(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜面に対して垂直な成分を有する第１の方向に磁化が固定された第１強磁性層と、
磁化の方向が膜面に対して垂直な方向に可変である第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積層部と、
前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記第１非磁性層が積層される積層方向に沿って前記第１積層部と積層された第２積層部であって、
磁化の方向が膜面に対して平行な方向に可変である第３強磁性層と、
前記第３強磁性層と前記積層方向に沿って積層され膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に磁化が固定された第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強磁性層の位置における前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記第４強磁性層からの漏れ磁界Ｈｓ（Ｏｅ）、前記第３強磁性層の磁気異方性Ｋｕ（ｅｒｇ／ｃｍ３）、前記第３強磁性層のダンピング定数α、前記第３強磁性層の磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）、及び、前記第３強磁性層の反磁界係数Ｎｚは、
【数９】
0005734800.tif 000010
の関係を満たし、
前記積層方向に沿って前記積層体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強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向とすることを可能とした、磁気記憶素子。
【請求項２】
前記第１の方向は、前記第２の方向に対して逆向きである、請求項１記載の磁気記憶素子。
【請求項３】
前記積層体は、前記第１積層部と前記第２積層部との間に設けられた第３非磁性層をさらに含み、
前記第３非磁性層は、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つ以上を含む合金を含む、請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
【請求項４】
前記積層体は、前記第１積層部と前記第２積層部との間に設けられた第３非磁性層をさらに含み、
前記第３非磁性層は、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つ以上を含む合金を含み、
前記第３非磁性層の厚さは、３ナノメートル以下である、請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
【請求項５】
前記漏れ磁界Ｈｓ（Ｏｅ）、前記第３強磁性層の磁気異方性Ｋｕ（ｅｒｇ／ｃｍ３）、前記第３強磁性層のダンピング定数α、前記第３強磁性層の磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）、及び、前記第３強磁性層の反磁界係数Ｎｚは、
【数１０】
0005734800.tif 000011
の関係を満たした、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】
前記漏れ磁界Ｈｓ（Ｏｅ）、前記第３強磁性層の磁気異方性Ｋｕ（ｅｒｇ／ｃｍ３）、前記第３強磁性層のダンピング定数α、前記第３強磁性層の磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）、前記第３強磁性層の反磁界係数Ｎｚ、前記第３強磁性層の体積Ｖ（ｃｍ３）、及び、読み出し動作の際に前記第３強磁性層に流される読み出し電流ＩＲ（Ａ）は、
【数７】
0005734800.tif 000012
の関係（ｈはプランク定数（ｅｒｇ・ｓ）、ｅは電気素量（Ａ・秒）、θは、前記第３強磁性層の前記磁化の方向と前記積層方向との間の角度（ｒａｄ）、ｇ（θ）は、スピン偏極度に依存するスピントランスファの効率を表すパラメータ）を満たした、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】
前記漏れ磁界Ｈｓ（Ｏｅ）、前記第３強磁性層の磁気異方性Ｋｕ（ｅｒｇ／ｃｍ３）、前記第３強磁性層のダンピング定数α、前記第３強磁性層の磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）、及び、前記第３強磁性層の反磁界係数Ｎｚ、前記第３強磁性層の体積Ｖ（ｃｍ３）、及び、読み出し動作の際に前記第３強磁性層に流される読み出し電流ＩＲ（Ａ）は、
【数１２】
0005734800.tif 000013
の関係（ｈはプランク定数（ｅｒｇ・ｓ）、ｅは電気素量（Ａ・ｓ）、θは、前記第３強磁性層の前記磁化の方向と前記積層方向との間の角度（ｒａｄ）、ｇ（θ）は、スピン偏極度に依存するスピントランスファの効率を表すパラメータ）を満たした、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】
前記積層体の少なくとも一部の側面に対向する磁気シールドをさらに備えた、請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁気記憶素子と、
前記磁気記憶素子の一端に直接または間接に接続された第１の配線と、
前記磁気記憶素子の他端に直接または間接に接続された第２の配線と、
を備えた、不揮発性記憶装置。
【請求項１０】
前記磁気記憶素子と前記第１の配線との間、及び、前記磁気記憶素子と前記第２の配線の間の少なくともいずれかの間に設けられた選択トランジスタをさらに備えた、請求項９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・大容量の不揮発メモリとして注目を集めている。ＭＴＪ素子の記憶層への書き込みは、例えば、スピントルク書き込み方式により行われる。この方式においては、例えば、ＭＴＪ素子に直接通電させ、ＭＴＪ素子の基準層から注入されるスピントルクで記憶層の磁化を反転させる。このような磁気記憶素子において、安定した動作を確保することが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２１３５２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、安定した動作が可能な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、第１積層部と第２積層部とを含む積層体を備えた磁気記憶素子が提供される。前記第１積層部は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、第１非磁性層と、を含む。前記第１強磁性層の磁化は、膜面に対して垂直な成分を有する第１の方向に固定されている。前記第２強磁性層の磁化の方向は、膜面に対して垂直な方向に可変である。前記第１非磁性層は、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る。前記第２積層部は、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記第１非磁性層が積層される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強磁性層と、第４強磁性層と、第２非磁性層と、を含む。前記第３強磁性層の磁化の方向は、膜面に対して平行な方向に可変である。前記第４強磁性層は、前記第３強磁性層と前記積層方向に沿って積層される。前記第４強磁性層の磁化は、膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に固定されている。前記第２非磁性層は、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る。前記第３強磁性層の位置における前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記第４強磁性層からの漏れ磁界Ｈｓ（Ｏｅ）、前記第３強磁性層の磁気異方性Ｋｕ（ｅｒｇ／ｃｍ３）、前記第３強磁性層のダンピング定数α、前記第３強磁性層の磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）、及び、前記第３強磁性層の反磁界係数Ｎｚは、
【数１】
0005734800.tif 000002
の関係を満たす。前記積層方向に沿って前記積層体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の実施形態に係る磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、磁化を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｄ）は、実施形態に係る磁気記憶素子の動作を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る磁気記憶素子の動作を示す模式図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
【図１０】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
【図１１】第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
【図１２】第１の実施形態に係る磁気記憶素子の特性を示すグラフ図である。
【図１３】磁気記憶素子の特性を示すグラフ図である。
【図１４】磁気記憶素子の特性を示すグラフ図である。
【図１５】磁気記憶素子の特性を示すグラフ図である。
【図１６】第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式図である。
【図１７】第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式図である。
【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の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図１に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１１０は、積層体ＳＢ０を備える。積層体ＳＢ０は、第１積層部ＳＢ１と、第２積層部ＳＢ２と、を含む。
【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。
【００１０】
第１強磁性層１０においては、膜面に対して垂直な成分を有する第１の方向に磁化（第１強磁性層１０の磁化）が固定されている。第２強磁性層２０においては、磁化（第２強磁性層２０の磁化）の方向が膜面に対して垂直な方向に可変である。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。「膜面」は、層の主面に対して平行な面であり、「層面」に対応する。
【００１１】
すなわち、第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第１非磁性層１０ｎは、積層される。第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第１非磁性層１０ｎが重ねられる方向（軸）を積層方向ＳＤ１とする。積層方向ＳＤ１は、例えば、第１強磁性層１０の膜面に対して垂直である。
【００１２】
説明の便宜上、積層方向ＳＤ１に対して平行な軸をＺ軸とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とする。Ｚ軸とＸ軸とに対して垂直な軸をＹ軸とする。
【００１３】
本願明細書において、「積層」は、複数の層が互いに接して重ねられる場合に加え、間に別の要素が挿入されて複数の層が重ねられる場合を含む。
【００１４】
第２積層部ＳＢ２は、積層方向ＳＤ１に沿って第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と、第４強磁性層４０と、第２非磁性層２０ｎと、を含む。第３強磁性層３０においては、磁化（第３強磁性層３０の磁化）の方向が膜面に対して平行な方向に可変である。第４強磁性層４０は、第３強磁性層３０と積層方向ＳＤ１に沿って積層される。第４強磁性層４０においては、膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に磁化（第４強磁性層４０の磁化）が固定されている。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。
【００１５】
すなわち、第３強磁性層３０、第４強磁性層４０及び第２非磁性層２０ｎは、積層方向ＳＤ１に沿って、第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第１非磁性層１０ｎと積層される。後述するように、各層の順序は、種々の変形が可能である。
【００１６】
磁気記憶素子１１０においては、積層方向ＳＤ１に沿って積層体ＳＢ０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、且つ、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に作用させることにより、第２強磁性層２０の磁化の方向を電流の向きに応じた方向に決定可能とする。上記の電流は、積層体ＳＢ０の各層の膜面に対して略垂直な方向に流れる。
【００１７】
磁気記憶素子１１０において、第２積層部ＳＢ２は、磁界発生部として機能する。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、適宜、磁界発生部と言い、第１積層部ＳＢ１を、適宜、磁気記憶部と言う。
【００１８】
第１強磁性層１０は、例えば、第１の磁化固定層である。第２強磁性層２０においては、磁化容易軸が膜面に対して略垂直方向である。第２強磁性層２０は、磁気記憶層として機能する。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強磁性層１０と、第１非磁性層１０ｎと、第２強磁性層２０と、を含む第１積層部ＳＢ１は、例えば、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）の構造を有する。
【００１９】
第３強磁性層３０は、磁化回転層として機能する。第４強磁性層４０は、磁化が膜面に対して略垂直方向に固定された第２の磁化固定層として機能する。第２非磁性層２０ｎは、第２のスペーサ層として機能する。
【００２０】
このような構成を有する磁気記憶素子１１０においては、書き込み時における磁化反転が高速に生じる。
【００２１】
図１は、Ｚ軸に対して平行な平面で切断したときの積層体ＳＢ０の断面を例示している。Ｚ軸に沿ってみたときの積層体ＳＢ０（第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２）の形状は、例えば、円形（扁平円を含む）である。ただし、実施形態において、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は、任意である。
【００２２】
磁気記憶素子１１０においては、積層体ＳＢ０は、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。第３非磁性層３０ｎは、必要に応じて設けられ、場合によっては省略可能である。
【００２３】
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強磁性層には、例えば、面内磁化膜が用いられる。
【００２４】
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。
【００２５】
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つの軸を面内軸ＳＤ２とする。面内軸ＳＤ２は、Ｘ−Ｙ平面内の軸である。磁化７２は、膜面に対して垂直な方向の磁化斜影成分（積層方向ＳＤ１に対して平行な磁化成分７２ａ）と、膜面に対して平行な方向の磁化斜影成分（面内軸ＳＤ２に対して平行な磁化成分７２ｂ）と、を有する。
【００２６】
図２（ａ）に表したように、垂直磁化膜は、膜面に対して垂直な磁化成分７２ａが、膜面に対して平行な磁化成分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。
【００２７】
図２（ｂ）に表したように、面内磁化膜は、膜面に対して平行な磁化成分７２ｂが、膜面に対して垂直な磁化成分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。
【００２８】
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。
【００２９】
既に説明したように、第１強磁性層１０の磁化は、第１の方向に実質的に固定されている。第４強磁性層４０の磁化は、第２の方向に実質的に固定されている。
【００３０】
図１に例示したように、磁気記憶素子１１０においては、第１の方向は下向きであり、第２の方向は上向きである。ただし、後述するように、第１の方向及び第２の方向は種々の変形が可能である。
【００３１】
磁気記憶素子１１０において、例えば、積層体ＳＢ０を挟む一対の電極（図示しない）により、積層体ＳＢ０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。
【００３２】
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の磁化は、比較的容易に反転可能である。第３強磁性層３０は、書き込み時に高周波磁界を発生させる役割をもつ。
【００３３】
膜面に対して垂直な方向に電子電流を流すと、磁界発生部の第３強磁性層３０における磁化が歳差運動する。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程度である。高周波磁界は、第２強磁性層２０の磁化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。したがって、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強磁性層の磁化は非常に反転し易くなる。
【００３４】
磁気記憶素子１１０においては、電子電流を積層体ＳＢ０に流すことによって、第２強磁性層２０の磁化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の磁化の方向に応じて、「０」と「１」とがそれぞれ割り当てられる。
【００３５】
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」動作について説明する。
【００３６】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、実施形態に係る磁気記憶素子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の状態を例示している。これらの図では、第２積層部ＳＢ２及び第３非磁性層３０ｎは省略されている。
【００３７】
図３（ａ）は、第１強磁性層１０から第２強磁性層２０に向かって電子電流６０を流し始めた状態を例示している。図３（ｂ）は、第１強磁性層１０から第２強磁性層２０に向かって電子電流６０を流し終えた状態（磁化が反転した状態）を例示している。図３（ｃ）は、第２強磁性層２０から第１強磁性層１０に向かって電子電流６０を流し始めた状態を例示している。図３（ｄ）は、第２強磁性層２０から第１強磁性層１０に向かって電子電流６０を流し終えた状態（磁化が反転した状態）を例示している。図３（ｃ）及び図３（ｄ）は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示した場合に対して、電子電流６０の向きを反転させた場合に相当する。
【００３８】
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を流して、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。
【００３９】
「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は、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の磁化が第２強磁性層２０の磁化に対して平行である時には、反平行である時よりも低い。
【００４０】
図３（ａ）に表したように、膜面に対して略垂直方向の磁化１２ａを有する第１強磁性層１０を通過した電子は、第１強磁性層１０の磁化と同じ方向のスピンをもつようになる。この電子が、第２強磁性層２０へ流れると、このスピンのもつ角運動量が第２強磁性層２０へ伝達され、第２強磁性層２０の磁化３２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。
【００４１】
これにより、図３（ｂ）に表したように、第２強磁性層２０の磁化３２は、第１強磁性層１０の磁化１２ａと同じ向きになる。この向きは、図３（ｂ）において上向きであり、例えば積層方向ＳＤ１に対して平行な１つの方向である。この向き（図３（ｂ）において上向き）の磁化３２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。
【００４２】
図３（ｃ）に表したように、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１２ａと同じ向き（図３（ｃ）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１２ａに対して逆向き（図３（ｃ）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が第２強磁性層２０へ伝達され、第２強磁性層２０の磁化３２に作用する。
【００４３】
これにより、図３（ｄ）に表したように、第２強磁性層２０の磁化３２は、第１強磁性層１０の磁化１２ａに対して逆向き（図３（ｄ）において下向き）になる。すなわち、スピントランスファトルクが働く。この向き（図３（ｄ）おいて下向き）の磁化３２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。
【００４４】
このような作用に基づいて、第２強磁性層２０の異なる状態に、「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。
【００４５】
一方、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の磁化が第２強磁性層２０の磁化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。
【００４６】
次に、「読み出し」動作について説明する。  
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、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、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。
【００４７】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る磁気記憶素子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及び第３非磁性層３０ｎは省略されている。
【００４８】
図４（ａ）は、第１強磁性層１０の磁化の方向が、第２強磁性層２０の磁化の方向と同じ場合を例示している。図４（ｂ）は、第１強磁性層１０の磁化の方向が、第２強磁性層２０の磁化の方と反平行（逆向き）である場合を例示している。
【００４９】
図４（ａ）及び図４（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４（ａ）の状態の抵抗は、図４（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４（ａ）の状態の抵抗は、図４（ｂ）の状態の抵抗よりも高い。
【００５０】
これらの抵抗が互いに異なる状態に、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４（ａ）及び図４（ｂ）に例示した方向に対して逆向きでも良い。
【００５１】
以下、本実施形態に係る磁気記憶素子の積層体ＳＢ０における種々の積層構成の例について説明する。  
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図５（ａ）及び図５（ｂ）に表したように実施形態に係る磁気記憶素子１１１ａ及び１１１ｂにおいては、第１強磁性層１０は、第２強磁性層２０と第４強磁性層４０との間に配置され、第４強磁性層４０は、第１強磁性層１０と第３強磁性層３０との間に配置されている。第３非磁性層３０ｎは、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０との間に配置されている。第１〜第４強磁性層１０〜４０がこの順に配列する構成を便宜的に第１積層構成ということにする。
【００５２】
磁気記憶素子１１１ａにおいては、第１強磁性層１０の磁化は上向きであり、第４強磁性層４０の磁化は上向きである。磁気記憶素子１１１ｂにおいては、第１強磁性層１０の磁化は下向きであり、第４強磁性層４０の磁化は下向きである。
【００５３】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図６（ａ）及び図６（ｂ）に表したように実施形態に係る磁気記憶素子１１２ａ及び１１２ｂにおいても、積層体ＳＢ０は、第１積層構成を有する。なお、磁気記憶素子１１２ｂは、図１に例示した磁気記憶素子１１０と同じ構成を有している。
【００５４】
磁気記憶素子１１２ａにおいては、第１強磁性層１０の磁化は上向きであり、第４強磁性層４０の磁化は下向きである。磁気記憶素子１１２ｂにおいては、第１強磁性層１０の磁化は下向きであり、第４強磁性層４０の磁化は上向きである。
【００５５】
すなわち、磁気記憶素子１１２ａ及び１１２ｂにおいては、第１の方向に固定された磁化（第１強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きは、第２の方向に固定された磁化（第４強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。また、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の磁化が歳差運動する向きと、は、一致する。
【００５６】
この構成においては、第３強磁性層３０において発生した回転磁界は、第２強磁性層２０に、より効果的に作用する。第２強磁性層２０の磁化反転を、より効率的にアシストすることができる。これにより、第２強磁性層２０への書き込みに必要な電流を、より低減させることができる。
【００５７】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように実施形態に係る磁気記憶素子１１２ｃ及び１１２ｄにおいては、積層体ＳＢ０は、第１積層構成を有している。そして、これらにおいては、第１強磁性層１０の磁化の向き及び第４強磁性層４０の磁化の向きが膜面に対して斜めである。この場合も、第１の方向に固定された磁化（第１強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きは、第２の方向に固定された磁化（第４強磁性層４０の磁化）の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。
【００５８】
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図８（ａ）及び図８（ｂ）に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１２１ａ及び１２１ｂにおいては、第２強磁性層２０は、第１強磁性層１０と第３強磁性層３０との間に配置され、第３強磁性層３０は、第２強磁性層２０と第４強磁性層４０との間に配置されている。第３非磁性層３０ｎは、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に配置されている。第１〜第４強磁性層１０〜４０がこの順に配列する構成を便宜的に第２積層構成ということにする。
【００５９】
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図９（ａ）及び図９（ｂ）に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１３１ａ及び１３１ｂにおいては、第２強磁性層２０は、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０との間に配置され、第４強磁性層４０は、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に配置されている。第３非磁性層３０ｎは、第２強磁性層２０と第４強磁性層４０との間に配置されている。第１〜第４強磁性層１０〜４０がこの順に配列する構成を便宜的に第３積層構成ということにする。
【００６０】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１４１ａ及び１４１ｂにおいては、第１強磁性層１０は、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に配置され、第３強磁性層３０は、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０との間に配置されている。第３非磁性層３０ｎは、第１強磁性層１０と第３強磁性層３０との間に配置されている。第１〜第４強磁性層１０〜４０がこの順に配列する構成を便宜的に第４積層構成ということにする。
【００６１】
第２積層構成を有する磁気記憶素子１２１ａ及び１２１ｂ、第３積層構成を有する磁気記憶素子１３１ａ及び１３１ｂ、及び、第４積層構成を有する磁気記憶素子１４１ａ及び１４１ｂにおいては、第１の方向に固定された磁化（第１強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きは、第２の方向に固定された磁化（第４強磁性層４０の磁化）の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。第２〜第４積層構成において、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、第４強磁性層４０の磁化の垂直斜影成分の向きと同じでも良い。
【００６２】
また、第２〜第４積層構成において、第１強磁性層１０の磁化及び第４強磁性層４０の磁化の向きは、膜面に対して斜めでも良い。
【００６３】
図１１は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図１１に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１１２ｂｓにおいては、第１積層部ＳＢ１の側面に対向する磁気シールド５１が設けられる。この例では、磁気シールド５１は、さらに、第２積層部ＳＢ２の側面、及び、第３非磁性層３０ｎの側面に対向している。
【００６４】
すなわち、磁気記憶素子１１２ｂｓは、積層体ＳＢ０の側面の少なくとも一部に対向する磁気シールド５１をさらに備える。磁気シールド５１は、積層体ＳＢ０の側面の上記の少なくとも一部を覆う。
【００６５】
さらに、磁気記憶素子１１２ｂｓは、積層体ＳＢ０の側面の上記の少なくとも一部と、磁気シールド５１との間に設けられた保護層５２をさらに備える。
【００６６】
磁気記憶素子１１２ｂｓにおいては、磁気シールド５１は、第１積層部ＳＢ１の側面を覆う。磁気記憶素子１１２ｂｓにおいては、磁気シールド５１は、第１積層部ＳＢ１の側面、第２積層部ＳＢ２の側面、及び、第３非磁性層３０ｎの側面を覆う。
【００６７】
例えば、第１積層部ＳＢ１の側面及び第２積層部ＳＢ２の側面は、例えば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。
【００６８】
磁気シールド５１を設けることにより、複数の磁気記憶素子が並べられた場合において、隣の磁気記憶素子からの漏洩磁界が、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の動作に影響を与えることが抑制される。これにより、回転磁界を発生させるために必要となる電流注入量を抑えることができる。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。
【００６９】
磁気記憶素子１１２ｂｓにおいては、磁気記憶素子１１２ｂにおいて、磁気シールド５１及び保護層５２が設けられている例であるが、実施形態はこれに限らない。すなわち、第１〜第４積層構成を有する任意の積層体ＳＢ０において、磁気シールド５１を設けることができ、さらに保護層５２を設けることができる。
【００７０】
第１〜第４強磁性層１０〜４０、第１〜第３非磁性層１０ｎ〜３０ｎ、磁気シールド５１及び保護層５２に用いられる材料の例に関しては、後述する。
【００７１】
以下、本実施形態に係る磁気記憶素子における第３強磁性層３０の特性に関して、磁気記憶素子１１０の例として説明する。以下の説明は、第１〜第４積層構成を有する任意の積層体ＳＢ０を有する磁気記憶素子に適用できる。
【００７２】
本実施形態に係る磁気記憶素子１１０のように、第２積層部ＳＢ２が第１積層部ＳＢ１と積層される構造では、第３強磁性層３０の位置に、第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第４強磁性層４０から発生した漏洩磁界が存在する。このような状態において、第３強磁性層３０が発振する条件は、漏洩磁界の大きさに依存する。
【００７３】
本願発明者は、積層体ＳＢ０の構成が特定の条件を満たすときに、積層体ＳＢ０（特に第３強磁性層３０）を流れる電流の大きさが所定の範囲で、第３強磁性層３０において発振が生じることを新たに見出した。
【００７４】
ここで、第３強磁性層３０の位置における第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第４強磁性層４０からの漏れ磁界（leak magnetic field）を、Ｈｓ（Ｏｅ：エルステッド）とする。第３強磁性層３０の磁気異方性（magnetic anisotropy）をＫｕ（ｅｒｇ／ｃｍ３：エルグ／立方センチメートル）とする。第３強磁性層３０のダンピング定数（damping coefficient）をαとする。第３強磁性層３０の磁化（magnetization）をＭｓ（ｅｍｕ／ｃｃ：イーエムユー／シーシー、ｅｍｕ／ｃｃ=ｅｍｕ／ｃｍ３）とする。第３強磁性層３０の反磁界係数（demagnetic field coefficient）をＮｚとする。ダンピング定数α及び反磁界係数Ｎｚは、無次元の定数である。
【００７５】
そして、これらの値が以下の第２式の関係を満たすときに、第３強磁性層３０は、ある電流範囲で発振する。
【数２】
0005734800.tif 000003
すなわち、第２式が満たされるとき、第３強磁性層３０において発振が生じる電流範囲が存在し、安定した動作が可能になる。
【００７６】
ここで、磁気異方性Ｋｕは、第３強磁性層３０の膜面内における異方性の大きさである。すなわち、磁気異方性Ｋｕは、材料固有で生じる結晶磁気異方性だけでなく、形状磁気異方性を含むことができる。さらに、磁気異方性Ｋｕは、磁歪から生じる異方性を含むことができる。
【００７７】
結晶磁気異方性が低い材料として、パーマロイ、ＦｅＣｏ、Ｃｏ及びＦｅＣｏＢなどがある。これらの材料を第３強磁性層３０に用いることが適している。ただし、実施形態はこれに限らず、第３強磁性層３０には、上記以外の材料を用いても良い。また、第３強磁性層３０にアモルファス材料を用いることで、磁気異方性Ｋｕを低減しても良い。
【００７８】
形状磁気異方性は、各層の寸法と組成を測定し、測定して得られた値を用いたシミュレータにより解析することで求めることができる。各層の寸法（幅及び厚さなど）は、例えば電子顕微鏡写真などにより測定できる。各層の組成は、例えば、ＳＩＭＳ（Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometry、二次イオン質量分析法)、及び、ＥＥＬＳ（Electron  Energy-Loss Spectroscopy、電子エネルギー損失分光法）などによって求められる。
【００７９】
また、上記の各パラメータは、例えば、ＶＳＭ(Vibrating Sample Magnetometer、試料振動型磁力計）、及び、カー効果測定装置などにより測定される。
【００８０】
シミュレータでの計算においては、メッシュサイズは、上記で同定した寸法と組成から解析的に求められる交換結合長未満とする。交換結合長は、（Ａ／Ｋｕ）１／２、（Ａ／２πＭｓ２）１／２、及び、（２Ａ／（Ｈｅｆｆ・Ｍｓ））１／２で計算される値の中で最も小さい値を採用する。ここで、”Ａ”は、交換スティッフネス定数（μｅｒｇ／ｃｍ：マイクロエルグ／センチメートル）である。”Ａ”として、０．５μｅｒｇ／ｃｍ以上３μｅｒｇ／ｃｍ以下の値を用いれば、交換結合長の大きさに大きな差は現れない。
【００８１】
以下、実施形態に係る磁気記憶素子の特性について説明する。  
本願発明者は、第３強磁性層３０における発振特性をシミュレーションした。このシミュレーションでは、図１に例示した磁気記憶素子１１０において、以下の条件を採用した。ただし、このシミュレーションでは、第２積層部ＳＢ２の発振特性を評価するために、第１積層部ＳＢ１が設けられておらず第２積層部ＳＢ２が設けられているモデルに関してシミュレーションを行った。
【００８２】
磁界発生部（第２積層部ＳＢ２）をＺ軸に沿ってみたときの形状は円形とし、その直径を５０ナノメートル（ｎｍ）とした。  
第３強磁性層３０の厚さは、３ｎｍとした。第３強磁性層３０は、８００ｅｍｕ／ｃｃの磁化Ｍｓを有する面内磁化膜とした。  
第４強磁性層４０の厚さは、８ｎｍとした。第４強磁性層４０は、１０００ｅｍｕ／ｃｃの磁化を有する垂直磁化膜とした。  
第２非磁性層２０ｎは、Ｃｕ層（厚さ８ｎｍ）とした。  
第３強磁性層３０のダンピング定数αは、０．０１とした。第３強磁性層３０のスピン偏極度は、０．４とした。
【００８３】
そして、第３強磁性層３０の磁気異方性Ｋｕを、０ｅｒｇ／ｃｍ３〜５００００ｅｒｇ／ｃｍ３の間で変化させて、第３強磁性層３０における発振特性をシミュレーションした。
【００８４】
図１２は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の特性を例示するグラフ図である。  
同図は、第３強磁性層３０における発振の周波数の電流依存性を表している。横軸は、電流Ｉｃ（μＡ：マイクロアンペア）であり、縦軸は、周波数ｆ（ＧＨｚ：ギガヘルツ）である。
【００８５】
図１２から分かるように、第３強磁性層３０の磁気異方性Ｋｕが小さいと、電流Ｉｃの絶対値が小さくても発振が生じる。第３強磁性層３０の磁気異方性Ｋｕが大きくなるにつれ、発振する電流Ｉｃの範囲が狭まる。第３強磁性層３０の磁気異方性Ｋｕが５００００ｅｒｇ／ｃｍ３のときは、非発振であった。従って、図１２には、磁気異方性Ｋｕが５００００ｅｒｇ／ｃｍ３のときの周波数ｆは示されていない。
【００８６】
ＬＬＧ方程式(Landau-Liftshitz-Gilbert-Langevin equations)によれば、第３強磁性層３０の磁化の挙動は次の第３式で表される。
【００８７】
【数３】
0005734800.tif 000004
ここで、γはジャイロ定数であり、αはダンピング定数である。ａｊは、第３強磁性層３０におけるスピントルクの大きさを表す。Ｍｓは、第３強磁性層３０の磁化を表す。第３式の右辺の第１項は歳差項を表し、第２項はダンピング項を表す。
【００８８】
第３式の右辺の第２項がゼロであるときに、第３強磁性層３０が安定して発振する。さらに、本願発明者は、第２項のスピントルクの大きさが反磁界の最大値よりも小さいときに、発振が生じることを見出した。
【００８９】
これに基づき、次の第４式が解析的に導出される。すなわち、第３強磁性層３０の位置における第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第４強磁性層４０からの漏れ磁界Ｈｓ、第３強磁性層３０の磁気異方性Ｋｕ、第３強磁性層３０のダンピング定数α、第３強磁性層３０の磁化Ｍｓ、第３強磁性層３０の反磁界係数Ｎｚが、以下の第４式の関係を満たすとき、発振する電流範囲が存在する。
【００９０】
【数４】
0005734800.tif 000005
上記の漏れ磁界Ｈｓは、各層の構成を基に、R. Engel-Herbert and T. Hesjedal : J. Appl. Phys., 97 (2005) 074504に記載の方法により、解析的に求めることができる。
【００９１】
なお、各層の寸法（幅及び厚さなど）は、例えば電子顕微鏡写真などにより求められる。各層の組成は、ＳＩＭＳ及びＥＥＬＳなどによって同定できる。また、各パラメータは、ＶＳＭ及びカー効果測定装置で測定される。
【００９２】
さらに、本願発明者は、第３強磁性層３０が発振する時の、第３強磁性層３０の磁化の角度をシミュレーションした。このシミュレーションにおいては、図１２に関して説明したシミュレーションのモデルを採用した。そして、第３強磁性層３０の磁気異方性Ｋｕは、５０００ｅｒｇ／ｃｍ３とした。そして、電流Ｉｃの値を変えて発振特性を求めた。
【００９３】
図１３は、磁気記憶素子の特性を例示するグラフ図である。  
同図は、第３強磁性層３０に電流Ｉｃを流し始めてからの第３強磁性層３０の磁化の方向の変化を表している。横軸は、時間ｔ（ｎｓ：ナノ秒）である。縦軸は、角度θ（度）である。角度θは、第３強磁性層３０の磁化の方向と、積層方向ＳＤ１（Ｚ軸）と、の間の角度である。また、単位系として「°：度」から「ｒａｄ：ラジアン」への変換は、「ｒａｄ＝（２π／３６０）×度」である。
【００９４】
このシミュレーションにおいては、図１に例示したように、第３強磁性層３０から第４強磁性層４０に向かう方向を「下向き」と言い、第４強磁性層４０から第３強磁性層３０に向かう方向を「上向き」ということにする。
【００９５】
このシミュレーションでは、通電前に、「下向き」の漏れ磁界によって、第３強磁性層３０の磁化は、「下向き」に傾いている（角度θが約８２度）とした。角度θの絶対値が９０度であることは、Ｘ−Ｙ平面内に磁化ベクトルが存在することに対応する。負の方向（「下向き」）に電流を流した場合、磁化は、Ｘ−Ｙ平面から上方向に傾く。正の方向（「上向き」）に電流を流した場合、磁化は、Ｘ−Ｙ平面から下方向に傾く。
【００９６】
図１３に表したように、時間ｔが４ｎｓ以上になると、角度θは実質的に一定の値になり、安定する。安定した後の角度θは、第３強磁性層３０が発振状態を維持しているときの、第３強磁性層３０の磁化の方向の角度θである。電流Ｉｃの絶対値が大きいと、通電による角度θの変化（通電前の角度θと、安定した後の角度θと、の差の絶対値）は、大きい。なお、電流Ｉｃが−８０μＡのときの特性は、電流Ｉｃが−７０μＡの特性とほぼ一致した。
【００９７】
このようなシミュレーション結果から、本願発明者は、第３強磁性層３０における発振時に、磁化が膜面から傾く角度の絶対値は４０度以下であるであることを見出した。
【００９８】
本願発明者は、第３強磁性層３０の磁化が傾いたとき（第３強磁性層３０が発振状態を維持しているとき）における、磁化ベクトルの状態をシミュレーションした。そして、第３強磁性層３０の磁化ベクトルのＺ軸に対して平行な成分の、磁化ベクトルに対する比率（膜面直方向割合）を求めた。このシミュレーションでは、図１に例示した構成を有する磁気記憶素子１１０において、積層体ＳＢ０は円筒形とし、積層体ＳＢ０をＺ軸方向に沿ってみたときの直径φが２０ｎｍのときと５０ｎｍのときの特性をシミュレーションした。
【００９９】
図１４は、磁気記憶素子の特性を例示するグラフ図である。  
横軸は電流Ｉｃであり、縦軸は、磁化の膜面直方向割合Ａｎｒ（第３強磁性層３０が発振状態を維持しているときにおける、第３強磁性層３０の磁化ベクトルのＺ軸に対して平行な成分の、磁化ベクトルに対する比率）である。
【０１００】
図１４に表したように、磁化の膜面直方向割合Ａｎｒ（第３強磁性層３０の磁化ベクトルのＺ軸に対して平行な成分の、磁化ベクトルに対する比率）は、０．４以下であることが分かった。
【０１０１】
従って、漏れ磁界Ｈｓ、第３強磁性層３０の磁気異方性Ｋｕ、第３強磁性層３０のダンピング定数α、第３強磁性層３０の磁化Ｍｓ、第３強磁性層３０の反磁界係数Ｎｚが、以下の第５式の関係を満たすとき、発振する電流範囲は拡大し、動作のマージンが広くなる。
【０１０２】
【数５】
0005734800.tif 000006
本実施形態に係る磁気記憶素子（例えば磁気記憶素子１１０など）のように、第２積層部ＳＢ２が第１積層部ＳＢ１と積層される構造では、第２強磁性層２０の記憶状態（磁化状態）を読み出すために流す読み出し電流ＩＲによって、第３強磁性層３０が発振しないこと（誤書き込みが生じないこと）が望ましい。読み出し電流ＩＲは、読み出し動作の際に積層体ＳＢ０に流される電流（すなわち、第３強磁性層３０に流される電流）である。
【０１０３】
漏れ磁界Ｈｓ、第３強磁性層３０の磁気異方性Ｋｕ、第３強磁性層３０のダンピング定数α、第３強磁性層３０の磁化Ｍｓ、第３強磁性層３０の反磁界係数Ｎｚ、第３強磁性層３０の体積Ｖ（ｃｍ３：立方センチメートル）、読み出し電流ＩＲ（Ａ：アンペア）が、以下の第６式の関係を満たすとき、読み出し時の誤書き込みを回避しつつ、発振する電流範囲が確保できる。
【０１０４】
【数６】
0005734800.tif 000007
ここで、ｈはプランク定数（約６．６２６×１０−２７ｅｒｇ・ｓ：エルグ・秒）を表す。なお、６．６２６×１０−２７ｅｒｇ・ｓ（エルグ・秒）は、６．６２６×１０−３４Ｊ・ｓ（ジュール・秒）に相当する。ｅは電気素量（約１．６０２×１０−１９Ａ・Ｓ：アンペア・秒）を表している。ｇ（θ）は、スピン偏極度に依存するスピントランスファの効率を表すパラメータである。ｇ（θ）は、偏極度、及び、第３強磁性層３０の磁化の角度θの関数として解析的に求められる。スピン偏極度は、例えば第３強磁性層３０のＭＲ比から求められる。第６式における角度θの単位は、ラジアン（ｒａｄ）である。角度θは、第３強磁性層３０の寸法及び有効磁界の大きさがわかれば、解析的に求めても良い。または、角度θは、第３強磁性層３０のＭＲ比から求めても良い。
【０１０５】
マイクロマグネティクス解析で見出した発振時の磁化の傾きを考慮すると、第６式の代わりに、以下の第７式を用いても良い。
【０１０６】
【数７】
0005734800.tif 000008
すなわち、漏れ磁界Ｈｓ、第３強磁性層３０の磁気異方性Ｋｕ、第３強磁性層３０のダンピング定数α、第３強磁性層３０の磁化Ｍｓ、第３強磁性層３０の反磁界係数Ｎｚ、読み出し電流ＩＲが、上記の第７式の関係を満たすとき、読み出し時の誤書き込みを回避しつつ、発振する電流範囲が確保できる。
【０１０７】
さらに、第７式の左辺の値（すなわち、第３強磁性層３０の磁気異方性Ｋｕの下限値）について検討した。すなわち、第７式の左辺が、第２項を有さず第１項だけを有する場合（反磁界の影響を考慮しない場合）と、第７式の左辺が、上記の第１項及び第２項を有する場合（反磁界の影響を考慮した場合）の特性を求めた。
【０１０８】
図１５は、磁気記憶素子の特性を例示するグラフ図である。  
横軸は、読み出し電流ＩＲ（μＡ）である。縦軸は、第７式のおける左辺（磁気異方性Ｋｕの下限値Ｋｕ（ｍｉｎ））である。図１５には、第７式の左辺が第２項を有さず第１項だけを有する場合（反磁界の影響を考慮しない場合：ｃａｓｅ１）と、第７式の左辺が第１項及び第２項を有する場合（反磁界の影響を考慮した場合：ｃａｓｅ２）の特性が示されている。
【０１０９】
図１５からわかるように、反磁界の影響を考慮しない場合（ｃａｓｅ１）の特性は、反磁界の影響を考慮した場合（ｃａｓｅ２）の特性と実質的に一致する。このことから、第３強磁性層３０の磁気異方性Ｋｕの下限値Ｋｕ（ｍｉｎ）を考える場合には、第７式の左辺の第２項は省略可能である。
【０１１０】
すなわち、漏れ磁界Ｈｓ、第３強磁性層３０の磁気異方性Ｋｕ、第３強磁性層３０のダンピング定数α、第３強磁性層３０の磁化Ｍｓ、第３強磁性層３０の反磁界係数Ｎｚ、読み出し電流ＩＲが、以下の第８式の関係を満たすとき、読み出し時の誤書き込みを回避しつつ、発振する電流範囲が確保できる。
【０１１１】
【数８】
0005734800.tif 000009
以下、第１〜第４強磁性層１０〜４０、第１〜第３非磁性層１０ｎ〜３０ｎ、磁気シールド５１及び保護層５２の構成の例について説明する。
【０１１２】
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元素と、の組み合わせによる合金を用いることができる。
【０１１３】
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により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、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、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いることができる。Ｃｏ／Ｒｕ、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、Ｎｉ／Ｃｕ等を、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０に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、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）のような添加物が含まれていても良い。
【０１１４】
第１非磁性層１０ｎには、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。
【０１１５】
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、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、そ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。
【０１１６】
第１非磁性層１０ｎの厚さは、約０．２ナノメートル以上２．０ｎｍ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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
非磁性トンネルバリア層には、例えば、絶縁材料が用いられる。具体的には、非磁性トンネルバリア層には、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しては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＴｉＯ３、ＡｌＬａＯ３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、及び、Ｓｉ−Ｎ−Ｏなどを用いることができる。
【０１１９】
非磁性トンネルバリア層として、非磁性半導体（ＺｎＯｘ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯｘ、Ｚｎ、Ｔｅ、または、そ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。
【０１２０】
第２非磁性層２０ｎとして、非磁性トンネルバリア層が用いられる場合、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。
【０１２１】
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が抑制される。
【０１２２】
第３強磁性層３０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磁性金属を用いることができる。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元素と、の組み合わせによる合金を用いることができる。
【０１２３】
第３強磁性層３において、含まれる磁性材料の組成や熱処理により特性を調整することができる。また、第３強磁性層３０には、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）のような添加物が含まれていても良い。第３強磁性層３０には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いることができる。膜の結晶配向方向を制御することで、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等を、第３強磁性層３０に用いることができる。
【０１２４】
第４強磁性層４０には、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、の組み合わせによる合金を用いることができる。
【０１２５】
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により特性を調整することができる。第４強磁性層４０には、ＴｂＦｅＣｏ、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４強磁性層４０には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いることができる。Ｃｏ／Ｒｕ、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に用いることができる。第４強磁性層４０には、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）のような添加物が含まれていても良い。
【０１２６】
第３非磁性層３０ｎには、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、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）、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つ以上の元素を含む合金を用いることができる。
【０１２７】
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。スピン偏極した電子が挿入される効果を消去したい場合には、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に用いることが望ましい。
【０１２８】
本実施形態に係る磁気記憶素子（例えば磁気記憶素子１１０など）において、積層体ＳＢ０に電子電流を流すための一対の電極が設けられる。  
電極には、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。導電性の磁性材料の例としては、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同様の材料を挙げることができる。
【０１２９】
導電性の非磁性材料の具体例としては、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）、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つ以上を含む合金を用いることができる。
【０１３０】
さらに、電極に用いられる導電性の非磁性材料として、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等の材料が挙げられる。
【０１３１】
電極に付与される導電性の保護膜には、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。
【０１３２】
保護層５２には、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。
【０１３３】
磁気シールド５１には、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元素、または、この群から選択された２つ以上を含む合金を用いることができる。
【０１３４】
磁気シールド５１には、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、の組み合わせによる合金を用いることができる。
【０１３５】
磁気シールド５１に含まれる磁性材料の組成や熱処理により、磁気シールド５１の特性を調整することができる。また、磁気シールド５１には、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。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ることができる。
【０１３６】
既に説明したように、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は任意である。例えば、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状（膜面に対して平行な面で切断した形状）は、円形、楕円形、扁平円、並びに、四角形及六角形などの３つ以上の角を有する多角形の形状を有することができる。
【０１３７】
Ｚ軸に対して平行な平面で切断したときの第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で切断したときの第１積層部ＳＢ１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。
【０１３８】
図６（ａ）及び図６（ｂ）に例示した磁気記憶素子１１２ａ及び１１２ｂ、図７（ａ）及び図７（ｂ）に例示した磁気記憶素子１１２ｃ及び１１２ｄ、図８（ａ）及び図８（ｂ）に例示した磁気記憶素子１２１ａ及び１２１ｂ、図９（ａ）及び図９（ｂ）に例示した磁気記憶素子１３１ａ及び１３１ｂ、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に例示した磁気記憶素子１４１ａ及び１４１ｂにおいては、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。
【０１３９】
この場合、
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低減させる（例えば打ち消す）ことができる。一方、第３強磁性層３０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残留させ、作用させることができる。
【０１４０】
これにより、第３強磁性層３０において発生する回転磁界の向きは、第２強磁性層２０の磁化が歳差運動する向きと一致する。第３強磁性層３０において発生した回転磁界により、第２強磁性層２０の磁化反転を効率的にアシストすることができる。その結果、第２強磁性層２０への情報の記憶（書き込み）に必要な電流を低減させることができる。
【０１４１】
第１積層構成を有する磁気記憶素子（例えば磁気記憶素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ及び１１２ｄなど）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-Ferromagnet）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。
【０１４２】
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。この構造では、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ほぼゼロにすることができる。
【０１４３】
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）やオスミウム（Ｏｓ）などの金属材料が用いられる。非磁性層の厚さは、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。
【０１４４】
すなわち、第３非磁性層３０ｎは、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つ以上を含む合金を含み、第３非磁性層３０ｎの厚さは、３ｎｍ以下であることが望ましい。
【０１４５】
なお、実施形態に係る磁気記憶素子に含まれる各層の寸法（幅及び厚さなど）は、例えば電子顕微鏡写真像などにより求められる。
【０１４６】
第２積層構成を有する磁気記憶素子（例えば磁気記憶素子１２１ａ及び１２１ｂなど）においては、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間の距離は、例えば、磁気記憶素子１２１ａ及び１２１ｂにおける距離よりも短い。これにより、第３強磁性層３０において発生した回転磁界は、第２強磁性層２０に、より大きく作用し、第２強磁性層２０の磁化反転をより効率的にアシストすることができる。これにより、第２強磁性層への書き込みに必要な電流を、より低減させることができる。
【０１４７】
磁気記憶素子１２１ａ及び１２１ｂ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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
すなわち、第３強磁性層３０の磁化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の磁化を独立に制御することが可能となる。
【０１５０】
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。
【０１５１】
第２積層構成において、第３非磁性層３０ｎの厚さは、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０とが層間磁気結合しない値に設定されることが望ましい。具体的には、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。
【０１５２】
第３非磁性層３０ｎの厚さが１．４ｎｍ以上であると、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０とが層間結合せず、かつ、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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
第２積層構成において、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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
第３積層構成を有する磁気記憶素子（例えば磁気記憶素子１３１ａ及び１４１ｂなど）、及び、第４積層構成を有する磁気記憶素子（例えば磁気記憶素子１４１ａ及び１４１ｂなど）においては、第２の強磁性層２０と第３の強磁性層３０との間の距離は、磁気記憶素子１１２ａ及び１１２ｂにおける距離よりも短い。これにより、第３強磁性層３０において発生した回転磁界は、第２強磁性層２０に、より大きく作用し、第２強磁性層２０の磁化反転をより効率的にアシストすることができる。これにより、第２強磁性層への書き込みに必要な電流を、より低減させることができる。
【０１５７】
第３積層構成を有する磁気記憶素子、及び、第４積層構成を有する磁気記憶素子において、第３非磁性層３０ｎ及び第２非磁性層２０ｎには、金属導体、絶縁体及び半導体のいずれを用いても良い。第３非磁性層３０ｎと第２非磁性層２０ｎとにおいて、異なる材料に基づく層を用いても良い。
【０１５８】
第３積層構成を有する磁気記憶素子、及び、第４積層構成を有する磁気記憶素子において、第３非磁性層３０ｎとして絶縁体または半導体を用いた場合には、抵抗値が上昇する。このため、この場合には、第２非磁性層２０ｎとして金属導体を用いることが好ましい。金属導体として、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）及び金（Ａｕ）などを用いることが好ましい。
【０１５９】
実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法の例について説明する。以下の製造方法は、層の作製順を適宜変更することにより、本実施形態に係る磁気記憶素子（例えば磁気記録素子１１０など）及びそれらの変形の磁気記憶素子などに適用される。  
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。
【０１６０】
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（電極とのコンタクト層、兼ストッパー層）、ＣｏＦｅＢ＼ＦｅＰｔ層（第１強磁性層１０）、ＭｇＯ（第１非磁性層１０ｎ）、ＦｅＰｄ＼ＣｏＦｅＢ層（第２強磁性層２０）、及び、その上にＴａ＼Ｒｕ層（コンタクト層、兼ストッパー層、兼第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、ＦｅＰｄ＼ＣｏＦｅＢ層とＣｏＦｅＢ＼ＦｅＰｔ層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、ＦｅＰｔ＼ＣｏＦｅＢ＼Ｃｕ＼Ｐｙ層（磁界発生部）、及び、Ｔａ＼Ｒｕ層（コンタクト層、兼ストッパー層）をこの順に積層する。これにより、加工体が形成される。
【０１６１】
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５０ｎｍ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、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。
【０１６２】
この後、埋め込み絶縁層となるＳｉＯ２膜を成膜した後、レジストをリフトオフする。
【０１６３】
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コンタクト層を露出させる。
【０１６４】
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。
【０１６５】
以下、図１１に例示した磁気記憶素子１１２ｂｓの製作方法の例について説明する。  
まず、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。次に、下部電極上に、Ｔａ＼Ｒｕ層（電極とのコンタクト層、兼ストッパー層）、ＦｅＰｄ＼ＣｏＦｅＢ層（磁気記憶部の第２強磁性層）、ＭｇＯ（第１非磁性層）、ＣｏＦｅＢ＼ＦｅＰｔ層（磁気記憶部の第１強磁性層）、Ｒｕ（第３非磁性層）、ＦｅＰｔ＼ＣｏＦｅＢ＼Ｃｕ＼Ｐｙ層（磁界発生部）および、その上にＴａ（電極とのコンタクト層）による層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、ＦｅＰｄ＼ＣｏＦｅＢ層とＣｏＦｅＢ＼ＦｅＰｔ層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。
【０１６６】
次に、ＥＢレジストを塗布してＥＢ露光を行い、直径５０ｎｍ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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
（第２の実施形態）  
図１６は、第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。  
図１６に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置３４０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。
【０１７１】
各メモリセルＭＣ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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。各メモリセルＭＣ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。
【０１７４】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ３４１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３４２ａ及び読み出し回路３４２ｂが接続されている。書き込み回路３４２ａ及び読み出し回路３４２ｂには、カラムデコーダ３４３が接続されている。
【０１７５】
各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ３４１及びカラムデコーダ３４３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。
【０１７６】
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３４２ａ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３４２ａ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。
【０１７７】
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３４２ｂは、ＭＴＪ素子に、例えば、選択トランジスタから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３４２ｂ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。
【０１７８】
図１７は、第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。  
図１７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。
【０１７９】
図１７に表したように、不揮発性記憶装置３４０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８１と、第２配線８２と、を備える。第１配線８１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８２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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
第１配線８１及び第２配線８２のいずれか一方は、例えば、ワード線ＷＬに対応する。  第１配線８１及び第２配線８２のいずれか他方は、例えば、ビット線ＢＬまたはビット線／ＢＬに対応する。
【０１８２】
図１７に表したように、不揮発性記憶装置３４０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８１との間（第１の位置）、及び、磁気記憶素子１１０と第２配線８２の間（第２の位置）の少なくともいずれかに設けられる。これにより、図１６に関して説明した動作が実現できる。
【０１８３】
実施形態によれば、安定した動作が可能な磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置が提供される。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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、磁気記憶素子に含まれる強磁性層、非磁性層、電極など、並びに、不揮発性記憶装置に含まれる配線及びトランジスタ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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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】
【０１９０】
１０…第１強磁性層、  １０ｎ…第１非磁性層、  １２ａ…磁化、  ２０…第２強磁性層、  ２０ｎ…第２非磁性層、  ３０…第３強磁性層、  ３０ｎ…第３非磁性層、  ３２…磁化、  ４０…第４強磁性層、  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、７２ｂ…磁化成分、  ８１…第１の配線、  ８２…第２の配線、  １１０、１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ〜１１２ｄ、１１２ｂｓ、１３１ａ、１３１ｂ、１４１ａ、１４１ｂ…磁気記憶素子、  ３４０…不揮発性記憶装置、  ３４１…ロウデコーダ、  ３４２ａ…書き込み回路、  ３４２ｂ…読み出し回路、  ３４３…カラムデコーダ、  Ａｎｒ…膜面直方向割合、  ／ＢＬ…ビット線、  ＢＬ…ビット線、  ＭＣ…メモリセル、  ＭＣＡ…メモリセルアレイ、  ＳＢ０…積層体、  ＳＢ１…第１積層部、  ＳＢ２…第２積層部、  ＳＤ１…積層方向、  ＳＤ２…面内軸、  ＴＲ…選択トランジスタ、  ＷＬ…ワード線、  ｆ…周波数、  ｔ…時間、  θ…角度、  φ…直径
【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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