JP2007080952A - 多値記録スピン注入磁化反転素子およびこれを用いた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 素子の抵抗増加を抑制して多値記録を可能とするスピン注入磁化反転素子を提供する。
【解決手段】 強磁性固定層と、ｎ個の強磁性フリー層／分離層の組を備え、強磁性固定層側から番号順に第ｊ強磁性フリー層を配置し、第ｊ強磁性フリー層の磁化反転電流密度をＩｃ_ｊとしたときに、Ｉｃ_ｊ−１＞Ｉｃ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）を満たすか、あるいは、第ｊ強磁性フリー層の一軸磁気異方性定数をＫｕ_ｊとした時に、Ｋｕ_ｊ−１＞Ｋｕ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）を満たすことを特徴とする。第ｊ強磁性フリー層の保磁力をＨｃ_ｊとした時に、Ｈｃ_ｊ−１＞Ｈｃ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）を満たすか、第ｊ強磁性フリー層の飽和磁化をＭｓ_ｊとした時に、Ｍｓ_ｊ−１＞Ｍｓ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）を満たすことが好ましい。
各強磁性フリー層は、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒ合金またはＣｏＰｔ合金により構成して、ＰｔまたはＣｒ濃度を単調減少することが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気的なメモリやセンサを構成する基本構造素子およびこれを用いた装置に関する。より具体的には、電子スピンの注入を制御した、多値記録が可能な磁気的なランダムアクセスメモリを構成する素子ならびに装置に関する。

近年、強磁性層／非磁性金属層／強磁性層からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子および強磁性層／絶縁体層／強磁性層からなるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子が開発され、新しい磁気センサや磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への応用が期待されている。図８にＭＲＡＭの基本構造を示す。図８ａに示す如く、ＭＲＡＭではビット線５２およびワード線５６をマトリクス状に配線し、ＴＭＲ素子等５０をマトリクスの交点に配置する。ＴＭＲ素子の構造は図８ｂに示したとおりであり、この図では第２強磁性層５５の保磁力（Ｈｃ）が第１強磁性層５３の保磁力より高い場合を示した。ＴＭＲ素子に論理情報を書き込む際には別に設けた書き込み用ワード線５７に電流を流して磁界を発生させることで行う。この時発生させる磁界の向きおよび強さを調節することで第１強磁性層５３および第２強磁性層５５の磁化方向を平行または反平行とし、“１”または“０”の情報を記憶させる。記憶させた情報の読み出しはワード線５６からビット線５２へ電流を流し、絶縁層５４を経由する際のＴＭＲ効果によって生じた素子の抵抗値を読み取ることで行う。このようにしてＴＭＲ素子に対して論理情報の記録再生が可能であるが、この方法では１つのメモリセルで論理値“１”、“０”の２値、すなわち１ビットの情報しか記録再生できず将来の高密度化の要求に対して十分ではない。さらに、電流により磁場を発生するために情報書き込みのため消費電力が大きいという問題があった。

この問題を解決する方法として、電流磁場ではなくスピン偏極した電子の直接注入により情報書き込みを行う提案がなされ、現在注目を集めている（例えば、非特許文献１参照。）。
図９はスピン注入を用いて２値の情報を記録再生するメモリ素子の構成例を示すものである（例えば、特許文献１参照。）。第１強磁性固定層１３１、第１分離層１４１、第１強磁性フリー層１５１、第２分離層１４２、第２強磁性固定層１３２から構成される。この素子に第２強磁性固定層１３２から第１強磁性固定層１３１へ向かって電子を流したときの電子スピンおよび強磁性層中の磁化の挙動を図９ａに示す。図中で、白抜きの矢印は各磁性層の磁化の向きを表しており、小さな丸を付した矢印は電子のスピンの向きを表し、丸のない細い矢印は電子の流れる向きを表している（以下の図面も同様である。）。また、以下の説明では磁化の向きを図中の白抜き矢印の向きと対応させて右向き、左向きと呼ぶことにする。電子スピンの向きについても同様である。まず、第２強磁性固定層１３２を通過した電子スピンは、第２強磁性固定層１３２中の磁性金属原子スピンとの相互作用（ｓ−ｄ相互作用）により第２強磁性固定層１３２の磁化方向へ整列する（スピンの偏極が起こる）。この電子が第１強磁性フリー層１５１へ流れると、このスピンのもつ角運動量が第１強磁性フリー層１５１へ伝達され、第１強磁性フリー層１５１中の磁化に作用する。一方、第１強磁性固定層１３１の磁化方向は、第２強磁性固定層１３２の磁化方向とは逆向きであるため、電子の流れが第１強磁性固定層１３１へ入る界面においては、第２強磁性固定層１３２の磁化方向と同方向の右向きスピンを有する電子は反射される。この反射された電子が有する右向きのスピンは、やはり第１強磁性フリー層１５１中の磁化に作用する。すなわち、第２強磁性固定層１３２の磁化方向と同じ右向きのスピン電子が、第１強磁性フリー層１５１に対して２回作用するため、実質的に２倍の書き込み作用が得られる。その結果として、第１強磁性フリー層１５１に対する書き込みを従来の電流磁場方式よりも小さい電流で実施できるとされている。

強磁性フリー層１５１の磁化を反転する場合は、第１強磁性固定層１３１から第２強磁性固定層１３２へ向かって電子を流すことにより行われる。この時の電子スピンおよび強磁性層中の磁化の挙動を図９ｂに示す。この場合には、電子のスピンは、第１強磁性固定層１３１の磁化の作用を受けて、紙面左向きとなる。このスピン電子は、第１強磁性フリー層１５１においてその磁化に作用する。さらに、左向きのスピンを持った電子は、それとは逆向きの磁化を有する第２強磁性固定層１３２との界面において反射されて、もう一度第１強磁性フリー層１５１の磁化に作用する。このようにして、反対方向の磁化を有する２つの強磁性固定層を準備した上で、素子に流す電流の方向を変えることで第１強磁性フリー層１５１に対して２値の情報を書き込む方法が提案されている。
この種の素子を多数積層することにより多値記録を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１の段落００９５〜００９６参照。）。図１０は特許文献１に開示されている構成を示すもので、本願の用語を用いて示せば、第１強磁性固定層１３１、第１分離層１４１、第１強磁性フリー層１５１、第２分離層１４２、第２強磁性固定層１３２、第３分離層１４３、第２強磁性フリー層１５２、第４分離層１４４、第３強磁性固定層１３３から構成されている。図中で白抜き矢印が両方向にある層は、磁化の向きが可変であることを表している。第２強磁性固定層１３２を共通化しているものの、基本的には図９の素子を積み重ねたもので、第１強磁性フリー層１５１および第２強磁性フリー層１５２の磁性材料や膜厚を変えることによって、それぞれの層の磁化方向が反転する臨界電流密度（以下、磁化反転電流密度と呼ぶ。）を変えることにより多値化が可能とされている。
特開２００４−１９３５９５号公報 カティン（Ｊ． Ａ． Ｋａｔｉｎｅ）、「Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ柱における電流駆動磁気反転およびスピン波励起（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｒｅｖｅｒｓａｌ ａｎｄ Ｓｐｉｎ−Ｗａｖｅ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ Ｐｉｌｌａｒｓ）」、フィジカル・レビュー・レターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、米国、２０００年、第８４巻、第１４号、ｐ．３１４９−３１５２。

上述の方法においては、２値記録を行う素子を複数積層して多値記録を行うことを想定したものである。従って、磁化反転を記録する強磁性フリー層の層毎に少なくとも１層の強磁性固定層を配置することが必要となることから、多値記録の数が増大するに伴い強磁性固定層の層数は増大する。しかしながら、強磁性固定層は磁化を固定して容易に変動しないために充分な膜厚を有することが必要とされている。この結果、複数の強磁性固定層を備える場合には、素子抵抗は増大し、動作時の消費電力が増大することとなる。
また、複数の強磁性フリー層の磁化反転電流密度を変化させて多値情報を記録することから、磁化反転電流密度を異なる値に設定するための設計指針が重要となる。このような強磁性フリー層の設計指針として各強磁性フリー層の膜厚を変化させることが提案されているが、膜厚の増加は抵抗値の増加につながり、ひいては消費電力の増加につながるので好ましい方法とは言えない。また、強磁性フリー層を設計する際の磁性材料の設定方法については具体的な方法が示されていないのが現状である。

本発明は上述の点に着目してなされたものであり、本発明の目的は、素子の抵抗増加を抑制して多値記録を可能とする方法を提供するものである。さらには、磁化反転の臨界電流値が明確に異なる複数の強磁性フリー層を膜厚を変化させること無く作製可能な磁性材料およびその組成の決定方法を提供することにある。

本発明は、層間に非磁性の分離層を有する複数の強磁性フリー層を強磁性固定層上に積層することにより、強磁性固定層の層数を最少としながら所望の多値記録が可能なことを見出して上述の問題を解決したものである。
より具体的には、本発明のスピン注入磁化反転素子は、磁化が第１の方向に実質的に固定された強磁性固定層と、磁化の方向が可変のｎ層の強磁性フリー層と、非磁性のｎ層の分離層とを備え、ｎを２以上とし、前記強磁性固定層に一番近い強磁性フリー層を第１強磁性フリー層とし、一番遠い強磁性フリー層を第ｎ強磁性フリー層として前記各強磁性フリー層を番号順に配置し、前記強磁性固定層と前記第１強磁性フリー層の間に前記分離層の一つを配置し、前記各強磁性フリー層の間にそれぞれ前記分離層の一つを配置し、前記各強磁性フリー層の磁化反転動作を電子スピン注入により行い、磁化反転電流密度をＩｃとして、前記第ｊ強磁性フリー層の磁化反転電流密度をＩｃ_ｊとしたときに、前記各強磁性フリー層がＩｃ_ｊ−１＞Ｉｃ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）を満たすことを特徴とする。

あるいは、一軸磁気異方性定数をＫｕとし、前記第ｊ強磁性フリー層の一軸磁気異方性定数をＫｕ_ｊとした時に、前記各強磁性フリー層がＫｕ_ｊ−１＞Ｋｕ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）を満たすことを特徴とする。
保磁力をＨｃとし、前記第ｊ強磁性フリー層の保磁力をＨｃ_ｊとした時に、前記各強磁性フリー層がＨｃ_ｊ−１＞Ｈｃ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）を満たすことが好ましい。
また、飽和磁化をＭｓとし、前期第ｊ強磁性フリー層の飽和磁化をＭｓ_ｊとした時に、前記各強磁性フリー層がＭｓ_ｊ−１＞Ｍｓ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）を満たすことが好ましい。
前記各強磁性フリー層は、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒ合金またはＣｏＰｔ合金により構成されることが好ましい。

上述の合金を用いる時は、Ｃｒ濃度をＣとし、前記第ｊ強磁性フリー層のＣｒ濃度をＣ_ｊとした時に、前記各強磁性フリー層がＣ_ｊ−１＞Ｃ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）、および０．１原子％≦Ｃ_ｊ≦２０原子％（但し、１≦ｊ≦ｎ）を満たすことが好ましい。
あるいは、Ｐｔ濃度をＰとし、前記第ｊ強磁性フリー層のＰｔ濃度をＰ_ｊとした時に、前記各強磁性フリー層がＰ_ｊ−１＞Ｐ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）、および０．１原子％≦Ｐ_ｊ≦２０原子％（但し、１≦ｊ≦ｎ）を満たすことが好ましい。
前記各強磁性フリー層の長さを幅で除した値は２以上であることが好ましい。
前記各分離層は非磁性金属であることが好ましく、特にＣｕであることが好ましい。
あるいは、前記各分離層は絶縁体であることが好ましく、特にＡｌ_２Ｏ_３であることが好ましい。

また、前記強磁性固定層の前記強磁性フリー層と反対側の面に固定層電極を設け、前期第ｎ強磁性フリー層の前記強磁性固定層とは反対側の面にフリー層電極を設けることが好ましい。
また、前記第ｎ強磁性フリー層の前記強磁性固定層とは反対側の面に、非磁性の分離層および強磁性補助固定層をこの順にさらに設け、該強磁性補助固定層の磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に実質的に固定されていることが好ましい。
本発明の磁気メモリ装置は、上述したいずれかのスピン注入磁化反転素子を用いることを特徴とする。

スピン注入磁化反転素子を上述のように構成することにより、厚膜で電気抵抗の大きい強磁性固定層を最小限の層数として多値記録を行うことが可能となる。この結果、素子の電気抵抗を抑制して、消費電力を削減することが可能となる。また、各強磁性フリー層を上述のように設定することにより、磁化反転電流密度を所望の順で配置することが可能となる。この結果、各強磁性フリー層の膜厚を変化させることなく、安定して動作可能な多値記録素子を実現可能である。
強磁性フリー層の材料として、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒ合金あるいはＣｏＰｔ合金を用いることにより、Ｋｕ、Ｈｃを幅広く設定することが可能となり、磁化反転電流密度を所望の順で配置することが容易になるとともに、安定して動作する強磁性フリー層の層数を増加することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の磁気メモリ素子１０の構成例を説明するためのもので、断面模式図で示している。基板１１上に固定層電極１２、強磁性固定層１３を形成し、その上に複数の強磁性フリー層を形成している。各強磁性フリー層は分離層を介して相互に間隙を設けて形成される。図１はｎ層の強磁性フリー層を設けた例で、第１分離層１４−１を介して第１強磁性フリー層１５−１を形成し、第２分離層１４−２を介して第２強磁性フリー層１５−２が形成され、以降これを繰り返して、第ｎ強磁性フリー層が形成され、最後にフリー層電極１６が形成されている。
各強磁性フリー層の磁化反転電流密度は、第１強磁性フリー層を最大とし、第ｎ強磁性フリー層を最小として、第１から第ｎ強磁性フリー層まで単調に減少するように設定する。即ち、第ｊ強磁性フリー層の磁化反転電流密度をＩｃ_ｊとしたときに、Ｉｃ_ｊ−１＞Ｉｃ_ｊ（但し、２＜ｊ＜ｎ）となるように設定する。

あるいは、各強磁性フリー層の一軸磁気異方性定数は、第１強磁性フリー層を最大とし、第ｎ強磁性フリー層を最小として、第１から第ｎ強磁性フリー層まで単調に減少するように設定する。即ち、第ｊ強磁性フリー層の一軸磁気異方性定数をＫｕ_ｊとした時に、Ｋｕ_ｊ−１＞Ｋｕ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）となるように設定する。
（動作原理）
始めに本素子の動作原理について説明する。
図２は、本素子に書き込みを行う場合の動作原理を説明するための模式図で、簡略化のために、強磁性フリー層が２層の場合について示している。
図２ａは、各強磁性フリー層と強磁性固定層の磁化の向きを同一方向に揃える場合を示している。フリー層電極１６から固定層電極１２に向かって電流を流すと、電子は固定層電極１２から強磁性固定層１３に注入される。固定層電極１２中の電子スピンの分布は右向きスピンと左向きスピンが一致しているが、強磁性固定層１３中では電子スピンと磁性金属原子スピンとの相互作用（ｓ−ｄ相互作用）が働き、かつ強磁性固定層１３が厚膜のために、電子スピンは強磁性固定層１３の磁化方向（右向き）に整列する。このようにスピン偏極した電子が第１分離層１４−１を介して第１強磁性フリー層１５−１、さらに、第２分離層１４−２を介して第２強磁性フリー層１５−２に注入されると、各強磁性フリー層の磁化は、強磁性固定層１３の磁化方向と平行になる向きのトルクを受ける。フリー層電極１６からの注入電流密度Ｉを十分に大きくして、各強磁性フリー層の磁化反転電流密度より大きくした場合、即ち、Ｉ＞Ｉｃ_１＞Ｉｃ_２とした場合は、図２ａに示したように第１強磁性フリー層１５−１および第２強磁性フリー層１５−２の磁化方向は強磁性固定層１３の磁化に平行な状態へ遷移する。この状態を論理値“０”とする。

次に、論理値“１”への遷移を説明する。図２ｂは、論理値“０”の状態において固定層電極１２からフリー層電極１６に向かってＩｃ_１＞Ｉ＞Ｉｃ_２なる電流密度Ｉの電流を流した場合を示している。この場合、電子はフリー層電極１６から第２強磁性フリー層１５−２に注入される。フリー層電極１６中の電子スピンの状態は右向きスピンと左向きスピンの分布は一致しており、第２強磁性フリー層１５−２に注入される電子も類似の分布を有するため、フリー層電極１６から直接注入される電子からは磁化反転のトルクは生じない。しかしながら、図２ｂに示したように第１強磁性フリー層１５−１の磁化と反平行な左向きスピンの電子は、右向きスピンの電子よりも第１強磁性フリー層１５−１への注入時に高いポテンシャル障壁が存在するため第１強磁性フリー層１５−１の表面で反射され、第２強磁性フリー層１５−２に注入される。この結果、第２強磁性フリー層１５−２の磁化は左向きのトルクを受ける。なお、強磁性固定層との界面でも同様な現象が生じるが、フリー層電極１６からの注入電流密度ＩはＩ_Ｃ１＞Ｉ＞Ｉ_Ｃ２なる関係を持っているため、図２ｂに示したように第２強磁性フリー層１５−２の磁化方向のみが反転し、強磁性固定層１３の磁化に反平行な状態に遷移する。この状態を論理値“１”とする。

続いて、論理値“２”への遷移を説明する。図２ｃは、論理値“１”の状態において固定層電極１２からフリー層電極１６に向かって流す電流を増加させ、Ｉ＞Ｉ_Ｃ１＞Ｉ_Ｃ２なる電流密度Ｉの電流を流した場合を示している。この場合、図２ｃに示したように強磁性固定層１３の表面で反射された左向きのスピン電子と第１強磁性フリー層１５−１の磁化との相互作用により、第１強磁性フリー層１５−１の磁化方向が反転し、第２強磁性フリー層１５−２の磁化方向と同様に強磁性固定層１３の磁化方向と反平行な状態に遷移する。この状態を論理値“２”とする。
記録情報の論理値と各磁性層の磁化方向との関係を整理すると表１のようになる。このようにして本素子に流す電流の方向および大きさを制御することで１つの素子に対して多値の情報を記録することができる。

以上の説明では、強磁性フリー層が２層の場合について説明したが、強磁性フリー層の層数を増加してｎ層とする場合には、各強磁性フリー層の磁化反転電流密度をＩｃ_ｊ−１＞Ｉｃ_ｊを満たすように設定した上で、次のようにして書き込みを行う。まず、強磁性フリー層６から固定層電極１２に向けてＩｃ_１より大きな電流密度Ｉで電流を流す。Ｉｃ_１は全てのＩｃの中で最大であるから、各強磁性フリー層の磁化は強磁性固定層の磁化の向きに揃うことになる。次に、第ｊ強磁性フリー層の磁化反転を行うためには、固定層電極１２からフリー層電極１６に向けて、Ｉｃ_ｊ−１＞Ｉ＞Ｉ_Ｃｊなる電流密度Ｉにて電流を流せばよい。この結果、第ｎ強磁性フリー層から第ｊ強磁性フリー層までの磁化が強磁性固定層１３と反対向きで揃い、第（ｊ−１）強磁性フリー層から第１強磁性フリー層までの磁化が強磁性固定層１３と同じ向きで揃うこととなり、隣接する層間で磁化反転する箇所が１箇所発生することになる。

続いて、素子に記録された情報の読み出し方法について説明する。情報を読み出す際には、各強磁性フリー層の磁化が反転しない程度の小さな電流密度Ｉの電流を流し、素子の抵抗値を測定する。第ｎ強磁性フリー層の磁化反転電流密度が最小であるから、Ｉ＜Ｉｃ_ｎとすればよい。電流を流す方向は、いずれの方向でも読出しが可能である。但し、電流を流す方向により、異なる動作原理で読出しが行われる。
始めに、固定層電極１２からフリー層電極１６へ向かう方向に電流を流す場合、即ち、電子がフリー層電極１６から固定層電極１２へ向かう場合について説明する。この場合の読出し原理は、磁性層中で電子スピンが緩和することに基づいている。図３は、固定層電極１２からフリー層電極１６へ向かう方向に電流を流す場合の読出しの原理を説明するための模式図で、図３ａは第１強磁性フリー層１５−１と第２強磁性フリー層１５−２の間で磁化が反転している状態を例にとって示しており、図３ｂは第（ｎ−２）強磁性フリー層１５−（ｎ−２）と第（ｎ−１）強磁性フリー層１５−（ｎ−１）の間で磁化が反転している状態を例にとって示している。図中で、Ｕ字型の矢印が電子の反射を表しており、実線が主要な強い反射、破線が弱い反射を表している。

磁性層中に注入された電子は磁性層中を移動する際に、磁性層と相互作用を行う。電子スピンの向きは電子の平均自由工程の数倍の距離保存されるが、やがて緩和して、電子のスピンは通過している磁性層の磁化の向きに揃うこととなる。この距離をスピン緩和距離と呼び、金属では１００から２００ｎｍである。フリー層電極１６中の電子スピンの分布は右向きスピンと左向きスピンが一致しているが、各強磁性フリー層中を移動するに伴い、スピン偏極が生じる。電子スピンの緩和の程度は移動する距離に応じて変化するため電子スピンの偏極状態は移動する距離に応じて変化することになる。図３ａでは、第ｎ強磁性フリー層１５−ｎから第２強磁性フリー層１５−２まで各強磁性フリー層は左向きの磁化を有しているため、電子スピンは次第に左向きの偏極の程度が増大する。電子が第１強磁性フリー層１５−１に注入される時には、第１強磁性フリー層の磁化と反対向きの左向きスピンの電子は高いポテンシャル障壁を受けて反射される率が高くなり、結果として抵抗値が高くなる。

これに対して、図３ｂの場合には、第（ｎ−２）強磁性フリー層で右向き磁化に反転するため、電子の移動距離は短く、スピン偏極の程度も小さい。従って、第（ｎ−２）強磁性フリー層に電子が注入される時の反射が小さくなり、抵抗値は図３ａの場合に比べて小さくなる。
従って、磁化が反転する強磁性フリー層の位置により素子の抵抗値が異なることになり、この抵抗値を用いて記録された情報を読み出すことが可能である。
次に、フリー層電極１６から固定層電極１２へ向かう方向に電流を流す場合、即ち、電子が固定層電極１２からフリー層電極１６へ向かう場合について説明する。この場合の読出し原理は、隣接する層間での電子の反射率が、電子スピンの分布によって異なることに基づいている。図４は、フリー層電極１６から固定層電極１２へ向かう方向に電流を流す場合の読出しの原理を説明するための模式図で、図４ａは第１強磁性フリー層１５−１と第２強磁性フリー層１５−２の間で磁化が反転している状態を例にとって示しており、図４ｂは第ｎ−２強磁性フリー層１５−（ｎ−２）と第ｎ−１強磁性フリー層１５−（ｎ−１）の間で磁化が反転している状態を例にとって示している。

隣接する層に注入される電子の反射率は、電子スピンの分布により変化し、注入先の磁化の方向と反対方向の電子スピンが多くなるほど反射率が高くなる。固定層電極１２中の電子スピンの分布は右向きスピンと左向きスピンが一致しているが、強磁性固定層１３の膜厚が厚いこと等の理由により、強磁性固定層１３に注入された電子のスピンは、大部分が強磁性固定層１３の方向に揃うこととなり、図４の例では右向きに揃うこととなる。強磁性固定層１３と同方向の右向きの磁化を有している強磁性フリー層を移動するときは、電子スピンは右向きの程度が増加する変化はあるが、右向きのスピン偏極が維持される。また、左向きのスピンが少ないため隣接する層間での電子の反射は抑制されている。図４ａでは、第２強磁性フリー層１５−２で磁化が反転しているため、電子が第２強磁性フリー層１５−２に注入されるときには、右向きスピンの電子の一部は界面で反射されることになる。第３強磁性フリー層は薄い等の理由で、右向きスピンの電子の反射は一部にとどまり、電子スピンの右向きの偏極は維持される。このため、第２強磁性フリー層１５−２から第ｎ強磁性フリー層１５−ｎまで、右向きスピンの偏極の程度が減少しながら同様の反射が繰り返し行われ、結果として高い抵抗値を示すこととなる。

これに対して、図４ｂの例では、第（ｎ−１）強磁性フリー層で磁化が反転するため、隣接する層間での反射の機会が減少し、結果として抵抗値が図４ａに比べて低くなる。
従って、磁化が反転する強磁性フリー層の位置により素子の抵抗値が異なることになり、この抵抗値を用いて記録された情報を読み出すことが可能である。
（各層の構成）
以下、本素子を構成する各層の構成について説明する。
基板１１の材料は、基板上に配置する複数の素子を独立に制御するために絶縁性を有し、また、素子を保持するために充分な剛性を有する材料であれば、所望の平坦度に応じて適宜選択可能である。例えば、サファイア、酸化シリコンなどの厚さ数１００ｕｍの絶縁基板や、表面を酸化し絶縁性を確保したＳｉ等の半導体基板等が使用できる。

固定層電極１２は、導電性の材料であれば適宜選択可能であり、その厚さは数十ｎｍから数百ｎｍ、面積は２０ｎｍ×２０ｎｍから１０μｍ×１０μｍの範囲が好ましい。その形状は四角形状が好ましいが、所望により丸型、楕円形状等とすることもできる。
強磁性固定層１３および各強磁性フリー層の形状は、膜厚を除いて同一形状で積層することが好ましい。各強磁性層中の磁化の配向方向を基板面に平行な特定方向（例えば、図１の左右方向）とすることが好ましい。磁化をそのような向きに配向させるには強磁性層に形状異方性を持たせることが有効である。このため、磁化を配向する方向を長さ（Ｌ）とし、これと直行する方向を幅（Ｗ）とした時に、Ｌ／Ｗ≧２にて強磁性固定層、各強磁性フリー層を形成することが好ましい。
ｎ層の強磁性フリー層の磁化反転電流密度を、Ｉｃ_ｊ−１＞Ｉｃ_ｊが成立する順序に設定するためには、次のいずれかの方法をとる。１）一軸磁気異方性定数（Ｋｕ）を所定の順序に設定する。具体的には、第ｊ強磁性フリー層のＫｕをＫｕ_ｊとした時に、Ｋｕ_ｊ−１＞Ｋｕ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）が成立するように設定する。２）保磁力（Ｈｃ）を所定の順序に設定する。具体的には、第ｊ強磁性フリー層のＨｃをＨｃ_ｊとした時に、Ｈｃ_ｊ−１＞Ｈｃ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）が成立するように設定する。３）飽和磁化（Ｍｓ）を所定の順序に設定する。具体的には、第ｊ強磁性フリー層のＭｓをＭｓ_ｊとした時に、Ｍｓ_ｊ−１＞Ｍｓ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）が成立するように設定する。

強磁性フリー層の磁性材料としては、磁性金属、強磁性半導体もしくは強磁性酸化物を使用することができる。例えば、Ｃｏ、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＰｔＣｒＢ合金、ＣｏＰｔＣｒＴａＢ合金、パーマロイ系合金（例えば、Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０、ＮｉＦｅＭｏ合金等）、Ｆｅ、ＦｅＣｏ系合金（例えば、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＣｏＦｅ、ＦｅＣｏＮ等）、ＮｉＭｎＳｂ合金、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ合金、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ合金、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ合金、ＣｏＣｒＦｅＡｌ合金、ＦｅＰｔ合金、Ｓｒ_２ＦｅＭｏＯ_６合金、Ｆｅ_２Ｏ_３合金、ＣｏＨｆＴａ合金、ＣｏＺｒＮｂ合金、ＦｅＡｌＮ合金、ＦｅＴａＮ合金等を用いることができる。
中でもＣｏＣｒ系合金、ＣｏＰｔ系合金またはＣｏＰｔＣｒ系合金が特に好ましい。これは、ＰｔまたはＣｒの濃度を調整することにより、Ｋｕ、Ｈｃを広い範囲で調整することが可能なことから、各強磁性フリー層の磁化反転電流密度を所望の値に容易に設定できるためである。Ｋｕを設定するためには、Ｐｔの濃度を変更することが好ましい。第ｊ強磁性フリー層のＰｔ濃度をＰ_ｊとした時に、Ｐ_ｊ−１＞Ｐ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）が成立するように設定することにより、Ｋｕを所望の順序に設定することができる。Ｋｕの設定を好適に行うためには、Ｐｔの濃度は、０．１原子％以上、２０原子％以下とすることが好ましい。Ｐｔの濃度をこの範囲で設定することにより、一軸磁気異方性エネルギーを１０^５〜１０^７ｅｒｇ／ｃｍ^３程度の範囲で変化させることができる。Ｈｃを設定するためには、Ｃｒの濃度を変更することが好ましい。第ｊ強磁性フリー層のＣｒ濃度をＣ_ｊとした時に、Ｃ_ｊ−１＞Ｃ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）が成立するように設定することにより、Ｈｃを所望の順序に設定することができる。Ｈｃの設定を好適に行うためには、Ｃｒの濃度は、０．１原子％以上、２０原子％以下とすることが好ましい。

各強磁性フリー層の膜厚は電子スピンの緩和距離に比べて薄くすることが必要である。電子スピンの緩和距離は、金属では１００から２００ｎｍ程度であるため、各強磁性フリー層の膜厚は５０ｎｍ以下が好ましく、電子スピンの偏極状態を好適に制御するためには、５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下が特に好ましい。
強磁性固定層１３の磁性材料としては、磁気異方性定数および保磁力の大きな材料が好ましく、なかでも、Ｃｏ、ＣｏＰｔ合金、ＦｅＰｔ、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔＣｒ、ＣｏＰｔＣｒＢ、ＣｏＰｔＣｒＴａＢ、ＣｏＰｔ人工格子膜、ＣｏＰｄ人工格子膜、ＣｏＰｔＣｒ−ＳｉＯ_２グラニュラー膜等が特に好ましい。強磁性固定層の膜厚は、磁化を充分に固定し、かつ電子スピンを揃えるために厚いことが好ましく、具体的には５０ｎｍ以上とすることが好ましい。

各分離層の材料としては、非磁性金属、酸化物を使用することができる。非磁性金属の場合はＣｕ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＰｄが好ましく、酸化物の場合は、アルミの酸化物、ＭｇＯが好ましい。また、これら非磁性金属膜と酸化物の二層積層膜を用いることができる。各分離層の膜厚は、各強磁性層の磁気的な分離性を確保するために１ｎｍ以上とすることが好ましく、電気抵抗を低減するためには１０ｎｍ以下とすることが好ましい。
フリー層電極１６は、導電性の材料であれば適宜選択可能であり、その厚さは数十ｎｍから数百ｎｍが好ましく、形状は強磁性フリー層と同等とすることが好ましい。
上述した単位素子を基板上に複数集積して大規模なランダムアクセスメモリ装置を構成することができる。このためには、例えば、図８ａの配置を用いて、メモリ素子５０として上述の素子を配置する。

（他の実施の形態）
図１の構成は本発明の素子の基本構成を示すものであり、各構成要素を適宜変更して目的に応じた改変を行うことが可能である。以下、変形例について例示する。
図５は、フリー層電極１６と第ｎ強磁性フリー層１５−ｎの間に分離層を介して強磁性補助固定層１７を設けたものである。第ｎ強磁性フリー層は、他の強磁性フリー層と比較して、フリー層電極から注入される電子による磁化反転の書き込みがしにくい層である。これは、フリー層電極１６中の電子スピンの分布が右向き、左向きが一致しているためである。強磁性補助固定層１７は、電子スピンを予め弱く偏極することにより、第ｎ強磁性フリー層の磁化反転を補助するものである。従って、強磁性補助固定層の磁化の向きは強磁性固定層１３と反対向きに設定し、かつ固定する。その膜厚は、電子スピンを弱く偏極するに足る厚みとすることが好ましく、スピン緩和距離に比べて薄い、２０ｎｍないし５０ｎｍが好ましい。薄い膜厚で磁化の向きを固定するためには、Ｋｕを高く設定することが好ましく、強磁性固定層のＫｕよりも高く設定することが特に好ましい。その材料としては強磁性固定層と同様の材料を用いることができる。

図６は、強磁性固定層１３の磁化を固定する他の方法の例である。図６ａは、強磁性固定層１３と固定層電極１２の間に、非磁性の反強磁性結合層２０を介して強磁性層１８を設け、強磁性固定層１３と強磁性層１８の間に反強磁性結合を設けたものである。また、図６ｂは、非磁性の強磁性結合層２１を介して強磁性層１９を設け、強磁性固定層１３と強磁性層１９の間に強磁性結合を設けたものである。強磁性層１８、強磁性層１９の材料、構成は公知のものを用いることができる。また、強磁性固定層１３の磁化を固定するために公知の他の方法を用いても良い。
図７は、本発明の素子１０の基本部分を積層したもので、強磁性固定層１３から第ｎ強磁性フリー層１５−ｎまでの部分に対応する強磁性固定層２１３から第ｎ強磁性フリー層２１５−ｎをもう一段積層したものである。同様にして３回以上の積層を行っても良い。このようにすることで、多値化のレベルをさらに上げることができる。

また、本素子への書き込みを、前記したスピン注入以外の方法で行って、本素子をセンサーとして用いることが可能である。例えば、磁場中に本素子を置き、その磁場で強磁性フリー層の磁化反転を行った上で、前記した読み込み方法を用いれば、磁化反転を生じた強磁性フリー層の位置を検出することができる。例えば、各強磁性フリー層を保磁力の順に並べておいた場合には、本素子を磁場のセンサーとして用いることが可能である。

以下、実施例を用いてさらに詳細に説明する。
図１の構成を用いて、強磁性フリー層を２層、分離層として非磁性金属を用いてＧＭＲ型の磁気メモリ素子を作製した。
非磁性基板１１としてＳｉ基板を用い、Ｓｉ基板上に固定層電極１２として、幅１μｍ、長さ１０μｍの形状でＣｕを２００ｎｍの厚さに成膜した。引き続き、固定層電極１２上に、幅５００ｎｍ、長さ１μｍの形状で強磁性固定層１３をＣｏ_７０Ｃｒ_２０Ｐｔ_１０（ここで、下付き数字は原子％を表す。以下同様である。）を用いて１００ｎｍの厚さに形成した。引き続き、強磁性固定層１３と同じ長さ、幅で以下の各層を形成した。Ｃｕからなる層厚１ｎｍの第１分離層１４−１、Ｃｏ_８９Ｐｔ_１０Ｃｒ_１からなる層厚１０ｎｍの第１強磁性フリー層１５−１、Ｃｕからなる層厚１ｎｍの第２分離層１４−２、Ｃｏ_９６Ｐｔ_３Ｃｒ_１からなる層厚１０ｎｍの第２強磁性フリー層１５−２、Ｃｕからなる層厚２００ｎｍのフリー層電極１６を順次形成した。以上の各層の成膜はスパッタ法を用いて行った。このようにして、ＧＭＲ効果を有する素子を得た。

ＴＭＲ型の磁気メモリ素子の例である。
分離層１４−１、１４−２として層厚１ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３層をスパッタ法で形成したこと以外は、実施例１とまったく同様にしてＴＭＲ効果を有する磁気メモリ素子を得た。
実施例２の素子を用いて、３値記録を行った。
始めに、各強磁性フリー層のＫｕ、Ｉｃを測定したところ、第１強磁性フリー層のＫｕは、４．０×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^３、Ｉｃは１．０×１０^８Ａ／ｃｍ^２で、第２強磁性フリー層のＫｕは、３．３×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^３、Ｉｃは５．０×１０^７Ａ／ｃｍ^２であり、Ｋｕ_１＞Ｋｕ_２、およびＩｃ_１＞Ｉｃ_２が確認できた。
次に、表１の動作モードにより３値を記録し、読出しを行った。読み出し結果を表２に示す。書き込みの電流密度は、論理値“０”が１．２×１０^８Ａ／ｃｍ^２、論理値“１”が６．０×１０^７Ａ／ｃｍ^２、論理値“２”が１．４×１０^８Ａ／ｃｍ^２で、読出しの電圧は１Ｖである。

以上の例では強磁性フリー層に用いる磁性材料をＣｏＣｒＰｔとし、Ｐｔの組成比を変化させることで磁化反転電流密度を変化させたが、磁性材料をＣｏＣｒあるいはＣｏＣｒＰｔとしてＣｒの組成比を０．１〜２０原子％の間で変化させた場合、および磁性材料をＣｏＰｔとし、Ｐｔの組成比を０．１〜２０％の間で変化させた場合にも実施例１、２と同様の効果が得られることを確認している。

本発明の磁気メモリ素子の構成例を説明するための断面模式図である。 本発明の磁気メモリ素子に書き込みを行う時の動作原理を説明するための断面模式図である。 本発明の磁気メモリ素子の読み込みを行う時の動作原理を説明するための断面模式図で、電流を固定層電極からフリー層電極に向けて流す場合のものである。 本発明の磁気メモリ素子の読み込みを行う時の動作原理を説明するための断面模式図で、電流をフリー層電極から固定層電極に向けて流す場合のものである。 本発明の磁気メモリ素子の他の構成例を説明するための断面模式図で、強磁性補助固定層を設けた例である。 本発明の磁気メモリ素子の他の構成例を説明するための断面模式図で、（ａ）は強磁性固定層に反強磁性結合を設けた例、（ｂ）は強磁性固定層に強磁性結合を設けた例である。 本発明の磁気メモリ素子の他の構成例を説明するための断面模式図で、基本素子をさらに積層した例である。 従来技術である電流磁場駆動型のＴＭＲ磁気メモリ素子の構成例を説明するためのものである。 電子スピン注入磁化反転素子の従来技術の動作原理を説明するための断面模式図である。 電子スピン注入磁化反転素子を多値化する方法の従来技術を説明するための断面模式図である。

符号の説明

１０ 磁気メモリ素子
１１ 基板
１２ 固定層電極
１３、２１３ 強磁性固定層
１４、２１４ 分離層
１４−ｎ、２１４−ｎ 第ｎ分離層
１５、２１５ 強磁性フリー層
１５−ｎ、２１５−ｎ 第ｎ強磁性フリー層
１６ フリー層電極
１７ 強磁性補助固定層
１８ 反強磁性結合を行う強磁性層
１９ 強磁性結合を行う強磁性層
２０ 反強磁性結合層
２１ 強磁性結合層
５０ 電流磁場駆動型ＴＭＲメモリ素子
５２ ビット線
５３ 第１強磁性層
５４ 非磁性金属層
５５ 第２強磁性層
５６ ワード線
５７ 書き込み用ワード線
１３１ 第１強磁性固定層
１３２ 第２強磁性固定層
１３３ 第３強磁性固定層
１４１ 第１分離層
１４２ 第２分離層
１４３ 第３分離層
１４４ 第４分離層
１５１ 第１強磁性フリー層
１５２ 第２強磁性フリー層

Claims (15)

1. 磁化が第１の方向に実質的に固定された強磁性固定層と、磁化の方向が可変のｎ層の強磁性フリー層と、非磁性のｎ層の分離層とを備え、
   ｎを２以上とし、
   前記強磁性固定層に一番近い強磁性フリー層を第１強磁性フリー層とし、一番遠い強磁性フリー層を第ｎ強磁性フリー層として前記各強磁性フリー層を番号順に配置し、
   前記強磁性固定層と前記第１強磁性フリー層の間に前記分離層の一つを配置し、
   前記各強磁性フリー層の間にそれぞれ前記分離層の一つを配置し、
   前記各強磁性フリー層の磁化反転動作を電子スピン注入により行い、
   磁化反転電流密度をＩｃとして、前記第ｊ強磁性フリー層の磁化反転電流密度をＩｃ_ｊとしたときに、前記各強磁性フリー層がＩｃ_ｊ−１＞Ｉｃ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）を満たすことを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
2. 磁化が第１の方向に実質的に固定された強磁性固定層と、磁化の方向が可変のｎ層の強磁性フリー層と、非磁性のｎ層の分離層とを備え、
   ｎを２以上とし、
   前記強磁性固定層に一番近い強磁性フリー層を第１強磁性フリー層とし、一番遠い強磁性フリー層を第ｎ強磁性フリー層として前記各強磁性フリー層を番号順に配置し、
   前記強磁性固定層と前記第１強磁性フリー層の間に前記分離層の一つを配置し、
   前記各強磁性フリー層の間にそれぞれ前記分離層の一つを配置し、
   前記各強磁性フリー層の磁化反転動作を電子スピン注入により行い、
   一軸磁気異方性定数をＫｕとして、前記第ｊ強磁性フリー層の一軸磁気異方性定数をＫｕ_ｊとした時に、前記各強磁性フリー層がＫｕ_ｊ−１＞Ｋｕ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）を満たすことを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
3. 保磁力をＨｃとし、前記第ｊ強磁性フリー層の保磁力をＨｃ_ｊとした時に、前記各強磁性フリー層がＨｃ_ｊ−１＞Ｈｃ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）を満たすことを特徴とする請求項１ないし２のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
4. 飽和磁化をＭｓとし、前期第ｊ強磁性フリー層の飽和磁化をＭｓ_ｊとした時に、前記各強磁性フリー層がＭｓ_ｊ−１＞Ｍｓ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）を満たすことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
5. 前記各強磁性フリー層がＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒ合金またはＣｏＰｔ合金により構成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
6. Ｃｒ濃度をＣとし、前記第ｊ強磁性フリー層のＣｒ濃度をＣ_ｊとした時に、前記各強磁性フリー層がＣ_ｊ−１＞Ｃ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）、および０．１原子％≦Ｃ_ｊ≦２０原子％（但し、１≦ｊ≦ｎ）を満たすことを特徴とする請求項５に記載のスピン注入磁化反転素子。
7. Ｐｔ濃度をＰとし、前記第ｊ強磁性フリー層のＰｔ濃度をＰ_ｊとした時に、前記各強磁性フリー層がＰ_ｊ−１＞Ｐ_ｊ（但し、２≦ｊ≦ｎ）、および０．１原子％≦Ｐ_ｊ≦２０原子％（但し、１≦ｊ≦ｎ）を満たすことを特徴とする請求項５ないし６のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
8. 前記各強磁性フリー層の長さを幅で除した値が２以上であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
9. 前記各分離層が非磁性金属であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
10. 前記非磁性金属がＣｕであることを特徴とする請求項９に記載のスピン注入磁化反転素子。
11. 前記各分離層が絶縁体であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
12. 前記絶縁体がＡｌ_２Ｏ_３であることを特徴とする請求項１１に記載のスピン注入磁化反転素子。
13. 前記強磁性固定層の前記強磁性フリー層と反対側の面に固定層電極を設け、前期第ｎ強磁性フリー層の前記強磁性固定層とは反対側の面にフリー層電極を設けたことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
14. 前記第ｎ強磁性フリー層の前記強磁性固定層とは反対側の面に、非磁性の分離層および強磁性補助固定層をこの順にさらに設け、該強磁性補助固定層の磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に実質的に固定されていることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
15. 請求項１ないし１４のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子を用いたことを特徴とする磁気メモリ装置。

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