(57)【要約】【課題】ＴｂＦｅＣｏ合金を磁化固定層として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を提供する。【解決手段】磁気抵抗素子１は、磁化固定層１１と中間層１２と磁化自由層１３とを積層して備えるスピン注入磁化反転素子であり、磁化固定層１１がＴｂx(Ｆｅ，Ｃｏ)1-x（０．２０≦ｘ≦０．２５）の組成を有するＴｂＦｅＣｏ合金からなることを特徴とする。磁化固定層１１をこのような組成とすることで、飽和磁化を低く抑えて磁化自由層１３への磁界の漏れを減少させ、磁化自由層１３の正の磁化反転電流Ｉ1と負の磁化反転電流Ｉ0をほぼ同じ大きさとすることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化固定層と中間層と磁化自由層とを積層して備え、上下に接続された一対の電極を介して電流を供給されるスピン注入磁化反転素子であって、
前記磁化固定層がＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を備え、このＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金の組成が、Ｔｂx(Ｆｅ，Ｃｏ)1-x（０．２０≦ｘ≦０．２５）であることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
【請求項２】
前記Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金の組成が、Ｔｂx(Ｆｅ1-yＣｏy)1-x（０．２０≦ｘ≦０．２５、０．４＜ｙ＜０．６７）であることを特徴とする請求項１に記載のスピン注入磁化反転素子。
【請求項３】
前記磁化自由層は、Ｔｂ，Ｇｄ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｐｄから選択される２以上の元素を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン注入磁化反転素子。
【請求項４】
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、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の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、を備える磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項５】
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、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の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スピン注入磁化反転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により一部の磁性体膜の磁化方向が１８０°回転（反転）し、磁化方向が変化しない別の磁性体膜と同じ方向または反対方向になる。この磁気抵抗素子は、磁性体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、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磁性体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、磁性体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、磁性体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２参照）。光変調素子として使用する磁気抵抗素子は、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（例えば、非特許文献１参照）。
【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２００８−８３６８６号公報（請求項１、図１Ａ）
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K.Aoshima et. al, “Magneto-optical and spin-transfer switching properties of current-perpendicular-to plane spin valves with perpendicular magnetic anisotropy.”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol.44, No.11, pp.2491-2495 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
磁性体は、外部から自身の磁化と逆方向に特定の大きさ以上の磁界を印加されることで磁化が反転するが、スピン注入磁化反転においては、その磁性体が持つ電子と逆方向のスピンを持つ電子を注入される、すなわち電流を反対向きに供給されることにより、磁化が反転する。スピン注入磁化反転に要する電流（反転電流）は、外部からの磁界（外部磁界）による磁化反転と同様に、磁性体の保磁力が大きいほど大きくなる。そして、単体の磁性体を一方向とその逆方向とにそれぞれ磁化反転させるための外部磁界の大きさすなわち保磁力は絶対値が同じである。しかし、スピン注入磁化反転をする磁気抵抗素子においては、磁化反転させる磁性体膜（磁化自由層）とは別に、磁化を固定した（磁化反転させない）磁性体膜（磁化固定層）が極薄の非磁性体膜（中間層）を挟んで積層されている。このような構成においては、磁化固定層から漏れた磁界が磁化自由層に作用するため、外部からの磁界印加または電流供給のない状態でも、磁化自由層の磁化は磁化固定層と同じ方向になろうとする傾向がある。したがって、磁気抵抗素子は、磁化自由層の磁化を磁化固定層と同じ方向にする（磁化を平行にする）反転電流よりも反対方向にする（磁化を反平行にする）反転電流の方が絶対値が大きくなる。
【０００８】
磁気抵抗素子を備える装置（ＭＲＡＭ、空間光変調器等）において、磁気抵抗素子の磁化を平行、反平行にするための各電流を互いに絶対値が異なるように供給することは、磁気抵抗素子の駆動回路が複雑化するため好ましくない。また、磁化を反平行にするために供給電流を大きくすることは、装置の省電力化の妨げとなる上、磁化固定層の磁化が反転する虞があり、磁気抵抗素子の動作が不安定となる。そこで、装置は、磁気抵抗素子を配列した周囲に磁石を配する等、磁界印加手段を設けて、磁気抵抗素子の磁化を平行、反平行にする反転電流が絶対値でほぼ同じとなるように、磁化固定層の漏出磁界と逆向きに磁界（バイアス磁界）を印加する必要がある。しかしながら、装置の小型化やコスト削減のためには、磁界印加手段の不要な磁気抵抗素子が望ましい。
【０００９】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、バイアス磁界の印加が不要なスピン注入磁化反転素子、ならびにこのスピン注入磁化反転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】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明者らは、垂直磁気異方性材料として好ましい上、見かけ上の飽和磁化が低いフェリ磁性材料であるＲＥ−ＴＭ合金の中でも光磁気（ＭＯ）ディスクの記録材料として広く適用されるＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金をスピン注入磁化反転素子の磁化固定層に適用し、さらにその組成を限定することで、磁界の漏れを抑えることに知見した。
【００１１】
すなわち、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、磁化固定層と中間層と磁化自由層とを積層して備え、上下に接続された一対の電極を介して電流を供給されるスピン注入磁化反転素子であって、前記磁化固定層がＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を備え、このＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金の組成が、Ｔｂx(Ｆｅ，Ｃｏ)1-x（０．２０≦ｘ≦０．２５）であることを特徴とする。さらに、前記Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金の組成は、Ｔｂx(Ｆｅ1-yＣｏy)1-x（０．２０≦ｘ≦０．２５、０．４＜ｙ＜０．６７）であることが好ましい。
【００１２】
かかる構成により、スピン注入磁化反転素子の磁化固定層に強い垂直磁気異方性を示すＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を適用することで微細化が可能となり、さらに希土類金属であるＴｂの含有率を限定することで飽和磁化を制御して磁化固定層からの磁界の漏れを抑制し、磁化自由層の磁化反転動作が安定する。また、遷移金属としてＦｅ，Ｃｏを含有することで、磁化固定層のキュリー温度を高くして、耐熱性に優れたスピン注入磁化反転素子となる。
【００１３】
さらに、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、前記磁化自由層がＴｂ，Ｇｄ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｐｄから選択される２以上の元素を含有することが好ましい。かかる構成により、磁化自由層も磁化固定層と同様に強い垂直磁気異方性を示すために、磁化反転動作が安定する。
【００１４】
また、本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリは、前記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、このメモリセルを複数、２次元配列して構成される。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、またデータの書き込み／読み出し動作が安定する。
【００１５】
また、本発明に係る空間光変調器は、前記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。すなわち空間光変調器は、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。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、また画素選択動作が安定する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るスピン注入磁化反転素子によれば、バイアス磁界の印加がなくても、磁化反転動作が安定した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る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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】磁気抵抗素子の磁化曲線で、（ａ）は理想モデル、（ｂ）は実際におけるものである。
【図４】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５】図４に示す空間光変調器を用いた表示装置の模式図で、図４のＡ−Ａ断面図に対応する図である。
【図６】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７】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６のＢ−Ｂ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係るスピン注入磁化反転素子、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。
【００１９】
［磁気抵抗素子］
（構成）
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および図２に示すように、磁化固定層１１、中間層１２、磁化自由層１３、保護層１４（図２では省略）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（以下、適宜電極２，３）に上下で接続されて、膜面に垂直に電流を供給される。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自由層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る。さらに、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。なお、磁化固定層１１と磁化自由層１３は、積層順序を入れ替えてもよい。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。なお、図２では磁気抵抗素子１の平面視形状を矩形としているが、これに限らない。以下、磁気抵抗素子１を構成する各層の詳細を説明する。
【００２０】
磁化固定層１１はアモルファス合金であるＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金（以下、ＴｂＦｅＣｏ合金）で構成され、その組成は、Ｔｂx(Ｆｅ，Ｃｏ)1-xで表したとき、０．２０≦ｘ≦０．２５とする。また、その厚さを１〜５０ｎｍとすることが好ましい。遷移金属（ＴＭ）であるＦｅ，Ｃｏが一方向（＋ｚ方向とする）の一様な磁気モーメントを示すのに対し、希土類金属（ＲＥ）であるＴｂは、この一方向の逆方向（−ｚ方向）を中心（軸）に広がって円錐の側面を形成するように分布した磁気モーメントを示し、磁気モーメントはその分布全体として、ｘ，ｙ方向には相殺されて−ｚ方向のみとなる。ＴｂＦｅＣｏ合金のようなＲＥ−ＴＭ合金においては、Ｆｅ，Ｃｏの＋ｚ方向の磁気モーメントとＴｂの−ｚ方向の磁気モーメントとに大きさの差が生じることで、全体として磁化を示すフェリ磁性となる。特に希土類金属がＴｂである場合、その磁気モーメントが支配的になり易く、強い垂直磁気異方性を示す。また、フェリ磁性材料は磁気モーメントの一部が相殺されるため、飽和磁化が見かけ上、低くなる。磁化固定層１１の飽和磁化Ｍspinを抑制することで、磁化固定層１１からの漏出磁界を減少させて磁化自由層１３の磁化反転を安定させることができる。一方、磁化固定層１１はその保磁力Ｈcpinが十分に大きく、５ｋＯｅ以上、磁化自由層１３の保磁力Ｈcよりも０．５ｋＯｅ以上大きいことが好ましい（１Ｏｅ≒７９．５７７Ａ／ｍ）。このような保磁力Ｈcpinは、ＴｂＦｅＣｏ合金の組成および膜厚を調整することで得られる。このように保磁力Ｈcpinが磁化自由層１３の保磁力Ｈcに対して十分に大きいことで、電流供給等により磁化固定層１１の磁化が容易に回転せず、一方向に固定される。なお、磁化固定層１１は、ＴｂＦｅＣｏ合金だけでなく、他の材料と積層した多層構造等としてもよい。
【００２１】
磁化固定層１１を構成するＴｂＦｅＣｏ合金は、Ｔｂ：２０ａｔ％未満では、Ｆｅ，Ｃｏの＋ｚ方向の磁気モーメントが支配的であり、垂直磁気異方性エネルギーＫuの大きさが不十分で、強い垂直磁気異方性が得られない。一方、Ｔｂ：２５ａｔ％を超えると、Ｔｂの−ｚ方向の磁気モーメントが大きすぎて、飽和磁化Ｍspinが十分に低くならず漏出磁界が大きくなる。したがって、Ｔｂ：２０〜２５ａｔ％、すなわちＴｂx(Ｆｅ1-yＣｏy)1-xで表したとき、０．２０≦ｘ≦０．２５とする。また、遷移金属として、Ｆｅ，Ｃｏの２種を含有することで、キュリー温度が高くなるため、高温下でも磁化固定層１１の磁化が保持されて磁気抵抗素子１の動作が安定する。また、磁気カー効果を大きくすることができるため、光変調素子として好適な磁気抵抗素子１となる。具体的には、前記組成において０．４＜ｙ＜０．６７とすることが好ましい。
【００２２】
中間層１２は、磁化固定層１１と磁化自由層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，Ａｇ，Ａｌ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。
【００２３】
磁化自由層１３は、垂直磁気異方性を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子等の磁化自由層として公知の磁性材料にて構成することができ、その厚さを１〜２０ｎｍと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等を含む、例えばＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ合金、または[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｄ]×ｎの多層膜、あるいはＭｎＢｉ，ＰｔＭｎＳｂ合金のようなＭｎ含有磁性合金が挙げられる。また、磁化固定層１１と同様に、ＴｂＦｅＣｏ合金を含めたＲＥ−ＴＭ合金で構成してもよく、希土類金属としてはＴｂの他にＳｍ，Ｅｕ，Ｇｄが挙げられる。これらの材料の中でも、特に、Ｔｂ，Ｇｄ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｐｄから選択される２以上の元素を含有する合金や多層膜は、垂直磁気異方性エネルギーＫuが大きいため、強い垂直磁気異方性を示す。さらに、後記するように磁気抵抗素子１を光変調素子に適用する場合は、光変調度の大きいＧｄＦｅ，ＧｄＦｅＣｏ合金が好ましい。
【００２４】
磁化自由層１３も、ＲＥ−ＴＭ合金のような飽和磁化Ｍsが低い材料で構成することが好ましい。反転電流密度は飽和磁化の２乗に比例するため、磁化自由層１３の飽和磁化Ｍsが低いと、磁気抵抗素子１の（磁化自由層１３の）反転電流Ｉcを低減することができる。一方、保磁力Ｈcは、磁気抵抗素子１が電流を常時供給されなくても磁化自由層１３の磁化方向が保持されるように、ある程度の大きさ以上とし、かつ容易に磁化反転可能なように磁化固定層１１の保磁力Ｈcpinよりも十分に小さくなるようにする。具体的には、０．２〜１ｋＯｅの範囲となることが好ましい。保磁力Ｈcも、磁化自由層１３を構成する材料の成分と組成によるが、磁化自由層１３を磁化固定層１１より薄く構成することで磁化固定層１１の保磁力Ｈcpinに対して小さくすることができる。
【００２５】
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自由層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。
【００２６】
（動作）
磁気抵抗素子１の磁化反転の動作を、図２および図３を参照して説明する。図３（ａ）に強磁性体の磁化曲線の理想モデルとして示すように、磁界（磁場）Ｈを推移させながら印加すると、磁化固定層１１および磁化自由層１３はそれぞれ磁化Ｍを変化させる。磁界Ｈが正の方向にそれぞれの保磁力＋Ｈcpin，＋Ｈcを超えるとき、磁化Ｍは急峻に上昇して負から正に変化する。反対に、磁界Ｈが負の方向に保磁力−Ｈcpin，−Ｈcを超えるとき、磁化Ｍは急峻に下降して正から負に変化する。磁化Ｍが正と負とで磁化方向は１８０°異なり、磁化固定層１１および磁化自由層１３は垂直磁気異方性を有するので、磁化は上方向または下方向を示す。本実施形態では、図３に示す磁化Ｍが正のとき、図２において磁化が下方向を示す。磁界ＨをＨ≦−Ｈcpinとすると、磁化固定層１１、そして|Ｈc|＜|Ｈcpin|であるので磁化自由層１３が、共に上方向の磁化となる（図２（ａ）参照）。これを初期印加として、以降、磁界Ｈを−Ｈcpin＜Ｈ＜＋Ｈcpinの範囲でかつＨ≦−ＨcからＨ≧＋Ｈcに推移させると、磁化固定層１１の磁化Ｍは負、すなわち図２（ａ）、（ｂ）に示すように上方向に固定されたまま、磁化自由層１３のみが、磁化Ｍが図３（ａ）に示すヒステリシスループ（磁化曲線）に沿って正と負とに変化して、磁化方向が上下に反転する。特に、初期印加を−Ｈcpinに対して負の方向に十分に大きくして、以降は磁界Ｈを＋Ｈcpinに近付けないように変化させた場合、磁化固定層１１の磁化Ｍはその飽和磁化−Ｍspin近傍に留まる。
【００２７】
スピン注入磁化反転素子である磁気抵抗素子１は、磁界印加に代えて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、磁化自由層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。図２（ａ）では、磁化自由層１３の磁化が磁化固定層１１の磁化方向と同じ上方向を示す。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。この状態の磁気抵抗素子１に、上部電極２を「−」、下部電極３を「＋」にして、磁化固定層１１側から磁化自由層１３へ上向きに電流Ｉ1を供給すると、磁化自由層１３の磁化が反転して、図２（ｂ）に示すように磁化固定層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。反対に上部電極２を「＋」、下部電極３を「−」にして、磁化自由層１３側から磁化固定層１１へ下向きに電流Ｉ0を供給すると、再び磁化自由層１３の磁化が反転して上方向に戻って図２（ａ）に示す状態となる。
【００２８】
磁気抵抗素子１の磁化を平行、反平行に反転させる供給電流Ｉ0，Ｉ1の大きさは、それぞれ負および正の方向に、スピン注入磁化反転に要する電流（反転電流）以上である。磁気抵抗素子１のスピン注入磁化反転特性において、図３（ａ）の横軸（磁界軸）は電流軸に相当し、反転電流の大きさは磁化自由層１３の保磁力の大きさに対応する。したがって、磁化自由層１３の負および正の保磁力が図３（ａ）に−Ｈc，＋Ｈcで示すようにその大きさ（絶対値）が同じであれば、反転電流も正および負で大きさが同じとなる。この反転電流を−Ｉc，＋Ｉcで示すと、Ｉ0≦−Ｉc、Ｉ1≧＋Ｉcとなり、|Ｉ0|＝|Ｉ1|と設定することが可能である。
【００２９】
なお、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（Ｉ0，Ｉ1）が供給されるまでは、磁化自由層１３の保磁力Ｈc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。
【００３０】
しかしながら、実際の磁気抵抗素子１においては、磁化固定層１１から磁界が漏れて中間層１２を介して磁化自由層１３に作用する。図２においては、前記したように磁化固定層１１の磁化Ｍは飽和磁化−Ｍspin近傍であり、負の方向に漏出磁界が作用する。このため、磁化自由層１３は、より大きな磁界Ｈを正の方向に印加されないと磁化Ｍが正に変化せず、反対に、負の方向へは小さい磁界Ｈで容易に負に変化する。磁化自由層１３の磁化Ｍの限界値はその飽和磁界−Ｍｓ，＋Ｍｓから変化しないので、したがって、図３（ｂ）に示すように、磁化自由層１３の磁化曲線は磁界Ｈ方向の正へシフトし、このとき保磁力Ｈc0，Ｈc1も−Ｈc，＋Ｈcからそれぞれ正の方向にシフトするため、互いの絶対値にずれを生じる（|Ｈc0|＜|Ｈc1|）。このシフト量は磁化固定層１１からの漏出磁界が大きいほど、すなわち磁化固定層１１の飽和磁化Ｍspinが高いほど大きくなる。
【００３１】
前記した通り、磁気抵抗素子１の反転電流の大きさは磁化自由層１３の保磁力の大きさに対応するので、磁化自由層１３の保磁力Ｈc0，Ｈc1の場合、正負それぞれへの反転電流の大きさも異なる。保磁力Ｈc0，Ｈc1のシフト量ΔＨc（ΔＨc＝|Ｈc1|−Ｈc，Ｈc−|Ｈc0|）が１０Ｏｅを超えて大きいと、|Ｈc0|と|Ｈc1|の差（ΔＨc×２）が大きく、反転電流も正および負で絶対値の差が大きくなる。このような磁気抵抗素子１に対して、供給電流Ｉ0，Ｉ1について|Ｉ0|＝|Ｉ1|では、磁化反転動作に安定性を欠く等の不具合を生じる虞がある。したがって、このような場合、磁気抵抗素子１の近傍に磁石等の磁界印加手段を設けて、磁化固定層１３の漏出磁界をキャンセルするために逆向きの正方向に磁界（バイアス磁界）を印加しながら動作させる必要がある。本実施形態に係る磁気抵抗素子１は、前記した通り磁化固定層１３を構成するＴｂＦｅＣｏ合金の組成を限定することによりその飽和磁化Ｍspinが高くならないようにして漏出磁界を減少させ、磁化自由層１３の保磁力Ｈcのシフト量を十分に小さくする（０Ｏｅに近付ける）。すなわち、磁気抵抗素子１の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る。その結果、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（＋Ｉc，−Ｉc）として、バイアス磁界の印加がなくとも安定したスピン注入磁化反転動作を得ることができる。
【００３２】
以上のように、本実施形態に係る磁気抵抗素子によれば、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。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。
【００３３】
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、および磁化自由層を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、磁化自由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。
【００３４】
［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。
【００３５】
本発明の一実施形態に係る空間光変調器１０は、基板（図５参照）上に、図４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。
【００３６】
図４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。そして、図４および図５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。
【００３７】
図４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。
【００３８】
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４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。
【００３９】
空間光変調器１０の画素４の構成の詳細を図４および図５を参照して説明する。上部電極２は、図５に示すように磁気抵抗素子１の上に配され、図４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。
【００４０】
磁気抵抗素子１は、図４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および図２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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
絶縁層６は、隣り合う上部電極２，２間（図５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を構成するＴｂＦｅＣｏ合金、さらには磁化自由層１３にＲＥ−ＴＭ合金を備える場合はこれらの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Ｔｂ等の希土類金属が酸化されてＦｅ，Ｃｏ等の遷移金属の割合が多い組成に変化することで、保磁力Ｈcpinが低下し、また飽和磁化Ｍspin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。
【００４６】
したがって、本発明に係る磁気抵抗素子１を適用した空間光変調器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間には非酸化物の絶縁材料を適用することが好ましい。このような絶縁材料としては、例えばシリコン窒化物（主な組成はＳｉ3Ｎ4、以下Ｓｉ−Ｎで表す。）が挙げられる。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等の一般的な絶縁材料を適用してもよい。
【００４７】
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。
【００４８】
（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、この空間光変調器１０を用いた表示装置として、図５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５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。
【００４９】
光源９３は、例えばレーザー光源、およびこれに光学的に接続されてレーザー光を拡大するビーム拡大器、さらに拡大されたレーザー光を平行光とするレンズで構成される（図示省略）。光源９３から照射された光（レーザー光）は様々な偏光成分を含んだいわゆる自然光であるので、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の磁化自由層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。
【００５０】
磁気抵抗素子１に入射した光が磁性体である磁化自由層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、すなわち磁化自由層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、磁化自由層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自由層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。
【００５１】
あるいは、磁気抵抗素子１に入射した偏光が、磁化自由層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、磁化自由層１３を透過して出射する構成であってもよい。この場合は、磁性体である磁化自由層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、磁化自由層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自由層１３のファラデー回転角θFによって決定される。出射光は磁化自由層１３を２回透過しているので、旋光角の差|θp−θap|は４θFとなる。
【００５２】
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。
【００５３】
ここで、磁化自由層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自由層１３の磁化方向に近いほど大きい。したがって、入射角は膜面に垂直すなわち０°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、入射角を少し傾斜させて、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。具体的には、偏光の入射角は５°〜３０°とすることが好ましい。または、入射角０°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、特にＧｄＦｅ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、磁化自由層１３にこのような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。
【００５４】
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と磁化自由層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。
【００５５】
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と磁化自由層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０°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。
【００５６】
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。
【００５７】
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、所定の組成のＴｂＦｅＣｏ合金を磁化固定層に備えた磁気抵抗素子を光変調素子として、画素（画素アレイ）周囲に磁界印加手段を備えなくても画素選択の動作が安定した空間光変調器となる。
【００５８】
［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６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。
【００５９】
図６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。
【００６０】
１つのメモリセル７は、図７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および図２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５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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
絶縁層６は、図７における空白部および隣り合うビット線２Ａ，２Ａ間（図７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のように酸素を含有しない絶縁材料を適用することが好ましい。これにより、磁気抵抗素子１の磁化固定層１１を構成するＴｂＦｅＣｏ合金、さらには磁化自由層１３にＲＥ−ＴＭ合金を備える場合はこれらの合金が、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等の一般的な絶縁材料を適用してもよい。
【００６４】
（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７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。
【００６５】
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へ下向きに電流Ｉ0が磁気抵抗素子１に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へ上向きに電流Ｉ1が磁気抵抗素子１に流れると、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、値の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。
【００６６】
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、所定の組成のＴｂＦｅＣｏ合金を磁化固定層に備えた磁気抵抗素子を用いて、磁界印加手段を備えなくても書き込み等の動作が安定した記録装置が得られる。
【００６７】
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】
【００６８】
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：ＴｂＦｅＣｏ（１０ｎｍ）、中間層：Ｃｕ（３ｎｍ）、磁化自由層：ＧｄＦｅＣｏ（１０ｎｍ）、保護層：Ｒｕ（３ｎｍ）を積層したＣＰＰ−ＧＭＲ素子とした。なお、磁化固定層を構成するＴｂＦｅＣｏ合金の組成は表１に示すように変化させた。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１００ｎｍ×３００ｎｍ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、Ａｒ雰囲気、０．１ＰａでＤＣマグネトロンスパッタリング法にて連続して成膜して積層した。次に、後続の工程での熱処理を模擬するために真空中で１９０℃×１時間の熱処理を施し、前記磁気抵抗素子の平面視形状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）の表面近傍までを加工した後、レジストの上からＳｉ−Ｎを成膜して、レジストをその上のＳｉ−Ｎごと除去して（リフトオフ）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としてＣｕを成膜して、実施例のサンプルとした。
【００６９】
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一方向に印加して、磁化自由層、さらに磁化固定層の磁化がそれぞれ反転する磁界を測定して保磁力を求めた。次に、反対方向に磁界を印加して、再び磁化自由層、さらに磁化固定層の磁化がそれぞれ反転する磁界を測定して保磁力を求めた。また、磁化固定層については飽和磁化も測定した。磁気抵抗素子の各サンプルについて、磁化固定層の保磁力−Ｈcpin，＋Ｈcpinおよび飽和磁化Ｍspin、ならびに磁化自由層の保磁力Ｈc1，Ｈc0を表１に示す。また、磁化自由層の保磁力Ｈc0，Ｈc1の大きさの差から保磁力のシフト量ΔＨc（ΔＨc＝(|Ｈc1|−|Ｈc0|)／２）を算出して表１に示す。
【００７０】
【表１】
2011228341.tif 000003
【００７１】
表１に示すように、磁気抵抗素子のサンプルＮｏ．１，２は、磁化固定層を構成するＴｂＦｅＣｏ合金の組成が本発明の範囲である実施例であり、磁化固定層の飽和磁化Ｍspinが十分に抑えられた。そのため、当該磁化固定層からの漏出磁界が小さく、磁化自由層の保磁力のシフト量ΔＨcが目標の１０Ｏｅ以下を満足して、安定したスピン注入磁化反転動作を示す磁気抵抗素子となった。これに対して、サンプルＮｏ．３，４は、ＴｂＦｅＣｏ合金におけるＴｂの含有率が過剰な比較例であるため、磁化固定層の飽和磁化Ｍspinが大きかった。その結果、漏出磁界により磁化自由層の保磁力Ｈc0，Ｈc1が同じ方向にシフトしてシフト量ΔＨcが大きくなり、安定動作のためにバイアス磁界の印加を必要とする磁気抵抗素子となった。
【符号の説明】
【００７２】
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    磁化自由層
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】
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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３】
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