(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と、
垂直磁気異方性誘起層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記記憶層が、
第１の強磁性層と第１の結合層と第２の強磁性層と第２の結合層と第３の強磁性層とが同順に積層されており、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第３の強磁性層が上記垂直磁気異方性誘起層に接しており、上記結合層を介して隣接する上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合して、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しており、
上記中間層と上記垂直磁気異方性誘起層とが酸化物で構成されている
記憶素子。
【請求項２】
上記第１の強磁性層の磁化容易軸が膜面に垂直な方向であり、
上記第２の強磁性層の磁化容易軸が膜面内にあり、
上記第３の強磁性層の磁化容易軸が膜面に垂直な方向である
請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
上記第１の強磁性層が有する磁気エネルギーであって、上記第１の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第１の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第１の磁気エネルギーとし、上記第２の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第２の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第２の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第２の磁気エネルギーとし、さらに上記第３の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第３の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第３の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第３の磁気エネルギーとしたとき、
上記第１の磁気エネルギー及び上記第３の磁気エネルギーに対して上記第２の磁気エネルギーの符号が異なっている
請求項１に記載の記憶素子。
【請求項４】
上記第１の結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との間の磁気的結合エネルギーを第１の層間磁気結合エネルギー、上記第２の結合層を介した上記第２の強磁性層と上記第３の強磁性層との間の磁気的結合エネルギーを第２の層間磁気結合エネルギーとしたとき、
上記第１の層間磁気結合エネルギーの絶対値が、
上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの積を上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの和で割った値の絶対値より小とされ、
上記第２の層間磁気結合エネルギーの絶対値が、
上記第２の磁気エネルギーと上記第３の磁気エネルギーとの積を上記第２の磁気エネルギーと上記第３の磁気エネルギーとの和で割った値の絶対値より小とされる
請求項３に記載の記憶素子。
【請求項５】
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と、
垂直磁気異方性誘起層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記記憶層が、
第１の強磁性層と第１の結合層と第２の強磁性層と第２の結合層と第３の強磁性層とが同順に積層されており、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第３の強磁性層が上記垂直磁気異方性誘起層に接しており、上記結合層を介して隣接する上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合して、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しており、
上記中間層と上記垂直磁気異方性誘起層とが酸化物で構成されている記憶素子
を備えると共に、
上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、
上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部と
を備える記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、複数の磁性層を有し、スピントルク磁化反転を利用して記録を行う記憶素子及び記憶装置に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】特開２００３−１７７８２号公報
【特許文献２】米国特許第５６９５８６４号明細書
【背景技術】
【０００３】
モバイル端末から大容量サーバに至るまで、各種情報機器の飛躍的な発展に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子においても、高集積化、高速化、低消費電力化等、さらなる高性能化が追求されている。
特に、半導体不揮発性メモリの進歩は著しく、中でも大容量ファイルメモリとしてのフラッシュメモリはハードディスクドライブを駆逐する勢いで普及が進んでいる。
【０００４】
一方、コードストレージ用さらにはワーキングメモリへの展開を睨み、現在一般に用いられているＮＯＲフラッシュメモリ、ＤＲＡＭ等を置き換えるべく、半導体不揮発性メモリの開発が進められている。例えば、ＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）、ＰＣＲＡＭ（相変化ＲＡＭ）等が挙げられる。これらのうち、一部はすでに実用化されている。
【０００５】
これらの不揮発性メモリの中でも、ＭＲＡＭは、磁性体の磁化方向によりデータ記憶を行うために、高速の書き換え、かつ、ほぼ無限（１０15回以上）の書き換えが可能であり、既に産業オートメーションや航空機等の分野で使用されている。
ＭＲＡＭは、その高速動作と信頼性から、今後、コードストレージやワーキングメモリへの展開が期待されている。
【０００６】
しかしながら、ＭＲＡＭは、低消費電力化や大容量化に課題を有している。
これは、ＭＲＡＭの記録原理、すなわち、配線から発生する電流磁界によって磁化を反転させる、という方式に起因する本質的な課題である。
【０００７】
この問題を解決するための一つの方法として、電流磁界によらない記録（すなわち、磁化反転）方式が検討されており、中でもスピントルク磁化反転に関する研究は活発である（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照）。
【０００８】
スピントルク磁化反転の記憶素子は、ＭＲＡＭと同じく、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）により構成されている。
そして、ある方向に固定された磁性層を通過するスピン偏極電子が、他の自由な（方向を固定されない）磁性層に進入する際に、その磁性層にトルクを与えることを利用したもので、ある閾値以上の電流を流せば、自由磁化層（記憶層）の磁化の向きが反転する。
０／１の書換えは、記憶素子に流す電流の極性を変えることにより行う。
【０００９】
自由磁化層の磁化の向きの反転のための電流の絶対値は、０．１μｍ程度のスケールの記憶素子で１ｍＡ以下である。しかも、この電流値は、記憶素子の体積に比例して減少するため、スケーリングが可能である。
さらにまた、ＭＲＡＭで必要であった記録用電流磁界を発生させるためのワード線が不要であるため、セル構造が単純になるという利点もある。
【００１０】
以下、スピントルク磁化反転を利用したＭＲＡＭを、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque - Magnetic Random Access Memory）と呼ぶことにする。
高速かつ書換え回数がほぼ無限大である、というＭＲＡＭの利点を保ったまま、低消費電力化や大容量化を可能とする不揮発メモリとして、ＳＴＴ−ＭＲＡＭに大きな期待が寄せられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＳＴＴ−ＭＲＡＭにおいて、磁化反転を引き起こすスピントルクは、磁化の向きに依存してその大きさが変化する。
通常のＳＴＴ−ＭＲＡＭの記憶素子の構造では、スピントルクがゼロとなる磁化角度が存在する。
初期状態の磁化角度がこの角度に一致した時、磁化反転に必要な時間が非常に大きくなる。そのため、書き込み時間内に磁化反転が完了しない場合も有り得る。
書き込み時間内に反転が完了しないと、その書き込み動作は失敗（書き込みエラー）となり、正常な書き込み動作を行えないことになる。
【００１２】
本技術の課題は、エラーの発生を効果的に抑制し、短い時間で書き込み動作を行うことができる記憶素子及び記憶装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題の解決のため、本技術では記憶素子として以下のように構成することとした。
すなわち、本技術の記憶素子は、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と、垂直磁気異方性誘起層とを少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われるものである。
そして、上記記憶層が、第１の強磁性層と第１の結合層と第２の強磁性層と第２の結合層と第３の強磁性層とが同順に積層されており、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第３の強磁性層が上記垂直磁気異方性誘起層に接しており、上記結合層を介して隣接する上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合して、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しており、上記中間層と上記垂直磁気異方性誘起層とが酸化物で構成されているものである。
【００１４】
また、本技術の記憶装置は、上記本技術の記憶素子を備えると共に、上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部とを備えるものである。
【００１５】
上記本技術の記憶素子によれば、記憶層は、３つの強磁性層が結合層を介して積層した構成であり、隣接する２つの強磁性層は、間に挿入された結合層を介して磁気的に結合している。そして、これら強磁性層のうち、垂直磁気異方性誘起層に接している強磁性層は、当該垂直磁気異方性誘起層によって垂直磁気異方性が誘起され、磁化容易軸が膜面内に対して垂直方向となるようにすることができる。同様に、上記強磁性層のうち、中間層に接している強磁性層は、当該中間層によって垂直磁気異方性が誘起され、磁化容易軸が膜面内に対して垂直方向となるようにできる。
そして上記本技術では、記憶層を構成する上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している。このことで、上記記憶層及び上記磁化固定層のそれぞれの磁化の向きがほぼ平行又は反平行とされてしまうことによる磁化反転時間の発散を効果的に抑えることができる。すなわち、所定の有限の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことが可能になる。
【００１６】
また、本技術の記憶装置によれば、上記配線部を通じて、上記記憶素子に積層方向の電流が流すことができ、上記記憶層の磁化反転による情報の記録を行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本技術によれば、所定の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことが可能になることから、書き込みエラーを低減することができ、より短い時間で書き込み動作を行うことができる。
書き込みエラーを低減できるので、書き込み動作の信頼性を向上できる。
また、より短い時間で書き込み動作を行うことができるので、動作の高速化を図ることができる。
従って、本技術により、書き込み動作の信頼性が高く、高速に動作する記憶素子及び記憶装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態の記憶装置の概略斜視図である。
【図２】実施の形態の記憶装置の断面図である。
【図３】実施の形態の記憶装置の平面図である。
【図４】磁化の向きが膜面に垂直とされた従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭによる記憶素子の概略構成についての説明図（断面図）である。
【図５】実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。
【図６】実施の形態の記憶層の概略構成図（斜視図及び上面図）である。
【図７】強磁性層間の磁気的結合エネルギーと平衡状態における磁化角度の関係をプロットした図である。
【図８】強磁性層の磁気エネルギーと強磁性層間の磁気的結合エネルギーの最大値の関係をプロットした図である。
【図９】強磁性層間の磁気的結合エネルギーと熱安定性の指標の関係をプロットした図である。
【図１０】励起エネルギーおよび書き込みエラー率と反転時間の関係をプロットした図である。
【図１１】実施の形態の記憶素子（磁気抵抗効果型素子）の複合型磁気ヘッドへの適用例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を次の順序で説明する。
＜１．実施の形態の記憶装置の概略構成＞
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
＜３．実施の形態の記憶素子の具体的構成＞
＜４．シミュレーション結果＞
＜５．変形例＞
【００２０】
＜１．実施の形態の記憶装置の概略構成＞
まず、記憶装置の概略構成について説明する。
記憶装置の模式図を図１、図２及び図３に示す。図１は斜視図、図２は断面図、図３は平面図である。
【００２１】
図１に示すように、実施の形態の記憶装置は、互いに直交する２種類のアドレス配線（例えばワード線とビット線）の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができるＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque - Magnetic Random Access Memory）による記憶素子３が配置されて成る。
すなわち、シリコン基板等の半導体基体１０の素子分離層２により分離された部分に、各記憶素子３を選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域８、ソース領域７、並びにゲート電極１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極１は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線（ワード線）を兼ねている。
【００２２】
ドレイン領域８は、図１中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域８には、配線９が接続されている。
そして、ソース領域７と、上方に配置された、図１中左右方向に延びるビット線６との間に、スピントルク磁化反転により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子３が配置されている。この記憶素子３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。
【００２３】
図２に示すように、記憶素子３は２つの磁性層１２、１４を有する。この２層の磁性層１２、１４のうち、一方の磁性層を磁化Ｍ１２の向きが固定された磁化固定層１２とし、他方の磁性層を磁化Ｍ１４の向きが変化する自由磁化層すなわち記憶層１４とする。
また、記憶素子３は、ビット線６とソース領域７とに、それぞれ上下のコンタクト層４を介して接続されている。
これにより、２種類のアドレス配線１、６を通じて、記憶素子３に上下方向（積層方向）の電流を流して、スピントルク磁化反転により記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きを反転させることができる。
【００２４】
図３に示すように、記憶装置はマトリクス状に直交配置させたそれぞれ多数の第１の配線（ワード線）１及び第２の配線（ビット線）６の交点に、記憶素子３を配置して構成されている。
記憶素子３は、その平面形状が円形状とされ、図２に示した断面構造を有する。
また、記憶素子３は、図２に示したように磁化固定層１２と記憶層１４とを有している。
そして、各記憶素子３によって、記憶装置のメモリセルが構成される。
【００２５】
ここで、このような記憶装置では、選択トランジスタの飽和電流以下の電流で書き込みを行う必要があり、トランジスタの飽和電流は微細化に伴って低下することが知られているため、記憶装置の微細化のためには、スピントランスファの効率を改善して、記憶素子３に流す電流を低減させることが好適である。
【００２６】
また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには上述のようなＭＴＪ構造を採用すること、すなわち２層の磁性層１２、１４の間に中間層をトンネル絶縁層（トンネルバリア層）とした記憶素子３の構成とすることが効果的である。
このように中間層としてトンネル絶縁層を用いた場合には、トンネル絶縁層が絶縁破壊することを防ぐために、記憶素子３に流す電流量に制限が生じる。すなわち記憶素子３の繰り返し書き込みに対する信頼性の確保の観点からも、スピントルク磁化反転に必要な電流を抑制することが好ましい。なお、スピントルク磁化反転に必要な電流は、反転電流、記憶電流などとも呼ばれる。
【００２７】
また、実施の形態の記憶装置は不揮発メモリ装置であるから、電流によって書き込まれた情報を安定に記憶する必要がある。つまり、記憶層１４の磁化の熱揺らぎに対する安定性（熱安定性）を確保する必要がある。
記憶層１４の熱安定性が確保されていないと、反転した磁化の向きが、熱（動作環境における温度）により再反転する場合があり、保持エラーとなってしまう。
本記憶装置における記憶素子３（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）は、従来のＭＲＡＭと比較して、スケーリングにおいて有利、すなわち体積を小さくすることは可能であるが、体積が小さくなることは、他の特性が同一であるならば、熱安定性を低下させる方向にある。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭの大容量化を進めた場合、記憶素子３の体積は一層小さくなるので、熱安定性の確保は重要な課題となる。
そのため、ＳＴＴ−ＭＲＡＭにおける記憶素子３において、熱安定性は非常に重要な特性であり、体積を減少させてもこの熱安定性が確保されるように設計する必要がある。
【００２８】
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
続いて、実施の形態の記憶素子３の概要について説明する。
先ずは図４の断面図を参照して、記憶層の磁化の向き（平衡状態における磁化の向き）が膜面に垂直とされた従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭによる記憶素子３’の概略構成を説明する。
なお、後の説明からも理解されるように、本実施の形態の記憶素子３においては、記憶層１４の磁化Ｍ１４の向き（平衡状態における磁化Ｍ１４の向き）は膜面に垂直な方向とはならない。この図４を参照して行う説明においては、便宜上、従来の記憶素子３’が備える記憶層の符号として「１４」を用いる。
【００２９】
図４に示すように、記憶素子３’は、下地層１１の上に、磁化Ｍ１２の向きが固定された磁化固定層（参照層とも呼ばれる）１２、中間層（非磁性層：トンネル絶縁層）１３、磁化Ｍ１４の向きが可変である記憶層（自由磁化層）１４、キャップ層１５が同順に積層されている。
このうち、磁化固定層１２は、高い保磁力等によって、磁化Ｍ１２の向きが固定されている。この場合、磁化固定層１２の磁化の向きは膜面に対して垂直方向に固定されているとする。
【００３０】
記憶素子３’においては、一軸異方性を有する記憶層１４の磁化（磁気モーメント）Ｍ１４の向きにより、情報の記憶が行われる。
記憶素子３’への情報の書き込みは、記憶素子３’の各層の膜面に垂直な方向（すなわち、各層の積層方向）に電流を流して、記憶層１４にスピントルク磁化反転を起こさせることにより行う。
【００３１】
ここで、スピントルク磁化反転について簡単に説明しておく。
電子は、２種類のスピン角運動量をもつ。仮にこれを上向き、下向きと定義する。
非磁性体の場合、その内部では、上向きのスピン角運動量を持つ電子と、下向きのスピン角運動量を持つ電子の両者が同数となる。これに対し強磁性体の場合、その内部では両者の数に差がある。
【００３２】
まず、中間層１３を介して積層された２層の強磁性体（磁化固定層１２及び記憶層１４）において、互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４の向きが反平行状態にあり、電子を磁化固定層１２から記憶層１４に移動させる場合について考える。
磁化固定層１２を通過した電子は、スピン偏極、すなわち、上向きと下向きの数に差が生じている。
トンネル絶縁層としての中間層１３の厚さが十分に薄いと、スピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極（上向きと下向きが同数）状態になる前に、他方の磁性体、すなわち、記憶層（自由磁化層）１４に達する。
そして、２層の強磁性体（磁化固定層１２及び記憶層１４）のスピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系のエネルギーを下げるために、一部の電子は、反転する、すなわち、スピン角運動量の向きが変わる。このとき、系の全角運動量は保存されなくてはならないため、向きを変えた電子による角運動量変化の合計と等価な反作用が、記憶層１４の磁化Ｍ１４にも与えられる。
【００３３】
電流量、すなわち、単位時間に通過する電子の数が少ない場合には、向きを変える電子の総数も少ないため、記憶層１４の磁化Ｍ１４に発生する角運動量変化も小さいが、電流が増えると、多くの角運動量変化を単位時間内に与えることができる。
角運動量の時間変化はトルクであり、トルクがある閾値を超えると、記憶層１４の磁化Ｍ１４は、歳差運動を開始して、記憶層１４の一軸異方性により、１８０度回転したところで安定となる。すなわち、反平行状態から平行状態への反転が起こる。
【００３４】
一方、２層の強磁性体１２，１４の互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４が平行状態にあるとき、電流を逆に記憶層１４から磁化固定層１２へ電子を送る向きに流すと、今度は磁化固定層１２で電子が反射される。
そして、反射されてスピンの向きが反転した電子が、記憶層１４に進入する際にトルクを与えて、記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きを反転させるので、互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４を反平行状態へと反転させることができる。
ただし、この際に反転を起こすのに必要な電流量は、反平行状態から平行状態へと反転させる場合よりも多くなる。
【００３５】
平行状態から反平行状態への反転は、直感的な理解が困難であるが、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２が固定されているために反転できず、系全体の角運動量を保存するために記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが反転する、と考えてもよい。
【００３６】
このように、０／１の情報の記録は、磁化固定層（参照層）１２から記憶層１４への方向、又はその逆方向に、それぞれの極性に対応する、ある閾値以上の電流を流すことによって行われる。
【００３７】
情報の読み出しは、従来型のＭＲＡＭと同様に、磁気抵抗効果を用いて行われる。
すなわち、先に説明した情報の記録の場合と同様に、各層の膜面に垂直な方向（各層の積層方向）に電流を流す。そして、記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが磁化固定層（参照層）１２の磁化Ｍ１２の向きに対して、平行であるか反平行であるかに従って、記憶素子３’の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
【００３８】
さて、トンネル絶縁層としての中間層１３に用いる材料は、金属でも絶縁体でも構わないが、より高い読み出し信号(抵抗の変化率)が得られ、かつ、より低い電流によって記録が可能とされるのは、中間層１３に絶縁体を用いた場合である。このときの素子を、強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）素子と呼ぶ。
【００３９】
前述したスピントルクは、記憶層１４の磁化Ｍ１４と磁化固定層（参照層）１２の磁化Ｍ１２との角度によって、大きさが変化する。
磁化Ｍ１４の向きを表す単位ベクトルをｍ１とし、磁化Ｍ１２の向きを表す単位ベクトルをｍ２とすると、スピントルクの大きさは、ｍ１×（ｍ１×ｍ２）に比例する。ここで、“×”はベクトルの外積である。
【００４０】
通常、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２は、記憶層１４の磁化容易軸方向に固定されている。記憶層１４の磁化Ｍ１４は、記憶層１４自身の磁化容易軸方向に向く傾向にある。このとき、ｍ１とｍ２は、０度（平行）もしくは１８０度（反平行）の角をなす。
図４ではｍ１とｍ２のなす角度が０度である場合の磁化Ｍ１２と磁化Ｍ１４の向きを例示している。
【００４１】
このようにｍ１とｍ２のなす角度が０度もしくは１８０度である場合、前述のスピントルクの式に従えば、スピントルクは全く働かないことになる。
但し現実には、記憶層１４の磁化Ｍ１４は、熱揺らぎによって磁化容易軸の周りにランダムに分布しているために、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２とのなす角度が、０度もしくは１８０度から離れたときに、スピントルクが働き、磁化反転を起こすことができる。
【００４２】
磁性体は、その磁化の向きに応じた磁気エネルギーを持つ。磁気エネルギーが最も低くなる方向が磁化容易軸である。
【００４３】
熱揺らぎがない場合には、磁気エネルギーを最小にしようとする力（トルク）によって、磁化は磁化容易軸を向く。
一方、熱揺らぎによって磁化の向きが磁化容易軸から離れているときの磁気エネルギーは、磁化が磁化容易軸方向にあるときに比べて大きくなる。この差を励起エネルギーＥと呼ぶことにする。そして、磁化の向きがさらに磁化容易軸から離れ、励起エネルギーＥがある閾値を超えたとき、磁化反転が起きる。
この閾値のことをΔと呼ぶことにする。
【００４４】
上記Δは、磁化を反転させるために必要なエネルギーとみなすことができる。励起エネルギーＥ及び閾値Δの単位はジュール（Ｊ）であるが、以下では熱エネルギー（ボルツマン定数と絶対温度の積）で割った無次元量として扱う。このようにすると、Δは熱エネルギーに対する磁化の安定性を示す指標とみなせることから、Δを熱安定性の指標と呼ぶこともある。
【００４５】
記憶層１４の磁化Ｍ１４の励起エネルギーＥ及び熱安定性の指標Δを用いると、記憶層１４に流した電流Ｉと、それによって起きるスピントルク磁化反転に要する時間（反転時間）ｔｓは次式を満たす。
【数１】
0005982794.tif 000002
ここで、Ｉｃ０はスピントルク磁化反転が生じるのに必要な閾値電流、ηは電流Ｉのスピン偏極率、ｅは電子の電荷、Ｍｓは磁化Ｍ１４の飽和磁化、Ｖは記憶層１４の体積、μＢはボーア磁子である。
左辺は、記憶層１４に注入されるスピンの個数に対応する。右辺は記憶層１４に存在するスピンの個数に対応する。ただし、その個数は対数項によってスケーリングされている。なお、励起エネルギーＥは電流を流した時点での磁化の方向に対応した値を用いる。
【００４６】
上記［式１］を用いて、ある電流Ｉを流した時の反転時間ｔｓについて説明する。励起エネルギーＥが大きいほど右辺は小さくなる。（ただし、ＥはΔを超えて大きくなることはない。）そのため、反転時間ｔｓも小さくなる。
逆に、励起エネルギーＥが０に近づくにつれて、右辺は無限大に発散し、反転時間ｔｓも無限大に発散する。熱揺らぎがない場合には励起エネルギーＥは０となるため、反転時間ｔｓは発散する。
【００４７】
ここで、熱揺らぎがある時の励起エネルギーＥについて説明する。熱揺らぎによって励起エネルギーＥは有限の値となる。記憶層１４が単一の強磁性層で構成される場合において、励起エネルギーＥがある値Ｘより小さくなる確率は、１−ｅｘｐ（−Ｘ）で与えられる。
［式１］より、ある電流Ｉを流したときに反転時間ｔｓで反転するために必要な励起エネルギーＥの値をＸとする。すると、ある電流Ｉを時間ｔｓだけ流したときに、確率１−ｅｘｐ（−Ｘ）で磁化反転が起きないことになる。すなわち、書き込みエラー率が１−ｅｘｐ（−Ｘ）となる。
このように、励起エネルギーＥは書き込みエラー率と密接な関連がある。
【００４８】
本技術は、上記のような反転時間の発散を抑制するために、記憶層１４を、３つの強磁性層が２つの結合層を介して積層した構成とする。隣接する２つの強磁性層は、間に挿入された結合層を介してそれぞれ磁気的に結合している。
このような本技術の構成によれば、記憶層を構成する強磁性層間の磁気的結合によって、それら強磁性層の磁化の向きを膜面に垂直な方向から傾けることができ、記憶層及び磁化固定層のそれぞれの磁化の向きがほぼ平行又は反平行になることによる磁化反転に要する時間の発散を抑えることができる。
これにより、所定の有限の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことができる。
【００４９】
＜３．実施の形態の記憶素子の具体的構成＞
以下、本技術の具体的な実施の形態について説明する。
図５は、実施の形態としての記憶素子３の概略構成図（断面図）を示している。
なお以下の説明において、既に説明済みとなった部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００５０】
図５において、実施の形態の記憶素子３は、下地層１１の上に、磁化Ｍ１２の向きが固定された磁化固定層（参照層）１２、中間層１３（非磁性層：トンネル絶縁層）、磁化Ｍ１４の向きが可変とされた記憶層（自由磁化層）１４、及びキャップ層１５が同順に積層されている。
なお、前述のように固定磁化層１２は、膜面に垂直な方向（図中上向き）に磁化Ｍ１２の向きが固定されている。
【００５１】
本実施の形態の記憶素子３は、先の記憶素子３’と比較して、記憶層１４の構造が強磁性層と結合層とを有する多層構造に変更されたものとなる。
具体的に、この場合の記憶層１４は、強磁性層１４ａ、結合層１４ｂ、強磁性層１４ｃ、結合層１４ｄ、強磁性層１４ｅが同順で積層された５層構造で構成されている。
【００５２】
本実施の形態の場合、キャップ層１５としては、垂直磁気異方性を誘起可能な層として構成する。具体的に、この場合のキャップ層１５は酸化物で構成（より具体的にはＭｇＯで構成）するものとし、その下層側に構成された強磁性層に対する垂直磁気異方性誘起層として機能させる。
なお、本例では垂直磁気異方性誘起層とキャップ層とを共通の層で構成するものとしているが、これらは別々の層に分けて構成することも勿論可能である。
以下の説明では、キャップ層１５に関して、「垂直磁気異方性誘起層１５」とも表記することがある。
【００５３】
また、本実施の形態の場合、中間層１３についても、垂直磁気異方性を誘起可能な層として構成する。具体的に、この場合の中間層１３も酸化物で構成（より具体的にはＭｇＯで構成）し、その上層側に構成された強磁性層に対する垂直磁気異方性誘起層として機能させる。
【００５４】
この場合、最も上層側に位置する強磁性層１４ｅは、結合層１４ｄに接する界面の反対側の界面において、垂直磁気異方性誘起層としてのキャップ層１５に接している。
また、最も下層側に位置する強磁性層１４ａは、結合層１４ｂに接する界面の反対側の界面において、垂直磁気異方性誘起層としての中間層１３に接している。
【００５５】
またこの場合、最も下層側に位置する強磁性層１４ａの磁化Ｍ１と強磁性層１４ｃの磁化Ｍ２は、結合層１４ｂを介して磁気的に結合している。同様に、強磁性層１４ｃの磁化Ｍ２と強磁性層１４ｅの磁化Ｍ３は結合層１４ｄを介して磁気的に結合している。
【００５６】
結合層１４ｂ、１４ｄには、Ｔａ、Ｒｕ等の非磁性の金属を使用することができる。
記憶層１４を構成する各強磁性層のうち、１４ａ及び１４ｅには、近年注目されている垂直磁気異方性を持ったＣｏＦｅＢ層を用いる。
【００５７】
ここで、ＣｏＦｅＢ層が、その界面のうち少なくとも一方で酸化物に接するときは、該酸化物に応じて垂直磁気異方性が誘起され、ＣｏＦｅＢ層の磁化容易軸が膜面内に対して垂直方向となる。
従って、上記により説明した記憶素子３の構成によれば、強磁性層１４ａが中間層１３に接し、強磁性層１４ｅがキャップ層１５に接していることで、これら強磁性層１４ａ及び１４ｅに垂直磁気異方性が誘起されることになる。
【００５８】
なお、中間層１３の材料に酸化物材料を用いることで、前述したように、より高い読み出し信号（抵抗の変化率）が得られ、かつ、より低い電流によって記録が可能となる。
【００５９】
記憶層１４を構成する各強磁性層のうち、中央の強磁性層１４ｃには、従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭの記憶素子において使用されている各種の磁性材料を使用することができる。
例えば、強磁性層の１４ａ及び１４ｅと同様にＣｏＦｅＢを用いることができる。
【００６０】
但し、強磁性層１４ｃは両方の界面で結合層１４ｂ及び結合層１４ｄと接しているため、垂直磁気異方性が誘起されない。このとき、膜面内に対して垂直方向の反磁界を受けるために、強磁性層１４ｃの磁化Ｍ２は膜面内方向が安定となる。
【００６１】
なお、固定磁化層１２には、従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭのＭＴＪにおいて使用されている各種の磁性材料を使用することができる。例えば、ＦｅＰｔ，ＣｏＰｔ，ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＣｏＰｄ，ＭｎＢｉ，ＭｎＧａ，ＰｔＭｎＳｂ，ＣｏＦｅＢ，Ｃｏ−Ｃｒ系材料等を用いることができる。また、これらの材料以外の、磁性材料を使用することが可能である。
【００６２】
情報の読み出しは、従来型の記憶素子３’と同様に、磁気抵抗効果を用いて行われる。
すなわち、先に説明した情報の記録の場合と同様に、各層の膜面に垂直な方向（各層の積層方向）に電流を流す。そして、固定磁化層１２の磁化Ｍ１２と強磁性層１４ａの磁化Ｍ１の相対角度によって、記憶素子３の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
【００６３】
記憶層１４の構成をさらに詳しく示したのが、図６の斜視図及び上面図である。
図６Ａは記憶層１４の斜視図、図６Ｂが記憶層１４の上面図である。
なお図６では図示の簡略化のため、結合層１４ｂ及び１４ｄは省略している。
【００６４】
先ず、本実施の形態の記憶素子３においては、記憶層１４の形状は円柱状とされる。
【００６５】
ここで、磁化Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の方向を記述するために、以下のように角度θ１、θ２、θ３、φ１、φ２、φ３を定義する。
図６Ａの斜視図においては、記憶層１４を垂直方向に貫く垂直軸ａＶが示されている。磁化Ｍ１と垂直軸ａＶがなす角度をθ１、磁化Ｍ２と垂直軸ａＶがなす角度をθ２、磁化Ｍ３と垂直軸ａＶがなす角度をθ３とする。
また、図６Ｂの上面図において、強磁性層１４ａ、１４ｃ、１４ｅの中心を通る基準線ａＨが示されている。強磁性層１４ａ、１４ｃ、１４ｅの断面形状が円形であるために、基準線ａＨの方向は任意に選べる。磁化Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３を膜面に投影したときに基準線ａＨとなす角をそれぞれφ１、φ２、φ３とする。
【００６６】
前述したように、磁性体は磁化の向きに応じた磁気エネルギーを持つ。
磁気エネルギーを記述するために以下の値を定義する。
すなわち、磁化Ｍ１が面内方向を向いているとき（θ１＝９０度）の磁気エネルギーから垂直方向を向いているとき（θ１＝０度）の磁気エネルギーを引いたエネルギー差をΔ１とする。
また、磁化Ｍ２が面内方向を向いているとき（θ２＝９０度）の磁気エネルギーから垂直方向を向いているとき（θ２＝０度）の磁気エネルギーを引いたエネルギー差をΔ２とする。
さらに、磁化Ｍ３が面内方向を向いているとき（θ３＝９０度）の磁気エネルギーから垂直方向を向いているとき（θ３＝０度）の磁気エネルギーを引いたエネルギー差をΔ３とする。
そして、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２との磁気的結合エネルギーの強さをΔ１２、磁化Ｍ２と磁化Ｍ３との磁気的結合エネルギーの強さをΔ２３とする。
ここで、Δ１、Δ２、Δ３、Δ１２、Δ２３の単位はジュール（Ｊ）であるが、前述の励起エネルギーＥ及び熱安定性の指標Δと同様に、熱エネルギー（ボルツマン定数と絶対温度の積）で割った無次元量として扱う。
この定義に従うと、本実施の形態の記憶層１４に対しては、Δ１は正、Δ２は負、Δ３は正の符号となる。Δ１２及びΔ２３はゼロでなければその符号はどちらでもよい。
【００６７】
このようにすると、記憶層１４の磁気エネルギーεは、次の［式２］であらわされる。
【数２】
0005982794.tif 000003
【００６８】
そして、記憶層１４の励起エネルギーＥは、Ｅ＝ε−εｍｉｎであらわされる。
なお、εｍｉｎは磁気エネルギーεの最小値である。
【００６９】
従来の記憶層１４の場合と同様に、熱揺らぎがないときには、励起エネルギーＥがゼロとなるように、すなわち磁気エネルギーεがεｍｉｎとなるように磁化Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３はその向きを変える（本明細書において、この状態を「平衡状態」と呼ぶ）。
【００７０】
従来のように記憶層１４が単層のＣｏＦｅＢで構成されている場合、垂直磁気異方性が誘起されて、磁化の向きが膜面に対して垂直となる。このとき、記憶層１４の磁化と磁化固定層１２の磁化の相対角度は平行（０度）か反平行（１８０度）となる。そのため、スピントルクが作用せずに、反転時間が増大する問題がある。
【００７１】
ところが、種々の検討を行った結果、本技術に係る記憶層１４の構成においては、励起エネルギーＥがゼロとなるときに（つまり平衡状態のときに）、磁化Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の角度が、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２の方向（垂直軸）に対して平行（０度）か反平行（１８０度）以外の角度、つまり斜め方向になり得ることが判明した。そしてこのようなとき、有限のスピントルクが作用するため、反転時間の増大が抑制されることが分かった。
【００７２】
ここで、磁化の向きが斜めとなる条件について［式２］を用いて諸々の検討を行った結果、以下のことが明らかになった。
なお、以下の説明では簡単のため、Δ１とΔ３は同じ値とし、両者の和がΔ１となるように、新たにそれぞれをΔ１／２とした。またΔ１２とΔ２３は同じ値とし、新たにΔｅｘとおく。
【００７３】
まず、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２の磁気的結合エネルギーの強さ及び磁化Ｍ２と磁化Ｍ３の磁気的結合エネルギーの強さΔｅｘが共に０である場合、すなわち磁化Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３がそれぞれ独立に運動する場合を考える。
Δ１，Δ３が正であるので、磁化Ｍ１及びＭ３の磁化容易軸は膜面に垂直となり、平衡状態において磁化Ｍ１及びＭ３は膜面に垂直な方向を向く。逆に、Δ２は負であるので、磁化Ｍ２の磁化容易軸は膜面内となり、平衡状態において磁化Ｍ２は膜面内を向く。なおこのとき、強磁性層１４ｃは垂直軸ａＶ周りの回転に対して等方的であるので、φ２の値は任意である。
【００７４】
次に、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２の磁気的結合エネルギーの強さ及び磁化Ｍ２と磁化Ｍ３の磁気的結合エネルギーの強さΔｅｘが共に０以外であって、磁化Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３がそれぞれ結合して運動する、本技術本来の場合を考える。
定義より、Δｅｘが正のとき、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２、磁化Ｍ２と磁化Ｍ３は、それぞれ平行になろうとする。逆に、Δｅｘが負のとき、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２、磁化Ｍ２と磁化Ｍ３は、それぞれ反平行になろうとする。前者を強磁性結合、後者を反強磁性結合と呼ぶこともある。
なお、以下では説明を簡単にするために、Δｅｘが正のときのみを考慮するが、同様の議論はΔｅｘが負のときにも成り立つものである。
【００７５】
今、Δ１（及びΔ３）とΔ２の符号が異なっているので、隣接する２つの強磁性層において、片方の強磁性層の磁化は、その磁化容易軸が膜面に対して垂直であり、もう片方の強磁性層の磁化は、その磁化容易軸が膜面内にある。
そしてこれらの向きが互いに競合する２つの磁化が、Δｅｘの強さで結合しているものである。
【００７６】
ここで、仮にΔ１及びΔ３とΔ２とが共に正であれば、Δｅｘの大きさによらず、磁化角度は垂直軸ａＶに平行となる。これでは、図４にて説明した記憶層１４を有する記憶素子３’と同じであって、反転時間の増大は免れない。
一方、Δ１及びΔ３とΔ２とが共に負であれば、Δｅｘの大きさによらず、磁化角度は膜面内となる。これでは、強磁性層１４ａの磁化Ｍ１と磁化固定層１２の磁化Ｍ１２の相対角度が一定の９０度となるため、磁気抵抗効果による抵抗の変化が起きず、情報を読み出すことができないので、ＳＴＴ−ＭＲＡＭを構成する記憶素子として用いることはできないものとなってしまう。
【００７７】
このことからも理解されるように、本実施の形態の記憶素子３においては、Δ１及びΔ３の符号に対してΔ２の符号が異なっていることを要する。
【００７８】
ここで、Δ１を１００、Δ２を−３０としたときの、結合の強さΔｅｘと平衡状態における磁化方向の関係を図７にプロットした。
曲線Ｃ４１が磁化Ｍ１および磁化Ｍ３と垂直軸ａＶの角度θ１及びθ３、曲線Ｃ４２が磁化Ｍ２と垂直軸ａＶの角度θ２に対応する。
【００７９】
この図７を参照して分かるように、Δｅｘが０より大でかつΔｅｘｍａｘより小のとき、θ１、θ２、θ３が０より大となることから、この領域で磁化Ｍ１、Ｍ２，Ｍ３が垂直軸ａＶに対して斜め方向に傾いている。
ΔｅｘがΔｅｘｍａｘ以上になると、磁化を揃えようとする力が大きすぎて、磁化Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は垂直軸ａＶに平行となる。
【００８０】
次に、Δｅｘの上限を求めるために、様々なΔ１、Δ２の組み合わせに対して、磁化Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３が平行となる上限値Δｅｘｍａｘを、先の［式２］を用いて計算した。
図８に、その結果の一例を示す。
なお図８においては、Δ２を−５０に固定し、Δ１を７０から１８０まで振った。白い丸Ｐ５１が計算で求めたΔｅｘの上限値Δｅｘｍａｘである。Δｅｘがこの値よりも小さければ、磁化Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は斜め方向となることができる。
【００８１】
複数のＰ５１にうまく適合する式を探索したところ、
Δｅｘｍａｘ＝ａｂｓ（Δ１×Δ２／（Δ１＋Δ２））            ・・・［式３］
と書けることが分かった。なお、ａｂｓは絶対値を返す関数である。
これをプロットしたものが曲線Ｃ５２である。
【００８２】
今、Δｅｘが正の時のみを考えているが、同様の式はΔｅｘが負のときにも成り立つ。  結局のところ、磁化Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３が斜め方向になるための条件は、上記［式３］より、
ａｂｓ（Δｅｘ）＜ａｂｓ（Δ１×Δ２／（Δ１＋Δ２））        ・・・［式４］
となる。
【００８３】
ところで、先に本発明者らは、記憶層１４が強磁性層／結合層／強磁性層の３層構造からなる場合に、それら強磁性層の磁化の向きが垂直軸ａＶに対して斜め方向になる条件を上記の手法と同様の手法により導出した。
その結果、上記磁化を斜め方向とするためのΔｅｘの範囲は、
ａｂｓ（Δｅｘ）＜ａｂｓ（２×Δ１×Δ２／（Δ１＋Δ２））
と導出された。
【００８４】
この結果より、記憶層の構造を強磁性層／結合層／強磁性層の３層構造とする場合よりも、本技術に係る記憶層１４として、強磁性層／結合層／強磁性層／結合層／強磁性層の５層構造とする場合の方が、必要なΔｅｘが少なくて済むことが分かる。
【００８５】
ここで、Δｅｘの大きさは、結合層の材料や膜厚に応じて大きさが制限されるために、なるべく小さいΔｅｘが望ましい。この点に鑑みれば、本技術に係る５層構造による記憶層１４は、斜め方向の磁化を得るために好適なものであると言うことができる。
【００８６】
以上より、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２が斜め方向になるための条件が明らかとなった。この条件を満たすΔ１、Δ２、Δ３、Δｅｘ（Δ１２，Δ２３）が与えられれば、その平衡状態での磁化の方向が斜め方向である記憶層１４を実現できる。
換言すれば、本実施の形態の記憶層１４は、Δ１及びΔ３に対しΔ２の符号が異なり且つ上記［式４］の条件を満たすΔ１、Δ２、Δ３、Δｅｘが与えられるように構成されているものである。
【００８７】
ところで、先の［式２］により示した磁気エネルギーから平衡状態における磁気エネルギーを引いたものが、記憶層１４の励起エネルギーＥとなる。さらに、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の向きを反転させるのに必要な励起エネルギーＥが熱安定性の指標Δである。
上記により説明したΔ１、Δ２、Δ３、Δｅｘが与えられれば、励起エネルギーＥと熱安定性の指標Δが一意に定まる。
【００８８】
ここで、図９に、記憶層１４における強磁性層間の磁気的結合エネルギー（Δｅｘ）と熱安定性の指標（Δ）との関係をプロットした結果を示す。
図９において、曲線Ｃ６１は、結合の強さΔｅｘと熱安定性の指標Δの関係を示している。
なおこの図に示す結果を得るにあたっては、先の図７と同様に、Δ１を１００、Δ２を−３０とした。
【００８９】
前提として、Δｅｘが０のとき、ΔはΔ１に等しくなる。ΔｅｘがΔｅｘｍａｘ以上になると、ΔはΔ１＋Δ２に等しくなる。
【００９０】
熱安定性の指標Δは、記憶素子３の熱揺らぎに対する耐性を示す指標である。不揮発メモリとして用いる場合には、動作保証時間内において情報が失われない必要がある。これは熱安定性の指標Δがある一定の値以上でなければならないことを意味する。この下限値は、メモリの容量や動作保証時間に応じて変化するが、概ね４０から７０の範囲にある。
Δが大きいほど熱耐性が強くなるが、同時に書き込みに必要なエネルギーも大きくなるために、必要以上に大きくすることは無駄である。
【００９１】
今、熱安定性の指標Δの設計値をΔ０とする。
すると、図９より、Δｅｘを調整したときにΔ＝Δ０となり得る条件は、Δ１＋Δ２＜Δ０＜Δ１である。
熱安定性の指標Δが同じときに、記憶層１４が強磁性層／結合層／強磁性層の３層構造からなる場合と、本技術のように５層構造からなる場合とで、Δｅｘを計算した。なおこの際、Δ１＝２００、Δ２＝−３００とした。
すると、３層構造においては、Δｅｘは２４０となった。
一方、本技術の５層構造による記憶層１４においては、Δｅｘは１２０となった。
【００９２】
このように本技術においては半分のΔｅｘで同じΔが得られるために、Δｅｘの大きさが制限されるときに好適である。
【００９３】
＜４．シミュレーション結果＞
次に、本実施の形態の記憶素子３用いた場合のスピン注入磁化反転について、比較のための従来の記憶素子３’とともに、シミュレーションを行った。
図１０は、或る電流における励起エネルギーＥと反転時間ｔｓの関係を示したものである。
なお、横軸は［式１］に従い、ｌｎ［（π／２）（Δ／Ｅ）1/2］とした。また、記憶層のΔは６０とした。
また、励起エネルギーＥは電流を流した時点における磁化方向から計算される値を用いる。磁化方向は熱揺らぎによって平衡状態からずれるが、励起エネルギーＥが大きいほど（図１０で言えば左側に行くほど）そのずれが大きいことを意味する。
【００９４】
先ず、従来の記憶素子３’においては、励起エネルギーＥと反転時間ｔｓの関係は［式１］で表されるものとなる。
図中の曲線Ｃ７２がそのシミュレーションの結果を示している。
【００９５】
横軸が励起エネルギーＥの対数でスケールされるとき、当該曲線Ｃ７２はほぼ直線となる。そして、励起エネルギーＥが大きいほど、短い時間で反転することが分かる。
【００９６】
一方、本実施の形態の記憶素子３を用いた場合の励起エネルギーＥと反転時間ｔｓの関係は、図中の曲線Ｃ７１となる。
従来の記憶素子３’に係る曲線Ｃ７２とは異なり、励起エネルギーＥが減少したときに、反転時間ｔｓの増加が約８．２ｎｓで止まっていることが確認できる。これは、励起エネルギーＥが０（図１０の横軸では正の無限大）のときでも、磁化Ｍ１の向きが垂直軸ａＶから傾いているために、有限のスピントルクが働くためである。
【００９７】
図１０の曲線Ｃ７１で示した計算例では、反転時間ｔｓは最大で８．２ｎｓである。このことは、電流を流した時点において、記憶層１４の磁化がどのような向きにあっても、反転時間ｔｓが８．２ｎｓを超えることがないことを意味している。すなわち、電流の供給時間（注入時間）が８．２ｎｓあれば、書き込みエラーを生ずることなく、書き込みを行うことができるものである。
【００９８】
これに対し、従来の記憶素子３’に係る曲線Ｃ７２では、反転時間ｔｓに最大値はなく、励起エネルギーＥの減少とともに増加する。本実施の形態の記憶素子３で書き込みエラーなく書き込むことのできる８．２ｎｓの電流供給の場合に、曲線Ｃ７２は点Ｐ７３を通る。このときの書き込みエラー率を求めると４．６×１０-3となる。このように、従来の記憶素子３’では、書き込みエラーなく書き込むことはできない。
【００９９】
以上の対比から理解されるように、励起エネルギーＥがどれだけ小さくても反転時間ｔｓがある一定の値に収まる本実施の形態の記憶素子３は、書き込みエラー率を低減するのに好適なものである。
また同時に、本実施の形態の記憶素子３は、従来の記憶素子３’よりも短い時間で書き込み動作を行うことができるものである。
【０１００】
本実施の形態の記憶素子３によれば、書き込みエラーを効果的に低減することができるので、書き込み動作の信頼性を向上できる。
また、より短い時間で書き込み動作を行うことができるので、動作の高速化を図ることができる。
すなわち、書き込み動作の信頼性が高く、高速に動作する記憶素子及び記憶装置を実現できるものである。
【０１０１】
＜５．変形例＞
以上、本技術に係る実施の形態について説明したが、本技術は上記により例示した具体例に限定されるべきものではない。
例えばこれまでの説明では、記憶素子全体の積層構造として、下層側から少なくとも磁化固定層１２、中間層１３、記憶層１４、キャップ層１５（垂直磁気異方性誘起層）の順で配置された積層構造としたが、本技術の記憶素子としては、磁化固定層１２、中間層１３、記憶層１４について、それらの積層順を上下逆にした配置も可能である。
【０１０２】
また、本技術に係る記憶素子３の構造は、ＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子の構成となるが、このＴＭＲ素子としての磁気抵抗効果素子は、上述の記憶装置のみならず、磁気ヘッド及びこの磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブ、集積回路チップ、さらにはパーソナルコンピュータ、携帯端末、携帯電話、磁気センサ機器をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。
【０１０３】
一例として図１１Ａ、図１１Ｂに、上記記憶素子３の構造による磁気抵抗効果素子１０１を複合型磁気ヘッド１００に適用した例を示す。なお、図１１Ａは、複合型磁気ヘッド１００について、その内部構造が分かるように一部を切り欠いて示した斜視図であり、図１１Ｂは複合型磁気ヘッド１００の断面図である。
【０１０４】
複合型磁気ヘッド１００は、ハードディスク装置等に用いられる磁気ヘッドであり、基板１２２上に、本技術に係る磁気抵抗効果型磁気ヘッドが形成されてなるとともに、当該磁気抵抗効果型磁気ヘッド上にインダクティブ型磁気ヘッドが積層形成されてなる。ここで、磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、再生用ヘッドとして動作するものであり、インダクティブ型磁気ヘッドは、記録用ヘッドとして動作する。すなわち、この複合型磁気ヘッド１００は、再生用ヘッドと記録用ヘッドを複合して構成されている。
【０１０５】
複合型磁気ヘッド１００に搭載されている磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、いわゆるシールド型ＭＲヘッドであり、基板１２２上に絶縁層１２３を介して形成された第１の磁気シールド１２５と、第１の磁気シールド１２５上に絶縁層１２３を介して形成された磁気抵抗効果素子１０１と、磁気抵抗効果素子１０１上に絶縁層１２３を介して形成された第２の磁気シールド１２７とを備えている。絶縁層１２３は、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2等のような絶縁材料からなる。
第１の磁気シールド１２５は、磁気抵抗効果素子１０１の下層側を磁気的にシールドするためのものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等のような軟磁性材からなる。この第１の磁気シールド１２５上に、絶縁層１２３を介して磁気抵抗効果素子１０１が形成されている。
【０１０６】
磁気抵抗効果素子１０１は、この磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおいて、磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子として機能する。そして、この磁気抵抗効果素子１０１は、上述した記憶素子３と同様な膜構成（層構造）とされる。
この磁気抵抗効果素子１０１は、略矩形状に形成されてなり、その一側面が磁気記録媒体対向面に露呈するようになされている。そして、この磁気抵抗効果素子１０１の両端にはバイアス層１２８，１２９が配されている。またバイアス層１２８，１２９と接続されている接続端子１３０，１３１が形成されている。接続端子１３０，１３１を介して磁気抵抗効果素子１０１にセンス電流が供給される。
さらにバイアス層１２８，１２９の上部には、絶縁層１２３を介して第２の磁気シールド層１２７が設けられている。
【０１０７】
以上のような磁気抵抗効果型磁気ヘッドの上に積層形成されたインダクティブ型磁気ヘッドは、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２によって構成される磁気コアと、当該磁気コアを巻回するように形成された薄膜コイル１３３とを備えている。
上層コア１３２は、第２の磁気シールド１２７と共に閉磁路を形成して、このインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアとなるものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等のような軟磁性材からなる。ここで、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２は、それらの前端部が磁気記録媒体対向面に露呈し、且つ、それらの後端部において第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２が互いに接するように形成されている。ここで、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２の前端部は、磁気記録媒体対向面において、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２が所定の間隙ｇをもって離間するように形成されている。
すなわち、この複合型磁気ヘッド１００において、第２の磁気シールド１２７は、磁気抵抗効果素子１０１の上層側を磁気的にシールドするだけでなく、インダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアも兼ねており、第２の磁気シールド１２７と上層コア１３２によってインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアが構成されている。そして間隙ｇが、インダクティブ型磁気ヘッドの記録用磁気ギャップとなる。
【０１０８】
また、第２の磁気シールド１２７上には、絶縁層１２３に埋設された薄膜コイル１３３が形成されている。ここで、薄膜コイル１３３は、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２からなる磁気コアを巻回するように形成されている。図示していないが、この薄膜コイル１３３の両端部は、外部に露呈するようになされ、薄膜コイル１３３の両端に形成された端子が、このインダクティブ型磁気ヘッドの外部接続用端子となる。すなわち、磁気記録媒体への磁気信号の記録時には、これらの外部接続用端子から薄膜コイル１３３に記録電流が供給されることとなる。
【０１０９】
以上のように本技術の記憶素子としての積層構造体は、磁気記録媒体についての再生用ヘッド、すなわち磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子としての適用が可能である。
【０１１０】
また、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と、
垂直磁気異方性誘起層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記記憶層が、
第１の強磁性層と第１の結合層と第２の強磁性層と第２の結合層と第３の強磁性層とが同順に積層されており、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第３の強磁性層が上記垂直磁気異方性誘起層に接しており、上記結合層を介して隣接する上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合して、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している
記憶素子。
（２）
上記第１の強磁性層の磁化容易軸が膜面に垂直な方向であり、
上記第２の強磁性層の磁化容易軸が膜面内にあり、
上記第３の強磁性層の磁化容易軸が膜面に垂直な方向である
上記（１）に記載の記憶素子。
（３）
上記中間層と上記垂直磁気異方性誘起層とが酸化物で構成されている上記（１）又は（２）に記載の記憶素子。
（４）
上記第１の強磁性層が有する磁気エネルギーであって、上記第１の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第１の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第１の磁気エネルギーとし、上記第２の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第２の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第２の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第２の磁気エネルギーとし、さらに上記第３の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第３の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第３の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第３の磁気エネルギーとしたとき、
上記第１の磁気エネルギー及び上記第３の磁気エネルギーに対して上記第２の磁気エネルギーの符号が異なっている
上記（１）〜（３）に記載の記憶素子。
（５）
上記第１の結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との間の磁気的結合エネルギーを第１の層間磁気結合エネルギー、上記第２の結合層を介した上記第２の強磁性層と上記第３の強磁性層との間の磁気的結合エネルギーを第２の層間磁気結合エネルギーとしたとき、
上記第１の層間磁気結合エネルギーの絶対値が、
上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの積を上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの和で割った値の絶対値より小とされ、
上記第２の層間磁気結合エネルギーの絶対値が、
上記第２の磁気エネルギーと上記第３の磁気エネルギーとの積を上記第２の磁気エネルギーと上記第３の磁気エネルギーとの和で割った値の絶対値より小とされる
上記（４）に記載の記憶素子。
（６）
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と、
垂直磁気異方性誘起層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記記憶層が、
第１の強磁性層と第１の結合層と第２の強磁性層と第２の結合層と第３の強磁性層とが同順に積層されており、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第３の強磁性層が上記垂直磁気異方性誘起層に接しており、上記結合層を介して隣接する上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合して、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している記憶素子
を備えると共に、
上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、
上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部と
を備える記憶装置。
【符号の説明】
【０１１１】
１  ゲート電極、２  素子分離層、３  記憶素子、４  コンタクト層、６  ビット線、７  ソース領域、８  ドレイン領域、９  配線、１０  半導体基体、１１  下地層、１２  磁化固定層、１３  中間層、１４  記憶層、１４ａ,１４ｃ,１４ｅ  強磁性層、１４ｂ,１４ｄ  結合層、１５  キャップ層（垂直磁気異方性誘起層）
【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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