JP3897348B2

JP3897348B2 - 固体磁気素子及び固体磁気素子アレイ

Info

Publication number: JP3897348B2
Application number: JP2003094876A
Authority: JP
Inventors: 志保中村; 茂羽根田; 博明與田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP2004006774A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体磁気素子及び固体磁気素子アレイに関し、より詳細には、電流直接駆動型の記録と、磁気抵抗効果による再生が可能な固体磁気素子及び固体磁気素子アレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる積層構造において面内に電流を流した場合に、巨大磁気抵抗効果（Giant Magnetoresistance effect）が発現することが見出されて以来、大きな磁気抵抗変化率を持つ系として、電流を積層構造に対して垂直方向に流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型磁気抵抗効果素子や、非磁性層が絶縁体からなる強磁性トンネル磁気抵抗効果素子が開発された。
【０００３】
さらに、より大きな磁気抵抗効果を示す系として、２つの針状のニッケル（Ｎｉ）を付き合わせた「磁気微小接点」（ N. Garcia, M. Munoz, and Y. -W. Zhao, Physical Review Letters, vol.82, p2923 (1999)）、あるいは２つのマグネタイトを接触させた磁気微小接点（J. J. Versluijs, M. A. Bari and J. M. D. Coey, Physical Review Letters, vol.87, p26601 -1 (2001 ) ）を有する磁気抵抗効果素子が見出された。
【０００４】
これらの磁気抵抗効果素子は、磁気センサーや磁気記録再生システムの再生素子として用いるだけでなく、不揮発性の固体磁気メモリとしての展開が進められている。
【０００５】
磁気抵抗効果素子を固体磁気素子として用いた場合、書き込みは、磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた配線から印加する電流磁界という漏れ磁場に依っている。しかし、この場合、記録のための磁化反転を起こすに必要な電流が、数ミリアンペア以上と大きすぎるという欠点があった。
【０００６】
これに対して、記録磁性部に直接電流を流すことで記録のための磁化反転を起こす「電流直接駆動型磁化反転」が見出された（J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996). E. B. Myers, et al., Science 285, 867 (1999). J. A. Katine, et al., Phys. Rev. Lett. 14, 3149 (2000). F. J. Albert, et al., Appl. Phy. Lett. 77, 3809 (2000). J. -E. Wegrowe, et al., Europhys. Lett., 45, 626 (1999). J. Z. Sun, J. Magn. Magn. Mater. 202, 157 (1999).）。
【０００７】
この現象は、参照磁性部あるいは周囲の磁性層を通過する際にスピン偏極した電流が流れることにより発生するスピン偏極電子の角運動量が、記録磁性部の角運動量に伝達されることで磁化反転するものである。この現象によれば、記録層に対して、より直接的に作用させることが可能であるため、記録時の磁化反転に必要な電流は減少するものと期待されている。
【０００８】
以上の直接通電型の磁気記録素子と磁気抵抗素子とはこれまで別のものであった。しかし、それらを組み合わせると、記録再生を一つの素子で扱うことができ、素子の微細化に寄与と予想される。
【０００９】
しかしながら、記録磁性部を含む記録部の電気抵抗は極めて小さい。このため、記録部に比べて抵抗の大きな磁気抵抗効果部と組み合わせて動作させることは難しい。また、記録部の電気抵抗が小さいため、特に素子をアレイ化した場合の素子選択は困難である。
【００１０】
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、アレイ化しても素子選択可能な新規な固体磁気素子及びこの素子をアレイ化した固体磁気素子アレイを提供することにある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
電流直接駆動型磁化反転を利用した磁気素子は、低電流化が期待されるものの、電気抵抗が小さいためにアレイ化した場合に素子選択することが難しいという問題を有する。
【００１２】
電流直接駆動型磁化反転を利用した磁気素子は、低電流化が期待されるものの、電気抵抗が小さい。このため、抵抗が記録部に比べて大きくなる磁気抵抗効果部との組み合わせが難しい。また、アレイ化した場合に素子選択することが難しいという問題を有する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の固体磁気素子は、
磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１の参照磁性部と、
磁化方向が前記第１の方向に対して平行または反平行な第２の方向に固着された第２の強磁性体を含む第２の参照磁性部と、
前記第１及び第２の参照磁性部の間に設けられ、第３の強磁性体を含む記録磁性部と、
前記第１の参照磁性部と前記記録磁性部との間に設けられ、前記第１の参照磁性部と前記記録磁性部の間で磁区を分断し且つスピン偏極電子の通路となり前記第１の参照磁性部と前記記録磁性部との間を流れる電子電流の向きに応じて前記第３の強磁性体の磁化方向が決定されるスピントランスファ中間部と、
前記第２の参照磁性部と前記記録磁性部との間に設けられ、銅、金、銀あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金、または絶縁性の材料からなるＭＲ中間部と、
を備え、
前記第１の参照磁性部と前記スピントランスファ中間部と前記記録磁性部は、同一の面内に隣接して設けられ、
前記第２の参照磁性部と前記ＭＲ中間部と前記記録磁性部は、前記同一の面に対して垂直な方向に積層され、
前記第１の参照磁性部と前記記録磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第３の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第２の参照磁性部と前記記録磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第２の方向に対して、前記第３の強磁性体の磁化の向きが平行であるか反平行であるかを検出可能としたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第２の固体磁気素子は、
磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１の参照磁性部と、
磁化方向が前記第１の方向に対して平行または反平行な第２の方向に固着された第２の強磁性体を含む第２の参照磁性部と、
前記第１及び第２の参照磁性部の間に設けられ、銅、金、銀あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金、または絶縁性の材料からなるＭＲ中間部と、
前記第１の参照磁性部と前記ＭＲ中間部との間に設けられ、第３の強磁性体を有する第１の記録磁性部と、
前記第２の参照磁性部と前記ＭＲ中間部との間に設けられ、第４の強磁性体を有する第２の記録磁性部と、
前記第１の参照磁性部と前記第１の記録磁性部との間に設けられ、前記第１の参照磁性部と前記第１の記録磁性部の間で磁区を分断し且つスピン偏極電子の通路となり前記第１の参照磁性部と前記第１の記録磁性部との間を流れる電子電流の向きに応じて前記第３の強磁性体の磁化方向が決定される第１のスピントランスファ中間部と、
前記第２の参照磁性部と前記第２の記録磁性部との間に設けられ、前記第２の参照磁性部と前記第２の記録磁性部の間で磁区を分断し且つスピン偏極電子の通路となり前記第２の参照磁性部と前記第２の記録磁性部との間を流れる電子電流の向きに応じて前記第４の強磁性体の磁化方向が決定される第２のスピントランスファ中間部と、
を備え、
前記第１の参照磁性部と前記第１の記録磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第３の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第２の参照磁性部と前記第２の記録磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第４の強磁性体の磁化を前記第２の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第１の記録磁性部と前記第２の記録磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第３の強磁性体と前記第４の強磁性体の磁化の向きが平行であるか反平行であるかを検出可能としたことを特徴とする。
【００１５】
一方、本発明の固体磁気素子アレイは、
請求項１記載の複数の固体磁気素子と、
前記複数の固体磁気素子の任意のいずれかを選択し前記書き込み電流または前記センス電流を流す選択手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
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。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる固体磁気素子の基本的な断面構造を例示する模式図である。この磁気素子は、電流により直接に書き込みを行う記録部Ｗと、磁気抵抗効果により読み込みを行う再生部Ｒとを有する。記録部Ｗと再生部Ｒは、記録層Ｃを共有している。
【００１８】
すなわち、記録部Ｗは、ハード磁性体からなる参照磁性部Ａと、非磁性体からなるスピントランスファ中間部Ｂと、参照磁性部Ａよりも磁気的にソフトな記録磁性部Ｃとが積層された構造を有する。一方、再生部Ｒは、記録磁性部Ｃと、ＭＲ中間部Ｄと、記録磁性部Ｃよりも磁気的にハードな磁性体からなる参照磁性部Ｅとを有する。
【００１９】
参照磁性部Ａ、記録磁性部Ｃ、参照磁性部Ｅには、それぞれ電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３が接続されている。ＭＲ中間部Ｄは、導電性金属および／あるいは絶縁体からなる。
【００２０】
電極の取り出し方向は図１において横方向の場合と上下方向の場合があるが、これらは便宜上であり、そのどちら、あるいは斜め方向でもよい。これは、以後の全ての図に共通である。
【００２１】
図１に表した固体磁気素子において、「書き込み」は、記録部Ｗにおいて、電流直接駆動型の磁化反転機構により行うことができる。つまり、スピン偏極電流によって、記録磁性部Ｃの磁化を反転させる。
【００２２】
図２は、本発明の固体磁気素子における記録部Ｗの動作を説明する模式図である。
【００２３】
すなわち、まず同図（ａ）に表したように、参照磁性部Ａから記録磁性部Ｃに向けて電子電流を流すと、記録磁性部Ｃに対して、参照磁性部Ａの磁化Ｍ１と同方向の書き込みができる。つまり、この方向に電子電流を流した場合、電子のスピンはまず、参照磁性部Ａにおいてその磁化Ｍ１の方向に応じて偏極される。そして、このようにスピン偏極された電子が記録磁性部Ｃに流入して、その磁化Ｍ２を参照磁性部Ａの磁化Ｍ１と同方向に反転させる。
【００２４】
これに対して、図２（ｂ）に表したように、記録磁性部Ｃから参照磁性部Ａに向けて電子電流を流すと、これとは逆方向に書き込むことができる。すなわち、参照磁性部Ａの磁化Ｍ１と対応したスピン電子は、参照磁性部Ａを容易に通過できるのに対して、磁化Ｍ１と逆方向のスピン電子は、スピントランスファ中間部Ｂと参照磁性部Ａとの界面において、高い確率で反射される。そして、このように反射されたスピン偏極電子が記録磁性部Ｃに戻ることにより、記録磁性部Ｃの磁化Ｍ２を、参照磁性部Ｍ１とは逆の方向に反転させる。
【００２５】
このように、本発明においては、スピン偏極電流による電流直接駆動型の磁化反転機構によって、記録磁性部Ｃに所定の磁化を書き込むことができる。このため、漏洩電流磁界により記録層を磁化反転させる従来の記録素子と比較して、記録時の磁化反転に必要な電流を減少させることが可能となる。
【００２６】
一方、本実施形態の固体磁気素子における「読み出し」は、再生部Ｒにおいて、磁気抵抗効果により行うことができる。
【００２７】
図３は、本実施形態の固体磁気素子における再生部Ｒの動作を説明する模式図である。
【００２８】
すなわち、同図（ａ）に表したように、記録磁性部Ｃの磁化Ｍ２と参照磁性部Ｅの磁化Ｍ３とが平行の場合、同図に矢印で表した方向（あるいはこれと逆の方向でもよい）にセンス電流を流して得られる抵抗は小さい。
【００２９】
一方、図３（ｂ）に表したように、記録磁性部Ｃの磁化Ｍ２と参照磁性部Ｅの磁化Ｍ３とが反平行の場合、抵抗は大きくなる。従って、これら抵抗出力に対応して、「０」レベルと「１」レベルとを割り当てることにより、２値情報の再生ができる。
【００３０】
本発明においては、再生部Ｒにおいて磁気抵抗効果により記録磁性部Ｃの磁化を高い感度で再生することが可能となる。またさらに、後に詳述するように、ＭＲ中間部Ｄの材料や構造を適宜工夫することにより、センス電流を流す再生部の電気抵抗を最適なレベルまで高くすることができる。その結果として、特に、素子をアレイ化したような場合の素子選択が容易となり、この固体磁気素子を集積化させたメモリ素子あるいは論理回路などを実現できる。
【００３１】
次に、本発明の固体磁気素子を構成する各要素について詳述する。
【００３２】
まず、参照磁性部Ａ及びＥと、記録磁性部Ｃ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、ＣｒＯ_２、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｌａ_１―ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３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。
【００３３】
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。
【００３４】
本発明においては、磁性層Ａ、Ｃ及びＥの材料として、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。
【００３５】
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いる複合体構造を用いることもできる。
【００３６】
また、特に記録磁性部Ｃ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層構造を用いることもできる。これらの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３ｎｍの範囲であることが好ましい。このような多層構造を採用することによって、録に必要な電流を下げることができる。
【００３７】
またさらに、記録磁性部Ｃとして、層間交換結合した［（パーマロイやＣｏＦｅなどの磁性層）／（Ｃｕ，Ｒｕなどの非磁性層（厚さ０．２ｎｍ以上３ｎｍ以下））／（パーマロイやＣｏＦｅなどの磁性層）］からなる３層膜、特に反強磁性的に層間交換結合した多層膜も、記録磁性部ユニットとして用いることができ、スイッチング電流やスイッチング磁界を小さくするために効果的である。
【００３８】
一方、参照磁性部Ａの磁化Ｍ１、あるいは参照磁性部Ｅの磁化Ｍ３を固着するために、参照磁性部Ａ、Ｅのそれぞれ外側に、図示しない反強磁性層を設けて交換バイアスを印加するとよい。あるいは、ルテニウム（Ｒｕ）や銅（Ｃｕ）などの非磁性層と強磁性層、そして反強磁性層を積層して交換バイアスを印加すると、磁化方向を制御できて、磁気抵抗効果の大きな信号出力を得るのに有用である。特に、反強磁性的に層間交換結合させた（ＣｏＦｅなどの磁性層）／（Ｃｕ，Ｒｕなどの非磁性層）／（ＣｏＦｅなどの磁性層）／反強磁性層を用いることで、参照層からの漏れ磁場も小さくでき、小さな電流で記録磁性部への書きこみができる。
【００３９】
その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望ましい。
【００４０】
記憶層および参照層を多層化した例として、反強磁性結合した多層膜を使用した固体磁気素子の断面を図４に例示する。同図に例示したように、固体磁気素子の参照磁性部Ａ、スピントランスファ中間部Ｂ、記録磁性部Ｃ、ＭＲ中間部Ｄ、参照磁性部Ｅをそれぞれ、反強磁性体膜ＡＦ、強磁性体Ｆ、非磁性体膜ＮＭ、を組み合わせて形成することができる。なお、図４には、強磁性体Ｆの磁化の方向も矢印で表した。
【００４１】
また一方、スピントランスファ中間部Ｂは、参照磁性部Ａと記録磁性部Ｃと間で磁区を分断する役割を有する。さらに、スピントランスファ中間部Ｂは、スピン偏極電子の通路としての役割も有する。その構成としては、▲１▼Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕなどの非磁性貴金属元素のいずれか、あるいはこの郡から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属あるいは、▲２▼参照磁性部あるいは（ａｎｄ／ｏｒ）記録磁性部と同じ磁性体の構成元素からなり、しかし結晶欠陥等の結晶変質を含み、あるいは表面凹凸が設けられて磁壁がトラップされるように形成されている。この結晶欠陥は、電子線照射やイオン照射で作ることができる。また表面凹凸は、細線にくびれを設けるなどして作ることができる。
【００４２】
なお、スピントランスファ中間部Ｂの材料としては、例えば、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕなどの低抵抗材料を用いることがさらに望ましい。
【００４３】
また一方、ＭＲ中間部Ｄの材料としては、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を用いることができる。または、ＭＲ中間部Ｄの材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金を用いることもできる。
【００４４】
再生部の素子抵抗を高くするためには、ＭＲ中間部Ｄの材料として絶縁性の材料を用いることが有利である。
【００４５】
参照磁性部Ａ及びＥの厚さは、０．６ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内とすることが好ましく、記録磁性部Ｃの厚さは、０．２ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内とすることが好ましい。また、スピントランスファ中間部Ｂの厚さは、０．２ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内とすることが望ましい。さらに、ＭＲ中間部Ｄは、０．２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内とすることが望ましい。
【００４６】
また一方、記録磁性層Ｃと参照磁性層Ｅ及びＭＲ中間部Ｄは、薄膜状あるいは細線状に形成することが、素子を製作する上で望ましい。
【００４７】
一方、本発明の固体磁気素子の平面形状としては、例えば、記録磁性部Ｃの平面形状が、長方形、菱形あるいは縦長（横長）の６角形であるように形成することが望ましい。その縦横比は、１：１〜１：５の程度とし、一軸性の形状磁気異方性を生じやすくすることが望ましい。
【００４８】
また記録磁性部Ｃのサイズは、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。図１などにおいては、参照磁性部Ａ、Ｅと、記録磁性部Ｃの幅を同一として表したが、本発明はこれには限定されない。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、図５に例示したように固体磁気素子の各層の幅が互いに異なるように形成してもよい。
【００４９】
図６は、本実施形態の固体磁気素子の変型例を表す模式断面図である。同図については、図１乃至図５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。
【００５０】
これら変型例は、いずれも、そのＭＲ中間部Ｄに「ポイントコンタクト」すなわち、接触面積が１００ｎｍ２以下の磁性微小接点Ｐが設けられている。この磁性微小接点Ｐは、参照磁性部Ｅあるいは記録磁性部Ｃの材料からなり、ＭＲ中間部Ｄにおいてその周囲は絶縁体により覆われている。
【００５１】
そして、この磁気微小接点Ｐは、図６（ａ）に例示した如くコーン状の断面を有していてもよく、あるいは同図（ｂ）に例示した如くピラー状の断面を有していてもよい。またさらに、同図（ｃ）及び（ｄ）に例示した如く、複数の磁気微小接点Ｐが設けられていてもよい。
【００５２】
このような磁気微小接点Ｐのサイズを微細化すると、磁場の印加により電気抵抗が減少する。このような電気抵抗の減少が発現するサイズは、微小接点Ｐの断面形状にもよるが、本発明者の検討の結果によれば、微小接点Ｐの最大幅を概ね２０ｎｍ以下とすると、電気抵抗の減少が顕著となることが判明した。このときに、磁気抵抗変化率が２０％以上となる大きな磁気抵抗効果が発生する。ただし、微小接点Ｐの断面形状が、極端に扁平な場合などは、その最大幅が２０ｎｍを超えても、磁場の印加による電気抵抗の減少が生ずる場合がある。このような微小接点Ｐを有する固体磁気素子も、本発明の範囲に包含される。
【００５３】
すなわち、このような磁気微小接点Ｐを設けることにより、再生部Ｒにおいて、記録磁性部Ｃの磁化を極めて高い感度で読み出すことが可能となる。
【００５４】
また、このような磁気微小接点Ｐを設ける場合、ＭＲ中間部Ｄにおいて微小接点Ｐの周囲の材料は、絶縁性の材料により形成し、また、ＭＲ中間部Ｄの膜厚は、０．２ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の範囲まで厚膜化してもよい。
【００５５】
また、この磁性微小接点Ｐは、参照磁性部Ｅあるいは記録磁性部Ｃの材料からなるもの以外に、銅（Ｃｕ）からなるものとしてもよい。この場合には、コンタクト部が銅（Ｃｕ）からなり、その周りはアルミニウム（Ａｌ）等の酸化物からなるものとすることができる。このようにすると、電流パスを狭くできるので、通常のＣＰＰ−ＭＲよりも感度を上げることができる。
【００５６】
図７（ａ）は、本実施形態の固体磁気素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。同図については、図１乃至図６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。
【００５７】
本変型例においては、ＭＲ中間部Ｄの上下に記録磁性部Ｃ及び参照磁性部Ｅがそれぞれ積層されているが、図１においてその上側に積層して設けられるスピントランスファ中間部Ｂと、さらにその上に積層して設けられる参照磁性部Ａは、それぞれ、面内方向に隣接されている。つまり、スピントランスファ中間部Ｂと、参照磁性部Ａは、記録磁性部Ｃに対して、膜厚方向に積層されずに、面内方向に隣接して設けられている。
【００５８】
固体磁気素子の各層をこのような配置関係に配列しても、図２に関して前述したスピン偏極電流による入力動作や、図３に関して前述した磁気抵抗効果による出力動作は、同様に行うことができる。
【００５９】
またここで、ＭＲ中間部Ｄは、単一の絶縁層として形成してもよいが、図６に例示したように、ひとつあるいは複数の磁気微小接点Ｐを設けることにより、図６に関して前述した作用効果を同様に得ることができる。
【００６０】
図７（ｂ）は、図７（ａ）の固体磁気素子の使用形態を例示する模式図である。すなわち、電極Ｅ１をスイッチング素子ＳＷに接続し、電極Ｅ２を書き込み配線に接続し、電極Ｅ３を読み出し配線に接続する。スイッチング素子ＳＷをオンにした状態でスイッチング部ＳＷから書き込み配線に至る経路に書き込み電流を流すことにより記録できる。また、スイッチング素子ＳＷをオンにした状態でスイッチング部ＳＷから読み出し配線に至る経路にセンス電流を流すことにより読み出しができる。
【００６１】
なお、図１乃至図７において、同一素子内の参照記録層の磁化方向は同じ向きに表したが、これはあくまで一例であり、これらが互いに反平行、あるいは９０度傾いていてもよい。
【００６２】
以上、図１乃至図７を参照しつつ説明したように、本発明の固体磁気素子は、記録部Ｗにおいて、スピン偏極電流により小さい書き込み電流で記録磁性部Ｃに磁化Ｍ２を書き込むことができ、また、再生部Ｒにおいて、磁気抵抗効果を用いて高い感度で記録磁性部Ｃの磁化Ｍ２を読み出すことができる。しかも、再生部Ｒのインピーダンスすなわち素子抵抗を最適な範囲まで高くすることができ、アレイ化あるいは集積化が容易である、という利点を有する。
【００６３】
そこで、次に、この固体磁気素子をアレイ化した構造について説明する。
【００６４】
図８は、本発明の実施の形態にかかる固体磁気素子アレイを構成するセルの等価回路を表す模式図である。すなわち、本発明の素子アレイのセルは、図１乃至図７に関して前述した固体磁気素子１０と、この素子を選択して電流を流すためのスイッチング部２０とを有する。固体磁気素子１０は、前述のように、電流を流して書き込みを行う記録部Ｗと、記録部Ｗの記録磁性部Ｃを共有して磁気抵抗効果により読み込みを行う再生部Ｒとを有する。
【００６５】
そして、再生部Ｒとスイッチング部２０との間に記録部Ｗが設けられ、再生部Ｒと記録部Ｗとの間に書き込み用配線ＷＬ２が接続されている。この構造によれば、スイッチング部２０をＯＮ（オン）してｂ−ｃ間に電流を流すことで書き込みが可能となり、また、スイッチング部をＯＮ（オン）にしてａ−ｃ間に電流を流し、ａ−ｃ間の抵抗（電圧）を検出することで再生を行うことができる。つまり、ｂは書き込み用配線ＷＬ２に接続されている。
【００６６】
この接続関係は、再生部Ｒの抵抗に比べて記録部Ｗの抵抗が小さいことから考案した。すなわち、記録部Ｗと再生部Ｒの位置関係が図８に表した関係とは逆になると、再生部Ｒの大きな抵抗により書き込み時に記録部Ｗに磁化反転に十分な電流を流せなくなる。これを回避するため、再生部Ｒとスイッチング部２０の間に記録部Ｗを設け、再生部Ｒと記録部Ｗとの間に書き込み用配線ＷＬ２を接続する。このようにすると、書き込みと読み出しのためのセルの選択を、ひとつのスイッチング部２０により行うことが可能となり、集積化した場合の構成を大幅に簡略にすることができる。
【００６７】
図９は、本発明の実施の形態にかかる固体磁気素子アレイの一部を表す模式回路図である。すなわち、この素子アレイは、例えば、磁気メモリとして用いることができ、図８に例示したセルをマトリクス状に接続した構造を有する。そして、図８に表した書き込み用配線ＷＬ２の他に、これに平行な再生用配線ＷＬ１、そしてこれに直交するセル選択のための配線ＢＬ１という３本の配線をセル間で共有する。
【００６８】
この構造によれば、指定されたセルの番地に対応するワード線（ＷＬ１、ＷＬ２）とビット線（ＢＬ１）とを使って、任意のセルを選択した書き込みおよび再生が可能となる。
【００６９】
図１０は、本発明の実施の形態にかかる固体磁気素子アレイのもうひとつの具体例を表す模式回路図である。この具体例も磁気メモリとして用いることができる。
【００７０】
本具体例の場合、再生部Ｒにはスイッチング部２０Ａが接続され、記録部Ｗにはスイッチング部２０Ｂが接続されている。そして、再生部Ｒと記録部Ｗとの間に書き込み用配線ＷＬ１が接続されている。スイッチング部２０Ａは、配線ＢＬ１によりＯＮ（オン）され、スイッチング部２０Ｂは、配線ＢＬ２によりＯＮ（オン）される。
【００７１】
このアレイの場合には、スイッチング部２０Ａと配線ＷＬ１とにより任意のセルの再生部Ｒを選択して読み出しを行い、一方、スイッチング部２０Ｂと配線ＷＬ１とにより任意のセルの記録部Ｗを選択して書き込みを行うことができる。以上、本発明の第１の実施の形態として、図１乃至図１０に例示した固体磁気素子及びその応用例について説明した。
【００７２】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００７３】
図１１は、本発明の第２の実施の形態にかかる固体磁気素子の断面構造を表す模式図である。
すなわち、本実施形態の固体磁気素子は、中央部に再生部Ｒを有し、その両側に記録磁性部をそれぞれ共有するように２つの記録部Ｗ１、Ｗ２を有する。
【００７４】
その積層構造について説明すると、参照磁性部Ａ、スピントランスファ中間部Ｂ、記録磁性部Ｃ、ＭＲ中間部Ｄ、記録磁性部Ｅ、スピントランスファ中間部Ｆ、参照磁性部Ｇがこの順に積層された構造を有する。そして、参照磁性部Ａとスピントランスファ中間部Ｂと記録磁性部Ｃとにより記録部Ｗ１が構成され、記録磁性部ＣとＭＲ中間部Ｄと記録磁性部Ｅとにより再生部Ｒが構成され、記録磁性部Ｅとスピントランスファ中間部Ｆと参照磁性部Ｇとにより記録部Ｗ２が構成されている。
【００７５】
これら各層の材料や膜厚、サイズなどについては、第１実施形態に関して前述したものと同様とすることができる。
【００７６】
その動作について説明すると、まず書き込みは、電極Ｅ１−Ｅ２間に電流を流すことで記録磁性部Ｃの磁化反転を行って記録磁性部Ｃへの書き込みを行い、電極Ｅ３−Ｅ４間に電流を流すことで記録磁性部Ｅの磁化反転を行って記録磁性部Ｅへの書き込みを行う。これらの書き込みのメカニズムは、図２に関して前述したものと同様に、スピン偏極電流を用いた電流直接駆動型の磁化反転機構による。
【００７７】
一方、再生は、電極Ｅ２−Ｅ３間にセンス電流を流すことにより、記録磁性部ＣとＥの間の磁化の相対的角度を磁気抵抗として検出する。そのメカニズムは、図３に関して前述したものと同様である。
【００７８】
以上説明したように、本実施形態の固体磁気素子は、２つの記録磁性部にそれぞれ独立に情報を格納することができる。
【００７９】
図１２は、本実施形態の固体磁気素子の変型例を表す模式断面図である。同図については、図１１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。
【００８０】
すなわち、これら変型例は、図６に例示した素子と同様に、ポイントコンタクトすなわち磁気微小接点Ｐを有する。前述したように、このような微小接点Ｐを設けることにより、高い磁気抵抗変化率を得ることができ、記録磁性部Ｃ及びＥに記録された磁化を極めて高い感度で読み出すことが可能となる。
【００８１】
なお、図１１及び図１２において、同一素子内の参照記録層の磁化方向は同じ向きに表したが、これはあくまで一例であり、これらが互いに反平行、あるいは９０度傾いていてもよい。
【００８２】
図１３（ａ）は、本実施形態の固体磁気素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。同図については、図１乃至図１２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。
【００８３】
本変型例においても、ＭＲ中間部Ｄの上下に記録磁性部Ｃ及びＥがそれぞれ積層されているが、スピントランスファ中間部Ｂ、Ｆと、参照磁性部Ａ、Ｇは、記録磁性部Ｃ、Ｅに対して、膜厚方向に積層されずに、それぞれ面内方向に隣接して設けられている。そして、電極Ｅ１が参照磁性部Ａに接続され、電極Ｅ２が記録磁性部Ｃに接続され、電極Ｅ３が記録磁性部Ｅに接続され、電極Ｅ４が参照磁性部Ｇに接続されている。
【００８４】
固体磁気素子の各層をこのような配置関係に配列しても、図２に関して前述したスピン偏極電流による入力動作や、図３に関して前述した磁気抵抗効果による出力動作は、同様に行うことができる。
【００８５】
またここで、ＭＲ中間部Ｄは、単一の絶縁層として形成してもよいが、図６や図１２に例示したように、ひとつあるいは複数の磁気微小接点Ｐを設けることにより、図６及び図１２に関して前述した作用効果を同様に得ることができる。
【００８６】
図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の固体磁気素子の使用形態を例示する模式図である。すなわち、電極Ｅ１、Ｅ４をスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２にそれぞれ接続し、電極Ｅ２、Ｅ３を書き込み配線１、２にそれぞれ接続する。スイッチング素子ＳＷ１をオンにした状態でスイッチング部ＳＷ１から書き込み配線１に至る経路に書き込み電流を流すことにより記録磁性部Ｃの磁化を所定の方向に向けて記録できる。また、スイッチング素子ＳＷ２をオンにした状態でスイッチング部ＳＷ２から書き込み配線２に至る経路に書き込み電流を流すことにより記録磁性部Ｅの磁化を所定の方向に向けて記録できる。
【００８７】
図１４は、本実施形態の固体磁気素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。すなわち、同図（ａ）は、その平面図であり、同図（ｂ）はその正面図である。同図についても、図１乃至図１３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。
【００８８】
本変型例においては、参照磁性部Ａ、スピントランスファ中間部Ｂ、記録磁性部Ｃ、スピントランスファ中間部Ｈ、参照磁性部Ｉがこの順に、略同一平面内に配置されている。そして、記録磁性部Ｃの上に、ＭＲ中間部Ｄが積層され、その上に参照磁性部Ｅが積層されている。
【００８９】
ＭＲ中間部Ｄの大きさは、記録磁性部Ｃと参照磁性部Ｅとの重なり部と同じかそれ以上であることが必要である。従って、ＭＲ中間部Ｄは、記録磁性部Ｃの全体を覆っても、またさらにスピントランスファ中間部Ｂまで覆っても、電極Ｅ１とＥ２が接続できればよい。
【００９０】
また、参照磁性部Ｉの磁化方向は参照磁性部Ａとは反平行であることが望ましい。電極Ｅ２は参照磁性部Ｉに接続されている。２つのスピントランスファ中間部Ｂ及びＨにより、参照磁性部Ａと記録磁性部Ｃ、あるいは記録磁性部Ｃと参照磁性部Ｉの磁化方向をそれぞれ反平行に向けることが可能となる。
【００９１】
これに電極Ｅ１とＥ２を使って、電子をＥ１からＥ２へ流すと、記録磁性部Ｃの磁化は参照磁性部Ａと同様の方向に向く。逆に、電子を電極Ｅ２から電極Ｅ１へ流すと、記録磁性部Ｃの磁化は参照磁性部Ｉと同様の向きとなる。
【００９２】
スイッチング部、書きこみ配線、読みだし配線をそれぞれE1、E2,E3へ接続すると、図７（ｂ）に関して前述したものと同様の動作が可能となる。
【００９３】
図１５は、本実施形態の固体磁気素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。すなわち、同図（ａ）は、その平面図であり、同図（ｂ）はその正面図である。同図についても、図１乃至図１４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。
【００９４】
本変型例においては、参照磁性部Ａ、スピントランスファ中間部Ｂ、記録磁性部Ｃ、スピントランスファ中間部Ｈ、参照磁性部Ｉがこの順に、略同一平面内に配置されている。そして、記録磁性部Ｃの上に、ＭＲ中間部Ｄが積層され、その上に記録磁性部Ｅが積層されている。
記録磁性部Ｅの両側には、それぞれスピントランスファ中間部Ｆ、Ｊを介して、参照磁性部Ｇ、Ｋが略同一面内に配列されている。ＭＲ中間部Ｄの大きさは、記録磁性部Cと記録磁性部Ｅとの重なり部と同じかそれ以上であることが必要である。
【００９５】
また、本具体例においても、参照磁性部Ｇの磁化方向は参照磁性部Ｋの磁化方向とは反平行であることが望ましい。２つのスピントランスファ中間部Ｂ及びＨにより、参照磁性部Ａと記録磁性部Ｃ、あるいは記録磁性部Ｃと参照磁性部Ｉの磁化方向をそれぞれ反平行に向けることが可能となる。また同様に、２つのスピントランスファ中間部Ｆ及びＪにより、参照磁性部Ｇと記録磁性部Ｅ、あるいは記録磁性部Ｅと参照磁性部Ｋの磁化方向をそれぞれ反平行に向けることが可能となる。
【００９６】
図１６は、本実施形態の固体磁気素子を用いた固体磁気素子アレイの模式回路図である。この固体磁気素子アレイは、図１１または図１２に表した固体磁気セルとこのセルを選択して電流を流すための２つのスイッチング部３０Ａ、３０Ｂからなるセルが、マトリクス状に接続された構造を有する。これらセルは、２つのスイッチング部３０Ａ、３０Ｂにそれぞれに接続された２本のビット線ＢＬ１とＢＬ２、再生部Ｒと２つの記録部Ｗ１、Ｗ２との間に接続されたワード線ＷＬ１とＷＬ２、さらには一方のスイッチング部に接続されたワード線ＷＬ３に接続されている。
【００９７】
書き込みは、次のようにして行う。まず、記録部Ｗ１の記録磁性部Ｃに書き込む場合には、スイッチング部３０ＡをＯＮ（オン）にしてこのスイッチング部３０Ａの一端（図では下端）と配線ＷＬ１とに電流を流して書き込みを行う。また、記録部Ｗ２の記録磁性部Ｅへの書き込みは、スイッチング部３０ＢをＯＮ（オン）にし、ワード線ＷＬ２とＷＬ３に電流を流して書き込む。
【００９８】
一方、再生は、３通りの方法で可能である。
【００９９】
第１の方法としては、２つのスイッチング部３０Ａ、３０ＢをＯＮ（オン）して、スイッチング部３０Ａの下端（図１６において）とワード線ＷＬ３との間の磁気抵抗を検出する。
【０１００】
第２の方法としては、スイッチング部３０ＡのみＯＮ（オン）し、スイッチング部３０Ａの下端（図１６において）とワード線ＷＬ２との間の磁気抵抗を検出する。
【０１０１】
第３の方法としては、スイッチング部３０ＢのみＯＮ（オン）し、ワード線ＷＬ１とＷＬ３との間の磁気抵抗を検出する。
【０１０２】
上記いずれの場合も、記録磁性部Ｃ、Ｅの抵抗が小さいので、再生部Ｒの抵抗を検出することができる。
【０１０３】
【実施例】
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。
【０１０４】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例として、第１の実施形態の固体磁気素子を製作した。
【０１０５】
図１７（ａ）及び（ｂ）は、本実施例の固体磁気素子の要部断面構造を表す模式図である。
【０１０６】
これらの積層構造は、超高真空スパッタ装置を用いて作製した。まず、通常のＣＭＯＳプロセスによりＳｉウエハ上にＦＥＴを形成したものを基盤とした。その上に、タンタル（Ｔａ）と銅（Ｃｕ）からなる下側電極膜（図示せず）を形成し、図１７（ａ）及び（ｂ）の積層膜を、図とは上下反対の順で形成し、さらに上部電極層を形成した。この積層膜の上にＥＢ（electron beam）レジストを塗布してＥＢ露光し、リフトオフすることにより、積層膜をまず６０ｎｍ×２４０ｎｍのサイズへ加工したのち、さらにＥＢ描画、リフトオフを用いて、微小積層膜の一部を記録層が出るまで除去して図１に表した構造を作製した。さらに、それぞれの電極は、図９に表したように読み込み用および書きこみ用ワード線とＦＥＴに接続した。
【０１０７】
この固体磁気素子に対して、スイッチング用トランジスタをＯＮ（オン）にしてまず、マイナス３ｍＡ（ミリアンペア）のパルス電流をｂ−ｃ間に流して磁化を初期化したのち、プラスの符号をもつパルス電流を流し、記録磁性部Ｃの磁化反転をａ−ｃ間の磁気抵抗変化により検出した。その結果、図１７（ａ）、（ｂ）ともにｂ−ｃ間にプラス０．２ｍＡの書き込み電流を流した場合、ａ−ｃ間で得られるトンネル磁気抵抗の価は変化せず、磁化反転が生じなかったが、図１７（ａ）の構造をもつ素子はｂ−ｃ間にプラス０．９ｍＡの電流を流すとａ−ｃ間で得られる磁気抵抗は変化を示し、また、図１７（ｂ）の構造をもつ素子はｂ−ｃ間にプラス０．6ｍＡの電流を流すとａ−ｃ間で得られる磁気抵抗は変化を示し、それぞれ磁化反転したことが確認できた。
【０１０８】
さらに、この固体磁気素子を４×４のマトリクス状にアレイ化して図９のような接続した固体磁気素子アレイを作製した。このアレイ構造において、ビット線ＢＬとワードＷＬを適宜選択することにより、任意のセルに対して書き込みと読み出しを行うことができた。
【０１０９】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例として、図１１に表した第２実施形態の固体磁気素子を製作した。すなわち、本実施例においては、記録磁性部Ｃ及びＥとしては、ニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）からなる磁性体膜を用い、ＭＲ中間部Ｄとしてはアルミナを用い、参照磁性部Ａ及びＧとしてはコバルト鉄（ＣｏＦｅ）を用いた。さらに、参照磁性部Ａ及びＧの外側には、ルテニウム（Ｒｕ）／コバルト鉄（ＣｏＦｅ）／白金イリジウム・マンガン（ＰｔＩｒＭｎ）からなる積層膜をそれぞれ設けて交換異方性を付与した。
【０１１０】
このようにして形成した第２実施形態の固体磁気素子は、１つの素子で論理処理を行うことができる。すなわち、この素子は、記録磁性部Ｃと記録磁性部Ｅとにそれぞれ入力する「０」、「１」信号の組み合わせによって、例えば、論理積（ＡＮＤ）や論理和（ＯＲ）あるいはこれらの否定（ＮＡＮＤ、ＮＯＲ）をはじめとする各種の論理処理が可能となる。さらに、この再生出力結果を増幅処理して次のセルへ入力することで、さらに複雑な各種演算処理が可能となる。
【０１１１】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例として、図１４に例示したように、２本の細線をクロスさせた構造の固体磁気素子の作成方法を説明する。
【０１１２】
図１８は、本実施例の固体磁気素子の製造方法を表す工程図である。
すなわちまず、参照磁性部Ａ、スピントランスファ中間部Ｂ、記録磁性部Ｃ、スピントランスファ中間部Ｈ、参照磁性部Ｉの元となるＣｏＦｅからなる磁性膜を形成する。その膜の上にレジストを塗布し、ＥＢ描画装置を用いて細線状マスクを形成する。そして、リアクティブイオンエッチング装置で細線以外の部分を除去して図１８（ａ）に表したように細線１００を形成する。
【０１１３】
この細線に対して、図１８（ａ）に表したＬ１とＬ２のライン上で電子ビームをスキャンさせることにより、図１８（ｂ）に表したように、結晶変質部からなるスピントランスファ中間部Ｂ、Ｈを形成する。
【０１１４】
次に、図１８（ｃ）に表したように、細線１００の上にＭＲ中間部Ｄおよび、参照磁性部Ｅのための磁性層１１０を形成する。そして、図１８（ａ）に関して前述したものと同様の方法でこの磁性層１１０を細線化する。この時、細線１２０の方向が、下の細線１００と略直角方向になるように形成する。
【０１１５】
参照磁性部Ａと参照磁性部Ｉとの磁化方向を反平行にするために、例えば、参照磁性部ＩにＰｔＭｎパッドを直接、積層しあるいはＲｕ（膜厚約１ｎｍ）を介してＰｔＭｎパッドを積層する。そして、最後に配線を取り付けた。
【０１１６】
以上説明した方法により、ＭＲ中間部Ｄを介して、例えば幅５０ｎｍの２本のクロスした細線を有する固体磁気素子を形成することができる。
【０１１７】
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、固体磁気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。
【０１１８】
また、固体磁気素子における反強磁性層、強磁性層、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。
【０１１９】
その他、本発明の実施の形態として上述した固体磁気素子及び固体磁気素子アレイを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての固体磁気素子及び固体磁気素子アレイも同様に本発明の範囲に属する。
【０１２０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、電流直接駆動による磁化反転を利用して低電流で確実な書き込みが可能な記録部と、磁気抵抗効果を利用し、高い素子インピーダンスが可能な再生部とを有する固体磁気素子を提供できる。
【０１２１】
その結果として、アレイ化した場合にもセル選択が可能であり、高集積化および低消費電力化が可能な、磁気メモリや各種の論理回路などを実現でき、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる固体磁気素子の基本的な断面構造を例示する模式図である。
【図２】本発明の固体磁気素子における記録部Ｗの動作を説明する模式図である。
【図３】第１実施形態の固体磁気素子における再生部Ｒの動作を説明する模式図である。
【図４】記憶層および参照層を多層化した例として、反強磁性結合した多層膜を使用した固体磁気素子の断面を例示する模式図である。
【図５】固体磁気素子の各層の幅が互いに異なるように形成した固体磁気素子を表す模式図である。
【図６】第１実施形態の固体磁気素子の変型例を表す模式断面図である。
【図７】第１実施形態の固体磁気素子の変型例を表す模式断面図である。
【図８】本発明の実施の形態にかかる固体磁気素子アレイを構成するセルの等価回路を表す模式図である。
【図９】本発明の実施の形態にかかる固体磁気素子アレイの一部を表す模式回路図である。
【図１０】本発明の実施の形態にかかる固体磁気素子アレイのもうひとつの具体例を表す模式回路図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態にかかる固体磁気素子の断面構造を表す模式図である。
【図１２】第２実施形態の固体磁気素子の変型例を表す模式断面図である。
【図１３】第２実施形態の固体磁気素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。
【図１４】第２実施形態の固体磁気素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。
【図１５】第２実施形態の固体磁気素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。
【図１６】第２実施形態の固体磁気素子を用いた固体磁気素子アレイの模式回路図である。
【図１７】本発明の実施例の固体磁気素子の要部断面構造を表す模式図である。
【図１８】本発明の第３の実施例としての固体磁気素子の製造工程図である。
【符号の説明】
１０固体磁気素子
２０、２０Ａ、２０Ｂ、３０Ａ、３０Ｂスイッチング部
Ａ参照磁性部
Ｂスピントランスファ中間部
ＢＬ、ＢＬ１、ＢＬ２ビット線
Ｃ記録磁性部
ＤＭＲ中間部
Ｅ参照磁性部
Ｅ記録磁性部
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３電極
Ｆスピントランスファ中間部
Ｇ参照磁性部
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３磁化
Ｐ磁気微小接点
Ｒ再生部
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２記録部
ＷＬ、ＷＬ１、ＷＬ２ＷＬ３ワード線

Claims

磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１の参照磁性部と、
磁化方向が前記第１の方向に対して平行または反平行な第２の方向に固着された第２の強磁性体を含む第２の参照磁性部と、
前記第１及び第２の参照磁性部の間に設けられ、第３の強磁性体を含む記録磁性部と、
前記第１の参照磁性部と前記記録磁性部との間に設けられ、前記第１の参照磁性部と前記記録磁性部の間で磁区を分断し且つスピン偏極電子の通路となり前記第１の参照磁性部と前記記録磁性部との間を流れる電子電流の向きに応じて前記第３の強磁性体の磁化方向が決定されるスピントランスファ中間部と、
前記第２の参照磁性部と前記記録磁性部との間に設けられ、銅、金、銀あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金、または絶縁性の材料からなるＭＲ中間部と、
を備え、
前記第１の参照磁性部と前記スピントランスファ中間部と前記記録磁性部は、同一の面内に隣接して設けられ、
前記第２の参照磁性部と前記ＭＲ中間部と前記記録磁性部は、前記同一の面に対して垂直な方向に積層され、
前記第１の参照磁性部と前記記録磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第３の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第２の参照磁性部と前記記録磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第２の方向に対して、前記第３の強磁性体の磁化の向きが平行であるか反平行であるかを検出可能としたことを特徴とする固体磁気素子。
前記第１の参照磁性部の側に接続されたスイッチング部と、
前記記録磁性部に接続された書き込み配線と、
をさらに備え、
前記スイッチング部をオンにした状態で前記スイッチング部から前記書き込み配線に至る経路に前記書き込み電流を流し、
前記スイッチング部をオンにした状態で前記スイッチング部から前記第２の参照磁性部に至る経路に前記センス電流を流すことを特徴とする請求項１記載の固体磁気素子。
前記第１の参照磁性部の側に接続された第１のスイッチング部と、
前記記録磁性部に接続された書き込み・読み出し配線と、
前記第２の参照磁気部の側に接続された第２のスイッチング部と、
をさらに備え、
前記第１のスイッチング部をオンにした状態で前記第１のスイッチング部から前記書き込み・読み出し配線に至る経路に前記書き込み電流を流し、
前記第２のスイッチング部をオンにした状態で前記第２のスイッチング部から前記書き込み・読み出し配線に至る経路に前記センス電流を流すことを特徴とする請求項１記載の固体磁気素子。
前記センス電流を流したときに、前記第２の方向に対して前記第３の強磁性体の磁化の向きが平行な状態と反平行な状態とで抵抗が変化することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体磁気素子。
磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１の参照磁性部と、
磁化方向が前記第１の方向に対して平行または反平行な第２の方向に固着された第２の強磁性体を含む第２の参照磁性部と、
前記第１及び第２の参照磁性部の間に設けられ、銅、金、銀あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金、または絶縁性の材料からなるＭＲ中間部と、
前記第１の参照磁性部と前記ＭＲ中間部との間に設けられ、第３の強磁性体を有する第１の記録磁性部と、
前記第２の参照磁性部と前記ＭＲ中間部との間に設けられ、第４の強磁性体を有する第２の記録磁性部と、
前記第１の参照磁性部と前記第１の記録磁性部との間に設けられ、前記第１の参照磁性部と前記第１の記録磁性部の間で磁区を分断し且つスピン偏極電子の通路となり前記第１の参照磁性部と前記第１の記録磁性部との間を流れる電子電流の向きに応じて前記第３の強磁性体の磁化方向が決定される第１のスピントランスファ中間部と、
前記第２の参照磁性部と前記第２の記録磁性部との間に設けられ、前記第２の参照磁性部と前記第２の記録磁性部の間で磁区を分断し且つスピン偏極電子の通路となり前記第２の参照磁性部と前記第２の記録磁性部との間を流れる電子電流の向きに応じて前記第４の強磁性体の磁化方向が決定される第２のスピントランスファ中間部と、
を備え、
前記第１の参照磁性部と前記第１の記録磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第３の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第２の参照磁性部と前記第２の記録磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第４の強磁性体の磁化を前記第２の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第１の記録磁性部と前記第２の記録磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第３の強磁性体と前記第４の強磁性体の磁化の向きが平行であるか反平行であるかを検出可能としたことを特徴とする固体磁気素子。
前記第１の参照磁性部の側に接続された第１のスイッチング部と、
前記第２の参照磁性部の側に接続された第２のスイッチング部と、
前記第１の記録磁性部に接続された第１の書き込み配線と、
前記第２の記録磁性部に接続された第２の書き込み配線と、
をさらに備え、
前記第１のスイッチング部をオンにした状態で前記第１のスイッチング部から前記第１の書き込み配線に至る経路に前記書き込み電流を流すことにより前記第３の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第２のスイッチング部をオンにした状態で前記第２のスイッチング部から前記第２の書き込み配線に至る経路に前記書き込み電流を流すことにより前記第４の強磁性体の磁化を前記第２の方向と略平行または略反平行な向きに向けることを特徴とする請求項５記載の固体磁気素子。
前記センス電流を流したときに、前記第３の強磁性体と前記第４の強磁性体の磁化の向きが平行な状態と反平行な状態とで抵抗が変化することを特徴とする請求項５または６に記載の固体磁気素子。
前記書き込み電流を流すことにより前記記録磁性部にスピン偏極した電子電流が流入し、前記スピン偏極した電子電流によりその記録磁性部の強磁性体の磁化が前記略平行または略反平行な向きに向けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の固体磁気素子。
前記ＭＲ中間部は、隣接する磁性層のいずれかの材料からなりこれら隣接する磁性層を接続する接触面積が１００平方ナノメータ以下の磁性微小接点の周囲を覆う絶縁体であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の固体磁気素子。
前記記録磁性部が有する前記強磁性体は、前記参照磁性部が有する前記強磁性体よりも軟磁性の材料からなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の固体磁気素子。
前記第１及び第２の強磁性体に積層された反強磁性層をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の固体磁気素子。
請求項１〜１１のいずれか１つに記載の複数の固体磁気素子と、
前記複数の固体磁気素子の任意のいずれかを選択し前記書き込み電流または前記センス電流を流す選択手段と、
を備えたことを特徴とする固体磁気素子アレイ。