JP4568152B2 - 磁気記録素子及びそれを用いた磁気記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気記録素子及び磁気記録装置に関し、特にスピン偏極した電子を流すことにより書き込みが可能な磁気記録素子及びそれを用いた磁気記録装置に関する。

磁性体の磁化方向を制御するためには、従来、磁界を印加する方法が採られてきた。例えば、ハードディスクドライブ（hard disk drive）においては、記録ヘッドから発生する磁場により、媒体の磁化方向を反転させ、書き込みを行っている。また、固体磁気記録装置（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）では、磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた配線に電流を流すことで生じる電流磁界をセルに印加することで、セルの磁化方向制御を行う。これらの外部磁場による磁化方向制御方式（電流磁場書き込み方式）は、古い歴史をもち、確立された技術といえる。

一方、昨今のナノテクノロジーの進歩により、磁性材料についても顕著な微細化が可能となり、磁化制御もナノスケールで局所的に行う必要が出てきた。しかしながら、磁場は根本的に空間に広がる性質を有するので、局所化が難しい。ビットやセルのサイズが微小化するにつれ、特定のビットやセルを選択してその磁化方向を制御させる場合に、隣のビットやセルにまで磁場が及んでしまう「クロストーク」の問題が顕著となる。また、磁場を局所化させるために磁場発生源を小さくすると、十分な発生磁場が得られないという問題が生じる。

近年、磁性体に電流を流すことにより磁化反転を起こす「電流直接駆動型磁化反転現象」が見出された（例えば、非特許文献１参照）。

この「電流直接駆動型磁化反転現象」は、磁性層に電流を流すことにより電子をスピン偏極させ、このスピン偏極した電子（スピン偏極電子）の通過によって目的とする磁性層の磁化を反転させるものである。具体的には、上記スピン偏極電子が有する角運動量が、磁化反転させたい磁性体の角運動量に伝達・作用することで、その磁性体の磁化の反転が生ずる。この現象を用いれば、上記電流磁場書き込み方式に比べて、ナノスケールの磁性体に対して、より直接的に作用させることが可能であり、より微小な磁性体に対する記録が可能になる。

しかしながら、「電流直接駆動型磁化反転現象」を利用した場合、磁化反転に必要な電流が大きいという問題があり、これにより、反転電流による熱の影響で、素子特性が劣化するなどの信頼性の問題も生じる。また、記録層の磁化が固定層の磁化に対して、平行から反平行にスイッチングする際の反転電流Ｊｃ−が、反平行から平行へスイッチングする際の反転電流Ｊｃ＋よりも数倍大きく、この反転電流Ｊｃ−、Ｊｃ＋の非対称性を解消するためには、平行から反平行にスイッチングする際の反転電流Ｊｃ−を小さくする必要がある。
F. J. Albert, et al., Appl. Phy. Lett. 77, 3809 (2000)

本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、電流直接駆動による磁化反転の際に、平行から反平行に磁化反転させるときの反転電流を低減させ、かつ、反転電流の非対称性を改善する磁気記録素子及びそれを用いた磁気記録装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下に示す手段を用いている。

本発明の第１の視点による磁気記録素子は、スピン偏極したスピン偏極電子を磁性体に流すことで情報が記録される磁気記録素子であって、磁化が実質的に固定され、第１及び第２の面を有し、強磁性材料で形成された固定層と、前記スピン偏極電子の作用により磁化が反転され、第３及び第４の面を有し、マジョリティスピンバンド電子に対する第１の原子ポテンシャルとマイノリティスピンバンド電子に対する第２の原子ポテンシャルとを有する強磁性材料で形成された記録層と、前記固定層と前記記録層との間に設けられ、前記第２及び第３の面と接し、非磁性材料で形成されたスペーサ層と、第５及び第６の面を有し、前記第５の面が前記第４の面と接し、前記第１及び第２の原子ポテンシャルの中間値よりも低い第３の原子ポテンシャルを有する非磁性材料で形成され、３ｎｍ以下の膜厚を有するキャップ層と、前記第６の面に接し、前記第３の原子ポテンシャルと異なる第４の原子ポテンシャルを有する非磁性材料で形成され、２０ｎｍ以下の膜厚を有する反射層とを具備する。

本発明の第２の視点による磁気記録装置は、前記第１の視点による前記磁気記録素子を具備するメモリセルを備えている。

本発明によれば、電流直接駆動による磁化反転の際に、平行から反平行に磁化反転させるときの反転電流を低減させ、かつ、反転電流の非対称性を改善する磁気記録素子及びそれを用いた磁気記録装置を提供できる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子の断面構造を例示する模式図である。

図１に示すように、磁気記録素子１０は、反強磁性層ＡＦ、固定層（ピン層）ＦＰ、スペーサ層ＳＰ、記録層（フリー層）ＦＦ、キャップ層ＣＰ、反射層ＲＥＦが順に積層された積層構造からなる。そして、キャップ層ＣＰの厚さＴは、３ｎｍ以下と極薄であり、さらに、キャップ層ＣＰの材料は、記録層ＦＦのマジョリティスピンバンド電子の原子ポテンシャルとマイノリティスピンバンド電子の原子ポテンシャルの中間値よりも原子ポテンシャルが低い材料からなる。

このような磁気記録素子１０によれば、電流直接駆動による磁化反転の際に、平行から反平行に磁化反転させるときの反転電流を低減でき、かつ、反転電流の非対称性を改善できることを、本発明者らは見出した。その根拠について、以下に詳説する。

まず、キャップ層ＣＰの材料を記録層ＦＦのマジョリティスピンバンド電子の原子ポテンシャルとマイノリティスピンバンド電子の原子ポテンシャルの中間値よりも原子ポテンシャルが低い材料と規定し、キャップ層ＣＰを薄膜にするのは、次の理由からである。

図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子を用いた場合、反転電流密度が低減する機構の説明図である。ここで、図２（ａ）は、図１の磁気記録素子を９０度回転させた積層構造図を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）の磁気記録素子の各層における電子に対する原子ポテンシャルの模式図を示す。

図２（ａ）の磁気記録素子１０は、平行磁化配置の例である。すなわち、固定層ＦＰの磁化方向と記録層ＦＦの磁化方向とが平行（同じ向き）になっている例である。この図では、両者の磁化方向は、紙面上において上向きになっている。

この磁気記録素子１０の各層は、図２（ｂ）のようなポテンシャルを有する。すなわち、強磁性体からなる固定層ＦＰ及び記録層ＦＦでは、上向き（↑）スピンを持った電子（上向きスピン偏極電子）に対するポテンシャルＰ１と下向き（↓）スピンを持った電子（下向きスピン偏極電子）に対するポテンシャルＰ２とが異なる。一方、非磁性体からなるスペーサ層ＳＰ、キャップ層ＣＰ及び反射層ＲＥＦでは、上向きスピン偏極電子のポテンシャルＰ１と下向きスピン偏極電子のポテンシャルＰ２とが同じになっている。尚、この例は、固定層ＦＰ及び記録層ＦＦの磁化方向が上向きであるので、固定層ＦＰ及び記録層ＦＦにおいて、上向きスピンがマジョリティスピンとなり、下向きスピンがマイノリティスピンとなる。

そして、本実施形態におけるキャップ層ＣＰの電子に対する原子ポテンシャルは、記録層ＦＦのマジョリティスピンバンド電子に対するポテンシャルとマイノリティスピンバンド電子に対するポテンシャルとの中間値よりも低い。すなわち、キャップ層ＣＰの上向きスピン偏極電子及び下向きスピン偏極電子に対するポテンシャルは、記録層ＦＦの上向きスピンバンドのポテンシャルＰ１（マジョリティスピンバンド電子のポテンシャル）と下向きスピンバンドのポテンシャルＰ２（マイノリティスピンバンド電子のポテンシャル）との中間値Ｐｍよりも低く、この図の場合はポテンシャルＰ１と同じになっている。さらに、反射層ＲＥＦのポテンシャルは、キャップ層ＣＰのポテンシャルと差が大きいことが望ましく、この図の場合は中間値Ｐｍ程度になっている。

このように、キャップ層ＣＰの電子に対する原子ポテンシャルが記録層ＦＦのマジョリティスピンバンド電子（上向きスピン電子）に対する原子ポテンシャルに近い場合、キャップ層ＣＰの下向きスピン偏極電子は、記録層ＦＦと反射層ＲＥＦとの間に閉じ込められやすいことが分かる。

つまり、反射層ＲＥＦから記録層ＦＦへ向けて電子を流した場合、上向きスピン偏極電子ｅ１は、記録層ＦＦの上向きスピン偏極電子（マジョリティスピン偏極電子）と同程度のポテンシャルを有しているため、記録層ＦＦへ入射し易い。しかし、下向きスピン偏極電子ｅ２は、記録層ＦＦの下向きスピン偏極電子（マイノリティスピン偏極電子）よりもポテンシャルが小さいため、記録層ＦＦの表面（記録層ＦＦとキャップ層ＣＰとの界面）で反射される。さらに、この反射された下向きスピン偏極電子ｅ２は、キャップ層ＣＰと反射層ＲＥＦとのポテンシャルが異なるため、反射層ＲＥＦの表面（キャップ層ＣＰと反射層ＲＥＦとの界面）で再び反射される。

ここで、キャップ層ＣＰの厚さＴが３ｎｍ以下と極薄の場合には、２つの界面での反射が強く効き、結果として、下向きスピン偏極電子ｅ２はキャップ層ＣＰ内に蓄積される。そして、この蓄積された下向きスピン偏極電子ｅ２が、記録層ＦＦへ作用し、記録層ＦＦの磁化反転を促進する。このため、特に、電子を記録層ＦＦから固定層ＦＰへ流す場合、すなわち、平行磁化配置から反平行磁化配置へ記録層ＦＦをスイッチングさせるときに、反転電流密度を低減できる。

これに対して、図３に示すように、キャップ層ＣＰが厚い場合は、下向きスピン偏極電子ｅ２の十分な閉じ込めができなくなる。また、図４に示すように、電子が固定層ＦＰから記録層ＦＦへ逆向きに流れる場合には、記録層ＦＦにとってマイノリティスピン偏極電子のキャップ層ＣＰへの閉じ込めが起こらないので、この場合には効果が現れない。

次に、キャップ層ＣＰの厚さＴを３ｎｍ以下とするのは、次の理由からである。

図５（ａ）は、キャップ層の厚さの変化に伴うキャップ層内への電子の閉じこめの強さの関係を示す。この関係は、次のように求めた。Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏのサンドイッチ膜に様々な膜厚のＣｕ層（キャップ層ＣＰ）を付けて、２つのＣｏ層間に働く層間交換相互作用を求め、その結果から振動成分を取り除き、電子のキャップ層ＣＰ内への閉じ込め効果の強さを求めた。

図５（ａ）に示すように、電子のキャップ層ＣＰ内への閉じ込めの強さは、キャップ層ＣＰの厚さＴが厚くなるほど減少し、キャップ層ＣＰの厚さＴが３ｎｍ程度でほぼゼロとなる。これより、キャップ層ＣＰの厚さＴは、３ｎｍ以下が好ましいと考える。

尚、キャップ層ＣＰは薄くなるほど有利であるが、キャップ層ＣＰの厚さＴは、０．２ｎｍ≦Ｔ≦３ｎｍが好ましい一例である。ここで、上限値の３ｎｍは、上述した根拠からである。一方、下限値の０．２ｎｍは、キャップ層ＣＰを形成するには少なくとも１原子以上あるのがよいという考えに基づいて規定したものである。勿論、キャップ層ＣＰの厚さＴを０．２ｎｍよりも薄くすることが可能であることは言うまでもない。

また、キャップ層ＣＰは薄くなるほど有利であるが、キャップ層ＣＰの厚さＴは、０．２ｎｍ≦Ｔ≦２ｎｍが好ましい一例であるとも言える。ここで、下限値の０．２ｎｍは、上述した根拠からである。一方、上限値の２ｎｍは、磁気記録素子の作成方法によっては電子閉じ込め効果が３ｎｍより薄い厚さＴで減衰してしまう場合を考慮して規定したものである。

反射層ＲＥＦにおいて十分な反射効果を得るために、反射層ＲＥＦの厚さは２０ｎｍ以下であることが望ましい。図５（ｂ）は、反射層ＲＥＦとしてＴａを用いた場合の反射層ＲＥＦの厚さの変化に伴うキャップ層ＣＰ内への電子の閉じ込めの強さの変化を示す。図５（ｂ）に示すように、電子のキャップ層ＣＰ内への閉じ込めの強さは、反射層ＲＥＦの厚さが２０ｎｍ以下で大きくなることがわかる。

さらに、反射層ＲＥＦとして、酸化物や窒化物に代表される絶縁層を用いると、より効果的な反射効果を得ることができる。この場合には、反射層ＲＥＦの厚さは１ｎｍ以下であることが好ましい。反射層ＲＥＦの厚さが１ｎｍよりも厚いと、素子抵抗が大きくなり過ぎ、反転に必要な電流を流すことができなくなるからである。尚、反射層ＲＥＦの厚さが１ｎｍ以下であれば、絶縁層は必ずしも連続膜でなくてもよく、ピンホール等が入っていてもよい。

（ａ）磁気記録素子の構造
（ａ−１）反強磁性結合構造と強磁性結合構造
本実施形態に係る磁気記録素子１０において、記録層ＦＦ及び固定層ＦＰは、磁性層単層でもよいが、磁性層の中央に非磁性層を挿入した磁性層／非磁性層／磁性層の積層構造にしてもよい。このような積層構造の具体例を以下に説明する。

図６（ａ）乃至（ｄ）及び図７（ａ）乃至（ｄ）は、本実施形態に係る反強磁性結合構造及び強磁性結合構造の磁気記録素子の断面図を示す。ここで、反強磁性結合構造とは、非磁性層を挟む２枚の強磁性層の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している構造であり、一方、強磁性結合構造とは、非磁性層を挟む２枚の強磁性層の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している構造である。

図６（ａ）に示す磁気記録素子１０は、記録層ＦＦが反強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層ＦＦは、強磁性層ＦＦｆ１／非磁性層ＦＦｎ／強磁性層ＦＦｆ２の３層からなり、強磁性層ＦＦｆ１，ＦＦｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。

図６（ｂ）に示す磁気記録素子１０は、固定層ＦＰが反強磁性結合構造となっている。すなわち、固定層ＦＰは、強磁性層ＦＰｆ１／非磁性層ＦＰｎ／強磁性層ＦＰｆ２の３層からなり、強磁性層ＦＰｆ１，ＦＰｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。

図６（ｃ）に示す磁気記録素子１０は、記録層ＦＦが強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層ＦＦは、強磁性層ＦＦｆ１／非磁性層ＦＦｎ／強磁性層ＦＦｆ２の３層からなり、強磁性層ＦＦｆ１，ＦＦｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。

図６（ｄ）に示す磁気記録素子１０は、固定層ＦＰが強磁性結合構造となっている。すなわち、固定層ＦＰは、強磁性層ＦＰｆ１／非磁性層ＦＰｎ／強磁性層ＦＰｆ２の３層からなり、強磁性層ＦＰｆ１，ＦＰｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。

図７（ａ）に示す磁気記録素子１０は、記録層ＦＦ及び固定層ＦＰの両方が反強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層ＦＦは、強磁性層ＦＦｆ１／非磁性層ＦＦｎ／強磁性層ＦＦｆ２の３層からなり、強磁性層ＦＦｆ１，ＦＦｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。また、固定層ＦＰは、強磁性層ＦＰｆ１／非磁性層ＦＰｎ／強磁性層ＦＰｆ２の３層からなり、強磁性層ＦＰｆ１，ＦＰｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。

図７（ｂ）に示す磁気記録素子１０は、記録層ＦＦ及び固定層ＦＰの両方が強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層ＦＦは、強磁性層ＦＦｆ１／非磁性層ＦＦｎ／強磁性層ＦＦｆ２の３層からなり、強磁性層ＦＦｆ１，ＦＦｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。また、固定層ＦＰは、強磁性層ＦＰｆ１／非磁性層ＦＰｎ／強磁性層ＦＰｆ２の３層からなり、強磁性層ＦＰｆ１，ＦＰｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。

図７（ｃ）に示す磁気記録素子１０は、記録層ＦＦが反強磁性結合構造となっており、固定層ＦＰが強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層ＦＦは、強磁性層ＦＦｆ１／非磁性層ＦＦｎ／強磁性層ＦＦｆ２の３層からなり、強磁性層ＦＦｆ１，ＦＦｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。また、固定層ＦＰは、強磁性層ＦＰｆ１／非磁性層ＦＰｎ／強磁性層ＦＰｆ２の３層からなり、強磁性層ＦＰｆ１，ＦＰｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。

図７（ｄ）に示す磁気記録素子１０は、記録層ＦＦが強磁性結合構造となっており、固定層ＦＰが反強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層ＦＦは、強磁性層ＦＦｆ１／非磁性層ＦＦｎ／強磁性層ＦＦｆ２の３層からなり、強磁性層ＦＦｆ１，ＦＦｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。また、固定層ＦＰは、強磁性層ＦＰｆ１／非磁性層ＦＰｎ／強磁性層ＦＰｆ２の３層からなり、強磁性層ＦＰｆ１，ＦＰｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。

上記図６（ａ）乃至（ｄ）及び図７（ａ）乃至（ｄ）の構造においても、キャップ層ＣＰの厚さＴが３ｎｍ以下と極薄であり、キャップ層ＣＰの材料が記録層ＦＦのマジョリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルとマイノリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルとの中間値よりも原子ポテンシャルが低い材料からなり、さらに、反射層ＲＥＦの膜厚が２０ｎｍ以下である場合に、反転電流Ｊｃ−の低減化及び反転電流Ｊｃ−，Ｊｃ＋の非対称性の改善が可能となる。さらに、このような強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造は、反転電流Ｊｃ−をさらに下げることができるのに加えて、強磁性層からの漏れ磁界が小さくなり、磁気記録素子１０の特性が安定する。

尚、強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造において、非磁性層を介した強磁性層の層間交換結合は非磁性層の膜厚に応じて反強磁性結合又は強磁性結合と振動するため、反強磁性結合又は強磁性結合となるように非磁性層の膜厚を選ぶとよい。また、記録層ＦＦを強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造とする場合は、キャップ層ＣＰに層間交換結合する材料を選ぶとよい。また、強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造は３層に限定されず、さらに積層を増やすことも可能である。

（ａ−２）磁性層の多層構造
本実施形態に係る磁気記録素子１０において、記録層ＦＦ及び固定層ＦＰの少なくとも一方は、複数の磁性層からなる多層構造になっていてもよい。

図８（ａ）及び（ｂ）及び図９（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る磁気記録素子における磁性層からなる多層構造の断面図を示す。

図８（ａ）に示す磁気記録素子は、記録層ＦＦが強磁性層ＦＦｆ１／強磁性層ＦＦｆ２からなる２層構造である。

図８（ｂ）に示す磁気記録素子は、固定層ＦＰが強磁性層ＦＰｆ１／強磁性層ＦＰｆ２からなる２層構造である。

図９（ａ）に示す磁気記録素子は、記録層ＦＦが強磁性層ＦＦｆ１／強磁性層ＦＦｆ２／強磁性層ＦＦｆ３からなる３層構造である。

図９（ｂ）に示す磁気記録素子は、固定層ＦＰが強磁性層ＦＰｆ１／強磁性層ＦＰｆ２／強磁性層ＦＰｆ３からなる３層構造である。

上記図８（ａ）及び（ｂ）及び図９（ａ）及び（ｂ）の構造においても、キャップ層ＣＰの厚さが３ｎｍ以下と極薄であり、キャップ層ＣＰの材料が記録層ＦＦのマジョリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルとマイノリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルとの中間値よりも原子ポテンシャルが低い材料からなり、さらに、反射層ＲＥＦの膜厚が２０ｎｍ以下である場合に、反転電流Ｊｃ−の低減化及び反転電流Ｊｃ−，Ｊｃ＋の非対称性の改善が可能となる。さらに、このような磁性層からなる多層構造は、反転電流Ｊｃ−をさらに下げることができる。

尚、磁性層からなる多層構造は、２層構造及び３層構造に限定されず、４層以上の多層構造でも勿論よい。また、記録層ＦＦ及び固定層ＦＰが、同じ層数の多層構造になっていてもよいし、異なる層数の多層構造になっていてもよい。さらに、この磁性層からなる多層構造は、上記反強磁性結合構造や強磁性結合構造と組み合わせることも可能である。

（ａ−３）断面形状
本実施形態に係る磁気記録素子１０の断面形状は、各層の膜面方向の寸法（磁化容易軸方向又は磁化困難軸方向の寸法）が全て同じであるが、これに限定されず、配線の接続のため又は磁化方向の制御のために各層の寸法が互いに異なるようにしてもよい。例えば、磁気記録素子１０の断面形状は、図１０（ａ）に示すように、上層に向かって横方向のサイズが連続的に小さくなっている台形であってもよいし、図１０（ｂ）に示すように、横方向サイズが層ごとに非連続な形状（例えば凸形状）であってもよい。このような場合でも、本実施形態の効果に支障はない。

（ａ−４）平面形状
本実施形態に係る磁気記録素子１０（主に記録層）の平面形状は、例えば、縦横比が１：１から１：５の範囲にあるような正方形又は長方形（図１１（ａ）、図１１（ｂ））、横長（縦長）６角形（図１１（ｃ））、楕円形（図１１（ｄ））、菱型（図１１（ｅ））、平行四辺形（図１１（ｆ））とすることが望ましい。さらに、円（図１１（ｇ））や十字型（図１１（ｈ））でもよい。また、その記録層の平面形状における寸法は、長手方向（磁化容易軸方向）の一辺が５ｎｍ乃至５００ｎｍ程度の範囲内とすることが望ましい。

（ｂ）磁気記録素子の各要素
ここでは、本実施形態に係る磁気記録素子１０を構成する各要素（主に材料）について詳述する。

（ｂ−１）固定層ＦＰ、記録層ＦＦ
固定層ＦＰ及び記録層ＦＦを構成する強磁性材料としては、以下の中から用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。

例えば、「鉄（Ｆｅ）単体」、「コバルト（Ｃｏ）単体」、「ニッケル（Ｎｉ）単体」、「鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金」、「パーマロイと呼ばれるＮｉＦｅ系合金」、「ＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料」、「ホイスラー合金、磁性半導体、ＣｒＯ_２、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｌａ_１―ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３などのハーフメタル磁性体酸化物（又はハーフメタル磁性体窒化物）」のいずれかを用いることができる。

ここで、「磁性半導体」としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかの磁性元素と、化合物半導体又は酸化物半導体とからなるものを用いることができる。この磁性半導体は、具体的には、例えば、（Ｇａ、Ｃｒ）Ｎ、（Ｇａ、Ｍｎ）Ｎ、ＭｎＡｓ、ＣｒＡｓ、（Ｇａ、Ｃｒ）Ａｓ、ＺｎＯ：Ｆｅ、（Ｍｇ、Ｆｅ）Ｏ、Ｔｉ−Ｏ：Ｃｏなどをあげることができる。

また、固定層ＦＰ及び記録層ＦＦに用いる材料としては、連続的な磁性体でもよく、又は、非磁性マトリクス中に磁性体からなる微粒子が析出あるいは形成されてなる複合体構造を用いることもできる。このような複合体構造としては、例えば、「グラニュラー磁性体」などと称されるものをあげることができる。

また、上記図６（ａ）乃至（ｄ）及び図７（ａ）乃至（ｄ）に示す反強磁性結合構造及び強磁性結合構造では、次のような材料を用いることができる。例えば、反強磁性結合した磁性層／非磁性層／磁性層からなる記録層ＦＦ及び固定層ＦＰにおいて、この非磁性層としては、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）などの非磁性金属層及び反強磁性体を用いることが望ましい。そして、反強磁性結合を得るためには、この非磁性層の膜厚は、例えば０．２ｎｍ乃至３ｎｍにすることが望ましい。

また、上記図８（ａ）及び（ｂ）及び図９（ａ）及び（ｂ）に示す磁性層からなる多層構造では、次のような材料を用いることができる。例えば、固定層ＦＰ及び記録層ＦＦの材料として、［（Ｃｏ又はＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金、又はＮｉ）］からなる２層構造、［（Ｃｏ又はＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金、又はＮｉ）／（Ｃｏ又はＣｏＦｅ合金）］からなる３層構造の積層体を用いることもできる。これらの多層構造からなる磁性層の場合、外側のＣｏ又はＣｏＦｅ合金の厚さは、０．２ｎｍから１ｎｍの範囲であることが好ましい。これは、大きな再生信号出力を得る又は高い反転効率を得ることができるからである。

（ｂ−２）反強磁性層ＡＦ
反強磁性層ＡＦは、固定層ＦＰに直接接して設けることで、固定層ＦＰに一方向異方性を付与し、固定層ＦＰの磁化を固着するためのものである。この反強磁性層ＡＦの材料としては、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）、白金マンガン（ＰｔＭｎ）、パラジウム・マンガン（ＰｄＭｎ）、パラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）などを用いることが望ましい。

（ｂ−３）スペーサ層ＳＰ
スペーサ層ＳＰは、非磁性材料からなる。このスペーサ層ＳＰの材料としては、金属、絶縁体及び半導体のいずれでもよく、低抵抗材料と高抵抗材料との２通りに分けられる。

低抵抗材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれら銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）のいずれか一種以上を含む合金をあげることができる。これら低抵抗の非磁性材料からなるスペーサ層ＳＰの厚さは、例えば１ｎｍ乃至６０ｎｍ程度であれば、磁化反転の効果を得ることができる。

高抵抗材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物（例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３−Ｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ＳｉＯ_２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ等）又は窒化物、フッ化物からなる絶縁体、ＧａＡｌＡｓなどのギャップが大きな半導体をあげることができる。また、前記絶縁体にピンホールが形成され、そのピンホールに磁性層が進入したナノコンタクトＭＲ材料や、そのピンホールにＣｕが侵入したＣＣＰ（Current-Perpendicular-to-Plane）−ＣＣＰ−ＭＲ（Magneto-Resistance effect）材料を用いることによっても、大きな再生出力を得ることができる。前者のトンネル磁気抵抗効果用絶縁体の場合、そのスペーサ層ＳＰの厚さは例えば０．２ｎｍ乃至２ｎｍとすることが、信号再生上は望ましい。後者のナノコンタクトＭＲ及びＣＣＰ−ＣＰＰ−ＭＲの場合、そのスペーサ層ＳＰの厚さは例えば０．４ｎｍ乃至４０ｎｍの範囲内であることが望ましい。

尚、スペーサ層ＳＰとしては、出力信号を磁気記録素子１０の磁気抵抗効果で検出する場合には、アルミナやＭｇＯ等の絶縁体を用いると抵抗変化が大きくて好ましい。また、スペーサ層ＳＰにＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、又はこれらの少なくとも一種を含む合金を用いると、素子の高寿命化が図れるため好ましい。

（ｂ−４）キャップ層ＣＰ
キャップ層ＣＰは、金属非磁性材料からなる。このキャップ層ＣＰの材料は、上述するように、記録層ＦＦのマジョリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルとマイノリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルとの中間値よりも原子ポテンシャルが低い材料からなる。さらに、キャップ層ＣＰの材料は、記録層ＦＦの材料と格子ミスマッチが少ない材料であると好ましい。具体的な材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇなどがあげられ、記録層ＦＦとの組み合わせで決まる。

（ｂ−５）反射層ＲＥＦ
反射層ＲＥＦは、非磁性材料からなる。この反射層ＲＥＦの材料としては、キャップ層ＣＰの原子ポテンシャルから遠い（ポテンシャル差が大きい）原子ポテンシャルを有する材料が好ましい。具体的な材料としては、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｌ、Ｗなどがあげられ、キャップ層ＣＰとの組み合わせで決まる。

また、反射層ＲＥＦとして、酸化層若しくは窒化層からなる絶縁層、又は半導体層を用いると、キャップ層ＣＰの原子ポテンシャルから遠い原子ポテンシャルをもつ材料を反射層ＲＥＦとして用いることができるので好ましい。

さらに、厚さが１ｎｍ以下の絶縁層、又は厚さが２０ｎｍ以下の半導体層を用いることが好ましい。これは、導電性をある程度維持したまま、反射層ＲＥＦにて電子の反射を起こすことが容易になるからである。

具体的な材料としては、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ｓｉ−Ｏ、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｓｉ−Ｎ、Ｆｅ−Ｏ、Ｍｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｇｅ−Ｏ、Ｃｕ−Ｏなどの酸化物や窒化物、ＧａＡｌＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓなどの半導体をあげることができる。特に、極薄膜からなる絶縁層は反射効果を大きくするために好ましい。この場合の絶縁層は、連続膜に限定せず、ピンホール等がある不連続膜でも、平坦であれば反射層ＲＥＦとして機能する。

尚、ここで絶縁層と称したが、酸化層又は窒化層の化学量論的な組成は、多少の酸素又は窒素の欠損があってもよい。欠損がある場合には、完全な絶縁層とはならず、半導体的挙動又はピンホールを有する絶縁体の挙動を示すが、通常は広義の意味でこれらも絶縁層と呼ぶことが多い。

（ｃ）書き込み／読み出し動作
図１２（ａ）及び（ｂ）及び図１３（ａ）及び（ｂ）を用いて、本実施形態に係る磁気記録素子１０を用いた電流直接駆動による書き込み／読み出し動作について説明する。尚、ここでは、固定層ＦＰの磁化は紙面上において上向きに固定されているものとする。

（ｃ−１）書き込み動作
まず、図１２（ａ）に示すように、平行磁化配置から反平行磁化配置へ記録層ＦＦの磁化を反転させる場合は、記録層ＦＦから固定層ＦＰに向けて電子を流す。換言すると、固定層ＦＰから記録層ＦＦに電流を流す。

この場合、上向きスピン偏極電子ｅ１は、記録層ＦＦ及び固定層ＦＰの上向きスピン偏極電子とポテンシャルが同程度であるため（図１２（ｂ）参照）、記録層ＦＦ及び固定層ＦＰを通過し易い。しかし、本実施形態では、所定の要件を満たすキャップ層ＣＰが記録層ＦＦに接して設けてあるため、下向きスピン偏極電子ｅ２は記録層ＦＦの表面で反射され、この反射された下向きスピン偏極電子ｅ２は反射層ＲＥＦの表面でさらに反射される。これにより、下向きスピン偏極電子ｅ２は、キャップ層ＣＰ内に閉じ込められて蓄積される。この閉じこめ効果により蓄積された下向きスピン偏極電子ｅ２が記録層ＦＦの磁化に作用し、記録層ＦＦの磁化が上向きから下向きに反転するよう働く。さらに、記録層ＦＦを通過した下向きスピン偏極電子ｅ３は、固定層ＦＰの表面で反射され、再度記録層ＦＦに戻ってくる。これにより、この再度戻ってきた下向きスピン偏極電子ｅ３が、記録層ＦＦの磁化にさらに作用する。このようにして、記録層ＦＦの磁化を上向きから下向きに反転させ、平行磁化配置から反平行磁化配置へ書き込みが行われる。

一方、図１３（ａ）に示すように、反平行磁化配置から平行磁化配置へ記録層ＦＦの磁化を反転させる場合は、固定層ＦＰから記録層ＦＦに向けて電子を流す。換言すると、記録層ＦＦから固定層ＦＰに電流を流す。

この場合、上向きに磁化が固定された固定層ＦＰは、主に上向きスピン偏極電子ｅ１を多く発生する。その結果、この上向きスピン偏極電子ｅ１が記録層ＦＦの磁化に作用し、記録層ＦＦの磁化は上向きに反転される。尚、下向きスピン偏極電子ｅ２も記録層ＦＦに入射するが、上向きスピン偏極電子ｅ１の方が記録層ＦＦに多く入射するため、下向きスピン偏極電子ｅ２の磁化反転への寄与は小さい。さらに、記録層ＦＦの磁化が上向きになると、下向きスピン偏極電子ｅ２は記録層ＦＦの表面で反射される。このようにして、記録層ＦＦの磁化を下向きから上向きに反転させ、反平行磁化配置から平行磁化配置へ書き込みが行われる。

上記において、平行磁化配置の状態と反平行磁化配置の状態とに“１”又は“０”を割り当てることで、２値の情報の書き込みが可能となる。

（ｃ−２）読み出し動作
磁気記録素子１０に書き込まれた情報は、磁気抵抗効果を利用して読み出すことができる。すなわち、固定層ＦＰ及び記録層ＦＦ間に反転電流以下のセンス電流を流したとき、平行磁化配置であれば磁気抵抗は比較的小さな値になり、一方、反平行磁化配置であれば磁気抵抗は比較的大きな値になる。この抵抗値の違いを読み取ることで、データの読み出しを行うことができる。

（ｄ）実施例
以下、実施例を参照しつつ、本発明の第１の実施形態についてさらに詳細に説明する。

（ｄ−１）第１の実施例
第１の実施例では、本実施形態に係る薄いキャップ層を有する磁気記録素子１０と比較例である厚いキャップ層を有する磁気記録素子とで、電流注入による反転電流密度の特性を比べる。

図１４は、本発明者が試作した磁気記録素子の断面構造を表す模式図である。ここで作成した磁気記録素子１０の構造は、次のとおりである。

（サンプル１）
［ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）］／Ｃｕ（６ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｃｕ（２ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）
（サンプル２）
［ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）］／Ｃｕ（６ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｃｕ（２０ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）
サンプル１は、本実施形態に係る薄いキャップ層ＣＰを有する磁気記録素子１０であり、サンプル２は、比較例として厚いキャップ層ＣＰを有する磁気記録素子１０である。これらサンプル１及び２に係る磁気記録素子１０は、図６（ｂ）に例示した固定層ＦＰが反強磁性結合した構造に対応する。

ここで、両者とも、白金マンガン（ＰｔＭｎ）からなる反強磁性層ＡＦにより固定層ＦＰの磁化が固着され、この固定層ＦＰは反強磁性結合したＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ構造を有する。スペーサ層ＳＰには、厚み６ｎｍの銅（Ｃｕ）を用いている。また、記録層ＦＦにはＣｏＦｅを用い、キャップ層ＣＰにはＣｕを用い、反射層ＲＥＦにはタンタル（Ｔａ）を用いている。そして、サンプル１のキャップ層ＣＰの厚さは２ｎｍであるのに対し、サンプル２のキャップ層ＣＰの厚さは２０ｎｍと厚くなっている。

これらサンプル１及び２は、次のように作製される。

まず、ウエハ上に下部電極１２が形成された後、このウエハが超高真空スパッタ装置へ導入される。そして、サンプル１及び２に係る磁気記録素子１０の積層膜が下部電極１２上に堆積された後、ウエハがスパッタ装置から取り出される。次に、このウエハに対して、磁場中真空炉にて、２７０℃で１０時間の磁場中アニールが行われる。これにより、上記積層膜に一方向異方性が付与される。次に、この積層膜に対し、ＥＢ（electron beam：電子線）レジストが塗布され、ＥＢ露光が行われる。その後、所定の形状のマスク（ここでは、サイズ７０ｎｍ×１００ｎｍで、長手方向が一方向異方軸と平行方向とする）が形成される。次に、イオンミリング装置にて、上記マスクに被覆されない領域が、ＰｔＭｎからなる反強磁性層ＡＦまでエッチングされ、磁気記録素子１０が形成される。ここで、エッチング量は、スパッタされた粒子を差動排気による四重極分析器に導入して質量分析することによって、正確に把握できる。上記エッチング後、マスクが剥離される。次に、ＳｉＯ_２膜が成膜された後、このＳｉＯ_２膜の表面がイオンミリングにより平滑化され、Ｔａからなる反射層ＲＥＦの上面が露出される。この反射層ＲＥＦ上に上部電極１３が形成され、図１４に示す構造のサンプル１及び２が作製される。

このように作製されたサンプル１及び２に対して、磁気記録素子１０の膜に対して垂直に電流を流すことで電流直接駆動の磁化反転を行うと同時に、磁気抵抗効果を測定することにより、磁化状態をモニタした。

図１５（ａ）は、本発明の第１の実施例におけるサンプル１と比較例であるサンプル２との電流書き込み特性を表すグラフ図（ヒステリシス曲線）で、外部磁場がゼロの時の書き込み特性を表している。また、電流極性は、電子が固定層ＦＰから記録層ＦＦへ流れるときがプラスとなるように規定する。尚、この図１５（ａ）において、電流増加に伴うバックグラウンド増加分は除去してある。

図１５（ａ）に示すように、磁気記録素子１０は低抵抗状態Ａと高抵抗状態Ｂとが存在し、記録層ＦＦの磁化が固定層ＦＰに対して平行となったときが低抵抗状態Ａとなり、反平行となったときは高抵抗状態Ｂとなっていることが分かる。すなわち、電子が固定層ＦＰから記録層ＦＦへ流れるときには抵抗が低くなり、記録層ＦＦの磁化は固定層ＦＰに対して平行となる。逆に、電子が記録層ＦＦから固定層ＦＰへ流れるときには抵抗が高くなり、記録層ＦＦの磁化は固定層ＦＰに対して反平行となる。ここで、磁化を反転させるために必要な電流を臨界電流Ｉｃとすると、臨界電流Ｉｃ以上の電流を流せば、磁気記録素子１０に情報を記録できることが分かる。

図１５（ｂ）は、サンプル１及び２に係るキャップ層ＣＰの膜厚の違いによる反転電流の比較図を示す。

図１５（ｂ）に示すように、記録層ＦＦと反射層ＲＥＦとに挟まれたキャップ層ＣＰが２０ｎｍから２ｎｍに薄くなることで、反平行→平行時の反転電流密度Ｊｃ＋は維持しつつ、平行→反平行時の反転電流密度Ｊｃ−は小さくなり、さらに、反転電流密度Ｊｃ＋、Ｊｃ−の非対称性が解消されていることが分かる。さらに、詳細なキャップ層ＣＰの膜厚依存性の検討から，キャップ層ＣＰの厚さが３ｎｍを超えると、非対称性の解消に効果が薄くなる傾向を得た（図５（ａ）参照）。

以上より、本実施例のサンプル１のように、キャップ層ＣＰの膜厚を３ｎｍ以下にすることで、反転電流密度の低減化、特に平行→反平行時の反転電流密度Ｊｃ−を小さくし、反転電流密度Ｊｃ−，Ｊｃ＋の非対称性を解消できることが分かる。

（ｄ−２）第２の実施例
第２の実施例では、本実施形態に係る磁気記録素子と比較例の磁気記録素子とで、キャップ層ＣＰの材質が異なる場合の電流特性を比較する。

図１６は、本発明者が試作した磁気記録素子の断面構造を表す模式図である。ここで作成した磁気記録素子の構造は、次のとおりである。

（サンプル３）
［ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／Ｃｏ（２０ｎｍ）］／Ａｌ_２Ｏ_３―Ｘ（０．８ｎｍ）／［ＣｏＦｅ（１．２ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．２ｎｍ）］／Ｃｕ（１．４ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）
（サンプル４）
［ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／Ｃｏ（２０ｎｍ）］／Ａｌ_２Ｏ_３―Ｘ（０．８ｎｍ）／［ＣｏＦｅ（１．２ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．２ｎｍ）］／Ｃｒ（１．４ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）
サンプル３は、本実施形態に係る磁気記録素子１０であり、サンプル４は、比較例としてＣｒキャップ層ＣＰを有する磁気記録素子である。これらサンプル３及び４に係る磁気記録素子１０は、図６（ａ）に例示した記録層ＦＦが反強磁性結合した構造に対応する。

ここで、両者とも、ＰｔＭｎからなる反強磁性層ＡＦによりＣｏからなる固定層ＦＰの磁化が固着され、スペーサ層ＳＰにはアルミ尚使用している。また、記録層ＦＦには反強磁性結合したＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅを用い、反射層ＲＥＦにはＴａを用いている。

そして、記録層ＦＦのＣｏの原子ポテンシャルは、マジョリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルとマイノリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルとは、それぞれ‐３．１ｅＶと−１．２ｅＶである（フェルミエネルギーをゼロとしている）。一方、キャップ層ＣＰのＣｕ（サンプル３）の原子ポテンシャルは−３．２ｅＶであり、キャップ層ＣＰのＣｒ（サンプル４）の原子ポテンシャルは−０．６ｅＶである。

従って、キャップ層材料がＣｕであるサンプル３は、Ｃｏ記録層ＦＦのマジョリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャル（‐３．１ｅＶ）とマイノリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャル（−１．２ｅＶ）の中間値よりも原子ポテンシャルが低い材料であるため、本実施形態の要件を満たすサンプルである。

一方、キャップ層材料がＣｒであるサンプル４は、Ｃｏ記録層ＦＦのマジョリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャル（‐３．１ｅＶ）とマイノリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャル（−１．２ｅＶ）の中間値よりも原子ポテンシャルが高い材料であるため、本実施形態の要件を満たさないサンプルである。

これらサンプル３及び４は、次のように作製される。

まず、ウエハ上に下部電極１２が形成された後、このウエハが超高真空スパッタ装置へ導入される。そして、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／Ｃｏ（２０ｎｍ）／Ａｌからなる多層膜が下部電極１２上に堆積される。次に、スパッタ装置へ酸素が導入され、Ａｌを酸化させることで、Ａｌ_２Ｏ_３―Ｘが形成される。このＡｌ_２Ｏ_３―Ｘの上に、Ｃｕ（６ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．２ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．２ｎｍ）からなる多層膜が堆積される。その後、ウエハがスパッタ装置から取り出される。次に、多層膜上にレジストが塗布され、ＥＢ描画装置にて電子ビーム露光が行われる。その後、８０ｎｍ×１３０ｎｍの楕円形状のマスクが形成される。次に、イオンミリング装置にて、上記マスクに被覆されない領域が、Ａｌ_２Ｏ_３―Ｘの上部までエッチングされ、磁気記録素子１０が形成される。この磁気記録素子１０の形状は、磁気記録素子１０の長手方向を交換バイアス方向になるように設定した。上記エッチング後、マスクが剥離される。次に、磁気記録素子１０の周りにＳｉＯ_２膜が埋め込まれ、上部電極１３が形成され、図１６に示す構造のサンプル３及び４が作製される。

このように作製したサンプル３及び４について、電流特性を評価した。サンプル３の反転電流は、反平行→平行時に２．４ｍＡ、平行→反平行時に−２．５ｍＡとなり、反転電流の非対称性は解消されている。これに対し、サンプル４の反転電流は、反平行→平行時に２．５ｍＡ、平行→反平行時に−５．７ｍＡとなり、反転電流の非対称性は解消されず、平行→反平行反転時に依然として大きな反転電流であった。

以上より、本実施例のサンプル３のように、キャップ層ＣＰの材料を記録層ＦＦのマジョリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルとマイノリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルの中間値よりも原子ポテンシャルが低い材料にすることで、平行→反平行反転時の反転電流Ｊｃ−を小さくでき、反転電流密度Ｊｃ−，Ｊｃ＋の非対称性を解消できることを確認した。

尚、サンプル３のＡｌ_２Ｏ_３―Ｘの代わりに、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、ホールが形成されそのホールに磁性体又は導電性金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）が埋めこまれたＳｉＯ_２又はＡｌ_２Ｏ_３を用いた場合にも、上記と同様の傾向が得られる。

（ｄ−３）第３の実施例
第３の実施例では、種々の積層構造の磁気記録素子１０を作製し、平均反転電流及び反転電流の外部磁場依存性を求めた。

表１−１乃至表１−３は、第３の実施例に係る磁気記録素子の種々の積層構造における反転電流Ｊｃ−，Ｊｃ＋を示す。尚、Ｊｃ−の値は、マイナスを削除して絶対値で表示している。

ここで、番号１乃至番号２０に係る磁気記録素子１０の積層構造は、下部電極及び上部電極間における下層から上層へ向かって積層された膜（反強磁性層ＡＦ／固定層ＦＰ／スペーサ層ＳＰ／記録層ＦＦ／キャップ層ＣＰ／反射層ＲＥＦ）の材料及び膜厚が記載されている。この積層構造は、ＥＢリソグラフィーとイオンミリング、又はＥＢリソグラフィーと反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）により作製した。

また、番号１乃至番号２０に係る磁気記録素子１０のキャップ層ＣＰは、０．８ｎｍ乃至２ｎｍの厚さのＣｕで形成されている。すなわち、キャップ層ＣＰの厚さは３ｎｍ以下とし、さらに、キャップ層ＣＰの材料を記録層ＦＦのマジョリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルとマイノリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルの中間値よりも原子ポテンシャルが低い材料としている。

上記表１−１乃至表１−３の結果より、番号１乃至番号２０の磁気記録素子１０のように、キャップ層ＣＰの厚さを３ｎｍ以下とし、さらに、キャップ層ＣＰの材料を記録層ＦＦのマジョリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルとマイノリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルの中間値よりも原子ポテンシャルが低い材料とすることで、平行→反平行反転時の反転電流Ｊｃ−を小さくでき、反転電流密度Ｊｃ−，Ｊｃ＋の非対称性を解消できることが確認できる。

（ｄ−４）第４の実施例
第４の実施例では、本実施形態に係る薄い反射層ＲＥＦを有する磁気記録素子１０と比較例である厚い反射層ＲＥＦを有する磁気記録素子１０とで、電流注入による反転電流密度の特性を比べる。ここで作成した磁気記録素子１０の構造は、次のとおりである。

（サンプルＡ１）
［ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（５ｎｍ）］／ＭｇＯ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／Ｃｕ（１．０ｎｍ）／ＭｇＯ（０．４ｎｍ）
（サンプルＢ１）
［ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（５ｎｍ）］／ＭｇＯ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／Ｃｕ（１．０ｎｍ）／ＭｇＯ（１．８ｎｍ）
（サンプルＡ２）
［ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（５ｎｍ）］／ＭｇＯ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／Ｃｕ（１．０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）
（サンプルＢ２）
［ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（５ｎｍ）］／ＭｇＯ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／Ｃｕ（１．０ｎｍ）／Ｔａ（４０ｎｍ）
サンプルＡ１，Ａ２は、本実施形態に係わる薄い反射層ＲＥＦを有する磁気記録素子１０であり、サンプルＢ１，Ｂ２は、それぞれＡ１，Ａ２への比較例として厚い反射層ＲＥＦを有する磁気記録素子１０である。サンプルＡ１，Ｂ１にはＭｇＯを反射層ＲＥＦとして用い、サンプルＡ２，Ｂ２にはＴａを反射層ＲＥＦとして用いている。

サンプルＡ１からサンプルＢ２まで、白金マンガンからなる反強磁性層ＡＦにより固定層ＦＰの磁化が固着され、この固定層ＦＰは反強磁性結合したＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ構造を有する。スペーサ層ＳＰには、厚み０．８ｎｍのＣｕを用いている。キャップ層ＣＰにはＣｕを用い、反射層ＲＥＦにはＭｇＯ又はＴａを用いている。尚、各膜は、上記構造表示の左から右へ順に下部電極の上に形成する。これらサンプルは、第１の実施例と同様の方法で作製する。

作製されたサンプルＡ１からＢ２に対して、磁気記録素子１０の膜に対して垂直に電流を流すことで電流直接駆動の磁化反転を行うと同時に、磁気抵抗効果を測定することにより、磁化状態をモニタした。

Ａ１からＢ２までのサンプルは、いずれも９０％以上の磁気抵抗効果を示し、大きな再生出力を得した。

サンプルＡ１及びサンプルＢ１の電流特性については、サンプルＡ１の反転電流が、反平行→平行時に０．６ｍＡ、平行→反平行時に−０．６ｍＡであったのに対し、サンプルＢ１は、厚い反射層ＲＥＦのために抵抗が大きくなり、このため同じ電流を流すに必要な電圧が大きくなりすぎて、電圧によりサンプルが壊れた。この結果から、絶縁体を反射層ＲＥＦとした場合には、その厚さを１ｎｍ以下と薄くして低抵抗化することが好ましいことが分かる。

また、サンプルＡ２とサンプルＢ２の反転電流を比較したところ、サンプルＡ２の反転電流は、反平行→平行時に０．９ｍＡ、平行→反平行時に−１．０ｍＡであったのに対し、サンプルＢ２の反転電流は、反平行→平行時に１．２ｍＡ、平行→反平行時に−２．０ｍＡであった。これらの結果から、反射層ＲＥＦが薄い場合に効果が大きいことが分かった。

さらに、サンプルＡ１と上下が逆配置である下記サンプル（サンプルＡ３）を作製した。これについても同様の効果が得られ、本実施形態による効果は層構造の上下関係に関係しないことが分かる。

（サンプルＡ３）
下部電極／ＭｇＯ（０．３ｎｍ）／Ｃｕ（１ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＭｇＯ（０．８ｎｍ）／［ＣｏＦｅＢ（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（４ｎｍ）］／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）
また、サンプルＡ４からＡ８のような１ｎｍ以下の反射層ＲＥＦの材料を変えたサンプルを作製し、反転電流を調べたところ、同様の効果を得ることができ、３ｎｍ以下のキャップ層ＣＰと共に１ｎｍ以下の絶縁体からなる反射層ＲＥＦが形成された場合に有用であることを確認した。

（サンプルＡ４）
［ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ_０．５Ｆｅ_０．５（４ｎｍ）］／ＭｇＯ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ_０．５Ｆｅ_０．５（２．５ｎｍ）／Ｃｕ（１．０ｎｍ）／ＭｇＯ（０．４ｎｍ）
（サンプルＡ５）
［ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）］／Ａｌ−Ｏ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｃｕ（１．５ｎｍ）／Ａｌ−Ｏ（０．４ｎｍ）
（サンプルＡ６）
［ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）］／Ａｌ−Ｏ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｃｕ（１．５ｎｍ）／Ｆｅ−Ｏ（１ｎｍ）
（サンプルＡ７）
［ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ_０．５Ｆｅ_０．５（４ｎｍ）］／ＭｇＯ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ_０．５Ｆｅ_０．５（２．５ｎｍ）／Ｃｕ（１．０ｎｍ）／Ｆｅ−Ｃｏ−Ｏ（１ｎｍ）
（サンプルＡ８）
［ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）］／Ａｌ−Ｏ（０．８ｎｍ）／［（ＣｏＦｅ（１．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．５ｎｍ）］／Ｃｕ（１．５ｎｍ）／Ｆｅ−Ｏ（１ｎｍ）
尚、上記の磁気記録素子１０の積層構造を、上下を逆にして積層した構造においても、同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、記録層ＦＦに隣接するキャップ層ＣＰを設け、このキャップ層ＣＰの膜厚を３ｎｍ以下にし、かつ、キャップ層ＣＰの材料として記録層ＦＦのマジョリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルとマイノリティスピンバンド電子に対する原子ポテンシャルの中間値よりも原子ポテンシャルが低い材料を用いている。これにより、電流駆動磁化反転により書き込みにおいて、平行から反平行へ磁化反転させる時の反転電流Ｊｃ−を低減できるとともに、反転電流密度Ｊｃ−，Ｊｃ＋の非対称性を改善できる。その結果、回路側の負担が少なくなるとともに、磁化反転電流で発生する熱によるダメージが少なく高信頼性の磁気記録素子が実現できる。このため、電流直接駆動磁化反転の実用化を促進し、磁気記録素子の高機能化、高密度化、低消費電力化への効果は大きく、産業上のメリットは多大である。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、上記第１の実施形態に係る磁気記録素子とトランジスタとをメモリセルに備えた磁気記録装置（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory)について説明する。本実施形態のメモリセルは、選択トランジスタがセル毎に設けられた、いわゆる選択トランジスタ型構造である。

図１７は、本発明の第２の実施形態に係る磁気記録装置のメモリセルアレイの等価回路を表す模式図である。図１８は、図１７における１セル分のメモリセルの断面構造を表す模式図である。

図１７に示すように、第２の実施形態における磁気記録装置のメモリセルアレイＭＣＡは、複数のビット線ＢＬｎ（ｎ＝１，２，…）及び書き込みワード線ＷＷＬｎがマトリクス状に配置され、ビット線ＢＬｎ及び書き込みワード線ＷＷＬｎの交点付近に磁気記録素子１０がそれぞれ配置されている。この磁気記録素子１０にはトランジスタ（例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor-Oxide Field Effect Transistor））ＴＲがそれぞれ接続され、このトランジスタＴＲのゲート電極は書き込み及び読み出しワード線ＷＬとして機能している。従って、各メモリセルＭＣは、ビット線ＢＬと、書き込みワード線ＷＷＬと、磁気記録素子１０と、トランジスタＴＲとを含んで構成されている。

具体的には、図１８に示すように、磁気記録素子１０の一端は、ビット線ＢＬに電気的に接続され、磁気記録素子１０の他端は、配線２３ａ，２３ｂ，２４及びコンタクト２２ａ，２２ｂ，２２ｃを介して、トランジスタＴＲの電流経路の一端に電気的に接続されている。トランジスタＴＲの電流経路の他端は、コンタクト２２ｄ及び配線２３ｃに接続され、この配線２３ｃは、例えば接地されてもよいし、電圧が供給できるようにされていてもよい。また、書き込みワード線ＷＷＬは、磁気記録素子１０の下方に配置され、磁気記録素子１０と電気的に分離されている。

図１９（ａ）及び（ｂ）は、書き込み動作を説明するための概念図である。第２の実施形態では、電流直接駆動（スピン注入磁化反転）による書き込みを行いつつ、電流磁場書き込みも行う。具体的には、次のように行われる。

まず、任意のセルにおける磁気記録素子１０の選択を行う。これは、その磁気記録素子１０に接続されたビット線ＢＬと、その磁気記録素子１０に接続されたトランジスタＴＲのゲート電極（ワード線ＷＬ）とを選択することで行われる。そして、ビット線ＢＬから磁気記録素子１０へ、又は磁気記録素子１０からビット線ＢＬへ、磁化反転の臨界電流Ｉｃより大きな書き込み電流Ｉｗ１を流すことで、電流直接駆動書き込みにより、磁気記録素子１０に情報が書き込まれる。

ここで、任意のセルにおける磁気記録素子１０の下方に位置する書き込みワード線ＷＷＬを選択すると、電流磁場書き込みを同時に行える。すなわち、書き込みワード線ＷＷＬに書き込み電流Ｉｒ２を紙面に対して手前又は奥に流すことで電流磁界Ｈｗを発生させ、この電流磁界Ｈｗと書き込み電流Ｉｒ１により発生した電流磁界Ｈｂとの合成磁界により、磁気記録素子１０の磁化反転にさらに作用する。

このようにして、“０”又は“１”の情報が書き込まれる。尚、ここでは、図１９（ａ）に示すように固定層及び記録層の磁化が反平行配置となった場合を“０”状態とし、図１９（ｂ）に示すように固定層及び記録層の磁化が平行配置となった場合を“１”状態とする。尚、“０”と“１”の割り当ては、逆にしても勿論よい。

図２０（ａ）及び（ｂ）は、読み出し動作を説明するための概念図である。読み出しは、磁気記録素子１０の抵抗の大きさで信号を検出する。具体的には、次のように行われる。

まず、磁気記録素子１０の選択は、その磁気記録素子１０に接続されたビット線ＢＬと、その磁気記録素子１０に接続されたトランジスタＴＲのゲート電極（ワード線ＷＬ）とを選択することで行われる。そして、磁気記録素子１０に磁化反転の臨界電流Ｉｃより小さなセンス電流Ｉｒを流すことで、磁気記録素子１０に情報を読み出す。ここで、センス電流Ｉｒは、ビット線ＢＬから磁気記録素子１０へ流してもよいし、磁気記録素子１０からビット線ＢＬへ流してもよく、どちらの向きに流してもよい。

図２０（ａ）及び（ｂ）において、“０”が書き込まれた場合には、磁気記録素子１０の抵抗は高くなり、“１”が書き込まれた場合には、磁気記録素子１０の抵抗は低くなる。これを検出する（抵抗を直接読み取る、電圧を読み取る、又は電流を読み取る）ことで、記録層ＦＦの磁化状態を判定し、信号の再生（読み出し）を行う。

以上のように、本発明の第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態に係る磁気記録素子１０を用いているため、電流駆動磁化反転により書き込みにおいて、平行から反平行へ磁化反転させる時の反転電流Ｊｃ−を低減できるとともに、反転電流密度Ｊｃ−，Ｊｃ＋の非対称性を改善できる。

さらに、第２の実施形態に係るメモリセルＭＣは、書き込みワード線ＷＷＬを設けているため、電流直接駆動による書き込みを行いつつ、電流磁場書き込みも行うことができる。このため、書き込み時の反転電流をさらに低減することができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、上記第２の実施形態と同様の選択トランジスタ型のメモリセルであるが、第２の実施形態では、電流駆動磁化反転書き込みと電流磁場書き込みの両方を行うことが可能な構造となっていたのに対し、第３の実施形態では、電流駆動磁化反転書き込みのみを行う構造となっている。

図２１は、本発明の第３の実施形態に係る磁気記録装置のメモリセルアレイの等価回路を表す模式図である。図２２は、図２１における１セル分のメモリセルの断面構造を表す模式図である。

図２１及び図２２に示すように、第３の実施形態において、第２の実施形態と異なる点は、電流駆動磁化反転書き込みのみを行う構造となっている点である。すなわち、磁気記録素子１０に磁場書き込みを行うための書き込みワード線ＷＷＬは省略し、磁気記録素子１０は配線２３ａ及びコンタクト２２ａを介してトランジスタＴＲの電流経路の一端に接続されている。従って、各メモリセルＭＣは、ビット線ＢＬと、磁気記録素子１０と、トランジスタＴＲとを含んで構成されている。

図２３（ａ）及び（ｂ）は、書き込み動作を説明するための概念図である。第３の実施形態では、電流直接駆動による書き込みであるため、ビット線ＢＬを通して磁気記録素子１０へ電流を流すことで書き込みを行う。具体的には、次のように行われる。

まず、任意のセルにおける磁気記録素子１０の選択を行う。これは、その磁気記録素子１０に接続されたビット線ＢＬと、その磁気記録素子１０に接続されたトランジスタＴＲのゲート電極（ワード線ＷＬ）とを選択することで行われる。そして、ビット線ＢＬから磁気記録素子１０へ、又は磁気記録素子１０からビット線ＢＬへ、磁化反転の臨界電流Ｉｃより大きな書き込み電流Ｉｗを流すことで、磁気記録素子１０に信号を書き込む。尚、図における書き込み電流Ｉｗの方向は、電子の流れとは反対の方向である。

この際、磁気記録素子１０がノーマルタイプのＭＲからなる場合には、電子が最初に流れた固定層ＦＰの磁化の向きと同方向になるように、記録層ＦＦの電流流入側の強磁性層の磁化が書き込まれる。従って、書き込み電流Ｉｗの極性に応じて、記録層ＦＦの磁化の方向が変化し、同図（ａ）に表したように“０”を書き込み、同図（ｂ）に表したように“１”を書き込むことができる。尚、“０”と“１”の割り当ては、逆にしてもよい。

図２４（ａ）及び（ｂ）は、読み出し動作を説明するための概念図である。読み出しは、磁気記録素子１０の抵抗の大きさで信号を検出する。具体的には、次のように行われる。

まず、磁気記録素子１０の選択は、その磁気記録素子１０に接続されたビット線ＢＬと、その磁気記録素子１０に接続されたトランジスタＴＲのゲート電極（ワード線ＷＬ）とを選択することで行われる。そして、磁気記録素子１０に磁化反転の臨界電流Ｉｃより小さなセンス電流Ｉｒを流すことで、磁気記録素子１０に信号を読み出す。ここで、センス電流Ｉｒは、ビット線ＢＬから磁気記録素子１０へ流してもよいし、磁気記録素子１０からビット線ＢＬへ流してもよく、どちらの向きに流してもよい。

図２４（ａ）及び（ｂ）において、“０”が書き込まれた場合には、磁気記録素子１０の抵抗は高くなり、“１”が書き込まれた場合には、磁気記録素子１０の抵抗は低くなる。これを検出する（抵抗を直接読み取る、電圧を読み取る、又は電流を読み取る）ことで、記録層ＦＦの磁化状態を判定し、信号の再生（読み出し）を行う。

ここで、トランジスタＴＲとの整合性を考慮すると、高抵抗のスペーサ層ＳＰの材料としては、アルミナやＭｇＯなどの絶縁性の高い材料を用いることが望ましい。このような高抵抗のスペーサ層を設けた場合、このスペーサ層ＳＰを介した磁気抵抗効果を検出することができる。また、絶縁層にホール（孔）が形成され、このホールにＣｕや磁性体などが埋めこまれたＣＣＰ−ＣＰＰ−ＭＲ又はナノコンタクトＭＲも抵抗を調節できるため適している。

尚、図２４（ａ）及び（ｂ）においては、低抵抗時に“０”を、高抵抗時に“１”を割り当てたが、その逆でもよいことは言うまでもない。

以上のように、本発明の第３の実施形態によれば、上記第１の実施形態に係る磁気記録素子１０を用いているため、電流駆動磁化反転により書き込みにおいて、平行から反平行へ磁化反転させる時の反転電流Ｊｃ−を低減できるとともに、反転電流密度Ｊｃ−，Ｊｃ＋の非対称性を改善できる。

さらに、第３の実施形態に係るメモリセルＭＣは、第２の実施形態における書き込みワード線ＷＷＬを省略しているため、セル面積の縮小を図ることができる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態は、第２及び第３の実施形態と同様に磁気記録素子を選択するための読み出し用スイッチング素子を設けるが、トランジスタの代わりにダイオードを用いた例である。

図２５は、本発明の第４の実施形態に係るダイオードを用いた磁気記録装置のメモリセルアレイの等価回路を表す模式図である。

図２５に示すように、第４の実施形態における磁気記録装置のメモリセルアレイＭＣＡは、複数のビット線ＢＬｎ及びワード線ＷＬｎがマトリクス状に配置され、ビット線ＢＬｎ及びワード線ＷＬｎの交点付近に直列接続された磁気記録素子１０及びダイオードＤがそれぞれ配置されている。従って、各メモリセルＭＣは、ビット線ＢＬと、ワード線ＷＬと、磁気記録素子１０と、ダイオードＤとを含んで構成されている。

このような第４の実施形態において、書き込み動作は、次のように行われる。まず、任意の磁気記録素子１０に対応するビット線ＢＬ及びワード線ＷＬを選択する。そして、ビット線ＢＬから磁気記録素子１０へ、又は磁気記録素子１０からビット線ＢＬへ、磁化反転の臨界電流Ｉｃより大きな書き込み電流Ｉｗを流すことで、電流直接駆動書き込みにより、磁気記録素子１０に“１”、“０”情報が書き込まれる。この際、ダイオードＤは、非選択のワード線ＷＬ及びビット線ＢＬに接続されたセルに流れる電流成分を遮断する役割を有する。

一方、読み出し動作は、次のように行われる。まず、磁気記録素子１０の選択は、その磁気記録素子１０に接続されたビット線ＢＬ及びワード線ＷＬを選択することで行われる。そして、磁気記録素子１０に磁化反転の臨界電流Ｉｃより小さなセンス電流Ｉｒを流すことで、磁気記録素子１０の情報を読み出す。ここで、センス電流Ｉｒは、ビット線ＢＬから磁気記録素子１０へ流してもよいし、磁気記録素子１０からビット線ＢＬへ流してもよく、どちらの向きに流してもよい。そして、磁気記録素子１０の抵抗を読み取ることで、記録層ＦＦの磁化状態を判定し、信号の再生（読み出し）を行う。

以上のように、本発明の第４の実施形態によれば、上記第１の実施形態に係る磁気記録素子１０を用いているため、電流駆動磁化反転により書き込みにおいて、平行から反平行へ磁化反転させる時の反転電流Ｊｃ−を低減できるとともに、反転電流密度Ｊｃ−，Ｊｃ＋の非対称性を改善できる。

さらに、第４の実施形態に係るメモリセルＭＣは、第２及び第３の実施形態と比べて、スイッチング素子の面積を縮小できるため、セル面積の縮小を図ることができる。

尚、図２５では、模式的に一般的なダイオードＤを図示したが、通常のダイオードは一方向にしか電流が流れないので、電流駆動磁化反転による書き込みを行うために、磁気記録素子１０に両方向に電流が流れるように、複数のダイオードを設ける等して種々変更することが望ましい。

［第５の実施形態］
第５の実施形態は、上記第２乃至第４の実施形態のような読み出し用のスイッチング素子をセル毎に設けない、いわゆるクロスポイント型のメモリセルの例である。

図２６は、本発明の第５の実施形態に係る磁気記録装置のメモリセルアレイの等価回路図を表す模式図である。図２７は、図２６のメモリセルアレイの構造を例示する模式斜視図である。

図２６及び図２７に示すように、第５の実施形態における磁気記録装置のメモリセルアレイＭＣＡは、複数のビット線ＢＬｎ及びワード線ＷＬｎがマトリクス状に配置され、ビット線ＢＬｎ及びワード線ＷＬｎの交点付近に磁気記録素子１０がそれぞれ配置されている。そして、この磁気記録素子１０の一端はビット線ＢＬに接続され、他端はワード線ＷＬに接続されている。従って、各メモリセルＭＣは、ビット線ＢＬと、ワード線ＷＬと、磁気記録素子１０とを含んで構成されている。尚、ここでは、磁気記録素子１０は、図７（ａ）に例示した記録層及び固定層の両方が反強磁性結合した構造を用いている。

このような第５の実施形態において、書き込み動作は、次のように行われる。まず、任意の磁気記録素子１０に対応するビット線ＢＬ及びワード線ＷＬを選択する。そして、ビット線ＢＬから磁気記録素子１０へ、又は磁気記録素子１０からビット線ＢＬへ、磁化反転の臨界電流Ｉｃより大きな書き込み電流Ｉｗを流すことで、電流直接駆動書き込みにより、磁気記録素子１０に“１”、“０”情報が書き込まれる。

一方、読み出し動作は、次のように行われる。まず、磁気記録素子１０の選択は、その磁気記録素子１０に接続されたビット線ＢＬ及びワード線ＷＬを選択することで行われる。そして、磁気記録素子１０に磁化反転の臨界電流Ｉｃより小さなセンス電流Ｉｒを流すことで、磁気記録素子１０の情報を読み出す。ここで、センス電流Ｉｒは、ビット線ＢＬから磁気記録素子１０へ流してもよいし、磁気記録素子１０からビット線ＢＬへ流してもよく、どちらの向きに流してもよい。そして、磁気記録素子１０の抵抗を読み取ることで、記録層ＦＦの磁化状態を判定し、信号の再生（読み出し）を行う。

以上のように、本発明の第５の実施形態によれば、上記第１の実施形態に係る磁気記録素子１０を用いているため、電流駆動磁化反転により書き込みにおいて、平行から反平行へ磁化反転させる時の反転電流Ｊｃ−を低減できるとともに、反転電流密度Ｊｃ−，Ｊｃ＋の非対称性を改善できる。

さらに、第５の実施形態に係るメモリセルＭＣは、第２乃至第４の実施形態におけるスイッチング素子を設けないため、セル面積の縮小を図ることができる。従って、本実施形態のようなクロスポイント型磁気記録装置は、最も高集積化が容易な構造であるといえる。

［第６の実施形態］
第６の実施形態は、上記第１の実施形態に係る磁気記録素子１０を、いわゆる「パターンド（patterned）媒体」に適用し、この媒体にプローブでアクセスするプローブストレージ型の磁気記録装置を例示する。

図２８は、本発明の第６の実施形態に係るプローブストレージ型の磁気記録装置を表す模式図である。図２８に示すように、パターンド媒体（記録媒体）１２０は、導電性基板１１０の上において、上記第１の実施形態に係る複数個の磁気記録素子１０を高抵抗の絶縁体１００の面内にマトリクス状に配列した構造を有する。この媒体１２０の表面上には、任意の磁気記録素子１０を選択してアクセスするための導電性のプローブ２００が設けられている。このプローブ２００には、プローブ２００と媒体１２０の表面との相対的位置関係を制御するための位置駆動装置２１０が接続され、さらに、磁気記録素子１０にプローブ２００から電流又は電圧を印加するための電源２２０が接続されている。また、電源２２０及び基板１１０には、磁気記録素子１０の内部磁化状態を電気抵抗の変化として検出するための検出回路２３０が接続されている。

尚、図２８に示す位置駆動装置２１０は、プローブ２００の位置を変化させるためにプローブ２００に接続されているが、これに限定されない。この位置駆動装置２１０は媒体１２０とプローブ２００との相対位置を制御できればよいので、例えば、媒体１２０の位置を変化させるために媒体１２０側に位置駆動装置２１０を接続してもよい。

また、図２８に示す磁気記録素子１０は、導電性基板１１０において下側電極のみを共有しているが、これに限定されない。例えば、各磁気記録素子１０において、反強磁性層ＡＦを共有したり固定層ＦＰを共有したりするなど、その一部の層を共有する構造としてもよい。このような構造にすれば、さらにプロセスの簡易化及び特性の均質化を図ることができる。

このような第６の実施形態では、書き込み及び読み出しは、プローブ２００と基板１１０との間に磁気記録素子１０を介して電流を流すことによって行われる。ここで、磁気記録素子１０の選択は、プローブ２００と媒体１２０との相対的位置関係を変えることで行われる。プローブ２００は、磁気記録素子１０に対して電気的に接続されていればよく、接触していても、非接触していてもよい。非接触の場合には、磁気記録素子１０とプローブ２００との間に流れるトンネル電流又は電界放射による電流を用いて書き込み及び読み出しを行うことができる。

まず、磁気記録素子１０への書き込みは、磁気記録素子１０にアクセスしたプローブ２００から磁気記録素子１０へ流れる電流、又は磁気記録素子１０からプローブ２００へ流れる電流により行われる。磁気記録素子１０のサイズ、構造、組成等により決定される磁化反転電流をＩｓとすると、この磁化反転電流Ｉｓよりも大きな書き込み電流Ｉｗを磁気記録素子１０に流すことで書き込みが可能となる。その記録される磁化の方向は、電子流を基準とした場合に、最初に通過する固定層ＦＰの磁化の方向と同一である。従って、電子の流れ、すなわち電流の極性を反転させることで、“０”又は“１”の書き込みを適宜行うことができる。

一方、読み出しは、書き込みと同じく、磁気記録素子１０にアクセスしたプローブ２００から磁気記録素子１０へ流れる電流、又は磁気記録素子１０からプローブ２００へ流れる電流により行われる。但し、読み出し時には、磁化反転電流Ｉｓよりも小さな再生電流Ｉｒを流す。そして、電圧又は抵抗を検出することで、記録層ＦＦの記録状態を判定する。よって、本実施形態の磁気記録装置においては、Ｉｗ＞Ｉｒなる関係をもつ電流を流すことで、書き込み及び読み出しが可能となる。

図２９は、プローブをマルチ化した場合のメモリセルアレイを表す模式図である。図２９では、第１の実施形態に係る磁気記録素子１０を基板上に並べ、３２×３２のマトリックスメモリセルＭＭＣが形成されている。このマトリックスメモリセルＭＭＣをさらに３２×３２個並べ、合計で１Ｍ（メガ）ビットの記録再生媒体が形成されている。そして、この記録再生媒体に対して、３２個×３２個からなるプローブ２００で書き込み及び読み出しが実施される。すなわち、１セットのマトリックスメモリセルＭＭＣに対し、１個のプローブ２００が対応している。

具体的には、プローブ２００を選択するためのビット線ＢＬとワード線ＷＬとがマトリックス状に配置され、ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交点付近にプローブ２００が配置されている。そして、プローブ２００の一端は選択トランジスタの電流経路の一端に接続され、トランジスタの電流経路の他端はワード線ＷＬに接続され、トランジスタのゲートはビット線ＢＬに接続される。プローブ２００の選択は、ビット線ＢＬとワード線ＷＬとを選択し、オンにするトランジスタを選択することで行う。

プロービングは、図２８に関して前述した如くである。それぞれのプローブ２００に対するマトリックスメモリセルＭＭＣ内の磁気記録素子１０の選択は、媒体に設けられたＸＹ駆動機構により行うことができる。ただし、位置関係が相対的に変化するならば、プローブ２００に設けられた駆動機構で磁気記録素子１０の選択を行ってもよい。また、プローブ自身がマルチ化されているため、このプローブ２００をいわゆるワード線ＷＬとビット線ＢＬに繋ぎ、ワード線ＷＬとビット線ＢＬを選択することでプローブ２００の選択を可能としている。

図２９における磁気記録素子１０の書き込み及び読み出しは、図２８の場合と同様で、磁気記録素子１０にアクセスしたプローブ２００から注入される電流により実施する。書き込みは、プローブ２００から磁気記録素子１０へ又は磁気記録素子１０からプローブ２００へ電流Ｉｗを流すことで、“０”、“１”情報の記録が行われる。一方、読み出しは、磁気記憶素子１０に読み出し電流Ｉｒを流すことで、磁気記録素子１０の抵抗を測定し、この抵抗値の大小関係を“０”、“１”情報に割り当てればよい。

以上のように、本発明の第６の実施形態によれば、上記第１の実施形態に係る磁気記録素子１０を用いているため、電流駆動磁化反転により書き込みにおいて、平行から反平行へ磁化反転させる時の反転電流Ｊｃ−を低減できるとともに、反転電流密度Ｊｃ−，Ｊｃ＋の非対称性を改善できる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の各実施形態について説明したが、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。

例えば、磁気記録素子１０を構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、電極、パッシベーション、絶縁構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより、本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、磁気記録素子１０における反強磁性層ＡＦ、強磁性層（固定層ＦＰ及び記録層ＦＦ）、非磁性層（スペーサ層ＳＰ、キャップ層ＣＰ、反射層ＲＥＦ）、絶縁層などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよく、又は２以上の層を積層した構造としてもよい。

また、磁気記録素子１０の積層構造は、図示した構造に限定されず、積層膜の積層の順序は上下を逆にすることも可能で、このような場合も同様の効果を得ることができる。

その他、本発明の実施の形態として上述した磁気記録素子や磁気記録装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気記録素子、磁気記録装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子の断面構造を例示する模式図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子を用いた場合において反転電流密度が低減する機構の説明図であり、図２（ａ）は図１の磁気記録素子を９０度回転させた積層構造を示す図、図２（ｂ）は図２（ａ）の磁気記録素子の各層における電子に対する原子ポテンシャルを示す模式図。 厚いキャップ層を有する磁気記録素子を用いた場合に十分な電子閉じ込め効果が得られない例を説明するための図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子において、固定層から記録層に電子を流した場合を示す図。 図５（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子において、キャップ層の厚さの変化に伴うキャップ層内への電子の閉じこめの強さの関係を示す図、図５（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子において、反射層の厚さの変化に伴うキャップ層内への電子の閉じこめの強さの関係を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子において固定層及び記録層の一方が反強磁性結合構造及び強磁性結合構造である場合の模式図であり、図６（ａ）は記録層が反強磁性結合構造の場合、図６（ｂ）は固定層が反強磁性結合構造の場合、図６（ｃ）は記録層が強磁性結合構造の場合、図６（ｄ）は固定層が強磁性結合構造の場合を示す模式図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子において固定層及び記録層の両方が反強磁性結合構造及び強磁性結合構造のいずれかである場合の模式図であり、図７（ａ）は記録層及び固定層が反強磁性結合構造の場合、図７（ｂ）は記録層及び固定層が強磁性結合構造の場合、図７（ｃ）は記録層が強磁性結合構造で固定層が強磁性結合構造の場合、図７（ｄ）は記録層が反強磁性結合構造で固定層が強磁性結合構造の場合を示す模式図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子における磁性層からなる多層構造を示す模式図であり、図８（ａ）は記録層が２層構造の場合、図８（ｂ）は固定層が２層構造の場合を示す模式図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子における磁性層からなる多層構造を示す模式図であり、図９（ａ）は記録層が３層構造の場合、図９（ｂ）は固定層が３層構造の場合を示す模式図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子の模式的な断面図であり、図１０（ａ）は台形、図１０（ｂ）は凸形状を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子の模式的な平面図であり、図１１（ａ）は正方形、図１１（ｂ）は長方形、図１１（ｃ）は横長（縦長）６角形、図１１（ｄ）は楕円形、図１１（ｅ）は菱型、図１１（ｆ）は平行四辺形、図１１（ｇ）は円、図１１（ｈ）十字型を示す平面図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子を用いた電流直接駆動による書き込み動作において、平行磁化配置から反平行磁化配置へ磁化を反転させる場合を説明するための図であり、図１２（ａ）は磁気記録素子の模式図、図１２（ｂ）は原子ポテンシャルの模式図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記録素子を用いた電流直接駆動による書き込み動作において、反行磁化配置から平行磁化配置へ磁化を反転させる場合を説明するための図であり、図１３（ａ）は磁気記録素子の模式図、図１３（ｂ）は原子ポテンシャルの模式図。 本発明の第１の実施形態に係る第１の実施例における磁気記録素子の断面構造を表す模式図。 本発明の第１の実施形態に係る第１の実施例におけるサンプル１及び２の効果比較図であり、図１５（ａ）は電流書き込み特性を表す比較図、図１５（ｂ）は反転電流密度の比較図。 第１の実施形態に係る第２の実施例における磁気記録素子の断面構造を表す模式図。 本発明の第２の実施形態に係る磁気記録装置のメモリセルアレイの等価回路を表す模式図。 図１７における１セル分のメモリセルの断面構造を表す模式図。 本発明の第２の実施形態に係る磁気記録装置の書き込み動作を説明するための概念図であり、図１９（ａ）は“０”書き込みの場合、図１９（ｂ）は“１”書き込みの場合を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る磁気記録装置の読み出し動作を説明するための概念図であり、図２０（ａ）は“０”読み出しの場合、図２０（ｂ）は“１”読み出しの場合を示す図。 本発明の第３の実施形態に係る磁気記録装置のメモリセルアレイの等価回路を表す模式図。 図２１における１セル分のメモリセルの断面構造を表す模式図。 本発明の第３の実施形態に係る磁気記録装置の書き込み動作を説明するための概念図であり、図２３（ａ）は“０”書き込みの場合、図２３（ｂ）は“１”書き込みの場合を示す図。 本発明の第３の実施形態に係る磁気記録装置の読み出し動作を説明するための概念図であり、図２４（ａ）は“０”読み出しの場合、図２４（ｂ）は“１”読み出しの場合を示す図。 本発明の第４の実施形態に係る磁気記録装置のメモリセルアレイの等価回路を表す模式図。 本発明の第５の実施形態に係る磁気記録装置のメモリセルアレイの等価回路を表す模式図。 図２６のメモリセルアレイの構造を表す模式斜視図。 本発明の第６の実施形態に係るプローブストレージ型の磁気記録装置を表す模式図。 本発明の第６の実施形態に係るプローブストレージ型の磁気記録装置において、プローブをマルチ化した場合のメモリセルアレイを表す模式図。

符号の説明

１０…磁気記録素子、１１，２１…基板、１２…下部電極、１３…上部電極、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ…コンタクト、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２４…配線、１００…絶縁体、１１０…導電性基板、１２０…パターンド媒体、２００…プローブ、２１０…位置駆動装置、２２０…電源、２３０…検出回路、ＡＦ…反強磁性層、ＦＰ…固定層、ＳＰ…スペーサ層、ＦＦ…記録層、ＣＰ…キャップ層、ＲＥＦ…反射層、ＢＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線、ＷＷＬ…書き込みワード線、ＴＲ…トランジスタ、Ｄ…ダイオード、ＭＣ…メモリセル、ＭＣＡ…メモリセルアレイ、ＭＭＣ…マトリックスメモリセル。

Claims (22)

1. スピン偏極したスピン偏極電子を磁性体に流すことで情報が記録される磁気記録素子であって、
   磁化が実質的に固定され、第１及び第２の面を有し、強磁性材料で形成された固定層と、
   前記スピン偏極電子の作用により磁化が反転され、第３及び第４の面を有し、マジョリティスピンバンド電子に対する第１の原子ポテンシャルとマイノリティスピンバンド電子に対する第２の原子ポテンシャルとを有する強磁性材料で形成された記録層と、
   前記固定層と前記記録層との間に設けられ、前記第２及び第３の面と接し、非磁性材料で形成されたスペーサ層と、
   第５及び第６の面を有し、前記第５の面が前記第４の面と接し、前記第１及び第２の原子ポテンシャルの中間値よりも低い第３の原子ポテンシャルを有する非磁性材料で形成され、３ｎｍ以下の膜厚を有するキャップ層と、
   前記第６の面に接し、前記第３の原子ポテンシャルと異なる第４の原子ポテンシャルを有する非磁性材料で形成され、２０ｎｍ以下の膜厚を有する反射層と
   を具備することを特徴とする磁気記録素子。
2. 前記スペーサ層は、絶縁体材料又は半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
3. 前記スペーサ層は、金属材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
4. 前記記録層は、第１の磁性層と第２の磁性層と前記第１及び第２の磁性層間に挟まれた非磁性層とを含む積層構造であり、
   前記積層構造は、前記第１及び第２の磁性層の磁化方向が反平行である反強磁性結合構造である
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
5. 前記記録層は、第１の磁性層と第２の磁性層と前記第１及び第２の磁性層間に挟まれた非磁性層とを含む積層構造であり、
   前記積層構造は、前記第１及び第２の磁性層の磁化方向が平行である強磁性結合構造である
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
6. 前記固定層は、第１の磁性層と第２の磁性層と前記第１及び第２の磁性層間に挟まれた非磁性層とを含む積層構造であり、
   前記積層構造は、前記第１及び第２の磁性層の磁化方向が反平行である反強磁性結合構造である
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
7. 前記固定層は、第１の磁性層と第２の磁性層と前記第１及び第２の磁性層間に挟まれた非磁性層とを含む積層構造であり、
   前記積層構造は、前記第１及び第２の磁性層の磁化方向が平行である強磁性結合構造である
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
8. 前記記録層は、第１の磁性層と第２の磁性層と前記第１及び第２の磁性層間に挟まれた第１の非磁性層とを含む第１の積層構造であり、
   前記固定層は、第３の磁性層と第４の磁性層と前記第３及び第４の磁性層間に挟まれた第２の非磁性層とを含む第２の積層構造であり、
   前記第１の積層構造は、前記第１及び第２の磁性層の磁化方向が反平行である反強磁性結合構造であり、
   前記第２の積層構造は、前記第３及び第４の磁性層の磁化方向が反平行である反強磁性結合構造である
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
9. 前記記録層は、第１の磁性層と第２の磁性層と前記第１及び第２の磁性層間に挟まれた第１の非磁性層とを含む第１の積層構造であり、
   前記固定層は、第３の磁性層と第４の磁性層と前記第３及び第４の磁性層間に挟まれた第２の非磁性層とを含む第２の積層構造であり、
   前記第１の積層構造は、前記第１及び第２の磁性層の磁化方向が平行である強磁性結合構造であり、
   前記第２の積層構造は、前記第３及び第４の磁性層の磁化方向が平行である強磁性結合構造である
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
10. 前記記録層は、第１の磁性層と第２の磁性層と前記第１及び第２の磁性層間に挟まれた第１の非磁性層とを含む第１の積層構造であり、
    前記固定層は、第３の磁性層と第４の磁性層と前記第３及び第４の磁性層間に挟まれた第２の非磁性層とを含む第２の積層構造であり、
    前記第１の積層構造は、前記第１及び第２の磁性層の磁化方向が反平行である反強磁性結合構造であり、
    前記第２の積層構造は、前記第３及び第４の磁性層の磁化方向が平行である強磁性結合構造である
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
11. 前記記録層は、第１の磁性層と第２の磁性層と前記第１及び第２の磁性層間に挟まれた第１の非磁性層とを含む第１の積層構造であり、
    前記固定層は、第３の磁性層と第４の磁性層と前記第３及び第４の磁性層間に挟まれた第２の非磁性層とを含む第２の積層構造であり、
    前記第１の積層構造は、前記第１及び第２の磁性層の磁化方向が平行である強磁性結合構造であり、
    前記第２の積層構造は、前記第３及び第４の磁性層の磁化方向が反平行である反強磁性結合構造である
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
12. 前記固定層及び前記記録層の少なくとも一方は、複数の磁性層で形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
13. 前記第１の面に接し、前記固定層の前記磁化を固定する反強磁性層と
    をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
14. 前記反射層は、金属層からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
15. 前記反射層は、酸化層又は窒化層からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
16. 前記反射層は、１ｎｍ以下の膜厚を有する絶縁層、又は２０ｎｍ以下の膜厚を有する半導体層で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
17. 前記反射層は、１ｎｍ以下の膜厚を有する酸化層若しくは窒化層、又は２０ｎｍ以下の膜厚を有する半導体層で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気記録素子。
18. 前記請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の前記磁気記録素子を具備するメモリセルを備えたことを特徴とする磁気記録装置。
19. 前記メモリセルは、
    前記磁気記録素子の一端に接続されたビット線又はワード線と、
    前記磁気記録素子の他端に接続されたスイッチング素子と
    をさらに具備することを特徴とする請求項１８に記載の磁気記録装置。
20. 前記メモリセルは、
    前記磁気記録素子と電気的に分離され、前記磁気記録素子に情報を記録する際の書き込み電流を流す書き込みワード線と
    をさらに具備することを特徴とする請求項１９に記載の磁気記録装置。
21. 前記メモリセルは、
    前記磁気記録素子の一端に接続されたビット線と、
    前記磁気記録素子の他端に接続されたワード線と
    をさらに具備することを特徴とする請求項１８に記載の磁気記録装置。
22. 前記磁気記録素子は、前記メモリセル内に複数個設けられ、
    前記磁気記録素子を選択し、前記磁気記録素子にアクセス可能なプローブと、
    前記プローブと前記磁気記録素子との相対的な位置を変える位置駆動装置と
    を具備することを特徴とする請求項１８に記載の磁気記録装置。

Images