(57)【要約】【課題】新規な方法によって書き込みを行う磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】磁化自由層ＭＦＲに電流が流れていない状態で、磁化自由層ＭＦＲは、磁化固定層ＭＦＸ１の側に、磁壁ＭＷ１を有している。磁化自由層ＭＦＲに、磁壁ＭＷ１が形成されている側から電流を流すことで、磁壁ＭＷ２が磁壁ＭＷ１の側に移動する。これにより、参照層ＲＥＦと磁化自由層ＭＦＲの間の電気抵抗ＲＭＴＪが、低い状態から高い状態に変化する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１面と第２面とを有する磁化自由層と、
前記磁化自由層の前記第１面に電気的に接続している参照層と、
前記磁化自由層の前記第２面に電気的に接続し、前記第２面に沿って互いに離れている第１磁化固定層及び第２磁化固定層と、
を備え、
前記磁化自由層と前記第１磁化固定層との間に位置する導電性の第１非磁性層が設けられ、
前記磁化自由層と前記第２磁化固定層との間に位置する導電性の第２非磁性層が設けられ、
前記第１非磁性層と前記第２非磁性層とは、互いに分離されている半導体装置。
【請求項２】
磁化自由層と、
前記磁化自由層の第１面と電気的に接続している参照層と、
前記磁化自由層の近傍に設けられた第１磁化固定層と、
前記磁化自由層に電気的に接続している配線と、
を備え、
前記第１磁化固定層は、前記磁化自由層と電気的に接続していない半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、
前記磁化自由層の近傍に設けられた第２磁化固定層をさらに備え、
前記第２磁化固定層は、
前記磁化自由層と電気的に接続しておらず、
前記第１面の側から見て、前記参照層を介して、前記第１磁化固定層の側と反対の側に位置している半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置において、
複数の前記磁化自由層が、前記第１面の側から見て、第１方向に並んでおり、
前記複数の磁化自由層の各々が、前記第１面の側から見て、前記第１方向と交わる第２方向に長手方向を有しており、
前記第１方向に、前記磁化自由層と前記第１磁化固定層とが交互に設けられており、
前記第１方向に、前記磁化自由層と前記第２磁化固定層とが交互に設けられている半導体装置。
【請求項５】
請求項３に記載の半導体装置において、
複数の前記磁化自由層が、前記第１面の側から見て、第１方向に並んでおり、
前記複数の磁化自由層の各々が、前記第１面の側から見て、前記第１方向に長手方向を有しており、
前記第１方向に互いに隣接する前記磁化自由層において、
一方の前記磁化自由層の前記第２磁化固定層と、他方の前記磁化自由層の前記第１磁化固定層とが同じ磁化固定層であり、
前記第１面の側から見て、前記磁化固定層が、一方の前記磁化自由層から他方の前記磁化自由層にかけて延在している半導体装置。
【請求項６】
請求項２に記載の半導体装置において、
前記磁化自由層の近傍に設けられた第２磁化固定層をさらに備え、
前記第２磁化固定層は、前記磁化自由層と電気的に接続しておらず、
前記第１磁化固定層と前記第２磁化固定層とは、前記第１面の側から見て、
前記磁化自由層の長手方向の一端の側に設けられ、
前記磁化自由層の短手方向に前記磁化自由層を介して互いに対向している半導体装置。
【請求項７】
互いに対向する第１面と第２面とを有する磁化自由層と、
前記磁化自由層の前記第１面に電気的に接続している参照層と、
前記磁化自由層の前記第２面に電気的に接続し、前記第２面に沿って互いに離れている第１磁化固定層及び第２磁化固定層と、
を備え、
前記磁化自由層は、前記磁化自由層に電流が流れていない状態で、前記第１磁化固定層の側及び前記第２磁化固定層の側の一方に、磁壁を有しており、
前記磁化自由層に、前記磁壁が形成されている側から電流を流すことで、前記参照層と前記磁化自由層の間の電気抵抗の状態を変化させる半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、例えばメモリを有する半導体装置に適用可能な技術である。
【背景技術】
【０００２】
高速動作を実現するメモリとして、現在、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）が注目されている。そしてＭＲＡＭとして、強磁性体の内部に磁壁を生成して、この磁壁を移動させることで動作するデバイスが現在検討されている。
【０００３】
現在、例えば非特許文献１及び非特許文献２に記載されているように、強磁性体の内部における磁壁が、電流によって移動し、さらに磁壁が電流の向きと逆の方向に移動することが観測されている。さらに特許文献１には、このようなスピントルクを用いて磁壁を移動させて書き込みを行う磁気抵抗効果素子が記載されている。またこのような磁壁を強磁性体に導入する方法として、特許文献２に記載の方法が検討されている。特許文献２に記載の磁気メモリは、強磁性体に外部磁場を印加するための書き込み配線を有している。この磁気メモリでは、書き込み配線からの外部磁場によって書き込みを行っている。さらに特許文献３には、強磁性体であるデータ記憶層の良好な垂直磁気異方性を実現するために、データ記憶層の下に下地層を設けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００９／００１７０６号
【特許文献２】特開２００８−１９２７１１号公報
【特許文献３】国際公開第２０１０／０２６８６１号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】A. Yamaguchi et al., Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires, Physical Review Letters, Vol. 92, 077205, 2004.
【非特許文献２】H. Tanigawa et al., Domain Wall Motion Induced by Electric Current in a Perpendicularly Magnetized Co/Ni Nano-Wire, Applied Physics Express, 2, 053002, 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
磁壁を駆動させることで書き込みを行う磁気抵抗効果素子としては、例えば特許文献２に記載されているように外部からの磁場によって導入された磁壁を駆動させるデバイスが現在開発されている。これに対して、本発明者らは、新規な方法によって書き込みを行う磁気抵抗効果素子を検討した。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施の形態によれば、半導体装置は、磁化自由層、参照層、第１磁化固定層及び第２磁化固定層を備えている。磁化自由層は、互いに対向する第１面と第２面とを有する。参照層は、磁化自由層の第１面に電気的に接続している。第１磁化固定層及び第２磁化固定層は、磁化自由層の第２面に電気的に接続している。さらに第１磁化固定層及び第２磁化固定層は、第２面に沿って互いに離れている。さらに、磁化自由層と第１磁化固定層との間には、導電性の第１非磁性層が設けられている。同様に、磁化自由層と第２磁化固定層との間には、導電性の第２非磁性層が設けられている。そして第１非磁性層と第２非磁性層とは、互いに分離されている。
【０００８】
他の例によれば、半導体装置は、磁化自由層、参照層、第１磁化固定層及び配線を備えている。参照層は、磁化自由層の第１面と電気的に接続している。第１磁化固定層は、磁化自由層の近傍に設けられている。配線は、磁化自由層に電気的に接続している。さらに第１磁化固定層は、磁化自由層と電気的に接続していない。
【０００９】
他の例によれば、半導体装置は、磁化自由層、参照層、第１磁化固定層及び第２磁化固定層を備えている。磁化自由層は、互いに対向する第１面と第２面とを有する。参照層は、磁化自由層の第１面に電気的に接続している。第１磁化固定層及び第２磁化固定層は、磁化自由層の第２面に電気的に接続している。さらに第１磁化固定層及び第２磁化固定層は、第２面に沿って互いに離れている。磁化自由層に電流が流れていない場合、磁化自由層は、第１磁化固定層の側及び第２磁化固定層の側の一方に、磁壁を有している。そして磁化自由層に、磁壁が形成されている側から電流を流すことで、参照層と磁化自由層の間の電気抵抗の状態を変化させる。
【発明の効果】
【００１０】
前記一実施の形態によれば、新規な方法によって書き込みを行う磁気抵抗効果素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ´における断面図である。
【図３】実施形態に係る磁気メモリセルの回路図である。
【図４】磁気抵抗効果素子の動作を説明するための図である。
【図５】磁気抵抗効果素子の動作を説明するための図である。
【図６】磁気抵抗効果素子の動作を説明するための図である。
【図７】磁気抵抗効果素子の動作を説明するための図である。
【図８】（ａ）は、電流−素子温度の関係の一例を示すグラフであり、（ｂ）は、温度−保磁力の関係の一例を示すグラフであり、（ｃ）は、電流−保磁力の関係の一例を示すグラフである。
【図９】漏洩磁場の分布を説明するための図である。
【図１０】磁気抵抗効果素子の読み出し抵抗値の電流特性の一例を示すグラフである。
【図１１】磁化固定層の厚さとしきい電流値の関係の一例を示すグラフである。
【図１２】磁化自由層に磁壁を生成する条件を説明するためのグラフである。
【図１３】書き込みに必要な電流値と漏洩磁場の関係の一例を示すグラフである。
【図１４】変形例１に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。
【図１５】図１４のＡ−Ａ´における断面図である。
【図１６】変形例２に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。
【図１７】変形例３に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。
【図１８】変形例４に係る磁気抵抗効果素子の断面図である。
【図１９】変形例５に係る磁気抵抗効果素子の断面図である。
【図２０】変形例６に係る磁気抵抗効果素子の断面図である。
【図２１】変形例７に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。
【図２２】図２１のＡ−Ａ´における断面図である。
【図２３】変形例８に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。
【図２４】変形例９に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。
【図２５】図２４の磁化固定層の拡大斜視図である。
【図２６】変形例１０に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。
【図２７】変形例１１に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。
【図２８】磁気抵抗効果素子の動作を説明するための図である。
【図２９】磁気抵抗効果素子の動作を説明するための図である。
【図３０】磁気抵抗効果素子の動作を説明するための図である。
【図３１】変形例１２に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。
【図３２】図３１の磁化固定層の拡大斜視図である。
【図３３】変形例１３に係る磁気抵抗効果素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１３】
（実施形態）
図１は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ´における断面図である。本実施形態の半導体装置は、磁気抵抗効果素子ＭＲを含んでいる。磁気抵抗効果素子ＭＲは、磁化自由層ＭＦＲ、参照層ＲＥＦ、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２を備えている。
【００１４】
磁化自由層ＭＦＲは、互いに対向する面Ｓ１と面Ｓ２を有する。本図に示す例では、面Ｓ１と面Ｓ２は、ｚ軸方向に対向している。また磁化自由層ＭＦＲは、ｚ軸方向から見て、ｘ軸方向に長手方向を有し、ｙ軸方向に短手方向を有している。さらに磁化自由層ＭＦＲのｚ軸方向の厚みは、磁化自由層ＭＦＲのｘ軸方向の長さよりも小さい。
【００１５】
磁化自由層ＭＦＲは、垂直磁気異方性を有する強磁性体であり、厚み方向と平行又は反平行の磁化を有することができる。また磁化自由層ＭＦＲは、領域ＲＧ１、領域ＲＧ２及び領域ＲＧ３を有している。領域ＲＧ１は、ｚ軸方向から見て、後述する参照層ＲＥＦと重なっている。領域ＲＧ２は、磁化自由層ＭＦＲの長手方向の一端の側に位置し、領域ＲＧ３は、磁化自由層ＭＦＲの長手方向の他端の側に位置する。そして領域ＲＧ１は、磁化自由層ＭＦＲの長手方向（ｘ軸方向）において、領域ＲＧ２と領域ＲＧ３によって挟まれている。なお、本図に示す例では、領域ＲＧ２は、ｚ軸方向から見て、後述する磁化固定層ＭＦＸ１と重なり、領域ＲＧ３は、ｚ軸方向から見て、後述する磁化固定層ＭＦＸ２と重なっている。また本図に示す例では、領域ＲＧ１は、＋ｚ軸方向の磁化を有している。一方、領域ＲＧ２では、−ｚ軸方向に磁化が固定されており、領域ＲＧ３では、＋ｚ軸方向に磁化が固定されている。そして領域ＲＧ１と領域ＲＧ２の間には、磁壁ＭＷ１が形成されている。磁壁ＭＷ１は、外部磁場によって導入された磁壁である。すなわち、磁壁ＭＷ１は、初期化された磁壁である。なお、領域ＲＧ１の磁化は、磁気抵抗効果素子ＭＲを動作させることで、後述するように反転させることができる。
【００１６】
参照層ＲＥＦは、層Ｌ１と層Ｌ２を含んでいる。層Ｌ１は、参照層ＲＥＦの面Ｓ１と対向し、層Ｌ２は、層Ｌ１を介して面Ｓ１と対向している。また層Ｌ１と層Ｌ２は、互いに反平行の磁化を有している。本図に示す例では、層Ｌ１の磁化は、＋ｚ軸方向に固定されており、層Ｌ２の磁化は、−ｚ軸方向に固定されている。
【００１７】
参照層ＲＥＦは、バリア層ＢＲを介して、磁化自由層ＭＦＲの面Ｓ１に電気的に接続している。本図に示す例では、参照層ＲＥＦは、ｚ軸方向から見て、参照層ＲＥＦの領域ＲＧ１と重なっている。なお、バリア層ＢＲは、例えば絶縁体であり、具体的には、Ｍｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ又はＨｆ−Ｏである。
【００１８】
参照層ＲＥＦは、磁化自由層ＭＦＲの領域ＲＧ１と磁気トンネル接合を形成している。磁気トンネル接合によって、磁化自由層ＭＦＲの領域ＲＧ１と参照層ＲＥＦの層Ｌ１の間の電気抵抗ＲＭＴＪが、領域ＲＧ１の磁化の向きと層Ｌ１の磁化の向きの関係によって変化する。すなわち、領域ＲＧ１の磁化の向きに基づいて、０又は１の情報が磁気抵抗効果素子ＭＲに記憶される。具体的には、領域ＲＧ１の磁化の向きと層Ｌ１の磁化の向きが平行になる場合は、領域ＲＧ１と層Ｌ１の間の電気抵抗ＲＭＴＪは小さいものになる。一方、領域ＲＧ１の磁化の向きと層Ｌ１の磁化の向きが反平行になる場合は、領域ＲＧ１と層Ｌ１の間の電気抵抗ＲＭＴＪは大きいものになる。このため、領域ＲＧ１と層Ｌ１の間で電流を流すことで、領域ＲＧ１の磁化の向きを判断することできる。このようにして領域ＲＧ１の磁化の向きを判断することで、磁気抵抗効果素子ＭＲが記憶しているデータを読み出すことができる。
【００１９】
磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、磁化自由層ＭＦＲの面Ｓ２に電気的に接続している。さらに、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、ｘ軸方向に互いに離れている。すなわち、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、直接接続していない。本図に示す例では、磁化固定層ＭＦＸ１は、ｚ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲの領域ＲＧ２と重なっている。一方、磁化固定層ＭＦＸ２は、ｚ軸方向から見て、領域ＲＧ３と重なっている。
【００２０】
磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、垂直磁気異方性を有する強磁性体であり、厚み方向と平行又は反平行の磁化を有することができる。本図に示す例では、磁化固定層ＭＦＸ１の磁化は、参照層ＲＥＦの領域ＲＧ２の磁化と同じ向き（−ｚ軸方向）に固定されている。一方、磁化固定層ＭＦＸ２の磁化は、参照層ＲＥＦの領域ＲＧ３の磁化と同じ向き（＋ｚ軸方向）に固定されている。さらに、磁化固定層ＭＦＸ１は、本図に示すように漏洩磁場ＬＭ１を発している。同様に、磁化固定層ＭＦＸ２も、漏洩磁場ＬＭ２を発している。
【００２１】
磁化自由層ＭＦＲと磁化固定層ＭＦＸ１の間には、非磁性層ＮＭ１が設けられている。同様に、磁化自由層ＭＦＲと磁化固定層ＭＦＸ２の間には、非磁性層ＮＭ２が設けられている。非磁性層ＮＭ１及び非磁性層ＮＭ２は、導電性の非磁性体であり、例えば、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）またはタングステン（Ｗ）を含む材料から構成されている。さらに、非磁性層ＮＭ１と非磁性層ＮＭ２は、互いに分離されており、直接接続されていない。なお、非磁性層ＮＭ１の膜厚及び非磁性層ＮＭ２の膜厚は、後述するように、漏洩磁場ＬＭ１と漏洩磁場ＬＭ２をどの程度磁化自由層ＭＦＲに作用させるかによって決定されるものであり、例えば、数ｎｍである。
【００２２】
参照層ＲＥＦの層Ｌ２には、電極層ＵＥが設けられている。磁化固定層ＭＦＸ１には、電極層ＬＥ１が設けられている。磁化固定層ＭＦＸ２には、電極層ＬＥ２が設けられている。電極層ＵＥ、電極層ＬＥ１及び電極層ＬＥ２は、磁気抵抗効果素子ＭＲの端子として機能しており、例えば、金属（例えば、銅）によって形成されている。
【００２３】
なお、磁化自由層ＭＦＲ、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２の材料は、垂直磁気異方性を有する強磁性体であれば特に限定されないが、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含むことが好ましい。さらに磁化自由層ＭＦＲ、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、これらの材料に加えて、例えば、Ｐｔ又はＰｄを含んでいてもよい。この場合、上記した層の垂直磁気異方性を安定化することができる。
【００２４】
さらに磁化自由層ＭＦＲ、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、以上の材料に加えて、例えば、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又はＳｍを含んでいてもよい。この場合、上記した層に所望の磁気特性を発現させることができる。磁化自由層ＭＦＲ、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、例えば、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又はＳｍ−Ｃｏとすることができる。
【００２５】
さらに、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て垂直方向の磁気異方性を発現させてもよい。具体的には、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜が例示される。また、磁化自由層ＭＦＲの磁気抵抗比を上げて読み出し抵抗のＳ／Ｎ比を向上させるため、磁化自由層ＭＦＲは、例えば、ＣｏＦｅ／ＭｇＯ又はＣｏＦｅＢ／ＭｇＯとしてもよい。
【００２６】
図３は、本実施形態に係る磁気メモリセルＭＣの回路図である。磁気メモリセルＭＣは、磁気抵抗効果素子ＭＲ、トランジスタＴＲ１、トランジスタＴＲ２、ビット線ＢＬ１、ビット線ＢＬ２及びワード線ＷＬを含んでいる。
【００２７】
磁気抵抗効果素子ＭＲの電極層ＵＥは、グラウンド線ＧＮＤに接続されている。さらに磁気抵抗効果素子ＭＲの電極層ＬＥ１は、トランジスタＴＲ１のソース又はドレインに接続されている。一方、磁気抵抗効果素子ＭＲの電極層ＬＥ２は、トランジスタＴＲ２のソース又はドレインに接続されている。
【００２８】
トランジスタＴＲ１のゲート及びトランジスタＴＲ２のゲートは、ワード線ＷＬに接続している。さらにトランジスタＴＲ１のソース又はドレインの一方は、上述したように磁気抵抗効果素子ＭＲに接続されており、他方は、ビット線ＢＬ１に接続されている。同様に、トランジスタＴＲ２のソース又はドレインの一方は、磁気抵抗効果素子ＭＲに接続されており、他方は、ビット線ＢＬ２に接続されている。
【００２９】
なお、本実施形態では、複数の磁気メモリセルＭＣが、アレイ状に配置され、周辺回路と接続している。このようにして、磁気ランダムアクセスメモリが形成される。
【００３０】
次に、本実施形態における０又は１の書き込み方法及び効果について説明する。図４〜図７は、磁気抵抗効果素子ＭＲの動作を説明するための図であり、図２に対応する。なお、図４〜図７に示す例では、磁化自由層ＭＦＲの領域ＲＧ１の磁化の向きが−ｚ軸方向の場合が１の情報を示し、領域ＲＧ１の磁化の向きが＋ｚ軸方向の場合が０の情報を示しているものとする。
【００３１】
図４に示す例では、磁化自由層ＭＦＲは、磁化自由層ＭＦＲに電流が流れていない状態で、磁化固定層ＭＦＸ１の側に磁壁ＭＷ１を有している。そして本図に示す例では、磁化自由層ＭＦＲに、磁化固定層ＭＦＸ１の側から電流（黒矢印で図示）を流している。この場合、磁化自由層ＭＦＲではジュール熱が発生する。これにより、例えば図８（ａ）に示すように、電流の増加とともに素子温度が上昇する。さらに、磁化自由層ＭＦＲの保磁力は、例えば図８（ｂ）に示すように、温度の上昇とともに低下する。このため、磁化自由層ＭＦＲの保磁力は、例えば図８（ｃ）に示すように、電流の増加とともに低下する。
【００３２】
さらに磁化固定層ＭＦＸ２は、例えば図９に示すように、漏洩磁場ＬＭ２を発している。本図に示す例では、漏洩磁場ＬＭ２は、磁化固定層ＭＦＸ２から＋ｚ軸方向に距離ｔ＿ＮＭ離れた領域において、ｚ軸方向の磁場成分Ｈｚが負になる領域を有している。さらに負の磁場成分Ｈｚの絶対値が最大値Ｈ＿ＳＦをとる。なお、磁化固定層ＭＦＸ１においても、同様の現象が生じている。また本図に示す例は、ＭＳ＿ＭＦＸ（磁化固定層ＭＦＸ２の磁化）＝５８０ｅｍｕ／ｃｃ、ｔ＿ＭＦＸ（磁化固定層ＭＦＸ２の厚さ）＝４ｎｍ、ｗ＿ＭＦＸ（磁化固定層ＭＦＸ２の幅）＝１００ｎｍ、ｔ＿ＮＭ（図４の非磁性層ＮＭ２の厚さに対応）＝５ｎｍとした場合の計算結果である。
【００３３】
このように、図４に示す例では、磁化自由層ＭＦＲに電流が流れると、磁化自由層ＭＦＲの保磁力が低下する。さらに、磁化固定層ＭＦＸ２は漏洩磁場ＬＭ２を発し、漏洩磁場ＬＭ２は、領域ＲＧ３の近傍において、−ｚ軸方向の磁場成分を有している。このため、磁化自由層ＭＦＲの保磁力が漏洩磁場ＬＭ２の−ｚ軸方向の磁場成分よりも小さくなると、領域ＲＧ３の磁化の方向が−ｚ軸方向に反転する。結果、磁化が反転した領域とその周りの領域の間の境界において、磁壁ＭＷ２及び磁壁ＭＷ３が生じる。なお、本図に示す例では、磁壁ＭＷ３が領域ＲＧ３の側に形成されており、磁壁ＭＷ２が磁壁ＭＷ３を介して領域ＲＧ３と対向している。
【００３４】
そして磁壁ＭＷ２には、スピントルクが作用する。さらに磁壁は、電流の向きと逆の方向に移動する。このため、磁壁ＭＷ２は、−ｘ軸方向に移動する。一方、磁壁ＭＷ３は、ほぼ移動することなく留まったままになる。これは、漏洩磁場ＬＭ２が、磁壁ＭＷ３の−ｘ軸方向の側において、＋ｚ軸方向の大きな磁場成分を有していないためである。磁壁ＭＷ３を−ｘ軸方向に移動させるには、磁壁ＭＷ３の−ｘ軸方向の側の磁化が、−ｚ軸方向から＋ｚ軸方向に反転する必要がある。しかしながら、上記したように、漏洩磁場ＬＭ２の分布が、そのような磁化の反転を起こしにくい状態にある。このため、磁壁ＭＷ３は、ほぼ移動することがない。
【００３５】
このようにして、磁壁ＭＷ２が−ｘ軸方向に移動する。結果、図５に示すように、磁化自由層ＭＦＲの領域ＲＧ１の磁化が＋ｚ軸方向から−ｚ軸方向に反転する。この場合、参照層ＲＥＦと磁化自由層ＭＦＲの領域ＲＧ１の間の電気抵抗ＲＭＴＪが、例えば図１０に示すように、低い状態から高い状態に変化している。すなわち、磁気抵抗効果素子ＭＲに１の情報が書き込まれたことになる。
【００３６】
参照層ＲＥＦと領域ＲＧ１の電気抵抗ＲＭＴＪを高い状態から低い状態に変化させる場合も、磁気抵抗効果素子ＭＲは、同様に動作する。この場合、図６に示すように、磁化自由層ＭＦＲの磁化固定層ＭＦＸ２の側から電流（黒矢印で図示）を流す。この場合も、上記した原理と同様の原理で、磁壁ＭＷ４および磁壁ＭＷ５が、領域ＲＧ２の近傍に生じる。なお、本図に示す例では、磁壁ＭＷ５が領域ＲＧ２の側に形成されており、磁壁ＭＷ４が磁壁ＭＷ５を介して領域ＲＧ２と対向している。
【００３７】
そしてスピントルクによって、磁壁ＭＷ４が＋ｘ軸方向に移動する。一方、磁壁ＭＷ５は、ほぼ移動することなく留まったままになる。結果、図７に示すように、磁化自由層ＭＦＲの領域ＲＧ１の磁化が−ｚ軸方向から＋ｚ軸方向に反転する。この場合、参照層ＲＥＦと磁化自由層ＭＦＲの領域ＲＧ１の間の電気抵抗ＲＭＴＪが、例えば図１０に示すように、高い状態から低い状態に変化している。すなわち、磁気抵抗効果素子ＭＲに０の情報が書き込まれたことになる。
【００３８】
なお、図４に示す例において参照層ＲＥＦと磁化自由層ＭＦＲの領域ＲＧ１の電気抵抗ＲＭＴＪを低い状態から高い状態に変化させるには、例えば、特許文献１に記載されているように、磁壁ＭＷ１を＋ｘ軸方向に移動させる場合もある。ただしこの場合、−ｘ軸方向に電流を流す必要がある。これは、磁壁ＭＷ１が、電流の向きと逆に移動するためである。これに対して本図に示す例では、上記した電気抵抗ＲＭＴＪを低い状態から高い状態に変化させる場合に、＋ｘ軸方向に電流を流している。すなわち、本図に示す例では、電気抵抗ＲＭＴＪを高い低い状態から高い状態に変化させる場合の電流の向きが、磁壁ＭＷ１を移動させる場合に流す電流の向きと逆になる。そして図６に示す例においても同様のことが成立する。
【００３９】
磁化自由層ＭＦＲに流す電流の制御について、図４に示す例を用いて、より詳細に説明する。磁壁ＭＷ１は、領域ＲＧ１及び領域ＲＧ２に束縛されている。さらに磁壁ＭＷ１は、漏洩磁場ＬＭ１のｘ軸方向の成分の影響も受けている。磁壁ＭＷ１を移動させるためのしきい電流値Ｉ＿Ｃと磁化固定層ＭＦＸ１の厚さとの関係を調べたところ、図１１に示す結果を得た。本図に示す結果は、１次元のＬａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ方程式を解いて得られている。本図に示すように、しきい電流値Ｉ＿Ｃは、磁化固定層ＭＦＸ１の厚さの増加とともに増加する。ここで、磁化固定層ＭＦＸ１の厚さが０、すなわち漏洩磁場ＬＭ１の束縛がない状態のしきい電流値をＩ＿Ｃ０と定義する。
【００４０】
図１２は、図４に示す例において磁化自由層ＭＦＲに磁壁ＭＷ２及び磁壁ＭＷ３を生成する条件を説明するためのグラフである。図１２において、横軸は磁化自由層ＭＦＲに流す電流値を示している。一方、縦軸は、磁化自由層ＭＦＲの保磁力Ｈ＿Ｃと、図９で示した負の磁場成分Ｈｚの絶対値の最大値Ｈ＿ＳＦの差を示している。
【００４１】
磁壁ＭＷ２及び磁壁ＭＷ３は、Ｈ＿Ｃ−Ｈ＿ＳＦ＝０の場合に生じ得る。このとき磁化自由層ＭＦＲに流れる電流をＩ＿ＤＷと定義する（図１２参照）。また磁壁ＭＷ２は、−ｘ軸方向に移動しやすいように、漏洩磁場ＬＭ２の影響を受けている。このため、磁壁ＭＷ２を駆動するための電流は、Ｉ＿Ｃ０よりもやや小さいものになると考えられる。
【００４２】
磁壁ＭＷ２及び磁壁ＭＷ３の生成と、書き込み動作が同時に行われるには、Ｉ＿ＤＷ＜Ｉ＿Ｃを満たしている必要がある。このため、磁化自由層ＭＦＲの保磁力Ｈ＿Ｃ又は漏洩磁場ＬＭ２の磁場成分Ｈ＿ＳＦを最適化して、Ｉ＿ＤＷ＜Ｉ＿Ｃを満たすようにする必要がある。具体的には、例えば、磁化自由層ＭＦＲにとって適当な材料を選定することができる。また、磁化固定層ＭＦＸ２にとって適当な材料を選定してもよいし、又は磁化固定層ＭＦＸ２にとって適当な形状を形成してもよい。さらに、非磁性層ＮＭ２の厚さを調整して磁化自由層ＭＦＲと磁化固定層ＭＦＸ２の間の距離を適当な距離にしてもよい。
【００４３】
磁化自由層ＭＦＲに流れる電流値は、本図（ａ）又は（ｂ）に示す関係を満たしている必要がある。本図（ａ）では、Ｉ＿Ｃ０＜Ｉ＿ＤＷ＜Ｉ＿Ｃが満たされている。この場合、書き込みに必要な電流値は、Ｉ＿ＤＷとなる。一方、本図（ｂ）では、Ｉ＿ＤＷ＜Ｉ＿Ｃ０＜Ｉ＿Ｃが満たされている。この場合、書き込みに必要な電流値は、Ｉ＿Ｃ０となる。
【００４４】
さらに、書き込みを適切に行うには、本図（ａ）に示す例では、Ｉ＿ｒｅａｄとＩ＿Ｃ０の間に十分なマージンが必要となる。Ｉ＿ｒｅａｄとは、磁気抵抗効果素子ＭＲの読み出しに必要な電流値である。またＩ＿ＤＷとＩ＿Ｃの間にも十分なマージンが必要となる。一方、本図（ｂ）に示す例では、Ｉ＿ｒｅａｄとＩ＿ＤＷの間に十分なマージンが必要となる。またＩ＿Ｃ０とＩ＿Ｃの間にも十分なマージンが必要となる。
【００４５】
以上のように、図４に示す例では、磁壁ＭＷ１ではなく磁壁ＭＷ２を移動させて磁気抵抗効果素子ＭＲに書き込みを行っている。ここで、磁壁ＭＷ１は、漏洩磁場ＬＭ１の束縛を大きく受けているのに対して、磁壁ＭＷ２は、漏洩磁場ＬＭ２の束縛をあまり受けていない。このため、磁壁ＭＷ２を駆動させるための電流は、磁壁ＭＷ１を駆動させるための電流よりも、小さくすることができる。このため磁壁ＭＷ１に代わって磁壁ＭＷ２を駆動させることで、書き込みに必要な電流を小さくすることができる。結果、磁気抵抗効果素子ＭＲにおける消費電力を小さくすることができる。
【００４６】
さらに図４に示す例では、図１３に示すように、書き込み動作に必要な電流値が、図９で示した負の磁場成分Ｈｚの絶対値の最大値Ｈ＿ＳＦの増加に伴い、減少する。なお、図１３に示す例では、磁化固定層ＭＦＸ２の膜厚と非磁性層ＮＭ２の膜厚を変化させて、Ｈ＿ＳＦを変化させている。
【００４７】
以上をまとめると、本実施形態では、磁気抵抗効果素子ＭＲに書き込みを行うための電流の向きが、初期化された磁場（例えば、図４の磁壁ＭＷ１）を駆動させる場合の電流の向きとは逆になる。さらに、本実施形態では、磁気抵抗効果素子ＭＲの消費電力を、初期化された磁場を駆動させる場合よりも低いものにすることができる。
【００４８】
なお、本実施形態では、磁化自由層ＭＦＲに電流を流すことで磁化自由層ＭＦＲの保磁力を下げていたが、磁化自由層ＭＦＲの保磁力を下げる方法は、これに限られない。磁化自由層ＭＦＲの保磁力は、有効磁場によっても下げることができる。磁化自由層ＭＦＲが例えばＴａ又はＰｔを含んでいる場合、例えばスピンホール効果又はＲａｓｈｂａ相互作用によって、磁化自由層ＭＦＲの長手方向又は短手方向に有効磁場が働く。この有効磁場は、電流によって生成される電流磁場とは異なる磁場である。この有効磁場によって磁化自由層ＭＦＲの保磁力を下げることができる。このため、有効磁場による磁化自由層ＭＦＲの保磁力の低下と磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２からの漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２によって磁壁（例えば、磁壁ＭＷ２及び磁壁ＭＷ３）を生成することができる。
【００４９】
（変形例１）
図１４は、変形例１に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの平面図であり、実施形態の図１に対応する。図１５は、図１４のＡ−Ａ´における断面図であり、実施形態の図２に対応する。本変形例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲは、以下の点を除いて実施形態に係る磁気抵抗効果素子ＭＲと同様の構成である。
【００５０】
本変形例では、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２が、磁化自由層ＭＦＲの近傍に設けられている。また、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、ｚ軸方向から見て、参照層ＲＥＦを介して互いに対向している。さらに磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、磁化自由層ＭＦＲと電気的に接続されていない。例えば、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、電気的に浮遊していてもよい。なお、磁化固定層ＭＦＸ１の磁化は、−ｚ軸方向に固定されている。一方、磁化固定層ＭＦＸ２の磁化は、＋ｚ軸方向に固定されている。さらに配線（電極層ＬＥ１及び電極層ＬＥ２）が磁化自由層ＭＦＲに接続している。この配線を介して、磁化自由層ＭＦＲに電流を流すことになる。なお、本図に示す例では、非磁性層ＮＭ１及び非磁性層ＮＭ２が存在しないため、電極層ＬＥ１及び電極層ＬＥ２が、磁化自由層ＭＦＲに直接接続している。
【００５１】
詳細には、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、ｚ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲを介してｘ軸方向に互いに対向している。さらに、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、ｘ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲと重なっている。具体的には、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、磁化自由層ＭＦＲと同じ層に設けられている。この場合においても、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２は、磁化自由層ＭＦＲに対して、実施形態と同様に作用することができる。
【００５２】
本変形例においても、磁気抵抗効果素子ＭＲは、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２を利用して、実施形態と同様に動作することができ、実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
（変形例２）
図１６は、変形例２に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの平面図であり、変形例１の図１４に対応する。本変形例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲは、以下の点を除いて変形例１に係る磁気抵抗効果素子ＭＲと同様の構成である。
【００５４】
本変形例では、磁化固定層ＭＦＸ１がｙ軸方向に沿って分離されている。そして分離された磁化固定層ＭＦＸ１が、ｚ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲの一端をｙ軸方向に挟んでいる。同様に、磁化固定層ＭＦＸ２もｙ軸方向に沿って分離されている。そして分離された磁化固定層ＭＦＸ２が、ｚ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲの他端をｙ軸方向に挟んでいる。この場合においても、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２は、磁化自由層ＭＦＲに対して、変形例１と同様に作用することができる。
【００５５】
本変形例においても、磁気抵抗効果素子ＭＲは、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２を利用して、変形例１と同様に動作することができ、変形例１と同様の効果を得ることができる。さらに本変形例においては、変形例１と比較して、磁化自由層ＭＦＲの周りの磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２の数が多くなる。このため、本変形例においては、変形例１と比較して、磁化自由層ＭＦＲに作用する漏洩磁場ＬＭ１の成分及び漏洩磁場ＬＭ２の成分を大きいものにすることができる。
【００５６】
（変形例３）
図１７は、変形例３に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの平面図であり、変形例１の図１４に対応する。本変形例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲは、以下の点を除いて変形例１に係る磁気抵抗効果素子ＭＲと同様の構成である。
【００５７】
本変形例では、磁化固定層ＭＦＸ１が、ｚ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲのｘ軸方向の一端を囲んでいる。同様に、磁化固定層ＭＦＸ２が、ｚ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲのｘ軸方向の他端を囲んでいる。この場合においても、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２は、磁化自由層ＭＦＲに対して、変形例１と同様に作用することができる。
【００５８】
本変形例においても、磁気抵抗効果素子ＭＲは、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２を利用して、変形例１と同様に動作することができ、変形例１と同様の効果を得ることができる。さらに本変形例においては、変形例１と比較して、ｚ軸方向から見た場合の磁化固定層ＭＦＸ１の面積及び磁化固定層ＭＦＸ２の面積が大きくなる。このため、本変形例においては、変形例１と比較して、磁化自由層ＭＦＲに作用する漏洩磁場ＬＭ１の成分及び漏洩磁場ＬＭ２の成分を大きいものにすることができる。
【００５９】
（変形例４）
図１８は、変形例４に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの断面図であり、変形例１の図１５に対応する。本変形例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲは、以下の点を除いて変形例１に係る磁気抵抗効果素子ＭＲと同様の構成である。
【００６０】
本変形例では、磁化固定層ＭＦＸ１は、ｙ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲの参照層ＲＥＦと反対側に設けられている。同様に、磁化固定層ＭＦＸ２は、ｙ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲの参照層ＲＥＦと反対側に設けられている。具体的には、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、磁化自由層ＭＦＲの下層に設けられている。この場合においても、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２は、磁化自由層ＭＦＲに対して、変形例１と同様に作用することができる。
【００６１】
本変形例においても、磁気抵抗効果素子ＭＲは、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２を利用して、変形例１と同様に動作することができ、変形例１と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
（変形例５）
図１９は、変形例５に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの断面図であり、変形例１の図１５に対応する。本変形例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲは、以下の点を除いて変形例１に係る磁気抵抗効果素子ＭＲと同様の構成である。
【００６３】
本変形例では、磁化固定層ＭＦＸ１は、ｙ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲの参照層ＲＥＦの側に設けられている。同様に、磁化固定層ＭＦＸ２は、ｙ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲの参照層ＲＥＦの側に設けられている。具体的には、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、磁化自由層ＭＦＲの上層に設けられている。この場合においても、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２は、磁化自由層ＭＦＲに対して、変形例１と同様に作用することができる。
【００６４】
本変形例においても、磁気抵抗効果素子ＭＲは、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２を利用して、変形例１と同様に動作することができ、変形例１と同様の効果を得ることができる。
【００６５】
（変形例６）
図２０は、変形例６に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの断面図であり、変形例１の図１５に対応する。本変形例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲは、以下の点を除いて変形例１に係る磁気抵抗効果素子ＭＲと同様の構成である。
【００６６】
本変形例では、磁化固定層ＭＦＸ１と磁化固定層ＭＦＸ２は同じ材料で形成されている。そして磁化固定層ＭＦＸ２の一部がエッチングされている。これにより、磁化固定層ＭＦＸ２の保磁力を磁化固定層ＭＦＸ１の保磁力よりも小さいものにすることができる。結果、磁化固定層ＭＦＸ１の磁化の向きと磁化固定層ＭＦＸ２の磁化の向きを反平行にすることができる。この場合においても、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２は、磁化自由層ＭＦＲに対して、変形例１と同様に作用することができる。
【００６７】
本変形例においても、磁気抵抗効果素子ＭＲは、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２を利用して、変形例１と同様に動作することができ、変形例１と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
（変形例７）
図２１は、変形例７に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの平面図であり、変形例１の図１４に対応する。図２２は、図２１のＡ−Ａ´における断面図であり、変形例１の図１５に対応する。本変形例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲは、以下の点を除いて変形例１に係る磁気抵抗効果素子ＭＲと同様の構成である。
【００６９】
本変形例では、磁化固定層ＭＦＸ１が、ｚ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲの領域ＲＧ２の少なくとも一部と重なっている。同様に、磁化固定層ＭＦＸ２が、ｚ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲの領域ＲＧ３の少なくとも一部と重なっている。また、磁化固定層ＭＦＸ１と磁化固定層ＭＦＸ２は、ｙ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲの参照層ＲＥＦの側に設けられている。具体的には、磁化固定層ＭＦＸ１及び磁化固定層ＭＦＸ２は、磁化自由層ＭＦＲの上層に設けられている。さらに、磁化固定層ＭＦＸ１の磁化の向きと磁化固定層ＭＦＸ２の磁化の向きは、−ｘ軸方向に固定されている。この場合においても、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２は、磁化自由層ＭＦＲに対して、変形例１と同様に作用することができる。
【００７０】
本変形例においても、磁気抵抗効果素子ＭＲは、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２を利用して、変形例１と同様に動作することができ、変形例１と同様の効果を得ることができる。
【００７１】
（変形例８）
図２３は、変形例８に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの平面図であり、変形例２の図１６に対応する。本変形例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲは、以下の点を除いて変形例２に係る磁気抵抗効果素子ＭＲと同様の構成である。
【００７２】
本変形例では、複数の磁化自由層ＭＦＲが、ｚ軸方向から見て、ｙ軸方向に並んでいる。さらに本図に示す例では、複数の磁化自由層ＭＦＲが、ｚ方向から見て、ｘ軸方向にも並んでいる。そして各磁化自由層ＭＦＲは、ｚ軸方向から見て、ｘ軸方向に長手方向を有している。さらに、磁化自由層ＭＦＲと磁化固定層ＭＦＸ１とがｙ軸方向に交互に設けられている。同様に、磁化自由層ＭＦＲと磁化固定層ＭＦＸ２とが交互に設けられている。この場合においても、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２は、磁化自由層ＭＦＲに対して、変形例２と同様に作用することができる。
【００７３】
本変形例においても、磁気抵抗効果素子ＭＲは、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２を利用して、変形例２と同様に動作することができ、変形例２と同様の効果を得ることができる。さらに本変形例においては、ｙ軸方向に互いに隣接する磁化自由層ＭＦＲは、磁化固定層ＭＦＸ１をｙ軸方向に挟み、この磁化固定層ＭＦＸ１を共用している。さらに、当該隣接する磁化自由層ＭＦＲは、磁化固定層ＭＦＸ２をｙ軸方向に挟み、この磁化固定層ＭＦＸ２を共用している。このため、単位セルあたりの面積を小さくすることができる。結果、メモリの大容量化を実現することができる。
【００７４】
（変形例９）
図２４は、変形例９に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの平面図であり、変形例８の図２３に対応する。図２５は、図２４の磁化固定層ＭＦＸの拡大斜視図である。本変形例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲは、以下の点を除いて変形例８に係る磁気抵抗効果素子ＭＲと同様の構成である。
【００７５】
本変形例では、磁化固定層ＭＦＸ１と磁化固定層ＭＦＸ２が一体となって磁化固定層ＭＦＸを構成している。すなわち、磁化固定層ＭＦＸ１および磁化固定層ＭＦＸ２は、同一の材料によって形成されている。本図に示す例では、磁化固定層ＭＦＸの一部がエッチングされている。そして、変形例６の磁化固定層ＭＦＸ２と同様に、磁化固定層ＭＦＸのエッチングされている部分が磁化固定層ＭＦＸ２となり、磁化固定層ＭＦＸのエッチングされていない部分が磁化固定層ＭＦＸ１となる。この場合においても、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２は、磁化自由層ＭＦＲに対して、変形例８と同様に作用することができる。
【００７６】
本変形例においても、磁気抵抗効果素子ＭＲは、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２を利用して、変形例８と同様に動作することができ、変形例８と同様の効果を得ることができる。さらに本変形例においては、磁化固定層ＭＦＸが、ｘ軸方向において隣接する磁化自由層ＭＦＲの一方から他方にかけて形成されている。結果、ｘ軸方向に互いに隣接する磁化自由層ＭＦＲは、共通の磁化固定層ＭＦＸを使用することになる。このため、単位セルあたりの面積をさらに小さくすることができる。結果、メモリのさらなる大容量化を実現することができる。
【００７７】
（変形例１０）
図２６は、変形例１０に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの平面図であり、変形例７の図２１に対応する。本変形例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲは、以下の点を除いて変形例７に係る磁気抵抗効果素子ＭＲと同様の構成である。
【００７８】
本変形例では、複数の磁化自由層ＭＦＲが、ｚ軸方向から見て、ｘ軸方向に並んでいる。さらに本図に示す例では、複数の磁化自由層ＭＦＲが、ｚ方向から見て、ｙ軸方向にも並んでいる。そして各磁化自由層ＭＦＲは、ｚ軸方向から見て、ｘ軸方向に長手方向を有している。さらに、ｘ軸方向に互いに隣接する磁化自由層ＭＦＲにおいて、一方の磁化自由層ＭＦＲの磁化固定層ＭＦＸ２と、他方の磁化自由層ＭＦＲの磁化固定層ＭＦＸ１とが同じ磁化固定層ＭＦＸとなっている。そして磁化固定層ＭＦＸが、ｚ軸方向から見て、一方の磁化自由層ＭＦＲから他方の磁化自由層ＭＦＲにかけて延在している。この場合においても、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２は、磁化自由層ＭＦＲに対して、変形例７と同様に作用することができる。
【００７９】
本変形例においても、磁気抵抗効果素子ＭＲは、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２を利用して、変形例７と同様に動作することができ、変形例７と同様の効果を得ることができる。さらに本変形例においては、ｘ軸方向に互いに隣接する磁化自由層ＭＦＲは、共通の磁化固定層ＭＦＸを使用している。このため、単位セルあたりの面積を小さくすることができる。結果、メモリの大容量化を実現することができる。
【００８０】
（変形例１１）
図２７は、変形例１１に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの平面図であり、変形例１の図１４に対応する。本変形例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲは、以下の点を除いて変形例１に係る磁気抵抗効果素子ＭＲと同様の構成である。
【００８１】
本変形例では、磁化自由層ＭＦＲに電流が流れていない場合、磁化自由層ＭＦＲの全体の領域が、＋ｚ軸方向又は−ｚ軸方向の磁化を有している。すなわち、磁化自由層ＭＦＲは、外部磁場によって導入された磁壁を有していない。また磁化固定層ＭＦＸ１と磁化固定層ＭＦＸ２は、ｚ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲの長手方向の一端の側に設けられている。さらに磁化固定層ＭＦＸ１と磁化固定層ＭＦＸ２は、ｚ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲの短手方向に磁化自由層ＭＦＲを介して互いに対向している。
【００８２】
本変形例における０又は１の書き込み方法及び効果について説明する。図２８〜図３０は、磁気抵抗効果素子ＭＲの動作を説明するための図であり、図２７に対応する。
【００８３】
まず、図２８に示すように、磁化自由層ＭＦＲに電流を流す。本図に示す例では、磁化自由層ＭＦＲに電流が流れていない場合、磁化自由層ＭＦＲは、−ｚ軸方向の磁化を有している。そして本図に示す例では、−ｘ軸方向に電流が流れている。
【００８４】
磁化自由層ＭＦＲに電流が流れると、変形例１と同様の原理により、磁化自由層ＭＦＲの保磁力が低下する。このため、図２９に示すように、磁化固定層ＭＦＸ１の漏洩磁場ＬＭ１によって、変形例１と同様の原理により、磁化固定層ＭＦＸ１の近傍において、磁化自由層ＭＦＲの磁化の向きが＋ｚ軸方向に反転する。結果、磁化が反転した領域とその周りの領域の間の境界において、磁壁ＭＷが生じる。
【００８５】
磁壁ＭＷは、電流の向きと逆に移動する。このため、磁壁ＭＷは、＋ｘ軸方向に移動する。結果、図３０に示すように、磁化自由層ＭＦＲの全体の磁化が、−ｚ軸方向から＋ｚ軸方向に変化する。
【００８６】
なお、磁化自由層ＭＦＲの磁化を＋ｚ軸方向から−ｚ軸方向に反転させる場合も、磁化自由層ＭＦＲに電流を−ｘ軸方向に流せばよい。この場合、磁化固定層ＭＦＸ２の漏洩磁場ＬＭ２（図２８〜図３０において不図示）によって、上記の場合と同様に磁化固定層ＭＦＸ２の近傍に磁壁が生じる。この磁壁を電流によって駆動させることで、磁化自由層ＭＦＲの磁化を＋ｚ軸方向から−ｚ軸方向に反転させることができる。
【００８７】
本変形例においても、磁気抵抗効果素子ＭＲは、変形例１と同様に、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２を利用している。このような漏洩磁場によって生成される磁壁を駆動させるための電流は、変形例１と同様にして、外部磁場によって導入された磁壁を駆動させるための電流よりも小さいものとなる。このため、本変形例１においても、磁気抵抗効果素子ＭＲの消費電力を小さくすることができる。
【００８８】
（変形例１２）
図３１は、変形例１２に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの平面図であり、変形例１１の図２７に対応する。図３２は、図３１の磁化固定層ＭＦＸの拡大斜視図である。本変形例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲは、以下の点を除いて変形例１１に係る磁気抵抗効果素子ＭＲと同様の構成である。
【００８９】
本変形例では、磁化固定層ＭＦＸ１と磁化固定層ＭＦＸ２が一体となって磁化固定層ＭＦＸを構成している。すなわち、磁化固定層ＭＦＸ１および磁化固定層ＭＦＸ２は、同一の材料によって形成されている。本図に示す例では、磁化固定層ＭＦＸの一部がエッチングされている。そして、磁化固定層ＭＦＸのエッチングされている部分が磁化固定層ＭＦＸ２となり、磁化固定層ＭＦＸのエッチングされていない部分が磁化固定層ＭＦＸ１となる。磁化固定層ＭＦＸは、ｚ軸方向から見て、磁化自由層ＭＦＲの一端を囲んでいる。この場合においても、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２は、磁化自由層ＭＦＲに対して、変形例１１と同様に作用することができる。
【００９０】
本変形例においても、磁気抵抗効果素子ＭＲは、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２を利用して、変形例１１と同様に動作することができ、変形例１１と同様の効果を得ることができる。
【００９１】
（変形例１３）
図３３は、変形例１３に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの断面図であり、実施形態の図２に対応する。本変形例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲは、以下の点を除いて実施形態に係る磁気抵抗効果素子ＭＲと同様の構成である。
【００９２】
本変形例では、磁化自由層ＭＦＲの参照層ＲＥＦと反対の側に層ＢＬが設けられている。層ＢＬは、磁化自由層ＭＦＲの領域ＲＧ２から領域ＲＧ３にかけて延在している。また非磁性層ＮＭ１及び非磁性層ＮＭ２が、層ＢＬを介して磁化自由層ＭＦＲと対向している。
【００９３】
層ＢＬは、磁化自由層ＭＦＲの磁化の垂直性を保つ層である。層ＢＬは、例えば、Ｔａ又はＰｔを含んでいる。さらに層ＢＬは、Ｔａ及びＰｔの積層膜であってもよい。層ＢＬ及び磁化自由層ＭＦＲは、例えば、Ｔａ／Ｐｔ／Ｃｏ／Ｎｉとすることができる（Ｔａ／Ｐｔが層ＢＬに相当する。）。
【００９４】
本変形例においても、磁気抵抗効果素子ＭＲは、漏洩磁場ＬＭ１及び漏洩磁場ＬＭ２を利用して、実施形態と同様に動作することができ、実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本変形例においては、層ＢＬの存在によって、磁化自由層ＭＦＲの磁化の垂直性が好適に保たれる。
【００９５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００９６】
ＭＲ    磁気抵抗効果素子
ＭＦＲ    磁化自由層
ＭＦＸ１，ＭＦＸ２，ＭＦＸ 磁化固定層
ＲＥＦ    参照層
ＢＲ    バリア層
ＮＭ１，ＮＭ２   非磁性層
ＵＥ    電極層
ＬＥ１，ＬＥ２   電極層
ＲＧ１〜ＲＧ３   領域
ＭＷ１〜ＭＷ５，ＭＷ  磁壁
ＬＭ１，ＬＭ２   漏洩磁場
Ｌ１，Ｌ２   層
ＢＬ    層
Ｓ１    面
Ｓ２    面
ＭＣ    磁気メモリセル
ＴＲ１，ＴＲ２   トランジスタ
ＢＬ１，ＢＬ２   ビット線
ＷＬ    ワード線
ＧＮＤ    グラウンド線
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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