(57)【要約】【課題】本発明の実施形態は、信頼性の高い磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置を提供する。【解決手段】本発明の実施形態によれば、磁気記憶素子は、第１磁性層と、第２磁性層と、第１非磁性層と、第２非磁性層と、を含む。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。前記第１磁性層の磁化は実質的に固定され、前記第２磁性層の磁化の方向は可変である。第１方向は、前記第１磁性層から前記第２磁性層に向かう方向である。前記第２非磁性層の少なくとも一部は、前記第１方向に対して直交する第２方向において、前記第１磁性層の少なくとも一部と重なる。前記第２非磁性層は、前記第１磁性層と電気的に接続される。【選択図】図１
2017174910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１磁性層と、
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
前記第１磁性層と電気的に接続された第２非磁性層と、
を備え、
前記第２非磁性層の少なくとも一部は、前記第１磁性層から前記第２磁性層に向かう第１方向に対して直交する第２方向において、前記第１磁性層の少なくとも一部と重なり、
前記第１磁性層の磁化は実質的に固定され、
前記第２磁性層の磁化の方向は可変である、磁気記憶素子。
【請求項２】
前記第１磁性層の前記第１方向に沿った磁化成分は、前記第２方向における前記第１磁性層の磁化成分よりも大きい、請求項１記載の磁気記憶素子。
【請求項３】
前記第２非磁性層は、前記第２方向において、前記第２磁性層と重ならない、請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
【請求項４】
前記第２非磁性層は、前記第１磁性層に接する、請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項５】
前記第１方向及び前記第２方向と交差する第３方向における前記第１磁性層の長さは、前記第２方向における前記第１磁性層の長さよりも長い、請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項６】
前記第３方向において前記第２磁性層と離間して設けられた第３磁性層をさらに備え、
前記第３磁性層は、前記第１方向において前記第１磁性層と離間して設けられ、
前記第３磁性層の磁化の方向は、可変である、請求項５記載の磁気記憶素子。
【請求項７】
前記第１方向において、前記第１非磁性層と前記第２磁性層との間、及び、前記第１非磁性層と前記第１磁性層との間の少なくともいずれかに設けられた第４磁性層をさらに備えた請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項８】
前記第１方向において、前記第１非磁性層と前記第１磁性層との間に設けられた第４磁性層をさらに備え、
前記第２方向において、前記第２非磁性層の少なくとも一部は、前記第４磁性層の少なくとも一部と重なり、
前記第２非磁性層は、前記第５磁性層と電気的に接続されている、請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項９】
第１磁性層と、
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
前記第１磁性層と電気的に接続された第２非磁性層と、
を備え、
前記第２非磁性層は、前記第１磁性層から前記第２磁性層に向かう第１方向に対して直交する第２方向において、前記第１磁性層と対向する面を有し、
前記第１磁性層の磁化は実質的に固定され、
前記第２磁性層の磁化の方向は可変である、磁気記憶素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気記憶素子と、
前記磁気記憶素子と電気的に接続された制御部と、
を備えた不揮発性記憶装置。
【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、データ記憶部に、例えば、強磁性トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）素子が用いられる。強磁性トンネル接合において、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling MagnetoResistive）効果が得られる。磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置において、信頼性の向上が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１７９６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、信頼性の高い磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、磁気記憶素子は、第１磁性層と、第２磁性層と、第１非磁性層と、第２非磁性層と、を含む。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。第１方向は、前記第１磁性層から前記第２磁性層に向かう方向である。前記第２非磁性層の少なくとも一部は、前記第１方向に対して直交する第２方向において、前記第１磁性層の少なくとも一部と重なる。前記第２非磁性層は、前記第１磁性層と電気的に接続される。前記第１磁性層の磁化は実質的に固定され、前記第２磁性層の磁化の方向は可変である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を例示する模式図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｃ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、磁気記憶素子のシミュレーション結果を例示する模式図である。
【図５】磁気記憶素子の特性を例示する模式的断面である。
【図６】第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
【図７】第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
【図９】第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的斜視図である。
【図１０】第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式図である。
【図１１】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、磁化を例示する模式図である。
【図１２】図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。
【図１３】図１３（ａ）〜図１３（ｄ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。
【図１４】図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。
【図１５】図１５（ａ）〜図１５（ｆ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
【図１６】図１６（ａ）〜図１６（ｄ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
【図１７】図１７（ａ）〜図１７（ｅ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の別の製造方法を例示する模式的断面図である。
【図１８】図１８（ａ）〜図１８（ｄ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の別の製造方法を例示する模式的断面図である。
【図１９】第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式的断面図である。
【図２０】図２０（ａ）〜図２０（ｊ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
【図２１】第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式図である。
【図２２】第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
【図２３】第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式的断面図である。
【図２４】第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。
【図２５】第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。
【図２６】図２６（ａ）〜図２６（ｃ）は、第３の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
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。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。  
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（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を例示する模式図である。  
図１（ａ）は、斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。
【０００９】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、磁気記憶素子１１０は、第１磁性層１０と、第２磁性層２０と、第１非磁性層３１と、第２非磁性層３２と、を含む。磁気記憶素子１１０は、第５非磁性層３５と、第８磁性層１８と、をさらに含む。第５非磁性層３５と、第８磁性層１８と、は、除いてもよい。
【００１０】
第１磁性層１０から第２磁性層２０に向かう方向を第１方向とする。第１方向は、第１磁性層１０、第１非磁性層３１及び第２磁性層２０の積層方向ＳＤ１に対応する。
【００１１】
本願明細書において、積層されている状態は、直接接して重ねられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて重ねられる場合も含む。
【００１２】
第１方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向を、例えば、Ｘ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
【００１３】
第２非磁性層３２の少なくとも一部は、第１方向に対して直交する第２方向において、第１磁性層１０の少なくとも一部と重なる。第２非磁性層３２は、第１磁性層１０と電気的に接続される。第２方向は、Ｘ−Ｙ平面内の１つの方向（任意の方向）である。第２非磁性層３２は、Ｘ−Ｙ平面内の複数の方向において、第１磁性層１０の少なくとも一部と重なっても良い。この例では、第２非磁性層３２は、第１磁性層１０の周りに設けられている。以下では、第２方向をＸ軸方向とする。
【００１４】
例えば、図１（ａ）に示す例では、第１磁性層１０の少なくとも一部は、Ｘ−Ｙ平面内で、第２非磁性層３２に囲まれている。
【００１５】
図１（ｂ）に示すように、第１磁性層１０は、例えば、側面１０ｗを有する。側面１０ｗは、第１方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な方向（Ｘ−Ｙ平面内の方向）と交差する。第２非磁性層３２は、内側面３２ｉｗを有する。内側面３２ｉｗは、第１方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な方向（Ｘ−Ｙ平面内の方向）と交差する。
【００１６】
第２非磁性層３２は、内側面（面）３２ｉｗを有する。第２方向において、第２非磁性層３２の内側面３２ｉｗの少なくとも一部は、第１磁性層１０の側面１０ｗの少なくとも一部と重なる。例えば、第２方向において、内側面３２ｉｗは、側面１０ｗに対向する。内側面３２ｉｗは、側面１０ｗと接しても良い。第２非磁性層３２は、Ｘ−Ｙ平面内で、第１磁性層１０の少なくとも一部の周りに設けられている。例えば、Ｘ−Ｙ平面内において、第２非磁性層３２の一部は、分割されてもよい。
【００１７】
第１磁性層１０の磁化１０ｍの第１方向（Ｚ軸方向）に沿った垂直磁化成分は、第１磁性層１０の磁化１０ｍの第１方向と交差する方向における面内磁化成分よりも大きい。第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、面１０ｓ（例えば主面）に対して非平行である。例えば、通常動作時（例えば書き込み時）に、第１磁性層１０の磁化１０ｍの第１方向に沿った磁化の向きは実質的に変化しない。磁化１０ｍの方向は、例えば、第１磁性層１０の面１０ｓに対して実質的に垂直である。第１磁性層１０は、第１方向において第８磁性層１８及び第５非磁性層３５と重なる。第１方向は、例えば、面１０ｓに対して垂直な成分を有する。第１磁性層１０は、例えば、参照層である。
【００１８】
第２磁性層２０は、第１磁性層１０とＺ軸方向に重なる。第２磁性層２０は、第１磁性層１０とＺ軸方向に離れる。第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向は、可変である。第２磁性層２０には、例えば、合金が用いられる。第２磁性層２０は、例えば、記憶層である。
【００１９】
第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向は、第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向に比べて、動きやすい。第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向は、記憶される情報に応じて変化する。すなわち、磁化２０ｍの方向が、記憶される情報に対応する。一方、第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向と比べて、相対的に動き難い。第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、例えば通常動作時（例えば書き込み時）において、実質的に固定されている。記憶層の磁化の方向に比べて、磁化の方向が動きにくい場合に、「磁化の方向が実質的に固定」であるとする。
【００２０】
第１非磁性層３１は、Ｚ軸方向において第１磁性層１０と第２磁性層２０と重なる。第１非磁性層３１は、第１磁性層１０と第２磁性層２０との間に設けられる。第１非磁性層３１は、例えば、第１磁性層１０及び第２磁性層２０に接する。第１磁性層１０、第１非磁性層３１及び第２磁性層２０は、積層方向ＳＤ１に積層される。
【００２１】
第２非磁性層３２は、第２方向（Ｘ軸方向）において、第２磁性層２０とは重なっていない。
【００２２】
第２非磁性層３２は、例えば、第１磁性層１０に接する。第２非磁性層３２は、Ｙ軸方向において、第１磁性層１０の少なくとも一部と重なってもよい。第２非磁性層３２は、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ及びＰｔの群から選択される少なくとも１つを含む。第２非磁性層３２は、例えば、高スピンポンピング層である。
【００２３】
「スピンポンピング」とは、例えば、ある磁性体ａに、異なる物質ｂが接した場合、磁性体ａの磁化の歳差運動に対する緩和項であるダンピング定数を実行的に上昇させる現象である。本実施形態では、スピンポンピングの効果が大きい層を「高スピンポンピング層」と呼ぶ。
【００２４】
磁気記憶素子１１０を図１（ａ）に示すＡ１−Ａ２線で切断した場合、図１（ｂ）に示すように、第２非磁性層３２は、第１部分領域３２ａと、第２部分領域３２ｂと、に分けられる。第１部分領域３２ａは、第２方向（Ｘ軸方向）において、第２部分領域３２ｂと重なる。第１部分領域３２ａは、第２方向（Ｘ軸方向）において第１磁性層１０の少なくとも一部と重なる。第２部分領域３２ｂは、第２方向（Ｘ軸方向）において第１磁性層１０の少なくとも一部と重なる。第１磁性層１０の少なくとも一部は、第１部分領域３２ａと第２部分領域３２ｂとの間に設けられる。
【００２５】
第２方向（Ｘ軸方向）における第２非磁性層３２と第１磁性層１０との間の距離は、例えば、第２方向（Ｘ軸方向）における第１磁性層１０の長さ１０Ｌ（厚さ）の半分以下でもよい。第２方向における第２非磁性層３２と第１磁性層１０との間の距離は、例えば、第１部分領域３２ａと第１磁性層１０との間の第２方向における距離である。第２方向における第２非磁性層３２と第１磁性層１０との間の距離は、例えば、第２部分領域３２ｂと第１磁性層１０との間の第２方向における距離でも良い。
【００２６】
図１（ａ）及び図１（ｂ）では、単一の磁気記憶素子１１０が表示されている。後述するように（図２４）、磁気記憶素子１１０は、例えば、Ｘ−Ｙ平面内でアレイ状に配列している。例えば、第２方向（Ｘ軸方向）における第２非磁性層３２（第１部分領域３２ａまたは第２部分領域３２ｂ）と第１磁性層１０との間の距離は、第２方向（Ｘ軸方向）において隣り合う磁気記憶素子１１０の間の距離の半分以下である。
【００２７】
第８磁性層１８は、Ｚ軸方向において、第１磁性層１０と重なる。第８磁性層１８の磁化１８ｍのＺ軸方向に沿った垂直磁化成分は、第８磁性層１８の磁化１８ｍのＺ軸方向と交差する方向における面内磁化成分よりも大きい。第８磁性層１８の磁化１８ｍの方向は、主面１８ｓに対して非平行である。第８磁性層１８の磁化１８ｍの方向は、例えば、第８磁性層１８の主面１８ｓに対して実質的に垂直である。この例では、磁化１８ｍの方向は、磁化１０ｍの方向と逆である。これにより、第２磁性層２０（記憶層）の位置では、Ｚ軸方向における第１磁性層１０の磁界がＺ軸方向における第８磁性層１８の磁界によって打ち消される。第８磁性層１８は、例えば、シフト補正層である。第８磁性層１８の磁化１８ｍの方向は、第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向と比べて、相対的に動き難い。第８磁性層１８の磁化１８ｍの方向は、例えば、実質的に固定されている。
【００２８】
第５非磁性層３５は、第８磁性層１８と第１磁性層１０との間に設けられる。第５非磁性層３５は、例えば、第８磁性層１８及び第１磁性層１０に接する。
【００２９】
第２非磁性層３２は、第２方向（Ｘ軸方向）において、第８磁性層１８の少なくとも一部と重なる。第２非磁性層３２は、第８磁性層１８と電気的に接続される。第２非磁性層３２は、例えば、第８磁性層１８に接する。第２非磁性層３２は、Ｙ軸方向において、第８磁性層１８の少なくとも一部と重なってもよい。
【００３０】
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式図である。  
図２（ａ）は、斜視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ１−Ｂ２線断面図である。
【００３１】
図２（ａ）に示すように、磁気記憶素子１１１Ａは、第３磁性層３０と、第３非磁性層３３と、をさらに含む。
【００３２】
磁気記憶素子１１１Ａにおいて、第１磁性層１０、第５非磁性層３５、第８磁性層１８及び第２非磁性層３２は、第３方向に延びる。第３方向は、第１方向（Ｚ軸方向）及び第２方向（Ｘ軸方向）と交差する。第３方向は、例えば、Ｙ軸方向である。第３方向（Ｙ軸方向）における第２非磁性層３２の長さＬｙは、第２方向（Ｘ軸方向）の第２非磁性層３２の長さＬｘよりも長い。例えば、第１磁性層１０の少なくとも一部は、Ｘ−Ｙ平面において、第２非磁性層３２に囲まれる。
【００３３】
第３磁性層３０は、第３方向（Ｙ軸方向）において第２磁性層２０と離間して設けられる。第３磁性層３０は、第３方向（Ｙ軸方向）において第２磁性層２０と並ぶ。第３磁性層３０は、Ｚ軸方向において第１磁性層１０と離間して設けられる。第３磁性層３０は、Ｚ軸方向において第１磁性層１０の一部と重なる。第３磁性層３０は、第１磁性層１０とＺ軸方向に離れる。第３磁性層３０の磁化３０ｍの方向は、可変である。第２非磁性層３２は、第２方向（Ｘ軸方向）において第３磁性層３０と重なっていない。第３磁性層３０には、例えば、合金が用いられる。第３磁性層３０は、例えば、記憶層である。第３磁性層３０の数は、図示された数に限らない。
【００３４】
第３非磁性層３３は、Ｚ軸方向において、第３磁性層３０と第１磁性層１０と重なる。第３非磁性層３３は、第３磁性層３０と第１磁性層１０との間に設けられる。第３非磁性層３３は、例えば、第３磁性層３０及び第１磁性層１０に接する。
【００３５】
図２（ｂ）に示すように、第１磁性層１０は、Ｚ軸方向において、第２磁性層２０に重なる。第１磁性層１０は、Ｚ軸方向において第８磁性層１８と第２磁性層２０との間に設けられる。
【００３６】
第２非磁性層３２の少なくとも一部は、第２方向（Ｘ軸方向）において、第１磁性層１０と重なる。例えば、第２方向（Ｘ軸方向）において、第１磁性層１０の側面１０ｗの少なくとも一部は、第２非磁性層３２の内側面３２ｉｗと重なる。第２方向（Ｘ軸方向）において、側面１０ｗは、内側面３２ｉｗに接しても良い。
【００３７】
図２（ｃ）に示すように、第２非磁性層３２は、第３方向（Ｙ軸方向）において、第１磁性層１０と重なる。例えば、第３方向（Ｙ軸方向）において、第１磁性層１０の側面１０ｗは、第２非磁性層３２の内側面３２ｉｗと重なる。第３方向（Ｙ軸方向）において、側面１０ｗは、内側面３２ｉｗに接しても良い。
【００３８】
第３方向（Ｙ軸方向）に延びた第１磁性層１０は、第８磁性層１８と第３磁性層３０との間に設けられた領域１０ｃを有する。第２非磁性層３２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において、第１磁性層１０の領域１０ｃの少なくとも一部と重なる（図２（ａ）及び図２（ｃ））。
【００３９】
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式図である。  
図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図３（ｃ）は、図３（ａ）のＢ１−Ｂ２線断面図である。
【００４０】
図３（ａ）に示す磁気記憶素子１１１Ｂにおいて、第２非磁性層３２は、第１部分領域３２ａ及び第２部分領域３２ｂを含む。第１方向（Ｚ軸方向）と交差する方向（例えば、Ｘ−Ｙ平面内の１つの方向）において、第１部分領域３２ａと第２部分領域３２ｂとの間に、第１磁性層１０の少なくとも一部が設けられる。例えば、第２方向（Ｘ軸方向）において、第１磁性層１０の少なくとも一部は、第１部分領域３２ａと第２部分領域３２ｂとの間に設けられる。
【００４１】
第２非磁性層３２の第１部分領域３２ａは、第３方向（Ｙ軸方向）に延びる。第２非磁性層３２の第２部分領域３２ｂは、第３方向（Ｙ軸方向）に延びる。
【００４２】
磁気記憶素子１１１Ｂにおいては、Ｘ−Ｙ平面内において、第２非磁性層３２が不連続になっている。例えば、第３方向（Ｙ軸方向）において、第１磁性層１０の側面１０ｗの一部が露出する。
【００４３】
図３（ｂ）に示すように、磁気記憶素子１１１Ｂにおいては、第１磁性層１０が、第２方向（Ｘ軸方向）において、第１部分領域３２ａと第２部分領域３２ｂとの間に設けられる。
【００４４】
図３（ｃ）に示すように、磁気記憶素子１１１Ｂにおいては、例えば、第３方向（Ｙ軸方向）において、第１磁性層１０の側面１０ｗが露出する。
【００４５】
磁気記憶素子に書き込みを行うとき、磁気記憶素子に電流を流して記憶層の磁化が反転する。このとき、例えば、スピントランスファトルクが利用される。この動作において、参照層の磁化が安定していることが望ましい。これにより、例えば、所望の書き込み効率が確保できる。参照層において保持力が大きいことが望ましい。参照層において、磁化ダイナミクスに対する緩和項の係数であるダンピング定数は、大きいことが望ましい。
【００４６】
磁気記憶素子においては、記憶層の磁化方向と参照層の磁化方向とが平行または非平行になるかによって、抵抗値が変化する。この抵抗値の違いを利用して、「０」または「１」の書き込みと、読み出しと、を行う。磁気記憶素子に書き込みを行うときには、磁気記憶素子に電流が流れる。例えば、記憶層から参照層の方向に電流を流すか、または参照層から記憶層の方向に電流を流すかによって「０」または「１」が記憶される。
【００４７】
記憶層の磁化の反転のための電流量（書き込み電流Ｉｗ）は、記憶層の物性以外に、参照層の磁化の影響を受ける。電流の流れによって参照層の磁化が揺らぐと、記憶層への書き込み効率が低下する。これにより、例えば、書き込み電流が増加する可能性がある。
【００４８】
本願発明者は、ＬＬＧ（Landau Liftshitz Gilbert）シミュレーションにより、書き込み時に、第１磁性層１０（参照層）の揺らぎが小さくなる条件を探索した。第１磁性層１０の材料の適正化で揺らぎを小さくしようとすると、第１磁性層１０の材料選択の範囲が狭くなる。例えば、第１磁性層１０の飽和磁化Ｍｓと、第１磁性層３０の厚さ（ＳＤ１方向における長さ）と、の組み合わせの範囲が狭くなる。第１磁性層１０の揺らぎが大きいと、書き込み電流が上昇する。これに伴い、第１磁性層１０の磁化が反転するなどの動作阻害が起きる。
【００４９】
これに対して、磁気記憶素子１１０、１１１Ａ及び１１１ｂにおいては、第１磁性層１０（参照層）とＸ軸方向で重なるように第２非磁性層３２が設けられる。第２非磁性層３２は、例えば、スピンポンピング効果の大きな材料を含む。これにより、第１磁性層１０の実効的なダンピング定数が上昇し、書き込み時における第１磁性層１０の磁化の揺らぎが抑制される。これにより、書き込み時の電流増加が抑制される。
【００５０】
第１磁性層１０の磁化が安定すると、例えば、Ｘ軸方向における第１磁性層１０の長さ（厚さ）を短くすることができる。これにより、磁気記憶素子の微細化が可能になる。
【００５１】
磁気記憶素子１１１Ａ及び１１１Ｂにおいては、第８磁性層１８は、第３方向（Ｙ軸方向）に延びる。これにより、第１磁性層１０からの漏れ磁界が第８磁性層１８からの補正磁界によって減少し易くなる。これにより、比較的大きな飽和磁化の材料が、第１磁性層１０の材料として選択可能になる。
【００５２】
例えば、Ｘ軸方向において第２非磁性層３２が第１磁性層１０に重なった場合、第２非磁性層３２が第１磁性層１０に重なっていない場合に比べて、第１磁性層１０のダンピング定数αが約１０倍になる。
【００５３】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、磁気記憶素子のシミュレーション結果を例示する模式図である。  
グラフの横軸は、書き込み電流密度Ｊ（Ａ／ｃｍ２）である。グラフの縦軸は、書き込み確率Ｐｗである。「α」は、第１磁性層１０（参照層）のダンピング定数である。「Ｋｕ」は、第１磁性層１０（参照層）の有効磁気異方性定数である。グラフにおいて、縦軸が０から１に変化したときの電流密度が、書き込み電流に対応する。
【００５４】
例えば、図４（ａ）に示すように、αが０．０１のとき、Ｋｕが６以上では、書き込み電流が低い値に保たれる。しかし、Ｋｕが５以下になると、書き込み電流が増加する。
【００５５】
これに対して、図４（ｂ）に示すように、αが１のとき、Ｋｕが１〜９の範囲で書き込み電流が低い値に保たれる。これにより、第１磁性層１０の実効的なダンピング定数が上昇すると、書き込み電流の増加が抑制される。
【００５６】
図５は、磁気記憶素子の特性を例示する模式的断面図である。  
図５に示すように、第２非磁性層３２が第１磁性層１０に接すると、第２非磁性層３２が第１磁性層１０に接する部分１０ｄの磁化が低下する。これは、例えば、第２非磁性層３２と第１磁性層１０の混合層が生成される等による。これにより、磁気記憶素子１１０の第１磁性層１０から漏れる磁力が低下する。これにより、例えば、磁気記憶素子１１０の横に位置する磁気記憶素子の誤動作が抑制される。
【００５７】
図６は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。  
図６に示す磁気記憶素子１１２においては、第２方向（Ｘ軸方向）における第２磁性層２０の長さ２０Ｌは、第２方向（Ｘ軸方向）における第１磁性層１０の長さ１０Ｌよりも短い。Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第１磁性層１０の断面積は、Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第２磁性層２０の断面積よりも大きい。Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第１非磁性層３１の断面積は、Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第２磁性層２０の断面積よりも大きい。Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第８磁性層１８の断面積は、Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第２磁性層２０の断面積よりも大きい。Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第１非磁性層３１の断面積は、Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第１磁性層１０の断面積よりも小さくてもよい。
【００５８】
磁気記憶素子１１２の製造工程では、第８磁性層１８、第５非磁性層３５、第１磁性層１０、第１非磁性層３１及び第２磁性層２０が予め形成される。第８磁性層１８、第５非磁性層３５、第１磁性層１０及び第１非磁性層３１がパターニングされる。このとき、例えば、Ｘ軸方向における第２磁性層２０の長さは、Ｘ軸方向における第１磁性層１０の長さと同じである。この後、第２非磁性層３２が形成され、第２磁性層２０が再度パターニングされる。Ｘ軸方向における第２磁性層２０の長さは、Ｘ軸方向における第１磁性層１０の長さよりも短くなるように加工される。これにより、第２磁性層２０の側面には、第２非磁性層３２が再堆積しにくくなる。
【００５９】
図７は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。  
図７に示す磁気記憶素子１１３は、第４磁性層４０と、第５磁性層５０と、をさらに含む。
【００６０】
第４磁性層４０は、Ｚ軸方向において、第１非磁性層３１と第２磁性層２０とに重なる。第４磁性層４０は、Ｚ軸方向において、第１非磁性層３１と第２磁性層２０との間に設けられる。第４磁性層４０の磁化４０ｍの方向は、可変である。第４磁性層４０には、例えば、合金が用いられる。第４磁性層４０は、例えば、別の記憶層である。磁気記憶素子１１３においては、記憶層が第２磁性層２０と第４磁性層４０とを含む。記憶層は、例えば２層構造を有する。
【００６１】
第５磁性層５０は、Ｚ軸方向において、第１非磁性層３１と第１磁性層１０とに重なる。第５磁性層５０は、Ｚ軸方向において、第１非磁性層３１と第１磁性層１０との間に設けられる。第５磁性層５０の磁化５０ｍのＺ軸方向に沿った垂直磁化成分は、第５磁性層５０の磁化５０ｍのＺ軸方向と交差する方向における面内磁化成分よりも大きい。第５磁性層５０の磁化５０ｍの方向は、主面５０ｓに対して非平行である。第５磁性層５０の磁化５０ｍの方向は、例えば、第５磁性層５０の主面５０ｓに対して実質的に垂直である。第５磁性層５０は、例えば、別の参照層である。磁気記憶素子１１３において、参照層は、第１磁性層１０と、第５磁性層５０を、含む。参照層は、例えば２層構造を有する。第１磁性層１０及び第５磁性層５０のどちらか一方は、取り除かれてもよい。第５磁性層５０の磁化５０ｍの方向は、第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向に比べて、相対的に動き難い。第５磁性層５０の磁化５０ｍの方向は、実質的に固定されている。
【００６２】
第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、第１磁性層１０から第２磁性層２０に向かう方向でもよい。第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、第２磁性層２０から第１磁性層１０に向かう方向でもよい。第１磁性層１０の磁化方向は、第５磁性層５０の磁化方向に同じ向きでもよく、逆向きでもよい。
【００６３】
Ｘ軸方向において、第２非磁性層３２は、第５磁性層５０の少なくとも一部と重なる。第２非磁性層は、第５磁性層５０と電気的に接続されている。第２非磁性層３２は、例えば、第５磁性層５０に接する。
【００６４】
例えば、Ｘ軸方向における第２非磁性層３２（第１部分領域３２ａまたは第２部分領域３２ｂ）と第５磁性層５０との間の距離は、Ｘ軸方向における第５磁性層５０の長さ（厚さ）の半分以下であってもよい。図７には、単一の磁気記憶素子１１３が表示されている。後述するように（図２４）、磁気記憶素子１１３は、例えば、Ｘ−Ｙ平面内でアレイ状に配列されている。例えば、Ｘ軸方向における第２非磁性層３２（第１部分領域３２ａまたは第２部分領域３２ｂ）と第５磁性層５０との間の距離は、Ｘ軸方向において隣り合う磁気記憶素子１１３の間の距離の半分以下である。
【００６５】
磁気記憶素子１１３においては、第２磁性層２０と第４磁性層４０との交換結合力が調整可能となる。これにより、例えば、リテンション低減が抑制される。または、例えば、書き込み電流が低減する。または、例えば、隣接する磁気記憶素子への干渉が抑制される。
【００６６】
磁気記憶素子１１３においては、第２磁性層２０の飽和磁化が調整される。第４磁性層４０の飽和磁化が調整される。これにより、例えば、リテンション低減が抑制される。または、例えば、書き込み電流が低減する。または、例えば、隣接する磁気記憶素子への干渉が抑制される。
【００６７】
磁気記憶素子１１３においては、第１磁性層１０と第５磁性層５０との交換結合力が調整される。これにより、例えば、リテンション低減が抑制される。例えば、隣接する磁気記憶素子への干渉が抑制される。
【００６８】
磁気記憶素子１１３においては、第１磁性層１０の飽和磁化が調整される。第５磁性層５０の飽和磁化が調整される。これにより、例えば、リテンション低減が抑制される。例えば、隣接する磁気記憶素子への干渉が抑制される。
【００６９】
Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第１磁性層１０の断面積は、Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第２磁性層２０の断面積よりも大きくてもよい。Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第１非磁性層３１の断面積は、Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第２磁性層２０の断面積よりも大きくてもよい。Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第８磁性層１８の断面積は、Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第２磁性層２０の断面積よりも大きくてもよい。
【００７０】
磁気記憶素子１１３においては、第３方向（Ｙ軸方向）において第２磁性層２０に並ぶ第３磁性層３０が設けられてもよい。
【００７１】
図８は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。  
図８に示す磁気記憶素子１１４においては、第２非磁性層３２は、第２方向（Ｘ軸方向）において、第５磁性層５０の少なくとも一部と重なる。第２非磁性層は、第５磁性層５０と電気的に接続されている。第２非磁性層３２は、例えば、第５磁性層５０に接する。
【００７２】
Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第８磁性層１８の断面積は、Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第２磁性層２０の断面積よりも大きい。第２非磁性層３２は、Ｘ軸方向において、第８磁性層１８と重なっていない。Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第１磁性層１０の断面積は、Ｘ−Ｙ平面で切断したときの第２磁性層２０の断面積よりも大きくてもよい。
【００７３】
磁気記憶素子１１４においては、Ｘ軸方向において第１磁性層１０及び第８磁性層１８と重なる絶縁膜を設けてもよい。
【００７４】
磁気記憶素子１１４においては、第２非磁性層３２はＸ軸方向において第１磁性層１０の少なくとも一部に重なってもよい。第２非磁性層３２は、Ｘ軸方向において第５磁性層５０の少なくとも一部に重なってもよい。第２非磁性層３２は、Ｘ軸方向において第１非磁性層３１の少なくとも一部に重なってもよい。
【００７５】
第２非磁性層３２は、Ｘ軸方向において第４磁性層４０に重ならないほうが望ましい。第２非磁性層３２は、Ｘ軸方向において第２磁性層２０に重ならないほうが望ましい。
【００７６】
図９は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的斜視図である。  
図９に示す磁気記憶素子１１５においては、第３磁性層３０は、第３方向（Ｙ軸方向）において第２磁性層２０と並ぶ。第１非磁性層３１は、第３磁性層３０と第１磁性層１０との間に設けられた領域３１ａを含む。第１非磁性層３１は、第１磁性層１０及び第２非磁性層３２の上に設けられている。
【００７７】
図１０は、第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式図である。  
不揮発性記憶装置６１０は、磁気記憶素子１１０と、磁気記憶素子１１６と、制御部５５０と、第６非磁性層３６と、を含む。磁気記憶素子１１６は、積層体ＳＢ０を含む。積層体ＳＢ０は、第１積層部ＳＢ１と、第２積層部ＳＢ２と、を含む。第１積層部ＳＢ１は、磁気記憶素子１１０を含む。第２積層部ＳＢ２は、磁気記憶素子１１６を含む。第１積層部ＳＢ１と第２積層部ＳＢ２との間には、第６非磁性層３６が設けられる。
【００７８】
制御部５５０は、積層体ＳＢ０と電気的に接続される。制御部５５０は、積層体ＳＢ０に、電圧の印加及び電流の供給を行うことにより、積層体ＳＢ０の動作を制御する。図１０には、第８磁性層１８及び第５非磁性層３５が表示されていない。磁気記憶素子１１６には、第８磁性層１８及び第５非磁性層３５を設けてもよい。
【００７９】
第２積層部ＳＢ２は、Ｚ軸方向において第１積層部ＳＢ１と重なる。第２積層部ＳＢ２は、第６磁性層６０を含む。第６磁性層６０は、Ｚ軸方向に第１積層部ＳＢ１と積層される。第６磁性層６０の磁化の方向は、可変である。第６磁性層６０の幅（Ｚ軸方向に対して垂直な方向の長さ）は、例えば、３５ナノメートル（ｎｍ）以下である。例えば、Ｘ−Ｙ平面に投影したときの第６磁性層６０の形状が円形である場合、その円の直径は、３５ｎｍ以下である。例えば、第６磁性層６０の面内方向（Ｚ軸方向に対して垂直な方向）の最大の長さが、３５ｎｍ以下である。第６磁性層６０の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、例えば、０．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下である。
【００８０】
この例では、第２積層部ＳＢ２が、第７磁性層７０と第４非磁性層３４とをさらに含む。第７磁性層７０は、第６磁性層６０とＺ軸方向において重なる。第７磁性層７０の磁化７０ｍのＺ軸方向に沿った垂直磁化成分は、第７磁性層７０の磁化７０ｍのＺ軸方向と交差する方向における面内磁化成分よりも大きい。第７磁性層７０の磁化の向きは、例えば、第１磁性層１０の磁化の向きに対して、逆向きである。第７磁性層７０の磁化７０ｍの方向は、第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向に比べて、相対的に動き難い。第７磁性層７０の磁化７０ｍの方向は、実質的に固定されている。第４非磁性層３４は、Ｚ軸方向において、第７磁性層７０と第６磁性層６０と重なる。第４非磁性層３４は、第７磁性層７０と第６磁性層６０との間に設けられる。第４非磁性層３４は、例えば、第７磁性層７０及び第６磁性層６０に接する。
【００８１】
この例では、積層体ＳＢ０が、第６非磁性層３６をさらに含む。第６非磁性層３６は、第１積層部ＳＢ１と第２積層部ＳＢ２との間に設けられる。この例では、第１磁性層１０、第１非磁性層３１、第２磁性層２０、第６非磁性層３６、第６磁性層６０、第４非磁性層３４及び第７磁性層７０が、この順に積層される。Ｘ軸方向において、第２非磁性層３２は、第１磁性層１０の少なくとも一部に重なる。第６非磁性層３６は、例えば、スピン消失層である。これにより、第６非磁性層３６を流れる電子のスピン偏極度は、消失し易くなる。第６非磁性層３６は、例えば、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に接する。この例において、第６非磁性層３６は、第２磁性層２０及び第６磁性層６０に接する。
【００８２】
この例では、磁気記憶素子１１０が第１導電層８１を含み、磁気記憶素子１１６が第２導電層８２を含む。第１積層部ＳＢ１は、第１導電層８１と第２導電層８２との間に配置される。第２積層部ＳＢ２は、第１積層部ＳＢ１と第２導電層８２との間に配置される。第１導電層８１は、第１積層部ＳＢ１と電気的に接続される。この例では、第１導電層８１は、第１磁性層１０と電気的に接続される。第２導電層８２は、第２積層部ＳＢ２と電気的に接続される。この例では、第２導電層８２は、第７磁性層７０と電気的に接続される。
【００８３】
第１導電層８１及び第２導電層８２は、制御部５５０と電気的に接続される。積層体ＳＢ０は、第１導電層８１及び第２導電層８２を介して制御部５５０と直接または間接に接続される。第１導電層８１は、磁気記憶素子１１０とは別と見なしても良い。第２導電層８２は、磁気記憶素子１１６とは別と見なしても良い。
【００８４】
不揮発性記憶装置６１０は、例えば、第１配線９１及び第２配線９２をさらに含む（図２５参照）。第１配線９１は、例えば、第１導電層８１と電気的に接続される。第２配線９２は、例えば、第２導電層８２と電気的に接続される。制御部５５０は、例えば、第１配線９１及び第２配線９２を介して積層体ＳＢ０と電気的に接続される。
【００８５】
以下では、積層体ＳＢ０（磁気記憶素子１１０及び磁気記憶素子１１６）の構成及び動作の例について説明する。以下の説明は、磁気記憶素子１１０及び磁気記憶素子１１６に加え、実施形態に係る、後述する他の磁気記憶素子にも適用できる。
【００８６】
積層体ＳＢ０においては、Ｚ軸方向に第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に電流（書き込み電流）を流す。これにより、スピン偏極した電子が第２磁性層２０に作用する。積層体ＳＢ０においては、第６磁性層６０の磁化が歳差運動することにより発生する回転磁界を第２磁性層２０に作用させる。これにより、第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向が、電流の向きに応じた方向に決定される。
【００８７】
第１磁性層１０は、例えば、第１の磁化固定層として機能する。第１磁性層１０においては、例えば、磁化１０ｍが膜面に対して略垂直方向に向いている。磁化１０ｍは、第１磁性層１０と第２磁性層２０とを結ぶＺ軸方向の成分を有する方向に向いている。第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、例えば、Ｚ軸方向に対して略平行である。
【００８８】
第２磁性層２０においては、例えば、磁化容易軸が膜面に対して略垂直方向である。例えば、第２磁性層２０の磁化の方向は、膜面に対して略垂直方向である。第２磁性層２０の磁化は、比較的容易に反転可能であり、Ｚ軸方向に可変である。第２磁性層２０は、データを記憶する役割をもつ。第２磁性層２０は、例えば、磁気記憶層として機能する。
【００８９】
第１非磁性層３１は、第１のスペーサ層として機能する。第１非磁性層３１が絶縁材料に基づくトンネルバリア層である場合に、第１磁性層１０、第１非磁性層３１及び第２磁性層２０を含む第１積層部ＳＢ１は、例えば、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）の構造を有する。
【００９０】
第６磁性層６０においては、例えば、Ｚ軸方向へ投影した磁化成分が、Ｚ軸方向に対して垂直な方向へ投影した磁化成分よりも小さい。第６磁性層６０の磁化容易軸は、膜面に対して略平行である。第６磁性層６０の磁化は、Ｚ軸方向に対して垂直な方向に可変である。第６磁性層６０は、書き込み時に高周波磁場が発生する役割をもつ。第６磁性層６０は、例えば、磁化回転層（発振層）として機能する。
【００９１】
第７磁性層７０は、例えば、第２の磁化固定層として機能する。第７磁性層７０の磁化７０ｍの方向は、例えば、膜面に対して略垂直方向に向いている。第７磁性層７０の磁化７０ｍは、積層方向の成分を有する方向に向いている。第７磁性層７０の磁化７０ｍの方向は、膜面に対して略垂直方向である。第４非磁性層３４は、第２のスペーサ層として機能する。
【００９２】
第１磁性層１０、第２磁性層２０及び第７磁性層７０には、例えば、垂直磁化膜が用いられる。第６磁性層６０には、例えば、面内磁化膜が用いられる。このような構造にすると、例えば、第６磁性層６０からの漏れ磁場を利用することにより、磁気共鳴効果により第２磁性層２０の磁化反転が容易になる。
【００９３】
第２磁性層２０の磁気共鳴周波数は、例えば、ダンピング測定法を利用して測定することができる。例えば、第１積層部ＳＢ１の一端と第２積層部ＳＢ２の一端とにプローブをあて、測定する。この場合、複数の磁気共鳴周波数が測定される可能性がある。例えば、質量分析やＸ線回折などを用いて、第２磁性層２０の材料及び組成を求めることができる。その材料から推定できる共鳴周波数帯域と合致する周波数から、第２磁性層２０の共鳴周波数を識別することができる。これにより、第１積層部ＳＢ１の特性Ｉｆ１を測定することができる。
【００９４】
磁気共鳴周波数は、強磁気共鳴（ＦＭＲ：Ferromagnetic Resonance）のスペクトルを測定することによっても求めることができる。  
例えば、質量分析やＸ線回折などを用いて、第６磁性層６０の材料及び組成などを求めることができる。これにより、例えば、第６磁性層６０の発振特性を求めることができる。
【００９５】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、磁化を例示する模式図である。  
図１１（ａ）は、垂直磁化膜における磁化を例示している。図１１（ｂ）は、面内磁化膜における磁化を例示している。  
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、Ｚ軸方向と交差する（例えば垂直な）１つの方向を面内方向ＳＤ２とする。面内方向ＳＤ２は、Ｘ−Ｙ平面内の方向である。磁化７２の面内磁化成分７２ｂは、磁化７２をＸ−Ｙ平面に投影した成分である。面内磁化成分７２ｂは、面内方向ＳＤ２に沿っている面内磁化成分７２ｂは、面内方向ＳＤ２に対して平行である。磁化７２の垂直磁化成分７２ａは、磁化７２をＺ軸方向に投影した成分である。垂直磁化成分７２ａは、Ｚ軸方向に対して平行である。
【００９６】
図１１（ａ）に示すように、垂直磁化膜においては、垂直磁化成分７２ａが、面内磁化成分７２ｂよりも大きい磁化状態を有する。垂直磁化膜において、磁化の方向が膜面に対して略垂直であることが動作特性上望ましい。
【００９７】
図１１（ｂ）に示すように、面内磁化膜においては、面内磁化成分７２ｂが、垂直磁化成分７２ａよりも大きい磁化状態を有する。面内磁化膜において、磁化の方向が膜面に対して略平行であることが動作特性上望ましい。
【００９８】
例えば、第１磁性層１０の磁化１０ｍのＺ軸方向に沿った（例えば平行）な垂直磁化成分は、第１磁性層１０の磁化１０ｍのＺ軸方向と交差する（例えば垂直な）面内磁化成分よりも大きい。第２磁性層２０の磁化２０ｍの垂直磁化成分は、第２磁性層２０の磁化２０ｍの面内磁化成分よりも大きい。第６磁性層６０の磁化６０ｍの垂直磁化成分は、第６磁性層６０の磁化６０ｍの面内磁化成分よりも小さい。
【００９９】
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。
【０１００】
既に説明したように、第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、実質的に固定される。第７磁性層７０の磁化７０ｍの方向は、実質的に固定されている。
【０１０１】
図１０に示すように、積層体ＳＢ０において、第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向は上向きであり、第７磁性層７０の磁化７０ｍの方向は下向きである。第１磁性層１０の磁化１０ｍのＺ軸方向の成分の向きは、例えば、第７磁性層７０の磁化７０ｍのＺ軸方向の成分の向きに対して逆である。第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向及び第７磁性層７０の磁化７０ｍの方向は、種々の変形が可能である。例えば、第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向及び第７磁性層７０の磁化７０ｍの方向の両方を上向きまたは下向きとしてもよいし、一方を上向きとし、他方を下向きとしてもよい。
【０１０２】
積層体ＳＢ０において、例えば、第１導電層８１及び第２導電層８２を介して、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に電子電流を流すことができる。電子電流は電子の流れである。上向きに電流が流れるときには、電子電流は下向きに流れる。
【０１０３】
膜面に対して垂直な方向に電子電流を流すと、磁界発生源の第６磁性層６０における磁化６０ｍが歳差運動する。これにより、回転磁界（高周波磁界）が発生する。高周波磁界の周波数は、例えば、約１ＧＨｚ〜６０ＧＨｚである。高周波磁界は、第２磁性層２０の磁化２０ｍに対して垂直方向の成分（第２磁性層２０の磁化困難軸の方向の成分）を有する。第６磁性層６０から発生した高周波磁界の少なくとも一部は、第２磁性層２０の磁化困難軸の方向に印加される。第６磁性層６０から発生した高周波磁界が、第２磁性層２０の磁化困難軸の方向に印加されると、第２磁性層２０の磁化２０ｍが反転し易くなる。
【０１０４】
積層体ＳＢ０においては、電子電流を第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に流すことによって、第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向を制御することができる。具体的には、電子電流の流れる向き（極性）を変えることで第２磁性層２０の磁化２０ｍの向きが反転する。情報を記憶する場合において、例えば、第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向に応じて、「０」と「１」とがそれぞれ割り当てられる。積層体ＳＢ０は、第１状態、または、第１状態とは異なる第２状態、を有する。第１状態及び第２状態のそれぞれは、第２磁性層２０の磁化２０ｍの異なる２つの方向に対応している。
【０１０５】
前述のように、第６磁性層６０の幅（直径）は、３５ｎｍ以下であることが好ましい。第６磁性層６０の幅が、３５ｎｍよりも大きくなると、例えば、第６磁性層６０の磁化６０ｍの歳差運動に伴って、ボルテックス（還流磁区）が発生する。第６磁性層６０の断面形状の円相当直径を３５ｎｍ以下とし、第６磁性層６０の厚さを０．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下とすることで、例えば、ボルテックスの発生を抑制することができる。これにより、例えば、第６磁性層６０から発生した高周波磁界を第２磁性層２０の磁化反転により適切に作用させ、第２磁性層２０の磁化反転をアシストすることができる。例えば、第２磁性層２０の位置において、磁化２０ｍが反転する十分な磁界強度を得ることができる。
【０１０６】
第６磁性層６０の横断面形状（Ｚ軸方向に対して垂直な平面で切断したときの断面形状）の円相当直径をＲ（ｎｍ）、「Ｒ」の半分の値をｒ（＝Ｒ／２）（ｎｍ）、層厚をｔ（ｎｍ）とするとき、ｒ＜０．４１９ｔ２−２．８６ｔ＋１９．８の関係式を満たすサイズとすることが望ましい。
【０１０７】
本願明細書において、「円相当直径」とは、対象とする平面形状の面積と同じ面積を有する円を想定し、その円の直径をいうものとする。例えば、第６磁性層６０の横断面形状が円形の場合、「Ｒ」は直径を意味する。第６磁性層６０の横断面形状が楕円の場合、「Ｒ」は、その楕円の面積と同じ面積を有する円の直径を意味する。第６磁性層６０の横断面形状が多角形の場合、「Ｒ」は、その多角形の面積と同じ面積を有する円の直径を意味する。
【０１０８】
実施形態に係る不揮発性記憶装置６１０によれば、誤動作を抑制した不揮発性記憶装置が提供できる。例えば、磁気記憶素子１１６の幅を３５ｎｍ以下とした場合でも、双方向の書き込みにおいて第２磁性層２０の磁化反転をアシストすることができる。これにより、例えば、書き込み時における誤動作が抑制される。書き込み時の電流（書き込み電流）の大きさを低減させることもできる。
【０１０９】
積層体ＳＢ０においては、第２磁性層２０の磁化と第６磁性層６０の磁化とが静磁結合している。これにより、例えば、書き込み時の電流の大きさを低減させることができる。
【０１１０】
積層体ＳＢ０における動作の具体例として、まず「書き込み」動作の例について説明する。
【０１１１】
図１２（ａ）〜図１２（ｄ）及び図１３（ａ）〜図１３（ｄ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。  
これらの図は、積層体ＳＢ０における「書き込み」動作の際の第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の状態を例示している。第２磁性層２０の書き込み動作においては、第１磁性層１０の膜面及び第２磁性層２０の膜面を横切るように電子電流ｅ１またはｅ２（書き込み電流）を流す。ここでは、第１非磁性層３１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。
【０１１２】
「ノーマルタイプ」の磁気抵抗効果においては、非磁性層の両側の磁性層の磁化どうしが互いに平行である時の電気抵抗が、反平行である時の電気抵抗よりも低い。ノーマルタイプの場合、第１非磁性層３１を介した第１磁性層１０と第２磁性層２０との間の電気抵抗は、第１磁性層１０の磁化１０ｍが第２磁性層２０の磁化２０ｍに対して平行である時には、反平行である時よりも低い。
【０１１３】
図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は、第２磁性層２０の磁化２０ｍの向きが上向きから下向きに反転する場合を例示している。  
図１２（ａ）は、電子電流ｅ１を流し始めた状態を例示している。図１２（ｄ）は、電子電流ｅ１を流し終えた状態（磁化２０ｍが反転した状態）を例示している。図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）は、その途中の状態を例示している。
【０１１４】
図１２（ａ）に示すように、磁化２０ｍの向きが上向きから下向きに反転する場合には、第２積層部ＳＢ２から第１積層部ＳＢ１に向けて電子電流ｅ１を流す。例えば、下向きに電子電流ｅ１を流す。
【０１１５】
電子電流ｅ１を下向きに流すと、第１非磁性層３１を通過した電子のうちで、第１磁性層１０の磁化１０ｍと同じ向き（この例において上向き）のスピンをもった電子は、第１磁性層１０を通過する。一方、第１磁性層１０の磁化１０ｍに対して、逆向き（この例において下向き）のスピンをもった電子は、第１磁性層１０と第１非磁性層３１との界面において反射される。この反射された電子のスピンの角運動量は、第２磁性層２０へ伝達され、第２磁性層２０の磁化２０ｍに作用する。
【０１１６】
図１２（ｂ）に示すように、第２積層部ＳＢ２に電子電流ｅ１を流すと、第６磁性層６０の磁化６０ｍが歳差運動し、回転磁界が発生する。膜面に対して略垂直方向の磁化７０ｍを有する第７磁性層７０を通過した電子は、第７磁性層７０の磁化７０ｍと同じ方向のスピンを持つようになる。この電子が、第６磁性層６０へ流れると、このスピンのもつ角運動量が第６磁性層６０へ伝達される。これにより、第６磁性層６０の磁化６０ｍに作用する。これにより、第６磁性層６０には、いわゆるスピントランスファトルクが働く。電子電流ｅ１の供給によって、磁化６０ｍが歳差運動する。第６磁性層６０を通過した電子のスピン偏極度は、第６非磁性層３６の通過によって消失される。
【０１１７】
図１２（ｃ）に示すように、第６磁性層６０の磁化６０ｍが歳差運動すると、磁化２０ｍの向きが、上向きから下向きに反転する。この動作では、第６磁性層６０からの回転磁界の作用と第１磁性層１０との界面で反射するスピン偏極した電子が利用される。第１磁性層１０の磁化１０ｍは、反転しない。
【０１１８】
図１２（ｄ）に示すように、電子電流ｅ１の供給を停止すると、磁化６０ｍの歳差運動が停止する。これにより、磁化２０ｍの向きが、上向きから下向きに反転した状態で保持される。この向きの磁化２０ｍを有する第２磁性層２０の状態に、例えば「０」を割り当てる。積層体ＳＢ０において、例えば、第２磁性層２０の磁化２０ｍの向きが下向きである状態が、第１状態に対応する。
【０１１９】
図１３（ａ）〜図１３（ｄ）は、磁化２０ｍの向きが下向きから上向きに反転する場合を例示している。  
図１３（ａ）は、電子電流ｅ２を流し始めた状態を例示している。図１３（ｄ）は、電子電流ｅ２を流し終えた状態（磁化２０ｍが反転した状態）を例示している。図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）は、その途中の状態を例示している。
【０１２０】
図１３（ａ）に示すように、磁化２０ｍの向きを下向きから上向きに反転させる場合には、第１積層部ＳＢ１から第２積層部ＳＢ２に向けて電子電流ｅ２を流す。例えば、上向きに電子電流ｅ２を流す。
【０１２１】
図１３（ｂ）に示すように、電子電流ｅ２を流すと、第６磁性層６０の磁化６０ｍが歳差運動し、回転磁界が発生する。電子のスピンの角運動量は、第６磁性層６０へ伝達され、第６磁性層６０の磁化６０ｍに作用する。これにより、磁化６０ｍが歳差運動する。
【０１２２】
電子電流ｅ２を上向きに流すと、第１磁性層１０の磁化１０ｍと同じ向き（この例において上向き）のスピンをもった電子は、第１磁性層１０を通過し、第２磁性層２０へ伝達される。これにより、上向きのスピンをもった電子の作用、及び、第６磁性層６０からの回転磁界の作用が、磁化２０ｍに働く。
【０１２３】
図１３（ｃ）に示すように、第２磁性層２０の磁化２０ｍの向きが、下向きから上向きに反転する。この動作では、スピン偏極した電子の作用、第６磁性層６０からの回転磁界が利用される。第１磁性層１０の磁化１０ｍは、反転しない。
【０１２４】
図１３（ｄ）に示すように、電子電流ｅ２の供給を停止すると、磁化６０ｍの歳差運動が停止する。これにより、磁化２０ｍの向きが、下向きから上向きに反転した状態で保持される。この向きの磁化２０ｍを有する第２磁性層２０の状態に、例えば「１」を割り当てる。積層体ＳＢ０においては、例えば、第２磁性層２０の磁化２０ｍの向きが上向きである状態が、第２状態に対応する。
【０１２５】
このような作用に基づいて、第２磁性層２０の複数の状態のそれぞれに、「０」または「１」が適宜割り当てられる。これにより、積層体ＳＢ０における「書き込み」が実施される。
【０１２６】
磁気抵抗効果が「リバースタイプ」の場合は、第１非磁性層３１を介した第１磁性層１０と第２磁性層２０との間の電気抵抗は、第１磁性層１０の磁化１０ｍが第２磁性層２０の磁化２０ｍに対して平行である時には、反平行である時よりも高い。リバースタイプにおける「書き込み」動作は、ノーマルタイプの場合と同様である。
【０１２７】
この例においては、例えば、第１状態が「０」であり、第２状態が「１」である。第１状態を「１」とし、第２状態を「０」としてもよい。第１状態及び第２状態は、「０」または「１」に限ることなく、他の状態でもよい。積層体ＳＢ０に設けられる状態の数は、３つ以上でもよい。積層体ＳＢ０は、マルチビットの記憶素子でもよい。
【０１２８】
第１状態または第２状態の設定は、制御部５５０によって実施される。例えば、第１状態の設定が「書き込み」に対応し、第２状態の設定が「消去」に対応する。第２状態の設定が「書き込み」に対応し、第１状態の設定が「消去」に対応しても良い。
【０１２９】
電子電流ｅ１及びｅ２の供給は、例えば、制御部５５０によって行われる。制御部５５０は、書き込み動作のときに、例えば、１０ナノ秒以上の電子電流ｅ１及びｅ２を積層体ＳＢ０に供給する。これにより、例えば、電子電流ｅ１及びｅ２の供給によって、磁化２０ｍの向きが適切に反転する。高速に動作するメモリ用途の場合、１ナノ秒以上である。これにより、例えば、適切に磁化が反転しつつ、書き込み動作にかかる時間が抑えられる。
【０１３０】
次に、「読み出し」動作の例について説明する。  
積層体ＳＢ０における第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向の検出は、例えば、磁気抵抗効果を利用して実施される。磁気抵抗効果においては、各層の磁化の相対的な向きにより電気抵抗が変わる。磁気抵抗効果を利用する場合、例えば、第１磁性層１０と第２磁性層２０との間にセンス電流を流し、磁気抵抗が測定される。センス電流の電流値は、書き込み時（記憶時）に流す電子電流ｅ１及びｅ２に対応する電流値よりも小さい。
【０１３１】
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。  
これらの図は、積層体ＳＢ０における「読み出し」動作の際の第１積層部ＳＢ１の状態を例示している。これらの図では、第２積層部ＳＢ２、第１導電層８１、第２導電層８２及び第６非磁性層３６は省略されている。
【０１３２】
図１４（ａ）は、第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向が、第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向と同じ場合を例示している。図１４（ｂ）は、第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向が、第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向と反平行（逆向き）である場合を例示している。
【０１３３】
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示すように、第１積層部ＳＢ１にセンス電流ｅ３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１４（ａ）の状態の抵抗は、図１４（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１４（ａ）の状態の抵抗は、図１４（ｂ）の状態の抵抗よりも高い。
【０１３４】
これらの抵抗が互いに複数の状態のそれぞれに、それぞれ「０」と「１」とを対応づけることにより、２値データの記憶の読み出しが可能となる。センス電流ｅ３の向きは、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に例示した方向に対して逆向きでも良い。
【０１３５】
センス電流ｅ３の供給は、例えば、制御部５５０によって行われる。制御部５５０は、読み出し動作のときに、例えば、１０ナノ秒未満のセンス電流ｅ３を積層体ＳＢ０に供給する。これにより、例えば、センス電流ｅ３の供給による磁化２０ｍの向きの反転が抑えられる。より好ましくは、５ナノ秒以下である。これにより、センス電流ｅ３の供給による磁化の反転がより適切に抑えられる。
【０１３６】
このように、制御部５５０は、「書き込み」のときに積層体ＳＢ０に電流を供給する時間を、「読み出し」のときに積層体ＳＢ０に電流を供給する時間よりも長くする。制御部５５０は、例えば、「書き込み」のときに第１時間の電流を積層体ＳＢ０に供給し、「読み出し」のときに第２時間の電流を積層体ＳＢ０に供給する。このとき、第１時間は、第２時間よりも長い。これにより、例えば、安定した「書き込み」の動作と、安定した「読み出し」の動作と、を得ることができる。
【０１３７】
ＤＲＡＭ相当のメモリ動作としては、１０ナノ秒〜３０ナノ秒での書き込み電流が想定される。一方、キャッシュメモリ相当の用途としては、１ナノ秒〜３ナノ秒での書き込み電流が想定される。
【０１３８】
書き込み時間（第１時間）は、例えば、１０ナノ秒以上であり、読み出し時間（第２時間）は、それ未満である。３ナノ秒以下の磁化反転では、磁化が熱の影響（熱によるアシスト効果）を受け難くなるため、反転のための電流が上昇し始める。１ナノ秒の近傍は、ｄｙｎａｍｉｃ領域といい、磁化が熱の影響を受けないため、反転に要する電流がさらに大きくなる。
【０１３９】
例えば、１０ナノ秒以上で書き込みをし、３ナノ秒以下で読み出しをする。１ナノ秒以上３ナノ秒以下で書き込みをする場合には、書き込みより小さい電流値で、３ナノ秒以下で読み出しをすることで、誤書き込み率をさらに低くすることができる。
【０１４０】
上記のように、積層体ＳＢ０において、第２積層部ＳＢ２は、磁界発生源として機能する。第１積層部ＳＢ１は、磁気記憶部として機能する。以下、第２積層部ＳＢ２を、磁界発生源、または、ＳＴＯ(Spin Torque Oscillator）と言う場合がある。一方、第１積層部ＳＢ１を、磁気記憶部、または、ＭＴＪと言う場合がある。
【０１４１】
上記のように、ＭＴＪ素子の記憶層である第２磁性層２０への書き込みが、例えば、スピントルク書き込み方式により行われる。このような積層体ＳＢ０において、例えば、高記憶密度化の要請から積層体ＳＢ０の幅を３５ｎｍ以下とすることが望まれている。積層体ＳＢ０の幅とは、例えば、積層体ＳＢ０のＸ軸方向またはＹ軸方向の長さである。磁気記憶素子１１０のＸ−Ｙ平面に投影した形状が、円形または楕円形である場合、積層体ＳＢ０の幅とは、積層体ＳＢ０の直径（長径）である。
【０１４２】
積層体ＳＢ０においては、Ｚ軸方向に対し直交する方向において第２非磁性層３２が第１磁性層１０に重なる。これにより、第１磁性層１０の実効的なダンピング定数が上昇する。これにより、積層体ＳＢ０においては、書き込み時に第１磁性層１０の磁化の揺らぎが抑制され、書き込み時の電流増加が抑制される。
【０１４３】
以下、磁気記憶素子１１０、磁気記憶素子１１１、磁気記憶素子１１２、磁気記憶素子１１３、磁気記憶素子１１４、磁気記憶素子１１５及び磁気記憶素子１１６の構成について説明する。以下の説明は、実施形態に係る任意の磁気記憶素子に適用できる。各層の材料において、組成比を変えても良い。
【０１４４】
第１磁性層１０、第７磁性層７０及び第８磁性層１８には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることが好ましい。さらに、上記の群から選択された少なくともいずれかと、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属を含む合金を用いることができる。
【０１４５】
第１磁性層１０、第７磁性層７０及び第８磁性層１８において、含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件などを調整する。これにより、例えば、磁化量や磁気異方性などの特性を調整することができる。第１磁性層１０、第７磁性層７０及び第８磁性層１８には、例えば、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金を用いることができる。第１磁性層１０、第７磁性層７０及び第８磁性層１８には、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。第１磁性層１０、第７磁性層７０及び第８磁性層１８には、Ｆｅ／ＰｔやＦｅ／Ｐｄなどの合金や積層構造を用いても良い。Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、及びＮｉ／Ｃｕ等は、下地層との組み合わせで垂直磁化膜となる。第１磁性層１０、第７磁性層７０及び第８磁性層１８においては、膜の結晶配向方向を制御することで、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、または、Ｎｉ／Ｃｕ等を用いることができる。第１磁性層１０、第７磁性層７０及び第８磁性層１８には、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）、及びシリコン（Ｓｉ）などの添加物を含んでもよい。例えば、第１磁性層１０、第７磁性層７０及び第８磁性層１８には、ＭｎｘＧａｙ、ＭｎｘＧｅｙなどを用いても良い。ｘとyとは、組成比を変えても良い。
【０１４６】
第５磁性層５０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できる。第５磁性層５０には、上記の群から選択された少なくともいずれかと、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属を含む合金を用いることができる。
【０１４７】
第５磁性層５０において、含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件などを調整する。例えば、磁化量や磁気異方性などの特性を調整することができる。例えば、第５磁性層５０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。例えば、第５磁性層５０には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。第５磁性層５０には、Ｆｅ／Ｐｔ、Ｆｅ／Ｐｄなどの合金や積層構造を用いても良い。Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、及び、Ｎｉ／Ｃｕ等は、下地層との組み合わせで垂直磁化膜となる。第５磁性層５０においては、膜の結晶配向方向を制御することで、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、または、Ｎｉ／Ｃｕ等を用いることができる。第５磁性層５０においては、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）、及び、
シリコン（Ｓｉ）などの添加物を含んでもよい。例えば、第５磁性層５０には、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＭｎＧａ、ＭｎＧｅなどを用いても良い。各種の組成比は、適宜変えても良い。
【０１４８】
第５磁性層５０には、例えば、ホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金は、例えば、Ｌ２１構造を有し、Ｘ２ＹＺの様な組成を有する合金である。例えば、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｒｕ及びＰｄの少なくともいずれか１つを含むホイスラー合金を含む。
【０１４９】
例えば、第５磁性層５０は、第１ホイスラー合金を含む。第１ホイスラー合金は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＳｂ、Ｃｏ２ＣｒＧａ、Ｎｉ２ＭｎＩｎ、Ｎｉ２ＭｎＧａ、Ｎｉ２ＭｎＳｎ、Ｎｉ２ＭｎＳｂ、Ｎｉ２ＦｅＧａ、Ｐｄ２ＭｎＳｂ、Ｐｄ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＡｌ、Ｃｕ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＩｎ、Ｒｈ２ＭｎＧｅ、Ｒｈ２ＭｎＰｂ、Ｒｈ２ＭｎＳｎ、Ｐｄ２ＭｎＧｅ、Ｒｈ２ＦｅＳｎ、Ｒｕ２ＦｅＳｎ、及びＲｈ２ＦｅＳｂの少なくともいずれか１つを含む。
【０１５０】
第５磁性層５０に上記の第１ホイスラー合金を用いることで、例えば、第５磁性層５０の飽和磁化Ｍｓを大きくすることができる。これにより、第５磁性層５０と第２磁性層２０とが強磁性結合、反強磁性結合、または静磁結合すると、磁気共鳴周波数を低減することができ、磁気共鳴効果が生じやすくなる。第５磁性層５０と第３磁性層３０とが強磁性結合、反強磁性結合、または静磁結合すると、磁気共鳴周波数を低減することができ、磁気共鳴効果が生じやすくなる。
【０１５１】
例えば、第５磁性層５０は、第２ホイスラー合金を含んでもよい。第２ホイスラー合金は、Ｃｏ２ＨｆＳｎ、Ｃｏ２ＺｒＳｎ、Ｃｏ２ＨｆＡｌ、Ｃｏ２ＺｒＡｌ、Ｃｏ２ＨｆＧａ、Ｃｏ２ＴｉＳｉ、Ｃｏ２ＴｉＧｅ、Ｃｏ２ＴｉＳｎ、Ｃｏ２ＴｉＧａ、Ｃｏ２ＴｉＡｌ、Ｃｏ２ＶＧａ、Ｃｏ２ＶＡｌ、Ｃｏ２ＴａＡｌ、Ｃｏ２ＮｂＧａ、Ｃｏ２ＮｂＡｌ、Ｃｏ２ＶＳｎ、Ｃｏ２ＮｂＳｎ、Ｃｏ２ＣｒＡｌ、Ｒｈ２ＮｉＳｎ、Ｒｈ２ＮｉＧｅ、Ｍｎ２ＷＳｎ、Ｆｅ２ＭｎＳｉ、及びＦｅ２ＭｎＡｌの少なくともいずれか１つを含む。
【０１５２】
上記の第２ホイスラー合金は、比較的に飽和磁化Ｍｓが小さい。例えば、第２ホイスラー合金において、Ｍｓ＜４００ｅｍｕ／ｃｃとすることができる。これにより、例えば、隣接する磁気記憶素子への漏洩磁界を低減することができる。
【０１５３】
第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０においては、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できる。第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０においては、上記の群から選択された少なくともいずれかと、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属を含む合金を用いることができる。
【０１５４】
第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０においては、含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件などを調整する。例えば、第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０においては、磁化量や磁気異方性などの特性を調整することができる。例えば、第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０においては、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。例えば、第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０においては、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０においては、Ｆｅ／Ｐｔ、Ｆｅ／Ｐｄなどの合金や積層構造を用いても良い。Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、及び、Ｎｉ／Ｃｕ等は、下地層との組み合わせで垂直磁化膜となる。第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０において、膜の結晶配向方向を制御することで、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、または、Ｎｉ／Ｃｕ等を用いることができる。第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０においては、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）、及びシリコン（Ｓｉ）などの添加物を含んでもよい。例えば、第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０においては、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＭｎＧａ、ＭｎＧｅなどを用いても良い。各種の組成比は適宜変えても良い。
【０１５５】
第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０には、例えば、ホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金は、例えば、Ｌ２１構造を有し、Ｘ２ＹＺの様な組成を有する合金である。例えば、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｒｕ及びＰｄの少なくともいずれか１つを含むホイスラー合金を含む。
【０１５６】
例えば、第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０は、第１ホイスラー合金を含む。第１ホイスラー合金は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＳｂ、Ｃｏ２ＣｒＧａ、Ｎｉ２ＭｎＩｎ、Ｎｉ２ＭｎＧａ、Ｎｉ２ＭｎＳｎ、Ｎｉ２ＭｎＳｂ、Ｎｉ２ＦｅＧａ、Ｐｄ２ＭｎＳｂ、Ｐｄ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＡｌ、Ｃｕ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＩｎ、Ｒｈ２ＭｎＧｅ、Ｒｈ２ＭｎＰｂ、Ｒｈ２ＭｎＳｎ、Ｐｄ２ＭｎＧｅ、Ｒｈ２ＦｅＳｎ、Ｒｕ２ＦｅＳｎ、及びＲｈ２ＦｅＳｂの少なくともいずれか１つを含む。
【０１５７】
第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０に上記の第１ホイスラー合金を用いることで、例えば、第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０の飽和磁化Ｍｓを大きくすることができる。これにより、例えば、第２磁性層２０と第１磁性層１０における磁気共鳴周波数を低減することができ、磁気共鳴効果を生じやすくすることができる。
【０１５８】
例えば、第２磁性層２０、第３磁性層３０及び第４磁性層４０は、第２ホイスラー合金を含んでもよい。第２ホイスラー合金は、Ｃｏ２ＨｆＳｎ、Ｃｏ２ＺｒＳｎ、Ｃｏ２ＨｆＡｌ、Ｃｏ２ＺｒＡｌ、Ｃｏ２ＨｆＧａ、Ｃｏ２ＴｉＳｉ、Ｃｏ２ＴｉＧｅ、Ｃｏ２ＴｉＳｎ、Ｃｏ２ＴｉＧａ、Ｃｏ２ＴｉＡｌ、Ｃｏ２ＶＧａ、Ｃｏ２ＶＡｌ、Ｃｏ２ＴａＡｌ、Ｃｏ２ＮｂＧａ、Ｃｏ２ＮｂＡｌ、Ｃｏ２ＶＳｎ、Ｃｏ２ＮｂＳｎ、Ｃｏ２ＣｒＡｌ、Ｒｈ２ＮｉＳｎ、Ｒｈ２ＮｉＧｅ、Ｍｎ２ＷＳｎ、Ｆｅ２ＭｎＳｉ、及びＦｅ２ＭｎＡｌの少なくともいずれか１つを含む。
【０１５９】
上記の第２ホイスラー合金は、比較的飽和磁化Ｍｓが小さい。例えばＭｓ＜４００ｅｍｕ／ｃｃとすることができる。これにより、例えば、隣接する磁気記憶素子への漏洩磁界を低減することができる。
【０１６０】
第６磁性層６０においては、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できる。第６磁性層６０においては、上記の群から選択された少なくともいずれかと、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属を含む合金を用いることができる。第６磁性層６０においては、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）、及びシリコン（Ｓｉ）などの添加物を含んでもよい。例えば、第６磁性層６０においては、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＮｉＦｅ、ＭｎＧａ、ＭｎＧｅ、ＣｏＦｅＡｌ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＧｅ、ＣｏＦｅＳｎ、ＣｏＭｎＡｌ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｎなどを用いても良い。各種の組成比は、適宜変えて良い。
【０１６１】
例えば、第６磁性層６０は、ホイスラー合金を含む。例えば、第６磁性層６０には、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｒｕ及びＰｄの少なくともいずれかを含むホイスラー合金が用いられる。ホイスラー合金においては、例えば、スピン注入効率ｇ（θ）が高い。これにより、例えば、後述する（１）式における傾きｆ／Ｊを大きくすることができる。すなわち、電流に対して、発振周波数を高くすることができる。
【０１６２】
例えば、ホイスラー合金には、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｎｉ２ＭｎＩｎ、Ｎｉ２ＭｎＧａ、Ｎｉ２ＭｎＳｎ、Ｐｄ２ＭｎＳｂ、Ｐｄ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＡｌ、Ｃｕ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＩｎ、Ｒｈ２ＭｎＧｅ及びＲｈ２ＭｎＰｂの少なくともいずれかが用いられる。  
これらのホイスラー合金においては、磁化Ｍｓは比較的小さい。例えば、磁化Ｍｓは、８００ｅｍｕ／ｃｃ以下である。このようなホイスラー合金を用いることで、例えば、後述する（１）上述の式における傾きｆ／Ｊをさらに大きくすることができる。
【０１６３】
例えば、ホイスラー合金には、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ及びＣｏ２ＭｎＳｉの少なくともいずれかを用いてもよい。
【０１６４】
これらのホイスラー合金においては、磁化Ｍｓが比較的大きい。例えば、磁化Ｍｓは、８００ｅｍｕ／ｃｃ以上１０００ｅｍｕ／ｃｃ以下である。これにより、例えば、第６磁性層６０の磁化の発振により発生する磁界を大きくすることができる。第６磁性層６０の磁化によって、第６磁性層６０の磁化が反転しやすくなる。すなわち、反転電流を低減させることができる。
【０１６５】
第６磁性層６０は、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＳｂ、Ｃｏ２ＣｒＧａ、Ｎｉ２ＭｎＩｎ、Ｎｉ２ＭｎＧａ、Ｎｉ２ＭｎＳｎ、Ｎｉ２ＭｎＳｂ、Ｎｉ２ＦｅＧａ、Ｐｄ２ＭｎＳｂ、Ｐｄ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＡｌ、Ｃｕ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＩｎ、Ｒｈ２ＭｎＧｅ、Ｒｈ２ＭｎＰｂ、Ｒｈ２ＭｎＳｎ、Ｐｄ２ＭｎＧｅ、Ｒｈ２ＦｅＳｎ、Ｒｕ２ＦｅＳｎ、及びＲｈ２ＦｅＳｂの少なくともいずれか１つを含む。
【０１６６】
第６磁性層６０に上記のホイスラー合金を用いることで、例えば、第３磁性層３０の飽和磁化Ｍｓを大きくすることができる。これにより、第２磁性層２０と第６磁性層６０とが強磁性結合、反強磁性結合、または静磁結合すると、磁気共鳴効果が生じやすくなる。
【０１６７】
第６磁性層６０が上記ホイスラー合金、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢのいずれかの場合、あるいはＣｏＦｅと他の金属の合金の場合、Ｍｓが大きくなる。これにより、第２磁性層２０と第６磁性層６０との強磁性結合、反強磁性結合、または静磁結合の結合力を強くすることができる。第６磁性層６０の磁化の強さは、１０００〜１６００（emu/cc）が好ましい。ＬＬＧ計算では、１０００〜１４００（emu/cc）がより好ましい。
【０１６８】
例えば、第６磁性層６０に、ホイスラー合金を用いることで、例えば、スピン注入効率ｇ（θ）が高くなる。
【０１６９】
例えば、第６磁性層６０（発振層）において、発振周波数ｆと電流密度Ｊとの間には以下の（１）式の関係がある。  
ｆ＝γ／（２πα）（ｈ（ｂａｒ）／２ｅ）（ｇ（θ）／Ｍｓｔ）Ｊ…（１）
γは、ジャイロ時定数を表す。αはダンピング定数を表す。ｈ（ｂａｒ）は、プランク定数を２πで割った値である。ｇ（θ）は、スピン注入効率を表す。Ｍｓは、発振層（第６磁性層６０）の磁化である。ｔは、発振層の厚さ（積層方向に沿った長さ）である。第６磁性層６０の発振特性の傾きは、上記の（１）式において、ｆ／Ｊで表わされる。
【０１７０】
第６磁性層６０にホイスラー合金を用いることにより、例えば、上述の式における傾きｆ／Ｊを大きくすることができる。電流密度（Ｊ）に対しての、発振周波数（ｆ）の値がより高くなる。
【０１７１】
実施形態においては、第６磁性層６０において、このようなホイスラー合金を用いることが望ましい。これにより、発振層において、電流に対する発振周波数を大きくすることができる。このような発振層と、記憶層とを静磁結合させることによって、反転電流を低減させることができる。
【０１７２】
例えば、第６磁性層６０にホイスラー合金を用いる場合、第６磁性層６０の磁化によって周囲に漏洩磁界が生じる場合がある。この漏洩磁界は、例えば、隣接するメモリセルに影響を与えてしまう場合がある。実施形態においては、後述する磁気シールド５１を用いることが望ましい。これにより、漏洩磁界を抑制することができる。
【０１７３】
第２非磁性層３２は、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ及びＰｔの群から選択される少なくとも１つを含む。第２非磁性層３２は、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ及びＰｔの群から選択される少なくとも２つ以上を含む合金であってもよい。第２非磁性層３２は、スピンポンピング効果の大きな重金属材料を含む。
【０１７４】
第２非磁性層３２を表面酸化することにより、第２非磁性層３２は、ＭＴＪ素子と絶縁してもよい。Ｘ軸方向において第２非磁性層３２と重なる絶縁膜（例えば、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜、または酸化アルミニウム膜等）が設けられてもよい。
【０１７５】
第１非磁性層３１、第３非磁性層３３及び第４非磁性層３４においては、例えば、非磁性トンネルバリア層として機能する絶縁材料を用いることができる。例えば、第１非磁性層３１、第３非磁性層３３及び第４非磁性層３４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は、例えば、絶縁体を含み、電圧を印加したときに、トンネル効果による電流（トンネル電流）の流れる非磁性の層である。非磁性トンネルバリア層の厚さは、例えば、２ｎｍ以下である。これにより、電圧を印加したときに、非磁性トンネルバリア層にトンネル電流が流れる。
【０１７６】
例えば、第１非磁性層３１、第３非磁性層３３及び第４非磁性層３４においては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＴｉＯ３、ＡｌＬａＯ３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、ＭｇＡｌＯ、ＭｇＺｎＯ、ＭｇＧａＯ、ＭｇＧａＯ、ＺｎＧａＯ、ＺｎＡｌＯ、ＳｉＺｎＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ、Ｖｏ、ＴｉＯ、Ｍｇ−Ｌｉ−Ｏ、Ｍｇ−Ｖ−Ｏ、または、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ等を用いることができる。
【０１７７】
第１非磁性層３１、第３非磁性層３３及び第４非磁性層３４には、例えば、非磁性半導体（ＺｎＯｘ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯｘ、Ｚｎ、Ｔｅ、または、これらに遷移金属がドープされたもの）などを用いることができる。各種の組成比は、適宜変えても良い。
【０１７８】
第１非磁性層３１、第３非磁性層３３及び第４非磁性層３４の厚さは、約０．２ナノメートル（ｎｍ）以上２．０ｎｍ以下の範囲であることが望ましい。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。
【０１７９】
第１非磁性層３１、第３非磁性層３３及び第４非磁性層３４においては、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。
【０１８０】
非磁性トンネルバリア層を用いる場合、その厚さは、約０．２ｎｍ以上２．０ｎｍ程度とすることが望ましい。
【０１８１】
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１非磁性層３１、第３非磁性層３３及び第４非磁性層３４として非磁性金属層を用いる場合、その厚さは、１．５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とすることが望ましい。これにより、磁性層間で層間結合せず、かつ、伝導電子のスピン偏極状態が非磁性金属層を通過する際に失われることを抑制することができる。
【０１８２】
第５非磁性層３５及び第６非磁性層３６には、例えば、非磁性金属層が用いられる。第５非磁性層３５及び第６非磁性層３６に用いられる非磁性金属層には、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、ビスマス（Ｂｉ）、イリジウム（Ｉｒ）及びオスミウム（Ｏｓ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの非磁性金属、または、上記の群から選択された２つ以上の非磁性金属を含む合金を含むことができる。
【０１８３】
第５非磁性層３５及び第６非磁性層３６に用いられる非磁性金属層は、例えば、上記の群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、導電性窒化物、導電性酸化物及び導電性弗化物の少なくともいずれかでもよい。例えば、第６非磁性層３６には、例えば、ＴｉＮ及びＴａＮなどを用いることができる。第６非磁性層３６には、これらの材料の膜を積層させた積層膜を用いても良い。第６非磁性層３６には、例えば、Ｔｉ膜／Ｒｕ膜／Ｔｉ膜の積層膜などを用いることができる。
【０１８４】
第５非磁性層３５及び第６非磁性層３６には、銅（Ｃｕ）などのスピン拡散長が長い材料を用いることができる。第６非磁性層３６には、ルテニウム（Ｒｕ）などの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。
【０１８５】
これにより、第６磁性層６０の磁化回転の制御性の低下を抑制できる。第６磁性層６０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１磁性層１０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６磁性層６０の磁化を独立に制御することが可能となる。
【０１８６】
第５非磁性層３５及び第６非磁性層３６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つ以上を含む合金である。
【０１８７】
第５非磁性層３５及び第６非磁性層３６の厚さは、１．４ｎｍ以上に設定することが望ましい。
【０１８８】
第５非磁性層３５及び第６非磁性層３６の厚さが１．４ｎｍ以上であると、第５非磁性層３５及び第６非磁性層３６において、伝導電子が第５非磁性層３５の内部及び界面及び第６非磁性層３６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。第１磁性層１０の磁化の向きにより第６磁性層６０の歳差運動が変化することを、第５非磁性層３５及び第６非磁性層３６より防ぐことができる。
【０１８９】
一方、第５非磁性層３５及び第６非磁性層３６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６磁性層６０から発生する回転磁界の強度が、第１磁性層１０の位置で減衰する。そのため、第５非磁性層３５及び第６非磁性層３６の厚さは、２０ｎｍ以下に設定されることが望ましい。
【０１９０】
第１導電層８１及び第２導電層８２には、例えば、導電性の磁性材料または導電性の非磁性材料が用いられる。導電性の磁性材料としては、例えば、第６磁性層６０及び第７磁性層７０に用いられる材料と実質的に同じ材料を挙げることができる。
【０１９１】
第１導電層８１及び第２導電層８２に用いられる導電性の非磁性材料には、例えば、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、ビスマス（Ｂｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、上記の群から選択された２つ以上の金属を含む合金を用いることができる。
【０１９２】
さらに、第１導電層８１及び第２導電層８２に用いられる導電性の非磁性材料は、上記の群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、導電性窒化物、導電性酸化物及び導電性弗化物の少なくともいずれかでもよい。第１導電層８１及び第２導電層８２に用いられる導電性の非磁性材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤ及びグラフェンなどでもよい。
【０１９３】
第１導電層８１及び第２導電層８２に導電性の保護膜を設けてもよい。この場合、保護膜には、例えば、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、または、グラフェンなどの材料を用いることができる。エレクトロマグレーション耐性及び低抵抗であることを考慮すると、保護膜には、銅（Ｃｕ）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択されたいずれかの元素、または、これらを含む合金を用いることが望ましい。
【０１９４】
第１導電層８１及び第２導電層８２の少なくともいずれかに、トランジスタが直接または間接に接続される場合がある。このとき、第１導電層８１及び第２導電層８２の上記の少なくともいずれかには、例えば、そのトランジスタのソース部またはドレイン部が用いられても良い。このとき、第１導電層８１及び第２導電層８２の上記の少なくともいずれかには、例えば、そのトランジスタのソース部またはドレイン部と接続されるコンタクト部が用いられても良い。
【０１９５】
Ｘ−Ｙ平面に投影したときの第１積層部ＳＢ１の形状及び第２積層部ＳＢ２の形状は任意である。Ｘ−Ｙ平面に投影したときの第１積層部ＳＢ１の形状及び第２積層部ＳＢ２の形状は、例えば、円形、楕円形、扁平円、及び、多角形などである。多角形とする場合には、四角形や六角形などの３つ以上の角を有することが好ましい。多角形は、角丸状でもよい。
【０１９６】
Ｚ軸方向に対して平行な平面（例えばＺ−Ｘ平面やＺ−Ｙ平面）に投影したときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は任意である。Ｚ軸方向に対して平行な平面に投影したときの第１積層部ＳＢ１の形状及び第２積層部ＳＢ２の形状（膜面に対して垂直な面で切断した形状）は、例えば、テーパ形状または逆テーパ形状を有することができる。
【０１９７】
次に、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法の一例について説明する。以下の製造方法は、磁気記憶素子に加え、層の作製順を適宜変更することにより、実施形態に係る、後述する他の磁気記憶素子にも適用できる。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。
【０１９８】
図１５（ａ）〜図１５（ｆ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法を例示する模式的断面図である。  
図１６（ａ）〜図１６（ｄ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
【０１９９】
図１５（ａ）に示すように、Ｚ軸方向において、第５非磁性層３５が第８磁性層１８に重なる積層体を用意する。例えば、第８磁性層１８上には、第５非磁性層３５を形成する。第５非磁性層３５は、Ｚ軸方向において第８磁性層１８と重なる。第５非磁性層３５は、減圧雰囲気でスパッタリング法またはＭＢＥ法により形成される。
【０２００】
図１５（ｂ）に示すように、第８磁性層１８上には、第２非磁性膜３２Ｆを形成する。
第２非磁性膜３２Ｆは、Ｚ軸方向において第８磁性層１８及び第５非磁性層３５と重なる。第２非磁性膜３２Ｆは、Ｘ軸方向において第８磁性層１８及び第５非磁性層３５と重なる。第２非磁性膜３２Ｆの上面３２ｔは、例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により研磨される。ＣＭＰ処理では、シリカ系スラリが用いられる。
【０２０１】
図１５（ｃ）に示すように、第２非磁性膜３２Ｆ上には、マスク８６Ａを形成する。マスク８６Ａは、Ｚ軸方向において、第２非磁性膜３２Ｆの一部と重なる。マスク８６Ａは、レジストを含む。マスク８６Ａは、ＡｒＦ液浸スキャナ法またはＥＢ描画法により、パターニングされる。マスク８６Ａは、開口部８６ｈを有する。開口部８６ｈにおいて、第２非磁性膜３２Ｆは露出する。
【０２０２】
図１５（ｄ）に示すように、マスク８６Ａから露出された第２非磁性膜３２Ｆをエッチングする。エッチングでは、イオンミリング法またはＲＩＥ法が用いられる。これにより、マスク８６Ａから露出された第２非磁性膜３２Ｆが除去される。これにより、第２非磁性層３２が形成される。第２非磁性層３２には、凹部３２ｈが形成される。凹部３２ｈにおいて、第５非磁性層３５が露出する。
【０２０３】
図１５（ｅ）に示すように、凹部３２ｈ内及びマスク８６Ａ上に、第１磁性膜１０Ｆ（例えば強磁性膜）を形成する。第１磁性膜１０Ｆは、減圧雰囲気でスパッタリング法またはＭＢＥ法により形成される。
【０２０４】
図１５（ｆ）に示すように、マスク８６Ａを有機溶剤または酸素アッシング法により除去する。これにより、マスク８６Ａ上の第１磁性膜１０Ｆが除去される。これにより、凹部１０ｈ内には、第１磁性層１０が形成される。第１磁性層１０は、Ｘ軸方向において、第２非磁性層３２に重なる。
【０２０５】
図１６（ａ）に示すように、第１磁性層１０上及び第２非磁性層３２上には、第１非磁性膜３１Ｆを形成する。第１非磁性膜３１Ｆは、Ｚ軸方向において第１磁性層１０及び第２非磁性層３２と重なる。第１非磁性膜３１Ｆの厚さ（Ｚ軸方向における長さ）は、例えば、０．１ｎｍである。第１非磁性膜３１Ｆ上には、第２磁性膜２０Ｆ（例えば強磁性膜）を形成する。第２磁性膜２０Ｆは、Ｚ軸方向において第１非磁性膜３１Ｆと重なる。第１非磁性膜３１Ｆ及び第２磁性膜２０Ｆは、減圧雰囲気でスパッタリング法またはＭＢＥ法により形成される。
【０２０６】
図１６（ｂ）に示すように、第２磁性膜２０Ｆ上に、マスク８６Ｂを形成する。マスク８６Ｂは、Ｚ軸方向において、第２磁性膜２０Ｆの一部と重なる。マスク８６Ｂは、レジストを含む。マスク８６Ｂは、ＡｒＦ液浸スキャナ法またはＥＢ描画法により、パターニングされる。マスク８６Ｂは、第１磁性層１０上に位置する。Ｘ軸方向において、マスク８６Ｂの長さは、例えば、２０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。
【０２０７】
マスク８６Ｂから露出された第２磁性膜２０Ｆは、エッチングされる。マスク８６Ｂから露出された第１非磁性膜３１Ｆは、エッチングされる。エッチングでは、イオンミリング法またはＲＩＥ法が用いられる。
【０２０８】
これにより、図１６（ｃ）に示すように、第２磁性層２０及び第１非磁性層３１が形成される。第２磁性層２０及び第１非磁性層３１は、Ｚ軸方向において、第１磁性層１０と重なる。
【０２０９】
エッチング後、マスク８６Ｂ上及び第２非磁性層３２上には、層間絶縁膜２００Ｆを形成する。層間絶縁膜２００Ｆは、減圧雰囲気でスパッタリング法またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形成される。層間絶縁膜２００Ｆは、シリコン酸化物及びシリコン窒化物の少なくともいずれかを含む。層間絶縁膜２００Ｆは、Ｚ軸方向において、マスク８６Ｂと重なる。層間絶縁膜２００Ｆは、Ｘ軸方向において、第１非磁性層３１、第２磁性層２０及びマスク８６Ｂと重なる。
【０２１０】
図１６（ｄ）に示すように、層間絶縁膜２００ＦをＣＭＰ法により研磨する。層間絶縁膜２００Ｆの研磨では、シリカ系スラリが用いられる。層間絶縁膜２００Ｆの研磨では、第２磁性層２０がストッパ層として機能する。これにより、層間絶縁膜２００が形成される。層間絶縁膜２００は、Ｘ軸方向において第２磁性層２０及び第１非磁性層３１と重なる。層間絶縁膜２００は、Ｚ軸方向において第２非磁性層３２と重なる。
【０２１１】
図１７（ａ）〜図１７（ｅ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の別の製造方法を例示する模式的断面図である。  
図１８（ａ）〜図１８（ｄ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の別の製造方法を例示する模式的断面図である。
【０２１２】
図１７（ａ）に示すように、Ｚ軸方向において、第５非磁性層３５が第８磁性層１８に重なる積層体を用意する。例えば、第８磁性層１８上には、第５非磁性層３５を形成する。第５非磁性層３５は、Ｚ軸方向において第８磁性層１８と重なる。第５非磁性層３５は、減圧雰囲気でスパッタリング法またはＭＢＥ法により形成される。
【０２１３】
Ｘ軸方向において、第５非磁性層３５及び第８磁性層１８に重なる第２非磁性膜３２Ｆ２を形成する。第２非磁性膜３２Ｆ２は、減圧雰囲気でスパッタリング法またはＭＢＥ法により形成される。第５非磁性層３５の材料は、第２非磁性膜３２Ｆ２の材料と同じであってもよい。第５非磁性層３５は、第２非磁性膜３２Ｆ２と同じ製造工程で形成してもよい。
【０２１４】
第５非磁性層３５上及び第２非磁性膜３２Ｆ２上には、第１磁性膜１０Ｆを形成する。第１磁性膜１０Ｆは、減圧雰囲気でスパッタリング法またはＭＢＥ法により形成される。
【０２１５】
図１７（ｂ）に示すように、第１磁性膜１０Ｆ上に、マスク８７Ａを形成する。マスク８７Ａは、Ｚ軸方向において、第１磁性膜１０Ｆの一部と重なる。マスク８７Ａは、レジストを含む。マスク８７Ａは、ＡｒＦ液浸スキャナ法またはＥＢ描画法により、パターニングされる。マスク８７Ａは、第８磁性層１８上に位置する。Ｘ軸方向において、マスク８７Ａの長さは、例えば、２０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。
【０２１６】
図１７（ｃ）に表すように、マスク８７Ａから露出された第１磁性膜１０Ｆをエッチングする。エッチングされる。エッチングでは、イオンミリング法またはＲＩＥ法が用いられる。これにより、第５非磁性層３５上に第１磁性層１０が形成される。
【０２１７】
この例では、マスク８７Ａから露出された第２非磁性膜３２Ｆ２をイオンミリング法またはＲＩＥ法によりエッチングする。これにより第２非磁性膜３２Ｆ２の一部がマスク８７Ａの側面８７ｗ及び第１磁性層１０の側面１０ｗに再堆積する。これにより、例えば、Ｘ軸方向において第１磁性層１０と重なる第２非磁性膜３２Ｆ３が形成される。この例では、第２非磁性膜３２Ｆ２と第２非磁性膜３２Ｆ３とを含む層を、第２非磁性層３２とする。
【０２１８】
図１７（ｄ）に示すように、マスク８７Ａ上及び第２非磁性層３２上には、層間絶縁膜２００Ｆ１を形成する。層間絶縁膜２００Ｆ１は、減圧雰囲気でスパッタリング法またはＡＬＤ法により形成される。層間絶縁膜２００Ｆ１は、Ｚ軸方向において、マスク８７Ａと重なる。層間絶縁膜２００Ｆ１は、シリコン酸化物及びシリコン窒化物の少なくともいずれかを含む。層間絶縁膜２００Ｆ１は、Ｘ軸方向において、第２非磁性膜３２Ｆ３、第１磁性層１０及びマスク８７Ａと重なる。
【０２１９】
図１７（ｅ）に示すように、層間絶縁膜２００Ｆ１をＣＭＰ法により研磨する。層間絶縁膜２００Ｆ１の研磨では、シリカ系スラリが用いられる。層間絶縁膜２００Ｆ１の研磨では、第１磁性層１０がストッパ層として機能する。マスク８７Ａについては、有機溶剤または酸素アッシング法で除去してもよい。
【０２２０】
図１８（ａ）に示すように、第１磁性層１０上、第２非磁性層３２上及び層間絶縁膜２００Ｆ１上には、第１非磁性膜３１Ｆを形成する。第１非磁性膜３１Ｆは、Ｚ軸方向において第１磁性層１０及び第２非磁性層３２と重なる。第１非磁性膜３１Ｆの厚さ（Ｚ軸方向における長さ）は、例えば、０．１ｎｍである。第１非磁性膜３１Ｆ上には、第２磁性膜２０Ｆを形成する。第２磁性膜２０Ｆは、Ｚ軸方向において第１非磁性膜３１Ｆと重なる。第１非磁性膜３１Ｆ及び第２磁性膜２０Ｆは、減圧雰囲気でスパッタリング法またはＭＢＥ法により形成される。
【０２２１】
図１８（ｂ）に示すように、第２磁性膜２０Ｆ上に、マスク８７Ｂを形成する。マスク８７Ｂは、Ｚ軸方向において、第２磁性膜２０Ｆの一部と重なる。マスク８７Ｂは、レジストを含む。マスク８７Ｂは、ＡｒＦ液浸スキャナ法またはＥＢ描画法により、パターニングされる。マスク８７Ｂは、第１磁性層１０上に位置する。Ｘ軸方向において、マスク８７Ｂの長さは、例えば、２０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。
【０２２２】
図１８（ｃ）に示すように、マスク８７Ｂから露出された第２磁性膜２０Ｆは、エッチングされる。マスク８７Ｂから露出された第１非磁性膜３１Ｆは、エッチングされる。エッチングでは、イオンミリング法またはＲＩＥ法が用いられる。
【０２２３】
これにより、第２磁性層２０及び第１非磁性層３１が形成される。第２磁性層２０及び第１非磁性層３１は、Ｚ軸方向において、第１磁性層１０と重なる。
【０２２４】
図１８（ｄ）に示すように、マスク８７Ｂを有機溶剤または酸素アッシング法により除去する。Ｘ軸方向において、Ｘ軸方向において第２磁性層２０及び第１非磁性層３１と重なる層間絶縁膜２００Ｆ２を形成する。層間絶縁膜２００Ｆ２は、Ｚ軸方向において第２非磁性層３２と重なる。層間絶縁膜２００Ｆ２は、シリコン酸化物及びシリコン窒化物の少なくともいずれかを含む。層間絶縁膜２００Ｆ２は、減圧雰囲気でスパッタリング法またはＡＬＤ法により形成される。
【０２２５】
図１９は、第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式的断面図である。
図１９に示すように、不揮発性記憶装置６１１は、磁気記憶素子１１７を含む。不揮発性記憶装置６１１は、この他、制御部５５０を含んでも良く、図１９では、制御部５５０は省略されている。磁気記憶素子１１７においては、第１磁性層１０の磁化１０ｍの向きが下向きであり、第７磁性層７０の磁化７０ｍの向きが上向きである。このように、磁化１０ｍの向き及び磁化７０ｍの向きは、第１磁性層１０の磁化１０ｍの向き及び磁化７０ｍの向きに対して、それぞれ逆向きでもよい。
【０２２６】
第６非磁性層３６においてスピン情報が保たれると、第６磁性層６０は、第２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。これにより、第６磁性層６０の磁化回転の制御性が低下する場合がある。
【０２２７】
このとき、第６非磁性層３６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）を用いることが望ましい。第６非磁性層３６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構造を有する層を用いることが望ましい。これにより、第６磁性層６０の磁化回転の制御性の低下を抑制できる。
【０２２８】
第６磁性層６０の磁化６０ｍ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７磁性層７０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６磁性層６０の磁化６０ｍを独立に制御することが可能となる。
【０２２９】
第６非磁性層３６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。
【０２３０】
第６非磁性層３６の厚さは、１．４ｎｍ以上に設定することが望ましい。
【０２３１】
第６非磁性層３６の厚さが１．４ｎｍ以上であると、第６非磁性層３６において、伝導電子が第６非磁性層３６の内部及び界面を通過する際にスピン偏極度が消失する。第２磁性層２０の磁化２０ｍの向きにより第６磁性層６０の歳差運動が変化することを、第６非磁性層３６により防ぐことができる。
【０２３２】
一方、第６非磁性層３６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６磁性層６０から発生する回転磁界の強度が、第２磁性層２０の位置で減衰する。そのため、第６非磁性層３６の厚さは、２０ｎｍ以下に設定されることが望ましい。
【０２３３】
第６非磁性層３６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。
【０２３４】
さらに、第６非磁性層３６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。
【０２３５】
図２０（ａ）〜図２０（ｊ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。  
図２０（ａ）〜図２０（ｆ）に示すように、磁気記憶素子１２１〜磁気記憶素子１２６では、第２磁性層２０、第１非磁性層３１、第１磁性層１０、第６非磁性層３６、第７磁性層７０、第４非磁性層３４及び第６磁性層６０が、この順に積層されている。第２非磁性層３２は、Ｘ軸方向において、第１磁性層１０の少なくとも一部に重なる。このように、積層体ＳＢ０の積層順は、図２０（ａ）〜図２０（ｆ）に示す順序でもよい。
【０２３６】
磁気記憶素子１２１及び磁気記憶素子１２２では、第１磁性層１０の磁化１０ｍのＺ軸方向の成分の向きが、第７磁性層７０の磁化７０ｍのＺ軸方向の成分の向きに対して逆である。これにより、例えば、第２磁性層２０の位置において、第１磁性層１０の磁化１０ｍ及び第７磁性層７０の磁化７０ｍに起因する漏洩磁界の影響を抑えることができる。
【０２３７】
磁気記憶素子１２１及び磁気記憶素子１２２において、第１磁性層１０と第７磁性層７０とは、第６非磁性層３６を介して反強磁性結合していても良い。このように、非磁性層を介して互いの磁化の方向が反強磁性結合し反平行となる構造は、シンセティックアンチフェロ（ＳＡＦ：Synthetic Anti-Ferromagnetic）構造と呼ばれる。この例では、「第１の磁性層（例えば第１磁性層１０）／非磁性層（例えば、第６非磁性層３６）／第２の磁性層（例えば、第７磁性層７０）」の積層構造が、ＳＡＦ構造に対応する。
【０２３８】
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、熱的な安定性が向上する。この構造においては、磁気記憶層（例えば第２磁性層２０）の位置において膜面に対して垂直な方向にかかる漏洩磁界を実質的にゼロにすることができる。
【０２３９】
ＳＡＦ構造における非磁性層（中間層）には、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）またはオスミウム（Ｏｓ）などの金属材料が用いられる。非磁性層の厚さは、例えば、３ｎｍ以下に設定される。これにより、非磁性層を介して十分強い反強磁性結合が得られる。
【０２４０】
第６非磁性層３６は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、及び、イリジウム（Ｉｒ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、前記群から選択された少なくとも２つ以上の金属を含む合金を含む。第６非磁性層３６の厚さは、例えば、３ｎｍ以下である。
【０２４１】
磁気記憶素子１２３及び磁気記憶素子１２４では、第１磁性層１０の磁化１０ｍのＺ軸方向の成分の向きが、第７磁性層７０の磁化７０ｍのＺ軸方向の成分の向きに対して同じである。このように、磁化１０ｍの向きは、磁化７０ｍの向きと平行でもよい。
【０２４２】
磁気記憶素子１２５及び磁気記憶素子１２６では、磁化１０ｍの向き及び磁化７０ｍの向きが、Ｚ軸方向に対して傾いている。磁化１０ｍの向き及び磁化７０ｍの向きは、Ｚ軸方向に対して平行でなくてもよい。磁化１０ｍの向き及び磁化７０ｍの向きは、少なくともＺ軸方向の成分を有している。
【０２４３】
図２０（ｇ）及び図２０（ｈ）に表したように、磁気記憶素子１２７及び磁気記憶素子１２８では、第１磁性層１０、第１非磁性層３１、第２磁性層２０、第６非磁性層３６、第７磁性層７０、第４非磁性層３４及び第６磁性層６０が、この順に積層される。このように、積層体ＳＢ０の積層順は、図２０（ｇ）及び図２０（ｈ）に示す順序でもよい。
【０２４４】
図２０（ｉ）及び図２０（ｊ）に表しように、磁気記憶素子１２９及び磁気記憶素子１３０では、第２磁性層２０、第１非磁性層３１、第１磁性層１０、第６非磁性層３６、第６磁性層６０、第４非磁性層３４及び第７磁性層７０が、この順に積層される。このように、積層体ＳＢ０の積層順は、図２０（ｉ）及び図２０（ｊ）に示す順序でもよい。
【０２４５】
磁気記憶素子１２３、１２４、１２７、１２８、１２９、または１３０において、第１導電層８１と第２導電層８２とを介して積層体ＳＢ０に書き込み電流ＩＷを流す。書き込み電流ＩＷの向きは任意である。第７磁性層７０の磁化７０ｍの向きに対して逆向きの磁界を印加することにより、第６磁性層６０において発生する回転磁界の向きと、第２磁性層２０磁化２０ｍが歳差運動する向きと、を互いに一致させることができる。
【０２４６】
磁気記憶素子１１０及び磁気記憶素子１１６の積層順では、例えば、第２磁性層２０と第６磁性層６０との間に第７磁性層７０を配置する構成などに比べて、第２磁性層２０と第６磁性層６０との間の距離が近い。これにより、第６磁性層６０で発生した回転磁界を、より適切に第２磁性層２０に作用させることができる。第２磁性層２０における磁化反転をより効率的にアシストすることができる。
【０２４７】
図２１は、第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式図である。  
図２１に示すように、不揮発性記憶装置６１２は、磁気記憶素子１１８と制御部５５０とを含む。磁気記憶素子１１８において、第２磁性層２０は、第１部分２１と第２部分２２とを含む。これ以外は、磁気記憶素子１１８には、磁気記憶素子１１０について説明した構成を適用することができる。
【０２４８】
第１部分２１の磁化２１ｍの方向は、可変である。第２部分２２は、Ｚ軸方向において、第１部分２１と重なる。第２部分２２は、Ｚ軸方向に第１部分２１と積層される。この例では、第１磁性層１０と第１部分２１との間に第２部分２２が設けられる。第１磁性層１０と第２部分２２との間に第１部分２１を設けてもよい。第２部分２２の磁化２２ｍの方向は、可変である。第１部分２１の磁化２１ｍは、第２部分２２の磁化２２ｍと強磁性結合、反強磁性結合、あるいは静磁結合している。第２部分２２の磁気共鳴周波数は、第１部分２１の磁気共鳴周波数よりも低い。第１部分２１の磁気共鳴周波数は、例えば、２０ＧＨｚ以上である。第２部分２２の磁気共鳴周波数は、例えば、２０ＧＨｚ未満である。
【０２４９】
第１部分２１及び第２部分２２には、例えば、合金が用いられる。第２部分２２に含まれる少なくとも１つの元素の濃度は、第１部分２１に含まれる同じ元素の濃度と異なる。第２部分２２に含まれる合金の組成比は、第１部分２１に含まれる合金の組成比と異なる。第２部分２２は、例えば、第２磁性層２０において、第１部分２１と合金の組成比を変えた部分である。
【０２５０】
第２部分２２の材料は、第１部分２１の材料と異なってもよい。この場合、第１部分２１及び第２部分２２は、それぞれ第２磁性層２０に含まれる１つの層と見なすことができる。第２磁性層２０は、第１層と第２層とを含む積層体でもよい。
【０２５１】
不揮発性記憶装置６１２においては、第１部分２１の磁化２１ｍと第２部分２２の磁化２２ｍとが、強磁性結合、反強磁性結合、あるいは静磁結合している。これにより、例えば、静磁状態における第２磁性層２０のΔ値を大きくすることができる。例えば、熱擾乱耐性を高めることができる。磁気記憶素子１１０及び不揮発性記憶装置６１０の誤動作を抑制することができる。例えば、磁気記憶素子１１０の記憶保持時間を長時間化できる。
【０２５２】
Δ値とは、例えば、第２磁性層２０の磁気異方性エネルギーと熱エネルギーとの比である。Δ値は、例えば、次の式で表すことができる。  
Δ＝Ｋｕ・Ｖ／ＫＢ・Ｔ  
上記の式において、「Ｋｕ」は、有効磁気異方性定数である。「Ｖ」は、第２磁性層２０の体積である。ＫＢはボルツマン定数である。「Ｔ」は、磁気記憶素子１１０の絶対温度である。
【０２５３】
不揮発性記憶装置６１２においては、Ｚ軸方向に第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に電流を流すことにより、スピン偏極した電子が第２磁性層２０に作用する。不揮発性記憶装置６１２においては、第６磁性層６０の磁化が歳差運動することにより発生する回転磁界を第２磁性層２０に作用させる。これにより、第２磁性層２０の第１部分２１の磁化２１ｍの方向及び第２部分２２の磁化２２ｍの方向が、電流の向きに応じた方向に決定される。
【０２５４】
第２磁性層２０の第１部分２１においては、例えば、第１部分２１の磁化２１ｍの方向は、膜面に対して略垂直方向で、Ｚ軸方向と略平行である。第１部分２１の磁化２１ｍは、反転可能である。第１部分２１は、データを記憶する役割をもつ。第１部分２１は、例えば、磁気記憶層として機能する。
【０２５５】
第２磁性層２０の第２部分２２においては、例えば、第２部分２２の磁化２２ｍの方向は、膜面に対して略垂直方向で、Ｚ軸方向と略平行である。第２部分２２の磁化２２ｍは、反転可能である。第２部分２２の磁化２２ｍは、例えば、Ｚ軸方向に電流が積層体ＳＢ０に流れた際に、第１部分２１の磁化２１ｍよりも早く磁化反転して、第１部分２１の磁化２１ｍの磁化反転をアシストする。第２部分２２は、例えば、第１部分２１の磁化反転のトリガとして機能する。第２部分２２は、例えば、トリガ層と呼ぶ。
【０２５６】
第２部分２２もデータの記憶保持に寄与する。第２磁性層２０を磁気記憶層とし、第１部分２１を記憶保持の本体部分、第２部分２２を磁化反転のトリガ部分と考えてもよい。
【０２５７】
例えば、不揮発性記憶装置６１２の幅（直径）を３０ｎｍ以下とする。これにより、ＭＲＡＭにおいて集積度を上げることができる。このとき、上述のΔ値（熱安定性定数）が小さいと、不揮発性記憶装置６１２が書き込まれたデータを保持し続けることができない場合がある。Δ値を大きくするために、例えば、有効磁気異方性定数Ｋｕを大きくする。有効磁気異方性定数Ｋｕが大きくなると、例えば有効磁気異方性磁界Ｈｋも大きくなる。これにより、書き込み電流が大きくなり、共鳴周波数が高くなってしまう場合がある。
【０２５８】
不揮発性記憶装置６１２では、第２部分２２によって第２磁性層２０の磁気共鳴周波数が低減する。このため、低減した第２磁性層２０の磁気共鳴周波数に応じた周波数の磁界を印加することで、第１部分２１の磁化２１ｍ及び第２部分２２の磁化２２ｍが反転する。この場合、第１部分２１単独の場合又は磁気共鳴周波数に応じた磁界を印加しない場合よりも、小さい電流で反転させることができる。第２部分２２の磁気共鳴周波数は、例えば、２０ＧＨｚ未満であり、より好ましくは、１５ＧＨｚ以下である。第６磁性層６０が発生する回転磁界の周波数を、例えば、２０ＧＨｚ未満とすることができる。これにより、例えば、第６磁性層６０が発生する回転磁界の周波数と、磁化２１ｍ及び磁化２２ｍの磁気共鳴周波数と、のマッチングが容易になる。例えば、磁気記憶素子１１０において、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の設計の自由度を高めることができる。
【０２５９】
第２部分２２には、例えば、ホイスラー合金を用いてもよい。例えば、第２部分２２には、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｒｕ及びＰｄの少なくともいずれかを含むホイスラー合金を用いても良い。例えば、ホイスラー合金には、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｎｉ２ＭｎＩｎ、Ｎｉ２ＭｎＧａ、Ｎｉ２ＭｎＳｎ、Ｐｄ２ＭｎＳｂ、Ｐｄ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＡｌ、Ｃｕ２ＭｎＳｎ、Ｃｕ２ＭｎＩｎ、Ｒｈ２ＭｎＧｅ及びＲｈ２ＭｎＰｂの少なくともいずれかを用いることができる。
【０２６０】
例えば、ホイスラー合金のスピン注入効率ｇ（θ）は高く、低い共鳴周波数を得ることができる。これにより、例えば、第２磁性層２０における磁化の反転電流を小さくすることができる。
【０２６１】
これらのホイスラー合金においては、例えば、磁化Ｍｓは比較的小さい。例えば、磁化Ｍｓは、８００ｅｍｕ／ｃｃ以下である。これにより、ホイスラー合金を用いた第２部分２２の磁化によって生じる漏洩磁界を抑制することができる。
【０２６２】
図２２は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。  
図２２に示すように、不揮発性記憶装置６１３は、磁気記憶素子１１８ａを含む。不揮発性記憶装置６１３は、制御部５５０（図２２においては省略）をさらに含んでも良い。磁気記憶素子１１８ａにおいては、第１積層部ＳＢ１の幅（Ｚ軸方向に対して垂直な平面に沿って切断したときの断面形状）と、第２積層部ＳＢ２の幅と、は互いに異なる。これ以外は、磁気記憶素子１１８ａには、磁気記憶素子１１０及び磁気記憶素子１１６と同様の構成を適用することができる。
【０２６３】
例えば、Ｚ軸方向に対して垂直な平面に沿って切断したときの第１積層部ＳＢ１の断面積（第１面積Ｓ１）は、Ｚ軸方向に対して垂直な平面に沿って切断したときの第２積層部ＳＢ２の断面積（第２面積Ｓ２）よりも大きい。
【０２６４】
これにより、例えば、第１導電層８１及び第２導電層８２を介して積層体ＳＢ０に電流を流すときに、第２積層部ＳＢ２における電流密度を、第１積層部ＳＢ１における電流密度よりも大きくすることができる。発振層（第６磁性層６０）における電流密度を大きくすることができる。
【０２６５】
発振層における電流密度を大きくすることにより、例えば、より小さい電流で第６磁性層６０の磁化６０ｍを発振させる（歳差運動させる）ことができる。より小さい電流によって、磁化６０ｍを発振させることができる。これにより、例えば、書き込み動作においてＭＴＪに流す電流を小さくすることができる。
【０２６６】
例えば、第２積層部ＳＢ２の幅（Ｘ軸方向に沿った長さ）は、２５ｎｍ以下であることが望ましい。例えば、第１積層部ＳＢ１の第１面積Ｓ１は、第２積層部ＳＢ２の第２面積Ｓ２の２．０倍以上であることが望ましい。
【０２６７】
図２３は、第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置を例示する模式的断面図である。
図２３に示すように、不揮発性記憶装置６１４は、磁気記憶素子１１８ｂを含む。不揮発性記憶装置６１４は、制御部５５０（図２３では省略）をさらに含んでも良い。磁気記憶素子１１８ｂは、磁気シールド５１を含む。積層体ＳＢ０は、Ｚ軸方向に延びる側面ＳＳ０を有する。第１積層部ＳＢ１は、Ｚ軸方向に延びる側面ＳＳ１（第１側面）を有する。第２積層部ＳＢ２は、Ｚ軸方向に延びる側面ＳＳ２（第２側面）を有する。第６非磁性層３６は、Ｚ軸方向に延びる側面ＳＳｎを有する。ここで、「Ｚ軸方向に延びる」には、Ｚ軸方向に対して非平行な状態も含むものとする。「Ｚ軸方向に延びる」は、少なくともＺ軸方向に延びる成分を有している。「Ｚ軸方向に延びる面」は、Ｚ軸方向に対して直交しない。
【０２６８】
磁気シールド５１は、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０の少なくとも一部と重なる。磁気シールド５１は、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０の少なくとも一部と対向する。例えば、磁気シールド５１は、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０の少なくとも一部に接する。積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０は、例えば、第１積層部ＳＢ１の側面ＳＳ１（第１側面）と、第２積層部ＳＢ２の側面ＳＳ２（第２側面）と、第６非磁性層３６の側面ＳＳｎと、を含む。この例において、磁気シールド５１は、側面ＳＳ１と側面ＳＳ２と側面ＳＳｎとを覆う。Ｘ−Ｙ平面に投影した磁気シールド５１の形状は、例えば、積層体ＳＢ０を囲む環状である。
【０２６９】
磁気記憶素子１１８ｂは、保護層５２をさらに含む。保護層５２は、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０と磁気シールド５１との間に設けられる。保護層５２の厚さは、第２磁性層２０のＺ軸方向の中心から第６磁性層６０のＺ軸方向の中心までのＺ軸方向の距離と実質的に同じ長さか、それよりも長いことが望ましい。第２磁性層２０のＺ軸方向の中心と第６磁性層６０のＺ軸方向の中心との間のＺ軸方向の距離は、例えば、磁気記憶素子１１８ｂの構成において短く、磁気記憶素子１２１〜磁気記憶素子１２６の構成において長い。保護層５２の厚さは、例えば、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが望ましい。磁気シールド５１及び保護層５２は、実施形態に係る任意の磁気記憶素子において設けてもよい。
【０２７０】
第２非磁性層３２は、第１積層部ＳＢ１の側面ＳＳ１の少なくとも一部と重なる。第２非磁性層３２は、Ｘ軸方向において、第１磁性層１０の少なくとも一部と重なる。第２非磁性層３２は、Ｘ軸方向において、第１磁性層１０の少なくとも一部と保護層５２との間に設けられる。
【０２７１】
例えば、第１積層部ＳＢ１の側面ＳＳ１及び第２積層部ＳＢ２の側面ＳＳ２が、ＳｉＮやＡｌ２Ｏ３などの保護層５２を介して、パーマロイ（Ｐｙ）などの磁気シールド５１により覆われる。これにより、例えば、複数の磁気記憶素子１１８ｂが並べられた場合において、隣の磁気記憶素子１１８ｂからの漏洩磁界が、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の動作に悪影響を与えることが抑制される。例えば、各記憶セル（積層体ＳＢ０）において、第１積層部ＳＢ１に作用する有効磁界が実質的に同じであるため、ビット間の反転電流のばらつきが抑制される。第２積層部ＳＢ２についても発振電流のばらつきが同様に抑えられる。第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２からの漏洩磁界が、隣の磁気記憶素子に作用することを抑制することができる。その結果、複数の磁気記憶素子どうしを近接して配置することができ、集積度を向上することができる。例えば、不揮発性記憶装置の記憶密度が向上する。
【０２７２】
磁気シールド５１には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、この群から選択された２つ以上の金属を含む合金が用いられる。磁気シールド５１は、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属と、を含む合金でもよい。
【０２７３】
磁気シールド５１に含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件を調整することにより、磁気シールド５１の特性を調整することができる。磁気シールド５１は、例えば、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金でもよい。磁気シールド５１には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。
【０２７４】
保護層５２には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、酸化物、窒化物または弗化物を用いることができる。保護層５２には、例えば、ＳｉＮが用いられる。
【０２７５】
以下、図２３に例示した磁気記憶素子１１８ｂの製造方法の例について説明する。  
ウェーハ上に下部電極（図示せず）を形成した後、そのウェーハを超高真空スパッタ装置内に配置する。下部電極上に、Ｒｕ／Ｔａ（下部電極とのコンタクト層、兼ストッパ層）、ＦｅＰｔ層（第１磁性層１０）、ＭｇＯ（第１非磁性層３１）、ＣｏＦｅＢ層（記憶層）、及び、その上にＲｕ層（第６非磁性層３６）を、この順に積層する。ここで、磁界中でアニールすることによって、ＣｏＦｅＢとＦｅＰｔ層／ＣｏＦｅＢの膜面垂直方向の磁気異方性の強さを調節することもできる。続いて、Ｐｙ層／Ｃｕ／ＣｏＦｅＢ／ＦｅＰｔ層（磁界発生部）、及び、Ｒｕ／Ｔａ層（上部コンタクト層）をこの順に積層する。これにより、加工体が形成される。
【０２７６】
次に、ＥＢレジストを塗布してＥＢ露光を行い、直径３０ｎｍのレジストマスクを形成する。イオンミリングによってレジストで被覆されていない部分を、ストッパ層を兼ねた下部電極上のＴａ層が露出するまで削る。
【０２７７】
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。
【０２７８】
次に、磁気記憶素子を絶縁埋め込みするＳｉＯ２膜を成膜する。これにより、磁気記憶素子が絶縁で埋め込まれる。この後、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が露出する。
【０２７９】
さらに全面にレジストを塗布し、このレジストを上部電極の位置にレジストが被覆されない部分ができるように、ステッパ露光装置を用いてパターニングする。上部電極に対応した開口をＣｕで埋め込み成膜し、レジストを除去する。上部電極には、図示しない配線を設けて電気的入出力ができるようにする。  
以上により、磁気記憶素子６１４が形成される。
【０２８０】
（第２の実施形態）  
図２４は、第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。  
図２４に示すように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置６２０は、メモリセルアレイＭＣＡを備える。メモリセルアレイＭＣＡは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有する。メモリセルＭＣのそれぞれは、第１の実施形態に係る磁気記憶素子のいずれかを、ＭＴＪ素子（積層体ＳＢ０）として有する。
【０２８１】
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。
【０２８２】
ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分に、メモリセルＭＣが配置される。メモリセルＭＣのそれぞれは、ＭＴＪ素子と選択トランジスタＴＲとを有する。ＭＴＪ素子の一端は、ビット線ＢＬと接続されている。ＭＴＪ素子の他端は、選択トランジスタＴＲのドレイン端子と接続されている。選択トランジスタＴＲのゲート端子は、ワード線ＷＬと接続されている。選択トランジスタＴＲのソース端子は、ビット線／ＢＬと接続されている。
【０２８３】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ６２１が接続されている。ビット線対（ビット線ＢＬ及びビット線／ＢＬ）には、書き込み回路６２２ａ及び読み出し回路６２２ｂが接続されている。書き込み回路６２２ａ及び読み出し回路６２２ｂには、カラムデコーダ６２３が接続されている。
【０２８４】
メモリセルＭＣのそれぞれは、ロウデコーダ６２１及びカラムデコーダ６２３により選択される。メモリセルＭＣへのデータ書き込みの例は、以下である。まず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣと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。
【０２８５】
この例では、例えば、ロウデコーダ６２１、書き込み回路６２２ａ、読み出し回路６２２ｂ、及び、カラムデコーダ６２３によって、制御部５５０が構成される。制御部５５０は、ビット線ＢＬ、ワード線ＷＬ及び選択トランジスタＴＲなどを介して、複数のメモリセルＭＣ（複数の磁気記憶素子）のそれぞれと電気的に接続される。制御部５５０は、複数のメモリセルＭＣのそれぞれにおいて、データの書き込み及びデータの読み出しを実施する。
【０２８６】
ＭＴＪ素子には、例えば、双方向の書き込み電流が供給される。具体的には、ＭＴＪ素子に左から右へ書き込み電流を供給する場合、書き込み回路６２２ａは、ビット線ＢＬに正の電位を印加し、ビット線／ＢＬに接地電位を印加する。ＭＴＪ素子に右から左へ書き込み電流を供給する場合、書き込み回路６２２ａは、ビット線／ＢＬに正の電位を印加し、ビット線ＢＬに接地電位を印加する。このようにして、メモリセルＭＣに、データ「０」、または、データ「１」を書き込むことができる。
【０２８７】
メモリセルＭＣからのデータ読み出しの例は、以下である。まず、メモリセルＭＣが選択される。読み出し回路６２２ｂは、ＭＴＪ素子に、例えば、選択トランジスタＴＲからＭＴＪ素子に向かう方向に流れる読み出し電流を供給する。そして、読み出し回路６２２ｂは、この読み出し電流に基づいて、ＭＴＪ素子の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＴＪ素子に記憶された情報を読み出すことができる。
【０２８８】
図２５は、第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。  
図２５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及び磁気記憶素子１１６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。
【０２８９】
図２５に示すように、不揮発性記憶装置６２０は、実施形態に係る磁気記憶素子（例えば磁気記憶素子１１０及び磁気記憶素子１１６）と、第１配線９１と、第２配線９２と、を備える。第１配線９１は、磁気記憶素子１１０の一端（例えば第１積層部ＳＢ１の端）と、直接または間接に接続される。第２配線９２は、磁気記憶素子１１６の一端（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。
【０２９０】
不揮発性記憶装置６２０に含まれる磁気記憶素子は、磁気記憶素子１１０及び磁気記憶素子１１６に限らず、第１の実施形態に記載された磁気記憶素子のいずれかを含む。
【０２９１】
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。
【０２９２】
第１配線９１及び第２配線９２のいずれか一方は、例えば、ビット線ＢＬに対応する。第１配線９１及び第２配線９２のいずれか他方は、例えば、ビット線／ＢＬに対応する。
【０２９３】
図２５に示すように、不揮発性記憶装置６２０は、選択トランジスタＴＲをさらに備えることができる。選択トランジスタＴＲは、磁気記憶素子１１０と第１配線９１との間（第１の位置）、及び、磁気記憶素子１１０と第２配線９２の間（第２の位置）の少なくともいずれかに設けられる。
【０２９４】
このような構成により、メモリセルアレイＭＣＡの任意のメモリセルＭＣ（例えば磁気記憶素子１１０）にデータを書き込み、磁気記憶素子１１０に書き込まれたデータを読み出すことができる。このように構成された不揮発性記憶装置６２０においても、第２磁性層２０と第６磁性層６０とを静磁結合させることで、書き込み電流を小さくすることができる。これにより、絶縁破壊による故障を抑制することができ、信頼性が向上する。
【０２９５】
（第３の実施形態）  
図２６（ａ）〜図２６（ｃ）は、第３の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。  
図２６（ａ）は、斜視図である。図２６（ｂ）は、図２６（ａ）の側面図である。  図２６（ｃ）は、図２６（ａ）の上面図である。
【０２９６】
不揮発性記憶装置６４０は、選択トランジスタＴＲと、ビット線／ＢＬと、ビット線ＢＬと、ＭＴＪ素子１５０と、を含む。
【０２９７】
図２６（ａ）〜図２６（ｃ）に示すように、選択トランジスタＴＲは、ワード線ＷＬの一部と、ソース領域Ｓｃと、ドレイン領域Ｄｎと、を含む。ワード線ＷＬは、例えば、Ｘ軸方向に延びる。
【０２９８】
ビット線／ＢＬは、ワード線ＷＬと交差する。ビット線／ＢＬは、例えば、Ｙ軸方向に延びる。ビット線／ＢＬの一部は、コンタクト４００と電気的に接続される。コンタクト４００は、Ｚ軸方向に延びる。コンタクト４００は、配線４０１の一部と電気的に接続される。配線４０１は、Ｘ軸方向に延びる。配線４０１の一部は、コンタクト４０２と電気的に接続される。コンタクト４０２は、Ｚ軸方向に延びる。コンタクト４０２は、ソース領域Ｓｃと電気的に接続される。
【０２９９】
ビット線ＢＬは、ワード線ＷＬと交差する。ビット線ＢＬは、例えば、Ｙ軸方向に延びる。ビット線ＢＬは、Ｘ軸方向において、ビット線／ＢＬに並ぶ。
【０３００】
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１５０とする。例えば、ＭＴＪ素子１５０は、第２磁性層２０と、配線４５０と、を含む。配線４５０は、上記の第１磁性層１０、第３磁性層３０、第３非磁性層３３及び第７磁性層７０を含む。配線４５０は、例えば、Ｙ軸方向に延びる。配線４５０は、ビット線ＢＬと電気的に接続される。配線４５０は、例えば、Ｚ軸方向において、ビット線ＢＬの一部と重なる。配線は、例えば、コンタクト４５１を介してビット線ＢＬと電気的に接続されてもよい。コンタクト４５１は、Ｚ軸方向に延びる。
【０３０１】
第２磁性層２０は、Ｚ軸方向において、配線４５０の一部と、配線４６０の一部との間に設けられる。第２磁性層２０は、例えば、第１非磁性層（図示しない）を介して、配線４５０に接続される。第２磁性層２０は、例えば、配線４６０と電気的に接続される。
【０３０２】
配線４６０は、ビット線／ＢＬ及びビット線ＢＬと交差する。配線４６０は、Ｘ軸方向に延びる。配線４６０の一部は、コンタクト４６１と電気的に接続される。コンタクト４６１は、Ｚ軸方向に延びる。コンタクト４６１は、例えば、Ｙ軸方向において、コンタクト４０２に並ぶ。コンタクト４６１は、ドレイン領域Ｄｎの一部と電気的に接続される。
【０３０３】
実施形態によれば、信頼性の高い磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置が提供される。
【０３０４】
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。  
本願明細書において、積層されている状態は、直接接して重ねられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて重ねられる場合も含む。
【０３０５】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、不揮発性記憶装置に含まれる記憶部、磁気記憶素子、制御部、積層体、磁化回転層、第１〜第４磁性層及び第１〜第３非磁性層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【０３０６】
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。
【０３０７】
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。
【０３０８】
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。
【０３０９】
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】
【０３１０】
１０…第１磁性層、  １０Ｆ…第１磁性膜、  １０Ｌ…長さ、  １０ｃ…領域、  １０ｄ…部分、  １０ｈ…凹部、  １０ｍ…磁化、  １０ｓ…面、  １０ｗ…側面、  １８…第８磁性層、  １８ｍ…磁化、  １８ｓ…主面、  ２０…第２磁性層、  ２０Ｆ…第２磁性膜、  ２０Ｌ…長さ、  ２０ｍ…磁化、  ２１、２２…第１、第２部分、  ２１ｍ、２２ｍ…磁化、  ３０…第３磁性層、  ３０ｍ…磁化、  ３１…第１非磁性層、  ３１Ｆ…第１非磁性膜、  ３１ａ…領域、  ３２…第２非磁性層、  ３２Ｆ、３２Ｆ２、３２Ｆ３…第２非磁性膜、  ３２ａ、３２ｂ…第１、第２部分領域、  ３２ｈ…凹部、  ３２ｉｗ…内側面、  ３２ｔ…上面、  ３３…第３非磁性層、  ３４…第４非磁性層、  ３５…第５非磁性層、  ３６…第６非磁性層、  ４０…第４磁性層、  ４０ｍ…磁化、  ５０…第５磁性層、  ５０ｍ…磁化、  ５０ｓ…主面、  ５１…磁気シールド、  ５２…保護層、  ６０…第６磁性層、  ６０ｍ…磁化、  ７０…第７磁性層、  ７０ｍ…磁化、  ７２…磁化、  ７２ａ…垂直磁化成分、  ７２ｂ…面内磁化成分、  ８１…第１導電層、  ８２…第２導電層、  ８６Ａ、８６Ｂ…マスク、  ８６ｈ…開口部、  ８７Ａ、８７Ｂ…マスク、  ８７ｗ…側面、  ９１…第１配線、  ９２…第２配線、  １１０、１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ、１１２〜１１８、１１８ａ、１１８ｂ、１２１〜１３０…磁気記憶素子、  １５０…ＭＴＪ素子、  ２００、２００Ｆ、２００Ｆ１、２００Ｆ２…層間絶縁膜、  ４００、４０２、４５１、４６１…コンタクト、  ４０１、４５０、４６０…配線、  ５５０…制御部、  ６１０〜６１４、６２０、６４０…不揮発性記憶装置、  ６２１…ロウデコーダ、  ６２２ａ…書き込み回路、  ６２２ｂ…読み出し回路、  ６２３…カラムデコーダ、  ／ＢＬ、ＢＬ…ビット線、  Ｄｎ…ドレイン領域、  Ｊ…電流密度、  Ｌｘ、Ｌｙ…長さ、  ＭＣ…メモリセル、  ＭＣＡ…メモリセルアレイ、  Ｐｗ…書き込み確率、  ＳＢ０…積層体、  ＳＢ１…第１積層部、  ＳＢ２…第２積層部、  ＳＤ１…積層方向、  ＳＤ２…面内方向、  ＳＳ０、ＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳｎ…側面、  Ｓｃ…ソース領域、  ＴＲ…選択トランジスタ、  ＷＬ…ワード線、  ｅ１、ｅ２…電子電流、  ｅ３…センス電流
【図１】
2017174910.tif 000003
【図２】
2017174910.tif 000004
【図３】
2017174910.tif 000005
【図４】
2017174910.tif 000006
【図５】
2017174910.tif 000007
【図６】
2017174910.tif 000008
【図７】
2017174910.tif 000009
【図８】
2017174910.tif 000010
【図９】
2017174910.tif 000011
【図１０】
2017174910.tif 000012
【図１１】
2017174910.tif 000013
【図１２】
2017174910.tif 000014
【図１３】
2017174910.tif 000015
【図１４】
2017174910.tif 000016
【図１５】
2017174910.tif 000017
【図１６】
2017174910.tif 000018
【図１７】
2017174910.tif 000019
【図１８】
2017174910.tif 000020
【図１９】
2017174910.tif 000021
【図２０】
2017174910.tif 000022
【図２１】
2017174910.tif 000023
【図２２】
2017174910.tif 000024
【図２３】
2017174910.tif 000025
【図２４】
2017174910.tif 000026
【図２５】
2017174910.tif 000027
【図２６】
2017174910.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成29年6月12日(2017.6.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１磁性層と、
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
前記第１磁性層と電気的に接続され、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ及びＰｔからなる群から選択される少なくとも１つを含む第２非磁性層と、
を備え、
前記第２非磁性層の少なくとも一部は、前記第１磁性層から前記第２磁性層に向かう第１方向に対して直交する第２方向において、前記第１磁性層の少なくとも一部と重なり、
前記第１磁性層の磁化は実質的に固定され、
前記第２磁性層の磁化の方向は可変である、磁気記憶素子。
【請求項２】
前記第１磁性層の前記第１方向に沿った磁化成分は、前記第２方向における前記第１磁性層の磁化成分よりも大きい、請求項１記載の磁気記憶素子。
【請求項３】
前記第２非磁性層は、前記第２方向において、前記第２磁性層と重ならない、請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
【請求項４】
前記第２非磁性層は、前記第１磁性層に接する、請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項５】
前記第１方向及び前記第２方向と交差する第３方向における前記第１磁性層の長さは、前記第２方向における前記第１磁性層の長さよりも長い、請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項６】
前記第３方向において前記第２磁性層と離間して設けられた第３磁性層をさらに備え、
前記第３磁性層は、前記第１方向において前記第１磁性層と離間して設けられ、
前記第３磁性層の磁化の方向は、可変である、請求項５記載の磁気記憶素子。
【請求項７】
前記第１方向において、前記第１非磁性層と前記第２磁性層との間、及び、前記第１非磁性層と前記第１磁性層との間の少なくともいずれかに設けられた第４磁性層をさらに備えた請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項８】
前記第１方向において、前記第１非磁性層と前記第１磁性層との間に設けられた第４磁性層をさらに備え、
前記第２方向において、前記第２非磁性層の少なくとも一部は、前記第４磁性層の少なくとも一部と重なり、
前記第２非磁性層は、前記第４磁性層と電気的に接続されている、請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項９】
第１磁性層と、
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
前記第１磁性層と電気的に接続され、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ及びＰｔからなる群から選択される少なくとも１つを含む第２非磁性層と、
を備え、
前記第２非磁性層は、前記第１磁性層から前記第２磁性層に向かう第１方向に対して直交する第２方向において、前記第１磁性層と対向する面を有し、
前記第１磁性層の磁化は実質的に固定され、
前記第２磁性層の磁化の方向は可変である、磁気記憶素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気記憶素子と、
前記磁気記憶素子と電気的に接続された制御部と、
を備えた不揮発性記憶装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、磁気記憶素子は、第１磁性層と、第２磁性層と、第１非磁性層と、第２非磁性層と、を含む。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。第１方向は、前記第１磁性層から前記第２磁性層に向かう方向である。前記第２非磁性層の少なくとも一部は、前記第１方向に対して直交する第２方向において、前記第１磁性層の少なくとも一部と重なる。前記第２非磁性層は、前記第１磁性層と電気的に接続され、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ及びＰｔからなる群から選択される少なくとも１つを含む。前記第１磁性層の磁化は実質的に固定され、前記第２磁性層の磁化の方向は可変である。
本発明の実施形態によれば、磁気記憶素子は、第１磁性層と、第２磁性層と、第１非磁性層と、第２非磁性層と、を含む。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。前記第２非磁性層は、前記第１磁性層と電気的に接続され、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ及びＰｔからなる群から選択される少なくとも１つを含む。前記第２非磁性層は、前記第１磁性層から前記第２磁性層に向かう第１方向に対して直交する第２方向において、前記第１磁性層と対向する面を有する。前記第１磁性層の磁化は実質的に固定され、前記第２磁性層の磁化の方向は可変である。