携帯端末に用いるメモリの場合、電源容量の制約から大きな電流を流すことは好ましくない。このため、例えば磁気抵抗効果膜からなるメモリ素子の周りに磁界を発生させるための導線を巻きつけるなどの対応が必要になる。しかし、このような対応は磁気抵抗効果膜周辺の構造や電気回路を煩雑にしてしまうため作成が困難になり、歩留まりの低下やコストの著しい増加を招いてしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は、この点に鑑み、垂直磁化膜の磁化反転磁界を低減させ、作成が容易で歩留まりの低下やコストの著しい増加を招くことのない磁気抵抗効果膜を提供することさらには消費電力の少ないメモリを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気抵抗効果膜は、
非磁性膜が磁性膜に挟まれている構造を持った磁気抵抗効果膜において、磁性膜の少なくとも一方が垂直磁化膜であり、垂直磁化膜に接して，且つ非磁性膜には接しない位置に、磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いている磁性膜を有する。
【００１２】
また、磁性膜の少なくとも一方の磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いていてもよい。
【００１３】
また、磁性膜と磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いている磁性膜とが交換結合していてもよい。
また、更に、垂直磁化膜と非磁性膜の間に垂直磁化膜よりもスピン分極率の大きな層が挿入されていてもよい。
【００１４】
また、垂直磁化膜とスピン分極率の大きな層が交換結合していてもよい。
【００１５】
また、磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いている第一の磁性膜と、第二の磁性膜と、非磁性膜と、第三の磁性膜と、磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いている第四の磁性膜とがこの順に形成され、少なくとも第二の磁性膜もしくは第三の磁性膜のどちらか一方が垂直磁化膜であり、第一の磁性膜と第二の磁性膜、および第三の磁性膜と第四の磁性膜がそれぞれ交換結合していてもよい。
【００１６】
また、第二の磁性膜もしくは第三の磁性膜の少なくとも一方の磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いていてもよい。
【００１７】
また、第二の磁性膜と非磁性膜との間に第二の磁性膜よりもスピン分極率の大きな層が形成されていてもよい。
【００１８】
また、更に、第三の磁性膜と非磁性膜との間に第三の磁性膜よりもスピン分極率の大きな層が形成されていてもよい。
【００１９】
また、スピン分極率の大きな層と第二の磁性膜、及びスピン分極率の大きな層と第三の磁性膜が交換結合していてもよい。
【００２０】
また、スピン分極率の大きな層が粒形状であってもよい。
【００２１】
また、磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いている磁性膜の磁化が、4kA/m以下の大きさの磁界によって、膜面垂直方向に向いてもよい。
【００２２】
また、磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いた方向に向いている磁性膜の磁化が、垂直磁化膜と交換結合している状態において、少なくとも部分的に膜面垂直方向に対して傾いていてもよい。
【００２３】
また、垂直磁化膜がフェリ磁性体であってもよい。
【００２４】
また、フェリ磁性体が希土類金属と遷移金属の合金であってもよい。
【００２５】
また、希土類金属と遷移金属の合金が非晶質であってもよい。
【００２６】
また、フェリ磁性体が希土類金属と遷移金属の人工格子膜であってもよい。
【００２７】
また、希土類金属がGd、Tb、Dyから選ばれる1種類以上の元素であり、遷移金
属がFe、Co、Niから選ばれる1種類以上の元素であってもよい。
【００２８】
また、非磁性膜が絶縁体であってもよい。
【００２９】
本発明のメモリ素子は、
上述の磁気抵抗効果膜を備えたメモリ素子において、磁気抵抗効果膜の膜面垂直方向に磁界を印加する手段と、磁気抵抗効果膜の電気抵抗を検出する手段とを備えている。
【００３０】
また、磁界を印加する手段が導線であってもよい。
【００３１】
また、更に、磁気抵抗効果膜の膜面垂直方向から傾いた方向に磁界を印加する手段を備えていてもよい。
【００３２】
本発明のメモリは、
上述の磁気抵抗効果膜をメモリ素子として用いたメモリにおいて、情報の記録時に、非磁性膜を挟んでいる磁性膜のうち、磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いている磁性膜と接して設けられている磁性膜の磁化方向を変化させ、他方の磁性膜の磁化方向は変化させずに情報の記録再生を行なう。
【００３３】
また、非磁性膜に接して形成されている磁性膜のうち、零磁場中で磁化が膜面垂直方向に向いている磁性膜を記録層とし、磁化が膜面垂直方向から傾いている磁性膜を読み出し層としてもよい。
【００３４】
また、記録あるいは読み出し時に印加される磁界に対して、非磁性膜に隣接して形成されている磁性膜のうち、非磁性膜の一方の膜面に接して形成されている磁性膜の磁化は反転することなく、非磁性膜の他方の膜面に接して形成されている磁性膜の磁化は反転してもよい。
【００３５】
また、磁気抵抗効果膜を複数配列し、所望の磁気抵抗効果膜に選択的に記録する手段と、所望の磁気抵抗効果膜に記録された情報を選択的に読み出す手段とを備えてもよい。
【００３６】
従って、本発明の磁気抵抗効果膜は、比較的小さな磁界で磁化反転可能であり、特にこの磁気抵抗効果膜を用いたメモリは消費電力を少なくすることが可能である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明の磁気抵抗効果膜の一例を図１に示す。無磁場中でかつ他の磁性体との交換力が働いていない状態で磁化が膜面垂直方向から傾いた方向に向いている磁性膜、すなわち磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いている第一の磁性膜111、垂直磁化膜である第二の磁性膜112、非磁性膜113および垂直磁化膜である第三の磁性膜114が順次形成されている。第一の磁性膜111と第二の磁性膜112は交換結合している。第二の磁性膜112の磁化は、零磁場において少なくとも非磁性膜113との界面付近では膜面垂直方向に向いているか、あるいは膜面垂直方向に磁界を印加したときには容易に膜面垂直方向に向くようにしておく。MRAMにおいて、導線に流す電流密度の制限から、メモリ素子に印加可能な磁界の大きさは4kA/m以下にすることが好ましい。従って零磁場中で膜面垂直方向から傾いている磁化は4kA/m以下の大きさの磁界を印加することにより垂直方向に向くようにしておく。垂直磁化膜に無磁場中でかつ他の磁性体との交換力が働いていない状態で磁化が膜面垂直方向から傾いた方向に向いている磁性膜を交換結合させると、垂直磁化膜は、垂直磁気異方性が見かけ上減少する。したがって、膜面垂直方向での磁化反転磁界を小さくすることが可能である。
【００３８】
垂直磁化膜と面内磁化膜の交換結合膜を用いた磁気抵抗効果膜が、特開2000-306374号公報において開示されている。本発明がこれに対して大きく異なる点は、磁化が膜面垂直方向から傾いた方向に向いている磁性膜を配する位置である。特開2000-306374号公報では、大きな磁気抵抗効果を得ることを目的とし、大きなスピン分極率を有する磁性膜を非磁性膜に接する様に形成することを手段としている。大きなスピン分極率を有する磁性膜に面内磁化膜が用いられているが、該磁性膜の磁化は膜面垂直方向に向いている必要があり、これは接して形成されている垂直磁化膜との交換結合力によって達成されている。
【００３９】
これに対して本発明は、膜面垂直方向に印加する磁界に対する磁化反転磁界を減少させることを目的としており、無磁場中でかつ他の磁性体との交換力が働いていない状態で磁化が膜面垂直方向から傾いた方向に向いている磁性膜は非磁性膜とは接しておらず、該磁性膜の磁化は膜面垂直方向に向いている必要は無い。
【００４０】
無磁場中でかつ他の磁性体との交換力が働いていない状態で磁化が膜面垂直方向から傾いた方向に向いている磁性膜を非磁性膜に接する様に形成しても接しないように形成しても、該磁性膜と垂直磁化膜の交換結合膜の磁化反転磁界は、垂直磁化膜単層の場合のそれよりも減少する。しかし、膜面垂直方向の磁化反転は、磁化が膜面垂直方向から傾いた方向に向いている磁性膜の膜厚に依存しており、磁性膜の膜厚は磁化反転磁界の大きさによって決められる。特開2000-306374号公報では、上記のように磁化を膜面垂直方向に向ける必要があるために面内磁化膜の膜厚を厚くすることができず、面内磁化膜の膜厚を2nm以下にする必要があるために、磁化反転磁界の減少量はあまり期待できない。これに対して本発明の磁気抵抗効果膜では、磁化が膜面垂直方向から傾いた方向に向いている磁性膜の磁化を膜面垂直方向に向ける必要がないので、該磁性膜の膜厚を比較的厚くすることが可能であり、そのために膜面垂直方向での磁化反転磁界を十分に小さくすることが容易である。
【００４１】
上述したように図１に記載の膜構成が本発明の実施の形態の一例として挙げられる。第二の磁性膜112と交換結合している状態で、第一の磁性膜111の磁化は膜面垂直方向に向いていても、膜面垂直方向から傾いていても構わない。ただし、磁化が膜面垂直方向から傾いている磁気抵抗効果膜をメモリ素子として用いる場合、第三の磁性膜114の磁化と第二の磁性膜112の磁化はどちらも反転可能であることが必要であり、第三の磁性膜114を記録層、第二の磁性膜112を読み出し層とする。導線に電流を流し、この電流によって発生する磁界で記録を行う場合、一般に4 kA/mよりも大きな磁界を発生させることは難しく、したがって、第三の磁性膜114への記録は4 kA/m以下の磁界で行われることが好ましく、読み出しの際には、膜面垂直方向から傾いている第二の磁性膜112の磁化が、第三の磁性膜114の磁化の反転磁界よりも小さい磁界によって膜面垂直方向に向くことが好ましい。また、第二の磁性膜112の磁化は、第三の磁性膜114の磁化よりも小さな磁界によって反転する。
【００４２】
垂直磁化膜としては、上述のようにGd、Dy、Tb等の希土類金属から選ばれる少なくとも１種類の元素とCo、Fe、Ni等の遷移金属から選ばれる少なくとも１種類の元素の合金膜や人工格子膜、Co/Pt等遷移金属と貴金属の人工格子膜、CoCr等の膜面垂直方向の結晶磁気異方性を有する合金膜が主として使用可能である。無磁場中でかつ他の磁性体との交換力が働いていない状態で磁化が膜面垂直方向から傾いた方向に向いている磁性膜としては、上記の垂直磁気異方性を有する磁性膜と同様の材料を用いて、Ku−2πMs2<0となるように成膜条件を調整することにより得られる。これによって磁化容易軸が膜面垂直方向から傾いた磁性膜を得ることができる。ここでKuは垂直磁気異方性エネルギー定数、Msは飽和磁化の大きさである。また、Co、Fe、Ni等の遷移金属から選ばれる１種類の元素からなる膜、あるいは２種類以上の元素からなる合金膜を用いて成る面内磁化膜も使用可能である。
【００４３】
非磁性膜113としては、CuやCr等の導体あるいはAl2O3やNiO等の絶縁体が使用可能である。非磁性膜113に絶縁体を用いた場合、比較的大きな磁気抵抗変化が得られるので、メモリ素子として利用する場合には好ましい。
【００４４】
図１に示す膜構成の磁気抵抗効果膜をメモリ素子として用いる場合、第二の磁性膜112の磁化は印加される磁界によって反転可能であり、第三の磁性膜114の磁化は反転可能であっても不可能であってもどちらでも良い。ただし、第三の磁性膜114の磁化が反転不可能である場合は、読み出しの際に、記録されている情報を破壊しないために、磁化方向を変化させることなく、素子の電圧を直接読み取ることが好ましい。第三の磁性膜114の磁化が反転可能である場合には、比較的磁化反転磁界の小さな、第一の磁性膜111と第二の磁性膜112の交換結合膜を読み出し層とし、比較的磁化反転磁界の大きな第三の磁性膜114を記録層とすることが可能であり、第二の磁性膜112の磁化方向を反転させることにより生じる素子の電圧変化を読み取ることによって、記録されている情報を非破壊で読み出すことが可能である。
【００４５】
図２は本発明の実施の形態の一例である膜構成を模式的に示す断面図であり、第四の磁性膜115が形成されている点が図１に示す膜構成と異なる。第四の磁性膜115は、無磁場中でかつ他の磁性体との交換力が働いていない状態で磁化が膜面垂直方向から傾いた方向に向いている磁性膜であり、第三の磁性膜114と交換結合している。つまり、第一の磁性膜111と同様に垂直磁化膜の磁化反転磁界を小さくする働きをするものである。このような構成にすることによって、第二の磁性膜112および第三の磁性膜114のどちらも小さな印加磁界で磁化反転可能である。ただし、第二の磁性膜112の磁化反転磁界と第三の磁性膜114の磁化反転磁界の大きさは異なる。このような構成の磁気抵抗効果膜をメモリとして用いる場合、第一の磁性膜111と第二の磁性膜112の交換結合膜と第三の磁性膜114と第四の磁性膜115の交換結合膜のうち、磁化反転磁界の比較的小さな方を読み出し層、磁化反転磁界の比較的大きな方を記録層とする。磁化反転磁界の大きさは、各磁性膜の組成、膜厚あるいは成膜条件等によって調節することが可能である。
【００４６】
さらに図３のように非磁性膜113と磁性膜の界面にスピン分極率の大きな材料からなる磁性膜116や117を形成し、磁気抵抗を大きくすることも可能である。図３においては両界面にそのような膜を形成しているが、どちらか一方のみ形成しても良い。界面に形成される磁性膜116や117は磁化が膜面垂直方向から傾いた方向に向いているものでも垂直磁化膜でもどちらでも構わないが、それぞれ第二の磁性膜112および第三の磁性膜114と交換結合した状態では、非磁性膜113との界面付近の磁化は膜面垂直に向いている必要がある。
【００４７】
また、磁性膜116や磁性膜117は、粒形状であっても良い。
【００４８】
上記の本発明の磁気抵抗効果膜において、非磁性膜はCu等の金属でも良いし、Al2O3等の誘電体であっても良いが、メモリとして用いる場合、非磁性膜を誘電体とした方が磁気抵抗変化が大きいので好ましい。
【００４９】
上記のようないずれかの膜構成の磁気抵抗効果膜を複数個並べて配し、所望の一素子にのみ比較的大きな磁界を印加することにより、選択的に記録が可能なメモリセルとすることができる。
【００５０】
【実施例】
（実施例−１）
図４は本発明の磁気抵抗効果膜を模式的に示した断面図である。基板001としてSiウエハーを用い、この表面を酸化処理し約1μmのSiO2膜002が形成されている。SiO2膜002上部に第一の磁性膜111として面内磁化膜である5nmの膜厚のFe膜、第二の磁性膜112として垂直磁化膜である30nmの膜厚のGd20Fe80膜、非磁性膜113として2nmの膜厚のAl2O3膜、第三の磁性膜114として垂直磁化膜である10nmのTb22Fe78膜、保護膜118として5nmのPt膜を順次形成した。ここで、Fe膜とGd20Fe80膜は交換結合しており、Pt膜は磁性膜の酸化等の腐食を防ぐための保護膜である。Gd20Fe80膜およびTb22Fe78膜はどちらも遷移金属副格子磁化優勢である。次に得られた多層膜の上部に1μm角のレジスト膜を形成し、ドライエッチングによってレジストに覆われていない部分のPt膜およびTb22Fe78膜を除去した。エッチング後15nmの膜厚のAl2O3膜を成膜し、さらにレジストおよびその上部のAl2O3膜を除去し、上部電極とFe膜およびGd20Fe80膜からなる下部電極との短絡を防ぐための絶縁膜121を形成した。その後、リフトオフ法によって上部電極122をAl膜により作成し、上部電極からずれた位置のAl2O3膜を除去して測定回路を接続するための電極パットとした。さらに得られた磁気抵抗効果膜は膜面垂直方向に2MA/mの磁界を印加し、Tb22Fe78膜の磁化を印加磁界方向に向け着磁を行った。ただし、1cm角のTb22Fe78膜の保磁力は1.6MA/mと大きな値を示し、得られた磁気抵抗効果膜の保磁力も同程度の大きな値を示すと予想される。
【００５１】
磁気抵抗効果膜の上部電極と下部電極に定電流電源を接続してGd20Fe80膜とTb22Fe78膜の間のAl2O3膜を電子がトンネルするように一定電流を流す。磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方向に磁界を印加し、その大きさと方向を変えることにより磁気抵抗効果膜の電圧の変化（磁気抵抗曲線）を測定した。その結果を図８に示す。この測定結果によると磁化反転は約3kA/mであった。
【００５２】
（実施例−2）
図６は本発明の磁気抵抗効果膜を模式的に示した断面図である。基板001としてSiウエハーを用い、この表面を酸化処理し約1μmのSiO2膜002が形成されている。SiO2膜002上部に第一の磁性膜111として面内磁化膜である3nmの膜厚のFe膜、第二の磁性膜112として垂直磁化膜である50nmの膜厚のGd25Fe75膜、第二の磁性膜よりも大きなスピン分極率を示す第五の磁性膜116として面内磁化膜である1nmの膜厚のCo50Fe50膜、非磁性膜113として2nmの膜厚のAl2O3膜、さらに第三の磁性膜よりも大きなスピン分極率を示す第六の磁性膜117として面内磁化膜である1nmの膜厚のCo50Fe50膜、第三の磁性膜114として垂直磁化膜である30nmの膜厚のTb25Fe75膜、第四の磁性膜115として面内磁化膜である3nmの膜厚のFe膜、保護膜118として5nmのPt膜を順次形成した。ここで、Fe膜とGd25Fe75膜、Gd25Fe75膜とCo50Fe50膜はそれぞれ交換結合しており、さらにCo50Fe50膜とTb25Fe75膜、Tb25Fe75膜とFe膜はそれぞれ交換結合している。Gd25Fe75膜とTb25Fe75膜はどちらも希土類金属副格子磁化優勢である。２層のCo50Fe50膜はGd25Fe75膜やTb25Fe75膜よりもスピン分極率が大きく、その磁化の方向は交換結合力により膜面垂直方向に向いている。Pt膜は磁性膜の酸化等の腐食を防ぐための保護膜である。次に得られた多層膜の上部に1μm角のレジスト膜を形成し、ドライエッチングによってレジストに覆われていない部分のPt膜およびTb25Fe75膜を除去した。エッチング後39nmの膜厚のAl2O3膜を成膜し、さらにレジストおよびその上部のAl2O3膜を除去し、上部電極とFe膜およびGd25Fe75膜からなる下部電極との短絡を防ぐための絶縁膜121を形成した。その後、リフトオフ法によって上部電極122をAl膜により作成し、上部電極からずれた位置のAl2O3膜を除去して測定回路を接続するための電極パットとした。
【００５３】
磁気抵抗効果膜の上部電極と下部電極に定電流電源を接続してGd25Fe75膜とTb25Fe75膜の間のAl2O3膜を電子がトンネルするように一定電流を流す。磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方向に磁界を印加し、その大きさと方向を変えることにより磁気抵抗効果膜の電圧の変化を測定した。その結果を図７に示す。磁化反転は約2.5kA/mと3.8kA/mで生じている。
【００５４】
（実施例−3）
実施例-2で用いた磁気抵抗効果膜101、102、103、104、105、106、107、108、109をメモリ素子として３行３列に配列した場合のメモリセルの電気回路図を図８および図９に示す。図８は磁気抵抗効果膜に印加する磁界を発生させるための回路であり、図９は磁気抵抗効果膜の抵抗変化を検出するための回路である。
【００５５】
任意の素子の磁性膜の磁化を選択的に反転させる方法について説明する。例えば、磁気抵抗効果膜105の磁化を選択的に反転させる場合、トランジスタ212、217、225、220をONにし、その他のトランジスタはOFFにしておく。このようにすると電流は導線312、313、323、322を流れそれらの周りに磁界を発生させる。したがって磁気抵抗効果膜105にのみ４つの導線から同方向の磁界が印加され、これらの合成磁界が素子の磁性膜の磁化反転磁界よりも僅かに大きくなるように調整しておけば、選択的に磁気抵抗効果膜105の磁化のみ反転させることが可能である。また上下逆方向の磁界を磁気抵抗効果膜105に印加する場合はトランジスタ213、216、224、221をONにし、その他のトランジスタはOFFにしておく。このようにすると電流は導線312、313、323、322を先程とは逆の方向に流れ磁気抵抗効果膜105へは逆方向の磁界が印加される。
【００５６】
次に読み出し時の動作を説明する。例えば、磁気抵抗効果膜105に記録された情報を読み出す場合、トランジスタ235およびトランジスタ241をONにする。すると電源412、固定抵抗100および磁気抵抗効果膜105が直列に接続された回路となる。したがって、電源電圧は固定抵抗100の抵抗値と磁気抵抗効果膜105の抵抗値の割合でそれぞれの抵抗に分圧される。電源電圧は固定されているので磁気抵抗効果膜の抵抗値が変化するとそれにしたがって、磁気抵抗効果膜にかかる電圧は異なる。この電圧値をセンスアンプ500で読み出す。ここで読み出し方法には主に二通り挙げられる。一方は、磁気抵抗効果膜にかかっている電圧値の大きさを検出しその大きさによって情報を識別する方法であり、これを絶対検出という。他方は磁気抵抗効果膜の読み出し層の磁化方向のみ変化させ、そのときに生じる電圧の変化の違いによって情報を識別する方法である。読み出し層の磁化を反転させたとき、電圧値が例えば下がりこれを『1』とするならば、逆に電圧値が上がった場合は『0』である。このような読み出し方法を相対検出という。
【００５７】
図１０に１つの素子の周辺部分を模式的に示す断面図を示す。p型Si基板011に２つのn型拡散領域119および120を形成し、その間に絶縁層123を介してワード線（ゲート電極）342を形成する。n型拡散領域013に接地線356を接続し、他方にコンタクトプラグ352、353、354、357とローカル配線358を介して磁気抵抗効果膜105を接続する。磁気抵抗効果膜はさらにビット線332に接続されている。磁気抵抗効果膜105の横には磁界を発生させるための導線322および導線323が配されている。
【００５８】
（比較例）
図１１は従来の磁気抵抗効果膜を模式的に示した断面図である。基板001としてSiウエハーを用い、この表面を酸化処理し約1μmのSiO2膜002が形成されている。SiO2膜002上部に比較的磁化反転磁界の小さな磁性膜21として垂直磁化膜である30nmの膜厚のGd20Fe80膜、非磁性膜22として2nmの膜厚のAl2O3膜、比較的保磁力の大きな磁性膜23として垂直磁化膜である10nmのTb22Fe78膜、保護膜118として5nmのPt膜を順次形成した。ここで、Pt膜は磁性膜の酸化等の腐食を防ぐための保護膜である。Gd20Fe80膜およびTb22Fe78膜はどちらも遷移金属副格子磁化優勢である。次に得られた多層膜の上部に1μm角のレジスト膜を形成し、ドライエッチングによってレジストに覆われていない部分のPt膜およびTb22Fe78膜を除去した。エッチング後15nmの膜厚のAl2O3膜を成膜し、さらにレジストおよびその上部のAl2O3膜を除去し、上部電極とGd20Fe80膜からなる下部電極との短絡を防ぐための絶縁膜121を形成した。その後、リフトオフ法によって上部電極122をAl膜により作成し、上部電極からずれた位置のAl2O3膜を除去して測定回路を接続するための電極パットとした。さらに得られた磁気抵抗効果膜は膜面垂直方向に2MA/mの磁界を印加し、Tb22Fe78膜の磁化を印加磁界方向に向け着磁を行った。ただし、1cm角のTb22Fe78膜の保磁力は1.6MA/mと大きな値を示し、得られた磁気抵抗効果膜の保磁力も同程度の大きな値を示すと予想される。
【００５９】
磁気抵抗効果膜の上部電極と下部電極に定電流電源を接続してGd20Fe80膜とTb22Fe78膜の間のAl2O3膜を電子がトンネルするように一定電流を流す。磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方向に磁界を印加し、その大きさと方向を変えることにより磁気抵抗効果膜の電圧の変化（磁気抵抗曲線）を測定した。その結果を図１２に示す。この測定結果によると磁化反転磁界は約24kA/mであった。
【００６０】
【発明の効果】
上記の様に、本発明の磁気抵抗効果膜は、比較的小さな磁界で磁化反転可能であり、特にこの磁気抵抗効果膜を用いたメモリは消費電力を少なくすることが可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気磁気抵抗効果膜の一例を示す断面を模式的に示した図である。
【図２】本発明の磁気磁気抵抗効果膜の一例を示す断面を模式的に示した図。
【図３】本発明の磁気磁気抵抗効果膜の一例を示す断面を模式的に示した図である。
【図４】実施例−１で用いた磁気抵抗効果膜の断面を模式的に示した図である。
【図５】実施例−１で用いた磁気抵抗効果膜の磁気抵抗曲線を示した図である。
【図６】実施例−2で用いた磁気抵抗効果膜の断面を模式的に示した図である。
【図７】実施例−2で用いた磁気抵抗効果膜の磁気抵抗曲線を示した図である。
【図８】実施例−3のメモリに用いた磁気抵抗効果膜に磁界を印加するための電気回路の概略図である。
【図９】実施例−3のメモリに用いた読み出し回路の概略図である。
【図１０】実施例−3のメモリの一部分の断面を示した模式図である。
【図１１】比較例で用いた磁気抵抗効果膜の断面を示した模式図である。
【図１２】比較例で用いた磁気抵抗効果膜の磁気抵抗曲線を示した図である。
【図１３】（ａ）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である。
（ｂ）磁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ある。
（ａ）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である。
（ｂ）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。
（ｃ）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である。
（ｄ）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ある。
（ａ）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である。
（ｂ）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。
（ｃ）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である。
（ｄ）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】
001    Si基板
002    SiO2膜
011    p型Si基板
12、22    非磁性層
13、14、21、23    磁性層
100    固定抵抗
101〜109    磁気抵抗効果膜
111    第一の磁性膜
112    第二の磁性膜
113    非磁性膜
114    第三の磁性膜
116、117    スピン分極率の大きな材料からなる磁性膜
118    保護膜
119、120    n型拡散領域
121、123    絶縁膜
122    上部電極
211〜226、231〜242    トランジスタ
311〜314、321〜324    導線（書き込み線）
331〜333    ビット線
341〜343    ワード線（ゲート電極）
351〜355、357    コンタクトプラグ
356    接地線
357    ローカル配線
411、412    電源
500    センスアンプ
【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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