(57)【要約】  読み出し動作が速い磁気抵抗効果素子、磁気メモリアレイ、磁気メモリ装置及び磁気抵抗効果素子の書き込み方法を提供する。磁気抵抗効果素子１は重金属層２と、膜面に対して垂直方向に磁化した強磁性層を含み、重金属層２の表面に設けられた記録層１０と、記録層１０の重金属層２とは反対側の面に設けられ、絶縁体で構成された障壁層１１と、障壁層１１の記録層１０とは反対側の面に設けられ、磁化が膜面に対して垂直方向に固定された参照層１２とを有する磁気記録部３と、重金属層２の磁気記録部３とは反対側の面に設けられた絶縁層５と、重金属層２及び絶縁層５を挟んで記録層１０と向かい合う位置で、絶縁層５に接続され、絶縁層５を介して重金属層２に電圧を印加する第１端子Ｔ１と、参照層１２に接続された第２端子Ｔ２と、重金属層２に接続され、磁気記録部３と絶縁層５との間の重金属層２に書き込み電流を流す第３端子Ｔ３及び第４端子Ｔ４とを備える。
2019216099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重金属層と、
膜面に対して垂直方向に磁化した強磁性層を含み、前記重金属層の表面に設けられた記録層と、前記記録層の前記重金属層とは反対側の面に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層の前記記録層とは反対側の面に設けられ、磁化が膜面に対して垂直方向に固定された参照層とを有する磁気記録部と、
前記重金属層の前記磁気記録部とは反対側の面に設けられた絶縁層と、
前記重金属層及び前記絶縁層を挟んで前記記録層と向かい合う位置で、前記絶縁層に接続され、前記絶縁層を介して前記重金属層に電圧を印加する第１端子と、
前記参照層に接続された第２端子と、
前記重金属層に接続され、前記磁気記録部と前記絶縁層との間の前記重金属層に書き込み電流を流す第３端子及び第４端子とを備える
磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第１端子から前記絶縁層を介して前記重金属層に電圧が印加されると共に、前記第３端子と前記第４端子の間に書き込み電流が流れると、前記記録層が磁化反転する
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記絶縁層は、前記重金属層を挟んで前記磁気記録部と向かい合う位置に設けられている
請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記絶縁層は、前記表面の反対側の前記重金属層の前記面の全面に設けられている
請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記絶縁層が高誘電率絶縁体で構成されている
請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記磁気記録部の前記記録層が磁化反転するとき、前記第２端子に印加される電圧がオフであり、
前記重金属層と前記第２端子の間に読み出し電流が流れるとき、前記第１端子に印加される電圧がオフである
請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記参照層と前記第２端子との間にダイオードを備えている
請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記ダイオードは、前記第２端子から前記重金属層に電流が流れることを抑制する
請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を複数有し、一の前記磁気抵抗効果素子の前記重金属層が第１方向に延伸され、延伸された前記重金属層を他の複数の前記磁気抵抗効果素子が共有し、前記重金属層の前記表面で、前記磁気記録部が前記第１方向に配列されている
磁気メモリアレイ。
【請求項１０】
前記第３端子と前記第４端子との間に複数の前記磁気記録部が配列されている
請求項９に記載の磁気メモリアレイ。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の磁気メモリアレイが、前記第１方向と直交する方向に複数配列されている
磁気メモリ装置。
【請求項１２】
前記第１方向と直交する方向に延伸された複数の第１細長端子を備え、
複数の前記磁気記録部が前記第１方向と直交する方向に配列されており、
前記第１細長端子が、配列された複数の前記磁気記録部と、前記重金属層及び前記絶縁層を挟んで向かい合う位置に設けられている
請求項１１に記載の磁気メモリ装置。
【請求項１３】
請求項７又は８に記載の磁気抵抗効果素子を複数有し、一の前記磁気抵抗効果素子の前記重金属層が第１方向に延伸され、延伸された前記重金属層を他の複数の前記磁気抵抗効果素子が共有し、前記重金属層の前記表面で、前記磁気記録部が前記第１方向に配列されている磁気メモリアレイと、
前記第１方向と直交する方向に延伸された複数の第１細長端子と、
前記第１方向と直交する方向に延伸された複数の第２細長端子とを備え、
前記磁気メモリアレイが前記第１方向と直交する方向に複数配列され、
複数の前記磁気記録部が前記第１方向と直交する方向に配列されており、
前記第１細長端子が、配列された複数の前記磁気記録部と、前記重金属層及び前記絶縁層を挟んで向かい合う位置に設けられ、
前記第２細長端子が、配列された複数の前記磁気記録部と向かい合う位置に設けられ、前記ダイオードと接している
磁気メモリ装置。
【請求項１４】
重金属層と、
膜面に対して垂直方向に磁化した強磁性層を含み、前記重金属層の表面に設けられた記録層と、前記記録層の前記重金属層とは反対側の面に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層の前記記録層とは反対側の面に設けられ、磁化が膜面に対して垂直方向に固定された参照層とを有する磁気記録部と、
前記重金属層の前記磁気記録部とは反対側の面に設けられた絶縁層と
を備える磁気抵抗効果素子の書き込み方法であって、
前記絶縁層を介して前記重金属層に電圧を印加すると共に、前記重金属層の一端部と他端部との間に書き込み電流を流し、前記記録層の磁化方向を反転させる磁化反転工程を有する
磁気抵抗効果素子の書き込み方法。
【請求項１５】
前記磁化反転工程は、
前記絶縁層を介して前記重金属層に前記電圧を印加した後、前記重金属層の一端部と他端部との間に前記書き込み電流を流す
請求項１４に記載の磁気抵抗効果素子の書き込み方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気メモリアレイ、磁気メモリ装置及び磁気抵抗効果素子の書き込み方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速性と高書き換え耐性が得られる次世代不揮発メモリとして、磁気抵抗効果素子を記憶素子として用いたＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）が知られている。ＭＲＡＭに用いる次世代の磁気抵抗効果素子としては、スピン軌道トルクを利用して磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction)を磁化反転させるＳＯＴ−ＭＲＡＭ（Spin-Orbit Torque Magnetic Random Access Memory）素子が注目されている。【０００３】
ＳＯＴ−ＭＲＡＭ素子は、重金属層上に、強磁性層（記録層ともいう）／絶縁層（障壁層ともいう）／強磁性層（参照層ともいう）の３層構造を含むＭＴＪが設けられた構成をしている。ＳＯＴ−ＭＲＡＭ素子は、現状用いられているＣｏ−Ｆｅ形の磁性体の場合、記録層と参照層の磁化方向が平行な平行状態より、記録層と参照層の磁化方向が反平行な反平行状態の方が素子の抵抗が高いという性質を有し、平行状態と反平行状態を０と１に対応させてデータを記録する。ＳＯＴ−ＭＲＡＭ素子は、参照層の磁化方向が固定され、記録層が磁化反転可能になされており、記録層が磁化反転することで、平行状態と反平行状態とを切り替えることができる。ＳＯＴ−ＭＲＡＭ素子では、重金属層に電流を流すことでスピン軌道相互作用によりスピン流を誘起し、スピン流により分極したスピンが記録層に流入することで記録層が磁化反転し、データが書き込まれる。また、記録層は、磁化容易軸方向に磁化されるので、スピンの流入がなくなっても、磁化状態が保持され、ＳＯＴ−ＭＲＡＭ素子はデータが保存される。【０００４】
このようなＳＯＴ−ＭＲＡＭ素子を高度に集積するために、重金属層上に多数のＭＴＪを配列したアーキテクチャが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１のアーキテクチャでは、ＭＴＪに電圧を印加することでＭＴＪの磁気異方性を制御できるというメカニズムを利用して、ＭＴＪにデータを書き込む。まず、データを書き込むＭＴＪに電圧を印加し、記録層の磁気異方性を低くして、記録層が磁化反転しやすい状態（半選択状態ともいう）にする。その後、重金属層に書き込み電流を流すことで、記録層を磁化反転させ、データを書き込む。このように、引用文献１の磁気メモリ装置では、ＭＴＪに電圧を印加することで、書き込むＭＴＪを選択できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−１１２３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、引用文献１に開示されているアーキテクチャでは、ＭＴＪを半選択状態にするために、書き込み時もＭＴＪに電圧を印加する。そのため、書き込み時にもＭＴＪに電流がながれ、記録層を半選択状態にする電圧をＭＴＪに印加してもＭＴＪの障壁層を構成する絶縁層が絶縁破壊しないように、絶縁層を厚くしてＭＴＪの耐電圧を高くする必要がある。しかし、絶縁層を厚くすると、ＭＴＪの抵抗値が高くなり、読み出し時間に遅延が生じてしまう。このように、従来のＳＯＴ−ＭＲＡＭ素子には、書き込み動作が速いが、集積化しようとすると、読み出し動作が遅くなるという問題があった。【０００７】
そこで、本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、読み出し動作が速い磁気抵抗効果素子、磁気メモリアレイ、磁気メモリ装置及び磁気抵抗効果素子の書き込み方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による磁気抵抗効果素子は、重金属層と、膜面に対して垂直方向に磁化した強磁性層を含み、前記重金属層の表面に設けられた記録層と、前記記録層の前記重金属層とは反対側の面に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層の前記記録層とは反対側の面に設けられ、磁化が膜面に対して垂直方向に固定された参照層とを有する磁気記録部と、前記重金属層の前記磁気記録部とは反対側の面に設けられた絶縁層と、前記重金属層及び前記絶縁層を挟んで前記記録層と向かい合う位置で、前記絶縁層に接続され、前記絶縁層を介して前記重金属層に電圧を印加する第１端子と、前記参照層に接続された第２端子と、前記重金属層に接続され、前記磁気記録部と前記絶縁層との間の前記重金属層に書き込み電流を流す第３端子及び第４端子とを備える。【０００９】
本発明による磁気メモリアレイは、請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を複数有し、一の前記磁気抵抗効果素子の前記重金属層が第１方向に延伸され、延伸された前記重金属層を他の複数の前記磁気抵抗効果素子が共有し、前記重金属層の前記表面で、前記磁気記録部が前記第１方向に配列されている。【００１０】
本発明による磁気メモリ装置は、請求項９又は１０に記載の磁気メモリアレイが、前記第１方向と直交する方向に複数配列されている。【００１１】
本発明による磁気メモリ装置は、請求項７又は８に記載の磁気抵抗効果素子を複数有し、一の前記磁気抵抗効果素子の前記重金属層が第１方向に延伸され、延伸された前記重金属層を他の複数の前記磁気抵抗効果素子が共有し、前記重金属層の前記表面で、前記磁気記録部が前記第１方向に配列されている磁気メモリアレイと、前記第１方向と直交する方向に延伸された複数の第１細長端子と、前記第１方向と直交する方向に延伸された複数の第２細長端子とを備え、前記磁気メモリアレイが前記第１方向と直交する方向に複数配列され、複数の前記磁気記録部が前記第１方向と直交する方向に配列されており、前記第１細長端子が、配列された複数の前記磁気記録部と、前記重金属層及び前記絶縁層を挟んで向かい合う位置に設けられ、前記第２細長端子が、配列された複数の前記磁気記録部と向かい合う位置に設けられ、前記ダイオードと接している。【００１２】
本発明の磁気抵抗効果素子の書き込み方法は、重金属層と、膜面に対して垂直方向に磁化した強磁性層を含み、前記重金属層の表面に設けられた記録層と、前記記録層の前記重金属層とは反対側の面に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層の前記記録層とは反対側の面に設けられ、磁化が膜面に対して垂直方向に固定された参照層とを有する磁気記録部と、前記重金属層の前記磁気記録部とは反対側の面に設けられた絶縁層とを備える磁気抵抗効果素子の書き込み方法であって、前記絶縁層を介して前記重金属層に電圧を印加すると共に、前記重金属層の一端部と他端部との間に書き込み電流を流し、前記記録層の磁化方向を反転させる磁化反転工程を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、重金属層の裏面に絶縁層を備え、重金属層及び絶縁層を挟んで記録層と向かい合う位置で重金属層に第１端子が接続されるので、絶縁層を介して重金属層に電圧を印加すると共に、重金属層に書き込み電流を流すことで、記録層を磁化反転するようにでき、書き込み時に磁気記録部に電流が流れない。そのため磁気抵抗効果素子は、障壁層の厚さを薄くしてＭＴＪの抵抗を小さくでき、読み出し動作を速くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１Ａは、本発明の実施形態の磁気抵抗効果素子を示す斜視図であり、図１Ｂは、図１Ａの磁気抵抗効果素子をｘ方向に切断した断面図である。
【図２】図２Ａは、データ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子にデータ“０”を書き込む方法を説明する概略断面図であり、絶縁層を介して重金属層に電圧が印加された状態を示しており、図２Ｂは、データ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子にデータ“０”を書き込む方法を説明する概略断面図であり、書き込み電流を流してデータが書き込まれた状態を示しており、図２Ｃは、データ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子にデータ“１”を書き込む方法を説明する概略断面図であり、絶縁層を介して重金属層に電圧が印加された状態を示しており、図２Ｄは、データ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子にデータ“１”を書き込む方法を説明する概略断面図であり、書き込み電流を流してデータが書き込まれた状態を示している。
【図３】磁気抵抗効果素子に記憶されたデータの読み出し方法を説明する概略断面図である。
【図４】図４Ａは、データ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子にデータ“０”を書き込む他の方法を説明する概略断面図であり、絶縁層を介して重金属層に電圧が印加された状態を示しており、図４Ｂは、データ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子にデータ“０”を書き込む他の方法を説明する概略断面図であり、書き込み電流を流してデータが書き込まれた状態を示しており、図４Ｃは、データ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子にデータ“１”を書き込む他の方法を説明する概略断面図であり、絶縁層を介して重金属層に電圧が印加された状態を示しており、図４Ｄは、データ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子にデータ“１”を書き込む他の方法を説明する概略断面図であり、書き込み電流を流してデータが書き込まれた状態を示している。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の変形例の磁気抵抗効果素子を示す概略断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の変形例の磁気抵抗効果素子を示す概略断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の変形例の磁気抵抗効果素子を示す概略断面図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明の変形例の磁気抵抗効果素子を示す概略断面図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、本発明の変形例の磁気抵抗効果素子を示す概略断面図である。
【図５Ｆ】図５Ｆは、本発明の変形例の磁気抵抗効果素子を示す概略断面図である。
【図５Ｇ】図５Ｇは、本発明の変形例の磁気抵抗効果素子を示す概略断面図である。
【図５Ｈ】図５Ｈは、本発明の変形例の磁気抵抗効果素子を示す概略断面図である。
【図５Ｉ】図５Ｉは、本発明の変形例の磁気抵抗効果素子を示す概略断面図である。
【図６】本発明の実施形態の磁気メモリアレイを示す概略断面図である。
【図７】図７Ａは、磁気メモリアレイへのデータの書き込み方法を説明する概略断面図であり、絶縁層を介して重金属層に電圧を印加した状態を示しており、図７Ｂは、本発明の変形例の磁気抵抗効果素子を示す概略断面図であり、書き込み電流を流してデータが書き込まれた状態を示している。
【図８】磁気メモリアレイからのデータの読み出し方法を説明する概略断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の変形例の磁気メモリアレイを示す概略断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の変形例の磁気メモリアレイを示す概略断面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、本発明の変形例の磁気メモリアレイを示す概略断面図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、本発明の変形例の磁気メモリアレイを示す概略断面図である。
【図９Ｅ】図９Ｅは、本発明の変形例の磁気メモリアレイを示す概略断面図である。
【図１０Ａ】本発明の変形例の磁気メモリアレイを示す概略断面図である。
【図１０Ｂ】本発明の変形例の磁気メモリアレイを示す概略断面図である。
【図１０Ｃ】本発明の変形例の磁気メモリアレイを示す概略断面図である。
【図１１】本発明の実施形態の磁気メモリ装置を示す斜視図である。
【図１２】本発明の実施形態の磁気メモリ装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（１）本発明の実施形態の磁気抵抗効果素子
（１−１）磁気抵抗効果素子の全体構成
以下、図１Ａ、図１Ｂを参照して、本発明の実施形態の磁気抵抗効果素子１を説明する。図１Ａは、磁気抵抗効果素子１を示す斜視図である。本明細書では、図１Ａに示すように、重金属層２の長手方向をｘ方向（紙面右上方向を＋ｘ方向）とし、短手方向をｙ方向（斜視図では紙面左上方向を＋ｙ方向）とし、重金属層２の表面に対して垂直方向をｚ方向（紙面上側を＋ｚ方向）としている。また、図１Ｂは、磁気抵抗効果素子１のｙ方向の断面を示す概略図である。本明細書では、＋ｚ方向を例えば上側及び上部などとも称し、−ｚ方向を例えば下側及び下部などとも称することとする。
【００１６】
図１Ａに示すように、磁気抵抗効果素子１は、重金属層２と、記録層１０、障壁層１１、参照層１２で構成される磁気トンネル接合（以下、ＭＴＪという。）を含む磁気記録部３と、絶縁層５を備えている。本実施形態では、重金属層２は、第１方向（ｘ方向）に延伸された直方体形状をしており、上面から見たとき長方形状をしている。重金属層２は、長さ（ｘ方向の長さ）１５ｎｍ〜２６０ｎｍ程度、幅（ｙ方向の長さ）１０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度、厚さ（ｚ方向の長さ）０．５ｎｍ〜２０ｎｍ程度の直方体形状をしている。重金属層２は、重金属層２のｙ方向の幅を磁気記録部３の幅よりも大きくなるようにしている。
【００１７】
また、重金属層２の長さは、電流さえ流すことができれば短ければ短いほどよく、このようにすることで、磁気抵抗効果素子１を備える磁気メモリ装置を高密度化できる。重金属層２の幅は、磁気記録部３の幅と同じ長さにするのが望ましく、このようにすることで、磁気抵抗効果素子１は、最も書込み効率が良くなる。重金属層２の厚さは、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度に形成するのがより望ましい。なお、重金属層２の長さは、重金属層２が１つの磁気記録部３を備えるときに望ましい長さであり、１つの重金属層２が複数の磁気記録部３を備え、第１方向に磁気記録部３が配列される場合は、この限りではない。重金属層２の形状は、このようにするのが望ましいが、特に限定されない。
【００１８】
重金属層２は、スピン軌道相互作用の大きい重金属、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｒｈ又はこれらの元素を少なくとも１つ以上含む合金が望ましい。合金としては、例えば、Ｗ−Ｈｆ、Ｗ−Ｔａ、Ｐｔ−Ａｕ、Ｐｔ−Ｉｒ及びＰｄ−Ｒｈなどが特に望ましい。重金属層２は、導電性を有している。なお、重金属層２は、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ又はこれらの金属の少なくとも１つ以上を主とする合金などで形成されると、重金属層２のスピンホール角の符号が正となり、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ又はこれらの金属の少なくとも１つ以上を主とする合金などで形成されると、重金属層２のスピンホール角の符号が負となる。
【００１９】
本実施形態では、重金属層２は、スピンホール角の符号が正であるＰｔ−Ａｕで構成され、厚さ７ｎｍに形成されている。重金属層２は、下地層（例えばＳｉＯ２基板など）又は回路基板（ＦＥＴ型のトランジスタや金属配線などが形成された基板など）上に、後述の第１端子Ｔ１、絶縁層５を形成した後に、例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition：物理蒸着法）などの一般的な成膜手法により重金属を成膜することで形成される。重金属層２は、アモルファス層であってもよく、エピタキシャル成長により形成されたエピタキシャル層であってもよい。エピタキシャル層とは、エピタキシャル成長により形成された薄膜を意味し、例えば、単結晶の層、概ね単結晶であるが一部が多結晶などになっている層及び実際上単結晶とみなすことができる層などを含む。
【００２０】
磁気記録部３は、重金属層２に設けられた記録層１０、記録層１０上（記録層１０の重金属層２とは反対側の面）に設けられた障壁層１１及び障壁層１１上（障壁層１１の記録層１０とは反対側の面）に設けられた参照層１２で構成され、重金属層２の表面に設けられている。磁気記録部３は、重金属層２上に円柱形状に形成されており、上面から見たとき、円形状をしている。そのため、磁気記録部３のアスペクト比は概ね１である。ここで、本明細書でいう磁気記録部３のアスペクト比は、上面から見た磁気記録部３の形状のアスペクト比をいい、磁気記録部３が、上面から見たとき（あるいは、幅方向の断面が）、正方形状や円形状などの長軸及び短軸の区別のない形状の場合は１であり、四辺形状の場合は長辺の長さと短辺の長さの比であり、楕円形状の場合は長軸の長さと短軸の長さの比である。アスペクト比は、１〜１．５、さらに望ましくは、１〜１．３程度にするのが望ましい。このようにすることで、従来よりも高密度に磁気抵抗効果素子を配置した磁気メモリ装置を作成できる。なお、磁気記録部３のアスペクト比を１〜１．５、さらに望ましくは、１〜１．３程度にするのが望ましいが、磁気記録部３のアスペクト比や形状は特に限定されず、立方体や直方体、楕円柱などであってもよい。例えば、磁気記録部３は、角部が丸まった四角柱形状をしていてもよい。
【００２１】
なお、磁気記録部３は、短辺の長さ又は短軸の長さ（アスペクト比が１の場合は１辺の長さ又は直径）を１０ｎｍ〜１００ｎｍとするのが望ましく、この範囲で小さければ小さいほど大容量化が可能である。また、本実施形態の場合、磁気記録部３は、重金属層２上に、重金属層２と同様の方法で磁気記録部３の各層を積層後、フォトリソグラフィ技術を用いて円柱形状に成形している。
【００２２】
磁気記録部３の記録層１０は、強磁性体で形成された強磁性膜である。本実施形態では、記録層１０は、重金属層２上に直接形成されているので、重金属層２と接している。記録層１０と、後述の障壁層１１とは、記録層１０と障壁層１１の界面で界面磁気異方性が生じるように、材質と厚さを選定している。そのため、記録層１０は、記録層１０と障壁層１１との界面で生じた界面磁気異方性によって、膜面に対して垂直方向（以下、単に垂直方向という。）に磁化している。図１Ａ、図１Ｂでは、記録層１０の磁化Ｍ１０を白抜きの矢印で表しており、矢印の向きが磁化方向を表している。記録層１０に、上向きの矢印と下向きの矢印の２つ描かれているのは、記録層１０が磁化反転可能であることを示している。なお、実際には、磁化方向（矢印の方向）を向いていない成分も含まれている。以下、本明細書の図面において磁化を矢印で表した場合は、このことと同様である。
【００２３】
このように、記録層１０に界面磁気異方性を生じさせるために、記録層１０は、ＭｇＯなどの障壁層１１との界面にはＣｏＦｅＢ層又はＦｅＢ層を配置し、重金属層２とＣｏＦｅＢ層又はＦｅＢ層との間に、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜及びＣｏ／Ｎｉ多層膜などのＣｏ層を含む多層膜、Ｍｎ−Ｇａ、Ｍｎ−Ｇｅ及びＦｅ−Ｐｔなどの規則合金又はＣｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ及びＣｏ−Ｃｒ−Ｔａ−ＰｔなどのＣｏを含む合金などを挿入した構成である。これらの多層膜及び合金は、ＭＴＪのサイズに応じて積層数及び膜厚などを適宜調整される。障壁層１１は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＭｇＡｌＯなどの絶縁体で形成されるのが望ましい。また、記録層１０の厚さは、０．８ｎｍ〜５．０ｎｍ、望ましくは、１．０ｎｍ〜３．０ｎｍ、障壁層１１の厚さは、０．１ｎｍ〜２．５ｎｍ、望ましくは、０．５ｎｍ〜１．５ｎｍである。
【００２４】
本実施形態では、記録層１０を障壁層１１側からアモルファスのＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）／Ｔａ（０．４ｎｍ）／Ｃｏ（０．４ｎｍ）／Ｐｔ（０．４ｎｍ）／Ｃｏ（０．４ｎｍ）の５層膜、障壁層１１をＭｇＯ（１００）（１．０ｎｍ）としている。障壁層１１にＭｇＯを用いる場合は、記録層１０及び障壁層１１をこのように形成することは、磁気記録部３のＭＲ変化率を高くすることができるので有利である。なお、記録層１０は、アモルファス金属層上にＭｇＯを積層すると（１００）方向に配向した単結晶が支配的なＭｇＯ層が形成される性質によって、記録層１０上にＭｇＯ（１００）を形成しやすくなるので、アモルファス層であるのが望ましい。そして、多結晶や単結晶の薄膜上にアモルファス層を形成するために、結晶成長を切る極薄膜を挿入している。本実施形態では、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）とＣｏ（０．４ｎｍ）の間に、結晶成長を切る極薄膜としてＴａ（０．４ｎｍ）を挿入している。Ｔａ極薄膜はＷ、Ｍｏなどの極薄膜に変更しても良い。ここで、単結晶が支配的な層とは、上記のエピタキシャル成長により形成されたエピタキシャル層と同程度の結晶性の層であることを意味する。なお、記録層１０の構成は、重金属層２の材質に応じて適宜変えることができる。例えば、重金属層２をＷ−Ｔａ合金で形成した場合は、記録層１０をＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）１層とすることができる。
【００２５】
また、記録層１０を界面磁気異方性によって、垂直方向に磁化させているが、結晶磁気異方性や形状磁気異方性によって、垂直方向に磁化容易軸を生じさせ、記録層１０を垂直方向に磁化させるようにしてもよい。この場合は、記録層１０は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ又はＭｎを少なくとも１つ以上含む合金が望ましい。具体的に説明すると、Ｃｏを含む合金としては、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ及びＣｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｐｔなどの合金が望ましく、特に、これらの合金が、Ｃｏを他の元素よりも多く含んでいるいわゆるCo-richであることが望ましい。Ｆｅを含む合金としては、Ｆｅ−Ｐｔ及びＦｅ−Ｐｄなどの合金が望ましく、特に、これらの合金が、Ｆｅを他の元素よりも多く含んでいるいわゆるFe-richであることが望ましい。Ｃｏ及びＦｅを含む合金としては、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｐｔ及びＣｏ−Ｆｅ−Ｐｄなどの合金が望ましい。Ｃｏ及びＦｅを含む合金は、Co-richであってもFe-richであってもよい。Ｍｎを含む合金としては、Ｍｎ−Ｇａ及びＭｎ−Ｇｅなどの合金が望ましい。また、上記で説明したＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ又はＭｎを少なくとも１つ以上含む合金に、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ａｌ及びＳｉなどの元素が多少含まれていてもかまわない。
【００２６】
また、なお、記録層１０は、上記の材料で構成された強磁性層と、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｏｓ及びＲｅなどの非磁性体で形成された非磁性層との積層膜であってもよい。記録層１０を積層膜とした場合は、重金属層２に接する層と障壁層１１に接する層とを強磁性層とする。記録層１０は、第１強磁性層、第１非磁性層、第２強磁性層が重金属層２上にこの順に積層された３層積層膜や、第１強磁性層、第１非磁性層、第２強磁性層、第２非磁性層、第３強磁性層が重金属層２上にこの順に積層された５層積層膜のように、強磁性層と非磁性層とが交互に積層され、最も重金属層２側の層と、最も障壁層１１側の層とが強磁性層である積層膜であってもよい。非磁性層を挟んで向かい合う強磁性層の磁化が、層間相互作用によって、反強磁性的に結合していてもよく、強磁性的に結合していてもよい。
【００２７】
非磁性層（第１非磁性層及び第２非磁性層）は、例えばＩｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ又はこれら合金などの非磁性金属でなり、Ｒｕの場合は０．５ｎｍ〜１．０ｎｍ、１．８ｎｍ〜２．３ｎｍ、Ｉｒの場合は０．５ｎｍ〜０．８ｎｍ、Ｒｈの場合は０．７ｎｍ〜１．０ｎｍ、Ｏｓの場合は０．７５ｎｍ〜１．２ｎｍ、Ｒｅの場合は０．５ｎｍ〜０．９５ｎｍの範囲に形成されている。強磁性層（第１強磁性層及び第２強磁性層又は第２強磁性層及び第３強磁性層）を、このような厚さの非磁性層を介して積層することで、非磁性層を挟んで向かい合う強磁性層の磁化を層間相互作用により反強磁性的に結合できる。このような、強磁性層と非磁性層とが交互に積層され、非磁性層を挟んで向かい合う強磁性層が層間相互作用により反強磁性的に結合して磁化方向が反平行となる構造を本明細書では積層フェリ構造という。
【００２８】
また、層間相互作用は、強磁性層の間の非磁性層の厚さに応じて変わり、２つの強磁性層を強磁性的に結合させることもできる。この場合、非磁性層の厚さを、強磁性層の磁化を反強磁性的に結合する場合よりも薄く又は厚くすることで、非磁性層を挟んで向かい合う強磁性層の磁化を層間相互作用により強磁性的に結合できる。
【００２９】
さらに、記録層１０は、記録層１０がエピタキシャル層や多結晶の強磁性層である場合、強磁性層上にＴａ、Ｗ又はＭｏなどで形成された１ｎｍ以下の非磁性層と、例えばＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ及びＣｏＢなどの強磁性体で形成されたアモルファス強磁性層（０．６ｎｍ〜２．０ｎｍ程度）とをこの順に備えるようにするのが望ましい。このようにすることで、ＭｇＯ（１００）でなる障壁層１１をアモルファス強磁性体上にエピタキシャル成長させることとなり、ＭｇＯ（１００）の配向性の面内均一性が向上し、抵抗変化率（ＭＲ変化率）の均一性を向上することが可能である。そして、アモルファス強磁性層は、層間相互作用により、非磁性層を挟んで向かい合う強磁性層と磁化が強磁性的に結合し、垂直方向に磁化が向く。なお、アモルファス強磁性層とは、強磁性体で構成されたアモルファスの層又は薄膜を意味し、アモルファスが支配的であれば、一部に結晶を有する層も含むものとする。
【００３０】
なお、記録層１０は、エピタキシャル成長により形成されたエピタキシャル層であってもよい。記録層１０をエピタキシャル層とした場合、エピタキシャル層である記録層１０上に障壁層１１をエピタキシャル成長させるか、エピタキシャル層である障壁層１１を別途形成し、記録層１０上に張り合わせることにより、単結晶が支配的な障壁層１１を形成する。
【００３１】
参照層１２は、強磁性層１４、非磁性層１５、強磁性層１６が、障壁層１１上にこの順に積層された３層積層膜であり、３層の積層フェリ構造をしている。そのため、強磁性層１４の磁化Ｍ１４の向きと強磁性層１６の磁化Ｍ１６の向きとが反平行であり、磁化Ｍ１４が−ｚ方向を向いており、磁化Ｍ１６が＋ｚ方向を向いている。本明細書では、磁化方向が反平行といった場合、磁化の方向が概ね１８０度異なることをいい、磁化が＋ｚ方向を向いている場合を上向き、磁化が−ｚ方向を向いている場合を下向きということとする。
【００３２】
また、本実施形態では、参照層１２の最も障壁層１１側の強磁性層１４と障壁層１１の界面で界面磁気異方性が生じるように、強磁性層１４の材質と厚さを選定し、強磁性層１４の磁化方向が垂直方向となるようにしている。そして、上記のように参照層１２を積層フェリ構造とし、強磁性層１４の磁化Ｍ１４と強磁性層１６の磁化Ｍ１６とを反強磁性的に結合することで、磁化Ｍ１４と磁化Ｍ１６を垂直方向に固定している。このように、参照層１２は、磁化が垂直方向に固定されている。なお、強磁性層１４の磁化Ｍ１４と強磁性層１６の磁化Ｍ１６とを層間相互作用によって強磁性的に結合して磁化方向を固定することで、磁化Ｍ１４と磁化Ｍ１６の向きを垂直方向に固定するようにしてもよい。
【００３３】
本実施形態では、磁化Ｍ１４を下向きに固定し、磁化Ｍ１６を上向きに固定しているが、磁化Ｍ１４を上向きに固定し、磁化Ｍ１６を下向きに固定してもよい。さらに、結晶磁気異方性又は形状磁気異方性によって、強磁性層１４及び強磁性層１６の磁化方向を垂直方向とし、強磁性層１４の磁化Ｍ１４と強磁性層１６の磁化Ｍ１６とを層間相互作用によって反強磁性的に結合して磁化方向を固定することで、磁化Ｍ１４と磁化Ｍ１６の向きを垂直方向に固定するようにしてもよい。
【００３４】
強磁性層１４及び強磁性層１６は、記録層１０と同様の材料で形成することができ、非磁性層１５は、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ又はこれら合金などで形成することができる。非磁性層１５は、Ｒｕの場合は０．５ｎｍ〜１．０ｎｍ、Ｉｒの場合は０．５ｎｍ〜０．８ｎｍ、Ｒｈの場合は０．７ｎｍ〜１．０ｎｍ、Ｏｓの場合は０．７５ｎｍ〜１．２ｎｍ、Ｒｅの場合は０．５ｎｍ〜０．９５ｎｍ程度の厚さに形成する。本実施形態では、参照層１２を、強磁性層１４：障壁層１１側からＣｏ−Ｆｅ−Ｂ（１．５ｎｍ）/Ｔａ（０．４ｎｍ）／Ｃｏ（０．６ｎｍ）／（Ｐｔ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ（０．２５ｎｍ））３／Ｐｔ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ（１．０）ｎｍ、非磁性層１５：Ｒｕ（０．８５ｎｍ）、強磁性層１６：非磁性層側からＣｏ１．０ｎｍ／（Ｐｔ０．８ｎｍ／Ｃｏ０．２５ｎｍ）１３と構成し、強磁性層１４をＣｏ−Ｆｅ−Ｂとすることで、強磁性層１４の磁化方向を界面磁気異方性によって垂直方向としている。なお、「（Ｐｔ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ（０．２５ｎｍ））３」という記載の括弧の後の「３」という数字は、Ｐｔ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ（０．２５ｎｍ）２層膜が３回繰り返し積層されていることを意味している（すなわち、合計６層膜である。）。「（Ｐｔ０．８ｎｍ／Ｃｏ０．２５ｎｍ）１３」という記載の「１３」についても同様である。
【００３５】
強磁性層１４は、上記のように、障壁層１１上に、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｆｅ−Ｂ又はＣｏ−Ｂなどで構成されるアモルファス強磁性層（０．６ｎｍ〜２．０ｎｍ程度）、Ｔａ、Ｗ又はＭｏなどを含む非磁性層（１ｎｍ以下）、強磁性層の順に積層した３層膜であってもよい。強磁性層１４のアモルファス強磁性層と強磁性層とは、層間相互作用によって強磁性的に結合する。強磁性層１４は、例えば、アモルファス強磁性層：Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ（１．５ｎｍ）／非磁性層：Ｔａ（０．５ｎｍ）／強磁性層：垂直磁気異方性を有する結晶質強磁性層などのように構成する。このようにすると、アモルファス強磁性層の磁化方向が垂直方向となり、アモルファス強磁性層と非磁性層を挟んで向かい合う強磁性層の磁化方向も垂直方向となり、強磁性層１４の磁化方向を垂直方向とすることができる。
【００３６】
絶縁層５は、磁気記録部３の下部に、磁気記録部３が設けられた重金属層２の表面とは反対側の面である重金属層２の裏面（重金属層２の磁気記録部３とは反対側の面）に設けられている。絶縁層５は、重金属層２を挟んで記録層１０と向かい合う位置に配置され、磁気記録部３の底面（磁気記録部３の重金属層２と接する面）を概ねカバーしている。本実施形態では、絶縁層５は、面内方向に切断した断面形状が磁気記録部３と同じ円形状をした円柱形状の薄膜であり、円柱形状の磁気記録部３の中心軸と円柱形状の絶縁層５の中心軸とが重なるように配置されている。絶縁層５は、磁気記録部３の底面の全面を覆っていれば良く、加工時のあわせ制度を考慮して、記録層１０のサイズより少し大きめに作製することが好ましい。
【００３７】
絶縁層５は、例えば、Ｈｉｇｈ−ｋ材料のような誘電率の高い絶縁体（高誘電率絶縁体）で構成された絶縁膜であることが好ましく、重金属層２の裏面に設けられている。より具体的には、絶縁層５は、ＡｌＯｘ、ＨｆＳｉＯｘ、Ｎを添加したＨｆＳｉＯｘ、ＨｆＡｌＯｘ、Ｎを添加したＨｆＡｌＯｘ、ＨｆＯ２Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯｘ及びＬａＡｌＯｘなどのＨｉｇｈ−ｋ材料（ｘ＞０、ｙ＞０）で構成されることがより好ましい。また、絶縁層５は、Ｈｉｇｈ−ｋ材料で形成されるのが望ましいが、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘＮｙのような一般的な絶縁体で形成してもよい（ｘ＞０、ｙ＞０）。高誘電率絶縁体の比誘電率は、概ね１０〜３０程度である。
【００３８】
絶縁層５の厚さは、後述する第１端子Ｔ１から絶縁層５を介して重金属層２に電圧を印加したとき、絶縁層５にトンネル電流やリーク電流が流れたり、絶縁層５が絶縁破壊したりしない程度の厚さであることが望ましい。絶縁層５の厚さは、用いる材料と印加する電圧にもよるが、概ね１．５ｎｍ以上であり、１００ｎｍ以下であることが望ましく、２．０ｎｍ以上であり、１０ｎｍ以下であることがさらに望ましい。なお、本実施形態では、絶縁層５を重金属層２側からＨｆＯｘ／ＳｉＯｘ２層膜で形成し、厚さはそれぞれ、２ｎｍ、１ｎｍとしている。このように磁気抵抗効果素子１は、重金属層２の裏面に絶縁層５を有しているので、絶縁層５に電圧を印加することで、絶縁層５と磁気記録部３との間の重金属層２に電圧を印加でき、電場を生じさせることができる。所望の電場を重金属層２に付与できれば、絶縁層５の膜厚は、絶縁層５にトンネル電流やリーク電流が流れたり、絶縁層５が絶縁破壊したりしない範囲で、薄ければ薄いほど、印加電圧を低減でき、消費電力が低減できる。
【００３９】
絶縁層５は、下地層や回路基板上にＣＶＤなどの一般的な成膜手法で絶縁体を堆積し、その後リソグラフィ技術により所定形状（本実施形態では円柱形状）に成型することで、作製される。第１端子Ｔ１を設ける場合は、例えばＣｕを堆積した後に、連続して絶縁体を堆積した後に、リソグラフィなどにより第１端子Ｔ１と絶縁層５を成型する。例えば、ＦＥＴ型のトランジスタが埋め込まれた回路基板上のトランジスタのドレイン端子配線上に絶縁層５は形成される。そして、絶縁層５上に重金属層２及び磁気記録部３が形成される。実際には、絶縁層５を成型後、絶縁層５の周囲に、絶縁層５と同じ高さの層間絶縁膜を形成してから、平坦化処理を行ってから重金属層２を形成する。
【００４０】
このような磁気抵抗効果素子１には、電圧を印加したり、電流を流したりして書き込み動作や読み込み動作をするための４つの端子（第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２、第３端子Ｔ３、第４端子Ｔ４）が接続されている。磁気抵抗効果素子１は、４端子の素子である。第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２、第３端子Ｔ３、第４端子Ｔ４は、例えばＣｕ、Ａｌ及びＡｕなどの導電性を有する金属で形成された部材であり、その形状は特に限定されない。
【００４１】
第１端子Ｔ１は、絶縁層５の下部、すなわち、絶縁層５及び重金属層２を挟んで磁気記録部３と向かい合う位置に、絶縁層５に接して設けられている。本実施形態では、第１端子Ｔ１は、面内方向に切断した断面形状が絶縁層５と同じ円形状をした円柱形状の薄膜であり、絶縁層５の重金属層２と接する面の裏側の面に配置され、当該裏面の全面をカバーしている。また、本実施形態では、ＦＥＴ型の第１トランジスタＴｒ１が第１端子Ｔ１に接続されている。第１トランジスタＴｒ１は、ドレインが第１端子Ｔ１に接続され、ソースが図示しない書き込みビット線に接続され、ゲートが図示しない制御装置に接続されている。制御装置は、第１トランジスタＴｒ１のゲートにゲート電圧を印加し、第１トランジスタＴｒ１のオンとオフを制御する。制御装置は、書き込みビット線も接続されており、書き込みビット線の電圧レベルを制御する。書き込みビット線は電圧レベルがＶＡｓｓｉｓｔに設定されており、第１トランジスタＴｒ１をオンにすることで、磁気記録部３の記録層１０の磁化Ｍ１０を反転させるための書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔが、絶縁層５を介して重金属層２に印加される。このように、第１端子Ｔ１は、絶縁層５に接続され、絶縁層５を介して重金属層２に電圧を印加する。
【００４２】
第２端子Ｔ２は、磁気記録部３の参照層１２上に、参照層１２（の強磁性層１６）と接して設けられ、参照層１２に接続されている。本実施形態では、第２端子Ｔ２は、面内方向に切断した断面形状が磁気記録部３と同じ円形状をした円柱形状の薄膜であり、磁気記録部３の上面に配置され、当該上面の全面をカバーしている。また、本実施形態では、ＦＥＴ型の第２トランジスタＴｒ２が第２端子Ｔ２に接続されている。第２トランジスタＴｒ２は、ドレインが第２端子Ｔ２に接続され、ソースが図示しない読み出しビット線に接続され、ゲートが上記の制御装置に接続されている。制御装置は、第２トランジスタＴｒ２のゲートにゲート電圧を印加し、第２トランジスタＴｒ２のオンとオフを制御する。制御装置は、読み出しビット線も接続されており、読み出しビット線の電圧レベルを制御する。読み出しビット線は電圧レベルがＶＲｅａｄに設定されており、第２トランジスタＴｒ２をオンとすることで、第２端子Ｔ２に読み出し電圧ＶＲｅａｄが印加される。
【００４３】
第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４とは、両端子間に磁気記録部３が配置されるように、重金属層２の一端部と他端部とに設けられている。本実施形態では、重金属層２の第１方向の一端部の表面に第３端子Ｔ３が設けられ、重金属層２の第１方向の他端部の表面に第４端子Ｔ４が設けられている。第３端子Ｔ３はＦＥＴ型の第３トランジスタＴｒ３が接続され、第４端子Ｔ４はグラウンドに接続されている。第３トランジスタＴｒ３は、ドレインが第３端子Ｔ３に接続され、ソースが図示しないコントロール線に接続され、ゲートが上記の制御装置に接続されている。制御装置は、第３トランジスタＴｒ３のゲートにゲート電圧を印加し、第３トランジスタＴｒ３のオンとオフを制御する。制御装置は、コントロール線も接続されており、コントロール線の電圧レベルを制御する。
【００４４】
コントロール線は電圧レベルがＶＷに設定されており、第３トランジスタＴｒ３をオンにすることで、書き込み電圧ＶＷが第３端子Ｔ３に印加され、第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４の間で書き込み電流Ｉｗが第１方向に流れる。このように、第３端子Ｔ３及び第４端子Ｔ４は、重金属層２（の一端部と他端部）に接続され、磁気記録部３と絶縁層５との間の重金属層２に書き込み電流Ｉｗを流す。また、第２トランジスタＴｒ２と第３トランジスタＴｒ３をオンにすることで、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３の間で、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３の電位差に応じて磁気記録部３の抵抗値を読み取るための読み出し電流Ｉｒが流れる。本実施形態では、ＶＷをＶＲｅａｄより高く設定しているので、第３端子Ｔ３から重金属層２及び磁気記録部３を介して、第２端子Ｔ２へ、読み出し電流Ｉｒを流すことができる。
【００４５】
このように、本実施形態では、重金属層２の表面（磁気記録部３が設けられた面）に第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４とを設け、上側から磁気抵抗効果素子１へのコンタクトを取るようにしているが、これに限られない。例えば、重金属層２の裏面（磁気記録部３が設けられた面の裏側の面）に第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４とを設け、下側から磁気抵抗効果素子１へのコンタクトを取るようにしてもよい。
【００４６】
（１−２）磁気抵抗効果素子の書き込み方法及び読み出し方法
このような磁気抵抗効果素子１の書き込み方法について、図１Ａ、図１Ｂと同じ構成には同じ番号を付した図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄを参照して説明する。磁気抵抗効果素子１は、記録層１０と参照層１２の磁化方向が、平行か、反平行かによって、磁気記録部３の抵抗が変化する。実際には、磁気抵抗効果素子１は、参照層１２が積層膜であるので、記録層１０の磁化方向と、障壁層１１に接する参照層１２の強磁性層１４の磁化方向とが、平行か、反平行かによって磁気記録部３の抵抗が変わる。また、記録層１０も積層膜の場合、磁気抵抗効果素子１は、記録層１０の障壁層１１に接する強磁性層の磁化方向と、参照層１２の障壁層１１に接する強磁性層１４の磁化方向とが、平行か、反平行かによって磁気記録部３の抵抗が変わる。
【００４７】
本明細書では、記録層１０と参照層１２が平行状態といった場合は、記録層１０や参照層１２が積層膜で、記録層１０の障壁層１１に接する強磁性層の磁化方向と、参照層１２の障壁層１１に接する強磁性層１４との磁化方向が平行な状態も含むものとする。そして、記録層１０と参照層１２が反平行状態といった場合は、記録層１０や参照層１２が積層膜で、記録層１０の障壁層１１に接する強磁性層の磁化方向と、参照層１２の障壁層１１に接する強磁性層１４との磁化方向が反平行な状態であることを指すものとする。
【００４８】
磁気抵抗効果素子１では、平行状態と反平行状態とで磁気記録部３の抵抗値が異なることを利用して、平行状態と反平行状態とに“０”と“１”の１ビットデータを割り当てることにより、磁気抵抗効果素子１にデータを記憶させる。磁気抵抗効果素子１は、記録層１０の磁化方向が反転可能なので、記録層１０の磁化方向を反転させることで、磁気記録部３の磁化状態を平行状態と反平行状態との間で遷移させ、“０”を記憶した磁気記録部３(以下、ビットともいう)に“１”を記憶させ、“１”を記憶したビットに“０”を記憶させる。本明細書では、このように、記録層１０の磁化方向を反転させて磁気記録部３の抵抗値を変化させることを、データを書き込むともいうこととする。
【００４９】
磁気抵抗効果素子１の書き込み方法についてより具体的に説明する。本実施形態では、重金属層２がスピンホール角の符号が正であるＰｔ−Ａｕで構成されている。そこで、重金属層２のスピンホール角が正である場合を例として説明する。重金属層２のスピンホール角が負の場合は、下記書き込み電流Ｉｗの方向を逆にするか、書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔの符号を逆にするかいずれかを行うことで、同様の記録層１０のスピン方向制御をすることが可能となる。データ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子１にデータ“０”を書き込む場合を説明する。
【００５０】
この場合、初期状態では、磁気抵抗効果素子１は、データ“１”を記憶しており、記録層１０の磁化方向が上向きで、参照層１２の障壁層１１と接する強磁性層１４の磁化方向が下向きであり、磁気記録部３が反平行状態であるとする。そして、第１トランジスタＴｒ１、第２トランジスタＴｒ２及び第３トランジスタＴｒ３はオフにされているものとする。
【００５１】
まず、磁気抵抗効果素子１は、図２Ａに示すように、第１トランジスタＴｒ１のみをオンにし、正の書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔが第１端子Ｔ１から絶縁層５を介して重金属層２へ印加する。その結果、重金属層２に−ｚ方向の電場が生じる。書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔの大きさは、絶縁層５の材料や厚さ、書き込み電流Ｉｗの大きさに応じて適宜調整される。本実施形態では、絶縁層５をＨｆＯｘ（２ｎｍ）／ＳｉＯｘ（１ｎｍ）２層膜で形成しているので、例えば、書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔを１．５Ｖに設定する。なお、このとき、第２トランジスタＴｒ２がオフであるので、絶縁層５を介して重金属層２に電圧が印加されても、障壁層１１には電圧は印加されない。
【００５２】
次に、図２Ｂ（図２Ｂでは書き込み後の記録層１０の磁化方向を示している）に示すように、第１トランジスタＴｒ１がオン状態のままで、第３トランジスタＴｒ３をオンにし、第３端子Ｔ３に書き込み電圧ＶＷを印加する。このとき、書き込み電圧ＶＷが、グラウンド電圧よりも高く設定されているので、第３端子Ｔ３から重金属層２を介して第４端子Ｔ４へ書き込み電流Ｉｗが流れ、重金属層２の一端部から他端部へと＋ｘ方向に書き込み電流Ｉｗが流れる。絶縁層５を有しているので、第３端子Ｔ３から第１端子Ｔ１へは電流が流れない。また、第２トランジスタＴｒ２がオフであるので、第３端子Ｔ３から磁気記録部３を介して第２端子Ｔ２へも電流は流れない。本実施形態では、書き込み電流Ｉｗは重金属層２の一端部と他端部との間を流れる。書き込み電流Ｉｗはパルス電流であり、第３トランジスタＴｒ３をオンとする時間を調整することで、パルス幅を変えることができる。
【００５３】
重金属層２に書き込み電流Ｉｗが流れると、重金属層２内で、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果によってスピン流（スピン角運動の流れ）が生じ、紙面手前側（図１Ａでは−ｙ方向）を向いたスピンが重金属層２の上面側（＋ｚ方向）に流れ、当該スピンと向きが反平行で紙面奥側（図１Ａでは＋ｙ方向）を向いたスピンが重金属層２の下面側（−ｚ方向）に流れて、重金属層２内でスピンが偏在する。
【００５４】
このとき、絶縁層５と記録層１０に挟まれた重金属層２では、−ｚ方向の電場が生じており、電子が−ｘ方向に流れているので、ラシュバ効果によって有効磁場が生じ、当該有効磁場により偏在したスピンが歳差運動をする。この歳差運動したスピンが、重金属層２を流れるスピン流によって記録層１０に流入すると、記録層１０の磁化Ｍ１０が所定方向に反転し易くなり、流入した歳差運動したスピンからのトルクによって上向きの磁化Ｍ１０が下向きに反転し、平行状態となる。このように、重金属層２に絶縁層５を介して電圧が印加され、重金属層２に書き込み電流Ｉｗが流れることで、記録層１０が磁化反転する。第１トランジスタＴｒ１は、第３トランジスタＴｒ３がオフにされた後、オフにされる。すなわち、書き込み電流Ｉｗをオフにした後、書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔの印加をオフにする。
【００５５】
次に、データ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子１にデータ“１”を書き込む場合を説明する。
【００５６】
この場合、初期状態では、磁気抵抗効果素子１は、データ“０”を記憶しており、記録層１０の磁化方向が下向きで、参照層１２の障壁層１１と接する強磁性層１４の磁化方向が下向きであり、磁気記録部３が平行状態であるとする。そして、第１トランジスタＴｒ１、第２トランジスタＴｒ２及び第３トランジスタＴｒ３はオフにされているものとする。
【００５７】
まず、図２Ｃに示すように、第１トランジスタＴｒ１のみをオンにし、負の書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔを第１端子Ｔ１から絶縁層５を介して重金属層２へ印加する。その結果、重金属層２に＋ｚ方向の電場が生じる。
【００５８】
次に、図２Ｄ（図２Ｄでは書き込み後の記録層１０の磁化方向を示している）に示すように、第１トランジスタＴｒ１がオン状態のままで、第３トランジスタＴｒ３をオンにし、第３端子Ｔ３に書き込み電圧Ｖｗが印加する。このとき、書き込み電圧Ｖｗが、グラウンド電圧よりも高く設定されているので、第３端子Ｔ３から重金属層２を介して第４端子Ｔ４へ書き込み電流Ｉｗが流れ、重金属層２の一端部から他端部へと＋ｘ方向に書き込み電流Ｉｗが流れる。
【００５９】
重金属層２に書き込み電流Ｉｗが流れると、重金属層２内で、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果によってスピン流（スピン角運動の流れ）が生じ、紙面手前側（図１Ａでは−ｙ方向）を向いたスピンが重金属層２の上面側（＋ｚ方向）に流れ、当該スピンと向きが反平行で紙面奥側（図１Ａでは＋ｙ方向）を向いたスピンが重金属層２の下面側（−ｚ方向）に流れて、重金属層２内でスピンが偏在する。
【００６０】
このとき、絶縁層５と記録層１０に挟まれた重金属層２では、＋ｚ方向の電場が生じており、電子が−ｘ方向に流れているので、ラシュバ効果によって有効磁場が生じ、当該有効磁場により偏在したスピンが歳差運動をする。この歳差運動したスピンが、重金属層２を流れるスピン流によって記録層１０に流入すると、記録層１０の磁化Ｍ１０が所定方向に反転し易くなり、流入した歳差運動したスピンからのトルクによって下向きの磁化Ｍ１０が上向きに反転し、反平行状態となる。そして、第３トランジスタＴｒ３をオフにした後、第１トランジスタＴｒ１をオフにする。すなわち、書き込み電流Ｉｗをオフにした後、書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔの印加をオフにする。
【００６１】
このように、磁気抵抗効果素子１では、絶縁層５を介して重金属層２に電圧を印加すると共に、重金属層２の一端部と他端部との間に書き込み電流Ｉｗを流すことで、磁気記録部３の記録層１０の磁化方向を反転させ、データ“０”又はデータ“１”を書き込むことができる。
【００６２】
従来のＳＯＴ−ＭＲＡＭ素子は、重金属層の一端部と他端部に電圧を印加して、重金属層に書き込み電流を流すと共に、ＭＴＪに電圧を印加して記録層の磁気異方性を小さくすることで、重金属層から注入されるスピンによって記録層が磁化反転するようにしていた。そのため、書き込み時にＭＴＪに電流が流れていた。一方で、本実施形態の磁気抵抗効果素子１は、書き込み動作時、第２トランジスタＴｒ２は常時オフであるので、磁気記録部３のＭＴＪには電圧が印加されず、電流も流れない。また、磁気抵抗効果素子１は、絶縁層５を介して重金属層２に電圧を印加しても障壁層１１には電圧は印加されない。
【００６３】
このように、磁気抵抗効果素子１は、従来の磁気抵抗効果素子のように、データを書き込むために磁気記録部３に電圧を印加しなくても、絶縁層５を介して重金属層２に電圧を印加して、重金属層２に書き込み電流Ｉｗを流すことで、磁気記録部３の記録層１０を磁化反転させることができる。そのため、磁気抵抗効果素子１は、書き込み時に、磁気記録部３の障壁層１１に電圧が印加されず、電流も流れないので、障壁層１１の厚さを薄くして磁気記録部３の抵抗値を小さくすることができ、書き込み動作に要する時間を短縮でき、磁気抵抗効果素子１を高速化できる。
【００６４】
また、従来のＳＯＴ−ＭＲＡＭ素子では、記録層及び障壁層が面内方向に対して垂直に磁化したＭＴＪを用いた場合、磁場印加装置を用意するなどして、ＭＴＪに対して外部磁場を印加しないと記録層を磁化反転することができず、データを書き込むことができなかった。一方で、本実施形態の磁気抵抗効果素子１は、書き込み電流Ｉｗを重金属層２に流すと共に絶縁層５を介して重金属層２に電圧を印加し、ラシュバ効果によって生じた有効磁場によって偏在するスピンを歳差運動させ、歳差運動するスピンを記録層１０にスピン流によって注入することで、歳差運動したスピンによって垂直方向に磁化した記録層１０を磁化反転できるので、外部磁場を印加することなく記録層１０を磁化反転でき、データを書き込むことができる。さらに、磁場印加装置を用意する必要もないので省スペース化できる。
【００６５】
続いて読み出し方法について図３を用いて説明する。このとき、初期状態では、すべてのトランジスタがオンにされているものとする。読み出しは、第２トランジスタと第３トランジスタとをオンにして、第２端子Ｔ２に読み出し電圧ＶＲｅａｄを印加し、第３端子Ｔ３に書き込み電圧ＶＷを印加する。このとき、読み出し電圧ＶＲｅａｄは、書き込み電圧ＶＷよりも低く設定されているので、第３端子Ｔ３から重金属層２、記録層１０、障壁層１１、参照層１２、第２端子Ｔ２の順に読み出し電流Ｉｒが流れる。読み出し電流Ｉｒは磁気記録部３の抵抗値によって大きさが変わるので、読み出し電流Ｉｒの大きさから磁気記録部３が平行状態か反平行状態か、すなわち、磁気記録部３がデータ“０”を記憶しているか、データ“１”を記憶しているか読み出すことができる。読み出し電流Ｉｒは、パルス電流であり、第２トランジスタＴｒ２をオンにする時間を調整することで、パルス幅を調整する。
【００６６】
なお、読み出し電流Ｉｒは、読み出し電流Ｉｒが磁気記録部３を流れたとき、読み出し電流Ｉｒによって記録層１０がスピン注入磁化反転しない程度の弱い電流に設定するのが望ましい。書き込み電圧ＶＷと読み出し電圧ＶＲｅａｄの電位差を適宜調整して、読み出し電流Ｉｒの大きさを調整する。また、第３トランジスタＴｒ３をオンにして書き込み電圧ＶＷをオンにしてから、第２トランジスタＴｒ２をオンにして読み出し電圧ＶＲｅａｄをオンにするのが望ましい。このようにすることで、第２端子Ｔ２から磁気記録部３を介して第４端子Ｔ４へ電流が流れることを抑制でき、磁気記録部３に読み出し電流以外の電流が流れることを抑制できる。
【００６７】
その後、第２トランジスタＴｒ２をオフにした後、第３トランジスタＴｒ３をオフにする。第３トランジスタＴｒ３を第２トランジスタＴｒ２より後にオフにすることで、すなわち、書き込み電圧ＶＷを読み出し電圧ＶＲｅａｄより後にオフすることで、第２端子Ｔ２から磁気記録部３及び重金属層２を介して第４端子Ｔ４へ、読み出し電圧ＶＲｅａｄとグラウンド電圧との電位差に応じた電流が流れることを抑制できる。よって、磁気抵抗効果素子１は、障壁層１１を保護でき、障壁層１１をさらに薄くすることもでき、さらには、磁気記録部３を流れる電流によって記録層１０の磁化状態が変化するＲｅａｄディスターブも抑制することができる。
【００６８】
このように、磁気抵抗効果素子１は、書き込み時には第１端子Ｔ１に電圧ＶＡｓｓｉｓｔを印加し、読み出し時には第２端子Ｔ２に読み出し電圧ＶＲｅａｄを印加しており、書き込み時の電圧制御ラインと読み出し時の電圧制御ラインが異なっているため、Ｒｅａｄディスターブ・フリー及びＷｒｉｔｅディスターブ・フリーなメモリアレイを構築できる。
【００６９】
なお、磁気抵抗効果素子１では、記録層１０の磁化方向（記録層１０が積層膜の場合は重金属層と接する強磁性層の磁化方向）に応じて、書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔの符号と書き込み電流Ｉｗを流す方向が変わる。上記の記録層１０の磁化Ｍ１０が上向きであるケースでは、書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔをプラスとし、書き込み電流Ｉｗを＋ｘ方向に流すことで上向きの磁化Ｍ１０を下向きに反転させることができる。そして、上記の記録層１０の磁化Ｍ１０が下向きである場合は、書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔをマイナスとし、書き込み電流Ｉｗを＋ｘ方向に流すことで下向きの磁化Ｍ１０を上向きに反転させることができる。
【００７０】
一方で、記録層１０の磁化Ｍ１０が上向きのケースでは、図２Ａ、図２Ｂと同じ構成には同じ符号を付した図４Ａ、図４Ｂ（図４Ａが書き込み前の記録層１０の磁化方向を示し、図４Ｂが書き込み後の記録層１０の磁化方向を示している。）に示すように、書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔの符号をマイナスとし、負の電圧を重金属層２に印加し、書き込み電流Ｉｗを−ｘ方向に流すことでも、上向きの磁化Ｍ１０を下向きに反転させることができる。
【００７１】
また、磁化Ｍ１０が下向きのケースでは、図２Ａ、図２Ｂと同じ構成には同じ符号を付した図４Ｃ、図４Ｄ（図４Ｃが書き込み前の磁化方向を示し、図４Ｄが書き込み後の磁化方向を示している。）に示すように、書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔの符号をプラスとし、正の電圧を重金属層２に印加し、書き込み電流Ｉｗを−ｘ方向に流すことで、下向きの磁化Ｍ１０を上向きに反転させることができる。
【００７２】
なお、重金属層２を構成する材料のスピンホール角の符号が負の場合は、上記の各ケースにおいて、書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔの符号及び書き込み電流Ｉｗを流す方向のいずれか一方を逆にすることで、記録層１０を磁化反転することができる。例えば、図２Ａ、図２Ｂのケースでは、書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔの符号をマイナスとし、負の電圧を重金属層２に印加し、書き込み電流Ｉｗを＋ｘ方向に流すことで、上向きの磁化Ｍ１０を下向きに反転させることができる。
【００７３】
（１−３）本発明の実施形態の磁気抵抗効果素子の変形例
上記の実施形態では、絶縁層５の断面形状を磁気記録部３と同じ円形状とし、磁気記録部３の底面の全面を重金属層２裏面上で覆うようにした場合について説明したが、本発明はこれに限られない。絶縁層５は、磁気記録部３の底面を重金属層２の裏面側から概ねカバーできれば、その形状は特に限定されず、三角形状、四角形状、四角形以上の多角形形状又は楕円形状など、種々の形状をしていてもよい。また、絶縁層５は、面内方向の断面積が磁気記録部３の断面積より大きくてもよく、例えば、図５Ａに示す磁気抵抗効果素子１ａのように、絶縁層５１の面内方向の断面形状を重金属層２と同形状にし、重金属層２の裏面を全面的に覆うようにしてもよい。このようにすることで、絶縁層５１と重金属層２を連続して積層でき、絶縁層を例えば円柱形状などに成型するプロセスを省略することができるので、より容易に磁気抵抗効果素子を製造することができる。
【００７４】
また、図５Ｂに示す磁気抵抗効果素子１ｂのように参照層１２の強磁性層１６上にダイオード１７ｃを備えるようにしてもよい。ダイオード１７ｃは、アノード側が強磁性層１６に接し、カソード側が第２端子Ｔ２と接しており、第２端子Ｔ２から重金属層２に電流が流れることを抑制する。このようにすることで、読み出し動作時に、読み出し電圧ＶＲｅａｄがグラウンド電圧より高いために第２端子Ｔ２から磁気記録部３、重金属層２を介して第４端子Ｔ４へ電流が流れることを抑制でき、読み出し電流Ｉｒのみを磁気記録部３に流すことができるので、障壁層１１の厚さをより薄くできる。なお、ダイオード１７ｃの構成は、特に限定されず、例えば、ダイオード１７ｃは、強磁性層１６上にＰ型半導体層とＮ型半導体層をこの順に積層したＰＮ接合であってもよい。
【００７５】
また、図５Ｃに示す磁気抵抗効果素子１ｃのように、回路基板（図示せず）に第２端子Ｔ２、磁気記録部３、重金属層２、絶縁層５、第１端子Ｔ１の順に積層され、絶縁層５の下部に重金属層２を挟んで磁気記録部３が配置された構成であってもよい。この場合も、磁気記録部３の記録層１０が重金属層２と接するようにする。
【００７６】
さらに、上記の実施形態では、図１Ｂに示したように、絶縁層５及び第１端子Ｔ１の面内方向の断面積を、磁気記録部３の面内方向の断面積と同じに形成した場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図５Ｄに示す磁気抵抗効果素子１ｄのように、絶縁層５５及び第１端子Ｔ１ｄの面内方向の断面積を、磁気記録部３の面内方向の断面積よりも大きく形成してもよい。このように、磁気抵抗効果素子として、絶縁層５及び第１端子Ｔ１の面内方向の断面積を、磁気記録部３の面内方向の断面積よりも大きくし、磁気記録部３の下部全体に電圧が印加されるようにすることが好ましいが、絶縁層５及び第１端子Ｔ１の面内方向の断面積を、磁気記録部３の面内方向の断面積よりも小さく形成してもよい。さらに、これら絶縁層や第１端子、磁気記録部は、円柱形状ではなく角柱形状等その他種々の柱状に形成されていてもよい。磁気記録部３の断面形状と同じ断面形状に形成された第２端子Ｔ２についても同様である。
【００７７】
また、上記の実施形態では、絶縁層５及び第１端子Ｔ１と、磁気記録部３との断面形状が同じ形状・大きさであり、磁気記録部３の中心軸と、絶縁層５及び第１端子Ｔ１の中心軸とが重なるように配置した場合（磁気記録部３と、絶縁層５及び第１端子Ｔ１とがセルフアラインに面一の構造をしている場合）について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図５Ｅに示す磁気抵抗効果素子１ｅのように、絶縁層５５及び第１端子Ｔ１ｄの面内方向の断面積を、磁気記録部３の面内方向の断面積よりも大きくし、かつ絶縁層５５及び第１端子Ｔ１ｄの一方の端部位置を、磁気記録部３の端部位置とほぼ同じ直線上の位置に配置した構成とし、磁気記録部３の形成位置と、絶縁層５及び第１端子Ｔ１の形成位置とがずれている構成であってもよい。すなわち、磁気記録部３の中心軸と、絶縁層５５及び第１端子Ｔ１ｄの中心軸とがずれており、磁気記録部３と、絶縁層５５及び第１端子Ｔ１ｄとがセルフアラインに面一の構造でなくてもよい。このように、磁気抵抗効果素子１ｅでは、絶縁層５５及び第１端子Ｔ１ｄと、磁気記録部３とに中心軸の位置ずれがあるものの、絶縁層５５が磁気記録部３の底部全体をカバーしていることから、磁気記録部３の下部全体に電圧を印加させることができる。
【００７８】
さらに、図５Ｆに示す磁気抵抗効果素子１ｆのように、絶縁層５及び第１端子Ｔ１と、磁気記録部３との断面形状を同じ形状・大きさとしつつ、磁気記録部３の中心軸と、絶縁層５及び第１端子Ｔ１の中心軸との位置をずらした構成としてもよい。すなわち、絶縁層５及び第１端子Ｔ１の両端部位置と、磁気記録部３の両端部位置とが同じ直線上に位置しておらず、絶縁層５が磁気記録部３の底部全体をカバーしておらず、一部領域をカバーしている構成であってもよい。このように、磁気記録部３と、絶縁層５５及び第１端子Ｔ１ｄとがセルフアラインに面一の構造をしていなくても、磁気記録部３の下部に電圧を印加させることができる。
【００７９】
また、図５Ｇに示す磁気抵抗効果素子１ｇのように、絶縁層５１の面内方向の断面形状が重金属層２と同形状であり、絶縁層５１が重金属層２の裏面を全面的に覆う場合についても同様に、磁気記録部３と、第１端子Ｔ１とがセルフアラインに面一の構造をしていなくてもよい。また、図５Ｈに示す参照層１２の強磁性層１６上にダイオード１７ｃを備える磁気抵抗効果素子１ｈについても、磁気記録部２２と、絶縁層５及び第１端子Ｔ１とがセルフアラインに面一の構造をしていなくてもよい。加えて、図５Ｉに示す絶縁層５の下部に重金属層２を挟んで磁気記録部３が配置された構成の磁気抵抗効果素子１ｉについても、磁気記録部３と、絶縁層５及び第１端子Ｔ１とがセルフアラインに面一の構造をしていなくてもよい。
【００８０】
さらに、上記の実施形態では、磁気記録部３の反平行状態の抵抗値をデータ“１”に対応させ、平行状態の抵抗値を“０”に対応させてデータを記億した場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、磁気記録部３の反平行状態の抵抗値をデータ“０”に対応させ、平行状態の抵抗値を“１”に対応させてデータを記憶してもよい。
【００８１】
上記の実施形態では、第１トランジスタＴｒ１をオンにして絶縁層５を介して重金属層２に電圧を印加した後に、第３トランジスタＴｒ３をオンにして書き込み電流Ｉｗを重金属層２に流して磁気記録部３の記録層１０の磁化方向を反転させた場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、第１トランジスタＴｒ１と第３トランジスタＴｒ３を同時にオンにし、重金属層２への電圧の印加と、重金属層２に書き込み電流Ｉｗを流すことを同時に行うようにしてもよい。さらに、第３トランジスタＴｒ３をオンにして、書き込み電流Ｉｗを重金属層２に流してから、第１トランジスタＴｒ１をオンにして、重金属層２に電圧を印加して、磁気記録部３の記録層１０の磁化方向を反転させるようにしてもよい。このように、書き込み時の第１トランジスタＴｒ１及び第３トランジスタＴｒ３をオンにするタイミングは特に限定されないが、第１トランジスタＴｒ１をオンにした後に、第３トランジスタＴｒ３をオンにするのが、ＷＥＲ（Write Error Rate：書き込みエラー率）を減少させることができるので好ましい。
【００８２】
また、上記の実施形態では、第３トランジスタＴｒ３をオフにして書き込み電流Ｉｗをオフにした後に、第１トランジスタＴｒ１をオフにして絶縁層５を介して重金属層２に印加する電圧をオフにした場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、第１トランジスタＴｒ１と第３トランジスタＴｒ３を同時にオフにし、書き込み電流Ｉｗと重金属層２への電圧印加とを同時にオフにしてもよい。さらに、第１トランジスタＴｒ１をオフにして、重金属層２への電圧印加をオフにした後、第３トランジスタＴｒ３をオフにして、書き込み電流Ｉｗをオフにしてもよい。このように、書き込み時の第１トランジスタＴｒ１及び第３トランジスタＴｒ３をオフにするタイミングは特に限定されないが、第３トランジスタＴｒ３をオフにした後に、第１トランジスタＴｒ１をオフにするのが、ＷＥＲを減少させることができるので好ましい。
【００８３】
さらに、上記の実施形態では、第２トランジスタＴｒ２と第３トランジスタＴｒ３とをオンにして、第３端子Ｔ３から、重金属層２、磁気記録部３、第２端子Ｔ２へと読み出し電流Ｉｒを流した場合について説明したが、本発明はこれに限られない。第２トランジスタＴｒ２のみをオンにして、第２端子Ｔ２から、磁気記録部３、重金属層２、第４端子Ｔ４へと読み出し電流Ｉｒを流すようにしてもよい。また、読み出し電圧ＶＲｅａｄをグラウンド電圧より引く設定し、第２トランジスタＴｒ２のみをオンにし、グラウンドから第４端子Ｔ４、重金属層２、磁気記録部３、第２端子Ｔ２へと読み出し電流Ｉｒが流れるようにしてもよい。
【００８４】
上記の実施形態では、第４端子Ｔ４を直接グラウンドに接続した場合について説明したが本発明はこれに限られない。例えば、第４端子Ｔ４に第４トランジスタのドレインを接続し、グラウンドへの配線に第４トランジスタのソースを接続し、トランジスタを介して第４端子とグラウンドを接続するようにしてもよい。
【００８５】
（１−４）作用及び効果
以上の構成において、磁気抵抗効果素子１は、重金属層２と、膜面に対して垂直方向に磁化した強磁性層を含み、重金属層２の表面に設けられた記録層１０と、記録層１０の重金属層２とは反対側の面に設けられ、絶縁体で構成された障壁層１１と、障壁層１１の記録層１０とは反対側の面に設けられ、磁化が膜面に対して垂直方向に固定された参照層１２とを有する磁気記録部３と、重金属層２の磁気記録部３とは反対側の面に設けられた絶縁層５と、重金属層２及び絶縁層５を挟んで記録層１０と向かい合う位置で、絶縁層５に接続され、絶縁層５を介して重金属層２に電圧を印加する第１端子Ｔ１と、参照層１２に接続された第２端子Ｔ２と、重金属層２に接続され、磁気記録部３と絶縁層５との間の重金属層２に書き込み電流を流す第３端子Ｔ３及び第４端子Ｔ４とを備えるように構成した。
【００８６】
よって、磁気抵抗効果素子１は、重金属層２の絶縁層５を備え、重金属層２及び絶縁層５を挟んで記録層１０と向かい合う位置で絶縁層５に接続されるので、絶縁層５を介して重金属層２に電圧を印加すると共に、重金属層２に書き込み電流Ｉｗを流すことで、記録層１０を磁化反転でき、書き込み時に磁気記録部３に電流が流れない。そのため磁気抵抗効果素子１は、障壁層１１の厚さを薄くして磁気記録部３のＭＴＪの抵抗を小さくでき、読み出し動作を速くできる。
【００８７】
さらに磁気抵抗効果素子１は、書き込み時には絶縁層５を介して重金属層２に書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔを印加することで磁気記録部３に電流を流さなくてもデータを書き込むことができ、読み出し時には磁気記録部３に読み出し電流Ｉｒを流すことで記憶されたデータを読み出すことができ、書き込み時と読み出し時の電圧制御ラインを変えることができ、Ｒｅａｄディスターブ・フリー及びＷｒｉｔｅディスターブ・フリーにできる。
【００８８】
また、磁気抵抗効果素子１は、歳差運動するスピンが記録層１０に注入され、歳差運動するスピンによって垂直方向に磁化した記録層１０が磁化反転されるので、外部磁場を印加することなく記録層１０を磁化反転できる。
【００８９】
（２）本発明の実施形態の磁気メモリアレイ
（２−１）磁気メモリアレイの全体構成
図６に示すように、本実施形態の磁気メモリアレイ３０は、第１方向に延伸した細長形状の重金属層２と、複数の磁気記録部３と、複数の絶縁層５とを備えている。重金属層２、磁気記録部３及び絶縁層５の構成は、重金属層２の第１方向の長さが異なる点以外は磁気抵抗効果素子１と同様であるので、説明は省略する。磁気メモリアレイ３０では、細長形状をした重金属層２の表面に、複数の磁気記録部３が、重金属層２の第１方向に配列されている。磁気メモリアレイ３０では、有する磁気記録部３の数を適宜設定でき、それに合わせて重金属層２や磁気記録部３のサイズなどを決める。図６では、代表して３つの磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃを示している。また、図６では、各磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃに異なる番号を付しているが、各磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃを区別するための便宜的なものであり、構成は同様である。すなわち、磁気メモリアレイ３０は、磁気抵抗効果素子１を複数有し、一の磁気抵抗効果素子１の重金属層２が第１方向に延伸され、延伸された重金属層２を他の複数の磁気抵抗効果素子１が共有し、重金属層２の表面で、磁気記録部３が第１方向に配列されている。
【００９０】
絶縁層５は、磁気記録部３が設けられた重金属層２の表面とは反対側の面である重金属層の裏面に、磁気記録部３の数と同じだけ設けられ、各磁気記録部３の下部に配置されている。図６では、複数の絶縁層を区別するために各絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃというように絶縁層毎に異なる番号を付している。絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃは、重金属層２を挟んで各磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの記録層１０と向かい合う位置にそれぞれ配置され、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの底面（磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの重金属層２と接する面）を概ねカバーしている。
【００９１】
磁気メモリアレイ３０には、磁気抵抗効果素子１と同様に、端子（複数の第１端子Ｔ１、複数の第２端子Ｔ２、第３端子Ｔ３、第４端子Ｔ４）が接続されている。第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２、第３端子Ｔ３、第４端子Ｔ４は、磁気抵抗効果素子１の第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２、第３端子Ｔ３、第４端子Ｔ４と同様である部分は、説明を省略する。
【００９２】
第１端子Ｔ１は、各絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃの下部にそれぞれ１つずつ設けられている。第１端子Ｔ１は、絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃを挟んで重金属層２と向かい合いあうように、絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃの重金属層２と接する面の裏面に設けられている。各第１端子Ｔ１は、ＦＥＴ型の第１トランジスタＴｒ１が接続されている。絶縁層５ａに接続された第１トランジスタＴｒ１は、ソースが図示しない第１書き込みビット線に接続され、絶縁層５ｂに接続された第１トランジスタＴｒ１は、ソースが図示しない第２書き込みビット線に接続され、絶縁層５ｃに接続された第１トランジスタＴｒ１は、ソースが図示しない第３書き込みビット線に接続されている。各書き込みビット線は電圧レベルがＶＡｓｓｉｓｔに設定されている。第１トランジスタＴｒ１をオンにすることで、磁気記録部３の記録層１０の磁化Ｍ１０を反転させるための書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔを、絶縁層５を介して重金属層２に印加できる。
【００９３】
第２端子Ｔ２は、各磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの参照層１２上に、参照層１２（の強磁性層１６）と接して設けられている。また、各第２端子Ｔ２は、ＦＥＴ型の第２トランジスタＴｒ２が接続されている。磁気記録部３ａに接続された第２トランジスタＴｒ２は、ソースが図示しない第１読み出しビット線に接続され、磁気記録部３ｂに接続された第２トランジスタＴｒ２は、ソースが図示しない第２読み出しビット線に接続され、磁気記録部３ｃに接続された第２トランジスタＴｒ２は、ソースが図示しない第３読み出しビット線に接続されている。各読み出しビット線は電圧レベルがＶＲｅａｄに設定されており、第２トランジスタＴｒ２をオンとすることで、各第２端子Ｔ２に読み出し電圧ＶＲｅａｄが印加される。
【００９４】
第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４とは、重金属層２の一端部と他端部とに設けられており、両端子間に複数の磁気記録部３が配列されている。本実施形態では、重金属層２の第１方向の一端部の表面に第３端子Ｔ３が設けられ、重金属層２の第１方向の他端部の表面に第４端子Ｔ４が設けられている。第３端子Ｔ３はＦＥＴ型の第３トランジスタＴｒ３が接続され、第４端子Ｔ４はグラウンドに接続されている。第３トランジスタＴｒ３は、ソースが図示しないコントロール線に接続されている。コントロール線は電圧レベルがＶＷに設定されており、第３トランジスタＴｒ３をオンにすることで、書き込み電圧ＶＷが第３端子Ｔ３に印加され、第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４の間で書き込み電流Ｉｗが第１方向に流れる。
【００９５】
また、磁気記録部３ａに第２端子Ｔ２を介して接続された第２トランジスタＴｒ２と第３トランジスタＴｒ３をオンにすることで、磁気記録部３ａの抵抗値を読み取るための読み出し電流Ｉｒが磁気記録部３ａを流れる。本実施形態では、ＶＷをＶＲｅａｄより高く設定しているので、第３端子Ｔ３から重金属層２及び磁気記録部３ａを介して、第２端子Ｔ２へ、読み出し電流Ｉｒを流すことができる。磁気記録部３ｂ、３ｃについても同様である。
【００９６】
このように、本実施形態では、重金属層２の表面に第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４とを設け、上側から磁気メモリアレイ３０へのコンタクトを取るようにしているが、これに限られない。例えば、重金属層２の裏面に第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４とを設け、下側から磁気メモリアレイ３０へのコンタクトを取るようにしてもよい。
【００９７】
（２−２）磁気メモリアレイの書き込み方法及び読み出し方法
このような磁気メモリアレイ３０の書き込み方法について、図６と同じ構成には同じ番号を付した図７Ａ、図７Ｂを参照して説明する。磁気メモリアレイ３０でも同様に、記録層１０と参照層１２の磁化方向が、平行か、反平行かによって、各磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの抵抗が変化する。磁気メモリアレイ３０では、磁気抵抗効果素子１と同様に、各磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの抵抗値が平行状態と反平行状態とで異なることを利用して、平行状態と反平行状態とに“０”と“１”の１ビットデータを割り当てることにより、磁気抵抗効果素子１にデータを記憶させる。
【００９８】
磁気メモリアレイ３０の書き込み方法について重金属層２のスピンホール角が正である場合を例としてより具体的に説明する。磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの記録層１０の磁化の向きと、当該記録層１０を磁化反転させるための書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔの符号と書き込み電流Ｉｗを流す方向との関係は、磁気抵抗効果素子１と同じである。初期状態では、磁気メモリアレイ３０は、磁気記録部３ａ、３ｂが記録層１０の磁化方向が下向きで、平行状態でデータ“０”を記憶しており、磁気記録部３ｃが記録層１０の磁化方向が上向きで、反平行状態でデータ“１”を記憶しているとする。そして、各第１トランジスタＴｒ１、各第２トランジスタＴｒ２及び第３トランジスタＴｒ３はすべてオフにされているものとする。また、この例では、磁気記録部３ａ、３ｃにデータを書き込み、磁気記録部３ｂにはデータを書き込まないこととする。
【００９９】
まず、磁気メモリアレイ３０は、図７Ａに示すように、絶縁層５ａ、５ｃに接続された第１トランジスタＴｒ１をオンにして、負の書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔを第１端子Ｔ１から絶縁層５ａを介して重金属層２へ印加し、正の書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔを第１端子Ｔ１から絶縁層５ｃを介して重金属層２へ印加する。その結果、磁気記録部３ａの下部の重金属層２に＋ｚ方向の電場が生じ、磁気記録部３ｂの下部の重金属層２に−ｚ方向の電場が生じる。
【０１００】
次に、図７Ｂ（図７Ｂでは書き込み後の記録層１０の磁化方向を示している）に示すように、第１トランジスタＴｒ１がオン状態のままで、第３トランジスタＴｒ３をオンにし、第３端子Ｔ３に書き込み電圧ＶＷを印加し、重金属層２の一端部から他端部の間に書き込み電流Ｉｗを流す。このとき、書き込み電圧ＶＷが、グラウンド電圧よりも高いので、第３端子Ｔ３から重金属層２を介して第４端子Ｔ４へ書き込み電流Ｉｗが流れ、重金属層２の一端部から他端部へと＋ｘ方向に書き込み電流Ｉｗが流れる。
【０１０１】
重金属層２に書き込み電流Ｉｗが流れると、重金属層２内で、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果によってスピン流（スピン角運動の流れ）が生じ、紙面手前側（図１Ａでは−ｙ方向）を向いたスピンが重金属層２の上面側（＋ｚ方向）に流れ、当該スピンと向きが反平行で紙面奥側（図１Ａでは＋ｙ方向）を向いたスピンが重金属層２の下面側（−ｚ方向）に流れて、重金属層２内でスピンが偏在する。
【０１０２】
このとき、磁気記録部３ａ、３ｃの下部の重金属層２には、ｚ方向の電場が生じているので、ラシュバ効果によって偏在したスピンが歳差運動し、歳差運動したスピンが、重金属層２を流れるスピン流によって磁気記録部３ａ、３ｃの記録層１０に流入する。このとき、磁気記録部３ａは、書き込み電流Ｉｗが＋ｘ方向に流れており、磁気記録部３ａの下部の重金属層２に負のアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔが印加されているので、記録層１０に流入した歳差運動したスピンによって下向きの磁化Ｍ１０が上向きに反転する。その結果、磁気記録部３ａは、反平行状態となり、データ“１”が記憶される。また、磁気記録部３ｃは、書き込み電流Ｉｗが＋ｘ方向に流れており、磁気記録部３ｃの下部の重金属層２に正のアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔが印加されているので、記録層１０に流入した歳差運動したスピンによって上向きの磁化Ｍ１０が下向きに反転する。その結果、磁気記録部３ｃは、平行状態となり、データ“０”が記憶される。
【０１０３】
一方、磁気記録部３ｂは、アシスト電圧を印加されていないので、書き込み電流Ｉｗが＋ｘ方向に流れて偏在したスピンがスピン流によって記録層１０に流入しても、磁化反転しない。その結果、磁気記録部３ｂは、平行状態のままであり、データ“０”が保持される。このように第１トランジスタＴｒ１は、書き込むビット（磁気記録部３ａ、３ｃ）を選択するビット選択トランジスタとしての機能を有する。
【０１０４】
データの書き込み後は、第３トランジスタＴｒ３をオフにした後、各第１トランジスタＴｒ１オフにする。すなわち、書き込み電流Ｉｗをオフにした後、書き込み電圧ＶＷの印加をやめる。
【０１０５】
このように、磁気メモリアレイ３０では、選択した絶縁層５ａ、５ｃを介して重金属層２に電圧を印加しつつ、重金属層２に書き込み電流Ｉｗを流すことで、選択した磁気記録部３ａ、３ｃの記録層１０の磁化方向を反転させ、データ“０”又はデータ“１”を一括して書き込むことができ、選択しなかった磁気記録部３ｂはデータを維持できる。また、書き込み動作時、各第２トランジスタＴｒ２は常時オフであるので、従来の磁気抵抗効果素子のように、データ書き込み時に磁気記録部３に電流が流れない。そのため、磁気メモリアレイ３０では、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの障壁層１１の厚さを薄くして磁気記録部３の抵抗値を小さくすることができ、書き込み動作に要する時間を短縮でき、磁気抵抗効果素子１を高速化できる。
【０１０６】
続いて、磁気メモリアレイ３０のデータの読み出し方法について図８を用いて説明する。初期状態ではすべてのトランジスタがオフにされているものとし、磁気記録部３ｂに記憶されたデータを読み出すこととする。第３トランジスタＴｒ３をオンにして第３端子Ｔ３に書き込み電圧ＶＷを印加し、磁気記録部３ｂに接続された第２トランジスタＴｒ２をオンにして磁気記録部３ｂに接続された第２端子Ｔ２に読み出し電圧ＶＲｅａｄを印加する。このとき、読み出し電圧ＶＲｅａｄは、書き込み電圧ＶＷよりも低く設定されているので、第３端子Ｔ３から重金属層２、磁気記録部３ｂ、第２端子Ｔ２の順に読み出し電流Ｉｒが流れる。読み出し電流Ｉｒは磁気記録部３ｂの抵抗値によって大きさが変わるので、読み出し電流Ｉｒの大きさから磁気記録部３ｂが平行状態か反平行状態か、すなわち、磁気記録部３がデータ“０”を記憶しているか、データ“１”を記憶しているか読み出すことができる。
【０１０７】
その後、第２トランジスタＴｒ２をオフにした後、第３トランジスタＴｒ３をオフにする。第３トランジスタＴｒ３を第２トランジスタＴｒ２より後にオフにすることで、すなわち、書き込み電圧ＶＷを読み出し電圧ＶＲｅａｄより後にオフすることで、第２端子から磁気記録部３ｂ及び重金属層２を介して第３端子へ電流が流れることを抑制できるので、障壁層１１を保護でき、障壁層１１をさらに薄くすることもでき、さらには、磁気記録部３ｂを流れる電流によって記録層１０の磁化状態が変化するＲｅａｄディスターブも抑制することができる。
【０１０８】
このように、磁気メモリアレイ３０は、書き込み時には第１端子Ｔ１に書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔを印加し、読み出し時には第２端子Ｔ２に読み出し電圧ＶＲｅａｄを印加しており、書き込み時の電圧制御ラインと読み出し時の電圧制御ラインが異なっているため、Ｒｅａｄディスターブ・フリー及びＷｒｉｔｅディスターブ・フリーにできる。
【０１０９】
（２−３）本発明の実施形態の磁気メモリアレイの変形例
上記の実施形態では、磁気メモリアレイ３０が複数の絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃを有し、各磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの下部にそれぞれ配置されている場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図９Ａに示す磁気メモリアレイ３１の絶縁層５１のように、絶縁層５１の面内方向の断面形状を重金属層２と同形状にし、重金属層２の裏面を全面的に覆うようにしてもよい。このようにすることで、絶縁層５１と重金属層２を連続して積層でき、絶縁層を例えば円柱形状などに成型するプロセスを省略することができるので、より容易に磁気メモリアレイを製造することができる。
【０１１０】
さらに、絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃは、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの底面を重金属層２の裏面側から概ねカバーできれば、その形状は特に限定されず、三角形状、四角形状、四角形以上の多角形形状又は楕円形状など、種々の形状をしていてもよい。
【０１１１】
また、図９Ｂに示す磁気メモリアレイ３２のように参照層１２の強磁性層１６上にダイオード１７を備えるようにしてもよい。ダイオード１７は、アノード側が強磁性層１６に接し、カソード側が第２端子Ｔ２と接しており、第２端子Ｔ２から重金属層２に電流が流れることを抑制する。このようにすることで、読み出し動作時に、読み出し電圧ＶＲｅａｄがグラウンド電圧より高いために第２端子Ｔ２から磁気記録部、重金属層２を介して第４端子Ｔ４へ電流が流れることを抑制でき、障壁層１１の厚さをより薄くできる。また、後述するクロスポイント型の磁気メモリ装置を実現できる。
【０１１２】
また、上記の実施形態では、絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃ及び第１端子Ｔ１と、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃとの面内方向の断面形状が同じ形状であり、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃと、絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃとがそれぞれ重なるように配置した場合（磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃと、絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃ及び第１端子Ｔ１とがセルフアラインに面一の構造をしている場合）について説明したが、本発明はこれに限られない。図５Ｄにおいて上述したように、磁気抵抗効果素子として、絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃ及び第１端子Ｔ１の面内方向の各断面積を、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの面内方向の各断面積よりも大きくし、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの下部全体にそれぞれ電圧が印加されるようにすることが好ましいが、絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃ及び第１端子Ｔ１の面内方向の各断面積を、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの面内方向の各断面積よりも小さくしてもよい。
【０１１３】
また、絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃ及び第１端子Ｔ１と、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃとを同じ断面形状・大きさに形成する場合、例えば、図９Ｃに示す磁気メモリアレイ３０ａのように、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃと絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃの位置がそれぞれずれており、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃと、絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃ及び第１端子Ｔ１とがセルフアラインに面一の構造をしていなくてもよい。
【０１１４】
さらに、絶縁層５１が、面内方向の断面形状が重金属層２と同形状であり、重金属層２の裏面を全面的に覆い、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃと第１端子Ｔ１が重なるように配置された磁気メモリアレイ３１について説明したが、本発明はこれに限られず、第１端子Ｔ１の面内方向の各断面積を、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの面内方向の各断面積よりも大きくしたり、小さくしてもよく、さらに、図９Ｄに示す磁気メモリアレイ３１ａのように、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃと、第１端子Ｔ１とがセルフアラインに面一の構造をしていなくてもよい。また、図９Ｅに示す参照層１２の強磁性層１６上にダイオード１７を備える磁気メモリアレイ３２ａについても同様に、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃと、絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃ及び第１端子Ｔ１とがセルフアラインに面一の構造をしていなくてもよい。なお、この場合も、絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃ及び第１端子Ｔ１の面内方向の各断面積を、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの面内方向の各断面積よりも大きくしたり、小さくしてもよい。
【０１１５】
さらに、磁気メモリアレイ３０は、隣接する磁気記録部３の間の重金属層２に、導電性の高い金属でなる導電層を挿入するようにしてもよい。例えば、図１０Ａに示す磁気メモリアレイ３３のように、磁気記録部３ａと磁気記録部３ｂの間の重金属層２に導電層２６ａを設け、磁気記録部３ｂに隣接して重金属層２に導電層２６ｂを設け、磁気記録部３ｃに隣接して重金属層２に導電層２６ｃを設け、磁気記録部３ｃと磁気記録部３ｄとの間の重金属層２に導電層２６ｄを配置している。このように磁気メモリアレイ３３は、複数の磁気抵抗効果素子１が導電層２６を介して直列に接続されたような構成をしている。このようにすることで、磁気メモリアレイ３３は、重金属層２の抵抗を減少できるので、重金属層２での電圧降下の悪影響を抑制でき、さらなる低消費エネルギー化できる。なお、図１０Ｂに示す磁気メモリアレイ３４のように、隣接する磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ間の重金属層２上に導電層２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを配置するようにしても同様の効果を奏する。導電層２６は、例えば、Ｔａ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ又はこれらの元素を少なくとも１つ以上含む合金で形成するのが望ましい。
【０１１６】
また、磁気メモリアレイ３０は、隣接する２つの磁気記録部をペアとし、当該２つの磁気記録部の間の重金属層上に端子を設け、この端子を用いてビットに記憶されたデータを読み出すようにしてもよい。例えば、図１０Ｃに示す磁気メモリアレイ３５は、隣接する磁気記録部３ａ、３ｂの間と、隣接する磁気記録部３ｃ、３ｄの間とに第５端子Ｔ５を備えている。そして各ビットは、一方の磁気記録部が反平行状態で他方の磁気記録部が平行状態となるように記憶する。
【０１１７】
このような磁気メモリアレイ３５では、例えば磁気記録部３ｂの参照層１２から重金属層２を介して磁気記録部３ａの参照層１２に読み出し電流Ｉｒを流し、第５端子Ｔ５で磁気記録部３ｂと磁気記録部３ａとの間の中間電位を測定し、測定した中間電位に基づいて記憶されたデータを読み出すことができる。このような読み出し電流Ｉｒは、磁気記録部３ａに印加する読み出し電圧ＶＲｅａｄを磁気記録部３ｂに印加する読み出し電圧ＶＲｅａｄより小さく設定し、磁気記録部３ａ、３ｂに接続された第２トランジスタＴｒ２のみをオンとすることで、磁気記録部３ｂの参照層１２から重金属層２を介して磁気記録部３ａの参照層１２に流すことができる。
【０１１８】
また、磁気記録部３ｂの第２端子Ｔ２に所定電圧を印加し、磁気記録部３ａの第２端子をグラウンドレベルとし、第５端子Ｔ５に読み出し電圧ＶＲｅａｄを印加して、第５端子Ｔ５に流入する読み出し電流Ｉｒを検出することで、記憶されたデータを読み出すこともできる。また、磁気記録部３ａの第２端子Ｔ２と磁気記録部３ｂの第２端子とを差動アンプに接続し、磁気記録部３ａ、３ｂの抵抗値の差に応じて出力される電圧に基づいて、記憶されたデータを読み出すこともできる。
【０１１９】
このように、２つの磁気記録部をペアとして記憶されたデータを読み出すようにすることで、磁気記録部毎に記憶されたデータを逐次読み出す場合よりも、高速にデータを読み出すことができる。磁気メモリアレイがより多くの磁気記録部を有している場合、よりデータの読み出し時間を短縮できる。
【０１２０】
（２−４）作用及び効果
以上の構成において、磁気メモリアレイ３０は、磁気抵抗効果素子１を複数有し、一の磁気抵抗効果素子１の重金属層２が第１方向に延伸され、延伸された重金属層２を他の複数の磁気抵抗効果素子１が共有し、重金属層２上で、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃが前記第１方向に配列されているように構成した。
【０１２１】
よって、磁気メモリアレイ３０は、磁気抵抗効果素子１を複数有するので、絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃを介して重金属層２に電圧を印加すると共に、重金属層２に書き込み電流Ｉｗを流すことで、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの記録層１０を磁化反転でき、書き込み時に磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃに電流が流れない。そのため磁気メモリアレイ３０は、障壁層１１の厚さを薄くして磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃのＭＴＪの抵抗を小さくでき、読み出し動作を速くできる。
【０１２２】
さらに磁気抵抗効果素子１は、書き込み時には絶縁層５ａ、５ｂ、５ｃを介して重金属層２に書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔを印加することで磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃに電流を流さなくてもデータを書き込むことができ、読み出し時には磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃに読み出し電流Ｉｒを流すことで記憶されたデータを読み出すことができ、書き込み時と読み出し時の電圧制御ラインを変えることができ、Ｒｅａｄディスターブ・フリー及びＷｒｉｔｅディスターブ・フリーにできる。
【０１２３】
（３）本実施形態の磁気メモリアレイを用いた磁気メモリ装置
本実施形態の磁気メモリアレイ３０を、第１方向と直交する方向（ｙ方向）に複数配列することで磁気メモリ装置を構成することができる。このような磁気メモリ装置の一例を、図６と同じ構成には同じ符号を付した図１１を参照して説明する。説明の便宜上、重金属層２（ｘ方向）上の磁気記録部の配列を行と呼び、重金属層２と直交する方向（ｙ方向）の磁気記録部の配列を列と呼ぶこととする。
【０１２４】
磁気メモリ装置５０は、複数の磁気メモリアレイ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅがｙ方向に配列されており、各磁気メモリアレイ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの各磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃもｙ方向に配列されている。本実施形態では、磁気記録部３ａ同士、磁気記録部３ｂ同士及び磁気記録部３ｃ同士がそれぞれ同じ列に配列されている。本実施形態では、５つの磁気メモリアレイ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅが配列されているが、配列する磁気メモリアレイの数は限定されない。また、ｙ方向に磁気記録部が配列されていれば、必ずしも磁気記録部３ａ同士が同じ列に配列されている必要はなく、磁気記録部３ａと磁気記録部３ｂとが同じ列に配列されていてもよい。
【０１２５】
磁気メモリ装置５０では、第１細長端子Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ１ｃは、第１方向と直交する方向（ｙ方向）に延伸された薄膜状に形成されている。磁気メモリ装置５０では、磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの列毎に、配列された複数の磁気記録部３ａ（３ｂ又は３ｃ）と、重金属層２及び絶縁層５ａ（５ｂ又は５ｃ）を挟んで向かい合う位置に１つずつ設けられ、同じ列に配列された磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃで共用されている。設けられた第１細長端子Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ１ｃは、延伸方向の一端部に第１トランジスタＴｒ１ａ、Ｔｒ１ｂ、Ｔｒ１ｃのドレインが接続されており、各第１端子Ｔ１に接続されていた第１トランジスタＴｒ１も列毎に１つにまとめられている。
【０１２６】
このように、磁気メモリ装置５０は、列ごとに共用の第１細長端子Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ１ｃを設けたので、第１トランジスタの数を各列１つに削減でき、省スペース化できるので、より高密度のメモリを実現できる。
【０１２７】
第１トランジスタＴｒ１ａ、Ｔｒ１ｂ、Ｔｒ１ｃのソースとゲートは、図示しない制御装置に接続されており、制御装置がゲートに電圧を印加して第１トランジスタＴｒ１ａ、Ｔｒ１ｂ、Ｔｒ１ｃがオンにされると、制御装置から書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔが各第１細長端子Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ１ｃに印加される。よって、例えば、第１トランジスタＴｒ１ａをオンにすると、各磁気メモリアレイ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの磁気記録部３ａ下部の重金属層２に絶縁層５を介して書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔが印加される。
【０１２８】
各磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃに接続された第２トランジスタＴｒ２は、磁気記録部の列毎に同じ読み出しワード線に接続されている。本実施形態では、各磁気メモリアレイ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの磁気記録部３ａに接続された各第２トランジスタＴｒ２が第１読み出しワード線４１ａに接続され、磁気記録部３ｂに接続された各第２トランジスタＴｒ２が第２読み出しワード線４１ｂに接続され、磁気記録部３ｃに接続された各第２トランジスタＴｒ２が第３読み出しワード線４１ｃに接続されている。第１読み出しワード線４１ａ、第２読み出しワード線４１ｂ、第３読み出しワード線４１ｃは、図示しない制御部に接続されており、電圧レベルが読み出し電圧ＶＲｅａｄに設定されている。
【０１２９】
次に、磁気メモリ装置５０の書き込み方法について説明する。磁気記録部３ａ、３ｂ、３ｃの記録層の磁化方向と、当該記録層の磁化方向を反転させるための書き込み電流Ｉｗの向き及び書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔの符号との関係は磁気メモリアレイ３０と同じであるので、ここでは説明は省略する。ここでは、磁気メモリアレイ３０ａの磁気記録部３ｂにデータを書き込む場合を例に説明する。書き込み動作又は読み出し動作をした後は、すべてのトランジスタをオフにするものとし、書き込み動作及び読み出し動作前は、すべてのトランジスタがオフ状態であることとする。
【０１３０】
まず、書き込もうとしている磁気記録部３ｂがある列の第１細長端子Ｔ１ｂに接続された第１トランジスタＴｒ１ｂをオンにし、磁気記録部３ｂ下部の重金属層２に絶縁層５を介して書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔを印加する。次に、書き込もうとしている磁気記録部３ｂがある列の磁気メモリアレイ３０ａに接続された第３トランジスタＴｒ３をオンにして、磁気メモリアレイ３０ａの重金属層２の一端部から他端部へ書き込み電流Ｉｗを流す。これにより、書き込もうとしている磁気記録部３ｂの記録層は磁化反転し、データが書き込まれる。このように、磁気メモリ装置５０では、選択した列（第１細長端子Ｔ１ｂ）と選択した行（磁気メモリアレイ３０ａ）の交点にある磁気記録部（磁気記録部３ｂ）にデータを書き込む。
【０１３１】
さらに、磁気メモリ装置５０では、複数の行と複数の列を選択して、複数の磁気記録部に一括してデータを書き込むこともできる。また、書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔの符号を列ごとに異なるようにしたり、書き込み電流Ｉｗの流れる方向を行ごとに異なるようにしたりすることで、複数の磁気記録部に、データ“０”又はデータ“１”を一括して書き込むことができる。
【０１３２】
続いて磁気メモリ装置５０の読み出し方法を説明する。ここでは、磁気メモリアレイ３０ａの磁気記録部３ｂのデータを読み出す場合を例に説明する。まず、読み出そうとしている磁気記録部３ｂがある列の磁気メモリアレイ３０ａに接続された第３トランジスタＴｒ３をオンにする。続いて、磁気メモリアレイ３０ａの磁気記録部３に接続された第２トランジスタＴｒ２をオンにし、第３端子Ｔ３から重金属層２を介して第２端子へ読み出し電流Ｉｒを流す。そして、読み出し電流Ｉｒから、磁気記録部３ｂに書き込まれたデータを読み出す。このように、磁気メモリ装置５０では、読み出そうとしている磁気記録部（磁気記録部３ｂ）を、当該磁気記録部のある磁気メモリアレイの第３トランジスタＴｒ３をオンにし、その磁気記録部に接続された第２トランジスタＴｒ２をオンにすることで選択してデータを読み出す。
【０１３３】
また、ダイオード１７を参照層上に有する磁気記録部２２ａ、２２ｂ、２２ｃを備える磁気メモリアレイ３２を第１方向と直交する方向（ｙ方向）に複数配列することで、図９Ｂと同じ構成には同じ符号を付した図１２に示す磁気メモリ装置５２のように、第２トランジスタＴｒ２も列毎に１つにまとめてより省スペース化できる磁気メモリ装置５２を実現できる。このような磁気メモリ装置５２について、磁気メモリ装置５０と構成が異なる点を中心に説明する。磁気メモリ装置５２は、磁気メモリアレイ３２の配列の仕方、第１細長端子Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ１ｃの構成は磁気メモリ装置５０と同様であるので説明を省略する。
【０１３４】
磁気メモリ装置５２では、第２細長端子Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃは、ｙ方向に延伸された薄膜状に形成されており、磁気記録部２２ａ、２２ｂ、２２ｃの列ごとに１つずつ、配列された複数の磁気記録部２２ａ、２２ｂ、２２ｃと向かい合う位置に設けられている。第２細長端子Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃは、配列された複数の磁気記録部２２ａ、２２ｂ、２２ｃのダイオード１７と接しており、同じ列に配列された磁気記録部２２ａ、２２ｂ、２２ｃで共用されている。第２細長端子Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃは、延伸方向（ｙ方向）の一端部に第２トランジスタＴｒ２ａ、Ｔｒ２ｂ、Ｔｒ２ｃのドレインが接続されており、各第２端子Ｔ２に接続されていた第２トランジスタＴｒ２も列毎に１つにまとめられている。第２トランジスタＴｒ２ａ、Ｔｒ２ｂ、Ｔｒ２ｃのソースは図示しない制御装置に接続されており、電圧レベルが読み出し電圧ＶＲｅａｄに設定されている。第２トランジスタＴｒ２ａ、Ｔｒ２ｂ、Ｔｒ２ｃは、ゲートが制御装置に設即されており、制御装置によってオンオフされる。
【０１３５】
磁気メモリ装置５２では、各磁気記録部２２ａ、２２ｂ、２２ｃがダイオード１７を有し、第２細長端子Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃから重金属層２へ電流が流れることが抑制されている。そのため、磁気メモリ装置５２は、データの読み出し時に第２細長端子Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃに読み出し電圧ＶＲｅａｄを印加しても、データを読み出す磁気記録部（例えば磁気記録部２２ｂ）以外の磁気記録部（磁気記録部２２ａ、２２ｃ）には第２細長端子Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃから電流が流れない。そのため、磁気記録部２２ａ、２２ｂ、２２ｃに第２トランジスタＴｒ２を接続し、電流を流したくない磁気記録部のトランジスタをオフにする必要がないので、各磁気記録部２２ａ、２２ｂ、２２ｃに第２トランジスタＴｒ２を接続しなくてもよい。よって、各第２細長端子Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃにそれぞれ１つだけ第２トランジスタＴｒ２ａ、Ｔｒ２ｂ、Ｔｒ２ｃを設ければよく、トランジスタの数を減らして省スペース化できる。
【０１３６】
磁気メモリ装置５２の書き込み方法は磁気メモリ装置５０と同様なので説明を省略する。続いて磁気メモリ装置５２の読み出し方法を説明する。ここでは、磁気メモリアレイ３２ａの磁気記録部２２ｂのデータを読み出す場合を例に説明する。まず、読み出そうとしている磁気記録部２２ｂがある列の磁気メモリアレイ３２ａに接続された第３トランジスタＴｒ３をオンにする。続いて、磁気メモリアレイ３２ａの磁気記録部２２ｂに接続された第２細長端子Ｔ２ｂの第２トランジスタＴｒ２ｂをオンにして第２細長端子Ｔ２ｂに読み出し電圧ＶＲｅａｄを印加し、第３端子Ｔ３から重金属層２を介して第２端子へ読み出し電流Ｉｒを流す。そして、読み出し電流Ｉｒから、磁気記録部２２ｂに書き込まれたデータを読み出す。このように、磁気メモリ装置５２では、選択した列（第２細長端子Ｔ２ｂ）と選択した行（磁気メモリアレイ３２ａ）の交点にある磁気記録部（磁気記録部２２ｂ）から記憶されたデータを読み出す。
【０１３７】
よって磁気メモリ装置５２では、選択した列（例えば、第１細長端子Ｔ１ａ）と選択した行（例えば磁気メモリアレイ３２ａ）の交点にある磁気記録部（磁気記録部２２ａ）にデータを書き込み、選択した列（例えば第２細長端子Ｔ２ｂ）と選択した行（例えば磁気メモリアレイ３２ａ）の交点にある磁気記録部（磁気記録部２２ｂ）からデータを読み出す、いわゆるクロスポイント型のメモリ装置を実現できる。
【０１３８】
また、磁気メモリ装置５２は、第１方向と直交する方向に配列された磁気記録部２２ａ、２２ｂ、２２ｃが第１細長端子Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ１ｃを共有し、第２細長端子Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃとを共有するようにしたので、第１トランジスタと第２トランジスタを、各第１細長端子Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ１ｃ及び第２細長端子Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃ毎に１つずつに削減できるので、より省スペース化でき、より高密度な磁気メモリ装置を構成できる。
【０１３９】
さらに、磁気メモリ装置５０と同様に磁気メモリ装置５２では、複数の行と複数の列を選択して、複数の磁気記録部に一括してデータを書き込むこともできる。また、書き込みアシスト電圧ＶＡｓｓｉｓｔの符号を列ごとに異なるようにしたり、書き込み電流Ｉｗの流れる方向を行ごとに異なるようにしたりすることで、複数の磁気記録部に、データ“０”又はデータ“１”を一括して書き込むことができる。
【符号の説明】
【０１４０】
１、１ａ、１ｂ    磁気抵抗効果素子
２    重金属層
１０    記録層
１１    障壁層
１２    参照層
３０、３１、３２、３３    磁気メモリアレイ
５０、５２    磁気メモリ装置
Ｉｗ    書き込み電流
Ｉｒ    読み出し電流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図５Ｉ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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