(57)【要約】【課題】  磁化反転のための電流を低減し、動作を高速にする。【解決手段】  １層の絶縁体層または非磁性層からなる中間層（２４、５１）と、中間層を挟む１対の強磁性層（２３、２５）とを備え、１対の強磁性層の強磁性層の保磁力が互いに異なるスピンバルブ素子またはそのスピンバルブ素子を用いる記憶装置。１対の強磁性層の強磁性層の磁化容易軸（１０、１２）の方向を互いに異なるようにする。また、好適には、磁化容易軸の間の角度を一定の範囲に設定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１層の絶縁体層または非磁性層からなる中間層と、該中間層を挟む１対の強磁性層とを備えるスピンバルブ素子であって、
前記１対の強磁性層の各強磁性層の保磁力が互いに異なっており、前記１対の強磁性層の各強磁性層の磁化容易軸の方向が互いに異なっているスピンバルブ素子。
【請求項２】
前記１対の強磁性層の各強磁性層の磁化容易軸の方向が、強磁性層の面内において互いに異なることを特徴とする、請求項１に記載のスピンバルブ素子。
【請求項３】
前記１対の強磁性層それぞれの磁化容易軸のなす角度θが下記（１）式を満たす請求項１に記載のスピンバルブ素子。
（ｋ×Ｔ）／（Ｋu×Ｖ）＜ｓｉｎ２θ＜０．２５
ここで、Ｋｕは磁気異方性定数、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度で表わした作動時の温度、Ｖは保磁力が小さい方の強磁性層の素子一つ当たりの体積である。
【請求項４】
前記一対の強磁性層の少なくともいずれかの強磁性層の周縁の形状が、当該強磁性層の面に含まれる第１の方向と該面に含まれ該第１の方向に直交する第２の方向との範囲が互いに異なっている形状である、請求項１〜３のいずれかに記載のスピンバルブ素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のスピンバルブ素子を記憶素子として用いる記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）または巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を用いるスピンバルブ素子およびスピンバルブ素子を用いる記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノエレクトロニクスの進展に伴い、微小サイズの磁性材料固有の物理現象を応用する製品の開発が進められている。それらのうちでも、特に、磁性材料の自由電子が有するスピンの性質を利用する分野はスピンエレクトロニクス分野と呼ばれて精力的な技術開発が進められている。
【０００３】
このスピンエレクトロニクス分野の中で、現在最も実用可能性が高いと見られているものに、強磁性層、絶縁層、強磁性層の積層構造において生じるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果、または、強磁性層、非磁性層（導電層）、強磁性層の積層構造において生じる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を応用するスピンバルブ素子がある。従来および本発明におけるスピンバルブ素子の構成例を図１１および１２に示す。
【０００４】
図１１はＴＭＲを利用するスピンバルブ素子の基本構成部分を断面図により示す。このスピンバルブ素子は、基板５の上に構成された、１層の絶縁体層２４と、該絶縁体層を挟む対をなす強磁性層２３（固定層）および強磁性層２５（フリー層）と、電極層２１、２７とからなっており、必要に応じて、反強磁性層（ピン止め層）２２、キャッピング層２６などが追加される。固定層２３の磁化は反強磁性層２２との磁気結合などにより固定されている。フリー層２５の磁化は、偏極電流によるスピン注入により、または、外部磁界により制御される。
【０００５】
スピン注入による制御においては、この素子に固定層２３から電子を流すと、フリー層２５の磁化には固定層２３の磁化と平行となろうとするようなトルクが働く。また、その逆にフリー層２５から固定層２３に向かって電子を流すとフリー層２５の磁化には固定層２３の磁化と反平行となろうとするようなトルクが働く。これらの作用により、フリー層２５の磁化方向を電流の向きにより制御することが可能となる（スピン注入磁化反転）。
【０００６】
図１２には、ＧＭＲを利用するスピンバルブ素子の基本構成部分を断面図により示す。ＧＭＲを利用するスピンバルブ素子と図１１のＴＭＲを利用するスピンバルブ素子との違いは、ＴＭＲを利用するスピンバルブ素子においては絶縁体層２４が非磁性層５１に置き換わっていることであり、それ以外の構成は基本的に同じである。
【０００７】
また、外部磁界により磁化を制御するスピンバルブ素子を用いる構成（外部磁化反転）において、配線の角度と磁化容易軸方向との関係を定める例が特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１４２２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
スピン注入磁化反転や外部磁化反転を用いるスピンバルブ素子の応用としては、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）が最も注目を浴びており、従来のＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＳＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  ＤＲＡＭ）の代替として期待されている。ＭＲＡＭは、潜在的には、高速動作、低消費電力、低電圧動作、高書換え耐久性など、優れた技術的特性を示す。特に、前述のようにスピン注入磁化反転による書込みを行なうことによって、構造が簡素化されるため、ＭＲＡＭは高密度化も可能となる。スピンバルブ素子を用いるＭＲＡＭの実用化に関する最も大きな技術課題の一つに、磁化反転電流を低減させることがある。
【０００９】
また、磁化反転に関わるもうひとつの課題として、ＭＲＡＭを高速動作させるために必要な書換え動作の高速化がある。一般に、フリー層の磁化が固定層の磁化に対して完全に平行、もしくは反平行であると、注入スピンによる反転方向（図２における円周方向）へのトルクはゼロとなり、反転が開始されない。実際には熱ゆらぎによりフリー層磁化は固定層磁化に対して有限の角度をもつので、多くの場合、反転は観測されるが、反転動作と反転時間には確率的な要素が本質的に残存している。また、幾何的配置から、初期の反転トルクは小さくなるので磁化の回転に時間が必要であるため、磁化反転を高速化することができない。
【００１０】
上記事情に鑑み、本発明は、スピン注入磁化反転スピンバルブ素子における磁化反転電流を低減すること、または、磁化反転を高速することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願の発明者は、フリー層の磁化容易軸方向を固定層の磁化容易軸方向と異なるようにすることによって磁化反転電流の低減または磁化反転が高速に行えることを見出し、本願の発明に至った。
【００１２】
すなわち、本願においては、１層の絶縁体層または非磁性層からなる中間層と、該中間層を挟む１対の強磁性層とを備えるスピンバルブ素子であって、前記１対の強磁性層の各強磁性層の保磁力が互いに異なっており、前記１対の強磁性層の各強磁性層の磁化容易軸の方向が互いに異なっているスピンバルブ素子が提供される。
【００１３】
磁化容易軸は、形状異方性、隣接する反強磁性層の影響、成膜時の配向性などによって人為的に設定することができる。そのため、フリー層と固定層とで磁化容易軸の向きを意図的に異なるようにすることができる。
【００１４】
また、保持力が異なる強磁性層を実現するためには、強磁性層そのものの磁性を異ならせることによって保持力を変更した強磁性層の対とすること、他の層（例えばピン層となる反強磁性層）と組み合わせて一方のみの実効的な保持力を大きくした磁性層の対とすること、膜厚を異ならせて保持力の異なる強磁性層の対とすることなどを用いることができる。
【００１５】
本発明においては、好適には、磁化容易軸の方向が、強磁性層の面内において互いに異なるようにすることができる。強磁性層の面内において互いに磁化容易軸が異なる状態とは、典型的には、強磁性層の磁化容易軸がともにその層の面内にあり、互いに方向が異なっているような状態をいい、それ以外にも、各強磁性層の磁化容易軸の方向の方向ベクトルを強磁性層の面に射影したときに、その射影された方向が異なるように強磁性層の磁化容易軸が向いているものも含む。
【００１６】
また、本発明においては、  前記１対の強磁性層それぞれの磁化容易軸のなす角度θが、下記（１）式を満たすスピンバルブ素子とすると好適である。
（ｋ×Ｔ）／（Ｋu×Ｖ）＜ｓｉｎ２θ＜０．２５  （１）
ここで、Ｋｕは磁気異方性定数、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度で表わした作動時の温度、Ｖは保磁力が小さい方の強磁性層の素子一つ当たりの体積である。磁化容易軸の間の角度の正弦（ＳＩＮ）成分を二乗した値を、磁気異方性定数、保持力といった物性値と温度とによって定まる一定の値（式（１）、左辺）より大きくすると、熱揺らぎの影響を受けずに安定した角度を維持することができる。一方で、その値には、ＭＲ比、安定点への収束性などから一定の上限もある。本願発明者は、上記の条件を満たすように磁化容易軸が設定されていると、これらの技術的要求を満たしうることを見出した。
【００１７】
また、磁化容易軸は形状の影響を受けるため、強磁性層の膜の形状を調整することも好適である。すなわち、前記一対の強磁性層の少なくともいずれかの強磁性層の周縁の形状が、当該強磁性層の面に含まれる第１の方向と該面に含まれ該第１の方向に直交する第２の方向との範囲が互いに異なっている形状であることが好適である。強磁性層のうち、保持力の大きい層（固定層）か保持力の小さい層（フリー層）のいずれかまたは両方の周縁の形状は、一方向（例えば第１の方向）が、それに直交する方向（第２の方向）より大きくなる形状とすることができる。この形状の例としては、長方形や楕円形を挙げることができる。
【００１８】
本発明においては、上述のいずれかの特徴を有するスピンバルブ素子を記憶素子として用いる記憶装置も提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、スピンバルブ素子の磁化反転電流を低減すること、またはスピンバルブ素子の磁化反転を高速にすることの少なくともいずれかを達成することができるとの効果を奏する。磁化反転電流が低減されると、例えば記憶装置の記憶素子として当該スピンバルブ素子を用いた場合の記憶素子を駆動するための回路素子の信頼性が向上し、回路素子のサイズを低減することができ、そして、駆動時の消費電力を抑制することができる。また、磁反転を高速にすることができると、当該スピンバルブ素子を用いた場合の記憶素子へのデータの書込みが高速化され、記憶装置の動作速度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。まず、本願発明者は、磁化反転電流の低減について検討した。メモリー選択素子としてＭＯＳ−ＦＥＴを用いる場合、ＭＯＳ−ＦＥＴの信頼性確保の観点から、磁化反転電流密度Ｊcは少なくとも１０６Ａ／ｃｍ２以下であることが求められている。一般に、スピン注入磁化反転において、磁化反転電流密度Ｊcは下式で表されることが知られている。
ＪcP→AP＝−ｅ（ＶＭs/μB）αγ［＋Ｈext＋（ＨU＋Ｍs/μ0）/２］/ｇ（０） （２）
ＪcAP→P＝＋ｅ（ＶＭs/μB）αγ［−Ｈext＋（ＨU＋Ｍs/μ0）/２］/ｇ（π） （３）
ここで、ＪcP→AP、ＪcAP→Pは、それぞれ、フリー層２５と固定層の磁化が平行状態から反平行状態へ反転するための、および、反平行状態から平行状態へ反転するための閾値電流密度であり、ｅは電気素量、Ｖはフリー層の素子一つ当たりの体積、Ｍsはフリー層の飽和磁化、μBはボーア磁子、αはギルバートのダンピング係数、γは磁気ジャイロ定数、Ｈextは外部印加磁界、ＨUはフリー層の異方性磁界、そして、μ０は透磁率である。また、ｇ（θ）はスピントランスファーの効率を表す係数であり、θを固定層とフリー層の磁化がなす角度、Ｐをスピン偏極率の関数として次式で表される。
ｇ（θ）＝［−４＋（Ｐ１／２＋Ｐ−１／２）３×（３＋ｃｏｓθ）／４］−１
ｆｏｒ  ＧＭＲ  （４）
ｇ（θ）＝Ｐ／（１＋Ｐ２ｃｏｓθ）                  ｆｏｒ  ＴＭＲ  （５）
スピン注入磁化反転の場合、外部印加磁界Ｈextは０である。また、（４）、（５）式から、一般にｇ（π）＞ｇ（０）であるので、ＪcP→AP＞ＪcAP→Pである。
【００２１】
（２）、（３）式によれば、Ｊcは例えばフリー層の体積Ｖに比例するので、フリー層を薄くすればＪcを小さくすることができる。しかしながら、メモリーとしての安定性、即ちフリー層磁化の熱安定性は、Ｋuを磁気異方性としてＫu×Ｖと記述することができるため、フリー層を薄く（Ｖを小さく）するとメモリーとしての安定性は低下する。つまり、フリー層の厚みは当該制限の範囲でしか小さくすることはできない。さらに、その他のパラメータは材料のもつ物性値である。この物性値に注目して磁化反転電流密度Ｊcを小さくするための材料開発は行なわれているが、これまで充分な特性が得られていない。
【００２２】
本発明の主な技術的ポイントは、フリー層と固定層の磁化容易軸の方向を異なるものとすることにより、上述の（２）式で表されるＪcP→APを低減するとともに、反転開始時の注入スピンによるトルクを確実に有限の値とし、磁化反転の高速化を実現することにある。
【００２３】
図１に示すように、フリー層の磁化容易軸１０と固定層の磁化容易軸１２とのなす角度をθとすると、注入スピン電流が無い時のフリー層の磁化と固定層の磁化も角度θをなす。従って、フリー層２５と固定層２３の磁化が平行状態から反平行状態へ反転するための閾値電流密度ＪcP→APは、
ＪcθP→AP＝−ｅ（ＶＭs/μB）αγ［＋Ｈext＋（ＨU＋Ｍs/μ０）/２］/ｇ（θ）
（６）
によって表される。ここで、一般にｇ（θ）＞ｇ（０）であるので、ＪcθP→AP＜ＪcP→APであり、（２）式で表されるθ＝０を代入した場合に比して閾値電流密度を低くすることができることがわかる。同様にして、ｇ（θ＋π）＜ｇ（π）であるので、ＪcθAP→P＞ＪcAP→Pとなるが、θ＜π／２では、ＪcθP→AP＞ＪcθAP→Pであるので、その範囲では、電流密度の閾値を実質的に低くする効果がある。
【００２４】
また、図３に示すようにフリー層の磁化が注入されるスピンによるトルクに対して角度θを持つことにより、反転開始時のトルクがゼロでない値となることは明らかである。比較のため、図２に、従来のスピンバルブ素子における、フリー層の磁化容易軸と注入スピントルクの相対関係を示している。前述のように、熱ゆらぎによりフリー層磁化の角度はある範囲に分布する。熱ゆらぎに関わらず、フリー層磁化の角度が固定層磁化の角度に対して有限の角度値をもつようにするには、角度θが、熱ゆらぎによってもたらされる角度よりも大きいことが望ましい。一般に、磁化の傾きθによる異方性エネルギーが熱エネルギーと同等になる条件は、Ｋu×Ｖ×ｓｉｎ２θ＝ｋＴ（ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度で表わした作動時の温度）として表されるので、
（ｋ×Ｔ）／（Ｋu×Ｖ）＜ｓｉｎ２θ  （７）
であることが望ましい。例えば、フリー層の材料としてＣｏＦｅ系材料を想定し、Ｋu＝４ｘ１０４Ｊｍ３、フリー層の形状を長径１３０ｎｍ×短径７０ｎｍの楕円状で厚さ２ｎｍ、素子一つ当たりの体積Ｖ＝１．４×１０−２３ｍ３とすると、温度３００Ｋでの熱エネルギー４．１４ｘ１０−２１Ｊを用いて、（７）式より、θ＞０．０３５πラジアン（＝６．３°）を得る。
【００２５】
傾き角度θが大きくなるにつれて、Ｊcが減少し磁化反転時間も短くなるが、その一方で、磁化反転によるスピンバルブ素子の電気抵抗比率（ＭＲ比）が減少し、かつ、後述するように、磁化反転後、安定点への収束が遅くなる傾向がある。安定点への収束が遅くなるのは、注入スピンとフリー層の異方性磁界の２つの駆動力がバランスし、それに沿った歳差運動が安定になっているものと推定される。これら２つの制限条件から、θの実際的な上限を定めるとすれば約３０°（＝π／６ラジアン）程度とするのが好適であることも見出した。
【００２６】
ＴＭＲ方式のスピンバルブ素子の作製手順例を以下に示す。以下であげる各層の材料、膜厚は一例である。酸化膜付きのシリコンウエファー等の基板５上に、電極層２１としてＣｕ薄膜（３０ｎｍ）を形成し、その後、強磁性層２３としてＣｏＦｅＢ（２０ｎｍ）、絶縁体層２４としてＭｇＯ（０．６ｎｍ）、強磁性層２５としてＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）、キャッピング層２６としてＣｕ（２ｎｍ）を順次積層する。さらに、ネガレジストを塗布し、電子線照射によりパターニングを施し、イオンミリング、もしくはドライエッチにより楕円柱状のスピンバルブ素子を形成する。さらにＣＶＤ法等によりＳｉＯ２膜を形成して前記楕円柱状のスピンバルブ素子の側面を被覆した後、スピンバルブ素子上のレジストをリフトオフにより除去し、上部電極を形成する。その後、数ｋＯｅ（１Ｏｅ≒７９．６Ａ／ｍ）程度の磁場中、３５０〜５００℃でアニールを行うことで固定層の磁化容易軸を決定する。またＧＭＲ方式のスピンバルブ素子の場合は、絶縁体層２４に代って、Ｃｕなどの非磁性層５１が用いられる他は、基本的には同様の作製手順が用いられる。
【００２７】
本発明のスピンバルブ素子を構成する材料としては、基板５としてはシリコン基板、ガラス基板が可能であり、またヒートシンクとしての機能が高い銅基板も可能であり、必要に応じてこれらを水冷などの方法で冷却することも可能である。電極層２１、２９、３１としてはＴａ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｏ、反強磁性層２２としてはＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、そして、強磁性層２３（固定層）としてはＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢが好適であり、絶縁層２４としてはＭｇＯ、Ａｌ酸化物、非磁性層５１としてはＣｕ、強磁性層２５（フリー層）としては、一般に用いられるＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢの他、垂直方向の磁化容易軸となる異方性の得やすいＴｂＦｅ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅ、ＧｄＦｅＣｏなどや、結晶異方性の小さいＮｉＦｅが好適であるが、これに限定されるものではない。また、キャッッピング層２７としてＣｕ、Ｐｄが代表例としてあげられるが、本発明に用いることができる強磁性層がこれに限定されるものではない。
【００２８】
スピンバルブ素子として機能を発現するには、強磁性層２３（固定層）の保持力を強磁性層２５（フリー層）より大きくすることが必要である。この方法としては、強磁性層２３（固定層）と強磁性層２５（フリー層）の材質を同じにして、前者の膜厚を後者の膜厚より大きくすることにより保磁力差をつけることが行われている。また、反強磁性層（ピン止め層）２２を付与し、それとの反強磁性結合で強磁性層２３（固定層）の保持力を高くすることも行なわれている。また必要に応じて、例えばＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢなど反強磁性結合膜とすることも可能である。固定層を含む各層の結晶性や磁化容易軸方向は、これらを積層後、磁場中アニールを施すことで制御される。
【００２９】
フリー層と固定層の磁化容易の方向を相互に異なることとするには以下の方法がある。即ち、フリー層の面内形状を楕円、長方形とし、そのアスペクト比を大きくして形状による異方性磁界を大きくし、その長軸方向を磁化容易軸とする。一方、固定層の磁化容易軸は、前記磁場中アニールにおける磁場印加方向により定まるので、この磁場印加方向とフリー層の長軸方向を異なるものとすることにより、フリー層と固定層の磁化容易軸を異なるものとすることができる。フリー層と固定層の面内形状は異なる（即ち、フリー層に付与する形状異方性を固定層には付与しない）ことが望ましいが、仮に同じ形状としても、固定層の磁化容易軸は隣接する反強磁性層２２で規定されるので、フリー層の磁化容易軸とは一致しないように形成することができる。フリー層の面内形状は、Ｃｌ２、ＢＣｌ２、ＳｉＣｌ４などのハロゲンガス等を用いた通常のドライエッチングで加工可能である。また、フリー層と固定層の面内形状を変えるには、ドライエッチをフリー層と固定層の中間でストップさせる必要があるが、これは、例えばプラズマ発光分光を用いたエッチング終点モニタを用いることなどにより可能である。
【００３０】
以下に、スピン注入によるフリー層磁化挙動の計算例を示す。計算はランダウ・リフシツ・ギルバート方程式（ＬＬＧ方程式）にスピン注入項を加えた以下の（８）、（９）式を用い、フリー層全体を１つの磁化と考えるマクロスピン近似によった。
ｄｍ/ｄｔ＝γｍ×Ｈeff＋αｍ×ｄｍ/ｄｔ＋βST（θ）Ｉｍ×（ｍ×ｓ） （８）
βST（θ）＝ｇ（θ）μB／（Ｍs×Ｖ×ｅ）  （９）
ただし、ｍ、ｓは、固定層、固定層の磁化の方向を示す単位ベクトル、γは磁気ジャイロ定数、Ｈｅｆｆは有効磁場、αはギルバートのダンピング定数、１は電流、θはｓとｍのなす角、μBはボーア磁子、Ｍsはフリー層の飽和磁化、Ｖはフリー層体積、ｅは電子電荷である。ここで、ｍ、ｓ、Ｈｅｆｆはベクトルであり、このため、ベクトル同士に作用する「×」記号の演算は、外積（ベクトル積）を表わす。フリー層磁化の材料としてはＣｏＦｅ系材料を想定し、フリー層の形状を長径１３０ｎｍｘ短径７０ｎｍの楕円状で厚さ２ｍｍとして具体的な計算を行った。計算に用いたパラメータと主な物理定数の値を表１に示す。また、時間ｔは（γＭs）−１で規格化しており、表１の物性値による単位規格化時間は、約１７ｐｓｅｃに相当する。以下の計算では、ｘ−ｙ平面をフリー層面内、Ｘ軸を固定層の磁化容易軸（＝スピン注入Ｓの方向）、Ｚ軸を膜面に垂直な方向としている。
【表１】
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【００３１】
上記の条件による磁化反転の動的挙動の計算例を、フリー層の磁化単位ベクトルｍの各座標の時間変化（左図）と、ｍの軌跡の３次元表示（右図）とによって図４〜８に示す。図４および５は、従来のスピンバルブ素子において、フリー層と固定層の磁化容易軸が平行の場合の計算例である。そのうち、図４はフリー層と固定層の初期磁化が正確に平行な場合であり、この状態で磁化が反平行となるような偏極スピン電流を注入しても磁化反転は起こらない。また、図５はフリー層の初期磁化が固定層に対して６°傾いている場合であり、フリー層の磁化容易軸を中心とする歳差運動を繰り返しながら、規格化された時間の単位で時刻（規格化時間）２４５の時点で磁化の反転が起きている。従来の磁化反転現象は、おおよそこの２つの例で表される。
【００３２】
これに対し、図６および７は、本発明のスピンバルブ素子において、フリー層と固定層の磁化容易軸が１５°（＝π／１２ラジアン）の角度をなす場合である。このうち、図６はフリー層の初期磁化が固定層の磁化容易軸（Ｘ軸）に正確に平行な場合であり、規格化時間１７９において磁化反転が起きていることを示している。また、図７はフリー層の初期磁化が、フリー層自体の磁化容易軸に一致して、固定層の磁化容易軸（Ｘ軸）に対して１５°の角度をなす場合である。従来の図４の場合と異なり、初期状態でも有限のトルクが存在するので、規格化時間４２０で磁化反転が起きている。また、図６のフリー層の磁化が磁化容易軸と１５°異なっているという初期状態は、熱ゆらぎの範囲である６°を超えるものであるが、図４との比較を行なうため、あえて試算したものである。初期磁化の向きはフリー層の磁化容易軸方向（θ）に熱ゆらぎの効果を加えた角度となる。この熱ゆらぎまで考慮した後の角度をβとすると、ｇ（β）＞ｇ（０）が成り立つため、上記の場合（図６および７）の磁化反転のための閾値電流密度Ｊcは、従来（図４および５）より小さく抑えられていることは明らかである。
【００３３】
図８は、フリー層と固定層の磁化容易軸が３０°（＝π／６ラジアン）の角度をなし、かつ、フリー層の初期磁化がフリー層自体の磁化容易軸に一致している場合を示している。この場合、フリー層の磁化は規格化時間３７０で反転している。図７と図８とを比較すればわかるように、フリー層の初期磁化がフリー層自体の磁化容易軸に一致している条件においては、磁化容易軸の傾き角度θが大きいほど磁化反転時間が短くなる傾向が認められる。これは、図３から、初期のトルクが大きくなることが容易に推測され、それと一致する傾向である。しかしながら、前述のように、傾き角度θが大きくなると、磁化反転によるスピンバルブ素子の電気抵抗比率（ＭＲ比）が減少し、かつ磁化反転後に安定点への収束が遅くなる傾向が認められる。この傾向は、図７と図８における磁化ｍのｘ成分の振動の減衰の違いとして現れている。
【００３４】
次に、本発明のスピンバルブ素子（磁気メモリー素子）をメモリーセルとして使用した不揮発記憶装置（本発明装置）の一構成例について図９および図１０を用いて説明する。
【００３５】
図９は本発明に係る不揮発記憶装置の一実施例であるクロスポイント型メモリーセルアレイを構成する磁気メモリー素子を可変抵抗８の記号によって模式的に示している。また、図１０は、ワード線とビット線とによって駆動される不揮発性記憶装置１００のメモリーアレイの構成を示すブロックダイアグラムである。既に説明したように本発明の磁気メモリー素子は、スピン注入磁化反転によってスイッチングが可能となる。そこで、上部電極、下部電極をアレイ状に形成し、その交点付近に磁気メモリー素子を両電極に接続して設けることによりクロスポイント型メモリーが形成される。例えば、あらかじめＳｉ基板上に適当な絶縁膜を通じて配線を形成しその上部に本発明の磁気メモリー素子を形成し、上部電極を更に形成することが可能である。これにより、正極性および負極性の電気パルスをフリー層側から印加することで効率的にスイッチングを行うことが可能である。
【００３６】
メモリーの内容が書き込まれる際には、ワードラインデコーダ１１０によって、ワードラインＷＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）のうちのアクセスされるワードに対応するラインが選択され、その選択されたワードラインに接続されたメモリーセルの行に対して書き込むべきデータに対応する信号がビットラインデコーダ１２０からビットラインＢＬｊ（ｊ＝１〜ｍ）を通じて対応するメモリーセルに対して印加される。そして、ビットラインの電圧との差を取ると、アクセスされるワードラインに接続されたメモリーセルのそれぞれに対して、必要なデータに応じてセット動作またはリセット動作が実現するような信号がビットラインデコーダ１２０から印加される。図示しないが、各クロスポイントにはトランジスタを１つ以上有する付加回路や正負の電源線が備えられていて、アドレスされた信号に応じてトランジスタが開閉することによって、スピンバルブ素子に正負のパルスを印加するようになっていてもよい。いずれの構成であっても、ワードラインデコーダ１１０やビットラインデー子だ１２０の出力段のトランジスタ、あるいは、スピンバルブ素子に接続されたトランジスタの電流は、本発明の特徴を備えるスピンバルブ素子においては低減される。
【００３７】
また、メモリーの内容が読み出される際には、ビットラインデコーダ１２０に含まれ、各ビットラインに対応して設けられる電流検出部（図示しない）が、書き込み時と同様に動作するワードラインデコーダによって選択されるワードラインに対して各ビットラインが流す電流を検出し、アクセスされるワードのあるワードラインにおいて各ビットラインに対応するメモリーセル８の抵抗に応じた電圧値を検出して、メモリーセル８の状態を読み出す。
【００３８】
以上、本発明の実施形態により説明したように、本発明の実施の態様においては、スピン注入磁化反転スピンバルブ素子における磁化反転電流が低減される。また、本発明の実施の形態においては、磁化反転の高速化を実現することができる。本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形、変更および組合せが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のスピンバルブ素子における、フリー層と固定層の磁化容易軸の相対関係を示す説明図。
【図２】従来のスピンバルブ素子における、フリー層の磁化容易軸と注入スピントルクの相対関係を示す説明図。
【図３】本発明のスピンバルブ素子における、フリー層の磁化容易軸と注入スピントルクの相対関係を示す説明図。
【図４】従来のスピンバルブ素子における磁化反転挙動の計算例１。
【図５】従来のスピンバルブ素子における磁化反転挙動の計算例２。
【図６】本発明のスピンバルブ素子における磁化反転挙動の計算例１。
【図７】本発明のスピンバルブ素子における磁化反転挙動の計算例２。
【図８】本発明のスピンバルブ素子における磁化反転挙動の計算例３。
【図９】本発明の記憶装置のメモリー素子の構成を示す模式図。
【図１０】本発明の記憶装置の構成を示すブロック図。
【図１１】ＴＭＲを利用するスピンバルブ素子の基本構成部分を示す断面図。
【図１２】ＧＭＲを利用するスピンバルブ素子の基本構成部分を示す断面図。
【符号の説明】
【００４０】
５  基板
２１  電極層
２２  反強磁性層（ピン止め層）
２３  強磁性層（固定層）
２４  絶縁体層
２５  強磁性層（自由層）
２６  キャッピング層
２７  電極層
３０  絶縁層
３１  配線
５１  非磁性層
１００  不揮発性記憶装置
【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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