(57)【要約】      （修正有）【課題】消費電力及び書き込みエラー率（ＷＥＲ）を低減することができる双極性電圧書き込み型磁気メモリ素子を提供する。【解決手段】双極性電圧書き込み型磁気メモリ素子は、磁気トンネル接合１８を含み、その接合断面形状１１が、鏡面対称性及び回転対称性がない形状（例えば、不等辺三角形）、あるいは特定の１軸に対してのみ鏡面対称性を有する形状（例えば、二等辺三角形）である。【選択図】図１
2018014376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鏡面対称性及び回転対称性のない接合断面形状を持つ磁気トンネル接合を含む磁気メモリ素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気メモリ素子において、前記接合断面形状が不等辺三角形であることを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項３】
特定の１軸に対してのみ鏡面対称性を有する接合断面形状を持つ磁気トンネル接合を含む磁気メモリ素子。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気メモリ素子において、前記接合断面形状が二等辺三角形であることを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項５】
請求項１〜４に記載の磁気メモリ素子において、前記磁気トンネル接合が基板側あるいはその反対側から非磁性体層、強磁性体層、トンネル障壁層、強磁性体層の順番で積層された基本構造を持つことを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項６】
請求項２または４に記載の磁気メモリ素子において、前記接合断面形状の一辺の最大寸法が略２００ｎｍ以下であることを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の磁気メモリ素子において、前記磁気トンネル接合に双極性のパルス電圧を印加して双方向磁化反転を誘起することにより情報書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の磁気メモリ素子において、前記磁気トンネル接合の記録層のダンピング定数が略０．１〜１の範囲にあることを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項９】
鏡面対称性及び回転対称性のない接合断面形状を持つ磁気トンネル接合に双極性のパルス電圧を印加して双方向磁化反転を誘起することにより情報書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリ素子の書き込み方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁気メモリ素子の書き込み方式において、前記接合断面形状が不等辺三角形であることを特徴とする磁気メモリ素子の書き込み方法。
【請求項１１】
特定の１軸に対してのみ鏡面対称性を有する接合断面形状を持つ磁気トンネル接合に双極性のパルス電圧を印加して双方向磁化反転を誘起することにより情報書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリ素子の書き込み方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の磁気メモリ素子の書き込み方法において、前記接合断面形状が二等辺三角形であることを特徴とする磁気メモリ素子の書き込み方法。
【請求項１３】
請求項９〜１２に記載の磁気メモリ素子の書き込み方法において、前記磁気トンネル接合が基板側あるいはその反対側から非磁性体層、強磁性体層、トンネル障壁層、強磁性体層の順番で積層された基本構造を持つことを特徴とする磁気メモリ素子の書き込み方法。
【請求項１４】
請求項１０または１２に記載の磁気メモリ素子の書き込み方法において、前記接合断面形状の一辺の最大寸法が略２００ｎｍ以下であることを特徴とする磁気メモリ素子の書き込み方法。
【請求項１５】
請求項９〜１４のいずれかに記載の磁気メモリ素子の書き込み方法において、前記磁気トンネル接合に双極性のパルス電圧を印加して双方向磁化反転を誘起することにより情報書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリ素子の書き込み方法。
【請求項１６】
請求項９〜１５のいずれかに記載の磁気メモリ素子の書き込み方法において、前記磁気トンネル接合の記録層のダンピング定数が略０．１〜１の範囲にあることを特徴とする磁気メモリ素子の書き込み方法。
【請求項１７】
磁気トンネル接合中のジャロシンスキ−守谷相互作用および垂直磁気異方性を双極性電圧印加により変調して双方向磁化反転を誘起することにより情報書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項１８】
記録層を有する磁気トンネル接合を備え、当該接合はジャロシンスキ−守谷相互作用および垂直磁気異方性の両方が電圧に依存しており、双極性電圧印加により前記記録層の磁化について双方向磁化反転を誘起し、これにより前記記録層の磁化の向きとしての情報書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には磁気メモリ素子に関し、より具体的には、双極性電圧を印加することにより双方向磁化反転を誘起して書き込みを行う双極性電圧書き込み型の磁気メモリ素子および双極性電圧書き込み型磁気メモリ素子の書き込み方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、急増する情報通信（ＩＴ）機器の電力消費の抑制やモバイルＩＴ機器のバッテリーライフを伸ばすために、記憶情報の保持のために電力を消費しない不揮発性メモリがますます重要となっている。現在、コンピュータやＩＴ機器の大容量メインメモリとしてＤＲＡＭ、またＣＰＵ中の高速キャッシュメモリとしてＳＲＡＭなどの揮発性の半導体メモリが用いられている。これらのメモリ用途では、高速かつ低消費電力の情報書き込み、高い書き換え耐性、より具体的には１０１５回を超えるような書き込み可能回数、および極めて低い書き込みエラー率が要求される。つまり、揮発性メモリであるＤＲＡＭやＳＲＡＭを不揮発性メモリで置き換えるためには、高速かつ低消費電力の情報書き込みと高い書き換え耐性などを兼ね備えた不揮発性メモリを実現する必要がある。
【０００３】
固体素子中の電子が持つ電荷と電子スピンの両方を活用して新しいデバイス機能を創出する技術分野は「スピントロニクス」と呼ばれ、半導体電子技術だけでは実現できない新機能デバイスの創出が期待されている。すでにスピントロニクス技術を用いて、強磁性体層／非磁性金属層／強磁性体層を基本構造とする巨大磁気抵抗効果素子（GMR素子）や、強磁性体層／トンネル障壁層／強磁性体層の多層構造を基本構造とする磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子またはＴＭＲ素子とも呼ばれる）が実現され、これらの素子は、高感度磁気センサーや不揮発性磁気メモリ（ＭＲＡＭ）などの用途に使用されている。
【０００４】
ＭＴＪ素子の構成材料や積層構造を工夫することにより、ＭＴＪ素子の２つの強磁性体層のうち一方の強磁性体層の磁化の向きを一方向、たとえば膜面に対して垂直上向き方向に固定することができる。この強磁性体層を「固定層」と呼ぶ。もう一方の強磁性体層の磁化は、たとえば膜面に対して垂直上向きと垂直下向きの２つの安定状態を持つことができ、この強磁性体層を記録層とよぶ。これを模式的に描くと図２のようになる。つまり、外部磁界が十分小さい場合は、固定層と記録層の磁化が平行に配列した「平行状態」とそれらが反平行に配列した「反平行状態」の２つの状態が安定に存在しえる。平行状態を“０”状態、反平行状態を“１”状態に対応させることにより、１つのＭＴＪ素子は１ビットの状態を不揮発に記憶することができる。このようにＭＴＪ素子はメモリの用途に使うことができ、その用途に限れば磁気メモリ素子とも呼ぶことができ、これを用いた不揮発性磁気メモリがＭＲＡＭである。ＭＲＡＭの情報読み出しは、ＭＴＪ素子のトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）、つまり平行磁化と反平行磁化でＭＴＪ素子の電気抵抗が変化する現象（図２参照）を活用して行われる。一方、ＭＲＡＭの情報書き込みは、ＭＴＪ素子の記録層の磁化の向きを何らかの方法を用いて反転させることにより行われる。
【０００５】
スピントルク転移型ＭＲＡＭ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭあるいはＳＴＴ−ＲＡＭと呼ばれる）では、図３のようにＭＴＪ素子に双極性電流、つまり極性（方向）が異なる２種類の電流を流して、記録層の双方向磁化反転を誘起することによって情報書き込みを行う。この書き込み方式は、スピントルク磁化反転（スピントルク書き込み）、あるいはＳＴＴ磁化反転（ＳＴＴ書き込み）と呼ばれる。
【０００６】
ＳＴＴ書き込みは電流磁界を用いた書き込みに比べて消費電力が比較的少ないというメリットを持ち、1ビット書き込み当たりの消費電力を約100fJ程度にすることが可能である。さらに、ＳＴＴ書き込みでは双極性電流によって双方向書き込みを実現されるため、書き込み動作の信頼性の確保、特に書き込みエラー率（Ｗｒｉｔｅ  Ｅｒｒｏｒ  Ｒａｔｅの頭文字を取って、以下ＷＥＲと記す）の抑制が技術的に容易である。ここでＷＥＲとは、書き込み動作を繰り返すうちにごく希に発生する書き込みミス（つまり書き込んだつもりが書き込めなかったという誤動作）の割合である。通常、ＤＲＡＭやＳＲＡＭをＭＲＡＭで置き換えるためには、ＭＲＡＭのＷＥＲを10-10〜10-15程度以下まで低減する必要がある。ＳＴＴ書き込みでは、書き込み時に流す双極性電流の大きさやパルス幅を大きくすることによってＷＥＲを下げることができるので、十分大きな電流の大きさやパルス幅を用いることによって10-10〜10-15程度以下のＷＥＲを実現することが技術的に可能である。しかし、ＳＴＴ書き込みでは書き込み時にＭＴＪ素子にパルス電流を流すことによるジュール損失（電流によって発生するジュール熱によるエネルギー損失）が不可避である。このため、１ビット当たりの書き込み電力を約100 fJよりも大幅に低減することは技術的に困難である。
【０００７】
これに対して、書き込み時に本質的に電流を必要とせず、ＭＴＪ素子に印加する“電圧”により記録層の磁化反転（つまりＭＲＡＭの書き込み）を行う新しい書き込み方式（以下、電圧書き込みと呼ぶ）が提案されている。通常この電圧書き込み方式は、単極性（電圧を一方向にのみ印加すること）の超高速パルス電圧によって双方向書き込みを実現するものである。つまり、図４のように磁気トンネル接合素子に超高速パルス電圧を印加し、トンネル障壁層と記録層の界面付近に発生する電界を用いて、記録層の垂直磁気異方性（磁化が膜面垂直方向に向きやすい性質）を瞬時に変調する。その結果、記録層の磁化は瞬時に歳差運動を始める。記録層の磁化がちょうど半回転した瞬間（つまり初期状態と反対向きになった瞬間）にパルス電圧をゼロに戻すと、記録層の磁化は初期状態と反対向きに固定される。つまり、図４(b)のように初期状態が平行磁化の場合、平行状態から反平行状態への書き込みが実現される。さらに図４(a)のように初期状態が反平行状態の場合、同様の単極性の超高速パルス電圧を印加すると、反平行状態から平行状態への書き込みが実現される。つまり、単極性の超高速パルス電圧による双方向書き込みが実現される。これは１ナノ秒(ns)程度の超高速パルス電圧を用いて記録層の磁化の歳差運動を誘起して、ちょうど半回転した瞬間に歳差運動を止めるというダイナミック磁化反転を用いた書き込み方式である。以下、この書き込み方式を「ダイナミック電圧磁化反転」あるいは「ダイナミック電圧書き込み」と呼ぶ。ダイナミック電圧書き込みのように本質的に電圧によって磁化反転を誘起して書き込みを行う新しいＭＲＡＭは「電圧駆動ＭＲＡＭ」あるいは「電圧トルクＭＲＡＭ」と呼ばれるが、まだ基礎研究の段階にある。
【０００８】
ダイナミック電圧書き込みの最大のメリットは、書き込み時に基本的に電流を必要としないため、超低消費電力の書き込みが可能な点である。理論的には、ＳＴＴ−ＭＲＡＭよりも約２桁以上低い約1fJ以下の書き込み電力を実現できる。一方、電圧駆動ＭＲＡＭの実用化を妨げる最大の技術課題は、書き込みエラー率ＷＥＲが大きいことである。上述のようなダイナミック電圧書き込みでは、たとえばパルス電圧幅がほんの僅かずれただけで書き込みエラー率ＷＥＲが高まる。ＳＴＴ書き込みでは書き込み電流の大きさやパルス幅を十分に大きく設定することでＷＥＲを低減することができる。一方、ダイナミック電圧書き込みでは、パルス電圧の大きさと幅が最適値よりも小さすぎても大きすぎてもＷＥＲが増大してしまう。実際、ダイナミック電圧書き込みに関するこれまでの実験ではＷＥＲは1×10-3よりも大きな値になってしまい、ＤＲＡＭやＳＲＡＭを置き換えるために必要な10-10〜10-15程度以下のＷＥＲを実現することは技術的に容易ではない。さらに大容量メモリにおいては、パルス電圧の回路遅延があるためパルス幅の正確な制御が困難になるので、ダイナミック電圧書き込みでＷＥＲを抑制することはさらに困難となる。
【０００９】
超低消費電力と極めて低いＷＥＲを両立するためには「双極性電圧による双方向磁化反転」が理想的であり、これを実現するために特殊なマルチフェロイック材料を用いた電気磁気効果の基礎研究が試みられている。しかし、メモリの動作保証が必要な約０℃〜１００℃の範囲で安定な電気磁気効果を示すマルチフェロイック材料が存在しないこと、マルチフェロイック材料薄膜をＭＴＪ素子中に組み込むことが困難なことなどの理由により、マルチフェロイック材料の電気磁気効果を利用した電圧書き込みの実用化の目処は全くたっていない。
【００１０】
これまでに研究が行われているＭＴＪ素子の電圧磁化反転を用いた書き込み技術に関する代表的な先行技術文献を下記に記す。各先行技術文献の概要は以下の通りである。
【００１１】
特許文献１および非特許文献１では、面内磁化ＭＴＪ素子の記録層にＭｇＯトンネル障壁層を介して単極性の超高速パルス電圧を印加し、記録層の磁化の双方向反転、つまり双方向書き込みを実現できることが報告されている。非特許文献２では、高集積化に適した垂直磁化ＭＴＪ素子において、同様の単極性の超高速パルス電圧による双方向磁化反転を実現できることが報告されている。しかし、これらの書き込み方式ではパルス幅1ns前後の単極性パルス電圧によるダイナミック磁化反転が用いられているため、書き込みエラー率ＷＥＲを実用レベルまで低減することは困難である。非特許文献３では、ダイナミック電圧書き込みでもＷＥＲを10-10〜10-15まで低減することが理論上は可能であるが、同一素子を用いたダイナミック電圧書き込みの実験ではＷＥＲの最良値ですら4×10-3に留まっていることが報告されている。当然ながら、多数の素子を有する大容量メモリでは諸特性の素子間バラツキや回路遅延があるため、非特許文献３の理論計算や単一素子を用いた実験よりもＷＥＲは大幅に悪化することになる。
【００１２】
非特許文献４では、マルチフェロイック材料であるCr2O3薄膜の電気磁気効果を活用した電圧による磁化反転が報告されている。しかし、Cr2O3の磁気転移温度が３４℃しかないため、メモリの動作保証が必要な約１００℃までの高温では電気磁気効果による磁化反転は原理的に不可能である。さらに、非特許文献４では実用上重要なＭＴＪ素子における磁化反転は実現されていない。
【００１３】
非特許文献５では、絶縁体層（ＭｇＯ）を介して強磁性体層（Ｆｅ）に電圧を印加することにより、強磁性体層に作用するジャロシンスキ(Dzyaloshinsky)−守谷の相互作用（詳しくは後述。以下、ＤＭ相互作用と略記する）の大きさが変化することが報告されている。ただし、電圧印加によるＤＭ相互作用の変調によって具体的に何が起こるのか、特に磁化反転が起こるのかどうかについては全く述べられていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開WO2009/133650
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】「Induction of coherent magnetization switching in a few atomic layers of FeCo using voltage pulses」, Yoichi Shiota et al., Nature Materials vol.11, 39 (2012), 2011年11月13日
【非特許文献２】「Electric field-induced magnetization reversal in a perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junction」, S. Kanai, et al., Applied Physics Letters Vol.101, 122403 (2012), 2012年9月18日
【非特許文献３】「Evaluation of write error rate for voltage-driven dynamic magnetization switching in magnetic tunnel junctions with perpendicular magnetization」, Yoichi Shiota et al., Applied Physics Express vol. 9, 013001 (2016), 2015年12月10日
【非特許文献４】「Robust isothermal electric control of exchange bias at room temperature」，Xe He et al., Nature Materials Vol.9, 579 (2010), 2010年6月10日
【非特許文献５】「Voltage induction of interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in Au/Fe/MgO artificial multilayer」, Kohei Nawaoka et al.,  Applied Physics Express. Vol.8, 063004 (2015), 2015年5月19日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、消費電力及び書き込みエラー率（ＷＥＲ）を低減することができる双極性電圧書き込み型磁気メモリ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは、マイクロマグネティックス・シミュレーションによる鋭意研究の結果、双極性電圧を用いて双方向書き込みを実現できるＭＴＪ素子および書き込み方法を発明し、超低消費電力かつ書き込みエラー率ＷＥＲが十分小さい双極性電圧書き込み型の磁気メモリ素子を実現した。従来のＭＲＡＭでは磁気メモリ素子であるＭＴＪ素子の接合断面形状は円形、楕円形、正方形、または長方形である。それに対し、本発明のＭＴＪ素子の接合断面形状は、（１）鏡面対称性や回転対称性のない形状（たとえば不等辺三角形状）、または（２）特定の１軸に対してのみ鏡面対称性を有する形状（たとえば二等辺三角形状）を持つことが特徴である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、ＭＴＪ素子に双極性電圧を印加することにより、記録層の双方向磁化反転が実現される。これにより、双極性電流を用いたＳＴＴ書き込みと同様の高い信頼性（書き込みエラー率ＷＥＲが十分小さいこと）と、単極性パルス電圧によるダイナミック電圧書き込みと同様の超低消費電力を兼ね備えた磁気メモリ素子が初めて提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例にかかるＭＴＪ素子の模式図である。
【図２】磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子の側面の模式図である。（ａ）は２枚の強磁性体層（固定層と記録層）の磁化の向きが平行な「平行状態」、（ｂ）は磁化の向きが互いに反平行な「反平行状態」である。両脇の矢印は電流が流れる方向を模式的に表したものである。黒い太矢印は磁化の向きを模式的に表したものである。
【図３】ＭＴＪ素子に双極性電流を流して双方向磁化反転を誘起する「ＳＴＴ書き込み」の模式図である。（ａ）は初期状態が反平行状態であり、電流を流して記録層の磁化を下向きから上向きに反転させ、終状態を平行状態にする書き込みである。（ｂ）は初期状態が平行状態であり、（ａ）とは逆極性の電流を流して記録層の磁化を上向きから下向きに反転させ、終状態を反平行状態にする書き込みである。
【図４】単極性の超高速パルス電圧による双方向磁化反転を用いた「ダイナミック電圧書き込み」の模式図である。（ａ）は反平行状態から平行状態への書き込み、（ｂ）は平行状態から反平行状態への書き込みである。矢印は、印加電圧の極性を模式的に表したものである。
【図５】ＭＴＪ素子１０の記録層１６に作用するＤＭ相互作用の印加電圧Ｖ依存性の模式図である。D1およびD2はそれぞれ界面１５および界面１７に生じるＤＭ相互作用定数である。DはD1とD2の総和として記録層１６に作用するＤＭ相互作用定数である。
【図６】ＤＭ相互作用が誘起するスピン配列のねじれの模式図である。(a)はＤＭ相互作用定数D＞0、(b)はＤＭ相互作用定数D＜0の場合である。
【図７】強磁性体層の垂直磁気異方性エネルギーKuの印加電圧Ｖ依存性の典型例の模式図である。Ku＞０なら垂直磁化、Ku＜０なら面内磁化となる。(a)はKuがＶに対して線形に変化する場合、(b)はKuがＶに対して偶感数的な成分を持ち、|Ｖ|の増大に伴ってKuが増大する場合、(c)はKuがＶに対して偶感数的な成分を持ち、|Ｖ|の増大に伴ってKuが減少する場合である。
【図８】双極性パルス電圧による磁化反転に関するマイクロマグネティックス・シミュレーションの結果の説明図である。実線は電圧Ｖ＝+Vc印加、点線は電圧Ｖ＝-Vc印加による垂直磁化成分の時間遷移である。
【図９】双極性パルス電圧によって誘起される双方向磁化反転をまとめた模式図である。
【図１０】双極性パルス電圧による磁化反転に関するマイクロマグネティックス・シミュレーションの結果の説明図である。実線は電圧Ｖ＝+Vc印加、点線は電圧Ｖ＝-Vc印加による磁化反転の時間遷移である。
【図１１】双極性パルス電圧による磁化反転に関するマイクロマグネティックス・シミュレーションの結果の一例の説明図である。(a)〜(c)は電圧Ｖ＝+Vc、(d)〜(f)は電圧Ｖ＝-Vcが印加された場合である。(a)、(d)は電圧印加の直前、(b)、(e)は電圧印加の1ns後、(c)、(f)は電圧をゼロに戻してから2ns後の記録層１６の磁気構造である。各円錐は記録層の磁化の局所的な向きを表している。
【図１２】双極性パルス電圧による磁化反転に関するマイクロマグネティックス・シミュレーションの結果の一例の説明図である。(a)の実線は電圧Ｖ＝+Vc印加、点線は電圧Ｖ＝-Vc印加による垂直磁化成分の時間発展である。(b)、(c) は磁化反転の途中の記録層１６の磁気構造である。
【図１３】ＭＴＪ素子の形状１１の例を上から見た図である。
【図１４】ＭＴＪ素子の形状１１の形状の例を上から見た図である。点線は鏡面対称性の軸である。
【図１５】パルス電圧による磁化反転に関するマイクロマグネティックス・シミュレーションの結果の一例の説明図である。ＭＴＪ素子の形状１１の形状が楕円形の場合の終状態における記録層１６の磁気構造である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に本発明の実施例を、図面を引用して具体的に説明する。
図１に、本実施例におけるＭＴＪ素子を模式的に示す。ＭＴＪ素子１０の接合断面形状１１、言い換えれば、膜面垂直方向から見た素子の形状、あるいは水平断面形状は、不等辺三角形である。なお、以下の説明ではこの接合断面形状を単に「形状」と略して表記する。この素子は、基板１２上にシード層／バッファ層１３を介して非磁性体層１４、記録層１６、トンネル障壁層１８、固定層１９、キャップ層２０の順に積層した基本構造を持つ。記録層１６、トンネル障壁層１８および固定層１９の３層が磁気トンネル接合を構成する。図１記載の各層の間に異なる材料組成の超薄層を適宜挿入してもよい。非磁性体層としてスピン−相互作用が比較的大きな元素を含む材料を用いる、あるいは非磁性体層１４と記録層１６の界面１５にスピン−相互作用が比較的大きな元素を添加すると、界面１５にＤＭ相互作用が生じる。以下、界面１５に生じるＤＭ相互作用の大きさをD1と表記する。さらに、記録層１６とトンネル障壁層１８の間の界面１７にスピン−相互作用が比較的大きな元素を添加する等により、界面１７にもＤＭ相互作用が生じる。以下、界面１７に生じるＤＭ相互作用の大きさをD2と表記する。記録層１６に生じるＤＭ相互作用の総和をD（≡D1+D2）と表記する。
【００２１】
界面１５と界面１７では強磁性体層と非磁性体層の積層順序が反転している、つまり対称性が反転しているため、界面１５と界面１７ではＤＭ相互作用の符号が反転する。両界面の構造を調整することにより、界面１５のＤＭ相互作用D1と界面１７のＤＭ相互作用D2の絶対値を等しくできる。この場合、両界面のＤＭ相互作用が完全に打ち消し合うため、ＭＴＪ素子に電圧を印加していない状態では記録層１６に生じるＤＭ相互作用Dはゼロになる。
【００２２】
一般に磁気的多層膜に電界を掛けると、界面に生じるジャロシンスキ−守谷の相互作用の大きさは電界に対して変化することが報告されている（非特許文献５参照）。図１のＭＴＪ素子１１に電圧Ｖを印加した場合、トンネル障壁層１８と接した界面１７には大きな電界が掛かるが、界面１５には有効な電界は掛からない。したがって、界面１７のＤＭ相互作用D2は印加電圧に対して線形に変化するが、界面１５のＤＭ相互作用D1は印加電圧に対してほとんど変化しない。その結果、D（≡D1+D2）は図５のように電圧Ｖに比例して変化することになる。
【００２３】
次に、ＤＭ相互作用が存在すると記録層の磁化にどのような効果が生じるかについて、定性的に説明する。強磁性体を構成する各磁性原子はスピンを持っており、隣り合うスピンの向きを平行に揃えようとする相互作用（交換相互作用）によって各原子のスピンが同じ向きに揃い、その結果強磁性体は磁化を持つ。一方、ＤＭ相互作用は隣り合うスピンの間に「ねじれ」を生じさせようとする。図６に模式的に示したように、D＞０の場合は左から右に向けて時計回り、D＜０の場合は左から右に向けて反時計回りのスピン配列のねじれを生じさせようとする相互作用となる。実際に記録層１６中にどのようなスピン配列が実現するかは交換相互作用、磁気異方性、ＤＭ相互作用などの総和によって決まるが、具体的にどのようなスピン配列になるのかはマイクロマグネティックス・シミュレーション（後述）あるいは実験を行わないと分からない。
【００２４】
次に、記録層１６の磁気異方性エネルギーについて説明する。界面１５と界面１７には界面磁気異方性が生じる。また、記録層１６内部の反磁界エネルギーによって形状磁気異方性が生じる。さらに、記録層１６の材料によっては記録層内部に結晶磁気異方性が生じる場合がある。ＭＴＪ素子を構成する多層膜の材料と積層構造を適宜選択することにより、種々の磁気異方性の総和として記録層１６に垂直磁気異方性を持たせることができる。以下、記録層１６の垂直磁気異方性エネルギー（界面磁気異方性、形状磁気異方性など全ての磁気異方性エネルギーの和）の大きさをKuと記載する。Ku＞０なら垂直磁化、つまり磁化が膜面垂直方向に向く。一方、Ku＜０なら面内磁化、磁化が面内方向に向く。
【００２５】
一般に薄膜の垂直磁気異方性エネルギー、特に界面磁気異方性エネルギーは電界に依存して変化することが知られている。ＭＴＪ素子に電圧Ｖを印加するとトンネル障壁層と接する強磁性体層の界面に電界が発生し、これによって垂直磁気異方性エネルギーKuが電圧に依存して変化する。ＭＴＪ素子中の強磁性体層のKuの電圧Ｖ依存性には図７に示すような幾つかのタイプがある。
(i) Kuが電圧Ｖに対して線形（奇関数的）に変化する場合（図７(a)）
(ii) Kuが電圧Ｖに対して偶感数的に変化する成分を含み、Kuが｜Ｖ｜とともに増加する場合（図７(b)）
(iii) Kuが電圧Ｖに対して偶感数的に変化する成分を含み、Kuが｜Ｖ｜とともに減少する場合（図７(c)）
ＭＴＪ素子を構成する多層膜の材料や積層構造や界面状態を調整することにより、図７(a)〜(c)のようなKuのＶ依存性が実現可能である。
【００２６】
図７(c)の場合、｜Ｖ｜が小さいときはKu＞０で垂直磁化となり、臨界電圧Vcを超えるとKu＜０のため面内磁化となる。つまり、ＭＴＪ素子に電圧を印加しない状態では記録層は垂直磁化を持つが、絶対値がVcよりも大きな電圧Ｖを印加すると面内磁化となる。まず初めに、図７(c)のようなKu―Ｖ特性を持ち、かつＤＭ相互作用が存在しないＭＴＪ素子において、Vcを超える電圧Ｖを印加した後に電圧をゼロに戻した場合に何が起こるかについて考察する。初期状態で記録層の磁化が上向き／下向きどちらの場合、Ｖ＞Vcの電圧を印加すると記録層の磁化は完全に面内方向に向く。この状態から電圧Ｖをゼロに戻すと、終状態の磁化が上向きになる場合と下向きになる場合の両方が起こりえる。つまり、書き込みエラー率ＷＥＲが非常に高くなり、このままではメモリの書き込みには使えない。
【００２７】
次に、垂直磁気異方性とＤＭ相互作用の両方が存在して、それらが電圧に依存する場合について考察する。形状１１が図１のような不等辺三角形の形状を持ち、記録層１６が図５のようなＤＭ相互作用Dの電圧Ｖ依存性および図７(c)のような垂直磁気異方性エネルギーKuの電圧Ｖ依存性を持つＭＴＪ素子１０について、マイクロマグネティックス・シミュレーションを用いて理論計算を行った結果を説明する。ここで、シミュレーションに用いた記録層１６のパラメータおよび計算条件は以下の通りである。
・飽和磁化Ｍｓ：1.35×106 A/m
・交換スティッフネス定数Ａ：10-11 J/m
・垂直磁気異方性エネルギー Ku：Ｖ=0のとき3.3 mJ/m2、Ｖ＝±Vcのとき0
・ＤＭ相互作用定数D：Ｖ＝+Vcのとき0.1〜0.5 mJ/m2(0.1刻みで変化させて計算を実行した)
Ｖ＝-Vcのとき-0.1〜-0.5 mJ/m2(-0.1刻みで変化させて計算を実行した)
・ダンピング定数α：1または0.1
・不等辺三角形の寸法：Ａ＝32 nm、64 nm、128 nm、256 nm
Ｂ＝64 nm、128 nm、256 nm、512 nm
Ｃ＝71.6 nm、143 nm、286 nm、572 nm（図１参照）、記録層の厚さ：2 nm
または
Ａ＝16 nm、Ｂ＝32 nm、Ｃ＝35.8 nm（図１参照）、
記録層の厚さ：1 nm
・シミュレーションのメッシュサイズ：2 nm×2 nm×2 nm
・印加電圧：高さ+Vcまたは-Vc、幅1ナノ秒の矩形の双極性パルス電圧
・磁界：辺Ｂと平行方向に100 Oeの定常磁界を印加
・用いたシミュレーター：mumax3
【００２８】
シミュレーションにはベルギーのゲント大学で開発されたマイクロマグネティクス・シミュレーションソフトウェア「mumax3」（参考URL：http://mumax.github.io/）を利用した。mumax3は世界中の研究者によって広く使用さる、スピントロニクスの分野で最も標準的なシミュレーションソフトウェアの一つである。mumax3を利用して得られたシミュレーション結果はハードディスクやＭＲＡＭなどの磁気デバイスの開発に広く利用されており、その信頼性が実証されている。なお、上述の磁気特性パラメータは実用的な強磁性体のものを用いた。なお、磁化反転のシミュレーション結果（後述）は、これらの磁気特性パラメータには本質的に依存しない。
【実施例１】
【００２９】
実施例として、不等辺三角形の形状１１の寸法がＡ＝32 nm、Ｂ＝64 nm、Ｃ＝71.6 nm、記録層１６の厚さ2 nm、ダンピング定数α＝1の場合のシミュレーション結果を図８に示す。縦軸（mz）は記録層の規格化された磁化の垂直成分であり、mz=+1は垂直上向き、mz=-1は垂直下向き、mz=0は面内磁化である。図８の初期状態（t＝0 ns）ではは垂直上向き（mz=+1）である。Ｖ=±VcにおけるＤＭ相互作用定数の絶対値|D|を0.1きざみに変化させて計算を行った。実線はＶ=+Vcの電圧パルス印加、点線はＶ=-Vcのパルス電圧印加に対応する。図８を見てのとおり、どの|D|についてもＶ=+Vcのパルス電圧印加後の終状態は必ず垂直上向き（mz=+1）、Ｖ=-Vcのパルス電圧印加後の終状態は必ず垂直下向き（mz=-1）となる。初期状態が垂直下向き（mz=-1）の場合についても同様の計算を行った結果、どの|D|についてもＶ=+Vcのパルス電圧印加後の終状態は必ず垂直上向き（mz=+1）、Ｖ=-Vcのパルス電圧印加後の終状態は必ず垂直下向き（mz=-1）となった。つまり、双極性のパルス電圧を印加することにより、双方向磁化反転（メモリの書き込み）が実現されることが分かった。これを模式的にまとめると、図９のようになる。
【実施例２】
【００３０】
別の実施例として、不等辺三角形の形状１１の寸法がＡ＝16 nm、Ｂ＝32 nm、Ｃ＝35.8 nm、記録層１６の厚さ1 nm、ダンピング定数α＝1、初期状態の磁化が上向き（mz=+1）の場合のシミュレーション結果を図１０に示す。この場合においても、Ｖ=+Vcのパルス電圧印加後の終状態は必ず垂直上向き（mz=+1）、Ｖ=-Vcのパルス電圧印加後の終状態は必ず垂直下向き（mz=-1）となる。初期状態が垂直下向き（mz=-1）の場合についても同様の計算を行った結果、Ｖ=+Vcのパルス電圧印加後の終状態は必ず垂直上向き（mz=+1）、Ｖ=-Vcのパルス電圧印加後の終状態は必ず垂直下向き（mz=-1）となった。これを模式的にまとめると、上述した実施例１の場合と同様に図９のようになる。
【実施例３】
【００３１】
さらに別の実施例として、記録層１６の厚さ2 nm、ダンピング定数α＝1に固定し、不等辺三角形の形状１１の寸法が
(i) Ａ＝64 nm、Ｂ＝128 nm、Ｃ＝143 nm
(ii) Ａ＝128 nm、Ｂ＝256 nm、Ｃ＝286 nm
(iii) Ａ＝256 nm、Ｂ＝512 nm、Ｃ＝572 nm
の３種類の寸法についても、前述と同様のマイクロマグネティックス・シミュレーションを行った。その結果、(i)、(ii)の場合は双方向磁化反転を実現できることが分かった。一方、(iii)の場合は素子寸法が大きすぎるために終状態で多磁区状態になってしまう結果、双方向磁化反転の実現は困難であることが分かった。
【実施例４】
【００３２】
また別の実施例として、不等辺三角形の形状１１の寸法がＡ＝32 nm、Ｂ＝64 nm、Ｃ＝71.6 nm、記録層１６の厚さ2 nm、ダンピング定数α＝0.1、初期状態の磁化が上向き（mz=+1）の場合についても同様のシミュレーションを行った結果、双極性パルス電圧による双方向磁化反転が実現されることが分かった。
【００３３】
以上をまとめると、記録層１６の寸法の最大値が約250nm以下なら双極性パルス電圧による双方向磁化反転が実現される。一方、記録層１６の寸法の最大値が約500 nm以上の場合は双方向磁化反転が実現されないことも分かった。ＭＴＪ素子の寸法が小さいほどＭＲＡＭの記録密度は高くなり、大容量メモリ応用のためには有利となる。ＭＴＪ素子１０の形状１１の寸法の最大値は、小容量メモリ用途のためには約200 nm以下、汎用のメインメモリ用途では約100 nm以下、高集積メモリ用途では約50 nm以下に設定すればよい。具体的な寸法については、メモリの記録密度、書き込み動作の安定性、記録層の熱擾乱耐性などを加味して素子設計を最適化して決めることになる。
【００３４】
次に、上述のような双方向磁化反転が起こる物理的メカニズムについて、以下に詳しく説明する。ここでは、形状１１の不等辺三角形の寸法Ａ＝32 nm、Ｂ＝64 nm、Ｃ＝71.6 nm、記録層１６の厚さ2 nm、ＤＭ相互作用定数D＝0.1、ダンピング定数α＝1、初期状態が上向き磁化の場合を例にとって、磁化反転の初期状態、中間状態（電圧Ｖ＝±Vc印加時）、終状態における磁気構造を図１１に示す。電圧Ｖ＝±Vc印加時にはKu＝0となるため、記録層１６の磁化は基本的に膜面内の磁界印加方向に向いている（図１１(b)、(e)）。しかし、ＤＭ相互作用よって三角形のエッジ付近でスピン配列にねじれが生じている。しかも電圧の極性に依存してＤＭ相互作用定数Dの符号が反転するために、スピン配列のねじれ方は電圧の極性に依存して変化している。Ｖ＝+Vc印加時（図１１(b)）は、三角形の右エッジのスピンは上向き成分を持ち、左手前エッジのスピンも上向き成分を持つようにねじれている。一方、Ｖ＝-Vc印加時（図１１(e)）は、三角形の右エッジのスピンは上向き成分を持ち、左手前エッジのスピンは下向き成分を持つようにねじれている。
【００３５】
このようなエッジ部分のスピンのねじれ構造の違いが、電圧Ｖをゼロに戻したときの磁気構造に大きな影響を及ぼす。図１２は、電圧Ｖをゼロに戻した直後の磁気構造である。Ｖ＝+Vc印加後にゼロに戻した場合（図１２(a)の実線）は、三角形の両側エッジを起点にして上向きの磁区が拡大し、やがて記録層１６全体が上向き磁化を持つ終状態に至る（図１２(b)）。一方、Ｖ＝-Vc印加後にゼロに戻した場合（図１２(a)の点線）は、三角形の左手前エッジを起点にして下向き磁区、右エッジを起点にして上向き磁区が発生し、その境界部分に一時的に磁壁が形成される（図１２(c)）。やがてこの磁壁が右エッジまで移動することによって上向き磁区が消滅し、記録層１６全体が下向き磁化を持つ終状態に至る。このようにして、双極性電圧による双方向磁化反転が起こる。
【００３６】
以上をまとめると、本発明の双極性電圧による双方向磁化反転は、ＤＭ相互作用が本質的に関わったものである。電圧Ｖ＝±Vc印加時に記録層１６の磁化がほぼ膜面内に向いた状態になるが、ＤＭ相互作用によってエッジ部分に生じるスピン配列のねじれ、および電圧Ｖをゼロに戻した直後に発生する磁壁の移動によって、終状態における異なる磁化の向き、つまり双方向磁化反転が実現される。この磁化反転メカニズムは、従来のＳＴＴ書き込みやダイナミック電圧書き込み、あるいはマルチフェロイック材料の電気磁気効果による磁化反転などとは全くメカニズムが異なるものである。
【００３７】
本発明の双極性電圧による書き込み方式がＳＴＴ書き込みよりも優れている点は、低消費電力性である。ＳＴＴ書き込みは本質的に電流による書き込みであり、しかも比較的大電流を流すために書き込み時のジュール損失が不可避であり、１ビット当たりの書き込み電力消費を約100fJよりも大幅に低減することは困難である。一方、本発明の双極性電圧による書き込みでは、電圧印加によって若干の電流が流れることはあっても、本質的には電圧による書き込みであるため、ＳＴＴ書き込みに比べて大幅に低消費電力、たとえば約1fJ以下の低消費電力書き込みが可能である。
【００３８】
また、本発明の双極性電圧による書き込み方式は、ダイナミック電圧磁化反転による書き込みに対しても優れた特徴を有する。どちらの書き込み方式も、書き込み消費電力の小ささという点ではほぼ互角である。本発明の書き込みの方が優れている点は、双極性電圧による磁化反転であるが故の書き込み動作の安定性の高さである。前述のように、ダイナミック電圧磁化反転では印加するパルス電圧の大きさや幅が最適値よりも大きすぎても小さすぎても、書き込みエラー率ＷＥＲが増大してしまい、本質的に低ＷＥＲの実現に不向きである。一方、本発明の書き込みでは、双極性のパルス電圧を用いることにより、平行状態から反平行状態への書き込みと反平行状態から平行状態への書き込みの両方を制御性良く誘起することができる。さらに、上述のシミュレーションではＶ＝±Vcの電圧を印加して双方向磁化反転を実現したが、|Ｖ|＞Vcの双極性電圧でも同様の双方向磁化反転が実現される。つまり、余裕を見てVcよりも大きな双極性電圧|Ｖ|を印加することにより、諸特性の素子間バラツキや回路遅延があってもＷＥＲを低減することが原理的に容易である。
【００３９】
さらに、本発明の磁化反転による書き込み方式は、マルチフェロイック材料の電気磁気効果による磁化反転（単に磁化反転実験であり、メモリ素子の体を成していない）に比べて優れた実用性を有する。メモリの動作保証が必要な０℃〜１００℃の範囲で安定な電気磁気効果を示すマルチフェロイック材料が存在せず、さらにマルチフェロイック材料の電気磁気効果を用いて実用上重要なＭＴＪ素子の双方向磁化反転を実現した例はない。これに対して本発明の磁化反転による書き込み方式では、０℃〜１００℃の範囲で安定な諸特性を示す実用的な強磁性体を用いることができ、さらにＭＴＪ素子と一体化できる技術であり、製造は容易である。
【００４０】
次に、ＭＴＪ素子（特に記録層）の形状について説明する。上述の実施例では記録層１６の形状１１の形状は不等辺三角形であった。本発明者らによる鋭意研究の結果、双極性電圧による双方向磁化反転に最も適した形状は、不等辺三角形のように「鏡面対称性も回転対称性も持たない形状」であることが分かった。このような形状の幾つかの例を図１３に示す。図１３(a)〜(c)は、不等辺三角形の例である。図１３(d)はエッジが丸まった不等辺三角形の一例である。最先端のＭＴＪ素子加工技術を用いても図１３(d)のように不等辺三角形のエッジが丸まるのは、当業者にとって常識である。このように角が丸まっていても、あるいは辺部分に多少の歪みがあっても、おおよそ不等辺三角形の形状であれば本発明の電圧書き込みに用いることができる。図１３(e)-(g)は、その他の低対称な形状の例である。本発明のＭＴＪ素子１０の形状１１の形状は、鏡面対称性も回転対称性も持たない形状であれば基本的に良く、図１３(a)〜(g)の例示だけに縛られるものではない。このような低対称な形状を持つＭＴＪ素子１０は、双極性電圧による双方向磁化反転の高速性、磁化反転の安定性などの観点で最も優れている。
【００４１】
上述のような低対称な形状が本発明に最も適した形状であるが、図１４のような形状でも本発明に用いることができる。図１４に例示した形状の特徴は、特定の１軸（図中の点線）に対してのみ鏡面対称性を有しており、かつ鏡面対称軸方向に長い形状という点である。図１４(a)は二等辺三角形の一例である。図１４(c)は角が丸まった二等辺三角形の一例である。このように角が丸まっていても、おおよそ二等辺三角形の形状なら本発明の電圧書き込みに用いることができる。図１４(d)、(e)は、特定の１軸に対してのみ鏡面対称性を有し、かつ鏡面対称軸方向に長い他の形状の例である。図１４のような形状を持つＭＴＪ素子１０は、図１３のような形状に比べて双方向磁化反転の高速性や安定性において若干劣る点があるが、それでも本発明の双極性電圧による双方向磁化反転に用いることができる。一方、図１４のような形状を持つＭＴＪ素子１０は、図１３のような形状に比べて微細加工による作製が容易という利点を有する。
【００４２】
次に、本発明が目的とする“双極性電圧による双方向磁化反転”書き込みに適さない形状についても説明する。円形や楕円形など、２回対称あるいはそれ以上の高い回転対称性を有する高対称な形状は適さない。図１５は、形状１１が楕円形である場合の記録層１６の終状態の一例である。楕円形などの高対称な形状では、電圧をゼロに戻した直後に記録層中に形成される磁壁が左右どちらにも移動することができず、記録層１６の真ん中で安定化されやすい。このため、このような高対称な形状においては、双方向磁化反転を安定に実現することは困難である。
【００４３】
本発明の書き込み方式のためのＭＴＪ素子とＳＴＴ書き込み及びダイナミック電圧書き込み用のＭＴＪ素子との違いの一つは、ＭＴＪ素子の形状である。ＳＴＴ書き込みやダイナミック電圧書き込みでは、書き込み電流の低減や書き込みエラー率ＷＥＲの抑制のために、磁化のコヒーレントな歳差運動を促進する必要がある。そのためには、ＭＴＪ素子の形状としては円形や楕円形、あるいは正方形、長方形などのような高対称性を持つ形状が適している。一方、本発明の書き込み方式のためには、図１３や図１４に示すような対称性が低いあるいは対称性がない形状のＭＴＪ素子が適している。
【００４４】
また、本発明の書き込み方式のためのＭＴＪ素子とＳＴＴ書き込み用のＭＴＪ素子との違いの一つは、ＭＴＪ素子の抵抗−面積積（ＲＡ）の値である。ＳＴＴ―ＭＲＡＭでは比較的大きな書き込み電流を流す必要があるため、ＭＴＪ素子のＲＡ値を数Ωμm2〜10数 Ωμm2にする必要がある。一方、本発明の電圧書き込みでは本質的に電圧によって磁化反転を誘起するため、書き込み時に電流を流す必要性はない。情報読み出し時に電流を流す必要があるため、電圧書き込み時にもある程度の電流が流れることになるが、ＳＴＴ書き込みの電流に比べて大幅に小さくできる。そのため、本発明のＭＴＪ素子のＲＡ値はＳＴＴ−ＭＲＡＭの場合よりも高く設定される。本発明のＭＴＪ素子の具体的なＲＡ値は約20〜30 Ωμm2、数10 Ωμm2、あるいは約100〜500 Ωμm2などの範囲にあり、メモリの集積度に応じてＲＡ値を最適に設計することになる。
【００４５】
次に、電圧書き込み時の面内磁界の印加方法について述べる。上述のマイクロマグネティックス・シミュレーションでは、膜面内方向に100 Oeの定常磁界を印加した。この比較的小さな面内磁界は、電圧Ｖ＝±Vc印加時に面内磁化を一方向に向けるために必要である。面内方向にこのような定常磁界を印加する方法としては、たとえば(i)メモリチップの周辺部に磁界印加用の永久磁石を配置する、(ii)ＭＴＪ素子１０の上方または下方に磁石層を作り込んで磁石層からの漏洩磁界をＭＴＪ素子１０の記録層１６に印加する、(iii)ＭＴＪ素子１０の記録層１６の直下あるいは同層の中間に反強磁性体層を挿入して反強磁性体層からの交換バイアス磁界を記録層１６に作用させる、などの手法のどれかを用いればよい。また磁界の印加方向に関しては、ＭＴＪ素子１０の形状１１の最大寸法方向に対して概ね平行に磁界を印加すればよい。
【００４６】
次に、ＭＴＪ素子１０の各層に用いる材料について述べる。基板１２として、たとえばＳｉ基板や熱酸化Ｓｉ基板、ＬＳＩ中のＣｕ配線などを用いることができる。シード層／バッファ層１３としては、たとえばＴａ、Ｔａ−Ｎ、Ｔｉ、Ｔｉ−Ｎ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｎ、Ｃｒ、またはこれらのうち複数を積層したものを用いることができる。非磁性体層１４としては、常磁性や反磁性あるいは反強磁性を示す金属・合金あるいは絶縁体の材料を用いる。たとえば界面１５にＤＭ相互作用を誘起するために、非磁性体層１４にスピン−軌道相互作用が比較的大きい元素（たとえばＰｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗなど）を含む金属・合金などを用いることができる。あるいは、非磁性体層１４として酸化物材料を用い、界面１５にスピン−軌道相互作用が比較的大きい元素を添加してもよい。記録層１６および固定層１９としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの何れか１つあるいは複数を含む強磁性の金属・合金、たとえばＣｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、あるいはそれらに他の元素を添加した合金や金属間化合物、たとえばＦｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、ホイスラー合金などを用いることができる。トンネル障壁層１８としては、たとえば酸化マグネシウム、スピネル系酸化物、酸化アルミニウム、酸化チタンなどの酸化物材料、化合物の半導体や絶縁体材料などを用いることができる。また、界面１７にスピン−軌道相互作用が比較的大きな元素を添加する、あるいはそのような元素の超薄層を挿入することにより、界面１７に生じるＤＭ相互作用の大きさを調整してもよい。
【００４７】
なお、図１に示した積層構造は本発明の磁気メモリ素子の最小構成であり、これを基本にして積層構造を適宜変形することは当業者にとって容易である。たとえば、非磁性体層１４、記録層１６、トンネル障壁層１８、固定層１９など各層として、単一材料層だけでなく、複数の異なる材料から成る多層構造や人工超格子構造を用いてもよい。また、各層の間に異なる材料から成る層を挿入してもよい。
【００４８】
本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の磁気メモリ素子およびそれを用いた双極性電圧による双方向書き込み方法は、ＳＴＴ書き込みに比べて桁違いに低消費電力であり、ダイナミック電圧書き込みに比べて書き込み動作の安定性、特に低い書き込みエラー率ＷＥＲという点で優れている。これらの特徴から、次世代の不揮発性メモリとして有用である。このように、他の磁気メモリ素子に対して多くの優位性を有する本発明の磁気メモリ素子は、コンピュータシステムメモリ階層の広い範囲、および、システム混載型メモリなどに適用可能である。特に、その優れた低消費電力性から、超高密度高集積なストレージメモリへの適用に優れている。
【符号の説明】
【００５０】
１０…ＭＴＪ素子、１１…接合断面形状、１２…基板、１３…シード層／バッファ層などの下地層、１４…非磁性体層、１５…界面、１６…記録層、 １７…界面、１８…トンネル障壁層、１９…固定層、２０…キャップ層
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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