スピン注入型磁化反転素子
【課題】本発明は、配線数および消費電力の増大を防ぎ、高い出力が得られる多値記憶磁気メモリを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、少なくとも下部電極、反強磁性層、強磁性ピン層、第一中間層、第一強磁性フリー層、第二中間層、第二強磁性フリー層および上部電極をこの順で下部電極上に設けたスピン注入型磁化反転素子であって、前記第一および第二強磁性フリー層がｂｃｃ構造を有し、且つ、第一強磁性フリー層と第二強磁性フリー層の磁化反転臨界電流密度が異なることを特徴とするスピン注入型磁化反転素子に関する。
【解決手段】本発明は、少なくとも下部電極、反強磁性層、強磁性ピン層、第一中間層、第一強磁性フリー層、第二中間層、第二強磁性フリー層および上部電極をこの順で下部電極上に設けたスピン注入型磁化反転素子であって、前記第一および第二強磁性フリー層がｂｃｃ構造を有し、且つ、第一強磁性フリー層と第二強磁性フリー層の磁化反転臨界電流密度が異なることを特徴とするスピン注入型磁化反転素子に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子のスピンを制御した機能デバイスに関する。特に、本発明はスピン注入型磁化反転素子に関する。本発明の素子は、ＣＭＯＳ回路と共にシリコン半導体基板上に多数個集積することで、記録容量が大きく、機械的な駆動部分を含まない磁気的なランダムアクセスメモリを実現することができるものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、強磁性層／非磁性金属層／強磁性層からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子および強磁性層／絶縁体層／強磁性層からなるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子が開発され、新しい磁気センサや磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への応用が期待されている。例えば、ＧＭＲ効果については、非特許文献１を参照。
【０００３】
以下にＧＭＲおよびＴＭＲ効果素子の応用例としてのＭＲＡＭの従来技術を図面を参照して説明する。
【０００４】
図１は、ＭＲＡＭの基本構造を示す概略図である。図１（ａ）は全体図であり、図１（ｂ）はＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。図１（ａ）に示されるように、ＭＲＡＭでは、ビット線およびワード線をマトリックス状に配線し、ＴＭＲ素子をマトリックスの交点に配置する。ＴＭＲ素子は、図１（ｂ）に示されるように、ビット線１１とワード線１５の間に第一強磁性層１２、絶縁層１３および第二強磁性層１４が設けられる。また、ＴＭＲ素子に理論情報を書き込むための書き込み用ワード線１６が別途設けられる。図１（ｂ）では、第二強磁性層１４の保磁力が第一強磁性層１２の保磁力よりも高い場合を示した。ＴＭＲ素子に理論情報を書き込むには上記書き込みワード用リード線１６に電流を流して磁界を発生させることにより行う。このとき発生させる磁界の向きおよび強さを調節することで第一強磁性層１２および第二強磁性層１４の磁化方向を平行または反平行とし、「１」または「０」の情報を記憶させる。記憶させた情報の読み出しは、ワード線１５からビット線１１へ電流を流し、ＴＭＲ効果によって生じた素子の抵抗値を読み取ることで行う。このようにして、ＴＭＲ素子に対して理論情報の記録再生が可能であるが、この方法では１つのメモリセルで「１」および「０」の２値、すなわち１ビットの情報しか記録再生できず、将来の高密度化の要求に対して十分ではないという問題があった。
【０００５】
この問題を解決する方法として、１つのメモリセルに３値以上の多値の情報を記憶再生する方法が、特許文献１に開示されている。この技術について図２を参照して説明する。図２（ａ）は素子の単セルの構造を示す概略断面図であり、図２（ｂ）〜（ｄ）は、磁界を発生させた場合の第一強磁性層２２および第二強磁性層２４、２５の各磁性層の磁化の方向を示す図（例示）である。
【０００６】
図２（ａ）に示されるように、素子は、ビット線２１と、その上に順次形成された第一強磁性層２２、トンネル層２３、第二強磁性層２４、２５を有する。第二強磁性層２４および２５は磁性材料の成膜条件を変えるなどして異なる保磁力を有するようにしてある。また、この素子にはワード線２６および書き込み用ワード線２７が設けられている。また、この素子中の第一強磁性層２２および第二強磁性層２４、２５の保磁力Ａ、ＢおよびＣは、Ａ＜Ｂ＜Ｃの関係を有しているとする。また、図中では、矢印の向きに合わせ、磁化の向きを右向きまたは左向きと称する（磁界の向きも同様である）。
【０００７】
この素子に対して素子外部に設置した書き込み用ワード線に電流を流し、磁界（Ｈ）を発生させた場合、磁界の向きおよび強度と第一強磁性層２２および第二強磁性層２４、２５の磁化方向は以下の通りとなる。まず、ワード線に十分大きな電流を流してＡ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｈとなる右方向の磁界Ｈを発生させたとすると、図２（ｂ）に示すようにこの磁界により第一強磁性層２２および第二強磁性層２４、２５の磁化方向は全て右向きとなる。この状態を理論値「０」とする。次にこの状態で、Ａ＜Ｂ＜Ｈ＜Ｃとなる左向きの磁界Ｈを発生させると、図２（ｃ）に示したように第一強磁性層２２および第二強磁性層２４の磁化が左向きに反転する。この状態を理論値「１」とする。さらに左向きの磁界ＨをＡ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｈとなるように強めると、図２（ｄ）に示したように全ての磁化が左向きとなる。この状態を理論値「２」とする。上記の関係を表１に示した。
【０００８】
【表１】
【０００９】
記憶情報の再生は書き込みようワード線２６からＡ＜Ｈ＜Ｂ＜Ｃとなる右向きの弱い磁界を発生させ、第一強磁性層２２の磁化反転時の素子抵抗の変化を読み取ることで行う。このようにして、１つのメモリセルに対して３値の情報を記憶再生することが可能となる。
【００１０】
特許文献２には、図３に示す構造を有するスピン注入を用いて２値の情報を記録再生するメモリ素子の一例が開示されている（特許文献２では、この素子をノーマル型と称している）。この磁気セルは、磁化Ｍ１、Ｍ２の向きが互いに反平行な２つの磁性固着層Ｃ１、Ｃ２と、磁化方向が可変なひとつの磁性記録層Ａ、そして磁性記録層Ａと磁性固着層の間に中間層Ｂ１、Ｂ２を有する。
【００１１】
この素子に、磁性固着層Ｃ１から磁性固着層Ｃ２へ向かって電子を流したときの電子スピンおよび磁性層中の磁化の挙動は、図４に示すようになる。図４で、白抜きの矢印は各磁性層の磁化の向きを表し、小さな丸を付した矢印は電子スピンの向きを表し、丸のない細い矢印は電子の流れる向きを表す。以下では、矢印の向きに合わせ、磁化の向きを右または左向きと称する。
【００１２】
まず、図４（ａ）において、磁化Ｍ１を有する第１の磁性固着層Ｃ１を通過した電子は、磁化Ｍ１の方向のスピンをもつようになり、これが磁性記録層Ａへ流れると、このスピンのもつ角運動量が磁性記録層Ａへ伝達され、磁化Ｍに作用する。一方、第２の磁性固着層Ｃ２の磁化Ｍ２は、磁化Ｍ１とは逆向きである。このため、電子の流れが第２の磁性固着層Ｃ２へ入る界面においては、磁化Ｍ１と同方向の右向きスピンを有する電子は反射される。この反射された電子が有する逆向きスピンは、やはり磁性記録層Ａに作用する。すなわち、第１の磁性固着層の磁化と同じ方向のスピン電子が、磁性記録層Ａに対して２回作用するため、実質的に２倍の書き込み作用が得られる。その結果として、磁性記録層Ａに対する書き込みを従来よりも小さい電流で実施できる。
【００１３】
また、図４（ｂ）は、電流Ｉを反転させた場合を表す。この場合には、電流Ｉを構成する電子は、まず、第２の磁性固着層Ｃ２の磁化Ｍ２の作用を受けて、この方向（同図において左向き）のスピンを有する。このスピン電子は、磁性記録層Ａにおいてその磁化Ｍに作用する。さらに、スピン電子は、それとは逆向きの磁化Ｍ１を有する第１の磁性固着層Ｃ１との界面において反射されて、中間層Ｂ２に溜まり、もう一度磁性記録層Ａの磁化Ｍに作用する。
【００１４】
このようにして、反対方向の磁化を有する２つの磁性固着層を準備した上で、素子に流す電流の方向を変えることで、２値の情報を書き込むことができる。
【００１５】
上記素子を多数積層することで多値記録を行う方法も提案されている（特許文献２、段落番号００９５〜００９６参照）。そのような素子は図５に示されるような構造を有する。図５は、２層の磁性記録層を設けた磁気セルを表す模式断面図である。すなわち、この磁気セルにおいては、磁性固着層Ｃ１、中間層Ｂ１、磁性記録層Ａ１、中間層Ｂ２、磁性固着層Ｃ２、中間層Ｂ３、磁性記録層Ａ２、中間層Ｂ４、磁性固着層Ｃ３がこの順に積層されている。すなわち、磁性固着層Ｃ２を共有するようにして、その上下にそれぞれ図３に例示した磁気セルが直列に形成された構造を有する。基本的に、図５の素子は、図３の素子を積み重ねたもので、各中間層の磁性材料や膜厚を変えることでそれぞれの層の磁化方向が反転する臨界電流密度（以下、磁化反転電流密度とも称する）を変え、多値化を可能にしている。
【００１６】
【特許文献１】特開２００２−４２４５７号公報
【特許文献２】特開２００４−１９３５９５号公報
【非特許文献１】J. A. Katine, Phys. Rev. Letters, 84(14), 3149 (2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記特許文献１に記載の素子は、１つのメモリセルに対して多値の理論情報を記憶再生することが可能であり、ＭＲＡＭの高密度化への観点からは非常に有効であると考えられる。しかしこの素子では、ＴＭＲ素子への情報書き込みの際に、ＴＭＲ素子外部に設置した書き込みワード線が必須であるため、配線数が増大する。さらに、電流磁場による磁化反転では、磁化反転のための閾値電流が非常に大きく書き込み時の消費電力が増大するという問題があった。
【００１８】
上記特許文献２に記載のメモリセルでは、２値記録を行う素子を複数積層して多値記録を行うことを想定したものである。従って、磁化反転を記録する磁性記録層の層ごとに少なくとも１層の磁性固着層を配置することが必要であり、多値記録の数が増えるに伴い磁性固着層の総数も増大する。磁性固着層は、磁化を固定して容易に変動しないようにするために十分な膜厚を有する必要があり、そのため複数の磁性固着層を備える場合には、素子抵抗が増大し、動作時の消費電力が増大することになる。
【００１９】
また、この素子は複数の磁性記録層の磁化反転電流を変化させて多値情報を記録することから、磁化反転電流密度を異なる値に設定するための設計指針が重要となる。このような磁性記録層の設計指針として各磁性記録層の膜厚を変化させることが提案されているが、膜厚の増加は抵抗値の増加に繋がり、ひいては消費電力の増加に繋がるので好ましい方法ではない。また、磁性記録層を設計する際の磁性材料の設定方法については具体的な方法が示されていないのが現状である。
【００２０】
本発明は、このような問題を解決するために考案されたものであり、配線数および消費電力の増大を防ぎ、高い出力が得られる多値記憶磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、スピン注入型磁化反転素子に関し、この素子は、少なくとも下部電極、反強磁性層、強磁性ピン層、第一中間層、第一強磁性フリー層、第二中間層、第二強磁性フリー層および上部電極をこの順で下部電極上に設けたスピン注入型磁化反転素子であり、前記第一および第二強磁性フリー層がｂｃｃ構造を有し、且つ、第一強磁性フリー層と第二強磁性フリー層の磁化反転臨界電流密度が異なるものである。
【００２２】
本発明の素子は、強磁性ピン層、第一強磁性フリー層および第二強磁性フリー層が、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉから選択される２種類以上の元素を含む合金であり、この合金が、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、ＢまたはＰｔから選択される元素をさらに含み、前記第一強磁性フリー層と第二強磁性フリー層の組成が異なることが好ましい。さらに、上部電極が下部電極と電気的に接続されていることが好ましい。また、第一中間層および第二中間層は、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｇおよびＡｌよりなる群から選択される非磁性金属であってよく、あるいは、第一中間層および第二中間層は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＭｇＯよりなる群から選択される絶縁体であってもよい。
【００２３】
本発明のスピン注入型磁化反転素子は、各層が、スパッタ法、イオンビームスパッタ法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、またはレーザーアブレーション法により形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のスピン注入型磁化反転素子は、その構成により３値以上の多値記録が可能になる。また、第一強磁性フリー層および第二強磁性フリー層の結晶構造をｂｃｃ構造とすることで、高いＭＲ比を示す素子を得ることができる。これにより配線数および消費電力の増大を防ぎ、高い出力が得られる多値記憶磁気メモリを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明を説明する。
図６は、本発明のスピン注入型磁化反転素子の基本的な構成を説明するための概念図である。図６に示されるように、本発明のスピン注入磁化反転素子は、下部電極３０、反強磁性層３１、強磁性ピン層３２、第一中間層３３、第一強磁性フリー層３４、第二中間層３５、第二強磁性フリー層３６、および上部電極３７を含み、下部電極上にこれらの層が順次積層された構造を有する。本発明の素子は、前記第一および第二強磁性フリー層がｂｃｃ構造を有し、且つ、第一強磁性フリー層と第二強磁性フリー層の磁化反転臨界電流密度が異なることを特徴とする。
【００２６】
（本発明のスピン注入型磁化反転素子の各層の説明）
以下に本発明の各層について説明する。
１）下部電極３０および上部電極３７
下部電極３０および上部電極３７は、スピン注入型磁化反転素子の電極として通常使用される材料を用いることができる。例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇなどの材料を好適に使用することができる。本発明では、上部電極が下部電極と電気的に接続され、上部電極側からでも下部電極側からでも電流を流すことができるように構成されていることが好ましい。
【００２７】
２）反強磁性層３１
反強磁性層３１は、後述する強磁性ピン層の磁化を固定するために用いる層であり、スピン注入型磁化反転素子の同層に通常用いられる材料を用いることができる。例えば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＮｉＯなどの材料を好適に使用することができる。材料の好ましい元素組成は、例えばＩｒ２０Ｍｎ８０とすることができる。反強磁性層の膜厚は、２〜１５ｎｍであることが好ましい。
【００２８】
３）強磁性ピン層３２
強磁性ピン層３２は、一方向に磁化が固定された層である。スピン注入型磁化反転素子においては、強磁性ピン層３２は、電子のアップスピンもしくはダウンスピンのいずれかを選択して通過させるフィルタ層の役目を担う。強磁性ピン層３２の材料は、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉから選択される２種類以上の元素を含む合金であり、この合金がさらに、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、ＢまたはＰｔから選択される元素を含むことが好ましい。強磁性ピン層の膜厚は、２〜５０ｎｍであることが好ましい。また、好ましい材料の組み合わせは、ＦｅＣｏＢまたはＦｅＣｏＮｉＢであり、好ましい元素組成は、例えばＦｅ５０Ｃｏ４０Ｂ１０あるいはＦｅ５０Ｎｉ３０Ｃｏ１０Ｂ１０とすることができる。
【００２９】
４）第一中間層３３および第二中間層３５
第一中間層３３および第二中間層３５は、ＴＭＲ素子として用いる場合には、非磁性の絶縁材料であるＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２またはＭｇＯのいずれかを用いることができる。膜厚は生産性およびトンネル障壁の臨界厚を考慮して０．５ｎｍ〜３ｎｍの間であることが好ましい。
【００３０】
また、第一中間層３３および第二中間層３５は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子（ここで、ＣＰＰは、Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ Ｐｌａｎｅの略である）として用いる場合には、非磁性の導電性材料であるＣｕ、Ａｕ、ＡｇまたはＡｌのいずれかを用いることができる。膜厚は生産性、および強磁性ピン層と強磁性フリー層に交換結合が働かない範囲の厚さとして１ｎｍ〜７ｎｍの間であることが好ましい。
【００３１】
５）第一強磁性フリー層３４および第二強磁性フリー層３６
第一強磁性フリー層３４および第二強磁性フリー層３６は、下部および上部電極間に流す電流密度および電流を流す方向により、強磁性ピン層１２に対して磁化の向きが平行または反平行となるように設定され、電気抵抗を変化させるために用いられる層である。強磁性フリー層の材料は、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉから選択される２種類以上の元素を含む合金であり、この合金がさらに、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、ＢまたはＰｔから選択される元素を含むことが好ましい。３値以上の多値メモリとして本発明の素子を用いる場合には、第一強磁性フリー層と第二強磁性フリー層の組成が異なることが好ましい。
【００３２】
磁化反転の臨界電流は、磁性膜の飽和磁化、体積、形状異方性に依存するため、例えば、ＦｅＣｏに対してＣｒの量を変化させて第一強磁性フリー層および第二強磁性フリー層として用いることができる。この場合には、Ｃｒの量の多い方がＭｓが小さく、磁化反転の臨界電流密度を小さくすることができる。また、ＭＲをより大きくするために、強磁性フリー層の構造はｂｃｃ構造とすることが好ましい。このようになる要因は明かではないが、後述する中間層の材料が主にｆｃｃ構造であり、中間層と強磁性フリー層の結晶構造が異なることにより、スピン依存界面散乱の増大が原因しているものと予想される。
【００３３】
強磁性フリー層の好ましい材料の組み合わせは、ＦｅＣｏＣｒ、ＦｅＣｏＣｒＢ、ＦｅＣｏＭｏ、ＦｅＣｏＭｏＢ、ＦｅＣｏＷ、ＦｅＣｏＷＢ、ＦｅＣｏＰｔ、ＦｅＣｏＰｔＢ等がある。
【００３４】
好ましい材料の元素の組成比は、例えばＦｅＣｏＣｒＢとした場合には、Ｆｅを７０〜３０原子％、Ｃｒを３０〜１０原子％、Ｃｏを２０〜５原子％、Ｂを１５〜５原子％とすることができる。このような範囲とすることで、強磁性フリー層の構造をｂｃｃ構造とすることができる。第一強磁性フリー層および第二強磁性フリー層の膜厚はそれぞれ１〜１５ｎｍおよび２〜２０ｎｍとすることができる。
【００３５】
上記各層は、スパッタ法、、イオンビームスパッタ法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、レーザーアブレーション法等により、下部電極、反強磁性層、強磁性ピン層、第一中間層、第一強磁性フリー層、第二中間層、第二強磁性フリー層および上部電極の順で成膜することができる。
【００３６】
（動作原理）
以下に本発明のスピン注入型磁化反転素子の動作原理について図７を参照して説明する。以下の説明では、図６に示した本発明のスピン注入型磁化反転素子と同じ構成を有する素子を例に取り説明する。なお、図７（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ理論値「０」、「１」および「２」の場合を示す。また、各参照符号は、それぞれ５０：下部電極、５１：反強磁性層、５２：強磁性ピン層、５３：第一中間層、５４：第一強磁性フリー層、５５：第二中間層、５６：第二強磁性フリー層、および５７：上部電極を意味する。
【００３７】
まず、強磁性ピン層５２の磁化方向は、図７に示すように紙面右向き（図中、右向きの白抜き矢印で表した。以下、図７において、磁化の向きを白抜きの矢印で示した。）とし、第一強磁性フリー層５４および第二強磁性フリー層５６において、第一強磁性フリー層５４の飽和磁化が第二強磁性フリー層５６の飽和磁化よりも小さい場合、すなわち第一強磁性フリー層５４と第二強磁性フリー層５６における磁化反転臨界電流密度を、それぞれＩｃ１、Ｉｃ２とすると、Ｉｃ１＜Ｉｃ２である場合を考える。
【００３８】
始めに、上部電極５７から下部電極５０へ向かって十分に大きな電流Ｉ（Ｉ＞Ｉｃ２）を流すと、電子は下部電極５０から上部電極５７に向かって流れることから、電子スピンと強磁性層中の磁化との相互作用により、第一強磁性フリー層５４および第二強磁性フリー層５６の磁化方向が強磁性ピン層５２の磁化方向と平行（紙面右向き）になる。この状態を理論値「０」とする（図７（ａ））。この状態で、下部電極５０から上部電極５７へ向かってＩｃ１＜Ｉ＜Ｉｃ２の電流Ｉを流すと、電子スピンと強磁性層中の磁化との相互作用により第一強磁性フリー層５４の磁化方向のみが磁化反転して紙面左向きとなる。一方、第二強磁性フリー層５６および強磁性ピン層５２の磁化方向は紙面右向きのままとなる。この状態を理論値「１」とする（図７（ｂ））。さらに、この状態で下部電極５０から上部電極５７へ向かってＩ＞Ｉｃ２＞Ｉｃ１の電流Ｉを流すと、電子スピンと強磁性層中の磁化との相互作用により、第二強磁性フリー層５６の磁化方向が紙面左向きとなる。従って、最初の状態と比べて、第一強磁性フリー層５４および第二強磁性フリー層５６の磁化方向が磁化反転して紙面左向きとなり、強磁性ピン層５２の磁化方向は紙面右向きの状態となる。この状態を理論値「２」とする（図７（ｃ））。このようにして、素子に流す電流の方向および大きさを制御することで、１つの素子に対して３値の情報を記録することができる。なお、記録情報の理論値と各磁性層の磁化方向との関係を表２に示した。
【００３９】
【表２】
【００４０】
次に、磁気抵抗素子に記録された情報の読み出し方法について説明する。情報を読み出す際には、上部電極５７から下部電極５０へ向かって、あるいは下部電極５０から上部電極５７に向かって、第一強磁性フリー層５４および第二強磁性フリー層５６の磁化が反転しない程度の小さい電流Ｉ（Ｉ＜Ｉｃ２＜Ｉｃ１）を流し、素子の抵抗値を測定する。なお、素子の両電極間の抵抗値は、２つの強磁性フリー層の磁化方向が平行の状態で小さく、反平行の状態で大きいことが知られている。従って、本説明の例では、全ての強磁性層の磁化方向が紙面右方向である理論値「０」での素子の抵抗値が最も小さく、第一強磁性フリー層５４の磁化方向のみが紙面左方向である理論値「１」での素子の抵抗値が最も大きく、第一強磁性フリー層５４および第二強磁性フリー層５６の磁化方向が共に紙面左方向である理論値「２」での素子の抵抗値が中間になる。従って、素子に電流を流し、その抵抗値を測定することで、素子に記録されている情報を読み出すことが可能である。
【実施例】
【００４１】
以下に本発明を実施例および比較例により説明するが、これらの実施例および比較例は本発明を説明するための代表例に過ぎず、本発明を制限することを意図しない。
【００４２】
（素子の作成）
図６に示す構造を有し、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子とした場合において、強磁性フリー層の組成および結晶構造を変化させて、以下の手順で実施例１〜３、比較例１および比較例２の素子を作成した。
【００４３】
（実施例１）
下部電極３０を、材料をＡｕとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により１００ｎｍの厚さで形成した。次に反強磁性層３１を、材料をＩｒＭｎとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により１５ｎｍの厚さで形成した。次に強磁性ピン層３２を、材料をＦｅ４０Ｃｏ１０ＢとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により１０ｎｍの厚さで形成した。次に第一中間層３３を、材料をＣｕとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により５ｎｍの厚さで形成した。次に、第一強磁性フリー層３４を、材料をＦｅ３０Ｃｏ２０Ｃｒ５ＢとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により３ｎｍの厚さで形成した。次に、第二中間層３５を、材料をＣｕとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により５ｎｍの厚さで形成した。次に、第二強磁性フリー層３６を、材料をＦｅ３０Ｃｏ１０Ｃｒ５ＢとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により３ｎｍの厚さで形成した。次に、上部電極３７を、材料をＡｕとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により１００ｎｍの厚さで形成した。次に、ＥＢリソグラフィー、Ａｒイオンミリングを用いたレジストマスク法により、１辺が３００〜１００ｎｍの長方形からなるピラー状の試料を作成した。このように作成したＣＰＰ−ＧＭＲ素子を実施例１とした。
【００４４】
（比較例１）
第一強磁性フリー層３４をＦｅ３０Ｃｏ１０Ｃｒ５Ｂとした以外は、実施例１と同様にして各層を形成し、比較例１の素子を作成した。
【００４５】
（比較例２）
第一強磁性フリー層３４をＮｉ２０Ｆｅ２０Ｃｒ、第二強磁性フリー層３６をＮｉ２０Ｆｅ５Ｃｒとした以外は、実施例１と同様にして各層を形成し、比較例２の素子を作成した。
【００４６】
（実施例２）
本実施例は、スピン注入型磁化反転素子をＴＭＲとした例である。第一中間層３３および第二中間層３５を、材料をＡｌ２Ｏ３としてＲＦ−スパッタ法により１ｎｍの厚さで形成した以外は実施例１と同様にして各層を形成し、実施例２の素子を作成した。
【００４７】
（実施例３）
本実施例は、ＴＭＲ素子をＭＢＥにより作成した例である。強磁性ピン層３２をＦｅ２０Ｃｏ１０Ｐｔ、第一中間層３３および第二中間層３５をＭｇＯ、第一強磁性フリー層３４をＦｅ２０Ｃｏ２０Ｔａ、および第二強磁性フリー層３６をＦｅ２０Ｃｏ１０Ｔａとし、下部電極、反強磁性層、強磁性ピン層、第一中間層、第一強磁性フリー層、第二中間層、第二強磁性フリー層および上部電極をＭＢＥ法で成膜した以外、実施例１と同様にして実施例３の素子を作成した。
【００４８】
（実施例および比較例の説明）
まず、実施例１、比較例１および比較例２について説明する。実施例１、比較例１および比較例２は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の例である。比較例１は、実施例１に対して２種類の強磁性フリー層を同じ組成にした素子の例である。比較例２は、強磁性フリー層の結晶構造をｆｃｃとした例であり、実施例１と結晶構造が異なる素子である。
【００４９】
次に、実施例２および実施例３について説明する。実施例２および実施例３は、ＴＭＲ素子の例である。実施例２は中間層をＡｌ２Ｏ３とした素子の例である。実施例３は中間層をＭｇＯとし、ＭＢＥ法で成膜した素子の例である。
【００５０】
（評価）
各実施例および比較例の素子について、磁気抵抗比および平均磁化反転臨界電流密度を測定した。磁気抵抗比および平均磁化反転臨界電流密度の測定は、直流４端子法によりＩ−Ｖ曲線の測定を行い算出した。平均磁化反転臨界電流密度は（（Ｉｃｐａｐ−Ｉｃｐｐｐ）／２）／セル面積とした。ここでＩｃｐａｐは、強磁性ピン層の磁化の向きを基準にして第一強磁性フリー層が反平行、第二強磁性フリー層が平行の場合で、Ｉｃｐｐｐは、強磁性ピン層、第一強磁性フリー層および第二強磁性フリー層の全てが平行の場合である。
【００５１】
一般的なスピン注入型磁化反転素子では、平均磁化反転臨界電流密度は１０ｍＡ／ｃｍ２程度であり、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の磁気抵抗比は約１〜５％が一般的である。
【００５２】
強磁性フリー層の結晶構造は、Ｘ線回折装置を用いて行い、管電圧、管電流をそれぞれ３０ｋＶ、３００ｍＡとして測定した。構造の確認の結果、第一および第二強磁性フリー層の結晶構造は、実施例１〜３および比較例１でｂｃｃ構造であり、比較例２ではｆｃｃ構造であった。
【００５３】
（結果）
実施例１〜３、比較例１および比較例３の素子の磁気抵抗比および平均磁化反転臨界電流密度の測定結果を表３に示した。
【００５４】
【表３】
【００５５】
実施例１の素子の磁気抵抗比は９．５％、平均磁化反転臨界電流密度は０．６（ｍＡ／ｃｍ２）であり、非常によい特性を有していた。これに対し、２種類の強磁性フリー層が同じ組成である比較例１では、磁気抵抗比が高いものの、平均磁化反転臨界電流密度は実施例１に比較して大きな値となっていた。これは、比較例１の素子の第一強磁性フリー層の組成を第二強磁性フリー層と同じ組成としたため、実施例１のＣｒ濃度の少ない強磁性フリー層と同じ組成の層が２層形成されることになり、Ｍｓが低くなり、従って高い臨界電流でないと磁化反転が起こらないこととなったと考えられる。
【００５６】
比較例２では、第一強磁性フリー層および第二強磁性フリー層の組成が異なっているため平均磁化反転臨界電流密度は比較例１に比べいくぶん低くなっているが、実施例１および比較例１と比べて磁気抵抗比は小さくなっている。これは、強磁性フリー層の結晶構造に起因していると考えられる。すなわち、比較例２では、強磁性フリー層の結晶構造が中間層や強磁性ピン層と同じｆｃｃ構造であるため、スピン依存界面散乱の効果が小さかったことによると推測される。
【００５７】
次に、実施例２および実施例３に関しては、実施例１との比較では、共に平均磁化反転臨界電流密度は実施例１と同等の値が得られた。また、磁気抵抗比は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子である実施例１よりも非常に大きな値となった。
【００５８】
実施例２と実施例３を比較すると、平均磁化反転臨界電流密度は同等であるが、磁気抵抗比は実施例２よりも実施例３の方が大きくなっていた。これは、成膜法をＭＢＥ法としたことにより、強磁性フリー層と中間層の界面が平坦化され、伝導電子の散乱が小さくなったためであると考えられる。
【００５９】
以上のように、本発明では、偏極スピン電流注入により多値情報の記録再生を行うことで従来では必須であった書き込みようワード線が不要となり、配線数を減らせると共に、従来の電流磁場による記録再生と比較して、低消費電力で情報の記録再生が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】従来のＭＲＡＭの基本構造を示す概略図である。（ａ）は全体図であり、（ｂ）はＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）は従来の多値ＭＲＡＭの単セルの構造を示す概略断面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、この素子において磁界を発生させた場合の第一強磁性層および第二強磁性層の各磁性層の磁化の方向を示す図（例示）である。
【図３】従来技術によりスピン注入を用いて２値の情報を記録再生するメモリ素子の一例を示す図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、図３に示す素子の電子スピンおよび磁化の挙動を示す図である。
【図５】図３に示す素子を多数積層することで多値記録を行うための素子の構造を示す図である。
【図６】本発明のスピン注入型磁化反転素子の構造を示す概略図である。
【図７】図６に示した本発明のスピン注入型磁化反転素子の動作原理を説明するための図であり、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ理論値「０」、「１」および「２」の場合を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０、５０ 下部電極
１１、２１ ビット線
１２、２２ 第一強磁性層
１３ 絶縁層
１４、２４、２５ 第二強磁性層
１５、２６ ワード線
１６、２７ 書き込み用ワード線
２３ トンネル層
３１、５１ 反強磁性層
３２、５２ 強磁性ピン層
３３、５３ 第一中間層
３４、５４ 第一強磁性フリー層
３５、５５ 第二中間層
３６、５６ 第二強磁性フリー層
３７、５７ 上部電極
Ａ、Ａ２ 磁性記録層
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４ 中間層
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 磁性固着層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子のスピンを制御した機能デバイスに関する。特に、本発明はスピン注入型磁化反転素子に関する。本発明の素子は、ＣＭＯＳ回路と共にシリコン半導体基板上に多数個集積することで、記録容量が大きく、機械的な駆動部分を含まない磁気的なランダムアクセスメモリを実現することができるものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、強磁性層／非磁性金属層／強磁性層からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子および強磁性層／絶縁体層／強磁性層からなるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子が開発され、新しい磁気センサや磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への応用が期待されている。例えば、ＧＭＲ効果については、非特許文献１を参照。
【０００３】
以下にＧＭＲおよびＴＭＲ効果素子の応用例としてのＭＲＡＭの従来技術を図面を参照して説明する。
【０００４】
図１は、ＭＲＡＭの基本構造を示す概略図である。図１（ａ）は全体図であり、図１（ｂ）はＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。図１（ａ）に示されるように、ＭＲＡＭでは、ビット線およびワード線をマトリックス状に配線し、ＴＭＲ素子をマトリックスの交点に配置する。ＴＭＲ素子は、図１（ｂ）に示されるように、ビット線１１とワード線１５の間に第一強磁性層１２、絶縁層１３および第二強磁性層１４が設けられる。また、ＴＭＲ素子に理論情報を書き込むための書き込み用ワード線１６が別途設けられる。図１（ｂ）では、第二強磁性層１４の保磁力が第一強磁性層１２の保磁力よりも高い場合を示した。ＴＭＲ素子に理論情報を書き込むには上記書き込みワード用リード線１６に電流を流して磁界を発生させることにより行う。このとき発生させる磁界の向きおよび強さを調節することで第一強磁性層１２および第二強磁性層１４の磁化方向を平行または反平行とし、「１」または「０」の情報を記憶させる。記憶させた情報の読み出しは、ワード線１５からビット線１１へ電流を流し、ＴＭＲ効果によって生じた素子の抵抗値を読み取ることで行う。このようにして、ＴＭＲ素子に対して理論情報の記録再生が可能であるが、この方法では１つのメモリセルで「１」および「０」の２値、すなわち１ビットの情報しか記録再生できず、将来の高密度化の要求に対して十分ではないという問題があった。
【０００５】
この問題を解決する方法として、１つのメモリセルに３値以上の多値の情報を記憶再生する方法が、特許文献１に開示されている。この技術について図２を参照して説明する。図２（ａ）は素子の単セルの構造を示す概略断面図であり、図２（ｂ）〜（ｄ）は、磁界を発生させた場合の第一強磁性層２２および第二強磁性層２４、２５の各磁性層の磁化の方向を示す図（例示）である。
【０００６】
図２（ａ）に示されるように、素子は、ビット線２１と、その上に順次形成された第一強磁性層２２、トンネル層２３、第二強磁性層２４、２５を有する。第二強磁性層２４および２５は磁性材料の成膜条件を変えるなどして異なる保磁力を有するようにしてある。また、この素子にはワード線２６および書き込み用ワード線２７が設けられている。また、この素子中の第一強磁性層２２および第二強磁性層２４、２５の保磁力Ａ、ＢおよびＣは、Ａ＜Ｂ＜Ｃの関係を有しているとする。また、図中では、矢印の向きに合わせ、磁化の向きを右向きまたは左向きと称する（磁界の向きも同様である）。
【０００７】
この素子に対して素子外部に設置した書き込み用ワード線に電流を流し、磁界（Ｈ）を発生させた場合、磁界の向きおよび強度と第一強磁性層２２および第二強磁性層２４、２５の磁化方向は以下の通りとなる。まず、ワード線に十分大きな電流を流してＡ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｈとなる右方向の磁界Ｈを発生させたとすると、図２（ｂ）に示すようにこの磁界により第一強磁性層２２および第二強磁性層２４、２５の磁化方向は全て右向きとなる。この状態を理論値「０」とする。次にこの状態で、Ａ＜Ｂ＜Ｈ＜Ｃとなる左向きの磁界Ｈを発生させると、図２（ｃ）に示したように第一強磁性層２２および第二強磁性層２４の磁化が左向きに反転する。この状態を理論値「１」とする。さらに左向きの磁界ＨをＡ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｈとなるように強めると、図２（ｄ）に示したように全ての磁化が左向きとなる。この状態を理論値「２」とする。上記の関係を表１に示した。
【０００８】
【表１】
【０００９】
記憶情報の再生は書き込みようワード線２６からＡ＜Ｈ＜Ｂ＜Ｃとなる右向きの弱い磁界を発生させ、第一強磁性層２２の磁化反転時の素子抵抗の変化を読み取ることで行う。このようにして、１つのメモリセルに対して３値の情報を記憶再生することが可能となる。
【００１０】
特許文献２には、図３に示す構造を有するスピン注入を用いて２値の情報を記録再生するメモリ素子の一例が開示されている（特許文献２では、この素子をノーマル型と称している）。この磁気セルは、磁化Ｍ１、Ｍ２の向きが互いに反平行な２つの磁性固着層Ｃ１、Ｃ２と、磁化方向が可変なひとつの磁性記録層Ａ、そして磁性記録層Ａと磁性固着層の間に中間層Ｂ１、Ｂ２を有する。
【００１１】
この素子に、磁性固着層Ｃ１から磁性固着層Ｃ２へ向かって電子を流したときの電子スピンおよび磁性層中の磁化の挙動は、図４に示すようになる。図４で、白抜きの矢印は各磁性層の磁化の向きを表し、小さな丸を付した矢印は電子スピンの向きを表し、丸のない細い矢印は電子の流れる向きを表す。以下では、矢印の向きに合わせ、磁化の向きを右または左向きと称する。
【００１２】
まず、図４（ａ）において、磁化Ｍ１を有する第１の磁性固着層Ｃ１を通過した電子は、磁化Ｍ１の方向のスピンをもつようになり、これが磁性記録層Ａへ流れると、このスピンのもつ角運動量が磁性記録層Ａへ伝達され、磁化Ｍに作用する。一方、第２の磁性固着層Ｃ２の磁化Ｍ２は、磁化Ｍ１とは逆向きである。このため、電子の流れが第２の磁性固着層Ｃ２へ入る界面においては、磁化Ｍ１と同方向の右向きスピンを有する電子は反射される。この反射された電子が有する逆向きスピンは、やはり磁性記録層Ａに作用する。すなわち、第１の磁性固着層の磁化と同じ方向のスピン電子が、磁性記録層Ａに対して２回作用するため、実質的に２倍の書き込み作用が得られる。その結果として、磁性記録層Ａに対する書き込みを従来よりも小さい電流で実施できる。
【００１３】
また、図４（ｂ）は、電流Ｉを反転させた場合を表す。この場合には、電流Ｉを構成する電子は、まず、第２の磁性固着層Ｃ２の磁化Ｍ２の作用を受けて、この方向（同図において左向き）のスピンを有する。このスピン電子は、磁性記録層Ａにおいてその磁化Ｍに作用する。さらに、スピン電子は、それとは逆向きの磁化Ｍ１を有する第１の磁性固着層Ｃ１との界面において反射されて、中間層Ｂ２に溜まり、もう一度磁性記録層Ａの磁化Ｍに作用する。
【００１４】
このようにして、反対方向の磁化を有する２つの磁性固着層を準備した上で、素子に流す電流の方向を変えることで、２値の情報を書き込むことができる。
【００１５】
上記素子を多数積層することで多値記録を行う方法も提案されている（特許文献２、段落番号００９５〜００９６参照）。そのような素子は図５に示されるような構造を有する。図５は、２層の磁性記録層を設けた磁気セルを表す模式断面図である。すなわち、この磁気セルにおいては、磁性固着層Ｃ１、中間層Ｂ１、磁性記録層Ａ１、中間層Ｂ２、磁性固着層Ｃ２、中間層Ｂ３、磁性記録層Ａ２、中間層Ｂ４、磁性固着層Ｃ３がこの順に積層されている。すなわち、磁性固着層Ｃ２を共有するようにして、その上下にそれぞれ図３に例示した磁気セルが直列に形成された構造を有する。基本的に、図５の素子は、図３の素子を積み重ねたもので、各中間層の磁性材料や膜厚を変えることでそれぞれの層の磁化方向が反転する臨界電流密度（以下、磁化反転電流密度とも称する）を変え、多値化を可能にしている。
【００１６】
【特許文献１】特開２００２−４２４５７号公報
【特許文献２】特開２００４−１９３５９５号公報
【非特許文献１】J. A. Katine, Phys. Rev. Letters, 84(14), 3149 (2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記特許文献１に記載の素子は、１つのメモリセルに対して多値の理論情報を記憶再生することが可能であり、ＭＲＡＭの高密度化への観点からは非常に有効であると考えられる。しかしこの素子では、ＴＭＲ素子への情報書き込みの際に、ＴＭＲ素子外部に設置した書き込みワード線が必須であるため、配線数が増大する。さらに、電流磁場による磁化反転では、磁化反転のための閾値電流が非常に大きく書き込み時の消費電力が増大するという問題があった。
【００１８】
上記特許文献２に記載のメモリセルでは、２値記録を行う素子を複数積層して多値記録を行うことを想定したものである。従って、磁化反転を記録する磁性記録層の層ごとに少なくとも１層の磁性固着層を配置することが必要であり、多値記録の数が増えるに伴い磁性固着層の総数も増大する。磁性固着層は、磁化を固定して容易に変動しないようにするために十分な膜厚を有する必要があり、そのため複数の磁性固着層を備える場合には、素子抵抗が増大し、動作時の消費電力が増大することになる。
【００１９】
また、この素子は複数の磁性記録層の磁化反転電流を変化させて多値情報を記録することから、磁化反転電流密度を異なる値に設定するための設計指針が重要となる。このような磁性記録層の設計指針として各磁性記録層の膜厚を変化させることが提案されているが、膜厚の増加は抵抗値の増加に繋がり、ひいては消費電力の増加に繋がるので好ましい方法ではない。また、磁性記録層を設計する際の磁性材料の設定方法については具体的な方法が示されていないのが現状である。
【００２０】
本発明は、このような問題を解決するために考案されたものであり、配線数および消費電力の増大を防ぎ、高い出力が得られる多値記憶磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、スピン注入型磁化反転素子に関し、この素子は、少なくとも下部電極、反強磁性層、強磁性ピン層、第一中間層、第一強磁性フリー層、第二中間層、第二強磁性フリー層および上部電極をこの順で下部電極上に設けたスピン注入型磁化反転素子であり、前記第一および第二強磁性フリー層がｂｃｃ構造を有し、且つ、第一強磁性フリー層と第二強磁性フリー層の磁化反転臨界電流密度が異なるものである。
【００２２】
本発明の素子は、強磁性ピン層、第一強磁性フリー層および第二強磁性フリー層が、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉから選択される２種類以上の元素を含む合金であり、この合金が、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、ＢまたはＰｔから選択される元素をさらに含み、前記第一強磁性フリー層と第二強磁性フリー層の組成が異なることが好ましい。さらに、上部電極が下部電極と電気的に接続されていることが好ましい。また、第一中間層および第二中間層は、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｇおよびＡｌよりなる群から選択される非磁性金属であってよく、あるいは、第一中間層および第二中間層は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＭｇＯよりなる群から選択される絶縁体であってもよい。
【００２３】
本発明のスピン注入型磁化反転素子は、各層が、スパッタ法、イオンビームスパッタ法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、またはレーザーアブレーション法により形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のスピン注入型磁化反転素子は、その構成により３値以上の多値記録が可能になる。また、第一強磁性フリー層および第二強磁性フリー層の結晶構造をｂｃｃ構造とすることで、高いＭＲ比を示す素子を得ることができる。これにより配線数および消費電力の増大を防ぎ、高い出力が得られる多値記憶磁気メモリを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明を説明する。
図６は、本発明のスピン注入型磁化反転素子の基本的な構成を説明するための概念図である。図６に示されるように、本発明のスピン注入磁化反転素子は、下部電極３０、反強磁性層３１、強磁性ピン層３２、第一中間層３３、第一強磁性フリー層３４、第二中間層３５、第二強磁性フリー層３６、および上部電極３７を含み、下部電極上にこれらの層が順次積層された構造を有する。本発明の素子は、前記第一および第二強磁性フリー層がｂｃｃ構造を有し、且つ、第一強磁性フリー層と第二強磁性フリー層の磁化反転臨界電流密度が異なることを特徴とする。
【００２６】
（本発明のスピン注入型磁化反転素子の各層の説明）
以下に本発明の各層について説明する。
１）下部電極３０および上部電極３７
下部電極３０および上部電極３７は、スピン注入型磁化反転素子の電極として通常使用される材料を用いることができる。例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇなどの材料を好適に使用することができる。本発明では、上部電極が下部電極と電気的に接続され、上部電極側からでも下部電極側からでも電流を流すことができるように構成されていることが好ましい。
【００２７】
２）反強磁性層３１
反強磁性層３１は、後述する強磁性ピン層の磁化を固定するために用いる層であり、スピン注入型磁化反転素子の同層に通常用いられる材料を用いることができる。例えば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＮｉＯなどの材料を好適に使用することができる。材料の好ましい元素組成は、例えばＩｒ２０Ｍｎ８０とすることができる。反強磁性層の膜厚は、２〜１５ｎｍであることが好ましい。
【００２８】
３）強磁性ピン層３２
強磁性ピン層３２は、一方向に磁化が固定された層である。スピン注入型磁化反転素子においては、強磁性ピン層３２は、電子のアップスピンもしくはダウンスピンのいずれかを選択して通過させるフィルタ層の役目を担う。強磁性ピン層３２の材料は、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉから選択される２種類以上の元素を含む合金であり、この合金がさらに、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、ＢまたはＰｔから選択される元素を含むことが好ましい。強磁性ピン層の膜厚は、２〜５０ｎｍであることが好ましい。また、好ましい材料の組み合わせは、ＦｅＣｏＢまたはＦｅＣｏＮｉＢであり、好ましい元素組成は、例えばＦｅ５０Ｃｏ４０Ｂ１０あるいはＦｅ５０Ｎｉ３０Ｃｏ１０Ｂ１０とすることができる。
【００２９】
４）第一中間層３３および第二中間層３５
第一中間層３３および第二中間層３５は、ＴＭＲ素子として用いる場合には、非磁性の絶縁材料であるＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２またはＭｇＯのいずれかを用いることができる。膜厚は生産性およびトンネル障壁の臨界厚を考慮して０．５ｎｍ〜３ｎｍの間であることが好ましい。
【００３０】
また、第一中間層３３および第二中間層３５は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子（ここで、ＣＰＰは、Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ Ｐｌａｎｅの略である）として用いる場合には、非磁性の導電性材料であるＣｕ、Ａｕ、ＡｇまたはＡｌのいずれかを用いることができる。膜厚は生産性、および強磁性ピン層と強磁性フリー層に交換結合が働かない範囲の厚さとして１ｎｍ〜７ｎｍの間であることが好ましい。
【００３１】
５）第一強磁性フリー層３４および第二強磁性フリー層３６
第一強磁性フリー層３４および第二強磁性フリー層３６は、下部および上部電極間に流す電流密度および電流を流す方向により、強磁性ピン層１２に対して磁化の向きが平行または反平行となるように設定され、電気抵抗を変化させるために用いられる層である。強磁性フリー層の材料は、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉから選択される２種類以上の元素を含む合金であり、この合金がさらに、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、ＢまたはＰｔから選択される元素を含むことが好ましい。３値以上の多値メモリとして本発明の素子を用いる場合には、第一強磁性フリー層と第二強磁性フリー層の組成が異なることが好ましい。
【００３２】
磁化反転の臨界電流は、磁性膜の飽和磁化、体積、形状異方性に依存するため、例えば、ＦｅＣｏに対してＣｒの量を変化させて第一強磁性フリー層および第二強磁性フリー層として用いることができる。この場合には、Ｃｒの量の多い方がＭｓが小さく、磁化反転の臨界電流密度を小さくすることができる。また、ＭＲをより大きくするために、強磁性フリー層の構造はｂｃｃ構造とすることが好ましい。このようになる要因は明かではないが、後述する中間層の材料が主にｆｃｃ構造であり、中間層と強磁性フリー層の結晶構造が異なることにより、スピン依存界面散乱の増大が原因しているものと予想される。
【００３３】
強磁性フリー層の好ましい材料の組み合わせは、ＦｅＣｏＣｒ、ＦｅＣｏＣｒＢ、ＦｅＣｏＭｏ、ＦｅＣｏＭｏＢ、ＦｅＣｏＷ、ＦｅＣｏＷＢ、ＦｅＣｏＰｔ、ＦｅＣｏＰｔＢ等がある。
【００３４】
好ましい材料の元素の組成比は、例えばＦｅＣｏＣｒＢとした場合には、Ｆｅを７０〜３０原子％、Ｃｒを３０〜１０原子％、Ｃｏを２０〜５原子％、Ｂを１５〜５原子％とすることができる。このような範囲とすることで、強磁性フリー層の構造をｂｃｃ構造とすることができる。第一強磁性フリー層および第二強磁性フリー層の膜厚はそれぞれ１〜１５ｎｍおよび２〜２０ｎｍとすることができる。
【００３５】
上記各層は、スパッタ法、、イオンビームスパッタ法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、レーザーアブレーション法等により、下部電極、反強磁性層、強磁性ピン層、第一中間層、第一強磁性フリー層、第二中間層、第二強磁性フリー層および上部電極の順で成膜することができる。
【００３６】
（動作原理）
以下に本発明のスピン注入型磁化反転素子の動作原理について図７を参照して説明する。以下の説明では、図６に示した本発明のスピン注入型磁化反転素子と同じ構成を有する素子を例に取り説明する。なお、図７（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ理論値「０」、「１」および「２」の場合を示す。また、各参照符号は、それぞれ５０：下部電極、５１：反強磁性層、５２：強磁性ピン層、５３：第一中間層、５４：第一強磁性フリー層、５５：第二中間層、５６：第二強磁性フリー層、および５７：上部電極を意味する。
【００３７】
まず、強磁性ピン層５２の磁化方向は、図７に示すように紙面右向き（図中、右向きの白抜き矢印で表した。以下、図７において、磁化の向きを白抜きの矢印で示した。）とし、第一強磁性フリー層５４および第二強磁性フリー層５６において、第一強磁性フリー層５４の飽和磁化が第二強磁性フリー層５６の飽和磁化よりも小さい場合、すなわち第一強磁性フリー層５４と第二強磁性フリー層５６における磁化反転臨界電流密度を、それぞれＩｃ１、Ｉｃ２とすると、Ｉｃ１＜Ｉｃ２である場合を考える。
【００３８】
始めに、上部電極５７から下部電極５０へ向かって十分に大きな電流Ｉ（Ｉ＞Ｉｃ２）を流すと、電子は下部電極５０から上部電極５７に向かって流れることから、電子スピンと強磁性層中の磁化との相互作用により、第一強磁性フリー層５４および第二強磁性フリー層５６の磁化方向が強磁性ピン層５２の磁化方向と平行（紙面右向き）になる。この状態を理論値「０」とする（図７（ａ））。この状態で、下部電極５０から上部電極５７へ向かってＩｃ１＜Ｉ＜Ｉｃ２の電流Ｉを流すと、電子スピンと強磁性層中の磁化との相互作用により第一強磁性フリー層５４の磁化方向のみが磁化反転して紙面左向きとなる。一方、第二強磁性フリー層５６および強磁性ピン層５２の磁化方向は紙面右向きのままとなる。この状態を理論値「１」とする（図７（ｂ））。さらに、この状態で下部電極５０から上部電極５７へ向かってＩ＞Ｉｃ２＞Ｉｃ１の電流Ｉを流すと、電子スピンと強磁性層中の磁化との相互作用により、第二強磁性フリー層５６の磁化方向が紙面左向きとなる。従って、最初の状態と比べて、第一強磁性フリー層５４および第二強磁性フリー層５６の磁化方向が磁化反転して紙面左向きとなり、強磁性ピン層５２の磁化方向は紙面右向きの状態となる。この状態を理論値「２」とする（図７（ｃ））。このようにして、素子に流す電流の方向および大きさを制御することで、１つの素子に対して３値の情報を記録することができる。なお、記録情報の理論値と各磁性層の磁化方向との関係を表２に示した。
【００３９】
【表２】
【００４０】
次に、磁気抵抗素子に記録された情報の読み出し方法について説明する。情報を読み出す際には、上部電極５７から下部電極５０へ向かって、あるいは下部電極５０から上部電極５７に向かって、第一強磁性フリー層５４および第二強磁性フリー層５６の磁化が反転しない程度の小さい電流Ｉ（Ｉ＜Ｉｃ２＜Ｉｃ１）を流し、素子の抵抗値を測定する。なお、素子の両電極間の抵抗値は、２つの強磁性フリー層の磁化方向が平行の状態で小さく、反平行の状態で大きいことが知られている。従って、本説明の例では、全ての強磁性層の磁化方向が紙面右方向である理論値「０」での素子の抵抗値が最も小さく、第一強磁性フリー層５４の磁化方向のみが紙面左方向である理論値「１」での素子の抵抗値が最も大きく、第一強磁性フリー層５４および第二強磁性フリー層５６の磁化方向が共に紙面左方向である理論値「２」での素子の抵抗値が中間になる。従って、素子に電流を流し、その抵抗値を測定することで、素子に記録されている情報を読み出すことが可能である。
【実施例】
【００４１】
以下に本発明を実施例および比較例により説明するが、これらの実施例および比較例は本発明を説明するための代表例に過ぎず、本発明を制限することを意図しない。
【００４２】
（素子の作成）
図６に示す構造を有し、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子とした場合において、強磁性フリー層の組成および結晶構造を変化させて、以下の手順で実施例１〜３、比較例１および比較例２の素子を作成した。
【００４３】
（実施例１）
下部電極３０を、材料をＡｕとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により１００ｎｍの厚さで形成した。次に反強磁性層３１を、材料をＩｒＭｎとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により１５ｎｍの厚さで形成した。次に強磁性ピン層３２を、材料をＦｅ４０Ｃｏ１０ＢとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により１０ｎｍの厚さで形成した。次に第一中間層３３を、材料をＣｕとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により５ｎｍの厚さで形成した。次に、第一強磁性フリー層３４を、材料をＦｅ３０Ｃｏ２０Ｃｒ５ＢとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により３ｎｍの厚さで形成した。次に、第二中間層３５を、材料をＣｕとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により５ｎｍの厚さで形成した。次に、第二強磁性フリー層３６を、材料をＦｅ３０Ｃｏ１０Ｃｒ５ＢとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により３ｎｍの厚さで形成した。次に、上部電極３７を、材料をＡｕとしてＤＣマグネトロンスパッタ法により１００ｎｍの厚さで形成した。次に、ＥＢリソグラフィー、Ａｒイオンミリングを用いたレジストマスク法により、１辺が３００〜１００ｎｍの長方形からなるピラー状の試料を作成した。このように作成したＣＰＰ−ＧＭＲ素子を実施例１とした。
【００４４】
（比較例１）
第一強磁性フリー層３４をＦｅ３０Ｃｏ１０Ｃｒ５Ｂとした以外は、実施例１と同様にして各層を形成し、比較例１の素子を作成した。
【００４５】
（比較例２）
第一強磁性フリー層３４をＮｉ２０Ｆｅ２０Ｃｒ、第二強磁性フリー層３６をＮｉ２０Ｆｅ５Ｃｒとした以外は、実施例１と同様にして各層を形成し、比較例２の素子を作成した。
【００４６】
（実施例２）
本実施例は、スピン注入型磁化反転素子をＴＭＲとした例である。第一中間層３３および第二中間層３５を、材料をＡｌ２Ｏ３としてＲＦ−スパッタ法により１ｎｍの厚さで形成した以外は実施例１と同様にして各層を形成し、実施例２の素子を作成した。
【００４７】
（実施例３）
本実施例は、ＴＭＲ素子をＭＢＥにより作成した例である。強磁性ピン層３２をＦｅ２０Ｃｏ１０Ｐｔ、第一中間層３３および第二中間層３５をＭｇＯ、第一強磁性フリー層３４をＦｅ２０Ｃｏ２０Ｔａ、および第二強磁性フリー層３６をＦｅ２０Ｃｏ１０Ｔａとし、下部電極、反強磁性層、強磁性ピン層、第一中間層、第一強磁性フリー層、第二中間層、第二強磁性フリー層および上部電極をＭＢＥ法で成膜した以外、実施例１と同様にして実施例３の素子を作成した。
【００４８】
（実施例および比較例の説明）
まず、実施例１、比較例１および比較例２について説明する。実施例１、比較例１および比較例２は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の例である。比較例１は、実施例１に対して２種類の強磁性フリー層を同じ組成にした素子の例である。比較例２は、強磁性フリー層の結晶構造をｆｃｃとした例であり、実施例１と結晶構造が異なる素子である。
【００４９】
次に、実施例２および実施例３について説明する。実施例２および実施例３は、ＴＭＲ素子の例である。実施例２は中間層をＡｌ２Ｏ３とした素子の例である。実施例３は中間層をＭｇＯとし、ＭＢＥ法で成膜した素子の例である。
【００５０】
（評価）
各実施例および比較例の素子について、磁気抵抗比および平均磁化反転臨界電流密度を測定した。磁気抵抗比および平均磁化反転臨界電流密度の測定は、直流４端子法によりＩ−Ｖ曲線の測定を行い算出した。平均磁化反転臨界電流密度は（（Ｉｃｐａｐ−Ｉｃｐｐｐ）／２）／セル面積とした。ここでＩｃｐａｐは、強磁性ピン層の磁化の向きを基準にして第一強磁性フリー層が反平行、第二強磁性フリー層が平行の場合で、Ｉｃｐｐｐは、強磁性ピン層、第一強磁性フリー層および第二強磁性フリー層の全てが平行の場合である。
【００５１】
一般的なスピン注入型磁化反転素子では、平均磁化反転臨界電流密度は１０ｍＡ／ｃｍ２程度であり、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の磁気抵抗比は約１〜５％が一般的である。
【００５２】
強磁性フリー層の結晶構造は、Ｘ線回折装置を用いて行い、管電圧、管電流をそれぞれ３０ｋＶ、３００ｍＡとして測定した。構造の確認の結果、第一および第二強磁性フリー層の結晶構造は、実施例１〜３および比較例１でｂｃｃ構造であり、比較例２ではｆｃｃ構造であった。
【００５３】
（結果）
実施例１〜３、比較例１および比較例３の素子の磁気抵抗比および平均磁化反転臨界電流密度の測定結果を表３に示した。
【００５４】
【表３】
【００５５】
実施例１の素子の磁気抵抗比は９．５％、平均磁化反転臨界電流密度は０．６（ｍＡ／ｃｍ２）であり、非常によい特性を有していた。これに対し、２種類の強磁性フリー層が同じ組成である比較例１では、磁気抵抗比が高いものの、平均磁化反転臨界電流密度は実施例１に比較して大きな値となっていた。これは、比較例１の素子の第一強磁性フリー層の組成を第二強磁性フリー層と同じ組成としたため、実施例１のＣｒ濃度の少ない強磁性フリー層と同じ組成の層が２層形成されることになり、Ｍｓが低くなり、従って高い臨界電流でないと磁化反転が起こらないこととなったと考えられる。
【００５６】
比較例２では、第一強磁性フリー層および第二強磁性フリー層の組成が異なっているため平均磁化反転臨界電流密度は比較例１に比べいくぶん低くなっているが、実施例１および比較例１と比べて磁気抵抗比は小さくなっている。これは、強磁性フリー層の結晶構造に起因していると考えられる。すなわち、比較例２では、強磁性フリー層の結晶構造が中間層や強磁性ピン層と同じｆｃｃ構造であるため、スピン依存界面散乱の効果が小さかったことによると推測される。
【００５７】
次に、実施例２および実施例３に関しては、実施例１との比較では、共に平均磁化反転臨界電流密度は実施例１と同等の値が得られた。また、磁気抵抗比は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子である実施例１よりも非常に大きな値となった。
【００５８】
実施例２と実施例３を比較すると、平均磁化反転臨界電流密度は同等であるが、磁気抵抗比は実施例２よりも実施例３の方が大きくなっていた。これは、成膜法をＭＢＥ法としたことにより、強磁性フリー層と中間層の界面が平坦化され、伝導電子の散乱が小さくなったためであると考えられる。
【００５９】
以上のように、本発明では、偏極スピン電流注入により多値情報の記録再生を行うことで従来では必須であった書き込みようワード線が不要となり、配線数を減らせると共に、従来の電流磁場による記録再生と比較して、低消費電力で情報の記録再生が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】従来のＭＲＡＭの基本構造を示す概略図である。（ａ）は全体図であり、（ｂ）はＴＭＲ素子の構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）は従来の多値ＭＲＡＭの単セルの構造を示す概略断面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、この素子において磁界を発生させた場合の第一強磁性層および第二強磁性層の各磁性層の磁化の方向を示す図（例示）である。
【図３】従来技術によりスピン注入を用いて２値の情報を記録再生するメモリ素子の一例を示す図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、図３に示す素子の電子スピンおよび磁化の挙動を示す図である。
【図５】図３に示す素子を多数積層することで多値記録を行うための素子の構造を示す図である。
【図６】本発明のスピン注入型磁化反転素子の構造を示す概略図である。
【図７】図６に示した本発明のスピン注入型磁化反転素子の動作原理を説明するための図であり、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ理論値「０」、「１」および「２」の場合を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０、５０ 下部電極
１１、２１ ビット線
１２、２２ 第一強磁性層
１３ 絶縁層
１４、２４、２５ 第二強磁性層
１５、２６ ワード線
１６、２７ 書き込み用ワード線
２３ トンネル層
３１、５１ 反強磁性層
３２、５２ 強磁性ピン層
３３、５３ 第一中間層
３４、５４ 第一強磁性フリー層
３５、５５ 第二中間層
３６、５６ 第二強磁性フリー層
３７、５７ 上部電極
Ａ、Ａ２ 磁性記録層
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４ 中間層
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 磁性固着層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも下部電極、反強磁性層、強磁性ピン層、第一中間層、第一強磁性フリー層、第二中間層、第二強磁性フリー層および上部電極をこの順で下部電極上に設けたスピン注入型磁化反転素子であって、前記第一および第二強磁性フリー層がｂｃｃ構造を有し、且つ、第一強磁性フリー層と第二強磁性フリー層の磁化反転臨界電流密度が異なることを特徴とするスピン注入型磁化反転素子。
【請求項２】
前記強磁性ピン層、第一強磁性フリー層および第二強磁性フリー層が、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉから選択される２種類以上の元素を含む合金であり、この合金が、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、ＢまたはＰｔから選択される元素をさらに含み、前記第一強磁性フリー層と第二強磁性フリー層の組成が異なることを特徴とする請求項１に記載のスピン注入型磁化反転素子。
【請求項３】
前記上部電極が前記下部電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のスピン注入型磁化反転素子。
【請求項４】
前記第一中間層および第二中間層がＣｕ、Ａｕ、ＡｇおよびＡｌよりなる群から選択される非磁性金属であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のスピン注入型磁化反転素子。
【請求項５】
前記第一中間層および第二中間層がＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＭｇＯよりなる群から選択される絶縁体であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のスピン注入型磁化反転素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のスピン注入型磁化反転素子であって、各層が、スパッタ法、イオンビームスパッタ法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、またはレーザーアブレーション法により形成されることを特徴とするスピン注入型磁化反転素子。
【請求項１】
少なくとも下部電極、反強磁性層、強磁性ピン層、第一中間層、第一強磁性フリー層、第二中間層、第二強磁性フリー層および上部電極をこの順で下部電極上に設けたスピン注入型磁化反転素子であって、前記第一および第二強磁性フリー層がｂｃｃ構造を有し、且つ、第一強磁性フリー層と第二強磁性フリー層の磁化反転臨界電流密度が異なることを特徴とするスピン注入型磁化反転素子。
【請求項２】
前記強磁性ピン層、第一強磁性フリー層および第二強磁性フリー層が、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉから選択される２種類以上の元素を含む合金であり、この合金が、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、ＢまたはＰｔから選択される元素をさらに含み、前記第一強磁性フリー層と第二強磁性フリー層の組成が異なることを特徴とする請求項１に記載のスピン注入型磁化反転素子。
【請求項３】
前記上部電極が前記下部電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のスピン注入型磁化反転素子。
【請求項４】
前記第一中間層および第二中間層がＣｕ、Ａｕ、ＡｇおよびＡｌよりなる群から選択される非磁性金属であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のスピン注入型磁化反転素子。
【請求項５】
前記第一中間層および第二中間層がＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＭｇＯよりなる群から選択される絶縁体であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のスピン注入型磁化反転素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のスピン注入型磁化反転素子であって、各層が、スパッタ法、イオンビームスパッタ法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、またはレーザーアブレーション法により形成されることを特徴とするスピン注入型磁化反転素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−３０５６２９（Ｐ２００７−３０５６２９Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２９５１５（Ｐ２００６−１２９５１５）
【出願日】平成１８年５月８日（２００６．５．８）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月８日（２００６．５．８）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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