(57)【要約】  磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された第１磁化固定層と、磁化方向が可変な第１磁化自由層と、第１磁化固定層と第１磁化自由層とに挟まれた第１非磁性層と、磁化方向が固定された第２磁化固定層と、磁化方向が可変な第２磁化自由層と、第２磁化固定層と第２磁化自由層とに挟まれた第２非磁性層と、を備える。第１磁化固定層と第１磁化自由層は、垂直磁気異方性を有する。一方、第２磁化固定層と第２磁化自由層は、面内磁気異方性を有する。第１磁化自由層と第２磁化自由層は、互いに磁気的に結合している。また、各層に平行な平面において、第２磁化自由層の重心は、第１磁化自由層の重心からずれている。
2009054180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固定された第１磁化固定層と、
磁化方向が可変な第１磁化自由層と、
前記第１磁化固定層と前記第１磁化自由層とに挟まれた第１非磁性層と、
磁化方向が固定された第２磁化固定層と、
磁化方向が可変な第２磁化自由層と、
前記第２磁化固定層と前記第２磁化自由層とに挟まれた第２非磁性層と
を備え、
前記第１磁化固定層と前記第１磁化自由層は、垂直磁気異方性を有し、
前記第２磁化固定層と前記第２磁化自由層は、面内磁気異方性を有し、
前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層は、互いに磁気的に結合しており、
各層に平行な第１平面において、前記第２磁化自由層の重心は、前記第１磁化自由層の重心からずれている
磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求の範囲１に記載の磁気抵抗効果素子であって、
データ書き込み時、前記第１磁化自由層と前記第１磁化固定層との間に書き込み電流が流され、
データ読み出し時、前記第２磁化自由層と前記第２磁化固定層との間に読み出し電流が流される
磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求の範囲１又は２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第２磁化固定層の磁化方向は、前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層との間の重心のずれ方向と略平行あるいは略反平行である
磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求の範囲１乃至３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１平面において、前記第１磁化固定層の面積は、前記第１磁化自由層の面積より大きい
磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求の範囲１乃至４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１平面において、前記第２磁化固定層の面積は、前記第２磁化自由層の面積より小さい
磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求の範囲１乃至５のいずれか一項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磁化自由層の間に挟まれた第１導電層を備える
磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求の範囲６に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１導電層は、磁性体で形成される
磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求の範囲１乃至５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第２磁化自由層は、前記第１磁化自由層の一方の面に接触している
磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求の範囲８に記載の磁気抵抗効果素子であって、
更に、前記第２磁化自由層に電気的に接続された第２導電層を備える
磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
請求の範囲１乃至８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子であって、
データ書き込み時、前記第１磁化自由層と前記第１磁化固定層との間に書き込み電流が流れ、
前記書き込み電流は更に、前記第２磁化自由層と前記第２磁化固定層との間にも流れる
磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
請求の範囲１０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２磁化固定層との間に流れる前記書き込み電流の電流密度は、前記第１磁化自由層と前記第１磁化固定層との間に流れる前記書き込み電流の電流密度より小さい
磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
請求の範囲１乃至８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子であって、
複数の書き込み層群を備え、
前記複数の書き込み層群の各々が、前記第１磁化固定層、前記第１磁化自由層、及び前記第１非磁性層を有する
磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
請求の範囲１２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記複数の書き込み層群は、第１書き込み層群と第２書き込み層群を含み、
前記第１平面において、前記第２磁化自由層の重心は、前記第１書き込み層群の前記第１磁化自由層の重心と前記第２書き込み層群の前記第１磁化自由層の重心との間に位置する
磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
請求の範囲１３に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１平面において、前記第１書き込み層群の前記第１磁化自由層の重心と、前記第２磁化自由層の重心と、前記第２書き込み層群の前記第１磁化自由層の重心は、一直線上に並ぶ
磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
請求の範囲１３又は１４に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１書き込み層群の前記第１磁化自由層の磁化方向は、前記第２書き込み層群の前記第１磁化自由層の磁化方向と反平行である
磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
請求の範囲１５に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１書き込み層群の前記第１磁化固定層の磁化方向は、前記第２書き込み層群の前記第１磁化固定層の磁化方向と平行である
磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
請求の範囲１６に記載の磁気抵抗効果素子であって、
データ書き込み時、前記第１書き込み層群と前記第２書き込み層群の各々において、前記第１磁化自由層と前記第１磁化固定層との間に書き込み電流が流され、
前記第１書き込み層群を流れる前記書き込み電流の方向は、前記第２書き込み層群を流れる前記書き込み電流の方向の逆である
磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
請求の範囲１乃至１７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第２非磁性層は、Ｍｇ−Ｏを含有する
磁気抵抗効果素子。
【請求項１９】
請求の範囲１乃至１８のいずれか一項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２磁化固定層のうちの少なくとも一つは、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂを含有する
磁気抵抗効果素子。
【請求項２０】
アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを備える磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記複数の磁気メモリセルの各々は、請求の範囲１乃至１９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。特に、本発明は、スピン注入磁化反転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、磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction; MTJ）素子等の磁気抵抗効果素子を記憶素子として用いる不揮発性のランダムアクセスメモリである。ＭＲＡＭは、高速動作が可能で無限回の書き換え耐性を有し得ることから、盛んな研究開発が行われ、近年製品化に至っている。今後、ＭＲＡＭの汎用性をより高めるためには、書き込み電流の低減と読み出し信号の増大が要求される。これは、書き込み電流が低減されると、動作時の消費電力が低減されるだけでなく、チップ面積の低減によりコストも削減され、一方、読み出し信号量が増大すると、読み出し時間の短縮により高速動作が可能となるためである。【０００３】
書き込み電流を低減するための書き込み方式としては、次のようなスピン注入磁化反転（spin transfer magnetization switching）方式が提案されている。例えば、反転可能な磁化を有する第１の磁性層と、非磁性層と、磁化方向が固定された第２の磁性層が積層された記憶素子を考える。スピン注入磁化反転方式によれば、第２の磁性層と第１の磁性層の間で書き込み電流が流され、その書き込み電流を担うスピン偏極した伝導電子と第１の磁性層中の局在電子との間の相互作用により、第１の磁性層の磁化が反転させられる。データ書き込み時に記憶素子に直接電流を流すことは、一般的な書き込み方式である磁界印加方式（記憶素子近傍に配置された配線に書き込み電流を流し、それにより発生する磁界を印加することによって第１の磁性層の磁化を反転させる方式）と比較したときの大きな違いの１つである。また、スピン注入磁化反転方式の場合、電流密度がある閾値を超えたときに、磁化反転（書き込み）が発生する。セルサイズが縮小されるにつれて電流密度は増加するため、微細化に伴って書き込み電流も小さくすることができる。つまり、書き込み電流のスケーリング性が向上する。特開２００７−１４２３６４号公報（以下、「特許文献１」と参照される）には、磁化反転のための閾値電流密度が所望の値以下になるような材料特性が開示されている。それによれば、垂直磁化膜（perpendicular magnetization film）を磁性層として用い、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕと飽和磁化Ｍｓを適切に調整することによって、閾値電流密度を低減することができる。【０００４】
一方、読み出し信号を増大させるためには、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を増大させることが最も有効である。近年、高い磁気抵抗効果比を発現するＭＴＪ素子の開発が盛んに行われている。Ｈａｙａｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｈｉｇｈ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｏｎ  ｇｉａｎｔ  ｔｕｎｎｅｌ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｒａｔｉｏ  ｏｆ  ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ”，  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ，  Ｖｏｌ．  ８９，  ｐ．２３２５１０，  ２００６（以下、非特許文献１と参照される）では、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｍｇ−Ｏ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系のＭＴＪにおいて非常に大きなＭＲ比（室温で約５００％）が得られることが報告されている。Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｍｇ−Ｏ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系のＭＴＪにおいてこのような高いＭＲ比が得られる理由として、次のことが考えられている：（１）Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂが高いスピン分極率を有する、（２）アモルファス状のＣｏ−Ｆｅ−Ｂに挟まれたＭｇ−Ｏを高温でアニールすることによって、高いスピンフィルタリング効果を発現する（００１）配向した多結晶のＭｇＯが形成される。
【発明の開示】
【０００５】
本願発明者は次の点に着目した。上述の通り、スピン注入磁化反転方式において、書き込み閾値電流密度を低減してＭＲＡＭの書き込み電流を低減するためには、材料特性が適切に調整された垂直磁化膜を磁性層として用いることが考えられる。一方、ＭＲ比を高めてＭＲＡＭの読み出し信号を増大させるためには、高いスピン分極率を有する磁性層と、高いスピンフィルタリング効果を発現する絶縁層からなるＭＴＪを用いることが考えられる。
【０００６】
しかしながら、書き込み閾値電流密度の低減のために適当な材料特性を有する垂直磁化膜が磁性層として用いられる場合、高いＭＲ比を発現するＭＴＪを開発することは困難となる。上述の特許文献１には、垂直磁化膜の好適な材料特性として、飽和磁化がより小さいことが述べられている。一方で、磁性層のスピン分極率は、一般的に、飽和磁化が大きいほど高くなり、飽和磁化が小さいほど低くなる。従って、垂直磁化膜の好適な材料特性では、高いスピン分極率が得られず、ＭＲ比を向上させることが困難となる。すなわち、スピン注入磁化反転における書き込み閾値電流密度の低減と、ＭＲ比の向上とは、互いに相反する関係にある。
【０００７】
また、高いスピン分極率を有するＣｏ−Ｆｅ−Ｂの薄膜は、磁気異方性が膜面平行方向となる面内磁化膜（in-plane magnetization film）である。このような面内磁化膜が磁性層として用いられる場合、スピン注入磁化反転における書き込み閾値電流密度を十分に低減することは困難となる。
【０００８】
本発明の１つの目的は、スピン注入磁化反転方式のＭＲＡＭにおいて、書き込み特性及び読み出し特性をそれぞれ独立に向上させることができる技術を提供することにある。
【０００９】
本発明の１つの観点において、スピン注入磁化反転方式の磁気抵抗効果素子が提供される。その磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された第１磁化固定層と、磁化方向が可変な第１磁化自由層と、第１磁化固定層と第１磁化自由層とに挟まれた第１非磁性層と、磁化方向が固定された第２磁化固定層と、磁化方向が可変な第２磁化自由層と、第２磁化固定層と第２磁化自由層とに挟まれた第２非磁性層と、を備える。第１磁化固定層と第１磁化自由層は、垂直磁気異方性を有する。一方、第２磁化固定層と第２磁化自由層は、面内磁気異方性を有する。第１磁化自由層と第２磁化自由層は、互いに磁気的に結合している。また、各層に平行な第１平面において、第２磁化自由層の重心は、第１磁化自由層の重心からずれている。
【００１０】
本発明によれば、スピン注入磁化反転方式のＭＲＡＭにおいて、書き込み特性及び読み出し特性をそれぞれ独立に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
上記及び他の目的、長所、特徴は、次の図面と共に説明される本発明の実施の形態により明らかになるであろう。【００１２】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の原理を説明するための概念図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の原理を説明するための概念図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、実施の形態に係る磁気抵抗効果素子のメモリ状態を説明するためのｘ−ｚ側面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、実施の形態に係る磁気抵抗効果素子のメモリ状態を説明するためのｘ−ｚ側面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、実施の形態に係る磁気抵抗効果素子への情報の書き込み方法を説明するための概念図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、実施の形態に係る磁気抵抗効果素子への情報の書き込み方法を説明するための概念図である。
【図４Ａ】図４Ａは、実施の形態に係る磁気抵抗効果素子からの情報の読み出し方法を説明するための概念図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、実施の形態に係る磁気抵抗効果素子からの情報の読み出し方法を説明するための概念図である。
【図５】図５は、１ビット分の磁気メモリセルの回路構成の一例を示す回路図である。
【図６Ａ】図６Ａは、第１の変形例における磁気抵抗効果素子の構造の一例を示す斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、第１の変形例における磁気抵抗効果素子の構造の他の例を示す斜視図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、図７Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、第１の変形例における磁気抵抗効果素子の構造の更に他の例を示す斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、図８Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、図８Ａで示された構造のｙ−ｚ側面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、第２の変形例における磁気抵抗効果素子の構造の一例を示す斜視図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図９Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、第２の変形例に係る磁気抵抗効果素子への情報の書き込み方法を説明するための概念図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、第２の変形例に係る磁気抵抗効果素子からの情報の読み出し方法を説明するための概念図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、第２の変形例における磁気抵抗効果素子の構造の他の例を示す斜視図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１１Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、第２の変形例における磁気抵抗効果素子の構造の更に他の例を示す斜視図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１２Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、第３の変形例における磁気抵抗効果素子の構造の一例を示す斜視図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１３Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、第３の変形例における磁気抵抗効果素子の構造の他の例を示す斜視図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１４Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、第４の変形例における磁気抵抗効果素子の構造の一例を示す斜視図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、図１５Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、図１５Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、第４の変形例に係る磁気抵抗効果素子のメモリ状態を説明するためのｘ−ｚ側面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、第４の変形例に係る磁気抵抗効果素子のメモリ状態を説明するためのｘ−ｚ側面図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、第４の変形例に係る磁気抵抗効果素子への情報の書き込み方法を説明するための概念図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、第４の変形例に係る磁気抵抗効果素子からの情報の読み出し方法を説明するための概念図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、第５の変形例における磁気抵抗効果素子の構造の一例を示す斜視図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、図１８Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、図１８Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、第６の変形例における磁気抵抗効果素子の構造の一例を示す斜視図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、図１９Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、図１９Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、第６の変形例に係る磁気抵抗効果素子への情報の書き込み方法を説明するための概念図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、第６の変形例に係る磁気抵抗効果素子からの情報の読み出し方法を説明するための概念図である。
【図２１】図２１は、本発明の実施の形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の一実施の形態によれば、スピン注入磁化反転方式の磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭが提供される。ＭＲＡＭは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを有しており、各磁気メモリセルが磁気抵抗効果素子を有している。添付図面を参照して、実施の形態に係る磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭを説明する。【００１４】
（磁気抵抗効果素子の構成）
図１Ａは、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１の構造を示す斜視図である。図１Ｂ及び図１Ｃのそれぞれは、図１Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図及びｘ−ｚ側面図である。尚、磁気抵抗効果素子１は複数の層からなる積層構造を有しており、その積層方向がｚ軸方向として規定される。積層構造の各層に平行な平面がｘ−ｙ平面である。【００１５】
本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１は、第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０、第１磁化自由層３０、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０、及び第２磁化固定層６０を備えている。第１磁化固定層１０は、第１スペーサー層２０の一方の面に隣接して設けられ、第１磁化自由層３０は、第１スペーサー層２０の他方の面に隣接して設けられている。つまり、第１スペーサー層２０は、第１磁化固定層１０と第１磁化自由層３０とに挟まれている。また、第２磁化固定層６０は、第２スペーサー層５０の一方の面に隣接して設けられ、第２磁化自由層４０は、第２スペーサー層５０の他方の面に隣接して設けられている。つまり、第２スペーサー層５０は、第２磁化固定層６０と第２磁化自由層４０とに挟まれている。【００１６】
図１Ａ〜図１Ｃで示された例において、磁気抵抗効果素子１は更に、第１導電層７０及び第２導電層８０を備えている。第１導電層７０は、第１磁化自由層３０及び第２磁化自由層４０に電気的に接続するように設けられている。特に、図１Ａ及び図１Ｃに示されるように、第１導電層７０は、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０の間に挟まれている。第２導電層８０は、第１導電層７０に電気的に接続するように設けられている。尚、後に説明されるように、第１導電層７０や第２導電層８０を省略することも可能である。【００１７】
また、図示されていないが、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。【００１８】
第１スペーサー層２０及び第２スペーサー層５０の各々は、非磁性体により形成される非磁性層である。第１スペーサー層２０及び第２スペーサー層５０の電気特性はいかようであってもよく、その材料は導電体でも絶縁体でも半導体でも構わない。但し、第２スペーサー層５０については絶縁体により形成されることが好適である。【００１９】
第１磁化固定層１０、第１磁化自由層３０、第２磁化自由層４０、及び第２磁化固定層６０の各々は、強磁性体により形成される強磁性層である。このうち第１磁化固定層１０及び第１磁化自由層３０は、垂直磁気異方性（perpendicular magnetic anisotropy）を有する垂直磁化膜(perpendicular magnetization film)である。つまり、第１磁化固定層１０及び第１磁化自由層３０は、膜面垂直方向（ｚ軸方向）の磁気異方性を有する。一方、第２磁化自由層４０及び第２磁化固定層６０は、面内磁気異方性（in-plane magnetic anisotropy）を有する面内磁化膜（in-plane magnetization film）である。つまり、第２磁化自由層４０及び第２磁化固定層６０は、膜面平行方向の磁気異方性を有する。【００２０】
図１Ｃには、各層の磁化方向が示されている。第１磁化固定層１０の磁化方向は、実質的に一方向に固定されている。一方、第１磁化自由層３０の磁化方向は、反転可能である。第１磁化固定層１０及び第１磁化自由層３０は垂直磁気異方性を有しているため、それらの磁化方向はｚ軸と略平行となる。図１Ｃで示された例では、第１磁化固定層１０の磁化は、＋ｚ方向に固定されている。一方、第１磁化自由層３０の磁化は、＋ｚ方向あるいは−ｚ方向となることが許される。つまり、第１磁化自由層３０の磁化方向は、第１磁化固定層１０の磁化方向に対して平行または反平行となり得る。【００２１】
また、第２磁化固定層６０の磁化方向は、実質的に一方向に固定されている。一方、第２磁化自由層４０の磁化方向は、反転可能である。第２磁化固定層６０及び第２磁化自由層４０は面内磁気異方性を有しているため、それらの磁化方向は膜面（ｘ−ｙ平面）に略平行となる。図１Ｃで示された例では、第２磁化固定層６０の磁化は、＋ｘ方向に固定されている。一方、第２磁化自由層４０の磁化は、＋ｘ方向あるいは−ｘ方向の成分を有する。つまり、第２磁化自由層４０の磁化方向は、第２磁化固定層６０の磁化方向と平行または反平行となる成分を有する。【００２２】
このように、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１は、第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０及び第１磁化自由層３０からなる「第１磁気抵抗効果素子」と、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０からなる「第２磁気抵抗効果素子」とを含んでいる。第１磁気抵抗効果素子は垂直磁化膜を含んでおり、第２磁気抵抗効果素子は面内磁化膜を含んでいることに留意されたい。後述されるように、第１磁気抵抗効果素子はデータ書き込みで用いられ、第２磁気抵抗効果素子はデータ読み出しで用いられる。【００２３】
また、第１磁気抵抗効果素子の第１磁化自由層３０と第２磁気抵抗効果素子の第２磁化自由層４０とは、異なる層に形成されているが、互いに磁気的に結合している。言い換えれば、第１磁化自由層３０の磁化状態と第２磁化自由層４０の磁化状態とは、互いに影響を及ぼし合う。特に、後述されるように、第１磁化自由層３０の磁化状態が第２磁化自由層４０の磁化状態に影響を及ぼすことが重要である【００２４】
また、図１Ｂには、ｘ−ｙ平面における、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０及び第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０の位置が示されている。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、幾何学形状の任意の点ｉの位置ベクトルがＲｉ＝（Ｘｉ，Ｙｉ）であるとき、重心の位置ベクトルＲｇ＝（Ｘｇ，Ｙｇ）は、Σｉ（Ｒｉ−Ｒｇ）＝０の関係を満たす。ここでΣｉは、ｉに関する総和を意味する。例えば、長方形や平行四辺形の場合、重心は対角線の交点であり、楕円形の場合、重心はその中心である。【００２５】
本実施の形態によれば、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０と第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、ｘ−ｙ平面においてずれている。つまり、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０から、膜面に平行な“第１の方向”にずれている。図１Ｂで示された例では、第１の方向（ずれ方向）は＋ｘ方向である。第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０は、少なくとも一部オーバーラップしていてもよいし、オーバーラップしていなくてもよい。【００２６】
尚、各層のｘ−ｙ平面における形状は長方形に限られず、円形、楕円形、ひし形、六角形などであってもよい。また、適切な特性が得られるように、各層の表面に適宜凹凸を設けることも可能である。また、各層の面積についても任意性がある。【００２７】
（原理）
次に、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１の原理を詳細に説明する。図２Ａ及び図２Ｂには、第１磁化自由層３０の磁化によって周辺に発生する漏れ磁界（漏れ磁束）が模式的に示されている。図２Ａはｘ−ｚ面内における状態を示し、図２Ｂはｘ−ｙ面内における状態を示している。【００２８】
第１磁化自由層３０の磁化方向が＋ｚ軸方向に一様に揃っている場合を考える。この場合、漏れ磁界の磁力線は、図２Ａに示されるようにおおよそダイポール形状を有し、第１磁化自由層３０の上面（正磁極側）から出て、滑らかに下面（負磁極側）につながる。また、図２Ｂに示されるように、漏れ磁界は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０から放射状に広がる。つまり、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０近傍では、漏れ磁界はほぼｚ方向であり、第１磁化自由層３０の端部に近づくにつれて、漏れ磁界はより大きなｘｙ成分（膜面平行方向成分）を有するようになる。【００２９】
上述の通り、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０から“第１の方向”にずれている。従って、第１磁化自由層３０の磁化によって発生する漏れ磁界は、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０の位置において、“第１の方向”に沿ったｘｙ成分を有することになる。すなわち、第１磁化自由層３０の磁化は、第２磁化自由層４０に対して“第１の方向”と略平行あるいは略反平行な磁気力を及ぼす。その結果、第２磁化自由層４０の磁化は、“第１の方向”と略平行あるいは略反平行の成分を有することになる。【００３０】
図２Ｃ及び図２Ｄのそれぞれは、磁気抵抗効果素子１が取り得る２つのメモリ状態を例示している。図２Ｃ及び図２Ｄで示される例では、第１磁化固定層１０の磁化方向は＋ｚ方向に固定されており、第２磁化固定層６０の磁化方向は＋ｘ方向に固定されている。但し、これらのうち一方、または両方の磁化方向が逆であってもよい。また、本例において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０の第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０に対するずれ方向（第１の方向）は、＋ｘ方向である。この第１の方向も任意である。但し、第１の方向は、第２磁化固定層６０の磁化方向と略平行あるいは略反平行であることが望ましい。【００３１】
図２Ｃでは、第１磁化自由層３０の磁化は＋ｚ方向を向いている。この場合、第１磁化自由層３０からの漏れ磁界は、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０の位置において、第１の方向に沿った＋ｘ成分を有する。従って、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０との磁気的結合により、第２磁化自由層４０の磁化は＋ｘ方向の成分を持つことになる。このとき、第２磁化自由層４０の磁化方向は、第２磁化固定層６０の磁化方向と“平行”となる成分を持ち、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０からなる第２磁気抵抗効果素子の抵抗値は比較的小さくなる。図２Ｃで示されるメモリ状態は、以下“０”状態と参照される。【００３２】
一方、図２Ｄでは、第１磁化自由層３０の磁化は−ｚ方向を向いている。この場合、第１磁化自由層３０からの漏れ磁界は、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０の位置において、第１の方向に沿った−ｘ成分を有する。従って、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０との磁気的結合により、第２磁化自由層４０の磁化は−ｘ方向の成分を持つことになる。このとき、第２磁化自由層４０の磁化方向は、第２磁化固定層６０の磁化方向と“反平行”となる成分を持ち、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０からなる第２磁気抵抗効果素子の抵抗値は比較的大きくなる。図２Ｄで示されるメモリ状態は、以下“１”状態と参照される。【００３３】
以上に例示されたように、磁化自由層３０と４０との間の重心のずれ及び磁気的結合により、第２磁化自由層４０の磁化方向は、第１磁化自由層３０の磁化方向に応じて“一意的”に決まる。第１磁化自由層３０の磁化方向が反転すると、第２磁化自由層４０の磁化方向も変わる。その結果、第２磁化自由層４０と第２磁化固定層６０との間の磁化方向の相対角に違いが生じ、“０”状態及び“１”状態の２つのメモリ状態が実現される。つまり、第１磁化自由層３０の磁化方向に応じて、２つのメモリ状態が実現される。【００３４】
尚、第２磁化固定層６０の固定磁化の方向は、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０との間の重心のずれ方向（第１の方向）と略平行あるいは略反平行であることが好適である。それは、第２磁化自由層４０の変動磁化が、第１磁化自由層３０の磁化方向に応じて、第１の方向と略平行あるいは略反平行の成分を有するからである。第２磁化固定層６０の固定磁化の方向が第１の方向と略平行あるいは略反平行である場合、その固定磁化の方向と第２磁化自由層４０の変動磁化の方向との間の相対角の変化が顕著となる。その結果、２つのメモリ状態間の差異が顕著となる。【００３５】
本実施の形態では、第１磁化自由層３０において垂直方向の磁化成分として記憶された情報が、磁気的結合を介して、第２磁化自由層４０の膜面方向の磁化成分に伝達されていると言える。そのような情報の伝達が実現される限り、磁気的結合の方式は、上述の漏れ磁界を利用したものに限られない。例えば交換結合を利用した方式など、あらゆる磁気結合方式によって、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０とが磁気的に関連付けられ得る。【００３６】
また、上述の例では、第２磁化自由層４０の磁化が第１磁化自由層３０からの漏れ磁界によって完全に飽和する場合が説明されている。実際には、第２磁化自由層４０の磁化は飽和しきらなくてもよい。第１磁化自由層３０の磁化方向の違いに応じて、第２磁化自由層４０の磁化方向に違いが生ずればよい。【００３７】
また、第２磁化自由層４０の磁化方向を第１磁化自由層３０の磁化方向に応じて変えることができれば、第２磁化自由層４０の磁化容易軸はどの方向に沿っていても構わない。上述の例のようにｘ軸方向に沿った磁化容易軸の場合、第２磁化自由層４０の磁化は、磁化容易軸に沿った方向間で反転する。一方、ｙ軸方向に沿った磁化容易軸の場合、第２磁化自由層４０の磁化は、磁化容易軸を中心とする磁化困難軸方向へ回転する。【００３８】
また、第２磁化自由層４０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、第２磁化自由層４０の磁気異方性が極度に大きくなると、第１磁化自由層３０からの漏れ磁界による磁化反転が困難になるためである。また、第２磁化自由層４０の磁気異方性は、結晶磁気異方性によって付与されてもよく、形状磁気異方性によって付与されてもよい。また、第２磁化自由層４０は、複数の強磁性体からなる積層膜であってもよい。それら強磁性体の間には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。【００３９】
（データ書き込み方法、データ読み出し方法）
次に、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１に対するデータ書き込み／読み出し方法を説明する。【００４０】
図３Ａ及び図３Ｂは、磁気抵抗効果素子１へのデータ書き込み方法を説明するための概念図である。データ書き込みは、「スピン注入磁化反転方式」により実現される。具体的には、第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０及び第１磁化自由層３０からなる「第１磁気抵抗効果素子」が利用され、第１磁化固定層１０と第１磁化自由層３０との間に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが流される。【００４１】
図３Ａには、“０”状態（図２Ｃ参照）から“１”状態（図２Ｄ参照）への遷移、すなわち、“１”書き込み時の書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの経路が示されている。図３Ａに示されるように、“０”状態において矢印の方向に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが導入された場合を考える。この場合、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは、第１磁化固定層１０から第１スペーサー層２０を通して第１磁化自由層３０へ流れ、伝導電子は、第１磁化自由層３０から第１スペーサー層２０を通して第１磁化固定層１０へと流れる。図３Ａでは、第１磁化固定層１０の磁化方向は＋ｚ方向に固定されており、−ｚ方向のスピン角運動量を有する伝導電子は、＋ｚ方向のスピン角運動量を有する伝導電子に比べると、第１磁化固定層１０の界面でより多く反射される。結果として、第１磁化自由層３０内では、−ｚ方向のスピン角運動量を有する電子がマジョリティとなり、−ｚ方向への磁化反転が誘起される。第１磁化自由層３０の磁化が−ｚ方向に反転すると、上述の磁気的結合により、第２磁化自由層４０の磁化は−ｘ方向の成分を有するようになる。すなわち、図２Ｄで示された“１”状態が得られる。【００４２】
一方、図３Ｂには、“１”状態（図２Ｄ参照）から“０”状態（図２Ｃ参照）への遷移、すなわち、“０”書き込み時の書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの経路が示されている。図３Ｂに示されるように、“１”状態において矢印の方向に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが導入された場合を考える。この場合、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは、第１磁化自由層３０から第１スペーサー層２０を通して第１磁化固定層１０へ流れ、伝導電子は、第１磁化固定層１０から第１スペーサー層２０を通して第１磁化自由層３０へと流れる。図３Ｂでは、第１磁化固定層１０の磁化方向は＋ｚ方向に固定されており、＋ｚ方向のスピン角運動量を有する多くの伝導電子が第１磁化自由層３０へ流れ込む。結果として、第１磁化自由層３０内では、＋ｚ方向のスピン角運動量を有する電子がマジョリティとなり、＋ｚ方向への磁化反転が誘起される。第１磁化自由層３０の磁化が＋ｚ方向に反転すると、上述の磁気的結合により、第２磁化自由層４０の磁化は＋ｘ方向の成分を有するようになる。すなわち、図２Ｃで示された“０”状態が得られる。【００４３】
このようにして、“０”状態からの“１”書き込み、及び、“１”状態からの“０”書き込みが実現される。また、図示されていないが、“０”状態からの“０”書き込み、及び、“１”状態からの“１”書き込み、すなわちオーバーライトも可能である。【００４４】
尚、図３Ａで示された例では、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは第１磁気抵抗効果素子から第１導電層７０を経由して第２導電層８０に流れ出し、図３Ｂで示された例では、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは第２導電層８０から第１導電層７０を経由して第１磁気抵抗効果素子に流れ込んでいる。しかしながら、第１磁気抵抗効果素子への書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの流し方は、図３Ａや図３Ｂで示された例に限られない。第１磁化固定層１０と第１磁化自由層３０との間で双方向に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが流れればよく、その他の部分の電流経路は適宜設計され得る。【００４５】
また、第１磁化固定層１０と第１磁化自由層３０との接合に関しては面積が適度に小さいことが望ましい。これは、面積が小さくなるにつれ、電流密度が増加し、書き込みに要する電流値が低減され得るためである。好適には特徴長が１００ｎｍ以下であることが望ましい。【００４６】
図４Ａ及び図４Ｂは、磁気抵抗効果素子１からのデータ読み出し方法を説明するための概念図である。データ読み出しでは、磁気抵抗効果による抵抗値の大小が検出される。そのために、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０からなる「第２磁気抵抗効果素子」が利用され、第２磁化自由層４０と第２磁化固定層６０との間に読み出し電流Ｉｒｅａｄが流される。【００４７】
図４Ａには、“０”状態（図２Ｃ参照）の場合が示されている。この場合、第２磁化自由層４０の磁化方向は、第２磁化固定層６０の磁化方向と略平行であり、第２磁気抵抗効果素子の抵抗値は比較的小さい。一方、図４Ｂには、“１”状態（図２Ｄ参照）の場合が示されている。この場合、第２磁化自由層４０の磁化方向は、第２磁化固定層６０の磁化方向と略反平行であり、第２磁気抵抗効果素子の抵抗値は比較的大きい。つまり、読み出し電流Ｉｒｅａｄ、あるいは読み出し電流Ｉｒｅａｄに応じた読み出し電圧の大きさは、“０”状態あるいは“１”状態によって変化する。従って、その読み出し電流Ｉｒｅａｄあるいは読み出し電圧を所定のリファレンスレベルと比較することにより、“０”状態か“１”状態かを判定することができる。すなわち、磁気抵抗効果素子１に記録された情報を読み出すことができる。【００４８】
尚、図４Ａ及び図４Ｂで示された例では、読み出し電流Ｉｒｅａｄが第１導電層７０及び第２導電層８０を経由して流れている。しかしながら、第２磁気抵抗効果素子への読み出し電流Ｉｒｅａｄの流し方は、図４Ａや図４Ｂで示された例に限られない。第２磁化自由層４０と第２磁化固定層６０との間で双方向に読み出し電流Ｉｒｅａｄが流れればよく、その他の部分の電流経路は適宜設計され得る。【００４９】
以上に説明されたように、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１では、第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０及び第１磁化自由層３０がデータ書き込み時に用いられる。この意味で、第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０及び第１磁化自由層３０は、「書き込み層群」と参照される。一方、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０は、データ読み出し時に用いられる。この意味で、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０は、「読み出し層群」と参照される。【００５０】
本実施の形態によれば、書き込み層群と読み出し層群は、別々に設けられるが、磁気結合を通して互いに関連し合っている。書き込み層群の第１磁化自由層３０に書き込まれた情報は、磁気的結合を介して、読み出し層群の第２磁化自由層４０に伝達される。逆に言えば、磁気的結合を介した情報伝達があるため、書き込み用の書き込み層群と読み出し用の読み出し層群を別々に設けることが可能となる。従って、所望の特性が得られるように書き込み層群と読み出し層群をそれぞれ独立に最適化することができ、結果として、書き込み特性の向上と読み出し特性の向上を同時に実現することが可能となる。例えば、書き込み閾値電流密度の低減のために適切な材料特性を有する垂直磁化膜を書き込み層群に適用し、且つ、高いＭＲ比を発現するＭＴＪを読み出し層群に適用することができる。【００５１】
（材料）
次に、磁気抵抗効果素子１の各層の材料について例示する。以下に示される材料は全て例であり、実際には上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。【００５２】
垂直磁化膜である第１磁化固定層１０及び第１磁化自由層３０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強磁性体で形成される。また、ＰｔやＰｄを添加することにより、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り、磁気特性を調整することができる。具体的な材料としては、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。そのほか、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などの積層膜が例示される。【００５３】
面内磁化膜である第２磁化自由層４０及び第２磁化固定層６０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強磁性体で形成される。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などを添加することにより、磁気特性を調整することができる。具体的な材料としては、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。【００５４】
第１スペーサー層２０には、様々な材料を用いることができる。例えばＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕなどの導電体を用いることができる。また、Ｍｇ−Ｏのような絶縁体を用いてもよい。図３Ａ及び図３Ｂで示されたように、第１スペーサー層２０は書き込み電流の経路上に存在する。一般的に、書き込み電流経路の抵抗は低いことが望ましい。この点では、抵抗の低い材料が好ましい。一方、第１スペーサー層２０が一方のスピン偏極電子を優先的に通過させるようなフィルタリング効果を有していれば、書き込みに要する電流密度は低減される。この点では、Ｍｇ−Ｏが好適である。第１スペーサー層２０の材料は、当該磁気抵抗効果素子１のアプリケーションに応じて適切に選択され得る。【００５５】
第２スペーサー層５０は、絶縁性の材料により形成されることが好ましい。具体的な材料としては、Ｍｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが例示される。ただし、半導体や金属を材料として用いることも可能である。【００５６】
尚、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０は、図４Ａ及び図４Ｂで示されたように読み出し電流の経路上に存在するため、高いＭＲ比を発現するような材料により形成されることが好ましい。例えば近年、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｍｇ−Ｏ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）において５００％級の非常に大きなＭＲ比が得られることが報告されている（非特許文献１参照）。この観点から言えば、第２スペーサー層５０は、Ｍｇ−Ｏを含有することが好ましい。また、第２磁化自由層４０と第２磁化固定層６０の少なくとも１つが、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂを含有することが好ましい。【００５７】
また、磁化が反平行結合した積層膜（積層フェリ結合膜）を、第１磁化固定層１０や第２磁化固定層６０といった磁化固定層に適用することもできる。この場合、磁化固定層の磁化をより強固に固定し、外部への漏れ磁界の影響を低減することができる。反平行結合の様式としては、静磁結合や、ＲＫＫＹ相互作用に基づく交換結合が考えられる。例えば、第２磁化固定層６０を、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｒｕ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂの積層膜で形成することができる。これにより、上下のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜は、Ｒｕ膜のＲＫＫＹ相互作用によって反平行結合する。その結果、固定磁化をより強固にし、さらに外部への漏れ磁界を低減することができる。【００５８】
また、第１磁化固定層１０や第２磁化固定層６０といった磁化固定層に反強磁性層を隣接させることにより、磁化を更に強固に固定することができる。反強磁性層の材料としては、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎなどが例示される。例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｒｕ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂの第２磁化固定層６０に、Ｐｔ−Ｍｎの反強磁性層を隣接させることが考えられる。【００５９】
第１導電層７０及び第２導電層８０は、電気抵抗の小さな材料により形成されることが好ましい。また、第１導電層７０の材料を適切に選択することにより、直下の第１磁化自由層３０を加工プロセスから保護することができる。この点では、化学安定性の高い材料が望ましい。また、第２磁化自由層４０の下地層としての第１導電層７０の材料を適切に選択することにより、第２磁化自由層４０の成長をコントロールすることができる。【００６０】
また、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０の間に挟まれる第１導電層７０は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の磁性体により形成されてもよい。この場合、第１磁化自由層３０からの漏れ磁束を第２磁化自由層４０に効率的に伝達することができ、上述の磁気的結合の観点から好適である。この観点からは、第１導電層７０は、透磁率の高い材料で形成されることが好ましい。【００６１】
（回路構成）
次に、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１を有する磁気メモリセルに書き込み電流及び読み出し電流を導入するための回路構成を説明する。【００６２】
図５は、磁気メモリセルの１ビット分の回路の構成例を示している。図５に示される例では、磁気抵抗効果素子１は３端子の素子であり、ワード線ＷＬ、グラウンド線ＧＬ、及びビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。例えば、第２磁化固定層６０につながる端子は、読み出しのためのグラウンド線ＧＬに接続されている。第１磁化固定層１０につながる端子は、トランジスタＴＲａのソース／ドレインの一方に接続され、ソース／ドレインの他方は、ビット線ＢＬａに接続されている。第２導電層８０につながる端子は、トランジスタＴＲｂのソース／ドレインの一方に接続され、ソース／ドレインの他方は、ビット線ＢＬｂに接続されている。トランジスタＴＲａ、ＴＲｂのゲートは、共通のワード線ＷＬに接続されている。【００６３】
データ書き込み時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線対ＢＬａ、ＢＬｂの一方がＨｉｇｈレベルに設定され、他方がＬｏｗレベル（グラウンドレベル）に設定される。その結果、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、磁気抵抗効果素子１の書き込み層群を経由して、ビット線ＢＬａとビット線ＢＬｂとの間で書き込み電流が流れる。ビット線対ＢＬａ、ＢＬｂのいずれをＨｉｇｈレベルに設定するかで、書き込み電流の方向を制御することができる、すなわち、データ“０”と“１”を書き分けることができる。【００６４】
データ読み出し時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線ＢＬａはオープン状態に設定され、ビット線ＢＬｂはＨｉｇｈレベルに設定される。その結果、読み出し電流が、ビット線ＢＬｂからトランジスタＴＲｂ及び磁気抵抗効果素子１の読み出し層群を経由してグラウンド線ＧＬへ流れる。磁気抵抗効果を利用した高速読み出しが可能となる。【００６５】
（効果）
本実施の形態によれば、スピン注入磁化反転方式のＭＲＡＭにおいて、書き込み特性及び記録データ保持特性と読み出し特性とを独立に向上させることができる。これは、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１において、書き込み及び記録データの保持を担う部分と、読み出しを担う部分が異なることに起因する。特許文献１で述べられているように、諸定数が適切に設定された垂直磁化膜を用いることにより、５ＭＡ／ｃｍ２以下の書き込み閾値電流密度でスピン注入磁化反転を行うことができる。一方、非特許文献１で述べられているように、ある積層構成からなるＭＴＪを用いることにより、５００％に近いＭＲ比を得ることができる。本実施の形態によれば、データ書き込み／保持を司る第１磁化固定層１０及び第１磁化自由層３０を垂直磁化膜で形成することにより、書き込み閾値電流密度を低減することが可能となる。且つ、データ読み出しを司る第２磁化自由層４０及び第２磁化固定層６０を面内磁化膜で形成することにより、ＭＲ比を高めて読み出し信号を増大させることが可能となる。【００６６】
ここで、書き込み閾値電流密度を低減するために垂直磁化膜を用いた１つのＭＴＪを考える。その同じＭＴＪの読み出し特性を同時に向上させることは、次の理由から難しいと考えられる。特許文献１でも述べられているように、書き込み閾値電流密度の低減を実現するためには、記録層（今の場合、第１磁化自由層３０に相当）の飽和磁化は適度に小さいことが望ましい。しなしながら、一般的に、飽和磁化が小さくなると、磁性層のスピン分極率は低下する。スピン分極率が低下すると、読み出し信号の大きさに寄与するＭＲ比が小さくなってしまう。すなわち、書き込み閾値電流密度の低減に好適な垂直磁化膜では、読み出し特性の向上が図れない。【００６７】
一方、高いＭＲ比が得られる面内磁化膜（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ等）を用いた１つのＭＴＪを考える。その同じＭＴＪにおいては、書き込み閾値電流密度を十分に低減することは困難である。また、素子サイズが縮小された場合には、保持情報の熱擾乱耐性の確保が難しくなる。本実施の形態によれば、垂直磁化膜で形成される第１磁化自由層３０によって情報が保持されるため、十分な熱擾乱耐性が確保される。それは、一般的な垂直磁化膜では、磁気異方性エネルギー密度（Ｋｕ）が十分に大きいためである。【００６８】
（第１の変形例）
第１の変形例は、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０のｘ−ｙ平面内の位置関係に関する。第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０の位置関係は既出の例に限られない。ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０に対して“第１の方向”に位置していればよい。【００６９】
図６Ａは、磁気抵抗効果素子１の構造の一例を示す斜視図である。図６Ｂ及び図６Ｃのそれぞれは、図６Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図及びｘ−ｚ側面図である。図６Ａ〜図６Ｃでは、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０がオーバーラップしていない例が示されている。この場合も、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０からずれている。従って、第１磁化自由層３０からの放射状に広がる漏れ磁界により、第２磁化自由層４０の磁化方向は一意に定まる。【００７０】
図７Ａは、磁気抵抗効果素子１の構造の他の例を示す斜視図である。図７Ｂ及び図７Ｃのそれぞれは、図７Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図及びｘ−ｚ側面図である。図７Ａ〜図７Ｃで示される例では、第２磁化自由層４０が、ｘ−ｙ平面において第１磁化自由層３０を横断するように設けられている。この場合も、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０からずれている。従って、第１磁化自由層３０からの放射状に広がる漏れ磁界により、第２磁化自由層４０の磁化方向は一意に定まる。【００７１】
図８Ａは、磁気抵抗効果素子１の構造の更に他の例を示す斜視図である。図８Ｂ、図８Ｃ、及び図８Ｄのそれぞれは、図８Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図、ｘ−ｚ側面図、及びｙ−ｚ側面図である。図８Ａ〜図８Ｄで示される例では、ｘ−ｙ平面における第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０とのずれ方向（第１の方向）が、第１導電層７０の長手方向と異なっている。具体的には、第１導電層７０の長手方向はｘ軸方向であり、第１の方向はｘ軸方向と異なるｙ軸方向である。すなわち、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０からｙ軸方向にずれている。従って、第１磁化自由層３０からの放射状に広がる漏れ磁界により、第２磁化自由層４０の磁化方向は一意に定まる。この場合、第２磁化自由層４０の磁化方向は、第１磁化自由層３０の磁化方向に応じて、＋ｙ方向あるいは−ｙ方向の成分を有することになる。第２磁化固定層６０の磁化方向は、＋ｙ方向と−ｙ方向のいずれか一方に固定されることが望ましい。【００７２】
（第２の変形例）
第２の変形例は、磁気抵抗効果素子１を構成する各層のｚ軸方向（積層方向）の位置関係に関する。上述の通り、第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０及び第１磁化自由層３０は、「書き込み層群」を構成しており、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０は、「読み出し層群」を構成している。また、第１導電層７０及び第２導電層８０は、書き込み層群及び読み出し層群に電流を導入する「プラグ群」を構成している。これら書き込み層群、読み出し層群、及びプラグ群の位置関係は、既出の例で示されたものに限られない。書き込み層群の第１磁化自由層３０と読み出し層群の第２磁化自由層４０が、異なる層に形成され、互いに磁気的に結合していればよい。【００７３】
図９Ａは、磁気抵抗効果素子１の構造の一例を示す斜視図である。図９Ｂ及び図９Ｃのそれぞれは、図９Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図及びｘ−ｚ側面図である。図９Ａ〜図９Ｃで示される例では、書き込み層群が読み出し層群に対して上層に設けられている。また、第２導電層８０は、第１導電層７０に対して読み出し層群側（下方側）に設けられている。この場合も、書き込み層群の第１磁化自由層３０と読み出し層群の第２磁化自由層４０が、互いに磁気的に結合している。更に、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０からずれている。従って、第１磁化自由層３０からの放射状に広がる漏れ磁界により、第２磁化自由層４０の磁化方向は一意に定まる。【００７４】
図１０Ａは、図９Ａ〜図９Ｃで示された例の場合の書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを概念的に示している。既出の例と同様に、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは、プラグ群から書き込み層群へ流れる、あるいは、書き込み層群からプラグ群へ流れる。書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの方向を変えることにより、“０”書き込みと“１”書き込みの両方を実現可能である。また、図１０Ｂは、図９Ａ〜図９Ｃで示された例の場合の読み出し電流Ｉｒｅａｄを概念的に示している。既出の例と同様に、プラグ群を用いることにより、読み出し電流Ｉｒｅａｄが読み出し層群に導入される。【００７５】
図１１Ａは、磁気抵抗効果素子１の構造の他の例を示す斜視図である。図１１Ｂ及び図１１Ｃのそれぞれは、図１１Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図及びｘ−ｚ側面図である。図１１Ａ〜図１１Ｃで示された例でも、書き込み層群が読み出し層群に対して上層に設けられている。一方、第２導電層８０は、第１導電層７０に対して書き込み層群側（上方側）に設けられている。【００７６】
図１２Ａは、磁気抵抗効果素子１の構造の更に他の例を示す斜視図である。図１２Ｂは、図１２Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。図１２Ａ及び図１２Ｂで示される例では、書き込み層群は読み出し層群に対して下層に設けられている。また、第２導電層８０は、第１導電層７０に対して読み出し層群側（上方側）に設けられている。【００７７】
これらの他にも、書き込み層群、読み出し層群、及びプラグ群の位置関係としては様々考えられ得る。但し、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０との間の磁気的結合の強度を高めるためには、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０との間の距離は小さいことが好ましい。従って、上述の通り、第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０、第１磁化自由層３０、第１導電層７０、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０、及び第２磁化固定層６０が、この順番で下からあるいは上から積層されていることが好ましい。尚、後述されるように、第１導電層７０は省略することも可能である。また、第２の変形例と第１の変形例との組み合わせも可能である。【００７８】
（第３の変形例）
第３の変形例は、書き込み層群内、あるいは、読み出し層群内の各層の形状に関する。書き込み層群中の第１磁化固定層１０と第１磁化自由層３０の形状は同一でなくてもよい。また、読み出し層群中の第２磁化固定層６０と第２磁化自由層４０の形状は同一でなくてもよい。【００７９】
図１３Ａは、磁気抵抗効果素子１の構造の一例を示す斜視図である。図１３Ｂは、図１３Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。図１３Ａ及び図１３Ｂで示される例では、読み出し層群中の第２磁化自由層４０と第２磁化固定層６０の平面形状は異なっている。具体的には、第２磁化固定層６０は第２磁化自由層４０よりも小さくパターニングされている。すなわち、ｘ−ｙ平面において、第２磁化固定層６０の面積は、第２磁化自由層４０の面積より小さい。【００８０】
上述の通り、データ読み出しでは、磁気抵抗効果による読み出し層群の抵抗値の変化が利用される。その磁気抵抗効果は、第２磁化自由層４０と第２磁化固定層６０の接合部（磁気トンネル接合）で発現される。図１３Ａ及び図１３Ｂで示されるように、第２磁化固定層６０の平面形状が第２磁化自由層４０の平面形状より小さい場合、磁気トンネル接合は、第２磁化固定層６０とオーバーラップする領域に相当する。一方で、第２磁化自由層４０には、第１磁化自由層３０からの漏れ磁界による磁化の回転が顕著となる部分が存在する。従って、第２磁化固定層６０を第２磁化自由層４０の当該部分のみにオーバーラップするように配置することによって、読み出し信号の大きさに寄与するＭＲ比を最大化することができる。【００８１】
図１４Ａは、磁気抵抗効果素子１の構造の他の例を示す斜視図である。図１４Ｂは、図１４Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。図１４Ａ及び図１４Ｂで示される例では、書き込み層群中の第１磁化固定層１０と第１磁化自由層３０の平面形状は異なっている。具体的には、第１磁化固定層１０は第１磁化自由層３０よりも大きくパターニングされている。すなわち、ｘ−ｙ平面において、第１磁化固定層１０の面積は、第１磁化自由層３０の面積より大きい。【００８２】
上述の通り、データ書き込みでは、第１磁化固定層１０と第１磁化自由層３０との間のスピントランスファーにより、第１磁化自由層３０の磁化が反転する。このとき、第１磁化固定層１０の磁化は、実質的に一方向に固定されていなければならない。その磁化の固定が弱い場合、第１磁化自由層３０からのスピン偏極電子によって第１磁化固定層１０の磁化が反転してしまうことが懸念される。ここで、図１４Ａ及び図１４Ｂで示されるように、第１磁化固定層１０の平面形状が第１磁化自由層３０の平面形状より大きい場合、第１磁化固定層１０内での書き込み電流密度は低下する。これにより、第１磁化固定層１０の磁化反転の可能性を低下させることができる。【００８３】
第１磁化固定層１０、第１磁化自由層３０、第２磁化自由層４０、及び第２磁化固定層６０のそれぞれの平面形状は、長方形に限られず、また、互いに異なっていてもよい。また、図１３Ａ及び図１３Ｂで示された構造と図１４Ａ及び図１４Ｂで示された構造とを組み合わせることも可能である。また、第３の変形例を既出の変形例と組み合わせることも可能である。【００８４】
（第４の変形例）
第４の変形例は、書き込み層群の数に関する。具体的には、第４の変形例に係る磁気抵抗効果素子１は、複数の書き込み層群を備える。そして、複数の書き込み層群の各々が、上述の第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０、及び第１磁化自由層３０を有する。【００８５】
図１５Ａは、磁気抵抗効果素子１の構造の一例を示す斜視図である。図１５Ｂ及び図１５Ｃのそれぞれは、図１５Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図及びｘ−ｚ側面図である。図１５Ａ〜図１５Ｃで示される例では、磁気抵抗効果素子１は、第１の書き込み層群、第２の書き込み層群、第１導電層７０、及び読み出し層群（４０〜６０）を備えている。第１の書き込み層群は、第１磁化固定層１０ａ、第１スペーサー層２０ａ、及び第１磁化自由層３０ａから構成されている。第２の書き込み層群は、第１磁化固定層１０ｂ、第１スペーサー層２０ｂ、及び第１磁化自由層３０ｂから構成されている。【００８６】
好適には、第１磁化固定層１０ａと第１磁化固定層１０ｂとは、同じ層に形成され、同じ材質、形状、膜厚を有する。また、第１スペーサー層２０ａと第１スペーサー層２０ｂとは、同じ層に形成され、同じ材質、形状、膜厚を有する。また、第１磁化自由層３０ａと第１磁化自由層３０ｂとは、同じ層に形成され、同じ材質、形状、膜厚を有する。図１５Ａ〜図１５Ｃで示される例では、第１磁化自由層３０ａと第１磁化自由層３０ｂは共に、第１導電層７０の一方の面に接触しており、他方の面には第２磁化自由層４０が接触している。【００８７】
第１磁化自由層３０ａと第２磁化自由層４０は、互いに磁気的に結合している。また、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０ａの重心Ｇ３０ａからずれている。従って、第１磁化自由層３０ａの磁化は、第２磁化自由層４０に対して面内方向の磁気力を及ぼす。同様に、第１磁化自由層３０ｂと第２磁化自由層４０は、互いに磁気的に結合している。また、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０ｂの重心Ｇ３０ｂからずれている。従って、第１磁化自由層３０ｂの磁化は、第２磁化自由層４０に対して面内方向の磁気力を及ぼす。【００８８】
好適には、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０ａの重心Ｇ３０ａと第１磁化自由層３０ｂの重心Ｇ３０ｂとの間に位置する。特に、ｘ−ｙ平面において、第１磁化自由層３０ａの重心Ｇ３０ａ、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０、及び第１磁化自由層３０ｂの重心Ｇ３０ｂが、一直線上に並んでいることが好適である。図１５Ａ〜図１５Ｃで示される例では、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は第１磁化自由層３０ａの重心Ｇ３０ａから＋ｘ方向にずれており、更に、第１磁化自由層３０ｂの重心Ｇ３０ｂは第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０から＋ｘ方向にずれている。【００８９】
図１６Ａ及び図１６Ｂのそれぞれは、図１５Ａ〜図１５Ｃで示された磁気抵抗効果素子１が取り得る２つのメモリ状態を例示している。図１６Ａ及び図１６Ｂで示される例では、第１磁化固定層１０ａ、１０ｂの磁化方向は、互いに平行であり、同じ＋ｚ方向に固定されている。第２磁化固定層６０の磁化方向は、＋ｘ方向に固定されている。【００９０】
図１６Ａでは、第１磁化自由層３０ａの磁化は＋ｚ方向を向き、一方、第１磁化自由層３０ｂの磁化は−ｚ方向を向いている。すなわち、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂの磁化方向は、互いに略反平行である。この場合、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂからの漏れ磁界は共に、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０の位置において＋ｘ成分を有する。それは、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０が、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂの重心Ｇ３０ａ、Ｇ３０ｂの間に位置しているからである。言い換えれば、重心Ｇ４０が重心Ｇ３０ａ、Ｇ３０ｂの間に位置し、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂの磁化方向が反平行のため、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂによる磁気力は第２磁化自由層４０の位置において互いに強め合う。磁気力の強め合い効果は、重心Ｇ３０ａ、Ｇ４０、Ｇ３０ｂが一直線上に並んでいるときに最大となり、好適である。このように、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂと第２磁化自由層４０との磁気的結合により、第２磁化自由層４０の磁化は＋ｘ方向の成分を有することになる。このとき、第２磁化自由層４０の磁化方向は、第２磁化固定層６０の磁化方向と“平行”な成分を有し、第２磁気抵抗効果素子の抵抗値は比較的小さくなる（“０”状態）。【００９１】
一方、図１６Ｂでは、第１磁化自由層３０ａの磁化は−ｚ方向を向き、第１磁化自由層３０ｂの磁化は＋ｚ方向を向いている。この場合、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂからの漏れ磁界は共に、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０の位置において−ｘ成分を有する。結果として、第２磁化自由層４０の磁化は−ｘ方向の成分を有することになる。このとき、第２磁化自由層４０の磁化方向は、第２磁化固定層６０の磁化方向と“反平行”な成分を有し、第２磁気抵抗効果素子の抵抗値は比較的大きくなる（“１”状態）。【００９２】
第１磁化自由層３０ａ、３０ｂの一方の磁化方向を反転させるとき、他方の磁化方向も同時に反転させる必要がある。そのため、データ書き込み時には、書き込み層群の各々において、第１磁化固定層１０と第１磁化自由層３０との間に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが流される。それぞれの書き込み層群における書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの方向は、それぞれの第１磁化自由層３０の磁化が反転するように適宜設定される。【００９３】
図１７Ａは、第４の変形例における書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの一例を示している。上述の通り、第１磁化固定層１０ａ、１０ｂの磁化方向は互いに平行であり、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂの磁化方向は互いに反平行である。従って、第１の書き込み層群の第１磁化固定層１０ａと第１磁化自由層３０ａとの間を流れる書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの方向は、第２の書き込み層群の第１磁化固定層１０ｂと第１磁化自由層３０ｂとの間を流れる書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの方向と逆に設定される。つまり、一方の書き込み層群において、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが第１磁化固定層１０から第１磁化自由層３０へ流れるとき、他方の書き込み層群においては、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは第１磁化自由層３０から第１磁化固定層１０へ流れる。その結果、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂの反平行磁化は共に反転する。図１７Ａで示される例では、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは、第１導電層７０を経由して第１の書き込み層群と第２の書き込み層群の間に流され、その書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの方向を変えることにより、“０”書き込みと“１”書き込みの両方を実現可能である。但し、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの導入方法はそれに限られない。【００９４】
データ読み出し時には、読み出し層群の第２磁化自由層４０と第２磁化固定層６０との間に読み出し電流Ｉｒｅａｄが流される。読み出し層群への読み出し電流Ｉｒｅａｄの導入方法は、適宜設計され得る。図１７Ｂは、読み出し電流Ｉｒｅａｄの導入方法の一例を示している。図１７Ｂで示された例では、読み出し電流Ｉｒｅａｄは、第２の書き込み層群を経由して導入される。読み出し電流Ｉｒｅａｄは、第１の書き込み層群を経由してもよいし、第１の書き込み層群と第２の書き込み層群の両方を経由しても構わない。【００９５】
第４の変形例は、既出の変形例と組み合わせ可能である。また、第４の変形例によれば、次の効果が追加的に得られる。【００９６】
まず、読み出し信号が更に増大する。本変形例においては、第２磁化自由層４０の磁化の回転に寄与する漏れ磁界の発生源である第１磁化自由層３０が二つ以上設けられる。従って、第２磁化自由層４０に作用する磁界の大きさは２倍以上となり、第２磁化自由層４０の磁化はより大きく回転することになる。これにより、大きな磁気抵抗効果が発現され、大きな読み出し信号が得られる。【００９７】
また、製造プロセスが簡略化される。例えば既出の図１Ａ〜図１Ｃで示された構造の場合、書き込み層群（１０〜３０）と第２導電層８０が同じ層に配置されるため、それらを別々の工程で製造しなければならない。一方、本変形例によれば、第１の書き込み層群と第２の書き込み層群は、同一工程で製造することが可能である。従って、製造工程数が削減され、製造コストが低減される。【００９８】
（第５の変形例）
第５の変形例では、第１導電層７０が省略される。第５の変形例は、既出の変形例と組み合わせ可能である。【００９９】
図１８Ａは、磁気抵抗効果素子１の構造の一例を示す斜視図である。図１８Ｂ及び図１８Ｃのそれぞれは、図１８Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図及びｘ−ｚ側面図である。図１８Ａ〜図１８Ｃに示されるように、第１導電層７０は省略され、第２磁化自由層４０は、第１磁化自由層３０の一方の面に接触するように設けられている。この場合でも、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０は磁気的に結合しており、また、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０からずれている。従って、第１磁化自由層３０の磁化方向に応じて、第２磁化自由層４０の磁化方向は一意に定まる。【０１００】
また、図１８Ａ〜図１８Ｃで示された例では、第２導電層８０は、第２磁化自由層４０に電気的に接続されている。データ書き込み時、第２導電層８０と第２磁化自由層４０を利用することにより、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを書き込み層群に導入可能である。データ読み出し時、第２導電層８０を利用することにより、読み出し電流Ｉｒｅａｄを読み出し層群に導入可能である。【０１０１】
（第６の変形例）
第６の変形例では、第２導電層８０が省略される。図１９Ａは、磁気抵抗効果素子１の構造の一例を示す斜視図である。図１９Ｂ及び図１９Ｃのそれぞれは、図１９Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図及びｘ−ｚ側面図である。図１９Ａ〜図１９Ｃに示されるように、第２導電層８０は省略され、磁気抵抗効果素子１は２端子の素子となる。この場合でも、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０は磁気的に結合しており、また、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０からずれている。従って、第１磁化自由層３０の磁化方向に応じて、第２磁化自由層４０の磁化方向は一意に定まる。【０１０２】
図２０Ａ及び図２０Ｂは、本変形例における書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅ及び読み出し電流Ｉｒｅａｄの経路をそれぞれ示している。本変形例に係る磁気抵抗効果素子１は２端子の素子であるため、データ書き込み時に書き込み層群に導入される書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは、読み出し層群にも流れる。また、データ読み出し時に読み出し層群に導入される読み出し電流Ｉｒｅａｄは、書き込み層群にも流れる。すなわち、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの経路と読み出し電流Ｉｒｅａｄの経路は同一となる。【０１０３】
従って、データ読み出し時に、読み出し電流Ｉｒｅａｄにより第１磁化自由層３０においてスピン注入磁化反転が発生することを防止する必要がある。そのために、読み出し電流Ｉｒｅａｄは小さく設定される。また、データ書き込み時に、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅにより第２磁化自由層４０においてスピン注入磁化反転が発生することを防止する必要がある。そのためには、読み出し層群（４０、５０、６０）を流れる書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの電流密度を、書き込み層群（１０、２０、３０）を流れる書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの電流密度よりも小さくすることが望ましい。例えば、読み出し層群のｘ−ｙ平面における面積は、書き込み層群のｘ−ｙ平面における面積より大きく設計される。【０１０４】
第６の変形例によれば、磁気抵抗効果素子１が２端子の素子となるため、１つの磁気メモリセルあたり１つのトランジスタが設けられるとよい。第１磁化固定層１０か第２磁化固定層６０のいずれか一方に、トランジスタが接続されればよい。例えば、図５で示された回路構成から、トランジスタＴＲｂとビット線ＢＬｂを省くことができる。その結果、磁気メモリセルの面積が低減される。第６の変形例は、第１〜第３、第５の変形例と組み合わせ可能である。【０１０５】
これまでに説明された変形例以外にも、様々な変形例が考えられ得る。例えば、書き込み電流経路に、発熱効果を有する材料が挿入されてもよい。この場合、発熱により素子の温度が上昇し、データ書き込み時に熱アシスト記録効果が得られる。また、磁気抵抗効果素子の近傍に配線を配置し、その配線に電流を流すことにより誘起される磁界を、スピン注入磁化反転時のアシスト磁界として用いてもよい。【０１０６】
（ＭＲＡＭ）
図２１は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成の一例を示すブロック図である。ＭＲＡＭ１００は、メモリセルアレイ１１０、Ｘドライバ１２０、Ｙドライバ１３０、コントローラ１４０を備えている。メモリセルアレイ１１０は、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを有している。磁気メモリセルの各々は、上述の磁気抵抗効果素子１を有している。既出の図５で示されたように、各磁気メモリセルは、ワード線ＷＬ、グラウンド線ＧＬ、及びビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。Ｘドライバ１２０は、複数のワード線ＷＬに接続されており、それら複数のワード線ＷＬのうちアクセス対象の磁気メモリセルにつながる選択ワード線を駆動する。Ｙドライバ１３０は、複数のビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されており、各ビット線をデータ書き込みあるいはデータ読み出しに応じた状態に設定する。コントローラ１４０は、データ書き込みあるいはデータ読み出しに応じて、Ｘドライバ１２０とＹドライバ１３０のそれぞれを制御する。【０１０７】
本実施の形態に係るＭＲＡＭ１００の活用例としては、携帯電話、モバイルパソコン、ＰＤＡなどに搭載される不揮発性メモリや、自動車などに搭載される不揮発性メモリ内蔵のマイクロコンピュータが挙げられる。【０１０８】
以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。【０１０９】
本出願は、２００７年１０月２５日に出願された日本国特許出願２００７−２７７５１９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】
2009054180.tif 000003
【図１Ｂ】
2009054180.tif 000004
【図１Ｃ】
2009054180.tif 000005
【図２Ａ】
2009054180.tif 000006
【図２Ｂ】
2009054180.tif 000007
【図２Ｃ】
2009054180.tif 000008
【図２Ｄ】
2009054180.tif 000009
【図３Ａ】
2009054180.tif 000010
【図３Ｂ】
2009054180.tif 000011
【図４Ａ】
2009054180.tif 000012
【図４Ｂ】
2009054180.tif 000013
【図５】
2009054180.tif 000014
【図６Ａ】
2009054180.tif 000015
【図６Ｂ】
2009054180.tif 000016
【図６Ｃ】
2009054180.tif 000017
【図７Ａ】
2009054180.tif 000018
【図７Ｂ】
2009054180.tif 000019
【図７Ｃ】
2009054180.tif 000020
【図８Ａ】
2009054180.tif 000021
【図８Ｂ】
2009054180.tif 000022
【図８Ｃ】
2009054180.tif 000023
【図８Ｄ】
2009054180.tif 000024
【図９Ａ】
2009054180.tif 000025
【図９Ｂ】
2009054180.tif 000026
【図９Ｃ】
2009054180.tif 000027
【図１０Ａ】
2009054180.tif 000028
【図１０Ｂ】
2009054180.tif 000029
【図１１Ａ】
2009054180.tif 000030
【図１１Ｂ】
2009054180.tif 000031
【図１１Ｃ】
2009054180.tif 000032
【図１２Ａ】
2009054180.tif 000033
【図１２Ｂ】
2009054180.tif 000034
【図１３Ａ】
2009054180.tif 000035
【図１３Ｂ】
2009054180.tif 000036
【図１４Ａ】
2009054180.tif 000037
【図１４Ｂ】
2009054180.tif 000038
【図１５Ａ】
2009054180.tif 000039
【図１５Ｂ】
2009054180.tif 000040
【図１５Ｃ】
2009054180.tif 000041
【図１６Ａ】
2009054180.tif 000042
【図１６Ｂ】
2009054180.tif 000043
【図１７Ａ】
2009054180.tif 000044
【図１７Ｂ】
2009054180.tif 000045
【図１８Ａ】
2009054180.tif 000046
【図１８Ｂ】
2009054180.tif 000047
【図１８Ｃ】
2009054180.tif 000048
【図１９Ａ】
2009054180.tif 000049
【図１９Ｂ】
2009054180.tif 000050
【図１９Ｃ】
2009054180.tif 000051
【図２０Ａ】
2009054180.tif 000052
【図２０Ｂ】
2009054180.tif 000053
【図２１】
2009054180.tif 000054
【国際調査報告】
2009054180.tif 000055
2009054180.tif 000056