JP2009252909A - 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

【課題】垂直磁化膜を用いた電流誘起磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭについて、容易に磁壁を導入し、また磁壁のピニング力の過剰な増大を防ぎ、書き込み電流を充分に低減するための技術を提供する。
【解決手段】本発明の磁気抵抗効果素子は、垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成される第１強磁性層１０を具備する。第１強磁性層１０は、第１の方向に固定された磁化を有する磁化固定領域１１ａと、前記第１の方向と反平行方向に固定された磁化を有する磁化固定領域１１ｂと磁化固定領域１１ａ、１１ｂに接合された、反転可能な磁化を有する磁化自由領域１２とを備える。磁化固定領域１１ａは、その上面１１ａＴが磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも基板垂直方向において高い位置に形成され、磁化固定領域１１ａの下面１１ａＢは、磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも基板垂直方向において低い位置に形成される。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。特に本発明は磁壁移動方式の磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）は高速動作、および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリとして期待され、盛んな開発が行われている。ＭＲＡＭでは記憶素子として磁性体を用い、磁性体の磁化の向きに対応させてデータを記憶する。この磁性体の磁化をスイッチングさせる方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要であり、非特許文献１によれば０．５ｍＡ以下への低減、さらに好ましくは０．２ｍＡ以下への低減が求められている。

ＭＲＡＭへのデータの書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁性記憶素子の周辺に書き込みのための配線を配置し、この配線に電流を流すことで発生する磁場によって磁性記憶素子の磁化の方向をスイッチングさせる方法である。この方法は磁場による磁化反転となるため、原理的には１ナノ秒以下での書き込みが可能であり、高速ＭＲＡＭを実現する上では好適である。しかしながら熱安定性、外乱磁場耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁場は一般的には数１０Ｏｅ（エールステッド）程度となり、このような磁場を発生させるためには数ｍＡ程度の電流が必要となる。この場合、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大するため、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力で劣ることになる。これに加えて、素子が微細化されると、書き込み電流はさらに増大してしまい、スケーリングの点でも好ましくない。

近年、このような問題を解決する手段として、以下の２つの方法が提案されている。一つ目はスピン注入磁化反転である。これは反転可能な磁化を有する第１の磁性層と、それに電気的に接続され、磁化が固定された第２の磁性層から構成された積層膜において、第２の磁性層と第１の磁性層の間で電流を流したときのスピン偏極した伝導電子と第１の磁性層中の局在電子との間の相互作用を利用して第１の磁性層の磁化を反転する方法である。スピン注入磁化反転はある電流密度以上のときに起こることから、素子のサイズが小さくなれば、書き込みに要する電流は低減される。すなわちスピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、一般的に第１の磁性層と第２の磁性層の間には絶縁層が設けられ、書き込みの際には比較的大きな電流をこの絶縁層に流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が課題となる。また、書き込みの電流経路と読み出しの電流経路が同じになることから、読み出しの際の誤書き込みも懸念される。このようにスピン注入磁化反転はスケーリング性には優れるものの、実用化にはいくつかの障壁がある。

一方で、二つ目の方法である電流誘起磁壁移動現象を利用した磁化反転方法は、スピン注入磁化反転の抱える上述のような問題を解決することができる。電流誘起磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは例えば特許文献１で開示されている。電流誘起磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは、一般的には反転可能な磁化を有する第１の磁性層において、その両端部の磁化が互いに略反平行となるように固定されている。このような磁化配置のとき、第１の磁性層内には磁壁が導入される。ここで、非特許文献２で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流したとき、磁壁は伝導電子の方向に移動することから、第１の磁性層内に電流を流すことにより書き込みが可能となる。電流誘起磁壁移動もある電流密度以上のときに起こることから、スピン注入磁化反転と同様にスケーリング性があると言える。これに加えて、電流誘起磁壁移動を利用したＭＲＡＭ素子では、書き込み電流が絶縁層を流れることはなく、また書き込み電流経路と読み出し電流経路は別となるため、スピン注入磁化反転で挙げられるような上述の問題は解決されることになる。

非特許文献２では、電流誘起磁壁移動に必要な電流密度として１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］程度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる層の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合の書き込み電流は１ｍＡとなる。これは前述の書き込み電流に関する条件を満たすことができない。しかし非特許文献３で述べられているように、電流誘起磁壁移動が起こる強磁性層として垂直磁気異方性を有する材料を用いることによって、書き込み電流を十分小さく低減できることが報告されている。このようなことから、電流誘起磁壁移動を利用してＭＲＡＭを製造する場合、磁壁移動が起こる層としては垂直磁気異方性を有する強磁性体を用いることが好ましいと言える。非特許文献４においては垂直磁化膜における電流誘起磁壁移動の観測が報告されている。また垂直磁化膜を用いてＭＲＡＭを製造する場合、磁壁移動が起こる層に磁壁を導入する必要があるが、非特許文献４ではこの方法として磁壁移動が起こる層に段差を設けることによって磁壁を導入している。

しかしながら非特許文献４で用いられているような単純な段差によって磁壁を導入した場合には、書き込みに要する電流密度が十分に低減されないことが懸念される。これは、図７を用いて後に説明されるように段差付近では膜面方向の磁束によって生ずる磁場が磁壁にかかり、この磁場が磁壁のピニング力となるためである。このような段差によって生ずる面内方向の磁場に起因したピニング力は計算によれば過度に大きくなり、これは書き込み電流の低減の障害となりうる。
特開２００５−１９１０３２号公報 IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, p.830 (2007)． Physical Review Letters, vol. 92, number 7, p.077205, (2004)． 52nd Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, Abstracts, FE-06, p.352, (2007)． Applied Physics Express, vol. 1, p.011301,(2008)．

したがって、本発明の目的は、垂直磁化膜を用いた電流誘起磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭについて、容易に磁壁を導入し、また磁壁のピニング力の過剰な増大を防ぎ、書き込み電流を充分に低減するための技術を提供することにある。

本発明の磁気抵抗効果素子は、垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成される第１強磁性層を具備する。前記第１強磁性層は、第１の方向に固定された磁化を有する第１磁化固定領域と、前記第１の方向と反平行方向に固定された磁化を有する第２磁化固定領域と前記第１及び第２磁化固定領域に接合された、反転可能な磁化を有する磁化自由領域とを備える。前記第１磁化固定領域と前記磁化自由領域のうちの一方の上面は他方の上面よりも基板垂直方向において高い位置に形成され、前記第１磁化固定領域と前記磁化自由領域のうちの前記一方の下面は前記他方の下面よりも基板垂直方向において低い位置に形成される。

本発明によれば、垂直磁化膜を用いた電流誘起磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭについて、容易に磁壁を導入し、また磁壁のピニング力の過剰な増大を防ぎ、書き込み電流を低減することができる。

添付図面を参照して、本発明の磁気ランダムアクセスメモリを説明する。一般に、磁気ランダムアクセスメモリは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを有しており、各磁気メモリセルは磁気抵抗効果素子を有している。以下では、磁気抵抗効果素子の様々な好適な形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層１０（データが書き込まれる強磁性層）の構造を模式的に示している。図１Ａは斜視図であり、図１Ｂ、図１Ｃは、図１Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｙ平面図、ｘ−ｚ断面図である。なお、図において、ｚ軸は基板に垂直方向であるものと定義されており、ｘ軸、ｙ軸は基板に平行方向であるものと定義されている。

第１強磁性層１０は、磁化自由領域１２と、複数の磁化固定領域１１とを具備する。本実施形態では、２つの磁化固定領域１１が設けられており、以下では、その一方を磁化固定領域１１ａ、他方を磁化固定領域１１ｂと記載する。磁化自由領域１２の一方の端部に磁化固定領域１１ａが接続されており、他方の端部に磁化固定領域１１ｂが接続されている。

磁化固定領域１１ａ、１１ｂのうちの少なくとも一方は、その上面が、磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成されており、その下面が磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも低い位置に形成されている。本実施形態では、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの両方にこのような構造が採用されている。即ち、磁化固定領域１１ａの上面１１ａＴは磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成され、磁化固定領域１１ａの下面１１ａＢは磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも低い位置に形成されている。同様に、磁化固定領域１１ｂの上面１１ｂＴは磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成され、磁化固定領域１１ｂの下面１１ｂＢは磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも低い位置に形成されている。

第１強磁性層１０は、垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。詳細には、図２に示されているように、磁化固定領域１１ａは上方向の固定磁化を有し、磁化固定領域１１ｂは下方向の固定磁化を有している。一方、磁化自由領域１２の磁化は、上下方向に反転可能である。このような磁化配置の場合、磁化自由領域１２の磁化方向に応じて、磁化自由領域１２と磁化固定領域１１ａ又は１１ｂとの境界で磁壁が形成される。磁化自由領域１２の磁化方向が、磁気抵抗効果素子に記憶されるデータに対応する。第１強磁性層１０に用いることのできる材料としては、Ｃｏ−Ｐｔ系の合金が例示される。

このような構造の第１強磁性層１０は様々な方法によって形成することができる。例えば、溝を形成後に強磁性膜を成膜し、更に、成膜した強磁性膜をパターニングすることにより第１強磁性層１０を形成することができる。また他の方法として、強磁性膜の成膜後にパターニングして磁化固定領域１１の一部を形成し、形成された一部分を埋め込んだ後、ＣＭＰやミリングなどの方法で頭出しを行い、その後、磁化固定領域１１残りの部分を成膜、パターニングすることによっても第１強磁性層１０を形成することができる。

次に、本実施形態における第１強磁性層１０へのデータの書き込み方法について図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。第１強磁性層１０には、磁化自由領域１２の磁化方向に応じた場所に磁壁が形成される。本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、この磁壁を電流によって駆動することによりデータの書き込みを行う。図３Ａ、図３Ｂはその方法の一例を示している。本実施形態では、磁化固定領域１１ａ、１１ｂにそれぞれ電極層４０ａ、４０ｂが接合され、これらの電極層４０ａ、４０ｂを用いて磁壁を駆動する電流が供給される。

以下においては、図３Ａに示されるように、磁化固定領域１１ａの磁化が上向きに固定され、磁化固定領域１１ｂの磁化が下向きに固定され、また磁化自由領域１２の磁化が下方向を向いている状態を“０”状態と定義する。また、図３Ｂに示されるように、磁化自由領域１２の磁化が上方向を向いている状態を“１”状態と定義する。図３Ａは“０”状態の第１強磁性層１０にデータ“１”を書き込む方法を示しており、図３Ｂは“１”状態の第１強磁性層１０にデータ“０”を書き込む方法を示している。ただし“０”状態、“１”状態の定義についてはこの限りではないことは、当業者には容易に理解されよう。

詳細には、図３Ａの“０”状態においては、磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成されている。ここで図３Ａに点線で示されるように、磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１２を経由して磁化固定領域１１ａに向かう方向に書き込み電流を導入すると、伝導電子は磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１２を経由して磁化固定領域１１ｂへと向かう方向に流れる。この伝導電子によって電流誘起磁壁移動が起こり、磁壁（ＤＷ）は磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界から磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界へと移動する。この結果、図３Ｂに示されるような磁化配置が現れる。このようにしてデータ“１”の書き込みが行われる。なお、磁壁（ＤＷ）が磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界で停止するメカニズムについては後述される。

一方、図３Ｂの“１”状態においては磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成されている。ここで図３Ｂに点線で示されるように、磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１２を経由して第２磁化固定領域１１ｂに向かう方向に書き込み電流を導入する。このとき伝導電子は第２磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１２を経由して第１磁化固定領域１１ａへと向かう方向に流れ、この伝導電子によって電流誘起磁壁移動が起こり、磁壁（ＤＷ）は第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界から第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界へと移動し、図３Ａに示されるような磁化配置となる。このようにして“０”書き込みが行われる。

図示はされていないが、上記の書き込み動作によれば、オーバーライト（データを変化させない書き込み動作）も可能であることに留意されたい。即ち、“０”状態の第１強磁性層１０へのデータ“０”の書き込み、及び“１”状態へのデータ“１”の書き込みも可能である。

書き込みの際には、磁壁が磁化固定領域１１と磁化自由領域１２との境界を通り越して、磁化固定領域１１の内部へは侵入できないことに留意されたい。これは、磁化固定領域１１においては、磁化自由領域１２よりも電流密度が減少するためである。具体的には、以下のように説明される。書き込み電流が電極層４０ａ、４０ｂの間で流されると、電流方向と垂直方向の断面積が磁化固定領域１１と磁化自由領域１２の境界よりも外側では増加する。従って、磁化固定領域１１における電流密度は小さくなる。磁化固定領域１１のｚ軸方向の厚さを、磁化固定領域１１における電流密度が電流誘起磁壁移動に必要な閾値電流密度よりも小さくなるように調節すれば、磁化固定領域１１では磁壁移動が起こらず、磁壁は、磁化固定領域１１と磁化自由領域１２との境界で停止することになる。

このような断面積の増加による電流密度の低減は、ｘ−ｙ平面形状によってもコントロールすることができる。例えば磁化固定領域１１の幅を磁化自由領域１２の幅に比べて広く設定することにより、磁化固定領域１１と磁化自由領域１２の境界よりも外側での電流密度を低減することができる。このための好適な形状については後述にて示される。

磁化固定領域１１と磁化自由領域１２の境界で停止した磁壁は、安定してその場にとどまり続けることができる。それは、垂直磁気異方性を有する材料においては、無数のピニングサイトが存在し、それらが十分大きな熱安定性を有するためである。

（読み出し方法）
次に、本実施形態における磁気抵抗効果素子からのデータの読み出し方法について図４Ａ、図４Ｂを用いて説明する。前述のように本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、第１強磁性層１０の磁化自由領域１２の磁化方向に応じてデータが記憶される。本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、磁化自由領域１２の磁化を、磁気抵抗効果を用いて検出することによりデータの読み出しを行う。

図４Ａ、図４Ｂは、データの読み出しの方法の一例を示している。本実施形態では、データを読み出すために、第１非磁性層２０と第２強磁性層３０とが設けられる。第２強磁性層３０は、第１強磁性層１０の磁化自由領域１２と対向するように設けられており、第１非磁性層２０は、第２強磁性層３０と第１強磁性層１０の磁化自由領域１２の間に設けられている。第１強磁性層１０、第１非磁性層２０、第２強磁性層３０により磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）が形成される。

第１非磁性層２０は非磁性、且つ、絶縁性の材料から形成される。第１非磁性層２０の具体的な材料としては酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）が例示される。その代わりに、第１非磁性層２０は、非磁性の半導体や金属材料によって形成されてもよい。この場合、第１強磁性層１０、第１非磁性層２０、第２強磁性層３０は、ＧＭＲ効果（Giant Magnetoresistance effect）を示すＧＭＲ素子を構成することになる。

第２強磁性層３０は、垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。第２強磁性層３０の磁化は、少なくともその一部分において実質的に一方向に固定されている。なお、第２強磁性層３０は、図４Ａ、図４Ｂでは単層の強磁性層として図示されているが、実際には複数の強磁性層からなる積層膜で形成されてもよく、それらの間には非磁性層が挿入されてもよい。また隣り合う強磁性層は中間に配置される非磁性層によって反平行方向に磁気的に結合してもよい。更には、第２強磁性層３０に反強磁性層を接合させることによって磁化をより強固に固定することもできる。第２強磁性層３０の積層構成としてはＣｏ−Ｐｔ／Ｒｕ／Ｃｏ−Ｐｔ／ＰｔＭｎが例示される。

図４Ａは、“０”状態の第１強磁性層１０からのデータ読み出しの方法を示しており、図４Ｂは“１”状態の第１強磁性層１０からのデータ読み出しの方法を示している。いま、図４Ａ、図４Ｂに示されるように、第２強磁性層３０の磁化（あるいは第２強磁性層３０のうちの第１非磁性層２０との界面付近の部分の磁化）が下方向に固定されているものとする。データ読み出しは、第１強磁性層１０、第１非磁性層２０、第２強磁性層３０を貫通する方向に電流を導入することによって行われる。

図４Ａに示されるように、第１強磁性層１０にデータ“０”が記憶されているときには（即ち、磁化自由領域１２が下方向に磁化しているときには）、磁化自由領域１２と第２強磁性層３０の磁化が平行であるため、この場合のＭＴＪの抵抗は、（相対的に）低くなる。一方、図４Ｂに示されるように、第１強磁性層１０にデータ“１”が記憶されているときには（即ち、磁化自由領域１２が上方向に磁化しているときには）、第１強磁性層１０と第２強磁性層３０の磁化は反平行であるため、この場合のＭＴＪの抵抗は、（相対的に）高くなる。このようにＭＴＪを貫通する方向に電流を流したときの抵抗の差を検出することにより、磁化自由領域１２の磁化方向を検出することができ、磁気抵抗効果素子からのデータの読み出しを行うことができる。

次に、本実施形態の磁気抵抗効果素子のメモリ状態の初期化方法について図５Ａ、図５Ｂを用いて説明する。前述のように、本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、第１強磁性層１０の磁化固定領域１１ａ、１１ｂのうちの一方を上向きに向け、他方を下向きに向ける必要がある。このような磁化状態は以下のようなステップにより実現することができる。

まず図５Ａに示されるような第１強磁性層１０において、磁化固定領域１１ａの保磁力（即ち、磁化固定領域１１ａの磁化の反転に必要な磁場）をＨｃ＿１１ａとし、磁化固定領域１１ｂの保磁力をＨｃ＿１１ｂとし、また磁化自由領域１２の保磁力をＨｃ＿１２とする。ここで、保磁力Ｈｃ＿１１ａ、Ｈｃ＿１１ｂ、Ｈｃ＿１２の間で、
Ｈｃ＿１１ａ＞Ｈｃ＿１１ｂ，
Ｈｃ＿１１ａ＞Ｈｃ＿１２
が成り立つものと仮定する。また保磁力Ｈｃ＿１１ｂ、Ｈｃ＿１２の大小関係は任意であるが、以下では、
Ｈｃ＿１１ｂ＞Ｈｃ＿１２
が成り立つものとする。

このとき、はじめに上方向に
Ｈ_１＞Ｈｃ＿１１ａ
なる磁場Ｈを印加することによって、図５Ａに示されるように全領域の磁化を上方向に揃えることができる。次に、
Ｈｃ＿１１ａ＞Ｈ_２＞Ｈｃ＿１１ｂ（＞Ｈｃ＿１２）
なる磁場Ｈ_２を下方向に印加すると、磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂの磁化のみ反転し、図５Ｂに示されるように、第１強磁性層１０は、“０”状態へ初期化される。

なお、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの保磁力が異なっていれば、磁化固定領域１１ａ、１１ｂ、磁化自由領域１２の保磁力の大小関係については任意であることに留意されたい。磁化固定領域１１ａと磁化固定領域１１ｂの閾値磁場が異なってさえいれば、上述のような２段階の磁場の印加によって、磁化固定領域１１ａと磁化固定領域１１ｂの磁化を反平行方向に向けることができる。

本実施形態の磁気抵抗効果素子の一つの特徴は、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの少なくとも一方が、上面が磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成され、下面が磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも低い位置に形成された構造を採用していることにある。以下では、このような構造の利点と、その利点が得られる原理について説明する。

垂直磁化膜に磁壁を導入する方法としては、非特許文献４に記載されているように、垂直磁化膜に段差を設けることが知られている。非特許文献４で用いられているような段差によって磁壁を導入する方法を磁壁移動型の素子に適用した場合の一般的な構造を図６Ａ、図６Ｂに示す。図６Ａは斜視図を、図６Ｂは図６Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｚ断面図を示している。

しかしながら、図６Ａ、図６Ｂのような構成においては、磁化固定領域１１と磁化自由領域１２の境界において磁壁が過大にピニングされることが懸念される。図７はこのことを模式的に示している。図７において、磁化固定領域１１ａのうちの磁化自由領域１２とは同一高さにない領域に斜線が施されている。またこの領域が上向きに磁化しているときの周辺に発生する磁場が矢印１３で示されている。図６Ａ、図６Ｂに示されているように、端部効果により、磁化自由領域１２と磁化固定領域１１ａの境界１４では右向きの磁場が発生する。発明者の計算によれば、この磁場は局所的には１ｋＯｅ以上になり得る。このような局所磁場によって磁壁がピニングされた場合、垂直磁化膜において電流誘起磁壁移動に必要なイントリンシックな閾値電流密度ではデピンできず、これよりも大きな電流密度を要してしまうことがマイクロマグネティクス計算からわかった。すなわち磁壁移動が起こる層に垂直磁気異方性材料を用いても、図６Ａ、図６Ｂに示されるような単純な段差を有する構造を用いた場合には、書き込み電流密度の低減はある範囲にとどまってしまう。

本実施形態の第１強磁性層１０の構造によれば上述のような問題は解決され、十分に低減された電流密度によってデータの書き込みを行うことのできる磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。図８はそれを模式的に示している。本発明においては、少なくとも一方の磁化固定領域１１の上面は磁化自由領域１２の上面よりも高い位置に形成され、かつ当該少なくとも一方の磁化固定領域１１の下面は磁化自由領域１２の下面よりも低い位置に形成される。これは、磁化固定領域１１においては、磁化自由領域１２よりも上側に突出した領域と下側に突出した領域を有すると言い換えることもできる。図８では磁化固定領域１１ａのうちの上側に突出した領域と下側に突出した領域に斜線が施されている。さらに図８においては、この斜線を施した領域によって形成される磁場が模式的に矢印１３で示されている。図８からわかるように図７とは異なり、磁化自由領域１２と磁化固定領域１１の境界１４において、斜線を施した領域からの磁場の面内成分は上下領域間で相殺され、ゼロ、もしくは小さな大きさにコントロールできることがわかる。これによって上述のような過度なピニング力は発生しなくなるため、書き込み電流の上昇を抑えることができる。

次に、本実施形態の磁気抵抗効果素子を備えた磁気メモリセルの回路構成の例を説明する。図９は、本実施形態における磁気メモリセルの１ビット分の回路の構成例を示している。図９に示されるように、第２強磁性層３０は読み出しのためのグラウンド線１０１に接続される。一方、磁化固定領域１１ａは、ＭＯＳトランジスタ１００ａの一方のソース／ドレインに接続される。ＭＯＳトランジスタ１００ａの他方のソース／ドレインは書き込みのためのビット線１０２ａに接続される。同様に、磁化固定領域１１ｂは、ＭＯＳトランジスタ１００ａの一方のソース／ドレインに接続される。ＭＯＳトランジスタ１００ａの他方のソース／ドレインは書き込みのためのビット線１０２ｂに接続される。ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂのゲート電極は、共通のワード線１０３に接続される。磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、図９に示した磁気メモリセルがメモリアレイに行列に配置され、そのメモリアレイは周辺回路へと接続されて構成される。

図９に示された磁気メモリセルの、書き込み動作、読み出し動作は、以下の通りである。書き込み動作を行う場合には、ワード線１０３が“Ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、これにより、ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂが“ＯＮ”にされる。またビット線１０２ａ、１０２ｂの一方が“Ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、他方が“Ｌｏｗ”レベルにプルダウンされる。ビット線１０２ａ、１０２ｂのどちらを“Ｈｉｇｈ”レベルにし、どちらを“Ｌｏｗ”レベルにするかで第１強磁性層１０を流れる電流の方向が変わり、これにより、所望のデータを当該磁気抵抗効果素子に書き込むことができる。

また、読み出し動作の際には、ワード線１０３が“Ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、これにより、ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂが“ＯＮ”にされる。またビット線１０２ａがハイインピーダンス状態に設定されると共に、ビット線１０２ｂが“Ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされる。これにより、ビット線１０２ｂから磁気抵抗効果素子を貫通する電流が第１強磁性層１０、第１非磁性層２０、第２強磁性層３０を経由してグラウンド線１０１へと流れるため、磁気抵抗効果を利用した高速での読み出しが可能となる。
図９に示された磁気メモリセルはアレイ状に配置され、これらが周辺回路へと接続され、磁気ランダムアクセスメモリが形成される。

ただし、図９に示された回路、及びここで述べられた回路の動作は、本発明を実施する方法の一例に過ぎず、他の回路構成による実施も可能である。

次に、本実施形態の磁気抵抗効果素子の各層の材料について例示する。なお、ここで示される材料は全て例であり、実際には前述のような磁化状態が実現できればいかなる材料を用いても構わない。

第１強磁性層１０及び第２強磁性層３０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む強磁性体により構成される。またＰｔやＰｄを含むことにより垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えてＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的にはＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏなどが例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む層を、異なる層と積層させることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜などが例示される。

第１非磁性層２０は、非磁性且つ絶縁性の材料により構成されることが好ましい。具体的にはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが例示される。ただし、磁気抵抗効果素子をＧＭＲ素子として構成する場合には、第１非磁性層２０として半導体や金属材料を用いてもよい。この場合、第１非磁性層２０は、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕなどで構成される。

前述のように、第２強磁性層３０に反強磁性層を隣接させることで磁化の固定をより強固にすることができる。具体的な反強磁性材料としては、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎなどが例示される。

（第２の実施形態）
図１０Ａ、図１０Ｂは、本発明の第２の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層１０の構造を模式的に示している。第２の実施形態は、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの構造に関する。図１０Ａは斜視図であり、図１０Ｂは図１０Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｚ断面図を示している。

図１０Ａ、図１０Ｂに示されているように、磁化固定領域の上面が磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成され、下面が磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも低い位置に形成されている構造は、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの一方にのみ採用されることが可能である。図１０Ａ、図１０Ｂでは、第１磁化固定領域１１ａの上面１１ａＴが磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成され、また第１磁化固定領域１１ｂの下面１２Ｂよりも低い位置に形成される一方で、第２磁化固定領域１１ｂの上面１１ｂＴと第２磁化固定領域１１ｂの下面１１ｂＢはそれぞれ磁化自由領域１２の上面１２Ｔ、下面１２Ｂと同じ高さに形成される。この場合でも、磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に過度なピニング力は発生しなくなるため、書き込み電流の上昇を抑えることができる。

また図１０Ａ、図１０Ｂに示される構造においても、図１０Ｃに示されるように磁化固定領域１１ｂに隣接させて電極層４０ｂを設けることによって、前述の電流密度の減少によって、書き込みの際に磁壁は磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂの境界で停止させることができる。また、第２磁化固定領域１１ｂの電流密度をより積極的に減少させるためには、（図２０Ａ、図２０Ｂを用いて後述されるように）、第１強磁性層１０の平面形状、特に幅の変化を持たせることも有効である。加えて、磁壁をより安定して停止させるためには、図１９Ａを用いて後述されるように、第１強磁性層１０に局所的な形状の変化を持たせてもよい。

（第３の実施形態）
図１１Ａ、１１Ｂ、図１２Ａ、１２Ｂは、本発明の第３の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層１０の構造を模式的に示している。第３の実施形態は、磁化固定領域１１の積層構成に関する。図１１Ａ、図１２Ａは斜視図であり、図１１Ｂ、図１２Ｂは図１１Ａ、図１２Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｚ断面図を示している。

第１、第２の実施形態では、第１強磁性層１０が垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成されることを述べたが、実際には第１強磁性層１０が、その内部に非磁性体層を含んでもよい。図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２Ａ、図１２Ｂは、第１強磁性層１０が第２非磁性層１５ａ、１５ｂを含む例を示している。第２非磁性層１５の位置には任意性がある。図１１Ａ、図１１Ｂではこのうち磁化自由領域１２の高さよりも低い位置に第２非磁性層１５が設けられる例が示されており、図１２Ａ、１２Ｂには磁化自由領域１２の高さよりも高い位置に第２非磁性層１５が設けられる例が示されている。

即ち、図１１Ａ、図１１Ｂに図示される第１強磁性層１０では、磁化固定領域１１ａが、強磁性膜１６ａと、第２非磁性層１５ａと、強磁性部分１７ａと、強磁性膜１８ａとを備えている。同様に、磁化固定領域１１ｂは、強磁性膜１６ｂと、第２非磁性層１５ｂと、強磁性部分１７ｂと、強磁性膜１８ｂとを備えている。強磁性部分１７ａ、１７ｂは、磁化自由領域１２と一体に形成される部分であり、強磁性部分１７ａ、１７ｂは、磁化自由領域１２と同一の工程で形成される。第２非磁性層１５ａは、強磁性膜１６ａと強磁性部分１７ａの間に、強磁性部分１７ａの下面に接合して設けられている。同様に、第２非磁性層１５ｂは、強磁性膜１６ｂと強磁性部分１７ｂの間に、強磁性部分１７ｂの下面に接合して設けられている。

一方、図１２Ａ、図１２Ｂに図示されている第１強磁性層１０では、第２非磁性層１５ａが、強磁性膜１６ａと強磁性部分１７ａの間に、強磁性部分１７ａの上面に接合して設けられている。同様に、第２非磁性層１５ｂは、強磁性膜１６ｂと強磁性部分１７ｂの間に、強磁性部分１７ｂの上面に接合して設けられている。

図１２Ｃに示されているように、磁化自由領域１２の上に第１非磁性層２０と第２強磁性層３０が設けられ、第１強磁性層１０、第１非磁性層２０、及び第２強磁性層３０によってＭＴＪ（又はＧＭＲ素子）が形成される。

第２非磁性層１５ａ、１５ｂが第１強磁性層１０内に設けられても、本発明における磁壁のピニング力のコントロールによる書き込み電流の低減の効果は得られる。これは、図８を用いて説明した原理は、第１強磁性層１０内において、図８で斜線を施された領域が磁化自由領域１２から離れた位置にあったとしても同様に当てはまるためである。

第２非磁性層１５を第１強磁性層１０内に設けることによって、製造が容易となる上、より好ましい材料特性も発現し易くなる。前述のように第１強磁性層１０を形成するためには、いくつかのステップを経る必要があるが、この際製造プロセスの都合から非磁性層を挿入した方が、製造が容易になる場合がある。例えば、垂直磁気異方性を有する強磁性体層の下地層やキャップ層、保護層として非磁性層を用いた場合、インテグレーションの過程でこれらは第１強磁性層１０内に残ってしまうことが考えられるが、このような場合でも、過度なピニング力の抑制の効果を得ることができる。

第２非磁性層１５の位置や膜厚は、様々に変更可能である。さらに磁化自由領域１２の上側、下側の両側に第２非磁性層１５が設けられてもよい。

第２非磁性層１５の材料は、様々に選択可能である。Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔｉ−Ｎ、Ｚｒ−Ｎなどの導電性材料や、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ−Ｏ、Ｍｇ−Ｏなどの絶縁性の材料などを用いることができる。また図１２Ｃに示されるように、第２非磁性層１５ａは第１非磁性層２０と同一高さに形成されてもよい。これによってＭＴＪのトンネルバリアと同一プロセスで形成することが可能となり、製造プロセスが簡略化される。

（第４の実施形態）
図１３Ａ〜図１３Ｃは、本発明の第４の実施形態の磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示している。第４の実施形態は、第１強磁性層１０からのデータ読み出しに関する。図１３Ａは斜視図であり、図１３Ｂ、図１３Ｃはそれぞれ図１３Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｙ平面図、ｘ−ｚ断面図を示している。

第４の実施形態では、データが記憶される第１強磁性層１０とは別にＭＴＪが設けられ、そのＭＴＪがデータ読み出しに使用される。より具体的には、第４の実施形態では、第１強磁性層１０の他に、第３強磁性層２１０、第３非磁性層２２０、及び第４強磁性層２３０が設けられる。第３強磁性層２１０と第１強磁性層１０とは、コンタクト層２４０によって接続されている。第３非磁性層２２０は、第３強磁性層２１０と第４強磁性層２３０の間に設けられている。第３強磁性層２１０、第３非磁性層２２０、第４強磁性層２３０は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成している。

第３強磁性層２１０の重心は第１強磁性層１０の磁化自由領域１２の重心に対してｘ−ｙ面内でずれて設けられる。いまこのずれの方向を「ずれ方向」と定義する。

第３強磁性層２１０及び第４強磁性層２３０は面内方向に磁気異方性を有する強磁性体から構成される。第３強磁性層２１０の磁気異方性の方向は、面内方向において任意である。一方、第４強磁性層２３０の磁化は実質的に一方向に固定されている。この方向は「ずれ方向」に平行方向であることが望ましい。

第４の実施形態では、第１強磁性層１０の磁化自由領域１２の垂直方向の磁化の方向として記憶されたデータが、第３強磁性層２１０、第３非磁性層２２０、第４強磁性層２３０から構成される面内磁化を有するＭＴＪを用いて読み出される。詳細には、第１強磁性層１０の磁化自由領域１２が第３強磁性層２１０に磁気的に結合されており、第１強磁性層１０の磁化自由領域１２の垂直方向の磁化の方向が、第３強磁性層２１０の面内方向の磁化の方向となって現れる。第３強磁性層２１０の面内方向の磁化の方向が、ＭＴＪの抵抗の変化として検知され、ＭＴＪの抵抗の変化からデータが識別される。

第４の実施形態における読み出し動作の原理を、図１４Ａ、図１４Ｂを用いて詳細に説明する。図１４Ａは、第１強磁性層１０が“０”状態にある場合の各層の磁化の状態を示しており、図１４Ｂは、第１強磁性層１０が“１”状態にある場合の磁化の状態を示している。なお、磁化固定領域１１ａ、磁化固定領域１１ｂ、第４強磁性層２３０の磁化はそれぞれｚ軸の正方向、負方向、ｙ軸負方向に固定されているものとして描かれているが、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、第４強磁性層２３０の磁化の方向には任意性がある。この任意性は、当業者には自明であろう。

いま、図１４Ａに示されるように、第１強磁性層１０が、磁化自由領域１２が下方向に磁化した“０”状態にある場合、第３強磁性層２１０の磁化は、磁化自由領域１２の下方向の磁化によって生ずる漏れ磁束によってｙ軸負方向を向く。これは第３強磁性層２１０が磁化自由領域１２の下側（ｚ軸負の方向）に配置され、かつ第３強磁性層２１０の重心が磁化自由領域１２に対してｙ軸の負の方向にずれて設けられているためである。これによって第３強磁性層２１０、第４強磁性層２３０の磁化は平行となり、ＭＴＪは低抵抗状態となる。

一方、図１４Ｂに示されるように、第１強磁性層１０が、磁化自由領域１２が上方向に磁化した“１”状態にある場合、第３強磁性層２１０の磁化は、磁化自由領域１２の上方向の磁化によって生ずる漏れ磁束によってｙ軸正方向を向く。これによって第３強磁性層２１０、第４強磁性層２３０の磁化は反平行となり、ＭＴＪは高抵抗状態となる。

かくして磁化自由領域１２の垂直方向の磁化として記憶されたデータは、面内磁化を有する第３強磁性層２１０の磁化に伝達され、第３強磁性層２１０、第３非磁性層２２０、第４強磁性層２３０から構成されるＭＴＪによって読み出される。

面内磁化を有する強磁性層によって構成されるＭＴＪでは一般的に高い磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を得ることができる。したがって、第４の実施形態の磁気抵抗効果素子では、大きな読み出し信号を得ることができる。

なお、図１３Ａ〜図１３Ｃでは第３強磁性層２１０、第３非磁性層２２０、第４強磁性層２３０は第１強磁性層１０に対して下側（ｚ軸負方向）に配置されるものとして描かれているが、この位置には任意性があり、例えば上側であっても構わない。また第３強磁性層２１０の重心の磁化自由領域１２の重心からのずれの方向である「ずれ方向」は、図ではｙ軸負の方向であるものとして描かれているが、これについても任意性があり、ｙ軸正方向でもよく、或いはｘ成分を含んでいてもよい。

（第５の実施形態）
図１５Ａ、図１５Ｂは本発明に係る磁気抵抗効果素子の第５の実施形態の構造を模式的に示している。第５の実施形態は磁化固定領域の構成に関する。図１５Ａは斜視図であり、図１５Ｂは図１５Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｚ断面図を示している。

いま、図１５Ｂに示されるように第１磁化固定領域１１ａのうちの磁化自由領域１２と同一高さに位置する領域を領域１１ａ−０、それよりも高い位置の領域を１１ａ−１、低い領域を領域１１ａ−２と定義する。同様に第２磁化固定領域１１ｂのうちの磁化自由領域１２と同一高さに位置する領域を領域１１ｂ−０、それよりも高い位置の領域を領域１１ｂ−１、低い領域を領域１１ｂ−２と定義する。このとき、領域１１ｂ−１、領域１１ｂ−２の材料、特性、膜厚は、様々に変更可能である。例えば、領域１１ｂ−１、領域１１ｂ−２とで膜厚は異なっていてもよく、また材料や特性（例えば磁化）も異なっていてもよい。

一例として、領域１１ａ−１の磁化が領域１１ａ−２の磁化に比べて大きい場合について図１６で示されている。図１６では領域１１ａ−１、領域１１ａ−２の磁化が領域１１ａ−０及び磁化自由領域１２に形成する磁場が、矢印１３で模式的に示されている。図１６のように領域１１ａ−１、領域１１ａ−２の磁化の大きさが異なる場合、磁化自由領域１２の第１磁化固定領域１１ａとの境界１４では、有限な磁場が残ることになる。このように意図的に膜厚や材料特性を調整することによって、磁壁のピニング力を調整することができる。

（第６の実施形態）
図１７Ａ、１７Ｂは、本発明の第６の実施形態の磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示している。第６の実施形態も磁化固定領域の構成に関する。図１７Ａは斜視図であり、図１７Ｂは、図１７Ａに示されるｘ−ｙ−ｘ座標系におけるｘ−ｚ断面図を示している。

第６の実施形態では、第１の実施形態とは異なり、磁化固定領域１１ａ、１１ｂのうちの少なくとも一方が、上面が磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成されており、下面が磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも低い位置に形成される構造を採用している。第６の実施形態では、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの両方にこのような構造が採用されている。即ち、磁化固定領域１１ａ、磁化固定領域１１ｂの上面１１ａＴ、１１ｂＴが磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも低い位置に形成される一方、磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの下面１１ａＢ、１１ｂＢが磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも高い位置に形成されている。

図１７Ａ、図１７Ｂに示した構成においても、図８を用いて説明した本発明の効果と同等の効果を得ることができる。図１８はその様子を模式的に示している。図１８では第１磁化固定領域１１ａの磁化がその周囲に形成する磁場が矢印１３で示されている。図１８のように磁化自由領域１２と第１磁化固定領域１１ａの境界１４においては、ｘ軸の正方向と負方向の磁場が発生し、これらが相殺することによって大きな磁壁のピニング力とならないことがわかる。

なお、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの一方は、第１の実施形態の構造（即ち、上面が、磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも高い位置に形成されており、下面が磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも低い位置に形成される構造）で形成される一方、他方が、第６の実施形態の構造（即ち、上面が、磁化自由領域１２の上面１２Ｔよりも低い位置に形成されており、下面が磁化自由領域１２の下面１２Ｂよりも高い位置に形成される構造）で形成されてもよい。

なお、書き込みの際はこの境界１４にて磁壁を停止させる必要があるが、これはここに前述のような電極層４０ａ、４０ｂを設ける、或いは後述されるように第１強磁性層１０の平面形状を調整することによって実現することができる。

（第７の実施形態）
図１９Ａ〜１９Ｅ、２０Ａ、２０Ｂ、及び２１Ａ、２１Ｂは、本発明の第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第７の実施形態の構造を模式的に示している。第７の実施形態は、第１強磁性層１０の平面形状に関する。

図１Ａ〜１Ｃでは、第１強磁性層１０がｘ−ｙ面内において長方形であるものとして描かれているが、図１９Ａ〜１９Ｅ、２０Ａ、２０Ｂ、及び２１Ａ、２１Ｂに示されているように、第１強磁性層１０の平面形状は、様々に変更可能である。図１９Ａ〜１９Ｅ、図２０Ａ、図２０Ｂ、図２１Ｂはｘ−ｙ平面図を示している。また図２１Ａは、図２１Ｂのような平面形状を有する第１強磁性層１０の斜視図を示している。

図１９Ａに示されるように、第１強磁性層１０にノッチ（切り欠き）が設けられてもよい。このノッチは、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界、及び第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に設けられる。これにより、磁壁のピニング位置を明確に規定することができる。ノッチの代わりに突出部が設けられることも可能である。

また、図１９Ｂ〜１９Ｅに示されるように、第１強磁性層１０は、中央部が太くなるように形成されてもよい。磁壁は系全体のエネルギーを下げるために、なるべく細い部分に動く性質があるが、図１９Ｂ〜図１９Ｅに示されるように中央部を太く形成することによって、中央部で磁壁が止まりにくくなり、安定した２値状態が実現される。

また、図２０Ａ、図２０Ｂに示されるように、第１強磁性層１０は、磁化固定領域１１の幅が磁化自由領域１２の幅に比べて太くなるように形成されてもよい。図２０Ａは、磁化固定領域１１ａ、磁化固定領域１１ｂの両方が太く形成される例が示されており、図２０Ｂでは磁化固定領域１１ｂのみが太く形成される例が示されている。磁化固定領域１１の幅を磁化自由領域１２に比べて太く形成することによって、磁壁が磁化自由領域１２を通り越して磁化固定領域１１に侵入することを防ぐことができる。これは磁化固定領域においては、幅が広がるため、電流密度が下がるためである。

また、図２１Ａ、図２１Ｂに示されるように、第１強磁性層１０は、Ｙ字型に形成されてもよい。図２１Ａ、図２１Ｂの構造においては、第１強磁性層１０はｘ方向に延伸して設けられる磁化自由領域１２と、その一方の端部（−ｘ側）に接続して設けられる磁化固定領域１１ａと、同じく一方の端部に接続して設けられる磁化固定領域１１ｂにより形成される。すなわち第１強磁性層１０が、三叉路を形成する。この場合も磁化固定領域１１ａと磁化固定領域１１ｂの磁化は、垂直方向で互いに反平行方向に固定される。また磁化自由領域１２の磁化は垂直方向で上下に反転可能である。

第１強磁性層１０が図２１Ａ、図２１Ｂに示されるようなＹ字型の形状を有する場合の書き込み方法について図２２Ａ、図２２Ｂを用いて説明する。図２２Ａは、第１強磁性層１０が“０”状態にある場合にデータ“１”を書き込む動作を模式的に示しており、図２２Ｂは、第１強磁性層１０が“１”状態にある場合にデータ“０”を書き込む動作を示している。

図２２Ａに示されるように、第１強磁性層１０が、磁化自由領域１２が下向きに磁化した“０”状態にある場合、磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成される。ここで図２２Ａの点線の方向に電流を流せば、電流誘起磁壁移動現象により磁壁（ＤＷ）は磁化自由領域１２の磁化固定領域１１ａと接続される端部とは反対側へと移動し、第１強磁性層１０が、図２２Ｂに示されるような“１”状態へと遷移する。同様に、第１強磁性層１０が、図２２Ｂに示されるような磁化自由領域１２が上向きに磁化した“１”状態にある場合、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成される。ここで図２２Ｂの点線の方向に電流を流せば、電流誘起磁壁移動現象により磁壁（ＤＷ）は磁化自由領域１２の第２磁化固定領域１１ｂと接続される端部とは反対側へと移動し、第１強磁性層１０が、図２２Ａに示されるような“０”状態へと遷移する。このようにしてデータの書き換えが可能である。

第１強磁性層１０が図２１Ａ、図２１Ｂに示されるような三叉路形状に形成されることによって、磁壁が磁化自由領域１２の端部に抜かれることによって書き込みが行われる。このような書き込みプロセスによって、より安定した書き込み動作を実現することができる。

上記には本発明の実施形態が様々に記載されているが、本発明は、上述の実施形態に限定して解釈されてはならない。本発明は、上述の実施形態から様々に変更されて実施され得ることは当業者には自明的であろう。なお、矛盾しない限り、上述の実施形態の構造のうちの複数が、一の磁気抵抗効果素子に組み合わせて採用されてもよいことに留意されたい。

図１Ａは、本発明の第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。 図１Ｂは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す平面図である。 図１Ｃは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。 図２は、図１の磁気抵抗効果素子の磁化配置を示す断面図である。 図３Ａは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の書き込み動作を概念的に示す断面図である。 図３Ｂは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の書き込み動作を概念的に示す断面図である。 図４Ａは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の読み出し動作を概念的に示す断面図である。 図４Ｂは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の読み出し動作を概念的に示す断面図である。 図５Ａは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の初期化動作を概念的に示す断面図である。 図５Ｂは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の初期化動作を概念的に示す断面図である。 図６Ａは、強磁性層に段差が設けられた磁気抵抗効果素子の構造を示す斜視図である。 図６Ｂは、強磁性層に段差が設けられた磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。 図７は、図６Ａ、図６Ｂに示された構造の強磁性層に発生する磁場を示す概念図である。 図８は、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層に発生する磁場を示す概念図である。 図９は、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子が集積化された磁気メモリセルの回路構成を示す回路図である。 図１０Ａは、本発明の第２の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。 図１０Ｂは、第２の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す平面図である。 図１０Ｃは、第２の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。 図１１Ａは、本発明の第３の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。 図１１Ｂは、本発明の第３の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。 図１２Ａは、第３の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。 図１２Ｂは、第３の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。 図１２Ｃは、第３の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。 図１３Ａは、第４の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。 図１３Ｂは、第４の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す平面図である。 図１３Ｃは、第４の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。 図１４Ａは、第４の実施形態の磁気抵抗効果素子の読み出し動作を概念的に示す断面図である。 図１４Ｂは、第４の実施形態の磁気抵抗効果素子の読み出し動作を概念的に示す断面図である。 図１５Ａは、本発明の第５の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。 図１５Ｂは、本発明の第５の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。 図１６は、第５の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層に発生する磁場を示す概念図である。 図１７Ａは、第６の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。 図１７Ｂは、第６の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。 図１８は、第６の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層に発生する磁場を示す概念図である。 図１９Ａは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層の平面形状の一例を示す平面図である。 図１９Ｂは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層の平面形状の他の例を示す平面図である。 図１９Ｃは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層の平面形状の他の例を示す平面図である。 図１９Ｄは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層の平面形状の他の例を示す平面図である。 図１９Ｅは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層の平面形状の他の例を示す平面図である。 図２０Ａは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層の平面形状の他の例を示す平面図である。 図２０Ｂは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層の平面形状の他の例を示す平面図である。 図２１Ａは、第７の実施形態の磁気抵抗効果素子の構成の他の例を示す斜視図である。 図２１Ｂは、図２１Ａに図示された磁気抵抗効果素子の構成の平面形状を示す平面図である。 図２２Ａは、図２１Ａ、図２１Ｂに図示された磁気抵抗効果素子への書き込み動作を概念的に示す平面図である。 図２２Ｂは、図２１Ａ、図２１Ｂに図示された磁気抵抗効果素子への書き込み動作を概念的に示す平面図である。

符号の説明

１０：第１強磁性層
１１、１１ａ、１１ｂ：磁化固定領域
１１ａＴ、１１ｂＴ：上面
１１ａＢ、１１ｂＢ：下面
１１ａ−０、１１ａ−１、１１ａ−２：領域
１１ｂ−０、１１ｂ−１、１１ｂ−２：領域
１２：磁化自由領域
１２Ｔ：上面
１２Ｂ：下面
１３：矢印
１４：境界
１５、１５ａ、１５ｂ：第２非磁性層
１６ａ、１６ｂ：強磁性膜
１７ａ、１７ｂ：強磁性部分
１８ａ、１８ｂ：強磁性膜
２０：第１非磁性層
３０：第２強磁性層
４０ａ、４０ｂ：電極層
１００ａ、１００ｂ：ＭＯＳトランジスタ
１０１：グラウンド線
１０２ａ、１０２ｂ：ビット線
１０３：ワード線
２１０：第３強磁性層
２２０：第３非磁性層
２３０：第４強磁性層
２４０：コンタクト層

Claims (11)

1. 垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成される第１強磁性層を具備し、
   前記第１強磁性層は、
   第１方向に固定された磁化を有する第１磁化固定領域と、
   前記第１方向と反平行方向に固定された磁化を有する第２磁化固定領域と、
   前記第１及び第２磁化固定領域に接合された、反転可能な磁化を有する磁化自由領域
   とを備え、
   前記第１磁化固定領域と前記磁化自由領域のうちの一方の上面は他方の上面よりも基板垂直方向において高い位置に形成され、
   前記第１磁化固定領域と前記磁化自由領域のうちの前記一方の下面は前記他方の下面よりも基板垂直方向において低い位置に形成される
   磁気抵抗効果素子。
2. 請求項１に記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第１磁化固定領域は、その上面が前記磁化自由領域の上面よりも基板垂直方向において高い位置に形成され、その下面が前記磁化自由領域の下面よりも基板垂直方向において低い位置に形成される
   磁気抵抗効果素子。
3. 請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記磁化自由領域に対向するように設けられた第２強磁性層と、
   前記第２強磁性層と前記磁化自由領域の間に設けられた第１非磁性層
   とを備え、
   前記第２強磁性層は、少なくともその一部分において垂直方向に固定された磁化を有する
   磁気抵抗効果素子。
4. 請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第１強磁性層に磁気的に結合して設けられる第３強磁性層と、
   前記第３強磁性層に対向するように設けられた第４強磁性層と、
   前記第３強磁性層と前記第４強磁性層との間に設けられた第２非磁性層
   とを備え、
   前記第３強磁性層の重心は前記磁化自由領域の重心に対して面内方向である第２方向にずれて設けられ、
   前記第３強磁性層は、面内方向に反転可能な磁化を有し、
   前記第４強磁性層は、前記第２方向に略平行に固定された磁化を有する
   磁気抵抗効果素子。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第１磁化固定領域が、前記磁化自由領域の一方の端部に接合され、
   前記第２磁化固定領域が、前記磁化自由領域の他方の端部に接合された
   磁気抵抗効果素子。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第１磁化固定領域が、前記磁化自由領域の一方の端部に接合され、
   前記第２磁化固定領域が、前記磁化自由領域の前記一方の端部に接合された
   磁気抵抗効果素子。
7. 請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第１及び第２磁化固定領域の少なくとも一方が、面内方向において前記磁化自由領域よりも幅が広く形成された
   磁気抵抗効果素子。
8. 請求項２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第１磁化固定領域は、
   前記磁化自由領域よりも基板垂直方向において高い位置に位置する第１領域と、
   前記磁化自由領域よりも基板垂直方向において低い位置に位置する第２領域
   とを備え、
   前記第１領域と前記第２領域は、磁化と膜厚の少なくとも一方が異なる
   磁気抵抗効果素子。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第１及び前記第２磁化固定領域の少なくとも一方が電極層に接合される
   磁気抵抗効果素子。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
    前記第１及び前記第２磁化固定領域の少なくとも一方は、非磁性層を含む
    磁気抵抗効果素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備える
    磁気ランダムアクセスメモリ。

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