(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１磁化自由層と、
第２磁化自由層と、
第２磁化自由層に隣接して設けられる非磁性層と、
前記非磁性層に隣接して前記第２磁化自由層とは反対側に設けられる第１磁化固定層と
を具備し、
前記第１磁化自由層は、強磁性体から構成され、且つ、膜厚方向の磁気異方性を有し、
前記第２磁化自由層及び前記第１磁化固定層は、強磁性体から構成され、且つ、面内方向の磁気異方性を有し、
前記第１磁化自由層は、
磁化が固定される第１磁化固定領域と
磁化が固定される第２磁化固定領域と
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域とに接続された、磁化が反転可能な磁化自由領域を有し、
前記磁化自由領域と前記第２磁化自由層とが、磁気的に結合しており、
前記磁化自由領域の重心と前記第２磁化自由層の重心とが、面内方向である特定方向にずれて位置しており、
書き込み電流が、前記磁化自由領域から前記第１磁化固定領域に向かう方向、又は、前記磁化自由領域から前記第２磁化固定領域に向かう方向に流され、
読み出し電流が、前記第２磁化自由層と前記第１磁化固定層の間で流される
磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化固定層の磁化が、前記特定方向に略平行な方向に固定されている
磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
更に、前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層の間に設けられた導電層を備える
磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
更に、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の一方に接合された第２磁化固定層を備える
磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気抵抗効果素子であって、
更に、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域の他方に接合された第３磁化固定層を備える
磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化固定領域が前記磁化自由領域の一方の端部に隣接して設けられ、
前記第２磁化固定領域が前記磁化自由領域の他方の端部に隣接して設けられる
磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化固定領域が前記磁化自由領域の一方の端部に隣接して設けられ、
前記第２磁化固定領域が前記磁化自由領域の前記一方の端部に隣接して設けられ、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域と前記磁化自由領域とが、三叉路を形成する
磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項３に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記導電層が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも一つの元素を含有する
磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記非磁性層がＭｇＯを含有する
磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第２磁化自由層と前記第１磁化固定層のうちの少なくとも一方がＣｏ−Ｆｅ−Ｂを含有する
磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層の間に設けられた分流防止層を更に具備する
磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
請求項３に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化自由層と前記導電層の間に設けられた分流防止層を更に具備する
磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記分流防止層は、前記第１磁化自由層よりもシート抵抗が大きい膜で形成されている
磁気抵抗効果素子。
【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、及び磁気ランダムアクセスメモリに関し、特に、磁壁移動方式の磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）は高速動作、および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリとして期待され、盛んな開発が行われている。ＭＲＡＭではメモリセルに磁気抵抗効果素子が集積化され、磁気抵抗効果素子の強磁性層の磁化の向きとしてデータが記憶される。この強磁性層の磁化をスイッチングさせる方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要であり、２００６  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ＶＬＳＩ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，  ｐ．１３６によれば０．５ｍＡ以下への低減、さらに好ましくは０．２ｍＡ以下への低減が求められている。【０００３】
ＭＲＡＭへの情報の書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁気抵抗効果素子の周辺に書き込み電流を流すための配線を配置し、書き込み電流を流すことで発生する電流磁界によって磁気抵抗効果素子の強磁性層の磁化の方向をスイッチングさせる方法である。この方法は、原理的には1ナノ秒以下での書き込みが可能であり、高速ＭＲＡＭを実現する上では好適である。例えば、特開２００５−１５０３０３号公報は、電流磁界によってデータ書き込みを行うＭＲＡＭについて、磁化固定層の端部の磁化が膜厚方向に向けられている構造を開示している。【０００４】
しかしながら熱安定性、外乱磁界耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁界は一般的には数１０（Ｏｅ）程度となり、このような磁界を発生させるためには数ｍＡ程度の大きな書き込み電流が必要となる。書き込み電流が大きいと、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大するため、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力で劣ることになる。これに加えて、メモリセルが微細化されると、書き込み電流はさらに増大してしまい、スケーリングの点でも好ましくない。【０００５】
近年このような問題を解決する手段として、以下の２つの方法が提案されている。第１の方法は、スピン注入磁化反転を利用することである。スピン注入磁化反転が利用されるＭＲＡＭでは、メモリセルの磁気抵抗効果素子が、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層（しばしば、磁化自由層と呼ばれる）と、磁化が固定された第２の強磁性層（しばしば、磁化固定層と呼ばれる）と、これらの強磁性層の間に設けられたトンネルバリア層を備える積層体で構成される。このようなＭＲＡＭのデータ書き込みでは、磁化自由層と磁化固定層の間で電流を流したときのスピン偏極した伝導電子の磁化自由層中の局在電子との間の相互作用を利用して磁化自由層の磁化が反転される。スピン注入磁化反転の発生の有無は、（電流の絶対値ではなく）電流密度に依存することから、スピン注入磁化反転をデータ書き込みに利用する場合には、メモリセルのサイズが小さくなれば、書き込み電流も低減される。すなわち、スピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、データ書き込みの際、膜厚が薄いトンネルバリア層に書き込み電流を流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が課題となる。また、書き込みの電流経路と読み出しの電流経路が同じになることから、読み出しの際の誤書き込みも懸念される。このようにスピン注入磁化反転はスケーリング性には優れるものの、実用化にはいくつかの障壁がある。【０００６】
第２の方法は、電流駆動磁壁移動現象を利用することである。電流駆動磁壁移動現象を利用した磁化反転方法は、スピン注入磁化反転の抱える上述のような問題を解決することができる。電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは、例えば、特開２００５−１９１０３２号公報、特開２００６−７３９３０号公報、特開２００６−２７００６９号公報に開示されている。電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭの最も一般的な構成では、データを保持する強磁性層（しばしば、磁気記録層と呼ばれる。）が、反転可能な磁化を有する磁化反転部と、その両端に接続された、固定された磁化を有する２つの磁化固定部とで構成される。データは、磁化反転部の磁化として記憶される。２つの磁化固定部の磁化は、互いに略反平行となるように固定されている。磁化がこのように配置されると、磁気記録層に磁壁が導入される。Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．  ９２，  ｎｕｍｂｅｒ  ７，  ｐ．０７７２０５，  （２００４）で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流すと磁壁は伝導電子の方向に移動することから、磁気記録層に電流を流すことによりデータ書き込みが可能となる。電流駆動磁壁移動の発生の有無も電流密度に依存することから、スピン注入磁化反転と同様にスケーリング性があると言える。これに加えて、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭのメモリセルでは、書き込み電流が絶縁層を流れることはなく、また書き込み電流経路と読み出し電流経路とは別となるため、スピン注入磁化反転で挙げられるような上述の問題は解決されることになる。【０００７】
しかしながら、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書き込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうという課題がある。電流誘起磁壁移動の観測は数多く報告されているが、概ね磁壁移動には１×１０８［Ａ／ｃｍ２］程度の電流密度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる強磁性膜の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合の書き込み電流は１ｍＡとなる。これ以下に書き込み電流を低減するためには、強磁性膜の幅を小さく、且つ、膜厚を薄くすればよい。しかしながら、膜厚を薄くすると書き込みに要する電流密度は更に上昇してしまうことが報告されている（例えば、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  ｖｏｌ．４５，  Ｎｏ．５Ａ，  ｐｐ．３８５０−３８５３，（２００６）参照）。また、強磁性膜の幅を１００ｎｍ以下に小さくすることは、加工技術の点で大いなる困難を伴う。【０００８】
書き込み電流を低減する有力なアプローチの一つは、磁気記録層（磁壁移動が起こる層）に、膜厚方向に磁気異方性を有する垂直磁気異方性材料の膜を使用することである。垂直磁気異方性材料の膜を使用する磁気抵抗効果素子では、１０６［Ａ／ｃｍ２］台の閾値電流密度が観測されている（例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．９０，ｐ．０７２５０８（２００７）参照）。【０００９】
しかしながら、磁気記録層に垂直磁気異方性材料の膜を使用すると、ＭＲＡＭの読み出し信号のＳＮ比に相当する磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を高くすることが難しくなり、読み出し特性との両立が困難になるという問題が発生する。例えば、近年、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢの構造を有する磁気トンネル接合を中心に、磁気抵抗効果比として非常に大きな値が報告されている。しかしながら、ＣｏＦｅＢは、面内方向に磁気異方性を有する材料である。この他にも、多くの材料について磁気トンネル接合の開発が行われているが、それらのほとんどは面内方向に磁気異方性を有する材料である；垂直磁気異方性材料については、高い磁気抵抗効果比や高い信頼性を有する磁気トンネル接合を実現したという実績はほとんどない。
【発明の開示】
【００１０】
したがって、本発明の目的は、データを記憶するために使用される層が膜厚方向に磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果比を向上するための技術を提供することにある。
【００１１】
本発明の磁気抵抗効果素子は、第１磁化自由層と、第２磁化自由層と、第２磁化自由層に隣接して設けられる非磁性層と、非磁性層に隣接して第２磁化自由層とは反対側に設けられる第１磁化固定層とを具備する。第１磁化自由層は、強磁性体から構成され、且つ、膜厚方向の磁気異方性を有する。一方、第２磁化自由層及び第１磁化固定層は、強磁性体から構成され、面内方向の磁気異方性を有する。第１磁化自由層は、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域と第１磁化固定領域と第２磁化固定領域とに接続された磁化自由領域とを有する。磁化自由領域と第２磁化自由層とは、磁気的に結合されている。加えて、磁化自由領域の重心と第２磁化自由層の重心とが面内方向である特定方向にずれて位置している。
【００１２】
本発明の磁気抵抗効果素子は、電流駆動磁壁移動の起こる第１磁化自由層が、膜厚方向に磁気異方性を有する材料から構成されることにより、スピン偏極電流を考慮に入れたＬＬＧ方程式のうちのスピントルク項によって小さな電流密度でも磁壁を駆動することができる。このときデピン磁界による影響をほとんど受けることなく磁壁移動が可能となるため、本発明の磁気抵抗効果素子は、高い熱安定性や外乱磁界耐性を維持したまま書き込みに要する電流を低減することができる。これに加えて、第１磁化自由層の磁化自由領域の磁化の方向として記憶されたデータは、磁化自由領域と第２磁化自由層の磁気結合によって、面内方向に磁気異方性を有する第２磁化自由層へと伝達される。これによって膜面長手方向に磁化成分を有する第２磁化自由層と第１磁化固定層から形成される磁気トンネル接合による読み出しが可能となる。従って、第２磁化自由層、非磁性層、第１磁化固定層の材料を適切に選択することによって高い磁気抵抗効果比を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】本発明の一実施例の磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す平面図である。
【図１Ｃ】図１Ａの磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す断面図である。
【図１Ｄ】図１Ａの磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す断面図である。
【図２Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子における磁束の状態を説明するための断面図である。
【図２Ｂ】本実施例の磁気抵抗効果素子が取りうる２つの状態を説明するための断面図である。
【図２Ｃ】本実施例の磁気抵抗効果素子が取りうる２つの状態を説明するための断面図である。
【図３】本実施例の磁気抵抗効果素子が集積化されたメモリセルの回路構成の例を示す図である。
【図４Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第１変形例の構成を表す斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図４Ｃ】図４Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図５Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第１変形例の他の構成を表す斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図５Ｃ】図５Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図６Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第２変形例の構成を表す斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す平面図である。
【図６Ｃ】図６Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図７Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第２変形例の他の構成を表す斜視図である。
【図７Ｂ】図７Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す平面図である。
【図７Ｃ】図７Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図８Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第２変形例の更に他の構成を表す斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す平面図である。
【図８Ｃ】図８Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図９Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第３変形例の構成を表す斜視図である。
【図９Ｂ】図９Ａの磁気抵抗効果素子の第３変形例の構成を表す平面図である。
【図９Ｃ】図９Ａの磁気抵抗効果素子の第３変形例の構成を表す断面図である。
【図１０Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第４変形例の構成を表す斜視図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの磁気抵抗効果素子の第４変形例の構成を表す断面図である。
【図１１Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第４変形例の他の構成を表す斜視図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａの磁気抵抗効果素子の第４変形例の他の構成を表す断面図である。
【図１２Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第５変形例の構成を表す平面図である。
【図１２Ｂ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第５変形例の他の構成を表す平面図である。
【図１２Ｃ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第５変形例の更に他の構成を表す平面図である。
【図１２Ｄ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第５変形例の更に他の構成を表す平面図である。
【図１２Ｅ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第５変形例の更に他の構成を表す平面図である。
【図１２Ｆ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第５変形例の更に他の構成を表す平面図である。
【図１３Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第５変形例の更に他の構成を表す斜視図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す平面図である。
【図１３Ｃ】図１３Ａの磁気抵抗効果素子が集積化されたメモリセルの回路構成を示す回路図である。
【図１３Ｄ】図１３Ａの磁気抵抗効果素子が集積化されたメモリセルの他の回路構成を示す回路図である。
【図１４Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第６変形例の構成を表す斜視図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図１４Ｃ】図１４Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図１５Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第７変形例の構成を表す斜視図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図１５Ｃ】図１５Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図１６Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第８変形例の構成を表す斜視図である。
【図１６Ｂ】図１６Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図１６Ｃ】図１６Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図１７Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第９変形例の構成を表す平面図である。
【図１７Ｂ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第９変形例の他の構成を表す平面図である。
【図１８Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第１０変形例の構成を表す斜視図である。
【図１８Ｂ】図１８Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図１８Ｃ】図１８Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図１９Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第１０変形例の他の構成を表す斜視図である。
【図１９Ｂ】図１９Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図１９Ｃ】図１９Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図２０Ａ】本実施例の磁気抵抗効果素子の第１０変形例の更に他の構成を表す斜視図である。
【図２０Ｂ】図２０Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【図２０Ｃ】図２０Ａの磁気抵抗効果素子の構成を表す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（磁気抵抗効果素子の構成）
図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の一実施例の磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示している。詳細には、図１Ａは斜視図であり、図１Ｂ、図１Ｃ、及び図１Ｄは、それぞれ、図１Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｙ平面図、ｘ−ｚ断面図、ｙ−ｚ断面図である。【００１５】
本実施例の磁気抵抗効果素子は、第１磁化自由層１０と、第２磁化自由層２０と、非磁性層３０と、第１磁化固定層４０とを具備する。第２磁化自由層２０は非磁性層３０の一方の面に隣接して設けられ、第１磁化固定層４０は非磁性層３０の他方の面に隣接して設けられる。【００１６】
第１磁化自由層１０、第２磁化自由層２０、及び第１磁化固定層４０は強磁性体により構成される。第１磁化自由層１０は、膜厚方向（図のｚ軸方向）の磁気異方性を有し、第２磁化自由層２０と第１磁化固定層４０とは、面内方向の磁気異方性を有する。本実施例では、非磁性層３０は絶縁体により構成されており、第２磁化自由層２０、非磁性層３０、及び第１磁化固定層４０で磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。非磁性層３０は、絶縁体により構成されることが望ましいが、半導体や導体から構成されてもよい。また、図１Ａ〜図１Ｄには示されていないが、上述の層に加えて、電極層、拡散防止層、下地層などが適宜設けられることが望ましい。【００１７】
本実施例の磁気抵抗効果素子においては、第１磁化自由層１０は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化自由領域１２から構成される。磁化自由領域１２は、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとの間に設けられている。また、第１磁化自由層１０は、磁化自由領域１２が第２磁化自由層２０の少なくとも一部と磁気的に結合されるように設計される。言い換えると、第１磁化自由層１０は、磁化自由領域１２の磁化状態が第２磁化自由層２０の磁化状態に影響を及ぼすように設計されている。磁化自由領域１２は、電気的にも第２磁化自由層２０に接続して設けられている。【００１８】
第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂのそれぞれは、少なくとも一部分において固定された磁化を有する。第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は、膜厚方向（図のｚ軸方向）に固定されており、且つ、それらは互いに略反平行方向を向けられている。一方、磁化自由領域１２の磁化は反転可能であり、その磁化は第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化のいずれかと略平行方向となる。本実施例の磁気抵抗効果素子においては、磁化自由領域１２の磁化の方向が記憶されるデータに対応する。【００１９】
また、第２磁化自由層２０は、面内方向（ｘ−ｙ面内の方向）において反転可能な磁化を有しており、第１磁化固定層４０は、面内方向（ｘ−ｙ面内の方向）において所定の方向に固定されている。【００２０】
前述のように、磁化自由領域１２と第２磁化自由層２０とは、磁気的に結合されている。好適には、磁化自由領域１２の重心Ｇ１２と第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０はｘ−ｙ面内においてずれるように設計される。これによって、後述のように第２磁化自由層２０の磁化方向は磁化自由領域１２の磁化方向に応じて一意的に決まる。従って、磁化自由領域１２の磁化方向として記憶されているデータは、磁化自由領域１２と第２磁化自由層２０の間の磁気結合を介して第２磁化自由層２０に伝達される。なお、図１Ａ〜図１Ｄは、磁化自由領域１２の重心Ｇ１２に対して、第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０が＋ｙ方向にずれた例を示しているが、一般的には、第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０が磁化自由領域１２の重心Ｇ１２に対してｘ−ｙ平面においてずれる方向は、第２磁化自由層２０の磁化が反転可能な方向と略平行であればよい。また、第１磁化固定層４０の磁化は、第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０が磁化自由領域１２の重心Ｇ１２に対してｘ−ｙ平面においてずれる方向と略平行な方向に固定されることが望ましい。【００２１】
なお、ここでいう重心とは、ｘ−ｙ平面における幾何学的な意味での重心である。すなわち重心の位置ベクトルをＲｇ＝（Ｘｇ，Ｙｇ）とし、任意の点ｉの位置ベクトルをＲｉ＝（Ｘｉ，Ｙｉ）としたとき、重心の位置ベクトルＲｇはΣｉ（Ｒｉ−Ｒｇ）＝０を満たす。ここでΣｉはｉに関する総和を意味する。例えば、長方形、平行四辺形の場合には重心は対角線の交点であり、楕円形の場合には重心はその中心である。【００２２】
ここでは各層の材料について例示する。なお、ここで示される材料は全て例であり、実際には前述のような磁化状態が実現できればいかなる材料を用いても構わない。【００２３】
まず、第１磁化自由層１０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含むことが望ましい。さらにＰｔやＰｄを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的にはＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏなどが例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む層を、異なる層と積層させることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜などが例示される。【００２４】
また、第２磁化自由層２０、第１磁化固定層４０はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含むことが望ましい。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的には、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｚｒ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｚｒ−Ｂなどが例示される。【００２５】
また非磁性層３０は絶縁体から構成されることが望ましい。非磁性層３０として好適な材料としては、具体的にはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが挙げられる。ただし、この他に、非磁性層３０として半導体や金属材料を用いても本発明は実施できる。具体的には、非磁性層３０として使用可能な材料としては、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎなどが挙げられる。【００２６】
なお、第２磁化自由層２０、非磁性層３０、第１磁化固定層４０には、読み出し信号のＳＮ比に相当する磁気抵抗効果比が大きくなるような材料が選択されることが好ましい。例えばＣｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｍｇ−Ｏ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系のＭＴＪにおいては近年５００％級の非常に大きな磁気抵抗効果比が報告されている。この観点では、第２磁化自由層２０、第１磁化固定層４０をＣｏ−Ｆｅ−Ｂ系の材料とし、非磁性層３０をＭｇ−Ｏ系とすることが望ましい。【００２７】
以下では、磁化自由領域１２と第２磁化自由層２０の磁気結合、及び当該磁気抵抗効果素子において磁化がとり得る２つの状態について、図２Ａ〜図２Ｃを用いてより詳細に説明する。図２Ａは、磁化自由領域１２の磁化方向で第２磁化自由層２０の磁化方向が一意的に決まることを説明するための模式図である。単純化のため、図２Ａにおいて、磁化自由領域１２の磁化は、膜厚方向で実質的に一方向を向いているものと仮定されている。図２Ａには、磁化自由領域１２からの漏れ磁束の様子が模式的に示されている。図２Ａに示されているように、漏れ磁束は滑らかに繋がる必要があるため、磁化自由領域１２の端部に行くに従って磁束は面内方向に平行な成分を有するようになる。第２磁化自由層２０の磁化方向は、この磁束の面内方向に平行な成分によって決定される。【００２８】
図２Ｂ、図２Ｃは、当該磁気抵抗効果素子における“０”、“１”のそれぞれの状態における各層の磁化状態を模式的に示している。なお、図２Ｂ、図２Ｃでは第１磁化固定層４０の磁化方向が＋ｙ方向に固定されているものとして図示されているが、第１磁化固定層４０の磁化方向は、−ｙ方向であっても構わない。今、図２Ｂのように磁化自由領域１２の磁化が＋ｚ方向を向いている場合、図２Ａに示されるような漏れ磁束によって、第２磁化自由層２０の磁化は＋ｙ方向を向く。これによって第２磁化自由層２０と第１磁化固定層４０の磁化は平行となる。一方、図２Ｃのように磁化自由領域１２の磁化が−ｚ方向を向いている場合、図２Ａとは逆方向の漏れ磁束によって、第２磁化自由層２０の磁化は−ｙ方向を向く。これによって、第２磁化自由層２０と第１磁化固定層４０の磁化は反平行となる。上述のように第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０が磁化自由領域１２の重心Ｇ１２に対して特定方向にずれて設けられることで、第２磁化自由層２０の磁化は当該特定方向に沿って、磁化自由領域１２の磁化方向に応じて正負いずれかの方向を向く。これは磁化自由領域１２の重心Ｇ１２から放射状に漏れ磁束の面内方向成分が分布するためである。これによって第２磁化自由層２０と第１磁化固定層４０の磁化は平行、反平行のいずれかの状態を取りうる。【００２９】
磁化自由領域１２において垂直方向の磁化成分として記憶されたデータが、磁気結合によって第２磁化自由層２０の膜面方向の磁化成分へと伝達されることは、本実施例の磁気抵抗効果素子の重要な特徴の一つである。従って、ここで示された漏れ磁束を用いる方法に限らず、例えば交換結合を利用するなど、あらゆる磁気結合様式によって第２磁化自由層２０と磁化自由領域１２の磁化を関連付けてもよい。【００３０】
なお、第２磁化自由層２０の磁化は磁化自由領域１２の磁化に応じてその方向を変えることができれば、その磁化容易軸の方向は任意である。従って、第２磁化自由層２０の磁化容易軸の方向はｙ方向を向いていてもよいし、ｘ方向を向いていてもよい。ｙ方向を向いている場合には、磁化容易軸間での磁化反転となり、一方、ｘ方向を向いていれば、磁化容易軸を中心とした困難軸方向への磁化回転となる。【００３１】
また第２磁化自由層２０の磁気異方性は極度に大きくないことが望ましい。これは、極度に大きい場合には磁化自由領域１２からの漏れ磁束による磁化反転が困難になるためである。なお、第２磁化自由層２０の磁気異方性は、結晶磁気異方性によって設けてもよく、形状磁気異方性によって設けてもよい。また第２磁化自由層２０は複数の強磁性層からなる積層膜であってもよい。また、強磁性層の間に磁化状態を乱さない範囲で非磁性体からなる層が挿入されても構わない。【００３２】
（動作方法）
次に本実施形態の磁気抵抗効果素子の動作方法、具体的には、書き込み方法及び読み出し方法について説明する。【００３３】
はじめに、書き込み方法について説明する。本実施例の磁気抵抗効果素子へのデータの書き込みは、第１磁化自由層１０内に形成される磁壁を移動させることによって行われる。前述のように、第１磁化自由層１０は磁化が膜厚方向で互いに略反平行に固定された第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂと、それらに電気的に接続された磁化自由領域１２を具備し、磁化自由領域１２の磁化は第１磁化固定領域１１ａか第２磁化固定領域１１ｂのいずれかと略平行方向となる。このような磁化状態の制約によって、第１磁化自由層１０内には磁壁が導入される。例えば、磁化自由領域１２の磁化が第１磁化固定領域１１ａの磁化と略平行であり、第２磁化固定領域１１ｂの磁化とは略反平行にあるとき、磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂの境界付近に磁壁が形成される。また、磁化自由領域１２の磁化が第２磁化固定領域１１ｂの磁化と略平行であり、第１磁化固定領域１１ａの磁化とは略反平行にあるとき、磁化自由領域１２と第１磁化固定領域１１ａの境界付近に磁壁が形成される。【００３４】
形成された磁壁は、第１磁化自由層１０内に直接電流を流すことによってその位置を移動させることができる。例えば、磁化自由領域１２と第１磁化固定領域１１ａの境界付近に磁壁が形成されている場合、磁化自由領域１２から第１磁化固定領域１１ａへ向かう方向に電流を流すことによって、第１磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１２へと伝導電子が流れ、伝導電子の流れと同方向に磁壁が移動する。磁壁の移動により、磁化自由領域１２の磁化は第１磁化固定領域１１ａと平行方向になる。また、磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂの境界付近に磁壁が形成されている場合、磁化自由領域１２から第２磁化固定領域１１ｂへ向かう方向に電流を流すことによって、第２磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１２へと伝導電子が流れ、伝導電子の流れと同方向に磁壁が移動する。磁壁の移動により、磁化自由領域１２の磁化は第２磁化固定領域１１ｂと平行方向になる。このようにして“０”状態と“１”状態の間での情報の書き換えが可能である。【００３５】
実際には、上述のような書き込み電流を導入するために、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂに、外部の配線に接続される端子が設けられることが望ましい。このとき書き込み電流は、第１磁化固定領域１１ａに接続される第１端子と第２磁化固定領域１１ｂに接続される第２端子の間で流される。但し、本実施例の磁気抵抗効果素子にデータを書き込むための書き込み電流の経路はこの限りではなく、他の方法も後に説明される。【００３６】
次に、本実施例の磁気抵抗効果素子からのデータの読み出し方法について説明する。本実施例の磁気抵抗効果素子からのデータの読み出しには、磁気抵抗効果が利用される。具体的には、非磁性層３０を介して第１磁化固定層４０と第２磁化自由層２０の間で電流を流し、第１磁化固定層４０と第２磁化自由層２０の磁化の相対角に応じた抵抗の変化を検出することでデータを読み出す。例えば、図２Ｂに示されるような第１磁化固定層４０と第２磁化自由層２０の磁化が平行の場合、低抵抗状態が実現され、図２Ｃに示されるような第１磁化固定層４０と第２磁化自由層２０の磁化が反平行の場合、高抵抗状態が実現される。磁気抵抗効果素子の抵抗の変化が、電圧信号、又は電流信号として検知され、その電圧信号、又は電流信号を用いて磁気抵抗効果素子に記憶されているデータが判別される。【００３７】
（回路構成）
次に、本実施例の磁気抵抗効果素子が集積化されたＭＲＡＭメモリセルの回路構成について、図３を用いて説明する。【００３８】
図３は、本実施例の磁気抵抗効果素子が集積化されたメモリセル９０の回路の構成例を示している。図３には、単一のメモリセル９０の回路構成が図示されているが、実際には複数のメモリセル９０がアレイ状に配置されてＭＲＡＭに集積化されていることは、当業者には理解されよう。【００３９】
なお、図３は、本実施例の磁気抵抗効果素子が３端子素子である場合の回路の構成例を示していることに留意されたい。このとき、第１磁化固定層４０に接続される端子は、読み出しのためのグラウンド線１０１に接続され、一方第１磁化自由層１０に接続される２つの端子は、異なる二つのＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂの一方のソース／ドレインに接続される。またＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂの他方のソース／ドレインは書き込みのためのビット線１０２ａ、１０２ｂに接続され、またゲート電極はワード線１０３に接続される。【００４０】
次に、図３に示された回路での書き込み、読み出し方法について説明する。まず書き込みを行う場合には、ワード線１０３が“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂが“ＯＮ”にされる。また、ビット線１０２ａ、１０２ｂのいずれか一方が“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、他方が“ｌｏｗ”レベルにプルダウンされる。ビット線１０２のどちらを“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップし、どちらを“ｌｏｗ”レベルにプルダウンするかは、当該磁気抵抗効果素子に書き込まれるべきデータ、即ち、第１磁化自由層１０を流れる電流の方向に応じて決定される。【００４１】
一方、読み出しの際には、ワード線１０３が“ｈｉｇｈ”にされ、ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂが“ＯＮ”にされる。またビット線１０２ａ、１０２ｂのいずれか一方が“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、他方が“ｏｐｅｎ”（フローティング）に設定される。このときビット線１０２ａ、１０２ｂの一方から、磁気抵抗効果素子を貫通する読み出し電流が第１磁化自由層１０、第２磁化自由層２０、非磁性層３０、第１磁化固定層４０を経由してグラウンド線１０１へと流れる。読み出し電流が流されるビット線の電位、又は、読み出し電流の大きさは、磁気抵抗効果による磁気抵抗効果素子の抵抗の変化に依存する。この抵抗の変化を電圧信号、又は電流信号として検知することにより高速での読み出しが可能となる。【００４２】
ただし、図３に示された回路構成、及び、ここで述べられた回路動作は、本発明を実施する方法の一例に過ぎず、他の回路構成による実施も可能である。【００４３】
（本実施例の磁気抵抗効果素子の技術的利点）
本実施例の磁気抵抗効果素子の第１の技術的利点は、書き込み電流の低減である。これは、データ書き込みの際に磁壁移動が起こる層である第１磁化自由層１０が垂直方向に磁気異方性を有することに起因する。発明者は、スピントランスファートルクを考慮に入れたＬＬＧ方程式を用いたマイクロマグネティクス計算を行うことにより、垂直磁気異方性を有する材料で形成される磁壁は面内磁気異方性を有する材料で形成される磁壁に比べると、電流で駆動する場合に必要となる電流密度は十分小さく、一方磁界で駆動する場合に必要となる磁界は十分大きくなることを見出した。Ｅｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．６９，  ｐｐ．９９０−９９６（２００５）に記載されているように、スピントランスファートルクを考慮に入れたＬＬＧ方程式によれば、磁化の時間変化（∂ｍ／∂ｔ）は、［１］磁界によるトルクを表す項、［２］ダンピング項、［３］断熱スピントルク項、及び［４］非断熱スピントルク項の和として表される。マイクロマグネティクス計算によれば、垂直磁気異方性を有する材料で形成される磁壁は、１×１０８［Ａ／ｃｍ２］程度の電流密度においても［３］の断熱スピントルク項により駆動され、一方で面内磁化膜の場合には１×１０８［Ａ／ｃｍ２］程度の電流密度では［４］の非断熱スピントルク項がなければ磁壁は駆動されないことがわかった。ここで［３］の断熱スピントルク項による磁壁駆動の場合、過度に大きくないピニングのときには、ピニング磁界に依存せずに磁壁はピンサイトからデピンできることが知られている。従って、［３］の断熱スピントルク項での磁壁駆動が不可能な面内磁気異方性を有する材料に比べて、［３］の断熱スピントルク項での磁壁駆動が可能な垂直磁気異方性を有する材料は、強い磁壁のピニングと低電流密度による磁壁駆動を両立させ易いことがわかる。すなわち垂直磁気異方性を有する材料を用いることにより、熱安定性として十分な値を保った上で書き込みに要する電流を低減することが可能である。【００４４】
例えば、簡単な例として、磁気抵抗効果素子の幅（ｗ）が１００ｎｍ、第１磁化自由層１０の膜厚（ｔ）が２ｎｍ、磁壁のピンサイトの幅の半分（ｑ０）が１５ｎｍであり、また、第１磁化自由層１０の飽和磁化（ＭＳ）が５００［ｅｍｕ／ｃｍ３］、スピン分極率（Ｐ）が０．５、磁壁のピンサイトのデピン磁界（ＨＣ）が１０００［Ｏｅ］である構成について考えよう。この場合の熱安定性指標ΔＥ／ｋＢＴは、約４０となる。ここでｋＢはボルツマン定数でＴは絶対温度である。このような系を仮定した場合の、磁壁をピンサイトからデピンさせるのに必要な電流密度は、マイクロマグネティクス計算から約２×１０７［Ａ／ｃｍ２］となることがわかった。このとき、当該素子の書き込み電流は０．０４［ｍＡ］となる。【００４５】
一方で、面内方向に磁気異方性を有する材料を用いて同じ熱安定性指標（ΔＥ／ｋＢＴ＝４０）を実現するための構造として、例えば、磁気抵抗効果素子の幅（ｗ）が１００ｎｍ、磁化自由層の膜厚（ｔ）を１０ｎｍ、磁壁のピンサイトの幅の半分（ｑ０）が４０ｎｍであり、また飽和磁化（ＭＳ）が８００［ｅｍｕ／ｃｍ３］、スピン分極率（Ｐ）が０．７、磁壁のピンサイトのデピン磁界（ＨＣ）が５０［Ｏｅ］である構成について考える。マイクロマグネティクス計算によればこのような系で磁壁をピンサイトからデピンさせるのに必要な電流密度は、約６×１０８［Ａ／ｃｍ２］となることがわかった。本来、このような電流密度は発熱やエレクトロンマイグレーション効果の観点から素子に通ずることは非現実的ではあるが、ここでは比較のためにこの電流密度の値を用いる。このとき、面内磁化膜での素子への書き込み電流は６［ｍＡ］となる。このように、垂直方向に磁気異方性を有する材料を磁壁移動が起こる層に用いることで、大幅な書き込み電流の低減がもたらされることがわかる。【００４６】
なお、ここで用いた磁気抵抗効果素子のパラメータはあくまでも目安であり、磁気抵抗効果素子のパラメータは様々に変更され得る。従って、書き込みに要する電流値や、熱安定性ΔＥ／ｋＢＴも、そのパラメータの変更に応じて変化するが、電流値と熱安定性は概ね連動して変化するため、上述のような面内磁化膜と垂直磁化膜での書き込み電流の大小関係が大幅に覆ることはない。【００４７】
さらに加えて、垂直方向に磁気異方性を有する材料においては、面内方向に磁気異方性を有する材料とは異なり、電流で磁壁を駆動する場合に必要となる電流密度は膜厚が薄くなるほど低減することが、マイクロマグネティクス計算からわかった。膜厚を薄くすれば、当然トータルの電流量は低減するが、垂直磁気異方性材料では、これに加えて電流密度が低減するため、垂直磁気異方性材料を用いることにより、書き込み電流を効果的に低減することができる。【００４８】
本実施例の磁気抵抗効果素子の第２の技術的利点は、読み出し信号の増大である。これは、垂直磁気異方性を有する第１磁化自由層１０で記憶されているデータが面内方向に磁気異方性を有する第２磁化自由層２０へと伝達され、読み出しのためのＭＴＪは膜面方向に磁化を有する強磁性層により構成されるためである。ＭＴＪを構成する強磁性層として、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｍｇ−Ｏ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系の材料や、それに順ずる材料を用いれば、一層に高いＭＲ比が実現可能である。【００４９】
本実施例の磁気抵抗効果素子の第３の技術的利点は、書き込みと読み出しのトレードオフの解消及び製造プロセスの容易化である。これは書き込みのための第１磁化自由層１０と読み出しのための第２磁化自由層２０を、独立に設計することができるためである。例えば一般的な磁界書き込み型のＭＲＡＭの場合、読み出し信号を大きくするためにＣｏ−Ｆｅなどのスピン偏極率の高い材料を用いた場合、概して素子の磁気異方性が大きくなってしまうため、書き込みに必要な電流が増加する。しかるに本実施例の磁気抵抗効果素子では、書き込み電流の低減と読み出し信号の増大は、別の層の特性を調整することで実現できるため、上述のようなトレードオフは解消される。これに加えて、第１磁化自由層１０と第２磁化自由層２０は別々に製造することもできるため、製造プロセスは容易となる。【００５０】
本実施例の磁気抵抗効果素子の第３の技術的利点は、磁気シールドの省略、または磁気シールドへの要求の低減による低コスト化である。これは、情報の記憶層である第１磁化自由層１０に用いられる垂直磁気異方性材料では、結晶磁気異方性が十分大きいため、外乱磁界に対する耐性が面内磁化膜に比べて極めて大きくなるたるためである。面内方向に磁気異方性を有する材料では、現状では磁気シールドは事実上必須となるが、本発明に因れば外乱磁界耐性の保障に磁気シールドが必要なくなる、あるいは必要であっても磁気シールドの性能への要求は低減されるため、低コストでの製造が可能となる。【００５１】
（第１変形例）
図４Ａ〜図４Ｃ、及び図５Ａ〜図５Ｃは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第１変形例の構造を模式的に示している。図４Ａ〜図４Ｃは、第１変形例の一形態を示しており、図５Ａ〜図５Ｃは、他の形態を示している。このうち図４Ａ、図５Ａは斜視図であり、図４Ｂ、図５Ｂは図４Ａ、図５Ａにおけるｘ−ｚ断面図、図４Ｃ、図５Ｃは図４Ａ、図５Ａにおけるｙ−ｚ断面図を示している。【００５２】
詳細には、第１変形例では第１磁化自由層１０と第２磁化自由層２０の間に導電層５０が設けられる。導電層５０は導体から構成される。なお、導電層５０は磁性体であってもよいし、非磁性体であってもよい。磁性体である場合、比較的ソフトな磁性体であることが好ましい。また導電層５０は複数の材料の積層膜により構成されてもよい。導電層５０は、第１磁化自由層１０と第２磁化自由層２０とを電気的に接続する役割も有している。【００５３】
導電層５０の形状は、図４Ａ〜図４Ｃに示されているように、第２磁化自由層２０の下側のみに設けられてもよいし、図５Ａ〜図５Ｃに示されるように第１磁化自由層１０の上面、及び第２磁化自由層２０の下側の全面を覆うように設けられてもよい。また、図には示されていないが、第１磁化自由層１０、第２磁化自由層２０の少なくとも一部分のみを覆うように設けられてもよい。【００５４】
導電層５０が設けられることで、製造プロセスを容易にすることができる。これは導電層５０の上下を分けて形成することができるためである。この際、導電層５０は導電層５０の下側の層のキャップ層の役割を果たし、また導電層５０の上側の層の下地層の役割を果たすことができる。これによって、導電層５０の下側の層の酸化や化学的な変質を防止することができ、また導電層５０の上側の層の結晶配向をコントロールしたり化学的な変質を防止したりすることができる。また導電層５０が設けられることで、第１磁化自由層１０と第２磁化自由層２０の電気的なコンタクトを良好にすることができる。【００５５】
また導電層５０に磁性材料を用いた場合、第１磁化自由層１０の磁化自由領域１２の磁化のデータを第２磁化自由層２０へと効率的に伝達することができる。このためには導電層５０に透磁率の高い材料を用いることが望ましい。これによって第２磁化自由層２０の磁化をより容易に反転させることができる。導電層５０を用いて効率的に磁化自由領域１２の磁化の情報を第２磁化自由層２０へと伝達するためには、導電層５０の材料はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも一つの元素を含むことが望ましい。【００５６】
（第２変形例）
図６Ａ〜図６Ｃ、図７Ａ〜図７Ｃ、及び図８Ａ〜図８Ｃは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第２変形例の構造を模式的に示している。第２変形例は、第１磁化自由層１０と第２磁化自由層２０の位置関係に関する。【００５７】
本実施例の磁気抵抗効果素子では、第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０が第１磁化自由層１０の磁化自由領域１２の重心Ｇ１２に対して、面内方向（即ち、ｘ−ｙ平面に平行な方向）でずれて形成されることが特徴の一つであるが、その位置関係、大小関係は、様々に変更可能である。従って、本実施例の磁気抵抗効果素子には、図１Ａ〜図１Ｄに示されるような構造の他、様々な構造を用いることができる。図６Ａ、図７Ａ、図８Ａは、それぞれの構造の斜視図であり、図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂは、そのｘ−ｙ平面図であり、図６Ｃ、図７Ｃ、図８Ｃはそのｙ−ｚ断面図である。なお、これらはいずれも第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０が磁化自由領域１２の重心Ｇ１２に対してｘ−ｙ面内で＋ｙ方向にずれて設けられている。ここで図６Ａ〜図６Ｃは、第２磁化自由層２０が磁化自由領域１２を横断するように設けられた例であり、図７Ａ〜図７Ｃは、第２磁化自由層２０が磁化自由領域１２内でｘ−ｙ面内において収まるように設けられた例である。また、図８Ａ〜図８Ｃは、第２磁化自由層２０と磁化自由領域１２がｘ−ｙ面内において全くオーバーラップせずに、導電層５０を介して電気的に接続される例である。いずれの場合においても磁化自由領域１２の磁化方向に応じて図２Ａ〜図２Ｃを用いて説明された原理によって第２磁化自由層２０の磁化方向を決定することができる。【００５８】
どのような構成を用いるかは、製造プロセスとの兼ね合いで適宜選択することができる。また磁化自由領域１２と第２磁化自由層２０の位置関係、大小関係を適当に調整することで、磁化自由領域１２から第２磁化自由層２０への磁化方向の伝達をより最適化することができる。【００５９】
（第３変形例）
図９Ａ〜図９Ｃは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第３変形例の構造を模式的に示している。第３変形例は第２磁化自由層２０と第１磁化固定層４０の位置関係、大小関係に関する。【００６０】
本実施例の磁気抵抗効果素子では、第２磁化自由層２０と第１磁化固定層４０とは、少なくとも一部分において、ｘ−ｙ面内においてオーバーラップしていればよく、その位置関係、大小関係は任意である。従って、本実施例の磁気抵抗効果素子には、図１Ａ〜図１Ｄに示されるような構造の他に、図９Ａ〜図９Ｃに示されるような構造を用いてもよい。図９Ａは、第３変形例の磁気抵抗効果素子の斜視図であり、図９Ｂはｘ−ｙ平面図、図９Ｃはｙ−ｚ断面図である。図９Ａ〜図９Ｃは第１磁化固定層４０が第２磁化自由層２０の一部分にオーバーラップして設けられる例である。磁化自由領域１２と第２磁化自由層２０の磁気特性やそれらの磁気結合の強度によっては、第２磁化自由層２０内の一部では磁化状態の乱れも起こりうる。この場合、第１磁化固定層４０を第２磁化自由層２０の磁化状態が乱れにくい領域のみにオーバーラップして設けることでより高い読み出し信号を得ることができる。【００６１】
また図では第１磁化固定層４０が第２磁化自由層２０に比べて小さい場合が示されているが、第１磁化固定層４０が第２磁化自由層２０に比べて大きくてもよい。【００６２】
（第４変形例）
図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１Ａ、図１１Ｂは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第４変形例の構造を模式的に示している。第４変形例では、新たに第２磁化固定層６０ａ及び／又は第３磁化固定層６０ｂが設けられる。このうち、図１０Ａ、図１０Ｂは、第２磁化固定層６０ａと第３磁化固定層６０ｂの両方が設けられる構造を示しており、図１１Ａ、図１１Ｂは、第２磁化固定層６０ａのみが設けられる構造を示している。図１０Ａ、図１１Ａは斜視図を、図１０Ｂ、図１１Ｂは、ｘ−ｚ断面図を示している。なお、図１０Ｂ、図１１Ｂの断面図では、各層の磁化方向の例が矢印で示されている。【００６３】
第２磁化固定層６０ａ、第３磁化固定層６０ｂは、第１磁化自由層１０に磁気的に接して設けられる。より好適には、第２磁化固定層６０ａが第１磁化自由層１０の第１磁化固定領域１１ａの少なくとも一部分に磁気的に結合するように設けられ、第３磁化固定層６０ｂが第１磁化自由層１０の第２磁化固定領域１１ｂの少なくとも一部分に磁気的に結合するように設けられる。第２磁化固定層６０ａ及び第３磁化固定層６０ｂを設けることによって、第１磁化自由層１０の固定磁化を安定させ、また第１磁化自由層１０の磁化状態の初期化をより容易に行うことができる。以下では、第１磁化自由層１０の初期化方法を簡単に説明する。【００６４】
はじめに、図１０Ａ、図１１Ｂのように第２磁化固定層６０ａ、第３磁化固定層６０ｂの両方が設けられる場合について説明する。この場合には、以下のような２つの方法で初期化を行うことができる。【００６５】
第１の方法では、第２磁化固定層６０ａと第３磁化固定層６０ｂの膜厚方向（ｚ方向）の保磁力に差が設けられる。第２磁化固定層６０ａと第３磁化固定層６０ｂの間に保磁力の差が設けられるとき、膜厚方向に２段階で磁界を印加することによって初期化が可能となる。例えば、第２磁化固定層６０ａの保磁力をＨｃａ、第３磁化固定層６０ｂの保磁力をＨｃｂとし、Ｈｃａ＞Ｈｃｂが成り立つ場合を考える。ただし、第１磁化自由層１０の保磁力Ｈｃ０は、Ｈｃｂ＞Ｈｃ０を満たすものとする。このとき、初めに膜厚方向（図の＋ｚ方向）にＨｅｘｔ＞Ｈｃａを満たす外部磁界Ｈｅｘｔを印加すると、第１磁化自由層１０、第２磁化固定層６０ａ、第３磁化固定層６０ｂの磁化はいずれも＋ｚ方向に飽和する。次にＨｃａ＞Ｈｅｘｔ＞Ｈｃｂを満たす外部磁界Ｈｅｘｔを−ｚ方向に印加する。このとき、第２磁化固定層６０ａは磁化反転が起こらず、従って第２磁化固定層６０ａと磁気的に結合した第１磁化固定領域１１ａの磁化も反転が起こらない。そして、これ以外の部分ではＨｅｘｔによる磁化反転が起こる。従って第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に磁壁を導入することができる。【００６６】
膜厚方向への保磁力の差は、例えば、以下のような方法で実現できる：
（１）構成元素や組成の異なる材料を用いる。
（２）磁化容易軸の方向や大きさが異なる材料を用いる。
（３）異なる膜厚に設定する。
（４）片方の第２磁化固定層に更なる層を隣接して設ける。
（５）異なるサイズ、異なる形状にパターニングする。
また、これらの５つの方法は組み合わせて用いることもできる。【００６７】
また第２の方法では、第１の方法で膜厚方向の磁界により初期化を行ったのとは異なり、面内方向への磁界により初期化を行う。具体的には、第２磁化固定層６０ａ、第３磁化固定層６０ｂ、及び第１磁化自由層１０に対して面内方向に十分大きな磁界を印加し、磁化を飽和させる。この後、この外部磁界を立ち下げると、第２磁化固定層６０ａ、第３磁化固定層６０ｂ、及び第１磁化自由層１０内では磁化の緩和が起こるが、このとき各層の位置関係を適切に設計することによって第１磁化自由層１０内に磁壁を導入し、かつ第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化を所望の方向に固定することができる。【００６８】
なお、第２の方法においては、第２磁化固定層６０ａ、第３磁化固定層６０ｂの磁気異方性は膜厚方向でもよいし、面内方向でもよい。また第２磁化固定層６０ａと第３磁化固定層６０ｂの特性が異なる必要はないので、同じプロセスで製造することができる。【００６９】
なお、図１０Ａ、図１０Ｂでは、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂのそれぞれに、一つずつの磁化固定層（即ち、第２磁化固定層６０ａ及び第３磁化固定層６０ｂ）が設けられているが、第１磁化固定領域１１ａに対して複数の磁化固定層が設けられることが可能である。同様に、第２磁化固定領域１１ｂ対して複数の磁化固定層が設けられることが可能である。【００７０】
次に、図１１Ａ、図１１Ｂのように第２磁化固定層６０ａが一つだけ設けられる場合の初期化方法について説明する。この場合の第２磁化固定層６０ａは、膜厚方向の磁気異方性を有する材料により構成されてもよいし、面内方向の磁気異方性を有する材料により構成されてもよい。図１１Ａ，図１１Ｂのように第２磁化固定層６０ａが一つだけ設けられる場合の初期化方法は、本質的には図１０Ａ、図１０Ｂに示されるような、第２磁化固定層６０ａ、第３磁化固定層６０ｂが設けられ、且つそれらの保磁力が異なる第１の方法における初期化方法と同一である。すなわち、いま図１１Ａで示されるように第２磁化固定層６０ａが第１磁化固定領域１１ａに隣接しているものとし、第２磁化固定層６０ａの保磁力が第１磁化自由層１０に比べて大きい場合、見かけ上は第１磁化固定領域１１ａの保磁力が第２磁化固定領域１１ｂに比べると大きくなる。従って、２段階に分けて磁界を印加することにより前述のようにして初期化が可能である。【００７１】
なお、図１０Ａ、１０Ｂの構造、及び図１１Ａ、１１Ｂの構造のいずれについても、第２磁化固定層６０ａ、第３磁化固定層６０ｂの第１磁化自由層１０に対する位置には任意性がある。従って、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１Ａ、図１１Ｂでは第２磁化固定層６０ａ、第３磁化固定層６０ｂは第１磁化自由層１０に対して第２磁化自由層２０とは反対側に設けられているが、同じ側に設けられてもよい。また、第第２磁化固定層６０ａ及び第３磁化固定層６０ｂは、第１磁化自由層１０に対して磁気的に結合していればよく、空間的には隔離されていてもよい。【００７２】
また図３の回路構成は、第１磁化自由層１０が外部の配線へと接続される例が示されているが、この経路上に第２磁化固定層６０ａ、第３磁化固定層６０ｂが形成されてもよい。すなわち、第１磁化自由層１０に第２磁化固定層６０ａ、第３磁化固定層６０ｂが電気的に接続して設けられ、第２磁化固定層６０ａ、第３磁化固定層６０ｂに外部の配線に接続される端子が設けられてもよい。【００７３】
（第５変形例）
図１２Ａ〜図１２Ｆは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第５変形例の構造を模式的に示している。第５の変形例は第１磁化自由層１０の形状に関する。【００７４】
本実施例の磁気抵抗効果素子では、第１磁化自由層１０の形状には任意性がある。例えば、図１２Ａ、図１２Ｂのｘ−ｙ平面図で示されるように例えば形状に変調を設けて磁壁のピンサイトを意図的に形成してもよい。図１２Ａは磁壁のピンサイトとしてノッチ（くぼみ）が形成された例である。図１２Ａでは、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界部分、及び、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界部分にノッチが形成されている。また図１２Ｂは、Ｈ字型形状にパターニングされた例である。図１２Ｂの構造では、第１磁化自由層１０が、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂのｙ軸方向の幅が、磁化自由領域１２の幅よりも広くなるように形成されている。この場合にはＨ字の三叉路部分が磁壁のピンサイトとなることがマイクロマグネティックシミュレーションから確認されている。また、図１２Ｂのように幅に変調を設けることによって、電流密度の変化によって書き込みの際に磁壁を所望の場所で停止することができる。【００７５】
また図１２Ｃ〜図１２Ｅの平面図で示されるように、第１磁化自由層１０の中央部の幅を広く形成することによって、磁壁を真ん中で（即ち、磁化自由領域１２で）止まりにくくすることができる。これらによってより安定した動作が実現される。【００７６】
加えて、図１２Ｆに示されているように、第１磁化自由層１０の幅Ｗが、第１磁化自由層１０の中央部から両端に近づくにつれて一旦狭くなった後、両端に近づくにつれて徐々に増加するように第１磁化自由層１０を形成することも可能である。このような形状では、第１磁化自由層１０の幅Ｗが最も小さくなる位置にピンサイトが形成される；第１磁化自由層１０の幅Ｗが最も小さくなる位置が、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂと、磁化自由領域１２の境界になる。磁化自由領域１２の幅は、第１磁化自由層１０の両端に近づくにつれ、広義に単調に減少される。一方、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの幅は、第１磁化自由層１０の両端に近づくにつれ、広義に単調に増加される。【００７７】
また図１３Ａ、図１３Ｂは、第５変形例の他の構造を示している。図１３Ａはその斜視図を、図１３Ｂはｘ−ｙ平面図を、そして図１３Ｃ及び図１３Ｄは、磁気抵抗効果素子が図１３Ａ、図１３Ｂの構成を有している場合に採用される回路構成の二つの例を示している。【００７８】
図１３Ａ、図１３Ｂの構造においても、第１磁化自由層１０は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化自由領域１２から構成される。ただし、図１Ａ〜図１Ｄに示されるように、磁化自由領域１２の一方の端部に第１磁化固定領域１１ａが接続して設けられ、他方の端部に第２磁化固定領域１１ｂが接続して設けられるのではなく、磁化自由領域１２の一方の端部に第１磁化固定領域１１ａ、及び第２磁化固定領域１１ｂが接続して設けられる。すなわち、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化自由領域１２は三叉路を形成する。なお、図１３Ａ、図１３Ｂの構造においても、各層の位置関係や磁気特性は上述の通りである。すなわち、第１磁化自由層１０は膜厚方向に磁気異方性を有し、一方、第２磁化自由層２０、第１磁化固定層４０は面内方向の磁気異方性を有する。また第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０はｘ−ｙ面内において磁化自由領域１２の重心Ｇ１２に対してずれるようにして設けられる。また、第１磁化自由層１０を構成する第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は膜厚方向で互いに反平行方向に固定されている。なお、図１３Ａ、図１３Ｂの構造においても第４変形例で示したように第２磁化固定層６０ａ及び／又は第３磁化固定層６０ｂが第１磁化自由層１０に磁気的に結合して設けられてもよい。【００７９】
図１３Ａ、図１３Ｂの構造の磁気抵抗効果素子は４端子素子である。４つの端子のうちの１つは第１磁化固定層４０に設けられ、他の２つの端子は第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂに設けられ、残りの１つの端子は磁化自由領域１２に設けられる。図１３Ａ、図１３Ｂの構造においても、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界付近、または第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界付近のいずれか一方に磁壁が形成される。また図１３Ａ、図１３Ｂの構造においては、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の間、若しくは第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の間で電流を流すことにより書き込みを行う。この場合には、磁壁は第１磁化固定領域１１ａ、または第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界から出発して、磁化自由領域１２のもう一方の端部から抜けることで書き込みが行われる。【００８０】
図１３Ｃは、図１３Ａ、図１３Ｂの構造の磁気抵抗効果素子が集積化されたメモリセル９０の回路構成の一例を示している。図１３Ｃでは、１つのメモリセル９０に対して２つのＭＯＳトランジスタ２００ａ、２００ｂが設けられている。ＭＯＳトランジスタ２００ａのソース／ドレインの一方がグラウンド線２０２に接続されており、他方が第１磁化固定領域１１ａの一端（磁化自由領域１２との境界とは反対側）に接続されている。また、ＭＯＳトランジスタ２００ｂのソース／ドレインの一方がグラウンド線２０２に接続されており、他方が第２磁化固定領域１１ｂの一端（磁化自由領域１２との境界とは反対側）に接続されている。ＭＯＳトランジスタ２００ａのゲートは、第１ワード線２０３ａに接続されており、ＭＯＳトランジスタ２００ｂのゲートは、第２ワード線２０３ｂに接続されている。【００８１】
また、磁化自由領域１２の端部（第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂとの境界とは反対側）には、第１ビット線２０４が接続されている。この第１ビット線２０４は、書き込み電流を第１磁化自由層１０に供給するための書き込み配線である。また、ＭＴＪの一端である第１磁化固定層４０には、第２ビット線２０１が接続されている。この第２ビット線２０１は、ＭＴＪに読み出し電流を供給するための読み出し配線である。【００８２】
図１３Ｃのような回路構成においては、第１ワード線２０３ａ、第２ワード線２０３ｂのどちらを“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップし、どちらを“ｌｏｗ”レベルにプルダウンするかでデータの書き分けができる。例えば、第１ワード線２０３ａが“ｌｏｗ”レベルに、第２ワード線２０３ｂが“ｈｉｇｈ”レベルに、第１ビット線２０４が“ｈｉｇｈ”レベルに、グラウンド線２０２が“ｌｏｗ”レベルに設定された場合、ＭＯＳトランジスタ２００ａは“ＯＦＦ”となる一方、ＭＯＳトランジスタ２００ｂは“ＯＮ”となる。結果として、第１ビット線２０４から磁化自由領域１２、第２磁化固定領域１１ｂ、ＭＯＳトランジスタ２００ｂを経由して、グラウンド線２０２へと書き込み電流が流れる。また第２ワード線２０３ｂが“ｌｏｗ”レベルに、第１ワード線２０３ａが“ｈｉｇｈ”に、第１ビット線２０４が“ｈｉｇｈ”に、グラウンド線２０２が“ｌｏｗ”レベルに設定された場合、ＭＯＳトランジスタ２００ｂが“ＯＦＦ”となり、一方、ＭＯＳトランジスタ２００ａは“ＯＮ”となる。結果として、第１ビット線２０４から磁化自由領域１２、第１磁化固定領域１１ａ、ＭＯＳトランジスタ２００ａを経由して、グラウンド線２０２へと書き込み電流が流れる。このようにしてデータの書き分けが可能である。【００８３】
またデータの読み出しは、例えば以下で述べる第１の方法によって行うことができる。第１の方法においては、第１ワード線２０３ａ、第２ワード線２０３ｂは“Ｌｏｗ”に、第２ビット線２０１は“Ｈｉｇｈ”に、第１ビット線２０４は“Ｇｒｏｕｎｄ”に設定される。このとき第１、及びＭＯＳトランジスタ２００ａ、２００ｂは“ＯＦＦ”となり、電流は第２ビット線２０１からＭＴＪを貫通し、第１ビット線２０４へと流れる。これによってＭＴＪの抵抗を読み出すことができ、磁気抵抗効果素子のデータの読み出しが可能となる。この場合には第１ビット線２０４と第２ビット線２０１の交点のセルの情報が読み出され、すなわちクロスポイント読み出しとなる。【００８４】
また、図１３Ｃに示されるメモリセル９０からのデータの読み出しには、以下に述べるような第２の方法を用いてもよい。まず、第１ワード線２０３ａが“ｈｉｇｈ”レベルに、第２ワード線２０３ｂが“ｌｏｗ”レベルに設定され、これにより、ＭＯＳトランジスタ２００ａが“ＯＮ”に、ＭＯＳトランジスタ２００ｂが“ＯＦＦ”にされる。またグラウンド線２０２が“ｌｏｗ”レベルに設定され、第２ビット線２０１は“ｈｉｇｈ”レベルに設定される。さらに第１ビット線２０４が適切な電位に設定される。このとき、読み出し電流は第２ビット線２０１からＭＴＪを貫通し、第１ビット線２０４に流れることなく、ＭＯＳトランジスタ２００ａを経由してグラウンド線２０２へと流れる。これによってもＭＴＪの抵抗値を読み出すことができる。第２の方法は、第１の方法で用いられている読み出しとは異なり、ＭＯＳトランジスタ２００ａによって一つのメモリセルが選択されるため、高速での読み出しが可能となる。【００８５】
本実施例のメモリセル９０に、図１３Ｄに示されるような他の回路構成が適用されてもよい。図１３Ｄの図１３Ｃとの違いは、メモリセル９０に３つのＭＯＳトランジスタが設けられることにある。具体的には、磁化自由領域１２の端部（第１磁化固定領域１１ａ、及び第２磁化固定領域１１ｂとは反対側)にＭＯＳトランジスタ２００ｃのソース／ドレインの一方が接続され、ＭＯＳトランジスタ２００ｃの他方のソース／ドレインは第３ビット線２０５に接続される。またＭＯＳトランジスタ２００ｃのゲートは第３ワード線２０３ｃに接続される。【００８６】
図１３Ｄに示されるメモリセル９０においても、第１ワード線２０３ａ、第２ワード線２０３ｂのどちらを“ｌｏｗ”レベルにし、どちらを“ｈｉｇｈ”レベルにするかでデータの書き分けができる。例えば、第１ワード線２０３ａが“ｌｏｗ”レベルに、第２ワード線２０３ｂが“ｈｉｇｈ”レベルに、第３ワード線２０３ｃが“ｈｉｇｈ”レベルに設定された場合、ＭＯＳトランジスタ２００ａは“ＯＦＦ”に、ＭＯＳトランジスタ２００ｂは“ＯＮ”に、ＭＯＳトランジスタ２００ｃは“ＯＮ”になる。ここで第３ビット線２０５を“ｈｉｇｈ”レベルにし、グラウンド線２０２を“ｌｏｗ”レベルにした場合、第３ビット線２０５からＭＯＳトランジスタ２００ｃ、磁化自由領域１２、第２磁化固定領域１１ｂ、ＭＯＳトランジスタ２００ｂを経由して、グラウンド線２０２へと書き込み電流が流れる。また第２ワード線２０３ｂが“ｌｏｗ”レベルに、第１ワード線２０３ａが“ｈｉｇｈ”に、第３ワード線２０３ｃが“ｈｉｇｈ”に設定された場合、ＭＯＳトランジスタ２００ｂは“ＯＦＦ”に、ＭＯＳトランジスタ２００ａは“ＯＮ”に、ＭＯＳトランジスタ２００ｃは“ＯＮ”になる。ここで第３ビット線２０５を“ｈｉｇｈ”レベルにし、グラウンド線２０２を“ｌｏｗ”レベルにした場合、第３ビット線２０５からＭＯＳトランジスタ２００ｃ、磁化自由領域１２、第１磁化固定領域１１ａ、ＭＯＳトランジスタ２００ａを経由して、グラウンド線２０２へと書き込み電流が流れる。このようにしてデータの書き分けが可能である。【００８７】
また、図１３Ｄに示される磁気メモリセル９０からのデータの読み出しは例えば以下のようにして行うことができる。まず第１ワード線２０３ａが“ｌｏｗ”レベルに、第２ワード線２０３ｂが“ｌｏｗ”レベルに、第３ワード線２０３ｃが“ｈｉｇｈ”レベルに設定される。このときＭＯＳトランジスタ２００ａ、ＭＯＳトランジスタ２００ｂは“ＯＦＦ”に、ＭＯＳトランジスタ２００ｃは“ＯＮ”になる。ここで第２ビット線２０１を“ｈｉｇｈ”レベルにして第３ビット線２０５を“ＯＮ”にすることで、読み出し電流は第２ビット線２０１からＭＴＪを貫通し、ＭＯＳトランジスタ２００ｃを経由し、第３ビット線２０５へと流れる。これによってデータの読み出しを行うことができる。【００８８】
なお、ここで述べた回路構成、及び回路の動作は、一つの例に過ぎず、他の回路構成、及び回路設定を用いても図１３Ａ、図１３Ｂの構造の磁気抵抗効果素子をメモリセル９０に集積化することができる。【００８９】
（第６の変形例）
図１４Ａ〜図１４Ｃは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第６変形例の構造を模式的に示している。図１４Ａは斜視図を、図１４Ｂはｘ−ｚ断面図を、図１４Ｃはｙ−ｚ断面図を示している。なお、図１４Ｂ、図１４Ｃでは各層の磁化方向の例が矢印で示されている。第６変形例においては、第１磁化固定層４０に、複数の強磁性層を含んで構成される積層フェリ結合構成が採用される。【００９０】
本実施例の磁気抵抗効果素子では、第１磁化固定層４０は非磁性層３０と接する面において磁化が一方向に固定されていればよく、複数の層により構成されてもよい。特に図１４Ａ〜図１４Ｃに示されるように積層フェリ結合構成を採用することで、外乱磁界への耐性が高まる上、第２磁化自由層２０、第１磁化自由層１０に印加されるオフセット磁界の影響を低減することができる。図１４Ｂには、第１磁化固定層４０において、強磁性膜４０ａ、４０ｂが結合層７０を介して反平行方向に結合された状態が示されている。このような積層フェリ結合構成が採用された場合、第１磁化固定層４０の磁化が外乱磁界に対して強くなる。加えて、強磁性膜４０ａ、４０ｂの飽和磁化（Ｍｓ）と膜厚（ｔ）の積（Ｍｓ・ｔ）を略等しくすることによって、外部への漏れ磁束の影響を低減することができる。これによって、第２磁化自由層２０、第１磁化自由層１０、及び隣接メモリセルへの磁気的な影響を低減することができる。なお、図１４Ａ〜図１４Ｃでは第１磁化固定層４０は２層の強磁性膜と１層の結合層により構成される例が示されているが、更に多くの層により形成されても構わない。【００９１】
結合層７０の材料としては、例えばＲｕが挙げられる。結合層７０としてＲｕが使用されると、ＲＫＫＹ相互作用により隣り合う強磁性膜４０ａ、４０ｂが強固に結合される。ただし、強磁性膜４０ａ、４０ｂは漏れ磁束により結合させることもでき、このような観点からは、結合層７０の材料としては、あらゆる導電性の材料を用いることができる。【００９２】
（第７変形例）
図１５Ａ〜図１５Ｃは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第７変形例の構造を模式的に示している。図１５Ａはその斜視図を、図１５Ｂはｘ−ｚ断面図を、図１５Ｃはｙ−ｚ断面図を示している。第７変形例においては、第１磁化固定層４０に接合するピニング層８０が設けられる。【００９３】
本実施例の磁気抵抗効果素子では、第１磁化固定層４０の磁化は、特定の方向に実質的に固定して設けられる。第７変形例ではピニング層８０を第１磁化固定層４０の少なくとも一部分に接合して設け、これによって第１磁化固定層４０の固定磁化をより安定化することができる。ピニング層８０の材料としては、例えばＰｔ−Ｍｎなどの反強磁性材料を用いることができる。【００９４】
（第８変形例）
図１６Ａ〜図１６Ｃは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第８変形例の構造を模式的に示している。図１６Ａはその斜視図を、図１６Ｂはｘ−ｚ断面図を、図１６Ｃはｙ−ｚ断面図を示している。第８の変形例は、各層の積層順に関する。【００９５】
本実施例の磁気抵抗効果素子においては、第２磁化自由層２０、非磁性層３０、第１磁化固定層４０が隣接してこの順に設けられればよく、これらと第１磁化自由層１０、あるいは第２磁化固定層６０ａ、第３磁化固定層６０ｂの積層順には任意性がある。従って、図１６Ａ〜図１６Ｃに示されているように、第１磁化自由層１０が最上面に形成されてもよい。またこの場合も磁化自由領域１２と第２磁化自由層２０の重心はｘ−ｙ面内においてずれるように形成される必要があり、その位置関係、大小関係には任意性がある。【００９６】
（第９変形例）
図１７Ａは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第９変形例の構造を模式的に示した平面図である。本実施例においては、第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０は第１磁化自由層１０の磁化自由領域１２の重心Ｇ１２に対して面内方向（ｘ−ｙ平面に平行な方向）で特定の方向にずれて設けられる。これまでの図ではこの特定の方向が＋ｙ方向に略平行方向になるものとして描かれているが、この特定の方向は任意に決定され得る。従って図１７Ａに示されるように当該特定の方向がｘ成分を有していても構わない。また図１３Ａ、図１３Ｂを用いて説明されたような第１磁化自由層１０が三叉路を形成する形状により構成される場合、図１７Ｂに示されるような第２磁化自由層２０の重心Ｇ２０と磁化自由領域１２の重心Ｇ１２の位置関係となっていても構わない。【００９７】
（第１０変形例）
図１８Ａ〜１８Ｃ、図１９Ａ〜図１９Ｃ、図２０Ａ〜図２０Ｃは、本実施例の磁気抵抗効果素子の第１０変形例の構造を模式的に示す図である。詳細には、図１８Ａ、図１９Ａはその斜視図を、図１８Ｂ、図１９Ｂはｘ−ｚ断面図を、図１８Ｃ、図１９Ｃはｙ−ｚ断面図を示している。図１Ａ〜図１Ｄには第１磁化自由層１０に隣接して第２磁化自由層２０が設けられる基本構成が図示され、また、図４Ａ〜図４Ｃ、図５Ａ〜図５Ｃには第１磁化自由層１０と第２磁化自由層２０の間に導電層５０が設けられている構成が図示されているが、第１０変形例は、図１Ａ〜図１Ｄ、図４Ａ〜図４Ｃ、図５Ａ〜図５Ｃの構成の変形に関する。【００９８】
第１０変形例においては、第１磁化自由層１０と第２磁化自由層２０の間に、分流防止層５１が設けられる。分流防止層５１は、第１磁化自由層１０よりもシート抵抗が高い膜で形成される。分流防止層５１は、第１磁化自由層１０と第２磁化自由層２０の間の様々な位置に設けられ得る。【００９９】
例えば、図１８Ａ〜図１８Ｃに示されているように、導電層５０が設けられている場合には、分流防止層５１は、導電層５０と第１磁化自由層１０の間に挟まれて設けられてもよく、また図１９Ａ〜図１９Ｃに示されるように、導電層５０の中に設けられてもよい。また図２０Ａ〜図２０Ｃのように、第１磁化自由層１０と第２磁化自由層２０が直接接続される場合、第1磁化自由層１０と第２磁化自由層２０の間に挟まれて設けられてもよい。【０１００】
分流防止層５１が設けられることで、以下のような効果が得られる。前述のように磁気抵抗効果素子においては第１磁化自由層１０に電流が導入されることで磁壁移動が起こり、データの書き込みが行われる。従って電流の磁壁移動に対する効率を高めるためには、第１磁化自由層１０を流れる書き込み電流の割合がなるべく高いことが望ましい。ここで導電層５０が設けられた場合、または第２磁化自由層２０が第１磁化自由層１０に隣接して設けられる場合、第１磁化自由層１０のうち、導電層５０又は第２磁化自由層２０と接続される部分では、書き込み電流は第１磁化自由層１０の他に、導電層５０、または第２磁化自由層２０にも分流することになる。これは書き込み電流の増大や、中間状態形成などの不安定動作の原因となりうる。ここで本変形例にように、分流防止層５１を第１磁化自由層１０と第２磁化自由層２０の間に、好適には第１磁化自由層１０と導電層５０の間に設けることによって、書き込み電流のうち導電層５０及び／または第２磁化自由層２０に流れる分流分を減らすことができるため、このような問題が解決される。【０１０１】
なお、読み出し電流は前述の通り導電層５０、または第２磁化自由層２０、及びこの分流防止層５１を貫通する方向に導入されるので、分流防止層５１の抵抗値は過度に大きくないことが好ましい。したがって分流防止層５１の抵抗値は書き込み電流の分流が十分低減される程度に大きく、かつ読み出し信号を劣化させない程度に小さく設計されることが好ましい。【０１０２】
分流防止層５１の材料としては、Ｍｇ、Ａｌなどの金属の酸化物、窒化物などが例示される。例えば膜厚が０．３ｎｍ以上１．２ｎｍ以下のＭｇＯで構成することによって好ましい特性が得られる。【０１０３】
なお、分流防止層５１は、上述のような導電層５１や第２磁化自由層２０への電流の分流を防止するとうい観点だけでなく、設けられる位置、材料や構成を適切に選択することによって製造プロセスを容易にしたり、あるいは膜の特性を向上させたりすることもできる。【０１０４】
なお、以上には本発明の実施例、及びその様々な変形例が記載されているが、本発明は、上述の実施例及び変形例に限定して解釈されてはならない。上述の変形例は、矛盾しない限り、その複数が組み合わせて適用可能であることは、当業者には容易に理解されよう。【０１０５】
この出願は、２００７年１１月５日に出願された日本国特許出願特願２００７−２８７９０１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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