(57)【要約】【課題】微細加工による素子特性のばらつきを低減する。【解決手段】磁気素子は、磁化方向が固着された第１の磁性層ＦＰと、第１の磁性層ＦＰと対向して配置された磁化方向が可変である第１の領域２０を含み、膜面に対して平行な方向の前記第１の磁性層より大きな幅を有し、導電性材料で形成された第２の磁性層ＦＦと、第１の磁性層ＦＰと第２の磁性層ＦＦとの間に設けられ、非導電性材料で形成された第１の非磁性層ＳＰとを具備する。【選択図】図１
2007201059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固着された第１の磁性層と、
前記第１の磁性層と対向して配置された磁化方向が可変である第１の領域を含み、膜面に対して平行な方向の前記第１の磁性層より大きな幅を有し、導電性材料で形成された第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、非導電性材料で形成された第１の非磁性層と
を具備することを特徴とする磁気素子。
【請求項２】
前記第１の磁性層から前記第２の磁性層へ第１の電流を流し、前記第１の領域の前記磁化を第１の方向に向けることにより、前記第１の磁性層の磁化と前記第１の領域の磁化とを第１の磁化配置にし、
前記第２の磁性層から前記第１の磁性層へ第２の電流を流し、前記第１の領域の前記磁化を第２の方向に向けることにより、前記第１の磁性層の磁化と前記第１の領域の磁化とを第２の磁化配置にする
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項３】
前記第２の磁性層は、第２の領域をさらに含み、
前記第１の磁性層の磁化と前記第１の領域の磁化とを第１の磁化配置にする場合、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に第１の電流を流し、前記第１の領域の前記磁化を第１の方向に向けて前記第１の磁化配置に設定し、
前記第１の磁性層の前記磁化と前記第１の領域の前記磁化とを第２の磁化配置にする場合、前記第２の領域の磁化の方向を設定し、前記第２の磁性層の膜面に対して平行な方向に第２の電流を流すことにより、前記第１の領域を含む磁区の磁壁を前記第２の磁性層内で移動させ、前記第１の領域の前記磁化を前記第２の領域の前記磁化の方向に応じた方向に向けて前記第２の磁化配置に設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項４】
前記第１の磁性層の前記磁化の方向と前記第２の領域の前記磁化の方向とが反平行であるとき、前記第１の磁化配置は平行磁化配置であり、前記第２の磁化配置は反平行磁化配置であることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項５】
前記第１の磁性層の前記磁化の方向と前記第２の領域の前記磁化の方向とが平行であるとき、前記第１の磁化配置は反平行磁化配置であり、前記第２の磁化配置は平行磁化配置であることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項６】
前記第２の領域と対向して配置された第３の磁性層と、
前記第３の磁性層と前記第２の領域との間に配置された第２の非磁性層と
をさらに具備し、
前記第２の領域の前記磁化の方向は、前記第２の非磁性層の膜厚に応じて、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との交換結合により設定されることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項７】
前記第２の領域と対向して配置され、前記第２の磁性層と絶縁された配線をさらに具備し、
前記配線に流す電流によって発生した磁界を前記第２の領域の前記磁化に作用させ、前記第２の領域の前記磁化は前記電流を流す方向に応じて設定されることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項８】
前記第２の領域と対向して配置された第３の磁性層と、
前記第３の磁性層と前記第２の領域との間に配置された第２の非磁性層と
をさらに具備し、
前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間に電流を流し、前記第２の領域の前記磁化は前記電流の流れる方向に応じて設定されることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項９】
前記第２の領域の第１の面と対向して配置された第３の磁性層と、
前記第３の磁性層と前記第２の領域の前記第１の面との間に配置された第２の非磁性層と、
前記第２の領域の第２の面と対向して配置された第４の磁性層と、
前記第４の磁性層と前記第２の領域の前記第２の面との間に配置された第３の非磁性層と
をさらに具備し、
前記第３の磁性層の磁化の方向と前記第４の磁性層の磁化の方向とは反平行であり、
前記第３の磁性層と前記第４の磁性層との間に電流を流し、前記第２の領域の前記磁化は前記電流の流れる方向に応じて設定されることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１０】
前記第２の磁性層の側面は、前記第１の磁性層の側面よりも突出することを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１１】
前記第１及び第２の磁性層の磁化は、膜面に対して平行な方向に配向されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１２】
前記第１及び第２の磁性層の磁化は、膜面に対して垂直な方向に配向されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１３】
前記第１の非磁性層の膜面に対して平行な方向の幅は、前記第２の磁性層の膜面に対して平行な方向の幅と同じであることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の前記磁気素子を具備することを特徴とする磁気記録装置。
【請求項１５】
磁化方向が固着された第１の磁性層と、
前記第１の磁性層と対向して配置された磁化方向が可変である第１の領域と第２の領域とを含み、膜面に対して平行な方向の前記第１の磁性層より大きな幅を有し、導電性材料で形成された第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、非導電性材料で形成された第１の非磁性層と
を具備し、
前記第１の磁性層の磁化と前記第１の領域の磁化とを第１の磁化配置にする場合、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に第１の電流を流し、前記第１の領域の前記磁化を第１の方向に応じた方向に向けて前記第１の磁化配置に設定する工程を含み、
前記第１の磁性層の前記磁化と前記第１の領域の前記磁化とを第２の磁化配置にする場合、前記第２の領域の磁化の方向を設定する工程と、前記第２の磁性層の膜面に対して平行な方向に第２の電流を流すことにより、前記第１の領域を含む磁区の磁壁を前記第２の磁性層内で移動させ、前記第１の領域の前記磁化を前記第２の領域の前記磁化の方向に応じた方向に向けて前記第２の磁化配置に設定する工程とを含む
ことを特徴とする磁気素子の書き込み方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細線形状の磁性層を有する磁気素子、磁気記録装置及び書き込み方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、広範囲かつ高度に情報化された社会を支え、また、牽引していく存在として、様々な要求を満たす情報記録技術が求められている。強磁性体の磁気モーメントを利用した磁気記録装置は、例えば、ハードディスクドライブとして広く使われている他、高速性と不揮発性を併せ持つ磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）としての利用が提案されている。
【０００３】
磁気ランダムアクセスメモリにおいて、特に高密度化に対する要求は強い。今後、１ビットのデータを格納する単位セルを１００ナノメートルから数１０ナノメートルのサイズにまで小さくすることが必要になると、現在の主流方式である磁界書き込み方式では、書き込み電流の増大と隣接セルへの誤作用（クロストーク）といった問題に直面することが予想される。そこで、この磁界書き込み方式に代わる方式として、電流を介したスピントランスファ現象を用いた書き込み方式に対する期待が高まっている。この書き込み方式は、伝導電子のスピンから磁性体の局在磁気モーメントへの角運動量の伝達（スピントランスファ）を物理的基礎としており、磁界書き込み方式と比べて、セルのサイズが小さくなればなるほど、書き込み電流を低減化できるという特徴を持つ。
【０００４】
非特許文献１に代表される、従来のスピントランスファ書き込み方式の磁気素子は、柱状の形状を有する。すなわち、磁化固着磁性層（以下、固着層）、中間層、磁化自由磁性層（以下、記録層）からなる積層膜が、数十から数百ナノメートル四方のドット形状にパターニングされ、この膜面に垂直に電流を流すことにより、書き込み及び読み出しが行われる。
【０００５】
しかしながら、従来のスピントランスファ書き込み方式による磁気素子では、書き込み電流のばらつきを抑えるのが容易ではない。これは、特に記録層を均一なドット形状に加工しなければならないことに起因している。
【非特許文献１】F.J.Albert et al.,Appl.Phys.Lett.,77,3809(2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、微細加工による素子特性のばらつきを低減することが可能な磁気素子、磁気記録装置及び書き込み方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の視点による磁気素子は、磁化方向が固着された第１の磁性層と、前記第１の磁性層と対向して配置された磁化方向が可変である第１の領域を含み、膜面に対して平行な方向の前記第１の磁性層より大きな幅を有し、導電性材料で形成された第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、非導電性材料で形成された第１の非磁性層とを具備する。
【０００８】
本発明の第２の視点による磁気素子の書き込み方法は、磁化方向が固着された第１の磁性層と、前記第１の磁性層と対向して配置された磁化方向が可変である第１の領域と第２の領域とを含み、膜面に対して平行な方向の前記第１の磁性層より大きな幅を有し、導電性材料で形成された第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、非導電性材料で形成された第１の非磁性層とを具備し、前記第１の磁性層の磁化と前記第１の領域の磁化とを第１の磁化配置にする場合、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に第１の電流を流し、前記第１の領域の前記磁化を第１の方向に向けて前記第１の磁化配置に設定する工程を含み、前記第１の磁性層の前記磁化と前記第１の領域の前記磁化とを第２の磁化配置にする場合、前記第２の領域の磁化の方向を設定する工程と、前記第２の磁性層の膜面に対して平行な方向に第２の電流を流すことにより、前記第１の領域を含む磁区の磁壁を前記第２の磁性層内で移動させ、前記第１の領域の前記磁化を前記第２の領域の前記磁化の方向に応じた方向に向けて前記第２の磁化配置に設定する工程とを含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、微細加工による素子特性のばらつきを低減することが可能な磁気素子、磁気記録装置及び書き込み方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１１】
［１］第１の実施形態
［１−１］構造
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の断面構造を模式的に示す図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の平面構造を模式的に示す図である。以下に、本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
【００１２】
図１に示すように、磁気素子１０は、例えば、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子のような磁気抵抗効果素子である。この磁気素子１０は、記録層（磁性層）ＦＦ、中間層（非磁性層）ＳＰ及び固着層（磁性層）ＦＰが順に積層された多層構造を有する。
【００１３】
記録層ＦＦは、磁化方向が可変である記憶領域２０を含み、細線形状を有する。この細線形状とは、Ｘ方向（膜面に対して平行方向）の寸法（幅ＷＦＦＸ）がＸ方向に垂直なＹ方向の寸法及びＺ方向の寸法（膜厚）に対して例えば１桁以上大きい形状を指す。以下では、このＸ方向を細線方向と称す。記録層ＦＦの細線方向の幅ＷＦＦＸは、固着層ＦＰの細線方向の幅ＷＦＰＸより大きい。つまり、記録層ＦＦの側面は、固着層ＦＰの側面より外側に突出している。
【００１４】
記憶領域２０は、図の点線で囲んだ領域であり、固着層ＦＰと対向して配置されている。この記憶領域２０は、例えば固着層ＦＰの細線方向の幅ＷＦＰＸと同じ幅Ｗ２０Ｘを有する。但し、記憶領域２０の形状、サイズは、記録層ＦＦに用いる材料や、電流強度、電流経路などの詳細により変化しうる。特に、記憶領域２０が中間層ＳＰとの界面を全て包含する場合と中間層ＳＰとの界面の一部のみを包含する場合があり得る。
【００１５】
固着層ＦＰは、電極ＥＬに直接又は間接的に接続されている。固着層ＦＰの磁化は、特定の方向に固着されている。磁化固着の方法としては、固着層ＦＰに異方性エネルギーＫｕが十分大きい材料を用いる方法、固着層ＦＰと電極ＥＬの間に反強磁性層ＡＦを設ける方法等がある。固着層ＦＰの細線方向の幅ＷＦＰＸは、電極ＥＬ及び中間層ＳＰの幅と同じでもよいし、異なってもよい。
【００１６】
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、記録層ＦＦの細線方向の幅ＷＦＦＸが固着層ＦＰの細線方向の幅ＷＦＰＸより大きいことからも分かるように、記録層ＦＦの表面積は固着層ＦＰの表面積より大きい。ここで、記録層ＦＦのＹ方向の幅ＷＦＦＹは、固着層ＦＰのＹ方向の幅ＷＦＰＹと同じでもよい（図２（ａ）参照）。また、記録層ＦＦのＹ方向の幅ＷＦＦＹは、固着層ＦＰのＹ方向の幅ＷＦＰＹと異なっていてもよく、固着層ＦＰのＹ方向の幅ＷＦＰＹより大きくても小さくてもよい（図２（ｂ）参照）。
【００１７】
尚、各層のサイズや各層に用いられる材料の詳細については、［１−６］で述べる。
【００１８】
［１−２］書き込み方法
図１を参照して、本実施形態に係る磁気素子１０におけるデータの書き込み方法（バイポーラ方式）について説明する。尚、電子ｅ１、ｅ２の流れる方向と電流の流れる方向とは勿論逆である。
【００１９】
まず、記録層ＦＦ及び固着層ＦＰの磁化を平行磁化配置にする場合は、次のように書き込みが行われる。電子ｅ１が電極ＥＬから固着層ＦＰを通過し記録層ＦＦに向かう方向に電流を流すことにより、固着層ＦＰの磁化方向と平行な方向にスピン偏極した電子ｅ１が中間層ＳＰと記録層ＦＦの界面を通じて記録層ＦＦに流入する。その結果、記録層ＦＦ内の中間層ＳＰとの界面近傍の一部の領域（記憶領域２０）の磁化が、固着層ＦＰの磁化と平行な方向を向く。
【００２０】
一方、記録層ＦＦ及び固着層ＦＰの磁化を反平行磁化配置にする場合は、次のように書き込みが行われる。電子ｅ２が記録層ＦＦから固着層ＦＰを通過し電極ＥＬに向かう方向に電流を流すことにより、固着層ＦＰの磁化方向と反平行な方向にスピン偏極した電子ｅ２が記録層ＦＦの磁化の一部に作用する。その結果、記録層ＦＦ内の中間層ＳＰとの界面近傍の一部の領域（記憶領域２０）の磁化が、固着層ＦＰの磁化と反平行な方向を向く。
【００２１】
以上述べたように、記録層ＦＦ内に磁化が可変な記憶領域２０が存在し、この記憶領域２０の磁化方向は電流を流す方向に応じた方向を向く。従って、平行磁化配置及び反平行磁化配置の状態を“１”、“０”のそれぞれに規定することで、磁気素子１０の１個の記憶領域２０に１ビットのデータを書き込むことが可能である。
【００２２】
［１−３］読み出し方法
図１を参照して、本実施形態に係る磁気素子１０におけるデータの読み出し方法について説明する。
【００２３】
電極ＥＬと記録層ＦＦの間に電流を流した際の電気抵抗は、固着層ＦＰの磁化方向と記録層ＦＦ内の磁化可変領域（記憶領域２０）の磁化方向との相対角度によって変化する。これは、いわゆるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto Resistive）効果として知られている現象である。磁気素子１０におけるデータの読み出しは、この抵抗の差異を検出することにより行われる。
【００２４】
電流を流す方向は、電子ｅ１が電極ＥＬから固着層ＦＰを通過し記録層ＦＦに向かう方向とすることも、逆に、電子ｅ２が記録層ＦＦから固着層ＦＰを通過し電極ＥＬに向かう方向とすることもできる。
【００２５】
但し、電流の大きさがある閾値を越えると、記憶領域２０の磁化方向が変化し、書き込みが行われる。このため、読み出し電流の大きさは、この閾値よりも小さい値とすることにより、読み出しと書き込みが同時に行われてしまうのを防止することができる。
【００２６】
また、電流の大きさが別のある閾値を越えると、記録層ＦＦ内で記憶領域２０を囲む磁壁の位置が電子の流れる方向に移動する。このため、読み出し電流の大きさは、この閾値よりも小さい値とすることにより、この磁壁移動の現象が起こるのを防止することができる。
【００２７】
尚、記憶領域２０の磁化方向による電気抵抗の差異の検出は、公知の回路技術を用いて行うことができる。
【００２８】
［１−４］磁化方向
本実施形態に係る磁気素子１０において、固着層ＦＰの磁化及び記録層ＦＦ内の記憶領域２０の磁化の安定方向は、特に限定されず、例えば以下のような方向に設定されている。
【００２９】
図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の磁化方向を模式的に示す図である。例えば、固着層ＦＰの磁化及び記録層ＦＦ内の記憶領域２０の磁化は、膜面に対して平行な方向（Ｘ方向）に配向されていてもよいし（図３（ａ）参照）、膜面に対して垂直な方向（Ｚ方向）に配向されていてもよい（図３（ｂ）参照）。図３（ｂ）のように磁化が膜面に対して垂直に配向する場合は、熱に対する安定性に優れるため、磁気素子１０の微細化に有利である。
【００３０】
［１−５］構造の変形例
本実施形態に係る磁気素子１０は、図１に示す構造に限定されず、例えば次のような構造に変形することが可能である。
【００３１】
固着層ＦＰ及び記録層ＦＦは、強磁性サブレイヤーを２層以上含み、非磁性サブレイヤーを０層以上含む多層構造とすることもできる。すなわち、固着層ＦＰ及び記録層ＦＦは、強磁性層／強磁性層／強磁性層のような複数の強磁性層からなる多層膜で形成されてもよいし、強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる多層膜で２つの強磁性層が強磁性結合又は反強磁性結合した構造でもよい。
【００３２】
図４に示すように、中間層ＳＰは、固着層ＦＰと同じ形状にすることに限定されず、記録層ＦＦと同じ細線形状にしてもよい。
【００３３】
図５に示すように、記録層ＦＦの記憶領域２０の周辺に括れ部２１を設けてもよい。このように細線形状の記録層ＦＦ内に括れ部２１を設けると、括れ部２１の位置の前後での磁化方向の空間変化が生じにくくなる。このため、この様な構造を導入することは、記憶領域２０の境界を確定することになり望ましい。尚、ここではＸＺ面内の括れの一例を図示したが、図示するような括れた形状に限定されず、細線形状の記録層ＦＦ内に何らかの凹凸を設ければよい。また、図５と同じような形状の括れ部をＸＹ面内での括れとして設けることも可能である。
【００３４】
［１−６］各層の材料及び膜厚
本実施形態に係る磁気素子１０の各層の構成材料について説明する。
【００３５】
（Ａ）磁性層
記録層ＦＦに用いる導電性の磁性材料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、又はこれらを含む合金を用いることができる。また、記録層ＦＦの厚さは、強磁性を維持し、磁化が変化可能であるという理由から、０．２ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。
【００３６】
固着層ＦＰには、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、又はこれらを含む合金を用いることができる。固着層ＦＰの厚さは、強磁性を維持し、製造上のコストを大きくしないために、０．６ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。尚、固着層ＦＰの磁化を安定的に固着しておくために、固着層ＦＰは記録層ＦＦより膜厚を厚くするとよい。
【００３７】
固着層ＦＰの材料のスピン分極率が高い方が固着層ＦＰと記録層ＦＦの間に垂直に電流を流したときの磁化反転効率が高くなり、書き込み電流を小さくすることができるので好ましい。また、このとき、ＭＲ（Magneto Resistive）比が大きくなり、読み出しが容易になるという利点もある。従って、ハーフメタルと呼ばれる高スピン分極率材料は、固着層ＦＰの材料として理想的である。ハーフメタルの例として、ホイスラー系合金、ルチル型酸化物、スピネル型酸化物、ペロブスカイト型酸化物、二重ペロブスカイト型酸化物、閃亜鉛鉱型クロム化合物、パイライト型マンガン化合物、センダスト合金が含まれる。
【００３８】
固着層ＦＰ及び記録層ＦＦに用いられる磁性体には、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｈなどの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節したりすることができる。
【００３９】
固着層ＦＰ及び記録層ＦＦの少なくとも一方が多層膜構造を有する場合、この多層膜構造を構成する非磁性サブレイヤーの材料として、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、あるいは、これらのいずれか一種以上を含む合金を用いることができる。
【００４０】
固着層ＦＰの磁化を固着させるために反強磁性層ＡＦを用いた場合、この反強磁性層ＡＦの材料としては、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ2Ｏ3、磁性半導体などを用いることが望ましい。
【００４１】
固着層ＦＰ及び記録層ＦＦの磁化方向を膜面に対して垂直方向に向ける場合（図３（ｂ））は、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕが大きく、垂直磁気異方性を示すＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｄなどを用いることが望ましい。また、ｈｃｐ構造（最密六方構造）の結晶構造を持ち、垂直磁気異方性を示す磁性材料を用いることもできる。このような磁性材料としては、Ｃｏを主成分とする金属を含むものが代表的であるが、他のｈｃｐ構造を有する金属を用いることもできる。その他、希土類元素と鉄族遷移元素との合金で、垂直磁気異方性を示す材料を用いることもできる。具体的には、ＧｄＦｅ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＦｅＣｏなどが挙げられる。
【００４２】
（Ｂ）非磁性層
中間層ＳＰは、非導電性材料からなる。すなわち、中間層ＳＰの材料としては、絶縁体又は半導体を用いることが望ましい。
【００４３】
中間層ＳＰの材料として絶縁体を用いる場合は、例えば、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）、ＳｉＯ2（酸化シリコン）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｂｉ2Ｏ3（酸化ビスマス）、ＭｇＦ2（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ2（酸化チタン・ストロンチウム）、ＡｌＬａＯ3（酸化ランタン・アルミニウム）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、Ｓｉ−Ｎ−Ｏなどを用いることができる。
【００４４】
中間層ＳＰの材料として半導体を用いる場合は、例えば、ＺｎＯ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯ2、Ｚｎ、Ｔｅ、又はそれらに遷移金属がドープされたものなどを用いることができる。
【００４５】
絶縁体又は半導体からなる中間層ＳＰの上述する化合物材料は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。
【００４６】
絶縁体又は半導体からなる中間層ＳＰの厚さは、トンネル障壁を維持しながら、十分な大きさのトンネル電流を流すため、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。
【００４７】
［１−７］実施例
本実施形態の実施例として、図１の構造に反強磁性層ＡＦが追加された以下の構造及び材料を持つ磁気記録素子を作製した。
【００４８】
上部電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ（ＰｔＭｎ：１５ｎｍ）／固着層ＦＰ（ＣｏＦｅ：１２ｎｍ）／中間層ＳＰ（ＭｇＯ：０．８ｎｍ）／記録層ＦＦ（ＦｅＮｉ：３ｎｍ）
まず、ウェーハの上方に下地層が形成される。次に、超高真空スパッタ装置を使ってＳｉＯ2膜が成膜される。そして、このＳｉＯ2膜上にＥＢ（Electron Beam）レジストを塗布してＥＢ露光が行われる。これにより、記録層ＦＦの細線形状に応じたマスクが形成される。次に、イオンエッチングによりマスクに被覆されない領域のＳｉＯ2膜がエッチングされる。その結果、記録層ＦＦを形成するための細線溝が形成される。この記録層ＦＦの細線幅は５０ｎｍである。エッチング後、マスクが剥離される。次に、超高真空スパッタ装置を使って細線溝にＦｅＮｉを充填することにより、記録層ＦＦが形成される。この後、イオンミリングによってＦｅＮｉ表面の平滑化が行われる。次に、超高真空スパッタ装置を使って、中間層ＳＰ、固着層ＦＰ、反強磁性層ＡＦからなる積層構造が記録層ＦＦの上に形成され、さらに、この積層構造の上に保護膜が形成される。各層の成膜時には、その層を構成する材料からなるターゲットを用いた。この膜に対し、上と同様にＥＢを用いて、中間層ＳＰ、固着層ＦＰ、反強磁性層ＡＦを１００ｎｍ×５０ｎｍのドット形状に加工する。さらに、中間層ＳＰ、固着層ＦＰ、反強磁性層ＡＦの間隙にＳｉＯ2膜が超高真空スパッタ装置を用いて成膜される。その後、ＳｉＯ2膜の表面はイオンミリングにより平滑化され、保護膜の表面を露出させる「頭出し」が行われる。この保護膜の表面の上に上部電極ＥＬ１が形成される。このウェーハを磁場中真空炉にて、２７０℃で約１０時間、磁場中アニールして磁性層に一方向異方性が付与される。
【００４９】
以上の工程により作製した磁気記録素子について、上部電極ＥＬ１と記録層ＦＦの間に電流を流し、磁気記録素子の抵抗値を測定した。電流を−１０ｍＡから＋１０ｍＡの範囲で掃引したときの抵抗値の変化はヒステリシスを示し、電流の閾値が正負でそれぞれ１個ずつ存在した。すなわち電流を流す方向に応じて磁化可変領域（記憶領域２０）の磁化方向が変化したことに対応する。
【００５０】
［１−８］効果
以上のように、本発明の第１の実施形態の磁気素子１０によれば、記録層ＦＦを細線形状に加工すればよいため、従来のような均一なドット形状の微細加工を必要としない。このため、このような従来の磁気素子に比べて、素子特性のばらつきを低減した磁気素子１０を作製することが容易になる。
【００５１】
［２］第２の実施形態
［２−１］構造
図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る磁気素子の断面構造を模式的に示す図である。ここで、図６（ａ）は磁化方向被設定領域３０及び固着層ＦＰの磁化配置が反平行である反平行型を示し、図６（ｂ）は磁化方向被設定領域３０及び固着層ＦＰの磁化配置が平行である平行型を示す。以下に、本発明の第２の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
【００５２】
図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２の実施形態に係る磁気素子１０は、第１の実施形態と同様の構造に加え、記録層ＦＦの記憶領域２０とは異なる領域に磁化方向被設定領域３０を有し、この磁化方向被設定領域３０の磁化方向を制御する磁化方向設定機構４０をさらに備えている。磁化方向被設定領域３０は、磁化方向被設定領域３０の磁化制御の際に記憶領域２０に影響を及ぼさない程度に、記憶領域２０と離れていればよい。
【００５３】
ここで、図６（ａ）の反平行型の場合、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は、磁化方向設定機構４０により、固着層ＦＰの磁化方向に対して反平行となるように設定されている。一方、図６（ｂ）の平行型の場合、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は、磁化方向設定機構４０により、固着層ＦＰの磁化方向に対して平行となるように設定されている。
【００５４】
［２−２］磁化方向設定機構の例
磁化方向設定機構４０は、例えば以下のような機構とすることができる。
【００５５】
（Ａ）第１の例：磁気的結合タイプ
磁化方向設定機構４０の第１の例は、磁性体の層間交換結合を利用した磁気的結合タイプの例である。
【００５６】
図７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る磁化方向設定機構の第１の例（磁気的結合タイプ）を説明するための図を示す。以下に、磁気的結合タイプの磁化方向設定機構について説明する。
【００５７】
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁気的結合タイプにおいて、磁化方向設定機構４０は、非磁性層Ｎ、強磁性層Ｆ、反強磁性層ＡＦで構成されている。ここで、記録層ＦＦの磁化方向被設定領域３０に対向して強磁性層Ｆが配置され、この強磁性層Ｆと磁化方向被設定領域３０の間に非磁性層Ｎが設けられている。さらに、強磁性層Ｆの磁化を固着させるための反強磁性層ＡＦが設けられている。
【００５８】
このような磁気結合タイプにおいて、磁化方向被設定領域３０の磁化の制御は次のように行われる。まず、強磁性層Ｆの磁化方向は、反強磁性層ＡＦと強磁性層Ｆとの間の交換結合により、第１の方向（本図の場合、紙面の右向き）に固着される。記録層ＦＦの磁化方向被設定領域３０の磁化方向は、強磁性層Ｆと記録層ＦＦとの間の交換結合により、第１の方向に対して反平行又は平行な方向に設定される。
【００５９】
ここで、一般に、非磁性層を介した２つの磁性層の間の交換結合は、図８に示すような磁性層間の距離（非磁性層の厚さ）に対して振動的な性質を持つ。
【００６０】
例えば、記録層ＦＦと強磁性層Ｆとの間に挟まれる非磁性層Ｎの厚みをｔ１とすれば、結合定数が負、つまり、反強磁性的な結合が実現することになる。よって、このとき、図７（ａ）に示すように、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は、強磁性層Ｆの磁化方向に対して反平行な方向に設定される。尚、この場合、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は固着層ＦＰの磁化に対して反平行となるため、図６（ａ）に示す反平行型となる。
【００６１】
また、記録層ＦＦと強磁性層Ｆとの間に挟まれる非磁性層Ｎの厚みをｔ２とすれば、結合定数が正、つまり、強磁性的な結合が実現することになる。よって、このとき、図７（ｂ）に示すように、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は、強磁性層Ｆの磁化方向に対して平行な方向に設定される。尚、この場合、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は固着層ＦＰの磁化に対して平行となるため、図６（ｂ）に示す平行型となる。
【００６２】
尚、磁化方向設定機構４０において、多層膜を用い、反強磁性結合と強磁性結合とを組み合わせることも可能である。
【００６３】
（Ｂ）第２の例：電流磁界タイプ
磁化方向設定機構４０の第２の例は、電流により発生する磁界を利用した電流磁界タイプの例である。
【００６４】
図９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る磁化方向設定機構の第２の例（電流磁界タイプ）を説明するための図を示す。以下に、電流磁界タイプの磁化方向設定機構について説明する。
【００６５】
図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、電流磁界タイプにおいて、磁化方向設定機構４０は、記録層ＦＦと絶縁して設けられた配線Ｍで構成されている。この配線Ｍは、磁化方向被設定領域３０の近傍に磁化方向設定領域３０と対向して設けられている。
【００６６】
このような電流磁界タイプにおいて、磁化方向被設定領域３０の磁化の制御は次のように行われる。まず、配線Ｍ中に電流Ｉを流す。配線Ｍに電流が流れると、その周囲に磁界Ｈが発生し、この磁界Ｈの作用を受けて磁化方向被設定領域３０の磁化方向が設定される。
【００６７】
ここで、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は、配線Ｍに流す電流Ｉの方向に応じて決まる。例えば、図９（ａ）及び（ｂ）に示したように、磁化方向被設定領域３０の上部に配線Ｍが配置されている場合には、次のようになる。
【００６８】
図９（ａ）に示すように、紙面の手前から奥に向かう方向に電流Ｉを流すと、時計回りに磁界Ｈが発生し、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は紙面の左向きに設定される。尚、この場合、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は固着層ＦＰの磁化に対して反平行となるため、図６（ａ）に示す反平行型となる。
【００６９】
図９（ｂ）に示すように、紙面の奥から手前に向かう方向に電流Ｉを流すと、反時計回りに磁界Ｈが発生し、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は紙面の右向きに設定される。尚、この場合、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は固着層ＦＰの磁化に対して平行となるため、図６（ｂ）に示す平行型となる。
【００７０】
尚、電流Ｉにより発生する磁場Ｈを効率的に磁化方向被設定領域３０に集中させるために、配線Ｍの磁化方向被設定領域３０と対向する面以外をヨーク層で囲んだヨーク構造を採用してもよい。前記ヨーク層は、例えば絶縁性又は導電性の磁性層からなる。絶縁性の磁性層の材料としては、例えば、絶縁性のフェライトや、（Ｆｅ、Ｃｏ）−（Ｂ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｍ、Ｔａ、Ａｌ）−（Ｆ、Ｏ、Ｎ）系などの金属−非金属ナノグラニュラー膜等があげられる。具体的に、絶縁性のフェライトは、例えば、Ｍｎ−Ｚｎ−フェライト、Ｎｉ−Ｚｎ−フェライト、ＭｎＦｅＯ、ＣｕＦｅＯ、ＦｅＯ、ＮｉＦｅＯのうち少なくとも１つ以上の材料からなる。導電性の磁性層の材料としては、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｃｏ−（Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ）系のアモルファス材料、（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ）−（Ｓｉ、Ｂ）−（Ｐ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｍｎ）系のアモルファス材料があげられる。尚、前記ヨーク層は、上述する材料には限定されず、種々変更可能である。
【００７１】
また、配線Ｍは、磁化方向被設定領域３０の下方に配置してもよい。この場合、電流Ｉの流す方向と磁化方向被設定領域３０の磁化方向との関係は、図９（ａ）及び（ｂ）とは逆になり、紙面の手前から奥に向かう方向に電流Ｉを流すと、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は紙面の右向きに設定され、紙面の奥から手前に向かう方向に電流Ｉを流すと、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は紙面の左向きに設定される。
【００７２】
（Ｃ）第３の例：スピントランスファタイプ
磁化方向設定機構４０の第３の例は、膜面垂直に電流を流しスピン偏極した電子を磁化に作用させるスピン注入書き込みを利用したスピントランスファタイプの例である。
【００７３】
図１０（ａ）及び（ｂ）、図１１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る磁化方向設定機構の第３の例（スピントランスファタイプ）を説明するための図を示す。以下に、スピントランスファタイプの磁化方向設定機構について説明する。
【００７４】
図１０（ａ）及び（ｂ）、図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、スピントランスファタイプでは、磁化方向被設定領域３０が直接あるいは間接的に２つの電極ＥＬａ，ＥＬｂとそれぞれ接続されている。つまり、２つの電極ＥＬａ，ＥＬｂのうち少なくとも一方と磁化方向被設定領域３０の間には強磁性層と非磁性層をそれぞれ１層以上有する多層膜が挟まれており、磁化方向被設定領域３０には非磁性層が直接接続されている。この非磁性層の厚みは、スピン拡散長より小さい。
【００７５】
ここで、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すシングル構造の場合、磁化方向設定機構４０は、非磁性層Ｎ、強磁性層Ｆ、電極ＥＬａ，ＥＬｂで構成されている。そして、記録層ＦＦの磁化方向被設定領域３０の上面に非磁性層Ｎ、強磁性層Ｆ、電極ＥＬａが順に接続され、磁化方向被設定領域３０の下面に電極ＥＬｂが接続されている。
【００７６】
図１１（ａ）及び（ｂ）に示すデュアル構造の場合、磁化方向設定機構４０は、非磁性層Ｎ１，Ｎ２、強磁性層Ｆ１，Ｆ２、電極ＥＬａ，ＥＬｂで構成されている。そして、記録層ＦＦの磁化方向被設定領域３０の上面に非磁性層Ｎ１、強磁性層Ｆ１、電極ＥＬａが順に接続され、磁化方向被設定領域３０の下面に非磁性層Ｎ２、強磁性層Ｆ２、電極ＥＬｂが順に接続されている。強磁性層Ｆ１，Ｆ２の磁化は反平行に配置されている。
【００７７】
このようなスピントランスファタイプでは、磁化方向被設定領域３０の磁化の制御は次のように行われる。
【００７８】
まず、図１０（ａ）及び（ｂ）を参照して、シングル構造の場合について説明する。
【００７９】
図１０（ａ）に示すように、磁化方向被設定領域３０の磁化を強磁性層Ｆの磁化に対して反平行磁化配置にする場合は、次のように書き込みが行われる。電子ｅ２が磁化方向被設定領域３０から強磁性層Ｆを通過し電極ＥＬａに向かう方向に電流を流す。これにより、スピンフィルタ効果によって強磁性層Ｆの磁化方向に反平行な方向にスピン偏極した電子ｅ２が、磁化方向被設定領域３０の磁化に作用する。その結果、磁化方向被設定領域３０の磁化が強磁性層Ｆと反平行な方向を向く。尚、この場合、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は固着層ＦＰの磁化に対して反平行となるため、図６（ａ）に示す反平行型となる。
【００８０】
一方、図１０（ｂ）に示すように、磁化方向被設定領域３０の磁化を強磁性層Ｆの磁化に対して平行磁化配置にする場合は、次のように書き込みが行われる。電子ｅ１が電極ＥＬａから強磁性層Ｆを通過し磁化方向被設定領域３０に向かう方向に電流を流す。これにより、スピンフィルタ効果によって強磁性層Ｆの磁化方向と平行な方向にスピン偏極した電子ｅ１が、非磁性層Ｎと磁化方向被設定領域３０の界面を通じて磁化方向被設定領域３０に流入する。その結果、磁化方向被設定領域３０の磁化が強磁性層Ｆと平行な方向を向く。尚、この場合、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は固着層ＦＰの磁化に対して平行となるため、図６（ｂ）に示す平行型となる。
【００８１】
以上述べたように、２つの電極ＥＬａ，ＥＬｂ間に電流を流すことにより、磁化方向被設定領域３０の磁化は、強磁性層Ｆを通過あるいは反射してスピンフィルタ効果によりスピン偏極した電流からスピントランスファトルクを受け、流される電流の向きに応じた方向を向く。
【００８２】
次に、図１１（ａ）及び（ｂ）を参照して、デュアル構造の場合について説明する。
【００８３】
図１１（ａ）に示すように、磁化方向被設定領域３０の磁化を強磁性層Ｆ１の磁化に対して反平行磁化配置にする場合は、次のように書き込みが行われる。電子ｅ２が強磁性層Ｆ２から強磁性層Ｆ１を通過し電極ＥＬａに向かう方向に電流を流す。これにより、スピンフィルタ効果によって強磁性層Ｆ１の磁化方向に反平行な方向にスピン偏極した電子ｅ２が、磁化方向被設定領域３０の磁化に作用する。その結果、磁化方向被設定領域３０の磁化が強磁性層Ｆ１と反平行な方向を向く。尚、この場合、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は固着層ＦＰの磁化に対して反平行となるため、図６（ａ）に示す反平行型となる。
【００８４】
一方、図１１（ｂ）に示すように、磁化方向被設定領域３０の磁化を強磁性層Ｆ１の磁化に対して平行磁化配置にする場合は、次のように書き込みが行われる。電子ｅ１が電極ＥＬａから強磁性層Ｆ１を通過し磁化方向被設定領域３０に向かう方向に電流を流す。これにより、スピンフィルタ効果によって強磁性層Ｆ１の磁化方向と平行な方向にスピン偏極した電子ｅ１が、非磁性層Ｎと磁化方向被設定領域３０の界面を通じて磁化方向被設定領域３０に流入する。さらに、磁化方向被設定領域３０を通過して強磁性層Ｆ２と磁化方向被設定領域３０の界面で反射されたスピン偏極した電子ｅ１が、磁化方向被設定領域３０の磁化に作用する。その結果、磁化方向被設定領域３０の磁化が強磁性層Ｆと平行な方向を向く。尚、この場合、磁化方向被設定領域３０の磁化方向は固着層ＦＰの磁化に対して平行となるため、図６（ｂ）に示す平行型となる。
【００８５】
以上述べたように、２つの電極ＥＬａ，ＥＬｂ間に電流を流すことにより、磁化方向被設定領域３０の磁化は、強磁性層Ｆ１，Ｆ２を通過あるいは反射してスピンフィルタ効果によりスピン偏極した電流からスピントランスファトルクを受け、流される電流の向きに応じた方向を向く。
【００８６】
尚、デュアル構造では、強磁性層Ｆ１，Ｆ２の磁化方向が反平行になるように固着することで、シングル構造と比べて、磁化方向被設定領域３０の磁化方向を変化させるのに必要な電流を２分の１以下にできるという利点がある。
【００８７】
［２−３］書き込み方法
図６（ａ）及び（ｂ）を参照して、本素子におけるデータの書き込み方法（ユニポーラ方式）について説明する。
【００８８】
（Ａ）反平行型
図６（ａ）を参照して、磁化方向被設定領域３０の磁化方向が固着層ＦＰの磁化方向に対して反平行に設定された反平行型の書き込み方法について説明する。
【００８９】
まず、記憶領域２０の磁化方向を固着層ＦＰの磁化方向に対して平行磁化配置にする場合、第１の実施形態と同様の方法を用いる。つまり、電子ｅ１が電極ＥＬから固着層ＦＰを通過し記録層ＦＦに向かう方向に電流を流す。
【００９０】
一方、記憶領域２０の磁化方向を固着層ＦＰの磁化方向に対して反平行磁化配置にする場合、第１の実施形態と異なる方法を用いる。まず、磁化方向被設定領域３０の磁化方向を上述する磁化方向設定機構４０を用いて固着層ＦＰの磁化方向と反平行な方向に設定する。次に、電流を記録層ＦＦの細線方向に流す。すなわち、電子ｅ２を、磁壁を移動させたい方向（紙面の右方向）に流す。これにより、記録層ＦＦ内の記憶領域２０を含む磁区の磁壁位置が紙面の右方向に移動する。その結果、磁化方向被設定領域３０の磁化方向が記憶領域２０の磁化に伝達され、記憶領域２０の磁化方向が固着層ＦＰの磁化方向に対して反平行の状態となる。このような状態となったら、電流を切り、磁壁の移動を停止させる。尚、細線形状の記録層ＦＦ内に上述する括れ部２１（図５）のような凹凸があると、記憶領域２０の位置で磁壁が停止しやすくなるため望ましい。
【００９１】
（Ｂ）平行型
図６（ｂ）を参照して、磁化方向被設定領域３０の磁化方向が固着層ＦＰの磁化方向に対して平行に設定された平行型の書き込み方法について説明する。
【００９２】
まず、記憶領域２０の磁化方向を固着層ＦＰの磁化方向に対して平行磁化配置にする場合、第１の実施形態と異なる方法を用いる。まず、磁化方向被設定領域３０の磁化方向を上述する磁化方向設定機構４０を用いて固着層ＦＰの磁化方向と平行な方向に設定する。次に、電流を記録層ＦＦの細線方向に流す。すなわち、電子ｅ１を、磁壁を移動させたい方向（紙面の右方向）に流す。これにより、記録層ＦＦ内の記憶領域２０を含む磁区の磁壁位置が紙面の右方向へ移動する。その結果、磁化方向被設定領域３０の磁化方向が記憶領域２０の磁化に伝達され、記憶領域２０の磁化方向が固着層ＦＰの磁化方向に対して平行の状態となる。このような状態となったら、電流を切り、磁壁の移動を停止させる。尚、細線形状の記録層ＦＦ内に上述する括れ部２１（図５）のような凹凸があると、記憶領域２０の位置で磁壁が停止しやすくなるため望ましい。
【００９３】
一方、記憶領域２０の磁化方向を固着層ＦＰの磁化方向に対して反平行磁化配置にする場合、第１の実施形態と同様の方法を用いる。つまり、電子ｅ２が記録層ＦＦから固着層ＦＰを通過し電極ＥＬに向かう方向に電流を流す。
【００９４】
［２−４］読み出し方法
第２の実施形態におけるデータの読み出し方法は、第１の実施形態と同様の方法で行われる。
【００９５】
［２−５］効果
以上のように、本発明の第２の実施形態の磁気素子１０によれば、上記第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、第２の実施形態の場合、記録層ＦＦ内に磁化方向被設定領域３０を設け、磁壁移動による磁化方向の制御を行っている。このため、記録層ＦＦと固着層ＦＰとの間に流す電流を一方向のみにすることができるので、この電流を流すための選択スイッチング素子としてトランジスタよりも小面積のダイオードなどを利用できる。
【００９６】
尚、第２の実施形態においても、第１の実施形態で述べた［１−４］磁化方向、［１−５］構造の変形例、［１−６］各層の材料及び膜厚等の内容を適用することは可能である。
【００９７】
［３］第３の実施形態
上述した磁気素子１０を多数並べ、特定の磁気素子１０を選択して書き込み及び読み出し動作を行うことができるようにすることで、磁気記録装置とすることも可能である。ここでは、この磁気記録装置の実施例について説明する。
【００９８】
［３−１］実施例３−１
実施例３−１は、上述した第１の実施形態に係る磁気素子１０を用いた場合の磁気記録装置の例である。
【００９９】
図１２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る磁気記録装置の実施例３−１の構造を模式的に示す図である。以下、実施例３−１について説明する。
【０１００】
図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁気記録装置１００は、１つの細線形状の記録層ＦＦ上に中間層ＳＰ−ｎ、固着層ＦＰ−ｎ、電極ＥＬ−ｎの積層構造が複数個配置され、複数の磁気素子１０−ｎで１つの記録層ＦＦを共有している（ｎ＝１，２，３，…）。記録層ＦＦ内には、各中間層ＳＰ−ｎと接する界面近傍の領域に記憶領域２０−ｎが設けられている。尚、中間層ＳＰは、磁気素子１０−ｎ毎に分離されていてもよいし（図１２（ａ））、複数の磁気素子１０−ｎで共有してもよい（図１２（ｂ））。
【０１０１】
この実施例３−１に係る磁気記録装置１００の書き込み及び読み出し方法は、第１の実施形態の項で述べた方法に準じる。
【０１０２】
書き込み方法は、電極ＥＬ−ｎに選択トランジスタ（図示せず）をそれぞれ接続し、このトランジスタにより選択された電極ＥＬ−ｎと記録層ＦＦ−ｎの間に電流を流せば、選択された電極ＥＬ−ｎと固着層ＦＰ−ｎ、中間層ＳＰ−ｎを介して接する記憶領域２０−ｎのみを選択的に書き込むことが可能である。
【０１０３】
また、読み出し方法も同様に、選択された電極ＥＬ−ｎと記録層ＦＦ−ｎの間に電流を流すことにより行われる。第１の実施形態の項で述べたように、格納されたデータは、電気抵抗の値の違いとして読み出すが、この電気抵抗の値に最も大きな寄与をするのは、中間層ＳＰ−ｎの電気抵抗である。従って、記録層ＦＦ−ｎ内の磁気構造の詳細に影響されず、所望のビットデータのみを検出することが可能である。
【０１０４】
但し、図１２（ｂ）に示すような中間層ＳＰを分離しない構造の場合には、記録再生の対象となる記憶領域（２０−１とする）とそれに対応する電極（ＥＬ−１とする）の間に流れる電流が、隣接する他の記憶領域（２０−２とする）と電極ＥＬ−１の間に流れる電流よりも大きい必要がある。このため、中間層ＳＰ−ｎの膜厚は、隣接する固着層ＦＰ−ｎの間隔に比べて薄くする必要があり、１０分の１以下とするのが望ましい。
【０１０５】
以上のように、実施例３−１では、各記憶領域２０−ｎの磁化方向を独立に制御、保持することができるため、１個の記憶領域２０−ｎにつき１ビットのデータを記録、格納できる。従って、１つの細線形状の記録層ＦＦに中間層ＳＰ、固着層ＦＰ、電極ＥＬのセットがｎ個接続されている場合、記録層ＦＦ内にｎ個の記憶領域２０が存在し、ｎビットのデータを記憶する磁気記録装置１００として用いることができる。
【０１０６】
［３−２］実施例３−２
実施例３−２は、上述した第２の実施形態に係る磁気素子１０を用いた場合の磁気記録装置の例である。
【０１０７】
図１３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る磁気記録装置の実施例３−２の構造を模式的に示す図である。以下、実施例３−２について説明する。
【０１０８】
図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、実施例３−２では、実施例３−１の構造に加えて、第２の実施形態と同様の磁化方向設定機構４０及び磁化方向被設定領域３０が設けられている。尚、中間層ＳＰは、磁気素子１０−ｎ毎に分離されていてもよいし（図１３（ａ））、複数の磁気素子１０−ｎで共有してもよい（図１３（ｂ））。
【０１０９】
この実施例３−２に係る磁気記録装置１００の書き込み及び読み出し方法は、第２の実施形態の項で述べた方法に準じる。
【０１１０】
この装置の書き込みの方法の典型例として、まず、データの一括上書きを行い、次に、データの書き込みを行う方法がある。第１段階のデータの一括上書きは、磁化方向設定機構４０を用いて磁化方向被設定領域３０の磁化方向を設定し、記録層ＦＦの細線方向に電流を流して磁壁位置を移動させることにより、すべての記憶領域２０−ｎの磁化方向を磁化方向被設定領域３０の磁化方向と同じ方向とすることで行われる。第２段階のデータの書き込みは、磁化方向被設定領域３０の磁化方向に対して反平行の磁化方向に変化させたい記憶領域２０−ｎを選択して、これに対応する電極ＥＬ−ｎを選択トランジスタ（図示せず）により選択して、電極ＥＬ−ｎと記録層ＦＦ−ｎの間に電流を流すことにより行われる。
【０１１１】
また、読み出し方法については、図１２（ａ）及び（ｂ）の構造を持つ磁気記録装置１００と同様に、選択された電極ＥＬ−ｎと記録層ＦＦ−ｎの間に電流を流すことにより行われる。
【０１１２】
［３−３］効果
以上のように、本発明の第３の実施形態によれば、素子特性のばらつきを低減した磁気素子１０を作製することが容易となり、この磁気素子１０を用いて集積化と安定動作を両立する磁気記憶装置１００を提供することができる。
【０１１３】
［４］第４の実施形態
第３の実施形態の磁気記録装置１００を複数個並べ、一部を共有化して用いることにより、集積度の高い磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）のような磁気記録装置を構成することができる。以下、実施例を挙げながらこの実施形態について説明する。
【０１１４】
［４−１］実施例４−１
図１４は、本発明の第４の実施形態に係る磁気記録装置の実施例４−１の構造を模式的に示す図である。以下、実施例４−１について説明する。
【０１１５】
実施例４−１では、第３の実施形態の磁気記録装置１００［１］，１００［２］，…，１００［ｍ］（ｍ≧１）を用いて構成されている。この例では、各磁気記録装置１００［ｉ］（１≦ｉ≦ｍ）に含まれる記録層ＦＦ［ｉ］の細線方向が互いに平行になるように配置されている。なお、第３の実施形態の磁気記録装置１００として、第３の実施形態の項で述べたいずれの構造を用いることも可能である。
【０１１６】
各磁気記録装置１００［ｉ］（ｉ＝１，…，ｍ）内には、相互に分離された固着層ＦＰがｎ個含まれており、端からｊ（ｊ＝１，…，ｎ）番目の固着層ＦＰをそれぞれＦＰ［ｉ，ｊ］と称す。固着層ＦＰ［ｉ，ｊ］に接続される電極をＥＬ［ｉ，ｊ］とし、固着層ＦＰ［ｉ，ｊ］に接続される中間層をＳＰ［ｉ，ｊ］（分離されていない場合はＳＰ［ｉ］）とする。
【０１１７】
磁気記録装置１００［ｉ］が図１２（ａ）及び図１３（ａ）のように中間層ＳＰが分離されている構造を持つ場合、電極ＥＬ［ｉ，ｊ］、電極ＦＰ［ｉ，ｊ］、中間層ＳＰ［ｉ，ｊ］のセットのことを以下では磁気素子Ｒ［ｉ，ｊ］と呼び、記録層ＦＦ［ｉ］のことを以下では配線ＷＬ［ｉ］と呼ぶ。一方、磁気記録装置１００［ｉ］が図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）のように中間層ＳＰが分離されていない構造を持つ場合、電極ＥＬ［ｉ，ｊ］、電極ＦＰ［ｉ，ｊ］のセットのことを磁気素子Ｒ［ｉ，ｊ］と呼び、記録層ＦＦ［ｉ］と中間層ＳＰ［ｉ］のセットのことを以下では配線ＷＬ［ｉ］と呼ぶ。
【０１１８】
異なるｉ、同じｊに属する磁気素子Ｒ［ｉ，ｊ］は、選択トランジスタＴｒ［ｉ，ｊ］を介して共通の配線ＢＬ［ｊ］に接続されている。選択トランジスタＴｒ［ｉ，ｊ］において、電流経路の一端は磁気素子Ｒ［ｉ，ｊ］に接続され、電流経路の他端は接地端子又は電源端子に接続され、ゲートは配線ＢＬ［ｊ］に接続されている。また、メモリセルアレイＭＣＡの外部に各配線を選択するデコーダ、読み出し回路等の周辺回路Ｓが、各配線に接続されている。これらは公知技術を用いて構成することができる。
【０１１９】
書き込み時には、まず、外部からのアドレス信号に応じたアドレスを有する配線ＢＬを選択することにより選択トランジスタＴｒがオンとされる。次いで、この磁気素子Ｒと接続された配線ＷＬに電流Ｉｗを流すことにより、記録が行われる。
【０１２０】
読み出し時には、記録時と同じく、配線ＷＬと配線ＢＬを１本ずつ選択し、これらの間に電流Ｉｓを流すことにより行われる。電流値Ｉｓは、Ｉｗより小さくなければならない。その他の制限については、上記各実施形態の項で述べたとおりである。
【０１２１】
［４−２］実施例４−２
上述した実施例４−１における選択トランジスタＴｒは省略することが可能である。このような実施例では、トランジスタＴｒの面積を確保する必要がないため、高密度に記憶素子を集積化させることができるという利点を持つ。但し、記録再生対象の記憶領域２０以外の記憶領域２０を経由する電流（いわゆる回り込み電流）により、ＳＮ比が損なわれることが問題になる場合がある。
【０１２２】
そこで、実施例４−２では、選択トランジスタＴｒに代わる小面積のスイッチング素子として、例えば、ダイオードＤを用いる。ダイオードＤはトランジスタＴｒに比べて構造が単純であり、かつ必要とする面積が小さくて済むことから、高集積化に有利である。
【０１２３】
図１５は、本発明の第４の実施形態に係る磁気記録装置の実施例４−２の構造を模式的に示す図である。以下、実施例４−２について説明する。
【０１２４】
実施例４−２では、第３の実施形態で述べた全ての磁気記録装置１００を用いることができる。尚、図１３（ａ）及び（ｂ）に示す磁気記録装置１００を用いた場合は、電極ＥＬと記録層ＦＦの間に電流を流す向きが予め定められた一方向であるため、この方向がダイオードＤの順方向と一致するように構成すれば良い。このとき、回り込み電流は、ダイオードＤの整流作用によって抑制され、結果として、高集積化とＳＮ比の確保が両立される。
【０１２５】
［４−３］効果
以上のように、本発明の第４の実施形態によれば、上記第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。第４の実施形態は、高集積化に適した実施形態である。
【０１２６】
［５］その他
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。
【０１２７】
また、本発明の磁気素子において、各実施形態の各項で示した図を上下反転させた構造とすることができる。
【０１２８】
また、磁気素子における反強磁性層、中間層、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良く、あるいは、２以上の層を積層した構造としても良い。
【０１２９】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気素子や磁気記録装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうる全ての磁気素子、磁気記録装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１３０】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の断面構造を模式的に示す図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の平面構造を模式的に示す図であり、図２（ａ）は記録層の幅ＷＦＦＹが固着層の幅ＷＦＰＹと等しい場合の図、図２（ｂ）は記録層の幅ＷＦＦＹが固着層の幅ＷＦＰＹより大きい場合の図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の磁化方向を模式的に示す図であり、図３（ａ）は平行磁化型の図、図３（ｂ）は垂直磁化型の図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の変形例の断面構造を模式的に示す図。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の変形例の断面構造を模式的に示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る磁気素子の断面構造を模式的に示す図であり、図６（ａ）は反平行型の図、図６（ｂ）平行型の図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る磁化方向設定機構の第１の例（磁気的結合タイプ）を説明するための図であり、図７（ａ）は反平行型の図、図７（ｂ）は平行型の図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る磁化方向設定機構の第１の例において、非磁性層の厚さとこの非磁性層を挟む２つの強磁性層間の結合力との関係を示す図。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る磁化方向設定機構の第２の例（電流磁界タイプ）を説明するための図であり、図９（ａ）は反平行型の図、図９（ｂ）は平行型の図。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る磁化方向設定機構の第３の例（スピントランスファタイプ：シングル構造）を説明するための図であり、図１０（ａ）は反平行型の図、図１０（ｂ）は平行型の図。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る磁化方向設定機構の第３の例（スピントランスファタイプ：デュアル構造）を説明するための図であり、図１１（ａ）は反平行型の図、図１１（ｂ）は平行型の図。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る磁気記録装置の実施例３−１の構造を模式的に示す図であり、図１２（ａ）は非磁性層分離型の図、図１２（ｂ）は非磁性層共有型の図。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る磁気記録装置の実施例３−２の構造を模式的に示す図であり、図１３（ａ）は非磁性層分離型の図、図１３（ｂ）は非磁性層共有型の図。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係る磁気記録装置の実施例４−１の構造を模式的に示す図。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る磁気記録装置の実施例４−２の構造を模式的に示す図。
【符号の説明】
【０１３２】
１０，Ｒ…磁気素子、２０…記憶領域、２１…括れ部、３０…磁化方向被設定領域、４０…磁化方向設定機構、ＦＦ…記録層、ＳＰ…中間層、ＦＰ…固着層、ＥＬ…電極、Ｎ…非磁性層、Ｆ…強磁性層、ＡＦ…反強磁性層、Ｍ…配線、Ｉ…電流、Ｈ…磁界、Ｔｒ…トランジスタ、Ｄ…ダイオード、ＷＬ…ワード線、ＢＬ…ビット線、Ｓ…周辺回路。
【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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