JP2012064863A - 磁気記録素子および不揮発性記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】書き込みに必要な電流を低減させることができる磁気記録素子および不揮発性記憶装置を提供する。
【解決手段】実施態様によれば、第１積層部と第２積層部とを備えた磁気記録素子が提供される。第１積層部は、膜面に対して垂直な成分を有する第１の方向に磁化が実質的に固着された第１の強磁性層と、磁化の方向が膜面に対して垂直な方向に可変である第２の強磁性層と、第１、第２の強磁性層の間に設けられた第１の非磁性層と、を含む。第２積層部は、磁化の方向が膜面に対して平行な方向に可変である第３の強磁性層と、膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に磁化が実質的に固着された第４の強磁性層と、第３、第４の強磁性層の間に設けられた第２の非磁性層と、を含む。第１の方向は、第２の方向と逆である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気記録素子および不揮発性記憶装置に関する。

トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magneto Resistive）効果を示す強磁性トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）素子がデータ記憶部に用いられた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ:Magnetic Random Access Memory）は、高速・大容量の不揮発メモリとして注目を集めている。ＭＴＪ素子の記録層への書き込みは、例えば、ＭＴＪ素子に直接通電させ、ＭＴＪ素子の基準層から注入されるスピントルクで記録層の磁化を反転させるスピントルク書き込み方式により行われる。ここで、メモリの大容量化を実現するためには、ＭＴＪ素子を微細化し高密度にデータ記憶部を配置するとともに、書き込みに必要な電流を低減させることが必要である。

特開２００９−２１３５２号公報

本発明の実施形態は、書き込みに必要な電流を低減させることができる磁気記録素子および不揮発性記憶装置を提供する。

本発明の実施態様によれば、第１積層部と第２積層部とを備えた磁気記録素子が提供される。前記第１積層部は、膜面に対して垂直な成分を有する第１の方向に磁化が実質的に固着された第１の強磁性層と、磁化の方向が膜面に対して垂直な方向に可変である第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられた第１の非磁性層と、を含む。第２積層部は、磁化の方向が膜面に対して平行な方向に可変である第３の強磁性層と、膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に磁化が実質的に固着された第４の強磁性層と、前記第３の強磁性層と前記第４の強磁性層との間に設けられた第２の非磁性層と、を含む。前記第１の方向は、前記第２の方向と逆である。前記積層体の各層の膜面に対して略垂直な方向に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第２の強磁性層に作用させ、且つ前記第３の強磁性層の磁化を歳差運動させることにより発生する磁場を前記第２の強磁性層に作用させることにより、前記第２の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能である。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、第１の実施形態にかかる磁気記録素子を表す断面模式図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は、磁化方向を説明する概念模式図ある。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、第１の実施形態にかかる他の磁気記録素子を表す断面模式図である。 図４（ａ）〜図４（ｄ）は、磁気記録素子における「書き込み」動作を示す断面模式図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、磁気記録素子における「読み出し」動作を示す断面模式図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、第２の実施形態にかかる磁気記録素子を表す断面模式図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、第３の実施形態にかかる磁気記録素子を表す断面模式図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、第４の実施形態にかかる磁気記録素子を表す断面模式図である。 第１〜第４の実施形態における電流の関係を例示する概念模式図である。 第１〜第４の実施形態における電流と周波数の関係を例示する概念模式図である。 第１〜第４の実施形態における電流と周波数の他の関係を例示する概念模式図である。 第１〜第４の実施形態における第３の強磁性層の大きさと電子電流が流れているときの磁化状態を例示するグラフ図である。 第５の実施形態にかかる磁気記録素子を表す断面模式図である。 第１の具体例における磁化反転の時間を例示するグラフ図である。 第１の具体例におけるアシスト磁界の強度および周波数に対する磁化反転の時間を例示するグラフ図である。 第１の具体例における電流に対して外部へ発生する磁界の周波数応答を例示するグラフ図である。 第１の具体例における第３の非磁性層の層厚と磁界強度との関係を例示するグラフ図である。 図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、第２の具体例における磁気記録素子を表す断面模式図である。 第２の具体例における電流に対して外部へ発生する磁界の周波数応答を例示するグラフ図である。 第２の具体例における第３の非磁性層の層厚と磁界強度との関係を例示するグラフ図である。 本具体例の他の条件における第３の非磁性層の層厚と磁界強度との関係を例示するグラフ図である。 図２２（ａ）および図２２（ｂ）は、第３の具体例における磁気記録素子を表す断面模式図である。 第３の具体例における第３の非磁性層の層厚と磁界強度との関係を例示するグラフ図である。 第３の具体例の他の条件における第３の非磁性層の層厚と磁界強度との関係を例示するグラフ図である。 第１〜第５の実施形態の他の具体例における不揮発性記憶装置を表す平面模式図である。

以下に、本発明の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。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、第１の実施形態にかかる磁気記録素子を表す断面模式図である。
また、図２（ａ）および図２（ｂ）は、磁化方向を説明する概念模式図ある。
また、図３（ａ）および図３（ｂ）は、第１の実施形態にかかる他の磁気記録素子を表す断面模式図である。

本実施形態にかかる磁気記録素子は、磁気記録部３（第１積層部）と磁界発生源５（第２積層部）とを備える。
磁気記録部３と磁界発生源５とは、第３の非磁性層４０を介して設けられている。
磁気記録部３は、磁化１２ａが膜面に対して略垂直方向に固着された第１の強磁性層（第１の磁化固着層）１０ａと、磁化容易軸３４が膜面に対して略垂直方向である第２の強磁性層（磁気記録層）３０と、第１の強磁性層１０ａと第２の強磁性層３０との間に設けられた第１の非磁性層（第１のスペーサ層）２０ａと、を含む。ここで、第１の強磁性層１０ａ、第１の非磁性層２０ａ及び第２の強磁性層３０が積層される方向を積層方向ＳＤ１とする。積層方向ＳＤ１は、例えば、第１の強磁性層１０ａの膜面に対して垂直な方向である。

第１の強磁性層１０ａと、第１の非磁性層２０ａと、第２の強磁性層３０と、を含む積層構造は、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）などと呼ばれている。
なお、本願明細書において、「積層」とは、複数の層が互いに接して重ねられる場合の他に、間に別の層が挿入されて複数の層が重ねられる場合も含む。

磁界発生源５は、磁気記録部３と積層される。すなわち、磁界発生源５は、磁気記録部３と積層方向ＳＤ１に沿って積層される。
磁界発生源５は、磁化容易軸５４が膜面に対して略平行方向である第３の強磁性層（磁化回転層）５０と、磁化１２ｂが膜面に対して略垂直方向に固着された第４の強磁性層（第２の磁化固着層）１０ｂと、第３の強磁性層５０と第４の強磁性層１０ｂとの間に設けられた第２の非磁性層（第２のスペーサ層）２０ｂと、を有する。第３の強磁性層５０、第２の非磁性層２０ｂ及び第４の強磁性層１０ｂは、積層方向ＳＤ１に沿って積層される。

第１の強磁性層１０ａ、第２の強磁性層３０、および第４の強磁性層１０ｂには、例えば垂直磁化膜が用いられる。
図２（ａ）に表したように、垂直磁化膜は、磁化７２の、膜面に対して垂直な方向（積層方向ＳＤ１）の磁化斜影成分７２ａが、磁化７２の、膜面に対して平行な方向（膜面方向ＳＤ２）の磁化斜影成分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７２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。
一方、第３の強磁性層５０には、例えば面内磁化膜が用いられる。
図２（ｂ）に表したように、面内磁化膜は、磁化７２の、膜面に対して平行な方向（膜面方向ＳＤ２）の磁化斜影成分７２ｂが、磁化７２の、膜面に対して垂直な方向（積層方向ＳＤ１）の磁化斜影成分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７２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。

ここで、説明の便宜上、磁気記録部３から磁界発生源５に向かう方向を「上」または「上向き」と言い、磁界発生源５から磁気記録部３に向かう方向を「下」または「下向き」と言うことにする。
第１の強磁性層１０ａの磁化１２ａは、第１の方向に実質的に固着されている。第１の方向は、図１（ａ）に表した磁気記録素子では上向きであり、図１（ｂ）に表した磁気記録素子では下向きである。一方、第４の強磁性層１０ｂの磁化１２ｂは、第２の方向に実質的に固着されている。第２の方向は、図１（ａ）に表した磁気記録素子では下向きであり、図１（ｂ）に表した磁気記録素子では上向きである。

本実施形態にかかる磁気記録素子は、第２の強磁性層３０と、第１の非磁性層２０ａと、第１の強磁性層１０ａと、第３の非磁性層４０と、第４の強磁性層１０ｂと、第２の非磁性層２０ｂと、第３の強磁性層５０と、がこの順に積層された構造を有する。本実施形態にかかる磁気記録素子には、第２および第３の強磁性層３０、５０にそれぞれ接続された図示していない電極によって、電子電流６０を流すことができる。電子電流は電子の流れを表し、上向きに電流が流れるときに電子電流は下向きに流れる。第２の強磁性層３０は、データを記録する役割をもつ。第２の強磁性層３０の磁化３２（図４および図５参照）は、比較的容易に反転可能である。第３の強磁性層５０は、書き込み時に高周波磁場を発生させる役割をもつ。

膜面に対して垂直な方向に電子電流６０を流すと、磁界発生源５の第３の強磁性層５０における磁化が歳差運動することにより回転磁界（高周波磁界）が発生する。高周波磁界の周波数は、例えば約１〜６０ＧＨｚ程度である。高周波磁界は、第２の強磁性層３０の磁化３２に対して垂直方向、すなわち第２の強磁性層３０の磁化困難軸の方向の成分を有する。したがって、第３の強磁性層５０から発生した高周波磁界の少なくとも一部は、第２の強磁性層３０の磁化困難軸の方向に印加される。第３の強磁性層５０から発生した高周波磁界が、第２の強磁性層３０の磁化困難軸の方向に印加されると、第２の強磁性層３０の磁化３２は非常に反転し易くなる。

ここで、本実施形態にかかる磁気記録素子では、図１（ａ）および図１（ｂ）に表したように、第１の方向に固着された磁化１２ａの垂直斜影成分の向きと、第２の方向に固着された磁化１２ｂの垂直斜影成分の向きと、は互いに逆向きである。
さらに図３（ａ）および図３（ｂ）に表したように、第１の強磁性層１０ａの磁化１２ａおよび第４の強磁性層１０ｂの磁化１２ｂの向きが膜面に対して斜めであっても、第１の方向に固着された磁化１２ａの垂直斜影成分の向きと、第２の方向に固着された磁化１２ｂの垂直斜影成分の向きと、が互いに逆向きであればよい。これは、図６〜図８に関して後述する例においても同様である。

そのため、第２の強磁性層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低減させる又は打ち消すことができる。一方、第３の強磁性層５０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残留させ作用させることができる。
これにより、第３の強磁性層５０において発生する回転磁界の向きと、第２の強磁性層３０の磁化が歳差運動する向きと、は、一致する。そのため、磁界発生源５の第３の強磁性層５０において発生した回転磁界は、磁気記録部３の第２の強磁性層３０の磁化反転を効率的にアシストすることができる。その結果、第２の強磁性層３０への情報の記録（書き込み）に必要な電流を低減させることができる。

本実施形態では、第１の強磁性層１０ａと第４の強磁性層１０ｂとは、第３の非磁性層４０を介して反強磁性結合していてもよい。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すなわち「第１の磁性層（本実施形態では第１の強磁性層１０ａ）／非磁性層（本実施形態では第３の非磁性層４０）／第２の磁性層（本実施形態では第４の強磁性層１０ｂ）」の積層構造は、シンセティックアンチフェロ（ＳＡＦ：Synthetic Anti-Ferromagnet）構造と呼ばれている。

ＳＡＦ構造を用いることにより互いの磁化固着力が増強され、外部磁界に対する耐性および熱的な安定性を向上させることができる。また、この構造では、磁気記録層（本実施形態では第２の強磁性層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ほぼゼロにすることができる。
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）やオスミウム（Ｏｓ）などの金属材料が用いられる。非磁性層の層厚は、３ｎｍ（ナノメートル）以下に設定される。これは、非磁性層を介して十分強い反強磁性結合を得るためである。

本実施形態における磁気記録素子は、電子電流６０を上下の第１および第４の強磁性層１０ａ、１０ｂ間に流すことによって、第２の強磁性層３０の磁化の方向を制御することができる。具体的には、電子電流６０の流れる向き（極性）を変えることで第２の強磁性層３０の磁化の向きを反転させることができる。情報を記録させる場合には、第２の強磁性層３０の磁化の方向に応じて、「０」と「１」とをそれぞれ割り当てればよい。

ここで、磁気記録素子における「書き込み」動作について説明する。
図４（ａ）〜図４（ｄ）は、磁気記録素子における「書き込み」動作を例示する断面模式図である。
なお、図４（ａ）は、第１の強磁性層１０ａから第２の強磁性層３０に向かって電子電流６０を流し始めた状態を表す断面模式図である。図４（ｂ）は、第１の強磁性層１０ａから第２の強磁性層３０に向かって電子電流６０を流し終えた状態（磁化３２が反転した状態）を表す断面模式図である。図４（ｃ）は、第２の強磁性層３０から第１の強磁性層１０ａに向かって電子電流６０を流し始めた状態を表す断面模式図である。図４（ｄ）は、第２の強磁性層３０から第１の強磁性層１０ａに向かって電子電流６０を流し終えた状態（磁化３２が反転した状態）を表す断面模式図である。説明の便宜上、図１に表した磁気記録素子における磁界発生源５と、第３の非磁性層４０と、は省略している。

第１の強磁性層１０ａおよび第２の強磁性層３０の膜面を横切るように電子電流６０を流して、第２の強磁性層３０に対する書き込み動作においては、以下が行われる。ここでは、第１の非磁性層２０ａを介した磁気抵抗効果が、ノーマルタイプである場合について説明する。ここで、「ノーマルタイプ」の磁気抵抗効果とは、非磁性層の両側の磁性層の磁化が平行時よりも反平行時に電気抵抗が高くなる場合をいう。つまり、ノーマルタイプの場合、第１の非磁性層２０ａを介した第１の強磁性層１０ａと第２の強磁性層３０との間の電気抵抗は、第１の強磁性層１０ａと第２の強磁性層３０の磁化が平行な時には反平行時よりも低くなる。

まず、図４（ａ）において、膜面に対して略垂直方向の磁化１２ａを有する第１の強磁性層１０ａを通過した電子は、磁化１２ａと同じ方向のスピンをもつようになり、これが第２の強磁性層３０へ流れると、このスピンのもつ角運動量が第２の強磁性層３０へ伝達され、磁化３２に作用する。いわゆるスピントランスファトルクが、働くことになる。これにより、図４（ｂ）に表したように、第２の強磁性層３０は磁化１２ａと同じ向き（同図において上向きであり、例えば積層方向ＳＤ１に対して平行な１つの方向）の磁化３２をもつことになる。この向き（同図おいて上向き）の磁化３２を有する第２の強磁性層３０に、例えば「０」を割り当てる。

また、図４（ｃ）は、電子電流６０の向きを反転させた場合を表す。第１の非磁性層２０ａを通過した電子において、磁化１２ａと同じ向き（同図において上向き）のスピンをもった電子は第１の強磁性層１０ａを通過するが、磁化１２ａと逆向き（同図において下向き）のスピンをもった電子は第１の強磁性層１０ａと第１の非磁性層２０ａとの界面において反射される。この反射された電子のスピンの角運動量が第２の強磁性層３０へ伝達され、磁化３２に作用する。これにより、図４（ｄ）に表したように、第２の強磁性層３０は磁化１２ａと逆向き（同図において下向き）の磁化３２をもつことになる。いわゆるスピントランスファトルクが、働くことになる。この向き（同図おいて下向き）の磁化３２を有する第２の強磁性層３０に、例えば「１」を割り当てる。

前述のような作用によって第２の強磁性層３０に「０」と「１」とが適宜割り当てられて、磁気記録素子における「書き込み」が完了する。以上、第１の非磁性層２０ａを介した第１の強磁性層１０ａと第２の強磁性層３０との間の磁気抵抗効果が「ノーマルタイプ」の場合について説明した。

磁気抵抗効果が「リバースタイプ」の場合は、非磁性層の両側の磁性層の磁化が反平行時よりも平行時に電気抵抗が高くなる場合をいう。つまり、リバースタイプの場合、第１の非磁性層２０ａを介した第１の強磁性層１０ａと第２の強磁性層３０との間の電気抵抗は、第１の強磁性層１０ａと第２の強磁性層３０の磁化が平行な時には反平行時よりも高くなる。リバースタイプにおける「書き込み」動作は、磁気抵抗効果が「ノーマルタイプ」の場合と同様であるため、詳細な説明は省略する。

次に、磁気記録素子における「読み出し」動作について説明する。
本発明の磁気記録素子において、第２の強磁性層３０の磁化３２の方向の検出は、各層の磁化の相対的な向きにより電気抵抗が変わる「磁気抵抗効果」を利用して行うことができる。すなわち、磁気抵抗効果を利用する場合、第１の強磁性層１０ａと第２の強磁性層３０との間でセンス電流６１を流し、磁気抵抗を測定すればよい。センス電流６１の電流値は、記録時に流す電子電流６０の電流値よりも小さい。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、磁気記録素子における「読み出し」動作を例示する断面模式図である。
なお、図５（ａ）は、第１の強磁性層１０ａの磁化１２ａと第２の強磁性層３０の磁化３２とが同一の方向の場合を表す断面模式図であり、図５（ｂ）は、第１の強磁性層１０ａの磁化１２ａと第２の強磁性層３０の磁化３２とが反平行の場合を表す模式断面図である。説明の便宜上、図１に表した磁気記録素子における磁界発生源５と、第３の非磁性層４０と、は省略している。

図５（ａ）に表した磁気記録素子においては、センス電流６１を流して検出される抵抗は、ノーマルタイプの磁気抵抗効果において相対的に小さな値となり、リバースタイプの磁気抵抗効果においては相対的に大きな値となる。

図５（ｂ）に表した磁気記録素子においては、センス電流６１を流して検出される抵抗は、ノーマルタイプの磁気抵抗効果において相対的に大きな値となり、リバースタイプの磁気抵抗効果においては相対的に小さな値となる。
これら抵抗が互いに異なる状態に、それぞれ「０」と「１」を対応づけることにより、２値データの記録読み出しが可能となる。なお、センス電流６１の向きは、図５に表した矢印方向と逆向き（同図において下から上への向き）にしてもよい。

次に、図１に戻り、本実施形態の磁気記録素子が有する各要素について詳述する。
磁気記録部３の第１および第２の強磁性層１０ａ、３０には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることが好ましい。さらに、これらと、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元素と、の組み合わせによる合金を用いることができる。第１および第２の強磁性層１０ａ、３０については、含まれる磁性材料の組成や熱処理により特性を調整することができる。また、磁気記録部３の第１および第２の強磁性層１０ａ、３０には、ＴｂＦｅＣｏ、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。また、磁気記録部３の第１および第２の強磁性層１０ａ、３０には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｎｉの積層構造などを用いることができる。下地層との組み合わせで垂直磁化となるＣｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等については、膜の結晶配向方向を制御することで用いることができる。

磁気記録部３の第１の非磁性層２０ａとしては、非磁性トンネルバリア層としての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）、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。また、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＡｌＬａＯ_３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ等の他、非磁性半導体（ＺｎＯ_ｘ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯ_ｘ、Ｚｎ、Ｔｅ、またはそ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。第１の非磁性層２０ａの厚さについては、絶縁膜の均一性を確保しつつ抵抗が高くなることを避けるため、その厚さを約０．２ｎｍ〜２．０ｎｍ程度の範囲の値とすることが望ましい。

磁界発生源５の第３の強磁性層５０には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む磁性金属を用いることができる。また、第３の強磁性層５０が面内磁化膜である場合には、下地層を反強磁性層とすることによって磁化の向きが面内方向へ安定する。反強磁性層の材料としては、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、磁性半導体などを用いることができる。

磁界発生源５の第２の非磁性層２０ｂは、非磁性トンネルバリア層及び非磁性金属層のうちのいずれであってもよい。
非磁性トンネルバリア層には、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）、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非磁性バリア層に用いることができる。また、非磁性バリア層としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＡｌＬａＯ_３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ、非磁性半導体（ＺｎＯ_ｘ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯ_ｘ、Ｚｎ、Ｔｅ、またはそ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。トンネルバリアがスペーサ層として用いられた場合、その厚さを約０．２ｎｍ〜２．０ｎｍ程度の範囲の値とすることが望ましい。
非磁性金属層には、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）、ビスマス（Ｂｉ）などよりなる群から選択されたいずれかの非磁性金属元素、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２の非磁性層２０ｂの厚さを１．５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とすると、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は非磁性金属層を通過する際に失われないで済む。

磁界発生源５の第４の強磁性層１０ｂには、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることが好ましい。さらに、これらと、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元素と、の組み合わせによる合金を用いることができる。第４の強磁性層１０ｂについては、含まれる磁性材料の組成や熱処理により特性を調整することができる。また、第４の強磁性層１０ｂには、ＴｂＦｅＣｏ、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。また、第４の強磁性層１０ｂには、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｎｉの積層構造などを用いることができる。下地層との組み合わせで垂直磁化となるＣｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等については、膜の結晶配向方向を制御することで用いることができる。

磁気記録部３と磁界発生源５との間に設けられた第３の非磁性層４０には、非磁性金属層が用いられる。
非磁性金属層には、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）、ビスマス（Ｂｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）などよりなる群から選択されたいずれかの非磁性金属元素、あるいは少なくともいずれかの元素を含む合金を用いることができる。
このように、第３の非磁性層４０としては、銅（Ｃｕ）などのスピン拡散長が長い材料、あるいはルテニウム（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。互いにスピン偏極した電子が挿入される効果を消去したい場合には、ルテニウム（Ｒｕ）などのスピン拡散長が短い材料を用いるとよい。

磁気記録素子へ通電するために設けられる電極には、導電性の磁性材料もしくは非磁性材料を用いる。導電性磁性材料の具体的例としては、磁界発生源５の第３および第４の強磁性層５０、１０ｂと同様の材料を挙げることができる。また、非磁性材料の具体例としては、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、ビスマス（Ｂｉ）、アルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択されたいずれかの元素、あるいは少なくともいずれかを含む合金を用いることができる。さらに、導電性非磁性材料としては、カーボンナノチューブやカーボンナノワイヤ、グラフェン等の材料を用いることができる。また、導電性保護膜としては、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、あるいはグラフェンなどの材料を用いることができる。エレクトロマグレーション耐性や低抵抗であることを考慮すると、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択されたいずれかの元素、あるいは少なくともいずれかを含む合金を用いることが望ましい。

本実施形態にかかる磁気記録素子の形状は、縦断面（膜面に対して垂直な面で切断した断面図）においてテーパー形状や逆テーパー形状であってもよい。あるいは、本実施形態にかかる磁気記録素子の形状は、横断面（膜面に対して平行な面で切断した断面図）において円形、楕円形、四角形、六角形、複数の角を有する多角形であってもよい。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、第２の実施形態にかかる磁気記録素子を表す断面模式図である。
本実施形態の磁気記録素子は、第１の強磁性層１０ａと、第１の非磁性層２０ａと、第２の強磁性層３０と、第３の非磁性層４０と、第３の強磁性層５０と、第２の非磁性層２０ｂと、第４の強磁性層１０ｂと、がこの順に積層された構造を有する。その他の構造および各要素の材料などは、図１に関して前述した磁気記録素子の構造および各要素の材料と同様である。

本実施形態にかかる磁気記録素子では、図６（ａ）および図６（ｂ）に表したように、第１の方向に固着された磁化１２ａの垂直斜影成分の向きと、第２の方向に固着された磁化１２ｂの垂直斜影成分の向きと、は、互いに逆向きである。また、第３の強磁性層５０において発生する回転磁界の向きと、第２の強磁性層３０の磁化が歳差運動する向きと、は、一致する。さらに、磁気記録部３の第２の強磁性層３０と、磁界発生源５の第３の強磁性層５０と、の間の距離は、図１に関して前述した磁気記録素子よりも短い。そのため、磁界発生源５の第３の強磁性層５０において発生した回転磁界は、磁気記録部３の第２の強磁性層３０により大きく作用し、第２の強磁性層３０の磁化反転をより効率的にアシストすることができる。これにより、第２の強磁性層３０への書き込みに必要な電流をより低減させることができる。

また、本実施形態にかかる磁気記録素子では、第３の非磁性層４０においてスピン情報が保たれると、第２の強磁性層３０からのスピントランスファトルクの影響を第３の強磁性層５０が受ける。そうすると、第３の強磁性層５０の磁化回転の制御性が低下する。これを防ぐために、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）あるいは構造を有する層により第３の非磁性層４０を形成する。

これによれば、磁界発生源５において第３の強磁性層５０の磁化５２（図１８および図２２参照）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、磁界発生源５の第４の強磁性層１０ｂでのスピン偏極で決まる。そのため、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３の強磁性層５０の磁化５２を独立に制御することが可能となる。

このようなスピン消失効果が得られる第３の非磁性層４０の材料としては、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）、バナジウム（Ｖ）よりなる群から選択された金属、もしくは少なくともいずれかの元素を含む合金を挙げることができる。第３の非磁性層４０の層厚としては、第２の強磁性層３０と第３の強磁性層５０とが層間磁気結合しないような１．４ｎｍ以上の層厚とすることが望ましい。第３の非磁性層４０の層厚が１．４ｎｍ以上であると、第２の強磁性層３０と第３の強磁性層５０とが層間結合せず、かつ、第３の非磁性層４０は、伝導電子が第３の非磁性層４０の内部およ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の非磁性層４０は、第２の強磁性層３０の磁化３２の向きにより第３の強磁性層５０の歳差運動が変化することを防ぐことができる。一方、第３の非磁性層４０の層厚が２０ｎｍ以上であると、多層膜のピラー形成が困難となるだけではなく、第３の強磁性層５０から発生する回転磁界の強度が第２の強磁性層３０の位置で減衰する。そのため、第３の非磁性層４０の層厚が２０ｎｍ以上であることは、望ましくない。

第３の非磁性層４０としては、前述した単層膜の他に、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）、バナジウム（Ｖ）よりなる群から選択された金属、もしくは少なくともいずれかの元素を含む合金を含む層の片側もしくは両側に銅（Ｃｕ）層を積層してなる積層膜を用いることができる。

さらに、第３の非磁性層４０としては、前述した単層膜の他に、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）、バナジウム（Ｖ）よりなる群から選択された金属、もしくは少なくともいずれかの元素を含む合金を含む層の片側もしくは両側にアルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物を積層してなる積層膜を用いることができる。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、第３の実施形態にかかる磁気記録素子を表す断面模式図である。
本実施形態にかかる磁気記録素子は、第２の強磁性層３０と、第１の非磁性層２０ａと、第１の強磁性層１０ａと、第３の非磁性層４０と、第３の強磁性層５０と、第２の非磁性層２０ｂと、第４の強磁性層１０ｂと、がこの順に積層された構造を有する。その他の構造および各要素の材料などは、図１に関して前述した磁気記録素子の構造および各要素の材料と同様である。

本実施形態にかかる磁気記録素子では、図７（ａ）および図７（ｂ）に表したように、第１の方向に固着された磁化１２ａの垂直斜影成分の向きと、第２の方向に固着された磁化１２ｂの垂直斜影成分の向きと、は、互いに逆向きである。また、磁界発生源５の第４の強磁性層１０ｂの磁化１２ｂの向きとは逆向きの磁界を印加することにより、第３の強磁性層５０において発生する回転磁界の向きと、第２の強磁性層３０の磁化が歳差運動する向きと、を一致させることができる。さらに、磁気記録部３の第２の強磁性層３０と、磁界発生源５の第３の強磁性層５０と、の間の距離は、図１に関して前述した磁気記録素子よりも短い。そのため、図６に関して前述した効果と同様の効果が得られる。これにより、第２の強磁性層３０への書き込みに必要な電流をより低減させることができる。

本実施形態では、磁界発生源５の第３の強磁性層５０へ入射される電子のスピン偏極の向きが、磁界発生源５の第４の強磁性層１０ｂでスピン偏極した電子および磁気記録部３の第１の強磁性層１０ａでスピン偏極した電子と同じである。そのため、第３の強磁性層５０において発生する回転磁界の発生効率が向上する。第３の非磁性層４０および磁界発生源５の第２の非磁性層２０ｂとしては、金属導体、絶縁体、あるいは半導体のいずれを用いてもよい。あるいは、第３の非磁性層４０と磁界発生源５の第２の非磁性層２０ｂとにおいて、異なる材料に基づく層を利用してもよい。ただし、第３の非磁性層４０として絶縁体及び半導体を用いた場合には抵抗値が上昇するので、磁界発生源５の第２の非磁性層２０ｂとして金属導体を用いることが好ましい。金属導体としては、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などが好ましい。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、第４の実施形態にかかる磁気記録素子を表す断面模式図である。
本実施形態にかかる磁気記録素子は、第１の強磁性層１０ａと、第１の非磁性層２０ａと、第２の強磁性層３０と、第３の非磁性層４０と、第４の強磁性層１０ｂと、第２の非磁性層２０ｂと、第３の強磁性層５０と、がこの順に積層された構造を有する。その他の構造および各要素の材料などは、図１に関して前述した磁気記録素子の構造および各要素の材料と同様である。

本実施形態にかかる磁気記録素子では、図８（ａ）および図８（ｂ）に表したように、第１の方向に固着された磁化１２ａの垂直斜影成分の向きと、第２の方向に固着された磁化１２ｂの垂直斜影成分の向きと、は、互いに逆向きである。また、磁界発生源５の第４の強磁性層１０ｂの磁化１２ｂの向きとは逆向きの磁界を印加することにより、第３の強磁性層５０において発生する回転磁界の向きと、第２の強磁性層３０の磁化が歳差運動する向きと、を一致させることができる。さらに、磁気記録部３の第２の強磁性層３０と、磁界発生源５の第３の強磁性層５０と、の間の距離は、図１に関して前述した磁気記録素子よりも短い。そのため、図６に関して前述した効果と同様の効果が得られる。これにより、第２の強磁性層３０への書き込みに必要な電流をより低減させることができる。

本実施形態では、磁界発生源５の第３の強磁性層５０へ入射される電子のスピン偏極の向きが、磁界発生源５の第４の強磁性層１０ｂでスピン偏極した電子および磁気記録部３の第１の強磁性層１０ａでスピン偏極した電子と同じである。そのため、図７に関して前述した効果と同様の効果が得られる。第３の非磁性層４０および磁界発生源５の第２の非磁性層２０ｂとしては、図７に関して前述した材料と同様の材料を用いることができる。

図９は、第１〜第４の実施形態における電流の関係を例示する概念模式図である。
図９に表した概念模式図の横軸は、電流の大きさを表している。図９に表した概念模式図の縦軸は、累積相対度数Ｎの正規確率プロットを表している。
磁気記録部３の記録状態（「０」あるいは「１」）の切り替えは、磁気記録部３に接続された図示しないトランジスタから供給される書き込み電流（電子電流６０）を利用して行われる。磁気記録部３の記録状態の切り替えにおいては、第２の強磁性層３０の磁化３２の向きを第１の強磁性層１０ａの磁化１２ａの向きと平行である状態から反平行である状態へ切り替えるときに、その逆の切り替えである場合と比較して大きい電流が必要である。トランジスタにおいて大きい電流を流せる方向が存在するときには、大きい電流を流せる方向と、磁気記録部３の第２の強磁性層３０を平行から反平行状態へ切り替える向きと、を一致させることが望ましい。

磁気記録部３の記録状態の読み出しは、トランジスタから供給される読み出し電流（センス電流６１）を利用して行われる。このとき、読み出し電流の電流値は、書き込み電流の電流値よりも小さく、且つ、第２の強磁性層３０の記録状態を変えないような読み出し電流を用いる。また、読み出し電流や書き込み電流の電流値は、トランジスタの固体差によってばらつく場合がある。大容量メモリを実現するためには、素子毎の固体差を考慮した設計をする。

図９は、前述したトランジスタの個体差を考慮した磁気記録部３の読み出し電流Ｉ１、磁気記録部３の書き込み電流Ｉ２、および磁界発生源５の第３の強磁性層５０が歳差運動を持続する電流Ｉ３の範囲の関係を表した概念模式図である。図９は、トランジスタの固体差によって、読み出し電流Ｉ１と書き込み電流Ｉ２とが互いにある範囲を有する様子を表している。

読み出し電流の最大値Ｉ１ｍａｘは、書き込み電流の最小値Ｉ２ｍｉｎよりも小さく設定される。また、磁界発生源５の第３の強磁性層５０が歳差運動を開始する電流値は、読み出し電流の最大値Ｉ１ｍａｘよりも大きいことが望ましい。本実施形態では、磁界発生源５において発生した回転磁界は、磁気記録部３の第２の強磁性層３０の磁化３２の反転をアシストする。そのため、磁界発生源５が歳差運動を持続する電流Ｉ３の範囲の中に磁気記録部３の書き込み電流Ｉ２の範囲が入っていることが望ましい。つまり、図９に表したように、磁界発生源５の第３の強磁性層５０が歳差運動を開始する電流値は、書き込み電流の最小値Ｉ２ｍｉｎからみたマージンＩｍを有することが望ましい。

図１０は、第１〜第４の実施形態における電流と周波数の関係を例示する概念模式図である。
図１０に表した概念模式図における左図の横軸は、共鳴によるアシスト効果が得られる大きさＡＥを表している。
第１〜第４の実施形態では、磁気記録部３の第２の強磁性層３０の共鳴周波数ｆ３に近い回転磁界を磁界発生源５において発生させ、第２の強磁性層３０の磁化３２の反転をアシストさせる。第２の強磁性層３０の磁化３２の反転を効果的にアシストするためには、本発明者が見出した知見によれば、磁界発生源５において発生する回転磁界を磁気記録部３の第２の強磁性層３０の共鳴周波数ｆ３±１ＧＨｚ（ギガヘルツ）程度の範囲にすることが望ましい。

磁界発生源５においては、第３の強磁性層５０は膜面に垂直な電流を通電することによって歳差運動が開始（発振開始）される。一方、電流量が増大してスピントルクの効果が歳差運動を持続させる際にバランスするダンピングの効果を上回ると、スピントルクの向きに磁化の向きがそろう（発振停止）。電流Ｉの大きさ（電流量の絶対値）が増大すると、第３の強磁性層５０において発生する回転磁界の周波数ｆは高くなる。よって、回転磁界で第２の強磁性層３０の磁化３２の反転をアシストするために、第２の強磁性層３０の共鳴周波数ｆ３±１ＧＨｚの範囲の回転磁界を発生するような電流Ｉ３を磁界発生源５に通電される。また、この電流Ｉ３の範囲の中に磁気記録部３の書き込み電流Ｉ２の値の範囲が含まれる。

トランジスタの固体差に由来する磁気記録部３の書き込み電流Ｉ２の範囲を考慮すると、図１０において、磁界発生源５において発生する回転磁界の周波数ｆの電流依存性のグラフの傾きは、小さいことが望ましい。本発明者が見出した知見によれば、この傾きは、磁界発生源５の第３の強磁性層５０の初期角度（電流を通電する前に、第３の強磁性層５０の磁化５２が第４の強磁性層１０ｂに対して有する傾き角）で変化する。また、磁界発生源５の第３の強磁性層５０の材料と初期角度とによって発振開始電流値Ｉ３ｓを変えることができる。

図１１は、第１〜第４の実施形態における電流と周波数の他の関係を例示する概念模式図である。
図１１に表した概念模式図における左図の横軸は、共鳴によるアシスト効果が得られる大きさＡＥを表している。
図１０に関して前述したように、磁界発生源５において発生する回転磁界の周波数ｆの電流依存性は、第３の強磁性層５０の初期角度で変えることが可能である。第３の強磁性層５０の初期角度は、第３の強磁性層５０に加わる有効磁界の大きさで決定される。第１〜第４の実施形態では、磁界発生源５と磁気記録部３とが積層され、第１の強磁性層１０ａの磁化１２ａの垂直斜影成分の向きと、第４の強磁性層１０ｂの磁化１２ｂの垂直斜影成分の向きと、は、互いに逆向きである。

これにより、第２の強磁性層３０の位置での膜面直方向にかかる漏洩磁界（以下、説明の便宜上「シフト磁界」ともいう）を低減させる又は打ち消すことができる。一方で、磁界発生源５の第３の強磁性層５０に対しては、磁界発生源５の第４の強磁性層１０ｂと、磁気記録部３の第１の強磁性層１０ａおよび第２の強磁性層３０と、からの漏洩磁界を作用させることができる。そして、回転磁界の発振開始電流値Ｉ３ｓと電流に対する周波数依存性とを所望の範囲に調整する。

図１１は、磁気記録部３の第２の強磁性層３０を平行から反平行状態、ならびに反平行から平行状態へ変化させる両磁化反転をアシストする電流と周波数の関係を例示している。第２の強磁性層３０を平行から反平行状態へ変える場合の書き込み電流Ｉ４の方が、反平行から平行状態へ変える場合の書き込み電流Ｉ２よりも大きい。また、磁界発生源５において発生する回転磁界の周波数ｆの電流依存性のグラフの傾きは、第２の強磁性層３０を反平行から平行状態へ変える場合よりも平行から反平行状態へ変える場合の方が小さい。そのため、第２の強磁性層３０を平行から反平行状態へ変えるときに第３の強磁性層５０が歳差運動を持続する電流Ｉ５の範囲は、反平行から平行状態へ変えるときに第３の強磁性層５０が歳差運動を持続する電流Ｉ３の範囲よりも広い。ここで、磁界発生源５の第３の強磁性層５０に加わる漏洩磁界の大きさを調整することで、いずれの書き込み電流においても磁化３２の反転をアシストさせる回転磁界を発生することが可能となる。

図１２は、第１〜第４の実施形態における第３の強磁性層の大きさと電子電流が流れているときの磁化状態の関係を例示するグラフ図である。
第１〜第４の実施形態では、磁界発生源５における第３の強磁性層５０のサイズに関して、第３の強磁性層５０の横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＜０．４１９ｔ^２−２．８６ｔ＋１９．８の関係式を満たすサイズとする。
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の強磁性層５０の横断面形状が円型の場合、「Ｒ」は直径を意味する。第３の強磁性層５０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の強磁性層５０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。なお、第３の強磁性層５０の横断面形状は、Ｒを直径とする円型であることが好ましい。本発明者は、この関係式を満たす場合に１０^６Ａ／ｃｍ^２程度の電流を流すと、第３の強磁性層５０の磁化５２が面直方向の成分をもって一斉に歳差運動をして、磁気記録部３の第２の強磁性層３０に対して回転磁界がかかることを見出した。

図１２に表した凡例「○」は、第３の強磁性層５０が還流磁区（ボルテックス）を形成する条件を表している。一方、図１２に表した凡例「□」は、第３の強磁性層５０が還流磁区を形成しない条件を表している。つまり、図１２の点線よりも上の領域は、電流を流したときに第３の強磁性層５０が還流磁区を形成しながら還流磁区のコア（還流磁区の中心で磁化が垂直成分を有する部分）が第３の強磁性層５０の外周を周回する範囲を表している。第３の強磁性層５０がコアを作ることは、局所的に磁界を印加する目的としては適する。一方で、磁気記録部３の第２の強磁性層３０の磁化３２の反転をアシストする目的としては、還流磁区を形成しない歳差運動であることが望ましい。

本発明者は、図１２に表した点線をもとに２次の項を持つ関数でフィッティングした。かかるフィッティングにより、前述した関係式を満たす場合に第３の強磁性層５０へ電流を流すと、第３の強磁性層５０の磁化５２が面直方向の成分をもって一斉に歳差運動をして、磁気記録部３の第２の強磁性層３０に対して回転磁界がかかることがわかった。

電流を流す向きを変えると、第３の強磁性層５０において発生する回転磁界の回転方向は逆向きとなる。電流量を増やすと、電流量の増加量に比例して回転磁界の周波数は高くなる。さらに電流量を増やすと、第３の強磁性層５０の磁化５２は、スピントランスファトルクの向きにそろう。なお、素子特性を損なうことなく第３の強磁性層５０に歳差運動を起こす観点から、磁界発生源５の第３の強磁性層５０の厚さは、１ｎｍから１５ｎｍの範囲（積層膜の場合には非磁性層の厚さを除く）であることが望ましい。第２の強磁性層３０の位置で磁化３２の反転が早まる十分な磁界強度を得る観点から、第３の強磁性層５０の横断面形状の円相当直径は３５ｎｍ以下、層厚は２±１．５ｎｍの範囲であることが望ましい。

本発明者は、スピントランスファトルクを考慮したときのランダウ−リフシッツ−ギルバート（Landau-Liftshitz-Gilbert）方程式を考察し、磁界発生源５の第５の強磁性層５０の横断面形状の円相当直径をＲ（ｎｍ）、「Ｒ」の半分の値をｒ（＝Ｒ／２）、層厚をｔとするとき、ｒ＜０．４１９ｔ^２−２．８６ｔ＋１９．８とした場合における第３の強磁性層５０が一斉に歳差運動をするための電流値(Ｊｃ)を見出した。

式（１）は、第１および第４の強磁性層１０ａ、１０ｂからの漏洩磁界によって発振しきい値電流を低減できることを表している。すなわち、第１および第４の強磁性層１０ａ、１０ｂの層厚によって、磁界を発生させるための電流量を調整することが可能となる。

図１３は、第５の実施形態にかかる磁気記録素子を表す断面模式図である。
第５の実施形態では、図１３に表したように、磁気記録部３および磁界発生源５は、側面において保護層８０および磁気シールド９０により覆われている。つまり、磁気記録部３および磁界発生源５は、側面において、例えばＳｉＮやＡｌ_２Ｏ_３などの保護層８０を介してパーマロイ（Ｐｙ）などの磁気シールド９０により覆われている。磁気記録部３および磁界発生源５のそれぞれにおける各要素の積層順序は、図１３に表した積層順序に限定されるわけではなく、図６〜図８に関して前述した例の積層順序であってもよい。

これにより、隣の磁気抵抗効果素子からの漏洩磁界が磁界発生源５および磁気記録部３の挙動に影響を与えることを防ぐことができる。そのため、回転磁界を発生させるために必要となる電流注入量を抑えることができる。また、磁界発生源５および磁気記録部３からの漏洩磁界が、隣の磁気抵抗効果素子に作用することを防ぐことができる。その結果、各磁気記録素子を近接して配置することができ、集積化を図ることができる。

保護層８０としては、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物、窒化物又は弗化物を非磁性バリア層に用いることができる。

磁気シールド９０としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）よりなる群から選択されたいずれかの元素、あるいはこれらの群から選択された少なくともいずれかの元素の組み合わせによる合金を用いることができる。また、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素と、の組み合わせによる合金を用いることができる。これらは、含まれる磁性材料の組成や熱処理により特性を調整することができる。また、磁気シールド９０は、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金や、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｎｉの積層構造などからなっていてもよい。

次に、第１〜第４の実施形態にかかる磁気記録素子の製作方法について説明する。 なお、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意味する。
まず、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。次に、下部電極上に、Ｔａ＼Ｒｕ層（電極とのコンタクト層、兼ストッパー層）、ＦｅＰｄ＼ＣｏＦｅＢ層（磁気記録部３の第２の強磁性層３０）、ＭｇＯ（第１の非磁性層２０ａ）、ＣｏＦｅＢ＼ＦｅＰｔ層（磁気記録部３の第１の強磁性層１０ａ）、Ｒｕ（第３の非磁性層４０）、ＦｅＰｔ＼ＣｏＦｅＢ＼Ｃｕ＼Ｐｙ層（磁界発生源５）および、その上にＴａ（電極とのコンタクト層）による層をこの順に積層させる。ここで、磁場中でアニールすることによって、ＦｅＰｄ＼ＣｏＦｅＢ層とＣｏＦｅＢ＼ＦｅＰｔ層の膜面垂直方向の磁気異方性の強さを調節することもできる。

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５０ｎｍのレジストマスクを形成する。イオンミリングによってレジストで被覆されていない部分をストッパ層を兼ねた下部電極上のＴａ層が露出するまで削る。
続いて、保護層８０としてＳｉＮ層を形成した後、磁気シールド９０として機能するＰｙ層を形成する。エッチバックにより、Ｐｙ層が磁気記録素子の側壁に残るようにする。
次に、磁気記録素子を絶縁埋め込みすべくＳｉＯ_２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コンタクト層を露出させる。

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。

以上説明したように、第１〜第５の実施形態によれば、第１の方向に固着された第１の強磁性層１０ａの磁化１２ａの垂直斜影成分の向きと、第２の方向に固着された第４の強磁性層１０ｂの磁化１２ｂの垂直斜影成分の向きと、は、互いに逆向きである。そのため、第２の強磁性層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低減させる又は打ち消すことができる。また、第３の強磁性層５０において発生する回転磁界の向きと、第２の強磁性層３０の磁化が歳差運動する向きと、は、一致する。そのため、磁界発生源５の第３の強磁性層５０において発生した回転磁界は、磁気記録部３の第２の強磁性層３０の磁化反転を効率的にアシストすることができる。その結果、第２の強磁性層３０への情報の書き込みに必要な電流を低減させることができる。これにより、大容量メモリの実現に対して、ＭＴＪ素子を微細化しチップ内セル占有度を上昇させるとともに、書き込みに必要な電流を減少させることに大きく寄与することができる。

次に、本実施形態の具体例について図面を参照しつつ説明する。
図１４は、第１の具体例における磁化反転の時間を例示するグラフ図である。
図１４は、図１（ａ）および図１（ｂ）に表した磁気記録素子の系において、マイクロマグネティクスを用いたシミュレーションを行った結果の一例を表している。図１４に表したグラフ図の縦軸の「−１」は、第２の強磁性層３０の磁化３２が第１の強磁性層１０ａの磁化１２ａに対して反平行状態であることを表している。一方、図１４に表したグラフ図の縦軸の「１」は、第２の強磁性層３０の磁化３２が第１の強磁性層１０ａの磁化１２ａに対して平行状態であることを表している。つまり、図１４は、第２の強磁性層３０の磁化３２が第１の強磁性層１０ａの磁化１２ａに対して反平行状態から平行状態に至るまでの時間Ｔを表している。図１４に表したグラフ図の横軸は、時間Ｔ（ナノ秒）を表している。

第１の具体例における磁気記録素子は、磁気記録部３の上に第３の非磁性層４０を介して磁界発生源５が積層された構造を有する。そして、磁界発生源５の第３の強磁性層５０が歳差運動することで発生する回転磁界は、磁気記録部３の第２の強磁性層３０に作用され、磁化反転をアシストする。このときにアシスト効果を得るためには、第３の強磁性層５０が第２の強磁性層３０の共鳴周波数ｆ３近傍の磁界を発生するような膜構成とされる。

磁気記録部３の第２の強磁性層３０の磁化３２の反転がアシストされる磁界の周波数および強度の条件の一例は、例えば以下の如くである。磁気記録部３は、直径５０ｎｍのピラー型形状である。第１の強磁性層１０ａ（層厚５ｎｍ）は、Ｍｓ（磁化）＝１０００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ（磁気異方性）＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。第１の非磁性層２０ａ（層厚１ｎｍ）の材料は、ＭｇＯである。第２の強磁性層３０（層厚２ｎｍ）は、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝３．５Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。スピン偏極度とダンピング定数は、それぞれ０．４、０．０１である。このとき、磁気記録部３の共鳴周波数は、３．５ＧＨｚである。

磁気記録部３の第２の強磁性層３０の磁化３２が、第１の強磁性層１０ａの磁化１２ａに対して反平行である状態において、磁気記録部３から磁界発生源５へ向かう向きに４８μＡ（マイクロアンペア）の電流を流した。外部から周波数が異なるアシスト磁界（回転磁界）を与えたときに、第２の強磁性層３０の磁化３２が第１の強磁性層１０ａの磁化１２ａに対して反平行から平行に至るまでの時間Ｔは、図１４に表した如くである。３ＧＨｚのアシスト磁界を与えたときに、磁化反転に至る時間Ｔがアシスト磁界なし１１０の場合よりも短縮されており、アシスト磁界によって磁化反転の効率が向上している。

図１５は、第１の具体例におけるアシスト磁界の強度および周波数に対する磁化反転の時間を例示するグラフ図である。
図１５に表したグラフ図の横軸は、アシスト磁界の周波数ｆ（ＧＨｚ）を表している。図１５に表したグラフ図の縦軸は、磁化反転の時間Ｔ（ナノ秒）を表している。
アシスト磁界を印加しない場合の磁化反転の時間Ｔは、８．３ｎｓ（ナノ秒）である。共鳴周波数ｆ３±１ＧＨｚの磁界を作用させることで磁化反転に至る時間Ｔが短縮されている。また、磁界強度が大きい方が磁化反転に至る時間Ｔは短い。

図１６は、第１の具体例における電流に対して外部へ発生する磁界の周波数応答を例示するグラフ図である。
図１６に表したグラフ図の横軸は、電流Ｉ（μＡ）を表している。図１６に表したグラフ図の縦軸は、外部へ発生する磁界の周波数ｆ（ＧＨｚ）を表している。第１の具体例では、アシスト磁界を発生する磁界発生源５は、第３の非磁性層４０を介して磁気記録部３上に積層されている。第１の強磁性層１０ａの磁化１２ａの垂直斜影成分の向きと、第４の強磁性層１０ｂの磁化１２ｂの垂直斜影成分の向きと、は、互いに逆向きである。

図１（ａ）および図１（ｂ）に表した磁気記録素子の系において、第１の強磁性層１０ａおよび第４の強磁性層１０ｂからの漏洩磁界が第２の強磁性層３０の位置でほぼゼロとなるような構造とすると、第３の強磁性層５０の位置で膜面に下向きの方向に漏洩磁界が残留する。この場合、磁界発生源５が発生する回転磁界の周波数ｆは、図１６に表したように、電流Ｉの方向に対して非対称な応答を示す。

図１６に表したグラフ図における各要素の条件は、以下の如くである。第１の強磁性層１０ａ（層厚５ｎｍ）は、Ｍｓ＝１０００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。第１の非磁性層２０ａ（層厚２ｎｍ）の材料は、銅（Ｃｕ）である。第３の強磁性層５０（層厚３ｎｍ）は、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝５０００ｅｒｇ／ｃｍ^３の面内磁化膜である。図１６に表したグラフ図では、図１１に表した電流と周波数の関係のように、電流Ｉの方向に対して非対称性な周波数ｆが得られている。これにより、同一の周波数ｆの回転磁界を発生させる場合に必要となる電流値を、第２の強磁性層３０が平行から反平行へ至る場合の方が、反平行から平行へ至る場合よりも大きくさせることが可能となる。

図１７は、第１の具体例における第３の非磁性層の層厚と磁界強度との関係を例示するグラフ図である。
図１７に表したグラフ図の横軸は、第３の非磁性層４０の層厚ｔ（ｎｍ）を表している。図１７に表したグラフ図の縦軸は、第２の強磁性層３０の位置での回転磁界の強度Ｈ（Ｏｅ）を表している。また、図１７中の１１００ｅｍｕ／ｃｃおよび１０００ｅｍｕ／ｃｃは、第３の強磁性層５０のＭｓを表している。
第２の強磁性層３０の位置（膜面内における中心位置）でアシスト効果が得られるような磁界強度を得るための第３の非磁性層４０の層厚は、図１７に表したような関係を満たせばよい。

実際、図１（ａ）および図１（ｂ）に表した磁気記録素子の系において、以下の条件の如く磁界発生源５を磁気記録部３の上に積層させた。第４の強磁性層１０ｂ（層厚５ｎｍ）は、Ｍｓ＝１０００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。第２の非磁性層２０ｂ（層厚２ｎｍ）の材料は、銅（Ｃｕ）である。第３の強磁性層５０（層厚３ｎｍ）は、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝５０００ｅｒｇ／ｃｍ^３の面内磁化膜である。第３の非磁性層の層厚は、１ｎｍである。第１の強磁性層１０ａ（層厚５ｎｍ）は、Ｍｓ＝１０００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。第１の非磁性層（層厚１ｎｍ）の材料は、ＭｇＯである。第２の強磁性層３０（層厚２ｎｍ）は、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝３．５Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。磁気記録部３から磁界発生源５へ向かう向きに４８μＡの電流を流したところ、１．５ｎｓの時間で磁化反転した。

次に、第１の具体例における磁気記録素子（図１（ａ）および図１（ｂ）参照）の製作方法について説明する。
まず、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。次に、下部電極上に、Ｔａ＼Ｒｕ層（電極とのコンタクト層、兼ストッパ層）、ＦｅＰｄ＼ＣｏＦｅＢ層（磁気記録部３の第２の強磁性層３０）、ＭｇＯ（第１の非磁性層２０ａ）、ＣｏＦｅＢ＼ＦｅＰｔ層（磁気記録部３の第１の強磁性層１０ａ）、Ｃｕ（第３の非磁性層４０）、ＦｅＰｄ＼ＣｏＦｅＢ＼Ｃｕ＼Ｐｙ層（磁界発生源５）および、その上にＲｕ＼Ｔａ（電極とのコンタクト層）による層をこの順に積層させる。ここで、磁場中でアニールすることによって、ＦｅＰｄ＼ＣｏＦｅＢ層とＣｏＦｅＢ＼ＦｅＰｔ層の膜面垂直方向の磁気異方性の強さを調節することもできる。

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５０ｎｍのレジストマスクを形成する。イオンミリングによってレジストで被覆されていない部分をストッパ層を兼ねた下部電極上のＴａ層が露出するまで削る。次に、磁気記録素子を絶縁埋め込みすべくＳｉＯ_２膜を成膜した後、レジストマスクをリフトオフする。

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。このように作製した磁気記録素子では、第２の強磁性層３０の位置でのシフト磁界の影響を受けず、回転磁界の向きと、第２の強磁性層３０の磁化３２の歳差運動の向きと、が一致する。そのため、磁界発生源５を積層しない場合と比較して小さい電流で磁化反転した。

次に、本実施形態の他の具体例について図面を参照しつつ説明する。
図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、第２の具体例における磁気記録素子を表す断面模式図である。
なお、図１８（ａ）は、電子ｅ⁻が下部電極１００ａから上部電極１００ｂへ向かって流れる場合の磁気記録素子を表す断面模式図であり、図１８（ｂ）は、電子ｅ⁻が上部電極１００ｂから下部電極１００ａへ向かって流れる場合の磁気記録素子を表す断面模式図である。

第２の具体例における磁気記録素子の積層構造は、図１（ａ）に表した磁気記録素子の積層構造と同様である。第２の強磁性層３０の下には、下部電極１００ａが付設されている。第３の強磁性層５０の上には、上部電極１００ｂか付設されている。上部電極１００ｂは、ビット線ＢＬ（第１の配線）に接続されている。下部電極１００ａ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（第２の配線）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。

第２の具体例における磁気記録素子は、第３の強磁性層５０の横断面形状の円相当直径をＲ（ｎｍ）、「Ｒ」の半分の値をｒ（ｎｍ）、層厚をｔ（ｎｍ）とするとき、ｒ＜０．４１９ｔ^２−２．８６ｔ＋１９．８の関係式を満たす。例えば、第３の強磁性層５０を直径２０ｎｍ、層厚３ｎｍとした磁気記録素子が、本具体例の磁気記録素子に当てはまる。

図１９は、第２の具体例における電流に対して外部へ発生する磁界の周波数応答を例示するグラフ図である。
図１９に表したグラフ図の横軸および縦軸は、図１６に表したグラフ図の横軸および縦軸とそれぞれ同様である。

第２の具体例においても、図１６に関して前述したように、第１の強磁性層１０ａおよび第４の強磁性層１０ｂからの漏洩磁界が第２の強磁性層３０の位置でほぼゼロとなるような構造とすると、第３の強磁性層５０の位置で膜面に下向きの方向に漏洩磁界が残留する。この場合、磁界発生源５が発生する回転磁界の周波数ｆは、図１９に表したように、電流Ｉの方向に対して非対称な応答を示す。

第２の具体例では、以下の条件の如く磁界発生源５を磁気記録部３の上に積層させた。第１の強磁性層１０ａ（層厚５ｎｍ）は、Ｍｓ＝１０００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。第１の非磁性層２０ａ（層厚１ｎｍ）の材料は、ＭｇＯである。第２の強磁性層３０（層厚２ｎｍ）は、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝３．３Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。このとき、第２の強磁性層３０の共鳴周波数は３．２ＧＨｚである。第４の強磁性層１０ｂ（層厚８ｎｍ）は、Ｍｓ＝１０００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。第２の非磁性層２０ｂ（層厚８ｎｍ）の材料は、Ｃｕである。第３の強磁性層５０（層厚３ｎｍ）は、Ｋｕ＝５０００ｅｒｇ／ｃｍ^３の面内磁化膜である。

図２０は、第２の具体例における第３の非磁性層の層厚と磁界強度との関係を例示するグラフ図である。
図２０に表したグラフ図の横軸および縦軸は、図１７に表したグラフ図の横軸および縦軸とそれぞれ同様である。また、図２０中の１４００ｅｍｕ／ｃｃおよび１０００ｅｍｕ／ｃｃは、第３の強磁性層５０のＭｓを表している。

まず、第３の非磁性層４０の層厚を８ｎｍとした。磁気記録部３のみのときに、第２の強磁性層３０の磁化３２が反平行状態から平行状態へと磁化反転に至る時間は、７μＡの通電で８.６ｎｓであった。これに対し、第２の具体例では、５．２ｎｓとなることを確認した。一方で、第２の強磁性層３０の磁化３２が歳差運動する方向と、第３の強磁性層５０が発生する回転磁界の向きと、が不一致となる場合、磁化３２が反平行状態から平行状態へと磁化反転に至る時間は、７μＡの通電で９．６ｎｓであった。これにより、回転磁界の向きと、第２の強磁性層３０の磁化３２が歳差運動する方向と、が一致する場合には、磁化反転効率が向上することを確認した。この結果、より小さな電流でデータの書き込みができる。

次に、第３の非磁性層４０の層厚を２ｎｍとした。磁気記録部３のみのときに、第２の強磁性層３０の磁化３２が反平行状態から平行状態へと磁化反転に至る時間は、７μＡの通電で８.６ｎｓであった。これに対し、第２の具体例では、１．６ｎｓとなることを確認した。一方で、第２の強磁性層３０の磁化３２が歳差運動する方向と、第３の強磁性層５０が発生する回転磁界の向きと、が不一致となる場合、磁化３２が反平行状態から平行状態へと磁化反転に至る時間は、７μＡの通電で７．８ｎｓであった。磁界発生源５が磁気記録部３により近接させたことにより、磁化反転効率が向上した。これにより、回転磁界の向きと、第２の強磁性層３０の磁化３２が歳差運動する方向と、が一致する場合には、磁化反転効率が向上することを確認した。この結果、より小さな電流でデータの書き込みができる。

図２１は、本具体例の他の条件における第３の非磁性層の層厚と磁界強度との関係を例示するグラフ図である。
図２１に表したグラフ図の横軸および縦軸は、図１７に表したグラフ図の横軸および縦軸とそれぞれ同様である。また、図２１中の１０００ｅｍｕ／ｃｃおよび４００ｅｍｕ／ｃｃは、第３の強磁性層５０のＭｓを表している。図２１中の「ｔ３ｎｍ」は第３の強磁性層５０の層厚が３ｎｍであり、「ｔ０．５ｎｍ」は第３の強磁性層５０の層厚が０．５ｎｍであることを表している。

図２１に表したグラフ図における各要素の条件は、以下の如くである。第３の強磁性層５０の直径は、２０ｎｍである。第４の強磁性層１０ｂ（層厚５ｎｍ）は、Ｍｓ＝１０００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。第２の非磁性層２０ｂ（層厚２ｎｍ）の材料は、Ｃｕである。第３の強磁性層５０（層厚３ｎｍと層厚０．５ｎｍ）は、Ｋｕ＝５０００ｅｒｇ／ｃｍ^３の面内磁化膜である。第１の強磁性層１０ａ（層厚５ｎｍ）は、Ｍｓ＝１０００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。第１の非磁性層２０ａ（層厚１ｎｍ）の材料は、ＭｇＯである。第２の強磁性層３０（層厚２ｎｍ）は、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝３．３Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。

図１５に表したグラフ図に表したように、回転磁界によるアシスト効果が得られるためには数十Ｏｅ（エルステッド）の強度があればよい。図２２に関して後述するような膜構成とすると、第３の強磁性層５０と第２の強磁性層３０とがより近接するためより大きな磁界が得られる。

ｒ＜０．４１９ｔ^２−２．８６ｔ＋１９．８の関係式を満たす系の特性である図２０および図２１に表したグラフ図と、ｒ＜０．４１９ｔ^２−２．８６ｔ＋１９．８の関係式を満たさない系の特性である図１７に表したグラフ図と、を比較すると、関係式を満たす場合では膜面直方向に対してサイズを縮小することによる磁界強度Ｈの増加傾向が著しいことが分かる。膜面直方向の薄膜化は、素子加工の観点からも望ましい。よって、第２の強磁性層３０の位置で磁化反転が早まる十分な磁界強度Ｈを得て、且つ、素子加工の観点からｒ＜０．４１９ｔ^２−２．８６ｔ＋１９．８の関係式を満たす範囲において、第３の強磁性層５０の横断面形状の円相当直径は３５ｎｍ以下、層厚は２±１．５ｎｍの範囲であることが望ましい。

本具体例の磁気記録素子については、図１４〜図１７に関して前述した具体例の磁気記録素子と同様の方法により作製することができる。すなわち、ウェーハ上に外部から通電するための下部電極１００ａを介して、Ｔａ＼Ｒｕ層（電極とのコンタクト層、兼ストッパ層）、ＦｅＰｔ＼ＣｏＦｅＢ層（磁気記録部３の第１の強磁性層１０ａ）、ＭｇＯ（第１の非磁性層２０ａ）、ＣｏＦｅＢ＼ＦｅＰｄ層（磁気記録部３の第２の強磁性層３０）、Ｃｕ（第３の非磁性層４０）、ＦｅＰｄ＼ＣｏＦｅ＼Ｃｕ＼Ｐｙ層（磁界発生源５）および、その上にＲｕ＼Ｔａ（電極とのコンタクト層）によるピラーを形成する。そして、上部電極１００ｂを介して外部から電気通電できるような素子を形成する。

次に、本実施形態のさらに他の具体例について図面を参照しつつ説明する。
図２２（ａ）および図２２（ｂ）は、第３の具体例における磁気記録素子を表す断面模式図である。
なお、図２２（ａ）は、電子ｅ⁻が上部電極１００ｂから下部電極１００ａへ向かって流れる場合の磁気記録素子を表す断面模式図であり、図１８（ｂ）は、電子ｅ⁻が下部電極１００ａから上部電極１００ｂへ向かって流れる場合の磁気記録素子を表す断面模式図である。

第３の具体例における磁気記録素子の積層構造は、図６（ｂ）に表した磁気記録素子の積層構造と同様である。図１８に関して前述した具体例と同様に、第２の強磁性層３０の下には、下部電極１００ａが付設されている。第３の強磁性層５０の上には、上部電極１００ｂか付設されている。上部電極１００ｂは、ビット線ＢＬに接続されている。下部電極１００ａ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。

第３の具体例では、第３の非磁性層４０としてスピン拡散長の短いルテニウム（Ｒｕ）が用いられている。これにより、第３の強磁性層５０と第２の強磁性層３０との間でスピントランスファトルクの情報が伝達することを抑え、第３の強磁性層５０の発振効率が下がることを抑えることができる。

図２３は、第３の具体例における第３の非磁性層の層厚と磁界強度との関係を例示するグラフ図である。
図２３に表したグラフ図の横軸および縦軸は、図１７に表したグラフ図の横軸および縦軸とそれぞれ同様である。また、図２３中の１０００ｅｍｕ／ｃｃ、８００ｅｍｕ／ｃｃ、および６００ｅｍｕ／ｃｃは、第３の強磁性層５０のＭｓを表している。

第３の具体例では、第２の強磁性層３０の横断面形状は、直径５０ｎｍの円型である。また、第３の具体例では、以下の条件の如く磁気記録部３の上に第３の非磁性層４０を介して磁界発生源５が積層されている。第１の強磁性層１０ａ（層厚５ｎｍ）は、Ｍｓ＝１０００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。第１の非磁性層２０ａ（層厚１ｎｍ）の材料は、ＭｇＯである。第２の強磁性層３０（層厚２ｎｍ）は、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝３．３Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。第４の強磁性層１０ｂ（層厚５ｎｍ）は、Ｍｓ＝１０００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。第２の非磁性層２０ｂ（層厚２ｎｍ）の材料は、Ｃｕである。第３の強磁性層５０（層厚３ｎｍ）は、Ｋｕ＝５０００ｅｒｇ／ｃｍ^３の面内磁化膜である。実際、第３の非磁性層４０のルテニウム（Ｒｕ）の層厚を８ｎｍ、第３の強磁性層５０のＭｓを８００ｅｍｕ／ｃｃとしたときに、反平行状態から平行状態へと磁化反転する時間が２．６ｎｓに短縮されることが確認された。

図２４は、第３の具体例の他の条件における第３の非磁性層の層厚と磁界強度との関係を例示するグラフ図である。
図２４に表したグラフ図の横軸および縦軸は、図１７に表したグラフ図の横軸および縦軸とそれぞれ同様である。また、図２４中の８００ｅｍｕ／ｃｃ、６００ｅｍｕ／ｃｃ、および４００ｅｍｕ／ｃｃは、第３の強磁性層５０のＭｓを表している。

ここでは、第２の強磁性層の横断面形状は、直径２０ｎｍの円型である。また、ここでは、以下の条件の如く磁気記録部３の上に第３の非磁性層４０を介して磁界発生源５が積層されている。第１の強磁性層１０ａ（層厚５ｎｍ）は、Ｍｓ＝１０００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。第１の非磁性層２０ａ（層厚１ｎｍ）の材料は、ＭｇＯである。第２の強磁性層３０（層厚２ｎｍ）は、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝３．３Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。第３の非磁性層４０の材料は、ルテニウム（Ｒｕ）である。磁界発生源５の直径は、２０ｎｍである。なお、第４の強磁性層１０ｂ（層厚５ｎｍ）は、Ｍｓ＝１０００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３の垂直磁化膜である。第２の非磁性層２０ｂ（層厚２ｎｍ）の材料は、Ｃｕである。第３の強磁性層５０（層厚３ｎｍ）は、Ｋｕ＝５０００ｅｒｇ／ｃｍ^３の面内磁化膜である。

直径２０ｎｍの素子は、ｒ＜０．４１９ｔ^２−２．８６ｔ＋１９．８の関係式を満たす。関係式を満たす系の特性である図２４に表したグラフ図と、関係式を満たさない系の特性である図２３に表したグラフ図と、を比較すると、関係式を満たす場合では膜面直方向に対してサイズを縮小することによる磁界強度Ｈの増加傾向が著しいことが分かる。膜面直方向の薄膜化は、素子加工の観点からも望ましい。よって、第２の強磁性層３０の位置で磁化反転が早まる十分な磁界強度Ｈを得て、且つ、素子加工の観点からｒ＜０．４１９ｔ^２−２．８６ｔ＋１９．８の関係式を満たす範囲において、第３の強磁性層５０の直径は３５ｎｍ以下、層厚は２±１．５ｎｍの範囲であることが望ましい。

第３の具体例における磁気記録素子については、図１４〜図１７に関して前述した具体例の磁気記録素子と同様の方法により作製することができる。すなわち、ウェーハ上に外部から通電するための下部電極１００ａを介して、Ｔａ＼Ｒｕ層（電極とのコンタクト層、兼ストッパー層）、ＦｅＰｔ＼ＣｏＦｅＢ層（磁気記録部３の第１の強磁性層１０ａ）、ＭｇＯ（第１の非磁性層２０ａ）、ＣｏＦｅＢ＼ＦｅＰｄ層（磁気記録部３の第２の強磁性層３０）、Ｒｕ（第３の非磁性層４０）、Ｐｙ＼Ｃｕ＼ＣｏＦｅＢ＼ＦｅＰｄ層（磁界発生源５）および、その上にＲｕ＼Ｔａ（電極とのコンタクト層）によるピラーを形成する。上部電極１００ｂを介して外部から電気通電できるような素子をする。

次に、第１〜第５の実施形態のさらに他の具体例について図面を参照しつつ説明する。 図２５は、第１〜第５の実施形態の他の具体例における不揮発性記憶装置を表す平面模式図である。
本具体例の不揮発性記憶装置は、マトリクス状に配列されたメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイを備えている。そして、各メモリセルＭＣは、図１〜図１３に関して前述した実施形態にかかる磁気記録素子のいずれかをＭＴＪ素子として有する。

また、メモリセルアレイには、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対（ビット線ＢＬ及びビット線／ＢＬ）が配置されている。また、メモリセルアレイには、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配置されている。

ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、前述したメモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、ＭＴＪ素子と選択トランジスタＴＲとを有する。ＭＴＪ素子の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子の他端は、選択トランジスタＴＲのドレイン端子に接続されている。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。

ワード線ＷＬには、ロウデコーダが接続されている。ビット線対（ビット線ＢＬ及びビット線／ＢＬ）には、書き込み回路および読み出し回路が接続されている。書き込み回路および読み出し回路には、カラムデコーダが接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダおよびカラムデコーダにより選択される。

メモリセルＭＣへのデータ書き込みは、以下のように行われる。まず、データ書き込みを行なうメモリセル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。

ここで、ＭＴＪ素子には、双方向の書き込み電流が供給される。具体的には、ＭＴＪ素子に左から右へ書き込み電流を供給する場合、書き込み回路は、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、ＭＴＪ素子に右から左へ書き込み電流を供給する場合、書き込み回路は、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」あるいはデータ「１」を書き込むことができる。

メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、メモリセルＭＣが選択される。読み出し回路は、ＭＴＪ素子に、例えば右から左へ流れる読み出し電流を供給する。そして、読み出し回路は、この読み出し電流に基づいて、ＭＴＪ素子の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＴＪ素子に記憶された情報を読み出すことができる。

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。

３ 磁気記録部（第１積層部）、 ５ 磁界発生源（第２積層部）、 １０ａ 第１の強磁性層、 １０ｂ 第４の強磁性層、 １２ａ、１２ｂ 磁化、 ２０ａ 第１の非磁性層、 ２０ｂ 第２の非磁性層、 ３０ 第２の強磁性層、 ３２ 磁化、 ３４ 磁化容易軸、 ４０ 第３の非磁性層、 ５０ 第３の強磁性層、 ５２ 磁化、 ５４ 磁化容易軸、 ６０ 電子電流、 ６１ センス電流、 ７２ 磁化、 ７２ａ、７２ｂ 磁化斜影成分、 ８０ 保護層、 ９０ 磁気シールド、 １００ａ 下部電極、 １００ｂ 上部電極、 ＢＬ、／ＢＬ ビット線（第１の配線）、 Ｉ 電流、Ｉ１ 読み出し電流、Ｉ２ 書き込み電流、 Ｉ１ｍａｘ 最大値、 Ｉ２ｍｉｎ 最小値、 Ｉ３ 電流、 Ｉ３ｓ 発振開始電流値、Ｉ４、Ｉ５ 電流、 Ｉｍ マージン、 ＭＣ メモリセル、ＳＤ１ 積層方向、 ＳＤ２ 膜面方向、 ＴＲ 選択トランジスタ、ＷＬ ワード線（第２の配線）

Claims (8)

1. 膜面に対して垂直な成分を有する第１の方向に磁化が実質的に固着された第１の強磁性層と、
   磁化の方向が膜面に対して垂直な方向に可変である第２の強磁性層と、
   前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられた第１の非磁性層と、
   を含む第１積層部と、
   磁化の方向が膜面に対して平行な方向に可変である第３の強磁性層と、
   膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に磁化が実質的に固着された第４の強磁性層と、
   前記第３の強磁性層と前記第４の強磁性層との間に設けられた第２の非磁性層と、
   を含む第２積層部と、
   を含む積層体を備え、
   前記第１の方向は、前記第２の方向と、逆であり、
   前記積層体の各層の膜面に対して略垂直な方向に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第２の強磁性層に作用させ、且つ前記第３の強磁性層の磁化を歳差運動させることにより発生する磁場を前記第２の強磁性層に作用させることにより、前記第２の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能としたことを特徴とする磁気記録素子。
2. 前記第３の強磁性層の横断面形状の円相当直径をＲ（ｎｍ）とし、前記Ｒの半分の値をｒ（ｎｍ）とし、前記第３の強磁性層の層厚をｔ（ｎｍ）としたときに、前記ｒと前記ｔは、
   
   ｒ＜０．４１９ｔ^２−２．８６ｔ＋１９．８
   
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の磁気記録素子。
3. 前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第３の非磁性層をさらに備え、
   前記第３の非磁性層は、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つ以上を含む合金を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録素子。
4. 前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第３の非磁性層をさらに備え、
   前記第３の非磁性層は、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つ以上を含む合金を含み、
   前記第３の非磁性層の層厚は、３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録素子。
5. 前記第３の強磁性層の横断面形状の円相当直径は、３５ｎｍ以下であり、前記第３の強磁性層の層厚は、０．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
6. 前記積層体の側面を覆う磁気シールドをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気記録素子と、
   前記磁気記録素子の一端に接続された第１の配線と、
   前記磁気記録素子の他端に接続された第２の配線と、
   を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置。
8. 前記磁気記録素子と前記第１の線との間、及び、前記磁気記録素子と前記第２の配線の間の少なくともいずれかの間に設けられた選択トランジスタをさらに備えたことを特徴とする請求項７記載の不揮発性記憶装置。

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