(57)【要約】【課題】ＲＥ−ＴＭ合金を含むことで優れた磁気特性を有する垂直磁気異方性の磁気抵抗素子において、この磁気特性が維持できる磁気抵抗素子を提供する。【解決手段】磁化固定層１１と中間層１２と磁化反転層１３とを積層して備え、磁化固定層１１および磁化反転層１３の少なくとも一方がＲＥ−ＴＭ合金を含む磁気抵抗素子１であって、上下に接続された一対の電極２，３間を絶縁するための絶縁層６が、磁気抵抗素子１に接触して配され、シリコン窒化物からなることを特徴とする。【選択図】図１
2010232374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化固定層と中間層と磁化反転層とを積層して備えるスピン注入磁化反転素子と、このスピン注入磁化反転素子の上下に接続された一対の電極と、この一対の電極間を絶縁する絶縁層と、を備えた磁気抵抗素子であって、
前記スピン注入磁化反転素子は、前記磁化固定層および前記磁化反転層の少なくとも一方が希土類金属と遷移金属との合金を含み、
前記絶縁層は、前記スピン注入磁化反転素子に接触して配され、シリコン窒化物からなることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
２次元配列された複数のメモリセルを備える磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記メモリセルは、磁化固定層と中間層と磁化反転層とを積層して備えるスピン注入磁化反転素子と、このスピン注入磁化反転素子の上下に接続された一対の電極と、を備え、
前記スピン注入磁化反転素子は、前記磁化固定層および前記磁化反転層の少なくとも一方が希土類金属と遷移金属との合金を含み、
前記スピン注入磁化反転素子に接触して、隣り合う前記スピン注入磁化反転素子間および前記一対の電極間をそれぞれ絶縁するシリコン窒化物からなる絶縁層を備えることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項３】
２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備えて、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する空間光変調器であって、
前記画素は、磁化固定層と中間層と磁化反転層とを積層して備えるスピン注入磁化反転素子と、このスピン注入磁化反転素子の上下に接続された一対の電極と、を備え、
前記スピン注入磁化反転素子は、前記磁化固定層および前記磁化反転層の少なくとも一方が希土類金属と遷移金属との合金を含み、
前記スピン注入磁化反転素子に接触して、隣り合う前記スピン注入磁化反転素子間および前記一対の電極間をそれぞれ絶縁するシリコン窒化物からなる絶縁層を備えることを特徴とする空間光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体膜の性質を利用する磁気抵抗素子および磁気ランダムアクセスメモリあるいは空間光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜面垂直通電型の磁気抵抗素子（磁気抵抗効果素子）は、２層以上の磁性体膜を備え、上下に接続された電極（配線）から膜面に垂直に電流を供給されることでスピン注入磁化反転して、一部の磁性体膜の磁化方向が１８０°回転し、磁化方向が変化しない別の磁性体膜と同じ方向になったり、あるいは反対方向になったりする。この磁気抵抗素子は、スピン注入磁化反転（以下、磁化反転）することで、上下の電極間での抵抗が変化するため、これを利用して１ビットのデータの書き込み／読み出しを行うことができる。すなわち、磁気抵抗素子は、これを備えたメモリセルをマトリクス状に配列して磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を構成する。磁気抵抗素子は、その大きさが極めて小さい上、磁化反転の動作が高速であるため、大容量磁気メモリとしてＭＲＡＭおよび磁気抵抗素子の研究・開発が進められている。
【０００３】
磁気抵抗素子の磁性体材料として、従来は膜面方向の磁化を示すＣｏ−Ｆｅ合金等について研究されていたが、最近では、ＭＲＡＭの、よりいっそうの大容量化および省電力化のために、磁気抵抗素子のさらなる微細化が可能で、かつ磁化反転に要する電流を低減できる、膜面に垂直方向の磁化を示す（垂直磁気異方性を有する）磁性体材料が注目されている。このような垂直磁気異方性材料の中でも、希土類金属と遷移金属との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）はフェリ磁性の垂直磁気異方性材料として注目されており、垂直磁気異方性の磁気抵抗素子の材料として有望である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、磁気抵抗素子の別の用途として、空間光変調器の画素に搭載される光変調素子が挙げられる。光変調素子としての磁気抵抗素子は、磁化が回転する磁性体膜で反射または透過した光の偏光の向きを磁気光学効果により変化させるものであり、空間光変調器の高精細化および高速化のために、従来の液晶に代わる材料として研究・開発が進められている（例えば、特許文献２参照）。光変調素子として使用する磁気抵抗素子については、偏光の向きの変化を大きくする（光変調度を大きくする）ことが望ましい。そのため、光変調素子は、垂直磁気異方性の磁気抵抗素子を用いて、膜面にほぼ垂直に光を入射することにより、極カー効果で光変調度を大きくすることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２８３２０７号公報（請求項６、請求項１１、段落００２７）
【特許文献２】特開２００８−１４５７４８号公報（請求項６、図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＭＲＡＭにおいても空間光変調器においても、磁気抵抗素子は膜面方向に２次元配列されて、上下から電極を接続される。そして、磁気抵抗素子同士の離間領域で上下の電極が互いに短絡しないように、この領域には絶縁材料が埋め込まれる。絶縁材料は前記の短絡防止の他に、磁気抵抗素子の側面（端面）を封止するものであり、一般にシリコン酸化物（ＳｉＯ2）が適用される。ここで、前記したように、ＲＥ−ＴＭ合金は垂直磁気異方性材料として特に好ましい材料であるが、酸化し易い性質がある。そのため、ＭＲＡＭや空間光変調器を製造する際の磁気抵抗素子同士の離間領域にＳｉＯ2を成膜する工程で、酸素を供給されることで、露出した磁気抵抗素子の端面で、磁気抵抗素子に含まれるＲＥ−ＴＭ合金が酸化して、ＲＥ−ＴＭ合金の、さらには磁気抵抗素子の磁気特性が劣化する虞がある。また、製造後に、ＳｉＯ2との界面（磁気抵抗素子の端面）でＲＥ−ＴＭ合金がＳｉＯ2に接触していることで、ＳｉＯ2の酸素（Ｏ）により端面から酸化が進行して、ＲＥ−ＴＭ合金の磁気特性が劣化する虞がある。
【０００７】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、垂直磁気異方性材料として好ましいＲＥ−ＴＭ合金を備えて磁気特性の劣化を抑制できる磁気抵抗素子、ならびにこの磁気抵抗素子を備えた磁気ランダムアクセスメモリおよび空間光変調器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明者らは、ＳｉＯ2に代わる絶縁材料として、酸化物等の酸素（Ｏ）を含む材料を適用しないことが、ＲＥ−ＴＭ合金を酸化させず、劣化を抑制できると考え、シリコン窒化物を適用することに知見した。
【０００９】
すなわち、本発明に係る磁気抵抗素子は、磁化固定層と中間層と磁化反転層とを積層して備えるスピン注入磁化反転素子と、このスピン注入磁化反転素子の上下に接続された一対の電極と、この一対の電極間を絶縁する絶縁層と、を備え、前記スピン注入磁化反転素子は、磁化固定層および磁化反転層の少なくとも一方が希土類金属と遷移金属との合金を含み、前記絶縁層は、前記スピン注入磁化反転素子に接触して配され、シリコン窒化物からなることを特徴とする。
【００１０】
かかる構成により、スピン注入磁化反転素子がＲＥ−ＴＭ合金を含んで垂直磁気異方性を有するので、微細化および磁化反転電流の低減が可能となり、また磁化反転動作が安定する。さらにこれらの磁気特性は、接触する絶縁層をシリコン窒化物とすることで、ＲＥ−ＴＭ合金が酸化して劣化する虞がない。
【００１１】
また、本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリは、前記のＲＥ−ＴＭ合金を含むスピン注入磁化反転素子とその上下に接続された一対の電極とをメモリセルに備えて構成される。すなわち２次元配列された複数のメモリセルを備える磁気ランダムアクセスメモリであって、前記スピン注入磁化反転素子に接触して、隣り合うスピン注入磁化反転素子間および前記一対の電極間をそれぞれ絶縁するシリコン窒化物からなる絶縁層を備えることを特徴とする。
【００１２】
かかる構成により、磁気ランダムアクセスメモリは、その１ビットを記録するスピン注入磁化反転素子を垂直磁気異方性として微細化することができ、また駆動電流を低減でき、データの書き込み／読み出し動作が安定する。さらにこれらの特性は、スピン注入磁化反転素子に接触する領域にシリコン窒化物を絶縁層として備えることで、劣化を抑制できる。
【００１３】
また、本発明に係る空間光変調器は、前記のＲＥ−ＴＭ合金を含むスピン注入磁化反転素子を光変調素子とするものであり、スピン注入磁化反転素子とその上下に接続された一対の電極とを画素に備えて構成される。すなわち２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備えて、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する空間光変調器であって、前記スピン注入磁化反転素子に接触して、隣り合うスピン注入磁化反転素子間および前記一対の電極間をそれぞれ絶縁するシリコン窒化物からなる絶縁層を備えることを特徴とする。
【００１４】
かかる構成により、空間光変調器は、画素に備えた光変調素子を構成する磁気抵抗素子を垂直磁気異方性として、極カー効果で光変調度を大きくすることができる。また画素選択動作のための電流を低減でき、その動作が安定する。さらにこれらの特性は、磁気抵抗素子の側面にシリコン窒化物を絶縁材料に備えることで劣化を抑制できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る磁気抵抗素子によれば、磁化反転電流を低減でき、かつ磁化反転動作が安定し、これらの磁気特性の劣化し難い垂直磁気異方性の磁気抵抗素子とすることができる。そして、本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリによれば、大容量で、データの書き込み／読み出し動作が高速で安定したものとすることができ、さらにこれらの特性の劣化し難いものとすることができる。また、本発明に係る空間光変調器によれば、高精細かつ高速応答で画素選択性に優れたものとすることができ、さらにこれらの特性の劣化し難いものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗素子の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗素子の動作を模式的に説明する斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る空間光変調器の構成を模式的に示す平面図である。
【図４】図３に示す空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリを備えた記録装置の構成を模式的に示す平面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗素子およびこれを備えたメモリセルの断面図で、図５のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】実施例の磁気抵抗素子の磁気特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る磁気抵抗素子、磁気ランダムアクセスメモリ、および空間光変調器を実現するための形態について、図を参照して説明する。
【００１８】
［磁気抵抗素子］
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗素子（スピン注入磁化反転素子）１は、図１に示すように、磁化固定層１１、中間層１２、磁化反転層１３、保護層１４の順に積層された構成であり、一対の電極である上部電極２と下部電極３に上下で接続されて、膜面に垂直に電流を供給される。また、上部電極２と下部電極３（以下、適宜電極２，３）の隙間、すなわち磁気抵抗素子１の側面に隣接する領域には絶縁層６が埋め込まれている。磁気抵抗素子１は、磁化が一方向に固定された磁化固定層１１および磁化の方向が回転可能な磁化反転層１３を、非磁性または絶縁体である中間層１２を挟んで備えたＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗）素子やＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗）素子等のスピン注入磁化反転素子であり、製造工程におけるダメージからこれらの層を保護するために、最上層に保護層１４が設けられている。磁気抵抗素子１を構成する各層は、下部電極３を形成された上に、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法で連続的に成膜されて積層され、電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法等で所望の平面視形状に加工される。以下、磁気抵抗素子１を構成する各層の詳細を説明する。
【００１９】
磁化固定層１１および磁化反転層１３は、それぞれ垂直磁気異方性を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子等の磁化固定層および磁化反転層として公知の磁性材料にて構成することができるが、本実施形態においては、少なくとも一方が希土類金属と遷移金属との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）を含むものとする。遷移金属としてはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ、希土類金属としてはＳｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂが挙げられる。ＲＥ−ＴＭ合金は、フェリ磁性材料であり、見かけ上の飽和磁化Ｍsが低いため、外部へ漏れる磁界を低減することができる。なお、ＲＥ−ＴＭ合金を含むというのは、磁化固定層１１または磁化反転層１３の全体を構成してもよいし、他の材料と積層した多層構造等のような一部に含む構成としてもよい。
【００２０】
磁化固定層１１は、その厚さを１〜５０ｎｍとすることが好ましい。磁化固定層１１がＲＥ−ＴＭ合金を含む構成とした場合は、その飽和磁化Ｍsが低いため、磁気抵抗素子１は、磁化固定層１１から磁化反転層１３へ漏れる磁界が減少して、スピン注入磁化反転特性が電流軸方向の一方にシフトする現象を抑制することができ、正の磁化反転電流と負の磁化反転電流をほぼ同じ大きさとして安定したスピン注入磁化反転動作を得ることができる。その他の材料としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、[Ｆｅ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎの多層膜が挙げられる。
【００２１】
磁化反転層１３は、その厚さを１〜２０ｎｍとすることが好ましい。磁化反転層１３がＲＥ−ＴＭ合金を含む構成とした場合は、その飽和磁化Ｍsが低いため、磁気抵抗素子１は、磁化反転電流密度Ｊcを低減して磁化反転電流を低減することができる。その他の材料としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、ＣｏＰｔ，ＣｏＣｒ基合金（ＣｏＣｒ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒＴａ等）、[Ｆｅ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎの多層膜、ＭｎＢｉのような強磁性金属が挙げられる。
【００２２】
また、ＲＥ−ＴＭ合金あるいはその他の材料においても、磁化固定層１１および磁化反転層１３の少なくとも一方は、中間層１２との界面にＣｏＦｅ等の遷移金属または遷移金属合金のようなスピン偏極率の高い材料を厚さ１ｎｍ程度で積層することが好ましい。これにより、当該界面でのスピン偏極率を高くして、中間層１２を介して注入される磁化反転層１３に注入されるスピンによるスピントルクが増大するため、磁気抵抗素子１の磁化反転に要する電流を低減することができる。
【００２３】
中間層１２は、磁化固定層１１と磁化反転層１３との間に設けられる。磁気抵抗素子１がＴＭＲ素子であれば、中間層１２は、ＭｇＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＨｆＯ2のような絶縁体や、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇのような絶縁体を含む積層膜からなり、その厚さは０．１〜２ｎｍとすることが好ましい。また、磁気抵抗素子１がＣＰＰ−ＧＭＲ素子であれば、中間層１２は、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのような非磁性金属からなり、その厚さは１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００２４】
保護層１４は、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕの単層、または、Ｃｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕの２層等から構成される。なお、前記の２層構造とする場合は、いずれもＣｕを内側（下層）とする。保護層１４の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えて厚くしても、製造工程において磁化反転層１３等を保護する効果がそれ以上には向上しない。したがって、保護層１４の厚さは１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００２５】
以上のように、本実施形態に係る磁気抵抗素子によれば、垂直磁気異方性を示して微細化が容易であり、磁化反転電流を低減でき、かつ磁化反転動作が安定した磁気抵抗素子とすることができる。ここで、磁気抵抗素子１の磁化反転の動作を、図２を参照して説明する。なお、図２において保護層１４は図示を省略する。スピン注入磁化反転素子である磁気抵抗素子１は、逆方向のスピンを持つ電子を注入することにより、すなわち電流を反対向きに供給することにより、磁化反転層１３の磁化方向を反転（スピン注入磁化反転、以下、適宜磁化反転という）させて、磁化固定層１１の磁化方向と同じ方向または１８０°異なる方向にする。そして、前記した通り、磁化固定層１１および磁化反転層１３は、垂直磁気異方性を有するのでその磁化は上または下方向を示し、本明細書では、図２（ａ）、（ｂ）に矢印で示すように、磁化固定層１１の磁化は常に上方向に固定されている。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、上部電極２を「＋」、下部電極３を「−」にして、磁化反転層１３側から磁化固定層１１へ下向きに電流を供給すると、磁化反転層１３の磁化は磁化固定層１１の磁化方向と同じ上方向になる。以下、この状態を磁気抵抗素子１の磁化が平行である（Ｐ：Parallel）という。反対に、上部電極２を「−」、下部電極３を「＋」にして、磁化固定層１１側から磁化反転層１３へ上向きに電流を供給すると、磁化反転層１３の磁化は磁化固定層１１の磁化方向と逆の下方向になる。以下、この状態を磁気抵抗素子１の磁化が反平行である（ＡＰ：Anti-Parallel）という。
【００２７】
磁気抵抗素子１の磁化が平行、反平行いずれかの磁化を示していれば、その磁化を反転させる電流が供給されるまでは、磁化反転層１３の保磁力により磁化が保持される。このように、磁気抵抗素子１において磁化は保持されるため、磁気抵抗素子１に供給する電流としては、パルス電流のように、磁化方向を反転させる電流値に一時的に到達する電流を用いることができる。そして、後記するように、磁気抵抗素子１は、一般的に、膜面方向に複数個を２次元配列して磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）や空間光変調器の画素アレイを構成するが、電極２，３から所定の電流を供給することにより、任意の１つ以上の磁気抵抗素子１を選択的に磁化反転させることができる。
【００２８】
なお、本実施形態に係る磁気抵抗素子は、磁化固定層、中間層、および磁化反転層を１ずつ備えた構成であるが、これに限らず、例えばデュアルピン構造のように、磁化反転層の上下にそれぞれ中間層を挟んで、２つの磁化固定層を備える磁気抵抗素子であってもよい。
【００２９】
ここで、磁気抵抗素子１は、前記した通り、複数個を２次元配列してＭＲＡＭや空間光変調器の画素アレイを構成するに際し、磁気抵抗素子１の上下の電極２，３間すなわち隣り合う磁気抵抗素子１，１間の隙間に短絡防止のために絶縁材料（図１の絶縁層６）を埋め込む必要がある。以下に、絶縁材料について、磁気抵抗素子を配列して構成した空間光変調器およびＭＲＡＭと共に説明する。
【００３０】
［空間光変調器］
以下に、前記の本発明に係る磁気抵抗素子を光変調素子として画素に備える空間光変調器について、その実施形態を説明する。なお、本明細書における画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗）を表示する手段を指す。
【００３１】
本発明の一実施形態に係る空間光変調器１０は、図３に示すように２次元アレイ状に配列された画素４からなる画素アレイ４０と、画素アレイ４０から１つ以上の画素４を選択して駆動する電流制御部８０を備える。なお、本明細書における平面（上面）は空間光変調器の光の入射面であり、空間光変調器１０は画素４（画素アレイ４０）に上方から入射した光を反射してその光を変調して上方へ出射する反射型の空間光変調器である。
【００３２】
図３に示すように、画素アレイ４０は、平面視でストライプ状の複数の上部電極２，２，…と、同じくストライプ状で、平面視で上部電極２と直交する複数の下部電極３，３，…と、を備え、上部電極２と下部電極３との交点毎に１つの画素４を設ける。したがって、画素４は、空間光変調器１０の光の入射面に、２次元アレイ状に配列されて画素アレイ４０を構成する。本実施形態では、画素アレイ４０は、４行×４列の１６個の画素４からなる構成で例示される。なお、上部電極２と下部電極３は、適宜、両者をまとめて電極２，３と称する。そして、図３および図４に示すように、画素４は、当該画素４における一対の電極としての上部電極２および下部電極３と、これらの電極２，３に上下から挟まれた磁気抵抗素子１を備える。また、隣り合う上部電極２，２間、磁気抵抗素子１，１間、および下部電極３，３間は、絶縁層６で埋められている。
【００３３】
図３に示すように、電流制御部８０は、上部電極２を選択する上部電極選択部８２と、下部電極３を選択する下部電極選択部８３と、これらの電極選択部８２，８３を制御する画素選択部（画素選択手段）８４と、電極２，３に電流を供給する電源（電流供給手段）８１と、を備える。これらはそれぞれ公知のものでよく、磁気抵抗素子１を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給するものとする。
【００３４】
上部電極選択部８２は、上部電極２の１つ以上を選択し、下部電極選択部８３は、下部電極３の１つ以上を選択し、それぞれに電源８１から所定の電流を供給させる。画素選択部８４は、例えば図示しない外部からの信号に基づいて画素アレイ４０の特定の１つ以上の画素４を選択し、選択した画素４に接続する電極２，３を電極選択部８２，８３に選択させる。電源８１は、選択した画素４に備えられる磁気抵抗素子１を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給する。このような構成により、特定の画素４が選択され、この画素４の磁気抵抗素子１に、所定の電流が供給されて磁化反転させる。なお、図３において、電源８１は、電極２，３のそれぞれ一端に電極選択部８２，８３を介して接続されているが、両端に接続されていてもよい。両端に接続されることにより、応答速度を上げ、画素間の動作ばらつきも低減できる。
【００３５】
空間光変調器１０の画素４の構成の詳細を図３および図４を参照して説明する。上部電極２は、図４に示すように磁気抵抗素子１の上に配され、図３に示すように横方向に帯状に延設される。１つの上部電極２は、横１行に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの磁気抵抗素子１に電流を供給する。一方、下部電極３は、磁気抵抗素子１の下に配され、縦方向に帯状に延設される。１つの下部電極３は、縦１列に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの磁気抵抗素子１に電流を供給する。上部電極２は、磁気抵抗素子１の入射光および出射光を遮らないように透明電極材料で構成される。一方、下部電極３は導電性の優れた電極用金属材料で構成される。なお、このような画素４は、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板等の公知の基板上に配列されて、画素アレイ４０に形成される。
【００３６】
磁気抵抗素子１は、図３に示すように、平面視で上部電極２と下部電極３の重なる部分に配され、この電極２，３に上下から挟まれて接続されている。磁気抵抗素子１は、空間光変調器１０においては光変調素子としての機能を有するが、その構成は、図１に示す前記の本発明に係る磁気抵抗素子１と同様であるため、説明は省略する。磁気抵抗素子１の平面視形状は、本実施形態においては正方形であるが、これに限定されるものではない。また、１個の画素４につき１個の磁気抵抗素子１が配されているが、例えば１つの画素４に面方向で（１×３）個、（２×２）個等の複数の磁気抵抗素子１を備えてもよい。
【００３７】
上部電極２は、光が透過するように透明電極材料で構成される。透明電極材料は、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）等の公知の透明電極材料からなる。特に、比抵抗と成膜の容易さとの点からＩＺＯが最も好ましい。これらの透明電極材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の公知の方法により成膜される。
【００３８】
電極（配線）を透明電極材料で構成する場合、電極とこの電極に接続する磁気抵抗素子１との間に金属膜を設けることが好ましい。すなわち透明電極材料で構成された上部電極２においては、磁気抵抗素子１との間の下地層として金属膜を積層することが好ましい（図示せず）。磁気抵抗素子１との間に金属膜を介在させることで、電極用金属材料より抵抗が大きい透明電極材料からなる上部電極２においても、上部電極２−磁気抵抗素子１間の接触抵抗を低減させて応答速度を上げることができる。
【００３９】
下地層を構成する金属としては、例えば、Ａｕ，Ｒｕ，Ｔａ、またはそれらの金属の２種以上からなる合金等を用いることができ、これらの金属はスパッタリング法等の公知の方法により成膜される。そして、下地層とその上の層すなわち透明電極との密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するため、下地層となる金属膜は、透明電極材料と連続的に真空処理室にて成膜されることが好ましい。下地層の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると光の透過量を低下させる。したがって、下地層の好ましい厚さは１〜１０ｎｍである。
【００４０】
下部電極３は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ等の金属やその合金のような一般的な電極用金属材料からなる。そして、スパッタリング法等の公知の方法により成膜、フォトリソグラフィ、およびエッチングまたはリフトオフ法等によりストライプ状に加工される。
【００４１】
絶縁層６は、隣り合う上部電極２，２間（図４不図示）および下部電極３，３間に配されてこれらを互いに絶縁するものであり、また平面視で磁気抵抗素子１のない領域において電極２，３間を絶縁し、また磁気抵抗素子１の側面を封止するため、磁気抵抗素子１，１間に配される。ここで、磁気抵抗素子１，１間に絶縁層６としてＳｉＯ2等の酸化物を配する場合、酸化物等の酸素（Ｏ）を含有する膜は、通常、酸素を含有する雰囲気ガスを供給しながら成膜される。このとき、露出した磁気抵抗素子１の端面（側面）で、磁化固定層１１または磁化反転層１３に含まれるＲＥ−ＴＭ合金が酸化してその磁気特性が変化し、磁気抵抗素子１の磁化反転動作等に影響を及ぼす虞がある。具体的には、ＲＥ−ＴＭ合金の希土類金属が酸化されて遷移金属の割合が多い組成に変化することで、保磁力が低下し、また見かけ上の飽和磁化Ｍsが増加し、さらに酸化が進行すると、フェリ磁性体としての性質を保持できなくなって、垂直磁気異方性の消失に至ることになる。また、ＳｉＯ2の成膜後の工程での熱処理や動作時の発熱で、ＲＥ−ＴＭ合金が、磁気抵抗素子１のＳｉＯ2と接触した界面すなわち側面からＳｉＯ2の酸素（Ｏ）により酸化が進行する虞がある。
【００４２】
したがって、本発明に係る空間光変調器１０においては、絶縁層６として、特に磁気抵抗素子１と接触する部位である磁気抵抗素子１，１間にはシリコン窒化物を適用する。シリコン窒化物は、主にＳｉ3Ｎ4の組成を有し、本明細書ではＳｉ−Ｎで表す。このように、磁気抵抗素子１，１間にＳｉ−Ｎを配することで、磁気抵抗素子１に含まれるＲＥ−ＴＭ合金が酸化することなくその特性が維持できる。なお、上部電極２，２間および下部電極３，３間等の磁気抵抗素子１に接触しない領域に配する絶縁材料には、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の従来公知の絶縁材料を適用してもよい。
【００４３】
絶縁層６は、磁気抵抗素子１を所望の平面視形状に加工した後、上部電極２を形成する（電極材料を成膜する）前に、Ｓｉ−Ｎをスパッタリング法や化学気相成長（ＣＶＤ）法等の公知の方法により成膜して磁気抵抗素子１，１間に堆積させた後、エッチングやＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）等により磁気抵抗素子１上のＳｉ−Ｎを除去することにより形成できる。あるいは、磁気抵抗素子１の加工においてマスクとしたレジストを残した状態でＳｉ−Ｎを成膜し、レジストをその上のＳｉ−Ｎごと除去して（リフトオフ）もよい。
【００４４】
（空間光変調器の画素選択の動作）
次に、空間光変調器１０の画素選択の動作を、図４を参照して説明する。電極２，３は、前記の通り、電流制御部８０に接続される。また、図４に示すように、本実施形態に係る空間光変調器１０の画素４（画素アレイ４０）の上方には、画素アレイ４０に向けて光を照射する光源９３と、光源９３から照射された光を画素アレイ４０に入射する前に偏光とする入射偏光フィルタ９１と、画素アレイ４０で反射して出射した光から特定の向きの偏光のみを透過する出射偏光フィルタ９２と、出射偏光フィルタ９２を透過した光を検出する検出器９４とが配置される。
【００４５】
光源９３から照射された光（レーザー光等）は様々な偏光成分を含んでいるので、これを画素アレイ４０の手前の入射偏光フィルタ９１を透過させて、１つの偏光成分の光とする。以下、１つの偏光成分の光を偏光と称する。この偏光（入射偏光）は、画素アレイ４０のすべての画素４に所定の入射角で入射する。それぞれの画素４において、入射偏光は、上部電極２を透過して磁気抵抗素子１に入射し、磁気抵抗素子１の磁化反転層１３で反射して出射偏光として出射し、再び上部電極２を透過して画素４から出射する。それぞれの画素４から出射したすべての出射偏光は、出射偏光フィルタ９２に到達する。出射偏光フィルタ９２は、特定の偏光、ここでは入射偏光に対して角度θap旋光した偏光のみを透過させ、この透過した出射偏光が検出器９４に入射される。偏光フィルタ９１，９２はそれぞれ偏光板等であり、検出器９４はスクリーン等の画像表示手段やカメラ等である。
【００４６】
磁気抵抗素子１に入射した光が磁性体である磁化反転層１３で反射して出射すると、カー効果（磁気カー効果）により、入射光はその偏光の向きが変化（旋光）する。そして、前記したように、磁気抵抗素子１は電極２，３から供給される電流の向きに応じて磁化反転して、画素４毎に磁化が平行／反平行、すなわち磁化反転層１３の磁化が上方向／下方向を示す（図２（ａ）、（ｂ）参照）。このように、磁化反転層１３の磁化方向が１８０°異なると、入射光は同じ大きさの旋光角すなわち磁化反転層１３のカー回転角θkで互いに逆方向に回転して出射する。磁化が平行、反平行である磁気抵抗素子１における旋光角をそれぞれθp，θapと表すと、θp＝＋θk、θap＝−θkとなり、電極２，３からの電流の向きにより磁気抵抗素子１からの出射光の偏光の向きの差すなわち旋光角の差|θp−θap|は２θkとなる。
【００４７】
あるいは、磁気抵抗素子１に入射した偏光が、磁化反転層１３、中間層１２、磁化固定層１１を透過し、下部電極３の上面で反射して、再び磁化固定層１１、中間層１２、磁化反転層１３を透過して出射する構成であってもよい。この場合は、磁性体である磁化反転層１３および磁化固定層１１を透過することで、ファラデー効果により、偏光はその向きが、磁化反転層１３および磁化固定層１１のそれぞれの所定の角度（旋光角）に回転（旋光）する。ただし、磁化固定層１１の磁化方向は一定であるので、磁気抵抗素子１からの出射光の偏光の変化は磁化反転層１３のファラデー回転角θFによって決定される。出射光は磁化反転層１３を２回透過しているので、旋光角の差|θp−θap|は４θFとなる。
【００４８】
入射偏光に対して角度θap旋光した図４の左右両端の画素４，４からのそれぞれの出射偏光は、出射偏光フィルタ９２を透過して検出器９４に到達するので、この画素４は明るく（白く）検出器９４に表示される。一方、中央の画素４からの出射偏光は、出射偏光フィルタ９２で遮られるので、この画素４は暗く（黒く）、検出器９４に表示される。このように、画素毎に明／暗（白／黒）を切り分けられ、電流の向きを切り換えれば明／暗が切り換わる。なお、空間光変調器１０の初期状態としては、例えば全体が白く表示されるように、すべての画素４の磁気抵抗素子１の磁化を反平行にするべく、上部電極２のすべてを「−」、下部電極３のすべてを「＋」にして、上向きの電流を供給すればよい。
【００４９】
ここで、磁化反転層１３のカー回転角θkおよびファラデー回転角θFは、前記したように光の入射角が磁化反転層１３の磁化方向である膜面に対する垂直に近いほど大きい。したがって、入射角は９０°とすることが旋光角の差|θp−θap|を最大にする上で望ましいが、このようにすると、出射偏光の光路が入射偏光の光路と一致する。そこで、入射角９０°から５°〜３０°程度傾けて、出射偏光フィルタ９２および検出部９４、光源９３および入射偏光フィルタ９１が、それぞれ入射偏光および出射偏光の光路を遮らない配置となるようにする。すなわち、偏光の入射角は、画素アレイ４０に対して６０°〜８５°とすることが好ましい。または、入射角９０°として、入射偏光フィルタ９１と画素アレイ４０との間にハーフミラーを配置して、出射偏光のみを側方へ反射させてもよい。この場合、出射偏光フィルタ９２および検出器９４は画素アレイ４０の側方に配置する。なお、ＲＥ−ＴＭ合金はカー回転角およびファラデー回転角が大きいため、磁気抵抗素子１は、磁化反転層１３にＲＥ−ＴＭ合金を含んで構成されることで、旋光角の差|θp−θap|をいっそう大きなものとすることができる。
【００５０】
本発明に係る空間光変調器においては、別の実施形態として、上下を入れ替えた構成として下方から入射する反射型の空間光変調器としてもよい。すなわち、下部電極を透明電極材料で、上部電極を電極用金属材料でそれぞれ構成して、下方から入射した光が下部電極を透過して磁気抵抗素子１または上部電極で反射して再び下部電極を透過して出射する。したがって、偏光フィルタ９１，９２、光源９３および検出器９４は画素アレイ４０の下方に配置する。この場合、下部電極は上部電極を透明電極材料で構成した場合と同様に、磁気抵抗素子１との間に金属膜である下地層を設けて接触抵抗を低減させることが好ましい。また、磁気抵抗素子１は磁化固定層１１と磁化反転層１３の位置を入れ替えて積層する。さらに、基板は、下方から画素４に光を入射させて、再び画素４から出射した光がさらに下方へ照射されるように、透明な基板材料、例えば、ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＭｇＯ等を適用する。
【００５１】
さらに別の実施形態として、上部電極および下部電極を共に透明電極材料で構成して、透過型の空間光変調器としてもよい。このとき、基板は、上方から画素を透過した光がさらに下方へ照射されるように、前記の透明な基板材料からなる。また、磁気抵抗素子１は磁化固定層１１と磁化反転層１３の位置を入れ替えて積層してもよい。このような空間光変調器においては、光源９３および入射偏光フィルタ９１は画素アレイ４０の直上に、出射偏光フィルタ９２および検出器９４は、画素アレイ４０の直下にそれぞれ配置し、入射角９０°とすることができる。また、下方から光を入射して上方へ出射する透過型の空間光変調器としてもよい。
【００５２】
さらにこれらの実施形態のそれぞれの変形例として、透明電極材料で構成して光を透過させる上部電極および下部電極について、配線部分は電極用金属材料として磁気抵抗素子１と平面視で重なる領域に孔を形成し、この孔の内部のみに透明電極材料を設けてもよい（図示せず）。このような電極とすることで、低抵抗の金属材料を用いて磁気抵抗素子１に光を入射させることができるので、配線抵抗による電圧降下を抑えて省電力化および画素間の動作ばらつきを低減できる。
【００５３】
以上のように、本発明の各実施形態およびその変形例に係る空間光変調器によれば、ＲＥ−ＴＭ合金を備えた磁気抵抗素子を光変調素子として、高精細かつ高速応答、さらに画素選択性の優れた空間光変調器となる。そして、磁気抵抗素子間に埋め込む絶縁材料をＳｉ−Ｎとすることで、磁気抵抗素子に含まれるＲＥ−ＴＭ合金が酸化することなくその特性が維持できる。
【００５４】
［磁気ランダムアクセスメモリ］
本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）７０は、図５に示すように、電流制御部８０Ａと共に記録装置９を構成する部品である。ＭＲＡＭ７０は、平面視でストライプ状の複数のビット線２Ａ，２Ａ，…と、同じくストライプ状で、平面視でビット線２Ａと直交する複数のワード線５，５，…と、を備え、ビット線２Ａとワード線５との交点毎に１つのメモリセル７を設ける。本実施形態では、ＭＲＡＭ７０は、４行×４列の１６個のメモリセル７からなる構成で例示される。
【００５５】
図５に示すように、電流制御部８０Ａは、ビット線２Ａを選択するビット線選択部８２Ａと、ワード線５を選択するワード線選択部８５と、これらの選択部８２Ａ，８５を制御するセル選択部８４Ａと、ビット線２Ａおよびワード線５に電流を供給する電源８１Ａと、を備える。セル選択部８４Ａは、例えば図示しない外部からの信号に基づいてＭＲＡＭ７０の特定の１つ以上のメモリセル７を選択し、選択したメモリセル７に接続するビット線２Ａ、ワード線５をビット線選択部８２Ａ、ワード線選択部８５に選択させる。電源８１Ａは、選択したメモリセル７に備えられる磁気抵抗素子１およびＭＯＳＦＥＴを動作させるために適正な電圧・電流を供給する。
【００５６】
１つのメモリセル７は、図６に示すように、ＭＯＳＦＥＴ上に１つの磁気抵抗素子１を備える。詳しくは、ＭＯＳＦＥＴのドレインに配線層を介して磁気抵抗素子１の下部電極３Ａが接続されている。また、メモリセル７において、磁気抵抗素子１の上部電極は、ＭＲＡＭ７０のビット線２Ａを構成する。なお、磁気抵抗素子１の構成は、図１に示す前記の本発明に係る磁気抵抗素子１と同様であるため、説明は省略する。したがって、ＭＲＡＭ７０において、磁気抵抗素子１とその上下に接続されたビット線２Ａおよび下部電極３Ａの形成された積層方向の領域は、下部電極３Ａが平面視で縦方向に延設されていないことを除けば、図４に示す空間光変調器１０の画素アレイ４０と同じ構成となる。
【００５７】
ＭＯＳＦＥＴは、例えば、シリコン（Ｓｉ）からなるｐ型基板上にソースおよびドレインが形成されている。ソースとドレインとの間のｐ型基板上には、絶縁層６を介して、ゲート電極が形成されている。また、ドレイン−配線層間、配線層−下部電極３Ａ間は、それぞれコンタクトが形成されて接続されている。一方、ソースにはコンタクトを介してワード線５が接続され、ワード線５は接地されている。
【００５８】
これらの配線、すなわちビット線（上部電極）２Ａ、下部電極３Ａ、配線層、ゲート電極、およびワード線５は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ等の金属やその合金のような一般的な電極用金属材料からなる。したがって、ＭＲＡＭ７０においては、空間光変調器１０の画素アレイ４０と異なり、磁気抵抗素子１の上下に接続する電極が両方とも金属材料からなる。
【００５９】
絶縁層６は、図６における空白部および隣り合うビット線２Ａ，２Ａ間（図６不図示）に配されて前記の配線を互いに絶縁するものであり、また磁気抵抗素子１の側面を封止する。ここで、少なくとも磁気抵抗素子１，１間すなわちビット線２Ａと下部電極３Ａとの間に配する絶縁層６は、空間光変調器１０の画素アレイ４０と同様に、Ｓｉ−Ｎを適用する。これにより、磁気抵抗素子１の磁化固定層１１または磁化反転層１３に含まれるＲＥ−ＴＭ合金が、絶縁層６の形成（成膜）時や形成後に、磁気抵抗素子１の側面において酸化することがなく、磁気抵抗素子１の磁化反転動作等の特性が維持できる。なお、ビット線２Ａ，２Ａ間および下部電極３Ａ，３Ａ間、ならびにその他の配線間やＭＯＳＦＥＴ領域に配する絶縁材料には、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の従来公知の絶縁材料を適用してもよい。
【００６０】
（メモリセルの動作）
次に、メモリセル７における磁気抵抗素子１の動作について図６および図２を参照して説明する。メモリセル７（ＭＲＡＭ７０）においては、ビット線２Ａおよびワード線５からの電流供給により、磁気抵抗素子１の磁化が平行／反平行に反転する。図２（ａ）に示すように磁化が平行な磁気抵抗素子１は、膜面垂直方向の抵抗が低く、このとき「０」の値が記録されている。一方、図２（ｂ）に示すように磁化が反平行な磁気抵抗素子１は、抵抗が高く、「１」の値が記録されている。メモリセル７の初期状態においては、磁気抵抗素子１は、この磁化が反平行の状態である。
【００６１】
この初期状態において、ゲート電極に所定の電圧を印加してＭＯＳＦＥＴをオン状態にして、電流制御部８０Ａにより、ビット線２ＡからＭＯＳＦＥＴへ下向きに磁気抵抗素子１に電流が流れるようにすると、磁気抵抗素子１が磁化反転して磁化が平行となり、「０」の値が書き込まれる。反対に、ワード線５からＭＯＳＦＥＴを介してビット線２Ａへ上向きに磁気抵抗素子１に電流を供給すると、再び磁気抵抗素子１の磁化が反平行となって「１」の値が書き込まれる。なお、読み出しにおいては、ビット線２Ａとワード線５との間に所定の電圧を印加して、磁気抵抗素子１を流れる電流の大きさを検出すればよい。
【００６２】
以上のように、本発明の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリによれば、ＲＥ−ＴＭ合金を備えた磁気抵抗素子を用いて、大容量かつ高速応答の優れた記録装置が得られる。そして、磁気抵抗素子間に埋め込む絶縁材料をＳｉ−Ｎとすることで、磁気抵抗素子に含まれるＲＥ−ＴＭ合金が酸化することなくその特性が維持できる。
【００６３】
以上、本発明の磁気抵抗素子、空間光変調器、および磁気ランダムアクセスメモリを実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。
【実施例】
【００６４】
本発明の効果を確認するために、本発明の実施形態に係る磁気抵抗素子（図１参照）ののサンプルを作製した。磁気抵抗素子は、下部電極側から、磁化固定層：Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ（２０ｎｍ）／Ｃｏ−Ｆｅ（１ｎｍ）、中間層：Ｃｕ（６ｎｍ）、磁化反転層：Ｇｄ−Ｆｅ（１０ｎｍ）、保護層：Ｒｕ（３ｎｍ）を積層したＣＰＰ−ＧＭＲ素子とした。サンプルにおいて、磁気抵抗素子は１個のみを備えて、平面視形状を１２０ｎｍ×１２０ｎｍの矩形とし、また、上部電極および下部電極はＣｕを適用した。詳しくは、まず、表面を熱酸化したＳｉ基板上に、下部電極としてＣｕ、および前記磁気抵抗素子の各層を順に成膜して積層した。次に、前記磁気抵抗素子の平面視形状より大きい下部電極用のレジストマスクを形成して、イオンビームミリング法で磁気抵抗素子の各層およびＣｕ（下部電極）を加工した後、レジストの上からＳｉＯ2を成膜して、レジストをその上のＳｉＯ2ごと除去して（リフトオフ）下部電極の周囲の絶縁層を形成した。次に、前記磁気抵抗素子の平面視形状のレジストマスクを用いて、磁気抵抗素子の各層を前記と同様に加工して（下部電極表面まで削って）磁気抵抗素子を形成した後、Ｓｉ−Ｎを成膜して、リフトオフにて磁気抵抗素子の周囲（側面）の絶縁層を形成した。そして、磁気抵抗素子上に上部電極を形成して、実施例のサンプルとした。また、比較例として、同じ磁気抵抗素子を備え、Ｓｉ−Ｎに代えてＳｉＯ2を磁気抵抗素子の周囲の絶縁層として成膜したサンプルを作製した。
【００６５】
作製したサンプルに、外部から一様な磁界を印加して、初期状態として磁気抵抗素子の磁化が平行となるようにした。このサンプルに上下電極間で磁気抵抗素子の抵抗を測定しながら外部から磁界を漸増させて印加して、磁化反転層および磁化固定層のそれぞれの磁化が反転する磁界を測定した。図７に外部磁界による磁気抵抗素子の抵抗の変化のグラフを示す。
【００６６】
図７に示すように、実施例、比較例のサンプルは共に、磁界が±１ｋＯｅ近傍に到達した時点で磁気抵抗素子が高抵抗に変化した。これは、磁化反転層が反転して磁気抵抗素子の磁化が反平行となったことを示す。さらに磁界を増加させると、比較例では磁界が±３ｋＯｅ近傍に到達した時点で磁気抵抗素子が初期状態と同程度の低抵抗に変化した（戻った）。これは、磁化固定層の磁化が反転して、先に磁化反転した磁化反転層の磁化方向に平行になった、すなわち磁気抵抗素子の磁化が再び平行となったことを示す。一方、実施例では、±５ｋＯｅ近傍まで磁界を増加させると磁化固定層の磁化が反転した。これらの結果から、磁気抵抗素子が含むＲＥ−ＴＭ合金、特に磁化固定層のＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金が、比較例では、側面で接触するＳｉＯ2の成膜時等に酸化して保磁力が低下したと推測できる。これに対して、実施例では絶縁層にＳｉ−Ｎを適用したことで、ＲＥ−ＴＭ合金が有する本来の磁気特性が維持されたといえる。
【符号の説明】
【００６７】
１０    空間光変調器
１      磁気抵抗素子（スピン注入磁化反転素子）
１１    磁化固定層
１２    中間層
１３    磁化反転層
１４    保護層
２      上部電極
２Ａ    ビット線（上部電極）
３，３Ａ  下部電極
４０    画素アレイ
４      画素
５      ワード線
６      絶縁層
７０    ＭＲＡＭ（磁気ランダムアクセスメモリ）
７      メモリセル
８０    電流制御部
８１    電源（電流供給手段）
８４    画素選択部（画素選択手段）
９      記録装置
【図１】
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【図２】
2010232374.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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