JP2005109263A - 磁性体素子及磁気メモリ - Google Patents

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Abstract

【課題】 電流直接駆動による磁化反転の際の反転電流を低減させることができる磁性体素子及びこれを用いた磁気メモリを提供することを目的とする。
【解決手段】 磁性層と非磁性層とが交互に積層され前記磁性層のうち少なくとも１層の磁化が第１の方向に実質的に固定され且つ前記磁性層の２層以上の層が前記非磁性層を介して強磁性結合してなる第１の強磁性層と、磁化が第２の方向に実質的に固定された第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、前記第１乃至第第３の強磁性層間に設けられた第１及び第２の中間層と、を備え、前記第１及び第２の強磁性層の間で書き込み電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能としたことを特徴とする磁性体素子を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁性体素子及び磁気メモリに関し、より詳細には、記録再生機能を有する磁性体素子及びこれを用いた磁気メモリに関する。
従来より、磁性体の磁化方向を制御するためには、外部磁界を印加する方法が採られてきた。例えば、ハードディスクドライブにおいては、記録ヘッドから発生する磁場により、磁気記録媒体の磁化方向を反転させ、書き込みを行なっている。また、固体磁気メモリでは、磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた配線に電流を発生させることで生じる電流磁界をセルに印加することで、セルの磁化方向の制御を行なう。これらの外部磁場による磁化方向制御は古い歴史をもち、確立された技術といえる。
一方、昨今のナノテクノロジーの進歩により、磁性材料も急激に微細化し、磁化制御もナノスケールで局所的に行なう必要が出てきた。しかしながら、磁場は根本的に空間に広がる性質をもつので局所化が難しい。微小サイズのビットやセルを選択してその磁化方向を制御させようとした場合、隣のビットやセルを選択してしまう「クロストーク」の問題、あるいは磁場発生源を小さくすると十分な発生磁場を得られないという大きな問題が生ずる。
最近、磁性体に直接電流を流すことで磁化反転を起こす「電流直接駆動型磁化反転」が見出された（例えば、非特許文献１参照）。この現象は、電流が磁性層を通過することによりスピン偏極され、この電流が流れることによりスピン偏極した電子の角運動量が、磁化反転させたい磁性体の角運動量に伝達・作用することで磁化の反転を起こす現象である。この現象を用いれば、ナノスケールの磁性体に対してより直接的に作用させることが可能であるため、クロストークを生ずることなく、より微小な磁性体に記録が可能になると期待されている。
F. J. Albert, et al., Appl. Phy. Lett. 77, p3809 (2000)
しかしながら、「電流直接駆動型磁化反転」によると、現在のところ、磁化を反転させるための反転電流は１０ｍＡ〜数ｍＡと極めて大きいという問題がある。電流による素子破壊を防止するため、発熱を防止するため、低消費電力化のため、さらには磁気トンネル効果等の信号再生のための磁気抵抗効果検出用高抵抗層との無理のない組合せのためには、できるだけ小さな電流で磁化反転する素子構造が望まれる。
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、電流直接駆動による磁化反転の際の反転電流を低減させることができる磁性体素子及びこれを用いた磁気メモリを提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明によれば、磁性層と非磁性層とが交互に積層され前記磁性層のうち少なくとも1層の磁化が第１の方向に実質的に固定され且つ前記磁性層の２層以上の層が前記非磁性層を介して強磁性結合している第１の強磁性層と、磁化が第２の方向に実質的に固定された第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を備え、
前記第１及び第２の強磁性層の間で書き込み電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能としたことを特徴とする磁性体素子が提供される。
ここで、前記強磁性結合は、前記書き込み電流を流した時に前記磁性層の少なくともいずれかの磁化が反転しない強度を有するものとすることができる。
また、前記強磁性結合の強度Ｊは、前記書き込み電流の電流密度をＩｗ／Ａ、前記磁性層の厚さをｔ、前記磁性層の磁化をＭｓ、プランク定数をｈ、電流のスピン非対称性をＰ、電荷をｅ、ギルバートダンピング定数をαとすると、次式
Ｊ＞（ｈＰ／２ｅα）×（Ｉｗ／Ａ）−ｔπＭｓ２
を満たすものとすることができる。
また、前記非磁性層は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）及びこれらを含む合金よりなる群から選択されたいずれかにより形成され、厚みが２ナノメータ以下であるものとすることができる。
また、前記第３の強磁性層は、磁性層と非磁性層とが交互に積層されそれら磁性層は前記非磁性層を介して強磁性結合してなるものとすることができる。
一方、本発明によれば、磁化が第１の方向に実質的に固定された第１の強磁性層と、磁化が第２の方向に実質的に固定された第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁性層と非磁性層とが交互に積層されそれら磁性層は前記非磁性層を介して強磁性結合しており前記磁性層の磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を備え、
前記第１及び第２の強磁性層の間で書き込み電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の前記磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能としたことを特徴とする磁性体素子が提供される。
ここで、前記強磁性結合は、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間の磁気抵抗効果を検出するセンス電流を流した時に前記磁性層の少なくともいずれかの磁化が反転しない強度を有するものとすることができる。
また、前記第３の強磁性層における前記強磁性結合の強度Ｊは、前記センス電流の電流密度をＩｓ／Ａ、前記磁性層の厚さをｔ、前記磁性層の磁化をＭｓ、プランク定数をｈ、電流のスピン非対称性をＰ、電荷をｅ、ギルバートダンピング定数をαとすると、次式
Ｊ＞（ｈＰ／２ｅα）×（Ｉｓ／Ａ）−ｔπＭｓ２
を満たすものとすることができる。
一方、本発明によれば、上記のいずれかの複数の磁性体素子を絶縁体を間に介しつつマトリクス状に設けたメモリセルを備えたことを特徴とする磁気メモリが提供される。
ここで、前記メモリセル上の前記磁性体素子のそれぞれに対して、プローブによりアクセス可能とすることができる。
また、前記メモリセル上の前記磁性体素子のそれぞれにワード線とビット線とが接続され、前記ワード線とビット線とを選択することにより、特定の磁性体素子に対して情報の記録または読み出しを可能とすることができる。
本発明によれば、微小サイズの磁性体に低電流密度すなわち低電流で直接書き込み可能な磁性体素子を提供することが可能となり、素子破壊の問題、発熱問題、消費電力、再生との組合せなどの問題を解決できる。
すなわち、微小サイズの磁性体に局所的に低消費電力で磁化を書き込むことができる磁性体素子を提供でき、さらには、磁気抵抗効果を用いてその書き込み磁化を読み出すことが可能な磁性体素子を提供できる。これらの磁性体素子は極めて微小であるために、磁気素子の高密度化、高機能化、さらには磁気素子を含むデバイスの全体サイズ縮小化へ効果大であり産業上のメリットは多大である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる磁性体素子の基本的な断面構造を例示する模式図である。この磁性体素子１０は、２つの電極１００、９００の間に、第１ピン層２００／第１中間層３００／フリー層４００／第２中間層５００／第２ピン層６００が積層された構造を有する。
第１ピン層２００は、多層膜中の少なくとも２層以上の磁性層が互いに強磁性結合した（磁性層２１０／非磁性層２２０）×Ｎ／磁性層２１００（Ｎ＝１あるいはそれ以上）からなる多層膜を有する。つまり、第１ピン層２００は、磁性層２１０と非磁性層２２０とが交互に積層され、非磁性層２２０を介して少なくとも２層以上の磁性層２１０同士が強磁性結合した構造を有する。そして、これら少なくとも２層以上の磁性層２１０の磁化Ｍ１は、所定の方向に固着されている。
まず、本実施形態の磁性体素子１０における記録メカニズムについて説明する。
本実施形態においては、電極１００、９００の間に電流Ｉ１またはＩ２を流すことにより第１ピン層２００の磁化Ｍをフリー層４００の磁化Ｍ２に作用させて、フリー層４００の磁化Ｍ２の方向を制御する。具体的には、フリー層４００の磁化Ｍ２を反転させるために必要な反転電流Ｉｃ以上の書き込み電流Ｉｗを流し、その流れる向き（極性）を変えることでフリー層４００の磁化Ｍ２の向きを変える。記録の場合には、フリー層４００の磁化Ｍ２の向きに応じて、例えば「０」と「１」とを割り当てることができる。
図２は、図１に表した磁性体素子における記録のメカニズムを説明するための模式断面図である。
図２（ａ）に表したように、第１ピン層２００からフリー層４００に向けて電子が流れる場合には、フリー層４００の磁化Ｍの方向は、第１中間層３００に接した第１ピン層表面の磁化方向と同一方向となる。すなわち、磁化Ｍ１を有する磁性層２１０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、これがフリー層４００へ流れると、このスピンのもつ角運動量がフリー層４００Ａへ伝達され、磁化Ｍ２に作用する。その結果として、フリー層４００の磁化Ｍ２が、第１ピン層２００の磁化Ｍ１と同一方向となる。
一方、図２（ｂ）に表したように、フリー層４００から第１ピン層２００に向けて電子電流を流すとフリー層の磁化Ｍ２の方向は、第１中間層３００に接した第１ピン層２００の磁化Ｍ１の方向と反平行となる。これは、フリー層４００を通過するスピン電子のうちで、第１ピン層の磁化Ｍ１と同方向のものは第１ピン層２００を通過するが、磁化Ｍ１と反平行のスピンを有する電子は、第１ピン層２００と中間層３００との界面において反射されて、もう一度フリー層４００の磁化Ｍ２に作用するからである。
そして、本発明によれば、ピン層２００を強磁性結合した多層膜で構成することにより、小さな電流でフリー層４００の磁化Ｍ２を反転させることが可能となる。
すなわち、図２（ａ）に表したように、第１ピン層２００からフリー層４００に向けて電子を流した場合、ピン層２００を構成する複数の磁性層２１０を透過するごとに電子電流のスピン偏極度が上がるため、フリー層４００への作用が大きくなる。その結果として、ピン層を単一の磁性層により形成した場合と比べて反転電流を小さくできる。
また逆に、図２（ｂ）に表したように、フリー層４００から第１ピン層２００に向けて電子を流した場合（極性が逆の場合）、磁化Ｍ１と逆向きのスピンを有する電子は、第１ピン層内の多層膜の一層目、二層目、…の磁性層２００でスピン依存反射され、その結果、フリー層４００に対してより高効率で作用することとなり、反転電流を低減できる。
一方、本発明においては、第２ピン層６００の磁化Ｍ３を第１ピン層の磁化Ｍ１とは逆向きにすることにより、さらに効率的な書き込みが可能となる。
図３は、第２ピン層６００の磁化の作用を説明するための模式図である。同図については、図１及び図２に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
図３（ａ）に表したように、第２ピン層の磁化Ｍ３が第１ピン層の磁化Ｍ１と反対向きに固着されている場合、第１ピン層２００からフリー層４００に向けて電子電流を流すと、磁化Ｍ１の方向にスピン偏極した電子が中間層５００と第２ピン層６００との界面で反射され、再びフリー層４００に作用する。従って、スピン偏極電子によるフリー層４００への作用が倍増し、書き込み効率をさらに上げることができる。
一方、図３（ｂ）に表したように、第２ピン層６００からフリー層４００に向けて電子電流を流した場合には、第２ピン層の磁化Ｍ３によって電子のスピン偏極が促進され、フリー層４００に作用する。このため、やはり書き込み効率を上げることができる。
以上、図２及び図３を参照しつつ説明したフリー層４００への「書き込み」のメカニズムは、磁化Ｍ１、Ｍ２が膜面に対して垂直な方向に制御された磁性体素子においても同様である。
図４は、本実施形態の磁性体素子における「書き込み」のメカニズムを説明するための模式断面図である。同図については、図１乃至図３に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
図４（ａ）及び（ｂ）に表したように、磁化Ｍ１、Ｍ２の方向が膜面に対して垂直とされた場合にも、電流の向きに応じて、それぞれスピン偏極させた電子をフリー層４００に作用させ、その磁化Ｍ２を所定の方向に反転させることができる。そして、この場合も、第１ピン層２００に複数の磁性層２１０を設けることにより、書き込み電流にスピン偏極度を高めて、より小さい電流でフリー層の磁化Ｍ２を反転させることが可能となる。
またさらに、このように膜面に対して垂直方向に磁化されている場合も、第２フリー層６００の磁化を利用してさらに効率的な書き込みが可能となる。
図５は、第２ピン層６００の磁化の作用を説明するための模式図である。同図については、図１乃至図４に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
図５（ａ）に表したように、第２ピン層の磁化Ｍ３が第１ピン層の磁化Ｍ１と反対向きに固着されている場合、第１ピン層２００からフリー層４００に向けて電子電流を流すと、磁化Ｍ１の方向にスピン偏極した電子が中間層５００と第２ピン層６００との界面で反射され、再びフリー層４００に作用する。従って、スピン偏極電子によるフリー層４００への作用が倍増し、書き込み効率をさらに上げることができる。
一方、図５（ｂ）に表したように、第２ピン層６００からフリー層４００に向けて電子電流を流した場合には、第２ピン層の磁化Ｍ３によって電子のスピン偏極が促進され、フリー層４００に作用する。このため、やはり書き込み効率を上げることができる。
次に、本実施形態の磁性体素子１０における再生メカニズムについて説明する。本実施形態の磁性体素子において、フリー層４００の磁化Ｍ２の方向の検出は、各層の磁化の相対的な向きにより電気抵抗が変わる「磁気抵抗効果」を利用して行うことができる。
図６は、本実施形態の磁性体素子の読み出し方法を説明するための概念図である。すなわち、磁気抵抗効果を利用する場合、第１ピン層２００及び第２ピン層６００のいずれかとフリー層４００との間でセンス電流Ｉを流し、磁気抵抗を測定すればよい。図６においては、第２ピン層６００とフリー層４００との間で磁気抵抗を測定する場合を例示したが、これとは逆に、第１ピン層２００とフリー層４００との間で磁気抵抗を測定してもよい。
図７は、磁化の相対的な向きによる磁気抵抗の変化を説明するための概念図である。すなわち、同図（ａ）に表したように、フリー層４００の磁化Ｍ２と、第２ピン層６００（第１ピン層２００でもよい）の磁化Ｍ３とが同一の方向の場合、これらにセンス電流Ｉを流して検出される磁気抵抗は、相対的に小さな値となる。
一方、図７（ｂ）に表したように、フリー層４００の磁化Ｍ２と、第２ピン層６００の磁化Ｍ３とが反平行の場合、これらにセンス電流Ｉを流して検出される磁気抵抗は、相対的に大きな値となる。これら抵抗が互いに異なる状態に、それぞれ「０」と「１」を対応づけることにより、２値データの記録読み出しが可能となる。
一方、磁性体素子１０の両端の電極１００、９００を介してセンス電流を流すことにより磁気抵抗を検出する方法もある。すなわち、第１ピン層２００と第２ピン層６００との間でセンス電流を流すことにより磁気抵抗を検出する。しかし、本発明においては、図３及び図５に関して前述したように、これらピン層２００、６００の磁化Ｍ１、Ｍ３は、反平行とすることが望ましい。このため、「対称構造」すなわち第１ピン層２００、第２ピン層６００のスピン依存散乱の大きさが同一であると、あるいは、第１ピン層２００、第２ピン層６００からフリー層４００に作用する電子のスピン偏極度が同一であると、フリー層４００の磁化Ｍ２がどちらの方向にある場合も、検出される磁気抵抗は、同一になってしまう。そこで、「非対称構造」を採用する必要がある。
これに対して、本実施形態においては、第１ピン層２００を磁性層２１０と非磁性層２２０との積層構造とし、一方、第２ピン層は、これとは異なる構造とすることにより「非対称構造」を容易に実現できる。例えば、第２ピン層６００を単一の磁性体層としたり、または、第１ピン層２００とは異なる構造の多層膜とすればよい。
図８は、第１ピン層と第２ピン層の構造を異なるものとした具体例を表す模式断面図である。
第１ピン層２００と第２ピン層６００の厚みや材料などを互いに異ならせることにより、磁化Ｍ１、Ｍ３の大きさを変えることができる。図８に模式的に表したように、第２ピン層６００を第１ピン層２００の実効的な厚みよりも厚く形成することにより、第２ピン層６００によるスピン依存バルク散乱の寄与を第１ピン層２００のそれよりも大きくすることができる。このようにすれば、電極１００、９００を介してセンス電流Ｉを流して「読み出し」を行う場合に、フリー層４００の磁化Ｍ２の方向に応じて、検出される磁気抵抗が異なる。
なお、図８に表したように第１ピン層２００と第２ピン層６００の厚みを変える代わりに、それらの材料を変えることにより、これらピン層２００、６００によるスピン依存散乱の大きさを変えてもよい。
図９は、非対称構造の第２の具体例を表す模式断面図である。
すなわち、本具体例の場合、第１及び第２中間層３００、５００の厚みが異なる。例えば、中間層５００は磁気抵抗効果が検出されやすい厚さにし、もう一方の中間層３００は磁気抵抗効果が検出されにくい厚さにする。この場合、中間層５００の厚みの範囲としては０．２ｎｍから１０ｎｍの範囲、中間層３００の厚みの範囲としては３ｎｍから５０ｎｍの範囲とするとよい。
このようにすれば、中間層５００を挟んだ第２ピン層６００とフリー層４００との間の磁気抵抗効果を主に検出することができ、フリー層４００の磁化Ｍ２を検出することが容易となる。
また、中間層３００、５００の電気抵抗を異なるものとしてもよい。このためには中間層３００、５００の材料や組成を互いに異なるものとしたり、いずれか一方の中間層に添加元素を加えるなどの方法が有効である。この場合、抵抗が高い中間層を介した磁気抵抗効果のほうが明瞭に観測される。
また一方、例えば、中間層５００を絶縁性の材料からなるトンネルバリア層とすれば、いわゆるＴＭＲ（tunneling magnetoresistance effect）による大きな磁気抵抗効果が得られる。つまり、この場合には、フリー層４００と第２ピン層６００との間でのＴＭＲ効果によりフリー層４００の磁化Ｍ２を検出することが容易となる。
図１０は、非対称構造の第３の具体例を表す模式断面図である。
すなわち、本具体例の場合、５００に中間物質層ＩＥが挿入されている。この中間物質層ＩＥは、磁気抵抗効果の増大を起こすためのものである。中間物質層ＩＥとしては、例えば、不連続な絶縁性の薄膜を挙げることができる。すなわち、ピンホールなどを有する絶縁性の薄膜を中間層に挿入することにより、磁気抵抗効果を増大させることが可能となる。
このような不連続な絶縁性の薄膜としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）と銅（Ｃｕ）の合金の酸化物または窒化物、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の合金の酸化物または窒化物、アルミニウム（Ａｌ）と銅（Ｃｕ）の合金の酸化物または窒化物などを挙げることができる。
これら合金の酸化物や窒化物などの化合物は、加熱等によって平衡状態へ近づけることで相分離し、ＡｕやＣｕ等の化合物化（酸化や窒化など）されにくく従って低電気抵抗の相と、ＮｉやＡｌ等の酸化等がされやすく電気抵抗が高い化合物相とに分離する。このため、組成および温度あるいは印加エネルギーを制御することにより、ピンホールが存在する不連続な絶縁性薄膜を形成することができる。このように非磁性体が充填されたピンホールを形成すると、電流が流れる経路を狭窄することができ、スピン依存界面散乱とバルク散乱の寄与を制御することができ、大きな磁気抵抗効果が得られる。
このような中間物質層ＩＥを中間層３００、５００のいずれかに挿入することにより、その両側のピン層とフリー層４００との間の磁気抵抗効果が増大されて検出が容易となる。
図１１は、非対称構造の第４の具体例を表す模式断面図である。
すなわち、本具体例の場合、中間層５００は、ピンホールＰＨを有する絶縁層とされている。ピンホールＰＨは、その両側のピン層６００およびフリー層４００の少なくともいずれかの材料により埋め込まれている。
このように、第２ピン層６００とフリー層４００とがピンホールＰＨを介して接続されていると、いわゆる「磁性ポイントコンタクト」による「ＢＭＲ効果（ballistic magnetoresistance effect）」が発現し、極めて大きい磁気抵抗効果が得られる。従って、このピンホールＰＨを介した両側の磁性層の間での磁気抵抗効果を検出することにより、フリー層４００の磁化Ｍ２の方向を容易に判定することができる。
ここで、ピンホールＰＨの開口径は、概ね２０ｎｍ以下であることが望ましい。また、ピンホールＰＨの形状は、円錐状、円柱状、球状、多角錘状、多角柱状などの各種の形状を取りうる。また、ピンホールＰＨの数は、１個でも複数でもよい。但し、少ない方が望ましい。
以上、図８乃至図１１を参照しつつ、磁気抵抗効果によりフリー層４００の磁化Ｍ２の方向を容易に読み出すための非対称構造の具体例について説明した。これらの非対称構造は、図３及び図５に例示した垂直磁化型の磁性体素子についても同様に適用して同様の作用が得られる。
また、図１乃至図１１には、第１ピン層２００を構成する磁性層２１０が２層である場合を例示したが、本発明はこれには限定されない。すなわち、図１２に例示した如く、第１ピン層２００が３層の磁性層２１０を有するものとしてもよいし、または４層以上の磁性層２１０を有するものとしてもよい。
ただし、いずれの場合も、複数の磁性層２１０のうちの少なくとも２層以上は、強磁性結合していることが望ましい。つまり、本実施形態においては、第１ピン２００を構成する複数の磁性層２１０の間の強磁性結合の強さは、書き込み電流Ｉに対しても強磁性結合を維持できるだけ強いことが望ましい。強磁性結合が弱い場合には、第１ピン層２００の多層膜内部でのスピン依存反射により、一部の磁性層２１０の磁化Ｍ１が反転したり、あるいは磁化の分布の乱れが生ずるおそれがある。従って、書き込み電流Ｉが流れた場合にも、それぞれの磁性層２１０の磁化Ｍ１が反転しないように、これら磁性層２１０が強磁性結合していることが望ましい。
このような磁性結合を実現するためには、第１ピン層２００の多層膜内の非磁性層２２０が、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、あるいはそれらを含む合金のいずれかからなり、その非磁性層２２０の厚さが２ｎｍ以下であることが望ましい。このようにすると、多層膜を構成する磁性層２１０は、層間で交換結合し、あるいは非磁性層２２０のピンホール等を通して直接的に交換結合し、強く結合した強磁性結合が実現できる。
図１３は、磁性層２１０の層間の交換相互作用と、非磁性層２２０の膜厚との関係を表すグラフ図である。第１ピン層２００を構成する多層膜の界面がシャープ（急峻）な場合には、隣接する磁性層２１０の間に働く層間交換相互作用は、非磁性層２２０の厚さに対して正負に振動しながら減衰する。このため、強磁性結合に好適な膜厚領域は振動型に現れるが、前述した非磁性層の場合にはそれらの膜厚はおおむね２ｎｍ以下の範囲にある。
一方、成膜時のスパッタイオンエネルギーが大きいなどの理由から、界面のミキシング（合金化）が大きい場合には、図１３に例示したような顕著な振動はみられず、おおむね２ｎｍ以下で強く強磁性結合する。この場合の結合の強さは、非磁性層が薄いほど大きく好ましい。ピンホール等を通して直接的に交換結合した磁性層は、交換相互作用の強さは局所的に磁性体内部と同様となり、十分な強さを供する。
発明者のモデル計算によれば、面積Ａの磁性体素子に流す書き込み電流をＩｗとした場合、磁性層２１０の層間の強磁性結合の強さＪは、電流密度Ｉｗ／Ａ、多層膜内の構成磁性層単層の厚さと磁化をそれぞれｔとＭｓとし、プランク定数をｈ、電流のスピン非対称性をＰ、電荷をｅ、ギルバートダンピング定数をαとすると、次式を満たすことが好ましいことが判明した。

Ｊ＞（ｈＰ／２ｅα）×（Ｉｗ／Ａ）−ｔπＭｓ２

このような場合に、書き込み電流Ｉｗでも良好な強磁性結合を維持できる。
なお、図１乃至図１２に例示した磁性体素子の構造において、第１ピン層２００は、磁性層２１０の磁化Ｍ１の固着のために、図示しない反強磁性層を有するものとしてもよい。また、図１乃至図１２においては、一対の電極１００、９００間の各層の横方向のサイズは同一に表されているが、これらは必ずしも一致している必要はない。特に、第２ピン層６００が単一の磁性層からなる場合には、その層の横方向のサイズを素子サイズよりも相当に大きくしてフリー層４００へのピン層６００の磁極の影響が無いようにすることで、漏れ磁場の影響を小さくでき、フリー層４００の磁化反転の動作を妨げないようにすることができる。
図１４は、反強磁性結合により磁化を固着させた具体例を表す模式図である。すなわち、第１ピン層２００において、反強磁性層２３０が設けられ、これに隣接して設けられた強磁性体からなる磁性層２４０の磁化が固着される。そして、この磁性層２４０と積層膜とを、Ｒｕ（ルテニウム）等の非磁性層２５０を介して反強磁性結合させる。このような構造にすると、磁化方向がキャンセルされるので、第１ピン層６００からの漏れ磁場を低減でき、フリー層４００への磁界の影響を低減させることができ、フリー層４００への書込み制御性を向上させることができる。また、第２ピン層６００において、反強磁性層６２０が設けられ、これに隣接して設けられた強磁性体からなる磁性層６１００の磁化が固着される。
図１５は、第1ピン層の磁性層を強磁性結合させて、さらにこの多層膜に接するように反強磁性層を設け、第２ピン層６００にも反強磁性結合させた構造を設けた具体例を表す模式図である。
すなわち、第２ピン層６００において、反強磁性層６３０を設け、これに隣接して設けられた強磁性体からなる磁性層６４０の磁化を固着する。そして、この磁性層６４０と磁性層６１０とを、Ｒｕ（ルテニウム）等の非磁性層６５０を介して反強磁性結合させる。この場合も、図１４の具体例と同様に、第２ピン層６００の磁化がキャンセルされるので第２ピン層６００からの漏れ磁場を低減でき、やはりフリー層４００への磁界の影響を低減させることができ、フリー層４００への書込み制御性を向上させることができる。
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態として、フリー層４００を多層化した磁性体素子について説明する。
図１６は、本発明の第２の実施の形態にかかる磁性体素子の基本的な断面構造を例示する模式図である。同図については、図１乃至図１５に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態においては、フリー層４００は、強磁性結合した（磁性層４１０／非磁性層４２０）×Ｎ／磁性層４１０（Ｎ＝１あるいはそれ以上）からなる多層膜で構成された構造を有する。つまり、フリー層４００は、磁性層４１０と非磁性層４２０とが交互に積層され、非磁性層４２０を介して磁性層４１０同士が強磁性結合した構造を有する。
第１の実施の形態と同様に、電流を電極１００、９００間に流すことで第１ピン層２００の磁化Ｍ１の影響をフリー層４００の磁化Ｍ２に作用させ、フリー層４００の磁化Ｍ２の方向を制御することができる。
本実施形態によれば、フリー層４００を強磁性結合した多層膜で構成することによって、スピン偏極電流による書き込みをより効率的に実施することができる。すなわち、第１ピン層２００からフリー層４００に向けて電子を流した場合には、ピン層２００からのスピン偏極電子の作用面を複数にすることができ、スピン偏極電子の作用を増強できフリー層４００の磁化Ｍ２の反転効率を上げることができる。このため、書き込み電流の低電流化が可能となる。
一方、フリー層４００から第１ピン層２００に向けて電子を流した場合（極性が逆の場合）には、フリー層４００からの電子のスピン偏極度はフィルター効果により増加するので、やはり高効率に反転でき、磁化反転電流を低減できる。
第２の実施の形態の場合には、フリー層４００を構成する磁性層４１０同士の磁気結合の強さは、再生の際に流すセンス電流によっても強磁性結合を維持できるだけ十分に強いことか望ましい。磁気結合が弱い場合には、フリー層４００内部でのスピン依存反射により、再生時に、一部の磁性層４１０の磁化Ｍ２が反転したり、あるいは磁化Ｍ２の乱れが生じるおそれがある。
磁気結合を維持させるためには、非磁性層４２０が、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、あるいはそれらを含む合金のいずれかからなることが望ましい。また、面積Ａの磁性体素子に流すセンス電流をＩｓとした場合、磁性層４１０の層間の強磁性結合の強さＪは、電流密度Ｉｓ／Ａ、多層膜内の構成磁性層４１０の単層の厚さと磁化をそれぞれｔとＭｓとすると、次式を満たすことが好ましい。

Ｊ＞（ｈＰ／２ｅα）×（Ｉｓ／Ａ）−ｔπＭｓ２

ここでｈはプランク定数、Ｐは電流のスピン非対称性、ｅは電荷、αはギルバートダンピング定数とする。
このような場合に、センスＩｓを流しても良好なフリー層４００における強磁性結合を維持できる。
また、本実施形態においても、図１４及び図１５に表したように、第１ピン層２００、第２ピン層６００において、Ｒｕ（ルテニウム）等の非磁性層を介して反強磁性結合した磁性層を反強磁性層と多層膜との間に設けてもよい。その効果は、図１４及び図１５に関して前述したとおりである。また、第1ピン層２００あるいは第２ピン層６００は、磁性層２１０の磁化の固着あるいは、磁性層６１０の磁化の固着のため、反強磁性層を有するものとしてよい。
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態として、第１ピン層２００とフリー層４００とをそれぞれ多層化した磁性体素子について説明する。
図１７は、本発明の第３の実施の形態にかかる磁性体素子の基本的な断面構造を例示する模式図である。同図についても、図１乃至図１６に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態においては、第１ピン層２００とフリー層４００が、それぞれ、強磁性結合した（磁性層／非磁性層）×Ｎ／磁性層（Ｎ＝１あるいはそれ以上）からなる多層膜で構成された構造を有する。つまり、第１ピン層２００は、磁性層２１０と非磁性層２２０とが交互に積層され、非磁性層２２０を介して、複数の磁性層２１０のうちの少なくとも２層以上が強磁性結合した構造を有する。同様に、フリー層４００も、磁性層４１０と非磁性層４２０とが交互に積層され、非磁性層４２０を介して磁性層４１０同士が強磁性結合した構造を有する。
本実施形態の磁性体素子は、第１および第２の実施の形態の特徴を組み合わせたものであり、各実施形態に関して前述した作用効果が併せ得られる。
また、本実施形態においても、図１４及び図１５に表したように、第１ピン層２００、第２ピン層６００において、Ｒｕ（ルテニウム）等の非磁性層を介して反強磁性結合した磁性層を反強磁性層と多層膜との間に設けてもよい。その効果は、図１４及び図１５に関して前述したとおりである。
以上、本発明の第１乃至第３の実施の形態として説明したように、本発明によれば、小さな電流でフリー層４００の磁化Ｍ２の反転が可能となり、消費電力の低減や素子の破壊防止などの効果が得られる。このため、以下に実施例として説明するように、本発明の記録再生素子は、固体磁気メモリ、プローブストレージ用セルなどに適応して好適である。
次に、以上第１乃至第３の実施の形態として説明した本発明の磁性体素子を構成する各要素について詳述する。
まず、第１及び第２ピン層２００、６００やフリー層４００の単層材料、あるいは多層化のための磁性層（２１０、４１０など）の材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、または、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、「パーマロイ」と呼ばれるＮｉＦｅ系合金、あるいはＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料、ホイスラー合金、磁性半導体、ＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１―ＸＳｒＸＭｎＯ３などのハーフメタル磁性体酸化物（あるいはハーフメタル磁性体窒化物）のいずれかを用いることができる。
ここで「磁性半導体」としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかの磁性元素と、化合物半導体または酸化物半導体とからなるものを用いることができ、具体的には、例えば、（Ｇａ、Ｃｒ）Ｎ、（Ｇａ、Ｍｎ）Ｎ、ＭｎＡｓ、ＣｒＡｓ、（Ｇａ、Ｃｒ）Ａｓ、ＺｎＯ：Ｆｅ、（Ｍｇ、Ｆｅ）Ｏなどを挙げることができる。
本発明においては、ピン層２００、６００、フリー層４００の材料としては、これらのうちから用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。
また、これら磁性層に用いる材料としては、連続的な磁性体でもよく、あるいは非磁性マトリクス中に磁性体からなる微粒子が析出あるいは形成されてなる複合体構造を用いることもできる。
またさらに、フリー層４００の材料として、［（ＣｏあるいはＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅあるいはＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金あるいはＮｉ）］からなる２層構造、あるいは［（ＣｏあるいはＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅあるいはＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金あるいはＮｉ）／（ＣｏあるいはＣｏＦｅ合金）］からなる３層構造を用いると、界面のスピン偏極度を低下させずに実効的な磁化を低減できるので、系の磁気エネルギーを低減でき、より小さな電流で磁化反転することができる。これらの磁性多層構造からなる磁性層の場合、外側のＣｏあるいはＣｏＦｅ合金の厚さは０．２ｎｍから１ｎｍの範囲であることが好ましい。この構造によれば、より小さな電流で磁化反転を得ることができる。
ピン層２００、６００を構成する磁性層のトータル厚さは０．４ｎｍ〜６０ｎｍの範囲内とすることが好ましく、フリー層４００を構成する磁性層のトータル厚さは、０．４ｎｍ〜６０ｎｍの範囲内とすることが好ましい。それらの多層膜を構成する磁性層の厚さは０．２ｎｍから１０ｎｍの範囲であることが好ましい。
ピン層２００あるいはフリー層４００を強磁性結合した多層膜化する際の、代表的な、非磁性層と磁性層材料の組み合わせとしては、ｆｃｃ（face centered cubic）構造を有するＣｏＦｅとＣｕとの組合せである、ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ、あるいはｂｃｃ（body centered cubic）構造を有するＣｏＦｅ（Ｃｏ０．５Ｆｅ０．５等）とＣｕとの組合せ、ｂｃｃ−Ｆｅ／ｆｃｃ−Ａｕ，ｂｃｃ−Ｆｅ／ｆｃｃ−Ａｇ等が挙げられる。
第１中間層３００および第２中間層５００の材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物あるいは窒化物、フッ化物からなる絶縁体や、これら絶縁体にピンホールが形成され、そこに磁性層が進入したバリスティックＭＲ用材料を用いることができる。
特に、反転効率を上げるためには、第１中間層３００の材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金などの導電性金属が好ましい。第１中間層３００の厚さは１ｎｍから６０ｎｍであれば、磁化反転の効果を得ることができる。
また特に、第２中間層５００の材料として、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物あるいは窒化物、フッ化物からなる絶縁体や、これら絶縁体にピンホールが形成され、そこに磁性層が進入したバリスティックＭＲ用材料を用いると、大きな再生出力を得ることができる。この点については、図１０及び図１１に関して前述した通りである。前者のトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）用絶縁体の場合、その厚さは０．４ｎｍから２ｎｍが信号再生の上で好ましい。後者のバリスティックＭＲ用材料の場合、中間層５００の厚さは０．４ｎｍから４０ｎｍの範囲とすることが好ましい。
一方、ピン層２００、６００の磁化Ｍ１、Ｍ３を固着するための反強磁性材料としては、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）、白金マンガン（ＰｔＭｎ）、パラジウム・マンガン（ＰｄＭｎ）、パラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）などを用いることができる。
一方、本発明の磁性体素子の平面形状としては、フリー層４００の平面形状が、たて横比で１：１から１：５の範囲にあるような長方形、縦長（横長）６角形、楕円形、菱型、平行四辺形があることが好ましく、いわゆる「エッジドメイン」が形成されにくく、一軸性の形状磁気異方性を生じやすい形状であることが望ましい。また、そのようなフリー層４００の寸法は、長手方向の一辺が５ｎｍから１０００ｎｍ程度の範囲内とすることが望ましい。
なお、図１乃至図１７においては、２つの電極１００、９００の間のピン層２００、６００、フリー層４００、中間層３００、５００の横方向サイズを同一として表しているが、これらは必ずしも一致している必要はない。すなわち、配線の接続のため、あるいは磁化方向の制御のために、あるいは素子作製を容易とするために、磁性体素子の各層の幅が互いに異なるように、あるいは傾斜を持つように形成してもよい。特に、ピン層６００が単一の磁性層からなる場合、その磁性層の横方向サイズを素子サイズよりも相当に大きくすることで、フリー層４００へのピン層６００からの漏れ磁場の影響を小さくすることができ、フリー層４００の反転挙動を妨げない利点が得られる。
なお本発明の磁性体素子においては、フリー層４００の磁化容易軸方向は、ピン層２００、６００における磁気異方性（一方向異方性を含む）の向きに対して略平行あるいは略反平行であることが望ましい。
なお、図１から図１７に表されている磁性体素子の積層順序は図示したものには限定されず、上下反転した構造でも良い。
以下、実施例を参照しつつ、本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
まず、本発明の第１の実施例として、界面ミキシングが少なくシャープな界面が得られる成膜装置を用いて、第１中間層３００をＣｕ、第２中間層５００をアルミナとした積層構造を作製して、素子化し、第１中間層３００を介した電流注入による書込みと、第２中間層５００を介したトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）による再生を行った例について説明する。
まず最初に、磁性層２１０間の強磁性結合が得られるように非磁性層２２０の厚さを決定するために、ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅなる３層のサンドイッチ構造の膜を作製し、ＣｏＦｅ層間の交換相互作用のＣｕ層の層厚に対する依存を調べた。
図１８は、ＣｏＦｅ層の間の交換相互作用とＣｕ層の厚みとの関係を表すグラフ図である。この結果は、ヒステリシス曲線の飽和磁場から反強磁性結合のカップリング強さを求め、強磁性結合のカップリングはＣｕ層の厚みに対する振動型曲線にフィッティングすることで求めた。図１８に表したように、Ｃｕ層の膜厚として使用できる範囲は、測定した範囲では≦０．５ｎｍあるいは１．３−１．７ｎｍであることが明らかとなった。そこで、本実施例においては、Ｃｕ層の厚みとして０．４ｎｍを選定した。
本実施例の素子作製のプロセスは以下の如くである。すなわち、超高真空スパッタ装置を用いて、ウェーハ上にＴａとＣｕからなる下電極膜を形成したのち、以下の積層構造の膜を作製した。

（サンプル１）
[PtMn20nm/CoFe5nm/Ru1nm/CoFe2nm]/Al2O31nm/[CoFe1nm/Cu0.4nm/CoFe1nm]/Cu6nm/[CoFe3nm/Cu0.4nm/CoFe3nm/Ru1nm/CoFe3nm/PtMn20nm]

（サンプル２）
[PtMn20nm/CoFe5nm/Ru1nm/CoFe2nm]/Al2O31nm/[CoFe2.4nm]/Cu6nm/[CoFe7.8nm/Ru1nm/CoFe3nm/PtMn20nm]

（サンプル３）
[PtMn20nm/CoFe5nm/Ru1nm/CoFe2nm]/Al2O31nm/[CoFe1nm/Cu1.8nm/CoFe1nm]/Cu6nm/[CoFe3nm/Cu1.8nm/CoFe3nm/Ru1nm/CoFe3nm/PtMn20nm]

ここでサンプル１は、本実施例の素子であり、サンプル２は、比較のための強磁性結合した層を含まないものであり、サンプル３は、同様に比較のための強磁性結合が弱いサンプルである。これらの膜の上には、さらにＣｕとＴａからなる膜を形成した。このウェーハを磁場中真空炉にて、２７０℃で１０時間磁場中アニールして、一方向異方性を付与した。この膜に対し、ＥＢ（electron beam）レジストを塗布してＥＢ露光したのち、所望の形状のマスク（ここでは、サイズ６０ｎｍ×１２０ｎｍで、長手方向が一方向異方性と平行方向のものとした）を形成した。
次に、イオンミリング装置によりマスクに被覆されない領域をアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）層までエッチングした。ここで、エッチング量のモニタは、スパッタされた粒子を作動排気による四重極分析器に導入して質量分析することで、正確にモニタすることができる。エッチング後、マスクを剥離し、さらにＳｉＯ２を成膜し、表面をイオンミリングにより平滑化し、Ｔａ面の頭だしを行なった。このＴａ面に対し、上部電極を形成した。
図１９は、サンプル１の断面構造を表す模式図である。
また、図２０は、サンプル１についての磁気抵抗効果の測定結果および抵抗の電流依存性を表すグラフ図である。
ここで観察される抵抗変化は、高抵抗層であるアルミナを介したトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）である。電流スキャン時の抵抗変化（図２０（ｂ））は磁気抵抗効果時の抵抗変化（図２０（ａ））と同じであり、臨界電流Ｉｃ以上でフリー層４００の磁化反転が起こり、記録ができていることが分かる。サンプル１の臨界電流Ｉｃは、プラスマイナス０．１６ｍＡであり、従って、電流密度としては２．２×１０６ Ａ／ｃｍ２で磁化反転した。
一方、サンプル２については、中間層５００のトンネル接合部分がブレークダウンするまでの電流範囲では磁化反転が見られなかった。また、サンプル３については、ブレークダウンする約半分の電流にて抵抗の若干の変化が見られ、アルミナ層５００に接した多層膜の一部分が反転していることが示唆されたが、ブレークダウンするまでの電流範囲で良好なヒステリシスは得られなかった。
以上の結果から、第１ピン層２００およびフリー層４００を強く結合した強磁性結合とすることで、低い反転電流が得られていることがわかる。
次に、本発明の第２の実施例として、ミキシングの強い成膜装置を用いて薄膜の作製を行った実施例について説明する。
すなわち、実施例１と同様のサンドイッチ膜を作製し、非磁性層２２０の厚依存性を求めた。ただし、磁性層２１０の一層には、ＰｔＭｎ層により一方向異方性を印加し、プラスの層間結合を求めやすく配慮した。
図２１は、ＣｏＦｅ層の間の交換相互作用とＣｕ層の厚みとの関係を表すグラフ図である。この結果から、非磁性層２２０の膜厚として１．９ｎｍを選定し、磁性層２１０と非磁性層２２０との多層膜を形成したものを第１ピン層６００として、図１に表したものと同様の層構造を有する素子を実施例１と同様のプロセスにより作製した。得られた磁性体素子について、電流スキャン時の抵抗変化を調べた。その結果、電流スキャンにおいて臨界反転電流にてシャープな抵抗変化を示し、磁性層２１０の多層膜は協同的に働いていることが確認できた。
次に、本発明の第３の実施例として、前述した実施例１のサンプル１と同様の構造を有し、ただしフリー層４００としては、膜厚２ｎｍのｂｃｃ組成のＣｏ０．５Ｆｅ０．５ の層内に膜厚０．１ｎｍのＣｕ層を挿入したものを作製した。この素子の臨界反転電流は、プラスマイナス０．１４ｍＡとなり、サンプル１よりもさらに低電流密度での反転が実現した。これは、ミキシングＣｕ層の存在によるｂｃｃ−ＣｏＦｅ内のバルク散乱効果の寄与と考えられる。
次に、本発明の第４の実施例として、前述した実施例１と同様のプロセスを用いて以下の積層構造を有する磁性体素子を作成した。

[PtMn20nm/CoFe5nm]/Al2O31nm/[CoFe1nm/Cu0.2nm/CoFe1nm]/Cu6nm/ [CoFe3nm/Cu0.4nm/CoFe3nm/Ru1nm/CoFe3nm/PtMn20nm]

ただし、図２２に模式的に表したように、微細素子を切り出すためのミリングの深さをアルミナの途中までで止めた断面形状を持つサンプルａと、ＰｔＭｎまで完全に切り落としたサンプルｂと、を作製した。
まず、磁気抵抗効果を調べたところ、サンプルａは図２０（ａ）に表した磁場スキャンと類似したヒステリシスを示したが、サンプルｂには強い静磁結合が現れ、アルミナ層５００を介した上下の磁性層が反平行に強くカップリングした。サンプルｂの電流スキャンの結果は、この静磁結合が強過ぎるため、ブレークダウンするまでの電流では完全な反転が見られず、良好な反転挙動が妨げられることが分かった。一方、サンプルａの場合、第２ピン層６００の磁極が無視できて静磁結合が表れず、プラスマイナス０．２ｍＡでフリー層４００の磁化の反転が起こった。
なお、図２２では素子側面がアルミナの途中まで垂直となっているが、実際に断面試料について透過電子顕微鏡観察を行ったところ、３０°〜６０°程度の傾斜がついていた。
次に、本発明の第５の実施例として、以上説明してきた本発明の磁性体素子を、磁気メモリに適応した具体例について説明する。
図２３及び図２４は、本発明の磁性体素子を用いた磁気メモリを例示する模式図である。
また、図２５は、本実施例の磁気メモリの等価回路図である。
ここでは磁性体素子（磁気セル）１０として、実施例１のサンプル１と同様のものを使用した。１素子に対して１トランジスタを配したアーキテクチャを有する。本素子は、直交するワード線ＷＬとビット線ＢＬとの間に形成することで、磁気メモリとして使用できる。並列配置された複数の磁性体素子のそれぞれは、ビット線ＢＬとワード線ＷＬとを指定することで選択が可能である。
磁性体素子１０への記録は、図２３に表したように、臨界反転電流Ｉｃ以上の書込み電流Ｉｗを流すことでなされる。フリー層４００に記録される磁化Ｍ２の方向は、電子が最初に第１ピン層２００を通過する場合（図２３（ｂ）「信号１書込み」に対応）には、第１ピン層２００の磁化Ｍ１と同じ方向である。
一方、電子の流れが逆の場合（図２３（ａ）「信号０書込み」に対応）には、第１ピン層２００の磁化Ｍ１と逆向きの磁化Ｍ２がフリー層４００に記録される。従って、電流の極性を反転させることで、「０」または「１」の書き込みを適宜行なうことができる。
再生は、図２４に表したように、臨界反転電流Ｉｃよりも小さな再生電流（センス電流）Ｉｓを流し、第２中間層５００を介した磁気抵抗効果を検出することにより行う。例えば、図２４（ａ）に表したように、信号「０」が書きこまれた場合には抵抗は低抵抗となり、同図２４（ｂ）に表したように、信号「１」が書きこまれた場合には抵抗は高抵抗となる。これを検出する（すなわち、抵抗を直接読み取る、あるいは電圧を読み取る、あるいは電流を読み取る）ことで、フリー層４００の磁化Ｍ２の状態を検知し、信号再生を行うことができる。トランジスタＴｒとの整合性を考慮すると、第２中間層５００にはアルミナなどの絶縁性の高い材料を用いることが望ましく、この場合にはトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）を検出することとなる。
なお、図２４においては、再生信号が低抵抗時に信号「０」を、高抵抗時に信号「１」をアサインした場合を表したが、その逆でもよいことは言うまでもない。
次に、本発明の第６の実施例として第６の実施例として、本発明の磁性体素子をクロスポイント型の磁気メモリに適応させた実施例について説明する。
図２６は、本実施例の磁気メモリの構造を例示する模式斜視図である。
すなわち、マトリクス状に配線されたワード線ＷＬとビット線ＢＬとの間に磁性体素子１０が設けられている。磁性体素子１０への書込みは、実施例５と同様に磁性体素子１０へ書込み電流Ｉｗを流し、その極性に応じて「０」，「１」信号を割り当てることにより実施できる。また、再生は、再生電流Ｉｓを流して、磁気抵抗効果を検出することで行うことができる。クロスポイント型磁気メモリは、最も高集積化が可能な構造のひとつである。
次に、本発明の第７の実施例として、プローブストレージ型の磁気メモリについて説明する。
図２７は、本発明の磁性体素子を用いた磁気メモリを表す模式図である。すなわち、本具体例は、本発明の磁性体素子を、いわゆる「パターンド（patterned）媒体」に適用し、これにプローブでアクセスする、プローブストレージである。
記録媒体は、導電性基板１１００の上において、高抵抗の絶縁体１０００の面内に、本発明の磁性体素子１０がマトリクス状に配置された構造を有する。これら磁性体素子の選択のために、媒体表面上にプローブ２０００が設けられ、プローブ２０００と媒体表面との相対的位置関係を制御するための駆動機構２１００、磁性体素子１０にプローブ２０００から電流または電圧を印加するための電源２２００、磁性体素子の内部磁化状態を電気抵抗の変化として検出するための検出回路２３００が設けられている。
図２７に表した具体例においては、駆動機構２１００はプローブ２０００に接続されているが、媒体とプローブとの相対位置が変化すればよいので、媒体側に設けてもよい。同図に表したように、本発明の磁性体素子１０を複数個、導電性基板１１００の上に配列させてパターンド媒体とし、導電性プローブ２０００と基板１１００との間に磁性体素子１０を介して電流を流すことによって、記録再生を行なう。
磁性体素子１０の選択は、導電性プローブ２０００とバターンド媒体との相対的位置関係を変えることで行なう。導電性プローブ２０００は、磁性体素子１０に対して電気的に接続されればよく、接触していても、非接触であってもよい。非接触の場合には、磁性体素子１０とプローブ２０００との間に流れるトンネル電流あるいは電界放射による電流を用いて記録再生を行なうことができる。
磁性体素子１０への記録は、磁性体素子にアクセスしたプローブ２０００から磁性体素子１０へ流れる電流、あるいは磁性体素子１０からプローブ２０００へ流れる電流により行われる。磁性体素子１０のサイズ、構造、組成等により決定されるフリー層４００の磁化Ｍ２の反転電流をＩｃとすると、Ｉｃよりも大きな書き込み電流Ｉｗを磁性体素子に流すことで記録が可能となる。その記録される磁化の方向は、図２乃至図５に関して前述したとおりである。このようにしてスピン偏極した電子電流をフリー層４００に流すことで、「０」または「１」の書き込みを適宜行なうことができる。
再生は、記録と同じく磁性体素子１０へアクセスしたプローブ２０００から流れる、あるいはプローブへ流れる電流によりなされる。ただし、再生時には、磁化反転電流Ｉｃよりも小さな再生電流Ｉｓを流す。そして、電圧あるいは抵抗を検出することで、磁性記録層Ａの記録状態を判定する。よって、本具体例の磁気メモリにおいては、Ｉｗ＞Ｉｓなる関係をもつ電流を流すことで記録再生が可能となる。
次に、本発明の第８の実施例として、実施例７のプローブをマルチ化したプローブのアレイ構造を有する磁気メモリについて説明する。
図２８は、本実施例の磁気メモリの構成を例示する模式図である。
すなわち、本発明の磁性体素子を実施例７の如く基板上に並べ、３２×３２のマトリックスを形成した。このマトリックスをさらに３２×３２個並べ、合計で１Ｍ（メガ）ビットの記録再生媒体を形成した。そして、この記録再生媒体に対して、３２個×３２個からなるプローブ２０００で記録再生を行う磁気メモリを製作した。すなわち、本実施例の磁気メモリにおいては、マトリックス１セットに対してプローブ１個を対応させた。
プロービングは、図２８に表した如くである。それぞれのプローブ２０００に対するセルの選択は、媒体に設けられたＸＹ駆動機構により行なった。ただし、位置関係が相対的に変化するならばプローブ２０００に設けられた駆動機構２１００でセル選択を行なってもよい。また、プローブ２０００がマルチ化されているため、各プローブはワード線ＷＬとビット線ＢＬに繋ぎ、ワード線ＷＬとビット線ＢＬを指定することで、プローブ２０００の選択を可能とした。
磁性体素子１０への記録再生は、磁性体素子にアクセスしたプローブ２０００から注入される電流により行った。再生時には、磁化反転電流Ｉｃよりも小さな再生電流Ｉｓを流す。そして、電圧あるいは抵抗を検出することで、フリー層４００の記録状態を判定し、それを「０」、「１」にアサインした。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁性体素子を構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、数、その他、電極、パッシベーション、絶縁構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、磁性体素子における反強磁性層、強磁性層、中間層、絶縁層などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよく、あるいは２以上の層を積層した構造としてもよい。
その他、本発明の実施の形態として上述した磁性体素子及び磁気メモリを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁性体素子及び磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。
本発明の第１の実施の形態にかかる磁性体素子の基本的な断面構造を例示する模式図である。 図１に表した磁性体素子における記録のメカニズムを説明するための模式断面図である。 第２ピン層６００の磁化の作用を説明するための模式図である。 本発明の実施形態の磁性体素子における「書き込み」のメカニズムを説明するための模式断面図である。 第２ピン層６００の磁化の作用を説明するための模式図である。 本発明の実施形態の磁性体素子の読み出し方法を説明するための概念図である。 磁化の相対的な向きによる磁気抵抗の変化を説明するための概念図である。 第１ピン層と第２ピン層の構造を異なるものとした具体例を表す模式断面図である。 非対称構造の第２の具体例を表す模式断面図である。 非対称構造の第３の具体例を表す模式断面図である。 非対称構造の第４の具体例を表す模式断面図である。 第１ピン層２００が３層の磁性層２１０を有する具体例を表す模式図である。 磁性層２１０の層間の交換相互作用と、非磁性層２２０の膜厚との関係を表すグラフ図である。 反強磁性結合により磁化を固着させた具体例を表す模式図である。 第２ピン層６００にも反強磁性結合させた構造を設けた具体例を表す模式図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる磁性体素子の基本的な断面構造を例示する模式図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる磁性体素子の基本的な断面構造を例示する模式図である。 ＣｏＦｅ層の間の交換相互作用とＣｕ層の厚みとの関係を表すグラフ図である。 サンプル１の断面構造を表す模式図である。 サンプル１についての磁気抵抗効果の測定結果および抵抗の電流依存性を表すグラフ図である。 ＣｏＦｅ層の間の交換相互作用とＣｕ層の厚みとの関係を表すグラフ図である。 本発明の第４の実施例としてのサンプルａを表す模式図である。 本発明の磁性体素子を用いた磁気メモリを例示する模式図である。 本発明の磁性体素子を用いた磁気メモリを例示する模式図である。 本発明の実施例の磁気メモリの等価回路図である。 本発明の実施例の磁気メモリの構造を例示する模式斜視図である。 本発明の磁性体素子を用いた磁気メモリを表す模式図である。 本発明の実施例の磁気メモリの構成を例示する模式図である。
符号の説明
１０ 磁性体素子
１００ 電極
２００ ピン層
２１０ 磁性層
２２０ 磁性層
２２０ 非磁性層
２３０ 反強磁性層
２４０ 磁性層
２５０ 非磁性層
３００ 中間層
４００ フリー層
４１０ 磁性層
４２０ 非磁性層
５００ 中間層
６００ ピン層
６１０ 磁性層
６３０ 反強磁性層
６４０ 磁性層
６５０ 非磁性層
１０００ 絶縁体
１１００ 基板
１１００ 導電性基板
２０００ プローブ
２１００ 駆動機構
２２００ 電源
２３００ 検出回路
ＰＨ ピンホール
Ｔｒ トランジスタ
ＷＬ ワード線
ＢＬ ビット線
Ｉｓ 再生電流（読み出し電流）
Ｉｃ 磁化反転電流
Ｉｗ 記録電流（書き込み電流）
Ｍ、Ｍ１、Ｍ２ 磁化

Claims (11)

  1. 磁性層と非磁性層とが交互に積層され前記磁性層のうち少なくとも1層の磁化が第１の方向に実質的に固定され且つ前記磁性層の２層以上の層が前記非磁性層を介して強磁性結合している第１の強磁性層と、
    磁化が第２の方向に実質的に固定された第２の強磁性層と、
    前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、
    前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
    前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
    を備え、
    前記第１及び第２の強磁性層の間で書き込み電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能としたことを特徴とする磁性体素子。
  2. 前記強磁性結合は、前記書き込み電流を流した時に前記磁性層の少なくともいずれかの磁化が反転しない強度を有することを特徴とする請求項１記載の磁性体素子。
  3. 前記強磁性結合の強度Ｊは、前記書き込み電流の電流密度をＩｗ／Ａ、前記磁性層の厚さをｔ、前記磁性層の磁化をＭｓ、プランク定数をｈ、電流のスピン非対称性をＰ、電荷をｅ、ギルバートダンピング定数をαとすると、次式
    Ｊ＞（ｈＰ／２ｅα）×（Ｉｗ／Ａ）−ｔπＭｓ２
    を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の磁性体素子。
  4. 前記非磁性層は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）及びこれらを含む合金よりなる群から選択されたいずれかにより形成され、厚みが２ナノメータ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁性体素子。
  5. 前記第３の強磁性層は、磁性層と非磁性層とが交互に積層されそれら磁性層は前記非磁性層を介して強磁性結合してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁性体素子。
  6. 磁化が第１の方向に実質的に固定された第１の強磁性層と、
    磁化が第２の方向に実質的に固定された第２の強磁性層と、
    前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁性層と非磁性層とが交互に積層されそれら磁性層は前記非磁性層を介して強磁性結合しており前記磁性層の磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、
    前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
    前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
    を備え、
    前記第１及び第２の強磁性層の間で書き込み電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の前記磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能としたことを特徴とする磁性体素子。
  7. 前記強磁性結合は、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間の磁気抵抗効果を検出するセンス電流を流した時に前記磁性層の少なくともいずれかの磁化が反転しない強度を有することを特徴とする請求項５または６に記載の磁性体素子。
  8. 前記第３の強磁性層における前記強磁性結合の強度Ｊは、前記センス電流の電流密度をＩｓ／Ａ、前記磁性層の厚さをｔ、前記磁性層の磁化をＭｓ、プランク定数をｈ、電流のスピン非対称性をＰ、電荷をｅ、ギルバートダンピング定数をαとすると、次式
    Ｊ＞（ｈＰ／２ｅα）×（Ｉｓ／Ａ）−ｔπＭｓ２
    を満たすことを特徴とする請求項７記載の磁性体素子。
  9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の複数の磁性体素子を絶縁体を間に介しつつマトリクス状に設けたメモリセルを備えたことを特徴とする磁気メモリ。
  10. 前記メモリセル上の前記磁性体素子のそれぞれに対して、プローブによりアクセス可能としたことを特徴とする請求項９記載の磁気メモリ。
  11. 前記メモリセル上の前記磁性体素子のそれぞれにワード線とビット線とが接続され、
    前記ワード線とビット線とを選択することにより、特定の磁性体素子に対して情報の記録または読み出しを可能とした請求項９記載の磁気メモリ。


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