JP5951401B2 - 磁気記録素子及び磁気メモリ - Google Patents

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Description

本発明は、スピン偏極された電子(spin-polarized electrons)を磁化反転(magnetization reversal)に利用する磁気記録素子及び磁気メモリに関する。
近年、電子のスピン自由度を利用したスピンエレクトロニクスデバイスの研究開発が盛んに行われている。
例えば、ハードディスクドライブでは、磁気ヘッドからの磁場により記録媒体の磁化状態を制御し、磁気ランダムアクセスメモリでは、２本の書き込み線からの合成磁場により磁気抵抗効果素子の磁化状態を制御する。
このような磁場による磁化状態の制御方法に関しては、古い歴史があり、現在では、既に確立された技術となっている。
一方、昨今のナノテクノロジーの進歩により、記録媒体の記録単位及び磁気抵抗効果素子の微細化が進行し、これらの磁化状態の制御もナノスケールで局所的に行なう必要性が出てきた。
しかし、磁場は、空間に広がる性質を持つため、局所化が難しい。このため、書き込み対象以外の記録単位及び磁気抵抗効果素子に磁場の影響が及んで誤書き込みを起こすいわゆる「クロストーク」の問題が発生する。また、磁場の発生源を小さくして磁場の局所化を図ろうとすると、磁化反転に必要な大きさの磁場が得られない。
そこで、このような問題が発生しない「電流直接駆動型磁化反転方法」が注目されるようになった（例えば、非特許文献１参照）。
これは、磁気抵抗効果素子に書き込み電流としてのスピン注入電流を流し、そこで発生するスピン偏極された電子を用いて磁化反転を実行する技術である。具体的には、スピン偏極された電子の角運動量が、磁気記録層としての磁性材料内の電子に伝達されることにより磁気記録層の磁化が反転する。
このような電流直接駆動による磁化反転技術（スピン注入磁化反転技術）を用いれば、磁化状態をナノスケールで局所的に制御し易く、かつ、微細化に応じてスピン注入電流の値も小さくできるため、高記録密度のハードディスクや磁気ランダムアクセスメモリなどのスピンエレクトロニクスデバイスの実現に向けての手助けとなる。
しかし、この技術にも問題がある。それは、磁化反転に必要とされるスピン注入電流の電流密度Jcが1×107 A/cm2以上の大きな値になることである。このような大きな値になると、磁気抵抗効果素子内で発生する熱の影響で、素子特性が劣化するなどの信頼性の問題が発生する。
この対策として、例えば、磁気抵抗効果素子を構成する磁性材料の飽和磁化Msの値を小さくするなど、いくつかの提案がなされているが（例えば、特許文献１，２参照）、飽和磁化Msを小さくすると、磁化状態の熱揺らぎ耐性及び再生信号出力の大きさを決めるMR(magneto-resistive)特性が劣化する、といった新たな問題が発生する。
特開２００５−９３４８８号公報 特開２００４−１９３５９５号公報
F. J. Albert, et al., Appl. Phy. Lett. 77, 3809 (2000)
本発明の例では、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度を低減する技術について提案する。
本発明の例に関わる磁気記録素子は、膜を通過する電流の向きに応じて磁化が可変で磁化容易軸方向が膜面に垂直となる方向の磁気記録層と、磁化が膜面に垂直となる方向に固定される磁気固着層と、前記磁気記録層と前記磁気固着層との間の非磁性バリア層と、前記磁気記録層と前記非磁性バリア層との間の挿入層とを備え、前記磁気記録層は、飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms -1 +12.57Msを満たし、その厚さは、5nm以下であり、前記挿入層は、CoFeB、FeB、CoNbZr、FeAlSi、CoTaZr、及び、FeTaCのうちの１つを含む。
第１実施の形態の磁気記録素子の構造を示す側面図。 図１の磁気記録層の飽和磁化Msと異方性磁界Hanとの関係を示す図。 第２実施の形態の磁気記録素子の構造を示す側面図。 図３の磁気記録層の飽和磁化Msと異方性磁界Hanとの関係を示す図。 第３実施の形態の磁気記録素子の構造を示す側面図。 図５の磁気記録層の飽和磁化Msと異方性磁界Hanとの関係を示す図。 第１実施例で試作した磁気記録素子の構造を示す断面図。 第１実施例のサンプルの飽和磁化Msと異方性磁界Hanとの関係を示す図。 磁気記録層の厚さと反転電流密度との関係を示す図。 書き込み時の様子を示す図。 書き込み特性の評価結果を示す図。 第２実施例で試作した磁気記録素子の構造を示す図。 第２実施例で試作した磁気記録素子の構造を示す図。 第２実施例で試作した磁気記録素子の構造を示す図。 第５実施の形態の磁気記録素子の構造を示す側面図。 第３実施例で試作した磁気記録素子の構造を示す断面図。 第４実施例で試作した磁気記録素子の構造を示す断面図。 第５実施例で試作した磁気記録素子の構造を示す断面図。 第５実施例で試作した磁気記録素子の構造を示す断面図。 第５実施例で試作した磁気記録素子の範囲を示す図。 適用例としての磁気ランダムアクセスメモリを示す回路図。 “１”−書き込み時のメモリセルの様子を示す断面図。 “０”−書き込み時のメモリセルの様子を示す断面図。 “１”−読み出し時のメモリセルの様子を示す断面図。 “０”−読み出し時のメモリセルの様子を示す断面図。 磁気記録素子のレイアウトの例を示す図。 磁気記録素子のレイアウトの例を示す図。 磁気記録素子のレイアウトの例を示す図。 磁気記録素子のレイアウトの例を示す図。 適用例としてのプローブメモリの基本構造を示す図。 図３０のプローブメモリの変形例を示す図。 図３０のプローブメモリの変形例を示す図。 図３０のプローブメモリの変形例を示す図。 適用例としてのマルチプローブ構造のプローブメモリを示す図。 図３４のプローブメモリのデバイス構造を示す図。 適用例としてのスピンＦＥＴを示す図。
以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
１． 概要
本発明の例は、電流直接駆動による磁化反転技術（スピン注入磁化反転技術）を前提とする。この技術において、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度を低減するために、以下の構成を採用する。
まず、磁気記録層(magnetic free layer)の磁化容易軸方向を膜面に垂直となる方向にする。
ここで、膜面とは、磁気記録層を「膜」と捉えたときの膜の表面を意味する。従って、膜面に垂直となる方向とは、磁気固着層、磁気記録層及びこれらの間の非磁性バリア層（例えば、トンネルバリア層）を積層する方向となる。
このような構造の磁気記録層（磁性材料）は、垂直磁化膜と称される。これに対し、磁化容易軸方向が膜面に平行となる磁気記録層（磁性材料）については、面内磁化膜（水平磁化膜）と称される。
垂直磁化膜は、面内磁化膜よりも、微細化し易く、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度も小さい。
磁気記録層の磁化容易軸方向を膜面に垂直となる方向にするためには、磁気記録層を構成する磁性材料の飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）との関係を、Han>12.57Msに設定すればよい。なお、異方性磁界Hanは、膜面垂直方向の磁気異方性Kuを用いて、Han=2Ku/Msで与えられる。
尚、磁気固着層（magnetic pinned layer）の磁化については、例えば、反強磁性層により膜面に垂直となる方向に固定する。また、永久磁石となるような保磁力が大きな磁性材料を用いて磁化固着してもよい。
次に、スピン注入電流の電流密度を２×106 A/cm2以下にするために、磁気記録層を構成する磁性材料の飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）との関係を、Han<1.2E7Ms-1+12.57Msに設定し、その厚さを、5nm以下に設定する。この数値は、実験により見出されたものであり、上記電流密度を実現するためには、上記関係と厚さの双方を同時に満たすことが必要である。
このように、本発明の例によれば、磁気記録層としての磁性材料の飽和磁化Msの値のみを小さくすることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度をバリア材の破壊を素子し，配線および周辺回路の動作保障を確保するために望ましい２×106 A/cm2以下に低減できる。このため、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることもないため、高記録密度の磁気メモリなどのスピンエレクトロニクスデバイスを実現できる。
２． 実施の形態
次に、最良と思われるいくつかの実施の形態について説明する。
(1) 第１実施の形態
図１は、第１実施の形態の磁気記録素子の構造を示す側面図である。
磁気記録層１１は、磁化が可変で磁化容易軸方向が膜面に対し垂直方向となる。磁気固着層１２は、磁化が膜面に垂直となる方向に固定される。磁気記録層１１と磁気固着層１２との間には、非磁性バリア層１３が配置される。
磁気記録層１１は、飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms-1+12.57Msを満たし、厚さが5nm以下の磁性材料から構成される。
磁気固着層１２は、磁性材料から構成される。磁気記録層１２の磁化方向は、例えば、反強磁性層により固定する。非磁性バリア層１３は、例えば、トンネルバリア層としての絶縁材料から構成される。
スピン注入電流Ｉｓが磁気記録層１１から磁気固着層１２に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層１１の磁化方向と磁気固着層１２の磁化方向とが同じとなる平行状態になる。
また、スピン注入電流Ｉｓが磁気固着層１２から磁気記録層１１に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層１１の磁化方向と磁気固着層１２の磁化方向とが逆となる反平行状態になる。
図２は、第１実施の形態で指定する範囲を表している。
磁気記録層の飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）に関して、薄く塗り潰してある範囲が第１実施の形態の磁気記録素子として成立する範囲である。
第１実施の形態によれば、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度を低減できる。
(2) 第２実施の形態
図３は、第２実施の形態の磁気記録素子の構造を示す側面図である。
磁気記録層１１は、磁化が可変で磁化容易軸方向が膜面に対し垂直方向となる。磁気固着層１２は、磁化が膜面に垂直となる方向に固定される。磁気記録層１１と磁気固着層１２との間には、非磁性バリア層１３が配置される。
磁気記録層１１は、飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms-1+12.57Msを満たし、厚さが5nm以下の磁性材料から構成される。
また、磁気記録層１１を構成する磁性材料の飽和磁化Msは、600emu/ccを超える値に設定される。これはMR特性を示す指標であるところのMR比を20%以上とするために必要である。
磁気固着層１２は、磁性材料から構成される。磁気記録層１２の磁化方向は、例えば、反強磁性層により固定する。非磁性バリア層１３は、例えば、トンネルバリア層としての絶縁材料から構成される。
スピン注入電流Ｉｓが磁気記録層１１から磁気固着層１２に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層１１の磁化方向と磁気固着層１２の磁化方向とが同じとなる平行状態になる。
また、スピン注入電流Ｉｓが磁気固着層１２から磁気記録層１１に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層１１の磁化方向と磁気固着層１２の磁化方向とが逆となる反平行状態になる。
図４は、第２実施の形態で指定する範囲を表している。
磁気記録層の飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）に関して、薄く塗り潰してある範囲が第２実施の形態の磁気記録素子として成立する範囲である。
第２実施の形態によれば、第１実施の形態と同様に、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度を低減できる。また、磁気記録層１１を構成する磁性材料の飽和磁化Msを600emu/ccを超える値に設定することで、熱揺らぎ耐性を維持したまま反転に必要な電流密度Jcを小さくでき、磁気記録素子のMR比が大きくなり、再生信号出力も大きくなる。
(3) 第３実施の形態
図５は、第３実施の形態の磁気記録素子の構造を示す側面図である。
磁気記録層１１は、磁化が可変で磁化容易軸方向が膜面に対し垂直方向となる。磁気固着層１２は、磁化が膜面に垂直となる方向に固定される。磁気記録層１１と磁気固着層１２との間には、非磁性バリア層１３が配置され、磁気記録層１１と非磁性バリア層１３との間には、挿入層１４が配置される。
磁気記録層１１は、飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms-1+12.57Msを満たし、厚さが5nm以下の磁性材料から構成される。
また、挿入層１４は、磁性材料から構成され、その飽和磁化Msは、600emu/ccを超える値に設定される。これは第２の実施の形態でも述べたとおり、MR特性を示す指標であるところのMR比を20%以上とするために必要である。
挿入層１４の厚さについては、磁気記録層１１の磁化（垂直磁化）に影響を与えないように、2nm未満、さらに好ましくは、0.6nm未満に設定される。
磁気固着層１２は、磁性材料から構成される。磁気記録層１２の磁化方向は、例えば、反強磁性層により固定する。非磁性バリア層１３は、例えば、トンネルバリア層としての絶縁材料から構成される。
スピン注入電流Ｉｓが磁気記録層１１から磁気固着層１２に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層１１の磁化方向と磁気固着層１２の磁化方向とが同じとなる平行状態になる。
また、スピン注入電流Ｉｓが磁気固着層１２から磁気記録層１１に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層１１の磁化方向と磁気固着層１２の磁化方向とが逆となる反平行状態になる。
図６は、第３実施の形態で指定する範囲を表している。
磁気記録層の飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）に関して、薄く塗り潰してある範囲が第３実施の形態の磁気記録素子として成立する範囲である。
第３実施の形態によれば、第１実施の形態と同様に、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度を低減できる。また、挿入層を構成する磁性材料の飽和磁化Msを600emu/ccを超える値に設定することで、磁気記録素子のMR比が大きくなり、再生信号出力も大きくなる。
尚、磁気記録素子のMR比は、磁気記録層と非磁性バリア層との界面における磁性材料の飽和磁化Msに影響される。
従って、挿入層に代えて、磁気記録層の飽和磁化Msを磁気記録層内で連続的又は不連続に変化させ、磁気記録層と非磁性バリア層との界面における磁気記録層の飽和磁化Msを600emu/ccを超える値に設定しても、同様の効果が得られる。
(4) 第４実施の形態
図１２乃至図１４は、第４実施の形態の磁気記録素子の構造を示す図である。
磁気記録層１１は、非磁性材料１６により空間的に分離された磁性微粒子１０１からなり、磁性微粒子１０１の磁化は、可変で、磁化容易軸方向が膜面に対し垂直方向となる。
磁気固着層１２は、磁化が膜面に垂直となる方向に固定される。磁気記録層１１と磁気固着層１２との間には、非磁性バリア層１３が配置される。磁気記録層１１上には、キャップ層１５が配置される。
磁性微粒子１０１は、飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms-1+12.57Msを満たし、厚さが10nm以下の磁性材料から構成される。
磁気固着層１２は、磁性材料から構成される。磁気記録層１２の磁化方向は、例えば、反強磁性層により固定する。非磁性バリア層１３は、例えば、トンネルバリア層としての絶縁材料から構成される。
スピン注入電流Ｉｓが磁気記録層１１から磁気固着層１２に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁性微粒子１０１の磁化方向と磁気固着層１２の磁化方向とが同じとなる平行状態になる。
また、スピン注入電流Ｉｓが磁気固着層１２から磁気記録層１１に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁性微粒子１０１の磁化方向と磁気固着層１２の磁化方向とが逆となる反平行状態になる。
第４実施の形態で磁性微粒子が形成される磁性材料は、図２に指定する範囲にある。
磁気記録層の飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）に関して、薄く塗り潰してある範囲が第４実施の形態の磁気記録素子として成立する範囲である。
第４実施の形態によれば，磁性微粒子の磁化をそれぞれ独立に磁化し，各々を記録単位（１ビット）とすることで超高密度を得ることができる。また，複数個の磁性微粒子で１つの記録単位（1ビット）を形成させることで特性バラツキを低減させることができる。
第４実施の形態においては、さらに、図１４の例に示すように、磁性微粒子と非磁性バリア材料の間に、異種原子１０２が存在してもよい。この異種原子１０２は、磁性微粒子１０１、非磁性バリア層１３、非磁性材料１６のいずれを構成する材料には含まれない材料からなる。
これらの材料が３原子層以下の厚さの場合、磁気特性に大きな影響を与えず、磁性微粒子の配列を制御することができる。
第４実施の形態によれば、第１実施の形態と同様に、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度を低減できる。
(5) 第５実施の形態
図１５は、第５実施の形態の磁気記録素子の構造を示す図である。
磁気記録層１１は、磁化が可変で磁化容易軸方向が膜面に対し垂直方向となる。磁気固着層１２は、磁化が膜面に垂直となる方向に固定される。磁気記録層１１と磁気固着層１２との間には、非磁性バリア層１３が配置される。
磁気記録層１１の非磁性バリア層１３との反対側の面には非磁性導電層102を具備し、
さらに非磁性導電層102の磁気記録層11と反対側の面に磁化が膜面に垂直となる方向に固定される第２の磁気固着層１０３を有することを特徴とする。
磁気記録層１１は、飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms-1+12.57Msを満たし、厚さが5nm以下の磁性材料から構成される。
磁気記録層１１は材質的に均一な層からなる場合の他に，第４の実施の形態にあるように磁化は可変で磁化容易軸方向が膜面に対し垂直方向となる微粒子から形成されてもよい。
磁気固着層１２および第２磁気固着層１０３は、磁性材料から構成される。磁気記録層１２および第二磁気固着層１０３の磁化方向は、例えば、反強磁性層により固定する。その際， 磁気固着層１２および第２磁気固着層１０３のそれぞれの磁化が互いに反平行となるように固着すると，反転効率をあげることが出来て低電流密度化を促進する。
非磁性バリア層１３は、例えば、トンネルバリア層としての絶縁材料から構成される。
非磁性導電層102は，例えばCu(銅)，Au(金)，Ag(銀)，Al(アルミニウム)の中から選択される１つ以上の元素を含む導電性金属により構成される。
スピン注入電流Ｉｓが第２磁気固着層103から磁気固着層１２に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層１１の磁化方向と磁気固着層１２の磁化方向とが同じとなる平行状態になる。
また、スピン注入電流Ｉｓが磁気固着層１２から第２磁気固着層103に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層１１の磁化方向と磁気固着層１２の磁化方向とが逆となる反平行状態になる。
磁気記録層の飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）に関して、薄く塗り潰してある範囲が第４実施の形態の磁気記録素子として成立する範囲である。
第５実施の形態によれば，磁性微粒子の磁化をそれぞれ独立に磁化し，各々を記録単位（１ビット）とすることで超高密度を得ることができる。また，複数個の磁性微粒子で１つの記録単位（1ビット）を形成させることで特性バラツキを低減させることができる。
第５実施の形態によれば、第１実施の形態と同様に、熱揺らぎ耐性及びMR特性を劣化させることなく、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度を低減できる。
３． 材料例
第１乃至第３実施の形態の磁気記録素子を実現するための材料例について以下に説明する。
(1) 磁気記録層及び磁気固着層
磁気記録層及び磁気固着層は、例えば、Fe(鉄), Co(コバルト), Ni(ニッケル), Mn(マンガン), Cr(クロム)のグループから選択される１つ以上の元素を含む磁性金属により構成する。
磁気記録層については、Fe, Co, Ni, Mn, Crのグループから選択される１つ以上の元素と、Pt(白金), Pd(パラジウム), Ir(イリジウム)，Ru（ルテニウム），Rh(ロジウム)のグループから選択される１つ以上の元素との組み合わせによる合金にすると、磁気記録層の異方性磁界Hanの値が大きくなり、磁気記録層の飽和磁化Msの値を600emu/cc以上に設定し易くなる。
磁気記録層の異方性磁界Hanの値については、磁気記録層を構成する磁性材料の組成や、熱処理による結晶規則性などによっても調整できる。
磁気記録層及び磁気固着層は、例えば、TbFeCo， GdFeCoなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金や、 Co/Ptの積層構造などにより構成してもよい。
磁気記録層及び磁気固着層を構成する磁性材料は、連続的な磁性体、又は、非磁性体内に磁性体からなる微粒子がマトリクス状に析出した複合構造とすることができる。特に、微粒子を含む複合構造は、素子の微細化に適しているため，高密度化に好ましい。
磁性微粒子の形状は、例えば、図１２乃至図１４に示すように、円柱形や球形である。
複合構造に関し、非磁性体を、Al2O3-x, MgO1-x, SiOx、ZnOx、TiOxなどの酸化物系の高抵抗材料とする場合には、書き込み電流としてのスピン注入電流は、微粒子へ集中するため、低電流密度での磁化反転が可能となる。また、特に、非磁性材料が非磁性バリア層と同じ材料を用いると、微粒子の結晶制御および磁気異方性制御が容易となる。
(2) 挿入層
挿入層は、例えば、Fe(鉄), Co(コバルト), Ni(ニッケル)のうちの１つ、又は、Fe(鉄), Co(コバルト), Ni(ニッケル), Mn(マンガン), Cr(クロム)のグループから選択される１つの元素を含む合金から構成される。
また、挿入層は、CoNbZr, FeTaC, CoTaZr, FeAlSi, FeB, CoFeBなどの軟磁性材料、Co2MnSiなどのホイスラー合金、CrO2, Fe3O4, La1-xSrxMnO3などのハーフメタルの酸化物又は窒化物，磁性半導体としてもよい。
(3) 非磁性バリア層
低抵抗材料と高抵抗材料の２通りについて説明する。
非磁性バリア層には，読み出し時にTMR(tunnel magneto resistive)効果により大きな再生信号出力を得るためのトンネルバリア層としての絶縁材料を用いることができる。
具体的には、Al(アルミニウム), Ti(チタン), Zn（亜鉛）、Zr(ジルコニウム)、Ta(タンタル), Co(コバルト), Ni(ニッケル), Si(シリコン), Mg(マグネシウム), Fe(鉄)のグループから選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物、窒化物又は弗化物により非磁性バリア層を構成することができる。
特に、非磁性バリア層は、Al2O3-x(アルミナ), MgO(酸化マグネシウム), SiO2-x, Si-O-N, Ta-O, Al-Zr-O, ZnOx、TiOx大きなエネルギーギャップを有する半導体(GaAlAsなど)から構成するのが好ましい。
また、非磁性バリア層に関しては、絶縁体に設けられたピンホール内に磁性材料が挿入されたナノコンタクトMR(magneto resistive)材料や、絶縁体に設けられたピンホール内にCuが挿入されたCPP(current-perpendicular-to-plane) -CPP-MR材料などから構成することにより、大きな再生信号出力を得ることができる。
非磁性バリア層がトンネルバリア層の場合、その厚さは、0.2nm〜2.0nmの範囲内の値とするのが大きな再生信号出力を得るに当たって好ましい。同様に、非磁性バリア層がナノコンタクトMR材料の場合、その厚さは、0.4nm〜40nmの範囲内の値とするのが大きな再生信号出力を得るに当たって好ましい。
４． 実施例
実際にサンプルを作成し、その特性を評価した実施例について説明する。
(1) 第１実施例
図７は、第１実施例で試作した磁気記録素子の構造を示している。
磁気記録素子は、磁気記録層１１、磁気固着層１２及びこれらの間の非磁性バリア層１３の積層構造から構成され、かつ、下部電極２１と上部電極２２との間に配置される。また、磁気記録層１１と上部電極２２との間には、厚さが10nm以下のキャップ層１５が配置される。
キャップ層１５は、例えば、Ta, Al, Mg, Feなどの酸化物、又は、Cu, Ag, Auなどの非磁性金属とTa, Al, Mg, Feなどの酸化物との積層構造から構成でき、磁気記録素子を保護する。
キャップ層１５については、さらに好ましくは、厚さ1nm以下の酸化物、窒化物及び弗化物のグループから選択される１つにより構成する。
キャップ層１５は、スピン注入電流の低電流密度化が実現されている場合には、Ru, Cu, Ag, Au, Taなどの非磁性金属から構成してもよい。
なお，磁気固着層１２は図７においては上部のみをピラー形状としているが，磁気固着層の下部までピラー形状になるように下部まで幅を狭くしてもよい。
表１に示すように、サンプルは17種類である。共通して、磁気固着層２１がFePt規則合金から構成され、非磁性バリア層１３はMgOから構成されている。磁気記録層はFe-Pt合金,Fe-Co-Pt合金,Co-Pt合金,Co-Cu-Pt合金,Co-Ph-Pt合金等から構成されている。
Figure 0005951401
サンプルAA1〜AA8は、本発明の例に関わる磁気記録素子であり、図８に示すように、第１実施の形態に提示した条件の範囲内にある。また、磁気記録層の膜厚は5nm以下である。
これに対し、サンプルBB1〜BB4は、比較例としての磁気記録素子であり、図８に示すように、第１実施の形態に提示した条件の範囲から外れている。
一方、サンプルCC1〜CC5は、図８に示すように、MsとHanの関係は第１実施の形態に提示した条件の範囲内にあるが、磁気記録層１１が膜厚の異なるFeCoPtから構成される。
これらのサンプルは、次の手順により製造する。
まず、ウェハ上に下部電極２１を形成した後、そのウエハを超高真空スパッタ装置内に配置し、下部電極２１上に、磁気固着層１２、非磁性バリア層１３、磁気記録層１１及びキャップ層１５を順次堆積させる。下部電極２１には、例えばAu(001)あるいはPt(001)バッファ層を用いることができる。FePt規則合金からなる磁化固着層は，例えば基板加熱されたバッファ層上に成長させることができる。その後，基板温度を室温まで下げてMgO膜を形成したのち，磁気記録層を形成する合金材料を基板温度350℃から700℃の範囲で成長させて，所望のMsおよびHanをもつ磁気記録層を得る。これらの膜には，さらにキャップ層を形成する。磁気記録層のHanは，この例のように合金の成長温度を変化させることにより変化させることができるが，ポストアニールの温度によって変化させることもできる．
次に、EB(electron beam：電子線)レジストを塗布してEB露光を行い、マスクを形成する。マスクの形状は、例えば、70nm×100nmの楕円とし、その長辺に沿った長手方向が磁気記録層の磁気異方性の方向に平行となる。
また、イオンミリング装置を用いて、マスクにより被覆されない領域に存在する磁気記録層１１、磁気固着層１２、非磁性バリア層１３及びキャップ層１５をエッチングする。ここで、エッチング量については、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を行うことで正確に把握できる。
このエッチングにより磁気記録素子が完成する。
この後、マスクを剥離し、さらに、磁気記録素子を完全に覆うSiO2を形成する。また、SiO2の表面をイオンミリングにより平坦化し、キャップ層１５の上面をSiO2から露出させる。そして、最後に、キャップ層１５上に上部電極２２を形成する。
これらのサンプルに対して、磁気記録素子の積層方向にスピン注入電流（磁化反転電流）を流し、磁気記録層の磁化を反転させるために必要な反転電流密度についてモニタリングした。
その結果、サンプルAA1〜AA8では、反平行から平行へ反転する場合の反転電流密度の絶対値と平行から反平行へ反転する場合の反転電流密度の絶対値を平均化した反転電流密度Jcが表１に示すように、２×10６A/cm2以下となった。これに対し、サンプルBB1〜BB4では、反転電流密度が2×10６A/cm2を十分に超える値となった。なお，本明細書で記載している反転電流密度Jcは，特別の記載がない限り，上記のように反平行から平行へ反転する場合の反転電流密度の絶対値と，平行から反平行へ反転する場合の反転電流密度の絶対値とを平均化した値で定義している。
さらにサンプルCC1〜CC5では、図９に示すように、反転電流密度Jcが磁気記録層の厚さにほぼ比例し、良好な特性を得るための反転電流密度2×10６A/cm2を実現するためには、磁気記録層は5nm以下であることが望ましいことが分かる。
この結果から明らかなように、本発明の例によれば、スピン注入電流の電流密度を2×106A/cm2以下に低減化できることが確認された。また、非磁性バリア層をAl2O3―X, SiO2―X, TiOx, ZnOxとした場合も同様の傾向がえられた。
図１０及び図１１は、サンプルA1の書き込み特性の評価結果を示している。
まず、図１０に示すように、外部磁場が零の条件でスピン注入電流Ｉｓを流し、磁気記録層１１の残留磁化の磁化方向を決定する。
スピン注入電流Ｉｓが磁気記録層１１から磁気固着層１２に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層１１の磁化方向と磁気固着層１２の磁化方向とが同じとなる平行状態になる。
また、スピン注入電流Ｉｓが磁気固着層１２から磁気記録層１１に向かって流れるとき、磁気記録素子の磁化状態は、磁気記録層１１の磁化方向と磁気固着層１２の磁化方向とが逆となる反平行状態になる。
次に、磁気記録素子に読み出し電流を流し、平行／反平行状態の抵抗Ｒを測定する。その結果、図１１に示すように、スピン注入電流Ｉｓと磁気記録素子の抵抗Ｒとの関係が得られる。
この評価により、小さな反転電流密度で、きちんと磁化反転が行われていることが確認された。
尚、磁気記録層の磁化を反転させるために必要な電流の最小値を臨界電流Ｉｃとすると、臨界電流Ｉｃ以上の電流で書き込みが行えると共に、読み出し電流については、読み出し時における誤書き込みを防止するために、臨界電流Ｉｃよりも小さな値にする。
(2) 第２実施例
図１２乃至図１４は、第２実施例で試作した磁気記録素子の構造を示している。
磁気記録素子は、磁気記録層１１、磁気固着層１２及びこれらの間の非磁性バリア層１３の積層構造から構成される。この磁気記録素子の特徴は、磁気記録層１１が非磁性材料１６により分離された複数の磁性微粒子１０１の集合体から構成され、各々の磁性微粒子１０１の磁化方向が独立に決定される点にある。
ここで、磁気記録層１１を構成する磁性微粒子１０１の結晶粒界に非磁性材料１６を存在させるのが製造プロセスの観点から好ましい。非磁性材料１６は、例えば、MgOX, Al2O3―X, SiO2などの酸素を含む材料から構成される。特に，非磁性材料１６が非磁性バリア層１３と同様の材料からなる場合には，結晶配向の制御が容易となり，製造上および磁気異方性の特性上，好ましい。
磁気記録層１１上には、厚さが10nm以下のキャップ層１５が配置される。
キャップ層１５は、例えば、Ta, Al, Mg, Feなどの酸化物、又は、Cu, Ag, Auなどの非磁性金属とTa, Al, Mg, Feなどの酸化物との積層構造から構成でき、磁気記録素子を保護する。キャップ層１５は、スピン注入電流の低電流密度化が実現されている場合には、Ru, Cu, Ag, Au, Taなどの非磁性金属から構成してもよい。
キャップ層１５については、さらに好ましくは、厚さ1nm以下の酸化物、窒化物及び弗化物のグループから選択される１つにより構成する。
キャップ層１５は、スピン注入電流の低電流密度化が実現されている場合には、Ru, Cu, Ag, Au, Taなどの非磁性金属から構成してもよい。
このような構造の磁気記録素子について、第１実施例と同様に、複数のサンプルを作成し、その特性を評価した。
具体的には、第１実施例のサンプルAA1〜AA8において、磁気記録層を、MgO、もしくはAl2O3-X, SiO2―X, TiOx, ZnOxからなる非磁性体と、これにより分断されたAA1〜AA8磁気記録層材料からなる微粒子とで形成した。磁気記録層の形成は、例えば非磁性材料と磁性微粒子材料を同時蒸着することにより可能である。また、磁性膜をパターンに微細加工して周囲を非磁性材料により埋め込むことでも可能である。
この場合、磁気記録層の厚さは第１実施例のサンプルAA1〜AA8よりも若干厚くなる場合があり、最大10nmとなった。しかし、この構造においては、電流集中効果が起こるため、2×106 A/cm2以下の小さな反転電流密度で、きちんと磁化反転が行われていることが確認された。
(3) 第３実施例
図１６は、第３実施例で試作した磁気記録素子の構造を示している。
磁気記録素子は、磁気記録層１１、磁気固着層１２及びこれらの間の非磁性バリア層１３の積層構造から構成される。この磁気記録素子の特徴は、磁気固着層１２内に、酸素を含む層１７が形成されている点にある。酸素を含む層１７は、磁気固着層１２の磁化状態を安定させる機能を有する。
磁気記録層１１上には、厚さが10nm以下のキャップ層１５が配置される。
キャップ層１５は、例えば、Ta, Al, Mg, Feなどの酸化物、又は、Cu, Ag, Auなどの非磁性金属とTa, Al, Mg, Feなどの酸化物との積層構造から構成でき、磁気記録素子を保護する。
キャップ層１５については、さらに好ましくは、厚さ1nm以下の酸化物、窒化物及び弗化物のグループから選択される１つにより構成する。
キャップ層１５は、スピン注入電流の低電流密度化が実現されている場合には、Ru, Cu, Ag, Au, Taなどの非磁性金属から構成してもよい。
このような構造の磁気記録素子について、第１実施例と同様に、複数のサンプルを作成し、その特性を評価したところ、2×106 A/cm2以下の小さな反転電流密度で、きちんと磁化反転が行われていることが確認された。
(4) 第４実施例
図１７は、第４実施例で試作した磁気記録素子の構造を示している。
磁気記録素子は、磁気記録層１１、磁気固着層１２及びこれらの間の非磁性バリア層１３の積層構造から構成される。この磁気記録素子の特徴は、磁気記録層１１の上面を覆うキャップ層１５が２層構造を有している点にある。
キャップ層１５Ａは、厚さ3nm以下の非磁性金属から構成される。また、キャップ層１５Ｂは、厚さ1nm以下の酸化物、窒化物及び弗化物のグループから選択される１つにより構成される。
このような構造の磁気記録素子について、第１実施例と同様に、複数のサンプルを作成し、その特性を評価したところ、2×106 A/cm2以下の小さな反転電流密度で、きちんと磁化反転が行われていることが確認された。
(5) 第５実施例
図１８及び図１９は、第５実施例の磁気記録素子の構造を示している。
磁気記録素子は、磁気記録層１１、磁気固着層１２及びこれらの間の非磁性バリア層１３の積層構造から構成され、かつ、下部電極２１と上部電極２２との間に配置される。
磁気固着層１２と下部電極２１との間には、磁気固着層１２の磁化を固着するための反強磁性層１８が配置される。また、磁気記録層１１と上部電極２２との間には、磁気記録素子を保護するためのキャップ層１５が配置される。
第５実施例では、垂直磁化膜を採用した場合と面内磁化膜を採用した場合とについて、その効果を比較検討する。
表２に示すように、サンプルは４種類である。
Figure 0005951401
サンプルA１，A2は、図１８に示すように、磁気記録層１１の磁化容易軸方向が膜面に対して垂直方向になるため、磁気記録層１１の残留磁化の磁化方向も膜面に対して垂直方向、即ち、磁気記録層１１、磁気固着層１２及び非磁性バリア層１３の積層方向になる。また、磁気固着層１２の磁化は、反強磁性層１８により膜面に対して垂直方向に固定される。
サンプルB1，B2は、図１９に示すように、磁気記録層１１の磁化容易軸方向が膜面に対して水平方向になるため、磁気記録層１１の残留磁化の磁化方向も膜面に対して水平方向、即ち、磁気記録層１１の面内方向になる。また、磁気固着層１２の磁化は、反強磁性層１８により膜面に対して水平方向に固定される。
サンプルA1, A2は、本発明の例に関わる磁気記録素子であり、図２０に示すように、第１実施の形態に提示した条件の範囲内にある。
サンプルA1は、磁気記録層１１がFe(0.2nm)/FeCuPt(1nm)の積層構造から構成され、磁気固着層１２がPt/Coの積層構造から構成され、非磁性バリア層１３がAl2O3―ｘから構成される。括弧内の数値は厚さである。
サンプルA2は、磁気記録層１１がCoPt(2nm)から構成され、磁気固着層１２がGdFeCo/Fe3O4の積層構造から構成され、非磁性バリア層１３がMgOから構成される。括弧内の数値は厚さである。
これに対し、サンプルB1,B2は、比較例としての磁気記録素子であり、図２０に示すように、第１実施の形態に提示した条件の範囲から外れている。
サンプルB1は、磁気記録層１１がCoFe(2.5nm)から構成され、磁気固着層１２がCoFe/Ru/CoFeのSAF(synthetic anti-ferromagnetic)構造から構成され、非磁性バリア層１３がAl2O3―ｘから構成される。括弧内の数値は厚さである。
サンプルB2は、磁気記録層１１がCoFeB(2.5nm)から構成され、磁気固着層１２がCoFe/CoFeBの積層構造から構成され、非磁性バリア層１３がMgOから構成される。括弧内の数値は厚さである。
これらのサンプルA1, A2, B1, B2に対して、磁気記録素子の積層方向にスピン注入電流（磁化反転電流）を流し、磁気記録層の磁化を反転させるために必要な反転電流密度についてモニタリングした。
その結果、サンプルA1では、反平行から平行へ反転する場合の反転電流密度の絶対値と平行から反平行へ反転する場合の反転電流密度の絶対値の平均化された反転電流密度Jcが8×105A/cm2となり、サンプルA2では、反転電流密度が9×105A/cm2となった。これに対し、サンプルB1では、反転電流密度が4×107A/cm2となり、サンプルB2では、反転電流密度が6×106A/cm2となった。
この結果から明らかなように、本発明の例によれば、従来よりもスピン注入電流の電流密度を1/5以下に小さくでき、2×106A/cm2以下の反転電流密度を実現できることが確認された。
(6) その他
本発明の例による効果は、磁気記録素子の形状及び寸法、下部/上部電極の形状、寸法、材料、さらには、パッシベーション層などの絶縁層の種類などによって変わることはないため、これらを当業者が公知の範囲から適宜選択して採用することができる。
磁気記録素子を構成する磁性記録層、磁気固着層及び非磁性バリア層の各々についても、全て同一形状、同一サイズとする必要はなく、互いに異なる形状、サイズとなるように設計してもよい。
但し、製造プロセス上、磁気記録層の平面形状としては、縦横比で１：１から１：４までの範囲内にある正方形、長方形、多角形（例えば、六角形）、円形、楕円形、菱型、又は、平行四辺形とすることが好ましい。
また、磁気記録層のサイズは、一辺が5nm〜200nmの範囲内の値にすることが好ましい。
磁気記録素子の断面形状としては、四角形、台形など、磁性記録層、磁気固着層及び非磁性バリア層の断面のサイズが同じ又は連続的に変化するようにすることが製造プロセス上好ましいが、各層の断面のサイズを不連続に変化させてもよい。
また、反強磁性層、磁気固着層、非磁性バリア層、磁気記録層、キャップ層、絶縁層などの構成要素については、それぞれ、単層でもよいし、複数の層から構成されていてもよい。
５． 適用例
本発明の例に関わる磁気記録素子の適用例について説明する。
ここでは、磁気メモリとしての磁気ランダムアクセスメモリ(magnetic random access memory: MRAM)及びプローブメモリ(probe memory)の例と、リコンフィギャブル(re-configurable)なロジック回路を実現するためのスピンＦＥＴ(field effect transistor)の例とについて述べる。
(1) 磁気ランダムアクセスメモリ
本発明の例に関わる磁気記録素子を磁気ランダムアクセスメモリに適用するに当たっては、メモリセルアレイの種類又は構造に制限を受けることはない。以下では、スピン注入書き込みに適した１トランジスタ−１ＭＴＪ(magneto tunnel junction)タイプを代表例とする。
A. 回路構造
図２１は、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイの回路構造を示している。
メモリセルアレイ３１は、アレイ状に配置される複数のメモリセルＭＣ１，ＭＣ２，ＭＣ３，ＭＣ４から構成される。メモリセルＭＣ１，ＭＣ２，ＭＣ３，ＭＣ４は、それぞれ、直列接続された磁気記録素子ＭＴＪとＭＯＳトランジスタＴＲとから構成される。
ＭＯＳトランジスタＴＲのゲートは、ワード線ＷＬ（ｉ），ＷＬ（ｉ＋１）に接続される。ワード線ＷＬ（ｉ），ＷＬ（ｉ＋１）は、ｘ方向に延び、その一端は、ロウ選択スイッチとしてのＭＯＳトランジスタＲＳＷを経由して、ワード線ドライバ３２に接続される。
ＭＯＳトランジスタＲＳＷのゲートには、読み出し／書き込み時に、メモリセルアレイ３１の１つのロウを選択するためのロウ選択信号ＲＳＬ（ｉ），ＲＳＬ（ｉ＋１）が入力される。
ワード線ドライバ３２は、選択された１つのロウ内のワード線をドライブする。例えば、ワード線ＷＬ（ｉ）が選択される場合、ワード線ＷＬ（ｉ）の電位を“Ｈ”にし、ワード線ＷＬ（ｉ）に接続されるＭＯＳトランジスタＴＲをオンにする。
メモリセルＭＣ１，ＭＣ２，ＭＣ３，ＭＣ４を構成する磁気記録素子ＭＴＪの一端は、ビット線ＢＬｕ（ｊ），ＢＬｕ（ｊ＋１）に接続される。
ビット線ＢＬｕ（ｊ），ＢＬｕ（ｊ＋１）は、ｘ方向に交差するｙ方向に延び、その一端は、カラム選択スイッチとしてのＭＯＳトランジスタＣＳＷｕを経由して、ビット線ドライバ／シンカー３３に接続される。
ＭＯＳトランジスタＣＳＷｕのゲートには、読み出し／書き込み時に、メモリセルアレイ３１の１つのカラムを選択するためのカラム選択信号ＣＳＬｕ（ｊ），ＣＳＬｕ（ｊ＋１）が入力される。
メモリセルＭＣ１，ＭＣ２，ＭＣ３，ＭＣ４を構成するＭＯＳトランジスタＴＲの一端は、ビット線ＢＬｄ（ｊ），ＢＬｄ（ｊ＋１）に接続される。
ビット線ＢＬｄ（ｊ），ＢＬｄ（ｊ＋１）は、ｙ方向に延び、その一端は、カラム選択スイッチとしてのＭＯＳトランジスタＣＳＷｄを経由して、ビット線ドライバ／シンカー３４に接続される。
ＭＯＳトランジスタＣＳＷｄのゲートには、書き込み時に、メモリセルアレイ３１の１つのカラムを選択するためのカラム選択信号ＣＳＬｄ（ｊ），ＣＳＬｄ（ｊ＋１）が入力される。
また、ビット線ＢＬｄ（ｊ），ＢＬｄ（ｊ＋１）の一端は、カラム選択スイッチとしてのＭＯＳトランジスタＣＳＷｒを経由して、共通読み出し線ＲＬに接続され、共通読み出し線ＲＬは、センスアンプＳ／Ａに接続される。
ＭＯＳトランジスタＣＳＷｒのゲートには、読み出し時に、メモリセルアレイ３１の１つのカラムを選択するためのカラム選択信号ＣＳＬｒ（ｊ），ＣＳＬｒ（ｊ＋１）が入力される。
センスアンプＳ／Ａは、参照電位Ｖｒｅｆに基づいて、選択されたメモリセルＭＣ内の磁気記録素子ＭＴＪのデータ値を判定し、これを出力信号ＤＡＴＡとして出力する。
ここで、ビット線ドライバ／シンカー３３，３４は、選択された１つのカラム内のビット線にスピン注入電流Ｉｓを流すために設けられる。
磁気記録素子ＭＴＪの磁化状態が反平行のときを“１”とし、平行のときを“０”とアサイン(assign)する。
メモリセルＭＣ１に“１”を書き込む場合、ロウ選択信号ＲＳＬ（ｉ）を“Ｈ”にし、ワード線ＷＬ（ｉ）を“Ｈ”にして、メモリセルＭＣ１内のＭＯＳトランジスタＴＲをオンにする。
また、カラム選択信号ＣＳＬｕ（ｊ），ＣＳＬｄ（ｊ）を“Ｈ”にし、ビット線ドライバ／シンカー３３から、メモリセルＭＣ１を経由して、ビット線ドライバ／シンカー３４に向かうスピン注入電流Ｉｓを流す。この時、メモリセルＭＣ１内の磁気記録素子ＭＴＪでは、スピン偏極された電子により磁化状態が反平行となり、“１”が書き込まれる。
また、メモリセルＭＣ１に“０”を書き込む場合、同様に、ロウ選択信号ＲＳＬ（ｉ）を“Ｈ”にし、ワード線ＷＬ（ｉ）を“Ｈ”にして、メモリセルＭＣ１内のＭＯＳトランジスタＴＲをオンにする。
また、カラム選択信号ＣＳＬｕ（ｊ），ＣＳＬｄ（ｊ）を“Ｈ”にし、ビット線ドライバ／シンカー３４から、メモリセルＭＣ１を経由して、ビット線ドライバ／シンカー３３に向かうスピン注入電流Ｉｓを流す。この時、メモリセルＭＣ１内の磁気記録素子ＭＴＪでは、スピン偏極された電子により磁化状態が平行となり、“０”が書き込まれる。
読み出しに関しては、例えば、センスアンプＳ／Ａとビット線ドライバ／シンカー３３を用いて実行する。
例えば、メモリセルＭＣ１のデータを読み出す場合、ロウ選択信号ＲＳＬ（ｉ）を“Ｈ”にし、ワード線ＷＬ（ｉ）を“Ｈ”にして、メモリセルＭＣ１内のＭＯＳトランジスタＴＲをオンにする。
また、カラム選択信号ＣＳＬｕ（ｊ）を“Ｈ”にし、ビット線ＢＬｕ（ｊ）をビット線ドライバ／シンカー３３に電気的に接続し、カラム選択信号ＣＳＬｒ（ｊ）を“Ｈ”にし、ビット線ＢＬｄ（ｊ）をセンスアンプＳ／Ａに電気的に接続する。
ビット線ドライバ／シンカー３３は、例えば、ビット線ＢＬｕ（ｊ）の一端を接地点に接続し、センスアンプＳ／Ａは、メモリセルＭＣ１に読み出し電流を供給する。センスアンプＳ／Ａは、読み出し電流がメモリセルＭＣ１内の磁気記録素子ＭＴＪに流れるときの抵抗値を検出し、それに記憶されたデータ値を判定する。
B. デバイス構造
図２２乃至図２５は、図２１のメモリセルＭＣ１，ＭＣ２，ＭＣ３，ＭＣ４のデバイス構造の例を示している。
メモリセルは、ＭＯＳトランジスタＴＲと本発明の例に関わる磁気記録素子（磁気抵抗効果素子）ＭＴＪとから構成される。
ＭＯＳトランジスタＴＲは、半導体基板４１上に形成される。ＭＯＳトランジスタＴＲのゲート電極は、ワード線ＷＬ（ｉ）としてｘ方向（紙面に直交する方向）に延びる。
ＭＯＳトランジスタＴＲの２つのソース／ドレイン拡散層の一方は、下部ビット線ＢＬｄ（ｊ）に接続され、他方は、磁気記録素子ＭＴＪの一端（下面）に接続される。磁気記録素子ＭＴＪの他端（上面）は、上部ビット線ＢＬｕ（ｊ）に接続される。
上部ビット線ＢＬｕ（ｊ）及び下部ビット線ＢＬｄ（ｊ）は、それぞれｙ方向に延びる。
磁気記録素子は、トップピン構造を有する。即ち、半導体基板４１側から、下地層４２、磁気記録層１１、トンネルバリア層（絶縁層）１３、磁気固着層１２、反強磁性層１８、キャップ層１５Ａ，１５Ｂの順序で積層される。
尚、磁気記録素子については、ボトムピン構造であってもよい。
このようなデバイス構造のメモリセルにおいて、図２２に示すように、“１”−書き込み時には、図２１のビット線ドライバ／シンカー３３内の電流源から、上部ビット線ＢＬｕ（ｊ）→磁気記録素子ＭＴＪ→下部ビット線ＢＬｄ（ｊ）という経路を経て、接地点に向かってスピン注入電流Ｉｓを流す。
この時、磁気記録素子ＭＴＪの内部では、電子流は、磁気記録層１１から磁気固着層１２に向かって流れることになる。一般的には、電子流が磁気記録層１１から磁気固着層１２に向かって流れるとき、磁気記録層１１の磁化は、磁気固着層１２の磁化に対して反平行になる。
また、図２３に示すように、“０”−書き込み時には、図２１のビット線ドライバ／シンカー３４内の電流源から、下部ビット線ＢＬｄ（ｊ）→磁気記録素子ＭＴＪ→上部ビット線ＢＬｕ（ｊ）という経路を経て、接地点に向かってスピン注入電流Ｉｓを流す。
この時、磁気記録素子ＭＴＪの内部では、電子流は、磁気固着層１２から磁気記録層１１に向かって流れることになる。一般的には、電子流が磁気固着層１２から磁気記録層１１に向かって流れるとき、磁気記録層１１の磁化は、磁気固着層１２の磁化に対して平行になる。
読み出し時には、図２４及び図２５に示すように、例えば、センスアンプＳ／Ａから磁気記録素子ＭＴＪを経由して接地点に向かって読み出し電流Ｉｒを流す。読み出し電流Ｉｒが磁気記録素子ＭＴＪに流れるとき、センスアンプＳ／Ａの入力電位は、磁気記録素子ＭＴＪの状態によって変化する。
例えば、図２４に示すように、磁気記録素子ＭＴＪに“１”−データが記憶されているとき、磁気記録素子ＭＴＪの抵抗値は、大きくなっており（反平行状態）、センスアンプＳ／Ａの入力電位は、参照電位Ｖｒｅｆよりも高くなる。
従って、センスアンプＳ／Ａは、出力信号ＤＡＴＡとして“１”を出力する。
また、図２５に示すように、磁気記録素子ＭＴＪに“０”−データが記憶されているとき、磁気記録素子ＭＴＪの抵抗値は、小さくなっており（平行状態）、センスアンプＳ／Ａの入力電位は、参照電位Ｖｒｅｆよりも低くなる。
従って、センスアンプＳ／Ａは、出力信号ＤＡＴＡとして“０”を出力する。
尚、本例では、読み出し電流Ｉｒの向きは、下部ビット線ＢＬｄ（ｊ）から上部ビット線ＢＬｕ（ｊ）に向かう方向であるが、これと逆向き、即ち、上部ビット線ＢＬｕ（ｊ）から下部ビット線ＢＬｄ（ｊ）に向かう方向にしてもよい。また、読み出し方法については、本例とは異なる方法を採用してもよい。
読み出し電流Ｉｒの値は、読み出し時におけるディスターブを抑制するため、スピン注入電流Ｉｓの値よりも十分に小さくする。具体的には、読み出し電流Ｉｒの値は、磁化反転の臨界電流Ｉｃよりも小さくすればよい。
本例では、磁気記録素子ＭＴＪの磁化状態が反平行のときを“１”とし、平行のときを“０”とアサインしたが、その逆であってもよい。
読み出しに関しては、MR(magneto-resistive)比を大きくして高信号出力を得るために、トンネルバリア層を、高抵抗材料、例えば、アルミナや、MgOなどの絶縁材料から構成するのが好ましい。
また、このようなトンネルバリア層に代えて、絶縁材料に設けられた多数のホール内にCuや磁性体などを埋め込んだCPP-CPP-MR材料又はナノコンタクトMR材料を、磁気記録層と磁気固着層との間の非磁性バリア層として採用すれば、読み出しに関しては、さらに好都合である。
メモリセルを構成するＭＯＳトランジスタＴＲは、選択スイッチとしての機能を有していれば、バイポーラトランジスタ、ダイオードなどの素子に代えても問題はない。
C. 磁気記録素子のレイアウト
磁気記録素子ＭＴＪのレイアウトについては、メモリセルアレイの構造との関連も含め、様々なタイプを想定できる。
図２２乃至図２５のメモリセルアレイは、メモリセルが１つのトランジスタと１つの磁気記録素子とから構成される１トランジスタ−１ＭＴＪタイプである。この場合、１つのメモリセルに対して、独立した１つの磁気記録素子ＭＴＪが割り当てられる。
これに対し、図２６に示すように、１トランジスタ−１ＭＴＪタイプのメモリセルアレイにおいて、磁気記録素子ＭＴＪを、非磁性材料により分離された複数の磁性粒子（多結晶構造）の集合体から構成し、全てのメモリセルの磁気記録素子ＭＴＪを一体化してもよい。
この場合、磁気記録素子ＭＴＪは、半導体基板４１の上部にベタに形成されるため、製造プロセスが簡略化され、製造コストの低下を実現できる。
このような構造においても、磁気記録素子ＭＴＪは、複数の磁性粒子の集合体からなり、磁性粒子ごとに磁化方向を決定できるため、プラグａ，ｂの間の領域の磁化のみを選択的に変えることが可能である。
従って、磁気メモリとしての機能は、図２２乃至図２５の構造の磁気メモリと何ら変わることはない。
図２７乃至図２９のメモリセルアレイは、クロスポイントタイプである。
図２７の構造では、図２２乃至図２５の構造と同様に、１つのメモリセルに対して、独立した１つの磁気記録素子ＭＴＪが割り当てられる。
また、図２８の構造では、ビット線ＢＬ（ｊ），ＢＬ（ｊ＋１）の直下に、ビット線ＢＬ（ｊ），ＢＬ（ｊ＋１）に沿うように磁気記録素子ＭＴＪがレイアウトされる。この場合、磁気記録素子ＭＴＪは、ビット線ＢＬ（ｊ），ＢＬ（ｊ＋１）の加工と同時に加工されるため、製造プロセスが簡略化され、製造コストの低下を実現できる。
図２９の構造では、磁気記録素子ＭＴＪは、ワード線ＷＬ（ｉ），ＢＬ（ｉ＋１）とビット線ＢＬ（ｊ），ＢＬ（ｊ＋１）との間の領域にベタに形成される。この場合、磁気記録素子ＭＴＪの加工を省略することができるため、製造プロセスが簡略化され、製造コストの低下を実現できる。
図２８及び図２９の構造においても、磁気記録素子ＭＴＪは、複数の磁性粒子の集合体からなり、磁性粒子ごとに磁化方向を決定できるため、ワード線ＷＬ（ｉ），ＢＬ（ｉ＋１）とビット線ＢＬ（ｊ），ＢＬ（ｊ＋１）との交差部の磁化のみを選択的に変えることが可能である。
従って、磁気メモリとしての機能は、図２７乃至図２９の全てのクロスポイントタイプ磁気メモリにおいて同じである。
(2) プローブメモリ
プローブメモリは、現在のメモリに比べて記録密度を飛躍的に向上できる可能性を持つ次世代メモリである。
プローブメモリは、記録媒体の上部に、例えば、カンチレバー状のプローブを有し、記録媒体とプローブとの位置関係を制御することでアクセス動作を行う。特に、ＭＥＭＳ(micro electro mechanical systems)技術を使えば、半導体チップ上に、記録媒体とプローブを混載することも可能であり、事実、ミリピード(Millipede)など、具体的なものも提案されている。
本発明の例における磁気記録素子をこのようなプローブメモリの記録媒体として使用すれば、プローブメモリの実用化に貢献できる。
A. 基本構造
図３０は、プローブメモリの基本構造を示している。
絶縁基板５１上には、導電層５２が形成され、導電層５２上には、アレイ状に本発明の例に関わる複数の磁気記録素子ＭＴＪが配置される。各々の磁気記録素子ＭＴＪは、例えば、磁気固着層５３、非磁性バリア層（例えば、トンネルバリア層）５４及び磁気記録層５５の積層構造を有する。複数の磁気記録素子ＭＴＪの間のスペースは、絶縁層５６により満たされる。
このような磁気記録素子ＭＴＪのアレイは、「パターンド（patterned）媒体」と称される。
パターンド媒体上には、例えば、カンチレバー状のプローブ５７が配置される。プローブ５７の形状については、特に、制限されることはなく、針状などであってもよいが、カンチレバー状にする場合には、例えば、ＭＥＭＳ技術により半導体チップ上にプローブを作り込む場合に有利である。
プローブ５７の位置は、位置制御装置５８により制御される。例えば、位置制御装置５８は、プローブ５７を２次元(x,y)又は３次元(x,y,z)で駆動し、これによりアクセス動作を行う。プローブ５７は、パターンド媒体の上面に常に接触していてもよいし、常に一定距離だけ離れていてもよい。
読み出し／書き込み回路５９は、読み出し時に、読み出し電流を磁気記録素子ＭＴＪに流し、磁気記録素子ＭＴＪに記憶されたデータを読み出す。また、読み出し／書き込み回路５９は、書き込み時に、書き込みデータに応じた向きのスピン注入電流を磁気記録素子ＭＴＪに流し、磁気記録素子ＭＴＪの磁化状態を制御する。
このようなプローブメモリにおいて、“１”−書き込み時には、位置制御装置５８は、アドレス信号に基づいて、パターンド媒体とプローブ５７との相対的位置を決定し、読み出し／書き込み回路５９は、導電層５２からプローブ５７に向かう方向にスピン注入電流Ｉｓを流す。
この時、磁気記録素子ＭＴＪの内部では、電子流は、磁気記録層５５から磁気固着層５３に向かって流れるため、磁気記録層５５の磁化は、磁気固着層５３の磁化に対して反平行になる。
また、“０”−書き込み時には、位置制御装置５８は、アドレス信号に基づいて、パターンド媒体とプローブ５７との相対的位置を決定し、読み出し／書き込み回路５９は、プローブ５７から導電層５２に向かう方向にスピン注入電流Ｉｓを流す。
この時、磁気記録素子ＭＴＪの内部では、電子流は、磁気固着層５３から磁気記録層５５に向かって流れるため、磁気記録層５５の磁化は、磁気固着層５３の磁化に対して平行になる。
読み出し時には、位置制御装置５８は、アドレス信号に基づいて、パターンド媒体とプローブ５７との相対的位置を決定し、読み出し／書き込み回路５９は、磁気記録素子ＭＴＪに読み出し電流Ｉｒを供給する。
読み出し電流Ｉｒの向きについては制約されることはないが、読み出し電流Ｉｒの値については、読み出し時におけるディスターブを抑制するため、スピン注入電流Ｉｓの値よりも十分に小さくする。具体的には、読み出し電流Ｉｒの値は、磁化反転の臨界電流Ｉｃよりも小さくする。
尚、本例では、磁気記録素子ＭＴＪの磁化状態が反平行のときを“１”とし、平行のときを“０”とアサインしたが、その逆であってもよい。
読み出しに関しては、MR比を大きくして高信号出力を得るために、非磁性バリア層５４をトンネルバリア層(例えば、アルミナや、MgOなどの絶縁材料)とするのが好ましい。
また、このようなトンネルバリア層に代えて、絶縁材料に設けられた多数のホール内にCuや磁性体などを埋め込んだCPP-CPP-MR材料又はナノコンタクトMR材料を、磁気記録層と磁気固着層との間の非磁性バリア層として採用すれば、読み出しに関しては、さらに好都合である。
ここで、図２７の例では、パターンド媒体の位置を固定し、位置制御装置５８によりプローブ５７の位置を制御するシステムになっているが、パターンド媒体とプローブ５７との相対的位置の制御が可能であれば、プローブ及び絶縁基板５１のどちらを駆動しても構わない。
例えば、図３１に示すように、位置制御装置５８Ａ，５８Ｂにより、パターンド媒体とプローブとの相対的位置を制御することもできる。
また、ハードディスクドライブのように、絶縁基板５１を回転させ、プローブ５７を直線的に駆動することによりアクセス動作を行ってもよい。
図３２及び図３３は、図３０のプローブメモリの変形例である。
図３２のプローブメモリは、磁気固着層５３と非磁性バリア層５４を全ての磁気記録素子ＭＴＪで共有した点に特徴を有する。この場合、磁気固着層５３と非磁性バリア層５４は、導電層５２上にベタに形成され、磁気記録層５５のみをパターニングすればよいため、製造プロセスの簡易化と素子特性の向上を実現できる。
図３３のプローブメモリは、パターンド媒体の上面を保護層６０により覆った点に特徴を有する。保護層６０は、例えば、極薄の絶縁体から構成される。この場合、プローブ５７が磁気記録素子ＭＴＪに直に接触することがないため、磁気記録素子ＭＴＪの信頼性と読み出し／書き込み回数の向上を実現できる。
尚、保護層６０の代わりに、プローブ５７を磁気記録素子ＭＴＪから一定距離だけ離し、プローブ５７と磁気記録素子ＭＴＪとの間にスペースを設けてもよい。また、保護層６０を設けると共に、プローブ５７を保護層６０から一定距離だけ離すようにしてもよい。
B. マルチプローブ構造
高記録密度化に適したマルチプローブ構造のプローブメモリの例について説明する。
図３４は、本発明の例に関わるプローブメモリの回路構造を示している。
ブロックＢＫ１１，・・・ＢＫｉｊは、マトリックス状に配置される。ブロックＢＫ１１，・・・ＢＫｉｊは、それぞれ、物理的に分離されていてもよいし、一体化されていてもよい。ブロックＢＫ１１，・・・ＢＫｉｊの各々は、例えば、図２９に示すように、複数の磁気記録素子からなるパターンド媒体から構成される。
ブロックＢＫ１１，・・・ＢＫｉｊが、全体として３２個×３２個のマトリックス状に配置され、ブロックＢＫ１１，・・・ＢＫｉｊの各々が、３２個×３２個の磁気記録素子から構成される場合、１つのブロックの記憶容量としては、１キロビット、プローブメモリとしては、１メガビットの記憶容量となる。
プローブ５７は、ブロックＢＫ１１，・・・ＢＫｉｊと同様にマトリックス状に配置され、プローブ５７とブロックＢＫｉｊとが一対一に対応する。
プローブ５７は、ＭＯＳトランジスタＴＲを経由して、ビット線ＢＬｕ（１），・・・ＢＬｕ（ｊ）に接続される。
ＭＯＳトランジスタＴＲのゲートは、ワード線ＷＬ（１），・・・ＷＬ（ｉ）に接続される。ワード線ＷＬ（１），・・・ＷＬ（ｉ）は、ｘ方向に延び、その一端は、ロウ選択スイッチとしてのＭＯＳトランジスタＲＳＷを経由して、ワード線ドライバ３２に接続される。
ＭＯＳトランジスタＲＳＷのゲートには、読み出し／書き込み時に、ブロックＢＫ１１，・・・ＢＫｉｊの１つを選択するためのロウ選択信号ＲＳＬ（１），・・・ＲＳＬ（ｉ）が入力される。
ワード線ドライバ３２は、選択された１つのロウ内のワード線をドライブする。例えば、ワード線ＷＬ（１）が選択される場合、ワード線ＷＬ（１）の電位を“Ｈ”にし、ワード線ＷＬ（１）に接続されるＭＯＳトランジスタＴＲをオンにする。
ビット線ＢＬｕ（１），・・・ＢＬｕ（ｊ）は、ｙ方向に延び、その一端は、カラム選択スイッチとしてのＭＯＳトランジスタＣＳＷｕを経由して、ビット線ドライバ／シンカー３３に接続される。
ＭＯＳトランジスタＣＳＷｕのゲートには、読み出し／書き込み時に、ブロックＢＫ１１，・・・ＢＫｉｊの１つを選択するためのカラム選択信号ＣＳＬｕ（１），・・・ＣＳＬｕ（ｊ）が入力される。
ブロックＢＫ１１，・・・ＢＫｉｊの一端（図２５の導電層５２に相当）は、ビット線ＢＬｄ（１），・・・ＢＬｄ（ｊ）に接続される。
ビット線ＢＬｄ（１），・・・ＢＬｄ（ｊ）は、ｙ方向に延び、その一端は、カラム選択スイッチとしてのＭＯＳトランジスタＣＳＷｄを経由して、ビット線ドライバ／シンカー３４に接続される。
ＭＯＳトランジスタＣＳＷｄのゲートには、書き込み時に、ブロックＢＫ１１，・・・ＢＫｉｊの１つを選択するためのカラム選択信号ＣＳＬｄ（１），・・・ＣＳＬｄ（ｊ）が入力される。
また、ビット線ＢＬｄ（１），・・・ＢＬｄ（ｊ）の一端は、カラム選択スイッチとしてのＭＯＳトランジスタＣＳＷｒを経由して、共通読み出し線ＲＬに接続され、共通読み出し線ＲＬは、センスアンプＳ／Ａに接続される。
ＭＯＳトランジスタＣＳＷｒのゲートには、読み出し時に、ブロックＢＫ１１，・・・ＢＫｉｊの１つを選択するためのカラム選択信号ＣＳＬｒ（１），・・・ＣＳＬｒ（ｊ）が入力される。
センスアンプＳ／Ａは、参照電位Ｖｒｅｆに基づいて、選択されたブロックＢＫｉｊ内の選択された磁気記録素子のデータ値を判定し、これを出力信号ＤＡＴＡとして出力する。
ここで、ビット線ドライバ／シンカー３３，３４は、選択された１つのブロックＢＫｉｊ内の選択された磁気記録素子にスピン注入電流Ｉｓを流すために設けられる。
磁気記録素子の磁化状態が反平行のときを“１”とし、平行のときを“０”とアサインする。
ブロックＢＫ１１内の磁気記録素子に“１”を書き込む場合、ロウ選択信号ＲＳＬ（１）を“Ｈ”にし、ワード線ＷＬ（１）を“Ｈ”にして、ブロックＢＫ１１に対応するＭＯＳトランジスタＴＲをオンにする。
また、カラム選択信号ＣＳＬｕ（１），ＣＳＬｄ（１）を“Ｈ”にし、ビット線ドライバ／シンカー３３から、ブロックＢＫ１１内の磁気記録素子を経由して、ビット線ドライバ／シンカー３４に向かうスピン注入電流Ｉｓを流す。この時、ブロックＢＫ１１内の磁気記録素子の磁化状態は反平行となり、“１”が書き込まれる。
ブロックＢＫ１１内の磁気記録素子に“０”を書き込む場合、ロウ選択信号ＲＳＬ（１）を“Ｈ”にし、ワード線ＷＬ（１）を“Ｈ”にして、ブロックＢＫ１１に対応するＭＯＳトランジスタＴＲをオンにする。
また、カラム選択信号ＣＳＬｕ（１），ＣＳＬｄ（１）を“Ｈ”にし、ビット線ドライバ／シンカー３４から、ブロックＢＫ１１内の磁気記録素子を経由して、ビット線ドライバ／シンカー３３に向かうスピン注入電流Ｉｓを流す。この時、ブロックＢＫ１１内の磁気記録素子の磁化状態は平行となり、“０”が書き込まれる。
読み出しに関しては、例えば、センスアンプＳ／Ａとビット線ドライバ／シンカー３３を用いて実行する。
例えば、ブロックＢＫ１１内の磁気記録素子のデータを読み出す場合、ロウ選択信号ＲＳＬ（１）を“Ｈ”にし、ワード線ＷＬ（１）を“Ｈ”にして、ブロックＢＫ１１に対応するＭＯＳトランジスタＴＲをオンにする。
また、カラム選択信号ＣＳＬｕ（１）を“Ｈ”にし、ビット線ＢＬｕ（１）をビット線ドライバ／シンカー３３に電気的に接続し、カラム選択信号ＣＳＬｒ（１）を“Ｈ”にし、ビット線ＢＬｄ（１）をセンスアンプＳ／Ａに電気的に接続する。
ビット線ドライバ／シンカー３３は、例えば、ビット線ＢＬｕ（１）の一端を接地点に接続し、センスアンプＳ／Ａは、ブロックＢＫ１１内の磁気記録素子に読み出し電流を供給する。センスアンプＳ／Ａは、読み出し電流が磁気記録素子に流れるときの抵抗値を検出し、それに記憶されたデータ値を判定する。
図３５は、マルチプローブ構造のプローブメモリのデバイス構造の一例を示している。
このプローブメモリでは、半導体チップ６１の中央部に記録媒体としてのパターンド媒体がベタに形成され、かつ、パターンド媒体が複数のブロックＢＫに区分けされている。複数のブロックＢＫ上には、複数のブロックＢＫに対応して複数のプローブ５７が配置される。
半導体チップ６１の周辺部には、例えば、図３０の位置制御装置５８が形成されるサーボ領域６２と、図３０の読み出し／書き込み回路５９が形成される周辺回路領域６３とが設けられる。
このデバイス構造の特徴は、半導体チップ６１上に、図３０に示す全てのシステムを搭載した点にある。このような半導体デバイスは、ＭＥＭＳ技術を使うことにより可能となる。
(3) スピンＦＥＴ
本発明の例に関わる磁気記録素子は、スピンＦＥＴに適用可能である。
スピンＦＥＴは、それ自体を磁気メモリのメモリセルとして使用できると共に、リコンフィギャブル(re-configurable)なロジック回路の構成要素として注目されている。
図３６は、スピンＦＥＴのデバイス構造の一例を示している。
本例は、スピン注入書き込み方式によりデータ書き込みを実行するトンネルバリアタイプスピンＦＥＴに関する。
半導体基板７０内には、強磁性層から構成されるソース／ドレイン領域が形成される。ソース／ドレイン領域の一つは、磁化方向が変化する磁気記録層１１であり、他の一つは、磁気固着層１２である。磁気固着層１２の磁化は、反強磁性層１８により固着される。
半導体基板７０と磁気記録層１１との間及び半導体基板７０と磁気固着層１２との間には、非磁性バリア層（トンネルバリア層）１３Ａが形成される。また、磁気記録層１１と磁気固着層１２との間のチャネル領域上には、ゲート絶縁層７１を介してゲート電極７２が形成される。
反強磁性層１８上及び磁気記録層１１上には、それぞれソース／ドレイン電極７３，７４が形成される。
ソース／ドレイン電極７３は、スピン注入電流を発生させるためのドライバ／シンカー、即ち、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１に接続される。
同様に、ソース／ドレイン電極７４は、スピン注入電流を発生させるためのドライバ／シンカー、即ち、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ２及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２に接続される。
このような構造のスピンＦＥＴにおいて、データ書き込みは、ゲート電極７２に書き込みゲート電圧Ｗを与え、ソース／ドレイン領域としての磁気記録層１１にスピン注入電流を流すことにより行う。
書き込みデータの値は、スピン注入電流の向きにより決定され、スピン注入電流の向きは、制御信号Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤによるＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１，Ｐ２及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ２のオン／オフにより制御される。
例えば、ソース／ドレイン領域１１，１２の磁化状態を反平行にするときは、スピン注入電流をＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１からＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２に向かって流す。この時、電子流は、磁気記録層１１から磁気固着層１２に向かって流れるため、磁気記録層１１の磁化方向は、磁気固着層１２の磁化方向とは反対向きになる。
また、ソース／ドレイン領域１１，１２の磁化状態を平行にするときは、スピン注入電流をＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ２からＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１に向かって流す。この時、電子流は、磁気固着層１２から磁気記録層１１に向かって流れるため、磁気記録層１１の磁化方向は、磁気固着層１２の磁化方向と同じ向きになる。
尚、本例では、トンネルバリアタイプスピンＦＥＴについて説明したが、スピンＦＥＴは、トンネルバリア層１３Ａを有しないショットキーバリアタイプであっても構わない。
(4) その他
以上、３つの適用例について説明したが、本発明の例は、これら以外のスピンエレクトロニクスデバイスにも適用可能である。
６． まとめ
本発明の例によれば、電流直接駆動による磁化反転技術において、熱揺らぎ耐性及びMR特性の劣化なく、反転電流密度Jcを低減できる、これにより、平面サイズ（最大幅）が20nm以下の低消費電力で発熱によるダメージが少ない高信頼性の磁気記録素子を実現でき、これを様々なスピンエレクトロニクスデバイスに適用することが可能になる。
本発明の例は、磁気記録素子の高機能化、磁気メモリ（ストレージデバイス）の高密度化、低消費電力化などの効果に関しては絶大であり、電流直接駆動による磁化反転技術の実用化を促進するもので、産業上のメリットは多大である。
本発明の例は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１１，５５： 磁気記録層、 １２，５３： 磁気固着層、 １３，１３Ａ，５４： 非磁性バリア層、 １４： 挿入層、 １５，１５Ａ，１５Ｂ： キャップ層、 １６： 非磁性材料、 １７： 酸素を含む層、 １８： 反強磁性層、 ２１： 下部電極、 ２２： 上部電極、 ３１： メモリセルアレイ、 ３２： ワード線ドライバ、 ３３，３４： ビット線ドライバ／シンカー、 ４１，７０： 半導体基板、 ５１： 絶縁基板、 ５２： 導電層、 ５６： 絶縁層、 ５７： プローブ、 ５８，５８Ａ，５８Ｂ： 位置制御装置、 ５９： 読み出し／書き込み回路、 ６０： 保護層、 ６１： 半導体チップ、 ６２： サーボ領域、 ６３： 周辺回路領域、 ７１： ゲート絶縁層、 ７２： ゲート電極、 ７３，７４： ソース／ドレイン電極、 １０１： 磁性微粒子、 １０２： 非磁性導電層、 １０３： 磁気固着層。

Claims (12)

  1. 膜を通過する電流の向きに応じて磁化が可変で磁化容易軸方向が膜面に垂直となる方向の磁気記録層と、磁化が膜面に垂直となる方向に固定される磁気固着層と、前記磁気記録層と前記磁気固着層との間の非磁性バリア層と、前記磁気記録層と前記非磁性バリア層との間の挿入層とを具備し、
    前記磁気記録層は、飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms-1+12.57Msを満たし、その厚さは、5nm以下であり、
    前記挿入層は、CoFeB、FeB、CoNbZr、FeAlSi、CoTaZr、及び、FeTaCのうちの１つを含む
    磁気記録素子。
  2. 膜を通過する電流の向きに応じて磁化が可変で磁化容易軸方向が膜面に垂直となる方向の磁気記録層と、磁化が膜面に垂直となる方向に固定される磁気固着層と、前記磁気記録層と前記磁気固着層との間の非磁性バリア層と、前記磁気記録層と前記非磁性バリア層との間の挿入層とを具備し、
    前記磁気記録層は、飽和磁化Ms（emu/cc）と異方性磁界Han（Oe）との関係が、Han>12.57Ms、かつ、Han<1.2E7Ms -1 +12.57Msを満たし、その厚さは、5nm以下であり、
    前記挿入層は、Co2MnSiを含む
    磁気記録素子。
  3. 前記挿入層の厚さは、2nm未満である請求項１又は２に記載の磁気記録素子。
  4. 前記磁気記録層は、Fe、及び、Coのグループから選択される１つ以上の元素と、Pt元素との組み合わせによる合金を含む請求項１又は２に記載の磁気記録素子。
  5. 前記挿入層の飽和磁化は、600emu/ccを越える請求項１又は２に記載の磁気記録素子。
  6. 請求項１又は２に記載の磁気記録素子と、
    前記磁気記録素子の上部に配置されるキャップ層とを具備し、
    前記キャップ層は、Ta、Al、Mg、又は、Feの酸化物を含む
    磁気メモリ。
  7. 請求項１又は２に記載の磁気記録素子と、
    前記磁気記録素子の上部に配置されるキャップ層とを具備し、
    前記キャップ層は、Ru、Cu、Ag、Au、及び、Taのうちの１つを含む
    磁気メモリ。
  8. 請求項１又は２に記載の磁気記録素子と、
    前記磁気記録素子の上部に配置されるキャップ層とを具備し、
    前記キャップ層は、非磁性金属と、Ta、Al、Mg、又は、Feの酸化物との積層構造を含み、前記非磁性金属は、Cu、Ag、及び、Auのグループから選択される
    磁気メモリ。
  9. 請求項１又は２に記載の磁気記録素子と、
    前記磁気記録素子の下部に配置される下部電極と、
    前記磁気記録素子の上部に配置される上部電極と、
    前記下部電極及び前記上部電極を介して、前記磁気記録素子に前記電流を流すための電流源と、
    前記電流を前記磁気記録素子に導く電流経路と
    を具備する磁気メモリ。
  10. 前記電流経路は、前記下部電極及び前記上部電極のうちの一方に接続されるビット線と、前記下部電極及び前記上部電極のうちの他方に接続されるＭＯＳトランジスタとを含み、前記ＭＯＳトランジスタのゲートは、前記ビット線に交差するワード線に接続される請求項９に記載の磁気メモリ。
  11. 前記電流経路は、前記下部電極及び前記上部電極のうちの一方に接続されるビット線と、前記下部電極及び前記上部電極のうちの他方に接続されるワード線とを含み、前記ビット線及び前記ワード線は、互いに交差する請求項９に記載の磁気メモリ。
  12. 前記電流経路は、前記磁気記録素子上に配置され、前記磁気記録素子との相対位置が可動のプローブを含む請求項９に記載の磁気メモリ。
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