JP2007281334A - スピン注入磁化反転素子、その製造方法、およびそれを用いた磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３値以上の多値記録が可能であり、かつ製造の容易なスピン注入磁化反転素子を提供することにある。
【解決手段】スピン注入磁化反転素子において、磁化が第１の方向に実質的に固定された強磁性固定層１３と、非磁性の分離層１４と、磁化の方向が可変の２以上の強磁性フリー層１５、１６、１７を備え、強磁性固定層１３は分離層１４の一方の主面に配置され、前記各強磁性フリー層１５、１６、１７はそれぞれが分離層１４の他方の主面に接して配置する。 各強磁性フリー層１５、１６、１７は、膜厚、磁化反転臨界電流密度または保磁力が全て異なることが好ましい。 また、スピン注入磁化反転素子を用いて磁気記録装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気的なメモリを構成する基本構造素子に関する。より具体的には、電子スピンの注入を制御して、多値記録が可能な磁気的ランダムアクセスメモリを構成する素子に関する。

近年、強磁性層／非磁性金属層／強磁性層からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子および強磁性層／絶縁体層／強磁性層からなるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子が開発され、新しい磁気センサや磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への応用が期待されている。

図６は、従来提案されているＭＲＡＭの例を示すもので、図６ａに示すように、ビット線２１２およびワード線２１８をマトリクス状に配線し、ＴＭＲ素子２００をマトリクスの交点に配置する。ＴＭＲ素子２００は、図６ｂに示す如く、第１強磁性層２１３と第２強磁性層２１５が分離層２１４を介して配置されており、２つの強磁性層の磁化の向きが平行、反平行の各状態で抵抗値が異なることを利用して記録を保持している。図中の白抜きの矢印は、各層の磁化の向きを例示するもので、以降の図も同様である。ＴＭＲ素子に論理情報を書き込む際には、別に設けた書き込み用ワード線２１９に電流を流して磁界を発生することにより行う。この時発生する磁界の向きおよび強さを調節することで第１強磁性層２１３および第２強磁性層２１５の磁化方向を平行または反平行とし、“１”または“０”の情報を記録する。記録した情報の読み出しはワード線２１８からビット線２１２へ電流を流し、ＴＭＲ効果によって生じる素子の抵抗値変化を読み取ることで行う。このようにしてＴＭＲ素子に対して論理情報の記録・再生が可能であるが、この方法では１つのメモリセルで論理値“１”、“０”の２値、すなわち１ビットの情報しか記録再生できず将来の高密度化の要求に対して十分ではない。さらに、電流磁場による情報書き込みのため消費電力が大きいという問題があった。

この問題を解決する方法として、１つの素子に３値以上の多値の情報を記録・再生する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。図７は、その１例を示すもので、非磁性基板３１１上には、第１電極３１２、第１強磁性層３１３、分離層３１４が形成され、分離層の上に第２強磁性層３１５と第３強磁性層３１６が並置されている。第２および第３強磁性層の上には第２電極３１８が形成され、第１電極と第２電極の間の抵抗変化を読み取ることにより、記録した情報の再生を行っている。各強磁性層３１３、３１５、３１６は、それらの間で保磁力（Ｈｃ）に差が生ずるように、Ｃｏ基合金の組成や成膜条件を変化させて成膜されており、書き込み用ワード線３１９により発生する磁場の強度と向きを制御して、各強磁性層の磁化の向きの組み合わせを変化させて３値の記録を行っている。

この方法においても、電流磁場を用いて情報の書込みを行うことから消費電力が大きい問題は依然として残り、また、第２強磁性層と第３強磁性層の組成を変えてＨｃを変化させていることから、第２、第３強磁性層の成膜を複数回に分けて行わなければならず、製造工程が複雑になる問題を有している。
消費電力の問題を解決する方法として、スピン注入により磁化を反転する素子が提案され、近年注目を集めている（例えば、非特許文献１、特許文献２参照。）。図８は、特許文献２で提案されているスピン注入磁化反転素子の主要部の構成例を示す断面模式図で、第１強磁性固定層４１３、第１分離層４１４、強磁性フリー層４１５、第２分離層４２４、第２強磁性固定層４２３から構成される。両強磁性固定層の磁化の向きは予め反平行に設定され、強磁性フリー層の磁化の向きを変えて情報を記録する。図中の白抜きの丸付きの細線の矢印は電子のスピンの向きを示し、単なる細線の矢印は電子の移動する方向を示している。白抜きの矢印が磁化の向きを表すことは前図と同様である。

磁化反転の動作原理は以下のように説明される。この素子に第２強磁性固定層４２３から第１強磁性固定層４１３へ向かって電子を流したときの電子スピンおよび強磁性層中の磁化の挙動を図８ａに示す（なお、電流は逆の向きに流れていることになる。）。まず、第２強磁性固定層４２３を通過した電子スピンは、第２強磁性固定層４２３中の磁性金属原子スピンとの相互作用（ｓ−ｄ相互作用）により第２強磁性固定層４２３の磁化方向へ整列する（スピンの偏極が生じる）。以下では、電子スピンの向きを、図８ａ等の矢印の向きに合わせて、右向きスピンあるいは左向きスピンと呼ぶ。この電子が強磁性フリー層４１５へ流れると、電子スピンの角運動量が強磁性フリー層４１５へ伝達され、強磁性フリー層４１５の磁化を右に向けるように作用する。一方、第１強磁性固定層４１３の磁化方向は、第２強磁性固定層４２３の磁化方向とは逆の左向きであるため、右向きスピンを有する電子は第１強磁性固定層４１３へ入る界面で反射される。この反射された電子が有する右向きのスピンは、やはり強磁性フリー層４１５中の磁化を右に向けるように作用する。すなわち、第２磁性固定層４２３の磁化と同じ方向の右向きスピン電子が、強磁性フリー層４１５に対して２回作用するため、実質的に２倍の書き込み作用が得られる。その結果として、強磁性フリー層４１５に対する書き込みを従来の電流磁場方式よりも小さい電流で実現できる。

次に、第１強磁性固定層４１３から第２強磁性固定層４２３へ向かって電子を流したときの電子スピンおよび強磁性層中の磁化の挙動を図８ｂに示す。第１強磁性固定層４１３を通過時に、磁化の作用を受けて、電子は左向きスピンとなる。この左向きスピン電子は、強磁性フリー層４１５の磁化を左に向けるように作用する。さらに、左向きのスピンを持った電子は、右向きの磁化を有する第２強磁性固定層４２３との界面において反射されて、もう一度強磁性フリー層４１５の磁化に作用する。このようにして素子に流す電流の方向を変えることで強磁性フリー層４１５の磁化を反転することが可能である。しかしながら、この方式では２値の情報が記録・再生できるだけであり、今後の高密度化の要求に対して十分とはいえない。また、電子スピンを充分に偏極するためには、電子の通過距離を長くするために強磁性固定層の膜厚を厚くする必要がある。しかしながら、厚膜にした場合、その抵抗値は高くなることから、強磁性フリー層の両側に強磁性固定層を配置する方法は、さらに抵抗値が高くなる問題を有している。
特開２００２−４２４５７号公報 特開２００４−１９３５９５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。

本発明は、上述の問題に鑑みなされたもので、３値以上の多値記録が可能であり、かつ製造の容易なスピン注入磁化反転素子を提供することにある。

本発明は、上述の課題を解決するために、電子スピンにより磁化反転を行うスピン注入磁化反転素子において、磁化が第１の方向に実質的に固定された強磁性固定層と、非磁性の分離層と、磁化の方向が可変の２以上の強磁性フリー層を備え、前記強磁性固定層は分離層の一方の主面に配置され、前記各強磁性フリー層はそれぞれが前記分離層の他方の主面に接して配置されていることを特徴とする。

前記各強磁性フリー層は、膜厚が全て異なることが好ましい。
また、前記各強磁性フリー層は、磁化反転臨界電流密度が全て異なるか、あるいは保磁力が全て異なることが好ましい。
また、前記強磁性固定層もしくは各強磁性フリー層の主面が実質的に長方形であり、長さを幅で除した数値が２以上であることが好ましい。

また、前記分離層が非磁性金属であることが好ましく、特にＣｕであることが好ましい。
また、前記分離層が絶縁体であることが好ましく、特にＡｌ_２Ｏ_３であることが好ましい。
また、上述のスピン注入磁化反転素子を用いて磁気記録装置を構成することができる。

また、本発明のスピン注入磁化反転素子の製造方法は、磁化が第１の方向に実質的に固定された強磁性固定層と、非磁性の分離層と、磁化の方向が可変の２以上の強磁性フリー層とを備えたスピン注入磁化反転素子において、前記分離層の上に強磁性層を形成する第１の工程と、前記強磁性層の上に保護層を形成する第２の工程と、前記保護層の一部を除去する第３の工程と、前記保護層が除去された強磁性層をエッチングする第４の工程とを備え、第３と第４の工程を複数回繰り返して、膜厚の異なる２以上の強磁性フリー層を形成することを特徴とする。

スピン注入磁化反転素子を上述のように構成することで、単一素子に多値の論理情報を記録可能となり、また、消費電力の低減が可能となる。また、磁化反転臨界電流密度、保磁力の異なる複数の強磁性フリー層を１度の成膜で形成可能となり、多値の記録素子の製造が容易となる。

以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の構成例を示す断面模式図で、非磁性基板１１上に、非磁性の第１電極１２、強磁性固定層１３、非磁性の分離層１４が順次形成され、この分離層１４に接して第１強磁性フリー層１５、第２強磁性フリー層１６、第３強磁性フリー層１７がそれぞれ形成される。さらに各強磁性フリー層に同時に接して非磁性の第２電極１８が形成されている。なお、第１強磁性フリー層１５、第２強磁性フリー層１６、第３強磁性フリー層１７のそれぞれを一括して示す場合に、各強磁性フリー層と呼ぶ場合がある。

各強磁性フリー層は同一の組成を有しており、また各強磁性フリー層の膜厚はそれぞれ異なる値に設定されている。第１強磁性フリー層１５の膜厚をＤ_１、第２強磁性フリー層１６の膜厚をＤ_２、第３強磁性フリー層１７の膜厚をＤ_３とする。図１は、膜厚がＤ_１＞Ｄ_２＞Ｄ_３である場合を例示している。各強磁性フリー層の膜厚が異なる結果、各強磁性フリー層の磁化反転臨界電流密度がそれぞれ異なることになる。ここで、磁化反転臨界電流密度とは、偏極したスピン電流を強磁性フリー層に注入した時に、強磁性フリー層の磁化方向が反転する臨界電流密度をいう。また、各強磁性フリー層の膜厚が異なる結果、各強磁性フリー層の保磁力がそれぞれ異なることになり、後述する磁気センサーを構成可能となる。

（動作原理）
始めに、本発明の動作原理について図３を参照しながら説明する。図３中で、磁化の向き、電子の移動方向、電子スピンの向きの表記は前述と同様である。また、各強磁性フリー層の膜厚がＤ_１＞Ｄ_２＞Ｄ_３の場合を例にとって説明する。
各強磁性フリー層の組成が同一であることから、各強磁性フリー層の磁化反転臨界電流密度は膜厚の順に増大する。即ち、第１強磁性フリー層１５、第２強磁性フリー層１６、第３強磁性フリー層１７の磁化反転臨界電流密度をそれぞれＩ_Ｃ１、Ｉ_Ｃ２、Ｉ_Ｃ３とすると、Ｉ_Ｃ１＞Ｉ_Ｃ２＞Ｉ_Ｃ３なる関係が成立している。

まず、強磁性固定層１３の磁化方向を紙面右向きあるいは左向きのいずれかに設定する。ここでは、図３と同様に右向きに設定した場合について説明する。図３ａは、第２電極１８から第１電極１２に向かって十分に大きな電流密度Ｉ（Ｉ＞Ｉ_Ｃ１＞Ｉ_Ｃ２＞Ｉ_Ｃ３）の電流を流した場合を示している。電子は電流の向きとは逆向きに移動し、第１電極１２から強磁性固定層１３に注入される。第１電極１２は非磁性であるため、第１電極１２中の電子スピンの状態は右向きスピンと左向きスピンの分布が一致しているが、強磁性固定層１３中では電子スピンと磁性金属原子スピンとの相互作用（ｓ−ｄ相互作用）が働くために、電子スピンは強磁性固定層１３の磁化方向である右向きに整列する。このように右向きにスピン偏極した電子が非磁性の分離層１４を介して各強磁性フリー層に注入されると、各強磁性フリー層の磁化は注入電子のスピン磁気モーメントによって、右向きになるようなトルクを受ける。なお、注入電流密度は各強磁性フリー層の磁化反転臨界電流密度より高いために、図３ａに示したように各強磁性フリー層の磁化方向は強磁性固定層１３の磁化と平行な状態へ遷移する。この状態を論理値“０”とする。

次に、論理値“０”の状態において、第１電極１２から第２電極１８に向かってＩ_Ｃ１＞Ｉ_Ｃ２＞Ｉ＞Ｉ_ｃ３なる電流密度Ｉの電流を流した場合を考える。この場合、電子は第２電極１８から各強磁性フリー層に注入される。第２電極１８中の電子スピンの状態は右向きスピンと左向きスピンの分布が一致している。なお、各強磁性フリー層中ではｓ−ｄ相互作用によって電子スピンを右向きの磁化の向きに揃えようとするが、各強磁性フリー層の膜厚が薄いため、各強磁性フリー層を通過した電子のスピン偏極率（右向きスピンと左向きスピンの偏り具合）は低い。このようにスピン偏極率の低い電子流が強磁性固定層１３の表面に到達すると、図３ｂに示したように強磁性固定層１３の磁化と反平行な左向きスピンの電子は強磁性固定層１３の磁化と平行な右向きスピンの電子よりも高いポテンシャルエネルギーを受けて強磁性固定層１３の表面で反射され、各強磁性フリー層にそれぞれ注入される。この結果、各強磁性フリー層の磁化は、左向きスピンの注入電子のスピン磁気モーメントによって、左向きになるようにトルクを受ける。このとき、注入電流密度ＩはＩ_Ｃ１＞Ｉ_Ｃ２＞Ｉ＞Ｉ_ｃ３なる関係を持っているため、図３ｂに示したように第３強磁性フリー層１７の磁化方向のみが反転し、強磁性固定層１３の磁化に反平行な状態に遷移する。この状態を論理値“１”とする。

続いて、論理値“１”の状態において第１電極１２から第２電極１８に向かって流す電流を増加させ、Ｉ_Ｃ１＞Ｉ＞Ｉ_Ｃ２＞Ｉ_ｃ３なる電流密度Ｉの電流を流した場合を考える。この場合、図３ｃに示したように強磁性固定層１３の表面で反射された左向きスピンの電子と第２強磁性フリー層１６の磁化との相互作用により、第２強磁性フリー層１６の磁化方向が反転し、第３強磁性フリー層１７の磁化方向と同様に強磁性固定層１３の磁化方向と反平行な状態に遷移する。この状態を論理値“２”とする。

さらに、論理値“２”の状態において、第１電極１２から第２電極１８に向かって流す電流を増加させ、Ｉ＞Ｉ_Ｃ１＞Ｉ_Ｃ２＞Ｉ_ｃ３なる電流密度Ｉの電流を流した場合を考える。この場合、図３ｄに示したように強磁性固定層１３の表面で反射された左向きスピンの電子と第１強磁性フリー層１５の磁化との相互作用により、第１強磁性フリー層１５の磁化方向が反転し、第２強磁性フリー層１６、第３強磁性フリー層１７の磁化方向と同様に強磁性固定層１３の磁化方向と反平行な状態に遷移する。この状態を論理値“３”とする。

このようにしてスピン注入磁化反転素子に流す電流の方向および大きさを制御することで単一素子に対して４値の情報を記録することができる。なお、記録情報の論理値と各磁性層の磁化方向との関係を例示すると表１のようになる。

次に、素子に記録された情報の読み出し方法について説明する。情報を読み出す際には第２電極１８から第１電極１２へ向かって、あるいは第１電極１２から第２電極１８へ向かって各強磁性フリー層の磁化反転臨海電流密度より充分に小さな電流密度Ｉ（Ｉ＜Ｉ_Ｃ３＜Ｉ_Ｃ２＜Ｉ_Ｃ１）の電流を流し、素子の抵抗値を測定する。なお、素子の両電極間の抵抗値は、２つの強磁性層の磁化方向が平行状態で小さく、反平行状態で大きいため、本実施例において全ての強磁性層の磁化方向が紙面右方向である論理値“０”での素子の抵抗値が最も小さく、第３強磁性フリー層１７の磁化方向のみが紙面左方向である論理値“１”での素子の抵抗値が次いで小さく、第２強磁性フリー層１６および第３強磁性フリー層１７の磁化方向が共に紙面左向きである論理値“２”での素子の抵抗値が次いで小さく、各強磁性フリー層の磁化方向が全て紙面左向きである論理値“３”が最も大きいことになる。従って、素子に電流を流し、その抵抗値を測定することで、素子に記録されている情報を読み出すことが可能である。

（各層の構成）
次に、本素子を構成する各層の構成および製造方法について詳細に説明する。
非磁性基板１１の材料は、基板上に配置する複数の素子を独立に制御するために絶縁性を有し、また、素子を保持するために充分な剛性を有する材料であれば、所望の平坦度に応じて適宜選択可能である。例えば、サファイア、酸化シリコンなどの厚さ数１００μｍの絶縁基板や、表面を酸化し絶縁性を確保したＳｉ等の半導体基板等が使用できる。

第１電極１２、第２電極１８は、導電性の材料であれば適宜選択可能であり、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ等を使用できる。その厚さは数十ｎｍから数百ｎｍ、面積は２０ｎｍ×２０ｎｍから１０μｍ×１０μｍの範囲が好ましい。その形状は四角形状が好ましいが、所望により丸型、楕円形状等とすることもできる。
強磁性固定層１３および各強磁性フリー層は、磁化の配向方向を基板面に平行な特定方向（例えば、図１の左右方向）とすることが好ましい。磁化をそのような向きに配向させるためには強磁性層に形状異方性を持たせることが有効である。このため、強磁性層の厚みをＴとし、強磁性層を配向する方向を長さ（Ｌ）として、これと直行する方向を幅（Ｗ）とした時に、Ｌ／Ｗ≧２、Ｌ／Ｔ≧２とすることが好ましい。強磁性層が実質的に直方体形状の場合には、その主面が実質的に長方形となるので、長方形の長さと幅が上記の関係を満たせばよい。また、楕円体形状の場合等においては、最も長軸となる方向を長さとし、これと直行する方向を幅として前述の関係を満たすように形成する。

強磁性固定層１３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。強磁性固定層の膜厚は、磁化を充分に固定し、かつ電子スピンを揃えるために厚いことが好ましく、具体的には５０ｎｍ以上とすることが好ましい。

分離層１４は、第１強磁性固定層と各強磁性フリー層の間に設けられ、強磁性層間の磁気的な分離を確保するための層で、非磁性の材料を用いることが必要である。その材料としては、非磁性金属、酸化物が好ましい。非磁性金属の場合はＣｕ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、ＰｔおよびＰｄの内の少なくとも１種以上を用いることが好ましく、酸化物の場合は、Ａｌ_２Ｏ_３等のアルミの酸化物または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。分離層１４の膜厚は、強磁性層間の磁気的な分離性を確保するために１ｎｍ以上とすることが好ましく、電気抵抗を低減するためには１０ｎｍ以下とすることが好ましい。

第１強磁性フリー層１５、第２強磁性フリー層１６、第３強磁性フリー層１７の材料としては、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。例えば、Ｃｏ、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＰｔＣｒＢ合金、ＣｏＰｔＣｒＴａＢ合金、パーマロイ系合金（例えば、Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０、ＮｉＦｅＭｏ合金等）、Ｆｅ、ＦｅＣｏ系合金（例えば、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＣｏＦｅ、ＦｅＣｏＮ等）、ＮｉＭｎＳｂ合金、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ合金、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ合金、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ合金、ＣｏＣｒＦｅＡｌ合金、ＦｅＰｔ合金、Ｓｒ_２ＦｅＭｏＯ_６合金、Ｆｅ_２Ｏ_３合金、ＣｏＨｆＴａ合金、ＣｏＺｒＮｂ合金、ＦｅＡｌＮ合金、ＦｅＴａＮ合金等を用いることができる。

中でもＣｏＣｒ系合金、ＣｏＰｔ系合金またはＣｏＰｔＣｒ系合金が特に好ましい。これは、ＰｔまたはＣｒの濃度を調整することにより、一軸磁気異方性定数（Ｋｕ）、保磁力（Ｈｃ）を広い範囲で調整することが可能なことから、各強磁性フリー層の磁化反転臨界電流密度を所望の値に容易に設定できるためである。また、第１強磁性フリー層１５、第２強磁性フリー層１６および第３強磁性フリー層１７の材料および組成は同一であることが好ましい。同一とすることによりその成膜が容易になるためである。

各強磁性フリー層の膜厚は電子スピンの緩和距離に比べて薄くすることが必要である。電子スピンの緩和距離は、金属では１００から２００ｎｍ程度であるため、各強磁性フリー層の膜厚は５０ｎｍ以下が好ましく、電子スピンの偏極状態を好適に制御するためには、５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下が特に好ましい。
次に、各強磁性フリー層の形成方法の例について図２を参照しながら説明する。
（図２ａ）分離層１４上の全面に、まず、強磁性フリー層１１５を例えばスパッター法にて形成し、引き続き、強磁性フリー層１１５上の全面にレジスト等により保護層１２０を形成する。
（図２ｂ）第３強磁性フリー層１７に対応する領域の保護層を除去する。
（図２ｃ）異方性エッチングにより第３強磁性フリー層１７をエッチングする。
（図２ｄ）第２強磁性フリー層１６に対応する領域の保護層を除去する。
（図２ｅ）異方性エッチングにより第２強磁性フリー層１６、第３強磁性フリー層１７をエッチングする。
（図２ｆ）第１強磁性フリー層１５上の保護層を除去する。

このようにして、材料および組成が同一であり、膜厚の異なる第１強磁性フリー層１５、第２強磁性フリー層１６、第３強磁性フリー層１７を形成することができる。
ここで、図２ｄ、図２ｅに対応する工程をさらに複数回繰り返すことにより、４以上の強磁性フリー層を形成可能である。
なお、各電極、強磁性固定層、分離層、各強磁性フリー層の成膜は、スパッター法、蒸着法、ＣＶＤ法等の既知の成膜手法を用いることができる。

（他の構成例）
図１の構成は本発明の素子の基本構成を示すものであり、各構成要素を適宜変更して目的に応じた改変を行うことが可能である。以下、他の構成例について例示する。
強磁性固定層１３は外部磁場により磁化が容易に反転しないことが要求される。磁化の固定を強化するために、公知の反強磁性結合、強磁性結合等を形成することを目的として他の層と積層することもできる。

図４は、強磁性固定層１３の磁化の固定を強化する方法の例である。図４ａは、強磁性固定層１３と第１電極１２の間に、非磁性の反強磁性結合層２０を介して強磁性層２１を配置し、強磁性固定層１３と強磁性層２１の間に反強磁性結合を設けたものである。また、図４ｂは、非磁性の強磁性結合層３０を介して強磁性層３１を配置し、強磁性固定層１３と強磁性層３１の間に強磁性結合を設けたものである。強磁性層２１、強磁性層３１の材料、構成は公知のものを用いることができる。また、強磁性固定層１３の磁化を固定するために他の公知の方法を用いても良い。

各強磁性フリー層の間で相互に磁化反転を生じるためには磁壁を形成するが、各強磁性フリー層の境界近傍で磁壁をピン止めすることにより生起した磁化反転を安定的に保持可能となる。
図５は、磁壁をピン止めするための溝４０を各強磁性フリー層の間に配置したものである。溝４０の断面形状としては、矩形、三角形、Ｕ字形等所望により適宜選択することができる。

また、上述の説明では強磁性フリー層が３つの場合について説明したが、２つの場合にも多値記録が可能であり、あるいは４以上の強磁性フリー層を用いてさらに多値の記録を行うことができることは言うまでもない。
また、上述の素子を例えば図６ａの如くに複数連結して磁気記録装置を形成できることも言うまでもない。

また、本素子への書き込みを、前記したスピン注入以外の方法で行って、本素子をセンサーとして用いることが可能である。例えば、磁場中に本素子を置き、その磁場で各強磁性フリー層の磁化反転を行った上で、前記した読み込み方法を用いれば、磁化反転を生じた強磁性フリー層の数を検出することができる。各強磁性フリー層の保磁力を所定の値に設定しておけば、本素子を磁場のセンサーとして用いることが可能である。

以下、実施例を用いてさらに詳細に説明する。

図１の構成を有する素子を作製した。
第１電極１２、強磁性固定層１３、分離層１４、第２電極１８は、スパッター法を用いて成膜し、各強磁性フリー層は、図２で説明した方法を用いて形成した。
非磁性基板１１としては表面に膜厚１００ｎｍの酸化膜を形成したＳｉ基板を用いた。Ｓｉ基板をよく洗浄した後、Ｃｕからなる第１電極１２を幅１μｍ、長さ１０μｍの形状で２００ｎｍの厚さに成膜した。引き続き、Ｃｏからなる強磁性固定層１３を幅５００ｎｍ、長さ３．０μｍの形状で１００ｎｍの厚さに形成し、引き続き、Ｃｕからなる分離層１４を幅５００ｎｍ、長さ３.０μｍの形状で１ｎｍの厚さに形成した。引き続き、各強磁性フリー層を前述した図２の方法を用いて形成した。まず、スパッター法を用いてＣｏ_９０Ｃｒ_１０を幅５００ｎｍ、長さ３．０μｍの形状で１０ｎｍの厚さに形成した。次に、フォトレジストをスピンコーターで回転塗布して保護層１２０を形成し、第３強磁性フリー層１７に対応する領域（幅５００ｎｍ、長さ１．０μｍ）の保護層１２０をウェットエッチングにて除去した。続いて、反応性イオンエッチングを用いた異方性エッチングにより第３強磁性フリー層１７に対応する領域を２ｎｍエッチングした。次に第２強磁性フリー層１６に対応する領域（幅５００ｎｍ、長さ１．０μｍ）の保護層１２０を前記と同様にして除去し、前記と同様な異方性エッチングにより第２強磁性フリー層１６、第３強磁性フリー層１７に対応する領域を２ｎｍエッチングした。続いて、第１強磁性フリー層１５に対応する領域の保護層１２０を前記と同様にして除去し、膜厚の異なる各強磁性フリー層を形成した。引き続き、各強磁性フリー層の上に、Ｃｕからなる第２電極１８を幅１μｍ、長さ１０μｍの形状で２００ｎｍの厚さに成膜した。このようにして、図１の構成のスピン注入磁化反転素子を得た。

本発明のスピン注入磁化反転素子の構成例を説明するための断面模式図である。 本発明のスピン注入磁化反転素子の強磁性フリー層の製造方法を説明するための要部断面模式図である。 本発明のスピン注入磁化反転素子の動作原理を説明するための模式図である。 本発明のスピン注入磁化反転素子の他の構成例を説明するための断面模式図で、強磁性固定層の磁化を固定するために、ａ）反強磁性結合を形成する例、ｂ）強磁性結合を形成する例である。 本発明のスピン注入磁化反転素子のさらに他の構成例を説明するための断面模式図で、磁壁を固定するために、各強磁性フリー層の間に溝を形成した例である。 従来のＴＭＲ素子を説明するための断面模式図である。 従来の多値素子を説明するための断面模式図である。 スピン注入磁化反転の動作を説明するための模式図である。

符号の説明

１１、３１１ 非磁性基板
１２、３１２ 第１電極
１３ 強磁性固定層
１４、２１４、３１４ 分離層
１５ 第１強磁性フリー層
１６ 第２強磁性フリー層
１７ 第３強磁性フリー層
１８、３１８ 第２電極
２０ 反強磁性結合層
２１、３１ 強磁性層
３０ 強磁性結合層
４０ 溝
１１５ 強磁性フリー層
１２０ 保護層
２００ ＴＭＲ素子
２１２ ビット線
２１３、３１３ 第１強磁性層
２１５、３１５ 第２強磁性層
２１８ ワード線
２１９、３１９ 書き込み用ワード線
３１６ 第３強磁性層
４１３ 第１強磁性固定層
４１４ 第１分離層
４１５ 強磁性フリー層
４２３ 第２強磁性固定層
４２４ 第２分離層

Claims (12)

1. 電子スピンにより磁化反転を行うスピン注入磁化反転素子において、
   磁化が第１の方向に実質的に固定された強磁性固定層と、非磁性の分離層と、磁化の方向が可変の２以上の強磁性フリー層を備え、
   前記強磁性固定層は分離層の一方の主面に配置され、
   前記各強磁性フリー層はそれぞれが前記分離層の他方の主面に接して配置されていることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
2. 前記各強磁性フリー層は、膜厚が全て異なる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. 前記各強磁性フリー層は、磁化反転臨界電流密度が全て異なることを特徴とする請求項１ないし２のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
4. 前記各強磁性フリー層は、保磁力が全て異なる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. 前記強磁性固定層の主面が実質的に長方形であり、長さを幅で除した数値が２以上である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. 前記各強磁性フリー層の主面がそれぞれ実質的に長方形であり、長さを幅で除した数値が２以上である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Ｃｕであることを特徴とする請求項７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６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Ａｌ_２Ｏ_３であることを特徴とする請求項９に記載のスピン注入磁化反転素子。
11. 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を用いたことを特徴とする磁気記録装置。
12. 磁化が第１の方向に実質的に固定された強磁性固定層と、非磁性の分離層と、磁化の方向が可変の２以上の強磁性フリー層とを備えたスピン注入磁化反転素子の製造方法において、
    前記分離層の上に強磁性層を形成する第１の工程と、
    前記強磁性層の上に保護層を形成する第２の工程と、
    前記保護層の一部を除去する第３の工程と、
    前記保護層が除去された強磁性層をエッチングする第４の工程とを備え、
    前記第３および第４の工程を複数回繰り返して、膜厚の異なる前記２以上の強磁性フリー層を形成することを特徴とするスピン注入磁化反転素子の製造方法。

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