JP2007005664A - スピン注入磁化反転素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 記録された磁化を保持する特性と、少ない電流密度で磁化反転を可能とする磁化反転の容易さとを両立した記憶素子ならびに微弱電流センサーを提供することにある。
【解決手段】 強磁性固定層、分離層および強磁性フリー層備えたスピン注入磁化反転素子において、強磁性固定層が分離層に接している面積が、強磁性フリー層が分離層に接している面積よりも大きいことを特徴とする。
または、強磁性固定層が強磁性第１固定層と強磁性第２固定層に分割され、分離層が第１分離層と第２分離層に分割され、強磁性フリー層の対向する主平面の一方の面に第１分離層を介して強磁性第１固定層が配置され、強磁性フリー層の対向する主平面の他方の面に第２分離層を介して強磁性第２固定層が配置され、強磁性第１固定層と強磁性第２固定層が導通することを特徴とする。
強磁性固定層の磁化と体積の積の値が、強磁性フリー層の磁化と体積の積の値よりも大きいことが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気的なメモリーやセンサーを構成する基本構造素子およびこれを用いた装置に関する。より具体的には、電子スピンの注入を制御した、大容量かつ機械的な駆動部分を含まない磁気的なランダムアクセスメモリ、あるいは電子スピンの注入を検知する微弱電流センサーを構成する素子ならびに装置に関する。

図８は、従来提案されている巨大磁気抵抗（ＧＭＲ、Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を利用したＧＭＲ素子の断面構造を示したものである。例えば、表面にシリコン酸化膜を形成したシリコン絶縁基板２００上に固定層電極２０８、Ｃｏ等からなる強磁性固定層２０５（厚さ〜４０ｎｍ、直径〜２００ｎｍ）、非磁性金属からなる分離層２０４（厚さ〜６ｎｍ、直径〜２００ｎｍ）、Ｃｏ等からなる強磁性フリー層２０６（厚さ〜２．５ｎｍ、直径〜２００ｎｍ）、フリー層電極２０７が順次形成されている。このようなＧＭＲ構造素子は、フリー層電極側からのスピン電流注入、即ち、固定層電極側からのスピン分極した電子の注入によって強磁性フリー層２０６の磁化を反転できることが知られている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照。）。
素子の動作原理は以下のように説明されている。はじめに素子に十分な磁界を印加し、強磁性固定層２０５、強磁性フリー層２０６の磁化状態を同一方向に揃える。図９ａは磁化が右向きに揃った場合を示したもので、図中の矢印が各磁性層の磁化の方向を表している。この状態を平行状態（Ｐ状態）と呼ぶことにする。この状態で、電流を固定層電極側からフリー層電極の向きに流すと、電子はフリー層電極２０７から強磁性フリー層２０６に注入される。フリー層電極中の電子スピンの状態はアップスピンとダウンスピンの分布が一致しているが、強磁性層中では電子スピンと強磁性金属原子のスピンの間に相互作用（ｓ−ｄ相互作用）が働くために、伝導電子のスピンは強磁性フリー層２０６の磁化の向きに平行なスピンが多数を占めるように分極する。これをスピンの偏極と呼んでいる。しかし、今考えている積層膜の強磁性フリー層２０６は薄いために、分極はわずかなものにとどまる。このわずかに分極したスピンの伝導電子が分離層２０４を通過して強磁性固定層２０５の表面に到達すると、強磁性固定層２０５の磁化の向きに平行なスピンを持つ電子は強磁性固定層２０５に注入されるが、強磁性固定層２０５の磁化と反対のスピンを持つ電子は反射され、再び強磁性フリー層２０６に注入される。強磁性固定層２０５は厚いため、自分の持つ磁化に平行なスピンを優先して通過させるスピンフィルタとしての働きをする。この結果、強磁性フリー層２０６中の多数キャリアは強磁性固定層２０５の磁化と反対向きのスピンを持つ電子となり、この電子によって、強磁性フリー層２０６は磁化を反転させる向きのトルクを受ける。電流がある臨界電流を超えると、強磁性フリー層２０６の磁化はトルクによって回転し、図９ｂに示すように、強磁性フリー層２０６と強磁性固定層２０５の磁化はＰ状態から反平行状態（ＡＰ状態）に変化する。

次にＡＰ状態にある素子にフリー層電極から固定層電極に向けて電流を流す場合を説明する。この場合は、電子は固定層電極２０８から強磁性固定層２０５に注入される。固定層電極中の電子スピンの状態もアップスピンとダウンスピンの分布が一致しているが、強磁性層中では電子スピンと強磁性金属原子のスピンの間に相互作用（ｓ−ｄ相互作用）が働く。ここで強磁性固定層２０５は厚いために、伝導電子のスピンは強磁性固定層２０５の磁化に平行なスピンが大多数を占めるように分極する。この大きくスピン偏極した伝導電子が分離層２０４を通過して強磁性フリー層２０６の表面に到達すると、強磁性フリー層２０６の磁化の向きに反平行なスピンを持つ大多数の電子は強磁性フリー層２０６に注入される。この結果、強磁性フリー層２０６の磁化は強磁性固定層２０５の磁化と平行なスピンを持つ電子によって磁化を反転させる向きのトルクを受ける。電流がある臨界電流を超えると、強磁性フリー層２０６の磁化はトルクによって回転し、強磁性フリー層２０６と強磁性固定層２０５の磁化はＡＰ状態からＰ状態に戻る。

ＧＭＲ素子の両電極間の電気抵抗値は、Ｐ状態で小さくＡＰ状態で大きく、その割合は数１０％あることが知られている。このＧＭＲ効果を用いてメモリー素子を構成することができるが、電流注入によって磁化反転を起こすためには、現在は１０^８Ａ／ｃｍ^２程度の大きな電流密度が必要とされている。
特開２００４−２０７７０７号公報 カティン（Ｊ． Ａ． Ｋａｔｉｎｅ）、「Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ柱における電流駆動磁気反転およびスピン波励起（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｒｅｖｅｒｓａｌ ａｎｄ Ｓｐｉｎ−Ｗａｖｅ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ Ｐｉｌｌａｒｓ）」、フィジカル・レビュー・レターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、米国、２０００年、第８４巻、第１４号、ｐ．３１４９−３１５２。

上述した技術は、電流を流すことによって磁化を反転するものである。原理としては、スピン偏極した電子が強磁性体に注入されたときに、電子スピンによって強磁性体の磁化にトルクが加えられることによって磁化反転を引き起こすものである。したがって、磁化反転を起こすために必要な電流密度を下げるためには、わずかな注入電子で磁化の反転を起こすことが必要となり、このためには、磁化反転される強磁性フリー層の体積および飽和磁化の大きさを小さくしていくことが必要とされてきた。しかしながら、強磁性フリー層の飽和磁化および体積を小さくすることは、記録された磁化の熱擾乱に対する耐性を劣化させることにつながり、微小磁化が不安定となる結果、磁化を保持できなくなるという問題が生じることとなる。
本発明は上述の問題に鑑みなされたもので、記録された磁化を保持する特性と、少ない電流密度で磁化反転を可能とする磁化反転の容易さとを両立した記憶素子ならびに微弱電流センサーを提供することにある。

本発明は、強磁性固定層と強磁性フリー層を分離層を介して対向させるに当たって、その面積を増大するかあるいは強磁性固定層により強磁性フリー層を実質的に取り囲むことにより、強磁性固定層と強磁性フリー層との間で効率的にスピン偏極した電子を注入または反射することができることを見出したことに基づいている。
即ち、本発明は、強磁性固定層、分離層および強磁性フリー層をこの順に備え、該強磁性固定層と強磁性フリー層の間に流す電流によって、該強磁性固定層と強磁性フリー層の磁化の向きが相互に平行な状態と相互に反平行な状態との間の遷移をもたらすスピン注入磁化反転素子において、前記強磁性固定層が前記分離層に接している面積が、前記強磁性フリー層が前記分離層に接している面積よりも大きいことを特徴とする。
強磁性フリー層の一つの面に電極を接続し、強磁性フリー層の他の面には、分離層を介して強磁性固定層を配置してもよい。

別法として、強磁性固定層、分離層および強磁性フリー層を備え、該強磁性固定層と強磁性フリー層の間に流す電流によって、該強磁性固定層と強磁性フリー層の磁化の向きが相互に平行な状態と相互に反平行な状態との間の遷移をもたらすスピン注入磁化反転素子において、前記強磁性固定層が強磁性第１固定層と強磁性第２固定層に分割され、前記分離層が第１分離層と第２分離層に分割され、前記強磁性フリー層の対向する主平面の一方の面に前記第１分離層を介して前記強磁性第１固定層が配置され、前記強磁性フリー層の対向する主平面の他方の面に前記第２分離層を介して前記強磁性第２固定層が配置され、前記強磁性第１固定層と前記強磁性第２固定層が導通することを特徴とする。
強磁性固定層の磁化と体積の積の値が、前期強磁性フリー層の磁化と体積の積の値よりも大きいことが好ましい。

また、強磁性フリー層の飽和磁化が強磁性固定層の飽和磁化よりも小さいことが好ましく、また、強磁性フリー層の保磁力が前記強磁性固定層の保磁力よりも小さいことが好ましい。
また、強磁性固定層が相互に導通する複数の電極に接続されていることが好ましい。
分離層は、非磁性金属もしくは絶縁体であることが好ましく、銅または酸化アルミであることが特に好ましい。
強磁性固定層および前記強磁性フリー層は金属コバルトからなることが好ましい。

従来のＧＭＲ構造素子においては、電子スピン注入効率を改善するために、強磁性固定層のｓ−ｄ相互作用を強くし、１００％近いスピン偏極を実現することに主眼が置かれてきた。
本発明では、強磁性固定層と強磁性フリー層の新規な配置方法を適用することにより、ｓ−ｄ相互作用に依存せずに、強磁性固定層と強磁性フリー層との間で効率的に偏極したスピンを注入または反射することが可能となる。この結果、強磁性フリー層の磁化反転に必要な臨界電流密度を低減することが可能となり、あるいは、強磁性フリー層の体積または飽和磁化を増加して熱安定性を確保することが可能となる。
本発明により素子を構成することにより、磁気的なセンサーやメモリーを構成することが可能となる。たとえば、本発明の素子を多数個集積するとともに、シリコン半導体ＣＭＯＳ回路を集積した基板上に組み合わせて集積することにより、記録容量の大きな機械的な駆動部分を含まない磁気的なランダムアクセスメモリが実現できる。また、本発明の素子は、電極端子間に流れる電流の向きによって、素子内部の磁化状態が変化し、電極端子間の電気抵抗が変わる磁気抵抗効果を発現するため、微弱な電流センサーとしても利用が可能である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
はじめに、図７を参照して、本発明の原理について説明する。
図７は、本発明の原理を説明するための模式図で、絶縁基板１００上に第２固定層電極１１２、強磁性第２固定層１１１、第２分離層１１４、強磁性フリー層１０６、第１分離層１０４、強磁性第１固定層１０５、第１固定層電極１０８が順次形成されており、第１固定層電極１０８と第２固定層電極１１２とは、素子の外部にて配線１１５により導通され、外部電源（図示せず）と接続されている。また、フリー層電極１０７が強磁性フリー層１０６に接続され、フリー層電極１０７も外部電源と接続されている。
強磁性第１固定層１０５と強磁性第２固定層１１１は、強磁性フリー層１０６に比べて、磁化が固定されやすい構成とする。具体的には、飽和磁化が大きいか、体積が大きいかまたはその両者を満たすように構成して、本素子に電流を印加した際に、強磁性フリー層１０６の磁化だけが反転するように構成する。

本素子に印加する電流は、配線１１５とフリー層電極１０７の間で流れることになる。具体的には、次の２つの経路を流れることとなる。
＜第１の経路＞
配線１１５、第２固定層電極１１２、強磁性第２固定層１１１、第２分離層１１４、強磁性フリー層１０６、フリー層電極１０７
＜第２の経路＞
配線１１５、第１固定層電極１０８、強磁性第１固定層１０５、第１分離層１０４、強磁性フリー層１０６、フリー層電極１０７
はじめに、外部磁界を印加して、第１、第２固定層１０５、１１１の磁化を同じ方向に磁化しておく。この磁化の向きに平行な電子スピンをアップスピンとする。この状態で、電流をフリー層電極１０７から配線１１５に流す場合を考える。この時、電子は配線１１５からフリー層電極１０７に流れることとなる。第１、第２固定層１０５、１１１の膜厚を厚くすることにより、電子はスピン緩和距離に比べて長い距離を第１、第２固定層１０５、１１１中で移動することとなり、この間に電子スピンはアップスピンに偏極される。従って、大部分がアップスピンである電子が強磁性フリー層１０６の上下の界面から同時に注入される。この結果、強磁性フリー層１０６はトルクをより効率的に受け、第１、第２固定層の磁化の方向に速やかに反転する。従来技術である図８のように片側の強磁性固定層だけからスピン偏極した電子を注入する方法に対して、臨界電流密度は１／２程度に減少する。

次に、電流を配線１１５からフリー層電極１０７に流す場合、すなわち、電子をフリー層１０６から第１、第２固定層１０５、１１１に注入する場合を考える。フリー層電極１０７中でアップスピンとダウンスピンの割合が同じであった電子は、フリー層１０６が薄いために、十分にスピン偏極されないまま第１、第２分離層を通り第１、第２固定層１０５と１１１の界面に到達する。ここで、第１、第２固定層１０５および１１１中では、厚い強磁性層である第１、第２固定層の磁化と平行なアップスピンを持つ電子は低いポテンシャルエネルギーとなるが、反平行なダウンスピンを持つ電子は高いポテンシャルによって上下の界面で反射され、再び上下の界面からフリー層１０６中に効率的に注入されることになる。即ち、ダウンスピンを持つ電子は、厚い第１、第２固定層の高いポテンシャル障壁によって、複数回反射されることとなり、フリー層１０６中に閉じ込められることになる。したがって、ダウンスピンが大多数を占める電子によってフリー層１０６の磁化は第１、第２固定層１０５と１１１の磁化に反平行になるようなトルクを受け、閉じ込めがない場合に比べて、より速やかに磁化反転されることになる。従来技術である図８のように、片側の強磁性固定層だけで反射する場合に比べて、臨界電流密度は１／２から１／１０に減少する。

この効果は、図７に示すような、強磁性フリー層を両側から挟む構成に限らず、強磁性フリー層と強磁性固定層が対向する面の面積を増大することによって得ることができる。また、強磁性フリー層を強磁性固定層で実質的に取り囲む構造とすることによって大きな効果を得ることができる。面積の増大と実質的に取り囲む構造の両者を同時に行うことで最も大きな効果を得ることができる。強磁性フリー層を強磁性固定層で実質的に取り囲む構造とするためには、例えば、強磁性フリー層とフリー層電極の接続部分を除いて、強磁性フリー層の周囲を分離層を介して強磁性固定層で囲む方法をとることができる。
なお、取り囲む構造を部分的に採用することにより、完全な閉じ込め効果にいたらないまでも、効果の一部を実現することが可能である。この場合の部分的に取り囲む構造は、分離層と接している部分の強磁性フリー層の面積と比べて、分離層と接している部分の強磁性固定層の面積を大きくすることで達成することができる。例えば、強磁性フリー層に凸型の曲面を形成し、この曲面に分離層を配置し、この分離層を介して強磁性固定層を配置することにより、分離層と接している部分の強磁性フリー層の面積と比べて、分離層と接している部分の強磁性固定層の面積を大きくすることができる。

また、別法としては、強磁性フリー層の体積に対して、強磁性固定層と対向する面の面積を増大することでも効果を得ることができる。
強磁性フリー層の磁性材料としては、磁性金属、強磁性半導体もしくは強磁性酸化物を使用することができる。なかでも、Ｃｏ、パーマロイ（たとえばＮｉ_８０Ｆｅ_２０、Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９）、ＣｏＦｅ（好ましくはＣｏ_９０Ｆｅ_１０）、Ｆｅ、ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、ＣｏＣｒＦｅＡｌ、ＦｅＰｔ、Ｓｒ_２ＦｅＭｏＯ_６、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＨｆＴａ、ＮｉＣｏＦｅ、Ｎｉ_４５Ｆｅ_５５、ＮｉＦｅ、ＣｏＺｒＮｂ、ＦｅＣｏＮ合金、ＦｅＡｌＮ合金、ＮｉＦｅＭｏ合金、ＦｅＴａＮ合金等が好ましい。
強磁性固定層の磁性材料としては、磁気異方性定数および保磁力の大きな材料が好ましく、なかでも、Ｃｏ、ＣｏＰｔ合金、ＦｅＰｔ、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔＣｒ、ＣｏＰｔＣｒＢ、ＣｏＰｔＣｒＴａＢ、ＣｏＰｔ人工格子膜、ＣｏＰｄ人工格子膜、ＣｏＰｔＣｒ−ＳｉＯ_２グラニュラー膜等が特に好ましい。

分離層としては、非磁性金属、酸化物を使用することができる。非磁性金属の場合はＣｕ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＰｄが好ましく、酸化物の場合は、アルミの酸化物、ＭｇＯが好ましい。また、これら非磁性金属膜と酸化物の二層積層膜を用いることができる。
以下、本発明の実施例に付き、さらに詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例を説明するためのもので、図１ｂは断面模式図、図１ａは図１ｂの線分Ａ−Ａにそった断面模式図である。四角柱状の強磁性フリー層６を取り囲むように、強磁性固定層５を分離層４を介して配置している。強磁性固定層５は固定層電極８を介して外部電源（図示せず）と接続し、強磁性フリー層６はフリー層電極７を介して外部電源と接続している。
図４は、実施例１の素子を製作する工程の要部を説明するためのものである。まず、図４ａを用いて説明する。基板１として厚さ５００μｍのシリコン基板を用い、その表面に深さ２２０ｎｍで水平断面が正方形のトレンチ構造を形成した。引き続き、シリコン基板１の表面を酸素雰囲気中で熱酸化することによって厚さ１００ｎｍのシリコン酸化膜を形成して基板絶縁層２とした。引き続き、Ｃｏからなる強磁性固定層５を厚さ１００ｎｍにて形成した。強磁性固定層５の膜厚は磁化を充分に固定するために、２０ないし１００ｎｍが好ましい。引き続き、Ｃｕからなる分離層４を厚さ１０ｎｍにて形成した。分離層４は強磁性固定層５と強磁性フリー層６の磁気的な分離性を確保するために３ｎｍ以上とすることが好ましく、電気的な導通性を確保するために１０ｎｍ以下とすることが好ましい。その材料は、非磁性金属あるいは酸化アルミ等の絶縁材料を使用することができる。引き続き、強磁性フリー層６を形成するためにＣｏ層を厚さ３０ｎｍで形成し、トレンチ構造の内部を強磁性フリー層６で充填した。形成するＣｏ層の厚みはトレンチ構造の内部を充分に充填できる厚みであれば良い。図４ａの強磁性フリー層６で埋め込まれたトレンチ構造の幅ｔは１０ｎｍであった。ｔは、磁化反転を容易にするために２ｎｍ以上、１０ｎｍ以下が好ましい。基板絶縁層２の表面から強磁性フリー層のトレンチ底部までの深さｄは１０ｎｍであった。ｄは強磁性固定層５と強磁性フリー層６の界面の面積を充分に確保するために、３ｎｍから２００ｎｍが好ましい。次に、図４ｂに示す如く、表面を基板絶縁層２までエッチバックを行う。次に、図４ｃに示す如く、フォトレジスト１０を１００ｎｍ厚で全面塗布後、パターニングを行なって、強磁性フリー層６、分離層４および素子周縁部を被覆した後、その上に強磁性固定層５と同一材料の強磁性体で薄膜を形成した。引き続き、図４ｄに示す如く、フォトレジスト１０の上の強磁性薄膜をリフトオフ法によってとり除いた。引き続き、図４ｅに示す如く、プラズマＣＶＤ法によってシリコン酸化膜を２００ｎｍ形成して絶縁層３とした。引き続き、図４ｆに示す如く、シリコン酸化膜３の一部を取り除いて、強磁性固定層５および強磁性フリー層６と導通をとるためのスルーホールを設けた。引き続き、図４ｇに示す如く、金からなるフリー層電極７、固定層電極８を形成して実施例１を得た。

表１に実施例１の動作条件と特性を示す。ＭＲ比は素子の高抵抗状態と低抵抗状態の測定値で定義され、ＭＲ比＝（高抵抗値−低抵抗値）／（高抵抗値＋低抵抗値）×１００（％）である。臨界電流密度は、磁化反転が生じる最小の電流密度である。表中で、例えば固定層電極８からフリー層電極７に電流密度５×１０^８Ａ／ｃｍ^２で電流を流すことは、絶対値では０．６ｍＡの電流を固定層電極８からフリー層電極７へ流すことに相当する。素子の抵抗値を検知電流３００ｕＡで測定した結果、高抵抗の状態が４．６Ω、低抵抗の状態が４．０Ωであった。

図２は図１ａに相当する断面模式図で、図２に示す如く、トレンチ構造を円柱形状としたこと以外は実施例１と同様にして素子を製作し、実施例２とした。強磁性フリー層６の形状は、直径１０ｎｍ，深さ１０ｎｍの円柱状であった。
実施例２の動作条件と特性を表１に示す。検知電流３００ｕＡで素子の抵抗値を測定した結果、高抵抗の状態が４．６Ω、低抵抗の状態が４．０Ωであった。

強磁性固定層に積層電極を付加して抵抗値を調整した例である。図３に、実施例３の構成を示す。図３ｂは断面模式図、図３ａは図３ｂの線分Ｂ−Ｂにそった断面模式図である。
シリコン酸化膜による基板絶縁層２を形成した後、Ｃｕからなる積層電極９を膜厚２０ｎｍにて形成し、引き続く強磁性固定層５の膜厚を８０ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様にして素子を製作し実施例３を得た。
実施例３の動作条件と特性を表１に示す。検知電流３００ｕＡで素子の抵抗値を測定した結果、高抵抗の状態が３．６Ω、低抵抗の状態が２．８Ωであった。

図２に示す如く、トレンチ構造を円柱形状としたこと以外は実施例３と同様にして素子を製作し、実施例４とした。強磁性フリー層６の形状は、直径１０ｎｍ，深さ１０ｎｍの円柱状であった。
実施例４の動作条件と特性を表１に示す。検知電流３００ｕＡで素子の抵抗値を測定した結果、高抵抗の状態が３．６Ω、低抵抗の状態が２．８Ωであった。
上記の実施例では、トレンチ構造の水平方向の断面形状を正方形、円形としたが、これに限られるものではなく、楕円形、長方形としても良い。また、所望により、星型のようにして凹凸を設けることにより、強磁性固定層と強磁性フリー層界面の面積を増大して、効果を一層増大することも可能である。
また、上記の実施例ではフリー層電極方向を残して、強磁性固定層が強磁性フリー層を取り囲む構成としたが、これに限られるものでなく、例えば半円部で囲む構成のように、一部だけを取り囲むように構成することも可能である。

強磁性固定層、強磁性フリー層等を基板の上部に配置した例である。
図５は、本発明の第５の実施例を説明するためのもので、図５ｂは断面模式図、図５ａは図５ｂの線分Ｃ−Ｃにそった断面模式図である。四角柱状の強磁性フリー層５６を取り囲むように、強磁性第１固定層５５と強磁性第２固定層６１を分離層５４を介して配置している。強磁性第１固定層５５は第１固定層電極５８を介して外部電源（図示せず）と接続し、強磁性第２固定層６１は第２固定層電極６２を介して外部電源と接続し、強磁性フリー層５６はフリー層電極５７を介して外部電源と接続している。
本素子の製作は通常の半導体素子形成プロセスを使用して行った。
絶縁基板５０としては、シリコン酸化膜を表面に形成した、厚み５００μｍのシリコン基板を用いた。強磁性第１固定層５５および強磁性第２固定層６１としては、それぞれ厚み１００ｎｍのＣｏＰｔ合金層を形成した。強磁性フリー層５６としては、厚み５ｎｍ、底面１００ｎｍ×１００ｎｍの直方体形状のＣｏ層を形成した。分離層５４としては、厚み１０ｎｍのＣｕ層を形成して強磁性フリー層５６と２つの強磁性固定層５５、６１を離間した。分離層５４は強磁性フリー層５６の周囲をフリー層電極５７の方向を除いて取り囲んでいる。強磁性第１固定層５５および強磁性第２固定層６１により分離層５４の周囲をフリー層電極５７の方向を除いて取り囲んでいる。絶縁層５３としては、厚み２００ｎｍの低温成膜シリコン酸化膜をプラズマＣＶＤ法にて形成した。第１固定層電極５８および第２固定層電極６２としては、Ａｕを用い、絶縁層５３に設けた１００ｎｍ×１００ｎｍの開口部を通してそれぞれ強磁性第１固定層５５、強磁性第２固定層６１と導通した。第１固定層電極５８および第２固定層電極６２は、素子の外部で導通している。フリー層電極５７は、Ａｕを用いて、厚み２００ｎｍ、底面２００μｍ×２００μｍの外部電源接続部５７−１と幅１００ｎｍ、長さ２００ｎｍの強磁性フリー層接続部５７−２を形成した。フリー層電極５７と強磁性第１固定層５５、フリー層電極５７と強磁性第２固定層６１はそれぞれ絶縁されている。

表２に実施例５の動作条件と特性を示した。表中で、固定層電極からフリー層電極へ電流を流すとは、素子の外部の導通部から第１固定層電極５８および第２固定層電極６２を介してフリー層電極に向けて電流を流すことを意味している。また、固定層電極からフリー層電極に電流密度４×１０^７Ａ／ｃｍ^２で電流を流すことは、絶対値では８ｍＡの電流を流すことに相当している。検知電流３００ｕＡで素子の抵抗値を測定した結果、高抵抗の状態が３．０Ω、低抵抗の状態が２．３Ωであった。

強磁性固定層に積層電極を付加して抵抗値を調整した例である。図６に実施例６の断面模式図を示す。
強磁性第１固定層５５の厚みを８０ｎｍとし、この上に厚み２０ｎｍのＣｕからなる第１積層電極６０を形成し、また絶縁基板５０上に厚み２０ｎｍのＣｕからなる第２積層電極６３を形成し、この上に強磁性第２固定層６１を厚み８０ｎｍにて形成したこと以外は実施例５と同様にして素子を製作し実施例６を得た。
実施例６の動作条件と特性を表２に示す。検知電流３００ｕＡで素子の抵抗値を測定した結果、高抵抗の状態が２．０Ω、低抵抗の状態が１．４Ωであった。

本発明の実施例１の構成を説明するための断面模式図である。 本発明の実施例２の構成を説明するための断面模式図である。 本発明の実施例３の構成を説明するための断面模式図である。 本発明の実施例１ないし４に係る素子の製造方法を説明するための模式図である。 本発明の実施例５の構成を説明するための断面模式図である。 本発明の実施例６の構成を説明するための断面模式図である。 本発明の原理を説明するための断面模式図である。 従来のＧＭＲ素子の構成例を説明するための断面模式図である。 従来のＧＭＲ素子の動作を説明するための断面模式図である。

符号の説明

１ 基板
２ 基板絶縁層
３、５３ 絶縁層
４、５４、２０４ 分離層
５、２０５ 強磁性固定層
６、５６、１０６、２０６ 強磁性フリー層
７、５７、１０７、２０７ フリー層電極
８、２０８ 固定層電極
９ 積層電極
１０ レジスト
５０、１００、２００ 絶縁基板
５５、１０５ 強磁性第１固定層
５８、１０８ 第１固定層電極
６０ 第１積層電極
６１、１１１ 強磁性第２固定層
６２、１１２ 第２固定層電極
６３ 第２積層電極
１０４ 第１分離層
１１４ 第２分離層
１１５ 配線

Claims (12)

1. 強磁性固定層、分離層および強磁性フリー層をこの順に備え、該強磁性固定層と強磁性フリー層の間に流す電流によって、該強磁性固定層と強磁性フリー層の磁化の向きが相互に平行な状態と相互に反平行な状態との間の遷移をもたらすスピン注入磁化反転素子において、
   前記強磁性固定層が前記分離層に接している面積が、前記強磁性フリー層が前記分離層に接している面積よりも大きいことを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
2. 前記強磁性フリー層の一つの面に電極を接続し、
   前記強磁性フリー層の他の面には、前記分離層を介して前記強磁性固定層を配置したことを特徴とする請求項１に記載のスピン注入磁化反転素子。
3. 強磁性固定層、分離層および強磁性フリー層を備え、該強磁性固定層と強磁性フリー層の間に流す電流によって、該強磁性固定層と強磁性フリー層の磁化の向きが相互に平行な状態と相互に反平行な状態との間の遷移をもたらすスピン注入磁化反転素子において、
   前記強磁性固定層が強磁性第１固定層と強磁性第２固定層に分割され、
   前記分離層が第１分離層と第２分離層に分割され、
   前記強磁性フリー層の対向する主平面の一方の面に前記第１分離層を介して前記強磁性第１固定層が配置され、
   前記強磁性フリー層の対向する主平面の他方の面に前記第２分離層を介して前記強磁性第２固定層が配置され、
   前記強磁性第１固定層と前記強磁性第２固定層が導通することを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
4. 前記強磁性固定層の磁化と体積の積の値が、前期強磁性フリー層の磁化と体積の積の値よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子
5. 前記強磁性フリー層の飽和磁化が前記強磁性固定層の飽和磁化よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
6. 前記強磁性フリー層の保磁力が前記強磁性固定層の保磁力よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
7. 前記強磁性固定層が相互に導通する複数の電極に接続されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
8. 前記分離層が非磁性金属であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
9. 前記分離層が絶縁体であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
10. 前記分離層が銅であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
11. 前記分離層が酸化アルミであることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
12. 前記強磁性固定層および前記強磁性フリー層が金属コバルトからなることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。

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