(57)【要約】【課題】Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金について、垂直磁気異方性を保持しつつ保磁力を適切に調整して、磁化固定層や磁化自由層に有効に適用したスピン注入磁化反転素子を提供する。【解決手段】スピン注入磁化反転素子５は、ＴｂＦｅＣｏ層３１を備える磁化固定層３、ＭｇＯからなる障壁層２、ＴｂＦｅＣｏ層１１を備える磁化自由層１を順に積層してなり、磁化自由層１のＴｂＦｅＣｏ層１１は、ＭｇＯ膜である障壁層２の上に成膜されることにより保磁力が小さくなって、スピン注入磁化反転が可能になる。【選択図】図１
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【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と垂直磁気異方性を有する磁化自由層との間に、中間層を積層してなるスピン注入磁化反転素子であって、
前記磁化自由層はＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備え、
前記Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層が、ＭｇＯ膜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自由層、ＭｇＯ膜からなる中間層、垂直磁気異方性を有する磁化固定層の順に積層してなるスピン注入磁化反転素子であって、
前記磁化固定層は、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備え、前記Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層と前記中間層との間にＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜をさらに備えることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
【請求項３】
前記磁化自由層の上に、２以上の前記磁化固定層が面内方向に互いに離間して設けられてい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】
前記磁化自由層が前記中間層の上に設けられ、
前記ＭｇＯ膜を前記中間層とす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５】
前記磁化自由層が前記中間層の下に設けられ、
前記Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層の側面が、一対の電極の一方に接続され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６】
前記磁化固定層および前記磁化自由層は、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５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７】
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６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（磁化自由層）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（磁化固定層）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、磁性膜同士の磁化方向が同じである状態と異なる方向の状態とで上下に接続した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。そのため、スピン注入磁化反転素子、ならびに大容量磁気メモリとしてこれを用いたＭＲＡＭ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。さらに近年では、ＭＲＡＭのさらなる大容量化および省電力化のために、膜面に垂直な磁化方向を示す（垂直磁気異方性を有する）磁性材料がスピン注入磁化反転素子に適用されている。このような磁性材料で形成された、すなわち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。
【０００４】
磁気抵抗効果素子用には、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子よりも磁気抵抗比（ＭＲ比）の高いＴＭＲ素子が特に研究されている。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膜を挟んだ構造を有する。ＴＭＲ素子の障壁層の材料には、反転電流をいっそう低減できる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が好適とされる。特に、ＴＭＲ素子は、２つの磁性膜の少なくとも一方が、ＭｇＯからなる障壁層との界面にＣｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂ等の磁性金属の薄膜を備えることで、スピン注入効率が向上し、反転電流が低減することが知られている（非特許文献１〜５参照）。
【０００５】
また、スピン注入磁化反転素子の別の用途に、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。光変調素子用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、従来の液晶に代わる材料として、ＭＲＡＭと同様に高精細化および高速化のために、スピン注入磁化反転素子の研究・開発が進められている（例えば、特許文献１〜３参照）。光変調素子においても、空間光変調器を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ＴＭＲ素子を適用することが望ましい。また、反転電流をいっそう低減するために、磁化自由層の両面のそれぞれに中間層や障壁層を挟んで磁化固定層を２つ備えたデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子を備える磁気抵抗効果素子や光変調素子が開発されている（特許文献４，５参照）。さらに、前記２つの磁化固定層を共に磁化自由層の一面側に設けることにより、光の入出射側に電極を接続しない並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子を備える光変調素子が開発されている（特許文献６，７参照）。
【０００６】
光変調素子に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、垂直磁気異方性を有する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６、特許文献２，３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４８２９８５０号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５２２号公報
【特許文献３】特開２０１１−２２８３４１号公報
【特許文献４】特許第３８２４６００号公報
【特許文献５】特許第４９３９５０２号公報
【特許文献６】特開２０１２−７８５７９号公報
【特許文献７】特開２０１３−１９５５９３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】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２】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３】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”, Journal of Applied Physics, vol.103, 07A710 (2008)
【非特許文献４】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５】D. D. Djayaprawira, et. al, “230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions”, Appl. Phys. Lett. 86, 092502 (2005)
【非特許文献６】K. Aoshima et. al, “Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light”, Applied Physics Letters, vol.91, 052507 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
スピン注入磁化反転素子は、保磁力が大小２種類の磁性膜（磁化固定層、磁化自由層）とその間の非磁性金属または絶縁体の膜（中間層）と、を少なくとも備えた積層構造を有する。さらに、デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子（特許文献４〜７参照）は、２つの磁化固定層が互いに逆向きの磁化方向に固定されるために、保磁力の大きさの異なる磁性膜を適用することになり、磁化自由層を含め、３段階の保磁力の磁性膜が必要となる。そのため、各層について、保磁力も含め、所望の特性に応じて、磁性材料の選択や厚さの設計を行う。スピン注入磁化反転素子に適用される垂直磁気異方性材料としては、例えば、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜のような遷移金属膜と貴金属膜とを交互に積層した多層膜や、Ｔｂ−Ｆｅ−ＣｏやＧｄ−Ｆｅのような遷移金属（ＴＭ）と希土類金属（ＲＥ）との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）が知られている。
【００１０】
例えば、Ｃｏ膜とＰｄ膜とを交互に積層したＣｏ／Ｐｄ多層膜は、多層膜の合計の厚さのみならず、Ｃｏ膜、Ｐｄ膜の単層での膜厚を調整することにより、異なる保磁力の多層膜として、スピン注入磁化反転素子の磁化固定層と磁化自由層の両方に適用することができる（特許文献２参照）。一方、強い垂直磁気異方性を有する磁性材料であるＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金は、保磁力が大きく、スピン注入磁化反転素子の磁化固定層に好適である（特許文献３参照）。しかし、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金は、厚さや組成、成膜時の雰囲気を調整して保磁力を変化させることができるものの、磁化自由層に適用できるまでに低減させることは困難であり、また、そのため、磁気光学効果を有しているにもかかわらず光変調素子に有効に適用することができない。
【００１１】
また、スピン注入磁化反転素子は、前記した通り積層構造を有するため、一般的に、下地への密着性を付与するための下地膜等も含めて、各層に対応した複数のターゲット（スパッタ源）をスパッタ装置に装着し、ターゲットを切り替えて、連続的に順次成膜することにより製造される。さらに、磁性膜として、例えばＣｏ／Ｐｄ多層膜を適用する場合には、この１つの磁性膜のためにＣｏとＰｄの２種類のターゲットが必要であり、また、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金等の合金膜についても、所望の組成を得るために２種類以上の金属または合金ターゲットを同時に用いることがある。したがって、スピン注入磁化反転素子を製造するためには、スパッタ装置に、各層の材料に応じた多数のターゲットを同時に装着する必要がある。しかし、スパッタ装置のターゲットの装着数には限界があるため、スピン注入磁化反転素子は、２以上の層で共通の材料が適用されている等、材料の種類が少ないことが、生産上、望ましい。
【００１２】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金について、垂直磁気異方性を保持しつつ保磁力を適切に調整して、磁化固定層や磁化自由層に有効に適用したスピン注入磁化反転素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金のような遷移金属と希土類金属との合金は、成膜環境により磁気特性が変化する場合がある。このことから、本願発明者らは鋭意研究の結果、ＭｇＯ膜上にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金膜を成膜した場合に、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金膜が十分な垂直磁気異方性を維持しながら、組成や成膜雰囲気による調整よりも保磁力が小さくなることを見出した。
【００１４】
一方で、このことは、ＭｇＯ膜を障壁層とするＴＭＲ素子において上側に磁化固定層を設けた場合に、かかる磁化固定層にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を適用することは、保磁力が小さくなるので好ましくないことを示す。そこで、本願発明者らはさらに鋭意研究の結果、磁化固定層が、障壁層との界面に、適度な厚さのＣｏ−Ｆｅ等の磁性金属膜を備えることで、ＭｇＯ膜の影響が緩和されることを見出した。
【００１５】
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と垂直磁気異方性を有する磁化自由層との間に中間層を積層してなり、前記磁化自由層がＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備え、前記Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層がＭｇＯ膜に積層されていることを特徴とする。
かかる構成により、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を磁化自由層に適用しても、スピン注入磁化反転可能な垂直磁気異方性のスピン注入磁化反転素子となる。
【００１６】
また、本発明に係る別の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自由層、ＭｇＯ膜からなる中間層、垂直磁気異方性を有する磁化固定層の順に積層してなり、前記磁化固定層がＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備え、前記Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層と前記中間層との間にＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜をさらに備えることを特徴とする。
かかる構成により、ＭｇＯを障壁層とするトンネル磁気抵抗素子において、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を適用した磁化固定層を上側に設けても、ＭｇＯ膜の影響を抑えて保磁力の低下を抑制して、安定したスピン注入磁化反転可能なスピン注入磁化反転素子となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るスピン注入磁化反転素子によれば、磁化自由層にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を適用することができ、磁化固定層との材料の共通化により生産性を向上させることができる。また、本発明に係る別のスピン注入磁化反転素子によれば、ＭｇＯ膜を障壁層とするトンネル磁気抵抗素子においても、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を適用した磁化固定層を障壁層の上側に設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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を備えた光変調素子の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は光変調素子を配列した空間光変調器の部分拡大図に相当する。
【図３】本発明の第１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を備えた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を備えた光変調素子の構成を示す断面図である。
【図６】図５に示す光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は光変調素子を配列した空間光変調器の部分拡大図に相当する。
【図７】本発明の第３実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子を備えた光変調素子の構成を示す断面図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、図７に示す光変調素子におけるスピン注入磁化反転素子のスピン注入磁化反転動作を説明する模式図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を備えた磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を備えた光変調素子の構成を示す断面図である。
【図１１】図１０に示す光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は光変調素子を配列した空間光変調器の部分拡大図に相当する。
【図１２】図１０に示す光変調素子の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は光変調素子を配列した空間光変調器の部分拡大図に相当する
【図１３】（ａ）、（ｂ）は、本発明の第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子のスピン注入磁化反転動作を説明する模式図である。
【図１４】熱酸化Ｓｉ基板にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を成膜したサンプルの、カー回転角の磁場依存性で表した磁化曲線であり、（ａ）は厚さ２ｎｍのＭｇＯ膜、（ｂ）は厚さ５ｎｍのＭｇＯ膜、（ｃ）は厚さ３ｎｍのＲｕ膜を、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層の下地に備えたサンプルである。
【図１５】中間層に厚さ１．５ｎｍのＭｇＯ膜を有し、その上下それぞれにＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備える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る。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、上下に一対の電極を接続されて、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に適用される。このような光変調素子は、上方から入射した光を反射させて異なる２値の光（偏光成分）に変調し、上方へ出射する。以下、本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた光変調素子について説明する。
【００２１】
本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５は、図１に示すように、磁化固定層３、障壁層（中間層）２、磁化自由層１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７と下部電極６（以下、適宜まとめて、電極６，７）に上下で接続されて、光変調素子１０を構成する。スピン注入磁化反転素子５は、磁化方向が一方向に固定された磁化固定層３および磁化方向が回転可能な磁化自由層１を、ＭｇＯからなる障壁層２（ＭｇＯ膜）を挟んで積層してなるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子である。さらにスピン注入磁化反転素子５は、最上層に保護膜４３を備え、また、必要に応じて最下層に下地金属膜４１を備える。詳しくは後記製造方法にて説明するように、スピン注入磁化反転素子５を構成するこれらの各層は、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積層される。
【００２２】
光変調素子１０は、空間光変調器の画素とするために、基板９上に、膜面方向において２次元アレイ状に配列され（図示省略）、その際に、一対の電極６，７の一方が行方向に、他方が列方向に、それぞれ延設される。図１においては、下部電極６が手前−奥方向（紙面垂直方向）に、上部電極７が左右方向に、それぞれ延設された帯状に形成され、複数の光変調素子１０に共有される。そのため、光変調素子１０を配列した空間光変調器においては、光変調素子１０，１０間に、具体的にはスピン注入磁化反転素子５，５間、電極６，７間、下部電極６，６間および上部電極７，７間（配線間）のそれぞれに、絶縁層８が充填される。スピン注入磁化反転素子５は、平面視形状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。
【００２３】
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５は、磁化自由層１、磁化固定層３がそれぞれ、ＴｂＦｅＣｏ層（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層）１１，３１を主たる要素として備え、さらに、障壁層２との界面に、ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）１２，３２を備える。すなわち、スピン注入磁化反転素子５は、下から、下地金属膜４１、ＴｂＦｅＣｏ層３１、ＣｏＦｅ膜３２、障壁層２、ＣｏＦｅ膜１２、ＴｂＦｅＣｏ層１１、保護膜４３、を順に積層してなる。以下、スピン注入磁化反転素子５を構成する要素について詳しく説明する。
【００２４】
（磁化固定層）
磁化固定層３は、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５において障壁層２の下に設けられ、前記した通り、下すなわち下部電極６の側から、ＴｂＦｅＣｏ層３１、ＣｏＦｅ膜３２の２層構造を有する。スピン注入磁化反転素子５が安定した磁化反転動作をするために、磁化固定層３は、保磁力が磁化自由層１（ＴｂＦｅＣｏ層１１）に対して十分に大きく、具体的には０．５ｋＯｅ以上の差となることが好ましい。
【００２５】
ＴｂＦｅＣｏ層３１は磁化固定層３の主たる要素であり、前記した通り十分な大きさの保磁力になるように、磁化自由層１に応じて、一般的なＴＭＲ素子の磁化固定層と同様に、厚さを３〜５０ｎｍの範囲で設定されることが好ましい。ＴｂＦｅＣｏ層３１は、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、特に保磁力の大きいＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金で形成される。ＲＥ−ＴＭ合金はフェリ磁性体の一種であり、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金においては、遷移金属であるＦｅ，Ｃｏが一方向（＋ｚ方向とする）の磁気モーメントを有するのに対し、希土類金属である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。このように、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金は、スピン注入磁化反転素子の磁性材料に適用される場合には、ＴＭ，ＲＥのそれぞれの磁気モーメントが相殺される組成（補償組成）に対して僅かにＲＥが多い組成にして、当該ＲＥ−ＴＭ合金全体として飽和磁化の小さい−ｚ方向の磁気モーメントを有するようにして、容易に垂直磁気異方性を示すようにし、かつ必要な保磁力を確保している。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、ＲＥ−ＴＭ合金は、非晶質構造であるので、障壁層２として磁化固定層３（ＴｂＦｅＣｏ層３１）の上に成膜されるＭｇＯ膜を後記するような（００１）面配向にすることを妨げず、障壁層２の下側に設けられる磁性層としても好適である。
【００２６】
Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂのような磁性金属はスピン偏極率が高い。そのため、ＣｏＦｅ膜３２が設けられることにより、磁化固定層３と障壁層２の界面でのスピン偏極率を高くして、障壁層２を介して磁化自由層１に注入されるスピンによるスピントルクが増大して、スピン注入磁化反転素子５の反転電流がいっそう低減される。なお、本明細書では要素名として「ＣｏＦｅ膜」３２と称するが、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂのいずれも適用することができる。前記効果を十分に得るために、ＣｏＦｅ膜３２は、厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましい。なお、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂは、本来は面内磁気異方性を有するが、垂直磁気異方性を示す磁性体（ＴｂＦｅＣｏ層３１）と一体に垂直磁気異方性を示すように、相対的に厚さを抑えて設けられる。具体的には、ＣｏＦｅ膜３２は、厚さを２ｎｍ以下とすることが好ましい。また、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂは、（００１）面配向の結晶のＭｇＯとの格子整合がよく、特に成膜時において非晶質のＣｏ−Ｆｅ−Ｂを適用することで、その上に成膜されるＭｇＯ膜（障壁層２）が（００１）面配向の結晶構造になり易い。
【００２７】
（障壁層）
障壁層２は、ＴＭＲ素子の障壁層として好適なＭｇＯで形成される。障壁層２がＭｇＯで形成されることにより、スピン注入磁化反転素子５は反転電流が低減されたＴＭＲ素子になると同時に、障壁層２の上に成膜される後記のＴｂＦｅＣｏ層１１（磁化自由層１）の保磁力が小さくなって、スピン注入磁化反転が可能になる。障壁層２は、一般的なＴＭＲ素子と同様に、厚さを０．１〜２ｎｍの範囲とすることが好ましく、上に設けたＴｂＦｅＣｏ層１１の保磁力を小さくする効果を十分なものにするために、厚さを１ｎｍ以上とすることがより好ましい。また、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５においては、障壁層２は、下地となる磁化固定層３に非晶質構造であるＴｂＦｅＣｏ層３１が適用され、さらに当該障壁層２との界面にＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂ（ＣｏＦｅ膜３２）が設けられているので、（００１）面配向のＭｇＯになり易い。ＭｇＯのこのような結晶構造により、スピン注入磁化反転素子５において電子が散乱せずに注入されて、コヒーレントなトンネル電流が流れることにより、スピン注入磁化反転素子５の反転電流をいっそう低減させることができる。特に本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５においては、ＴｂＦｅＣｏ層１１の保磁力を小さくするために障壁層２が比較的厚いことが好ましく、その結果、反転電流が大きくなるので、障壁層２をこのような結晶構造のＭｇＯに形成することが好ましい。
【００２８】
（磁化自由層）
磁化自由層１は、光変調素子１０における光変調層であり、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５において障壁層２の上に設けられ、前記した通り、障壁層２の側、すなわち下から、ＣｏＦｅ膜１２、ＴｂＦｅＣｏ層１１の２層構造を有する。
【００２９】
ＴｂＦｅＣｏ層１１は磁化自由層１の主たる要素であり、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金で形成される。Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金は、磁化固定層３にも適用されているように保磁力が比較的大きく、後記するような厚さや組成による調整のみでは、本来は磁化反転させることが困難であるが、ＭｇＯ膜の上に成膜されることで保磁力が小さくなる。スピン注入磁化反転素子５においては、ＴｂＦｅＣｏ層１１は、後記するように極めて薄いＣｏＦｅ膜１２のみを介して障壁層２の上に形成されることにより、前記効果が得られる。ＴｂＦｅＣｏ層１１は、厚いほど磁気光学効果が高くなるが、一方で厚くなるにしたがい保磁力が増大するため磁化反転が困難になる。また、ＴｂＦｅＣｏ層１１は、厚いと、障壁層２（ＭｇＯ膜）から離れた上層部分でＭｇＯ膜による保磁力を低減させる効果が低下して、全体として、本来の大きな保磁力に近くなる。したがって、ＴｂＦｅＣｏ層１１は、一般的なＴＭＲ素子の磁化自由層と同様に、厚さを１〜２０ｎｍの範囲とすることが好ましく、１０ｎｍ以下がより好ましい。
【００３０】
ＣｏＦｅ膜１２は、磁化固定層３におけるＣｏＦｅ膜３２と同様に、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂのいずれも適用することができ、磁化自由層１と障壁層２の界面でのスピン偏極率を高くする。スピン注入磁化反転素子５は、磁化固定層３におけるＣｏＦｅ膜３２だけでなく、磁化自由層１にもＣｏＦｅ膜１２が設けられることで、障壁層２を介して磁化自由層１へ注入するスピンによるスピントルクが増大して、反転電流がいっそう低減される。ＣｏＦｅ膜１２は、ＣｏＦｅ膜３２と同様に、厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましい。ＣｏＦｅ膜１２は、一方で、障壁層２（ＭｇＯ膜）によるＴｂＦｅＣｏ層１１の保磁力低減の効果を妨げないために、連続した膜を形成しないように厚さを１ｎｍ未満とすることが好ましく、１原子膜相当の０．３ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００３１】
（下地金属膜）
下地金属膜４１は、スピン注入磁化反転素子５の最下層すなわち磁化固定層３の下に、下部電極６への密着性を付与するために設けられる。下地金属膜４１は、非磁性金属材料の中で、Ｒｕ，Ｔａを適用することが好ましく、これらの金属膜であれば、磁化固定層３に非晶質のＴｂＦｅＣｏ層３１を備えてその上に設けられる障壁層２とするＭｇＯ膜について、（００１）面配向にすることを妨げない。下地金属膜４１は、厚さが１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く密着性を付与する効果が十分に得られ難く、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、厚さを１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００３２】
（保護膜）
保護膜４３は、スピン注入磁化反転素子５の最上層すなわち磁化自由層１の上に、当該スピン注入磁化反転素子５の各層、特に最上層の磁化自由層１のＴｂＦｅＣｏ層１１を、光変調素子１０の製造工程におけるダメージから保護するために設けられる。製造工程におけるダメージとは、例えばレジストパターン形成時の現像液の含浸等が挙げられ、特に酸化し易いＲＥ−ＴＭ合金であるＴｂＦｅＣｏ層１１を外部環境に曝さないように、保護膜４３が設けられる。保護膜４３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４３は、下地金属膜４１と同様に、厚さが１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難いので、ＴｂＦｅＣｏ層１１等を保護する効果が十分に得られ難い。一方、保護膜４３は、１０ｎｍを超えて厚くしても、前記効果がそれ以上には向上せず、また、光変調素子１０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４３は、厚さを１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００３３】
スピン注入磁化反転素子５以外の光変調素子１０を構成する要素について、以下に説明する。
【００３４】
（下部電極）
下部電極６は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成され、また、前記金属や合金の２種類以上を積層してもよい。このような金属電極材料は、スパッタリング法等の公知の方法により成膜され、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等の所望の形状に加工される。
【００３５】
（上部電極）
上部電極７は、光が透過するように透明電極材料からなる層（透明電極層）７３と、その下地の金属膜７４と、からなる。透明電極層７３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。これらの透明電極材料は塗布法でも成膜されるが、透明電極層７３は、後記するように金属膜７４と連続して成膜されることが好ましい。そのため、透明電極層７３は、金属膜７４と共に、連続的に成膜が可能なスパッタリング法や真空蒸着法等を適用して成膜されることが好ましく、フォトリソグラフィおよびエッチング等でストライプ状等の所望の形状に一括に加工される。特に、上部電極７は、ＴｂＦｅＣｏ層１１，３１を含むスピン注入磁化反転素子５の上に形成されるため、透明電極層７３には無加熱（室温等）成膜で比較的良好な導電性が得られるＩＺＯを適用されることが好ましい。
【００３６】
電極（配線）を透明電極材料で形成する場合、電極とこの電極に接続するスピン注入磁化反転素子５との間に金属膜が設けられていることが好ましい。したがって、上部電極７は、下地に金属膜７４を設けて、その上に透明電極層７３を積層した構造とすることが好ましい。スピン注入磁化反転素子５との間に金属膜７４を介在させることで、金属電極材料よりも抵抗が大きい透明電極材料（透明電極層７３）を主体として構成される上部電極７においても、上部電極７−スピン注入磁化反転素子５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。
【００３７】
透明電極層７３とスピン注入磁化反転素子５との間を介在する金属膜７４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る。そして、金属膜７４は、その上の透明電極層７３との密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するために、前記した通り、スパッタリング法等で、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７４の厚さは、保護膜４３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を超えると光の透過量を低下させるので、１〜１０ｎｍが好ましい。
【００３８】
（絶縁層）
絶縁層８は、２次元アレイ状に配列された光変調素子１０，１０間に、すなわちスピン注入磁化反転素子５，５間、電極６，７間（層間）、下部電極６，６間および上部電極７，７間（配線間）を、それぞれ絶縁するために設けられる。絶縁層８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、スピン注入磁化反転素子５が、ＴｂＦｅＣｏ層１１，３１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、スピン注入磁化反転素子５に接触する部分（スピン注入磁化反転素子５，５間）に設けられる絶縁層８は、Ｏ（酸素）を浸入させ易いＳｉＯ2等の酸化物よりも、Ｓｉ窒化物やＭｇＦ2等のＯを含有しない非酸化物、あるいはＯを放出し難いＭｇＯ等を適用することが好ましい。
【００３９】
（基板）
基板９は、光変調素子１０を配列するための土台であり、公知の基板材料が適用でき、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】
（光変調素子の製造方法）
次に、スピン注入磁化反転素子５を備える光変調素子１０の製造方法について、その一例を、図２を参照して説明する。光変調素子１０は、前記したように、基板９上に２次元配列された空間光変調器として製造される。一般的に、スピン注入磁化反転素子は、磁性膜等の各材料を成膜、積層して、イオンミリング法等のエッチング異方性の高いエッチングで加工されて製造されることが多いが、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５は、耐熱性に劣るＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層（ＴｂＦｅＣｏ層１１，３１）を備えることから、以下の方法で製造されることが好ましい。
【００４１】
まず、図２（ａ）に示すように、下部電極６および下部電極６，６間を埋める絶縁層８を形成する。詳しくは、基板９の表面に、ＳｉＯ2等の絶縁膜を下部電極６の厚さに合わせて成膜する。この絶縁膜の上に、下部電極６を形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、絶縁膜をエッチングして基板９を露出させる。この上から金属電極材料を成膜して、絶縁膜（絶縁層８）のエッチング跡に埋め込んで下部電極６を形成し、レジストパターンを除去する（リフトオフ）。
【００４２】
次に、スピン注入磁化反転素子５を形成する。詳しくは、下部電極６および絶縁層８の上に、Ｓｉ窒化物等の非酸化物の絶縁膜（図中、加工後における絶縁層８と同じ符号（８）で表す。第２実施形態以降も同様。）を、スピン注入磁化反転素子５（下地金属膜４１〜保護膜４３）の厚さに合わせて成膜する。この絶縁膜の上に、スピン注入磁化反転素子５を形成する領域を空けたレジストパターンＰＲを形成し（図２（ｂ））、絶縁膜をエッチングして下部電極６を露出させる（図２（ｃ））。このとき、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のような加工ダメージの比較的少ない方法を適用し、Ｒｕ等の金属材料（下部電極６の表面における材料）に対して絶縁膜（Ｓｉ窒化物）のエッチング選択性の高い条件でエッチングすることが好ましい。このような方法により、図２（ｃ）に示すように、エッチングで形成される絶縁層８の側壁の立ち上がりに丸みが残らないようにオーバーエッチングを施しても、エッチング面（下部電極６の表面）が粗くならず、下部電極６上に形成されるスピン注入磁化反転素子５の各層の特性が劣化しない。この上から、下地金属膜４１、ＴｂＦｅＣｏ層３１、ＣｏＦｅ膜３２、障壁層２、ＣｏＦｅ膜１２、ＴｂＦｅＣｏ層１１、保護膜４３の各材料を連続して成膜して、絶縁層８に形成された孔に埋め込んでスピン注入磁化反転素子５を形成し、レジストパターンＰＲをその上の材料ごと除去する（リフトオフ、図２（ｄ））。
【００４３】
次に、上部電極７を形成する。スピン注入磁化反転素子５（保護膜４３）および絶縁層８の上に、上部電極７を形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、この上から金属膜、透明電極材料を連続して成膜して、レジストパターンを除去し（リフトオフ）、下部電極６と直交するストライプ状の上部電極７とする。そして、上部電極７，７間にＳｉＯ2等の絶縁膜を堆積させて絶縁層８とし、光変調素子１０が得られる。
【００４４】
このように、スピン注入磁化反転素子５を構成する材料に対してエッチングによる加工を行わずに成形することで、特にＴｂＦｅＣｏ層１１，３１へのダメージが抑えられ、また、図２（ｄ）に示すように、ＴｂＦｅＣｏ層１１等が成膜と同時に側面（端面）を絶縁層８で封止されるので、特性の劣化を防止することができる。さらに、スピン注入磁化反転素子５の後に形成される上部電極７についても、透明電極材料等のエッチングではなく、リフトオフ法で形成することで、ＴｂＦｅＣｏ層１１等のスピン注入磁化反転素子５の各層へのダメージを避けることができる。
【００４５】
なお、下部電極６を、基板９上に絶縁膜（絶縁層８）を成膜する前に形成することもできる。具体的には、まず、基板９の表面に、下部電極６を形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、この上から金属電極材料を成膜して、レジストパターンを除去し（リフトオフ）、下部電極６が形成される。この上から、Ｓｉ窒化物等の絶縁膜（絶縁層８）を堆積させて、下部電極６，６間を埋め、さらにスピン注入磁化反転素子５の厚さ以上に形成する。そして、この絶縁膜の表面を、化学的機械研磨（ＣＭＰ）等で研削、研磨して、下部電極６上の絶縁膜の厚さをスピン注入磁化反転素子５の厚さに調整する。その後は、絶縁膜の上に、レジストパターンＰＲを形成し（図２（ｂ））、前記と同様に、スピン注入磁化反転素子５、上部電極７を形成する。
【００４６】
（空間光変調器の初期設定）
空間光変調器におけるすべての画素の光変調素子１０のスピン注入磁化反転素子５は、磁化固定層３の磁化方向が同じ向きに固定されている必要がある。磁化固定層３は電極６，７を介した電流供給では磁化反転しないので、外部から磁化固定層３の保磁力よりも大きな磁界を印加して、磁化固定層３の磁化方向を、例えば上向きに（図３参照）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１０（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３（ＴｂＦｅＣｏ層３１／ＣｏＦｅ膜３２）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。
【００４７】
（磁化反転動作）
スピン注入磁化反転素子５の磁化反転動作を、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、光変調素子１０にて説明する。なお、図３において、下地金属膜４１および保護膜４３は図示を省略する。スピン注入磁化反転素子５は、磁化自由層１が逆向き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３（ａ）に示すように、上部電極７を「＋」、下部電極６を「−」にして、スピン注入磁化反転素子５に、磁化自由層１側から磁化固定層３へ電流Ｉwを供給して、磁化固定層３側から電子を注入する。すると、磁化方向を上向きに固定された磁化固定層３により当該磁化固定層３の磁化方向と向きの異なる下向きのスピンを持つ電子ｄDが弁別されて、磁化自由層１は上向きのスピンを持つ電子ｄUが偏って注入される。磁化自由層１においては、電子ｄUの上向きスピンによるスピントルクが作用することによって当該磁化自由層１の内部電子のスピンが反転し、磁化方向が上向きに反転する。反対に、図３（ｂ）に示すように、上部電極７を「−」、下部電極６を「＋」にして、スピン注入磁化反転素子５に、磁化固定層３側から磁化自由層１へ電流Ｉwを供給して、磁化自由層１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３により弁別されて磁化自由層１に留まるため、磁化自由層１の磁化方向は下向きに反転する。
【００４８】
このように、スピン注入磁化反転素子５は、上下面に接続した一対の電極７，６で膜面垂直方向に電流を供給されることで、磁化自由層１の磁化方向が磁化固定層３と同じ方向（平行）または反対の方向（反平行）になる。また、スピン注入磁化反転素子５において、磁化自由層１の磁化方向が平行、反平行のいずれかを示していれば、その磁化方向を反転させる大きさの電流（Ｉw）が供給されるまでは、当該磁化自由層１の保磁力により磁化方向が保持される。そのため、スピン注入磁化反転素子５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。
【００４９】
（光変調動作）
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を備える光変調素子の動作を、図３（ｃ）、（ｄ）を参照して説明する。上方から光変調素子１０に入射した光は、上部電極７を透過してスピン注入磁化反転素子５に到達し、スピン注入磁化反転素子５や下部電極６で反射して、再び上部電極７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１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３（ｃ）、（ｄ）にそれぞれ示す、磁化自由層１の磁化方向が互いに１８０°異なるスピン注入磁化反転素子５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。スピン注入磁化反転素子５の磁化反転動作は、前記の通りである。したがって、光変調素子１０は、その出射光の偏光の向きを、電極６，７から電流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には、磁化自由層１での１回の反射による旋光（カー回転）に限られず、例えばスピン注入磁化反転素子５における多重反射により累積された角度も含める。
【００５０】
（抵抗変化）
スピン注入磁化反転素子５の磁化反転に伴う抵抗の変化を、図３（ｃ）、（ｄ）を参照して説明する。スピン注入磁化反転素子５は磁気抵抗効果素子であり、その積層方向における抵抗、すなわち上下に接続した電極７，６間の抵抗が、磁化自由層１の磁化方向により変化する。詳しくは、スピン注入磁化反転素子５は、図３（ｃ）に示す磁化方向が平行な状態における抵抗ＲPよりも、図３（ｄ）に示す磁化方向が反平行な状態における抵抗ＲAPの方が高い（ＲP＜ＲAP）。そのため、磁化反転しない大きさの定電流Ｉrを供給して電圧を計測することにより、磁化反転動作が正常に行われたかの書込みエラー検出を行うことができる。なお、図３（ｃ）、（ｄ）に示すスピン注入磁化反転素子５は、磁化自由層１側から磁化固定層３へ電流Ｉrを供給されているが、電流Ｉrの向きは逆でもよい。
【００５１】
光変調素子１０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。このような空間光変調器は、所望の画素（光変調素子１０）について、そのスピン注入磁化反転素子５を磁化反転動作させるために、電流供給源（電流源）と、それぞれ並設された下部電極６および上部電極７から選択的に、特定のスピン注入磁化反転素子５に接続する電極６，７を前記電流源に接続するスイッチを備える（図示省略）。空間光変調器はさらに、書込みエラー検出を行うために、定電流源と電圧の高低を判定する電圧比較器とを備えてもよい。空間光変調器（光変調素子１０）への入射光は、例えばレーザー光源から偏光子（図示省略）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（図示省略）により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、他方に旋光した光が透過して取り出される（図３（ｃ）、（ｄ）参照）。
【００５２】
図３（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１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１０の上（入射光用の偏光子との間）にハーフミラーが配置され、出射光のみを側方へ反射させて、反射させた先に出射光用の偏光子が配置される。
【００５３】
第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５を備える光変調素子１０は、基板９にガラス等の透明基板を適用し、また、下部電極６を上部電極７と同様に透明電極材料で形成して、透過型の空間光変調器の光変調素子に適用することもできる（図示せず）。これら光を透過する基板および下部電極については、後記第１実施形態の変形例（図４参照）にて説明する。
【００５４】
第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５は、磁化自由層１および磁化固定層３にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金（ＴｂＦｅＣｏ層１１，３１）が適用されて材料を共通化されているが、これに限られず、磁化固定層について、その他の、垂直磁気異方性を有し、磁化自由層１（ＴｂＦｅＣｏ層１１）に対して保磁力の十分に大きい公知の磁性材料を適用することができる。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（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金以外のＲＥ−ＴＭ合金）、Ｌ１0系の規則合金としたＦｅＰｔ, ＦｅＰｄ等が挙げられる。
【００５５】
以上のように、本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる２つの層がそれぞれ、磁化自由層、磁化固定層として好適な保磁力を有しているので、安定した動作とすることができ、また、磁化自由層と磁化固定層に共通の材料が適用されているので生産性がよい。さらに本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、磁化自由層に垂直磁気異方性を有し、かつ磁気光学効果の高いＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏが適用されているので、光変調度が大きく、コントラストのよい空間光変調器を構成することができる。
【００５６】
〔第２実施形態〕
第１実施形態においては、ＭｇＯからなる障壁層の上に磁化自由層が設けられていることにより、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を磁化自由層に適用することができ、一方、磁化固定層が、金属膜（下部電極、下地金属膜）上に成膜されたことにより、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金本来の大きな保磁力を有する。ところが、反対に、障壁層の上に磁化固定層が成膜されたＴＭＲ素子においては、磁化固定層にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を適用すると、本来の大きな保磁力を示さないことになる。以下、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた光変調素子について説明する。第１実施形態（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。
【００５７】
図４に示すように、本発明の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａは、磁化自由層１Ａ、障壁層（中間層）２Ａ、磁化固定層３Ａ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７Ａと下部電極６Ａ（以下、適宜まとめて、電極６Ａ，７Ａ）に上下で接続されて、光変調素子１０Ａを構成する。光変調素子１０Ａは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５を備える光変調素子１０（図１参照）の、積層順をほぼ逆にした構造であり、反射型の空間光変調器の画素として透明な基板９Ａ上に２次元配列されて、下方から入射した光を反射させて下方へ出射する。
【００５８】
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５と同様に、磁化固定層３Ａおよび磁化自由層１Ａを、ＭｇＯからなる障壁層２Ａ（ＭｇＯ膜）を挟んで積層してなるＴＭＲ素子であり、さらに最上層に保護膜４３Ａを備え、また、必要に応じて最下層に下地金属膜４１Ａを備える。スピン注入磁化反転素子５Ａは、磁化固定層３Ａが、第１実施形態と同様にＴｂＦｅＣｏ層（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層）３１を主たる要素として備え、一方、磁化自由層１Ａが、主たる要素として磁性層１１Ａを備える。さらに、磁化自由層１Ａおよび磁化固定層３Ａがそれぞれ、障壁層２Ａとの界面に、ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）１２Ａ，３２Ａを備える。すなわち、スピン注入磁化反転素子５Ａは、下から、下地金属膜４１Ａ、磁性層１１Ａ、ＣｏＦｅ膜１２Ａ、障壁層２Ａ、ＣｏＦｅ膜３２Ａ、ＴｂＦｅＣｏ層３１、保護膜４３Ａ、を順に積層してなる。以下、スピン注入磁化反転素子５Ａを構成する要素について詳しく説明する。
【００５９】
（磁化自由層）
磁化自由層１Ａは、スピン注入磁化反転素子５Ａにおいて障壁層２Ａの下に設けられ、主たる要素として磁性層１１Ａを備え、さらに障壁層２Ａの側（障壁層２Ａとの界面）に、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５の磁化自由層１と同様にＣｏＦｅ膜１２Ａを備える。すなわち磁化自由層１Ａは、下から、磁性層１１Ａ、ＣｏＦｅ膜１２Ａの２層構造を有する。
【００６０】
磁性層１１Ａは、一般的なＴＭＲ素子の磁化自由層と同様に、厚さを１〜２０ｎｍの範囲で設定されることが好ましく、公知の垂直磁気異方性材料にて形成することができる。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、スピン注入磁化反転素子５Ａへの電流供給により磁化反転可能な程度に保磁力の小さい材料が適用される。また、磁性層１１Ａは、障壁層２Ａとして磁化自由層１Ａの上に形成されるＭｇＯ膜を（００１）面配向とすることを妨げないように、非晶質であることが好ましいため、ＲＥ−ＴＭ合金が好適で、磁気光学効果の高いＧｄ−Ｆｅ合金が特に好ましい。
【００６１】
ＣｏＦｅ膜１２Ａは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５のＣｏＦｅ膜１２と同様の構成であり、厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましい。一方、ＣｏＦｅ膜１２Ａが厚いと、磁性層１１Ａが材料や厚さによっては垂直磁気異方性を示さなくなる。したがって、ＣｏＦｅ膜１２Ａは、第１実施形態と同様に厚さを１ｎｍ未満とすることが好ましく、０．３ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００６２】
（障壁層）
障壁層２Ａは、第１実施形態と同様にＭｇＯで形成され、一般的なＴＭＲ素子と同様に、厚さを０．１〜２ｎｍの範囲とすることが好ましい。ただし本実施形態においては、この上に成膜される磁化固定層３Ａ（ＴｂＦｅＣｏ層３１）の保磁力を低減させる必要がないので、反転電流の大きさ等に基づいて厚さを設計すればよい。
【００６３】
（磁化固定層）
磁化固定層３Ａは、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａにおいて障壁層２Ａの上に設けられ、障壁層２Ａの側、すなわち下から、ＣｏＦｅ膜３２Ａ、ＴｂＦｅＣｏ層３１の２層構造を有する。スピン注入磁化反転素子５Ａが安定した磁化反転動作をするために、第１実施形態と同様に、磁化固定層３Ａは、保磁力が磁化自由層１Ａに対して十分に大きく、具体的には０．５ｋＯｅ以上の差となることが好ましい。特に、本実施形態においては、ＴｂＦｅＣｏ層３１がＭｇＯからなる障壁層２Ａの上に成膜されているため、障壁層２Ａとの界面にＣｏＦｅ膜３２Ａを設けて、スピン偏極率を高くするのと同時に、ＴｂＦｅＣｏ層３１がＭｇＯ膜によって保磁力が低下しないようにする。
【００６４】
ＴｂＦｅＣｏ層３１の構成は、第１実施形態にて説明した通りである。ただし、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａにおいては、ＴｂＦｅＣｏ層３１は、ＣｏＦｅ膜３２Ａのみを介して障壁層２Ａの上に設けられているため、第１実施形態における磁化自由層１のＴｂＦｅＣｏ層１１とは反対に、厚く形成して、厚さにより保磁力を大きくすると同時に、上層部分が障壁層２Ａ（ＭｇＯ膜）から離れることでＭｇＯ膜による影響を低減させることが好ましい。
【００６５】
ＣｏＦｅ膜３２Ａは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５のＣｏＦｅ膜３２と同様の構成であり、厚さを０．１〜２ｎｍの範囲とすることができる。ただし、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａにおいては、ＣｏＦｅ膜３２Ａは、障壁層２ＡすなわちＭｇＯ膜とその上のＴｂＦｅＣｏ層３１との間に設けられているので、ＴｂＦｅＣｏ層３１の保磁力の低下を抑制するために、ＴｂＦｅＣｏ層３１の垂直磁気異方性が維持される範囲で十分な厚さに形成されることが好ましい。具体的には、ＣｏＦｅ膜３２Ａは、厚さを０．３ｎｍ超とすることが好ましい。
【００６６】
（下地金属膜、保護膜）
下地金属膜４１Ａ、保護膜４３Ａは、それぞれ第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５の下地金属膜４１、保護膜４３と同様の構成とすることができ、すなわち非磁性金属材料で形成され、厚さを１〜１０ｎｍとすることが好ましい。ただし、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａは下から光を入射されるので、透過光量を減衰させないために、下地金属膜４１Ａが厚くないことがより好ましい。
以下に、光変調素子１０Ａを構成するスピン注入磁化反転素子５Ａ以外の要素について説明する。
【００６７】
（電極）
光変調素子１０Ａは、第１実施形態の光変調素子１０（図１参照）とは反対に下方から光を入出射させるので、下部電極６Ａ、上部電極７Ａの構成が、第１実施形態の下部電極６、上部電極７と逆に入れ替わる。したがって、下部電極６Ａは、光が透過するように、第１実施形態における上部電極７と同様に、透明電極材料で形成され、さらに、スピン注入磁化反転素子５Ａとの間に金属膜を設けられることが好ましく、すなわち透明電極材料からなる層（透明電極層）６３と、この上に積層した金属膜６４とからなることが好ましい。透明電極層６３、金属膜６４は、それぞれ第１実施形態における上部電極７の透明電極層７３、金属膜７４と同様の構成にすることができる。さらに下部電極６Ａは、ＴｂＦｅＣｏ層３１を含むスピン注入磁化反転素子５Ａを形成する前に形成されるので、透明電極層６３に、ポストアニール等により抵抗を低減することができるＩＴＯ等の結晶性の透明電極材料を適用してもよい。また、後記製造方法にて説明するように、金属膜６４が、下部電極６Ａ上の絶縁膜（スピン注入磁化反転素子５Ａ，５Ａ間の絶縁層８）をエッチングするときのエッチングストッパ膜になる。一方、上部電極７Ａは、第１実施形態における下部電極６と同様の金属電極材料を適用することができる。
【００６８】
（基板、絶縁層）
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａを備える光変調素子１０Ａは、基板９Ａの側から光を入出射するので、基板９Ａは光を透過させる材料からなる。このような基板９Ａとして、公知の透明基板材料が適用でき、具体的には、ＳｉＯ2（酸化ケイ素、ガラス）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、サファイア、ＧＧＧ（ガドリニウムガリウムガーネット）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、Ｇｅ（ゲルマニウム）単結晶基板等を適用することができる。絶縁層８は、第１実施形態と同様の構成とすることができる。
【００６９】
（光変調素子の製造方法）
第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａを備える光変調素子１０Ａは、積層順を入れ替えて、第１実施形態の光変調素子１０と同様に製造することができる（図２参照）。本実施形態においては、スピン注入磁化反転素子５Ａを形成する前に形成される下部電極６Ａの透明電極層６３については、例えばＩＴＯ等の結晶性の透明電極材料を適用して、加熱成膜、あるいは成膜または成形の後のポストアニールにより抵抗を低減することができる。また、絶縁層８をエッチングして、スピン注入磁化反転素子５Ａの各層を埋め込むための孔を形成する工程（図２（ｃ）参照）では、下部電極６Ａの表面の金属膜６４が絶縁層８に対するエッチングストッパ膜になる。
【００７０】
（磁化反転動作、抵抗変化、光変調動作）
本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａは、磁化反転動作が、図３（ａ）、（ｂ）に示す第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５とは、電極６Ａ，７Ａ（６，７）から供給される電流Ｉwの向きと磁化自由層１Ａ（１）の磁化方向との関係が逆になり、それ以外は同様である。また、磁化自由層１Ａの磁化方向による電極６Ａ，７Ａ間の抵抗（ＲP，ＲAP）の変化も、図３（ｃ）、（ｄ）に示すスピン注入磁化反転素子５と同様である。また、スピン注入磁化反転素子５Ａは、図３（ｃ）、（ｄ）に示す光変調素子１０のスピン注入磁化反転素子５と同様に、旋光角＋θk，−θkで光変調動作をする。ただし、スピン注入磁化反転素子５Ａを備える光変調素子１０Ａは、磁化自由層１Ａの側から光を入射させるので、下部電極６Ａから光が入射する。
【００７１】
第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａを備える光変調素子１０Ａは、上部電極７Ａを、透明電極層７３を備える上部電極７（図１参照）に置き換えて、透過型の空間光変調器の光変調素子とすることもできる（図示せず）。
【００７２】
以上のように、本発明の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、障壁層の上に設けた磁化固定層に、適切な厚さのＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜を備えることで、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を適用しても、保磁力を維持して安定した動作とすることができる。
【００７３】
〔第３実施形態〕
本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層を備える磁化自由層がＭｇＯ膜の上に設けられるように、ＭｇＯ膜を障壁層とするＴＭＲ素子としたが、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子についても同様の効果を得ることができる。以下、第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた光変調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。
【００７４】
本発明の第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂは、図５に示すように、下から磁化自由層１Ｂ、中間層２Ｂ、磁化固定層３Ｂの順に積層された構成で、非磁性金属からなる中間層２Ｂを備えるＣＰＰ−ＧＭＲ素子であり、さらに、最上層に保護膜４３Ａを備える。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂは、同一平面視形状のＭｇＯ膜４２の上に直接に設けられ、さらに一対の電極である上部電極７Ａと下部電極６Ｂに上下で接続されて、光変調素子１０Ｂを構成する。このように、光変調素子１０Ｂにおいては、スピン注入磁化反転素子５Ｂは、下面が絶縁体であるＭｇＯ膜４２で被覆されているために、下部電極６Ｂには磁化自由層１Ｂが側面で接続する。そのために、下部電極６Ｂは、スピン注入磁化反転素子５Ｂの下部（磁化自由層１Ｂ）をその下のＭｇＯ膜４２と共に収容し、さらに、スピン注入磁化反転素子５Ｂに入射する光を遮らないように、貫通孔が形成されている。
【００７５】
光変調素子１０Ｂは、スピン注入磁化反転素子５Ｂが、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図４参照）と同様に磁化自由層１Ｂを下側に備えるため、下方から光が入出射され、反射型の空間光変調器の画素として透明な基板９Ａ上に２次元配列される。以下、スピン注入磁化反転素子５Ｂを構成する要素について詳しく説明する。
【００７６】
（磁化自由層）
磁化自由層１Ｂは、ＴｂＦｅＣｏ層１１からなる。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂにおいては、磁化自由層１Ｂは、ＴｂＦｅＣｏ層１１がＭｇＯ膜４２の上に直接に成膜されることにより保磁力がいっそう小さくなる。ＴｂＦｅＣｏ層１１は、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）の磁化自由層１に設けられたものと同じもので、その構成は、第１実施形態にて説明した通りであり、同様に厚さを２０ｎｍ以下とすることが好ましく、１０ｎｍ以下がより好ましい。ただし、光変調素子１０Ｂにおいては、下部電極６Ｂが磁化自由層１Ｂの側面のみで接続するために、厚さを３ｎｍ超とする。
【００７７】
（中間層）
中間層２Ｂは、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ａｕのような非磁性金属やＺｎＯ等の半導体で形成され、その厚さを１〜１０ｎｍの範囲とすることが好ましい。中間層２Ｂは、光反射率の高いＡｇを適用して、厚さを６ｎｍ以上とすることが特に好ましい。このような中間層２Ｂを備えるスピン注入磁化反転素子５Ｂとすることで、光変調素子１０Ｂは、磁化自由層１Ｂの側（下）から入射した光を効率よく反射させて、出射する光の量を多くすることができる。
【００７８】
（磁化固定層）
磁化固定層３Ｂは、ＴｂＦｅＣｏ層３１からなる。ＴｂＦｅＣｏ層３１は、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）の磁化固定層３に設けられたものと同じものである。スピン注入磁化反転素子５Ｂにおいては、磁化固定層３Ｂは、中間層２Ｂの上側に設けられるが、下地となる中間層２ＢがＡｇ等からなるので、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金本来の大きな保磁力を有する。
【００７９】
（保護膜）
保護膜４３Ａは、第２実施形態（図４参照）と同様の構成である。なお、本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂは、磁化自由層１Ｂ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）の保磁力を小さくするために、後記のＭｇＯ膜４２の上に直接に設けられる。したがって、スピン注入磁化反転素子５Ｂは、最下層に、下地膜として一般的に適用されるＲｕ等の金属膜（図４に示す下地金属膜４１Ａ）を備えない。
以下に、光変調素子１０Ｂを構成するスピン注入磁化反転素子５Ｂ以外の要素について説明する。
【００８０】
（ＭｇＯ膜）
ＭｇＯ膜４２は、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）における障壁層２（ＭｇＯ膜）と同様に、ＴｂＦｅＣｏ層１１の保磁力を小さくする。この効果を十分なものにするために、ＭｇＯ膜４２は厚さを１ｎｍ以上とすることが好ましい。一方、ＭｇＯ膜４２は５ｎｍを超えて厚く形成されても、前記効果がそれ以上には向上し難い。また、本実施形態においては、後記製造方法にて説明するように、ＭｇＯ膜４２が過剰に厚いと、ＭｇＯ膜４２が収容される下部電極６Ｂ（第２層６２）の孔を形成するためのエッチング量が多くなる。したがって、ＭｇＯ膜４２は、厚さを５ｎｍ以下とすることが好ましい。本実施形態においては、ＭｇＯ膜４２は、磁化自由層１Ｂ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）の全体の保磁力を小さくするために、磁化自由層１Ｂ等のスピン注入磁化反転素子５Ｂの各層と同一の平面視形状に形成される。また、密着性を得るために、ＭｇＯ膜４２の下に、透過光量を減衰させない程度の厚さのＲｕ，Ｔａ等の金属膜をさらに設けてもよい（図示せず）。このような金属膜は、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図４参照）の下地金属膜４１Ａと同様の構成とすることができる。
【００８１】
（電極）
上部電極７Ａは、第２実施形態（図４参照）と同様の構成であり、金属電極材料を適用することができる。一方、下部電極６Ｂは、光の入出射側に設けられるが、前記した通り、スピン注入磁化反転素子５Ｂの平面視形状に合わせて貫通孔が形成されて光を遮らないので、上部電極７Ａと同様に金属電極材料を適用することができる。すなわち下部電極６Ｂは、空間光変調器において画素（光変調素子１０Ｂ）毎に孔が開いた帯状に形成される。また、下部電極６Ｂは、光変調素子１０Ｂ毎に形成された貫通孔により断面の狭い配線になるため、そして、スピン注入磁化反転素子５Ｂとの接続面積が磁化固定層３Ｂの側面に限定されて小さいため、透明電極材料よりも低抵抗な金属電極材料を適用することが好ましいといえる。下部電極６Ｂに形成される孔は、その内壁面で磁化自由層１Ｂに接続するために、スピン注入磁化反転素子５Ｂの平面視形状に形成される。このとき、下部電極６Ｂは、磁化自由層１Ｂ上の中間層２Ｂや磁化固定層３Ｂと短絡しないために、上面の位置が磁化自由層１Ｂの上面よりも低くなるように、互いの高さの位置等が制御される必要がある。具体的には、下部電極６Ｂは、上面を、磁化自由層１Ｂの上面（中間層２Ｂとの界面）から３ｎｍ以上低い位置にして、磁化自由層１Ｂ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）以外の導体（中間層２Ｂ等）に対して３ｎｍ以上の距離を空けて、リーク電流やトンネル電流が流れることがないようにする。
【００８２】
下部電極６Ｂは、第１層６１とその上の第２層６２との２層構造を有し、それぞれ金属電極材料で形成される。第２層６２は、孔にスピン注入磁化反転素子５Ｂの下部（磁化自由層１Ｂ）とＭｇＯ膜４２を収容し、第１層６１は、孔が絶縁層８Ｂ（８１）で充填される。第２層６２は、孔の内壁面で磁化自由層１Ｂに接続しつつ、下部電極６Ｂが中間層２Ｂ等と短絡しないように、ＭｇＯ膜４２よりも厚く、かつ磁化自由層１ＢとＭｇＯ膜４２の合計の厚さよりも薄く、好ましくは３ｎｍ以上の差で薄く形成される。一方、第１層６１は、下部電極６Ｂを全体で十分に低抵抗とするために必要な厚さに形成される。また、第１層６１は、平面視形状が第２層６２と略一致し、あるいは孔の平面視形状を光の入射角に応じて拡げてもよい。なお、第１層６１と第２層６２は、材料が同じでも異なるものでもよいが、第２層６２については、後記製造方法にて説明するようにエッチングで加工して孔が形成されるので、エッチングし易い材料を選択することが好ましい。
【００８３】
（絶縁層、基板）
絶縁層８Ｂは、図５に示すように、下部電極６Ｂの第１層６１と同じ厚さの絶縁層８１と、その上の絶縁層８２との２層構造を有する。絶縁層８１，８２は、それぞれ第１実施形態における絶縁層８と同様に公知の絶縁材料を適用することができ、同じでも異なる種類でもよい。特に、絶縁層８２のスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｂ間に設けられる部分は、Ｓｉ窒化物等の非酸化物であって、エッチング選択性の高い材料を適用することが好ましい。基板９Ａは、第２実施形態（図４参照）と同様の構成である。
【００８４】
（光変調素子の製造方法）
第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂを備える光変調素子１０Ｂの製造方法について、その一例を、図６を参照して説明する。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂは、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）と同様に耐熱性に劣るＴｂＦｅＣｏ層１１，３１を備え、さらに磁化自由層１Ｂ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）の側面に下部電極６Ｂが接続されることから、以下の方法で製造されることが好ましい。
【００８５】
まず、図６（ａ）に示すように、下部電極６Ｂの第１層６１および絶縁層８１を形成する。詳しくは、基板９Ａの表面に、第１層６１を形成する領域を空けたレジストパターン（図示省略）を形成し、上から金属電極材料を成膜して第１層６１を形成し、レジストパターンをその上の金属電極材料ごと除去する（リフトオフ）。この上に、ＳｉＯ2等の絶縁膜（絶縁層８１）を成膜して、第１層６１，６１間や第１層６１の孔を充填する。そして、表面をＣＭＰ等で研削して第１層６１上の絶縁膜を除去し、さらに研磨して表面を平滑にする。
【００８６】
次に、下部電極６Ｂの第１層６１の上に、リフトオフ等で、第２層６２（図６（ｂ）参照）を、孔のないストライプ状に形成し、この第２層６２の上に、Ｓｉ窒化物等の絶縁膜（絶縁層８２、図６（ｂ）参照）を、スピン注入磁化反転素子５Ｂの上面（保護膜４３Ａ）の高さ位置に合わせた厚さに成膜する。詳しくは、第２層６２とその上の絶縁膜の厚さの合計を、ＭｇＯ膜４２とスピン注入磁化反転素子５Ｂの厚さの合計に合わせる。
【００８７】
次に、絶縁膜（絶縁層８２）およびその下の下部電極６Ｂの第２層６２を加工して穴を形成し、この穴にスピン注入磁化反転素子５Ｂの下部を埋め込むように形成する。詳しくは、絶縁膜の上に、スピン注入磁化反転素子５Ｂを形成する領域を空けたレジストパターンＰＲを形成し（図６（ｂ））、絶縁膜（絶縁層８２）をエッチングし、引き続いて下部電極６Ｂの第２層６２をエッチングして、第１層６１の孔に充填された絶縁層８１を底面とする穴を形成する（図６（ｃ））。この上から、ＭｇＯ膜４２、磁化自由層１Ｂ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）、中間層２Ｂ、磁化固定層３Ｂ（ＴｂＦｅＣｏ層３１）、保護膜４３Ａの各材料を連続して成膜して、絶縁層８２から下部電極６Ｂの第２層６２までに形成された穴に埋め込んでＭｇＯ膜４２およびスピン注入磁化反転素子５Ｂを形成し、レジストパターンＰＲをその上の材料ごと除去する（リフトオフ、図６（ｄ））。この上に、第２実施形態の光変調素子１０Ａと同様に上部電極７Ａを形成して、光変調素子１０Ｂが得られる。
【００８８】
このように、光変調素子１０Ｂの製造において、下部電極６Ｂを２層に分けて、上層の第２層６２をスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｂ間の絶縁層８２と共に加工することで、第１実施形態と同様にＴｂＦｅＣｏ層１１，３１等の特性の劣化を防止することができ、さらに、スピン注入磁化反転素子５Ｂを側面で下部電極６Ｂに接続することができる。また、下部電極６Ｂにおける第２層６２のみを絶縁層８２と共に加工するので、エッチング量が抑えられてエッチング深さを制御し易く、スピン注入磁化反転素子５Ｂが適切に下部電極６Ｂに接続される。
【００８９】
下部電極６Ｂの第１層６１および絶縁層８１の形成においては、基板９Ａ上に先に絶縁層８１を形成して、その後に金属電極材料を埋め込んで第１層６１を形成してもよい。
【００９０】
また、下部電極６Ｂは、抵抗をより低減するために、貫通孔のＭｇＯ膜４２の下を透明電極材料で埋めてもよい。すなわち、図５に示す下部電極６Ｂの孔の絶縁層８１に代えて、透明電極層６３（図４参照）が設けられる（図示せず）。そのためには、例えば、下部電極６Ｂの第１層６１、および第１層６１，６１間と第１層６１の孔を充填する絶縁層８１を形成した（図６（ａ）参照）後に、第１層６１の孔の領域を空けたレジストパターンを形成し、第１層６１の孔における絶縁層８１を除去して、透明電極材料を成膜して孔に埋め込み、レジストパターンを除去すればよい。あるいは、下部電極６Ｂは、第１層６１に代えて孔のない帯状の透明電極層６３を備えてもよい。この場合は、基板９Ａ上に、透明電極層６３と、孔を形成する前の第２層６２とを連続して形成すればよい。
【００９１】
（磁化反転動作、抵抗変化、光変調動作）
スピン注入磁化反転素子５Ｂは、磁化自由層１Ｂが下側に設けられているので、磁化反転動作および光変調動作が、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図４参照）と同様になる。すなわち、磁化反転動作については、図３（ａ）、（ｂ）に示す第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５とは、電極６Ｂ，７Ａ（６，７）から供給される電流Ｉwの向きと磁化自由層１Ｂ（１）の磁化方向との関係が逆になる。また、スピン注入磁化反転素子５Ｂは、図３（ｃ）、（ｄ）に示すスピン注入磁化反転素子５と同様に、磁化自由層１Ｂの磁化方向により電極６Ｂ，７Ａ間の抵抗が変化する。ただし、スピン注入磁化反転素子５Ｂは、ＴＭＲ素子よりもＭＲ比が低いＣＰＰ−ＧＭＲ素子であるため、書込みエラー検出を行う場合は、後記するように、上（磁化固定層３Ｂの側）にトランジスタ等の選択素子を接続することが好ましい。
【００９２】
〔第３実施形態の変形例〕
第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、磁化自由層が側面で下部電極に接続されるが、磁化自由層（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層）の厚さが小さいと、十分な接続面積を確保し難く、また、製造において高い精度でのエッチングや成膜を要する。以下、第３実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた光変調素子について説明する。第１、第２、第３実施形態（図１〜６参照）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。
【００９３】
本発明の第３実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃは、図７に示すように、下から磁化自由層１Ｃ、障壁層（中間層）２Ａ、磁化固定層３Ａの順に積層された構成であり、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図４参照）と同様に、ＭｇＯからなる障壁層２Ａの上に磁化固定層３Ａが設けられたＴＭＲ素子である。スピン注入磁化反転素子５Ｃは、さらに、最上層に保護膜４３Ａを備える。本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃは、ＭｇＯ膜４２の上に直接に設けられ、さらに一対の電極である上部電極７Ａと下部電極６Ｃに上下で接続されて、光変調素子１０Ｃを構成する。このように、スピン注入磁化反転素子５Ｃの下面には絶縁体であるＭｇＯ膜４２が接触しているために、このＭｇＯ膜４２が下部電極６Ｃに形成された貫通孔に設けられ、スピン注入磁化反転素子５Ｃは、下面（磁化自由層１Ｃ）が周縁のみで下部電極６Ｃに接続する。
【００９４】
光変調素子１０Ｃは、スピン注入磁化反転素子５Ｃが、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図４参照）と同様に磁化自由層１Ｃを下側に備えるため、下方から光が入出射され、反射型の空間光変調器の画素として透明な基板９Ａ上に２次元配列される。
【００９５】
光変調素子１０Ｃにおいては、ＭｇＯ膜４２が、スピン注入磁化反転素子５Ｃの平面視形状よりも小さく形成されている。そのため、詳しくは後記にて説明するが、スピン注入磁化反転素子５Ｃの磁化自由層１Ｃが磁化反転するのは、ＭｇＯ膜４２の直上の領域に限定される。したがって、本実施形態において、スピン注入磁化反転素子５Ｃの平面視サイズが大きくても、ＭｇＯ膜４２が磁化反転可能な面積に形成されていればよい。一方、光変調素子１０Ｃにおいては、ＭｇＯ膜４２の平面視形状に合わせて下部電極６Ｃに形成された貫通孔が、空間光変調器の画素の開口部になる。そのため、ＭｇＯ膜４２は、平面視の一辺の長さが少なくとも入射光の回折限界（波長の１／２程度）以上に形成される。なお、スピン注入磁化反転素子５Ｃは、磁化自由層１Ｃ（下面）が下部電極６Ｃとの接続面積を確保していればよく、例えば平面視における対向する２辺のみがＭｇＯ膜４２の外側に形成される形状でもよい。以下、スピン注入磁化反転素子５Ｃを構成する要素について詳しく説明する。
【００９６】
（磁化自由層）
磁化自由層１Ｃは、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図４参照）の磁化自由層１Ａの、磁性層１１ＡをＴｂＦｅＣｏ層１１に置き換えたものであり、ＴｂＦｅＣｏ層１１、ＣｏＦｅ膜１２Ａの各構成は、第１、第２実施形態にて説明した通りである。特に本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃにおいては、第３実施形態と同様に、ＴｂＦｅＣｏ層１１が、ＭｇＯ膜４２の上に直接に成膜されることにより保磁力がいっそう小さくなる。
【００９７】
また、磁化自由層１Ｃは、ＭｇＯ膜４２の周囲に設けられた下部電極６Ｃに電気的に接続されるように、平面視でＭｇＯ膜４２の外側へ拡張して形成されている。したがって、本変形例において、磁化自由層１Ｃ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）は、ＭｇＯ膜４２の直上の領域（適宜、磁化反転領域と称する）のみにおいて保磁力が小さく、磁化自由層として磁化反転する（図８参照）。一方で、磁化自由層１Ｃは、下部電極６Ｃに接続する周縁の領域においては、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金本来の大きな保磁力を示して磁化反転し難く、後記に説明するようにもう一つの磁化固定層（適宜、磁化固定領域と称する）であるといえる。
【００９８】
（障壁層、磁化固定層）
障壁層２Ａ、磁化固定層３Ａは、それぞれ第２実施形態（図４参照）と同様の構成である。特に障壁層２Ａは、本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃにおいては、下地となる磁化自由層１Ｃに非晶質構造であるＴｂＦｅＣｏ層１１が適用され、さらに当該障壁層２Ａとの界面にＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂ（ＣｏＦｅ膜１２Ａ）が設けられているので、第１実施形態の障壁層２と同様に（００１）面配向のＭｇＯになり易い。
【００９９】
（保護膜）
保護膜４３Ａは、第２実施形態（図４参照）と同様の構成である。なお、本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃ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、最下層にＲｕ等の金属膜（図４に示す下地金属膜４１Ａ）を備えない。
以下に、光変調素子１０Ｃを構成するスピン注入磁化反転素子５Ｃ以外の要素について説明する。
【０１００】
（ＭｇＯ膜）
ＭｇＯ膜４２は、第３実施形態と同様の構成である。
【０１０１】
（電極）
上部電極７Ａは、第２実施形態（図４参照）と同様の構成であり、金属電極材料を適用することができる。一方、下部電極６Ｃは、光の入出射側に設けられるが、前記した通り、スピン注入磁化反転素子５Ｃの下面が周縁でのみ接続し、光変調素子１０Ｃにおける中央部には貫通孔が形成されて光を遮らないので、上部電極７Ａと同様に金属電極材料を適用することができる。すなわち下部電極６Ｃは、第３実施形態（図５参照）の下部電極６Ｂと同様に、空間光変調器において光変調素子１０Ｃ毎に孔が開いた帯状に形成される。下部電極６Ｃは、孔が光変調素子として必要な開口を有しつつ、この内部に設けられたＭｇＯ膜４２の直上で磁化自由層１Ｃが磁化反転可能であり、また、スピン注入磁化反転素子５Ｃ（磁化自由層１Ｃ）の下面と電気的な接続に必要な面積で接続（平面視で重複）する形状に設計される。
【０１０２】
（絶縁層）
絶縁層８Ｃは、図７に示すように、下部電極６Ｃ，６Ｃ間および下部電極６Ｃの孔においては、絶縁層８１とＭｇＯ膜４２の２層構造であり、スピン注入磁化反転素子５Ｃ，５Ｃ間および上部電極７Ａ，７Ａ間においては、絶縁層８２が設けられる。絶縁層８１は、ＭｇＯ膜４２と合わせた２層で下部電極６Ｃの厚さになるように形成され、第３実施形態と同様に、ＳｉＯ2等の公知の絶縁材料を適用することができる。なお、ＭｇＯ膜４２は、下部電極６Ｃの孔に形成されていればよく、下部電極６Ｃ，６Ｃ間には絶縁層８１のみが形成されていてもよい。絶縁層８２も、第３実施形態と同様に公知の絶縁材料を適用し、特にスピン注入磁化反転素子５Ｃ，５Ｃ間に設けられる部分には、非酸化物であって、ＭｇＯ膜４２に対してエッチング選択性の高いＳｉ窒化物等を適用することが好ましい。
【０１０３】
（基板）
基板９Ａは、第２実施形態（図４参照）と同様の構成である。
【０１０４】
（光変調素子の製造方法）
第３実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃを備える光変調素子１０Ｃは、第１、第２実施形態の光変調素子１０，１０Ａと同様に製造することができる（図２参照）。本実施形態においては、下部電極６Ｃ、および絶縁層８１、ＭｇＯ膜４２を形成する工程について、表面の下部電極６ＣとＭｇＯ膜４２に段差がなく、かつＭｇＯ膜４２が所望の厚さに制御されるように、例えば以下のように行う。
【０１０５】
まず、基板９Ａの表面に、ＳｉＯ2等の絶縁膜（絶縁層８１）、ＭｇＯ膜を成膜して、合計で下部電極６Ｃと同じ厚さになるように積層する。このＭｇＯ膜の上に、下部電極６Ｃを形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、ＭｇＯ膜、ＳｉＯ2膜をエッチングして基板９Ａを露出させる。この上から金属電極材料を成膜して、ＳｉＯ2膜／ＭｇＯ膜（絶縁層８１／ＭｇＯ膜４２）のエッチング跡に埋め込んで下部電極６Ｃを形成し、レジストパターンをその上の金属電極材料ごと除去する（リフトオフ）。
【０１０６】
次に、第１実施形態（図２（ｂ）〜（ｄ）参照）と同様に、スピン注入磁化反転素子５Ｃ、およびスピン注入磁化反転素子５Ｃ，５Ｃ間の絶縁層８２を形成する。絶縁層８２をエッチングしてスピン注入磁化反転素子５Ｃを埋め込むための孔を形成するときには、ＭｇＯ膜４２および下部電極６Ｃがエッチングストッパ膜になるように、エッチング条件を設定する。また、本実施形態では、第１、第２実施形態のように密着性を得るための下地金属膜４１（４１Ａ）を設けることができないので、ＭｇＯ膜４２および下部電極６Ｃへの密着性を高くするために、絶縁層８２のエッチング跡にスピン注入磁化反転素子５Ｃを構成する各層を成膜する際、１層目のＴｂＦｅＣｏ層１１（磁化自由層１Ｃ）を成膜する前に、スパッタ装置にて、Ａｒ，Ｋｒ等のキャリアガスのイオンやプラズマによるクリーニングを、下部電極６Ｃ等の表面に行うことが好ましい。そして、スピン注入磁化反転素子５Ｃの上に、上部電極７Ａを第１実施形態と同様に形成して、光変調素子１０Ｃが得られる。
【０１０７】
下部電極６Ｃ、絶縁層８１およびＭｇＯ膜４２の形成においては、例えば第３実施形態の光変調素子１０Ｂにおける下部電極６Ｂの第１層６１のように、まず、基板９Ａ上に、リフトオフ法で下部電極６Ｃを形成した後に、ＳｉＯ2等の絶縁膜のみを成膜して、ＣＭＰ等で研削して下部電極６Ｃ上の絶縁膜を除去してもよい（図６（ａ）参照）。この場合は、その次に、下部電極６Ｃの孔の領域を空けたレジストパターンを形成し、下部電極６Ｃの孔のＳｉＯ2膜を所望の深さにエッチングして、その跡にＭｇＯ膜４２を成膜して埋め込み、その後にレジストパターンを除去する。
【０１０８】
あるいは、下部電極６Ｂと同様に、下部電極６Ｃの孔のＳｉＯ2膜をすべて除去して、ＭｇＯ膜４２の前（下）に透明電極材料を成膜して、図７に示す下部電極６Ｃの孔の絶縁層８１に代えて、透明電極層６３（図４参照）が設けられてもよい（図示せず）。
【０１０９】
（空間光変調器の初期設定）
本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃにおいては、磁化自由層１Ｃ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）が、下部電極６Ｃの直上の領域（磁化固定領域）において保磁力が大きく、磁化反転し難い。光変調素子１０Ｃは、磁化自由層１Ｃが磁化固定領域のみで下部電極６Ｃに直接に接続しているので、スピン注入磁化反転素子５Ｃにおいて、磁化固定層３Ａと磁化自由層１Ｃの磁化固定領域との間に、ＭｇＯ膜４２の直上の磁化反転領域を経由せずに電流が流れる経路が形成され得る。この経路に電流Ｉwの多くが流れると、磁化反転の効率が低下する。
【０１１０】
そこで、本変形例においては、磁化自由層１Ｃの磁化固定領域が、磁化固定層３Ａの磁化方向と逆向きに固定されていることが好ましい（図８参照）。そのために、次のような初期設定を行う。なお、磁化固定層３Ａと磁化自由層１Ｃのそれぞれの厚さ等にもよるが、ここでは、磁化固定層３Ａの方が磁化自由層１Ｃの磁化固定領域よりも保磁力が大きいものとする。まず、磁化固定層３Ａの保磁力よりも大きな磁界を印加して、磁化固定層３Ａおよび磁化自由層１Ｃを、共に上向きの磁化方向に揃える。次に、磁化固定層３Ａの保磁力よりも小さく、かつ磁化自由層１Ｃの磁化固定領域における保磁力よりも大きな磁界を逆向きに印加して、磁化自由層１Ｃ全体の磁化方向を下向きにする。このように、大きさと向きを切り替えて、２回の磁界印加を行う。
【０１１１】
（磁化反転動作）
スピン注入磁化反転素子５Ｃの磁化反転動作を、図８（ａ）、（ｂ）を参照して、光変調素子１０Ｃにて説明する。なお、図８において、ＭｇＯ膜４２および保護膜４３Ａは図示を省略する。本変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃは、第２、第３実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ，５Ｂと同様に、磁化反転動作が、図３（ａ）、（ｂ）に示す第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５とは、上下電極７Ａ，６Ｃ（７，６）から供給される電流Ｉwの向きと磁化自由層１Ｃ（１）の磁化方向との関係が逆になる。さらに光変調素子１０Ｃにおいては、磁化自由層１Ｃの一部の領域において磁化方向が変化しない。
【０１１２】
まず、磁化自由層１Ｃの全体が磁化固定層３Ａとは逆向きの下向きの磁化方向を示すスピン注入磁化反転素子５Ｃに、図８（ａ）に示すように、上部電極７Ａを「−」、下部電極６Ｃを「＋」にして、磁化自由層１Ｃ側から磁化固定層３Ａへ電流Ｉwを供給して、磁化固定層３Ａ側から電子を注入する。すると、磁化方向を上向きに固定された磁化固定層３Ａにより当該磁化固定層３Ａの磁化方向と向きの異なる下向きのスピンを持つ電子ｄDが弁別されて、上部電極７Ａから上向きのスピンを持つ電子ｄUが磁化固定層３Ａに偏って注入される。さらに、この電子ｄUは、障壁層２Ａを介して磁化自由層１Ｃに注入されるが、磁化方向が異なる下向きの下部電極６Ｃの直上の磁化固定領域には弁別されて注入されず、磁化反転領域の方に集中して注入され、その結果、磁化反転領域に限定して、磁化方向が上向きに反転する。
【０１１３】
反対に、図８（ｂ）に示すように、上部電極７Ａを「＋」、下部電極６Ｃを「−」にして、スピン注入磁化反転素子５Ｃに、磁化固定層３Ａ側から磁化自由層１Ｃへ電流Ｉwを供給して、磁化自由層１Ｃ側から電子を注入する。すると、磁化自由層１Ｃにおいて下部電極６Ｃの直上の磁化固定領域には、当該磁化固定領域の磁化方向と向きの異なる上向きのスピンを持つ電子ｄUが弁別されて、下部電極６Ｃから下向きのスピンを持つ電子ｄDが偏って注入される。この電子ｄDは、磁化固定層３Ａにより弁別されて磁化自由層１Ｃに留まるため、磁化固定領域から磁化反転領域へ注入される。また、磁化自由層１Ｃの磁化反転領域は、下部電極６Ｃの端（ＭｇＯ膜４２との境界）で接しているため、リーク等も含めてある程度の電子が下部電極６Ｃから直接に注入される。そのうちの上向きのスピンを持つ電子ｄUは障壁層２Ａを介して磁化固定層３Ａに注入されるため、下向きのスピンを持つ電子ｄDが偏って磁化自由層１Ｃに留まる。その結果、磁化自由層１Ｃの磁化反転領域における磁化方向が、下向きに反転する。
【０１１４】
このように、磁化自由層１Ｃの一部の領域における保磁力が大きく、この領域を経由して電流が供給されるスピン注入磁化反転素子５Ｃは、予めこの領域の磁化方向を磁化固定層３Ａとは逆向きに固定されていることで、磁化自由層１Ｃの前記領域を除いて磁化反転させることができる。
【０１１５】
（光変調動作、抵抗変化）
スピン注入磁化反転素子５Ｃは、磁化自由層１Ｃが下側に設けられているので、第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ａ（図４参照）と同様に、光変調動作をする。また、スピン注入磁化反転素子５Ｃは、図３（ｃ）、（ｄ）に示すスピン注入磁化反転素子５と同様に、磁化自由層１Ｃ（１）の磁化方向により電極６Ｃ，７Ａ間の抵抗が変化する。
【０１１６】
第３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５Ｂ，５Ｃを備える光変調素子１０Ｂ，１０Ｃは、上部電極７Ａを、透明電極層７３を備える上部電極７（図１参照）に置き換えて、透過型の空間光変調器の光変調素子とすることもできる（図示せず）。この場合には、スピン注入磁化反転素子５Ｂの中間層２Ｂは、光透過性の比較的高い材料を適用されることが好ましい。
【０１１７】
第３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５Ｂ，５Ｃにおいて、中間層２Ｂ、障壁層２Ａは、ＴｂＦｅＣｏ層１１（磁化自由層１Ｂ，１Ｃ）の下地ではなく、ＴｂＦｅＣｏ層１１の保磁力に影響しないので、公知のスピン注入磁化反転素子の中間層や障壁層を適用することができる。したがって、スピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｃは、中間層２Ｂや障壁層２ＡをＭｇＯ以外の絶縁膜（障壁層）としたＴＭＲ素子としてもよい。障壁層は、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を適用することができる。また、磁化固定層、磁化自由層は、このような障壁層との界面に設けられる磁性金属膜が、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂに限られず、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ等の遷移金属またはこれを含む合金を適用して、スピン偏極率を高くすることもできる。
【０１１８】
第３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５Ｂ，５Ｃは、磁化自由層１Ｂ，１Ｃおよび磁化固定層３Ｂ，３ＡにＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金（ＴｂＦｅＣｏ層１１，３１）が適用されて材料を共通化されているが、これに限られず、磁化固定層について、第１実施形態にて説明したような、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金以外の垂直磁気異方性を有する公知の磁性材料を適用することができる。
【０１１９】
以上のように、本発明の第３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は、第１実施形態と同様に、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる２つの層がそれぞれ、磁化自由層、磁化固定層として好適な保磁力を有しているので、安定した動作とすることができ、また、磁化自由層と磁化固定層に共通の材料が適用されているので生産性がよく、また、光変調度が大きく、コントラストのよい空間光変調器を構成することができる。さらに第３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は、中間層（障壁層）によらずに磁化自由層の保磁力が制御されているので、中間層の材料や厚さを磁化反転動作等に応じて設計することができる。
【０１２０】
〔第４実施形態〕
本発明の第１、第２実施形態、ならびに第３実施形態およびその変形例においては、磁化自由層、中間層（障壁層）、磁化固定層を１層ずつ積層して備えるスピン注入磁化反転素子について説明したが、これに限られず、例えば、１つの磁化自由層の両面に中間層または障壁層を介して２つの磁化固定層を設けたデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子（特許文献４，５参照）においても適用し得て、同様の効果を有する。以下、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた磁気抵抗効果素子について説明する。第１、第２、第３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。
【０１２１】
本発明の第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄは、図９に示すように、下から磁化固定層３、障壁層２、磁化自由層１Ｃ、障壁層２Ａ、磁化固定層３Ｃの順に積層された構成であり、さらに、最上層にすなわち磁化固定層３Ｃの上に保護膜４３Ａを備え、また、必要に応じて最下層にすなわち磁化固定層３の下に下地金属膜４１を備える。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄは、一対の電極である下部電極６と上部電極７Ａに接続されて、磁気抵抗効果素子１０Ｄを構成する。
【０１２２】
磁気抵抗効果素子１０Ｄは、選択トランジスタ型のＭＲＡＭのメモリセルとして、下部電極６を経由してトランジスタ（図示省略）に接続され、光変調素子１０（図１参照）等と同様に２次元配列され、上部電極７Ａが面内における一方向（図９においては左右方向）に延設されてビット線として共有される。メモリセルのトランジスタは、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）であり、下部電極６はドレインに接続され、ソースおよびゲートに、互いに直交する配線であるソース線とワード線（図示省略）がそれぞれ接続される。
【０１２３】
スピン注入磁化反転素子５Ｄは、磁気抵抗効果素子１０Ｄに適用されるので、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５等とは異なり、光変調のための平面視の大きさ（一辺の長さ）の下限が規定されず、磁化自由層１Ｃの磁化方向が保持される面積であればよい。具体的には、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、より好適に磁化反転するために、平面視の大きさが一般的なスピン注入磁化反転素子の３００ｎｍ×１００ｎｍ程度相当の面積であることが好ましい。
【０１２４】
スピン注入磁化反転素子５Ｄは、磁化固定層３、障壁層２、磁化自由層１Ｃの３層からなるＴＭＲ素子と、磁化自由層１Ｃ、障壁層２Ａ、磁化固定層３Ｃの３層からなるＴＭＲ素子と、を磁化自由層１Ｃで接続して備え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、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、第３実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｃ（図７参照）を、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）の上に、磁化自由層１ＣのＴｂＦｅＣｏ層１１を共有して組み合わせた構造といえる。障壁層２，２ＡがそれぞれＭｇＯからなるので、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、磁化自由層１Ｃ、および２つの磁化固定層３，３Ｃのすべてがそれぞれ、ＴｂＦｅＣｏ層（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層）１１，３１を主たる要素として備えることができる。以下、スピン注入磁化反転素子５Ｄを構成する要素について詳しく説明する。
【０１２５】
（磁化固定層）
スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいて磁化自由層１Ｃの下側に設けられた磁化固定層３は、下部電極６または下地金属膜４１上に形成され、第１実施形態（図１参照）と同様に、下すなわち下部電極６の側から、ＴｂＦｅＣｏ層３１、ＣｏＦｅ膜３２の２層構造を有する。ＴｂＦｅＣｏ層３１、ＣｏＦｅ膜３２の各構成は、第１実施形態にて説明した通りである。磁化固定層３におけるＴｂＦｅＣｏ層３１は、金属（下部電極６または下地金属膜４１）上に成膜されているので、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金本来の大きな保磁力を有する。一方、スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいて磁化自由層１Ｃの上側に設けられた磁化固定層３Ｃは、第２実施形態（図４参照）の磁化固定層３Ａと同様に、ＭｇＯからなる障壁層２Ａ上に形成され、障壁層２Ａの側から、ＣｏＦｅ膜３２Ｃ、ＴｂＦｅＣｏ層３１の２層構造を有する。ＣｏＦｅ膜３２Ｃの構成は、第２実施形態のＣｏＦｅ膜３２Ａと同様とすることができる。ただし後記するように、磁化固定層３Ｃは、保磁力が磁化自由層１Ｃに対して十分に大きく、かつ磁化固定層３よりも小さくなるように設計され、そのために、下地である障壁層２Ａの影響が適度に生じるように、ＴｂＦｅＣｏ層３１やＣｏＦｅ膜３２Ｃの厚さが調整される。
【０１２６】
（障壁層）
障壁層２，２Ａは、それぞれ第１、第２実施形態と同様の構成とすることができる。特にスピン注入磁化反転素子５Ｄにおいては、後記するように磁化自由層１Ｃの磁化反転により電極６，７Ａ間の抵抗を変化させるために、上下２つのＴＭＲ素子の各抵抗が異なるように、例えば障壁層２，２Ａで互いに厚さを変えてもよい。
【０１２７】
（磁化自由層）
磁化自由層１Ｃは、スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいて２つのＴＭＲ素子に共有される磁化自由層であるが、上側のＴＭＲ素子を構成する障壁層２Ａの側の界面にのみＣｏＦｅ膜１２Ａを備える。このように、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、磁化自由層１Ｃの下側にＣｏＦｅ膜１２（図１参照）を備えないことで、第３実施形態やその変形例に係るスピン注入磁化反転素子５Ｂ，５Ｃ（図５、図７参照）における磁化自由層１Ｂ，１Ｃと同様に、ＴｂＦｅＣｏ層１１がＭｇＯ膜（障壁層２）の上に直接に成膜されることにより、保磁力がいっそう小さくなる。さらにスピン注入磁化反転素子５Ｄは、上下２つのＴＭＲ素子がＣｏＦｅ膜の有無の異なる構成にすることで、後記するように磁化自由層１Ｃの磁化方向により電極６，７Ａ間の抵抗が変化する。
【０１２８】
（保護膜）
下地金属膜４１、保護膜４３Ａは、第１実施形態およびその変形例（図１、図４参照）と同様の構成である。
以下に、磁気抵抗効果素子１０Ｄを構成するスピン注入磁化反転素子５Ｄ以外の要素について説明する。
【０１２９】
（電極）
磁気抵抗効果素子１０Ｄは光を透過する必要がないので、下部電極６、上部電極７Ａ、ならびにソース線およびワード線（図示省略）は、第１実施形態の下部電極６等と同様の金属電極材料で形成される。
【０１３０】
（絶縁層、基板）
絶縁層８は、第１、第２実施形態と同様の構成とすることができる。磁気抵抗効果素子１０Ｄが形成される基板（図示省略）は、磁気抵抗効果素子１０Ｄがトランジスタに接続されるために、表層にＭＯＳＦＥＴを形成されたｐ型シリコン（Ｓｉ）基板が適用される。
【０１３１】
（磁気抵抗効果素子の製造方法）
第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄを備える磁気抵抗効果素子１０Ｄは、前記したように、表層にＭＯＳＦＥＴを形成されたＳｉ基板上に、ソース線およびワード線を金属電極材料で形成された上に、絶縁膜を介してスピン注入磁化反転素子５Ｄを形成して製造することができる。スピン注入磁化反転素子５Ｄ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と同様に形成することができる。
【０１３２】
（ＭＲＡＭの初期設定）
磁気抵抗効果素子１０Ｄを配列したＭＲＡＭについても、空間光変調器と同様に、すべてのメモリセルの磁気抵抗効果素子１０Ｄが、スピン注入磁化反転素子５Ｄの磁化固定層３，３Ｃの磁化方向がそれぞれ所定の向きに固定されている必要がある。ただし、スピン注入磁化反転素子５Ｄの２層の磁化固定層３，３Ｃは、磁化方向が互いに逆向きに固定される。したがって、第３実施形態の変形例と同様に、大きさと向きを切り替えて、２回の磁界印加を行う。
【０１３３】
（磁化反転動作）
メモリセルの書込みとして、磁気抵抗効果素子１０Ｄにおけるスピン注入磁化反転素子５Ｄの磁化反転が行われる。スピン注入磁化反転素子５Ｄは、磁化方向が互いに逆向きに固定された磁化固定層３，３Ｃにより、磁化固定層３，３Ｃの電子を注入する側（「−」に接続した側）の磁化方向と同じ向きに磁化自由層１Ｃが磁化反転する。例えば、下部電極６に接続した磁化固定層３が上向きに（図３（ａ）、（ｂ）参照）、上部電極７Ａに接続した磁化固定層３Ｃが下向きに、それぞれ磁化方向が固定されているとする。この場合に、図３（ａ）に示すように、下部電極６を「−」に、上部電極７Ａ（７）を「＋」にして、磁化固定層３の側から電子を注入する。すると、図３（ａ）と同様に、磁化固定層３で当該磁化固定層３の磁化方向と逆の下向きのスピンを持つ電子ｄDが弁別されて、下部電極６からは上向きのスピンを持つ電子ｄUが偏って磁化固定層３に注入され、さらに障壁層２を介して磁化自由層１Ｃ（１）に注入される。さらに磁化自由層１Ｃに注入された電子ｄUは、磁化方向が逆の下向きに固定された磁化固定層３Ｃで弁別されるために磁化自由層１Ｃに留まり易く（図示省略）、その結果、磁化自由層１Ｃの磁化方向が、磁化固定層３と同じ上向きへ反転する。反対に、図３（ｂ）に示すように、上部電極７Ａ（７）を「−」に、下部電極６を「＋」にして、磁化固定層３Ｃの側から電子を注入すると、磁化自由層１Ｃの磁化方向が磁化固定層３Ｃと同じ下向きへ反転する。このように、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、通常の（シングルピン構造の）スピン注入磁化反転素子５（図３参照）等と同様に、一対の電極で磁化反転させることができ、さらに、上下２層の磁化固定層３，３Ｃにより効率的に磁化反転する。
【０１３４】
（抵抗変化）
メモリセルの読出しは、一般的な選択トランジスタ型のＭＲＡＭと同様に、スピン注入磁化反転素子５Ｄが磁化反転しない所定の大きさの定電流（電流Ｉr）を供給したときの電極６，７Ａ間の電圧の値から判定される（図３（ｃ）、（ｄ）参照）。ここで、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄは、２つのＴＭＲ素子が磁化自由層１Ｃを共有するデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子である。そして、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、前記したように磁化固定層３，３Ｃの磁化方向が互いに逆向きに固定されているために、常に、磁化自由層１Ｃの磁化方向が磁化固定層３，３Ｃの一方と平行かつ他方と反平行である。したがって、２つのＴＭＲ素子の抵抗およびその変化率が同値であると、電極６，７Ａ間の抵抗が実質的に変化しないことになる（特許文献７参照）。そこで、スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいては、上側のＴＭＲ素子が障壁層２Ａの両面にＣｏＦｅ膜１２Ａ，３２Ｃを備えるのに対し、下側のＴＭＲ素子が障壁層２の片面（下面、磁化固定層３側）にのみＣｏＦｅ膜３２を備えることによりＭＲ比を低く抑えている。このような構造により、スピン注入磁化反転素子５Ｄは、ＭＲ比の高い上側のＴＭＲ素子（磁化自由層１Ｃ、障壁層２Ａ、磁化固定層３Ｃ）において磁化方向が反平行であるときに全体の抵抗が高くなり、磁気抵抗効果素子１０Ｄは、磁化自由層１Ｃの磁化方向により、電極６，７Ａ間の抵抗が変化する。
【０１３５】
なお、磁気抵抗効果素子１０Ｄにおいて、下部電極６は、トランジスタを経由してソース線に接続し、この接続は、スピン注入磁化反転素子５Ｄに供給される電流とは別の電流（ゲート電流）によりＯＮ／ＯＦＦする。したがって、ＭＲＡＭにおいて、書込み、読出しの電流Ｉw，Ｉrは、上部電極７Ａ（ビット線）とソース線を一対の電極としてスピン注入磁化反転素子５Ｄに供給される。
【０１３６】
磁気抵抗効果素子１０Ｄは、ＭＯＳＦＥＴに代えて、ダイオードを接続されてメモリセルとしてもよい。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。あるいは、磁気抵抗効果素子１０Ｄは、トランジスタに接続されずに、下部電極６をワード線とするクロスポイント型のＭＲＡＭのメモリセルとしてもよい（図示せず）。
【０１３７】
（変形例）
第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄは、上側の障壁層２ＡをＭｇＯ以外の絶縁膜で形成してもよく、あるいは非磁性金属膜等からなる中間層２Ｂ（図５参照）に替えて、ＴＭＲ素子とＣＰＰ−ＧＭＲ素子を備えるデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子としてもよい。なお、障壁層２Ａを中間層２Ｂに替えた場合は、その上下のＣｏＦｅ膜３２Ｃ，１２Ａは不要であり、また、障壁層の材料に応じて異なる磁性金属膜に替えてもよい。さらにこれらの場合には、磁化自由層１Ｃの下側の界面にもＣｏＦｅ膜１２（図１参照）を設けて、下側の障壁層２を備えるＴＭＲ素子の方のＭＲ比を高くすることが好ましい。
【０１３８】
また、スピン注入磁化反転素子５Ｄにおいて、磁化固定層３，３Ｃの保磁力の差は、厚さや磁化固定層３Ｃの下地の障壁層２Ａ（ＭｇＯ膜）によらず、ＴｂＦｅＣｏ層３１の組成や成膜時の雰囲気（キャリアガス圧）を調整することにより異なるものとしてもよく、あるいは磁化固定層３，３Ｃの一方をＴｂＦｅＣｏ層３１以外の磁性層に替えてもよい。また、例えば上側の障壁層２Ａを中間層２Ｂに替える等して、その上の磁化固定層３Ｃ（３Ｂ）が磁化固定層３と保磁力の差がなくても、磁化固定層３，３Ｂの一方に交換結合膜を積層すればよく、これにより、初期設定における１回の外部磁界印加により他方の磁化固定層と逆向きの磁化方向に固定されるようにすることができる（図示せず）。
【０１３９】
以上のように、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、２つの磁化固定層および１つの磁化自由層のそれぞれにおいて、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層が互いに異なる好適な保磁力を有しているので、安定した動作とすることができ、また、３つの磁性層に共通の材料が適用されているので、生産性がよい。
【０１４０】
本発明の第１、第２実施形態、第３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５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄ（図９参照）と同様に、ＭＲＡＭのメモリセルの磁気抵抗効果素子に適用されてもよい。この場合には、下部電極６と上部電極７Ａのように、一対の電極の両方に金属電極材料を適用することができ、また下部電極６Ｂ，６Ｃ（図５、図７参照）の貫通孔が不要であり、さらに、表層にＭＯＳＦＥＴを形成されたＳｉ基板上に形成されて、下部電極６等でトランジスタのドレインに接続してもよい（図示せず）。あるいは、スピン注入磁化反転素子５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、光変調素子に適用される場合においてもトランジスタを接続して、電流の消費が抑制された空間光変調器を構成することができる。ただし、スピン注入磁化反転素子５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、下方から光を入射する光変調素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ（図４、図５、図７参照）に適用されるため、光変調素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを配列した基板９Ａに、ＭＯＳＦＥＴやソース線等の配線を形成されたＳｉ基板を、水酸基接合等の常温接合により貼り合わせて、上部電極７Ａでトランジスタのドレインに接続する。
【０１４１】
〔第５実施形態〕
本発明の第３実施形態およびその変形例では、中間層（障壁層）によらずに磁化自由層の下に絶縁体であるＭｇＯ膜を設けるために、磁化自由層が下面の周縁か側面に制限して下部電極を接続される。これに対して、１つの磁化自由層の一面に中間層または障壁層を介して２つの磁化固定層を設けた並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子（特許文献６，７参照）であれば、磁化自由層が電極に接続される必要がなく、また他面に別の磁性層等が設けられていないので、この他面を下にして下地にＭｇＯ膜を設けることに制約がない。以下、第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた光変調素子について説明する。第１〜第４実施形態（図１〜９参照）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。
【０１４２】
本発明の第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅは、図１０に示すように、１つの磁化自由層１Ｃとその上に積層された障壁層２Ａのさらに上に、膜面方向に離間した２つの磁化固定層３Ａ，３Ｃが積層された構成であり、２つの磁化固定層３Ａ，３Ｃ上に一対の電極である第１電極７１と第２電極７２が接続されて、光変調素子１０Ｅを構成する。スピン注入磁化反転素子５Ｅは、さらに、磁化固定層３Ａ，３Ｃのそれぞれの上に保護膜４３Ａ，４３Ａを備える。本実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅは、ＭｇＯ膜４２の上に直接に設けられ、すなわち磁化自由層１ＣがＭｇＯ膜４２の上に形成されている。スピン注入磁化反転素子５Ｅは、一対の電極７１，７２の両方が、磁化自由層１Ｃの上側に設けられた磁化固定層３Ａ，３Ｃ上に接続されるので、磁化自由層１Ｃの下側に絶縁体であるＭｇＯ膜４２が設けられても電気的な接続が妨げられない。したがって、磁化自由層１Ｃ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）の全体がＭｇＯ膜４２の上に直接に成膜されることにより保磁力が小さくなる。さらに、障壁層２ＡがＭｇＯからなることにより、後記製造方法にて説明するように、平面視形状の異なる磁化自由層１Ｃと磁化固定層３Ａ，３Ｃを備えるスピン注入磁化反転素子５Ｅにおいて、耐熱性に劣るＴｂＦｅＣｏ層１１を磁化自由層１Ｃに適用することができる。
【０１４３】
光変調素子１０Ｅは、スピン注入磁化反転素子５Ｅが下側に磁化自由層１Ｃを備え、さらにその下に電極が接続されていないため、第２実施形態の光変調素子１０Ａ（図４参照）と同様に、反射型の空間光変調器の画素として透明な基板９Ａ上に２次元配列されて、下方から入射した光を反射させて下方へ出射する。光変調素子１０Ｅにおいて、一対の電極７１，７２は、第１実施形態の光変調素子１０における一対の電極６，７（図１参照）と同様に、一方を行方向に、他方を列方向に、それぞれ延設される。図１０においては、磁化固定層３Ａ，３Ｃが左右方向に並んで設けられているため、第１電極７１は、下側（スピン注入磁化反転素子５Ｅに近い側）に設けられて磁化固定層３Ａに接続し、手前−奥方向（紙面垂直方向）に延設された帯状に形成されている。一方、第２電極７２は、第１電極７１の上方で、第１電極７１と直交して左右方向に延設された帯状に形成され、コンタクト部（第２電極７２の帯状部分と第１電極７１の層間部）を経由して磁化固定層３Ｃに接続する。
【０１４４】
障壁層２Ａは絶縁体であるＭｇＯからなるので、スピン注入磁化反転素子５Ｅは、１つの磁化自由層１Ｃの上に、膜面方向に並んで２つの磁化固定層３Ａ，３Ｃがそれぞれ障壁層２Ａ，２Ａを挟んで積層された構成であるといえる。また、スピン注入磁化反転素子５Ｅは、磁化自由層１Ｃ、障壁層２Ａ、磁化固定層３Ａと、磁化自由層１Ｃ、障壁層２Ａ、磁化固定層３Ｃと、の各３層からなる２つのスピン注入磁化反転素子（ＴＭＲ素子）を磁化自由層１Ｃで接続した構成である。これら３層が積層された各領域がスピン注入磁化反転素子として機能するので、それぞれの平面視形状がスピン注入磁化反転素子として好適なものであればよく、磁化固定層３Ａ，３Ｃについては、例えば各１００ｎｍ×３００ｎｍにすることができる。一方、磁化自由層１Ｃは、詳しくは後記するように、スピン注入磁化反転素子として機能する磁化固定層３Ａ，３Ｃが積層された２つの領域と、これら２つの領域に挟まれた領域とにおいて、磁化反転し、すなわち光変調素子として機能するので、これらを合わせた平面視サイズを例えば３００ｎｍ×３００ｎｍにして、光変調素子に好適なサイズにすることができる。なお、磁化固定層３Ａ，３Ｃ間の距離については特に規定されない。
【０１４５】
また、図１０に示すように、スピン注入磁化反転素子５Ｅにおいて、磁化自由層１Ｃは、並んだ磁化固定層３Ａ，３Ｃの外側へ張り出して拡張して形成されていることが好ましい。これは、後記製造方法にて説明するように、磁化自由層１Ｃと同一平面視形状に形成される障壁層２Ａを、磁化固定層３Ａ，３Ｃを形成するためのエッチングストッパ膜にするためである。磁化自由層１Ｃは、この張り出した領域においては磁化反転しない。また、磁化自由層１Ｃの張り出した長さは特に規定されず、隣り合うスピン注入磁化反転素子５Ｅ，５Ｅ間で短絡しなければよいが、磁性膜は面積がある程度以上大きくなると保磁力が減少する傾向があるので、保磁力に影響しない程度にすることが好ましい。以下、スピン注入磁化反転素子５Ｅを構成する要素について詳しく説明する。
【０１４６】
（磁化自由層）
磁化自由層１Ｃは、第３実施形態の変形例（図７参照）と同様の構成であり、ＴｂＦｅＣｏ層１１がＭｇＯ膜４２の上に直接に成膜されることにより保磁力がいっそう小さくなる。さらに本実施形態においては、ＭｇＯ膜４２がＴｂＦｅＣｏ層１１と同一の平面視形状に形成されているので、ＴｂＦｅＣｏ層１１の全体の保磁力を小さくすることができる。
【０１４７】
（障壁層）
障壁層２Ａは、第２実施形態や第３実施形態の変形例（図４、図７参照）と同様の構成である。さらに本実施形態においては、後記製造方法にて説明するように、障壁層２Ａは、スピン注入磁化反転素子５Ｅの形成時における磁化自由層１Ｃの保護膜であり、かつ、当該障壁層２Ａ上の絶縁膜（磁化固定層３Ａ，３Ｃ間等の絶縁層８）をエッチングするときのエッチングストッパ膜になる。そのために、図１０に示すように、スピン注入磁化反転素子５Ｅにおいて、障壁層２Ａは、その下の磁化自由層１Ｃと同一の平面視形状に形成され、また、厚さを１ｎｍ以上とすることが好ましい。
【０１４８】
（磁化固定層）
磁化固定層３Ａおよび磁化固定層３Ｃは、第２実施形態および第４実施形態（図４、図９参照）とそれぞれ同様の構成であり、それぞれ、ＭｇＯからなる障壁層２Ａの上に設けられているため、障壁層２Ａとの界面にＣｏＦｅ膜３２Ａ，３２Ｃを備えて、ＴｂＦｅＣｏ層３１の保磁力の低下を抑制している。さらに磁化固定層３Ａ，３Ｃは、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄ（図９参照）の磁化固定層３，３Ｃと同様に、互いの保磁力が異なる大きさになるように、ＣｏＦｅ膜３２Ａ，３２Ｃの厚さ、あるいはさらにそれぞれのＴｂＦｅＣｏ層３１，３１の厚さが異なるものに設計される。
【０１４９】
（保護膜）
保護膜４３Ａは第２実施形態（図４参照）と同様の構成である。なお、スピン注入磁化反転素子５Ｅにおいて、２つの保護膜４３Ａ，４３Ａは、材料や厚さが異なるものでもよい。
以下に、光変調素子１０Ｅを構成するスピン注入磁化反転素子５Ｅ以外の要素について説明する。
【０１５０】
（ＭｇＯ膜）
ＭｇＯ膜４２は、第３実施形態およびその変形例（図５、図７参照）と同様に、磁化自由層１Ｃ（ＴｂＦｅＣｏ層１１）の保磁力を小さくするために設けられる。スピン注入磁化反転素子５Ｅにおいては、磁化自由層１Ｃが電極に接続されないので、ＭｇＯ膜４２は、磁化自由層１Ｃの下面の全体に形成することができ、ここでは磁化自由層１Ｃと同一の平面視形状に形成される。
【０１５１】
（電極）
第１電極７１および第２電極７２は、いずれも光の入出射側と反対側に設けられるので、第２実施形態（図４参照）の上部電極７Ａと同様に、良導体の金属電極材料を適用することができる。
【０１５２】
（絶縁層）
絶縁層８は、第１、第２実施形態と同様の構成とすることができる。ただし、スピン注入磁化反転素子５Ｅ，５Ｅ間、および磁化固定層３Ａ，３Ｃ間に設けられる絶縁層８は、障壁層２Ａとは異なるすなわちＭｇＯ以外の絶縁材料で形成され、特にＭｇＯよりもエッチング選択性の高い材料、具体的にはＳｉ窒化物で形成されることが好ましい。なお、スピン注入磁化反転素子５Ｅにおける磁化固定層３Ａ，３Ｃの直下を除く障壁層２Ａ（ＭｇＯ膜）も、絶縁層の一部であるといえる。
【０１５３】
（基板）
基板９Ａは、第２実施形態（図４参照）と同様の構成である。
【０１５４】
（光変調素子の製造方法）
第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅは、ＭｇＯからなる障壁層２Ａを境に、障壁層２Ａおよびその下の磁化自由層１Ｃと、これらとは平面視形状の異なる上側の磁化固定層３Ａ，３Ｃと、をそれぞれに接触する絶縁層８ごと、分けて形成することで製造することができる。以下、光変調素子１０Ｅの製造方法について、その一例を、図１１および図１２を参照して説明する。
【０１５５】
まず、ＭｇＯ膜４２、ならびにスピン注入磁化反転素子５Ｅの磁化自由層１Ｃおよび障壁層２Ａを形成する。詳しくは、基板９Ａの表面に、Ｓｉ窒化物等の絶縁膜（図１１（ａ）の絶縁層８）を、ＭｇＯ膜４２、およびスピン注入磁化反転素子５Ｅ（磁化自由層１Ｃ〜保護膜４３Ａ）の合計の厚さに合わせて成膜する。この絶縁膜の上に、図１１（ａ）に示すように、磁化自由層１Ｃを形成する領域を空けたレジストパターンＰＲ１を形成する。なお、図１１（ａ）には、スピン注入磁化反転素子５Ｅ，５Ｅの輪郭を太い二点鎖線で表す。そして、絶縁膜をエッチングして、図１１（ｂ）に示すように基板９Ａを露出させる。この上から、ＭｇＯ膜４２、ＴｂＦｅＣｏ層１１、ＣｏＦｅ膜１２Ａ、障壁層２Ａの各材料を連続して成膜して、絶縁膜（絶縁層８）に形成された孔に埋め込んで、ＭｇＯ膜４２、磁化自由層１Ｃ、および障壁層２Ａを形成する。引き続いて、障壁層２Ａの上に、Ｓｉ窒化物等の絶縁膜（図１１（ｃ）の絶縁層８）をさらに、磁化固定層３Ａ（３Ｃ）と保護膜４３Ａの合計の厚さに合わせて成膜する。そして、レジストパターンＰＲ１をその上の材料ごと除去する（リフトオフ）。これにより、図１１（ｃ）に示すように、ＭｇＯ膜４２、磁化自由層１Ｃおよび障壁層２Ａが形成され、さらにその上に絶縁層８（絶縁膜）が全面を被覆して形成される。
【０１５６】
次に、磁化固定層３Ａ，３Ｃを片方ずつ形成する。詳しくは、図１１（ｄ）に示すように、絶縁膜（絶縁層８）の上に、磁化固定層３Ａを形成する領域を空けたレジストパターンＰＲ２を形成する。そして、障壁層２Ａ（ＭｇＯ膜）をエッチングストッパ膜として絶縁層８をエッチングして、図１２（ａ）に示すように障壁層２Ａを露出させる。この上から、ＣｏＦｅ膜３２Ａ、ＴｂＦｅＣｏ層３１、保護膜４３Ａの各材料を連続して成膜して、絶縁層８に形成された孔に埋め込んで、障壁層２Ａ上に磁化固定層３Ａおよび保護膜４３Ａを形成する。なお、ＣｏＦｅ膜３２Ａを成膜する前に、第３実施形態の変形例と同様に、スパッタ装置にてキャリアガスのイオンやプラズマによるクリーニングを障壁層２Ａの表面に行うことが好ましい。そして、レジストパターンＰＲ２をその上の材料ごと除去する（リフトオフ）。これにより、図１２（ｂ）に示すように、磁化固定層３Ａおよびその上の保護膜４３Ａが形成され、それ以外の領域が絶縁層８で埋められた状態となる。
【０１５７】
保護膜４３Ａおよび絶縁層８の上に、磁化固定層３Ｃを形成する領域を空けたレジストパターンＰＲ３（図１２（ｃ）参照）を形成して、磁化固定層３Ａを形成する前と同様に、障壁層２Ａをエッチングストッパ膜として絶縁層８をエッチングして、図１２（ｃ）に示すように障壁層２Ａを露出させる。この障壁層２Ａの表面をクリーニングして、続けて、ＣｏＦｅ膜３２Ｃ、ＴｂＦｅＣｏ層３１、保護膜４３Ａの各材料を連続して成膜して、絶縁層８に形成された孔に埋め込んで、磁化固定層３Ｃおよび保護膜４３Ａを形成する。そして、レジストパターンＰＲ３をその上の材料ごと除去する（リフトオフ）。これにより、図１２（ｄ）に示すように、スピン注入磁化反転素子５Ｅ、ならびにスピン注入磁化反転素子５Ｅの磁化固定層３Ａ，３Ｃ間およびスピン注入磁化反転素子５Ｅ，５Ｅ間の絶縁層８が形成される。
【０１５８】
次に、第１電極７１および第２電極７２を、一般的な多層配線と同様の方法で形成する（図示省略）。具体的には、スピン注入磁化反転素子５Ｅ（保護膜４３Ａ，４３Ａ）および絶縁層８の上に、第１電極７１を形成する領域、および第２電極７２の磁化固定層３Ｃに接続する部分を形成する領域を空けたレジストパターンを形成し、この上から金属電極材料を成膜して、レジストパターンを除去する（リフトオフ）。これにより、帯状の第１電極７１、および第２電極７２の一部が形成される。この上にＳｉＯ2等の絶縁膜を堆積させ、必要に応じて表面の絶縁膜を平坦化する。そして、この絶縁膜の上にレジストパターンを形成し、エッチングにて前記形成された第２電極７２上にコンタクトホールを形成する。さらに、コンタクトホールに金属電極材料を埋め込み、その上に第１電極７１と直交する第２電極７２の帯状の部分を形成して、光変調素子１０Ｅが得られる。
【０１５９】
このように、スピン注入磁化反転素子５Ｅを、磁化自由層１Ｃおよび障壁層２Ａを形成する工程と、磁化固定層３Ａ，３Ｃを形成する工程と、に２工程（２層）に分けて形成し、さらに、絶縁層８の、磁化自由層１Ｃおよび障壁層２Ａに接触する部分、あるいは磁化固定層３Ａ，３Ｃのそれぞれに接触する部分を成形してから、磁化自由層１Ｃ等の材料を成膜する。このような手順により、ＴｂＦｅＣｏ層１１，３１へのダメージが抑えられる。また、ＭｇＯ膜である障壁層２Ａが磁化自由層１Ｃの保護膜になって、磁化自由層１Ｃと磁化固定層３Ａ，３Ｃとで異なる平面視形状に形成することができる。さらに、磁化固定層３Ａ，３Ｃの側面に接触する絶縁層８を成形する際に、障壁層２Ａをエッチングストッパ膜にすることで、加工ダメージの比較的少ない方法でエッチングすることができ、ＴｂＦｅＣｏ層１１へのダメージが抑えられる。
【０１６０】
なお、スピン注入磁化反転素子５Ｅの磁化固定層３Ａ，３Ｃは、どちらを先に形成してもよい。また、ＭｇＯ膜４２は、空間光変調器全体（基板９Ａ全面）に形成されていてもよい。この場合は、まず、基板９Ａ上に、ＭｇＯ膜４２、およびスピン注入磁化反転素子５Ｅの厚さのＳｉ窒化物等の絶縁膜を順次成膜し、絶縁膜のみをエッチングして磁化自由層１Ｃの平面視形状の孔を形成すればよい。
【０１６１】
（空間光変調器の初期設定）
空間光変調器におけるすべての画素の光変調素子１０Ｅのスピン注入磁化反転素子５Ｅは、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄと同様にデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子であるので、磁化固定層３Ａ，３Ｃの磁化方向がそれぞれ所定の向きに固定されている必要がある。したがって、第３実施形態の変形例および第４実施形態と同様に、大きさと向きを切り替えて、２回の磁界印加を行う。
【０１６２】
（磁化反転動作）
スピン注入磁化反転素子５Ｅの磁化反転動作を、図１３（ａ）、（ｂ）を参照して、光変調素子１０Ｅにて説明する。なお、図１３において、ＭｇＯ膜４２および保護膜４３Ａは図示を省略し、また、磁化自由層１Ｃは、磁化固定層３Ａ，３Ｃが積層された領域とその間のみを示す。
【０１６３】
図１３（ａ）に示すように、磁化固定層３Ａに接続した第１電極７１を「−」に、磁化固定層３Ｃに接続した第２電極７２を「＋」にして、磁化方向が上向きに固定された磁化固定層３Ａの側から電子を注入する。すると、磁化固定層３Ａで当該磁化固定層３Ａの磁化方向と逆の下向きのスピンを持つ電子ｄDが弁別されて、第１電極７１からは上向きのスピンを持つ電子ｄUが偏って磁化固定層３Ａに注入され、さらに障壁層２Ａを介して磁化自由層１Ｃに注入される。磁化自由層１Ｃにおいては、第１実施形態（図３（ａ）参照）等と同様に、電子ｄUのスピントルクが作用することによって、磁化固定層３Ａの直下の領域から磁化方向が上向きへ反転する。さらに、磁化自由層１Ｃに注入された電子ｄUは、磁化方向が逆の下向きに固定された磁化固定層３Ｃで弁別されるために磁化自由層１Ｃに留まり易く、その結果、磁化自由層１Ｃは、磁化固定層３Ａ，３Ｃが積層された領域だけでなく、これら２つの領域に挟まれた領域も含めて、磁化固定層３Ａの磁化方向と同じ上向きの磁化方向を示す状態に変化（磁化反転）する。
【０１６４】
反対に、磁化自由層１Ｃの磁化方向を下向きに反転させるためには、前記の図１３（ａ）に示す動作とは反対に、図１３（ｂ）に示すように、第１電極７１を「＋」に、第２電極７２を「−」にして、磁化方向が下向きに固定された磁化固定層３Ｃの側から電子を注入する。すると、磁化自由層１Ｃには下向きのスピンを持つ電子ｄDが偏って注入されることによって当該磁化自由層１Ｃの内部電子のスピンが反転し、磁化固定層３Ｃの直下の領域から全体に磁化方向が下向きへと反転（磁化反転）する。
【０１６５】
このように、並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子であるスピン注入磁化反転素子５Ｅは、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄ（図９参照）と同様に、互いに逆向きの磁化方向に固定された磁化固定層３Ａ，３Ｃのそれぞれに一対の電極７１，７２を接続して電流を供給して、磁化自由層１Ｃの全体の磁化方向を変化させる（磁化反転させる）ことができる。なお、磁化自由層１Ｃの、磁化固定層３Ａ，３Ｃの外側へ張り出して形成された部分（図１３においては省略）は、電流経路が形成されないので、磁化反転せず、初期設定により磁化固定層３Ｃと同じ下向きの磁化方向を維持する。
【０１６６】
（光変調動作）
スピン注入磁化反転素子５Ｅは、第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５（図３参照）等と同様に磁化自由層１Ｃが磁化反転するので、旋光角＋θk，−θkで光変調動作をする。ただし、本実施形態においては、第２実施形態（図４参照）等と同様に、磁化自由層１Ｃが設けられた下側から光を入射させる。
【０１６７】
（変形例）
第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅにおいて、磁化固定層３Ａ，３Ｃの保磁力の差は、ＣｏＦｅ膜３２Ａ，３２Ｃの厚さやＴｂＦｅＣｏ層３１，３１の厚さによらず、第４実施形態における変形例と同様に、ＴｂＦｅＣｏ層３１の組成や成膜時の雰囲気により、あるいは磁化固定層３Ａ，３Ｃの一方をＴｂＦｅＣｏ層３１以外の磁性層に替えることにより、異なるものとしてもよい。または、ＴｂＦｅＣｏ層３１，３１に保磁力の差を設けず、磁化固定層３Ａ，３Ｃの一方に交換結合膜を備えてもよい（図示せず）。
【０１６８】
第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｅは、スピン注入磁化反転素子５Ｄと同様、図１３に示すように、常に、磁化自由層１Ｃの磁化方向が磁化固定層３Ａ，３Ｃの一方と平行で他方と反平行である。光変調素子１０Ｅについて、電極７１，７２間の抵抗に基づく書込みエラー検出を行うためには、スピン注入磁化反転素子５Ｅについて、例えば、磁化固定層３ＣをＴｂＦｅＣｏ層３１以外の磁性層に替えて、さらにＣｏＦｅ膜３２Ｃを備えない構成にすればよい（図示せず）。このような構成により、磁化自由層１Ｃ、障壁層２Ａ、磁化固定層３Ａの方が、障壁層２Ａの両面側にＣｏＦｅ膜１２Ａ，３２Ａを備えるのでＭＲ比が高くなる。したがって、図３（ｃ）、（ｄ）に示すスピン注入磁化反転素子５等と同様に、一対の電極７１，７２間の抵抗により、磁化反転動作が正常に行われたかの書込みエラー検出を行うことができる。
【０１６９】
スピン注入磁化反転素子５Ｅを備える光変調素子１０Ｅは、第４実施形態に係るスピン注入磁化反転素子５Ｄ（図９参照）と同様にトランジスタを接続して、電流の消費が抑制された空間光変調器を構成することができる。具体的には、光変調素子１０Ｅを配列した基板９Ａに、ＭＯＳＦＥＴやソース線等の配線を形成されたＳｉ基板を、水酸基接合等の常温接合により貼り合わせて、第２電極７２でトランジスタのドレインに接続する（図示せず）。
【０１７０】
以上のように、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、第４実施形態と同様に、２つの磁化固定層および１つの磁化自由層のそれぞれにおいてＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層が互いに異なる好適な保磁力を有しているので、安定した動作とすることができ、また、３つの磁性層に共通の材料が適用されているので、生産性がよい。さらに第５実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、第３実施形態およびその変形例と同様に、障壁層によらずに磁化自由層の保磁力が制御されているので、障壁層の厚さを磁化反転動作等に応じて設計することができる。
【０１７１】
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】
【０１７２】
本発明に係るスピン注入磁化反転素子について、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層（ＴｂＦｅＣｏ層）をＭｇＯ膜上に成膜した場合の保磁力への効果を確認するために、下地膜を変えてＴｂＦｅＣｏ膜を成膜したサンプルを作製して、ＴｂＦｅＣｏ層の磁気特性および磁気光学効果を観察した。詳しくは、熱酸化Ｓｉ基板に、イオンビームスパッタリング法にて、厚さ２ｎｍ、５ｎｍのＭｇＯ膜を成膜し、その上に連続して、組成がＴｂ：２４ａｔ％、Ｆｅ：６２ａｔ％、Ｃｏ：１４ａｔ％の厚さ２０ｎｍのＴｂＦｅＣｏ層を成膜した２種類のサンプルを作製した。また、比較例（参照例）として、下地膜を厚さ３ｎｍのＲｕ膜に替えたサンプルを作製した。
【０１７３】
作製した各サンプルについて、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、印加磁界による磁化反転を観察した。詳しくは、まず、作製したサンプルに、初期化磁界−１０ｋＯｅを印加して、ＴｂＦｅＣｏ層の磁化方向を下向きに揃えた。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ながら、初期化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。さらに反対方向の磁界Ｈ（＜０）を印加して、同様に偏光の向きの変化を観察した。
【０１７４】
各サンプルで測定したカー回転角の磁場（印加磁界）依存性を磁化曲線として、実施例（下地：厚さ２ｎｍ、５ｎｍのＭｇＯ膜）を図１４（ａ）、（ｂ）に、比較例（下地：Ｒｕ膜）を図１４（ｃ）に示す。また、磁化曲線から、偏光の向きが変化したときの正負それぞれの印加磁界Ｈを得て、絶対値の平均を算出して保磁力Ｈcとした。
【０１７５】
図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、ＭｇＯ膜を下地に設けることにより、ＴｂＦｅＣｏ層の保磁力がＲｕ膜上に成膜したもの（図１４（ｃ）参照）に比べて小さかった。具体的には、保磁力Ｈcが、比較例の４．８９ｋＯｅに対して、実施例は、厚さ２ｎｍのＭｇＯ膜で３．８２ｋＯｅ、厚さ５ｎｍのＭｇＯ膜で３．９２ｋＯｅであった。また、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、保磁力が小さくても垂直磁気異方性を維持した。
【０１７６】
次に、ＭｇＯ膜を中間層（障壁層）とし、その上下にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層（ＴｂＦｅＣｏ層）を磁化自由層、磁化固定層として備えるＴＭＲ素子を模擬したサンプルを作製して、上下それぞれのＴｂＦｅＣｏ層の磁気特性および磁気光学効果を観察した。熱酸化Ｓｉ基板に、表１に示すように下地金属膜から保護膜までの材料を、下から順にイオンビームスパッタリング法にて連続して成膜、積層してサンプルとした（成形加工なし）。このサンプルについて、前記のＴｂＦｅＣｏ層の単層のサンプルと同様にカー回転角を測定し、印加磁界による磁化反転を観察した。測定したカー回転角の磁場（印加磁界）依存性を磁化曲線として、図１５に示す。
【０１７７】
【表１】
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【０１７８】
図１５に示すように、中間層（障壁層）としてＭｇＯ膜を設けると、同じＴｂＦｅＣｏ層を備えていても、Ｒｕ膜を下地とする障壁層の下側の磁化固定層に対して、ＭｇＯ膜の上の磁化自由層は保磁力が小さかった。具体的には、保磁力Ｈcが、磁化固定層の約３．４ｋＯｅに対して、磁化自由層は１．２５ｋＯｅであった。この保磁力の差は、厚さによる依存性を上回るものであるといえる。
【符号の説明】
【０１７９】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｅ  光変調素子
１０Ｄ  磁気抵抗効果素子
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  磁化自由層
１１    ＴｂＦｅＣｏ層（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層）
１１Ａ  磁性層
１２    ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）
１２Ａ  ＣｏＦｅ膜
２，２Ａ  障壁層（中間層、ＭｇＯ膜）
２Ｂ    中間層
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ  磁化固定層
３１    ＴｂＦｅＣｏ層（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏからなる層）
３２    ＣｏＦｅ膜
３２Ａ，３２Ｃ  ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）
４１，４１Ａ  下地金属膜
４２    ＭｇＯ膜
４３，４３Ａ  保護膜
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ  スピン注入磁化反転素子
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ  下部電極
７，７Ａ  上部電極
８，８Ｂ，８Ｃ  絶縁層
９，９Ａ  基板
【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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