(57)【要約】【課題】小さな電流でクロストークのない書き込みが可能な磁気メモリ及びその書き込み方法を提供することを目的とする。【解決手段】書き込み電流を構成する電子をスピン偏極させるスピン偏極手段（Ｓ）と、前記書き込み電流を構成する電子をホットエレクトロンにするホットエレクトロン生成手段（Ｈ）と、前記スピン偏極手段によりスピン偏極され、前記ホットエレクトロン生成手段によりホットエレクトロンにされた前記書き込み電流によって磁化（Ｍ）が反転される磁性層  （Ｆ）と、を備えたことを特徴とする磁気メモリを提供する。【選択図】    図１
2004303801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
書き込み電流を構成する電子をスピン偏極させるスピン偏極手段と、
前記書き込み電流を構成する電子をホットエレクトロンにするホットエレクトロン生成手段と、
前記スピン偏極手段によりスピン偏極され、前記ホットエレクトロン生成手段によりホットエレクトロンにされた前記書き込み電流によって磁化が反転される磁性層と、
を備えたことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項２】
前記ホットエレクトロン生成手段に電圧を印加して流れる電流の応答特性が非線型であることを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ。
【請求項３】
前記ホットエレクトロン生成手段は、電圧の印加により前記書き込み電流が膜厚方向にトンネリング可能な絶縁膜を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気メモリ。
【請求項４】
前記ホットエレクトロン生成手段は、２つの導電層の間に形成された、膜中に導電領域を有する絶縁膜を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気メモリ。
【請求項５】
前記ホットエレクトロン生成手段は、ショットキー接合を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気メモリ。
【請求項６】
膜面に対して垂直な方向が第１の結晶軸に配向した磁性体層と、
前記磁性体層と積層され、膜面に対して垂直な方向が第２の結晶軸に配向した非磁性体層と、
をさらに備え、
前記磁性体層において前記第１の結晶軸の方向に進む電子のフェルミエネルギーよりも高いエネルギレベルにおけるアップスピンバンドの対称性とダウンスピンバンドの対称性のうちのいずれか一方は、前記非磁性体層において前記第２の結晶軸の方向に進む電子のフェルミエネルギーよりも高いエネルギレベルにおける電子のバンドには存在しないことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気メモリ。
【請求項７】
前記スピン偏極手段は、磁化が実質的に一方向に固定された磁性層であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気メモリ。
【請求項８】
スピン偏極したホットエレクトロンを磁性層に注入することにより前記磁性層の磁化を反転して情報を書き込むことを特徴とする磁気メモリの書き込み方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気メモリ及びその書き込み方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の磁気記録媒体は、磁気ディスクすなわちファイルメモリとして機能し、その情報は、いったんコンピュータ本体の半導体メモリ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ）に読み込まれた後に利用される。半導体メモリ、特にＤＲＡＭは、多くの優れた特性を持っているが、記憶保持のために大量の電力を消費するという問題点も併せ持つ。
【０００３】
近年、記憶保持が不要のフラッシュメモリやＦＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ：強誘電体メモリ）などの開発が行われ、実用化が進んでいるが、いずれも書き換え回数が限定されるという点が問題である。
【０００４】
これに対して、固体磁気メモリ（ＭＲＡＭ）は、記憶保持に電力を必要とせず、且つ書き換え回数が実質的に無制限である点で優れる。固体磁気メモリ（ＭＲＡＭ）は、ＤＲＡＭと同様に１ビットに対応するメモリセルの集合から成っている。それぞれのセルは、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタなどのスイッチング素子と、磁性トンネル接合素子などの磁性体素子により構成されている。従来の各セルへの情報の書き込みは、磁性体素子の磁化を外部磁場により反転させることにより行う。この具体的な方法としては、磁性体素子の近くに直交する２本の配線を設け、これらに電流を流すことにより磁性体素子に外部磁場を印加するというものであった。２本の配線を用いることにより、その交点付近に設けられた磁性体素子の磁化を選択的に反転させることが可能となる。
【０００５】
一方、これとは別に、絶縁体に形成した微小孔に金属を形成して、電流の方向性を制御する技術が報告されている（非特許文献１）。この技術は、Ｃｕ／Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏの積層膜において、ＣｕとＣｏ間にＳｉ３Ｎ４層を層入し、さらにＳｉ３Ｎ４層にボウル状の微小孔（５ナノメートルから１０ナノメートル）を設けて、この微小孔中のＣｕを通る電流に所定の異方性を与えるものである。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｅ．Ｂ．  Ｍｙｅｒｓ  ｅｔ  ａｌ．  Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  Ｄｏｍａｉｎｓ  ｉｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  ＳＣＩＥＮＣＥ  ＶＯＬ  ２８５  ６  ＡＵＧＵＳＴ  １９９９
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の固体磁気メモリの場合、配線に電流を流すことにより形成される電流磁界を印加して磁性体素子の磁化を制御する。しかしながら、このような書き込み方式の場合、所定の反転磁場を得るためには、それぞれの配線にある程度の大きさの電流を流す必要があり、メモリの消費電流が大きくなる点で問題である。
【０００８】
またさらに、メモリの集積度が増大し、メモリセルの間隔が減少すると、所望のセル内の磁化だけでなくその近くに設けられたセル内の磁化まで反転してしまう、「クロストーク」の発生頻度が増大する。所望のセルの近隣のセル内の磁化まで反転してしまう理由は、配線を流れる電流により発生する外部磁場が広がりを持っているためであり、この外部磁場を所望の素子のみに局在させることは困難であった。
【０００９】
このように、磁気メモリの場合、書き込みに大きな電流を必要とし、また、高集積化すると書き込み時にメモリセル間で「クロストーク」が発生するという問題がある。
【００１０】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、小さな電流でクロストークのない書き込みが可能な磁気メモリ及びその書き込み方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の磁気メモリは、書き込み電流を構成する電子をスピン偏極させるスピン偏極手段と、前記書き込み電流を構成する電子をホットエレクトロンにするホットエレクトロン生成手段と、前記スピン偏極手段によりスピン偏極され、前記ホットエレクトロン生成手段によりホットエレクトロンにされた前記書き込み電流によって磁化が反転される磁性層と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、小さな電流でクロストークのない書き込みが可能な磁気メモリを提供することができる。
【００１３】
ここで、前記ホットエレクトロン生成手段に電圧を印加して流れる電流の応答特性が非線型であるものとすることができる。
【００１４】
また、前記ホットエレクトロン生成手段は、電圧の印加により前記書き込み電流が膜厚方向にトンネリング可能な絶縁膜を備えるものとすることができる。
【００１５】
また、前記ホットエレクトロン生成手段は、２つの導電層の間に形成された、膜中に導電領域を有する絶縁膜を備えるものとすることができる。
【００１６】
また、前記ホットエレクトロン生成手段は、ショットキー接合を備えるものとすることができる。
【００１７】
また、膜面に対して垂直な方向が第１の結晶軸に配向した磁性体層と、前記磁性体層と積層され、膜面に対して垂直な方向が第２の結晶軸に配向した非磁性体層と、をさらに備え、前記磁性体層において前記第１の結晶軸の方向に進む電子のフェルミエネルギーよりも高いエネルギレベルにおけるアップスピンバンドの対称性とダウンスピンバンドの対称性のうちのいずれか一方は、前記非磁性体層において前記第２の結晶軸の方向に進む電子のフェルミエネルギーよりも高いエネルギレベルにおける電子のバンドには存在しないものとすることができる。
【００１８】
また、前記スピン偏極手段は、磁化が実質的に一方向に固定された磁性層であるものとすることができる。
【００１９】
一方、本発明の磁気メモリの書き込み方法は、スピン偏極したホットエレクトロンを磁性層に注入することにより前記磁性層の磁化を反転して情報を書き込むことを特徴とする。
【００２０】
上記構成によれば、小さな電流でクロストークのない書き込みが可能な磁気メモリの書き込み方法を提供することができる。
【００２１】
なお、本願明細書において「トンネル絶縁膜」とは、電圧を印加してその膜面に対して垂直方向に電流を流した時に、電圧・電流特性が非線型となるものをいう。すなわち、トンネリングが生じない場合には、電圧・電流特性が線型となり、いわゆる「オーミック特性」が得られる。これに対して、本発明の実施形態においては、電圧・電流特性が非線型となるトンネル絶縁膜を用いることにより、ホットエレクトロンを生成することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態にかかる磁気メモリのセルの一部を表す模式断面図である。すなわち、同図は、メモリセルに含まれる磁性体素子の一部を表し、スピン偏極手段Ｓと、ホットエレクトロン生成手段Ｈと、磁性層Ｆと、が設けられた基本構造を表す。そして、本実施形態においては、書き込み電流Ｉを矢印の方向（またはその逆方向）に流すことにより、磁性層Ｆの磁化Ｍを所定の方向に反転させることができる。すなわち、書き込み電流Ｉは、スピン偏極手段Ｓにより所定の方向にスピンが偏極される。また、書き込み電流Ｉは、ホットエレクトロン生成手段Ｈにより、エネルギの高いホットエレクトロンとされ、磁性層Ｆに対して、「スピン注入」による磁化の書き込みを行う。このようにして、外部磁界を与えることなく、小さな書き込み電流で、所定の方向の磁化を磁性層Ｆに書き込むことができる。
【００２４】
以下、まず、本発明の磁気メモリにおいて用いる「スピン注入」について説明する。スピン注入については、非特許文献１に記載されている。
【００２５】
【非特許文献２】
Ｊ．  Ｍａｇｎ．  Ｍａｇｎ．  Ｍａｔｅｒ．  １５９，  Ｌ１  （１９９５）
【００２６】
図２は、スピン注入の原理を説明するための概念断面図である。例えば、同図に表したように、非磁性層Ｎ、磁性層Ｆ、非磁性層Ｎという積層体の膜面に垂直な方向に、スピン偏極した電流Ｉ’を流す。すると、スピン偏極した電子によって、磁性層Ｆの磁化Ｍを反転させることができる。これは、スピン偏極した電子がスピン方向の角運動量を持っていて、その角運動量が磁性層Ｆの磁化に回転力（トルク）を及ぼすからである。
【００２７】
図２に表した構造では、磁性層Ｆの磁化Ｍを回転させる力の大きさは、（１）書き込み電流の大きさ、（２）書き込み電流のスピン偏極度、（３）非磁性層Ｎ／磁性層Ｆの界面での電子反射率のスピン依存性、によって決まる。また、磁化Ｍの回転の方向は、書き込み電流の向きによりきまる。すなわち、同じ大きさで同じスピン偏極度をもった電流を流した場合、（３）界面での電子反射率のスピン依存性が大きいほど大きな回転力が発生し、回転方向は電流の向きによって変化する。
【００２８】
図３は、本発明者が本発明に至る過程で検討したスピン注入構造を表す模式断面図である。すわち、同図は、磁性素子の一部を表し、非磁性層Ｎ、磁性層Ｆ１、非磁性層Ｎ、磁性層Ｆ２をこの順に積層したものである。
【００２９】
磁性層Ｆ１は、厚くかつ保磁力の大きな磁性層であり、その磁化Ｍの向きは固定されていて、スピン偏極電流を生成する。一方、磁性層Ｆ２は、薄くかつ保磁力の小さな磁性層である。磁性層Ｆ１によってスピン偏極した電流Ｊが磁性層Ｆ２を流れるとその磁化Ｍを回転させることができる。
【００３０】
しかし、本発明者の検討の結果、図３に表したスピン注入構造の場合、磁性層Ｆ１、Ｆ２の材料としてコバルト（Ｃｏ）などの磁性体を用い、非磁性層Ｎの材料として銅（Ｃｕ）などの非磁性体を用いると、磁性層Ｆ２の磁化反転には、１０８  Ａ／ｃｍ２程度の極めて大きな電流密度が必要であることが判明した。
【００３１】
このように大きな電流密度が必要な理由は、主として、磁性層（Ｆ１、Ｆ２）／非磁性層Ｎの界面における電子反射のスピン依存性が小さいためと考えられる。つまり、材料あるいは構造の観点から、界面反射のスピン依存性を増大させることが必要である。
【００３２】
界面反射のスピン依存性は、電子の進む方向と運動エネルギー（あるいは速さ）によって変化する。図３に表した比較例の構造の場合、フェルミ面上の伝導電子、すなわちフェルミエネルギーを持ち種々の方向に進む電子（図中に細い矢印で表した）が伝導に寄与するため、界面反射の強さはそれら伝導電子についての平均値として与えられる。
【００３３】
これに対して、本発明の実施形態の構造においては、図１に例示如く、ホットエレクトロン生成手段Ｈを設けることにより、電子（ホットエレクトロン）の進む方向を界面に対して垂直方向に揃えることができる。その結果として、界面反射のスピン依存性を増大させることができる。
【００３４】
図４は、図１に表した構造をさらに具体化した一例を表す模式断面図である。すなわち、本具体例の場合、非磁性層Ｎと、磁性層（スピン偏極手段）Ｓと、トンネル絶縁膜（ホットエレクトロン生成手段）Ｈと、非磁性層Ｎと、磁性層Ｆと、非磁性層Ｎと、がこの順に積層した構造を有する。
【００３５】
磁性層Ｓは、厚くかつ保磁力の大きな磁性層であり、その磁化Ｍの向きは固定されていて、電流電子をスピン偏極させる役割を有する。トンネル絶縁膜Ｈは、薄い絶縁膜であり、この膜を書き込み電流がトンネルリングにより透過するとホットエレクトロンが生成される。一方、磁性層Ｆは、薄くかつ保磁力の小さな磁性層である。
【００３６】
電子電流は、磁性層Ｓによってスピン偏極され、また、トンネル絶縁膜Ｈを透過することによりホットエレクトロンが生成されて、磁性層Ｆを流れるとその磁化Ｍを回転させることができる。
【００３７】
図５（ａ）は、図４に表した具体例における電子の流れを表す概念断面図である。また、同図（ｂ）は、本具体例の構造に電圧Ｖを印加して書き込み電流を流した場合のエネルギーダイアグラム図である。
【００３８】
電圧Ｖを印加することにより、トンネル絶縁膜Ｈをトンネリングする電子は、フェルミエネルギーＥＦよりも（Ｖ）だけエネルギが高い状態、すなわち、「ホットエレクトロン」となる。このようにホットエレクトロンを生成することにより、電子の運動エネルギーを増大させ、界面反射のスピン依存性を増大させることができる。
【００３９】
またさらに、トンネル絶縁膜Ｈを透過する電子の透過率は、斜めに透過する電子の透過率よりも高いので、トンネル膜を透過した電子（ホットエレクトロン）は、トンネル絶縁膜Ｈの膜面に対してほぼ垂直に進み、非磁性層Ｎ／磁性層Ｆの界面に対して垂直な方向に入射する。その結果として、界面反射のスピン依存性を増大させることができる。
【００４０】
すなわち、トンネル絶縁膜Ｈを設け、適当な電圧を印加することにより、電子のエネルギーを高くし、その進む方向を界面に対して垂直な方向に揃えることができる。その結果として、界面反射のスピン依存性を増大させることができ、少ない注入電流で、磁性層Ｆの磁化反転を生じさせることができる。
【００４１】
また一方、本発明の実施形態においては、ホットエレクトロンを生成することにより、電子のスピン偏極率を改善することもできる。すなわち、ホットエレクトロンでない通常の伝導電子の場合、そのスピン偏極率は、伝導体の材料によって決定される。例えば、鉄（Ｆｅ）の場合、スピン偏極率は約４０％、コバルト（Ｃｏ）では約３５％、ニッケル（Ｎｉ）では約２３％、の如くである。なお、この点に関しては、非特許文献２に記載されている。
【００４２】
【非特許文献２】
Ｒ．  Ｍｅｓｅｒｖｅｙ  ａｎｄ  Ｐ．  Ｍ．  Ｔｅｄｒｏｗ：  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｐ．，  ２３８，  （１９９４）１７３。
【００４３】
これに対して、ホットエレクトロンの場合、「スピンフリップ現象」を利用することによって、磁性層の材料固有のスピン偏極率よりもはるかに高いスピン偏極率を得ることができる。例えば、ホットエレクトロンを、適当な厚さの磁性層（スピン偏極手段）Ｓを透過させると、スピンフリップ現象によって、ほぼ１００％スピン偏極した電流を得ることも可能である。その結果として、磁性層Ｆに、ほぼ１００％スピン分極した電流を注入することができるため、図３に例示した構造と比較して、有意に小さい書き込み電流で、磁性層Ｆの磁化を反転させることができる。
【００４４】
本発明において用いるトンネル絶縁膜Ｈは、書き込み電流が所定の電圧を印加した時に膜厚方向にトンネリングできるものであればよく、完全に均一且つ連続的な薄膜である必要はない。
また一方、ホットエレクトロン生成手段Ｈとしては、いわゆる「ポイントコンタクト」を用いることもできる。
【００４５】
図６は、ポイントコンタクトを有するホットエレクトロン生成手段を例示する模式断面図である。本具体例の場合、絶縁膜に微小な開口が設けられ、この開口を介してその両側の導電層が接続されてポイントコンタクトＣが形成されている。このようなポイントコンタクトＣを介して書き込み電流を流すことによっても、ホットエレクトロンを生成し、膜面に対して垂直に進む電子を磁性層に注入することができる。
【００４６】
このポイントコンタクトは、薄い絶縁体に径の小さい電子ビームを用いて微小な孔（０次元の開口）や細い線（１次元の開口）を形成し、この開口に金属（もしくは半導体）を形成することで作成できる。その際の開口径（１次元の開口の場合は、その幅）は、例えば、５オングストローム程度とする。このような構造は、より幅の広い開口に比べて抵抗が高くなる。そして、この開口に数ボルト以下、例えば１ボルトの電圧を加えると、この孔を通過する電子のエネルギー状態を量子化状態とすることができ、ホットエレクトロンを生成することができる。
【００４７】
前述した非特許文献１は、ポイントコンタクトの２次元構造を開示するが、図６に表したポイントコンタクトとの大きな違いは、既に述べたとおり、開口のサイズにある。図６に表したポイントコンタクトの製法や用いる材料などについては、非特許文献１に開示された技術や材料を参考とすることができる。
【００４８】
一方、ホットエレクトロン生成手段Ｈとしては、いわゆる「ショットキー接合」を用いることもできる。
図７は、ショットキー接合を有するホットエレクトロン生成手段を例示する模式断面図である。本具体例の場合、半導体層ＳＣと金属層ＭＥとが接触して、その接触部にショットキー接合が形成されている。このようなショットキー接合は、所定のショットキーバリアを有するため、所定の電圧を印加して書き込み電流を透過させると、ショットキーバリアをトンネリングすることによるホットエレクトロンが得られる。
【００４９】
以上、本発明におけるホットエレクトロン生成手段Ｈの構造およびその作用について説明した。
【００５０】
次に、本発明の磁気メモリにおける結晶の配向の作用効果について説明する。すなわち本発明においては、磁気メモリを構成する各層の結晶方位を所定の方向に配向させることにより、さらに効率的なスピン注入が可能となる。
【００５１】
例えば、図４乃至図５に例示した具体例の場合、磁性層Ｓ、非磁性層Ｎ、磁性層Ｆの結晶方位を所定の方向に配向させると、特定の結晶方位に沿って電子を走らせることが可能となる。以下、磁性層Ｓ及びＦとして鉄（Ｆｅ）を、非磁性層Ｎとして金（Ａｕ）を用いた場合を例に挙げて詳しく説明する。
【００５２】
図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ金（Ａｕ）および鉄（Ｆｅ）中を結晶の［１００］方向に進む電子のエネルギーバンドを表すグラフ図である。ここで、縦軸は電子のエネルギーであり、横軸はブリルアンゾーンのΔ線上に沿った電子の波数を表す。
【００５３】
バンド構造は、一般に「ブリルアンゾーン」と呼ばれる波数空間の中で表現される。ＦｅやＡｕなどの結晶中を［１００］方向に進む電子の状態は、ブリルアンゾーンのΔ線上の点として表現されるが、その状態は波動関数の対称性で区別され、通常群論の既約表現を用いてΔ１、Δ２のように記号で記述される。また、ブリルアンゾーンの原点はΓ（ガンマ）点と呼ばれ、そこでの状態は群論を用いてΓ１２、Γ２５のように記述される。
【００５４】
Ａｕの［１００］方向に進む電子のバンドは、フェルミ準位近くでは図８（ａ）に表したようにΔ１対称性をもっている。一方、Ｆｅのバンドは、図４（ｂ）に示したようにバンドは複雑であるが、アップスピンバンドは、フェルミ準位の上方でΔ１の対称性を持ち、ダウンスピンバンドはΔ２、Δ２’、Δ５の対称性を持っている。電子は、同じ対称性をもつバンド間を反射されずに進むことができるので、［１００］方向に進むフェルミ準位より高いエネルギーのアップスピン電子は、Ａｕ／Ｆｅ界面を透過できる。
【００５５】
一方、電子は、異なる対称性を持つバンド間を進むことができないので、［１００］方向に進むダウンスピン電子はＡｕ／Ｆｅ界面において、強く反射されることとなる。
【００５６】
すなわち、非磁性層ＮをＡｕで形成し、磁性層Ｓ、ＦをＦｅで形成し、それぞれの結晶方位を配向させて、書き込み電流が［１００］方向に流れるようにすると、Ａｕ／Ｆｅ界面で、アップスピン電子とダウンスピン電子の反射率に大きな差が生ずる。つまり、強いスピン依存性を持つ界面反射が生じる。図１乃至図５に関して前述したように、界面での電子反射率のスピン依存性が大きいほど、磁性層Ｆの磁化Ｍに対して大きな回転力が働く。従って、このように、各層の材料を選定し、結晶方位を配向させることにより、磁性層Ｆの磁化Ｍに対して大きな回転力を作用させることができ、さらに書き込み電流で磁化反転を生じさせることができる。
【００５７】
非磁性層Ｎの材料としては、Ａｕの代わりに、例えば、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などを用いても同様の効果が得られる。
【００５８】
また、クロム（Ｃｒ）／鉄（Ｆｅ）界面においては、フェルミ準位の上方でダウンスピン電子は透過することができるが、アップスピン電子は強く反射される。この場合のアップスピン電子とダウンスピン電子の透過率は、Ａｕ／Ｆｅ界面の場合とは逆であるが、やはりスピンに強く依存した界面反射を得ることができる。
【００５９】
また、マンガン（Ｍｎ）もクロムＣｒに類似したバンド構造をもつのでＣｒに替えてＭｎを用いても同様な効果が得られる。
【００６０】
【実施例】
以下、実施例により本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００６１】
（第１の実施例）
図９は、本実施例の磁気メモリの一部を表す模式断面図である。以下、その構造について、製造手順に沿って説明する。
【００６２】
試料作成は、マルチチャンバー式のＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）装置を用いて行った。その到達真空度は、約１×１０−８パスカルである。
はじめに、第１のチャンバー内でノンドープＧａＡｓ（００１）基板１１を３５０℃に加熱して表面酸化膜を除去した後、厚さ１００ナノメートルのＡｇ（００１）配向膜を形成し、下部電極１２とした。引き続き下部電極１２の上に（００１）配向のＦｅ（膜厚１０ナノメートル）１３／Ａｕ（膜厚７ナノメートル）１４／Ｆｅ（膜厚１．５ナノメートル）１５／Ａｌ（膜厚０．１ナノメートル）をエピタキシャル成長した。
【００６３】
次に、この積層膜をＭＢＥの第２チャンバー内に導入し、約１０−１パスカルの純酸素中で最上層のＡｌ層を自然酸化して、ＡｌＯｘ絶縁膜１６を形成した。
【００６４】
再び、積層膜をＭＢＥの第１チャンバーに戻し、絶縁膜１６上にＡｌ（膜厚１０ナノメートル）１７／Ａｕ（膜厚５０ナノメートル）１８を積層した。積層膜内のＦｅ層１３及び１５は、磁気的に非結合状態にあるが、いずれも［１１０］方向を容易軸とする一軸異方性を示した。
【００６５】
この積層膜を電子ビームリソグラフィーとイオンミリングを用いて直径１００ナノメートルの柱状構造に加工し、最後にポリイミドで平坦化した後、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングにより上部電極Ａｕ（膜厚１００ナノメートル）を形成して、図９に表した構造を完成させた。
【００６６】
磁化反転およびその測定は、ピラー構造のＣＰＰ−ＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｅｆｆｃｔ：電流面直型−磁気抵抗効果）を検出することにより行った。すなわち、上下電極１１、１９間に電流を流し、下部Ｆｅ層１３の磁化反転に伴って生じる上下電極間の抵抗変化を測定した。
【００６７】
はじめに、面内「１１０」方向に１０００  Ｏｅ（エルステッド）の磁場を印加し、磁場を０  Ｏｅに戻した。上下のＦｅ層１３、１５の保磁力は１００  Ｏｅ程度であるので、この状態で上下のＦｅ層１３、１５の磁化は平行になっている。抵抗変化は、ロックイン増幅器を用いて微分抵抗ｄＶ／ｄＩの変化を測定することにより行った。
【００６８】
図１０は、電流に対する微分抵抗の変化を表すグラフ図である。下部電極を正極にして電流を徐々に増加すると、約０．７ｍＡで微分抵抗のステップ的な上昇が観測される。このステップは、Ｆｅ層１３、１５の磁化が平行状態であったものから、薄いＦｅ層１５の磁化が反転して磁化反平行状態となったために、磁気抵抗が増加したことを示している。そして、Ｆｅ層１５の磁化反転に必要な電流値０．７ｍＡは、電流密度に換算すると約１×１０７Ａ／ｃｍ２であった。
【００６９】
（比較例）
第１実施例の比較例として、ＡｌＯｘ絶縁膜１６を設けない以外は図９に表したものと同様の構造を、ＭＢＥ、電子ビームリソグラフィー及びフォトリソグラフィーを用いて作製した。
【００７０】
この比較例の素子について、第１実施例と同様な方法で磁化反転を観測して磁化反転に必要な電流値と電流密度を求めた。その結果、磁化反転に必要な電流は１０．４ｍＡであり、電流密度は約１．４×１０８Ａ／ｃｍ２であった。
【００７１】
すなわち、第１実施例の素子においては、比較例の１０分の１以下の書き込み電流で磁化反転が可能であることが分かった。
【００７２】
（第２の実施例）
図１１は、本発明の第２の実施例の磁気メモリの一部を表す模式断面図である。図９に表した構造との相違点は、下部電極（Ａｇ）１２と下側のＦｅ層１３との間にも、ＡｌＯｘ絶縁膜１６が挿入されていることである。
【００７３】
本実施例の構造について、電流の向きを正負両方向に変化させて微分抵抗ｄＶ／ｄＩの変化を測定したところ、図１２に表した結果が得られた。
【００７４】
まず、はじめに電流を正方向（下部電極１２が正電圧となる方向）に流すと、約１．２ｍＡで微分抵抗のステップ的な増大が観測される。すなわち、上側の薄いＦｅ層１５の磁化が１．２ｍＡで反転し、上下のＦｅ層１３、１５の磁化が平行状態から反平行状態へと変化した。その後、電流を減少させて０（ゼロ）に戻しても反平行状態のままであるが、電流を負方向へ増加させていくと、約０．９ｍＡで微分抵抗のステップ的な減少が観測され、Ｆｅ層１３、１５の磁化が平行状態に戻ったことが確認された。
【００７５】
（第３の実施例）
図１３は、本発明の第３の実施例の磁気メモリの一部を表す模式断面図である。
すなわち、本実施例の磁気メモリの場合、第２実施例と同様に２層の絶縁膜１６を有する。またさらに、本実施例においては、薄いＦｅ層１５の上に絶縁層１６を介して、Ａｌ層１７の代わりに、厚いＦｅ層（膜厚１０ナノメートル）１３を形成した。すなわち、Ｆｅ層１５、絶縁層１６、上側Ｆｅ層１３は、いわゆる「磁性トンネル接合」を構成している。
【００７６】
本実施例においても、第２実施例と同様に電流の向きを正負両方向に変化させて微分抵抗ｄＶ／ｄＩの変化を測定した。はじめに電流を正方向（下部電極１２が正電圧となる方向）に流すと約１．０ｍＡで微分抵抗のステップ的な増大が観測された。すなわち、薄いＦｅ層（１．５ｎｍ）１５の磁化が反転し、その上下の二つの厚いＦｅ層（１０ｎｍ）１３、１３の磁化と反平行の状態へと変化した。その後、電流を減少させて０（ゼロ）に戻しても反平行状態のままであり、さらに負方向へ増加させて行くと約１．４ｍＡで微分抵抗のステップ的な減少が観測され、全てのＦｅ層１３、１５、１３の磁化が平行状態に戻ったことが確認された。
【００７７】
（第４の実施例）
図１４は、本発明の第４の実施例の磁気メモリの一部を表す模式断面図である。
【００７８】
すなわち、本実施例の磁気メモリも、第２及び第３実施例と同様に、２層の絶縁膜１６を有する。また、本実施例においては、  第３実施例と同様に、薄いＦｅ層１５の上下に、厚いＦｅ層１３、１３をそれぞれ設けた。さらに、本実施例においては、下側のＦｅ層１３と薄いＦｅ層１５との間のＡｕ層２２を第３の電極とする、いわゆる「３端子型」の構造を形成した。
【００７９】
正負方向の電流を電極１と電極２との間に流し、薄いＦｅ層１５の磁化反転の観測は、磁性トンネル接合の微分抵抗を電極２と電極３との間で測定することにより行った。電極１と電極２との間で電流を正方向に流すと、第３実施例と同様に約１．０ｍＡで磁化反転が起こり、トンネル接合の磁化は反平行状態に変化するが、引き続き負方向に流すと、約１．６ｍＡで平行状態に戻ることが観測された。
【００８０】
（第５の実施例）
次に、本発明の第５の実施例として、以上説明したスピン注入型の書き込み構造を有する磁気メモリの具体例について説明する。すなわち、図１乃至図１４に関して説明したスピン注入構造を用いて、例えば、メモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ）などの磁気メモリを実現できる。
【００８１】
図１５は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。
【００８２】
すなわち、同図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の実施形態の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子３２１を構成する磁気記録層に記録されたビット情報を読み出すことができる。
【００８３】
磁気抵抗効果素子３２１は、図１乃至図１４に関して前述した如く、スピン偏極手段Ｓとホットエレクトロン生成手段Ｈとを有する。そして、磁性層の磁化をスピン偏極したホットエレクトロンによって反転させることにより、書き込みを行うことができる。
【００８４】
ビット情報を書き込むときは、やはり所定のビット線３３４とワード線３３２により所定のスイッチングトランジスタ３３０をオンにして、そのトランジスタに接続された磁気抵抗効果素子３２１に書き込み電流を流す。
【００８５】
図１６は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。すなわち、本具体例の場合、マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子３２１とダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子３２１以外のメモリセルにおいてセンス電流及び書き込み電流が迂回することを防止する役割を有する。
【００８６】
図１７は、本発明の実施の形態にかかる磁気メモリの要部断面構造を表す概念図である。
【００８７】
すなわち、この図に表した構造は、図１５に例示した磁気メモリに含まれるひとつのメモリセルに対応する。つまり、ランダムアクセスメモリとして動作する磁気メモリの１ビット部分のメモリセルである。このメモリセルは、記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。
【００８８】
記憶素子部分３１１は、磁気抵抗効果素子３２１と、これに接続された一対の配線３２２、３２４とを有する。磁気抵抗効果素子３２１は、図１〜図１４に関して前述したように、ホットエレクトロン生成手段Ｈとスピン偏極手段Ｓとを有し、磁性層の磁化をスピン偏極したホットエレクトロンによって反転させることにより、書き込みを行うことができる。
【００８９】
一方、選択用トランジスタ部分３１２には、ビア３２６及び埋め込み配線３２８を介して接続されたトランジスタ３３０が設けられている。このトランジスタ３３０は、ゲート３３２に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし、磁気抵抗効果素子３２１と配線３３４との電流経路の開閉を制御する。
【００９０】
また、ビット情報を読み出すときは、配線３２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子３２１と、下部電極３２４とを通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果素子３２１の抵抗値または抵抗値の変化を測定することにより行われる。
【００９１】
そして、ビット情報を書き込む時も、同様に、配線３２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子３２１と、下部電極３２４とを通して書き込み電流を流し、磁気記録層（磁性層Ｆ）の磁化を適宜反転させることにより行われる。
【００９２】
本具体例の磁気メモリは、図１〜図１４に関して前述したようなホットエレクトロンによるスピン注入の書き込みを実施することにより、書き込み電流を大幅に低減することが可能となる。その結果として、メモリの消費電力を低減し、集積度の高い磁気メモリの実用化が可能となる。
【００９３】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気メモリの具体的な構造や、それを構成する磁気抵抗効果素子、スイッチング素子の具体的な構造や、それらの間の配置関係や接続関係、その他、電極、周辺回路、絶縁構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより
従って、公知のＧＭＲ素子に採用されているスビンバルブ膜の構造は、そのままあるいは適宜修正を加えた上で本発明のスピンバルブトランジスタに採用することが可能であり、これらも本発明の範囲に包含される。
本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる。
【００９４】
従って、公知のＧＭＲ素子やＴＭＲ素子などに上述したホットエレクトロン生成手段及びスピン偏極手段を付加した構造は、本発明の範囲に包含される。
【００９５】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気メモリ及びその書き込み方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気メモリ及びその書き込み方法も同様に本発明の範囲に属する。
【００９６】
【発明の効果】
以上詳述したように、従来の伝導電子の代わりにホットエレクトロン（ホットホール）を電流担体として用いることにより、スピン注入による磁化反転の効率が増大し、より少ない電流（密度）で磁性膜の磁化反転を生じさせることができる。
【００９７】
この方法を磁性トンネル接合、ＧＭＲ素子、スピンバルブトランジスターなどとＭＯＳトランジスターを組み合わせて構成されるＭＲＡＭセルへの書き込みに応用することにより高集積ＭＲＡＭを作製することができ産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる磁気メモリのセルの一部を表す模式図である。
【図２】スピン注入の原理を説明するための概念図である。
【図３】本発明者が本発明に至る過程で検討したスピン注入構造を表す模式図である。
【図４】図１に表した構造をさらに具体化した一例を表す模式図である。
【図５】（ａ）は、図４に表した具体例における電子の流れを表す概念図である。また、（ｂ）は、本具体例の構造に電圧Ｖを印加して書き込み電流を流した場合のエネルギーダイアグラム図である。
【図６】ポイントコンタクトを有するホットエレクトロン生成手段を例示する模式図である。
【図７】ショットキー接合を有するホットエレクトロン生成手段を例示する模式図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ金（Ａｕ）および鉄（Ｆｅ）中を結晶の［１００］方向に進む電子のエネルギーバンドを表すグラフ図である。
【図９】本発明の第１実施例の磁気メモリの一部を表す模式断面図である。
【図１０】電流に対する微分抵抗に変化を表すグラフ図である。
【図１１】本発明の第２の実施例の磁気メモリの一部を表す模式断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施例の磁気メモリについて、電流の向きを正負両方向に変化させて微分抵抗ｄＶ／ｄＩの変化を測定した結果を表すグラフ図である。
【図１３】本発明の第３の実施例の磁気メモリの一部を表す模式断面図である。
【図１４】本発明の第４の実施例の磁気メモリの一部を表す模式断面図である。
【図１５】本発明の実施例の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。
【図１６】本発明の実施例の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。
【図１７】本発明の実施の形態にかかる磁気メモリの要部断面構造を表す概念図である。
【符号の説明】
１１  基板
１２  下部電極
１３  Ｆｅ層
１４  Ａｕ層
１５  Ｆｅ層
１６  絶縁層
１７  Ａｌ層
１８  Ａｕ層
１９  上部電極（Ａｕ層）
２２  第３電極（Ａｕ層）
３１１  記憶素子部分
３１２  アドレス選択用トランジスタ部分
３２１  磁気抵抗効果素子
３２２  ビット線
３２４  下部電極
３２６  ビア
３２８  配線
３３０  スイッチングトランジスタ
３３２  ワード線
３３４  ビット線
３５０  列デコーダ
３５１  行デコーダ
３５２  センスアンプ
３６０  デコーダ
Ｆ  磁性層
Ｆ１  磁性層
Ｆ２  磁性層
Ｈ  ホットエレクトロン生成手段
ＭＥ  金属層
Ｎ  非磁性層
Ｓ  スピン偏極手段
ＳＣ  半導体層
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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