(57)【要約】【課題】信頼性の高い磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、第１積層部と第２積層部とを含む積層体を含む磁気記憶素子が提供される。第１積層部は、磁化方向が固定された第１強磁性層と、磁化方向が可変で、磁気共鳴周波数が第１周波数である第２強磁性層と、を含む。第２強磁性層の磁化方向は、積層方向に第１電流が流れ第１周波数の磁界が印加されたときに、第１電流の向きに応じた方向に変化し、第１電流よりも小さい第２電流が流れたときに、第２電流の向きに応じた方向に変化しない。第２積層部は、前記第１積層部と積層され、磁化方向が可変な第３強磁性層を含む。第３強磁性層は、第２電流が流れることによって第１周波数の磁界を発生できる。積層方向に沿って積層体に電流を流すことにより、第２強磁性層の磁化の方向を電流の向きに応じた方向に決定できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１強磁性層と、
第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を含む第１積層部であって、前記第１強磁性層の磁化は、第１方向に固定され、前記第２強磁性層の磁化の方向は可変であり、前記第２強磁性層の磁気共鳴周波数は第１周波数であり、前記第２強磁性層の前記磁化の方向は、前記第１積層部に前記第１周波数の磁界が印加され積層方向に沿って第１電流が流れたときに前記第１電流の向きに応じた方向とすることが可能であり、前記第１積層部に前記第１電流よりも小さい第２電流が流れたときに前記第２強磁性層の前記磁化の方向は前記第２電流の向きに応じた方向に変化しない第１積層部と、
前記積層方向に沿って前記第１積層部と積層され、第３強磁性層を含む第２積層部であって、前記第３強磁性層の磁化の方向は可変であり、前記第３強磁性層の前記磁化は、前記第２積層部に前記積層方向に沿って前記第２電流が流れることによって前記第１周波数の磁界を発生可能である第２積層部と、
を含む積層体を備え、
前記積層方向に沿って前記第１積層部及び前記第２積層部に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第２強磁性層に作用させ、且つ前記第３強磁性層の磁化を歳差運動させることにより発生する回転磁界を前記第２強磁性層に作用させることにより、前記第２強磁性層の前記磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向とすることが可能である磁気記憶素子。
【請求項２】
第１強磁性層と、
第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を含み、前記第１強磁性層の磁化は第１方向に固定され、前記第２強磁性層の磁化は可変であり、前記第２強磁性層の磁気共鳴周波数は第１周波数である、第１積層部と、
積層方向に沿って前記第１積層部と積層され、磁化の方向が可変な第３強磁性層を含む第２積層部と、
前記第１積層部と前記第２積層部との間に設けられた中間配線と、
を含む積層体を備え、
前記第３強磁性層の前記磁化は、前記積層方向に沿って前記第２積層部に電流を流すことにより歳差運動して回転磁界を発生させ、
前記第２強磁性層の前記磁化の方向は、前記回転磁界によって、前記電流の向きに応じた方向とすることが可能であり、
前記電流が流れるときに前記第１積層部には電流が流れない、または、前記電流が流れるときに前記第１積層部に流れる電流は前記第２積層部に流れる前記電流よりも小さい磁気記憶素子。
【請求項３】
前記第２強磁性層の前記磁化の方向は、前記第２積層部に電流が流れていないときに前記第１積層部に前記積層方向に沿った第１電流を流し前記第１周波数の磁界を印加することにより、前記第１電流の向きに応じた方向とすることが可能であり、
前記第３強磁性層の前記磁化は、前記第１電流よりも小さく前記積層方向に沿った第２電流を前記第２積層部に流したときに、前記第１周波数の磁界を発生可能である請求項２記載の磁気記憶素子。
【請求項４】
前記中間配線と前記第１積層部との間に設けられた絶縁層をさらに含む請求項２または３に記載の磁気記憶素子。
【請求項５】
前記第３強磁性層は、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｒｕ及びＰｄの少なくともいずれかを含むホイスラー合金を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項６】
前記第３強磁性層は、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｎｉ２ＭｎＩｎ、Ｎｉ２ＭｎＧａ、Ｎｉ２ＭｎＳｎ、Ｐｄ２ＭｎＳｂ、Ｐｄ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＡｌ、Ｃｕ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＩｎ、Ｒｈ２ＭｎＧｅ及びＲｈ２ＭｎＰｂの少なくともいずれかを含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項７】
前記第３強磁性層は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ及びＣｏ２ＭｎＳｉの少なくともいずれかを含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項８】
第１強磁性層と、
第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を含む第１積層部であって、前記第１強磁性層の磁化は第１方向に固定され、前記第２強磁性層の磁化の方向は可変である第１積層部と、
積層方向に沿って前記第１積層部と積層され、磁化の方向が可変な第３強磁性層を含む第２積層部と、
を含む積層体を備え、
前記第３強磁性層は、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｎｉ２ＭｎＩｎ、Ｎｉ２ＭｎＧａ、Ｎｉ２ＭｎＳｎ、Ｐｄ２ＭｎＳｂ、Ｐｄ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＡｌ、Ｃｕ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＩｎ、Ｒｈ２ＭｎＧｅ及びＲｈ２ＭｎＰｂの少なくともいずれかを含み、
前記積層方向に沿って前記第１積層部及び前記第２積層部に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第２強磁性層に作用させ、且つ前記第３強磁性層の磁化を歳差運動させることにより発生する回転磁界を前記第２強磁性層に作用させることにより、前記第２強磁性層の前記磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向とすることが可能である磁気記憶素子。
【請求項９】
第１強磁性層と、
第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を含む第１積層部であって、前記第１強磁性層の磁化は第１方向に固定され、前記第２強磁性層の磁化の方向は可変である第１積層部と、
積層方向に沿って前記第１積層部と積層され、磁化の方向が可変な第３強磁性層を含む第２積層部と、
を含む積層体を備え、
前記第３強磁性層は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ及びＣｏ２ＭｎＳｉの少なくともいずれかを含み、
前記積層方向に沿って前記第１積層部及び前記第２積層部に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第２強磁性層に作用させ、且つ前記第３強磁性層の磁化を歳差運動させることにより発生する回転磁界を前記第２強磁性層に作用させることにより、前記第２強磁性層の前記磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向とすることが可能である磁気記憶素子。
【請求項１０】
前記積層方向に対して垂直な平面で切断したときの前記第１積層部の断面積は、前記積層方向に対して垂直な平面で切断したときの前記第２積層部の断面積よりも大きい請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項１１】
前記第２強磁性層は、
磁化の方向が可変である第１部分と、
前記積層方向に前記第１部分と積層され磁化の方向が可変である第２部分と、
を含み、
前記第２部分の磁気共鳴周波数は、前記第１部分の磁気共鳴周波数よりも低く、
前記第２積層部に流れる前記電流より、前記第１部分及び前記第２部分のそれぞれの前記磁化の方向を前記第２積層部に流れる前記電流の向きに応じた方向とすることが可能である請求項１〜１０のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項１２】
前記第２積層部は、
前記積層方向に前記第３強磁性層と積層され磁化の方向が固定された第４強磁性層と、
前記第３強磁性層と前記第４強磁性層との間に設けられた第２非磁性層と、
をさらに含む請求項１〜１１のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項１３】
前記第１強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分の向きは、前記第４強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分の向きに対して逆である請求項１２記載の磁気記憶素子。
【請求項１４】
前記第１強磁性層の前記磁化の前記積層方向に対して平行な垂直磁化成分は、前記第１強磁性層の前記磁化の前記積層方向に対して垂直な面内磁化成分よりも大きく、
前記第２強磁性層の前記磁化の前記垂直磁化成分は、前記第２強磁性層の前記磁化の前記面内磁化成分よりも大きく、
前記第３強磁性層の前記磁化の前記垂直磁化成分は、前記第３強磁性層の前記磁化の前記面内磁化成分よりも小さい請求項１〜１３のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１つに記載の磁気記憶素子と、
前記磁気記憶素子と電気的に接続された制御部と、
を備えた不揮発性記憶装置。
【請求項１６】
前記磁気記憶素子にデータを書き込む書き込み動作において、前記第２積層部に流れる電流は、前記第１積層部に流れる電流よりも大きく、
前記磁気記憶素子に保持されたデータを読み出す読み出し動作において、前記第２積層部に流れる電流は、前記第１積層部に流れる電流よりも小さい請求項１５記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１７】
前記制御部は、前記磁気記憶素子にデータを書き込む書き込み動作において、前記第１積層部に電流を流さず前記第２積層部に電流を流し、前記磁気記憶素子に保持されたデータを読み出す読み出し動作において、前記第１積層部に電流を流し前記第２積層部に電流を流さない請求項１５記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１８】
前記磁気記憶素子にデータを書き込む書き込み動作において、前記第２積層部に流れる電流は、前記第１積層部に流れる電流よりも大きく、
前記磁気記憶素子に保持されたデータを読み出す読み出し動作において、前記第２積層部に流れる電流は、前記第１積層部に流れる電流よりも大きい請求項１５記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１９】
前記制御部は、前記磁気記憶素子にデータを書き込む書き込み動作において、前記第１積層部に電流を流さず前記第２積層部に電流を流し、前記磁気記憶素子に保持されたデータを読み出す読み出し動作において、前記第１積層部に電流を流さず前記第２積層部に電流を流す請求項１５記載の不揮発性記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ:Magnetic Random Access Memory）において、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling MagnetoResistive）効果を示す強磁性トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）素子をデータ記憶部に用いる構成がある。この構成は、高速・大容量の不揮発性記憶装置として注目を集めている。このような磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置において、信頼性を向上させることが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−６４８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、信頼性の高い磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、積層体を含む磁気記憶素子が提供される。前記積層体は、第１積層部と、第２積層部と、を含む。前記第１積層部は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、を含む。前記第１強磁性層の磁化は第１方向に固定される。前記第２強磁性層の磁化の方向は可変である。前記第２強磁性層の磁気共鳴周波数は第１周波数である。前記第２強磁性層の前記磁化の方向は、前記第１積層部に前記第１周波数の磁界が印加され積層方向に沿って第１電流が流れたときに前記第１電流の向きに応じた方向とすることが可能であり、前記第１積層部に前記第１電流よりも小さい第２電流が流れたときに前記第２電流の向きに応じた方向に変化しない。前記第２積層部は、前記積層方向に沿って前記第１積層部と積層される。前記第２積層部は、第３強磁性層を含む。前記第３強磁性層の磁化の方向は可変である。前記第３強磁性層の前記磁化は、前記第２積層部に前記積層方向に沿って前記第２電流が流れることによって前記第１周波数の磁界を発生可能である。前記積層方向に沿って前記第１積層部及び前記第２積層部に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第２強磁性層に作用させ、且つ前記第３強磁性層の磁化を歳差運動させることにより発生する回転磁界を前記第２強磁性層に作用させることにより、前記第２強磁性層の前記磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向とすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、磁化を例示する模式図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｄ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｄ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。
【図６】第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
【図７】第１の実施形態に係る磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｊ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
【図９】第１の実施形態に係る磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
【図１０】第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式的断面図である。
【図１１】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。
【図１２】第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式的断面図である。
【図１３】図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。
【図１４】図１４（ａ）〜図１４（ｅ）は、不揮発性記憶装置の特性を例示する模式図である。
【図１５】第１の実施形態に係る磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
【図１６】第１の実施形態に係る磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
【図１７】第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。
【図１８】第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式的断面図である。  
図１に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置６１０は、磁気記憶素子１１０と、制御部５５０と、を含む。  
磁気記憶素子１１０は、積層体ＳＢ０を含む。積層体ＳＢ０は、第１積層部ＳＢ１と、第２積層部ＳＢ２と、を含む。  
制御部５５０は、磁気記憶素子１１０と電気的に接続される。制御部５５０は、磁気記憶素子１１０に対して電圧の印加及び電流の供給を行うことにより、磁気記憶素子１１０の動作を制御する。
【０００９】
第１積層部ＳＢ１は、第１強磁性層１０と、第２強磁性層２０と、第１非磁性層１０ｎと、を含む。  
第１強磁性層１０は、主面１０ａを有する。第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、実質的に固定されている。第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、例えば、主面１０ａに対して垂直な成分を有する。第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、主面１０ａに対して非平行である。
【００１０】
第２強磁性層２０は、第１強磁性層１０と積層される。第２強磁性層の磁化２０ｍの方向は、可変である。積層方向ＳＤ１は、例えば、主面１０ａに対して垂直である。第２強磁性層２０には、例えば、合金が用いられる。
【００１１】
第１非磁性層１０ｎは、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間に設けられる。第１非磁性層１０ｎは、例えば、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０に接する。第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第１非磁性層１０ｎは、積層方向ＳＤ１に積層されている。
【００１２】
本願明細書において、積層されている状態は、直接接して重ねられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて重ねられる場合も含む。
【００１３】
第１積層部ＳＢ１の積層方向ＳＤ１に対して平行な方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とする。Ｘ軸とＺ軸とに対して垂直な軸をＹ軸とする。積層体ＳＢ０に含まれる層の膜面は、Ｘ−Ｙ平面に対して平行である。例えば、主面１０ａは、Ｘ−Ｙ平面に対して平行である。
【００１４】
第２積層部ＳＢ２は、積層方向ＳＤ１に第１積層部ＳＢ１と積層される。第２積層部ＳＢ２は、第３強磁性層３０を含む。第３強磁性層３０は、積層方向ＳＤ１に第１積層部ＳＢ１と積層される。第３強磁性層３０の磁化の方向は、可変である。第３強磁性層３０の幅（積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さ）は、例えば、３５ナノメートル（ｎｍ）以下である。例えば、Ｘ−Ｙ平面に投影したときの第３強磁性層３０の形状が円形である場合、その円の直径は、３５ｎｍ以下である。例えば、第３強磁性層３０の面内方向（積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向）の最大の長さが、３５ｎｍ以下である。第３強磁性層３０の厚さ（積層方向ＳＤ１の長さ）は、例えば、０．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下である。
【００１５】
この例では、第２積層部ＳＢ２が、第４強磁性層４０と第２非磁性層２０ｎとをさらに含む。第４強磁性層４０は、第３強磁性層３０と積層方向ＳＤ１に積層される。第４強磁性層４０の磁化の方向は、実質的に固定されている。第２非磁性層２０ｎは、第３強磁性層３０と第４強磁性層４０との間に設けられる。第２非磁性層２０ｎは、例えば、第３強磁性層３０及び第４強磁性層４０に接する。
【００１６】
この例では、積層体ＳＢ０が、第３非磁性層３０ｎをさらに含む。第３非磁性層３０ｎは、第１積層部ＳＢ１と第２積層部ＳＢ２との間に設けられる。この例では、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、第３非磁性層３０ｎ、第３強磁性層３０、第２非磁性層２０ｎ及び第４強磁性層４０が、この順に積層される。第３非磁性層３０ｎは、例えば、流れる電子のスピン偏極度を消失させるスピン消失層である。第３非磁性層３０ｎは、例えば、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に接する。この例において、第３非磁性層３０ｎは、第２強磁性層２０及び第３強磁性層３０に接する。
【００１７】
この例では、磁気記憶素子１１０が、第１導電層８１と、第２導電層８２と、をさらに含む。第１積層部ＳＢ１は、第１導電層８１と第２導電層８２との間に配置される。第２積層部ＳＢ２は、第１積層部ＳＢ１と第２導電層８２との間に配置される。第１導電層８１は、第１積層部ＳＢ１に電気的に接続される。この例では、第１導電層８１は、第１強磁性層１０に電気的に接続される。第２導電層８２は、第２積層部ＳＢ２に電気的に接続される。この例では、第２導電層８２は、第４強磁性層４０に電気的に接続される。
【００１８】
第１導電層８１及び第２導電層８２は、制御部５５０と電気的に接続される。磁気記憶素子１１０は、第１導電層８１及び第２導電層８２を介して制御部５５０と直接または間接に接続される。第１導電層８１及び第２導電層８２は、磁気記憶素子１１０とは別と見なしても良い。不揮発性記憶装置６１０は、例えば、第１配線９１及び第２配線９２をさらに含む（図１８参照）。第１配線９１は、例えば、第１導電層８１に電気的に接続される。第２配線９２は、例えば、第２導電層８２に電気的に接続される。制御部５５０は、例えば、第１配線９１及び第２配線９２を介して磁気記憶素子１１０と電気的に接続される。
【００１９】
実施形態に係る不揮発性記憶装置６１０によれば、誤動作を抑制した不揮発性記憶装置が提供できる。例えば、磁気記憶素子１１０の幅を３５ｎｍ以下とした場合でも、双方向の書き込みにおいて第２強磁性層２０の磁化反転をアシストすることができる。これにより、例えば、書き込み時における誤動作が抑制される。また、書き込み時の電流（書き込み電流）の大きさを低減させることもできる。  
磁気記憶素子１１０においては、第２強磁性層２０の磁化と第３強磁性層３０の磁化とが静磁結合している。これにより、例えば、書き込み時の電流の大きさを低減させることができる。
【００２０】
以下では、磁気記憶素子１１０の構成及び動作の例について説明する。以下の説明は、磁気記憶素子１１０に加え、実施形態に係る、後述する他の磁気記憶素子にも適用できる。
【００２１】
磁気記憶素子１１０においては、積層方向ＳＤ１に第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に電流（書き込み電流）を流すことによりスピン偏極した電子を第２強磁性層２０に作用させる。また、磁気記憶素子１１０においては、第３強磁性層３０の磁化を歳差運動させることにより発生する回転磁界を第２強磁性層２０に作用させる。これにより、第２強磁性層２０の磁化２０ｍの方向が、電流の向きに応じた方向に決定される。
【００２２】
第１強磁性層１０は、例えば、第１の磁化固定層として機能する。第１強磁性層１０においては、例えば、磁化１０ｍが膜面に対して略垂直方向に固定されている。すなわち、磁化１０ｍは、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０とを結ぶ積層方向ＳＤ１の成分を有する第１方向に固定されている。第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、例えば、積層方向ＳＤ１と略平行である。
【００２３】
第２強磁性層２０においては、例えば、磁化容易軸が膜面に対して略垂直方向である。例えば、第２強磁性層２０の磁化の方向は、膜面に対して略垂直方向である。第２強磁性層２０の磁化は、比較的容易に反転可能であり、積層方向ＳＤ１に可変である。第２強磁性層２０は、データを記憶する役割をもつ。第２強磁性層２０は、例えば、磁気記憶層として機能する。
【００２４】
第１非磁性層１０ｎは、第１のスペーサ層として機能する。第１非磁性層１０ｎが絶縁材料に基づくトンネルバリア層である場合に、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０を含む第１積層部ＳＢ１は、例えば、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）の構造を有する。
【００２５】
第３強磁性層３０においては、例えば、積層方向ＳＤ１へ投影した磁化成分が、積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向へ投影した磁化成分よりも小さい。第３強磁性層３０の磁化容易軸は、膜面に対して略平行である。第３強磁性層の磁化は、積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向に可変である。第３強磁性層３０は、書き込み時に高周波磁場を発生させる役割をもつ。第３強磁性層３０は、例えば、磁化回転層（発振層）として機能する。
【００２６】
第４強磁性層４０は、例えば、第２の磁化固定層として機能する。第４強磁性層４０の磁化４０ｍの方向は、例えば、膜面に対して略垂直方向に固定されている。第４強磁性層４０の磁化４０ｍは、積層方向の成分を有する第２方向に固定されている。第４強磁性層４０の磁化４０ｍの方向は、膜面に対して略垂直方向である。第２非磁性層２０ｎは、第２のスペーサ層として機能する。
【００２７】
第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第４強磁性層４０には、例えば、垂直磁化膜が用いられる。第３強磁性層３０には、例えば、面内磁化膜が用いられる。
【００２８】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、磁化を例示する模式図である。  
図２（ａ）は、垂直磁化膜における磁化を例示している。図２（ｂ）は、面内磁化膜における磁化を例示している。  
図２（ａ）及び図２（ｂ）に表したように、積層方向ＳＤ１に対して垂直な１つの方向を面内方向ＳＤ２とする。面内方向ＳＤ２は、Ｘ−Ｙ平面内の方向である。磁化７２の面内磁化成分７２ｂは、磁化７２をＸ−Ｙ平面に投影した成分である。面内磁化成分７２ｂは、面内方向ＳＤ２に対して平行である。磁化７２の垂直磁化成分７２ａは、磁化７２をＺ軸方向に投影した成分である。垂直磁化成分７２ａは、積層方向ＳＤ１に対して平行である。
【００２９】
図２（ａ）に表したように、垂直磁化膜においては、垂直磁化成分７２ａが、面内磁化成分７２ｂよりも大きい磁化状態を有する。垂直磁化膜において、磁化の方向が膜面に対して略垂直であることが動作特性上望ましい。
【００３０】
図２（ｂ）に表したように、面内磁化膜においては、面内磁化成分７２ｂが、垂直磁化成分７２ａよりも大きい磁化状態を有する。面内磁化膜において、磁化の方向が膜面に対して略平行であることが動作特性上望ましい。
【００３１】
説明の便宜上、第１積層部ＳＢ１から第２積層部ＳＢ２に向かう方向を「上」または「上向き」と言う。第２積層部ＳＢ２から第１積層部ＳＢ１に向かう方向を「下」または「下向き」と言う。
【００３２】
既に説明したように、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、実質的に固定される。第４強磁性層４０の磁化４０ｍの方向は、実質的に固定されている。
【００３３】
図１に表したように、磁気記憶素子１１０において、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向は上向きであり、第４強磁性層４０の磁化４０ｍの方向は下向きである。第１強磁性層１０の磁化１０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きは、例えば、第４強磁性層４０の磁化４０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きに対して逆である。ただし、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向及び第４強磁性層４０の磁化４０ｍの方向は、種々の変形が可能である。例えば、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向及び第４強磁性層４０の磁化４０ｍの方向の両方を上向きまたは下向きとしてもよいし、一方を上向きとし、他方を下向きとしてもよい。
【００３４】
磁気記憶素子１１０において、例えば、第１導電層８１及び第２導電層８２を介して、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に電子電流を流すことができる。電子電流は電子の流れである。上向きに電流が流れるときには、電子電流は下向きに流れる。
【００３５】
膜面に対して垂直な方向に電子電流を流すと、磁界発生源の第３強磁性層３０における磁化３０ｍが歳差運動する。これにより、回転磁界（高周波磁界）が発生する。高周波磁界の周波数は、例えば、約１ＧＨｚ〜６０ＧＨｚである。高周波磁界は、第２強磁性層２０の磁化２０ｍに対して垂直方向の成分（第２強磁性層２０の磁化困難軸の方向の成分）を有する。従って、第３強磁性層３０から発生した高周波磁界の少なくとも一部は、第２強磁性層２０の磁化困難軸の方向に印加される。第３強磁性層３０から発生した高周波磁界が、第２強磁性層２０の磁化困難軸の方向に印加されると、第２強磁性層２０の磁化２０ｍが反転し易くなる。
【００３６】
磁気記憶素子１１０においては、電子電流を第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に流すことによって、第２強磁性層２０の磁化２０ｍの方向を制御することができる。具体的には、電子電流の流れる向き（極性）を変えることで第２強磁性層２０の磁化２０ｍの向きを反転させることができる。情報を記憶させる場合において、例えば、第２強磁性層２０の磁化２０ｍの方向に応じて、「０」と「１」とがそれぞれ割り当てられる。磁気記憶素子１１０は、第１状態、または、第１状態とは異なる第２状態、を有する。第１状態及び第２状態のそれぞれは、第２強磁性層２０の磁化２０ｍの異なる２つの方向に対応している。
【００３７】
前述のように、第３強磁性層３０の幅（直径）は、３５ｎｍ以下であることが好ましい。第３強磁性層３０の幅が、３５ｎｍよりも大きくなると、例えば、第３強磁性層３０の磁化３０ｍの歳差運動に伴って、ボルテックス（還流磁区）が発生する。第３強磁性層３０の断面形状の円相当直径を３５ｎｍ以下とし、第３強磁性層３０の厚さを０．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下とすることで、例えば、ボルテックスの発生を抑制することができる。これにより、例えば、第３強磁性層３０から発生した高周波磁界を第２強磁性層２０の磁化反転により適切に作用させ、第２強磁性層２０の磁化反転をアシストすることができる。すなわち、第２強磁性層２０の位置において、磁化２０ｍが反転する十分な磁界強度を得ることができる。
【００３８】
第３強磁性層３０の横断面形状（積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの断面形状）の円相当直径をＲ（ｎｍ）、「Ｒ」の半分の値をｒ（＝Ｒ／２）（ｎｍ）、層厚をｔ（ｎｍ）とするとき、ｒ＜０．４１９ｔ２−２．８６ｔ＋１９．８の関係式を満たすサイズとすることが望ましい。
【００３９】
本願明細書において、「円相当直径」とは、対象とする平面形状の面積と同じ面積を有する円を想定し、その円の直径をいうものとする。例えば、第３強磁性層３０の横断面形状が円形の場合、「Ｒ」は直径を意味する。第３強磁性層３０の横断面形状が楕円の場合、「Ｒ」は、その楕円の面積と同じ面積を有する円の直径を意味する。第３強磁性層３０の横断面形状が多角形の場合、「Ｒ」は、その多角形の面積と同じ面積を有する円の直径を意味する。
【００４０】
磁気記憶素子１１０における動作の具体例として、まず「書き込み」動作の例について説明する。
【００４１】
図３（ａ）〜図３（ｄ）及び図４（ａ）〜図４（ｄ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。  
これらの図は、磁気記憶素子１１０における「書き込み」動作の際の第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の状態を例示している。書き込み動作においては、第１強磁性層１０の膜面及び第２強磁性層２０の膜面を横切るように電子電流６０（書き込み電流）を流すことにより、第２強磁性層２０に対して書き込み動作が実施される。ここでは、第１非磁性層１０ｎを介した磁気抵抗効果が、ノーマルタイプである場合について説明する。
【００４２】
「ノーマルタイプ」の磁気抵抗効果においては、非磁性層の両側の磁性層の磁化どうしが互いに平行である時の電気抵抗が、反平行である時の電気抵抗よりも低い。ノーマルタイプの場合、第１非磁性層１０ｎを介した第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電気抵抗は、第１強磁性層１０の磁化１０ｍが第２強磁性層２０の磁化２０ｍに対して平行である時には、反平行である時よりも低い。
【００４３】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、第２強磁性層２０の磁化２０ｍの向きを上向きから下向きに反転させる場合を例示している。  
図３（ａ）は、電子電流６０を流し始めた状態を例示している。図３（ｄ）は、電子電流６０を流し終えた状態（磁化２０ｍが反転した状態）を例示している。図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、その途中の状態を例示している。
【００４４】
図３（ａ）に表したように、磁化２０ｍの向きを上向きから下向きに反転させる場合には、第２積層部ＳＢ２から第１積層部ＳＢ１に向けて電子電流６０を流す。すなわち、下向きに電子電流６０を流す。
【００４５】
電子電流６０を下向きに流すと、第１非磁性層１０ｎを通過した電子のうちで、第１強磁性層１０の磁化１０ｍと同じ向き（この例において上向き）のスピンをもった電子は、第１強磁性層１０を通過する。一方、第１強磁性層１０の磁化１０ｍに対して逆向き（この例において下向き）のスピンをもった電子は、第１強磁性層１０と第１非磁性層１０ｎとの界面において反射される。この反射された電子のスピンの角運動量は、第２強磁性層２０へ伝達され、第２強磁性層２０の磁化２０ｍに作用する。
【００４６】
図３（ｂ）に表したように、第２積層部ＳＢ２に電子電流６０を流すと、第３強磁性層３０の磁化３０ｍが歳差運動し、回転磁界が発生する。膜面に対して略垂直方向の磁化４０ｍを有する第４強磁性層４０を通過した電子は、第４強磁性層４０の磁化４０ｍと同じ方向のスピンを持つようになる。この電子が、第３強磁性層３０へ流れると、このスピンのもつ角運動量が第３強磁性層３０へ伝達され、第３強磁性層３０の磁化３０ｍに作用する。すなわち、いわゆるスピントランスファトルクが働く。これにより、電子電流６０の供給によって、磁化３０ｍが歳差運動する。第３強磁性層３０を通過した電子のスピン偏極度は、第３非磁性層３０ｎの通過によって消失される。
【００４７】
図３（ｃ）に表したように、第３強磁性層３０の磁化３０ｍが歳差運動すると、第３強磁性層３０からの回転磁界の作用と第１強磁性層１０との界面で反射するスピン偏極した電子の作用により、磁化２０ｍの向きが、上向きから下向きに反転する。
【００４８】
図３（ｄ）に表したように、電子電流６０の供給を停止すると、磁化３０ｍの歳差運動が停止し、磁化２０ｍの向きが、上向きから下向きに反転した状態で保持される。この向きの磁化２０ｍを有する第２強磁性層２０の状態に、例えば「０」を割り当てる。磁気記憶素子１１０において、例えば、第２強磁性層２０の磁化２０ｍの向きが下向きである状態が、第１状態に対応する。
【００４９】
図４（ａ）〜図４（ｄ）は、磁化２０ｍの向きを下向きから上向きに反転させる場合を例示している。  
図４（ａ）は、電子電流６０を流し始めた状態を例示している。図４（ｄ）は、電子電流６０を流し終えた状態（磁化２０ｍが反転した状態）を例示している。図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、その途中の状態を例示している。
【００５０】
図４（ａ）に表したように、磁化２０ｍの向きを下向きから上向きに反転させる場合には、第１積層部ＳＢ１から第２積層部ＳＢ２に向けて電子電流６０を流す。すなわち、上向きに電子電流６０を流す。
【００５１】
図４（ｂ）に表したように、電子電流６０を流すと、第３強磁性層３０の磁化３０ｍが歳差運動し、回転磁界が発生する。第４強磁性層４０の磁化４０ｍに対して逆向きのスピンをもった電子は、第４強磁性層４０と第２非磁性層２０ｎとの界面において反射される。この反射された電子のスピンの角運動量は、第３強磁性層３０へ伝達され、第３強磁性層３０の磁化３０ｍに作用する。これにより、磁化３０ｍが歳差運動する。
【００５２】
電子電流６０を上向きに流すと、第１強磁性層１０の磁化１０ｍと同じ向き（この例において上向き）のスピンをもった電子は、第１強磁性層１０を通過し、第２強磁性層２０へ伝達される。これにより、上向きのスピンをもった電子の作用、及び、第３強磁性層３０からの回転磁界の作用が、磁化２０ｍに働く。
【００５３】
図４（ｃ）に表したように、スピン偏極した電子の作用、第３強磁性層３０からの回転磁界の作用により、第２強磁性層２０の磁化２０ｍの向きが、下向きから上向きに反転する。
【００５４】
図４（ｄ）に表したように、電子電流６０の供給を停止すると、磁化３０ｍの歳差運動が停止し、磁化２０ｍの向きが、下向きから上向きに反転した状態で保持される。この向きの磁化２０ｍを有する第２強磁性層２０の状態に、例えば「１」を割り当てる。磁気記憶素子１１０においては、例えば、第２強磁性層２０の磁化２０ｍの向きが上向きである状態が、第２状態に対応する。
【００５５】
このような作用に基づいて、第２強磁性層２０の異なる複数の状態のそれぞれに、「０」または「１」が適宜割り当てられる。これにより、磁気記憶素子１１０における「書き込み」が実施される。
【００５６】
磁気抵抗効果が「リバースタイプ」の場合は、第１非磁性層１０ｎを介した第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電気抵抗は、第１強磁性層１０の磁化１０ｍが第２強磁性層２０の磁化２０ｍに対して平行である時には、反平行である時よりも高い。リバースタイプにおける「書き込み」動作は、ノーマルタイプの場合と同様である。
【００５７】
この例においては、例えば、第１状態が「０」であり、第２状態が「１」である。第１状態を「１」とし、第２状態を「０」としてもよい。第１状態及び第２状態は、「０」または「１」に限ることなく、他の状態でもよい。磁気記憶素子１１０に設けられる状態の数は、３つ以上でもよい。すなわち、磁気記憶素子１１０は、マルチビットの記憶素子でもよい。
【００５８】
第１状態または第２状態の設定は、制御部５５０によって実施される。例えば、第１状態の設定が「書き込み」に対応し、第２状態の設定が「消去」に対応する。第２状態の設定が「書き込み」に対応し、第１状態の設定が「消去」に対応しても良い。
【００５９】
電子電流６０の供給は、例えば、制御部５５０によって行われる。制御部５５０は、書き込み動作のときに、例えば、１０ナノ秒以上の電子電流６０を磁気記憶素子１１０に供給する。これにより、例えば、電子電流６０の供給によって、磁化２０ｍの向きを適切に反転させることができる。より好ましくは、３ナノ秒以上である。これにより、例えば、適切に磁化を反転させつつ、書き込み動作にかかる時間を抑えることができる。
【００６０】
次に、「読み出し」動作の例について説明する。  
磁気記憶素子１１０における第２強磁性層２０の磁化２０ｍの方向の検出は、例えば、磁気抵抗効果を利用して実施される。磁気抵抗効果においては、各層の磁化の相対的な向きにより電気抵抗が変わる。磁気抵抗効果を利用する場合、例えば、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間にセンス電流を流し、磁気抵抗が測定される。センス電流の電流値は、書き込み時（記憶時）に流す電子電流６０に対応する電流値よりも小さい。
【００６１】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。  
これらの図は、磁気記憶素子１１０における「読み出し」動作の際の第１積層部ＳＢ１の状態を例示している。これらの図では、第２積層部ＳＢ２、第１導電層８１、第２導電層８２及び第３非磁性層３０ｎは省略されている。
【００６２】
図５（ａ）は、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向が、第２強磁性層２０の磁化２０ｍの方向と同じ場合を例示している。図５（ｂ）は、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向が、第２強磁性層２０の磁化２０ｍの方向と反平行（逆向き）である場合を例示している。
【００６３】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に表したように、第１積層部ＳＢ１にセンス電流６１を流し、電気抵抗を検出する。  
ノーマルタイプの磁気抵抗効果においては、図５（ａ）の状態の抵抗は、図５（ｂ）の状態の抵抗よりも低い。リバースタイプの磁気抵抗効果においては、図５（ａ）の状態の抵抗は、図５（ｂ）の状態の抵抗よりも高い。
【００６４】
これらの抵抗が互いに異なる複数の状態のそれぞれに、それぞれ「０」と「１」とを対応づけることにより、２値データの記憶の読み出しが可能となる。なお、センス電流６１の向きは、図５（ａ）及び図５（ｂ）に例示した方向に対して逆向きでも良い。
【００６５】
センス電流６１の供給は、例えば、制御部５５０によって行われる。制御部５５０は、読み出し動作のときに、例えば、３ナノ秒以下のセンス電流６１を磁気記憶素子１１０に供給する。これにより、例えば、センス電流６１の供給による磁化２０ｍの向きの反転を抑えることができる。より好ましくは、１ナノ秒以下である。これにより、センス電流６１の供給による磁化の反転をより適切に抑えることができる。
【００６６】
このように、制御部５５０は、「書き込み」のときに磁気記憶素子１１０に電流を供給する時間を、「読み出し」のときに磁気記憶素子１１０に電流を供給する時間よりも長くする。制御部５５０は、例えば、「書き込み」のときに第１時間の電流を磁気記憶素子１１０に供給し、「読み出し」のときに第２時間の電流を磁気記憶素子１１０に供給する。このとき、第１時間は、第２時間よりも長い。これにより、例えば、安定した「書き込み」の動作と、安定した「読み出し」の動作と、を得ることができる。
【００６７】
ＤＲＡＭ相当のメモリ動作としては、１０ナノ秒〜３０ナノ秒での書き込み電流が想定される。一方、キャッシュメモリ相当の用途としては、１ナノ秒〜３ナノ秒での書き込み電流が想定される。
【００６８】
書き込み時間（第１時間）は、例えば、１０ナノ秒以上であり、読み出し時間（第２時間）は、それ未満である。３ナノ秒以下の磁化反転では、磁化が熱の影響（熱によるアシスト効果）を受け難くなるため、反転に必要となる電流が上昇し始める。１ナノ秒の近傍は、ｄｙｎａｍｉｃ領域といい、磁化が熱の影響を受けないため、反転に要する電流がさらに大きくなる。
【００６９】
そこで、例えば、１０ナノ秒以上で書き込みをし、３ナノ秒以下で読み出しをする。１ナノ秒以上３ナノ秒以下で書き込みをし、書き込みより小さい電流値で、３ナノ秒以下で読み出しをすることで、誤書き込み率をさらに低くすることができる。
【００７０】
上記のように、磁気記憶素子１１０において、第２積層部ＳＢ２は、磁界発生源として機能する。第１積層部ＳＢ１は、磁気記憶部として機能する。以下、第２積層部ＳＢ２を、磁界発生源、または、ＳＴＯ(Spin Torque Oscillator）と言う場合がある。一方、第１積層部ＳＢ１を、磁気記憶部、または、ＭＴＪと言う場合がある。
【００７１】
上記のように、ＭＴＪ素子の記憶層である第２強磁性層２０への書き込みが、例えば、スピントルク書き込み方式により行われる。このような磁気記憶素子１１０において、例えば、高記憶密度化の要請から磁気記憶素子１１０の幅を３５ｎｍ以下とすることが望まれている。磁気記憶素子１１０の幅とは、例えば、磁気記憶素子１１０のＸ軸方向またはＹ軸方向の長さである。また、磁気記憶素子１１０のＸ−Ｙ平面に投影した形状が、円形または楕円形である場合、磁気記憶素子１１０の幅とは、磁気記憶素子１１０の直径（長径）である。
【００７２】
図６は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。  
図６は、本実施形態に係る磁気記憶素子１１０における第１積層部ＳＢ１の特性Ｉｆ１及び第２積層部ＳＢ２の特性Ｉｆ２を例示している。  
図６の縦軸は、第１積層部ＳＢ１又は第２積層部ＳＢ２を流れる電流Ｉである。図６の横軸は、磁界の周波数ｆｍである。
【００７３】
第１積層部ＳＢ１の特性Ｉｆ１は、第１積層部ＳＢ１の第２強磁性層２０に周波数ｆｍの外部磁界を印加した状態において、第２強磁性層２０の磁化２０ｍが反転する電流Ｉを例示している。
【００７４】
特性Ｉｆ１は、例えば、シミュレーションによって得られる。特性Ｉｆ１を計算するシミュレーションにおいては、第２積層部ＳＢ２に流れる電流の値は、例えば、ゼロとされる。特性Ｉｆ１は、ＭＴＪ（記憶層）単体の特性である。特性Ｉｆ１は、記憶層に外部からＧＨｚ帯域の磁界を印加したときの、磁界の周波数と反転電流（第２強磁性層２０の磁化２０ｍが反転する電流）との関係である。
【００７５】
例えば、第１積層部ＳＢ１の第２強磁性層２０の磁気共鳴周波数は、第１周波数ｆ１である。例えば、図６に表わしたように、ＭＴＪ単体の特性Ｉｆ１において、第１周波数ｆ１の磁界が印加されたときに反転電流は、最小となる。例えば、このときの反転電流は、第１電流Ｉ１である。
【００７６】
すなわち、ＭＴＪ単体において（第２積層部ＳＢ２に電流が流れていないときに）、第１積層部ＳＢ１に積層方向に沿った電流（第１電流Ｉ１）を流し、第１周波数ｆ１の外部磁界を印加する。これにより、第２強磁性層２０の磁化２０ｍの方向は、第１電流の向きに応じた方向に変化可能である。第２強磁性層２０の磁化２０ｍの方向は、第１積層部ＳＢ１に、第１電流Ｉ１よりも小さい第２電流Ｉ２が流れたときに、第２電流Ｉ２の向きに応じた方向に変化しない。  
第２積層部ＳＢ２の特性Ｉｆ２は、第２積層部ＳＢ２に電流Ｉを流したときに、第３強磁性層３０の磁化３０ｍが歳差運動し発生する磁界の周波数ｆｍと、電流Ｉと、の関係を表わす。特性Ｉｆ２は、例えばシミュレーションによって得られ、第２積層部ＳＢ２（発振層）単体の特性を例示している。
【００７７】
図６に表わしたように、第３強磁性層３０の磁化３０ｍは、積層方向に沿った第２電流Ｉ２を第２積層部ＳＢ２に流したときに、第１周波数ｆ１で振動する磁界を発生可能である。第２電流Ｉ２は、第１電流Ｉ１よりも小さい。  
このように、実施形態に係る磁気記憶素子１１０において、第３強磁性層３０は、記憶層の共鳴周波数における磁化反転電流に比べて小さい電流が流れたときに、第１周波数ｆ１と同じかそれよりも高い周波数の磁界を発生させることができる。磁気記憶素子１１０においては、このような記憶層（第２強磁性層２０）と発振層（第３強磁性層３０）とが静磁結合している。
【００７８】
本願発明者は、このように記憶層と発振層とを静磁結合させることによって、磁気記憶素子１１０における反転電流を第１電流Ｉ１よりも小さくできることを見出した。  
すなわち、記憶層と、磁化の発振特性（発振周波数の電流依存性）の傾きが大きい発振層と、を積層する。例えば、発振層における磁化の発振特性の傾きは、（第１周波数ｆ１）／（第１電流Ｉ１）よりも大きい。これにより、記憶層へより小さい電流で書き込みができることを見出した。
【００７９】
第２強磁性層２０の磁気共鳴周波数は、例えば、ダンピング測定法を利用して測定することができる。例えば、第１積層部ＳＢ１の一端と第２積層部ＳＢ２の一端とにプローブをあて、測定する。この場合、複数の磁気共鳴周波数が測定される可能性がある。そこで、質量分析やＸ線回折などを用いて、第２強磁性層の材料及び組成を求めることができる。その材料から推定できる共鳴周波数帯域と合致する周波数から、第２強磁性層２０の共鳴周波数を識別することができる。これにより、第１積層部ＳＢ１の特性Ｉｆ１を測定することができる。  
また、磁気共鳴周波数は、強磁気共鳴（ＦＭＲ：Ferromagnetic Resonance）のスペクトルを測定することによっても求めることができる。  
第３強磁性層３０の発振特性は、第１積層部ＳＢ１の一端と第２積層部ＳＢ２の一端とにプローブをあて、測定する。第２積層部ＳＢ２に流れる電流に対して、発生する磁界を測定することで、求めることができる。  
また、例えば、質量分析やＸ線回折などを用いて、第３強磁性層３０の材料及び組成などを求めることができる。これにより、例えば、第３強磁性層３０の発振特性を求めることができる。
【００８０】
このような磁気記憶素子は、例えば、次のように設計する。  
記憶層単体（第１積層部ＳＢ１の単体）において、外部から高周波磁界を印加したときに、第２強磁性層２０の磁化２０ｍが反転する電流を調べる。これにより、例えば、図６の特性Ｉｆ１のような、記憶層の反転電流に対する周波数特性のグラフが得られる。ここで共鳴周波数（第１周波数ｆ１）と反転電流（第１電流Ｉ１）とに注目する。次に、発振層単体（第２積層部ＳＢ２の単体）の発振特性の電流依存性において、その傾きが（第１周波数ｆ１）／（第１電流Ｉ１）よりも大きい発振層を設計する。
【００８１】
例えば、発振層において、発振周波数ｆと電流Ｊとの間には以下の関係がある。
ｆ＝γ／（２πα）（ｈ（ｂａｒ）／２ｅ）（ｇ（θ）／Ｍｓｔ）Ｊ
γは、ジャイロ時定数を表わす。αはダンピング定数を表わす。ｈ（ｂａｒ）は、プランク定数を２πで割った値である。ｇ（θ）は、スピン注入効率を表わす。Ｍｓは、発振層（第３強磁性層３０）の磁化である。ｔは、発振層の厚さ（積層方向に沿った長さ）である。
【００８２】
第２強磁性層２０の発振特性の傾きは、上記の式において、ｆ／Ｊで表わされる。例えば、傾きｆ／Ｊが（第１周波数ｆ１）／（第１電流Ｉ１）よりも大きくなるように発振層を設計する。
【００８３】
例えば、スピン注入効率ｇ（θ）を大きくする。または、ダンピング係数α、磁化Ｍｓ及び厚さｔの少なくともいずれかを小さくする。これにより、傾きｆ／Ｊを大きくすることができる。
【００８４】
このように、記憶層と、発振特性の傾きが大きい発振層と、を積層することで、書き込み動作においてＭＴＪに流す電流を小さくすることができる。これにより、ＭＴＪの絶縁膜（第１非磁性層１０ｎ）が印加電圧によって破壊されて故障することを抑制することができる。実施形態によれば、信頼性の高い磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置を提供することができる。
【００８５】
以下、磁気記憶素子１１０の各層の構成の例について説明する。以下の説明は、実施形態に係る任意の磁気記憶素子に適用できる。
【００８６】
第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることが好ましい。さらに、上記の群から選択された少なくともいずれかと、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属を含む合金を用いることができる。
【００８７】
第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０において、含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件などを調整する。これにより、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０において、例えば、磁化量や磁気異方性などの特性を調整することができる。また、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０には、例えば、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金を用いることができる。第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０には、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、及び、Ｎｉ／Ｃｕ等は、下地層との組み合わせで垂直磁化膜となる。膜の結晶配向方向を制御することで、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、または、Ｎｉ／Ｃｕ等を、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０として用いることができる。第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）、及び、シリコン（Ｓｉ）などの添加物を含んでもよい。
【００８８】
第１非磁性層１０ｎには、例えば、非磁性トンネルバリア層として機能する絶縁材料を用いることができる。具体的には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、酸化物、窒化物又は弗化物を用いることができる。非磁性トンネルバリア層とは、例えば、絶縁体を含み、電圧を印加したときに、トンネル効果による電流（トンネル電流）の流れる非磁性の層である。非磁性トンネルバリア層の厚さは、例えば、２ｎｍ以下である。これにより、電圧を印加したときに、非磁性トンネルバリア層にトンネル電流が流れる。
【００８９】
第１非磁性層１０ｎには、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＴｉＯ３、ＡｌＬａＯ３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、または、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ等を用いることができる。第１非磁性層１０ｎには、例えば、非磁性半導体（ＺｎＯｘ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯｘ、Ｚｎ、Ｔｅ、または、これらに遷移金属がドープされたもの）などを用いることができる。
【００９０】
第１非磁性層１０ｎの厚さは、約０．２ナノメートル（ｎｍ）以上２．０ｎｍ以下程度の範囲の値とすることが望ましい。これにより、例えば、絶縁膜の均一性を確保しつつ、抵抗が過度に高くなることが抑制される。
【００９１】
第２非磁性層２０ｎには、例えば、非磁性トンネルバリア層及び非磁性金属層のうちのいずれかを用いることができる。
【００９２】
第２非磁性層２０ｎとして、非磁性トンネルバリア層を用いる場合、第２非磁性層２０ｎには、例えば、第１非磁性層１０ｎに関して説明した材料と同じ材料を用いることができる。また、この場合、第２非磁性層２０ｎの厚さは、約０．２ｎｍ以上２．０ｎｍ程度の範囲の値とすることが望ましい。
【００９３】
第２非磁性層２０ｎに用いられる非磁性金属層には、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）及びビスマス（Ｂｉ）よりなる群から選択されたいずれかの非磁性金属、または、上記の群から選択された少なくともいずれか２つ以上の元素を含む合金を用いることができる。第２非磁性層２０ｎとして非磁性金属層を用いる場合、第２非磁性層２０ｎの厚さは、１．５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とすることが望ましい。これにより、磁性層間で層間結合せず、かつ、伝導電子のスピン偏極状態が非磁性金属層を通過する際に失われることを抑制することができる。
例えば、第３強磁性層３０は、ホイスラー合金を含む。例えば、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｒｕ及びＰｄの少なくともいずれかを含むホイスラー合金が用いられる。ホイスラー合金においては、例えば、スピン注入効率ｇ（θ）が高い。これにより、例えば、上述の式における傾きｆ／Ｊを大きくすることができる。すなわち、電流に対して、発振周波数を高くすることができる。
【００９４】
例えば、ホイスラー合金には、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｎｉ２ＭｎＩｎ、Ｎｉ２ＭｎＧａ、Ｎｉ２ＭｎＳｎ、Ｐｄ２ＭｎＳｂ、Ｐｄ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＡｌ、Ｃｕ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＩｎ、Ｒｈ２ＭｎＧｅ及びＲｈ２ＭｎＰｂの少なくともいずれかが用いられる。  
これらのホイスラー合金においては、磁化Ｍｓは比較的小さい。例えば、磁化Ｍｓは、８００ｅｍｕ／ｃｃ以下である。このようなホイスラー合金を用いることで、例えば上述の式における傾きｆ／Ｊをさらに大きくすることができる。
【００９５】
例えば、ホイスラー合金には、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ及びＣｏ２ＭｎＳｉの少なくともいずれかを用いてもよい。  
これらのホイスラー合金においては、磁化Ｍｓが比較的大きい。例えば、磁化Ｍｓは、８００ｅｍｕ／ｃｃ以上１０００ｅｍｕ／ｃｃ以下である。これにより、例えば、第３強磁性層３０の磁化の発振により発生する磁界を大きくすることができる。第３強磁性層３０の磁化によって、第２強磁性層２０の磁化が反転しやすくなる。すなわち、反転電流を低減させることができる。
【００９６】
実施形態においては、このようなホイスラー合金を用いることが望ましい。これにより、発振層において、電流に対する発振周波数を大きくすることができる。このような発振層と、記憶層とを静磁結合させることによって、反転電流を低減させることができる。
【００９７】
例えば、第３強磁性層３０にホイスラー合金を用いる場合、第３強磁性層３０の磁化によって周囲に漏洩磁界が生じる場合がある。この漏洩磁界は、例えば、隣接するメモリセル（図１７参照）に影響を与えてしまう場合がある。実施形態においては、後述する磁気シールド５１（図１６参照）を用いることが望ましい。これにより、漏洩磁界を抑制することができる。
【００９８】
第４強磁性層４０には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることが好ましい。さらに、これらと、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素と、を含む合金を用いてもよい。
【００９９】
第４強磁性層４０において、含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件などを調整することにより、例えば、磁化量や磁気異方性などの特性を調整することができる。第４強磁性層４０は、例えば、ＴｂＦｅＣｏ、及び、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金でもよい。第４強磁性層４０は、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。Ｃｏ／Ｒｕ、及び、Ｆｅ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等は、下地層との組み合わせで垂直磁化膜となる。膜の結晶配向方向を制御することで、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ及びＮｉ／Ｃｕ等を第４強磁性層４０として用いることができる。
【０１００】
第３非磁性層３０ｎには、例えば、非磁性金属層が用いられる。  
第３非磁性層３０ｎに用いられる非磁性金属層には、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、ビスマス（Ｂｉ）、イリジウム（Ｉｒ）及びオスミウム（Ｏｓ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの非磁性金属、または、上記の群から選択された２つ以上の非磁性金属を含む合金を含むことができる。
【０１０１】
さらに、第３非磁性層３０ｎに用いられる非磁性金属層は、例えば、上記の群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、導電性窒化物、導電性酸化物及び導電性弗化物の少なくともいずれかでもよい。例えば、第３非磁性層３０ｎには、例えば、ＴｉＮ及びＴａＮなどを用いることができる。さらに、第３非磁性層３０ｎには、これらの材料の膜を積層させた積層膜を用いても良い。第３非磁性層３０ｎには、例えば、Ｔｉ膜／Ｒｕ膜／Ｔｉ膜の積層膜などを用いることができる。
【０１０２】
第３非磁性層３０ｎには、銅（Ｃｕ）などのスピン拡散長が長い材料、または、ルテニウム（Ｒｕ）などのスピン拡散長が短い材料を用いることができる。ルテニウム（Ｒｕ）などのスピン拡散長が短い材料を第３非磁性層３０ｎに用いることにより、流れる電子のスピン偏極を消失させ易くすることができる。
【０１０３】
第１導電層８１及び第２導電層８２には、例えば、導電性の磁性材料または導電性の非磁性材料が用いられる。導電性の磁性材料としては、例えば、第３強磁性層３０及び第４強磁性層４０に用いられる材料と実質的に同じ材料を挙げることができる。
【０１０４】
第１導電層８１及び第２導電層８２に用いられる導電性の非磁性材料には、例えば、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、ビスマス（Ｂｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、上記の群から選択された２つ以上の金属を含む合金を用いることができる。
【０１０５】
さらに、第１導電層８１及び第２導電層８２に用いられる導電性の非磁性材料は、上記の群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、導電性窒化物、導電性酸化物及び導電性弗化物の少なくともいずれかでもよい。第１導電層８１及び第２導電層８２に用いられる導電性の非磁性材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤ及びグラフェンなどでもよい。
【０１０６】
第１導電層８１及び第２導電層８２に導電性の保護膜を設けてもよい。この場合、保護膜には、例えば、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、または、グラフェンなどの材料を用いることができる。エレクトロマグレーション耐性及び低抵抗であることを考慮すると、保護膜には、銅（Ｃｕ）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択されたいずれかの元素、または、これらを含む合金を用いることが望ましい。
【０１０７】
第１導電層８１及び第２導電層８２の少なくともいずれかに、トランジスタが直接または間接に接続される場合がある。このときには、第１導電層８１及び第２導電層８２の上記の少なくともいずれかには、例えば、そのトランジスタのソース部またはドレイン部が用いられても良い。また、このときには、第１導電層８１及び第２導電層８２の上記の少なくともいずれかには、例えば、そのトランジスタのソース部またはドレイン部に接続されるコンタクト部が用いられても良い。
【０１０８】
Ｘ−Ｙ平面に投影したときの第１積層部ＳＢ１の形状及び第２積層部ＳＢ２の形状は任意である。Ｘ−Ｙ平面に投影したときの第１積層部ＳＢ１の形状及び第２積層部ＳＢ２の形状は、例えば、円形、楕円形、扁平円、及び、多角形などである。多角形とする場合には、四角形や六角形などの３つ以上の角を有することが好ましい。また、多角形は、角丸状でもよい。
【０１０９】
Ｚ軸に対して平行な平面（例えばＺ−Ｘ平面やＺ−Ｙ平面）に投影したときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は任意である。Ｚ軸に対して平行な平面に投影したときの第１積層部ＳＢ１の形状及び第２積層部ＳＢ２の形状（膜面に対して垂直な面で切断した形状）は、例えば、テーパ形状または逆テーパ形状を有することができる。
【０１１０】
次に、第１の実施形態に係る磁気記憶素子１１０の製造方法の例について説明する。以下の製造方法は、磁気記憶素子１１０に加え、層の作製順を適宜変更することにより、実施形態に係る、後述する他の磁気記憶素子にも適用できる。また、以下の説明において、「材料Ａ／材料Ｂ」は、材料Ａの上に材料Ｂが積層されていることを指す。
【０１１１】
ウェーハ上に下部電極（図示せず）を形成した後、そのウェーハを超高真空スパッタ装置内に配置する。下部電極上に、Ｔａ／Ｒｕ（下部電極とのコンタクト層、兼ストッパー層）、ＦｅＰｔ層／ＣｏＦｅＢ（第１強磁性層１０）、ＭｇＯ（第１非磁性層１０ｎ）、ＣｏＦｅＢ層（記憶層）、及び、その上にＲｕ層（第３非磁性層３０ｎ）を、この順に積層させる。ここで、磁界中でアニールすることによって、ＣｏＦｅＢとＦｅＰｔ層／ＣｏＦｅＢとの膜面垂直方向の磁気異方性の強さを調節することもできる。続いて、Ｐｙ層／Ｃｕ／ＣｏＦｅＢ／ＦｅＰｔ層（磁界発生部）、及び、Ｒｕ／Ｔａ層（上部コンタクト層）をこの順に積層する。これにより、加工体が形成される。
【０１１２】
次に、ＥＢ（electron beam：電子線）レジストを塗布してＥＢ露光を行い、直径３０ｎｍのレジストマスクを形成する。加工体のうちで、レジストで被覆されていない部分を、下部電極とのコンタクト層兼ストッパー層のＴａ層が露出するまで、イオンミリングによって削る。  
この後、保護絶縁層となるＳｉＮ膜を成膜し、積層体ＳＢ０を被覆する。
【０１１３】
次に、埋め込み絶縁層となるＳｉＯ２膜を成膜した後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等で平坦化した後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等で全面をエッチングすることで電極との上部コンタクト層を露出させる。
【０１１４】
さらに全面にレジストを塗布し、レジストの開口部が上部電極の位置に対応するように、ステッパ露光装置を用いてレジストをパターニングする。上部電極に対応する開口を埋め込むように、Ｃｕ膜を形成し、レジストを除去する。これにより、上部電極が形成される。上部電極に電気的に接続される配線（図示しない）が設けられる。  
以上により、磁気記憶素子１１０が完成する。
【０１１５】
図７は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。  
図７に表したように、磁気記憶素子１１１では、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの向きが下向きであり、第４強磁性層４０の磁化４０ｍの向きが上向きである。このように、磁化１０ｍの向き及び磁化４０ｍの向きは、磁気記憶素子１１０の磁化１０ｍの向き及び磁化４０ｍの向きに対して、それぞれ逆向きでもよい。
【０１１６】
磁気記憶素子１１０及び１１１において、第３非磁性層３０ｎにおいてスピン情報が保たれると、第３強磁性層３０は、第２強磁性層２０からのスピントランスファトルクの影響を受ける。このため、第３強磁性層３０の磁化回転の制御性が低下する場合がある。
【０１１７】
このとき、第３非磁性層３０ｎとして、例えばルテニウム（Ｒｕ）などのようなスピン拡散長の短い膜（スピン消失の機能を持つ材料）、または、スピン拡散長の短い構造を有する層を用いることが望ましい。これにより、第３強磁性層３０の磁化回転の制御性の低下を抑制できる。
【０１１８】
すなわち、第３強磁性層３０の磁化３０ｍが歳差運動をするためのスピントランスファトルクの大きさは、第４強磁性層４０でのスピン偏極で決まる。この構成においては、他の電子のスピンの影響（スピントランスファトルク）を受けることなく、第３強磁性層３０の磁化３０ｍを独立に制御することが可能となる。
【０１１９】
第３非磁性層３０ｎのための、このようなスピン消失効果が得られる材料としては、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）及びバナジウム（Ｖ）よりなる群から選択された金属、または、これらの群から選択された２つ以上を含む合金を挙げることができる。
【０１２０】
第３非磁性層３０ｎの厚さは、１．４ｎｍ以上に設定することが望ましい。
【０１２１】
第３非磁性層３０ｎの厚さが１．４ｎｍ以上であると、第３非磁性層３０ｎにおいて、伝導電子が第３非磁性層３０ｎの内部及び界面を通過する際にスピン偏極度を消失させることができる。さらに、第２強磁性層２０の磁化２０ｍの向きにより第３強磁性層３０の歳差運動が変化することを、第３非磁性層３０ｎにより防ぐことができる。
【０１２２】
一方、第３非磁性層３０ｎの厚さが２０ｎｍを超えると、多層膜のピラー形成が困難となる。さらに、第３強磁性層３０から発生する回転磁界の強度が、第２強磁性層２０の位置で減衰する。そのため、第３非磁性層３０ｎの厚さは、２０ｎｍ以下に設定されることが望ましい。
【０１２３】
第３非磁性層３０ｎとして、前述した単層膜の他に、積層膜を用いることができる。この積層膜は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）及びバナジウム（Ｖ）よりなる群から選択された金属、または、その群から選択された２つ以上を含む合金を含む層と、その層の少なくとも片側に積層された銅（Ｃｕ）層と、の積層構成を有することができる。
【０１２４】
さらに、第３非磁性層３０ｎに用いられる積層膜は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）及びバナジウム（Ｖ）よりなる群から選択された金属、または、その群から選択された２つ以上を含む合金を含む第１層と、第１層の少なくとも片側に積層され、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）及びルテニウム（Ｒｕ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物を含む第２層と、を含む積層構成を有することができる。
【０１２５】
図８（ａ）〜図８（ｊ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。  
図８（ａ）〜図８（ｆ）に表したように、磁気記憶素子１２１〜磁気記憶素子１２６では、第２強磁性層２０、第１非磁性層１０ｎ、第１強磁性層１０、第３非磁性層３０ｎ、第４強磁性層４０、第２非磁性層２０ｎ及び第３強磁性層３０が、この順に積層されている。このように、積層体ＳＢ０の積層順は、図８（ａ）〜図８（ｆ）に表した順序でもよい。
【０１２６】
磁気記憶素子１２１及び磁気記憶素子１２２では、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きが、第４強磁性層４０の磁化４０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きに対して逆である。これにより、例えば、第２強磁性層２０の位置において、第１強磁性層１０の磁化１０ｍ及び第４強磁性層４０の磁化４０ｍに起因する漏洩磁界の影響を抑えることができる。
【０１２７】
磁気記憶素子１２１及び磁気記憶素子１２２において、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０とは、第３非磁性層３０ｎを介して反強磁性結合していても良い。このように、非磁性層を介して互いの磁化の方向が反強磁性結合し反平行となる構造は、シンセティックアンチフェロ（ＳＡＦ：Synthetic Anti-Ferromagnetic）構造と呼ばれる。この例では、「第１の磁性層（例えば第１強磁性層１０）／非磁性層（例えば第３非磁性層３０ｎ）／第２の磁性層（例えば第４強磁性層４０）」の積層構造が、ＳＡＦ構造に対応する。
【０１２８】
ＳＡＦ構造を用いることにより、互いの磁化固定力が増強され、外部磁界に対する耐性、及び、熱的な安定性を向上させることができる。この構造においては、磁気記憶層（例えば第２強磁性層２０）の位置において膜面に対して垂直な方向にかかる漏洩磁界を実質的にゼロにすることができる。
【０１２９】
ＳＡＦ構造における非磁性層（中間層）には、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）またはオスミウム（Ｏｓ）などの金属材料が用いられる。非磁性層の厚さは、例えば、３ｎｍ以下に設定される。これにより、非磁性層を介して十分強い反強磁性結合が得られる。
【０１３０】
すなわち、第３非磁性層３０ｎは、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、及び、イリジウム（Ｉｒ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、前記群から選択された少なくとも２つ以上の金属を含む合金を含む。第３非磁性層３０ｎの厚さは、例えば、３ｎｍ以下である。
【０１３１】
磁気記憶素子１２３及び磁気記憶素子１２４では、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きが、第４強磁性層４０の磁化４０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きに対して同じである。このように、磁化１０ｍの向きは、磁化４０ｍの向きと平行でもよい。
【０１３２】
磁気記憶素子１２５及び磁気記憶素子１２６では、磁化１０ｍの向き及び磁化４０ｍの向きが、積層方向ＳＤ１に対して傾いている。磁化１０ｍの向き及び磁化４０ｍの向きは、積層方向ＳＤ１に対して平行でなくてもよい。磁化１０ｍの向き及び磁化４０ｍの向きは、少なくとも積層方向ＳＤ１の成分を有していればよい。
【０１３３】
図８（ｇ）及び図８（ｈ）に表したように、磁気記憶素子１２７及び磁気記憶素子１２８では、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、第３非磁性層３０ｎ、第４強磁性層４０、第２非磁性層２０ｎ及び第３強磁性層３０が、この順に積層されている。このように、積層体ＳＢ０の積層順は、図８（ｇ）及び図８（ｈ）に表した順序でもよい。
【０１３４】
図８（ｉ）及び図８（ｊ）に表しように、磁気記憶素子１２９及び磁気記憶素子１３０では、第２強磁性層２０、第１非磁性層１０ｎ、第１強磁性層１０、第３非磁性層３０ｎ、第３強磁性層３０、第２非磁性層２０ｎ及び第４強磁性層４０が、この順に積層されている。このように、積層体ＳＢ０の積層順は、図８（ｉ）及び図８（ｊ）に表した順序でもよい。
【０１３５】
磁気記憶素子１２３、１２４，１２７，１２８、１２９、または１３０において、第１導電層８１と第２導電層８２とを介して積層体ＳＢ０に書き込み電流ＩＷを流す。書き込み電流ＩＷの向きは任意である。第４強磁性層４０の磁化４０ｍの向きとは逆向きの磁界を印加することにより、第３強磁性層３０において発生する回転磁界の向きと、第２強磁性層２０磁化２０ｍが歳差運動する向きと、を互いに一致させることができる。
【０１３６】
磁気記憶素子１１０及び磁気記憶素子１１１の積層順では、例えば、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に第４強磁性層４０を配置する構成などに比べて、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間の距離が近い。これにより、第３強磁性層３０で発生した回転磁界を、より適切に第２強磁性層２０に作用させることができる。第２強磁性層２０における磁化反転をより効率的にアシストすることができる。
【０１３７】
図９は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。  
図９に表したように、磁気記憶素子１３１の第２強磁性層２０は、第１部分２１と第２部分２２とを含む。これ以外は、磁気記憶素子１３１には、磁気記憶素子１１０について説明した構成を適用することができる。
【０１３８】
第１部分２１の磁化２１ｍの方向は、可変である。第２部分２２は、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との積層方向ＳＤ１に第１部分２１と積層される。この例では、第１強磁性層１０と第１部分２１との間に第２部分２２が設けられる。第１強磁性層１０と第２部分２２との間に第１部分２１を設けてもよい。第２部分２２の磁化２２ｍの方向は、可変である。第１部分２１の磁化２１ｍは、第２部分２２の磁化２２ｍと強磁性結合、あるいは静磁結合している。第２部分２２の磁気共鳴周波数は、第１部分２１の磁気共鳴周波数よりも低い。第１部分２１の磁気共鳴周波数は、例えば、２０ＧＨｚ以上である。第２部分２２の磁気共鳴周波数は、例えば、２０ＧＨｚ未満である。
【０１３９】
第１部分２１及び第２部分２２には、例えば、合金が用いられる。第２部分２２に含まれる少なくとも１つの元素の濃度は、第１部分２１に含まれる同じ元素の濃度と異なる。すなわち、第２部分２２に含まれる合金の組成比は、第１部分２１に含まれる合金の組成比と異なる。第２部分２２は、例えば、第２強磁性層２０において、第１部分２１と合金の組成比を変えた部分である。
【０１４０】
第２部分２２の材料は、第１部分２１の材料と異なってもよい。この場合、第１部分２１及び第２部分２２は、それぞれ第２強磁性層２０に含まれる１つの層と見なすことができる。すなわち、第２強磁性層２０は、第１層と第２層とを含む積層体でもよい。
【０１４１】
磁気記憶素子１３１１においては、第１部分２１の磁化２１ｍと第２部分２２の磁化２２ｍとが、強磁性結合、あるいは静磁結合している。これにより、例えば、静磁状態における第２強磁性層２０のΔ値すなわち熱擾乱耐性を高めることができる。従って、磁気記憶素子１１０及び不揮発性記憶装置６１０の誤動作を抑制することができる。例えば、磁気記憶素子１１０の記憶保持時間を長時間化できる。
【０１４２】
Δ値とは、例えば、第２強磁性層２０の磁気異方性エネルギーと熱エネルギーとの比である。Δ値は、例えば、次の式で表すことができる。  
Δ＝Ｋｕ・Ｖ／ＫＢ・Ｔ  
上記の式において、Ｋｕは有効磁気異方性定数であり、Ｖは第２強磁性層２０の体積であり、ＫＢはボルツマン定数であり、Ｔは磁気記憶素子１３１の絶対温度である。
【０１４３】
磁気記憶素子１３１においては、積層方向ＳＤ１に第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に電流を流すことによりスピン偏極した電子を第２強磁性層２０に作用させる。また、磁気記憶素子１３１においては、第３強磁性層３０の磁化を歳差運動させることにより発生する回転磁界を第２強磁性層２０に作用させる。これにより、第２強磁性層２０の第１部分２１の磁化２１ｍの方向及び第２部分２２の磁化２２ｍの方向が、電流の向きに応じた方向に決定される。
【０１４４】
第２強磁性層２０の第１部分２１においては、例えば、第１部分２１の磁化２１ｍの方向は、膜面に対して略垂直方向で、積層方向ＳＤ１と略平行である。第１部分２１の磁化２１ｍは、反転可能である。第１部分２１は、データを記憶する役割をもつ。第１部分２１は、例えば、磁気記憶層として機能する。
【０１４５】
第２強磁性層２０の第２部分２２においては、例えば、第２部分２２の磁化２２ｍの方向は、膜面に対して略垂直方向で、積層方向ＳＤ１と略平行である。第２部分２２の磁化２２ｍは、反転可能である。第２部分２２の磁化２２ｍは、例えば、積層方向ＳＤ１に電流が積層体ＳＢ０に流れた際に、第１部分２１の磁化２１ｍよりも早く磁化反転して、第１部分２１の磁化２１ｍの磁化反転をアシストする。第２部分２２は、例えば、第１部分２１の磁化反転のトリガとして機能する。第２部分２２は、例えば、トリガ層である。
【０１４６】
なお、第２部分２２もデータの記憶保持に寄与する。従って、第２強磁性層２０を磁気記憶層とし、第１部分２１を記憶保持の本体部分、第２部分２２を磁化反転のトリガ部分と考えてもよい。
【０１４７】
例えば、磁気記憶素子１３１の幅（直径）を３０ｎｍ以下とする。これにより、ＭＲＡＭにおいて集積度を上げることができる。このとき、上述のΔ値（熱安定性定数）が小さいと、磁気記憶素子１３１が書き込まれたデータを保持し続けることができない場合がある。Δ値を大きくするために、例えば、有効磁気異方性定数Ｋｕを大きくする。有効磁気異方性定数Ｋｕが大きくなると、例えば有効磁気異方性磁界Ｈｋも大きくなる。これにより、書き込み電流が大きくなり、共鳴周波数が高くなってしまう場合がある。
【０１４８】
これに対して、磁気記憶素子１３１では、第２部分２２によって第２強磁性層２０の磁気共鳴周波数が低減する。このため、低減した第２強磁性層２０の磁気共鳴周波数に応じた周波数の磁界を印加することで、第１部分２１の磁化２１ｍ及び第２部分２２の磁化２２ｍを反転させることができる。この場合、第１部分２１単独の場合又は磁気共鳴周波数に応じた磁界を印加しない場合よりも、小さい電流で反転させることができる。第２部分２２の磁気共鳴周波数は、例えば、２０ＧＨｚ未満であり、より好ましくは、１５ＧＨｚ以下である。従って、第３強磁性層３０の発生させる回転磁界の周波数を、例えば、２０ＧＨｚ未満とすることができる。これにより、例えば、第３強磁性層３０の発生させる回転磁界の周波数と、磁化２１ｍ及び磁化２２ｍの磁気共鳴周波数と、のマッチングが容易になる。例えば、磁気記憶素子１１０において、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の設計の自由度を高めることができる。
【０１４９】
第２部分２２には、例えば、ホイスラー合金を用いてもよい。例えば、第２部分２２には、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｒｕ及びＰｄの少なくともいずれかを含むホイスラー合金を用いても良い。例えば、ホイスラー合金には、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｎｉ２ＭｎＩｎ、Ｎｉ２ＭｎＧａ、Ｎｉ２ＭｎＳｎ、Ｐｄ２ＭｎＳｂ、Ｐｄ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＡｌ、Ｃｕ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＩｎ、Ｒｈ２ＭｎＧｅ及びＲｈ２ＭｎＰｂの少なくともいずれかを用いることができる。  
例えば、ホイスラー合金のスピン注入効率ｇ（θ）は高く、低い共鳴周波数を得ることができる。これにより、例えば、第２強磁性層２０における磁化の反転電流を小さくすることができる。  
これらのホイスラー合金においては、例えば、磁化Ｍｓは比較的小さい。例えば、磁化Ｍｓは、８００ｅｍｕ／ｃｃ以下である。これにより、ホイスラー合金を用いた第２部分２２の磁化によって生じる漏洩磁界を抑制することができる。
【０１５０】
図１０は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式的断面図である。  
図１０に表わしたように、不揮発性記憶装置６１１は、磁気記憶素子１３２と、制御部５５１と、を含む。
【０１５１】
磁気記憶素子１３２は、中間配線８３を含む。中間配線８３は、第１積層部ＳＢ１と第２積層部ＳＢ２との間に設けられる。第１積層部ＳＢ１は、第１導電層８１と中間配線８３との間に設けられる。第２積層部ＳＢ２は、第２導電層８２と中間配線８３との間に設けられる。制御部５５１は、磁気記憶素子１３２と電気的に接続される。制御部５５１は、第１導電層８１、第２導電層８２及び中間配線８３を介して、磁気記憶素子１３２に電圧の印加及び電流の供給を行うことができる。これ以外については、不揮発性記憶装置６１１には、不揮発性記憶装置６１０について説明した構成と同様の構成を適用することができる。
【０１５２】
磁気記憶素子１３２においては、中間配線８３が設けられている。これにより、例えば、第１導電層８１（第１配線９１）及び中間配線８３を介して第１積層部ＳＢ１に流れる電流ＩＭＴＪと、第２導電層８２（第２配線９２）及び中間配線８３を介して第２積層部ＳＢ２に流れる電流ＩＳＴＯと、を独立して制御することができる。
【０１５３】
この例では、第２強磁性層２０は、第１部分２１（トリガ層）と第２部分２２とを含む。このようにトリガ層が設けられてもよく、設けられなくても良い。トリガ層を設けた場合には、例えば、第２強磁性層２０の磁気共鳴周波数が低くなる。これにより、ＳＴＯが発生する磁界の周波数を低くすることができる。磁気記憶素子をより作製しやすくなる。
【０１５４】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。  
図１１（ａ）は、磁気記憶素子１３２の書き込みの動作を例示している。例えば、制御部５５１は、第２配線９２（及び第２導電層８２）と中間配線８３との間に電流を流す。このように、第２積層部ＳＢ２に電流ＩＳＴＯを流し、第３強磁性層３０の磁化３０ｍを歳差運動させる。
【０１５５】
実施形態に係る磁気記憶素子１３２においては、記憶層と、発振特性の傾きが大きい発振層と、が積層されている。これにより、例えば、第１積層部ＳＢ１に流れる電流ＩＭＴＪによって生じるスピン偏極した電子の作用が小さい場合においても、磁化３０ｍの歳差運動により生じた回転磁界の作用によって、磁化２０ｍを反転させることができる。すなわち、磁気記憶素子１３２においては、書き込みの動作において、第１積層部ＳＢ１に流れる電流ＩＭＴＪの大きさを小さく（例えば、ゼロ）とすることができる。例えば、第２積層部ＳＢ２に流れる電流ＩＳＴＯだけで書き込みを行うことができる。
【０１５６】
書き込み動作において、第２積層部ＳＢ２に流れる電流ＩＳＴＯ（書き込み電流）は、第１積層部ＳＢ１に流れる電流ＩＭＴＪよりも大きい。または、第１積層部ＳＢ１に電流ＩＭＴＪを流さない。
【０１５７】
図１１（ｂ）は、磁気記憶素子１３２の読み出しの動作を例示している。例えば、制御部５５１は、第１配線９１（及び第１導電層８１）と中間配線８３との間に電流を流す。このように、第１積層部ＳＢ１に流れる電流ＩＭＴＪによって、読み出しを行うことができる。例えば、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の磁気抵抗効果によって変化する電気抵抗を読み取る。このとき、第２積層部ＳＢ２に流れる電流ＩＳＴＯの大きさを、小さく（例えばゼロ）することができる。
【０１５８】
読み読み出し動作において、第２積層部ＳＢ２に流れる電流ＩＳＴＯは、第１積層部ＳＢ１に流れる電流ＩＭＴＪよりも小さい。または、第２積層部ＳＢ２に電流ＩＭＴＪを流さない。
【０１５９】
例えば、第２積層部ＳＢ２へ電圧を印加しないことにより、読み出しの動作において、磁化３０ｍの歳差運動による回転磁界が生じない。読み出し時における磁化２０ｍの反転を抑制することができる。すなわち、発振層に電流を流さないことにより、記憶層が誤書き込みを起こす反転電流を大きくすることができる。これにより、誤書き込みを抑制することができる。
【０１６０】
なお、電流ＩＭＴＪの向き及び電流ＩＳＴＯの向きのそれぞれは、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に表わした向きとは、逆向きであってもよい。  
また、書き込みの動作時において、例えば、第２導電層８２と中間配線８３との間に電圧を印加せず、第１導電層８１と中間配線８３との間に電圧を印加しても良い。この場合には、第２積層部ＳＢ２を流れる電流ＩＳＴＯを小さくすることができる。
【０１６１】
図１２は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式的断面図である。  
図１２に表わしたように、不揮発性記憶装置６１２は、磁気記憶素子１３３と、制御部５５２と、を含む。
【０１６２】
制御部５５２は、磁気記憶素子１３３と電気的に接続される。制御部５５２は、第２導電層８２及び中間配線８３を介して、第２積層部ＳＢ２に電圧の印加及び電流の供給を行う。不揮発性記憶装置６１２においては、第１導電層８１及び第１配線９１が設けられていない。第１導電層８１及び第１配線９１は、必要に応じて設けられても良い。この例では、磁気記憶素子１３３は、絶縁層８４を含む。絶縁層８４は、中間配線８３と第１積層部ＳＢ１との間に設けられる。絶縁層８４は、例えば、設けられない場合もある。これ以外については、不揮発性記憶装置６１２には、不揮発性記憶装置６１１について説明した構成と同様の構成を適用することができる。
【０１６３】
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。  
図１３（ａ）は、磁気記憶素子１３３の書き込みの動作を例示している。
【０１６４】
磁気記憶素子１３３においては、記憶層と発振層とを静磁結合させている。記憶層と、発振特性の傾きが大きい発振層と、が積層されている。これにより、第２積層部ＳＢ２に流れる電流ＩＳＴＯだけで書き込みを行うことができる。書き込み動作において、制御部５５２は、第２配線９２（及び第２導電層８２）と中間配線８３との間に電流を流す。第２積層部ＳＢ２に流れる電流ＩＳＴＯは、前記第１積層部ＳＢ１に流れる電流ＩＭＴＪよりも大きい。絶縁層８４が設けられることにより、第１積層部ＳＢ１に流れる電流の大きさを、実質的にゼロとすることができる。例えば、第１積層部ＳＢ１には電流ＩＭＴＪを流さない。これにより、ＭＴＪの絶縁膜（第１非磁性層１０ｎ）が印加電圧によって破壊されて故障することを抑制することができる。
【０１６５】
図１３（ｂ）は、磁気記憶素子１３３の読み出しの動作を例示している。読み出し動作において、制御部５５２は、第２配線９２（及び第２導電層８２）と中間配線８３との間に電流を流す。第２積層部ＳＢ２を流れる電流ＩＳＴＯを用いて、第２強磁性層２０の磁化２０ｍの方向を検出することができる。
【０１６６】
磁気記憶素子１３３の読み出しの動作においては、第２積層部ＳＢ２に流れる電流ＩＳＴＯは、前記第１積層部ＳＢ１に流れる電流ＩＭＴＪよりも大きい。例えば、第１積層部ＳＢ１に電流ＩＭＴＪを流さない。絶縁層８４が設けられることにより、第１積層部ＳＢ１に流れる電流の大きさを、実質的にゼロとすることができる。
【０１６７】
第２強磁性層２０の磁化２０ｍの方向によって、第３強磁性層３０に印加される有効磁界の大きさが変化する。これにより、例えば、第３強磁性層３０によって生じる回転磁界の発振周波数は、第２強磁性層２０の磁化２０ｍの方向に依存する。また、例えば、第３強磁性層３０に回転磁界を発生させる電流（発振の閾値電流）の大きさは、磁化２０ｍの方向に依存する。例えば、このような発振周波数または閾値を用いて、発振特性から磁化２０ｍの方向を検出することができる。
【０１６８】
このように、磁気記憶素子１３３においては、第１積層部ＳＢ１に電流を流さずに、書き込み動作及び読み出し動作を行うことができる。これにより、ＭＴＪの絶縁膜（第１非磁性層１０ｎ）が印加電圧によって破壊されて故障することを抑制することができる。
【０１６９】
図１４（ａ）〜図１４（ｅ）は、不揮発性記憶装置の特性を例示する模式図である。  
図１４（ａ）は、参考例の磁気記憶素子１９１を例示している（Ｍｏｄｅｌ１）。磁気記憶素子１９１においては、第２積層部ＳＢ２が設けられない。これ以外については、磁気記憶素子１９１の構成は磁気記憶素子１１０と同様である。
【０１７０】
図１４（ｂ）は、参考例の磁気記憶素子１９２を例示している（Ｍｏｄｅｌ２）。磁気記憶素子１９２においても、第２積層部ＳＢ２が設けられない。磁気記憶素子１９２においては、第２強磁性層２０は、第１部分２１（トリガ層）と第２部分２２（記憶層）とを含む。これ以外については、磁気記憶素子１９２の構成は磁気記憶素子１９１と同様である。
【０１７１】
図１４（ｃ）及び図１４（ｄ）は、実施形態に係る磁気記憶素子１３２を例示している。図１４（ｃ）は、磁気記憶素子１３２における第１の書き込み動作（Ｍｏｄｅｌ３）を例示している。Ｍｏｄｅｌ３においては、第３強磁性層３０に流れる電流を小さくし、第１積層部ＳＢ１に電流ＪＭＴＪを流す。図１４（ｄ）は、磁気記憶素子１３２における第２の書き込み動作（Ｍｏｄｅｌ４）を例示している。Ｍｏｄｅｌ４においては、第１積層部ＳＢ１に流れる電流ＪＭＴＪを小さくし、第２積層部ＳＢ２に電流ＪＳＴＯを流す。
【０１７２】
図１４（ａ）〜図１４（ｄ）においては、図を見やすくするために、磁気記憶素子の一部（第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第４強磁性層４０、第１導電層８１及び第２導電層８２など）が省略されている。
【０１７３】
図１４（ｅ）は、磁気記憶素子１９１、１９２及び１３２のそれぞれにおいて、第２強磁性層２０の磁化２０ｍを反転させる電流（反転電流）を計算したシミュレーション結果である。図１４（ｅ）の縦軸は、反転電流Ｊｒ（ＭＡ／ｃｍ２）である。図１４（ｅ）において、黒い丸は、書き込み動作時において磁気記憶素子に流れる電流Ｊｔｏｔａｌを表わし、白い四角は、書き込み動作時において第１積層部に流れる電流ＪＭＴＪを表わしている。シミュレーションにおいては、磁気記憶素子のそれぞれに、３ｎｓのパルス電流を注入している。例えば、磁気記憶素子の径は、１６ｎｍである。
【０１７４】
図１４（ｅ）に表わしたように、Ｍｏｄｅｌ１において、磁気記憶素子１９１の反転電流Ｊｒは、３２（ＭＡ／ｃｍ２）程度である。  
Ｍｏｄｅｌ２において、磁気記憶素子１９２の反転電流Ｊｒは、４８（ＭＡ／ｃｍ２）程度である。  
磁気記憶素子１３２の第１の書き込み動作（Ｍｏｄｅｌ３）においては、反転電流Ｊｒは、２８（ＭＡ／ｃｍ２）程度である。この例では、磁気記憶素子１９１、１９２及び１３２において、電流ＪＭＴＪと電流Ｊｔｏｔａｌは実質的に等しい。
【０１７５】
一方、磁気記憶素子１３２の第２の書き込み動作（Ｍｏｄｅｌ４）においては、第１積層部ＳＢ１にほとんど電流が流れなくても、磁化２０ｍが反転する結果が得られた。このとき、第２積層部ＳＢ２に流れる電流ＪＳＴＯは、１８（ＭＡ／ｃｍ２）程度であり、第１積層部ＳＢ１に流れる電流ＪＭＴＪは、０（ＭＡ／ｃｍ２）程度である。  
磁気記憶素子１３２においては、例えば、第１積層部ＳＢ１に３（ＭＡ／ｃｍ２）程度の電流を流すことで、読み出し動作を行うことができる。
【０１７６】
実施形態に係る磁気記憶素子１３２のように、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０とを静磁結合させることにより、ＭＴＪに電流を流さなくても、書き込みを行うことができる。
【０１７７】
図１５は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。  
図１５に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１３４においては、第１積層部ＳＢ１の幅（積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの断面形状）と、第２積層部ＳＢ２の幅と、は異なる。これ以外は、磁気記憶素子１３４には、磁気記憶素子１１０と同様の構成を適用することができる。
【０１７８】
例えば、積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの第１積層部ＳＢ１の断面積（第１面積Ｓ１）は、積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの第２積層部ＳＢ２の断面積（第２面積Ｓ２）よりも大きい。
【０１７９】
これにより、例えば、第１導電層８１及び第２導電層８２を介して積層体ＳＢ０に電流を流すときに、第２積層部ＳＢ２における電流密度を、第１積層部ＳＢ１における電流密度よりも大きくすることができる。発振層（第３強磁性層３０）における電流密度を大きくすることができる。
【０１８０】
発振層における電流密度を大きくすることにより、例えば、より小さい電流で第３強磁性層３０の磁化３０ｍを発振させる（歳差運動させる）ことができる。すなわち、より小さい電流によって、磁化３０ｍを第１周波数ｆ１（第２強磁性層２０の磁気共鳴周波数）で発振させることができる。これにより、例えば、書き込み動作においてＭＴＪに流す電流を小さくすることができる。
【０１８１】
例えば、第２積層部ＳＢ２の幅（Ｘ軸方向に沿った長さ）は、２５ｎｍ以下であることが望ましい。例えば、第１積層部ＳＢ１の第１面積Ｓ１は、第２積層部ＳＢ２の第２面積Ｓ２の２．０倍以上であることが望ましい。
【０１８２】
図１６は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。  
図１６に表したように、磁気記憶素子１３５は、磁気シールド５１をさらに含む。積層体ＳＢ０は、積層方向ＳＤ１に延びる側面ＳＳ０を有する。第１積層部ＳＢ１は、積層方向ＳＤ１に延びる側面ＳＳ１（第１側面）を有する。第２積層部ＳＢ２は、積層方向ＳＤ１に延びる側面ＳＳ２（第２側面）を有する。第３非磁性層３０ｎは、積層方向ＳＤ１に延びる側面ＳＳｎを有する。ここで、「積層方向ＳＤ１に延びる」には、積層方向ＳＤ１に対して非平行な状態も含むものとする。「積層方向ＳＤ１に延びる」は、少なくとも積層方向ＳＤ１に延びる成分を有していればよい。すなわち、「積層方向ＳＤ１に延びる面」とは、積層方向ＳＤ１に対して直交する面でなければよい。
【０１８３】
磁気シールド５１は、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０の少なくとも一部を覆う。換言すれば、磁気シールド５１は、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０の少なくとも一部と対向する。積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０は、例えば、第１積層部ＳＢ１の側面ＳＳ１（第１側面）と、第２積層部ＳＢ２の側面ＳＳ２（第２側面）と、第３非磁性層３０ｎの側面ＳＳｎと、を含む。この例において、磁気シールド５１は、側面ＳＳ１と側面ＳＳ２と側面ＳＳｎとを覆う。Ｘ−Ｙ平面に投影した磁気シールド５１の形状は、例えば、積層体ＳＢ０を囲む環状である。
【０１８４】
磁気記憶素子１３５は、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０と磁気シールド５１との間に設けられた保護層５２をさらに含む。保護層５２の厚さは、第２強磁性層２０のＺ軸方向の中心から第３強磁性層３０のＺ軸方向の中心までのＺ軸方向の距離と実質的に同じ長さか、それよりも長いことが望ましい。第２強磁性層２０のＺ軸方向の中心と第３強磁性層３０のＺ軸方向の中心との間のＺ軸方向の距離は、例えば、磁気記憶素子１１０の構成及び磁気記憶素子１１１の構成において最も近づき、磁気記憶素子１２１〜磁気記憶素子１２６の構成において最も離れる。保護層５２の厚さは、例えば、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが望ましい。
【０１８５】
例えば、第１積層部ＳＢ１の側面ＳＳ１及び第２積層部ＳＢ２の側面ＳＳ２が、ＳｉＮやＡｌ２Ｏ３などの保護層５２を介して、パーマロイ（Ｐｙ）などの磁気シールド５１により覆われる。これにより、例えば、複数の磁気記憶素子１３５が並べられた場合において、隣の磁気記憶素子１３５からの漏洩磁界が、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の動作に悪影響を与えることが抑制される。例えば、各記憶セル（積層体ＳＢ０）において、第１積層部ＳＢ１に作用する有効磁界が実質的に同じであるため、ビット間の反転電流のばらつきが抑制される。第２積層部ＳＢ２についても発振電流のばらつきが同様に抑えられる。また、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２からの漏洩磁界が、隣の磁気記憶素子に作用することを抑制することができる。その結果、複数の磁気記憶素子どうしを近接して配置することができ、集積度を向上することができる。例えば、不揮発性記憶装置の記憶密度を向上させることができる。
【０１８６】
磁気シールド５１には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、この群から選択された２つ以上の金属を含む合金が用いられる。磁気シールド５１は、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属と、を含む合金でもよい。
【０１８７】
磁気シールド５１に含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件を調整することにより、磁気シールド５１の特性を調整することができる。磁気シールド５１は、例えば、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金でもよい。また、磁気シールド５１には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。
【０１８８】
保護層５２には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、酸化物、窒化物または弗化物を用いることができる。保護層５２には、例えば、ＳｉＮが用いられる。
【０１８９】
以下、図１６に例示した磁気記憶素子１３５の製造方法の例について説明する。  
ウェーハ上に下部電極（図示せず）を形成した後、そのウェーハを超高真空スパッタ装置内に配置する。下部電極上に、Ｔａ／Ｒｕ（下部電極とのコンタクト層、兼ストッパー層）、ＦｅＰｔ層／ＣｏＦｅＢ（第１強磁性層１０）、ＭｇＯ（第１非磁性層１０ｎ）、ＣｏＦｅＢ層（記憶層）、及び、その上にＲｕ層（第３非磁性層３０ｎ）を、この順に積層させる。ここで、磁界中でアニールすることによって、ＣｏＦｅＢとＦｅＰｔ層／ＣｏＦｅＢの膜面垂直方向の磁気異方性の強さを調節することもできる。続いて、Ｐｙ層／Ｃｕ／ＣｏＦｅＢ／ＦｅＰｔ層（磁界発生部）、及び、Ｒｕ／Ｔａ層（上部コンタクト層）をこの順に積層する。これにより、加工体が形成される。
【０１９０】
次に、ＥＢレジストを塗布してＥＢ露光を行い、直径３０ｎｍのレジストマスクを形成する。イオンミリングによってレジストで被覆されていない部分を、ストッパー層を兼ねた下部電極上のＴａ層が露出するまで削る。
【０１９１】
続いて、保護層５２としてＳｉＮ層を形成した後、磁気シールド５１として機能するＰｙ層を形成する。エッチバックにより、Ｐｙ層が磁気記憶素子の側壁に残るようにする。
【０１９２】
次に、磁気記憶素子を絶縁埋め込みすべくＳｉＯ２膜を成膜した後、ＣＭＰ等で平坦化した後、ＲＩＥ等で全面をエッチングすることで電極とのコンタクト層を露出させる。
【０１９３】
さらに全面にレジストを塗布し、このレジストを上部電極の位置にレジストが被覆されない部分ができるように、ステッパ露光装置を用いてパターニングする。上部電極に対応した開口をＣｕで埋め込み成膜し、レジストを除去する。上部電極には、図示しない配線を設けて電気的入出力ができるようにする。  
以上により、磁気記憶素子１３５が完成する。
【０１９４】
（第２の実施形態）  
図１７は、第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。  
図１７に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置６２０は、メモリセルアレイＭＣＡを備える。メモリセルアレイＭＣＡは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有する。メモリセルＭＣのそれぞれは、第１の実施形態に係る磁気記憶素子のいずれかを、ＭＴＪ素子（積層体ＳＢ０）として有する。
【０１９５】
メモリセルアレイＭＣＡには、複数のビット線対（ビット線ＢＬ及びビット線／ＢＬ）及び、複数のワード線ＷＬが配置されている。複数のビット線対のそれぞれは、列（カラム）方向に延在する。複数のワード線ＷＬのそれぞれは、行（ロウ）方向に延在する。
【０１９６】
ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分に、メモリセルＭＣが配置される。メモリセルＭＣのそれぞれは、ＭＴＪ素子と選択トランジスタＴＲとを有する。ＭＴＪ素子の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子の他端は、選択トランジスタＴＲのドレイン端子に接続されている。選択トランジスタＴＲのゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタＴＲのソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。
【０１９７】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ６２１が接続されている。ビット線対（ビット線ＢＬ及びビット線／ＢＬ）には、書き込み回路６２２ａ及び読み出し回路６２２ｂが接続されている。書き込み回路６２２ａ及び読み出し回路６２２ｂには、カラムデコーダ６２３が接続されている。
【０１９８】
メモリセルＭＣのそれぞれは、ロウデコーダ６２１及びカラムデコーダ６２３により選択される。メモリセルＭＣへのデータ書き込みの例は、以下である。まず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタＴＲがオンする。
【０１９９】
この例では、例えば、ロウデコーダ６２１、書き込み回路６２２ａ、読み出し回路６２２ｂ、及び、カラムデコーダ６２３によって、制御部５５０が構成される。制御部５５０は、ビット線ＢＬ、ワード線ＷＬ及び選択トランジスタＴＲなどを介して、複数のメモリセルＭＣ（複数の磁気記憶素子）のそれぞれと電気的に接続される。制御部５５０は、複数のメモリセルＭＣのそれぞれに対して、データの書き込み及びデータの読み出しを実施する。
【０２００】
ＭＴＪ素子には、例えば、双方向の書き込み電流が供給される。具体的には、ＭＴＪ素子に左から右へ書き込み電流を供給する場合、書き込み回路６２２ａは、ビット線ＢＬに正の電位を印加し、ビット線／ＢＬに接地電位を印加する。また、ＭＴＪ素子に右から左へ書き込み電流を供給する場合、書き込み回路６２２ａは、ビット線／ＢＬに正の電位を印加し、ビット線ＢＬに接地電位を印加する。このようにして、メモリセルＭＣに、データ「０」、または、データ「１」を書き込むことができる。
【０２０１】
メモリセルＭＣからのデータ読み出しの例は、以下である。まず、メモリセルＭＣが選択される。読み出し回路６２２ｂは、ＭＴＪ素子に、例えば、選択トランジスタＴＲからＭＴＪ素子に向かう方向に流れる読み出し電流を供給する。そして、読み出し回路６２２ｂは、この読み出し電流に基づいて、ＭＴＪ素子の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＴＪ素子に記憶された情報を読み出すことができる。
【０２０２】
図１８は、第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。  
図１８は、１つのメモリセルＭＣの部分を例示している。この例では、磁気記憶素子１１０が用いられているが、実施形態に係る任意の磁気記憶素子を用いることができる。
【０２０３】
図１８に表したように、不揮発性記憶装置６２０は、実施形態に係る磁気記憶素子（例えば磁気記憶素子１１０）と、第１配線９１と、第２配線９２と、を備える。第１配線９１は、磁気記憶素子１１０の一端（例えば第１積層部ＳＢ１の端）に、直接または間接に接続される。第２配線９２は、磁気記憶素子１１０の他端（例えば第２積層部ＳＢ２の端）に直接または間接に接続される。
【０２０４】
ここで、「直接に接続される」は、間に他の導電性の部材（例えばビア電極や配線など）が挿入されないで電気的に接続される状態を含む。「間接に接続される」は、間に他の導電性の部材（例えばビア電極や配線など）が挿入されて電気的に接続される状態、及び、間にスイッチ（例えばトランジスタなど）が挿入されて、導通と非導通とが可変の状態で接続される状態を含む。
【０２０５】
第１配線９１及び第２配線９２のいずれか一方は、例えば、ビット線ＢＬに対応する。第１配線９１及び第２配線９２のいずれか他方は、例えば、ビット線／ＢＬに対応する。
【０２０６】
図１８に表したように、不揮発性記憶装置６２０は、選択トランジスタＴＲをさらに備えることができる。選択トランジスタＴＲは、磁気記憶素子１１０と第１配線９１との間（第１の位置）、及び、磁気記憶素子１１０と第２配線９２の間（第２の位置）の少なくともいずれかに設けられる。
【０２０７】
このような構成により、メモリセルアレイＭＣＡの任意のメモリセルＭＣ（例えば磁気記憶素子１１０）にデータを書き込み、また、磁気記憶素子１１０に書き込まれたデータを読み出すことができる。このように構成された不揮発性記憶装置６２０においても、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０とを静磁結合させることで、書き込み電流を小さくすることができる。これにより、絶縁破壊による故障を抑制することができ、信頼性が向上する。
【０２０８】
実施形態によれば、信頼性の高い磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置が提供される。
【０２０９】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【０２１０】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、不揮発性記憶装置に含まれる記憶部、磁気記憶素子、制御部、積層体、磁化回転層、第１〜第４強磁性層及び第１〜第３非磁性層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【０２１１】
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０２１２】
その他、本発明の実施形態として上述した磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０２１３】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０２１４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０２１５】
１０…第１強磁性層、  １０ａ…主面、  １０ｍ…磁化、  １０ｎ…第１非磁性層、  ２０…第２強磁性層、  ２０ｍ…磁化、  ２０ｎ…第２非磁性層、  ２１…第１部分、  ２１ｍ…磁化、  ２２…第２部分、  ２２ｍ…磁化、  ３０…第３強磁性層、  ３０ｍ…磁化、  ３０ｎ…第３非磁性層、  ４０…第４強磁性層、  ４０ｍ…磁化、  ５１…磁気シールド、  ５２…保護層、  ６０…電子電流、  ６１…センス電流、  ７２…磁化、  ７２ａ…垂直磁化成分、  ７２ｂ…面内磁化成分、  ８１…第１導電層、  ８２…第２導電層、  ８３…中間配線、  ８４…絶縁層、  ９１…第１配線、  ９２…第２配線、  α…ダンピング係数、  １１０、１１１、１２１〜１３５、１９１、１９２…磁気記憶素、  ５５０〜５５２…制御部、  ６１０〜６１２、６２０…不揮発性記憶装置、  ６２１…ロウデコーダ、  ６２２ａ…書き込み回路、  ６２２ｂ…読み出し回路、  ６２３…カラムデコーダ、  ＢＬ…ビット線、  Ｈｋ…有効磁気異方性磁界、  Ｉ…電流、  Ｉ１…第１電流、  Ｉ２…第２電流、  ＩＭＴＪ…電流、  ＩＳＴＯ…電流、  Ｉｆ１…特性、  Ｉｆ２…特性、  Ｊｒ…反転電流、  Ｊ…電流、  ＪＭＴＪ…電流、  ＪＳＴＯ…電流、  Ｊｔｏｔａｌ…電流、  Ｋｕ…有効磁気異方性定数、  ＭＣ…メモリセル、  ＭＣＡ…メモリセルアレイ、  Ｍｓ…磁化、  Ｒ…円相当直径、  Ｓ１…第１面積、  Ｓ２…第２面積、  ＳＢ０…積層体、  ＳＢ１…第１積層部、  ＳＢ２…第２積層部、  ＳＤ１…積層方向、  ＳＤ２…面内方向、  ＳＳ０…側面、  ＳＳ１…第１側面、  ＳＳ２…第２側面、  ＳＳｎ…側面、  ＴＲ…選択トランジスタ、  ＷＬ…ワード線、  ｆｍ…周波数、  ｆ…発振周波数、  ｆ１…第１周波数、  ｇ（θ）…スピン注入効率、  ｔ…厚さ
【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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