(57)【要約】【課題】スピン注入方式の磁気抵抗効果素子に対する書き込み電流を低減すること。【解決手段】磁気抵抗効果素子１は、固定磁化ＭＰ１を有する第１磁化固定層１３と、非磁性層１４を介して第１磁化固定層１３に接続された第１磁化自由層１５と、固定磁化ＭＰ２を有する第２磁化固定層２３と、非磁性層２４を介して第２磁化固定層２３に接続された第２磁化自由層２５と、磁化自由層１５、２５の間に介在する中間配線層５０とを備える。磁化自由層１５、２５の磁化容易軸はＸ方向に沿っている。固定磁化ＭＰ１、ＭＰ２は、Ｘ方向に沿った向きに固定されている。磁化自由層１５、２５は、中間配線層５０を介して磁気的に結合している。中間配線層５０は、磁化自由層１５、２５とオーバラップする第１領域Ｒ１から所定の方向に延びている。その所定の方向は、Ｘ方向に直角なＹ方向の成分を少なくとも含んでいる。【選択図】図４
2008171862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
向きが固定された第１固定磁化を有する第１磁化固定層と、
第１非磁性層を介して前記第１磁化固定層に接続され、反転可能な第１反転磁化を有する第１磁化自由層と、
向きが固定された第２固定磁化を有する第２磁化固定層と、
第２非磁性層を介して前記第２磁化固定層に接続され、反転可能な第２反転磁化を有する第２磁化自由層と、
前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層との間に介在する中間配線層と
を備え、
前記第１磁化自由層及び前記第２磁化自由層の磁化容易軸は第１方向に沿っており、
前記第１固定磁化と前記第２固定磁化は、前記第１方向に沿った向きに固定されており、
前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層は、前記中間配線層を介して磁気的に結合しており、
前記中間配線層は、前記第１磁化自由層及び前記第２磁化自由層とオーバラップする第１領域から所定の方向に延びており、
前記所定の方向は、前記第１方向に直角な第２方向の成分を少なくとも含んでいる
磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第２磁化固定層から前記中間配線層を見た場合、
前記所定の方向は、前記第２磁化固定層の磁化の向きから時計回りに０度より大きく１８０度より小さい方向である
磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第２磁化固定層から前記中間配線層を見た場合、
前記所定の方向は、前記第２磁化固定層の磁化の向きから時計回りに９０度の方向である
磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
データ書き込み時、
書き込み電流は、前記第２磁化自由層の前記第２反転磁化がスピントランスファーによって反転するように、前記中間配線層と前記第２磁化固定層との間に流され、
且つ、
前記中間配線層を流れる前記書き込み電流により発生する磁界は、前記第２磁化自由層において少なくとも前記第１方向に沿った成分を含み、前記第２反転磁化の反転をアシストする
磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層は、前記第１反転磁化と前記第２反転磁化が互いに逆向きになるように磁気的に結合しており、
前記データ書き込み時、前記磁界は、前記第１磁化自由層及び前記第２磁化自由層のそれぞれにおいて前記第１方向に沿った互いに逆向きの成分を含む
磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の磁気抵抗効果素子であって、
データ読み出し時、
前記中間配線層と前記第１磁化固定層との間に読み出し電流が流される
磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記中間配線層は、前記第１領域から前記所定の方向に位置する第２領域において、配線層と接続されている
磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項７に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記中間配線層は、前記第２領域において、第３磁化自由層、第３非磁性層、及び第３磁化固定層を介して前記配線層に接続されており、
前記第３磁化自由層、前記第３非磁性層、及び前記第３磁化固定層の厚さは、それぞれ前記第２磁化自由層、前記第２非磁性層、及び前記第２磁化固定層の厚さと同じである
磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを具備し、
前記複数の磁気メモリセルの各々は、請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有する
ＭＲＡＭ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気抵抗効果素子をメモリセルとして用いる磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM: Magnetic Random Access Memory）に関する。特に、本発明は、スピン注入方式に基づくＭＲＡＭ、及びそのＭＲＡＭで用いられる磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭは、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。ＭＲＡＭにおいては、ＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance）効果などの磁気抵抗効果を示す「磁気抵抗効果素子」が、メモリセルとして利用される。磁気抵抗効果素子には、例えばトンネルバリヤ層が２層の強磁性体層で挟まれた磁気トンネル接合（MTJ: Magnetic Tunnel Junction）が形成される。その２層の強磁性体層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層：pinned layer）と、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層：free layer）から構成される。
【０００３】
磁化固定層と磁化自由層の磁化の向きが“反平行”である場合のＭＴＪの抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値（Ｒ）よりも大きくなることが知られている。室温でのＭＲ比（＝ΔＲ／Ｒ）は、数１０〜数１００％になる。ＭＲＡＭのメモリセルは、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。データの読み出しは、ＭＴＪを貫通するように読み出し電流を流し、ＭＴＪの抵抗値を測定することにより行なわれる。一方、データの書き込みは、磁化自由層の磁化の向きを反転させることによって行われる。
【０００４】
代表的なデータ書き込み方式として、「電流磁界方式」が知られている。電流磁界方式によれば、磁気抵抗効果素子の近傍に配置された書き込み配線に書き込み電流が流される。そして、その書き込み電流により発生する書き込み磁界が磁化自由層に印加され、それにより磁化自由層の磁化の向きが変化させられる。電流磁界方式では、磁化自由層の磁化反転に必要な反転磁界は、磁気抵抗効果素子のサイズにほぼ反比例して大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加してしまうという問題点がある。
【０００５】
微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができるデータ書き込み方式として、スピン注入（spin transfer）を利用した「スピン注入方式」が提案されている（非特許文献１参照）。スピン注入方式によれば、磁化自由層にスピン偏極電流（spin-polarized current）が注入され、その電流を担う伝導電子のスピントルクと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する（スピン注入磁化反転）。
【０００６】
図１は、スピン注入磁化反転を説明するための図である。図１において、磁気抵抗効果素子は、磁化自由層１０１、磁化固定層１０３、及び磁化自由層１０１と磁化固定層１０３に挟まれた非磁性層であるトンネルバリヤ層１０２を備えている。ここで、磁化の向きが固定された磁化固定層１０３は、スピンフィルターとしての役割を果たす。磁化自由層１０１と磁化固定層１０３の磁化の向きが平行である状態は、データ“０”に対応付けられ、それらが反平行である状態は、データ“１”に対応付けられている。
【０００７】
図１で示されるスピン注入磁化反転は、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）方式により実現され、書き込み電流はＭＴＪを貫通するように流される。具体的には、データ“０”からデータ“１”への遷移時、書き込み電流は磁化固定層１０３から磁化自由層１０１へ流れ、電子は磁化自由層１０１から磁化固定層１０３に移動する。このとき、スピンフィルターとしての磁化固定層１０３の磁化と反対方向のスピンを有する電子は、磁化固定層１０３により反射される。磁化固定層１０３の磁化と同方向のスピンを有する電子が磁化自由層１０１から磁化固定層１０３に移動し、スピントランスファー（スピン角運動量の授受）効果により、磁化自由層１０１の磁化が反転する。一方、データ“１”からデータ“０”への遷移時、書き込み電流は磁化自由層１０１から磁化固定層１０３へ流れ、電子は磁化固定層１０３から磁化自由層１０１に移動する。このとき、磁化固定層１０３の磁化と同方向のスピンを有する電子が、磁化固定層１０３から磁化自由層１０１に注入される。その結果、スピントランスファー効果により、磁化自由層１０１の磁化が反転する。
【０００８】
このように、スピン注入方式では、スピン偏極電子の移動によりデータの書き込みが行われる。書き込み電流の方向により、磁化自由層１０１の磁化の向きを規定することが可能である。ここで、書き込み（磁化反転）の閾値は電流密度に依存することが知られている。従って、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、磁化反転に必要な書き込み電流が減少する。メモリセルの微細化に伴って書き込み電流が減少するため、スピン注入方式は、ＭＲＡＭの大容量化の実現にとって重要である。
【０００９】
スピン注入方式に基づくＭＲＡＭは、特許文献１や特許文献２にも記載されている。
【００１０】
特許文献１に記載された磁気抵抗効果素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する。その記憶層の上下に、それぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられ、それぞれの中間層がいずれも絶縁層から成る。記憶層の上下の磁化固定層において、それぞれ記憶層に最も近い強磁性層の磁化の向きは、互いに反対向きである。積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる。記憶層の上下２つの中間層は、面積抵抗値に有意差があり、面積抵抗値の高い方の中間層の磁気抵抗変化率が面積抵抗値の低い方の中間層の磁気抵抗変化率よりも大きい。
【００１１】
特許文献２に記載された磁気抵抗効果素子は、第１ピン層、フリー層、第１ピン層とフリー層との間に位置する非磁性スペーサ層、第２ピン層、及び第２ピン層とフリー層との間に位置するバリア層とを備える。第１ピン層は、第１方向に固定された第１磁化を有する。フリー層は、第２磁化を有する。第２ピン層は、第２方向に固定された第３磁化を有する。バリア層の厚さは、トンネリングを可能にするように設計されている。第１方向は第２方向と反対である。フリー層の第２磁化の向きは、書き込み電流が磁気抵抗効果素子を流れるときにスピントランスファーによって変わる。
【００１２】
以上に説明された従来のスピン注入方式のＭＲＡＭによれば、読み出し電流だけでなく書き込み電流もＭＴＪを貫通して流れるように設計が行なわれる。従って、ＭＴＪに含まれるトンネルバリヤ層が劣化しやすい。更に、データ読み出し時に、誤ってデータ書き込みが行われる可能性がある。すなわち、読み出し電流の値がデータ書き込みの閾値よりも十分小さくない限り、その読み出し電流が磁化自由層の磁化を反転させてしまう恐れがある。そのようなリスクを低減するために、読み出し電流を小さくすることや、データ書き込みの閾値を大きくすることが考えられる。しかしながら、読み出し電流が小さくなるにつれ、読み出し信号の品質（ＳＮ比など）は劣化し、高速且つ正確なデータ読み出しが困難になる。また、書き込みの閾値を大きくすることは、消費電力やトランジスタのサイズの観点から好ましくない。
【００１３】
特許文献３には、スピン注入方式に基づく３端子型の磁気抵抗効果素子が記載されている。
【００１４】
図２は、３端子型の磁気抵抗効果素子の一例を示している。この磁気抵抗効果素子は、第１配線層１１１、第１反強磁性層１１２、第１磁化固定層１１３、第１トンネルバリヤ層１１４、磁化自由層１３０、第２トンネルバリヤ層１２４、第２磁化固定層１２３、第２反強磁性層１２２、及び第２配線層１２１が順番に積層された積層構造を有している。磁化固定層１１３、１２３の磁化は、それぞれ反強磁性層１１２、１２２によって−Ｘ方向に固定されている。磁化自由層１３０はＸ方向に延びており、その磁化容易軸はＸ方向に沿っている。磁化自由層１３０の磁化は、反転可能であり、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向を向く。また、磁化自由層１３０は、上記積層構造と異なる領域において第３配線層１３１とつながっている。
【００１５】
図２に示された構成において、データ書き込み時、書き込み電流は第２配線層１２１と第３配線層１３１との間に流される。そして、第２磁化固定層１２３と磁化自由層１３０との間のスピントランスファーにより、磁化自由層１３０の磁化が反転する。一方、データ読み出し時、読み出し電流は第１配線層１１１と第３配線層１３１との間に流される。そして、第１磁化固定層１１３と磁化自由層１３０を含むＭＴＪの抵抗値が検出される。このように、データ書き込みとデータ読み出しは、別々の電流経路で実現される。従って、トンネルバリヤ層の劣化が抑制される。また、書き込み特性と読み出し特性を別々に設計することによって、データ読み出し時の誤書込みを防止することが可能となる。
【００１６】
図３は、３端子型の磁気抵抗効果素子の他の例を示している。この磁気抵抗効果素子は、第１配線層１１１、第１反強磁性層１１２、第１磁化固定層１１３、第１トンネルバリヤ層１１４、第１磁化自由層１１５、中間配線層１５０、第２磁化自由層１２５、第２トンネルバリヤ層１２４、第２磁化固定層１２３、第２反強磁性層１２２、及び第２配線層１２１が順番に積層された積層構造を有している。磁化固定層１１３、１２３の磁化は、それぞれ反強磁性層１１２、１２２によって−Ｘ方向に固定されている。磁化自由層１１５、１２５の磁化容易軸はＸ方向に沿っており、それらの磁化は反転可能であり、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向を向く。また、磁化自由層１１５、１２５は互いに静磁結合しており、一方の磁化が反転すると、他方の磁化も反転する。中間配線層１５０は、Ｘ方向に延びており、上記積層構造と異なる領域において第３配線層１３１とつながっている。
【００１７】
図３に示された構成において、データ書き込み時、書き込み電流は第２配線層１２１と第３配線層１３１との間に流される。そして、第２磁化固定層１２３と第２磁化自由層１２５との間のスピントランスファーにより、第２磁化自由層１２５の磁化が反転する。第２磁化自由層１２５の磁化が反転すると、第１磁化自由層１１５の磁化も反転する。一方、データ読み出し時、読み出し電流は第１配線層１１１と第３配線層１３１との間に流される。そして、第１磁化固定層１１３と第１磁化自由層１１５を含むＭＴＪの抵抗値が検出される。このように、データ書き込みとデータ読み出しは、別々の電流経路で実現される。従って、トンネルバリヤ層の劣化が抑制される。また、書き込み特性と読み出し特性を別々に設計することによって、データ読み出し時の誤書込みを防止することが可能となる。
【００１８】
【特許文献１】特開２００６−９３４３２号公報
【特許文献２】特表２００５−５３５１２５号公報
【特許文献３】特開２００５−１１６８８８号公報
【非特許文献１】M. Hosomi et al., "A Novel Nonvolatile Memory with Spin Torque Transfer Magnetization Switching: Spin-RAM", International Electron Devices Meeting (IEDM), Technical Digest, pp.459-562, 2005.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本願発明者は、次の点に着目した。すなわち、特許文献３に記載された技術によれば、書き込み電流を十分に低減することができない。例えば図２で示された構成では、磁化自由層１３０のうち、第３配線層１３１の方向に延伸している部分でのスピン散乱により、スピン注入効率が低下する。これは、書き込み電流の増大を招く。また、図３で示された構成では、スピン注入効率は低下しないものの、第２磁化自由層１２５の磁化に加えて第１磁化自由層１１５の磁化をも間接的とはいえ反転させる必要がある。従って、単一の磁化自由層の場合（図１参照）と比較した場合、書き込み電流が増加してしまう。
【００２０】
本発明の目的は、スピン注入方式に基づく新たな磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭを提供することにある。
【００２１】
本発明の他の目的は、データ読み出し時の誤書き込みを防止することができる磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭを提供することにある。
【００２２】
本発明の更に他の目的は、書き込み電流を低減し、消費電力を削減することができる磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００２４】
本発明の第１の観点において、スピン注入方式の磁気抵抗効果素子（１）が提供される。その磁気抵抗効果素子（１）は、第１固定磁化（ＭＰ１）を有する第１磁化固定層（１３）と、第１非磁性層（１４）を介して第１磁化固定層（１３）に接続され第１反転磁化（ＭＦ１）を有する第１磁化自由層（１５）と、第２固定磁化（ＭＰ２）を有する第２磁化固定層（２３）と、第２非磁性層（２４）を介して第２磁化固定層（２３）に接続され第２反転磁化（ＭＦ２）を有する第２磁化自由層（２５）と、第１磁化自由層（１５）と第２磁化自由層（２５）との間に介在する中間配線層（５０）と、を備えている。第１磁化自由層（１５）及び第２磁化自由層（２５）の磁化容易軸は第１方向（Ｘ）に沿っている。第１固定磁化（ＭＰ１）と第２固定磁化（ＭＰ２）は、第１方向（Ｘ）に沿った向きに固定されている。第１磁化自由層（１５）と第２磁化自由層（２５）は、中間配線層（５０）を介して磁気的に結合している。
【００２５】
本発明によれば、中間配線層（５０）は、第１磁化自由層（１５）及び第２磁化自由層（２５）とオーバラップする第１領域（Ｒ１）から所定の方向（Ｙ，Ｓ，Ｔ，Ｕ，Ｖ）に延びている。その所定の方向は、第１方向（Ｘ）に直角な第２方向（Ｙ）の成分を少なくとも含んでいる。例えば、第２磁化固定層（２３）から中間配線層（５０）を見た場合、その所定の方向は、第２磁化固定層（２３）の磁化の向きから時計回りに０度より大きく１８０度より小さい方向である。好適には、その所定の方向は、第２磁化固定層（２３）の磁化の向きから時計回りに９０度の方向である。
【００２６】
このように構成された磁気抵抗効果素子（１）において、データ書き込みは次のように行われる。データ書き込み時、書き込み電流（ＩＷ１，ＩＷ２）は、第２磁化自由層（２５）の第２反転磁化（ＭＦ２）がスピントランスファーによって反転するように、中間配線層（５０）と第２磁化固定層（２３）との間に流される。このとき、中間配線層（５０）を流れる書き込み電流（ＩＷ１，ＩＷ２）により発生する磁界（Ｂ１，Ｂ２）は、第２磁化自由層（２５）において少なくとも第１方向（Ｘ）に沿った成分を含み、第２反転磁化（ＭＦ２）の反転をアシストする。書き込み電流（ＩＷ１，ＩＷ２）により発生するアシスト磁界（Ｂ１，Ｂ２）が磁化反転をアシストするため、その書き込み電流（ＩＷ１，ＩＷ２）自体の大きさを低減することが可能となる。すなわち、消費電力を削減することが可能となる。
【００２７】
第１磁化自由層（１５）と第２磁化自由層（２５）は中間配線層（５０）を介して磁気的に結合しているため、第２反転磁化（ＭＦ２）が反転すると、同時に第１磁化自由層（１５）の第１反転磁化（ＭＦ１）も反転する。データ読み出し時には、読み出し電流（ＩＲ）が、中間配線層（５０）と第１磁化固定層（１３）との間に流される。そして、第１磁化自由層（１５）と第１磁化固定層（１３）を含むＭＴＪの抵抗値が検出される。このように、データ書き込みとデータ読み出しは、別々の電流経路で実現される。従って、非磁性層の劣化が抑制される。また、データ読み出し時の誤書込みを防止することが可能となる。更に、書き込み特性と読み出し特性を別々に設計することができるため、書き込み特性と読み出し特性をそれぞれ最適化することが可能となる。
【００２８】
第１磁化自由層（１５）と第２磁化自由層（２５）は、第１反転磁化（ＭＦ１）と第２反転磁化（ＭＦ２）が互いに逆向きになるように磁気的に結合していることが好適である。それは、データ書き込み時の上記アシスト磁界（Ｂ１，Ｂ２）の向きが、中間配線層（５０）を挟んで逆向きになるからである。すなわち、アシスト磁界（Ｂ１，Ｂ２）は、第１磁化自由層（１５）及び第２磁化自由層（２５）のそれぞれにおいて第１方向（Ｘ）に沿った互いに逆向きの成分を含み、第１反転磁化（ＭＦ１）と第２反転磁化（ＭＦ２）の両方の反転をアシストすることができる。その結果、書き込み電流（ＩＷ１，ＩＷ２）がより低減される。
【００２９】
本発明の第２の観点において、スピン注入方式のＭＲＡＭが提供される。そのＭＲＡＭは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセル（１）を備える。複数の磁気メモリセルの各々は、上述の磁気抵抗効果素子（１）を有する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、スピン注入方式に基づく新たな磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭが提供される。本発明に係る磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭによれば、データ読み出し時の誤書き込みを防止することが可能となる。更に、書き込み電流を低減し、消費電力を削減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭを説明する。
【００３２】
１．第１の実施の形態
１−１．基本構造
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子（磁気メモリセル）１の構造を示す斜視図である。本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１は、第１配線層１１、第１反強磁性層１２、第１磁化固定層１３、第１トンネルバリヤ層１４、第１磁化自由層１５、中間配線層５０、第２磁化自由層２５、第２トンネルバリヤ層２４、第２磁化固定層２３、第２反強磁性層２２、及び第２配線層２１が順番に積層された積層構造を有している。第１配線層１１、第１反強磁性層１２、第１磁化固定層１３、第１トンネルバリヤ層１４、及び第１磁化自由層１５は、第１積層構造１０を構成している。一方、第２磁化自由層２５、第２トンネルバリヤ層２４、第２磁化固定層２３、第２反強磁性層２２、及び第２配線層２１は、第２積層構造２０を構成している。中間配線層５０は、第１積層構造１０と第２積層構造２０との間に介在している。
【００３３】
本明細書において、上述の各層の積層方向がＺ方向として定義される。また、Ｚ方向に直角な平面がＸＹ平面として定義される。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、互いに直交している。図５Ａ及び図５Ｂは、図４に示された磁気抵抗効果素子のＸＺ側面図及びＹＺ側面図である。
【００３４】
図５Ａに示されるように、第１配線層１１上に第１反強磁性層１２が形成されており、第１反強磁性層１２上に第１磁化固定層１３が形成されている。第１磁化固定層１３上には、第１トンネルバリヤ層１４を介して第１磁化自由層１５が形成されている。第１磁化自由層１５上には中間配線層５０が形成されており、その中間配線層５０上には第２磁化自由層２５が形成されている。つまり、中間配線層５０は、第１磁化自由層１５と第２磁化自由層２５との間に介在している。第２磁化自由層２５上には、第２トンネルバリヤ層２４を介して第２磁化固定層２３が形成されている。第２磁化固定層２３上には第２反強磁性層２２が形成されており、第２反強磁性層２２上には第２配線層２１が形成されている。
【００３５】
磁化固定層（ピン層）１３、２３は強磁性層を含んでおり、その磁化の向きは固定されている。例えば図５Ａにおいて、第１磁化固定層１３の磁化（第１固定磁化ＭＰ１）は、隣接する第１反強磁性層１２によって−Ｘ方向に固定されている。また、第２磁化固定層２３の磁化（第２固定磁化ＭＰ２）も、隣接する第２反強磁性層２２によって−Ｘ方向に固定されている。第１固定磁化ＭＰ１及び第２固定磁化ＭＰ２は、Ｘ方向に沿って互いに逆向きに固定されていてもよい。また、反強磁性層１２、２２を用いる代わりに、保持力の十分大きい材料で磁化固定層１３、２３が形成されていてもよい。尚、磁化固定層１３、２３の各々は、複数の強磁性層が非磁性層を介して磁気的に結合した積層構造を有していてもよい。その場合、例えば、隣接する強磁性層同士は非磁性層を介して反強磁性的に結合している。これにより、漏れ磁界が低減され、また、固定磁化もより強固となる。
【００３６】
磁化自由層（フリー層）１５、２５は強磁性層を含んでおり、その磁化の向きは可変である。より詳細には、磁化自由層１５、２５の磁化容易軸はＸ方向に沿っており、それらの磁化は反転可能である。第１磁化自由層１５の磁化（第１反転磁化ＭＦ１）は、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向を向く、すなわち、第１固定磁化ＭＰ１と反平行あるいは平行となることが許される。第２磁化自由層２５の磁化（第２反転磁化ＭＦ２）は、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向を向く、すなわち、第２固定磁化ＭＰ２と反平行あるいは平行となることが許される。更に、磁化自由層１５、２５は、中間配線層５０を介して磁気的に結合している。従って、第１反転磁化ＭＦ１及び第２反転磁化ＭＦ２の一方が反転すると、他方も反転する。例えば、磁化自由層１５、２５は互いに静磁結合しており、第１反転磁化ＭＦ１及び第２反転磁化ＭＦ２は互いに逆向きとなる。尚、磁化自由層１５、２５の磁気異方性は、材料に依存する結晶磁気異方性、歪誘導異方性、平面形状に依存する形状磁気異方性のいずれか、または、それらの組み合わせにより決定される。また、磁化自由層１５、２５は、複数の強磁性層が非磁性層を介して磁気的に結合した積層構造を有していてもよい。
【００３７】
トンネルバリヤ層１４、２４は、非磁性層である。例えば、トンネルバリヤ層１４、２４は、絶縁膜で形成されている。第１磁化固定層１３と第１磁化自由層１５は、トンネルバリヤ層１４を介して接続されている。これにより、第１積層構造１０中に１つのＭＴＪが形成される。また、第２磁化固定層２３と第２磁化自由層２５は、トンネルバリヤ層２４を介して接続されている。これにより、第２積層構造２０中に別のＭＴＪが形成される。
【００３８】
図５Ｂに示されるように、第１積層構造１０及び第２積層構造２０は、第１領域Ｒ１に形成されている。そして、中間配線層５０は、その第１領域Ｒ１において第１積層構造１０及び第２積層構造２０とオーバラップしている。更に、中間配線層５０は、その第１領域Ｒ１から＋Ｙ方向に延びている。すなわち、中間配線層５０は、長手方向がＹ方向である平面形状を有している。また、中間配線層５０は、第１領域Ｒ１から＋Ｙ方向に位置する第２領域Ｒ２において、第３配線層３１に接続されている。図５Ｂにおいて、第３配線層３１は、第１領域Ｒ１と異なる第２領域Ｒ２の中間配線層５０上に形成されている。
【００３９】
各層の材料は、例えば次の通りである。配線層１１、２１、３１、及び中間配線層５０は、Ａｌ、Ｃｕなどの金属で形成される。反強磁性層１２、２２は、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどで形成される。磁化固定層１３、２３、磁化自由層１５、２５中の強磁性体層は、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉから選択される少なくとも１種類の元素を含んでいる。例えば、磁化固定層１３、２３、磁化自由層１５、２５の強磁性体層は、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅＢなどで形成される。非磁性層であるトンネルバリヤ層１４、２４としては、Ａｌ２Ｏ３膜、ＳｉＯ２膜、ＭｇＯ膜、ＡｌＮ膜等の絶縁膜が例示される。後に示されるデータ書き込みで使用されるトンネルバリヤ層（２４）は、Ｃｕなどの非磁性金属層であってもよい。
【００４０】
第１配線層１１、第２配線層２１、及び第３配線層３１は、次に説明されるように、書き込み電流や読み出し電流を磁気抵抗効果素子１に供給するために用いられる。つまり、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１は、３端子型である。
【００４１】
１−２．動作
（データ書き込み）
図６は、本実施の形態に係るデータ書き込みを説明するための概念図である。第１磁化自由層１５の第１反転磁化ＭＦ１の向きが−Ｘ方向である状態、つまり、その向きが第１固定磁化ＭＰ１の向き（−Ｘ方向）と平行である「平行状態」が、データ“０”に対応付けられている。この平行状態では、第２磁化自由層２５の第２反転磁化ＭＦ２の向きは、＋Ｘ方向である。一方、第１磁化自由層１５の第１反転磁化ＭＦ１の向きが＋Ｘ方向である状態、つまり、その向きが第１固定磁化ＭＰ１の向き（−Ｘ方向）と反平行である「反平行状態」が、データ“１”に対応付けられている。この反平行状態では、第２磁化自由層２５の第２反転磁化ＭＦ２の向きは、−Ｘ方向である。第１積層構造１０中のＭＴＪの抵抗値は、平行状態（データ“０”）において比較的小さく、反平行状態（データ“１”）において比較的大きい。
【００４２】
データ“１”の書き込み時、書き込み電流ＩＷ１が、第３配線層３１から第２配線層２１に流される。つまり、書き込み電流ＩＷ１は、第３配線層３１から中間配線層５０に流れ込み、更に、中間配線層５０から第２積層構造２０中のＭＴＪを通って第２配線層２１に流れる。この場合、電子は、第２磁化固定層２３から第２磁化自由層２５に移動する。具体的には、−Ｘ方向のスピンを有する電子が、第２磁化固定層２３から第２磁化自由層２５に注入される。第２磁化固定層２３と第２磁化自由層２５との間のスピントランスファーの結果、第２磁化自由層２５の第２反転磁化ＭＦ２が＋Ｘ方向から−Ｘ方向に反転する。第２反転磁化ＭＦ２が反転すると、第１磁化自由層１５の第１反転磁化ＭＦ１も−Ｘ方向から＋Ｘ方向に反転する。このようにして、反平行状態（データ“１”）が実現される。
【００４３】
ここで、中間配線層５０中を平面的に流れる書き込み電流ＩＷ１によって、磁界Ｂ１が発生していることに留意されたい。書き込み電流ＩＷ１は中間配線層５０中を−Ｙ方向に流れるため、磁界Ｂ１は、中間配線層５０の上側においては−Ｘ方向の成分を含み、その下側においては＋Ｘ方向の成分を含んでいる。データ書き込み時、スピン注入と同時に、その磁界Ｂ１が磁化自由層１５、２５に印加される。第２磁化自由層２５において、磁界Ｂ１は−Ｘ方向の成分を含んでおり、その方向は第２反転磁化ＭＦ２の反転方向に一致している。言い換えれば、第２磁化自由層２５に印加される磁界Ｂ１は、第２反転磁化ＭＦ２の反転をアシストしている。その意味で、書き込み電流ＩＷ１によって発生する磁界Ｂ１を、「アシスト磁界」と呼ぶこともできる。一方、第１磁化自由層１５において、アシスト磁界Ｂ１は＋Ｘ方向の成分を含んでおり、その方向は第１反転磁化ＭＦ１の反転方向に一致している。つまり、アシスト磁界Ｂ１は、第１反転磁化ＭＦ１の反転をもアシストしている。
【００４４】
一方、データ“０”の書き込み時、書き込み電流ＩＷ２が、第２配線層２１から第３配線層３１に流される。つまり、書き込み電流ＩＷ２は、第２配線層２１から第２積層構造２０中のＭＴＪを通って中間配線層５０に流れ込み、更に、中間配線層５０から第３配線層３１に流れる。この場合、電子は、第２磁化自由層２５から第２磁化固定層２３に移動する。具体的には、＋Ｘ方向のスピンを有する電子はスピンフィルターとしての第２磁化固定層２３により反射され、−Ｘ方向のスピンを有する電子が第２磁化自由層２５から第２磁化固定層２３に移動する。第２磁化固定層２３と第２磁化自由層２５との間のスピントランスファーの結果、第２磁化自由層２５の第２反転磁化ＭＦ２が−Ｘ方向から＋Ｘ方向に反転する。第２反転磁化ＭＦ２が反転すると、第１磁化自由層１５の第１反転磁化ＭＦ１も＋Ｘ方向から−Ｘ方向に反転する。このようにして、平行状態（データ“０”）が実現される。
【００４５】
この場合も、中間配線層５０中を平面的に流れる書き込み電流ＩＷ２によって、アシスト磁界Ｂ２が発生している。書き込み電流ＩＷ２は中間配線層５０中を＋Ｙ方向に流れるため、アシスト磁界Ｂ２は、中間配線層５０の上側においては＋Ｘ方向の成分を含み、その下側においては−Ｘ方向の成分を含んでいる。データ書き込み時、スピン注入と同時に、そのアシスト磁界Ｂ２が磁化自由層１５、２５に印加される。磁化自由層１５、２５において、アシスト磁界Ｂ２の方向は磁化反転方向に一致している。すなわち、アシスト磁界Ｂ２は、第２反転磁化ＭＦ２及び第１反転磁化ＭＦ１の反転をアシストする。
【００４６】
このように、本実施の形態によれば、スピン注入と同時に、アシスト磁界（Ｂ１，Ｂ２）が第２磁化自由層２５に印加される。その結果、第２反転磁化ＭＦ２が反転しやすくなる。従って、書き込み電流（ＩＷ１，ＩＷ２）の大きさを従来よりも小さくすることが可能となる。言い換えれば、アシスト磁界によるアシストがあるため、書き込み電流を小さくしたとしても、データ書き込みは十分に実現される。また、中間配線層５０の上下で、アシスト磁界の向きは逆となるため、第１反転磁化ＭＦ１と第２反転磁化ＭＦ２も、互いに逆向きになるように磁気結合していることが好適である。それにより、アシスト磁界が、第１反転磁化ＭＦ１と第２反転磁化ＭＦ２の両方の反転をアシストするようになる。結果として、書き込み電流を更に低減することが可能となる。
【００４７】
（データ読み出し）
図７は、本実施の形態に係るデータ読み出しを説明するための概念図である。データ読み出し時、読み出し電流ＩＲは、第３配線層３１から第１配線層１１に流される、あるいは、第１配線層１１から第３配線層３１に流される。図７においては、読み出し電流ＩＲは、読み出し電流ＩＲは、第３配線層３１から中間配線層５０に流れ込み、更に、中間配線層５０から第１積層構造１０中のＭＴＪを通って第１配線層１１に流れる。これにより、第１積層構造１０中のＭＴＪの抵抗値を検出することが可能となる。例えば、読み出し電流ＩＲに応じた電圧と所定の基準電圧との比較を行うことにより、ＭＴＪの抵抗値の大小を検出することができる。その結果、当該磁気抵抗素子（磁気メモリセル）１に記憶されているデータが“０”か“１”かをセンスすることができる。
【００４８】
以上に説明されたように、図６及び図７で示された例では、一方の第１積層構造１０がデータ読み出しに用いられ、他方の第２積層構造２０がデータ書き込みに用いられる。すなわち、データ書き込みとデータ読み出しは、別々の電流経路で実現される。従って、トンネルバリヤ層１４、２４の劣化が抑制される。また、データ読み出し時の誤書込みを防止することが可能となる。更に、書き込み特性と読み出し特性を別々に設計することができるため、書き込み特性と読み出し特性をそれぞれ最適化することが可能となる。
【００４９】
１−３．中間配線層の方向
中間配線層５０の延伸方向は、上述の例における＋Ｙ方向に限られない。一般化して言えば、中間配線層５０を流れる書き込み電流により発生するアシスト磁界（Ｂ１，Ｂ２）が、第２反転磁化ＭＦ２の反転を促すようなＸ成分を少なくとも含んでいればよい。そのために、中間配線層５０の延伸方向は、少なくとも＋Ｙ方向に沿った成分を含んでいればよい。
【００５０】
図８は、第２積層構造２０がデータ書き込みに用いられる場合の、中間配線層５０の延伸方向の様々な例を示している。図８は、＋Ｚ方向から見た場合の、すなわち、第２積層構造２０から中間配線層５０を見た場合のＸＹ平面形状を示している。上述の通り、アシスト磁界が磁化反転をアシストするためには、中間配線層５０の延伸方向が少なくとも＋Ｙ方向に沿った成分を含んでいればよい。従って、Ｙ方向に延びる中間配線層５０ａだけでなく、Ｓ方向に延びる中間配線層５０ｂやＴ方向に延びる中間配線層５０ｃの場合でも、同様の効果が得られる。一般化すれば、中間配線層５０の延伸方向は、データ書き込みに用いられる第２積層構造２０から中間配線層５０を見た場合、第２固定磁化ＭＰ２の向き（−Ｘ方向）から時計回りに０度より大きく１８０度より小さい方向であればよい（０度＜θ＜１８０度）。但し、アシスト効率の観点から言えば、図４〜図６で示されたように、中間配線層５０の延伸方向が約９０度であることが好ましい。
【００５１】
また、中間配線層５０の延伸方向は、第１積層構造１０と第２積層構造２０のうちどちらをデータ書き込みに使用するかにも依存する。
【００５２】
図９は、第１積層構造１０がデータ書き込みに用いられ、第２積層構造２０がデータ読み出しに用いられる場合の、磁気抵抗効果素子１の構造例を示している。この場合、中間配線層５０は、第１領域Ｒ１から−Ｙ方向に延びている。データ読み出し時、読み出し電流ＩＲは、第２配線層２１と第３配線層３１との間に流される。データ書き込み時、書き込み電流は、第１配線層１１と第３配線層３１との間に流される。具体的には、データ“１”の書き込み時、書き込み電流ＩＷ１は、第１配線層１１から第３配線層３１に流される。一方、データ“０”の書き込み時、書き込み電流ＩＷ２は、第３配線層３１から第１配線層１１に流される。これにより、図６で示された例と同様に、アシスト磁界Ｂ１、Ｂ２が磁化反転をアシストするようになる。
【００５３】
図１０は、第１積層構造１０がデータ書き込みに用いられる場合の、中間配線層５０の延伸方向の様々な例を示している。この場合、アシスト磁界が磁化反転をアシストするためには、中間配線層５０の延伸方向が少なくとも−Ｙ方向に沿った成分を含んでいればよい。従って、−Ｙ方向に延びる中間配線層５０ｄだけでなく、Ｕ方向に延びる中間配線層５０ｅやＶ方向に延びる中間配線層５０ｆの場合でも、同様の効果が得られる。一般化すれば、中間配線層５０の延伸方向は、データ書き込みに用いられる第１積層構造１０から中間配線層５０を見た場合（−Ｚ方向から見た場合）、第１固定磁化ＭＰ１の向き（−Ｘ方向）から時計回りに０度より大きく１８０度より小さい方向であればよい（０度＜θ＜１８０度）。但し、アシスト効率の観点から言えば、図９で示されたように、中間配線層５０の延伸方向が約９０度であることが好ましい。
【００５４】
以上に説明されたように、第１積層構造１０と第２積層構造２０のいずれがデータ書き込みに用いられてもよい。いずれの場合でも、データ書き込みに用いられる磁化固定層から中間配線層５０を見たとき、中間配線層５０の延伸方向が、当該磁化固定層の磁化の向きから時計回りに０度より大きく１８０度より小さい方向であればよい。尚、ここでの延伸方向とは、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２への方向を意味する。中間配線層５０は、第１積層構造１０と第２積層構造２０の間を通り抜けて、第２領域Ｒ２と逆側にも延びていてもよい。逆側に延びる部分は、動作に何ら影響を及ぼさない。また、磁化固定層が複数の強磁性層が非磁性層を介して磁気的に結合した積層構造を有する場合、延伸方向の基準となる磁化の向きは、磁化自由層に最も近い強磁性層の磁化の向きである。
【００５５】
１−４．変形例
図１１は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例を示すＹＺ側面図である。図１１において、既出の構成と同じ構成には同じ符号が付されている。本変形例に係る磁気抵抗効果素子１ａは、第２領域Ｒ２において、第３積層構造３０を有している。その第３積層構造３０は、中間配線層５０上に順番に形成された第３磁化自由層３５、第３トンネルバリヤ層３４、第３磁化固定層３３、第３反強磁性層３２、及び第３配線層３１を含んでいる。つまり、中間配線層５０は、第２領域Ｒ２において、それら層３２〜３５を介して第３配線層３１に接続されている。
【００５６】
これら層３２〜３５は、データ書き込み、データ読み出しには寄与しない。それは、第２積層構造２０と第３積層構造３０とで電子の流れが逆であるからである。第３積層構造３０におけるスピントランスファーは、アシスト磁界によって相殺されるため、第３磁化自由層３５の磁化が反転する確率は極めて低い。仮に、第３磁化自由層３５の磁化が反転したとしても、それはデータ読み出し用の第１磁化自由層１５の第１反転磁化ＭＦ１に影響を及ぼさない。それは、第３磁化自由層３５は、データ読み出し用の第１磁化自由層１５から離れているからである。
【００５７】
第３積層構造３０は、第２積層構造２０を形成する工程と同じ工程で同時に形成される。すなわち、第３磁化自由層３５、第３トンネルバリヤ層３４、第３磁化固定層３３、第３反強磁性層３２、及び第３配線層３１の厚さは、それぞれ第２磁化自由層２５、第２トンネルバリヤ層２４、第２磁化固定層２３、第２反強磁性層２２、及び第２配線層２１の厚さと同じである。既出の図５Ｂで示された構造の場合、第２配線層２１と第３配線層３１を別々の工程で形成する必要があるが、本変形例の場合、第２配線層２１と第３配線層３１を同じ工程で同時に形成することが可能である。つまり、配線の形成が容易になるという追加的な効果が得られる。
【００５８】
図１２は、他の変形例を示すＹＺ側面図である。本変形例に係る磁気抵抗効果素子１ｂは、第２領域Ｒ２において、第３積層構造３０に加えて第４積層構造４０を有している。その第４積層構造４０は、第４配線層４１、第４反強磁性層４２、第４磁化固定層４３、第４トンネルバリヤ層４４、及び第４磁化自由層４５を含んでいる。第４積層構造４０は、第１積層構造１０を形成する工程と同じ工程で同時に形成される。第４積層構造４０は、データ書き込み、データ読み出しには寄与しない。
【００５９】
図１２に示された構造によれば、中間配線層５０は、第２領域Ｒ２において、上記第３磁化自由層３５と第４磁化自由層４５に挟まれている。つまり、第３磁化自由層３５と第４磁化自由層４５は、中間配線層５０を介して磁気的に結合している。第３磁化自由層３５の磁化と第４磁化自由層４５の磁化は、互いに反対向きである。第３磁化自由層３５の磁化と第４磁化自由層４５の磁化は互いに打ち消しあうため、それらの磁化の他の領域に対する影響が、図１１の場合と比較して更に低減される。
【００６０】
１−５．回路構成
図１３は、本実施の形態に係るＭＲＡＭの構成の一例を示す回路図である。ＭＲＡＭは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセル１を備えている。各磁気メモリセル１が、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を含んでいる。第１配線層１１は、ワード線ＷＬ２に接続され、第２配線層２１は、ワード線ＷＬ１に接続されている。また、第３配線層３１は、ビット線ＢＬに接続されている。複数のワード線ＷＬ１は、第１ワードドライバ２に接続されている。複数のワード線ＷＬ２は、第２ワードドライバ３に接続されている。複数のビット線ＢＬは、ビットドライバ４に接続されている。
【００６１】
データ書き込み時、第１ワードドライバ２とビットドライバ４は、対象セルにつながるワード線ＷＬ１とビット線ＢＬを選択する。その結果、対象セルの第２配線層２１と第３配線層３１との間に書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２が流れる。データ読み出し時、第２ワードドライバ３とビットドライバ４は、対象セルにつながるワード線ＷＬ２とビット線ＢＬを選択する。その結果、対象セルの第１配線層１１と第３配線層３１との間に読み出し電流ＩＲが流れる。
【００６２】
２．第２の実施の形態
本発明の第２の実施の形態において、他の３端子型の磁気抵抗効果素子が提案される。第２の実施の形態に係るＭＲＡＭの各磁気メモリセルは、以下に示される磁気抵抗効果素子を含んでいる。
【００６３】
２−１．構造
図１４は、第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子（磁気メモリセル）の構成を示すＸＺ側面図である。本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、読み出し部６０、第１書き込み部７０、第２書き込み部８０、及び磁化自由層９０を備えている。磁化自由層９０は、読み出し部６０上に形成されている。第１書き込み部７０及び第２書き込み部８０のそれぞれは、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の磁化自由層９０上に形成されている。
【００６４】
磁化自由層９０の磁化容易軸はＸ方向に沿っている。磁化自由層９０の磁化は、反転可能であり、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向を向くことが許される。磁化自由層９０の磁気異方性は、材料に依存する結晶磁気異方性、歪誘導異方性、平面形状に依存する形状磁気異方性のいずれか、または、それらの組み合わせにより決定される。
【００６５】
読み出し部６０は、第１配線層６１、第１反強磁性層６２、第１磁化固定層６３、及び第１トンネルバリヤ層６４を備えている。これらのうち第１トンネルバリヤ層６４が磁化自由層９０に接触している。第１磁化固定層６３の磁化は、第１反強磁性層６２によって−Ｘ方向に固定されている。第１磁化固定層６３は、第１トンネルバリヤ層６４を介して磁化自由層９０に接続されており、これにより「読み出しＭＴＪ」が形成される。
【００６６】
第１書き込み部７０は、第１領域Ｒ１に設けられている。この第１書き込み部７０は、第２配線層７１、第２反強磁性層７２、第２磁化固定層７３、及び第２トンネルバリヤ層７４を備えている。これらのうち第２トンネルバリヤ層７４が磁化自由層９０に接触している。第２磁化固定層７３の磁化は、第２反強磁性層７２によって−Ｘ方向に固定されている。第２磁化固定層７３は、第２トンネルバリヤ層７４を介して磁化自由層９０に接続されており、これにより「第１書き込みＭＴＪ」が形成される。
【００６７】
第２書き込み部８０は、第２領域Ｒ２に設けられている。この第２書き込み部８０は、第３配線層８１、第３反強磁性層８２、第３磁化固定層８３、及び第３トンネルバリヤ層８４を備えている。これらのうち第３トンネルバリヤ層８４が磁化自由層９０に接触している。第３磁化固定層８３の磁化は、第３反強磁性層８２によって、第２磁化固定層７３と逆の＋Ｘ方向に固定されている。第３磁化固定層８３は、第３トンネルバリヤ層８４を介して磁化自由層９０に接続されており、これにより「第２書き込みＭＴＪ」が形成される。
【００６８】
磁化固定層６３、７３、８３、及び磁化自由層９０の各々は、複数の強磁性層が非磁性層を介して磁気的に結合した積層構造を有していてもよい。また、読み出し部６０の配置は、図１４に示されたものに限られない。例えば、図１５に示されるように、読み出し部６０は、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２にわたって形成されていてもよい。
【００６９】
各層の材料は、例えば次の通りである。配線層６１、７１、８１は、Ａｌ、Ｃｕなどの金属で形成される。反強磁性層６２、７２、８２は、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどで形成される。磁化固定層６３、７３、８３、磁化自由層９０中の強磁性体層は、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉから選択される少なくとも１種類の元素を含んでいる。例えば、磁化固定層６３、７３、８３、磁化自由層９０の強磁性体層は、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅＢなどで形成される。非磁性層であるトンネルバリヤ層６４、７４、８４としては、Ａｌ２Ｏ３膜、ＳｉＯ２膜、ＭｇＯ膜、ＡｌＮ膜等の絶縁膜が例示される。後に示されるデータ書き込みで使用されるトンネルバリヤ層（７４、８４）は、Ｃｕなどの非磁性金属層であってもよい。
【００７０】
２−２．動作
（データ書き込み）
データ書き込みには、第１書き込み部７０と第２書き込み部８０が用いられる。データ書き込み時、書き込み電流ＩＷは、第２配線層７１と第３配線層８１との間に流される。第１書き込み部７０の磁化固定層７３と第２書き込み部８０の磁化固定層８３は、それぞれ反対向きの固定磁化を有しており、反対向きのスピン偏極電子を供給するための供給源として機能する。
【００７１】
磁化自由層９０の磁化の向きが＋Ｘ方向である場合を考える。その磁化の向きを−Ｘ方向に反転させたいとき、書き込み電流ＩＷは、第３配線層８１から第２配線層７１に流される。この時、電子は、第２磁化固定層７３から磁化自由層９０に移動し、また、磁化自由層９０から第３磁化固定層８３に移動する。具体的には、第１領域Ｒ１において、−Ｘ方向のスピンを有する電子が、第２磁化固定層７３から磁化自由層９０に注入される。一方、第２領域Ｒ２において、−Ｘ方向のスピンを有する電子はスピンフィルターとしての第３磁化固定層８３により反射され、＋Ｘ方向のスピンを有する電子が磁化自由層９０から第３磁化固定層８３に移動する。磁化自由層９０と磁化固定層７３、８３との間のスピントランスファーの結果、磁化自由層９０の磁化が＋Ｘ方向から−Ｘ方向に反転する。
【００７２】
次に、磁化自由層９０の磁化の向きが−Ｘ方向である場合を考える。その磁化の向きを＋Ｘ方向に反転させたいとき、書き込み電流ＩＷは、第２配線層７１から第３配線層８１に流される。この時、電子は、第３磁化固定層８３から磁化自由層９０に移動し、また、磁化自由層９０から第２磁化固定層７３に移動する。具体的には、第２領域Ｒ２において、＋Ｘ方向のスピンを有する電子が、第３磁化固定層８３から磁化自由層９０に注入される。一方、第１領域Ｒ１において、＋Ｘ方向のスピンを有する電子はスピンフィルターとしての第２磁化固定層７３により反射され、−Ｘ方向のスピンを有する電子が磁化自由層９０から第２磁化固定層７３に移動する。磁化自由層９０と磁化固定層７３、８３との間のスピントランスファーの結果、磁化自由層９０の磁化が−Ｘ方向から＋Ｘ方向に反転する。
【００７３】
このように、本実施の形態によれば、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の両方において、磁化反転を促すスピントランスファーが発生する。それは、第２磁化固定層７３の磁化と第３磁化固定層８３の磁化が反対向きに固定されているからである。第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の両方において磁化反転を促進するスピントランスファーが発生するため、磁化自由層９０の磁化が全体として反転しやすくなる。すなわち、書き込み電流ＩＷの大きさを従来よりも小さくすることが可能となる。
【００７４】
（データ読み出し）
データ読み出しには、読み出し部６０が用いられる。データ読み出し時、読み出し電流ＩＲは、第２、第３配線層７１、８１から第１配線層６１に流される、あるいは、第１配線層６１から第２、第３配線層７１、８１に流される。これにより、読み出しＭＴＪの抵抗値を検出することが可能となる。例えば、読み出し電流ＩＲに応じた電圧と所定の基準電圧との比較を行うことにより、読み出しＭＴＪの抵抗値の大小を検出することができる。その結果、当該磁気抵抗素子（磁気メモリセル）に記憶されているデータが“０”か“１”かをセンスすることができる。
【００７５】
以上に説明されたように、本実施の形態によれば、読み出し部６０が形成する読み出しＭＴＪがデータ読み出しに用いられ、書き込み部７０、８０が形成する書き込みＭＴＪがデータ書き込みに用いられる。すなわち、データ書き込みとデータ読み出しは、別々の電流経路で実現される。従って、トンネルバリヤ層６４、７４、８４の劣化が抑制される。また、データ読み出し時の誤書込みを防止することが可能となる。更に、書き込み特性と読み出し特性を別々に設計することができるため、書き込み特性と読み出し特性をそれぞれ最適化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】図１は、従来のスピン注入方式に基づくデータ書き込みを説明するための概念図である。
【図２】図２は、スピン注入方式に基づく、従来の３端子型の磁気抵抗効果素子の一例を示す側面図である。
【図３】図３は、スピン注入方式に基づく、従来の３端子型の磁気抵抗効果素子の他の例を示す側面図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を示す斜視図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図４に示された磁気抵抗効果素子のＸＺ側面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４に示された磁気抵抗効果素子のＹＺ側面図である。
【図６】図６は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みを説明するための概念図である。
【図７】図７は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子に対するデータ読み出しを説明するための概念図である。
【図８】図８は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子に含まれる中間配線層の延伸方向を示すＸＹ平面図である。
【図９】図９は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他の構造を示す斜視図である。
【図１０】図１０は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子に含まれる中間配線層の延伸方向を示すＸＹ平面図である。
【図１１】図１１は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例を示すＹＺ側面図である。
【図１２】図１２は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他の変形例を示すＹＺ側面図である。
【図１３】図１３は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を有するＭＲＡＭの構成例を示す回路図である。
【図１４】図１４は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を示す側面図である。
【図１５】図１５は、第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例を示す側面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１    磁気抵抗効果素子（磁気メモリセル）
２    第１ワードドライバ
３    第２ワードドライバ
４    ビットドライバ
１０    第１積層構造
１１    第１配線層
１２    第１反強磁性層
１３    第１磁化固定層
１４    第１トンネルバリヤ層
１５    第１磁化自由層
２０    第２積層構造
２１    第２配線層
２２    第２反強磁性層
２３    第２磁化固定層
２４    第２トンネルバリヤ層
２５    第２磁化自由層
３０    第３積層構造
３１    第３配線層
３２    第３反強磁性層
３３    第３磁化固定層
３４    第３トンネルバリヤ層
３５    第３磁化自由層
４０    第４積層構造
４１    第４配線層
４２    第４反強磁性層
４３    第４磁化固定層
４４    第４トンネルバリヤ層
４５    第４磁化自由層
５０    中間配線層
６０    読み出し部
６１    第１配線層
６２    第１反強磁性層
６３    第１磁化固定層
６４    第１トンネルバリヤ層
７０    第１書き込み部
７１    第２配線層
７２    第２反強磁性層
７３    第２磁化固定層
７４    第２トンネルバリヤ層
８０    第２書き込み部
８１    第３配線層
８２    第３反強磁性層
８３    第３磁化固定層
８４    第３トンネルバリヤ層
９０    磁化自由層
ＭＦ１  第１反転磁化
ＭＦ２  第２反転磁化
ＭＰ１  第１固定磁化
ＭＰ２  第２固定磁化
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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