(57)【要約】【課題】素子作製時の加熱や、電流注入によって生じる熱等による磁気抵抗効果素子の特性劣化を防止することができる磁気抵抗効果素子構造体、この磁気抵抗効果素子構造体を用いた磁気ランダムアクセスメモリ、この磁気抵抗効果素子構造体を用いた空間光変調器を提供する。【解決手段】固定層１０１と、中間層１０２と、反転層１０３とが積層された磁気抵抗効果素子１０を有し、固定層１０１に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いた磁気抵抗効果素子構造体１であって、磁気抵抗効果素子１０の上面に設けられた上部電極１１および磁気抵抗効果素子１０の下面に設けられた下部電極１２の間に、当該電極間を絶縁するための絶縁材１３を備え、絶縁材１３は、ＭｇＦ２誘電体材料１３ａであり、ＭｇＦ２誘電体材料１３ａは、固定層１０１の側面に当接して設けられていることを特徴とする。【選択図】図１
2011100790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定層と、中間層と、反転層とが積層された磁気抵抗効果素子を有し、前記固定層に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いた磁気抵抗効果素子構造体であって、
前記磁気抵抗効果素子構造体は、前記磁気抵抗効果素子の上面に設けられた上部電極と、前記磁気抵抗効果素子の下面に設けられた下部電極とを備えると共に、前記上部電極および下部電極の間に、当該電極間を絶縁するための絶縁材を備え、
前記絶縁材は、ＭｇＦ２誘電体材料であり、
前記ＭｇＦ２誘電体材料は、前記固定層の側面に当接して設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子構造体。
【請求項２】
固定層と、中間層と、反転層とが積層された磁気抵抗効果素子を有し、前記反転層に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いた磁気抵抗効果素子構造体であって、
前記磁気抵抗効果素子構造体は、前記磁気抵抗効果素子の上面に設けられた上部電極と、前記磁気抵抗効果素子の下面に設けられた下部電極とを備えると共に、前記上部電極および下部電極の間に、当該電極間を絶縁するための絶縁材を備え、
前記絶縁材は、ＭｇＦ２誘電体材料であり、
前記ＭｇＦ２誘電体材料は、前記反転層の側面に当接して設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子構造体。
【請求項３】
固定層と、中間層と、反転層とが積層された磁気抵抗効果素子を有し、前記固定層に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いた磁気抵抗効果素子構造体であって、
前記磁気抵抗効果素子構造体は、前記磁気抵抗効果素子の上面に設けられた上部電極と、前記磁気抵抗効果素子の下面に設けられた下部電極とを備えると共に、前記上部電極および下部電極の間に、当該電極間を絶縁するための絶縁材を備え、
前記絶縁材は、ＭｇＦ２誘電体材料とＳｉＯ２絶縁材料との積層膜であり、
前記ＭｇＦ２誘電体材料は、前記固定層の側面に当接して設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子構造体。
【請求項４】
固定層と、中間層と、反転層とが積層された磁気抵抗効果素子を有し、前記反転層に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いた磁気抵抗効果素子構造体であって、
前記磁気抵抗効果素子構造体は、前記磁気抵抗効果素子の上面に設けられた上部電極と、前記磁気抵抗効果素子の下面に設けられた下部電極とを備えると共に、前記上部電極および下部電極の間に、当該電極間を絶縁するための絶縁材を備え、
前記絶縁材は、ＭｇＦ２誘電体材料とＳｉＯ２絶縁材料との積層膜であり、
前記ＭｇＦ２誘電体材料は、前記反転層の側面に当接して設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子構造体。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子構造体を用いたことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子構造体を用いた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、磁気抵抗効果素子と、上部電極と、下部電極と、これら２つの電極間を絶縁するための絶縁材とを具備した磁気抵抗効果素子構造体、この磁気抵抗効果素子構造体を用いた磁気ランダムアクセスメモリ、および、この磁気抵抗効果素子構造体を用いた空間光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に記載のように、記憶セルを構成する強磁性層内の磁化の向きを情報の最小構成単位とし、この磁化の向きを外部磁界あるいは外部電流（スピン注入磁化反転）で制御して、任意の情報の書き込みおよび読み出しができる不揮発性の磁気メモリが知られている。
【０００３】
複数個の磁気メモリをマトリクス状に並べた磁気ランダムアクセスメモリでは、磁化の向きが一方向に固定された固定層と、磁化の向きを容易に回転することができる反転層と、前記固定層と前記反転層との間に両者の磁気特性を分離するための中間層とが形成された少なくとも３層構造の膜で構成され、これに、前記固定層と前記反転層間に電流または電圧を供給するための一組の電極を設けた磁気抵抗効果素子を記憶セルとして用いている。このような磁気抵抗効果素子としては、前記中間層に０．５〜２ｎｍ厚程度のＭｇＯ等の絶縁層を用いたＴＭＲ（Tunneling MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗効果）素子や、前記中間層に２〜１０ｎｍ厚程度のＣｕ等の金属層を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗効果）素子が用いられている。
【０００４】
ＴＭＲ素子やＣＰＰ−ＧＭＲ素子においては、絶縁特性に優れたＳｉＯ２等の酸化物が、上部電極と下部電極間に、かつ、固定層、中間層、反転層の側面に隣接（当接）して形成されている。この固定層や反転層には、遷移金属からなる磁性合金、磁性多層膜、あるいは、遷移金属と希土類金属とからなる磁性合金等が用いられる。特に、Ｆｅ、Ｃｏ等の遷移金属と、Ｇｄ、Ｔｂ等の希土類金属との磁性合金では、膜面に垂直な磁化を形成する（垂直磁気異方性を有する）ため、面内磁化を形成する面内磁気異方性材料に比べて微細化に有利であり、高密度化に優れている。また、遷移金属の磁化の向きと希土類金属の磁化の向きとが反平行に結合し、合金全体の飽和磁化（Ｍｓ）を非常に小さく形成することができるために、反転電流密度（ＪＣ）がＭｓに比例する特徴があるスピン注入磁化反転を用いた磁気メモリにおいては、反転電流を低減する材料として注目されている。
【０００５】
また、磁気抵抗効果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。例えば、特許文献２には、固定層（磁化方向固定層）、中間層（分離層）、反転層（磁化方向可変層）の順で積層された少なくとも３層構造からなる磁気抵抗効果素子において、その上部と下部の面に設けた２つの電極のうち、少なくとも一方をＩＺＯやＩＴＯ等の透明電極で形成したスピン注入型光変調素子が開示されている。このような素子においても、上部電極と下部電極間を絶縁するために、固定層、中間層、反転層の側面に当接（隣接）してＳｉＯ２絶縁材料（ＳｉＯ２膜）が形成されている。
【０００６】
ここで、図１２に、従来の磁気抵抗効果素子を用いた磁気抵抗効果素子構造体の断面図を示す。なお、固定層と、中間層と、反転層と、必要に応じて保護層とを備える磁気抵抗効果素子に、上部電極、下部電極および絶縁材を備えたものを、磁気抵抗効果素子構造体（素子構造体）というものとする。従来型の磁気抵抗効果素子構造体（素子構造体）１００では、基板１６上に下部電極１２を形成し、その上に固定層１０１、中間層１０２、反転層１０３、保護層１０４の順に積層され、その上に上部電極１１が形成される。そして、上部電極１１と下部電極１２間の絶縁材１３としてＳｉＯ２絶縁材料１３ｂが形成される。なお、保護層１０４は、素子作製プロセスにおいて、反転層１０３の酸化や汚染を防止するために形成するものであるが、保護層１０４が必ずしも必要というわけではない。また、図示しないが、下部電極上に、反転層、中間層、固定層の順に積層した磁気抵抗効果素子においても同様に、その側面にはＳｉＯ２絶縁材料が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−８１２１６号公報（段落００１４〜００６７）
【特許文献２】特開２００８−８３６８６号公報（段落００２３〜００６４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記のＳｉＯ２を絶縁材に用いた磁気抵抗効果素子構造体においては、素子作製のために加えた熱や、電流注入によって生じる熱等によって、ＳｉＯ２内の酸素元素が、固定層、中間層、反転層の側面に侵入し、ＳｉＯ２と各層の界面が酸化して磁気特性や電気特性が劣化するという問題がある。特に、固定層および反転層の一部あるいは全部に遷移金属と希土類金属との磁性合金や、Ｍｎを含む磁性合金や、磁性多層膜を用いた場合には、これら磁性合金、磁性多層膜が酸化されやすく、前記磁性合金、前記磁性多層膜の組成ずれが生じて、磁気抵抗効果素子の磁気的、電気的特性の劣化を招くという問題がある。
【０００９】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗効果素子作製時の加熱や、電流注入によって生じる熱等による磁気抵抗効果素子の特性劣化を防止することができる磁気抵抗効果素子構造体、この磁気抵抗効果素子構造体を用いた磁気ランダムアクセスメモリ、この磁気抵抗効果素子構造体を用いた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】
本発明に係る磁気抵抗効果素子構造体は、固定層と、中間層と、反転層とが積層された磁気抵抗効果素子を有し、前記固定層に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いた磁気抵抗効果素子構造体であって、前記磁気抵抗効果素子構造体は、前記磁気抵抗効果素子の上面に設けられた上部電極と、前記磁気抵抗効果素子の下面に設けられた下部電極とを備えると共に、前記上部電極および下部電極の間に、当該電極間を絶縁するための絶縁材を備え、前記絶縁材は、ＭｇＦ２誘電体材料であり、前記ＭｇＦ２誘電体材料は、前記固定層の側面に当接して設けられていることを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いた固定層の側面に、上部電極と下部電極とを絶縁するために形成する絶縁材として、酸素元素を含まないＭｇＦ２を当接しているため、固定層側面での酸化が防止され、固定層における磁性合金、磁性多層膜の酸化が防止される。これにより、前記磁性合金、前記磁性多層膜の組成ずれが生じることがなく、磁気抵抗効果素子の磁気的、電気的特性の劣化が防止される。
【００１２】
本発明に係る磁気抵抗効果素子構造体は、固定層と、中間層と、反転層とが積層された磁気抵抗効果素子を有し、前記反転層に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いた磁気抵抗効果素子構造体であって、前記磁気抵抗効果素子構造体は、前記磁気抵抗効果素子の上面に設けられた上部電極と、前記磁気抵抗効果素子の下面に設けられた下部電極とを備えると共に、前記上部電極および下部電極の間に、当該電極間を絶縁するための絶縁材を備え、前記絶縁材は、ＭｇＦ２誘電体材料であり、前記ＭｇＦ２誘電体材料は、前記反転層の側面に当接して設けられていることを特徴とする。
【００１３】
このような構成によれば、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いた反転層の側面に、上部電極と下部電極とを絶縁するために形成する絶縁材として、酸素元素を含まないＭｇＦ２を当接しているため、反転層側面での酸化が防止され、反転層における磁性合金、磁性多層膜の酸化が防止される。これにより、前記磁性合金、前記磁性多層膜の組成ずれが生じることがなく、磁気抵抗効果素子の磁気的、電気的特性の劣化が防止される。
【００１４】
本発明に係る磁気抵抗効果素子構造体は、固定層と、中間層と、反転層とが積層された磁気抵抗効果素子を有し、前記固定層に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いた磁気抵抗効果素子構造体であって、前記磁気抵抗効果素子構造体は、前記磁気抵抗効果素子の上面に設けられた上部電極と、前記磁気抵抗効果素子の下面に設けられた下部電極とを備えると共に、前記上部電極および下部電極の間に、当該電極間を絶縁するための絶縁材を備え、前記絶縁材は、ＭｇＦ２誘電体材料とＳｉＯ２絶縁材料との積層膜であり、前記ＭｇＦ２誘電体材料は、前記固定層の側面に当接して設けられていることを特徴とする。
【００１５】
このような構成によれば、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いた固定層の側面に、酸素元素を含まないＭｇＦ２を当接しているため、固定層側面での酸化が防止され、固定層における磁性合金、磁性多層膜の酸化が防止される。これにより、前記磁性合金、前記磁性多層膜の組成ずれが生じることがなく、磁気抵抗効果素子の磁気的、電気的特性の劣化が防止される。さらに、ＭｇＦ２誘電体材料（ＭｇＦ２膜）とＳｉＯ２絶縁材料（ＳｉＯ２膜）との積層膜として、中間層、反転層の側面に、ＳｉＯ２絶縁材料を当接しているため、絶縁特性が向上する。
【００１６】
本発明に係る磁気抵抗効果素子構造体は、固定層と、中間層と、反転層とが積層された磁気抵抗効果素子を有し、前記反転層に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いた磁気抵抗効果素子構造体であって、前記磁気抵抗効果素子構造体は、前記磁気抵抗効果素子の上面に設けられた上部電極と、前記磁気抵抗効果素子の下面に設けられた下部電極とを備えると共に、前記上部電極および下部電極の間に、当該電極間を絶縁するための絶縁材を備え、前記絶縁材は、ＭｇＦ２誘電体材料とＳｉＯ２絶縁材料との積層膜であり、前記ＭｇＦ２誘電体材料は、前記反転層の側面に当接して設けられていることを特徴とする。
【００１７】
このような構成によれば、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いた反転層の側面に、酸素元素を含まないＭｇＦ２を当接しているため、反転層側面での酸化が防止され、反転層における磁性合金、磁性多層膜の酸化が防止される。これにより、前記磁性合金、前記磁性多層膜の組成ずれが生じることがなく、磁気抵抗効果素子の磁気的、電気的特性の劣化が防止される。さらに、ＭｇＦ２誘電体材料（ＭｇＦ２膜）とＳｉＯ２絶縁材料（ＳｉＯ２膜）との積層膜として、固定層、中間層の側面に、ＳｉＯ２絶縁材料を当接しているため、絶縁特性が向上する。
【００１８】
本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリは、前記記載の磁気抵抗効果素子構造体を用いたことを特徴とする。
このような構成によれば、複数の磁気抵抗効果素子における磁気的、電気的特性の劣化が防止されるため、特性のばらつきが少なく、高品質の磁気ランダムアクセスメモリとなる。
【００１９】
本発明に係る空間光変調器は、前記記載の磁気抵抗効果素子構造体を用いたことを特徴とする。
このような構成によれば、複数の磁気抵抗効果素子における磁気的、電気的特性の劣化が防止されるため、特性のばらつきが少なく、高品質の空間光変調器となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る磁気抵抗効果素子構造体では、固定層側面や反転層側面での酸化を防止することができるため、磁気抵抗効果素子作製時の加熱や、電流注入（スピン注入）によって生じる熱等による磁気抵抗効果素子の特性劣化を防止することができる。そのため、リーク電流の少ない磁気抵抗効果素子を提供することができる。
また、絶縁材を、ＭｇＦ２誘電体材料とＳｉＯ２絶縁材料との積層膜とすることで、前記効果に加え、絶縁特性に優れた磁気抵抗効果素子構造体とすることができる。
本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリおよび空間光変調器は、特性のばらつきが少ない、品質に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気抵抗効果素子構造体における絶縁材の配置の第１の形態を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気抵抗効果素子構造体における絶縁材の配置の第２の形態を模式的に示す断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気抵抗効果素子構造体における絶縁材の配置の第３の形態を模式的に示す断面図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気抵抗効果素子構造体における絶縁材の配置の第４の形態を模式的に示す断面図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気抵抗効果素子構造体における絶縁材の配置の第５の形態を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を備えた記録装置の一例を模式的に示す構成図である。
【図７】図６に示したＭＲＡＭの１セルを模式的に示す断面図である。
【図８】本発明に係る空間光変調器の一例を模式的に示す構成図である。
【図９】（ａ）は画素の構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ断面図であり、（ｃ）は（ａ）の矢視Ｃ−Ｃ断面図である。
【図１０】光変調素子による光変調の形態（空間光変調器の動作の形態）を模式的に示す説明図であり、（ａ）は明状態を示し、（ｂ）は暗状態を示す。
【図１１】実施例におけるＲ−Ｈ曲線を示すグラフである。
【図１２】従来の磁気抵抗効果素子構造体を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の磁気抵抗効果素子構造体（以下、適宜、素子構造体という）１は、固定層（磁化固定層）１０１と、中間層（非磁性中間層）１０２と、反転層（磁化反転層、磁化自由層）１０３とがこの順序で積層された磁気抵抗効果素子１０を有する。この磁気抵抗効果素子１０は、スピン注入磁化反転素子構造を有するものである。さらに、磁気抵抗効果素子１０の上面（反転層１０３の上面（上部））に積層して設けられた（接続された）上部電極１１と、磁気抵抗効果素子１０の下面（固定層１０１の下面（上部））に積層して設けられた（接続された）下部電極１２と、上部電極１１および下部電極１２の間に、当該電極間を絶縁するための絶縁材１３と、を備える。なお、磁気抵抗効果素子１０は、必要に応じて、反転層１０３と上部電極１１の間に、保護層１０４を備えてもよい。すなわち、本発明の素子構造体１とは、固定層１０１と、中間層１０２と、反転層１０３と、必要に応じて保護層１０４とを備える磁気抵抗効果素子１０に、上部電極１１、下部電極１２および絶縁材１３を備えるものをいう。この素子構造体１は、基本的には基板１６上に形成されるが、基板１６は、素子構造体１と離れていてもよい。
【００２３】
ここで、素子構造体１は、固定層１０１に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いたものと、反転層１０３に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いたものが挙げられる。なお、固定層１０１および反転層１０３の両者に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いたものであってもよい。ただし、後記するように、これらの物質を用いた場合には、その層の側面には、ＭｇＦ２誘電体材料を当接させる必要がある。
以下、各構成について説明する。
【００２４】
＜基板＞
基板１６は、素子構造体１の土台となるものである。基板１６は、素子構造体１を形成（成膜）する際の成膜環境に耐えられるものであればよく、例えば、基板厚が０．３ｍｍで、酸化膜の厚さが３００ｎｍ程度のＳｉ基板を用いることができる。基板１６としては、Ｓｉ基板（Ｓｉウェハ）の他、プラスチック基板、ガラス基板、セラミックス基板等を用いることができる。
【００２５】
［下部電極］
下部電極１２は、固定層１０１、中間層１０２、反転層１０３間に電圧または電流を印加するための一対の電極のうち、片方の電極である。下部電極１２を構成する材料としては、安価で導電性に優れた銅（Ｃｕ）が好適に用いられる。例えば、Ｃｕを主材料とし、Ｒｕ(５ｎｍ)／Ｃｕ(７５ｎｍ)／Ｒｕ(２ｎｍ)／Ｃｕ(７５ｎｍ)／Ｒｕ(１０ｎｍ)（左側に記載の材料から順に積層）をＤＣマグネトロンスパッタ装置により作製することができる。なお、Ｃｕを２段に分けて形成するのは、Ｃｕ粒径の成長を抑制し、Ｒｕ（１０ｎｍ）最表面での平坦性を向上させるためである。また、Ｒｕの代わりに、Ｔａや、Ｔａ／Ｒｕ積層膜等の金属を用いることもできる。さらに、導電性が高く平坦性のよい金属材料であれば、例えば、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）等の貴金属を用いてもよい。また、ＩＺＯ、ＩＴＯ等の透明電極材料を用いてもよい。なお、上部電極１１と下部電極１２のいずれか、またはその両方をＩＺＯ、ＩＴＯ等の透明電極にすることで、後記するスピン注入型の光変調素子を形成することができる。
【００２６】
［上部電極］
上部電極１１は、下部電極１２と一対となって、固定層１０１、中間層１０２、反転層１０３間に電圧または電流を印加するための一対の電極のうち、片方の電極である。上部電極１１を構成する材料としては、安価で導電性に優れた銅（Ｃｕ）が好適に用いられる。例えば、Ｃｕを主材料とし、Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｃｕ（５００ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）（左側から記載の材料から順に積層）をＤＣマグネトロンスパッタ装置により作製することができる。また、ＩＺＯ、ＩＴＯ等の透明電極材料を用いてもよい。
【００２７】
［磁気抵抗効果素子］
(固定層)
固定層１０１は、スピンを弁別するフィルタの機能を有する。固定層１０１には、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いる。すなわち、固定層１０１の一部または全部を、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかで構成する。なお、前記のとおり、反転層１０３に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いる場合には、これら以外の物質で構成してもよい。なお、固定層１０１の全てを前記の磁性合金等で構成してもよいし、一部を磁性合金等で構成し、その他の部分をこれら以外の物質で構成してもよい。
【００２８】
遷移金属と希土類金属との磁性合金としては、例えば、Ｇｄ−Ｆｅ（例えば、Ｇｄ３０Ｆｅ７０）やＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ（例えば、Ｔｂ２４Ｆｅ６２Ｃｏ１４）等（数値は元素比〔ａｔ％〕を示す）が好適に用いられる。これらの金属間化合物は、成膜が容易な点での利点をも有している。これらの合金を用いることで、低飽和磁化（ＭＳ）の固定層１０１を形成することができる。したがって、ＭＳの大きさに比例する磁化反転電流密度（ＪＣ）を低減することができる。
【００２９】
なお、Ｇｄ−Ｆｅでは、ＧｄとＦｅの磁気モーメントが互いに反対に向き合い、その組成によって、全磁気モーメントがＧｄの磁気モーメントの向きになるか、Ｆｅの磁気モーメントの向きになるのかが決まる。例えば、Ｇｄ３０Ｆｅ７０の場合には、全磁気モーメントはＧｄの磁気モーメントの方向に向く。
【００３０】
また、希土類元素の化学的・物理的性質の類似を利用すれば、遷移金属との組み合わせによる材料変更は比較的容易であるが、希土類元素としては、得られる磁気的性質が同等である場合には、原料コストや成膜性に優れた材料を用いることが好ましい。
【００３１】
また、Ｍｎを含む磁性合金や、磁性多層膜を用いてもよい。Ｍｎを含む磁性合金としては、例えば、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｍｎ−Ｂｉ等の磁性合金、磁性多層膜としては、例えば、Ｍｎ／Ｂｉ多層膜を用いることができる。
固定層１０１の一例としては、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ磁性合金を２０ｎｍ厚堆積し、その上にＣｏ−Ｆｅ磁性合金を１ｎｍ堆積したものが挙げられる。なお、磁化方向は膜面に垂直な方向である。また、Ｃｏ−Ｆｅ磁性合金は、中間層１０２と固定層１０１界面におけるスピン偏極率を増大させるために用いるものであるが、必ずしも必要ではない。
【００３２】
（中間層）
中間層１０２は、固定層１０１と反転層１０３の間に配置されるものである。磁気抵抗効果素子１０がＣＰＰ−ＧＭＲ型の素子の場合には、中間層１０２として、非磁性金属が用いられる。中間層１０２は、反転層１０３と固定層１０１の磁化状態を分離するために必要であり、反転層１０３と固定層１０１との間でスピン偏極した電子をやり取りする際の通路として機能する。
【００３３】
例えば、下部電極１２、固定層１０１、中間層１０２、反転層１０３、（保護層１０４）、上部電極１１の順に積層された素子において、上部電極１１が正の電圧となるように下部電極１２と上部電極１１間に電圧を印加すると、下部電極１２から注入された電子は固定層１０１の内部で固定層１０１の磁化方向にスピンを揃え（スピン偏極）、そのスピン偏極した電子が、中間層１０２内をスピンを保持したまま通過し、反転層１０３に注入される。反転層１０３の内部では、反転層１０３の磁化方向を決定づける内部電子と注入されたスピン偏極電子との相互作用により、局所的なスピントルクという力が生じて反転層１０３内の磁化方向を決定づける内部電子のスピンを反転させるために、結果として反転層１０３の磁化方向が反転する。このように、中間層１０２はスピンの通路として機能するため、スピン軌道相互作用が小さく、スピン拡散長（スピンを保持する距離）の長い材料を用いるのが好ましい。非磁性金属材料の場合には、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ等できるだけスピン拡散長の長い材料を用いた方がよい。また、ＺｎＯ等の半導体材料を用いてもよい。そして、その厚さは、スピン偏極した電子がスピン状態を十分に保ったまま流れるように、１〜１０ｎｍが好ましい。
【００３４】
また、中間層１０２としては、マグネシア（ＭｇＯ）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の絶縁体を用いることができる。その場合には、トンネル電流型の磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）１０となる。ＴＭＲ素子の場合には、中間層１０２の厚さは、０．５〜２ｎｍ程度が好ましい。
【００３５】
（反転層）
反転層１０３は、上部電極１１と下部電極１２との間に印加される電圧の向きに応じて（つまり、磁気抵抗効果素子１０を流れる電流の向きに応じて）、注入される電子のスピンと反転層１０３内の電子スピンとの相互作用により反転層１０３内の磁化の向きが反転するものである。すなわち、反転層１０３は、固定層１０１によって弁別された偏極スピンによって自身の磁化の向きを反転させることができる。反転層１０３には、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いる。すなわち、反転層１０３の一部または全部を、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかで構成する。なお、前記のとおり、固定層１０１に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いる場合には、これら以外の物質で構成してもよい。なお、反転層１０３の全てを前記の磁性合金等で構成してもよいし、一部を磁性合金等で構成し、その他の部分をこれら以外の物質で構成してもよい。
【００３６】
遷移金属と希土類金属との磁性合金としては、例えば、Ｇｄ−Ｆｅ（例えば、Ｇｄ３０Ｆｅ７０）やＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ（例えば、Ｔｂ２４Ｆｅ６２Ｃｏ１４）等（数値は元素比〔ａｔ％〕を示す）が好適に用いられる。このような金属間化合物は、磁気抵抗効果素子１０が後記する光変調素子として用いられる場合に、薄い膜厚でも電圧が印加された際に大きな磁気カー効果を示し、大きなカー回転角(θＫ)を得ることができる。
遷移金属と希土類金属との磁性合金に関してのその他の事項は、前記固定層１０１で説明したとおりであるので、ここでは説明を省略する。
【００３７】
また、Ｍｎを含む磁性合金や、磁性多層膜を用いてもよい。Ｍｎを含む磁性合金としては、例えば、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｍｎ−Ｂｉ等の磁性合金、磁性多層膜としては、例えば、Ｍｎ／Ｂｉ多層膜を用いることができる。
反転層１０３の一例としては、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、Ｇｄ−Ｆｅを１０ｎｍ堆積したものが挙げられる。
【００３８】
（保護層）
保護層１０４は、素子構造体１の作製プロセスにおいて、各層（膜）を大気にさらした場合や、レジストを塗布した場合、またはリフトオフプロセスによるレジスト剥離等の工程において、反転層１０３が酸化したり、汚染したりしないようにするために形成するものである。このような要求を満たす材料として、Ｔａ、Ｒｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ等を用いることができる。特にＲｕは、それ自体が酸化されてＲｕ−Ｏに変化しても、導電率があまり下がらず、抵抗率が増大しないため、Ｒｕを用いることが好ましい。
【００３９】
［絶縁材］
絶縁材１３は、上部電極１１および下部電極１２の間に設けられる、これらの電極間を絶縁するための部材である。
絶縁材１３としては、ＭｇＦ２誘電体材料１３ａを用いる。また、絶縁材１３としては、ＭｇＦ２誘電体材料（ＭｇＦ２膜）１３ａとＳｉＯ２絶縁材料（ＳｉＯ２膜）１３ｂとの積層膜としてもよい。
【００４０】
ここで、前記したように、固定層１０１や反転層１０３に、遷移金属と希土類金属との磁性合金、Ｍｎを含む磁性合金、または、磁性多層膜のうちのいずれかを用いる場合には、これらを用いた固定層１０１あるいは反転層１０３の側面には、ＭｇＦ２誘電体材料１３ａを当接して設ける必要がある。すなわち、これらの側面全体に、ＭｇＦ２誘電体材料１３ａを密着させる。なお、下部電極１２の側面は、ＳｉＯ２絶縁材料１３ｂを当接させればよい。このようにすれば、素子構造体１を、ＭＲＡＭや空間光変調器に用いた場合に、隣接セルや隣接画素との電気的ショートを防止することができる。
【００４１】
ＭｇＦ２は、酸素元素を含まないため、少なくとも固定層１０１、あるいは、少なくとも反転層１０３の側面に当接する領域にＭｇＦ２誘電体材料１３ａを備えることで、固定層１０１あるいは反転層１０３側面での酸化を防止することができ、これらの層における磁性合金、磁性多層膜の酸化が防止される。これにより、磁性合金、磁性多層膜の組成ずれが生じることがなく、磁気抵抗効果素子１０の作製時における加熱や、電流注入によって生じる熱等による磁気抵抗効果素子１０の磁気的、電気的特性の劣化を防止することができる。
また、積層膜とした場合には、絶縁材１３を、酸化防止効果の高いＭｇＦ２膜１３ａと、絶縁性に優れたＳｉＯ２膜１３ｂを積層して形成することで、磁気抵抗効果素子１０の特性劣化を防止することができると共に、絶縁特性に優れた素子を形成することができる。
これらのような素子構造体１における絶縁材１３の配置の形態としては、一例として、以下の形態が挙げられる。
【００４２】
（第１の形態）
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁材１３の配置についての第１の形態は、固定層１０１、中間層１０２、反転層１０３の全ての側面に当接するように、ＭｇＦ２誘電体材料１３ａが配置されている。なお、保護層１０４を設ける場合には、図１（ａ）に示すように、保護層１０４にもＭｇＦ２誘電体材料１３ａが当接する構成としてもよいし、図１（ｂ）に示すように、保護層１０４の側面には、ＳｉＯ２絶縁材料１３ｂが当接する構成としてもよい。保護層１０４の側面にＳｉＯ２絶縁材料１３ｂを備える場合には、固定層１０１、中間層１０２、反転層１０３までは、絶縁材１３としてＭｇＦ２誘電体材料１３ａを単独で用いたことになるが、保護層１０４まで含めると、ＭｇＦ２膜１３ａとＳｉＯ２膜１３ｂとの積層膜ということになる。
なお、ＭｇＦ２誘電体材料１３ａの表面エネルギーは小さいため、素子作製プロセスにおいてＭｇＦ２誘電体材料１３ａ上にレジストパターンを形成すると、レジストが剥離しやすくなるという問題が生じる。図１（ｂ）に示す本実施形態のように、絶縁材１３の最上層にＳｉＯ２絶縁材料１３ｂを形成することによって、このような問題を防止することができる。
【００４３】
（第２の形態）
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁材１３の配置についての第２の形態は、固定層１０１の側面に当接するように、ＭｇＦ２誘電体材料１３ａが配置され、中間層１０２、反転層１０３の側面に当接するように、ＳｉＯ２絶縁材料１３ｂが配置されている。この場合は、ＭｇＦ２膜１３ａとＳｉＯ２膜１３ｂとの積層膜になる。なお、保護層１０４を設ける場合には、図２（ａ）に示すように、保護層１０４の側面にもＳｉＯ２絶縁材料１３ｂが当接する構成としてもよいし、図２（ｂ）に示すように、保護層１０４の側面には、ＭｇＦ２誘電体材料１３ａが当接する構成としてもよい。
【００４４】
（第３の形態）
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁材１３の配置についての第３の形態は、反転層１０３の側面に当接するように、ＭｇＦ２誘電体材料１３ａが配置され、固定層１０１、中間層１０２の側面に当接するように、ＳｉＯ２絶縁材料１３ｂが配置されている。すなわち、この形態では、上部電極１１と下部電極１２の間に絶縁材１３が備えられ、かつ、上部電極１１と中間層１０２の間に絶縁材１３が備えられている。なお、保護層１０４を設ける場合には、図３（ａ）に示すように、保護層１０４の側面にもＭｇＦ２誘電体材料１３ａが当接する構成としてもよいし、図３（ｂ）に示すように、保護層１０４の側面には、ＳｉＯ２絶縁材料１３ｂが当接する構成としてもよい。
なお、この場合、固定層１０１、中間層１０２の側面は、ＳｉＯ２絶縁材料１３ｂを当接すればよい。
【００４５】
（第４の形態）
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁材１３の配置についての第４の形態は、固定層１０１、中間層１０２の側面に当接するように、ＭｇＦ２誘電体材料１３ａが配置され、反転層１０３の側面に当接するように、ＳｉＯ２絶縁材料１３ｂが配置されている。この場合は、ＭｇＦ２膜１３ａとＳｉＯ２膜１３ｂとの積層膜になる。なお、保護層１０４を設ける場合には、図４（ｂ）に示すように、保護層１０４の側面にもＭｇＦ２誘電体材料１３ａが当接する構成としてもよいし、図４（ａ）に示すように、保護層１０４の側面には、ＳｉＯ２絶縁材料１３ｂが当接する構成としてもよい。
【００４６】
（第５の形態）
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁材１３の配置についての第５の形態は、中間層１０２、反転層１０３の側面に当接するように、ＭｇＦ２誘電体材料１３ａが配置され、固定層１０１の側面に当接するように、ＳｉＯ２絶縁材料１３ｂが配置されている。すなわち、この形態では、上部電極１１と下部電極１２の間に絶縁材１３が備えられ、かつ、上部電極１１と固定層１０１の間に絶縁材１３が備えられている。なお、保護層１０４を設ける場合には、図５（ａ）に示すように、保護層１０４の側面にもＭｇＦ２誘電体材料１３ａが当接する構成としてもよいし、図５（ｂ）に示すように、保護層１０４の側面には、ＳｉＯ２絶縁材料１３ｂが当接する構成としてもよい。
【００４７】
＜磁気抵抗効果素子構造体の製造方法＞
次に、素子構造体１の製造方法の一例について説明する。
なお、ここでは、図２（ａ）および図４（ａ）に示す、ＭｇＦ２膜１３ａとＳｉＯ２膜１３ｂとの積層膜を形成する場合について説明する。
【００４８】
まず、熱酸化処理を施したシリコンウェハ上に、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、真空一貫で下部電極１２から保護層１０４までを堆積したサンプルウェハを作製する。その後、サンプルウェハを大気にさらして取り出した後、真空熱処理装置に投入して２００℃で１時間の真空熱処理を施す。次に、再び大気にさらして、サンプルウェハを取り出し、表面にフォトレジストを塗布する。その後、１９０℃の熱処理を大気中で行い、レジストのプリベークを行う。そして、下部電極１２パターンを形成したフォトマスクを用いて、露光・現像し、マスクパターンをレジストに転写する。
【００４９】
次に、転写されたレジストパターンをマスクとして、Ａｒガスを用いたイオンビームミリング装置により、マスク以外の膜を下部電極１２まですべてミリングして除去する。そして、マスク以外のミリングされた部分と同じ厚さ（下部電極１２から保護層１０４までの厚さ）のＳｉＯ２膜１３ｂを堆積する。この場合、レジスト上にも同じ厚さの余分なＳｉＯ２膜１３ｂが堆積されるが、アセトン等の有機溶剤に浸けてレジストを剥離することで、レジスト上に堆積された余分なＳｉＯ２膜１３ｂも一緒に除去される。
【００５０】
次に、電子ビーム描画用レジスト（ＥＢレジスト）のネガタイプ（現像すると電子ビームを照射した部分が残るタイプ）を全面に塗布した後、大気中で１８０℃のプリベークを行う。そして、電子ビーム描画装置に導入し、真空中で素子パターンの領域に電子線を照射する。その後、現像処理を施すと、素子パターンを描画した部分のＥＢレジストが保護層１０４上に残る。このＥＢレジストパターンをマスクとして、イオンビームミリング法により、マスク以外の部分を固定層１０１と下部電極１２の界面までミリングする。
【００５１】
次に、ＭｇＦ２ターゲットを用いてＲＦイオンビームスパッタ法によりＭｇＦ２膜１３ａを堆積する。引き続き、ターゲットホルダーを回転させてＳｉＯ２ターゲットに設定し、同様にスパッタ成膜を行う。このとき、ＥＢレジストパターン上にも余分なＭｇＦ２／ＳｉＯ２積層膜の絶縁材１３が堆積する。そして、ＥＢレジスト剥離液に浸して、ＥＢレジストを除去する。このとき、ＥＢレジスト上に形成された余分なＭｇＦ２／ＳｉＯ２積層膜の絶縁材１３も一緒に除去される。
【００５２】
次に、表面にフォトレジストを塗布する。その後、９０℃の熱処理を大気中で行い、レジストのプリベークを行う。そして、上部電極１１パターンを形成したフォトマスクを用いて、露光・現像し、マスクパターンをレジストに転写する。ここでのパターンは、上部電極１１を形成する領域が凹となるよう反転転写（光をマスクしたレジスト領域に穴が開く）タイプにして形成してもよい。その場合、露光した後に１２０度程度の熱処理を必要とする。
【００５３】
次に、イオンビームスパッタ装置に導入して、上部電極１１を堆積する。このとき、上部電極１１形成部分以外のレジスト上にも余分な電極材料が堆積されるが、アセトン等の有機溶剤に浸してフォトレジストを除去することで、フォトレジスト上の余分な電極材料も一緒に除去される。
なお、ここでは、ＭｇＦ２膜１３ａとＳｉＯ２膜１３ｂとの積層膜を形成する場合について説明したが、ＭｇＦ２誘電体材料１３ａを単独で形成する場合は、ＭｇＦ２ターゲットのみを用いればよい。
【００５４】
この素子構造体１は、例えば、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）や、空間光変調器に用いることができる。以下、素子構造体１を用いたＭＲＡＭおよび空間光変調器の一例について説明するが、ＭＲＡＭや、空間光変調器の構成としてはこれに限定されるものではない。
【００５５】
≪磁気ランダムアクセスメモリ≫
図６に示すように、ＭＲＡＭ（磁気ランダムアクセスメモリ）２０は、複数のセル２１を備えている。本実施形態では、セル２１は、平面視で４×４のマトリクス状に２次元配列されている。なお、ＭＲＡＭ２０は、ビット線選択部２２と、ゲート配線選択部２３と、電流源２４と、電流制御手段２５と共に、記録装置Ｒを構成する。
【００５６】
［制御部］
制御部２６は、４本のビット線２７から電流を流すビット線２７を選択するビット線選択部２２と、４本のゲート配線２８から電流を流すゲート配線２８を選択するゲート配線選択部２３と、ビット線選択部２２およびゲート配線選択部２３に電流を供給する電流源２４と、ビット線選択部２２、ゲート配線選択部２３および電流源２４を制御する電流制御手段２５とを備えている。
【００５７】
ビット線選択部２２は、横方向に配置したセル２１を選択し、ゲート配線選択部２３は、縦方向に配置したセル２１を選択する。これらビット線選択部２２およびゲート配線選択部２３によって、１個のセル２１が特定されることとなる。
電流源２４は、セル２１にパルス電流を供給するものである。なお、直流電流を供給するように構成してもよい。
電流制御手段２５は、ビット線選択部２２、ゲート配線選択部２３および電流源２４を制御するものである。この電流制御手段２５は、各セル２１に流れる電流の方向および大きさを制御して、各セル２１にスピン注入することによって、セル２１中の磁気抵抗効果素子１０（ＭＲ素子３０（図７参照））の磁化を反転させる。ＭＲ素子３０はスピン注入磁化反転素子であり、具体的には、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子である。このＭＲ素子３０は、本発明の素子構造体１に用いる磁気抵抗効果素子１０である。
【００５８】
［ＭＲＡＭ］
図７は、図６に示したＭＲＡＭの１セルを模式的に示す断面図である。図７に示すように、セル２１において、ＭＲ素子３０の上面は、上部電極１１を介してビット線２７と接続されている。また、ＭＲ素子３０の下面は、下部電極１２、引き出し電極３１、プラグ３２を介して、半導体基板１６の表面のソース／ドレイン領域のうちドレイン領域３３ａと接続されている。ドレイン領域３３ａは、ソース領域３３ｂ、基板１６上に形成されたゲート絶縁膜３４、ゲート絶縁膜３４上に形成されたゲート配線（ゲート電極）２８と共に、選択トランジスタＴｒを構成する。選択トランジスタＴｒとＭＲ素子３０とは、ＭＲＡＭ２０の１つのセル２１を構成する。ソース領域３３ｂは、プラグ３５を介してもう１つのビット線（配線層）３６と接続されている。そして、ＭＲ素子３０の周囲には、絶縁材１３が配置されている。なお、引き出し電極３１を用いずに、下部電極１２の下方にプラグ３２が設けられ、下部電極１２とプラグ３２が直接接続されていてもよい。また、この場合、基板１６と下部電極１２は直接接触（当接）していない。
【００５９】
［電流制御手段の機能］
次に、電流制御手段２５の行うスピン注入について説明する。ＭＲ素子３０は、膜面を貫いて流れる電流の方向に応じて、２つの定常状態の一方を取るように構成された素子である。各定常状態を、“０”データ、“１”データに対応させることによって、ＭＲ素子３０は、２値のデータを記憶できる。そして、ＭＲ素子３０は、スピン注入書き込み方式によって、磁化の状態が変化し、この状態に応じた情報を記憶する。例えば、ＭＲ素子３０に対して、上部電極１１と下部電極１２との間で、電流が上部電極１１側から下部電極１２側へと膜面に垂直に流れるようにした場合には、反転層１０３における磁化（スピン）の向きは、固定層１０１における磁化の向きと同じになる。この低抵抗状態に対して、記録ビットに「０」の値を割り当てることができる。一方、下部電極１２側から上部電極１１側へと膜面に垂直に電流が流れるようにした場合には、反転層１０３における磁化の向きは、固定層１０１における磁化の向きとは逆になる。この高抵抗状態に対して、記録ビットに「１」の値を割り当てることができる。
電流制御手段２５は、このように、ＭＲ素子３０に流す電流の大きさや向きを変化させることで、スピン注入を行い、反転層１０３の磁化方向の向きや大きさを制御することができる。
【００６０】
そして、ＭＲ素子３０として本発明の磁気抵抗効果素子１０を用いるため、前記したように、複数の磁気抵抗効果素子１０における磁気的、電気的特性の劣化が防止され、特性のばらつきが少なく、高品質のＭＲＡＭ２０となる。
【００６１】
≪空間光変調器≫
図８に示すように、空間光変調器４０は、例えば、４本の上部電極１１と４本の下部電極１２とをそれぞれ直交させた構造を有しており、図８の平面視における上部電極１１と下部電極１２とが交差する１６カ所の領域部がそれぞれ、画素４１となる。すなわち、空間光変調器４０は、１６個の画素４１が、互いに直交する行方向（４行）と列方向（４列）とに一定間隔で配置された二次元マトリックスパターンで配置された構造を有しており、１つの画素４１が、レーザ光源２（図１０参照）から入射する光を変調して出射する１つのユニットとなっている。
【００６２】
［制御部］
制御部４６は、４本の上部電極１１から電流を流す上部電極１１を選択する上部電極選択部４２と、４本の下部電極１２から電流を流す下部電極１２を選択する下部電極選択部４３と、上部電極選択部４２および下部電極選択部４３に電流を供給する電流源４４と、上部電極選択部４２、下部電極選択部４３および電流源４４を制御する電流制御手段４５とを備えている。
【００６３】
上部電極選択部４２は、電流制御手段４５からの指令（信号）を受けて、１６カ所の画素４１の中から図８に示した縦方向に配置された画素４１を選択し、下部電極選択部４３は、電流制御手段４５からの指令（信号）を受けて、横方向に配置した画素４１を選択する。これら上部電極選択部４２および下部電極選択部４３によって、１個の画素４１が特定されることとなる。電流源４４は、電流制御手段４５からの指令（信号）を受けて、画素４１にパルス電流（または直流電流）を供給する。電流制御手段４５は、所謂、コンピュータであり、各画素４１に流れる電流の方向および大きさを決定し、制御する。
【００６４】
［光変調素子］
図９に示すように、複数の画素４１は、それぞれが複数の光変調素子（ここでは２つ）５０ａ，５０ｂを具備する。光変調素子５０ａ，５０ｂはスピン注入磁化反転素子であり、具体的には、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子である。この光変調素子５０ａ，５０ｂは、本発明の素子構造体１に用いる磁気抵抗効果素子１０である。なお、ここでは、保護層１０４は設けていない形態である。
【００６５】
［光変調素子による光変調（空間光変調器の動作）］
図１０に示すように、レーザ光源２から照射された光は様々な偏光成分を含んでいるが、偏光フィルタ４ａによって、ある方向の偏光成分だけを含むようにフィルタリングされる。こうしてフィルタリングされた光が透明な上部電極１１を透過して光変調素子５０ａ（５０ｂ）に入射し、光変調素子５０ａ（５０ｂ）で反射される。電流制御手段４５は光変調素子５０ａ（５０ｂ）に流す電流の大きさや向きを変えることで、光変調素子５０ａ（５０ｂ）にスピン注入を行い、反転層１０３の磁化方向の向きを制御する。
【００６６】
ここで、以下、「明状態」とは、光変調素子５０ａ（５０ｂ）からの反射光が偏光フィルタ４ｂを通過してスクリーン３に照射される状態をいい、このとき「光変調素子５０ａ（５０ｂ）が明状態にある」ということとする。また、「暗状態」とは、光変調素子５０ａ（５０ｂ）からの反射光が偏光フィルタ４ｂによって遮光されて、スクリーン３に照射されない状態をいい、このとき「光変調素子５０ａ（５０ｂ）が暗状態にある」ということとする。また、以下、固定層１０１は、磁化が上向きに固定され、反転層１０３は、初期状態では、磁化が下を向いているとする。
【００６７】
図１０（ａ）に示すように、上部電極１１と下部電極１２との間で、電流が上部電極１１側から下部電極１２側へと膜面に垂直に流れるようにした場合、すなわち、上部電極１１から、光変調素子５０ａ（５０ｂ）を通って、下部電極１２に電流が流れるようにした場合には、反転層１０３における磁化の向きは、固定層１０１における磁化の向きと同じになる。この状態では、反射光は偏光面を変えることなく、光変調素子５０ａ（５０ｂ）で反射され、偏光フィルタ４ｂ（偏光フィルタ４ａと同特性）を通過して、スクリーン３に到達する。その結果、スクリーン３には明るい映像が表示され、明状態となる。
【００６８】
一方、図１０（ｂ）に示すように、下部電極１２側から上部電極１１側へと膜面に垂直に電流が流れるようにした場合、すなわち、下部電極１２から、光変調素子５０ａ（５０ｂ）を通って、上部電極１１に電流が流れるようにした場合には、反転層１０３における磁化の向きは、固定層１０１における磁化の向きとは逆になる。この状態では、反転層１０３の磁化方向（下向きの矢印）にしたがう磁気光学的カー効果により、反射光の偏光面が回転する。こうして、反射光は入射光とは異なる偏光成分を有することとなるために、偏光フィルタ４ｂを通過することができない。その結果、スクリーン３は暗くなり、暗状態となる。
【００６９】
このように、下部電極１２と上部電極１１との間で流す電流の向きを切り替えることによって、反転層１０３における磁化の状態が変化し、光変調素子５０ａ（５０ｂ）における、光を検出可能な明状態と光を検出不能な暗状態とを切り替えることができる。
そして、光変調素子５０ａ（５０ｂ）として本発明の磁気抵抗効果素子１０を用いるため、前記したように、複数の磁気抵抗効果素子１０における磁気的、電気的特性の劣化が防止され、特性のばらつきが少なく、高品質の空間光変調器４０となる。
【００７０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができる。
例えば、前記実施形態では、磁気抵抗効果素子１０として、固定層１０１と、中間層１０２と、反転層１０３とがこの順序で下部電極１２に積層されたものを用いているが、反転層１０３と、中間層１０２と、固定層１０１とがこの順序で下部電極１２に積層された磁気抵抗効果素子を用いてもよい。
【実施例】
【００７１】
次に本発明に係る磁気抵抗効果素子構造体の実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。ここでは、本発明に属さない構成についても適宜取り上げて、対比説明することとする。
【００７２】
まず、図１（ａ）に示す構成の素子構造体を、前記した製造方法に従って作製した。ただし、ここでは、磁気抵抗効果素子の側面に当接させる絶縁材として、ＭｇＦ２誘電体材料を単独で形成した。
基板は、表面を熱酸化処理したＳｉ基板を用いた。基板厚は０．３ｍｍで、酸化膜の厚さは３００ｎｍ程度である。
下部電極は、安価なＣｕを主材料とし、Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｃｕ（７５ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）／Ｃｕ（７５ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）（左側から記載の材料から順に積層）をＤＣマグネトロンスパッタ装置により作製した。
【００７３】
固定層は、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、遷移金属と希土類金属との磁性合金であるＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ磁性合金を２０ｎｍ厚だけ堆積し、その上にＣｏ−Ｆｅ磁性合金を１ｎｍ堆積した。なお、磁化方向は膜面に垂直な方向である。
中間層は、Ｃｕ（６ｎｍ）をＤＣマグネトロンスパッタ装置で堆積した。なお、本実施例では、ＧＭＲ構造とした。
反転層１０３は、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、遷移金属と希土類金属との磁性合金であるＧｄ−Ｆｅを１０ｎｍ堆積した。
【００７４】
保護層は、Ｒｕ（３ｎｍ）をＤＣマグネトロンスパッタ装置により形成した。
絶縁材は、ＭｇＦ２ターゲットを用いて、ＲＦイオンビームスパッタ装置により、ＭｇＦ２誘電体材料を堆積した。堆積厚は、固定層から保護層までをちょうど埋めるような厚さである４０ｎｍとした。なお、下部電極の側面は、ＳｉＯ２絶縁材料を当接させた。
上部電極は、イオンビームスパッタ装置を用いて、Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｃｕ（５００ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）（左側から記載の材料から順に積層）の積層膜を堆積した。
【００７５】
また、比較例として、絶縁材にＳｉＯ２絶縁材料を用いた従来型の磁気抵抗効果素子構造体を、前記の作製方法に準じて作製した（図１２参照）。この磁気抵抗効果素子構造体は、絶縁材にＳｉＯ２絶縁材料を用いた以外は、前記の本発明の素子構造体と同様の構成である。
【００７６】
これらの磁気抵抗効果素子構造体（素子構造体）に、膜面に垂直な方向の磁界を印加し、上部電極と下部電極間の電気抵抗を測定した（ＭＲ測定）。具体的には、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、固定層と反転層の磁化が同じ向き（平行）となるようにした。このサンプルに上下電極間で素子構造体の抵抗を測定しながら外部から磁界を増減させて印加して、反転層および固定層のそれぞれの磁化が反転する磁界を測定した。このＭＲ測定の結果であるＲ−Ｈ曲線（電気抵抗の変化のグラフ）を図１１に示す。なお、図１１において、実線（ＭｇＦ２誘電体材料）が実施例、破線（ＳｉＯ２絶縁材料）が比較例を示す。また、抵抗（Ω）の左側の目盛は、外部磁界のマイナス（−）側の抵抗値を示し、右側の目盛は、外部磁界のプラス（＋）側の抵抗値を示す。さらに、１「Ｏｅ」＝約７９．５７７「Ａ／ｍ」である。
【００７７】
図１１に示すように、実施例、比較例のサンプルに対し、初期状態として−１０ｋＯｅの磁界を印加すると、ともに固定層と反転層の磁化が同じ向き（平行）になり、このとき、上下電極間で素子構造体の電気抵抗をそれぞれ測定すると、低抵抗状態を示す。その後、正方向に磁界を増加していくと、＋１ｋＯｅ付近で反転層の磁化だけが反転し、固定層と反転層の磁化は反対向き（反平行）となり、素子構造体の電気抵抗はそれぞれ高抵抗状態に変化する。さらに磁界を増加していくと、＋３ｋＯｅ付近で比較例サンプルの固定層磁化が反転し、反転層の磁化と平行となる。そのため、比較例サンプルにおける素子構造体の電気抵抗は、初期状態と同じ低抵抗を示す。このとき、実施例サンプルは変化がないため、高抵抗状態を維持している。さらに磁界を増加し、＋５ｋＯe付近になると、実施例サンプルの固定層磁化が反転して初期状態と同じ低抵抗に変化する。さらに＋１０ｋＯｅまで磁界を増加しても、両サンプルの低抵抗状態に変化はない。
【００７８】
次に、印加磁界を減らしていくと、−１ｋＯｅ付近で両サンプルの反転層磁化が反転して、固定層と反転層の磁化が反平行となり、素子構造体はともに高抵抗状態に変化する。さらに磁界を減らしていくと、−３ｋＯｅ付近で比較例サンプルの固定層磁化が反転し、固定層と反転層の磁化が平行となる。そのため、比較例サンプルの素子構造体は初期状態と同じ低抵抗を示す。一方、実施例サンプルは変化がないため、高抵抗状態を維持している。さらに磁界を減らすと、−５ｋＯｅ付近で実施例サンプルの固定層磁化が反転して固定層と反転層の磁化は反平行となり、初期状態と同じ低抵抗に変化する。さらに−１０ｋＯｅまで磁界を減少させても、両サンプルの低抵抗状態に変化はない。
【００７９】
これらＲ−Ｈ曲線から、比較例では、±３ｋＯｅ付近で固定層磁化が反転するのに対し、実施例では、±５ｋＯｅ近傍まで磁界を増加させなければ、固定層磁化は反転しない。すなわち、ＳｉＯ２絶縁材料を側面に当接した固定層の反転磁界は３ｋＯｅ程度であるのに対して、本発明のＭｇＦ２誘電体材料を用いた素子構造体では、５ｋＯｅ程度の保磁力が得られ、固定層の磁気特性の劣化を改善できることがわかった。
なお、反転層については、反転層に用いたＧｄ−Ｆｅは、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏに比べて劣化が少ない材料であるだけでなく、もともと保磁力が小さいため、保磁力維持の効果は少なかった。しかし、本発明に用いる磁気抵抗効果素子では、大きな電流パルスを印加して動作させることから、反転層に当接する絶縁材が従来のＳｉＯ２であれば、電流パルスによる熱の発生により、経年劣化が生ずる恐れがある。よって、磁気特性の劣化の原因となりうる酸素や窒素を含まない絶縁材（ＭｇＦ２誘電体材料）を反転層の側面に備えることには、意義がある。これに関しては、固定層についても同様である。
【符号の説明】
【００８０】
１      磁気抵抗効果素子構造体（素子構造体）
１０    磁気抵抗効果素子
１１    上部電極
１２    下部電極
１３    絶縁材
１３ａ  ＭｇＦ２誘電体材料（ＭｇＦ２膜）
１３ｂ  ＳｉＯ２絶縁材料（ＳｉＯ２膜）
１６    基板
２０    磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）
３０    ＭＲ素子
４０    空間光変調器
５０ａ，５０ｂ  光変調素子
１０１  固定層
１０２  中間層
１０３  反転層
１０４  保護層
【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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