(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単層の強磁性固定層からなるスピン偏極部と該スピン偏極部上に形成された第１の非磁性層からなる注入接合部とを有しているスピン注入部と、
該スピン注入部に接して設けられる強磁性フリー層と、
上記強磁性フリー層の表面に形成される第２の非磁性層と、を備え、
上記第１の非磁性層が絶縁体または導電体からなり、
上記第２の非磁性層がＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈの何れかでなり、上記第１の非磁性層が導電体である場合、該第１の非磁性層は上記第２の非磁性層とは異なる金属でなり、
外部磁界を印加しないで、且つ、上記スピン偏極部と上記第２の非磁性層との膜面垂直方向に電流を流して上記強磁性フリー層の磁化を反転させることを特徴とする、スピン注入デバイス。
【請求項２】
前記第１の非磁性層が、Ｃｕからなることを特徴とする、請求項１に記載のスピン注入デバイス。
【請求項３】
前記第２の非磁性層の厚さは、該第２の非磁性層と前記強磁性フリー層との界面において、多数スピンを反射させ、少数スピンを透過させるように、スピン拡散長以内とされることを特徴とする、請求項１に記載のスピン注入デバイス。
【請求項４】
前記強磁性フリー層はＣｏまたはＣｏ合金であり、前記第２の非磁性層はＲｕ層でその膜厚が０．１〜２０ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載のスピン注入デバイス。
【請求項５】
前記強磁性固定層及び／又は前記強磁性フリー層は、Ｂ２またはＡ２の結晶構造を有しているＣｏ２ＦｅｘＣｒ１−ｘＡｌ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする、請求項１に記載のスピン注入デバイス。
【請求項６】
単層の第１の強磁性固定層からなるスピン偏極部と該スピン偏極部上に形成され第１の非磁性層からなる注入接合部とを有しているスピン注入部と、
該スピン注入部に接して設けられる強磁性フリー層と、
上記強磁性フリー層の表面に形成される第２の非磁性層と、
上記第２の非磁性層上に形成され上記第１の強磁性固定層と同じ磁化方向を有している第２の強磁性固定層と、を備え、
上記第１の非磁性層が絶縁体または導電体からなり、
上記第２の非磁性層がＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈの何れかでなり、上記第１の非磁性層が導電体である場合、該第１の非磁性層は上記第２の非磁性層とは異なる金属でなり、
外部磁界を印加しないで、且つ、上記スピン偏極部と上記第２の強磁性固定層との膜面垂直方向に電流を流し、上記強磁性フリー層の磁化を反転させることを特徴とする、スピン注入デバイス。
【請求項７】
前記第１の非磁性層が、Ｃｕからなることを特徴とする、請求項６に記載のスピン注入デバイス。
【請求項８】
前記第２の非磁性層の厚さは、該第２の非磁性層と前記第２の強磁性固定層との界面において、多数スピンを反射させ少数スピンを透過させるようにスピン拡散長以内とされ、
前記強磁性フリー層は、スピン伝導が保存される厚さであることを特徴とする、請求項６に記載のスピン注入デバイス。
【請求項９】
前記強磁性フリー層及び前記強磁性層はＣｏまたはＣｏ合金であり、前記第２の非磁性層はＲｕ層でその膜厚が２〜２０ｎｍであることを特徴とする、請求項６〜８のいずれかに記載のスピン注入デバイス。
【請求項１０】
前記第１の強磁性固定層、前記第２の強磁性固定層及び前記強磁性フリー層の何れか又は二つ以上の層は、Ｂ２またはＡ２の結晶構造を有しているＣｏ２ＦｅｘＣｒ１−ｘＡｌ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする、請求項６に記載のスピン注入デバイス。
【請求項１１】
前記請求項１〜１０のいずれかに記載のスピン注入デバイスを用いたことを特徴とする、スピン注入磁気装置。
【請求項１２】
前記請求項１〜１０のいずれかに記載のスピン注入デバイスを用いたことを特徴とする、スピン注入磁気メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電子のスピンを制御した機能デバイス、特に超ギガビット大容量・高速・不揮発性磁気メモリに利用し、より小さな電流密度でスピン注入磁化反転可能にするためのスピン注入デバイスと、これを用いたスピン注入磁気装置並びにスピン注入磁気メモリ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）効果素子および強磁性層／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、新しい磁界センサーや磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への応用が期待されている。
ＧＭＲは、外部磁場によって２つの強磁性層の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することにより、界面でのスピン依存散乱によって抵抗が互いに異なることに起因して巨大磁気抵抗効果が得られている。一方、ＭＴＪでは、外部磁場によって２つの強磁性層の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することにより，膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが互いに異なる、いわゆるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が得られる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
トンネル磁気抵抗率ＴＭＲは、用いる強磁性体と絶縁体との界面におけるスピン分極率Ｐ に依存し、二つの強磁性体のスピン分極率をそれぞれＰ1，Ｐ2とすると、一般に次の式（１）で与えられることが知られている。
【０００４】
ＴＭＲ=２Ｐ1Ｐ2／（１−Ｐ1Ｐ2）    （１）
ここで、強磁性体のスピン分極率Ｐは０＜Ｐ≦１の値をとる。
【０００５】
現在、得られている室温における最大のトンネル磁気抵抗率ＴＭＲはＰ〜０．５のＣｏＦｅ合金を用いた場合の約５０パーセントである。
ＧＭＲ素子はすでにハードデイスク用磁気ヘッドに実用化されている。ＭＴＪ素子は現在、ハードデイスク用磁気ヘッドおよび不揮発性磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への応用が期待されている。
ＭＲＡＭではＭＴＪ素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加することで、各ＭＴＪ素子を構成する二つの磁性層を互いに平行、反平行に制御することにより、“１”、“０”を記録させる。読み出しはＴＭＲ効果を利用して行う。
しかし、ＭＲＡＭでは大容量化のために素子サイズを小さくすると、反磁界の増大により磁化反転に必要な電流が増し、消費電力が増大するという解決すべき課題を抱えている。
【０００６】
このような課題を解決する方法としては、非磁性金属層を介して二つの磁性層が互いに反平行に結合している三層構造（人工反強磁性膜、Synthetic Antiferromagnetit、以下「ＳｙＡＦ」と記載する。）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
このようなＳｙＡＦ構造を用いると反磁界が軽減するため、素子サイズを小さくしても磁化反転に必要な磁場が低減される。
一方、最近、電流磁場を用いない新しいスピン反転法が理論的に提案され（例えば、非特許文献２参照）、実験的にも実現されている（例えば、非特許文献３参照）。
【０００８】
このスピン反転法は、図１５にその原理を示すように、第１の強磁性層６１／非磁性金属層６３／第２の強磁性層６５からなる三層構造において、第２の強磁性層６３から第１の強磁性層６１に電流を流すと、第１の強磁性層６１から非磁性金属層６３を介して第２の強磁性層６５にスピン偏極電子が注入され、第２の強磁性層６５のスピンが反転するというものであり、スピン注入による磁化反転と呼ばれている。
【０００９】
このスピン注入磁化反転は三層構造において、第１の強磁性層６１のスピンが固定されているとすると、第１の強磁性層６１から非磁性金属層６３を経てスピン注入すると、注入した上向きスピン（多数スピン）が第２の強磁性層６５のスピンにトルクを与え、そのスピンを同じ向きにそろえる。したがって、第１の強磁性層６１と第２の強磁性層６５のスピンが平行になる。
【００１０】
一方、電流の向きを逆に与え、第２の強磁性層６５から第１の強磁性層６１にスピン注入すると、第１の強磁性層６１と非磁性金属層６３との界面で下向きスピン（少数スピン）が反射し、反射したスピンが第２の強磁性層６５のスピンにトルクを与え、そのスピンを同じ向き、つまり下向きにそろえようとする。その結果、第１の強磁性層６１と第２の強磁性層６５のスピンは反平行になる。
したがって、この三層構造のスピン注入磁化反転では、電流の向きを変えることによって第１の強磁性層と第２の強磁性層のスピンを平行にしたり反平行にしたりできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−２５１６２１号公報（フロントページ、第１図）
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】T. Miyazaki and N. Tezuka, “Spin polarized tunneling in ferromagnet/insulator/ferromagnet junctions”, (1995), J. Magn. Magn. Mater., L39, p.1231
【非特許文献２】J. C. Slonczewski,“Current-driven exitation of magnetic multilayer”, (1996), J. Magn. Magn. Mater., 15, L1-L7
【非特許文献３】J. A. Katine, F. J. Albert, R. A. Ruhman, E. B. Myers and D. C. Ralph,“Current-Driven Magnetization Reversal and Spin-wave Exitation in Co/Cu/Co Pillars”, (2000), Phy. Rev. Lett., 84, pp. 3149-3152
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、このようなスピン注入法は将来のナノ構造磁性体のスピン反転法として有望であるが、スピン注入による磁化反転に必要な電流密度が１０7Ａ／ｃｍ2以上と非常に大きく、これが実用上の解決すべき課題となっていた。
【００１４】
ところが、本発明者らは、非磁性金属層を介して二つの強磁性層が互いに反平行に結合している三層構造に、別に設けた非磁性金属層あるいは絶縁層を介して強磁性層から電流を流すと、より小さな電流密度でスピン注入による磁化反転を起こすことができることを見出した。
さらに、上記三層構造の代りに強磁性自由層及び非磁性層からなる二層構造及び強磁性自由層、非磁性層、強磁性層からなる三層構造を用いても、上記と同様な作用効果が得られることを見出した。
【００１５】
そこで、本発明は、より小さな電流密度でスピン注入磁化反転することができる、スピン注入デバイスと、このスピン注入デバイスを用いた磁気装置並びに磁気メモリ装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明のスピン注入デバイスのうち、請求項１記載の発明は、単層の強磁性固定層からなるスピン偏極部とスピン偏極部上に形成された第１の非磁性層からなる注入接合部とを有しているスピン注入部と、スピン注入部に接して設けられる強磁性フリー層と、強磁性フリー層の表面に形成される第２の非磁性層と、を備え、第１の非磁性層が絶縁体または導電体からなり、第２の非磁性層がＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈの何れかでなり、上記第１の非磁性層が導電体である場合、該第１の非磁性層は上記第２の非磁性層とは異なる金属でなり、外部磁界を印加しないで、且つ、スピン偏極部と第２の非磁性層との膜面垂直方向に電流を流して強磁性フリー層の磁化を反転させることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、第１の非磁性層が、Ｃｕからなることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、第２の非磁性層の厚さが、第２の非磁性層と強磁性フリー層との界面において、多数スピンを反射させ、少数スピンを透過させるように、スピン拡散長以内とされることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、強磁性フリー層がＣｏまたはＣｏ合金であり、第２の非磁性層はＲｕ層でその膜厚が０．１〜２０ｎｍであることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、強磁性固定層及び／又は強磁性フリー層は、Ｂ２またはＡ２の結晶構造を有しているＣｏ２ＦｅｘＣｒ１−ｘＡｌ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする。
また、本発明のスピン注入デバイスのうち、請求項５６記載の発明は、単層の第１の強磁性固定層からなるスピン偏極部と該スピン偏極部上に形成され第１の非磁性層からなる注入接合部とを有しているスピン注入部と、該スピン注入部に接して設けられる強磁性フリー層と、強磁性フリー層の表面に形成される第２の非磁性層と、第２の非磁性層上に形成され第１の強磁性固定層と同じ磁化方向を有している第２の強磁性固定層と、を備え、第１の非磁性層が絶縁体または導電体からなり、第２の非磁性層がＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈの何れかでなり、上記第１の非磁性層が導電体である場合、該第１の非磁性層は上記第２の非磁性層とは異なる金属でなり、外部磁界を印加しないで、且つ、スピン偏極部と第２の強磁性固定層との膜面垂直方向に電流を流し、強磁性フリー層の磁化を反転させることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、第１の非磁性層が、Ｃｕからなることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、第２の非磁性層の厚さが、第２の非磁性層と第２の強磁性固定層との界面において、多数スピンを反射させ少数スピンを透過させるようにスピン拡散長以内とされ、強磁性フリー層は、スピン伝導が保存される厚さであることを特徴とする。
請求項９記載の発明は、強磁性フリー層及び強磁性層がＣｏまたはＣｏ合金であり、第２の非磁性層はＲｕ層でその膜厚が２〜２０ｎｍであることを特徴とする。
請求項１０記載の発明は、第１の強磁性固定層、第２の強磁性固定層及び強磁性フリー層の何れか又は二つ以上の層は、Ｂ２またはＡ２の結晶構造を有しているＣｏ２ＦｅｘＣｒ１−ｘＡｌ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする。
【００１７】
この構成のスピン注入デバイスでは、スピン偏極部から注入接合部を介してスピン注入すると、強磁性フリー層が磁化反転する。したがって、本発明のスピン注入デバイスはより小さな電流密度で磁化反転を起こすことができる。
【００１８】
また、本発明のスピン注入磁気装置である請求項１１記載の発明は、請求項１〜１０のいずれかに記載のスピン注入デバイスを用いたことを特徴とする。この構成のスピン注入磁気装置では、スピン注入すると強磁性フリー層の磁化反転が起き、強磁性固定層の磁化と平行又は反平行となることにより、巨大磁気抵抗効果またはトンネル磁気抵抗効果が出現する。したがって、本発明のスピン注入磁気装置は、より小さな電流密度でスピン注入による強磁性フリー層の磁化反転を起こすことができる。
【００１９】
また、本発明のスピン注入磁気メモリ装置である請求項１２記載の発明は、請求項１〜１０のいずれかに記載のスピン注入デバイスを用いたことを特徴とする。この構成のスピン注入磁気メモリ装置では、スピン注入すると強磁性フリー層の磁化反転が起き、強磁性固定層の磁化と平行又は反平行となることにより、巨大磁気抵抗効果またはトンネル磁気抵抗効果が出現する。したがって、本発明のスピン注入磁気メモリ装置は、より小さな電流密度でスピン注入による強磁性フリー層の磁化反転によるメモリ装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のスピン注入デバイスによれば、小さな電流密度で磁化反転を起こすことができるという効果を有する。また本発明のスピン注入磁気装置は、より小さな電流密度でスピン注入によるＭＴＪのフリー層の磁化反転を起こすことができる。
したがって、超ギガビット大容量・高速・不揮発のＭＲＡＭをはじめ種々の磁気装置や磁気メモリ装置に利用可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態のスピン注入デバイスの概念図であり、（ａ）はＳｙＡＦのスピンが下向きの状態、（ｂ）はスピン注入によりＳｙＡＦのスピンが上向きになった状態を示す概念図である。
【図２】注入接合部が非磁性絶縁層である第１の実施形態のスピン注入デバイスの概略図である。
【図３】本発明のスピン注入デバイスの第２の実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明のスピン注入デバイスの第３の実施形態を示す概略図である。
【図５】第３の実施形態のスピン注入デバイスの磁化反転を説明する模式図である。
【図６】本発明のスピン注入デバイスの第４の実施形態を示す概略図である。
【図７】第４の実施形態のスピン注入デバイスの磁化反転を説明する模式図である。
【図８】本発明のスピン注入磁気装置の概略図である。
【図９】本発明に用いることができる磁性薄膜の断面図である。
【図１０】本発明に用いることができる磁性薄膜の変形例の断面図である。
【図１１】磁性薄膜に用いるＣｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ（ここで、０≦ｘ≦１）の構造を模式的に説明する図である。
【図１２】室温における実施例１のスピン注入デバイスのスピン注入磁化反転を示す図である。
【図１３】室温における実施例２のスピン注入デバイスのスピン注入磁化反転を示す図である。
【図１４】室温における比較例の（ａ）磁気抵抗曲線と、（ｂ）スピン注入磁化反転を示す図である。
【図１５】従来のスピン磁化反転の原理を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図１は本発明のスピン注入デバイスの概念図であり、（ａ）はＳｙＡＦのスピンが下向きの状態、（ｂ）はスピン注入によりＳｙＡＦのスピンが上向きになった状態を示す概念図である。
【００２３】
図１に示すように、本発明のスピン注入デバイス１０は、スピン偏極部９と注入接合部７とを有するスピン注入部１と、反強磁性結合する非磁性層２を介して第１の磁性層４と第２の磁性層６とが三層構造を形成するＳｙＡＦ３とを備え、これらが積層構造を形成する。
まず、本発明に係るＳｙＡＦ３について説明する。
強磁性体が単層膜の磁化反転に必要な磁場Ｈｓｗは、一軸磁気異方性Ｋｕ、飽和磁化Ｍｓ，膜厚ｔ、幅ｗを用いて一般に次の式（２）で与えられる。
【００２４】
Ｈｓｗ＝２Ｋｕ／Ｍｓ＋Ｃ（ｋ）ｔＭｓ／ｗ      （２）
ここで、第１項は磁気異方性による項、第２項は反磁界による項である。
【００２５】
一方、同様に単磁区構造をとる場合、二つの強磁性層の膜厚ｔ1、ｔ2、飽和磁化Ｍ1、Ｍ2をもつＳｙＡＦの磁化反転磁場は次式（３）で与えられる。
【００２６】
Ｈｓｗ＝２Ｋｕ／ΔＭ＋Ｃ（ｋ）（ｔ1＋ｔ2）ΔＭ／ｗ（３）
ここで、ΔＭ＝（ｔ1＋ｔ2）／（Ｍ1ｔ1−Ｍ2ｔ2）、ｗはＳｙＡＦの幅である。
【００２７】
上記式（２）及び式（３）において、Ｃ（ｋ）はアスペクト比ｋに依存する反磁界係数であり、ｋが１に近づくほど小さくなり、ｋ＝１ではＣ（ｋ）＝０である。ここで、アスペクト比ｋは、ｔ／ｗである。したがって、第１の磁性層４の場合にはｔ1／ｗであり、第２の磁性層６の場合には、ｔ2／ｗである（図１（ａ）参照）。
微小な素子の場合、一般に式（２）、式（３）ともに第２項の方が第１項を上回るので、またΔＭ＜Ｍｓであるから、ｗが同じときＳｙＡＦの方が磁化反転磁場が小さくなる。
一方、Ｃ（ｋ）はｋ＝１のときゼロとなるので、磁化反転磁場は式（２）、式（３）の第１項、すなわち磁気異方性によって決定され、素子サイズに依存しなくなる。
しかし、単層膜の場合にはｋが少なくとも２以下では多磁区構造となるため、磁化反転磁場は式（２）では与えられず、その値は、より大きくなるとともに素子サイズに依存する。したがって、単層膜の場合にはｋ≦２の素子は現実的でない。
【００２８】
ところが本発明者らは、本発明に係るＳｙＡＦの場合にはｋ≦２、特にｋ＝１でも単磁区構造になることを見出した。その結果、本発明に係るＳｙＡＦは、より小さな磁化反転磁場を得ることができ、特にｋ＝１の素子では磁化反転磁場は素子サイズに依存しない。本発明はこの発見に基づいており、ＳｙＡＦにスピン偏極電子を注入することで、より小さな電流密度で磁化反転を実現することができる。特に、ｋ＝１の場合にはＣ（ｋ）がゼロになるため、磁化反転磁場が著しく小さくなる。
【００２９】
このような本発明に係るＳｙＡＦ３は、図１（ａ）及び（ｂ）を参照して、非磁性層２を介して第１の磁性層４と第２の磁性層６との二つの磁性層が互いに反平行に磁気結合している三層構造であり、それぞれの膜厚はナノメーターサイズで形成されている。このＳｙＡＦ３にスピン注入部１の非磁性金属層の注入接合部７を介して強磁性層のスピン偏極部９からスピン注入することで、ＳｙＡＦ３の磁化反転を実現する。
【００３０】
非磁性層２はこれを介した両磁性層の磁化を反強磁性結合させる物質であり、この反強非磁性層として、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）が利用可能である。なお、図１（ａ）中、５及び８は電流を流すための端子を示している。強磁性層及び磁性層は導電体であるので電極との兼用ができるが、電極を別に設けて電流を流してもよい。
【００３１】
図１（ｂ）に示すように、本発明に係るＳｙＡＦ３においては、第１の磁性層４のスピンと第２の磁性層６のスピンとが反平行状態を維持したまま磁気的に結合している。すなわち、第１の磁性層４の磁化と第２の磁性層６の磁化とは、大きさの異なる反平行状態の磁化、つまり大きさの異なる反平行状態のスピンを有している。
第１の磁性層４の厚さをｔ1、磁化をＭ1とし、第２の磁性層６の厚さをｔ2、磁化をＭ2とすると、磁化の大きい方の向き（ｔ1Ｍ1−ｔ2Ｍ2）を図１中の強磁性層９のスピンを示す矢印に対してＳｙＡＦのスピンの向き↑又は↓とすることができる。ＳｙＡＦ３の磁性層４及び磁性層６の反平行磁化の大きさに差異を設けるには、ｔ1Ｍ1とｔ2Ｍ2とが異なるようにすればよい。
【００３２】
スピン注入部１は強磁性層からなるスピン偏極部９と非磁性導電層からなる注入接合部７とを積層した構造であり、非磁性導電層の注入接合部７はナノメーターサイズである。ここで、ナノメーターサイズとは電子がその運動量とスピンを保存したまま伝導可能な大きさを意味する。つまり、この注入接合部７はスピン保存伝導可能な大きさである。
金属の場合、電子の平均自由行程は１μｍ以下であり、この１μｍ以下のサイズの素子では、注入されたスピンは緩和することなく他方に流れ込むことができる。
スピン注入部１の注入接合部７は図２に示すように非磁性絶縁層１２であってもよい。この非磁性絶縁層１２はトンネル電流が流れるトンネル接合可能な大きさのナノメーターサイズであり、数ｎｍである。
【００３３】
強磁性層からなるスピン偏極部９は強磁性体であるが、伝導を担うフェルミ面でのアップスピン電子とダウンスピン電子の数が異なっており、この強磁性層のスピン偏極部９からスピン偏極した電子が非磁性金属層の注入接合部７に流れ込むようになっている。
【００３４】
このような本発明に係るスピン注入デバイスでは、１ミリアンペア（ｍＡ）以下の非常に小さな電流を流して、膜面内垂直方向に強磁性層のスピン偏極部９から非磁性金属層（又は非磁性絶縁層１２）の注入接合部７を介してスピン注入すると、ＳｙＡＦ３の磁性層４のスピンと磁性層６のスピンとが反平行状態を維持したまま磁化反転する。したがって、本発明のスピン注入デバイスでは、より小さな電流密度でスピン注入による磁化反転ができる。これにより電流を流して磁界を印加することなく、微小な電流を流すだけでスピン注入磁化反転ができるので、ロジック、メモリ及びストレージを備えたスピン注入デバイスが実現可能となる。
【００３５】
次に、第２の実施の形態を説明する。図３は本発明のスピン注入デバイスに係る第２の実施形態を示す概略図である。図３を参照すると、この実施形態のものは、スピン偏極部９が反強磁性層２１と強磁性層２３とを有する構造であり、強磁性層２３に反強磁性層２１を近接させることで強磁性層２３のスピンを固定している。また、注入接合部はスピン保存伝導可能な非磁性金属層２５であり、これに代えてトンネル接合可能な絶縁層を用いてもよい。このような構成ではスピン偏極部のスピンを固定してスピン注入し、ＳｙＡＦの磁化反転ができる。
【００３６】
次に、第３の実施の形態を説明する。図４は第３の実施形態のスピン注入デバイスを示す概略図である。図４を参照すると、このスピン注入デバイス１４は、反強磁性層２１と強磁性固定層２６とからなるスピン偏極部９と、強磁性固定層に接して設けられる注入接合部となる非磁性層７と、非磁性層７上に強磁性フリー層２７及び非磁性層２８からなる二層構造を備えている。
スピン注入部１は、スピン偏極部９と注入接合部７とからなっていて、スピン偏極部９において、強磁性固定層２６に反強磁性層２１を近接させることで強磁性固定層２６のスピンを固定している。
また、注入接合部７はスピン保存伝導可能なＣｕなどの非磁性金属層２５であり、これに代えてトンネル接合可能な絶縁層１２を用いてもよい。
【００３７】
第３実施形態のスピン注入デバイス１４が図３に示したスピン注入デバイスと異なるのは、ＳｙＡＦ３の代りに強磁性フリー層２７及び非磁性層２８を備えていることである。非磁性層２８は強磁性フリー層２７との界面において、多数（マジョリティ）スピンを反射させ、少数（マイノリティ）スピンを透過させるために設けている。したがって、非磁性層２８の膜厚は、少数スピンがスピンを保存したまま動ける距離、すなわちスピン拡散長以内にしておけばよい。
ここで、強磁性フリー層２７としてはＣｏまたはＣｏ合金を用いることができる。非磁性層２８としては、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈが利用可能であり、特にＲｕを用いるのが好適である。また、Ｒｕのスピン拡散長は１４ｎｍであることが知られており、Ｒｕの膜厚は０．１ｎｍ〜２０ｎｍとすればよい。以下、強磁性フリー層２７にＣｏまたはＣｏ合金を用い、非磁性層２８にＲｕを用いるとして説明する。
【００３８】
図５は上記第３の実施形態のスピン注入デバイス１４の磁化反転を説明する模式図である。図５において、強磁性固定層２６から強磁性フリー層２７へ電子が注入されると、多数スピン電子１７が強磁性フリー層２７の磁化を強磁性固定層２６の磁化に揃うようにトルク１８を与える。この際、ＣｏまたはＣｏ合金２７とＲｕ２８の界面においては、多数スピン電子が強く散乱（反射）され、少数スピン電子はあまり散乱を受けない（透過）ことが知られている。
したがって、図５に示すように、ＣｏまたはＣｏ合金２７とＲｕ２８の界面において反射された多数スピン電子１９は、ＣｏまたはＣｏ合金２７の膜厚がスピン伝導が保存される程度に薄ければ、この反射された多数スピン電子１９も強磁性フリー層２７に同様のトルク１８’を与える。これにより、実質的に強磁性フリー層２７のトルクが増大し、強磁性固定層２６の磁化と同じ向きになる。
【００３９】
一方、電流の向きを逆に与え、Ｒｕ層２８からＣｏまたはＣｏ合金２７側に電子を注入すると、多数スピン電子はＣｏまたはＣｏ合金２７とＲｕ２８の界面で反射され、少数スピン電子だけがＣｏまたはＣｏ合金からなる強磁性フリー層２７に注入され、この少数スピン電子が強磁性フリー層２７のスピンにトルクを与え、そのスピンを同じ向き、つまり下向きにそろえようとする。これにより、強磁性フリー層２７の少数スピン電子によるトルクが増大し、強磁性フリー層２７のスピンは強磁性固定層２６の磁化と反平行になる。
このように本発明のスピン注入デバイス１４によれば、非磁性層２８の挿入により、スピン偏極部９のスピンを固定してスピン注入し、強磁性フリー層２７の磁化反転を従来のスピン注入磁化反転よりも低い電流密度で行うことができる。
【００４０】
さらに、第４の実施の形態のスピン注入デバイスを図６を参照して説明する。この実施形態のスピン注入デバイス１６が図４に示したスピン注入デバイス１４と異なるのは、非磁性層２８上にさらに強磁性固定層２９を備えている点にある。他の構成は図４に示すスピン注入デバイス１４と同じであるので説明は省略する。
ここで、強磁性フリー層２７及び強磁性固定層２９は、ＳｙＡＦ３のようにそれらの磁化が反平行とならないように、かつ、スピン保存伝導が生起するように非磁性層２８の膜厚を決めればよい。したがって、強磁性フリー層２７及び強磁性固定層２９としてＣｏまたはＣｏ合金を、非磁性層２８としてＲｕを用いた場合には、Ｒｕの厚さは、ＳｙＡＦ３とならないように、２〜２０ｎｍ程度とすればよい。
【００４１】
次に、上記第４の実施形態のスピン注入デバイス１６の動作について説明する。
図６において、強磁性固定層２６から強磁性フリー層２７へ電子が注入された場合には、第３実施形態のスピン注入デバイス１４と同様に、ＣｏまたはＣｏ合金からなる強磁性フリー層２７の磁化は、強磁性固定層２６の磁化と同じ向きになる。
【００４２】
一方、電流の向きを逆に与えた場合を、図７を参照して説明する。
図７は、第４実施形態のスピン注入デバイス１６の磁化反転を説明する模式図である。図７において、強磁性固定層２９から強磁性フリー層２７へ電子が注入されると、多数スピン電子３７が強磁性固定層２９とＲｕ層２８の界面で強く反射され、強磁性フリー層２７へは到達しない。この際、ＣｏまたはＣｏ合金２７の膜厚がスピン伝導が保存される程度に薄ければ、少数スピン電子３９は散乱を受けないので強磁性フリー層２７に到達し、強磁性フリー層２７のスピンを揃えるようにトルク３８を与える。したがって、強磁性フリー層２７の磁化は、強磁性固定層２６とは反平行となる。これにより、Ｒｕ層２８がない場合よりも、多数スピン電子３７が強磁性フリー層２７に到達しなくなり、より小さい電流密度で磁化反転ができる。
このように、本実施形態のスピン注入デバイス１６によれば、スピン偏極部９のスピンを固定してスピン注入し、ＳｙＡＦ３の代りに用いる強磁性フリー層２７、非磁性層２８，強磁性固定層２９において、強磁性フリー層２７の磁化反転を低電流密度で行うことができる。
【００４３】
上記スピン注入デバイスにおいて、強磁性フリー層２７の磁化反転が起こるとき、強磁性固定層２６の磁化と平行又は反平行となることにより、反強磁性層２１と強磁性固定層２６とＣｕなどの非磁性金属層２５からなる注入接合部７と強磁性フリー層２７とを含む層構造は、ＣＰＰ型の巨大磁気抵抗効果素子と同じように、巨大磁気抵抗効果が生じる。
また、非磁性層７がトンネル接合可能な絶縁層１２である場合に強磁性フリー層２７の磁化反転が起こると、反強磁性層２１と強磁性固定層２６とトンネル接合可能な絶縁層１２と強磁性フリー層２７とを含む層構造は、ＣＰＰ型のトンネル磁気抵抗効果素子と同じように、トンネル磁気抵抗効果が生じる。
【００４４】
次に、本発明のスピン注入磁気装置について説明する。図８は本発明のスピン注入磁気装置の概略図である。スピン注入磁気装置３０は、フリー層としたＳｙＡＦ３と、強磁性層３２及び反強磁性層３４からなる固定層３１とが、絶縁層３３でトンネル接合した強磁性スピントンネル接合（ＭＴＪ）素子３６であって、このＭＴＪ素子３６に強磁性層であるフリー層を磁化反転させるためのスピン注入部１を備えている。スピン注入部１は注入接合部をトンネル接合可能な絶縁層１２にしたものである。
【００４５】
このようなスピン注入磁気装置では、強磁性層２３から絶縁層１２を介してＳｙＡＦ３にスピン注入すると、このＳｙＡＦ３の磁化が反転する。このＳｙＡＦ３であるフリー層の磁化が↑又は↓に反転して固定層３１の磁化と平行又は反平行となることにより、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が出現する。したがって、このスピン注入磁気装置３０は、より小さな電流密度でスピン注入によるフリー層の磁化反転を起こすことができる。
【００４６】
上記スピン注入磁気装置において、ＳｙＡＦ３を、図４に示した第３実施形態のスピン注入デバイス１４の強磁性フリー層２７及び強磁性自由層上に設ける非磁性層２８からなる二層構造に代えた構成としてもよい。
また、上記スピン注入磁気装置において、ＳｙＡＦ３を、図６に示した第４実施形態のスピン注入デバイス１６の強磁性フリー層２７、非磁性層２８、非磁性層上に設ける強磁性層２９からなる三層構造に代えた構成としてもよい。
【００４７】
このように本発明のスピン注入磁気装置は、超ギガビット大容量・高速・不揮発メモリに利用可能になる。
【００４８】
このようなスピン注入磁気装置では、フリー層のＳｙＡＦをトンネル接合可能な絶縁膜で挟み又は覆って、このＳｙＡＦに対応する部分のスピン注入部でワード線として結合して微細加工し、固定層側の強磁性層にビット線を連結して微細加工することにより、ＭＲＡＭやスピン注入磁気メモリ装置の基本構造とすることができる。
ここで、フリー層はＳｙＡＦの他には、強磁性フリー層２７及び非磁性層２８からなる二層構造または強磁性フリー層２７、非磁性層２８、非磁性層上に設ける強磁性層２９からなる三層構造を用いることができる。
【００４９】
次に、本発明のスピン注入デバイスやスピン注入磁気装置に用いることができる磁性薄膜について説明する。
図９は、本発明に用いることができる磁性薄膜の断面図である。図９に示すように、磁性薄膜４１は、基板４２上に、室温においてＣｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ薄膜４３を配設している。ここで、０≦ｘ≦１である。
Ｃｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ薄膜４３は、室温で強磁性であり、電気抵抗率が１９０μΩ・ｃｍ程度であり、かつ、基板を加熱することなくＬ２1，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有している。
さらに、上記Ｃｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ薄膜４３を配設した基板を加熱することで、スピン分極率の大きいＬ２1構造のＣｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ薄膜４３が得られやすい。ここで、基板４２上のＣｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ薄膜４３の膜厚は、１ｎｍ以上１μｍ以下であればよい。
【００５０】
図１０は、本発明に用い得る磁性薄膜の変形例の断面図である。本発明に用いる磁性薄膜４５は、図９の磁性薄膜４１の構造において、さらに基板４２とＣｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜４３との間にバッファー層４４が挿入されている。バッファー層４４を挿入することで、基板４１上のＣｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜４３の結晶性をさらによくすることができる。
【００５１】
上記磁性薄膜４１，４５に用いる基板４２は、熱酸化Ｓｉ、ガラスなどの多結晶、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＧａＡｓなどの単結晶を用いることができる。また、バッファー層４４としては、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅなどを用いることができる。
上記Ｃｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜４３の膜厚は、１ｎｍ以上で１μｍ以下であればよい。この膜厚が１ｎｍ未満では実質的に後述するＬ２1，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を得るのが困難になり、そして、この膜厚が１μｍを超えるとスピン注入デバイスとしての応用が困難になり好ましくない。
【００５２】
次に、上記構成の磁性薄膜の作用を説明する。
図１１は、磁性薄膜に用いるＣｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ（ここで、０≦ｘ≦１）の構造を模式的に説明する図である。図に示す構造は、ｂｃｃ（体心立方格子）の慣用的単位胞の８倍（格子定数で２倍）の構造を示している。
Ｃｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌのＬ２1構造においては、図９のＩの位置にＦｅとＣｒが組成比としてＦｅxＣｒ1-x（ここで、０≦ｘ≦１）となるように配置され、IIの位置にＡｌ、IIIとIVの位置にＣｏが配置される。
また、Ｃｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌのＢ２構造においては、図９のＩの位置とIIの位置に、ＦｅとＣｒとＡｌが不規則に配列される構造となる。この際、ＦｅとＣｒの組成比は、ＦｅxＣｒ1-x（ここで、０≦ｘ≦１）となるように配置される。
さらに、Ｃｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌのＡ２構造においては、Ｃｏ，Ｆｅ，ＣｒおよびＡｌが不規則に置換した構造となる。この際、ＦｅとＣｒの組成比は、ＦｅxＣｒ1-x（ここで、０≦ｘ≦１）となるように配置される。
【００５３】
次に、上記構成の磁性薄膜４１，４５の磁気的性質を説明する。
上記構成のＣｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜４３は、室温で強磁性であり、かつ、基板を加熱することなくＬ２1，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造のＣｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ薄膜が得られる。
さらに、上記構成のＣｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ薄膜４３（ここで、０≦ｘ≦１）は膜厚が数ｎｍ程度の非常に薄い膜においてもＬ２1，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造が得られる。
ここで、Ｃｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ（ ここで、０≦ｘ≦１）薄膜のＢ２構造は、従来得られていない特異な物質である。Ｂ２構造は、Ｌ２1構造と類似しているが、異なるのはＬ２1構造では、Ｃｒ（Ｆｅ）とＡｌ原子が規則的に配置しているのに対し、Ｂ２構造は、不規則に配列していることである。また、Ａ２構造は、Ｃｏ，Ｆｅ，ＣｒおよびＡｌが不規則に置換した構造となる。これらの違いはＸ線回折で測定することができる。
上記Ｃｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ薄膜４３の組成ｘにおいて、０≦ｘ≦０．８の範囲内では、特に、基板を加熱することなくＬ２1，Ｂ２の何れか一つの構造を得ることができる。また、０．８≦ｘ≦１．０では、Ａ２構造が得られる。
また、組成ｘにおいて、０≦ｘ≦１の範囲内で、加熱した基板上のＣｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ薄膜の成膜や、基板を加熱することなく成膜した後の熱処理などにより、Ｌ２1またはＢ２構造が得られる。
【００５４】
上記構成の磁性薄膜４１，４５がハーフメタルであることを実験的に明らかにすることは難しいが、定性的にはトンネル接合を有するトンネル磁気抵抗効果素子を作製し、それが１００％を超えるような非常に大きなＴＭＲを示す場合にはハーフメタル的と考えることができる。
絶縁膜の片側にＣｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ（０≦ｘ≦１）薄膜４３を強磁性層として用い、絶縁膜の他方の強磁性層にスピン分極率が０．５のＣｏＦｅ合金を用いてトンネル磁気抵抗効果素子を作製した結果、１００％を超える大きなＴＭＲを得た。
【００５５】
これは（１）式から考えて、Ｃｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ（０≦ｘ≦１）薄膜４３が、Ｐ＝０．７以上のスピン分極率をもつことを示している。このような大きなＴＭＲを得ることができたのは、Ｃｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３が大きなスピン分極率を有していることのほかに、室温でＬ２1，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造が得られるという発見に基づく。
これにより、磁性薄膜４１，４５によれば、基板を加熱する必要がなく、Ｃｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ（０≦ｘ≦１）薄膜４３が１ｎｍ以上の厚みで強磁性特性を得ることができる。これは、表面が酸化したり表面粗さが増大したりすることがなく、トンネル接合の界面をクリーンでかつシャープに作製することができたことにより、大きなスピン分極率とトンネル磁気抵抗効果素子において大きなＴＭＲを得ることができるものと推察される。
【００５６】
上記磁性薄膜４１，４５は、本発明のスピン注入デバイスに用いるＳｙＡＦ３の第１及び第２の磁性層、あるいは、スピン注入部の強磁性層９などに用いることができる。また、磁性薄膜４１，４５は、本発明のスピン注入デバイス１４，１６に用いる反強磁性層２１と強磁性固定層２６とＣｕなどの非磁性金属層２５と強磁性フリー層２８とからなる層構造であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子構造や、反強磁性層２１と強磁性固定層２６とトンネル接合可能な絶縁層１２と強磁性フリー層２８とからなる層構造であるトンネル磁気抵抗効果素子構造に用いることができる。さらに、本発明のスピン注入磁気装置に用いるＭＴＪ素子あるいはトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性層に用いることができる。
【実施例１】
【００５７】
次に、実施例１について説明する。実施例１は、図４に示すスピン注入デバイス１４の構造に相当するものである。
マグネトロンスパッタ法を用いて、熱酸化Ｓｉ基板上にＴａ（２ｎｍ）／Ｃｕ（２０ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10（５ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）を順にスパッタした。
ここで、熱酸化Ｓｉ基板上及びその最上層のＴａとＣｕからなる層は電極となる層である。ＩｒＭｎ層及びＣｏ90Ｆｅ10層は、それぞれ、反強磁性層２１及び強磁性固定層２６からなるスピン偏極部９である。Ｃｕは注入接合部７である。Ｃｏ合金のＣｏ90Ｆｅ10及びＲｕは非磁性層７のＣｕ上に配設した強磁性フリー層２７及び非磁性層２８である。
次に、この膜を電子ビームリソグラフィとＡｒイオンミリングを用いて微細加工し、図４に示すようなスピン注入デバイス１４を作製した。素子サイズは３００×１００ｎｍ2である。
【００５８】
図１２は室温における実施例１のスピン注入デバイス１４のスピン注入磁化反転を示す図である。図において、横軸は、強磁性フリー層２７から強磁性固定層２６への電流を正方向としたときのスピン注入デバイス電流（ｍＡ）を示し、縦軸はそのときの抵抗（Ω）を示している。最初に、スピン注入デバイス１４に外部磁界Ｈを印加して、反平行状態、すなわち高抵抗の初期状態とした。このときの外部磁界Ｈは、５０Ｏｅ（エルステッド）である（図１２のＡ参照）。
図から明らかなように、Ａに示す微小電流の高抵抗状態から、正の向きにＢで示す約５ｍＡまで電流を流していくと抵抗が急激に減少し、磁化反転していることが分かる。さらに、電流を２０ｍＡまで増加してもこの低抵抗状態が保持されていることが分かる（図１２のＢ〜Ｃ参照）。
次に、電流を減少し、さらに負の方向に印加すると、約−７．５ｍＡまでは低抵抗を保持する（図１２のＣ〜Ｄ参照）。それ以上の負電流を印加すると再び高抵抗状態になり、磁化反転することが分かる（図１２のＥ〜Ｆ参照）。この磁化反転に要する電流密度は、２．４×１０7Ａ／ｃｍ2であり、後述する比較例に比べ約１／１０となった。また、磁気抵抗（ＭＲ）は図示するように０．９７％であり、後述する比較例のスピン反転構造における磁気抵抗と同じ値が得られた。
これにより、実施例１のスピン注入デバイス１４においては、それに流す電流の向きを変えて、強磁性フリー層２７の磁化反転を発現させることで、その抵抗を変化させることができる。
【実施例２】
【００５９】
次に、実施例２について説明する。実施例２は、図６に示すスピン注入デバイス１６の構造に相当するものである。
マグネトロンスパッタ法を用いて、熱酸化Ｓｉ基板上にＴａ（２ｎｍ）／Ｃｕ（２０ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10（５ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10（５ｎｍ）／Ｃｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）を順にスパッタした。
ここで、熱酸化Ｓｉ基板上及びその最上層のＴａとＣｕからなる層は電極となる層である。ＩｒＭｎ層及びＣｏ90Ｆｅ10層は、それぞれ、反強磁性層２１と強磁性固定層２６とからなるスピン偏極部９である。Ｃｕは注入接合部７である。Ｃｏ合金のＣｏ90Ｆｅ10，Ｒｕ，Ｃｏ90Ｆｅ10は、それぞれ、非磁性層７のＣｕ上に配設した強磁性フリー層２７，非磁性層２８，強磁性層２９である。
【００６０】
実施例２のスピン注入デバイス１６が実施例１のスピン注入デバイス１４と異なるのは、Ｃｏ90Ｆｅ10２７上のＲｕ２８の膜厚を０．４５ｎｍから６ｎｍと厚くしたことと、強磁性層２９として膜厚５ｎｍのＣｏ90Ｆｅ10層２９を設けたことである。
次に、実施例１と同じ方法で、素子サイズが１００×１００ｎｍ2のスピン注入デバイス１６を作製した。
【００６１】
図１３は、室温における実施例２のスピン注入デバイス１６のスピン注入磁化反転を示す図である。図において、横軸は、強磁性フリー層２７から強磁性固定層２６への電流を正方向としたときのスピン注入デバイス電流（ｍＡ）を示し、縦軸はそのときの抵抗（Ω）を示している。高抵抗の初期状態とするために印加した外部磁界Ｈは、１５０Ｏｅである。
図から明らかなように、実施例２のスピン注入デバイス１６は、実施例１のスピン注入デバイス１４と同様に電流が±約０．２ｍＡで抵抗が変化し、磁化反転が発現することが分かる。この磁化反転に要する電流密度は１×１０6Ａ／ｃｍ2となった。この値は、実施例１の約１／２４となり、後述する比較例の約１／２００である。また、磁気抵抗は約１％であり、後述する比較例の磁気抵抗（ＭＲ）と同じ値が得られた。このように、非磁性層２８であるＲｕの膜厚を６ｎｍとすることにより、磁化反転に要する電流密度を低くすることができた。
【実施例３】
【００６２】
次に、実施例３について説明する。実施例３は、図８に相当する構造に対するものである。
マグネトロンスパッタ法を用いて、熱酸化Ｓｉ基板上にＣｕ（１００ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10（３ｎｍ）をまず作製した。次にこの膜の上に厚さ３ｎｍのＳｉＯ2をスパッタし、さらにその上にＣｏ90Ｆｅ10（１ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１．５ｎｍ）／ＳｉＯ2（３ｎｍ）をスパッタした。次に、上部磁性層として、Ｃｏ90Ｆｅ10（１０ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）を成膜した。
【００６３】
この膜の断面を透過型電子顕微鏡を用いて調べた結果、Ｃｏ90Ｆｅ10（１ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１．５ｎｍ）はＳｉＯ2中に一層だけ層状に分散した粒子状をしており、ＳｉＯ2を絶縁マトリックスとする二重トンネル構造であることがわかった。この構造に対して、上下のＣｕとＴａ膜間に電圧を印加して電流を流し、そのときの抵抗を電流を変化させて室温で測定した結果、約０．１ｍＡで抵抗の飛びを観測した。これはＣｏ90Ｆｅ10（１ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１．５ｎｍ）ＳｙＡＦの磁化反転に伴うＴＭＲの発現によるものであり、スピン注入によって磁化反転したことを意味している。
【００６４】
（比較例）
次に、比較例について説明する。
比較例は、図１５に示す従来のスピン反転法に用いる三層構造の第１の強磁性層６１上にさらに反強磁性層を設けた構造である。すなわち、実施例１のスピン注入デバイス１４においてＲｕ層のない構造として、熱酸化Ｓｉ基板上にＴａ（２ｎｍ）／Ｃｕ（２０ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10（５ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10（２．５ｎｍ）／Ｃｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）を順にスパッタした。次に、実施例１と同じ方法で、素子サイズを３００×１００ｎｍ2とした。
【００６５】
図１４は、室温における比較例の（ａ）磁気抵抗曲線と、（ｂ）スピン注入磁化反転を示す図である。図１４（ａ）において、横軸は印加する磁界（Ｏｅ）であり、縦軸は抵抗（Ω）である。素子電流は１ｍＡである。磁気抵抗は、外部磁界が０（図１４（ａ）のＧ参照）からスイープして測定した。
図１４（ａ）から明らかなように、比較例の磁気抵抗（ＭＲ）は１．１％と、従来報告された値と同じ値であることが分かる。また、図１４（ｂ）において、横軸は、第２の強磁性層６３から第１の強磁性層６１へ電流を流した場合を正方向とした電流（ｍＡ）を示し、縦軸はそのときの抵抗（Ω）を示している。図１４（ｂ）から明らかなように、電流がほぼ０から矢印の方向に電流を正から負にすることで、実施例１と同様に磁化反転が発現した（図１４（ｂ）のＫ〜Ｌ参照）。磁気抵抗は０．９８％で、磁化反転に要する電流密度は２．４×１０8Ａ／ｃｍ2であった。
【００６６】
次に、実施例及び比較例の比較について説明する。
実施例においては、磁化反転に要する電流密度が、比較例よりも低下した。特に、実施例２のようにＲｕ層２８の膜厚を２〜２０ｎｍの範囲内とすれば、磁化反転に要する電流密度が１×１０6Ａ／ｃｍ2となり、従来例の１／１０の値に低減化できることが分かった。
【００６７】
本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範
囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもな
い。
【符号の説明】
【００６８】
１：スピン注入部
２：非磁性層
３：ＳｙＡＦ
４：第１の磁性層
６：第２の磁性層
７：注入接合部
９：スピン偏極部
１０，１４，１６：スピン注入デバイス
１２：非磁性絶縁層
１７，３７：多数スピン電子
１８，１８’，３８：トルク
１９：ＣｏまたはＣｏ合金とＲｕの界面において反射された多数スピン電子
２１：反強磁性層
２３：強磁性層
２５：非磁性金属層
２７：強磁性自由層
２８：強磁性自由層上に設ける非磁性層
２９：非磁性層上に設ける強磁性層
３０：スピン注入磁気装置
３１：固定層
３２：強磁性層
３３：絶縁層
３６：ＭＴＪ素子
３９：少数スピン電子
４１，４５：磁性薄膜
４２：基板
４３：Ｃｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ薄膜
４４：バッファー層
【図１】
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【図２】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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