JP4575101B2 - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ - Google Patents
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Description
本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関する。
磁性体膜を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッド、磁気センサなどに用いられているとともに固体磁気メモリ(ＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory))に用いることが提案されている。
近年、２つの磁性金属層の間に１層の誘電体を挿入したサンドイッチ構造膜を有し、膜面に対して垂直に電流を流し、トンネル電流を利用した磁気抵抗効果素子として、いわゆる「強磁性トンネル接合素子（Tunneling Magneto-Resistance effect：ＴＭＲ素子）」が提案されている。強磁性トンネル素子は２０%以上の磁気抵抗変化率が得られるようになったことからＭＲＡＭへの民生応用技術開発が盛んに行われている。
近年、２つの磁性金属層の間に１層の誘電体を挿入したサンドイッチ構造膜を有し、膜面に対して垂直に電流を流し、トンネル電流を利用した磁気抵抗効果素子として、いわゆる「強磁性トンネル接合素子（Tunneling Magneto-Resistance effect：ＴＭＲ素子）」が提案されている。強磁性トンネル素子は２０%以上の磁気抵抗変化率が得られるようになったことからＭＲＡＭへの民生応用技術開発が盛んに行われている。
このＴＭＲ素子は、強磁性層上に厚さが０．６ｎｍ〜２．０ｎｍの薄いＡｌ（アルミニウム）層を成膜した後、その表面を酸素グロー放電または酸素ガスに曝してＡｌ２Ｏ３からなるトンネルバリア層を形成することにより実現できる。
また、この強磁性１重トンネル接合のトンネルバリア層を挟む一方の強磁性層に反強磁性層を付与して上記強磁性層を磁化が固着された磁化固着層とした構造を有する強磁性１重トンネル接合素子が提案されている。また、誘電体中に分散した磁性粒子を介した強磁性トンネル接合や、強磁性膜が連続膜である強磁性２重トンネル接合素子も提案されている。
これらの磁気抵抗効果素子においても、２０％〜５０％の磁気抵抗変化率が得られるようになったこと、および所望の出力電圧値を得るためＴＭＲ素子に印加する電圧値を増やしても磁気抵抗変化率の減少が抑えられることから、ＭＲＡＭへの応用の可能性がある。ＴＭＲ素子をＭＲＡＭのメモリ素子として用いた場合、トンネルバリア層を挟む一方の強磁性層を磁化固着層とし、他方の強磁性層を磁気記録層とする。これらの強磁性１重トンネル接合あるいは強磁性２重トンネル接合を用いたメモリ素子は、不揮発性で書き込み読み出し時間も１０ナノ秒以下と速く、書き換え回数も１０１５以上というポテンシャルを有する。
しかし、メモリのセルサイズに関しては、メモリセルが１個のトランジスタと１個のＴＭＲ素子からなるアーキテクチャを用いた場合、半導体のＤＲＡＭ(Dynamic Random Access Memory)以下にサイズを小さくできないという問題がある。
この問題を解決するために、ビット線とワード線との間にＴＭＲ素子とダイオードを直列接続したダイオード型アーキテクチャや、ビット線とワード線の間にＴＭＲ素子を配置した単純マトリックス型アーキテクチャが提案されている。
しかし、いずれの場合も磁気記録層への書き込み時には電流パルスによる電流磁場で磁気記録層の磁化の反転を行っているため、消費電力が大きい、大容量化したとき配線の許容電流密度に限界があり大容量化できない、電流を流すためのドライバの面積が大きくなってしまうなどの問題点が有る。
上記の問題に対し、書き込み配線の周りに高透磁率磁性材料からなる薄膜を設けた固体磁気メモリが提案されている。この磁気メモリによれば配線の周囲に高透磁率の磁性膜が設けられているため、磁気記録層への情報書き込みに必要な電流値を効率的に低減できる。しかしながら、この場合でも、書き込み電流を１ｍＡ以下にすることは非常に困難であった。
これら課題を解決するために、スピン注入法による書き込み方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このスピン注入法は、スピン偏極した電流を、メモリ素子の磁気記録層に注入することによって磁気記録層の磁化を反転することを利用している。このスピン注入法においては、スピン偏極した電流を注入して磁気記録層の磁化を反転する場合に、メモリ素子の面積が大きいと上記電流による環状の磁界が発生してしまい、磁化の反転が起こらない。
さらに固体磁気メモリとして応用するためには、高集積化することが求められるため、小さい面積でなおかつ面積のばらつきの小さい素子を形成することが必要とされる。さらに、熱揺らぎ耐性が限界となるサイズ０．１×０．１μｍ２より小さなセルも含め、幅広いサイズを有するセルで低電流書き込みが可能で、熱揺らぎに対する磁気記録層の熱安定性を有することが必要である。また、スピン注入法による場合は、書き込み時の磁化固着層の磁化の安定性を有することが必要である。
米国特許第６，２５６，２２３号明細書
以上、説明したように、低書き込み電流で動作するスピン注入法は、メモリ素子のサイズが大きいと、書き込み電流による環状の磁界が発生してしまい、磁化の反転が起こらず、書き込みが確実に行われないことになる。
本発明は上記事情を考慮してなされたものであって、スピン注入による書き込み動作を確実に行うことのできる磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供することを目的とする。
本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、少なくとも１層の磁性層を有し磁化の方向が固着された第１磁化固着層と、誘電体で隔てられた複数の強磁性粒を有し磁化の方向が可変の磁気記録層と、前記第１磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記磁気記録層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられた第１非磁性層とを備え、膜厚方向に電流を流すことにより前記磁気記録層の強磁性粒の磁化の方向が可変となることを特徴とする。
本発明の第２の態様による磁気抵抗効果素子は、反強磁性層と磁化の向きが固着された磁化固着層が交互に積層され一方の面が磁化固着層となる積層膜と、磁化の向きが可変の磁気記録層と、前記積層膜の前記一方の面の前記磁気固着層と前記磁気記録層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記磁気記録層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられた非磁性層とを備え、膜厚方向に電流を流すことにより前記磁気記録層の磁化の方向が可変となることを特徴とする。
本発明の第３の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固着された磁化固着層と、磁化の向きが可変の磁気記録層と、前記磁気固着層と前記磁気記録層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記磁化固着層および前記磁気記録層のいずれか一方と前記トンネルバリア層との間に互いに分離して設けられた複数の絶縁体とを備えたことを特徴とする。
本発明の第４の態様による磁気メモリは、上記のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、前記磁気抵抗効果素子の一端が電気的に接続される第１配線と、前記磁気抵抗効果素子の他端が電気的に接続される第２配線と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、スピン注入による書き込み動作を確実に行うことができる。
本発明の実施形態を以下、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図１に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１は、下部電極となる下地層２と、下地層２上に設けられた反強磁性層４と、反強磁性層４上に設けられた強磁性層６と、強磁性層６上に設けられたトンネルバリア層８と、トンネルバリア層８上に設けられ誘電体１２によってそれぞれが隔てられた複数の強磁性粒１１を有する磁気記録層１０と、磁気記録層１０上に設けられた非磁性層１４と、非磁性層１４上に設けられ上部電極となる非磁性電極層１６とを備え、下部電極２と上部電極１６間に電流を流す構成となっている。強磁性層６は反強磁性層４との交換結合により磁化が固着されており、磁化固着層となる。誘電体１２によって隔てられた複数の強磁性粒１１は、それぞれがトンネルバリア層８および非磁性層１４に接するように構成されている。
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図１に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１は、下部電極となる下地層２と、下地層２上に設けられた反強磁性層４と、反強磁性層４上に設けられた強磁性層６と、強磁性層６上に設けられたトンネルバリア層８と、トンネルバリア層８上に設けられ誘電体１２によってそれぞれが隔てられた複数の強磁性粒１１を有する磁気記録層１０と、磁気記録層１０上に設けられた非磁性層１４と、非磁性層１４上に設けられ上部電極となる非磁性電極層１６とを備え、下部電極２と上部電極１６間に電流を流す構成となっている。強磁性層６は反強磁性層４との交換結合により磁化が固着されており、磁化固着層となる。誘電体１２によって隔てられた複数の強磁性粒１１は、それぞれがトンネルバリア層８および非磁性層１４に接するように構成されている。
このように構成された本実施形態の磁気抵抗効果素子１においては、強磁性トンネル接合の実効的な接合面積が誘電体１２で隔てられた複数の強磁性粒１１の、強磁性層６への膜面垂直方向の投影面積で規定されるため、磁気記録層が強磁性体からなる連続膜の場合に比べて実効的な接合面積が小さい。このため、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層１０においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。
なお、非磁性層１４は、材料を選択して用いることにより、スピン偏極した電子を反射する性質を有するが詳細は第５実施形態の後で説明する。
本実施形態において、反強磁性層４を削除し、強磁性層６を膜厚５ｎｍのＣｏＦｅ、トンネルバリア層８を膜厚１．６ｎｍのＡｌＯｘ、誘電体１０で隔てられた強磁性粒１１を膜厚方向の厚さ２．０ｎｍのＣｏ−Ｐｔ、非磁性層１４を膜厚５ｎｍのＲｕからなるように構成した素子を作成し、実験を行った。この素子に外部磁界を印加した場合は、ＣｏＦｅがＣｏ−Ｐｔに比べて保持力が小さいため、ＣｏＦｅからなる強磁性層６の方が誘電体１０で隔てられたＣｏ−Ｐｔからなる強磁性粒１１に比べて磁化が先に反転する。しかし、スピン偏極した電流を膜面に垂直に、すなわち膜厚方向に流すと、誘電体１０で隔てられたＣｏ−Ｐｔからなる強磁性粒１１が先に磁化が反転することが本発明者等によって見いだされた。
したがって、誘電体１２で隔てられた強磁性粒１１としては、室温でも磁気異方性エネルギー密度Ｋｕが高い（保持力の大きな）、熱揺らぎ耐性を有するＣｏ−Ｐｔ系、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｐｔ系、Ｆｅ−Ｐｔ系、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｃｒ−Ｐｔ系、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ系などの材料を用いることが好ましい。このような材料を用いることにより、熱揺らぎに対する磁気記録層の熱安定性の問題も無くなる。
（第２実施形態）
次に、本実施形態による磁気抵抗効果素子の第２実施形態の構成を図２に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子１において、磁化固着層となる強磁性層６を強磁性層６Ａに置き換えた構成となっている。この強磁性層６Ａは、トンネルバリア層８との接合面積は変わらないが、強磁性層６に比べて体積が大きくなるように構成されている。したがって、第２実施形態においては、第１実施形態に比べて、磁化固着層となる強磁性層６Ａの体積が大きい。このため、スピン注入書き込み時の磁化固着層の磁化は第１実施形態に比べてより安定性を増すことになる。
次に、本実施形態による磁気抵抗効果素子の第２実施形態の構成を図２に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子１において、磁化固着層となる強磁性層６を強磁性層６Ａに置き換えた構成となっている。この強磁性層６Ａは、トンネルバリア層８との接合面積は変わらないが、強磁性層６に比べて体積が大きくなるように構成されている。したがって、第２実施形態においては、第１実施形態に比べて、磁化固着層となる強磁性層６Ａの体積が大きい。このため、スピン注入書き込み時の磁化固着層の磁化は第１実施形態に比べてより安定性を増すことになる。
なお、第２実施形態も、第１実施形態と同様に、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層１０においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による磁気メモリの構成を図３に示す。この実施形態の磁気メモリは少なくとも１個のメモリセルを有し、このメモリセルは、第２実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａと、選択トランジスタ６０とを備えている。上記磁気抵抗効果素子は、引き出し電極４０上に設けられた反強磁性層４と、この反強磁性層４上に設けられた磁化固着層６Ａと、この磁化固着層６Ａ上に設けられたトンネルバリア層８と、トンネルバリア層８上に設けられ誘電体１０に隔てられた強磁性粒１１からなる磁気記録層１０と、磁気記録層１０上に設けられた非磁性層１４と、非磁性層１４上に設けられた上部電極１６とを備えている。選択トランジスタ６０は、ゲート電極６１と、このゲート電極の両側に設けられたソースおよびドレイン領域６３、６５とを備えている。上部電極１６は、メモリセルを選択するビット線３０に接続され、引き出し電極４０は接続部５０を介して、選択トランジスタ６０のソース６３に接続される。選択トランジスタ６０のゲート電極６１はメモリセルを選択するためのワード線を兼ねている。したがって、メモリセルはビット線３０と、ワード線６１が交差する領域に設けられている。
次に、本発明の第３実施形態による磁気メモリの構成を図３に示す。この実施形態の磁気メモリは少なくとも１個のメモリセルを有し、このメモリセルは、第２実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａと、選択トランジスタ６０とを備えている。上記磁気抵抗効果素子は、引き出し電極４０上に設けられた反強磁性層４と、この反強磁性層４上に設けられた磁化固着層６Ａと、この磁化固着層６Ａ上に設けられたトンネルバリア層８と、トンネルバリア層８上に設けられ誘電体１０に隔てられた強磁性粒１１からなる磁気記録層１０と、磁気記録層１０上に設けられた非磁性層１４と、非磁性層１４上に設けられた上部電極１６とを備えている。選択トランジスタ６０は、ゲート電極６１と、このゲート電極の両側に設けられたソースおよびドレイン領域６３、６５とを備えている。上部電極１６は、メモリセルを選択するビット線３０に接続され、引き出し電極４０は接続部５０を介して、選択トランジスタ６０のソース６３に接続される。選択トランジスタ６０のゲート電極６１はメモリセルを選択するためのワード線を兼ねている。したがって、メモリセルはビット線３０と、ワード線６１が交差する領域に設けられている。
次に、この実施形態のスピン注入書き込み原理を、以下に説明する。まず、選択トランジスタ６０のゲート電極に電圧を印加し、選択トランジスタ６０をオンさせる。
ａ）磁化固着層６Ａ、磁気記録層１０のスピンモーメントが反平行→平行へのスピン反転の場合；
磁化固着層６Ａ側から電子を注入し、磁化固着層６Ａでスピン偏極した電子がトンネルバリア層８を介し、磁気記録層１０へスピントルクをおよぼし、磁気記録層１０のスピンが反平行→平行へ反転する。
磁化固着層６Ａ側から電子を注入し、磁化固着層６Ａでスピン偏極した電子がトンネルバリア層８を介し、磁気記録層１０へスピントルクをおよぼし、磁気記録層１０のスピンが反平行→平行へ反転する。
ｂ）磁化固着層、磁気記録層のスピンモーメントが平行→反平行へのスピン反転の場合；
磁気記録層１０側から電子を注入すると磁気記録層１０でスピン偏極した電子が注入される。その際、磁化固着層６Ａのスピンの方向と同じスピンの方向を持つ電子は散乱確率が低く容易にスピン電流が流れるが、反平行のスピンは反射される。磁気記録層１０へ反射してきた電子は、磁気記録層１０へスピントルクを及ぼし、磁気記録層１０のスピンが平行→反平行へ反転する。
磁気記録層１０側から電子を注入すると磁気記録層１０でスピン偏極した電子が注入される。その際、磁化固着層６Ａのスピンの方向と同じスピンの方向を持つ電子は散乱確率が低く容易にスピン電流が流れるが、反平行のスピンは反射される。磁気記録層１０へ反射してきた電子は、磁気記録層１０へスピントルクを及ぼし、磁気記録層１０のスピンが平行→反平行へ反転する。
この時に必要な電流は以下の式で書き表すことができる。
反平行→平行の場合；
Ｉｃ Ｐ＝ｅαＭＡｔ［Ｈ−Ｈｋ−２πＭ］／ｈｇ（π）
平行→反平行の場合；
Ｉｃ ＡＰ＝ｅαＭＡｔ［Ｈ＋Ｈｋ＋２πＭ］／ｈｇ（０）
ここで、ｅは電気素量、αはGilbert damping parameter、Ｍは磁化、Ａｔは磁気記録層の体積、Ｈは磁場の強さ、Ｈｋは異方性定数、ｈはプランク定数である。ｇ（π）、ｇ（π）は、磁化固着層／非磁性層界面でのスピン依存で、次式で与えられる。
Ｉｃ Ｐ＝ｅαＭＡｔ［Ｈ−Ｈｋ−２πＭ］／ｈｇ（π）
平行→反平行の場合；
Ｉｃ ＡＰ＝ｅαＭＡｔ［Ｈ＋Ｈｋ＋２πＭ］／ｈｇ（０）
ここで、ｅは電気素量、αはGilbert damping parameter、Ｍは磁化、Ａｔは磁気記録層の体積、Ｈは磁場の強さ、Ｈｋは異方性定数、ｈはプランク定数である。ｇ（π）、ｇ（π）は、磁化固着層／非磁性層界面でのスピン依存で、次式で与えられる。
ｇ（θ）＝［−４＋（１＋ｐ）３（３＋ｃｏｓθ）／４ｐ３／２］−１
ここで、ｐはスピン偏極率である。この式より、ｇ（π）＞ｇ（０）であるため、一般に、反平行→平行にスピン反転させる場合の電流Ｉｃ Ｐの方が、平行→反平行にスピン反転させる場合の電流Ｉｃ ＡＰに比べて小さい。
ここで、ｐはスピン偏極率である。この式より、ｇ（π）＞ｇ（０）であるため、一般に、反平行→平行にスピン反転させる場合の電流Ｉｃ Ｐの方が、平行→反平行にスピン反転させる場合の電流Ｉｃ ＡＰに比べて小さい。
この実施形態の磁気メモリは、メモリ素子として第２実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａを備えているため、第２実施形態と同様に、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層１０においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。なお、スピン書き込み時における磁化固着層の磁化の安定性を保つためには、磁化固着層の体積をなるべく大きくしたほうがよい。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による磁気メモリの構成を図４に示す。この実施形態の磁気メモリは、図３に示す第３実施形態の磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子１Ａを磁気抵抗効果素子１Ｂに置き換えた構成となっている。磁気抵抗効果素子１Ｂは、磁気抵抗効果素子１Ａの反強磁性層４および磁化固着層６Ａを、反強磁性層と強磁性層が交互に積層された積層膜６Ｂに置き換えた構成となっている。積層膜６Ｂの強磁性層は反強磁性層との交換結合により磁化が固着され、磁化固着層となる。そして、第３実施形態の反強磁性層４および磁化固着層６Ａの積層膜の形状と、第４実施形態の積層膜６Ｂの形状はほぼ同一となっている。また、積層膜６Ｂはトンネルバリア層８に接する層が強磁性層であるように構成する必要があるが、引き出し電極４０に接する層が強磁性層または反強磁性層であるように構成してもよい。
次に、本発明の第４実施形態による磁気メモリの構成を図４に示す。この実施形態の磁気メモリは、図３に示す第３実施形態の磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子１Ａを磁気抵抗効果素子１Ｂに置き換えた構成となっている。磁気抵抗効果素子１Ｂは、磁気抵抗効果素子１Ａの反強磁性層４および磁化固着層６Ａを、反強磁性層と強磁性層が交互に積層された積層膜６Ｂに置き換えた構成となっている。積層膜６Ｂの強磁性層は反強磁性層との交換結合により磁化が固着され、磁化固着層となる。そして、第３実施形態の反強磁性層４および磁化固着層６Ａの積層膜の形状と、第４実施形態の積層膜６Ｂの形状はほぼ同一となっている。また、積層膜６Ｂはトンネルバリア層８に接する層が強磁性層であるように構成する必要があるが、引き出し電極４０に接する層が強磁性層または反強磁性層であるように構成してもよい。
この第４実施形態も、第３実施形態と同様に、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層１０においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。なお、この第４実施形態は、磁化固着層となる積層膜６Ｂの総体積が第３実施形態の磁化固着層６Ａの体積よりも大きいため、第３実施形態に比べて、スピン書き込み時における磁化固着層の磁化を、より安定に保つことができる。
（変形例）
この第４実施形態のように、磁化固着層が強磁性層と反強磁性層が交互に積層された積層膜６Ｂからなる構造は、図５に示すように、サイズが０．１×０．１μｍ２以下の素子面積でかつ磁気記録層１３が連続膜からなる磁気抵抗効果素子１Ｃを有する磁気メモリに用いることができる。磁気抵抗効果素子１Ｃは、図４に示す磁気メモリの磁気抵抗効果素子１Ｂにおいて、磁気記録層１０を強磁性層の連続膜からなる磁気記録層１３に置き換えた構成となっている。この図５に示す磁気メモリにおいては、サイズが０．１×０．１μｍ２以下であってもスピン書き込み時における磁化固着層の磁化を安定に保つことができる。
この第４実施形態のように、磁化固着層が強磁性層と反強磁性層が交互に積層された積層膜６Ｂからなる構造は、図５に示すように、サイズが０．１×０．１μｍ２以下の素子面積でかつ磁気記録層１３が連続膜からなる磁気抵抗効果素子１Ｃを有する磁気メモリに用いることができる。磁気抵抗効果素子１Ｃは、図４に示す磁気メモリの磁気抵抗効果素子１Ｂにおいて、磁気記録層１０を強磁性層の連続膜からなる磁気記録層１３に置き換えた構成となっている。この図５に示す磁気メモリにおいては、サイズが０．１×０．１μｍ２以下であってもスピン書き込み時における磁化固着層の磁化を安定に保つことができる。
また、図５に示す磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子１Ｃを図６に示す磁気抵抗効果素子１Ｄに置き換えた構成としてもよい。磁気抵抗効果素子１Ｄは、磁気抵抗効果素子１Ｃにおいて、強磁性層と反強磁性層が交互に積層された積層膜６Ｂを、強磁性層と非磁性層が交互に積層された積層膜６Ｃと、反強磁性層４との積層構造膜に置き換えた構成となっている。この図６に示す磁気メモリにおいても、サイズが０．１×０．１μｍ２以下であってもスピン書き込み時における磁化固着層の磁化を安定に保つことができる。なお、積層膜６Ｃは、トンネルバリア層８および反強磁性層４に接する層、すなわち最上層および最下層が強磁性層となるように構成する必要がある。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図７に示す。この第５実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｅは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子１において、非磁性層１４と上部電極１６との間に、強磁性層１８と、この強磁性層１８と交換結合して強磁性層１８の磁化を固着させる反強磁性層２０とを設けた構成となっている。そして、磁化固着層となる強磁性層６と、磁化固着層となる強磁性層１８の磁化の向きは略１８０度と異なっている。また、本実施形態においては、非磁性層１４は、ＣｕまたはＣｕ合金からなる非磁性金属層となっている。
次に、本発明の第５実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図７に示す。この第５実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｅは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子１において、非磁性層１４と上部電極１６との間に、強磁性層１８と、この強磁性層１８と交換結合して強磁性層１８の磁化を固着させる反強磁性層２０とを設けた構成となっている。そして、磁化固着層となる強磁性層６と、磁化固着層となる強磁性層１８の磁化の向きは略１８０度と異なっている。また、本実施形態においては、非磁性層１４は、ＣｕまたはＣｕ合金からなる非磁性金属層となっている。
図７の磁化の向きが略１８０度異なっているため、磁化固着層６から磁化固着層１８側へスピン注入を行う場合と逆の場合とで、磁気記録層１０の磁化の向きが変化することになる。
つまり本実施形態において、磁化固着層６、トンネルバリア層８、磁気記録層１０間のスピンモーメント（磁化）を反平行→平行へのスピン反転させる場合、磁化固着層６側から磁気記録層へ電子を注入すると磁化固着層６でスピン偏極した電子がトンネルバリア層８をトンネルし、磁気記録層１０へスピントルクを及ぼす。このとき、スピン偏極した電子は、磁気記録層１０から非磁性金属層１４を介して磁化固着層１８に流れるので、磁気記録層１０のスピンが磁化固着層６のスピンに対して反平行の間は、磁気記録層１０と磁化固着層１８のスピンが平行のため、磁化固着層１８によって反射された反射スピン電子も磁気記録層１０へスピントルクを及ぼし、磁気記録層１０のスピンが磁化固着層６のスピンに対して反平行→平行へ反転する。この２つのスピントルクにより、磁気記録層のスピンの方向が変化することになる。
また、本実施形態において、磁化固着層６、トンネルバリア層８、磁気記録層１０間のスピンモーメントを平行→反平行へスピン反転させる場合、磁化固着層１８から磁気記録層１０へ電子を注入すると、磁化固着層１８でスピン偏極された電子が非磁性金属層１４を通過して磁気記録層１０へ流れスピントルクを及ぼす。このとき、スピン偏極した電子はトンネルバリア層８をトンネルして磁化固着層６へ流れようとするが、トンネルバリア層８をトンネルする際、磁化固着層６のスピンの方向と同じスピンの方向を持つ電子はトンネル確率が高く容易に流れるが、反平行のスピンは反射される。磁気記録層１０へ反射してきた電子は、磁気記録層１０へスピントルクを及ぼし、この２つのスピントルクにより、磁気記録層１０のスピンが平行→反平行へ反転する。
したがって、本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｅにおいて、電流を流す方向を変えることにより、スピン注入書き込みを行うことが可能となり、“１”、“０”の書き込みを行うことができる。
なお、本実施形態においては、磁化固着層１８および反強磁性層２０がスピン偏極した電子の反射層となる。
本実施形態の磁気抵抗効果素子も、第１実施形態と同様に、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層１０においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。
（変形例）
また、本実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図８に示す。この変形例の磁気抵抗効果素子１Ｆは、第５実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｅにおいて、磁化固着層１８を、磁性層１８１、非磁性層１８２、および磁性層１８３からなる積層構造の磁化固着層１８に置き換えた構成となっている。そして、磁気記録層１０側の磁性層１８１と、磁化固着層６の磁化の向きは、１８０度異なっている。
また、本実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図８に示す。この変形例の磁気抵抗効果素子１Ｆは、第５実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｅにおいて、磁化固着層１８を、磁性層１８１、非磁性層１８２、および磁性層１８３からなる積層構造の磁化固着層１８に置き換えた構成となっている。そして、磁気記録層１０側の磁性層１８１と、磁化固着層６の磁化の向きは、１８０度異なっている。
この変形例の磁気抵抗効果素子１Ｆも第５実施形態と同様に、電流を流す方向を変えることにより、スピン注入書き込みを行うことが可能となり、“１”、“０”の書き込みを行うことができる。また、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層１０においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。
この変形例において、非磁性層１４がＣｕまたはＣｕ合金からなっている場合は、非磁性層１８２としては、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｈから選ばれた少なくとも１種類の元素を含むことが好ましい。
なお、磁化固着層６および磁化固着層１８の磁気モーメントの方向が互いに略１８０度異なるようにする一つの方法としては、図７に示すように、磁化固着層６、１８にネール温度ＴＮが異なる反強磁性層４、２０を付与し、磁場中でのアニール処理後の冷却時に反強磁性層４と反強磁性層２０のネール温度の間の適当な温度で磁場印加方向を１８０度回転する。また、もう一つの方法としては、磁化固着層６、１８のうちの一方の磁化固着層を、図８に示すように、磁性層と非磁性層が交互に積層され、最上層と最下層に磁性層となる多層構造（図８では３層構造）にし、非磁性層を介した磁性層間の相互作用が反強磁性相互作用を有するようにすることで実現できる。なお、本変形例においては、磁化固着層１８および反強磁性層２０がスピン偏極した電子の反射層となる。
なお、第５実施形態およびその変形例の磁気抵抗効果素子を、例えば図３乃至図４に示す磁気メモリの磁気記憶素子（磁気抵抗効果素子）として用いることができる。この場合、第３乃至第４実施形態の場合と同様に、スピン書き込み時における磁化固着層の磁化の安定性を保つために、磁化固着層の体積をなるべく大きくしたほうがよい。
第５実施形態およびその変形例においては、スピン偏極した電子の反射層が設けられていたが、図１乃至図６に示す磁気抵抗効果素子の非磁性層１４の材料を限定することで、この非磁性層１４を、磁気記録層１０の磁化と反対方向のスピン電流を反射させる反射層として機能させることができる。
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図９に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｇは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１において、非磁性層１４の材料を限定して、磁気記録層１０の磁化と反対方向のスピン電流を反射させる反射層として機能させるとともに、非磁性層１４の磁気記録層１０と反対側の面に磁化の向きが磁化固着層６の磁化の向きと平行となるように固着された強磁性層１８を設けた構成となっている。この強磁性層１８は、スピン偏極した電子の反射層としての機能を有するので、第１実施形態において、非磁性層１４を反射層として用いた場合よりも有効にスピン偏極した電子を反射することが可能となり、磁気記録層１０の磁化を反転されるのに必要な電流の密度を少なくすることができる。
次に、本発明の第６実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図９に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｇは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１において、非磁性層１４の材料を限定して、磁気記録層１０の磁化と反対方向のスピン電流を反射させる反射層として機能させるとともに、非磁性層１４の磁気記録層１０と反対側の面に磁化の向きが磁化固着層６の磁化の向きと平行となるように固着された強磁性層１８を設けた構成となっている。この強磁性層１８は、スピン偏極した電子の反射層としての機能を有するので、第１実施形態において、非磁性層１４を反射層として用いた場合よりも有効にスピン偏極した電子を反射することが可能となり、磁気記録層１０の磁化を反転されるのに必要な電流の密度を少なくすることができる。
なお、本実施形態において、非磁性層１４を反射層として機能させるためには、以下の材料を用いればよい。
具体的には、強磁性層１８がＣｏリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層１４の材料としては、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれらの合金であることが好ましい。
また、強磁性層１８がＦｅリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層１４の材料は、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれらの合金であることが好ましい。
また、強磁性層１８がＮｉリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層１４の材料は、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれらの合金であることが好ましい。
上記のことから分かるように、スピン注入書き込みを行う場合では、強磁性層１８がＮｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、またはＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉを含む場合は、非磁性層１４の材料として好ましいものはＣｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅから選ばれた少なくとも一種の元素を含むか、またはこれらの合金であり、これらを用いればスピン注入書き込み時の電流を低減することができる。
本実施形態の磁気抵抗効果素子も、第１実施形態と同様に、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層１０においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。
（第１変形例）
次に、第６実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図１０に示す。この第１変形例による磁気抵抗効果素子１Ｈは、第６実施形態による磁気抵抗効果素子１Ｇにおいて、強磁性層１８と上部電極１６との間に強磁性層１８の磁化の向きを固着する反強磁性層２０を設けた構成となっている。これにより、強磁性層１８の磁化は、第６実施形態に比べて安定する。
次に、第６実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図１０に示す。この第１変形例による磁気抵抗効果素子１Ｈは、第６実施形態による磁気抵抗効果素子１Ｇにおいて、強磁性層１８と上部電極１６との間に強磁性層１８の磁化の向きを固着する反強磁性層２０を設けた構成となっている。これにより、強磁性層１８の磁化は、第６実施形態に比べて安定する。
なお、この第１変形例も第６実施形態と同様に、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層１０においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。
（第２変形例）
次に、第６実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図１１に示す。この第２変形例による磁気抵抗効果素子１Ｉは、第２変形例による磁気抵抗効果素子１Ｈにおいて、強磁性層１８を、強磁性層１８１、非磁性層１８２、強磁性層１８３、非磁性層１８４、強磁性層１８５からなる積層構造とした構成となっている。、強磁性層１８１と、強磁性層１８５は、磁化固着層６の磁化と同じ向きすなわち平行に磁化が固着され、強磁性層１８３は磁化固着層６の磁化と反対の向きすなわち反平行に磁化が固着されている。すなわち、強磁性層１８はシンセティクな反強磁性結合を有している。強磁性層１８は、第１変形例に比べて体積が大きくすることが可能となり、磁化がより安定することになる。
次に、第６実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図１１に示す。この第２変形例による磁気抵抗効果素子１Ｉは、第２変形例による磁気抵抗効果素子１Ｈにおいて、強磁性層１８を、強磁性層１８１、非磁性層１８２、強磁性層１８３、非磁性層１８４、強磁性層１８５からなる積層構造とした構成となっている。、強磁性層１８１と、強磁性層１８５は、磁化固着層６の磁化と同じ向きすなわち平行に磁化が固着され、強磁性層１８３は磁化固着層６の磁化と反対の向きすなわち反平行に磁化が固着されている。すなわち、強磁性層１８はシンセティクな反強磁性結合を有している。強磁性層１８は、第１変形例に比べて体積が大きくすることが可能となり、磁化がより安定することになる。
なお、この第２変形例も第１変形例と同様に、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層１０においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。
（第３変形例）
次に、第６実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図１２に示す。この第３変形例の磁気抵抗効果素子１Ｊは、第６実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｇにおいて、磁化固着層となる強磁性層６を強磁性層６Ａに置き換えた構成となっている。この強磁性層６Ａは、トンネルバリア層８との接合面積は変わらないが、強磁性層６に比べて体積が大きくなるように構成されている。したがって、第３変形例においては、第６実施形態に比べて、磁化固着層となる強磁性層６Ａの体積が大きい。このため、スピン注入書き込み時の磁化固着層の磁化は第１実施形態に比べてより安定性を増すことになる。
次に、第６実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図１２に示す。この第３変形例の磁気抵抗効果素子１Ｊは、第６実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｇにおいて、磁化固着層となる強磁性層６を強磁性層６Ａに置き換えた構成となっている。この強磁性層６Ａは、トンネルバリア層８との接合面積は変わらないが、強磁性層６に比べて体積が大きくなるように構成されている。したがって、第３変形例においては、第６実施形態に比べて、磁化固着層となる強磁性層６Ａの体積が大きい。このため、スピン注入書き込み時の磁化固着層の磁化は第１実施形態に比べてより安定性を増すことになる。
なお、第３変形例も、第６実施形態と同様に、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層１０においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態による磁気メモリの構成を図１３に示す。この実施形態による磁気メモリは、第３実施形態の磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子１Ａを、第６実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子１Ｊに置き換えた構成となっている。
次に、本発明の第７実施形態による磁気メモリの構成を図１３に示す。この実施形態による磁気メモリは、第３実施形態の磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子１Ａを、第６実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子１Ｊに置き換えた構成となっている。
この実施形態の磁気メモリは、メモリ素子として第６実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子１Ｊを備えているため、第６実施形態の第３変形例と同様に、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層１０においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。なお、スピン書き込み時における磁化固着層の磁化の安定性を保つためには、磁化固着層の体積をなるべく大きくしたほうがよい。
なお、本実施形態による磁気メモリにおいては、磁気記憶素子として第６実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子を用いたが、第６実施形態、第１変形例、または第２変形例による磁気抵抗効果素子を用いてもよい。
（変形例）
次に、第７実施形態の変形例による磁気メモリの構成を図１４に示す。この変形例による磁気メモリは、第７実施形態による磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子１Ｊを磁気抵抗効果素子１Ｋに置き換えた構成となっている。磁気抵抗効果素子１Ｋは、磁気抵抗効果素子１Ｊの反強磁性層４および磁化固着層６Ａを、反強磁性層と強磁性層が交互に積層された積層膜６Ｂに置き換えた構成となっている。積層膜６Ｂの強磁性層は反強磁性層との交換結合により磁化が固着され、磁化固着層となる。そして、第７実施形態の反強磁性層４および磁化固着層６Ａの積層膜の形状と、この変形例の積層膜６Ｂの形状はほぼ同一となっている。また、積層膜６Ｂはトンネルバリア層８に接する層が強磁性層であるように構成する必要があるが、引き出し電極４０に接する層が強磁性層または反強磁性層であるように構成してもよい。
次に、第７実施形態の変形例による磁気メモリの構成を図１４に示す。この変形例による磁気メモリは、第７実施形態による磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子１Ｊを磁気抵抗効果素子１Ｋに置き換えた構成となっている。磁気抵抗効果素子１Ｋは、磁気抵抗効果素子１Ｊの反強磁性層４および磁化固着層６Ａを、反強磁性層と強磁性層が交互に積層された積層膜６Ｂに置き換えた構成となっている。積層膜６Ｂの強磁性層は反強磁性層との交換結合により磁化が固着され、磁化固着層となる。そして、第７実施形態の反強磁性層４および磁化固着層６Ａの積層膜の形状と、この変形例の積層膜６Ｂの形状はほぼ同一となっている。また、積層膜６Ｂはトンネルバリア層８に接する層が強磁性層であるように構成する必要があるが、引き出し電極４０に接する層が強磁性層または反強磁性層であるように構成してもよい。
この変形例も、第７実施形態と同様に、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層１０においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。なお、この変形例は、磁化固着層となる積層膜６Ｂの総体積が第７実施形態の磁化固着層６Ａの体積よりも大きいため、第７実施形態に比べて、スピン書き込み時における磁化固着層の磁化を、より安定に保つことができる。
(第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図１５に示す。第１乃至第７実施形態の磁気抵抗効果素子においては、誘電体で隔てられた強磁性粒を備えた磁気記録層上に設けられる非磁性層１４、強磁性層１８、反強磁性層２０等は連続膜であったが、本実施形態による磁気抵抗効果素子１Ｌは、磁気記録層となる強磁性層１１上に、非磁性層１４、磁化が固着された強磁性層１８、反強磁性層２０、および金属コンタクト層１９が積層された柱状の形状の構造部を構成している。すなわち、磁気記録層１１、非磁性層１４、強磁性層１８、反強磁性層２０、および金属コンタクト層１９は積層されて柱状の構造部を構成し、この柱状の積層構造部が複数個、トンネルバリア層８上にそれぞれ離間して設けられている。そして、複数の柱状に積層された構造部はお互いに層間絶縁膜３６によって絶縁されている。各積層構造部の金属コンタクト層１９は共通の上部電極１６に接続されている。なお、トンネルバリア層８は磁化固着層６上に設けられ、磁化固着層６は反強磁性層４上に設けられ、反強磁性層４は下地層２上に設けられている。強磁性層１８の磁化の向きは、磁化固着層６の磁化の向きと同じ方向、すなわち平行となるように固着される。このため非磁性層１４は第６実施形態で説明した材料、すなわち強磁性層１８の材料に応じて選択した材料を用いる。
次に、本発明の第８実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図１５に示す。第１乃至第７実施形態の磁気抵抗効果素子においては、誘電体で隔てられた強磁性粒を備えた磁気記録層上に設けられる非磁性層１４、強磁性層１８、反強磁性層２０等は連続膜であったが、本実施形態による磁気抵抗効果素子１Ｌは、磁気記録層となる強磁性層１１上に、非磁性層１４、磁化が固着された強磁性層１８、反強磁性層２０、および金属コンタクト層１９が積層された柱状の形状の構造部を構成している。すなわち、磁気記録層１１、非磁性層１４、強磁性層１８、反強磁性層２０、および金属コンタクト層１９は積層されて柱状の構造部を構成し、この柱状の積層構造部が複数個、トンネルバリア層８上にそれぞれ離間して設けられている。そして、複数の柱状に積層された構造部はお互いに層間絶縁膜３６によって絶縁されている。各積層構造部の金属コンタクト層１９は共通の上部電極１６に接続されている。なお、トンネルバリア層８は磁化固着層６上に設けられ、磁化固着層６は反強磁性層４上に設けられ、反強磁性層４は下地層２上に設けられている。強磁性層１８の磁化の向きは、磁化固着層６の磁化の向きと同じ方向、すなわち平行となるように固着される。このため非磁性層１４は第６実施形態で説明した材料、すなわち強磁性層１８の材料に応じて選択した材料を用いる。
このように構成された本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、第１乃至第７実施形態と同様に、強磁性トンネル接合の実効的な接合面積が複数の強磁性層１１の、強磁性層６への膜面垂直方向の投影面積で規定されるため、磁気記録層が強磁性体からなる連続膜の場合に比べて実効的な接合面積が小さい。このため、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は発生せず、大きな素子サイズの磁気記録層１０においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。
なお、本実施形態においては、柱状の積層構造部は、磁気記録層１１、非磁性層１４、強磁性層１８、反強磁性層２０、および金属コンタクト層１９から構成されていたが、トンネルバリア層８を含んでもよいし、磁化固着層６の一部分を含んでいてもよい。
次に、第８実施形態の磁気抵抗効果素子の製造方法を図１６乃至図１９を参照して説明する。この製造方法は、パターンドメディア作成プロセスを応用したものである。
まず、図１６（ａ）に示すように、非磁性基板１００上に下地層２、反強磁性層４、磁化が固着された強磁性層６、トンネルバリア層８、強磁性層１１、非磁性層１４、強磁性層１８、反強磁性層２０、金属コンタクト層１９を積層する。続いて、図１６（ｂ）に示すように、金属コンタクト層１９上にフォトレジスト２４を塗布し、フォトレジスト２４をハードベークする。その後フォトレジスト２４上に、ジブロックコポリマー２６を有機溶剤に溶かしたものをスピンコート法で形成する（図１６（ｂ）参照）。
次に、真空中で１４０℃〜２００℃程度の温度で３０時間ほど長時間アニールを行なう。すると、アニール中にジブロックコポリマー２６は自己組織化による相分離を起こし、１５ｎｍ〜３０ｎｍサイズの海島構造が数十ｎｍ間隔で整列する（図１７（ａ）参照）。なお、図１７（ａ）では、説明を簡単にするため、海島構造は１個しか表示していない。この自己組織化現象を用いたパターン形成方法は、通常のパターン形成方法、例えば、ＥＢ描画、フォトリソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー、近接場光リソグラフィー、干渉露光法、ＦＩＢ(Focused Ion Beam)などに比べると安価で短時間に大面積のパターンを形成することができる。その後、酸素プラズマにさらし、ジブロックポリマー部２６ａのみを選択的に除去する。ジブロックポリマー部２６ａが除去された部分に穴２７が開く（図１７（ｂ）参照）。
次に、乳酸で希釈したＳＯＧ（スピンオングラス）をスピンコート法で塗布すると、この穴２７内にＳＯＧ２８が埋め込まれる（図１８（ａ）参照）。その後、酸素プラズマを用いてＳＯＧ２８をマスクとしてＲＩＥ(Reactive Ion Etching)でフォトレジスト２４およびジブロックコポリマー２６をパターニングする。このとき、ＳＯＧで被覆されたフォトレジスト以外のフォトレジストが除去される。このパターニングされたレジストとＳＯＧ２８からなるエッチングマスクを用いて、イオンミリングで図１８（ｂ）に示すように強磁性層６の途中までパターニングする。続いて、エッチングマスクを除去した後、直ちにＡｌＯｘまたはＳｉＯｘからなる保護膜３４を形成する（図１８（ｃ）参照）。
次に、図１９（ａ）に示すように、全面にＳＯＧを塗布してベーキングすることにより層間絶縁膜３６を形成する。その後、層間絶縁膜３６をエッチバックし、金属コンタクト層１９の表面を露出させる（図１９（ｂ）参照）。続いて、非磁性金属膜を成膜し、パターニングすることにより上部電極１６を形成する（図１９（ｃ）参照）。これにより、本実施形態の磁気抵抗効果素子が製造される。
なお、上記製造方法を用いれば、図２０に示す構造の磁気抵抗効果素子１Ｍを得ることができる。この磁気抵抗効果素子１Ｍは、図１５に示す本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｌにおいて、反強磁性層２０を除去した構成となっている。また、図２１に示す構造の磁気抵抗効果素子１Ｎを得ることができる。この磁気抵抗効果素子１Ｎは、図１５に示す本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｌにおいて、強磁性層１８を強磁性層１８１、非磁性層１８２、および強磁性層１８３が積層された積層膜１８に置き換えた構成となっている。なお、
磁気記録層１１に近い強磁性層１８１の磁化の向きは、磁化固着層６の磁化の向きと同じ、すなわち平行となっており、強磁性層１８３の磁化の向きは、磁化固着層６の磁化の向きと反対、すなわち反平行となっている。したがって、強磁性層１８はシンセティクな反強磁性結合を有している。
磁気記録層１１に近い強磁性層１８１の磁化の向きは、磁化固着層６の磁化の向きと同じ、すなわち平行となっており、強磁性層１８３の磁化の向きは、磁化固着層６の磁化の向きと反対、すなわち反平行となっている。したがって、強磁性層１８はシンセティクな反強磁性結合を有している。
図２０および図２１に示す磁気抵抗効果素子も本実施形態と同様に、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層１０においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。なお、図２１に示す磁気抵抗効果素子１Ｎにおいては、強磁性層１８が、図１５に示す本実施形態の磁気抵抗効果素子に比べて体積が大きくすることが可能となり、磁化がより安定することになる。
なお、本実施形態、図２０および図２１に示す構造の磁気抵抗効果素子は図３に示す磁気メモリの磁気記憶素子として用いることができることはいうまでもない。
また、上記製造方法を第１乃至第７実施形態の磁気抵抗効果素子の製造に用いれば、強磁性粒１１上に設けられる非磁性層１４、強磁性層１８、反強磁性層２０等は連続膜ではなく、柱状の積層構造部を構成することになる。
なお、第１乃至第８実施形態において、反強磁性層としては、Ｆｅ−Ｍｎ（鉄−マンガン）、Ｐｔ−Ｍｎ（白金−マンガン）、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ（白金−クロム−マンガン）、Ｎｉ−Ｍｎ（ニッケル−マンガン）、Ｉｒ−Ｍｎ（イリジウム−マンガン）、ＮｉＯ（酸化ニッケル）、Ｆｅ２Ｏ３（酸化鉄）などを用いることができる。
第３実施形態、第４実施形態、第７実施形態においては、磁気抵抗効果素子の一端に電気的にビット線が接続されており、磁気抵抗効果素子の他端に読み出し／書き込み兼用選択トランジスタ６０が接続されている。この場合、読み出し／書き込み兼用選択トランジスタ６０をＯＮにし、同じ基板上のトンネル磁気抵抗効果素子を利用して“１”か“０”を判定して読み込みを行う。また書き込みは読み出し／書き込み兼用選択トランジスタ６０をＯＮにし、スピン注入書き込みを行うことにより“１”か“０”の書き込みを行う。スピン注入による読み出し／書き込み動作では、読み出し電流は書き込み電流より小さく設定される。上記構造により素子面積を容易に小さくすることが出来、スピン注入書き込みが可能となり、小さな書き込み電流でスピン反転が可能になったと考えられる。
また、第３実施形態、第４実施形態、第７実施形態の磁気メモリにおいては、磁気抵抗効果素子が記憶する情報を読み出すために上記磁気抵抗効果素子に流すセンス電流を制御するセンス電流制御素子回路、ドライバ、およびシンカーをさらに具備することとなる。
磁化固着層としては、一方向異方性を、磁気記録層としては、一軸異方性を有することが望ましい。またその厚さは０．１ｎｍから１００ｎｍが好ましい。さらに、この強磁性層の膜厚は、超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であることがより望ましい。
磁気記録層として用いる、誘電体で隔てられた強磁性粒としては、Ｃｏ−Ｐｔ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｃｒ−Ｐｔ，Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔからなる群より選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましい。
磁気記録層においても磁性材料に、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスニウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。
（第９実施形態）
次に、本発明の第９実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図２２に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｏは、図示しない基板上に設けられた下部電極層７２と、下部電極７２上に設けられ磁化が可変の磁性体からなる磁気記録層７４と、磁気記録層７４上に設けられたトンネルバリア層７６と、トンネルバリア層７６上に離散的に設けられた絶縁層７８と、トンネルバリア層７６および絶縁層７８を覆うように設けられ磁化が固着された磁性体からなる磁化固着層８０と、磁気記録層８０上に設けられた上部電極層８２とを備えている。なお、磁化固着層８０は、反強磁性層を付加して磁化を固着することが好ましい。絶縁層７８は原子一層分の膜厚であってもよい。
次に、本発明の第９実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図２２に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｏは、図示しない基板上に設けられた下部電極層７２と、下部電極７２上に設けられ磁化が可変の磁性体からなる磁気記録層７４と、磁気記録層７４上に設けられたトンネルバリア層７６と、トンネルバリア層７６上に離散的に設けられた絶縁層７８と、トンネルバリア層７６および絶縁層７８を覆うように設けられ磁化が固着された磁性体からなる磁化固着層８０と、磁気記録層８０上に設けられた上部電極層８２とを備えている。なお、磁化固着層８０は、反強磁性層を付加して磁化を固着することが好ましい。絶縁層７８は原子一層分の膜厚であってもよい。
このように、本実施形態においては、磁気記録層７４と磁化固着層８０との間のトンネルバリア層７６および絶縁層７８からなる絶縁体の合計膜厚は、均一ではない。絶縁体の厚さに対してトンネル電流密度は指数関数的に低くなるので、絶縁体の膜厚が均一でない場合のトンネル電流は絶縁体の薄い部分に集中して流れる。すなわち、絶縁層７８が設けられたトンネルバリア層７６の領域を通して流れる電流密度は、絶縁層７８が設けられていないトンネルバリア層７６の領域を流れるトンネル電流密度に比べて無視できるほど低い。このため、絶縁体が堆積された領域は高抵抗となり、素子形状の面積に対してトンネル電流の流れている面積は実効的に小さくなる。
以上説明したように、本実施形態によれば、素子形状の面積に対してトンネル電流の流れる面積が実効的に小さくできるので、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。
（第１０実施形態）
次に、本発明の第１０実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図２３に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｐは、第９実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｏにおいて、トンネルバリア層７６と、絶縁層７８の配置を逆にした構成となっている。すなわち、本実施形による磁気抵抗効果素子１Ｐは、図示しない基板上に設けられた下部電極層７２と、下部電極７２上に設けられた磁気記録層７４と、磁気記録層７４上に離散的に設けられた絶縁層７８と、磁気記録層７４および絶縁層７８を覆うように設けられたトンネルバリア層７６と、トンネルバリア層７６上に設けられた磁化固着層８０と、磁気記録層８０上に設けられた上部電極層８２とを備えている。
次に、本発明の第１０実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図２３に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｐは、第９実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｏにおいて、トンネルバリア層７６と、絶縁層７８の配置を逆にした構成となっている。すなわち、本実施形による磁気抵抗効果素子１Ｐは、図示しない基板上に設けられた下部電極層７２と、下部電極７２上に設けられた磁気記録層７４と、磁気記録層７４上に離散的に設けられた絶縁層７８と、磁気記録層７４および絶縁層７８を覆うように設けられたトンネルバリア層７６と、トンネルバリア層７６上に設けられた磁化固着層８０と、磁気記録層８０上に設けられた上部電極層８２とを備えている。
この実施形態も、第６実施形態と同様に、磁気記録層７４と磁化固着層８０との間のトンネルバリア層７６および絶縁層７８からなる絶縁体の合計膜厚は、均一ではない。このため、素子形状の面積に対してトンネル電流の流れる面積が実効的に小さくできるので、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。
（第１１実施形態）
次に、本発明の第１１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図２４に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｑは、図２２に示す第９実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｏにおいて、トンネルバリア層７６と、絶縁層７８との間に非磁性層７７を設けた構成となっている。すなわち、この実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｑは、図示しない基板上に設けられた下部電極層７２と、下部電極７２上に設けられた磁気記録層７４と、磁気記録層７４上に設けられたトンネルバリア層７６と、トンネルバリア層７６上に離散的に設けられた非磁性層７７と、この非磁性層７７の表面を覆うように設けられた絶縁層７８と、トンネルバリア層７６および絶縁層７８を覆うように設けられた磁化固着層８０と、磁気記録層８０上に設けられた上部電極層８２とを備えている。絶縁層７８は、非磁性層７７の表面を酸化することによって形成してもよい。
次に、本発明の第１１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図２４に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｑは、図２２に示す第９実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｏにおいて、トンネルバリア層７６と、絶縁層７８との間に非磁性層７７を設けた構成となっている。すなわち、この実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｑは、図示しない基板上に設けられた下部電極層７２と、下部電極７２上に設けられた磁気記録層７４と、磁気記録層７４上に設けられたトンネルバリア層７６と、トンネルバリア層７６上に離散的に設けられた非磁性層７７と、この非磁性層７７の表面を覆うように設けられた絶縁層７８と、トンネルバリア層７６および絶縁層７８を覆うように設けられた磁化固着層８０と、磁気記録層８０上に設けられた上部電極層８２とを備えている。絶縁層７８は、非磁性層７７の表面を酸化することによって形成してもよい。
なお、非磁性層７７は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｈｆ、Ｔａ、半導体、および希土類元素から選択された少なくとも一つの元素を含むか、これらの化合物または合金であることが好ましい。
この実施形態においても、絶縁層７８が設けられたトンネルバリア層７６の領域を通して流れる電流密度は、絶縁層７８が設けられていないトンネルバリア層７６の領域を流れるトンネル電流密度に比べて無視できるほど低い。このため、絶縁体が堆積された領域は高抵抗となり、素子形状の面積に対してトンネル電流の流れている面積は実効的に小さくなる。
以上説明したように、本実施形態によれば、素子形状の面積に対してトンネル電流の流れる面積が実効的に小さくできるので、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。
なお、上記第９乃至第１１実施形態のそれぞれにおいては、磁気記録層７４には非磁性元素（例えばＣｒまたはＰｔ）を添加することにより粒界を形成し、絶縁層７８が設けられていない領域より小さな磁区を形成してもよい。すなわち、磁気記録層７４は非磁性元素を含む強磁性材料、例えばＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＦｅＣｒＰｔ等から形成すればよい。この場合、小さな磁区により磁気記録層７４における電流の流れる領域と流れない領域が磁気的に分かれる。このように小さな磁区を形成することにより、磁気記録層７４の電流が流れる領域のみをスピン注入により磁化反転させることが可能となり、さらに書き込み動作を確実に行うことができる。
また、第９乃至第１１実施形態のそれぞれにおいては、素子形状を小さくすることなく、磁気抵抗効果素子のスピン注入による磁化反転が実現できる。
また、第９乃至第１１実施形態のそれぞれにおいては、磁気記録層７４上にトンネルバリア層７６を設け、トンネルバリア層７６上に絶縁層７８を設け、トンネルバリア層７６および絶縁層７８を覆うように磁化固着層８９を設けたが、磁気記録層７４と磁化固着層８０の配置を逆にしてもよい。
また、第９乃至第１１実施形態の磁気抵抗効果素子は、図３乃至図４に示す第３乃至第４実施形態による磁気メモリのメモリ素子（磁気抵抗効果素子）として用いることができる。この場合、第３乃至第４実施形態の場合と同様に、スピン書き込み時における磁化固着層の磁化の安定性を保つために、磁化固着層の体積をなるべく大きくしたほうがよい。
第１乃至第１１実施形態のそれぞれにおいては、磁気抵抗効果素子の磁性層は、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、または、（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ）−（Ｓｉ，Ｂ）、（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ）−（Ｓｉ，Ｂ）−（Ｐ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｍｎ）系またはＣｏ−（Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ）系などのアモルファス材料、Ｆｅ２（ＣｒｘＮｉ１−ｘ）Ａｌ、Ｃｏ２（ＣｒｘＦｅ１−ｘ）Ａｌ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ系などのホイスラー材料、Ｃｏ−Ｐｔ系、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｐｔ系、Ｆｅ−Ｐｔ系、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｃｒ−Ｐｔ系、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ系からなる群より選ばれる少なくとも１種の薄膜またはそれらの積層膜で構成される。なお、“−”は含まれる成分を示し、“（，）”は括弧内の少なくとも１つの元素が選択されることを意味している。
第１乃至第１１実施形態のそれぞれにおいては、磁気記録層における磁性材料に、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスニウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｇ（マグネシウム）などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節するばかりでなく、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。
特に、磁気記録層が強磁性層を少なくとも２つ含む積層膜の場合には、トンネルバリア層に近い強磁性層には磁気抵抗効果による抵抗変化率が大きくなるＣｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、ＦｅリッチＮｉ−Ｆｅを用い、トンネルバリア層と接していない強磁性層にはＮｉリッチＮｉ−Ｆｅ、ＮｉリッチＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏなどを用いると抵抗変化率を大きく保ったまま、書き込み電流を低減でき、より好ましい。
添加する非磁性材料としては、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｏｓ（オスニウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）またはそれら合金を用いることが出来る。
また第５乃至第１１実施形態のそれぞれにおいては、磁気記録層として、軟磁性層／強磁性層という２層構造、または強磁性層／軟磁性層／強磁性層という３層構造を用いてもよい。また磁気記録層として、強磁性層／非磁性層／強磁性層という３層構造または強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層という５層構造を用いて、強磁性層の層間の交互作用の強さを制御することにより、メモリセルである磁気記録層のセル幅がサブミクロン以下になっても、スピン注入の書き込み電流を増大させずに済むという好ましい効果が得られる。スピン注入書き込みの場合は、特に層間の相互作用としてはその相互作用の強さが２０００Ｏｅ以下であることが好ましい。また、その交換相互作用の符合は正（強磁性的）であることがより好ましい。層間の相互作用の強さ、符号を選ぶことによって電流を低減することが可能となる。この際、強磁性層の種類、膜厚を変えてもかまわない。
また第１乃至第１１実施形態のそれぞれにおいては、磁化固着層として用いる強磁性層には、反強磁性膜を付加して磁化を固着することが望ましい。反強磁性膜としては、Ｆｅ−Ｍｎ（鉄−マンガン）、Ｐｔ−Ｍｎ（白金−マンガン）、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ（白金−クロム−マンガン）、Ｎｉ−Ｍｎ（ニッケル−マンガン）、Ｉｒ−Ｍｎ（イリジウム−マンガン）、ＮｉＯ（酸化ニッケル）、Ｆｅ２Ｏ３（酸化鉄）などを用いることができる。
また、磁化固着層と磁気記録層を構成する磁性体にも、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節するだけでなく、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。
第１乃至第１１実施形態のそれぞれにおいて、磁化固着層としては、一方向異方性を、磁気記録層としては、一軸異方性を有することが望ましい。またその厚さは０．１ｎｍから１００ｎｍが好ましい。さらに、この強磁性層の膜厚は、超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であることがより望ましい。
第１乃至第１１実施形態のそれぞれにおいて、磁気抵抗効果素子としてトンネル接合を用いる場合に、磁化固着層と磁気記録層との間に設けられる絶縁層としては、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｂｉ２Ｏ３（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種の絶縁体を用いることができる。
これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。また、この絶縁層の厚さは、トンネル電流が流れる程度に薄いほうが望ましく、実際上は、１０ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以下であることが望ましい。
このような磁気抵抗効果素子は、各種スパッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常の薄膜形成手段を用いて、所定の基板上に形成することが出来る。この場合の基板としては、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、スピネル、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）など各種の基板を用いることができる。
また、基板の上に下地層や保護層、ハードマスクなどとして、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｕ（金）、Ｔｉ／Ｐｔ（チタン／白金）、Ｔａ／Ｐｔ（タンタル／白金）、Ｔｉ／Ｐｄ（チタン／パラジウム）、Ｔａ／Ｐｄ（タンタル／パラジウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ−Ｃｕ（アルミニウム−銅）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｏｓ（オスミウム）Ｒｈ（ロジウム）などからなる層を設けてもよい。
以下、実施例を参照して本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。
（実施例１）
まず、本発明の実施例１として、図１および図３に示すＴＭＲ構造を有する磁気抵抗効果素子の試料を作製した。
まず、本発明の実施例１として、図１および図３に示すＴＭＲ構造を有する磁気抵抗効果素子の試料を作製した。
この磁気抵抗効果素子の試料の製造手順は、以下の通りである。
まず、ＳｉＯ２基板上に、Ｔａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）の積層膜からなる下地電極、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）からなる磁化固着層、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層、ＡｌＯｘからなる誘電体で隔てられたＣｏ８０Ｐｔ２０からなる強磁性粒を有する膜厚２．０ｎｍの磁気記録層、Ｒｕ（１５ｎｍ）からなる非磁性層、Ｔａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層をスパッタにより順次成膜した。なお、括弧内の数値は膜厚を示す。なお、磁気記録層は強磁性体と誘電体を同時にスパッタリングし、成膜される基板に高周波のバイアスを印加することにより形成される。この方法によって形成される強磁性粒のサイズは２０ｎｍ〜１００ｎｍの大きさとなる。高周波のバイアスを基板に印加しながら誘電体と強磁性体を同時に成膜すると、強磁性粒の粒径をそろえることができ、スピン注入書き込みで最適である。今回の実験で粒の面積の誤差範囲は５％以下に抑えられることが分かった。
膜厚１．４ｎｍのＡｌＯｘからなるトンネルバリア層は、膜厚６ｎｍのＡｌを成膜した後、そのままの位置(in situ)で純酸素を用いて自然酸化するプロセスを２回繰り返して作製した。その後、断面ＴＥＭ(Transmission Electron Microscope)でＡｌＯｘ層の膜厚を調べたところ、膜厚１．２ｎｍのＡｌが酸化されＡｌＯｘは膜厚が１．４ｎｍになっていることが分かった。
トンネル接合の形成は接合面積を規定する部分だけはＥＢ(Electron Beam)描画装置を用い、その他はＫｒＦステッパ装置を用いてパターニングした。接合分離を行う際、図１に示すように磁化固着層を完全に切りきったサンプル（試料１）と、図３に示すように磁化固着層の途中で接合分離をストップした試料２を作製した。接合面積が０．１×０．１μｍ２である試料１，２をそれぞれ試料１−１，試料２−１とし、接合面積が０．１×０．１５μｍ２である試料１，２をそれぞれ試料１−２，試料２−２とし、接合面積が０．２×０．３μｍ２である試料１，２をそれぞれ試料１−３，試料２−３とし、接合面積が０．２５×０．３５μｍ２である試料１，２をそれぞれ試料１−４，試料２−４とするものを作製した。
接合分離を行った後、ＳｉＯｘからなる膜厚３５ｎｍの保護膜を成膜し、Ｔａ／Ｒｕからなる下地電極をパターニングし、ミリングにより形成した後、層間絶縁膜を成膜する。続いて、エッチバックでコンタクト層を露出させた後、コンタクトクリーニングを行い、Ｔｉ（１５ｎｍ）／Ａｌ（３００ｎｍ）／Ｔｉ（１５ｎｍ）からなる上部電極をスパッタし、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)法によってパターニングした。
その後、磁性層の長軸方向に磁場を印加して、２８０℃で１０時間アニールを行い一軸異方性を付与した。
まず、外部磁界で磁気抵抗効果を測定したところ、磁化固着層の磁気モーメントと、誘電体で隔てられた強磁性粒を有する磁気記録層の磁気モーメントが平行または反平行になる磁場が存在し（図２５（ａ）、（ｂ）参照）、ＭＲ変化率は全ての試料で２６％±１％の範囲に入っていることが分かった。なお、上記各試料に対して、膜厚１５ｎｍのＲｕからなる非磁性層および膜厚１５０ｎｍのＴａからなる金属コンタクト層を、膜厚７ｎｍのＲｕからなる非磁性層、膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０からなる磁化が固着された強磁性層、膜厚２０ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層、膜厚１０ｎｍのＲｕおよび膜厚１５０ｎｍのＴａからなる金属コンタクト層に置き換えたもの、すなわち非磁性層と金属コンタクト層との間に第２磁化固着層を設けた試料を作成し、外部磁界で磁気抵抗を測定したところ、すべての試料に対してＭＲ変化率は２６％±１％の範囲に入っていた。このことは、第２磁化固着層も外部磁場によって磁化の向きが反転しているはずであるが、この磁化の向きの反転は磁気抵抗変化に効いていないことがわかる。
図２５（ａ）、（ｂ）から明らかなように、誘電体で隔てられた強磁性粒を有する磁気記録層の飽和磁化は、上記強磁性粒の材料にＣｏ−Ｐｔを用いたことおよび磁気記録層の膜厚が薄いことのため、小さいが、Ｃｏ−Ｐｔの保磁力が大きいため、熱揺らぎに対する磁気記録層の熱安定性は良いことが分かる。
図２６（ａ）、（ｂ）に電流−電圧特性を示す。約４００ｍＶのところで電流注入によるスピン反転が実現され、抵抗変化が観測された。電流注入によるスピン反転電流が試料１，試料２でほとんど変化していないことから、誘電体で隔てられた強磁性粒を有する磁気記録層がスピン反転していることがわかる。スピン反転の電流密度は磁気記録層の磁化の向きを磁化固着層に対して反平行から平行の向きに反転させる場合は１．３×１０７Ａ／ｃｍ２、逆に平行から反平行へ反転させる場合は１．５×１０７Ａ／ｃｍ２と見積もられる。なお、第２磁化固着層を設けた場合は、スピン反転の電流密度は磁気記録層の磁化の向きを磁化固着層に対して反平行から平行の向きに反転させる場合は０．６×１０７Ａ／ｃｍ２、逆に平行から反平行へ反転させる場合は０．７５×１０７Ａ／ｃｍ２と見積もられる。すなわち、第２磁化固着層を設けた場合は、設けない場合に比べてスピン反転の電流密度は１／２以下となる。
図２６（ｂ）に示したように、０．２５×０．３５μｍ２の大きさまで還流磁場による影響は見られず、０．１×０．１μｍ２の小さい面積の時と反転電流密度は変わらなかった。
また、接合面積が０．２×０．３μｍ２である試料１−３，試料２−３に１０６回のスピン反転（書き込み）を繰り返した結果を図２７に示す。図３に示す構造の試料２−３ではスピン注入に関して安定した特性が得られたが、図１に示す構造の試料１−３ではＭＲ値に不安定性が観測され、図３に示す構造がスピン注入書き込みには好ましいことがわかった。また、第２磁化固着層を設けた場合も同様の結果が得られた。
以上説明したように、０．２５×０．３５μｍ２の大きさまで環状磁界による影響は見られず、素子サイズが０．１×０．１μｍ２のセルも含め、幅広いサイズで低電流書き込みが可能となる。また、熱揺らぎに対する磁気記録層の熱安定性も得ることができる。また、スピン注入書き込み時の磁化固着層の磁化の安定性も図３に示す構造を用いることにより得ることができる。
（実施例２）
次に本発明の実施例２として、図４乃至図６に示すＴＭＲ構造を有する試料３，４，５を作製した。
次に本発明の実施例２として、図４乃至図６に示すＴＭＲ構造を有する試料３，４，５を作製した。
この磁気抵抗効果素子の試料３，４，５の製造手順は実施例１と同様である。
試料は以下の構造を作製した。
（試料３の構成）
この試料３は、図４に示す構造を有し、ＳｉＯ２基板上にＴａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）からなる下地電極、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）からなる反強磁性層とＣｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）からなる磁化固着層との積層膜を２層積層した積層構造、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層、ＡｌＯｘからなる誘電体で隔てられた（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８０Ｐｔ２０からなる強磁性粒を有する磁気記録層、Ｒｕ（１５ｎｍ）からなる非磁性層、およびＴａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層を備えている。
この試料３は、図４に示す構造を有し、ＳｉＯ２基板上にＴａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）からなる下地電極、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）からなる反強磁性層とＣｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）からなる磁化固着層との積層膜を２層積層した積層構造、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層、ＡｌＯｘからなる誘電体で隔てられた（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８０Ｐｔ２０からなる強磁性粒を有する磁気記録層、Ｒｕ（１５ｎｍ）からなる非磁性層、およびＴａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層を備えている。
（試料４の構成）
この試料４は、図５に示す構造を有し、ＳｉＯ２基板上にＴａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）からなる下地電極、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）からなる反強磁性層とＣｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）からなる磁化固着層との積層膜を２層積層した積層構造、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３．０ｎｍ）からなる磁気記録層、Ｒｕ（１４ｎｍ）からなる非磁性層、およびＴａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層を備えている。
この試料４は、図５に示す構造を有し、ＳｉＯ２基板上にＴａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）からなる下地電極、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）からなる反強磁性層とＣｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）からなる磁化固着層との積層膜を２層積層した積層構造、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３．０ｎｍ）からなる磁気記録層、Ｒｕ（１４ｎｍ）からなる非磁性層、およびＴａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層を備えている。
（試料５の構成）
この試料５は、図６に示す構造を有し、ＳｉＯ２基板上にＴａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）からなる下地電極、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）からなる反強磁性層、Ｒｕ（０．９ｎｍ）からなる非磁性層を介してＣｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）からなる磁化固着層を２層積層した積層構造、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３．０ｎｍ）からなる磁気記録層、Ｒｕ（１４ｎｍ）からなる非磁性層、およびＴａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層を備えている。
この試料５は、図６に示す構造を有し、ＳｉＯ２基板上にＴａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）からなる下地電極、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）からなる反強磁性層、Ｒｕ（０．９ｎｍ）からなる非磁性層を介してＣｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）からなる磁化固着層を２層積層した積層構造、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３．０ｎｍ）からなる磁気記録層、Ｒｕ（１４ｎｍ）からなる非磁性層、およびＴａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層を備えている。
接合面積は全て０．１×０．１５μｍ２である。外部磁界でＭＲ値を測定したところ、試料３，４，５に対してそれぞれ２６％，３１．５％、３２％であった。この試料にスピン注入書き込みを行い、１０６回のスピン反転を繰り返した結果を図２８に示す。図４、図５、図６に示す構造では、スピン注入に関して安定した特性が得られたが、図２７に示す試料１−３ではＭＲ値に不安定性が観測され、図４、図５、図６に示す構造がスピン注入書き込み構造として好ましいことが分かった。
以上説明したように、スピン注入書き込み時の磁化固着層の磁化の安定性も保つことができることが分かった。
（実施例３）
次に、本発明の実施例３として、第８実施形態で説明した製造方法を用いて、下地層、反強磁性層、磁化固着層、トンネルバリア層、磁気記録層、および反射層を備えた図２９に示す試料６−１〜試料６−１５を作成するとともに反射層を備えていない比較例１−１、１−２を作成し、それぞれの電流密度を測定した。これらの試料６−１〜試料６−１５および比較例１−１、比較例１−２はいずれも、下地層が膜厚５０ｎｍのＴａおよび膜厚１０ｎｍのＲｕ、反強磁性層が膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎ、磁化固着層が膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０、トンネルバリア層が膜厚１．４ｎｍのＡｌＯxからなっている。そして、磁気記録層および反射層は第８実施形態で説明したように、柱状に積層された構成となっている。なお、各試料および比較例の素子サイズは０．１×０．１５μｍ２であり、図１９（ｃ）に示す保護膜３４はＡｌＯx、層間絶縁膜３６はＳｉＯxを用いた。
次に、本発明の実施例３として、第８実施形態で説明した製造方法を用いて、下地層、反強磁性層、磁化固着層、トンネルバリア層、磁気記録層、および反射層を備えた図２９に示す試料６−１〜試料６−１５を作成するとともに反射層を備えていない比較例１−１、１−２を作成し、それぞれの電流密度を測定した。これらの試料６−１〜試料６−１５および比較例１−１、比較例１−２はいずれも、下地層が膜厚５０ｎｍのＴａおよび膜厚１０ｎｍのＲｕ、反強磁性層が膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎ、磁化固着層が膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０、トンネルバリア層が膜厚１．４ｎｍのＡｌＯxからなっている。そして、磁気記録層および反射層は第８実施形態で説明したように、柱状に積層された構成となっている。なお、各試料および比較例の素子サイズは０．１×０．１５μｍ２であり、図１９（ｃ）に示す保護膜３４はＡｌＯx、層間絶縁膜３６はＳｉＯxを用いた。
また磁気記録層は、試料６−１〜試料６−１０、試料６−１３〜試料６−１４、および比較例１−２が膜厚３ｎｍのＣｏ８０Ｐｔ２０であり、試料６−１１〜試料６−１２、試料６−１５および比較例１−１が膜厚４ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０である。
試料６−１は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子を上述の製造方法で製造したものであり、非磁性層１４を膜厚５ｎｍのＲｕを用いて反射層の機能を持たせた構成となっている。試料６−２は、図２０に示す磁気抵抗効果素子であって、非磁性層１４が膜厚５ｎｍのＲｕ、強磁性層１８が膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０、反強磁性層１９が膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎから構成されている。すなわち、試料６−１は試料６−２の強磁性層および反強磁性層を削除した構成となっている。
試料６−３は、試料６−２の非磁性層１４をＲｕからＣｒに換えた構成となっている。試料６−４は、試料６−３の非磁性層１４をＣｒからＲｕＣｒに換えた構成となっている。
試料６−３は、試料６−２の非磁性層１４をＲｕからＣｒに換えた構成となっている。試料６−４は、試料６−３の非磁性層１４をＣｒからＲｕＣｒに換えた構成となっている。
試料６−５は、試料６−１の非磁性層１４ＲｕからＩｒに換えた構成となっている。試料６−６は、試料６−２の非磁性層１４をＲｕからＩｒに換えた構成となっている。すなわち、試料６−５は試料６−６の強磁性層および反強磁性層を削除した構成となっている。
試料６−７は、試料６−１の非磁性層１４をＲｕからＩｒＲｕに換えた構成となっている。試料６−８は、試料６−２の非磁性層１４をＲｕからＩｒＲｕに置き換えた構成となっている。すなわち、試料６−７は試料６−８の強磁性層および反強磁性層を削除した構成となっている。
試料６−７は、試料６−１の非磁性層１４をＲｕからＩｒＲｕに換えた構成となっている。試料６−８は、試料６−２の非磁性層１４をＲｕからＩｒＲｕに置き換えた構成となっている。すなわち、試料６−７は試料６−８の強磁性層および反強磁性層を削除した構成となっている。
試料６−９は、試料６−２の非磁性層１４をＲｕからＲｅに換えた構成となっている。試料６−１０は、試料６−２の非磁性層１４をＲｕからＲｕＲｅに換えた構成となっている。
試料６−１１は、試料６−２の磁気記録層を膜厚３ｎｍのＣｏ８０Ｐｔ２０から膜厚４ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０に換えた構成となっている。試料６−１２は、試料６−１１の非磁性層をＲｕからＩｒに換えた構成となっている。
試料６−１３は、図８に示す第５実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子を上述の製造方法によって製造したもので、非磁性層１４が膜厚５ｎｍのＣｕ、強磁性層１８１が膜厚４ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０、非磁性層１８２が膜厚０．９ｎｍのＲｕ、強磁性層１８３が膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０、反強磁性層２０が膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎから構成されている。
試料６−１４は、図７に示す第５実施形態による磁気抵抗効果素子を上述の製造方法で製造したものであって、非磁性層が膜厚５ｎｍのＣｕ、強磁性層１８が膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０、反強磁性層２０が膜厚１５ｎｍのＩｒＭｎから構成されている。
試料６−１５は、試料６−１３の磁気記録層を膜厚３ｎｍのＣｏ８０Ｐｔ２０から膜厚４ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０に換えた構成となっている。
なお、試料６−１〜試料６−１５は、反射層上に金属コンタクト層として膜厚５ｎｍのＲｕ層と膜厚１５０ｎｍのＴａ層が積層され、比較例１−１，比較例１−２では反射層上に膜厚１５５ｎｍのＴａ層が形成されている。
図２９からわかるように、反射層が非磁性層のみからなる場合（試料６−１、試料６−５、試料６−７は反射層がない比較例１−２に比べて電流密度は２／３倍程度になる。
また、反射層が非磁性層／強磁性層／反強磁性層からなる場合（試料６−２、試料６−６、試料６−８）は、反射層が非磁性層のみからなる場合（試料６−１、試料６−５、試料６−７）に比べて電流密度は約半分程度となる。
また、反射層が非磁性層／強磁性層／反強磁性層から構成されているときに、磁化固着層と、反射層を構成する磁気記録層側の強磁性層の磁化の向きが平行な場合（試料６−２〜試料６−４、試料６−６、試料６−８〜試料６−１０）は、磁化固着層と、反射層を構成する磁気記録層側の強磁性層の磁化の向きが反平行な場合（試料６−１３〜試料６−１５）に比べて電流密度が小さいことがわかる。
なお、図２９に示す電流密度は、平行の向きに反転させる場合の電流密度と逆に平行から反平行へ反転させる場合の電流密度との平均値を示す。
また、反射層の材料の違いによる特性をみるために、上記試料６−２〜試料６−４、試料６−６、試料６−８、試料６−９に対して反射層の材料を換えた比較例２−１〜比較例２−４を作成し、電流密度を測定した結果を図３０に示す。比較例２−１は試料６−２の膜厚５ｎｍのＲｕ層と膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０層とからなる反射層を膜厚５ｎｍのＣｕ層と膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０層とからなる反射層に置き換えた構成であり、比較例２−２は試料６−２の膜厚５ｎｍのＲｕ層と膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０層とからなる反射層を膜厚５ｎｍのＲｈ層と膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０層とからなる反射層に置き換えた構成であり、比較例２−３は試料６−２の膜厚５ｎｍのＲｕ層と膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０層とからなる反射層を膜厚５ｎｍのＡｇ層と膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０層とからなる反射層に置き換えた構成であり、比較例２−４は試料６−２の膜厚５ｎｍのＲｕ層と膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０層とからなる反射層を膜厚５ｎｍのＡｕ層と膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０層とからなる反射層に置き換えた構成である。なお、比較例２−１〜比較例２−４は試料６−２〜試料６−４、試料６−６、試料６−８、試料６−９と同様に、反射層上に形成されたＰｔＭｎからなる反強磁性層上に、膜厚５ｎｍのＲｕ層と膜厚１５０ｎｍのＴａ層からなる金属コンタクト層が設けられている。また、試料６−２〜試料６−４、試料６−６、試料６−８、試料６−９および比較例２−１〜比較例２−４においては、反射層を構成するＣｏ９０Ｆｅ１０からなる強磁性層はこの強磁性層上に設けられるＰｔＭｎからなる反強磁性層によって磁化の向きが固着されるが、この磁化の向きと、トンネルバリア層下に設けられる磁化固着層との磁化の向きは平行となっている。
図２９および図３０の測定結果からわかるように、反射層の強磁性層がＣｏを含む強磁性層である場合、この強磁性層に接する非磁性層の材料がＣｒ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｅから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれら合金であるが好ましいことがわかる。
また、磁気記録層が磁性粒からなる場合と連続膜からなる場合とを比較するために、磁気記録層が磁性粒からなる試料６−１１と、この試料６−１１の反射層の膜厚５ｎｍのＲｕ層を膜厚５ｎｍのＣｒ層に置き換えたものを製作して試料６−１６とし、試料６−１１の反射層の膜厚５ｎｍのＲｕ層を膜厚５ｎｍのＲｕＣｒ層に置き換えたものを製作して試料６−１７とした。また、試料６−１１、試料６−１６、試料６−１７の磁気記録層および反射層を連続膜としたものを製作し、それぞれ比較例３−１、比較例３−２、比較例３−３とした。なお、試料６−１１、試料６−１６、試料６−１７および比較例３−１〜比較例３−３においては、反射層を構成するＣｏ９０Ｆｅ１０からなる強磁性層はこの強磁性層上に設けられるＰｔＭｎからなる反強磁性層によって磁化の向きが固着されるが、この磁化の向きと、トンネルバリア層下に設けられる磁化固着層との磁化の向きは平行となっている。
これらの試料６−１１、試料６−１６、試料６−１７、比較例３−１、比較例３−２、比較例３−３の電流密度を測定した結果を図３１に示す。図３１に示す結果から磁気記録層が強磁性粒からなる場合のほうが連続膜の場合に比べて電流密度が低いことがわかる。
（実施例４）
次に、本発明の実施例４として、図２２に示す構造の磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
次に、本発明の実施例４として、図２２に示す構造の磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
まず、ＳｉＯ２からなる基板上に超高真空スパッタ装置により、膜厚８０ｎｍのＴａからなる下部電極層、膜厚５ｎｍのＲｕからなるバッファー層、膜厚３ｎｍのＣｏＦｅＣｒＰｔからなる磁気記録層を成膜する。次に、膜厚０．７ｎｍのＡｌの層を成膜し、純酸素ガスを導入することによりＡｌ層を酸化させ、薄いトンネルバリア層を形成した。その後、酸化Ａｌ層の表面全体は覆わない平均膜厚が０．５ｎｍのＡｌ２Ｏ３からなる絶縁体を堆積させる。次に、膜厚５ｎｍのＣｏＦｅからなる磁化固着層、膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層、膜厚２０ｎｍのＲｕからなるキャップ層の順に成膜する。その後、キャップ層上に膜厚１００ｎｍのＴａからなる上部電極層を形成する。なお、酸化Ａｌ層の表面全体は覆わない平均膜厚が０．５ｎｍのＡｌ２Ｏ３からなる絶縁体の形成は、形成される絶縁体が平坦にならないような方法で形成すればよく、平均膜厚が５ｎｍ以下であれば表面全体は覆わない絶縁体を形成することができる。このとき、絶縁体のサイズは形成される絶縁体の平均膜厚による。
上記積層膜上にレジストで素子形状のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとして反応性エッチングを用いて上部電極層をパターニングし、上部電極を形成すると同時に素子形状が形成される。レジストパターンを剥離した後、素子部分を除いてイオンミリングによりキャップ層、磁気記録層、トンネルバリア層、磁化固着層をエッチングする。その後、膜厚５０ｎｍのＳｉＯ２からなる絶縁層を成膜し、素子をＳｉＯ２で覆う。次に、下部電極のパターンをレジストで形成し、反応性イオンエッチングにより下部電極層をパターニングし、レジストを剥離する。膜厚３００ｎｍのＳｉＯ２からなる絶縁層を成膜し、下部電極をＳｉＯ２で覆う。
平坦化レジストを塗布した後、反応性イオンエッチングにより平坦化レジストおよびＳｉＯ２絶縁層をエッチングし、素子の上部電極が現れたところでエッチングを止めた。その後、膜厚６０ｎｍのＴｉ、膜厚１８０ｎｍのＡｌ、膜厚６０ｎｍのＴｉを成膜する。次にレジストにより、上部配線層のパターンを形成し、反応性イオンエッチングにより上部配線のパターニングを行う。レジストを剥離した後、磁性層の長軸方向に磁場を印加しながら、２８０℃でアニールを行った。
このような製造方法により素子形状が０．４×０．８μｍ２の面積の素子が形成できた。図３２に示すように、この素子の電流−電圧特性においてはスピン注入磁化反転による抵抗変化を示した。磁気記録層の磁化が平行から反平行へ磁化反転する電圧は３２０ｍＶ、電流は５９μＡであった。
本実施例ではＡｌ２Ｏ３からなる絶縁体を堆積した領域が高抵抗になり、実効的にトンネル電流の流れる面積を小さくすることができた。また、磁気記録層にＣｒおよびＰｔが粒界を形成しているため磁気記録層は小さな磁区が形成されており、スピン反転する領域の体積が小さくなっている。そのためスピン反転が容易になり、スピン反転の電流密度を低くすることができた。本実施例ではスピン注入による磁化反転が実現され、２３％の抵抗変化が得られた。本実施例の構造は、低電流でスピン注入磁化反転ができ、大容量メモリとして適していることがわかった。
（実施例５）
次に、本発明の実施例５として、図２３に示す構造の磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
次に、本発明の実施例５として、図２３に示す構造の磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
まず、ＳｉＯ２からなる基板上に超高真空スパッタ装置により、膜厚８０ｎｍのＴａからなる下部電極層、膜厚５ｎｍのＣｒからなるバッファー層、膜厚３ｎｍのＣｏＣｒＰｔからなる磁気記録層を成膜する。次に、磁気記録層の表面全体は覆わない平均膜厚が０．５ｎｍのＡｌ２Ｏ３からなる絶縁体を堆積させた後、膜厚０．７ｎｍのＡｌの層を成膜し、純酸素ガスを導入することによりＡｌ層を酸化させ、薄いトンネルバリアを形成した。その後、膜厚５ｎｍのＣｏＦｅからなる磁化固着層、膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層、膜厚２０ｎｍのＲｕからなるキャップ層の順に成膜する。その後、キャップ層上に膜厚１００ｎｍのＴａからなる上部電極層を形成する。上記積層膜を上記実施例４と同様に加工し、素子を形成する。
このような製造方法により素子形状が０．４×０．８μｍ２の面積の素子が形成できた。この素子の電流−電圧特性においてはスピン注入磁化反転による抵抗変化を示した。磁気記録層の磁化が平行から反平行へ磁化反転する電圧は３６０ｍＶ、電流は２３０μＡであった。
本実施例ではＡｌ２Ｏ３からなる絶縁体を堆積した領域が高抵抗になり、実効的にトンネル電流の流れる面積を小さくすることが出来た。また、磁気記録層がＣｒおよびＰｔを含んでいるため磁気記録層は小さな磁区が形成されており、スピン反転する領域の体積が小さくなっている。そのためスピン反転が容易になり、スピン反転の電流密度を低くすることができた。本実施例ではスピン注入による磁化反転が実現され、１７％の抵抗変化が得られた。本実施例の構造は、低電流でスピン注入磁化反転ができ、大容量メモリとして適していることがわかった。
（実施例６）
次に、本発明の実施例６として、図２４に示す構造の磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
次に、本発明の実施例６として、図２４に示す構造の磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
まず、ＳｉＯ２からなる基板上に超高真空スパッタ装置により、膜厚８０ｎｍのＴａからなる下部電極層、膜厚５ｎｍのＲｕからなるバッファー層、膜厚３ｎｍのＣｏＦｅＣｒＰｔからなる磁気記録層を成膜する。次に、膜厚０．７ｎｍのＡｌの層を成膜し、純酸素ガスを導入することによりＡｌ層を酸化させ、薄いトンネルバリアを形成した。その後、酸化Ａｌ層の表面全体は覆わない平均膜厚が０．４ｎｍのＡｌを堆積させ、純酸素を導入して堆積させたＡｌの表面を酸化させる。次に、膜厚５ｎｍのＣｏＦｅからなる磁化固着層、膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層、膜厚２０ｎｍのＲｕからなるキャップ層の順に成膜する。その後、キャップ層上に膜厚１００ｎｍのＴａからなる上部電極層を形成する。上記積層膜を上記実施例１と同様に加工し、素子を形成する。
このような製造方法により素子形状が０．４×０．８μｍ２の面積の素子が形成できた。この素子の電流−電圧特性においてはスピン注入磁化反転による抵抗変化を示した。磁気記録層の磁化が平行から反平行へ磁化反転する電圧は２９０ｍＶ、電流は５３μＡであった。
本実施例では、表面を覆わないように堆積させたＡｌの表面を酸化させた領域が高抵抗になり、実効的にトンネル電流の流れる面積を小さくすることができた。また、磁気記録層がＣｒおよびＰｔを含んでいるため磁気記録層は小さな磁区が形成されており、スピン反転する領域の体積が小さくなっている。そのためスピン反転が容易になり、スピン反転の電流密度を低くすることができた。本実施例ではスピン注入による磁化反転が実現され、２８％の抵抗変化が得られた。本実施例の構造は、低電流でスピン注入磁化反転ができ、大容量メモリとして適していることがわかった。
（実施例７）
本発明の実施例７として、実施例４で磁気記録層にＣｏＣｒＰｔを用いた磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
本発明の実施例７として、実施例４で磁気記録層にＣｏＣｒＰｔを用いた磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
磁気記録層の材料にＣｏＣｒＰｔを用い、それ以外は実施例４と同じ作製プロセスにより磁気抵抗効果素子を作製した。このような製造方法により０．０８×０．３μｍ２の小面積の素子が形成できた。本実施例では小面積の素子を形成できたため、電流注入によるスピン反転が実現され、２１％の抵抗変化が得られた。スピン反転の電流密度は磁気記録層の磁化の向きを磁化固着層に対して反平行から平行の向きに反転させる場合は７．３×１０６Ａ／ｃｍ２、逆に平行から反平行へ反転させる場合は１．１×１０７Ａ／ｃｍ２と見積もられる。
本実施例では添加された非磁性元素Ｃｒ及びＰｔにより磁気記録層に粒界が形成され、小さな磁区が形成されており、スピン反転する領域の体積が小さくなっている。そのためスピン反転が容易になり、スピン反転の電流密度を低くすることができた。
本実施例の構造は、低電流でスピン注入書き込みが出来、大容量メモリとして適していることが分かった。
（実施例８）
本発明の実施例８として、実施例５で磁気記録層にＣｏＦｅＣｒＰｔを用いた磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
本発明の実施例８として、実施例５で磁気記録層にＣｏＦｅＣｒＰｔを用いた磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
磁気記録層の材料にＣｏＦｅＣｒＰｔを用い、それ以外は実施例５と同じ作製プロセスにより磁気抵抗効果素子を作製した。このような製造方法により０．０８×０．３μｍ２の小面積の素子が形成できた。本実施例では小面積の素子を形成できたため、電流注入によるスピン反転が実現され、２１％の抵抗変化が得られた。スピン反転の電流密度は磁気記録層の磁化の向きを磁化固着層に対して反平行から平行の向きに反転させる場合は７．１×１０６Ａ／ｃｍ２、逆に平行から反平行へ反転させる場合は１．０×１０７Ａ／ｃｍ２と見積もられる。
本実施例では添加された非磁性元素Ｃｒ及びＰｔにより磁気記録層に粒界が形成され、小さな磁区が形成されており、スピン反転する領域の体積が小さくなっている。そのためスピン反転が容易になり、スピン反転の電流密度を低くすることができた。
本実施例の構造は、低電流でスピン注入書き込みができ、大容量メモリとして適していることが分かった。
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、スピン注入による書き込み動作を確実に行うことができる。
１ 磁気抵抗効果素子
２ 下部電極
４ 反強磁性層
６ 磁化固着層
８ トンネルバリア層
１０ 磁気記録層
１１ 強磁性粒
１２ 誘電体
１４ 非磁性層
１６ 上部電極
２ 下部電極
４ 反強磁性層
６ 磁化固着層
８ トンネルバリア層
１０ 磁気記録層
１１ 強磁性粒
１２ 誘電体
１４ 非磁性層
１６ 上部電極
Claims (8)
- 少なくとも１層の磁性層を有し磁化の方向が固着された第１磁化固着層と、誘電体で隔てられた複数の強磁性粒を有し磁化の方向が可変の磁気記録層と、前記第１磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記磁気記録層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられた第１非磁性層とを備え、前記強磁性粒が、前記トンネルバリア層および前記第１非磁性層に接するように構成され、膜厚方向に電流を流すことにより前記磁気記録層の前記強磁性粒の磁化の方向が可変となることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 前記第１非磁性層の前記磁気記録層とは反対側に設けられ少なくとも１層の磁性層を有し磁化の方向が固着された第２磁化固着層を備え、前記第１磁化固着層と前記第２磁化固着層の前記トンネルバリア層側の磁性層の磁化の方向は実質的に１８０度異なっており、前記第１非磁性層がＣｕまたはＣｕ合金であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第２磁化固着層は、第２非磁性層とこの第２非磁性層を挟む２つの磁性層とが積層された積層膜であることを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１非磁性層がＣｕまたはＣｕ合金からなっている場合、前記第２非磁性層の材料がＣｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｈから選ばれた少なくとも１種の元素を含むか、またはこれらの合金であることを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１非磁性層の前記磁気記録層とは反対側に設けられ少なくとも１層の磁性層を有し磁化の方向が固着された第２磁化固着層を備え、前記第１磁化固着層と前記第２磁化固着層の前記トンネルバリア層側の磁性層の磁化の方向は実質的に同じ方向であり、
前記第２磁化固着層がＣｏを含む強磁性材料からなっている場合は、前記第１非磁性層の材料がＣｒ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅから選ばれた少なくとも１種の元素を含むか、またはこれらの合金であり、
前記第２磁化固着層がＦｅを含む強磁性材料からなっている場合は、前記第１非磁性層の材料がＣｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはこれらの合金であり、
前記第２磁化固着層がＮｉを含む強磁性材料からなっている場合は、前記第１非磁性層の材料がＣｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはこれらの合金であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記第１非磁性層および前記第２磁化固着層は前記磁気記録層の強磁性粒上に柱状に積層されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１磁化固着層の前記トンネルバリア層側の面が前記トンネルバリア層と反対側の面よりも狭いことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、
前記磁気抵抗効果素子の一端が電気的に接続される第１配線と、
前記磁気抵抗効果素子の他端が電気的に接続される第２配線と、
を備えたことを特徴とする磁気メモリ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2004286396A JP4575101B2 (ja) | 2004-09-30 | 2004-09-30 | 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ |
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