(57)【要約】【課題】ＭｇＯを障壁層として磁化反転電流を低減したＴＭＲ素子構造を備える光変調素子を提供する。【解決手段】光変調素子５は、磁化固定層１１、ＭｇＯからなる障壁層１２、磁化自由層１３を積層してなるＴＭＲ素子構造１と、その上下に接続した上部電極３、下部電極２を備える。下部電極２は、非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金からなる。また、磁化固定層１１はＧｄＦｅからなる、あるいはＴｂＦｅＣｏ層にＣｏＦｅＢ層を積層してなる。このようなＧｄＦｅからなる磁化固定層１１、またはＣｏＦｅＢ層の上に、障壁層１２としてＭｇＯ膜が形成されるため、ＭｇＯ膜が強い（００１）面配向を示し、また下部電極２が非晶質であるのでＭｇＯ膜の（００１）面配向を妨げず、ＴＭＲ素子構造１の磁化反転電流を低減できる。【選択図】図１
2014110356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直磁気異方性を有する磁化固定層、ＭｇＯからなる障壁層、および垂直磁気異方性を有する磁化自由層を積層してなるトンネル磁気抵抗素子構造と、このトンネル磁気抵抗素子構造の下に接続した電極と、を備えるスピン注入磁化反転素子であって、
前記電極は、組成がＣｕ1-xＣｒx（０．０７＜ｘ＜０．４２）である非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金からなり、
前記磁化固定層は、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層およびＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる層を積層して備え、
前記障壁層は、前記磁化固定層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる層に積層されていることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
【請求項２】
垂直磁気異方性を有する磁化固定層、ＭｇＯからなる障壁層、および垂直磁気異方性を有する磁化自由層を積層してなるトンネル磁気抵抗素子構造と、このトンネル磁気抵抗素子構造の下に接続した電極と、を備えるスピン注入磁化反転素子であって、
前記電極は、組成がＣｕ1-xＣｒx（０．０７＜ｘ＜０．４２）である非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金からなり、
前記磁化固定層は、Ｇｄ−Ｆｅからなる層を備え、
前記障壁層は、前記磁化固定層のＧｄ−Ｆｅからなる層に積層されていることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
【請求項３】
垂直磁気異方性を有する磁化自由層、ＭｇＯからなる障壁層、および垂直磁気異方性を有する磁化固定層を積層してなるトンネル磁気抵抗素子構造と、このトンネル磁気抵抗素子構造の下に接続した電極と、を備えるスピン注入磁化反転素子であって、
前記電極は、組成がＣｕ1-xＣｒx（０．０７＜ｘ＜０．４２）である非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金からなり、
前記磁化自由層は、Ｇｄ−Ｆｅからなる層を備え、
前記障壁層は、前記磁化自由層のＧｄ−Ｆｅからなる層に積層されていることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
【請求項４】
前記電極にＴａ膜を積層して備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のスピン注入磁化反転素子。
【請求項５】
入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調素子であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のスピン注入磁化反転素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光を磁気光学効果により光の位相や振幅等を空間的に変調して出射する空間光変調器に用いる光変調素子に好適なスピン注入磁化反転素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピン注入磁化反転素子は、２層以上の磁性体膜（磁性膜）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により一部の磁性膜の磁化方向が１８０°回転（反転）し、磁化方向が変化しない別の磁性膜と同じ方向または反対方向になる。このスピン注入磁化反転素子は、磁性膜同士の磁化が同じ方向の状態と異なる方向の状態とで上下の電極間の抵抗が変化するため、磁気抵抗効果素子として１ビットのデータの書込み／読出しを行うことができる。すなわち、スピン注入磁化反転素子は、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）を構成することができる。スピン注入磁化反転素子は、その寸法が極めて小さい上、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およびスピン注入磁化反転素子の研究・開発が進められている。
【０００３】
スピン注入磁化反転素子としては、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）素子が知られているが、磁気抵抗効果素子として、より磁気抵抗比の高いＴＭＲ素子について特に研究されている。また、近年では、ＭＲＡＭのさらなる大容量化および省電力化のために、膜面に垂直方向の磁化を示す（垂直磁気異方性を有する）磁性体材料がスピン注入磁化反転素子に適用されている。垂直磁気異方性を有するスピン注入磁化反転素子は、いっそうの微細化が可能で、かつ磁化反転に要する電流（反転電流）を低減することができる。ＴＭＲ素子は、２枚の磁性膜の間に、トンネル障壁または障壁層と呼ばれる極めて薄い絶縁体膜を挟んだ構造である。障壁層の材料としては、磁化反転に要する電流をいっそう低減できる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が好適とされている。
【０００４】
また、スピン注入磁化反転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スピン注入磁化反転素子は、磁性膜で反射または透過した光の偏光の向きが変化する（旋光する）磁気光学効果により、磁性膜の磁化方向を反転させて光の偏光の向きを２値に変化させるものである。空間光変調器においても、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、ＭＲＡＭと同様に研究・開発が進められている（例えば、特許文献１，２参照）。光変調素子として使用するスピン注入磁化反転素子は、偏光の向きの変化が大きい（光変調度が大きい）ことが望ましい。そのため、光変調素子においても、垂直磁気異方性のスピン注入磁化反転素子を用いて、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（例えば、非特許文献１、特許文献２参照）。また、高精細化するべく画素数を増大しても好適に駆動し、かつ省電力化のために反転電流を低減できる材料が要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−８３６８６号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５２２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K. Aoshima et. al, “Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light”, Appl. Phys. Lett. 91, 052507 (2007)
【非特許文献２】S. S. P. Parkin, C. Kaiser, A. Panchula, P. M. Rice, B. Hughes, M. Samant, S. H. Yang, “Giant tunnelling magnetoresistance at room temperature with MgO (100) tunnel barriers”, Nature Materials, vol.3, p.862, Dec. 2004
【非特許文献３】Shinji Yuasa, Taro Nagahama, Akio Fukushima, Yoshishige Suzuki, Koji Ando, “Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions”, Nature Materials, vol.3, p.868, Dec. 2004.
【非特許文献４】M. Nakayama, T. Kai, N. Shimomura, M. Amano, E. Kitagawa, T. Nagase, M. Yoshikawa, T. Kishi, S. Ikegawa, H. Yoda, “Spin transfer switching in TbCoFe/CoFeB/MgO/CoFeB/TbCoFe magnetic tunnel junctions with perpendicular magnetic anisotropy”, J. Appl. Phys. 103, 07A710 (2008).
【非特許文献５】久保田均，他，“ＭｇＯバリアを用いたＭＴＪにおけるスピン注入磁化反転”，日本応用磁気学会研究会資料１４５巻, p.43-48, 2006.01.30
【非特許文献６】D. D. Djayaprawira, et. al, “230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions”, Appl. Phys. Lett. 86, 092502 (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
障壁層としてＭｇＯを適用したＴＭＲ素子においては、この障壁層を挟む２枚の磁性膜の少なくとも一方について、当該障壁層との界面に（００１）面配向のＦｅやＣｏＦｅからなる薄膜を設けることで、スピン注入効率が飛躍的に向上し、反転電流が低減することが知られている（非特許文献２〜５）。これは、障壁層としてのＭｇＯが、結晶を（００１）面配向として原子が規則正しく配列され、このことにより電子が散乱せずに注入されるためである（非特許文献２〜４）。
【０００８】
ところが、ＭｇＯ膜の結晶構造は、下地に大きく依存する傾向がある。例えば、ＭｇＯ膜を、多結晶のＣｏＦｅ膜の上よりも非晶質のＣｏＦｅＢ膜の上に設けた方が、（００１）面配向を示すことが知られている（非特許文献６）。
【０００９】
さらに、ＴＭＲ素子等のスピン注入磁化反転素子は、膜面に垂直方向に電流を流すために、通常、一対の電極を上下に接続されている。この電極には、一般的な金属電極材料のＣｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ等が用いられている。これらの金属電極材料は、面心立方格子（ｆｃｃ）構造の（１１１）面構造をとり易く、このような結晶構造の電極の上にＭｇＯ膜を形成すると、間にＴＭＲ素子の磁性膜、前記のＣｏＦｅ等の薄膜、さらにＴＭＲ素子の下地として設けたＴａ等の薄膜を介しても、ＭｇＯ膜が（００１）面構造になり難いという問題がある。
【００１０】
また、前記のＣｏＦｅやＣｏＦｅＢは、磁性体としてスピン注入磁化反転素子に適用することができるものの、これらの材料は面内磁気異方性を有するものであり、垂直磁気異方性のスピン注入磁化反転素子にならないという問題がある。
【００１１】
また、ＴＭＲ素子全般において、障壁層とこれを挟む２枚の磁性膜のそれぞれとの界面の平坦性が良好であることが、磁気トンネル接合のために好ましい。しかし、ＴＭＲ素子の下に接続される電極を、例えばＣｕの単層膜として５０ｎｍ以上の膜厚にスパッタリング法で成膜した場合、その表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａは通常１ｎｍを超えるため、その上に形成される磁性膜等も表面形状が保持されて同程度の表面粗さとなって、障壁層と磁性膜との界面の平坦性が十分に得られ難いという問題がある。
【００１２】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、反転電流を低減できて空間光変調器の光変調素子に好適な垂直磁気異方性のＴＭＲ素子を提供することを目的として、ＴＭＲ素子の障壁層とするＭｇＯを（００１）面配向として、さらにこの障壁層と磁性膜との界面の平坦性を向上させることが課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するために、下地が非晶質であればＭｇＯ膜が強い（００１）面配向を示すことから、本発明者らは、非晶質の電極材料、特に光変調素子の下部電極として光反射性の高い金属電極材料について、鋭意研究した。さらに、本発明者らは、ＭｇＯ膜の下地となる磁性材料について、ＭｇＯ膜が（００１）面配向を示し、かつ垂直磁気異方性を有する材料について、鋭意研究した。
【００１４】
すなわち、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、垂直磁気異方性を有する磁化固定層、ＭｇＯからなる障壁層、および垂直磁気異方性を有する磁化自由層を積層してなるトンネル磁気抵抗素子構造と、このトンネル磁気抵抗素子構造の下に接続した電極とを備え、前記電極は、組成がＣｕ1-xＣｒx（０．０７＜ｘ＜０．４２）である非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金からなる。そして、前記磁化固定層は、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層およびＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる層を積層して備え、前記障壁層は、前記磁化固定層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる層に積層されていることを特徴とする。
【００１５】
かかる構成により、ＭｇＯ膜が、非晶質合金からなる電極の上に形成されるために界面の平坦性がよく、さらに磁化固定層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる層に積層されるために強い（００１）面配向に容易に形成され、また、磁化固定層がＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備えるために垂直磁気異方性を示す。
【００１６】
また、本発明に係る別のスピン注入磁化反転素子は、前記トンネル磁気抵抗効果素子構造の磁化固定層がＧｄ−Ｆｅからなる層を備え、前記障壁層が、前記磁化固定層のＧｄ−Ｆｅからなる層に積層されていることを特徴とする。
【００１７】
あるいは、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、前記トンネル磁気抵抗効果素子構造が、垂直磁気異方性を有する磁化自由層、ＭｇＯからなる障壁層、および垂直磁気異方性を有する磁化固定層を積層してもよい。このような構造の場合は、磁化固定層に代えて磁化自由層がＧｄ−Ｆｅからなる層を備え、前記障壁層が、前記磁化自由層のＧｄ−Ｆｅからなる層に積層されていることを特徴とする。
【００１８】
かかる構成により、ＭｇＯ膜が、非晶質合金からなる電極、および磁化固定層または磁化自由層のＧｄ−Ｆｅからなる層に積層されるため、強い（００１）面配向に容易に形成され、Ｇｄ−Ｆｅにより垂直磁気異方性のスピン注入磁化反転素子とすることができる。
【００１９】
さらに、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、前記電極にＴａ膜を積層して備えることが好ましい。かかる構成により、ＭｇＯ膜は、いっそう強い（００１）面配向に形成できる。
【００２０】
また、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調素子であることを特徴とする。かかる構成により、上方から光を入射することで下に接続された電極で光を反射する光変調素子とすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係るスピン注入磁化反転素子によれば、強い（００１）面配向を示すＭｇＯ膜を障壁層に備えることにより、低電流で磁化反転可能なトンネル磁気抵抗効果素子構造となり、かつ垂直磁気異方性を有するため、光変調素子として、磁気光学効果が高く、高精細化しても省電力化された反射型の空間光変調器とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子からなる光変調素子の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るスピン注入磁化反転素子の動作を説明する模式図であり、（ａ）、（ｂ）はスピン注入磁化反転を、（ｃ）、（ｄ）は光変調素子および磁気抵抗効果素子としての動作を説明する断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子からなる光変調素子の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子からなる光変調素子の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子からなる磁気抵抗効果素子を備えるメモリセルの構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第４実施形態およびその変形例に係るスピン注入磁化反転素子からなる磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図であり、（ａ）は第４実施形態、（ｂ）は第４実施形態の変形例である。
【図７】本発明の実施形態に係るスピン注入磁化反転素子の動作を説明する模式図であり、（ａ）、（ｂ）はスピン注入磁化反転を、（ｃ）、（ｄ）は磁気抵抗効果素子としての動作を説明する断面図である。
【図８】本発明の第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子からなる光変調素子の構成を示す断面図である。
【図９】本発明の第５実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子からなる光変調素子の構成を示す断面図である。
【図１０】実施例のスピン注入磁化反転素子のトンネル磁気抵抗素子構造を模擬したサンプルのＸ線回折パターンであり、（ａ）は第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、（ｂ）は第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子である。
【図１１】実施例のスピン注入磁化反転素子を模擬したサンプルのＸ線回折パターンであり、（ａ）は第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、（ｂ）は第１実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子、（ｃ）は比較例のスピン注入磁化反転素子、（ｄ）は従来のスピン注入磁化反転素子である。
【図１２】実施例のスピン注入磁化反転素子のサンプルのカー回転角の磁場依存性で表した磁化曲線であり、（ａ）は第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、（ｂ）は第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、（ｃ）は比較例のスピン注入磁化反転素子である。
【図１３】実施例のスピン注入磁化反転素子の下部電極を模擬したサンプルのＸ線回折パターンであり、（ａ）〜（ｅ）はＣｕ−Ｃｒ合金の組成を変化させた第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係るスピン注入磁化反転素子を実現するための形態について、図を参照して説明する。
本発明の一実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、空間光変調器の画素（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）を構成する光変調素子であり、上方から入射した光を異なる２値の光（偏光成分）に変調し、下に接続した電極で反射させて上方へ出射する。
【００２４】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る光変調素子（スピン注入磁化反転素子）５は、図１に示すように、下部電極（電極）２、磁化固定層１１、障壁層１２、磁化自由層１３、保護膜１６、上部電極３の順に積層された構成である。光変調素子５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自由層１３を、絶縁体であるＭｇＯからなる障壁層１２を挟んで積層してなるＴＭＲ素子構造（トンネル磁気抵抗素子構造）１を備える。そして、光変調素子５は、ＴＭＲ素子構造１に、下部電極２と上部電極３と（以下、適宜、電極２，３）を一対の電極として、膜面に垂直に双方向に（上下方向に）電流を供給される。光変調素子５はさらに、必要に応じて、ＴＭＲ素子構造１（磁化自由層１３）の上に、光変調素子５の製造工程におけるダメージからＴＭＲ素子構造１の各層を保護するために保護膜１６が設けられる。光変調素子５はさらに、ＴＭＲ素子構造１の下に、下部電極２への密着性を得るために、金属薄膜からなる下地膜を備えてもよい（図示せず）。
【００２５】
光変調素子５は、空間光変調器の画素とするため、基板７上に、膜面方向において２次元アレイ状に配列されて、一対の電極２，３の一方を行方向に、他方を列方向にそれぞれ延設して共有される（図示省略）。そのため、光変調素子５，５間に、具体的にはＴＭＲ素子構造１，１間、電極２，３間、下部電極２，２間および上部電極３，３間（配線間）のそれぞれに、絶縁層６が充填される。ＴＭＲ素子構造１は、平面視が例えば矩形であり（図示省略）、好適に磁化反転するためには、３００ｎｍ×４００ｎｍ相当の面積以下とすることが好ましく、一方、光変調のために、一辺の長さを少なくとも入射光の回折限界（波長の１／２程度）以上とする。ＴＭＲ素子構造１を構成する各層１１，１２，１３および保護膜１６は、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基板７に積層され、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。
【００２６】
（磁化反転動作）
ここで、光変調素子５におけるＴＭＲ素子構造１の磁化反転の動作を、図２（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。なお、図２において保護膜１６は図示を省略する。スピン注入磁化反転素子であるＴＭＲ素子構造１は、磁化自由層１３が逆方向のスピンを持つ電子を注入されることにより、その磁化方向が反転（スピン注入磁化反転、以下、適宜磁化反転という）する。具体的には、図２（ａ）に示すように、上部電極３を「＋」、下部電極２を「−」にして、ＴＭＲ素子構造１に、磁化自由層１３側から磁化固定層１１へ電流ＩWを供給して、磁化固定層１１側から電子を注入する。すると、磁化を上向きに固定された磁化固定層１１により当該磁化固定層１１の磁化と逆方向の下向きのスピンを持つ電子ｄDが弁別されて、磁化自由層１３は上向きのスピンを持つ電子ｄUが偏って注入されて、磁化が上向きに反転する。反対に、図２（ｂ）に示すように、上部電極３を「−」、下部電極２を「＋」にして、ＴＭＲ素子構造１に、磁化固定層１１側から磁化自由層１３へ電流ＩWを供給して、磁化自由層１３側から電子を注入する。すると、下向きのスピンを持つ電子ｄDが磁化固定層１１により弁別されて磁化自由層１３に留まるため、磁化自由層１３の磁化は下向きに反転する。
【００２７】
このように、ＴＭＲ素子構造１は、上下面に接続した一対の電極３，２で膜面垂直方向に電流を供給されることで、磁化自由層１３の磁化方向が磁化固定層１１と同じ方向（平行）または１８０°異なる方向（反平行）になる。なお、ＴＭＲ素子構造１の障壁層１２は、絶縁体であるが、数ｎｍ以下と極めて薄いため、微小な電流（トンネル電流）が流れる。さらに、障壁層１２が（００１）面配向を示すＭｇＯであることで、スピン注入効率が向上する。また、ＴＭＲ素子構造１において、磁化自由層１３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（ＩW）が供給されるまでは、当該磁化自由層１３の保磁力により磁化が保持される（図２（ｃ）、（ｄ）参照）。そのため、ＴＭＲ素子構造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（直流パルス電流）を用いることができる。以下、光変調素子５を構成する要素について詳しく説明する。
【００２８】
（ＴＭＲ素子構造）
本実施形態に係る光変調素子５のＴＭＲ素子構造１において、磁化固定層１１は、非晶質で垂直磁気異方性を有する磁性材料である遷移金属（ＴＭ）と希土類金属（ＲＥ）との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）の一種であるＧｄ−Ｆｅ合金で形成される。磁化固定層１１は、後記する下部電極２と共にＭｇＯからなる障壁層１２の下層に設けられ、さらに直接の下地となるため、非晶質材料であるＧｄ−Ｆｅ合金で形成されることで、後記するように、ＭｇＯを強い（００１）面配向の結晶とすることができる。また、磁化固定層１１は、磁化が固定されているために、磁化自由層１３よりも保磁力が大きくなるように、Ｇｄ−Ｆｅ合金の組成や厚さが設定され、具体的には厚さが３〜５０ｎｍの範囲で、磁化自由層１３に応じて設定されることが好ましい。
【００２９】
本発明において非晶質とは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）による検出が困難なほど微細な結晶構造を持つ材料、すなわち微結晶構造体を指す。障壁層１２の下層に設けられる磁化固定層１１および下部電極２を非晶質とすることで、障壁層１２を形成するＭｇＯを強い（００１）面配向の結晶とすることができる。
【００３０】
障壁層１２は、（００１）面配向のＭｇＯで形成され、その厚さは０．１〜２ｎｍとすることが好ましい。障壁層１２は、このような結晶構造のＭｇＯとすることにより、ＴＭＲ素子構造１において電子が散乱せずに注入されるために、ＴＭＲ素子構造１の反転電流を低減させることができる。
【００３１】
磁化自由層１３は、垂直磁気異方性を有するＴＭＲ素子の磁化自由層として公知の磁性材料にて形成することができ、磁気光学効果の高い材料を適用することが好ましい。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｔ，Ｐｄ等の貴金属とを含む、例えば[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｄ]×ｎの多層膜、あるいは前記遷移金属とＮｄ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ等の希土類金属との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）が挙げられる。磁化自由層１３は、厚さを１〜２０ｎｍの範囲とすることが好ましく、さらに、磁化固定層１１よりも保磁力を小さくするために、保磁力の小さい磁性材料で形成したり、その厚さを磁化固定層１１よりも薄くすることが好ましい。磁化自由層１３は、例えば、磁化固定層１１と同様にＧｄ−Ｆｅ合金を適用する場合は、保磁力を小さくするために磁化固定層１１よりもＦｅの組成を多くすればよい。
【００３２】
ＴＭＲ素子構造１において、磁化自由層１３は、さらに障壁層１２との界面に遷移金属を含む磁性金属膜を備えてもよい（図示せず）。この磁性金属膜は、具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選択される少なくとも１種の遷移金属、またはこの遷移金属を含む合金、例えばＣｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ，Ｎｉ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉからなり、あるいはスピン分極率の特に高い（理論的に１の）ホイスラー合金等を用いることもできる。また、磁性金属膜は、厚さを０．１〜１ｎｍの範囲とすることが好ましい。磁化自由層１３が、障壁層１２との界面にこのような磁性金属膜を備えることで、当該界面でのスピン偏極率を高くして、障壁層１２を介して磁化自由層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、ＴＭＲ素子構造１の反転電流を低減することができる。特に、障壁層１２であるＭｇＯと同じ（００１）面配向であるＦｅ、（００１）面配向のＭｇＯ表面に成膜されることで（００１）面配向となるＣｏ、および成膜後に熱処理した場合に障壁層１２との界面から結晶化して（００１）面配向を示すようになるＣｏ−Ｆｅ−Ｂが好ましい。これらの材料からなる磁性金属膜はＭｇＯとの格子整合がよく、ＴＭＲ素子構造１は、コヒーレントなトンネル電流が流れることにより、いっそう反転電流を低減することができる。ただし、磁化自由層１３がＧｄ−Ｆｅ合金からなる場合は、磁性金属膜と組み合わされると垂直磁気異方性を示さない（面内磁気異方性になる）場合があるため、磁性金属膜を設けないことが好ましい。これは、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ等のＦｅによって、Ｇｄ−Ｆｅ合金におけるＦｅの反磁界成分の影響が強くなることによると考えられる。
【００３３】
保護膜１６は、光変調素子５の製造工程におけるダメージからＴＭＲ素子構造１の各層、特に最上層の磁化自由層１３を保護するために、ＴＭＲ素子構造１の上に設けられる。製造工程におけるダメージとは、例えばレジスト形成時の現像液の含浸等、また、特に最上層の磁化自由層１３が酸化し易いＲＥ−ＴＭ合金で形成される場合には酸化が挙げられる。保護膜１６は、Ｒｕ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ａｕ等の非磁性金属材料からなる単層膜、またはＣｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕ等の異なる金属材料からなる金属膜を２層以上積層した積層膜から構成される。保護膜１６の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）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自由層１３等を保護する効果がそれ以上には向上せず、その上、光変調素子５の上方からの入射光の透過光量を減衰させる。したがって、保護膜１６の厚さは１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００３４】
ＴＭＲ素子構造１（磁化固定層１１）の下に設けて下部電極２への密着性を付与する下地膜（図示せず）は、非磁性金属材料の中で、Ｒｕ，Ｔａを適用することが好ましい。これらの金属膜であれば、磁化固定層１１を挟んで設けられる障壁層１２とするＭｇＯの（００１）面配向を妨げない。下地膜の厚さは、保護膜１６と同様に、１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えて厚くしても、密着性がそれ以上には向上しないので、１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００３５】
（下部電極）
下部電極２は、非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金で形成されたＣｕＣｒ合金層２１からなる。下部電極２が非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金であることで、磁化固定層１１を挟んで上に形成される障壁層１２とするＭｇＯの（００１）面配向を妨げない。また、非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金はスパッタリング法で厚く成膜されても表面が粗くならない（算術平均粗さＲａ：数Å）ため、その上に形成されるＴＭＲ素子構造１において、障壁層１２と層１１，１３のそれぞれとの界面の平坦性が良好となり、磁気トンネル接合に好ましい。ＣｕＣｒ合金層２１は、非晶質とするために、組成がＣｕ1-xＣｒx（０．０７＜ｘ＜０．４２）である（Ｃｒの含有率が７ａｔ％超４２ａｔ％未満である）Ｃｕ−Ｃｒ合金からなる。Ｃｕ−Ｃｒ合金は、組成がこの範囲外では非晶質となり難く、特に、Ｃｒの含有率が７ａｔ％以下では、Ｃｕの結晶構造である（１１１）面構造を示す合金となり、間に設けられる磁化固定層１１が非晶質であっても、障壁層１２とするＭｇＯの（００１）面配向を妨げることになる。一方、Ｃｕ−Ｃｒ合金は、Ｃｒの含有率が４２ａｔ％以上では、Ｃｒの結晶構造である（１１０）面構造を示す合金となる。なお、非晶質とは前記した通り、微結晶構造体であり、さらに非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金とは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）による検出で、（１１１）面、（１１０）面の検出強度が、それぞれＣｕ単体、Ｃｒ単体よりも低い構造を指す。また、Ｃｒは、Ｃｕよりも抵抗が高い（Ｃｕの約９倍）ので、含有率が前記組成の範囲においてより少ないことが、下部電極２の抵抗を抑制するために好ましい。ＣｕＣｒ合金層２１は、その上に形成される障壁層１２とするＭｇＯを（００１）面配向とするために、厚さを１０ｎｍ以上とすることが好ましい。また、下部電極２は、ＣｕＣｒ合金層２１を形成するための下地としてＴａ膜を備えてもよい（図示せず）。
【００３６】
（上部電極）
上部電極３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。
【００３７】
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ＴＭＲ素子構造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３においては、ＴＭＲ素子構造１との間の下地として金属膜を積層することが好ましい（図示せず）。ＴＭＲ素子構造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３においても、上部電極３−ＴＭＲ素子構造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。
【００３８】
透明電極の下地を構成する金属膜としては、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、金属膜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、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。金属膜の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）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ので、１〜１０ｎｍが好ましい。
【００３９】
基板７は、光変調素子５を２次元配列するための土台であり、光変調素子５を製造するための広義の基板である。基板７は、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板やガラス等の公知の基板が適用できる。
【００４０】
絶縁層６は、２次元アレイ状に配列された光変調素子５，５間に、すなわちＴＭＲ素子構造１，１間、電極２，３間（層間）、下部電極２，２間および上部電極３，３間（配線間）を、それぞれ絶縁するために設けられる。絶縁層６は、例えばＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の酸化膜やＳｉ窒化物（Ｓｉ3Ｎ4）等の公知の絶縁材料を適用することができる。ただし、ＴＭＲ素子構造１が、Ｇｄ−Ｆｅ合金のような極めて酸化し易いＲＥ−ＴＭ合金からなる層を含むため、ＴＭＲ素子構造１に接触する部分（ＴＭＲ素子構造１，１間）に設けられる絶縁層６は、Ｓｉ窒化物やＭｇＦ2等のＯ（酸素）を含有しない非酸化物を適用することが好ましい。
【００４１】
（光変調素子の製造方法）
次に、光変調素子５の製造方法について、その一例を説明する。本実施形態に係る光変調素子は、前記したように、基板上に２次元アレイ状に配列された空間光変調器として製造される。
【００４２】
まず、下部電極２を形成する。基板７の表面に、スパッタリング法等で所望の組成のＣｕ−Ｃｒ合金を成膜して、ストライプ状の下部電極２を形成する。そして、下部電極２，２間にＳｉＯ2等の絶縁膜（絶縁層６となる）を堆積させる。
【００４３】
次に、ＴＭＲ素子構造１を形成する。下部電極２（および絶縁層６）の上に、磁化固定層１１、障壁層１２、磁化自由層１３、保護膜１６の各材料を連続して成膜し、これらの層を電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法等により前記平面視形状に成形加工して、ＴＭＲ素子構造１とする。前記成形加工においてマスクとしたレジストを残した状態で、絶縁膜を成膜して、ＴＭＲ素子構造１，１間に堆積させ、レジストをその上の絶縁膜ごと除去して（リフトオフ）絶縁層６とする。
【００４４】
次に、上部電極３を形成する。ＴＭＲ素子構造１および絶縁層６の上に、下地としての金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、下部電極２と直交するストライプ状に形成して上部電極３とする。最後に、上部電極３，３間に絶縁膜を堆積して絶縁層６とし、光変調素子５とする。
【００４５】
空間光変調器におけるすべての画素の光変調素子５は、磁化固定層１１の磁化が同じ向きに固定されている必要がある。磁化固定層１１は電流供給では磁化反転しないので、外部から磁化固定層１１の保磁力よりも大きな磁界を印加して、磁化固定層１１の磁化方向を、例えば上向きに（図２参照）揃える初期設定を行う。この初期設定は、完成した、すなわち製造後の光変調素子５（空間光変調器）に限られず、製造工程途中において磁化固定層１１用の磁性材料を成膜した後以降であれば、どの段階であっても実施することができる。
【００４６】
（光変調素子の動作）
本実施形態に係る光変調素子の動作を、図２（ｃ）、（ｄ）を参照して説明する。上方から光変調素子５に入射した光は、上部電極３を透過してＴＭＲ素子構造１に到達し、下部電極２により反射し、再び上部電極３を透過して上方へ出射する。その際、磁性体である磁化自由層１３の磁気光学効果により、光はその偏光面が回転（旋光）して出射する。さらに、磁性体の磁化方向が１８０°異なると、当該磁性体の磁気光学効果による旋光の向きは反転する。したがって、図２（ｃ）、（ｄ）にそれぞれ示す、磁化自由層１３の磁化方向が互いに１８０°異なる光変調素子５（ＴＭＲ素子構造１）における旋光角は−θk，＋θkで、互いに逆方向に偏光面が回転する。光変調素子５のＴＭＲ素子構造１の磁化反転動作は、図２（ａ）、（ｂ）を参照して説明した通りである。したがって、光変調素子５は、その出射光の偏光の向きを、電流ＩWの向き（正負）を入れ替えて供給することで変化させる。なお、旋光角−θk，＋θkは、磁化自由層１３での１回の反射による旋光（カー回転）に限られず、例えば光変調素子５における多重反射により累積された角度も含める。
【００４７】
光変調素子５は、画素として２次元配列して、公知の反射型の空間光変調器（例えば、特許文献２参照）と同様に動作させることができる。光変調素子５への入射光は、例えばレーザー光源から偏光子を透過させた特定の１つの偏光成分の光であり、出射光は別の偏光子で、前記入射光に対して−θk，＋θkの一方に旋光した光を遮光して、他方に旋光した光を取り出すことができる（図示省略）。
【００４８】
図２（ｃ）、（ｄ）においては、入射光と出射光の経路を識別し易くするために、入射光の入射角を傾斜させて示しているが、磁化自由層１３の極カー効果でカー回転角を大きくするために、膜面により垂直に入射、すなわち入射角を０°に近付けることが好ましく、具体的には入射角を３０°以内にすることが好ましい。最も好ましくは、膜面に垂直に入射、すなわち入射角を０°とすることであり、この場合は入射光と出射光の経路が一致するため、光変調素子５の上（入射光用の偏光子との間）にハーフミラーを配置して、出射光のみを側方へ反射させてもよく、反射させた先に出射光用の偏光子を配置する。
【００４９】
（変形例）
本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、非晶質合金からなる下部電極に、さらにＴａ膜を積層することで、障壁層とするＭｇＯをいっそう強い（００１）面配向とすることができる。以下、第１実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子について説明する。第１実施形態（図１参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００５０】
第１実施形態の変形例に係る光変調素子（スピン注入磁化反転素子）５は、ＴＭＲ素子構造１の下に接続した下部電極（電極）２以外は、第１実施形態と同じ構造である。図３（ａ）に示すように、下部電極２Ｂは、第１実施形態の下部電極２（ＣｕＣｒ合金層２１）に、Ｔａ膜２２、Ｒｕ膜２３をさらに積層してなる。Ｔａは、体心立方格子（ｂｃｃ）構造の（１１０）面構造をとり易く、その上に、非晶質の磁性膜等を介して成膜されるＭｇＯを、いっそう強い（００１）面配向とすることができる。ただし、Ｔａは酸化し易いため、Ｔａ膜２２の保護膜としてＲｕ膜２３が設けられる。Ｔａ膜２２は、前記効果を十分に得るために、厚さ１ｎｍ以上とすることが好ましく、一方、厚くなり過ぎると却ってこの効果が低下するため、厚さ５０ｎｍ以下とすることが好ましい。Ｒｕ膜２３は、連続した膜を形成するように、厚さ２ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００５１】
また、前記したように、ＴＭＲ素子構造１の下地膜として、Ｔａを適用することができる。この場合は、下部電極２（ＣｕＣｒ合金層２１）の上に直接に下地膜（Ｔａ膜）を形成することで、下部電極２Ｂと同様の効果が得られ、さらに下地膜（Ｔａ膜）と連続してＴＭＲ素子構造１の各層が成膜されるので、Ｒｕ膜を積層しなくてよい。
【００５２】
ここで、下部電極２，２Ｂは、要求される配線抵抗等に応じて厚さを設定することができる。しかし、非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金で形成されたＣｕＣｒ合金層２１は、一般的なＣｕ電極と比較して、Ｃｕ（抵抗：１．６７μΩ・ｃｍ）よりも抵抗の高いＣｒ（抵抗：１２．９μΩ・ｃｍ）との合金であり、さらに非晶質であることから、抵抗が約１０倍に高くなる場合がある。また、Ｔａ（抵抗：１２．５μΩ・ｃｍ）も抵抗が高いため、Ｔａ膜２２が積層された下部電極２Ｂも抵抗がＣｕ電極よりも高くなる。したがって、配線抵抗を低減するためには、下部電極２，２Ｂ（ＣｕＣｒ合金層２１、Ｔａ膜２２）が厚く形成されてもよいが、ＣｕＣｒ合金層２１の下に低抵抗の材料からなる層を設ける方が、全体の厚さが抑えられて好ましい。
【００５３】
例えば下層に（１１１）面構造のＣｕの層が存在しても、その上に十分な厚さの非晶質のＣｕＣｒ合金層２１が設けられていることにより、さらにその上に設けられるＭｇＯを（００１）面配向とすることができる。すなわち図３（ｂ）に示すように、ＣｕＣｒ合金層２１が、一般的な電極材料として用いられる低抵抗のＣｕ（純Ｃｕ、または結晶性のＣｕ合金）を有する層（Ｃｕ層）２４に積層されていてもよい。図３（ｂ）に示す下部電極２Ｃは、下部電極２Ｂ（図３（ａ）参照）と同様に、ＣｕＣｒ合金層２１の上に、Ｔａ膜２２、Ｒｕ膜２３をさらに積層してなるが、Ｃｕ層２４とＣｕＣｒ合金層２１との２層構造の下部電極２Ａ（図４参照）でもよい。なお、Ｃｕを単層で５０ｎｍ以上の膜厚にスパッタリング法で成膜すると表面が粗くなって（算術平均粗さＲａ：１ｎｍ超）、その上に形成されるＣｕＣｒ合金層２１等も表面形状が保持されるため、ＴＭＲ素子構造１において障壁層１２と層１１，１３との各界面の平坦性が低下し、磁気トンネル接合に好ましくない。したがって、下部電極２Ａ，２Ｃは、Ｃｕ層２４において、Ｃｕ単層は厚さ１５ｎｍ程度として、例えば厚さ３ｎｍ程度のＴａ膜を挟んで積層を繰り返して必要な総厚としたＣｕ／Ｔａ多層膜とすることがさらに好ましい。
【００５４】
以上のように、本発明の第１実施形態およびその変形例に係る光変調素子は、スピン注入効率の優れたＴＭＲ素子構造により、小さな電流密度で磁化反転させることできるため、高精細な空間光変調器としても省電力化され、また垂直磁気異方性を有するＴＭＲ素子構造により、極カー効果で光変調度が大きくすることができるため、コントラストのよい空間光変調器となる。
【００５５】
［第２実施形態］
本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、より保磁力の大きく強い垂直磁気異方性を有する、磁化固定層に好適なＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏを適用したＴＭＲ素子構造を備えることもできる。ただし、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏは、ＭｇＯを十分に強い（００１）面配向とすることができないため、次のような構成とする。以下、第２実施形態に係る光変調素子について説明する。第１実施形態およびその変形例（図１〜３参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００５６】
図４に示すように、第２実施形態に係る光変調素子５ＡのＴＭＲ素子構造１Ａは、磁化固定層１１ＡがＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層（ＴｂＦｅＣｏ層）１１ａを備え、さらにその上にＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる層（ＣｏＦｅＢ層）１１ｂを積層して備える。すなわち、ＴＭＲ素子構造１Ａの磁化固定層１１Ａは、２層の積層構造からなり、ＴｂＦｅＣｏ層１１ａにより、大きな保磁力と強い垂直磁気異方性を有し、障壁層１２の下地としてＣｏＦｅＢ層１１ｂを積層することで、その表面に形成されるＭｇＯ（障壁層１２）を強い（００１）面配向の結晶とすることができる。
【００５７】
ＴｂＦｅＣｏ層１１ａは、Ｇｄ−Ｆｅと同じく非晶質であるＲＥ−ＴＭ合金の一種のＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなるため、障壁層１２とするＭｇＯの（００１）面配向を妨げない。ＴｂＦｅＣｏ層１１ａは、垂直磁気異方性のスピン注入磁化反転素子の磁化固定層として適用されるものと同様の組成、厚さとすることができ、第１実施形態の磁化固定層１１と同様に厚さを３〜５０ｎｍの範囲とすることが好ましい。
【００５８】
ＣｏＦｅＢ層１１ｂは、その表面に形成されるＭｇＯを強い（００１）面配向の結晶とするために、障壁層１２の下地として設けられる。また、ＣｏＦｅＢ層１１ｂは、その成膜時（ＴＭＲ素子構造１Ａの製造時）においてＴｂＦｅＣｏ層１１ａと同じく非晶質であるが、前記したように、熱処理した場合には、障壁層１２との界面から結晶化して（００１）面配向のＭｇＯと格子整合のよいｂｃｃ構造になる。ＴＭＲ素子構造１Ａは、磁化固定層１１Ａが障壁層１２との界面にこのようなＣｏＦｅＢ層１１ｂを備えることで、当該界面でのスピン偏極率を高くして、障壁層１２を介して磁化自由層１３へ注入するスピンによるスピントルクが増大するため、またコヒーレントなトンネル電流が流れるために、反転電流を低減することができる。なお、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ自体は面内磁気異方性を有するが、ＣｏＦｅＢ層１１ｂは強い垂直磁気異方性を有するＴｂＦｅＣｏ層１１ａに積層されることで、磁化固定層１１Ａが全体で垂直磁気異方性を示す。ＣｏＦｅＢ層１１ｂは、障壁層１２を形成するＭｇＯを（００１）面配向とするために、厚さを１．０ｎｍ以上とすることが好ましい。一方、ＣｏＦｅＢ層１１ｂは、厚くなると面内磁気異方性が強くなるので、２．０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００５９】
障壁層１２および磁化自由層１３は、それぞれ第１実施形態と同様の構成であり、磁化自由層１３が障壁層１２との界面に磁性金属膜を備えてもよいことも同様である。そして、このようなＴＭＲ素子構造１Ａは、第１実施形態に係る光変調素子５のＴＭＲ素子構造１と同様に、磁化反転および光変調動作をする（図２参照）。
【００６０】
図４に示すように、光変調素子５Ａは、ＣｕＣｒ合金層２１をＣｕ層２４に積層してなる下部電極２Ａを備えるが、ＣｕＣｒ合金層２１のみの下部電極２（図１参照）やＣｕＣｒ合金層２１上にＴａ膜２２、Ｒｕ膜２３を積層した下部電極２Ｂ，２Ｃ（図３参照）を備えてもよく、それぞれ第１実施形態およびその変形例と同様の効果が得られる。
【００６１】
以上のように、本発明の第２実施形態に係る光変調素子は、第１実施形態と同様に、省電力化され、コントラストのよい空間光変調器とすることができ、さらに、Ｔｂ−Ｆｅ−ＣｏをＴＭＲ素子構造の磁化固定層に適用していることで安定した動作となる。
【００６２】
［第３実施形態］
本発明の別の実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、磁気抵抗効果素子であり、電極（配線）でトランジスタと接続されて、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）のメモリセルを構成する。以下、第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子について説明する。第１、第２実施形態（図１〜４参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００６３】
本発明の第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子（スピン注入磁化反転素子）５Ｂは、図５に示すように、下部電極（電極）２Ｂ、磁化自由層１３Ｂ、障壁層１２、磁化固定層１１Ｂ、保護膜１６、上部電極３Ａの順に積層された構成である。すなわち磁気抵抗効果素子５Ｂは、磁化固定層１１Ｂおよび磁化自由層１３ＢをＭｇＯからなる障壁層１２を挟んで積層してなるＴＭＲ素子構造（トンネル磁気抵抗素子構造）１Ｂを備え、このＴＭＲ素子構造１Ｂに、下部電極２Ｂと上部電極３Ａとを一対の電極として接続して、膜面に垂直に電流を供給する。さらに、磁気抵抗効果素子５Ｂは、下部電極２Ｂおよびこの下部電極２Ｂに接続するドレイン接続部４３で、基板７Ａに形成されたＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）のドレイン７ｄに接続されて、ＭＲＡＭのメモリセルを構成する。すなわち磁気抵抗効果素子５Ｂにおいて、下部電極２Ｂは、ＭＯＳＦＥＴのドレイン７ｄに接続するためのメモリセル内の配線である。一方、上部電極３Ａは、ＭＲＡＭのビット線として、面内における一方向（図５における左右方向）に延設される。
【００６４】
ＴＭＲ素子構造１Ｂは、第１実施形態に係る光変調素子（スピン注入磁化反転素子）５（図１参照）のＴＭＲ素子構造１の、磁化固定層１１と磁化自由層１３との積層順を入れ替えた構造である。また、ＴＭＲ素子構造１Ｂは、第１、第２実施形態とは異なり、光変調のための平面視の大きさの下限（最小面積）がなく、磁化自由層１３Ｂの磁化が保持されればよい。具体的には、ＴＭＲ素子構造１Ｂは、より好適に磁化反転するために、平面視が一般的なスピン注入磁化反転素子の大きさである３００ｎｍ×１００ｎｍ程度相当の面積であることが好ましい。ＴＭＲ素子構造１Ｂにおいては、障壁層１２を形成するＭｇＯを強い（００１）面配向の結晶とするために、その下地となる磁化自由層１３ＢをＧｄ−Ｆｅ合金で形成する。Ｇｄ−Ｆｅ合金については、第１実施形態にて説明した通りである。また、障壁層１２も、第１実施形態と同様の構成である。
【００６５】
磁化固定層１１Ｂは、上に障壁層（ＭｇＯ）が設けられないので非晶質に限られず、垂直磁気異方性を有するＴＭＲ素子の磁化固定層として公知の磁性材料にて形成することができ、保磁力の大きな材料を適用することが好ましい。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｔ，Ｐｄ等の貴金属とを含む、例えば[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｄ]×ｎの多層膜、あるいはＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ等のＲＥ−ＴＭ合金や、Ｌ１0系の規則合金としたＦｅＰｔ, ＦｅＰｄ等が挙げられる。また、磁化固定層１１Ｂは、第１実施形態における磁化自由層１３と同様に、障壁層１２との界面に遷移金属を含む磁性金属膜を備えてもよい（図示せず）。
【００６６】
図５に示すように、磁気抵抗効果素子５Ｂは、ＣｕＣｒ合金層２１上にＴａ膜２２、Ｒｕ膜２３を積層してなる下部電極２Ｂを備えるが、ＣｕＣｒ合金層２１のみの下部電極２（図１参照）やＣｕＣｒ合金層２１をＣｕ層２４に積層した下部電極２Ａ，２Ｃ（図３（ｂ）、図４参照）を備えてもよい。また、ＴＭＲ素子構造１Ｂの下に接続される電極について、このようにＣｕＣｒ合金層２１を含む部分、すなわち下部電極２Ｂ（２，２Ａ，２Ｃ）は、ＴＭＲ素子構造１Ｂが形成される領域のみでよく、すなわちドレイン７ｄに接続するコンタクト部分（ドレイン接続部４３）は、Ｃｕ等の金属電極材料で形成されてよい。なお、ドレイン接続部４３は、下部電極２ＢにおけるＴＭＲ素子構造１Ｂの下地表面となる領域が粗くならないように、ＴＭＲ素子構造１Ｂの直下（平面視領域）を避けて設けられることが好ましく、そのために下部電極２Ｂは、ドレイン接続部４３に接続した領域外にＴＭＲ素子構造１Ｂが設けられるように、拡張して形成される。
【００６７】
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子５Ｂにおいては、上部電極３Ａは光を透過する必要がないので、Ｃｕ等の金属電極材料で形成される。
【００６８】
基板７Ａは、表層にＭＯＳＦＥＴを形成されるため、ｐ型シリコン（Ｓｉ）基板を適用される。ＭＯＳＦＥＴは、公知の方法で形成される。また、ＭＯＳＦＥＴのソース７ｓ、ゲート７ｇ、ドレイン７ｄにそれぞれ接続するソース線４１、ワード線４２、ドレイン接続部４３は、上部電極３Ａと同様にＣｕ等の金属電極材料で形成される。
【００６９】
（磁気抵抗効果素子の動作）
メモリセルの書込みとして、磁気抵抗効果素子５ＢにおけるＴＭＲ素子構造１Ｂの磁化反転が行われる。ＴＭＲ素子構造１Ｂの磁化反転動作は、図２（ａ）、（ｂ）に示すＴＭＲ素子構造１とは、上下電極３Ａ（３），２Ｂ（２）から供給される電流の向きと磁化自由層１３Ｂの磁化方向との関係が逆になる以外は同様である。一方、メモリセルの読出しは、図２（ｃ）、（ｄ）に示すように、ＴＭＲ素子構造１Ｂ（１）が磁化反転しない所定の電流ＩTSTを供給したときの電極２，３間の電圧から、ＴＭＲ素子構造１Ｂの、磁化自由層１３Ｂの磁化方向が磁化固定層１１Ｂと平行、反平行のときにおける抵抗ＲP，ＲAPを検出する。なお、磁気抵抗効果素子５Ｂにおいて、下部電極２Ｂは、ドレイン接続部４３からＭＯＳＦＥＴを経由して、上部電極（ビット線）３Ａと直交して延設するソース線４１に接続し、この接続はワード線４２からの電流供給によりＯＮ／ＯＦＦする。したがって、書込み、読出しの電流ＩW，ＩTSTは、上部電極（ビット線）３Ａとソース線４１を一対の電極としてＴＭＲ素子構造１Ｂに供給される。
【００７０】
磁気抵抗効果素子５Ｂは、第１、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５，５Ａと同様に、磁化固定層を障壁層の下に積層したＴＭＲ素子構造１，１Ａを備えてもよい。また、磁気抵抗効果素子５Ｂは、ＭＯＳＦＥＴに代えて、ダイオードを接続してメモリセルとしてもよい（図示せず）。ダイオードについても、ＭＯＳＦＥＴと同様に、Ｓｉ基板の表層に形成することができる。
【００７１】
以上のように、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子によれば、第１、第２実施形態と同様に反転電流が低いため、書込みのための電流が小さく、また、ＭＲ比(ＲAP−ＲP)／ＲPの高いＴＭＲ素子構造を備えるため、微細化しても読出しが容易で、省電力化した大容量のＭＲＡＭを実現することができる。
【００７２】
第１、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子（光変調素子）についても、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子のように、下部電極でＭＯＳＦＥＴに接続してもよい（図５参照）。このようなＭＯＳＦＥＴ付きの光変調素子を画素に備えた空間光変調器とすることで、画素毎に光変調素子の磁化反転のエラー検出を行うことができる。本発明に係る光変調素子は、下部電極にＩＺＯ等の透明電極材料でなく金属材料を適用することができ、基板側（下方）から光を入出射しなくてよいので、ＭＯＳＦＥＴを形成したＳｉ基板を適用することができる。
【００７３】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、第３実施形態と同様に磁気抵抗効果素子であり、２つのＴＭＲ素子構造を積層して備える。以下、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子について説明する。第１〜第３実施形態（図１〜５参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。また、スピン注入磁化反転素子は、２つのＴＭＲ素子構造を備えることから、要素の名称に「第１」、「第２」を付したものがあるが、識別のためであり、符号が同じものは同一の要素である。
【００７４】
本発明の第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子（スピン注入磁化反転素子）５Ｃは、図６（ａ）に示すように、下部電極（電極）２Ｂ、第１磁化固定層（磁化固定層）１１Ａ、障壁層１２１、磁化自由層１３Ｂ、障壁層１２２、第２磁化固定層（磁化固定層）１１Ｂ、保護膜１６、上部電極３Ａの順に積層された構成である。障壁層１２１および障壁層１２２は、共に（００１）面配向を示すＭｇＯからなる第１実施形態等における障壁層１２と同じ要素であり、識別するために互いに異なる符合を付す。すなわち磁気抵抗効果素子５Ｃは、第１磁化固定層１１Ａ、障壁層１２１、磁化自由層１３Ｂを積層してなる第１ＴＭＲ素子構造（トンネル磁気抵抗素子構造）１Ｃと、磁化自由層１３Ｂ、障壁層１２２、第２磁化固定層１１Ｂを積層してなる第２ＴＭＲ素子構造（トンネル磁気抵抗素子構造）１Ｂと、の上下対称な積層順の２つのＴＭＲ素子構造を、磁化自由層１３Ｂを共有して備える。そして、磁気抵抗効果素子５Ｃは、積層されたＴＭＲ素子構造１Ｃ，１Ｂのさらに上下両端に、下部電極２Ｂと上部電極３Ａとを一対の電極として接続して備える。したがって、磁気抵抗効果素子５Ｃは、いわゆるデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子である。また、磁気抵抗効果素子５Ｃは、図５に示す磁気抵抗効果素子５Ｂと同様に、下部電極２Ｂで、基板７Ａに形成されたＭＯＳＦＥＴのドレイン７ｄに接続されて、ＭＲＡＭのメモリセルを構成する（図示省略）。
【００７５】
第２ＴＭＲ素子構造１Ｂ、すなわち磁化自由層１３Ｂ、障壁層１２２、磁化固定層１１Ｂは、それぞれ第３実施形態（図５参照）におけるものと同様の構成である。第１ＴＭＲ素子構造１Ｃは、磁化自由層１３Ｂを第２ＴＭＲ素子構造１Ｂと共有するために、第２実施形態（図４参照）におけるＴＭＲ素子構造１Ａについて、磁化自由層１３から磁化自由層１３Ｂに代えたものであり、それ以外はＴＭＲ素子構造１Ａと同様の構成である。磁気抵抗効果素子５Ｃは、磁化自由層および下層側の磁化固定層（第１磁化固定層）をこのように材料を規定することで、（００１）面配向のＭｇＯを障壁層とした２つのＴＭＲ素子構造１Ｃ，１Ｂを備える。なお、磁気抵抗効果素子５Ｃは、下層側の第１磁化固定層１１Ａに代えて、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図１参照）におけるＴＭＲ素子構造１の磁化固定層１１を備えてもよい（図６（ｂ）参照）。
【００７６】
第２磁化固定層１１Ｂは、第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂ（図５参照）と同様に、上に障壁層（ＭｇＯ）が設けられないので非晶質に限られず、また障壁層１２２との界面に遷移金属を含む磁性金属膜を備えてもよい（図示せず）。また、第２磁化固定層１１Ｂは、第１磁化固定層１１Ａ（１１）と同じ材料（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｆｅ）を適用してもよく、第１磁化固定層１１Ａ（１１）と共に、磁化自由層１３Ｂよりも保磁力が大きくなるように形成される。同時に、第２磁化固定層１１Ｂは、第１磁化固定層１１Ａ（１１）との保磁力が異なるように形成されることが好ましい。これは、後記の磁化反転の動作にて説明するように、第１磁化固定層１１Ａと第２磁化固定層１１Ｂとで互いに異なる磁化方向に、具体的には反平行な磁化方向に固定することを容易にするためである。あるいはそのために、第２磁化固定層１１Ｂは、第１磁化固定層１１Ａ（１１）と保磁力の差を設けることに代えて、障壁層１２２の側（下側）に、交換結合した磁性膜を備えた多層構造としてもよい（図示せず）。
【００７７】
（磁気抵抗効果素子の動作）
磁気抵抗効果素子５ＣにおけるＴＭＲ素子構造１Ｃ，１Ｂの磁化反転の動作を、図７（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。なお、図７において保護膜１６は図示を省略する。また、第１磁化固定層１１Ａは上向きに、第２磁化固定層１１Ｂは下向きに、それぞれ磁化を固定されている。図７（ａ）に示すように、上部電極３（３Ａ）を「＋」、下部電極２（２Ｂ）を「−」にして、ＴＭＲ素子構造１Ｃ，１Ｂに、第２磁化固定層１１Ｂ側から第１磁化固定層１１Ａへ電流を供給して、第１磁化固定層１１Ａ側から電子を注入する。すると、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図２（ａ）参照）と同様に、第１磁化固定層１１Ａにより当該第１磁化固定層１１Ａの磁化と逆方向の下向きのスピンを持つ電子ｄDが弁別されて、磁化自由層１３Ｂは上向きのスピンを持つ電子ｄUが偏って注入される。さらに磁化自由層１３Ｂに注入された電子ｄUは、磁化が逆方向の第２磁化固定層１１Ｂにより弁別されるために磁化自由層１３Ｂに留まり、その結果、磁化自由層１３Ｂの磁化が上向きに反転する。反対に、図７（ｂ）に示すように、上部電極３を「−」、下部電極２を「＋」にして、ＴＭＲ素子構造１Ｃ，１Ｂに、第１磁化固定層１１Ａ側から第２磁化固定層１１Ｂへ電流を供給して、第２磁化固定層１１Ｂ側から電子を注入すると、下向きのスピンを持つ電子ｄDが磁化自由層１３Ｂに留まるため、磁化自由層１３Ｂの磁化が下向きに反転する。
【００７８】
このように、磁気抵抗効果素子５Ｃは、１個のＴＭＲ素子構造を有するスピン注入磁化反転素子５等（図２（ａ）、（ｂ）参照）と同様に、一対の電極２，３で膜面垂直方向に電流を供給されることで、磁化自由層１３Ｂの磁化方向が１８０°反転し、さらに磁化自由層１３Ｂの上下両側に磁化固定層１１Ａ，１１Ｂを備えることで、磁化反転動作が安定する。
【００７９】
磁気抵抗効果素子５Ｃの２つの磁化固定層１１Ａ，１１Ｂを互いに反平行な磁化に固定するためには、初期設定を次のように行う。例えば第１磁化固定層１１Ａの方が第２磁化固定層１１Ｂよりも保磁力が大きいのであれば、まず、磁気抵抗効果素子５Ｃに、第１磁化固定層１１Ａの保磁力よりも大きな磁界を印加して、磁化固定層１１Ａ，１１Ｂ（および磁化自由層１３Ｂ）をすべて上向きの磁化とし、次に、第１磁化固定層１１Ａの保磁力よりも小さくかつ第２磁化固定層１１Ｂの保磁力よりも大きな磁界を印加して、第２磁化固定層１１Ｂ（および磁化自由層１３Ｂ）を下向きの磁化にする。あるいは、第２磁化固定層１１Ｂが交換結合した磁性膜を備える場合は、磁化固定層１１Ａ，１１Ｂの両方の保磁力を超える磁界を印加しながら、真空中で２００℃程度の熱処理をすることにより、前記磁界印加の１回（１段階）で磁気抵抗効果素子５Ｃの初期設定を行うことができる。
【００８０】
磁気抵抗効果素子５Ｃは、メモリセルの読出しとして、図２（ｃ）、（ｄ）に示すＴＭＲ素子構造１と同様に、磁化反転による抵抗の変化を検知するが、電極２，３間の電圧から測定される値はＴＭＲ素子構造１Ｃ，１Ｂの各抵抗の和である。ここで、第１ＴＭＲ素子構造１Ｃの、磁化自由層１３Ｂの磁化方向が第１磁化固定層１１Ａと平行、反平行のときにおける抵抗をＲ１P，Ｒ１AP（＝Ｒ１P＋ΔＲ１）とし、第２ＴＭＲ素子構造１Ｂの、磁化自由層１３Ｂの磁化方向が第２磁化固定層１１Ｂと平行、反平行のときにおける抵抗をＲ２P，Ｒ２AP（＝Ｒ２P＋ΔＲ２）とする。すると、磁気抵抗効果素子５Ｂの抵抗は、図７（ｃ）に示す磁化自由層１３Ｂの磁化が上向きのときに、ＲU＝Ｒ１P＋Ｒ２AP、図７（ｄ）に示す磁化自由層１３Ｂの磁化が下向きのときに、ＲD＝Ｒ１AP＋Ｒ２Pとなり、磁化反転による変化量ΔＲは、|ＲU−ＲD|＝|ΔＲ２−ΔＲ１|、すなわちＴＭＲ素子構造１Ｃ，１Ｂの各抵抗の変化量の差となる。
【００８１】
したがって、磁気抵抗効果素子５Ｃは、第１ＴＭＲ素子構造１Ｃおよび第２ＴＭＲ素子構造１Ｂが、磁化自由層１３Ｂの磁化反転によるそれぞれの抵抗の変化量に検知可能な程度に差があるような構造とすることが好ましい。例えば障壁層１２１および障壁層１２２を互いに異なる厚さとすることが挙げられる。
【００８２】
（変形例）
あるいは、２つのＴＭＲ素子構造が、互いに異なる材料の障壁層を備えてもよく、すなわち一方が（００１）面配向のＭｇＯ以外の障壁層を備えてもよい。図６（ｂ）に示すように、第４実施形態の変形例に係る磁気抵抗効果素子５Ｄは、下部電極（電極）２Ｂ、第１磁化固定層１１、障壁層１２、磁化自由層１３、中間層（障壁層）１４、第２磁化固定層１１Ｂ、保護膜１６、上部電極３Ａの順に積層された構成である。すなわち磁気抵抗効果素子５Ｄは、ＴＭＲ素子構造１と、ＴＭＲ素子構造１の磁化自由層１３を共有するＭＲ素子構造１Ｄを積層して備える。
【００８３】
ＴＭＲ素子構造１、すなわち磁化固定層１１、障壁層１２、磁化自由層１３は、それぞれ第１実施形態（図１参照）と同様の構成である。また、ＴＭＲ素子構造１が、磁化固定層１１に代えて磁化固定層１１Ａ（図６（ａ）参照）を備えたＴＭＲ素子構造１Ａであってもよい。ＭＲ素子構造１Ｄの中間層１４は、障壁層１２とは異なるＴＭＲ素子の障壁層として公知の絶縁体にて形成され、Ａｌ2Ｏ3，ＨｆＯ2、あるいは（００１）面配向でないＭｇＯからなる。あるいは、ＭＲ素子構造１ＤはＣＰＰ−ＧＭＲ素子であってもよく、この場合に、中間層１４は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ａｕのような非磁性金属やＺｎＯ等の半導体からなり、厚さを１〜１０ｎｍとすることが好ましい。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は一般にＴＭＲ素子よりもＭＲ比が低く、磁化反転による変化量が小さいため、磁化自由層１３の磁化反転による磁気抵抗効果素子５Ｄの抵抗の変化がより検知し易くなる。
【００８４】
以上のように、第４実施形態およびその変形例に係る磁気抵抗効果素子によれば、２つの磁化固定層により磁化反転動作が安定し、また少なくとも１つの障壁層が（００１）面配向のＭｇＯからなることで、第３実施形態と同様に、微細化しても読出しが容易で、省電力化した大容量のＭＲＡＭを実現することができる。
【００８５】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、光変調素子であり、第４実施形態と同様に磁化自由層を共有した２つのＴＭＲ素子構造を備えるが、膜面方向に並設されてなる並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子（特開２０１２−７８５７９号公報参照）である。以下、第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子について説明する。第１〜第４実施形態（図１〜７参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００８６】
図８に示すように、光変調素子５Ｅは、第１磁化固定層（磁化固定層）１１Ａと第２磁化固定層（磁化固定層）１１とを互いに離間して面方向に並べて、これら磁化固定層１１，１１Ａおよびその隙間も含めた全体に、それぞれ１つの障壁層１２、磁化自由層１３、保護膜１６を積層して備え、さらに第１磁化固定層１１Ａの下に第１下部電極（電極）２Ａ１を、第２磁化固定層１１の下に第２下部電極（電極）２Ａ２を、それぞれ接続して備える。すなわち光変調素子５Ｅは、第１磁化固定層１１Ａ、障壁層１２、磁化自由層１３を積層してなる第１ＴＭＲ素子構造（トンネル磁気抵抗素子構造）１Ａと、第２磁化固定層１１、障壁層１２、磁化自由層１３を積層してなる第２ＴＭＲ素子構造（トンネル磁気抵抗素子構造）１と、の並設された２つのＴＭＲ素子構造を、障壁層１２および磁化自由層１３を共有して備え、これらの部分の断面視が上下反転した凹字型である。なお、障壁層１２は、２つに分離して、磁化固定層１１Ａ，１１のそれぞれに積層されてもよい（図９の障壁層１２と中間層１４参照）。また、光変調素子５Ｅは、ＴＭＲ素子構造１Ａ，１の磁化固定層１１，１１Ａ側に、すなわち下側に、一対の電極として第１下部電極２Ａ１と第２下部電極２Ａ２とを接続する。したがって、光変調素子５Ｅは、デュアルピン構造の磁気抵抗効果素子５Ｃ（図６（ａ）参照）を変形させて、アーチ型の電流経路をなす並設デュアルピン構造としたスピン注入磁化反転素子である。
【００８７】
ＴＭＲ素子構造１，１Ａ、すなわち磁化固定層１１，１１Ａ、障壁層１２、磁化自由層１３は、それぞれ第１、第２実施形態（図１、図４参照）と同様の構成である。光変調素子５Ｅにおいては、磁気抵抗効果素子５Ｃと異なり、磁化自由層１３は、上に障壁層１２が形成されないのでＧｄ−Ｆｅ合金（磁化自由層１３Ｂ）に限定されない。また、光変調素子５Ｅにおいては、第１磁化固定層１１Ａ（ＴｂＦｅＣｏ層１１ａ）をＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏで、第２磁化固定層１１をＧｄ−Ｆｅ合金で、それぞれ形成することで、これらの上に形成される障壁層１２を（００１）配向のＭｇＯとしつつ、互いの保磁力の大きさを異なるものとする。光変調素子５Ｅは、このような構成とすることにより、第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子５Ｃと同様に、第１磁化固定層１１Ａと第２磁化固定層１１とで互いに反平行な磁化方向に固定することを容易にする（図７（ａ）、（ｂ）参照）。なお、図８において、磁化固定層１１Ａ，１１は同じ厚さかつ同じ高さ位置で示しているが、厚さおよび高さ位置を同じとすることを規定するものではなく、互いに異なる厚さで、また異なる高さ位置に形成されてよい。光変調素子５Ｅは、２つの磁化固定層１１Ａ，１１の厚さが互いに異なる場合には、下部電極２Ａ１，２Ａ２上に下地膜を設けて、磁化固定層１１Ａ，１１の上面の高さ位置を揃えればよい（図示せず）。さらに、光変調素子５Ｅは、２つの磁化固定層の両方を磁化固定層１１または磁化固定層１１Ａとしてもよく、この場合は互いに異なる厚さとして保磁力が異なるように形成すればよい。
【００８８】
本実施形態に係る光変調素子５Ｅは、一対の電極が、面方向に並べて配置された磁化固定層１１，１１Ａのそれぞれの下側に接続されるため、２つの下部電極２Ａ１，２Ａ２を備え、上部電極を有さない。磁化自由層１３（保護膜１６）上には、必要に応じて、ＳｉＯ2等の光を透過する絶縁材料が設けられる（図示省略）。なお、第１下部電極２Ａ１および第２下部電極２Ａ２は、第１実施形態の変形例におけるＣｕ層２４およびＣｕＣｒ合金層２１からなる下部電極２Ａと同じ要素であり、互いに識別するために異なる符合を付す。光変調素子５Ｅは、第１下部電極２Ａ１および第２下部電極２Ａ２（下部電極２Ａ）に代えて、ＣｕＣｒ合金層２１のみの下部電極２（図１参照）やＣｕＣｒ合金層２１上にＴａ膜２２を積層した下部電極２Ｂ，２Ｃ（図３参照）を備えてもよい。
【００８９】
第１下部電極２Ａ１および第２下部電極２Ａ２は、第１実施形態における一対の電極２，３と同様に、一方を行方向に、他方を列方向にそれぞれ延設した配線により、２次元アレイ状に配列された光変調素子５Ｅにおいて共有される。第１下部電極２Ａ１は、磁化固定層１１，１１Ａの並び方向（図８における左右方向）に直交する方向に延設されて、当該第１下部電極２Ａ１自体が、第１実施形態に係る光変調素子５等の下部電極２と同様に、第１磁化固定層１１の下に直接に接続する配線状に形成される。一方、第１下部電極２Ａ１に直交した方向（図８における左右方向）に延設された配線を介して共有される第２下部電極２Ａ２は、第１磁化固定層１１Ａと第１下部電極２Ａ１との接続を妨げないように、かつ第１下部電極２Ａ１と短絡しないように、前記配線の部分（配線部４１Ａ）が、第１下部電極２Ａ１の下（ＴＭＲ素子構造１Ａ，１から離れた側）に層間絶縁層（絶縁層６）を挟んで設けられる。そして、第２下部電極２Ａ２は、配線部４１Ａに層間接続部（コンタクト）４３Ａで接続する。層間接続部４３Ａは、第２下部電極２Ａ２における第２磁化固定層１１の下地表面となる領域が粗くならないように、第２磁化固定層１１の直下を避けて設けられることが好ましい。第２下部電極２Ａ２に接続する配線部４１Ａおよび層間接続部４３Ａは、Ｃｕ等の金属電極材料で形成されてよい。
【００９０】
（光変調素子の動作）
光変調素子５ＥにおけるＴＭＲ素子構造１Ａ，１の磁化反転の動作は、第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子５Ｃ（図７（ａ）、（ｂ）参照）と同様である。すなわち、光変調素子５Ｅは、一対の電極（第１下部電極２Ａ１、第２下部電極２Ａ２）間の電流経路（電子ｄU，ｄDの注入経路）の形状が、磁気抵抗効果素子５Ｃの膜面に垂直な一直線に対してアーチ型になっただけである。光変調素子５Ｅにおいては、磁化自由層１３の、磁化固定層１１Ａ，１１のそれぞれに積層された領域の間にも注入された電子（ｄU，ｄDの一方）が留まるため、この領域の間においても磁化反転させることができる。
【００９１】
スピン注入磁化反転素子は平面視の面積が大きいと磁化反転し難いが、光変調素子５Ｅは、ＴＭＲ素子構造１Ａ，１を、磁気抵抗効果素子と同様に１つの面積を小さく設計して面方向に２つ並べて備え、共有させた磁化自由層１３の面積を大きくすることで、反転電流を小さく抑えつつ、光変調の実効面積を大きくする。光変調素子５Ｅは、第１実施形態に係る光変調素子５（図２（ｃ）、（ｄ）参照）と同様に、磁化自由層１３が設けられた側である上方から光を入出射して光変調する。また、光変調素子５Ｅは、一対の電極（第１下部電極２Ａ１、第２下部電極２Ａ２）の両方が、磁化固定層１１Ａ，１１の側（下）のみに設けられて、磁化自由層１３には直接に（保護膜１６を除く）接続する必要がない。したがって、光変調素子５Ｅは、一対の電極のいずれも光を透過させる必要がなく、非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金（ＣｕＣｒ合金層２１）よりもさらに抵抗の高い透明電極材料（光変調素子５の上部電極３（図１参照））を適用する必要がない。
【００９２】
（変形例）
第４実施形態の変形例と同様に、デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子は、２つのＴＭＲ素子構造が、互いに異なる材料の障壁層を備えてもよく、すなわち一方が（００１）面配向のＭｇＯ以外の障壁層を備えてもよい。図９に示すように、第５実施形態の変形例に係る光変調素子５Ｆは、磁化自由層１３を共有したＴＭＲ素子構造１とＭＲ素子構造１Ｄとを並設して備える。したがって、光変調素子５Ｆは、デュアルピン構造の磁気抵抗効果素子５Ｄ（図６（ｂ）参照）を変形させて、アーチ型の電流経路をなす並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子とした光変調素子である。
【００９３】
ＴＭＲ素子構造１およびＭＲ素子構造１Ｄ、すなわち磁化固定層１１，１１Ｂ、障壁層１２、磁化自由層１３、中間層１４は、それぞれ磁気抵抗効果素子５Ｄと同様の構成である。また、磁化固定層１１Ｂは、磁化固定層１１と保磁力の差を設けることに代えて、中間層１４の側（上）に、交換結合した磁性膜を積層した多層構造としてもよい（図示せず）。なお、図９において、磁化固定層１１と磁化固定層１１Ｂ、障壁層１２と中間層１４は、それぞれ同じ厚さかつ同じ高さ位置で示しているが、厚さおよび高さ位置を同じとすることを規定するものではなく、互いに異なる厚さで、また異なる高さ位置に形成されてよい。
【００９４】
光変調素子５Ｆは、互いに異なる材料からなる、あるいはさらに異なる厚さの障壁層１２と中間層１４とを備えることで、磁化自由層１３の磁化反転による当該光変調素子５Ｆ（下部電極２Ａ１，２Ａ２間）の抵抗の変化を検知することができる（図７（ｃ）、（ｄ）参照）。特に、中間層１４を非磁性金属等で形成して、ＭＲ素子構造１ＤをＣＰＰ−ＧＭＲ素子とすることで、抵抗の変化が大きくなってより検知し易くなる。したがって、本変形例に係る光変調素子５Ｆは、磁化反転のエラー検出を行う空間光変調器の画素に好適である。そのために、光変調素子５Ｆは、第３実施形態（図５参照）等に係る磁気抵抗効果素子のようにＭＯＳＦＥＴに接続することが好ましく、すなわち下部電極２Ａ１，２Ａ２の一方をＭＯＳＦＥＴのドレインに接続する。例えば第２下部電極２Ａ２を層間接続部４３Ａ（図８参照）でＭＯＳＦＥＴのドレインに接続し、また、配線部４１Ａ（図８参照）をＭＯＳＦＥＴのソースに接続して、第１下部電極２Ａ１と共に、電流ＩW，ＩTSTを供給するための一対の電極とする。
【００９５】
本変形例において、第１下部電極２Ａ１および第２下部電極２Ａ２は、第５実施形態に係る光変調素子５Ｅと同様に下部電極２Ａと同じ要素であり、下部電極２（図１参照）や下部電極２Ｂ，２Ｃ（図３参照）を備えてもよい。なお、第２下部電極２Ａ２については、上に（００１）面配向のＭｇＯからなる障壁層１２が形成されないので、ＣｕＣｒ合金層２１を有さないＣｕ等の金属電極材料で形成されてもよいが、第１下部電極２Ａ１と同じ高さ位置に設けられることから、同時に金属材料を成膜して形成することができるように、同じ積層構造（Ｃｕ層２４／ＣｕＣｒ合金層２１）とすることが好ましい。
【００９６】
以上のように、第５実施形態およびその変形例に係る光変調素子は、第１、第２実施形態と同様に反転電流を抑えることができると同時に、面積を大きくすることができるので、空間光変調器の画素として有効領域の広いものとすることができ、また透明電極材料が不要であるのでいっそう省電力化された空間光変調器の画素となる。さらに第５実施形態の変形例に係る光変調素子は、書込みエラー検出の容易な空間光変調器の画素となる。
【００９７】
以上、本発明を実施するための形態について述べてきたが、以下に、本発明の効果を確認した実施例を、本発明の要件を満たさない比較例と対比して具体的に説明する。
【実施例１】
【００９８】
本発明に係るスピン注入磁化反転素子において、下地とした磁性膜、および下部電極によるＭｇＯ膜の結晶構造への効果を確認するために、熱酸化Ｓｉ基板上に、表１および表２に示す材料を下から順に積層してサンプルを作製し、Ｘ線回折（ＸＲＤ）にて結晶構造を解析した。Ｎｏ．１，２は、磁化固定層を模擬した磁性膜に障壁層を模擬したＭｇＯ膜を積層したサンプルで、上下電極は設けなかった。さらに、本明細書の実施例１〜３におけるすべてのサンプルについて成形加工を施さなかった。Ｎｏ．１は本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子（図１参照）のサンプル、Ｎｏ．２は本発明の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子（図４参照）のサンプルである。なお、ＭｇＯ膜は、障壁層としては厚さ２ｎｍ程度以下であるが、ＭｇＯの結晶構造解析の感度を高くするために、表１に示すように厚さを１５ｎｍまたは３０ｎｍとした。Ｎｏ．１，２のサンプルについて、Ｘ線回折（ＣｕＫα線使用、θ−２θ走査）パターンを図１０に示す。
【００９９】
Ｎｏ．３，４，６は、本発明の第２実施形態に係る光変調素子のＴＭＲ素子構造（図４参照）を模擬して備えたサンプルであり、さらにＮｏ．３，４は、それぞれ本発明の第１実施形態およびその変形例に係る光変調素子の下部電極（図１、図３（ａ）参照）を備える。Ｎｏ．５は、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子の磁化固定層がＣｏＦｅＢ層を積層しないＴｂＦｅＣｏ層のみの比較例であり、下部電極として、ＭｇＯの結晶構造に与える影響の小さい（ＭｇＯの（００１）面配向を妨げない）Ｔａを備える。下部電極のＣｕ−Ｃｒ合金はＣｒ：３６．８ａｔ％とし、Ｃｕからなるスパッタ源（純度９Ｎ）とＣｒからなるスパッタ源（純度３Ｎ）とを取り付けたデュアルイオンビームスパッタ装置にてＣｕ，Ｃｒを同時にスパッタリングすることにより成膜した。一方、Ｎｏ．６，７は、下部電極に、Ｃｕからなるスパッタ源のみで成膜したＣｕ層を備える比較例である。さらにＮｏ．７は、ＴＭＲ素子構造の磁化固定層を[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎの多層膜、詳しくは、下から[Ｐｔ：１．２ｎｍ／Ｃｏ：０．２ｎｍ]×１０の多層膜とした。また、表２に示す、Ｎｏ．３，４における磁化自由層の「Ｐｔ／Ｃｏ」は、下からＰｔ：１．５ｎｍ／[Ｃｏ：０．３ｎｍ／Ｐｔ：１．０ｎｍ]×３の多層膜である。また、Ｎｏ．３〜７は、Ｎｏ．１，２と同様に、障壁層を模擬したＭｇＯ膜は結晶構造解析の感度を高くするために厚さを５０ｎｍまたは３０ｎｍとし、上部電極は設けず、さらにＮｏ．５〜７は、Ｎｏ．１，２と同様にＭｇＯ膜の上の磁性膜（磁化自由層）を省略した。Ｎｏ．３〜６のサンプルについて、Ｘ線回折（ＣｏＫα線使用、θ−２θ走査）パターンを図１１に示す。
【０１００】
【表１】
2014110356.tif 000003
【０１０１】
【表２】
2014110356.tif 000004
【０１０２】
ＭｇＯ（００１）面は消滅則で観測不能なため、この面と平行なＭｇＯ（００２）面の現れる回折角度２θ＝４２．９°（ＣｕＫα線）、５０．２°（ＣｏＫα線）のそれぞれの近傍を観察した。図１０（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示すように、ＭｇＯを、ＧｄＦｅ層またはＣｏＦｅＢ層の表面に積層したＮｏ．１，２は、（００１）面配向を示すことが確認され、特にＧｄＦｅ層に積層したＮｏ．１は強い（００１）面配向のＭｇＯ膜を形成された。
【０１０３】
下部電極を電極材料として一般的なＣｕで形成した比較例のＮｏ．６は、図１１（ｄ）に示すようにＣｕ（１１１）面が強く、その上にＴａ膜、さらにＮｏ．２と同様に、磁化固定層に非晶質のＴｂＦｅＣｏ層、およびＭｇＯ膜の下地となるＣｏＦｅＢ層が積層されても、ＭｇＯ（００２）面は観察できず、あるいは存在したとしてもＣｕ（１１１）面のピークの裾に隠れる程度の微小なものであった。さらにＭｇＯ膜の下地である磁化固定層をｆｃｃ構造のＰｔ／Ｃｏ多層膜で形成したＮｏ．７は、ＭｇＯ（１１１）面が観測された（図示省略）。
【０１０４】
これに対して、下部電極をＣｕ−Ｃｒ合金で形成した本発明の実施例であるＮｏ．３は、図１１（ａ）に示すように、Ｎｏ．２（図１０（ｂ）参照）と同様にＭｇＯ（００２）面を観測することができた。さらに、Ｃｕ−Ｃｒ合金層にＴａ膜を積層したＮｏ．４は、図１１（ｂ）に示すようにＭｇＯ（００２）面のピーク強度がＮｏ．３の約２倍となり、いっそう強い（００１）面配向のＭｇＯ膜を形成できた。なお、Ｎｏ．３，４は、Ｃｕ−Ｃｒ合金からＣｒ（１１０）面も観察されたが、Ｃｒ単独の結晶構造の半分程度のピーク強度であることから、Ｃｕ−Ｃｒ合金は非晶質に近い結晶構造であるといえる。また、Ｎｏ．３の下部電極（ＣｕＣｒ合金層）は、表面の算術平均粗さＲａが０．３ｎｍであり、同じ５０ｎｍ厚さとしたＣｕ層の表面の算術平均粗さＲａ１．３ｎｍと比較して平坦性が良好であった。
【０１０５】
一方、ＭｇＯ膜をＴｂＦｅＣｏ層の表面に積層した比較例のＮｏ．５は、図１１（ｃ）に示すように、ＭｇＯ（００２）面を観察することはできたが、下部電極としたＴａ膜のＴａ（１１０）面に対してピークが小さく、ＴＭＲ素子の障壁層として反転電流を低減させるために十分な（００１）面配向とはいえないＭｇＯ膜に形成された。
【実施例２】
【０１０６】
前記実施例１の磁性膜（磁化固定層）が垂直磁気異方性を有することを確認するために、熱酸化Ｓｉ基板上に、表３に示す材料を下から順に積層して、ＴＭＲ素子を模擬したサンプルを作製し、磁気光学効果を観察した。Ｎｏ．８は実施例１のＮｏ．１に対応した本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子（図１参照）のサンプル、Ｎｏ．９は実施例１のＮｏ．２に対応した本発明の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子（図４参照）のサンプルである。Ｎｏ．１０は、Ｎｏ．９のＧｄＦｅからなる磁化自由層に、障壁層との界面にＣｏＦｅＢ層を積層した比較例である。サンプルは、いずれも、外部磁界印加にて磁化方向を変化させるので、上部電極は設けず、反射膜とするために、下部電極として、下からＴａ：５ｎｍ／[Ｃｕ：１５ｎｍ／Ｔａ：３ｎｍ]×２の多層膜（表３に「Ｃｕ／Ｔａ」と示す）を設けた。
【０１０７】
【表３】
2014110356.tif 000005
【０１０８】
作製したサンプルについて、レーザー光を用いた偏光変調法にてカー回転角を測定し、印加磁界との関係から保磁力を同定した。詳しくは、サンプルに、外部から一様な磁界Ｈ（＞０）を印加することによって、磁化固定層および磁化自由層の磁化方向が一方向となるようにした。そして、波長７８０ｎｍのレーザー光を入射角３０°で入射して、サンプルからの反射光の偏光の向き（カー回転角）を、垂直磁界Ｋｅｒｒ効果測定装置で測定した。次に、反射光の偏光の測定を継続したまま、前記印加磁界と反対方向の磁界Ｈ（＜０）をその大きさ（絶対値）を漸増させながら印加して、偏光の向きの変化を観察した。同様に、反対方向の磁界Ｈ（＞０）を印加して、偏光の向きの変化を観察した。図１２に、カー回転角の磁場（印加磁界）依存性を、磁化曲線として示す。
【０１０９】
図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、磁化固定層をＧｄＦｅ単層、またはＴｂＦｅＣｏ層とＣｏＦｅＢ層の２層とし、磁化自由層をＧｄＦｅ単層としたＮｏ．８，９は、それぞれ磁場がある大きさに到達した時点で、急激にカー回転角が変化したことから、カー回転角が変化したときの磁場の大きさで磁化反転し、また磁化自由層が垂直磁気異方性を有することが確認された。なお、Ｎｏ．８は、カー回転角が２ステップで変化した。これは、磁場（磁界）が大きくなるにしたがい、磁化自由層、磁化固定層の両層が順次、磁化反転したことを示し、磁化固定層が磁化自由層と同一組成のＧｄＦｅで形成されたために保磁力が小さく、また磁化自由層との差も小さいことによる。一方、Ｎｏ．９は、磁化固定層が保磁力の大きいＴｂＦｅＣｏを備えることにより、絶対値１ｋＯｅ以下の磁場では磁化が変化せず、ＧｄＦｅからなる磁化自由層のみが磁化反転し、スピン注入磁化反転素子として安定した動作を示した。
【０１１０】
これらＮｏ．８，９に対して、磁化自由層のＧｄＦｅ層をＣｏＦｅＢ層に積層したＮｏ．１０は、図１２（ｃ）に示すように、カー回転角が最大でＮｏ．８，９の約１／１０であり、また磁場の増加に伴って急激に変化することがなかった。これは、入射角３０°で入射した光に対して、磁化自由層の磁化方向が垂直に近く（６０°）、極カー効果が得られなかったためであり、磁化自由層が垂直磁気異方性を有していないことを示す。
【実施例３】
【０１１１】
下部電極のＣｕ−Ｃｒ合金の組成による結晶構造を確認するために、熱酸化Ｓｉ基板上に組成を変化させた厚さ５０ｎｍのＣｕ−Ｃｒ合金膜を成膜してサンプルを作製し、ＣｕＫα線を使用したＸ線回折（ＸＲＤ）にて結晶構造を解析した。Ｃｕ−Ｃｒ合金は、実施例１のＮｏ．３の下部電極と同様に、Ｃｕ，Ｃｒそれぞれからなるスパッタ源を取り付けたデュアルイオンビームスパッタ装置にて、イオンビームの出力を変化させてＣｕ，Ｃｒを同時にスパッタリングすることにより成膜した。Ｃｒ：７．７ａｔ％，１４．０ａｔ％，３６．８ａｔ％，４２．９ａｔ％，４７．８ａｔ％の５通りの組成のＣｕ−Ｃｒ合金膜について、Ｘ線回折（θ−２θ走査）パターンを図１３に示す。なお、Ｃｕ膜（Ｃｒ：０％）のパターンを、図１３（ａ）〜（ｅ）のそれぞれに破線で併記する。
【０１１２】
図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｃｒ：７．７ａｔ％，１４．０ａｔ％でＣｕ（１１１）面が十分に弱くなり（Ｃｕ単体の１／４程度のピーク強度）、かつＣｒ（１１０）面も弱く、図１３（ｃ）に示すようにＣｒ：３６．８ａｔ％になるとＣｒ（１１０）面が観測されるようになり、さらに図１３（ｄ）、（ｅ）に示すように、Ｃｒ：４２．９ａｔ％，４７．８ａｔ％でＣｒ（１１０）面が強く観測された。このように、Ｃｕ−Ｃｒ合金の結晶構造は組成に依存し、公知の成膜方法で本発明の範囲の組成に制御してＣｕ−Ｃｒ合金膜を成膜することにより、非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金として下部電極を形成することができる。
【符号の説明】
【０１１３】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  ＴＭＲ素子構造（トンネル磁気抵抗素子構造）
１１，１１Ａ，１１Ｂ  磁化固定層
１１ａ  ＴｂＦｅＣｏ層（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層）
１１ｂ  ＣｏＦｅＢ層（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂからなる層）
１２    障壁層
１３，１３Ｂ  磁化自由層
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ  下部電極
２１    ＣｕＣｒ合金層（非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金）
２２    Ｔａ膜
２３    Ｒｕ膜
２４    Ｃｕ層
３，３Ａ  上部電極
５，５Ａ，５Ｅ，５Ｆ  光変調素子（スピン注入磁化反転素子）
５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ  磁気抵抗効果素子（スピン注入磁化反転素子）
【図１】
2014110356.tif 000006
【図２】
2014110356.tif 000007
【図３】
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【図４】
2014110356.tif 000009
【図５】
2014110356.tif 000010
【図６】
2014110356.tif 000011
【図７】
2014110356.tif 000012
【図８】
2014110356.tif 000013
【図９】
2014110356.tif 000014
【図１０】
2014110356.tif 000015
【図１１】
2014110356.tif 000016
【図１２】
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【図１３】
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