JP2007095765A - 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】 抵抗増加が抑制され、また磁化反転電流密度の許容幅が大きな多値記録素子および磁気記録装置を提供する。
【解決手段】 スピン注入磁化反転素子において、強磁性固定層の同一面上に２以上の非磁性分離層および強磁性自由層を配置する、あるいは、強磁性固定層上に形成された非磁性分離層の同一面上に２以上の強磁性自由層を配置することを特徴とする。
各素子は一つのＦＥＴで駆動することが好ましい。
また、２つの強磁性自由層を持つスピン注入磁化反転素子を複数連結した記録装置において、一方の強磁性自由層にビット線を、他方の強磁性自由層にワード線を、強磁性固定層に書込みワード線を配線し、これら３線の内のいずれかの２線を選択した時に、２線間で導通するスピン注入磁化反転素子が１以下であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気的なメモリ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て、多値記録が可能な磁気的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）効果素子あるいは強磁性層／絶縁体層／強磁性層からなる強磁性スピントンネル接合（ＭＴＪ）素子が開発され、新規な磁界センサや磁気メモリとして、その応用が期待されている。これらは、対向する強磁性層の磁化方向の組み合わせにより電気抵抗が異なることを利用するもので、一方の強磁性層を磁化反転することにより磁化方向の組み合わせを変えて記録を行う。
磁化反転を生起する方法としては、当初は電流磁場駆動法が提案された。強磁性層の近傍に金属導線を設け、導線に電流を流して磁場を発生し、この磁場の向きおよび強度を調整することで記録素子の強磁性層の一方を磁化反転させるものである。しかしながらこの方法では１つの記録素子で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ことから、情報書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６はスピン注入を用いて２値の情報を記録再生する記録素子１００の構成例を示すものである（例えば、特許文献１参照。）。基板１０１の上に、固定層電極１０２を介して強磁性固定層１０３、非磁性の分離層１０４、強磁性自由層１０７および自由層電極１０９が形成されている。強磁性固定層１０３は、例えば膜厚を厚くする等の方法によって強く磁化されており、外部磁場による磁化反転を起こりにくくしている。また、強磁性自由層は、例えば薄膜化する等の方法により、磁化反転を起こり易くしている。図６は強磁性固定層の磁化が紙面左向きの場合を例にとって示したもので、図中で白抜きの矢印は各磁性層の磁化の向きを表し、両方向の矢印を併記した層は磁化の向きが両方向を取りうることを表している。以下の図の表記も同様である。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に右向き、左向きと呼ぶ。

強磁性固定層の磁化が固定された状態で、強磁性自由層と強磁性固定層の間で電子を流した場合、電子の有するスピンにより強磁性自由層の磁化が反転する。これをスピン注入磁化反転と呼んでいる。
固定層電極から自由層電極に向けて電子を流す場合を考えると、固定層電極中では、電子のスピンの分布は右向き、左向きが一致しているが、強磁性固定層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、かつ強磁性固定層が厚膜のために、電子スピンは強磁性固定層の磁化方向（左向き）に整列する。このようにスピン偏極した電子が分離層を介して強磁性自由層に注入されると、強磁性自由層の磁化は、強磁性固定層の磁化方向と平行になる向きのトルクを受ける。注入する電子密度を十分に大きくした場合は、強磁性自由層は磁化反転して強磁性固定層の磁化に平行な状態へ遷移するものと理解されている。以下、強磁性自由層の磁化方向が反転する臨界電流密度を磁化反転電流密度と呼ぶ。

一方、電流の向きを逆にして、強磁性自由層から強磁性固定層に電子を注入する場合は、強磁性固定層と逆向きである右向きのスピンを持つ電子は、左向きのスピンを持つ電子に比べて強磁性固定層に注入される際のポテンシャル障壁が高くなる。このため、右向きスピンの電子は強磁性固定層との界面で反射され、反射した電子が強磁性自由層の磁化に右向きのトルクを与え、その磁化を右向きに揃えようとする。この結果、磁化反転電流密度以上の電子を流すことで強磁性自由層の磁化は強磁性固定層と反平行になる。したがって、この三層構造のスピン注入磁化反転素子では、磁化反転電流密度以上の電流を流し、その電流の向きを変えることによって強磁性固定層と強磁性自由層の磁化を平行または反平行にすることが可能である。この２つの状態は、磁化反転電流密度未満では保持される。また、２つの状態は素子の電気抵抗が異なるため、それぞれ、“０”、“１”とに対応させることで、２値記録素子として使用することができる。

２値記録素子を多数集積することにより大容量の磁気記録装置を構成することができる。図８は、その構成例を示したもので、複数の記録素子１００をマトリックス状に配置してこれらをビット線１２１、ワード線１２２で連結し、各記録素子１００をＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等の駆動素子１２０を用いて選択あるいは動作させるものである。
しかしながら、２値記録素子の場合は、２値の情報に対して一つの駆動素子が必要となることから、記録容量を高めるに従って駆動素子の占める面積、消費電力が増大して記録装置を構成する障害となる。
この障害を克服するために多値記録を行う方法が模索されている。図７は、特許文献２で提案されているもので、２値記録素子を多数積層することにより多値記録を行うものである。本願の用語を用いて示せば、強磁性第１固定層１３１、第１分離層１４１、強磁性第１自由層１５１、第２分離層１４２、強磁性第２固定層１３２、第３分離層１４３、強磁性第２自由層１５２、第４分離層１４４、強磁性第３固定層１３３から構成されている。強磁性自由層を強磁性固定層で挟む構成を有しているものの、基本的には図６の素子を積み重ねたもので、強磁性第１自由層１５１および強磁性第２自由層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反転電流密度を変えることにより多値化が可能とされている。
特開２００４−２０７７０７号公報 特開２００４−１９３５９５号公報 （段落００９５−００９６、図１８） 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。

上述の多値記録の方法は、２値記録を行う素子を複数積層する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自由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、磁化反転電流密度を設定する数としては、強磁性自由層の層の数が必要となることから、各磁化反転電流密度に許容される変動幅は制約が生じ、層数が増大するほど許容幅が減少して記録素子を製造する際の難易度が増加することとなる。強磁性自由層は磁化の反転を容易にするために薄層とすることが好ましいため、薄層とするための難易度と合わせて製造上の難易度が増大する。

本発明はこのような点に着目してなされたものであり、本発明の目的は、抵抗増加を抑制して多値記録を可能とする記録素子を提供するものである。また、磁化反転電流密度の許容幅を削減することなく多値記録を可能とする記録素子を提供するものである。さらには、多値記録が可能なスピン注入磁化反転素子により、記録素子を駆動する素子の増加を抑制した磁気記録装置を提供するものである。

上記の目的を達成するため、本発明は、強磁性固定層、非磁性の分離層および強磁性自由層をこの順に備えたスピン注入磁化反転素子において、前記分離層が相互に離間する２以上の領域に分割されて前記強磁性固定層の同一面上に配置され、前記分離層の各領域上にそれぞれ強磁性自由層を設けたことを特徴とする。
あるいは、強磁性固定層、非磁性の分離層および強磁性自由層をこの順に備えたスピン注入磁化反転素子において、前記強磁性自由層が相互に離間する２以上の領域に分割されて前記分離層の同一面上に配置されていてもよい。
前記強磁性自由層の主面の内、分離層側と反対側の主面に自由層電極を設けることが好ましい。
また、前記強磁性固定層の主面の内、分離層側と反対側の主面に固定層電極を設けることが好ましい。

また、相互に離間する前記領域の数が２であることが好ましい。
本発明は、記録装置において、上述したいずれかのスピン注入磁化反転素子を複数連結したことを特徴とする。
１の前記スピン注入磁化反転素子を１のＦＥＴで駆動することが好ましい。
また、相互に離間する前記領域の数が２であるスピン注入磁化反転素子を複数連結した記録装置において、一方の前記強磁性自由層に対する配線をビット線とし、他方の前記強磁性自由層に対する配線をワード線とし、前記強磁性固定層に対する配線を書込みワード線として、該ビット線、ワード線および書込みワード線の内のいずれかの２線を選択した時に、該２線間で導通する前記スピン注入磁化反転素子が１以下であ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、抵抗値の高い強磁性固定層の数を抑制して抵抗増加を低く抑えながら多値記録が可能となる。また、各強磁性自由層の磁化反転動作を独立して制御できることから、磁化反転電流密度の許容幅を削減する必要がないため、製造が容易な多値記録素子を提供することが可能となる。さらには、多値記録が可能なスピン注入磁化反転素子により、記録素子を駆動する素子の増加を抑制した磁気記録装置を提供することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の記録素子２０の構成例を説明するための断面模式図で、非磁性基板１上に固定層電極２、強磁性固定層３が形成され、強磁性固定層３の上には、第１分離層５、第２分離層６がそれぞれ形成されている。さらに、第１分離層５上に強磁性第１自由層７、第１自由層電極９がこの順に形成されており、また、第２分離層６上に強磁性第２自由層８、第２自由層電極１０がこの順に形成されている。以下、強磁性第１自由層７と強磁性第２自由層８の両者を合わせて単に強磁性自由層とも称し、第１自由層電極９と第２自由層電極１０の両者を合わせて単に自由層電極とも称し、また、第１分離層５と第２分離層６の両者を合わせて単に分離層とも称す。
（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は本素子に書込みを行う際の動作を説明するための断面模式図である。図２ａは、強磁性固定層３、強磁性第１自由層７、強磁性第２自由層８の磁化の向きがすべて同一方向にある場合を示すもので、図では紙面左向きの磁化を例にとって示している。この状態にあるときを“０”とする。書込み動作としては、各自由層電極から固定層電極に向けて磁化反転電流密度以上の電流を流すことにより行う。即ち、電子は固定層電極から各自由層電極に向けて流れることになる。固定層電極２から強磁性固定層３に注入された電子は、強磁性固定層３を移動する際に強磁性固定層の磁化の向きにスピン偏極する。電子は引き続き各分離層を介して各強磁性自由層に注入され、かつ、各強磁性自由層に注入される電子の密度が磁化反転に必要な密度以上であることから各強磁性自由層の磁化は強磁性固定層３の磁化と同じ向きに揃うこととなる。

図２ｂは、図２ａの状態から一方の強磁性自由層を磁化反転する例を示すもので、図２ｂでは強磁性第２自由層８が磁化反転した状態を例にとって示している。書込み動作としては、固定層電極２から第２自由層電極１０に向けて磁化反転電流密度以上の電流を流すことによって行う。この場合は、強磁性自由層８が薄膜である等の理由により、自由層電極１０から強磁性自由層８に注入された電子のスピン偏極は僅かにとどまり、引き続いて強磁性固定層３に注入される際に強磁性固定層３と逆向きのスピンを有する電子は強磁性自由層８に向けて反射され、強磁性自由層８の磁化を強磁性固定層３の磁化と逆向きである右向きに磁化反転させることとなる。図２ｂの状態を“１”とする。
図２ｃは、強磁性自由層が両者とも磁化反転した状態を示すもので、書込み動作としては、固定層電極２から各自由層電極に向けて磁化反転電流密度以上の電流を流すことにより行う。磁化反転の原理としては図２ｂの例と同様である。図２ｃの状態を“２”とする。

以上のようにして、記録素子２０の磁化状態を異なる３種類の状態に変化、保持させることができる。なお、固定層電極２と各自由層電極の間で電流を流すことによって、各強磁性自由層をそれぞれ独立して磁化反転させることが可能である。従って、各強磁性自由層の磁化反転電流密度はそれぞれ独立に設定可能であり、例えば、両者の磁化反転電流密度をまったく同一としても動作が可能であり、記録素子形成の際の製造上の余裕を高く保持することができる。
次に記録された情報の読み出しもしくは再生について説明する。読み出しは第１自由層電極９と第２自由層電極１０との間に磁化反転電流密度未満の電流を流して抵抗値を判定することにより行う。分離層が非磁性金属層の場合はＧＭＲ効果を利用し、分離層が絶縁層の場合はＭＴＪ効果を利用する。いずれの効果も、分離層を挟んで隣接する強磁性層間の抵抗が両者の磁化の向きにより異なることを利用しており、両者の磁化の向きが平行な場合に抵抗が小さく、反平行な場合に抵抗が大きくなる。第１自由層電極９から第２自由層電極１０に向けて電流を流す場合を例にとると、電流は強磁性第１自由層７、第１分離層５、強磁性固定層３、第２分離層６、強磁性第２自由層８の経路をたどることになり、分離層を挟んで隣接する強磁性層間の流れが２回生じている。図２ａから図２ｃの状態は、隣接する磁化の向きの組み合わせがそれぞれ異なることから抵抗値がそれぞれ異なることになる。図３は、第１自由層電極９と第２自由層電極１０の間に電流を流す場合の電流と電圧の関係を説明するための図で、図３に示すように各状態を判別することが可能である。図２ａの状態“０”の場合は、各強磁性層の磁化が同一の向きになっており、抵抗が最も小さい。図２ｃの状態“２”の場合は、隣接する強磁性層の磁化の向きが２箇所とも反平行であり、抵抗が最も大きくなる。図２ｂの状態“１”の場合は、隣接する強磁性層の磁化の向きが一箇所で反平行であり、抵抗が中間になる。

次に、本素子を多数集積した場合の情報の書込み、読み出し方法について説明する。図５は本素子を集積して大容量の磁気記録装置を構成する場合の回路の構成例を説明するためのもので、複数の記録素子２０をｎ×ｎの正方マトリックス状に配置した例について示している。各記録素子２０はビット線３１、ワード線３２、書込みワード線３３で連結し、各記録素子２０をＦＥＴ等の駆動素子３０を用いて選択あるいは動作させている。図中、ＢＬ_ｋはｋ番目のビット線を表し、ＷＬ_ｋはｋ番目のワード線を表し、ＷＷＬ_ｋはｋ番目の書込みワード線を表している。また、（ｉ、ｊ）は記録素子の番号を表すもので、ｉ番目のビット線ＢＬ_ｉ、ｊ番目のワード線ＷＬ_ｊに接続された記録素子であることを表している
駆動素子３０は、第１自由層電極９または第２自由層電極１０の何れか一方と接続する。以下、分かりやすさのために、駆動素子３０を第１自由層電極９と接続する場合、即ち、強磁性第１自由層７に対して配線する場合を例にとって説明する。

ビット線３１は第２自由層電極１０と接続し、ワード線３２は駆動素子３０を介して第１自由層電極９と接続する。より具体的には、ワード線３２は駆動素子３０の制御部、例えばＦＥＴの場合はゲートと接続する。書込みワード線３３は記録素子２０の固定層電極２と接続する。即ち、ビット線３１を強磁性第２自由層８、ワード線３２を強磁性第１自由層７、書込みワード線３３を強磁性固定層３に対して配線する。
このように接続することで任意の記録素子の強磁性第１自由層７、強磁性第２自由層８の磁化の向きを磁化反転することが可能となる。強磁性第１自由層７の磁化を反転する場合は、書込みを行う記録素子と接続されているワード線および書込みワード線を選択し、両線の間に磁化反転電流密度以上の電流を流す。強磁性固定層３と同じ向きに磁化を反転する場合は、ワード線から書込みワード線に向かう向きに電流を流す。強磁性固定層３と逆の向きに磁化を反転する場合は、書込みワード線からワード線に向かう向きに電流を流せばよい。強磁性第２自由層８の磁化を反転する場合は、書込みを行う記録素子と接続されているビット線および書込みワード線を選択し、両線の間に磁化反転電流密度以上の電流を流す。強磁性固定層３と同じ向きに磁化を反転する場合は、ビット線から書込みワード線に向かう向きに電流を流す。強磁性固定層３と逆の向きに磁化を反転する場合は、書込みワード線からビット線に向かう向きに電流を流せばよい。

記録素子の状態を読み出す場合は、読み出しを行う記録素子と接続されているワード線とビット線を選択し、磁化反転電流密度未満の電流を用いて抵抗を判別すればよい。
なお、ワード線ＷＬ_ｉ、ビット線ＢＬ_ｊ、書込みワード線ＷＷＬ_ｋの内のいずれの２線を選択しても、同一の組み合わせとなる配線で動作するあるいは導通する記録素子は一つ以下とすることが必要である。言葉を変えれば、番号ｉ、ｊ、ｋの内の任意の２つの組み合わせ、具体的には、（ｉ、ｊ）、（ｉ、ｋ）または（ｊ、ｋ）のいずれにおいても、同一の番号組み合わせに接続される記録素子は１つ以下となるように接続することが必要である。この理由は、例えば、ＢＬ_１とＷＷＬ_１の両者に接続される記録素子が２つある場合は、強磁性第２自由層８の書換えが２つの記録素子で同時に行われることになるからである。なお、図５の例においては、例えばＷＬ_１とＷＷＬ_ｎの組み合わせのように、記録素子に配線されない組み合わせも存在する。

このためには、書込みワード線は、記録素子のマトリックス状配置（ｉ、ｊ）に対して、第ｉ行からは一つ以下の記録素子を、第ｊ列からも一つ以下の記録素子を選択して接続すればよい。
書込みワード線ＷＷＬ_ｋと記録素子２０とは、例えば次のように接続する。
１） ｋが１ないしｎの場合
番号が（α、α＋ｋ−１）の記録素子グループと接続する。
但し、１≦α≦ｎ−ｋ＋１
２） ｋがｎ＋１ないし２ｎ−１の場合
番号が（β、β−ｋ＋ｎ）の記録素子グループと接続する。
但し、ｋ−ｎ＋１≦β≦ｎ
このように接続することで、集積された記録素子の内の一つの記録素子だけを選択して書込みもしくは読み出しを行うことができるようになる。また、一つの駆動素子で３値の記録を行うことが可能となる。

（各層の構成）
次に、本素子を構成する各層の構成について説明する。
基板１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１００μｍの絶縁基板や、表面を酸化し絶縁性を確保した半導体基板等が使用できる。
固定層電極２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３および各強磁性自由層は、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、強磁性層の厚みをＴとし、強磁性層を配向する方向を長さ（Ｌ）として、これと直行する方向を幅（Ｗ）とした時に、Ｌ／Ｗ≧２、Ｌ／Ｔ≧２とすることが好ましい。従って、固定層電極２は強磁性固定層３の主面に設け、各自由層電極も各強磁性自由層の主面に設けることが好ましい。

強磁性固定層３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。
第１分離層５、第２分離層６は、強磁性層間の磁気的な分離を確保するための層で、強磁性固定層と強磁性自由層の間に設けられ、非磁性の材料を用いることが必要である。その材料としては、非磁性金属、酸化物が好ましい。非磁性金属の場合はＣｕ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、ＰｔおよびＰｄの内の少なくとも１種以上を用いることが好ましく、酸化物の場合は、アルミの酸化物または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、強磁性層間の磁気的な分離性を確保するために３ｎｍ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。

強磁性第１自由層７、強磁性第２自由層８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、一軸磁気異方性定数（Ｋｕ）、保磁力（Ｈｃ）を広い範囲で調整することが可能なことから、各強磁性自由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。各強磁性自由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、各強磁性自由層の膜厚は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。

第１自由層電極９、第２自由層電極１０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、形状は強磁性自由層と同等とすることが好ましい。
（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４は、非磁性の分離層４を単一の層で構成した例である。分離層として絶縁層を用いる場合には、製造工程が簡便になることから分離層を単一の層から構成することは特に好ましい。分離層を非磁性金属から構成する場合においても、分離層が薄層であることからその電気抵抗は高く、単一の層で構成しても動作可能である。

強磁性固定層は外部磁場により磁化が容易に反転しないことが要求されるため、磁化の固定を強化するために、公知の反強磁性結合、強磁性結合等を形成することを目的として多層構成とすることもできる。
また、上述の説明では強磁性自由層が２つの場合について説明したが、３以上の強磁性自由層を用いてさらに多値の記録を行うことができることは言うまでもない。この場合も、各強磁性自由層間の導通は強磁性固定層を介して行われることが必要である。即ち、強磁性自由層同士が直接導通することがないように、相互に離間する複数の領域に分割して分離層の同一面上に配置する。あるいは、分離層を相互に離間する複数の領域に分割して強磁性固定層の同一面上に配置した上で、各分離層上にそれぞれ強磁性自由層を形成する。ここで、強磁性自由層もしくは分離層の複数の領域が相互に離間するとは、複数の領域間に空隙を設けた配置、あるいは複数の領域間に絶縁物を設けた配置等、複数の領域間が直接導通することがない配置を意味している。書込みは、強磁性自由層が２つの場合と同様に、強磁性固定層と書込みを行う強磁性自由層の間で磁化反転電流密度以上の電流を流すことにより行う。各強磁性自由層はそれぞれ独立して磁化反転を行うことが可能であり、磁化反転電流密度に許容される変動幅は強磁性自由層が一つの場合と同等である。従って、多値化の程度を増大しても製造上の難易度が大きく変わることはない。各層の材料、サイズ等は前述したものを用いることができる。

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、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１としてＳｉ基板を用い、Ｓｉ基板上に固定層電極２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２上に、強磁性固定層３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３上に、Ｃｕからなる層厚６ｎｍの第１分離層５、第２分離層６をそれぞれ幅５００ｎｍ、長さ１μｍの形状で形成した。引き続き、第１分離層５上に、第１分離層５と同じ長さ、幅でＣｏ_９６Ｐｔ_３Ｃｒ_１からなる層厚１０ｎｍの強磁性第１自由層７、Ｃｕからなる層厚２００ｎｍの第１自由層電極９を順次形成し、また、第２分離層６上に、第２分離層６と同じ長さ、幅でＣｏ_９６Ｐｔ_３Ｃｒ_１からなる層厚１０ｎｍの強磁性第２自由層８、Ｃｕからなる層厚２００ｎｍの第２自由層電極１０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３値記録素子を得た。

実施例の素子を用いて、図２、３で説明した方法により３値記録および読み出しを行った。書込みの電流密度は、自由層を固定層と半平行にする際は６×１０^−７Ａ／ｃｍにて行い、自由層と固定層を平行にする際には４×１０^−７Ａ／ｃｍにて行った。読み出しは電圧が１０Ｖにて行い、読み出された電流密度は、状態“０”が１２．５ｍＡ、状態“１”が１２．３ｍＡ、状態“２”が１２．１ｍＡであり、３値を記録、識別可能であった。

本発明の記録素子の構成例を説明するための断面模式図である。 本発明の記録素子の書込み動作を説明するための断面模式図である。 本発明の記録素子の読み出し動作を説明するための模式図である。 本発明の記録素子の他の構成例を説明するための断面模式図である。 本発明の記録素子を多数集積する場合の構成例を説明するための回路図である。 従来の２値記録素子の構成例を説明するための断面模式図である。 従来の多値記録素子の構成例を説明するための断面模式図である。 従来の２値記録素子を集積する場合の構成例を説明するための回路図である。

符号の説明

１、１０１ 基板
２、１０２ 固定層電極
３、１０３ 強磁性固定層
４、１０４ 分離層
５ 第１分離層
６ 第２分離層
７ 強磁性第１自由層
８ 強磁性第２自由層
９ 第１自由層電極
１０ 第２自由層電極
２０ 記録素子
３０ 駆動素子
３１ ビット線
３２ ワード線
３３ 書込みワード線
１００ ２値記録素子
１０７ 強磁性自由層
１０９ 自由層電極
１２０ 駆動素子
１２１ ビット線
１２２ ワード線
１３１ 強磁性第１固定層
１３２ 強磁性第２固定層
１３３ 強磁性第３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 強磁性第１自由層
１５２ 強磁性第２自由層

Claims (8)

1. 強磁性固定層、非磁性の分離層および強磁性自由層をこの順に備えたスピン注入磁化反転素子において、
   前記分離層が相互に離間する２以上の領域に分割されて前記強磁性固定層の同一面上に配置され、
   前記分離層の各領域上にそれぞれ強磁性自由層を設けたことを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
2. 強磁性固定層、非磁性の分離層および強磁性自由層をこの順に備えたスピン注入磁化反転素子において、
   前記強磁性自由層が相互に離間する２以上の領域に分割されて前記分離層の同一面上に配置されていることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
3. 前記強磁性自由層の主面の内、分離層側と反対側の主面に自由層電極を設けたことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子。
4. 前記強磁性固定層の主面の内、分離層側と反対側の主面に固定層電極を設けた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. 相互に離間する前記領域の数が２であ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. 請求項１ないし５のいずれかに記載のスピン注入磁化反転素子を複数連結したことを特徴とする記録装置。
7. １の前記スピン注入磁化反転素子を１のＦＥＴで駆動することを特徴とする請求項６に記載の記録装置。
8. 請求項５に記載のスピン注入磁化反転素子を複数連結した記録装置において、
   一方の前記強磁性自由層に対する配線をビット線とし、他方の前記強磁性自由層に対する配線をワード線とし、前記強磁性固定層に対する配線を書込みワード線として、
   該ビット線、ワード線および書込みワード線の内のいずれかの２線を選択した時に、該２線間で導通する前記スピン注入磁化反転素子が１以下であることを特徴とする記録装置。

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