JP2015213125A - Spin injection magnetization reversal element - Google Patents

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秀和 金城
Hidekazu Kinjo
秀和 金城
町田　賢司
Kenji Machida
賢司 町田
加藤　大典
Daisuke Kato
大典 加藤
賢一 青島
Kenichi Aoshima
賢一 青島
久我　淳
Atsushi Kuga
淳 久我
菊池　宏
Hiroshi Kikuchi
宏 菊池
清水　直樹
Naoki Shimizu
直樹 清水
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin injection magnetization reversal element effectively applied to a magnetization fixed layer or a magnetization free layer by properly adjusting a coercive force while maintaining vertical magnetic anisotropy concerning a Tb-Fe-Co alloy.SOLUTION: A spin injection magnetization reversal element 5 is formed by sequentially laminating a magnetization fixed layer 3 including a Tb-Fe-Co layer 31, a barrier layer 2 composed of MgO, and a magnetization free layer 1 including a Tb-Fe-Co layer 11. The Tb-Fe-Co layer 11 of the magnetization free layer 1, since a coercive force is reduced by being deposited on a barrier layer 2, which is an MgO film, enables spin injection magnetization reversal.

Description

本発明は、入射した光を磁気光学効果により光の位相や振幅等を空間的に変調して出射する空間光変調器に用いる光変調素子に好適なスピン注入磁化反転素子に関する。   The present invention relates to a spin-injection magnetization reversal element suitable for an optical modulation element used in a spatial light modulator that emits incident light by spatially modulating the phase and amplitude of the light by a magneto-optic effect.

スピン注入磁化反転素子は、２層以上の磁性体膜（磁性膜）を備え、上下に接続された電極（配線）から膜面に垂直に電流を供給されることで、スピン注入磁化反転により一部の磁性膜（磁化自由層）の磁化方向が１８０°回転（反転）し、磁化方向が変化しない別の磁性膜（磁化固定層）と同じ方向または反対方向になる。このスピン注入磁化反転素子は、磁性膜同士の磁化方向が同じである状態と異なる方向の状態とで上下に接続した電極間の抵抗が変化するため、磁気抵抗効果素子として１ビットのデータの書込み／読出しを行うことができる。すなわち、スピン注入磁化反転素子は、これを備えたメモリセルをマトリクス状に配列して磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を構成することができる。スピン注入磁化反転素子は、その寸法が極めて小さい上、磁化反転の動作が高速である。そのため、スピン注入磁化反転素子、ならびに大容量磁気メモリとしてこれを用いたＭＲＡＭの研究・開発が進められている。   A spin-injection magnetization reversal element includes two or more magnetic films (magnetic films), and is supplied with current from a vertically connected electrode (wiring) perpendicularly to the film surface. The magnetization direction of a part of the magnetic film (magnetization free layer) is rotated (inverted) by 180 °, and becomes the same direction or the opposite direction to another magnetic film (magnetization fixed layer) whose magnetization direction does not change. In this spin-injection magnetization reversal element, the resistance between the vertically connected electrodes changes depending on whether the magnetization directions of the magnetic films are the same or different, so that 1-bit data is written as a magnetoresistive effect element. / Reading can be performed. That is, the spin-injection magnetization reversal element can constitute a magnetic random access memory (MRAM) by arranging memory cells having the spin injection magnetization reversal element in a matrix. The spin-injection magnetization reversal element has an extremely small size and high-speed magnetization reversal operation. Therefore, research and development of spin-injection magnetization reversal elements and MRAMs using these as large-capacity magnetic memories have been advanced.

スピン注入磁化反転素子としては、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗）素子やＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗）素子が知られている。さらに近年では、ＭＲＡＭのさらなる大容量化および省電力化のために、膜面に垂直な磁化方向を示す（垂直磁気異方性を有する）磁性材料がスピン注入磁化反転素子に適用されている。このような磁性材料で形成された、すなわち垂直磁気異方性を有するスピン注入磁化反転素子は、いっそうの微細化が可能で、かつ磁化反転に要する電流（反転電流）を低減することができる。   Known spin injection magnetization reversal elements include CPP-GMR (Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance) elements and TMR (Tunnel MagnetoResistance) elements. Further, in recent years, a magnetic material exhibiting a magnetization direction perpendicular to the film surface (having perpendicular magnetic anisotropy) has been applied to the spin-injection magnetization switching element in order to further increase the capacity and power saving of the MRAM. A spin-injection magnetization reversal element formed of such a magnetic material, that is, having perpendicular magnetic anisotropy, can be further miniaturized and can reduce a current (reversal current) required for magnetization reversal.

磁気抵抗効果素子用には、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子よりも磁気抵抗比（ＭＲ比）の高いＴＭＲ素子が特に研究されている。ＴＭＲ素子は、２枚の磁性膜の間に、トンネル障壁または障壁層と呼ばれる極めて薄い絶縁膜を挟んだ構造を有する。ＴＭＲ素子の障壁層の材料には、反転電流をいっそう低減できる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が好適とされる。特に、ＴＭＲ素子は、２つの磁性膜の少なくとも一方が、ＭｇＯからなる障壁層との界面にＣｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂ等の磁性金属の薄膜を備えることで、スピン注入効率が向上し、反転電流が低減することが知られている（非特許文献１〜５参照）。   For the magnetoresistive effect element, a TMR element having a higher magnetoresistance ratio (MR ratio) than that of the CPP-GMR element has been particularly studied. The TMR element has a structure in which an extremely thin insulating film called a tunnel barrier or a barrier layer is sandwiched between two magnetic films. As a material of the barrier layer of the TMR element, magnesium oxide (MgO) that can further reduce the inversion current is suitable. In particular, in the TMR element, at least one of the two magnetic films includes a thin film of magnetic metal such as Co—Fe or Co—Fe—B at the interface with the barrier layer made of MgO, thereby improving the spin injection efficiency. It is known that the reversal current is reduced (see Non-Patent Documents 1 to 5).

また、スピン注入磁化反転素子の別の用途に、空間光変調器の画素に搭載される光変調素子が挙げられる。光変調素子用のスピン注入磁化反転素子は、磁性膜で反射または透過した光の偏光の向きが変化する（旋光する）磁気光学効果により、磁性膜の磁化方向を反転させて光の偏光の向きを２値に変化させるものである。空間光変調器においても、従来の液晶に代わる材料として、ＭＲＡＭと同様に高精細化および高速化のために、スピン注入磁化反転素子の研究・開発が進められている（例えば、特許文献１〜３参照）。光変調素子においても、空間光変調器を高精細化するべく画素数を増大しても好適に駆動し、かつ省電力化のために反転電流を低減できるＴＭＲ素子を適用することが望ましい。また、反転電流をいっそう低減するために、磁化自由層の両面のそれぞれに中間層や障壁層を挟んで磁化固定層を２つ備えたデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子を備える磁気抵抗効果素子や光変調素子が開発されている（特許文献４，５参照）。さらに、前記２つの磁化固定層を共に磁化自由層の一面側に設けることにより、光の入出射側に電極を接続しない並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子を備える光変調素子が開発されている（特許文献６，７参照）。   Another application of the spin injection magnetization reversal element is a light modulation element mounted on a pixel of a spatial light modulator. A spin-injection magnetization reversal element for a light modulation element reverses the magnetization direction of the magnetic film by the magneto-optic effect that changes (rotates) the polarization direction of the light reflected or transmitted by the magnetic film, thereby changing the polarization direction of the light. Is changed to a binary value. Also in the spatial light modulator, research and development of a spin-injection magnetization reversal element has been promoted as a material to replace conventional liquid crystals in order to achieve high definition and high speed as in MRAM (for example, Patent Documents 1 to 3). 3). Also in the light modulation element, it is desirable to apply a TMR element that can be suitably driven even when the number of pixels is increased to increase the definition of the spatial light modulator and can reduce the inversion current in order to save power. In addition, in order to further reduce the reversal current, a magnetoresistive effect element having a dual-pin structure spin injection magnetization reversal element having two magnetization fixed layers sandwiching an intermediate layer and a barrier layer on both sides of the magnetization free layer And light modulation elements have been developed (see Patent Documents 4 and 5). Furthermore, an optical modulation element having a parallel dual-pin structure spin injection magnetization reversal element that does not connect an electrode to the light incident / exit side has been developed by providing both of the two magnetization fixed layers on one surface side of the magnetization free layer. (See Patent Documents 6 and 7).

光変調素子に使用するスピン注入磁化反転素子は、偏光の向きの変化が大きい（光変調度が大きい）ことが望ましい。そのため、光変調素子においても、垂直磁気異方性を有するスピン注入磁化反転素子を用いて、膜面にほぼ垂直に光を入射することにより、極カー効果で光変調度を大きくすることが望ましい（例えば、非特許文献６、特許文献２，３参照）。   It is desirable that the spin injection magnetization reversal element used for the light modulation element has a large change in the direction of polarization (the degree of light modulation is large). Therefore, also in the light modulation element, it is desirable to increase the degree of light modulation by the polar Kerr effect by using a spin-injection magnetization reversal element having perpendicular magnetic anisotropy and making light incident substantially perpendicular to the film surface. (For example, refer nonpatent literature 6, patent documents 2 and 3).

特許第４８２９８５０号公報Japanese Patent No. 4829850 特開２０１１−２５２２号公報JP 2011-2522 A 特開２０１１−２２８３４１号公報JP 2011-228341 A 特許第３８２４６００号公報Japanese Patent No. 3824600 特許第４９３９５０２号公報Japanese Patent No. 4939502 特開２０１２−７８５７９号公報JP 2012-78579 A 特開２０１３−１９５５９３号公報JP 2013-195593 A

S. S. P. Parkin, C. Kaiser, A. Panchula, P. M. Rice, B. Hughes, M. Samant, S. H. Yang, “Giant tunnelling magnetoresistance at room temperature with MgO (100) tunnel barriers”, Nature Materials, vol.3, p.862, Dec. 2004SSP Parkin, C. Kaiser, A. Panchula, PM Rice, B. Hughes, M. Samant, SH Yang, “Giant tunnelling magnetoresistance at room temperature with MgO (100) tunnel barriers”, Nature Materials, vol. 3, p. 862, Dec. 2004 Shinji Yuasa, Taro Nagahama, Akio Fukushima, Yoshishige Suzuki, Koji Ando, “Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions”, Nature Materials, vol.3, p.868, Dec. 2004.Shinji Yuasa, Taro Nagahama, Akio Fukushima, Yoshishige Suzuki, Koji Ando, “Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe / MgO / Fe magnetic tunnel junctions”, Nature Materials, vol.3, p.868, Dec. 2004. M. Nakayama, T. Kai, N. Shimomura, M. Amano, E. Kitagawa, T. Nagase, M. Yoshikawa, T. Kishi, S. Ikegawa, H. Yoda, “Spin transfer switching in TbCoFe/CoFeB/MgO/CoFeB/TbCoFe magnetic tunnel junctions with perpendicular magnetic anisotropy”, Journal of Applied Physics, vol.103, 07A710 (2008)M. Nakayama, T. Kai, N. Shimomura, M. Amano, E. Kitagawa, T. Nagase, M. Yoshikawa, T. Kishi, S. Ikegawa, H. Yoda, “Spin transfer switching in TbCoFe / CoFeB / MgO / CoFeB / TbCoFe magnetic tunnel junctions with perpendicular magnetic anisotropy ”, Journal of Applied Physics, vol.103, 07A710 (2008) 久保田均，他，“ＭｇＯバリアを用いたＭＴＪにおけるスピン注入磁化反転”，日本応用磁気学会研究会資料１４５巻，ｐ．４３−４８，２００６．０１．３０Hitoshi Kubota, et al., “Spin injection magnetization reversal in MTJ using MgO barrier”, Japan Society of Applied Magnetics, Vol.145, p. 43-48, 2006.01.30 D. D. Djayaprawira, et. al, “230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions”, Appl. Phys. Lett. 86, 092502 (2005)D. D. Djayaprawira, et. Al, “230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB / MgO / CoFeB magnetic tunnel junctions”, Appl. Phys. Lett. 86, 092502 (2005) K. Aoshima et. al, “Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light”, Applied Physics Letters, vol.91, 052507 (2007)K. Aoshima et. Al, “Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light”, Applied Physics Letters, vol.91, 052507 (2007)

スピン注入磁化反転素子は、保磁力が大小２種類の磁性膜（磁化固定層、磁化自由層）とその間の非磁性金属または絶縁体の膜（中間層）と、を少なくとも備えた積層構造を有する。さらに、デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子（特許文献４〜７参照）は、２つの磁化固定層が互いに逆向きの磁化方向に固定されるために、保磁力の大きさの異なる磁性膜を適用することになり、磁化自由層を含め、３段階の保磁力の磁性膜が必要となる。そのため、各層について、保磁力も含め、所望の特性に応じて、磁性材料の選択や厚さの設計を行う。スピン注入磁化反転素子に適用される垂直磁気異方性材料としては、例えば、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜のような遷移金属膜と貴金属膜とを交互に積層した多層膜や、Ｔｂ−Ｆｅ−ＣｏやＧｄ−Ｆｅのような遷移金属（ＴＭ）と希土類金属（ＲＥ）との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）が知られている。   The spin-injection magnetization reversal element has a laminated structure including at least two kinds of magnetic films (magnetization fixed layer and magnetization free layer) having a large and small coercive force and a nonmagnetic metal or insulator film (intermediate layer) therebetween. . Furthermore, the spin-injection magnetization reversal element having a dual pin structure (see Patent Documents 4 to 7) has two magnetization fixed layers fixed in opposite magnetization directions, so that magnetic films having different coercive forces are used. Therefore, a magnetic film having a three-stage coercive force including the magnetization free layer is required. Therefore, for each layer, the magnetic material is selected and the thickness is designed according to desired characteristics including coercive force. As the perpendicular magnetic anisotropic material applied to the spin injection magnetization switching element, for example, a multilayer film in which transition metal films and noble metal films such as a Co / Pd multilayer film are alternately stacked, Tb-Fe-Co, An alloy (RE-TM alloy) of a transition metal (TM) and a rare earth metal (RE) such as Gd-Fe is known.

例えば、Ｃｏ膜とＰｄ膜とを交互に積層したＣｏ／Ｐｄ多層膜は、多層膜の合計の厚さのみならず、Ｃｏ膜、Ｐｄ膜の単層での膜厚を調整することにより、異なる保磁力の多層膜として、スピン注入磁化反転素子の磁化固定層と磁化自由層の両方に適用することができる（特許文献２参照）。一方、強い垂直磁気異方性を有する磁性材料であるＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金は、保磁力が大きく、スピン注入磁化反転素子の磁化固定層に好適である（特許文献３参照）。しかし、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金は、厚さや組成、成膜時の雰囲気を調整して保磁力を変化させることができるものの、磁化自由層に適用できるまでに低減させることは困難であり、また、そのため、磁気光学効果を有しているにもかかわらず光変調素子に有効に適用することができない。   For example, a Co / Pd multilayer film in which a Co film and a Pd film are alternately stacked differs by adjusting not only the total thickness of the multilayer film but also the thickness of a single layer of the Co film and the Pd film. As a multilayer film having a coercive force, it can be applied to both the magnetization fixed layer and the magnetization free layer of the spin-injection magnetization switching element (see Patent Document 2). On the other hand, a Tb—Fe—Co alloy, which is a magnetic material having strong perpendicular magnetic anisotropy, has a large coercive force and is suitable for a magnetization fixed layer of a spin injection magnetization switching element (see Patent Document 3). However, although the Tb—Fe—Co alloy can change the coercive force by adjusting the thickness, composition, and atmosphere at the time of film formation, it is difficult to reduce it to be applicable to the magnetization free layer. Therefore, it cannot be effectively applied to the light modulation element despite having the magneto-optic effect.

また、スピン注入磁化反転素子は、前記した通り積層構造を有するため、一般的に、下地への密着性を付与するための下地膜等も含めて、各層に対応した複数のターゲット（スパッタ源）をスパッタ装置に装着し、ターゲットを切り替えて、連続的に順次成膜することにより製造される。さらに、磁性膜として、例えばＣｏ／Ｐｄ多層膜を適用する場合には、この１つの磁性膜のためにＣｏとＰｄの２種類のターゲットが必要であり、また、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金等の合金膜についても、所望の組成を得るために２種類以上の金属または合金ターゲットを同時に用いることがある。したがって、スピン注入磁化反転素子を製造するためには、スパッタ装置に、各層の材料に応じた多数のターゲットを同時に装着する必要がある。しかし、スパッタ装置のターゲットの装着数には限界があるため、スピン注入磁化反転素子は、２以上の層で共通の材料が適用されている等、材料の種類が少ないことが、生産上、望ましい。   In addition, since the spin-injection magnetization reversal element has a laminated structure as described above, generally, a plurality of targets (sputter sources) corresponding to each layer, including a base film for imparting adhesion to the base, etc. Is mounted on a sputtering apparatus, the target is switched, and the film is continuously and sequentially formed. Furthermore, when a Co / Pd multilayer film is applied as the magnetic film, for example, two types of targets of Co and Pd are required for this one magnetic film, and a Tb—Fe—Co alloy or the like is used. Also for the alloy film, two or more kinds of metal or alloy targets may be used simultaneously in order to obtain a desired composition. Therefore, in order to manufacture the spin injection magnetization switching element, it is necessary to simultaneously mount a large number of targets corresponding to the material of each layer on the sputtering apparatus. However, since there is a limit to the number of targets that can be attached to the sputtering apparatus, it is desirable in production that the spin injection magnetization reversal element should have few types of materials, such as a common material applied to two or more layers. .

本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金について、垂直磁気異方性を保持しつつ保磁力を適切に調整して、磁化固定層や磁化自由層に有効に適用したスピン注入磁化反転素子を提供することを課題とする。   The present invention was devised in view of the above-mentioned problems, and for a Tb-Fe-Co alloy, the coercive force is appropriately adjusted while maintaining the perpendicular magnetic anisotropy, and is effective for the magnetization fixed layer and the magnetization free layer. It is an object of the present invention to provide an applied spin injection magnetization reversal element.

Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金のような遷移金属と希土類金属との合金は、成膜環境により磁気特性が変化する場合がある。このことから、本願発明者らは鋭意研究の結果、ＭｇＯ膜上にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金膜を成膜した場合に、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金膜が十分な垂直磁気異方性を維持しながら、組成や成膜雰囲気による調整よりも保磁力が小さくなることを見出した。   An alloy of a transition metal and a rare earth metal, such as a Tb—Fe—Co alloy, may change in magnetic properties depending on the film forming environment. Based on this, the inventors of the present application have conducted intensive research and found that when a Tb-Fe-Co alloy film is formed on the MgO film, the Tb-Fe-Co alloy film maintains sufficient perpendicular magnetic anisotropy. However, it has been found that the coercive force is smaller than the adjustment by the composition and the film formation atmosphere.

一方で、このことは、ＭｇＯ膜を障壁層とするＴＭＲ素子において上側に磁化固定層を設けた場合に、かかる磁化固定層にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を適用することは、保磁力が小さくなるので好ましくないことを示す。そこで、本願発明者らはさらに鋭意研究の結果、磁化固定層が、障壁層との界面に、適度な厚さのＣｏ−Ｆｅ等の磁性金属膜を備えることで、ＭｇＯ膜の影響が緩和されることを見出した。   On the other hand, in the case of a TMR element having a MgO film as a barrier layer, when a magnetization fixed layer is provided on the upper side, applying a Tb-Fe-Co alloy to the magnetization fixed layer reduces the coercive force. Therefore, it shows that it is not preferable. Therefore, as a result of further intensive studies, the inventors of the present application have relieved the influence of the MgO film by providing the magnetic pinned layer with a magnetic metal film such as Co—Fe having an appropriate thickness at the interface with the barrier layer. I found out.

すなわち、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、垂直磁気異方性を有する磁化固定層と垂直磁気異方性を有する磁化自由層との間に中間層を積層してなり、前記磁化自由層がＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備え、前記Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層がＭｇＯ膜に積層されていることを特徴とする。
かかる構成により、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を磁化自由層に適用しても、スピン注入磁化反転可能な垂直磁気異方性のスピン注入磁化反転素子となる。 That is, the spin injection magnetization reversal element according to the present invention comprises an intermediate layer laminated between a magnetization fixed layer having perpendicular magnetic anisotropy and a magnetization free layer having perpendicular magnetic anisotropy, and the magnetization free layer Comprises a layer made of Tb-Fe-Co, and the layer made of Tb-Fe-Co is laminated on the MgO film.
With this configuration, even if a Tb—Fe—Co alloy is applied to the magnetization free layer, a spin injection magnetization reversal element having perpendicular magnetic anisotropy capable of spin injection magnetization reversal is obtained.

また、本発明に係る別のスピン注入磁化反転素子は、垂直磁気異方性を有する磁化自由層、ＭｇＯ膜からなる中間層、垂直磁気異方性を有する磁化固定層の順に積層してなり、前記磁化固定層がＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備え、前記Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層と前記中間層との間にＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜をさらに備えることを特徴とする。
かかる構成により、ＭｇＯを障壁層とするトンネル磁気抵抗素子において、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を適用した磁化固定層を上側に設けても、ＭｇＯ膜の影響を抑えて保磁力の低下を抑制して、安定したスピン注入磁化反転可能なスピン注入磁化反転素子となる。 Another spin-injection magnetization reversal element according to the present invention is formed by laminating a magnetization free layer having perpendicular magnetic anisotropy, an intermediate layer made of an MgO film, and a magnetization fixed layer having perpendicular magnetic anisotropy in this order. The magnetization fixed layer includes a layer made of Tb-Fe-Co, and further includes a magnetic metal film made of Co-Fe or Co-Fe-B between the layer made of Tb-Fe-Co and the intermediate layer. It is characterized by that.
With this configuration, in a tunnel magnetoresistive element using MgO as a barrier layer, even if a magnetization fixed layer to which a Tb-Fe-Co alloy is applied is provided on the upper side, the influence of the MgO film is suppressed and the decrease in coercive force is suppressed. Thus, a spin injection magnetization reversal element capable of stable spin injection magnetization reversal is obtained.

本発明に係るスピン注入磁化反転素子によれば、磁化自由層にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を適用することができ、磁化固定層との材料の共通化により生産性を向上させることができる。また、本発明に係る別のスピン注入磁化反転素子によれば、ＭｇＯ膜を障壁層とするトンネル磁気抵抗素子においても、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を適用した磁化固定層を障壁層の上側に設けることができる。   According to the spin-injection magnetization switching element according to the present invention, a Tb—Fe—Co alloy can be applied to the magnetization free layer, and productivity can be improved by sharing the material with the magnetization fixed layer. According to another spin injection magnetization reversal element according to the present invention, a magnetization fixed layer using a Tb-Fe-Co alloy is provided on the upper side of the barrier layer even in a tunnel magnetoresistive element using an MgO film as a barrier layer. be able to.

本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を備えた光変調素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical modulation element provided with the spin injection magnetization reversal element based on 1st Embodiment of this invention. 図１に示す光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は光変調素子を配列した空間光変調器の部分拡大図に相当する。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a method for manufacturing the light modulation element shown in FIG. 1, and (a) to (d) correspond to partial enlarged views of the spatial light modulator in which the light modulation elements are arranged. 本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子の動作を説明する模式図であり、（ａ）、（ｂ）はスピン注入磁化反転を、（ｃ）、（ｄ）は光変調素子および磁気抵抗効果素子としての動作を説明する図である。It is a schematic diagram explaining operation | movement of the spin injection magnetization reversal element which concerns on 1st Embodiment of this invention, (a), (b) is spin injection magnetization reversal, (c), (d) is a light modulation element, It is a figure explaining the operation | movement as a magnetoresistive effect element. 本発明の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を備えた光変調素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the light modulation element provided with the spin-injection magnetization inversion element based on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を備えた光変調素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical modulation element provided with the spin-injection magnetization inversion element based on 3rd Embodiment of this invention. 図５に示す光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は光変調素子を配列した空間光変調器の部分拡大図に相当する。FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a manufacturing method of the light modulation element shown in FIG. 5, and (a) to (d) correspond to partial enlarged views of the spatial light modulator in which the light modulation elements are arranged. 本発明の第３実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子を備えた光変調素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical modulation element provided with the spin injection magnetization reversal element which concerns on the modification of 3rd Embodiment of this invention. （ａ）、（ｂ）は、図７に示す光変調素子におけるスピン注入磁化反転素子のスピン注入磁化反転動作を説明する模式図である。(A), (b) is a schematic diagram explaining the spin injection magnetization reversal operation of the spin injection magnetization reversal element in the light modulation element shown in FIG. 本発明の第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を備えた磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the magnetoresistive effect element provided with the spin injection magnetization reversal element which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を備えた光変調素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical modulation element provided with the spin injection magnetization reversal element which concerns on 5th Embodiment of this invention. 図１０に示す光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は光変調素子を配列した空間光変調器の部分拡大図に相当する。It is a schematic diagram explaining the manufacturing method of the light modulation element shown in FIG. 10, (a)-(d) is corresponded in the elements on larger scale of the spatial light modulator which arranged the light modulation element. 図１０に示す光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は光変調素子を配列した空間光変調器の部分拡大図に相当するIt is a schematic diagram explaining the manufacturing method of the light modulation element shown in FIG. 10, (a)-(d) is equivalent to the elements on larger scale of the spatial light modulator which arranged the light modulation element. （ａ）、（ｂ）は、本発明の第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子のスピン注入磁化反転動作を説明する模式図である。(A), (b) is a schematic diagram explaining the spin injection magnetization reversal operation | movement of the spin injection magnetization reversal element which concerns on 5th Embodiment of this invention. 熱酸化Ｓｉ基板にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を成膜したサンプルの、カー回転角の磁場依存性で表した磁化曲線であり、（ａ）は厚さ２ｎｍのＭｇＯ膜、（ｂ）は厚さ５ｎｍのＭｇＯ膜、（ｃ）は厚さ３ｎｍのＲｕ膜を、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層の下地に備えたサンプルである。It is a magnetization curve represented by the magnetic field dependence of the Kerr rotation angle of a sample in which a layer made of Tb—Fe—Co is formed on a thermally oxidized Si substrate, (a) is a MgO film having a thickness of 2 nm, and (b) is A MgO film having a thickness of 5 nm, (c) is a sample provided with a Ru film having a thickness of 3 nm on the base of a layer made of Tb—Fe—Co. 中間層に厚さ１．５ｎｍのＭｇＯ膜を有し、その上下それぞれにＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備えるスピン注入磁化反転素子のサンプルの、カー回転角の磁場依存性で表した磁化曲線である。Magnetization curve represented by magnetic field dependence of Kerr rotation angle of a sample of a spin-injection magnetization reversal element having a MgO film with a thickness of 1.5 nm as an intermediate layer and layers formed of Tb-Fe-Co on each of the MgO films It is.

以下、本発明に係るスピン注入磁化反転素子を実現するための形態について、図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments for realizing a spin transfer magnetization switching element according to the present invention will be described with reference to the drawings.

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、上下に一対の電極を接続されて、空間光変調器の画素（空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗）を表示する手段）を構成する光変調素子に適用される。このような光変調素子は、上方から入射した光を反射させて異なる２値の光（偏光成分）に変調し、上方へ出射する。以下、本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた光変調素子について説明する。 [First Embodiment]
The spin-injection magnetization reversal element according to the first embodiment of the present invention has a pair of electrodes connected to the top and bottom, and a spatial light modulator pixel (information in the minimum unit of display by the spatial light modulator (bright / dark)). This is applied to a light modulation element constituting a display means. Such a light modulation element reflects light incident from above, modulates it into different binary light (polarized light component), and emits the light upward. Hereinafter, a spin-injection magnetization switching element according to a first embodiment of the present invention and a light modulation element including the same will be described.

本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５は、図１に示すように、磁化固定層３、障壁層（中間層）２、磁化自由層１の順に積層された構成であり、一対の電極である上部電極７と下部電極６（以下、適宜まとめて、電極６，７）に上下で接続されて、光変調素子１０を構成する。スピン注入磁化反転素子５は、磁化方向が一方向に固定された磁化固定層３および磁化方向が回転可能な磁化自由層１を、ＭｇＯからなる障壁層２（ＭｇＯ膜）を挟んで積層してなるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子である。さらにスピン注入磁化反転素子５は、最上層に保護膜４３を備え、また、必要に応じて最下層に下地金属膜４１を備える。詳しくは後記製造方法にて説明するように、スピン注入磁化反転素子５を構成するこれらの各層は、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法で、連続的に成膜されて積層される。   As shown in FIG. 1, the spin transfer magnetization switching element 5 according to the first embodiment of the present invention has a configuration in which a magnetization fixed layer 3, a barrier layer (intermediate layer) 2, and a magnetization free layer 1 are stacked in this order. The light modulation element 10 is configured by being connected to the upper electrode 7 and the lower electrode 6 (hereinafter, collectively referred to as electrodes 6 and 7 as appropriate) as a pair of electrodes. A spin-injection magnetization reversal element 5 is formed by laminating a magnetization fixed layer 3 whose magnetization direction is fixed in one direction and a magnetization free layer 1 whose magnetization direction is rotatable, with a barrier layer 2 (MgO film) made of MgO interposed therebetween. This is a tunneling magnetoresistive (TMR) element. Further, the spin injection magnetization reversal element 5 includes a protective film 43 on the uppermost layer, and a base metal film 41 on the lowermost layer as necessary. Specifically, as will be described later in the manufacturing method, these layers constituting the spin injection magnetization reversal element 5 are continuously formed by a known method such as a sputtering method or a molecular beam epitaxy (MBE) method. Are stacked.

光変調素子１０は、空間光変調器の画素とするために、基板９上に、膜面方向において２次元アレイ状に配列され（図示省略）、その際に、一対の電極６，７の一方が行方向に、他方が列方向に、それぞれ延設される。図１においては、下部電極６が手前−奥方向（紙面垂直方向）に、上部電極７が左右方向に、それぞれ延設された帯状に形成され、複数の光変調素子１０に共有される。そのため、光変調素子１０を配列した空間光変調器においては、光変調素子１０，１０間に、具体的にはスピン注入磁化反転素子５，５間、電極６，７間、下部電極６，６間および上部電極７，７間（配線間）のそれぞれに、絶縁層８が充填される。スピン注入磁化反転素子５は、平面視形状が例えば矩形であり（図示省略）、好適に磁化反転するためには、３００ｎｍ×４００ｎｍ相当の面積以下とすることが好ましく、一方、光変調のために、一辺の長さを少なくとも入射光の回折限界（波長の１／２程度）以上とする。   The light modulation elements 10 are arranged on the substrate 9 in a two-dimensional array (not shown) on the substrate 9 in order to form pixels of the spatial light modulator, and at this time, one of the pair of electrodes 6 and 7 is arranged. Are extended in the row direction and the other in the column direction. In FIG. 1, the lower electrode 6 is formed in a strip shape extending in the front-back direction (perpendicular to the paper surface) and the upper electrode 7 is extended in the left-right direction, and is shared by the plurality of light modulation elements 10. Therefore, in the spatial light modulator in which the light modulation elements 10 are arranged, specifically between the light modulation elements 10 and 10, specifically between the spin injection magnetization reversal elements 5 and 5, between the electrodes 6 and 7, and the lower electrodes 6 and 6. An insulating layer 8 is filled between the upper electrodes 7 and 7 (between the wirings). The spin-injection magnetization reversal element 5 has, for example, a rectangular shape in plan view (not shown), and preferably has an area equivalent to 300 nm × 400 nm or less in order to suitably reverse the magnetization. The length of one side is at least the diffraction limit of incident light (about ½ of the wavelength).

本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５は、磁化自由層１、磁化固定層３がそれぞれ、ＴｂＦｅＣｏ層（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層）１１，３１を主たる要素として備え、さらに、障壁層２との界面に、ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）１２，３２を備える。すなわち、スピン注入磁化反転素子５は、下から、下地金属膜４１、ＴｂＦｅＣｏ層３１、ＣｏＦｅ膜３２、障壁層２、ＣｏＦｅ膜１２、ＴｂＦｅＣｏ層１１、保護膜４３、を順に積層してなる。以下、スピン注入磁化反転素子５を構成する要素について詳しく説明する。   In the spin-injection magnetization switching element 5 according to this embodiment, the magnetization free layer 1 and the magnetization fixed layer 3 each include TbFeCo layers (layers made of Tb—Fe—Co) 11 and 31 as main elements, and further, a barrier layer. CoFe films (magnetic metal films) 12, 32 are provided at the interface with 2. That is, the spin injection magnetization reversal element 5 is formed by laminating a base metal film 41, a TbFeCo layer 31, a CoFe film 32, a barrier layer 2, a CoFe film 12, a TbFeCo layer 11, and a protective film 43 in this order from the bottom. Hereinafter, elements constituting the spin injection magnetization switching element 5 will be described in detail.

（磁化固定層）
磁化固定層３は、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５において障壁層２の下に設けられ、前記した通り、下すなわち下部電極６の側から、ＴｂＦｅＣｏ層３１、ＣｏＦｅ膜３２の２層構造を有する。スピン注入磁化反転素子５が安定した磁化反転動作をするために、磁化固定層３は、保磁力が磁化自由層１（ＴｂＦｅＣｏ層１１）に対して十分に大きく、具体的には０．５ｋＯｅ以上の差となることが好ましい。 (Magnetic pinned layer)
The magnetization fixed layer 3 is provided below the barrier layer 2 in the spin injection magnetization reversal element 5 according to the present embodiment. As described above, the two layers of the TbFeCo layer 31 and the CoFe film 32 are provided below, that is, from the lower electrode 6 side. It has a structure. In order for the spin injection magnetization reversal element 5 to perform a stable magnetization reversal operation, the magnetization fixed layer 3 has a sufficiently large coercive force with respect to the magnetization free layer 1 (TbFeCo layer 11), specifically 0.5 kOe or more. It is preferable that the difference is

ＴｂＦｅＣｏ層３１は磁化固定層３の主たる要素であり、前記した通り十分な大きさの保磁力になるように、磁化自由層１に応じて、一般的なＴＭＲ素子の磁化固定層と同様に、厚さを３〜５０ｎｍの範囲で設定されることが好ましい。ＴｂＦｅＣｏ層３１は、垂直磁気異方性を有する磁性材料である遷移金属（ＴＭ）と希土類金属（ＲＥ）との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）の一種で、特に保磁力の大きいＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金で形成される。ＲＥ−ＴＭ合金はフェリ磁性体の一種であり、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金においては、遷移金属であるＦｅ，Ｃｏが一方向（＋ｚ方向とする）の磁気モーメントを有するのに対し、希土類金属であるＴｂは、この一方向の逆方向（−ｚ方向）を中心（軸）に広がって円錐の側面を形成するように分布した磁気モーメントを示し、磁気モーメントはその分布全体として、ｘ，ｙ方向には相殺されて−ｚ方向のみとなる。このように、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金は、スピン注入磁化反転素子の磁性材料に適用される場合には、ＴＭ，ＲＥのそれぞれの磁気モーメントが相殺される組成（補償組成）に対して僅かにＲＥが多い組成にして、当該ＲＥ−ＴＭ合金全体として飽和磁化の小さい−ｚ方向の磁気モーメントを有するようにして、容易に垂直磁気異方性を示すようにし、かつ必要な保磁力を確保している。特に希土類金属がＴｂである場合、その磁気モーメントが支配的になり易く、強い垂直磁気異方性を示す。また、ＲＥ−ＴＭ合金は、非晶質構造であるので、障壁層２として磁化固定層３（ＴｂＦｅＣｏ層３１）の上に成膜されるＭｇＯ膜を後記するような（００１）面配向にすることを妨げず、障壁層２の下側に設けられる磁性層としても好適である。   The TbFeCo layer 31 is a main element of the magnetization fixed layer 3, and, as described above, according to the magnetization free layer 1, in order to obtain a sufficiently large coercive force, as in the magnetization fixed layer of a general TMR element, The thickness is preferably set in the range of 3 to 50 nm. The TbFeCo layer 31 is a kind of an alloy (RE-TM alloy) of transition metal (TM) and rare earth metal (RE), which is a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy, and particularly Tb-Fe-Co having a large coercive force. Made of alloy. The RE-TM alloy is a kind of ferrimagnetic material. In the Tb-Fe-Co alloy, Fe and Co, which are transition metals, have a magnetic moment in one direction (+ z direction), but rare earth metals. A certain Tb indicates a magnetic moment distributed so as to form a side surface of a cone extending in the opposite direction (−z direction) of this one direction (−z direction) to the center (axis). Is canceled out to the -z direction only. As described above, when the Tb—Fe—Co alloy is applied to the magnetic material of the spin-injection magnetization switching element, the Tb—Fe—Co alloy is slightly less than the composition (compensation composition) in which the magnetic moments of TM and RE are offset. The RE-TM alloy as a whole has a magnetic moment in the -z direction with a small saturation magnetization so that it can easily exhibit perpendicular magnetic anisotropy and ensure the necessary coercive force. ing. In particular, when the rare earth metal is Tb, the magnetic moment tends to be dominant, and strong perpendicular magnetic anisotropy is exhibited. Further, since the RE-TM alloy has an amorphous structure, the MgO film formed on the magnetization fixed layer 3 (TbFeCo layer 31) as the barrier layer 2 has the (001) orientation as described later. This is also suitable as a magnetic layer provided below the barrier layer 2 without hindering this.

Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂのような磁性金属はスピン偏極率が高い。そのため、ＣｏＦｅ膜３２が設けられることにより、磁化固定層３と障壁層２の界面でのスピン偏極率を高くして、障壁層２を介して磁化自由層１に注入されるスピンによるスピントルクが増大して、スピン注入磁化反転素子５の反転電流がいっそう低減される。なお、本明細書では要素名として「ＣｏＦｅ膜」３２と称するが、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂのいずれも適用することができる。前記効果を十分に得るために、ＣｏＦｅ膜３２は、厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましい。なお、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂは、本来は面内磁気異方性を有するが、垂直磁気異方性を示す磁性体（ＴｂＦｅＣｏ層３１）と一体に垂直磁気異方性を示すように、相対的に厚さを抑えて設けられる。具体的には、ＣｏＦｅ膜３２は、厚さを２ｎｍ以下とすることが好ましい。また、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂは、（００１）面配向の結晶のＭｇＯとの格子整合がよく、特に成膜時において非晶質のＣｏ−Ｆｅ−Ｂを適用することで、その上に成膜されるＭｇＯ膜（障壁層２）が（００１）面配向の結晶構造になり易い。   Magnetic metals such as Co—Fe and Co—Fe—B have a high spin polarization. Therefore, the provision of the CoFe film 32 increases the spin polarization at the interface between the fixed magnetization layer 3 and the barrier layer 2, and the spin torque due to the spin injected into the magnetization free layer 1 through the barrier layer 2. Increases, and the reversal current of the spin injection magnetization reversal element 5 is further reduced. In this specification, the element name is referred to as “CoFe film” 32, but both Co—Fe and Co—Fe—B can be applied. In order to obtain the effect sufficiently, the CoFe film 32 preferably has a thickness of 0.1 nm or more. Co-Fe and Co-Fe-B originally have in-plane magnetic anisotropy, but seem to exhibit perpendicular magnetic anisotropy integrally with a magnetic body (TbFeCo layer 31) exhibiting perpendicular magnetic anisotropy. Further, it is provided with a relatively small thickness. Specifically, the CoFe film 32 preferably has a thickness of 2 nm or less. In addition, Co—Fe and Co—Fe—B have good lattice matching with MgO of (001) -oriented crystals, and by applying amorphous Co—Fe—B at the time of film formation, The MgO film (barrier layer 2) formed thereon tends to have a (001) -oriented crystal structure.

（障壁層）
障壁層２は、ＴＭＲ素子の障壁層として好適なＭｇＯで形成される。障壁層２がＭｇＯで形成されることにより、スピン注入磁化反転素子５は反転電流が低減されたＴＭＲ素子になると同時に、障壁層２の上に成膜される後記のＴｂＦｅＣｏ層１１（磁化自由層１）の保磁力が小さくなって、スピン注入磁化反転が可能になる。障壁層２は、一般的なＴＭＲ素子と同様に、厚さを０．１〜２ｎｍの範囲とすることが好ましく、上に設けたＴｂＦｅＣｏ層１１の保磁力を小さくする効果を十分なものにするために、厚さを１ｎｍ以上とすることがより好ましい。また、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５においては、障壁層２は、下地となる磁化固定層３に非晶質構造であるＴｂＦｅＣｏ層３１が適用され、さらに当該障壁層２との界面にＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂ（ＣｏＦｅ膜３２）が設けられているので、（００１）面配向のＭｇＯになり易い。ＭｇＯのこのような結晶構造により、スピン注入磁化反転素子５において電子が散乱せずに注入されて、コヒーレントなトンネル電流が流れることにより、スピン注入磁化反転素子５の反転電流をいっそう低減させることができる。特に本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５においては、ＴｂＦｅＣｏ層１１の保磁力を小さくするために障壁層２が比較的厚いことが好ましく、その結果、反転電流が大きくなるので、障壁層２をこのような結晶構造のＭｇＯに形成することが好ましい。 (Barrier layer)
The barrier layer 2 is made of MgO suitable as a barrier layer of the TMR element. By forming the barrier layer 2 of MgO, the spin injection magnetization reversal element 5 becomes a TMR element with a reduced reversal current, and at the same time, a TbFeCo layer 11 (magnetization free layer) described later formed on the barrier layer 2. The coercive force of 1) becomes small, and spin injection magnetization reversal becomes possible. As in the case of a general TMR element, the barrier layer 2 preferably has a thickness in the range of 0.1 to 2 nm, and makes the effect of reducing the coercive force of the TbFeCo layer 11 provided above sufficient. Therefore, the thickness is more preferably 1 nm or more. In the spin-injection magnetization switching element 5 according to the present embodiment, the barrier layer 2 includes the TbFeCo layer 31 having an amorphous structure applied to the magnetization fixed layer 3 serving as an underlayer, and an interface with the barrier layer 2. Since Co—Fe or Co—Fe—B (CoFe film 32) is provided on the substrate, it tends to be (001) -oriented MgO. With such a crystal structure of MgO, electrons are injected without being scattered in the spin-injection magnetization reversal element 5 and a coherent tunnel current flows, whereby the reversal current of the spin-injection magnetization reversal element 5 can be further reduced. it can. In particular, in the spin transfer magnetization reversal element 5 according to the present embodiment, the barrier layer 2 is preferably relatively thick in order to reduce the coercive force of the TbFeCo layer 11, and as a result, the reversal current becomes large. Is preferably formed in MgO having such a crystal structure.

（磁化自由層）
磁化自由層１は、光変調素子１０における光変調層であり、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５において障壁層２の上に設けられ、前記した通り、障壁層２の側、すなわち下から、ＣｏＦｅ膜１２、ＴｂＦｅＣｏ層１１の２層構造を有する。 (Magnetization free layer)
The magnetization free layer 1 is a light modulation layer in the light modulation element 10 and is provided on the barrier layer 2 in the spin injection magnetization reversal element 5 according to the present embodiment. Therefore, it has a two-layer structure of a CoFe film 12 and a TbFeCo layer 11.

ＴｂＦｅＣｏ層１１は磁化自由層１の主たる要素であり、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金で形成される。Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金は、磁化固定層３にも適用されているように保磁力が比較的大きく、後記するような厚さや組成による調整のみでは、本来は磁化反転させることが困難であるが、ＭｇＯ膜の上に成膜されることで保磁力が小さくなる。スピン注入磁化反転素子５においては、ＴｂＦｅＣｏ層１１は、後記するように極めて薄いＣｏＦｅ膜１２のみを介して障壁層２の上に形成されることにより、前記効果が得られる。ＴｂＦｅＣｏ層１１は、厚いほど磁気光学効果が高くなるが、一方で厚くなるにしたがい保磁力が増大するため磁化反転が困難になる。また、ＴｂＦｅＣｏ層１１は、厚いと、障壁層２（ＭｇＯ膜）から離れた上層部分でＭｇＯ膜による保磁力を低減させる効果が低下して、全体として、本来の大きな保磁力に近くなる。したがって、ＴｂＦｅＣｏ層１１は、一般的なＴＭＲ素子の磁化自由層と同様に、厚さを１〜２０ｎｍの範囲とすることが好ましく、１０ｎｍ以下がより好ましい。   The TbFeCo layer 11 is a main element of the magnetization free layer 1 and is formed of a Tb—Fe—Co alloy. The Tb—Fe—Co alloy has a relatively large coercive force as applied to the magnetization fixed layer 3, and it is difficult to reverse the magnetization by simply adjusting the thickness and composition as described later. The coercive force is reduced by being formed on the MgO film. In the spin transfer magnetization switching element 5, the TbFeCo layer 11 is formed on the barrier layer 2 only through the extremely thin CoFe film 12 as will be described later. The thicker the TbFeCo layer 11, the higher the magneto-optical effect. On the other hand, as the thickness increases, the coercive force increases, so that the magnetization reversal becomes difficult. On the other hand, if the TbFeCo layer 11 is thick, the effect of reducing the coercive force due to the MgO film in the upper layer part away from the barrier layer 2 (MgO film) is lowered, and the TbFeCo layer 11 becomes close to the original large coercive force as a whole. Therefore, the thickness of the TbFeCo layer 11 is preferably in the range of 1 to 20 nm, more preferably 10 nm or less, like the magnetization free layer of a general TMR element.

ＣｏＦｅ膜１２は、磁化固定層３におけるＣｏＦｅ膜３２と同様に、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂのいずれも適用することができ、磁化自由層１と障壁層２の界面でのスピン偏極率を高くする。スピン注入磁化反転素子５は、磁化固定層３におけるＣｏＦｅ膜３２だけでなく、磁化自由層１にもＣｏＦｅ膜１２が設けられることで、障壁層２を介して磁化自由層１へ注入するスピンによるスピントルクが増大して、反転電流がいっそう低減される。ＣｏＦｅ膜１２は、ＣｏＦｅ膜３２と同様に、厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましい。ＣｏＦｅ膜１２は、一方で、障壁層２（ＭｇＯ膜）によるＴｂＦｅＣｏ層１１の保磁力低減の効果を妨げないために、連続した膜を形成しないように厚さを１ｎｍ未満とすることが好ましく、１原子膜相当の０．３ｎｍ以下とすることがより好ましい。   As the CoFe film 12, both Co—Fe and Co—Fe—B can be applied, as is the case with the CoFe film 32 in the magnetization fixed layer 3, and the spin polarization at the interface between the magnetization free layer 1 and the barrier layer 2. Increase the rate. The spin-injection magnetization reversal element 5 includes not only the CoFe film 32 in the magnetization fixed layer 3 but also the CoFe film 12 provided in the magnetization free layer 1, so that the spin-injection magnetization reversal element 5 is driven by spin injected into the magnetization free layer 1 through the barrier layer 2. The spin torque is increased and the reversal current is further reduced. As with the CoFe film 32, the CoFe film 12 preferably has a thickness of 0.1 nm or more. On the other hand, the CoFe film 12 preferably has a thickness of less than 1 nm so as not to form a continuous film in order not to hinder the effect of reducing the coercive force of the TbFeCo layer 11 by the barrier layer 2 (MgO film). More preferably, it is 0.3 nm or less corresponding to one atomic film.

（下地金属膜）
下地金属膜４１は、スピン注入磁化反転素子５の最下層すなわち磁化固定層３の下に、下部電極６への密着性を付与するために設けられる。下地金属膜４１は、非磁性金属材料の中で、Ｒｕ，Ｔａを適用することが好ましく、これらの金属膜であれば、磁化固定層３に非晶質のＴｂＦｅＣｏ層３１を備えてその上に設けられる障壁層２とするＭｇＯ膜について、（００１）面配向にすることを妨げない。下地金属膜４１は、厚さが１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く密着性を付与する効果が十分に得られ難く、一方、１０ｎｍを超えて厚くしても、密着性がそれ以上には向上しないので、厚さを１〜１０ｎｍとすることが好ましい。 (Underlying metal film)
The base metal film 41 is provided under the lowermost layer of the spin injection magnetization switching element 5, that is, below the magnetization fixed layer 3 in order to provide adhesion to the lower electrode 6. The base metal film 41 is preferably made of Ru, Ta among non-magnetic metal materials. If these metal films are used, the magnetization fixed layer 3 includes an amorphous TbFeCo layer 31 on top of it. The MgO film used as the barrier layer 2 to be provided is not prevented from being (001) oriented. If the thickness of the base metal film 41 is less than 1 nm, it is difficult to form a continuous (pinhole-free) film and it is difficult to obtain a sufficient effect of imparting adhesiveness. Since the adhesion does not improve any more, the thickness is preferably 1 to 10 nm.

（保護膜）
保護膜４３は、スピン注入磁化反転素子５の最上層すなわち磁化自由層１の上に、当該スピン注入磁化反転素子５の各層、特に最上層の磁化自由層１のＴｂＦｅＣｏ層１１を、光変調素子１０の製造工程におけるダメージから保護するために設けられる。製造工程におけるダメージとは、例えばレジストパターン形成時の現像液の含浸等が挙げられ、特に酸化し易いＲＥ−ＴＭ合金であるＴｂＦｅＣｏ層１１を外部環境に曝さないように、保護膜４３が設けられる。保護膜４３は、Ｒｕ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ａｕ等の非磁性金属材料からなる単層膜、またはＣｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕ等の異なる金属材料からなる金属膜を２層以上積層した積層膜から構成される。保護膜４３は、下地金属膜４１と同様に、厚さが１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難いので、ＴｂＦｅＣｏ層１１等を保護する効果が十分に得られ難い。一方、保護膜４３は、１０ｎｍを超えて厚くしても、前記効果がそれ以上には向上せず、また、光変調素子１０の上方からの入射光の透過光量を減衰させる。したがって、保護膜４３は、厚さを１〜１０ｎｍとすることが好ましい。 (Protective film)
The protective film 43 is formed on the uppermost layer of the spin injection magnetization reversal element 5, that is, on the magnetization free layer 1. Each layer of the spin injection magnetization reversal element 5, particularly the TbFeCo layer 11 of the uppermost magnetization free layer 1, It is provided in order to protect from damage in 10 manufacturing processes. The damage in the manufacturing process includes, for example, impregnation with a developer at the time of forming a resist pattern, and the protective film 43 is provided so as not to expose the TbFeCo layer 11 which is a particularly easily oxidizable RE-TM alloy to the external environment. . The protective film 43 is a laminated film in which two or more metal films made of a non-magnetic metal material such as Ru, Ta, Cu, Pt, or Au, or metal films made of different metal materials such as Cu / Ta, Cu / Ru, are laminated. Consists of a membrane. As with the base metal film 41, the protective film 43 has a thickness of less than 1 nm, and it is difficult to form a continuous film (without pinholes). Therefore, it is difficult to sufficiently obtain the effect of protecting the TbFeCo layer 11 and the like. . On the other hand, even if the protective film 43 is thicker than 10 nm, the effect is not improved any more, and the transmitted light amount of incident light from above the light modulation element 10 is attenuated. Therefore, the protective film 43 preferably has a thickness of 1 to 10 nm.

スピン注入磁化反転素子５以外の光変調素子１０を構成する要素について、以下に説明する。   Elements constituting the light modulation element 10 other than the spin injection magnetization switching element 5 will be described below.

（下部電極）
下部電極６は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成され、また、前記金属や合金の２種類以上を積層してもよい。このような金属電極材料は、スパッタリング法等の公知の方法により成膜され、フォトリソグラフィ、およびエッチングまたはリフトオフ法等によりストライプ状等の所望の形状に加工される。 (Lower electrode)
The lower electrode 6 is formed of a general metal electrode material such as a metal such as Cu, Al, Au, Ag, Ta, or Cr, or an alloy thereof, or two or more of the metals or alloys may be laminated. Good. Such a metal electrode material is formed into a film by a known method such as a sputtering method, and is processed into a desired shape such as a stripe shape by photolithography and an etching or lift-off method.

（上部電極）
上部電極７は、光が透過するように透明電極材料からなる層（透明電極層）７３と、その下地の金属膜７４と、からなる。透明電極層７３は、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）等の公知の透明電極材料からなる。これらの透明電極材料は塗布法でも成膜されるが、透明電極層７３は、後記するように金属膜７４と連続して成膜されることが好ましい。そのため、透明電極層７３は、金属膜７４と共に、連続的に成膜が可能なスパッタリング法や真空蒸着法等を適用して成膜されることが好ましく、フォトリソグラフィおよびエッチング等でストライプ状等の所望の形状に一括に加工される。特に、上部電極７は、ＴｂＦｅＣｏ層１１，３１を含むスピン注入磁化反転素子５の上に形成されるため、透明電極層７３には無加熱（室温等）成膜で比較的良好な導電性が得られるＩＺＯを適用されることが好ましい。 (Upper electrode)
The upper electrode 7 is composed of a layer (transparent electrode layer) 73 made of a transparent electrode material and a base metal film 74 so as to transmit light. The transparent electrode layer 73 includes, for example, indium zinc oxide (IZO), indium tin oxide (ITO), tin oxide (SnO 2 ), antimony oxide-tin oxide (ATO), zinc oxide (ZnO), fluorine-doped tin oxide (FTO), consisting of a known transparent electrode material such as indium oxide (in 2 O 3). Although these transparent electrode materials are also formed by a coating method, the transparent electrode layer 73 is preferably formed continuously with the metal film 74 as described later. Therefore, the transparent electrode layer 73 is preferably formed together with the metal film 74 by applying a sputtering method, a vacuum deposition method, or the like that can be continuously formed. It is processed into a desired shape all at once. In particular, since the upper electrode 7 is formed on the spin-injection magnetization reversal element 5 including the TbFeCo layers 11 and 31, the transparent electrode layer 73 has a relatively good conductivity by non-heating (room temperature or the like) film formation. The resulting IZO is preferably applied.

電極（配線）を透明電極材料で形成する場合、電極とこの電極に接続するスピン注入磁化反転素子５との間に金属膜が設けられていることが好ましい。したがって、上部電極７は、下地に金属膜７４を設けて、その上に透明電極層７３を積層した構造とすることが好ましい。スピン注入磁化反転素子５との間に金属膜７４を介在させることで、金属電極材料よりも抵抗が大きい透明電極材料（透明電極層７３）を主体として構成される上部電極７においても、上部電極７−スピン注入磁化反転素子５間の接触抵抗を低減させて応答速度を上げることができる。   When the electrode (wiring) is formed of a transparent electrode material, a metal film is preferably provided between the electrode and the spin injection magnetization reversal element 5 connected to the electrode. Therefore, it is preferable that the upper electrode 7 has a structure in which the metal film 74 is provided on the base and the transparent electrode layer 73 is laminated thereon. Even in the upper electrode 7 mainly composed of a transparent electrode material (transparent electrode layer 73) having a resistance higher than that of the metal electrode material by interposing the metal film 74 between the spin injection magnetization switching element 5 and the upper electrode 7 The contact resistance between the 7-spin injection magnetization reversal elements 5 can be reduced to increase the response speed.

透明電極層７３とスピン注入磁化反転素子５との間を介在する金属膜７４としては、例えば、Ａｕ，Ｒｕ，Ｔａ、またはそれらの金属の２種以上からなる合金等を用いることができる。そして、金属膜７４は、その上の透明電極層７３との密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するために、前記した通り、スパッタリング法等で、透明電極材料と連続的に真空処理室にて成膜されることが好ましい。金属膜７４の厚さは、保護膜４３と同様に、１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると光の透過量を低下させるので、１〜１０ｎｍが好ましい。   As the metal film 74 interposed between the transparent electrode layer 73 and the spin-injection magnetization switching element 5, for example, Au, Ru, Ta, or an alloy made of two or more of these metals can be used. Then, as described above, the metal film 74 is continuously vacuum-treated with the transparent electrode material by a sputtering method or the like in order to improve the adhesion with the transparent electrode layer 73 thereon and further reduce the contact resistance. It is preferable to form a film with If the thickness of the metal film 74 is less than 1 nm, it is difficult to form a continuous film (without pinholes) as in the case of the protective film 43. On the other hand, if the thickness exceeds 10 nm, the amount of transmitted light decreases. 10 nm is preferable.

（絶縁層）
絶縁層８は、２次元アレイ状に配列された光変調素子１０，１０間に、すなわちスピン注入磁化反転素子５，５間、電極６，７間（層間）、下部電極６，６間および上部電極７，７間（配線間）を、それぞれ絶縁するために設けられる。絶縁層８は、例えばＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の酸化膜やＳｉ窒化物（Ｓｉ3Ｎ4）等の公知の絶縁材料を適用することができる。ただし、スピン注入磁化反転素子５が、ＴｂＦｅＣｏ層１１，３１のような極めて酸化し易いＲＥ−ＴＭ合金からなる層を含むため、スピン注入磁化反転素子５に接触する部分（スピン注入磁化反転素子５，５間）に設けられる絶縁層８は、Ｏ（酸素）を浸入させ易いＳｉＯ2等の酸化物よりも、Ｓｉ窒化物やＭｇＦ2等のＯを含有しない非酸化物、あるいはＯを放出し難いＭｇＯ等を適用することが好ましい。 (Insulating layer)
The insulating layer 8 is arranged between the light modulation elements 10 and 10 arranged in a two-dimensional array, that is, between the spin injection magnetization reversal elements 5 and 5, between the electrodes 6 and 7 (interlayer), between the lower electrodes 6 and 6, and the upper part. It is provided to insulate between the electrodes 7 and 7 (between wirings). For the insulating layer 8, for example, a known insulating material such as an oxide film such as SiO 2 or Al 2 O 3 or Si nitride (Si 3 N 4 ) can be applied. However, since the spin-injection magnetization reversal element 5 includes a layer made of an RE-TM alloy that is very easily oxidized, such as the TbFeCo layers 11 and 31, a portion in contact with the spin-injection magnetization reversal element 5 (spin-injection magnetization reversal element 5). , 5), the non-oxide containing no O, such as Si nitride and MgF 2 , or O is released rather than the oxide such as SiO 2 that easily infiltrates O (oxygen). It is preferable to apply difficult MgO or the like.

（基板）
基板９は、光変調素子１０を配列するための土台であり、公知の基板材料が適用でき、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板やガラス等の公知の基板が適用できる。 (substrate)
The substrate 9 is a base on which the light modulation elements 10 are arranged, and a known substrate material can be applied. For example, a known substrate such as a Si substrate or glass whose surface is thermally oxidized can be applied.

（光変調素子の製造方法）
次に、スピン注入磁化反転素子５を備える光変調素子１０の製造方法について、その一例を、図２を参照して説明する。光変調素子１０は、前記したように、基板９上に２次元配列された空間光変調器として製造される。一般的に、スピン注入磁化反転素子は、磁性膜等の各材料を成膜、積層して、イオンミリング法等のエッチング異方性の高いエッチングで加工されて製造されることが多いが、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５は、耐熱性に劣るＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層（ＴｂＦｅＣｏ層１１，３１）を備えることから、以下の方法で製造されることが好ましい。 (Manufacturing method of light modulation element)
Next, an example of a method for manufacturing the light modulation element 10 including the spin injection magnetization switching element 5 will be described with reference to FIG. As described above, the light modulation element 10 is manufactured as a spatial light modulator arranged two-dimensionally on the substrate 9. In general, a spin-injection magnetization reversal element is often manufactured by forming and laminating each material such as a magnetic film and processing it by etching with high etching anisotropy such as an ion milling method. Since the spin-injection magnetization switching element 5 according to the embodiment includes the layers (TbFeCo layers 11 and 31) made of Tb—Fe—Co which is inferior in heat resistance, it is preferably manufactured by the following method.

まず、図２（ａ）に示すように、下部電極６および下部電極６，６間を埋める絶縁層８を形成する。詳しくは、基板９の表面に、ＳｉＯ2等の絶縁膜を下部電極６の厚さに合わせて成膜する。この絶縁膜の上に、下部電極６を形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、絶縁膜をエッチングして基板９を露出させる。この上から金属電極材料を成膜して、絶縁膜（絶縁層８）のエッチング跡に埋め込んで下部電極６を形成し、レジストパターンを除去する（リフトオフ）。 First, as shown in FIG. 2A, an insulating layer 8 that fills the space between the lower electrode 6 and the lower electrodes 6 and 6 is formed. Specifically, an insulating film such as SiO 2 is formed on the surface of the substrate 9 in accordance with the thickness of the lower electrode 6. On this insulating film, a resist pattern is formed with a region for forming the lower electrode 6, and the substrate 9 is exposed by etching the insulating film. A metal electrode material is deposited from above and buried in the etching mark of the insulating film (insulating layer 8) to form the lower electrode 6, and the resist pattern is removed (lift-off).

次に、スピン注入磁化反転素子５を形成する。詳しくは、下部電極６および絶縁層８の上に、Ｓｉ窒化物等の非酸化物の絶縁膜（図中、加工後における絶縁層８と同じ符号（８）で表す。第２実施形態以降も同様。）を、スピン注入磁化反転素子５（下地金属膜４１〜保護膜４３）の厚さに合わせて成膜する。この絶縁膜の上に、スピン注入磁化反転素子５を形成する領域を空けたレジストパターンＰＲを形成し（図２（ｂ））、絶縁膜をエッチングして下部電極６を露出させる（図２（ｃ））。このとき、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のような加工ダメージの比較的少ない方法を適用し、Ｒｕ等の金属材料（下部電極６の表面における材料）に対して絶縁膜（Ｓｉ窒化物）のエッチング選択性の高い条件でエッチングすることが好ましい。このような方法により、図２（ｃ）に示すように、エッチングで形成される絶縁層８の側壁の立ち上がりに丸みが残らないようにオーバーエッチングを施しても、エッチング面（下部電極６の表面）が粗くならず、下部電極６上に形成されるスピン注入磁化反転素子５の各層の特性が劣化しない。この上から、下地金属膜４１、ＴｂＦｅＣｏ層３１、ＣｏＦｅ膜３２、障壁層２、ＣｏＦｅ膜１２、ＴｂＦｅＣｏ層１１、保護膜４３の各材料を連続して成膜して、絶縁層８に形成された孔に埋め込んでスピン注入磁化反転素子５を形成し、レジストパターンＰＲをその上の材料ごと除去する（リフトオフ、図２（ｄ））。   Next, the spin injection magnetization switching element 5 is formed. Specifically, on the lower electrode 6 and the insulating layer 8, a non-oxide insulating film such as Si nitride (in the figure, the same reference numeral (8) as that of the insulating layer 8 after processing. In the second and subsequent embodiments). The same applies to the thickness of the spin injection magnetization reversal element 5 (underlying metal film 41 to protective film 43). On this insulating film, a resist pattern PR is formed with a region for forming the spin transfer magnetization reversal element 5 (FIG. 2B), and the insulating film is etched to expose the lower electrode 6 (FIG. 2 ( c)). At this time, a method with relatively little processing damage such as reactive ion etching (RIE) is applied to etch the insulating film (Si nitride) with respect to a metal material (material on the surface of the lower electrode 6) such as Ru. Etching is preferably performed under conditions with high selectivity. Even if over-etching is performed by such a method so that the rising of the side wall of the insulating layer 8 formed by etching does not remain round as shown in FIG. ) Does not become rough, and the characteristics of each layer of the spin transfer magnetization reversal element 5 formed on the lower electrode 6 do not deteriorate. From this, the base metal film 41, the TbFeCo layer 31, the CoFe film 32, the barrier layer 2, the CoFe film 12, the TbFeCo layer 11, and the protective film 43 are successively formed to form the insulating layer 8. The spin injection magnetization reversal element 5 is formed by being buried in the hole, and the resist pattern PR is removed together with the material thereon (lift-off, FIG. 2 (d)).

次に、上部電極７を形成する。スピン注入磁化反転素子５（保護膜４３）および絶縁層８の上に、上部電極７を形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、この上から金属膜、透明電極材料を連続して成膜して、レジストパターンを除去し（リフトオフ）、下部電極６と直交するストライプ状の上部電極７とする。そして、上部電極７，７間にＳｉＯ2等の絶縁膜を堆積させて絶縁層８とし、光変調素子１０が得られる。 Next, the upper electrode 7 is formed. On the spin-injection magnetization switching element 5 (protective film 43) and the insulating layer 8, a resist pattern with a region for forming the upper electrode 7 is formed, and a metal film and a transparent electrode material are successively formed thereon. Then, the resist pattern is removed (lift-off) to form a striped upper electrode 7 orthogonal to the lower electrode 6. Then, an insulating film such as SiO 2 is deposited between the upper electrodes 7 and 7 to form the insulating layer 8, and the light modulation element 10 is obtained.

このように、スピン注入磁化反転素子５を構成する材料に対してエッチングによる加工を行わずに成形することで、特にＴｂＦｅＣｏ層１１，３１へのダメージが抑えられ、また、図２（ｄ）に示すように、ＴｂＦｅＣｏ層１１等が成膜と同時に側面（端面）を絶縁層８で封止されるので、特性の劣化を防止することができる。さらに、スピン注入磁化反転素子５の後に形成される上部電極７についても、透明電極材料等のエッチングではなく、リフトオフ法で形成することで、ＴｂＦｅＣｏ層１１等のスピン注入磁化反転素子５の各層へのダメージを避けることができる。   In this way, by forming the material constituting the spin injection magnetization reversal element 5 without performing processing by etching, particularly damage to the TbFeCo layers 11 and 31 can be suppressed, and FIG. As shown, the TbFeCo layer 11 and the like are sealed at the side surfaces (end faces) with the insulating layer 8 at the same time as the film formation, so that deterioration of characteristics can be prevented. Further, the upper electrode 7 formed after the spin injection magnetization reversal element 5 is also formed by the lift-off method instead of etching the transparent electrode material or the like, so that each layer of the spin injection magnetization reversal element 5 such as the TbFeCo layer 11 is formed. Can avoid damage.

なお、下部電極６を、基板９上に絶縁膜（絶縁層８）を成膜する前に形成することもできる。具体的には、まず、基板９の表面に、下部電極６を形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、この上から金属電極材料を成膜して、レジストパターンを除去し（リフトオフ）、下部電極６が形成される。この上から、Ｓｉ窒化物等の絶縁膜（絶縁層８）を堆積させて、下部電極６，６間を埋め、さらにスピン注入磁化反転素子５の厚さ以上に形成する。そして、この絶縁膜の表面を、化学的機械研磨（ＣＭＰ）等で研削、研磨して、下部電極６上の絶縁膜の厚さをスピン注入磁化反転素子５の厚さに調整する。その後は、絶縁膜の上に、レジストパターンＰＲを形成し（図２（ｂ））、前記と同様に、スピン注入磁化反転素子５、上部電極７を形成する。   The lower electrode 6 can also be formed before the insulating film (insulating layer 8) is formed on the substrate 9. Specifically, first, a resist pattern is formed on the surface of the substrate 9 with a region for forming the lower electrode 6, a metal electrode material is formed thereon, and the resist pattern is removed (lift-off). A lower electrode 6 is formed. From this, an insulating film (insulating layer 8) such as Si nitride is deposited to fill the space between the lower electrodes 6 and 6, and further to have a thickness equal to or greater than the thickness of the spin injection magnetization switching element 5. Then, the surface of the insulating film is ground and polished by chemical mechanical polishing (CMP) or the like, and the thickness of the insulating film on the lower electrode 6 is adjusted to the thickness of the spin injection magnetization switching element 5. Thereafter, a resist pattern PR is formed on the insulating film (FIG. 2B), and the spin transfer magnetization switching element 5 and the upper electrode 7 are formed in the same manner as described above.

（空間光変調器の初期設定）
空間光変調器におけるすべての画素の光変調素子１０のスピン注入磁化反転素子５は、磁化固定層３の磁化方向が同じ向きに固定されている必要がある。磁化固定層３は電極６，７を介した電流供給では磁化反転しないので、外部から磁化固定層３の保磁力よりも大きな磁界を印加して、磁化固定層３の磁化方向を、例えば上向きに（図３参照）揃える初期設定を行う。この初期設定は、完成した、すなわち製造後の光変調素子１０（空間光変調器）に限られず、製造工程途中において磁化固定層３（ＴｂＦｅＣｏ層３１／ＣｏＦｅ膜３２）用の磁性材料を成膜した後以降であれば、どの段階であっても実施することができる。 (Initial setting of spatial light modulator)
In the spin injection magnetization reversal elements 5 of the light modulation elements 10 of all the pixels in the spatial light modulator, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 3 needs to be fixed in the same direction. Since the magnetization fixed layer 3 does not reverse the magnetization when current is supplied through the electrodes 6 and 7, a magnetic field larger than the coercive force of the magnetization fixed layer 3 is applied from the outside to change the magnetization direction of the magnetization fixed layer 3, for example, upward. (Refer to FIG. 3) The initial setting for aligning is performed. This initial setting is not limited to the completed optical modulator 10 (spatial light modulator) after manufacture, and a magnetic material for the magnetization fixed layer 3 (TbFeCo layer 31 / CoFe film 32) is formed during the manufacturing process. After that, it can be carried out at any stage.

（磁化反転動作）
スピン注入磁化反転素子５の磁化反転動作を、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、光変調素子１０にて説明する。なお、図３において、下地金属膜４１および保護膜４３は図示を省略する。スピン注入磁化反転素子５は、磁化自由層１が逆向きのスピンを持つ電子を注入されることにより、その磁化方向が反転（スピン注入磁化反転、以下、適宜磁化反転という）する。具体的には、図３（ａ）に示すように、上部電極７を「＋」、下部電極６を「−」にして、スピン注入磁化反転素子５に、磁化自由層１側から磁化固定層３へ電流Ｉwを供給して、磁化固定層３側から電子を注入する。すると、磁化方向を上向きに固定された磁化固定層３により当該磁化固定層３の磁化方向と向きの異なる下向きのスピンを持つ電子ｄDが弁別されて、磁化自由層１は上向きのスピンを持つ電子ｄUが偏って注入される。磁化自由層１においては、電子ｄUの上向きスピンによるスピントルクが作用することによって当該磁化自由層１の内部電子のスピンが反転し、磁化方向が上向きに反転する。反対に、図３（ｂ）に示すように、上部電極７を「−」、下部電極６を「＋」にして、スピン注入磁化反転素子５に、磁化固定層３側から磁化自由層１へ電流Ｉwを供給して、磁化自由層１側から電子を注入する。すると、下向きのスピンを持つ電子ｄDが磁化固定層３により弁別されて磁化自由層１に留まるため、磁化自由層１の磁化方向は下向きに反転する。 (Magnetization reversal operation)
A magnetization reversal operation of the spin injection magnetization reversal element 5 will be described with reference to FIGS. In FIG. 3, the base metal film 41 and the protective film 43 are not shown. In the spin-injection magnetization reversal element 5, when the magnetization free layer 1 is injected with electrons having spins in the opposite direction, the magnetization direction is reversed (spin injection magnetization reversal, hereinafter referred to as magnetization reversal as appropriate). Specifically, as shown in FIG. 3A, the upper electrode 7 is set to “+” and the lower electrode 6 is set to “−”, and the spin fixed magnetization switching element 5 is set to the magnetization fixed layer from the magnetization free layer 1 side. 3 is supplied with current I w to inject electrons from the magnetization fixed layer 3 side. Then, the electrons d D having the downward spin different from the magnetization direction of the magnetization fixed layer 3 are discriminated by the magnetization fixed layer 3 whose magnetization direction is fixed upward, and the magnetization free layer 1 has the upward spin. electronic d U are injected unevenly. In the magnetization free layer 1, an electron d U the magnetization free layer 1 inside electron spin is inverted by the action of the spin torque according to upward spin magnetization direction is reversed upward. On the other hand, as shown in FIG. 3B, the upper electrode 7 is set to “−” and the lower electrode 6 is set to “+”, so that the spin injection magnetization switching element 5 is moved from the magnetization fixed layer 3 side to the magnetization free layer 1. A current I w is supplied to inject electrons from the magnetization free layer 1 side. Then, the electrons d D having a downward spin are discriminated by the magnetization fixed layer 3 and remain in the magnetization free layer 1, so that the magnetization direction of the magnetization free layer 1 is reversed downward.

このように、スピン注入磁化反転素子５は、上下面に接続した一対の電極７，６で膜面垂直方向に電流を供給されることで、磁化自由層１の磁化方向が磁化固定層３と同じ方向（平行）または反対の方向（反平行）になる。また、スピン注入磁化反転素子５において、磁化自由層１の磁化方向が平行、反平行のいずれかを示していれば、その磁化方向を反転させる大きさの電流（Ｉw）が供給されるまでは、当該磁化自由層１の保磁力により磁化方向が保持される。そのため、スピン注入磁化反転素子５に供給する電流としては、パルス電流のように、磁化方向を反転させる電流値に一時的に到達する電流（直流パルス電流）を用いることができる。 As described above, the spin injection magnetization reversal element 5 is supplied with a current in the direction perpendicular to the film surface by the pair of electrodes 7 and 6 connected to the upper and lower surfaces, so that the magnetization direction of the magnetization free layer 1 is the same as that of the magnetization fixed layer 3. Either the same direction (parallel) or the opposite direction (antiparallel). In the spin injection magnetization reversal element 5, if the magnetization direction of the magnetization free layer 1 indicates either parallel or antiparallel, a current (I w ) of a magnitude that reverses the magnetization direction is supplied. The magnetization direction is maintained by the coercive force of the magnetization free layer 1. Therefore, as the current supplied to the spin injection magnetization reversal element 5, a current (DC pulse current) that temporarily reaches the current value for reversing the magnetization direction, such as a pulse current, can be used.

（光変調動作）
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を備える光変調素子の動作を、図３（ｃ）、（ｄ）を参照して説明する。上方から光変調素子１０に入射した光は、上部電極７を透過してスピン注入磁化反転素子５に到達し、スピン注入磁化反転素子５や下部電極６で反射して、再び上部電極７を透過して上方へ出射する。その際、磁性体である磁化自由層１の磁気光学効果により、光はその偏光面が回転（旋光）して出射する。さらに、磁性体の磁化方向が１８０°異なると、当該磁性体の磁気光学効果による旋光の向きは反転する。したがって、図３（ｃ）、（ｄ）にそれぞれ示す、磁化自由層１の磁化方向が互いに１８０°異なるスピン注入磁化反転素子５における旋光角は＋θk，−θkで、互いに逆方向に偏光面が回転する。スピン注入磁化反転素子５の磁化反転動作は、前記の通りである。したがって、光変調素子１０は、その出射光の偏光の向きを、電極６，７から電流Ｉwの向き（正負）を入れ替えて供給することで変化させる。なお、旋光角＋θk，−θkには、磁化自由層１での１回の反射による旋光（カー回転）に限られず、例えばスピン注入磁化反転素子５における多重反射により累積された角度も含める。 (Light modulation operation)
The operation of the light modulation element including the spin injection magnetization switching element according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. Light incident on the light modulation element 10 from above passes through the upper electrode 7 and reaches the spin injection magnetization switching element 5, is reflected by the spin injection magnetization switching element 5 and the lower electrode 6, and passes through the upper electrode 7 again. And then emits upward. At this time, the polarization plane of the light rotates (rotates) by the magneto-optic effect of the magnetization free layer 1 that is a magnetic material, and is emitted. Further, if the magnetization direction of the magnetic material is different by 180 °, the direction of optical rotation due to the magneto-optical effect of the magnetic material is reversed. Therefore, the rotation angles in the spin-injection magnetization reversal elements 5 shown in FIGS. 3C and 3D, respectively, in which the magnetization directions of the magnetization free layer 1 are 180 ° different from each other are + θ k and −θ k and polarized in opposite directions. The surface rotates. The magnetization reversal operation of the spin injection magnetization reversal element 5 is as described above. Therefore, the light modulation element 10, the direction of polarization of the emitted light is varied by supplying interchanged direction (positive or negative) of the current I w from the electrodes 6 and 7. Note that the optical rotation angles + θ k and −θ k are not limited to optical rotation (Kerr rotation) by one reflection at the magnetization free layer 1 but also include, for example, angles accumulated by multiple reflection at the spin injection magnetization reversal element 5. .

（抵抗変化）
スピン注入磁化反転素子５の磁化反転に伴う抵抗の変化を、図３（ｃ）、（ｄ）を参照して説明する。スピン注入磁化反転素子５は磁気抵抗効果素子であり、その積層方向における抵抗、すなわち上下に接続した電極７，６間の抵抗が、磁化自由層１の磁化方向により変化する。詳しくは、スピン注入磁化反転素子５は、図３（ｃ）に示す磁化方向が平行な状態における抵抗ＲPよりも、図３（ｄ）に示す磁化方向が反平行な状態における抵抗ＲAPの方が高い（ＲP＜ＲAP）。そのため、磁化反転しない大きさの定電流Ｉrを供給して電圧を計測することにより、磁化反転動作が正常に行われたかの書込みエラー検出を行うことができる。なお、図３（ｃ）、（ｄ）に示すスピン注入磁化反転素子５は、磁化自由層１側から磁化固定層３へ電流Ｉrを供給されているが、電流Ｉrの向きは逆でもよい。 (Resistance change)
A change in resistance accompanying the magnetization reversal of the spin injection magnetization reversal element 5 will be described with reference to FIGS. The spin injection magnetization reversal element 5 is a magnetoresistive effect element, and the resistance in the stacking direction, that is, the resistance between the upper and lower electrodes 7 and 6 changes depending on the magnetization direction of the magnetization free layer 1. Specifically, the spin-injection magnetization reversal element 5 than the resistance R P in the parallel state magnetization direction shown in FIG. 3 (c), the magnetization direction shown in FIG. 3 (d) of the resistance R AP in the anti-parallel state Is higher (R P <R AP ). Therefore, by measuring the voltage by supplying a constant current I r of magnitude without magnetization inversion, the magnetization reversal operation can be performed whether the write error detection was successful. Incidentally, FIG. 3 (c), the induced magnetization switching element 5 shown in (d) is has been supplied with current I r to the magnetization fixed layer 3 from the magnetization free layer 1 side in a direction the reverse current I r Good.

光変調素子１０は、画素として２次元配列して、公知の反射型の空間光変調器（例えば、特許文献２参照）と同様に動作させることができる。このような空間光変調器は、所望の画素（光変調素子１０）について、そのスピン注入磁化反転素子５を磁化反転動作させるために、電流供給源（電流源）と、それぞれ並設された下部電極６および上部電極７から選択的に、特定のスピン注入磁化反転素子５に接続する電極６，７を前記電流源に接続するスイッチを備える（図示省略）。空間光変調器はさらに、書込みエラー検出を行うために、定電流源と電圧の高低を判定する電圧比較器とを備えてもよい。空間光変調器（光変調素子１０）への入射光は、例えばレーザー光源から偏光子（図示省略）を透過させた特定の１つの偏光成分の光であり、出射光は、別の偏光子（図示省略）により前記入射光に対して＋θk，−θkの一方に旋光した光を遮光して、他方に旋光した光が透過して取り出される（図３（ｃ）、（ｄ）参照）。 The light modulation elements 10 can be two-dimensionally arranged as pixels and operated in the same manner as a known reflection type spatial light modulator (see, for example, Patent Document 2). Such a spatial light modulator has a current supply source (current source) and a lower portion arranged in parallel with each other in order to perform a magnetization reversal operation of the spin injection magnetization reversal element 5 for a desired pixel (light modulation element 10). A switch for connecting the electrodes 6 and 7 connected to the specific spin-injection magnetization reversal element 5 to the current source selectively from the electrode 6 and the upper electrode 7 is provided (not shown). The spatial light modulator may further include a constant current source and a voltage comparator that determines whether the voltage is high or low in order to perform write error detection. The incident light to the spatial light modulator (light modulation element 10) is, for example, light of one specific polarization component that is transmitted from a laser light source through a polarizer (not shown), and the outgoing light is another polarizer ( (Not shown), the light rotated to one of + θ k and −θ k with respect to the incident light is shielded, and the light rotated to the other is transmitted and extracted (see FIGS. 3C and 3D). .

図３（ｃ）、（ｄ）においては、入射光と出射光の経路を識別し易くするために、入射光の入射角を傾斜させて示しているが、磁化自由層１の極カー効果でカー回転角を大きくするために、膜面により垂直に入射、すなわち入射角を０°に近付けることが好ましく、具体的には入射角を３０°以内にすることが好ましい。最も好ましくは、膜面に垂直に入射、すなわち入射角を０°とすることであり、この場合は入射光と出射光の経路が一致するため、光変調素子１０の上（入射光用の偏光子との間）にハーフミラーが配置され、出射光のみを側方へ反射させて、反射させた先に出射光用の偏光子が配置される。   In FIGS. 3C and 3D, the incident angle of the incident light is shown to be inclined in order to make it easy to distinguish the paths of the incident light and the emitted light. In order to increase the Kerr rotation angle, it is preferable that the incidence is perpendicular to the film surface, that is, the incidence angle is close to 0 °, and specifically, the incidence angle is preferably within 30 °. Most preferably, the incident light is perpendicular to the film surface, that is, the incident angle is set to 0 °. In this case, since the paths of the incident light and the emitted light coincide with each other, the light is incident on the light modulation element 10 (polarization for incident light). A half mirror is disposed between the optical element and the light beam so that only the emitted light is reflected laterally, and a polarizer for the emitted light is disposed on the reflected side.

第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５を備える光変調素子１０は、基板９にガラス等の透明基板を適用し、また、下部電極６を上部電極７と同様に透明電極材料で形成して、透過型の空間光変調器の光変調素子に適用することもできる（図示せず）。これら光を透過する基板および下部電極については、後記第１実施形態の変形例（図４参照）にて説明する。   In the light modulation element 10 including the spin injection magnetization reversal element 5 according to the first embodiment, a transparent substrate such as glass is applied to the substrate 9, and the lower electrode 6 is formed of a transparent electrode material like the upper electrode 7. The present invention can also be applied to a light modulation element of a transmissive spatial light modulator (not shown). The substrate that transmits light and the lower electrode will be described later in a modification of the first embodiment (see FIG. 4).

第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５は、磁化自由層１および磁化固定層３にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金（ＴｂＦｅＣｏ層１１，３１）が適用されて材料を共通化されているが、これに限られず、磁化固定層について、その他の、垂直磁気異方性を有し、磁化自由層１（ＴｂＦｅＣｏ層１１）に対して保磁力の十分に大きい公知の磁性材料を適用することができる。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｔ，Ｐｄ等の貴金属とを含む、例えば[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｄ]×ｎの多層膜、あるいは前記遷移金属とＮｄ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ等の希土類金属との合金（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金以外のＲＥ−ＴＭ合金）、Ｌ１0系の規則合金としたＦｅＰｔ, ＦｅＰｄ等が挙げられる。 In the spin-injection magnetization reversal element 5 according to the first embodiment, the Tb—Fe—Co alloy (TbFeCo layers 11 and 31) is applied to the magnetization free layer 1 and the magnetization fixed layer 3, and the material is shared. However, the magnetic pinned layer is not limited to this, and any other known magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy and sufficiently large coercive force with respect to the magnetization free layer 1 (TbFeCo layer 11) can be applied. . Specifically, for example, a [Co / Pt] × n, [Co / Pd] × n multilayer film including a transition metal such as Fe, Co, or Ni and a noble metal such as Pt or Pd, or the transition metal Nd, Gd, Tb, Dy, alloys of rare earth metals Ho etc. (Tb-Fe-Co RE- TM alloy other than alloy), FePt was L1 0 type ordered alloys, FePd, and the like.

以上のように、本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる２つの層がそれぞれ、磁化自由層、磁化固定層として好適な保磁力を有しているので、安定した動作とすることができ、また、磁化自由層と磁化固定層に共通の材料が適用されているので生産性がよい。さらに本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、磁化自由層に垂直磁気異方性を有し、かつ磁気光学効果の高いＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏが適用されているので、光変調度が大きく、コントラストのよい空間光変調器を構成することができる。   As described above, in the spin-injection magnetization switching element according to the first embodiment of the present invention, the two layers made of Tb—Fe—Co have coercive force suitable as a magnetization free layer and a magnetization fixed layer, respectively. Therefore, stable operation can be achieved, and productivity is good because a common material is applied to the magnetization free layer and the magnetization fixed layer. Furthermore, since the spin injection magnetization switching element according to the present embodiment has Tb—Fe—Co having a perpendicular magnetic anisotropy and a high magneto-optic effect applied to the magnetization free layer, the degree of light modulation is large, A spatial light modulator with good contrast can be configured.

〔第２実施形態〕
第１実施形態においては、ＭｇＯからなる障壁層の上に磁化自由層が設けられていることにより、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を磁化自由層に適用することができ、一方、磁化固定層が、金属膜（下部電極、下地金属膜）上に成膜されたことにより、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金本来の大きな保磁力を有する。ところが、反対に、障壁層の上に磁化固定層が成膜されたＴＭＲ素子においては、磁化固定層にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を適用すると、本来の大きな保磁力を示さないことになる。以下、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた光変調素子について説明する。第１実施形態（図１〜３参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。 [Second Embodiment]
In the first embodiment, the magnetization free layer is provided on the barrier layer made of MgO, so that the Tb-Fe-Co alloy can be applied to the magnetization free layer, while the magnetization fixed layer includes Since it is formed on the metal film (lower electrode, base metal film), it has a large coercive force inherent to the Tb—Fe—Co alloy. However, in contrast, in a TMR element in which a magnetization fixed layer is formed on a barrier layer, when a Tb—Fe—Co alloy is applied to the magnetization fixed layer, the original large coercive force is not exhibited. Hereinafter, the spin-injection magnetization switching element according to the second embodiment and the light modulation element including the same will be described. The same elements as those in the first embodiment (see FIGS. 1 to 3) are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図４に示すように、本発明の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａは、磁化自由層１Ａ、障壁層（中間層）２Ａ、磁化固定層３Ａの順に積層された構成であり、一対の電極である上部電極７Ａと下部電極６Ａ（以下、適宜まとめて、電極６Ａ，７Ａ）に上下で接続されて、光変調素子１０Ａを構成する。光変調素子１０Ａは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５を備える光変調素子１０（図１参照）の、積層順をほぼ逆にした構造であり、反射型の空間光変調器の画素として透明な基板９Ａ上に２次元配列されて、下方から入射した光を反射させて下方へ出射する。   As shown in FIG. 4, the spin transfer magnetization switching element 5A according to the second embodiment of the present invention has a configuration in which a magnetization free layer 1A, a barrier layer (intermediate layer) 2A, and a magnetization fixed layer 3A are stacked in this order. A pair of electrodes, the upper electrode 7A and the lower electrode 6A (hereinafter collectively referred to as electrodes 6A and 7A) are connected in the vertical direction to constitute the light modulation element 10A. The light modulation element 10A has a structure in which the stacking order of the light modulation element 10 (see FIG. 1) including the spin-injection magnetization reversal element 5 according to the first embodiment is substantially reversed, and is a reflection type spatial light modulator. The pixels are two-dimensionally arranged on the transparent substrate 9A as pixels, and reflect the light incident from below and emit it downward.

本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５と同様に、磁化固定層３Ａおよび磁化自由層１Ａを、ＭｇＯからなる障壁層２Ａ（ＭｇＯ膜）を挟んで積層してなるＴＭＲ素子であり、さらに最上層に保護膜４３Ａを備え、また、必要に応じて最下層に下地金属膜４１Ａを備える。スピン注入磁化反転素子５Ａは、磁化固定層３Ａが、第１実施形態と同様にＴｂＦｅＣｏ層（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層）３１を主たる要素として備え、一方、磁化自由層１Ａが、主たる要素として磁性層１１Ａを備える。さらに、磁化自由層１Ａおよび磁化固定層３Ａがそれぞれ、障壁層２Ａとの界面に、ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）１２Ａ，３２Ａを備える。すなわち、スピン注入磁化反転素子５Ａは、下から、下地金属膜４１Ａ、磁性層１１Ａ、ＣｏＦｅ膜１２Ａ、障壁層２Ａ、ＣｏＦｅ膜３２Ａ、ＴｂＦｅＣｏ層３１、保護膜４３Ａ、を順に積層してなる。以下、スピン注入磁化反転素子５Ａを構成する要素について詳しく説明する。   Similar to the spin transfer magnetization switching element 5 according to the first embodiment, the spin transfer magnetization switching element 5A according to the present embodiment uses the magnetization fixed layer 3A and the magnetization free layer 1A as a barrier layer 2A (MgO film) made of MgO. And a protective film 43A in the uppermost layer, and a base metal film 41A in the lowermost layer if necessary. In the spin-injection magnetization switching element 5A, the magnetization fixed layer 3A includes a TbFeCo layer (a layer made of Tb—Fe—Co) 31 as a main element as in the first embodiment, while the magnetization free layer 1A includes a main element. As a magnetic layer 11A. Furthermore, the magnetization free layer 1A and the magnetization fixed layer 3A include CoFe films (magnetic metal films) 12A and 32A at the interface with the barrier layer 2A, respectively. That is, the spin injection magnetization reversal element 5A is formed by sequentially laminating a base metal film 41A, a magnetic layer 11A, a CoFe film 12A, a barrier layer 2A, a CoFe film 32A, a TbFeCo layer 31, and a protective film 43A from the bottom. Hereinafter, elements constituting the spin injection magnetization switching element 5A will be described in detail.

（磁化自由層）
磁化自由層１Ａは、スピン注入磁化反転素子５Ａにおいて障壁層２Ａの下に設けられ、主たる要素として磁性層１１Ａを備え、さらに障壁層２Ａの側（障壁層２Ａとの界面）に、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５の磁化自由層１と同様にＣｏＦｅ膜１２Ａを備える。すなわち磁化自由層１Ａは、下から、磁性層１１Ａ、ＣｏＦｅ膜１２Ａの２層構造を有する。 (Magnetization free layer)
The magnetization free layer 1A is provided below the barrier layer 2A in the spin injection magnetization reversal element 5A, includes a magnetic layer 11A as a main element, and further on the side of the barrier layer 2A (interface with the barrier layer 2A) in the first embodiment. Similar to the magnetization free layer 1 of the spin injection magnetization reversal element 5 according to the embodiment, the CoFe film 12A is provided. That is, the magnetization free layer 1A has a two-layer structure of the magnetic layer 11A and the CoFe film 12A from the bottom.

磁性層１１Ａは、一般的なＴＭＲ素子の磁化自由層と同様に、厚さを１〜２０ｎｍの範囲で設定されることが好ましく、公知の垂直磁気異方性材料にて形成することができる。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｔ，Ｐｄ等の貴金属とを含む、例えば[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｄ]×ｎの多層膜、あるいは前記遷移金属とＮｄ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ等の希土類金属との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）が挙げられ、スピン注入磁化反転素子５Ａへの電流供給により磁化反転可能な程度に保磁力の小さい材料が適用される。また、磁性層１１Ａは、障壁層２Ａとして磁化自由層１Ａの上に形成されるＭｇＯ膜を（００１）面配向とすることを妨げないように、非晶質であることが好ましいため、ＲＥ−ＴＭ合金が好適で、磁気光学効果の高いＧｄ−Ｆｅ合金が特に好ましい。   The magnetic layer 11A is preferably set to a thickness in the range of 1 to 20 nm, and can be formed of a known perpendicular magnetic anisotropic material, like the magnetization free layer of a general TMR element. Specifically, for example, a [Co / Pt] × n, [Co / Pd] × n multilayer film including a transition metal such as Fe, Co, or Ni and a noble metal such as Pt or Pd, or the transition metal Examples include alloys (RE-TM alloys) with rare earth metals such as Nd, Gd, Tb, Dy, and Ho, and a material having a small coercive force to the extent that magnetization can be reversed by supplying current to the spin injection magnetization reversal element 5A is applied. Is done. The magnetic layer 11A is preferably amorphous so as not to prevent the MgO film formed on the magnetization free layer 1A as the barrier layer 2A from being in the (001) plane orientation. A TM alloy is preferable, and a Gd—Fe alloy having a high magneto-optical effect is particularly preferable.

ＣｏＦｅ膜１２Ａは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５のＣｏＦｅ膜１２と同様の構成であり、厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましい。一方、ＣｏＦｅ膜１２Ａが厚いと、磁性層１１Ａが材料や厚さによっては垂直磁気異方性を示さなくなる。したがって、ＣｏＦｅ膜１２Ａは、第１実施形態と同様に厚さを１ｎｍ未満とすることが好ましく、０．３ｎｍ以下とすることがより好ましい。   The CoFe film 12A has the same configuration as the CoFe film 12 of the spin transfer magnetization switching element 5 according to the first embodiment, and preferably has a thickness of 0.1 nm or more. On the other hand, if the CoFe film 12A is thick, the magnetic layer 11A does not exhibit perpendicular magnetic anisotropy depending on the material and thickness. Accordingly, the thickness of the CoFe film 12A is preferably less than 1 nm, more preferably 0.3 nm or less, as in the first embodiment.

（障壁層）
障壁層２Ａは、第１実施形態と同様にＭｇＯで形成され、一般的なＴＭＲ素子と同様に、厚さを０．１〜２ｎｍの範囲とすることが好ましい。ただし本実施形態においては、この上に成膜される磁化固定層３Ａ（ＴｂＦｅＣｏ層３１）の保磁力を低減させる必要がないので、反転電流の大きさ等に基づいて厚さを設計すればよい。 (Barrier layer)
The barrier layer 2A is made of MgO as in the first embodiment, and preferably has a thickness in the range of 0.1 to 2 nm, as in a general TMR element. However, in this embodiment, it is not necessary to reduce the coercive force of the magnetization fixed layer 3A (TbFeCo layer 31) formed thereon, and therefore the thickness may be designed based on the magnitude of the reversal current. .

（磁化固定層）
磁化固定層３Ａは、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａにおいて障壁層２Ａの上に設けられ、障壁層２Ａの側、すなわち下から、ＣｏＦｅ膜３２Ａ、ＴｂＦｅＣｏ層３１の２層構造を有する。スピン注入磁化反転素子５Ａが安定した磁化反転動作をするために、第１実施形態と同様に、磁化固定層３Ａは、保磁力が磁化自由層１Ａに対して十分に大きく、具体的には０．５ｋＯｅ以上の差となることが好ましい。特に、本実施形態においては、ＴｂＦｅＣｏ層３１がＭｇＯからなる障壁層２Ａの上に成膜されているため、障壁層２Ａとの界面にＣｏＦｅ膜３２Ａを設けて、スピン偏極率を高くするのと同時に、ＴｂＦｅＣｏ層３１がＭｇＯ膜によって保磁力が低下しないようにする。 (Magnetic pinned layer)
The magnetization fixed layer 3A is provided on the barrier layer 2A in the spin injection magnetization reversal element 5A according to the present embodiment, and has a two-layer structure of the CoFe film 32A and the TbFeCo layer 31 from the barrier layer 2A side, that is, from below. . In order for the spin injection magnetization reversal element 5A to perform a stable magnetization reversal operation, as in the first embodiment, the magnetization fixed layer 3A has a sufficiently large coercive force relative to the magnetization free layer 1A. It is preferable that the difference be 0.5 kOe or more. In particular, in this embodiment, since the TbFeCo layer 31 is formed on the barrier layer 2A made of MgO, the CoFe film 32A is provided at the interface with the barrier layer 2A to increase the spin polarization rate. At the same time, the coercive force of the TbFeCo layer 31 is prevented from being lowered by the MgO film.

ＴｂＦｅＣｏ層３１の構成は、第１実施形態にて説明した通りである。ただし、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａにおいては、ＴｂＦｅＣｏ層３１は、ＣｏＦｅ膜３２Ａのみを介して障壁層２Ａの上に設けられているため、第１実施形態における磁化自由層１のＴｂＦｅＣｏ層１１とは反対に、厚く形成して、厚さにより保磁力を大きくすると同時に、上層部分が障壁層２Ａ（ＭｇＯ膜）から離れることでＭｇＯ膜による影響を低減させることが好ましい。   The configuration of the TbFeCo layer 31 is as described in the first embodiment. However, in the spin transfer magnetization switching element 5A according to the present embodiment, the TbFeCo layer 31 is provided on the barrier layer 2A through only the CoFe film 32A. Contrary to the TbFeCo layer 11, it is preferable to increase the coercive force by increasing the thickness and to reduce the influence of the MgO film by separating the upper layer portion from the barrier layer 2 </ b> A (MgO film).

ＣｏＦｅ膜３２Ａは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５のＣｏＦｅ膜３２と同様の構成であり、厚さを０．１〜２ｎｍの範囲とすることができる。ただし、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａにおいては、ＣｏＦｅ膜３２Ａは、障壁層２ＡすなわちＭｇＯ膜とその上のＴｂＦｅＣｏ層３１との間に設けられているので、ＴｂＦｅＣｏ層３１の保磁力の低下を抑制するために、ＴｂＦｅＣｏ層３１の垂直磁気異方性が維持される範囲で十分な厚さに形成されることが好ましい。具体的には、ＣｏＦｅ膜３２Ａは、厚さを０．３ｎｍ超とすることが好ましい。   The CoFe film 32A has the same configuration as the CoFe film 32 of the spin transfer magnetization switching element 5 according to the first embodiment, and can have a thickness in the range of 0.1 to 2 nm. However, in the spin-injection magnetization switching element 5A according to the present embodiment, the CoFe film 32A is provided between the barrier layer 2A, that is, the MgO film, and the TbFeCo layer 31 thereon, so that the coercive force of the TbFeCo layer 31 is increased. In order to suppress the decrease in the thickness, it is preferable that the TbFeCo layer 31 is formed to have a sufficient thickness as long as the perpendicular magnetic anisotropy is maintained. Specifically, the CoFe film 32A preferably has a thickness exceeding 0.3 nm.

（下地金属膜、保護膜）
下地金属膜４１Ａ、保護膜４３Ａは、それぞれ第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５の下地金属膜４１、保護膜４３と同様の構成とすることができ、すなわち非磁性金属材料で形成され、厚さを１〜１０ｎｍとすることが好ましい。ただし、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａは下から光を入射されるので、透過光量を減衰させないために、下地金属膜４１Ａが厚くないことがより好ましい。
以下に、光変調素子１０Ａを構成するスピン注入磁化反転素子５Ａ以外の要素について説明する。 (Underlying metal film, protective film)
The base metal film 41A and the protective film 43A can have the same configuration as the base metal film 41 and the protective film 43 of the spin transfer magnetization switching element 5 according to the first embodiment, that is, are formed of a nonmagnetic metal material. The thickness is preferably 1 to 10 nm. However, since the spin-injection magnetization switching element 5A according to the present embodiment receives light from below, it is more preferable that the base metal film 41A is not thick so as not to attenuate the transmitted light amount.
Hereinafter, elements other than the spin injection magnetization switching element 5A constituting the light modulation element 10A will be described.

（電極）
光変調素子１０Ａは、第１実施形態の光変調素子１０（図１参照）とは反対に下方から光を入出射させるので、下部電極６Ａ、上部電極７Ａの構成が、第１実施形態の下部電極６、上部電極７と逆に入れ替わる。したがって、下部電極６Ａは、光が透過するように、第１実施形態における上部電極７と同様に、透明電極材料で形成され、さらに、スピン注入磁化反転素子５Ａとの間に金属膜を設けられることが好ましく、すなわち透明電極材料からなる層（透明電極層）６３と、この上に積層した金属膜６４とからなることが好ましい。透明電極層６３、金属膜６４は、それぞれ第１実施形態における上部電極７の透明電極層７３、金属膜７４と同様の構成にすることができる。さらに下部電極６Ａは、ＴｂＦｅＣｏ層３１を含むスピン注入磁化反転素子５Ａを形成する前に形成されるので、透明電極層６３に、ポストアニール等により抵抗を低減することができるＩＴＯ等の結晶性の透明電極材料を適用してもよい。また、後記製造方法にて説明するように、金属膜６４が、下部電極６Ａ上の絶縁膜（スピン注入磁化反転素子５Ａ，５Ａ間の絶縁層８）をエッチングするときのエッチングストッパ膜になる。一方、上部電極７Ａは、第１実施形態における下部電極６と同様の金属電極材料を適用することができる。 (electrode)
Since the light modulation element 10A allows light to enter and exit from below, as opposed to the light modulation element 10 (see FIG. 1) of the first embodiment, the configuration of the lower electrode 6A and the upper electrode 7A is the lower part of the first embodiment. The electrodes 6 and the upper electrode 7 are reversed. Therefore, the lower electrode 6A is formed of a transparent electrode material, and a metal film is provided between the lower electrode 6A and the spin-injection magnetization switching element 5A, like the upper electrode 7 in the first embodiment, so that light is transmitted. In other words, it is preferably composed of a layer (transparent electrode layer) 63 made of a transparent electrode material and a metal film 64 laminated thereon. The transparent electrode layer 63 and the metal film 64 can be configured similarly to the transparent electrode layer 73 and the metal film 74 of the upper electrode 7 in the first embodiment, respectively. Furthermore, since the lower electrode 6A is formed before forming the spin-injection magnetization switching element 5A including the TbFeCo layer 31, the transparent electrode layer 63 has a crystalline property such as ITO that can reduce resistance by post-annealing or the like. A transparent electrode material may be applied. Further, as will be described later in the manufacturing method, the metal film 64 serves as an etching stopper film when etching the insulating film (the insulating layer 8 between the spin injection magnetization reversal elements 5A and 5A) on the lower electrode 6A. On the other hand, the metal electrode material similar to the lower electrode 6 in the first embodiment can be applied to the upper electrode 7A.

（基板、絶縁層）
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａを備える光変調素子１０Ａは、基板９Ａの側から光を入出射するので、基板９Ａは光を透過させる材料からなる。このような基板９Ａとして、公知の透明基板材料が適用でき、具体的には、ＳｉＯ2（酸化ケイ素、ガラス）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、サファイア、ＧＧＧ（ガドリニウムガリウムガーネット）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、Ｇｅ（ゲルマニウム）単結晶基板等を適用することができる。絶縁層８は、第１実施形態と同様の構成とすることができる。 (Substrate, insulating layer)
Since the light modulation element 10A including the spin injection magnetization reversal element 5A according to the present embodiment inputs and outputs light from the substrate 9A side, the substrate 9A is made of a material that transmits light. A known transparent substrate material can be applied as such a substrate 9A, and specifically, SiO 2 (silicon oxide, glass), MgO (magnesium oxide), sapphire, GGG (gadolinium gallium garnet), SiC (silicon carbide). A Ge (germanium) single crystal substrate or the like can be applied. The insulating layer 8 can have the same configuration as in the first embodiment.

（光変調素子の製造方法）
第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａを備える光変調素子１０Ａは、積層順を入れ替えて、第１実施形態の光変調素子１０と同様に製造することができる（図２参照）。本実施形態においては、スピン注入磁化反転素子５Ａを形成する前に形成される下部電極６Ａの透明電極層６３については、例えばＩＴＯ等の結晶性の透明電極材料を適用して、加熱成膜、あるいは成膜または成形の後のポストアニールにより抵抗を低減することができる。また、絶縁層８をエッチングして、スピン注入磁化反転素子５Ａの各層を埋め込むための孔を形成する工程（図２（ｃ）参照）では、下部電極６Ａの表面の金属膜６４が絶縁層８に対するエッチングストッパ膜になる。 (Manufacturing method of light modulation element)
The light modulation element 10A including the spin injection magnetization reversal element 5A according to the second embodiment can be manufactured in the same manner as the light modulation element 10 of the first embodiment by changing the stacking order (see FIG. 2). In the present embodiment, for the transparent electrode layer 63 of the lower electrode 6A formed before the spin injection magnetization reversal element 5A is formed, for example, a crystalline transparent electrode material such as ITO is applied and heated to form a film. Alternatively, the resistance can be reduced by post-annealing after film formation or molding. Further, in the step of etching the insulating layer 8 to form holes for embedding each layer of the spin transfer magnetization switching element 5A (see FIG. 2C), the metal film 64 on the surface of the lower electrode 6A is formed on the insulating layer 8. It becomes an etching stopper film against the above.

（磁化反転動作、抵抗変化、光変調動作）
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａは、磁化反転動作が、図３（ａ）、（ｂ）に示す第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５とは、電極６Ａ，７Ａ（６，７）から供給される電流Ｉwの向きと磁化自由層１Ａ（１）の磁化方向との関係が逆になり、それ以外は同様である。また、磁化自由層１Ａの磁化方向による電極６Ａ，７Ａ間の抵抗（ＲP，ＲAP）の変化も、図３（ｃ）、（ｄ）に示すスピン注入磁化反転素子５と同様である。また、スピン注入磁化反転素子５Ａは、図３（ｃ）、（ｄ）に示す光変調素子１０のスピン注入磁化反転素子５と同様に、旋光角＋θk，−θkで光変調動作をする。ただし、スピン注入磁化反転素子５Ａを備える光変調素子１０Ａは、磁化自由層１Ａの側から光を入射させるので、下部電極６Ａから光が入射する。 (Magnetization reversal operation, resistance change, light modulation operation)
The spin transfer magnetization reversal element 5A according to this embodiment is different from the spin transfer magnetization reversal element 5 according to the first embodiment shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b) in terms of magnetization reversal operation. , 7) the relationship between the magnetization orientation and the magnetization free layer 1A of current I w supplied (1) is reversed from the other are the same. The change in resistance (R P , R AP ) between the electrodes 6A and 7A depending on the magnetization direction of the magnetization free layer 1A is the same as that of the spin injection magnetization reversal element 5 shown in FIGS. 3 (c) and 3 (d). In addition, the spin injection magnetization reversal element 5A performs a light modulation operation at the optical rotation angles + θ k and −θ k similarly to the spin injection magnetization reversal element 5 of the light modulation element 10 shown in FIGS. 3 (c) and 3 (d). . However, since the light modulation element 10A including the spin injection magnetization reversal element 5A enters light from the magnetization free layer 1A side, light enters from the lower electrode 6A.

第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａを備える光変調素子１０Ａは、上部電極７Ａを、透明電極層７３を備える上部電極７（図１参照）に置き換えて、透過型の空間光変調器の光変調素子とすることもできる（図示せず）。   The light modulation element 10A including the spin injection magnetization reversal element 5A according to the second embodiment replaces the upper electrode 7A with the upper electrode 7 (see FIG. 1) including the transparent electrode layer 73, thereby transmitting a transmissive spatial light modulator. It is also possible to use a light modulation element (not shown).

以上のように、本発明の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、障壁層の上に設けた磁化固定層に、適切な厚さのＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜を備えることで、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を適用しても、保磁力を維持して安定した動作とすることができる。   As described above, the spin-injection magnetization switching element according to the second embodiment of the present invention has a magnetic pinned layer provided on the barrier layer and a magnetic layer made of Co—Fe or Co—Fe—B having an appropriate thickness. By providing the metal film, even when a Tb—Fe—Co alloy is applied, the coercive force can be maintained and a stable operation can be achieved.

〔第３実施形態〕
本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備える磁化自由層がＭｇＯ膜の上に設けられるように、ＭｇＯ膜を障壁層とするＴＭＲ素子としたが、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子についても同様の効果を得ることができる。以下、第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた光変調素子について説明する。第１、第２実施形態（図１〜４参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。 [Third Embodiment]
The spin-injection magnetization switching element according to the first embodiment of the present invention includes a TMR element using a MgO film as a barrier layer so that a magnetization free layer including a layer made of Tb—Fe—Co is provided on the MgO film. However, the same effect can be obtained for the CPP-GMR element. Hereinafter, a spin-injection magnetization reversal device according to a third embodiment and a light modulation device including the same will be described. The same elements as those in the first and second embodiments (see FIGS. 1 to 4) are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

本発明の第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂは、図５に示すように、下から磁化自由層１Ｂ、中間層２Ｂ、磁化固定層３Ｂの順に積層された構成で、非磁性金属からなる中間層２Ｂを備えるＣＰＰ−ＧＭＲ素子であり、さらに、最上層に保護膜４３Ａを備える。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂは、同一平面視形状のＭｇＯ膜４２の上に直接に設けられ、さらに一対の電極である上部電極７Ａと下部電極６Ｂに上下で接続されて、光変調素子１０Ｂを構成する。このように、光変調素子１０Ｂにおいては、スピン注入磁化反転素子５Ｂは、下面が絶縁体であるＭｇＯ膜４２で被覆されているために、下部電極６Ｂには磁化自由層１Ｂが側面で接続する。そのために、下部電極６Ｂは、スピン注入磁化反転素子５Ｂの下部（磁化自由層１Ｂ）をその下のＭｇＯ膜４２と共に収容し、さらに、スピン注入磁化反転素子５Ｂに入射する光を遮らないように、貫通孔が形成されている。   As shown in FIG. 5, the spin injection magnetization reversal element 5B according to the third embodiment of the present invention has a configuration in which a magnetization free layer 1B, an intermediate layer 2B, and a magnetization fixed layer 3B are stacked in this order from the bottom. A CPP-GMR element having an intermediate layer 2B made of The spin-injection magnetization switching element 5B according to the present embodiment is provided directly on the MgO film 42 having the same planar view shape, and is connected to the upper electrode 7A and the lower electrode 6B, which are a pair of electrodes, at the upper and lower sides. The modulation element 10B is configured. Thus, in the light modulation element 10B, since the lower surface of the spin injection magnetization reversal element 5B is covered with the MgO film 42 which is an insulator, the magnetization free layer 1B is connected to the lower electrode 6B on the side surface. . Therefore, the lower electrode 6B accommodates the lower part (magnetization free layer 1B) of the spin injection magnetization reversal element 5B together with the MgO film 42 thereunder, and further does not block light incident on the spin injection magnetization reversal element 5B. A through hole is formed.

光変調素子１０Ｂは、スピン注入磁化反転素子５Ｂが、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図４参照）と同様に磁化自由層１Ｂを下側に備えるため、下方から光が入出射され、反射型の空間光変調器の画素として透明な基板９Ａ上に２次元配列される。以下、スピン注入磁化反転素子５Ｂを構成する要素について詳しく説明する。   In the light modulation element 10B, the spin injection magnetization reversal element 5B includes the magnetization free layer 1B on the lower side in the same manner as the spin injection magnetization reversal element 5A (see FIG. 4) according to the second embodiment. The light is emitted and two-dimensionally arranged on a transparent substrate 9A as pixels of a reflective spatial light modulator. Hereinafter, the elements constituting the spin transfer magnetization switching element 5B will be described in detail.

（磁化自由層）
磁化自由層１Ｂは、ＴｂＦｅＣｏ層１１からなる。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂにおいては、磁化自由層１Ｂは、ＴｂＦｅＣｏ層１１がＭｇＯ膜４２の上に直接に成膜されることにより保磁力がいっそう小さくなる。ＴｂＦｅＣｏ層１１は、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図１参照）の磁化自由層１に設けられたものと同じもので、その構成は、第１実施形態にて説明した通りであり、同様に厚さを２０ｎｍ以下とすることが好ましく、１０ｎｍ以下がより好ましい。ただし、光変調素子１０Ｂにおいては、下部電極６Ｂが磁化自由層１Ｂの側面のみで接続するために、厚さを３ｎｍ超とする。 (Magnetization free layer)
The magnetization free layer 1 </ b> B is composed of a TbFeCo layer 11. In the spin-injection magnetization switching element 5B according to the present embodiment, the magnetization free layer 1B has a further reduced coercive force because the TbFeCo layer 11 is formed directly on the MgO film. The TbFeCo layer 11 is the same as that provided in the magnetization free layer 1 of the spin transfer magnetization switching element 5 (see FIG. 1) according to the first embodiment, and the configuration thereof is as described in the first embodiment. Similarly, the thickness is preferably 20 nm or less, more preferably 10 nm or less. However, in the light modulation element 10B, since the lower electrode 6B is connected only at the side surface of the magnetization free layer 1B, the thickness is made to be more than 3 nm.

（中間層）
中間層２Ｂは、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ａｕのような非磁性金属やＺｎＯ等の半導体で形成され、その厚さを１〜１０ｎｍの範囲とすることが好ましい。中間層２Ｂは、光反射率の高いＡｇを適用して、厚さを６ｎｍ以上とすることが特に好ましい。このような中間層２Ｂを備えるスピン注入磁化反転素子５Ｂとすることで、光変調素子１０Ｂは、磁化自由層１Ｂの側（下）から入射した光を効率よく反射させて、出射する光の量を多くすることができる。 (Middle layer)
The intermediate layer 2B is preferably made of a nonmagnetic metal such as Cu, Ag, Al, or Au, or a semiconductor such as ZnO, and its thickness is preferably in the range of 1 to 10 nm. The intermediate layer 2B is particularly preferably made to have a thickness of 6 nm or more by applying Ag having a high light reflectance. By using the spin-injection magnetization reversal element 5B including such an intermediate layer 2B, the light modulation element 10B efficiently reflects light incident from the magnetization free layer 1B side (bottom) and emits light. Can be more.

（磁化固定層）
磁化固定層３Ｂは、ＴｂＦｅＣｏ層３１からなる。ＴｂＦｅＣｏ層３１は、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図１参照）の磁化固定層３に設けられたものと同じものである。スピン注入磁化反転素子５Ｂにおいては、磁化固定層３Ｂは、中間層２Ｂの上側に設けられるが、下地となる中間層２ＢがＡｇ等からなるので、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金本来の大きな保磁力を有する。 (Magnetic pinned layer)
The magnetization fixed layer 3 </ b> B is composed of a TbFeCo layer 31. The TbFeCo layer 31 is the same as that provided in the magnetization fixed layer 3 of the spin injection magnetization switching element 5 (see FIG. 1) according to the first embodiment. In the spin injection magnetization reversal element 5B, the magnetization fixed layer 3B is provided on the upper side of the intermediate layer 2B. However, since the intermediate layer 2B as a base is made of Ag or the like, the large coercive force inherent to the Tb—Fe—Co alloy is obtained. Have.

（保護膜）
保護膜４３Ａは、第２実施形態（図４参照）と同様の構成である。なお、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂは、磁化自由層１Ｂ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）の保磁力を小さくするために、後記のＭｇＯ膜４２の上に直接に設けられる。したがって、スピン注入磁化反転素子５Ｂは、最下層に、下地膜として一般的に適用されるＲｕ等の金属膜（図４に示す下地金属膜４１Ａ）を備えない。
以下に、光変調素子１０Ｂを構成するスピン注入磁化反転素子５Ｂ以外の要素について説明する。 (Protective film)
The protective film 43A has the same configuration as that of the second embodiment (see FIG. 4). Note that the spin transfer magnetization switching element 5B according to the present embodiment is provided directly on the MgO film 42 described later in order to reduce the coercive force of the magnetization free layer 1B (TbFeCo layer 11). Therefore, the spin transfer magnetization switching element 5B does not include a metal film such as Ru (base metal film 41A shown in FIG. 4) generally applied as a base film in the lowermost layer.
Hereinafter, elements other than the spin-injection magnetization switching element 5B constituting the light modulation element 10B will be described.

（ＭｇＯ膜）
ＭｇＯ膜４２は、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図１参照）における障壁層２（ＭｇＯ膜）と同様に、ＴｂＦｅＣｏ層１１の保磁力を小さくする。この効果を十分なものにするために、ＭｇＯ膜４２は厚さを１ｎｍ以上とすることが好ましい。一方、ＭｇＯ膜４２は５ｎｍを超えて厚く形成されても、前記効果がそれ以上には向上し難い。また、本実施形態においては、後記製造方法にて説明するように、ＭｇＯ膜４２が過剰に厚いと、ＭｇＯ膜４２が収容される下部電極６Ｂ（第２層６２）の孔を形成するためのエッチング量が多くなる。したがって、ＭｇＯ膜４２は、厚さを５ｎｍ以下とすることが好ましい。本実施形態においては、ＭｇＯ膜４２は、磁化自由層１Ｂ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）の全体の保磁力を小さくするために、磁化自由層１Ｂ等のスピン注入磁化反転素子５Ｂの各層と同一の平面視形状に形成される。また、密着性を得るために、ＭｇＯ膜４２の下に、透過光量を減衰させない程度の厚さのＲｕ，Ｔａ等の金属膜をさらに設けてもよい（図示せず）。このような金属膜は、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図４参照）の下地金属膜４１Ａと同様の構成とすることができる。 (MgO film)
The MgO film 42 reduces the coercivity of the TbFeCo layer 11 in the same manner as the barrier layer 2 (MgO film) in the spin transfer magnetization switching element 5 (see FIG. 1) according to the first embodiment. In order to make this effect sufficient, the thickness of the MgO film 42 is preferably 1 nm or more. On the other hand, even if the MgO film 42 is formed to be thicker than 5 nm, the above effect is hardly improved. In the present embodiment, as will be described later in the manufacturing method, when the MgO film 42 is excessively thick, a hole for forming the lower electrode 6B (second layer 62) in which the MgO film 42 is accommodated is formed. The amount of etching increases. Therefore, the MgO film 42 preferably has a thickness of 5 nm or less. In the present embodiment, the MgO film 42 has the same plan view as each layer of the spin-injection magnetization switching element 5B such as the magnetization free layer 1B in order to reduce the coercive force of the entire magnetization free layer 1B (TbFeCo layer 11). It is formed into a shape. In order to obtain adhesion, a metal film such as Ru or Ta having a thickness that does not attenuate the amount of transmitted light may be further provided under the MgO film 42 (not shown). Such a metal film can have the same configuration as that of the base metal film 41A of the spin-injection magnetization switching element 5A (see FIG. 4) according to the second embodiment.

（電極）
上部電極７Ａは、第２実施形態（図４参照）と同様の構成であり、金属電極材料を適用することができる。一方、下部電極６Ｂは、光の入出射側に設けられるが、前記した通り、スピン注入磁化反転素子５Ｂの平面視形状に合わせて貫通孔が形成されて光を遮らないので、上部電極７Ａと同様に金属電極材料を適用することができる。すなわち下部電極６Ｂは、空間光変調器において画素（光変調素子１０Ｂ）毎に孔が開いた帯状に形成される。また、下部電極６Ｂは、光変調素子１０Ｂ毎に形成された貫通孔により断面の狭い配線になるため、そして、スピン注入磁化反転素子５Ｂとの接続面積が磁化固定層３Ｂの側面に限定されて小さいため、透明電極材料よりも低抵抗な金属電極材料を適用することが好ましいといえる。下部電極６Ｂに形成される孔は、その内壁面で磁化自由層１Ｂに接続するために、スピン注入磁化反転素子５Ｂの平面視形状に形成される。このとき、下部電極６Ｂは、磁化自由層１Ｂ上の中間層２Ｂや磁化固定層３Ｂと短絡しないために、上面の位置が磁化自由層１Ｂの上面よりも低くなるように、互いの高さの位置等が制御される必要がある。具体的には、下部電極６Ｂは、上面を、磁化自由層１Ｂの上面（中間層２Ｂとの界面）から３ｎｍ以上低い位置にして、磁化自由層１Ｂ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）以外の導体（中間層２Ｂ等）に対して３ｎｍ以上の距離を空けて、リーク電流やトンネル電流が流れることがないようにする。 (electrode)
The upper electrode 7A has the same configuration as that of the second embodiment (see FIG. 4), and a metal electrode material can be applied. On the other hand, although the lower electrode 6B is provided on the light incident / exit side, as described above, a through hole is formed in accordance with the shape of the spin injection magnetization switching element 5B in plan view so as not to block light. Similarly, a metal electrode material can be applied. That is, the lower electrode 6B is formed in a band shape in which a hole is opened for each pixel (light modulation element 10B) in the spatial light modulator. Further, the lower electrode 6B is a wiring having a narrow cross section due to the through-hole formed for each light modulation element 10B, and the connection area with the spin injection magnetization reversal element 5B is limited to the side surface of the magnetization fixed layer 3B. Since it is small, it can be said that it is preferable to apply a metal electrode material having a lower resistance than the transparent electrode material. The hole formed in the lower electrode 6B is formed in a planar view shape of the spin injection magnetization switching element 5B in order to connect to the magnetization free layer 1B on the inner wall surface thereof. At this time, the lower electrode 6B is not short-circuited with the intermediate layer 2B or the magnetization fixed layer 3B on the magnetization free layer 1B, so that the position of the upper surface is lower than the upper surface of the magnetization free layer 1B. The position etc. need to be controlled. Specifically, the lower electrode 6B has an upper surface positioned at a position 3 nm or more lower than the upper surface of the magnetization free layer 1B (interface with the intermediate layer 2B), and a conductor (intermediate layer) other than the magnetization free layer 1B (TbFeCo layer 11). 2B or the like) at a distance of 3 nm or more so that no leak current or tunnel current flows.

下部電極６Ｂは、第１層６１とその上の第２層６２との２層構造を有し、それぞれ金属電極材料で形成される。第２層６２は、孔にスピン注入磁化反転素子５Ｂの下部（磁化自由層１Ｂ）とＭｇＯ膜４２を収容し、第１層６１は、孔が絶縁層８Ｂ（８１）で充填される。第２層６２は、孔の内壁面で磁化自由層１Ｂに接続しつつ、下部電極６Ｂが中間層２Ｂ等と短絡しないように、ＭｇＯ膜４２よりも厚く、かつ磁化自由層１ＢとＭｇＯ膜４２の合計の厚さよりも薄く、好ましくは３ｎｍ以上の差で薄く形成される。一方、第１層６１は、下部電極６Ｂを全体で十分に低抵抗とするために必要な厚さに形成される。また、第１層６１は、平面視形状が第２層６２と略一致し、あるいは孔の平面視形状を光の入射角に応じて拡げてもよい。なお、第１層６１と第２層６２は、材料が同じでも異なるものでもよいが、第２層６２については、後記製造方法にて説明するようにエッチングで加工して孔が形成されるので、エッチングし易い材料を選択することが好ましい。   The lower electrode 6B has a two-layer structure of a first layer 61 and a second layer 62 thereon, and each is formed of a metal electrode material. The second layer 62 accommodates the lower part of the spin-injection magnetization switching element 5B (magnetization free layer 1B) and the MgO film 42 in the hole, and the first layer 61 is filled with the insulating layer 8B (81). The second layer 62 is connected to the magnetization free layer 1B at the inner wall surface of the hole, and is thicker than the MgO film 42 so as not to short-circuit the lower electrode 6B with the intermediate layer 2B and the like, and is also thicker than the MgO film 42. It is thinner than the total thickness of, and preferably formed with a difference of 3 nm or more. On the other hand, the first layer 61 is formed to have a thickness necessary for making the lower electrode 6B have a sufficiently low resistance as a whole. The first layer 61 may have a plan view shape that is substantially the same as that of the second layer 62, or may expand the plan view shape of the hole according to the incident angle of light. The first layer 61 and the second layer 62 may be made of the same material or different materials, but the second layer 62 is processed by etching to form holes as will be described later in the manufacturing method. It is preferable to select a material that is easy to etch.

（絶縁層、基板）
絶縁層８Ｂは、図５に示すように、下部電極６Ｂの第１層６１と同じ厚さの絶縁層８１と、その上の絶縁層８２との２層構造を有する。絶縁層８１，８２は、それぞれ第１実施形態における絶縁層８と同様に公知の絶縁材料を適用することができ、同じでも異なる種類でもよい。特に、絶縁層８２のスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｂ間に設けられる部分は、Ｓｉ窒化物等の非酸化物であって、エッチング選択性の高い材料を適用することが好ましい。基板９Ａは、第２実施形態（図４参照）と同様の構成である。 (Insulating layer, substrate)
As shown in FIG. 5, the insulating layer 8B has a two-layer structure of an insulating layer 81 having the same thickness as the first layer 61 of the lower electrode 6B and an insulating layer 82 thereon. A known insulating material can be applied to each of the insulating layers 81 and 82 as in the case of the insulating layer 8 in the first embodiment, and the same or different types may be used. In particular, the portion provided between the spin-injection magnetization switching elements 5B and 5B of the insulating layer 82 is preferably made of a non-oxide such as Si nitride and having a high etching selectivity. The substrate 9A has the same configuration as that of the second embodiment (see FIG. 4).

（光変調素子の製造方法）
第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂを備える光変調素子１０Ｂの製造方法について、その一例を、図６を参照して説明する。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図１参照）と同様に耐熱性に劣るＴｂＦｅＣｏ層１１，３１を備え、さらに磁化自由層１Ｂ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）の側面に下部電極６Ｂが接続されることから、以下の方法で製造されることが好ましい。 (Manufacturing method of light modulation element)
An example of a method for manufacturing the light modulation element 10B including the spin transfer magnetization switching element 5B according to the second embodiment will be described with reference to FIG. The spin injection magnetization reversal element 5B according to the present embodiment includes TbFeCo layers 11 and 31 that are inferior in heat resistance as in the case of the spin injection magnetization reversal element 5 (see FIG. 1) according to the first embodiment, and further includes a magnetization free layer 1B. Since the lower electrode 6B is connected to the side surface of the (TbFeCo layer 11), it is preferably manufactured by the following method.

まず、図６（ａ）に示すように、下部電極６Ｂの第１層６１および絶縁層８１を形成する。詳しくは、基板９Ａの表面に、第１層６１を形成する領域を空けたレジストパターン（図示省略）を形成し、上から金属電極材料を成膜して第１層６１を形成し、レジストパターンをその上の金属電極材料ごと除去する（リフトオフ）。この上に、ＳｉＯ2等の絶縁膜（絶縁層８１）を成膜して、第１層６１，６１間や第１層６１の孔を充填する。そして、表面をＣＭＰ等で研削して第１層６１上の絶縁膜を除去し、さらに研磨して表面を平滑にする。 First, as shown in FIG. 6A, the first layer 61 and the insulating layer 81 of the lower electrode 6B are formed. Specifically, a resist pattern (not shown) is formed on the surface of the substrate 9A so that a region for forming the first layer 61 is formed, a metal electrode material is formed from above, and the first layer 61 is formed. Are removed together with the metal electrode material thereon (lift-off). On this, an insulating film (insulating layer 81) such as SiO 2 is formed to fill the gaps between the first layers 61 and 61 and the first layer 61. Then, the surface is ground by CMP or the like to remove the insulating film on the first layer 61, and further polished to smooth the surface.

次に、下部電極６Ｂの第１層６１の上に、リフトオフ等で、第２層６２（図６（ｂ）参照）を、孔のないストライプ状に形成し、この第２層６２の上に、Ｓｉ窒化物等の絶縁膜（絶縁層８２、図６（ｂ）参照）を、スピン注入磁化反転素子５Ｂの上面（保護膜４３Ａ）の高さ位置に合わせた厚さに成膜する。詳しくは、第２層６２とその上の絶縁膜の厚さの合計を、ＭｇＯ膜４２とスピン注入磁化反転素子５Ｂの厚さの合計に合わせる。   Next, a second layer 62 (see FIG. 6B) is formed in a stripe shape without holes on the first layer 61 of the lower electrode 6B by lift-off or the like. Then, an insulating film such as Si nitride (insulating layer 82, see FIG. 6B) is formed to a thickness matching the height position of the upper surface (protective film 43A) of the spin transfer magnetization switching element 5B. Specifically, the total thickness of the second layer 62 and the insulating film thereon is matched with the total thickness of the MgO film 42 and the spin transfer magnetization switching element 5B.

次に、絶縁膜（絶縁層８２）およびその下の下部電極６Ｂの第２層６２を加工して穴を形成し、この穴にスピン注入磁化反転素子５Ｂの下部を埋め込むように形成する。詳しくは、絶縁膜の上に、スピン注入磁化反転素子５Ｂを形成する領域を空けたレジストパターンＰＲを形成し（図６（ｂ））、絶縁膜（絶縁層８２）をエッチングし、引き続いて下部電極６Ｂの第２層６２をエッチングして、第１層６１の孔に充填された絶縁層８１を底面とする穴を形成する（図６（ｃ））。この上から、ＭｇＯ膜４２、磁化自由層１Ｂ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）、中間層２Ｂ、磁化固定層３Ｂ（ＴｂＦｅＣｏ層３１）、保護膜４３Ａの各材料を連続して成膜して、絶縁層８２から下部電極６Ｂの第２層６２までに形成された穴に埋め込んでＭｇＯ膜４２およびスピン注入磁化反転素子５Ｂを形成し、レジストパターンＰＲをその上の材料ごと除去する（リフトオフ、図６（ｄ））。この上に、第２実施形態の光変調素子１０Ａと同様に上部電極７Ａを形成して、光変調素子１０Ｂが得られる。   Next, the hole is formed by processing the insulating film (insulating layer 82) and the second layer 62 of the lower electrode 6B below the insulating film, and the hole is formed so that the lower part of the spin transfer magnetization switching element 5B is embedded. Specifically, a resist pattern PR is formed on the insulating film with a region for forming the spin injection magnetization reversal element 5B (FIG. 6B), the insulating film (insulating layer 82) is etched, and then the lower part is formed. The second layer 62 of the electrode 6B is etched to form a hole whose bottom surface is the insulating layer 81 filled in the hole of the first layer 61 (FIG. 6C). From this, the MgO film 42, the magnetization free layer 1B (TbFeCo layer 11), the intermediate layer 2B, the magnetization fixed layer 3B (TbFeCo layer 31), and the protective film 43A are successively formed, and the insulating layer 82 is formed. To the second layer 62 of the lower electrode 6B, the MgO film 42 and the spin transfer magnetization reversal element 5B are formed, and the resist pattern PR is removed together with the material thereon (lift-off, FIG. 6D )). On this, the upper electrode 7A is formed similarly to the light modulation element 10A of the second embodiment, and the light modulation element 10B is obtained.

このように、光変調素子１０Ｂの製造において、下部電極６Ｂを２層に分けて、上層の第２層６２をスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｂ間の絶縁層８２と共に加工することで、第１実施形態と同様にＴｂＦｅＣｏ層１１，３１等の特性の劣化を防止することができ、さらに、スピン注入磁化反転素子５Ｂを側面で下部電極６Ｂに接続することができる。また、下部電極６Ｂにおける第２層６２のみを絶縁層８２と共に加工するので、エッチング量が抑えられてエッチング深さを制御し易く、スピン注入磁化反転素子５Ｂが適切に下部電極６Ｂに接続される。   Thus, in the manufacture of the light modulation element 10B, the lower electrode 6B is divided into two layers, and the upper second layer 62 is processed together with the insulating layer 82 between the spin-injection magnetization reversal elements 5B and 5B. Similar to the embodiment, it is possible to prevent the characteristics of the TbFeCo layers 11, 31 and the like from being deteriorated, and further, the spin injection magnetization reversal element 5B can be connected to the lower electrode 6B on the side surface. Further, since only the second layer 62 in the lower electrode 6B is processed together with the insulating layer 82, the etching amount is suppressed and the etching depth can be easily controlled, and the spin transfer magnetization switching element 5B is appropriately connected to the lower electrode 6B. .

下部電極６Ｂの第１層６１および絶縁層８１の形成においては、基板９Ａ上に先に絶縁層８１を形成して、その後に金属電極材料を埋め込んで第１層６１を形成してもよい。   In forming the first layer 61 and the insulating layer 81 of the lower electrode 6B, the insulating layer 81 may be formed first on the substrate 9A, and then the metal electrode material may be embedded to form the first layer 61.

また、下部電極６Ｂは、抵抗をより低減するために、貫通孔のＭｇＯ膜４２の下を透明電極材料で埋めてもよい。すなわち、図５に示す下部電極６Ｂの孔の絶縁層８１に代えて、透明電極層６３（図４参照）が設けられる（図示せず）。そのためには、例えば、下部電極６Ｂの第１層６１、および第１層６１，６１間と第１層６１の孔を充填する絶縁層８１を形成した（図６（ａ）参照）後に、第１層６１の孔の領域を空けたレジストパターンを形成し、第１層６１の孔における絶縁層８１を除去して、透明電極材料を成膜して孔に埋め込み、レジストパターンを除去すればよい。あるいは、下部電極６Ｂは、第１層６１に代えて孔のない帯状の透明電極層６３を備えてもよい。この場合は、基板９Ａ上に、透明電極層６３と、孔を形成する前の第２層６２とを連続して形成すればよい。   The lower electrode 6B may be filled with a transparent electrode material under the MgO film 42 in the through hole in order to further reduce the resistance. That is, instead of the insulating layer 81 in the hole of the lower electrode 6B shown in FIG. 5, a transparent electrode layer 63 (see FIG. 4) is provided (not shown). For that purpose, for example, after forming the first layer 61 of the lower electrode 6B and the insulating layer 81 between the first layers 61 and 61 and filling the holes of the first layer 61 (see FIG. 6A), A resist pattern in which the hole area of the first layer 61 is formed, the insulating layer 81 in the hole of the first layer 61 is removed, a transparent electrode material is formed, embedded in the hole, and the resist pattern is removed. . Alternatively, the lower electrode 6 </ b> B may include a band-shaped transparent electrode layer 63 without holes instead of the first layer 61. In this case, the transparent electrode layer 63 and the second layer 62 before forming the holes may be continuously formed on the substrate 9A.

（磁化反転動作、抵抗変化、光変調動作）
スピン注入磁化反転素子５Ｂは、磁化自由層１Ｂが下側に設けられているので、磁化反転動作および光変調動作が、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図４参照）と同様になる。すなわち、磁化反転動作については、図３（ａ）、（ｂ）に示す第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５とは、電極６Ｂ，７Ａ（６，７）から供給される電流Ｉwの向きと磁化自由層１Ｂ（１）の磁化方向との関係が逆になる。また、スピン注入磁化反転素子５Ｂは、図３（ｃ）、（ｄ）に示すスピン注入磁化反転素子５と同様に、磁化自由層１Ｂの磁化方向により電極６Ｂ，７Ａ間の抵抗が変化する。ただし、スピン注入磁化反転素子５Ｂは、ＴＭＲ素子よりもＭＲ比が低いＣＰＰ−ＧＭＲ素子であるため、書込みエラー検出を行う場合は、後記するように、上（磁化固定層３Ｂの側）にトランジスタ等の選択素子を接続することが好ましい。 (Magnetization reversal operation, resistance change, light modulation operation)
Since the spin injection magnetization switching element 5B is provided with the magnetization free layer 1B on the lower side, the magnetization switching operation and the light modulation operation are the same as those of the spin injection magnetization switching element 5A (see FIG. 4) according to the second embodiment. become. That is, regarding the magnetization reversal operation, the current I w supplied from the electrodes 6B and 7A (6, 7) is different from the spin-injection magnetization reversal element 5 according to the first embodiment shown in FIGS. And the magnetization direction of the magnetization free layer 1B (1) are reversed. In the spin-injection magnetization reversal element 5B, the resistance between the electrodes 6B and 7A varies depending on the magnetization direction of the magnetization free layer 1B, similarly to the spin-injection magnetization reversal element 5 shown in FIGS. However, since the spin injection magnetization reversal element 5B is a CPP-GMR element having an MR ratio lower than that of the TMR element, when performing write error detection, as described later, a transistor is formed above (on the magnetization fixed layer 3B side). It is preferable to connect selection elements such as.

〔第３実施形態の変形例〕
第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、磁化自由層が側面で下部電極に接続されるが、磁化自由層（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層）の厚さが小さいと、十分な接続面積を確保し難く、また、製造において高い精度でのエッチングや成膜を要する。以下、第３実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた光変調素子について説明する。第１、第２、第３実施形態（図１〜６参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。 [Modification of Third Embodiment]
In the spin-injection magnetization switching element according to the third embodiment, the magnetization free layer is connected to the lower electrode on the side surface. However, when the thickness of the magnetization free layer (layer made of Tb—Fe—Co) is small, sufficient connection is achieved. It is difficult to secure an area, and high-precision etching and film formation are required in manufacturing. Hereinafter, a spin-injection magnetization switching element according to a modification of the third embodiment and a light modulation element including the same will be described. The same elements as those in the first, second, and third embodiments (see FIGS. 1 to 6) are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

本発明の第３実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃは、図７に示すように、下から磁化自由層１Ｃ、障壁層（中間層）２Ａ、磁化固定層３Ａの順に積層された構成であり、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図４参照）と同様に、ＭｇＯからなる障壁層２Ａの上に磁化固定層３Ａが設けられたＴＭＲ素子である。スピン注入磁化反転素子５Ｃは、さらに、最上層に保護膜４３Ａを備える。本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃは、ＭｇＯ膜４２の上に直接に設けられ、さらに一対の電極である上部電極７Ａと下部電極６Ｃに上下で接続されて、光変調素子１０Ｃを構成する。このように、スピン注入磁化反転素子５Ｃの下面には絶縁体であるＭｇＯ膜４２が接触しているために、このＭｇＯ膜４２が下部電極６Ｃに形成された貫通孔に設けられ、スピン注入磁化反転素子５Ｃは、下面（磁化自由層１Ｃ）が周縁のみで下部電極６Ｃに接続する。   As shown in FIG. 7, a spin-injection magnetization reversal element 5C according to a modification of the third embodiment of the present invention is laminated in order of a magnetization free layer 1C, a barrier layer (intermediate layer) 2A, and a magnetization fixed layer 3A. Similar to the spin-injection magnetization switching element 5A (see FIG. 4) according to the second embodiment, the TMR element has a magnetization fixed layer 3A provided on a barrier layer 2A made of MgO. The spin transfer magnetization switching element 5C further includes a protective film 43A as the uppermost layer. The spin-injection magnetization switching element 5C according to this modification is provided directly on the MgO film 42, and further connected to the upper electrode 7A and the lower electrode 6C, which are a pair of electrodes, in the vertical direction to constitute the light modulation element 10C. To do. Thus, since the MgO film 42 which is an insulator is in contact with the lower surface of the spin injection magnetization reversal element 5C, this MgO film 42 is provided in the through hole formed in the lower electrode 6C, and the spin injection magnetization The inversion element 5C is connected to the lower electrode 6C with the lower surface (magnetization free layer 1C) only at the periphery.

光変調素子１０Ｃは、スピン注入磁化反転素子５Ｃが、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図４参照）と同様に磁化自由層１Ｃを下側に備えるため、下方から光が入出射され、反射型の空間光変調器の画素として透明な基板９Ａ上に２次元配列される。   In the light modulation element 10C, since the spin injection magnetization reversal element 5C includes the magnetization free layer 1C on the lower side in the same manner as the spin injection magnetization reversal element 5A (see FIG. 4) according to the second embodiment, light enters from below. The light is emitted and two-dimensionally arranged on a transparent substrate 9A as pixels of a reflective spatial light modulator.

光変調素子１０Ｃにおいては、ＭｇＯ膜４２が、スピン注入磁化反転素子５Ｃの平面視形状よりも小さく形成されている。そのため、詳しくは後記にて説明するが、スピン注入磁化反転素子５Ｃの磁化自由層１Ｃが磁化反転するのは、ＭｇＯ膜４２の直上の領域に限定される。したがって、本実施形態において、スピン注入磁化反転素子５Ｃの平面視サイズが大きくても、ＭｇＯ膜４２が磁化反転可能な面積に形成されていればよい。一方、光変調素子１０Ｃにおいては、ＭｇＯ膜４２の平面視形状に合わせて下部電極６Ｃに形成された貫通孔が、空間光変調器の画素の開口部になる。そのため、ＭｇＯ膜４２は、平面視の一辺の長さが少なくとも入射光の回折限界（波長の１／２程度）以上に形成される。なお、スピン注入磁化反転素子５Ｃは、磁化自由層１Ｃ（下面）が下部電極６Ｃとの接続面積を確保していればよく、例えば平面視における対向する２辺のみがＭｇＯ膜４２の外側に形成される形状でもよい。以下、スピン注入磁化反転素子５Ｃを構成する要素について詳しく説明する。   In the light modulation element 10C, the MgO film 42 is formed smaller than the planar view shape of the spin injection magnetization switching element 5C. Therefore, as will be described in detail later, the magnetization reversal of the magnetization free layer 1C of the spin injection magnetization reversal element 5C is limited to the region immediately above the MgO film 42. Therefore, in this embodiment, even if the size of the spin injection magnetization switching element 5C in plan view is large, it is sufficient that the MgO film 42 is formed in an area where magnetization can be reversed. On the other hand, in the light modulation element 10 </ b> C, the through hole formed in the lower electrode 6 </ b> C according to the planar view shape of the MgO film 42 becomes the opening of the pixel of the spatial light modulator. Therefore, the MgO film 42 is formed such that the length of one side in a plan view is at least equal to or greater than the diffraction limit of incident light (about ½ of the wavelength). In the spin-injection magnetization switching element 5C, the magnetization free layer 1C (lower surface) only needs to secure a connection area with the lower electrode 6C. For example, only two opposite sides in plan view are formed outside the MgO film 42. The shape to be made may be sufficient. Hereinafter, the elements constituting the spin transfer magnetization switching element 5C will be described in detail.

（磁化自由層）
磁化自由層１Ｃは、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図４参照）の磁化自由層１Ａの、磁性層１１ＡをＴｂＦｅＣｏ層１１に置き換えたものであり、ＴｂＦｅＣｏ層１１、ＣｏＦｅ膜１２Ａの各構成は、第１、第２実施形態にて説明した通りである。特に本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃにおいては、第３実施形態と同様に、ＴｂＦｅＣｏ層１１が、ＭｇＯ膜４２の上に直接に成膜されることにより保磁力がいっそう小さくなる。 (Magnetization free layer)
The magnetization free layer 1C is obtained by replacing the magnetic layer 11A of the magnetization free layer 1A of the spin-injection magnetization switching element 5A (see FIG. 4) according to the second embodiment with a TbFeCo layer 11, a TbFeCo layer 11, and a CoFe film. Each configuration of 12A is as described in the first and second embodiments. In particular, in the spin transfer magnetization switching element 5C according to this modification, the coercive force is further reduced by forming the TbFeCo layer 11 directly on the MgO film 42, as in the third embodiment.

また、磁化自由層１Ｃは、ＭｇＯ膜４２の周囲に設けられた下部電極６Ｃに電気的に接続されるように、平面視でＭｇＯ膜４２の外側へ拡張して形成されている。したがって、本変形例において、磁化自由層１Ｃ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）は、ＭｇＯ膜４２の直上の領域（適宜、磁化反転領域と称する）のみにおいて保磁力が小さく、磁化自由層として磁化反転する（図８参照）。一方で、磁化自由層１Ｃは、下部電極６Ｃに接続する周縁の領域においては、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金本来の大きな保磁力を示して磁化反転し難く、後記に説明するようにもう一つの磁化固定層（適宜、磁化固定領域と称する）であるといえる。   Also, the magnetization free layer 1C is formed to extend to the outside of the MgO film 42 in plan view so as to be electrically connected to the lower electrode 6C provided around the MgO film 42. Therefore, in the present modification, the magnetization free layer 1C (TbFeCo layer 11) has a small coercive force only in a region immediately above the MgO film 42 (referred to as a magnetization reversal region as appropriate), and magnetization reversal as a magnetization free layer (FIG. 8). On the other hand, the magnetization free layer 1C exhibits a large coercive force inherent in the Tb—Fe—Co alloy and is difficult to reverse the magnetization in the peripheral region connected to the lower electrode 6C, and another magnetization as will be described later. It can be said that it is a fixed layer (referred to as a magnetization fixed region as appropriate).

（障壁層、磁化固定層）
障壁層２Ａ、磁化固定層３Ａは、それぞれ第２実施形態（図４参照）と同様の構成である。特に障壁層２Ａは、本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃにおいては、下地となる磁化自由層１Ｃに非晶質構造であるＴｂＦｅＣｏ層１１が適用され、さらに当該障壁層２Ａとの界面にＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂ（ＣｏＦｅ膜１２Ａ）が設けられているので、第１実施形態の障壁層２と同様に（００１）面配向のＭｇＯになり易い。 (Barrier layer, magnetization fixed layer)
The barrier layer 2A and the magnetization fixed layer 3A have the same configuration as that of the second embodiment (see FIG. 4). In particular, the barrier layer 2A has a TbFeCo layer 11 having an amorphous structure applied to the magnetization free layer 1C serving as a base in the spin-injection magnetization reversal element 5C according to this modification, and further, at the interface with the barrier layer 2A. Since Co—Fe or Co—Fe—B (CoFe film 12A) is provided, it is likely to be (001) -oriented MgO as in the barrier layer 2 of the first embodiment.

（保護膜）
保護膜４３Ａは、第２実施形態（図４参照）と同様の構成である。なお、本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃは、第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂ（図５参照）と同様に、最下層にＲｕ等の金属膜（図４に示す下地金属膜４１Ａ）を備えない。
以下に、光変調素子１０Ｃを構成するスピン注入磁化反転素子５Ｃ以外の要素について説明する。 (Protective film)
The protective film 43A has the same configuration as that of the second embodiment (see FIG. 4). Note that the spin transfer magnetization switching element 5C according to the present modification is similar to the spin transfer magnetization switching element 5B according to the third embodiment (see FIG. 5), and a metal film such as Ru (underlayer shown in FIG. The metal film 41A) is not provided.
Hereinafter, elements other than the spin injection magnetization switching element 5C constituting the light modulation element 10C will be described.

（ＭｇＯ膜）
ＭｇＯ膜４２は、第３実施形態と同様の構成である。 (MgO film)
The MgO film 42 has the same configuration as that of the third embodiment.

（電極）
上部電極７Ａは、第２実施形態（図４参照）と同様の構成であり、金属電極材料を適用することができる。一方、下部電極６Ｃは、光の入出射側に設けられるが、前記した通り、スピン注入磁化反転素子５Ｃの下面が周縁でのみ接続し、光変調素子１０Ｃにおける中央部には貫通孔が形成されて光を遮らないので、上部電極７Ａと同様に金属電極材料を適用することができる。すなわち下部電極６Ｃは、第３実施形態（図５参照）の下部電極６Ｂと同様に、空間光変調器において光変調素子１０Ｃ毎に孔が開いた帯状に形成される。下部電極６Ｃは、孔が光変調素子として必要な開口を有しつつ、この内部に設けられたＭｇＯ膜４２の直上で磁化自由層１Ｃが磁化反転可能であり、また、スピン注入磁化反転素子５Ｃ（磁化自由層１Ｃ）の下面と電気的な接続に必要な面積で接続（平面視で重複）する形状に設計される。 (electrode)
The upper electrode 7A has the same configuration as that of the second embodiment (see FIG. 4), and a metal electrode material can be applied. On the other hand, the lower electrode 6C is provided on the light incident / exit side, but as described above, the lower surface of the spin injection magnetization reversal element 5C is connected only at the periphery, and a through hole is formed in the central portion of the light modulation element 10C. Therefore, the metal electrode material can be applied similarly to the upper electrode 7A. That is, the lower electrode 6C is formed in a band shape having a hole for each light modulation element 10C in the spatial light modulator, similarly to the lower electrode 6B of the third embodiment (see FIG. 5). In the lower electrode 6C, the hole has an opening necessary as a light modulation element, the magnetization free layer 1C can be reversed in magnetization immediately above the MgO film 42 provided therein, and the spin injection magnetization reversal element 5C. It is designed in a shape that connects (overlaps in plan view) with an area necessary for electrical connection with the lower surface of (magnetization free layer 1C).

（絶縁層）
絶縁層８Ｃは、図７に示すように、下部電極６Ｃ，６Ｃ間および下部電極６Ｃの孔においては、絶縁層８１とＭｇＯ膜４２の２層構造であり、スピン注入磁化反転素子５Ｃ，５Ｃ間および上部電極７Ａ，７Ａ間においては、絶縁層８２が設けられる。絶縁層８１は、ＭｇＯ膜４２と合わせた２層で下部電極６Ｃの厚さになるように形成され、第３実施形態と同様に、ＳｉＯ2等の公知の絶縁材料を適用することができる。なお、ＭｇＯ膜４２は、下部電極６Ｃの孔に形成されていればよく、下部電極６Ｃ，６Ｃ間には絶縁層８１のみが形成されていてもよい。絶縁層８２も、第３実施形態と同様に公知の絶縁材料を適用し、特にスピン注入磁化反転素子５Ｃ，５Ｃ間に設けられる部分には、非酸化物であって、ＭｇＯ膜４２に対してエッチング選択性の高いＳｉ窒化物等を適用することが好ましい。 (Insulating layer)
As shown in FIG. 7, the insulating layer 8C has a two-layer structure of the insulating layer 81 and the MgO film 42 between the lower electrodes 6C and 6C and in the hole of the lower electrode 6C, and between the spin injection magnetization reversal elements 5C and 5C. An insulating layer 82 is provided between the upper electrodes 7A and 7A. The insulating layer 81 is formed of two layers combined with the MgO film 42 so as to have the thickness of the lower electrode 6C, and a known insulating material such as SiO 2 can be applied as in the third embodiment. The MgO film 42 may be formed in the hole of the lower electrode 6C, and only the insulating layer 81 may be formed between the lower electrodes 6C and 6C. Similarly to the third embodiment, a known insulating material is applied to the insulating layer 82, and in particular, a portion provided between the spin-injection magnetization reversal elements 5 C and 5 C is non-oxide, and is not exposed to the MgO film 42. It is preferable to apply Si nitride or the like having high etching selectivity.

（基板）
基板９Ａは、第２実施形態（図４参照）と同様の構成である。 (substrate)
The substrate 9A has the same configuration as that of the second embodiment (see FIG. 4).

（光変調素子の製造方法）
第３実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃを備える光変調素子１０Ｃは、第１、第２実施形態の光変調素子１０，１０Ａと同様に製造することができる（図２参照）。本実施形態においては、下部電極６Ｃ、および絶縁層８１、ＭｇＯ膜４２を形成する工程について、表面の下部電極６ＣとＭｇＯ膜４２に段差がなく、かつＭｇＯ膜４２が所望の厚さに制御されるように、例えば以下のように行う。 (Manufacturing method of light modulation element)
The light modulation element 10C including the spin injection magnetization reversal element 5C according to the modification of the third embodiment can be manufactured in the same manner as the light modulation elements 10 and 10A of the first and second embodiments (see FIG. 2). . In this embodiment, in the step of forming the lower electrode 6C, the insulating layer 81, and the MgO film 42, there is no step between the lower electrode 6C on the surface and the MgO film 42, and the MgO film 42 is controlled to a desired thickness. For example, it is performed as follows.

まず、基板９Ａの表面に、ＳｉＯ2等の絶縁膜（絶縁層８１）、ＭｇＯ膜を成膜して、合計で下部電極６Ｃと同じ厚さになるように積層する。このＭｇＯ膜の上に、下部電極６Ｃを形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、ＭｇＯ膜、ＳｉＯ2膜をエッチングして基板９Ａを露出させる。この上から金属電極材料を成膜して、ＳｉＯ2膜／ＭｇＯ膜（絶縁層８１／ＭｇＯ膜４２）のエッチング跡に埋め込んで下部電極６Ｃを形成し、レジストパターンをその上の金属電極材料ごと除去する（リフトオフ）。 First, an insulating film (insulating layer 81) such as SiO 2 and an MgO film are formed on the surface of the substrate 9A, and are laminated so as to have the same thickness as the lower electrode 6C in total. On this MgO film, a resist pattern is formed with a region for forming the lower electrode 6C, and the substrate 9A is exposed by etching the MgO film and the SiO 2 film. A metal electrode material is deposited from above, and embedded in the etching traces of the SiO 2 film / MgO film (insulating layer 81 / MgO film 42) to form the lower electrode 6C, and the resist pattern is formed together with the metal electrode material thereon. Remove (lift off).

次に、第１実施形態（図２（ｂ）〜（ｄ）参照）と同様に、スピン注入磁化反転素子５Ｃ、およびスピン注入磁化反転素子５Ｃ，５Ｃ間の絶縁層８２を形成する。絶縁層８２をエッチングしてスピン注入磁化反転素子５Ｃを埋め込むための孔を形成するときには、ＭｇＯ膜４２および下部電極６Ｃがエッチングストッパ膜になるように、エッチング条件を設定する。また、本実施形態では、第１、第２実施形態のように密着性を得るための下地金属膜４１（４１Ａ）を設けることができないので、ＭｇＯ膜４２および下部電極６Ｃへの密着性を高くするために、絶縁層８２のエッチング跡にスピン注入磁化反転素子５Ｃを構成する各層を成膜する際、１層目のＴｂＦｅＣｏ層１１（磁化自由層１Ｃ）を成膜する前に、スパッタ装置にて、Ａｒ，Ｋｒ等のキャリアガスのイオンやプラズマによるクリーニングを、下部電極６Ｃ等の表面に行うことが好ましい。そして、スピン注入磁化反転素子５Ｃの上に、上部電極７Ａを第１実施形態と同様に形成して、光変調素子１０Ｃが得られる。   Next, as in the first embodiment (see FIGS. 2B to 2D), the spin transfer magnetization switching element 5C and the insulating layer 82 between the spin transfer magnetization switching elements 5C and 5C are formed. When the hole for embedding the spin injection magnetization switching element 5C is formed by etching the insulating layer 82, the etching conditions are set so that the MgO film 42 and the lower electrode 6C become etching stopper films. Further, in this embodiment, since the base metal film 41 (41A) for obtaining adhesion cannot be provided as in the first and second embodiments, the adhesion to the MgO film 42 and the lower electrode 6C is high. Therefore, before forming the first TbFeCo layer 11 (magnetization free layer 1C) when forming each layer constituting the spin injection magnetization reversal element 5C on the etching trace of the insulating layer 82, the sputtering apparatus is used. Thus, it is preferable to clean the surface of the lower electrode 6C or the like with ions of carrier gas such as Ar or Kr or plasma. Then, the upper electrode 7A is formed on the spin-injection magnetization switching element 5C in the same manner as in the first embodiment to obtain the light modulation element 10C.

下部電極６Ｃ、絶縁層８１およびＭｇＯ膜４２の形成においては、例えば第３実施形態の光変調素子１０Ｂにおける下部電極６Ｂの第１層６１のように、まず、基板９Ａ上に、リフトオフ法で下部電極６Ｃを形成した後に、ＳｉＯ2等の絶縁膜のみを成膜して、ＣＭＰ等で研削して下部電極６Ｃ上の絶縁膜を除去してもよい（図６（ａ）参照）。この場合は、その次に、下部電極６Ｃの孔の領域を空けたレジストパターンを形成し、下部電極６Ｃの孔のＳｉＯ2膜を所望の深さにエッチングして、その跡にＭｇＯ膜４２を成膜して埋め込み、その後にレジストパターンを除去する。 In the formation of the lower electrode 6C, the insulating layer 81, and the MgO film 42, for example, as in the first layer 61 of the lower electrode 6B in the light modulation element 10B of the third embodiment, the lower electrode 6C is first formed on the substrate 9A by a lift-off method. After forming the electrode 6C, only an insulating film such as SiO 2 may be formed and ground by CMP or the like to remove the insulating film on the lower electrode 6C (see FIG. 6A). In this case, next, a resist pattern in which the hole region of the lower electrode 6C is opened is formed, the SiO 2 film in the hole of the lower electrode 6C is etched to a desired depth, and the MgO film 42 is formed on the trace. A film is formed and embedded, and then the resist pattern is removed.

あるいは、下部電極６Ｂと同様に、下部電極６Ｃの孔のＳｉＯ2膜をすべて除去して、ＭｇＯ膜４２の前（下）に透明電極材料を成膜して、図７に示す下部電極６Ｃの孔の絶縁層８１に代えて、透明電極層６３（図４参照）が設けられてもよい（図示せず）。 Alternatively, like the lower electrode 6B, the SiO 2 film in the holes of the lower electrode 6C is completely removed, and a transparent electrode material is formed in front of (below) the MgO film 42 to form the lower electrode 6C shown in FIG. Instead of the hole insulating layer 81, a transparent electrode layer 63 (see FIG. 4) may be provided (not shown).

（空間光変調器の初期設定）
本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃにおいては、磁化自由層１Ｃ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）が、下部電極６Ｃの直上の領域（磁化固定領域）において保磁力が大きく、磁化反転し難い。光変調素子１０Ｃは、磁化自由層１Ｃが磁化固定領域のみで下部電極６Ｃに直接に接続しているので、スピン注入磁化反転素子５Ｃにおいて、磁化固定層３Ａと磁化自由層１Ｃの磁化固定領域との間に、ＭｇＯ膜４２の直上の磁化反転領域を経由せずに電流が流れる経路が形成され得る。この経路に電流Ｉwの多くが流れると、磁化反転の効率が低下する。 (Initial setting of spatial light modulator)
In the spin-injection magnetization reversal element 5C according to this modification, the magnetization free layer 1C (TbFeCo layer 11) has a large coercive force in the region (magnetization fixed region) immediately above the lower electrode 6C and is difficult to reverse magnetization. In the optical modulation element 10C, since the magnetization free layer 1C is directly connected to the lower electrode 6C only in the magnetization fixed region, in the spin injection magnetization switching element 5C, the magnetization fixed layer 3A and the magnetization fixed region of the magnetization free layer 1C In the meantime, a path through which a current flows without passing through the magnetization switching region immediately above the MgO film 42 can be formed. When much of the current Iw flows through this path, the efficiency of magnetization reversal is reduced.

そこで、本変形例においては、磁化自由層１Ｃの磁化固定領域が、磁化固定層３Ａの磁化方向と逆向きに固定されていることが好ましい（図８参照）。そのために、次のような初期設定を行う。なお、磁化固定層３Ａと磁化自由層１Ｃのそれぞれの厚さ等にもよるが、ここでは、磁化固定層３Ａの方が磁化自由層１Ｃの磁化固定領域よりも保磁力が大きいものとする。まず、磁化固定層３Ａの保磁力よりも大きな磁界を印加して、磁化固定層３Ａおよび磁化自由層１Ｃを、共に上向きの磁化方向に揃える。次に、磁化固定層３Ａの保磁力よりも小さく、かつ磁化自由層１Ｃの磁化固定領域における保磁力よりも大きな磁界を逆向きに印加して、磁化自由層１Ｃ全体の磁化方向を下向きにする。このように、大きさと向きを切り替えて、２回の磁界印加を行う。   Therefore, in this modification, it is preferable that the magnetization fixed region of the magnetization free layer 1C is fixed in the opposite direction to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 3A (see FIG. 8). For this purpose, the following initial settings are made. Here, although it depends on the respective thicknesses of the magnetization fixed layer 3A and the magnetization free layer 1C, it is assumed here that the magnetization fixed layer 3A has a larger coercive force than the magnetization fixed region of the magnetization free layer 1C. First, a magnetic field larger than the coercive force of the magnetization fixed layer 3A is applied so that the magnetization fixed layer 3A and the magnetization free layer 1C are both aligned in the upward magnetization direction. Next, a magnetic field that is smaller than the coercive force of the magnetization fixed layer 3A and larger than the coercive force in the magnetization fixed region of the magnetization free layer 1C is applied in the opposite direction to make the magnetization direction of the entire magnetization free layer 1C downward. . In this way, the magnetic field is applied twice by switching the size and direction.

（磁化反転動作）
スピン注入磁化反転素子５Ｃの磁化反転動作を、図８（ａ）、（ｂ）を参照して、光変調素子１０Ｃにて説明する。なお、図８において、ＭｇＯ膜４２および保護膜４３Ａは図示を省略する。本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃは、第２、第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ，５Ｂと同様に、磁化反転動作が、図３（ａ）、（ｂ）に示す第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５とは、上下電極７Ａ，６Ｃ（７，６）から供給される電流Ｉwの向きと磁化自由層１Ｃ（１）の磁化方向との関係が逆になる。さらに光変調素子１０Ｃにおいては、磁化自由層１Ｃの一部の領域において磁化方向が変化しない。 (Magnetization reversal operation)
The magnetization reversal operation of the spin injection magnetization reversal element 5C will be described with reference to FIGS. 8A and 8B in the light modulation element 10C. In FIG. 8, the illustration of the MgO film 42 and the protective film 43A is omitted. The spin transfer magnetization reversal element 5C according to the present modification is similar to the spin transfer magnetization reversal elements 5A and 5B according to the second and third embodiments in that the magnetization reversal operation is shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). the induced magnetization switching element 5 of the first embodiment, the upper and lower electrodes 7A, the relationship between the magnetization direction of 6C (7, 6) the direction of the current I w supplied from the magnetization free layer 1C (1) reverse become. Furthermore, in the light modulation element 10C, the magnetization direction does not change in a partial region of the magnetization free layer 1C.

まず、磁化自由層１Ｃの全体が磁化固定層３Ａとは逆向きの下向きの磁化方向を示すスピン注入磁化反転素子５Ｃに、図８（ａ）に示すように、上部電極７Ａを「−」、下部電極６Ｃを「＋」にして、磁化自由層１Ｃ側から磁化固定層３Ａへ電流Ｉwを供給して、磁化固定層３Ａ側から電子を注入する。すると、磁化方向を上向きに固定された磁化固定層３Ａにより当該磁化固定層３Ａの磁化方向と向きの異なる下向きのスピンを持つ電子ｄDが弁別されて、上部電極７Ａから上向きのスピンを持つ電子ｄUが磁化固定層３Ａに偏って注入される。さらに、この電子ｄUは、障壁層２Ａを介して磁化自由層１Ｃに注入されるが、磁化方向が異なる下向きの下部電極６Ｃの直上の磁化固定領域には弁別されて注入されず、磁化反転領域の方に集中して注入され、その結果、磁化反転領域に限定して、磁化方向が上向きに反転する。 First, as shown in FIG. 8A, the upper electrode 7A is attached to “−”, as shown in FIG. 8A, on the spin injection magnetization switching element 5C in which the entire magnetization free layer 1C has a downward magnetization direction opposite to the magnetization fixed layer 3A. The lower electrode 6C is set to “+”, the current Iw is supplied from the magnetization free layer 1C side to the magnetization fixed layer 3A, and electrons are injected from the magnetization fixed layer 3A side. Then, the electrons d D having the downward spin different from the magnetization direction of the magnetization fixed layer 3A are discriminated by the magnetization fixed layer 3A whose magnetization direction is fixed upward, and the electrons having the upward spin from the upper electrode 7A. d U is biased and injected into the magnetization fixed layer 3A. Further, the electron d U will be injected in the magnetization free layer 1C through the barrier layer 2A, not injected is discriminated in the magnetization fixed region immediately above the magnetization directions are different downward lower electrode 6C, the magnetization reversal As a result, the magnetization direction is reversed upward only in the magnetization switching region.

反対に、図８（ｂ）に示すように、上部電極７Ａを「＋」、下部電極６Ｃを「−」にして、スピン注入磁化反転素子５Ｃに、磁化固定層３Ａ側から磁化自由層１Ｃへ電流Ｉwを供給して、磁化自由層１Ｃ側から電子を注入する。すると、磁化自由層１Ｃにおいて下部電極６Ｃの直上の磁化固定領域には、当該磁化固定領域の磁化方向と向きの異なる上向きのスピンを持つ電子ｄUが弁別されて、下部電極６Ｃから下向きのスピンを持つ電子ｄDが偏って注入される。この電子ｄDは、磁化固定層３Ａにより弁別されて磁化自由層１Ｃに留まるため、磁化固定領域から磁化反転領域へ注入される。また、磁化自由層１Ｃの磁化反転領域は、下部電極６Ｃの端（ＭｇＯ膜４２との境界）で接しているため、リーク等も含めてある程度の電子が下部電極６Ｃから直接に注入される。そのうちの上向きのスピンを持つ電子ｄUは障壁層２Ａを介して磁化固定層３Ａに注入されるため、下向きのスピンを持つ電子ｄDが偏って磁化自由層１Ｃに留まる。その結果、磁化自由層１Ｃの磁化反転領域における磁化方向が、下向きに反転する。 On the other hand, as shown in FIG. 8B, the upper electrode 7A is set to “+” and the lower electrode 6C is set to “−”, so that the spin injection magnetization switching element 5C is moved from the magnetization fixed layer 3A side to the magnetization free layer 1C. A current Iw is supplied to inject electrons from the magnetization free layer 1C side. Then, the magnetization in the magnetization fixed region directly above the lower electrode 6C in the free layer 1C, are discriminated electronic d U with different upward spin of the magnetization direction and the direction of the magnetization fixed area, a downward spin from lower electrode 6C Electrons d D having are injected with a bias. Since the electrons d D are discriminated by the magnetization fixed layer 3A and remain in the magnetization free layer 1C, they are injected from the magnetization fixed region into the magnetization switching region. Further, since the magnetization reversal region of the magnetization free layer 1C is in contact with the end of the lower electrode 6C (boundary with the MgO film 42), a certain amount of electrons including a leak is directly injected from the lower electrode 6C. Since electrons d U having an upward spin of which is injected into the magnetization fixed layer 3A through the barrier layer 2A, it remains in the magnetization free layer 1C biased electron d D having a downward spin. As a result, the magnetization direction in the magnetization switching region of the magnetization free layer 1C is reversed downward.

このように、磁化自由層１Ｃの一部の領域における保磁力が大きく、この領域を経由して電流が供給されるスピン注入磁化反転素子５Ｃは、予めこの領域の磁化方向を磁化固定層３Ａとは逆向きに固定されていることで、磁化自由層１Ｃの前記領域を除いて磁化反転させることができる。   Thus, the spin-injection magnetization reversal element 5C, which has a large coercive force in a partial region of the magnetization free layer 1C and is supplied with a current via this region, previously sets the magnetization direction of this region to the magnetization fixed layer 3A. Is fixed in the opposite direction, so that magnetization can be reversed except for the region of the magnetization free layer 1C.

（光変調動作、抵抗変化）
スピン注入磁化反転素子５Ｃは、磁化自由層１Ｃが下側に設けられているので、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図４参照）と同様に、光変調動作をする。また、スピン注入磁化反転素子５Ｃは、図３（ｃ）、（ｄ）に示すスピン注入磁化反転素子５と同様に、磁化自由層１Ｃ（１）の磁化方向により電極６Ｃ，７Ａ間の抵抗が変化する。 (Light modulation operation, resistance change)
Since the magnetization free layer 1C is provided on the lower side of the spin transfer magnetization switching element 5C, the spin transfer magnetization switching element 5C performs a light modulation operation in the same manner as the spin transfer magnetization switching element 5A according to the second embodiment (see FIG. 4). Further, the spin-injection magnetization reversal element 5C has a resistance between the electrodes 6C and 7A depending on the magnetization direction of the magnetization free layer 1C (1), similarly to the spin-injection magnetization reversal element 5 shown in FIGS. 3 (c) and 3 (d). Change.

第３実施形態およびその変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｃを備える光変調素子１０Ｂ，１０Ｃは、上部電極７Ａを、透明電極層７３を備える上部電極７（図１参照）に置き換えて、透過型の空間光変調器の光変調素子とすることもできる（図示せず）。この場合には、スピン注入磁化反転素子５Ｂの中間層２Ｂは、光透過性の比較的高い材料を適用されることが好ましい。   In the light modulation elements 10B and 10C including the spin injection magnetization reversal elements 5B and 5C according to the third embodiment and the modification thereof, the upper electrode 7A is replaced with the upper electrode 7 including the transparent electrode layer 73 (see FIG. 1). Also, it can be a light modulation element of a transmissive spatial light modulator (not shown). In this case, it is preferable that a material having a relatively high light transmittance is applied to the intermediate layer 2B of the spin injection magnetization switching element 5B.

第３実施形態およびその変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｃにおいて、中間層２Ｂ、障壁層２Ａは、ＴｂＦｅＣｏ層１１（磁化自由層１Ｂ，１Ｃ）の下地ではなく、ＴｂＦｅＣｏ層１１の保磁力に影響しないので、公知のスピン注入磁化反転素子の中間層や障壁層を適用することができる。したがって、スピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｃは、中間層２Ｂや障壁層２ＡをＭｇＯ以外の絶縁膜（障壁層）としたＴＭＲ素子としてもよい。障壁層は、Ａｌ2Ｏ3，ＨｆＯ2のような絶縁体や、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇのような絶縁体を含む積層膜を適用することができる。また、磁化固定層、磁化自由層は、このような障壁層との界面に設けられる磁性金属膜が、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂに限られず、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ等の遷移金属またはこれを含む合金を適用して、スピン偏極率を高くすることもできる。 In the spin-injection magnetization switching elements 5B and 5C according to the third embodiment and the modifications thereof, the intermediate layer 2B and the barrier layer 2A are not the base of the TbFeCo layer 11 (magnetization free layers 1B and 1C), but the TbFeCo layer 11 is retained. Since the magnetic force is not affected, an intermediate layer or a barrier layer of a known spin injection magnetization reversal element can be applied. Therefore, the spin injection magnetization reversal elements 5B and 5C may be TMR elements in which the intermediate layer 2B and the barrier layer 2A are insulating films (barrier layers) other than MgO. As the barrier layer, an insulator such as Al 2 O 3 or HfO 2 or a laminated film including an insulator such as Mg / MgO / Mg can be applied. In the magnetization fixed layer and the magnetization free layer, the magnetic metal film provided at the interface with such a barrier layer is not limited to Co—Fe or Co—Fe—B, and Co, Fe, Ni, Ni—Fe, A spin metal can be increased by applying a transition metal such as Co—Fe—Si or an alloy containing the same.

第３実施形態およびその変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｃは、磁化自由層１Ｂ，１Ｃおよび磁化固定層３Ｂ，３ＡにＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金（ＴｂＦｅＣｏ層１１，３１）が適用されて材料を共通化されているが、これに限られず、磁化固定層について、第１実施形態にて説明したような、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金以外の垂直磁気異方性を有する公知の磁性材料を適用することができる。   In the spin-injection magnetization reversal elements 5B and 5C according to the third embodiment and the modifications thereof, Tb—Fe—Co alloys (TbFeCo layers 11 and 31) are applied to the magnetization free layers 1B and 1C and the magnetization fixed layers 3B and 3A. However, the present invention is not limited to this, and a known magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy other than the Tb-Fe-Co alloy as described in the first embodiment is not limited to this. Can be applied.

以上のように、本発明の第３実施形態およびその変形例に係るスピン注入磁化反転素子は、第１実施形態と同様に、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる２つの層がそれぞれ、磁化自由層、磁化固定層として好適な保磁力を有しているので、安定した動作とすることができ、また、磁化自由層と磁化固定層に共通の材料が適用されているので生産性がよく、また、光変調度が大きく、コントラストのよい空間光変調器を構成することができる。さらに第３実施形態およびその変形例に係るスピン注入磁化反転素子は、中間層（障壁層）によらずに磁化自由層の保磁力が制御されているので、中間層の材料や厚さを磁化反転動作等に応じて設計することができる。   As described above, in the spin-injection magnetization switching element according to the third embodiment of the present invention and the modification thereof, the two layers made of Tb—Fe—Co are each a free magnetic layer, as in the first embodiment. Since it has a coercive force suitable as a magnetization fixed layer, it can be operated stably, and since a common material is applied to the magnetization free layer and the magnetization fixed layer, the productivity is good. A spatial light modulator having a high degree of light modulation and good contrast can be configured. Furthermore, since the coercive force of the magnetization free layer is controlled regardless of the intermediate layer (barrier layer), the spin injection magnetization reversal element according to the third embodiment and the modification thereof magnetizes the material and thickness of the intermediate layer. It can be designed according to the inversion operation or the like.

〔第４実施形態〕
本発明の第１、第２実施形態、ならびに第３実施形態およびその変形例においては、磁化自由層、中間層（障壁層）、磁化固定層を１層ずつ積層して備えるスピン注入磁化反転素子について説明したが、これに限られず、例えば、１つの磁化自由層の両面に中間層または障壁層を介して２つの磁化固定層を設けたデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子（特許文献４，５参照）においても適用し得て、同様の効果を有する。以下、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた磁気抵抗効果素子について説明する。第１、第２、第３実施形態（図１〜７参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。 [Fourth Embodiment]
In the first and second embodiments of the present invention, and the third embodiment and modifications thereof, a spin-injection magnetization reversal element comprising a magnetization free layer, an intermediate layer (barrier layer), and a magnetization fixed layer stacked one by one However, the present invention is not limited to this. For example, a spin-injection magnetization reversal element having a dual pin structure in which two magnetization fixed layers are provided on both surfaces of one magnetization free layer via an intermediate layer or a barrier layer (Patent Documents 4 and 4). 5)) and has the same effect. Hereinafter, the spin-injection magnetization switching element according to the fourth embodiment and the magnetoresistive effect element including the same will be described. The same elements as those in the first, second, and third embodiments (see FIGS. 1 to 7) are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

本発明の第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄは、図９に示すように、下から磁化固定層３、障壁層２、磁化自由層１Ｃ、障壁層２Ａ、磁化固定層３Ｃの順に積層された構成であり、さらに、最上層にすなわち磁化固定層３Ｃの上に保護膜４３Ａを備え、また、必要に応じて最下層にすなわち磁化固定層３の下に下地金属膜４１を備える。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄは、一対の電極である下部電極６と上部電極７Ａに接続されて、磁気抵抗効果素子１０Ｄを構成する。   As shown in FIG. 9, the spin-injection magnetization reversal element 5D according to the fourth embodiment of the present invention is arranged in the order of the magnetization fixed layer 3, the barrier layer 2, the magnetization free layer 1C, the barrier layer 2A, and the magnetization fixed layer 3C from the bottom. Further, a protective film 43A is provided on the uppermost layer, that is, on the magnetization fixed layer 3C, and a base metal film 41 is provided on the lowermost layer, that is, below the magnetization fixed layer 3, as necessary. The spin transfer magnetization switching element 5D according to the present embodiment is connected to a lower electrode 6 and an upper electrode 7A, which are a pair of electrodes, and constitutes a magnetoresistive element 10D.

磁気抵抗効果素子１０Ｄは、選択トランジスタ型のＭＲＡＭのメモリセルとして、下部電極６を経由してトランジスタ（図示省略）に接続され、光変調素子１０（図１参照）等と同様に２次元配列され、上部電極７Ａが面内における一方向（図９においては左右方向）に延設されてビット線として共有される。メモリセルのトランジスタは、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）であり、下部電極６はドレインに接続され、ソースおよびゲートに、互いに直交する配線であるソース線とワード線（図示省略）がそれぞれ接続される。   The magnetoresistive effect element 10D is connected to a transistor (not shown) via the lower electrode 6 as a memory cell of a select transistor type MRAM, and is two-dimensionally arranged like the light modulation element 10 (see FIG. 1) and the like. The upper electrode 7A extends in one direction in the plane (left and right in FIG. 9) and is shared as a bit line. The transistor of the memory cell is, for example, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), the lower electrode 6 is connected to the drain, and a source line and a word line (not shown) which are interconnects orthogonal to each other are connected to the source and the gate. Each is connected.

スピン注入磁化反転素子５Ｄは、磁気抵抗効果素子１０Ｄに適用されるので、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５等とは異なり、光変調のための平面視の大きさ（一辺の長さ）の下限が規定されず、磁化自由層１Ｃの磁化方向が保持される面積であればよい。具体的には、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、より好適に磁化反転するために、平面視の大きさが一般的なスピン注入磁化反転素子の３００ｎｍ×１００ｎｍ程度相当の面積であることが好ましい。   Since the spin transfer magnetization reversal element 5D is applied to the magnetoresistive effect element 10D, unlike the spin transfer magnetization reversal element 5 according to the first embodiment, the size in plan view for light modulation (the length of one side) The lower limit of (b) is not specified, and any area may be used as long as the magnetization direction of the magnetization free layer 1C is maintained. Specifically, the spin injection magnetization reversal element 5D preferably has an area equivalent to about 300 nm × 100 nm of a general spin injection magnetization reversal element in order to reverse the magnetization more suitably.

スピン注入磁化反転素子５Ｄは、磁化固定層３、障壁層２、磁化自由層１Ｃの３層からなるＴＭＲ素子と、磁化自由層１Ｃ、障壁層２Ａ、磁化固定層３Ｃの３層からなるＴＭＲ素子と、を磁化自由層１Ｃで接続して備えるデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子である。また、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、第３実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃ（図７参照）を、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図１参照）の上に、磁化自由層１ＣのＴｂＦｅＣｏ層１１を共有して組み合わせた構造といえる。障壁層２，２ＡがそれぞれＭｇＯからなるので、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、磁化自由層１Ｃ、および２つの磁化固定層３，３Ｃのすべてがそれぞれ、ＴｂＦｅＣｏ層（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層）１１，３１を主たる要素として備えることができる。以下、スピン注入磁化反転素子５Ｄを構成する要素について詳しく説明する。   The spin injection magnetization reversal element 5D includes a TMR element composed of three layers of a magnetization fixed layer 3, a barrier layer 2, and a magnetization free layer 1C, and a TMR element composed of three layers of a magnetization free layer 1C, a barrier layer 2A, and a magnetization fixed layer 3C. Are connected to each other by a magnetization free layer 1C. Further, the spin transfer magnetization reversal element 5D is different from the spin transfer magnetization reversal element 5C (see FIG. 7) according to the modification of the third embodiment to the spin transfer magnetization reversal element 5 (refer to FIG. 1) according to the first embodiment. Furthermore, it can be said that the TbFeCo layer 11 of the magnetization free layer 1C is shared and combined. Since each of the barrier layers 2 and 2A is made of MgO, the spin injection magnetization reversal element 5D has a magnetization free layer 1C and two magnetization fixed layers 3 and 3C, all of which are TbFeCo layers (layers made of Tb-Fe-Co). ) 11 and 31 can be provided as main elements. Hereinafter, the elements constituting the spin transfer magnetization switching element 5D will be described in detail.

（磁化固定層）
スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいて磁化自由層１Ｃの下側に設けられた磁化固定層３は、下部電極６または下地金属膜４１上に形成され、第１実施形態（図１参照）と同様に、下すなわち下部電極６の側から、ＴｂＦｅＣｏ層３１、ＣｏＦｅ膜３２の２層構造を有する。ＴｂＦｅＣｏ層３１、ＣｏＦｅ膜３２の各構成は、第１実施形態にて説明した通りである。磁化固定層３におけるＴｂＦｅＣｏ層３１は、金属（下部電極６または下地金属膜４１）上に成膜されているので、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金本来の大きな保磁力を有する。一方、スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいて磁化自由層１Ｃの上側に設けられた磁化固定層３Ｃは、第２実施形態（図４参照）の磁化固定層３Ａと同様に、ＭｇＯからなる障壁層２Ａ上に形成され、障壁層２Ａの側から、ＣｏＦｅ膜３２Ｃ、ＴｂＦｅＣｏ層３１の２層構造を有する。ＣｏＦｅ膜３２Ｃの構成は、第２実施形態のＣｏＦｅ膜３２Ａと同様とすることができる。ただし後記するように、磁化固定層３Ｃは、保磁力が磁化自由層１Ｃに対して十分に大きく、かつ磁化固定層３よりも小さくなるように設計され、そのために、下地である障壁層２Ａの影響が適度に生じるように、ＴｂＦｅＣｏ層３１やＣｏＦｅ膜３２Ｃの厚さが調整される。 (Magnetic pinned layer)
In the spin injection magnetization reversal element 5D, the magnetization fixed layer 3 provided below the magnetization free layer 1C is formed on the lower electrode 6 or the base metal film 41, and as in the first embodiment (see FIG. 1), It has a two-layer structure of a TbFeCo layer 31 and a CoFe film 32 from below, that is, from the lower electrode 6 side. Each configuration of the TbFeCo layer 31 and the CoFe film 32 is as described in the first embodiment. Since the TbFeCo layer 31 in the magnetization fixed layer 3 is formed on the metal (the lower electrode 6 or the base metal film 41), it has a large coercive force inherent to the Tb—Fe—Co alloy. On the other hand, similarly to the magnetization fixed layer 3A of the second embodiment (see FIG. 4), the magnetization fixed layer 3C provided on the upper side of the magnetization free layer 1C in the spin injection magnetization reversal element 5D is on the barrier layer 2A made of MgO. And has a two-layer structure of a CoFe film 32C and a TbFeCo layer 31 from the side of the barrier layer 2A. The configuration of the CoFe film 32C can be the same as that of the CoFe film 32A of the second embodiment. However, as will be described later, the magnetization fixed layer 3C is designed so that the coercive force is sufficiently larger than that of the magnetization free layer 1C and smaller than the magnetization fixed layer 3, so that the barrier layer 2A which is the base is formed. The thicknesses of the TbFeCo layer 31 and the CoFe film 32C are adjusted so that the influence is moderately generated.

（障壁層）
障壁層２，２Ａは、それぞれ第１、第２実施形態と同様の構成とすることができる。特にスピン注入磁化反転素子５Ｄにおいては、後記するように磁化自由層１Ｃの磁化反転により電極６，７Ａ間の抵抗を変化させるために、上下２つのＴＭＲ素子の各抵抗が異なるように、例えば障壁層２，２Ａで互いに厚さを変えてもよい。 (Barrier layer)
The barrier layers 2 and 2A can have the same configuration as that of the first and second embodiments, respectively. Particularly in the spin-injection magnetization reversal element 5D, in order to change the resistance between the electrodes 6 and 7A by the magnetization reversal of the magnetization free layer 1C as will be described later, for example, the resistances of the two upper and lower TMR elements are different. The layers 2 and 2A may have different thicknesses.

（磁化自由層）
磁化自由層１Ｃは、スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいて２つのＴＭＲ素子に共有される磁化自由層であるが、上側のＴＭＲ素子を構成する障壁層２Ａの側の界面にのみＣｏＦｅ膜１２Ａを備える。このように、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、磁化自由層１Ｃの下側にＣｏＦｅ膜１２（図１参照）を備えないことで、第３実施形態やその変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｃ（図５、図７参照）における磁化自由層１Ｂ，１Ｃと同様に、ＴｂＦｅＣｏ層１１がＭｇＯ膜（障壁層２）の上に直接に成膜されることにより、保磁力がいっそう小さくなる。さらにスピン注入磁化反転素子５Ｄは、上下２つのＴＭＲ素子がＣｏＦｅ膜の有無の異なる構成にすることで、後記するように磁化自由層１Ｃの磁化方向により電極６，７Ａ間の抵抗が変化する。 (Magnetization free layer)
The magnetization free layer 1C is a magnetization free layer shared by the two TMR elements in the spin injection magnetization switching element 5D, but includes the CoFe film 12A only at the interface on the side of the barrier layer 2A constituting the upper TMR element. As described above, the spin-injection magnetization reversal element 5D does not include the CoFe film 12 (see FIG. 1) below the magnetization free layer 1C, so that the spin-injection magnetization reversal element 5B according to the third embodiment or its modification is provided. , 5C (see FIGS. 5 and 7), the coercive force is further reduced by forming the TbFeCo layer 11 directly on the MgO film (barrier layer 2) as in the magnetization free layers 1B and 1C. . Further, in the spin-injection magnetization switching element 5D, the resistance between the electrodes 6 and 7A varies depending on the magnetization direction of the magnetization free layer 1C, as will be described later, by making the upper and lower TMR elements different in the presence or absence of the CoFe film.

（保護膜）
下地金属膜４１、保護膜４３Ａは、第１実施形態およびその変形例（図１、図４参照）と同様の構成である。
以下に、磁気抵抗効果素子１０Ｄを構成するスピン注入磁化反転素子５Ｄ以外の要素について説明する。 (Protective film)
The base metal film 41 and the protective film 43A have the same configuration as that of the first embodiment and the modifications thereof (see FIGS. 1 and 4).
Hereinafter, elements other than the spin injection magnetization switching element 5D constituting the magnetoresistive effect element 10D will be described.

（電極）
磁気抵抗効果素子１０Ｄは光を透過する必要がないので、下部電極６、上部電極７Ａ、ならびにソース線およびワード線（図示省略）は、第１実施形態の下部電極６等と同様の金属電極材料で形成される。 (electrode)
Since the magnetoresistive effect element 10D does not need to transmit light, the lower electrode 6, the upper electrode 7A, the source line and the word line (not shown) are the same metal electrode materials as the lower electrode 6 and the like of the first embodiment. Formed with.

（絶縁層、基板）
絶縁層８は、第１、第２実施形態と同様の構成とすることができる。磁気抵抗効果素子１０Ｄが形成される基板（図示省略）は、磁気抵抗効果素子１０Ｄがトランジスタに接続されるために、表層にＭＯＳＦＥＴを形成されたｐ型シリコン（Ｓｉ）基板が適用される。 (Insulating layer, substrate)
The insulating layer 8 can have the same configuration as in the first and second embodiments. As the substrate (not shown) on which the magnetoresistive effect element 10D is formed, a p-type silicon (Si) substrate having a MOSFET formed on the surface layer is used in order to connect the magnetoresistive effect element 10D to the transistor.

（磁気抵抗効果素子の製造方法）
第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄを備える磁気抵抗効果素子１０Ｄは、前記したように、表層にＭＯＳＦＥＴを形成されたＳｉ基板上に、ソース線およびワード線を金属電極材料で形成された上に、絶縁膜を介してスピン注入磁化反転素子５Ｄを形成して製造することができる。スピン注入磁化反転素子５Ｄは、第１、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５，５Ａと同様に形成することができる。 (Method for manufacturing magnetoresistive element)
As described above, the magnetoresistive effect element 10D including the spin-injection magnetization switching element 5D according to the fourth embodiment has the source line and the word line formed of the metal electrode material on the Si substrate having the MOSFET formed on the surface layer. In addition, the spin-injection magnetization switching element 5D can be formed and manufactured through an insulating film. The spin transfer magnetization switching element 5D can be formed in the same manner as the spin transfer magnetization switching elements 5 and 5A according to the first and second embodiments.

（ＭＲＡＭの初期設定）
磁気抵抗効果素子１０Ｄを配列したＭＲＡＭについても、空間光変調器と同様に、すべてのメモリセルの磁気抵抗効果素子１０Ｄが、スピン注入磁化反転素子５Ｄの磁化固定層３，３Ｃの磁化方向がそれぞれ所定の向きに固定されている必要がある。ただし、スピン注入磁化反転素子５Ｄの２層の磁化固定層３，３Ｃは、磁化方向が互いに逆向きに固定される。したがって、第３実施形態の変形例と同様に、大きさと向きを切り替えて、２回の磁界印加を行う。 (MRAM initial setting)
Also in the MRAM in which the magnetoresistive effect element 10D is arranged, the magnetoresistive effect element 10D of all the memory cells has the magnetization directions of the magnetization fixed layers 3 and 3C of the spin injection magnetization reversal element 5D, respectively, as in the spatial light modulator. It must be fixed in a predetermined orientation. However, the magnetization directions of the two magnetization fixed layers 3 and 3C of the spin injection magnetization reversal element 5D are fixed to be opposite to each other. Therefore, similarly to the modification of the third embodiment, the magnetic field is applied twice by switching the size and direction.

（磁化反転動作）
メモリセルの書込みとして、磁気抵抗効果素子１０Ｄにおけるスピン注入磁化反転素子５Ｄの磁化反転が行われる。スピン注入磁化反転素子５Ｄは、磁化方向が互いに逆向きに固定された磁化固定層３，３Ｃにより、磁化固定層３，３Ｃの電子を注入する側（「−」に接続した側）の磁化方向と同じ向きに磁化自由層１Ｃが磁化反転する。例えば、下部電極６に接続した磁化固定層３が上向きに（図３（ａ）、（ｂ）参照）、上部電極７Ａに接続した磁化固定層３Ｃが下向きに、それぞれ磁化方向が固定されているとする。この場合に、図３（ａ）に示すように、下部電極６を「−」に、上部電極７Ａ（７）を「＋」にして、磁化固定層３の側から電子を注入する。すると、図３（ａ）と同様に、磁化固定層３で当該磁化固定層３の磁化方向と逆の下向きのスピンを持つ電子ｄDが弁別されて、下部電極６からは上向きのスピンを持つ電子ｄUが偏って磁化固定層３に注入され、さらに障壁層２を介して磁化自由層１Ｃ（１）に注入される。さらに磁化自由層１Ｃに注入された電子ｄUは、磁化方向が逆の下向きに固定された磁化固定層３Ｃで弁別されるために磁化自由層１Ｃに留まり易く（図示省略）、その結果、磁化自由層１Ｃの磁化方向が、磁化固定層３と同じ上向きへ反転する。反対に、図３（ｂ）に示すように、上部電極７Ａ（７）を「−」に、下部電極６を「＋」にして、磁化固定層３Ｃの側から電子を注入すると、磁化自由層１Ｃの磁化方向が磁化固定層３Ｃと同じ下向きへ反転する。このように、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、通常の（シングルピン構造の）スピン注入磁化反転素子５（図３参照）等と同様に、一対の電極で磁化反転させることができ、さらに、上下２層の磁化固定層３，３Ｃにより効率的に磁化反転する。 (Magnetization reversal operation)
As the memory cell write, the magnetization reversal of the spin injection magnetization reversal element 5D in the magnetoresistive effect element 10D is performed. The spin injection magnetization reversal element 5D has a magnetization direction on the side where electrons are injected from the magnetization fixed layers 3 and 3C (the side connected to “−”) by the magnetization fixed layers 3 and 3C whose magnetization directions are fixed in opposite directions. The magnetization free layer 1C is reversed in magnetization in the same direction. For example, the magnetization fixed layer 3 connected to the lower electrode 6 faces upward (see FIGS. 3A and 3B), and the magnetization fixed layer 3C connected to the upper electrode 7A faces downward, and the magnetization direction is fixed. And In this case, as shown in FIG. 3A, the lower electrode 6 is set to “−” and the upper electrode 7A (7) is set to “+”, and electrons are injected from the magnetization fixed layer 3 side. Then, as in FIG. 3A, electrons d D having a downward spin opposite to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 3 are discriminated by the magnetization fixed layer 3 and have an upward spin from the lower electrode 6. are injected into the magnetization fixed layer 3 biased electron d U, it is further through the barrier layer 2 injected into the magnetization free layer 1C (1). Further electronic d U is injected into the free layer 1C, easily remain in the magnetization free layer 1C to the magnetization direction is discriminated in reverse magnetization fixed layer 3C fixed downward (not shown), as a result, the magnetization The magnetization direction of the free layer 1 </ b> C is reversed to the same upward direction as that of the magnetization fixed layer 3. On the contrary, as shown in FIG. 3B, when the upper electrode 7A (7) is set to “−”, the lower electrode 6 is set to “+”, and electrons are injected from the magnetization fixed layer 3C side, the magnetization free layer The magnetization direction of 1C is reversed to the same downward direction as the magnetization fixed layer 3C. As described above, the spin-injection magnetization reversal element 5D can be reversed in magnetization by a pair of electrodes in the same manner as the normal (single-pin structure) spin-injection magnetization reversal element 5 (see FIG. 3). Magnetization is efficiently reversed by the two magnetization fixed layers 3 and 3C.

（抵抗変化）
メモリセルの読出しは、一般的な選択トランジスタ型のＭＲＡＭと同様に、スピン注入磁化反転素子５Ｄが磁化反転しない所定の大きさの定電流（電流Ｉr）を供給したときの電極６，７Ａ間の電圧の値から判定される（図３（ｃ）、（ｄ）参照）。ここで、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄは、２つのＴＭＲ素子が磁化自由層１Ｃを共有するデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子である。そして、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、前記したように磁化固定層３，３Ｃの磁化方向が互いに逆向きに固定されているために、常に、磁化自由層１Ｃの磁化方向が磁化固定層３，３Ｃの一方と平行かつ他方と反平行である。したがって、２つのＴＭＲ素子の抵抗およびその変化率が同値であると、電極６，７Ａ間の抵抗が実質的に変化しないことになる（特許文献７参照）。そこで、スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいては、上側のＴＭＲ素子が障壁層２Ａの両面にＣｏＦｅ膜１２Ａ，３２Ｃを備えるのに対し、下側のＴＭＲ素子が障壁層２の片面（下面、磁化固定層３側）にのみＣｏＦｅ膜３２を備えることによりＭＲ比を低く抑えている。このような構造により、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、ＭＲ比の高い上側のＴＭＲ素子（磁化自由層１Ｃ、障壁層２Ａ、磁化固定層３Ｃ）において磁化方向が反平行であるときに全体の抵抗が高くなり、磁気抵抗効果素子１０Ｄは、磁化自由層１Ｃの磁化方向により、電極６，７Ａ間の抵抗が変化する。 (Resistance change)
Reading of the memory cell is performed between the electrodes 6 and 7A when a constant current (current I r ) of a predetermined magnitude that does not cause magnetization reversal is supplied by the spin-injection magnetization reversal element 5D, as in a general select transistor type MRAM. (See FIGS. 3C and 3D). Here, the spin-injection magnetization switching element 5D according to the fourth embodiment is a dual-pin structure spin-transfer magnetization switching element in which two TMR elements share the magnetization free layer 1C. In the spin-injection magnetization switching element 5D, since the magnetization directions of the magnetization fixed layers 3 and 3C are fixed in the opposite directions as described above, the magnetization direction of the magnetization free layer 1C is always the magnetization fixed layer 3 and 3C. It is parallel to one of 3C and antiparallel to the other. Therefore, when the resistance of the two TMR elements and the rate of change thereof are the same, the resistance between the electrodes 6 and 7A does not substantially change (see Patent Document 7). Therefore, in the spin injection magnetization reversal element 5D, the upper TMR element includes the CoFe films 12A and 32C on both surfaces of the barrier layer 2A, whereas the lower TMR element has one surface (the lower surface, the magnetization fixed layer) of the barrier layer 2. By providing the CoFe film 32 only on the third side), the MR ratio is kept low. With such a structure, the spin-injection magnetization reversal element 5D has an overall resistance when the magnetization direction is antiparallel in the upper TMR element (magnetization free layer 1C, barrier layer 2A, magnetization fixed layer 3C) having a high MR ratio. In the magnetoresistive element 10D, the resistance between the electrodes 6 and 7A changes depending on the magnetization direction of the magnetization free layer 1C.

なお、磁気抵抗効果素子１０Ｄにおいて、下部電極６は、トランジスタを経由してソース線に接続し、この接続は、スピン注入磁化反転素子５Ｄに供給される電流とは別の電流（ゲート電流）によりＯＮ／ＯＦＦする。したがって、ＭＲＡＭにおいて、書込み、読出しの電流Ｉw，Ｉrは、上部電極７Ａ（ビット線）とソース線を一対の電極としてスピン注入磁化反転素子５Ｄに供給される。 In the magnetoresistive effect element 10D, the lower electrode 6 is connected to a source line via a transistor, and this connection is caused by a current (gate current) different from the current supplied to the spin injection magnetization switching element 5D. Turn ON / OFF. Therefore, in the MRAM, the write and read currents I w and I r are supplied to the spin transfer magnetization switching element 5D using the upper electrode 7A (bit line) and the source line as a pair of electrodes.

磁気抵抗効果素子１０Ｄは、ＭＯＳＦＥＴに代えて、ダイオードを接続されてメモリセルとしてもよい。ダイオードについても、ＭＯＳＦＥＴと同様に、Ｓｉ基板の表層に形成することができる。あるいは、磁気抵抗効果素子１０Ｄは、トランジスタに接続されずに、下部電極６をワード線とするクロスポイント型のＭＲＡＭのメモリセルとしてもよい（図示せず）。   The magnetoresistive element 10D may be a memory cell by connecting a diode instead of the MOSFET. The diode can also be formed on the surface layer of the Si substrate, like the MOSFET. Alternatively, the magnetoresistive effect element 10D may be a memory cell of a cross-point type MRAM (not shown) that is not connected to a transistor but has the lower electrode 6 as a word line.

（変形例）
第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄは、上側の障壁層２ＡをＭｇＯ以外の絶縁膜で形成してもよく、あるいは非磁性金属膜等からなる中間層２Ｂ（図５参照）に替えて、ＴＭＲ素子とＣＰＰ−ＧＭＲ素子を備えるデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子としてもよい。なお、障壁層２Ａを中間層２Ｂに替えた場合は、その上下のＣｏＦｅ膜３２Ｃ，１２Ａは不要であり、また、障壁層の材料に応じて異なる磁性金属膜に替えてもよい。さらにこれらの場合には、磁化自由層１Ｃの下側の界面にもＣｏＦｅ膜１２（図１参照）を設けて、下側の障壁層２を備えるＴＭＲ素子の方のＭＲ比を高くすることが好ましい。 (Modification)
In the spin transfer magnetization switching element 5D according to the fourth embodiment, the upper barrier layer 2A may be formed of an insulating film other than MgO, or may be replaced with an intermediate layer 2B (see FIG. 5) made of a nonmagnetic metal film or the like. Thus, a spin-injection magnetization reversal element having a dual pin structure including a TMR element and a CPP-GMR element may be used. When the barrier layer 2A is replaced with the intermediate layer 2B, the upper and lower CoFe films 32C and 12A are not necessary, and may be replaced with different magnetic metal films depending on the material of the barrier layer. Further, in these cases, a CoFe film 12 (see FIG. 1) is also provided on the lower interface of the magnetization free layer 1C to increase the MR ratio of the TMR element including the lower barrier layer 2. preferable.

また、スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいて、磁化固定層３，３Ｃの保磁力の差は、厚さや磁化固定層３Ｃの下地の障壁層２Ａ（ＭｇＯ膜）によらず、ＴｂＦｅＣｏ層３１の組成や成膜時の雰囲気（キャリアガス圧）を調整することにより異なるものとしてもよく、あるいは磁化固定層３，３Ｃの一方をＴｂＦｅＣｏ層３１以外の磁性層に替えてもよい。また、例えば上側の障壁層２Ａを中間層２Ｂに替える等して、その上の磁化固定層３Ｃ（３Ｂ）が磁化固定層３と保磁力の差がなくても、磁化固定層３，３Ｂの一方に交換結合膜を積層すればよく、これにより、初期設定における１回の外部磁界印加により他方の磁化固定層と逆向きの磁化方向に固定されるようにすることができる（図示せず）。   In the spin-injection magnetization reversal element 5D, the difference in coercive force between the magnetization fixed layers 3 and 3C depends on the composition and composition of the TbFeCo layer 31 regardless of the thickness and the barrier layer 2A (MgO film) underlying the magnetization fixed layer 3C. It may be different by adjusting the atmosphere (carrier gas pressure) during film formation, or one of the magnetization fixed layers 3 and 3C may be replaced with a magnetic layer other than the TbFeCo layer 31. Further, even if, for example, the upper barrier layer 2A is replaced with the intermediate layer 2B, the magnetization fixed layer 3C (3B) on the upper barrier layer 2A does not have a difference in coercive force from the magnetization fixed layer 3, so It is only necessary to stack an exchange coupling film on one side, so that it can be fixed in a magnetization direction opposite to the other magnetization fixed layer by applying an external magnetic field once in the initial setting (not shown). .

以上のように、本発明の第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、２つの磁化固定層および１つの磁化自由層のそれぞれにおいて、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層が互いに異なる好適な保磁力を有しているので、安定した動作とすることができ、また、３つの磁性層に共通の材料が適用されているので、生産性がよい。   As described above, the spin-injection magnetization switching element according to the fourth embodiment of the present invention is suitable for the two magnetization fixed layers and one magnetization free layer in which the layers made of Tb—Fe—Co are different from each other. Since it has a magnetic force, it can be operated stably, and since a common material is applied to the three magnetic layers, the productivity is good.

本発明の第１、第２実施形態、第３実施形態およびその変形例に係るスピン注入磁化反転素子５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄ（図９参照）と同様に、ＭＲＡＭのメモリセルの磁気抵抗効果素子に適用されてもよい。この場合には、下部電極６と上部電極７Ａのように、一対の電極の両方に金属電極材料を適用することができ、また下部電極６Ｂ，６Ｃ（図５、図７参照）の貫通孔が不要であり、さらに、表層にＭＯＳＦＥＴを形成されたＳｉ基板上に形成されて、下部電極６等でトランジスタのドレインに接続してもよい（図示せず）。あるいは、スピン注入磁化反転素子５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、光変調素子に適用される場合においてもトランジスタを接続して、電流の消費が抑制された空間光変調器を構成することができる。ただし、スピン注入磁化反転素子５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、下方から光を入射する光変調素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ（図４、図５、図７参照）に適用されるため、光変調素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを配列した基板９Ａに、ＭＯＳＦＥＴやソース線等の配線を形成されたＳｉ基板を、水酸基接合等の常温接合により貼り合わせて、上部電極７Ａでトランジスタのドレインに接続する。   The spin injection magnetization reversal elements 5, 5A, 5B, and 5C according to the first, second, third, and modifications of the present invention are the same as the spin injection magnetization reversal element 5D according to the fourth embodiment (FIG. 9). Similarly to the reference), the present invention may be applied to a magnetoresistive element of an MRAM memory cell. In this case, like the lower electrode 6 and the upper electrode 7A, the metal electrode material can be applied to both of the pair of electrodes, and the through holes of the lower electrodes 6B and 6C (see FIGS. 5 and 7) are provided. Further, it is unnecessary and may be formed on a Si substrate having a MOSFET formed on the surface layer and connected to the drain of the transistor by the lower electrode 6 or the like (not shown). Alternatively, the spin-injection magnetization reversal elements 5, 5A, 5B, and 5C can form a spatial light modulator in which current consumption is suppressed by connecting transistors even when applied to the light modulation element. However, since the spin injection magnetization reversal elements 5A, 5B, and 5C are applied to the light modulation elements 10A, 10B, and 10C (see FIGS. 4, 5, and 7) that receive light from below, the light modulation elements 10A, 10A, A Si substrate on which wirings such as MOSFETs and source lines are formed is bonded to a substrate 9A on which 10B and 10C are arranged by room temperature bonding such as hydroxyl bonding, and is connected to the drain of the transistor with the upper electrode 7A.

〔第５実施形態〕
本発明の第３実施形態およびその変形例では、中間層（障壁層）によらずに磁化自由層の下に絶縁体であるＭｇＯ膜を設けるために、磁化自由層が下面の周縁か側面に制限して下部電極を接続される。これに対して、１つの磁化自由層の一面に中間層または障壁層を介して２つの磁化固定層を設けた並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子（特許文献６，７参照）であれば、磁化自由層が電極に接続される必要がなく、また他面に別の磁性層等が設けられていないので、この他面を下にして下地にＭｇＯ膜を設けることに制約がない。以下、第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた光変調素子について説明する。第１〜第４実施形態（図１〜９参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。 [Fifth Embodiment]
In the third embodiment of the present invention and its modification, in order to provide an MgO film as an insulator under the magnetization free layer without using the intermediate layer (barrier layer), the magnetization free layer is formed on the peripheral edge or side surface of the lower surface. The lower electrode is connected with restriction. On the other hand, a spin injection magnetization reversal element having a parallel dual pin structure in which two magnetization fixed layers are provided on one surface of one magnetization free layer via an intermediate layer or a barrier layer (see Patent Documents 6 and 7). In this case, the magnetization free layer does not need to be connected to the electrode, and another magnetic layer or the like is not provided on the other surface, so there is no restriction on providing the MgO film on the base with this other surface facing down. Hereinafter, a spin-injection magnetization switching element according to a fifth embodiment and a light modulation element including the same will be described. The same elements as those in the first to fourth embodiments (see FIGS. 1 to 9) are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

本発明の第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅは、図１０に示すように、１つの磁化自由層１Ｃとその上に積層された障壁層２Ａのさらに上に、膜面方向に離間した２つの磁化固定層３Ａ，３Ｃが積層された構成であり、２つの磁化固定層３Ａ，３Ｃ上に一対の電極である第１電極７１と第２電極７２が接続されて、光変調素子１０Ｅを構成する。スピン注入磁化反転素子５Ｅは、さらに、磁化固定層３Ａ，３Ｃのそれぞれの上に保護膜４３Ａ，４３Ａを備える。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅは、ＭｇＯ膜４２の上に直接に設けられ、すなわち磁化自由層１ＣがＭｇＯ膜４２の上に形成されている。スピン注入磁化反転素子５Ｅは、一対の電極７１，７２の両方が、磁化自由層１Ｃの上側に設けられた磁化固定層３Ａ，３Ｃ上に接続されるので、磁化自由層１Ｃの下側に絶縁体であるＭｇＯ膜４２が設けられても電気的な接続が妨げられない。したがって、磁化自由層１Ｃ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）の全体がＭｇＯ膜４２の上に直接に成膜されることにより保磁力が小さくなる。さらに、障壁層２ＡがＭｇＯからなることにより、後記製造方法にて説明するように、平面視形状の異なる磁化自由層１Ｃと磁化固定層３Ａ，３Ｃを備えるスピン注入磁化反転素子５Ｅにおいて、耐熱性に劣るＴｂＦｅＣｏ層１１を磁化自由層１Ｃに適用することができる。   As shown in FIG. 10, the spin-injection magnetization switching element 5E according to the fifth embodiment of the present invention is separated in the film surface direction further above one magnetization free layer 1C and a barrier layer 2A stacked thereon. The two magnetization fixed layers 3A and 3C are stacked, and the first electrode 71 and the second electrode 72, which are a pair of electrodes, are connected to the two magnetization fixed layers 3A and 3C, and the light modulation element 10E. Configure. The spin injection magnetization switching element 5E further includes protective films 43A and 43A on the magnetization fixed layers 3A and 3C, respectively. The spin-injection magnetization switching element 5E according to this embodiment is provided directly on the MgO film 42, that is, the magnetization free layer 1C is formed on the MgO film 42. In the spin-injection magnetization reversal element 5E, since both of the pair of electrodes 71 and 72 are connected on the magnetization fixed layers 3A and 3C provided on the upper side of the magnetization free layer 1C, they are insulated on the lower side of the magnetization free layer 1C. Even if the MgO film 42 as a body is provided, electrical connection is not hindered. Therefore, the entire magnetization free layer 1 </ b> C (TbFeCo layer 11) is directly formed on the MgO film 42 to reduce the coercive force. Further, since the barrier layer 2A is made of MgO, as described later in the manufacturing method, in the spin-injection magnetization switching element 5E including the magnetization free layer 1C and the magnetization fixed layers 3A and 3C having different shapes in plan view, Can be applied to the magnetization free layer 1C.

光変調素子１０Ｅは、スピン注入磁化反転素子５Ｅが下側に磁化自由層１Ｃを備え、さらにその下に電極が接続されていないため、第２実施形態の光変調素子１０Ａ（図４参照）と同様に、反射型の空間光変調器の画素として透明な基板９Ａ上に２次元配列されて、下方から入射した光を反射させて下方へ出射する。光変調素子１０Ｅにおいて、一対の電極７１，７２は、第１実施形態の光変調素子１０における一対の電極６，７（図１参照）と同様に、一方を行方向に、他方を列方向に、それぞれ延設される。図１０においては、磁化固定層３Ａ，３Ｃが左右方向に並んで設けられているため、第１電極７１は、下側（スピン注入磁化反転素子５Ｅに近い側）に設けられて磁化固定層３Ａに接続し、手前−奥方向（紙面垂直方向）に延設された帯状に形成されている。一方、第２電極７２は、第１電極７１の上方で、第１電極７１と直交して左右方向に延設された帯状に形成され、コンタクト部（第２電極７２の帯状部分と第１電極７１の層間部）を経由して磁化固定層３Ｃに接続する。   In the light modulation element 10E, the spin injection magnetization reversal element 5E includes the magnetization free layer 1C on the lower side, and no electrode is connected thereunder, so that the light modulation element 10E and the light modulation element 10A of the second embodiment (see FIG. 4) Similarly, the pixels of the reflective spatial light modulator are two-dimensionally arranged on the transparent substrate 9A to reflect the light incident from below and emit the light downward. In the light modulation element 10E, the pair of electrodes 71 and 72 is one in the row direction and the other in the column direction, like the pair of electrodes 6 and 7 (see FIG. 1) in the light modulation element 10 of the first embodiment. , Respectively. In FIG. 10, since the magnetization fixed layers 3A and 3C are provided side by side in the left-right direction, the first electrode 71 is provided on the lower side (side closer to the spin-injection magnetization switching element 5E), and the magnetization fixed layer 3A. And is formed in a strip shape extending in the front-back direction (perpendicular to the paper surface). On the other hand, the second electrode 72 is formed in a strip shape extending in the left-right direction orthogonal to the first electrode 71 above the first electrode 71, and a contact portion (a strip portion of the second electrode 72 and the first electrode). 71 to the magnetization fixed layer 3C.

障壁層２Ａは絶縁体であるＭｇＯからなるので、スピン注入磁化反転素子５Ｅは、１つの磁化自由層１Ｃの上に、膜面方向に並んで２つの磁化固定層３Ａ，３Ｃがそれぞれ障壁層２Ａ，２Ａを挟んで積層された構成であるといえる。また、スピン注入磁化反転素子５Ｅは、磁化自由層１Ｃ、障壁層２Ａ、磁化固定層３Ａと、磁化自由層１Ｃ、障壁層２Ａ、磁化固定層３Ｃと、の各３層からなる２つのスピン注入磁化反転素子（ＴＭＲ素子）を磁化自由層１Ｃで接続した構成である。これら３層が積層された各領域がスピン注入磁化反転素子として機能するので、それぞれの平面視形状がスピン注入磁化反転素子として好適なものであればよく、磁化固定層３Ａ，３Ｃについては、例えば各１００ｎｍ×３００ｎｍにすることができる。一方、磁化自由層１Ｃは、詳しくは後記するように、スピン注入磁化反転素子として機能する磁化固定層３Ａ，３Ｃが積層された２つの領域と、これら２つの領域に挟まれた領域とにおいて、磁化反転し、すなわち光変調素子として機能するので、これらを合わせた平面視サイズを例えば３００ｎｍ×３００ｎｍにして、光変調素子に好適なサイズにすることができる。なお、磁化固定層３Ａ，３Ｃ間の距離については特に規定されない。   Since the barrier layer 2A is made of MgO which is an insulator, the spin-injection magnetization switching element 5E has two magnetization fixed layers 3A and 3C arranged on the one magnetization free layer 1C in the film surface direction, respectively. , 2A can be said to be laminated. In addition, the spin injection magnetization reversal element 5E includes two spin injections each including three layers of a magnetization free layer 1C, a barrier layer 2A, a magnetization fixed layer 3A, a magnetization free layer 1C, a barrier layer 2A, and a magnetization fixed layer 3C. A magnetization reversal element (TMR element) is connected by a magnetization free layer 1C. Since each region where these three layers are stacked functions as a spin-injection magnetization reversal element, the shape in plan view may be any suitable as a spin-injection magnetization reversal element. For the magnetization fixed layers 3A and 3C, for example, Each can be 100 nm × 300 nm. On the other hand, as will be described in detail later, the magnetization free layer 1C includes two regions in which magnetization fixed layers 3A and 3C functioning as spin injection magnetization reversal elements are stacked, and a region sandwiched between these two regions. Since the magnetization is reversed, that is, it functions as an optical modulation element, the combined size in plan view can be set to, for example, 300 nm × 300 nm to be a suitable size for the optical modulation element. The distance between the magnetization fixed layers 3A and 3C is not particularly specified.

また、図１０に示すように、スピン注入磁化反転素子５Ｅにおいて、磁化自由層１Ｃは、並んだ磁化固定層３Ａ，３Ｃの外側へ張り出して拡張して形成されていることが好ましい。これは、後記製造方法にて説明するように、磁化自由層１Ｃと同一平面視形状に形成される障壁層２Ａを、磁化固定層３Ａ，３Ｃを形成するためのエッチングストッパ膜にするためである。磁化自由層１Ｃは、この張り出した領域においては磁化反転しない。また、磁化自由層１Ｃの張り出した長さは特に規定されず、隣り合うスピン注入磁化反転素子５Ｅ，５Ｅ間で短絡しなければよいが、磁性膜は面積がある程度以上大きくなると保磁力が減少する傾向があるので、保磁力に影響しない程度にすることが好ましい。以下、スピン注入磁化反転素子５Ｅを構成する要素について詳しく説明する。   Further, as shown in FIG. 10, in the spin injection magnetization switching element 5E, the magnetization free layer 1C is preferably formed so as to extend outside the aligned magnetization fixed layers 3A and 3C. This is because the barrier layer 2A formed in the same planar view shape as the magnetization free layer 1C is used as an etching stopper film for forming the magnetization fixed layers 3A and 3C, as will be described later in the manufacturing method. . The magnetization free layer 1C does not reverse the magnetization in this overhanging region. In addition, the protruding length of the magnetization free layer 1C is not particularly limited, and it is not necessary to short-circuit between the adjacent spin-injection magnetization reversal elements 5E and 5E. However, the coercive force decreases when the magnetic film has a certain area or more. Since there is a tendency, it is preferable that the coercive force is not affected. Hereinafter, the elements constituting the spin transfer magnetization switching element 5E will be described in detail.

（磁化自由層）
磁化自由層１Ｃは、第３実施形態の変形例（図７参照）と同様の構成であり、ＴｂＦｅＣｏ層１１がＭｇＯ膜４２の上に直接に成膜されることにより保磁力がいっそう小さくなる。さらに本実施形態においては、ＭｇＯ膜４２がＴｂＦｅＣｏ層１１と同一の平面視形状に形成されているので、ＴｂＦｅＣｏ層１１の全体の保磁力を小さくすることができる。 (Magnetization free layer)
The magnetization free layer 1C has the same configuration as that of the modification of the third embodiment (see FIG. 7), and the coercive force is further reduced by forming the TbFeCo layer 11 directly on the MgO film. Furthermore, in this embodiment, since the MgO film 42 is formed in the same planar view shape as the TbFeCo layer 11, the overall coercive force of the TbFeCo layer 11 can be reduced.

（障壁層）
障壁層２Ａは、第２実施形態や第３実施形態の変形例（図４、図７参照）と同様の構成である。さらに本実施形態においては、後記製造方法にて説明するように、障壁層２Ａは、スピン注入磁化反転素子５Ｅの形成時における磁化自由層１Ｃの保護膜であり、かつ、当該障壁層２Ａ上の絶縁膜（磁化固定層３Ａ，３Ｃ間等の絶縁層８）をエッチングするときのエッチングストッパ膜になる。そのために、図１０に示すように、スピン注入磁化反転素子５Ｅにおいて、障壁層２Ａは、その下の磁化自由層１Ｃと同一の平面視形状に形成され、また、厚さを１ｎｍ以上とすることが好ましい。 (Barrier layer)
The barrier layer 2A has the same configuration as that of the modified example of the second embodiment or the third embodiment (see FIGS. 4 and 7). Furthermore, in this embodiment, as will be described later in the manufacturing method, the barrier layer 2A is a protective film for the magnetization free layer 1C when the spin-injection magnetization switching element 5E is formed, and on the barrier layer 2A. It becomes an etching stopper film when etching the insulating film (insulating layer 8 between the magnetization fixed layers 3A and 3C). Therefore, as shown in FIG. 10, in the spin injection magnetization reversal element 5E, the barrier layer 2A is formed in the same planar view shape as the magnetization free layer 1C therebelow, and the thickness is 1 nm or more. Is preferred.

（磁化固定層）
磁化固定層３Ａおよび磁化固定層３Ｃは、第２実施形態および第４実施形態（図４、図９参照）とそれぞれ同様の構成であり、それぞれ、ＭｇＯからなる障壁層２Ａの上に設けられているため、障壁層２Ａとの界面にＣｏＦｅ膜３２Ａ，３２Ｃを備えて、ＴｂＦｅＣｏ層３１の保磁力の低下を抑制している。さらに磁化固定層３Ａ，３Ｃは、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄ（図９参照）の磁化固定層３，３Ｃと同様に、互いの保磁力が異なる大きさになるように、ＣｏＦｅ膜３２Ａ，３２Ｃの厚さ、あるいはさらにそれぞれのＴｂＦｅＣｏ層３１，３１の厚さが異なるものに設計される。 (Magnetic pinned layer)
The magnetization fixed layer 3A and the magnetization fixed layer 3C have the same configurations as those of the second and fourth embodiments (see FIGS. 4 and 9), and are provided on the barrier layer 2A made of MgO, respectively. Therefore, CoFe films 32A and 32C are provided at the interface with the barrier layer 2A to suppress a decrease in coercive force of the TbFeCo layer 31. Further, similarly to the magnetization fixed layers 3 and 3C of the spin injection magnetization reversal element 5D (see FIG. 9) according to the fourth embodiment, the magnetization fixed layers 3A and 3C have different coercive forces so as to have different sizes. The CoFe films 32A and 32C are designed to have different thicknesses or different TbFeCo layers 31 and 31.

（保護膜）
保護膜４３Ａは第２実施形態（図４参照）と同様の構成である。なお、スピン注入磁化反転素子５Ｅにおいて、２つの保護膜４３Ａ，４３Ａは、材料や厚さが異なるものでもよい。
以下に、光変調素子１０Ｅを構成するスピン注入磁化反転素子５Ｅ以外の要素について説明する。 (Protective film)
The protective film 43A has the same configuration as that of the second embodiment (see FIG. 4). In the spin transfer magnetization switching element 5E, the two protective films 43A and 43A may be different in material and thickness.
Hereinafter, elements other than the spin injection magnetization switching element 5E constituting the light modulation element 10E will be described.

（ＭｇＯ膜）
ＭｇＯ膜４２は、第３実施形態およびその変形例（図５、図７参照）と同様に、磁化自由層１Ｃ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）の保磁力を小さくするために設けられる。スピン注入磁化反転素子５Ｅにおいては、磁化自由層１Ｃが電極に接続されないので、ＭｇＯ膜４２は、磁化自由層１Ｃの下面の全体に形成することができ、ここでは磁化自由層１Ｃと同一の平面視形状に形成される。 (MgO film)
The MgO film 42 is provided in order to reduce the coercive force of the magnetization free layer 1C (TbFeCo layer 11), as in the third embodiment and its modifications (see FIGS. 5 and 7). In the spin transfer magnetization switching element 5E, since the magnetization free layer 1C is not connected to the electrode, the MgO film 42 can be formed on the entire lower surface of the magnetization free layer 1C. Here, the same plane as the magnetization free layer 1C is used. It is formed in a visual shape.

（電極）
第１電極７１および第２電極７２は、いずれも光の入出射側と反対側に設けられるので、第２実施形態（図４参照）の上部電極７Ａと同様に、良導体の金属電極材料を適用することができる。 (electrode)
Since both the first electrode 71 and the second electrode 72 are provided on the side opposite to the light incident / exit side, a metal electrode material of a good conductor is applied in the same manner as the upper electrode 7A of the second embodiment (see FIG. 4). can do.

（絶縁層）
絶縁層８は、第１、第２実施形態と同様の構成とすることができる。ただし、スピン注入磁化反転素子５Ｅ，５Ｅ間、および磁化固定層３Ａ，３Ｃ間に設けられる絶縁層８は、障壁層２Ａとは異なるすなわちＭｇＯ以外の絶縁材料で形成され、特にＭｇＯよりもエッチング選択性の高い材料、具体的にはＳｉ窒化物で形成されることが好ましい。なお、スピン注入磁化反転素子５Ｅにおける磁化固定層３Ａ，３Ｃの直下を除く障壁層２Ａ（ＭｇＯ膜）も、絶縁層の一部であるといえる。 (Insulating layer)
The insulating layer 8 can have the same configuration as in the first and second embodiments. However, the insulating layer 8 provided between the spin-injection magnetization reversal elements 5E and 5E and between the magnetization fixed layers 3A and 3C is formed of an insulating material different from the barrier layer 2A, that is, other than MgO. It is preferable that the material is made of a highly specific material, specifically, Si nitride. It can be said that the barrier layer 2A (MgO film) other than the magnetization fixed layers 3A and 3C in the spin injection magnetization reversal element 5E is also a part of the insulating layer.

（基板）
基板９Ａは、第２実施形態（図４参照）と同様の構成である。 (substrate)
The substrate 9A has the same configuration as that of the second embodiment (see FIG. 4).

（光変調素子の製造方法）
第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅは、ＭｇＯからなる障壁層２Ａを境に、障壁層２Ａおよびその下の磁化自由層１Ｃと、これらとは平面視形状の異なる上側の磁化固定層３Ａ，３Ｃと、をそれぞれに接触する絶縁層８ごと、分けて形成することで製造することができる。以下、光変調素子１０Ｅの製造方法について、その一例を、図１１および図１２を参照して説明する。 (Manufacturing method of light modulation element)
A spin-injection magnetization reversal element 5E according to the fifth embodiment includes a barrier layer 2A made of MgO as a boundary, a barrier layer 2A and a magnetization free layer 1C therebelow, and an upper magnetization fixed layer having a different shape in plan view. 3A and 3C can be manufactured by separately forming the insulating layer 8 in contact with each other. Hereinafter, an example of a method for manufacturing the light modulation element 10E will be described with reference to FIGS.

まず、ＭｇＯ膜４２、ならびにスピン注入磁化反転素子５Ｅの磁化自由層１Ｃおよび障壁層２Ａを形成する。詳しくは、基板９Ａの表面に、Ｓｉ窒化物等の絶縁膜（図１１（ａ）の絶縁層８）を、ＭｇＯ膜４２、およびスピン注入磁化反転素子５Ｅ（磁化自由層１Ｃ〜保護膜４３Ａ）の合計の厚さに合わせて成膜する。この絶縁膜の上に、図１１（ａ）に示すように、磁化自由層１Ｃを形成する領域を空けたレジストパターンＰＲ１を形成する。なお、図１１（ａ）には、スピン注入磁化反転素子５Ｅ，５Ｅの輪郭を太い二点鎖線で表す。そして、絶縁膜をエッチングして、図１１（ｂ）に示すように基板９Ａを露出させる。この上から、ＭｇＯ膜４２、ＴｂＦｅＣｏ層１１、ＣｏＦｅ膜１２Ａ、障壁層２Ａの各材料を連続して成膜して、絶縁膜（絶縁層８）に形成された孔に埋め込んで、ＭｇＯ膜４２、磁化自由層１Ｃ、および障壁層２Ａを形成する。引き続いて、障壁層２Ａの上に、Ｓｉ窒化物等の絶縁膜（図１１（ｃ）の絶縁層８）をさらに、磁化固定層３Ａ（３Ｃ）と保護膜４３Ａの合計の厚さに合わせて成膜する。そして、レジストパターンＰＲ１をその上の材料ごと除去する（リフトオフ）。これにより、図１１（ｃ）に示すように、ＭｇＯ膜４２、磁化自由層１Ｃおよび障壁層２Ａが形成され、さらにその上に絶縁層８（絶縁膜）が全面を被覆して形成される。   First, the MgO film 42, the magnetization free layer 1C and the barrier layer 2A of the spin injection magnetization switching element 5E are formed. Specifically, an insulating film such as Si nitride (insulating layer 8 in FIG. 11A) is formed on the surface of the substrate 9A, the MgO film 42, and the spin-injection magnetization switching element 5E (magnetization free layer 1C to protective film 43A). The film is formed in accordance with the total thickness. On this insulating film, as shown in FIG. 11A, a resist pattern PR1 is formed with a region for forming the magnetization free layer 1C. In FIG. 11A, the outlines of the spin injection magnetization reversal elements 5E and 5E are represented by thick two-dot chain lines. Then, the insulating film is etched to expose the substrate 9A as shown in FIG. From this, the MgO film 42, the TbFeCo layer 11, the CoFe film 12A, and the barrier layer 2A are successively formed and filled in the holes formed in the insulating film (insulating layer 8). Then, the magnetization free layer 1C and the barrier layer 2A are formed. Subsequently, an insulating film such as Si nitride (insulating layer 8 in FIG. 11C) is further formed on the barrier layer 2A in accordance with the total thickness of the magnetization fixed layer 3A (3C) and the protective film 43A. Form a film. Then, the resist pattern PR1 is removed together with the material thereon (lift-off). As a result, as shown in FIG. 11C, the MgO film 42, the magnetization free layer 1C and the barrier layer 2A are formed, and the insulating layer 8 (insulating film) is further formed so as to cover the entire surface.

次に、磁化固定層３Ａ，３Ｃを片方ずつ形成する。詳しくは、図１１（ｄ）に示すように、絶縁膜（絶縁層８）の上に、磁化固定層３Ａを形成する領域を空けたレジストパターンＰＲ２を形成する。そして、障壁層２Ａ（ＭｇＯ膜）をエッチングストッパ膜として絶縁層８をエッチングして、図１２（ａ）に示すように障壁層２Ａを露出させる。この上から、ＣｏＦｅ膜３２Ａ、ＴｂＦｅＣｏ層３１、保護膜４３Ａの各材料を連続して成膜して、絶縁層８に形成された孔に埋め込んで、障壁層２Ａ上に磁化固定層３Ａおよび保護膜４３Ａを形成する。なお、ＣｏＦｅ膜３２Ａを成膜する前に、第３実施形態の変形例と同様に、スパッタ装置にてキャリアガスのイオンやプラズマによるクリーニングを障壁層２Ａの表面に行うことが好ましい。そして、レジストパターンＰＲ２をその上の材料ごと除去する（リフトオフ）。これにより、図１２（ｂ）に示すように、磁化固定層３Ａおよびその上の保護膜４３Ａが形成され、それ以外の領域が絶縁層８で埋められた状態となる。   Next, the magnetization fixed layers 3A and 3C are formed one by one. Specifically, as shown in FIG. 11D, a resist pattern PR2 is formed on the insulating film (insulating layer 8) with a region for forming the magnetization fixed layer 3A. Then, the insulating layer 8 is etched using the barrier layer 2A (MgO film) as an etching stopper film to expose the barrier layer 2A as shown in FIG. From this, each material of the CoFe film 32A, the TbFeCo layer 31, and the protective film 43A is continuously formed and buried in the hole formed in the insulating layer 8, and the magnetization fixed layer 3A and the protective layer 3A are formed on the barrier layer 2A. A film 43A is formed. Before the CoFe film 32A is formed, it is preferable that the surface of the barrier layer 2A be cleaned with carrier gas ions or plasma in a sputtering apparatus, as in the modification of the third embodiment. Then, the resist pattern PR2 is removed together with the material thereon (lift-off). Thereby, as shown in FIG. 12B, the magnetization fixed layer 3 </ b> A and the protective film 43 </ b> A thereon are formed, and the other region is filled with the insulating layer 8.

保護膜４３Ａおよび絶縁層８の上に、磁化固定層３Ｃを形成する領域を空けたレジストパターンＰＲ３（図１２（ｃ）参照）を形成して、磁化固定層３Ａを形成する前と同様に、障壁層２Ａをエッチングストッパ膜として絶縁層８をエッチングして、図１２（ｃ）に示すように障壁層２Ａを露出させる。この障壁層２Ａの表面をクリーニングして、続けて、ＣｏＦｅ膜３２Ｃ、ＴｂＦｅＣｏ層３１、保護膜４３Ａの各材料を連続して成膜して、絶縁層８に形成された孔に埋め込んで、磁化固定層３Ｃおよび保護膜４３Ａを形成する。そして、レジストパターンＰＲ３をその上の材料ごと除去する（リフトオフ）。これにより、図１２（ｄ）に示すように、スピン注入磁化反転素子５Ｅ、ならびにスピン注入磁化反転素子５Ｅの磁化固定層３Ａ，３Ｃ間およびスピン注入磁化反転素子５Ｅ，５Ｅ間の絶縁層８が形成される。   On the protective film 43A and the insulating layer 8, a resist pattern PR3 (see FIG. 12C) with a region for forming the magnetization fixed layer 3C is formed, and before the magnetization fixed layer 3A is formed, The insulating layer 8 is etched using the barrier layer 2A as an etching stopper film to expose the barrier layer 2A as shown in FIG. The surface of the barrier layer 2A is cleaned, and subsequently, the respective materials of the CoFe film 32C, the TbFeCo layer 31, and the protective film 43A are successively formed and buried in the holes formed in the insulating layer 8, and magnetized. The fixed layer 3C and the protective film 43A are formed. Then, the resist pattern PR3 is removed together with the material thereon (lift-off). As a result, as shown in FIG. 12D, the spin-injection magnetization reversal element 5E and the insulating layers 8 between the magnetization fixed layers 3A and 3C of the spin-injection magnetization reversal element 5E and between the spin-injection magnetization reversal elements 5E and 5E are formed. It is formed.

次に、第１電極７１および第２電極７２を、一般的な多層配線と同様の方法で形成する（図示省略）。具体的には、スピン注入磁化反転素子５Ｅ（保護膜４３Ａ，４３Ａ）および絶縁層８の上に、第１電極７１を形成する領域、および第２電極７２の磁化固定層３Ｃに接続する部分を形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、この上から金属電極材料を成膜して、レジストパターンを除去する（リフトオフ）。これにより、帯状の第１電極７１、および第２電極７２の一部が形成される。この上にＳｉＯ2等の絶縁膜を堆積させ、必要に応じて表面の絶縁膜を平坦化する。そして、この絶縁膜の上にレジストパターンを形成し、エッチングにて前記形成された第２電極７２上にコンタクトホールを形成する。さらに、コンタクトホールに金属電極材料を埋め込み、その上に第１電極７１と直交する第２電極７２の帯状の部分を形成して、光変調素子１０Ｅが得られる。 Next, the first electrode 71 and the second electrode 72 are formed by a method similar to that for general multilayer wiring (not shown). Specifically, on the spin-injection magnetization reversal element 5E (protective films 43A and 43A) and the insulating layer 8, a region for forming the first electrode 71 and a portion of the second electrode 72 connected to the magnetization fixed layer 3C are provided. A resist pattern with a region to be formed is formed, a metal electrode material is formed thereon, and the resist pattern is removed (lift-off). Thereby, a part of the strip-shaped first electrode 71 and the second electrode 72 is formed. An insulating film such as SiO 2 is deposited thereon, and the insulating film on the surface is planarized as necessary. Then, a resist pattern is formed on this insulating film, and a contact hole is formed on the formed second electrode 72 by etching. Further, a metal electrode material is embedded in the contact hole, and a strip-like portion of the second electrode 72 orthogonal to the first electrode 71 is formed thereon, whereby the light modulation element 10E is obtained.

このように、スピン注入磁化反転素子５Ｅを、磁化自由層１Ｃおよび障壁層２Ａを形成する工程と、磁化固定層３Ａ，３Ｃを形成する工程と、に２工程（２層）に分けて形成し、さらに、絶縁層８の、磁化自由層１Ｃおよび障壁層２Ａに接触する部分、あるいは磁化固定層３Ａ，３Ｃのそれぞれに接触する部分を成形してから、磁化自由層１Ｃ等の材料を成膜する。このような手順により、ＴｂＦｅＣｏ層１１，３１へのダメージが抑えられる。また、ＭｇＯ膜である障壁層２Ａが磁化自由層１Ｃの保護膜になって、磁化自由層１Ｃと磁化固定層３Ａ，３Ｃとで異なる平面視形状に形成することができる。さらに、磁化固定層３Ａ，３Ｃの側面に接触する絶縁層８を成形する際に、障壁層２Ａをエッチングストッパ膜にすることで、加工ダメージの比較的少ない方法でエッチングすることができ、ＴｂＦｅＣｏ層１１へのダメージが抑えられる。   In this way, the spin transfer magnetization reversal element 5E is formed in two steps (two layers), the step of forming the magnetization free layer 1C and the barrier layer 2A and the step of forming the magnetization fixed layers 3A and 3C. Further, after forming a portion of the insulating layer 8 in contact with the magnetization free layer 1C and the barrier layer 2A or a portion in contact with each of the magnetization fixed layers 3A and 3C, a material such as the magnetization free layer 1C is formed. To do. By such a procedure, damage to the TbFeCo layers 11 and 31 is suppressed. Further, the barrier layer 2A, which is an MgO film, becomes a protective film for the magnetization free layer 1C, and the magnetization free layer 1C and the magnetization fixed layers 3A, 3C can be formed in different shapes in plan view. Further, when forming the insulating layer 8 in contact with the side surfaces of the magnetization fixed layers 3A and 3C, the barrier layer 2A can be used as an etching stopper film, so that etching can be performed with a relatively small processing damage, and the TbFeCo layer. The damage to 11 is suppressed.

なお、スピン注入磁化反転素子５Ｅの磁化固定層３Ａ，３Ｃは、どちらを先に形成してもよい。また、ＭｇＯ膜４２は、空間光変調器全体（基板９Ａ全面）に形成されていてもよい。この場合は、まず、基板９Ａ上に、ＭｇＯ膜４２、およびスピン注入磁化反転素子５Ｅの厚さのＳｉ窒化物等の絶縁膜を順次成膜し、絶縁膜のみをエッチングして磁化自由層１Ｃの平面視形状の孔を形成すればよい。   Note that either one of the magnetization fixed layers 3A and 3C of the spin injection magnetization switching element 5E may be formed first. The MgO film 42 may be formed on the entire spatial light modulator (the entire surface of the substrate 9A). In this case, first, an MgO film 42 and an insulating film such as Si nitride having a thickness of the spin injection magnetization reversal element 5E are sequentially formed on the substrate 9A, and only the insulating film is etched to etch the magnetization free layer 1C. A hole having a shape in plan view may be formed.

（空間光変調器の初期設定）
空間光変調器におけるすべての画素の光変調素子１０Ｅのスピン注入磁化反転素子５Ｅは、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄと同様にデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子であるので、磁化固定層３Ａ，３Ｃの磁化方向がそれぞれ所定の向きに固定されている必要がある。したがって、第３実施形態の変形例および第４実施形態と同様に、大きさと向きを切り替えて、２回の磁界印加を行う。 (Initial setting of spatial light modulator)
Since the spin-injection magnetization reversal element 5E of the light modulation elements 10E of all the pixels in the spatial light modulator is a dual-pin structure spin-injection magnetization reversal element like the spin-injection magnetization reversal element 5D according to the fourth embodiment, The magnetization directions of the magnetization fixed layers 3A and 3C need to be fixed in a predetermined direction. Therefore, similarly to the modification of the third embodiment and the fourth embodiment, the magnetic field is applied twice by switching the size and direction.

（磁化反転動作）
スピン注入磁化反転素子５Ｅの磁化反転動作を、図１３（ａ）、（ｂ）を参照して、光変調素子１０Ｅにて説明する。なお、図１３において、ＭｇＯ膜４２および保護膜４３Ａは図示を省略し、また、磁化自由層１Ｃは、磁化固定層３Ａ，３Ｃが積層された領域とその間のみを示す。 (Magnetization reversal operation)
The magnetization reversal operation of the spin injection magnetization reversal element 5E will be described with reference to FIGS. 13A and 13B in the light modulation element 10E. In FIG. 13, the illustration of the MgO film 42 and the protective film 43A is omitted, and the magnetization free layer 1C shows only the region where the magnetization fixed layers 3A and 3C are laminated and the space therebetween.

図１３（ａ）に示すように、磁化固定層３Ａに接続した第１電極７１を「−」に、磁化固定層３Ｃに接続した第２電極７２を「＋」にして、磁化方向が上向きに固定された磁化固定層３Ａの側から電子を注入する。すると、磁化固定層３Ａで当該磁化固定層３Ａの磁化方向と逆の下向きのスピンを持つ電子ｄDが弁別されて、第１電極７１からは上向きのスピンを持つ電子ｄUが偏って磁化固定層３Ａに注入され、さらに障壁層２Ａを介して磁化自由層１Ｃに注入される。磁化自由層１Ｃにおいては、第１実施形態（図３（ａ）参照）等と同様に、電子ｄUのスピントルクが作用することによって、磁化固定層３Ａの直下の領域から磁化方向が上向きへ反転する。さらに、磁化自由層１Ｃに注入された電子ｄUは、磁化方向が逆の下向きに固定された磁化固定層３Ｃで弁別されるために磁化自由層１Ｃに留まり易く、その結果、磁化自由層１Ｃは、磁化固定層３Ａ，３Ｃが積層された領域だけでなく、これら２つの領域に挟まれた領域も含めて、磁化固定層３Ａの磁化方向と同じ上向きの磁化方向を示す状態に変化（磁化反転）する。 As shown in FIG. 13A, the first electrode 71 connected to the magnetization fixed layer 3A is set to “−”, the second electrode 72 connected to the magnetization fixed layer 3C is set to “+”, and the magnetization direction is upward. Electrons are injected from the fixed magnetization fixed layer 3A side. Then, the electrons d D having a downward spin opposite to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 3A are discriminated by the magnetization fixed layer 3A, and the electrons d U having an upward spin are biased from the first electrode 71 so that the magnetization is fixed. It is injected into the layer 3A and further injected into the magnetization free layer 1C through the barrier layer 2A. In the magnetization free layer 1C, similarly to the first embodiment (see FIG. 3 (a)) or the like, by spin torque of electrons d U acts, upward magnetization direction from a region just below the magnetization fixed layer 3A Invert. Moreover, magnetized electrons d U is injected into the free layer 1C, easily remain in the magnetization free layer 1C to the magnetization direction is discriminated in reverse magnetization fixed layer 3C which is fixed downward, as a result, the magnetization free layer 1C Changes to a state that shows the same upward magnetization direction as the magnetization direction of the magnetization fixed layer 3A (magnetization) including not only the area where the magnetization fixed layers 3A and 3C are stacked but also the area sandwiched between these two areas. Invert).

反対に、磁化自由層１Ｃの磁化方向を下向きに反転させるためには、前記の図１３（ａ）に示す動作とは反対に、図１３（ｂ）に示すように、第１電極７１を「＋」に、第２電極７２を「−」にして、磁化方向が下向きに固定された磁化固定層３Ｃの側から電子を注入する。すると、磁化自由層１Ｃには下向きのスピンを持つ電子ｄDが偏って注入されることによって当該磁化自由層１Ｃの内部電子のスピンが反転し、磁化固定層３Ｃの直下の領域から全体に磁化方向が下向きへと反転（磁化反転）する。 On the contrary, in order to reverse the magnetization direction of the magnetization free layer 1C downward, as shown in FIG. In “+”, the second electrode 72 is set to “−”, and electrons are injected from the side of the magnetization fixed layer 3 </ b> C whose magnetization direction is fixed downward. Then, electrons d D having a downward spin are biased and injected into the magnetization free layer 1C, so that the spins of the internal electrons of the magnetization free layer 1C are reversed, and the entire magnetization is magnetized from the region immediately below the magnetization fixed layer 3C. The direction is reversed downward (magnetization reversal).

このように、並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子であるスピン注入磁化反転素子５Ｅは、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄ（図９参照）と同様に、互いに逆向きの磁化方向に固定された磁化固定層３Ａ，３Ｃのそれぞれに一対の電極７１，７２を接続して電流を供給して、磁化自由層１Ｃの全体の磁化方向を変化させる（磁化反転させる）ことができる。なお、磁化自由層１Ｃの、磁化固定層３Ａ，３Ｃの外側へ張り出して形成された部分（図１３においては省略）は、電流経路が形成されないので、磁化反転せず、初期設定により磁化固定層３Ｃと同じ下向きの磁化方向を維持する。   Thus, the spin-injection magnetization reversal element 5E, which is a spin-injection magnetization reversal element having a parallel dual pin structure, is opposite to each other in the same manner as the spin-injection magnetization reversal element 5D according to the fourth embodiment (see FIG. 9). A pair of electrodes 71 and 72 are connected to the magnetization fixed layers 3A and 3C fixed in the magnetization direction, respectively, and current is supplied to change the entire magnetization direction of the magnetization free layer 1C (magnetization inversion). it can. The portion of the magnetization free layer 1C that is formed to protrude outside the magnetization fixed layers 3A and 3C (omitted in FIG. 13) does not form a current path, so that the magnetization is not reversed, and the magnetization fixed layer is initially set. The same downward magnetization direction as 3C is maintained.

（光変調動作）
スピン注入磁化反転素子５Ｅは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図３参照）等と同様に磁化自由層１Ｃが磁化反転するので、旋光角＋θk，−θkで光変調動作をする。ただし、本実施形態においては、第２実施形態（図４参照）等と同様に、磁化自由層１Ｃが設けられた下側から光を入射させる。 (Light modulation operation)
Induced magnetization reversal element 5E, since the spin injection magnetization reversal element 5 (see FIG. 3) or the like similarly to the magnetization free layer 1C according to the first embodiment magnetization reversal, optical rotation angle + theta k, the light modulated by - [theta] k To work. However, in the present embodiment, light is incident from the lower side where the magnetization free layer 1C is provided, as in the second embodiment (see FIG. 4).

（変形例）
第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅにおいて、磁化固定層３Ａ，３Ｃの保磁力の差は、ＣｏＦｅ膜３２Ａ，３２Ｃの厚さやＴｂＦｅＣｏ層３１，３１の厚さによらず、第４実施形態における変形例と同様に、ＴｂＦｅＣｏ層３１の組成や成膜時の雰囲気により、あるいは磁化固定層３Ａ，３Ｃの一方をＴｂＦｅＣｏ層３１以外の磁性層に替えることにより、異なるものとしてもよい。または、ＴｂＦｅＣｏ層３１，３１に保磁力の差を設けず、磁化固定層３Ａ，３Ｃの一方に交換結合膜を備えてもよい（図示せず）。 (Modification)
In the spin-injection magnetization switching element 5E according to the fifth embodiment, the difference in coercive force between the magnetization fixed layers 3A and 3C is the same regardless of the thickness of the CoFe films 32A and 32C and the thickness of the TbFeCo layers 31 and 31. Similarly to the modification in the embodiment, the TbFeCo layer 31 may be different depending on the composition of the TbFeCo layer 31 and the atmosphere during film formation, or by replacing one of the magnetization fixed layers 3A and 3C with a magnetic layer other than the TbFeCo layer 31. Alternatively, the TbFeCo layers 31 and 31 may not be provided with a difference in coercive force, and an exchange coupling film may be provided on one of the magnetization fixed layers 3A and 3C (not shown).

第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅは、スピン注入磁化反転素子５Ｄと同様、図１３に示すように、常に、磁化自由層１Ｃの磁化方向が磁化固定層３Ａ，３Ｃの一方と平行で他方と反平行である。光変調素子１０Ｅについて、電極７１，７２間の抵抗に基づく書込みエラー検出を行うためには、スピン注入磁化反転素子５Ｅについて、例えば、磁化固定層３ＣをＴｂＦｅＣｏ層３１以外の磁性層に替えて、さらにＣｏＦｅ膜３２Ｃを備えない構成にすればよい（図示せず）。このような構成により、磁化自由層１Ｃ、障壁層２Ａ、磁化固定層３Ａの方が、障壁層２Ａの両面側にＣｏＦｅ膜１２Ａ，３２Ａを備えるのでＭＲ比が高くなる。したがって、図３（ｃ）、（ｄ）に示すスピン注入磁化反転素子５等と同様に、一対の電極７１，７２間の抵抗により、磁化反転動作が正常に行われたかの書込みエラー検出を行うことができる。   As in the spin injection magnetization switching element 5D, the spin injection magnetization switching element 5E according to the fifth embodiment always has the magnetization direction of the magnetization free layer 1C parallel to one of the magnetization fixed layers 3A and 3C, as shown in FIG. And antiparallel to the other. In order to perform write error detection based on the resistance between the electrodes 71 and 72 for the light modulation element 10E, for the spin injection magnetization switching element 5E, for example, the magnetization fixed layer 3C is replaced with a magnetic layer other than the TbFeCo layer 31, Furthermore, a configuration without the CoFe film 32C may be used (not shown). With such a configuration, the magnetization free layer 1C, the barrier layer 2A, and the magnetization fixed layer 3A are provided with the CoFe films 12A and 32A on both sides of the barrier layer 2A, so that the MR ratio is increased. Therefore, similarly to the spin-injection magnetization reversal element 5 shown in FIGS. 3C and 3D, the write error detection as to whether the magnetization reversal operation has been performed normally is performed by the resistance between the pair of electrodes 71 and 72. Can do.

スピン注入磁化反転素子５Ｅを備える光変調素子１０Ｅは、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄ（図９参照）と同様にトランジスタを接続して、電流の消費が抑制された空間光変調器を構成することができる。具体的には、光変調素子１０Ｅを配列した基板９Ａに、ＭＯＳＦＥＴやソース線等の配線を形成されたＳｉ基板を、水酸基接合等の常温接合により貼り合わせて、第２電極７２でトランジスタのドレインに接続する（図示せず）。   The light modulation element 10E including the spin injection magnetization reversal element 5E is connected to a transistor in the same manner as the spin injection magnetization reversal element 5D (see FIG. 9) according to the fourth embodiment, and spatial light modulation with suppressed current consumption. Can be configured. Specifically, a Si substrate on which wiring such as a MOSFET or a source line is formed is bonded to a substrate 9A on which the light modulation elements 10E are arranged by room temperature bonding such as hydroxyl bonding, and the drain of the transistor is formed by the second electrode 72. (Not shown).

以上のように、本発明の第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、第４実施形態と同様に、２つの磁化固定層および１つの磁化自由層のそれぞれにおいてＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層が互いに異なる好適な保磁力を有しているので、安定した動作とすることができ、また、３つの磁性層に共通の材料が適用されているので、生産性がよい。さらに第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、第３実施形態およびその変形例と同様に、障壁層によらずに磁化自由層の保磁力が制御されているので、障壁層の厚さを磁化反転動作等に応じて設計することができる。   As described above, the spin-injection magnetization switching element according to the fifth embodiment of the present invention is made of Tb—Fe—Co in each of the two magnetization fixed layers and the one magnetization free layer, as in the fourth embodiment. Since the layers have suitable coercive forces different from each other, stable operation can be achieved, and productivity is good because a common material is applied to the three magnetic layers. Further, in the spin-injection magnetization switching element according to the fifth embodiment, the coercive force of the magnetization free layer is controlled regardless of the barrier layer, as in the third embodiment and the modifications thereof. Can be designed according to the magnetization reversal operation or the like.

以上、本発明を実施するための形態について述べてきたが、以下に、本発明の効果を確認した実施例を、本発明の要件を満たさない比較例と対比して具体的に説明する。   As mentioned above, although the form for implementing this invention has been described, the Example which confirmed the effect of this invention is demonstrated concretely compared with the comparative example which does not satisfy | fill the requirements of this invention below.

本発明に係るスピン注入磁化反転素子について、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層（ＴｂＦｅＣｏ層）をＭｇＯ膜上に成膜した場合の保磁力への効果を確認するために、下地膜を変えてＴｂＦｅＣｏ膜を成膜したサンプルを作製して、ＴｂＦｅＣｏ層の磁気特性および磁気光学効果を観察した。詳しくは、熱酸化Ｓｉ基板に、イオンビームスパッタリング法にて、厚さ２ｎｍ、５ｎｍのＭｇＯ膜を成膜し、その上に連続して、組成がＴｂ：２４ａｔ％、Ｆｅ：６２ａｔ％、Ｃｏ：１４ａｔ％の厚さ２０ｎｍのＴｂＦｅＣｏ層を成膜した２種類のサンプルを作製した。また、比較例（参照例）として、下地膜を厚さ３ｎｍのＲｕ膜に替えたサンプルを作製した。   In order to confirm the effect on the coercive force of the spin injection magnetization switching element according to the present invention when a Tb—Fe—Co layer (TbFeCo layer) is formed on the MgO film, the base film is changed to change the TbFeCo. A sample with a film was prepared, and the magnetic characteristics and magneto-optical effect of the TbFeCo layer were observed. Specifically, an MgO film having a thickness of 2 nm and 5 nm is formed on a thermally oxidized Si substrate by an ion beam sputtering method, and the composition thereof is continuously Tb: 24 at%, Fe: 62 at%, Co: Two types of samples in which a 14 at% 20 nm thick TbFeCo layer was formed were prepared. Further, as a comparative example (reference example), a sample was prepared in which the base film was replaced with a Ru film having a thickness of 3 nm.

作製した各サンプルについて、レーザー光を用いた偏光変調法にてカー回転角を測定し、印加磁界による磁化反転を観察した。詳しくは、まず、作製したサンプルに、初期化磁界−１０ｋＯｅを印加して、ＴｂＦｅＣｏ層の磁化方向を下向きに揃えた。そして、波長７８０ｎｍのレーザー光を入射角３０°で入射して、サンプルからの反射光の偏光の向き（カー回転角）を、垂直磁界Ｋｅｒｒ効果測定装置で測定しながら、初期化磁界と反対方向の磁界Ｈ（＞０）をその大きさ（絶対値）を、漸増させながら印加して、偏光の向きの変化を観察した。さらに反対方向の磁界Ｈ（＜０）を印加して、同様に偏光の向きの変化を観察した。   About each produced sample, the Kerr rotation angle was measured by the polarization modulation method using a laser beam, and the magnetization reversal by the applied magnetic field was observed. Specifically, first, an initialization magnetic field of −10 kOe was applied to the manufactured sample, and the magnetization direction of the TbFeCo layer was aligned downward. Then, a laser beam having a wavelength of 780 nm is incident at an incident angle of 30 °, and the direction of polarization (Kerr rotation angle) of the reflected light from the sample is measured with the vertical magnetic field Kerr effect measuring device, while being in the direction opposite to the initialization magnetic field. The magnetic field H (> 0) was applied while gradually increasing its magnitude (absolute value), and the change in the direction of polarization was observed. Further, a magnetic field H (<0) in the opposite direction was applied, and the change in the polarization direction was observed in the same manner.

各サンプルで測定したカー回転角の磁場（印加磁界）依存性を磁化曲線として、実施例（下地：厚さ２ｎｍ、５ｎｍのＭｇＯ膜）を図１４（ａ）、（ｂ）に、比較例（下地：Ｒｕ膜）を図１４（ｃ）に示す。また、磁化曲線から、偏光の向きが変化したときの正負それぞれの印加磁界Ｈを得て、絶対値の平均を算出して保磁力Ｈcとした。   The magnetic field (applied magnetic field) dependence of the Kerr rotation angle measured for each sample is taken as a magnetization curve, and the examples (underlying: 2 nm thick, 5 nm MgO films) are shown in FIGS. FIG. 14C shows the underlying layer: Ru film. In addition, the applied magnetic field H, which is positive and negative when the direction of polarized light is changed, is obtained from the magnetization curve, and the average of absolute values is calculated as the coercive force Hc.

図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、ＭｇＯ膜を下地に設けることにより、ＴｂＦｅＣｏ層の保磁力がＲｕ膜上に成膜したもの（図１４（ｃ）参照）に比べて小さかった。具体的には、保磁力Ｈcが、比較例の４．８９ｋＯｅに対して、実施例は、厚さ２ｎｍのＭｇＯ膜で３．８２ｋＯｅ、厚さ５ｎｍのＭｇＯ膜で３．９２ｋＯｅであった。また、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、保磁力が小さくても垂直磁気異方性を維持した。   As shown in FIGS. 14A and 14B, by providing the MgO film on the base, the coercive force of the TbFeCo layer was smaller than that formed on the Ru film (see FIG. 14C). . Specifically, the coercive force Hc was 3.82 kOe in the MgO film having a thickness of 2 nm and 3.92 kOe in the MgO film having a thickness of 5 nm, compared to 4.89 kOe in the comparative example. Further, as shown in FIGS. 14A and 14B, the perpendicular magnetic anisotropy was maintained even if the coercive force was small.

次に、ＭｇＯ膜を中間層（障壁層）とし、その上下にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層（ＴｂＦｅＣｏ層）を磁化自由層、磁化固定層として備えるＴＭＲ素子を模擬したサンプルを作製して、上下それぞれのＴｂＦｅＣｏ層の磁気特性および磁気光学効果を観察した。熱酸化Ｓｉ基板に、表１に示すように下地金属膜から保護膜までの材料を、下から順にイオンビームスパッタリング法にて連続して成膜、積層してサンプルとした（成形加工なし）。このサンプルについて、前記のＴｂＦｅＣｏ層の単層のサンプルと同様にカー回転角を測定し、印加磁界による磁化反転を観察した。測定したカー回転角の磁場（印加磁界）依存性を磁化曲線として、図１５に示す。   Next, a sample simulating a TMR element having an MgO film as an intermediate layer (barrier layer) and layers (TbFeCo layer) made of Tb-Fe-Co as upper and lower layers as a magnetization free layer and a magnetization fixed layer is prepared, The magnetic properties and magneto-optical effects of the upper and lower TbFeCo layers were observed. On the thermally oxidized Si substrate, as shown in Table 1, materials from the base metal film to the protective film were successively formed and laminated by ion beam sputtering from the bottom in order to obtain a sample (no molding process). For this sample, the Kerr rotation angle was measured in the same manner as the single layer sample of the TbFeCo layer, and the magnetization reversal due to the applied magnetic field was observed. FIG. 15 shows the dependence of the measured Kerr rotation angle on the magnetic field (applied magnetic field) as a magnetization curve.

Figure 2015213125
Figure 2015213125

図１５に示すように、中間層（障壁層）としてＭｇＯ膜を設けると、同じＴｂＦｅＣｏ層を備えていても、Ｒｕ膜を下地とする障壁層の下側の磁化固定層に対して、ＭｇＯ膜の上の磁化自由層は保磁力が小さかった。具体的には、保磁力Ｈcが、磁化固定層の約３．４ｋＯｅに対して、磁化自由層は１．２５ｋＯｅであった。この保磁力の差は、厚さによる依存性を上回るものであるといえる。   As shown in FIG. 15, when an MgO film is provided as an intermediate layer (barrier layer), even if the same TbFeCo layer is provided, the MgO film is opposed to the magnetization fixed layer below the barrier layer with the Ru film as a base. The coercive force of the magnetization free layer above was small. Specifically, the coercive force Hc is about 3.4 kOe for the magnetization fixed layer, and 1.25 kOe for the magnetization free layer. It can be said that this difference in coercive force exceeds the dependence on thickness.

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｅ 光変調素子
１０Ｄ 磁気抵抗効果素子
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 磁化自由層
１１ ＴｂＦｅＣｏ層（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層）
１１Ａ 磁性層
１２ ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）
１２Ａ ＣｏＦｅ膜
２，２Ａ 障壁層（中間層、ＭｇＯ膜）
２Ｂ 中間層
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 磁化固定層
３１ ＴｂＦｅＣｏ層（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層）
３２ ＣｏＦｅ膜
３２Ａ，３２Ｃ ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）
４１，４１Ａ 下地金属膜
４２ ＭｇＯ膜
４３，４３Ａ 保護膜
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ スピン注入磁化反転素子
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ 下部電極
７，７Ａ 上部電極
８，８Ｂ，８Ｃ 絶縁層
９，９Ａ 基板 10, 10A, 10B, 10C, 10E Light modulation element 10D Magnetoresistive effect element 1, 1A, 1B, 1C Magnetization free layer 11 TbFeCo layer (layer made of Tb-Fe-Co)
11A Magnetic layer 12 CoFe film (magnetic metal film)
12A CoFe film 2,2A barrier layer (intermediate layer, MgO film)
2B Intermediate layer 3, 3A, 3B, 3C Magnetization fixed layer 31 TbFeCo layer (layer made of Tb-Fe-Co)
32 CoFe film 32A, 32C CoFe film (magnetic metal film)
41, 41A Underlying metal film 42 MgO film 43, 43A Protective film 5, 5A, 5B, 5C, 5D, 5E Spin transfer magnetization reversal element 6, 6A, 6B, 6C Lower electrode 7, 7A Upper electrode 8, 8B, 8C Insulation Layer 9, 9A substrate

Claims (7)

垂直磁気異方性を有する磁化固定層と垂直磁気異方性を有する磁化自由層との間に、中間層を積層してなるスピン注入磁化反転素子であって、
前記磁化自由層はＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備え、
前記Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層が、ＭｇＯ膜に積層されていることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。 A spin-injection magnetization reversal element in which an intermediate layer is laminated between a magnetization fixed layer having perpendicular magnetic anisotropy and a magnetization free layer having perpendicular magnetic anisotropy,
The magnetization free layer includes a layer made of Tb-Fe-Co,
A spin-injection magnetization reversal element, wherein the layer made of Tb-Fe-Co is laminated on an MgO film. 垂直磁気異方性を有する磁化自由層、ＭｇＯ膜からなる中間層、垂直磁気異方性を有する磁化固定層の順に積層してなるスピン注入磁化反転素子であって、
前記磁化固定層は、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備え、前記Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層と前記中間層との間にＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜をさらに備えることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。 A spin-injection magnetization reversal element in which a magnetization free layer having perpendicular magnetic anisotropy, an intermediate layer made of MgO film, and a magnetization fixed layer having perpendicular magnetic anisotropy are laminated in this order,
The magnetization fixed layer includes a layer made of Tb—Fe—Co, and further includes a magnetic metal film made of Co—Fe or Co—Fe—B between the layer made of Tb—Fe—Co and the intermediate layer. A spin-injection magnetization reversal element comprising: 前記磁化自由層の上に、２以上の前記磁化固定層が面内方向に互いに離間して設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン注入磁化反転素子。   3. The spin injection magnetization reversal element according to claim 1, wherein two or more magnetization fixed layers are provided on the magnetization free layer so as to be spaced apart from each other in an in-plane direction. 前記磁化自由層が前記中間層の上に設けられ、
前記ＭｇＯ膜を前記中間層とす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。 The magnetization free layer is provided on the intermediate layer;
The spin injection magnetization reversal element according to claim 1, wherein the MgO film is the intermediate layer. 前記磁化自由層が前記中間層の下に設けられ、
前記Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層の側面が、一対の電極の一方に接続され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。 The magnetization free layer is provided under the intermediate layer;
The spin transfer magnetization switching element according to claim 1, wherein a side surface of the Tb—Fe—Co layer is connected to one of a pair of electrodes. 前記磁化固定層および前記磁化自由層は、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のスピン注入磁化反転素子。   The spin injection magnetization reversal element according to any one of claims 1 to 5, wherein the magnetization fixed layer and the magnetization free layer include a layer made of Tb-Fe-Co. 入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調素子であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のスピン注入磁化反転素子。   The spin injection magnetization reversal element according to any one of claims 1 to 6, wherein the spin injection magnetization reversal element is a light modulation element that emits light while changing a polarization direction of incident light.
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