CN1503270A - 磁单元和磁存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能够降低在进行基于电流直接驱动的磁化反转时的反转电流的磁单元和使用它的磁存储器。该磁单元的特征在于具备：磁化(M1)的方向被实质上固定在第1方向上的第1强磁性层(C1)；磁化(M2)的方向被实质上固定在与上述第1方向相反的第2方向上的第2强磁性层(C2)；设置在上述第1和第2强磁性层之间，磁化(M)方向可变的第3强磁性层(A)；设置在上述第1和第3强磁性层之间的第1中间层(B1)；设置在上述第2和上述第3强磁性层之间的第2中间层(B2)。

Description

磁单元和磁存储器
技术领域
本发明涉及磁单元和磁存储器，特别涉及能够通过流过自旋极化了的电子来进行写入的磁单元和磁存储器。
背景技术
为了控制磁性体的磁化方向，现在采用了施加磁场的方法。例如，在硬盘驱动器(hard disk drive)中，通过从记录头产生磁场，使介质的磁化方向反转，进行写入。另外，在固体磁存储器中，通过向单元施加因在设置在磁阻效应元件旁边的布线中流过电流而产生的电流磁场，进行单元的磁化方向控制。这些基于外部磁场的磁化方向控制具有长久的历史，可以说是已经确立了的技术。
另一方面，随着现在超精密技术的进步，磁性材料急剧细微化，有必要利用精密技术进行局部的磁化控制。但是，由于磁场根本地具有空间广泛性质，所以难以局部化。随着比特和单元的大小的微小化，在选择特定的比特和单元控制其磁化方向的情况下，磁场波及相邻的比特和单元的“失真”问题变得显著了。另外，如果为了使磁场局部化而减小磁场发生源，则会产生不能得到充分的产生磁场的问题。
最近，还发现了通过在磁性体中流过电流来使磁化反转的“电流直接驱动型磁化反转”(参照例如非专利文献1)。
非专利文献1：F.J.Albert，et al.，Appl.Lett.77，3809(2000)
基于电流的磁化的反转是通过使在自旋极化了的电流通过磁性层时产生的自旋极化电子的角动量传递、作用为希望磁化反转的磁性体的角动量，来引起磁化的反转的现象。如果利用该现象，则能够对精密技术的磁性体产生更直接的作用，能够对更微小的磁性体进行记录。
但是，现在即使在单元的大小是从100纳米到数十纳米左右的情况下，也有用来使磁化反转的反转电流极端增大到10mA～数mA的问题。即，为了防止因电流造成的元件破坏，防止发热，进而降低消耗电力，而希望有用尽量小的电流进行磁化反转的磁单元构造。
发明内容
本发明就是根据对该问题的认识而提出的，其目的是提供一种能够降低进行基于电流直接驱动的磁化反转时的反转电流的磁单元，以及使用它的磁存储器。
为了达到上述目的，本发明的第1方面的磁单元的特征在于包括：
磁化实质上被固定在第1方向上的第1强磁性层、磁化实质上被固定在与第1方向相反的第2方向上的第2强磁性层、设置在上述第1强磁性层和上述第2强磁性层之间，磁化方向可变的第3强磁性层、设置在上述第1强磁性层和上述第3强磁性层之间的第1中间层、设置在上述第2强磁性层和第3强磁性层之间的第2中间层，其中
通过在上述第1和第2强磁性层之间流过电流，使自旋极化了的电子作用在上述第3强磁性层上，而能够将上述第3强磁性层的磁化方向决定在与上述电流的方向对应的方向上。
或者，本发明的磁单元的特征在于包括：
磁化实质上被固定在第1方向上的第1强磁性层、磁性层和非磁性层交互层叠，上述磁性层经由上述非磁性层进行反强磁性结合而构成的第1层叠体、设置在上述第1强磁性层和上述第1层叠体之间，磁化方向可变的第2强磁性层、设置在上述第1强磁性层和上述第2强磁性层之间的第1中间层、设置在上述第1层叠体和第2强磁性层之间的第2中间层，其中
上述第2强磁性层的磁化容易轴与上述第1方向大致平行，包含在上述第1层叠体中的上述磁性层中的与上述第2中间层相邻的磁性层的磁化被实质固定在与上述第1方向相反的第2方向上，通过在上述第1强磁性层和上述第1层叠体之间流过电流，使自旋极化了的电子作用在上述第2强磁性层上，而能够将上述第2强磁性层的磁化方向决定在与上述电流的方向对应的方向上。
或者，本发明的磁单元的特征在于包括：
磁性层和非磁性层交互层叠，上述磁性层经由上述非磁性层进行反强磁性结合而构成的第1层叠体、磁性层和非磁性层交互层叠，上述磁性层经由上述非磁性层进行反强磁性结合而构成的第2层叠体、设置在上述第1强磁性层和上述第1层叠体之间，磁化方向可变的强磁性层、设置在上述第1层叠体和上述强磁性层之间的第1中间层、设置在上述第2层叠体和上述强磁性层之间的第2中间层，其中
包含在上述第1层叠体中的上述磁性层中的与上述第1中间层相邻的磁性层的磁化被实质固定在第1方向上，包含在上述第2层叠体中的上述磁性层中的与上述第2中间层相邻的磁性层的磁化被实质固定在与上述第1方向相反的第2方向上，上述强磁性层的磁化容易轴与上述第1方向大致平行，通过在上述第1层叠体和上述第2层叠体之间流过电流，使自旋极化了的电子作用在上述强磁性层上，而能够将上述强磁性层的磁化方向决定在与上述电流的方向对应的方向上。
另一方面，本发明的磁存储器的特征在于具备：将上述任意的多个磁单元设置在绝缘体之间，同时设置为矩阵状的存储器单元。
在此，能够通过探针访问上述存储器单元上的各个上述磁单元。
另外，上述存储器单元上的各个上述磁单元与字线和比特线连接，通过选择上述字线和比特线，能够对特定的磁单元进行信息的记录或读出。
附图说明
图1是示例展示本发明的实施例1的磁单元的基本截面结构的模型图。
图2是展示将磁化控制在与膜面垂直的方向上的磁单元的截面结构的模型图。
图3是用来说明图1所示的磁单元的“写入”的机制的模型截面图。
图4是用来说明在展示反转型磁阻效应时的磁单元的“写入”的机制的模型截面图。
图5是用来说明图2所示的磁单元的“写入”的机制的模型截面图。
图6是用来说明本发明的实施例的磁单元的读出方法的概念图。
图7是用来说明基于磁化的相对方向的磁阻变化的概念图。
图8是展示非对称结构的具体实施例1的模型截面图。
图9是展示非对称结构的具体实施例2的模型截面图。
图10是展示非对称结构的具体实施例3的模型截面图。
图11是展示非对称结构的具体实施例4的模型截面图。
图12是展示固定层C1、C2的静磁结合的模型截面图。
图13是展示设置了反强磁性层的磁单元的模型截面图。
图14是展示分别通过反强磁性层固定了固定层C1、C2的磁化的磁单元的模型截面图。
图15是展示分别通过反强磁性层固定了固定层C1、C2的磁化的磁单元的模型图。
图16是展示分别通过反强磁性层固定了固定层C1、C2的磁化的磁单元的另一个具体例子的模型截面图。
图17是展示经由非磁性层的层间交换相互作用的膜厚度依存性的曲线图。
图18是展示设置了2层的磁性记录层的磁单元的模型截面图。
图19是分别使磁性固定层和磁性记录层A成为层叠结构的具体例子的模型截面图。
图20是分别使磁性固定层和磁性记录层A成为层叠结构的具体例子的模型截面图。
图21是分别使磁性固定层和磁性记录层A成为层叠结构的具体例子的模型截面图。
图22是展示设置了2个磁性固定结构的具体例子的模型截面图。
图23是展示使2个磁性固定结构以及磁性记录层成为层叠结构的具体例子的模型截面图。
图24是展示使2个磁性固定结构以及磁性记录层成为层叠结构的具体例子的模型截面图。
图25是展示使2个磁性固定结构以及磁性记录层成为层叠结构的具体例子的模型截面图。
图26是展示使用了本发明的磁单元的磁存储器的模型图。
图27是展示各单元10共有其一部分层的结构的模型图。
图28是展示使用了本发明的磁单元的磁存储器的具体实施例2的模型截面图。
图29(a)是展示本实施例的磁单元的主要部分截面结构的模型图，(b)是展示比较例子的磁单元的主要部分截面结构的模型图。
图30是展示实施例5的检测的模型图。
图31是展示本发明的实施例6的磁存储器的概念图。
图32是展示示例A10的微分电阻的曲线图。
图33是展示示例B10的微分电阻的曲线图。
图34是展示图32和图33的除去背景部分的曲线成分，进而通过低电阻状态的微分电阻进行规格化了的微分电阻变化的曲线图。
图35是展示磁化反转临界电流Ic的平均值和单元大小的关系的曲线图。
图36是展示示例C20的截面结构的模型图。
图37是针对大小为60nm×110nm的示例A20、B20、D20、E20，展示微分电阻变化的电流依存性的曲线图。
图38是展示临界电流Ic的平均值和单元大小的关系的曲线图。
图39是针对示例A30、B30、E30，展示微分电阻变化和电流的关系的曲线图。
图40是展示临界电流Ic的平均值和单元大小的关系的曲线图。
图41是针对示例A40、B40、D40、E40，展示微分电阻变化和电流的关系的曲线图。
图42是展示临界电流Ic的平均值和单元大小的关系的曲线图。
图43是针对示例A50、B50、D50、E50，展示微分电阻变化和电流的关系的曲线图。
图44是展示临界电流Ic的平均值和单元大小的关系的曲线图。
图45是展示本发明的实施例13的示例D60和示例H60的结构的模型图。
图46是展示在本实施例中作成的磁单元的截面结构的模型图。
图47是展示比较例子的磁单元的截面结构的模型图。
图48是展示具有磁化被平行配置的2个磁性固定层C1、C2的磁单元的截面结构的模型图。
图49是展示本发明的实施例的磁存储器的存储器单元的截面结构的模型图。
图50是展示用中间层B2的Al2O3层的上部停止离子研磨的结构的模型图。
图51是展示使用了二极管的磁存储器的模型图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施例。
图1是示例展示本发明的实施例1的磁单元的基本截面结构的模型图。该磁单元具有磁化M1、M2的方向相互相反平行的2个磁性固定层(磁性固定层)C1、C2、磁化方向可变的一个磁性记录层(磁性记录层)A、以及设置在磁性记录层A和磁性固定层之间的中间层B1、B2。
通过在上下的固定层C1、C2之间流过电流I，能够控制磁性记录层A的磁化M的方向。具体地说，通过改变电流I的流向(极性)，能够使磁性记录层A的磁化M的方向反转。在记录信息时，可以对应于磁化M的方向，分别分配“0”、“1”。
另外，在本发明的磁单元中，各层的磁化方向并不限定于面内方向，也可以是大致垂直于膜面的方向。
图2是展示将磁化控制在垂直于膜面的方向上的磁单元的截面结构的模型图。在这种磁单元的情况下，磁化M、M1、M2被控制在大致垂直于膜面的方向。这样，通过在上下的固定层C1、C2之间流过电流I，也能够控制磁性记录层A的磁化M的方向。
下面，说明本发明的磁单元的“写入”的机制。
图3是展示图1所示的磁单元的“写入”的机制的模型截面图。以下说明设置2个磁性固定层C1、C2，电流I穿过它们的界面地流过，对磁记录层A进行写入的机制。首先，说明经由中间层B1的磁阻效应和经由中间层B2的磁阻效应的任意一个是普通型的情况。在此，“普通型”磁阻效应是指电阻在中间层的两侧的磁性层的磁化平行时比相反平行时大的情况。即，在普通型的情况下，经由中间层B1的磁性固定层C1和磁性记录层A之间的电阻在磁性固定层C1和磁性记录层A的磁化平行时比相反平行时小。另外，经由中间层B2的磁性固定层C2和磁性记录层A之间的电阻在磁性固定层C2和磁性记录层A的磁化平行时比相反平行时小。首先，在图(a)中，通过具有磁化M1的第1磁性固定层C1的电子具有磁化M1的方向的自旋，如果它流向磁性记录层A，则具有该自旋的角动量被传达到磁性记录层A，作用于磁化M。另一方面，第2磁性固定层C2的磁化M2与磁化M1相反。因此，在电子流进入第2磁性固定层C2的界面上，具有与磁化M1相同方向的自旋(在同图中向右)的电子被反射，保留在与第2磁性固定层C2相接的中间层B2。该反方向的自旋也作用于磁性记录层A。即，与第1磁性固定层的磁化相同方向的自旋的电子由于对磁性记录层A作用2次，所以实质上得到了2倍的写入作用。作为其结果，能够以比现有技术小的电流对磁性记录层A进行写入。
另外，图3(b)展示了使电流I反转的情况。在该情况下，构成电流I的电子首先接受第2磁性固定层C2的磁化M2的作用，具有该方向(在同图中向左)的自旋。该自旋电子在磁性记录层A中作用于其磁化M。进而，自旋电子在它与具有相反方向的磁化M1的第1磁性固定层C1的界面被反射，保留在中间层B2，再一次作用于磁性记录层A的磁化M。
以上，说明了经由中间层B1、B2的磁性固定层C1、C2和磁性记录层A之间的磁阻效应的任意一个都是“普通型”的情况。
下面，说明它们是“反转型”的情况。
图4是用来说明在展示反转型的磁阻效应的情况下的磁单元的“写入”的机制的模型截面图。
即，在反转型的情况下，经由中间层B1的磁性固定层C1和磁性记录层A之间的电阻在磁性固定层C1和磁性记录层A的磁化平行时比相反平行时高。另外。经由中间层B2的磁性固定层C2和磁性记录层A之间的电阻也在磁性固定层C2和磁性记录层A的磁化平行时比相反平行时高。
在经由中间层B1、B2的磁阻效应是反转型的情况下，从磁性固定层C1向磁性记录层A作用的自旋电子如图4(a)所示，与图3(a)的情况方向相反。另外，从磁性固定层C2作用于磁性记录层A的自旋电子也与图3(a)方向相反。其结果是，磁性记录层A的磁化M的方向如图4(a)所示，与磁性固定层C1的磁化M1相反平行，成为与磁性固定层C2的磁化M2相同的方向。
另一方面，在电子电流从磁性固定层C2流向磁性固定层C1的情况下，如图4(b)所示，磁性记录层A的磁化M的方向成为与磁性固定层C1的磁化M1相同的方向。
如上所述的那样，在经由中间层B1、B2的磁阻效应的任意一个都是普通型的情况，或者是反转型的情况下，对应于电子的流向，决定了磁性记录层A的磁化M的方向。
但是，在经由中间层B1、B2的磁阻效应中的其中一个是普通型，而另一个是反转型的情况下，由于流入磁性记录层A的电子的自旋极化度减小，所以对写入不利。例如，在经由中间层B1的磁性固定层C1和磁性记录层A之间的磁阻效应是普通型，而经由中间层B2的磁性固定层C2和磁性记录层A之间的磁阻效应是反转型的情况下，作用于磁性记录层A的电子的自旋方向在中间层B1、B2的界面上方向相反，因而难以得到本发明的效果。
如上所述的那样，根据本实施例，通过使2个磁性固定层的磁化M1、M2相反平行，最终使作用于磁性记录层A的电子自旋方向相同，而产生2倍的作用。作为其结果，能够降低用来使磁性记录层A的磁化反转的电流。
以上说明的“写入”机制如图2所示，在将磁化控制在垂直于膜面的方向上的磁单元中也一样。
图5是用来说明图2所示的磁单元的“写入”机制的模型截面图。在该图中，对与图1到图3相同的要素付与相同的符号，并省略详细说明。
如图5所示，在磁化方向是垂直的情况下，通过使2个磁性固定层的磁化M1、M2相反平行，最终使作用于磁性记录层A的电子自旋方向相同，而产生2倍的作用。作为其结果，能够降低用来使磁性记录层A的磁化反转的电流。
下面，说明本实施例的磁单元的“读出”的方法。在本实施例的磁单元中，可以利用因各层的磁化的相对方向造成电阻变化的“磁阻效应”，来进行磁性记录层A的磁化M的方向的检测。
图6是用来说明本实施例的磁单元的读出方法的概念图。即，在利用磁阻效应的情况下，可以在磁性固定层C1、C2的任意一个和磁性记录层之间流过电流I，来测量电阻。在图6中，示例展示了在第1磁性固定层C1和磁性记录层A之间测量磁阻的情况，但与之相反，也可以在第2磁性固定层C2和磁性记录层A之间测量磁阻。
图7是用来说明基于磁化的相对方向的磁阻的变化的概念图。即，图(a)表示磁性固定层C1的磁化M1和磁性记录层A的磁化M是相同方向的情况。在这种情况下，传感电流I流过它们而检测出的磁阻在普通型的磁阻效应下为相对小的值，而在反转型的磁阻效应下是为相对大的值。
另一方面，图7(b)表示磁性固定层C1的磁化M1和磁性记录层A的磁化M是相反平行的情况。在这种情况下，传感电流I流过它们而检测出的磁阻在普通型的磁阻效应下为相对大的值，而在反转型的磁阻效应下是为相对小的值。
在这些电阻相互不同的状态下，通过使其分别对应于“0”和“1”，能够读出2进制数据的记录。
另一方面，也有通过经由磁单元的两端流过传感电流，来检测磁阻的方法。即，通过在第1磁性固定层C1和第2磁性固定层C2之间流过传感电流，来检测磁阻。但是，在本发明中，一对磁性固定层C1、C2的磁化M1、M2是相反平行的。因此，如果是“对称结构”，即磁性固定层C1、C2的自旋依存度的散乱大小是相同的，或者从磁性固定层C1、C2作用于磁性记录层的电子的自旋极化度是相同的，则在磁性记录层A的磁化M是任意方向的情况下，检测出的磁阻都一样。所以，有必要采用“非对称结构”。
图8是展示非对称结构的具体实施例1的模型截面图。
作为非对称结构的一个例子，通过使磁性固定层C1、C2的厚度或材料等相互不同，能够改变磁化M1、M2的大小。在图8所示的具体例子的情况下，通过使第2磁性固定层C2比第1磁性固定层C1厚地形成，来使基于磁性固定层C2的自旋依存散乱大小比C1的大。如果这样，则在经由磁性固定层C1、C2流过传感电流，进行“读出”的情况下，对应于磁性记录层A的磁化M的方向，检测出的磁阻不同。
但是，也可以如图8所示，通过代替改变第1和第2磁性固定层C1、C2的厚度，而改变它们的材料，来改变基于磁性固定层C1、C2的自旋依存散乱的大小。
图9是展示非对称结构的具体实施例2的模型截面图。
即，在本具体实施例的情况下，中间层B1、B2的厚度不同。即，使中间层B1成为容易检测出磁阻效应的厚度，而使另一个中间层B2成为难以检测出磁阻效应的厚度。在这种情况下，作为中间层B1的厚度范围可以是从0.2nm到10nm的范围，作为中间层B2的厚度范围可以是从3nm到50nm的范围。
如果这样，则能够主要检测出夹着中间层B1的磁性固定层C1和磁性记录层A之间的磁阻效应，能够容易地检测出磁性记录层A的磁化M。
另外，也可以使中间层B1、B2的电阻不同。对此，有效的方法是使中间层B1、B2的材料和组成相互不同，或向其中一个中间层添加元素等。
进而，也可以用铜(Cu)等导电材料形成中间层B1、B2，而用绝缘体形成另一个。如果用薄绝缘体形成中间层B1(或B2)，则能够得到所谓的隧道磁阻效应(tunneling magnetroresistance：TMR)，在进行磁性记录层A的磁化的读出时，能够得到大的重放信号输出。
图10是展示非对称结构的具体实施例的模型截面图。
即，在本具体实施例的情况下，向中间层B2插入中间物质层IE。该中间物质层IE是用来增大磁阻效应的。作为中间物质层IE可以列举出例如不连续的绝缘性薄膜。即，通过向中间层插入具有针孔的绝缘性薄膜，能够增大磁阻效应。
作为这样的不连续绝缘性薄膜，可以列举出镍(Ni)和铜(Cu)的合金的氧化物或氮化物、镍(Ni)和金(Au)的合金的氧化物或氮化物、铝(Al)和铜(Cu)的合金的氧化物或氮化物等。
这些合金的氧化物或氮化物等化合物通过加热等接近平衡状态而相互分离，分离为：由于Au和Cu等难以被化合(氧化或氮化等)，所以成为低电阻的形态，而Ni或Al等容易被氧化等，所以成为高电阻的化合物形态。因此，通过控制组成和温度或施加的能量，能够形成存在针孔的不连续的绝缘性薄膜。这样，如果形成填充了非磁性体的针孔，则能够使流过电流的路径变窄，能够控制自旋依存界面散乱和大小散乱的比例，得到大的磁阻效应。
通过将这样的中间物质层IE插入中间层B1、B2的任意一个，能够增大并容易地检测出其两侧的磁性固定层和磁性记录层之间的磁阻效应。
图11是展示非对称结构的具体实施例4的模型截面图。
即，在本具体实施例的情况下，中间层B2是具有针孔PH的绝缘层。针孔PH被其两侧的磁性固定层和磁性中间层的材料所填埋。
这样，如果磁性固定层C2(或C1)和磁性记录层A经由针孔PH连接，则形成所谓的“磁性点接触”，得到极大的磁阻效应。所以，通过检测出在经由该针孔PH的两侧的磁性层之间的磁阻效应，能够容易地判断磁性记录层A的磁化M的方向。
在此，针孔PH的开口半径理想的是大致在20nm以下。另外，针孔PH的形状可以是圆锥状、圆柱状、球状、多棱锥状、多棱柱状等各种形状。另外，针孔的个数可以是一个或多个。但是，理想的是比较少。
以上，参照图8到图11说明了为了容易地读出基于磁阻效应的记录层A的磁化方向的非对称结构的具体实施例。这些非对称结构也可以同样适用于图2所示的垂直磁化型磁单元，并得到相同的作用。
下面，说明在本发明的磁单元中，使2个磁性固定层C1、C2的磁化M1、M2的方向相互相反平行的方法。
首先，作为第1个方法，可以列举出通过使磁性固定层C1、C2静磁结合，来使磁化M1、M2相反平行的方法。
图12是展示磁性固定层C1、C2的静磁结合的模型截面图。即，在本具体实施例的情况下，经由绝缘层IL在磁单元的两侧面设置磁轭MY。在磁轭MY的内部形成用箭头表示的磁场，形成经由这些磁轭MY和固定层C1、C2的环流磁场。这样，如果通过磁轭MY使固定层C1、C2静磁结合，则通过环流磁场，能够使磁化M1和磁化M2相反平行。
在这种情况下，为了预先设置固定层的磁化M1、M2的方向，使2个固定层C1、C2的厚度不同，并从外部施加脉冲磁场等，能够控制磁化M1、M2的方向。
另外，通过与一个固定层的外侧相接地形成反强磁性层，并付与一个方向的各向异性，能够控制固定层的磁化方向。
图13是展示设置了反强磁性层的磁单元的模型截面图。即，通过在固定层C2的下面设置反强磁性层AF，使之与固定层C2磁性结合，来固定磁化M2的方向。然后，经由磁轭MY与该固定层C2静磁结合了的固定层C1的磁化M1成为与磁化M2相反的方向。
另外，也可以分别通过反强磁性层固定固定层C1、C2的磁性。
图14是展示通过反强磁性层分别固定了固定层C1、C2的磁化的磁单元的模型截面图。即，与固定层C1邻接地设置反强磁性层AF1，与固定层C2邻接地设置反强磁性层AF2。然后，通过邻接的反强磁性层AF1、AF2使各个固定层的磁化M1、M2被固定为相反平行。
通过适当地选择它们的材料，能够容易地形成这样的结构，使反强磁性层AF1、AF2的局部温度不同。即，在形成了图14所示的层叠结构后，一边施加磁场一边加热。如果加热后再冷却，则首先在局部温度高的反强磁性层中磁化被固定。然后，使磁场反转并进一步冷却，则在局部温度低的反强磁性层中磁化被固定，得到相反平行的磁化。
图15也是展示通过反强磁性层分别固定了固定层C1、C2的磁化的磁单元的模型截面图。即，在本具体实施例的情况下，在固定层C2的外侧设置反强磁性层AF2，在另一个固定层C1的外侧经由非磁性层AC设置磁性层FM和反强磁性层AF1。
在这种情况下，使非磁性层AC成为磁性固定层C1和磁性层FM在反强磁性层间交换结合那样的厚度。另外，作为非磁性层AC的材料，可以使用钌(Ru)和铜(Cu)等。
通过基于通常的磁场中的热处理的各向异性付与步骤，与2个反强磁性层AF1、AF2邻接的各个磁性层FM、C2的磁化方向成为相同。固定层C1由于与磁性层FM反强磁性结合，所以该磁化M1为相反的方向，作为其结果，能够将磁化M1和M2固定为相反平行。
另外，在该结构的情况下，理想的是到记录层A的写入电流I如该图中用箭头(或与其相反的方向)表示的那样，在固定层C1、C2之间流过。但是，如果站在使用的角度看，则使用设置在图15的反强磁性层AF1、AF2各自的上部和下部的未图示的电极，如该图的箭头I2(或与其相反的方向)表示的那样，写入电流容易在反强磁性层AF1、AF2之间流过，这样，能够写入到记录层A。
图16是展示分别通过反强磁性层固定了固定层C1、C2的磁化的磁单元的另一个具体例子的模型截面图。
即，在本具体实施例的情况下，在磁性固定层C1、C2的外侧经由非磁性层AC、FC设置磁性层FM1、FM2和反强磁性层AF1、AF2。非磁性层AC被调整得在其两侧的磁性层之间产生反强磁性层间交换结合。另一方面，非磁性层FC被调整得在其两侧的磁性层之间产生强磁性层间结合。
一般，经由非磁性层的层间交换相互作用如图17所模式地展示的那样，对应于非磁性层的厚度正负地摆动。所以，在图17中，可以设置非磁性层AC、FC的厚度，使之与符号不同的2个峰值位置对应。也可以例如，设置图17中的t1为非磁性层AC的厚度，设置t2为非磁性层FC的厚度。
根据这样的结构，通过付与基于反强磁性层AF1、AF2的各向异性，能够使与它们邻接的各个磁性层FM1、FM2的磁化配置为相同的方向，能够最终将磁性固定层C1、C2的磁化方向固定为相反平行。
另外，也可以通过与它们邻接设置的硬磁铁固定磁性固定层C1、C2的磁化。或者，也可以磁性固定层C1、或C2自身使用硬磁铁。作为这种情况下的硬磁铁可以使用钴白金(CoPt)、铁白金(FePt)、钴·铬白金(CoCrPt)等磁性材料。
以上，说明了在本发明的磁单元中，使固定层C1、C2的磁化M1、M2固定为相反平行的方法。
另外，本发明并不只限于磁性记录层A为1层，也可以适用于多层的情况。
图18是展示设置了2层磁性记录层的磁单元的模型截面图。即，在该磁单元中，依次层叠了磁性固定层C1、中间层B1、磁性记录层A1、中间层B2、磁性固定层C2、中间层B3、磁性记录层A2、中间层B4、磁性固定层C3。即，具有以下结构：共有固定层C2地，在其上下分别串联形成图1所示的磁单元。这样，如果串联层叠2层记录层A1、A2，则能够增大重放输出信号。
另外，在图18中，如果改变2个磁性记录层A1、A2的厚度或材料，使这些磁性记录层A1、A2的磁化反转电流不同，则能够进行多值记录。另外，通过串联层叠3层以上的磁性记录层，则进而能够进行多数据种类的多值记录。另外，如果向C2层内部插入反强磁性层付与其一个方向的各向异性，则固定磁性层C2的磁化固定效果更好。
在本发明中，可以使磁性固定层C1(或C2)为多层，或者使磁性记录层A为多层。特别在作为磁性固定层C1(或C2)，使用反强磁性结合了的强磁性层/非磁性层/强磁性层那样的层叠膜的情况下，能够以更小的电流进行磁性记录层A的磁化反转。
作为其具体例子，可以列举出与图15相关的上述结构。即，在该图中，针对由磁性FM、非磁性层AC、磁性固定层C1构成的层叠结构，可以看作是“磁性固定结构P1”。在这种情况下，如该图所示，在磁性固定结构P1中的与中间层B1邻接的磁性固定层C1的磁化方向是与磁性固定层C2的磁化方向相反平行的情况下，能够得到本发明的效果。
图19是分别使磁性固定层和磁性记录层A成为层叠结构的具体例子的模型截面图。即，作为磁性固定结构P1，设置由磁化结合为相反平行的磁性层FM/非磁性层AC/磁性固定层C1构成的层叠体。进而，作为磁性记录层A，设置由反强磁性结合了的磁性层A1/非磁性层AC/磁性层A2/非磁性层AC/磁性层A3构成的层叠体。在该结构中，与中间层B1邻接的磁性固定层C1的磁化方向与磁性固定层C2的磁化方向相反平行，另外，在磁性记录层A中的分别与中间层B1和中间层B2邻接的磁性层A1、A2的磁化是相互平行方向的情况下，能够得到本发明的效果。
通过使磁性记录层A为反强磁性结合了的层叠结构，能够降低磁性记录层的实效饱和磁化。即，由于能够降低磁化能量，所以能够降低磁化反转电流，即写入所必需的临界电流。
另外，在该结构中，通过设置磁性固定结构P1，使位于最外侧的2个磁性层(磁性固定结构P1的最上面的磁性层FM、磁性固定层C2)的磁化方向平行。在通过未图示的反强磁性层固定这些外侧的磁性层FM和磁性固定层C2的磁化时，由于要固定的方向是相同的，所以有形成步骤简单的方法。
图20也是分别使磁性固定层和磁性记录层A成为层叠结构的具体例子的模型截面图。即，作为磁性固定结构P1，设置由磁化结合为相反平行的磁性层FM/非磁性层AC/磁性固定层C1构成的层叠结构。另外，作为磁性记录层A，设置由强磁性结合了的磁性层A1/非磁性层FC/磁性层A2构成的层叠结构。在该结构中，与中间层B1邻接的磁性固定层C1的磁化方向与邻接于磁性固定层C2的磁化方向相反平行，另外，在磁性记录层A的2个磁性层A1、A2的磁化是平行的情况下，能够得到本发明的效果。
如果使磁性记录层A为强磁性结合了的层叠结构，则能够降低磁性记录层的实效饱和磁化。即，由于能够降低磁化能量，所以能够降低磁化的反转电流，即写入所必需的临界电流。
另外，在该结构中，通过设置磁性固定结构P1，使位于最外侧的2个磁性层(磁性固定结构P1的最上面的磁性层FM、磁性固定层C2)的磁化方向平行。在通过未图示的反强磁性层固定这些外侧的磁性层FM和磁性固定层C2的磁化时，由于要固定的方向是相同的，所以有形成步骤简单的方法。
图21也是分别使磁性固定层和磁性记录层A成为层叠结构的具体例子的模型截面图。即，作为磁性固定结构P1，设置由磁化结合为相反平行的磁性层FM/非磁性层AC/磁性固定层C1构成的层叠结构。另外，作为磁性记录层A，设置由磁性层A1/磁性层A2/磁性层A3构成的层叠结构。在该结构中，与中间层B1邻接的磁性固定层C1的磁化方向与邻接于磁性固定层C2的磁化方向相反平行，在磁性记录层A的3个磁性层A1～A3的磁化是平行的情况下，能够得到本发明的效果。
如果使磁性记录层A为强磁性结合了的层叠结构，则中央的磁性层(A2)可以使用饱和磁化小的高导磁铁镍合金等，进而外侧的磁性层(A1、A3)可以使用CoFe等自旋非对称性适当地大的材料，因而能够降低磁化反转电流。即，能够得到可以降低写入的临界电流值的效果。
另外，在该结构中，通过设置磁性固定结构P1，使位于最外侧的2个磁性层(磁性固定结构P1的最上面的磁性层FM、磁性固定层C2)的磁化方向平行。在通过未图示的反强磁性层固定这些外侧的磁性层FM和磁性固定层C2的磁化时，由于要固定的方向是相同的，所以有形成步骤简单的方法。
图22是展示设置了2个磁性固定结构的具体例子的模型截面图。即，作为磁性固定结构P1，设置由磁化结合为相反平行的磁性层FM/非磁性层AC/磁性固定层C1构成的层叠结构。进而，作为磁性固定结构P2，设置由磁化结合为相反平行的磁性固定层C2/非磁性层AC/磁性层FM/非磁性层AC/磁性层FM构成的层叠结构。在该结构中，在构成磁性固定结构P1的磁性层中的与中间层B1邻接的磁性固定层C1的磁化方向与构成磁性固定结构P2的磁性层中的与中间层B2邻接的磁性固定层C2的磁化方向是相反平行的情况下，能够得到本发明的效果。
另外，在该结构中，构成磁性固定结构P1、P2的磁性层的总数在P1、P2中分别为偶数、奇数。这样，则位于最外侧的2个磁性层(磁性固定结构P1的最上面的磁性层FM、磁性固定结构P2的最下面的磁性层FM)的磁化方向为平行。在通过未图示的反强磁性层固定这两个外侧的磁性层FM的磁化时，由于要固定的方向是相同的，所以有形成步骤简单的方法。
图23是展示使2个磁性固定结构以及磁性记录层成为层叠结构的具体例子的模型截面图。即，作为磁性固定结构P1，设置由磁化结合为相反平行的磁性层FM/非磁性层AC/磁性固定层C1构成的层叠结构。进而，作为磁性固定结构P2，设置由磁化结合为相反平行的磁性固定层C2/非磁性层AC/磁性层FM/非磁性层AC/磁性层FM构成的层叠结构。然后，作为磁性记录层A，设置由反强磁性结合了的磁性层A1/非磁性层AC/磁性层A2/非磁性层AC/磁性层A3构成的层叠结构。在该结构中，构成磁性固定结构P1的磁性层中的与中间层B1邻接的磁性固定层C1的磁化方向与构成磁性固定结构P2的磁性层中的与中间层B2邻接的磁性固定层C2的磁化方向是相反平行的，在对于磁性记录层A，分别与中间层B1、中间层B2邻接的磁性层A1、A3的磁化为平行的情况下，能够得到本发明的效果。
另外，在该结构中，构成磁性固定结构P1、P2的磁性层的总数在P1、P2中分别为偶数、奇数。这样，则位于最外侧的2个磁性层(磁性固定结构P1的最上面的磁性层FM、磁性固定结构P2的最下面的磁性层FM)的磁化方向为平行。在通过未图示的反强磁性层固定这两个外侧的磁性层FM的磁化时，由于要固定的方向是相同的，所以有形成步骤简单的方法。
图24是展示使2个磁性固定结构以及磁性记录层成为层叠结构的具体例子的模型截面图。即，作为磁性固定结构P1，设置由磁化结合为相反平行的磁性层FM/非磁性层AC/磁性固定层C1构成的层叠结构。作为磁性固定结构P2，设置由磁化结合为相反平行的磁性固定层C2/非磁性层AC/磁性层FM/非磁性层AC/磁性层FM构成的层叠结构。然后，作为磁性记录层A，设置由强磁性结合了的磁性层A1/非磁性层AC/磁性层A2构成的层叠结构。在该结构中，构成磁性固定结构P1的磁性层中的与中间层B1邻接的磁性固定层C1的磁化方向与构成磁性固定结构P2的磁性层中的与中间层B2邻接的磁性固定层C2的磁化方向是相反平行的，在对于磁性记录层A，平行设置2个磁性层A1、A2的磁化的情况下，能够得到本发明的效果。
另外，在该结构中，构成磁性固定结构P1、P2的磁性层的总数在P1、P2中分别为偶数、奇数。这样，则位于最外侧的2个磁性层(磁性固定结构P1的最上面的磁性层FM、磁性固定结构P2的最下面的磁性层FM)的磁化方向为平行。在通过未图示的反强磁性层固定这两个外侧的磁性层FM的磁化时，由于要固定的方向是相同的，所以有形成步骤简单的方法。
图25是也展示使2个磁性固定结构以及磁性记录层成为层叠结构的具体例子的模型截面图。即，作为磁性固定结构P1，设置由磁化结合为相反平行的磁性层FM/非磁性层AC/磁性固定层C1构成的层叠结构。作为磁性固定结构P2，设置由磁化结合为相反平行的磁性固定层C2/非磁性层AC/磁性层FM/非磁性层AC/磁性层FM构成的层叠结构。然后，作为磁性记录层A，设置由磁性层A1/磁性层A2/磁性层A3构成的层叠结构。在该结构中，构成磁性固定结构P1的磁性层中的与中间层B1邻接的磁性固定层C1的磁化方向与构成磁性固定结构P2的磁性层中的与中间层B2邻接的磁性固定层C2的磁化方向是相反平行的，在对于磁性记录层A，平行设置3个磁性层A1～A3的磁化的情况下，能够得到本发明的效果。
另外，在该结构中，构成磁性固定结构P1、P2的磁性层的总数在P1、P2中分别为偶数、奇数。这样，则位于最外侧的2个磁性层(磁性固定结构P1的最上面的磁性层FM、磁性固定结构P2的最下面的磁性层FM)的磁化方向为平行。在通过未图示的反强磁性层固定这两个外侧的磁性层FM的磁化时，由于要固定的方向是相同的，所以有形成步骤简单的方法。
如以上参照具体例子说明的那样，通过作为磁性固定结构P1、P2采用磁性层反强磁性结合了的层叠结构，与使用相同厚度的单层膜的情况相比，能够降低用来使磁记录层的磁化反转的反转电流。进而，通过使用反强磁性结合了的层叠结构，能够降低泄漏磁场，解决失真等问题。
特别地，由于通过细微加工减小了距离基板远的磁性固定层的横方向的尺寸，所以容易产生从磁极泄漏的磁场。因该泄漏磁场产生的磁偏压使反转电流相位位移，与在任意方向上都没有磁场偏压的情况相比，反转电流变大。与此相对，如果采用基于反强磁性结合了的层叠膜的磁性固定结构，则能够防止反转电流的位移，在任意方向上维持低的反转电流。
如以上说明的那样，在本发明中，能够用小电流控制磁性记录层的磁化，进而进行其读出。因此，如后所述的那样，通过排列多个本发明的磁单元，能够实现消耗电力小、可靠性高的传感存储器或固体存储器等磁存储器。
下面，详细说明构成本发明的磁单元的各要素。
首先，作为磁性固定层C1、C2、磁性记录层A的材料，可以使用从由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)，或铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)和铬(Cr)组成的组中选择的至少任意一个的元素合金、被称为“坡莫合金”的NiFe系合金、或CoNbZr系合金、FeTaC系合金、CoTsZr系合金、FeAlSi系合金、FeB系合金、CoFeB系合金等软磁性材料、霍依斯勒高导磁率合金、磁性半导体、CrO2、Fe3O4、La1-xSrxMnO3等半金属磁性体氧化物(或半金属磁性体氮化物)中的任意一个。
在此，作为“磁性半导体”可以使用由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铬(Cr)、锰(Mn)中的任意一个磁性元素、化合物半导体或氧化物半导体构成的材料，具体地说，例如可以列举出(Ga、Cr)N、(Ga、Mn)N、MnAs、CrAs、(Ga、Cr)As、ZnO:Fe、(Mg、Fe)O等。
在本发明中，作为磁性固定层C1、C2、磁性记录层A的材料，可以根据用途适当地从这些中选择使用具有磁特性的材料。但是，理想的是组合各层的材料，使经由中间层B1的磁阻效应和经由中间层B2的磁阻效应都是普通型、或都是反转型。后面将说明这些的组合。
另外，作为用于这些磁性层的材料，可以是连续的磁性体，或者也可以采用在非磁性矩阵中析出或形成由磁性体构成的微粒的复合体结构。作为这样的复合体结构，可以列举出例如被称为“微粒磁性体”等的材料。
另外，在使磁性固定层C1、C2中的至少任意一个成为磁性层/非磁性层/磁性层、或磁性层/非磁性层/磁性层/非磁性层/磁性层、或磁性层/磁性层等多层摸的情况下，理想的是使与中间层B1(或B2)直接邻接的磁性层的磁化方向在磁性固定层C1、C2中相反平行。
本发明者发现：在使磁性固定层C1(或C2)成为反强磁性结合了的强磁性层/非磁性层/强磁性层的层叠膜的情况下，能够用更小的电流进行磁性记录层A的磁化反转。这可以考虑是表现反强磁性结合的非磁性层的自旋依存散乱效果和反射效果造成的。另外，通过在磁性固定层C1(或C2)中使用这样的3层的层叠膜，能够防止对磁场的特性干扰。
另外，在图15等所示的结构中，也通过磁性固定层C2和非磁性层AC固定强磁性层FM。所以，在后述的实施例等中，也有针对这些3层膜称为“磁性固定层”的情况。
另一方面，作为磁性记录层A的材料，可以使用由[(Co或CoFe合金)/(由NiFe或NiFeCo构成的坡莫合金或Ni)]构成的2层结构、或由[(Co或CoFe合金)/(由NiFe或NiFeCo构成的坡莫合金或Ni)/(Co或CoFe合金)]构成的3层结构的层叠体。在由这些多层结构构成的磁性层的情况下，理想的是外侧的Co或CoFe合金的厚度在从0.2nm到1nm的范围内。根据该结构，能够用更小的电流得到磁化反转。
另外，可以构成为用层叠了磁性体膜的多层膜作为磁性记录层A。在这种情况下，可以使构成该多层膜的各个磁性体膜的磁化都朝向一个方向。或者，可以使构成磁性记录层A的多个磁性层中的直接与2个中间层B1、B2邻接的外侧的2个磁性层的磁化平行。在直接与2个中间层B1、B2邻接的外侧的2个磁性层的磁化相互为相反平行的情况下，难以得到本发明的效果。
另外，在任意一种情况下，如果磁性记录层A的磁化容易轴与磁性固定层C1、C2的磁化M1、M2的磁化轴平行(或相反平行)，则有利于向磁性记录层A进行写入。
另一方面，作为中间层B1、B2的材料，可以首先使用铜(Cu)、银(Ag)、钌(Ru)或包含它们中的任意一种以上的合金，然后使用从铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、硅(Si)和铁(Fe)组成的组中选择的至少任意一种元素的氧化物或氮化物、氟化物所构成的绝缘体。在导电层的情况下，可以添加氧等特种元素。另外，也可以形成特种元素不连续的高电阻薄膜。进而，在绝缘层的情况下，还可以形成磁性固定层孔，从那里插入磁性层。
另外，作为中间层B1、B2的材料，理想的是使用能够得到任意一种普通(normal)型磁阻效应的，或者能够得到任意一种反转(reverse)型磁阻效应的材料。磁阻效应是普通型还是反转型取决于中间层的材料和其两侧的磁性层的材料的组合。
在本发明中，理想的是使用其中一个是普通型而另一个是反转型的材料。在此，如上所述，“普通型”是指设置在中间层的两侧的磁性层的磁化方向在相反平行时电阻大。而“反转型”是指设置在中间层的两侧的磁性层的磁化方向在相反平行时电阻小。其理由如下。
即，在反转型的情况下，与普通型相反的方向的自旋有利于传导。因此，中间层的两侧的磁性层的磁化在相反平行时电阻小。但是，如果这样相反平行的电子有利于隧道效应，则写入方向与普通型的情况相反。所以，如果电流从磁性固定层C1(或C2)流向磁性记录层A，则磁性记录层A的磁化与磁性固定层C1(或C2)的磁化相反平行。另外，如果电流从磁性记录层A流向磁性固定层C1(或C2)，则磁性记录层A的磁化与磁性固定层C1(或C2)的磁化平行。因此，在本发明中，即使在两侧的磁性层的组合是使2个中间层B1、B2的任意一个作为普通型，而另一个作为反转型，也无法得到效果。即，在本发明中有必要通过相反平行地配置两端的磁性固定层C1、C2的磁化，适当地组合磁性层和中间层的材料，构成为经由中间层B1的磁阻效应和经由中间层B2的磁阻效应的任意一个都是普通型、或者任意一个都是反转型。
另外，作为用来得到普通型的磁阻效应的中间层B1、B2的材料，如上所述，可以列举出铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)和它们的化合物、氧化铝、氧化锰(MgO)、氮化铝(Al-N)、氧化氮化硅(Si-O-N)、铜(Cu)中附加了孔的绝缘体、磁性体材料中附加了孔的绝缘体等。
通过作为中间层B1、B2的材料使用这些材料，作为配置在两侧的磁性固定层C1、C2、磁性记录层的材料使用Co、Fe、Ni，或CoFe、NiFe等和它们的包含Mn、Cr中的任意一个的合金、或CoFe、NiFe等和它们的包含Mn、Cr中的任意一个的合金、或CoFeB、霍依斯勒高导磁率合金、等所谓金属系强磁性体的组合，在磁性固定层C1、磁性记录层A之间和磁性固定层C2、磁性记录层A之间，得到普通型磁阻效应。
另外，在磁性层中使用CrO2、Fe3O4、La1-xSrxMnO3等氧化物系磁性体的情况下，在磁性固定层C1、C2和磁性记录层A是相同材料的情况下，能够得到普通型磁阻效应。
另外，作为用来得到反转型磁阻效应的中间层B1、B2的材料，可以列举出氧化钽(Ta-O)等。即，在作为磁性固定层C1、C2和磁性记录层A的材料，使用上述所述的金属系强磁性体的情况下，通过组合氧化钽的中间层B1、B2，能够得到反转型磁阻效应。
进而，作为得到反转型磁阻效应的磁性层/中间层/磁性层的组合，可以列举出金属系磁性层/氧化物绝缘体中间层/氧化物系磁性层的组合。例如，可以使用Co/SrTiO3/La0.7Sr0.3MnO3、Co9Fe/SrTiO3/La0.7Sr0.3MnO3等。
另外，作为得到反转型磁阻效果的磁性层/中间层/磁性层的组合，可以列举出Fe3O4/CoCr2O4/La0.7Sr0.3MnO3构成的组合。
进而，作为得到反转型磁阻效应的磁性层/中间层/磁性层的组合，可以列举CrO2/Cr氧化物绝缘体/Co。
另一方面，作为用来固定磁性固定层C1、C2的磁化的反强磁性层AF的材料，理想的是使用铁锰(FeMn)、白金锰(PtMn)、钯锰(PdMn)、钯白金锰(PdPtMn)、铱锰(IrMn)、白金铱锰(PtIrMn)等。另外，作为使用层间结合进行固定时的非磁性层理想的是使用铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、钌(Ru)或包含它们的任意一种以上的合金。
本发明的磁单元的磁性固定层C1、C2的厚度理想的是在0.6nm～100nm的范围内，磁性记录层A的厚度理想的是在0.2m～5nm的范围内。另外，理想的是1、B2的厚度在导体的情况下在0.2m～20nm范围内，在包含绝缘体的情况下在0.2m～50nm的范围内。
作为本发明的磁单元的平面形状，理想的是磁性记录层A的平面形状是在纵横比在从1∶1到1∶5的范围内的长方形、纵长(横长)6角形、椭圆形、菱形、平行四边形，理想的是难以形成边缘区域并且容易形成一轴性的形状磁方向异性的形状。但是，在环状单元的情况下，理想的是容易例外地形成环流磁区的形状。另外，该磁性记录层A的尺寸理想的是长度方向的一个边在从5nm～1000nm左右的范围内。
另外，在图1等中，展示了磁性固定层C1、C2、磁性记录层A的膜面方向的尺寸是相同的，但本发明并不仅限于此。即，为了布线的连接或为了控制磁化方向，可以形成为磁单元的各层的尺寸相互不同。另外，形状也可以不同。
如以上说明的那样，本发明的磁单元能够通过自旋极化电流用小写入电流向磁性记录层A写入磁化。进而，也可以使用磁阻效应读出磁性记录层A的磁化。并且，由于该元件的尺寸小，所以具有容易阵列化或集成化的优点。
本发明的磁单元由于微小并且具有磁化反转功能，所以能够适用于各种用途。下面，说明并列本发明的磁单元而适用于记录重放装置的具体实施例。
图26是展示使用了本发明的磁单元的磁存储器的模型图。即，具体实施例是将本发明的磁单元适用于所谓的“模型(patterned)介质”，并通过探针对其进行访问的探针存储器。
记录介质具有在导电性基板上110上，在高电阻的绝缘体100的面内，矩阵状配置本发明的磁单元10的结构。为了选择这些磁单元，在介质表面上设置探针200，用来控制探针200和介质表面的相对位置关系的驱动机构210、用来从探针200向磁单元10施加电流或电压的电源220、用来作为电阻的变化而检测磁单元的内部磁化状态的检测电路230。
在图26所示的具体例子中，驱动机构210与探针200连接，但由于介质与探针的相对位置可以变化，所以也可以设置在介质侧。如该图所示的那样，在导电性基板110上排列多个本发明的磁单元10作为模型介质，通过在导电性探针200和基板110之间经由磁单元10流过电流，进行记录重放。
另外，在图26所示的具体例子中，各单元10在基板110上只共有下侧电极，但如图27所示，也可以是各单元10共有其一部分的层的结构。通过这样的结构，可以进一步简化步骤和使特性均匀。
通过改变导电性探针200和模型介质的相对位置关系，进行磁单元10的选择。导电性探针200可以与磁单元10电连接，也可以接触或不接触。在不接触的情况下，可以使用在磁单元10和探针200之间流过的隧道电流或电场放射引起的电流，进行记录重放。
通过从访问了磁单元的探针200流向磁单元10的电流、或从磁单元10流向探针200的电流，进行向磁单元10的记录。如果设由磁单元10的大小、结构、组成等决定的磁化反转电流为Is，则通过流过单元的比Is大的写入电流Iw能够进行记录。该被记录的磁化方向在将电子电流作为基准的情况下，与最初通过的磁性固定层的磁化方向相同。所以通过使电子流，即电流的极性反转，能够适当地写入“0”或“1”。
与记录一样，通过从访问探针200流向磁单元10、或流向探针的电流，进行重放。但是，在重放时，流过比磁化反转电流Is小的重放电流Ir。所以，通过检测出电压或电阻，来判断磁性记录层A的记录状态。由此，在本具体实施例的磁存储器中，通过流过具有Iw＞Ir的关系的电流，能够进行记录重放。
图28是展示使用了本发明的磁单元的磁存储器的具体实施例2的模型截面图。
即，本具体实施例的磁存储器具有在电极层(下部布线)110上并列配置多个磁单元10的结构。各个磁单元10通过绝缘体100被电隔离。各个磁单元10一般与被称为比特线、字线的布线120连接。通过指定比特线和字线，能够选择特定的磁单元10。
通过从布线120流向磁单元10的电流、或从磁单元10流向布线120的电流，来进行向磁单元10的记录。如果设由磁单元10的大小、结构、组成等决定的磁化反转电流为Is，则通过流过单元的比Is大的写入电流Iw能够进行记录。该被记录的磁化的方向在将电子电流作为基准的情况下，与最初通过的磁性固定层的磁化方向相同。所以在这种情况下，通过使电子流，即电流的极性反转，能够适当地写入“0”或“1”。
与记录一样，通过从访问布线流向磁单元10、或流向布线的电流，进行重放。但是，在重放时，流过比Is小的重放电流Ir。所以，通过检测出电压或电阻(在施加电压的情况下是电流)，来判断记录状态。由此，在本具体实施例的磁存储器中，通过流过具有Iw＞Ir的关系的电流，能够进行记录重放。
[实施例]
以下，参照附图进一步地详细说明本发明的实施例。
(实施例1)
图29(a)是展示本实施例的磁单元的主要部分截面结构的模型图，(b)是展示比较例子的磁单元的主要部分截面结构的模型图。
即，本实施例地磁单元(示例I)具有层叠了磁极EL1、磁性固定层C1、中间层B1、磁性记录层A、中间层B2、磁性固定层C2、电极EL2的结构。另外，比较例子的磁单元(示例II)具有层叠了磁极EL1、磁性记录层A、中间层B、磁性固定层C、电极EL2的结构。各层的材料和膜厚如下。
示例I：EL1(Cu)/C1(Co：20nm)/B1(Cu：10nm)/A(Co：3nm)/B2(Cu：6nm)/C2(Co：20nm)/EL2(Cu)
示例II：EL1(Cu)/A(Co：3nm)/B(Cu：6nm)/C(Co：20nm)/EL2(Cu)
这些层叠结构通过超真空喷射装置形成在下侧的电极EL2上。所以，由于再在其上形成未图示的钽(Ta)保护膜，所以在涂抹记录层并使EB(电子束)曝光，形成掩膜后，通过离子研磨进行加工。单元的加工尺寸是100nm×50nm。
对于得到的示例，根据与流过垂直于膜面的方向的电流量对应的电阻的变化求出磁性记录层A的磁化反转电流值。其结果是，正负反转电流的平均值在示例I中为1.4mA，在示例II中为3.1mA。另外，在示例II中，可以知道与正负电流对应的非对称性，但在示例I中解决了该非对称性。
即，可以知道通过设置磁化相反平行的2层磁性固定层C1、C2，能够在降低记录层A的磁化反转电流的同时，改善写入电流的对称性。写入电流的对称性的提高可以考虑是因为通过设置磁化方向相反平行的反强磁性配置的固定层C1、C2，使磁单元变得更加磁稳定了。
(实施例2)
下面，说明作为本发明的实施例2的图15所示的结构的磁单元的实施例。另外，在本实施例中，实验调换图15的上下的层叠结构的磁单元。
首先，使用超高真空喷射装置，在晶片上形成由钽(Ta)和铜(Cu)构成的下侧电极EL1后，在其上形成PtMn20nm(反强磁性层AF1)、CoFe5nm(磁性层FM)、Ru1nm(非磁性层AC)、CoFe2nm(磁性固定层C1)、Cu3nm(中间层B1)、CoFe2nm(磁性记录层A)、Cu3nm(中间层B2)、CoFe4nm(磁性固定层C2)、PtMn20nm(反强磁性层AF2)。进而，在其上形成由铜(Cu)和钽(Ta)构成的层叠膜。
在磁场中的真空炉中，以270℃、10小时在磁场中对该晶片进行退火，而付与一个方向的各向异性。这时，取出一片晶片，通过振动实验型磁束计(VSM)测量磁化对施加磁场的依存性的磁滞周期，确认C1和C2的相反平行磁化固定。在向该膜涂抹EB记录层并进行EB曝光后，取出而形成规定形状的掩膜。接着，通过离子研磨装置蚀刻未被掩膜覆盖的区域。在此，通过将喷射的粒子导入基于工作排气的四极分析器进行质量分析，能够正确地掌握蚀刻量。
蚀刻后，进行如下“露出”工序：剥离研磨，再形成SiO2膜，通过离子研磨使表面光滑，使钽(Ta)面露出。在该钽面上形成上侧电极。这样，就作成了与图6相当的元件。
通过以上所述的工序，能够将配置在磁性记录层A的上下的磁性固定层C1、C2的磁化方向固定为相反平行。
(实施例3)
使用与实施例2一样的工序，作成图16所示的磁单元。但是，在本实施例中，也作成调转了图16的上下的层叠结构的磁单元。各层的材料和膜厚度如下所示。
AF1(PtMn：20nm)/FM1(CoFe：5nm)/AC(Ru：1nm)/C1(CoFe：2nm)/B1(Cu：3nm)/A(CoFe：2nm)/B2(Cu：3nm)/C2(CoFe：2nm)/FC(Cu：5nm)/FM2(CoFe：5nm)/AF2(PtMn：20nm)
在这样的结构中，通过与上述实施例2所述相同的工序，能够将磁性固定层C1、C2的磁化方向固定为相反平行。
(实施例4)
接着，作为本发明的实施例4，向2个中间层B1、B2付与非对称性，并制作能够容易地检测出磁阻效应的示例组(从示例II到示例IV)，对中间层对称的示例(示例I)以及伴随其电流驱动磁化反转的电阻变化率进行评价和比较研究。各示例的磁单元中心部分的结构如下所示。
示例I：C1(CoFe：10nm)/B1(Cu：8nm)/A(CoFe：3nm)/B2(Cu：8nm)/C2(CoFe：10nm)
示例II：C1(CoFe：10nm)/B1(Cu：8nm)/A(CoFe：3nm)/B2(Cu：4nm)/C2(CoFe：10nm)
示例III：C1(CoFe：10nm)/B1(Cu：8nm)/A(CoFe：3nm)/B2(Cu：2nm)/IE(Al-Cu-O：0.6nm)/B2(Cu：2nm)/C2(CoFe：10nm)
示例IV：C1(CoFe：10nm)/B1(Cu：8nm)/A(CoFe：3nm)/B2(Al2O3-CoFe：3nm)/C2(CoFe：10nm)
示例V：C1(CoFe：20nm)/B1(Cu：8nm)/A(CoFe：3nm)/B2(Cu：8nm)/C2(Co：2nm)
在此，在示例I中中间层B1、B2对称，在示例II中中间层B1、B2的膜厚是非对称性的(图9)，在示例III中向一个中间层B2添加了极薄的氧化物层(IE)(图10)，在示例IV中通过对中间层B2同时蒸镀氧化铝和CoFe，使CoFe析出到氧化铝中，形成磁性体的微小接点，在示例V中磁性固定层C1、C2的厚度和组成具有非对称性(图8)。
另外，在示例IV中，进行为了取得接点部分的坐标均匀的退火。另外，在各个示例的下侧设置PtMn层/Ru层，在上侧设置PtMn层，用与实施例2相同的方法将2个固定层C1、C2的磁化固定为相反平行。
对取得的示例，用电流扫描，求出伴随磁性记录层A的磁化反转的电阻变化。其结果如下所示。
示例编号      电阻变化率
示例I           ＜0.1％
示例II          0.4％
示例III         5.0％
示例IV          20％
示例V           0.6％
根据结果可以知道，如果设置为非对称性，则检测效率高，特别在向中间层B1、B2付与对称性的情况下，提高了信号检测灵敏度。
(实施例5)
下面，作为本发明的实施例5，如图26所示，在基板上排列具有与实施例4的示例IV相同构造的磁单元，形成32×32的矩阵。再排列32×32的该矩阵，形成合计为1M(兆)比特的记录重放介质。然后，针对该记录重放介质，制作用32×32个探针进行记录重放的磁存储器。即，在本实施例的磁存储器中，使1个探针对应于1组矩阵。
检测如图30所示的那样。通过设置在介质上的XY驱动机构选择对应于各个探针200的单元。但是，如果位置关系有相对变化，则也可以通过设置在探针200上的驱动机构210进行单元选择。另外，由于探针200有多个，所以各探针与所谓的字线WL和比特线BL连接，通过指定字线WL和比特线BL，能够选择探针200。
通过从访问探针200向磁单元注入的电流，进行对磁单元10的记录重放。在此，通过流过正1.2mA和负1.2mA的电流，分别写入“0”、“1”信号，重放是读出在流过0.5mA以下的电流的情况下的单元电压，来将其大小关系确定为“0”、“1”。另外，为了比较，进行了在正0.5mA和负0.5mA的写入电流下的写入，并进行重放电流为0.4mA以下时的读出。其结果是确认了：在写入电流为正1.2mA和负1.2mA的情况下进行了写入，但在正0.5mA和负0.5mA的情况下不能写入。
(实施例6)
下面，作为本发明的实施例6，说明使用具有与实施例4的示例III相同结构的磁单元，制作磁存储器的实施例。
首先，在晶片上预先形成下侧的比特线和晶体管，在其上使用与实施例2所述的工序相同的方法形成磁单元阵列。进而，在其上形成字线，形成磁单元的电极与比特线和字线连接的图31所示结构的磁存储器。
通过指定与磁单元连接的字线WL和比特线BL，能够进行磁单元10的选择。即，通过指定比特线BL使晶体管TR开(ON)，使电流流向被字线WL和电极夹着的磁单元10。这时，如果设由磁单元的大小、结构、组成等决定的磁化反转电流为Is，则通过在单元中流过比Is大的写入电流Iw，能够进行记录。在此，制作的磁单元由于Is的平均值是1.8mA，所以用写入电流是具有超过它的电流的正负极性的电流就能够进行写入。另外，写入电流必须超过1.8mA。
另外，在实施例5和实施例6中，探针或单元的选择使用了晶体管TR，但也可以使用其他开关元件。如果可以，则理想的是使开时的电阻为低电阻。另外，也可以使用二极管。
(实施例7)
下面，作为本发明的实施例7，通过与实施例1相同的制作方法，制作对实施例1中的示例I的磁性记录层A的结构进行了变形的以下的示例。
EL1(Cu)/C1(Co：20nm)/B1(Cu：10nm)/A(Co：0.6nm)/A(Ni：1.8nm)/A(Co：0.6nm)/B2(Cu：6nm)/C2(Co：20nm)/EL2(Cu)
即，作为磁性记录层A，采用了Co(0.6nm)/Ni(1.8nm)/Co(0.6nm)这样的层叠结构。在评价了该示例的磁化反转特性后，反转电流是1.1mA，进一步比实施例1的示例I降低了反转电流。这可以考虑是由于降低了磁性记录层A的磁能量。
(实施例8)
下面，作为本发明的实施例8，作成图15所示的结构的磁单元。首先，说明在本实施例中作成的2种磁单元(示例A10、示例B10)。
示例A10具有由以下结构构成的“相反平行双针结构”：在未图示的下侧电极上作为反强磁性层AF2形成PtMn(20nm)，在其上作为磁性固定层C2形成Co9Fe1(20nm)，作为中间层B2形成Cu(4nm)、作为磁性记录层A形成Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1形成Cu(6nm)、作为磁性固定层C1形成Co9Fe1(4nm)、作为非磁性层AC形成Ru(1nm)、作为磁性层FM形成Co9Fe1(4nm)，并进行层叠，在其上作为反强磁性层AF1形成PtMn(15nm)，进而形成未图示的上侧电极。在该结构中，经由2个中间层B1、B2的磁阻效应(MR)表现了各个普通型MR。作为单元大小制作为60nm×110nm、80nm×165nm、110nm×240nm这3种。
示例B10具有如下结构：在未图示的下侧电极上，作为反强磁性层AF2形成PtMn(20nm)，在其上作为磁性固定层C2形成Co9Fe1(10nm)、作为中间层B2形成Al2O3(0.8nm)、作为磁性记录层A形成Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1形成Cu(6nm)、作为磁性固定层C1形成Co9Fe1(4nm)、作为非磁性层AC形成Ru(1nm)、作为磁性层FM形成Co9Fe1(4nm)，并进行层叠，在其上作为反强磁性层AF1形成PtMn(15nm)，进而形成未图示的上侧电极。
事先已经确认了在示例B10的结构中，2个中间层B1、B2的材料不同，但经由这些中间层B1、B2的MR是普通型的MR。元件的尺寸与示例A10相同。
如下这样制作示例A10。
首先，在晶片上形成下侧电极后，将该晶片导入超高真空喷射装置，在喷射清除表面后，层叠形成多层膜PtMn(20nm)/Co9Fe1(20nm)/Cu(4nm)/Co9Fe1(2.5nm)/Cu(6nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/PtMn(15nm)。
接着，将晶片投入真空磁场炉，在270℃下10小时进行磁场中的退火，并向固定层C1、C2付与交换偏压。接着，涂抹记录层，通过EB(电子束)描画装置进行电子束曝光后，形成与上述元件尺寸对应的掩膜图形。通过离子研磨装置对该掩膜图形研磨到磁性固定层C2的上部为止，形成元件。
元件形状被设置为元件的长度轴方向与磁性固定层C1、C2的交换偏压方向平行。然后，将SiO2埋入该元件的周围，形成上侧电极而完成磁单元。
如下这样制作示例B10。
首先，在晶片上形成下侧电极后，将该晶片导入超高真空喷射装置，首先，层叠形成由PtMn(20nm)/CoFe(10nm)/Al构成的多层膜。接着，将氧导入喷射装置使铝(Al)氧化，形成Al2O3。另外，在此，不只是Al2O3，也有由于稍微缺少氧而构成氧化铝的情况。这与本发明说明书中说明的其他实施例相同。
在该Al2O3上再层叠形成由Co9Fe1(2.5nm)/Cu(6nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/PtMn(15nm)构成的多层膜，并从装置中取出。
接着，在涂抹记录层通过EB(电子束)描画装置进行电子束曝光后，形成与上述元件尺寸对应的掩膜图形。然后，通过离子研磨装置对该掩膜图形研磨到Al2O3的上部为止，形成元件。元件被形成为其长度轴方向与磁性固定层C1、C2的交换偏压方向平行。然后，将SiO2埋入元件的周围，形成上侧电极而完成磁单元。
进而，为了比较而制作示例C10、示例D10、示例E10、示例F10。这些结构如下所示。
示例C10具有如下结构：在下侧电极上，依次层叠作为反强磁性层AF2的PtMn(20nm)、作为磁性固定层C2的Co9Fe1(10nm)、作为中间层B2的TaO1.4(1nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1的Cu(6nm)、作为磁性固定层C1的Co9Fe1(4nm)、作为非磁性层AC的Ru(1nm)、作为磁性层FM的Co9Fe1(4nm)、作为反强磁性层AF1的PtMn(15nm)，进而形成上侧电极。事先已经确认了在该结构中，中间层B2的TaO1.4表现为反转型MR，中间层B1的Cu表现为普通型的MR。因此，该结构不适合于本发明的磁单元。
示例D10具有如下的单针(single pin)结构：在下侧电极上，依次层叠作为反强磁性层的PtMn(20nm)、作为磁性固定层的Co9Fe1(20nm)、作为中间层的Cu(4nm)、作为磁性记录层的Co9Fe1(2.5nm)、上侧电极。
示例E10具有如下的单针结构：在下侧电极上，依次层叠作为反强磁性层的PtMn(20nm)、作为磁性固定层的Co9Fe1(20nm)、作为中间层的Al2O3(0.8nm)、作为磁性记录层的Co9Fe1(2.5nm)、上侧电极。
示例F10具有如下结构：在下侧电极上，依次层叠作为磁性记录层的Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层的Cu(6nm)、作为磁性固定层的Co9Fe1(4nm)、作为非磁性层的Ru(1nm)、作为磁性层的Co9Fe1(4nm)、作为反强磁性层的PtMn(15nm)、上侧电极。
对于尺寸为60nm×110nm的示例A10和尺寸为60nm×110nm的示例B10，在上侧电极和下侧之间流过到正负10mA为止的电流，测量微分电阻的电流依存性。
图32是展示示例A10的微分电阻的曲线图。
图33是展示示例B10的微分电阻的曲线图。
将电流的极性定义为在电子流从磁性固定层C2流向磁性固定层C1时电流为正。在示例A10的情况(图32)下，得到向下凸的曲线，在示例B10的情况(图33)下，得到向上凸的曲线。所以，在示例A10和示例B10的情况下，通过电流的变化都表现为高电阻状态和低电阻状态。根据该结果可知，通过流过磁单元的电流的极性来反转磁性记录层A的磁化，能够进行信号的写入。
图34是展示图32和图33的除去背景部分的曲线成分，进而通过低电阻状态的微分电阻进行规格化了的微分电阻变化的曲线图。在图34中，同时表示出了相同大小的示例D10、E10、F10的结果。根据该图可以知道，示例A10和B10与其他示例相比，用来反转磁化的电流非常小。另外，对于示例C10，没有观察到用正负10mA的电流能够进行磁化反转。即，已知示例C10的磁化反转电流比10mA大。
根据以上结果可知，示例A10、B10与示例C10、示例D10、示例E10、示例F10相比，用于磁化反转的临界电流(Ic)低，能够用低电流进行写入。
图35是展示磁化反转临界电流Ic的平均值和单元大小的关系的曲线图。在此，临界电流Ic的平均值是在图32中从高电阻状态到低电阻状态进行记录时的临界电流Ic+、从低电阻状态到高电阻状态进行记录时的临界电流Ic-的平均值。
在任意一个示例中，临界电流Ic都与单元的大小几乎成正比关系。所以可以知道，示例A10、B10与示例D10、E10、F10相比，能够用低电流密度进行记录。
根据以上说明的结构能够确认，通过图15所示的结构，能够以低电力消耗进行写入。
另外，在示例B10的中间层B2中，形成MgO、SiO2、Si-O-N、孔，在该孔中使用磁性体或埋入了导电性金属(Cu、Ag、Au)的SiO2或Al2O3的情况下，也能够得到与上述相同的效果。
(实施例9)
下面，作为本发明的实施例作成图19和图20所示的结构的磁单元(示例A20、B20)。
示例A20(图19)具有由以下结构构成的“相反平行双针结构”：在下侧电极上层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定层C2的Co9Fe1(20nm)、作为中间层B2的Al2O3(0.8nm)、作为磁性层A3的Co9Fe1(1nm)、作为非磁性层AC的Ru(1nm)、作为磁性层A2的Co9Fe1(1nm)、作为非磁性层AC的Ru(1nm)、作为磁性层A1的Co9Fe1(1nm)、作为中间层B1的Cu(6nm)、作为磁性固定层C1的Co9Fe1(4nm)、作为非磁性层AC的Ru(1nm)、作为磁性层FM的Co9Fe1(4nm)，在其上形成PtMn(15nm)、上侧电极。作为单元大小制作为60nm×110nm、80nm×165nm、110nm×240nm这3种。
另一方面，示例B20(图20)具有如下结构：在下侧电极上，层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定层C2的Co9Fe1(20nm)、作为中间层B2的Cu(4nm)、作为磁性层A2的Co9Fe1(1.25nm)、作为非磁性层FC的Cu(0.3nm)、作为磁性层A1的Co9Fe1(1.25nm)、作为中间层B1的Cu(6nm)、作为磁性固定层C1的Co9Fe1(4nm)、作为非磁性层AC的Ru(1nm)、作为磁性层FM的Co9Fe1(4nm)，在其上形成PtMn(15nm)、上侧电极。即，示例B20也具有相反平行双针结构。B20的元件大小与示例A20一样。
如下这样制作示例A20。
首先，在晶片上形成下侧电极后，将该晶片导入超高真空喷射装置，首先，层叠PtMn(20nm)/Co9Fe1(20nm)/Al。接着，在喷射装置中产生氧离子使Al氧化，形成Al2O3。在该Al2O3上再层叠形成由Co9Fe1(1nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(1nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(1nm)/Cu(6nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/PtMn(15nm)构成的多层膜，并从装置中取出。
接着，在涂抹记录层通过EB描画装置进行电子束曝光后，形成与上述元件尺寸对应的掩膜图形。然后，通过离子研磨装置研磨到Al2O3的上部为止，形成元件。元件被形成为其长度轴方向与磁性固定层的交换偏压方向平行。然后，将SiO2埋入元件的周围，形成上侧电极而完成磁单元。
示例B20用与示例A20相同的方法制作。
另外，为了比较而制作示例C20、D20、E20。
图36是展示示例C20的截面结构的模型图。
示例C20具有如下结构：在下侧电极上，依次层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定层C2的Co9Fe1(20nm)、作为中间层B2的Al2O3(0.8nm)、作为磁性层A2的Co9Fe1(1nm)、作为中间层B1的Cu(6nm)、作为磁性固定层C1的Co9Fe1(4nm)、作为非磁性层AC的Ru(1nm)、作为磁性层FM的Co9Fe1(4nm)，在其上形成PtMn(15nm)、上侧电极。
即，示例C20具有相反平行双针结构，但与2个中间层B1、B2邻接的磁性层A1和磁性层A2的磁化相互相反平行，不适合于本发明的磁单元。
示例D20具有如下结构：在下侧电极上，层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定层C1的Co9Fe1(20nm)、作为中间层B2的Al2O3(0.7nm)、作为磁性层A3的Co9Fe1(1nm)、作为非磁性层AC的Ru(1nm)、作为磁性层A2的Co9Fe1(1nm)、作为非磁性层AC的Ru(1nm)、作为磁性层A1的Co9Fe1(1nm)，在其上形成上侧电极。即，示例20具有单针结构。
示例E20具有如下的单针结构：在下侧电极上，依次层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定层C1的Co9Fe1(20nm)、作为中间层B2的Cu(4nm)、作为磁性层A2的Co9Fe1(1.25nm)、作为非磁性层FC的Cu(0.3nm)、作为磁性层A1的Co9Fe1(1.25nm)，在其上形成上侧电极。
图37是针对大小为60nm×110nm的示例A20、B20、D20、E20，展示微分电阻变化的电流依存性的曲线图。根据该图可以知道，本发明的示例A20、B20比比较例子的示例D20、E20、E20的磁化反转电流小。另外，示例C20由于在磁性A1、A2的磁化反转前单元被电破坏，所以没有观察到磁化反转。
根据以上结果可知，示例A20、B20与示例C20、D20、E20相比，用于磁化反转的临界电流Ic低，能够用低电流进行写入。
图38是展示临界电流Ic的平均值和单元大小的关系的曲线图。可知任意一个元件的临界电流都与面积几乎成正比关系，示例A20和B20与示例D20和E20相比，能够用低电流密度进行记录。
根据以上结果确认了，图19和图20所示的结构适合于能够以低电力消耗进行写入的磁单元。
另外，发现在作为示例A20的中间层B2形成MgO、SiO2、Si-O-N、孔，在该孔中使用磁性体或埋入了导电性金属(Cu、Ag、Au)的SiO2或Al2O3的情况下，也能够得到与上述相同的效果。
(实施例10)
下面，作为本发明的实施例10，作成图22所示的结构的磁单元(示例A30、B30)。
示例A30具有以下结构：在下侧电极上层叠PtMn(20nm)、作为磁性层FM的Co9Fe1(4nm)、作为非磁性层AC的Ru(1nm)、作为磁性层FM的Co9Fe1(4nm)、作为非磁性层AC的Ru(1nm)、作为磁性固定层C2的Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Ru(3nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1的Ru(6nm)、作为磁性固定层C1的Co9Fe1(4nm)、作为非磁性层AC的Ru(1nm)、作为磁性层FM的Co9Fe1(4nm)，在其上形成PtMn(15nm)、上侧电极。即，示例A30具有相反平行双针结构。作为单元大小制作为60nm×110nm、80nm×165nm、110nm×240nm这3种。
另一方面，示例B30具有如下结构：在下侧电极上依次层叠PtMn(20nm)、作为磁性层FM的Co9Fe1(4nm)、作为非磁性层AC的Ru(1nm)、作为磁性层FM的Co9Fe1(4nm)、作为非磁性层AC的Ru(1nm)、作为磁性固定层C2的Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Cu(6nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1的Al2O3(0.8nm)、作为磁性固定层C1的Co9Fe1(4nm)作为非磁性层AC的Ru(1nm)、作为磁性层FM的Co9Fe1(4nm)，在其上形成PtMn(15nm)、上侧电极。即，示例A30具有相反平行双针结构。在示例B30的情况下，2个中间层B1、B2的材料不同，在任意一个情况下，经由中间层的MR各自表现为普通型MR。
如下这样制作示例A30。
首先，在下侧电极上依次形成SiO2层和Ta层。在其上涂抹记录层，通过EB描画装置描画掩膜图形。接着，去除该图形部分的记录层，通过离子研磨在Ta层上作成与元件尺寸对应的孔。进而，通过反应性离子蚀刻向位于Ta层下面的SiO2层作成具有只比元件尺寸大一点的面积的孔，并使下侧电极的表面露出。
在将该晶片导入超高真空喷射装置后，进行真空排气，在通过蚀刻进行了表面清扫后，依次形成Ru/PtMn(20nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(3nm)/Co9Fe1(2.5nm)/Ru(6nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/PtMn(15nm)。进而，在其上形成上侧电极。将该晶片放入真空磁场炉，以270℃、10小时在磁场中进行退火，向磁性固定层导入交换偏压。这时，交换偏压的方向与元件的长度方向平行。
如下这样制作示例B30。
首先，在下侧电极上依次形成SiO2层和Ta层。在其上涂抹记录层，通过EB描画装置描画掩膜图形。接着，去除该图形部分的记录层，通过离子研磨在Ta层上作成与元件尺寸对应的孔。进而，通过反应性离子蚀刻向位于Ta层下面的SiO2层作成具有只比元件尺寸大一点的面积的孔，并使下侧电极的表面露出。
将该晶片导入超高真空喷射装置，进行真空排气，在通过蚀刻进行了表面清扫后，依次形成Ru/PtMn(20nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Cu(6nm)/Co9Fe1(2.5nm)。在该阶段向室内导入氧使铝氧化后，再次排气到超高真空，依次层叠剩下的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/PtMn(15nm)。进而，形成上侧电极。将该晶片放入真空磁场炉，以270℃、10小时在磁场中进行退火，向磁性固定层导入交换偏压。这时，交换偏压的方向与元件的长度方向平行。
进而，为了比较而制作示例C30、D30、E30。
示例C30具有如下结构：在下侧电极上，依次层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定结构P2的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Cu(6nm)、作为磁性层A的Co9Fe1(2.5nm)以及作为中间层B1的TaO(1nm)、作为磁性固定结构P1的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)，在其上形成PtMn(15nm)、上侧电极。该结构是相反平行双针结构。但是，由于相对于中间层B2表现出普通型的MR，中间层B1的TaO表现为反转型的MR，所以是不适合于本发明的比较示例。
示例D30具有如下的单针结构：在下侧电极上，依次层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定层结构P2的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、作为中间层的Cu(3nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(2.5nm)，在其上形成上侧电极。
示例E30具有如下的单针结构：在下侧电极上，依次层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定结构P2的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、作为中间层的Al2O3(0.8nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(2.5nm)，在其上具有上侧电极。
图39是针对示例A30、B30、E30，展示微分电阻变化和电流的关系的曲线图。在此，示例的大小是60nm×110nm。另外，示例C30由于在磁性记录层A的磁化反转前磁单元就电破坏了，所以没有观察到磁化反转。
根据以上结果可知，示例A30、B30与示例C30、D30、E30相比，用于磁化反转的临界电流Ic低，能够用低电流进行写入。
图40是展示临界电流Ic的平均值和单元大小的关系的曲线图。可知在任意一个示例中，临界电流Ic的平均值都与面积几乎成正比关系，示例A30、B30与示例D30、E30相比，能够用低电流密度进行记录。
根据以上说明确认了，图22所示的结构适合于能够以低电力消耗进行写入的磁单元。
另外，发现在作为示例A30的中间层B2形成MgO、SiO2、Si-O-N、孔，在该孔中使用磁性体或埋入了导电性金属(Cu、Ag、Au)的SiO2或Al2O3的情况下，也能够得到与上述相同的效果。
(实施例11)
下面，作为本发明的实施例11作成图23和图24所示的结构的磁单元(示例A40、B40)。
示例A40(图23)具有如下结构：在下侧电极上依次层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定结构P2的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Cu(5nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(1nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(1nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(1nm)、作为中间层B1的Cu(10nm)、作为磁性固定结构P1的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、PtMn(15nm)、上侧电极。即，示例A40具有相反平行双针结构。作为单元大小制作为60nm×110nm、80nm×165nm、110nm×240nm这3种。
另一方面，示例B40具有如下结构：在下侧电极上依次形成PtMn(20nm)、作为磁性固定结构P2的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Al2O3(0.8nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(1.25nm)/Ru(0.3nm)/Co9Fe1(1.25nm)、作为中间层B1的Cu(6nm)、作为磁性固定结构P1的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、PtMn(15nm)、上侧电极。即，示例A30也具有相反平行双针结构。在该结构中，2个中间层B1、B2的材料不同，但在任意一个情况下，经由中间层的MR各自都表现为普通型MR。元件大小与A40相同。
示例A40用与上述示例A10相同的方法制作。另外，示例B40用与上述示例B10相同的方法制作。
进而，为了比较制作示例C40、D40、E40。
示例C40具有如下结构：在下侧电极上，依次形成PtMn(20nm)、作为磁性固定结构P2的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Cu(5nm)、作为磁性层A的Co9Fe1(1nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(1nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(1nm)以及作为中间层B1的Cu(10nm)、作为磁性固定结构P1的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、PtMn(15nm)、上侧电极。该结构是相反平行双针结构，但是，由于构成与2个中间层B1、B2邻接的磁性记录层A的磁性层的磁化相互相反平行，所以与本发明的结构不同。
示例D40具有如下的单针结构：在下侧电极上，层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定结构的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Cu(6nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(1nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(1nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(1nm)，在其上形成上侧电极。
示例E40具有如下的单针结构：在下侧电极上，形成PtMn(20nm)、作为磁性固定结构的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、作为中间层的Al(0.7nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(1.25nm)/Cu(0.3nm)/Co9Fe1(1.25nm)、上侧电极。
图41是针对示例A40、B40、D40、E40，展示微分电阻变化和电流的关系的曲线图。在此，元件的大小是60nm×110nm。根据图41可知示例A40、B40的磁化反转的电流与示例D40、E40相比非常小。另外，对于示例C40由于在磁性记录层A的磁化反转前单元就电破坏了，所以没有观察到磁化反转。
根据以上结果可知，示例A40、B40与示例C40、D40、E40相比，用来磁化反转的临界电流Ic低，能够用低电流进行写入。
图42是展示临界电流Ic的平均值和单元大小的关系的曲线图。可知在任意一个示例中，临界电流Ic都几乎与元件的大小成正比关系。另外，可知示例A40、B40与示例D40、E40相比，能够用低电流密度进行记录。
如上述说明的那样，已经确认图23和图24所示的结构适用于能够用低消耗电力进行写入的磁单元。
另外，发现在作为示例A40的中间层B2形成MgO、SiO2、Si-O-N、孔，在该孔中使用磁性体或埋入了导电性金属(Cu、Ag、Au)的SiO2或Al2O3的情况下，也能够得到与上述相同的效果。
(实施例12)
下面，作为本发明的实施例12作成图21和图25所示的结构的磁单元(示例A50、B50)。
示例A50(图21)具有如下结构：在下侧电极上形成PtMn(20nm)、作为磁性固定层C2的Co9Fe1(20nm)、作为中间层B2的Cu(6nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(0.8nm)/NiFe(0.8nm)/Co9Fe1(0.8nm)、作为中间层B1的Al2O3(1.0nm)、作为磁性固定结构P1的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、PtMn(15nm)、上侧电极。即，示例A50具有相反平行双针结构。
作为单元大小制作为60nm×110nm、80nm×165nm、110nm×240nm这3种。
另一方面，示例B50具有如下结构：在下侧电极上依次形成PtMn(20nm)、作为磁性固定结构P2的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Cu(6nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(0.8nm)/NiFe(0.8nm)/Co9Fe1(0.8nm)、作为中间层B1的Cu(9nm)、作为磁性固定结构P1的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、PtMn(15nm)、上侧电极。即，示例B50也具有相反平行双针结构。元件大小与A50相同。
另外，在示例A50中，2个中间层B1、B2的材料不同，但经由这些中间层的MR都分别表现为普通型MR。
首先，在下侧电极上依次形成SiO2层和Ta层。在其上涂抹记录层，通过EB描画装置描画掩膜图形。接着，去除该图形部分的记录层，通过离子研磨在Ta层上作成与元件尺寸对应的孔。进而，通过反应性离子蚀刻向位于Ta层下面的SiO2层作成具有只比元件尺寸大一点的面积的孔，并使下侧电极的表面露出。
接着，在将该晶片导入超高真空喷射装置后，进行真空排气，在通过蚀刻进行了表面清扫后，依次形成Ru/PtMn(20nm)/Co9Fe1(20nm)/Cu(6nm)/Co9Fe1(0.8nm)/NiFe(0.8nm)/Co9Fe1(0.8nm)/Al。接着，在该状态下向室内导入氧使表面的铝氧化后，然后再次排气到超高真空，层叠剩下的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/PtMn(15nm)。进而，形成上侧电极。
接着，将该晶片放入真空磁场炉，以270℃、12小时在磁场中进行退火，向磁性固定层导入交换偏压。这时，交换偏压的方向与元件的长度方向平行。
示例B50用与A10相同的方法制作。
为了比较制作示例C50、D50。
示例C50具有如下的单针结构：在下侧电极上，层叠作为磁性固定层C2的Co9Fe1(12nm)、作为中间层B2的Cu(6nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(0.8nm)/NiFe(0.8nm)/Co9Fe1(0.8nm)、PtMn(15nm)、上侧电极。
示例D50具有如下的单针结构：在下侧电极上，层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定结构的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Cu(6nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(0.8nm)/NiFe(0.8nm)/Co9Fe1(0.8nm)，在其上形成上侧电极。
图43是针对示例A50、B50、D50、E50，展示微分电阻变化和电流的关系的曲线图。在此，元件的大小是60nm×110nm。根据图43可知示例A50、B50与示例C50、D50相比，用来磁化反转的临界电流Ic低，能够用低电流进行写入。
图44是展示临界电流Ic的平均值和单元大小的关系的曲线图。可知在任意一个示例中，临界电流Ic都几乎与元件的大小成正比关系。另外，可知示例A50、B50与示例C50、D50相比，能够用低电流密度进行记录。
如上述说明的那样，已经确认图21和图25所示的结构适用于能够用低消耗电力进行写入的磁单元。
另外，发现在作为示例A50、B50的中间层B2或中间层B1中形成MgO、SiO2、Si-O-N、孔，在该孔中使用磁性体或埋入了导电性金属(Cu、Ag、Au)的SiO2或Al2O3的情况下，也能够得到与上述相同的效果。
(实施例13)
下面，作为本发明的实施例13，对将反强磁性结合了的3层膜作为磁性固定结构使用的示例和将单一的磁性层作为磁性固定层使用的示例进行比较。即，分别作成具有图15(示例A60、E60)和图14(示例B60、F60)、图22(示例C60、G60)和图45(示例D60、H60)所示的结构的磁单元。
示例A60(图15)具有以下结构：在下侧电极上层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定层C2的Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Al2O3(0.8nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1的Cu(6nm)、作为磁性固定结构P1的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)，在其上形成PtMn(15nm)、上侧电极。即，示例A60也具有相反平行双针结构。
示例B60(图14)具有如下结构：在下侧电极上，层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定层C2的Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Al2O3(0.8nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1的Cu(6nm)、作为磁性固定层C1的Co9Fe1(4nm)，在其上作为反强磁性层AF1形成PtMn(15nm)，进而形成上侧电极。即，示例B60也具有相反平行双针结构。
示例C60(图22)具有如下结构：在下侧电极上，层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定结构P2的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Al2O3(0.8nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1的Cu(6nm)、作为磁性固定结构P1的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)，在其上形成PtMn(15nm)以及上侧电极。即，示例C60也具有相反平行双针结构。
示例D60(图45)具有如下结构：在下侧电极上，层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定结构P2的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Al2O3(0.8nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1的Cu(6nm)、作为磁性固定层C1的Co9Fe1(4nm)，在其上形成PtMn(15nm)、上侧电极。即，示例D60也具有相反平行双针结构。
示例E60(图15)具有如下的相反平行双针结构：在下侧电极上，层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定层C2的Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Al2O3(0.8nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1的Cu(6nm)、作为磁性固定结构P1的Co9Fe1(5nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(6nm)，在其上形成PtMn(15nm)、上侧电极。
示例F60(图14)具有如下的相反平行双针结构：在下侧电极上，层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定层C2的Co9Fe1(4nm)、作为中间层B2的Al2O3(0.8nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1的Cu(6nm)、作为磁性固定层C1的Co9Fe1(6nm)，在其上形成PtMn(15nm)、上侧电极。
示例G60(图22)具有如下的相反平行双针结构：在下侧电极上，层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定结构P2的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(3nm)、作为中间层B2的Al2O3(0.8nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1的Cu(6nm)、作为磁性固定结构P1的Co9Fe1(5nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(6nm)，在其上形成PtMn(15nm)、上侧电极。
示例H60(图45)具有如下的相反平行双针结构：在下侧电极上，层叠PtMn(20nm)、作为磁性固定结构P2的Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(3nm)、作为中间层B2的Al2O3(0.8nm)、作为磁性记录层A的Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1的Cu(6nm)、作为磁性固定层C1的Co9Fe1(6nm)，在其上形成PtMn(15nm)、上侧电极。
在所有的示例中，元件大小都是50nm×120nm。针对示例A60～H60，根据微分电阻变化的电流依存性求出了临界电流Ic的平均值。其结果如下。
示例         临界电流Ic的平均(mA)
A60                 0.36
B60                 0.60
C60                 0.29
D60                 0.54
E60                 0.32
F60                 0.55
G60                 0.28
H60                 0.53
对于任意一个本发明的示例，都能得到Ic低的结果。如果比较示例A60和B60，则能够得到设置了相反平行地设置磁化的磁性固定结构P1的情况(图15)比上部的磁性固定层是单一的磁性层C1的情况(图14)有更小的临界电流Ic。同样，在比较示例C60(图22)和示例D60(图45)、示例E60(图15)和示例F60(图14)、示例G60(图22)和示例H60(图45)时，都能得到设置了相反平行地设置磁化的磁性固定结构P1的情况(图15、图22)比上部的磁性固定层是单一的磁性层C1的情况(图14、图45)有更小的临界电流Ic。
即已经确认了，作为磁性固定结构，通过使用相反平行结合了的磁性层和非磁性层的层叠膜，具有显著的降低临界电流Ic的效果。另外，在中间层B2的材料是绝缘体以外的情况下，也能得到同样的效果。另外，在磁性记录层A由3层磁性层构成的情况下，也能得到同样的效果。
(实施例14)
下面，作为本发明的实施例14，制作元件尺寸为60nm×130nm的具有以下所说明的结构的单元，并求出临界电流Ic的平均值。下面表示了从下部电极看到的本实施例的示例的层叠结构、临界电流Ic的测量结果。根据该结果可知，通过本发明能够提供一种能够用低消耗电力进行写入的磁单元。
示例A70：AF2(PtMn：20nm)/C2(Co9Fe1：20nm)/B2(MgO：1nm)/A(Co9Fe1：2.5nm)/B1(Cu：6nm)/C1(Co9Fe1：5nm)/AC(Ru：1nm)/FM(Co9Fe1：5nm)/AF1(PtMn：15nm)
Ic平均值0.67mA
示例A71：AF2(PtIrMn：17nm)/FM(Co9Fe1：4nm)/AC(Ru：1nm)/C2(Co9Fe1：4nm)/B2(MgO：1nm)/A3(Co9Fe1：0.8nm)/A2(NiFe：0.8nm)/A1(Co9Fe1：0.8nm)/B1(Cu：6nm)/C1(Co9Fe1：4nm)/AF1(PtIrMn：17nm)
Ic平均值0.41mA
示例A72：AF2(PtMn：20nm)/C2(Co9Fe1：20nm)/B2(Si-O-N：1nm)/A3(Co9Fe1：0.8nm)/A2(NiFe：0.8nm)/A1(Co9Fe1：0.8nm)/B1(Cu：6nm)/C1(Co9Fe1：4nm)/AC(Ru：1nm)/FM(Co9Fe1：4nm)/AF1(PtMn：15nm)
Ic平均值0.67mA
示例A73：AF2(PtMn：15nm)/C2(Co9Fe1：20nm)/B2(SiO2和孔：5nm)/A(Co9Fe1：3nm)/B1(Cu：8nm)/C1(Co9Fe1：4nm)/AC(Ru：1nm)/FM(Co9Fe1：4nm)/AF1(PtMn：15nm)
Ic平均值0.59mA
示例A74：AF2(PtIrMn：19nm)/C2(Co8Fe2：4nm)/B2(MgO：1nm)/A3(Co8Fe2：0.8nm)/A2(NiFeCo：0.8nm)/A1(Co8Fe2：0.8nm)/B1(Cu：6nm)/C1(Co8Fe2：4nm)/AC(Ru：1nm)/FM(Co8Fe2：4nm)/AF1(IrMn：19nm)
Ic平均值0.82mA
示例A75：AF2(PtMn：20nm)/C2(Co9Fe1：20nm)/B2(Cu：6nm)/A3(Co9Fe1：0.8nm)/A2(Co9Fe1：0.8nm)/A1(Co9Fe1：0.8nm)/B1(Cu：0.6nm)/B1(Al2O3和孔并层叠Cu：3nm)/B1(Cu：0.6nm)/C1(Co9Fe1：4nm)/AC(Ru：1nm)/FM(Co9Fe1：4nm)/AF1(PtMn：15nm)
Ic平均值0.57mA
示例A76：AF2(PtMn：10nm)/FM(Co9Fe1：4nm)/AC(Ru：1nm)/C2(Co9Fe1：20nm)/B2(MgO：0.8nm)/A(Co9Fe1：3nm)/B1(Cu：6nm)/C1(Co9Fe1：5nm)/AF1(PtIrMn：15nm)
Ic平均值0.83mA
示例A77：AF2(PtMn：15nm)/FM(Co9Fe1：4nm)/AC(Ru：1nm)/C2(Co9Fe1：4nm)/B2(Al2O3：0.7nm)/A3(Co9Fe1：0.6nm)/A2(NiFe：1nm)/A1(Co9Fe1：0.6nm)/B1(Cu：8nm)/C1(Co9Fe1：5nm)/AF1(PtIrMn：15nm)
Ic平均值0.78mA
示例A78：AF2(PtIrMn：15nm)/C2(Co9Fe1：20nm)/B2(Al2O3和孔：3nm)/A(Co9Fe1：3.6nm)/B1(Cu：6nm)/C1(Co9Fe1：5nm)/AC(Ru：1nm)/FM(Co9Fe1：5nm)/AF1(PtIrMn：15nm)
Ic平均值0.90mA
示例A79：AF2(PtMn：20nm)/FM(Co9Fe1：5nm)/AC(Ru：1nm)/C2(Co9Fe1：5nm)/B2(Cu：6nm)/A3(Co9Fe1：0.6nm)/A2(NiFe：1.2nm)/A1(Co9Fe1：0.6nm)/B1(Si-O-N：1nm)/C1(Co9Fe1：5nm)/AF1(PtMn：15nm)
Ic平均值0.78mA
(实施例15)
下面，作为本发明的实施例15，分别作成具有表现为反转型磁阻效应的组合的磁单元、具有表现为普通型和反转型磁阻效应的组合的磁单元，并进行评价。
图46是展示在本实施例中作成的磁单元的截面结构的模型图。在该磁单元(示例X)中，磁性固定层C1和中间层B1和磁性记录层A表现为反转型磁阻效应，另外，磁性固定层C2和中间层B2和磁性记录层A也表现为反转型磁阻效应。
另外，图47是展示比较例子的磁单元的截面结构的模型图。在该磁单元(示例Y)中，磁性固定层C1和中间层B1和磁性记录层A表现为反转型磁阻效应，磁性固定层C2和中间层B2和磁性记录层A表现为普通型磁阻效应。各自的层结构如下。
示例X：Fe3O4/SrTiO3(STO)/La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)/SrTiO3/CoFe/PtMn
示例Y：Fe3O4/SrTiO3/La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3/La0.7Sr0.3MnO3/CoFe/PtMn
在此，Fe3O4/STO/LSMO、LSMO/STO/CoFe在施加磁场时电阻都不变大。即，2个磁性层的磁化平行时的电阻比相反平行时的电阻大。即，预先确认了表现为反转型的磁阻效应。
另外，LSMO/SrTiO3/LSMO/CoFe在施加磁场时电阻变小。即，2个磁性层的磁化平行时的电阻比相反平行时的电阻小。即，预先确认了表现为普通型MR。
作为构成下侧的固定磁性层C2的Fe3O4，通过使用单结晶基板，兼用作下部电极。利用脉冲激光法使STO和LSMO膜在加热基板上成长。然后，在真空中将示例搬送到喷射室，形成CoFe层和PtMn层，进行作为上侧电极形成Ta层。在这些膜形成后，在磁场中将基板导入退火炉，向与PtMn邻接的CoFe层导入交换偏压，将磁化固定在一个方向。
接着，切削到下部STO层，形成元件。成功了的元件被放置到针对每个Fe3O4基板加工成图形帧形状的磁铁的一边，使Fe3O4的磁化方向固定在与上侧的磁性固定层C1相反平行的方向上。
对这样制作的示例X和Y，通过77K在下部电极和上部电极之间流过电流，首先调查磁阻后，得到各自为17％和50％的值。
接着，通过77K调查微分电阻的电流依存性。其结果是，示例X是以正60mA和负55mA为中心的微分电阻，但并没有发现与磁阻变化对应的变化。另一方面，示例Y并没有发现在正负100mA范围内微分电阻的电流值有很大变化。
如以上说明的那样，任意的夹着中间层B1和B2的层叠结构都表现磁阻效应的磁单元(示例X)能够用低消耗电力进行写入。而已经确认了在经由中间层B1的磁阻效应是反转型，经由中间层B2的磁阻效应是普通型的情况下(示例Y)，不能得到降低写入电流的效果。
(实施例16)
下面，作为本发明的实施例16，作成图14所示的结构的磁单元(示例XX)。另外，为了比较，作成如图48所示那样具有平行配置了磁化的2个磁性固定层C1、C2的磁单元(示例YY)。
首先，说明在本实施例中作成的2种磁单元(示例XX、示例YY)。
示例XX(图14)具有如下的“相反平行双针结构”：在未图示的下侧电极上作为反强磁性层AF2形成PtMn(15nm)，在其上作为磁性固定层C2形成Co9Fe1(12nm)，作为中间层B2作为磁性记录层A形成Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1形成Cu(6nm)、作为磁性固定层C1形成Co9Fe1(6nm)，在其上作为反强磁性层AF1形成IrMn(15nm)，进而形成未图示的上侧电极。
而示例YY(图48)具有如下结构：在未图示的下侧电极上作为反强磁性层AF2形成PtMn(15nm)，在其上作为磁性固定层C2形成Co9Fe1(12nm)，作为中间层B2形成Cu(4nm)、作为磁性记录层A形成Co9Fe1(2.5nm)、作为中间层B1形成Cu(6nm)、作为磁性固定层C1形成Co9Fe1(6nm)，在其上作为反强磁性层AF1形成PtMn(15nm)，进而形成未图示的上侧电极。
通过以下说明的制作方法，将示例XX的2个磁性固定层C1、C2固定为相反平行，而将示例YY的2个磁性固定层C1、C2固定为平行。
如下这样制作示例XX。
首先，在晶片上形成下侧电极后，将该晶片导入超高真空喷射装置，在喷射清扫表面后，层叠由PtMn(15nm)/Co9Fe1(12nm)/Ru(4nm)/Co9Fe1(2.5nm)/Cu(6nm)/Co9Fe1(6nm)/IrMn(15nm)构成的多层膜，并从装置中取出。
接着，将晶片放入真空磁场炉，以270℃、10小时在磁场中进行退火，向固定层C1、C2付与相同方向的交换偏压，接着，使温度为240℃，使磁场极性反转，进行1个小时的磁场中退火，向固定层C1、C2付与方向相反的交换偏压。
接着，涂抹记录层，通过EB(电子束)描画装置进行电子束曝光后，形成与上述元件尺寸对应的掩膜图形。通过离子研磨装置对该图形研磨到磁性固定层C2的上部为止，形成元件。
元件形状被设置为元件的长度轴方向与磁性固定层C1、C2的交换偏压方向平行。然后，将SiO2埋入该元件的周围，形成上侧电极而完成磁单元。
另一方面，如下这样制作示例YY。
首先，在晶片上形成下侧电极后，将该晶片导入超高真空喷射装置，在喷射清扫表面后，层叠由PtMn(15nm)/Co9Fe1(12nm)/Ru(4nm)/Co9Fe1(2.5nm)/Cu(6nm)/Co9Fe1(6nm)/PtMn(15nm)构成的多层膜，并从装置中取出。
接着，将晶片放入真空磁场炉，以270℃、10小时在磁场中进行退火，向固定层C1、C2付与相同方向的交换偏压，
接着，涂抹记录层，通过EB(电子束)描画装置进行电子束曝光后，形成与上述元件尺寸对应的掩膜图形。通过离子研磨装置对该图形研磨到磁性固定层C2的上部为止，形成元件。
元件形状被设置为元件的长度轴方向与磁性固定层C1、C2的交换偏压方向平行。然后，将SiO2埋入该元件的周围，形成上侧电极而完成磁单元。
针对元件尺寸的2种大小50nm×110nm、80nm×160nm，在上侧电极和下侧电极中间流过到正负10mA的电流，测量微分电阻的电流依存性，求出临界电流Ic的平均值。结果如下。
示例    大小        临界电流Ic的平均值(mA)
XX     50nm×110nm       0.70
XX     80nm×160nm       1.83
YY     50nm×110nm       9.22
YY     80nm×160nm       不反转
根据以上结果可知，作为参考示例制作的平行配置的双针结构得不到降低反转电流的效果，通过图14所示的“相反平行双针结构”能够以低电流进行写入。
另外确认了，作为示例XX的中间层B2，形成MgO、SiO2、Si-O-N、孔，在该孔中使用磁性体或埋入了导电性金属(Cu、Ag、Au)的SiO2或Al2O3的情况下，也能够得到与上述相同的效果。
(实施例17)
下面，作为本发明的实施例17，说明组合了本发明的磁单元、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的磁存储器(MagneticRandom Access Memory：MRAM)。
图49是展示本发明的实施例的磁存储器的存储器单元的截面结构的模型图。该磁存储器具有图13所示的等价电路。即，该存储器单元具有本发明的磁单元10和MOSFET(TR)。该存储器单元被设置为矩阵状，分别与比特线BL和字线WL连接。通过选择与该存储器单元连接的比特线BL、与MOSFET(TR)的栅G连接的字线WL，来执行特定的存储器的选择。
图49的(a)和(b)是用来说明写入动作的概念图。即，通过经由比特线BL向磁单元10流过电流，来向磁单元进行写入。通过流过比磁化反转电流Ic大的写入电流Iw，来向磁性记录层A写入信号。写入磁性记录层的磁化，使电子成为与最初流过的磁性固定层的磁化方向相同的方向。由此，对应于写入电流Iw的极性，磁性记录层A的磁化方向变化，能够如该图的(a)所示的那样写入“0”，如该图的(b)所示的那样写入“1”。另外，也可以相反地分配“0”和“1”。
图49(c)和(d)是用来说明读出动作的概念图。通过检测出磁单元10的电阻的大小来进行读出。传感电流Ir的方向可以是任意方向，但传感电流Ir有必要比磁化反转电流Ic小。
在图49所示的结构中，如果下侧的中间层B2的电阻比中间层B1的电阻大，则在传感电流Ir流过该图(c)所示的方向的情况下电阻大，在传感电流Ir流过该图(d)所示的方向的情况下电阻小。通过将该电阻的不同作为电压进行检测，能够进行读出。所以例如，可以将该图(c)所示的情况分配为“0”、该图(d)所示的情况分配为“1”。但也可以相反地分配“0”和“1”。
以下，参照具体例子进一步详细地说明本实施例的磁存储器。
在形成MOSFET的晶片上，首先在形成下部布线和下侧电极部分后，形成由Ta(5nm)/Ru(2nm)/PtMn(15nm)/Co9Fe1(15nm)/Al2O3(0.8nm)/Co9Fe1(0.6nm)/NiFe(1.2nm)/Co9Fe1(0.6nm)/Cu(6nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/PtMn(15nm)构成的多层膜。然后对该多层膜实施细微加工进行元件化。
这时，如图50所示的那样，在中间层B2的Al2O3层上部停止离子研磨。这是因为如果离子研磨成为中间层B2的Al2O3层，则有在其侧面再次附着研磨了的材料，在Al2O3的侧面产生电流泄漏的情况。相对于此，如图50所示那样如果不通过离子研磨蚀刻中间层B2的Al2O3层，则能够防止因再次附着而造成的电流泄漏。
如果通过制图来形成磁单元的层叠结构，则在其上部形成布线，制作了2×2矩阵形状的磁存储器。
在得到的磁存储器中，通过选择字线WL和比特线BL来选择存储器单元。
测试了以下3种写入电流：(1)正负0.15mA，20微秒的脉冲电流，(2)正负0.5mA，10微秒的脉冲电流，(3)正负2mA，0.8纳秒的脉冲电流。通过流过0.1mA的传感电流，读取电压来进行读出。其结果是在上述条件(1)的情况下，没有发现写入后的电阻变化，已知没有记录。
在上述条件(2)的情况下，在开始流过了负0.5mA的写入电流Iw的情况下，从低电阻状态变化成了高电阻状态。但是，然后即使用使极性反转的电流脉冲进行写入，电阻仍然保持高电阻状态。根据这种情况，可知只能写入一个方向的信号。
在上述条件(3)的情况下，电阻对应于写入电流Iw的极性而变化，能够进行信号“0”和信号“1”的写入。
另外，通过向未图示的字线施加3mA的脉冲电流，能够在刚才写入不充分的条件(2)下进行写入。
根据以上所述，本发明的磁存储器适用于能够以低电流进行存储的磁存储器。
另外，在本发明的磁存储器中，选择存储器单元的方法还有MOSFET以外的方法。
图51是展示使用了二极管的磁存储器的模型图。即，在布线为纵横矩阵状的比特线BL和字线WL的交叉点附近，本发明的磁单元10与二极管D串联连接。
在该磁存储器的情况下，通过指定字线WL和比特线BL，能够访问特定的存储器单元。在该情况下，二极管D具有截断流向与被选择了的字线WL和比特线BL连接的其他存储器单元的电流成分的作用。
(实施例18)
下面，作为本发明的实施例18，说明图26所示的探针访问型磁存储器。
在本实施例中，在基板上形成图27所示的记录重放一体型磁元件。
首先，在晶片上形成下部布线后，形成与多个磁单元共通连接的下侧电极EL2。然后，在该晶片上，形成具有Ta(5nm)/Ru(2nm)/PtMn(15nm)/Co9Fe1(15nm)/Al2O3(0.8nm)/Co9Fe1(2nm)/Cu(6nm)/Co9Fe1(4nm)/Ru(1nm)/Co9Fe1(4nm)/PtMn(15nm)/Pt(2nm)的层叠结构的多层膜。
通过对该多层膜涂抹2相分离型聚合物并进行热处理，形成单元用掩膜。接着，通过离子研磨，能够形成研磨介质。离子研磨到磁性记录层Co9Fe1(2nm)的下面，形成多个磁单元共有中间层B2(Al2O3(0.8nm))、磁性固定层C2(Co9Fe1(15nm))的结构。
在该结构中，由于不图形形成中间层B2，所以能够防止因在其侧面的再次附着造成的无法预料的电流流过。另外，能够得到单元电阻的均匀性。由此，能够形成直径约28nm的多个磁单元。接着，向磁单元间埋入绝缘体100，形成图27所示的结构。
由探针200扫描该多个磁单元10，通过使之与各单元电接触，能够选择单元。
首先，在单元1中流过正0.2mA的电流(在此，将电子从上侧电极流向下侧电极的方向定义为正)写入信号“1”，在单元2中流过负0.2mA的电流写入信号“0”。进而，向单元3流过正0.2mA的电流，写入信号“1”，向单元4流过负0.2mA的电流，写入信号“0”。
接着，进行读出。即，流过正0.03mA的传感电流，调查各单元的电阻。其结果是，检测出的电阻为2值的，从单元1到单元4分别为高电阻、低电阻、高电阻、低电阻。即，确认了各个单元被写入了“1”或“0”信号。
另外，在写入电流为正负0.05mA的情况下，不能进行稳定的信号写入。
如以上说明的那样，确认了本实施例的磁存储器适用于能够用低电流进行存储的磁存储器。
以上，参照具体例子说明了本发明的实施例。但是，本发明并不仅仅限于这些具体例子。例如，技术人员从公知的范围内适当地选择构成磁单元的各要素的具体尺寸关系、材料以及其他的电极、钝化、绝缘结构等形状和材料，不仅与本发明同样地实施能够得到相同的效果，还包含在本发明的范围内。
另外，磁单元的反强磁性层、磁性固定层、中间层、磁性记录层、绝缘层等构成要素可以分别作为单层形成，或者也可以是层叠2层以上的结构。
其他，作为本发明的实施例，技术人员根据上述磁单元和磁存储器适当地变更设计而实施的所有磁单元、磁存储器也包含本发明的特征，属于本发明范围。
根据本发明，能够提供一种能够用低消耗电力向微小尺寸的磁性体局部地写入磁化的磁单元，进而能够提供一种能够利用磁阻效应读出该写入磁化的磁单元。这些磁单元由于极其微小，所以能够对磁元件的高密度化、高功能化、进而对包含磁元件在内的所有器件的尺寸缩小产生很大效果，对生产具有重大作用。

Claims (21)

1.一种磁单元，其特征在于包括：
磁化实质上被固定在第1方向上的第1强磁性层；
磁化实质上被固定在与上述第1方向相反的第2方向上的第2强磁性层；
设置在上述第1强磁性层和上述第2强磁性层之间，磁化方向可变的第3强磁性层；
设置在上述第1强磁性层和上述第3强磁性层之间的第1中间层；
设置在上述第2强磁性层和上述第3强磁性层之间的第2中间层，其中
通过在上述第1和第2强磁性层之间流过电流，来使自旋极化了的电子作用于上述第3强磁性层，能够将上述第3强磁性层的磁化方向决定在与上述电流的方向对应的方向上。
2.根据权利要求1所述的磁单元，其特征在于：
上述第3强磁性层的易磁化轴大致与上述第1方向平行。
3.根据权利要求1或2所述的磁单元，其特征在于：
上述第1强磁性层和上述第3强磁性层之间的电阻在上述第3强磁性层的上述磁化方向与上述第1方向大致相同的状态下成为第1值，在上述第3强磁性层的上述磁化方向与上述第2方向大致相同的状态下成为比上述第1值大的第2值，
上述第2强磁性层和上述第3强磁性层之间的电阻在上述第3强磁性层的上述磁化方向与上述第2方向大致相同的状态下成为第3值，在上述第3强磁性层的上述磁化方向与上述第1方向大致相同的状态下成为比上述第3值大的第4值。
4.根据权利要求1～3中的任意一个所述的磁单元，其特征在于：
在电子电流从上述第1强磁性层经由上述第3强磁性层流向上述第2强磁性层的情况下，使上述第3强磁性层的磁化方向成为上述第1方向，
在电子电流从上述第2强磁性层经由上述第3强磁性层流向上述第1强磁性层的情况下，使上述第3强磁性层的磁化方向成为上述第2方向。
5.根据权利要求1或2所述的磁单元，其特征在于：
上述第1强磁性层和上述第3强磁性层之间的电阻在上述第3强磁性层的上述磁化方向与上述第1方向大致相同的状态下成为第1值，在上述第3强磁性层的上述磁化方向与上述第2方向大致相同的状态下成为比上述第1值小的第2值，
上述第2强磁性层和上述第3强磁性层之间的电阻在上述第3强磁性层的上述磁化方向与上述第2方向大致相同的状态下成为第3值，在上述第3强磁性层的上述磁化方向与上述第1方向大致相同的状态下成为比上述第3值小的第4值。
6.根据权利要求1～5中的任意一个所述的磁单元，其特征在于：
上述第1中间层的电阻与上述第2中间层的电阻相互不同。
7.根据权利要求1～6中的任意一个所述的磁单元，其特征在于：
上述第1和第2中间层的任意一个由导电体构成，另一个由绝缘体构成。
8.根据权利要求1～7中的任意一个所述的磁单元，其特征在于：
上述第1和第2中间层的任意一个由具有针孔的绝缘体构成，上述针孔被与上述绝缘体的两侧邻接的上述强磁性层的材料所填充。
9.根据权利要求1～8中的任意一个所述的磁单元，其特征在于：
上述第1和第2强磁性层的至少任意一个通过邻接设置的反强磁性层被固定其磁化方向。
10.根据权利要求1～9中的任意一个所述的磁单元，其特征在于：
与上述第1和第2强磁性层的至少一个邻接地依次层叠非磁性层、第4强磁性层和反强磁性层，
与上述非磁性层的两侧邻接的上述强磁性层的磁化方向被固定在同一方向上。
11.根据权利要求1～10中的任意一个所述的磁单元，其特征在于：
与上述第1和第2强磁性层的至少一个邻接地依次层叠非磁性层、第4强磁性层和反强磁性层，
与上述非磁性层的两侧邻接的上述强磁性层的磁化方向被固定在相反方向上。
12.根据权利要求1～11中的任意一个所述的磁单元，其特征在于：
上述第3强磁性层是使由强磁性体构成的多个层层叠而成的层叠体。
13.一种磁单元，其特征在于包括：
磁化实质上被固定在第1方向上的第1强磁性层；
磁性层和非磁性层交互被层叠，上述磁性层经由上述非磁性层进行反强磁性结合而构成的第1层叠体；
设置在上述第1强磁性层和上述第1层叠体之间，磁化方向可变的第2强磁性层；
设置在上述第1强磁性层和上述第2强磁性层之间的第1中间层；
设置在上述第1层叠体和上述第2强磁性层之间的第2中间层，其中
上述第2强磁性层的易磁化轴与上述第1方向大致平行，
在包含在上述第1层叠体中的上述磁性层中，与上述第2中间层邻接的磁性层的磁化实质上被固定在与上述第1方向相反的第2方向上，
通过在上述第1强磁性层和上述第1层叠体之间流过电流，来使自旋极化了的电子作用于上述第2强磁性层，能够将上述第2强磁性层的磁化方向决定在与上述电流的方向对应的方向上。
14.根据权利要求13所述的磁单元，其特征在于：
上述第2强磁性层是使由强磁性体构成的多个层层叠而成的层叠体。
15.根据权利要求13或14所述的磁单元，其特征在于：
还具备从上述第1强磁性层看，设置在与上述第1层叠体相反侧的基板。
16.一种磁单元，其特征在于包括：
磁性层和非磁性层交互被层叠，上述磁性层经由上述非磁性层进行反强磁性结合而构成的第1层叠体；
磁性层和非磁性层交互被层叠，上述磁性层经由上述非磁性层进行反强磁性结合而构成的第2层叠体；
设置在上述第1层叠体和上述第2层叠体之间，磁化方向可变的强磁性层；
设置在上述第1层叠体和上述强磁性层之间的第1中间层；
设置在上述第2层叠体和上述强磁性层之间的第2中间层，其中
在包含在上述第1层叠体中的上述磁性层中，与上述第1中间层邻接的磁性层的磁化实质上被固定在第1方向上，
在包含在上述第2层叠体中的上述磁性层中，与上述第2中间层邻接的磁性层的磁化实质上被固定在与上述第1方向相反的第2方向上，
上述强磁性层的易磁化轴与上述第1方向大致平行，
通过在上述第1层叠体和上述第2层叠体之间流过电流，来使自旋极化了的电子作用于上述强磁性层，能够将上述强磁性层的磁化方向决定在与上述电流的方向对应的方向上。
17.根据权利要求16所述的磁单元，其特征在于：
上述强磁性层是使由强磁性体构成的多个层层叠而成的层叠体。
18.根据权利要求13～17的任意一个所述的磁单元，其特征在于：
上述第1和第2中间层的任意一个由导电体构成，另一个由绝缘体构成。
19.一种磁存储器，其特征在于：
具备在其之间经由绝缘体地，将权利要求1记载的多个磁单元设置为矩阵状的存储器单元。
20.根据权利要求19所述的磁存储器，其特征在于：
通过探针能够访问上述存储器单元上的各个上述磁单元。
21.根据权利要求19所述的磁存储器，其特征在于：
上述磁存储器单元上的各个上述磁单元与字线和比特线连接，
通过选择上述字线和比特线，能够对特定的磁单元进行信息的记录或读出。
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