JP2006073930A - 磁壁移動を利用した磁気抵抗効果素子の磁化状態の変化方法及び該方法を用いた磁気メモリ素子、固体磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】高アクセスが可能で、長期データ保存が可能な磁気固体メモリを提供する。
【解決手段】第一の磁性層と、中間層と、第二の磁性層を有し、情報を第一の磁性層と、第二の磁性層との磁化の方向で記録する磁気メモリ素子であって、少なくとも一方の磁性層内に互いに反平行磁化となる磁区とそれらの磁区を隔てる磁壁を定常的に形成し、前記磁壁を磁性層内で移動させることで、隣り合う磁区の位置を制御することで、情報記録を行う磁気メモリ素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた不揮発の固体磁気メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びその情報記録方法に関するものであり、特に、磁性膜として膜面垂直方向に磁化容易軸を有する磁気抵抗素子と該磁気抵抗素子を用いた固体磁気メモリに関するものである。

磁気抵抗効果は、磁性体に磁界を加えることによって電気抵抗が変化する現象であり、磁界センサや磁気ヘッドなどに利用されている。たとえば、強磁性体を用いた磁気抵抗効果素子は、温度安定性に優れ、かつ使用範囲が広いという特徴を有している。

巨大磁気抵抗効果では、磁性層と非磁性層とを数ｎｍの周期で交互に積層し、非磁性層を介して相対する磁性層の磁気モーメントを反平行状態で磁気的に結合させた積層膜、いわゆる人工格子膜で形成された交換結合膜が注目されている。たとえば、Ｆｅ／Ｃｒの人工格子膜や、Ｃｏ／Ｃｕの人工格子膜などが見出されている。

これに対し、非磁性金属層を介して強磁性層を積層した強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる金属サンドイッチ膜において、強磁性層間の交換結合がなくなる程度に非磁性金属層の膜厚を厚くし、かつ一方の強磁性層に接してＦｅＭｎなどの反強磁性層を配置して交換結合させることにより、強磁性層の磁気モーメントを固定し、他方の強磁性層のスピンのみを外部磁場で容易にスイッチできるようにした、いわゆるスピンバルブ膜が知られている。

スピンバルブ膜では、２つの強磁性層間に交換結合がないため、小さな磁場でスピンをスイッチできるので、交換結合膜に比べて感度の高い磁気抵抗効果素子を提供でき、高密度磁気記録用再生ヘッドとして、現在実用化されている。更に、ＭＲＡＭのメモリ素子としても開発がなされている。（特許文献１）
以上は膜面内に電流を流した場合の磁気抵抗効果であるが、膜面に垂直方向に電流を流す、いわゆる垂直磁気抵抗効果を利用すると、さらに大きな磁気抵抗効果が得られることも知られている。（特許文献２）
さらには、強磁性層／絶縁体層／強磁性層からなる３層膜において、外部磁場によって２つの強磁性層のスピンを互いに平行または反平行にすることにより、膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが互いに異なることを利用した、強磁性トンネル接合による巨大磁気抵抗効果（ＴＭＲ）も知られている。

最近では、巨大磁気抵抗効果素子や、強磁性トンネル効果素子を磁気メモリ素子に利用することも研究されている。これらの素子を磁気メモリ装置に利用する場合には、これらの素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加し、各素子を構成する２つの磁性層を互いに平行または反平行に制御することにより、"１"、"０"を記録させる。読み出しはＧＭＲ効果またはＴＭＲ効果を利用して行う。（特許文献３）
また、電流パルスによる磁壁移動現象が報告されており、これは次のように考えられる。電流パルスを磁性体中に流すと、磁性体中の磁区の影響でスピン偏極電子が生成される。このスピン偏極電子が磁性体に注入されると、電子スピンが蓄積される効果と電子スピンが移動する効果が生じる。この２つの効果のためにスピン注入された磁性体中の電子スピンはスピン分極する。この分極したスピンが、磁壁まで移動されると磁壁で内部磁場が発生する。この内部磁場の効果により、磁壁移動が誘起されると考えられている。（非特許文献１）
特開平０９−０９１９５１号公報 特開２０００−２２８００２号公報 特開２００１−２３７４７２号公報 産業技術総合研究所ワークショップ（２００３年６／３〜６／４）"スピントロニクスの新しい潮流"ｐ２０

しかし、従来の磁気メモリ装置は、高密度記録化のために素子サイズを小さくすると膜面内方向の反磁界が大きくなる。このため、その反磁界に打ち勝って記録状態を安定化するためには、記録層の膜面内磁気異方性を大きくする必要がある。この場合、記録に要する電流磁界が大きくなり、配線に大きな電流を流す必要性が生じる。その結果、パワーの大きい電源を要するうえに、電流密度が大きくなりエレクトロマイグレーションが生じて配線が破断する場合が生じる等の問題があった。このような電流密度増大の傾向は、原理的に素子サイズが小さくなるほど大きくなる。このように、電流磁界誘起のみで選択的に記録を行なう方法では、微細化限界が生じることは避けることができない。

本発明は、従来の方法とは異なる磁化反転方法であり、更にこの磁化反転方法を実現する磁気抵抗効果素子を提供することを目的とするものである。この磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ装置は、情報記録に要するパワーを低減し、更に、素子サイズに依存しない情報記録方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明の磁気メモリ素子は中間層を介した、第１の磁性層と第２の磁性層を有する磁気抵抗効果素子部分の第二の磁性層の中間層界面での磁区が、他方の磁性層と平行又は反平行の磁化の向きを持つ部分を有する構成を特徴としている。

また、本発明の固体磁気メモリは、前記磁気メモリ素子の磁壁領域を、電流や熱的な相互作用で移動させることで、第一の磁性層と第二の磁性層の中間層領域界面の磁化の向きの平行、反平行状態を制御することによって、メモリ機能を生じさせることを特徴とする。

尚、
強磁性トンネル磁気抵抗素子では、中間層界面での磁性体のスピン偏極度が大きく磁気抵抗効果に寄与するため、メモリの読み出し信号である磁気抵抗比には、中間層界面近傍の磁化状態が最も大きく影響する。

すなわち、本発明による磁気抵抗効果素子では、磁壁の移動により、中間層界面に接触している磁性層領域の磁区が移動し、固定磁化層である第１の磁性層の磁化の向きと平行、反平行状態を形成し、情報記録ができるような構成になっている。

また、磁壁が形成される磁性層領域を磁性細線とすることで、複数個のメモリ素子が集積した固体磁気メモリを形成することができる。半導体基板上にビット線と、磁性細線を交差するように配置し、それらの交点に中間層と固定磁化層となる磁性層を形成して記憶素子とする。磁性細線中の磁壁を磁性細線中に流す電流パルスとビット線に流した電流から誘起された磁界の両方を同時に素子に印加することで、選択的に素子の情報を記録することができる。

さらに、磁性層中の磁壁移動させる方法は、非特許文献１に記載されているパルス電流あるいはパルス電流と電流磁界の組み合わせだけでなく、ヒーター素子などを用いて、熱的に磁壁移動現象を誘起させることも可能である。

本発明は、従来にない新しいデータの高速書き込み方法を提供するもので、この結果高速アクセスが可能で、長期データ保存が可能な磁気固体メモリが提供できる。

電流誘起磁界をほとんど用いずに、情報書き込みができるため、微細化による消費電流の増大を低減させる効果があり、低消費電力の固体磁気メモリが提供できる。

本発明の磁気メモリ素子は、情報の記録の機能を有する磁性膜内に、定常的に（少なくとも情報記録再生を行なうことが可能な状況下において）磁壁を有しており、該磁壁を移動させることによって、各記録単位（ビット）の記録層内の、磁化方向成分を右、左（もしくは上、下）のいずれかが支配的になるようにすることによって情報の記録を行なうものである。

したがって、基本的に記録層の磁化は反転することなく、その面積が磁壁の移動によって制御されることになる。

このような磁気メモリ素子を用いた固体磁気メモリにおいては、メモリ素子の１ビットが少なくとも、磁壁と磁区により構成される磁性膜から成り、前記メモリ素子が行列状に配置されている。さらに、メモリ素子を構成する磁性層が電流磁界誘起型メモリの書き込み線を兼ねているため、配線を削減することが可能となり、メモリの構造が単純となり、周辺回路も簡便なものとなる。

磁壁の移動は磁性層の平坦さに関係しているため、素子を微細化しても、磁壁を移動させるパルス電流値、もしくは加熱温度が増大することはなく、微細化による書き込み電流密度の増大を招くこともない。

本発明の固体磁気メモリは、上述の磁気メモリ素子を複数個ビット線に接続し、複数の磁気メモリ素子から少なくとも１以上の磁気メモリ素子を選択する選択手段を有し、選択手段により選択された磁気メモリ素子の第二の磁性層に少なくともパルス電流および／または熱を印加する手段を有し、パルス電流および／または熱により第二の磁性層に選択的に情報を記録することができる。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。

＜第１の実施例＞
まず、本発明のメモリの一実施例を図に基づいて説明する。図１は、本実施例の固体磁気メモリの概念を説明するための図であり、図２は図１の磁気メモリ素子領域の斜視図である。

図１に示す固体磁気メモリは、第１の実施例では、少なくとも固定磁化層となる第一の磁性層１、中間層２、磁壁と磁区を持つ第二の磁性層３、素子読み出し時の選択トランジスタ８と接合されているプラグ電極４、磁壁と磁区が形成されている磁性層３を主体として形成された配線５、ビット線６、選択トランジスタの駆動を制御するデータ線７とを含んでいる。

固体磁気メモリは、磁壁と磁区が形成されている磁性層３を主体として形成された配線５の磁性層３上に磁性層３よりも狭く、磁性層３の配線５と接続される両端が露出するように磁性層３上に形成された中間層２および上部磁性層１と磁性層３の該中間層が形成された面と対向する面に、中間層２と対向して形成されたプラグ電極４とを有している。更に、上部磁性層１はビット線６と接続され、プラグ電極４は素子読み出し選択トランジスタ８の電極の一端に接続され、素子読み出し選択トランジスタ８のゲート電極はデータ線７に接続されている。

図２は、図１のメモリ素子領域１２の拡大斜視図で、第１の実施例では磁壁と磁区とをもつ磁性層３は、平行又は反平行に磁化の向きが揃った磁区領域１０と磁区を隔てる磁壁領域９で構成されている。

メモリ素子領域１２に形成される磁気メモリ素子は、図２に示されるように、磁壁と磁区が形成されている磁性層３を主体として形成された配線５の磁性層３上に磁性層３よりも狭く、磁性層３の配線５と接続される両端が露出するように磁性層３上に形成された中間層２および上部磁性層１と磁性層３の該中間層が形成された面と対向する面に、中間層２と対向して形成されたプラグ電極４とを有し、磁性層３は、平行又は反平行に磁化の向きが揃った磁区領域１０と磁区を隔てる磁壁領域９で構成されている。尚、本実施例では、上部磁性層１は、中間層２と対向する面でビット線６と接しているが、ビット線６と上部磁性層１とは接続プラグを介して接続されていても良いことはいうまでもない。

図３は、磁気メモリ素子を行列状に配した５×５ビットの固体磁気メモリの構成を説明するための上面概念図である。

図３に示されるように、本実施例の固体磁気メモリは、互いに直交する書き込み線５とビット線６との間に形成される磁気メモリ素子を含むメモリ素子領域１２と書き込み線の両端に形成された選択する書き込み線選択トランジスタ１１を含み、書き込み線５には磁区１０が形成されている。

選択された書き込み線５にパルス電流を流すためのスイッチ素子である書き込み線選択トランジスタ１１をオンにすることで電源（不図示）から書き込み線５にパルス電流を印加する。図示していないが、ビット線６の両端にもビット線を選択するスイッチング素子であるビット線選択トランジスタが形成され、ビット線６を選択する際にビット線選択トランジスタをオンにしてビット線に電流を印加している。

図３では書き込み線５全体が磁壁と磁区とを持つ磁性層３で形成されているが、メモリ素子領域１２にのみ磁性層３を形成し配線で磁性層３を接続することもできることはいうまでもない。

図４は、図２の磁気メモリ素子の記録状態を示す図である。

磁気メモリ素子の固定磁化層である上部磁性層１の磁化の向き１３と、磁性層３の磁区領域の磁化の向き１０とが平行の場合（図４（ａ））の状態を「０」、反平行の場合（図４（ｂ））を「１」としている。

本実施例では、上部磁性層１および磁性層３を形成する磁性膜は、膜面垂直方向に異方性を有し、さらに情報記録の機能を有するメモリ領域となる磁性層３内には、磁壁と磁区が形成されている。外部より印加磁界がない場合、第一の磁性層の磁化の向き１３及び、磁化の向きが揃った磁区領域１０は、磁壁が静止状態となるため、図４（ａ）あるいは図４（ｂ）に示された状態になる。

図４（ａ）の「０」の場合、上部磁性層１および磁性層３（第１、２の磁性層）の磁化方向が平行となり抵抗が低く、図４（ｂ）の「１」の場合、上部磁性層１および磁性層３（第１、２の磁性層）の磁化方向が反平行となり抵抗が高い。本実施例の磁気メモリ素子は１素子が、図４（ａ）、（ｂ）の２つの状態をもつために１素子で１ビットを記録することができる。なお、図４においては、磁性層３（第２の磁性層）は、全ての磁区が上向きもしくは下向きとなっているが、少なくとも、磁性層３の中間層２と接する領域の半分以上の磁区が、情報に対応する磁化の向きを有していればよい。

次に、磁気メモリ素子の記録動作について図５を用いて説明する。

図５では初期状態が図４（ｂ）に示す「１」の状態を「０」の状態に変化する場合について説明する。

初期状態は、図４（ｂ）示したい状態である。図４（ｂ）の状態の磁性層３に補助記録電流１５をビット線１６に、記録電流１４を書き込み線５に印加し、中間層２と接する磁性層３の磁化を反転させる動作について説明する。図５に示すように、磁気メモリ素子の書き込み線５内の磁壁と磁区を持つ磁性層３に１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ、１×１０^-3〜１×１０^-1ｍＡの記録電流１４を磁化方向が上向きになる方向に流すと、磁壁移動が発生する。電流値を、磁壁移動が発生する電流値よりもやや低めの８×１０^-4〜８×１０^-2ｍＡに設定し、さらに、同時にビット線６に情報の記録の補助となる補助記録電流１４を書き込み線５内の磁壁と磁区を持つ磁性層３に上向きの磁界が発生する方向に１×１０^-4〜１×１０^-3ｍＡ印加し、弱い電流誘起磁界をメモリ素子に印加させると、選択されたメモリ素子の磁壁だけが移動する。この結果、選択されたメモリ素子の初期状態で中間層界面に接していた磁壁と磁区を持つ磁性層内での磁区が、移動し、図４（ａ）に示す異なる磁化の方向を持つ磁区が中間層界面に接することになる。

記録電流１４および補助記録電流１５の方向は、記録状態をビット「１」から「０」にする場合と、「０」から「１」にする場合では逆方向に流す。電流の流した方向に磁壁移動が生じる。同図では、ビット「１」を「０」にする場合を示している。

尚、記録動作時は、選択したメモリ素子が接続しているビット線６及び磁区と磁壁が形成された磁性層３を含む書き込み線５に接続されている選択トランジスタ１１及びビット線のオン／オフを制御する選択トランジスタ（不図示）はオン状態にする。

この記録過程は消去過程がない重ね書き記録である。

なお説明を簡単にするために、上記記録過程においてメモリ素子１２に印加する補助記録電流１５は直流電流を印加する説明になっているが、パルス電流を用いることができることはいうまでもない。補助記録電流１５にパルス電流を用いる場合、図５（ａ）のＡ点での記録電流１４と図５（ａ）のＢ点での補助記録電流１５とのタイミングチャートを図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）では、補助記録電流が先にＢ点に達するタイミングとなっているが、記録電流１４により磁壁が移動するタイミングで補助記録電流１５印加されていれば良く、記録電流１４が先にＡ点に到達するタイミングであっても構わない。磁壁の移動を考慮すると、記録電流と補助記録電流のパルスが１ｎｓ以上オーバーラップしていれば良いが、同一タイミングで印加されることが好ましい。

また、ビット線６に補助記録電流１５を流さなくても記録電流だけで記録は可能である。ただし、行列状に配置されたメモリ素子の中から、１つのメモリを選択するときは、記録電流と、ビット線を併用した方が好ましいが、ビット線に流す補助記録電流１５の電流値は読み出し時の電流値と同程度で良く、電流磁界誘起のみで情報の記録を行なう場合に比べて大幅に消費電流を削減することが可能となる。

つぎに磁気メモリ素子に記録された記録状態の読出し方法について説明する。

図６は、読み出し過程を説明するための磁気メモリの回路構成の概念を示す回路図である。

図６（ａ）は、磁気メモリ素子構成とそれに対応する記号を示す図で、図６（ｂ）は２×２ビットの固体磁気メモリの回路図を示している。

磁気メモリ素子は、磁壁と磁区とを持つ磁性薄膜３に対向して形成されたプラグ電極４と中間層２と上部磁性層１とからなり、上部磁性層に上部端子３０が形成され、磁壁と磁区とを持つ磁性薄膜３に第１の端子、第２の端子が形成され、プラグ電極４にプラグ端子３３が形成されている。

図６（ｂ）は単位セルが２×２ビットの固体磁気メモリの回路図は、ビット線６及びビット線６の両端に形成されたビット線選択トランジスタ１９、書き込み線５及び書き込み線５の両端に形成された書き込み線選択トランジスタ１１、読み出し素子選択線２６と読み出し素子選択線２６にゲートが接続され一端が磁気メモリ素子のプラグ端子３３に接続され他端がワード線１８に接続された読み出し素子選択トランジスタ及びメモリ素子とからなっている。メモリ素子は、書き込み線５の両端に形成された書き込み線選択トランジスタに第１の端子３２および第２の端子書３３を介して直列に接続されている。

ビット線選択トランジスタ１９は図示しないビット線選択回路とゲートで接続し、一端が書き込み線５と接続している。ビット線選択トランジスタ１９の他端は、図示しない隣接する他の単位セルのビット線６と接続している。

書き込み線選択トランジスタ１１は図示しない書き込み線選択回路とゲートで接続され、一端が書き込み線５と接続されている。書き込み線選択トランジスタ１１の他端は、図示しない隣接する他の単位セルの書き込み線５と接続されている。

磁気メモリ素子に記録された記録状態の読出し方法は、選択された磁気素子が接続されているビット線の両端のビット線選択トランジスタ１９と選択された磁気メモリ素子に接続された読み出し素子選択トランジスタ１１とをオンにし、他の選択トランジスタを全てオフにする。

この結果、選択された磁気メモリ素子の上部端子３０とプラグ端子３３の間に電流が流れる。メモリ素子の上部磁性層１と該上部磁性層１に対向する磁壁と磁区とを持つ磁性薄膜３との磁化が平行であれば、トンネル電流は小さく、反平行であれば、大きくなるような磁気抵抗効果を示すため、読み出しを選択したメモリ素子の記録状態を読み出すことができる。実際は、ビット線に接続された図示していないセンスアンプと、参照素子の抵抗値を比較して「０」、「１」を判別することができる。

本実施例の固体磁気メモリは、スイッチング素子は、シリコン基板であれば通常のＣＭＯＳプロセスを用い、基板がガラス基板であれば、高温ポリシリコンプロセスあるいは低温ポリシリコンプロセスを適用することで製造することができ、磁気メモリ素子の磁性薄膜は、希土類金属、遷移金属合金などの磁性薄膜を、１０〜５００ｎｍの膜厚でスパッタ成膜したものであり、中間層は、Ａｌ₂Ｏ₃等の絶縁膜を０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度に成膜し、酸化処理を施すことで製造することができる。

尚、上部磁性層（ＴｂＦｅ）、中間層（Ａｌ₂Ｏ₃）の寸法は、０．１×０．１μｍ、プラグ電極は、アルミ合金で寸法が０．１×０．１μｍ、厚さ２００ｎｍ、磁壁と磁区とを持つ磁性薄膜３（ＧｄＦｅ）は、寸法０．１×２０μｍであり、ビット線・ワード線等の配線はアルミ合金で、幅０．１μｍ、厚さ１μｍで製造した。

本実施例では、磁性膜として、希土類金属と遷移金属の合金膜をスパッタ成膜したものを用いているが、この磁性膜の機能として、磁壁と磁区を形成できることが必要であって、それを満たす磁性膜であれば、いかなる材料でも良い。また、中間層として、Ａｌ₂Ｏ₃膜を用いているが、この絶縁膜の機能として、トンネル効果が生じる必要があって、それを満たす絶縁膜であれば、いかなる絶縁膜でも良い。

したがって、本発明では、Ｔｂ，Ｇｄ、Ｄｙ、などの希土類金属とＦｅ，Ｃｏ，Ｍｎ等の磁性薄膜をスパッタ成膜させて、例えば、１０ｎｍ〜１μｍ程度の厚さの膜とするか、または蒸着等で、磁気異方性を誘発させるなどして、前記条件を満足させる磁性膜として用いることができる。成膜方法については、スパッタなどの物理的蒸着方法、ＣＶＤなどの化学的蒸着方法のいずれの方法も用いることができる。

前述の説明では、メモリセルの構成を５×５ビットあるいは２×２ビットとした例を用いて説明したが、ビット構成は全くの任意であり、ビット数もメガビット、ギガビットのレベルであったほうが好ましい。

また、比較電圧の発生回路であるセンスアンプの動作は、比較用メモリ素子より発生する電圧等により行うことができるし、抵抗間電圧を用いるなど、他の方法であっても同様の効果を得ることができる。
＜実施例２＞
実施例２は、熱勾配を形成することで磁壁移動する固体磁気メモリを実現したものである。

実施例１は、パルス電流と、電流誘起磁界により磁壁移動を生じさせる例について示したが、本実施例は、ヒーター素子からの熱勾配による磁壁移動によるメモリを実現したものである。

本実施例の磁気メモリ素子の構成は、図４で説明した磁気メモリ素子のプラグ電極を挟んで対向するようにヒーターを設けたものである。

本実施例の磁気メモリ素子の概略構成を、図７を用いて説明する。

磁壁と磁区とを持つ磁性薄膜３上に中間層２と上部磁性層１との積層膜が形成され、磁壁と磁区とを持つ磁性薄膜３の該積層層が形成されている面と対向する面にプラグ電極４が形成されている。磁壁と磁区とを持つ磁性薄膜３のプラグ電極４が形成されている面に、プラグ電極４を挟んで磁壁移動を制御するためのヒーター素子２０が２個所形成されている。ヒーター素子２０は、磁壁と磁区とを持つ磁性薄膜３上に絶縁膜（不図示）を介して形成されている。固体磁気メモリは、少なくともこの磁気メモリ素子の上部磁性層と接続するビット線６を有し、ヒーター素子２０は、ヒーター素子２０に一端が接続され、ゲート端子がヒーター素子選択線２２に接続され、他端が電源回路に接続されたヒーター素子選択トランジスタを有している。ヒーター材としては、ＴａＳｉＮ等の金属窒化珪化物が熱効率も高く好ましい。

２つのヒーター素子２０のどちらか一方のヒーター素子に電流を流して、磁性細線を部分的に昇温させることにより、磁壁と磁区とを持つ磁性薄膜３に温度勾配を設けることで磁壁移動を誘起して、情報記録を行う。

磁壁移動を誘起させる磁性膜は、磁壁が移動しないように磁壁抗磁力の高いＴｂ系材料と、交換結合を生じさせる反強磁性層と磁壁移動を行うためにＴｂ系材料に比べ磁壁抗磁力の低いＧｄ系材料との３層構造になっている。ヒーターからの温度がＴｂ系材料のＣｕｒｉｅ温度Ｔｃ以下の領域において、Ｔｂ系材料の磁壁がＧｄ系材料に転写されている．これら３層は交換結合しているため磁壁は移動できない。ヒーターからの温度がＴｃに差し掛かったとき、３層間の交換結合が切断される。磁壁移動する磁性層内では、ヒーター加熱により温度勾配が生じており、高温の方が、磁壁エネルギーが低いため、高温側へＧｄ系材料の磁壁が移動する。その後、ヒーターをオフにし、Ｔｃ以下に温度が下がると、交換結合により、磁壁が固定される。情報を書き換える場合は、反対側のヒーターを同様に加熱、冷却させると、情報の書き換えを行うことができる。

なお、ヒーター加熱による温度勾配は、ヒーター直上で最高温度を持てば良く、隣接する素子のＴｃを超えない程度まで昇温可能である。

以下に書き込み動作を説明する。

ヒーター素子選択トランジスタ２１は、ヒーター素子２０に通電、遮電するためのトランジスタで、ヒーター素子選択線２２信号によりオン／オフが制御される。第二の磁性層３は、第一の磁性層１と中間層界面を介して接触し、またヒーター素子２０とは熱的に結合している。

ヒーター素子選択トランジスタ２１のゲート端子に接続されたヒーター素子選択線２２の信号（電圧）により、ヒーター素子２０に通電され、磁壁と磁区を持つ磁性薄膜３が部分的に加熱される。

第二の磁性層３は、初期状態として、膜面に垂直方向に一様に磁化されている磁区により構成されている。図７に示すメモリセル領域には、情報"０"、"１"が記録される。記録状態は、図４で説明したように、第一の磁性層１の磁化方向と、第二の磁性層３内の中間層界面と接触している磁区部分の磁化の方向とが、平行か、反平行かによって判別され、本実施例も実施例１と同様に、平行状態を「０」、反平行状態を「１」とした。データを書き込む場合、いずれかのいずれかのヒーター素子選択線２２に信号を入力し、一方のヒーター素子選択トランジスタ２１をオン状態にする。これにより、該ヒーター素子選択トランジスタに接続されたヒーター素子２０が加熱され、加熱されたヒーター素子２０と熱的に結合している第二の磁性層３の一部分の温度が上昇し、加熱された第二の磁性層３近傍の磁壁が、磁壁のエネルギーが小さくなる高い温度領域に移動することで、中間層２の界面上の磁性の磁区領域を移動させることができる。具体的にはヒーター素子を２００〜６００℃まで上昇させ図７（ｂ）に示す温度勾配を設ける。

上記説明と逆の方向に磁化させる場合は、逆のヒーター素子を選択することで記録することができる。

この記録過程は、消去過程がない重ね書き記録である。

磁性メモリ素子・配線等の寸法や材料は実施例１と同様である。

つぎに読み出し方法について説明する。図８に図６の記録状態のメモリ素子のワード線２４に読出し電流を流したときの再生過程の図を示す。

図８は、読み出し過程を説明するための固体磁気メモリの回路構成の概念を示す回路図である。

図８（ａ）は、磁気メモリ素子構成とそれに対応する記号を示す図で、図８（ｂ）は２×２ビットの固体磁気メモリの回路図を示している。

磁気メモリ素子は、磁壁と磁区とを持つ磁性薄膜３に対向して形成されたプラグ電極４と中間層２と上部磁性層１とからなり、上部磁性層に上部端子３０が形成され、磁壁と磁区とを持つ磁性薄膜３に第１の端子、第２の端子が形成され、プラグ電極４にプラグ端子３３が形成されている。

図８（ｂ）は単位セルが２×２ビットの固体磁気メモリの回路図は、ビット線６及びビット線６の両端に形成されたビット線選択トランジスタ１９、書き込み線５及び書き込み線５の両端に形成された書き込み線選択トランジスタ１１、読み出し素子選択線２６と読み出し素子選択線２６にゲートが接続され一端が磁気メモリ素子のプラグ端子３３に接続され他端がワード線１８に接続された読み出し素子選択トランジスタ１７及びメモリ素子とからなっている。

書き込み線５の両端に形成された書き込み線選択トランジスタの間に、２個のメモリ素子が、第１の端子３１および第２の端子３２を介して直列に接続され、さらに、メモリ素子の下面にはヒーター素子１が形成されている。尚、図７で説明した、ヒーター素子と接続されているヒ−ター素子選択トランジスタおよびヒーター素子選択線は省略している。

ビット線選択トランジスタ１９は図示しないビット線選択回路とゲートで接続し、一端が書き込み線５と接続している。ビット線選択トランジスタ１９の他端は、図示しない隣接する他の単位セルのビット線６と接続している。

書き込み線選択トランジスタ１１は図示しない書き込み線選択回路とゲートで接続され、一端が書き込み線５と接続されている。書き込み線選択トランジスタ１１の他端は、図示しない隣接する他の単位セルの書き込み線５と接続されている。

このとき、選択された磁気メモリ素子が接続されているビット線１９と読み出し素子選択線２６を活性化することで選択された磁気メモリ素子の中間層に電流が流れる。中間層界面上下両側の磁区領域の磁化の向きが平行であれば、トンネル電流は小さく、反平行であれば、大きくなる磁気抵抗効果を示すため、読み出しを選択したメモリ素子の記録状態を読み出すことができる。

実際は、ビット線に接続された図示していないセンスアンプと、参照素子の抵抗値を比較して「０」、「１」を判別する。

本発明のメモリにおけるメモリ素子の一実施例の構成を示す図。 実施例１におけるメモリ素子の斜視図。 実施例１のメモリ素子を行列状に配置した複数ビットのメモリの構成を示す図。 本発明の記録状態を示す図。 本発明の記録過程を示す図。 本発明のメモリ素子の再生過程を示す図。 本発明のメモリ素子の実施例２の記録過程を示す図。 本発明のメモリ素子の実施例２の再生過程を示す図。

符号の説明

１ 上部磁性層
２ 中間層
３ 磁壁と磁区を持つ磁性層
４ プラグ電極
５ 書き込み線
６ ビット線
７ データ線
８ 素子読み出し選択トランジスタ
９ 磁壁
１０ 磁化の向きが揃った磁区領域
１１ 書き込み線選択トランジスタ
１２ メモリ素子領域
１３ 上部磁性層の磁化の向き
１４ 記録電流
１５ 補助記録電流
１６ 磁区内の磁化の向き
１７ 読み出し素子選択トランジスタ
１８ ワード線
１９ ビット線選択トランジスタ
２０ ヒーター素子
２１ ヒーター素子選択トランジスタ
２２ 書き込み選択用データ線
２３ 素子読み出し選択トランジスタ
２４ データ線
２５ ビット線選択トランジスタ
２６ 読み出し素子選択線

Claims (6)

1. 第一の磁性層と中間層と第二の磁性層とを有し、情報を第一の磁性層と、第二の磁性層との磁化の方向で記録する磁気メモリ素子であって、少なくとも一方の磁性層内に互いに反平行磁化となる磁区とそれらの磁区を隔てる磁壁を定常的に形成し、前記磁壁を磁性層内で移動させることで、隣り合う磁区の位置を制御して情報記録を行うことを特徴とする磁気メモリ素子。
2. 少なくとも第一の磁性層と中間層と第二の磁性層とが積層され、情報を第一の磁性層と、第二の磁性層との磁化の方向で記録する磁気メモリ素子であって、
   第二の磁性層は、磁性層内に互いに反平行磁化となる磁区とそれらの磁区を隔てる磁壁を定常的に形成し、
   前記第二の磁性層が、前記第二の磁性層を流れる電流方向で前記中間層から露出した面を有することを特徴とする磁気メモリ素子。
3. 前記第二の磁性層は膜面垂直方向に磁気異方性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気メモリ素子。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子の、前記第二の磁性層内にあらかじめ形成した磁壁を、電流および／または熱を用いて移動させる手段を有することを特徴とする固体磁気メモリ。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子に接続されたビット線を有し、前記第二の磁性層は、複数個の前記磁気メモリ素子に共通に設けられており、前記磁壁は、前記磁気メモリ素子の各々に設けられ、前記第二の磁性層内に電流を流すと共に、前記ビット線に電流を流すことで得られる電流磁界の両方を用いることで、選択的に情報記録することを特徴とする固体磁気メモリ。
6. 請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子近傍に配置された加熱手段を有し、前記第二の磁性層は、複数個の前記磁気メモリ素子に共通に設けられ、前記磁壁は、前記磁気メモリ素子の各々に設けられ、前記第二の磁性層内にパルス電流を流すと共に、前記加熱手段により特定の磁気メモリ素子近傍の温度を上昇させることによって、選択的に情報記録することを特徴とする固体磁気メモリ。

Images