(57)【要約】【課題】素子破壊が発生しない低電流密度でスピン反転し、低電流で書き込みを行うことを可能にする。【解決手段】磁化の向きが固着された磁化固着層４と、磁化の向きが可変の磁気記録層６と、磁化固着層と磁気記録層との間に設けられた非磁性層５とを備え、磁化固着層の磁化の向きと磁気記録層の磁化の向きが０度より大きく、１８０度よりも小さい角度をなしており、磁気記録層にスピン偏極した電子を注入することにより磁気記録層の向きを反転させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが固着された磁化固着層と、磁化の向きが可変の磁気記録層と、前記磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられた非磁性層とを備え、前記磁化固着層の磁化の向きと前記磁気記録層の磁化の向きが０度より大きく、１８０度よりも小さい角度をなしており、前記磁気記録層にスピン偏極した電子を注入することにより前記磁気記録層の向きを反転させることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記磁気記録層の膜面形状が略長方形であり、前記磁化固着層の磁化の向きは前記長方形の長軸に対して０度より大きく、１８０度よりも小さい角度で傾いており、前記磁気記録層の磁化の向きは前記長方形の長軸と略平行であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記磁気記録層の膜面形状が略楕円形であり、前記磁化固着層の磁化の向きは前記楕円の長軸に対して０度より大きく、１８０度よりも小さい角度で傾いており、前記磁気記録層の磁化の向きは前記楕円の長軸と略平行であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記磁気記録層の膜面形状が略平行四辺形であり、前記磁化固着層の磁化の向きは前記平行四辺形の長辺に対して０度より大きく、１８０度よりも小さい角度で傾いており、前記磁気記録層の磁化の向きは前記平行四辺形の長辺と略平行であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記磁気記録層は、第１長軸を有する第１部分と、前記第１長軸に対して０度より大きく、１８０度よりも小さい角度で交差する第２長軸を有し前記第１部分と連結している第２部分とを備えている膜面形状を有し、
前記磁化固着層の磁化の向きに対して、前記第１および第２長軸のうちの一方の長軸は正の角度をなし、他方の長軸は負の角度をなすことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記磁気記録層は誘導磁気異方性を備え、前記磁気記録層の磁化の向きが誘導磁気異方性の向きに略平行であり、前記磁化固着層の磁化の向きは前記磁気記録層の誘導磁気異方性の向きに対して０度より大きく、１８０度よりも小さい角度で傾いていることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記磁気記録層の偏極率をＰとし、α＝（Ｐ１／２＋Ｐ−１／２）３／４、β＝−４＋３α、θ１＝ａｒｃｃｏｓ［｛−αβ−２×３１／２（β２−α２）｝／（４β２−3α２）］、θ１’＝ａｒｃｃｏｓ［｛−αβ＋２×３１／２（β２−α２）｝／（４β２−3α２）］（ここで、０°＜θ１’＜θ１＜１８０°）としたとき、磁化固着層の磁化の向きと磁気記録層の磁化の向きのなす角度θは、θ１’が１２０°以上の場合は（１８０°−θ１）以上（１８０°−θ１’）以下であり、もしくはθ１’以上θ１以下であり、θ１’が１２０°よりも小さい場合は、（１８０°−θ１）以上６０°以下、もしくは１２０°以上θ１以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記磁気記録層の偏極率をＰとし、α＝（Ｐ１／２＋Ｐ−１／２）３／４、β＝−４＋３α、θ２＝ａｒｃｓｉｎ［｛（２−３１／２）（β２−α２）１／２｝／α］、θ２’＝ａｒｃｓｉｎ［｛（２＋３１／２）（β２−α２）１／２｝／α］（ただし０°＜θ２＜θ２’＜９０°）としたとき、前記磁化固着層の磁化の向きと前記磁気記録層の磁化の向きの成す角度θは、θ２’が６０°よりも小さい場合は、θ２以上θ２’以下、もしくは（１８０°−θ２’）以上（１８０°−θ２）以下であり、θ２’が６０°以上の場合は、θ２以上６０°以下、もしくは１２０°以上（１８０°−θ２）以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記磁化固着層の磁化の向きと前記磁気記録層の磁化の向きの成す角度θが、４°以上６０°以下、もしくは１２０°以上１７６°以下であることを特徴とする１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
第１配線と、前記第１配線に交差する第２配線と、請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有するメモリセルとを備え、前記磁気抵抗効果素子の前記磁気記録層は前記第１配線に電気的に接続され、前記磁気抵抗効果素子の前記磁化固着層は前記第２配線に電気的に接続されていることを特徴とする磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体膜を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッド、磁気センサーなどに用いられているとともに固体磁気メモリ(ＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory))に用いることが提案されている。
【０００３】
近年、２つの磁性金属層の間に１層の誘電体を挿入したサンドイッチ構造膜において、膜面に対して垂直に電流を流し、トンネル電流を利用した磁気抵抗効果素子として、いわゆる「強磁性トンネル接合素子（Tunneling Magneto-Resistance effect：ＴＭＲ素子）」が提案されている。強磁性トンネル素子においては、２０％以上の磁気抵抗変化率が得られるようになったことからＭＲＡＭへの民生応用技術開発が盛んに行われている。
【０００４】
この強磁性トンネル接合素子は、強磁性電極上に０．６ｎｍ〜２．０ｎｍ厚の薄いＡｌ（アルミニウム）層を成膜した後、その表面を酸素グロー放電または酸素ガスに曝すことによって、Ａｌ２Ｏ３からなるトンネルバリア層、もしくは０．５ｎｍ〜３．０ｎｍ厚の薄く成膜したＭｇＯ（酸化マグネシウム）からなるトンネルバリア層を形成することにより、実現できる。
【０００５】
また、この強磁性１重トンネル接合の片側一方の強磁性層に反強磁性層を付与し、上記一方の強磁性層を磁化固着層とした構造を有する強磁性１重トンネル接合が提案されている。
【０００６】
また、誘電体中に分散した磁性粒子を介した強磁性トンネル接合や、強磁性２重トンネル接合（連続膜）も提案されている。
【０００７】
これらにおいても、高い磁気抵抗変化率が得られるようになったこと、および所望の出力電圧値を得るため強磁性トンネル接合素子に印加する電圧値を増やしても磁気抵抗変化率の減少が抑えられることから、ＭＲＡＭへの応用の可能性がある。
【０００８】
これらの強磁性１重トンネル接合あるいは強磁性２重トンネル接合を用いた磁気記録素子は、不揮発性で書き込み時間および読み出し時間が１０ナノ秒以下と速く、書き換え回数も１０１５以上というポテンシャルを有する。
【０００９】
しかし、メモリのセルサイズに関しては、メモリセルが１個のトランジスタと、１個のＴＭＲ素子からなるアーキテクチャを用いた場合、半導体から形成されるＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）以下にサイズを小さくできないという問題がある。
【００１０】
この問題を解決するために、ビット線とワード線との間にＴＭＲ素子からなるセルとダイオードを直列接続したダイオード型アーキテクチャや、ビット線とワード線の間にＴＭＲ素子からなるセルを配置した単純マトリックス型アーキテクチャが提案されている。
【００１１】
しかし、いずれの場合も記憶層への書き込み時には電流パルスによる電流磁場で反転を行っているため、消費電力が大きい、大容量化したとき配線の許容電流密度限界があり大容量化できない、電流を流すためのドライバの面積が大きくなってしまうなどの問題点が有る。
【００１２】
上記の問題に対し、書き込み配線の周りに高透磁率磁性材料からなる薄膜を設けた固体磁気記憶装置が提案されている。これらの磁気記憶装置によれば配線の周囲に高透磁率磁性膜が設けられているため、磁気記録層への情報書き込みに必要な電流値を効率的に低減できる。しかしながら、これらを用いても、書き込み電流を１ｍＡ以下にすることは非常に困難であった。
【００１３】
これら課題を解決するために、スピン注入法による書き込み方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この書き込み方法は、スピン偏極した電流を磁気抵抗効果素子にスピン注入することによって磁気抵抗効果素子の磁気記録層の磁化がスピン反転することを利用している。
【特許文献１】米国特許明細書第６２５６２２３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
スピン注入を利用した書き込み方法において、スピン注入する場合に、素子に非常に高い電流密度の電流を流さないとスピン反転が起こらない。トンネルバリア層を持つ磁気抵抗効果素子に高電流密度の電流を流すとトンネルバリア層に高電界が印加されるため、素子破壊を引き起こす。そのため、低い電流密度でスピン反転する構造が求められる。
【００１５】
さらに書き込み電流を低減するためにもスピン反転電流密度が低いことが必要とされる。
【００１６】
以上、説明したように、低書き込み電流で動作するスピン注入法は低い電流密度でスピン反転する素子が必要とされる。
【００１７】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、素子破壊が発生しない低電流密度でスピン反転し、低電流で書き込みができる磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固着された磁化固着層と、磁化の向きが可変の磁気記録層と、前記磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられた非磁性層とを備え、前記磁化固着層の磁化の向きと前記磁気記録層の磁化の向きが０度より大きく、１８０度よりも小さい角度をなしており、前記磁気記録層にスピン偏極した電子を注入することにより前記磁気記録層の向きを反転させることを特徴とする。
【００１９】
なお、前記磁気記録層の膜面形状が略長方形であり、前記磁化固着層の磁化の向きは前記長方形の長軸に対して０度より大きく、１８０度よりも小さい角度で傾いており、前記磁気記録層の磁化の向きは前記長方形の長軸と略平行であってもよい。
【００２０】
なお、前記磁気記録層の膜面形状が略楕円形であり、前記磁化固着層の磁化の向きは前記楕円の長軸に対して０度より大きく、１８０度よりも小さい角度で傾いており、前記磁気記録層の磁化の向きは前記楕円の長軸と略平行であってもよい。
【００２１】
なお、前記磁気記録層の膜面形状が略平行四辺形であり、前記磁化固着層の磁化の向きは前記平行四辺形の長辺に対して０度より大きく、１８０度よりも小さい角度で傾いており、前記磁気記録層の磁化の向きは前記平行四辺形の長辺と略平行であってもよい。
【００２２】
なお、前記磁気記録層は、第１長軸を有する第１部分と、前記第１長軸に対して０度より大きく、１８０度よりも小さい角度で交差する第２長軸を有し前記第１部分と連結している第２部分とを備えている膜面形状を有し、前記磁化固着層の磁化の向きに対して、前記第１および第２長軸のうちの一方の長軸は正の角度をなし、他方の長軸は負の角度をなしていてもよい。
【００２３】
なお、前記磁気記録層は誘導磁気異方性を備え、前記磁気記録層の磁化の向きが誘導磁気異方性の向きに略平行であり、前記磁化固着層の磁化の向きは前記磁気記録層の誘導磁気異方性の向きに対して０度より大きく、１８０度よりも小さい角度で傾いていてもよい。
【００２４】
なお、前記磁気記録層の偏極率をＰとし、α＝（Ｐ１／２＋Ｐ−１／２）３／４、β＝−４＋３α、θ１＝ａｒｃｃｏｓ［｛−αβ−２×３１／２（β２−α２）｝／（４β２−3α２）］、θ１’＝ａｒｃｃｏｓ［｛−αβ＋２×３１／２（β２−α２）｝／（４β２−3α２）］（ここで、０°＜θ１’＜θ１＜１８０°）としたとき、磁化固着層の磁化の向きと磁気記録層の磁化の向きのなす角度θは、θ１’が１２０°以上の場合は（１８０°−θ１）以上（１８０°−θ１’）以下、もしくはθ１’以上θ１以下であり、θ１’が１２０°よりも小さい場合は、（１８０°−θ１）以上６０°以下、もしくは１２０°以上θ１以下であってもよい。
【００２５】
なお、前記磁気記録層の偏極率をＰとし、α＝（Ｐ１／２＋Ｐ−１／２）３／４、β＝−４＋３α、θ２＝ａｒｃｓｉｎ［｛（２−３１／２）（β２−α２）１／２｝／α］、θ２’＝ａｒｃｓｉｎ［｛（２＋３１／２）（β２−α２）１／２｝／α］（ただし０°＜θ２＜θ２’＜９０°）としたとき、前記磁化固着層の磁化の向きと前記磁気記録層の磁化の向きの成す角度θは、θ２’が６０°よりも小さい場合は、θ２以上θ２’以下、もしくは（１８０°−θ２’）以上（１８０°−θ２）以下であり、θ２’が６０°以上の場合は、θ２以上６０°以下、もしくは１２０°以上（１８０°−θ２）以下であってもよい。
【００２６】
なお、前記磁化固着層の磁化の向きと前記磁気記録層の磁化の向きの成す角度θが、４°以上６０°以下、もしくは１２０°以上１７６°以下にあってもよい。
【００２７】
また、本発明の第２の態様による磁気メモリは、第１配線と、前記第１配線に交差する第２配線と、上述のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有するメモリセルとを備え、前記磁気抵抗効果素子の前記磁気記録層は前記第１配線に電気的に接続され、前記磁気抵抗効果素子の前記磁化固着層は前記第２配線に電気的に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、素子破壊が発生しない低電流密度でスピン反転し、低電流で書き込みを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の実施形態を以下に図面を参照して説明する。
【００３０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を、図１に示す。図１は本実施形態による磁気抵抗効果素子の断面図である。本実施形態による磁気抵抗効果素子は、ボトムピン型のＴＭＲ素子であって、図１に示すように基板１上に下部電極２、反強磁性層３、磁化の向きが固着された磁化固着層４、トンネルバリア層５、磁化の向きが可変の磁気記録層６、スピン偏極された電子を反射するスピン反射層７およびカウンタ電極８が順次積層された構成となっている。なお、下部電極２とカウンタ電極８間の層配置が図１とは逆の図２に示すトップピン型のＴＭＲ素子であってもよい。すなわち、基板１上に下部電極２、スピン反射層７、磁気記録層６、トンネルバリア層５、磁化固着層４、反強磁性層３およびカウンタ電極８が順次積層された構成となっていてもよい。また、スピン注入による磁化反転の電流密度が十分低ければ、スピン反射層７を削除しても構わない。
【００３１】
図３（ａ）、（ｂ）は磁化固着層４と磁気記録層６の磁化の向きを図１に示すカウンタ電極８側から見た状態を示す平面図である。本実施形態においては、磁気記録層４の膜面形状は図４（ａ）に示すように略長方形になっており、形状異方性により磁気記録層４の磁化は長方形の長軸に平行の向きに磁化している。形状異方性を持つためには細長い形状であればよいので、磁気記録層４の膜面形状は図４（ａ）に示すような略長方形だけでなく、図４（ｂ）に示すような略楕円もしくは図４（ｃ）に示すような略平行四辺形であっても構わない。さらに、膜面形状は図５（ａ）に示すように略楕円を分割したものと略長方形を分割したものとを組み合わせた形状、図５（ｂ）に示すように略楕円を分割したものと略平行四辺形を分割したものとを組み合わせた形状、図５（ｃ）に示すように略平行四辺形を分割したものと略長方形を分割したものとを組み合わせた形状であっても構わない。また、本実施形態の磁化固着層４の磁化の向きと磁気記録層６の磁化の向きは、図３（ｃ）に示されるように、ある角度θだけ傾いている。つまり角度θが０度になっておらず、また角度θが１８０度にもなっていない。
【００３２】
一般に、磁化固着層４の磁化の向きと磁気記録層６の磁化の向きとの成す角度をθとすると、偏極したスピン電子の注入効率は角度θと磁気記録層６の偏極率Ｐに依存している。そして、低い電流密度でスピン注入による磁化反転を実現するために、角度θはスピン注入効率が高くなる角度であることが望まれる。そのため、スピン注入効率の最大値に対して半分以上のスピン注入効率であることが望ましい。スピン注入効率が最大となるときの角度θをθ１ｍａｘとし、スピン注入効率の最大値に対してスピン注入効率が半分となる角度θの値をθ１およびθ１’とすると、その関係は磁気記録層６の偏極率Ｐに関して図６に示す依存性を持つ。θ１およびθ１’は磁気記録層６の偏極率Ｐに関して、
α＝｛（Ｐ１／２＋Ｐ−１／２）３｝／４
β＝−４＋３α
θ１＝ａｒｃｃｏｓ［｛−αβ−２×３１／２（β２−α２）｝／（４β２−3α２）］
θ１’＝ａｒｃｃｏｓ［｛−αβ＋２×３１／２（β２−α２）｝／（４β２−3α２）］
と表すことができる。ここで、０°＜θ１’＜θ１＜１８０°である。これらの式より、磁化固着層４の磁化の向きと磁気記録層６の磁化の向きのなす角度θが、θ１’からθ１の間である場合に高いスピン注入効率を持つ。なお、０＜Ｐ＜１であるので、１２０°＜θ１＜１８０°である。
【００３３】
スピン注入により磁化反転させると、磁化固着層４と磁気記録層６の成す角度はθから略（１８０°−θ）となり、さらに磁化反転させると角度は略（１８０°−θ）から略θとなる。そのため、磁化固着層４の磁化の向きと磁気記録層６の磁化の向きのなす角度θは、（１８０°−θ１）以上（１８０°−θ１’）以下、もしくはθ１’以上θ１以下であることが望ましい。
【００３４】
一方、磁化固着層４と磁気記録層６の磁化の成す角度θに対して、磁気抵抗変化率ＭＲの依存性は、
ＭＲ（θ）＝ＭＲ（０°）｜ｃｏｓθ｜
と表される。この関係から角度θを９０°に近づけるとＭＲが下がってしまうことがわかる。抵抗変化を読み取るために磁気抵抗変化率ＭＲは最大値の半分以上であることが望ましい。磁気抵抗変化率ＭＲが半分になるのは、θ＝６０°およびθ＝１２０°のときである。つまり、角度θは０°より大きくて６０°以下、もしくは１２０°以上１８０°未満であることが望ましい。
【００３５】
以上のことから、θ１’が１２０°以上の場合は，磁化固着層の磁化の向きと磁気記録層６の磁化の向きの成す角度θは（１８０°−θ１）以上（１８０°−θ１’）以下、もしくはθ１’以上θ１以下であることが望ましく、θ１’が１２０°よりも小さい場合は、角度θは、（１８０°−θ１）以上６０°以下、もしくは１２０°以上θ１以下であることが望ましい。このため、本実施形態では磁気記録層６の偏極率Ｐに関して、図６に示す斜線領域の関係を満たすように角度θの値をとる。
【００３６】
本実施形態と異なり、磁化固着層４の磁化の向きと磁気記録層６の磁化の向きを平行もしくは反平行にしている場合においては、スピン注入効率が低いため、磁化反転する電流密度が高くなる。本実施形態では図６に示す斜線領域となる角度θの値をとっているために、磁気記録層６の磁化の向きを「反平行に近い向きから平行に近い向き」に反転させる場合、スピン注入効率が高くなるために、低い電流密度で磁化反転が実現できる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、素子破壊が発生しない低電流密度で磁化反転し、低電流で書き込みを行うことができる。
【００３８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子を説明する。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、図１に示す第1実施形態と同じ層構造とし、膜面形状は第１実施形態と同様に略長方形とする。なお、図２に示すように層構造の順序が逆になっても構わない。また、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように膜面形状が略楕円もしくは略平行四辺形であっても構わないし、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す形状であってもよい。
【００３９】
本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、磁化固着層４と磁気記録層6の成す角θが、「平行に近い角度から反平行に近い角度」に反転する場合の電流密度と、「反平行に近い角度から平行に近い角度」に反転する場合の電流密度の平均が低くなるようにして、磁化反転を実現する。
【００４０】
第１実施形態で説明したように、偏極したスピン電子の注入効率は、磁化固着層４と磁気記録層６との磁化の向きのなす角度θと磁気記録層６の偏極率Ｐに依存している。「平行に近い角度から反平行に近い角度」へのスピン注入の効率と「反平行に近い角度から平行に近い角度」へのスピン注入の効率の平均が最大値となるときの角度θをθ２ｍａｘとし、最大値の半分になるときの角度θをθ２およびθ２’とすると、その関係は図７に示す依存性を持つ。ここでθ２およびθ２’を平行に近い角度、（１８０°−θ２）および（１８０°−θ２’）を反平行に近い角度とする。θ２及びθ２’は磁気記録層６の偏極率Ｐに関して、
α＝｛（Ｐ１／２＋Ｐ−１／２）３｝／４、
β＝−４＋３α、
θ２＝ａｒｃｓｉｎ［｛（２−３１／２）（β２−α２）１／２｝／α］
θ２’＝ａｒｃｓｉｎ［｛（２＋３１／２）（β２−α２）１／２｝／α］
と表すことが出来る。ここで、０＜θ２＜θ２’＜９０°である。
【００４１】
また、抵抗変化を読み取るために、磁気抵抗変化率ＭＲが最大値の半分以上であることが望ましい。つまり、角度θが０°より大きく６０°以下、もしくは１２０°以上１８０°未満であることが望ましい。ここで、０＜Ｐ＜１であるので、０＜θ２＜６０°である。
【００４２】
これらの式からスピン注入効率を高めるためには、角度θは、θ２’が６０°よりも小さい場合は、θ２以上θ２’以下、もしくは（１８０°−θ２’）以上（１８０°−θ２）以下であることが望ましく、θ２’が６０°以上の場合は、θ２以上６０°以下、もしくは１２０°以上（１８０°−θ２）以下であることが望ましい。
【００４３】
本実施形態と異なり、磁化固着層４の磁化の向きと磁気記録層６の磁化の向きを平行もしくは反平行にしている場合においては、スピン注入効率が低いため、磁化反転する電流密度が高くなる。
【００４４】
これに対して本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、角度θを磁気記録層６の偏極率Ｐに関して図７に示す斜線領域にとった。そのため、磁気記録層６の磁化を、「平行に近い角度から反平行へ近い角度」へ反転させる電流密度と「反平行に近い角度から平行に近い角度」へ反転させる電流密度の平均が低くなり、低い電流密度で磁化反転を実現することができる。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態によれば、素子破壊が発生しない低電流密度で磁化反転し、低電流で書き込みを行うことができる。
【００４６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子を説明する。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、第１実施形態の磁気抵抗効果素子と同様の層構造および膜面形状を有している。
【００４７】
磁気抵抗変化率ＭＲは、磁気記録層６の偏極率Ｐに依存しており、高い磁気抵抗変化率を得るためには高い偏極率Ｐを持つ材料を用いることが望まれる。高い偏極率Ｐとしては室温でＰ＝０．８が得られている。そこで、本実施形態では高い偏極率を持つ材料を磁気記録層６に用い、磁化固着層４の磁化の向きと磁気記録層６の磁化の向きを傾けることにより、低い電流密度でスピン注入磁化反転を実現する。
【００４８】
図８に示すように偏極率Ｐ＝０．８のとき、第１実施形態の磁気抵抗効果素子における、磁気記録層６と磁化固着層４との磁化の向きのなす角度θ１は１７６°となる。つまり、「反平行に近い角度から平行に近い角度」に反転させるスピン注入効率を最大値の半分以上にするために、角度θを４°以上、もしくは１７６°以下にすることが望ましい。
【００４９】
また、抵抗変化を読み取るために、磁気抵抗変化率ＭＲが最大値の半分以上であることが望ましい。つまり、角度θが０°より大きく６０°以下、もしくは１２０°以上１８０°未満であることが望ましい。
【００５０】
以上のことから本実施形態においては、角度θを４°以上６０°以下、もしくは１２０°以上１７６°以下にとった。このため、本実施形態の磁気抵抗効果素子は、角度θが０°の場合（平行の場合）もしくは１８０°の場合（反平行の場合）と比較すると、ＭＲはあまり下げずに、低い電流密度で磁化反転が実現できる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態によれば、素子破壊が発生しない低電流密度で磁化反転し、低電流で書き込みを行うことができる。
【００５２】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による磁気抵抗効果素子を説明する。
【００５３】
本実施形態の磁気抵抗効果素子は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子とは層構造は同じであるが、膜面形状が異なっている。本実施形態の磁気抵抗効果素子に係る磁気記録層６の膜面形状を図９に示す。本実施形態に係る磁気記録層６は、図９に示すように、四角形状の第１部分６ａの長軸と、四角形状の第２部分６ｂの長軸とが０度より大きく１８０度より小さい角度で交差するように接続された構成となっている。なお、磁気記録層６以外の層、例えば、下部電極２、反強磁性層３、磁化固着層４、トンネルバリア層５、スピン反射層７、およびカウンタ電極８も図９に示す磁気記録層６と同じ膜面形状を有している。
【００５４】
一般に磁気記録層６の磁化の向きは形状異方性により長軸に略平行になるため、第１部分６ａの磁化の向き６１および第２の部分６ｂの磁化の向き６２は、磁化固着層４の磁化の向き４１に対して傾いている。すなわち、磁化固着層４の磁化の向き４１に対して、第１部分６ａの磁化の向き６１は正の角度に傾いており、第２部分６ｂの磁化の向き６２は負の角度に傾いている。本明細書では、図９において時計の反対回りを正の角度、時計回りを負の角度とする。図９に示すように、磁化固着層４の磁化の向き４１と、磁気記録層６の第１部分６ａの磁化の向き６１、及び第２部分６ｂの磁化の向き６２の成す角をそれぞれψ１、ψ２とする。
【００５５】
本実施形態では│ψ１│と│ψ２│をともに第２実施形態の略θ２ｍａｘもしくはともに略（１８０°−θ２ｍａｘ）に設定し、スピン注入効率を高めることにより、低電流密度の磁化反転を実現した。
【００５６】
なお、│ψ１│と│ψ２│をともに第１実施形態の（１８０°−θ１）以上６０°以下もしくはともに１２０°以上θ１以下の値に設定しても構わない（θ１’＜１２０°の場合）。もしくは、│ψ１│と│ψ２│をともに第１実施形態の（１８０°−θ１）以上（１８０°−θ１’）以下もしくはともにθ１’以上θ１以下の値に設定しても構わない（θ１’≧１２０°の場合）。また、│ψ１│と│ψ２│をともに第２実施形態のθ２以上６０°以下もしくは１２０°以上（１８０°−θ２）以下の値に設定しても構わない（θ２’≧６０°の場合）。もしくは、│ψ１│と│ψ２│をともに第２実施形態のθ２以上θ２’以下もしくは（１８０°−θ２’）以上（１８０°−θ２）以下の値に設定しても構わない（θ２’＜６０°の場合）。また、│ψ１│と│ψ２│をともに第３実施形態の４°以上６０°以下、もしくはともに１２０°以上１７６°以下の値に設定しても構わない。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態によれば、素子破壊が発生しない低電流密度でスピン反転し、低電流で書き込みを行うことができる。
【００５８】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態による磁気抵抗効果素子を説明する。
【００５９】
本実施形態の磁気抵抗効果素子は、図１に示す第1実施形態の磁気抵抗効果素子と同じ層構造であるが、膜面形状が異なっている。なお、層構造は、図２に示す第１実施形態の変形例の場合と同様に層構造の順序が逆になってもいても構わない。本実施形態の磁気抵抗効果素子の膜面形状は、略円となっている。なお、膜面形状は略円の代わりに略正方形、もしくは５以上の角を持つ略正多角形であっても構わない。本実施形態においては誘導磁気異方性を利用して磁化固着層６および磁気記録層４に磁気異方性を付与する。「誘導磁気異方性」とは、磁性体が形成されるときあるいは高温で原子の移動が可能なときに、磁気異方性を付与したい方向に磁場を印加することにより、磁性体に磁気異方性をつけることができる現象であり、この現象によって付与される磁気異方性を誘導磁気異方性という。
【００６０】
本実施形態では磁化固着層６および磁気記録層４に誘導磁気異方性を持たせ、磁化固着層６の誘導磁気異方性の向きと磁気記録層４の誘導磁気異方性の向きを角度φだけ傾かせる。磁化固着層６および磁気記録層４の磁化の向きは、それぞれの誘導磁気異方性の向きにほぼ向いているため、磁化固着層6の磁化の向きと磁気記録層４の磁化の向きが略φの角度傾いている。本実施形態では角度φを、第２実施例の略θ２ｍａｘに設定したため、高いスピン注入効率を有し、低い反転電流密度で磁化反転をすることができる。
【００６１】
本実施形態では角度φを略θ２ｍａｘに設定したが、角度φを第１実施形態の（１８０°−θ１）以上６０°以下の値もしくは１２０°以上θ１以下の値に設定しても構わない（θ１＞１２０°の場合）。また、角度φを第２実施形態のθ２以上６０°以下の値もしくは１２０°以上（１８０°−θ２）以下の値に設定しても構わない（θ２＜６０°の場合）。また、角度φを第３実施形態の４°以上６０°以下の値、もしくは１２０°以上１７６°以下の値に設定しても構わない。
【００６２】
以上説明した各実施形態においては、磁気抵抗効果素子の磁性膜（磁化固着層４および磁気記録層６を構成する磁性膜）は、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、または、（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ）−（Ｓｉ，Ｂ）、（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ）−（Ｓｉ，Ｂ）−（Ｐ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｍｎ）系またはＣｏ−（Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ）系などのアモルファス材料、Ｃｏ２（ＣｒｘＦｅ１−ｘ）Ａｌ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ系などのホイスラー材料からなる群より選ばれる少なくとも１種の薄膜またはそれらの積層膜で構成してもよい。なお、例えば記号（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ）はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉのうちから１つ以上の元素を選択することを意味している。
【００６３】
特に、磁気記録層６または磁化固着層４の内の強磁性層が非磁性層を介して複数積層された積層構造を有している場合は、トンネルバリア層５に近い強磁性層には磁気抵抗効果による抵抗変化率が大きくなるＣｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、ＦｅリッチＮｉ−Ｆｅを用い、トンネルバリアと接していない強磁性層にはＮｉリッチＮｉ−Ｆｅ、ＮｉリッチＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏなどを用いると抵抗変化率を大きく保ったまま、書き込み電流を低減でき、より好ましい。
【００６４】
磁気記録層として、軟磁性層／強磁性層という２層構造、または強磁性層／軟磁性層／強磁性層という３層構造を用いてもよい。また磁気記録層として、強磁性層／非磁性層／強磁性層という３層構造、または強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層という５層構造を用いて、強磁性層の層間の交換相互作用の強さを制御することによりメモリセルである磁気記録層のセル幅がサブミクロン以下になっても、スピン注入の書き込み電流を増大させずにすむという好ましい効果が得られる。
【００６５】
磁化固着層４および磁気記録層６の磁性材料に、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスニウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節するばかりでなく、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。
【００６６】
磁化固着層４および磁気記録層６は、磁性層間の交換結合により結合した磁性体／非磁性体／磁性体の構造にすることもできる。また、交換結合により3層以上の磁性体を用いた構造にしても構わない。
【００６７】
一方、磁気抵抗効果素子としてトンネル接合を用いる場合に、磁化固着層と磁気記録層との間に設けられるトンネルバリア層５としては、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）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種の絶縁体を用いることができる。
【００６８】
これらの化合物は、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。また、この絶縁層の厚さは、トンネル電流が流れる程度に薄いほうが望ましく、実際上は、１０ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以下であることが望ましい。
【００６９】
このような磁気抵抗効果素子は、各種スパッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常の薄膜形成手段を用いて、所定の基板上に形成することが出来る。この場合の基板としては、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、スピネル、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）など各種の基板を用いることができる。
【００７０】
また、基板の上に下地層や保護層、ハードマスクなどとして、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｕ（金）、Ｔｉ／Ｐｔ（チタン／白金）、Ｔａ／Ｐｔ（タンタル／白金）、Ｔｉ／Ｐｄ（チタン／パラジウム）、Ｔａ／Ｐｄ（タンタル／パラジウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ−Ｃｕ（アルミニウム−銅）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｏｓ（オスミウム）Ｒｈ（ロジウム）などからなる層を設けてもよい。
【００７１】
また、磁化固着層４として用いる強磁性層には、反強磁性膜３を付加して磁化を固着することが望ましい。
【００７２】
反強磁性層３としては、Ｆｅ−Ｍｎ（鉄−マンガン）、Ｐｔ−Ｍｎ（白金−マンガン）、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ（白金−クロム−マンガン）、Ｎｉ−Ｍｎ（ニッケル−マンガン）、Ｉｒ−Ｍｎ（イリジウム−マンガン）、ＮｉＯ（酸化ニッケル）、Ｆｅ２Ｏ３（酸化鉄）などを用いることができる。
【００７３】
スピン反射層７には、磁気記録層側からキャップ層／磁性層／反強磁性層の構造またはキャップ層／磁性層／非磁性層／磁性層／反強磁性層の構造を持ち、スピン偏極した電子を反射させ、磁気記録層の磁化反転を促す。そのため、スピン注入磁化反転の電流密度を低くすることができる。キャップ層は金属、合金もしくは金属間化合物の保護膜を用いることができる。
【００７４】
以下、実施例を参照して発明の実施形態についてさらに詳細に説明する。
【００７５】
（第１実施例）
まず、本発明の第１実施例のメモリを図１０を参照して説明する。本実施例の磁気メモリは、下部配線２０と、上部配線２５と、メモリセルとを有し、メモリセルは磁気抵抗効果素子を有している。この磁気抵抗効果素子は、図１に示す層構造を持ち、図３（ｃ）に示すように磁化固着層４の磁化の向きに対して磁気記録層６の磁化の向きが傾いている。そして、膜面形状として、図４（ａ）に示すように形状が略長方形、図４（ｂ）に示すように略楕円、および図４（ｃ）に示すように略平行四辺形の磁気抵抗効果素子をそれぞれ作製した。なお、膜面形状は図５（ａ）、図５（ｂ）または図５（ｃ）に示すように、略長方形を分割したもの、略楕円を分割したもの、および略平行四辺形を分割したものを組み合わせた形状であっても構わない。本実施例の磁気メモリは以下のように形成される。
【００７６】
まず、ＳｉＯ２からなる基板（図示せず）上にＴａ（３０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）／Ｔａ（５０ｎｍ）からなる下部配線層２０をスパッタにより成膜する。下部配線層２０上を化学機械研磨（ＣＭＰ）により表面を研磨した上に、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（３ｎｍ）からなる下地層（図示せず）、膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層３、ＣｏＦｅ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）からなる磁化固着層４、膜厚１．０ｎｍのＭｇＯからなるトンネルバリア層５、膜厚３ｎｍのＣｏＦｅＢからなる磁気記録層６、膜厚５ｎｍのＲｕからなる第１キャップ層（図示せず）、ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）からなるスピン反射層７、膜厚５ｎｍのＲｕからなる第２キャップ層（図示せず）を順次成膜する。その後、第２キャップ層上にＴａ（５０ｎｍ）／Ａｌ（２ｎｍ）／Ｔａ（１５０ｎｍ）からなるカウンタ電極層８を形成する。その後、磁化固着層４の磁化を固着するため、磁化固着層４の磁化の向きに磁場を印加しながら３００℃でアニールを行った。
【００７７】
次に、カウンタ電極層８上にレジストを塗布し、磁気抵抗効果素子の膜面形状を有する形状のレジストパターンをフォトリソグラフィー法により形成した。なお、磁気記録層６の磁化に形状異方性を持たせるために、磁気抵抗効果素子の膜面形状は略長方形、略楕円もしくは略平行四辺形とした。上記形状の長軸の向きは、磁化の向きを固着させた磁化固着層４の磁化の向きに対して３２°傾かせた。
【００７８】
上記レジストパターンをマスクとしてカウンタ電極層８を反応性イオンエッチングによりエッチングし、カウンタ電極８を形成する。続いて上記レジストパターンを剥離した後、カウンタ電極層８をマスクとして、第２キャップ層、スピン反射層７、第１キャップ層、磁気記録層６、トンネルバリア層５、磁化固着層４、反強磁性層３をイオンミリングでエッチングした。その上に保護膜となるＳｉＯ２膜（図示せず）をスパッタにより成膜した。
【００７９】
次に、下部配線層のレジストパターンを形成し、イオンミリングでエッチングすることにより下部配線２０を作製した。レジストパターンを剥離した後、２００ｎｍのＳｉＯ２からなる層間絶縁層（図示せず）をスパッタにより成膜した。カウンタ電極８とのコンタクトをとるためのビアホールパターンを有するレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして反応性イオンエッチングによりカウンタ電極８が現れるまで層間絶縁層のエッチングを行った後、レジストパターンを剥離した。その後、上部配線層となるＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ層を成膜し、このＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ層上にレジストパターンを形成する。続いて、このレジストパターンをマスクとして反応性イオンエッチングを用いてＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ層をエッチングすることにより上部配線２５を形成した後、レジストパターンを剥離した。
【００８０】
本実施例では磁気抵抗効果素子にパルス電流を流した後に、十分低電流で抵抗を測定するパルス測定法を用いて、スピン注入磁化反転による抵抗変化を測定した。本実施例の略長方形の形状を持つ磁気抵抗効果素子の抵抗のパルス電流密度依存性を図１１に示す。スピン注入により磁化反転が起こり、抵抗変化が観測できた。磁化反転の電流密度は磁気記録層６の磁化の向きを磁化固着層４の磁化の向きに対して、反平行に近い向きから平行に近い向きに反転する場合は０．４８×１０６Ａ／ｃｍ２、逆に平行に近い向きから反平行に近い向きへ反転させる場合は２．０×１０６Ａ／ｃｍ２と見積もられる。磁化反転する電流密度は平均すると１．２×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００８１】
比較例として、磁気記録層の磁化の向きが磁化固着層の磁化の向きに対して傾いていない、すなわち傾き角が０°または１８０°である以外は本実施例と同じサンプルを作成し、スピン注入により磁化反転させた。この比較例の磁化反転する電流密度は、略反平行から略平行に反転する場合と、逆に略平行から略反平行へ反転させる場合を平均すると１．０×１０７Ａ／ｃｍ２であった。
【００８２】
したがって、本実施例は、低電流密度でスピン注入書き込みができる。
【００８３】
また、膜面形状が略楕円もしくは略平行四辺形の形状を持つ磁気抵抗効果素子の面積と平均の磁化反転電流密度を図１２に示す。略楕円もしくは略平行四辺形の形状の磁気抵抗効果素子においても低電流密度でスピン注入書き込みができる。
【００８４】
本実施例の磁気メモリは、低電流でスピン注入書き込みができ、大容量メモリとして適していることがわかった。
【００８５】
（第２実施例）
次に、本発明の第２実施例による磁気メモリを、図１３を参照して説明する。本実施例の磁気メモリは、下部配線２０と、上部配線２５と、メモリセルとを備えている。メモリセルは磁気抵抗効果素子を有し、この磁気抵抗効果素子は、図３（ｃ）に示すように磁化固着層４の磁化の向きに対して磁気記録層６の磁化の向きが傾いている。そして膜面形状が、図４（ａ）に示すように形状が略長方形、図４（ｂ）に示すように略楕円、および図４（ｃ）に示すように略平行四辺形の磁気抵抗効果素子を作製した。なお、膜面形状は、図５（ａ）、図５（ｂ）、または図５（ｃ）に示すように、略長方形を分割した形状、略楕円を分割した形状、および略平行四辺形を分割した形状を組み合わせた形状であっても構わない。本実施例では、下部配線からカウンタ電極までの層構造は実施例１と逆の順になっている。本実施例の磁気メモリは、以下のように形成される。
【００８６】
下部配線２０までは第１実施例と同じプロセスで作製する。下部配線２０の表面をＣＭＰにより研磨した後、下部配線２０上にＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（３ｎｍ）からなる下地層（図示せず）、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）からなるスピン反射層７、膜厚５ｎｍからなる第１キャップ層（図示せず）、膜厚３ｎｍのＣｏＦｅＢからなる磁気記録層６、膜厚１．０ｎｍのＭｇＯからなるトンネルバリア層５、ＣｏＦｅ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）からなる磁化固着層４、膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層３、膜厚５ｎｍのＲｕからなる第２キャップ層（図示せず）の順に成膜する。その後、第２キャップ層上にＴａ（５０ｎｍ）／Ａｌ（２ｎｍ）／Ｔａ（１５０ｎｍ）からなるカウンタ電極層８を形成する。
【００８７】
その後、磁化固着層４の磁化を固着するため、磁化固着層４の磁化の向きに磁場を印加しながら３００℃でアニールを行った。
【００８８】
本実施例では、カウンタ電極膜８上にレジストを塗布し、磁気抵抗効果素子の膜面形状を有するレジストパターンをフォトリソグラフィー法により形成した。なお、磁気記録層６の磁化に形状異方性を持たせるために、磁気抵抗効果素子は膜面形状が略長方形、略楕円、および略平行四辺形のものを作成した。上記膜面形状の長辺の向きもしくは長軸の向きは、磁化を固着させた磁化固着層４の磁化の向きに対して３８°傾かせた。
【００８９】
以降の磁気抵抗効果素子の加工プロセスは第１実施例と同じ方法で作製し、磁気メモリが形成できた。本実施例ではパルス測定法を用いて、スピン注入磁化反転による抵抗変化を測定した。
【００９０】
本実施例ではスピン注入により磁化反転が起こり、抵抗変化が観測できた。本実施例に係る、膜面形状が略楕円の磁気抵抗効果素子の抵抗のパルス電流密度依存性を図１４に示す。膜面形状が略楕円の磁気抵抗効果素子の磁化反転の電流密度は、磁気記録層６の磁化の向きを磁化固着層４の磁化の向きに対して、反平行に近い向きから平行に近い向きに反転する場合は０．５６×１０６Ａ／ｃｍ２、逆に平行に近い向きから反平行に近い向きへ反転させる場合は１．７×１０６Ａ／ｃｍ２と見積もられる。磁化反転する電流密度は平均すると１．１×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００９１】
比較例として、磁気記録層の磁化の向きが磁化固着層の磁化の向きに対して傾いていない、すなわち傾き角が０°または１８０°である以外は本実施例と同じサンプルを作成し、スピン注入により磁化反転させた。この比較例の磁化反転する電流密度は、略反平行から略平行に反転する場合と、逆に略平行から略反平行へ反転させる場合を平均すると１．０×１０７Ａ／ｃｍ２であった。
【００９２】
したがって、本実施例は、低電流密度でスピン注入書き込みができる。
【００９３】
また、膜面形状が略長方形もしくは略平行四辺形の形状を持つ磁気抵抗効果素子の面積と平均の磁化反転電流密度を図１５に示す。図１５から膜面形状が略長方形もしくは略平行四辺形の形状の磁気抵抗効果素子においても低電流密度でスピン注入書き込みができることがわかる。
【００９４】
本実施例の磁気メモリは、低電流でスピン注入書き込みができ、大容量メモリとして適していることがわかった。
【００９５】
（第３実施例）
次に、本発明の第３実施例として、図９に示すように形状異方性に２軸を持つ形状の磁気抵抗効果素子を作製した。本実施例は第１実施例に係る磁気抵抗効果素子と同じ層構造を形成し、磁化固着層の磁化の向きに磁場を印加しながら３００℃でアニールを行った。
【００９６】
なお、本実施例では、素子の膜面形状が、図１６（ａ）に示すように２つの略長方形を組み合わせた形状、図１６（ｂ）に示すように２つの略楕円を組み合わせた形状および図１６（ｃ）に示すように２つの略平行四辺形を組み合わせた形状の磁気抵抗効果素子をそれぞれ第１実施例と同じフォトリソグラフィー方により加工した。ここで素子の膜面形状が略長方形、略楕円および略平行四辺形のうち２つを組み合わせた形状であっても構わない。また、素子の膜面形状が略長方形を分割した形状、略楕円を分割した形状および略平行四辺形を分割した形状を組み合わせた形状であっても構わない。
【００９７】
磁化固着層４の磁化の向き４１に対して、磁気記録層６の第１部分の形状異方性の軸６１の成す角ψ１は３２°、および磁化固着層４の磁化の向き４１に対して磁気記録層６の第２部分の形状異方性の軸６２の成す角ψ２は−３２°とした（図９参照）。その後、第１実施例と同じプロセスにより磁気抵抗効果素子を作製した。
【００９８】
このように形成された本実施例の磁気抵抗効果素子に対して、パルス測定法を用いて、スピン注入磁化反転による抵抗変化を測定した。作製した磁気抵抗効果素子の形状および面積、測定したスピン注入磁化反転電流密度を図１７に示す。
【００９９】
比較例として、磁気記録層の磁化の向きが磁化固着層の磁化の向きに対して傾いていない、すなわち傾き角が０°または１８０°である以外は本実施例と同じサンプルを作成し、スピン注入により磁化反転させた。この比較例の磁化反転する電流密度は、略反平行から略平行に反転する場合と、逆に略平行から略反平行へ反転させる場合を平均すると１．０×１０７Ａ／ｃｍ２であった。
【０１００】
したがって、本実施例は、低電流密度でスピン注入書き込みができる。そして、本実施例の磁気抵抗効果素子を第１または第２実施例の磁気メモリの磁気抵抗効果素子に置き換えれば、大容量が可能な磁気メモリとなる。
【０１０１】
（第４実施例）
次に、本実施例の磁気抵抗効果素子は、成膜装置に磁石を配置し、サンプルに磁場を印加しながら成膜を行った。成膜時には磁化固着層の成膜時の磁場の向きと磁気記録層の成膜時の磁場の向きを角度φだけ傾けることにより、磁気記録層に第１回目の誘導磁気異方性を持たせた。層構造は第１実施例に係る磁気抵抗効果素子と同じ構造で形成した。
【０１０２】
成膜後に、アニールを行って第２回目の誘導磁気異方性を付与したサンプルと、アニールを行わないで第２回目の誘導磁気異方性を付与しないサンプルを作製した。本実施例においては、アニールは、磁化固着層の成膜時の磁場の向きと略同じ向きに磁場を印加して３００℃でアニールを行った後に、１２０℃に温度を下げ、磁気記録層の成膜時の磁場と略同じ向きに磁場を印加してアニールを行った。
【０１０３】
本実施例では、正方形および円の形状を持つ磁気抵抗効果素子を作製した。本実施例における素子加工プロセスは第１実施例と同じ方法により作製した。また、第１実施例と同様にパルス測定法によりスピン注入の磁化反転電流密度を測定した。
【０１０４】
素子の形状および角度φに対する平均の反転電流密度を図１８に示す。図１８から、成膜時に誘導磁気異方性を付与すれば、アニールによる２回目の誘導磁気異方性を付与してもしなくてもスピン注入の磁化反転電流密度にはほとんど変化がないことがわかる。
【０１０５】
比較例として、磁気記録層の磁化の向きが磁化固着層の磁化の向きに対して傾いていない、すなわち傾き角が０°または１８０°である以外は本実施例と同じサンプルを作成し、スピン注入により磁化反転させた。この比較例の磁化反転する電流密度は、略反平行から略平行に反転する場合と、逆に略平行から略反平行へ反転させる場合を平均すると１．０×１０７Ａ／ｃｍ２であった。
【０１０６】
したがって、本実施例の構造は、低電流でスピン注入書き込みができることがわかる。そして、本実施例の磁気抵抗効果素子を第１または第２実施例の磁気メモリの磁気抵抗効果素子に置き換えれば、大容量が可能な磁気メモリとなる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図２】第１実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図３】第１実施形態の磁気抵抗効果素子の磁気記録層と磁化固着層の磁化の向きを説明する図。
【図４】第１実施形態の磁気抵抗効果素子の膜面形状を説明する図。
【図５】第１実施形態の磁気抵抗効果素子の膜面形状を説明する図。
【図６】第１実施形態の磁気抵抗効果素子の磁気記録層と磁化固着層の磁化の向きのなす角度が取り得る範囲を説明する図。
【図７】第２実施形態の磁気抵抗効果素子の磁気記録層と磁化固着層の磁化の向きのなす角度が取り得る範囲を説明する図。
【図８】第３実施形態の磁気抵抗効果素子の磁気記録層と磁化固着層の磁化の向きのなす角度が取り得る範囲を説明する図。
【図９】本発明の第４実施形態による磁気抵抗効果素子の磁気記録層の膜面形状と磁化固着層の磁化の向きとの関係を示す図。
【図１０】本発明の第１実施例による磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図。
【図１１】第１実施例の磁気抵抗効果素子の抵抗のパルス電流密度依存性を示す図。
【図１２】第１実施例の磁気抵抗効果素子の膜面形状、膜面面積、平均の反転電流密度を示す図。
【図１３】本発明の第２実施例による磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図。
【図１４】第２実施例の磁気抵抗効果素子の抵抗のパルス電流密度依存性を示す図。
【図１５】第２実施例の磁気抵抗効果素子の膜面形状、膜面面積、平均の反転電流密度を示す図。
【図１６】本発明の第３実施例による磁気抵抗効果素子の磁気記録層の膜面形状を示す図。
【図１７】第３実施例の磁気抵抗効果素子の膜面形状、膜面面積、平均の反転電流密度を示す図。
【図１８】本発明の第４実施例の磁気抵抗効果素子の膜面形状、傾き角度、アニールの有無、膜面面積、平均の反転電流密度を示す図。
【符号の説明】
【０１０８】
１  基板
２  下部電極
３  反強磁性層
４  磁化固着層
５  トンネルバリア層
６  磁気記録層
７  スピン反射層
８  カウンタ電極
【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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