(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが固着された第１磁化固着層、スピン偏極された電流が流れることによって磁化の向きが可変の磁気記録層、および前記第１磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられた第１非磁性層を有する磁気記録素子と、
前記磁気記録素子上に設けられ、高周波電流が流れることによって発生する高周波磁界を前記磁気記録層の磁化容易軸と略直交する方向に作用させる高周波電流磁界用配線と、
前記高周波電流磁界用配線に対して、前記磁気記録素子と反対側に設けられたグランド線と、
を含むメモリセルを備え、
前記高周波電流磁界用配線の幅をＷ１、高さをＨ１、前記グランド線の幅をＷ２、高さをＨ２、前記高周波電流磁界用配線と前記グランド線との間の距離をｄとしたとき、
Ｈ１≧ｄ≧Ｗ１/１０
Ｈ２≧ｄ≧Ｗ２/１０
を満たす磁気メモリ。
【請求項２】
前記磁気記録素子に電気的に接続されるとともに前記高周波電流磁界用配線と電気的に絶縁されたビット線を備えている請求項１記載の磁気メモリ。
【請求項３】
前記ビット線は、前記磁気記録素子と前記高周波電流磁界用配線との間に設けられている請求項２記載の磁気メモリ。
【請求項４】
磁化の向きが固着された第１磁化固着層、スピン偏極された電流が流れることによって磁化の向きが可変の磁気記録層、および前記第１磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられた第１非磁性層を有する磁気記録素子と、
前記磁気記録素子上に設けられ、高周波電流が流れることによって発生する高周波磁界を前記磁気記録層の磁化容易軸と略直交する方向に作用させる高周波電流磁界用配線と、
前記高周波電流磁界用配線に対して、前記磁気記録素子と反対側に設けられたグランド線と、
前記磁気記録素子に電気的に接続されるとともに前記高周波電流磁界用配線と電気的に絶縁され、前記高周波電流磁界用配線と並列するように配置されたビット線と、
を含むメモリセルを備えている磁気メモリ。
【請求項５】
前記高周波電流磁界用配線の幅をＷ１、高さをＨ１、前記グランド線の幅をＷ２、高さをＨ２、前記高周波電流磁界用配線と前記グランド線との間の距離をｄとしたとき、
Ｈ１≧ｄ≧Ｗ１/１０
Ｈ２≧ｄ≧Ｗ２/１０
を満たす請求項４記載の磁気メモリ。
【請求項６】
磁化の向きが固着された第１磁化固着層、スピン偏極された電流が流れることによって磁化の向きが可変の磁気記録層、および前記第１磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられた第１非磁性層を有する磁気記録素子と、
ビット線と、
前記ビット線に対して前記磁気記録素子と反対側に、前記ビット線の延在する方向と略直交する方向に延在する高周波電流磁界用配線と、
前記高周波電流磁界用配線に対して、前記磁気記録素子と反対側に設けられたグランド線と、
を含むメモリセルを備え、
前記高周波電流磁界用配線の幅をＷ１、高さをＨ１、前記グランド線の幅をＷ２、高さをＨ２、前記高周波電流磁界用配線と前記グランド線との間の距離をｄとしたとき、
Ｈ１≧ｄ≧Ｗ１/１０
Ｈ２≧ｄ≧Ｗ２/１０
を満たす磁気メモリ。
【請求項７】
前記高周波電流磁界用配線は前記磁気記録素子に電気的に接続されている請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項８】
前記磁気記録素子は、前記磁気記録層に対して前記第１非磁性層と反対側に設けられ磁化の向きが固着された第２磁化固着層と、前記磁気記録層と前記第２磁化固着層との間に設けられた第２非磁性層と備えている請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項９】
前記磁気記録素子における前記磁化固着層および前記磁気記録層の磁化の向きは、前記磁化固着層および前記磁気記録層の層面に対して略垂直である請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項１０】
前記磁気記録素子の磁気記録層の磁化を反転させる、パルス幅が５０ピコ秒以上１８ナノ秒以下の書き込み電流を流すことのできる電源と、
前記高周波電流磁界用配線に周波数が１ＧＨｚ以上の前記高周波電流を流すための発振器と、
を更に備えた請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項１１】
前記発振器は、第１強磁性体と、第２強磁性体と、前記第１および第２強磁性体間に挟まれた非磁性体との積層構造を有している請求項１０記載の磁気メモリ。
【請求項１２】
磁化の向きが固着された第１磁化固着層、スピン偏極された電流が流れることによって磁化の向きが可変の磁気記録層、および前記第１磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられた第１非磁性層を有する磁気記録素子と、
前記磁気記録素子上に設けられ、高周波電流が流れることによって発生する高周波磁界を前記磁気記録層の磁化容易軸と略直交する方向に作用させる高周波電流磁界用配線と、
前記高周波電流磁界用配線に対して、前記磁気記録素子と反対側に設けられたグランド線と、
を含むメモリセルと、
前記磁気記録素子の磁気記録層の磁化を反転させる、パルス幅が５０ピコ秒以上１８ナノ秒以下の書き込み電流を流すことのできる電源と、
第１強磁性体と、第２強磁性体と、前記第１および第２強磁性体間に挟まれた非磁性体との積層構造を有し、前記高周波電流磁界用配線に周波数が１ＧＨｚ以上の前記高周波電流を流すための発振器と、
を備えている磁気メモリ。
【請求項１３】
磁化の向きが固着された第１磁化固着層、スピン偏極された電流が流れることによって磁化の向きが可変の磁気記録層、および前記第１磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられた第１非磁性層を有する磁気記録素子と、
ビット線と、
前記ビット線に対して前記磁気記録素子と反対側に、前記ビット線の延在する方向と略直交する方向に延在する高周波電流磁界用配線と、
前記高周波電流磁界用配線に対して、前記磁気記録素子と反対側に設けられたグランド線と、
を含むメモリセルと、
前記磁気記録素子の磁気記録層の磁化を反転させる、パルス幅が５０ピコ秒以上１８ナノ秒以下の書き込み電流を流すことのできる電源と、
第１強磁性体と、第２強磁性体と、前記第１および第２強磁性体間に挟まれた非磁性体との積層構造を有し、前記高周波電流磁界用配線に周波数が１ＧＨｚ以上の前記高周波電流を流すための発振器と、
を備えている磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリに関し、特に書き込み電流とともに高周波磁界を印加する磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁性体の磁化方向を制御するために、磁界を印加する方法は知られている。例えば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）においては、記録ヘッドから発生する磁界によって媒体の磁化方向を反転させて書き込みを行っている。また、従来型の磁気ランダムアクセスメモリでは、磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた配線に電流を流すことで生じる電流磁界をメモリセルに印加することで、メモリセルの磁化方向を制御している。これらの外部磁界による磁化方向を制御する方式（電流磁界書き込み方式ともいう）は古い歴史があり、確立された技術である。
【０００３】
一方、昨今のナノテクノロジーの進歩によって磁性材料の顕著な微細化が可能となり、磁化制御をナノスケールで局所的に行う必要が出てきた。しかしながら、磁界は根本的には空間に広がる性質を有するため、局所化が難しい。特定のビットやメモリセルを選択してその磁化方向を制御させる場合に、ビットやメモリセルのサイズが微小化するのに伴い、隣のビットやメモリセルにまで磁界が及んでしまう「クロストーク」の問題が顕著となる。また、磁界を局所化させるために磁界発生源を小さくすると、磁化方向を制御するのに十分な発生磁界が得られないという問題が生じる。
【０００４】
これを解決する技術として、磁性体に電流を流すことにより磁化反転を起こす「スピン注入磁化反転現象」が知られている（例えば、非特許文献１）。この非特許文献１に記載された技術は、磁気抵抗効果素子に書き込み電流としてのスピン注入電流を流し、そこで発生するスピン偏極された電子を用いて、磁気記録層の磁化を反転させる。具体的には、スピン偏極された電子の角運動量が、磁気記録層としての磁性材料内の電子に伝達されることにより磁気記録層の磁化が反転する。
【０００５】
このような電流を直接駆動することによる磁化反転技術（スピン注入磁化反転技術）を用いれば、磁化状態をナノスケールで局所的に制御し易くなり、さらに、磁性材料の微細化に応じてスピン注入電流の値も小さくすることができる。このことは、高記録密度のハードディスクドライブや磁気ランダムアクセスメモリなどのスピンエレクトロニクスデバイスの実現に向けての手助けとなる。
【０００６】
また、ビット線もしくはワード線に交流電流を流し、交流磁界を発生させる磁気記録装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載された磁気記録装置は、行線（ビット線）と列線（ワード線）とによってアドレス指定可能な磁気セルがマトリックス状に配列された磁気記録装置である。各磁気セルは、強磁性体からなる磁化固着層／トンネルバリア層／強磁性体からなる磁化自由層（磁気記録層）の積層構造を有する磁気抵抗効果素子を有し、電流の向きに応じて記録を行う。各磁気セルにおいては、上記磁気抵抗効果素子に直列接続されたスイッチング素子（トランジスタ）が備えられている。各磁気セルの磁気抵抗効果素子は１つのビット線に接続されており、各スイッチング素子（トランジスタ）は１つのワード線に接続されている。さらに、記録時に直流電流を流すための直流電源と、交流磁界を発生させるための交流電源と、を有している。
【非特許文献１】F. J. Albert, et al., Appl. Phy. Lett. 77, 3809 (2000)
【非特許文献２】Shehzaad Kakaa, et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume.286 (2005) p.375
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／００４７２９４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１に記載された技術は、書き込み電流のパルス幅が短くなると、磁化反転の有無、つまり磁化反転のバラツキ、が発生するという問題があった（例えば、非特許文献２参照）。これを防ぐためには、書き込み電流をより大きくする必要がある。書き込み電流を大きくすると、磁気抵抗効果素子内で発生する熱の影響で、磁気抵抗効果素子の特性が劣化するなどの信頼性の問題が発生する。また、スピン注入磁化反転を用いた磁気メモリにおいては、書き込み電流が大きくなると選択トランジスタを小さくできなくなり、大容量化が困難になるといった問題がある。当然ながら、磁気記録装置における消費電力が増大することは問題となる。
【０００８】
また、特許文献１に記載された磁気記録装置においては、記録を行うときに必要となる数ＧＨｚ以上の高周波電流をビット線もしくはワード線に供給しても、十分な高周波透過率で交流電流を流すことが容易ではないという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、スピン注入による磁化反転の際に、磁化反転のバラツキを小さくしかつ反転電流を低減することのできる磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様による磁気メモリは、磁化の向きが固着された第１磁化固着層、スピン偏極された電流が流れることによって磁化の向きが可変の磁気記録層、および前記第１磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられた第１非磁性層を有する磁気記録素子と、前記磁気記録素子上に設けられ、高周波電流が流れることによって発生する高周波磁界を前記磁気記録層の磁化容易軸と略直交する方向に作用させる高周波電流磁界用配線と、前記高周波電流磁界用配線に対して、前記磁気記録素子と反対側に設けられたグランド線と、を含むメモリセルを備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２の態様による磁気メモリは、磁化の向きが固着された第１磁化固着層、スピン偏極された電流が流れることによって磁化の向きが可変の磁気記録層、および前記第１磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられた第１非磁性層を有する磁気記録素子と、ビット線と、前記ビット線に対して前記磁気記録素子と反対側に、前記ビット線の延在する方向と略直交する方向に延在する高周波電流磁界用配線と、前記高周波電流磁界用配線に対して、前記磁気記録素子と反対側に設けられたグランド線と、を含むメモリセルを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、スピン注入による磁化反転の際に、磁化反転のバラツキを小さくしかつ反転電流を低減することの可能な磁気メモリを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面中、同様の構成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。
【００１４】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気メモリを図１に示す。本実施形態の磁気メモリは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルを有し、各メモリセルは、磁気記録素子１と、高周波電流磁界用配線３０（以下、ＲＦ電流磁界用配線ともいう）と、グランド配線３５と、引き出し電極４０と、接続プラグ４５と、スイッチング素子５０とを備えている。
【００１５】
磁気記録素子１は、磁気抵抗効果素子であって、スピンモーメントが固着された磁性膜を含む磁化固着層２と、非磁性バリア層４と、スピンモーメントが可変の磁気記録層となる磁化自由層６と、がこの順に積層された積層構造を有している。この積層構造は、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）などと呼ばれている。本実施形態においては、磁化固着層２は、スピンモーメント（磁化）が上記第１磁性膜の膜面に対して略垂直な方向を向いてスピンモーメントの向きが固定されている。また、磁気記録層６は、スピンモーメントが上記磁性膜のスピンモーメントの向きと平行（同じ向き）または反平行（逆の向き）となる。すなわち、磁気記録層６は、その磁化容易軸が上記磁性膜の膜面に略垂直な方向であり、スピンモーメントの方向が磁化容易軸方向となっている。
【００１６】
非磁性バリア層４と反対側の磁化固着層２の面が引き出し電極４０と電気的に接続されている。また、非磁性バリア層４と反対側の磁気記録層６の面がビット線２０と電気的に接続されている。なお、ビット線２０は、同じ行に配列されている複数のメモリセルに対して共通となっている。
【００１７】
ＲＦ電流磁界用配線３０は、ビット線２０に対して磁気記録素子１と反対側に、ビット線２０の延在する方向と略直交する方向に延在するように設けられ、ビット線２０との間に設けられる絶縁膜（図示せず）によってビット線２０とは電気的に絶縁されている。したがって、ＲＦ電流磁界用配線に極性が一定の高周波電流を流すと、この高周波電流によって生じる電流磁界は、磁気記録層６の磁化容易軸と略直交する方向（磁化困難軸方向）に作用することなる。このＲＦ電流磁界用配線３０は、このＲＦ電流磁界用配線３０に流れる高周波電流による電流磁界が磁気記録層６の磁化容易軸と略直交する方向に作用すれば、何処に配置されていてもよい。
【００１８】
グランド線３５は、ＲＦ電流磁界用配線３０に対してビット線２０と反対側に、ＲＦ電流磁界用配線３０と所定の距離ｄだけ離間して設けられている。そして、グランド線３５はＲＦ電流磁界用配線３０との間に設けられる絶縁膜（図示せず）によってＲＦ電流磁界用配線３０とは電気的に絶縁されている。
【００１９】
スイッチング素子５０は、ＭＯＳトランジスタ５０であって半導体基板５２に離間して形成されたソース／ドレイン領域５４ａ、５４ｂと、ソース領域５４ａとドレイン領域５４ｂとの間のチャネルとなる半導体基板５２の領域５３上に形成されたゲート絶縁膜５６と、このゲート絶縁膜５６上に形成されたゲート電極５８と、備えている。ソース領域５４ａは、プラグ４５を介して引き出し電極４０と電気的に接続されている。ドレイン領域５４ｂは、配線６５を介して図示しない書き込み回路または読み出し回路に接続されている。すなわち、本実施形態においては、スイッチング素子５０は磁気記録素子１と直列に接続された構成となっている。したがって、ビット線２０から磁気記録素子１、引き出し電極４０、接続プラグ４５、スイッチング素子５０、および配線６５を介して書き込み回路または読み出し回路に電流を流すことができるとともに、これと反対方向に電流を流すことができる。また、ゲート電極５８はワード線６０と電気的に接続されている。同一の列に配列されたメモリセルのスイッチング素子５０のゲート電極５８は、同じワード線６０と電気的に接続される。スイッチング素子５０のＯＮはゲート５８に接続されているワード線６０により行う。
【００２０】
磁化固着層２は図示しない反強磁性層を、磁化固着層に隣接して設けることにより、磁化を強固に固着することも可能となる。磁化固着層２および磁気記録層６は、それぞれ単一の磁性膜からなっていてよいが、非磁性膜を介して互いに強磁性結合または反強磁性結合した磁性膜の積層構造であってもよい。例えば、磁性膜／非磁性膜／磁性膜の３層積層構造や、磁性膜／非磁性膜／磁性膜／非磁性膜／磁性膜の５層積層構造であってもよい。また、非磁性バリア層４は、非磁性の抵抗が高い絶縁材料や半導体からなる。
【００２１】
本実施形態における磁気記録素子は、電子電流２５を、磁気記録層６と磁化固着層２との間に流すことによって、磁気記録層６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２５の流れる向き（極性）を変えることで磁気記録層６の磁化の向きを反転させることができる。情報を記録させる場合には、磁気記録層６の磁化の方向に応じて、「０」と「１」とをそれぞれ割り当てればよい。
【００２２】
本実施形態に係るＲＦ電流磁界用配線３０およびグランド線３５の形状について説明する。ＲＦ電流磁界用配線３０のグランド線３５と対向する面の幅をＷ１、グランド線３５のＲＦ電流磁界用配線３０と対向する面の幅をＷ２、ＲＦ電流磁界用配線３０の高さをＨ１、グランド線３５の高さをＨ２、ＲＦ電流磁界用配線３０とグランド線３５との間のギャップをdとするとこれらの関係はＨ１≧ｄ≧Ｗ１/１０、Ｈ２≧ｄ≧Ｗ２/１０を満たすことが望ましい。Ｈ１≧ｄは、ＲＦ電流磁界用配線がグランド線と干渉せずにカップリングする上限値であり、ｄ≧Ｗ１／１０は下限値である。さらに、２×（Ｈ１＋ｄ）≦Ｈ２であることが望ましい。電気力線の広がりとしてグランド線がＲＦ電流磁界用配線の反対側の端からの距離の２倍程度まで網羅すると、ほとんどの電気力線を吸収することができる。また、ｄ＜５００μｍであることが望ましい。５００μｍは、間に挟まれる誘電体の誘電率と利用する高周波の帯域から電極間のカップリングが効率よく行われる上限値である。このようにすることで、ＲＦ電流磁界用配線３０に高周波電流を通すと、磁気記録素子（ＭＴＪ）に交流磁界を印加し、磁気記録層の磁化の反転を、より低い電流で行うができる。
【００２３】
次に、磁気記録素子の書き込み、読み出しの動作原理を説明する。
【００２４】
まず、磁気記録素子における「書き込み」の基本的なメカニズムについて図２（ａ）、２（ｂ）を参照して説明する。図２（ａ）は、磁化固着層２から磁気記録層６に向かって、通常の電流とは逆向きとなる電子電流２５を流した場合、図２（ｂ）は、磁気記録層６から磁化固着層２に向かって電子電流２５を流した場合の模式的断面図である。
【００２５】
磁化固着層２および磁気記録層６の膜面を横切るように電子電流２５を流して、磁気記録層６に対する書き込みを行うメカニズムは、以下のように説明される。非磁性バリア層４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。ここで、「ノーマルタイプ」の磁気抵抗効果とは、非磁性バリア層４の両側の磁性層、すなわち本実施形態では、磁化固着層２と磁気記録層６の磁化が平行の時よりも反平行の時に電気抵抗が高くなる場合をいう。つまり、ノーマルタイプの場合、非磁性バリア層４を介した磁化固着層２と磁気記録層６との間の電気抵抗は、磁化固着層２と磁気記録層６の磁化が平行な時には反平行の時よりも低くなる。
【００２６】
まず、図２（ａ）において、膜面に対して略垂直方向の磁化１２を有する磁化固着層２を通過した電子は、磁化１２と同じ方向のスピンをもつようになり、これが磁気記録層６へ流れると、このスピンのもつ角運動量が磁気記録層６へ伝達され、磁気記録層６の磁化１４に作用する。いわゆるスピントランスファトルクが、磁気記録層６の磁化に働くことになる。これにより、磁気記録層６は、磁化固着層２の磁化１２と同じ向き（図２（ａ）において上向き）の磁化１４を持つことになる。この向き（図２（ａ）おいて上向き）の磁化１４を有する磁気記録層６に、例えばデータ「０」を割り当てる。すなわち磁気記録層６の磁化の向きと磁化固着層２の磁化の向きが平行の時にデータ「０」を割り当てる。
【００２７】
また、図２（ｂ）は、電子電流２５の向きを反転させた場合、すなわち磁気記録層６から磁化固着層２に向かって電子電流２５を流した場合を示している。磁気記録層６から非磁性バリア層４を通過した電子において、磁化固着層２の磁化１２と同じ向き（図２（ｂ）において上向き）のスピンをもった電子は磁化固着層２を通過するが、磁化１２と逆向き（図２（ｂ）において下向き）のスピンをもった電子は磁化固着層２と非磁性バリア層４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磁気記録層６へ伝達され、磁化１４に作用する。これにより、磁気記録層６は磁化１２と逆向き（図２（ｂ）において下向き）の磁化１４を持つことになる。いわゆるスピントランスファトルクが、磁気記録層６の磁化に働くことになる。この向き（図２（ｂ）おいて下向き）の磁化１４を有する磁気記録層３０に、例えばデータ「１」を割り当てる。すなわち磁気記録層６の磁化の向きと磁化固着層２の磁化の向きが反平行の時にデータ「１」を割り当てる。なお、図２（ａ）、２（ｂ）において、符号１６は、ＲＦ電流磁界用配線３０によって発生する電流磁界を示している。
【００２８】
上述のような作用によって磁気記録層６の磁化の向きが決定され、この磁化の向きに対応してデータ「０」とデータ「１」とが適宜割り当てられて、磁気記録素子における「書き込み」が完了する。以上、非磁性バリア層４を介した磁化固着層２と磁気記録層６との間の磁気抵抗効果が「ノーマルタイプ」の場合について説明した。
【００２９】
磁気抵抗効果が「リバースタイプ」の場合は、非バリア層４の両側の磁性層の磁化が反平行の時よりも平行の時に電気抵抗が高くなる場合をいう。つまり、リバースタイプの場合、非磁性バリア層４を介した磁化固着層２と磁気記録層６との間の電気抵抗は、磁化固着層２と磁気記録層６の磁化が平行な時には反平行な時よりも高くなる。これによって、磁化固着層２を通過した電子は、磁化１２と逆向きのスピンを持つようになる。また、磁化１２と同じ向きのスピンを持った電子は反射され、磁化１２と逆向きのスピンを持った電子は磁化固着層２を通過することになる。以下の「書き込み」のメカニズムは、磁気抵抗効果が「ノーマルタイプ」の場合と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００３０】
次に、磁気記録素子における「読み出し」のメカニズムについて、図３（ａ）、３（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）は、磁化固着層２の磁化１２の向きと、磁気記録層６の磁化１４の向きが平行の時に、データを読み出すためのセンス電流２６を流した場合を示し、図３（ｂ）は、磁化固着層２の磁化１２の向きと、磁気記録層６の磁化１４の向きが反平行の時に、データを読み出すためのセンス電流２６を流した場合を示す断面図である。
【００３１】
本実施形態に係る磁気記録素子において、磁気記録層６の磁化１４の方向の検出は、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」を利用して行うことができる。すなわち、磁気抵抗効果を利用する場合、磁化固着層２と磁気記録層４との間でセンス電流２６を流し、磁気抵抗を測定すればよい。センス電流２６の電流値は、記録時に流す電子電流２５の電流値よりも小さい。
【００３２】
図３（ａ）に示す状態の磁気記録素子においては、センス電流２６を流して検出される磁気抵抗は、ノーマルタイプの磁気抵抗効果において相対的に小さな値となり、リバースタイプの磁気抵抗効果においては、相対的に大きな値となる。これと反対に、図３（ｂ）に示す状態の磁気記録素子においては、センス電流２６を流して検出される磁気抵抗は、ノーマルタイプの磁気抵抗効果において相対的に大きな値となり、リバースタイプの磁気抵抗効果においては相対的に小さな値となる。これら抵抗が互いに異なる状態に、それぞれデータ「０」とデータ「１」を対応づけることにより、２値データの記録読み出しが可能となる。なお、センス電流２６の向きは、図３に示した矢印方向と逆向き（図において下から上への向き）にしてもよい。
【００３３】
次に、第１実施形態による磁気メモリの動作原理について説明する。
【００３４】
まず、本実施形態における磁気メモリの記録時の動作について説明する。本実施形態の磁気メモリにおいては、電子電流２５が図１において磁化固着層２から磁気記録層６へ（図１において下から上へ）流れる場合、上述の通り、磁化固着層２を通過する電子は、磁化１２と同じ方向のスピンを持つようになるため、磁気記録層６は磁化１２と同じ方向（図１において上方向）の磁化１４を持つことになる。この書き込み作用と同時に、ＲＦ電流磁界用配線３０に交流電流を流す。その結果、ＲＦ電流磁界用配線３０から高周波磁界が発生する。
【００３５】
これに対して、電子電流２５が図１において磁気記録層６から磁化固着層２へ（図１において上から下へ）流れる場合、磁化固着層２の磁化１２と同じ方向のスピンを持った電子は磁化固着層２を通過するが、磁化１２と逆向きのスピンを持った電子は磁化固着層２と非磁性バリア層４との界面において反射される。この反射された電子が磁気記録層６へ流れると、電子のスピンの影響を受けて、磁気記録層６は磁化１２とは逆方向（図１において下方向）の磁化１４を持つことになる。
【００３６】
ＲＦ電流磁界用配線３０から発生される高周波磁界の周波数は、例えば約１ＧＨｚ〜６０ＧＨｚ程度である。この高周波磁界の方向は、磁気記録層６の磁化容易軸に対して垂直方向、すなわち磁化困難軸の方向の成分を有する。したがって、ＲＦ電流磁界用配線３０から発生した高周波磁界は、磁気記録層６の磁化困難軸の方向に印加される。ＲＦ電流磁界用配線３０から発生した高周波磁界が、磁気記録層６の磁化困難軸の方向に印加されると、磁気記録層６の磁化１４は磁気共鳴し、非常に反転し易くなる。
【００３７】
磁気記録層６の磁化１４が反転し易くなると、磁化反転速度の高速化を図ることが可能となる。また、磁気記録層６の磁化１４の反転バラツキが低減される。これによって、書き込み電流の電流値を小さくすることが可能となる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、高周波磁界を発生させるＲＦ電流磁界用配線３０と磁気記録層６とが隣接し、かつＲＦ電流磁界用配線３０とビット線２０を電気的に独立させると、ビット線２０へ流す電流の電流値とは独立にＲＦ電流磁界用配線３０の電流値を決定することができ、最適な高周波磁界の強度を設定することで、磁気記録層６の磁化１４の反転効率と制御性がよい。これにより、熱揺らぎ耐性およびＭＲ（Magneto Resistive effect）特性を劣化させることなく、反転速度の高速化、および磁化反転のバラツキを低減させることが可能となる。また、書き込み電流の電流値を低減させることも可能となる。
【００３９】
なお、本実施形態においては、図１に示すように磁化固着層が一つの磁気記録素子１を用いたが、図４に示すように、磁気記録層６の上に非磁性バリア層７を介してさらに磁化固着層８が形成された構造、すなわちデュアルピン構造の磁気記録素子１Ａを用いてもよい。この場合、スピン注入による磁化反転のため臨海反転電流を下げることができる。
【００４０】
このデュアルピン構造の磁気記録素子１Ａは、磁化固着層２、非磁性バリア層４、磁気記録層６、非磁性バリア層７、磁化固着層８、がこの順に積層された構造を有する。磁化固着層２、磁気記録層６、磁化固着層８は磁性材料からなる。磁性固着層は図示していない反強磁性層を隣接して設けることにより、磁化を強固に固着することが可能となる。磁化固着層２と、磁気記録層６と、磁化固着層８と、はそれぞれ単一の磁性膜からなっていてもよいが、非磁性膜を介して互いに強磁性結合または反強磁性結合した磁性膜の積層構造であってもよい。例えば、磁性膜／非磁性膜／磁性膜の３層積層構造や、磁性膜／非磁性膜／磁性膜／非磁性膜／磁性膜の５層積層構造であってもよい。
【００４１】
磁化固着層２と磁化固着層８の磁化の向きは互いに反平行となるように固着されている。非磁性バリア層４、７は、非磁性材料からなり、非磁性層を挟む２つの磁性層間（磁気記録層６と磁化固着層２との間、磁気記録層６と磁化固着層８との間）に働く直接的な相互作用が無視できる程度に両磁性層を隔離するだけの層厚を有する。同時に、磁気記録素子１Ａに電流を流した場合に、一方の磁性層（例えば、磁化固着層２）を透過した伝導電子が他方の磁性層（例えば、磁気記録層６）に至るまでに電子のスピンの方向が反転しないことが要求されるため、非磁性バリア層２、７の層厚はスピン拡散長よりも薄いことが望ましい。このことは、図１に示すシングルピン構造の磁気記録素子１の非磁性バリア層２についても同じことが言える。
【００４２】
次に、デュアルピン構造の磁気記録素子１Ａの書き込み動作原理を図５（ａ）、５（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）、５（ｂ）は、図４に示すデュアルピン構造の磁気記録素子１Ａにおける「書き込み」のメカニズムを説明するための断面図であり、図５（ａ）は、磁化固着層８から磁化固着層２の方向に向かって電子電流２５を流した場合、図５（ｂ）は、磁化固着層２から磁化固着層８の方向に向かって電子電流２５を流した場合の磁化の向きを示す断面図である。
【００４３】
まず、図５（ａ）において、膜面に対して略垂直方向の磁化を有する磁化固着層８を通過した電子は、磁化固着層８と同じ方向のスピンを持つようになり、これが非磁性バリア層７を通って磁気記録層６へ流れると、このスピンの持つ角運動量が磁気記録層６へ伝達され、磁気記録層６の磁化に作用する。一方、磁気記録層６および非磁性バリア層４を通過した電子において、磁化固着層２の磁化と同じ向きのスピンを持った電子は磁化固着層２を通過するが、逆向きのスピンを持った電子は磁化固着層２と非磁性バリア層４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磁気記録層６へ伝達され、磁気記録層６の磁化に作用する。この二つの作用により、磁気記録層６は、図５（ａ）中において、磁化固着層８の磁化と同じ向きの磁化、すなわち図５（ａ）においては下向きの磁化を持つことになる。
【００４４】
図５（ｂ）において、膜面に対して略垂直方向の磁化を有する磁化固着層２を通過した電子は、磁化固着層２と同じ方向のスピンを持つようになり、これが非磁性バリア層４を通って磁気記録層６へ流れると、このスピンのもつ角運動量が磁気記録層６へ伝達され、磁気記録層６の磁化に作用する。一方、磁気記録層６および非磁性バリア層７を通過した電子において、磁化固着層８の磁化と同じ向きのスピンを持った電子は磁化固着層８を通過するが、逆向きのスピンを持った電子は磁化固着層８と非磁性バリア層７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磁気記録層６へ伝達され、磁気記録層６の磁化に作用する。この二つの作用により、磁気記録層６は、磁化固着層２の磁化と同じ向きの磁化、すなわち図５（ｂ）においては上向きの磁化を持つことになる。
【００４５】
本実施形態においては、磁気記録素子の磁化固着層および磁気記録層として、磁化の向きが膜面に略垂直に固着された磁化固着層２と、磁化の方向が膜面に略垂直で向きが可変の磁気記録層６と用いたが、磁化の向きが膜面に略平行に固着された磁化固着層と、磁化の方向が膜面に略平行で向きが可変の磁気記録層と用いてもよい。この場合、ＲＦ電流磁界用配線３０は、このＲＦ電流磁界用配線３０に高周波電流を流したときに発生する高周波磁界が磁気記録層の磁化困難軸方向に作用するように設ける必要がある。例えば、一例として、ＲＦ電流磁界用配線３０は、磁気記録素子１の直上でかつ磁気記録層６の磁化容易軸方向と平行な方向に延在するように設ければ、高周波磁界が磁気記録層の磁化困難軸方向に作用することになる。
【００４６】
次に、本実施形態に係る磁気記録素子を構成する各要素について詳述する。
【００４７】
まず、第１実施形態に係る磁気記録素子の形状および材料について説明する。
【００４８】
磁化容易軸が膜面に対して略垂直方向である磁性膜を含む磁化固着層２または磁気記録層６は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、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）、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。これらは、構成す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、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金、あるいはＣｏ／ＰｔもしくはＣｏ／Ｐｄの積層構造などからなっていてもよい。
【００４９】
磁化容易軸が膜面に対して略垂直方向となる磁性膜を含む磁化固着層２または磁気記録層６は、これらの連続的な磁性体のみならず、磁性体からなる微粒子が非磁性体内にマトリクス状に析出した複合構造、もしくは非磁性体で覆われた構造（後述する微小磁性体）とすることもできる。このような複合構造としては、例えば、「グラニュラー磁性体」、「コアシェル構造」などと称されるものを挙げることができる。微粒子を含む複合構造は、素子の微細化に適しているため，高密度化に適している。磁性微粒子の形状は、円柱形や球形である。複合構造に関し、非磁性体をＡｌ２Ｏ３−Ｘ、ＭｇＯ１−Ｘ、ＳｉＯＸ、ＺｎＯＸ、ＴｉＯＸなどの酸化物系の高抵抗材料とする場合には、書き込み電流としてのスピン注入電流は微粒子へ集中するため、低電流密度での磁化反転が可能となる。また、これらの複合構造において、特に非磁性材料として非磁性バリア層４と同じ材料を用いると、磁性体からなる微粒子の結晶制御および磁気異方性制御が容易となる。
【００５０】
磁化容易軸が膜面に対して略平行方向となる磁性膜を含む磁化固着層２または磁気記録層６は、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、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からなる。
【００５１】
ただし、磁化容易軸が膜面に略垂直または略平行のいずれの場合も、磁気記録層６の磁気異方性Ｋｕは、Ｋｕ・Ｖ／（ｋＢ・Ｔ）＞３０の条件を満たすことが記録保持の観点で望ましい。前述の式は熱揺らぎに対し、どれくらい磁化の向きが耐えうるか、を示す式となっている。下限値３０の根拠は、この磁気メモリが動作する環境温度でも、十分なマージンをとることが出来る値となっている。なお、磁気異方性Ｋｕで定義しないのは、磁性層の体積も熱揺らぎに影響を与えるためで、一般的に垂直磁化膜を用いた場合の指標となっている数値である。ここで、Ｖは、磁気記録層６の磁性体の体積を表し、ｋＢは、ボルツマン定数を表し、Ｔは、磁気記録層６の温度を表す。
【００５２】
また、磁化固着層２または磁気記録層６は、磁性膜を積層フェリ膜にしたものでもよい。これは、磁化固着層２の磁化を効率的に固着するためである。また、特性向上のために異なる磁性膜と磁性膜との積層構造とすることもできる。さらに、磁化容易軸が膜面に対して略平行方向となる磁性膜と略垂直方向となる磁性膜とを積層したものでもよい。
【００５３】
磁気記録層６の厚さは、１ｎｍから１５ｎｍの範囲（積層構造の場合には非磁性膜の厚さを除く）であることが望ましい。これは、素子特性を損なうことなく磁気記録層６の磁化反転を起こすためである。
【００５４】
非磁性バリア層４は、読み出し時にＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistive effect）効果により大きな再生信号出力を得るためのトンネルバリア層として絶縁材料を用いることができる。具体的には、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）、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、フッ化物などを非磁性バリア層４に用いることができる。
【００５５】
非磁性バリア層４は、特に、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３−Ｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ＳｉＯ２−Ｘ、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、ＺｎＯｘ、ＴｉＯｘなどの絶縁体、もしくは大きなエネルギーギャップを有する半導体(ＧａＡｌＡｓなど)からなるものが好ましい。また、非磁性バリア層に関しては、絶縁体に設けられたピンホール内に磁性材料が挿入されたナノコンタクトＭＲ（Magneto Resistive effect）材料や、絶縁体に設けられたピンホール内に銅（Ｃｕ）が挿入されたＣＣＰ（Confined Current Pass）−ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane)−ＭＲ材料などから構成することにより、大きな再生信号出力を得ることができる。
【００５６】
非磁性バリア層４がトンネルバリア層の場合、その厚さを例えば約０．２ｎｍ〜２．０ｎｍ程度の範囲内の値とすることが、大きな再生信号出力を得るに当たっては好ましい。同様に、非磁性バリア層がナノコンタクトＭＲ材料の場合、その厚さを例えば約０．４ｎｍ〜４０ｎｍ程度の範囲内の値とすることが、大きな再生信号出力を得るに当たっては好ましい。
【００５７】
本実施形態に係る磁気記録素子１の断面形状は、図１に示す磁気メモリにおいては、各層の膜面に対して略平行方向の寸法（図１において略横方向の寸法）は全て同じであるが、これに限定されず、配線の接続のため、または磁化方向の制御のために各層の寸法が互いに異なるようにしてもよい。例えば、膜面に対して略平行方向の寸法（図１において略横方向の寸法）が上層に向かって連続的に小さくなっている台形であってもよいし、膜面に対して略平行方向の寸法（図１において略横方向の寸法）が各層ごとに非連続な形状（例えば凸形状）であってもよい。このような場合でも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
本実施形態に係る磁気記録素子１の平面形状は、磁化容易軸が膜面に対して略垂直方向である磁気記録層６の場合、縦横のアスペクト比は例えば約１〜１０程度の範囲であることが望ましい。磁性層の平面形状における寸法は、短軸方向の一辺が例えば約５ｎｍ〜３００ｎｍ程度の範囲内とすることが望ましい。また、磁化容易軸が膜面に対して略平行方向である磁気記録層６の場合、縦と横の比が例えば約１：１．２〜１：５程度の範囲にあるような長方形、横長（縦長）の６角形、楕円形、菱形、平行四辺形などとすることが望ましい。つまり、縦と横のアスペクト比（＝縦／横）で表示すると、例えば約１．２〜５程度の範囲となる。
【００５９】
また、本実施形態に係るＲＦ電流磁界用配線３０とグランド線３５の材料としては、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｂｉのうちのいずれか、または、これらのいずれか一種以上を含む合金、あるいは、これらからなる積層膜を用いることができる。
【００６０】
次に、本実施形態の磁気記録素子について行った磁気記録層６の磁化反転（共鳴励起スピン注入磁化反転）のシミュレーションについて説明する。
【００６１】
図６は、高周波磁界を磁気記録層６に印加せずに書き込みを行った場合の磁化反転の時間変化を例示したグラフである。図７は、高周波磁界を磁気記録層６に印加しつつ書き込みを行った場合の磁化反転の時間変化を例示したグラフである。図８（ａ）〜図８（ｅ）は、異なる周波数を有する高周波磁界を磁気記録層６に印加しつつ書き込みを行った場合の磁化反転の時間変化を例示したグラフであり、図８（ａ）は周波数が０．１ＧＨｚ、図８（ｂ）は周波数が２ＧＨｚ、図８（ｃ）は周波数が４ＧＨｚ、図８（ｄ）は周波数が１０ＧＨｚ、図８（ｅ）は周波数が１５ＧＨｚの場合を示している。図６〜図８（ｅ）の横軸は、書き込み電流を流してから磁化反転するまでに要する時間を表している。図６〜図８（ｅ）の縦軸は、磁気記録層の磁化の向きを表している。すなわち、縦軸の値が１．０から−１．０へと変化した時に、磁化反転が起きたことを表している。
【００６２】
本シミュレーションは、次式に示すスピントランスファトルクを組み込んだLandau-Lifshitz-Gilbert方程式に基づいている。次式において、Ｍは磁気記録層６の磁化１４のベクトルを表しており、ｍ、ｍｐｉｎは磁気記録層６の磁化１４および磁化固着層２の磁化１２の単位ベクトルをそれぞれ表している。Ｈｅｆｆは磁気記録層６にかかる有効磁界であり、ここに高周波磁界の効果を追加した。また、γはスピン偏極率、αはダンピング定数、Ｉは電流、ｅは電荷素量、ｇはスピントランスファトルク効率を表す。
【数１】
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【００６３】
本シミュレーションにおける磁気記録素子１の基本構造は、磁気記録層６／非磁性バリア層４／磁化固着層２とする。磁気記録層６は膜厚が２．５ｎｍのコバルト（Ｃｏ）とし、磁化固着層２は膜厚が４０ｎｍのコバルト（Ｃｏ）とする。磁気記録層６は約１２０ｎｍ×９０ｎｍの楕円形とする。磁気記録層６の磁化容易軸方向は膜面に対して略平行方向であり、特に略楕円長軸方向である。異方性磁界は、典型的な１５０Ｏｅ（エルステッド）を想定した。なお、これらのパラメータは事前の実験結果に基づいて選定を行った。
【００６４】
この磁気記録素子における臨界反転電流密度Ｊｃは、２×１０７Ａ／ｃｍ２と算出される。ただし、この臨界反転電流密度Ｊｃは、準静的な電流を流した場合に反転に必要な電流値であり、パルス幅が短くなると前述のように臨界反転電流密度Ｊｃの数倍以上の反転電流密度が必要となる。
【００６５】
図６に示すシミュレーション結果においては、高周波磁界を磁気記録層６に印加することなく、臨界反転電流密度Ｊｃの２．８６倍の電流によって磁化反転（書き込み）を行った。図６において、複数の曲線が存在するが、これは磁気記録層６の磁化１４の初期角度が異なる結果を重ねて示したためである。磁気記録層６の磁化１４の初期角度は、磁化容易軸方向に対して最大０．５７度まで分布している。臨界反転電流密度Ｊｃの２．８６倍の電流を磁気記録素子に垂直に流しているにもかかわらず、磁気記録層６の磁化１４の初期角度によって反転時間に差異が生じていることが分かる。このため、書き込み電流のパルス幅が例えば約５ｎｓ程度の場合には、反転確率が約１／２程度となる。パルス幅が例えば約５ｎｓ程度において、高周波磁界を磁気記録層６に印加せずに反転確率を１にするためには、より大きな書き込み電流が必要であることが、このシミュレーション結果から分かる。
【００６６】
図７に示すシミュレーション結果においては、振幅３Ｏｅ、周波数４．７５ＧＨｚの高周波磁界を磁気記録層６の磁化困難軸方向に印加しつつ、図６に示す場合のシミュレーションと同様に、臨界反転電流密度Ｊｃの２．８６倍の電流によって磁化反転（書き込み）を行っている。磁気記録層６の磁化１４の初期角度は、図６に示す場合のシミュレーションと同様に、磁化容易軸方向に対して最大０．５７度まで分布させた。ここでも、初期角度が異なる結果を重ねて示している。図６に示す場合のシミュレーションに対して、高周波磁界を磁気記録層６に印加したことによって、磁気記録層６の磁化１４の初期角度に依らず、約１．３ｎｓの時間で磁化が反転していることが分かる。これは、高速かつ低バラツキの磁化反転が可能になったこと示しており、実質的に記録電流密度を低減できることが可能になったことを意味している。
【００６７】
図８（ａ）乃至図８（ｅ）に示すシミュレーション結果においては、振幅７．５Ｏｅの高周波磁界を磁気記録層６の磁化困難軸方向に印加しつつ、図７に示す場合のシミュレーションと同様に、臨界反転電流密度Ｊｃの２．８６倍の電流によって磁化反転（書き込み）を行っている。本シミュレーションの結果から、高周波磁界の周波数が、０．１ＧＨｚ、２ＧＨｚ、１０ＧＨｚ、１５ＧＨｚのいずれの場合においても、磁気記録層６の磁化１４の初期角度によって反転時間に差異が生じていることが分かる（図８（ａ）、８（ｂ）、８（ｄ）、８（ｅ））。これに対して、図８（ｃ）に示すように、高周波磁界の周波数が４ＧＨｚの場合においては、磁気記録層６の磁化１４の初期角度に依らず、約０．９ｎｓの時間で磁化が反転していることが分かる。すなわち、高速かつ低バラツキの磁化反転を実現するための条件として、磁気記録層６が磁気共鳴を起こすような例えば約４ＧＨｚ程度の周波数が好ましいことが分かる。なお、磁気記録素子１における磁気共鳴の周波数は、磁気記録素子１をネットワークアナライザーに繋いで、高周波に対する磁気記録素子１のレスポンス（透過率もしくは反射率）を評価することで確認することができる。
【００６８】
次に、磁化容易軸が膜面に対して略垂直である磁気記録層６についてのシミュレーション結果を、図９を参照して説明する。図９は、高周波磁界を磁気記録層６に印加しつつ書き込みを行った場合の、磁化反転に要する時間の周波数依存性および高周波磁界強度依存性のシミュレーション結果を示す。磁気記録素子の特性として、垂直磁気異方性Ｋｕは６．２×１０６ｅｒｇ／ｃｃ、飽和磁化Ｍｓは９７０ｅｍｕ／ｃｃ、を想定した。この場合の異方性磁界Ｈｋは１２．８ｋＯｅ、直流電流による臨界反転電流密度Ｊｃは１．６９×１０６Ａ／ｃｍ２となる。
【００６９】
また、本シミュレーションにおける磁気記録素子１の基本構造は、図６〜図８（ｅ）に示す場合のシミュレーションと同様に、磁気記録層６／非磁性バリア層４／磁化固着層２の積層構造とする。具体的には、ＦｅＸＹ／ＭｇＯ／ＦｅＸＹを想定している。すなわち、磁気記録層６および磁化固着層２の材料としてはＦｅＸＹからなり、非磁性バリア層４の材料としてはＭｇＯからなっている。ここで、Ｘはクロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）よりなる群から選択された少なくとも一つの元素である。Ｙは白金（Ｐｔ）もしくはパラジウム（Ｐｄ）である。なお、ＦｅＸＹからなる磁化固着層２または磁気記録層６と、ＭｇＯからなる非磁性バリア層４との界面に、ＦｅＸからなる界面層を挿入するとＴＭＲ効果（Tunneling Magneto Resistive effect）を更に大きくすることができる。
【００７０】
この磁気記録素子１に対して、磁化困難軸方向となる膜面に対して平行方向へ１ＧＨｚ〜７ＧＨｚの高周波磁界を印加して磁化反転の挙動を調べた。高周波磁界の強度は、２６Ｏｅ、６４Ｏｅ、１２８Ｏｅと変化させた。電流は、臨界反転電流密度Ｊｃの１．６４倍の電流によって磁化反転（書き込み）を行っている。図６〜図８（ｅ）に示す場合のシミュレーションと同様に、磁気記録層６の磁化１４の初期角度によって反転時間に差異が生じるが、これらの中で最長となる反転時間を高周波磁界の周波数に対してプロットした結果を図９に示す。なお、図９において高周波磁界の周波数がゼロの近傍には、高周波磁界を印加していない場合の反転時間を示した。これにより、高周波磁界を印加していない場合には、反転に要する時間は約２０ｎｓ程度にも達することが分かる。この結果から、例えば約８ｎｓ程度のパルス幅を持ち、電流密度が２．７７×１０６Ａ／ｃｍ２となる電流パルスを用いて磁化反転（書き込み）を行う場合、高周波磁界を印加しない状態では磁化反転は起こらない。しかし、例えば約２．２ＧＨｚ程度の周波数で異方性磁界Ｈｋの０．２％〜１％程度の強さの高周波磁界を印加することで、反転確率が１となる磁化反転が可能となることが分かる。また、高周波磁界の強度が強くても、周波数が共鳴条件から外れると不利になることが分かる。
【００７１】
以上説明したように、磁気記録層６の磁化１４が膜面に対して平行方向の場合でも、垂直方向の場合でも、磁気記録層６が磁気共鳴を起こす周波数と同じ周波数をもつ高周波磁界を磁気記録層６の磁化困難軸方向に印加することにより、高速かつ低バラツキの磁化反転が可能となり、実質的に記録電流密度を低減できることが可能となる。
【００７２】
次に、本実施形態の磁気メモリについて行った高周波交流電流透過率のシミュレーションについて、図１０乃至図１１（ｃ）を参照して説明する。
【００７３】
図１０乃至図１１（ｃ）は、ビット線に直交してＲＦ電流磁界用配線を配置した系でのＲＦ電流磁界用配線に高周波交流電流を流した場合の透過率Ｓ２１、反射率Ｓ１１の周波数変化のシミュレーション結果を示すグラフである。図１０は、本実施形態による磁気メモリのシミュレーション結果を示すグラフ、すなわちＲＦ電流磁界用配線３０の直上に誘電体をはさんでグランド線３５を配置した構造でＲＦ電流磁界用配線３０に高周波交流電流を流した場合のシミュレーション結果を示す図である。図１１（ａ）は、比較例１による磁気メモリのシミュレーション結果、すなわちＲＦ電流磁界用配線単独で高周波交流電流を流した場合のシミュレーション結果を示すグラフである。また、図１１（ｂ）は、比較例２による磁気メモリのシミュレーション結果、すなわちＲＦ電流磁界用配線と同一面内にＲＦ電流磁界用配線をはさんでグランド線を配置し、ＲＦ電流磁界用配線に高周波交流電流を流した場合のシミュレーション結果を示す図。また、図１１（ｃ）は、比較例３による磁気メモリのシミュレーション結果、すなわち本実施形態と同様にＲＦ電流磁界用配線の直上に誘電体をはさんでグランド線が配置されている構造であるが、本実施形態に比べてギャップ間隔ｄ（図１参照）が狭い構造に高周波交流電流を流した場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【００７４】
図１０乃至図１１（ｃ）の横軸は、ＲＦ電流磁界用配線に流す交流の周波数を表し、縦軸は、ＲＦ電流磁界用配線に流れる透過率Ｓ２１および反射率Ｓ２２を表している。
【００７５】
本シミュレーションに用いたＲＦ電流磁界用配線の構造は、図１０、図１１（ｃ）に示す本実施形態、比較例３においては、高さＨ１が０．５μｍ、幅Ｗ１が１μｍとする。図１１（ａ）、１１（ｂ）に示す比較例１、２においては、高さＨ１が０．５μｍ、幅Ｗ１が１０μｍとしている。また、図１０に示す本実施形態に係るグランド線は、幅Ｗ２が１μｍ、高さＨ２が５μｍ、ＲＦ電流磁界用配線とのギャップｄが０．１μｍである。図１１（ａ）、１１（ｂ）に示す比較例１、比較例２のグランド線は、それぞれ高さＨ２が０．５μｍ、幅Ｗ２が１５μｍ、ＲＦ電流磁界用配線とのギャップｄは５μｍであり、図１１（ｃ）に示す比較例３のグランド線は、高さＨ２が５μｍ、幅Ｗ２が１０μｍ、ＲＦ電流磁界用配線とのギャップｄが０．０５μｍとする。ＲＦ電流磁界用配線およびグランド線の材料はいずれも金（Ａｕ）とした。なお、これらのパラメータは事前の実験結果に基づいて選定を行った。
【００７６】
図１０に示す本実施形態による磁気メモリのシミュレーション結果からわかるように、４０ＧＨｚで透過率Ｓ２１が９６％、反射率Ｓ２２が３％となっており、本実施形態の構造では高周波電流を通すことが可能となる。
【００７７】
図１１（ａ）に示す比較例１のシミュレーション結果からわかるように、４０ＧＨｚの周波数で透過率Ｓ２１が２９％に減衰し、反射率Ｓ２２が１９％と増大しており、通常のビット線に高周波電流を流そうとしても通らない。
【００７８】
また、図１１（ｂ）に示す比較例２のシミュレーション結果においては、４０ＧＨｚで透過率Ｓ２１が５９％に減衰し、反射率Ｓ２２が３７％となっている。これは、グランド線の配置により、透過率Ｓ２１は比較例１と比べ改善しているが、ビット線とＲＦ電流磁界用配線とのオーバラップ面積に加えてビット線とグランド線とのオーバラップ面積が増加するため反射率Ｓ２２が増大している。
【００７９】
図１１（ｃ）に示す比較例３のシミュレーション結果からわかるように、４０ＧＨｚで透過率Ｓ２１が０．５％、反射率Ｓ２２が８８％となっており、配線の幅に対してギャップが小さすぎると逆効果になっている。
【００８０】
以上の結果からわかるように、高周波交流を流す場合、ＲＦ電流磁界用配線にグランド線を隣接させ、かつ、対向する他の配線（本実施形態ではビット線）との重なり面積を極力小さくすることで高周波透過率を上げることが可能となる。これは、高周波交流電流は直流電流のように配線の中を伝っていくのではなく、ある特殊な形状のグランド配線で囲むことでエネルギーを閉じ込めて伝達させる必要があるからである。グランド配線をただ配置するだけでは、図１１（ｃ）に示す比較例３の例などのようにロスを生じてしまい、ある特殊な条件が必要である。
【００８１】
本実施形態は上記２点を考慮し、ＲＦ電流磁界用配線３０の上部にグランド線３５を配置することで、ビット線２０との対向面積を可能なかぎり小さくすることで高周波を高効率で流す構造となっている。
【００８２】
（実施例）
次に、実施例を参照しつつ、本実施形態についてさらに詳細に説明する。
【００８３】
本実施例においては、図１に示すと同様の構造をもつ磁気メモリを試作した（サンプル番号Ｓ１）。この磁気メモリの磁気記録素子の各層の材料と層厚は、以下の通りとなっている。まず、ＩｒＭｎからなる反強磁性層（図示せず）上に磁化固着層２が設けられ、この磁化固着層２は、膜厚が４ｎｍのＣｏＦｅＢ膜／膜厚１ｎｍのＲｕ膜／膜厚４ｎｍのＣｏＦｅ膜の積層構造を有している。非磁性バリア層４は層厚が１ｎｍのＭｇＯからなっている。磁気記録層６は、膜厚が１ｎｍのＣｏＦｅ膜と膜厚が１ｎｍのＣｏＦｅＢ膜との積層構造を有している。なお、ＣｏＦｅ膜が非磁性バリア層４側に設けられる。また、ビット線２０の上部に層厚が０．０６μｍのＳｉＯ２層を挟んでＲＦ電流磁界用配線３０が設けられ、このＲＦ電流磁界用配線３０は、幅Ｗ１が０．５μｍ、膜厚Ｈ１が１μｍのＡｕからなっている。そして、このＲＦ電流磁界用配線３０の上部に層厚ｄが０．１μｍのＳｉＯ２層を挟んでグランド線３５を設け、このグランド線３５は、幅Ｗ２が０．５μｍ、膜厚Ｈ２が３μｍのＡｕからなっている。
【００８４】
さらに、比較例１、２として本実施例と同様の磁気記録素子（ＭＴＪ）の上部にＲＦ電流磁界用配線のみを形成した比較例１の試料（サンプル番号Ｒ１）と、比較例１に更にグランド線をＲＦ電流磁界用配線と同一平面に配置した比較例２の試料（サンプル番号Ｒ２）を試作した。したがって、サンプル数は合計３種類である。
【００８５】
これらのサンプルは、次の手順により製造する。
【００８６】
まず、ウェハー上に下部電極４０を形成した後、そのウェハーを超高真空スパッタ装置内に配置する。次に、下部電極（引き出し電極）４０上に、図示しない反強磁性層、磁化固着層２、非磁性バリア層４、磁気記録層６、および図示しないキャップ層をこの順に室温にて積層させる。下部電極４０には、例えばＡｕ（００１）またはＰｔ（００１）バッファ層を用いることができる。ただし、非磁性バリア層４を形成した後は、３００℃にてポストアニールを行った。この基板を磁界中で熱処理を行う炉に入れて、２７０℃で２時間の磁界中で熱処理を行うことで、反強磁性層に交換バイアス機能を付加した。
【００８７】
次に、ＥＢ(electron beam：電子線)レジストを塗布してＥＢ露光を行い、マスクを形成する。マスクの形状は、例えば、７０ｎｍ×１４０ｎｍの楕円とし、その長辺に沿った長手方向が磁気記録層６の磁気異方性の方向に平行となる。そして、イオンミリング装置を用いて、マスクにより被覆されない領域に存在する図示しないキャップ層、磁気記録層６、非磁性バリア層４、磁化固着層２、および図示しない反強磁性層をエッチングする。ここで、エッチング量については、スパッタされた粒子を差動排気による四重極分析器に導入して質量分析を行うことで正確に把握できる。
【００８８】
この後、図示しないキャップ層、磁気記録層６、非磁性バリア層４、磁化固着層２、図示しない反強磁性層からなる積層構造をエッチングした深さと同じ膜厚分ＳｉＯ２を形成したのち、マスクを剥離することで表面を平坦化し、図示しないキャップ層上に上部電極（ビット線）２０を形成する。
【００８９】
次に、ビット線２０とＲＦ電流磁界用配線３０とを電気的に絶縁させるためＳｉＯ2を成膜し、さらにＲＦ電流磁界用配線層を積層させ、ＲＦ電流磁界用配線層を、光リソグラフ技術を用いてパターニングすることによりＲＦ電流磁界用配線３０を形成する。ついでＳｉＯ２層、グランド配線３５の順に積層させ、グランド配線３５を同様のプロセスにて形成する。なお、本実施例によるサンプルＳ１においてはＲＦ電流磁界用配線３０上にグランド配線３５が形成されるが、比較例１によるサンプルＲ１においてはグランド配線３５は形成されず、比較例２によるサンプルＲ２においては、グランド配線３５はＲＦ電流磁界配線３０と同一平面上に、すなわちＲＦ電流磁界用配線３０に対して磁気記録素子１とは反対側ではなく、ＲＦ電流磁界用配線３０の横に形成される。
【００９０】
なお、ＲＦ電流磁界用配線の形成以降は、以下の手法でも形成ができる。先にＲＦ電流磁界用配線とグランド配線の厚さ分、ＳｉＯ２を堆積させ、光リソグラフによるマスク形成、イオンミリング装置による２段階の工程をふむことで階段構造を形成し、ウェハーを略９０度に傾けて電極層を堆積させる。イオンミリング装置にてウェハーに略垂直にＲＦ電流磁界用配線とグランド配線との絶縁がとれるまでエッチングする。周囲をＳｉＯ２で埋め込み、最後にパッドを形成する。
【００９１】
このようにして作製したサンプルに対して、まずはＲＦ電流磁界用配線にネットワークアナライザーを繋いで、高周波に対するレスポンス（透過率もしくは反射率）を評価したところ、シミュレーションを反映した結果が得られ、透過率は、本実施例によるサンプルＳ１＞比較例２のサンプルＲ２＞比較例１のサンプルＲ１の順となった。特に、比較例１のサンプルＲ１については４０ＧＨｚの周波数ではまったく通らない結果となった。ついで、４０ＧＨｚの高周波をＲＦ電流磁界用配線に流しながら２ｎｓｅｃのパルス幅を持つ電流で書き込みテストを５０回行った。その際の書き込み確率の結果は、本実施例のサンプルＳ１では、書き込み確率が１であったのに対し、比較例１のサンプルＲ１では書き込み確率は０であった。比較例２のサンプルＲ２に関してはエレクトロマイグレーションが起こるぎりぎりの状態（参考：電極断面積１．５μｍ２にて３０ｍＡ以下）で書き込みが起こったが、５０回の試行をし終わる前に、ＲＦ電流磁界用配線が壊れてしまった。この結果から明らかなように、本実施例の磁気メモリによれば、磁化反転バラツキがなくなり、高速の磁化反転が可能となり、磁化反転電流を低減化できる。また、非磁性バリア層４として、Ａｌ２Ｏ３−Ｘ、ＳｉＯ２−Ｘ、ＴｉＯＸ、ＺｎＯＸのいずれか用いた場合も同じ効果が得られた。
【００９２】
（第１変形例）
本実施形態の第１変形例による磁気メモリの平面図を図１２に示す。本変形例の磁気メモリは、複数のメモリセルＭＣがマトリクス状に配列されたメモリセルアレイ１００を備えている。各メモリセルＭＣは、磁気記録素子１と、この磁気記録素子１に直列に接続されたＭＯＳトランジスタからなるスイッチング素子５０と、を備えている。同一行のメモリセルＭＣの磁気記録素子１の一端は、同じビット線ＢＬに接続されている。各ビット線ＢＬは、選択素子１０６を介してビット線駆動回路１１０に接続されている。また、メモリセルアレイ１００において、同一列のメモリセルＭＣのスイッチング素子５０のゲートが同一のワード線ＷＬに接続されている。各ワード線ＷＬは、選択素子１１６を介してビット線駆動回路１２０に接続されている。そして、更に、各ビット線ＢＬに並列してＲＦ電流磁界用配線３０が設けられている。このＲＦ電流磁界用配線３０は、磁気記録素子の上部に絶縁層を挟んで配置されるが、ビット線ＢＬとは垂直方向で極力重ならないように、すなわちオーバラップする面積が極力小さくなるように配置される。各ＲＦ電流磁界用配線３０は、選択素子１２６を介して発振器１３０に接続されている。また、各ＲＦ電流磁界用配線３０に並列してグランド線３５が設けられている。このグランド線３５は、図１に示すように、ＲＦ電流磁界配線３０に対して、磁気記録素子１と反対側に設けられる。
【００９３】
発振器１３０は、書き込み時（記録時）のみ、高周波交流電流を発生する。この発振器１３０としては強磁性体/非磁性体/強磁性体からなるスピントルク発振子であってもよいし、磁化固着層、中間層または非磁性バリア層、および磁化自由層の積層構造を基本構造とする磁気発振子であってもよい。また、書き込み時（記録時）にパルス幅が５０ピコ秒以上１８ナノ秒以下の書き込み電流ＩＷを発生させるための電源および読み出し電流ＩＲを発生させるための電源がビット線駆動回路１１０に設けられている。この書き込み電流ＩＷは、ビット線ＢＬを介して磁気記録素子１に流れる。なお、発振器１３０によって発生される高周波電流の周波数は１ＧＨｚ以上であることが好ましい。これは、高周波電流の周波数が１ＧＨｚ未満の場合は、磁気記録層の磁化の反転時間未満となり、高周波磁界の及ぼす影響が実質的になくなるためである。なお、本発明者等の実験結果によれば、高いＫｕ（例えば、１×１０８ｅｒｇ／ｃｍ−３程度）を有する材料を磁気記録層として用いた場合に、共鳴させて磁化を反転させるためには、高周波電流は、４０ＧＨｚ程度の周波数が必要であった。
【００９４】
メモリセルＭＣの選択は、メモリセルに接続されたワード線ＷＬ、ビット線ＢＬ、およびＲＦ電流磁界用配線３０を指定することで可能となる。書き込み時は、ワード線ＷＬを指定することで選択素子１１６をＯＮにし、かつビット線ＢＬ、ＲＦ電流磁界用配線３０を指定することで選択素子１０６，１２６をＯＮにし、メモリセルＭＣへ書き込み電流ＩＷを流すと同時にＲＦ電流磁界用配線３０に高周波電流ＩＡを流して高周波磁界を発生させる。このとき、メモリセルＭＣのサイズ、構造、組成等により決定される臨界磁化反転電流よりも大きな書き込み電流ＩＷをメモリセルに流すことで記録が可能となる。なお、選択素子１０６、１１６、１２６としては、ダイオードを用いてもよい。これらの選択素子１０６，１１６，１２６は、できればＯＮ時の抵抗が低抵抗のものが好ましい。
【００９５】
読み込み時は、ワード線ＷＬおよびビット線ＢＬを選択することで選択素子１１６，１０６をＯＮにし、読み出し電流ＩＲを選択されたメモリセルＭＣの磁気記録素子１に流す。このとき、ＲＦ電流磁界用配線３０の選択素子１２６はＯＦＦにすることで、書き込みと読み出しの電流マージンを拡大することができる。
【００９６】
本実施例の磁気メモリによれば、第１実施形態で説明したＲＦ電流磁界用配線３０を有しているため、書き込み電流ＩＷのパルス幅が１８ｎｓ以下の場合には磁化反転のバラツキを低減させることができ、特に１０ｎｓ以下の場合には磁化反転のバラツキを顕著に低減させることができる。さらに、書き込み電流ＩＷの電流値を低減させることも可能となる。図９に示したシミュレーション結果より、書き込み電流ＩＷのパルス幅が１８ナノ秒を超えると、電流を流すことで発生する熱の影響が大きくなり、高周波磁界の効果はないことがわかる。バラツキ低減の効果を得るにためは、これ以下のパルス幅、特に顕著に効果を得るにためは、１０ナノ秒以下の書込みパルス幅であることが望ましい。一方、パルス幅が５０ピコ秒未満であると、反転に必要な時間を稼ぐことができなくなるとともに、磁気記録層６の磁化を反転させるのに必要な反転電流が大きくなる。
【００９７】
なお、本変形例においては、ＲＦ電流磁界用配線３０とビット線ＢＬとは並列に配置されており、ＲＦ電流磁界用配線３０とビット線ＢＬの重なり面積を最小にしつつ、配線の占める面積も縮小できるという利点がある。
【００９８】
（第２変形例）
本実施形態の第２変形例による磁気メモリの平面図を図１３に示す。本変形例の磁気メモリは、複数のメモリセルＭＣがマトリクス状に配列されたメモリセルアレイ１００を備えている。各メモリセルＭＣは、磁気記録素子１と、この磁気記録素子１に直列に接続されたＭＯＳトランジスタからなるスイッチング素子５０と、を備えている。同一行のメモリセルＭＣの磁気記録素子１の一端は、同じビット線ＢＬに接続されている。各ビット線ＢＬは、選択素子１０６を介してビット線駆動回路１１０に接続されている。また、メモリセルアレイ１００において、同一列のメモリセルＭＣのスイッチング素子５０のゲートが同一のワード線ＷＬに接続されている。各ワード線ＷＬは、選択素子１１６を介してビット線駆動回路１２０に接続されている。そして、更に、各ワード線ＷＬに並列してＲＦ電流磁界用配線３０が設けられている。このＲＦ電流磁界用配線３０は、磁気記録素子１の上部に絶縁層を挟んで配置されるが、ビット線ＢＬとは垂直方向で極力重ならないように、すなわちオーバラップする面積が極力小さくなるように配置される。各ＲＦ電流磁界用配線３０は、選択素子１２６を介して発振器１３０に接続されている。また、各ＲＦ電流磁界用配線３０に並列してグランド線３５が設けられている。このグランド線３５は、ＲＦ電流磁界配線３０に対して、磁気記録素子１と反対側に設けられる。
【００９９】
発振器１３０は、第１変形例と同様に、書き込み時（記録時）のみ、高周波交流電流を発生する。この発振器１３０としては強磁性体/非磁性体/強磁性体からなるスピントルク発振子であってもよいし、磁化固着層、中間層または非磁性バリア層、および磁化自由層の積層構造を基本構造とする磁気発振子であってもよい。
【０１００】
また、書き込み時（記録時）にパルス幅が５０ピコ秒以上１８ナノ秒以下の書き込み電流ＩＷを発生させるための電源および読み出し電流ＩＲを発生させるための電源がビット線駆動回路１１０に設けられている。この書き込み電流ＩＷは、ビット線ＢＬを介して磁気記録素子１に流れる。なお、発振器１３０によって発生される高周波電流の周波数は１ＧＨｚ以上であることが好ましい。これは、高周波電流の周波数が１ＧＨｚ未満の場合は、磁気記録層の磁化の反転時間未満となり、高周波磁界の及ぼす影響が実質的になくなるためである。
【０１０１】
本変形例における書き込み動作および読み出し動作は、第１変形例と同じようにして行うことができる。
【０１０２】
以上説明したように、本実施形態によれば、磁化反転のバラツキを小さくすること、スピン注入による磁化反転の際に、磁化反転のバラツキを小さくするとともに反転電流を低減し、かつ磁化反転を高速化することができる。更に、十分な高周波透過率で交流電流を流すことができる。
【０１０３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気メモリついて、図１４（ａ）、１４（ｂ）を参照して説明する。図１４（ａ）、１４（ｂ）は、本実施形態の磁気メモリに係るメモリセルの断面図であり、対外に直交する方向の断面図である。
【０１０４】
本実施形態の磁気メモリは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルを有し、各メモリセルは、磁気記録素子１と、高周波電流磁界用配線３０（以下、ＲＦ電流磁界用配線ともいう）と、グランド配線３５と、引き出し電極４０と、接続プラグ４５と、スイッチング素子５０とを備えている。本実施形態に磁気メモリは、図１に示す第１実施形態の磁気メモリにおいて、ビット線とＲＦ電流磁界用配線３０とを共通にして兼用した構成となっている。このため、第１実施形態と異なり、ＲＦ電流磁界用配線３０が磁気記録素子１の一端に接続されるとともに、ワード線６０と直交する方向に延在している。また、グランド線３５は、絶縁層を介して、ＲＦ電流磁界用配線３０に沿って設けられるので、ワード線６０と直交する方向に延在している。
【０１０５】
本実施形態は第１実施形態とは異なり、ビット線とＲＦ電流磁界用配線が兼用となっているので、ビット線（ＲＦ電流磁界用配線）には直流電源と、高周波電流を発生する発振器が接続されている。このため、書き込み時にのみ発振器の交流電流を流すことで、書き込みと読み出しのマージンが拡大する。第１実施形態のように高周波交流電流と書き込み電流のラインが独立していないが、図１４に示すように、高周波電流３２はビット線（ＲＦ電流磁界用配線）のみに流れ、磁気記録素子１には流れない。
【０１０６】
なお、磁気記録素子と、この磁気記録素子に直列に接続されたスイッチング素子とを有するメモリセルを備え、上記磁気記録素子に接続されるビット線に交流を流し、共鳴交流電界を形成する技術が米国特許出願公開明細書第２００７／００４７２９４号公報に開示されている。しかし、この技術は、本実施形態と異なり、グランド線が設けられていない。このため、本明細書の図１１（ａ）に示す高周波電流の透過率のシミュレーション結果からわかるように、高周波領域では透過率が減衰するとともに反射率が増大するため、ビット線に高周波電流を流すことができず、本実施形態のような効果を得ることができない。
【０１０７】
第２実施形態における磁気記録素子１、ＲＦ電流磁界用配線３０、グランド線３５、およびスイッチング素子５０の形状および材料については、第１実施形態と同様にすることができる。
【０１０８】
また、磁気記録素子１への書き込みおよび磁気記録素子１からの読み出しは、第１実施形態と同様にして行うことができる。
【０１０９】
本実施形態も第１実施形態と同様に、磁化反転のバラツキを小さくすること、スピン注入による磁化反転の際に、磁化反転のバラツキを小さくするとともに反転電流を低減し、かつ磁化反転を高速化することができる。更に、十分な高周波透過率で交流電流を流すことができる。
【０１１０】
（第３実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気メモリついて、図１５（ａ）、１５（ｂ）を参照して説明する。図１５（ａ）、１５（ｂ）は、本実施形態の磁気メモリに係るメモリセルの断面図であり、対外に直交する方向の断面図である。
【０１１１】
本実施形態の磁気メモリは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルを有し、各メモリセルは、磁気記録素子１と、引き出し電極１８と、高周波電流磁界用配線３０（以下、ＲＦ電流磁界用配線ともいう）と、グランド配線３５と、引き出し電極４０と、接続プラグ４５と、スイッチング素子５０とを備えている。本実施形態に磁気メモリは、図１に示す第１実施形態の磁気メモリにおいて、ビット線２０を、引き出し電極１８を介して磁気記録素子１と電気的に接続させ、ＲＦ電流磁界用配線３０を引き出し電極１８に対して磁気記録素子１と反対側に設けた構成となっている（図１５（ａ）、１５（ｂ））。したがって、ビット線２０は、ＲＦ電流磁界用配線３０の側部に図示しない絶縁層を挟んで設けられている（図１５（ｂ）参照）。そして、第１実施形態と異なり、ＲＦ電流磁界用配線３０は、ビット線２０と平行な方向に、すなわちワード線６０と直交する方向に延在している。また、グランド線３５は、図示しない絶縁層を介して、ＲＦ電流磁界用配線３０に沿って設けられるので、ビット線２０と平行な方向に、すなわちワード線６０と直交する方向に延在している。
【０１１２】
第３実施形態における磁気記録素子１、ＲＦ電流磁界用配線３０、グランド線３５、およびスイッチング素子５０の形状および材料については、第１実施形態と同様にすることができる。
【０１１３】
また、磁気記録素子１への書き込みおよび磁気記録素子１からの読み出しは、第１実施形態と同様にして行うことができる。
【０１１４】
本実施形態も第１実施形態と同様に、磁化反転のバラツキを小さくすること、スピン注入による磁化反転の際に、磁化反転のバラツキを小さくするとともに反転電流を低減し、かつ磁化反転を高速化することができる。更に、十分な高周波透過率で交流電流を流すことができる。
【０１１５】
以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、磁気記録素子の磁化固着層は、反強磁性層であってもよい。また、シンセティック反強磁性層であってもよい。また、本発明の磁気記録素子の層配置は、上下逆転してもよい。  
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の第１実施形態による磁気メモリのメモリセルを示す断面図。
【図２】磁気記録素子における「書き込み」のメカニズムを説明するための模式的断面図。
【図３】磁気記録素子における「読み出し」のメカニズムを説明するための模式断面図。
【図４】デュアルピン構造を有する磁気記録素子の断面図。
【図５】図４に示すデュアルピン構造の磁気記録素子における「書き込み」のメカニズムを説明するための図。
【図６】高周波磁界を磁気記録層に印加せずに書き込みを行った場合の磁化反転の時間変化を示すグラフ。
【図７】高周波磁界を磁気記録層に印加しつつ書き込みを行った場合の磁化反転の時間変化を示すグラフ。
【図８】異なる周波数を有する高周波磁界を磁気記録層６に印加しつつ書き込みを行った場合の磁化反転の時間変化を示すグラフ。
【図９】高周波磁界を磁気記録層に印加しつつ書き込みを行った場合の、磁化反転に要する時間の周波数依存性および高周波磁界強度依存性のシミュレーション結果を示す図。
【図１０】一実施例による磁気メモリの透過率Ｓ２１および反射率Ｓ１１の周波数変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図１１】比較例による磁気メモリの透過率Ｓ２１および反射率Ｓ１１の周波数変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図１２】第１実施形態の第１変形例による磁気メモリの平面図。
【図１３】第１実施形態の第２変形例による磁気メモリの平面図。
【図１４】第２実施形態による磁気メモリに係るメモリセルの断面図。
【図１５】第３実施形態による磁気メモリに係るメモリセルの断面図。
【符号の説明】
【０１１７】
１  磁気記録素子
２  磁化固着層
４  非磁性バリア層
６  磁気記録層（磁化自由層）
１２  磁化
１４  磁化
２０  ビット線
２５  電流
３０  ＲＦ電流磁界用配線
３５  グランド線
４０  引き出し配線
４５  接続プラグ
５０  スイッチング素子（ＭＯＳトランジスタ）
５２  半導体基板
５３  チャネル領域
５４ａ  ソース領域
５４ｂ  ドレイン領域
５６  ゲート絶縁膜
５８  ゲート電極
６０  ワード線
６５  配線
１００  メモリセルアレイ
１１０  ビット線駆動回路
１２０  ワード線駆動回路
１３０  発振器
【図１】
0005283922.tif 000003
【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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