(57)【要約】【課題】ナノ粒子のクーロンブロッケイドを利用する磁気抵抗効果素子でありながら、磁化の熱揺らぎの影響を受けずに室温で動作する、新規な磁気抵抗効果素子及び不揮発性ランダムアクセス磁気メモリを提供する。【解決手段】磁気抵抗効果素子２０は、強磁性固定層となる第１の強磁性層２と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層４と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層５と、強磁性自由層となる第２の強磁性層３と、非磁性層からなるスペーサ層６と、強磁性からなるスピン注入層７と、を順に積層してなり、第２の絶縁層５内に、粒径が約１．５ｎｍ以下の非磁性ナノ粒子１を埋め込み、非磁性ナノ粒子１が単一電子トンネル効果を生起し、強磁性自由層のスピン注入による磁化反転ができる。この磁気抵抗効果素子をメモリセルとすれば、高集積の不揮発性ランダムアクセス磁気メモリが得られる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性固定層となる第１の強磁性層と、
トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、
トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、
強磁性自由層となる第２の強磁性層と、が順に積層されてなり、
上記第２の絶縁層内には、粒径が約１．５ｎｍ以下の非磁性ナノ粒子が埋め込まれ、
上記非磁性ナノ粒子が単一電子トンネル効果を生起することを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
スピン注入磁化反転によって前記強磁性自由層の磁化反転を行なうことを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
強磁性固定層となる第１の強磁性層と、
トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、
トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、
強磁性自由層となる第２の強磁性層と、
非磁性層からなるスペーサ層と、
強磁性からなるスピン注入層と、が順に積層されてなり、
上記第２の絶縁層内には、粒径が約１．５ｎｍ以下の非磁性ナノ粒子が埋め込まれ、
上記非磁性ナノ粒子が単一電子トンネル効果を生起し、上記強磁性自由層のスピン注入による磁化反転ができることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第１及び第２の絶縁層の障壁高さが０．２〜０．５ｅＶ以下であり、室温で動作することを特徴とする、請求項１又は３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記非磁性ナノ粒子の面内数密度が１０１２個／ｃｍ２以上であることを特徴とする、請求項１又３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
強磁性固定層となる第１の強磁性層と、
トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、
トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、
強磁性自由層となる第２の強磁性層と、が順に積層されてなり、
上記第２の絶縁層内には、非磁性ナノ粒子が埋め込まれ、単一電子トンネル効果を生起する磁気抵抗効果素子をメモリセルとし、該メモリセルを二本のビット線が交差する各位置にマトリクス状に配設した不揮発性ランダムアクセス磁気メモリであって、
上記単一電子トンネル効果によりメモリセルの選択を行ない、
上記磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗効果により読出しを行なうことを特徴とする、不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ。
【請求項７】
強磁性固定層となる第１の強磁性層と、
トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、
トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、
強磁性自由層となる第２の強磁性層と、
非磁性層からなるスペーサ層と、
強磁性からなるスピン注入層と、が順に積層されてなり、
上記第２の絶縁層内には、非磁性ナノ粒子が埋め込まれ、単一電子トンネル効果を生起する磁気抵抗効果素子をメモリセルとし、該メモリセルを二本のビット線が交差する各位置にマトリクス状に配設した不揮発性ランダムアクセス磁気メモリであって、
上記メモリセルがスピン注入により磁化反転でき、
上記単一電子トンネル効果によりメモリセルの選択を行ない、
上記磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗効果により読出しを行なうことを特徴とする、不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子及びセル選択にＭＯＳトランジスタを用いない不揮発性ランダムアクセス磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果素子を用いた不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ）は、不揮発、高速動作、低消費電力、高集積度を実現可能な多機能メモリとして位置づけられており、その製品化が進められている。従来のＭＲＡＭには、強磁性トンネル接合素子が使用されている。さらに、磁気抵抗効果を高めるために強磁性二重トンネル接合素子の研究が行なわれている。
【０００３】
図７は、従来の強磁性二重トンネル接合素子５０の断面構造を示す模式図である。強磁性二重トンネル接合素子５０は、基板５２上に第１の強磁性層５３とトンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層５４と第２の強磁性層５５とトンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層５６と第３の強磁性層５７との順に積層されて構成されている。絶縁層５４，５６には、アルミニウムの酸化膜（ＡｌＯｘ）や非特許文献１で報告されたＭｇＯ膜が用いられている。
【０００４】
しかしながら、ＭＲＡＭの特徴を十分に発揮した高性能メモリの開発、特にＤＲＡＭ並かそれ以上の高集積化を行なう場合には、磁気抵抗効果素子だけではなく、磁気抵抗効果素子と共に各メモリセルに配置され、メモリセルの選択に用いられているＭＯＳトランジスタの小型化が解決困難な問題となっている。
【０００５】
一方、従来から、その実現可能性は別として、このＭＯＳトランジスタに関する問題の解決方法として、ＭＯＳトランジスタを使わない、つまり、他のメモリセル選択法を用いたＭＲＡＭが種々提案されてきた。特許文献１はその一例であり、ここには、ナノ磁性粒子のクーロンブロッケイド、すなわち、単一電子トンネル効果をメモリセル選択に用いる方法が開示されている。
図８は、従来のクーロンブロッケイド現象を用いた磁気抵抗効果素子６０の断面構造を示す模式図であり、下から磁性層６１、絶縁層６２、絶縁体６３中に磁性金属からなるクラスター６４が分散した層６５、絶縁層６６、磁性層６７の順序に積層された多層膜から構成されている。ナノ磁性粒子を用いれば、メモリを担う要素素子がセル選択機能をも併せ持つことになり、従来にない飛躍的な高集積化が可能である。
【０００６】
しかし、固体メモリ素子構造において室温でクーロンブロッケイドを生じさせるためには、ナノ磁性粒子の粒子サイズは約１ｎｍ程度となり、現在実用可能などのような強磁性体を用いても磁化が熱揺ぎの影響を受けることになる。すなわち、ナノ磁性粒子のクーロンブロッケイドと磁化の熱的安定性の両方を室温で確保することは、従来の提案されたセル構造では不可能である。非特許文献２には、クーロンブロッケイドを用いた磁気抵抗効果素子ではバイアス電圧により素子抵及び磁気抵抗を変化させる機能があるが、４．２Ｋという極低温でしか動作せず、室温動作ができないということが報告されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２５９８１７号公報
【非特許文献１】Ｓ．Ｙｕａｓａ他、Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｖｏｌ．３、ｐｐ．８６８−８７１、２００４年
【非特許文献２】薬師寺  啓  他、日本応用磁気学会誌、Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．３、ｐｐ．１１１−１１７、２００３年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のＭＲＡＭにおいて検討されているように、ナノ磁性粒子のクーロンブロッケイドをセル選択に用い、メモリ機能とセル選択機能の両方を一つの素子で兼用する構造では、高集積化は可能である。しかしながら、ナノ磁性粒子の磁化熱揺らぎのために、室温動作ができないという課題があった。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑み、ナノ粒子のクーロンブロッケイドを利用する磁気抵抗効果素子でありながら、磁化の熱揺らぎの影響を受けずに室温で動作する、新規な磁気抵抗効果素子及び不揮発性ランダムアクセス磁気メモリを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の第１の目的を達成するため、本発明の磁気抵抗効果素子は、強磁性固定層となる第１の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、強磁性自由層となる第２の強磁性層と、が順に積層されてなり、第２の絶縁層内には、粒径が約１．５ｎｍ以下の非磁性ナノ粒子が埋め込まれ、非磁性ナノ粒子が単一電子トンネル効果を生起することを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、スピン注入磁化反転によって強磁性自由層の磁化反転を行なう。
上記構成によれば、強磁性電極間にトンネル障壁層を介して非磁性ナノ粒子を配した２重トンネル接合構造の磁気抵抗効果素子において、単一電子トンネル効果を生起させ、非磁性ナノ粒子を介する強磁性電極間のトンネル磁気抵抗効果により磁気抵抗の検出を行なうことができる。スピン注入磁化反転によって強磁性自由層の磁化反転を行なうことができるので、ＭＲＡＭのメモリセルとして使用することができる。
【００１１】
本発明の第２の磁気抵抗効果素子は、強磁性固定層となる第１の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、強磁性自由層となる第２の強磁性層と、非磁性層からなるスペーサ層と、強磁性からなるスピン注入層と、が順に積層されてなり、第２の絶縁層内には、粒径が約１．５ｎｍ以下の非磁性ナノ粒子が埋め込まれ、非磁性ナノ粒子が単一電子トンネル効果を生起し、強磁性自由層のスピン注入による磁化反転ができることを特徴とする。
上記構成によれば、非磁性層からなるスペーサ層と、強磁性からなるスピン注入層とを備えているので、スピン注入反転を低電流で行なうことができることから、ＭＲＡＭのメモリセルとして使用することができる。
【００１２】
上記構成において、好ましくは、第１及び第２の絶縁層の障壁高さは０．２〜０．５ｅＶ以下であり、室温で動作する。非磁性ナノ粒子の面内数密度は１０１２個／ｃｍ２以上であることが好ましい。この場合、室温で、非磁性ナノ粒子の単一電子トンネル効果を効率よく生起させることができる。
【００１３】
上記の第２の目的を達成するため、本発明の不揮発性ランダムアクセス磁気メモリは、強磁性固定層となる第１の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、強磁性自由層となる第２の強磁性層と、が順に積層されてなり、第２の絶縁層内には、非磁性ナノ粒子が埋め込まれ、単一電子トンネル効果を生起する磁気抵抗効果素子をメモリセルとし、メモリセルが二本のビット線が交差する各位置にマトリクス状に配設されて構成され、単一電子トンネル効果によりメモリセルの選択を行ない、磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗効果により読出しを行なうことを特徴とする。
上記構成によれば、単一電子トンネル効果によりメモリセルの選択を行ない、磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗効果により読出しを行なうことができる。
【００１４】
本発明の第２の構成の不揮発性ランダムアクセス磁気メモリは、強磁性固定層となる第１の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、強磁性自由層となる第２の強磁性層と、非磁性層からなるスペーサ層と、強磁性からなるスピン注入層と、が順に積層されてなり、第２の絶縁層内には、非磁性ナノ粒子が埋め込まれ、単一電子トンネル効果を生起する磁気抵抗効果素子をメモリセルとし、メモリセルが二本のビット線が交差する各位置にマトリクス状に配設されて構成され、メモリセルはスピン注入により磁化反転でき、さらに、単一電子トンネル効果によりメモリセルの選択を行ない、磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗効果により読出しを行なうことを特徴とする。
上記構成によれば、単一電子トンネル効果によりメモリセルの選択を行ない、磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗効果により読出しを行なうことができる。非磁性層からなるスペーサ層と、強磁性からなるスピン注入層とを備えているので、スピン注入反転を低電流で行なうことができることから、低消費電力のＭＲＡＭを提供することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の磁気抵抗効果素子によれば、ナノ粒子に非磁性体を用い、非磁性ナノ粒子のスピン蓄積による磁気抵抗効果を読出しに利用するので、室温で動作させることができる。非磁性ナノ粒子の大きさが室温で動作できる大きさ（約３ｎｍ以下）であっても、強磁性ナノ粒子のような磁化熱揺らぎの問題は生じないという効果が得られる。
【００１６】
本発明の不揮発性ランダムアクセス磁気メモリによれば、メモリセルにおいて非磁性ナノ粒子のクーロンブロッケイド効果と磁気抵抗効果の両方を利用し、スピン注入による強磁性電極層の磁化反転を行なうことができる。このため、単一のメモリセルで両効果を得ることで、従来のメモリセルに配置するＭＯＳＦＥＴや磁化反転用の配線が不要となり、高集積化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
最初に、本発明による磁気抵抗効果素子について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示す断面図である。図１に示すように、磁気抵抗効果素子１０は、強磁性固定層となる第１の強磁性電極層２と、第１のトンネルバリア層４と、第１のトンネルバリア層４上に形成される非磁性ナノ粒子１と、第２のトンネルバリア層５と、強磁性自由層となる第２の強磁性電極層３とが、順に積層された構造を有している。図示の場合には、非磁性ナノ粒子１は第２のトンネルバリア層５内に埋め込まれた構造を有している。なお、非磁性ナノ粒子１の粒径をｄとする。
【００１８】
第１及び第２の強磁性電極層２，３は、ＦｅやＣｏなどの強磁性材料やこれらの強磁性材料を含むＦｅＣｏＢなどの合金材料で形成することができる。
【００１９】
厚さがｔ１の第１のトンネルバリア層４は、絶縁体材料により形成することができる。第２のトンネルバリア層５は絶縁体材料により形成することができ、非磁性ナノ粒子１が半球形状の場合には、その厚さがｔ２＋ｄ／２である。つまり、非磁性ナノ粒子１の最上部と強磁性電極層３との距離はｔ２である。
【００２０】
非磁性ナノ粒子としては、非磁性の金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）から金属非磁性ナノ粒子を用いることができる。
【００２１】
情報は強磁性層２に記録され、その向きが２進法記録の“０”、“１”に対応する。読み出しは、非磁性ナノ粒子１を介した強磁性電極層間２，３のトンネル磁気抵抗効果によって行なう。すなわち、強磁性電極層２，３の磁化の方向が平行か反平行かによって抵抗値が異なることを利用する。クーロンブロッケイドは非磁性ナノ粒子において生じる。
【００２２】
非磁性ナノ粒子１にクーロンブロッケイドが生起するための条件は、下記（１）式で与えられる。
Ｅｃ＝ｅ２／２Ｃ＝ＡｋＢＴ              （１）
ここで、Ｅｃは非磁性ナノ粒子１の帯電エネルギーであり、ｅは電子の電荷、Ｃは非磁性ナノ粒子１の容量、Ａは５から１０程度のマージンを表す定数、ｋＢはボルツマン定数、Ｔはメモリセルの動作温度（Ｋ）を示す。
【００２３】
非磁性ナノ粒子１において、３００Ｋ程度の常温でクーロンブロッケイドを生起させ、さらに、クーロンブロッケイドが破れて電流が流れ始めるバイアス電圧、つまり、閾値電圧Ｖｔ（Ｖｔ＝Ｅｃ／ｅ）を１５０〜３００ｍＶ程度とするためには、上記（１）式により非磁性ナノ粒子１の容量を求めればよい。この条件を満たす容量Ｃを得るには、非磁性ナノ粒子１の粒径ｄは約１．５ｎｍ以下とすればよい。
【００２４】
また、非磁性ナノ粒子１と強磁性電極２，３が接近しすぎても、キャパシタンスが小さくなるため、非磁性ナノ粒子１と強磁性電極２，３との距離は最低でも１ｎｍ程度の厚みが必要である。つまり、非磁性ナノ粒子１と第１の強磁性電極層２との間に挿入される第１のトンネルバリア層４の厚さｔ１と、非磁性ナノ粒子１と第２の強磁性電極層５との間に挿入される第２のトンネルバリア層５の厚さｔ２は1ｎｍ程度の厚みが必要である。
【００２５】
磁気抵抗効果素子１０の２重トンネル接合が実用的なデバイスとなるためには、その抵抗値が重要である。クーロンブロッケイドが生じる条件を満たすためには、非磁性ナノ粒子１個と強磁性電極２，３の間のトンネル抵抗は量子抵抗以上、例えば、１０倍以上の数ＭΩとすればよい。複数の非磁性ナノ粒子１を含む図１の２重トンネル接合の全抵抗が、実用的な素子抵抗、すなわち、数ｋΩから数１０ｋΩとなるためには、非磁性ナノ粒子１の個数は、１００個から１０００個程度となる。この場合には、非磁性ナノ粒子１の面内数密度は大凡１０１２個／ｃｍ２以上となり、素子抵抗を下げることができる。容量を増加させないためには、ｓ／ｄは約２以上必要である。ｄ＝１ｎｍであるとすると、メモリセルの寸法（セルサイズ）は、数十ｎｍから大きくても１００ｎｍであり、これまでにない高集積度のメモリを実現することができる。
【００２６】
非磁性ナノ粒子１個と強磁性電極２，３の間のトンネル抵抗を数ＭΩとするには、障壁の高さ、すなわち、バリアポテンシャルを、０．２〜０．５ｅＶ程度とする必要がある。典型的には約０．３ｅＶであり、トンネル抵抗を数ＭΩとするには、第１及び第２のトンネルバリア層４，５の厚さｔ２，ｔ１は、最大でも1ｎｍを大きく上回る必要はなく、約１ｎｍ程度とすることが好適である。このような障壁の高さを満たす材料としては、ＭｇＯが挙げられる（非特許文献１参照）。さらに、このような低バリアポテンシャルを採用すると、高バイアス電圧を加えたとき非線形性が顕著に現われ、動作時に低抵抗、すなわち高速動作やスピン注入磁化反転が可能となる。
【００２７】
磁気抵抗効果素子１０においては、強磁性固定層となる第１の強磁性電極層２からのスピン注入により強磁性自由層となる第２の強磁性電極層３の磁化反転、つまり、スピン注入磁化反転を行なうことができる。この場合、後述する第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子２０に比較すると効率は悪いが、第１の強磁性電極層２からスピン分極した電流を第２の強磁性電極層３に流すことができる。第２の強磁性電極層３で失われるスピン角運動量が、第２の強磁性電極層３における磁化反転のためのトルクを与える。
【００２８】
図２は、図１の磁気抵抗効果素子１０の電流電圧特性を模式的に示すものである。図において、横軸はバイアス電圧を示し、縦軸は電流を示している。
スイッチング電圧（以下、Ｖｔと称する。）以下では、電流値はほぼゼロ、スイッチング電圧以上では、高速読み出しとスピン注入磁化反転を実現するために、電流値は急激に増加する特性とする。電流は非線形的に増加することが望ましい。上記の低バリアポテンシャルバリアによればこの条件を自動的に満たす。但し、クーロンブロッケイドが消失しない条件、つまり、低バイアスでのトンネル抵抗が量子抵抗より十分大きい、例えば１０倍以上を満たす場合である。
【００２９】
磁気抵抗効果素子１０を後述する不揮発性ランダムアクセス磁気メモリのメモリセルとした場合、メモリセル間の干渉を生じないために、読み出しは、スイッチング電圧の３倍（３Ｖｔ）から動作余裕電圧（以下、適宜にマージン電圧と称する。）を差引いた電圧とした読み出し電圧で行なえばよい。書き込みは、磁化反転が生じる電流が流れる電圧に、マージン電圧を加えた書き込み電圧で行なえばよい。この書き込み電圧は、上記のように設定した読み出し電圧よりも大きく設定すればよい。但し、書き込み電圧は周辺のメモリセルに磁化反転が生じないように必要な電圧の２倍を越えないように設定する。図示の場合には、読み出し電圧を約２Ｖｔ以下とし、スピン注入による書き込み電圧を約２．５Ｖｔ とした例を示している。計算によれば、Ｖｔが０．２Ｖの場合には、読み出し電圧が約０．５Ｖ程度、上記（１）式のマージン定数Ａは約７程度と見積もられる。書き込み電圧を読み出し電圧より大きい電圧、例えば９００ｍＶとすれば、そのときの抵抗値は、抵抗の非線形性より数ｋΩ以下となる。電流値は、９００ｍＶ／数ｋΩ＝０．１〜０．５ｍＡとなる。セルサイズを数十ｎｍとすれば、電流密度は０．１〜０．５ｍＡ／（数１０ｎｍ）２＝１０６Ａ／ｃｍ２台となり、スピン注入磁化反転が十分に可能である。
【００３０】
本発明の第１の実施形態の磁気抵抗効果素子１０によれば、情報は、第２の強磁性層３に記録され、その磁化の向きが２進法記録の“０”、“１”に対応する。読み出しは、非磁性ナノ粒子を介した強磁性電極層２，３間のトンネル磁気抵抗効果によって行なうことができる。すなわち、強磁性電極層２，３の磁化の方向が平行か反平行かによって抵抗値が異なることを利用する。
【００３１】
本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子２０の構造を模式的に示す断面図である。図３に示すように、磁気抵抗効果素子２０は、強磁性固定層となる第１の強磁性電極層２と、第１のトンネルバリア層４と、第１のトンネルバリア層４上に形成される非磁性ナノ粒子１と、第２のトンネルバリア層５と、強磁性自由層となる第２の強磁性層３と、非磁性金属からなるスペーサ層６と、スピン注入を行なうための強磁性層からなるスピン注入層７と、からなる。この磁気抵抗効果素子２０は、図１に示す磁気抵抗効果素子１０の第２の強磁性層３上に、さらに、スペーサ層６とスピン注入層７とを設けた点で構造が異なる。つまり、図１で示す磁気抵抗効果素子１０の構造に、スピン注入磁化反転のための非磁性金属からなるスペーサ層６と、スピン注入を行なうための強磁性層７を追加した構造となっている。
【００３２】
非磁性金属からなるスペーサ層６としては、銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ）等の材料、あるいはこれらの非磁性金属からなる合金材料を用いることができる。この場合には、スペーサ層６の厚さは２〜５ｎｍとすればよい。スペーサ層６には、電子がトンネル注入される厚さの絶縁層を用いてもよい。この絶縁層６には、ＡｌＯｘやＭｇＯからなる１ｎｍ又は１ｎｍ以下の厚さの薄膜を用いることができる。この場合、スペーサ層６となる絶縁層の厚さを１ｎｍ以下とした場合には、磁気抵抗効果素子２０の抵抗値を小さくすることができる。この絶縁層６の厚みを約１ｎｍとした場合には、読み出し電圧近傍でのそのトンネル抵抗値は、非磁性ナノ粒子１を含む２重トンネル接合部分の抵抗値と同程度になる。この場合、読み出し出力が小さくなるという不利が生じるが、上部の強磁性電極層３とスピン注入層7の間の磁気抵抗効果を利用した読み出し動作も可能となる。
【００３３】
スピン注入を行なうための強磁性層７は、第１の強磁性電極層２や第２の強磁性層３と同様に、ＦｅやＣｏなどの強磁性材料やこれらの強磁性体材料を含むＦｅＣｏＢなどの合金材料で形成することができる。
【００３４】
磁気抵抗効果素子２０の電流電圧特性は、図２に示した磁気抵抗効果素子１０の電流電圧特性と同様である。磁気抵抗効果素子２０は、スピン注入磁化反転のための非磁性金属からなるスペーサ層６とスピン注入を行なうための強磁性層７とを追加した構造である。このため、磁気抵抗効果素子１０よりも小さい電流密度でスピン注入を生起させることができる。
【００３５】
次に、本発明の第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子をメモリセルとして用いた不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ３０について説明する。
図４は、本発明の第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０，２０をメモリセルとして用いた不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ３０の構成を模式的に示した図である。図４において、ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）３０は、Ｘ方向のビット線３１とＹ方向のビット線３２とが交差する各位置に、マトリクス状に本発明の磁気抵抗効果素子１０，２０を用いたメモリセルを配設した構成である。図においては、説明の簡略化のため周辺回路を除いている。
このＭＲＡＭ３０では、マトリクスを構成する各メモリセルに直接電流を流してスピン反転を行なうことで書き込みができる。この場合、第２の強磁性層５の磁化を、第１及び第３の強磁性層の磁化に対して互いに平行又は反平行に制御することにより、“１”，“０”の記録、つまり、書き込みができる。
一方、読み出しは、ＴＭＲ効果を利用して行なう。ＴＭＲの測定は、第２の強磁性層３の磁化反転が生じないように、上記書き込み時の電流とは異なる電流で行なえばよい。このため、本実施形態のＭＲＡＭ３０では、第２の磁性層３の磁化が平行か反平行かで“１”、“０”の情報を規定でき、第２の強磁性層３の磁化は電源を切っても保持されるから不揮発メモリにできる。
これにより、本発明のＭＲＡＭ３０では、大きなＴＭＲが得られる。それと同時に、従来のＭＲＡＭで必要であったＭＴＪ素子に接続していたＭＯＳトランジスタと強磁性自由層への書き込みを行なうための磁場印加用の電流配線とを不要とする、新規なＭＲＡＭセルを構成することができる。
【００３６】
また、本発明に用いるデバイス構造としては、実施例に記載した構造に限らず同一の物理原理によって室温で動作するデバイス構造であれば、特に限定されるものではない。
【００３７】
上記構成の本発明のメモリセルやそれを用いた不揮発性ランダムアクセス磁気メモリなどの磁気デバイスは、以下のようにして製作することができる。
最初に、基板上に、第１の強磁性層２と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層４と、非磁性ナノ粒子１と、第２のトンネルバリア層５と、強磁性自由層となる第２の強磁性電極層３とを順にスパッタ法、ＭＢＥ法などの薄膜形成方法により堆積させる。この基板としては、ＭｇＯ基板や絶縁層で被覆したＳｉ基板にＭｇＯを堆積した基板を用いることができる。非磁性ナノ粒子１の形成には、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層４上への非磁性金属の成長が島状成長となることを利用することができる。メモリセルが磁気抵抗効果素子２０の場合には、さらに、第２の強磁性層３上に非磁性金属からなるスペーサ層６と、スピン注入を行なうための強磁性層からなるスピン注入層７を積層すればよい。
次に、所定の厚さの絶縁膜を、スパッタ法やＣＶＤ法により堆積する。
続いて、主電極となる第１及び第２の強磁性層２，３とに電極を形成する領域の開口を形成すると共に、必要に応じてエッチングを行ない、各電極を形成する領域を露出させる。
そして、各電極を形成する領域の露出部に、所定の厚さの金属膜をスパッタ法などにより堆積させ、余分な金属膜を選択エッチングにより除去する。以上の工程で、メモリセルを製造することができる。
【００３８】
ＭＲＡＭ３０やロジック用の集積回路の場合には、上記の工程で製作したメモリセル上をさらに絶縁膜で被覆し、メモリセル１０，２０の配線を行なう箇所だけに窓開けをした後に、ビット線やワード線の配線を行なえばよい。また、ＭＲＡＭの周辺回路をＳｉのＭＯＳトランジスタで形成する場合には、最初に、Ｓｉの周辺回路を形成し、その後で、ＭＲＡＭ３０のメモリセルを形成してもよい。
ここで、各材料の堆積には、スパッタ法やＣＶＤ法以外には、蒸着法、レーザアブレーション法、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。また、所定の形状の電極や集積回路の配線を形成するためのマスク工程には、光露光や電子線露光などを用いることができる。
【実施例】
【００３９】
次に、具体的実施例により本発明をさらに詳しく説明する。
ＭＢＥ法を用いて、ＭｇＯ基板２上に、Ｆｅ（１０ｎｍ）とＭｇＯ（１．７ｎｍ）と金非磁性ナノ粒子（０．０３ｎｍ）とＭｇＯ（１．７ｎｍ）とＦｅ（５ｎｍ）の順に堆積し、実施例の磁気抵抗効果素子となる多層膜を作製した。上記カッコ内の数値は各層の膜厚である。次に、上記多層膜を電子線リソグラフィとＡｒイオンミリングを用いて微細加工して、実施例の磁気抵抗効果素子１０を製作した。
【００４０】
図５は、金からなる非磁性ナノ粒子の作製例を示す原子間力顕微鏡像である。図５から明らかなように、粒径が１．４ｎｍで、その間隔が３．１ｎｍの金ナノ粒子が形成されていることが分かる。
【００４１】
図６は、実施例１の磁気抵抗効果素子１０における室温での電流電圧特性を、プローブ顕微鏡を用いて測定した結果を示す。図６において、横軸はバイアス電圧（Ｖ）を、縦軸は電流（ｎＡ）を示している。図６から明らかなように、室温において、金からなる非磁性ナノ粒子１のクーロンブロッケイドが生じ、０．７Ｖ以上の高バイアス電圧を印加したときにトンネル電流が流れていることが分かる。
【００４２】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る磁気抵抗効果素子によれば、従来のＭＲＡＭで必要であったＭＴＪ素子に接続していたＭＯＳトランジスタを用いることなく、新規な不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ）を構成することができる。さらには、メモリ以外に、例えばロジック等の様々な分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の磁気抵抗効果素子の電流電圧特性を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子をメモリセルとして用いた不揮発性ランダムアクセス磁気メモリの構成を模式的に示した図である。
【図５】金からなる非磁性ナノ粒子の作製例を示す原子間力顕微鏡像である。
【図６】実施例１の磁気抵抗効果素子における室温での電流電圧特性を示す図である。
【図７】従来の磁気抵抗効果ランダムアクセスメモリに用いられている強磁性二重トンネル接合素子の断面構造を示す模式図である。
【図８】従来のクーロンブロッケイド現象を用いた磁気抵抗効果素子の断面構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
１：非磁性ナノ粒子（クーロンブロッケイドを生じる部分）
２：第１の強磁性電極層（固定層）
３：第２の強磁性電極層（自由層）
４：第１のトンネルバリア層
５：第２のトンネルバリア層
６：非磁性スペーサ層
７：スピン注入層
１０，２０：磁気抵抗効果素子
３０：不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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