JP2006086476A - 磁気記録素子および磁気記録装置 - Google Patents

磁気記録素子および磁気記録装置 Download PDF

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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気記録素子を提供する。
【解決手段】 磁気記録素子は、磁化方向が可変な層を有し、スピン偏極した電子を注入され、スピン偏極した電子の流れの向きに応じて磁化方向が変化し、磁化方向に応じた情報を記憶できる。磁気記録素子は、スピン分極した電子の作用により磁化方向が変化し、スピン分極率Ｐｆを有する自由層ＦＦを含む。固着層ＦＰは、磁化方向が固定され、且つスピン分極率Ｐｆより大きいスピン分極率Ｐｐを有する。中間層Ｓは、固着層と自由層との間に設けられ、非磁性材料から実質的になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気記録素子およびそれを用いた磁気記録装置に関し、例えば、スピン偏極した電子を流すことにより、磁性体の磁化方向を制御し、情報の記録を行うことが可能な磁気記録素子に関する。
近年における、広範囲かつ高度に情報化された社会を支え、また、牽引していく存在として、大容量、高速、耐久性、低コストといった様々な要求を満たす情報記録装置が使われており、さらにこれらの特長を向上させる技術が求められている。中でも、強磁性体の磁気モーメントを利用した磁気記録装置は、例えば、ハードディスクドライブとして、現在広く使われている他、最近では、高速性と不揮発性を合わせ持つ磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory：ＭＲＡＭ）としての利用も提案されている。
しかしながら、最近の高密度化の要求は、１ビットの情報を格納する単位セルとして１００ナノメートルから数１０ナノメートル、あるいはそれ以下の長さスケールに至り、情報の書き込み方式における技術的な壁が見え始めている。つまり、前記ハードディスクドライブやＭＲＡＭで用いられている電流磁界書き込み方式では、メモリセルのサイズを小さくするに従って、書き込みに必要な磁界を発生させるための電流量が増大する他、隣接セルへの誤作用（クロストーク）といった問題が避けられない。
最近、F. J. Albert et al., Appl. Phys. Lett., 77, 3809 (2000) （非特許文献１）などで、実証されつつある、電流直接駆動磁化反転現象は、前記の電流磁界書き込み方式の問題を解決できる新しい書き込み方式を提供するものとして期待されている。
この現象は、磁性体の磁化方向とは異なる方向にスピン偏極した伝導電子の流れが磁性体を通過する際に、伝導電子のスピン角運動量を、この磁性体の磁化に作用、伝達することで生じるトルクを使って磁化反転を起こすというものである。この現象を用いることにより、電流磁界による磁化反転と比べて、ナノスケールの磁性体に対して、より直接的な作用を及ぼすことが可能であり、セルサイズが小さくなるに従って書き込みに必要な電流量が減少するという利点もある。
しかしながら、現在のところ、電流直接駆動によって磁化を反転させるために必要な電流は、セルのサイズが１００ナノメートルから数１０ナノメートル程度の場合でも、１０ミリアンペアから数ミリアンペアと極めて大きいという問題がある。つまり、電流による素子破壊を防止し、発熱を防止し、さらに低消費電力化のためには、電流直接駆動による磁化反転の効率を高めること、すなわち、できるだけ小さな電流で磁化反転させることが必要である。
なお、屋上公二郎らによる「飽和磁化低減によるスピン注入反転の反転電流密度の低減」（非特許文献２）では、磁化反転に要する電流の低減について述べられている。
F. J. Albert et al.、Appl. phys. lett.、77、3809（2000） 屋上公二郎他、飽和磁化低減によるスピン注入反転の反転電流密度の低減、日本応用磁気学会誌、日本、２００４年、２８巻、第２号、p.149-152 P. M. Tedrow and R. Meservey、 Phys. Rep. 238、 173 (1994) R. J. Soulen et al.、 Science 282、 85 (1998)
本発明は、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気記録素子およびそれを用いた磁気記録装置を提供しようとするものである。
本発明の第１の視点による磁気記録素子は、磁化方向が可変な層を有し、スピン偏極した電子を注入され、スピン偏極した電子の流れの向きに応じて前記磁化方向が変化し、前記磁化方向に応じた情報を記憶可能な磁気記録素子であって、スピン分極した電子の作用により磁化方向が変化し、スピン分極率Ｐｆを有する自由層と、磁化方向が固定され、且つ前記スピン分極率Ｐｆより大きいスピン分極率Ｐｐを有する固着層と、前記固着層と前記自由層との間に設けられ、非磁性材料から実質的になる中間層と、を具備することを特徴とする。
本発明の第２の視点による磁気記録素子は、磁化方向が可変な層を有し、スピン偏極した電子を注入され、スピン偏極した電子群の流れの向きに応じて前記磁化方向が変化し、前記磁化方向に応じた情報を記憶可能な磁気記録素子であって、１以上の膜からなり、スピン分極した電子の作用により磁化方向が変化し、スピン分極率Ｐｆを有する自由層と、前記自由層の第１面上に設けられ、非磁性材料から実質的になる第１中間層と、前記第１中間層の、前記第１面と反対側の面上に設けられた第１固着層と、前記自由層の、前記第１面と反対側の第２面上に設けられ、非磁性材料から実質的になる第２中間層と、前記第２中間層の、前記第２面と反対側の面上に設けられた第２固着層と、を具備し、前記自由層の前記第１中間層と面する膜の磁化方向と前記第１固着層の磁化方向との関係と、前記自由層の前記第２中間層と面する膜の磁化方向と前記第２固着層との磁化方向との関係と、の一方が平行で他方が反平行となるように前記第１固着層の磁化方向および前記第２固着層の磁化方向が固定され、前記第１固着層のスピン分極率と前記第２固着層のスピン分極率とが同じ場合、前記第１固着層のスピン分極率または前記第２固着層のスピン分極率Ｐｐが、Ｐｐ＞Ｐｆを満たし、前記第１固着層のスピン分極率と前記第２固着層のスピン分極率とが異なる場合、前記第１固着層のスピン分極率と前記第２固着層のスピン分極率の小さい方Ｐｐｍｉｎが、Ｐｐｍｉｎ≧Ｐｆを満たす、ことを特徴とする。
本発明によれば、磁化反転効率が改善され、情報記録素子に流す電流の低減化が実現できる。また、この磁気記録素子を用いることにより高密度、低消費電力を実現した磁気記録装置を提供することができる。
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
（１）第１実施形態
第１実施形態は、磁気記録素子の構造に関し、単一つの固着層を有する構造に関する。
［１−１］構造
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁気記録素子の断面構造を模式的に示す図である。この磁気記録素子は、強磁性層ＦＰ、中間層（非磁性層）Ｓ、強磁性層ＦＦが下から順に積層された素子構造を基本構造とする。なお、強磁性層ＦＰおよび（または）強磁性層ＦＦは、後述するように、複数のサブレイヤーからなる積層構造とすることも可能である。しかしながら、まず、強磁性層ＦＦ、ＦＰが単層である場合を例に取り説明する。
強磁性層ＦＰの磁化方向は固定されている。これは、例えば、強磁性層ＦＰの上方に反強磁性層ＡＦを設けることにより行うことができる。以下、強磁性層ＦＰを固着層と称する。
一方、強磁性層ＦＦの磁化方向に関しては、このような固着化機構を設けない。よって、強磁性層ＦＦの磁化方向は、可変である。以下、強磁性層ＦＦを自由層と称する。
中間層Ｓは、強磁性層ＦＰと強磁性層ＦＦとの間に働く直接的な相互作用が無視できる程度に強磁性層ＦＰと強磁性層ＦＦとを隔離するだけの膜厚が必要である。同時に、素子に電流を流した場合に、強磁性層ＦＰを透過した伝導電子が強磁性層ＦＦに至るまでに電子のスピンの方向が反転しないことが要求されるため、中間層Ｓの膜厚はスピン拡散長よりも薄いことが必要である。また、中間層Ｓとして非磁性金属、非磁性半導体、絶縁膜等を用いることができる。
固着層ＦＰと自由層ＦＦとは、スピン分極率が異なる材料が用いられ、固着層ＦＰは高いスピン分極率を有し、自由層ＦＦは低いスピン分極率を有する。また、少なくとも、固着層ＦＰのスピン分極率の方が自由層ＦＦのスピン分極率より高い。ここで、スピン分極率とは、ある磁性材料内の多数派スピンの状態密度Ｄ↑と少数派スピンの状態密度Ｄ↓を用いて、Ｐ＝（Ｄ↑−Ｄ↓）／（Ｄ↑＋Ｄ↓）によって定義される量Ｐを意味する。スピン分極率は、材料固有の量であって、使用される材料およびその化学的組成によって決まる。非特許文献３や非特許文献４において、知られている代表的な材料のスピン分極率は図２の通りである。
この素子は、スパッタリング技術とリソグラフィー技術によって作製される。詳細は、後記の実施例の項で述べる。
［１−２］書き込みおよび読み出し
次に、本素子における情報の書き込み方法および読み出し方法について説明する。
固着層ＦＰの磁化方向に反平行な方向を向いた自由層ＦＦの磁化を反転させて、固着層ＦＰの磁化方向に平行な方向に向けるには、固着層ＦＰから自由層ＦＦに向けて電子流を流す。一般に、ある磁性体を通過する電子流のうちの多くは、この磁性体の磁化方向と平行なスピンを有しているため、固着層ＦＰを通過した電子流のうちの多くは、固着層ＦＰの磁化方向と平行なスピンを有する。残りの電子流は、固着層ＦＰの磁化方向と反平行なスピンを有する。
固着層ＦＰの磁化方向に平行なスピンを有する伝導電子は、自由層ＦＦに流入し、自由層ＦＦの磁化に対して働くトルクに主要な寄与をする。一方、固着層ＦＰの磁化方向に反平行なスピン電子は、自由層ＦＦと中間層Ｓの界面で反射されるか、自由層ＦＦに流入し、自由層ＦＦの磁化方向の反転を妨げる。ある磁性体を通過する電子流のうち、この磁性体の磁化の方向と同じスピンを有する電子の量は、磁性体のスピン分極率に依存する。そこで、本実施形態のように、固着層ＦＰとしてスピン分極率が高い材料を用いることにより、自由層ＦＦに流入する電子流のうち、固着層ＦＰの磁化方向と反平行なスピンを有する電子の割合を下げ、固着層ＦＰの磁化方向と平行なスピンを有する電子の割合を上げることができる。よって、電子流を小さくしたとしても、自由層ＦＦの磁化方向を、固着層ＦＰに対して反平行から平行に効率的に反転させることができる。すなわち、反転電流を小さくすることができる。
また、逆に、固着層ＦＰの磁化方向に平行な方向を向いた自由層ＦＦの磁化を反転させて、固着層ＦＰの磁化方向に反平行な方向に向けるには、自由層ＦＦから固着層ＦＰに向けて電子流を流す。この電子流は、自由層ＦＦを透過し、このうちの固着層ＦＰの磁化方向に反平行なスピンを有する電子の多くは、固着層ＦＰにより反射されて自由層ＦＦに戻ってくる。そして、自由層ＦＦに再度流入し、固着層ＦＰの磁化方向に反平行なスピンを有する電子が、自由層ＦＦの磁化に対して働くトルクに主要な寄与をする。なお、自由層ＦＦを透過した、固着層ＦＰの磁化方向に反平行なスピンを有する電子の一部は、少数であるが、固着層ＦＰを透過する。
本実施形態では、自由層ＦＦにスピン分極率が低い材料が用いられ、固着層ＦＰにスピン分極率が高い材料が用いられる。自由層ＦＦにスピン分極率が低い材料が用いられることにより、自由層ＦＦから流出する電子流のうち、固着層ＦＰの磁化方向（自由層ＦＦの磁化方向）に反平行な電子の量を増やすことができる。さらに、固着層ＦＰにスピン分極率が高い材料を用いることにより、固着層ＦＰの磁化方向に反平行なスピンを持つ電子が固着層ＦＰで反射される割合を高めることができる。よって、これらの効果の合算により、自由層ＦＦの磁化方向を固着層に平行な方向から反平行な方向へ反転させるのに必要な電流を低減することが可能となる。
このように、電流を各層の接合面を横切る方向に流すことによって、自由層ＦＦの磁化の方向を制御することができる。自由層ＦＦの磁化の方向に応じて、「０」「１」の２値を割り当てれば、この素子によって１ビットの情報を記録することができる。
この素子において自由層ＦＦの磁化の方向として格納された情報は、磁気抵抗効果を利用して読み出すことができる。すなわち、固着層ＦＰと自由層ＦＦの間に、反転電流以下の強度のセンス電流を流したとき、自由層ＦＦの磁化方向が固着層ＦＰの磁化方向に対して平行であれば磁気抵抗は比較的小さな値になり、また、反平行であれば磁気抵抗は比較的大きな値になる。
また、一般に、自由層ＦＦの磁化方向を固着層ＦＰに平行な方向から反平行な方向へ反転させるのに要する電流Ｊｐと、固着層ＦＰに反平行な方向から平行な方向へ反転に要する反転電流Ｊａｐとを比較すると、反転電流Ｊｐの方が電流Ｊａｐより大きい。これは、固着層ＦＰを透過した電子を主に作用させることに対応する後者に対して、前者の方は、自由層ＦＦを透過した後、固着層で反射された電子を主に作用させるためにより大きな電流を必要とすることに起因する。このように、反転電流Ｊｐと反転電流Ｊａｐとの間には、非対称性が存在する。
読み出しの際に磁気記録素子を流れるセンス電流によって磁化反転が起こってしまうことを避けるためには、センス電流の値として反転電流Ｊａｐより小さい値を採用しなければならない。したがって、反転電流Ｊｐと反転電流Ｊａｐの非対称性が非常に大きい場合、センス電流の値は反転電流Ｊｐの値に比べて非常に小さくなる。そのため、２つの反転電流の値の非対称性は小さいことが望ましい。本実施形態のように、固着層ＦＰの材料のスピン分極率を上げると同時に自由層ＦＦ材料のスピン分極率を下げることは、反転電流Ｊａｐの低下量以上に、反転電流Ｊｐを下げる効果が大きいため、この非対称性を改善するという効果も有する。
［１−３］構造の変形例
次に、固着層ＦＰおよび自由層ＦＦのより詳しい構造について説明する。図３乃至図１７は、図１の固着層ＦＰ、自由層ＦＦに適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図である。これらの図のいずれかの構造を、固着層ＦＰ、自由層ＦＦに任意に適用することができる。図３乃至図１７の各サブレイヤー内の矢印は、磁化の方向を示している。なお、図４乃至図１０は、最上の強磁性サブレイヤーＦＭ１と、最下の強磁性サブレイヤーＦＭ２とが強磁性的に交換結合している場合を例示している。一方、図１１乃至図１７では、最上の強磁性サブレイヤーＦＭ１と、最下の強磁性サブレイヤーＦＭ２とが反強磁性的に交換結合している場合を例示している。
一般に、非磁性層を介した２つの強磁性層の間の交換結合は、図１８に模式的に表したように非磁性層の膜厚に対して正負に振動する。従って、図１８において正または負のピーク位置のいずれかに対応するように図４乃至図１７の非磁性サブレイヤーの膜厚を設定すれば、その両側に隣接する強磁性サブレイヤーの間の交換結合を、強磁性的および反強磁性的にそれぞれ設定できる。図４乃至図１７において、非磁性サブレイヤーＦＣは、この両側に隣接する強磁性サブレイヤーを強磁性的に結合させる特徴を有しており、その膜厚は、例えば図１８におけるｔ２に調節される。非磁性サブレイヤーＡＣは、この両側に隣接する強磁性サブレイヤーを反強磁性的に結合させる特徴を有しており、その膜厚は、例えば図１８におけるｔ１に調節される。
また、さらに、強磁性サブレイヤーのそれぞれは、複数の強磁性膜が積層された構造を有していても良い。
図３の構造では、１層の強磁性サブレイヤーＦＭ１のみが設けられている。図４の構造では、最下の強磁性サブレイヤーＦＭ１、最上の強磁性サブレイヤーＦＭ２の間に非磁性サブレイヤーＦＣが設けられる。強磁性サブレイヤーＦＭ１は、強磁性サブレイヤーＦＭ２と強磁性結合している。
図５の構造では、強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の間に、下から順に積層された非磁性サブレイヤーＦＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ３、非磁性サブレイヤーＦＣが設けられる。強磁性サブレイヤーＦＭ３は、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ２と強磁性結合している。
図６の構造では、強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の間に、下から順に積層された非磁性サブレイヤーＡＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ３、非磁性サブレイヤーＡＣが設けられる。強磁性サブレイヤーＦＭ３は、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ２と反強磁性結合している。
図７の構造では、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ２の間に、下から順に積層された非磁性サブレイヤーＦＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ３、非磁性サブレイヤーＦＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ４、非磁性サブレイヤーＦＣが設けられる。強磁性サブレイヤーＦＭ３は、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ４と強磁性結合し、強磁性サブレイヤーＦＭ４は、強磁性サブレイヤーＦＭ２と強磁性結合している。
図８の構造では、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ２の間に、下から順に積層された非磁性サブレイヤーＦＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ３、非磁性サブレイヤーＡＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ４、非磁性サブレイヤーＡＣが設けられる。強磁性サブレイヤーＦＭ３は、強磁性サブレイヤーＦＭ１と強磁性結合している。強磁性サブレイヤーＦＭ４は、強磁性サブレイヤーＦＭ２、ＦＭ３と反強磁性結合している。
図９の構造では、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ２の間に、下から順に積層された非磁性サブレイヤーＡＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ３、非磁性サブレイヤーＦＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ４、非磁性サブレイヤーＡＣが設けられる。強磁性サブレイヤーＦＭ３は、強磁性サブレイヤーＦＭ１と反強磁性結合し、強磁性サブレイヤーＦＭ４と強磁性結合している。強磁性サブレイヤーＦＭ４は、強磁性サブレイヤーＦＭ２と反強磁性結合している。
図１０の構造では、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ２の間に、下から順に積層された非磁性サブレイヤーＡＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ３、非磁性サブレイヤーＡＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ４、非磁性サブレイヤーＦＣが設けられる。強磁性サブレイヤーＦＭ３は、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ４と反強磁性結合し、強磁性サブレイヤーＦＭ４は、強磁性サブレイヤーＦＭ２と強磁性結合している。
図１１の構造では、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ２の間に非磁性サブレイヤーＡＣが設けられる。強磁性サブレイヤーＦＭ１は、強磁性サブレイヤーＦＭ２と反強磁性結合している。
図１２の構造では、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ２の間に、下から順に積層された非磁性サブレイヤーＦＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ３、非磁性サブレイヤーＡＣが設けられる。強磁性サブレイヤーＦＭ３は、強磁性サブレイヤーＦＭ１と強磁性結合し、強磁性サブレイヤーＦＭ２と反強磁性結合している。
図１３の構造では、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ２の間に、下から順に積層された非磁性サブレイヤーＡＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ３、非磁性サブレイヤーＦＣが設けられる。強磁性サブレイヤーＦＭ３は、強磁性サブレイヤーＦＭ１と反強磁性結合し、強磁性サブレイヤーＦＭ２と強磁性結合している。
図１４の構造では、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ２の間に、下から順に積層された非磁性サブレイヤーＡＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ３、非磁性サブレイヤーＡＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ４、非磁性サブレイヤーＡＣが設けられる。強磁性サブレイヤーＦＭ３は、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ４と反強磁性結合し、強磁性サブレイヤーＦＭ４は、強磁性サブレイヤーＦＭ２と反強磁性結合している。
図１５の構造では、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ２の間に、下から順に積層された非磁性サブレイヤーＡＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ３、非磁性サブレイヤーＦＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ４、非磁性サブレイヤーＦＣが設けられる。強磁性サブレイヤーＦＭ３は、強磁性サブレイヤーＦＭ１と反強磁性結合し、強磁性サブレイヤーＦＭ４と強磁性結合している。強磁性サブレイヤーＦＭ４は、強磁性サブレイヤーＦＭ２と強磁性結合している。
図１６の構造では、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ２の間に、下から順に積層された非磁性サブレイヤーＦＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ３、非磁性サブレイヤーＡＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ４、非磁性サブレイヤーＦＣが設けられる。強磁性サブレイヤーＦＭ３は、強磁性サブレイヤーＦＭ１と強磁性結合し、強磁性サブレイヤーＦＭ４と反強磁性結合している。強磁性サブレイヤーＦＭ４は、強磁性サブレイヤーＦＭ２と強磁性結合している。
図１７の構造では、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ２の間に、下から順に積層された非磁性サブレイヤーＦＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ３、非磁性サブレイヤーＦＣ、強磁性サブレイヤーＦＭ４、非磁性サブレイヤーＡＣが設けられる。強磁性サブレイヤーＦＭ３は、強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ４と強磁性結合し、強磁性サブレイヤーＦＭ４は、強磁性サブレイヤーＦＭ２と反強磁性結合している。
図４乃至図１７の構造が図１の固着層ＦＰに採用された場合、最上の強磁性サブレイヤーＦＭ２の上の反強磁性層ＡＦ（図示せぬ）により、強磁性サブレイヤーＦＭ２の磁化方向が固定される。そして、強磁性サブレイヤーＦＭ２の磁化方向を基準に、各強磁性サブレイヤーＦＭ１、ＦＭ３、ＦＭ４の磁化方向が、各非磁性サブレイヤーＡＣ、ＦＣを介して、図４乃至図１７の構造に応じた一意の方向に固着される。また、この場合、図１の中間層Ｓと接する最下の強磁性サブレイヤーＦＭ１の磁化方向が、固着層ＦＰの磁化方向とみなされる。また、本実施形態を通じて言及されている固着層ＦＰのスピン分極率として、固着層ＦＰを構成する強磁性サブレイヤーを構成する材料のスピン分極率のうちで最も高い値が用いられる。
一方、図４乃至図１７の構造が図１の固着層ＦＰに採用された場合、強磁性サブレイヤーＦＭ１から強磁性サブレイヤーＦＭ２に至る各強磁性サブレイヤーは、構造に応じた結合を保ちながら、２つの方向のいずれかに変化する。この場合、最上の強磁性サブレイヤーＦＭ２の磁化方向を以って自由層ＦＦの磁化方向とすることができる。また、本実施形態を通じて言及されている自由層ＦＦのスピン分極率として、自由層ＦＦを構成する強磁性サブレイヤーを構成する材料のスピン分極率のうちで最も高い値が用いられる。
図１９は、第１実施形態の変形例に係る磁気記録素子の断面構造を模式的に示す図である。この実施形態は、図１の構造において、上下を反転させた構造である。図１９に示した素子において強磁性層ＦＰの磁化を固着させるために、この素子の下部に、例えば、反強磁性層ＡＦを設けることができる。この磁気記録素子は、図１に示した素子と同様の作成方法および使用方法により実施することができ、本実施形態による反転電流の低減効果は、図１に示した素子の場合と同様であった。また、固着層ＦＰおよび自由層ＦＦとして、図４乃至図１７の積層構造を採用することももちろん可能である。この場合、固着層ＦＰ、自由層ＦＦのうち、中間層Ｓと面する強磁性サブレイヤーが、固着層ＦＰ、自由層ＦＦの磁化方向として参照される。また、固着層ＦＰのスピン分極率として、固着層ＦＰを構成する強磁性サブレイヤーを構成する材料のスピン分極率のうちでもっとも高い値が用いられる。また、自由層ＦＦのスピン分極率として、自由層ＦＦを構成する強磁性サブレイヤーを構成する材料のスピン分極率のうちで最も高い値が用いられる。
また、図１または図１９に示された素子において、固着層ＦＰの磁化が各層の接合面に対して垂直な方向を向くように固着することもできる。この場合、接合面を横切る方向に電流を流すことによって、自由層ＦＦの磁化の方向を固着層ＦＰの磁化の方向に平行な方向あるいは反平行な方向を向くように制御することができる。この実施形態においても、本発明による反転電流の低減効果は、図１に示した素子の場合と同様であった。
［１−４］各層の材料および膜厚
次に、上記磁気記録素子の各層の構成材料、組成、膜厚について説明する。
強磁性層ＦＰの磁化を固着させるための反強磁性層ＡＦの材料としては、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ2Ｏ3、磁性半導体などを用いることが望ましい。
強磁性層ＦＦに用いる低スピン分極率材料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはこれらを含む合金を用いることができる。これらのうちで、スピン分極率が低いものほど、本実施形態における電流低減効果が大きい。また、自由層ＦＦの厚さは、０．６ｎｍ−１００ｎｍの範囲内とすることが望ましい。
強磁性層ＦＰに用いる高スピン分極率材料として、自由層ＦＦと同様にＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉまたはこれらを含む合金を用いることができる。これらＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の鉄族遷移金属およびそれらを含む合金は、高いスピン分極率を含むことが知られており、これらを自由層ＦＦより高いスピン分極率を持つ固着層ＦＰの材料として用いることができる。また、固着層の厚さは、０．２ｎｍ−５０ｎｍの範囲内とすることが望ましい。
固着層ＦＰのスピン分極率が高ければ高いほど、すなわち、理想的には１に近いほど、本実施形態による電流低減効果が大きい。しかしながら、固着層ＦＰのスピン分極率が１あるいはそれに近い値に達していなくても、本実施形態による電流低減効果は十分に得られる。少数派スピン成分の状態密度がゼロであれば、スピン分極率は定義により１となる。このような性質を持つ磁性材料はハーフメタルと呼ばれており、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の鉄族遷移金属およびそれらを含む合金と比べても、スピン分極率が非常に高い。そのため、ハーフメタルは、固着層ＦＰの材料として理想的な材料である。ハーフメタルの中には、ホイスラー系合金ＭＭｎ（ＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅのうちの少なくとも２種以上からなる混合元素を表す）、ルチル型酸化物ＭＯ2（ＭはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｉｒ、Ｒｕのうちの少なくとも１種を表す）、スピネル型酸化物ＭＦｅ2Ｏ4（ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、のうちの少なくとも１種を表す）、ペロブスカイト型マンガン酸化物ＲＭＯ3（Ｒは希土類元素またはアルカリ土類元素のうちの少なくとも１種、ＭはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒのうちの１種あるいは少なくとも１種を主成分として含む混合元素を表す）、Ｓｒ2ＦｅＭｏＯ6やＳｒ2ＣｒＲｅＯ6などの二重ペロブスカイト型酸化物、ＣｒＡｓやＣｒＳｂなどの閃亜鉛鉱型クロム化合物、パイライト型化合物ＭＸ２（ただしＭは遷移金属、Ｘ＝Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのいずれかを表す）、Ｔｌ2Ｍｎ2Ｏ7などのパイロクロア型マンガン酸化物、センダスト合金ＦｅＭ（ＭはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、希土類、アルカリ土類のうちの１種以上からなる混合元素を表す）が含まれる。これらの材料は、上記のＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉまたはこれらを含む合金と比べて、スピン分極率が有意に高いため、本実施形態における反転電流の低減効果が顕著に現れ、固着層ＦＰに用いる材料として理想的である。
また、これらの磁性体には、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｈ（水素）などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。
固着層ＦＰあるいは自由層ＦＦが、図４乃至図１７のように多層膜構造を有する場合、非磁性サブレイヤーＦＣ、ＡＣの材料として、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓあるいは、これらのいずれか１種以上を含む合金を用いることができる。
図１の中間層Ｓとして非磁性金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｂｉのうちのいずれか、あるいは、これらのいずれか１種以上を含む合金を用いることができる。また、この非磁性金属中間層Ｓの厚さは、０．２ｎｍ−２０ｎｍの範囲内とすることが望ましい。
また、中間層Ｓをトンネルバリア層として機能させる場合には、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）、ＳｉＯ2（酸化シリコン）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｂｉ2Ｏ3（酸化ビスマス）、ＭｇＦ2（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ2（酸化チタン・ストロンチウム）、ＡｌＬａＯ3（酸化ランタン・アルミニウム）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、非磁性半導体（ＺｎＯ、ＩｎＭｎ、Ｇａ、Ｎ、ＧａＡｓ、ＴｉＯ2、Ｚｎ、Ｔｅ、またはそれらに遷移金属がドープされたもの）などを用いることができる。これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。また、この絶縁中間層の厚さは、０．２ｎｍ−５０ｎｍの範囲内とすることが望ましい。トンネルバリア層を介する磁気抵抗効果は大きいため、中間層Ｓに絶縁体もしくは半導体を用いることにより読み出しのマージンを大きくすることができる。
次に、本実施形態の実施例について説明する。
［１−５］実施例１−１
本実施形態の実施例の１つ（実施例１−１）および比較例（従来例）として、図１の構造および以下の材料を持つ磁気記録素子のサンプル１（本実施例）、サンプル２（比較例１）、および、サンプル３（比較例２）をそれぞれ作製した。なお、図１には、示されていないが、固着層ＦＰの上方に電極（配線）ＥＬ１が設けられ、自由層ＦＦの下方に電極（配線）ＥＬ２が設けられている例を以下に示す。以下の記載において、（）内の“：”の左側は記載は材料を示しており、“：”の右側の記載は膜厚を示している。
サンプル１：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ（Ｆｅ3Ｏ4：１０ｎｍ）／中間層Ｓ（Ｃｕ：６ｎｍ）／自由層ＦＦ（Ｃｏ：３ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）、
サンプル２：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ（Ｆｅ3Ｏ4：１０ｎｍ）／中間層Ｓ（Ｃｕ：６ｎｍ）／自由層ＦＦ（Ｆｅ3Ｏ4：３ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）、
サンプル３：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ（Ｃｏ：１０ｎｍ）／中間層Ｓ（Ｃｕ：６ｎｍ）／自由層ＦＦ（Ｃｏ：３ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）。
これらの磁気記録素子は、以下の工程により作成された。すなわち、まず、ウェーハの上方に下側電極ＥＬ２が形成される。次に、超高真空スパッタ装置を使って、自由層ＦＦ、中間層Ｓ、固着層ＦＰ、反強磁性層ＡＦからなる積層構造が下側電極ＥＬ２の上に形成され、さらにその上にタンタル（Ｔａ）保護膜が形成される。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、強磁性層に一方向異方性が付与される。この膜に対し、ＥＢ（electron beam）レジストを塗布してＥＢ露光した後、リフトオフで磁気記録素子の形状に応じたマスクが形成される。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がエッチングされる。セルの加工サイズは、１００ｎｍ×５０ｎｍである。
エッチング後、マスクが剥離され、さらにセルの相互間にＳｉＯ2が成膜され、表面がイオンミリングにより平滑化され、タンタル膜の表面を露出させる「頭出し」の工程を行った。このタンタル膜の表面の上に上側電極ＥＬ１が形成される。この結果、図１相当の磁気記録素子が形成される。
得られたサンプルについて、各層の接合面に対して垂直方向に流す電流量に対する抵抗の変化から自由層ＦＦの磁化反転電流値を求めた。その結果、正負の反転電流のうち、絶対値が小さい方の値の平均値は、サンプル１で０．９ｍＡ、サンプル２で２．５ｍＡ、サンプル３で５．０ｍＡであった。また、正負の反転電流の絶対値の比の平均値は、サンプル１で２．５、サンプル２で５５．０、サンプル３で４．２であった。
つまり、固着層ＦＰに、自由層ＦＦよりもスピン分極率が大きい材料を用いることにより、磁化反転電流が低減した。また、正負の磁化反転電流の絶対値の非対称性の問題が改善されるという効果もあった。
また、別の実施例として、サンプル１と同じ材料および膜厚からなり、ただし図１９に示したように、サンプル１と比べて上下を反転させた磁気記録素子を、サンプル１と同様のプロセスにて作製すると、サンプル１と同様の反転電流低減の効果が得られた。
［１−６］実施例１−２
次に、本実施形態の実施例の１つ（実施例１−２）として、Ｎｉの比率を少しずつ変化させた一連のＮｉxＣｕ1-x合金を自由層ＦＦに用いて、図１に示した構造を持つ磁気記録素子を、第１実施例と同様のプロセスを用いて作製した。セルの加工サイズは１００ｎｍ×５０ｎｍである。
サンプル系列１：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ（Ｃｏ：１０ｎｍ）／中間層Ｓ（Ｃｕ：６ｎｍ）／自由層ＦＦ（ＮｉxＣｕ1-x：３ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）、
サンプル系列２：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ（Ｎｉ：１０ｎｍ）／中間層Ｓ（Ｃｕ：６ｎｍ）／自由層ＦＦ（ＮｉxＣｕ1-x：３ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）、
ただし、ｘ＝０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０である。
ＮｉxＣｕ1-x合金は、ｘ＜０．４５において非磁性になり、ｘ＞０．４５において強磁性を示すことが知られている。つまりｘ＝０．４５において自由層ＦＦのスピン分極率Ｐｆは、Ｐｆ＝０である。また、ｘ＝１．０において、スピン分極率Ｐｆ＝０．２３であることが知られている。よって、上記サンプルにおけるスピン分極率は、それぞれ、Ｐｆ＝０．０２、０．０６、０．１０、０．１５、０．１９、０．２３である。サンプル系列１、２に属するそれぞれのサンプルについて、膜面に対して垂直方向に流す電流量に対する抵抗の変化から自由層ＦＦの磁化反転電流値を求めた。その結果、絶対値が小さい方の反転電流の平均値として、図２０を得た。図２０には、比較例として、第１実施例のサンプル３の値（５．０ｍＡ）が併記されている。サンプル系列１の結果から、本実施形態の効果により反転電流が低減したことが分かる。また、サンプル系列２の結果も同様に、本実施形態の効果により反転電流が低減したことを示しているが、特に、実施例１−１のサンプル３と比べて反転電流が低くなるのは、Ｐｆ≦０．１５の場合である。実施例１−１のサンプル３では（固着層ＦＰのスピン分極率Ｐｐ，自由層ＦＦのスピン分極率Ｐｆ）＝（０．３５，０．３５）であり、これとほぼ同じ反転電流を実現するのが（Ｐｐ，Ｐｆ）＝（０．２３，０．１５）であったことから、実施例１−１のサンプル３よりも反転電流が低減するための近似的な条件として、Ｐｐ≧０．６Ｐｆ＋０．１４という式を得る。
［１−７］実施例１−３
次に、本実施例の実施例の１つ（実施例１−３）および比較例として、図１の構造および以下の材料を持つ磁気記録素子のサンプル１（本実施例）、サンプル２（本実施例）、サンプル３（本実施例）、および、サンプル４（比較例）をそれぞれ実施例１−１と同様のプロセスを用いて作製した。セルの加工サイズは１００ｎｍ×５０ｎｍである。
サンプル１：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ（Ｌａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3：１０ｎｍ）／中間層Ｓ（Ｃｕ：６ｎｍ）／自由層ＦＦ（Ｃｏ：３ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）、
サンプル２：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ（Ｌａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3：１０ｎｍ）／中間層Ｓ（Ｃｕ：６ｎｍ）／自由層ＦＦ（ＮｉＭｎＳｂ：３ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）、
サンプル３：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ（Ｌａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3：１０ｎｍ）／中間層Ｓ（Ｃｕ：６ｎｍ）／自由層ＦＦ（Ｌａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3：３ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）、
サンプル４：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ（ＮｉＭｎＳｂ：１０ｎｍ）／中間層Ｓ（Ｃｕ：６ｎｍ）／自由層ＦＦ（ＮｉＭｎＳｂ：３ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）。
図２よりＮｉＭｎＳｂ、Ｌａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3は、スピン分極率がそれぞれ０．５８、０．７８である。得られたサンプルについて、正負の反転電流の絶対値の比の平均値を求めると、サンプル１で２．６、サンプル２で７．４、サンプル３で１７．１、サンプル４で１０．６であった。正負の反転電流の絶対値の比は１に近いほど好ましいが、１桁違い、つまり１０倍以内であることが１つの目安となる。サンプル１、２、３は、自由層ＦＦの材料が異なる他は同じ構造、材料の素子であり、これらのサンプルについて、横軸に自由層ＦＦの材料のスピン分極率をとり、縦軸に正負の反転電流の絶対値の比の平均値をとってプロットして、直線でフィットした。この結果を、図２１に示す。図２１から、正負の反転電流の絶対値の比が１０になるのは、固着層ＦＰのスピン分極率Ｐｐが０．７８ならば、自由層ＦＦのスピン分極率Ｐｆが０．６２になる場合であることが分かった。また、比較例として作製した、固着層ＦＰと自由層ＦＦのスピン分極率が共に０．５８であるサンプル４においても、正負の反転電流の絶対値の比がほぼ１０であった。これらの数値から、反転電流の非対称性を改善するための制約条件としてＰｐ≧５．０Ｐｆ−２．４を課すと良いことが分かった。
実施例１−３、実施例１−４より、固着層ＦＰのスピン分極率Ｐｐと自由層ＦＦのスピン分極率Ｐｆとが、関係式Ｐｐ≧０．６Ｐｆ＋０．１４とＰｐ≧５．０Ｐｆ−２．４とを同時に満たすことにより、少ない磁化反転電流で且つ正負２つの磁化反転電流の差の小さい磁気記録素子を実現できる。これらの条件を満たす、スピン分極率Ｐｆ、Ｐｐの範囲を図示したのが図２２である。
［１−８］効果
本発明の第１実施形態に係る磁気記録素子によれば、固着層ＦＰのスピン分極率Ｐｐが、自由層ＦＦのスピン分極率Ｐｆより大きい。このため、磁化反転電流が少なく且つ正負の２つの磁化反転電流の差の小さい磁気記録素子を実現できる。これらの効果は、特に関係式Ｐｐ≧０．６Ｐｆ＋０．１４とＰｐ≧５．０Ｐｆ−２．４を満たすことにより、より高くなる。すなわち、Ｐｐ≧０．６Ｐｆ＋０．１４を満たすことにより、第１の方向に磁化方向が固定された固着層ＦＰに平行な磁化方向を有する自由層を、固着層ＦＰと反平行な方向に反転させるのに要する電流を低減できる。また、Ｐｐ≧５．０Ｐｆ−２．４を満たすことにより、正負の磁化反転電流の差を小さくできる。
（２）第２実施形態
第２実施形態は、２つの固着層を有する構造に関する。
［２−１］構造
図２３、図２４は、本発明の第２実施形態に係る磁気記録素子の断面構造を模式的に示す図である。これらの磁気記録素子は、強磁性層ＦＰ２、中間層（非磁性層）Ｓ２、強磁性層（自由層）ＦＦ、中間層（非磁性層）Ｓ１、固着層ＦＰ１が下から順に積層された素子構造を基本構造とする。自由層ＦＦ、固着層ＦＰ１、ＦＰ２は、第１実施形態と同じく、後述するように、複数のサブレイヤーからなる積層構造とすることも可能である。しかしながら、まず、自由層ＦＦ、固着層ＦＰ１、ＦＰ２が単層である場合を例に取り説明する。
固着層ＦＰ１、ＦＰ２の磁化方向は、例えば、固着層ＦＰ１の上方および固着層ＦＰ２の下方に反強磁性層ＡＦ１、ＡＦ２をそれぞれ設けることにより固定されている。以下、固着層ＦＰ１、ＦＰ２を固着層と称する。
固着層ＦＰ１、ＦＰ２の一方の磁化方向は自由層ＦＦの磁化方向と平行であり、他方の磁化方向は、自由層ＦＦの磁化方向と反平行である。図２３、図２４において、矢印の向きは各層の磁化方向を示している。図２３は、自由層ＦＦの磁化方向が固着層ＦＰ１と平行（図２３の左側）、反平行（図２３の左側）の場合を示しており、何れの場合も、自由層ＦＦと固着層ＦＰ１との磁化方向の関係と、自由層ＦＦと固着層ＦＰ２との磁化方向の関係と、の一方が平行、他方が反平行となっている。図２４も同様である。
上記のように、２つの固着層ＦＰ１、ＦＰ２により自由層ＦＦが挟まれた構造を有しているため、この素子においては、各層の接合面を横切る方向に電流を流すことによって、自由層ＦＦの磁化の方向を制御することができ、しかも、１つの固着層のみを有する場合に比べて、同じ大きさの電流を流したときに自由層ＦＦの磁化に対して少なくとも２倍の力を与えることが可能である。これは、固着層ＦＰ２から固着層ＦＰ１に電子流を流す場合を例に取ると、以下の理由による起因する。すなわち、固着層ＦＰ２を通過した電子流が自由層ＦＦでの磁化反転に寄与すると共に、自由層ＦＦを通過した電子が固着層ＦＰ１により反射されて自由層ＦＦの磁化反転に寄与するためである。自由層ＦＦの磁化の方向に応じて、「０」「１」の２値を割り当てれば、この素子１個によって１ビットの情報を記録することができる。
また、第１実施形態と同様に、固着層ＦＰ１、ＦＰ２、自由層ＦＦのうちの少なくとも１つは、他の２つと異なるスピン分極率の材料が用いられる。そして、少なくとも、固着層ＦＰ１、ＦＰ２のスピン分極率が同じである場合、固着層ＦＰ１（または固着層ＦＰ２）のスピン分極率は、自由層ＦＦのスピン分極率より高い。一方、固着層ＦＰ１、ＦＰ２のスピン分極率が異なる場合、小さい方のスピン分極率は、自由層ＦＦのスピン分極率以上とされている。
固着層ＦＰ１、ＦＰ２、自由層ＦＦのスピン分極率の相互関係として、典型的には、図２５乃至図２７に示す３つのいずれかの状態が想定される。各層内の磁化の方向に関しては、次の項目での説明の際に使用される。図２５の場合では、固着層ＦＰ１、ＦＰ２は、スピン分極率が自由層ＦＦとは異なる材料が用いられ、固着層ＦＰ１、ＦＰ２のスピン分極率は自由層ＦＦのスピン分極率より高い。図２６の場合では、自由層ＦＦと固着層ＦＰ２には同じスピン分極率を持つ材料が用いられ、その値は、固着層ＦＰ１のスピン分極率より小さい。図２７の場合では、自由層ＦＦと固着層ＦＰ１には同じスピン分極率を持つ材料が用いられ、その値は、固着層ＦＰ２のスピン分極率より小さい。
反強磁性層ＡＦ１、ＡＦ２、自由層ＦＦ、固着層ＦＰ１、ＦＰ２、中間層Ｓ１、Ｓ２の材料として、第１実施形態の反強磁性層ＡＦ、自由層ＦＦ、固着層ＦＰ、中間層Ｓとそれぞれ同じ材料および同じ膜厚（［１−４］各層の材料および膜厚の項目を参照）を用いることができる。
この素子は、スパッタリング技術とリソグラフィー技術によって作製される。詳細は、後記の実施例の項で述べる。
［２−２］書き込み
次に、本素子における情報の書き込み方法および読み出し方法について説明する。
自由層ＦＦの磁化方向を反転させるには、各層の接合面を垂直に流れ、且つ素子の構造および自由層の反転後の磁化の方向に応じた向きを有する電流により行われる。すなわち、固着層ＦＰ１、ＦＰ２のうち、反転前の自由層の磁化方向と反平行の磁化を有する方から自由層ＦＦに向けて電子流を流す。
書き込みの具体例を、図２５乃至図２７を用いて、以下に説明する。図２５乃至図２７に示すように、自由層ＦＦの磁化方向を、固着層ＦＰ１の磁化方向と平行な状態から反平行な状態へと反転させる場合、固着層ＦＰ２から固着層ＦＰ１に向かう方向に電子流を流す。
図２５の場合は、固着層ＦＰ２のスピン分極率が大きいため、固着層ＦＰ２の分極率が小さい場合に比べ、固着層ＦＰ２から流出する電子の多くが、固着層ＦＰ２の磁化方向と平行のスピンを有するものである（作用１）。そして、固着層ＦＰ２の磁化方向と平行（自由層ＦＦの磁化方向と反平行）のスピンが自由層ＦＦの磁化方向を反転させる。さらに、固着層ＦＰ１の分極率が大きいため、固着層ＦＰ１の磁化方向と反平行なスピンを有する電子の多くが、固着層ＦＰ１により反射されて自由層ＦＦに再度、進入する（作用２）。そして自由層ＦＦの磁化反転に寄与する。よって、すなわち、第１実施形態の場合と同じ原理により、これらの作用の合算により、反転電流を大幅に小さくすることができる。固着層ＦＰ１、ＦＰ２のいずれの分極率も大きいため、電子流の流れる方向が逆の場合も同じである。すなわち、電子流の流れる方向に応じた反転電流の大きさの差は、非常に小さく（０に近く）なる。
図２６の場合は、固着層ＦＰ２のスピン分極率が小さい（例えば自由層ＦＦと同程度）ため、固着層ＦＰ２から流出する電子のうち、固着層ＦＰ２の磁化方向と平行のスピンを有するものの割合は多くない。したがって、上記の作用１に起因する反転電流の低減効果は得られない。しかしながら、固着層ＦＰ１の分極率が大きいため、上記の作用２に起因した反転電流の低減効果を得られる。
図２７の場合は、スピン分極率の大きい固着層ＦＰ２から電子流が注入されているので、上記作用１に起因して、反転電流が低下する。一方、固着層ＦＰ１の分極率が小さいので、固着層ＦＰ１により反射される電子の量は多くない。すなわち、上記作用２に起因した反転電流の効果は望めない。
このように、２つの固着層を有する場合、どちらか一方のスピン分極率を自由層のそれより大きくすることにより、電子が流れる方向に応じて、作用１および作用２の何れかに起因して反転電流を小さくすることができる。このため、単一の固着層を有する構造の場合より、反転電流の極性に応じた反転電流値の大きさの非対称性が緩和される。さらに、２つの固着層の両方のスピン分極率を自由層のそれより大きくすることにより、作用１および作用２の両方によって反転電流をさらに小さくすることができる。この場合、反転電流の極性に応じた反転電流の大きさの非対称性は、非常に小さい。
なお、読み出しに関しては、第１実施形態と同じであるため、省略する。
［２−３］構造の変形例
次に、固着層ＦＰおよび自由層ＦＦが積層構造を有する場合について説明する。図２８乃至図３１は、第２実施形態に係る磁気記録素子の固着層ＦＰ１、自由層ＦＦ、固着層ＦＰ２を積層構造により実現した場合の断面構造を模式的に示す図である。固着層ＦＰ１、自由層ＦＦ、固着層ＦＰ２が積層構造を有する場合、図２８乃至図３１に示すように、非磁性層Ｓ１と面する２つのサブレイヤー間の磁化方向の相互関係と、非磁性層Ｓ２と面する２つのサブレイヤー間の磁化方向の相互関係のうち、一方が反平行で、他方が平行となるように、磁化方向が決定される。この条件を満たす組み合わせとして、図２８乃至図３１が考えられる。図２８乃至図３１において、参照符号ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＦに付加されている“（Ｆ）”は、固着層ＦＰ１、自由層ＦＦ、固着層ＦＰ２の最上と最下のサブレイヤーが強磁性的に交換結合していることを示している。同様に、“（Ａ）”は、最上と最下のサブレイヤーが反強磁性的に交換結合していることを示している。そして、“（Ｆ）”が付加されている層として、図４乃至図１０のいずれかの積層構造を任意に適用することができ、“（Ａ）”が付加されている層として、図１１乃至図１７のいずれかの積層構造を任意に適用することができる。また、各サブレイヤーとして、［１−４］各層の材料および膜厚の項目内の材料および膜厚を採用することができる。
図２３、図２４の構造の固着層ＦＰ１、自由層ＦＦ、固着層ＦＰ２のいずれか１つまたは２つのみを積層構造とすることももちろん可能である。この際、中間層Ｓ１と面する２つの強磁性層または強磁性サブレイヤーの磁界方向の相互関係と、中間層Ｓ２と面する２つの強磁性層または強磁性サブレイヤーの磁界方向の相互関係と、の一方が反平行で他方が平行となるように磁化方向が決定される。
［２−４］実施例２−１
本実施形態の実施例の１つ（実施例２−１）として、図２３、図２４の構造および以下の材料を持つ磁気記録素子のサンプル１（実施例２−１）、サンプル２（実施例２−１）、および、サンプル３（比較例）をそれぞれ実施例１−１と同様のプロセスを用いて作製した。セルの加工サイズは、１００ｎｍｘ５０ｎｍである。
サンプル１：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ１（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ１（ＣｒＯ2：１０ｎｍ）／中間層Ｓ１（Ｃｕ：６ｎｍ）／自由層ＦＦ（Ｃｏ：３ｎｍ）／中間層Ｓ２（Ｃｕ：２ｎｍ）／固着層ＦＰ２（ＣｒＯ2：１０ｎｍ）／反強磁性層ＡＦ２（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）、
サンプル２：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ１（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ１（ＣｒＯ2：１０ｎｍ）／中間層Ｓ１（Ｃｕ：６ｎｍ）／自由層ＦＦ（Ｃｏ：３ｎｍ）／中間層Ｓ２（Ｃｕ：２ｎｍ）／固着層ＦＰ２（Ｃｏ：１０ｎｍ）／反強磁性層ＡＦ２（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）、
サンプル３：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ１（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ１（Ｃｏ：１０ｎｍ）／中間層Ｓ１（Ｃｕ：６ｎｍ）／自由層ＦＦ（Ｃｏ：３ｎｍ）／中間層Ｓ２（Ｃｕ：２ｎｍ）／固着層ＦＰ２（Ｃｏ：１０ｎｍ）／反強磁性層ＡＦ２（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）。
得られたサンプルについて、各膜の接合面に対して垂直方向に流れる電流量に対する抵抗の変化から自由層ＦＦの磁化反転電流値を求めた。その結果、絶対値が小さい方の反転電流の平均値は、サンプル１で０．０３ｍＡ、サンプル２で０．２ｍＡ、サンプル３で０．６ｍＡであった。また、正負の反転電流の絶対値の比の平均値は、サンプル１で１．０、サンプル２で１．３、サンプル３で１．０であった。
つまり、固着層ＦＰ１および（または）ＦＰ２に、自由層ＦＦよりもスピン分極率が大きい材料を用いることにより、磁化反転電流が低減した。固着層ＦＰ１、ＦＰ２の両方に高スピン分極率材料を用いると特にこの効果が顕著に現れた。正負の反転電流の絶対値の非対称性がほとんど見られなかったのは、本実施例においては、構造自体の対称性が高いためだと考えられる。
［２−５］実施例２−２
次に、本実施形態の実施例の１つ（実施例２−２）として、中間層の一方に絶縁体を用いたサンプル１、２、３、および比較例としてサンプル４を作製した。中間層の一方を絶縁体とすることにより、磁気抵抗効果の検出が容易になる。また、このサンプルは、実施例１−１と同様のプロセスにより作製された。セルの加工サイズは１００ｎｍｘ５０ｎｍである。以下の記載において、１つの層の（）内で、“／”により区切られた複数の材料および膜厚がある個所は、この層が積層膜により構成されていることを示している。
サンプル１：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ１（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ１（Ｆｅ3Ｏ4：１０ｎｍ）／中間層Ｓ１（Ｃｕ：６ｎｍ）／自由層ＦＦ（Ｃｏ：２ｎｍ／ＣｏＦｅＮｉ：１ｎｍ）／中間層Ｓ２（Ａｌ2Ｏ3：０．６ｎｍ）／固着層ＦＰ２（Ｃｏ：２ｎｍ／Ｒｕ：１ｎｍ／Ｃｏ：５ｎｍ）／反強磁性層ＡＦ２（ＰｔＩｒＭｎ：２０ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）。
サンプル２：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ１（ＰｔＩｒＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ１（Ｃｏ2ＭｎＳｉ：１０ｎｍ）／中間層Ｓ１（ＭｇＯ：０．７ｎｍ）／自由層ＦＦ（Ｃｏ：１ｎｍ／ＦｅＮｉ：２ｎｍ）／中間層Ｓ２（Ｃｕ：５ｎｍ）／固着層ＦＰ２（Ｃｏ：４ｎｍ／Ｒｕ：１ｎｍ／Ｃｏ：４ｎｍ）／反強磁性層ＡＦ２（ＰｔＭｎ：１５ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）。
サンプル３：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ１（ＩｒＭｎ：１５ｎｍ）／固着層ＦＰ１（ＣｒＡｓ：１２ｎｍ）／中間層Ｓ１（Ｃｕ：７ｎｍ）／自由層ＦＦ（ＦｅＮｉ：２ｎｍ）／中間層Ｓ２（ＭｇＯ：０．５ｎｍ）／固着層ＦＰ２（Ｃｏ2ＣｒＡｌ：１０ｎｍ）／反強磁性層ＡＦ２（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）。
サンプル４：電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ１（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／固着層ＦＰ１（Ｃｏ：１０ｎｍ）／中間層Ｓ１（Ｃｕ：６ｎｍ）／自由層ＦＦ（Ｃｏ：２ｎｍ／ＣｏＦｅＮｉ：１ｎｍ）／中間層Ｓ２（Ａｌ2Ｏ3：０．６ｎｍ）／固着層ＦＰ２（Ｃｏ：２ｎｍ／Ｒｕ：１ｎｍ／Ｃｏ：５ｎｍ）／反強磁性層ＡＦ２（ＰｔＩｒＭｎ：２０ｎｍ）／電極ＥＬ２（Ｃｕ）。
得られたサンプルに対して、自由層ＦＦの磁化反転電流値を求めると、サンプル１、２、３はいずれもサンプル４に比べて顕著な電流低減効果が得られた。また、これらのサンプルに対して、電流をスイープさせ、自由層ＦＦの磁化反転に伴う抵抗変化を求めた、その結果、サンプル１、２、３での抵抗変化の平均値は２０％だった。
［２−６］効果
本発明の第２実施形態に係る磁気記録素子によれば、固着層ＦＰ１、ＦＰ２、自由層ＦＦのうちの少なくとも１つは、他の２つと異なるスピン分極率の材料が用いられる。そして、少なくとも、固着層ＦＰ１、ＦＰ２のスピン分極率Ｐｐが同じである場合、固着層ＦＰ１（または固着層ＦＰ２）のスピン分極率Ｐｐは、自由層ＦＦのスピン分極率Ｐｆより高い。一方、固着層ＦＰ１、ＦＰ２のスピン分極率Ｐｐが異なる場合、小さい方のスピン分極率Ｐｐｍｉｎは、自由層ＦＦのスピン分極率Ｐｆ以上とされている。
また、第１実施形態と同様に、固着層ＦＰ１、ＦＰ２のうちの大きい方のスピン分極率Ｐｐｍａｘが、Ｐｐｍａｘ≧０．６Ｐｆ＋０．１４の関係を満たすことにより、反転電流を有意に低減化することができる。この条件を満たすスピン分極率Ｐｆ、Ｐｐの範囲を示したのが図３２である。
（３）第３実施形態
第３実施形態は、第１、第２実施形態の磁気記録素子を用いた磁気記録装置に関する。
［３−１］基本構造
第１、第２実施形態に係る磁気記録素子は、微小かつ磁化反転機構を有することから、各種用途に適用できる。より詳しくは、これらの磁気記録素子を、多数並べることにより、ＭＲＡＭ等の記録再生装置に適用することができる。以下、これに関する実施形態について説明する。
図３３は、本発明の第３実施形態に係る磁気記録装置の断面構造を模式的に示す図である。すなわち、本実施形態の磁気記録装置は、一般にビット線またはワード線と呼ばれる電極層（下層配線）１の上に複数の磁気記録素子Ｒが並列に配置された構造を有する。磁気記録素子Ｒは、第１、第２実施形態のあらゆる構成の磁気記録素子のうちの任意のものにより実現される。各磁気記録素子Ｒは、絶縁膜Ｉによって、相互に電気的に絶縁されている。それぞれの磁気記録素子Ｒは、上部において、一般にビット線またはワード線と呼ばれる電極層（上層配線）２が接続されている。ビット線とワード線を指定することにより、特定の磁気記録素子Ｒを選択できる。
磁気記録素子Ｒへの記録は、電極層２から磁気記録素子Ｒへと流れる電流、あるいは磁気記録素子Ｒから電極層２へと流れる電流によりなされる。磁気記録素子Ｒのサイズ、構造、組成等により決定される磁化反転電流の値をＩｓとすると、磁化反転電流Ｉｓよりも大きな書き込み電流Ｉｗを磁気記録素子Ｒ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、電子流を基準として、最初に通過する固着層の磁化の方向と同一である。従って、この場合も、電子の流れ、すなわち電流の極性を反転させることで、「０」、「１」の書き込みを行うことができる。
再生は、記録と同じく再生対象の記録素子と接続された電極層１、２間に電流を流すことにより行われる。その際の電流の方向はどちらを向いていても構わない。再生の際は、記録されている情報が書き換えられないように、磁化反転電流Ｉｓよりも小さな再生電流Ｉｒを流す。そして電圧あるいは抵抗の値を検出することにより、記録されている情報が判定される。または、再生対象の記録素子の両端に電圧を印加し、記録素子を流れる電流の変化から記録状態を判定することもできる。
［３−２］他の構造（実施例３−１）
本実施形態の実施例の１つ（実施例３−１）として、実施例２−２のサンプルと同様の構造を持つ磁気記録素子を用いて磁気記録装置を作製した実施例について説明する。
図３４は、１つのメモリセルが、磁気記録素子Ｒと選択トランジスタＴとを有する例である。磁気記録素子Ｒは、ビット線ＢＬと選択トランジスタＴの一端との間に接続される。選択トランジスタＴの他端は、典型的には接地電位とされ、ゲートはワード線と接続される。メモリセルは、例えば以下の工程により作製される。すなわち、まず、半導体基板上に、リソグラフィー工程、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等の異方性エッチング、イオン注入等の工程により、選択トランジスタＴ、および選択トランジスタＴと電気的に接続された下層配線１が設けられる。次に、この下層配線上に実施例１−１に記載したのと同様の方法により、磁気記録素子Ｒが形成され、さらに磁気記録素子Ｒ上に上層配線２が形成される。
このようなメモリセルが、メモリセルアレイＭＣＡにおいて行列状に配置され、同じ行に属するメモリセルの各選択トランジスタのゲートは、同じワード線ＷＬと接続されている。同様に、同じ列に属するメモリセルの各記録素子は同じビット線ＢＬと接続されている。そして、メモリセルアレイＭＣＡの周囲にデコーダ、読み出し回路等が設けられる。ビット線ＢＬ、ワード線ＷＬはデコーダ、読み出し回路等の周辺回路ＳＣに接続される。
デコーダにより、外部からのアドレス信号に応じたアドレスを有する磁気記録素子Ｒを通るビット線ＢＬ、ワード線ＷＬに、書き込み電流Ｉｗ、再生電流Ｉｒ等が供給される。すなわち、再生または記録の際、対象の磁気記録素子Ｒと接続されたトランジスタＴのワード線を選択することにより選択トランジスタＴがオンとされる。次いで、この磁気記録素子Ｒと接続されたビット線に書き込み電流Ｉｗまたは再生電流Ｉｒを流すことにより、記録、再生が行われる。このとき、上記のように、磁気記録素子Ｒの構成により決定される磁化反転電流Ｉｓよりも大きな書き込み電流Ｉｗをセルに流すことで記録が可能となる。ここで作製した磁気記録素子は、磁化反転電流Ｉｓの平均値が０．１８ｍＡであったので、書き込み電流Ｉｗとして、これを越える大きさの正負の極性をもつ電流で書き込みが可能となる。また読み込み電流は、０．１８ｍＡを超えてはならない。
本実施例では、磁気記録素子Ｒの選択に選択トランジスタＴを用いたが、他のスイッチング素子を用いてもよい。できれば、オン時の抵抗が低抵抗のものが好ましい。例えば、図３５に示すように、ダイオードＤを用いてもよい。この場合、各メモリセルにおいて、直列接続された磁気記録素子ＲとダイオードＤが、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとの間に接続される。
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、磁気記録素子を構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、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、磁気記録素子における反強磁性層、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良く、あるいは、２以上の層を積層した構造としても良い。
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気記録素子や磁気記録装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうる全ての磁気記録素子、磁気記録装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明の第１実施形態に係る磁気記録素子の断面構造を模式的に示す図。 代表的な材料のスピン分極率を示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 固着層および自由層に適用可能な構造の断面構造を模式的に示す図。 非磁性層の厚さとこの非磁性層を挟む２つの強磁性層間の結合力との関係を示す図。 第１実施形態の変形に係る磁気記録素子の断面構造を模式的に示す図。 実施例１−２における自由層のスピン分極率と反転電流との関係を示す図。 実施例１−３における自由層のスピン分極率と正負の反転電流の比との関係を示す図。 第１実施形態に係る磁気記録素子の自由層および固着層のスピン分極率の関係を示す図。 本発明の第２実施形態に係る磁気記録素子の断面構造を模式的に示す図。 本発明の第２実施形態に係る磁気記録素子の断面構造を模式的に示す図。 固着層、自由層のスピン分極率の相互関係の典型例を示す図。 固着層、自由層のスピン分極率の相互関係の典型例を示す図。 固着層、自由層のスピン分極率の相互関係の典型例を示す図。 第２実施形態に係る磁気記録素子の固着層、自由層を積層構造により実現した場合の断面構造を模式的に示す図。 第２実施形態に係る磁気記録素子の固着層、自由層を積層構造により実現した場合の断面構造を模式的に示す図。 第２実施形態に係る磁気記録素子の固着層、自由層を積層構造により実現した場合の断面構造を模式的に示す図。 第２実施形態に係る磁気記録素子の固着層、自由層を積層構造により実現した場合の断面構造を模式的に示す図。 第１実施形態に係る磁気記録素子の自由層および固着層のスピン分極率の関係を示す図。 本発明の第３実施形態に係る磁気記録装置の断面構造を模式的に示す図。 １つのメモリセルが、磁気記録素子と選択トランジスタとを有する例を示す図。 １つのメモリセルが、磁気記録素子とダイオードとを有する例を示す図。
符号の説明
ＦＰ、ＦＰ１、ＦＰ２…強磁性層（固着層）、ＦＦ…強磁性層（自由層）、Ｓ、Ｓ１、Ｓ２…非磁性層（中間層）、ＡＦ、ＡＦ１、ＡＦ２…反強磁性層、ＦＭ１、ＦＭ２、ＦＭ３、ＦＭ４…強磁性サブレイヤー、ＦＣ、ＡＣ…非磁性サブレイヤー、Ｒ…磁気記録素子、Ｉ…絶縁膜、１、２…電極層、ＷＬ…ワード線、ＢＬ…ビット線、Ｔ…選択トランジスタ、ＭＣＡ…メモリセルアレイ、Ｄ…ダイオード、ＳＣ…周辺回路。

Claims (12)

  1. 磁化方向が可変な層を有し、スピン偏極した電子を注入され、スピン偏極した電子の流れの向きに応じて前記磁化方向が変化し、前記磁化方向に応じた情報を記憶可能な磁気記録素子であって、
    スピン偏極した電子の作用により磁化方向が変化し、スピン分極率Ｐｆを有する自由層と、
    磁化方向が固定され、且つ前記スピン分極率Ｐｆより大きいスピン分極率Ｐｐを有する固着層と、
    前記固着層と前記自由層との間に設けられ、非磁性材料から実質的になる中間層と、
    を具備することを特徴とする磁気記録素子。
  2. Ｐｐ≧０．６Ｐｆ＋０．１４およびＰｐ≧５．０Ｐｆ−２．４をさらに満たすことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
  3. 前記中間層が非磁性金属から実質的になることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録素子。
  4. 前記中間層が絶縁材料または半導体材料を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気記録素子。
  5. 磁化方向が可変な層を有し、スピン偏極した電子を注入され、スピン偏極した電子群の流れの向きに応じて前記磁化方向が変化し、前記磁化方向に応じた情報を記憶可能な磁気記録素子であって、
    １以上の膜からなり、スピン分極した電子の作用により磁化方向が変化し、スピン分極率Ｐｆを有する自由層と、
    前記自由層の第１面上に設けられ、非磁性材料から実質的になる第１中間層と、
    前記第１中間層の、前記第１面と反対側の面上に設けられた第１固着層と、
    前記自由層の、前記第１面と反対側の第２面上に設けられ、非磁性材料から実質的になる第２中間層と、
    前記第２中間層の、前記第２面と反対側の面上に設けられた第２固着層と、
    を具備し、
    前記自由層の前記第１中間層と面する膜の磁化方向と前記第１固着層の磁化方向との関係と、前記自由層の前記第２中間層と面する膜の磁化方向と前記第２固着層との磁化方向との関係と、の一方が平行で他方が反平行となるように前記第１固着層の磁化方向および前記第２固着層の磁化方向が固定され、
    前記第１固着層のスピン分極率と前記第２固着層のスピン分極率とが同じ場合、前記第１固着層のスピン分極率または前記第２固着層のスピン分極率Ｐｐが、Ｐｐ＞Ｐｆを満たし、
    前記第１固着層のスピン分極率と前記第２固着層のスピン分極率とが異なる場合、前記第１固着層のスピン分極率と前記第２固着層のスピン分極率の小さい方Ｐｐｍｉｎが、Ｐｐｍｉｎ≧Ｐｆを満たす、
    ことを特徴とする磁気記録素子。
  6. 前記第１固着層のスピン分極率と前記第２固着層のスピン分極率が異なる場合、前記第１固着層のスピン分極率と前記第２固着層のスピン分極率の大きい方Ｐｐｍａｘが、Ｐｐｍａｘ≧０．６Ｐｆ＋０．１４をさらに満たすことを特徴とする請求項５に記載の磁気記録素子。
  7. 前記第１中間層および前記第２中間層が非磁性金属から実質的になることを特徴とする請求項５または６に記載の磁気記録素子。
  8. 前記第１中間層および前記第２中間層の一方が絶縁体または半導体を含むことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の磁気記録素子。
  9. 前記固着層または前記第１固着層または前記第２固着層が鉄族遷移金属を含む材料からなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の磁気記録素子。
  10. 前記固着層または前記第１固着層または前記第２固着層がハーフメタルから実質的になることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の磁気記録素子。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気記録素子を複数個含み、
    前記磁気記録素子が行列状に配置されたメモリセルアレイを含む、
    ことを特徴とする磁気記録装置。
  12. 同じ行に属する前記磁気記録素子のそれぞれの一端と電気的に接続された第１配線と、
    同じ列に属する前記磁気記録素子のそれぞれの他端と電気的に接続された第２配線と、
    前記第１配線および前記第２配線と接続され、前記第１配線および前記第２配線に電流を流すことにより前記磁気記録素子の任意の１つを対象とした情報の書き込みおよび読み出しを行う制御回路と、
    をさらに具備することを特徴とする請求項１１に記載の磁気記録装置。
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