CN1770316A - 磁记录元件以及磁记录装置 - Google Patents

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Abstract

自旋极化电子被注入其中的磁记录元件具有磁化方向由自旋极化电子根据该自旋极化电子的流动方向改变的层次，以及根据该磁化方向记录信息。磁记录元件包括其磁化方向由自旋极化电子的作用改变以及具有自旋极化度Pf的自由层FF。其磁化方向固定的固定层FP具有比自旋极化度Pf大的自旋极化度Pp。中间层设置于固定层和自由层之间，实质上由非磁性材料构成。

Description

磁记录元件以及磁记录装置
                          相关申请的交互引用
本申请根据并要求在先的申请号为2004-272376的日本专利申请的优先权。该在先申请在2004年9月17日提交，其整体内容通过引用结合在本文中。
                           技术领域
本发明涉及磁记录元件和使用磁记录元件的磁记录装置，例如涉及使自旋极化电子流动以控制磁性材料的自旋方向，进行数据记录的磁记录元件。
                              背景技术
近年来，数据记录装置被用于支持或推动大范围高度信息化的社会，因为这些装置满足大容量、高速度、耐用、低成本等各种要求。而且，还需要进一步提高上述这些特点的技术。其中，利用铁磁磁性材料的磁矩的磁记录装置作为例如硬盘驱动器已经被广泛使用，最近也提出将磁记录装置作为同时具有高速性和非易失性的磁阻随机访问存储器(MRAM)使用的技术方案。
但是，根据最近的高密度化要求，在存储一位数据的单位单元中要求达到从100纳米到数十纳米，或比其更小的规模。由于这个原因，可以看到数据写入方式中的技术性壁垒。更具体地说，根据上述硬盘驱动器和MRAM所用的电磁场写入，随着存储器单元尺寸的减小，产生写入所需要的磁场用的电流量增大。而且，诸如相邻单元之间的串话的问题也不可避免地发生。
最近，F.J.Albert等人在2000年12月4日的应用物理快报(Appl.Phys.Lett.)第77卷，3089-3811页的文献中证实电流直接驱动磁化转换现象。作为提供能够解决上述电流磁场写入方式的问题的新的写入方式的现象，正在受到人们的期待。
这种现象叙述如下。也就是，在与磁性材料的磁化方向(自旋方向)不同的方向上自旋极化的传导电子通过磁性材料时，传导电子的自旋角动量作用并传递到该磁性材料的磁化上，以产生使磁性材料的磁化方向转换的磁矩。通过利用这种现象，与电磁场产生的磁化转换相比，对纳米级的磁性材料能够产生更加直接的作用，也随着单元尺寸的减小而减少写入所需要的电流。
但是，在目前也有下述问题存在。为了通过电流直接转换磁化方向，当单元的尺寸约为从100纳米到数十纳米的情况下时，就需要10mA到几个毫安的极大的电流。也就是说，为了防止对设备的破坏和防止发热反应，还为了降低电耗，必须提高电流直接驱动磁化转换的效率。换言之，也就是需要以尽量小的电流使磁化方向转换。
下述的参考文献对磁化转换所需要的电流的减少作了相关叙述。
参考文献
屋上公二郎(Kojiro OKUGAMI)等人的“饱和磁化减小产生的自旋注入反转的反转电流密度的降低”(Reduction of switching current density using spin injectionswitching by reduction of saturation magnetization)，日本应用磁气学会志(AppliedMagnetism Society of Japan)，2004，28卷，第2期，149-152页。
                            发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种自旋极化电子被注入其中的磁记录元件，该元件具有其磁化方向由自旋极化电子根据自旋极化电子的流动方向改变的层，并且根据磁化方向记录信息，该磁记录元件包括：利用自旋极化电子的作用改变磁化方向，具有自旋极化度Pf的自由层、磁化方向固定，而且具有比所述自旋极化度Pf大的自旋极化度Pp的固定层、以及设置于所述固定层与所述自由层之间，实质上由非磁性材料构成的中间层。
根据本发明的第二方面，提供了一种自旋极化电子被注入其中的磁记录元件，该磁记录元件具有其磁化方向由自旋极化电子根据自旋极化电子的流动方向改变的层，并且根据磁化方向记录信息，该磁记录元件包括：由一个或一个以上的薄膜构成，利用自旋极化电子的作用改变其磁化方向，以及具有自旋极化度Pf和互相相对的第一表面和第二表面的自由层；设置于上述自由层的第一表面上，实质上由非磁性材料构成的第一中间层；设置于所述第一中间层的与所述第一表面相反一侧的表面上，具有自旋极化度Pp1，其极化方向固定并平行于与第一中间层接触的自由层薄膜的极化方向的第一固定层；设置于所述第二表面上，实质上由非磁性材料构成的第二中间层；以及设置于所述第二中间层的与所述第二表面相反一侧的表面上，具有自旋极化度Pp2，其极化方向固定并且反向平行于与第二中间层接触的自由层薄膜的极化方向的第二固定层，满足下面的关系式：Pp1＝Pp2＞Pf，或当Pp1≠Pp2时Pf≤Ppmin，Ppmin为Pp1和Pp2中较小的一个自旋极化度。
                         附图说明
图1示意性地显示根据本发明的第一实施例的磁记录元件的剖面结构；
图2表示典型材料的自旋极化度；
图3-17分别示意性地显示了能够应用于固定层和自由层的剖面结构；
图18显示非磁性层的厚度与夹着该非磁性层的两个铁磁性层之间的结合力之间的关系；
图19示意性地显示了根据第一实施例的变化例的磁记录元件的剖面结构；
图20显示实施例1～2的自由层的自旋极化度与转换电流之间的关系。
图21显示实施例1～3的自由层的自旋极化度与正负转换电流之比之间的关系；
图22显示根据第一实施例的磁记录元件的自由层和固定层之间的自旋极化度的关系；
图23和24分别示意性地显示了根据本发明的第二实施例的磁记录元件的剖面结构；
图25、26和27分别示意性地显示了固定层和自由层之间的自旋极化度的典型关系；
图28、29、30和31分别示意性地显示了由根据第二实施例的磁记录元件的堆叠的固定层和堆叠的自由层实现的剖面结构；
图32显示了根据第二实施例的磁记录元件的自由层和固定层之间的自旋极化度的关系；
图33示意性地显示了根据本发明的第三实施例的磁记录元件的剖面结构；
图34显示一个具有磁记录元件和选择晶体管的存储器单元；
图35显示一个具有磁记录元件和二极管的存储器单元。
                          具体实施方式
以下参照附图对本发明的最佳实施例进行详细说明。在下面的说明中对具有完全相同的功能和结构的元件标以相同的参考数字，并且只有在需要的情况下才进行重复说明。
(1)第一实施例
第一实施例涉及磁记录元件的结构，即涉及具有单固定层的结构。
[1-1]结构
图1示意性地显示了根据本发明的第一实施例的磁记录元件的剖面结构。该磁记录元件具有下文给出的作为基础结构的元件结构。根据该元件结构，依顺序堆叠铁磁性层FP、中间层(非磁性层)S和铁磁性层FF。铁磁性层FP和/或铁磁性层FF也可以具有包括如下所述的多个子层的堆叠结构。下文中，以上述铁磁性层包括单层的情况作为例子进行说明。
铁磁性层FP的磁化方向固定。这可以通过例如在铁磁性层FP上设置反铁磁性层AF的方法达到。下面将铁磁性层FP称为固定层。
另一方面，关于铁磁性层FF的自旋方向，不设置上述固定机构。因此，铁磁性层FF的自旋方向是可变的，下面将铁磁性层FF称为自由层。
中间层S要求能够将铁磁性层FP与铁磁性层FF加以隔离而能够忽略在铁磁性层FP与铁磁性层FF之间的直接相互作用的薄膜厚度。同时，在电流流入元件时，因为要求通过铁磁性层FP的传导电子在达到铁磁性层FF之前电子的自旋方向不转换，因此，中间层S的膜厚需要比自旋扩散长度薄。作为中间层S可以使用非磁性金属、非磁性半导体和绝缘膜等。
自旋极化度不同的材料被用作固定层FP和自由层FF，固定层FP具有高自旋极化度，而自由层FF具有低自旋极化度。另外，至少固定层FP的自旋极化度比自由层FF的自旋极化度高。自旋极化度P根据某一磁性材料的多数自旋电子的状态密度D↑和少数自旋电子的状态密度D↓由下式定义。
P＝(D↑-D↓)/(D↑+D↓)
自旋极化度是材料固有的量，取决于所使用材料及其化学组成确定。在下述文献1和文献2中已知的典型材料的自旋极化度如图2所示。
文献1：P.M.Tedrow和R.Meservey，Phys.Rep.238，No.4(1994)，pp.173-243
文献2：R.J.Soulen等，Science Vol.282，pp.85-88，Oct 2，1998
上述元件可以利用溅射和光刻技术进行制作。详细情况将在下述实例中叙述。
[1-2]写入和读出
下面对由磁记录元件进行写入和读出的方法进行说明。
为了使自由层FF的磁化方向从反向平行于固定层FP的磁化方向向平行于固定层FP的磁化方向转换，使电子从固定层FP向自由层FF流动。通常，通过某一磁性材料的大多数电子具有与该磁性材料的磁化方向平行的自旋。因此通过固定层FP的大多数电子具有与固定层FP的磁化方向平行的自旋。其余的电子具有与固定层FP的磁化方向反向平行的自旋。
具有与固定层FP的磁化方向平行的自旋的传导电子流入自由层FF，向对自由层FF的磁化起作用的磁矩提供贡献。另一方面，具有与固定层FP的磁化方向反向平行的自旋的电子由自由层FF与中间层S之间的界面反射。否则，该电子就流入自由层FF，妨碍自由层FF的磁化方向发生转换。在通过某一磁性材料的电子中，具有与该磁性材料的磁化方向平行的自旋的电子的数量取决于磁性材料的自旋极化度。因此，如本实施例所述，具有高自旋极化度的材料被用作固定层FP。通过这样做，就可以使流入自由层FF并且具有与固定层FP的磁化方向反向平行的自旋的电子和具有相反方向的电子的比例下降。结果，即使电子电流小，也能够使自由层FF的磁化方向从和固定层FP反向平行的方向高效率地转换为和固定层FP平行的方向。也就是说，转换电流可以小。
相反，为了使平行于固定层FP的磁化方向的自由层FF的磁化方向转换到反向平行于固定层FP的磁化方向，使电子从自由层FF向固定层FP流动。通过自由层FF之后，大多数具有与固定层FP的磁化方向反向平行的自旋的电子由固定层FP反射然后返回自由层FF。电子再度流入自由层FF，具有与固定层FP的磁化方向反向平行的自旋的电子向对自由层FF的磁化起作用的磁矩做出贡献。通过自由层FF之后，一部分通过自由层FF的具有与固定层FP的磁化方向反向平行的自旋的电子虽然只是少数但也通过了固定层FP。
根据本实施例，具有低自旋极化度的材料被用作自由层FF，而具有高自旋极化度的材料被用作固定层FP。将具有低自旋极化度的材料用作自由层FF，能够使从自由层FF流出的电子电流中具有与固定层FP(自由层FF)的磁化方向反向平行的自旋的电子增加。而且，将具有高自旋极化度的材料用作固定层FP，能够提高具有与固定层FP的磁化方向反向平行的自旋的电子中由固定层FP反射的电子的比例。因此，上述效果被组合，减少使自由层FF的磁化方向从与固定层平行的方向转换到与其反向平行的方向所需的电流。
这样，使电流在横越各层的结合面的方向上流动，从而能够控制自由层FF的磁化方向。根据自由层FF的磁化方向分配“0”或“1”两个二进制数据，就能够利用该元件记录一位的信息。
该元件可以发送出利用磁阻效应作为自由层FF的磁化方向存储的信息。更具体地说，在固定层FP与自由层FF之间流过具有小于转换电流的强度的传感电流。如果自由层FF的磁化方向与固定层FP的磁化方向平行，则磁阻相对小。另一方面，如果自由层FF的磁化方向与固定层FP的磁化方向反向平行，则磁阻相对大。
将使平行于固定层FP的自由层FF的磁化方向转换到与其反向平行的方向的转换电流Jp大于使反向平行于固定层FP的自由层FF的磁化方向转换到与其大致平行的方向的转换电流Jap。这是由下述原因造成的。后者的转换来自于主要由通过固定层FP的电子贡献的磁矩，而前者的转换来自于由通过自由层后被固定层反射的电子贡献的磁矩。这样，在转换电流Jp与Jap之间存在非对称性。
为了在读出时防止流过磁记录元件的传感电流引起磁化转换，必须将比转换电流Jap小的值用作传感电流值。因此，如果在转换电流Jp与Jap之间的非对称性非常大，传感电流的值比转换电流Jp的值小得多。因此，最好是两个转换电流的值之间的非对称性小。在本实施例中，在提高固定层FP的材料的自旋极化度的同时，降低自由层FF的材料的自旋极化度。通过这样做，就可以使转换电流Jp的降低多于转换电流Jap的降低，以改善该非对称性。
[1-3]结构的变化
下面对固定层FP和自由层FF的结构进行详尽说明。图3～图17示意性地显示了能够应用于图1的固定层FP和自由层FF的剖面结构。这些图中显示的任何一个结构都可以应用于固定层FP和自由层FF。在图3～图17中，各个子层内显示的箭头表示磁化方向。图4～图10显示了最上面的铁磁性子层FM1和最下层的铁磁性子层FM2发生铁磁性交换耦合的情况。另一方面，图11～图17显示了最上层的铁磁性子层FM1与最下层的铁磁性子层FM2发生反铁磁性交换耦合的情况。
通常，如图18示意性所示，两个铁磁性层之间通过非磁性层的交换耦合根据非磁性层的厚度在正负值之间振荡。从而，图4～图17显示的非磁性子层的膜厚被设定到在图18中的任何正或负峰值的位置。通过这样做，与非磁性子层的两侧相邻的铁磁性子层之间的交换耦合可以是铁磁性交换耦合和反铁磁性交换耦合。在图4～图17中，非磁性子层FC具有与该层FC的两侧相邻的铁磁性耦合铁磁性子层的特征，并具有被调节到如图18中所示的t2的膜厚。非磁性子层AC具有与该层AC的两侧相邻的反铁磁性耦合铁磁性子层的特征，并具有被调节到如图18中所示的t1的膜厚。
各个铁磁性子层也可以分别具有用多层铁磁性膜堆叠的结构。
根据图3显示的结构，只设置一层铁磁性子层FM1。根据图4显示的结构，在最下层的铁磁性子层FM1和最上层的铁磁性子层FM2之间设置非磁性子层FC。铁磁性子层FM1与FM2铁磁性地耦合。
根据图5显示的结构，在铁磁性层FM1、FM2之间从下到上依序堆叠非磁性子层FC、铁磁性子层FM3和非磁性子层FC。铁磁性子层FM3与铁磁性子层FM1、FM2铁磁性地耦合。
根据图6显示的结构，在铁磁性层FM1、FM2之间从下到上依序堆叠非磁性子层AC、铁磁性子层FM3和非磁性子层FC。铁磁性子层FM3与铁磁性子层FM1、FM2反铁磁性地耦合。
根据图7显示的结构，在铁磁性子层FM1、FM2之间从下到上依序堆叠非磁性子层FC、铁磁性子层FM3、非磁性子层FC、铁磁性子层FM4和非磁性子层FC。铁磁性子层FM3与铁磁性子层FM1、FM4铁磁性地耦合。铁磁性子层FM4与铁磁性子层FM2铁磁性地耦合。
根据图8显示的结构中，在铁磁性子层FM1、FM2之间从下到上依序堆叠非磁性子层FC、铁磁性子层FM3、非磁性子层AC、铁磁性子层FM4和非磁性子层AC。铁磁性子层FM3与铁磁性子层FM1铁磁性地耦合。铁磁性子层FM4与铁磁性子层FM2、FM3铁磁性地耦合。
根据图9显示的结构，在铁磁性子层FM1、FM2之间从下到上依序堆叠非磁性子层AC、铁磁性子层FM3、非磁性子层FC、铁磁性子层FM4和非磁性子层AC。铁磁性子层FM3与铁磁性子层FM1反铁磁性地耦合，与铁磁性子层FM4铁磁性地耦合。铁磁性子层FM4与铁磁性子层FM2反铁磁性地耦合。
根据图10显示的结构，在铁磁性子层FM1、FM2之间从下到上依序堆叠非磁性子层AC、铁磁性子层FM3、非磁性子层AC、铁磁性子层FM4和非磁性子层FC。铁磁性子层FM3与铁磁性子层FM1、FM4反铁磁性地耦合，铁磁性子层FM4与铁磁性子层FM2铁磁性地耦合。
根据图11显示的结构，在铁磁性子层FM1、FM2之间设置非磁性子层AC。铁磁性子层FM1与铁磁性子层FM2反铁磁性地耦合。
根据图12显示的结构，在铁磁性子层FM1、FM2之间从下到上依序堆叠非磁性子层FC、铁磁性子层FM3、非磁性子层AC。铁磁性子层FM3与铁磁性子层FM1铁磁性地耦合，与铁磁性子层FM2反铁磁性地耦合。
根据图13显示的结构，在铁磁性子层FM1、FM2之间从下到上依序堆叠非磁性子层AC、铁磁性子层FM3、非磁性子层FC。铁磁性子层FM3与铁磁性子层FM1反铁磁性地耦合，与铁磁性子层FM2铁磁性地耦合。
根据图14显示的结构，在铁磁性子层FM1、FM2之间从下到上依序堆叠非磁性子层AC、铁磁性子层FM3、非磁性子层AC、铁磁性子层FM4和非磁性子层AC。铁磁性子层FM3与铁磁性子层FM1、FM4反铁磁性地耦合。铁磁性子层FM4与铁磁性子层FM2反铁磁性地耦合。
根据图15显示的结构，在铁磁性子层FM1、FM2之间从下到上依序堆叠非磁性子层AC、铁磁性子层FM3、非磁性子层FC、铁磁性子层FM4和非磁性子层FC。铁磁性子层FM3与铁磁性子层FM1反铁磁性地耦合，与铁磁性子层FM4铁磁性地耦合。铁磁性子层FM4与铁磁性子层FM2铁磁性地耦合。
根据图16显示的结构，在铁磁性子层FM1、FM2之间从下到上依序堆叠非磁性子层FC、铁磁性子层FM3、非磁性子层AC、铁磁性子层FM4和非磁性子层FC。铁磁性子层FM3与铁磁性子层FM1铁磁性地耦合，与铁磁性子层FM4反铁磁性地耦合。铁磁性子层FM4与铁磁性子层FM2铁磁性地耦合。
根据图17显示的结构，在铁磁性子层FM1、FM2之间从下到上依序堆叠非磁性子层FC、铁磁性子层FM3、非磁性子层FC、铁磁性子层FM4和非磁性子层AC。铁磁性子层FM3与铁磁性子层FM1、FM4铁磁性地耦合。铁磁性子层FM4与铁磁性子层FM2反铁磁性地耦合。
当图1的固定层FP具有图4～图17的结构时，最上层的铁磁性子层FM2上的反铁磁性层AF(未图示)将铁磁性子层FM2的磁化方向加以固定。铁磁性子层FM2的磁化方向被用作为基础方向。基于该基础方向，各铁磁性子层FM1、FM3、FM4的磁化方向根据图4～图17显示的结构通过非磁性子层AC、FC固定到唯一的方向。在该情况下，与图1的中间层S接触的最下层的铁磁性子层FM1的磁化方向被认为是固定层FP的磁化方向。在形成固定层FP中使用的铁磁性子层的材料的自旋极化度中，最高的值被用作在本实施例中叙述的固定层FP的自旋极化度。
当图1的自由层FF具有在图4～图17中显示的结构时，铁磁性子层FM1到FM4以及非磁性子层AC和FC的磁化方向改变为两个方向中的任何方向，同时根据每种结构保持其耦合。在这种情况下，可以将最上层的铁磁性子层FM2的磁化方向设定为自由层FF的磁化方向。在形成自由层FF中使用的铁磁性子层的材料的自旋极化度中，最高的值被用作本实施例中叙述的自由层FF的自旋极化度。
图19示意性地显示了根据第一实施例的修改例的磁记录元件的剖面结构。该变化例涉及颠倒图1中显示的结构的顶面和底面的结构。为使该元件中铁磁性层FP的磁化方向固定，该元件在最下部配备一个反铁磁性层AF。该磁记录元件以和图1所示的元件相同的方式制造和使用。根据本发明的减小转换电流的效果与图1所示的元件的情况相同。作为固定层FP和自由层FF，当然也可以采用图4至图17的堆叠结构。在这种情况下，固定层FP、自由层FF，即与中间层S接触的铁磁性子层，参照固定层FP、自由层FF的磁化方向。在形成固定层FP中使用的铁磁性层的材料的自旋极化度中，最高的值被用作固定层FP的自旋极化度。在形成自由层FF的铁磁性子层的材料的自旋极化度中，最高的值被用作自由层FF的自旋极化度。
在图1或图19所示的元件中，固定层FP的自旋可以固定为朝向与各层的结合面垂直的方向。在这种情况下，使电流流向和结合面交叉的方向，从而将自由层FF的磁化方向控制为平行于或反向平行于固定层FP的磁化方向。在该实施例中，根据本发明减小转换电流的效果与图1所示的元件的情况相同。
[1-4]各层的材料和膜厚
下面对形成磁记录元件的各层的材料、组成和膜厚进行说明。
作为使铁磁性层FP的磁化固定用的反铁磁性层AF的材料，最好使用下列磁性半导体。这些磁性半导体为Fe-Mn、Pt-Mn、Pt-Cr-Mn、Ni-Mn、Pd-Mn、Pd-Pt-Mn、Ir-Mn、Pt-Ir-Mn、NiO、Fe2O3等。
作为铁磁性层FF，即具有低自旋极化度材料，可以使用Co、Fe、Ni或含有这些金属的合金。这些材料中，具有较高极化度的材料能更大地减小在本实施例中的转换电流。自由层的厚度最好在0.6nm-100nm的范围内。
作为铁磁性层FP，即具有高自旋极化度材料，和自由层FF一样，可以使用Co、Fe、Ni或含有这些金属的合金。这些诸如Co、Fe、Ni等铁族过渡金属以及含有这些金属的合金已知具有高自旋极化度。因此，这些材料可以被用作具有比自由层FF高的自旋极化度的固定层FP的材料。固定层的厚度最好在0.2nm-50nm范围内。
固定层FP的自旋极化度越高，也就是说，越接近理想值1，根据本实施例的转换电流的降低效果越大。但是，固定层FP的自旋极化度即使不达到1或接近1的值，也能够充分得到根据本实施例的减小转换电流的效果。当少数自旋电子的状态密度为0时，则自旋极化度根据该定义为1。具有上述性能的磁性材料被称为半金属，与诸如Fe、Co、Ni等的铁族过渡金属和含有这些金属的合金相比，半金属具有非常高的自旋极化度。因此，半金属是固定层FP的理想的材料。半金属中包括下列材料：
Heusler合金MMn(M表示Ni、Fe、Cu、Cr、Pt、Pd、Sb、Sn、Al、Si、Ge中的至少两种元素构成的混合元素)；
金红石型氧化物MO2(M表示Ti、V、Cr、Sn、Mn、Fe、Ir、Ru中的至少一种元素)；
尖晶石型氧化物MFe2O4(M表示Fe、Co、Ni中的至少一种元素)；
钙钛矿型锰氧化物RMO3(R表示稀土元素或碱土元素中的至少一种元素，M表示Mn、Fe、Ni、Cr中的一种或含有其中一种元素为主成分的混合元素)；
诸如Sr2FeMoO6和Sr2CrReO6等的双重钙钛矿型氧化物；
诸如CrAs和CrSb等的闪锌矿铬化合物；
黄铁矿型化合物MX2(其中M为过渡金属，X表示S、Se、Te中的任何元素)；
诸如Tl2Mn2O7等的烧绿石型锰氧化物；和
铁硅铝磁性合金FeM(M表示由Al、Si、Ga、Ge、Ti、V、Zr、Nb、Hf、Ta、稀土类、碱土金属中的一种或一种以上构成的混合元素)。
这些材料与诸如Co、Fe、Ni的铁族过渡金属或含有这些金属的合金相比明显具有更高的自旋极化度。因为显著地呈现根据本实施例的转换电流的降低效果，因此这些材料是理想的固定层FP的材料。
这些磁性材料可以和下列非磁性元素一起添加(掺杂)以控制磁性性能和诸如结晶性能、机械特性的物理性能以及化学特性等。这些非磁性元素为Ag(银)、Cu(铜)、Au(金)、Al(铝)、Mg(镁)、Si(硅)、Bi(铋)、Ta(钽)、B(硼)、C(碳)、O(氧)、N(氮)、Pd(钯)、Pt(铂)、Zr(锆)、Ir(铱)、W(钨)、Mo(钼)、Nb(铌)、H(氢)等。
如果固定层FP或自由层FF如图4～图17所示具有多层薄膜结构，Cu、Au、Ag、Ru、Ir、Os或包含这些元素中的任何一种或多种元素的合金可以被用作非磁性子层FC、AC的材料。
如果非磁性金属被用作图1的中间层S，可以使用Au、Cu、Cr、Zn、Ga、Nb、Mo、Ru、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Pt、Bi中的任何元素或包含其中任何一种或多种元素的合金。非磁性金属中间层S的厚度最好设定在0.2nm-20nm的范围内。
为了使中间层S发挥隧道势垒层的功能，可以使用下列材料。这些材料为Al2O3(氧化铝)、SiO2(氧化硅)、MgO(氧化镁)、AlN(氮化铝)、Bi2O3(氧化铋)、MgF2(氟化镁)、CaF2(氟化钙)。这些材料还有SrTiO2(钛锶氧化物)、AlLaO3(镧铝氧化物)、Al-N-O(氮氧化铝)和非磁性半导体(ZnO、InMn、Ga、N、GaAs、TiO2、Zn、Te或在这些化合物中掺杂过渡金属)等。这些化合物不需要在化学配比上具有完全精确的组成，也可以存在氧、氢、氟等的缺损或过量、不足。通过隧道势垒层的磁阻效应大，因此可以将绝缘体或半导体用作中间层S以实现大的读出范围。
下面对本实施例的实例进行说明。
[1-5]实例1-1
作为第一实施例的一个实例，制造磁记录元件的样品1(实例1-1)、样品2(比较例1)以及样品3(比较例2)。这些磁记录元件样品1到3具有图1的结构和以下给出的材料。下面是这样的情况，虽然在图1中未图示，但在固定层FP的上方设置电极(互连线)EL1，而在自由层FF的下方设置电极(互连线)EL2。在下面的叙述中，“：”的左侧表示材料，“：”的右侧表示膜厚。
样品1：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF(PtMn：20nm)/固定层FP(Fe3O4：10nm)/中间层S(Cu：6nm)/自由层FF(Co：3nm)/电极EL2(Cu)，
样品2：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF(PtMn：20nm)/固定层FP(Fe3O4：10nm)/中间层S(Cu：6nm)/自由层FF(Fe3O4：3nm)/电极EL2(Cu)，
样品3：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF(PtMn：20nm)/固定层FP(Co：10nm)/中间层S(Cu：6nm)/自由层FF(Co：3nm)/电极EL2(Cu)。
这些磁记录元件通过以下工序制备。首先，在晶片上形成底电极EL2。接着，使用超高真空溅射系统，在底电极EL2上形成由自由层FF、中间层S、固定层FP和反铁磁性层AF构成的堆叠结构。再在堆叠结构上形成Ta保护膜。用磁真空炉对该晶片进行270℃、10小时的磁退火，因此对铁磁性层赋予单向各向异性。对该保护膜涂布EB(电子束)保护层后进行电子束曝光，然后通过提离法形成与磁记录元件的形状相应的掩模。接着利用离子研磨系统对没有被掩模覆盖的区域进行蚀刻。单元的加工尺寸为100nm×50nm。
在蚀刻之后，将掩模剥离，再在单元的相互之间形成二氧化硅膜。然后表面利用离子研磨使其平面化，进行使钽膜的表面曝光的所谓“突出”(“projecting”)工序。在该钽膜的表面上形成顶电极EL1。结果，形成相当于图1的磁记录元件。
在这样得到的样品中，由在与各层的结合面垂直的方向上流过的电流从电阻的变化计算自由层FF的磁化转换电流值。其结果是，在正负转换电流中，具有较小绝对值的值的平均值如下：
样品1：0.9mA
样品2：2.5mA
样品3：5.0mA
正负转换电流的绝对值之比的平均值如下：
样品1：12.5
样品2：55.0
样品3：4.2
将具有比自由层FF高的自旋极化度的材料用作固定层FP，从而降低了转换电流。另外，可以缓解正负转换电流绝对值的非对称性的问题。
作为另一实例，通过与样品1相同的工序制造下述磁记录元件。该磁记录元件具有和样品相同的材料和膜厚，并有如图19所示的结构，也就是使元件的顶和底颠倒的结构。该元件能够得到与样品1相同的转换电流降低的效果。
[1-6]实例1-2
接着，作为第一实施例的一个实例，通过和实例1相同的工序制造下述磁记录元件。该磁记录元件具有图1所示的结构，将一系列NixCu1-x合金用作自由层FF。在NixCu1-x合金中，使Ni的比例逐步改变。单元的加工尺寸为100nm×50nm。
样品系列1：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF(PtMn：20nm)/固定层FP(Co：10nm)/中间层S(Cu：6nm)/自由层FF(NixCu1-x：3nm)/电极EL2(Cu)，
样品系列2：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF(PtMn：20nm)/固定层FP(Ni：10nm)/中间层S(Cu：6nm)/自由层FF(NixCu1-x：3nm)/电极EL2(Cu)，
其中x＝0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0。
已知NixCu1-x合金在x＜0.45时显示非磁性，x＞0.45时显示铁磁性。因此在x＝0.45时，自由层FF的自旋极化度Pf为0。而在x＝1.0时，自旋极化度Pf＝0.23。因此，上述样品的自旋极化度分别为Pf＝0.02、0.06、0.10、0.15、0.19、0.23。在属于样品系列1、2的各样品中，由在垂直于膜面的方向上流动的电流从电阻的变化计算自旋转换电流值。其结果是，在图20中显示了具有较小绝对值的转换电流的平均值。在图20中，作为比较例同时显示了实例1的样品3的值(5.0mA)。从样品系列1的结果可知，根据本实施例的效果使转换电流降低。同样，从样品系列2的结果可知，根据本实施例的效果使转换电流降低。具体地说，当Pf≤0.15时，转换电流小于实例1-1的样品3。在实例1-1的样品3中，固定层FP的自旋极化度Pp、自由层FF的自旋极化度Pf分别为0.35，0.35，在本实例中Pp和Pf分别为0.23和0.15，实现与实例1-1相同的转换电流。因此，给出下列关系式作为使转换电流比实例1-1的样品3减小更多的近似条件。
Pp≥0.6Pf+0.14
[1-7]实例1-3
通过与第一实施例的一个实例相同的工序制作磁记录元件的样品1到3(实例1-3)以及样品4(比较例)。这些磁记录元件的样品1到4具有图1所示的结构和下面给出的材料。单元的加工尺寸为100nm×50nm。
样品1：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF(PtMn：20nm)/固定层FP(La0.7Sr0.3MnO3：10nm)/中间层S(Cu：6nm)/自由层FF(Co：3nm)/电极EL2(Cu)，
样品2：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF(PtMn：20nm)/固定层FP(La0.7Sr0.3MnO3：10nm)/中间层S(Cu：6nm)/自由层FF(NiMnSb：3nm)/电极EL2(Cu)，
样品3：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF(PtMn：20nm)/固定层FP(La0.7Sr0.3MnO3：10nm)/中间层S(Cu：6nm)/自由层FF(La0.7Sr0.3MnO3：3nm)/电极EL2(Cu)。
样品4：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF(PtMn：20nm)/固定层FP(NiMnSb：10nm)/中间层S(Cu：6nm)/自由层FF(NiMnSb：3nm)/电极EL2(Cu)。
根据图2显示的表格，材料NiMnSb和La0.7Sr0.3MnO3分别具有0.58和0.78的自旋极化度。在这样制备的样品中，正负转换电流的绝对值之比的平均值如下：
样品1：2.6
样品2：7.4
样品3：17.1
样品4：10.6
正负转换电流的绝对值之比越是接近1越是理想，但是该比的目标值是一个一位数字的差、也就是在10倍以内。样品1、2、3是除了自由层FF的材料不同以外结构、材料都相同的元件，对这些样品，将自由层FF的自旋极化度作为横轴，将正负转换电流的绝对值之间的比的平均值作为纵轴作出其关系图。然后在其中作出直线。其结果如图21所示。从图21可知，如果固定层FP的自旋极化度Pp为0.78，自由层FF的自旋极化度Pf为0.62时，正负转换电流的绝对值之比为10。在作为比较例制作的具有自旋极化度均为0.58的固定层FP和自由层FF的样品4中，正负转换电流的绝对值之比大致为10。根据这些数值可知，给出下列关系式作为改善转换电流的非对称性的制约条件：
Pp≥5.0Pf-2.4。
从实例1-2和实例1-3可知，当固定层FP的自旋极化度Pp和自由层FF的自旋极化度PF同时满足关系式Pp≥0.6Pf+0.14和Pp≥5.0Pf-0.24时，能够产生具有很小转换电流而且正负两个转换电流之间的差很小的磁记录元件。满足这些条件的自旋极化度Pf、Pp的范围显示于图22。
[1-8]优点
在根据本发明的第一实施例的磁记录元件中，固定层FP的自旋极化度Pp比自由层FF的自旋极化度Pf大。因此，能够产生具有小转换电流而且正负两个转换电流之间的差小的磁记录元件。具体地说，满足关系式Pp≥0.6Pf+0.14和Pp≥5.0Pf-2.4，能够获得进一步提高的效果。也就是说，满足关系式Pp≥0.6Pf+0.14，可以减少使具有与磁化方向固定于第一方向的固定层FP平行的磁化方向的自由层转换所需要的电流。另外，满足关系式Pp≥5.0Pf-2.4，可以减小正负转换电流之间的差。
(2)第二实施例
第二实施例涉及具有2个固定层的结构。
[2-1]结构
图23、24示意性地显示了根据本发明的第二实施例的磁记录元件的剖面结构。这些磁记录元件具有作为基本结构的元件结构，其中从下到上依序堆叠铁磁性层FP2、中间层(非磁性层)S2、铁磁性层(自由层)FF、中间层(非磁性层)S1和固定层FP1。自由层FF、固定层FP1、FP2可以具有与第一实施例相似的如下所述的由多个子层构成的堆叠结构。在下文的叙述中，以每个自由层FF、固定层FP1和FP2都为单层的情况作为实例。
固定层FP1、FP2的每个磁化方向通过在固定层FP1的上方和固定层FP2的下方分别设置反铁磁性层AF1、AF2加以固定。在下文的叙述中，将固定层FP1、FP2称为固定层。
固定层FP1、FP2之一的磁化方向与自由层FF的磁化方向平行，另一个固定层的磁化方向与自由层FF的磁化方向反向平行。在图23、图24中，箭头的方向表示各层的磁化方向。图23显示自由层FF的磁化方向与固定层FP1的磁化方向平行(图23左侧)以及反向平行(图23右侧)的情况。不管哪一种情况，自由层FF与固定层FP1之间的磁化方向的关系以及自由层FF与固定层FP2的磁化方向的关系，都是一个为平行，另一个为反向平行。图24也有所述的相同关系。
电流在和每个层次的结合面交叉的方向流动，从而自由层FF的磁化方向受到控制。由于自由层FF设置在两个固定层FP1、FP2之间，与只有一个固定层的情况相比，在流过相同大小的电流时对自由层FF的磁化能够提供至少两倍的力。该解释适用于电子从固定层FP2流向固定层FP1的情况。在该情况下，通过固定层FP2的电子对自由层FF的磁化转换作出贡献，通过自由层FF并且被固定层FP1反射的电子对自由层FF的磁化转换作出贡献。根据自由层FF的磁化方向分配二进制数据“0”或“1”，从而一个元件能记录一位的信息。
与第一实施例相同，固定层FP1、FP2和自由层FF中的至少一个使用具有与其他两个不相同的自旋极化度的材料。如果至少固定层FP1、FP2具有相同的自旋极化度，固定层FP1(或固定层FP2)的自旋极化度比自由层FF的自旋极化度高。另一方面，如果固定层FP1和FP2具有不同的自旋极化度，较小的自旋极化度被设定成小于自由层FF的自旋极化度。
通常，图25～27所示的三种状态中的任何一种状态被给出作为固定层FP1、FP2和自由层FF之间的相互关系。各层的磁化方向在下文的说明中使用。在图25的情况下，固定层FP1、FP2使用具有与自由层FF不同的自旋极化度的材料。固定层FP1、FP2的每个自旋极化度都比自由层FF的自旋极化度高。在图26的情况下，自由层FF与固定层FP2使用具有相同自旋极化度的材料，其值比固定层FP1的自旋极化度小。在图27的情况下，自由层FF与固定层FP1使用具有相同自旋极化度的材料，其值比固定层FP2的自旋极化度小。
反铁磁性层AF1、AF2、自由层FF、固定层FP1、FP2、中间层S1、S2可以使用与第一实施例的反铁磁性层AF、自由层FF、固定层FP和中间层S相同的材料以及相同的膜厚(参看[1-4]，各层的材料和膜厚)。
该元件利用溅射技术和光刻技术制作。详细情况在下面的实例中叙述。
[2-2]写入
下面对本元件的信息写入方法和读出方法进行说明。
为了使自由层FF的磁化方向转换，电流根据元件的结构和转换后自由层的磁化方向在垂直于各个层次的结合面的方向上流动。也就是说，电子流从具有与转换前自由层的磁化方向反向平行的磁化方向的固定层FP1、FP2的任何一个固定层向自由层FF流动。
下面参考图25～27对写入方法进行说明。如图25～27所示，为了使自由层FF的磁化方向从与固定层FP1的磁化方向平行的状态向与其反向平行的状态转换，使电子流从固定层FP2向固定层FP1流动。
在图25的情况下，固定层FP2的自旋极化度高。所以与固定层FP2具有低极化度的情况相比，从固定层FP2流出的电子的大多数具有与固定层FP2的磁化方向平行的自旋(作用1)。与固定层FP2的磁化方向平行(与自由层FF的磁化方向反向平行)的自旋使自由层FF的磁化方向转换。而且，固定层FP1的极化度高。所以，具有与固定层FP1的磁化方向反向平行的自旋的电子的大多数被固定层FP1反射，然后再度流进自由层FF(作用2)，对自由层FF的磁化方向转换作出贡献。在与第一实施例相同原理的基础上，这些作用被结合，从而大幅度减小转换电流。两个固定层FP1、FP2的极化度都高；因此即使电子在和上述方向相反的方向流动，也能获得相同的效果。也就是说，具有相反的电子流动方向的转换电流之间的差别非常小(接近于0)。
在图26的情况下，固定层FP2的自旋极化度低(例如与自由层FF相同)。由于这个原因，在从固定层FP2流出的电子中，具有与固定层FP2的磁化方向平行的自旋的电子不那么多。因此，得不到由上述作用1产生的转换电流降低效果。但是，固定层FP1的自旋极化度高；因此，得到由上述作用2产生的转换电流降低效果。
在图27的情况下，电子流从具有高自旋极化度的固定层FP2注入；因此，由于上述作用1的原因使转换电流下降。另一方面，固定层FP1的极化度低；由于这个原因，由固定层FP1反射的电子不那么多。结果，产生自上述作用2转换电流降低效果不理想。
在具有2个固定层的结构中，两个固定层之一的自旋极化度设定成比自由层的自旋极化度高。通过这样做，根据电子的流动方向，作用1或作用2中的任何一种作用都导致减小转换电流。因此，与具有单个固定层的结构相比，与转换电流的极性相应的转换电流值的非对称性得到进一步缓和。而且，两个固定层的自旋极化度被设定成比自由层的自旋极化度高，从而作用1和作用2导致转换电流进一步减小。在这种情况下，与转换电流的极性相应的转换电流量的非对称性极其小。
关于读出，由于与第一实施例相同，故将其省略。
[2-3]结构的变化
下面对上述固定层FP和自由层FF具有堆叠结构的情况进行说明。
图28～图31示意性地显示了由根据第二实施例的磁记录元件的固定层FP1、自由层FF、固定层FP2的堆叠结构实现的剖面结构。如图28～图31所示，固定层FP1、自由层FF、固定层FP2具有堆叠结构。在每个结构中，构成固定层的所有磁性子层都具有固定的磁化方向。构成自由层的子层的磁化方向在某约束下可采取两个相反的方向，该约束是其任何两个子层之间的相对角固定，即意味着关于自由层有两种状态。在该两种状态的每种状态中，和非磁性层S1接触的其中一个构成固定层FP1，另一个构成自由层FF的两个磁性子层具有其方向互相平行或互相反向平行的磁化。对于和非磁性层S2接触的两个磁性子层保持相似的关系。即，其磁化方向互相平行或反向平行。另外，最好和S1接触的子层之间的关系不同于和S2接触的子层之间的关系，因为和该条件不被满足的情况相比，自旋转移磁矩的效率被提高。图28到31中显示的结构被给出作为满足上述条件的组合。在图28～图31中，附加于参考符号FP1、FP2、FF中的“(F)”表示固定层FP1、自由层FF、固定层FP2的最上和最下的子层被铁磁性地交换耦合。同样，“(A)”表示最上和最下子层被反铁磁性地交换耦合。可以将图4～图10中显示的任何结构用作为附加“(F)”的层次。另一方面，可以将图11～图17中显示的任何结构用作为附加“(A)”的层次。另外，各子层可以具有[1-4]各层的材料和膜厚项目内叙述的材料和膜厚。
当然，具有图23、图24所示的结构的固定层FP1、自由层FF、固定层FP2中的任何一个层次或仅有两个层次可以具有堆叠结构。在这种情况下，将磁化方向确定为下述磁化方向相互关系中的一个为反平行关系，而另一个为平行关系。其中一个关系是接触中间层S1的两个铁磁性层或子层之间的磁化方向的相互关系。另一个是接触中间层S2的两个铁磁性层或子层的磁化方向的相互关系。
[2-4]实例2-1
作为第二实施例的一个实例，通过和实例1-1相同的工序制造磁性记录元件样品1，2(实例2-1)和3(对比实例)。这些磁性记录元件样品1-3具有图23、图24所示结构以及以下给出的材料。单元的加工尺寸为100nm×50nm。
样品1：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF1(PtMn：20nm)/固定层FP1(CrO2：10nm)/中间层S1(Cu：6nm)/自由层FF(Co：3nm)/中间层S2(Cu：2nm)/固定层FP2(CrO2：10nm)/反铁磁性层AF2(PtMn：20nm)/电极EL2(Cu)，
样品2：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF1(PtMn：20nm)/固定层FP1(CrO2：10nm)/中间层S1(Cu：6nm)/自由层FF(Co：3nm)/中间层S2(Cu：2nm)/固定层FP2(Co：10nm)/反铁磁性层AF2(PtMn：20nm)/电极EL2(Cu)，
样品3：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF1(PtMn：20nm)/固定层FP1(Co：10nm)/中间层S1(Cu：6nm)/自由层FF(Co：3nm)/中间层S2(Cu：2nm)/固定层FP2(Co：10nm)/反铁磁性层AF2(PtMn：20nm)/电极EL2(Cu)，
对于每种这样得到的样品，由在与各层的结合面垂直的方向上流动的电流从电阻变化测量自由层FF的转换电流值。其结果是，具有较小绝对值的转换电流的平均值如下：
样品1：0.03mA
样品2：0.2mA
样品3：0.6mA
正负转换电流的绝对值之比的平均值如下：
样品1：1.0
样品2：1.3
样品3：1.0
也就是，具有比自由层FF高的自旋极化度的材料用作固定层FP1和(或)FP2，以此减小转换电流。另外，如果具有高自旋极化度的材料被用作固定层FP1和FP2，则出现特别显著的效果。不出现正负转换电流的绝对值的非对称性。这是因为在第二实施例中结构的对称性高。
[2-5]实例2-2
作为第二实施例的一个实例，制作将绝缘体用作中间层之一的样品1到3(实例2-2)，以及样品4(比较例)。将绝缘体用作中间层之一使磁阻效应能容易检测。该样品通过与实例1-1所用的同样的工序制作。单元的加工尺寸为100nm×50nm。在下面的叙述中，如果在一层的“()”内显示用“/”符号分开多种材料和膜厚，这表示该层由堆叠薄膜构成。
样品1：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF1(PtMn：20nm)/固定层FP1(Fe3O4：10nm)/中间层S1(Cu：6nm)/自由层FF(Co：2nm/CoFeNi：1nm)/中间层S2(Al2O3：0.6nm)/固定层FP2(Co：2nm/Ru：1nm/Co：5nm)/反铁磁性层AF2(PtIrMn：20nm)/电极EL2(Cu)。
样品2：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF1(PtIrMn：20nm)/固定层FP1(Co2MnSi：10nm)/中间层S1(MgO：0.7nm)/自由层FF(Co：1nm/FeNi：2nm)/中间层S2(Cu：5nm)/固定层FP2(Co：4nm/Ru：1nm/Co：4nm)/反铁磁性层AF2(PtMn：15nm)/电极EL2(Cu)。
样品3：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF1(IrMn：15nm)/固定层FP1(CrAs：12nm)/中间层S1(Cu：7nm)/自由层FF(FeNi：2nm)/中间层S2(MgO：0.5nm)/固定层FP2(Co2CrAl：10nm)/反铁磁性层AF2(PtMn：20nm)/电极EL2(Cu)。
样品4：电极EL1(Cu)/反铁磁性层AF1(PtMn：20nm)/固定层FP1(Co：10nm)/中间层S1(Cu：6nm)/自由层FF(Co：2nm/CoFeNi：1nm)/中间层S2(Al2O3：0.6nm)/固定层FP2(Co：2nm/Ru：1nm/Co：5nm)/反铁磁性层AF2(PtIrMn：20nm)/电极EL2(Cu)。
在这样得到的样品中，测量自由层FF的转换电流值。结果，在样品1、2、3中都出现比样品4更显著的电流降低效果。另外，在这些样品中进行电流扫描，以测量伴随自由层FF的磁化转换的电阻变化，其结果是，在样品1、样品2、样品3中电阻变化平均值为20％。
[2-6]优点
在根据本发明的第二实施例的磁记录元件中，固定层FP1、FP2、自由层FF中的至少一个层次使用具有与其他两个层次不同的自旋极化度的材料。如果至少固定层FP1、FP2的自旋极化度Pp相同，固定层FP1(或固定层FP2)的自旋极化度Pp被设定成比自由层FF的自旋极化度Pf高。另一方面，自旋极化度Pp在固定层FP1和FP2之间不同，较小的自旋极化度Ppmin被设定为大于等于自由层FF的自旋极化度Pf。
另外，固定层FP1、FP2的较大的自旋极化度Ppmax满足下列关系式，与第一实施例相同，可以有利地降低转换电流。
Ppmax≥0.6Pf+0.14
能满足该条件的自旋极化度Pf、Pp的范围示于图32。
(3)第三实施例
第3实施例涉及使用第一、第二实施例的磁记录元件的磁记录装置。
[3-1]基本结构
第一、第二实施例的磁记录元件具有微小的自旋转换机构，所以这些磁记录元件被应用于各种装置。更具体地说，排列了大量磁记录元件，从而这些元件被应用于诸如MRAM等的记录/再现装置。以下对与此有关的实施例进行说明。
图33示意性地显示了根据本发明的第三实施例的磁记录装置的剖面结构。第三实施例的磁记录装置具有下述结构。根据该结构，通常称为位线或字线的电极层(底层互连线)1上并列配置多个磁记录元件R。磁记录元件R利用第一、第二实施例的各种结构的磁记录元件中的任何一种元件实现。这些磁记录元件R通过绝缘膜I相互电隔离。各个磁记录元件R在上部和通常称为位线或字线的电极层(顶层互连线)2连接。指定字线和位线，从而选择规定的磁记录元件R。
向磁记录元件R的记录由从电极层2向磁记录元件R流动的电流，或从磁记录元件R向电极层2流动的电流进行。这里，由磁记录元件R的尺寸、结构、组成确定的自旋转换电流值记为Is。比自旋转换电流Is大的写入电流Iw流向磁记录元件R进行写入。该记录的磁化方向，和电子流最初通过的固定层的磁化方向完全相同。这样，电子流动即电流的极性被转换，从而数据“0”或“1”被写入。
电流在和再现目标记录元件连接的电极层1和2之间流动而进行再现。在这种情况下，电流可以在两个流动方向流动。在再现中，流过比自旋转换电流Is小的再现电流Ir，以使记录的信息不被重写。电压或电阻值被检测以确定被记录的信息。可以在再现目标记录元件的两端施加电压以检测流过该记录元件的电流的变化而确定记录状态。
[3-2]其他结构(实例3-1)
作为第三实施例的一个实例，用具有与实例2-2的样品相同的结构的磁记录元件制作磁记录装置。
图34显示一个存储器单元具有磁记录元件R和选择晶体管T的实例。磁记录元件R连接于位线BL与选择晶体管T的一端之间。通常，选择晶体管T的另一端接地，栅极与字线连接。存储器单元通过下述工序制造。首先在半导体衬底上通过光刻、诸如反应离子刻蚀(RIE)的各向异性刻蚀和离子注入等工序形成选择晶体管T以及与选择晶体管T电气连接的底层互连线1。在该底层互连线上根据与实例1-1中所述的相同方法形成磁记录元件R。在磁记录元件R上进一步形成顶层互连线2。
这样的存储器单元在存储器单元阵列MCA中排列成矩阵。属于同一行的存储器单元的各个选择晶体管的栅极与同一个字线WL连接。同样，属于同一列的存储器单元的各个记录元件与同一个位线BL连接。在存储器单元阵列MCA周围设置译码器和读出电路。位线BL和字线WL和诸如译码器、读出电路的周边电路SC连接。
译码器通过具有与来自外部的地址信号相应的地址的磁记录元件R向位线BL和字线WL提供写入电流Iw和再现电流Ir。更具体地说，在再现或记录中，与目标磁记录元件R连接的晶体管T的字线被选择，从而使选择晶体管T导通。接着，使写入电流Iw或再现电流Ir流向与该目标磁记录元件R连接的位线，从而达到记录或再现。在这种情况下，比由磁记录元件R的结构确定的自旋转换电流Is大的写入电流Iw流向该单元进行记录。在这里制作的磁记录元件R中，自旋转换电流Is的平均值为0.18mA，因此，具有正负极性，超出上述平均值的电流被用作写入电流Iw以达到写入。另一方面，读出电流必须不超过0.18mA。
在这个实例中，选择晶体管T用以选择磁记录元件R，但是，也可以使用其他开关元件。最好使用具有低导通电阻的元件。例如，如图35所示可以使用二极管D。在这种情况下，在各个存储单元中，串联连接的磁记录元件R和二极管D连接于字线WL和位线BL之间。
以上参照具体实例对本发明的各个实施例进行了说明。但是，本发明不限于这些给出的实例。例如本行业的熟练技术人员可从公知的范围适当选择构成磁记录元件的各个元件的具体尺寸关系、材料，此外还有电极、钝化、绝缘体等的结构或材料。只要能够得到同样的效果，即使本发明以同样的方式实施，各种变化和修改仍包括在本发明的范围中。
在磁记录元件中，诸如铁磁性层、中间层和绝缘层等的元件可以形成为单层，或形成为两层或两层以上的堆叠结构。
此外，以本发明的实施例中叙述和说明的磁记录元件和磁记录装置为基础，本行业的熟练技术人员可以适当进行设计变更。以和本发明相同方式制造的全部磁记录元件和磁记录装置，只要其包括本发明的要旨就都包括在本发明的范围中。
对于本行业的熟练技术人员，其他的优点和修改都是显而易见的和容易实施的。因此本发明广义上不限于本文显示和叙述的具体细节和代表性的实施例。相应地，可以进行各种修改而不背离由所附的权利要求及其等价物限定的本发明的总体概念的精神和范围。

Claims (17)

1.一种自旋极化电子注入其中的磁记录元件，其特征在于，该元件包括：
由自旋极化电子的作用改变其磁化方向的自由层，该自由层具有自旋极化度Pf；
其磁化方向固定的固定层，该固定层具有比所述自旋极化度Pf大的自旋极化度Pp；以及
设置于所述固定层与所述自由层之间，基本上由非磁性材料构成的中间层。
2.如权利要求1所述的磁记录元件，其特征在于，满足如下关系式：
Pp≥0.6Pf+0.14和Pp≥5.0Pf-2.4。
3.如权利要求1所述的磁记录元件，其特征在于，所述中间层基本上由非磁性金属构成。
4.如权利要求1所述的磁记录元件，其特征在于，所述中间层包括绝缘体材料或半导体材料。
5.如权利要求1所述的磁记录元件，其特征在于，所述固定层由含有铁族过渡金属元素的材料构成。
6.如权利要求1所述的磁记录元件，其特征在于，所述固定层基本上由半金属元素构成。
7.一种磁记录装置，其特征在于，包括：
具有磁记录元件的存储单元阵列，该磁记录元件包括排列成矩阵的权利要求1中所述的磁记录元件。
8.如权利要求7所述的磁记录装置，其特征在于，进一步包括：
与属于同一行的所述磁记录元件的一端电气连接的第一互连线；
与属于同一列的所述磁记录元件的另一端电气连接的第二互连线；以及
与所述第一互连线和所述第二互连线连接，使电流加载到所述第一互连线和所述第二互连线，以向一个磁记录元件写入信息和从一个磁记录元件读出信息的控制电路。
9.一种自旋极化电子注入其中的磁记录元件，其特征在于，该元件包括：
由一个或一个以上的薄膜构成，由自旋极化电子的作用改变其磁化方向，具有自旋极化度Pf和互相面对的第一和第二表面的自由层；
设置于上述第一表面上，基本上由非磁性材料构成的第一中间层；
设置于所述第一中间层的与所述第一表面相反一侧的表面上并具有自旋极化度Pp1的第一固定层，该第一固定层的磁化方向固定并且平行于和所述第一中间层接触的薄膜在所述自由层中的磁化方向；
设置于所述第二表面上，基本上由非磁性材料构成的第二中间层；以及
设置于所述第二中间层的与所述第二表面相反一侧的表面上并具有自旋极化度Pp2的第二固定层，该第二固定层的磁化方向固定并且反向平行于和所述算二中间层接触的薄膜在所述自由层中的磁化方向；并且满足Pp1＝Pp2＞Pf，或在Pp1≠Pp2时满足Pf≤Ppmin，其中Ppmin是Pp1与Pp2中较小的一个自旋极化度。
10.如权利要求9所述的磁记录元件，其特征在于，当Pp1≠Pp2时，进一步满足0.6Pf+0.14≤Ppmax，其中，Ppmax是Pp1与Pp2中较大的一个自旋极化度。
11.如权利要求9所述的磁记录元件，其特征在于，当Pp1＝Pp2时，进一步满足0.6Pf+0.14≤Pp1＝Pp2。
12.如权利要求9所述的磁记录元件，其特征在于，所述第一中间层和所述第二中间层基本上由非磁性金属元素构成。
13.如权利要求9所述的磁记录元件，其特征在于，所述第一中间层或所述第二中间层包括绝缘体或半导体。
14.如权利要求9所述的磁记录元件，其特征在于，所述第一固定层或所述第二固定层由含有铁族过渡金属元素的材料构成。
15.如权利要求9所述的磁记录元件，其特征在于，所述第一固定层或所述第二固定层基本上由半金属元素构成。
16.一种磁记录装置，其特征在于，包括：
具有磁记录元件的存储单元阵列，该磁记录元件包括排列成矩阵的权利要求9中所述的磁记录元件。
17.如权利要求16所述的磁记录装置，其特征在于，进一步包括：
与属于同一行的所述磁记录元件的一端电气连接的第一互连线；
与属于同一列的所述磁记录元件的另一端电气连接的第二互连线；以及
与所述第一互连线和所述第二互连线连接，使电流加载到所述第一互连线和所述第二互连线，以向一个磁记录元件写入信息和从一个磁记录元件读出信息的控制电路。
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