JP2002280638A - 磁気抵抗素子、それを用いたメモリ素子及びメモリセル並びにメモリ素子の記録再生方法 - Google Patents
磁気抵抗素子、それを用いたメモリ素子及びメモリセル並びにメモリ素子の記録再生方法Info
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Abstract
が安定であるとともに情報の記録を低消費電流で安定し
て行うことができる磁気抵抗素子を提供する。 【解決手段】膜面垂直方向に磁化した第1磁性層1と、
第1非磁性層N1と、膜面垂直方向に磁化した第2磁性
層2と、第2非磁性層N2と、膜面垂直方向に磁化した
第3磁性層N3とを順に積層する。各非磁性層N1,N
2としては、スピントンネル絶縁膜が好ましく使用され
る。
Description
リなどに使用される磁気抵抗素子に関し、特に、2重ト
ンネル垂直磁化TMR素子である磁気抵抗素子と、この
磁気抵抗素子を用いたメモリ素子及びメモリセルと、そ
のようなメモリ素子の記録再生方法に関する。
が盛んに研究されている。この磁気メモリ素子を用いた
メモリ装置として磁気ランダムアクセスメモリ(MRA
M:Magnetic Random Access Memory)は、情報の保存
に磁性膜を用いているため、電源を落としても情報が消
えない、すなわち不揮発性であるという特徴を有してい
る。
ル効果による磁気抵抗素子が設けられている。この素子
は、一般にTMR素子と呼ばれており、抵抗変化率(M
R比)が従来の磁気抵抗素子と比較して大きく、抵抗値
も数KΩから数十KΩとMRAMのメモリセルとして最
適な値に設定することが可能なため、MRAMの記憶素
子として一般的に用いられている。
るバイアス電圧が大きくなると、MR比が減少するとい
う特性を持ち合わせている。例えば、数mVで50%近
いMR比が得られているが、500mVで約20%にな
るといった報告がなされている。MRAMでは、数10
0mVのバイアス電圧がTMR素子に印加されるため、
この減少率は無視できないレベルであり、検出感度を劣
化させることになる。
存性の課題に対する対策案として、絶縁層を2個設けた
TMR素子を用いることが提案されている。例えば、特
開平9−260743号公報には、膜面内方向に磁化さ
れた磁性層を用いて、磁性層と絶縁層と磁性層と絶縁層
と磁性層の積層構造により、トンネル接合膜を作成した
素子が開示されている。図11は絶縁層を2つ有する従
来のTMR素子の構成を示すものであり、(a)は二値
の記録の一方に対応する磁化状態を示し、(b)は二値
の記録の他方に対応する磁化状態を示している。図中、
矢印は各磁性層の磁化の方向を示している。このTMR
素子は、面内磁化膜である第1磁性層11、第1非磁性
層N11、面内磁化膜である第2磁性層12、第2非磁
性層N12及び面内磁化膜である第3磁性層13をこの
順に積層したものであって、各磁性層11〜13の保磁
力の差異を利用して、中央に位置する第2磁性層12の
磁化方向を、より保磁力の高い第1磁性層11及び第3
磁性層13の磁化方向に対して平行にするか(a)、あ
るいは反平行にするか(b)で、二値の情報を記憶し、
また、これら2つの状態間でトンネル膜の抵抗値に差が
できるようにして、記憶された情報を読み出せるように
する。
は、通常のTMR素子を2個直列に接続するのと同じよ
うに、1つのトンネル障壁膜にかかるバイアス電圧が半
減するため、MR比のバイアス電圧による劣化が小さく
なるといった効果がある。
に示した従来の磁気抵抗素子は、バイアス電圧依存性に
対しては効果があるものの、素子サイズが小さくなると
磁化状態が不安定になるといった課題が生じる。これ
は、磁気抵抗素子に面内磁化膜を用いているために生
じ、特に図11の(a)に示す磁化状態の場合には、各
磁性層の磁化が同じ方向を向くために、磁性膜の端面に
ある磁極による自己磁界(反磁界)が各層に印加され、
各層の磁化状態がより不安定となる。このために、
(a)に示す状態のように一方向に磁化配向させるため
には、磁化容易軸方向に磁性膜を長くするといった素子
形状の改良で対策を取ることが一般的である。これは、
素子サイズが大きくなり、メモリセル面積の増加、すな
わち、集積度の低下の原因となる。
状態のうち、(b)の状態は磁性層11〜13から出る
磁束が閉じるため、エネルギー的に安定な状態である。
しかし(a)の状態は、各磁性層11〜13の磁化が反
発しあうため、エネルギー的に高い状態にあり不安定で
ある。このため、磁化状態を(b)から(a)にするの
に必要な磁界が、磁化状態を(a)から(b)にするの
に必要な磁界よりも大きくなる。磁気メモリ素子におい
て、情報の記録のために磁性膜の磁化を反転させるため
には、書き込み線に電流を流してそこから発生する磁界
を磁性膜に印加する。このため、反転磁界が大きくなる
と、書き込み線には大きな電流を流す必要があり、全体
の消費電力が大きくなってしまう。また、磁化状態
(a)は、エネルギー的に不安定であるため、熱などの
影響で(b)の状態に変わりやすい特性を有する。この
ため、情報の安定性に欠けることとなる。
子サイズが小さくなるとより顕著になる傾向がある。し
たがって、従来提案された素子においては、集積度を高
くしようとすると、磁化状態が不安定になったり、反転
磁界が増加するといった課題があった。
あるとともに情報の記録を低消費電流で安定して行うこ
とができる磁気抵抗素子と、このような磁気抵抗素子を
用いたメモリ素子及びメモリセルと、これらのメモリ素
子に対する記録再生方法とを提供することにある。
発明者は、磁気抵抗素子を構成する磁性膜として反磁界
エネルギーの小さい磁性膜を用い、さらに反平行磁化状
態のときと平行磁化状態のときとでエネルギー的に差異
の少ない媒体構成を用いることによって、上記課題を解
決することを見出し、本発明を完成させた。
向に磁化した第1磁性層と、第1非磁性層と、膜面垂直
方向に磁化した第2磁性層と、第2非磁性層と、膜面垂
直方向に磁化した第3磁性層とが順に積層されたことを
特徴とする磁気抵抗素子、及び、(2)第1磁性層及び
第3磁性層の保磁力がいずれも第2磁性層の保磁力より
も大きい、(1)に記載の磁気抵抗素子、及び、(3)
第1磁性層及び第3磁性層の保磁力がいずれも第2磁性
層の保磁力よりも小さい、(1)に記載の磁気抵抗素
子、及び、(4)第1磁性層の磁化の向きと第3磁性層
の磁化の向きが反平行である、(3)に記載の磁気抵抗
素子、及び、(5)第1磁性層、第2磁性層及び第3磁
性層の少なくとも1つの磁性層が希土類−鉄族元素合金
からなる、上記記載の磁気抵抗素子、及び、(6)第1
磁性層及び第3磁性層の一方が鉄族元素副格子磁化優勢
な希土類鉄族合金膜であり、第1磁性層及び第3磁性層
の他方が希土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜
である、(5)に記載の磁気抵抗素子、及び、(7)第
1磁性層、第2磁性層及び第3磁性層の少なくとも1つ
がフェリ磁性層からなる、(1)〜(4)に記載の磁気
抵抗素子、及び、(8)フェリ磁性層がGb,Tb、D
yの少なくとも1種を含む希土類元素とFe,Coのう
ち少なくとも1種を含む鉄族元素とからなる、(7)に
記載の磁気抵抗素子、及び、(9)第1非磁性層及び第
2非磁性層が絶縁層からなる上記記載の磁気抵抗素子、
及び、(10)第1磁性層と第1非磁性層の間、第2磁
性層と第1非磁性層の間、第2磁性層と第2非磁性層の
間、第2非磁性層と第3磁性層の間の少なくとも一つ
に、前記第1磁性層もしくは前記第2磁性層もしくは前
記第3磁性層よりもスピン分極率の高い磁性層が設けら
れている上記記載の磁気抵抗素子、及び、(11)スピ
ン分極率の高い磁性層が、Fe,Coのうち少なくとも
1種を含む、(10)に記載の磁気抵抗素子、及び、
(12)スピン分極率の高い磁性層がCoFeからな
る、(11)に記載の磁気抵抗素子、及び、(13)
(2)に記載の磁気抵抗素子を用い、第1磁性層と第3
磁性層の磁化方向を一定にし、第2磁性層の磁化方向を
記録情報に応じて変化させるようにしたことを特徴とす
るメモリ素子、及び、(14)(2)に記載の磁気抵抗
素子を用い、第1磁性層と第3磁性層の磁化方向を記録
情報に応じて変化させ、第2磁性層の磁化方向を読出し
時に反転させるようにしたことを特徴とするメモリ素
子、及び、(15)(3)に記載の磁気抵抗素子を用
い、第2磁性層の磁化方向を一定にし、第1磁性層及び
第3磁性層の磁化方向を記録情報に応じて変化させるよ
うにしたことを特徴とするメモリ素子、及び、(16)
(3)に記載の磁気抵抗素子を用い、第2磁性層の磁化
方向を記録情報に応じて変化させ、第1磁性層及び第3
磁性層の磁化方向を読出し時に反転させるようにしたこ
とを特徴とするメモリ素子、及び、(17)上記記載の
磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子の膜面に垂直方向の磁界
を発生する磁場発生手段とを有し、磁場発生手段を用い
て磁気抵抗素子に情報の記録を行うことを特徴とするメ
モリ素子、及び、(18)(17)に記載のメモリ素子
の磁気抵抗素子の一端を電界効果トランジスタのドレイ
ン領域に接続し、他端をビット線に接続したことを特徴
とするメモリセル、及び、(19)(13)に記載のメ
モリ素子の記録再生方法において、第2磁性層の磁化の
向きにより情報を記録し、メモリ素子の抵抗値により、
記録された情報の読出しを行うことを特徴とするメモリ
素子の記録再生方法、及び、(20)(14)に記載の
メモリ素子の記録再生方法において、第2磁性層の磁化
の向きにより情報を記録し、読出し時に、第1磁性層及
び第3磁性層の磁化の向きを反転させた際の抵抗値の変
化に基づいて、記録された情報を読み出すことを特徴と
するメモリ素子の記録再生方法、及び、(21)(1
5)に記載のメモリ素子の記録再生方法において、第1
磁性層及び第3磁性層の磁化の向きにより情報を記録
し、メモリ素子の抵抗値により、記録された情報の読出
しを行うことを特徴とするメモリ素子の記録再生方法、
及び、(22)(16)に記載のメモリ素子の記録再生
方法において、第1磁性層及び前記第3磁性層の磁化の
向きにより情報を記録し、読出し時に、第2磁性層の磁
化の向きを反転させた際の抵抗値の変化に基づいて、記
録された情報を読み出すことを特徴とするメモリ素子の
記録再生方法、によって達成される。
態について、図面を参照して説明する。
の実施形態の磁気抵抗素子の構造の一例を示したもので
ある。図中矢印は各磁性層の磁化方向を示しており、ま
た、(a),(b)はこの磁気抵抗素子が安定してとり
える2つの磁化状態のそれぞれを示している。
した第1磁性層1と、第1非磁性層N1と、膜面垂直方
向に磁化した第2磁性層2と、第2非磁性層N2と、膜
面垂直方向に磁化した第3磁性層3と、を順に積層して
構成したものである。図示(a)の状態では、全ての磁
性層1〜3の磁化は上向きであり、(b)の状態では、
第2磁性層2のみが下向きの磁化となっている。各非磁
性層N1,N2としては絶縁層が用いられる。これらの
非磁性層N1,N2はトンネル電流が流れる程度の厚さ
であって、スピントンネル効果によってそのトンネル抵
抗値が変化するようになっている。ここでは絶縁層であ
る非磁性層が2層設けられており、各磁性層が垂直磁化
膜によって構成されているから、このような磁気抵抗素
子のことを2重トンネル垂直磁化TMR素子とも呼ぶ。
この素子の膜厚方向に電流を流すと、(a)の状態では
磁化が平行の状態なので抵抗は小さいが、(b)の状態
では、第1磁性層1と第2磁性層2の磁化が反平行、第
2磁性層2と第3磁性層3の磁化も反平行のため、抵抗
が大きくなる。
では、素子の上下に印加した電圧の1/2の電圧が個々
の絶縁層に印加される。このため、MR比のバイアス電
圧依存性は軽減され、MR比の劣化を抑えることが可能
となる。
ーが小さく、磁化の大きさが面内磁化膜と比較して小さ
い。したがって、この磁気抵抗素子によれば、積層され
た各磁性層の磁化から他の磁性層にかかる磁界の大きさ
を小さくすることができ、容易に、反平行磁化状態とす
ることができる。また、外部磁界がない場合に他の磁性
層にかかる磁界を低減できるため、MRカーブ(抵抗と
印加磁界の関係を示したグラフ)が漏洩磁界分だけずれ
るシフト量が小さくなる。このシフト磁界(オフセット
磁界)が低減できることは、すなわち、反転磁界の増大
を抑制できることであり、これにより、消費電力を抑制
することが可能となる。
2磁性層2の磁化方向のみが変化した磁化状態は、第1
の実施形態に示す層構成において、第1磁性層1と第3
磁性層3の保磁力を第2磁性層2の保磁力よりも高く設
定することにより実現できる。すなわち、この素子に対
し第1磁性層1及び第3磁性層3の保磁力よりも大きな
磁界を印加してこれらの磁性層の向きを配向させた後、
これより小さな磁界を印加して第2磁性層2の磁化の向
きを変更することによって、実現される。この素子にお
いては、外部磁界によって第2磁性層2の磁化方向を変
えることで、スピントンネル効果による素子抵抗値を大
きくしたり小さくしたりすることができる。
に、第1の実施形態に示す層構成において第1磁性層1
と第3磁性層3の保磁力を第2磁性層2の保磁力よりも
低く設定すれば、図2に示すように、第2磁性層2の磁
化方向を固定したまま、第1磁性層1及び第3磁性層3
の磁化の方向を外部磁界によって変化させることができ
る。これにより、図2の(a)に示す低抵抗状態と
(b)に示す高抵抗状態とを作ることができる。
抵抗素子において、第1磁性層1と第3磁性層3の磁化
方向を一定にし、第2磁性層2の磁化方向を記録情報に
応じて変化させ、読出し時に抵抗値を検出すれば、メモ
リ素子として機能させることができる。
磁気抵抗素子において、第1磁性層1と第3磁性層3の
磁化方向を記録情報に応じて変化させ、第2磁性層の磁
化方向を読出し時に反転させることとすれば、メモリ素
子とすることができる。図3にその例を示した。図3に
おいて、(a−1)及び(a−2)では、第1磁性層1
及び第3磁性層3が上向きに記録されており、一方、
(b−1)及び(b−2)では下向きに記録されてお
り、それぞれが、“0”,“1”の二値のデータに相当
する。(a−1)及び(a−2)の違いは、第2磁性層
2の磁化の方向である。(b−1)及び(b−2)の違
いも、第2磁性層2の磁化の方向である。各々の場合に
ついてもいずれも、まず、素子に上向きの磁界を印加し
たのち、下向きの磁界を印加するものとする。この際の
磁界は、第2磁性層2の磁化のみが反転するように、第
2磁性層2の保磁力よりも大きく、第1磁性層1及び第
3磁性層3の保磁力よりも小さく設定する。第1磁性層
1及び第3磁性層3が上向きに記録されている場合は、
抵抗値については、(a−1)が低い状態、(a−2)
が高い状態であるため、高い状態から低い状態へ遷移す
るが、第1磁性層1及び第3磁性層3が下向きに記録さ
れている場合は、抵抗値については、(b−1)が高い
状態、(b−2)が低い状態であるため、低い状態から
高い状態に遷移する。このような抵抗値の状態の変化を
センシングすれば、記録されている情報を読み出すこと
ができる。
気抵抗素子において、第2磁性層2の磁化方向を一定に
し、第1磁性層1と第3磁性層3の磁化方向を記録情報
に応じて変化させ、読出し時に抵抗値を検出すれば、メ
モリ素子として機能させることができる。
抵抗素子において、第2磁性層2の磁化方向を記録情報
に応じて変化させ、第1磁性層1及び第3磁性層3の磁
化方向をいずれも読出し時に反転させることとすれば、
この磁気抵抗素子をメモリ素子に応用することができ
る。図4にその例を示した。図4において、(a−
1),(a−2)は第2磁性層2が上向きの状態を示
し、これら両者の違いは、第1磁性層1及び第3磁性層
3の磁化がいずれも上向きか下向きかである。また、
(b−1),(b−2)では第2磁性層2が下向きに記
録されており、両者は、第1磁性層1及び第3磁性層3
の磁化がいずれも上向きか下向きかで相違している。
(a−1),(a−2)は“0”,“1”の二値データ
の一方に対応し、(b−1),(b−2)は他方に対応
する。
の場合と同様に、まず、素子に上向きの磁界を印加した
のち、下向きの磁界を印加するものとする。この際の磁
界は、第1磁性層1及び第3磁性層の磁化が反転し第2
磁性層の磁化が反転しないように、第2磁性層2の保磁
力よりも小さく、第1磁性層1及び第3磁性層3の保磁
力よりも大きく設定する。そして、第5の実施形態と同
様にして抵抗値の状態の変化をセンシングすれば、記録
されている情報を読み出すことができる。
抵抗素子において、第1磁性層1の磁化の向きと第3磁
性層3の磁化の向きを反平行にすることによって、第2
磁性層2に印加される漏洩磁界を低減することができ
る。図5にこの素子構成を示した。図中、第1磁性層1
及び第3磁性層3中の矢印のうち、外側の白抜きの矢印
はその磁性層の総体としての磁化の向きを示しており、
内側の黒実線の矢印は、磁気抵抗効果に影響を与える副
格子磁化の向きを示している。
行であるため、これらの磁性層の磁化から第2磁性層に
印加される漏洩磁界は、相互に打ち消しあって弱まる。
このため、第2磁性層2は、他の磁性層からの結合力を
受けない単層膜のように振舞うことができ、反転磁界の
増大やシフトなどをなくすことができる。
抵抗素子を実現するためには、第1磁性層1を鉄族元素
副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜とし、第3磁性層を
希土類元素副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜とすれば
よい。希土類鉄族合金膜は、希土類元素の副格子磁化と
鉄族元素の副格子磁化が反平行であるフェリ磁性体であ
って、正味の磁化は、これらの副格子磁化の差となる。
また、磁気抵抗に起因するのは、主に鉄族元素の副格子
磁化である。よって、どちらかの磁性層を鉄族元素副格
子磁化優勢、他の磁性層を希土類元素副格子磁化優勢と
すれば、正味の磁化と磁気抵抗に起因する磁化の方向を
反平行にしたりすることが可能である。
化優勢、第3磁性層3を鉄族元素副格子磁化優勢として
もよい。
子における各非磁性層N1,N2は、巨大磁気抵抗効果
(GMR効果)がおきるようにCuなどの良導体にして
もよいし、スピントンネル効果がおきるようにAl2O3
などの絶縁体にしてもよい。しかし、スピントンネル効
果の方がGMR効果より磁気抵抗変化率が大きく、MR
AMのメモリセルに適した抵抗値に設定することが可能
なため、スピントンネル効果がおきるようにすることが
好ましい。すなわち、第1非磁性層N1及び第2非磁性
層N2の両方が絶縁層からなることが望ましい。
気抵抗素子を構成する垂直磁化膜である第1磁性層、第
2磁性層及び第3磁性層は、膜面垂直方向に磁化しかつ
磁気抵抗効果をもたらすものならどのようなものでも使
用できる。そのような垂直磁化膜として、例えば、希土
類鉄族合金膜、CoCr合金膜、ガーネット膜などを使
用することができる。中でも、希土類−鉄族元素合金
は、室温で成膜後に容易に垂直磁化膜となる点、アモル
ファス合金のため結晶粒界の悪影響がない点などから好
ましい。したがって、第1磁性層1、第2磁性層2及び
第3磁性層3の全てを希土類元素と鉄族元素との合金か
らなるフェリ磁性膜とすることが好ましい。
第1磁性層1、第2磁性層2及び第3磁性層3に使用で
きるものとして、例えば、GdFe,GdFeCo,T
bFe,TbFeCo,DyFe,DyFeCoなどが
挙げられる。これらの磁性膜は、垂直磁気異方性が、G
d,Dy,Tbを含む順に大きくなる傾向がある。この
ため、保磁力の高い層にはTbFe,TbFeCoなど
を用いるのがよく、保磁力の低い層にはGdFeもしく
はGdFeCoを用いるのがよい。
層の膜厚は、2nmから1μmまでの範囲が良い。これ
は,2nmより薄くなると磁化を一方向に保存しておく
ことが容易でなくなるためである。1μmより厚くなる
と加工が難しい、ラフネスが大きくなってトンネル障壁
膜がショートする、などの製造プロセスの問題が発生す
るためであり、好ましくは100nm以下が良い。さら
に望ましくは,5nm以上50nm以下がよい。
なるフェリ磁性膜を用いた本発明に基づく磁気抵抗素子
の磁化状態を示したものである。層構成自体は第1の実
施形態のものと同様である。第1磁性層1及び第3磁性
層3における実線は鉄族元素(TE)の副格子磁化の向
きを示し、点線は希土類元素(RE)の副格子磁化の向
きを示している。図6は、第1磁性層1及び第3磁性層
3の磁化の方向が一定であって第2磁性層2の磁化方向
を反転させる場合を示している。
土類元素の交換力よりも強いので、磁性層間の交換結合
力には主に鉄族元素が寄与する。図6の(a)では鉄族
元素副格子磁化が平行となっており、スピントンネル効
果における低抵抗状態となっている。(b)では、第1
磁性層1と第2磁性層2の間、及び、第2磁性層2と第
3磁性層3の間では反平行磁化状態となっており、高抵
抗状態となっている。
であるが、第2磁性層2の磁化の方向が一定であって、
第1磁性層1及び第3磁性層3の磁化が反転する場合を
示している。
1、第2磁性層2及び第3磁性層3は、全て、希土類元
素と鉄族元素との合金からなるフェリ磁性膜とするとこ
とが好ましい。
スピントンネル効果を高めて磁気抵抗変化率を高めるた
めには、非磁性層の両側に、スピン分極率の高い材料の
磁性層を設けることが望ましい。第1磁性層、第2磁性
層、第3磁性層は、膜面垂直方向に磁化した磁性膜であ
る。これらの磁性膜が十分高い抵抗変化率を生じせしめ
ない場合には、非磁性層の両側に抵抗変化率が高くなる
ような磁性膜を設けて、これらの磁性膜が垂直磁化膜と
磁気的に結合するようにすればよい。抵抗変化率が高く
なる磁性膜とは、特にスピントンネル効果の場合、スピ
ン分極率が高いことに相当する。したがって、第1磁性
層と第1非磁性層の間、第2磁性層と第1非磁性層の
間、第2磁性層と第2非磁性層の間、第2非磁性層と第
3磁性層の間の少なくとも1箇所に、スピン分極率の高
い磁性層が設けると良い。
静磁結合が挙げられる。このうち、交換結合は、膜面に
均一に作用し、磁性層間に非磁性層を設ける必要がない
ので、磁気的な結合としては、交換結合がより望まし
い。
は、原子オーダーから、10nmの範囲がよい。好まし
くは、1nmから5nmの範囲がよい。スピン分極率が
高い材料は、フェロ磁性材料などがあげられ、例えばF
e,Co,FeCoなどであり、磁化が大きいために反
磁界により膜面内方向に磁化しやすい性質がある。第1
磁性層、第2磁性層、第33磁性層と交換結合させて垂
直方向に磁化させるためには薄いほうが、垂直に磁化さ
せやすいからである。
性層を有する磁気抵抗素子を示している。この磁気抵抗
素子は、第1の実施形態の磁気抵抗素子において、第1
磁性層1と第1非磁性層N1の間に高スピン分極率材料
層M1、第1非磁性層N1と第2磁性層2の間に高スピ
ン分極率材料層M2、第2磁性層2と第2非磁性層N2
の間に高スピン分極率材料層M3、第2非磁性層N2と
第3磁性層3の間に高スピン分極率材料層M4をそれぞ
れ設けた構成のものである。
は、Co,Fe,CoFeなどの層を用いることができ
るが、中でも、CoFeが、高いMR比を達成されるた
めに、好ましい。またこれらの材料は、単独で膜形成し
た場合には面内磁化膜となるため、薄膜として形成して
第1磁性層1、第2磁性層2、第3磁性層3などと交換
結合させることにより垂直磁化膜とすることが好まし
い。
した各実施形態の磁気抵抗素子に、垂直方向の磁界を発
生させる磁場発生手段を設けることで、この磁場発生手
段を用いて磁気抵抗素子に情報の記録を行い、メモリ素
子とすることができる。例えば図9に示すように、図示
しない絶縁膜を介して書き込み線900を磁気抵抗素子
の近傍に配置する。ここで絶縁膜を設けるのは、磁気抵
抗素子と書き込み線900との電気的な接触を防ぐため
である。
びており、(a)では、紙面奥側に向かって電流を流す
ことにより、第2磁性層2の磁化を上向きとする。また
(b)では、紙面から手前に向かって電流を流すことに
より、第2磁性層1の磁化を下向きにすることができ
る。
M)を構成する場合には、それぞれ上述したようなメモ
リ素子からなるメモリセルをマトリックス状に配置す
る。この際に生じるメモリセル間のクロストークを解消
するためには、スイッチング素子を設けるとよい。
リセルアレイを示したものであり、ここでは、メモリセ
ルアレイ中の多数あるメモリセルのうちの1つのみを取
り出して示したものである。実際には、図示横方向と奥
手方向に同様のメモリセルが並んでおり、上面から見て
マトリックス状に配置されている。
板33上に作成したn+領域であるソース領域32及び
ドレイン領域31と、ゲート電極80とからなるMOS
FET(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)のう
ち、ドレイン領域31に上述の磁気抵抗素子の一端が接
続されている。磁気抵抗素子の他端はセンス線40に接
続される。
向に延びた書き込み線900と紙面横方向に延びたセン
ス線40とに電流を流すことで、それらの交点に位置し
た磁気抵抗素子(メモリセル)に記録を行うことができ
る。ソース領域32に接続された電極70は接地されて
おり、センス線40の左端に電流源、右端にセンス回路
を設けることで、磁気抵抗素子の抵抗値に応じた電位を
センス回路に与えることができ、情報の検出が可能とな
る。
素子として垂直磁化膜を用いるとともに2つの非磁性層
を設けることにより、素子を微細化しても安定に磁化情
報を保存することができるとともに、MR比のバイアス
依存性を改善することができるという効果がある。
断面図である。
態を示す図である。
の読出しを説明する図である。
の読出しを説明する図である。
態を説明する図である。
状態の例を示す図である。
状態の別の例を示す図である。
る。
る。
図である。
Claims (22)
- 【請求項1】 膜面垂直方向に磁化した第1磁性層と、
第1非磁性層と、膜面垂直方向に磁化した第2磁性層
と、第2非磁性層と、膜面垂直方向に磁化した第3磁性
層とが順に積層されたことを特徴とする磁気抵抗素子。 - 【請求項2】 前記第1磁性層及び前記第3磁性層の保
磁力がいずれも前記第2磁性層の保磁力よりも大きい、
請求項1に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項3】 前記第1磁性層及び前記第3磁性層の保
磁力がいずれも前記第2磁性層の保磁力よりも小さい、
請求項1に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項4】 前記第1磁性層の磁化の向きと前記第3
磁性層の磁化の向きが反平行である請求項3に記載の磁
気抵抗素子。 - 【請求項5】 前記第1磁性層、前記第2磁性層及び前
記第3磁性層の少なくとも1つの磁性層が希土類−鉄族
元素合金からなる、請求項1乃至4いずれか1項に記載
の磁気抵抗素子。 - 【請求項6】 前記第1磁性層及び前記第3磁性層の一
方が鉄族元素副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜であ
り、前記第1磁性層及び前記第3磁性層の他方が希土類
元素副格子磁化優勢な希土類鉄族合金膜である、請求項
5に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項7】 前記第1磁性層、前記第2磁性層及び前
記第3磁性層の少なくとも1つがフェリ磁性層からなる
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項8】 前記フェリ磁性層がGb,Tb、Dyの
少なくとも1種を含む希土類元素とFe,Coのうち少
なくとも1種を含む鉄族元素とからなる請求項7に記載
の磁気抵抗素子。 - 【請求項9】 前記第1非磁性層及び前記第2非磁性層
が絶縁層からなる請求項1乃至8いずれか1項に記載の
磁気抵抗素子。 - 【請求項10】 前記第1磁性層と前記第1非磁性層の
間、前記第2磁性層と前記第1非磁性層の間、前記第2
磁性層と前記第2非磁性層の間、前記第2非磁性層と前
記第3磁性層の間の少なくとも一つに、前記第1磁性層
もしくは前記第2磁性層もしくは前記第3磁性層よりも
スピン分極率の高い磁性層が設けられている、請求項1
乃至9のいずれか1項に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項11】 前記スピン分極率の高い磁性層が、F
e,Coのうち少なくとも1種を含む請求項10に記載
の磁気抵抗素子。 - 【請求項12】 前記スピン分極率の高い磁性層が、C
oFeからなる請求項11に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項13】 請求項2に記載の磁気抵抗素子を用
い、前記第1磁性層と前記第3磁性層の磁化方向を一定
にし、前記第2磁性層の磁化方向を記録情報に応じて変
化させるようにしたことを特徴とするメモリ素子。 - 【請求項14】 請求項2に記載の磁気抵抗素子を用
い、前記第1磁性層と前記第3磁性層の磁化方向を記録
情報に応じて変化させ、前記第2磁性層の磁化方向を読
出し時に反転させるようにしたことを特徴とするメモリ
素子。 - 【請求項15】 請求項3に記載の磁気抵抗素子を用
い、前記第2磁性層の磁化方向を一定にし、前記第1磁
性層及び前記第3磁性層の磁化方向を記録情報に応じて
変化させるようにしたことを特徴とするメモリ素子。 - 【請求項16】 請求項3に記載の磁気抵抗素子を用
い、前記第2磁性層の磁化方向を記録情報に応じて変化
させ、前記第1磁性層及び前記第3磁性層の磁化方向を
読出し時に反転させるようにしたことを特徴とするメモ
リ素子。 - 【請求項17】 前記請求項1乃至12のいずれか1項
に記載の磁気抵抗素子と、 前記磁気抵抗素子の膜面に垂直方向の磁界を発生する磁
場発生手段とを有し、 前記磁場発生手段を用いて前記磁気抵抗素子に情報の記
録を行うことを特徴とするメモリ素子。 - 【請求項18】 請求項17に記載のメモリ素子の磁気
抵抗素子の一端を電界効果トランジスタのドレイン領域
に接続し、他端をビット線に接続したことを特徴とする
メモリセル。 - 【請求項19】 請求項13に記載のメモリ素子の記録
再生方法において、前記第2磁性層の磁化の向きにより
情報を記録し、前記メモリ素子の抵抗値により、記録さ
れた情報の読出しを行うことを特徴とするメモリ素子の
記録再生方法。 - 【請求項20】 請求項14に記載のメモリ素子の記録
再生方法において、前記第2磁性層の磁化の向きにより
情報を記録し、読出し時に、前記第1磁性層及び前記第
3磁性層の磁化の向きを反転させた際の抵抗値の変化に
基づいて、記録された情報を読み出すことを特徴とする
メモリ素子の記録再生方法。 - 【請求項21】 請求項15に記載のメモリ素子の記録
再生方法において、前記第1磁性層及び前記第3磁性層
の磁化の向きにより情報を記録し、前記メモリ素子の抵
抗値により、記録された情報の読出しを行うことを特徴
とするメモリ素子の記録再生方法。 - 【請求項22】 請求項16に記載のメモリ素子の記録
再生方法において、前記第1磁性層及び前記第3磁性層
の磁化の向きにより情報を記録し、読出し時に、前記第
2磁性層の磁化の向きを反転させた際の抵抗値の変化に
基づいて、記録された情報を読み出すことを特徴とする
メモリ素子の記録再生方法。
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DE60216838T DE60216838T2 (de) | 2001-03-19 | 2002-03-18 | Magnetoresistives Element,Speicherelement mit dieses magnetoresistiven Element,und Aufnahme/Wiedergabe-Verfahren für das Speicherelement |
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-
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- 2001-03-19 JP JP2001078470A patent/JP3658331B2/ja not_active Expired - Lifetime
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