JP4875037B2 - 磁気メモリ、その再生方法、および書き込み方法 - Google Patents

Description

本発明は、多値化可能な磁気メモリ、その再生方法、および書き込み方法に関する。

近年、電子のスピン自由度を利用したスピンエレクトロニクスデバイスの研究開発が盛んに行われている。例えば、ハードディスクドライブでは、磁気ヘッドからの磁場により記録媒体の磁化状態を制御し、磁気ランダムアクセスメモリでは、２本の書き込み線からの合成磁場により磁気抵抗効果素子の磁化状態を制御する。このような磁場による磁化状態の制御方法に関しては、古い歴史があり、現在では、既に確立された技術となっている。

一方、昨今のナノテクノロジーの進歩により、記録媒体の記録単位および磁気抵抗効果素子の微細化が進行し、これらの磁化状態の制御もナノスケールで局所的に行なう必要性が出てきた。

しかし、磁場は、空間に広がる性質を持つため、局所化が難しい。このため、書き込み対象以外の記録単位および磁気抵抗効果素子に磁場の影響が及んで誤書き込みを起こす、いわゆる「クロストーク」の問題が発生する。そして、磁場の局所化を図るために磁場の発生源を小さくすると、磁化反転に必要な大きさの磁場が得られない。

そこで、「クロストーク」を起こすことなく磁化反転が可能な「電流直接駆動型磁化反転方法」が注目されている（例えば、非特許文献１参照）。これは、磁気抵抗効果素子に書き込み電流としてのスピン注入電流を流し、磁気抵抗効果素子内に発生するスピン偏極された電子を用いて磁化反転を実行する技術である。具体的には、スピン偏極された電子の角運動量が、磁気抵抗効果素子における磁気記録層となる磁性層内の電子に伝達されることにより磁気記録層の磁化が反転する。

このような電流直接駆動による磁化反転技術（スピン注入磁化反転技術）を用いれば、磁化状態をナノスケールで局所的に制御し易く、かつ微細化に応じてスピン注入電流の値も小さくできるため、高記録密度のハードディスクや、磁気ランダムアクセスメモリなどのスピンエレクトロニクスデバイスの実現に向けての手助けとなる。

このスピン注入磁化反転技術においては、電流密度を低減させる方法として、磁気参照層の上下に非磁性層を介在させて互いに逆方向に固定された磁化を有する磁性層（ピン層）で挟んだ磁気記録素子が提案されている。さらに、この互いに逆方向のピン層の磁化の向きを膜面垂直方向に配置した構造や、互いに磁化方向が逆を向いた上下ピン層を得るには、保磁力を変えた膜を用いることや反強磁性膜との接続が開示されている。

しかし、この技術にも問題がある。それは、磁化反転に必要とされるスピン注入電流の電流密度Ｊｃが１×１０^７Ａ／ｃｍ^２以上の大きな値になることである。このような大きな値になると、磁気抵抗効果素子内で発生する熱の影響で、素子特性が劣化するなどの信頼性の問題が発生する。

この対策として、例えば、磁気抵抗効果素子を構成する磁性材料の飽和磁化Ｍｓの値を小さくするなど、いくつかの提案がなされている（例えば、特許文献１、２参照）。しかし、飽和磁化Ｍｓを小さくすると、ピン層からのバイアス磁界下におけるフリー層の磁化状態の熱揺らぎ耐性が劣化するという問題がある。これは面内記録における高密度化での問題点と同じアナロジーからわかるように、ピン層の磁化とフリー層の磁化が同じ方向を向いている場合は、フリー層は自らの磁化をアシストする方向にピン層から磁界を受けるので安定であるが、逆方向を向いている場合は、不安定化する方向にピン層から磁界を受けるため、より熱揺らぎ耐性のあるフリー層の設計が必要となる。

一方、ハードディスクやＭＲＡＭにおいてその容量を決めるのは基本的にビットサイズやセルサイズである。その大きさを小さくすると熱揺らぎの問題が発生するため、多値記録に期待が高まっている。例えば、特許文献３では３層の磁気参照層のそれぞれの間に合計２層の磁気記録層を挿入した構造が開示されている。これは電流のみを用いて記録再生する技術である。

さらに、再生時に磁界を加えることで多値情報を読み取る技術が公開されている（特許文献４）。それによると、２枚の面内型磁気記録層の間に、磁化が面内型のフリー層を挿入し、外部磁界を印加させてそのフリー層の磁化を回転させることで、そのピン層との相対角度（平行または反平行）を読み取るものである。この構造の場合、面内に磁化が向いているので外部磁界を印加しようとすると、上述した書き込み線を用いる必要があり、場所選択性に問題がある。このため約６４Ｍビット以上のＭＲＡＭへの適用は困難と言われている。また、記録方法に関しては未開示である。
F. J. Albert, et al., Appl. Phy. Lett. 77, 3809 (2000) 特開２００５−９３４８８号公報 特開２００４−１９３５９５号公報 特開２００４−１９３５９５公報 特開２００４−３５６６４２号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、多値記録が可能でかつ熱的安定性の良い磁気メモリ、その書き込み方法、および再生方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による磁気メモリは、第１強磁性層と、前記第１強磁性層上に形成される第１非磁性層と、前記第１非磁性層上に形成される第２強磁性層と、前記第２強磁性層上に形成される第２非磁性層と、前記第２非磁性層上に形成される第３強磁性層と、を有するメモリセルを備え、前記第１および第３強磁性層はそれぞれ膜面に略垂直な磁化容易軸を有し、前記第２強磁性層は前記第１および第３強磁性層に比べて保磁力が小さくかつ磁化容易軸が膜面に垂直な方向に対して０度より大きく９０度以下の角度をなして傾いていることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様による磁気メモリの再生方法は、第１の態様による磁気メモリの再生方法であって、前記第１強磁性層から前記第２強磁性層へ電子を流入させることで前記第２強磁性層の磁化の向きを変化させるステップと、前記第２強磁性層と前記第３強磁性層との相対的な磁化の向きによる抵抗を測定することにより、前記第１強磁性層の磁化の向きを検知するステップと、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の第３の態様による磁気メモリの再生方法は、第１の態様による磁気メモリにおいて、前記メモリセルの第３強磁性層側から電気的に接続されるとともに前記メモリセルに対して相対運動が可能でかつ自身の磁化の方向を変えることの可能な磁性プローブを更に有し、前記第２強磁性層の磁化は、前記磁性プローブの磁化の方向に応じて膜面に略垂直な方向に向くように制御される磁気メモリの再生方法であって、前記磁性プローブの磁化の方向を調整することによって前記第２強磁性層の磁化を膜面に略垂直な方向に向けさせるステップと、前記磁性プローブを用いて前記第１強磁性層と前記第３強磁性層間に電流を流すことにより、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の電気抵抗と、前記第２強磁性層と前記第３強磁性層との間の電気抵抗との和を読みとるステップと、を備えていること
を特徴とする。
また、本発明の第４の態様による磁気メモリの書き込み方法は、第１の態様による磁気メモリにおいて、前記第３強磁性層に電気的に接続されるとともに前記第３強磁性層に対して相対運動が可能でかつ自身の磁化の方向を変えることの可能な磁性プローブを更に有し、前記第２強磁性層の磁化は、前記磁性プローブの磁化の方向に応じて膜面に略垂直な方向に向くように制御される磁気メモリの書き込み方法であって、前記磁性プローブの磁化の向きを調整することにより、前記第２強磁性層の磁化を膜面に略垂直方向に向かせるステップと、前記第２強磁性層から前記第１強磁性層もしくは前記第３強磁性層に向けて電子を流すことにより、電子が流入した前記第１強磁性層もしくは前記第３強磁性層の磁化の向きを前記第２強磁性層の磁化と同じ向きとなるように変化させるステップと、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、多値記録が可能でかつ熱的安定性の良い磁気メモリ、その書き込み方法、および再生方法を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態による磁気メモリを説明する。本実施形態による磁気メモリは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルを有している。本実施形態に係るメモリセルの基本構成を図１（ａ）、１（ｂ）に示す。このメモリセル１は、強磁性層を有する第１磁気記録層２、第１バリア層４、強磁性層を有する磁気参照層６、第２バリア層８、および、強磁性層を有する第２磁気記録層１０がこの順序で積層された積層構造を有している。磁気記録層２、１０は情報を蓄える記録する層であり、磁気参照層６は磁気記録層２、１０に情報を記録再生するための参照層である。

第１および第２磁気記録層２、１０の磁化容易軸方向（磁気記録層２、１０においては外部磁界がないとき磁化は膜面垂直を向く）を膜面に垂直となる方向にすることで磁化配向方向を膜面垂直にする。ここで、膜面とは、第１または第２磁気記録層２、１０を「膜」と捉えたときの膜の表面を意味する。従って、膜面に垂直となる方向とは、第１磁気記録層２、非磁性の第１バリア層４、磁気参照層６、非磁性の第２バリア層８、および第２磁気記録層１０を積層する方向となる。このような第１および第２磁気記録層２、１０は、一軸磁気異方性定数Ｋ_ｕが例えば１×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ以上の値を有する垂直磁化材料が用いられ、一般に垂直磁化膜とも称される。すなわち、第１および第２磁気記録層２、１０は、外部からの磁界がないときは、磁化の向きは膜面に略垂直となっている。垂直磁化膜は、外部磁界がないとき磁化の向きが膜面に略平行となる面内磁化膜よりも、微細化し易く、磁化反転のためのスピン注入電流の電流も小さく省電力である。

これに対し、磁気参照層６は、第１および第２磁気記録層２、１０に比べて、保持力が小さいように構成されている。すなわち、磁気参照層６は一軸磁気異方性定数Ｋ_ｕもしくは結晶異方性定数Ｋ_１が例えば１×１０^５ｅｒｇ／ｃｃ以下であり、磁化容易軸方向が単独では膜面垂直に対して０度より大きく９０度以下の角度で傾く材料が選択される。

第１および第２磁気記録層２、１０の磁化容易軸方向を膜面に垂直となる方向にするためには、磁気記録層を構成する磁性材料の飽和磁化Ｍ_ｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）と異方性磁界Ｈ_ａｎ（Ｏｅ）との関係を、Ｈａｎ＞１２．５７Ｍｓに設定すればよい。なお、異方性磁界Ｈ_ａｎは、膜面垂直方向の磁気異方性Ｋ_ｕを用いて、Ｈ_ａｎ＝２Ｋ_ｕ／Ｍ_ｓで与えられる。

このように構成されたメモリセル１においては、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化が平行（同じ向き）のときは、磁気参照層６の磁化は、図１（ａ）に示すように、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化と同じ向きになる。これに対して、図１（ｂ）に示すように、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化が反平行（逆の向き）のときは、磁気参照層６の磁化は膜面に略平行となる。

また、本実施形態に係るメモリセルの一具体例を図２に示す。この具体例のメモリセル１は、第１磁気記録層２、第１磁性挿入層１２、第１バリア層４、第２磁性挿入層１４、磁気参照層６、第３磁性挿入層１６、第２バリア層８、第４磁性挿入層１８、および第２磁気記録層１０がこの順序で積層された積層構造を有している。すなわち、図１（ａ）、１（ｂ）に示すメモリセル１の第１バリア層４を挟むように、第１および第２磁性挿入層１２、１４が設けられ、第２バリア層８を挟むように、第３および第４磁性挿入層１６、１８が設けられた構成となっている。なお、第１乃至第４磁性挿入層を全て設ける必要はなく、例えば、第１および第２磁気記録層２、１０に接する第１および第４磁性挿入層１２、１８だけを設けてもよい。

このメモリセル１の積層構造は、軟磁性下地層２０上に形成された金属下地層２２上に設けられる。そして、例えば、磁気記録層２にはＦｅＰｔ（５ｎｍ）、第１磁性挿入層１２にはＦｅ−Ｃｏ合金（１．５ｎｍ）、第１バリア層４にはＭｇＯ（１．５ｎｍ）、第２磁性挿入層１４にはＦｅ−Ｃｏ合金（１．５ｎｍ）、磁気参照層６にはＮｉＦｅ（１０ｎｍ）、第３磁性挿入層１６にはＦｅ−Ｃｏ合金（１．５ｎｍ）、第２バリア層８にはＭｇＯ（２．５ｎｍ）、第４磁性挿入層１８にはＦｅ−Ｃｏ合金（１．５ｎｍ）、第２磁気記録層１０にはＦｅＰｔ（１５ｎｍ）が用いられる。第２磁気記録層１０上にキャップ層１９としてＲｕ（３ｎｍ）が形成される。なお、括弧内の数字は層厚を示す。これらの層が積層された積層構造は直径が２０ｎｍの円柱に加工されている。この円柱をメモリセル１と呼ぶ。メモリセル１の下には金属下地層２２としてＴａ層（１ｎｍ）、その下に軟磁性下地層２０としてＮｉ−Ｆｅ合金層（５０ｎｍ）が形成されている。

本実施形態の磁気メモリにおいては、金属下地層２２を共通としてそれに接して複数のセル１が近くに形成されており、例えば１０ｎｍ離れたところに別のセル１が形成された構成となっている。すなわち、本実施形態の磁気メモリにおいては、金属下地層２２を共通としてメモリセル１がマトリクス状に配列された構成となっている。

また、本実施形態の磁気メモリにおいては、図３に示すように、マトリクス状に配列されたメモリセル１の上を磁性プローブ３０が走行する。磁性プローブ３０は、例えばＳＰＭプローブのような構造をしており、磁性プローブ３０に接続された励磁コイル３２に通電することで磁性プローブ３０を励磁することができる。磁性プローブ３０は、例えばＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ系の金属磁性体（飽和磁化量が１．５Ｔ）で形成され、メモリセル１に最も近い部分（先端）の径、すなわち先端径が３０ｎｍに加工されている。そして、先端の表面は、メモリセル１との間の潤滑を良くするために、硬質導電性カーボン膜がコーティングされていても良い。

図４に、メモリセル１および磁性プローブ３０の電流経路を示す。磁性プローブ３０は各メモリセル１のキャップ層１９とコンタクトして記録および再生するための通電を行う機能およびそのメモリセル１の磁気参照層６の磁化方向を変化させる機能を有している。磁性プローブ３０には直流電圧が印加され、メモリセル１と、各メモリセル１が共通電極にしている金属下地層２２および軟磁性下地層２０間で通電することができる。すなわち磁性プローブ３０から供給された電流はメモリセル１のキャップ層１９からメモリセル１を通り金属下地層２２／軟磁性下地層２０からなるアース電極に流入する。もしくは電源電圧の設定により磁性プローブ３０を負電位としてその逆の経路をとってもよい。磁性プローブ３０にはコイル３２が捲かれ、このコイル３２の通電する方向を変えることで磁性プローブ３０の磁化方向Ｍを上向きもしくは下向きにすることができる。図４には示していないが、図５に示すように、磁性プローブ３０はその上面（メモリセル１と反対側の面）に、例えば膜厚が１００ｎｍのＮｉＦｅからなるリターンヨーク３６を設けられており、磁性プローブ３０の先端から出た磁束はメモリセル１を通り、軟磁性下地層２０を通ってリターンヨーク３６へ戻る磁路を形成する。そのため、メモリセル１に集中して強い磁界を供給することができる。

磁気参照層６の磁化状態に関する、第１および第２磁気記録層２、１０に対する依存性は以下のように考えることができる．磁気参照層６自身の試料振動型磁力計（ＶＳＭ (Vibrating Sample Magnetometer)）により測定される、膜面に垂直方向のＭ−Ｈカーブは図６に示すようになる。垂直異方性は有するが，磁気参照層６自身だけでは無磁界において飽和磁化Ｍ_ｓを現さず，Ｍ_ａｐの位置にバイアスされる。図７に示すように、第２磁気記録層１０（磁化Ｍ_ｐ２）と、第１磁気記録層２（磁化Ｍ_ｐ１）が反平行の場合、第２磁気記録層１０から磁気参照層６に流入される磁界（Ｈ_ｐ２）と、第１磁気記録層２から磁気参照層６に流入される磁界（Ｈ_ｐ１）とがキャンセルし合い，バイアスが係らない状態となるので、図６に示すＭ−Ｈカーブ上でＭ_ａｐの位置にバイアス点は来る。

一方、図８に示すように、第２磁気記録層１０（磁化Ｍ_ｐ２）と、第１磁気記録層２（磁化Ｍ_ｐ１）が平行の場合、磁気記録層６からのそれぞれの磁界Ｈ_ｐ２、Ｈ_ｐ１が強め合い、Ｈ_ｐ１とＨ_ｐ２との合計Ｈ_ｂにより図６に示すＭ_ｐ点にバイアスされる。図９は磁気記録層と磁気参照層とのＭ−Ｈカーブの比較を示す図であり、磁気参照層が飽和しても、磁気記録層は磁化反転が起こらない構成となっている。

記録方法
次に、本実施形態の磁気メモリのメモリセル１に記録する方法を説明する。

まず、磁気参照層６の磁化を上向きに記録する方法を説明する。あるメモリセル１のキャップ層１９の上面に接触した磁性プローブ３０のコイル３２に通電し、磁性プローブ３０の磁化Ｍを、記録したい方向（この場合は、磁気参照層６の磁化を上向きに記録したいので上方向）に向ける。それにより、異方性エネルギーの小さな磁気参照層６の磁化のみが上方向を向く。これは、磁性プローブ３０の飽和磁化量および図示していない軟磁性下地層との距離、第１および第２磁気記録層２、１０の保磁力にて制御することができる。

（１）第１磁気記録層２の磁化の反転
第１磁気記録層の磁化を上向き→下向きに変化
図１０（ａ）を参照して第１磁気記録層２の磁化を上向きから下向きへ反転させる例を説明する。磁性体プローブ３０の磁化Ｍの方向を下向きにして、電子が磁気参照層６から記録したい磁気記録層に流入する方向（この場合は、磁気参照層６から第１磁気記録層２に向けて電子が流れるように）に通電を行う。磁性体プローブ３０の磁化Ｍの方向を下向きにすることで磁気参照層６の磁化方向は下方向を向く。さらに電子を磁気参照層６から第１磁気記録層２に流す（電流を磁気参照層６から磁性プローブ３０に流す）ことで、磁気参照層６から第１磁気記録層２へは下向きのスピンが流入し、スピントランスファー効果により第１磁気記録層２の磁化は下向きのトルクを受ける。さらに、第１磁気記録層２の磁化は、磁性プローブ３０および磁気参照層６からの磁界によるアシストを受けるため低電流で早く回ることができる。図１０（ａ）中、記号ＳＴは磁気参照層６からくる電子により磁気記録層２にかかるスピントランスファートルク、記号Ｈは磁気参照層６および磁性プローブ３０により磁気記録層２にかかる磁界トルクを示す。また、記号「＋」は向けたい方向にアシストする状況、記号「−」は逆に不安定な方向に作用する状況を示している。図１０（ａ）においては、第１磁気記録層２にとってはスピントランスファートルクＳＴも磁界による磁界トルクＨもアシスト（すなわち記録しやすい方向）状況であることを示している。また、磁界印加が行われ続けているため磁気参照層６の磁化が第１磁気記録層２から反射される上向きスピンの電子で回転しない。

ところで、磁気参照層６と同じ方向を向いている第２磁気記録層１０においては、スピントランスファートルクＳＴは「−」、磁界トルクＨは「＋」となる。磁気参照層６で反射した上向きスピン電子（図中矢印Ａ）は第２磁気記録層１０の磁化方向を上向き反転させるトルクを発生させる（ＳＴ−）。しかし、第２磁気記録層１０の磁化を、磁気参照層６の磁化に対して平行から反平行にするための電流は、第１磁気記録層２の磁化を磁気参照層６に対して平行に反転させる場合（すなわち記録行為）に比べて通常１．５倍〜２倍程度大きい。さらに、第２磁気記録層１０の磁化が回らないように磁性プローブ３０からのアシストが加わっているため（Ｈ＋）、第２磁気記録層１０の磁化は下向きに安定な状態であり、この状態で第１磁気記録層２に記録することができる。図１０（ａ）では、第２磁気記録層１０は磁気参照層６と同じ方向を向いている状態である。

一方、図１０（ｂ）に示すように、第２磁気記録層１０が上向きの場合、磁性体プローブ３０からの磁界トルクは第２磁気記録層１０を不安定にさせる方向に作用する（Ｈ＋）。しかし、磁気参照層６で反射される上向きのスピンによるトルクは第２磁気記録層１０の磁化方向を上向きで安定化させる方向に働く（ＳＴ＋）。したがって、書き込みたい第１磁気記録層２には常にスピントランスファートルクＳＴおよび磁界トルクＨは記録しやすい方向に寄与する（ＳＴ＋、Ｈ＋）のに対して、書き込みを行いたくない第２磁気記録層１０はスピントランスファートルクＳＴおよび磁界Ｈは、＋／−もしくは−／＋で少なくとも一方は安定化する方向に働く。したがって、両方のトルクがアシストし合う第１磁気記録層２のほうが、より記録しやすい状態にあることがわかる。これを図１１に示すＭ−Ｈカーブを用いて説明する。磁気参照層６を垂直方向に磁化させる磁界Ｈを加え、さらに第１磁気記録層にはスピントランスファートルクＳＴが＋で寄与するため、合計磁界（換算）が第１磁気記録層２の保磁力を超え、これにより第１磁気記録層２の磁化が反転する。一方、第２磁気記録層１０に関しては、印加磁界Ｈから「ＳＴ−」分だけ戻ることになるため安定状態となり、反転することはない。

第１磁気記録層の磁化を下向き→上向きに変化
第１磁気記録層２の磁化を下向きから上向きに反転する場合を図１２（ａ）、１２（ｂ）を参照して説明する。磁性プローブ３０の向きを上向きにして磁気参照層６の磁化を上向きにし、電子を書き換えたい層に磁気参照層６から流入させる。この場合は、磁気参照層６から第１磁気記録層２に流入させることによって達成できる。第２磁気記録層１０に対するスピントランスファートルクＳＴおよび磁界トルクＨの影響は、第２磁気記録層１０の磁化が磁性プローブ３０の磁化Ｍと逆向きである図１２（ａ）に示す場合は、図１０（ｂ）に示す場合に相当し、同じ向きである図１２（ｂ）の場合は、図１０（ａ）に示す場合に相当する。したがって、第１磁気記録層２の磁化を下向きから上向きに反転する場合も、第１磁気記録層２の磁化を上向きから下向きに反転する場合と同様に、安定に第１磁気記録層２のみを記録することができる。

（２）第２磁気記録層１０の磁化の反転
第２磁気記録層１０の磁化を反転させる場合を、図１３（ａ）、１３（ｂ）を参照して説明する。電子が磁気参照層６から記録したい第２磁気記録層１０に流入する方向に通電を行う。図１０（ａ）、１０（ｂ）、図１２（ａ）、１２（ｂ）に示したように第１磁気記録層２を記録する時と同様の作用が第２磁気記録層１０に働く。図１３（ａ）は第１磁気記録層２の磁化が上向きで磁気参照層６の磁化と同じ方向の場合を示し、図１３（ｂ）は第１磁気記録層２の磁化が下向きで磁気参照層６の磁化と逆方向の場合を示している。第２磁気記録層１０に関しては、スピントランスファートルクＳＴが「＋」、磁界トルクＨが「＋」であり、安定に低電流でかつ早く磁化回転を起こす（記録される）。第１磁気記録層２は、図１３（ａ）に示す場合においては、スピントランスファートルクＳＴが「−」で、磁界トルクＨが「＋」であり、図１３（ｂ）に示す場合では、スピントランスファートルクＳＴが「＋」で、かつ磁界トルクＨが「−」であるので、２つのトルクのうち一方のトルクで不安定になるのを、もう一方トルクでキャンセルする状態となっている。したがって、第２磁気記録層１０を上向きおよび下向き（図示せず）に記録する場合も、第２磁気記録層１０にはスピントランスファーＳＴおよび磁界トルクＨがアシストで加わり、さらにスピントランスファーＳＴは反平行→平行への記録であるので、低電流で記録することができる。この記録したい方向に磁気参照層６を向けるのは常に反平行→平行へのスピントランスファー作用を及ぼすことになる。そのため、スピントランスファーで記録を行う、磁気参照層が１層で磁気記録層が１層で構成される一般的なＭＲＡＭのように反平行→平行（電流小）、平行→反平行（電流大）の動作にくらべて小電流密度なメモリセルの省電力化設計ができる。そのため、バリア層を厚くして大出力化を図ってＳ／Ｎを向上させることが可能となる。

このように３層の磁性層、すなわち一層の磁気参照層６を用いて第１および第２磁気記録層２、１０に個別に記録を行うことができる。これらの記録方法を組み合わせることにより第１および第２磁気記録層２、１０の磁化の向きが、上上、上下、下上、下下の４通りの多値記録ができることになる。例えば、第１磁気記録層２もしくは第２磁気記録層１０の一方の磁化の向きを磁気参照層６の磁化の向きとなるように変化させた後、磁性プローブ３０の磁化の向きを調整して磁気参照層６の磁化の向きを反転するとともに電子の流す向きを逆向きにして第１および第２磁気記録層２、１０のうちのもう一方の磁化の向きを反転させるようにすれば、上上、上下、下上、下下の４通りの多値記録ができることになる。

本実施形態の磁気メモリにおいては、ＳＰＭプローブ（走査型プローブ顕微鏡（SPM：Scanning Probe Microscope）のような磁界供給手段３０を示したが、磁性プローブ３０は主磁極に通電手段を施した通常のＨＤＤ用記録ヘッドを用いることもできる。市販のＨＤＤヘッドを用いる場合は、主磁極にＤＣ電流を供給できるようにし、記録コイルに電流を流して主磁極の磁化方向を制御し、ＤＣ電流を磁極先端からセルに流すことで第１実施形態の多値記録を行うことができる。なお、記録コイル主磁極の突出量を通電電流で熱的にコントロールできるヘッドができれば望ましい。また、更に、例えば文献（例えば、K. Ise, S. Takahashi, K. Yamakawa, and N. Honda, “New Shielded Single-Pole Head with Planar Structure,”IEEE Trans. Magn., 42, 2422-2424, (2006).)に記載された平面型ヘッドであるプラナーヘッドを走行させても良い。プラナーヘッドは平面内に多くの主磁極すなわち磁性プローブを形成できるためマルチプローブで記録することが可能となる。

本実施形態の磁気メモリは、通常のＨＤＤにおけるメディアへの記録や、ビットパターンド・メディア（ＢＰＭ）構造に比べて隣のビットに書き込む、いわゆるサイドイレーズ（サイドフリンジング）耐性には圧倒的に優れる。その理由は、記録が磁界のアシストを用いたスピンカレントによる記録であるためである。ある一定以上の電流密度が流れたメモリセルのみに記録が行われるため、主磁極用シールドをつける必要がなくなり、このため、磁束の放出効率が良くなり、コイル電流の低減による省電力化を図ることができる。また、図３の磁性プローブ３０に記載されるように、電流供給は磁性プローブ先端とメモリセルとの接触部分からなされるのに対して、磁界はさらに台形の側壁部分からも広範囲に放出されて隣接するメモリセルにも印加される。このように広範囲に磁界が分布する磁性プローブ形状は、単位電流あたりの磁界強度が大きく取れるため省エネルギーの観点でメリットがある。しかし、記録は電流が流れているメモリセルのみになされるので記録分解能が低下することはない。また、主磁極の先端サイズは、理想的にはセル平面面積と同じであるが大きくとも良い。例えばバリア層４、８を金属系の材料を用いて、ＣＰＰ−ＧＭＲ(Current Perpendicular Plane-Giant Magneto-Resistance)構造にした場合、メモリセルの抵抗を小さく設計できるので多くの抵抗は磁性プローブとメモリセルとの接触抵抗になる。その場合、接触面積に比例した電流がメモリセルには流れるため、磁性プローブ３０の平面形状が図１４に示すように複数のメモリセル１に跨って電流を供給するような構造を取ったとしても、最も重なった部分にのみ記録を行うことができる。そのため、磁性プローブ３０の製造プロセスが容易となり安価にシステムを構成することができる。

通常状態
本実施形態の磁気メモリにおいて、図３に示すように、磁性プローブ３０がメモリセル１の上面に来ていないメモリセルにおける磁気参照層６の磁化方向は一様ではないことがわかる。例えば、第２磁気記録層１０の磁化が上（下）向きで、第１磁気記録層２の磁化が下（上）向きのメモリセル１ａ（メモリセル１ｄ）では、磁気参照層６の磁化は略面内を向く。一方、第２磁気記録層１０の磁化が上（下）向きで、第１磁気記録層２の磁化の向きも上（下）向きのメモリセル１ｃ（メモリセル１ｂ）では、磁気参照層６の磁化は略面垂直を向く。これは、本実施形態では、磁性プローブ３０からの影響を受けないときは、図１５（ａ）、１５（ｂ）に示すような垂直磁化が互いに向き合う磁性層を作らないように設計されている。図１５（ａ）に示すような非磁性層２０２を挟んで磁性層２０１と、磁性層２０３が積層された積層構造、または図１５（ｂ）に示すような磁性層２０１、非磁性層２０２、磁性層２０３、非磁性層２０４、および磁性層２０５が積層された積層構造の場合は、非磁性層２０２を挟んで磁性層２０１、磁性層２０３の磁化が対向することになる。この場合、お互いにそれぞれの磁性層からバイアス磁界を加えあうため、熱的安定性を保つためにはさらに大きな磁気異方性をそれぞれの磁性層に付与することが必要となり、プロセス設計が複雑となってコスト上昇につながる。そのため、本実施形態においは、第１および第２磁気記録層２、１０との間に、バリア層４、８を介して磁気参照層６を挟み、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化が互いに向き合う時には、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化と、磁気参照層６の磁化が対向しないように、磁気参照層６が設計されている。

一方、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化が同方向を向いている時には、同じ方向を向いて磁気的にカップリングするほうが実効的な磁化体積が増加するので熱的安定性が向上する。そのため、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化が同方向の時には磁気参照層６の磁化は略垂直方向を向きやすいように設計されている。そのためには、磁気参照層６の膜厚が厚く飽和磁化量が小さいことが望ましい。例えば、メモリセルのサイズが直径２０ｎｍ、膜厚が約７ｎｍであって、膜厚／直径の比が１／３の場合、反磁界係数が１／２程度となる。そのため、磁気参照層６の飽和磁化量を１Ｔとし、約１／２の５ｋＯｅの磁界を加えると、磁気参照層６の磁化が垂直方向を向くようになる。ＦｅＰｔ層から約１ｋＯｅ〜２ｋＯｅのバイアス磁界が第１および第２磁気記録層２、１０から加わるとすれば、本来の垂直磁気異方性に加えて磁気参照層６の磁化は略垂直方向を向くようになる。ただし、完全に垂直方向を向かなくとも、第１および第２磁気記録層２、１０のエッジに出る磁荷による影響を実質的に減らすことはできるため効果はある。図１５（ａ）、１５（ｂ）に示すような近接した対向する磁化状態を作らなければ大きな効果を発揮できる。このため、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化が対向する状態のときに、仮に磁気参照層６の磁化が面内方向を向いていても第１および第２磁気記録層２、１０間の距離は磁気参照層６の膜厚を厚くする分だけ増えるので、大きな効果を発揮する。一般に、膜厚方向への反磁界係数をｄとして、磁気参照層６の飽和磁化量をＭｓとすると、磁気参照層６の膜面に垂直方向の一軸磁気異方性定数Ｋ_ｕもしくは結晶磁気異方性定数Ｋが、下記の（１）式
（１／２）ｄＭｓ^２ ＞ Ｋ_ｕ ・・・ （１）
を満たせば、磁気参照層６は磁化方向が膜面垂直からずれて効果を発揮する。

再生方法
次に、再生方法について図１６（ａ１）乃至図１６（ｄ２）を参照して説明する。図１６（ａ１）、図１６（ｂ１）、図１６（ｃ１）、図１６（ｄ１）は、第１および第２磁気記録層２、１０における磁化状態の４つの組み合わせを示す図であり、図１６（ａ２）、図１６（ｂ２）、図１６（ｃ２）、図１６（ｄ２）は、図１６（ａ１）、図１６（ｂ１）、図１６（ｃ１）、図１６（ｄ１）に示す場合のそれぞれの抵抗値を示す図である。

図１６（ａ１）には第２磁気記録層１０の磁化が下向き、第１磁気記録層２の磁化は上向きの磁化状態が記載されている。磁性プローブ３０のコイル３２に通電され、上向きさらに下方向の磁化Ｍが磁性プローブ３０に励磁される。それに応じて磁界が磁気参照層６に加えられ、磁気参照層６の磁化は上さらに下を向く。したがって、磁性プローブ３０からメモリセル１を通り、アースとなる共通の磁性下地層との間の抵抗値は、磁気参照層６の磁化が上向きの時は、第２磁気記録層１０の磁化とは反平行状態となり、第１磁気記録層２の磁化とは平行状態となり、その合成抵抗となる。図１６（ａ２）に示すように、第１磁気記録層２と磁気参照層６の磁化の向きが反平行でかつ第２磁気記録層１０と磁気記録層６の磁化の向きが平行の場合のメモリセル１の抵抗をＲ１、第１磁気記録層２と磁気参照層６の磁化の向きが平行でかつ第２磁気記録層１０と磁気記録層６の磁化の向きが反平行の場合のメモリセル１の抵抗をＲ２、第１磁気記録層２と磁気参照層６の磁化の向きが平行でかつ第２磁気記録層１０と磁気記録層６の磁化の向きが平行の場合のメモリセル１の抵抗をＲ０とすると、図１６（ａ２）に示すように、磁気参照層６の磁化が上向きの時は抵抗値Ｒ２、下向きの時は抵抗値Ｒ１となる。なお、図１６（ａ２）における矢印は磁気参照層６の磁化の向きを示している。したがって、磁性プローブ３０から加えられる磁界を上下に変化することにより、反平行の場合における２つのバリア層４、８の抵抗の組み合わせが判別できることになる。この際、電流は臨界記録電流値（磁気参照層６もしくは第１および第２磁気記録層の磁化の向きが変化しない電流値）よりも小さければ、図示のように磁性プローブ３０から磁性下地層に向かう方向に流しても、その逆方向に流しても良い。

さらに、図１６（ｂ１）、図１６（ｃ１）、図１６（ｄ１）には、第２磁気記録層１０および第１磁気記録層２の磁化の組み合わせが、（下向き、下向き）、（上向き、上向き）、（上向き、下向き）となる磁化状態の場合を示し、図１６（ｂ２）、図１６（ｃ２）、図１６（ｄ２）には、図１６（ｂ１）、図１６（ｃ１）、図１６（ｄ１）に示す場合において、磁気参照層６の磁化が上向きおよび下向きの場合の抵抗値を示している。なお、図１６（ｂ１）、図１６（ｃ１）、図１６（ｄ１）においては、磁性プローブ３０は省略されている。また、図１６（ｂ２）。図１６（ｃ２）、図１６（ｄ２）における矢印は磁気参照層６の磁化の向きを示している。

図１６（ｂ２）に示す場合は、磁気参照層６の磁化が上向きの場合、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化に対して磁気参照層６の磁化は反平行状態となるので、メモリセル１の抵抗値は、Ｒ１＋Ｒ２となる。一方、磁気参照層６の磁化が下向きの場合には、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化に対して磁気参照層６の磁化は平行となるので、メモリセル１の抵抗値は、Ｒ０となる。

図１６（ｃ２）に示す場合は、図１６（ｂ２）に示す場合と逆状態であり、磁気参照層６の磁化の向きが上向きの場合はメモリセル１の抵抗値はＲ０となり、下向きの場合は、メモリセル１の抵抗値はＲ１＋Ｒ２となる。

図１６（ｄ２）に示す場合は、図１６（ａ２）に示す場合と逆状態が現れる。磁気参照層６の磁化の向きが上向きの場合はメモリセル１の抵抗値はＲ１となり、下向きの場合は、メモリセル１の抵抗値はＲ２となる。

以上説明したように、磁気参照層６に上下の磁界を磁性プローブ３０から加え、その場合の抵抗値を読むことで４通りの磁気記録層２、１０の磁化方向の組み合わせが読みとれることとなる。

次に、本実施形態の磁気メモリにおいて、再生時のスピードアップを図る方法について、図１７（ａ１）乃至図１７（ｄ２）を参照して説明する。図１７（ａ１）、図１７（ｂ１）、図１７（ｃ１）、図１７（ｄ１）は、第１および第２磁気記録層２、１０における磁化状態の４つの組み合わせを示す図であり、図１７（ａ２）、図１７（ｂ２）、図１７（ｃ２）、図１７（ｄ２）は、図１７（ａ１）、図１７（ｂ１）、図１７（ｃ１）、図１７（ｄ１）に示す場合のそれぞれの抵抗値を示す図である。本方法は、再生時のスピードアップを図るために、磁性プローバー３０には上向きの磁化Ｍしか励磁しない方法である。

第１および第２磁気記録層２、１０の磁化の方向が異なる向き場合、すなわち図１７（ａ１）、図１７（ｄ１）に示す場合では、磁気参照層６の磁化は膜面に略平行な方向を向く。しかし、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化の方向が同じ方向の場合、図１７（ｂ１）、図１７（ｃ１）の場合では、磁気参照層６の磁化は膜面に垂直な方向から少し傾いた方向に向く。図１７（ａ２）、図１７（ｂ２）、図１７（ｃ２）、図１７（ｄ２）に示すように、ある時刻ｔ１までは磁性プローブ３０を励磁せず、時刻ｔ１において励磁を開始した例である。なお、図１７（ａ２）、図１７（ｂ２）、図１７（ｃ２）、図１７（ｄ２）に示す矢印は、磁気参照層６の磁化の向きを示している。

図１６（ａ２）、図１６（ｂ２）、図１６（ｃ２）、図１６（ｄ２）においては、１０ｎｓ以上なスタティックな状態を示しており、図１７（ａ２）、図１７（ｂ２）、図１７（ｃ２）、図１７（ｄ２）においては、磁気参照層６の磁化が反転する過渡的な状態（〜１ｎｓ）を示しているため抵抗に勾配が付与されている。時刻ｔ１を境に、磁性プローブ３０に励磁が開始されると、図１７（ａ２）に示す場合では、磁気参照層６の磁化が横向き（膜面に略平行）であるため、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の中間的な抵抗から抵抗Ｒ２に向かって増加する。抵抗Ｒ１，Ｒ２の中間状態は、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化が反平行状態であることを示し、磁気参照層６に磁性プローブ３０から上向きの磁界の印加を開始して抵抗が増加し抵抗値Ｒ２になるのは、第２磁気記録層１０と磁気参照層６が反平行状態に向かうと言うことを示している。一方、同じ中間状態から、上向きの磁界の印加で抵抗値が減少し抵抗値Ｒ１になるのは、第１磁気記録層２の磁化が下向きであることを示す。すなわち、初期の抵抗値がわかり、その後、増加に転じるか（図１７（ａ２）に示す場合）、減少に転じるか（図１７（ｄ２））で、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化状態がわかることになる。

同様に、初期状態が抵抗値Ｒ１と抵抗値Ｒ０の中間であるというのは、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化が同じ方向であることを示し（図１７（ｂ１）、図１７（ｂ２）、図１７（ｃ１）、図１７（ｃ２））、磁性プローブ３０の励磁後、抵抗値Ｒ１＋Ｒ２に向かって上昇するのは図１７（ｂ１）、図１７（ｂ２）に示す場合であり、抵抗値Ｒ０に向かって減少するのは図１７（ｄ１）、図１７（ｄ２）に示す場合となる。この場合も初期状態とその後の抵抗変化方向がわかれば、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化状態がわかることとなる。このようにすることで、図１６（ａ１）乃至図１６（ｄ２）に示すような、スタティックな状態を用いた再生にくらべて、概略一桁早い再生が可能となる。

磁化の向きが膜面に平行である公知例（特開２００４−３５６６４２号公報）において磁界の局所的な印加を行うことは、サイズが２０ｎｍ程度ではもはや困難である。さらに、磁化の向きが膜面に平行の場合は、磁気参照層に実効的に大きな異方性を膜面内のある方向に付与することはほとんど不可能であるので、磁気参照層の磁化が垂直方向からある程度ずれることを利用する図１７（ａ１）乃至図１７（ｄ２）に示すような再生方法を実行することは不可能に近い。

本実施形態において、第１および第２磁気記録層２、１０が同じ情報（磁化の向き）を有するとき、例えば、（上向き、上向き）、（下向き、下向き）の場合は、弱い磁気異方性を有する磁気参照層６は、磁化が第１および第２磁気記録層２、１０の磁化と同じ方向を概略向くように設計されている。このため、第１および第２磁気記録層２、１０および磁気参照層６は一連の長い磁石と同じとなり、熱による不安定性が減少する。一方、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化が逆方向を向いているとき、例えば、（上向き、下向き）、（下向き、上向き）の場合は、磁気参照層６は横方向（膜面に略平行な方向）を向き、第１および第２磁気記録層２、１０からの磁束を逃すように働く、もしくは第1記録層および第2記録層の表面磁化間距離を磁気参照層分広げることでお互いのバイアス磁界をへらすことができる。そのため、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化が逆方向に向いていても熱による不安定性が減少する。その結果、熱的に安定した磁気メモリが提供することができる。

また、磁界を加えながら第１および第２磁気記録層２、１０の情報の記録および再生を行うことが可能となるため、多値化を図ることができ、より大容量の磁気メモリを提供することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、多値記録が可能となる磁気メモリを得ることができる。また、無通電時には磁気参照層６の磁化は膜面垂直からずれて第１および第２磁気記録層２、１０と反平行状態を作らないので熱的安定性に優れることとなる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気メモリを図１８（ａ１）乃至図１８（ｄ２）を参照して説明する。

本実施形態の磁気メモリは、第１実施形態の磁気メモリにおいて、磁性プローブ３０を削除した構成となっている。第１実施形態と同様に、メモリセル１は第１磁気記録層２、第１バリア層４、磁気参照層６、第２バリア層８、および第２磁気記録層１０がこの順序で積層された積層構造を有している。なお、図２に示すように、第１および第２バリア層の４、８の上下に磁性挿入層１２、１４、１６、１８が設けられていても良い。メモリセル１の上下には電極（図示しない）が配置され、メモリセルに電流を供給することができる。電流の向きは上向き、下向きの両方流すことができる。

第１磁気記録層２にはＦｅＰｔ（５ｎｍ）、磁性挿入層１２にはＦｅ−Ｃｏ合金（１．５ｎｍ）、第１バリア層４にはＭｇＯ（１．５ｎｍ）、磁性挿入層１４にはＦｅ−Ｃｏ合金（１．５ｎｍ）、磁気参照層６にはＴｂＦｅＣｏ（５ｎｍ）、磁性挿入層１６にはＦｅ−Ｃｏ合金（１．５ｎｍ）、第２バリア層８にはアルミナ（２．５ｎｍ）、磁性挿入層１８にはＦｅ−Ｃｏ合金（１．５ｎｍ）、第２磁気記録層１０にはＦｅＰｔ（１５ｎｍ）が用いられている。さらに上部にキャップ層１９としてＲｕ（３ｎｍ）が形成され、これら積層膜は３０ｎｍ直径の円柱に加工されている。

磁気参照層６の一軸磁気異方性定数Ｋ_ｕは１×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^３以下に設計され、無通電状態では磁化は斜め方向を向いている。また、スピントランスファー効果は第１磁気記録層２と磁気参照層６との間で大きな作用があるように設計されており、このため、第１バリア層４がＭｇＯ（１．５ｎｍ）、第２バリア層８がアルミナ（２．５ｎｍ）となっている。スピントランスファー効果による磁気参照層６の磁化反転はある臨界電流以上において、磁気参照層６から第１磁気記録層２に電子が流れることにより、磁気参照層６の磁化は、第１磁気記録層２の磁化と反平行となる。逆に第１磁気記録層２から磁気参照層６に電子が流れることにより、磁気参照層６の磁化は第１磁気記録層の磁化と平行となる。

次に、本実施形態の磁気メモリの再生方法を図１８（ａ１）乃至図１８（ｄ２）を参照して説明する。

図１８（ａ１）は、第１および第２磁気記録層２、１０および磁気参照層６の磁化方向と電子の流れを示す図であり、図１８（ａ２）は、そのときの抵抗値の変化を示す図である。第２磁気記録層１０の磁化が上向き、第１磁気記録層２の磁化が下向きの磁化情報を有している。これに図示していない上下電極から電子を供給し、第１磁気記録層２から第２磁気記録層に向かって電子を流す。磁気参照層６の磁化は無通電もしくは臨界電流値以下では横方向を向いている。時刻ｔ１にて通電が開始されると、第１磁気記録層２の情報が磁気参照層６にスピントランスファー効果でコピーされて、磁気参照層６の磁化が下を向く。このとき、磁気参照層６の磁化は、第１磁気記録層の磁化と平行であり、第２磁気記録層１０の磁化と反平行となるので、メモリセル１の抵抗は、Ｒ２になる。

図１８（ｂ１）は、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化が反平行状態で、かつ磁気参照層６から第１磁気記録層２に電子が流れる状態を示している。図１８（ｂ１）に示すように、電子を上述したように流すことで、横方向（膜面に略平行な方向）を向いていた磁気参照層６の磁化が第１磁気記録層２とのスピントランスファー効果で上方向を向き、第１磁気記録層２との間で磁化が反平行状態となることを示している。図１８（ｂ２）は臨界電流値を流し始めたとき、時刻ｔ１から抵抗値が抵抗値Ｒ１に近づいていくことを示している。この抵抗値Ｒ１は、磁気参照層６の磁化が第１磁気記録層２の磁化とは反平行状態でかつ第２磁気記録層１０の磁化とは平行状態であるときの、メモリセル１の抵抗値を示している。なお、第２磁気記録層１０の磁化が下向きで、第１磁気記録層２の磁化が上向きの場合も図１８（ｂ２）と同じ特性を有する。

図１８（ｃ１）は、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化がそれぞれ下向きの状態である場合を示す。膜面垂直からずれた方向にある磁気参照層６の磁化は、磁気参照層６から第１磁気記録層２に電子が流れるように通電することにより、スピントランスファー効果で上を向き、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化と反平行状態となることを示している。その場合、図１８（ｃ２）に示すように、メモリセル１の抵抗は、抵抗値Ｒ０と抵抗値Ｒ１との間の値からＲ１＋Ｒ２の状態に変化する。

その逆が図１８（ｄ１）、図１８（ｄ２）に示した状態で、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化は上を向き、膜面垂直からずれた磁気参照層６の磁化は、第１磁気記録層２から磁気参照層６に電子を流すことにより上方向を向き、第１および第２磁気記録層２、１０の磁化と平行状態となり、メモリセル１の抵抗は抵抗値Ｒ０となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、多値記録されたメモリセルの磁化状態を電流の向きだけで読み取ることができ、更に無通電時には磁気参照層６の磁化は膜面垂直からずれて第１および第２磁気記録層２、１０と反平行状態を作らないので熱的安定性に優れることとなる。

次に、以上説明した第１および第２実施形態における磁気参照層および磁気記録層の材料について説明する。
磁気参照層および磁気記録層は、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）のグループから選択される１つ以上の元素を含む磁性金属により構成する。

磁気記録層については、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒのグループから選択される１つ以上の元素と、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）のグループから選択される１つ以上の元素との組み合わせによる合金にすると、磁気記録層の一軸磁気異方性定数Ｋ_ｕが１×１０^７ｅｒｇ／ｃｃ程度と大きくなり、垂直磁気記録に適したものとなる。一軸磁気異方性定数Ｋ_ｕの値については、磁気記録層を構成する磁性材料の組成や、熱処理による結晶規則性などによっても調整できる。

磁気参照層は、例えば、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金や、Ｃｏ／Ｐｔの積層構造などにより構成してもよい。

なお、磁気記録層および磁気参照層を構成する磁性材料は、連続的な磁性体、又は非磁性体内に磁性体からなる微粒子がマトリクス状に析出した複合構造とすることができる。

一方、磁性挿入層は、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）のうちの１つ、またはＦｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）のグループから選択される１つの元素を含む合金から構成される。また、磁性挿入層は、ＣｏＮｂＺｒ、ＦｅＴａＣ、ＣｏＴａＺｒ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢなどの軟磁性材料、Ｃｏ_２ＭｎＳｉなどのホイスラー合金、ＣｒＯ_２、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３などのハーフメタルの酸化物又は窒化物、磁性半導体としてもよい。

次に、非磁性のバリア層について説明する。低抵抗材料と高抵抗材料の２通りについて説明する。

非磁性のバリア層には，読み出し時にＴＭＲ（tunnel magneto resistive）効果により大きな再生信号出力を得るためのトンネルバリア層としての絶縁材料を用いることができる。具体的には、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｓｉ（シリコン）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｆｅ（鉄）のグループから選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物、窒化物、又は弗化物により非磁性バリア層を構成することができる。特に、非磁性のバリア層は、Ａｌ_２Ｏ_３−ｘ（０＜ｘ＜３、アルミナ）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ_２−ｘ（０＜ｘ＜２）、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、ＺｎＯｘ、ＴｉＯ_ｘ、または大きなエネルギーギャップを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（ＧａＡｌＡｓ等）から構成するのが好ましい。

また、非磁性のバリア層に関しては、絶縁体に設けられたピンホール内に磁性材料が挿入されたナノコンタクトＭＲ（magneto resistive）材料や、絶縁体に設けられたピンホール内にＣｕが挿入されたＣＰＰ（current-perpendicular-to-plane）−ＣＰＰ−ＭＲ材料などから構成することにより、大きな再生信号出力を得ることができる。

非磁のバリア層がトンネルバリア層の場合、その厚さは、０．２ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲内の値とするのが大きな再生信号出力を得るに当たって好ましい。同様に、非磁性のバリア層がナノコンタクトＭＲ材料の場合、その厚さは、０．４ｎｍ〜４０ｎｍの範囲内の値とするのが大きな再生信号出力を得るに当たって好ましい。

本発明の一実施形態に係るメモリセルの基本構成を示す斜視図。 本発明の一実施形態に係るメモリセルの一具体例を示す断面図。 第１実施形態による磁気メモリを示す斜視図。 第１実施形態に係るメモリセルの電流経路を説明する図。 第１実施形態に係るメモリセルの磁気回路を説明する図。 第１実施形態に係るメモリセルのＭ−Ｈ曲線を示す図。 第１実施形態に係るメモリセルの磁化を説明する図。 第１実施形態に係るメモリセルの磁化を説明する図。 第１実施形態において、磁気参照層と磁気記録層とのＭ−Ｈ曲線を示す図。 第１実施形態に係るメモリセルの記録方法を説明する図。 第１実施形態に係るメモリセルの記録方法が安定であることを説明する図。 第１実施形態に係るメモリセルの記録方法を説明する図。 第１実施形態に係るメモリセルの記録方法を説明する図。 磁性プローブのサイズとメモリセルのサイズとの関係を示す図。 磁性層の磁化の向きは対向する状態のときの問題を説明する図。 第１実施形態に係るメモリセルの再生方法の一例を説明する図。 第１実施形態に係るメモリセルの再生方法の他の例を説明する図。 第２実施形態に係るメモリセルの再生方法の一例を説明する図。

符号の説明

１ メモリセル
２ 第１磁気記録層
４ 第１バリア層
６ 磁気参照層
８ 第２バリア層
１０ 第２磁気記録層
１２ 磁性挿入層
１４ 磁性挿入層
１６ 磁性挿入層
１８ 磁性挿入層
１９ キャップ層
２０ 軟磁性下地層
２２ 金属下地層
３０ 磁性プローブ
３２ 励磁コイル

Claims (8)

1. 第１強磁性層と、
   前記第１強磁性層上に形成される第１非磁性層と、
   前記第１非磁性層上に形成される第２強磁性層と、
   前記第２強磁性層上に形成される第２非磁性層と、
   前記第２非磁性層上に形成される第３強磁性層と、
   を有するメモリセルと、
   前記メモリセルに対して前記第３強磁性層側から電気的に接続されるとともに前記メモリセルに対して相対運動が可能でかつ自身の磁化の方向を変えることの可能な磁性プローブと、
   を備え、
   前記第１および第３強磁性層はそれぞれ膜面に垂直な磁化容易軸を有し、
   前記第２強磁性層は前記第１および第３強磁性層に比べて保磁力が小さくかつ磁化容易軸が膜面に垂直な方向に対して０度より大きく９０度以下の角度をなして傾いており、
   前記第２強磁性層の磁化は、前記磁性プローブから印加される磁界により膜面に垂直でかつ前記磁性プローブの磁化の方向に応じた方向に向くように制御されることを特徴とする磁気メモリ。
2. 前記第１および第３強磁性層の磁化が互いに逆向きのときは、前記第２強磁性層は磁化が膜面に平行な方向を向き、
   前記第１および第３強磁性層の磁化が同じ向きのときは、前記第２強磁性層は磁化が膜面に垂直な方向を向くことを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ。
3. 第１強磁性層と、前記第１強磁性層上に形成される第１非磁性層と、前記第１非磁性層上に形成される第２強磁性層と、前記第２強磁性層上に形成される第２非磁性層と、前記第２非磁性層上に形成される第３強磁性層と、を有するメモリセルを備え、前記第１および第３強磁性層はそれぞれ膜面に垂直な磁化容易軸を有し、前記第２強磁性層は前記第１および第３強磁性層に比べて保磁力が小さくかつ磁化容易軸が膜面に垂直な方向に対して０度より大きく９０度以下の角度をなして傾いている磁気メモリの再生方法であって、
   前記第１強磁性層から前記第２強磁性層へ電子を流入させることで前記第２強磁性層の磁化の向きを変化させるステップと、
   前記第２強磁性層と前記第３強磁性層との相対的な磁化の向きによる抵抗を測定することにより、前記第１強磁性層の磁化の向きを検知するステップと、
   を備えたことを特徴とする磁気メモリの再生方法。
4. 前記第１および第３強磁性層の磁化が互いに逆向きのときは、前記第２強磁性層は磁化が膜面に平行な方向を向き、
   前記第１および第３強磁性層の磁化が同じ向きのときは、前記第２強磁性層は磁化が膜面に垂直な方向を向くことを特徴とする請求項３記載の磁気メモリの再生方法。
5. 請求項１または２記載の磁気メモリの再生方法であって、
   前記磁性プローブの磁化の方向を調整することによって前記第２強磁性層の磁化を膜面に垂直な方向に向けさせるステップと、
   前記磁性プローブを用いて前記第１強磁性層と前記第３強磁性層間に電流を流すことにより、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の電気抵抗と、前記第２強磁性層と前記第３強磁性層との間の電気抵抗との和を読みとるステップと、
   を備えていることを特徴とする磁気メモリの再生方法。
6. 膜面に垂直な前記第２強磁性層の磁化の向きを、前記磁性プローブの磁化を調整することにより、反転させるステップと、
   前記第２強磁性層の磁化の反転前後における前記第１および第３強磁性層の相対的な磁化の方向を読み取るステップと、
   を備えていることを特徴とする請求項５記載の磁気メモリの再生方法。
7. 請求項１または２記載の磁気メモリの書き込み方法であって、
   前記磁性プローブの磁化の向きを調整することにより、前記第２強磁性層の磁化を膜面に垂直方向に向かせるステップと、
   前記磁性プローブからの磁界が印加された状態で前記第２強磁性層を介して前記第１強磁性層と前記第３強磁性層との間で電子を流すことにより、前記第１強磁性層および前記第３強磁性層のうち、前記第２強磁性層を通って電子が流入した方の強磁性層の磁化の向きを前記第２強磁性層の磁化と同じ向きとなるように変化させるステップと、
   を備えていることを特徴とする磁気メモリの書き込み方法。
8. 前記第１強磁性層もしくは前記第３強磁性層の一方の磁化の向きを前記第２強磁性層の磁化の向きとなるように変化させた後、前記磁性プローブの磁化の向きを調整して前記第２強磁性層の磁化の向きを反転するとともに前記磁性プローブからの磁界が印加された状態で電子の流す向きを逆向きにして前記第１および第３強磁性層のうちのもう一方の磁化の向きを反転させるステップを更に備えていることを特徴とする請求項７記載の磁気メモリの書き込み方法。

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