JP2012195485A - 磁気記録素子及び不揮発性記憶装置 - Google Patents

磁気記録素子及び不揮発性記憶装置 Download PDF

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Abstract

【課題】書き込み時における磁化反転がより高速に起こる磁気記録素子及び不揮発性記憶装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、積層体を備えた磁気記録素子が提供される。積層体は第１積層部と第２積層部とを含む。第１積層部は、膜面に対して垂直成分を有する第１の方向に磁化が固定された第１の強磁性層と、磁化の方向が膜面垂直な方向に可変である第２の強磁性層と、第１の強磁性層と第２の強磁性層との間の第１の非磁性層と、を含む。第２積層部は、積層軸に沿って第１積層部と積層される。第２積層部は、磁化の方向が膜面平行な方向に可変である第３の強磁性層と、膜面に対して垂直成分を有する第２の方向に磁化が固定された第４の強磁性層と、第３の強磁性層と第４の強磁性層との間の２の非磁性層と、を含む。積層軸を法線とする平面において、第４の強磁性層の外縁は第１積層部の外縁よりも外側の部分を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気記録素子及び不揮発性記憶装置に関する。
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ:Magnetic Random Access Memory）において、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）素子をデータ記憶部に用いる構成がある。この構成は、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、スピントルク書き込み方式により行われる。この方式においては、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。メモリの高速動作を実現するためには、ＭＴＪ素子への書き込み時における磁化反転がより高速に起こ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、書き込み時における磁化反転がより高速に起こる磁気記録素子及び不揮発性記憶装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、積層体を備えた磁気記録素子が提供される。前記積層体は、第１積層部と、第２積層部と、を含む。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の方向に磁化が固定された第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。前記第２積層部は、前記第１の強磁性層、前記第２の強磁性層及び前記第１の非磁性層が積層される積層軸に沿って前記第１積層部と積層される。前記第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、前記第３の強磁性層と前記積層軸に沿って積層され、膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に磁化が固定された第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。前記積層軸を法線とする平面における前記第４の強磁性層の外縁は、前記法線における前記第１積層部の外縁よりも外側の部分を有する。前記積層軸に沿って前記積層体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）〜図１（ｃ）は、第１の実施形態に係る磁気記録素子を示す模式図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、磁化を示す模式図である。 図３（ａ）〜図３（ｄ）は、実施形態に係る磁気記録素子の動作を示す模式図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る磁気記録素子の動作を示す模式図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第２の実施形態に係る磁気記録素子を示す模式的断面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第２の実施形態に係る磁気記録素子を示す模式的断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第３の実施形態に係る磁気記録素子を示す模式的断面図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第４の実施形態に係る磁気記録素子を示す模式的断面図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、第５の実施形態に係る磁気記録素子を示す模式的断面図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第６の実施形態に係る磁気記録素子のを示す模式的断面図である。 磁気記録素子の特性を示すグラフ図である。 図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、磁気記録素子の特性を示すグラフ図である。 磁気記録素子の特性を示すグラフ図である。 磁気記録素子の特性を示すグラフ図である。 実施形態に係る磁気記録素子の特性を示すグラフ図である。 実施形態に係る磁気記録素子の特性を示すグラフ図である。 実施形態に係る磁気記録素子の特性を示すグラフ図である。 実施形態に係る磁気記録素子の特性を示すグラフ図である。 磁気記録素子の特性を示すグラフ図である。 図２０（ａ）〜図２０（ｃ）は、実施形態に係る磁気記録素子を示す模式図である。 図２１（ａ）〜図２１（ｃ）は、実施形態に係る磁気記録素子を示す模式図である。 実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１の実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式図である。
図１（ａ）は、模式的斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図１（ｃ）は、模式的平面図である。
図１（ａ）〜図１（ｃ）に表したように、実施形態に係る磁気記録素子１１０は、積層体ＳＢ０を備える。積層体ＳＢ０は、第１積層部ＳＢ１と、第２積層部ＳＢ２と、を含む。
第１積層部ＳＢ１は、第１の強磁性層１０と、第２の強磁性層２０と、第１の非磁性層１０ｎと、を含む。
第１の強磁性層１０においては、膜面に対して垂直な成分を有する第１の方向に磁化（第１の強磁性層１０の磁化）が固定されている。第２の強磁性層２０においては、磁化（第２の強磁性層２０の磁化）の方向が膜面に対して垂直な方向に可変である。第１の非磁性層１０ｎは、第１の強磁性層１０と第２の強磁性層２０との間に設けられる。「膜面」は、層の主面に対して平行な面であり、「層面」に対応する。
すなわち、第１の強磁性層１０、第２の強磁性層２０及び第１の非磁性層１０ｎは、積層される。第１の強磁性層１０、第２の強磁性層２０及び第１の非磁性層１０ｎが重ねられる軸を積層軸ＳＤ１とする。積層軸ＳＤ１は、例えば、第１の強磁性層１０の膜面に対して垂直な軸である。
説明の便宜上、積層軸ＳＤ１をＺ軸とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とする。Ｚ軸とＸ軸とに対して垂直な軸をＹ軸とする。
本願明細書において、「積層」は、複数の層が互いに接して重ねられる場合に加え、間に別の要素が挿入されて複数の層が重ねられる場合を含む。
第２積層部ＳＢ２は、積層軸ＳＤ１に沿って第１積層部ＳＢ１と積層される。第２積層部ＳＢ２は、第３の強磁性層３０と、第４の強磁性層４０と、第２の非磁性層２０ｎと、を含む。第３の強磁性層３０においては、磁化（第３の強磁性層３０の磁化）の方向が膜面に対して平行な方向に可変である。第４の強磁性層４０は、第３の強磁性層３０と積層軸ＳＤ１に沿って積層される。第４の強磁性層４０においては、膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に磁化（第４の強磁性層４０の磁化）が固定されている。第２の非磁性層２０ｎは、第３の強磁性層３０と第４の強磁性層４０との間に設けられる。
すなわち、第３の強磁性層３０、第４の強磁性層４０及び第２の非磁性層２０ｎは、積層軸ＳＤ１に沿って、第１の強磁性層１０、第２の強磁性層２０及び第１の非磁性層１０ｎと積層される。後述するように、各層の順序は、種々の変形が可能である。
積層軸ＳＤ１を法線とする平面における第４の強磁性層４０の外縁は、その平面における第１積層部ＳＢ１の外縁よりも外側の部分を有する。この例では、第３の強磁性層３０、第２の非磁性層２０ｎ及び第４の強磁性層４０の大きさ（幅）は、互いに同じである。従って、積層軸ＳＤ１を法線とする平面における第４の強磁性層４０の外縁の位置は、積層軸ＳＤ１を法線とする平面における第２積層部ＳＢ２の外縁の位置と同じである。
一方、第１の強磁性層１０、第１の非磁性層１０ｎ及び第２の強磁性層２０の大きさ（幅）は、互いに同じである。従って、積層軸ＳＤ１を法線とする平面における第１の強磁性層１０の外縁の位置、第１の非磁性層２０ｎの外縁の位置及び第２の強磁性層２０の外縁の位置は、積層軸ＳＤ１を法線とする平面における第１積層部ＳＢ１の外縁の位置と同じである。
後述するように、第２積層部ＳＢ２において、例えば、第３の強磁性層３０の大きさ（幅）が、第４の強磁性層４０の大きさ（幅）と異なっていても良い。この場合も、実施形態においては、第４の強磁性層４０の外縁は、第１積層部ＳＢ１の外縁よりも外側の部分を有する。以下では、説明を簡単にするために、第３の強磁性層３０、第２の非磁性層２０ｎ及び第４の強磁性層４０の大きさ（幅）が互いに同じ場合について説明する。そして、第４の強磁性層４０の外縁として、第２積層部ＳＢ２の外縁について説明する。
この例では、積層軸ＳＤ１に沿ってみたときに、第４の強磁性層４０の外縁、すなわち、第２積層部ＳＢ２の外縁（第２外縁ＳＢＰ２）は、第１積層部ＳＢ１の外縁（第１外縁ＳＢＰ１）よりも外側の部分を有する。すなわち、平面視において、第２積層部ＳＢ２の第２外縁ＳＢＰ２は、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１よりも外側の部分を有する。
この例では、第２積層部ＳＢ２の外縁（第２外縁ＳＢＰ２）は、第１積層部ＳＢ１の外縁（第１外縁ＳＢＰ１）よりも外側である。具体的には、第２積層部ＳＢ２の第２外縁ＳＢＰ２の全てが、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１よりも外側である。すなわち、積層軸ＳＤ１に沿ってみたときの第２積層部ＳＢ２の第２外縁ＳＢＰ２は、積層軸ＳＤ１に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１よりも外側である。
例えば、第２積層部ＳＢ２の第２外縁ＳＢＰ２と、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１と、の距離は、距離Ｄｄである。距離Ｄｄは、例えばＸ−Ｙ平面内の任意の軸に沿った距離であり、例えば、Ｘ軸に沿った距離またはＹ軸に沿った距離である。なお、距離Ｄｄは、第４の強磁性層４０の外縁と、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１と、の距離である。
例えば、Ｘ軸に沿った第２積層部ＳＢ２の幅は、Ｘ軸に沿った第１積層部ＳＢ１の幅よりも大きい。例えば、Ｙ軸に沿った第２積層部ＳＢ２の幅は、Ｙ軸に沿った第１積層部ＳＢ１の幅よりも大きい。
例えば、第２積層部ＳＢ２をＸ−Ｙ平面で切断したときの断面積は、第２積層部ＳＢ１をＸ−Ｙ平面で切断したときの断面積よりも大きい。
磁気記録素子１１０においては、積層軸ＳＤ１に沿って積層体ＳＢ０に電流を流すことによりスピン偏極した電子を第２の強磁性層２０に作用させ、且つ、第３の強磁性層３０の磁化を歳差運動させることにより発生する磁場を第２の強磁性層２０に作用させることにより、第２の強磁性層２０の磁化の方向を電流の向きに応じた方向に決定可能とする。上記の電流は、積層体ＳＢ０の各層の膜面に対して略垂直な方向に流れる。
磁気記録素子１１０において、第２積層部ＳＢ２は、磁界発生源として機能する。第１積層部ＳＢ１は、磁気記録部として機能する。以下、第２積層部ＳＢ２を、適宜、磁界発生源と言い、第１積層部ＳＢ１を、適宜、磁気記録部と言う。
第１の強磁性層１０は、例えば、第１の磁化固定層である。第２の強磁性層２０においては、磁化容易軸が膜面に対して略垂直方向である。第２の強磁性層２０は、磁気記録層として機能する。第１の非磁性層１０ｎは、第１のスペーサ層として機能する。第１の強磁性層１０と、第１の非磁性層１０ｎと、第２の強磁性層２０と、を含む第１積層部ＳＢ１は、例えば、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）の構造を有する。
第３の強磁性層３０は、磁化回転層として機能する。第４の強磁性層４０は、磁化が膜面に対して略垂直方向に固定された第２の磁化固定層として機能する。第２の非磁性層２０ｎは、第２のスペーサ層として機能する。
このような構成を有する磁気記録素子１１０においては、書き込み時における磁化反転がより高速に起こる。磁気記録素子１１０の特性に関しては、後述する。
図１（ｃ）に例示したように、この例では、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は、円形（扁平円を含む）である。ただし、実施形態において、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は、任意である。
磁気記録素子１１０においては、積層体ＳＢ０は、第３の非磁性層３０ｎをさらに含む。第３の非磁性層３０ｎは、第１積層部ＳＢ１と第２積層部ＳＢ２との間に設けられる。すなわち、第３の非磁性層３０ｎは、第２の強磁性層２０と第３の強磁性層３０との間に設けられる。第３の非磁性層３０ｎは、必要に応じて設けられ、場合によっては省略可能である。
第１の強磁性層１０、第２の強磁性層２０及び第４の強磁性層４０には、例えば、垂直磁化膜が用いられる。第３の強磁性層には、例えば、面内磁化膜が用いられる。
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、磁化を例示する模式図である。
図２（ａ）は、垂直磁化膜における磁化を例示している。図２（ｂ）は、面内磁化膜における磁化を例示している。
図２（ａ）及び図２（ｂ）に表したように、積層軸ＳＤ１に対して垂直な１つの軸を面内軸ＳＤ２とする。面内軸ＳＤ２は、Ｘ−Ｙ平面内の軸である。磁化７２は、膜面に対して垂直な方向の磁化斜影成分（積層軸ＳＤ１に対して平行な磁化成分７２ａ）と、膜面に対して平行な方向の磁化斜影成分（面内軸ＳＤ２に対して平行な磁化成分７２ｂ）と、を有する。
図２（ａ）に表したように、垂直磁化膜は、膜面に対して垂直な磁化成分７２ａが、膜面に対して平行な磁化成分７２ｂよりも大きい磁化状態を有する。垂直磁化膜において、磁化の方向が膜面に対して略垂直であることが動作特性上望ましい。
図２（ｂ）に表したように、面内磁化膜は、膜面に対して平行な磁化成分７２ｂが、膜面に対して垂直な磁化成分７２ａよりも大きい磁化状態を有する。面内磁化膜において、磁化の方向が膜面に対して略平行であることが動作特性上望ましい。
説明の便宜上、第１積層部ＳＢ１から第２積層部ＳＢ２に向かう方向を「下」または「下向き」と言う。第２積層部ＳＢ２から第１積層部ＳＢ１に向かう方向を「上」または「上向き」と言う。
既に説明したように、第１の強磁性層１０の磁化は、第１の方向に実質的に固定される。第４の強磁性層４０の磁化は、第２の方向に実質的に固定されている。
図１（ｂ）に例示したように、磁気記録素子１１０においては、第１の方向は上向きであり、第２の方向も上向きである。ただし、後述するように、第１の方向及び第２の方向は種々の変形が可能である。
磁気記録素子１１０において、例えば、積層体ＳＢ０を挟む一対の電極（図示しない）により、積層体ＳＢ０に電子電流を流すことができる。電子電流は電子の流れである。上向きに電流が流れるときには、電子電流は下向きに流れる。
第２の強磁性層２０は、データを記録する役割をもつ。第２の強磁性層２０の磁化は、比較的容易に反転可能である。第３の強磁性層３０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を流すと、磁界発生源の第３の強磁性層３０における磁化が歳差運動する。これにより、回転磁界（高周波磁界）が発生する。高周波磁界の周波数は、例えば約１ＧＨｚ〜６０ＧＨｚ程度である。高周波磁界は、第２の強磁性層２０の磁化に対して垂直方向の成分（第２の強磁性層２０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３０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２０の磁化困難軸の方向に印加される。第３の強磁性層３０から発生した高周波磁界が、第２の強磁性層２０の磁化困難軸の方向に印加されると、第２の強磁性層の磁化は非常に反転し易くなる。
磁気記録素子１１０においては、電子電流を積層体ＳＢ０に流すことによって、第２の強磁性層２０の磁化の方向を制御することができる。具体的には、電子電流の流れる向き（極性）を変えることで第２の強磁性層２０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おいて、例えば、第２の強磁性層２０の磁化の方向に応じて、「０」と「１」とがそれぞれ割り当てられる。
磁気記録素子１１０における動作の具体例として、まず「書き込み」動作について説明する。
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、実施形態に係る磁気記録素子の動作を例示する模式図である。
これらの図は、磁気記録素子１１０における「書き込み」動作の際の第１積層部ＳＢ１の状態を例示している。これらの図では、第２積層部ＳＢ２及び第３の非磁性層３０ｎは省略されている。
図３（ａ）は、第１の強磁性層１０から第２の強磁性層２０に向かって電子電流６０を流し始めた状態を例示している。図３（ｂ）は、第１の強磁性層１０から第２の強磁性層２０に向かって電子電流６０を流し終えた状態（磁化が反転した状態）を例示している。図３（ｃ）は、第２の強磁性層２０から第１の強磁性層１０に向かって電子電流６０を流し始めた状態を例示している。図３（ｄ）は、第２の強磁性層２０から第１の強磁性層１０に向かって電子電流６０を流し終えた状態（磁化が反転した状態）を例示している。図３（ｃ）及び図３（ｄ）は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示した場合に対して、電子電流６０の向きを反転させた場合に相当する。
書き込み動作においては、第１の強磁性層１０の膜面及び第２の強磁性層２０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２０に対して書き込み動作が実施される。ここでは、第１の非磁性層１０ｎ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。
「ノーマルタイプ」の磁気抵抗効果においては、非磁性層の両側の磁性層の磁化どうしが互いに平行である時の電気抵抗は、反平行である時の電気抵抗よりも低い。ノーマルタイプの場合、第１の非磁性層１０ｎを介した第１の強磁性層１０と第２の強磁性層２０との間の電気抵抗は、第１の強磁性層１０の磁化が第２の強磁性層２０の磁化に対して平行である時には、反平行である時よりも低い。
図３（ａ）に表したように、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１０を通過した電子は、第１の強磁性層１０の磁化と同じ方向のスピンをもつようになる。この電子が、第２の強磁性層２０へ流れると、このスピンのもつ角運動量が第２の強磁性層２０へ伝達され、第２の強磁性層２０の磁化３２に作用する。すなわち、いわゆるスピントランスファトルクが働く。
これにより、図３（ｂ）に表したように、第２の強磁性層２０の磁化３２は、第１の強磁性層１０の磁化１２ａと同じ向きになる。この向きは、図３（ｂ）において上向きであり、例えば積層軸ＳＤ１に対して平行な１つの方向である。この向き（図３（ｂ）において上向き）の磁化３２を有する第２の強磁性層２０の状態に、例えば「０」を割り当てる。
図３（ｃ）に表したように、第１の非磁性層１０ｎを通過した電子のうちで、第１の強磁性層１０の磁化１２ａと同じ向き（図３（ｃ）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１０を通過する。一方、第１の強磁性層１０の磁化１２ａに対して逆向き（図３（ｃ）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１０と第１の非磁性層１０ｎとの界面において反射される。この反射された電子のスピンの角運動量が第２の強磁性層２０へ伝達され、第２の強磁性層２０の磁化３２に作用する。
これにより、図３（ｄ）に表したように、第２の強磁性層２０の磁化３２は、第１の強磁性層１０の磁化１２ａに対して逆向き（図３（ｄ）において下向き）になる。すなわち、スピントランスファトルクが働く。この向き（図３（ｄ）おいて下向き）の磁化３２を有する第２の強磁性層２０の状態に、例えば「１」を割り当てる。
このような作用に基づいて、第２の強磁性層２０の異なる状態に、「０」または「１」が適宜割り当てられる。これにより、磁気記録素子１１０における「書き込み」が実施される。
一方、磁気抵抗効果が「リバースタイプ」の場合は、第１の非磁性層１０ｎを介した第１の強磁性層１０と第２の強磁性層２０との間の電気抵抗は、第１の強磁性層１０の磁化が第２の強磁性層２０の磁化に対して平行である時には、反平行である時よりも高い。リバースタイプにおける「書き込み」動作は、ノーマルタイプの場合と同様である。
次に、「読み出し」動作について説明する。
磁気記録素子１１０における第２の強磁性層２０の磁化の方向の検出は、例えば、磁気抵抗効果を利用して実施される。磁気抵抗効果においては、各層の磁化の相対的な向きにより電気抵抗が変わる。磁気抵抗効果を利用する場合、第１の強磁性層１０と第２の強磁性層２０との間にセンス電流を流し、磁気抵抗が測定される。センス電流の電流値は、記録時に流す電子電流６０に対応する電流値よりも小さい。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る磁気記録素子の動作を例示する模式図である。
これらの図は、磁気記録素子１１０における「読み出し」動作の際の第１積層部ＳＢ１の状態を例示している。これらの図では、第２積層部ＳＢ２及び第３の非磁性層３０ｎは省略されている。
図４（ａ）は、第１の強磁性層１０の磁化の方向が、第２の強磁性層２０の磁化の方向と同じ場合を例示している。図４（ｂ）は、第１の強磁性層１０の磁化の方向が、第２の強磁性層２０の磁化の方と反平行（逆向き）である場合を例示している。
図４（ａ）及び図４（ｂ）に表したように、第１積層部ＳＢ１にセンス電流６１を流し、電気抵抗を検出する。
ノーマルタイプの磁気抵抗効果においては、図４（ａ）の状態の抵抗は、図４（ｂ）の状態の抵抗よりも低い。リバースタイプの磁気抵抗効果においては、図４（ａ）の状態の抵抗は、図４（ｂ）の状態の抵抗よりも高い。
これらの抵抗が互いに異なる状態に、それぞれ「０」と「１」とを対応づけることにより、２値データの記録の読み出しが可能となる。なお、センス電流６１の向きは、図４（ａ）及び図４（ｂ）に例示した方向に対して逆向きでも良い。
第１の強磁性層１０及び第２の強磁性層２０には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることが好ましい。さらに、上記の群から選択された少なくともいずれかと、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素と、の組み合わせによる合金を用いることができる。
第１の強磁性層１０及び第２の強磁性層２０において、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１の強磁性層１０及び第２の強磁性層２０には、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金を用いることができる。第１の強磁性層１０及び第２の強磁性層２０には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いることができる。Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等は、下地層との組み合わせで垂直磁化膜となる。膜の結晶配向方向を制御することで、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等を、第１の強磁性層１０及び第２の強磁性層２０に用いることができる。
第１の非磁性層１０ｎには、非磁性トンネルバリア層として機能する絶縁材料を用いることができる。具体的には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、酸化物、窒化物又は弗化物を用いることができる。
第１の非磁性層１０ｎには、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＴｉＯ３、ＡｌＬａＯ３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ等を用いることができる。第１の非磁性層１０ｎには、例えば、非磁性半導体（ＺｎＯｘ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯｘ、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１０ｎの厚さは、約０．２ナノメートル（ｎｍ）以上２．０ｎｍ程度の範囲の値とすることが望ましい。これにより、例えば、絶縁膜の均一性を確保しつつ、抵抗が過度に高くなることが抑制される。
第２の非磁性層２０ｎには、例えば、非磁性トンネルバリア層及び非磁性金属層のうちのいずれかを用いることができる。
非磁性トンネルバリア層には、例えば、絶縁材料が用いられる。具体的には、非磁性トンネルバリア層には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、酸化物、窒化物又は弗化物を用いることができる。非磁性トンネルバリア層としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＴｉＯ３、ＡｌＬａＯ３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、及び、Ｓｉ−Ｎ−Ｏなどを用いることができる。
非磁性トンネルバリア層として、非磁性半導体（ＺｎＯｘ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯｘ、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２の非磁性層２０ｎとして、非磁性トンネルバリア層が用いられる場合、第２の非磁性層２０ｎの厚さは、約０．２ｎｍ以上２．０ｎｍ程度の範囲の値とすることが望ましい。
第２の非磁性層２０ｎに用いられる非磁性金属層には、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）及びビスマス（Ｂｉ）よりなる群から選択されたいずれかの非磁性金属、または、上記の群から選択された少なくともいずれか２つ以上の元素を含む合金を用いることができる。第２の非磁性層２０ｎの厚さは、１．５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とすることが望ましい。これにより、磁性層間で層間結合せず、かつ、伝導電子のスピン偏極状態が非磁性金属層を通過する際に失われることが抑制される。
第４の強磁性層４０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４０において、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。第４の強磁性層４０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。第４の強磁性層４０には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いることができる。Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等は、下地層との組み合わせで垂直磁化膜となる。膜の結晶配向方向を制御することで、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ及びＮｉ／Ｃｕ等を第４の強磁性層４０に用いることができる。
第３の非磁性層３０ｎには、非磁性金属層が用いられる。
第３の非磁性層３０ｎに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）及びオスミウム（Ｏｓ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの非磁性金属、または、上記の群から選択された２つ以上の元素を含む合金を用いることができる。
第３の非磁性層３０ｎには、銅（Ｃｕ）などのスピン拡散長が長い材料、または、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。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、第３の非磁性層３０ｎに用いることが望ましい。
既に説明したように、磁気記録素子１１０において、積層体ＳＢ０に電子電流を流すための一対の電極が設けられる。
電極には、導電性の磁性材料または導電性の非磁性材料が用いられる。導電性の磁性材料の例としては、第３の強磁性層３０及び第４の強磁性層４０に用いられる材料と同様の材料を挙げることができる。
導電性の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）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、上記の群から選択された２つ以上を含む合金を用いることができる。
さらに、電極に用いられる導電性の非磁性材料として、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤ及びグラフェン等の材料が挙げられる。
電極に付与される導電性の保護膜には、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）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、または、グラフェンなどの材料を用いることができる。エレクトロマグレーション耐性及び低抵抗であることを考慮すると、保護膜には、銅（Ｃｕ）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択されたいずれかの元素、または、これらを含む合金を用いることが望ましい。
既に説明したように、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は任意である。例えば、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状（膜面に対して平行な面で切断した形状）は、円形、楕円形、扁平円、並びに、四角形及六角形などの３つ以上の角を有する多角形の形状を有することができる。
Ｚ軸に対して平行な平面で切断したときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は任意である。Ｚ軸に対して平行な平面で切断したときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状（膜面に対して垂直な面で切断した形状）は、例えば、テーパ形状または逆テーパ形状を有することができる。
以下、実施形態に係る磁気記録素子の構成の種々の例について、第２〜第６の実施形態として説明する。以下において、説明されない構成、及び、各要素の材料などは、磁気記録素子１１０に関して説明した構造及び各要素の材料と同様である。
（第２の実施の形態）
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第２の実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式的断面図である。
図５（ａ）及び図５（ｂ）に表したように実施形態に係る磁気記録素子１１０ａ及び１１０ｂにおいては、第２の強磁性層２０、第１の非磁性層１０ｎ、第１の強磁性層１０、第３の非磁性層３０ｎ、第４の強磁性層４０、第２の非磁性層２０ｎ及び第３の強磁性層３０がこの順に積層される。
磁気記録素子１１０ａ及び１１０ｂにおいては、第１の方向に固定された磁化（第１の強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きは、第２の方向に固定された磁化（第４の強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。また、第３の強磁性層３０において発生する回転磁界の向きと、第２の強磁性層２０の磁化が歳差運動する向きと、は、一致する。第３の強磁性層３０において発生した回転磁界は、第２の強磁性層２０に、より効果的に作用する。第２の強磁性層２０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２０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。
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第２の実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式的断面図である。
図６（ａ）及び図６（ｂ）に表したように実施形態に係る磁気記録素子１１０ｃ及び１１０ｄにおいては、第１の強磁性層１０の磁化の向き及び第４の強磁性層４０の磁化の向きが膜面に対して斜めである。この場合も、第１の方向に固定された磁化（第１の強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きは、第２の方向に固定された磁化（第４の強磁性層４０の磁化）の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。
第１の方向に固定された磁化の垂直斜影成分の向きが、第２の方向に固定された磁化の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである場合には、第２の強磁性層２０の位置において膜面に対して垂直な方向にかかる漏洩磁界を低減させることができる。すなわち、第２の強磁性層２０の位置において膜面に対して垂直な方向にかかる漏洩磁界を打ち消すことができる。一方、第３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３０において発生する回転磁界の向きは、第２の強磁性層２０の磁化が歳差運動する向きと一致する。第３の強磁性層３０において発生した回転磁界により、第２の強磁性層２０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２０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。
磁気記録素子１１０ａ〜１１０ｄにおいて、第１の強磁性層１０と第４の強磁性層４０とは、第３の非磁性層３０ｎを介して反強磁性結合していても良い。このように、非磁性層を介して互いの磁化の方向が反強磁性結合し反平行となる構造は、シンセティックアンチフェロ（ＳＡＦ：Synthetic Anti-Ferromagnet）構造と呼ばれる。この例では、「第１の磁性層（例えば第１の強磁性層１０）／非磁性層（例えば第３の非磁性層３０ｎ）／第２の磁性層（例えば第４の強磁性層４０）」の積層構造が、ＳＡＦ構造に対応する。
ＳＡＦ構造を用いることにより、互いの磁化固定力が増強され、外部磁界に対する耐性、及び、熱的な安定性を向上させることができる。この構造では、磁気記録層（例えば第２の強磁性層２０）の位置において膜面に対して垂直な方向にかかる漏洩磁界を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。非磁性層の厚さは、３ｎｍ以下に設定される。これにより、非磁性層を介して十分強い反強磁性結合が得られる。
すなわち、第３の非磁性層３０ｎ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、第３の非磁性層３０ｎの厚さは、３ｎｍ以下であることが望ましい。
なお、実施形態に係る磁気記録素子に含まれるの各層の寸法（幅及び厚さなど）は、例えば電子顕微鏡写真像などにより求められる。
（第３の実施の形態）
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第３の実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式的断面図である。
図７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように、実施形態に係る磁気記録素子１１０ｅ及び１１０ｆにおいては、第１の強磁性層１０、第１の非磁性層１０ｎ、第２の強磁性層２０、第３の非磁性層３０ｎ、第３の強磁性層３０、第２の非磁性層２０ｎ及び第４の強磁性層４０が、この順に積層される。この場合も、第１の強磁性層１０の磁化及び第４の強磁性層４０の磁化の向きは、膜面に対して斜めでも良い。
磁気記録素子１１０ｅ及び１１０ｆにおいて、第１の方向に固定された磁化の垂直斜影成分の向きと、第２の方向に固定された磁化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３の強磁性層３０において発生する回転磁界の向きと、第２の強磁性層２０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。
磁気記録素子１１０ｅ及び１１０ｆにおいては、第２の強磁性層２０と第３の強磁性層３０との間の距離は、磁気記録素子１１０ａ及び１１０ｂにおける距離よりも短い。これにより、第３の強磁性層３０において発生した回転磁界は、第２の強磁性層２０に、より大きく作用し、第２の強磁性層２０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。
磁気記録素子１１０ｅ及び１１０ｆにおいて、第３の非磁性層３０ｎにおいてスピン情報が保たれると、第３の強磁性層３０は、第２の強磁性層２０からのスピントランスファトルクの影響を受ける。このため、第３の強磁性層３０の磁化回転の制御性が低下する場合がある。
このとき、第３の非磁性層３０ｎとして、例えばルテニウム（Ｒｕ）などのようなスピン拡散長の短い膜（スピン消失の機能を持つ材料）、または、スピン拡散長の短い構造を有する層を用いることが望ましい。これにより、第３の強磁性層３０の磁化回転の制御性の低下を抑制できる。
すなわち、第３の強磁性層３０の磁化が歳差運動をするためのスピントランスファトルクの大きさは、第４の強磁性層４０でのスピン偏極で決まる。この構成においては、他の電子のスピンの影響（スピントランスファトルク）を受けることなく、第３の強磁性層３０の磁化を独立に制御することが可能となる。
第３の非磁性層３０ｎのための、このようなスピン消失効果が得られる材料としては、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）及びバナジウム（Ｖ）よりなる群から選択された金属、または、これらの群から選択された２つ以上を含む合金を挙げることができる。
第３の非磁性層３０ｎの厚さは、第２の強磁性層２０と第３の強磁性層３０とが層間磁気結合しない値に設定されることが望ましい。具体的には、第３の非磁性層３０ｎの厚さは、１．４ｎｍ以上に設定することが望ましい。
第３の非磁性層３０ｎの厚さが１．４ｎｍ以上であると、第２の強磁性層２０と第３の強磁性層３０とが層間結合せず、かつ、第３の非磁性層３０ｎにおいて、伝導電子が第３の非磁性層３０ｎの内部及び界面を通過する際にスピン偏極度を消失させることができる。さらに、第２の強磁性層２０の磁化の向きにより第３の強磁性層３０の歳差運動が変化することを、第３の非磁性層３０ｎにより防ぐことができる。
一方、第３の非磁性層３０ｎの厚さが２０ｎｍを超えると、多層膜のピラー形成が困難となる。さらに、第３の強磁性層３０から発生する回転磁界の強度が、第２の強磁性層２０の位置で減衰する。そのため、第３の非磁性層３０ｎの厚さは、２０ｎｍ以下に設定されることが望ましい。
第３の非磁性層３０ｎとして、前述した単層膜の他に、積層膜を用いることができる。この積層膜は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）及びバナジウム（Ｖ）よりなる群から選択された金属、または、その群から選択された２つ以上を含む合金を含む層と、その層の少なくとも片側に積層された銅（Ｃｕ）層と、の積層構成を有することができる。
さらに、第３の非磁性層３０ｎに用いられる積層膜は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）及びバナジウム（Ｖ）よりなる群から選択された金属、または、その群から選択された２つ以上を含む合金を含む第１層と、第１層の少なくとも片側に積層され、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）及びルテニウム（Ｒｕ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物を含む第２層と、を含む積層構成を有することができる。
（第４の実施の形態）
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第４の実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式的断面図である。
図８（ａ）及び図８（ｂ）に表したように、実施形態に係る磁気記録素子１１０ｇ及び１１０ｈにおいては、第２の強磁性層２０、第１の非磁性層１０ｎ、第１の強磁性層１０、第３の非磁性層３０ｎ、第３の強磁性層３０、第２の非磁性層２０ｎ及び第４の強磁性層４０が、この順で積層される。この場合も、第１の強磁性層１０の磁化及び第４の強磁性層４０の磁化の向きは、膜面に対して斜めでも良い。
磁気記録素子１１０ｇ及び１１０ｈにおいては、第１の方向に固定された磁化の垂直斜影成分の向きと、第２の方向に固定された磁化の垂直斜影成分の向きと、は、互いに逆向きである。第４の強磁性層４０の磁化の向きに対して逆向きの磁界を印加することにより、第３の強磁性層３０において発生する回転磁界の向きと、第２の強磁性層２０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。
磁気記録素子１１０ｇ及び１１０ｈにおいては、第２の強磁性層２０と第３の強磁性層３０との間の距離は、磁気記録素子１１０ａ及び１１０ｂにおける距離よりも短い。そのため、磁気記録素子１１０ｅ及び１１０ｆに関して説明した特性と同様の特性が得られる。これにより、第２の強磁性層２０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。
磁気記録素子１１０ｇ及び１１０ｈにおいては、第３の強磁性層３０へ入射される電子のスピン偏極の向きが、第４の強磁性層４０でのスピン偏極の向き、及び、第１の強磁性層１０でのスピン偏極の向きと同じである。これにより、例えば、第３の強磁性層３０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３０ｎ及び第２の非磁性層２０ｎには、金属導体、絶縁体及び半導体のいずれを用いても良い。第３の非磁性層３０ｎと第２の非磁性層２０ｎとにおいて、異なる材料に基づく層を用いても良い。
第３の非磁性層３０ｎとして絶縁体または半導体を用いた場合には、抵抗値が上昇する。このため、この場合には、第２の非磁性層２０ｎ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、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）及び金（Ａｕ）などを用いることが好ましい。
（第５の実施の形態）
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、第５の実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式的断面図である。
図９（ａ）及び図９（ｂ）に表したように、実施形態に係る磁気記録素子１１０ｉ及び１１０ｊにおいては、第１の強磁性層１０、第１の非磁性層１０ｎ、第２の強磁性層２０、第３の非磁性層３０ｎ、第４の強磁性層４０、第２の非磁性層２０ｎ及び第３の強磁性層３０が、この順で積層される。この場合も、第１の強磁性層１０の磁化及び第４の強磁性層４０の磁化の向きは、膜面に対して斜めでも良い。
磁気記録素子１１０ｉ及び１１０ｊにおいては、第１の方向に固定された磁化の垂直斜影成分の向きは、第２の方向に固定された磁化の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。第４の強磁性層４０の磁化の向きに対して逆向きの磁界を印加することにより、第３の強磁性層３０において発生する回転磁界の向きと、第２の強磁性層２０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。
磁気記録素子１１０ｉ及び１１０ｊにおいては、第２の強磁性層２０と第３の強磁性層３０との間の距離は、磁気記録素子１１０ａ及び１１０ｂにおける距離よりも短い。そのため、磁気記録素子１１０ｅ及び１１０ｆに関して説明した特性と同様の特性が得られる。これにより、第２の強磁性層２０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。
磁気記録素子１１０ｉ及び１１０ｊにおいては、第３の強磁性層３０へ入射される電子のスピン偏極の向きが、第４の強磁性層４０でのスピン偏極の向き、及び、第１の強磁性層１０でのスピン偏極の向きと同じである。これにより、磁気記録素子１１０ｇ及び１１０ｈに関して説明した特性と同様の特性が得られる。
磁気記録素子１１０ｉ及び１１０ｊにおいて、第３の非磁性層３０ｎ及び第２の非磁性層２０ｎとして、磁気記録素子１１０ｇ及び１１０ｈに関して説明した材料と同様の材料を用いることができる。
（第６の実施の形態）
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第６の実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に表したように、実施形態に係る磁気記録素子１１０ｋ及び１１０ｌにおいては、第１積層部ＳＢ１の側面に対向する磁気シールド５１が設けられる。磁気記録素子１１０ｌにおいては、磁気シールド５１は、さらに、第２積層部ＳＢ２の側面、及び、第３の非磁性層３０ｎの側面に対向している。
すなわち、磁気記録素子１１０ｋ及び１１０ｌは、積層体ＳＢ０の側面の少なくとも一部に対向する磁気シールド５１をさらに備える。磁気シールド５１は、積層体ＳＢ０の側面の上記の少なくとも一部を覆う。
さらに、磁気記録素子１１０ｋ及び１１０ｌは、積層体ＳＢ０の側面の上記の少なくとも一部と、磁気シールド５１との間に設けられた保護層５２をさらに備える。
磁気記録素子１１０ｋにおいては、磁気シールド５１は、第１積層部ＳＢ１の側面を覆う。磁気記録素子１１０ｌにおいては、磁気シールド５１は、第１積層部ＳＢ１の側面、第２積層部ＳＢ２の側面、及び、第３の非磁性層３０ｎの側面を覆う。
例えば、第１積層部ＳＢ１の側面及び第２積層部ＳＢ２の側面は、例えばＳｉＮやＡｌ２Ｏ３などの保護層を介してパーマロイ（Ｐｙ）などの磁気シールド５１により覆われる。
これにより、複数の磁気記録素子が並べられた場合において、隣の磁気記録素子からの漏洩磁界が、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の動作に影響を与えることが抑制される。これにより、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、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２からの漏洩磁界が、隣の磁気記録素子に作用することを抑制することができる。その結果、複数の磁気記録素子どうしを近接して配置することができ、集積度を向上することができる。
保護層５２には、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、酸化物、窒化物または弗化物を用いることができる。
磁気シールド５１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いずれかの元素、または、この群から選択された２つ以上を含む合金を用いることができる。
磁気シールド５１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。
磁気シールド５１に含まれる磁性材料の組成や熱処理により、磁気シールド５１の特性を調整することができる。また、磁気シールド５１には、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金を用いることができる。また、磁気シールド５１には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いることができる。
上記の磁気シールド５１（及び保護層５２）は、実施形態に係る磁気記録素子１１０、１１０ａ〜１１０ｊ及びそれらの変形の磁気記録素子においても設けることができる。
実施形態に係る磁気記録素子の製造方法の例について説明する。以下の製造方法は、実施形態に係る磁気記録素子１１０、１１０ａ〜１１０ｊ及びそれらの変形の磁気記録素子などに適用される。
以下の説明において、「材料Ａ＼材料Ｂ」は、材料Ａの上に材料Ｂが積層されていることを指す。
ウェーハ上に下部電極（図示せず）を形成した後、そのウェーハを超高真空スパッタ装置内に配置する。下部電極上に、Ｔａ＼Ｒｕ層（電極とのコンタクト層、兼ストッパー層）、ＦｅＰｔ＼ＣｏＦｅＢ＼Ｃｕ＼Ｐｙ層（磁界発生源）、及び、Ｔａ（ストッパー層）をこの順に積層する。これにより、加工体が形成される。
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１００ｎｍのレジストマスクを形成する。加工体のうちで、レジストで被覆されていない部分を、ストッパ層のＴａ層が露出するまで、イオンミリングによって削る。
この後、埋め込み絶縁層となるＳｉＯ２膜を成膜した後、レジストをリフトオフする。
続いて、Ｔａ＼Ｃｕ（第３の非磁性層３０ｎ）、ＣｏＦｅＢ＼ＦｅＰｔ層（第１の強磁性層１０）、ＭｇＯ（第１の非磁性層１０ｎ）、ＦｅＰｄ＼ＣｏＦｅＢ層（第２の強磁性層２０）、及び、その上にＴａ（電極とのコンタクト層）の層を、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層と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２０ｎｍのレジストマスクを形成する。加工体のうちで、レジストで被覆されていない部分を、ストッパ層のＴａ層が露出するまで、イオンミリングによって削る。次に、埋め込み絶縁層となるＳｉＯ２膜を成膜した後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等で平坦化した後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等で全面をエッチングすることで電極との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、レジストの開口部が上部電極の位置に対応するように、ステッパ露光装置を用いてレジストをパターニングする。上部電極に対応する開口を埋め込むように、Ｃｕ膜を形成し、レジストを除去する。これにより、上部電極が形成される。上部電極に電気的に接続される配線（図示しない）が設けられる。
磁気記録素子１１０ｋの製造方法の例を説明する。
上記で説明した製造方法と同様に、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）、磁界発生源、及び、Ｔａ（ストッパー層）をこの順に積層し、直径１００ｎｍのサイズに加工する。そして、第３の非磁性層３０ｎ、第１の強磁性層１０、第１の非磁性層１０ｎ、第２の強磁性層２０、及び、電極とのコンタクト層をこの順に積層し、直径２０ｎｍのサイズに加工する。そして、保護層５２となるＳｉＮ層を形成した後、磁気シールド５１となるＰｙ層を形成する。エッチバックにより、Ｐｙ層を積層体ＳＢ０の側壁に残す。さらに、埋め込み絶縁層となるＳｉＯ２膜を形成し、加工し、上部電極を形成する。これにより、磁気記録素子１１０ｋが作製される。
上記において、保護層５２となるＳｉＮ層及び磁気シールド５１となるＰｙ層の形成の順序を変えることで、磁気記録素子１１０ｌが作製できる。
既に説明したように、磁気記録素子１１０、１１０ａ〜１１０ｌにおいては、第２積層部ＳＢ２の第２外縁ＳＢＰ２は、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１よりも外側に配置される。すなわち、第２積層部ＳＢ２の膜断面積は、第１積層部ＳＢ１の膜断面積よりも大きい。以下では、説明を簡単にするために、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に例示したように、第１積層部ＳＢ１の平面形状及び第２積層部ＳＢ２の平面形状が略円形である場合として説明する。第２積層部ＳＢ２の径（第２径Ｄ２）は、第１積層部ＳＢ１の径（第１径Ｄ１）よりも大きい。
ここで、第１積層部ＳＢ１の側面がＺ軸に対して傾斜している場合（テーパ形状の場合）は、第１積層部ＳＢ１の第１径Ｄ１は、第１の強磁性層１０の径と第２の強磁性層２０の径との平均値とする。同様に、第２積層部ＳＢ２の側面がＺ軸に対して傾斜している場合（テーパ形状の場合）は、第２積層部ＳＢ２の第２径Ｄ２は、第３の強磁性層３０の径と第４の強磁性層４０の径との平均値とする。
例えば、上記の製造方法の例では、第２径Ｄ２は１００ｎｍであり、第１径Ｄ１は、２０ｎｍである。
第２積層部ＳＢ２（磁界発生源）の第２径Ｄ２が、第１積層部ＳＢ１（磁気記録部）の第１径Ｄ１よりも大きいため、磁気記録部は、磁界発生源の第３の強磁性層３０の平衡時において磁化角度が均一な領域の上に配置されている。そのため、磁気記録部に対して磁界発生源の発振は初期角度が均一な状態から始まる。これにより、安定な発振に至るまでの時間が短縮し、高速な磁化反転が可能となる。すなわち、書き込み時における磁化反転がより高速に起こる。
以下、実施形態に係る磁気記録素子の特性について説明する。
図１１は、磁気記録素子の特性を例示するグラフ図である。
図１１は、磁気記録素子の磁界発生源の特性につ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実施した結果の例を表している。図１１の横軸は、時間ｔ（ナノ秒：ｎｓ）である。縦軸は、強磁性層３０の膜面内方向（例えばＸ軸方向）の磁化Ｍｘである。
このシミュレーションにおいては、磁気記録部は、直径２０ｎｍのピラー型形状とした。すなわち、第１径Ｄ１＝２０ｎｍである。第４の強磁性層４０（厚さ１０ｎｍ）は、Ｍｓ（磁化）＝１０００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の垂直磁化膜とした。第２の非磁性層２０ｎは、Ｃｕ層（厚さ２ｎｍ）とした。第３の強磁性層３０（厚さ２ｎｍ）は面内磁化膜であり、Ｍｓ（磁化）＝１７００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝５０００ｅｒｇ／ｃｍ３とした。スピン偏極度は０．４とし、ダンピング定数は０．０１とした。
この時、第４の強磁性層４０で発生して第３の強磁性層３０に印加される漏洩磁界の強度は、面内分布を持つ。このため、第３の強磁性層３０の磁化は、外縁部で面内方向の磁界を受けて傾く。その結果、磁界発生源は、発振初期の挙動において磁化方向に分布があるために、安定した発振にいたるまでに時間を要することになる。
図１１では、第３の強磁性層３０の大きさ（例えば第２径Ｄ２）が１００ｎｍの場合と、２０ｎｍの場合と、における発振初期の挙動が例示されている。両方の場合において、第１積層部ＳＢ１の大きさ（例えば第１径Ｄ１）は、２０ｎｍである。
図１１から分かるように、第３の強磁性層３０の大きさが１００ｎｍである場合、２０ｎｍの場合に比べて、安定に発振するまでの時間ｔが短縮されている。これは、第３の強磁性層３０の大きさが１００ｎｍである場合には、第４の強磁性層４０からの漏洩磁界の分布が均一な領域内に、第１積層部ＳＢ１が位置するためであると考えられる。
このように、第４の強磁性層４０からの漏洩磁界の分布が均一な領域において、第３の強磁性層３０の磁化が歳差運動をするようにすることで、安定な発振に至るまで時間を短縮することができる。
例えば、第４の強磁性層４０からの漏洩磁界の分布が均一な領域内に、磁気記録部が設けられる構成において、電流を通電すると磁気記録部と接する面に集中して電流が流れる。その結果、第３の強磁性層３０の磁化が歳差運動する領域は、第４の強磁性層からの漏洩磁界の分布が均一な領域内に限られる。このため、第３の強磁性層３０の発振が短縮する。これにより、磁気記録部の磁化反転をより効果的にアシストすることができる。
このように、第４の強磁性層４０から発生した漏洩磁界の強度が均一となる位置（言い換えると、第３の強磁性層３０の磁化の傾きが均一な領域）に磁気記録部を配置することで、磁気記録部の磁化反転が高速化できる。
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、磁気記録素子の特性を例示するグラフ図である。 これらの図は、第３の強磁性層３０の磁化を面内方向へ傾ける漏洩磁界の分布をシミュレーションにより求めた結果を示している。これらの図の横軸は、積層体ＳＢ０のＸ−Ｙ平面内の中心からの距離ｄｘである。距離ｄｘは、図１（ｂ）に表したように、積層体ＳＢ０のＸ−Ｙ平面内の中心からの、例えばＸ軸方向に沿った距離である。縦軸は、面内方向の磁界強度Ｈｐである。
このシミュレーションにおいては、磁界発生源の直径（例えば第２径Ｄ２）をパラメータとして変えた。第４の強磁性層４０（厚さ１０ｎｍ）は、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の垂直磁化膜とした。第４の強磁性層４０のＭｓは、８００〜１７００ｅｍｕ／ｃｃの間でパラメータとして変えた。第２の非磁性層２０ｎは、Ｃｕ層（厚さ２ｎｍ）とした。第３の強磁性層３０（厚さ２ｎｍ）は、面内磁化膜であり、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＝５０００ｅｒｇ／ｃｍ３とした。
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に表したように、磁界発生源の直径（第２径Ｄ２）が大きくなると、面内方向の磁界強度Ｈｐがピークとなる距離ｄｘは増大する。
第３の強磁性層３０の磁化の傾きがほぼ均一となる領域の目安として、面内方向の磁界強度Ｈｐがピーク値の半分となる位置に着目した。
図１３は、磁気記録素子の特性を例示するグラフ図である。
図１３は、第３の強磁性層３０の直径（例えば第２径Ｄ２）を変えた時に、面内方向の磁界強度Ｈｐが半分となる位置の外縁（外周）からの距離Δｘを例示している。横軸は、第２径Ｄ２である。縦軸は、距離Δｘである。
図１３に例示した条件ｓｐ１〜条件ｓｐ３において、第４の強磁性層４０の厚さは、１０ｎｍとされた。条件ｓｐ１、条件ｓｐ２及び、条件ｓｐ３は、強磁性層４０のＭｓが、８００ｅｍｕ／ｃｃ、１０００ｅｍｕ／ｃｃ、及び、１７００ｅｍｕ／ｃｃの場合にそれぞれ相当する。
図１３から分かるように、第４の強磁性層４０のＭｓの大きさによらず、距離Δｘが約約７ｎｍの位置で、面内方向の磁界強度Ｈｐがピーク値の半分となることが分かった。
すなわち、第４の強磁性層４０の外縁から外側に７ｎｍの位置で、面内方向の磁界強度Ｈｐが半分となる。さらに、直径が２００ｎｍ及び４００ｎｍである場合においても、外縁から外側に７ｎｍの位置で、面内方向の磁界強度Ｈｐが半分となることが判明した。
この特性は、発明者の上記の検討により初めて見出された。
このことから、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に表したように、Ｚ軸に沿ってみたときの第４の強磁性層４０の外縁（例えば第２積層部ＳＢ２の第２外縁ＳＢＰ２）は、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１よりも外側であり、第４の強磁性層４０の外縁（例えば第２外縁ＳＢＰ２）と第１外縁ＳＢＰ１との間の距離Ｄｄは、７ｎｍ以上に設定されることが望ましい。
すなわち、実施形態において、第４の強磁性層４０の外縁（例えば第２積層部ＳＢ２の第２外縁ＳＢＰ２）のうちの、Ｚ軸に沿ってみたときに第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１よりも外側の部分と、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１と、の距離Ｄｄは、７ｎｍ以上であることが望ましい。
さらに、第４の強磁性層４０のＭＳを１０００ｅｍｕ／ｃｃとして、第４の強磁性層４０の厚さを１０ｎｍ〜２０ｎｍの範囲で変えた時の面内方向の磁界強度Ｈｐがピーク値の半分となる位置の外縁からの距離Δｘをシミュレーションにより求めた。
図１４は、磁気記録素子の特性を例示するグラフ図である。
図１４は、第４の強磁性層４０の厚さを変えた時に、面内方向の磁界強度Ｈｐが半分となる位置の外縁からの距離Δｘのシミュレーション結果を例示している。横軸は、第２径Ｄ２である。縦軸は、距離Δｘである。
図１４に例示した条件ｓｐ４〜条件ｓｐ６は、第４の強磁性層４０の厚さが１０ｎｍ、１５ｎｍ及び２０ｎｍの場合にそれぞれ相当する。
図１４から分かるように、第４の強磁性層４０の厚さが２０ｎｍで、第３の強磁性層３０の直径（第２径Ｄ２）が１００ｎｍの場合、距離Δｘは、９．５ｎｍであった。さらに、直径を２０ｎｍよりも大きくした場合においても、距離Δｘは、１０ｎｍ未満であった。
以上から、第４の強磁性層４０の厚さが２０ｎｍ以下の場合は、磁気記録部は、第４の強磁性層４０の外縁（例えば磁界発生源の外縁）から１０ｎｍ以上内側に配置されるようにすれば良い。
実施形態において、第２の強磁性層２０の位置において、第１の強磁性層１０からの磁界と、第４の強磁性層４０からの漏洩磁界とが、互いに打ち消すような構成にすることができる。これにより、第２の強磁性層２０を磁化反転させる際に通電方向に対する非対称な応答性を改善することができる。以下に説明する構成は、これを達成する構造である。
漏洩磁界を打ち消すような構成の場合、第４の強磁性層１０の厚さは、１０ｎｍ程度とすることが望ましい。以下の例においては、磁気記録部の外縁は、第４の強磁性層４０の外縁（例えば磁界発生源の外縁）から７ｎｍ以上内側に配置される。
第１の具体例に係る磁気記録素子１２１（図１（ａ）〜図１（ｃ）参照）は、磁気記録素子１１０と同様の構成を有する。
磁気記録素子１２１においては、磁界発生源の直径（第２径Ｄ２）は１００ｎｍである。第４の強磁性層４０（厚さ１０ｎｍ）は、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の垂直磁化膜である。第２の非磁性層２０ｎは、Ｃｕ層（厚さ２ｎｍ）である。第３の強磁性層３０（厚さ２ｎｍ）は、面内磁化膜であり、Ｍｓ＝１０００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝５０００ｅｒｇ／ｃｍ３である。
この磁界発生源の膜面中心と、磁気記録部の膜面中心が一致するように、磁気記録部が積層される。磁気記録部の直径（第１径Ｄ１）は２０ｎｍである。第１の強磁性層１０（厚さ１０ｎｍ）は、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の垂直磁化膜である。第１の非磁性層１０ｎは、ＭｇＯ層（厚さ１ｎｍ）である。第２の強磁性層２０（厚さ２ｎｍ）は、垂直磁化膜であり、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝４Ｍｅｒｇ／ｃｍ３である。第３の非磁性層３０ｎは、Ｃｕ層（厚さ１０ｎｍ）である。
磁気記録素子１２１において、第１の強磁性層１０の磁化方向が、第２の強磁性層２０の磁化方向に対して逆向きの状態において、磁界発生源から磁気記録部に向かう方向へ、１４マイクロアンペア（μＡ）、すなわち、３．６ＭＡ／ｃｍ２の電流を流した時、磁化は、３．４ｎｓで反転する。
磁気記録部が直径１００ｎｍ（第２の強磁性層２０は、ＭＳ＝８００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝４．１Ｍｅｒｇ／ｃｍ３）であり、磁気記録部の直径と磁界発生源の直径とが同じである参考例においては、２８０μＡ（３．６ＭＡ／ｃｍ２）の電流を流した時、磁化は、４．４ｎｓで反転する。
このように、第１積層部ＳＢ１の断面積を第２積層部ＳＢ２の断面積よりも小さく設定することで、高速な磁化反転が得られる。
第２〜第５の具体例に係る磁気記録素子１２２〜１２５（図５（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）及び図９（ａ）参照）は、それぞれ、磁気記録素子１１０ａ、１１０ｅ、１１０ｇ及び１１０ｉとそれぞれ同様の構成を有する。
磁気記録素子１２２〜１２５において、磁界発生源の直径、第４の強磁性層４０の構成、第２の非磁性層２０ｎの構成、第３の強磁性層３０の構成、磁気記録部の直径、第１の強磁性層１０の構成、第１の非磁性層１０ｎの構成、及び、第２の強磁性層２０の構成は、磁気記録素子１２１と同様である。
磁気記録素子１２２において、第３の強磁性層３０から発生する磁界の、第２の強磁性層２０の位置における強度は、第３の非磁性層３０ｎの設計によって変化する。
磁界発生源から発生した磁界によって磁気記録部の磁化反転が効果的にアシストされるためには、第２の強磁性層２０の異方性磁界の数％程度の磁界が必要である。磁界が大きいほどアシスト効果が向上する。
図１５は、実施形態に係る磁気記録素子の特性を例示するグラフ図である。
同図は、磁気記録素子１２２の構成において、第３の非磁性層３０ｎの厚さｔ３０ｎ（図１（ｂ）参照）を変えた時の、第２の強磁性層２０の位置における磁界強度Ｈ２０をシミュレーションにより求めた結果を例示している。同図には、磁界発生源のＭｓが８００ｅｍｕ／ｃｃの場合と、１０００ｅｍｕ／ｃｃの場合と、の結果が例示されている。
図１５から分かるように、第３の強磁性層３０のＭｓが１０００ｅｍｕ／ｃｃの時、異方性磁界の１％の強度を得るために、第３の非磁性層３０ｎの厚さは１ｎｍとされる。
この結果から、磁気記録素子１２２においては、第３の非磁性層３０ｎは、Ｃｕ層（厚さ１ｎｍ）とされる。
磁気記録素子１２２において、第１の強磁性層１０の磁化方向が第２の強磁性層の磁化方向に対して逆向きの状態において、磁界発生源から磁気記録部に向かう方向へ１４μＡ（３．６ＭＡ／ｃｍ２）の電流を流した時、磁化は３．４ｎｓで反転する。
磁気記録素子１２２においては、発生した磁界の回転方向と、磁気記録部の磁化の歳差運動の方向と、が一致するため、磁化反転がさらに高速に生じる。
図１６は、実施形態に係る磁気記録素子の特性を例示するグラフ図である。
同図は、磁気記録素子１２３の構成において、第３の非磁性層３０ｎの厚さｔ３０ｎを変えた時の、第２の強磁性層２０の位置における磁界強度Ｈ２０をシミュレーションにより求めた結果を例示している。
図１６から分かるように、第３の強磁性層３０のＭｓが１０００ｅｍｕ／ｃｃの時、第３の非磁性層３０ｎの厚さｔ３０ｎが１０ｎｍにおいて、異方性磁界の５％の強度が得られる。磁気記録素子１２３においては、第２の強磁性層２０と第３の強磁性層３０との間の距離は、第２の具体例（磁気記録素子１２２）と比較して短い。このため、磁気記録素子１２３においては、アシスト効果を得るための磁界強度が低減する。
磁気記録素子１２３においては、第２の強磁性層２０と第３の強磁性層３０との間でスピントルクの受け渡しが無い方が望ましい。
以上の結果から、第３の非磁性層３０ｎは、Ｒｕ層（厚さ１０ｎｍ）とされる。
磁気記録素子１２３において、第１の強磁性層１０の磁化方向が第２の強磁性層２０の磁化方向に対して逆向きの状態において、磁界発生源から磁気記録部に向かう方向へ、１４μＡ（３．６ＭＡ／ｃｍ２）の電流を流した時、磁化は、２．１ｎｓで反転する。
磁気記録素子１２３においては、発生した磁界の回転方向と、磁気記録部の磁化の歳差運動の方向と、が一致することに加え、異方性磁界の５％もの大きな磁界強度が得られるため、磁化反転がさらに高速に生じる。
図１７は、実施形態に係る磁気記録素子の特性を例示するグラフ図である。
同図は、磁気記録素子１２４の構成において、第３の非磁性層３０ｎの厚さｔ３０ｎを変えた時の、第２の強磁性層２０の位置における磁界強度Ｈ２０をシミュレーションにより求めた結果を例示している。
図１７から分かるように、第３の強磁性層３０のＭｓが１０００ｅｍｕ／ｃｃの時、第３の非磁性層３０ｎの厚さｔ３０ｎが５ｎｍにおいて、異方性磁界の３％の強度が得られる。この場合も、第２の強磁性層２０と第３の強磁性層３０との間の距離は、第２の具体例（磁気記録素子１２２）と比較して短い。このため、磁気記録素子１２４においても、アシスト効果を得るための磁界強度が低くすむ。
この結果に基づき、磁気記録素子１２４においては、第３の非磁性層３０ｎは、Ｃｕ層（厚さ５ｎｍ）とされる。
磁気記録素子１２４においては、発生する磁界の回転方向と、第２の強磁性層２０の磁化の歳差運動の向きと、を一致させるために、磁気記録部から磁界発生源に向かう方向へ５ｋＯｅの磁界が印加される。
磁気記録素子１２４において、第１の強磁性層１０の磁化方向が第２の強磁性層の磁化方向の向きに対して逆向きの状態において、磁界発生源から磁気記録部に向かう方向へ１４μＡ（３．６ＭＡ／ｃｍ２）の電流を流した時、磁化は２．８ｎｓで反転する。
磁気記録素子１２４においても、発生した磁界の回転方向と、磁気記録部の磁化の歳差運動の方向と、が一致するため、磁化反転がさらに高速に生じる。
図１８は、実施形態に係る磁気記録素子の特性を例示するグラフ図である。
同図は、磁気記録素子１２５の構成において、第３の非磁性層３０ｎの厚さｔ３０ｎを変えた時の、第２の強磁性層２０の位置における磁界強度Ｈ２０をシミュレーションにより求めた結果を例示している。
図１８から分かるように、第３の強磁性層３０のＭｓが１０００ｅｍｕ／ｃｃの時、第３の非磁性層３０ｎの厚さｔ３０ｎが２ｎｍにおいて、異方性磁界の２％の強度が得られる。この場合も、第２の強磁性層２０と第３の強磁性層３０との間の距離は、第２の具体例（磁気記録素子１２２）と比較して短い。このため、磁気記録素子１２５においても、アシスト効果を得るための磁界強度が低い。
この結果に基づき、磁気記録素子１２５においては、第３の非磁性層３０ｎは、Ｃｕ層（厚さ２ｎｍ）とされる。
また、磁気記録素子１２５において、発生する磁界の回転方向と、第２の強磁性層２０の磁化の歳差運動の向きと、を一致させるため、磁気記録部から磁界発生源に向かう方向へ５ｋＯｅの磁界が印加される。
磁気記録素子１２５において、第１の強磁性層１０の磁化方向が第２の強磁性層２０の磁化方向に対して逆向きの状態において、磁界発生源から磁気記録部に向かう方向へ、１４μＡ（３．６ＭＡ／ｃｍ２）の電流を流した時、磁化は３．１ｎｓで反転する。
磁気記録素子１２５においても、発生した磁界の回転方向と、磁気記録部の磁化の歳差運動の方向と、が一致するため、磁化反転が、さらに高速に生じる。
図１９は、磁気記録素子の特性を示すグラフ図である。
すなわち、同図には、上記の具体例の磁気記録素子１２１、１２２、１２３、１２４及び１２５における磁化反転に要する時間ｔｒが示されている。そして、同図には、磁気記録部の直径が磁界発生源の直径と同じである参考例の磁気記録素子１１９（Ｄ１＝Ｄ２＝２０ｎｍ）における磁化反転に要する時間ｔｒが示されている。
図１９に表したように、参考例の磁気記録素子１１９においては、磁化反転に要する時間ｔｒは、４．４ｎｍであるのに対して、実施形態に係る磁気記録素子１２１〜１２５においては、時間ｔｒは２．１ｎｍ〜３．４ｎｍである。このように、実施形態によれば、時間反転が高速に生じる。
第１〜第５の具体例（磁気記録素子１２１〜１２５）において、磁気記録部の膜面中心が磁界発生源の膜面中心と一致する例を説明したが、相互の位置の関係は、任意である。例えば、実施形態においては、第４の強磁性層４０の外縁（例えば、磁界発生源である第２積層部ＳＢ２の外縁ＳＢＰ２）よりも、磁気記録部の外縁（第１積層部ＳＢ１の外縁ＳＢＰ１）が内側であり、外縁どうしの距離（距離Ｄｄ）が７ｎｍ以上であるように配置される。これにより、同様に、高速の磁化反転が得られる。
上記の例では、第３の強磁性層３０及び第２の非磁性層の大きさ（幅）が、第４の強磁性層４０の大きさ（幅）と同じである。すなわち、上記の例では、積層軸ＳＤ１を法線とする平面における第３の強磁性層３０及び第２の非磁性層２０ｎの外縁は、その平面における第１積層部ＳＢ１の外縁よりも外側の部分を有する。例えば、第３の強磁性層３０及び第２の非磁性層２０ｎの加工は、第４の強磁性層４０の加工と一緒に一括して実施される。これにより、用いる材料やプロセスに応じて、高い生産性が得られる。
図２０（ａ）〜図２０（ｃ）は、実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式図である。
図２０（ａ）及び図２０（ｂ）に表したように、実施形態に係る磁気記録素子１３１及び１３２においては、１つの磁界発生源（第２積層部ＳＢ２）に対して、複数の磁気記録部（第１積層部ＳＢ１）が設けられる。また、磁気記録部の一端に第１の配線８１（例えばビット線ＢＬ）が接続される。磁界発生源の一端に第２の配線８２が接続される。この例では、磁界発生源と第２の配線との間にトランジスタ（例えば選択トランジスタ）が設けられる。この場合も、複数の磁気記録部の外縁は、磁界発生源の外縁から７ｎｍ以上内側に入った位置に配置される。
図２０（ｃ）に表したように、実施形態に係る磁気記録素子１３３においては、１つの第４の強磁性層４０に対して、複数の第３強磁性層３０、第２の非磁性層２０ｎ、第２の強磁性層２０、第１の非磁性層１０ｎ及び第１の強磁性層１０の積層体が設けられる。この例では、第３の強磁性層３０の大きさ（幅）が、第４の強磁性層４０の大きさ（幅）と異なる。ただし、この例においても、第４の強磁性層４０の外縁は、第１積層部ＳＢ１の外縁よりも外側の部分を有する。これにより、高速の磁化反転が得られる。
この例では、第３の強磁性層３０の外縁の位置及び第２の非磁性層２０ｎの外縁の位置は、第１積層部ＳＢ１の外縁の位置と同じである。例えば、第３の強磁性層３０及び第２の非磁性層２０ｎの加工は、第１積層部ＳＢ１の加工と一緒に一括して実施される。これにより、用いる材料やプロセスに応じて、高い生産性が得られる。
図２１（ａ）〜図２１（ｃ）は、実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式図である。
図２１（ａ）及び図２１（ｂ）に表したように、実施形態に係る磁気記録素子１３４及び１３５においては、１つの磁界発生源（第２積層部ＳＢ２）に対して、複数の磁気記録部（第１積層部ＳＢ１）が設けられる。また、磁界発生源の一端に第１の配線８１（例えばビット線ＢＬ）が接続される。磁気記録部の一端に第２の配線８２が接続される。この例では、磁気記録部と第２の配線８２との間にトランジスタ（例えば選択トランジスタ）が設けられる。この場合も、複数の磁気記録部の外縁は、磁界発生源の外縁から７ｎｍ以上内側に入った位置に配置される。
図２１（ｃ）に表したように、実施形態に係る磁気記録素子１３６においては、１つの第４の強磁性層４０に対して、複数の第３強磁性層３０、第２の非磁性層２０ｎ、第２の強磁性層２０、第１の非磁性層１０ｎ及び第１の強磁性層１０の積層体が設けられる。この例でも、第３の強磁性層３０の大きさ（幅）が、第４の強磁性層４０の大きさ（幅）と異なるが、第４の強磁性層４０の外縁は、第１積層部ＳＢ１の外縁よりも外側の部分を有する。これにより、高速の磁化反転が得られる。
磁気記録素子１３１〜１３６は、不揮発性記憶装置である。不揮発性記憶装置は、磁気記録素子を含む。不揮発性記憶装置は、磁気記録素子のアレイを含む。
実施形態に係る不揮発性記憶装置は、実施形態に係る磁気記録素子と、磁気記録素子の一端に接続された第１の配線８１と、磁気記録素子の他端に接続された第２の配線８２と、を備える。
実施形態に係る不揮発性記憶装置は、磁気記録素子と第１の配線８１との間、及び、磁気記録素子と第２の配線８２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ることができる。
図２２は、実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。
図２２に表したように、実施形態に係る不揮発性記憶装置１４０は、メモリセルアレイＭＣＡを備える。メモリセルアレイＭＣＡは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有する。
各メモリセルＭＣは、実施形態に係る磁気記録素子のいずれかを、ＭＴＪ素子として有する。
メモリセルアレイＭＣＡ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。メモリセルアレイＭＣＡ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、メモリセルＭＣが配置される。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１４１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１４２ａ及び読み出し回路１４２ｂが接続されている。書き込み回路１４２ａ及び読み出し回路１４２ｂには、カラムデコーダ１４３が接続されている。
各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ１４１及びカラムデコーダ１４３により選択される。メモリセルＭＣへのデータ書き込みの例は、以下である。まず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタＴＲがオンする。
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１４２ａ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１４２ａは、ビット線／ＢＬに正の電位を印加し、ビット線ＢＬに接地電位を印加する。このようにして、メモリセルＭＣに、データ「０」、または、データ「１」を書き込むことができる。
メモリセルＭＣからのデータ読み出しの例は、以下である。まず、メモリセルＭＣが選択される。読み出し回路１４２ｂ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１４２ｂ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。
実施形態によれば、書き込み時における磁化反転がより高速に起こる磁気記録素子及び不揮発性記憶装置が提供される。
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気記録素子に含まれる強磁性層、非磁性層、電極など、並びに、不揮発性記憶装置に含まれる配線及びトランジスタなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気記録素子及び不揮発性記憶装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気記録素子及び不揮発性記憶装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
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。
１０…第１の強磁性層、 １０ｎ…第１の非磁性層、 １２ａ…磁化、 ２０…第２の強磁性層、 ２０ｎ…第２の非磁性層、 ３０…第３の強磁性層、 ３０ｎ…第３の非磁性層、 ３２…磁化、 ４０…第４の強磁性層、 ５１…磁気シールド、 ５２…保護層、 ６０…電子電流、 ６１…センス電流、 ７２…磁化、 ７２ａ、７２ｂ…磁化成分、 ８１…第１の配線、 ８２…第２の配線、 １１０、１１０ａ〜１１０ｌ、１１９、１２１〜１２５、１３１〜１３６…磁気記録素子、 １４０…不揮発性記憶装置、 １４１…ロウデコーダ、 １４２ａ…書き込み回路、 １４２ｂ…読み出し回路、 １４３…カラムデコーダ、 Δｘ…距離、 ／ＢＬ…ビット線、 ＢＬ…ビット線、 Ｄ１…第１径、 Ｄ２…第２径、 Ｄｄ…距離、 Ｈ２０…磁界強度、 Ｈｐ…磁界強度、 ＭＣ…メモリセル、 ＭＣＡ…メモリセルアレイ、 ＳＢ０…積層体、 ＳＢ１…第１積層部、 ＳＢ２…第２積層部、 ＳＢＰ１…第１外縁、 ＳＢＰ２…第２外縁、 ＳＤ１…積層軸、 ＳＤ２…面内軸、 ＴＲ…選択トランジスタ、 ＷＬ…ワード線、 ｄｘ…距離、 ｓｐ１〜ｓｐ６…条件、 ｔ…時間、 ｔｒ…時間反転に要する時間、 ｔ３０…厚さ

Claims (11)

  1. 膜面に対して垂直な成分を有する第１の方向に磁化が固定された第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、
    前記第１の強磁性層、前記第２の強磁性層及び前記第１の非磁性層が積層される積層軸に沿って前記第１積層部と積層され、
    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、
    前記第３の強磁性層と前記積層軸に沿って積層され、膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に磁化が固定された第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、
    前記積層軸を法線とする平面における前記第４の強磁性層の外縁は、前記平面における前記第１積層部の外縁よりも外側の部分を有し、
    前記積層軸に沿って前記積層体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. 前記平面における前記第３の強磁性層及び前記第２の非磁性層の外縁は、前記平面における前記第１積層部の前記外縁よりも外側の部分を有する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１の方向は、前記第２の方向に対して逆向き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。
  4. 前記積層体は、前記第１積層部と前記第２積層部との間に設けられた第３の非磁性層をさらに含み、
    前記第３の非磁性層は、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）及びオスミウム（Ｏｓ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの非磁性金属、または、前記群から選択された２つ以上を含む合金を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
  5. 前記積層体は、前記第１積層部と前記第２積層部との間に設けられた第３の非磁性層をさらに含み、
    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１〜３のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
  6. 前記積層体は、前記第１積層部と前記第２積層部との間に設けられた第３の非磁性層をさらに含み、
    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の非磁性層の厚さは、３ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
  7. 前記第４の強磁性層の前記外縁は、前記第１積層部の前記外縁よりも外側であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
  8. 前記第４の強磁性層の前記外縁のうち前記第１積層部の前記外縁よりも外側の部分と前記第１積層部の前記外縁との距離は、７ナノメートル以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
  9. 前記積層体の少なくとも一部の側面に対向する磁気シールドをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
  10. 請求項１〜９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。
  11. 前記磁気記録素子と前記第１の配線との間、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１０記載の不揮発性記憶装置。
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