近年来，积极地进行着采用电子旋转自由度的spintronics装置的研究和发 展。
例如，在硬盘驱动器中，通过来自磁头的磁场控制记录介质的磁化状态，而 在磁性随机存取存储器中，则通过来自两条记录线的合成磁场控制磁阻元件的磁 化状态。
这种采用磁场控制磁化状态的方法具有很长的历史，并且其已经成为一种公 知的技术。
另一方面，由于纳米技术上的最新进步，记录介质的记录单元和磁阻元件的 小型化已经得到了改善，并且因此存在执行纳米刻度上的磁化状态的局部控制的 需求。
但是，由于磁场具有空间发散的特点，因此对于磁场而言被局部化是非常困 难的。由于这个原因，记录单元和磁阻元件上的磁场效应会产生错误的记录而不 是目标位置的记录，即，产生串扰。而且，当试图通过将磁场的产生源最小化来 实现磁场的局部化时，不能获得有足够数量的磁化反转的磁场。
因此，其中不存在这种问题的“电磁感应转换”已经引起了注意(例如， F.J.Albert等人，在Appl.Phy.Lett.77，3809[2000]中所提到的)。
这是一种使作为记录电流的电流流经磁阻元件，并随后在采用其中产生的自 旋偏振电子时执行磁化反转的技术。特别是，通过将自旋偏振电子的角动量传送 到作为磁性自由层的磁性材料的角动量来反转磁游离层的磁化。
通过采用这种由电流引起的磁化反转技术(电磁感应转换)，可以很容易地 局部控制纳米刻度上的磁化状态，并且有可能减小小型化的磁性元件的转换电 流。因此，其有助于实现自旋电子装置如具的较高记录密度的磁性记录或磁性随 机存取存储器。
但是，在这种技术中也存在着问题。即，用于该磁化反转的电流密度Jc通 常是1×107A/cm2或者更大。这个较大的值会引起可靠性的问题如元件特性的退 化。
作为解决该问题的措施，例如，已经提出了一些建议，如减小构成磁阻元件 的磁性材料的饱和磁化强度Ms(例如，JP-A2005-93488[KOKAI]， JP-A2004-193595[KOKAI]中提到的)。但是，当减小通用磁性记录元件的饱和磁 化强度Ms时，其中又出现了新的问题，即热波动阻抗和再现信号幅度输出恶化。

根据本发明的一个方面的磁性记录元件包括磁性自由层，该层的磁化根据通 过薄膜的电流方向是可变的并且该层的磁化的易磁化轴方向与该薄膜平面垂直； 磁性被钉扎层(pinned layer)，该层的磁化被固定在与该薄膜平面垂直的方向上， 以及磁性自由层和磁性被钉扎层之间的非磁性阻挡层，其中该磁性自由层具有饱 和磁化强度Ms(emu/cc)和各向异性磁场Han(Oe)之间的关系满足 Han＞12.57Ms，以及Han＜1.2E7Ms-1+12.57Ms的特性。
根据本发明的一个方面的自旋FET包括磁性自由层，该层的磁化是可变的 并且该层的磁化的易磁化轴的方向与该薄膜平面垂直；磁性被钉扎层，该层的磁 化被固定在与该薄膜平面垂直的方向上，磁性自由层和磁性被钉扎层之间的沟道 区域，该沟道区域上的栅极绝缘层，以及该栅极绝缘层上的栅极电极，其中该磁 性自由层具有饱和磁化强度Ms(emu/cc)和各向异性磁场Han(Oe)之间的关系 满足Han＞12.57Ms，以及Han＜1.2E7Ms-1+12.57Ms的特性。
附图说明
图1A和1B是表示根据第一实施例的磁性记录元件的结构的侧视图；
图2是表示图1A和1B的磁性自由层的饱和磁化强度Ms和各向异性场Han 之间的关系的视图；
图3A和3B是表示根据第二实施例的磁性记录元件的结构的侧视图；
图4是表示图3A和3B的磁性自由层的饱和磁化强度Ms和各向异性场Han 之间的关系的视图；
图5A和5B是表示根据第三实施例的磁性记录元件的结构的侧视图；
图6是表示图5A和5B的磁性自由层的饱和磁化强度Ms和各向异性场Han 之间的关系的视图；
图7是表示在第一实验例中形成的磁性记录元件的结构的截面图；
图8是表示第一实验例的样本的饱和磁化强度Ms和各向异性场Han之间的 关系的视图；
图9是表示磁性自由层的厚度和转换电流密度之间的关系的视图；
图10A和10B是表示写入时的状态的视图；
图11是表示写入特性的评定结果的视图；
图12是表示在第二实验例中形成的磁性记录元件的结构的视图；
图13是表示在第二实验例中形成的磁性记录元件的结构的视图；
图14是表示在第二实验例中形成的磁性记录元件的结构的视图；
图15A和15B是表示根据第五实施例的磁性记录元件的结构的侧视图；
图16是表示在第三实验例中形成的磁性记录元件的结构的截面图；
图17是表示在第四实验例中形成的磁性记录元件的结构的截面图；
图18是表示在第五实验例中形成的磁性记录元件的结构的截面图；
图19是表示在第五实验例中形成的磁性记录元件的结构的截面图；
图20是表示在第五实验例中形成的磁性记录元件的值域的视图；
图21是表示作为应用示例的磁性随机存取存储器的电路图；
图22是表示“1”编程中的存储器单元的状态的截面图；
图23是表示“0”编程中的存储器单元的状态的截面图；
图24是表示“1”读取中的存储器单元的状态的截面图；
图25是表示“0”读取中的存储器单元的状态的截面图；
图26是表示磁性记录元件的布局示例的视图；
图27是表示磁性记录元件的布局示例的视图；
图28是表示磁性记录元件的布局示例的视图；
图29是表示磁性记录元件的布局示例的视图；
图30是表示作为应用示例的探针存储器的基本结构的视图；
图31是表示图30的探针存储器的改进示例的视图；
图32是表示图30的探针存储器的改进示例的视图；
图33是表示图30的探针存储器的改进示例的视图；
图34是表示作为应用示例的具有多个探针结构的探针存储器的视图；
图35是表示图34的探针存储器的装置结构的视图；
图36是表示作为应用示例的自旋FET的视图。

以下将参考附图详细地描述本发明的一个方面的磁性记录元件和磁性存储 器。
1、概要
本发明的示例以磁化反转技术(电磁感应磁反转技术)为前提，该技术中由 于来自自旋偏振电子的自旋转矩而使磁化方向反转。在该技术中，为了在不降低 热波动阻抗和MR特性的情况下减小磁化反转的电流密度，使用以下构造。
首先，使磁性自由层的磁化的易磁化轴的方向与薄膜平面垂直。该薄膜平面 是该磁性自由层的平面。
这里，当把该磁性层看作是“薄膜”时，该薄膜平面是指薄膜的表面。所以， 与薄膜平面垂直的方向是磁性被钉扎层，磁性自由层(magnetic free layer)，和 它们之间的非磁性阻挡层(例如，隧道阻挡层)重叠的方向。
具有某一结构的磁性自由层(磁性材料)被称为垂直磁化薄膜。相反地，其 磁化的易磁化轴的方向与薄膜平面平行的磁性自由层(磁性材料)被称为平面磁 化薄膜(in-plane manetization film)。
垂直磁化薄膜与平面磁化薄膜相比能够被更好地适用于小型化，并且具有更 小的磁化反转电流。
为了使磁性自由层的磁化的易磁化轴的方向与薄膜平面垂直，构成磁性自由 层的磁性材料的饱和磁化强度Ms(emu/cc)和各向异性磁场Han(Oe)之间的关 系可以被设为Han＞12.57Ms。应当注意的是当在与薄膜平面垂直的方向中采用磁 性各向异性Ku时，由Han＝2Ku/Ms来给出各向异性磁场Han。
还应当注意的是在与薄膜平面垂直的方向中固定磁性被钉扎层的磁化，例 如，通过反铁磁层。而且，当采用具有例如能够变为永磁铁的很大的矫顽力的磁 性材料时，可以执行磁化粘合。
接着，为了使磁化反转的电流密度为2×106 A/cm2或者更小，构成磁性自 由层的磁性材料的饱和磁化强度Ms(emu/cc)和各向异性磁场Han(Oe)之间的 关系被设为Han＜1.2E7Ms-1+12.57Ms，并且其厚度被设为5nm或者更小。可以 通过实验找到此数值，并且为了实现上述电流密度，需要同时均满足以上关系和 厚度。
因此，根据本发明的示例，有可能将磁化反转的自旋注入电流的电流密度减 小到2×106 A/cm2或者更小，这是避免阻挡材料的损坏并确保连线和外围电路 的操作所需要的，而不是仅仅将作为磁性自由层的磁性材料的饱和磁化强度Ms 最小化。为了这个原因，由于不存在热波动阻抗和MR特性的退化，因此有可能 实现具有较高记录密度的自旋电子装置如磁性存储器或者类似装置。
2、实施例
接着，将描述被认为是最优选的一些实施例。
(1)第一实施例
图1A和1B是表示第一实施例的磁性记录元件的结构的侧视图。
磁性自由层11具有可变磁化，并且其磁化的易磁化轴的方向在与薄膜平面 垂直的方向中。磁性被钉扎层12具有固定在与薄膜平面垂直的方向的磁化。在 磁性自由层11和磁性被钉扎层12之间设置非磁性阻挡层13。
磁性自由层11由磁性材料构成，该材料中饱和磁化强度Ms(emu/cc)和各 向异性磁场Han(Oe)之间的关系满足Han＞12.57Ms以及 Han＜1.2E7Ms-1+12.57Ms，并且其厚度是5nm或者更小。
磁性被钉扎层12由磁性材料构成。由于，例如，反铁磁层，该磁性被钉扎 层12的磁化方向是固定的。非磁性阻挡层13由例如，作为隧道阻挡层的绝缘材 料构成。
当高于磁化反转的临界电流的转换电流Is从磁性自由层11朝磁性被钉扎层 12流动时，磁性记录元件的磁化状态变为平行状态，在该平行状态中磁性自由层 11的磁化方向平行于磁性被钉扎层12的磁化方向。
而且，当电流Is从磁性被钉扎层12朝磁性自由层11流动时，磁性记录元件 的磁化状态变为反平行状态，在该反平行状态中磁性自由层11的磁化方向与磁 性被钉扎层12的磁化方向相反。
图2表示由第一实施例指定的范围(range)。
关于磁性自由层的饱和磁化强度Ms(emu/cc)和各向异性磁场Han(Oe)， 由箭头表示的范围是作为第一实施例的磁性记录元件的有效范围。
根据第一实施例，在不使热波动阻抗和MR特性退化的情况下能够减小用于 磁化反转的自旋注入电流的电流密度。
(2)第二实施例
图3A和3B是表示第二实施例的磁性记录元件的结构的侧视图
磁性自由层11具有可变磁化，并且其磁化的易磁化轴的方向是与薄膜平面 垂直的方向。磁性被钉扎层12具有在与薄膜平面垂直的方向中的固定的磁化。在 磁性自由层11和磁性被钉扎层12之间设置非磁性阻挡层13。
磁性自由层11由磁性材料构成，该材料中饱和磁化强度Ms(emu/cc)和各 向异性磁场Han(Oe)之间的关系满足Han＞12.57Ms  以及 Han＜1.2E7Ms-1+12.57Ms，并且其厚度是5nm或者更小。
而且，构成磁性自由层11的磁性材料的饱和磁化强度Ms被设置为超过600 emu/cc的值。为了获得20％或者更大的MR比该值是必需的，MR比是表示 MR特性的指标。
磁性被钉扎层12由磁性材料构成。由于，例如，反铁磁层，该磁性被钉扎 层12的磁化方向是固定的。非磁性阻挡层13由，例如，绝缘材料构成作为隧道 阻挡层。
当转换电流Is从磁性自由层11朝磁性被钉扎层12流动时，磁性记录元件的 磁化状态变为平行状态，在该平行状态下磁性自由层11的磁化方向平行于磁性 被钉扎层12的磁化方向。
而且，当转换电流Is从磁性被钉扎层12朝磁性自由层11流动时，磁性记录 元件的磁化状态变为反平行状态，在该反平行状态下，磁性自由层11的磁化方 向与磁性被钉扎层12的磁化方向相反。
图4表示由第二实施例指定的范围。
关于磁性自由层的饱和磁化强度Ms(emu/cc)和各向异性磁场Han(Oe)， 由箭头表示的范围是作为第二实施例的磁性记录元件的有效范围。
根据第二实施例，与第一实施例类似，在不使热波动阻抗和MR特性退化的 情况下能够减小用于磁化反转的转换电流的电流密度。而且，通过将构成磁性自 由层11的磁性材料的饱和磁化强度Ms设置为超过600emu/cc的值，能够减小 反转所必需的电流密度Jc而保持热波动阻抗不变；磁性记录元件的MR比变大， 然后再现信号输出也变大。
(3)第三实施例
图5A和5B是表示第三实施例的磁性记录元件的结构的侧视图。
磁性自由层11具有可变磁化，并且其磁化的易磁化轴的方向是与薄膜平面 垂直的方向。磁性被钉扎层12具有在与薄膜平面垂直的方向中的固定的磁化。 在磁性自由层11和磁性被钉扎层12之间设置非磁性阻挡层13，并且在磁性自由 层11和非磁性阻挡层13之间设置插入层14。
磁性自由层11由磁性材料构成，该材料中饱和磁化强度Ms(emu/cc)和各 向异性磁场Han(Oe)之间的关系满足Han＞12.57Ms  以及 Han＜1.2E7Ms-1+12.57Ms，并且其厚度是5nm或者更小。
而且，插入层14由磁性材料构成，并且其饱和磁化强度Ms设置为超过600 emu/cc的值。如第二实施例中所述，为了获得20％或者更大的MR比该值是必 需的，MR比是表示MR特性的指标。
插入层14的厚度被设为2nm或者更小，或者更优选是0.6nm或者更小，以 使得不会将磁性自由层11的磁化方向改变为平行于薄膜平面。
磁性被钉扎层12由磁性材料构成。由于，例如，反铁磁层，该磁性被钉扎 层12的磁化方向是固定的。非磁性阻挡层13由，例如，绝缘材料构成作为隧道 阻挡层。
当转换电流Is从磁性自由层11朝磁性被扎层12流动时，磁性记录元件的 磁化状态变为平行状态，在该平行状态下磁性自由层11的磁化方向与磁性被钉 扎层12的磁化方向相同。
而且，当转换电流Is从磁性被钉扎层12朝磁性自由层11流动时，磁性记录 元件的磁化状态变为反平行状态，在该反平行状态下磁性自由层11的磁化方向 与磁性被钉扎层12的磁化方向相反。
图6表示由第三实施例指定的范围。
关于磁性自由层的饱和磁化强度Ms(emu/cc)和各向异性磁场Han(Oe)， 由箭头表示的范围是作为第三实施例的磁性记录元件的有效范围。
根据第三实施例，与第一实施例类似，在不使热波动阻抗和MR特性退化的 情况下能够减小用于磁化反转的电流密度。而且，通过将构成插入层的磁性材料 的饱和磁化强度Ms设置为超过600emu/cc的值；磁性记录元件的MR比变大， 并且再现信号输出也变大。
顺便提及的是，磁性记录元件的MR比受磁性自由层和非磁性阻挡层之间的 界面中的磁性材料的饱和磁化强度Ms所影响。
因此，作为该插入层的替代，在磁性自由层的内部连续地或者不连续地改变 磁性自由层的饱和磁化强度Ms，使得磁性自由层和非磁性阻挡层之间的界面中 的磁性自由层的饱和磁化强度Ms被设置为超过600emu/cc的值，可以获得相同 的效果。
(4)第四实施例
图12到14是表示第四实施例的磁性记录元件的结构的视图。
磁性自由层11由与非磁性材料16空间分离的磁性微小颗粒101构成，磁性 微小颗粒101的磁化是可变的，并且其磁化的易磁化轴的方向是在与薄膜平面垂 直的方向中。
磁性被钉扎层12具有在与薄膜平面垂直的方向中的固定的磁化。在磁性自 由层11和磁性被钉扎层12之间设置非磁性阻挡层13。在磁性自由层11上设置 帽层15。
磁性微小颗粒101由磁性材料构成，该材料中饱和磁化强度Ms(emu/cc) 和各向异性磁场Han(Oe)之间的关系满足Han＞12.57Ms，以及 Han＜1.2E7Ms-1+12.57Ms，并且其厚度是10nm或者更小。
磁性被钉扎层12由磁性材料构成。由于，例如，反铁磁层，该磁性被钉扎 层12的磁化方向是固定的。非磁性阻挡层13由，例如，绝缘材料构成作为隧道 阻挡层。
当转换电流Is从磁性自由层11朝磁性被钉扎层12流动时，磁性记录元件的 磁化状态变为平行状态，在该平行状态下，磁性微小颗粒101的磁化方向与磁性 被钉扎层12的磁化方向平行。
而且，当自旋注入电流Is从磁性被钉扎层12朝磁性自由层11流动时，磁性 记录元件的磁化状态变为反平行状态，在该反平行状态下，磁性微小颗粒101的 磁化方向与磁性被钉扎层12的磁化方向相反。
在第四实施例中从中形成磁性微小颗粒的磁性材料落在由图2所指定的范围 中。
关于磁性自由层的饱和磁化强度Ms(emu/cc)和各向异性磁场Han(Oe)， 由箭头表示的范围是作为第四实施例的磁性记录元件的有效范围。
根据第四实施例，通过独立地使各磁性微小颗粒磁化并定义各磁性微小颗粒 作为记录单元(1比特)，能够获得超高的密度。而且，通过用多个磁性微小颗粒 形成一个记录单元(1比特)能够减小特征波动。
而且，在第四实施例中，如图14的示例中所示，在磁性微小颗粒和非磁性 阻挡材料之间可能存在杂原子(hetero atom)102。杂原子102由磁性材料构成， 该材料不是构成磁性微小颗粒101、非磁性阻挡层13和非磁性材料16的任何一 种材料。
当这些材料具有3-原子层或更小的厚度时，就能够在对磁性特性没有较大影 响的的情况下控制磁性微小颗粒的排列。
根据第四实施例，与第一实施例类似，在不使热波动阻抗和MR特性退化的 情况下能够减小磁化反转的电流密度。
(5)第五实施例
图15A和15B是表示第五实施例的磁性记录元件的结构的视图。
磁性自由层11具有可变磁化，并且其磁化的易磁化轴的方向是与薄膜平面 垂直的方向。磁性被钉扎层12具有在与薄膜平面垂直的方向中的固定的磁化。 在磁性自由层11和磁性被钉扎层12之间设置非磁性阻挡层13。在磁性自由层11 的与非磁性阻挡层13的相反侧的表面上设置非磁性导电或绝缘层102。而且，其 特征在于具有其磁化被固定在与薄膜平面垂直的方向中的第二磁性被钉扎层 103，该第二磁性被钉扎层103被设置在该非磁性导电或绝缘层102的与磁性自 由层11相反侧的平面上。
磁性自由层11由磁性材料构成，该材料中饱和磁化强度Ms(emu/cc)和各 向异性磁场Han(Oe)之间的关系满足Han＞12.57Ms  以及 Han＜1.2E7Ms-1+12.57Ms，并且其厚度是5nm或者更小。
除了如第四实施例中所示的由连续材料构成磁性自由层11的情况之外，该 层还可以由微小颗粒形成，该微小颗粒的磁化是可变的并且磁化的易磁化轴的方 向是与薄膜平面垂直的方向。
磁性被钉扎层12和第二磁性被钉扎层103由磁性材料构成。例如，通过反 铁磁层该磁性被钉扎层12和第二磁性被钉扎层103的磁化方向是固定的。此时， 当将磁性被钉扎层12和第二磁性被钉扎层103的各磁化固定为彼此反平行时， 能够改善反转效率并从而减小用于磁化反转的电流密度。
非磁性阻挡层13由绝缘材料构成以作为，例如，隧道阻挡层。
非磁性导电或绝缘层102由导电金属构成，该材料包括从，例如，Cu(铜)， Au(金)，Ag(银)和Al(铝)中选出的一种或多种元素。可选地，非磁性层 102由非磁性隧道阻挡材料构成，该材料包括从，例如，MgO，Al2O3-x，TiOx， SiOx，ZnOx和SiN中选出的一种或多种化合物。
当转换电流Is从第二磁性被钉扎层103朝磁性被钉扎层12流动时，磁性记 录元件的磁化状态变为平行状态，在该平行状态中磁性自由层11的磁化方向与 磁性被钉扎层12的磁化方向平行。
而且，当转换电流Is从磁性被钉扎层12朝第二磁性被钉扎层103流动时， 磁性记录元件的磁化状态变为反平行状态，在该反平行状态中磁性自由层11的 磁化方向与磁性被钉扎层12的磁化方向相反。
关于磁性自由层的饱和磁化强度Ms(emu/cc)和各向异性磁场Han(Oe)， 由图2中的相同的箭头所表示的范围是作为第五实施例的磁性记录元件的有效范 围。
根据第五实施例，通过独立地使各磁性微小颗粒磁化并定义各磁性微小颗粒 作为记录单元(1比特)，能够获得超高的密度。而且，通过用多个磁性微小颗粒 形成一个记录单元(1比特)能够减小特征波动。
根据第五实施例，与第一实施例类似，在不使热波动阻抗和MR特性退化的 情况下能够减小磁化反转的转换电流的电流密度。
3、材料示例
以下将描述用于实现第一到第五实施例的磁性记录元件的材料示例。
(1)磁性自由层和磁性被钉扎层
磁性自由层和磁性被钉扎层由磁性金属构成，该金属包括从由Fe(铁)，Co (钴)，Ni(镍)，Mn(锰)和Cr(铬)组成的组中选出的一种或多种元素。
关于磁性自由层，当将从由Fe，Co，Ni，Mn和Cr组成的组中选出的一种 或多种元素与从由Pt(铂)，Pd(钯)，Ir(铱)，Ru(钌)和Rh(铑)组成的 组中选出的一种或多种元素相结合构成合金时，磁性自由层的各向异性磁场Han 的值变大，并且磁性自由层的饱和磁化强度Ms的值被轻易地设置为600emu/cc 或者更大。
磁性自由层的各向异性磁场Han的值可以通过构成磁性自由层的磁性材料 的组成或通过归因于热处理的晶体规则性来调整。
磁性自由层和磁性被钉扎层可以由，例如，非晶合金构成，该合金包括稀土 -过渡金属，如TbFeCo，GdFeCo等，或者迭层结构，如Co/Pt，Fe/Pt或Co/Pd。
构成磁性自由层和磁性被钉扎层的磁性材料可以是连续磁体，或者合成结 构，在该合成结构中由磁体构成的微小颗粒呈矩阵状地分布在非磁体内部。特别 地，由于包括微小颗粒的合成结构更适于元件装置的小型化，因此其能够被优选 来实现高密度。
如图12到14所示，磁性微小颗粒的形状是例如圆柱形或球形。
关于该合成结构，当非磁体是高电阻材料的氧化物时，如Al2O3-x，MgO1-X， SiOx，ZnOx，TiOx，等，转换电流会聚于该微小颗粒上，并且因此能够使用更 低的电流密度实现磁化反转。而且，特别地，只要该非磁性材料是和非磁性阻挡 层相同的材料，该微小颗粒的晶体控制和磁性各向异性控制变得容易。
(2)插入层
插入层由，例如，Fe(铁)，Co(钴)和Ni(镍)中的一种构成，或者由包括 从由Fe(铁)，Co(钴)，Ni(镍)，Mn(锰)和Cr(铬)组成的组中选出的一种 元素的合金构成。
而且，插入层可以是软磁性材料，如CoNbZr，FeTaC，CoTaZr，FeAlSi， FeB，CoFeB等，Heusler合金，如Co2MnSi等，半金属氧化物或者半金属氮化 物，如CrO2，Fe3O4，La1-XSrxMnO3等，或者磁性半导体。
(2)非磁性阻挡层
对于非磁性阻挡层，由于读取时的隧道磁阻(TMR)效应，因此可以采用 绝缘材料作为用于获得较大再现信号输出的隧道阻挡层。
具体地，可以由包括从由Al(铝)，Ti(钛)，Zn(锌)，Zr(锆)，Ta(钽)， Co(钴)，Ni(镍)，Si(硅)，Mg(镁)和Fe(铁)组成的组中选出的至少一种元 素的氧化物、氮化物或者氟化物构成该非磁性阻挡层。
特别地，该非磁性阻挡层最好由Al2O3-x(氧化铝)，MgO(镁氧化物)，SiO2-X， Si-O-N，Ta-O，Al-Zr-O，ZnOx，TiOx或者具有较大能隙的半导体(GaAlAs 或者类似物)组成。
而且，关于该非磁性阻挡层，通过由纳米接触磁阻(MR)材料(其中磁性 材料被插入在绝缘体上设置的小孔中的)，或者CCP(电流-限制(confiend)- 通过)-CPP(电流-垂直-于-平面)-MR材料(其中Cu被插入在绝缘体上设置的 小孔中)构成该层，能够获得较大的再现信号输出。
当该非磁性阻挡层是隧道阻挡层时，最好获得其厚度落在0.2nm到2.0nm的 值域范围内的较大的再现信号输出。同样地，当该非磁性阻挡层是纳米接触MR 材料时，最好获得其厚度落在0.4nm到40nm的值域范围内的较大的再现信号输 出。
4、实验例
将描述实验例，在实验例中将准备样品和评定特性。
(1)第一实验例
图7表示在第一实施例中形成的磁性记录元件的结构。
该磁性记录元件由磁性自由层11，磁性被钉扎层12和它们之间的非磁性阻 挡层13的叠层结构组成，并且该磁性记录元件被设置在低电极21和高电极22 之间。而且，厚度为10nm或者更小的帽层15被设置在磁性自由层11和高电极 22之间。
为了保护该磁性记录元件，帽层15可以由例如，氧化物如Ta，Al，Mg， Fe或类似物的氧化物，或者非磁性材料如Cu，Ag，Au或类似物以及氧化物如 Ta，Al，Mg，Fe或类似物的叠层结构组成。
帽层15更优选地是由从厚度为1nm或者更小的氧化物，氮化物和氟化物的 组中选出的一种组成。
当实现磁化反转的低电流密度时，帽层15可以由非磁性材料如Ru，Cu， Ag，Au，Ta或类似物组成。
应当注意的是，在图7中，磁性被钉扎层12只在其上面的部分具有支柱形 状，但是，对于磁性被钉扎层而言优选在其下面的部分具有较窄的宽度以便在下 面的部分具有支柱形状。
如表1中所示，有17种样品。此处共同的是，磁性被钉扎层12由FePt-调 整合金(regulated alloy)组成，而，非磁性阻挡层13由MgO组成。磁性自由 层由Fe-Pt合金，Fe-Co-Pt合金，Co Pt合金，Co-Cu-Pt合金，Co-Ph-Pt合金或 类似物组成。
表1
样品 数 结构(磁性被钉扎层 /非磁性阻挡层/磁性 自由层) 磁性 自由 层的 厚度     Ms  (emu/cc)    Han    (Oe) Jc(A/cm2)(Jc是正面 和反面上的绝对值的     平均值)  AA1   FePt/MgO/Fe-Pt   4     1101  1.40E+04     2.5E+05  AA2   FePt/MgO/Fe-Pt   3     1107  1.80E+04     1.0E+06  AA3   FePt/MgO/Fe-Pt   1.5     1105  2.40E+04     2.0E+06  AA4   FePt/MgO/Fe-Co-Pt   2     890  2.00E+04     1.8E+06  AA5   FePt/MgO/Co-Pt   5     680  9.00E+03     5.1E+05  AA6   FePt/MgO/Co-Pt   5     640  2.40E+04     2.0E+06  AA7   FePt/MgO/Co-Cu-Pt   2     550  2.79E+04     1.9E+06  AA8   FePt/MgO/Co-Cu-Pt   2     450  3.20E+04     1.2E+06  BB1   FePt/MgO/Fe-Pt   3     1100  1.00E+04     1.2E+07  BB2   FePt/MgO/Fe-Pt   3     1060  3.80E+04     1.2E+08  BB3   FePt/MgO/Co-Pt   5     640  7.00E+03     2.1E+07  BB4   FePt/MgO/Co-Ph-Pt   5     614  3.70E+04     1.5E+08  CC1   FePt/MgO/Fe-Co-Pt   1.5     1200  2.50E+04     4.4E+05  CC2   同上   3     1200  2.50E+04     1.2E+06  CC3   同上   5     1200  2.50E+04     1.90E+06  CC4   同上   7     1200  2.50E+04     2.5E+06  CC5   同上   9     1200  2.50E+04     3.8E+06
样品AA1到AA8是根据本发明的示例的磁性记录元件，并且如图8所示， 其在第一实施例表示的条件的值域以内。而且，磁性自由层的薄膜的厚度是5nm 或者更小。
相反地，样品BB1到BB4是作为比较示例的磁性记录元件，并且如图8所 示，偏离第一实施例表示的条件的范围。
另一方面，在样品CC1到CC5中，如图8所示，Ms和Han之间的关系在 第一实施例表示的条件的范围以内，但是，磁性自由层11由不同厚度的FeCoPt 组成。
通过以下步骤下生成这些样品。
首先，在晶片上形成低电极21后，将该晶片装在超高真空溅射装置中，并 将磁性被钉扎层12，非磁性阻挡层13，磁性自由层11和帽层15顺序沉积在低 电极21上。例如，可以采用Au(001)缓冲层或Pt(001)缓冲层作为低电极 21。由FePt-调整合金组成的磁性被钉扎层可以在衬底-加热缓冲层上生长。此后， 衬底温度降低到室温以便制备MgO层，之后在350℃到700℃的衬底温度的范围 内生长用于形成磁性自由层的合金材料以便获得具有期望的Ms和Han的磁性自 由层。而且，在这些层上形成帽层。磁性自由层的Han可以根据作为此示例的合 金的生长温度的改变而改变，而合金的生长温度则可以由后退火温度来改变。   接着，施加电子束(EB)抗蚀剂形成掩膜，同时进行曝光。掩膜的形状， 例如，是70nm×100nm的椭圆形，并且沿着其长边的其长轴方向平行于磁性自 由层的磁性各向异性的方向。
而且，通过利用离子铣削装置，对没有被掩膜所覆盖的区域中的磁性自由层 11，磁性被钉扎层12，非磁性阻挡层13和帽层15进行刻蚀。这里，当利用微分 穷尽(differential exhaust)将溅射颗粒引入四极摄谱仪时，通过执行质量分析可 以精确地获取刻蚀量。
通过刻蚀完成该磁性记录元件。
此后，移除该掩膜，并且进一步地，形成完全覆盖该磁性记录元件的SiO2。 而且，通过离子铣削装置将SiO2的表面拉平以便从SiO2中暴露帽层15的上表 面。接着，最后，在帽层15上形成高电极22。
对于这些样品，使电流在磁性记录元件的叠层方向流动以便监视用于反转磁 性自由层的磁化的必要的转换电流的密度。
结果，在样品AA1到AA8中，如表1中所示，转换电流密度Jc是2×106A/cm2 或者更小，以这样的方式获得转换电流密度Jc，将从反平行反转到平行时的转换 电流密度的绝对值和从平行反转到反平行时的转换电流密度的绝对值进行平均 的。相反地，在样品BB1到BB4中，转换电流密度是充分地超过2×106A/cm2的 值。应当注意的是，除了另有描述以外，本说明书中描述的转换电流密度Jc被 定义为如上所述的以将从反平行反转到平行时的转换电流密度的绝对值和从平 行反转到反平行时的转换电流密度的绝对值进行平均的方式获得的值。
而且，在样品CC1到CC5中，如图9所示，转换电流密度Jc近似地与磁 性自由层的厚度成比例，并且发现为了实现用于获得恰当特性的2×106A/cm2的 转换电流密度，磁性自由层的期望厚度是5nm或者更小。
从该结果可以清楚地看到，根据本发明的示例，能够将转换电流的电流密度 减小到2×106A/cm2或者更小是肯定的。而且，在利用Al2O3-x，SiO2-X，TiOx， ZnOx作为非磁性阻挡层的情况下可以获得相同的趋势。
图11表示样品A1的写入特性的评定结果。
首先，如图10A和10B所示，使转换电流Is在外部磁场为零的情况下流动 以确定磁性自由层11的剩余磁化的磁化方向。
当转换电流Is从磁性自由层11朝磁性被钉扎层12流动时，磁性记录元件的 磁化状态变为平行状态，其中磁性自由层11的磁化方向变得与磁性被钉扎层12 的磁化方向相同。
而且，当转换电流Is从磁性被钉扎层12朝磁性自由层11流动时，磁性记录 元件的磁化状态变为反平行状态，其中磁性自由层11的磁化方向与磁性被钉扎 层12的磁化方向相反。
接着，当使读取电流在该磁性记录元件中流动时测量该平行/反平行状态中的 电阻R。结果，如图11所示，得到转换电流Is和该磁性记录元件的电阻R之间 的关系。
根据该评估，可以肯定在较小的转换电流密度的情况下精确执行了该磁化反 转。
顺便提及的是，假设为了反转磁性自由层的磁化，所需电流的最小值是临界 电流Ic，那么可以在临界电流Ic或者更大的电流的情况下执行写入。对于读取 电流，使其值小于临界电流Ic以便防止读取时的错误写入。
(2)第二实验例
图12到14表示第二实施例中实验地形成的磁性记录元件的结构。
该磁性记录元件由磁性自由层11，磁性被钉扎层12和它们这之间的非磁性 阻挡层13的叠层结构组成。该磁性记录元件的特性在于磁性自由层11由多个被 非磁性材料16分隔的磁性微小颗粒101的集合组成，并且独立地确定各磁性微 小颗粒101的磁化方向。
这里，就加工处理而言，优选非磁性材料16存在于构成磁性自由层11的磁 性微小颗粒101的晶体颗粒的边界中。非磁性材料16由，例如，MgOX，Al2O3-x， SiO2或类似的饱含氧的材料组成。特别地，在非磁性材料16由和非磁性阻挡层 13相同的材料组成的情况下，很容易控制晶体方向，就加工和磁性各向异性特性 而言其是很优选的。
在磁性自由层11上设置厚度为10nm或者更小的帽层15。
为了保护磁性记录元件，帽层15由，例如，氧化物如Ta，Al，Mg，Fe或 类似物，或者非磁性金属如Cu，Ag，Au或类似元素和氧化物如Ta，Al，Mg， Fe或类似元素的叠层结构组成。当实现转换电流的低电流密度时，帽层15可以 由非磁性金属如Ru，Cu，Ag，Au，Ta或类似元素组成。
对于具有这种结构的磁性记录元件，与第一实验例类似，制备样品以评估其 特性。
具体地，第一实施例的样品AA1到AA8中的磁性自由层的材料被替换为由 MgO或者Al2O3-x，SiO2-X，TiOx，ZnOx组成非磁体基质，以及组成AA1到 AA8磁性自由层材料的微小颗粒来形成的材料。通过执行，例如，非磁性材料和 磁性微小颗粒材料的同时汽相沉积能够形成磁性自由层。而且，通过用非磁性材 料嵌入周边而同时将磁性薄膜小型化处理为图案是可能的。
在这种情况下，磁性自由层的厚度，在某些情况下，比第一实验例的样品 AA1到AA8厚一些，并且最大值是10nm。但是，在这种结构中，由于产生了电 流集中效应，因此可以肯定的是在2×106A/cm2或者更小的转换电流密度的情况 下精确执行了磁化反转。
(3)第三实验例
图16表示在第三中实验例中实验地形成的磁性记录元件的结构。
该磁性记录元件由磁性自由层11，磁性被钉扎层12和它们之间的非磁性阻 挡层13的叠层结构组成。该磁性记录元件的特征在于在磁性被钉扎层12内部形 成包括氧元素的层17。该包括氧元素的层17具有稳定磁性被钉扎层12的磁化状 态的功能。
在磁性自由层11上设置厚度为10nm或者更小的帽层15。
为了保护该磁性记录元件，帽层15可以由，例如，氧化物如Ta，Al，Mg， Fe或类似物，或者非磁性金属如Cu，Ag，Au或类似物和氧化物如Ta，Al， Mg，Fe或类似物的叠层结构组成。
帽层15更优选由从由氧化物，氮化物和氟化物组成的组中选出的一种组成， 厚度为1nm或者更小。
当实现了低电流密度的转换时，帽层15可以由非磁性材料如Ru，Cu，Ag， Au，Ta等组成。
对于具有这种结构的磁性记录元件，与第一实验例类似，当评估特性又准备 了多个样品时，可以肯定的是在2×106A/cm2或者更小的转换电流密度的情况下 精确执行了磁化反转。
(4)第四实验例
图17表示在第四实验例中实验地形成的磁性记录元件的结构。
该磁性记录元件由磁性自由层11，磁性被钉扎层12，和它们之间的非磁性 阻挡层13的叠层结构组成。该磁性记录元件的特征在于覆盖磁性自由层11的上 表面的帽层15具有双层结构。
帽层15A由厚度为3nm或者更小的非磁性材料组成。帽层15B由从氧化物， 氮化物和氟化物组成的组中选出的一种组成，其厚度为1nm或者更小。
对于具有这种结构的磁性记录元件，与第一实验例类似，当评估特性而同时 准备多个样品时，可以肯定的是在2×106A/cm2或者更小的临界转换电流密度的 情况下精确执行了磁化反转。
(5)第五实施例
图18和19分别表示第五实验例的磁性记录元件的结构。
该磁性记录元件由磁性自由层11，磁性被钉扎层12，和它们之间的非磁性 阻挡层13的叠层结构组成，并且该磁性记录元件被设置在低电极21和高电极22 之间。
在磁性被钉扎层12和低电极21之间设置用于固定磁性被钉扎层12的磁化 的反铁磁层18。而且，在磁性自由层11和高电极22之间设置用于保护该磁性记 录元件的帽层15。
在第五实验例中，对采用垂直磁化薄膜的情况和采用平面磁化薄膜的情况之 间的效果进行比较。
如表2所示，有五种样品。
在样品A1和A3中，磁性自由层11由两个层构成，其中将较薄的层设定在 非磁性中间层和较厚的层之间构成自由层。
在样品A1到A3中，如图18所示，由于主要的磁性自由层(当磁性自由层 11是双层时的较厚的层)的磁化的易磁化轴的方向在与薄膜平面垂直的方向中， 因此磁性自由层11的剩余磁化的磁化方向也是在与薄膜平面垂直的方向中，即， 在磁性自由层11，磁性被钉扎层12和非磁性阻挡层13的叠层方向。而且，磁性 被钉扎层12的磁化通过反铁磁层18被固定在与薄膜平面垂直的方向中。
在样品B1，B2中，如图19所示，由于磁性自由层11的磁化的易磁化轴的 方向平行于薄膜平面，因此磁性自由层11的剩余磁化的磁化方向也平行于薄膜 平面，即，其在磁性自由层11的面内方向中。而且，磁性被钉扎层12的磁化通 过反铁磁层18被固定在薄膜平面的面内方向中。
表2
样 品 被钉扎层 非磁 性中 间层 自由层 Ms (edu/c m3) Ha (Oe) 平均反 转电流 密度Jc (A/cm2) 标注 本发 明 A1  (Pt/Co)n  Al2O3  Fe0.2nm/  FeCuPt1nm  1000  23000  8E5 垂直磁化 薄膜 A2  GdFeCo/Fe304  MgO  CoPt2nm  800  18000  9E5 垂直磁化 薄膜， CaP→Cu (2nm)/Mg O A3  FeCoPt  MgO  FeCo0.4nm/  FeCoPd1.5n  m  900  21000  1.4E6 垂直磁化 薄膜 传统 示例 B1  CoFe/Ru/CoFe  Al2O3  CoFe2.5nm  1440  100(*  )  4E7 (*)面内的 Han B2  CoFe/CoFeB  MgO  CoFeB2.5n  m  500  70(*)  6E6 (*)面内的 Han
如图20所示，样品A1到A3是根据本发明的示例的磁性记录元件，其在第 一实施例表示的情况的范围之内。
在样品A1中，磁性自由层11由Fe(0.2nm)/FeCuPt(1nm)的叠层结构组成， 磁性被钉扎层12由Pt/Co的叠层结构组成，并且非磁性阻挡层13由Al2O3-x组 成。括号中的数值表示厚度。
在样品A2中，磁性自由层11由CoPt(2nm)组成，磁性被钉扎层12由 GdFeCo/Fe3O4的叠层结构组成，并且非磁性阻挡层13由MgO组成。括号中的 数值表示厚度。
在样品A3中，磁性自由层11由FeCo(0.4nm)/FeCoPd(1.5nm)的叠层结构组 成，磁性被钉扎层12由FeCoPt组成，并且非磁性阻挡层13由MgO组成。括 号中的数值表示厚度。
相反地，如图20所示，样品B1，B2是作为比较示例的磁性记录元件，其 其偏离了第一实施例表示的情况的范围。
在样品B1中，磁性自由层11由CoFe(2.5nm)组成，磁性被钉扎层12由 CoFe/Ru/CoFe的合成反铁磁性(SAF)结构组成，并且非磁性阻挡层13由Al2O3-x 组成。括号中的数值表示厚度。
在样品B2中，磁性自由层11由CoFeB(2.5nm)组成，磁性被钉扎层12由 CoFe/CoFeB的叠层结构组成，并且非磁性阻挡层13由MgO组成。括号中的数 值表示厚度。
对于这些样品A1，A2，A3，B1和B2，使电流在磁性记录元件的叠层方向 中流动以便监视用于反转磁性自由层的磁化的必要的转换电流的密度。
结果，在样品A1中，转换电流密度Jc变为8×105A/cm2，以如下方式获得 转换电流密度Jc，将从反平行反转到平行时的转换电流密度的绝对值和从平行反 转到反平行时的转换电流密度的绝对值进行平均；并且在样品A2中，转换电流 密度Jc变为9×105A/cm2，以及在样品A3中，转换电流密度Jc变为 1.4×106A/cm2。相反地，在样品B1中，转换电流密度变为4×107A/cm2，并且 在样品B2中，转换电流密度变为6×106A/cm2。
从该结果可以清楚地看到，根据本发明的示例，能够将自旋注入电流的电流 密度减小到传统值的1/5或者更小，因此可以肯定能够实现2×106A/cm2或者更 小的转换电流密度。
(6)其他
根据本发明的示例的效果不随磁性记录元件的形状和尺寸，低/高电极的形 状，尺寸，和材料，以及，绝缘层如钝化层等的种类而改变。因此，本领域技术 人员可以采用它们而从公知范围中适当地进行选择。
对于构成磁性记录元件的磁性自由层，磁性被钉扎层和非磁性阻挡层，它们 不需要具有相同的形状，或者相同的尺寸，并且因此可以将它们设计成彼此不同 的形状或者不同的尺寸。
但是，在制造处理上，磁性自由层的平坦表面形状优选是长宽比在1∶1到1∶ 4的范围内的正方形，长方形，多边形(例如，六边形)，圆形，椭圆形，菱形， 或者平行四边形。
而且，磁性自由层的尺寸在一侧优选是在5nm到200nm之间。
就制造处理而言，磁性记录元件的截面形状，如四边形、梯形，优选为磁性 自由层，磁性被钉扎层和非磁性阻挡层的截面尺寸相同，或者被连续地改变。但 是，各层的截面尺寸优选被不连续地改变。
而且，例如反铁磁层、磁性被钉扎层、非磁性阻挡层、磁性自由层、帽层、 绝缘层等每一个的构成优选是单一层，或者由多个层组成。
5、应用示例
将描述根据本发明的示例的磁性记录元件的应用示例。
这里，描述的是作为磁性存储器，探针存储器，和用于实现可重新配置的逻 辑电路的自旋场效应管(FET)的磁性随机存取存储器(MRAM)的示例。
(1)磁性随机存取存储器
当将根据本发明示例的磁性记录元件应用于磁性随机存取存储器时，不存在 有关存储单元阵列的种类或结构的限制。在下文中，以适于电流驱动写入的1晶 体管-1磁隧道结(magneto tunnel junction，MTJ)作为代表示例。
A.电路结构
图21表示根据本发明示例的磁性随机存取存储器的存储单元阵列的电路结 构。
存储单元阵列31由多个以阵列形状设置的存储单元MC1，MC2，MC3， 和MC4组成。各存储单元MC1，MC2，MC3，和MC4由串联连接的磁性记录 元件MTJ和MOS晶体管TR组成。
将MOS晶体管TR的栅极连接到字线WL(i)，WL(i+1)。字线WL(i)，WL(i+1) 在X-方向内延伸，并通过作为行选择转换器的MOS晶体管RSW将其一端连接 到字线驱动器32。
在读/写时，用于选择存储单元阵列31的一行的行选择信号RSL(i)，RSL(i+1) 被输入到MOS晶体管RSW的栅极。
字线驱动器32驱动该选择的一行中的字线。例如，当选择字线WL(i)时， 使字线WL(i)的电势为高，并且连接到字线WL(i)的MOS晶体管TR被导通。
将构成存储单元MC1，MC2，MC3，和MC4的磁性记录元件MTJ的一端 连接到位线BLu(j)，BLu(j+1)。
位线BLu(j)，BLu(j+1)在与X-方向相交的Y-方向内延伸，并通过作为列选 择转换器的MOS晶体管CSWu将其一端连接到位线驱动器/消能器(sinker)33。
在读/写时，用于选择存储单元阵列31的一列的列选择信号CSLu(j)， CSLu(j+1)被输入到MOS晶体管CSWu的栅极。
将构成存储单元MC1，MC2，MC3，和MC4的MOS晶体管TR的一端 连接到位线BLd(j)，BLd(j+1)。
位线BLd(j)，BLd(j+1)在Y-方向延伸，并通过作为列选择转换器的MOS 晶体管CSWd将其一端连接到位线驱动器/消能器34。
在写入时，用于选择存储单元阵列31的一列的列选择信号CSLd(j)， CSLd(j+1)被输入到MOS晶体管CSWd的栅极。
而且，通过作为列选择转换器的MOS晶体管CSWr将位线BLd(j)，BLd(j+1) 的一端连接到共用读取线RL，并将该共用读取线RL连接到传感放大器S/A。
在读取时，用于选择存储单元阵列31的一列的列选择信号CSLr(j)， CSLr(j+1)被输入到MOS晶体管CSWr的栅极。
传感放大器S/A基于参考电势Vref判断在选择的存储单元MC中的磁性记 录元件NTJ的数据值，并输出该值作为输出信号DATA。
这里，提供位线驱动器/消能器33，34以便将转换电流Is传送到所选择的一 列中的位线。
将反平行状态中的磁性记录元件MTJ的磁化状态定为“1”，并平行状态中 的磁性记录元件MTJ的磁化状态定为“0”。
当在存储单元MC1中写入“1”时，行选择信号RSL(i)为高，字线WL(i) 为高，并且存储单元MC1内的MOS晶体管TR被导通。
而且，当使列选择信号CSLu(j)，CSLd(j)为高时，使转换电流Is通过存储 单元MC1从位线驱动器/消能器33流向位线驱动器/消能器34。此时，在存储单 元MC1内的磁性记录元件MTJ中，由于自旋偏振电子的原因，磁化状态变为 反平行状态，因此“1”被写入。
而且，当把存储单元MC1写为“0”时，相同地，行选择信号RSL(i)为高， 字线WL(i)为高，并且存储单元MC1内的MOS晶体管TR被导通。
而且，当使列选择信号CSLu(j)，CSLd(j)为高时，使转换电流Is通过存储 单元MC1从位线驱动器/消能器34流向位线驱动器/消能器33。此时，在存储单 元MC1内的磁性记录元件MTJ中，由于自旋偏振电子的原因，磁化状态变为 平行状态，因此“0”被写入。
至于读取，例如，采用传感放大器S/A和位线驱动器/消能器33来执行。
例如，当读取存储单元MC1的数据时，行选择信号RSL(i)为高，字线WL(i) 为高，并且存储单元MC1内的MOS晶体管TR被导通。
而且，使列选择信号CSLu(j)为高，位线BLu(j)被电连接到位线驱动器/消能 器33，列选择信号CSLr(j)为高，并且位线BLd(j)被电连接到传感放大器S/A。
例如，位线驱动器/消能器33将位线BLu(j)的一端连接到接地点，并且传感 放大器S/A向存储单元MC1提供读取电流。当该读取电流在存储单元MC1内 的磁性记录元件MTJ中流动时，传感放大器S/A检测电阻值以判断存储在其中 的数据值。
B.装置结构
图22到25表示图21的存储单元MC1，MC2，MC3，和MC4的装置结构 的示例。
根据本发明的示例，存储单元由MOS晶体管TR和磁性记录元件(磁阻元 件)MTJ组成。
将MOS晶体管TR设置在半导体衬底41上。MOS晶体管TR的栅极电极 作为字线WL(i)在X-方向(在垂直于纸面的方向)延伸。
将MOS晶体管TR的两个源极/漏极扩散层的一个扩散层连接到低位线 BLd(j)，而将另一个连接到磁性记录元件MTJ的一端(低表面)。将磁性记录元 件MTJ的另一端(高表面)连接到高位线BLu(j)。
高位线BLu(j)和低位线BLd(j)各自在Y-方向内延伸。
磁性记录元件具有顶部钉扎结构。即，将底层43，磁性自由层11，隧道阻 挡层(绝缘层)13，磁性被钉扎层12，反铁磁层18，和帽层15A，15B在半导 体衬底41侧上以这个顺序层叠。
应当注意的是该磁性记录元件可以具有底部钉扎结构。
如图22所示，在这种装置结构的存储单元中，在“1”-编程中，使转换电流 Is从图21的位线驱动器/消能器33内的电流源通过高位线BLu(j)→磁性记录元 件MTJ→低位线BLd(j)路线流向接地点。
此时，在磁性记录元件MTJ内部，电子流从磁性自由层11流向磁性被钉扎 层12。通常，当电子流从磁性自由层11流向磁性被钉扎层12时，磁性自由层11 的磁化与磁性被钉扎层12的磁化反平行。
而且，如图23所示，在“0”-编程中，使转换电流Is从图21的位线驱动器 /消能器34内的电流源通过低位线BLd(j)→磁性记录元件MTJ→高位线BLu(j) 路线流向接地点。
此时，在磁性记录元件MTJ内部，电子流从磁性被钉扎层12流向磁性自由 层11。通常，当电子流从磁性被钉扎层12流向磁性自由层11时，磁性自由层11 的磁化与磁性被钉扎层12的磁化平行。
在读取时，如图24和25所示，例如，使读取电流Ir从传感放大器S/A通 过磁性记录元件MTJ流向接地点。当读取电流Ir流到磁性记录元件MTJ时， 传感放大器S/A的输入电势随磁性记录元件MTJ的状态而变化。
例如，如图24所示，当“1”-数据被存储在磁性记录元件MTJ中时，磁性 记录元件MTJ的电阻值变大(反平行状态)，并且传感放大器S/A的输入电势变 得高于参考电势Vref。
所以，传感放大器S/A输出“1”作为输出信号DATA。
而且，如图25所示，当“0”-数据被存储在磁性记录元件MTJ中时，磁性 记录元件MTJ的电阻值变小(平行状态)，并且传感放大器S/A的输入电势变得 低于参考电势Vref。
因此，传感放大器S/A输出“0”作为输出信号DATA。
顺便提及的是，在本示例中，读取电流Ir的方向是从低位线BLd(j)到高位 线BLu(j)的方向。但是，读取电流Ir的方向也可以是相反的方向，即，从高位 线BLu(j)到低位线BLd(j)的方向。而且，可以采用与本示例的不同的方法作为 该读取方法。
为了抑制读取时的干扰，使读取电流Ir值相比转换电流Is的值充分地减小。 具体地，读取电流Ir值优选小于磁化反转的临界电流Ic。
在本示例中，将磁性记录元件MTJ的反平行的磁化状态设为“1”，并将磁 性记录元件MTJ的平行的磁化状态设为“0”，或者反之亦然。
就读取而言，为了通过增加MR(磁阻)比而获得较高的信号输出，隧道阻 挡层优选由高电阻材料组成，例如，绝缘材料如氧化铝，MgO等。
而且，作为这种隧道阻挡层的替代，如果采用CPP-CPP-MR材料(其中Cu， 磁体等被嵌入在绝缘材料中的多个孔内)，或纳米接触MR材料作为磁性自由层 和磁性被钉扎层之间的非磁性阻挡层，则更有利于进行读取。
即使利用如二极晶体管，二极管等元件来代替MOS晶体管TR也没有问题， 只要它们具有作为选择转换的功能。
C.磁性记录元件的布局
就磁性记录元件MTJ的布局而言，可以提出包括与存储单元阵列结构相关 的各种类型。
图22到25表示的存储单元阵列是1晶体管-1 MTJ类型，其中存储单元由 一个晶体管和一个磁性记录元件组成。在这种情况下，将单独的一个磁性记录元 件MTJ分配一个存储单元。
相反地，如图26所示，在1晶体管-1 MTJ类型的存储单元阵列中，通过构 成具有由非磁性材料分隔的多个磁性颗粒(多晶结构)的集合的磁性记录元件 MTJ可以将所有存储单元的磁性记录元件MTJ集合起来。
在这种情况下，磁性记录元件MTJ被较厚地整体形成在半导体衬底41上， 并因此简化了制造过程，所以实现了制造成本的降低。
即使在这种结构中，磁性记录元件MTJ由多个磁性颗粒的集合组成，并因 此可以针对每个磁性颗粒确定磁化方向。因此，能够选择性地只改变插塞(plug) a，b之间的区域的磁化。
因此，作为磁性存储器的功能完全与图22到25的结构的磁性存储器相同。
图27到29所示的存储单元阵列是交点(cross point)类型的存储单元阵列。
在图27的结构中，与图22到25的结构类似，将单独的一个磁性记录元件 MTJ分配一个存储单元。
而且，在图28的结构中，沿直接在位线BL(j)，BL(j+1)下面的位线BL (j)，BL(j+1)进行磁性记录元件MTJ的布局。在这种情况下，由于在处理位 线BL(j)，BL(j+1)的同时对磁性记录元件MTJ进行了处理，因此简化了制 造过程，并且能够实现制造成本的降低。
在图29的结构中，磁性记录元件MTJ被较厚地完全形成在字线WL(i)， WL(i+1)和位线BL(j)，BL(j+1)之间的区域上。在这种情况下，由于可以省 略对磁性记录元件MTJ的处理，因此简化了制造过程，并且能够实现降低制造 成本。
即使在图28和29的结构中，磁性记录元件MTJ由多个磁性颗粒的集合组 成，并因此针对每个磁性颗粒确定磁化方向。所以，能够选择性地只改变字线 WL(i)， WL(i+1)和位线BL(j)，BL(j+1)之间的交叉部分的磁化。
因此，作为磁性存储器的功能与在图27到29的整个交点类型的磁性存储器 中是相同的。
(2)探针存储器
与现有存储器相比，探针存储器是其记录密度可以被快速提高的新一代存储 器。
例如，探针存储器在记录介质的上部具有悬臂形状的探针，并通过控制该记 录介质和探针之间的位置关系来执行访问操作。特别地，如果采用MEMS(微 电机械系统)技术，则可以将记录介质和探针混合安装(mixed-mount)在半导 体芯片上。实际上，已提出了采用如千足虫(millipede)等等的具体技术。
如果利用本发明的示例中的磁性记录元件作为这种探针存储器的记录介质， 则有助于探针存储器的实际应用。
A.基本结构
图30表示探针存储器的基本结构。
在绝缘衬底51上形成导电层52，并在导电层52上根据本发明的示例以阵列 的形状设置多个磁性记录元件MTJ。各磁性记录元件MTJ，例如，具有磁性被 钉扎层53，非磁性阻挡层(例如，隧道阻挡层)54和磁性自由层55的叠层结构。 用绝缘层56填充在多个磁性记录元件MTJ之间的空间中。
这种磁性记录元件MTJ的阵列被称为“图案化介质”。
例如，在图案化介质上设置悬臂形状的探针57。探针57的形状没有特别的 限制，其可以是针形的。但是，例如，在采用悬臂形状的情况下，可以通过MEMS 技术更有利地将探针构成在半导体芯片上。
通过位置控制装置58控制探针57的位置。例如，位置控制装置58驱动2- 维(x，y)或3-维(x，y，z)探针57执行相应的访问操作。探针57可以一直 与图案化介质的上表面保持接触，或者可以一直与其分开恒定的距离。
在读取时，读/写电路59通过使读取电流流过磁性记录元件MTJ来读取存 储在磁性纪录元件MTJ中的数据。而且，在写入时，读/写电路59通过使具有 相应于写入数据的方向的转换电流流过磁性记录元件MTJ来控制磁性记录元件 MTJ的磁化状态。
在这种探针存储器中，在“1”-写入时，位置控制装置58基于地址信号确定 图案化介质和探针57之间的相对位置，并且读/写电路59使转换电流Is在从导 电层52朝探针57的方向中流动。
此时，在磁性记录元件MTJ内部，由于电子从磁性自由层55朝磁性被钉扎 层53流动，因此磁性自由层55的磁化与磁性被钉扎层53的磁化反平行。
而且，在“0”-写入时，位置控制装置58基于地址信号确定图案化介质和探 针57之间的相对位置，并且读/写电路59使转换电流Is在从探针57朝导电层52 的方向中流动。
此时，在磁性记录元件MTJ内部，由于电子从磁性被钉扎层53朝磁性自由 层55流动，因此磁性自由层55的磁化与磁性被钉扎层53的磁化平行。
在读取时，位置控制装置58基于地址信号确定图案化介质和探针57之间的 相对位置，并且读/写电路59将读取电流Ir施加到磁性记录元件MTJ。
不限制读取电流Ir的方向，而为了在读取时抑制干扰使读取电流Ir的值充 分小于转换电流Is。具体地，使读取电流Ir的值小于磁化反转的临界电流Ic。
顺便提及的是，在本示例中，将反平行的磁性记录元件MTJ的磁化状态设 为“1”，并将平行的磁性记录元件MTJ的磁化状态设为“0”，或者相反。
就读取而言，为了通过增大MR比而获得较高的信号输出，优选将非磁性阻 挡层54用做隧道阻挡层(例如，绝缘材料，如铝，MgO等等)。
而且，作为这种隧道阻挡层的替代，如果其中Cu、磁体等等被嵌入在绝缘 材料上提供的多个小孔中的CPP-CPP-MR材料，或者纳米接触MR材料被用做 磁性自由层和磁性被钉扎层之间的非磁性阻挡层，那么对于读取这是更优选的。
这里，在图27的示例中是这样的系统，在固定图案化介质的位置的同时， 通过位置控制装置58控制探针57的位置。但是，如果可以控制图案化介质和探 针57之间的相对位置，那么无论是探针还是绝缘衬底51被驱动都不是问题。
例如，如图31所示，还可以通过位置控制装置58A，58B来控制图案化介 质和探针之间的相对位置。
而且，作为硬盘驱动器，可以在旋转该绝缘衬底51时通过线性驱动探针57 来执行访问操作。
图32和33表示图30中的探针存储器的改进示例。
图32中的探针存储器的特征在于磁性被钉扎层53和非磁性阻挡层54被整 体的磁性记录元件MTJ共用。在这种情况下，磁性被钉扎层53和非磁性阻挡层 54被较厚地形成在整体导电层52上，并且由于优选只在磁性自由层55上执行图 案化，因此可以实现制造处理的简化和元件特性的改善。
图33中的探针存储器的特性在于图案化介质的上表面被保护层60覆盖。该 保护层60由例如，极薄的绝缘体组成。在这种情况下，由于探针57没有直接接 触磁性记录元件MTJ，因此可以改善磁性记录元件MTJ的稳定性和读/写的次 数。
而且，作为保护层60的替代，探针57可以离开磁性记录元件MTJ恒定的 距离，并且可以在探针57和磁性记录元件MTJ之间提供一空间。而且，可以提 供保护层60，并且探针57可以离开保护层60恒定的距离。
B.多探针结构
将描述适于实现高记录密度的具有多探针结构的探针存储器的示例。
图34表示根据本发明的示例的探针存储器的电路结构。
将模块BK11，...BKij设置成矩阵的形状。各模块BK11，...BKij优选被物 理分离，或者各模块BK11，...BKij优选被整体化。各模块BK11，...BKij，例 如，如图29所示，由图案化介质构成，该图案化介质由多个磁性记录元件组成。
当模块BK11，...Bkij被全部设为32×32的矩阵，并且各模块BK11，...BKij 由32×32的磁性记录元件组成时，一个模块的存储容量变为1KB，并且该探针存 储器的存储容量变为1MB。
探针57，如模块BK11，...BKij被设置成矩阵形状，并且探针57与模块Bkij 一一对应。
通过MOS晶体管TR将探针57连接到位线BLu(1)，...BLu(j)。
将MOS晶体管TR的栅极连接到字线WL(1)，...WL(i)。字线WL(1)，...WL (i)在X-方向内延伸，并通过作为行选择转换器的MOS晶体管RSW将字线的 一端连接到字线驱动器32。
在读/写时，将用于选择模块BK11，...BKij中的一个的行选择信号RSL (1)，...RSL(i)输入MOS晶体管RSW的栅极。
字线驱动器32驱动所选择的一个行内的字线。例如，当选择字线WL(1) 时，使字线WL(1)的电势为高，并且连接到字线WL(1)的MOS晶体管TR 被导通。
位线BLu(1)，...BLu(j)在Y-方向内延伸，并通过作为列选择转换器的MOS 晶体管CSWu将位线的一端连接到位线驱动器/消能器33。
在读/写时，将用于选择模块BK11，...BKij中的一个的列选择信号 CSLu(1)，...CSLu(j)输入MOS晶体管CSWu的栅极。
将模块BK11，...BKij的一端(对应于图25中的导电层52)连接到位线 BLd(1)，...BLd(j)。
位线BLd(1)，...BLd(j)在Y-方向内延伸，并通过作为列选择转换器的MOS 晶体管CSWd将其一端连接到位线驱动器/消能器34。
在读/写时，将用于选择模块BK11，...BKij中的一个的列选择信号 CSLd(1)，...CSLd(j)输入MOS晶体管CSWd的栅极。
而且，通过作为列选择转换器的MOS晶体管CSWr将位线BLd(1)，...BLd(j) 一端连接到共用读取线RL，并将共用读取线RL连接到传感放大器S/A。
在读/写时，将用于选择模块BK11，...BKij中的一个的列选择信号 CSLr(1)，...CSLr(j)输入MOS晶体管CSWr的栅极。
传感放大器S/A基于参考电势Vref判断所选择的模块BKij内的所选择的磁 性记录元件的数据值以将其输出作为输出信号DATA。
这里，提供位线驱动器/消能器33，34使转换电流Is流过所选择的一个模块 BKij内的所选择的磁性记录元件。
将反平行的磁性记录元件的磁化状态设为二进制“1”，并将平行的磁性记录 元件的磁化状态设为二进制“0”。
当将“1”写入模块11内的磁性记录元件时，使行选择信号RSL(1)为高， 使字线WL(1)为高，并且对应于模块BK11的MOS晶体管TR被导通。
而且，通过模块BK11内的磁性记录元件使转换电流Is在从位线驱动器/消 能器33朝位线驱动器/消能器34的方向流动，而使列选择信号CSLu(1)，CSLd(1) 为高。此时，模块BK11内的磁性记录元件的磁化状态变为反平行，因此“1” 被写入。
当将“0”写入模块BK11内的磁性记录元件时，使行选择信号RSL(1)为 高，使字线WL(1)为高，并且对应于模块BK11的MOS晶体管TR被导通。
而且，通过模块BK11内的磁性记录元件使转换电流Is在从位线驱动器/消 能器34朝位线驱动器/消能器33的方向流动，而使列选择信号CSLu(1)，CSLd(1) 为高。此时，模块BK11内的磁性记录元件的磁化状态变为平行，因此“0”被 写入。
例如，通过利用传感放大器S/A和位线驱动器/消能器33执行读取。
例如，当读取模块BK11内的磁性记录元件的数据时，使行选择信号RSL(1) 为高，使字线WL(1)为高，并且对应于模块Bk11的MOS晶体管TR被导通。
而且，使列选择信号CSLu(1)为高，将位线Blu(1)电连接到位线驱动器/ 消能器33，使列选择信号CSLr(1)为高，将位线Bld(1)电连接到传感放大器 S/A。
位线驱动器/消能器33将，例如，位线Blu(1)的一端连接到接地点，并且 传感放大器S/A将读取电流施加到模块BK11内的磁性记录元件。在读取电流流 过该磁性记录元件时，传感放大器S/A检测电阻值，并判断其中存储的数据值。
图35表示多探针结构的探针存储器的装置结构的示例。
在该探针存储器中，作为记录介质的图案化介质被较厚地形成在半导体衬底 61的整个中心部分，并且图案化介质被分隔在多个模块BK中。在多个模块BK 上，多个探针57被对应于多个模块BK设置。
在半导体芯片61的周边部分，被提供有，例如，伺服区域62，图30中的位 置控制装置58被形成在那里；和周边电路区域63，图30中的读/写电路59被形 成在那里。
该装置结构的特性在于图30中表示的整个系统被安装在半导体芯片61上。 利用MEMS技术可以实现这种半导体装置。
(3)自旋FET
根据本发明的示例的磁性记录元件可应用于自旋FET。
自旋FET本身可以被用作磁性存储器的存储单元，并且作为可重新配置的 逻辑电路的组成部分已经引起了关注。
图36表示自旋FET的装置结构的一个示例。
本示例涉及通过切换写入系统执行数据写入的隧道阻挡型的自旋FET。
在半导体衬底70内部形成由铁磁层组成的源极/漏极区域。源极/漏极区域中 的一个是其中磁化方向改变的磁性自由层11，另一个是磁性被钉扎层12。通过 反铁磁层18磁性被钉扎层12的磁化被固定。
在半导体衬底70和磁性自由层11之间，以及在半导体衬底70和磁性被钉 扎层12之间形成非磁性阻挡层(隧道阻挡层)13A。通过栅极绝缘层71将栅极 电极72形成在磁性自由层11和磁性被钉扎层12之间的沟道(channel)区域上。
将源极/漏极电极73，74分别形成在反铁磁层18和磁性自由层11上。
将源极/漏极电极73连接到驱动器/消能器用于生成转换电流，即，P-沟道 MOS晶体管P1和N-沟道MOS晶体管N1。
同样地，将源极/漏极电极74连接到驱动器/消能器用于生成转换电流，即， P-沟道MOS晶体管P2和N-沟道MOS晶体管N2。
在具有这种结构的自旋FET中，以如下方式执行数据写入，将写入栅极电 压W施加到栅极电极72；并使自旋注入电流流过作为源极/漏极区域的磁性自由 层11。
通过所述转换电流的方向，写入数据的值被确定，并通过利用控制信号A， B，C和D导通或关闭P-沟道MOS晶体管P1，P2和N-沟道MOS晶体管N1， N2来控制转换电流的方向。
例如，当源极/漏极区域11，12的磁化状态为反平行时，使转换电流从P-沟 道MOS晶体管P1朝N-沟道MOS晶体管N2流动。此时，由于电子从磁性自由 层11朝磁性被钉扎层12流动，因此磁性自由层11的磁化方向变为与磁性被钉扎 层12的磁化方向相反的方向。
而且，当使源极/漏极区域11，12的磁化状态平行时，使转换电流从P-沟道 MOS晶体管P2朝N-沟道MOS晶体管N1流动。此时，由于电子从磁性被钉扎 层12朝磁性自由层11流动，因此磁性自由层11的磁化方向变为与磁性被钉扎层 12的磁化方向同方向。
虽然在本示例中，已经描述了隧道阻挡型的自旋FET，但是自旋FET可以 是没有隧道阻挡层13A的Schottky阻挡(barrier)类型。
(4)其他
如上，描述了三个应用示例，并且可以将本发明的示例应用于其他自旋电子 装置。
6.总结
根据本发明的示例，在通过电流直接驱动的磁化反转技术中，可以减小转换 电流密度Jc而不使热波动阻抗和MR特性退化。所以，可以实现具有20nm或 者更小的平坦表面尺寸(最大宽度)、高可靠性、低功率消耗和较小的热致损坏 的磁性记录元件，并且可以将该元件应用于各种自旋电子装置。
本发明的示例对磁性记录元件的高性能，实现磁性存储器(存储装置)的高 密度和低功耗具有不可估量的影响，并促进了采用电流直接驱动的磁化反转技术 的实际应用，其工业价值非常巨大。
本领域技术人员很容易想到其他的优点和改进。因此，更宽范围内的本发明 不被局限于在此处所表示和描述的特定细节和典型实施例。因此，在不脱离由附 加的权利要求和其等同描述所限定的本发明的精神和范围的情况下可以做出各 种改进。