(57)【要約】【課題】ＭｇＯを障壁層として磁化反転電流を低減したＴＭＲ素子構造を備える光変調素子を提供する。【解決手段】光変調素子５は、磁化固定層１１、ＭｇＯからなる障壁層１２、磁化自由層１３を積層してなるＴＭＲ素子構造１と、その上下に接続した上部電極３、下部電極２を備える。下部電極２は、組成がＣｕ1-xＣｒx（０．０７＜ｘ＜０．４２）である非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金からなり、磁化固定層１１は非晶質の磁性体からなり、このような非晶質の層の上に、障壁層１２としてＭｇＯ膜が形成されるため、ＭｇＯ膜が強い（００１）面配向を示して、ＴＭＲ素子構造１の磁化反転電流を低減できる。【選択図】図１
2013021033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直磁気異方性を有する磁化固定層、ＭｇＯからなる障壁層、および垂直磁気異方性を有する磁化自由層を積層してなるトンネル磁気抵抗素子構造と、このトンネル磁気抵抗素子構造の上に接続した上部電極と下に接続した下部電極とからなる一対の電極と、を備えるスピン注入磁化反転素子であって、
前記下部電極は、組成がＣｕ1-xＣｒx（０．０７＜ｘ＜０．４２）である非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金からなり、
前記磁化固定層は非晶質の磁性体からなることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
【請求項２】
垂直磁気異方性を有する磁化自由層、ＭｇＯからなる障壁層、および垂直磁気異方性を有する磁化固定層を積層してなるトンネル磁気抵抗素子構造と、このトンネル磁気抵抗素子構造の上に接続した上部電極と下に接続した下部電極とからなる一対の電極と、を備えるスピン注入磁化反転素子であって、
前記下部電極は、組成がＣｕ1-xＣｒx（０．０７＜ｘ＜０．４２）である非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金からなり、
前記磁化自由層は非晶質の磁性体からなることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
【請求項３】
前記下部電極に、Ｔａ膜、Ｒｕ膜をこの順に積層して備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン注入磁化反転素子。
【請求項４】
前記上部電極を透過して入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調素子であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のスピン注入磁化反転素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光を磁気光学効果により光の位相や振幅等を空間的に変調して出射する空間光変調器に用いる光変調素子に好適なスピン注入磁化反転素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピン注入磁化反転素子は、２層以上の磁性体膜を備え、上下に接続された電極（配線）から膜面に垂直に電流を供給されることで、スピン注入磁化反転により一部の磁性体膜の磁化方向が１８０°回転（反転）し、磁化方向が変化しない別の磁性体膜と同じ方向または反対方向になる。このスピン注入磁化反転素子は、磁性体膜同士の磁化が同じ方向の状態と異なる方向の状態とで上下の電極間の抵抗が変化するため、磁気抵抗効果素子として１ビットのデータの書き込み／読み出しを行うことができる。すなわち、スピン注入磁化反転素子は、これを備えたメモリセルをマトリクス状に配列して磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を構成する。スピン注入磁化反転素子は、その大きさが極めて小さい上、磁化反転の動作が高速であるため、大容量磁気メモリとしてＭＲＡＭおよびスピン注入磁化反転素子の研究・開発が進められている。
【０００３】
スピン注入磁化反転素子としては、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗）素子やＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗）素子が知られているが、磁気抵抗効果素子として、より磁気抵抗比の高いＴＭＲ素子について特に研究されている。また、近年では、ＭＲＡＭの、よりいっそうの大容量化および省電力化のために、微細化が可能で、かつ磁化反転に要する電流（反転電流）を低減できる、膜面に垂直方向の磁化を示す（垂直磁気異方性を有する）磁性体材料が適用されている。ＴＭＲ素子は、２枚の磁性体膜の間に、トンネル障壁または障壁層と呼ばれる極めて薄い絶縁体膜を挟んだ構造である。障壁層の材料としては、磁化反転に要する電流をいっそう低減できる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が好適とされている。
【０００４】
また、スピン注入磁化反転素子の別の用途として、空間光変調器の画素に搭載される光変調素子が挙げられる。光変調素子としてのスピン注入磁化反転素子は、磁性体膜で反射または透過した光の偏光の向きが変化する（旋光する）磁気光学効果により、磁性体膜の磁化方向を反転させて光の偏光の向きを２値に変化させるものである。空間光変調器においても、高精細化および高速化のために、従来の液晶に代わる材料として、ＭＲＡＭと同様に研究・開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。光変調素子として使用するスピン注入磁化反転素子は、偏光の向きの変化が大きい（光変調度が大きい）ことが望ましい。そのため、光変調素子においても、垂直磁気異方性のスピン注入磁化反転素子を用いて、膜面にほぼ垂直に光を入射することにより、極カー効果で光変調度を大きくすることが望ましい（例えば、非特許文献１参照）。また、高精細化するべく画素数を増大しても好適に駆動し、かつ省電力化のために反転電流を低減できる材料が要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−８３６８６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K. Aoshima et. al, “Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light”, Appl. Phys. Lett. 91, 052507 (2007)
【非特許文献２】S. S. P. Parkin, C. Kaiser, A. Panchula, P. M. Rice, B. Hughes, M. Samant, S. H. Yang, “Giant tunnelling magnetoresistance at room temperature with MgO (100) tunnel barriers”, Nature Materials, vol.3, p.862, Dec. 2004
【非特許文献３】Shinji Yuasa, Taro Nagahama, Akio Fukushima, Yoshishige Suzuki, Koji Ando, “Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions”, Nature Materials, vol.3, p.868, Dec. 2004.
【非特許文献４】M. Nakayama, T. Kai, N. Shimomura, M. Amano, E. Kitagawa, T. Nagase, M. Yoshikawa, T. Kishi, S. Ikegawa, H. Yoda, “Spin transfer switching in TbCoFe/CoFeB/MgO/CoFeB/TbCoFe magnetic tunnel junctions with perpendicular magnetic anisotropy”, J. Appl. Phys. 103, 07A710 (2008).
【非特許文献５】久保田均，他，“ＭｇＯバリアを用いたＭＴＪにおけるスピン注入磁化反転”，日本応用磁気学会研究会資料１４５巻, p.43-48, 2006.01.30
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
障壁層としてＭｇＯを適用したＴＭＲ素子においては、この障壁層を挟む２枚の磁性膜の少なくとも一方について、当該障壁層との界面に（００１）面配向のＦｅやＣｏＦｅからなる薄膜を設けることで、スピン注入効率が飛躍的に向上することが知られている（非特許文献２〜５）。
【０００８】
さらに、障壁層としてのＭｇＯは、結晶を（００１）面配向として原子が規則正しく配列されていることにより、電子が散乱せずに注入されるために、反転電流を低減できる（非特許文献２〜４）。ところが、ＭｇＯ膜の結晶構造は、下地膜に大きく依存する傾向がある。ここで、スピン注入磁化反転素子の上下に接続される電極は、一般的な金属電極材料のＣｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ等の単層膜や、これらの単層膜にＴａ，Ｒｕ等の薄膜を積層したものが用いられている。これらの金属電極材料は、面心立方格子（ｆｃｃ）構造の（１１１）面構造をとり易く、このような結晶構造の電極上にＭｇＯ膜を形成すると、Ｔａ，Ｒｕ等の薄膜や磁性体膜を介しても、ＭｇＯ膜が（００１）面構造になり難いという問題がある。
【０００９】
また、ＴＭＲ素子全般において、障壁層とこれを挟む２枚の磁性膜のそれぞれとの界面の平坦性が良好であることが、磁気トンネル接合のために好ましい。しかし、ＴＭＲ素子の下に接続される電極を、例えばＣｕの単層膜として５０ｎｍ以上の膜厚にスパッタリング法で成膜した場合、その表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａは通常１ｎｍを超えるため、その上に形成される磁性膜等も表面形状が保持されて同程度の表面粗さとなって、障壁層との界面の平坦性が十分に得られ難いという問題がある。
【００１０】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、反転電流を低減できて空間光変調器の光変調素子に好適なＴＭＲ素子を提供することを目的として、ＴＭＲ素子の障壁層としてのＭｇＯを好適な結晶構造にすることが課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、非晶質の下地膜であればＭｇＯ膜が強い（００１）面配向を示すことから、本発明者らは非晶質の電極材料、特に光変調素子の下部電極として光反射性の高い金属電極材料について、鋭意研究した。
【００１２】
すなわち、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、垂直磁化異方性を有する磁化固定層、ＭｇＯからなる障壁層、および垂直磁化異方性を有する磁化自由層を積層してなるトンネル磁気抵抗素子構造と、このトンネル磁気抵抗素子構造の上に接続した上部電極と下に接続した下部電極とからなる一対の電極と、を備え、前記下部電極は、組成がＣｕ1-xＣｒx（０．０７＜ｘ＜０．４２）である非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金からなり、前記磁化固定層は非晶質の磁性体からなることを特徴とする。
【００１３】
あるいは、前記トンネル磁気抵抗効果素子構造は、垂直磁化異方性を有する磁化自由層、ＭｇＯからなる障壁層、および垂直磁化異方性を有する磁化固定層を積層してもよい。このような構造の場合は、磁化固定層に代えて磁化自由層を非晶質の磁性体とする。
【００１４】
かかる構成により、ＭｇＯ膜は、非晶質合金からなる下部電極、および非晶質の磁性体からなる磁化固定層または磁化自由層に積層されるため、強い（００１）面配向に容易に形成できる。
【００１５】
さらに、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、前記下部電極に、Ｔａ／Ｒｕ膜を積層して備えることが好ましい。かかる構成により、ＭｇＯ膜は、いっそう強い（００１）面配向に形成できる。
【００１６】
また、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、前記上部電極を透過して入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調素子であることを特徴とする。かかる構成により、上部電極が光を透過させることで光変調素子とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るスピン注入磁化反転素子によれば、強い（００１）面配向を示すＭｇＯ膜を障壁層に備えるため、低電流で磁化反転可能なトンネル磁気抵抗効果素子構造となるため、光変調素子として、高精細化しても省電力化された反射型の空間光変調器とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子からなる光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明に係るスピン注入磁化反転素子の光変調素子としての動作を模式的に説明する断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子からなる光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子からなる光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】実施例のスピン注入磁化反転素子のサンプルのＸ線回折パターンであり、（ａ）は第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を模擬したサンプル、（ｂ）は第２実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を模擬したサンプル、（ｃ）は従来のスピン注入磁化反転素子を模擬したサンプルである。
【図６】スピン注入磁化反転素子の下部電極のサンプルのＸ線回折パターンであり、（ａ）〜（ｅ）はＣｕ−Ｃｒ合金の組成を変化させた第１実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を模擬したサンプルである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係るスピン注入磁化反転素子を実現するための形態について、図を参照して説明する。
本発明の実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は光変調素子であり、上方から入射した光を反射して異なる２値の光（偏光成分）に変調して上方へ出射する。
【００２０】
［光変調素子］
本発明の第１実施形態に係る光変調素子（スピン注入磁化反転素子）５は、図１（ａ）に示すように、基板７上に、下部電極２、磁化固定層１１、障壁層１２、磁化自由層１３、保護層１４、上部電極３の順に積層された構成である。光変調素子５は、磁化が一方向に固定された磁化固定層１１および磁化の方向が回転可能な磁化自由層１３を、絶縁体であるＭｇＯからなる障壁層１２を挟んで備えたＴＭＲ素子構造（トンネル磁気抵抗素子構造）１を備える。そして、光変調素子５は、ＴＭＲ素子構造１に、下部電極２と上部電極３と（以下、適宜、電極２，３）を一対の電極として、膜面に垂直に双方向に（上下方向に）電流を供給される。したがって、ＴＭＲ素子構造としては、後記の変形例に係るＴＭＲ素子構造１Ａ（図３参照）のように、磁化自由層１３と磁化固定層１１との積層順序を入れ替えてもよい。光変調素子５はさらに、光変調素子５の製造工程におけるダメージからＴＭＲ素子構造１の各層、特に最上層の磁化自由層１３を保護するために、ＴＭＲ素子構造１の上に保護層１４が設けられている。光変調素子５は、例えば空間光変調器の画素とする場合、膜面方向において２次元アレイ状に配列されて、一対の電極２，３の一方を行方向に、他方を列方向にそれぞれ延設して共有される（図示せず）。そのため、光変調素子５，５間に、具体的にはＴＭＲ素子構造１，１間、電極２，３間、下部電極２，２間および上部電極３，３間（配線間）のそれぞれに、絶縁層６が充填される。光変調素子５を構成する各層は、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法で連続的に成膜されて基板７に積層され、電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法等で所望の平面視形状に加工される。
【００２１】
ここで、ＴＭＲ素子構造１の磁化反転の動作を、図２を参照して説明する。なお、図２において保護層１４は図示を省略する。スピン注入磁化反転素子であるＴＭＲ素子構造１は、逆方向のスピンを持つ電子を注入することにより、磁化自由層１３の磁化方向を反転（スピン注入磁化反転、以下、適宜磁化反転という）させて、磁化固定層１１の磁化方向と同じ方向または１８０°異なる方向にする。そのために電子の注入方向と反対向きに電流を供給すればよく、具体的には、図２（ａ）に示すように、上部電極３を「＋」、下部電極２を「−」にして、磁化自由層１３側から磁化固定層１１へ電流を供給すると、磁化自由層１３の磁化は磁化固定層１１の磁化方向と同じ方向になる。以下、この状態をＴＭＲ素子構造１の磁化が平行である（Ｐ：Parallel）という。反対に、図２（ｂ）に示すように、上部電極３を「−」、下部電極２を「＋」にして、磁化固定層１１側から磁化自由層１３へ電流を供給すると、磁化自由層１３の磁化は磁化固定層５１の磁化方向と逆方向になる。以下、この状態をＴＭＲ素子構造１の磁化が反平行である（ＡＰ：Anti-Parallel）という。
【００２２】
このように、ＴＭＲ素子構造１は、膜面垂直方向に電流を供給されることで磁化自由層１３の磁化方向を変化させる（磁化反転させる）ことができるので、上下面に電極材料を積層することで一対の電極２，３が接続される。また、ＴＭＲ素子構造１の磁化が平行、反平行いずれかの磁化を示していれば、その磁化を反転させる電流が供給されるまでは、磁化自由層１３の保磁力により磁化が保持される。そのため、ＴＭＲ素子構造１に供給する電流としては、パルス電流のように、磁化方向を反転させる電流値に一時的に到達する電流（直流パルス電流）を用いることができる。また、磁化自由層１３と磁化固定層１１とは、図３に示す変形例のようにその積層順序を入れ替えても磁化反転動作には影響しない。このようなＴＭＲ素子構造１Ａは、電極２，３による電流の向きを図２とは逆方向に供給すれば同様に磁化反転する。以下、ＴＭＲ素子構造１を構成する要素について詳しく説明する。
【００２３】
（ＴＭＲ素子構造）
磁化固定層１１および磁化自由層１３は、垂直磁気異方性を有するＴＭＲ素子の磁化固定層、磁化自由層として公知の磁性材料にて構成することができる。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｔ，Ｐｄ等の貴金属とを含む、例えばＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ合金、または[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｄ]×ｎの多層膜、あるいは前記遷移金属とＮｄ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ等の希土類金属との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）が挙げられる。また、磁化自由層１３は、磁化固定層１１よりも保磁力を小さくするため、保磁力の小さい磁性材料で形成したり、その厚さを磁化固定層１１よりも薄くすることが好ましい。
【００２４】
ここで、ＴＭＲ素子構造１において障壁層１２の下に配置される磁化固定層１１は、非晶質の磁性材料を適用した非晶質層１１ａからなる。本発明において非晶質とは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）による検出が困難なほど微細な結晶構造を持つ材料、すなわち微結晶構造体を指す。障壁層１２の下地となるこの層を非晶質とすることで、障壁層１２を形成するＭｇＯを強い（００１）面配向の結晶とすることができる。非晶質層１１ａとなる磁性材料としては、前記の垂直磁気異方性を有する磁性材料の中で、例えばＴｂＦｅＣｏ合金のようなＲＥ−ＴＭ合金が挙げられる。
【００２５】
障壁層１２は、（００１）面配向のＭｇＯで形成され、その厚さは０．５〜２ｎｍとすることが好ましい。このような結晶構造とすることにより、ＴＭＲ素子構造１において電子が散乱せずに注入されるために、反転電流を低減できる。
【００２６】
ＴＭＲ素子構造１において、図１（ｂ）に示すように、磁化固定層１１（１１Ｂ）は、さらに障壁層１２との界面に遷移金属を含む磁性金属膜１１ｂを備えることが好ましい。この磁性金属膜１１ｂは、具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選択される少なくとも１種の遷移金属、またはこの遷移金属を含む合金、例えばＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＳｉからなり、膜厚は０．１〜１ｎｍの範囲とすることが好ましい。あるいはスピン分極率の特に高い（理論的に１の）ホイスラー合金等を用いることもできる。特に障壁層１２であるＭｇＯと組み合わせてコヒーレントなトンネル電流を流すことによって磁化反転電流を低減できるＣｏＦｅＢ，Ｆｅ，Ｃｏが好ましい。磁化固定層１１Ｂが、障壁層１２との界面にこのような磁性金属膜１１ｂを備えることで、当該界面でのスピン偏極率を高くして、障壁層１２を介して磁化自由層１３に注入されるスピンによるスピントルクが増大するため、ＴＭＲ素子構造１の磁化反転に要する電流を低減することができる。なお、これらの磁性金属膜１１ｂは十分に薄く、また熱処理等により（００１）面配向を示すようになるものが多いため、障壁層１２とするＭｇＯ膜の（００１）面配向を妨げるものではない。さらに磁化自由層１３についても、障壁層１２との界面に同様の磁性金属膜（図示省略）を備えても前記効果が得られる。
【００２７】
保護層１４は、Ｒｕ，Ｔａ，Ｐｔ，Ａｕ等の金属材料からなる単層膜、または異なる金属材料からなる金属膜を２層以上積層した積層膜から構成される。保護層１４の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えて厚くしても、製造工程において磁化自由層１３等を保護する効果がそれ以上には向上せず、その上、光変調素子５の上方からの入射光の透過光量を減衰させる。したがって、保護層１４の厚さは１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００２８】
本発明の第１実施形態の変形例に係る光変調素子（スピン注入磁化反転素子）５Ａは、図３（ａ）に示すように、基板７上に、下部電極２、磁化自由層１３、障壁層１２、磁化固定層１１、保護層１４、上部電極３の順に積層された構成である。第１実施形態（図１（ａ）参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。すなわち光変調素子５Ａは、前記第１実施形態に係る光変調素子５のＴＭＲ素子構造１の磁化自由層１３と磁化固定層１１との積層順序を入れ替えたＴＭＲ素子構造１Ａを備えるもので、積層順序が異なる以外は光変調素子５と同様の構成で、その動作（磁化反転）も同様である。
【００２９】
本変形例に係る光変調素子５ＡのＴＭＲ素子構造１Ａにおいては、磁化自由層１３が障壁層１２の下に配置されるため、磁化自由層１３は、非晶質の磁性材料を適用した非晶質層１３ａからなる。さらに図３（ｂ）に示すように、磁化自由層１３（１３Ｂ）は、障壁層１２との界面に遷移金属を含む磁性金属膜１３ｂを備えることが好ましい。なお、磁化固定層１１についても、障壁層１２との界面に同様の磁性金属膜（図示省略）を備えてもよい。磁化自由層１３に適用される非晶質層１３ａおよび磁性金属膜１３ｂは、それぞれＴＭＲ素子構造１における磁化固定層１１の非晶質層１１ａおよび磁性金属膜１１ｂと同じであり、その作用も同様であるので、説明を省略する。
【００３０】
（下部電極）
下部電極２は、非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金で形成されたＣｕＣｒ合金層２１からなる。ＣｕＣｒ合金層２１は、非晶質とするために、組成がＣｕ1-xＣｒx（０．０７＜ｘ＜０．４２）である（Ｃｒの含有率が７ａｔ％超４２ａｔ％未満である）Ｃｕ−Ｃｒ合金からなる。組成がこの範囲外では、Ｃｕの結晶構造である（１１１）面構造またはＣｒの結晶構造である（１１０）面構造を示す合金となり、非晶質となり難い。なお、非晶質とは前記した通り、微結晶構造体であり、さらに非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金とは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）による検出で、（１１１）面、（１１０）面の検出強度が、それぞれＣｕ単体、Ｃｒ単体よりも低い構造を指す。また、Ｃｒは、Ｃｕよりも抵抗が高い（Ｃｕの約９倍）ので、前記組成の範囲において少ないことが、下部電極２の抵抗を抑制するために好ましい。また、基板７上にＣｕＣｒ合金層２１を形成するための下地としてＴａ膜（図示せず）を設けてもよい。ＣｕＣｒ合金層２１は、下部電極２の配線抵抗等に応じて厚さを設定すればよいが、厚さ１０ｎｍ以上とすることが、その上に形成される障壁層１２とするＭｇＯ膜を（００１）面配向とするために好ましい。
【００３１】
図４（ａ）に示すように、前記ＣｕＣｒ合金層２１に、Ｔａ膜２２、Ｒｕ膜２３をさらに積層した下部電極２Ｂとしてもよい。すなわち第２実施形態に係る光変調素子（スピン注入磁化反転素子）５Ｂは、ＣｕＣｒ合金層２１にＴａ膜２２、Ｒｕ膜２３を積層し、その上にＴＭＲ素子構造１（１Ａ）を備える。Ｔａ膜２２、さらにＲｕ膜２３が設けられることにより、障壁層１２とするＭｇＯ膜をいっそう強い（００１）面配向とすることができる。Ｔａ膜２２は、厚くなり過ぎるとこの効果が低下するため、厚さ１〜５０ｎｍとすることが好ましい。また、Ｒｕ膜２３は、酸化し易いＴａ膜２２の保護膜とするため、連続した膜を形成するように２ｎｍ以上が好ましい。なお、光変調素子５Ｂは図１（ａ）に示すＴＭＲ素子構造１を備えるが、これに限られず、図１（ｂ）や図２（ａ）、（ｂ）に示すＴＭＲ素子構造１，１Ａを備える構成とすることができる。
【００３２】
前記したように、下部電極２，２Ｂは、その厚さを配線抵抗等に応じて設定すればよい。ここで、非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金で形成されたＣｕＣｒ合金層２１は、一般的なＣｕ電極と比較して、Ｃｕ（抵抗：１．６７μΩ・ｃｍ）よりも抵抗の高いＣｒ（抵抗：１２．９μΩ・ｃｍ）との合金であり、さらに非晶質であることから、抵抗が約１０倍に高くなる場合がある。また、Ｔａ（抵抗：１２．５μΩ・ｃｍ）も抵抗が高いため、Ｔａ膜２２が積層された下部電極２ＢもＣｕ電極よりも抵抗が高くなる。したがって、下部電極２，２Ｂは、配線抵抗を低減するために厚く形成してもよいが、ＣｕＣｒ合金層２１等を厚膜化するよりも、図４（ｂ）に示すように、ＣｕＣｒ合金層２１の下に低抵抗のＣｕ等からなる層（Ｃｕ層２４）を設けた下部電極２Ｃとすることが好ましい。最下層（基板７上）に（１１１）面構造のＣｕの層が存在しても、その上にＣｕＣｒ合金層２１、さらにＴａ膜２２、Ｒｕ膜２３が設けられているため、これらを下地として障壁層１２とするＭｇＯ膜は（００１）面配向とすることができる。なお、Ｃｕを単層で５０ｎｍ以上の膜厚にスパッタリング法で成膜すると表面が粗くなって（算術平均粗さＲａ：１ｎｍ超）、その上に形成されるＣｕＣｒ合金層２１等も表面形状が保持されるため、障壁層１２と層１１，１３との各界面の平坦性が低下し、ＴＭＲ素子構造１における磁気トンネル接合に好ましくない。したがって、Ｃｕ単層は厚さ１５ｎｍ程度として、例えば厚さ３ｎｍ程度のＴａ層を挟んで積層を繰り返したＣｕ／Ｔａ多層膜とすることがさらに好ましい。
【００３３】
（上部電極）
上部電極３は、光が透過するように透明電極材料で構成される。透明電極材料は、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）等の公知の透明電極材料からなる。特に、比抵抗と成膜の容易さとの点からＩＺＯが最も好ましい。これらの透明電極材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の公知の方法により成膜される。
【００３４】
電極（配線）を透明電極材料で構成する場合、電極とこの電極に接続するＴＭＲ素子構造１（１Ａ）との間に金属膜を設けることが好ましい。すなわち透明電極材料で構成された上部電極３においては、ＴＭＲ素子構造１との間の下地として金属膜を積層することが好ましい（図示せず）。ＴＭＲ素子構造１との間に金属膜を介在させることで、電極用金属材料より抵抗が大きい透明電極材料からなる上部電極３においても、上部電極３−ＴＭＲ素子構造１間の接触抵抗を低減させて応答速度を上げることができる。
【００３５】
透明電極の下地を構成する金属膜としては、例えば、Ａｕ，Ｒｕ，Ｔａ、またはそれらの金属の２種以上からなる合金等を用いることができ、これらの金属はスパッタリング法等の公知の方法により成膜される。そして、金属膜とその上の層すなわち透明電極との密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するため、金属膜は、透明電極材料と連続的に真空処理室にて成膜されることが好ましい。金属膜の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると光の透過量を低下させるので、１〜１０ｎｍが好ましい。
【００３６】
なお、本実施形態においては、スピン注入磁化反転素子は光変調素子に適用されるため、上部電極は光が透過するように構成されるが、例えばＭＲＡＭに適用される場合は、上部電極はＣｕ等、公知の金属電極材料で形成される。
【００３７】
基板７は、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板等の公知の基板が適用できる。絶縁層６は、例えばＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等からなる。
【００３８】
（光変調素子の製造方法）
次に、光変調素子５の製造方法について、その一例を説明する。
まず、下部電極２を形成する。基板７の表面に、スパッタリング法等で所望の組成のＣｕ−Ｃｒ合金を成膜して、下部電極２とする。そして、下部電極２，２間にＳｉＯ2等の絶縁膜（絶縁層６となる）を堆積させる。
【００３９】
次に、ＴＭＲ素子構造１を形成する。下部電極２（および絶縁層６）の上に、磁化固定層１１、障壁層１２、磁化自由層１３、保護層１４の各材料を連続して成膜し、これらの層を電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法等により前記平面視形状に成形加工して、ＴＭＲ素子構造１とする。前記成形加工においてマスクとしたレジストを残した状態で、絶縁膜を成膜して、ＴＭＲ素子構造１，１間に堆積させ、レジストをその上の絶縁膜ごと除去して（リフトオフ）絶縁層６とする。
【００４０】
次に、上部電極３を形成する。ＴＭＲ素子構造１および絶縁層６の上に、下地層としての金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、下部電極２と直交するストライプ状に形成して上部電極３とする。最後に、上部電極３，３間に絶縁膜を堆積して絶縁層６とし、光変調素子５とする。
【００４１】
（光変調素子の動作）
本発明に係る光変調素子の動作を、図２を参照して説明する。図２（ａ）、（ｂ）においては、１個の光変調素子５を示し、それぞれに光源９１等を設けているが、前記したように複数の光変調素子５を２次元アレイ状に配列して空間光変調器等の画素とし、光源９１、偏光子ＰＦ１，ＰＦ２、および検出器９３は共有されている。光源９１は、例えばレーザー光源、およびこれに光学的に接続されてレーザー光を拡大するビーム拡大器、さらに拡大されたレーザー光を平行光とするレンズで構成される（図示省略）。偏光子ＰＦ１，ＰＦ２はそれぞれ偏光板等であり、特定の偏光成分の光を遮光する。検出器９３はスクリーン等の画像表示手段であり、あるいはカメラ等の撮像手段としてもよい。
【００４２】
光変調素子５のＴＭＲ素子構造１の磁化反転動作は、前記した通りである。光源９１から照射したレーザー光を偏光子ＰＦ１にて１つの偏光成分の光（以下、このような光を適宜、偏光という）とし、上方から光変調素子５に入射する。光変調素子５に入射した偏光（入射偏光）は、上部電極３を透過してＴＭＲ素子構造１に到達し、磁化自由層１３で反射、あるいは磁化固定層１１まで透過して下部電極２で反射して、再び上部電極３を透過して光変調素子５から上方へ出射する。この出射偏光は、磁化自由層１３で反射した、あるいは磁化自由層１３を透過した際に、カー効果またはファラデー効果により、その偏光面が回転している（旋光している）。さらに、図２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示すように、ＴＭＲ素子構造１の磁化が平行、反平行な光変調素子５にそれぞれ入射した光は、磁化自由層１３の磁化方向が１８０°異なるため、同じ大きさの旋光角すなわち磁化自由層１３のカー回転角（またはファラデー回転角）＋θk，−θkで互いに逆方向に偏光面が回転する。このように、光変調素子５は、供給される電流の向きに応じて入射した光の偏光面の回転方向を変化させて出射するため、異なる２値の偏光成分の出射偏光とすることができ、空間光変調器等の画素として機能する。
【００４３】
光変調素子５からの異なる偏光成分の出射偏光は、例えば次のようにして検出される。図２（ａ）、（ｂ）に示すすべての光変調素子５からの出射偏光は、偏光子ＰＦ２に到達し、偏光子ＰＦ２を透過した出射偏光のみが検出器９３に到達して検出される。偏光子ＰＦ２は、入射偏光に対して＋θk回転した偏光を遮光するため、図２（ａ）に示すＴＭＲ素子構造１の磁化が平行な光変調素子５からの出射偏光は検出されず、このような光変調素子５からなる画素は暗く（黒く）検出器９３に表示される。一方、図２（ｂ）に示すＴＭＲ素子構造１の磁化が反平行な光変調素子５からの出射偏光は検出されて、この画素は明るく（白く）検出器９３に表示される。このように、画素毎に明／暗（白／黒）を切り分けられ、電流の向きを切り換えれば明／暗が切り換わる。
【００４４】
図２においては、入射偏光と出射偏光の経路を識別し易くするため、入射偏光の入射角を傾斜させて示しているが、これに限られず、特に磁化自由層１３の極カー効果でカー回転角を大きくするために、膜面に垂直に入射、すなわち入射角を０°とすることが望ましい。このようにする場合は、入射偏光と出射偏光の経路が一致するため、偏光子ＰＦ１と光変調素子５との間にハーフミラーを配置して、出射偏光のみを側方へ反射させてもよく、反射させた先に偏光子ＰＦ２および検出器９３を配置する。
【００４５】
以上のように、本発明に係るスピン注入磁化反転素子によれば、磁化反転動作に要する電流が低いため、光変調素子として画素に備える空間光変調器を省電力化できる。
【実施例１】
【００４６】
本発明の効果を確認するために、熱酸化Ｓｉ基板上に、表１に示す材料を下から順に積層してサンプルを作製し、Ｘ線回折（ＸＲＤ）にて結晶構造を解析した。表１の（  ）内の数値は膜厚（単位：ｎｍ）を示す。実施例Ｎｏ．１は本発明の第１実施形態に係る光変調素子（図１（ｂ）参照）のサンプル、実施例Ｎｏ．２は本発明の第２実施形態に係る光変調素子（図４（ａ）参照）のサンプルである。下部電極のＣｕ−Ｃｒ合金はＣｒ：３６．８ａｔ％とし、Ｃｕからなるスパッタ源（純度９Ｎ）とＣｒからなるスパッタ源（純度３Ｎ）とを取り付けたデュアルイオンビームスパッタ装置にてＣｕ，Ｃｒを同時にスパッタリングすることにより成膜した。磁化自由層の「Ｐｔ／Ｃｏ」は、下からＰｔ：１．５ｎｍ／[Ｃｏ：０．３ｎｍ／Ｐｔ：１．０ｎｍ]×３の多層膜である。また、比較例Ｎｏ．２の磁化固定層の「Ｐｔ／Ｃｏ」は、下から[Ｐｔ：１．２ｎｍ／Ｃｏ：０．２ｎｍ]×１０の多層膜である。ＭｇＯ膜は、障壁層としては膜厚１ｎｍ程度であるが、ＭｇＯの結晶構造解析の感度を高くするために膜厚５０ｎｍとした。また、上部電極は設けず、成形加工も施さなかった。また、比較例として、下部電極をＣｕ層にＴａ／Ｒｕ膜を積層して構成し、ＭｇＯ膜の上には磁性膜（磁化自由層）等を形成しなかった。Ｘ線回折（Ｃｏｋα線使用、θ−２θ走査）パターンを図５に示す。
【００４７】
【表１】
2013021033.tif 000003
【００４８】
ＭｇＯ（００１）面は消滅則で観測不能なため、この面と平行なＭｇＯ（００２）面の現れる回折角度２θ＝５０．２°近傍を観察した。図５（ｃ）に示すように、Ｃｕ単独で下部電極を形成した比較例Ｎｏ．１では、Ｃｕ（１１１）面が強く、その上にＴａ／Ｒｕ膜を積層しても、Ｔａ膜が薄いためにＭｇＯ（００２）面は観察できず、あるいは存在したとしてもＣｕ（１１１）面のピークの裾に隠れる程度の微小なものであった。さらにＭｇＯ膜の下地である磁化固定層をｆｃｃ構造のＰｔ／Ｃｏ多層膜で形成した比較例Ｎｏ．２は、ＭｇＯ（１１１）面が観測された。これに対して、図５（ａ）に示すように、下部電極をＣｕ−Ｃｒ合金で形成した実施例Ｎｏ．１は、ＭｇＯ（００２）面を観測することができた。また、Ｃｕ−Ｃｒ合金からＣｒ（１１０）面も観察されたが、Ｃｒ単独の結晶構造の半分程度のピーク強度であることから、Ｃｕ−Ｃｒ合金は非晶質に近い結晶構造であるといえる。さらに、図５（ｂ）に示すように、Ｃｕ−Ｃｒ合金層にＴａ／Ｒｕ膜を積層した実施例Ｎｏ．２は、ＭｇＯ（００２）面のピーク強度が実施例１の約２倍となり、いっそう強い（００２）面配向のＭｇＯ膜を形成できた。また、実施例Ｎｏ．１の下部電極（ＣｕＣｒ合金層）は、表面の算術平均粗さＲａが０．３ｎｍであり、Ｃｕ層を同じ５０ｎｍ厚さとした場合の表面の算術平均粗さＲａ１．３ｎｍと比較して平坦性が良好であった。
【実施例２】
【００４９】
下部電極のＣｕ−Ｃｒ合金の組成による結晶構造を確認するために、熱酸化Ｓｉ基板上に組成を変化させた厚さ５０ｎｍのＣｕ−Ｃｒ合金膜を成膜してサンプルを作製し、Ｘ線回折（ＸＲＤ）にて結晶構造を解析した。Ｃｕ−Ｃｒ合金は、実施例１と同様にＣｕ，Ｃｒそれぞれからなるスパッタ源を取り付けたデュアルイオンビームスパッタ装置にて、イオンビームの出力を変化させてＣｕ，Ｃｒを同時にスパッタリングすることにより成膜した。Ｃｒ：７．７ａｔ％，１４．０ａｔ％，３６．８ａｔ％，４２．９ａｔ％，４７．８ａｔ％の５通りの組成のＣｕ−Ｃｒ合金膜について、Ｘ線回折（Ｃｕｋα線使用、θ−２θ走査）パターンを図６に示す。なお、Ｃｕ膜（Ｃｒ：０％）のパターンを、図６（ａ）〜（ｅ）のそれぞれに破線で併記する。
【００５０】
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｃｒ：７．７ａｔ％，１４．０ａｔ％でＣｕ（１１１）面が十分に弱くなり（Ｃｕ単体の１／４程度のピーク強度）、かつＣｒ（１１０）面も弱く、図６（ｃ）に示すようにＣｒ：３６．８ａｔ％になるとＣｒ（１１０）面が観測されるようになり、さらに図６（ｄ）、（ｅ）に示すように、Ｃｒ：４２．９ａｔ％，４７．８ａｔ％でＣｒ（１１０）面が強く観測された。このように、Ｃｕ−Ｃｒ合金の結晶構造は組成に依存し、公知の成膜方法で組成を制御してＣｕ−Ｃｒ合金膜を成膜することにより、非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金として下部電極を形成することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１，１Ａ  ＴＭＲ素子構造（トンネル磁気抵抗素子構造）
１１，１１Ｂ  磁化固定層
１１ａ  非晶質層（非晶質の磁性体）
１２    障壁層
１３，１３Ｂ  磁化自由層
１３ａ  非晶質層（非晶質の磁性体）
２，２Ｂ，２Ｃ  下部電極
２１    ＣｕＣｒ合金層（非晶質のＣｕ−Ｃｒ合金）
２２    Ｔａ膜
２３    Ｒｕ膜
２４    Ｃｕ層
３      上部電極
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ  光変調素子（スピン注入磁化反転素子）
【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】
2013021033.tif 000008
【図６】
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