CN1254790C - 固体磁性元件以及固体磁性元件阵列 - Google Patents

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Abstract

提供一种固体磁性元件，其特征在于：具备，包含磁化方向被固定在第1方向上的第1铁磁性体的第1参照磁性部；包含磁化方向被固定在第2方向上的第2铁磁性体的第2参照磁性部；被设置在上述第1以及第2参照磁性部之间，包含第3铁磁性体的记录磁性部；被设置在上述第1参照磁性部和上述记录磁性部之间的磁区分断部；被设置在上述第2参照磁性部和上述记录磁性部之间的中间部，通过使写入电流在上述第1参照磁性部和上述记录磁性部之间流过，使上述第3铁磁性体的磁化方向与上述第1方向大致平行或者大致反平行，通过使读出电流在上述第2参照磁性部和上述记录磁性部之间流过，可以检测上述第3铁磁性体的磁化方向与上述第2方向的相对关系。

Description

固体磁性元件以及固体磁性元件阵列
技术领域
本发明涉及固体磁性元件以及固体磁性元件阵列，更详细地说，涉及可以进行电流直接驱动型的记录、采用磁阻效应的再生的固体磁性元件以及固体磁性元件阵列。
背景技术
当在由铁磁性层/非磁性层/铁磁性层组成的叠层构造中在面内有电流流动的情况下，发现显现出巨大磁阻效应(巨磁阻效应)，以往作为具有大的磁阻变化率的系统，开发了电流相对叠层构造在垂直方向流动的CPP(电流垂直平面)型磁阻效应元件，和非磁性层由绝缘体构成的铁磁性隧道磁阻效应元件。
进而，作为表示更大磁阻效应的系统，发现具有配合2个针状镍(Ni)的“磁性微小接点”(N.Garcia，M.Munoz，and Y.-W.Zhao，Physical Review Letters，vol.82，p2923(1999))，或者具有接触2个磁铁矿的磁性微小接点(J.J.Versluijs，M.A.Bariand J.M.Coey，Physical Review Letters，vol.87，p26601-1(2001))的磁阻效应元件。
这些磁阻效应元件，不只作为磁性读出和磁性记录再生系统的再生元件使用，而且进一步作为非易失性的固体磁性存储器开发。
当把磁阻效应元件作为固体磁性元件使用的情况下，写入依赖于从被设置在磁阻效应元件附近的配线施加的称为电流磁场的漏磁场。但是，这种情况下，存在引起用于记录的磁化反转所需要的电流成为数毫安以上而变得过大的缺点。
与此相反，通过在记录磁性部上直接流过电流，发现引起用于记录的磁化反转的“电流直接驱动型磁化反转”(J.C.Slonczewski，J.Magn.Magn.Mater.159，L1(1996).E.B.Myers，et al.，Science285，867(1999).J.A.Katine，et al.，Phys.Rev.Lett.14，3149(2000).F.J.Albert，et al.，appl.Phy.Lett.77，3809(2000).J.-E.Wegrowe，et al.，Europhys.Lett.，45，626(1999).J.Z.Sun，J.Magn.Magn.Mater.202，157(1999).)。
该现象，是由于在通过参照磁性部或者周围的磁性层时旋转极化的电流流过产生的旋转极化电子的角动量，传递到记录磁性部的角动量由此磁化反转的结果。如果产生该现象，则因为对记录层可以更直接作用，所以可以期待在记录时的磁化反转中所需要的电流减少。
以上的直接通电型的磁性记录元件和磁阻元件至此是有区别的，但是如果组合它们，则可以用1个元件进行记录再生，可以预见希望元件的微细化。
但是，包含记录磁性部的记录部的电阻极其小。因此，与记录部相比组合电阻大的磁阻效应部进行动作是困难的。另外，因为记录部的电阻小，所以特别在元件阵列化的情况下的元件选择是困难的。
发明内容
利用了电流直接驱动型磁化反转的磁性元件，虽然可以期望低电流化但电阻小。因此，就难以和电阻与记录部相比较大的磁阻效应部的组合。另外，具有在阵列化的情况下选择元件较为困难之类的问题。
为了实现上述目的，本发明的第1技术方案提供一种固体磁性元件，其特征在于：具备，第1参照磁性部，包含磁化方向被固定在第1方向上的第1铁磁性体；第2参照磁性部，包含磁化方向被固定在第2方向上的第2铁磁性体；记录磁性部，被设置在上述第1以及第2参照磁性部之间，包含第3铁磁性体；磁区分断部，被设置在上述第1参照磁性部和上述记录磁性部之间；中间部，被设置在上述第2参照磁性部和上述记录磁性部之间，通过使写入电流在上述第1参照磁性部和上述记录磁性部之间流过，使上述第3铁磁性体的磁化方向为与上述第1方向基本平行或者基本反平行的方向，通过使读出电流在上述第2参照磁性部和上述记录磁性部之间流过，可以检测上述第3铁磁性体的磁化方向相对于上述第2方向的相对关系，通过流过上述写入电流使旋转极化后的电子电流流入上述记录磁性部，借助于上述旋转极化后的电子电流使该记录磁性部的铁磁性体的磁化方向为上述基本平行或者基本反平行的方向，在流过上述读出电流时，根据上述磁化方向的相对关系电阻发生变化。
另外，本发明的第2技术方案提供一种固体磁性元件，其特征在于：具备，第1参照磁性部，包含磁化方向被固定在第1方向上的第1铁磁性体；第2参照磁性部，包含磁化方向被固定在第2方向上的第2铁磁性体；中间部，被设置在上述第1以及第2参照磁性部之间，第1记录磁性部，被设置在上述第1参照磁性部和上述中间部之间，包含第3铁磁性体；第2记录磁性部，被设置在上述第2参照磁性部和上述中间部之间，包含第4铁磁性体；第1磁区分断部，被设置在上述第1参照磁性部和上述第1记录磁性部之间；第2磁区分断部，被设置在上述第2参照磁性部和上述第2记录磁性部之间，通过使写入电流在上述第1参照磁性部和上述第1记录磁性部之间流过，使上述第3铁磁性体的磁化方向为与上述第1方向基本平行或者基本反平行的方向，通过使写入电流在上述第2参照磁性部和上述第2记录磁性部之间流过，使上述第4铁磁性体的磁化方向为与上述第2方向基本平行或者基本反平行的方向，通过使读出电流在上述第1记录磁性部和上述第2记录磁性部之间流过，可以检测上述第3铁磁性体和上述第4铁磁性体的磁化方向的相对关系，通过流过上述写入电流使旋转极化后的电子电流流入上述记录磁性部，借助于上述旋转极化后的电子电流使该记录磁性部的铁磁性体的磁化方向为上述基本平行或者基本反平行的方向。
另一方面，本发明的第3技术方案提供一种固体磁性元件阵列，其特征在于具备：多个上述第1技术方案中所述的固体磁性元件，还具备选择装置，选择上述多个固体磁性元件的任意一个，使上述写入电流或者上述读出电流流过。
另外，本发明的第4技术方案提供一种固体磁性元件阵列，其特征在于具备：多个上述第2技术方案中所述的固体磁性元件，还具备选择装置，选择上述多个固体磁性元件的任意一个，使上述写入电流或者上述读出电流流过。
如上所述，如果采用本发明，则可以提供具有利用由电流直接驱动产生的磁化反转可以以低电流可靠写入的记录部；利用磁阻效应，可以具有高的元件阻抗的再生部的固体磁性元件。
作为其结果，即使在阵列化的情况下也可以选择单元，可以实现高集成化以及低消耗电力的磁性存储器和各种逻辑电路等，产业上的优点很多。
附图说明
图1是示例本发明的实施方式1的固体磁性元件的基本断面构造的模式图。
图2是说明本发明的固体磁性元件中的记录部W的动作的模式图。
图3是说明实施方式1的固体磁性元件中的再生部R的动作的模式图。
图4作为多层化存储层以及参照层的例子，示例使用反铁磁性耦合后的多层膜的固体磁性元件的断面的模式图。
图5是展示形成固体磁性元件的各层宽度相互不同的固体磁性元件的模式图。
图6是展示实施方式1的固体磁性元件的变形例子的模式断面图。
图7是展示实施方式1的固体磁性元件的变形例子的模式断面图。
图8是展示构成本发明的实施方式的固体磁性元件阵列的单元的等效电路的模式图。
图9是展示本发明的实施方式中的固体磁性元件阵列的一部分的模式电路图。
图10展示本发明的实施方式的固体磁性元件种类的又一具体例子的模式电路图。
图11是展示本发明的实施方式2的固体磁性元件的断面构造的模式图。
图12是展示实施方式2的固体磁性元件的变形例子的模式断面图。
图13是展示实施方式2的固体磁性元件的又一变形例子的模式断面图。
图14是展示实施方式2的固体磁性元件的又一变形例的模式断面图。
图15是展示实施方式2的固体磁性元件的又一变形例的模式断面图。
图16是展示实施方式2的固体磁性元件的固体磁性元件阵列的模式电路图。
图17是展示本发明的实施例的固体磁性元件的主要断面构造的模式图。
图18是作为本发明的实施方式3的固体磁性元件的制造工序图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明实施方式。
图1是示例本发明的实施方式1的固体磁性元件的基本断面构造的模式图。该磁性元件，具有由电流直接进行写入的记录部W，和由磁阻效应进行读入的再生部R。记录部W和再生部R，共用记录层C。
即，记录部W，具有由硬磁性体组成的参照磁性部A、由非磁性体组成的磁区分断部B、与参照磁性部A相比磁性软的记录磁性部C的叠层构造。另一方面，再生部R，具有记录磁性部C、中间部D、与记录磁性部C比由磁性硬的磁性体组成的参照磁性部E。
在参照磁性部A、记录磁性部C、参照磁性部E上分别连接电极E1、E2、E3。中间部D，由导电性金属以及/或者绝缘体组成。
电极取出方向在图1中有横方向的情况和上下方向的情况，但这仅仅是为了方便，其实无论哪个方向，即使是斜方向也是可以的。这在以后的所有附图中都一样。
在图1表示的固体磁性元件中，“写入”可以在记录部W中通过提供电流直接驱动型的磁化反转机构进行。即用旋转极化电流来反转记录磁性部C的磁化。
图2是说明本发明的固体磁性元件中的记录部W的动作的模式图。
即，首先如同一图(a)所示，如果电子电流从参照磁性部A向记录磁性部C流动，则可以对记录磁性部C，在和参照磁性部A的磁化M1一样的方向写入。即，当在该方向流过电子电流的情况下，电子的旋转首先在参照磁性部A中根据其磁性化M1的方向极化。而后，这样旋转极化后的电子流入记录磁性部C，使其磁化M2在和参照磁性部A的磁化M1相同的方向上反转。
与此相反，如图2(b)所示，如果从记录磁性部C向参照磁性部A流过电子电流，则可以在与此相反的方向上写入。即，与对应于参照磁性部A的磁化M1的旋转电子相对容易通过参照磁性部A相反，和磁化M1相反方向的旋转电子，在磁区分断部B和参照磁性部A的界面上，以高可靠性反射。而后，由于这样反射的旋转极化电子返回记录磁性部C，因而可以使记录磁性部C的磁化M2，在和参照磁性部M1相反的方向上反转。
这样，在本发明中，用旋转极化电流产生的直接驱动型的磁化反转机构，可以向记录磁性部C写入规定的磁化。因此，和通过泄露电流磁场使记录层磁化反转的以往的记录元件相比，可以减少记录时的磁化反转所需要的电流。
另一方面，在本实施方式的固体磁化元件中的“读出”，在再生部R中，可以通过磁阻效应进行。
图3是说明本实施方式的固体磁性元件中的再生部R的动作的模式图。
即，如同一图(a)所示，当记录磁性部C的磁化M2和参照磁性部E的磁化M3平行的情况下，在以图中箭头方向(或者也可以是和它相反的方向)上流过读出电流得到的电阻小。
另一方面，如图3(b)所示，当记录磁性部C的磁化M2和参照磁性部E的磁化M3反平行的情况下，电阻变大。因而，与这些电阻输出对应，通过分配“0”电平是“1”电平，可以再生2值信息。
在本发明中，可以在再生部R中以高灵敏度再生记录磁性部C的磁化。进而，如后面详细叙述那样，通过适宜地设置在中间部D的材料和构造，可以把流过读出电流的再生部的电阻提高到最佳水平。其结果，特别容易选择使元件阵列化情况下的元件选择，可以实现使该固体磁性元件集成化的存储元件或者逻辑电路等。
以下，详细叙述构成本发明的固体磁性元件的各要素。
首先，作为参照磁性部A以及E、记录磁性部C的材料，可以使用从由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)，或者，铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)以及铬(Cr)组成的群选择出的至少包含一种元素的合金，被称为“坡莫合金”的NiFe系列合金，或者CoNbZr系列合金、FeTaC系列合金、CoTaZr系列合金、FeAlSi系列合金、FeB系列合金、CoFeB系列合金等的软磁性材料、郝斯勒合金、磁性半导体、CrO2、Fe3O4、La1-xSrXMnO3等的半金属磁性体氧化物(或者半金属磁性体氮化物)之一。
在此，作为“磁性半导体”，可以使用由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铬(Cr)、锰(Mn)的至少一种磁性元件、化合物半导体或者氧化物半导体组成的半导体，具体地说，可以列举例如(Ga，Cr)N、(Ga，Mn)N、MnAs、CrAs、(Ga，Cr)As、ZnO:Fe、(Mg，Fe)O等。
在本发明中，作为磁性层A、C以及E的材料，只要从其中适宜选择根据用途具有磁性特性的材料即可。
另外，作为在这些磁性层中使用的材料，可以是连续的磁性体，或者也可以使用由非磁性基质中的磁性体组成的微粒析出或者形成的复合体构造。
另外，特别是作为记录磁性部C，还可以使用由[(Co或者CoFe合金)/(由NiFe或者NiFeCo组成的坡莫合金或者Ni)]组成的2层构造，或者由[(Co或者CoFe合金)/(由NiFe或者NiFeCo组成的坡莫合金或者Ni)/(Co或者CoFe合金)]组成的3层构造。在由这些多层构造组成的磁性层的情况下，外侧的Co或者CoFe合金的厚度理想的是0.2nm～3nm范围。通过采用这样的多层构造，可以使记录所需要的电流下降。
进而，作为记录磁性部C，也可以使用层间交替结合的[(坡莫合金和CoFe等的磁性层)/(Cu、Ru等非磁性层(厚度0.2nm以上3nm以下))/(坡莫合金和CoFe等的磁性层)[组成的3层膜，特别是反铁磁性层间交替结合的多层膜，也可以作为记录磁性部单元使用，可以达到减小开关电流和开关磁场的效果。
另一方面，为了固定参照磁性部A的磁化M1，或者参照磁性部E的磁化M3，可以在参照磁性部A、E的各自外侧上设置未图示的反铁磁性层施加交替偏置磁场。或者，如果叠层钌(Ru)和铜(Cu)等的非磁性层和铁磁性层，而后叠层反铁磁性层并施加交替偏置磁场，作为可以控制磁化方向，在得到磁阻效应大的信号输出方向有用。特别是，通过使用使反铁磁性地层间交替结合的(CoFe等的磁性层)/(Cu，Ru等的非磁性层)/(CoFe等的磁性层)/反铁磁性层，还可以使从参照层的漏磁场减小，可以用小的电流对记录磁性部写入。
因此，作为铁磁性材料，希望使用铁锰(FeMn)、铂锰(PtMn)、钯·锰(PdMn)、钯铂锰(PdPtMn)等。
作为使存储层以及参照层多层化的例子，图4示例使用反铁磁性耦合后的多层膜的固体磁性元件的断面。如同一图所示，可以通过分别组合反铁磁性膜AF、铁磁性体F、非磁性体膜NM形成固体磁性元件的参照磁性部A、磁区分断部B、记录磁性部C、中间部D、参照磁性部E。进而，在图4中，用箭头还表示铁磁性体F的磁化方向。
另一方面，磁区分断部B，具有在参照磁性部A和记录磁性部C之间分断磁区的作用。进而，磁区分断部B，还具有作为旋转极化电子的通路的作用。作为其构成，由①包含Cu、Ag、Au等的非磁性贵金属元素之一，或者从其中选择出的至少1种元素的金属，②和参照磁性部或者记录磁性部相同的磁性体的构成元素构成，但是包含结晶缺陷等的结晶变质，或者设置成表面凹凸以俘获磁畴壁。该结晶缺陷，可以用电子线照射和离子照射制成。另外表面凹凸也可以通过在细线中设置中间变细的部分等制作。
进而，作为磁区分断部B的材料，进一步希望使用例如Cu、Ag、Au等的低电阻材料。
另一方面，作为中间部D的材料，可以使用从由铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、硅(Si)以及铁(Fe)组成的群中选择出的至少包含一种元素的氧化物或者由氮化物、氟化物组成的绝缘体。或者，作为中间部D的材料，还可以使用铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)或者其中之一种以上的合金。
为了提高再生部的元件电阻，作为中间部D的材料益于使用绝缘性的材料。
参照磁性部A以及E的厚度，理想的是设置在0.6nm～100nm范围中，记录磁性部C的厚度理想的是设置在0.2nm～50nm的范围中。另外，磁区分断部B的厚度希望设置在0.2nm～100nm的范围中。而且，中间部D的厚度希望设置在0.2nm～10nm的范围中。
另外，记录磁性层C和参照磁性层E以及中间部D，形成为薄膜状或者细线状是因为制作元件方面好。
另一方面，作为本发明的固体磁性元件的平面形状，例如，记录磁性部C的平面形状，希望形成长方形、菱形或者纵长(横长)的6角形。其纵横比希望设置在1∶1～1∶5左右，容易产生单轴性形状磁性各向异性。
另外，记录磁性部C的尺寸，希望把长方向的一边设置在5nm至1000nm左右的范围中。在图1等中，虽然把参照磁性部A、E，和记录磁性部C的宽度表示为相同，但本发明并不限于此。即，为了配线连接，或者为了磁化方向的控制，如图5示例那样形成固体磁性元件的各层宽度不同。
图6是展示本实施方式的固体磁性元件的变形例子的概略断面图。在同一图中，在和图1至图5所述相同的部分上标注相同的符号并省略详细说明。
这些变形例子，都在其中间部D上设置“点接点”，即接触面积100nm2以下的磁性微小接点P。该微小磁性接点P，由参照磁性部E或者记录磁性部C的材料组成，在中间部(d)中其周围用绝缘体覆盖。
而后，该磁性微小接点P，如图6(a)示例的那样，也可以具有锥状的断面，或者如同一图(b)示例的那样，也可以具有柱状的断面。进而，如同一图(c)以及(d)所示，也可以设置多个磁性微小接点P。
如果使这样的磁性微小接点P的尺寸微细化，则通过磁场的施加电阻减小。发生这种电阻减少的尺寸，还由微小接点P的断面形状确定，但如果采用本发明者的研究结果，如果把微小接点P的最大宽度大致设置在20nm以下，则判明电阻减少显著。这时，产生磁阻变化率在20％以上的大的磁阻效应。但是，微小接点P的断面形状，在极端扁平的情况等下，即使其最大宽度超过20nm，也有可能产生由于磁场施加产生的电阻减少。具有这样微小接点P的固体磁性元件，也包含在本发明的范围中。
即，通过设置这样的磁性微小接点P，在再生部R中，可以以极其高的灵敏度读出记录磁性部C的磁化。
另外，当设置这样的磁性微小接点P的情况下，在中间部D中微小接点P周围的材料，由绝缘性材料形成，中间部D的膜厚度也可以厚膜化至0.2nm～1000nm左右的范围中。
另外，该磁性微小接点P，在由参照磁性部E或者记录磁性部C的材料组成以外，也可以设置成由铜(Cu)组成。这种情况下，接点部由铜(Cu)组成，可以设置成其周边由铝(Al)等的氧化物组成。这样，因为可以使电流线路变窄，可以比通常的CPP-MR进一步提高灵敏度。
图7(a)是展示本实施方式的固体磁性元件的另一变形例子的模式断面图。在同一图中，在和图1至图6所述相同的要素上标注相同的符号并省略详细说明。
在本变形例子中，在中间部D的上下分别叠层记录磁性部C以及参照磁性部E，但在图1中叠层在其上侧设置的磁区分断部B，和进一步在其上叠层设置的参照磁性部A，分别与面内方向邻接。即，磁区分断部B、参照磁性部A，对记录磁性部C，不在膜厚度方向叠层，而在面内方向邻接设置。
即使把固体磁性元件的各层排列成这样的配置关系，也可以同样进行图2所述的由旋转极化产生的输入动作，和图3所述的由磁阻效应产生的输出动作。
另外在此，中间部SP，也可以作为单一绝缘层形成，如图6所示，通过设置一个或者多个磁性微小接点P，可以同样得到图6所示的作用效果。
图7(b)，是示例图7(a)的固体磁性元件的使用形态的模式图。即，把电极E1连接在开关元件SW上，把电极E2连接在写入配线上，把电极E3连接在读出配线上。在接通开关元件SW的状态下，可以通过使写入电流从开关部SW至写入配线的线路中流过来进行记录。另外，在把开关元件SW设置在接通的状态下，通过使读出电流从开关部SW至读出配线的线路中流过可以读出。
进而，在图1至图7中，同一元素内的参照记录层的磁化方向表示相同方向，但只是作为一例，它们也可以相互反向平行，或者倾斜90度。
以上，如参照图1至图7说明那样，本发明的固体磁性元件，在记录部W中，可以用旋转极化电流在小的写入电流下把磁化M2写入记录磁性部C，另外，在再生部R中，可以用磁阻效应以高灵敏度读出记录磁性部C的磁化M2。而且，可以把再生部R的阻抗即元件电阻提高到最佳范围，具有阵列化或者集成化容易的优点。
因而，以下，说明阵列化该固体磁性元件的构造。
图8是展示构成本发明的实施方式的固体磁性元件阵列的单元的等效电路的模式图。即，本发明元件阵列的单元，具有图1至图7所述的固体磁性元件10，和用于选择该元件使电流流过的开关部20。固体磁性元件10，如上所述，具有流过电流进行写入的记录部W，和共用记录部W的记录磁性部C通过磁阻效应进行读入的再生部R。
而后，在再生部R和开关部20中间设置记录部W，在再生部R和记录部W中间连接写入用配线WL2。如果采用此构造，则通过接通开关部20使电流流过b-c之间可以进行写入，另外，通过接通开关部使电流流过a-c之间，检测a-c之间的电阻(电压)可以进行再生。即，b与写入用配线WL2连接。
该连接关系，可以根据与再生部R的电阻相比记录部W的电阻小设计。即，如果记录部W和再生部R的位置关系和图8所示的关系相反，则由于再生部R的大电阻在写入时在记录部W上不能流过对磁化反转充分的电流。为了避免此现象，在再生部R和开关部20之间设置记录部W，在再生部R和记录部W之间连接写入用配线WL2。这样一来，可以用一个开关部20进行用于写入和读出的单元选择，可以大幅度简化集成化情况下的构成。
图9是展示本发明的实施方式的固体磁性元件阵列的一部分的模式电路。即，该元件阵列，例如，可以作为磁性存储器使用，具有把图8所示的单元连接成矩阵形的构造。而后，除了图8所示的写入用配线WL2外，在单元间共用与之平行的再生用配线WL1、与之正交的用于单元选择的配线BL1这3条配线。
如果采用该构造，则可以使用与被指定的单元地址对应的字线(WL1，WL2)和位线(BL1)，可以进行选择任意单元的写入以及再生。
图10是展示本发明的实施方式的固体磁性元件阵列的另一具体例子的模式电路图。该具体例子也可以作为磁性存储器使用。
在本具体例子的情况下，在再生部R上连接开关部20A，在记录部W上连接开关部20B。而后，在再生部R和记录部W之间连接写入用配线WL1。开关部20A，用配线BL1接通，开关部20B用配线BL2接通。
在该阵列的情况下，用开关部20A和配线WL1选择任意的单元再生部R进行读出，另一方面，用开关部20B和配线WL1选择任意的单元记录部W进行写入。
以上，作为本发明的实施方式1，说明图1至图10所示的固体磁性元件及其应用例子。
以下，说明本发明的实施方式2。
图11是展示本发明的实施方式2的固体磁性元件的断面构造。
即，本实施方式的固体磁性元件，在中央部上具有再生部R，在其两侧上具有如分别共用记录磁性部那样的2个记录部W1、W2。
如果说明该叠层构造，则具有以参照磁性部A、磁区分断部B、记录磁性部C、中间部D、记录磁性部E、磁区分断部F、参照磁性部G这一顺序叠层的构造。而后，用参照磁性部A和磁区分断部B和记录磁性部C构成记录部W1，用记录磁性部C和中间部D和记录磁性部E构成再生部R，用记录磁性部E和磁区分断部F和参照磁性部G构成记录部W2构成。
有关这些各层的材料和厚度、尺寸等，可以设置成和实施方式1所述相同。
如果说明该动作，首先写入通过在电极E1-E2之间流过电流进行记录磁性部C的磁化反转进行对记录磁性部C的写入，通过使电流流过电极E3-E4之间进行记录磁性部E的磁化反转进行对记录磁性部E的写入。这些写入的机理，和图2所示一样，由使用旋转极化电流的电流直接驱动型的磁化反转机构进行。
另一方面，再生，通过使读出电流流过电极E2-E3之间，把记录磁性部C和E之间的磁化相对角度作为磁阻检测。其机理和图3所示相同。
如上所述，本实施方式的固体磁性元件，可以在2个记录磁性部上分别独立地存储信息。
图12是表示本实施方式的固体磁性元件的变形例的模式化断面图。在同一图中，在和图11所述相同的要素上标注相同的符号并省略详细说明。
即，这些变形例，和图6所示的元件一样，具有点接点即磁性微小接点P。如上所述，通过设置这样的微小接点P，可以得到高的磁阻变化率，可以以极其高的灵敏度读出被记录在记录磁性部C以及E上的磁化。
进而，在图11以及图12中，同一元件内的参照记录层的磁化方向表示为相同的方向，但这只是一个例子，也可以相互反平行或者倾斜90度。
图13(a)，是表示本实施方式的固体磁性元件的又一变形例子的模式断面图。在同一图中，在和图1至图12所述相同的要素上标注相同符号并省略详细说明。
即使在本变形例子中，也是在中间部D的上下上分别叠层记录磁性部C以及E，但磁区分断部B、F，和参照磁性部A、G，对于记录磁性部C、E，不在膜厚度方向上叠层，而分别在面内方向上邻接设置。而后，电极E1与参照磁性部A连接，电极E2与记录磁性部C连接，电极E3与记录磁性部E连接，电极E4与参照磁性部G连接。
即使把固体磁性元件的各层排列成这样配置关系，也可以同时进行图2所示的采用旋转极化电流的输入动作，和图3所述的采用磁阻的输出动作。
另外在此，中间部SP，也可以作为单一绝缘层形成，如图6和图12所示，通过设置一个或者多个磁性微小接点P，可以同样得到图6以及图12所示的作用效果。
图13(b)是示例图13(a)的固体磁性元件的使用形态的模式图。即，把电极E2、E3分别连接在写入配线1、2上。在接通开关SW1的状态下通过在从开关部SW1至写入配线的线路上流过写入电流可以使记录磁性部C的磁化向规定方向记录。另外，在接通开关元件SW2的状态，通过使写入电流在从开关部SW2至写入配线2的线路上流过，可以使记录磁性部E的磁化向着规定的方向记录。
图14是表示本实施方式的固体磁性元件的又一变形例的模式化断面图。即，同一图(a)是其平面图，同一图(b)是其正面图。即使在同一图中，也是在和图1至图13所述相同的要素上标注相同的符号并省略详细说明。
在本变形例中，把参照磁性部A、磁区分断部B、记录磁性部C、磁区分断部H、参照磁性部I按照此顺序配置在大致同一平面内。而后，在记录磁性部C上，叠层中间部D，在其上叠层参照磁性部E。
中间部D的大小，需要和记录磁性部C和参照磁性部E的重叠部分相同或者超过它。因而，中间部D，即使覆盖记录磁性部C的整体，进而覆盖到磁性分断部B，只要电极E1和E2可以连接即可。
另外，希望参照磁性部I的磁化方向和参照磁性部A反平行。电极E2连接在参照磁性部I上。可以用2个磁区分断部B以及H，使参照磁性部A和记录磁性部C，或者记录磁性部C和参照磁性部I的磁化方向分别反平行。
如果使用电极E1和E2使电子从E1流到E2，则记录磁性部C的磁化向着和参照磁性部A相同的方向。相反，如果使电子从电极E2流过电极E1，则记录磁性部C的磁化和参照磁性部I在同样的方向上。
如果把开关部、写入配线、读出配线分别连接到E1、E2、E3，则可以进行和图7(b)所述相同的动作。
图15是展示本实施方式的固体磁性元件的又一变形例子的模式断面图。即，同一图(a)是其平面图，同一图(b)是其正面图。即使在同一图中，也是在和图1至图14所述相同的要素上标注相同的符号并省略详细说明。
在本变形例子中，把参照磁性部A、磁区分断部B、记录磁性部C、磁区分断部H、参照磁性部I按照此顺序配置在大致同一平面内。而后，在记录磁性部C上，叠层中间部D，在其上叠层参照磁性部E。在记录磁性部E的两侧上，分别通过磁区分断部F、J，把参照磁性部G、K排列在大致同一面内。中间部D的大小，需要和记录磁性部C和记录磁性部E的重叠部分相同或者超过它。
另外，即使在本具体例子中，也是希望参照磁性部G的磁化方向是和参照磁性部K的磁化方向反平行。用2个磁区分断部B以及H，可以使参照磁性部A和记录磁性部C，或者记录磁性部C和参照磁性部I的磁化方向分别反平行。另外同样，可以用2个磁区分断部F以及J，可以使参照磁性部G和记录磁性部E，或者记录磁性部E和参照磁性部K的磁化方向分别反平行。
图16是使用本实施方式的固体磁性元件的固体磁性元件阵列的模式电路图。该固体磁性元件阵列，图11或者图12所示的固体磁性单元和由选择该单元用于使电流流过的2个开关部30A、30B组成的单元，具有被连接成矩阵形的构造。这些单元，被连接在分别被连接在2个开关部30A、30B上的2条位线BL1和BL2、被连接在连接于再生部R和2个记录部W1、W2之间上的字线WL1和WL2，进而被连接在一方的开关部上的字线WL3上。
写入，如以下那样进行。首先，当写入记录部W1的记录磁性部C中的情况下，接通开关部30A使电流流过该开关部30A的一端(图中下端)和配线WL1进行写入。另外，对记录部W2的记录磁性部E的写入，接通开关部30B，使电流流过字线WL2和WL3。
另一方面，再生可以用3种方法进行。
作为第1种方法，接通2个开关部30A、30B，检测开关部30A的下端(在图16中)和字线WL3之间的磁阻。
作为第2种方法，只接通开关部30A，检测开关部30A的下端(图16中)和字线WL2之间的磁阻。
作为第3种方法，只接通开关部30B，检测字线WL1和WL3之间的磁阻。
在上述任何情况下，因为记录磁性部C、E的阻抗小，因而可以检测出再生部R的阻抗。
[实施例]
以下，参照实施例，进一步详细说明本发明的实施方式。
(实施例1)
首先，作为本发明的实施例1，制造实施方式1的固体磁性元件。
图17(a)以及(b)，是展示本实施方式的固体磁性元件的主要部分断面构造的模式图。
这些叠层构造，用超高真空溅射装置制造。首先，把用通常的CMOS工艺在Si晶片上形成FET的构造作为基板。在其上，形成由钽(Ta)和铜(Cu)组成的下侧电极膜(未图示)，把图17(a)以及(b)的叠层膜以和图中上下相反的顺序形成，进而，形成上部电极层。通过在该叠层膜上涂抹EB(电子束)抗蚀剂进行EB曝光，剥离，在把叠层膜首先加工成60nm×240nm的尺寸后，进一步用EB描绘、剥离，除去微小叠层膜的一部分直至记录层露出制造图1所示的构造。进而，各个电极，如图9所示那样与读入用以及写入用字线和FET连接。
对于该固体磁性元件，不接通开关用晶体管，在使负3mA的脉冲电流流过b-c之间进行初始化磁化后，流过具有正符号的脉冲电流，用a-c间的磁阻变化检测记录磁性部C的磁化反转。其结果，当和图17(a)、(b)一样在b-c之间流过正0.2mA的写入电流的情况下，在a-c之间得到的隧道电阻值不变化，不产生磁化反转，在具有图17(a)构造的元件表示如果在b-c之间流过正0.9mA的电流，则在a-c之间得到的磁阻变化，另外，在具有图17(b)构造的元件表示如果在b-c之间流过正0.6mA的电流，则在a-c之间得到的磁阻变化，可以确认分别发生了磁化反转。
进而，把固体磁性元件阵列化为4×4的矩阵形状制作如图9那样连接的固体磁性元件阵列。在该阵列构造中，通过适宜选择位线BL和字线WL，可以对任意的单元进行写入和读出。
(实施例2)
以下，作为本发明的实施例2，制造图11所示的实施方式2的固体磁性元件。即，在本实施方式中，作为记录磁性部C以及E，使用由镍铁钴(NiFeCo)组成的磁性膜，作为中间部D使用铝，作为参照磁性部A以及G使用钴铁(CoFe)。进而，在参照磁性部A以及G外侧上，分别设置由钌(Ru)/钴铁(CoFe)/铂铱锰(PtIrMn)组成的叠层膜赋予交换各向异性。
这样形成的第2实施方式的固体磁性元件，可以用1个元件进行逻辑处理。即，该元件，用分别输入记录磁性部C和记录磁性部E的“0”、“1”信号的组合，例如，可以进行包含逻辑积(AND)和逻辑和(OR)或者它们的否定(MAND，NOR)的各种逻辑处理。进而，通过放大处理该再生输出结果输入到下一单元，可以进一步进行复杂的各种计算处理。
(实施方式3)
以下，作为本发明的实施例3，如图14所示，说明使2根细线交叉的构造的固体磁性元件的制造方法。
图18展示本实施方式的固体磁性元件的制造方法的工序图。
即首先，形成由以参照磁性部A、磁区分断部B、记录磁性部C、磁区分断部H、参照磁性部I为基础的CoFe组成的磁性膜。在该膜上涂抹抗蚀剂，使用EB描绘装置形成细线状掩模。而后，用反应离子蚀刻装置除去细线以外的部分如图18(a)所示形成细线100。
对该细线，通过在图18(a)所示的L1和L2的线上扫描电子束，如图18(b)所示，形成由结晶变质部组成的磁区分断部B、H。
以下，如图18(c)所示，在细线100上形成用于中间部D以及参照磁性部E的磁性层110。而后，用和图18(a)所述的方法相同的方法使该磁性层110细线化。这时，形成细线120的方向和下面的细线100大致成直角方向。
因为使参照磁性部A和参照磁性部I的磁化方向反平行，所以例如，在参照磁性部I上直接叠层PtMn焊盘，或者经由Ru(膜厚度约1nm)叠层PtMn焊盘。而后，最后安装配线。
通过以上说明的方法，可以经由中间部D，例如形成具有宽度50nm的2条交叉细线的固体磁性元件。
以上，参照具体例说明了本发明的实施方式。但是，本发明并不限于这些具体例子。例如，构成固体磁性元件的各要素的具体尺寸工序和材料，此外，电极、钝化、绝缘构造等的形状和材料，专业人事通过从公知的范围中适宜选择同样实施本发明，只要可以得到同样的效果，就包含在本发明的范围中。
另外，在固体磁性元件中的反铁磁性层、铁磁性层、间隔层、绝缘层等的构成要素，可以分别作为单层形成，或者也可以设置成叠层2个以上的层的构造。
此外，作为本发明的实施方式以上述固体磁性元件以及固体磁性元件阵列为基础，专业人事适宜地改变设计实施得到的全部固体磁性元件以及固体磁性元件阵列也同样属于本发明的范围。

Claims (18)

1.一种固体磁性元件，其特征在于：具备，
第1参照磁性部，包含磁化方向被固定在第1方向上的第1铁磁性体；
第2参照磁性部，包含磁化方向被固定在第2方向上的第2铁磁性体；
记录磁性部，被设置在上述第1以及第2参照磁性部之间，包含第3铁磁性体；
磁区分断部，被设置在上述第1参照磁性部和上述记录磁性部之间；以及
中间部，被设置在上述第2参照磁性部和上述记录磁性部之间，
通过使写入电流在上述第1参照磁性部和上述记录磁性部之间流过，使上述第3铁磁性体的磁化方向为与上述第1方向基本平行或者基本反平行的方向，
通过使读出电流在上述第2参照磁性部和上述记录磁性部之间流过，可以检测上述第3铁磁性体的磁化方向相对于上述第2方向的相对关系，
通过流过上述写入电流使旋转极化后的电子电流流入上述记录磁性部，借助于上述旋转极化后的电子电流使该记录磁性部的铁磁性体的磁化方向为上述基本平行或者基本反平行的方向，
在流过上述读出电流时，根据上述磁化方向的相对关系电阻发生变化。
2.权利要求1所述的固体磁性元件，其特征在于：进一步具备，
与上述第1参照磁性部一侧连接的开关部；以及
与上述记录磁性部连接的写入配线，
在接通上述开关部的状态下使上述写入电流在从上述开关部至上述写入配线的线路中流过，
在接通上述开关部的状态下使上述读出电流在从上述开关部至上述第2参照磁性部的线路中流过。
3.权利要求1所述的固体磁性元件，其特征在于：进一步具备，
与上述第1参照磁性部一侧连接的第1开关部；
被连接在上述记录磁性部上的写入/读出配线；以及
与上述第2参照磁性部一侧连接的第2开关部，
在接通上述第1开关部的状态下使上述写入电流在从上述第1开关部至上述写入/读出配线的线路中流过，
在接通上述第2开关部的状态下使上述读出电流在从上述第2开关部至上述写入/读出配线的线路中流过。
4.权利要求1所述的固体磁性元件，其特征在于：
上述中间部由电气绝缘性材料形成。
5.权利要求1所述的固体磁性元件，其特征在于：
上述中间部，包含从相邻接的上述第2参照磁性部或上述记录磁性部延伸出的磁性微小接点。
6.权利要求1所述的固体磁性元件，其特征在于：
上述记录磁性部具有的上述铁磁性体，由与上述参照磁性部具有的上述铁磁性体相比磁性软的材料组成。
7.权利要求1所述的固体磁性元件，其特征在于：进一步具备，
向上述第1以及第2铁磁性体施加交替偏置磁场的反铁磁性层。
8.一种固体磁性元件，其特征在于：具备，
第1参照磁性部，包含磁化方向被固定在第1方向上的第1铁磁性体；
第2参照磁性部，包含磁化方向被固定在第2方向上的第2铁磁性体；
中间部，被设置在上述第1以及第2参照磁性部之间；
第1记录磁性部，被设置在上述第1参照磁性部和上述中间部之间，包含第3铁磁性体；
第2记录磁性部，被设置在上述第2参照磁性部和上述中间部之间，包含第4铁磁性体；
第1磁区分断部，被设置在上述第1参照磁性部和上述第1记录磁性部之间；以及
第2磁区分断部，被设置在上述第2参照磁性部和上述第2记录磁性部之间，
通过使写入电流在上述第1参照磁性部和上述第1记录磁性部之间流过，使上述第3铁磁性体的磁化方向为与上述第1方向基本平行或者基本反平行的方向，
通过使写入电流在上述第2参照磁性部和上述第2记录磁性部之间流过，使上述第4铁磁性体的磁化方向为与上述第2方向基本平行或者基本反平行的方向，
通过使读出电流在上述第1记录磁性部和上述第2记录磁性部之间流过，可以检测上述第3铁磁性体和上述第4铁磁性体的磁化方向的相对关系，
通过流过上述写入电流使旋转极化后的电子电流流入上述记录磁性部，借助于上述旋转极化后的电子电流使该记录磁性部的铁磁性体的磁化方向为上述基本平行或者基本反平行的方向。
9.权利要求8所述的固体磁性元件，其特征在于：进一步具备，
第1开关部，被连接在上述第1参照磁性部一侧；
第2开关部，被连接在上述第2参照磁性部一侧；
第1写入配线，被连接在上述第1记录磁性部上；以及
第2写入配线，被连接在上述第2记录磁性部上，
通过在上述第1开关部接通的状态下使上述写入电流流过在从上述第1开关部至上述第1写入配线的线路，使上述第3铁磁性体的磁化方向为与上述第1方向基本平行或者基本反平行的方向，
通过在上述第2开关部接通的状态下使上述写入电流流过在从上述第2开关部至上述第2写入配线的线路，使上述第4铁磁性体的磁化方向为与上述第2方向基本平行或者基本反平行的方向。
10.权利要求8所述的固体磁性元件，其特征在于：
上述中间部，包含从相邻接的上述第1记录磁性部或上述第2记录磁性部延伸出的磁性微小接点。
11.权利要求8所述的固体磁性元件，其特征在于：
上述中间部由电气绝缘性材料形成。
12.权利要求8所述的固体磁性元件，其特征在于：
上述记录磁性部具有的上述铁磁性体，由与上述参照磁性部具有的上述铁磁性体相比磁性软的材料组成。
13.权利要求8所述的固体磁性元件，其特征在于：进一步具备，
向上述第1以及第2铁磁性体施加交替偏置磁场的反铁磁性层。
14.一种固体磁性元件阵列，其特征在于包括：
多个固体磁性元件，它具备，第1参照磁性部，包含磁化方向被固定在第1方向上的第1铁磁性体；
第2参照磁性部，包含磁化方向被固定在第2方向上的第2铁磁性体；
记录磁性部，被设置在上述第1以及第2参照磁性部之间，包含第3铁磁性体；
磁区分断部，被设置在上述第1参照磁性部和上述记录磁性部之间；和
中间部，被设置在上述第2参照磁性部和上述记录磁性部之间，
其中，通过使写入电流流过上述第1参照磁性部和上述记录磁性部之间，使上述第3铁磁性体的磁化方向为与上述第1方向基本平行或者基本反平行的方向，
通过使读出电流流过上述第2参照磁性部和上述记录磁性部之间，可以检测上述第3铁磁性体的磁化方向相对于上述第2方向的相对关系，
通过流过上述写入电流使旋转极化后的电子电流流入上述记录磁性部，借助于上述旋转极化后的电子电流使该记录磁性部的铁磁性体的磁化方向为上述基本平行或者基本反平行的方向；以及
选择装置，它选择上述多个固体磁性元件的任意一个，使上述写入电流或者上述读出电流流过。
15.权利要求14所述的固体磁性元件阵列，其特征在于：
其构成为进一步具备，与上述第1参照磁性部一侧连接的开关部；和
与上述记录磁性部连接的写入配线，
在接通上述开关部的状态下使上述写入电流在从上述开关部至上述写入配线的线路中流过，
在上述开关部接通的状态下使读出电流流过从上述开关部至上述第2参照磁性部的线路。
16.权利要求14所述的固体磁性元件阵列，其特征在于：
其构成为进一步具备，与上述第1参照磁性部一侧连接的开关部；
与上述记录磁性部连接的写入/读出配线；和
与上述第2参照磁性部一侧连接的第2开关部，
在上述第1开关部接通的状态下使上述写入电流在从上述第1开关部至上述写入/读出配线的线路中流过，
在上述第2开关部接通的状态下使上述读出电流在从上述第2开关部至上述写入/读出配线的线路中流过。
17.一种固体磁性元件阵列，其特征在于包括：
多个固体磁性元件，它具备，第1参照磁性部，包含磁化方向被固定在第1方向上的第1铁磁性体；
第2参照磁性部，包含磁化方向被固定在第2方向上的第2铁磁性体；
中间部，被设置在上述第1以及第2参照磁性部之间；
第1记录磁性部，被设置在上述第1参照磁性部和上述中间部之间，包含第3铁磁性体；
第2记录磁性部，被设置在上述第2参照磁性部和上述中间部之间，包含第4铁磁性体；
第1磁区分断部，被设置在上述第1参照磁性部和上述第1记录磁性部之间；和
第2磁区分断部，被设置在上述第2参照磁性部和上述第2记录磁性部之间，
其中，通过使写入电流在上述第1参照磁性部和上述第1记录磁性部之间流过，使上述第3铁磁性体的磁化方向为与上述第1方向基本平行或者基本反平行的方向，
通过使写入电流在上述第2参照磁性部和上述第2记录磁性部之间流过，使上述第4铁磁性体的磁化方向为与上述第2方向基本平行或者基本反平行的方向，
通过使读出电流在上述第1记录磁性部和上述第2记录磁性部之间流过，可以检测上述第3铁磁性体和上述第4铁磁性体的磁化方向的相对关系，
通过流过上述写入电流使旋转极化后的电子电流流入上述记录磁性部，借助于上述旋转极化后的电子电流使该记录磁性部的铁磁性体的磁化方向为上述基本平行或者基本反平行的方向；以及
选择装置，它选择上述多个固体磁性元件的任意一个使上述写入电流或者上述读出电流流过。
18.权利要求17所述的固体磁性元件阵列，其特征在于：
其构成为进一步具备，第1开关部，与上述第1参照磁性部一侧连接；
第2开关部，与上述第2参照磁性部一侧连接；
第1写入配线，与上述第1记录磁性部连接；和
第2写入配线，与上述第2记录磁性部连接，
通过在上述第1开关部接通的状态下使上述写入电流流过在从上述第1开关部至上述第1写入配线的线路，使上述第3铁磁性体的磁化方向为与上述第1方向基本平行或者基本反平行的方向，
通过在上述第2开关部接通的状态下使上述写入电流流过在从上述第2开关部至上述第2写入配线的线路，使上述第4铁磁性体的磁化方向为与上述第2方向基本平行或者基本反平行的方向。
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