(57)【要約】【課題】  電流直接駆動による磁化反転の際に、外乱となる外部からの侵入磁界に対して安定に動作する磁気記録素子及び磁気メモリを提供することを目的とする。【解決手段】    基板の上に直接あるいは間接的に形成され、非磁性層を介して積層された複数の強磁性層を有する記録部を備え、  前記非磁性層を介して隣接する前記強磁性層は、反強磁性結合してなり、前記複数の強磁性層のうちで第１の方向の磁化を有する強磁性層の磁化の合計と、前記複数の強磁性層のうちで前記第１の方向とは反対の第２の方向の磁化を有する強磁性層の磁化の合計と、が略同一であり、前記複数の強磁性層のそれぞれの磁化を反転可能とし、前記複数の強磁性層のうちで前記基板から最も遠い強磁性層の厚さが前記基板に最も近い強磁性層の厚さよりも大なることを特徴とする磁気記録素子を提供する。【選択図】    図１ 
2005294376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に直接あるいは間接的に形成され、非磁性層を介して積層された複数の強磁性層を有する記録部を備え、
前記非磁性層を介して隣接する前記強磁性層は、反強磁性結合してなり、
前記複数の強磁性層のうちで第１の方向の磁化を有する強磁性層の磁化の合計と、前記複数の強磁性層のうちで前記第１の方向とは反対の第２の方向の磁化を有する強磁性層の磁化の合計と、が略同一であり、
前記複数の強磁性層のそれぞれの磁化を反転可能とし、
前記複数の強磁性層のうちで前記基板から最も遠い強磁性層の厚さが前記基板に最も近い強磁性層の厚さよりも大なることを特徴とする磁気記録素子。
【請求項２】
磁化が前記第１の方向または前記第２の方向に実質的に固定された第１の磁性固着層と、
前記記録部と前記磁性固着層との間に設けられた第１の中間層と、
をさらに備え、
膜面に対して略垂直方向に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記記録部のうちの前記磁性固着層に最も近い前記強磁性層に作用させてその磁化の方向を前記電流に応じた方向に決定可能としたことを特徴とする請求項１記載の磁気記録素子。
【請求項３】
前記第１の磁性固着層の前記記録部とは反対側に積層された非磁性金属層と、
前記非磁性金属層の前記記録部とは反対側に積層された磁性層と、
をさらに備え、
前記第１の磁性固着層と前記磁性層とは、前記非磁性金属層を介して反強磁性結合してなることを特徴とする請求項２記載の磁気記録素子。
【請求項４】
前記第１の磁性固着層と前記磁性層とは、磁化の大きさが略同一であり、
前記第１の磁性固着層と前記磁性層とのうちで前記基板から遠い側のものの厚さが前記基板に近い側のものの厚さよりも大なることを特徴とする請求項３記載の磁気記録素子。
【請求項５】
前記記録部に設けられた前記強磁性層の数は、偶数であり、
前記記録部の上側及び下側のいずれか一方に設けられ、磁化が前記第１の方向または前記第２の方向に実質的に固定された第１の磁性固着層と、
前記記録部と前記第１の磁性固着層との間に設けられた第１の中間層と、
前記記録部の上側及び下側のいずれか他方に設けられ、磁化が前記第１の磁性固着層と実質的に同一の方向に固定された第２の磁性固着層と、
前記記録部と前記第２の磁性固着層との間に設けられた第２の中間層と、
をさらに備え、
膜面に対して略垂直方向に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記記録部のうちの前記第１の磁性固着層に最も近い前記強磁性層及び前記第２の磁性固着層に最も近い前記強磁性層に作用させてその磁化の方向を前記電流に応じた方向に決定可能としたことを特徴とする請求項１記載の磁気記録素子。
【請求項６】
前記第１及び第２の磁性固着層の少なくともいずれかの前記記録部とは反対側に積層された非磁性金属層と、
前記非磁性金属層の前記記録部とは反対側に積層された磁性層と、
をさらに備え、
前記第１及び第２の磁性固着層の前記少なくともいずれかと前記磁性層とは、前記非磁性金属層を介して反強磁性結合してなることを特徴とする請求項５記載の磁気記録素子。
【請求項７】
前記第１及び第２の磁性固着層の前記少なくともいずれかと前記磁性層とは、磁化の大きさが略同一であり、
前記第１及び第２の磁性固着層の前記少なくともいずれかと前記磁性層とのうちで前記基板から遠い側のものの厚さが前記基板に近い側のものの厚さよりも大なることを特徴とする請求項６に記載の磁気記録素子。
【請求項８】
前記第１の中間層は、非磁性絶縁体あるいは非磁性半導体からなることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
【請求項９】
前記第１の中間層は、ピンホールを有する絶縁体からなり、前記ピンホールは、前記中間層に隣接する少なくともいずれかの層を構成する材料により充填されてなることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
【請求項１０】
前記第１の中間層は、ピンホールを有する絶縁体からなり、前記ピンホールは、導電性の非磁性材料により充填されてなることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
【請求項１１】
前記第２の中間層は、導電体からなることを特徴とする請求項５〜１０のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
【請求項１２】
前記複数の強磁性層のいずれかと他のいずれかとは、膜面の大きさが異なることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
【請求項１３】
膜面に対して略垂直方向に書き込み電流を流すことによりその方向に応じて２値情報のいずれかを記録可能とし、
前記膜面に対して略垂直方向に前記書き込み電流よりも小さい読み出し電流を流すことにより前記強磁性層の磁化の方向に応じた抵抗の変化を検出して再生可能としたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１つに記載の複数の磁気記録素子を絶縁体を間に介しつつマトリクス状に設けたメモリセルを備えたことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１５】
前記メモリセル上の前記磁気記録素子のそれぞれに対して、プローブによりアクセス可能としたことを特徴とする請求項１４記載の磁気メモリ。
【請求項１６】
前記メモリセル上の前記磁気記録素子のそれぞれにワード線とビット線とが接続され、
前記ワード線とビット線とを選択することにより、特定の磁気記録素子に対して情報の記録または読み出しを可能とした請求項１４記載の磁気メモリ。
【請求項１７】
前記メモリセル上の前記磁気記録素子のそれぞれに選択手段が接続され、
前記メモリセル上の前記磁気記録素子のそれぞれの一端にワード線及びビット線のいずれか一方が接続され、
前記選択手段のそれぞれに前記ワード線及びビット線のいずれか他方が接続され、
前記ワード線及びビット線のいずれか他方を介して前記選択手段を動作させることにより、その選択手段に接続された磁気記録素子に対して情報の記録または読み出しを可能とした請求項１４記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記録素子及び磁気メモリに関し、特にスピン偏極した電子を流すことにより書き込みが可能な磁気記録素子及び磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体の磁化方向を制御するためには、従来、磁界を印加する方法が採られてきた。例えば、ハードディスクドライブ（hard disk drive）においては、記録ヘッドから発生する磁場により、媒体の磁化方向を反転させ、書き込みを行なっている。また、固体磁気メモリでは、磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた配線に電流を流すことで生じる電流磁界をセルに印加することで、セルの磁化方向制御を行なう。これらの外部磁場による磁化方向制御は古い歴史をもち、確立された技術といえる。
【０００３】
一方、昨今のナノテクノロジーの進歩により、磁性材料についても顕著な微細化が可能となり、磁化制御もナノスケールで局所的に行なう必要が出てきた。しかしながら、磁場は根本的に空間に広がる性質を有するので、局所化が難しい。ビットやセルのサイズが微小化するにつれ、特定のビットやセルを選択してその磁化方向を制御させる場合に、隣のビットやセルにまで磁場が及んでしまう「クロストーク」の問題が顕著となる。また、磁場を局所化させるために磁場発生源を小さくすると、十分な発生磁場が得られないという問題が生じる。
【０００４】
さらにまた、磁性体を媒体とする記録素子においては、磁界という外乱に対して記録状態が不安定となる危険があり、外部からの磁界の強さと磁気記録素子あるいは媒体の磁気特性の組み合わせによって記録の消去あるいは誤情報書き込みが発生するという宿命的な問題があった。外乱となる磁界の問題は、書きこみ時にも発生し得るものであり、この場合には間違った情報が記録されてしまう。
【０００５】
近年、磁性体に電流を流すことにより磁化反転を起こす「電流直接駆動型磁化反転」が見出された（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
これは、磁性層を通過させることにより電流をスピン偏極させ、このスピン偏極した電流を流すことにより、目的とする磁性層の磁化を反転させるものである。スピン偏極電子が有する角運動量が、磁化反転させたい磁性体の角運動量に伝達・作用することで、その磁性体の磁化の反転が生ずる。この現象を用いれば、ナノスケールの磁性体に対して、より直接的に作用させることが可能であり、より微小な磁性体に対する記録が可能になる。
【非特許文献１】F. J. Albert, et al., Appl. Phy. Lett. 77, 3809 (2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、「電流直接駆動型磁化反転」を利用した場合においても、やはり外乱となる磁界によって記録状態の変化が起こりうる。また、電流駆動による書き込みにおいて、外乱となる外部磁場の強さによって書き込みに必要な電流が変化してしまう問題もある。つまり、書き込み時の外乱となる磁界によって、間違った情報が記録されてしまうという問題がある。また、反転に必要な電流による熱の影響で素子が破壊するなどの信頼性の問題がある。
【０００８】
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、電流直接駆動による磁化反転の際に、外乱となる外部からの侵入磁界に対して安定に動作し、長期動作に対して高信頼性の磁気記録素子及び磁気メモリを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、
基板の上に直接あるいは間接的に形成され、非磁性層を介して積層された複数の強磁性層を有する記録部を備え、
前記非磁性層を介して隣接する前記強磁性層は、反強磁性結合してなり、
前記複数の強磁性層のうちで第１の方向の磁化を有する強磁性層の磁化の合計と、前記複数の強磁性層のうちで前記第１の方向とは反対の第２の方向の磁化を有する強磁性層の磁化の合計と、が略同一であり、
前記複数の強磁性層のそれぞれの磁化を反転可能とし、
前記複数の強磁性層のうちで前記基板から最も遠い強磁性層の厚さが前記基板に最も近い強磁性層の厚さよりも大なることを特徴とする磁気記録素子が提供される。
【００１０】
また、本発明の他の一態様によれば、上述の複数の磁気記録素子を絶縁体を間に介しつつマトリクス状に設けたメモリセルを備えたことを特徴とする磁気メモリが提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電流直接駆動による磁化反転の際などに、外乱となる外部からの侵入磁界に対して安定に動作する磁気記録素子及び磁気メモリを提供することができる。また、磁化反転電流で発生する熱によるダメージが少なく高信頼性の磁気記録素子及び磁気メモリを提供することができる。さらに、素子特性の「ばらつき」を抑えることができる。  
その結果として、微小サイズの磁性体に局所的に低消費電力で磁化を書き込むことができる磁気記録素子を提供でき、さらには、磁気抵抗効果を用いてその書き込み磁化を読み出すことが可能な磁気記録素子を提供できる。これらの磁気記録素子は極めて微小であるために、磁気素子の高密度化、高機能化、さらには磁気素子を含むデバイスの全体サイズ縮小化へ効果大であり産業上のメリットは多大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる磁気記録素子の基本的な断面構造を例示する模式図である。  
この磁気記録素子１０は、強磁性層ＦＭ１、非磁性層ＮＭ、強磁性層ＦＭ２が上からこの順に基板の上に直接あるいは間接的に積層された記録部ＲＥを有する。後に詳述するように、記録部ＲＥに情報を記録する（書き込む）ために、図示しない電極や磁化固着層などを適宜追加できる。
【００１４】
そして、本具体例においては、強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の磁化Ｍ１、Ｍ２が互いに反平行となるように情報が記録される。例えば、図１（ａ）に表したように、強磁性層ＦＭ１の磁化Ｍ１が向かって右向き、強磁性層ＦＭ２の磁化Ｍ２が向かって左向きの場合を「０」（または「１」）とし、同図（ｂ）に表したように、磁化Ｍ１、Ｍ２がそれぞれ反転した状態を「１」（または「０」）と割り当てることができる。このようにして２値情報を記録できる。
【００１５】
そしてさらに、本具体例においては、強磁性層ＦＭ１の磁化Ｍ１と、強磁性層ＦＭ２の磁化Ｍ２の絶対値がほぼ同一とされている。ここで、強磁性層ＦＭ１の単位体積当たりの磁化をＭａとし、その層の体積をＶａとすると、磁化Ｍ１は、次式により表される。
Ｍ１＝Ｍａ×Ｖａ      （１）
同様に、強磁性層ＦＭ２の磁化Ｍ２は、その単位体積当たりの磁化Ｍｂと体積Ｖｂによって次式のように表される。
Ｍ２＝Ｍｂ×Ｖｂ      （２）
このように、強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の磁化Ｍ１、Ｍ２の方向が互いに反平行であり、その絶対値が等しいと、記録部ＲＥにおいて、正味の磁化が生じない。このため、外部磁界によっても、この記録部ＲＥの磁化方向を変えることができず、外乱となる外部磁界の影響を受けにくい磁気記録素子が得られる。その結果として、外部磁界によって情報が不必要に書き換えられたり、書き込みの際に間違った情報が書き込まれるという問題を解消できる。
【００１６】
磁気メモリあるいはストレージに応用する場合、周囲からの外乱としての磁界強度を考慮すると、強磁性層ＦＭ１の磁化Ｍ１の絶対値と、強磁性層ＦＭ２の磁化Ｍ２の絶対値との差は、５×１０−１５emu以下であることが望ましい。すなわち、磁化の絶対値の差が５×１０−１５emuよりも大きくなると、外乱磁場の影響で書き込みの際に間違った情報が書き込まれる問題が発生する。磁化Ｍ１、Ｍ２の絶対値の差が５×１０−１５emu以下であれば、磁気メモリなどを形成した場合に、外乱としての磁界による誤動作や書き込みエラーなどを防ぐことができる。
【００１７】
なお、図１（ａ）及び（ｂ）に例示した如く、強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の磁化方向を反平行にするには、これら強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２を、非磁性層ＮＭを介して反強磁性結合させるとよい。このための非磁性層ＮＭの材料などについては、後に詳述する。
【００１８】
最近、ＨＤＤ媒体として、「ＡＦＣ（Anti-Ferromagnetic Coupling）メディア」などと呼ばれる反強磁性結合した積層膜からなる記録媒体が開発されている。これは強磁性層／非磁性層／強磁性層を積層し、これら強磁性層を互いに反平行に結合させたものであるが、２つの強磁性層の磁化に差をつけて正味の磁化が生ずるようにされている。こうすることによって、磁気ヘッドからの磁界で書き込むことができる。しかし、磁気ヘッドからの磁界で書きこめるということは、言いかえれば外部からの強い外乱磁界でも書きこめることとなり、この構造では磁界の外乱を防ぐことができない。一方、正味の磁化をゼロとすると、外部磁界によって書きこむことは不可能となる。
【００１９】
また一方、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）用の磁気記録素子として、同じく反強磁性結合した積層膜からなる磁気記録素子が提案されている。この場合も同じく強磁性層／非磁性層／強磁性層を積層させ、これら強磁性層を互いに反平行に結合させている。しかし、ＡＦＣメディアと同様に２つの強磁性層の磁化に差をつけて正味の磁化を生じさせている。こうすることにより、配線を流れる電流により発生する磁界によって書き込むことが可能となる。しかし、ＡＦＣメディアと同様に、これは外部からの磁界でも信号を変えることが可能なことを意味しており、磁界による外乱を防ぐことができない。一方、正味の磁化をゼロとすると、外部磁界によって書きこむことは不可能となってしまう。
【００２０】
これに対して、本発明においては、図１に例示した如く反平行の磁化を有し、正味の磁化が実質的にゼロである記録部ＲＥを設け、これに対してスピン偏極電流を流すことにより、所定の情報を記録できる。この記録方法については、後に詳述する。
【００２１】
そしてさらに、本具体例においては、磁性層ＦＭ１の膜厚は、磁性層ＦＭ２の膜厚よりも厚い。本発明者が磁性層の成長を調べたところ、非磁性層ＮＭ上の成長は、記録部ＲＥの下層（その多くは後述する中間層）上の成長に比べ、膜の平坦性に優れることを見出した。また、素子サイズが小さく、しかし比較的大きな電流を流す必要があるため、電流を流した時に熱が発生しやすく、蓄積した熱で素子特性が変化する問題がある。
【００２２】
その熱安定性は、記録部ＲＥの断面形状が、図示した如く基板側において幅広となる台形状の時に、熱の「逃げ」が大きく、安定であることを見出した。また、後で述べるように素子作製の際には、記録部ＲＥの周りを絶縁体で埋めこむことが多いが、記録部ＲＥが基板側が幅広となる台形状の断面形状を有する場合には、十分な埋め込みができる。これに対して、図示したものとは逆に、側面が垂直あるいは基板側が幅狭となるような台形状の断面を有する場合にはエッジ部の埋め込みが十分でなく、熱の「逃げ」が悪くなるという問題点があった。
【００２３】
また、磁気記録素子１０は、いわゆる「順メサ状」に形成されている。すなわち、図１において左右方向にセルの幅は、上方に向けて徐々に狭く形成されている。後に実施例を挙げて説明するように、実際の磁気記録素子の形成に際しては、図示しない基板上に磁気記録素子の各層を堆積し、パターニング加工してその周囲を絶縁膜などにより埋め込む。この際に、磁気記録素子１０をこのように「順メサ状」に形成すると、その周囲に絶縁膜を埋め込みやすくなるという効果も得らられる。
【００２４】
断面の台形の側面と基板に水平な面とのなす角度をθとすると（θが９０°の時、側面が垂直であることを意味する）、θは３０°以上、８５°以下が好ましい。θが３０°以下では、電流を流した場合に書き込みが困難となる。一方、θが８５°より大きいと、熱の問題が発生しやすい。これらの要件から、磁性層ＦＭ１の膜厚は、磁性層ＦＭ２の膜厚よりも厚い方が好ましい。また、平坦性が良好な成長をする磁性層を厚く形成できる点でも有利である。
【００２５】
よって、層の良好な平坦性が得られることから素子バラツキが低減され、また熱の逃げが良いことから、熱安定性と高信頼性に優れた磁気記録素子が得られる。また、絶縁膜による埋め込みも容易となる。
【００２６】
図２は、本実施形態にかかる磁気記録素子の第２の具体例を表す模式断面図である。    本具体例においては、記録部ＲＥは上から順に４層の強磁性層ＦＭ１〜ＦＭ４を基板の上に有する。これら強磁性層の間には、非磁性層ＮＭが挿入されている。４層の強磁性層ＦＭ１〜ＦＭ４は、交互に反平行で絶対値がほぼ同一の磁化を有する。つまり、磁化Ｍ１〜Ｍ４は、交互に反平行であり、それらの絶対値はほぼ同一とされている。このようにすれば、記録部ＲＥの正味の磁化は実質的にゼロとなり、外乱となる磁界の影響を受けにくい磁気記録素子が得られる。
【００２７】
記録部ＲＥの正味の磁化がゼロとなる条件をより一般的に表現すると、以下の如くである。すなわち、磁化が第１の方向を向くｎ層目の強磁性層の単位堆積あたりの磁化をｍａ（ｎ）とし、その強磁性層の体積をＶａ（ｎ）とすると、第１の方向を向く磁化の合計Ｍａは、次式により表される。
Ｍａ＝Σ（ｍａ（ｎ）×Ｖａ（ｎ））
一方、第１の方向とは反平行の第２の方向を向くｍ層目の強磁性層の単位堆積あたりの磁化をｍｂ（ｍ）とし、その強磁性層の体積をＶｂ（ｍ）とすると、第２の方向を向く磁化の合計Ｍｂは、次式により表される。
Ｍｂ＝Σ（ｍｂ（ｍ）×Ｖｂ（ｍ））
そして、これら磁化の合計Ｍａの絶対値とＭｂの絶対値とが略同一、すなわち実質的に同一であればよい。このように、磁化Ｍａ、Ｍｂの方向が互いに反平行であり、その絶対値が等しいと、記録部ＲＥにおいて、正味の磁化が生じない。このため、外部磁界によっても、この記録部ＲＥの磁化方向を変えることができず、外乱となる外部磁界の影響を受けにくい磁気記録素子が得られる。その結果として、外部磁界によって情報が不必要に書き換えられたり、書き込みの際に間違った情報が書き込まれるという問題を解消できる。磁化Ｍａの絶対値と、磁化Ｍｂの絶対値の差は、５×１０−１５emu以下であることが望ましい。すなわち、磁化の絶対値の差が５×１０−１５emuを超えると、外乱磁場の影響で書き込みの際に間違った情報が書き込まれる問題が発生しやすくなる。  磁化Ｍａ、Ｍｂの絶対値の差が５×１０−１５emu以下であれば、磁気メモリなどを形成した場合に、外乱としての磁界による誤動作や書き込みエラーなどを防ぐことができる。
【００２８】
そしてさらに、本具体例においては、基板から最も遠い磁性層ＦＭ１の膜厚は、基板に最も近い磁性層ＦＭ４の膜厚よりも厚い。理由は第１の具体例の場合と同様である。  
このようにすれば、層の良好な平坦性が得られることから素子バラツキが低減され、また熱の「逃げ」が良いことから、熱安定性と高信頼性に優れた磁気記録素子が得られる。
【００２９】
図３は、本実施形態にかかる磁気記録素子の第４の具体例を表す模式断面図である。  
本具体例においては、記録部ＲＥは、上から順に３層の強磁性層ＦＭ１〜ＦＭ３を基板の上に有する。これら強磁性層の間には、非磁性層ＮＭが挿入されている。３層の強磁性層ＦＭ１〜ＦＭ３は、交互に反平行の磁化Ｍ１〜Ｍ３を有する。そして、磁化Ｍ１とＭ３の合計の絶対値が、磁化Ｍ２の絶対値と実質的に同一とされている。  磁化Ｍ１とＭ３の合計の絶対値と、磁化Ｍ２の絶対値の差は、５×１０−１５emu以下であることが望ましい。
【００３０】
このようにすれば、記録部ＲＥの正味の磁化は実質的にゼロとなり、外乱となる磁界の影響を受けにくい磁気記録素子が得られる。  
そしてさらに、本具体例においては、基板から最も遠い磁性層ＦＭ１の膜厚は、基板に最も近い磁性層ＦＭ３の膜厚よりも厚い。理由は第１の具体例の場合と同様である。
【００３１】
このようにすれば、層の良好な平坦性が得られることから素子バラツキが低減され、また熱の「逃げ」が良いことから、熱安定性と高信頼性に優れた磁気記録素子が得られる。
【００３２】
なお、本発明において、記録部ＲＥに設ける強磁性層の層数は、２〜４層には限定されない。すなわち、交互に磁化が反転し、正味の磁化が実質的にゼロであれば、５層以上の任意の数の強磁性層を設けることができる。また、本発明において、１つの磁性層は、さらに複数のサブ磁性層から構成されている場合にも、それらが同一の磁化方向を持つ場合には、一層の磁性層として扱うことができる。すなわち、Ｃｏ／ＮｉＦｅ／Ｃｏなどの積層膜は１つの磁性層と扱うことができる。また、数原子層と非常に薄いＣｕ層あるいはＲｕ層を中央に有して同一磁化方向からなる磁性積層膜も１つの磁性層として扱うことができる。
【００３３】
次に、本発明の磁気記録素子における「書き込み」のメカニズムについて説明する。
【００３４】
図４は、図１に表した記録部ＲＥに対する「書き込み」のメカニズムを説明するための模式断面図である。すなわち、中間層Ｓを介して磁性固着層（ピン層）Ｐを積層させ、上下の電極ＥＬ１、ＥＬ２を介して、これらの界面を横切るように書き込み電流Ｉを流す。ここで、磁性固着層Ｐは、その磁化Ｍが所定の方向に固定されている磁性層である。また、図４においては底面側が幅広の台形状であり、基板は下にあるが、上面側が幅広の台形状であり、基板が上にあっても「書き込み」のメカニズムは原理的には変わらない。この構成において、記録部ＲＥに対する書き込みを行うメカニズムは、次のとおりに説明される。
【００３５】
まず、中間層Ｓを介した磁気抵抗効果が「ノーマルタイプ」である場合について説明する。ここで、「ノーマルタイプ」の磁気抵抗効果とは、後に詳述するように、中間層Ｓの両側の磁性層の磁化が平行時よりも反平行時に電気抵抗が高くなる場合をいう。つまり、ノーマルタイプの場合、中間層Ｓを介した磁性固着層Ｐと強磁性層ＦＭ２との間の電気抵抗は、磁性固着層Ｐと強磁性層ＦＭ２の磁化が平行な時には反平行時よりも低くなる。
【００３６】
まず、図４（ａ）に表したように書き込み電子電流（通常の電流は流れが逆となる）Ｉを通過させた場合について説明する。この場合には、電子電流Ｉを構成する電子は、記録部ＲＥを通過し、磁性固着層Ｐへ入る界面において、磁化Ｍと反対方向のスピン（同図において左向き）を有する電子は反射される。この反射された電子が有する左向きスピンは、強磁性層ＦＭ２に作用する。書き込み電流Ｉの大きさを所定の書き込み臨界値Ｉcよりも大きくすると、強磁性層ＦＭ２の磁化Ｍ２が、このスピンの向き（左向き）に反転される。この時、中間層Ｓは、記録部ＲＥにおける磁化反転の動きを妨げないように作用する。すなわち、中間層Ｓは、磁性固着層Ｐと強磁性層ＦＭ２との磁気的な結合を遮断する役割を有する。  強磁性層ＦＭ２の磁化Ｍ２が左向きに反転すると、これと反強磁性結合している強磁性層ＦＭ１の磁化Ｍ１は、反対向き、すなわち右向きに反転する。
【００３７】
一方、図４（ｂ）に表したように電極ＥＬ２から書き込み電子電流Ｉを注入した場合には、磁化Ｍを有する磁性固着層Ｐを通過した電子は、磁化Ｍの方向（右向き）のスピンをもつようになり、これが強磁性層ＦＭ２へ流入すると、このスピンのもつ角運動量が強磁性層ＦＭ２に伝達され、磁化Ｍ２に作用する。その結果として、磁化Ｍ２が右向きに反転する。  
すると、強磁性層ＦＭ２と反強磁性結合する強磁性層ＦＭ１の磁化Ｍ１は、Ｍ２と反対方向（左向き）に反転する。
【００３８】
以上、中間層Ｓを介した磁性固着層Ｐと強磁性層ＦＭ２との間の磁気抵抗効果が「ノーマルタイプ」の場合について説明した。
【００３９】
一方、これらが「リバースタイプ」の場合には、逆の作用によって書き込みが可能となる。ここで、「リバースタイプ」とは、中間層Ｓを介した磁性固着層Ｐと強磁性層ＦＭ２との間の電気抵抗が、磁性固着層Ｐと強磁性層ＦＭ２の磁化Ｍ、Ｍ２が平行な時に反平行時よりも高くなる場合をいう。
【００４０】
図５は、「リバースタイプ」の場合の書き込みのメカニズムを表す模式断面図である。図５においては底面側が幅広の台形状であり、基板は下にあるが、上面側が広い台形状であり、基板が上にあっても「書き込み」のメカニズムは原理的には変わらない。
【００４１】
すなわち、中間層Ｓを介した磁気抵抗効果が「リバースタイプ」の場合には、磁性固着層Ｐから強磁性層ＦＭ２へ作用するスピン電子は、図４に関して前述した場合とは逆向きとなる。つまり、図５（ａ）に表したように、電極ＥＬ１からＥＬ２に向けて電子電流Ｉを流した場合、強磁性層ＦＭ２の磁化Ｍ２の方向は、磁性固着層Ｐの磁化Ｍと同じ向きとなる。
【００４２】
一方、図５（ｂ）に表したように、電極ＥＬ２からＥＬ１に電子電流を流した場合には、強磁性層ＦＭ２の磁化Ｍ２の方向は、磁性固着層Ｐの磁化Ｍの向きとは反対となる。
【００４３】
以上説明したように、中間層Ｓを介した磁気抵抗効果が、「ノーマルタイプ」の場合も「リバースタイプ」の場合も、書き込み電子Ｉの流れ方向に応じて、記録部ＲＥの磁化Ｍ１、Ｍ２の向きを所定の方向に反転できる。
【００４４】
以上説明した書き込みメカニズムは、図２〜図３に関して前述した記録部ＲＥについても同様に適用できる。  
またさらに、図６および図７に示したように、磁性固着層Ｐ１の記録部とは反対側に非磁性金属層ＡＣを積層し、さらに非磁性金属層ＡＣの記録部とは反対側に磁性固着層Ｐ２を積層し、磁性固着層Ｐ１と磁性固着層Ｐ２とは非磁性金属層ＡＣを介して反強磁性結合した場合にも、書き込み電子電流Ｉの方向に応じて、磁化Ｍ１、Ｍ２を所定の方向に反転できる。なお図６および図７は前述した「ノーマルタイプ」の場合の書き込みメカニズムを表す。
【００４５】
またさらに、反強磁性結合非磁性金属層ＡＣを介して隣接する磁性固着層Ｐ１と磁性固着層Ｐ２とは磁化の大きさが略同一であり、磁性固着層Ｐ１と磁性固着層Ｐ２のうち、基板から最も遠い層の厚さが基板に最も近い層の厚さよりも厚くすることで、磁性固着層についても外部磁場に対する安定性が得られ、素子ごとの特性ばらつき低減および熱安定性を得ることができる。磁性固着層Ｐ１と磁性固着層Ｐ２のそれぞれの磁化ＰＭ１とＰＭ２の絶対値の差は、５×１０−１５emu以下であることが望ましい。すなわち、磁化の絶対値の差が５×１０−１５emuを超えると、外乱磁場の影響で書き込みの際に間違った情報が書き込まれる可能性が発生しやすくなる。  
また、磁性固着層を記録部ＲＥの上下にそれぞれ設けると、書き込みの効率化を図ることができる。  
図８は、磁性固着層を記録部ＲＥの上下に設けた「ノーマルタイプ」の磁気記録素子を例示する模式断面図である。すなわち、記録部ＲＥの上下に、中間層Ｓ１、Ｓ２を介して磁性固着層Ｐ１、Ｐ２がそれぞれ積層されている。磁性固着層Ｐ１、Ｐ２は、その磁化ＰＭ１、ＰＭ２が所定の方向に固定されている磁性層である。本具体例においては、上下の磁性固着層Ｐ１、Ｐ２の磁化ＰＭ１、ＰＭ２は、同一方向とされている。  
また、中間層Ｓ１、Ｓ２は、記録部ＲＥにおける磁化反転を妨げないようにする作用を有し、磁性固着層Ｐ１、Ｐ２と強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２との間の磁気的な結合を遮断する役割を有する。
【００４６】
図８（ａ）に表したように、電極ＥＬ１からＥＬ２に向けて電子電流Ｉを流すと、まず、磁化ＰＭ１を有する磁性固着層Ｐ１を通過した電子は、磁化ＰＭ１の方向（右向き）のスピンをもつようになり、これが強磁性層ＦＭ１へ流入すると、このスピンのもつ角運動量が強磁性層ＦＭ１に伝達され、磁化Ｍ１に作用する。その結果として、磁化Ｍ１が右向きに反転する。また、磁化ＰＭ２と逆方向のスピン（同図において左向き）を有する電子は、中間層Ｓ２から磁性固着層Ｐ２へ入る界面において反射される。この反射された電子が有する左向きスピンは、強磁性層ＦＭ２に作用して磁化Ｍ２を反転させる。強磁性層ＦＭ１と強磁性層ＦＭ２とは反強磁性結合しているので、記録層ＲＥには上下からスピントランスファトルクが働き、記録層ＲＥの反転効率が高くなる。
【００４７】
一方、図８（ｂ）に表したように、電極ＥＬ２からＥＬ１に向けて電子電流Ｉを流すと、まず、磁化ＰＭ２を有する磁性固着層Ｐ２を通過した電子は、磁化ＰＭ２の方向（右向き）のスピンをもつようになり、これが強磁性層ＦＭ２に作用して、磁化Ｍ２が右向きに反転する。また、磁化ＰＭ１と逆方向のスピン（同図において左向き）を有する電子は、中間層Ｓ１から磁性固着層Ｐ１へ入る界面において反射される。この反射された電子が有する左向きスピンは、強磁性層ＦＭ１に作用して磁化Ｍ１を反転させる。
【００４８】
以上説明したように、磁性固着層Ｐ１、Ｐ２を記録部ＲＥの上下にそれぞれ設けると、強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２に対するスピントランスファトルクを倍増できるので、書き込みを効率化できる。  
また、本具体例においては、記録部ＲＥの上下に設ける磁化固着層Ｐ１、Ｐ２の磁化が同方向であるので、製造が容易であるという効果も得られる。すなわち、磁性固着層Ｐ１、Ｐ２の磁化を固着するための、いわゆる「磁場中アニール」などの工程を一回で済ますことができる。
【００４９】
なお、「リバースタイプ」の場合には、強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の磁化Ｍ１、Ｍ２が図８（ａ）及び（ｂ）に表したものとは逆の方向に反転する。
【００５０】
図９は、磁性固着層として、反強磁性結合させた積層構造を用いた「ノーマルタイプ」の磁気記録素子を例示する模式断面図である。  
すなわち、図９（ａ）及び（ｂ）に表した磁気記録素子においては、記録部ＲＥの上に中間層Ｓ１を介して、磁性固着層Ｐ１、反強磁性結合のための非磁性金属中間層（反強磁性結合層）ＡＣ、磁性固着層Ｐ２からなる積層体が設けられている。同様に、記録部ＲＥの下には、中間層Ｓ２を介して、磁性固着層Ｐ３、反強磁性結合層ＡＣ、磁性固着層Ｐ４からなる積層体が設けられている。
【００５１】
これら磁性固着層Ｐ１及びＰ２と、Ｐ３及びＰ４は、反強磁性結合層ＡＣを介して反強磁性結合している。この磁気記録素子に書き込み電流Ｉを流すと、記録部ＲＥに近い磁性固着層Ｐ２、Ｐ３の磁化に応じて書き込みが実行される。  
すなわち、図９（ａ）に表したように電子電流Ｉを流すと、磁性固着層Ｐ２の磁化ＰＭ２に対応したスピン電子が強磁性層ＦＭ１に作用して磁化Ｍ１を磁化ＰＭ１と同じ方向に反転させる。また、磁性固着層ＰＭ３の磁化ＰＭ３とは逆向きのスピン電子が強磁性層ＦＭ２に作用して、磁化Ｍ２を磁化ＰＭ３とは逆向きに反転させる。
【００５２】
一方、図９（ｂ）に表したように電子電流Ｉを流すと、磁性固着層Ｐ３の磁化ＰＭ３に対応したスピン電子が強磁性層ＦＭ２に作用して磁化Ｍ２を磁化ＰＭ３と同じ方向に反転させる。また、磁性固着層ＰＭ２の磁化ＰＭ３とは逆向きのスピン電子が強磁性層ＦＭ１に作用して、磁化Ｍ１を磁化ＰＭ２とは逆向きに反転させる。
【００５３】
このようにして、電子電流Ｉの向きに応じて、記録部ＲＥの磁化を書き換えることができる。なお、「リバースタイプ」の場合には、図９とは逆向きに書き込みが実行される。
【００５４】
またさらに、反強磁性結合層ＡＣを介して隣接する磁性固着層Ｐ１と磁性固着層Ｐ２および、反強磁性結合層ＡＣを介して隣接する磁性固着層Ｐ３と磁性固着層Ｐ４とは磁化の大きさが略同一であり、磁性固着層Ｐ１と磁性層Ｐ２のうち、基板から最も遠い層の厚さが基板に最も近い層の厚さよりも厚くすることで、磁性固着層についても外部磁場に対する安定性が得られ、素子ごとの特性ばらつき低減および熱安定性を得ることができる。
【００５５】
磁性固着層Ｐ１と磁性固着層Ｐ２のそれぞれの磁化ＰＭ１とＰＭ２の絶対値の差および、磁性固着層Ｐ３と磁性固着層Ｐ４のそれぞれの磁化ＰＭ３とＰＭ４の絶対値の差は、それぞれ５×１０−１５emu以下であることが望ましい。すなわち、磁化の絶対値の差が５×１０−１５emuを超えると、外乱磁場の影響で書き込みの際に間違った情報が書き込まれる可能性が発生しやすくなる。  
以上、図５乃至図９に関して前述したように、書き込み電流Ｉによって直接的に信号書き込みを行う場合、これまでは書き込みに必要な臨界電流Ｉcが強い磁場依存をもつという問題があった。これは、外乱として外から侵入する外部磁界により書きこみ特性が変動することを意味し、実用化に対する障害となる。また、記録再生素子の集積度を上げていくと、配線を流れる電流で発生する電流磁界の影響によっても書きこみ特性が変動してしまう。
【００５６】
これに対して、本発明によれば、正味の磁化がゼロの多層膜を記録部ＲＥとして用いることで、この問題を回避し、書きこみ時における外乱（磁界）影響を極力下げることができる。
【００５７】
次に、本実施形態の磁気記録素子における「読み出し」の方法について説明する。本実施形態の磁気記録素子において、記録部ＲＥの強磁性層ＦＭ１あるいはＦＭ２の磁化の方向の検出は、「磁気抵抗効果」を利用して行うことができる。
【００５８】
図１０は、磁気抵抗効果を説明するための概念図である。すなわち、磁気抵抗効果を利用する場合、中間層Ｓを介して設けられた磁性層Ｘ１、Ｘ２の間でセンス電流Ｉを流し、磁気抵抗を測定すればよい。  
図１０（ａ）は、磁性層Ｘ１の磁化Ｍ１と、磁性層Ｘ２の磁化Ｍ２とが同一の方向の場合を表す。この場合、これらにセンス電流Ｉを流して検出される磁気抵抗は、ノーマルタイプの磁気抵抗効果において相対的に小さな値となり、リバースタイプの磁気抵抗効果においては相対的に大きな値となる。
【００５９】
一方、図１０（ｂ）は、磁性層Ｘ１の磁化Ｍ１と、磁性層Ｘ２の磁化Ｍ２とが反平行の場合を表す。この場合、これらにセンス電流Ｉを流して検出される磁気抵抗は、ノーマルタイプの磁気抵抗効果において相対的に大きな値となり、リバースタイプの磁気抵抗効果においては相対的に小さな値となる。  
これら抵抗が互いに異なる状態に、それぞれ「０」と「１」を対応づけることにより、２値データの読み出しが可能となる。
【００６０】
本発明の具体例である、図４から図９での「読み出し」においては、記録部ＲＥが図１０における磁性層Ｘ１であり、中間層に隣接した磁性層の磁化が図１０における磁化Ｍ１である。また、図４から図７の中間層はあり、図８,図９の一方の中間層が図１０における中間層Ｓである。さらに固着層は図１０での磁性層Ｘ２である。
【００６１】
図４から図９のそれぞれの素子の上下に電極ＥＬ１および電極ＥＬ２を設け、電極ＥＬ１とＥＬ２との間で、書き込みのための臨界電流よりも小さいセンス電流を流すことによって、再生が可能となる。この場合、電流の流す向きは電極ＥＬ１から電極ＥＬ２へでも、電極ＥＬ２から電極ＥＬ１へでもどちらでもよい。
【００６２】
メモリ大きな再生出力を得るためには、図４から図７の中間層あるいは図８、図９の一方の中間層は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３−Ｘ）あるいは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ＳｉＯ２、Ｓｉ―Ｏ―Ｎ、ＧａＡｌＡｓなどの絶縁体あるいは半導体からなるトンネルバリア材料を用いて、トンネル磁気抵抗効果を測定するか、あるいは、ホールが形成されそのホールに磁性体あるいは導電性金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）が埋めこまれたＳｉＯ２あるいはアルミナを用いて電流パスが限定された垂直通電ＭＲ効果を用いるとよい。
【００６３】
図４の素子構造を例として、図１１から図１３を用いて再生についてさらに説明する。  図１１は、図４の素子に書き込み電流未満のセンス電流を流し、磁気抵抗効果を検出する具体例を表す模式図である。  
中間層Ｓにはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３−Ｘ）あるいは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ＳｉＯ２、Ｓｉ―Ｏ―Ｎ、ＧａＡｌＡｓなどの絶縁体あるいは半導体からなるトンネルバリア材料を用いると、大きな磁気抵抗効果を得ることができ、好ましい。
【００６４】
図１１（ａ）は、強磁性層ＦＭ２の磁化Ｍ２と、磁性固着層Ｐの磁化Ｍとが反平行の場合を表す。この場合、センス電流Ｉを流して検出される磁気抵抗は、ノーマルタイプの磁気抵抗効果において相対的に大きな値となり、リバースタイプの磁気抵抗効果においては相対的に小さな値となる。
【００６５】
一方、図１１（ｂ）は、強磁性層ＦＭ２の磁化Ｍ２と、磁性固着層Ｐの磁化Ｍとが平行の場合を表す。この場合、センス電流Ｉを流して検出される磁気抵抗は、ノーマルタイプの磁気抵抗効果において相対的に小さな値となり、リバースタイプの磁気抵抗効果においては相対的に大きな値となる。  
このようにして、記録部ＲＥの磁化を検出することによりデータの読み出しが可能となる。
【００６６】
図１２は、大きな磁気抵抗効果が得られる磁気記録素子の具体例を表す模式断面図である。
【００６７】
すなわち、本具体例の場合、中間層Ｓに中間物質層ＩＥが挿入されている。この中間物質層ＩＥは、磁気抵抗効果の増大を起こすためのものである。中間物質層ＩＥとしては、例えば、不連続な絶縁性の薄膜を挙げることができる。すなわち、ピンホールなどを有する絶縁性の薄膜を中間層に挿入することにより、磁気抵抗効果を増大させることが可能となる。この構造によるＭＲは、「ＣＣＰ（Current-Confined-Pass）−ＣＰＰ（Current-Perpendicular-to-Plane）−ＭＲ（MagnetoResistance effect）素子」と呼ばれる。
【００６８】
このような不連続な絶縁性の薄膜としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）と銅（Ｃｕ）の合金の酸化物または窒化物、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の合金の酸化物または窒化物、アルミニウム（Ａｌ）と銅（Ｃｕ）の合金の酸化物または窒化物などを挙げることができる。
【００６９】
これら合金の酸化物や窒化物などの化合物は、加熱等によって平衡状態へ近づけることで相分離し、ＡｕやＣｕ等の化合物化（酸化や窒化など）されにくく従って低電気抵抗の相と、ＮｉやＡｌ等の酸化等がされやすく電気抵抗が高い化合物相とに分離する。このため、組成および温度あるいは印加エネルギーを制御することにより、ピンホールが存在する不連続な絶縁性薄膜を形成することができる。このように非磁性体が充填されたピンホールを形成すると、電流が流れる経路を狭窄することができ、スピン依存散乱効果を高抵抗で検出できるため、大きな磁気抵抗効果が得られる。
【００７０】
このような中間物質層ＩＥを中間層Ｓに挿入することにより、その両側の強磁性層と磁性固着層との間の磁気抵抗効果が増大されて検出が容易となる。
【００７１】
図１３は、磁気抵抗効果を増大させる磁気記録素子の他の具体例を表す模式断面図である。  
すなわち、本具体例の場合、中間層Ｓは、ピンホールＰＨを有する絶縁層とされている。ピンホールＰＨは、その両側の強磁性層ＦＭ２および磁性固着層Ｐの少なくともいずれかの材料により埋め込まれている。
【００７２】
このように、強磁性層ＦＭ２と磁性固着層ＰとがピンホールＰＨを介して接続されていると、いわゆる「磁性ポイントコンタクト」が形成され、極めて大きい磁気抵抗効果が得られる。従って、このピンホールＰＨを介した両側の磁性層の間での磁気抵抗効果を検出することにより、強磁性層ＦＭ２の磁化Ｍ２の方向を高感度に判定することができる。この構造によるＭＲは、「ナノコンタクトＭＲ」と呼ばれる。
【００７３】
ここで、ピンホールＰＨの開口径は、概ね２０ｎｍ以下であることが望ましい。また、ピンホールＰＨの形状は、円錐状、円柱状、球状、多角錘状、多角柱状などの各種の形状を取りうる。また、ピンホールＰＨの数は、１個でも複数でもよい。但し、少ない方が望ましい。
【００７４】
一方、図８及び図９に関して前述した磁気記録素子の場合、２つの直列型の磁気抵抗部が生じる。すなわち、中間層Ｓ１を挟んで磁性固着層Ｐ１（図９の場合はＰ２）と強磁性層ＦＭ１とが積層した第１の磁気抵抗部と、中間層Ｓ２を挟んで磁性固着層Ｐ２（図９の場合はＰ３）と強磁性層ＦＭ２とが積層した第２の磁気抵抗部と、が形成されている。
【００７５】
これらの磁気記録素子において、電極ＥＬ１とＥＬ２との間で直列にセンス電流を流した場合、第１及び第２の磁気抵抗部は、中間層Ｓ１とＳ２の抵抗が同じで抵抗変化率が同等なら、磁気抵抗効果はキャンセルアウトされてしまうため、記録部ＲＥの磁化状態を検出できない。  
図８及び図９のようにＳ１とＳ２の２つの中間層を持つ場合には、中間層Ｓ１とＳ２のいずれかに、非磁性金属中間層を用い、もう片方に、図１１に関して前述した絶縁層あるいは半導体層や、図１２に関して前述した中間物質層ＩＥや、図１３に関して前述したピンホールＰＨを有する絶縁層を設ける。これにより、記録部ＲＥの磁化の状態を高感度で検出し、かつ効率良く書き込みを行うことができる。
【００７６】
以上説明したように、本実施形態によれば、素子特性のバラツキが少なく、外部磁界の影響が極めて少なく、かつ高信頼性の記録状態の保持と書きこみ特性、さらに再生特性を有する磁気記録素子を提供できる。この磁気記録素子を用いることにより、後に実施例を挙げて説明するように、記録再生特性にすぐれ大幅な集積化が可能な固体磁気メモリ、プローブストレージなどの磁気記録再生装置が実現可能となる。
【００７７】
次に、本発明の磁気記録素子において、２つの磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の磁化Ｍ１、Ｍ２の方向を互いに反平行にする方法について説明する。  
まず、第１の方法として、固着層Ｃ１、Ｃ２を静磁結合させることにより、磁化Ｍ１、Ｍ２を反平行にする方法を挙げることができる。
【００７８】
図１４は、強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の静磁結合を表す模式断面図である。すなわち、本具体例の場合、記録部ＲＥの両側面に絶縁層ＩＬを介して磁気ヨークＭＹが設けられている。磁気ヨークＭＹには、その内部に矢印で表したような磁界が形成され、これら磁気ヨークＭＹと強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２を介した環流磁界が形成されている。このように、磁気ヨークＭＹを介して強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２を静磁結合させると、環流磁界により、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とを反平行にすることができる。
【００７９】
同様の施策は、磁性固着層Ｐ１〜Ｐ４についても実施可能である。つまり、図１４に表したように、磁性固着層Ｐ１とＰ２、Ｐ３とＰ４をそれぞれ静磁結合させることにより磁化を反平行にすることができる。  
またさらに、一方の磁性固着層の外側に接して反強磁性層を形成して一方向異方性を付与することで固着層の磁化方向は制御可能となる。
【００８０】
図１５は、反強磁性層を設けた磁気記録素子を表す模式断面図である。すなわち、磁性固着層Ｐ４の下に反強磁性層ＡＦが設けられ、磁性固着層Ｐ４と磁性結合させることにより、磁化ＰＭ４の方向が固定されている。そして、磁気ヨークＭＹを介してこの磁性固着層Ｐ４と静磁結合している磁性固着層Ｐ３の磁化ＰＭ３は、磁化ＰＭ４とは逆方向となる。なお、磁性固着層Ｐ１、Ｐ２についても同様とすることができる。
【００８１】
一方、本発明において、記録部ＲＥの強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の磁化Ｍ１、Ｍ２の方向を反対にする方法としては、これらの間に設けられる非磁性層ＮＭの膜厚を調節する方法がある。  
すなわち、一般に、非磁性層ＮＭを介した層間交換相互作用は、図１９に模式的に表したように非磁性層ＮＭの膜厚に対して正負に振動する。従って、図１９において負の交換相互作用が得られるピーク位置（例えば、ｔ１）に対応するように、非磁性層ＮＭの膜厚を設定すればよい。  
このような構造にすれば、強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の磁化方向を反平行に結合できる。
【００８２】
次に、本発明の磁気記録素子において、磁性固着層ＰあるいはＰ１〜Ｐ４を固着する方法について説明する。  
磁性固着層ＰあるいはＰ１〜Ｐ４を固着するためには、反強磁性層ＡＦを磁性層へ接するように設ける。すなわち、図４および図５に説明の磁気記録素子においては、図１６（ａ）に例示したように磁性固着層Ｐと電極ＥＬ２との間に反強磁性層ＡＦを設ける。
【００８３】
図６に表した磁気記録素子の場合は、図１６（ｂ）に表したように反強磁性結合した磁性固着層Ｐ１とＰ２とを固着するために、磁性固着層Ｐ２と電極ＥＬ２との間に反強磁性層ＡＦを設ける。
【００８４】
図７に表した磁気記録素子の場合は、図１７（ａ）に表したように反強磁性結合した磁性固着層Ｐ１とＰ２とを固着するために、磁性固着層Ｐ１と電極ＥＬ１との間に反強磁性層ＡＦを設ける。
【００８５】
図８に表した磁気記録素子の場合は、図１７（ｂ）に表したように磁性固着層Ｐ１と磁性固着層Ｐ２とを固着するために、各々、電極ＥＬ１と電極ＥＬ２との間に反強磁性層ＡＦを設ける。
【００８６】
図９に表した磁気記録素子の場合は、図１８に表したように反強磁性結合した磁性固着層Ｐ１とＰ２とを固着し、さらに反強磁性結合した磁性固着層Ｐ３とＰ４とを固着するために、磁性固着層Ｐ１と電極ＥＬ１との間および、磁性固着層Ｐ４と電極ＥＬ２との間およびに反強磁性層ＡＦを設ける。
【００８７】
以上の構造とすることで、固着磁性層を磁化固着することが可能となる。
【００８８】
次に、本発明の磁気記録素子を構成する各要素について詳述する。
【００８９】
まず、強磁性層ＦＭ１〜ＦＭ４や、磁性固着層Ｐ１〜Ｐ４の材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、または、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、「パーマロイ」と呼ばれるＮｉＦｅ系合金、あるいはＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料、ホイスラー合金、磁性半導体、ＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１―ＸＳｒＸＭｎＯ３などのハーフメタル磁性体酸化物（あるいはハーフメタル磁性体窒化物）のいずれかを用いることができる。
【００９０】
ここで「磁性半導体」としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかの磁性元素と、化合物半導体または酸化物半導体とからなるものを用いることができ、具体的には、例えば、（Ｇａ、Ｃｒ）Ｎ、（Ｇａ、Ｍｎ）Ｎ、ＭｎＡｓ、ＣｒＡｓ、（Ｇａ、Ｃｒ）Ａｓ、ＺｎＯ：Ｆｅ、（Ｍｇ、Ｆｅ）Ｏなどを挙げることができる。
【００９１】
本発明においては、強磁性層ＦＭ１〜ＦＭ４、磁性固着層Ｐ１〜Ｐ４の材料として、これらのうちから用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。  
また、これら磁性層に用いる材料としては、連続的な磁性体でもよく、あるいは非磁性マトリクス中に磁性体からなる微粒子が析出あるいは形成されてなる複合体構造を用いることもできる。このような複合体構造としては、例えば、「グラニュラー磁性体」などと称されるものを挙げることができる。
【００９２】
また一方、強磁性層ＦＭ１〜ＦＭ４の材料として、［（ＣｏあるいはＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅあるいはＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金あるいはＮｉ）］からなる２層構造、あるいは［（ＣｏあるいはＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅあるいはＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金あるいはＮｉ）／（ＣｏあるいはＣｏＦｅ合金）］からなる３層構造の積層体を用いることもできる。これらの多層構造からなる磁性層の場合、外側のＣｏあるいはＣｏＦｅ合金の厚さは０．２ｎｍから１ｎｍの範囲であることが好ましい。この構造によれば、より小さな電流で磁化反転を得ることができる。
【００９３】
記録部ＲＥの複数の強磁性層を反強磁性結合させるための非磁性層ＮＭの材料、および磁性固着層として反強磁性結合させた積層構造を用いる際に必要となる反強磁性結合層ＡＣの材料としては、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）などの非磁性金属層および反強磁性体を用いることが望ましい。これらの膜厚は、０．２ｎｍ〜３ｎｍであることが反強磁性結合を得るために望ましい。
【００９４】
磁性固着層Ｐ１〜Ｐ４は、上述した材料により形成し、反強磁性層に接して設ける（図１５乃至図１８参照）ことで交換バイアスにより磁化固着させることができる。そのための反強磁性材料としては、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）、白金マンガン（ＰｔＭｎ）、パラジウム・マンガン（ＰｄＭｎ）、パラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）などを用いることが望ましい。なお、磁性固着層としては、反強磁性結合した強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる積層体を用い、この積層体に反強磁性体層を接して設けることで磁化を固着できる。このような固着磁性層を用いると、固着磁性層自身からの漏れ磁界も小さくなり、磁気記録素子の特性がさらに安定する。
【００９５】
記録再生のために設ける中間層Ｓ（あるいはＳ１、Ｓ２など）の材料としては、低抵抗材料と高抵抗材料の２通りが挙げられる。
【００９６】
低抵抗材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金を挙げることができる。これら低抵抗の非磁性金属材料からなる中間層の厚さは、１ナノメータから６０ナノメータであれば、磁化反転の効果を得ることができる。
【００９７】
高抵抗材料としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３−Ｘ）あるいは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ＳｉＯ２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏなどの、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物あるいは窒化物、フッ化物からなる絶縁体、ＧａＡｌＡｓなどのギャップの大きな半導体を挙げることができる。また、前記絶縁体にピンホールが形成され、そこに磁性層が進入したナノコンタクトＭＲ材料や、あるいはＣｕが侵入したＣＣＰ（Current-Confined-Pass）−ＣＰＰ（Current-Perpendicular-to-Plane）−ＭＲ（MagnetoResistance effect）材料を用いると、大きな再生出力を得ることができる。前者のトンネル磁気抵抗効果用絶縁体の場合、その厚さは０．２ナノメータから２ナノメータとすることが、信号再生上は望ましい。  
ナノコンタクトＭＲ、ＣＣＰ−ＣＰＰ−ＭＲの場合は、中間層Ｓの厚さは０．４ｎｍナノメータから４０ナノメータの範囲内であることが望ましい。
【００９８】
なお、「ノーマルタイプ」の磁気抵抗効果を得るための中間層Ｓ１、Ｓ２の材料としては、上述したように、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）およびこれらの化合物、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３−Ｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化アルミニウム（Ａｌ−Ｎ）、酸化窒化シリコン（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）、銅（Ｃｕ）が中に詰められた穴付き絶縁体、磁性体材料が中に詰められた穴付き絶縁体などを挙げることができる。
【００９９】
中間層Ｓ１、Ｓ２の材料としてこれらの材料を用い、両側に配置される強磁性層ＦＭ１、ＦＭ、磁性固着層Ｐ１、Ｐ２の材料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはＣｏＦｅやＮｉＦｅなどのこれらおよびＭｎ、Ｃｒのいずれかを含む合金、あるいはＣｏＦｅＢ、ホイスラー合金などのいわゆる金属系強磁性体を組み合わせることで、強磁性層ＦＭ１と磁性固着層Ｐ１との間、および強磁性層ＦＭ２と磁性固着層Ｐ２との間でノーマルタイプの磁気抵抗効果が得られる。
【０１００】
また、これら磁性層にＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１―ＸＳｒＸＭｎＯ３等の酸化物系の磁性体を用いる場合もノーマルタイプの磁気抵抗効果が得られる。
【０１０１】
一方、リバースタイプの磁気抵抗効果を得るための中間層Ｓ１、Ｓ２の材料としては、酸化タンタル（Ｔａ‐Ｏ）などを挙げることができる。つまり、強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２および磁性固着層Ｐ１、Ｐ２の材料として、前記したいわゆる金属系強磁性体を用いた場合、酸化タンタルの中間層Ｓ１、Ｓ２と組み合わせることでリバースタイプタイプの磁気抵抗効果が得られる。
【０１０２】
さらにリバースタイプの磁気抵抗効果が得られる磁性層／中間層／磁性層の組み合わせとしては、金属系磁性層／酸化物絶縁体中間層／酸化物系磁性層という組合せを挙げることができる。例えば、Ｃｏ／ＳｒＴｉＯ３／Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３、Ｃｏ９Ｆｅ／ＳｒＴｉＯ３／Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３等を用いることができる。  
また、リバースタイプの磁気抵抗効果が得られる磁性層／中間層／磁性層の組合せとして、Ｆｅ３Ｏ４／ＣｏＣｒ２Ｏ４／Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３等のマグネタイト／絶縁体中間層／ぺロブスカイト系酸化物磁性体からなる系を挙げることができる。  
またさらに、リバースタイプの磁気抵抗効果が得られる磁性層／中間層／磁性層の組合せとして、ＣｒＯ２／Ｃｒ酸化物絶縁体／Ｃｏを挙げることができる。
【０１０３】
一方、本発明の磁気記録再生素子の平面形状としては、強磁性層ＦＭ１〜ＦＭ４の平面形状が、たて横比で１：１から１：５の範囲にあるような長方形、縦長（横長）６角形、楕円形、菱型、平行四辺形とすることが望ましい。また、その強磁性層の寸法は、長手方向の一辺が５ナノメータから5００ナノメータ程度の範囲内とすることが望ましい。なお、図１〜図１８においては、２つの電極間の強磁性層、非磁性層、中間層、磁性固着層の横方向サイズは、断面が台形を形成して連続的に変化しているが、層の途中で、横方向サイズが非連続的に変化しても本発明の要件を満たせば効果がある。
【０１０４】
また、磁性固着層が基板側にある場合、その層の横方向サイズを台形断面形状から予測されるサイズよりも相当に大きくすることで、強磁性層への磁性固着層磁極からの漏れ磁場の影響を小さくすることができ、強磁性層の反転挙動を妨げないという効果が得られる。
【０１０５】
また、図１〜図１８において、台形となっている断面の側面は斜めの直線から構成されているが、これが曲線あるいは折れ曲がり線でも本発明の要件を満たせば、特性上問題はない。
【０１０６】
さらに、基板に近い電極ＥＬ２は、台形断面形状から予測される横方向サイズよりも十分大きくしても本発明の素子特性に影響はなく、問題ない。  
さらにまた、図１〜図１８においては、上部の電極ＥＬ１の断面も台形状をなしているが、電極ＥＬ１の横方向サイズがこれよりも十分に大きくても素子特性に影響はなく、問題ない。
【０１０７】
以下、実施例を参照しつつ、本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【０１０８】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例として、本発明の磁気記録素子の電流注入による書込み特性について、磁性単層からなる記録層を有する磁気記録素子の電流注入による書きこみ特性と比較しつつ説明する。  
図２０は、本発明者が試作した磁気記録素子の断面構造を表す模式図である。ここで作成した磁気記録素子の構造は、次のとおりである。
（サンプル１）
下電極/[PtMn15nm/CoFe4nm/Ru1nm/CoFe4nm]/Cu6nm/[CoFe1.2 nm/Ru1nm/CoFe1.3nm]  
（サンプル２）
下電極/[PtMn15nm/CoFe4nm/Ru1nm/CoFe4nm]/Cu6nm/CoFe2.5nm  
サンプル１は、本発明の実施例の磁気記録素子であり、図１６（ｂ）に例示したものに対応する。一方、サンプル２は、比較例としての単層膜記録層を有する磁気記録素子である。いずれも、白金マンガンからなる反強磁性層ＡＦにより磁化固着された磁性固着層Ｐ２、反強磁性結合層ＡＣ、磁性固着層Ｐ１を有する。また、いずれのサンプルも、中間層Ｓとして厚み６ナノメータの銅（Cu）を用いている。
【０１０９】
そして、サンプル１は、記録部を構成する強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２としてそれぞれ厚み１．２および１．３ナノメータのコバルト鉄（CoFe）を用い、非磁性層ＮＭとして厚み１ナノメータのルテニウム（Ru）を用いている。これに対して、サンプル２は、磁化記録用の強磁性層として厚み２．５ナノメータのコバルト鉄を用いている。サンプル１とサンプル２の磁気記録部の合計の磁化は同じになるように膜厚設定されている。これらサンプル１及び２に対して、中間層ＳであるＣｕ層を介して電流注入することにより書きこみを実施し、同じＣｕ層を介した垂直通電の磁気抵抗測定によって再生を実施した。
【０１１０】
これらサンプルの作製手順は、以下の如くである。  
まず、超高真空スパッタ装置を用いて、ウェーハ上にタンタル（Ta）層と銅（Cu）層からなる下側電極膜を形成し、その上に、上記の積層構造を有する膜を形成した。そして、この積層構造上には、上側電極として、銅（Cu）層とタンタル（Ta）層を形成した。  
次に、このウェーハを磁場中真空炉にて、２７０℃で１０時間の磁場中アニールして、一方向異方性を付与した。この積層膜に対し、ＥＢ（electron beam：電子線）レジストを塗布してＥＢ露光したのち、所定の形状のマスク（ここでは、サイズ７０ｎｍ×１００ｎｍで、長手方向が一方向異方軸と平行方向とした）を形成した。
【０１１１】
次に、イオンミリング装置によりマスクに被覆されない領域をPtMn層までエッチングした。ここで、エッチング量は、スパッタされた粒子を差動排気による四重極分析器に導入して質量分析することによって正確に把握できる。
【０１１２】
エッチング後、マスクを剥離し、さらにＳｉＯ２を成膜し、表面をイオンミリングにより平滑化し、タンタル（Ta）層の頭だしを行なった。このタンタル（Ta）層の上に、上部配線を形成した。この素子の形状は、断面ＴＥＭ観察により台形状であることを確認した。
【０１１３】
まず、磁気抵抗効果の測定結果について説明する。  
図２１（ａ）は、本発明の実施例であるサンプル１の磁気抵抗効果を表し、同図（ｂ）は比較例であるサンプル２の磁気抵抗効果をそれぞれ表すグラフ図である。  
これらグラフの縦軸は微分抵抗を表すが、この測定においては電流は変化していないのでそのまま抵抗に読み替えることができる。
【０１１４】
まず、図２１（ｂ）に表したサンプル２の結果について説明すると、印加した磁場がプラス９５Ｏｅ（エルステッド）近傍とマイナス１３０Ｏｅ近傍において抵抗が変化しており、ここで記録層の磁化の向きが変わっていることが分かる。すなわち、サンプル２では、プラス９５Ｏｅ以上、あるいはマイナス１３０Ｏｅ以下の外部からの磁場が印加されると、記録層の記録状態が変化してしまうことが分かる。
【０１１５】
これに対して、図２１（ａ）に表したサンプル１の場合、磁気記録素子の抵抗は、印加された磁場がマイナス５００Ｏｅからプラス５００Ｏｅまでの範囲内でほぼ一定であることが分かる。つまり、サンプル１は、この磁場範囲で記録部の磁化の向きが変わらず、サンプル２と比べて、外部磁場に対して極めて安定な磁気記録素子であることが分かる。
【０１１６】
次に、サンプル２の電流書き込み特性について説明する。  
図２２は、サンプル２についての外部磁場がゼロの時の書きこみ特性を表すグラフ図である。この図において電流の極性は、電子の流れが磁性固着層から記録層へ流れるときの電流をプラスと定義している。  
図２２から、低抵抗状態と高抵抗状態とが存在し、記録層の磁化が磁性固着層に対してそれぞれ平行、反平行となっていることが分かる。すなわち、電子が磁性固着層から記録層へ流れるときに抵抗が低くなり、記録層の磁化は磁性固着層に対して平行となる。また逆に、電子が記録層から磁性固着層へ流れる時には、磁化が反平行となる。磁化を反転させるために必要な電流を臨界電流Ｉｃとすると、Ｉｃ以上の電流を流せば、記録ができることが分かる。
【０１１７】
図２３は、サンプル２について外部から磁場を印加した時の書き込み特性を表すグラフ図である。すなわち、同図には、外部磁場としてマイナス１５０Ｏｅからプラス１５０Ｏｅまでの磁場を印加した結果を表した。  
図２３から、外部磁場によってヒステリシスがシフトし、臨界電流Ｉｃが変化することが分かる。すなわち、外部磁場が磁気記録素子に印加されてしまうと臨界電流Ｉｃがシフトし、本来書きこめるはずの書き込み電流Ｉｗで記録ができなくなる場合が生ずる。あるいは逆に、臨界電流Ｉｃよりも小さい再生電流Ｉｒでも記録層の磁化状態が変化し、信号が不必要に書きこまれる場合が生ずる。
【０１１８】
ここで、磁性固着Ｐ１と強磁性層（記録層）ＦＭの磁化が平行配置になる場合の臨界電流をＩｃ＋とし、反平行になる場合の臨界電流をＩｃ−とすると、それらの磁場に対する変化は図２４のようになる。臨界電流の磁場に対する変化は、外部磁場１００Ｏｅの増加に対し、Ｉｃ＋についてはゼロ磁場近傍でマイナス１．２ミリアンペア、Ｉｃ−については同じくゼロ磁場近傍でマイナス０．６ミリアンペアほど変化することが分かった。
【０１１９】
次に、サンプル１の電流書き込み特性について説明する。  
図２５は、サンプル１について外部磁場がゼロの時の書きこみ特性を表すグラフ図である。  
同図から、サンプル２と同様に電流の極性に応じて信号の書きこみができていることがわかる。また、記録部ＲＥの磁性固着層側の強磁性層ＦＭ２の磁化方向と磁性固着層の記録部ＲＥ側の磁性固着層Ｐ１の磁化方向との相対角度が、平行か反平行かによって抵抗が変わり、これを検出することで記録部ＲＥの状態を検出できることが分かる。
【０１２０】
図２６は、サンプル１についての書きこみ臨界電流の磁場依存性を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は外部磁場、縦軸は臨界電流をそれぞれ表す。  
図２６から、サンプル１は、サンプル２と比べて、外部磁場に対しても変化が少ないことが分かる。具体的な変化量は、外部磁場１００Ｏｅの増加に対してＩｃ＋についてはマイナス０．０５ミリアンペア、Ｉｃ−についてはマイナス０．０２ミリアンペアの変化に押さえられている。つまり、サンプル１は、外部からの磁場に対して極めて安定であることが分かる。
【０１２１】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例として、記録部の上下に磁性固着層を設けたサンプルを試作した結果について説明する。  
図２７は、本発明者が試作した磁気記録素子の断面構造を表す模式図である。ここで作成した磁気記録素子の構造は、次のとおりである。
（サンプル３）
下電極/[PtMn15nm/CoFe4nm/Ru1nm/CoFe4nm]/Al2O3―Ｘ1nm/[CoFe1.2 nm/Ru1nm/CoFe1.３nm]/Cu6nm/[CoFe4nm/Ru1nm/CoFe5nm/PtMn15nm]
（サンプル４）
下電極/[PtMn20nm/CoFe20nm]/Al2O3―Ｘ1nm/[CoFe1.2 nm/Ru1nm/CoFe1.3nm]/Cu6nm/[CoFe6nm/PtMn15nm]
サンプル３および４は、図１７（ｂ）および図１８に例示したものに対応する。すなわち、本実施例のサンプル３及びサンプル４は、記録部ＲＥの上下に磁性固着層が設けられ、これによって反転電流の低減化が図られている。これら上下の磁性固着層の磁化方向を互いに平行とすることで、記録部ＲＥの上下２面にスピン偏極電子を作用させることができる。これらサンプル３及びサンプル４においては、電極ＥＬ１から電極ＥＬ２に向けて電子電流を流すと、記録部ＲＥの上側の強磁性層ＦＭ１の磁化が右向き（下側の強磁性層ＦＭ２の磁化は左向き）となり、逆に電子電流を流すことでこれら強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の磁化を反転させることができる。なお、図２７に示すように、サンプル３および４において、素子加工際のミリング深さは、アルミナ層の表面までとしている。
【０１２２】
サンプル３及びサンプル４では、中間層Ｓ２としてアルミナを用いているので、ＴＭＲ（Tunneling MagnetoResistance effect）効果により大きな再生出力を得ることができる。一方、中間層Ｓ１を介した上下の磁性層（サンプル３では磁性固着層Ｐ２と強磁性層ＦＭ１、サンプル４では磁性固着層Ｐ１と強磁性層ＦＭ１）の磁化配置による磁気抵抗効果（ＣＰＰ−ＭＲ）はＴＭＲをキャンセルする方向に働く。しかし、磁気抵抗値がＴＭＲに比べて小さく、かつ抵抗も数桁も小さいので、ほとんど無視できる。つまり、中間層Ｓ２を介したＴＭＲ効果による読み出しができる。
【０１２３】
また、信号０および信号１書き込み時の磁化反転電流の平均値は、サンプル３およびサンプル４それぞれ、０．３４ｍＡおよび０．４２ｍＡとなった。一方、中間層Ｓ１およびその上側の磁性固着層がない場合の比較構造において、サンプル３の比較例とサンプル４の比較例とはそれぞれ１．５０ｍＡと１．７２ｍＡとなった。従って、固着層を記録部の両側に設けることによって反転電流は数分の１の値となった。ただし、サンプル４は上部固着層からの漏れ磁場があるので、反転電流の非対称性は大きい。
【０１２４】
一方、サンプル３及びサンプル４について、それぞれの反転電流の磁場依存を測定した結果、サンプル３については１００Ｏｅの磁場変化に対する反転電流の平均シフト量は０．０１ｍＡ、サンプル４については１００Ｏｅの磁場変化に対する反転電流の平均シフト量は０．０２ｍＡであった。
【０１２５】
これらの結果から、図１７（ｂ）および図１８に例示した構造は、外部磁場に対する影響が少なく、安定動作することを確認できた。
【０１２６】
なお、サンプル３、４のＡｌ２Ｏ３―Ｘの代わりに、ＭｇＯ、ＳｉＯ２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、ホールが形成されそのホールに磁性体あるいは導電性金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）が埋めこまれたＳｉＯ２あるいはＡｌ２Ｏ３を用いた場合にも、上記と同様の傾向が得られることを見出した。
【０１２７】
（第３の実施例）
本発明の第３の実施例として、記録部を構成する上下の磁性層の厚さについて議論する。サンプル５として、図１７（ａ）に表した本発明の構造をもち、台形のなす角度θが４５度の素子を作製した。素子構造は次の通りである。
（サンプル５）
下電極/[PtMn15nm/CoFe4nm/Ru1nm/CoFe4nm]/Al2O3-x0．7nm/[CoFe1.4 nm/Ru1nm/CoFe1.６nm]/上電極
また比較例として、下記の構造のサンプル６を作製した。
（サンプル６）
下電極/[PtMn15nm/CoFe4nm/Ru1nm/CoFe4nm]/Al2O3-X0．7nm/[CoFe1.７ nm/Ru1nm/CoFe1.３nm]/上電極
サンプル５は次のように作製した。まず、ウェーハ上に下電極を形成したのち、そのウエハを超高真空スパッタ装置へ導入し、PtMn（20nm）/CoFe4nm/Ru1nm/CoFe4nm/Alからなる多層膜を堆積させた。次にスパッタ装置へ酸素を導入してＡｌを酸化させてＡｌ２Ｏ３−Ｘを形成した。このＡｌ２Ｏ３−Ｘの上に、さらにCoFe1.4nm/Ru1nm/CoFe1.6nm多層膜を堆積させて、装置から取り出した。次に、レジストを塗布してＥＢ描画装置にて電子ビーム露光した後、上記エレメントサイズに対応したマスクパターンを形成した。このパターンに対してイオンミリング装置にてＡｌ２Ｏ３−Ｘの上部までミリングしてエレメントを形成した。エレメント形状は、エレメントの長手軸方向を交換バイアス方向になるよう設定した。エレメントの周りにＳｉＯ２を埋めこみ、上部電極を形成して素子を形成した。  
素子部の側面角度θは、イオンミリング時のエネルギーおよびビーム電流量により４５度になるように調整した。
【０１２８】
作製したサンプル５およびサンプル６のゼロ磁場における平均反転電流は、それぞれ２．４ｍＡおよび２．９ｍＡと、極端な違いはなかった。これに対して、磁場依存を求めたところ、外部磁場１００Ｏｅの変化に対してサンプル５の平均反転電流シフトは０．０１ｍＡ以下であったのに対し、サンプル６についての反転電流シフトは０．３ｍＡと一桁大きく現れた。サンプル６の反転電流シフト量は反転電流の約１割に達しており、磁場外乱の問題が発生することがわかる。また、サンプル５および６についての記録部の正味の磁化（打ち消しあわなかった磁化）を求めたところ、サンプル５については１．８×１０−１６ｅｍｕであり、サンプル６は６×１０−１５ｅｍｕであった。これらより、強磁性層ＦＭ１の磁化Ｍ１と強磁性層ＦＭ２の磁化Ｍ２との絶対値の差は５×１０−１５ｅｍｕ以下であることが望まことがわかる。
【０１２９】
これらより、図１７（ａ）に例示した本発明要件を満たす構造は、外部磁場に対する影響が少なく、安定動作することを確認した。
【０１３０】
なお、サンプル５のＡｌ２Ｏ３−Ｘの代わりに、ＭｇＯ、ＳｉＯ２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、ホールが形成されそのホールに磁性体あるいは導電性金属（Ｃｕ、Ａｇ，Ａｕ）が埋めこまれたＳｉＯ２あるいはＡｌ２Ｏ３−Ｘを用いた場合にも、上記と同様の傾向が得られることを見出した。
【０１３１】
（第４の実施例）
本発明の第４の実施例として、記録部の角度θについて触れておく。  
サンプル７〜１０として、図１８に示す本発明の構造をもつサンプルで、しかし台形のなす角度θが異なる本発明の素子および比較素子を作製した。素子の基本層構造は次の通りである。
下電極/[PtMn15nm/CoFe4nm/Ru1nm/CoFe4nm]/Al2O3−Ｘ０．６nm/[CoFe1.2 nm/Ru1nm/CoFe1.5nm]/Cu6nm/[CoFe4nm/Ru1nm/CoFe5nm/PtMn15nm]/上電極
サンプル７〜１０は次のように作製した。  
まず、ウエハ上に下電極を形成したのち、そのウエハを超高真空スパッタ装置へ導入し、PtMn(15nm)/CoFe4nm/Ru1nm/CoFe4nm/Alからなる多層膜を堆積させた。次にスパッタ装置へ酸素を導入してＡｌを酸化させてＡｌ２Ｏ３−Ｘを形成した。このＡｌ２Ｏ３−Ｘの上に、さらに/[CoFe1.2 nm/Ru1nm/CoFe1.5nm]/Cu6nm/[CoFe4nm/Ru1nm/CoFe5nm/PtMn15nm]多層膜を堆積させて、装置から取り出した。次に、レジストを塗布してＥＢ描画装置にて電子ビーム露光した後、上記エレメントサイズに対応したマスクパターンを形成した。このパターンに対してイオンミリング装置にてＰｔＭｎ層の上部までミリングしてエレメントを形成した。エレメント形状は、エレメントの長手軸方向を交換バイアス方向になるよう設定した。エレメントの周りにＳｉＯ２を埋めこみ、上部電極を形成して素子を形成した。
【０１３２】
素子部の側面角度θは、イオンミリング時のエネルギーおよびビーム電流量により２５度、３５度、８０度、９０度になるように調整した。これらの角度は、素子断面の透過電子顕微鏡観察により、確認された。
【０１３３】
作製したサンプル７〜１０について、電流駆動の磁化反転について繰り返し実験をおこなった。得られた結果は次のとおりである。
（サンプル７）側面角度θ＝２５度：プラスマイナス１５ｍＡまで電流を投入したが、磁化反転が観察されなかった。
【０１３４】
（サンプル８）側面角度θ＝３５度：繰り返し実験の結果、平均電流密度１．２×１０−７Ａ／ｃｍ２で磁化反転が観察された。
【０１３５】
（サンプル９）側面角度θ＝８０度：繰り返し実験の結果、平均電流密度７．０×１０−６Ａ／ｃｍ２で磁化反転が観察された。
【０１３６】
（サンプル１０）側面角度θ＝９０度：平均電流密度７．４×１０−６Ａ／ｃｍ２で最初の３回は磁化反転が観察されたが４回目以降で反転しなくなった。
以上より、側面角度θ＝３０度以下では電流パスの問題で、電流を流した場合に書き込みができない。一方、側面角度θ＝８５度以上では熱の逃げが十分でなく熱による素子破壊の問題が発生しやすいことがわかる。これらより、良好な素子特性が得られて、安定性に優れた構造として、側面角度は３０度から８５度までが好ましいことが分かった。
【０１３７】
（第５の実施例）
次に、本発明の第５の実施例として、本発明の磁気記録素子と、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Semicoductor-Oxide Field Effect Transistor）とを組み込んだ磁気メモリ（Magnetic Random Access Memory：ＭＲＡＭ）について説明する。
【０１３８】
図２８は、本実施例の磁気メモリのメモリセルの断面構造を表す模式図である。  
また、図２９は、この磁気メモリの等価回路を表す模式図である。  
すなわち、このメモリセルは、本発明の磁気記録素子１０とＭＯＳＦＥＴ（ＴＲ）とを有する。このメモリセルは、マトリクス状に設けられ、それぞれがビット線ＢＬとワード線ＷＬに接続されている。特定のメモリセルの選択は、そのメモリセルに接続されたビット線ＢＬと、ＭＯＳＦＥＴ（ＴＲ）のゲートＧに接続されたワード線ＷＬとを選択することにより実行される。
【０１３９】
図２８（ａ）及び（ｂ）は、書き込み動作を説明するための概念図である。すなわち、磁気記録素子１０への書きこみは、ビット線ＢＬを通して磁気記録素子１０へ電流を流すことにより行う。磁化反転電流Ｉｃより大きい書きこみ電流Ｉｗを流すことで、磁性記録層Ａに信号を書きこむ。なお、図２８における書き込み電流Ｉｗの方向は、電子電流とは反対の方向である。  
磁気記録素子１０がノーマルタイプのＭＲからなる場合には、電子が最初に流れた磁性固着層の磁化の向きと同方向になるように、記録部ＲＥの電流流入側の強磁性層の磁化が書きこまれる。従って、書き込み電流Ｉｗの極性に応じて、磁性記録層ＲＥの磁化の方向が変化し、同図（ａ）に表したように「０」を書き込み、同図（ｂ）に表したように「１」を書きこむことができる。なお、「０」と「１」の割り当ては、逆にしてもよい。
【０１４０】
図２８（ｃ）及び（ｄ）は、読み出し動作を説明するための概念図である。読み出しは、磁気記録素子１０の抵抗の大きさで検出する。センス電流Ｉｒの向きはどちらの向きでもよいが、センス電流Ｉｒは、磁化反転の臨界電流Ｉｃよりも小さくする必要がある。磁気記録素子１０に高抵抗の中間層Ｓ２を設けた場合、この中間層Ｓ２を介した磁気抵抗効果を検出することができる。
【０１４１】
図２８において、信号「０」が書きこまれた場合には抵抗は高くなり、信号「１」が書きこまれた場合には抵抗は低くなる。これを検出する（抵抗を直接読み取る、あるいは電圧を読み取る、あるいは電流を読み取る）ことで、記録部ＲＥの磁化状態を判定し信号再生を行う。トランジスタＴＲとの整合性を考慮すると、高抵抗の中間層Ｓ２の材料としてはアルミナやＭｇＯなどの絶縁性の高い材料を用いることが望ましい。また、図１３に関して前述したように、絶縁層にホール（孔）が形成され、そこにＣｕや磁性体などが埋めこまれたＣＣＰ−ＣＰＰ−ＭＲあるいはナノコンタクトＭＲも抵抗を調節できるため適している。
【０１４２】
なお、図２８においては、再生信号が低抵抗時に信号「０」を、高抵抗時に信号「１」をアサインしたが、その逆でもよいことは言うまでもない。
【０１４３】
なお、本発明の磁気メモリにおいて磁気記録素子を選択する方法は、ＭＯＳＦＥＴ以外にもある。  
図３０は、ダイオードを用いた磁気メモリを表す模式図である。すなわち、縦横マトリクス状に配線されたビット線ＢＬとワード線ＷＬの交差点の付近に、本発明の磁気記録素子１０と、ダイオードＤとが直列に接続されている。
【０１４４】
この磁気メモリの場合、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとを指定することで特定のメモリセルにアクセスできる。この場合、ダイオードＤは、選択されたワード線ＷＬ及びビット線ＢＬに接続された他のメモリセルを流れる電流成分を遮断する役割を有する。
【０１４５】
（第６の実施例）
次に、本発明の第６の実施例として、本発明の磁気記録素子をクロスポイント型磁気メモリに適応させた具体例について説明する。  
図３１は、本実施例の磁気メモリの構造を例示する模式斜視図である。  
すなわち、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとがマトリクス状に配置され、これらの交差点磁気記録素子１０がそれぞれ設けられている。ここでは、第２実施例のサンプル３を用いた磁気メモリを表した。  
ワード線ＷＬとビット線ＢＬをそれぞれ選択することで、特定の磁気記録素子１０に書込み電流Ｉｗを流し、その極性に応じて「０」または「１」信号を割り当てることができる。再生は、目的の磁気記録素子１０に再生電流Ｉｒを流して、その磁気抵抗効果を検出する。クロスポイント型磁気メモリは、最も高集積化が容易な構造であるといえる。
【０１４６】
（第７の実施例）
次に、本発明の磁気記録素子を用いたプローブストレージ型の磁気メモリについて説明する。
【０１４７】
図３２は、本実施例の磁気メモリを表す模式図である。すなわち、本具体例は、本発明の磁気記録素子を、いわゆる「パターンド（patterned）媒体」に適用し、これにプローブでアクセスする、プローブストレージ型の磁気メモリである。
【０１４８】
記録媒体は、導電性基板１１０の上において、高抵抗の絶縁体１００の面内に、本発明の磁気記録素子１０がマトリクス状に配置された構造を有する。これら磁気記録素子の選択のために、媒体表面上にプローブ２００が設けられ、プローブ２００と媒体表面との相対的位置関係を制御するための駆動機構２１０、磁気記録素子１０にプローブ２００から電流または電圧を印加するための電源２２０、磁気記録素子の内部磁化状態を電気抵抗の変化として検出するための検出回路２３０が設けられている。
【０１４９】
図３２に表した具体例においては、駆動機構２１０はプローブ２００に接続されているが、媒体とプローブとの相対位置が変化すればよいので、媒体側に設けてもよい。同図に表したように、本発明の磁気記録素子１０を複数個、導電性基板１１０の上に配列させてパターンド媒体とし、導電性プローブ２００と基板１１０との間に磁気記録素子１０を介して電流を流すことによって、記録再生を行なう。
【０１５０】
また、図３２に表した具体例においては、各セル１０は、基板１１０において下側電極のみを共有しているが、図３３に表したように、各セル１０が、その一部の層を共有する構造としてもよい。このような構造にすれば、さらにプロセスの簡易化および特性の均質化が図れる。
【０１５１】
磁気記録素子１０の選択は、導電性プローブ２００とパターンド媒体との相対的位置関係を変えることで行なう。導電性プローブ２００は、磁気記録素子１０に対して電気的に接続されればよく、接触していても、非接触してもよい。非接触の場合には、磁気記録素子１０とプローブ２００との間に流れるトンネル電流あるいは電界放射による電流を用いて記録再生を行なうことができる。
【０１５２】
磁気記録素子１０への記録は、磁気記録素子にアクセスしたプローブ２００から磁気記録素子１０へ流れる電流、あるいは磁気記録素子１０からプローブ２００へ流れる電流により行われる。磁気記録素子１０のサイズ、構造、組成等により決定される磁化反転電流をＩｓとすると、Ｉｓよりも大きな書き込み電流Ｉｗをセルに流すことで記録が可能となる。その記録される磁化の方向は、電子電流を基準とした場合に、最初に通過する磁性固着層の磁化の方向と同一である。従って、電子の流れ、すなわち電流の極性を反転させることで、「０」または「１」の書き込みを適宜行なうことができる。
【０１５３】
再生は、記録と同じく磁気記録素子１０へアクセスしたプローブ２００から流れる、あるいはプローブへ流れる電流によりなされる。ただし、再生時には、磁化反転電流Ｉｓよりも小さな再生電流Ｉｒを流す。そして、電圧あるいは抵抗を検出することで、磁性記録層Ａの記録状態を判定する。よって、本具体例の磁気メモリにおいては、Ｉｗ＞Ｉｒなる関係をもつ電流を流すことで記録再生が可能となる。
【０１５４】
図３４は、プローブをマルチ化した場合のプローブのアレイ構造を表す模式図である。  ここでは、本発明の磁気記録素子を基板上に並べ、３２×３２のマトリックスが形成されている。このマトリックスをさらに３２×３２個並べ、合計で１Ｍ（メガ）ビットの記録再生媒体が形成されている。そして、この記録再生媒体に対して、３２個×３２個からなるプローブで記録再生が実施される。すなわち、マトリックス１セットに対しプローブ１個が対応している。プロービングは、図３２に関して前述した如くである。それぞれのプローブに対するセルの選択は、媒体に設けられたＸＹ駆動機構により行うことができる。ただし、位置関係が相対的に変化するならばプローブに設けられた駆動機構でセル選択を行なってもよい。また、プローブ自身がマルチ化されているため、核プローブは所謂ワード線とビット線に繋ぎ、ワード線とビット線の指定をすることでプローブ選択を可能としている。
【０１５５】
磁気記録素子への記録再生は、磁気記録素子にアクセスしたプローブから注入される電流により実施する。プラスマイナスＩｗを流すことで「０」、「１」信号を書き込み、再生はＩｒの電流を流して抵抗を測定し、その大小関係を「０」、「１」にアサインすればよい。
【０１５６】
（第８の実施例）
本発明の第８の実施例として、台形側面角度θが３０度〜８０度の範囲にある番号１〜１５までの１５種類の層構造の磁気記録素子を作製し、平均反転電流および、反転電流の外部磁場依存性を求めた。これらの素子は、ＥＢリソグラフィーとイオンミリングあるいは、ＥＢリソグラフィーと反応性イオンエッチングにより作製した。また、電流はパルス幅２ナノ秒のパルス電流として印加し、パルス電流値を変えて反転の有無を調べ、反転電流を求めた。特性結果を次表にまとめた。この結果から、本発明の磁気記録素子は外部磁場に対して安定であることが分かる。
【０１５７】
【表１】
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【０１５８】
【表２】
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【０１５９】
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、磁気記録素子を構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、電極、パッシベーション、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本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【０１６０】
また、図１などにおいては、磁性固着層Ｐ（Ｐ１〜Ｐ４）と、強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の膜面方向の寸法を同一として表したが、本発明はこれには限定されない。すなわち、配線の接続のため、あるいは磁化方向の制御のために、磁気記録素子の各層の寸法が互いに異なるように形成してもよい。また、形状が異なっていても良い。
【０１６１】
また、磁気記録素子における反強磁性層、磁性固着層、中間層、強磁性層、非磁性層、絶縁層などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよく、あるいは２以上の層を積層した構造としてもよい。
【０１６２】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気記録素子や磁気メモリを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気記録素子、磁気メモリも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【０１６３】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる磁気記録素子の基本的な断面構造を例示する模式図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる磁気記録素子の第２の具体例を表す模式断面図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる磁気記録素子の第３の具体例を表す模式断面図である。
【図４】図１に表した記録部ＲＥに対する「書き込み」のメカニズムを説明するための模式断面図である。
【図５】「リバースタイプ」の場合の書き込みのメカニズムを表す模式断面図である。
【図６】反強磁性結合した層を固着層とする本発明の実施の形態にかかる「ノーマルタイプ」の磁気記録素子の書き込みのメカニズムを表す模式断面図である。
【図７】反強磁性結合した層を固着層とする本発明の実施の形態にかかる「ノーマルタイプ」の磁気記録素子の書き込みのメカニズムを表す模式断面図である。
【図８】磁性固着層を記録部ＲＥの上下に設けた「ノーマルタイプ」の磁気記録素子を例示する模式断面図である。
【図９】磁性固着層として、反強磁性結合させた積層構造を用いた「ノーマルタイプ」の磁気記録素子を例示する模式断面図である。
【図１０】磁気抵抗効果を説明するための概念図である。
【図１１】磁気抵抗効果を検出可能とした磁気記録素子を表す模式図である。
【図１２】磁気抵抗効果を増大させる磁気記録素子の具体例を表す模式断面図である。
【図１３】磁気抵抗効果を増大させる磁気記録素子のもうひとつの具体例を表す模式断面図である。
【図１４】強磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の静磁結合を表す模式断面図である。
【図１５】反強磁性層を設けた磁気記録素子を表す模式断面図である。
【図１６】磁性固着層を磁化固着するために反強磁性層を設けた磁気記録素子を表す模式断面図である。
【図１７】磁性固着層を磁化固着するために反強磁性層を設けた磁気記録素子を表す模式断面図である。
【図１８】磁性固着層を磁化固着するために反強磁性層を設けた磁気記録素子を表す模式断面図である。
【図１９】非磁性層ＮＭを介した層間交換相互作用を表すグラフ図である。
【図２０】本発明者が試作した磁気記録素子の断面構造を表す模式図である。
【図２１】（ａ）は、本発明の実施例であるサンプル１の磁気抵抗効果を表し、（ｂ）は比較例であるサンプル２の磁気抵抗効果をそれぞれ表すグラフ図である。
【図２２】サンプル２についての外部磁場がゼロの時の書きこみ特性を表すグラフ図である。
【図２３】サンプル２について外部から磁場を印加した時の書き込み特性を表すグラフ図である。
【図２４】臨界電流の磁場に対する変化を表すグラフ図である。
【図２５】サンプル１について外部磁場がゼロの時の書きこみ特性を表すグラフ図である。
【図２６】サンプル１についての書きこみ臨界電流の磁場依存性を表すグラフ図である。
【図２７】本発明者が試作した磁気記録素子の断面構造を表す模式図である。
【図２８】本発明の実施例の磁気メモリのメモリセルの断面構造を表す模式図である。
【図２９】本発明の実施例の磁気メモリの等価回路を表す模式図である。
【図３０】ダイオードを用いた磁気メモリを表す模式図である。
【図３１】本発明の実施例の磁気メモリの構造を例示する模式斜視図である。
【図３２】本発明の実施例の磁気メモリを表す模式図である。
【図３３】各セル１０が、その一部の層を共有する構造を表す模式断面図である。
【図３４】プローブをマルチ化した場合のプローブのアレイ構造を表す模式図である。
【符号の説明】
【０１６４】
１０ 磁気記録素子
１００ 絶縁体
１１０ 基板（下側電極）
１２０ 配線
２００ プローブ
２１０ 駆動機構
２２０ 電源
２３０ 検出回路
ＦＭ１〜ＦＭ４ 強磁性層
ＡＣ 反強磁性結合層
ＡＦ 反強磁性層
ＢＬ ビット線
Ｓ  中間層
ＮＭ  非磁性層
Ｐ、Ｐ１〜Ｐ４  磁性固着層
ＥＬ１〜ＥＬ３ 電極
ＩＥ 中間物質層
ＩＬ 絶縁層
Ｉｒ 再生電流
Ｉｓ 磁化反転電流
Ｉｗ 電流
Ｍ、Ｍ１、Ｍ２ 磁化
ＭＹ 磁気ヨーク
ＰＨ 磁性固着層ホール
ＴＲ トランジスタ
ＢＬ  ビット線
ＷＬ ワード線
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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