(57)【要約】【課題】高い周波数の磁界を発生可能な磁気素子及び記憶装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、第１積層部と第３強磁性層とを含む磁気素子が提供される。第１積層部は、第１強磁性層と第２強磁性層と第１非磁性層とを含む。第１強磁性層は、第１磁化を有する。第２強磁性層は、第１方向において第１強磁性層と離間し第２磁化を有する。第１非磁性層は、第１強磁性層と第２強磁性層との間に設けられる。第３強磁性層は、第１方向において第１積層部と積層され、第３磁化を有する。第２強磁性層の第２磁化をＭｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）、第２強磁性層の反磁界係数をＮｚ、ジャイロ磁気定数をγ（Ｈｚ／Ｏｅ）としたとき、２γＮｚＭｓは、第３強磁性層の磁気共鳴周波数（Ｈｚ）の０．９倍以上である。第２磁化は、第１積層部に電流を流したときに発振する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１磁化を有する第１強磁性層と、
第１方向において前記第１強磁性層と離間し第２磁化を有する第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を含む第１積層部と、
前記第１方向において前記第１積層部と積層され、第３磁化を有する第３強磁性層と、
を備え、
前記第１磁化の前記第１方向の成分は、前記第１磁化の前記第１方向に対して垂直な第２方向の成分よりも大きく、
前記第１積層部を電流が流れないときに、前記第２磁化の前記第１方向の成分は、前記第２磁化の前記第２方向の成分よりも小さく、
前記第１積層部を電流が流れないときに、前記第３磁化の前記第１方向の成分は、前記第３磁化の前記第２方向の成分よりも大きく、
前記第２強磁性層の前記第２磁化をＭｓ（単位：ｅｍｕ／ｃｃ）、前記第２強磁性層の反磁界係数をＮｚ、ジャイロ磁気定数をγ（単位：Ｈｚ／Ｏｅ）としたとき、２γＮｚＭｓは、前記第３強磁性層の磁気共鳴周波数（単位：Ｈｚ）の０．９倍以上であり、
前記第２磁化は、前記第１積層部に電流を流したときに発振する、磁気素子。
【請求項２】
前記第３強磁性層は、第１の合金及びホイスラー合金の少なくともいずれかを含み、
前記ホイスラー合金は、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｒｕ及びＰｄの少なくともいずれか１つを含み、
前記第１の合金は、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｒｕ及びＰｄの少なくともいずれか１つを含む請求項１記載の磁気素子。
【請求項３】
前記３強磁性層は、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つを含む請求項１または２に記載の磁気素子。
【請求項４】
前記第３強磁性層は、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つを含む請求項１または２に記載の磁気素子。
【請求項５】
前記第３強磁性層は、第１部分と、第２部分と、を含み、
前記第１部分は、前記第２部分と前記第１積層部との間に設けられ、
前記１部分の磁気共鳴周波数は、前記第２部分の磁気共鳴周波数よりも高い請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気素子。
【請求項６】
前記第１部分は、Ｃｏ２ＨｆＳｎ、Ｃｏ２ＺｒＳｎ、Ｃｏ２ＨｆＡｌ、Ｃｏ２ＺｒＡｌ、ＣｏＦｅＭｎＳｉ、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つを含み、
前記第２部分は、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つを含む請求項５記載の磁気素子。
【請求項７】
前記第１部分の前記磁気共鳴周波数は、２０ＧＨｚ以上であり、
前記第２部分の前記磁気共鳴周波数は、２０ＧＨｚ未満である請求項５または６に記載の磁気素子。
【請求項８】
前記第１部分の前記磁化の前記第１方向に対して平行な成分は、前記第１部分の前記磁化の前記第１方向に対して垂直な成分よりも大きく、
前記第２部分の前記磁化の前記第１方向に対して平行な成分は、前記第２部分の前記磁化の前記第１方向に対して垂直な成分よりも大きい請求項５〜７のいずれか１つに記載の磁気素子。
【請求項９】
前記第１部分の磁化と前記第２部分の磁化との結合は、反強磁性結合である請求項５〜８のいずれか１つに記載の磁気素子。
【請求項１０】
前記第２強磁性層と前記第３強磁性層との間に設けられた第２非磁性層をさらに備えた請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気素子。
【請求項１１】
前記第２非磁性層は、導電性を有する請求項１０記載の磁気素子。
【請求項１２】
前記第３強磁性層と前記第１方向において積層された第４強磁性層と、
前記第１強磁性層と電気的に接続された第１導電層と、
前記第４強磁性層と電気的に接続された第２導電層と、
をさらに備えた請求項１１記載の磁気素子。
【請求項１３】
前記第３強磁性層と前記第１方向において積層され、第４磁化を有する第４強磁性層をさらに備え、
前記第４磁化の前記第１方向の成分は、前記第４磁化の前記第２方向の成分よりも大きい請求項１〜１１のいずれか１つに記載の磁気素子。
【請求項１４】
前記第１方向に対して垂直な方向における前記３強磁性層の長さは、３５ナノメートル以下である請求項１〜１３のいずれか１つに記載の磁気素子。
【請求項１５】
前記第１方向に延びる前記第１積層部の側面の少なくとも一部に沿って設けられた導電層をさらに備えた請求項１〜１４のいずれか１つに記載の磁気素子。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１つに記載の磁気素子と、
前記磁気素子の一端に電気的に接続された第１配線と、
前記磁気素子の他端に電気的に接続された第２配線と、
前記第１配線及び前記第２配線を介して前記磁気素子と電気的に接続された制御部と、
前記磁気素子と前記第１配線との間及び前記磁気素子と前記第２配線との間の少なくとも一方に設けられたトランジスタと、
を備えた記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気素子及び記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体を利用したスピントルクオシレータ（ＳＴＯ：Spin torque Oscillator）などの磁気素子が提案されている。このような磁気素子は、素子サイズが小さく、ギガヘルツ（ＧＨｚ）帯域の周波数の磁界を発生することができるため、注目を集めている。このような磁気素子において、小さな電流によって高い周波数の磁界を発生させることが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−６４７９２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、高い周波数の磁界を発生可能な磁気素子及び記憶装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、第１積層部と、第３強磁性層と、を含む磁気素子が提供される。前記第１積層部は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、第１非磁性層と、を含む。前記第１強磁性層は、第１磁化を有する。前記第２強磁性層は、第１方向において前記第１強磁性層と離間し第２磁化を有する。前記第１非磁性層は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられる。前記第３強磁性層は、前記第１方向において前記第１積層部と積層され、第３磁化を有する。前記第１磁化の前記第１方向の成分は、前記第１磁化の前記第１方向に対して垂直な第２方向の成分よりも大きい。前記第１積層部を電流が流れないときに、前記第２磁化の前記第１方向の成分は、前記第２磁化の前記第２方向の成分よりも小さい。前記第１積層部を電流が流れないときに、前記第３磁化の前記第１方向の成分は、前記第３磁化の前記第２方向の成分よりも大きい。前記第２強磁性層の前記第２磁化をＭｓ（単位：ｅｍｕ／ｃｃ）、前記第２強磁性層の反磁界係数をＮｚ、ジャイロ磁気定数をγ（単位：Ｈｚ／Ｏｅ）としたとき、２γＮｚＭｓは、前記第３強磁性層の磁気共鳴周波数（単位：Ｈｚ）の０．９倍以上である。前記第２磁化は、前記第１積層部に電流を流したときに発振する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る磁気素子を示す模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、磁化を示す模式図である。
【図３】磁気素子の特性のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｄ）は、第１の実施形態に係る磁気素子の特性のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第２の実施形態に係る磁気素子を示す模式的断面図である。
【図６】第３の実施形態に係る磁気素子を示す模式的断面図である。
【図７】第４の実施形態に係る磁気素子を示す模式的断面図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｅ）は、第４の実施形態に係る磁気素子の動作を示す模式図である。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｅ）は、第４の実施形態に係る磁気素子の動作を示す模式図である。
【図１０】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第４の実施形態に係る磁気素子の動作を示す模式図である。
【図１１】図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、第４の実施形態に係る磁気素子の特性のシミュレーション結果を示す模式図である。
【図１２】第４の実施形態に係る磁気素子の特性のシミュレーション結果を示す模式図である。
【図１３】第４の実施形態に係る磁気素子の特性を示すグラフ図である。
【図１４】第４の実施形態に係る磁気素子の特性を示すグラフ図である。
【図１５】第４の実施形態に係る磁気素子の特性を示すグラフ図である。
【図１６】第４の実施形態に係る別の磁気素子を示す模式的断面図である。
【図１７】図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、第４の実施形態に係る別の磁気素子を示す模式図である。
【図１８】図１８（ａ）〜図１８（ｃ）は、第４の実施形態に係る別の磁気素子を示す模式的断面図である。
【図１９】図１９（ａ）〜図１９（ｋ）は、第４の実施形態に係る別の磁気素子を示す模式的断面図である。
【図２０】第４の実施形態に係る別の磁気素子を示す模式的断面図である。
【図２１】第４の実施形態に係る別の磁気素子を示す模式的断面図である。
【図２２】図２２（ａ）及び図２２（ｂ）は、第４の実施形態に係る磁気素子の特性のシミュレーション結果を示す模式図である。
【図２３】図２３（ａ）〜図２３（ｄ）は、第４の実施形態に係る磁気素子の特性のシミュレーション結果を示す模式図である。
【図２４】図２４（ａ）〜図２４（ｅ）は、実施形態に係る別の磁気素子を示す模式的断面図である。
【図２５】図２５（ａ）及び図２５（ｂ）は、実施形態に係る磁気素子の特性を示す模式図である。
【図２６】第５の実施形態に係る記憶装置の構成を示す模式図である。
【図２７】第５の実施形態に係る記憶装置の構成を示す模式図である。
【図２８】第６の実施形態に係る磁気ヘッドを示す模式的斜視図である。
【図２９】第７の実施形態に係る磁気記録再生装置を示す模式的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態に係る磁気素子を例示する模式的断面図である。  
図１に表したように、本実施形態に係る磁気素子１０１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、第１強磁性層１０と、第２強磁性層２０と、第１非磁性層１０ｎと、を含む。第２積層部ＳＢ２は、第３強磁性層３０を含む。磁気素子１０１は、例えば、スピントルクオシレータ（ＳＴＯ：Spin Torque Oscillator）である。
【０００９】
第１強磁性層１０は、第１磁化１０ｍを有する。第１磁化１０ｍの方向は、実質的に固定されている。第１強磁性層１０の第１磁化１０ｍの方向は、第１強磁性層１０の主面１０ａに対して垂直な成分を有する。第１磁化１０ｍの方向は、主面１０ａに対して非平行である。第１強磁性層１０は、例えば、スピン注入層である。
【００１０】
第２強磁性層２０は、第１強磁性層１０と積層される。第２強磁性層２０は、第１方向ＳＤ１において第１強磁性層１０と離間する。第１方向ＳＤ１（積層方向）は、例えば、主面１０ａに対して垂直である。
【００１１】
第２強磁性層２０は、第２磁化２０ｍを有する。第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍの方向は、可変である。第２磁化２０ｍの方向は、第１方向ＳＤ１に対して垂直な成分を有する。第２強磁性層２０は、例えば、発振層である。
【００１２】
第１非磁性層１０ｎは、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間に設けられる。第１非磁性層１０ｎは、例えば、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０に接する。第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第１非磁性層１０ｎは、第１方向ＳＤ１に積層されている。
【００１３】
第２積層部ＳＢ２は、第１方向ＳＤ１において、第１積層部ＳＢ１に積層されている。つまり、第３強磁性層３０は、第１方向ＳＤ１において、第１積層部ＳＢ１に積層されている。この例では、第１強磁性層１０と第３強磁性層３０との間に第２強磁性層２０が配置される。
【００１４】
第３強磁性層３０は、第３磁化３０ｍを有する。第３強磁性層の第３磁化３０ｍの方向は、可変である。第３磁化３０ｍの方向は、第１方向ＳＤ１に対して平行な成分を有する。
【００１５】
図１に表したように、磁気素子１０１は、配線（導電層８１及び導電層８２）をさらに含んでもよい。導電層８１と導電層８２との間に、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２が配置される。導電層８１は、第１積層部ＳＢ１に電気的に接続され、導電層８２は、第２積層部ＳＢ２に電気的に接続される。導電層８１及び導電層８２は、制御部５５０と電気的に接続される。なお「電気的に接続」には、直接接触して接続される場合の他に、他の導電性部材などを介して接続される場合も含む。
【００１６】
制御部５５０は、磁気素子１０１に対して電圧の印加及び電流の供給を行う。すなわち、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２を介して、導電層８１と導電層８２との間に電流が流れる。これにより、制御部５５０は、磁気素子１０１の動作を制御する。
【００１７】
なお、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。
【００１８】
積層方向（第１方向ＳＤ１）に対して平行な方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向と直交する１つの方向をＸ軸方向とする。Ｘ軸方向及びＺ軸方向と直交する方向をＹ軸方向とする。第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に含まれる各層の膜面は、例えば、Ｘ−Ｙ平面に対して平行である。例えば、主面１０ａは、Ｘ−Ｙ平面に対して平行である。
【００１９】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、磁化を例示する模式図である。  
図２（ａ）は、垂直磁化膜における磁化を例示している。図２（ｂ）は、面内磁化膜における磁化を例示している。  
図２（ａ）及び図２（ｂ）に表したように、第１方向ＳＤ１に対して垂直なＸ−Ｙ平面面に含まれる面内方向を、例えば第２方向ＳＤ２とする。
【００２０】
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、第１方向ＳＤ１に対して平行である。
【００２１】
図２（ａ）に表したように、垂直磁化膜においては、垂直磁化成分７２ａが、面内磁化成分７２ｂよりも大きい磁化状態を有する。垂直磁化膜において、磁化の方向が膜面に対して略垂直であることが動作特性上望ましい。
【００２２】
図２（ｂ）に表したように、面内磁化膜においては、面内磁化成分７２ｂが、垂直磁化成分７２ａよりも大きい磁化状態を有する。面内磁化膜において、磁化の方向が膜面に対して略平行であることが動作特性上望ましい。
【００２３】
例えば、第１強磁性層１０は、垂直磁化膜である。すなわち、第１磁化１０ｍの第１方向ＳＤ１の成分は、第１磁化の第２方向ＳＤ２の成分よりも大きく、第１磁化１０ｍの方向は、第１方向ＳＤ１に沿う。  
例えば、第２強磁性層２０は、第１積層部ＳＢ１に電流が流れていないときに、面内磁化膜である。すなわち、第１積層部ＳＢ１に電流が流れていないときに、第２磁化２０ｍの第１方向ＳＤ１の成分は、第２磁化２０ｍの第２方向ＳＤ２の成分よりも小さく、第２磁化２０ｍの方向は、第２方向ＳＤ２に沿う。第２強磁性層２０の磁化容易軸は、例えば膜面に対して略平行である。  
例えば、第３強磁性層３０は、垂直磁化膜である。第１積層部ＳＢ１に電流が流れていないときに、第３磁化３０ｍの第１方向ＳＤ１の成分は、第３磁化３０ｍの第２方向ＳＤ２の成分よりも大きく、第３磁化３０ｍは、第１方向ＳＤ１に沿う。第３強磁性層３０の磁化容易軸は、例えば膜面に対して略垂直である。
【００２４】
以下の説明において、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。図１に表した例では、第１磁化１０ｍの方向は、下向きである。第１磁化１０ｍは、上向きでもよい。第３磁化３０ｍの方向は、可変であり、例えば、上向きの状態と下向きの状態とを取り得る。
【００２５】
導電層８１及び導電層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。
【００２６】
例えば、電子電流は、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２を、上向きに流される。このとき、膜面に対して略垂直方向の第１磁化１０ｍを有する第１強磁性層１０を通過した電子は、第１磁化１０ｍと同じ方向のスピンを持つようになる。この電子が第２強磁性層２０へ流れると、このスピンの角運動量が第２強磁性層２０へ伝達され、第２磁化２０ｍに作用する。すなわち、いわゆるスピントランスファトルクが働く。これにより、電子電流６０の供給によって、第２磁化２０ｍが歳差運動して、回転磁界が発生する。
【００２７】
例えば、電子電流は、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２を、下向きに流される。このとき、第１強磁性層１０の第１磁化１０ｍに対して逆向きのスピンをもった電子は、第１強磁性層１０と第１非磁性層１０ｎとの界面において反射される。この反射された電子のスピン角運動量は、第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍに作用する。これにより、第２磁化２０ｍが歳差運動して、回転磁界が発生する。以上のようにして、第２磁化２０ｍは、第１積層部ＳＢ１に電流が流れたときに発振する。回転磁界（高周波磁界）の周波数は、例えば、１ＧＨｚ〜６０ＧＨｚ程度である。
【００２８】
図３は、磁気素子の特性のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。  
図３の横軸は、磁気素子に流れる電流の電流密度Ｊ（ＭＡ／ｃｍ２：メガアンペア／平方センチメートル）を表す。図３の縦軸は、第２強磁性層２０（第２磁化２０ｍ）が発振する発振周波数ｆ（ＧＨｚ：ギガヘルツ）、すなわち上述の高周波磁界の周波数を表す。本願明細書において、シミュレーションは、micromagnetics-LLG(Landau-Liftshitz-Gilbert)によって行われる。
【００２９】
図３には、実施形態に係る磁気素子１０１の特性と、参考例の磁気素子１９０の特性と、を例示する。参考例の磁気素子１９０は、第３強磁性層３０を含まない。これ以外は、磁気素子１９０の構成は、前述の磁気素子１０１と同様である。
【００３０】
発振周波数ｆは、例えば、下記の式（１）によって表されることが知られている。  
ｆ＝γ／（２πα）×（ｈｂａｒ／２ｅ）×ｇ（θ）／（Ｍｓ×ｔ）×Ｊ      （１）  γは、ジャイロ磁気定数、αはダンピング定数を表す。ｈｂａｒ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、Ｍｓは発振層（第２強磁性層２０）の磁化、ｔは、発振層の厚さ（積層方向の長さ）を表す。
【００３１】
式（１）によれば、発振周波数ｆは、電流密度Ｊに比例する。図３に示すように、第３強磁性層３０が設けられていない磁気素子１９０においては、発振周波数ｆは、式（１）に従うように、電流密度Ｊに対してほぼ線形に応答する。これに対して、本願発明者は、実施形態に係る磁気素子１０１のように第３強磁性層３０を設けることで、発振周波数ｆが高くなることを見出した。すなわち、電流密度Ｊが一定の場合、磁気素子１０１における発振周波数ｆが磁気素子１９０における発振周波数ｆよりも高い領域が存在する。例えば、電流密度Ｊが７ＭＡ／ｃｍ２のとき、磁気素子１０１における発振周波数ｆは、磁気素子１９０における周波数の２倍以上である。
【００３２】
第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍは、第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍと磁気的に結合している。電子電流による第２磁化２０ｍの歳差運動に伴って、例えば第３磁化３０ｍが歳差運動する。これにより、例えば、第２磁化２０ｍの回転が助長され、発振周波数ｆが高くなる。
【００３３】
本願発明者は、実施形態に係る磁気素子における発振周波数ｆの最大値は、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３（Ｈｚ：ヘルツ）と関係していることを、さらに見出した。  例えば、式（１）に基づく発振周波数ｆを、第２強磁性層が本来発生することができる磁界の周波数と考える。ここで、第３強磁性層３０を設ける。これにより、発振周波数ｆは、式（１）に基づく発振周波数ｆから、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３程度まで高められる、と考えることができる。
【００３４】
このような磁気共鳴周波数ｆ３の振る舞いは、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３に対する、第２強磁性層２０が出力可能な最大周波数の割合に依ることが分かった。第２強磁性層２０が出力可能な最大周波数は、第２強磁性層２０に発生する反磁界に基づく。その上で、発振周波数ｆは、第１積層部ＳＢ１に流れる電流値（電流密度Ｊ）に依存する。例えば、ある電流密度Ｊの電流が流れたときは、式（１）に従う発振周波数ｆが出力される。電流密度Ｊが増大すると発振周波数ｆも増大するが、第２強磁性層２０が出力可能な最大周波数は、反磁界によって決まる。例えば、この最大周波数が第３強磁性層の磁気共鳴周波数ｆ３に到達し得る場合、第２強磁性層２０における発振周波数ｆは、式（１）に従わずに、安定して高められる。
【００３５】
ここで、「第２強磁性層２０が出力可能な最大周波数」とは、第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍが、積層方向（第１方向ＳＤ１）に対して平行な状態で歳差運動した時の周波数を言う。第２磁化２０ｍが積層方向に対して平行な状態においては、４πＮｚＭｓの反磁界が生じる。Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ：イーエムユー／シーシー、ｅｍｕ／ｃｃ＝ｅｍｕ／ｃｍ３）は、第２強磁性層２０の磁化である。Ｎｚは、第２強磁性層２０の反磁界係数（無次元）である。このとき、第２強磁性層２０が出力可能な最大周波数は、γ／（２π）×４πＮｚＭｓ＝２γＮｚＭｓと表される。γ（Ｈｚ／Ｏｅ：ヘルツ／エルステッド）は、ジャイロ磁気定数である。ジャイロ磁気定数は、約１７．６×１０６Ｈｚ／Ｏｅである。
【００３６】
図４（ａ）〜図４（ｄ）は、第１の実施形態に係る磁気素子の特性のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。  
図４（ａ）〜図４（ｄ）のそれぞれにおいて、横軸は、第２強磁性層２０の発振周波数ｆ（ＧＨｚ）を表し、縦軸は、磁気素子に流れる電流の電流密度Ｊ（ＭＡ／ｃｍ２）を表す。
【００３７】
図４（ａ）〜図４（ｄ）は、それぞれ、磁気素子１０１ａ〜１０１ｄの特性を例示する。磁気素子１０１ａ〜１０１ｄのそれぞれは、前述の磁気素子１０１と同様の構成を有する。これらの磁気素子は、第２強磁性層２０が出力可能な最大周波数と、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３と、の関係において、互いに異なる。
【００３８】
図４（ａ）に示す磁気素子１０１ａにおいては、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３は、３０ＧＨｚ程度である。このとき、磁気共鳴周波数ｆ３に対する、２γＮｚＭｓの割合は、８３％程度である。磁気素子１０１ａでは、発振周波数ｆが最大値付近となる電流密度Ｊの値の範囲は、比較的狭い。
【００３９】
図４（ｂ）に示す磁気素子１０１ｂにおいては、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３は、２９ＧＨｚ程度である。このとき、磁気共鳴周波数ｆ３に対する、２γＮｚＭｓの割合は、８６％程度である。磁気素子１０１ｂでは、発振周波数ｆが最大値付近となる電流密度Ｊの値の範囲は、比較的狭い。
【００４０】
図４（ｃ）に示す磁気素子１０１ｃにおいては、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３は、２４．５ＧＨｚ程度である。このとき、磁気共鳴周波数ｆ３に対する、２γＮｚＭｓの割合は、９０％である。磁気素子１０１ｃでは、発振周波数ｆが最大値付近となる電流密度Ｊの値の範囲は、比較的広い。例えば、電流密度Ｊが６〜１０ＭＡ／ｃｍ２程度の範囲において、発振周波数ｆは、高い値を維持する。
【００４１】
図４（ｄ）に示す磁気素子１０１ｄにおいては、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３は、２４ＧＨｚ程度である。このとき、磁気共鳴周波数ｆ３に対する、２γＮｚＭｓの割合は、９６％程度である。磁気素子１０１ｄでは、電流密度Ｊが６〜１２ＭＡ／ｃｍ２程度の範囲において、発振周波数ｆは、高い値を維持する。なお、発振周波数ｆは、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３に影響される。このため、図４（ｄ）の例では、発振周波数ｆの最大値は、出力可能な最大周波数（２γＮｚＭｓ）よりも低い。
【００４２】
このように、第３強磁性層３０を設けることで、第２強磁性層２０の発振周波数ｆが高くなる。さらに、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３に対する、２γＮｚＭｓの割合が高い時は、小さい電流によって、高い発振周波数ｆの高周波磁界を安定して得ることができる。２γＮｚＭｓは、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３の０．９倍以上であることが好ましい。
【００４３】
（第２の実施形態）  
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第２の実施形態に係る磁気素子を例示する模式的断面図である。  
図５（ａ）に表したように、本実施形態に係る磁気素子１０２ａにおいても、第１強磁性層１０、第２強磁性層２０、第３強磁性層３０及び第１非磁性層１０ｎが設けられる。これらについては、磁気素子１０１と同様である。磁気素子１０２ａは、さらに第２非磁性層２０ｎを含む。
【００４４】
第２非磁性層２０ｎは、第１積層部ＳＢ１と第２積層部ＳＢ２との間に設けられる。図５（ａ）の例では、第２非磁性層２０ｎは、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に設けられる。第２非磁性層２０ｎは、例えば、第２強磁性層２０及び第３強磁性層３０と接している。
【００４５】
第２非磁性層２０ｎは、導電性を有する。第２非磁性層２０ｎを介して、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に電流Ｉ１が流れる。これにより、磁気素子１０１の場合と同様に、高周波磁界を発生させることができる。
【００４６】
この例においても、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０は、静磁結合、強磁性結合または反強磁性結合する。これにより、第２強磁性層２０の発振周波数ｆを高めることができる。
【００４７】
電流Ｉ１は、第２非磁性層２０ｎを介して、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間を流れる。このとき、第２非磁性層２０ｎにおいて、スピン情報が保たれると、第２強磁性層２０は、第３強磁性層３０からのスピントランスファトルクの影響を受けることがある。このため、第２強磁性層２０の磁化回転の制御性が低下する場合がある。
【００４８】
スピントルクを伝搬しにくくする方法として、例えば、第２非磁性層２０ｎの厚さ（第１方向ＳＤ１に沿った長さ）を厚くすることが挙げられる。具体的には、第２非磁性層２０ｎの厚さを例えば３ｎｍ（ナノメートル）以上とする。これにより、スピントルクが伝搬しにくくなり、第２強磁性層の発振状態が安定化する。この場合、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０とが、静磁結合、強磁性結合または反強磁性結合していることが好ましい観点から、第２非磁性層２０ｎの厚さは、２０ｎｍ以下が好ましい。
【００４９】
またスピントルクを伝搬しにくくする別の方法として、第２非磁性層２０ｎに、例えばルテニウム（Ｒｕ）などのようなスピン拡散長の短い膜（スピン消失の機能を持つ材料）、または、スピン拡散長の短い構造を有する層を用いることが挙げられる。この場合には、第２強磁性層２０の磁化２０ｍ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強磁性層１０でのスピン偏極によって決まる。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２強磁性層の磁化を独立に制御することが可能となる。これにより、第２強磁性層２０の磁化回転の制御性の低下を抑制できる。第２非磁性層２０ｎにスピン拡散長の短い材料を用いた場合には、第２非磁性層２０ｎの厚さは、例えば、１．４ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【００５０】
図５（ｂ）に表した、本実施形態に係る磁気素子１０２ｂにおいても、磁気素子１０２ａと同様に、第１強磁性層１０、第２強磁性層２０、第３強磁性層３０、第１非磁性層１０ｎ及び第２非磁性層２０ｎが設けられる。
【００５１】
磁気素子１０２ｂにおいては、第２非磁性層２０ｎは、制御部５５０と電気的に接続される。この例では、第２非磁性層２０ｎは、非磁性の配線層（導電層）である。
【００５２】
図５（ｂ）に示すように、制御部５５０は、第１積層部ＳＢ１及び第２非磁性層２０ｎに、電流Ｉ２を流す。これにより、磁気素子１０１の場合と同様に、第２強磁性層２０において、高周波磁界を発生させることができる。この例においても、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０は、静磁結合、強磁性結合または反強磁性結合する。これにより、第２強磁性層２０の発振周波数ｆを高めることができる。
【００５３】
制御部５５０が電流Ｉ２を流す際に、例えば、第３強磁性層３０には、電流が流れない。第３強磁性層３０に電流が流れないことによって、第２強磁性層２０は、第３強磁性層３０からのスピントランスファトルクの影響を受けなくなる。これにより、発振を安定化することができる。
【００５４】
磁気素子１０２ｂは、図５（ｂ）に示すように、第３強磁性層３０と第２非磁性層２０ｎとの間に設けられた絶縁層１０ｉをさらに含んでもよい。
【００５５】
（第３の実施形態）  
図６は、第３の実施形態に係る磁気素子を例示する模式的断面図である。  
図６に表したように、磁気素子１０３の第３強磁性層は、第１部分３１と第２部分３２とを含む。これ以外は、磁気素子１０３には、上述の磁気素子と同様の説明を適用できる。
【００５６】
第１部分３１の磁化３１ｍの方向は、可変である。磁気素子１０３に電流が流れていないときに、磁化３１ｍの方向は、例えば第１方向ＳＤ１に沿う。
【００５７】
第２部分３２は、第１方向ＳＤ１において第１部分３１と積層される。この例では、第１積層部ＳＢ１と第２部分３２との間に第１部分３１が設けられる。第１積層部ＳＢ１と第１部分３１との間に第２部分３２を設けてもよい。
【００５８】
第２部分３２の磁化３２ｍの方向は、可変である。磁気素子１０３に電流が流れていないときに、磁化３２ｍの方向は、例えば第２方向ＳＤ２に沿う。
【００５９】
第２部分３２の磁気共鳴周波数は、第１部分３１の磁気共鳴周波数よりも低い。第１部分３１の磁気共鳴周波数は、例えば、２０ＧＨｚ以上である。第２部分３２の磁気共鳴周波数は、例えば、２０ＧＨｚ未満である。
【００６０】
第１部分３１及び第２部分３２には、例えば、合金が用いられる。第２部分３２に含まれる少なくとも１つの元素の濃度は、第１部分３１に含まれる同じ元素の濃度と異なる。すなわち、第２部分３２に含まれる合金の組成比は、第１部分３１に含まれる合金の組成比と異なる。第２部分３２は、例えば、第３強磁性層３０において、第１部分３１と合金の組成比を変えた部分である。
【００６１】
第２部分３２の材料は、第１部分３１の材料と異なってもよい。この場合、第１部分３１及び第２部分３２は、それぞれ第３強磁性層３０に含まれる１つの層と見なすことができる。すなわち、第３強磁性層３０は、第１層と第２層とを含む積層体でもよい。
【００６２】
第１部分３１の磁化３１ｍと第２部分３２の磁化３２ｍとは、静磁結合、強磁性結合、または反強磁性結合している。第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍと第１部分の磁化３１ｍとは、静磁結合、強磁性結合または反強磁性結合している。第３強磁性層３０全体の第３磁化３０ｍは、第１部分３１の磁化３１ｍと第２部分３２の磁化３２ｍとの平均値とも言える。このとき、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍと第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍとは、静磁結合、強磁性結合または反強磁性結合している。
【００６３】
第１の実施形態で述べたように、２γＮｚＭｓは、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３の０．９倍よりも大きいことが望ましい。この関係を実現するためには、例えば、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３を低くすることが考えられる。例えば、第３強磁性層３０の材料として、異方性磁界が小さい材料（すなわち、有効磁界Ｈｅｆｆが小さい材料）が選ばれる。しかし、この場合には、第３強磁性層３０に用いられる材料の選択範囲が狭くなることがある。
【００６４】
これに対して、本実施形態では、第３強磁性層３０は、磁気共鳴周波数が互いに異なる第１部分３１及び第２部分３２を含む。第１部分３１と第２部分３２とが磁気的に結合すると、第１部分３１の磁化３１ｍの歳差運動と、第２部分３２の磁化３２ｍの歳差運動とが連動する。これにより、第３強磁性層３０全体としての磁気共鳴周波数ｆ３が低くなる。
【００６５】
第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３は、第１部分３１の磁気共鳴周波数と、第２部分３２の磁気共鳴周波数との間の値となる。これにより、（２γＮｚＭｓ≧ｆ３×０．９）の関係が実現しやすくなる。したがって、発振周波数が高い状態を広い電流範囲において維持することができるようになる。
【００６６】
（第４の実施形態）  
図７は、第４の実施形態に係る磁気素子を例示する模式的断面図である。  
図７に表したように、本実施形態に係る磁気素子１０４においては、第２積層部ＳＢ２は、第３非磁性層３０ｎと第４強磁性層４０とを含む。これ以外については、磁気素子１０４は、前述の実施形態に係る磁気素子と同様である。
【００６７】
第４強磁性層４０は、第１方向ＳＤ１において、第３強磁性層３０と積層される。図７の例では、第４強磁性層４０と第１積層部ＳＢ１との間に第３強磁性層３０が位置する。
【００６８】
第４強磁性層４０は、第４磁化４０ｍを有する。第４磁化４０ｍの方向は、実質的に固定されている。第４磁化４０ｍの方向は、第１方向ＳＤ１に対して平行な成分を有する。第４強磁性層４０は、例えば、垂直磁化膜である。
【００６９】
図７の例では、第４強磁性層４０の第４磁化４０ｍの方向は、下向きであり、第１強磁性層１０の第１磁化１０ｍの方向は、上向きである。第４磁化４０ｍの第１方向ＳＤ１の成分の向きは、例えば、第１磁化１０ｍの第１方向ＳＤ１の成分の向きに対して逆である。但し、第１磁化１０ｍの方向及び第４磁化４０ｍの方向は、種々の変形が可能である。例えば、第１磁化１０ｍの方向及び第４磁化４０ｍの方向の両方を上向きまたは下向きとしても良いし、一方を上向きとし、他方を下向きとしてもよい。
【００７０】
第３非磁性層３０ｎは、第３強磁性層３０と第４強磁性層４０との間に設けられる。第３非磁性層３０ｎは、例えば、第３強磁性層３０及び第４強磁性層４０に接する。
【００７１】
磁気素子１０４は、例えば、磁気記憶素子として機能する。第３非磁性層３０ｎが導電性の場合、磁気素子１０４は、ＧＭＲ（Giant MagnetoResistive）素子となる。第３非磁性層３０ｎが絶縁性の場合、磁気素子１０４は、ＴＭＲ（Tunneling MagnetoResistive）素子となる。ＴＭＲ素子は、磁気抵抗効果が大きく、ＣＭＯＳとの整合性が良いため、ＴＭＲ素子が好ましい。  
以下、磁気記憶素子としての磁気素子１０４の構成及び動作について説明する。以下の説明は、実施形態に係る、後述する他の磁気記憶素子（磁気素子）にも適用できる。
【００７２】
磁気素子１０４においては、第１方向ＳＤ１に第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に電流（書き込み電流）を流すことによりスピン偏極した電子を第３強磁性層３０に作用させる。また、第２強磁性層２０の磁化を歳差運動させることにより発生する回転磁界を第３強磁性層３０に作用させる。これにより、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍの方向（磁化３１ｍの方向及び磁化３２ｍの方向）が、電流の向きに応じた方向に決定される。
【００７３】
第４強磁性層４０は、例えば、磁化固定層として機能する。第４強磁性層４０においては、例えば、第４磁化４０ｍが膜面に対して略垂直方向に固定されている。第４強磁性層４０の第４磁化４０ｍの方向は、第１方向ＳＤ１に沿い、例えば、第１方向ＳＤ１に対して略平行である。
【００７４】
既に述べたとおり、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍの方向は、可変であり、第１方向ＳＤ１に沿っている。第３強磁性層３０の磁化の方向は、反転可能である。第３強磁性層３０は、データを記憶する役割をもつ。第３強磁性層３０は、例えば、磁気記憶層として機能する。
【００７５】
この例では、第３強磁性層３０は、第１部分３１と第２部分３２とを含む。例えば、第１部分３１の磁化３１ｍの方向は、第１方向ＳＤ１と略平行であり、反転可能である。後述するように、第３非磁性層３０ｎを介した第３強磁性層３０と第４強磁性層４０との間の電気抵抗は、磁化３１ｍの向きによって変化する。電気抵抗によって磁化３１ｍの状態を区別することができる。よって、第１部分３１は、情報を記憶する機能を有すると言える。
【００７６】
第２部分３２の磁化３２ｍの方向も、例えば、第１方向ＳＤ１と略平行であり、反転可能である。第２部分３２を設けることによって、第３の実施形態と同様に、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３を低くすることができる。
【００７７】
なお、第２部分３２もデータの記憶保持に寄与する。従って、第３強磁性層３０を磁気記憶層とし、第１部分３１を記憶保持の本体部分と考えてもよい。
【００７８】
第３非磁性層３０ｎは、スペーサ層として機能する。第３非磁性層３０ｎが絶縁材料に基づくトンネルバリア層である場合に、第４強磁性層４０、第３非磁性層３０ｎ及び第３強磁性層３０を含む第２積層部ＳＢ２は、例えば、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）の構造を有する。
【００７９】
第２強磁性層２０は、既に述べたとおり、磁化回転層（発振層）として機能する。第２強磁性層２０は、書き込み時に高周波磁場を発生させる役割をもつ。
【００８０】
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２強磁性層２０における第２磁化２０ｍ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。高周波磁界は、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍ（磁化３１ｍ及び磁化３２ｍ）に対して垂直方向の成分（第３強磁性層３０の磁化困難軸の方向の成分）を有する。従って、第２強磁性層２０から発生した高周波磁界の少なくとも一部は、第３強磁性層３０の磁化困難軸の方向に印加される。第２強磁性層２０から発生した高周波磁界が、第３強磁性層３０の磁化困難軸の方向に印加されると、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍが反転し易くなる。
【００８１】
磁気素子１０４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３強磁性層３０の第３磁化３０ｍ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）を変えることで磁化３１ｍの方向及び磁化３２ｍの方向を反転させることができる。情報を記憶させる場合において、例えば、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍ（磁化３１ｍ）の方向に応じて、「０」と「１」とがそれぞれ割り当てられる。磁気素子１０４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３強磁性層３０の第３磁化３０ｍ（磁化３１ｍ）の異なる２つの方向に対応している。
【００８２】
第２強磁性層２０の幅（直径）は、３５ｎｍ以下であることが好ましい。第２強磁性層２０の幅が、３５ｎｍよりも大きくなると、例えば、第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍ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２強磁性層２０の断面形状の円相当直径を３５ｎｍ以下とし、第２強磁性層２０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２強磁性層２０から発生した高周波磁界を第３強磁性層３０の磁化に適切に作用させ、第３強磁性層３０の磁化反転をアシストすることができる。すなわち、第３強磁性層３０の位置において、第３磁化３０ｍ（磁化３１ｍ及び磁化３２ｍ）が反転する十分な磁界強度を得ることができる。
【００８３】
第２強磁性層２０の横断面形状（第１方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの断面形状）の円相当直径をＲ（ｎｍ）、「Ｒ」の半分の値をｒ（＝Ｒ／２）（ｎｍ）、層厚をｔ（ｎｍ）とするとき、ｒ＜０．４１９ｔ２−２．８６ｔ＋１９．８の関係式を満たすサイズとすることが望ましい。
【００８４】
本願明細書において、「円相当直径」とは、対象とする平面形状の面積と同じ面積を有する円を想定し、その円の直径をいうものとする。例えば、第３強磁性層３０の横断面形状が円形の場合、「Ｒ」は直径を意味する。第３強磁性層３０の横断面形状が楕円の場合、「Ｒ」は、その楕円の面積と同じ面積を有する円の直径を意味する。第３強磁性層３０の横断面形状が多角形の場合、「Ｒ」は、その多角形の面積と同じ面積を有する円の直径を意味する。
【００８５】
磁気素子１０４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。
【００８６】
図８（ａ）〜図８（ｅ）及び図９（ａ）〜図９（ｅ）は、第４の実施形態に係る磁気素子の動作を例示する模式図である。  
これらの図は、磁気素子１０４における「書き込み」動作の際の第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の状態を例示している。書き込み動作においては、第３強磁性層３０の膜面及び第４強磁性層４０の膜面を横切るように電子電流６０（書き込み電流）を流すことにより、第３強磁性層３０に対して書き込み動作が実施される。ここでは、第３非磁性層３０ｎ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。
【００８７】
「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３非磁性層３０ｎを介した第３強磁性層３０と第４強磁性層４０との間の電気抵抗は、第３強磁性層３０の磁化３１ｍ、３２ｍが第４強磁性層４０の第４磁化４０ｍに対して平行である時には、反平行である時よりも低い。
【００８８】
図８（ａ）〜図８（ｅ）は、磁化３１ｍの向き及び磁化３２ｍの向きを下向きから上向きに反転させる場合を例示している。  
図８（ａ）は、電子電流６０を流し始めた状態を例示している。図８（ｅ）は、電子電流６０を流し終えた状態（磁化３１ｍ及び磁化３２ｍが反転した状態）を例示している。図８（ｂ）〜図８（ｄ）は、その途中の状態を例示している。
【００８９】
図８（ａ）に表したように、磁化３１ｍの向き及び磁化３２ｍの向きを下向きから上向きに反転させる場合には、第１積層部ＳＢ１から第２積層部ＳＢ２に向けて電子電流６０を流す。すなわち、上向きに電子電流６０を流す。
【００９０】
電子電流６０を上向きに流すと、第３非磁性層３０ｎを通過した電子のうちで、第４強磁性層４０の磁化４０ｍと同じ向き（この例において下向き）のスピンをもった電子は、第４強磁性層４０を通過する。一方、第４強磁性層４０の磁化４０ｍに対して逆向き（この例において上向き）のスピンをもった電子は、第４強磁性層４０と第３非磁性層３０ｎとの界面において反射される。この反射された電子のスピンの角運動量は、第３強磁性層３０へ伝達され、第３強磁性層３０の磁化３１ｍ及び磁化３２ｍに作用する。
【００９１】
図８（ｂ）に表したように、第１積層部ＳＢ１に電子電流６０を流すと、第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍ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第１磁化１０ｍを有する第１強磁性層１０を通過した電子は、第１強磁性層１０の第１磁化１０ｍと同じ方向のスピンを持つようになる。この電子が、第２強磁性層２０へ流れると、このスピンのもつ角運動量が第２強磁性層２０へ伝達され、第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍに作用する。すなわち、いわゆるスピントランスファトルクが働く。これにより、電子電流６０の供給によって、第２磁化２０ｍが歳差運動する。第２強磁性層２０を通過した電子のスピン偏極度は、第２非磁性層２０ｎの通過によって消失される。
【００９２】
図８（ｃ）に表したように、第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍが歳差運動すると、第２強磁性層２０からの回転磁界の作用と、第４強磁性層４０の界面で反射するスピン偏極した電子の作用とにより、第２部分３２の磁化３２ｍの向きが、下向きから上向きに反転する。前述のように、第２部分３２の磁気共鳴周波数は、第１部分３１の磁気共鳴周波数よりも低い。これにより、上向きのスピンを持った電子の作用と、回転磁界の作用と、によって、第２部分３２の磁化３２ｍの向きが下向きから上向きに反転する。
【００９３】
図８（ｄ）に表したように、第２部分３２の磁化３２ｍの向きが下向きから上向きに反転すると、スピン電極した電子の作用、第２強磁性層２０からの回転磁界の作用及び磁気的結合した磁化３２ｍの作用により、第１部分３１の磁化３１ｍの向きが、下向きから上向きに反転する。
【００９４】
図８（ｅ）に表したように、電子電流６０の供給を停止すると、第２磁化２０ｍの歳差運動が停止し、磁化３１ｍの向き及び磁化３２ｍ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３１ｍ及び磁化３２ｍを有する第３強磁性層３０の状態に、例えば「０」を割り当てる。磁気素子１０４において、例えば、磁化３１ｍの向き及び磁化３２ｍの向きが上向きである状態が、第１状態に対応する。
【００９５】
図９（ａ）〜図９（ｅ）は、第１部分３１の磁化３１ｍ及び第２部分３２の磁化３２ｍの向きを上向きから下向きに反転させる場合を例示している。  
図９（ａ）は、電子電流６０を流し始めた状態を例示している。図９（ｅ）は、電子電流６０を流し終えた状態（磁化３１ｍ及び磁化３２ｍが反転した状態）を例示している。図９（ｂ）〜図９（ｄ）は、その途中の状態を例示している。
【００９６】
図９（ａ）に表したように、磁化３１ｍの向き及び磁化３２ｍの向きを上向きから下向きに反転させる場合には、第２積層部ＳＢ２から第１積層部ＳＢ１に向けて電子電流６０を流す。すなわち、下向きに電子電流６０を流す。
【００９７】
図９（ｂ）に表したように、電子電流６０を流すと、第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍが歳差運動し、回転磁界が発生する。第１強磁性層１０の第１磁化１０ｍに対して逆向きのスピンをもった電子は、第１強磁性層１０と第１非磁性層１０ｎとの界面において反射される。この反射された電子のスピンの角運動量は、第２強磁性層２０へ伝達され、第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍに作用する。これにより、第２磁化２０ｍが歳差運動する。
【００９８】
電子電流６０を下向きに流すと、第４強磁性層４０の磁化４０ｍと同じ向き（この例において下向き）のスピンをもった電子は、第４強磁性層４０を通過し、第３強磁性層３０へ伝達される。これにより、下向きのスピンをもった電子の作用と、第２強磁性層２０からの回転磁界の作用が磁化３１ｍ及び磁化３２ｍに働く。
【００９９】
図９（ｃ）に表したように、スピン偏極した電子の作用及び第２強磁性層２０からの回転磁界の作用により、第２部分３２の磁化３２ｍの向きが上向きから下向きに反転する。
【０１００】
図９（ｄ）に表したように、第２部分３２の磁化３２ｍの向きが上向きから下向きに反転すると、スピン偏極した電子の作用、第３強磁性層３０からの回転磁界の作用及び磁気的に結合した磁化３２ｍの作用により、第１部分３１の磁化３１ｍの向きが、上向きから下向きに反転する。
【０１０１】
図９（ｅ）に表したように、電子電流６０の供給を停止すると、第２磁化２０ｍの歳差運動が停止し、磁化３１ｍの向き及び磁化３２ｍ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３１ｍ及び磁化３２ｍを有する第３強磁性層３０の状態に、例えば「１」を割り当てる。磁気素子１０４においては、例えば、磁化３１ｍ及び磁化３２ｍの向きが下向きである状態が、第２状態に対応する。
【０１０２】
このような作用に基づいて、第３強磁性層３０の異なる複数の状態のそれぞれに、「０」または「１」が適宜割り当てられる。これにより、磁気素子１０４における「書き込み」が実施される。
【０１０３】
磁気抵抗効果が「リバースタイプ」の場合は、第３非磁性層３０ｎを介した第３強磁性層３０と第４強磁性層４０との間の電気抵抗は、磁化３１ｍ及び磁化３２ｍが第４強磁性層４０の第４磁化４０ｍ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。
【０１０４】
この例においては、例えば、第１状態が「０」であり、第２状態が「１」である。第１状態を「１」とし、第２状態を「０」としてもよい。第１状態及び第２状態は、「０」または「１」に限ることなく、他の状態でもよい。磁気素子１０４に設けられる状態の数は、３つ以上でもよい。すなわち、磁気素子１０４は、マルチビットの記憶素子でもよい。
【０１０５】
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。
【０１０６】
電子電流６０の供給は、例えば、制御部５５０によって行われる。制御部５５０は、書き込み動作のときに、例えば、０．２ナノ秒以上の電子電流６０を磁気素子１０４に供給する。電子電流６０の供給が１０ナノ秒以上の場合には、例えば、電子電流６０の供給によって、磁化３１ｍの向き及び磁化３２ｍの向きを適切に反転させることができる。電子電流６０の供給が１ナノ秒以上３ナノ秒以下の場合には、例えば、適切に磁化を反転させつつ、書き込み動作にかかる時間を抑えることができる。
【０１０７】
次に、「読み出し」動作の例について説明する。  
磁気素子１０４における磁化３１ｍ及び磁化３２ｍ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３強磁性層３０と第４強磁性層４０との間にセンス電流を流し、磁気抵抗が測定される。センス電流の電流値は、書き込み時（記憶時）に流す電子電流６０に対応する電流値よりも小さい。
【０１０８】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第４の実施形態に係る磁気素子の動作を例示する模式図である。  
これらの図は、磁気素子１０４における「読み出し」動作の際の第２積層部ＳＢ２の状態を例示している。これらの図では、第１積層部ＳＢ１、導電層８１、導電層８２及び第２非磁性層２０ｎは省略されている。
【０１０９】
図１０（ａ）は、第４強磁性層４０の磁化４０ｍの方向が、磁化３１ｍ及び磁化３２ｍの方向と同じ場合を例示している。図１０（ｂ）は、第４強磁性層４０の磁化４０ｍの方向が、磁化３１ｍ及び磁化３２ｍの方向と反平行（逆向き）である場合を例示している。
【０１１０】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に表したように、第２積層部ＳＢ２にセンス電流６１を流し、電気抵抗を検出する。  
ノーマルタイプの磁気抵抗効果においては、図１０（ａ）の状態の抵抗は、図１０（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１０（ａ）の状態の抵抗は、図１０（ｂ）の状態の抵抗よりも高い。
【０１１１】
これらの抵抗が互いに異なる複数の状態のそれぞれに、それぞれ「０」と「１」とを対応づけることにより、２値データの記憶の読み出しが可能となる。なお、センス電流６１の向きは、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に例示した方向に対して逆向きでも良い。
【０１１２】
センス電流６１の供給は、例えば、制御部５５０によって行われる。制御部５５０は、読み出し動作のときに、例えば、１０ナノ秒以下のセンス電流６１を磁気素子１０４に供給する。これにより、例えば、センス電流６１の供給による磁化３１ｍ及び磁化３２ｍの向きの反転を抑えることができる。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６１の供給による磁化の反転をより適切に抑えることができる。
【０１１３】
この際、制御部５５０が一定の電圧を供給する電圧一定方式を用いることが好ましい。例えば、素子のサイズが小さくなると、製造時に生じる素子サイズのばらつきによって、素子の特性がばらつくことがある。ここで、素子のサイズが小さくなると素子の抵抗値が高くなるため、電圧一定方式では、読み出し電流値が低下する。このため、電圧一定方式を用いることで、素子のサイズを小さくした場合においても、誤書き込みが生じにくくなる。例えば、１ナノ秒以上５ナノ秒以下のセンス電流で読み出すことが想定される。但し、制御部５５０が一定の電流を供給する電流一定方式を用いてもよい。
【０１１４】
このように、制御部５５０は、「書き込み」のときに磁気素子１０４に電流を供給する時間を、「読み出し」のときに磁気素子１０４に電流を供給する時間よりも長くする。制御部５５０は、例えば、「書き込み」のときに第１時間の電流を磁気素子１０４に供給し、「読み出し」のときに第２時間の電流を磁気素子１０４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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
書き込み時間（第１時間）は、例えば、１０ナノ秒以上であり、読み出し時間（第２時間）は、それ未満である。３ナノ秒以下の磁化反転では、磁化が熱の影響（熱によるアシスト効果）を受け難くなるため、反転に必要となる電流が上昇し始める。１ナノ秒の近傍は、ｄｙｎａｍｉｃ領域といい、磁化が熱の影響を受けないため、反転に要する電流がさらに大きくなる。
【０１１７】
そこで、例えば、１０ナノ秒以上で書き込みをし、３ナノ秒以下で読み出しをする。１ナノ秒以上３ナノ秒以下で書き込みをし、書き込みより小さい電流値で、３ナノ秒以下で読み出しをすることで、誤書き込み率をさらに低くすることができる。
【０１１８】
上記のように、磁気素子１０４において、第１積層部ＳＢ１は、磁界発生源として機能する。第２積層部ＳＢ２は、磁気記憶部として機能する。第１積層部ＳＢ１を、磁界発生源、または、ＳＴＯ(Spin Torque Oscillator）と言う場合がある。一方、第２積層部ＳＢ２を、磁気記憶部、または、ＭＴＪと言う場合がある。
【０１１９】
上記のように、ＭＴＪ素子の記憶層である第３強磁性層３０への書き込みが、例えば、スピントルク書き込み方式により行われる。このような磁気素子１０４において、例えば、高記憶密度化の要請から磁気素子１０４の幅を３５ｎｍ以下とすることが望まれている。磁気素子１０４の幅とは、例えば、磁気素子１０４のＸ軸方向またはＹ軸方向の長さである。また、磁気素子１０４のＸ−Ｙ平面に投影した形状が、円形または楕円形である場合、磁気素子１０４の幅とは、磁気素子１０４の直径（長径）である。
【０１２０】
磁気素子１０４において、第１部分３１の磁化３１ｍと第２部分３２の磁化３２ｍとの間の交換結合定数Ｊｅｘ（ｅｒｇ／ｃｍ２：エルグ／平方センチメートル）は、大きいことが望ましい。磁気素子１０４に電流が流れたときに、磁化３１ｍと磁化３２ｍとの結合が切れない観点から、例えば、Ｊｅｘ＞２ｅｒｇ／ｃｍ２であることが好ましい。
【０１２１】
なお、実施形態に係る磁気素子（磁気記憶素子、ＭＴＪ素子）において、第３強磁性層３０は、必ずしも上述の第１部分３１及び第２部分３２を含まなくてもよい。例えば、第３強磁性層３０中に含まれる元素の濃度（組成比）は、第３強磁性層３０中において実質的に一様であってもよい。この場合、第３強磁性層３０は、第３磁化３０ｍを有する１つの層とみなすことができる。第３強磁性層３０は、３以上の複数の部分（複数の層）を含んでいてもよい。この場合、例えば、第３強磁性層３０に含まれる複数の部分は、互いに磁気的に結合するため、第３強磁性層３０全体に生じる正味の磁化を、第３磁化３０ｍとみなすことができる。以上の場合には、磁気記憶素子の動作は、上述の動作の説明における磁化３１ｍ及び磁化３２ｍが第３磁化３０ｍとして同時に反転する場合に相当する。これ以外は、磁気記憶素子の動作の説明は、図８（ａ）〜図８（ｅ）及び図９（ａ）〜図９（ｅ）における説明と同様である。
【０１２２】
以上説明したようなＭＴＪ素子は、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）において、記憶状態を保持する素子に該当する。ＭＲＡＭの集積度を向上させるためには、ＭＴＪ素子の直径を小さくすることが求められる。
【０１２３】
一方で、素子直径を小さくし磁気記憶層（第３強磁性層３０）の体積が減少すると、熱擾乱耐性が低くなる。熱擾乱耐性が低くなると磁化状態が保持されにくくなる。熱擾乱耐性は、Δ値によって表される。Δ値は、磁気異方性エネルギーと熱エネルギーとの比であり、次の式で表される。
【０１２４】
Δ＝Ｋｕ・Ｖ／（ｋＢ・Ｔ）  
上記の式において、Ｋｕは、磁気記憶層の有効磁気異方性定数であり、Ｖは、磁気記憶層の体積であり、ｋＢは、ボルツマン定数であり、Ｔは磁気記憶層の絶対温度である。Δ値が低いことは、熱擾乱耐性が低いことを意味する。１０年以上の情報保持を可能とするためには、例えばΔ＞６０が好ましい。ＭＴＪ素子の直径を小さくするときに、Δ値を高く保つためには、例えばＫｕが大きい材料が用いられる。
【０１２５】
一方、ＭＴＪ素子では、書き込み電流を低減することが求められている。書き込み電流を低減する方法として、例えば、磁気記憶層の磁気共鳴周波数で振動する磁界を、磁気記憶層に印加することが考えられる。ここで、磁気記憶層の有効異方性磁界Ｈｋは、有効磁気異方性定数Ｋｕに比例する。このため、高いΔ値のために磁気記憶層にＫｕの大きい材料を用いた場合には、磁気記憶層の有効異方性磁界Ｈｋが高くなる。記憶層の有効異方性磁界Ｈｋが高くなると、磁気記憶層の磁気共鳴周波数が高くなる。例えば、Δ値を６０よりも大きくする場合には、Ｈｋが１０ｋＯｅ〜２０ｋＯｅ程度となり、磁気記憶層の共鳴周波数が３０ＧＨｚ〜６０ＧＨｚ程度の高周波となる場合がある。磁気共鳴周波が高すぎると、その周波数を有する磁界を発生させることは困難となる。このため、上記の書き込み電流を低減する方法を採用することが難しい。
【０１２６】
これに対して、実施形態に係る磁気素子１０４においては、発振層（第２強磁性層２０）に垂直磁化膜（第３強磁性層３０）が積層される。そして、磁気素子１０１等と同様に、発振層における２γＮｚＭｓは、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３の０．９倍以上である。磁気素子１０４では、磁気素子１０１等と同様にして、高い発振周波数ｆの回転磁界を安定して得ることができる。これにより、磁気記憶層に高周波数の磁界を安定して印加することができる。したがって、磁気記憶層における書き込み電流を、低減させることができる。
【０１２７】
図１１（ａ）〜図１１（ｃ）及び図１２は、第４の実施形態に係る磁気素子の特性のシミュレーション結果を例示する模式図である。  
これらの図は、磁気素子１０４における書き込み電流の低減についてのシミュレーション結果を示している。
【０１２８】
シミュレーションでは、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０（第１部分３１及び第２部分３２）のそれぞれについてのパラメータを変化させる。また、シミュレーションでは、磁気素子１０４に電流パルスを与え、第１部分３１の磁化３１ｍ及び第２部分３２の磁化３２ｍが反転する電流（反転電流）の値を求めた。以下では、電流パルスの幅が１０ｎｓ（ナノ秒）のときの結果を示す。なお、電流パルスの幅が１ｎｓのときも同様の結果が得られる。
【０１２９】
なお、ここで示す計算結果は、第１部分３１と第２部分３２とが強磁性結合している場合の結果である。また、計算においては、第１強磁性層１０の磁化の向きと第４強磁性層４０の磁化の向きは、互いに逆向きであるとした。
【０１３０】
図１１（ａ）は、反転電流の大きさを例示するコンター図である。  
この計算では、第２部分３２の磁化Ｍｓｔｒｉ（ｅｍｕ／ｃｍ３）を２００〜１６００ｅｍｕ／ｃｍ３の間で変化させ、第２部分３２の厚さｈｔｒｉを０．５〜２ｎｍの間で変化させた。このとき、第１部分３１の磁化Ｍｓｍｔｊ（ｅｍｕ／ｃｍ３）を４００ｅｍｕ／ｃｍ３とし、第１部分３１の厚さｈｍｔｊを２ｎｍとした。第２強磁性層２０の磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｍ３）を１２００ｅｍｕ／ｃｍ３とし、第２強磁性層２０の厚さｈｓｔｏを２ｎｍとした。
【０１３１】
すなわち、図１１（ａ）に関する計算は、第２強磁性層２０のパラメータ（すなわち２γＮｚＭｓ）が一定のときに、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３を変化させた場合に対応する。図１１（ａ）の横軸は、第２部分３２の磁化Ｍｓｔｒｉ（ｅｍｕ／ｃｍ３）を表し、縦軸は、第２部分３２の厚さｈｔｒｉを表す。
【０１３２】
図１１（ａ）中の色（濃さ）は、第２強磁性層２０が設けられない場合（すなわち高周波磁界が第３強磁性層３０に印加されない場合）の反転電流Ｉｗ０を基準とした、各条件における反転電流の割合を表す。すなわち、図１１（ａ）中の色は、反転電流Ｉｗ０に対する、図中の各領域における反転電流Ｉｗの比率Ｒｗ（＝Ｉｗ／Ｉｗ０）を表す。色が薄いほど、比率Ｒｗが低い、すなわち、反転電流Ｉｗが低く、書き込み電流が低減されることを意味する。
【０１３３】
図１１（ａ）において、右上の領域ほど書き込み電流の低減量が大きい。図１１（ａ）中の点Ａ及び点Ｂにおいては、第２強磁性層２０の２γＮｚＭｓは、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３の０．８倍以上である。点Ａは、前述の図４（ａ）の状態に対応し点Ｂは、前述の図４（ｂ）の状態に対応する。図１１（ａ）中の点Ｃ及び点Ｄにおいては、第２強磁性層２０の２γＮｚＭｓは、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３の０．９倍以上である。点Ｃ及び点Ｄでは、図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示した例に対応する。
【０１３４】
図４（ａ）〜図４（ｄ）を参照すると、図１１（ａ）の右上の領域では、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３に応じて、第２強磁性層２０の発振周波数ｆが高くなっている。このような領域では、書き込み電流が低減する。
【０１３５】
例えば、点Ｃ及び点Ｄにおいて、第２強磁性層２０が設けられない場合に対して、書き込み電流を１／３倍以下にまで低減することができる。一方、点Ａ及び点Ｂにおいては、第２強磁性層２０が設けられない場合に対して、書き込み電流は１／２倍程度である。この違いは、第２強磁性層２０における２γＮｚＭｓが、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３の０．９倍以上であるか否かに依ることがシミュレーションにより分かる。（２γＮｚＭｓ≧ｆ３×０．９）の関係が成り立つ点Ｃ及び点Ｄにおいては、書き込み電流の低減量が大きい。
【０１３６】
図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）は、各磁化（磁化３１ｍ、磁化３２ｍ、第２磁化２０ｍ）の挙動を例示するグラフ図である。これらの図の横軸は、パルス電流が流された時間ｔ（ｎｓ）を表し、縦軸は、周波数ｆｒ（ＧＨｚ）を表す。
【０１３７】
図１１（ｂ）は、点Ａにおける各磁化の挙動を示す。図１１（ｂ）は、（２γＮｚＭｓ≧ｆ３×０．９）の関係が成り立たない場合に関する。図１１（ｂ）に示すように、磁化３１ｍの挙動と磁化３２ｍの挙動とは同期している。一方、第２磁化２０ｍは、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３に到達できず、非同期である。このため、第２強磁性層２０からの高周波磁界による、磁化３１ｍ及び磁化３２ｍの反転に対するアシストが制限される。
【０１３８】
一方、図１１（ｃ）は、点Ｄにおける各磁化の挙動を示す。図１１（ｃ）は、（２γＮｚＭｓ≧ｆ３×０．９）の関係が成り立つ場合に関する。この場合には、磁化３１ｍの挙動、磁化３２ｍの挙動及び第２磁化２０ｍの挙動は、互いに同期している。このため、第２強磁性層２０からの高周波磁界によって、磁化３１ｍ及び磁化３２ｍの反転がアシストされる。これにより、書き込み電流が低減する。
【０１３９】
図１２は、第２強磁性層２０の磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｍ３）と、反転電流の低減量との関係を示すグラフ図である。この計算では、第２強磁性層２０の磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｍ３）を変化させた。第２強磁性層２０の形状（厚さ）、第１部分３１の構成及び第２部分３２の構成を、固定した。第２強磁性層２０の厚さを２ｎｍとし、第１部分３１の磁化Ｍｓｍｔｊ（ｅｍｕ／ｃｍ３）を４００ｅｍｕ／ｃｍ３とし、第１部分３１の厚さｈｍｔｊを２ｎｍとし、第２部分３２の磁化Ｍｓｔｒｉ（ｅｍｕ／ｃｍ３）を１４００ｅｍｕ／ｃｍ３とし、第２部分３２の厚さｈｔｒｉを２ｎｍとした。
【０１４０】
すなわち、図１２に関する計算は、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３が一定のときに、第２強磁性層２０における４πＮｚＭｓを変化させた場合に対応する。グラフ中の各点には、第２強磁性層２０の発振周波数ｆの最大値ｆｍａｘ（ＧＨｚ）と、ｆｍａｘの磁気共鳴周波数ｆ３に対する割合（％）とを示す。図１２から分かるとおり、ｆ３に対するｆｍａｘの割合が９０％以上の時には、書き込み電流の低減が大きい。
【０１４１】
以上説明したシミュレーション結果より、第２強磁性層２０における２γＮｚＭｓが、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３の０．９倍以上であることが望ましいことが分かる。
【０１４２】
また、既に述べたとおり、長期間の情報保持の観点から、記憶層（第３強磁性層３０）の熱擾乱耐性（Δ値）が高いことが望ましい。このため、例えば、第１部分３１に有効磁気異方性定数Ｋｕの大きな材料を用い、熱擾乱耐性を向上させる。但し、有効磁気異方性定数Ｋｕが大きい材料を用いた場合、第１部分３１の磁気共鳴周波数が高くなり過ぎる場合がある。そこで、実施形態に係る磁気素子１０４においては、第２部分３２が設けられる。第２部分３２の磁気共鳴周波数は、第１部分３１の磁気共鳴周波数よりも低い。これにより、第１部分３１の磁気共鳴周波数よりも低い周波数で、磁化３１ｍ及び磁化３２ｍを反転させることができる。これにより、第３強磁性層３０（全体）の磁気共鳴周波数ｆ３を低くすることができる。このように、第３強磁性層３０に第１部分３１及び第２部分３２を設けることで、素子を微細化した場合においても、熱擾乱耐性を維持しながら、第３強磁性層３０（全体）の磁気共鳴周波数ｆ３が高くなりすぎることを抑制できる。
【０１４３】
図１３は、第４の実施形態に係る磁気素子の特性を例示するグラフ図である。  
図１３は、第３強磁性層３０に第２部分３２がある場合とない場合における、外部磁界に対する書き込み電流の変化を表した図である。図１３の横軸は、外部磁界の周波数であり、縦軸は、磁化反転に必要であった電流密度である。  
第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数（磁気共鳴周波数ｆ３）は、例えば、積層体の上下電極（例えば、導電層８１及び導電層８２）にプローブをあて、ダンピング測定法を利用して測定することができる。ダンピング測定法としては、例えば、H. Kubota et. al., Nature physics 4 (08) 37，または、J. Sankey et. al., Nature physics 4 (08) 67などに記載された方法を利用することができる。
【０１４４】
図１３において、特性ＣＴ２１は、実施形態に係る磁気素子１０４の結果を表す。特性ＣＴ２２は、第３強磁性層３０に第１部分３１のみを設けた例の結果を表す。  
図１３に表したように、第２部分３２が設けられない場合では、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数が、５０ＧＨｚ付近である。一方、磁気素子１０４では、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３が、２０ＧＨｚ未満である。このように、第３強磁性層３０に第２部分３２が設けられているか否かは、例えば、ダンピング測定法を利用して第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３を測定することにより、判別することができる。磁気共鳴周波数ｆ３は、例えば、第１部分３１の第１磁気共鳴周波数と、第２部分３２の第２磁気共鳴周波数との間である。
【０１４５】
図１４は、第４の実施形態に係る磁気素子の特性を例示するグラフ図である。  
図１４は、第１部分３１の有効異方性磁界Ｈｋ１及び第２部分３２の有効異方性磁界Ｈｋ２の測定結果の一例を表す。図１４の横軸は、外部磁界であり、縦軸は、磁気記憶部の抵抗値Ｒである。  
第１部分３１の有効異方性磁界Ｈｋ１及び第２部分３２の有効異方性磁界Ｈｋ２は、例えば、積層体の上下電極にプローブをあて、容易軸方向と困難軸方向とにそれぞれ磁界を印加したときの磁気記憶部の抵抗を測定することで、求めることができる。この例において、容易軸方向は、第１方向ＳＤ１であり、困難軸方向は、面内方向（第２方向ＳＤ２）である。
【０１４６】
図１４に表したように、第１部分３１の有効異方性磁界Ｈｋ１は、例えば、飽和磁界に達したときの磁界の値である。第２部分３２の有効異方性磁界Ｈｋ２は、例えば、飽和磁界に達するまでに抵抗値の傾きが変化する点の磁界の値である。
【０１４７】
第１部分３１の有効異方性磁界Ｈｋ１は、第２部分３２の有効異方性磁界Ｈｋ２と離れていることが望ましいが、一致している場合もある。また、容易軸方向におけるヒステリシスループは、角型比が８０％以上であることが望ましいが、角型とならない場合もある。
【０１４８】
図１５は、第４の実施形態に係る磁気素子の特性を例示するグラフ図である。  
図１５は、第１部分３１の磁気共鳴周波数ｆ１及び第２部分３２の磁気共鳴周波数ｆ２の測定結果の一例を表す。図１５の横軸は、測定装置の測定周波数であり、縦軸は、測定装置の信号強度ＳＩである。
【０１４９】
第１部分３１の磁気共鳴周波数ｆ１及び第２部分３２の磁気共鳴周波数ｆ２は、例えば、強磁性共鳴（ＦＭＲ：Ferromagnetic Resonance）測定装置などで測定することができる。ＦＭＲ測定では、例えば、積層体の上下電極にプローブをあて、スペクトルを測定する。第３強磁性層３０に第１部分３１と第２部分３２とが設けられている場合には、第１部分３１の磁気共鳴周波数ｆ１及び第２部分３２の磁気共鳴周波数ｆ２のそれぞれに対応した２本以上のスペクトルが観察される。
【０１５０】
第１部分３１と第２部分３２とが磁気的に結合している場合、第１部分３１の磁気共鳴周波数ｆ１と第２部分３２の磁気共鳴周波数ｆ２との間にもスペクトルが観察される。例えば、磁気共鳴周波数ｆ１と磁気共鳴周波数ｆ２との間のスペクトルの信号強度は、磁気共鳴周波数ｆ１におけるスペクトルの信号強度よりも高く、磁気共鳴周波数ｆ２におけるスペクトルの信号強度よりも高い。磁気共鳴周波数ｆ１と磁気共鳴周波数ｆ２との間の、このようなスペクトルに対応する周波数を、第３強磁性層３０全体の磁気共鳴周波数ｆ３と見なすことができる。第３強磁性層３０が２以上の複数の層（部分）を含む場合には、複数のスペクトルが観測される。この場合には、最も強度信号が高いスペクトルに対応する周波数が、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３と見なされる。
【０１５１】
以上により、観察されたスペクトルの１つを第１部分３１の磁気共鳴周波数ｆ１、別の１つを第２部分３２の磁気共鳴周波数ｆ２とし、最も信号強度が高いスペクトルを磁気共鳴周波数ｆ３として測定することができる。
【０１５２】
また、例えば、透過電子顕微鏡(Transmission Electron Microscopy：TEM)と電子エネルギー損失分光法(Electron Energy-Loss Spectroscopy：EELS)との組み合わせなどによる組成分析で第２積層部ＳＢ２に用いられている材料を同定し、第１部分３１及び第２部分３２に該当する材料を用いた単層膜又は積層膜を作る。そして、その単層膜又は積層膜の磁気共鳴周波数をＦＭＲ測定などで測定することにより、磁気共鳴周波数ｆ１、磁気共鳴周波数ｆ２及び磁気共鳴周波数ｆ３などを、より正確に求めることができる。
【０１５３】
ＴＥＭやＥＥＬＳなどを用いた組成分析によって、第２強磁性層２０に用いられている材料を同定することができる。同定された材料から第２強磁性層２０におけるＭｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）を求めることができる。第２強磁性層２０が複数の層（又は材料の異なる複数の部分）を含む場合には、各層（各部分）における材料を同定する。そして、各層の磁化（ｅｍｕ／ｃｃ）の平均として、第２強磁性層２０のＭｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）を求めることができる。
【０１５４】
第２強磁性層２０が出力可能な最大周波数（γ／（２π）×４πＮｚＭｓ＝２γＮｚＭｓ）を、ＦＭＲによって測定することも可能である。既に述べたとおり、第２強磁性層２０は、例えば面内磁化膜であり、第３強磁性層３０は、例えば垂直磁化膜である。このため、例えば、第１方向ＳＤ１に対して垂直な方向に磁界を印加しながらＦＭＲ測定を行う。これにより、第２強磁性層２０のスペクトルと、第３強磁性層３０のスペクトルと、を分離することができる。なお、第３強磁性層３０（第１部分３１及び第２部分３２）の磁気共鳴周波数を測定する際には、第１方向ＳＤ１に対して平行な方向に磁界を印加しながらＦＭＲ測定を行う。
【０１５５】
次に、磁気素子１０４の各層の構成の例について説明する。以下の説明は、実施形態に係る任意の磁気素子に適用できる。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。
【０１５６】
（第１強磁性層１０（スピン注入層）、第４強磁性層４０（参照層））
第１強磁性層１０及び第４強磁性層４０には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることができる。さらに、第１強磁性層１０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と、含む合金を用いることができる。
【０１５７】
第１強磁性層１０及び第４強磁性層４０のそれぞれに含まれる磁性材料の組成や、熱処理などの条件を調整する。これにより、第１強磁性層１０及び第４強磁性層４０のそれぞれにおいて、例えば、磁化量や磁気異方性などの特性を調整することができる。
第１強磁性層１０及び第４強磁性層４０には、例えば、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金を用いることができる。第１強磁性層１０及び第４強磁性層４０には、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、及び、Ｎｉ／Ｃｕ等は、下地層との組み合わせで垂直磁化膜となる。膜の結晶配向方向を制御することで、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、または、Ｎｉ／Ｃｕ等を用いることができる。また、第１強磁性層１０及び第４強磁性層４０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強磁性層１０及び第４強磁性層４０には、ＭｎｘＧａｙや、ＭｎｘＧｅｙなどを用いてもよい。組成比Ｘ及び組成比Ｙを変化させてもよい。
【０１５８】
（第３強磁性層３０（記憶層））
第３強磁性層３０（第１部分３１及び第２部分３２）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。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。例えば、第３強磁性層３０は、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｒｕ及びＰｄの少なくともいずれかを含む第１の合金を含む。
【０１５９】
第３強磁性層３０に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３強磁性層３０において、第１部分３１と第２部分３２とを形成することができる。
【０１６０】
第３強磁性層３０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３強磁性層３０には、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、及び、Ｎｉ／Ｃｕ等は、下地層との組み合わせで垂直磁化膜となる。膜の結晶配向方向を制御することで、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、または、Ｎｉ／Ｃｕ等を用いることができる。また、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３強磁性層３０（第１部分３１及び第２部分３２の少なくともいずれか）には、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＭｎＳｉ、ＭｎＧａまたはＭｎＧｅなどを用いてもよい。各種の材料において、組成比を変えてもよい。
【０１６１】
第１部分３１と第２部分３２の少なくともいずれかには、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、第１部分３１及び第２部分３２の少なくともいずれかは、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。
【０１６２】
例えば、第１部分３１と第２部分３２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。
【０１６３】
第２部分３２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部分３２の飽和磁化を大きくすることができる。これにより、例えば、第２部分３２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。  
例えば、第１部分３１と第２部分３２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。
【０１６４】
上記の第２ホイスラー合金は、比較的飽和磁化が小さい。例えば、第２ホイスラー合金の飽和磁化を、４００ｅｍｕ／ｃｃ未満とすることができる。これにより、例えば、隣接する磁気素子への漏洩磁界を低減することができる。
【０１６５】
実施形態においては、第１部分３１と第２部分３２のいずれかに、上述のホイスラー合金を用いてもよいし、第１部分３１と第２部分３２の双方に、上述のホイスラー合金を用いてもよい。第１部分３１には、第２ホイスラー合金を用いることが望ましい。これにより、例えば、周辺素子への漏洩磁界を抑制することができる。第２部分３２には、第１ホイスラー合金を用いることが望ましい。これにより、例えば、磁気共鳴周波数を低減することができる。
【０１６６】
（第２強磁性層２０（発振層））
第２強磁性層２０には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることができる。さらに、上記の群から選択された少なくともいずれかと、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属を含む合金を用いることができる。また、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強磁性層２０には、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＮｉＦｅ、ＭｎＧａ、ＭｎＧｅ、ＣｏＦｅＡｌ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＧｅ、ＣｏＦｅＳｎ、ＣｏＭｎＡｌ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｎ、ＣｏＦｅＧａＧｅまたはＣｏＦｅＭｎＳｉなどを用いても良い。各種の材料において、組成比を変えてもよい。
【０１６７】
第２強磁性層２０にＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅと他の金属との合金を用いた場合、第２強磁性層２０の磁化Ｍｓが大きい。これによって静磁結合力を強くすることができる。Ｍｓは、１０００ｅｍｕ／ｃｃ以上１６００ｅｍｕ／ｃｃ以下が好ましく、より好ましくは、図１２に示したように１０００ｅｍｕ／ｃｃ以上１４００ｅｍｕ／ｃｃ以下である。
【０１６８】
例えば、第２強磁性層２０は、ホイスラー合金を含む。例えば、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｒｕ及びＰｄの少なくともいずれかを含むホイスラー合金が用いられる。ホイスラー合金においては、例えば、スピン注入効率ｇ（θ）が高い。これにより、例えば、式（１）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。
【０１６９】
例えば、第２強磁性層２０の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、例えば式（１）における傾きｆ／Ｊをさらに大きくすることができる。
【０１７０】
例えば、第２強磁性層２０のホイスラー合金には、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ及びＣｏ２ＭｎＳｉの少なくともいずれかを用いてもよい。これらのホイスラー合金においては、磁化Ｍｓが比較的大きい。例えば、磁化Ｍｓは、８００ｅｍｕ／ｃｃ以上１０００ｅｍｕ／ｃｃ以下である。これにより、例えば、第２強磁性層２０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２強磁性層２０の磁化によって、第３強磁性層３０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。
【０１７１】
実施形態においては、このようなホイスラー合金を用いることが望ましい。これにより、発振層において、電流に対する発振周波数を大きくすることができる。このような発振層と、記憶層とを静磁結合させることによって、反転電流を低減させることができる。
【０１７２】
例えば、第２強磁性層２０にホイスラー合金を用いる場合、第２強磁性層２０の磁化によって周囲に漏洩磁界が生じる場合がある。この漏洩磁界は、例えば、隣接するメモリセル（図２６参照）に影響を与えてしまう場合がある。実施形態においては、後述する磁気シールド５１（図１６参照）を用いることが望ましい。これにより、漏洩磁界を抑制することができる。
【０１７３】
（第１非磁性層１０ｎ、第３非磁性層３０ｎ）
第１非磁性層１０ｎ及び第３非磁性層３０ｎには、例えば、非磁性トンネルバリア層として機能する絶縁材料を用いることができる。具体的には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、酸化物、窒化物又は弗化物を用いることができる。非磁性トンネルバリア層とは、例えば、絶縁体を含み、電圧を印加したときに、トンネル効果による電流（トンネル電流）の流れる非磁性の層である。非磁性トンネルバリア層の厚さは、例えば、２ｎｍ以下である。これにより、電圧を印加したときに、非磁性トンネルバリア層にトンネル電流が流れる。
【０１７４】
第１非磁性層１０ｎ及び第３非磁性層３０ｎのそれぞれには、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＭｇＡｌＯ、ＭｇＺｎＯ、ＭｇＧａＯ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＴｉＯ３、ＡｌＬａＯ３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、または、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ等を用いることができる。第３非磁性層３０ｎ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。
【０１７５】
第１非磁性層１０ｎの厚さ及び第３非磁性層３０ｎの厚さのそれぞれは、約０．２ナノメートル（ｎｍ）以上２．０ｎｍ以下程度の範囲の値とすることが望ましい。これにより、例えば、絶縁膜の均一性を確保しつつ、抵抗が過度に高くなることが抑制される。
第１非磁性層１０ｎ及び第３非磁性層３０ｎには、非磁性金属層を用いてもよい。第３非磁性層３０ｎに非磁性金属層を用いた場合には、磁気素子は、ＧＭＲの構成となる。
【０１７６】
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１０ｎとして非磁性金属層を用いる場合、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。
【０１７７】
（第２非磁性層２０ｎ）
第２非磁性層２０ｎに用いられる材料には、次の（ｉ）〜（ｉｉｉ）の３つの場合が考えられる。
【０１７８】
（第２非磁性層２０ｎ  （ｉ））  
（ｉ）の場合は、第２非磁性層２０ｎに非磁性金属層が用いられる場合である。  
第２非磁性層２０ｎに用いられる非磁性金属層は、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。
【０１７９】
さらに、第２非磁性層２０ｎ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２非磁性層２０ｎには、例えば、ＴｉＮ及びＴａＮなどを用いることができる。さらに、第２非磁性層２０ｎ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２非磁性層２０ｎ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。
【０１８０】
（第２非磁性層２０ｎ  （ｉｉ））
第２非磁性層２０ｎには、ルテニウム（Ｒｕ）などのスピン拡散長が短い材料を用いることができる。ルテニウム（Ｒｕ）などのスピン拡散長が短い材料を第２非磁性層２０ｎに用いることにより、流れる電子のスピン偏極を消失させやすくすることができる。このように、第２非磁性層２０ｎがスピントルクを減衰させる場合を、特に（ｉｉ）の場合と呼ぶ。
【０１８１】
（ｉｉ）の場合では、第２非磁性層２０ｎとして、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）などのようなスピン拡散長の短い膜（スピン消失の機能を持つ材料）、または、スピン拡散長の短い構造を有する層を用いる。これにより、既に述べたとおり、第２強磁性層２０が第３強磁性層３０からのスピントランスファトルクの影響を受けにくくなる。このため、第２強磁性層２０の発振状態が安定化する。
【０１８２】
第２非磁性層２０ｎ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。
【０１８３】
（ｉｉ）の場合では、第２非磁性層２０ｎの厚さは、１．４ｎｍ以上２０ｎｍ以下に設定することが望ましい。  
第２非磁性層２０ｎの厚さが１．４ｎｍ以上であると、第２非磁性層２０ｎにおいて、伝導電子が第２非磁性層２０ｎの内部及び界面を通過する際にスピン偏極度を消失させることができる。さらに、第３強磁性層３０の磁化の向きにより第２強磁性層２０の歳差運動が変化することを、第２非磁性層２０ｎにより防ぐことができる。  
一方、第２非磁性層２０ｎ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２強磁性層２０から発生する回転磁界の強度が、第３強磁性層３０の位置で減衰する。そのため、第２非磁性層２０ｎの厚さは、２０ｎｍ以下に設定されることが望ましい。
【０１８４】
（第２非磁性層２０ｎ  （ｉｉｉ））  
（ｉｉｉ）の場合においては、第２非磁性層２０ｎは、第３強磁性層３０（記憶層）の磁気モーメントをスイッチングするのに使用され得る強いスピン軌道相互作用を有する膜である。
【０１８５】
第２非磁性層２０ｎは、スピン軌道フィールドＨｓｏを生成するのに利用され得る。スピン軌道フィールドは、第３強磁性層３０の磁化に作用するスピン軌道トルクＴｓｏともなり得る。（ｉｉｉ）の場合では、スピン軌道相互作用が強い材料を第２非磁性層２０ｎに用いる。このような材料において、スピン軌道相互作用は、スピンホール効果とラシュバ効果とを両方を包含するが、２つの中で１つが支配的である。結果的に、スピンホール効果とラシュバ効果とは以下に記述される。スピンホール効果は、一般的に本体（ｂｕｌｋ）効果として見なされる。しばしば、スピンホール効果を示す物質は、重い金属又は重い金属がドーピングされた物質を含む。例えば、そのような物質は、「Ａ」及び「Ｂ」がドーピングされた「Ｍ」から選択され得る。
【０１８６】
「Ａ」は、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｈｆ、Ｔａ（高い抵抗性非晶質のβ−Ｔａを含む）、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏ、Ａｔ、及び／又はそれらの組み合わせを含む。
【０１８７】
「Ｍ」は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｐｂ、Ｓｉ、Ｇａ、ＧａＭｎ、又はＧａＡｓの中の少なくとも１つを含む。
【０１８８】
「Ｂ」は、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、ＩｎＳｂ、Ｔｅ、Ｉ、Ｌｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏ、Ａｔ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂの中の少なくとも１つを含む。
【０１８９】
例えば、Ｆｅ、Ｐｂ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｈｇ、Ｐｄ、Ｃｄ及びＲｕなどは、そのまま用いられても良い。これらの合金や積層体が用いられてもよい。ある重金属に別の重金属をドーピングしても良い。例えば、第２非磁性層２０ｎの材料は、ＩｒがドーピングされたＣｕ及び／又はＢｉがドーピングされたＣｕで構成されるか、または、これを包含することができる。Ｃｕ−Ｉｒ（Ｉｒをドーピング）やＣｕ−Ｐｔなどを用いることができる。Ｂｉ／ＡｇＢｉ／Ａｇなどが用いられてもよい。
【０１９０】
別のスピン軌道相互作用が強い材料を第２非磁性層２０ｎに用いることもできる。この材料においては、スピン軌道フィールドＨｓｏが発生する起源は、界面でのスピン軌道相互作用と関連する。界面での強いスピン軌道効果は、界面方向と垂直方向への結晶フィールドの勾配（ｇｒａｎｄｉｅｎｔ）と関連し、しばしばラシュバ効果として言及される。ここでは、ラシュバ効果は、これに限定されず、界面でのスピン軌道相互作用を言う。少なくとも所定の実施形態で、相当な大きさのラシュバ効果を得るために、第２非磁性層２０ｎのための界面は、異ならなければならない。例えば、第２非磁性層２０ｎとしてＰｔ膜、第３強磁性層３０としてＣｏ膜、第１非磁性層１０ｎとしてＭｇＯを用いた場合、ラシュバ効果が発生し得る。
【０１９１】
第２非磁性層２０ｎは、合金であっても良い。例えば、第２非磁性層２０ｎは、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉ、Ｌｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏ、Ａｔ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、及び／又はそれらの組み合わせの中で少なくとも１つを包含することができる。
【０１９２】
他の実施形態で、第２非磁性層２０ｎは、「Ａ」／「Ｂ」の表面合金（例えば、主な物質である「Ｂ」の（１１１）表面に配置された「Ａ」の原子）を包含する。上部の原子層は、「Ａ」と「Ｂ」の混合物である。「Ａ」は、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉ、Ｌｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏ、Ａｔ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂの中の少なくとも１つを含む。「Ｂ」は、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄの中の少なくとも１つを含む。多くの実施形態で、「Ａ」は、２つ又は３つの他の物質を含む。
【０１９３】
（ｉｉｉ）の場合においては、第２非磁性層２０ｎの厚さは、０．５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、典型的には、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。第２非磁性層２０ｎの厚さは、望ましくは５ｎｍ以下である。
【０１９４】
第３強磁性層３０の磁化方向を反転させる際、その方向を制御できるようにするためには、面内方向に磁界を印加することが望ましい。第２非磁性層２０ｎの長手方向のことを面内方向という場合と、第２非磁性層２０ｎの長手方向に直交する方向のことを面内方向という場合と、がある。磁界を外部から上記方向に一様に印加しても良い。例えば、本実施形態に係る素子が収められるパッケージに磁石が設けられる。これにより、一様な磁界が印加されても良い。別の方法としては、積層膜の構成内に、別に面内磁化膜を設け、その漏れ磁界を利用してもよい。磁界の大きさは、１ｋＯｅ未満で十分であり、例えば、数十〜数百Ｏｅで良い。そのため、面内磁化膜を設けて磁界を印加することは、設計として容易である。
【０１９５】
第３強磁性層３０の磁化方向を反転させる際、その方向を制御できるようにするための別の方法として、第２非磁性層２０ｎの構成として記載した上記材料に、ＩｒＭｎ、ＭｎＰｔ、ＭｎＡｕなど、Ｍｎと重金属との合金を積層してもよい。例えば、第２非磁性層２０ｎには、Ｔａ／ＩｒＭｎ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｔａ／Ｐｔ／ＰｔＭｎなどが用いられる。第２非磁性層２０ｎには、Ｔｌ／ＢｉＳｅを用いてもよい。
【０１９６】
Ｘ−Ｙ平面に投影したときの積層体（第１積層部ＳＢ１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積層体の形状は、例えば、円形、楕円形、扁平円、及び、多角形などである。多角形とする場合には、四角形や六角形などの３つ以上の角を有することが好ましい。また、多角形は、角丸状でもよい。
【０１９７】
Ｚ軸に対して平行な平面（例えばＺ−Ｘ平面やＺ−Ｙ平面）に投影したときの積層体（第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２）の形状は任意である。Ｚ軸に対して平行な平面に投影したときの積層体の形状（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。
【０１９８】
次に、第３の実施形態に係る磁気素子１０３ａ（図示せず）の製造方法の例について説明する。磁気素子１０３ａは、図６に関して説明した磁気素子１０３と比べて、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に設けられた第２非磁性層２０ｎをさらに含む。以下の製造方法は、磁気素子１０３ａ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、後述する他の磁気素子にも適用できる。
【０１９９】
ウェーハ上に下部電極（図示せず）を形成した後、そのウェーハを超高真空スパッタ装置内に配置する。下部電極上に、Ｔａ／Ｒｕ（下部電極とのコンタクト層、兼ストッパー層）、ＦｅＰｔ層（第１強磁性層１０）、Ｃｕ（第１非磁性層１０ｎ）、ＣｏＦｅＢ層（第２強磁性層２０（発振層））、Ｒｕ(第２非磁性層２０ｎ)、ＭｎＧａ（第３強磁性層３０の第１部分３１（記憶層））、ＣｏＦｅＭｎＳｉ（第３強磁性層３０の第２部分３２）を、この順に積層させる。ここで、磁界中でアニールすることによって、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、Ｒｕ／Ｔａ層（上部コンタクト層）を積層する。これにより、加工体が形成される。
【０２００】
次に、ＥＢ（electron beam：電子線）レジストを塗布してＥＢ露光を行い、直径３０ｎｍのレジストマスクを形成する。加工体のうちで、レジストで被覆されていない部分を、下部電極とのコンタクト層兼ストッパー層のＴａ層が露出するまで、イオンミリングによって削る。
【０２０１】
この後、保護絶縁層となるＳｉＮ膜を成膜し、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２を被覆する。
【０２０２】
次に、埋め込み絶縁層となるＳｉＯ２膜を成膜した後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等で平坦化した後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等で全面をエッチングすることで電極との上部コンタクト層を露出させる。
【０２０３】
さらに全面にレジストを塗布し、レジストの開口部が上部電極の位置に対応するように、ステッパ露光装置を用いてレジストをパターニングする。上部電極に対応する開口を埋め込むように、Ｃｕ膜を形成し、レジストを除去する。これにより、上部電極が形成される。上部電極に電気的に接続される配線（図示しない）が設けられる。  
以上により、磁気素子１０３ａが完成する。
次に、第４の実施形態に係る磁気素子１０４の製造方法の例について説明する。以下の製造方法は、磁気素子１０４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、後述する他の磁気素子にも適用できる。
【０２０４】
ウェーハ上に下部電極（図示せず）を形成した後、そのウェーハを超高真空スパッタ装置内に配置する。下部電極上に、Ｔａ／Ｒｕ（下部電極とのコンタクト層、兼ストッパー層）、ＦｅＰｔ層（第１強磁性層１０）、Ｃｕ（第１非磁性層１０ｎ）、ＣｏＦｅＢ層（第２強磁性層２０（発振層））、Ｒｕ(第２非磁性層２０ｎ)、ＭｎＧａ（第３強磁性層３０の第１部分３１（記憶層））、ＣｏＦｅＭｎＳｉ（第３強磁性層３０の第２部分３２）、ＭｇＯ(第３非磁性層３０ｎ)、ＦｅＰｔ層（第４強磁性層４０）を、この順に積層させる。ここで、磁界中でアニールすることによって、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、Ｒｕ／Ｔａ層（上部コンタクト層）を積層する。これにより、加工体が形成される。
【０２０５】
次に、ＥＢ（electron beam：電子線）レジストを塗布してＥＢ露光を行い、直径３０ｎｍのレジストマスクを形成する。加工体のうちで、レジストで被覆されていない部分を、下部電極とのコンタクト層兼ストッパー層のＴａ層が露出するまで、イオンミリングによって削る。
【０２０６】
この後、保護絶縁層となるＳｉＮ膜を成膜し、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２を被覆する。
【０２０７】
次に、埋め込み絶縁層となるＳｉＯ２膜を成膜した後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等で平坦化した後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等で全面をエッチングすることで電極との上部コンタクト層を露出させる。
【０２０８】
さらに全面にレジストを塗布し、レジストの開口部が上部電極の位置に対応するように、ステッパ露光装置を用いてレジストをパターニングする。上部電極に対応する開口を埋め込むように、Ｃｕ膜を形成し、レジストを除去する。これにより、上部電極が形成される。上部電極に電気的に接続される配線（図示しない）が設けられる。  
以上により、磁気素子１０４が完成する。
【０２０９】
図１６は、第４の実施形態に係る別の磁気素子を示す模式的断面図である。  
図１６に表したように、磁気素子１０４ａは磁気シールド５１（導電層）をさらに含む。磁気素子１０４ａは、第１積層部ＳＢ１、第２積層部ＳＢ２および第２非磁性層２０ｎを含む積層体ＳＢ０を含む。積層体ＳＢ０は、第１方向ＳＤ１に延びる側面ＳＳ０を有する。第１積層部ＳＢ１は、第１方向ＳＤ１に延びる側面ＳＳ１（第１側面）を有する。第２積層部ＳＢ２は、第１方向ＳＤ１に延びる側面ＳＳ２（第２側面）を有する。第２非磁性層２０ｎは、第１方向ＳＤ１に延びる側面ＳＳｎを有する。ここで、「第１方向ＳＤ１に延びる」には、第１方向ＳＤ１に対して非平行な状態も含むものとする。「第１方向ＳＤ１に延びる」は、少なくとも第１方向ＳＤ１に延びる成分を有していればよい。すなわち、「第１方向ＳＤ１に延びる面」とは、第１方向ＳＤ１に対して直交する面でなければよい。
【０２１０】
磁気シールド５１は、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０の少なくとも一部を覆う。換言すれば、磁気シールド５１は、側面ＳＳ０の少なくとも一部に沿って設けられ、側面ＳＳ０の少なくとも一部と対向する。積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０は、例えば、第１積層部ＳＢ１の側面ＳＳ１（第１側面）と、第２積層部ＳＢ２の側面ＳＳ２（第２側面）と、第３非磁性層３０ｎの側面ＳＳｎと、を含む。この例において、磁気シールド５１は、側面ＳＳ１と側面ＳＳ２と側面ＳＳｎとを覆う。Ｘ−Ｙ平面に投影した磁気シールド５１の形状は、例えば、積層体ＳＢ０を囲む環状である。
【０２１１】
磁気素子１０４ａは、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０と磁気シールド５１との間に設けられた保護層５２をさらに含む。保護層５２の厚さは、例えば、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが望ましい。
【０２１２】
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、複数の磁気素子１０４ａが並べられた場合において、隣の磁気素子１０４ａ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。
【０２１３】
例えば、各記憶セル（積層体ＳＢ０）において、第２積層部ＳＢ２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１積層部ＳＢ１についても発振電流のばらつきが同様に抑えられる。また、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２からの漏洩磁界が、隣の磁気素子に作用することを抑制することができる。その結果、複数の磁気素子どうしを近接して配置することができ、集積度を向上することができる。例えば、不揮発性記憶装置の記憶密度を向上させることができる。
【０２１４】
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。
【０２１５】
磁気シールド５１に含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件を調整することにより、磁気シールド５１の特性を調整することができる。磁気シールド５１は、例えば、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金でもよい。また、磁気シールド５１には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。
【０２１６】
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。
【０２１７】
以下、磁気素子１０４ａの製造方法の例について説明する。  
ウェーハ上に下部電極（図示せず）を形成した後、そのウェーハを超高真空スパッタ装置内に配置する。下部電極上に、Ｔａ／Ｒｕ（下部電極とのコンタクト層、兼ストッパー層）、ＣｏＦｅＢ層（第２強磁性層２０（発振層））、Ｃｕ（第１非磁性層１０ｎ）、ＦｅＰｔ層（第１強磁性層１０）、Ｒｕ(第２非磁性層２０ｎ)、ＦｅＰｔ層（第４強磁性層４０）、ＭｇＯ(第３非磁性層３０ｎ）、ＣｏＦｅＭｎＳｉ（第３強磁性層３０の第２部分３２）、ＭｎＧａ（第３強磁性層３０の第１部分３１）をこの順に積層させる。ここで、磁界中でアニールすることによって、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、Ｒｕ／Ｔａ層（上部コンタクト層）を積層する。これにより、加工体が形成される。
【０２１８】
次に、ＥＢレジストを塗布してＥＢ露光を行い、直径３０ｎｍのレジストマスクを形成する。イオンミリングによってレジストで被覆されていない部分を、ストッパー層を兼ねた下部電極上のＴａ層が露出するまで削る。
【０２１９】
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層が磁気素子の側壁に残るようにする。
【０２２０】
次に、磁気素子を絶縁埋め込みすべくＳｉＯ２膜を成膜した後、ＣＭＰ等で平坦化した後、ＲＩＥ等で全面をエッチングすることで電極とのコンタクト層を露出させる。
【０２２１】
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、磁気素子１０４ａが完成する。
【０２２２】
図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、第４の実施形態に係る別の磁気素子を示す模式図である。  
図１７（ａ）は、磁気素子１４２の模式的平面図であり、図１７（ｂ）は、磁気素子１４２の模式的断面図である。図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＡ１−Ａ２線断面を模式的に表す。
【０２２３】
図１７（ａ）及び図１７（ｂ）に表したように、磁気素子１４２では、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、第２非磁性層２０ｎ、第３強磁性層３０、第３非磁性層３０ｎ及び第４強磁性層４０が、それぞれ複数設けられている。
複数の第２強磁性層２０は、第１方向ＳＤ１に対して垂直な方向に並ぶ。この例では、複数の第２強磁性層２０が、Ｙ軸方向に並ぶ。複数の第１非磁性層１０ｎのそれぞれは、第１強磁性層１０と複数の第２強磁性層２０とのそれぞれの間に設けられる。複数の第２積層部ＳＢ２のそれぞれは、複数の第２強磁性層２０のそれぞれと積層される。複数の第２非磁性層２０ｎのそれぞれは、複数の第２強磁性層と複数の第２積層部ＳＢとのそれぞれの間に設けられる。
【０２２４】
磁気素子１４２では、第１強磁性層１０の上に複数の第１非磁性層１０ｎが並べて設けられる。複数の第２強磁性層２０が、複数の第１非磁性層１０ｎのそれぞれの上に設けられる。複数の第２非磁性層２０ｎが、複数の第２強磁性層２０のそれぞれの上に設けられる。複数の第２積層部ＳＢ２が、複数の第２非磁性層２０ｎのそれぞれの上に設けられる。
【０２２５】
磁気素子１４２では、第１強磁性層１０が、第２強磁性層２０や第３強磁性層３０などに比べて大きい。これにより、例えば、第３強磁性層３０の位置において、第１強磁性層１０の第１磁化１０ｍに起因する漏洩磁界を小さくすることができる。
【０２２６】
図１８（ａ）〜図１８（ｃ）は、第４の実施形態に係る別の磁気素子を示す模式的断面図である。  
図１８（ａ）に表したように、磁気素子１４３では、第１強磁性層１０の上に積層部分ＳＰが設けられている。
【０２２７】
積層部分ＳＰは、この例では、複数の第２強磁性層２０のうちの１つと、この１つの第２強磁性層２０と積層された１つの第１非磁性層１０ｎと、前記１つの第２強磁性層２０と積層された１つの第２積層部ＳＢ２と、前記１つの第２強磁性層２０と積層された１つの第２非磁性層２０ｎとを含む。磁気素子１４３においては、積層部分ＳＰの幅（第１方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さ）が、第１強磁性層１０から第２強磁性層２０へ向かう方向において減少する。例えば、積層部分ＳＰの幅が連続的に減少する。
【０２２８】
この例では、積層部分ＳＰの幅が、上方向に向かうに従って連続的に減少する。すなわち、積層部分ＳＰの形状は、テーパ状である。積層部分ＳＰの形状は、例えば、錐台状である。第２強磁性層２０などのＸ−Ｙ平面に投影した形状は、例えば、円形である。従って、積層部分ＳＰの形状は、例えば、円錐台状である。従って、この例では、複数の第２積層部ＳＢ２のそれぞれの第１方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さが、複数の第２強磁性層２０のそれぞれの第１方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さよりも短い。例えば、第３強磁性層３０の第１方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さが、第２強磁性層２０の第１方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さよりも短い。
【０２２９】
図１８（ｂ）に表したように、磁気素子１４４では、第１強磁性層１０の幅（第１方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さ）が、第１強磁性層１０から第２強磁性層２０に向かう方向において減少する。例えば、第１強磁性層１０の幅が、連続的に減少する。この例では、第１強磁性層１０の幅が、上方向に向かうに従って連続的に減少する。すなわち、第１強磁性層１０の形状は、テーパ状である。第１強磁性層１０の形状は、例えば、錐台状である。このように、第１強磁性層１０の形状を、テーパ状としてもよい。
【０２３０】
図１８（ｃ）に表したように、磁気素子１４５では、第１強磁性層１０と複数の第２強磁性層２０との間に、１つの第１非磁性層１０ｎが設けられる。磁気素子１４５では、第１強磁性層１０の上に第１非磁性層１０ｎが設けられる。複数の第２強磁性層２０が、第１非磁性層１０ｎの上に並べて設けられる。この例では、積層部分ＳＰは、複数の第２強磁性層２０を含む。
【０２３１】
このように、１つの第１強磁性層１０に複数の積層部分ＳＰを積層させる構成において、第１非磁性層１０ｎは、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０とのそれぞれの間に複数設けられてもよいし、第１強磁性層１０と複数の第２強磁性層２０との間に１つ設けられてもよい。磁気素子１４５においては、第１非磁性層１０ｎの形状をテーパ状としてもよいし、第２強磁性層２０の形状をテーパ状としてもよい。
【０２３２】
図１９（ａ）〜図１９（ｋ）は、第４の実施形態に係る磁気素子を例示する模式的断面図である。  
図１９（ａ）〜図１９（ｆ）に表したように、磁気素子１２１〜磁気素子１２６では、第２強磁性層２０、第１非磁性層１０ｎ、第１強磁性層１０、第２非磁性層２０ｎ、第４強磁性層４０、第３非磁性層３０ｎ及び第３強磁性層３０が、この順に積層されている。このように、積層体ＳＢ０の積層順は、図１９（ａ）〜図１９（ｆ）に表した順序でもよい。
【０２３３】
磁気素子１２１及び磁気素子１２２では、第１強磁性層１０の第１磁化１０ｍの第１方向ＳＤ１の成分の向きが、第４強磁性層４０の第４磁化４０ｍの第１方向ＳＤ１の成分の向きに対して逆である。これにより、例えば、第３強磁性層３０の位置において、第１強磁性層１０の第１磁化１０ｍ及び第４強磁性層４０の第４磁化４０ｍに起因する漏洩磁界の影響を抑えることができる。
【０２３４】
磁気素子１２１及び磁気素子１２２において、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０とは、第２非磁性層２０ｎを介して反強磁性結合していても良い。このように、非磁性層を介して互いの磁化の方向が反強磁性結合し反平行となる構造は、シンセティックアンチフェロ（ＳＡＦ：Synthetic Anti-Ferromagnetic）構造と呼ばれる。この例では、「第１の磁性層（例えば第１強磁性層１０）／非磁性層（例えば第２非磁性層２０ｎ）／第２の磁性層（例えば第４強磁性層４０）」の積層構造が、ＳＡＦ構造に対応する。
【０２３５】
ＳＡＦ構造を用いることにより、互いの磁化固定力が増強され、外部磁界に対する耐性、及び、熱的な安定性を向上させることができる。この構造においては、磁気記憶層（例えば第３強磁性層３０）の位置において膜面に対して垂直な方向にかかる漏洩磁界を実質的にゼロにすることができる。
【０２３６】
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。
【０２３７】
すなわち、第２非磁性層２０ｎ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。磁気素子１２１及び磁気素子１２２のような構造の場合には、第２非磁性層２０ｎの厚さは、例えば、３ｎｍ以下である。
【０２３８】
磁気素子１２３及び磁気素子１２４では、第１強磁性層１０の第１磁化１０ｍの第１方向ＳＤ１の成分の向きが、第４強磁性層４０の第４磁化４０ｍの第１方向ＳＤ１の成分の向きに対して同じである。このように、第１磁化１０ｍの向きは、第４磁化４０ｍの向きと平行でもよい。
【０２３９】
磁気素子１２５及び磁気素子１２６では、第１磁化１０ｍの向き及び第４磁化４０ｍの向きが、第１方向ＳＤ１に対して傾いている。第１磁化１０ｍの向き及び第４磁化４０ｍの向きは、第１方向ＳＤ１に対して平行でなくてもよい。第１磁化１０ｍの向き及び第４磁化４０ｍの向きは、少なくとも第１方向ＳＤ１の成分を有していればよい。
【０２４０】
図１９（ｇ）及び図１９（ｈ）に表しように、磁気素子１２７及び磁気素子１２８では、第２強磁性層２０、第１非磁性層１０ｎ、第１強磁性層１０、第２非磁性層２０ｎ、第３強磁性層３０、第３非磁性層３０ｎ及び第４強磁性層４０が、この順に積層されている。このように、積層体ＳＢ０の積層順は、図１９（ｇ）及び図１９（ｈ）に表した順序でもよい。
【０２４１】
図１９（ｉ）及び図１９（ｊ）に表しように、磁気素子１２９及び磁気素子１３０では、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、第２非磁性層２０ｎ、第４強磁性層４０、第３非磁性層３０ｎ及び第３強磁性層３０が、この順に積層されている。このように、積層体ＳＢ０の積層順は、図１９（ｉ）及び図１９（ｊ）に表した順序でもよい。
【０２４２】
図１９（ｋ）に表したように、磁気素子１３１では、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、第２非磁性層２０ｎ、第１部分３１、第２部分３２、第３非磁性層３０ｎ及び第４強磁性層４０が、この順に積層されている。さらに、第１部分３１と第２部分３２との間に、第４非磁性層４０ｎが設けられてもよい。このように、積層体ＳＢ０の積層順は、図１９（ｋ）に表した順序でもよい。
【０２４３】
磁気素子１２１〜磁気素子１３１において、導電層８１と導電層８２とを介して第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に書き込み電流を流す。書き込み電流の向きは任意である。
【０２４４】
第１部分３１と第２部分３２とが強磁性結合している場合、図１９（ａ）、図１９（ｂ）、図１９（ｅ）、図１９（ｆ）及び図１９（ｋ）の構造において、上述した磁気素子１０４と同様にして、書き込み電流が大きく低減する。これは、第２強磁性層２０において発生する回転磁界の向きと、第３強磁性層３０の第１部分３１の磁化３１ｍが歳差運動する向きとが、互いに一致するためである。
【０２４５】
他の構造の場合においても、書き込み電流は低減するが、低減量は比較的小さくなる。図１９（ｃ）、図１９（ｄ）、図１９（ｇ）、図１９（ｈ）、図１９（ｉ）、図１９（ｊ）及び図１９（ｋ）の構造において、外部から第１方向ＳＤ１に平行な磁界を磁気素子に印加する。これにより、例えば、書き込み電流の低減量を、図１９（ａ）、図１９（ｂ）、図１９（ｅ）、図１９（ｆ）及び図１９（ｋ）の場合と、同等とすることができる。例えば、図１９（ｃ）の場合には、下向きに磁界を印加する。
【０２４６】
このように磁気素子の構造によって書き込み電流の低減量が異なることは、第３強磁性層３０の磁化が歳差運動する方向と、第２強磁性層２０の磁化が回転する方向と、の関係に起因することが、計算によって確認できる。第３強磁性層３０を有さないＳＴＯに電流を流したときに第２強磁性層２０の磁化が自然に回転する方向と、第３強磁性層３０の磁化が歳差運動する方向と、が互いに一致する場合は、磁界によって磁化反転が効率良くアシストされる。このため、書き込み電流の低減量が大きくなる。
【０２４７】
第３強磁性層３０を有さないＳＴＯに電流を流したときに第２強磁性層２０の磁化が自然に回転する方向と、第３強磁性層３０の磁化が歳差運動する方向と、が互いに一致しない場合においても、実施形態においては、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０とが静磁結合しているため、第２強磁性層２０の磁化が回転する方向と、第３強磁性層３０の磁化が歳差運動する方向とは同じとなる。但し、この場合には、磁化反転をアシストする効率は、比較的低くなる。書き込み電流の低減量が大きく、好ましい例を図２０に示す。
【０２４８】
図２０は、第４の実施形態に係る別の磁気素子を例示する模式的断面図である。  
図２０は、第１部分３１と第２部分３２とが強磁性結合している場合において、磁気素子の好ましい構造を例示している。図２０に表したように、磁気素子１０４ｂにおいては、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、第２非磁性層２０ｎ、第１部分３１、第２部分３２、第３非磁性層３０ｎ及び第４強磁性層４０が、この順に積層されている。この例では、第１強磁性層１０の第１磁化１０ｍは、下向きである。第１部分３１の磁化３１ｍ、第２部分３２の磁化３２ｍ及び第４強磁性層４０の第４磁化４０ｍは、それぞれ上向きである。
【０２４９】
第１部分３１と第２部分３２とが反強磁性結合している場合、図１９（ａ）〜図１９（ｋ）に表したいずれの構造においても、書き込み電流を大きく低減することができる。書き込み電流の低減量は、例えば、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間の距離が短い構造において比較的大きい。このため、図１９（ｋ）に表した構造が好ましい。また、図２１に、書き込み電流の低減量が大きく、好ましい例を示す。
【０２５０】
図２１は、第４の実施形態に係る別の磁気素子を例示する模式的断面図である。  
図２１は、第１部分３１と第２部分３２とが反強磁性結合している場合において、磁気素子の好ましい構造を例示している。図２１に表したように、磁気素子１０４ｃにおいては、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、第２非磁性層２０ｎ、第１部分３１、第２部分３２、第３非磁性層３０ｎ及び第４強磁性層４０が、この順に積層されている。第１部分３１と第２部分３２との間には、第４非磁性層４０ｎが設けられなくてもよい。磁気素子は、導電層８１及び導電層８２をさらに含んでもよい。導電層８１は、第１強磁性層１０に電気的に接続され、導電層８２は、第４強磁性層４０に電気的に接続される。
【０２５１】
この例では、第１強磁性層１０の第１磁化１０ｍ及び第２部分３２の磁化３２ｍは、下向きである。第１部分３１の磁化３１ｍ及び第４強磁性層４０の第４磁化４０ｍは、上向きである。第１部分３１と第２部分３２とが反強磁性結合していると、隣接する周辺ビットに対して漏れ磁界を小さくすることができる。このため、磁気素子の誤動作を抑制することができる。
【０２５２】
図２２（ａ）及び図２２（ｂ）は、第４の実施形態に係る磁気素子の特性のシミュレーション結果を例示する模式図である。  
これらの図は、図２１に示した磁気素子１０４ｃにおける、書き込み電流の低減についてのシミュレーション結果を示している。図２２（ａ）及び図２２（ｂ）は、反転電流の大きさを例示するコンター図である。第１部分３１と第２部分３２とは、反強磁性結合している。
【０２５３】
このシミュレーションでは、第２部分３２の磁化Ｍｓｔｒｉ及び第２部分３２の厚さｈｔｒｉを変化させた。第１部分３１の磁化Ｍｓｍｔｊ（ｅｍｕ／ｃｍ３）を４００ｅｍｕ／ｃｍ３とし、第１部分３１の厚さｈｍｔｊを２ｎｍとした。第２強磁性層２０の厚さｈｓｔｏを２ｎｍとした。図２２（ａ）は、第２強磁性層２０の磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｍ３）を１２００ｅｍｕ／ｃｍ３とした場合の結果であり、図２２（ｂ）は、第２強磁性層２０の磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｍ３）を１４００ｅｍｕ／ｃｍ３とした場合の結果である。
【０２５４】
すなわち、図２２（ａ）及び図２２（ｂ）に関する計算は、第２強磁性層２０のパラメータ（すなわち２γＮｚＭｓ）が一定のときに、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３を変化させた場合に対応する。この計算では、導電層８１及び８２によって第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に流されるパルス電流の幅を１０（ｎｓ）とした。パルス電流の幅を１（ｎｓ）としても、同様の結果が得られる。
【０２５５】
横軸は、第２部分３２の磁化Ｍｓｔｒｉ（ｅｍｕ／ｃｍ３）を表し、縦軸は、第２部分３２の厚さｈｔｒｉ（ｎｍ）を表す。図中の色（濃さ）は、図１１（ａ）に関する説明と同様に、反転電流Ｉｗ０に対する、図中の各領域における反転電流Ｉｗの比率Ｒｗ（＝Ｉｗ／Ｉｗ０）を表す。反転電流Ｉｗ０は、第２強磁性層２０が設けられない場合の反転電流である。色が薄いほど、比率Ｒｗが低い、すなわち、反転電流Ｉｗが低く、書き込み電流が低減されることを意味する。
【０２５６】
図２２（ａ）及び図２２（ｂ）に示すように、図中の右上の領域において、書き込み電流が大きく低減する。このように、第１部分３１と第２部分３２とが反強磁性結合した場合においても、書き込み電流を低減することができる。
【０２５７】
図２３（ａ）〜図２３（ｄ）は、第４の実施形態に係る磁気素子の特性のシミュレーション結果を例示する模式図である。  
これらの図は、図２１に示した磁気素子１０４ｃにおける、書き込み電流の低減についてのシミュレーション結果を示している。すなわち、第１部分３１と第２部分３２とが反強磁性結合している。
【０２５８】
このシミュレーションでは、第１積層部ＳＢ１を流れる電流の向きと、第２積層部ＳＢ２を流れる電流の向きと、を変化させて、書き込み電流の低減について計算した。例えば、第２非磁性層２０ｎを配線層として用いる。制御部５５０によって、第２非磁性層２０ｎ、導電層８１、及び導電層８２に流れる電流を制御する。これにより、第１積層部ＳＢ１を流れる電流の向きと、第２積層部ＳＢ２を流れる電流の向きと、を制御する。
【０２５９】
このシミュレーションにおいても、第２部分３２の磁化Ｍｓｔｒｉ及び第２部分３２の厚さｈｔｒｉを変化させた。第１部分３１の磁化Ｍｓｍｔｊ（ｅｍｕ／ｃｍ３）を４００ｅｍｕ／ｃｍ３とし、第１部分３１の厚さｈｍｔｊを２ｎｍとした。第２強磁性層２０の磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｍ３）を１２００ｅｍｕ／ｃｍ３とし、第２強磁性層２０の厚さｈｓｔｏを２ｎｍとした。
【０２６０】
図２３（ａ）及び図２３（ｂ）においては、第２非磁性層２０ｎ、導電層８１及び導電層８２によって、磁気素子に流されるパルス電流の幅を、１０（ｎｓ）とした。図２３（ｃ）及び図２３（ｄ）においては、第２非磁性層２０ｎ、導電層８１及び導電層８２によって、磁気素子に流されるパルス電流の幅を、１（ｎｓ）とした。
【０２６１】
横軸は、第２部分３２の磁化Ｍｓｔｒｉ（ｅｍｕ／ｃｍ３）を表し、縦軸は、第２部分３２の厚さｈｔｒｉ（ｎｍ）を表す。また、図２２（ａ）及び図２２（ｂ）と同様に、図中の色（濃さ）は、反転電流の比率Ｒｗを表し、色が薄いほど、書き込み電流が低いことを意味する。
【０２６２】
図２３（ａ）及び図２３（ｃ）は、パルス電流が正規方向である場合の計算結果である。図２３（ｂ）及び図２３（ｄ）は、パルス電流が逆方向である場合の計算結果である。
【０２６３】
正規方向とは、図２１の構造において、第１積層部ＳＢ１（第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０）に流れる電流の方向と、第２積層部ＳＢ２（第３強磁性層３０及び第４強磁性層４０）に流れる電流の方向と、が互い同じ状態のことをいう。この状態は、第１積層部ＳＢ１を含み第２積層部ＳＢ２を含まないＳＴＯにおいて第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍが回転する方向と、第１積層部ＳＢ１を含まず第２積層部ＳＢ２を含むＭＴＪにおいて第３強磁性層の第３磁化３０ｍが歳差運動する方向と、が一致する場合に対応する。このようなＳＴＯとＭＴＪとを積層した場合に対応する電流の向きを、正規方向と便宜上定義した。
【０２６４】
逆方向とは、図２１の構造において、第１積層部ＳＢ１に流れる電流の方向と、第２積層部ＳＢ２に流れる電流の方向と、が互いに逆である状態のことをいう。この状態は、第１積層部ＳＢ１を含み第２積層部ＳＢ２を含まないＳＴＯにおいて第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍが回転する方向と、第１積層部ＳＢ１を含まず第２積層部ＳＢ２を含むＭＴＪにおいて第３強磁性層の第３磁化３０ｍが歳差運動する方向と、が互いに一致しない場合に対応する。このようなＳＴＯとＭＴＪとを積層した場合に対応する電流の向きを、逆方向と便宜上定義した。なお、逆方向となる組合せは、例えば図１９（ｃ）、図１９（ｄ）、図１９（ｇ）、図１９（ｈ）、図１９（ｉ）、図１９（ｊ）の構造である。ただし、導電層８１から導電層８２に向かって、図１９（ｃ）、図１９（ｄ）、図１９（ｇ）、図１９（ｈ）、図１９（ｉ）、図１９（ｊ）の構造に電流を流すと、強磁性結合（又は反強磁性結合、静磁結合）によって、第３磁化３０ｍの歳差運動の方向は、第２磁化２０ｍの回転方向と一致する。
【０２６５】
逆方向の場合に対応するＳＴＯとＭＴＪとが積層されると、第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍと、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍとは、静磁結合、強磁性結合または反強磁性結合しているため、互いに同じ方向に回転する。しかし、この回転は、本来の回転（ＳＴＯとＭＴＪが積層されていない場合の回転）とは異なる。このため、書き込み電流の低減量が小さくなることが考えられる。しかし、第１部分３１と第２部分３２とが反強磁性結合している場合、逆方向の場合であっても書き込み電流の低減量があまり小さくならないことが分かった。
【０２６６】
第１部分３１と第２部分３２とが反強磁性結合している場合には、図２３（ｂ）の逆方向の場合であっても、図２３（ａ）の正規方向の場合と同様に書き込み電流が低減する。また、図２３（ｄ）の逆方向の場合であっても、図２３（ｃ）の正規方向の場合と同様に書き込み電流が低減する。このことから、第１部分３１と第２部分３２とが反強磁性結合する場合、図１９（ａ）〜図１９（ｋ）に示したいずれの積層順においても、書き込み電流を低減することできる。
【０２６７】
第１部分３１と第２部分３２とが反強磁性結合している場合、第２強磁性層２０の第２磁化２０ｍの回転方向は、第１部分３１の磁化３１ｍの回転方向及び第２部分３２の磁化３２ｍの回転方向のいずれかと一致する。このため、磁化反転のアシスト効果が減衰しないことが計算によって見出された。これにより、磁気素子に含まれる各層の積層順についての制約が緩和され、設計が容易となる。
【０２６８】
図２４（ａ）〜図２４（ｅ）は、実施形態に係る別の磁気素子を例示する模式的断面図である。  
図２４（ａ）〜図２４（ｅ）に表した磁気素子２０１〜２０５は、例えば、磁気記憶素子として機能する。磁気素子２０１〜２０５のそれぞれにおいて、第２非磁性層２０ｎは、導電層であり、配線層としての機能を有する。
【０２６９】
図２４（ａ）に表したように、磁気素子２０１においては、第１強磁性層１０と第１非磁性層１０ｎと第２強磁性層２０と第２非磁性層２０ｎと第３強磁性層３０と第３非磁性層３０ｎとが、この順で積層されている。
【０２７０】
この例では、第３非磁性層３０ｎには、第３強磁性層３０に界面磁気異方性を誘起する材料が用いられている。この場合、第３強磁性層３０の磁気異方性が高められる。これにより、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３が高くなる。例えば、第３非磁性層３０ｎには、ＭｇＯなどが用いられる。また、第３非磁性層３０ｎに用いられる材料は、スピネル系の誘電体材料であってもよい。
【０２７１】
既に述べたとおり、第２強磁性層２０が出力可能な最大周波数（２γＮｚＭｓ）が第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３の０．９倍よりも高い場合、第２強磁性層２０の高い発振周波数ｆが安定して得られる。このとき、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３が高いことによって、第２強磁性層２０の発振周波数ｆを高くすることができる。  
なお、第２非磁性層２０ｎが配線層でない場合に、第３非磁性層３０ｎの材料として、第３強磁性層３０に界面異方性を誘起する材料を用いてもよい。例えば、第３非磁性層３０ｎには、ＭｇＯなどが用いられる。また、第３非磁性層３０ｎに用いられる材料は、スピネル系の誘電体材料であってもよい。
【０２７２】
磁気素子２０１において、制御部５５０は、導電層８１と第２非磁性層２０ｎとに電気的に接続されている。制御部５５０は、導電層８１と第２非磁性層２０ｎとの間に流れる電流（第１積層部ＳＢ１に流れる電流）を制御する。
【０２７３】
例えば、図２４（ａ）に表したように、制御部５５０は、導電層８１と第２非磁性層２０ｎとの間に、第１積層部ＳＢ１を介して書き込み電流Ｉｗ１を流す。このとき、第３強磁性層３０及び第３非磁性層３０ｎには、書き込み電流Ｉｗ１は流れない。
【０２７４】
例えば、第２非磁性層２０ｎの材料が上述の（ｉ）または（ｉｉ）の場合には、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０とが静磁結合（強磁性結合または反強磁性結合）している。このため書き込み電流Ｉｗ１によって、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍを反転させることができる。
【０２７５】
例えば、第２非磁性層２０ｎの材料が上述の（ｉｉｉ）の場合には、スピンホール効果等（ラシュバ効果、スピン軌道相互作用など）によってスピン流が第３強磁性層３０に作用する。これにより、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍが反転する。この際、第３強磁性層３０の磁化が歳差運動する方向と、第２強磁性層２０の磁化が回転する方向とが一致するため、磁界によって磁化反転が効率良くアシストされる。このため、書き込み電流の低減量が大きくなる。また、この場合、第３非磁性層３０ｎに書き込み電流Ｉｗ１が流れないため、素子を壊れにくくすることができる。
【０２７６】
第２非磁性層２０ｎの材料が上述の（ｉ）〜（ｉｉｉ）いずれの場合においても、読み出しの際には、導電層８１と第２非磁性層２０ｎとの間に、第１積層部ＳＢ１を介して読み出し電流Ｉｒ１を流す。これにより、同一の値の電流に対する発振周波数ｆの違いとして、書き込み状態を判別することができる。発振周波数ｆの違いは、第３強磁性層３０の漏洩磁界の違いにより生じる。なお、この磁気素子２０１と同様に、第１〜第３の実施形態に関して説明した各磁気素子を、磁気記憶素子として用いてもよい。
【０２７７】
図２４（ｂ）〜図２４（ｅ）に表した磁気素子２０２〜２０５においては、制御部５５０は、導電層８１、導電層８２及び第２非磁性層２０ｎと電気的に接続される。
【０２７８】
図２４（ｂ）に表した磁気素子２０２及び図２４（ｃ）に表した磁気素子２０３においては、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、第２非磁性層２０ｎ、第３強磁性層３０、第３非磁性層３０ｎ及び第４強磁性層４０がこの順で積層されている。
【０２７９】
図２４（ｂ）の磁気素子２０２においては、第２非磁性層２０ｎには、上述の（ｉ）または（ｉｉ）の材料が用いられる。制御部５５０は、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２を介して、導電層８１と導電層８２との間に書き込み電流Ｉｗ２を流す。これにより、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍが反転する。読み出しの際には、制御部５５０は、第２積層部ＳＢ２を介して、導電層８２と第２非磁性層２０ｎとの間に読み出し電流Ｉｒ２を流す。読み出し電流Ｉｒ２は、第１積層部ＳＢ１を流れない。この構造では、読み出し電流Ｉｒ２が第２強磁性層２０を流れないため、読み出し時に第２強磁性層２０が発振しない。したがって、読み出しが安定化する。
【０２８０】
図２４（ｃ）の磁気素子２０３においては、制御部５５０は、導電層８１と第２非磁性層２０ｎとの間に、第１積層部ＳＢ１を介して書き込み電流Ｉｗ３を流す。このとき、書き込み電流Ｉｗ３は、第２積層部ＳＢ２には流れない。
【０２８１】
磁気素子２０３においても、例えば、第２非磁性層２０ｎの材料が上述の（ｉ）または（ｉｉ）の場合には、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０とが静磁結合（強磁性結合または反強磁性結合）している。このため、書き込み電流Ｉｗ３によって、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍを反転させることができる。
【０２８２】
例えば、第２非磁性層２０ｎの材料が上述の（ｉｉｉ）の場合には、スピンホール効果等（ラシュバ効果、スピン軌道相互作用など）によってスピン流が第３強磁性層３０に作用する。これにより、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍが反転する。この際、第３強磁性層３０の磁化が歳差運動する方向と、第２強磁性層２０の磁化が回転する方向とが一致するため、磁界によって磁化反転が効率良くアシストされる。このため、書き込み電流の低減量が大きくなる。また、第３非磁性層３０ｎに書き込み電流Ｉｗ３が流れないため、素子を壊れにくくすることができる。
【０２８３】
読み出しの際には、制御部５５０は、第２積層部ＳＢ２を介して、導電層８２と第２非磁性層２０ｎとの間に読み出し電流Ｉｒ３を流す。読み出し電流Ｉｒ３が第２強磁性層２０を流れないため、読み出し時に第２強磁性層２０が発振しない。したがって、読み出しが安定化する。
【０２８４】
図２４（ｄ）に表した磁気素子２０４及び図２４（ｅ）に表した磁気素子２０５においては、第３強磁性層３０は、第１部分３１と第２部分３２とを含む。第１部分３１と第２部分３２とは、強磁性結合している。これにより、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３を低くして、書き込み電流の低減量を大きくすることができる。第１部分３１と第２部分３２とは、静磁結合または反強磁性結合していてもよい。
【０２８５】
図２４（ｄ）の磁気素子２０４では、制御部５５０は、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２を介して、導電層８１と第２非磁性層２０ｎとの間に書き込み電流Ｉｗ４を流す。読み出しの際には、制御部５５０は、第２積層部ＳＢ２を介して、導電層８２と第２非磁性層２０ｎとの間に読み出し電流Ｉｒ４を流す。読み出し電流Ｉｒ４は、第１積層部ＳＢ１を流れない。読み出し電流Ｉｒ２が第２強磁性層２０を流れないため、読み出し時に第２強磁性層２０が発振しない。したがって、読み出しが安定化する。
【０２８６】
図２４（ｅ）の磁気素子２０５では、制御部５５０は、第１積層部ＳＢ１を介して、導電層８１と第２非磁性層２０ｎとの間に書き込み電流Ｉｗ５を流す。このとき、書き込み電流Ｉｗ５は、第２積層部ＳＢ２には流れない。
【０２８７】
磁気素子２０５においても、例えば、第２非磁性層２０ｎの材料が上述の（ｉ）または（ｉｉ）の場合には、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０とが静磁結合（強磁性結合または反強磁性結合）している。このため、書き込み電流Ｉｗ５によって、第３強磁性層３０の磁化を反転させることができる。例えば、第２非磁性層２０ｎの材料が上述の（ｉｉｉ）の場合には、スピンホール効果等（ラシュバ効果、スピン軌道相互作用など）によってスピン流が第３強磁性層３０に作用する。これにより、第３強磁性層３０の磁化が反転する。この際、第３強磁性層３０の磁化が歳差運動する方向と、第２強磁性層２０の磁化が回転する方向とが一致するため、磁界によって磁化反転が効率良くアシストされる。このため、書き込み電流の低減量が大きくなる。また、第３非磁性層３０ｎに書き込み電流Ｉｗ３が流れないため、素子を壊れにくくすることができる。
【０２８８】
読み出しの際には、制御部５５０は、第２積層部ＳＢ２を介して、導電層８２と第２非磁性層２０ｎとの間に読み出し電流Ｉｒ５を流す。読み出し電流Ｉｒ５が第２強磁性層２０を流れないため、読み出し時に第２強磁性層２０が発振しない。したがって、読み出しが安定化する。
【０２８９】
図２５（ａ）及び図２５（ｂ）は、実施形態に係る磁気素子の特性を例示する模式図である。  
図２５（ａ）及び図２５（ｂ）は、磁気素子２０６における書き込み電流のシミュレーション結果を表す。磁気素子２０６の構造は、図２４（ｄ）に示した磁気素子２０４の構造又は図２４（ｅ）に示した磁気素子２０５の構造と同様である。
【０２９０】
図２５（ａ）に示すように、第２積層部ＳＢ２を流れる電流（第１部分３１と導電層８２との間に流れる電流）の密度をＩＭＴＪ（ＭＡ／ｃｍ２）とする。第１積層部ＳＢ１を介して、導電層８１と第２非磁性層２０ｎとの間に流れる電流の密度をＩＳＴＯ（ＭＡ／ｃｍ２）とする。このシミュレーションにおいては、ＩＭＴＪ（ＭＡ／ｃｍ２）とＩＳＴＯ（ＭＡ／ｃｍ２）とを変化させて、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍ（磁化３１ｍ及び磁化３２ｍ）の振る舞いを求めた。なお、ＩＳＴＯ＝ＩＭＴＪは、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２を介して、導電層８１と導電層８２との間に電流が流れている場合に相当する。
【０２９１】
図２５（ｂ）の横軸は、ＩＭＴＪ（ＭＡ／ｃｍ２）を表し、縦軸は、ＩＳＴＯ（ＭＡ／ｃｍ２）を表す。図２５（ｂ）中のハッチングされた領域Ｒ１では、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍが反転しなかった。図２５（ｂ）中の白い領域Ｒ２では、第３強磁性層３０の第３磁化３０ｍが反転した。
【０２９２】
例えば、図２５（ｂ）中の点Ｐ１のようにＩＭＴＪ＝１０ＭＡ／ｃｍ２かつＩＳＴＯ＝０ＭＡ／ｃｍ２の条件においては、第３強磁性層３０の磁化は反転しない。一方、点Ｐ２のように、ＩＭＴＪ＝２０ＭＡ／ｃｍ２かつＩＳＴＯ＝０ＭＡ／ｃｍ２の条件においては、第３強磁性層３０の磁化は反転する。点Ｐ３のようにＩＭＴＪ＝０ＭＡ／ｃｍ２かつＩＳＴＯ＝２０ＭＡ／ｃｍ２の条件においては、第３強磁性層３０の磁化は反転する。点Ｐ３の条件は、図２４（ａ）、図２４（ｃ）及び図２４（ｅ）に示した構造において、第２非磁性層２０ｎに（ｉ）または（ｉｉ）の材料を用いた場合に相当する。よって、シミュレーションから上記の構造において磁化が反転することが分かる。
【０２９３】
（第５の実施形態）  
図２６は、第５の実施形態に係る記憶装置の構成を例示する模式図である。  
本実施形態に係る記憶装置６２０は、例えば不揮発性の記憶装置である。  
図２６に表したように、記憶装置６２０は、メモリセルアレイＭＣＡを含む。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。各メモリセルＭＣは、実施形態に係る磁気素子のいずれかを、磁気記憶素子（例えばＭＴＪ素子）として有する。
【０２９４】
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。
【０２９５】
ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分に、メモリセルＭＣが配置される。各メモリセルＭＣは、磁気記憶素子と選択トランジスタＴＲとを有する。磁気記憶素子の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。磁気記憶素子の他端は、選択トランジスタＴＲのドレイン端子に接続されている。選択トランジスタＴＲのゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタＴＲのソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。
【０２９６】
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。
【０２９７】
各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ６２１及びカラムデコーダ６２３により選択される。メモリセルＭＣへのデータ書き込みの例は、以下である。まず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタＴＲがオンする。
【０２９８】
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（複数の磁気素子）のそれぞれと電気的に接続される。制御部５５０は、複数のメモリセルＭＣのそれぞれに対して、データの書き込み及びデータの読み出しを実施する。
【０２９９】
磁気記憶素子には、例えば、双方向の書き込み電流が供給される。具体的には、磁気記憶素子に左から右へ書き込み電流を供給する場合、書き込み回路６２２ａは、ビット線ＢＬに正の電位を印加し、ビット線／ＢＬに接地電位を印加する。また、磁気記憶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。
【０３００】
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、磁気記憶素子に、例えば、選択トランジスタＴＲから磁気記憶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、磁気記憶素子の抵抗値を検出する。このようにして、磁気記憶素子に記憶された情報を読み出すことができる。
【０３０１】
図２７は、第５の実施形態に係る記憶装置の構成を例示する模式図である。  
図２７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、磁気素子１０４が用いられているが、実施形態に係る任意の磁気素子（磁気記憶素子）を用いることができる。
【０３０２】
図２７に表したように、記憶装置６２０は、実施形態に係る磁気記憶素子（例えば磁気素子１０４）と、第１配線９１と、第２配線９２と、を備える。第１配線９１は、磁気素子１０４の一端（例えば第１強磁性層１０の端）に、直接または間接に接続される。第２配線９２は、磁気素子１０４の他端（例えば第２強磁性層２０の端）に直接または間接に接続される。
【０３０３】
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。
【０３０４】
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またはビット線／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またはビット線／ＢＬに対応する。
【０３０５】
図２７に表したように、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、磁気素子１０４と第１配線９１との間（第１の位置）、及び、磁気素子１０４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。
【０３０６】
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（例えば磁気素子１０４）にデータを書き込み、また、磁気素子１０４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記憶装置６２０においても、発振層における２γＮｚＭｓを、第３強磁性層３０の磁気共鳴周波数ｆ３の０．９倍以上とすることで、高い発振周波数ｆの回転磁界を安定して得ることができる。したがって、磁気記憶層における書き込み電流を、低減させることができる。
【０３０７】
（第６の実施形態）  
図２８は、第６の実施形態に係る磁気ヘッドを例示する模式的斜視図である。  
図２８に表したように、磁気ヘッド７１０は、再生部７７０（再生ヘッド部）と、書き込み部７６０（書き込みヘッド部）と、を含む。
【０３０８】
再生部７７０は、第１シールド７７１と、第２シールド７７２と、センサ部７７３と、を含む。センサ部７７３は、第１シールド７７１と第２シールド７７２との間に設けられる。再生部７７０は、例えば、磁気抵抗効果素子である。磁気記録媒体からセンサ部７７３に印加される磁界に応じて、センサ部７７３の抵抗が変化する。これにより、再生部７７０は、磁気記録媒体が有する磁化の方向を検出する。磁気記録媒体に記録された記録信号を検出することができる。
【０３０９】
書き込み部７６０は、例えば、主磁極７６１と対向磁極７６２と磁気素子７６３（スピントルクオシレータ）とを含む。磁気素子７６３は、第１〜第３の実施形態に係る磁気素子１０１〜１０３のいずれか、またはその変形例である。磁気素子７６３は、主磁極７６１と対向磁極７６２との間に設けられる。書き込み部７６０から磁気記録媒体に磁界を印加することにより、磁気記録層の有する磁化の方向が制御される。これにより、書き込み動作が実施される。
【０３１０】
磁気素子７６３（スピントルクオシレータ）は、書き込みの際に、磁気記録媒体に高周波磁界を印加する。高周波磁界によって、書き込み動作をアシストすることができる（マイクロ波アシスト磁気記録という）。マイクロ波アシスト磁気記録では、磁気記録媒体の異方性磁界に応じて、高周波磁界を磁気記録媒体に印加する。これにより、磁気共鳴を利用して、磁気記録媒体の磁化の反転がアシストされる。磁気素子７６３（スピントルクオシレータ）として実施形態に係る磁気素子１０１等を用いることで、小さい電流によって安定した高周波磁界を得ることができる。これにより、例えば、磁気異方性の大きな磁気記録媒体に対して、小さい電流によって、安定した書き込み動作を実施することができる。
【０３１１】
（第７の実施形態）
図２９は、第７の実施形態に係る磁気記録再生装置を例示する模式的斜視図である。    図２９に表したように、本実施形態に係る磁気記録再生装置８５０は、磁気記録媒体（記録用媒体ディスク８８０）と、磁気ヘッドアセンブリ８５８と、を含む。磁気ヘッドアセンブリ８５８は、磁気ヘッド、サスペンション８５４及びアクチュエータアーム８５５等を含む。
【０３１２】
磁気記録再生装置８５０は、ロータリアクチュエータを用いた形式の装置である。記録用媒体ディスク８８０は、スピンドルモータ８０４に装着される。記録用媒体ディスク８８０は、円盤状であり、磁化を有する磁気記録層が設けられている。記録用媒体ディスク８８０は、図示しないモータにより矢印ＡＡの方向に回転する。このモータは、例えば図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する。本実施形態に係る磁気記録再生装置８５０は、複数の記録用媒体ディスク８８０を備えても良い。
【０３１３】
記録用媒体ディスク８８０に格納される情報の記録再生が、ヘッドスライダ８０３により行われる。ヘッドスライダ８０３は、サスペンション８５４の先端に取り付けられている。サスペンション８５４は、薄膜状である。ヘッドスライダ８０３の先端付近に、第６の実施形態に係る磁気ヘッド７１０、または、その変形例が搭載される。磁気ヘッドには、第１〜第３の実施形態に係る磁気素子、または、その変形例が用いられる。
【０３１４】
記録用媒体ディスク８８０が回転すると、ヘッドスライダ８０３は、記録用媒体ディスク８８０の表面の上方に保持される。実施形態において、ヘッドスライダ８０３が記録用媒体ディスク８８０と接触するいわゆる「接触走行型」を用いても良い。
【０３１５】
サスペンション８５４は、アクチュエータアーム８５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム８５５は、例えば、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有する。アクチュエータアーム８５５の他端には、ボイスコイルモータ８５６が設けられている。ボイスコイルモータ８５６は、例えば、リニアモータの一種である。ボイスコイルモータ８５６は、例えば、図示しない駆動コイル及び磁気回路を含むことができる。駆動コイルは、例えば、アクチュエータアーム８５５のボビン部に巻かれる。磁気回路は、例えば、図示しない永久磁石及び対向ヨークを含むことができる。永久磁石及び対向ヨークは、互いに対向し、これらの間に駆動コイルが配置される。
【０３１６】
アクチュエータアーム８５５は、例えば、図示しないボールベアリングによって保持される。ボールベアリングは、例えば、軸受部８５７の上下の２箇所に設けられる。アクチュエータアーム８５５は、ボイスコイルモータ８５６により、回転摺動が自在にできる。その結果、磁気ヘッドは、記録用媒体ディスク８８０の任意の位置に移動できる。
【０３１７】
磁気記録再生装置８５０は、磁気ヘッドと電気的に接続された信号処理部８９０をさらに含む。信号処理部８９０は、再生ヘッド部及び書き込みヘッド部の動作を制御して、磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う。例えば、信号処理部８９０は、磁気ヘッドの磁気抵抗効果素子の抵抗の変化を検出する。信号処理部８９０は、例えば、前述の制御部５５０を含み、磁気素子７６３の動作を制御する。本実施形態に係る磁気記録再生装置８５０によれば、小さい電流によって安定した書き込み動作を実施することができる。
【０３１８】
実施形態によれば、高い周波数の磁界を発生可能な磁気素子及び記憶装置が提供できる。
【０３１９】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【０３２０】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の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、第１積層部、第２積層部、第１強磁性層、第２強磁性層、第３強磁性層、第１非磁性層、第２非磁性層、第３非磁性層、制御部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。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０３２１】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気素子及び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素子及び記憶装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０３２２】
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。
【０３２３】
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】
【０３２４】
１０…第１強磁性層、  １０ａ…主面、  １０ｉ…絶縁層、  １０ｍ…第１磁化、  １０ｎ…第１非磁性層、  ２０…第２強磁性層、  ２０ｍ…第２磁化、  ２０ｎ…第２非磁性層、  ３０…第３強磁性層、  ３０ｍ…第３磁化、  ３０ｎ…第３非磁性層、  ３１…第１部分、  ３１ｍ…磁化、  ３２…第２部分、  ３２ｍ…磁化、  ４０…第４強磁性層、  ４０ｍ…第４磁化、  ４０ｎ…第４非磁性層、  ５１…磁気シールド、  ５２…保護層、  ６０…電子電流、  ６１…センス電流、  ７２…磁化、  ７２ａ…垂直磁化成分、  ７２ｂ…面内磁化成分、  ８１、８２…導電層、  ９１…第１配線、  ９２…第２配線、  ／ＢＬ…ビット線、  １０１、１０１ａ〜１０１ｄ、１０２、１０３、１０３ａ、１０４、１０４ａ〜１０４ｃ、１２１〜１３１、１４２〜１４５、１９０、２０１〜２０６…磁気素子、  ５５０…制御部、  ６２０…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、  ７１０…磁気ヘッド、  ７６０…書き込み部、  ７６１…主磁極、  ７６２…対向磁極、  ７６３…磁気素子、  ７７０…再生部、  ７７１…第１シールド、  ７７２…第２シールド、  ７７３…センサ部、  ８０３…ヘッドスライダ、  ８０４…スピンドルモータ、  ８５０…磁気記録再生装置、  ８５４…サスペンション、  ８５５…アクチュエータアーム、  ８５６…ボイスコイルモータ、  ８５７…軸受部、  ８５８…磁気ヘッドアセンブリ、  ８８０…記録用媒体ディスク、  ８９０…信号処理部、  ＢＬ…ビット線、  ＣＴ２１、ＣＴ２２…特性、  Ｈｋ１、Ｈｋ２…有効異方性磁界、  Ｉ１、Ｉ２…電流、  ＩＭＴＪ、ＩＳＴＯ…電流密度、  Ｉｒ１〜Ｉｒ５…読み出し電流、  Ｉｗ、Ｉｗ０…反転電流、  Ｉｗ１〜Ｉｗ５…書き込み電流、  Ｊ…電流密度、  ＭＣ…メモリセル、  ＭＣＡ…メモリセルアレイ、  Ｍｓ、Ｍｓｍｔｊ、Ｍｓｔｒｉ…磁化、  Ｎｚ…反磁界係数、  Ｐ１〜Ｐ３…点、  Ｒ…抵抗値、  Ｒ１、Ｒ２…領域、  Ｒｗ…比率、  ＳＢ０…積層体、  ＳＢ１…第１積層部、  ＳＢ２…第２積層部、  ＳＤ１…第１方向、  ＳＤ２…第２方向、  ＳＩ…信号強度、  ＳＰ…積層部分、  ＳＳ０〜ＳＳ２、ＳＳｎ…側面、  ＴＲ…選択トランジスタ、  ＷＬ…ワード線、  ｆ…発振周波数、  ｆ１〜ｆ３…磁気共鳴周波数、  ｆｒ…周波数、  ｈｍｔｊ、ｈｓｔｏ、ｈｔｒｉ…厚さ、  ｔ…時間
【図１】
2017059690.tif 000003
【図２】
2017059690.tif 000004
【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】
2017059690.tif 000009
【図１０】
2017059690.tif 000010
【図１２】
2017059690.tif 000011
【図１３】
2017059690.tif 000012
【図１４】
2017059690.tif 000013
【図１５】
2017059690.tif 000014
【図１６】
2017059690.tif 000015
【図１７】
2017059690.tif 000016
【図１８】
2017059690.tif 000017
【図１９】
2017059690.tif 000018
【図２０】
2017059690.tif 000019
【図２１】
2017059690.tif 000020
【図２４】
2017059690.tif 000021
【図２５】
2017059690.tif 000022
【図２６】
2017059690.tif 000023
【図２７】
2017059690.tif 000024
【図２８】
2017059690.tif 000025
【図３】
2017059690.tif 000026
【図４】
2017059690.tif 000027
【図１１】
2017059690.tif 000028
【図２２】
2017059690.tif 000029
【図２３】
2017059690.tif 000030
【図２９】
2017059690.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月28日(2016.11.28)
【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】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
第１磁化を有する第１強磁性層と、
第１方向において前記第１強磁性層と離間し第２磁化を有する第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を含む第１積層部と、
前記第１方向において前記第１積層部と積層され、第３磁化を有する第３強磁性層と、
を備え、
前記第１磁化の前記第１方向の成分は、前記第１磁化の前記第１方向に対して垂直な第２方向の成分よりも大きく、
前記第２磁化の前記第１方向の成分は、前記第２磁化の前記第２方向の成分よりも小さく、
前記第３磁化の前記第１方向の成分は、前記第３磁化の前記第２方向の成分よりも大きく、
前記第２強磁性層の前記第２磁化をＭｓ（単位：ｅｍｕ／ｃｃ）、前記第２強磁性層の反磁界係数をＮｚ、ジャイロ磁気定数をγ（単位：Ｈｚ／Ｏｅ）としたとき、２γＮｚＭｓは、前記第３強磁性層の磁気共鳴周波数（単位：Ｈｚ）の０．９倍以上０．９６倍以下である磁気素子。
【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、第１積層部と、第３強磁性層と、を含む磁気素子が提供される。前記第１積層部は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、第１非磁性層と、を含む。前記第１強磁性層は、第１磁化を有する。前記第２強磁性層は、第１方向において前記第１強磁性層と離間し第２磁化を有する。前記第１非磁性層は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられる。前記第３強磁性層は、前記第１方向において前記第１積層部と積層され、第３磁化を有する。前記第１磁化の前記第１方向の成分は、前記第１磁化の前記第１方向に対して垂直な第２方向の成分よりも大きい。前記第２磁化の前記第１方向の成分は、前記第２磁化の前記第２方向の成分よりも小さい。前記第３磁化の前記第１方向の成分は、前記第３磁化の前記第２方向の成分よりも大きい。前記第２強磁性層の前記第２磁化をＭｓ（単位：ｅｍｕ／ｃｃ）、前記第２強磁性層の反磁界係数をＮｚ、ジャイロ磁気定数をγ（単位：Ｈｚ／Ｏｅ）としたとき、２γＮｚＭｓは、前記第３強磁性層の磁気共鳴周波数（単位：Ｈｚ）の０．９倍以上０．９６倍以下である。