JP5299642B2 - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM: Magnetic Random Access Memory）に関する。特に、本発明は、スピン注入磁化反転方式のＭＲＡＭに関する。

ＭＲＡＭは、磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction; MTJ）素子等の磁気抵抗素子を記憶素子として用いる不揮発性のランダムアクセスメモリである。ＭＲＡＭは、高速動作が可能で無限回の書き換え耐性を有し得ることから、盛んな研究開発が行われ、近年製品化に至っている。今後、ＭＲＡＭの汎用性をより高めるためには、書き込み電流の低減と読み出し信号の増大が要求される。これは、書き込み電流が低減されると、動作時の消費電力が低減されるだけでなく、チップ面積の低減によりコストも削減され、一方、読み出し信号量が増大すると、読み出し時間の短縮により高速動作が可能となるためである。

書き込み電流を低減するための書き込み方式としては、次のようなスピン注入磁化反転（spin transfer magnetization switching）方式が提案されている。例えば、反転可能な磁化を有する第１の磁性層と、非磁性層と、磁化方向が固定された第２の磁性層が積層された記憶素子を考える。スピン注入磁化反転方式によれば、第２の磁性層と第１の磁性層の間で書き込み電流が流され、その書き込み電流を担う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により、第１の磁性層の磁化が反転させられる。データ書き込み時に記憶素子に直接電流を流すことは、一般的な書き込み方式である磁界印加方式（記憶素子近傍に配置された配線に書き込み電流を流し、それにより発生する磁界を印加することによって第１の磁性層の磁化を反転させる方式）と比較したときの大きな違いの１つである。また、スピン注入磁化反転方式の場合、電流密度がある閾値を超えたときに、磁化反転（書き込み）が発生する。セルサイズが縮小されるにつれて電流密度は増加するため、微細化に伴って書き込み電流も小さくすることができる。つまり、書き込み電流のスケーリング性が向上する。特開２００７−１４２３６４号公報（以下、特許文献１と参照される）には、磁化反転のための閾値電流密度が所望の値以下になるような材料特性が開示されている。それによれば、垂直磁化膜（perpendicular magnetization film）を磁性層として用い、磁気異方性エネルギー密度と飽和磁化を適切に調整することによって、閾値電流密度を低減することができる。

一方、読み出し信号を増大させるためには、磁気抵抗素子の磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を増大させることが最も有効である。近年、高い磁気抵抗効果比を発現するＭＴＪ素子の開発が盛んに行われている。Ｈａｙａｋａｗａ ｅｔ ａｌ．， Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｉｇｈ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｇｉａｎｔ ｔｕｎｎｅｌ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ， ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ， Ｖｏｌ． ８９， ｐ．２３２５１０， ２００６ （以下、非特許文献１と参照される）では、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｍｇ−Ｏ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系のＭＴＪにおいて非常に大きなＭＲ比（室温で約５００％）が得られることが報告されている。Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｍｇ−Ｏ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系のＭＴＪにおいてこのような高いＭＲ比が得られる理由として、次のことが考えられている：（１）Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂが高いスピン分極率を有する、（２）アモルファス状のＣｏ−Ｆｅ−Ｂに挟まれたＭｇ−Ｏを高温でアニールすることによって、高いスピンフィルタリング効果を発現する（００１）配向した多結晶のＭｇＯが形成される。

以上に説明された通り、スピン注入磁化反転方式において、書き込み閾値電流密度を低減してＭＲＡＭの書き込み電流を低減するためには、材料特性が適切に調整された垂直磁化膜を磁性層として用いることが考えられる。一方、ＭＲ比を高めてＭＲＡＭの読み出し信号を増大させるためには、高いスピン分極率を有する磁性層と、高いスピンフィルタリング効果を発現する絶縁層からなるＭＴＪを用いることが考えられる。

しかしながら、書き込み閾値電流密度の低減のために適当な材料特性を有する垂直磁化膜が磁性層として用いられる場合、高いＭＲ比を発現するＭＴＪを開発することは困難となる。特許文献１には、垂直磁化膜の好適な材料特性として、飽和磁化がより小さいことが述べられている。一方で、磁性層のスピン分極率は、一般的に、飽和磁化が大きいほど高くなり、飽和磁化が小さいほど低くなる。従って、垂直磁化膜の好適な材料特性では、高いスピン分極率が得られず、ＭＲ比を向上させることが困難となる。すなわち、スピン注入磁化反転における書き込み閾値電流密度の低減と、ＭＲ比の向上とは、互いに相反する関係にある。

また、高いスピン分極率を有するＣｏ−Ｆｅ−Ｂの薄膜は、磁気異方性が膜面平行方向となる面内磁化膜（in-plane magnetization film）である。このような面内磁化膜が磁性層として用いられる場合、スピン注入磁化反転における書き込み閾値電流密度を十分に低減することは困難となる。

スピン注入磁化反転方式のＭＲＡＭにおいて、書き込み特性及び読み出し特性をそれぞれ独立に向上させることが望まれる。但しその場合、磁気抵抗素子の構造は複雑となり、同じデータが記録されたメモリセル間の磁化状態のばらつきが増大する可能性がある。特に、リファレンスセル間の磁化状態のばらつきが増大すると、データ読み出し時のリファレンスレベルのばらつきも増大してしまう。

本発明の１つの目的は、スピン注入磁化反転方式のＭＲＡＭにおいて、データ読み出し時のリファレンスレベルのばらつきを抑制することができる技術を提供することにある。

本発明の一実施の形態において、スピン注入磁化反転方式のＭＲＡＭが提供される。そのＭＲＡＭは、メモリセルと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルとを備える。メモリセルは第１磁気抵抗素子を含み、リファレンスセルは第２磁気抵抗素子を含む。

第１磁気抵抗素子は、磁化方向が固定された第１磁化固定層と、磁化方向が反転可能な第１磁化自由層と、第１磁化固定層と第１磁化自由層とに挟まれた第１非磁性層と、磁化方向が固定された第２磁化固定層と、磁化方向が反転可能な第２磁化自由層と、第２磁化固定層と第２磁化自由層とに挟まれた第２非磁性層とを備える。第１磁化固定層と第１磁化自由層は、垂直磁気異方性を有し、第２磁化固定層と第２磁化自由層は、面内磁気異方性を有する。第１磁化自由層と第２磁化自由層は、互いに磁気的に結合している。各層に平行な第１平面において、第２磁化自由層の重心は、第１磁化自由層の重心から第１方向にずれている。

第２磁気抵抗素子は、磁化容易軸が第２方向に平行な第３磁化自由層と、磁化方向が第２方向と直交する第３方向に固定された第３磁化固定層と、第３磁化固定層と第３磁化自由層とに挟まれた第３非磁性層とを備える。第３磁化固定層と第３磁化自由層は、面内磁気異方性を有する。

本発明によれば、スピン注入磁化反転方式のＭＲＡＭにおいて、書き込み特性及び読み出し特性をそれぞれ独立に向上させることが可能となる。更に、データ読み出し時のリファレンスレベルのばらつきを抑制することが可能となる。

上記及び他の目的、長所、特徴は、次の図面と共に説明される本発明の実施の形態により明らかになるであろう。

図１Ａは、本発明の実施の形態に係る第１磁気抵抗素子の一例を示す斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。 図１Ｃは、図１Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。 図２Ａは、第１磁気抵抗素子の原理を説明するための概念図である。 図２Ｂは、第１磁気抵抗素子の原理を説明するための概念図である。 図２Ｃは、第１磁気抵抗素子のメモリ状態を説明するためのｘ−ｚ側面図である。 図２Ｄは、第１磁気抵抗素子のメモリ状態を説明するためのｘ−ｚ側面図である。 図３Ａは、第１磁気抵抗素子への情報の書き込み方法を説明するための概念図である。 図３Ｂは、第１磁気抵抗素子への情報の書き込み方法を説明するための概念図である。 図４Ａは、第１磁気抵抗素子からの情報の読み出し方法を説明するための概念図である。 図４Ｂは、第１磁気抵抗素子からの情報の読み出し方法を説明するための概念図である。 図５Ａは、第１磁気抵抗素子の第１の変形例を示す斜視図である。 図５Ｂは、図５Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。 図５Ｃは、図５Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。 図５Ｄは、図５Ａで示された構造のｙ−ｚ側面図である。 図６Ａは、第１磁気抵抗素子の第２の変形例を示す斜視図である。 図６Ｂは、図６Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。 図６Ｃは、図６Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。 図７Ａは、第２の変形例に係る第１磁気抵抗素子への情報の書き込み方法を説明するための概念図である。 図７Ｂは、第２の変形例に係る第１磁気抵抗素子からの情報の読み出し方法を説明するための概念図である。 図８Ａは、第１磁気抵抗素子の他の例を示す斜視図である。 図８Ｂは、図８Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。 図８Ｃは、図８Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。 図９Ａは、第１磁気抵抗素子の第３の変形例を示す斜視図である。 図９Ｂは、図９Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。 図９Ｃは、図９Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。 図１０Ａは、第３の変形例に係る第１磁気抵抗素子のメモリ状態を説明するためのｘ−ｚ側面図である。 図１０Ｂは、第３の変形例に係る第１磁気抵抗素子のメモリ状態を説明するためのｘ−ｚ側面図である。 図１１Ａは、第３の変形例に係る第１磁気抵抗素子への情報の書き込み方法を説明するための概念図である。 図１１Ｂは、第３の変形例に係る第１磁気抵抗素子からの情報の読み出し方法を説明するための概念図である。 図１２Ａは、第１磁気抵抗素子の第４の変形例を示す斜視図である。 図１２Ｂは、図１２Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。 図１２Ｃは、図１２Ａで示された構造のｘ−ｚ側面図である。 図１３Ａは、第４の変形例に係る第１磁気抵抗素子への情報の書き込み方法を説明するための概念図である。 図１３Ｂは、第４の変形例に係る第１磁気抵抗素子からの情報の読み出し方法を説明するための概念図である。 図１４は、典型的なＭＲＡＭの構成を示す概略図である。 図１５は、本発明の実施の形態に係る第１磁気抵抗素子の一例を示す斜視図である。 図１６は、図１５で示された第１磁気抵抗素子の磁化状態を示す平面図である。 図１７は、磁化状態のばらつきを示す概念図である。 図１８は、リファレンスレベルのばらつきを説明するためのヒストグラムである。 図１９Ａは、本発明の実施の形態に係る第２磁気抵抗素子の一例を示す斜視図である。 図１９Ｂは、図１９Ａで示された第２磁気抵抗素子の磁化状態を示す平面図である。 図２０Ａは、本発明の実施の形態に係る第２磁気抵抗素子の他の例を示す斜視図である。 図２０Ｂは、図２０Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。 図２１Ａは、本発明の実施の形態に係る第２磁気抵抗素子の更に他の例を示す斜視図である。 図２１Ｂは、図２１Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。 図２２Ａは、本発明の実施の形態に係る第２磁気抵抗素子の更に他の例を示す斜視図である。 図２２Ｂは、図２２Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。 図２３は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成を示す概略図である。 図２４は、本発明の実施の形態に係るメモリセルとリファレンスセルの磁化状態を示す概念図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係るスピン注入磁化反転方式の磁気抵抗素子及びＭＲＡＭを説明する。

１．第１磁気抵抗素子
１−１．構成
図１Ａは、本発明の実施の形態に係る第１磁気抵抗素子１の構造を示す斜視図である。図１Ｂ及び図１Ｃのそれぞれは、図１Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図及びｘ−ｚ側面図である。尚、第１磁気抵抗素子１は複数の層からなる積層構造を有しており、その積層方向がｚ軸方向として規定される。積層構造の各層に平行な平面がｘ−ｙ平面である。

本実施の形態に係る第１磁気抵抗素子１は、第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０、第１磁化自由層３０、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０、及び第２磁化固定層６０を備えている。第１磁化固定層１０は、第１スペーサー層２０の一方の面に隣接して設けられ、第１磁化自由層３０は、第１スペーサー層２０の他方の面に隣接して設けられている。つまり、第１スペーサー層２０は、第１磁化固定層１０と第１磁化自由層３０とに挟まれている。また、第２磁化固定層６０は、第２スペーサー層５０の一方の面に隣接して設けられ、第２磁化自由層４０は、第２スペーサー層５０の他方の面に隣接して設けられている。つまり、第２スペーサー層５０は、第２磁化固定層６０と第２磁化自由層４０とに挟まれている。

図１Ａ〜図１Ｃで示された例において、第１磁気抵抗素子１は更に、第１導電層７０及び第２導電層８０を備えている。第１導電層７０は、第１磁化自由層３０及び第２磁化自由層４０に電気的に接続するように設けられている。特に、図１Ａ及び図１Ｃに示されるように、第１導電層７０は、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０の間に挟まれている。第２導電層８０は、第１導電層７０に電気的に接続するように設けられている。

第１スペーサー層２０及び第２スペーサー層５０の各々は、非磁性体により形成される非磁性層である。第１スペーサー層２０及び第２スペーサー層５０の電気特性はいかようであってもよく、その材料は導電体でも絶縁体でも半導体でも構わない。但し、第２スペーサー層５０については絶縁体により形成されることが好適である。

第１磁化固定層１０、第１磁化自由層３０、第２磁化自由層４０、及び第２磁化固定層６０の各々は、強磁性体により形成される強磁性層である。このうち第１磁化固定層１０及び第１磁化自由層３０は、垂直磁気異方性（perpendicular magnetic anisotropy）を有する垂直磁化膜(perpendicular magnetization film)である。つまり、第１磁化固定層１０及び第１磁化自由層３０は、膜面垂直方向（ｚ軸方向）の磁気異方性を有する。一方、第２磁化自由層４０及び第２磁化固定層６０は、面内磁気異方性（in-plane magnetic anisotropy）を有する面内磁化膜（in-plane magnetization film）である。つまり、第２磁化自由層４０及び第２磁化固定層６０は、膜面平行方向の磁気異方性を有する。

図１Ｃには、各層の磁化方向が示されている。第１磁化固定層１０の磁化方向は、実質的に一方向に固定されている。一方、第１磁化自由層３０の磁化方向は、反転可能である。第１磁化固定層１０及び第１磁化自由層３０は垂直磁気異方性を有しているため、それらの磁化方向はｚ軸と略平行となる。図１Ｃで示された例では、第１磁化固定層１０の磁化は、＋ｚ方向に固定されている。一方、第１磁化自由層３０の磁化は、＋ｚ方向あるいは−ｚ方向となることが許される。つまり、第１磁化自由層３０の磁化方向は、第１磁化固定層１０の磁化方向に対して平行または反平行となり得る。

また、第２磁化固定層６０の磁化方向は、実質的に一方向に固定されている。一方、第２磁化自由層４０の磁化方向は、反転可能である。第２磁化固定層６０及び第２磁化自由層４０は面内磁気異方性を有しているため、それらの磁化方向は膜面（ｘ−ｙ平面）に略平行となる。図１Ｃで示された例では、第２磁化固定層６０の磁化は、＋ｘ方向に固定されている。一方、第２磁化自由層４０の磁化は、＋ｘ方向あるいは−ｘ方向の成分を有する。つまり、第２磁化自由層４０の磁化は、第２磁化固定層６０の磁化方向と平行または反平行となる成分を有する。

また、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０とは、異なる層に形成されているが、互いに磁気的に結合している。言い換えれば、第１磁化自由層３０の磁化状態と第２磁化自由層４０の磁化状態とは、互いに影響を及ぼし合う。後述されるように、第１磁化自由層３０の磁化状態が第２磁化自由層４０の磁化状態に影響を及ぼすことが重要である。

また、図１Ｂには、ｘ−ｙ平面における、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０及び第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０の位置が示されている。ここでいう重心とは、ｘ−ｙ平面における幾何学的な意味での重心である。すなわち、幾何学形状の任意の点ｉの位置ベクトルがＲｉ＝（Ｘｉ，Ｙｉ）であるとき、重心の位置ベクトルＲｇ＝（Ｘｇ，Ｙｇ）は、Σｉ（Ｒｉ−Ｒｇ）＝０の関係を満たす。ここでΣｉは、ｉに関する総和を意味する。例えば、長方形や平行四辺形の場合、重心は対角線の交点であり、楕円形の場合、重心はその中心である。

本実施の形態によれば、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０と第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、ｘ−ｙ平面においてずれている。つまり、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０から、膜面に平行な“第１の方向”にずれている。図１Ｂで示された例では、第１の方向（ずれ方向）は＋ｘ方向である。第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０は、少なくとも一部オーバーラップしていてもよいし、オーバーラップしていなくてもよい。

尚、各層のｘ−ｙ平面における形状は長方形に限られず、円形、楕円形、ひし形、六角形などであってもよい。

１−２．原理
次に、本実施の形態に係る第１磁気抵抗素子１の原理を詳細に説明する。図２Ａ及び図２Ｂには、第１磁化自由層３０の磁化によって周辺に発生する漏れ磁界（漏れ磁束）が模式的に示されている。図２Ａはｘ−ｚ面内における状態を示し、図２Ｂはｘ−ｙ面内における状態を示している。

第１磁化自由層３０の磁化方向が＋ｚ軸方向に一様に揃っている場合を考える。この場合、漏れ磁界の磁力線は、図２Ａに示されるようにおおよそダイポール形状を有し、第１磁化自由層３０の上面（正磁極側）から出て、滑らかに下面（負磁極側）につながる。また、図２Ｂに示されるように、漏れ磁界は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０から放射状に広がる。つまり、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０近傍では、漏れ磁界はほぼｚ方向であり、第１磁化自由層３０の端部に近づくにつれて、漏れ磁界はより大きなｘｙ成分（膜面平行方向成分）を有するようになる。

上述の通り、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０から“第１の方向”にずれている。従って、第１磁化自由層３０の磁化によって発生する漏れ磁界は、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０の位置において、“第１の方向”に沿ったｘｙ成分を有することになる。すなわち、第１磁化自由層３０の磁化は、第２磁化自由層４０に対して“第１の方向”と略平行あるいは略反平行な磁気力を及ぼす。その結果、第２磁化自由層４０の磁化は、“第１の方向”と略平行あるいは略反平行の成分を有することになる。

図２Ｃ及び図２Ｄのそれぞれは、第１磁気抵抗素子１が取り得る２つのメモリ状態を例示している。図２Ｃ及び図２Ｄで示される例では、第１磁化固定層１０の磁化方向は＋ｚ方向に固定されており、第２磁化固定層６０の磁化方向は＋ｘ方向に固定されている。但し、これらのうち一方、または両方の磁化方向が逆であってもよい。また、本例において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０の第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０に対するずれ方向（第１の方向）は、＋ｘ方向である。この第１の方向も任意である。但し、第１の方向は、第２磁化固定層６０の磁化方向と略平行あるいは略反平行であることが望ましい。

図２Ｃでは、第１磁化自由層３０の磁化は＋ｚ方向を向いている。この場合、第１磁化自由層３０からの漏れ磁界は、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０の位置において、第１の方向に沿った＋ｘ成分を有する。従って、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０との磁気的結合により、第２磁化自由層４０の磁化は＋ｘ方向の成分を持つことになる。このとき、第２磁化自由層４０の磁化方向は、第２磁化固定層６０の磁化方向と“平行”となる成分を持ち、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０からなるＭＴＪの抵抗値は比較的小さくなる。図２Ｃで示されるメモリ状態は、以下“０”状態と参照される。

一方、図２Ｄでは、第１磁化自由層３０の磁化は−ｚ方向を向いている。この場合、第１磁化自由層３０からの漏れ磁界は、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０の位置において、第１の方向に沿った−ｘ成分を有する。従って、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０との磁気的結合により、第２磁化自由層４０の磁化は−ｘ方向の成分を持つことになる。このとき、第２磁化自由層４０の磁化方向は、第２磁化固定層６０の磁化方向と“反平行”となる成分を持ち、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０からなるＭＴＪの抵抗値は比較的大きくなる。図２Ｄで示されるメモリ状態は、以下“１”状態と参照される。

以上に例示されたように、磁化自由層３０と４０との間の重心のずれ及び磁気的結合により、第２磁化自由層４０の磁化方向は、第１磁化自由層３０の磁化方向に応じて“一意的”に決まる。第１磁化自由層３０の磁化方向が反転すると、第２磁化自由層４０の磁化方向も変わる。その結果、第２磁化自由層４０と第２磁化固定層６０との間の磁化方向の相対角に違いが生じ、“０”状態及び“１”状態の２つのメモリ状態が実現される。つまり、第１磁化自由層３０の磁化方向に応じて、２つのメモリ状態が実現される。

尚、第２磁化固定層６０の固定磁化の方向は、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０との間の重心のずれ方向（第１の方向）と略平行あるいは略反平行であることが好適である。それは、第２磁化自由層４０の変動磁化が、第１磁化自由層３０の磁化方向に応じて、第１の方向と略平行あるいは略反平行の成分を有するからである。第２磁化固定層６０の固定磁化の方向が第１の方向と略平行あるいは略反平行である場合、その固定磁化の方向と第２磁化自由層４０の変動磁化の方向との間の相対角の変化が顕著となる。その結果、２つのメモリ状態間の差異が顕著となる。

本実施の形態では、第１磁化自由層３０において垂直方向の磁化成分として記憶された情報が、磁気的結合を介して、第２磁化自由層４０の膜面方向の磁化成分に伝達されていると言える。そのような情報の伝達が実現される限り、磁気的結合の方式は、上述の漏れ磁界を利用したものに限られない。例えば交換結合を利用した方式など、あらゆる磁気結合方式によって、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０とが磁気的に関連付けられ得る。

また、第２磁化自由層４０の磁化方向を第１磁化自由層３０の磁化方向に応じて変えることができれば、第２磁化自由層４０の磁化容易軸はどの方向に沿っていても構わない。ｘ軸方向に沿った磁化容易軸の場合、第２磁化自由層４０の磁化は、磁化容易軸に沿った方向間で反転する。一方、ｙ軸方向に沿った磁化容易軸の場合、第２磁化自由層４０の磁化は、磁化容易軸を中心とする磁化困難軸方向へ回転する。また、第２磁化自由層４０の磁気異方性は、結晶磁気異方性によって付与されてもよく、形状磁気異方性によって付与されてもよい。

１−３．データ書き込み方法、データ読み出し方法
図３Ａ及び図３Ｂは、第１磁気抵抗素子１へのデータ書き込み方法を説明するための概念図である。データ書き込みは、「スピン注入磁化反転方式」により実現される。具体的には、第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０及び第１磁化自由層３０が利用され、第１磁化固定層１０と第１磁化自由層３０との間に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが流される。

図３Ａには、“０”状態（図２Ｃ参照）から“１”状態（図２Ｄ参照）への遷移、すなわち、“１”書き込み時の書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの経路が示されている。図３Ａに示されるように、“０”状態において矢印の方向に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが導入された場合を考える。この場合、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは、第１磁化固定層１０から第１スペーサー層２０を通して第１磁化自由層３０へ流れ、伝導電子は、第１磁化自由層３０から第１スペーサー層２０を通して第１磁化固定層１０へと流れる。図３Ａでは、第１磁化固定層１０の磁化方向は＋ｚ方向に固定されており、−ｚ方向のスピン角運動量を有する伝導電子は、＋ｚ方向のスピン角運動量を有する伝導電子に比べると、第１磁化固定層１０の界面でより多く反射される。結果として、第１磁化自由層３０内では、−ｚ方向のスピン角運動量を有する電子がマジョリティとなり、−ｚ方向への磁化反転が誘起される。第１磁化自由層３０の磁化が−ｚ方向に反転すると、上述の磁気的結合により、第２磁化自由層４０の磁化は−ｘ方向の成分を有するようになる。すなわち、図２Ｄで示された“１”状態が得られる。

一方、図３Ｂには、“１”状態（図２Ｄ参照）から“０”状態（図２Ｃ参照）への遷移、すなわち、“０”書き込み時の書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの経路が示されている。図３Ｂに示されるように、“１”状態において矢印の方向に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが導入された場合を考える。この場合、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは、第１磁化自由層３０から第１スペーサー層２０を通して第１磁化固定層１０へ流れ、伝導電子は、第１磁化固定層１０から第１スペーサー層２０を通して第１磁化自由層３０へと流れる。図３Ｂでは、第１磁化固定層１０の磁化方向は＋ｚ方向に固定されており、＋ｚ方向のスピン角運動量を有する多くの伝導電子が第１磁化自由層３０へ流れ込む。結果として、第１磁化自由層３０内では、＋ｚ方向のスピン角運動量を有する電子がマジョリティとなり、＋ｚ方向への磁化反転が誘起される。第１磁化自由層３０の磁化が＋ｚ方向に反転すると、上述の磁気的結合により、第２磁化自由層４０の磁化は＋ｘ方向の成分を有するようになる。すなわち、図２Ｃで示された“０”状態が得られる。

図４Ａ及び図４Ｂは、第１磁気抵抗素子１からのデータ読み出し方法を説明するための概念図である。データ読み出しでは、磁気抵抗効果による抵抗値の大小が検出される。そのために、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０が利用され、第２磁化自由層４０と第２磁化固定層６０との間に読み出し電流Ｉｒｅａｄが流される。

図４Ａには、“０”状態（図２Ｃ参照）の場合が示されている。この場合、第２磁気抵抗素子の抵抗値は比較的小さい。一方、図４Ｂには、“１”状態（図２Ｄ参照）の場合が示されている。この場合、第２磁気抵抗素子の抵抗値は比較的大きい。つまり、読み出し電流Ｉｒｅａｄ、あるいは読み出し電流Ｉｒｅａｄに応じた読み出し電圧の大きさは、“０”状態あるいは“１”状態によって変化する。従って、その読み出し電流Ｉｒｅａｄあるいは読み出し電圧を所定のリファレンスレベルと比較することにより、“０”状態か“１”状態かを判定することができる。

以上に説明されたように、本実施の形態に係る第１磁気抵抗素子１では、第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０及び第１磁化自由層３０がデータ書き込み時に用いられる。この意味で、第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０及び第１磁化自由層３０は、「書き込み層群」と参照される。一方、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０は、データ読み出し時に用いられる。この意味で、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０は、「読み出し層群」と参照される。

本実施の形態によれば、書き込み層群と読み出し層群は、別々に設けられるが、磁気結合を通して互いに関連し合っている。書き込み層群の第１磁化自由層３０に書き込まれた情報は、磁気的結合を介して、読み出し層群の第２磁化自由層４０に伝達される。逆に言えば、磁気的結合を介した情報伝達があるため、書き込み用の書き込み層群と読み出し用の読み出し層群を別々に設けることが可能となる。従って、所望の特性が得られるように書き込み層群と読み出し層群をそれぞれ独立に最適化することができ、結果として、書き込み特性の向上と読み出し特性の向上を同時に実現することが可能となる。例えば、書き込み閾値電流密度の低減のために適切な材料特性を有する垂直磁化膜を書き込み層群に適用し、且つ、高いＭＲ比を発現するＭＴＪを読み出し層群に適用することができる。

１−４．材料
垂直磁化膜である第１磁化固定層１０及び第１磁化自由層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で形成される。また、ＰｔやＰｄを添加することにより、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り、磁気特性を調整することができる。具体的な材料としては、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。そのほか、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などの積層膜が例示される。

面内磁化膜である第２磁化自由層４０及び第２磁化固定層６０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で形成される。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などを添加することにより、磁気特性を調整することができる。具体的な材料としては、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｚｒ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｚｒ−Ｂなどが例示される。

第１スペーサー層２０には、様々な材料を用いることができる。例えばＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕなどの導電体を用いることができる。また、Ｍｇ−Ｏのような絶縁体を用いてもよい。図３Ａ及び図３Ｂで示されたように、第１スペーサー層２０は書き込み電流の経路上に存在する。一般的に、書き込み電流経路の抵抗は低いことが望ましい。この点では、抵抗の低い材料が好ましい。一方、第１スペーサー層２０が一方のスピン偏極電子を優先的に通過させるようなフィルタリング効果を有していれば、書き込みに要する電流密度は低減される。この点では、Ｍｇ−Ｏが好適である。

第２スペーサー層５０は、絶縁性の材料により形成されることが好ましい。具体的な材料としては、Ｍｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが例示される。ただし、半導体や金属を材料として用いることも可能である。

尚、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０は、図４Ａ及び図４Ｂで示されたように読み出し電流の経路上に存在するため、高いＭＲ比を発現するような材料により形成されることが好ましい。例えば近年、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｍｇ−Ｏ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）において５００％級の非常に大きなＭＲ比が得られることが報告されている（非特許文献１参照）。この観点から言えば、第２スペーサー層５０は、Ｍｇ−Ｏを含有することが好ましい。また、第２磁化自由層４０と第２磁化固定層６０の少なくとも１つが、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂを含有することが好ましい。

また、磁化が反平行結合した積層膜（積層フェリ結合膜）を、第１磁化固定層１０や第２磁化固定層６０といった磁化固定層に適用することもできる。この場合、磁化固定層の磁化をより強固に固定し、外部への漏れ磁界の影響を低減することができる。また、第１磁化固定層１０や第２磁化固定層６０といった磁化固定層に反強磁性層を隣接させることにより、磁化を更に強固に固定することができる。反強磁性層の材料としては、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎなどが例示される。

第１導電層７０及び第２導電層８０は、電気抵抗の小さな材料により形成されることが好ましい。また、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０の間に挟まれる第１導電層７０は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の磁性体により形成されてもよい。この場合、第１磁化自由層３０からの漏れ磁束を第２磁化自由層４０に効率的に伝達することができ、上述の磁気的結合の観点から好適である。この観点からは、第１導電層７０は、透磁率の高い材料で形成されることが好ましい。

１−５．技術的利点
本実施の形態によれば、スピン注入磁化反転方式のＭＲＡＭにおいて、書き込み特性及び記録データ保持特性と読み出し特性とを独立に向上させることができる。これは、本実施の形態に係る第１磁気抵抗素子１において、書き込み及び記録データの保持を担う部分と、読み出しを担う部分が異なることに起因する。特許文献１で述べられているように、諸定数が適切に設定された垂直磁化膜を用いることにより、５ＭＡ／ｃｍ^２以下の書き込み閾値電流密度でスピン注入磁化反転を行うことができる。一方、非特許文献１で述べられているように、ある積層構成からなるＭＴＪを用いることにより、５００％に近いＭＲ比を得ることができる。本実施の形態によれば、データ書き込み／保持を司る第１磁化固定層１０及び第１磁化自由層３０を垂直磁化膜で形成することにより、書き込み閾値電流密度を低減することが可能となる。且つ、データ読み出しを司る第２磁化自由層４０及び第２磁化固定層６０を面内磁化膜で形成することにより、ＭＲ比を高めて読み出し信号を増大させることが可能となる。

ここで、書き込み閾値電流密度を低減するために垂直磁化膜を用いた１つのＭＴＪを考える。その同じＭＴＪの読み出し特性を同時に向上させることは、次の理由から難しいと考えられる。特許文献１でも述べられているように、書き込み閾値電流密度の低減を実現するためには、記録層（今の場合、第１磁化自由層３０に相当）の飽和磁化は適度に小さいことが望ましい。しなしながら、一般的に、飽和磁化が小さくなると、磁性層のスピン分極率は低下する。スピン分極率が低下すると、読み出し信号の大きさに寄与するＭＲ比が小さくなってしまう。すなわち、書き込み閾値電流密度の低減に好適な垂直磁化膜では、読み出し特性の向上が図れない。

一方、高いＭＲ比が得られる面内磁化膜（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ等）を用いた１つのＭＴＪを考える。その同じＭＴＪにおいては、書き込み閾値電流密度を十分に低減することは困難である。また、素子サイズが縮小された場合には、保持情報の熱擾乱耐性の確保が難しくなる。本実施の形態によれば、垂直磁化膜で形成される第１磁化自由層３０によって情報が保持されるため、十分な熱擾乱耐性が確保される。それは、一般的な垂直磁化膜では、磁気異方性エネルギー密度（Ｋｕ）が十分に大きいためである。

１−６．第１の変形例
第１の変形例は、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０のｘ−ｙ平面内の位置関係に関する。第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０の位置関係は既出の例に限られない。ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０に対して“第１の方向”に位置していればよい。

図５Ａは、第１磁気抵抗素子１の一例を示す斜視図である。図５Ｂ、図５Ｃ、及び図５Ｄのそれぞれは、図５Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図、ｘ−ｚ側面図、及びｙ−ｚ側面図である。図５Ａ〜図５Ｄで示される例では、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０とのずれ方向（第１の方向）がｙ軸方向である。すなわち、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０からｙ軸方向にずれている。従って、第１磁化自由層３０からの放射状に広がる漏れ磁界により、第２磁化自由層４０の磁化方向は一意に定まる。この場合、第２磁化自由層４０の磁化は、第１磁化自由層３０の磁化方向に応じて、＋ｙ方向あるいは−ｙ方向の成分を有することになる。第２磁化固定層６０の磁化方向は、＋ｙ方向と−ｙ方向のいずれか一方に固定されることが望ましい。

１−７．第２の変形例
第２の変形例は、第１磁気抵抗素子１を構成する各層のｚ軸方向（積層方向）の位置関係に関する。上述の通り、第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０及び第１磁化自由層３０は、「書き込み層群」を構成しており、第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０及び第２磁化固定層６０は、「読み出し層群」を構成している。また、第１導電層７０及び第２導電層８０は、書き込み層群及び読み出し層群に電流を導入する「プラグ群」を構成している。これら書き込み層群、読み出し層群、及びプラグ群の位置関係は、既出の例で示されたものに限られない。書き込み層群の第１磁化自由層３０と読み出し層群の第２磁化自由層４０が、異なる層に形成され、互いに磁気的に結合していればよい。

図６Ａは、第１磁気抵抗素子１の一例を示す斜視図である。図６Ｂ及び図６Ｃのそれぞれは、図６Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図及びｘ−ｚ側面図である。図６Ａ〜図６Ｃで示される例では、書き込み層群が読み出し層群に対して上層に設けられている。また、第２導電層８０は、第１導電層７０に対して読み出し層群側（下方側）に設けられている。この場合も、書き込み層群の第１磁化自由層３０と読み出し層群の第２磁化自由層４０が、互いに磁気的に結合している。更に、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０からずれている。従って、第１磁化自由層３０からの放射状に広がる漏れ磁界により、第２磁化自由層４０の磁化方向は一意に定まる。

図７Ａは、図６Ａ〜図６Ｃで示された例の場合の書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを概念的に示している。既出の例と同様に、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは、プラグ群から書き込み層群へ流れる、あるいは、書き込み層群からプラグ群へ流れる。書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの方向を変えることにより、“０”書き込みと“１”書き込みの両方を実現可能である。また、図７Ｂは、図６Ａ〜図６Ｃで示された例の場合の読み出し電流Ｉｒｅａｄを概念的に示している。既出の例と同様に、プラグ群を用いることにより、読み出し電流Ｉｒｅａｄが読み出し層群に導入される。

図８Ａは、第１磁気抵抗素子１の他の例を示す斜視図である。図８Ｂ及び図８Ｃのそれぞれは、図８Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図及びｘ−ｚ側面図である。図８Ａ〜図８Ｃで示された例でも、書き込み層群が読み出し層群に対して上層に設けられている。一方、第２導電層８０は、第１導電層７０に対して書き込み層群側（上方側）に設けられている。

１−８．第３の変形例
第３の変形例において、第１磁気抵抗素子１は、複数の書き込み層群を備える。そして、複数の書き込み層群の各々が、上述の第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０、及び第１磁化自由層３０を有する。

図９Ａは、第１磁気抵抗素子１の一例を示す斜視図である。図９Ｂ及び図９Ｃのそれぞれは、図９Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図及びｘ−ｚ側面図である。図９Ａ〜図９Ｃで示される例では、第１磁気抵抗素子１は、第１の書き込み層群、第２の書き込み層群、第１導電層７０、及び読み出し層群（４０〜６０）を備えている。第１の書き込み層群は、第１磁化固定層１０ａ、第１スペーサー層２０ａ、及び第１磁化自由層３０ａから構成されている。第２の書き込み層群は、第１磁化固定層１０ｂ、第１スペーサー層２０ｂ、及び第１磁化自由層３０ｂから構成されている。

好適には、第１磁化固定層１０ａと第１磁化固定層１０ｂとは、同じ層に形成され、同じ材質、形状、膜厚を有する。また、第１スペーサー層２０ａと第１スペーサー層２０ｂとは、同じ層に形成され、同じ材質、形状、膜厚を有する。また、第１磁化自由層３０ａと第１磁化自由層３０ｂとは、同じ層に形成され、同じ材質、形状、膜厚を有する。図９Ａ〜図９Ｃで示される例では、第１磁化自由層３０ａと第１磁化自由層３０ｂは共に、第１導電層７０の一方の面に接触しており、他方の面には第２磁化自由層４０が接触している。

第１磁化自由層３０ａと第２磁化自由層４０は、互いに磁気的に結合している。また、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０ａの重心Ｇ３０ａからずれている。従って、第１磁化自由層３０ａの磁化は、第２磁化自由層４０に対して面内方向の磁気力を及ぼす。同様に、第１磁化自由層３０ｂと第２磁化自由層４０は、互いに磁気的に結合している。また、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０ｂの重心Ｇ３０ｂからずれている。従って、第１磁化自由層３０ｂの磁化は、第２磁化自由層４０に対して面内方向の磁気力を及ぼす。

好適には、ｘ−ｙ平面において、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０ａの重心Ｇ３０ａと第１磁化自由層３０ｂの重心Ｇ３０ｂとの間に位置する。特に、ｘ−ｙ平面において、第１磁化自由層３０ａの重心Ｇ３０ａ、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０、及び第１磁化自由層３０ｂの重心Ｇ３０ｂが、一直線上に並んでいることが好適である。図９Ａ〜図９Ｃで示される例では、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は第１磁化自由層３０ａの重心Ｇ３０ａから＋ｘ方向にずれており、更に、第１磁化自由層３０ｂの重心Ｇ３０ｂは第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０から＋ｘ方向にずれている。

図１０Ａ及び図１０Ｂのそれぞれは、図９Ａ〜図９Ｃで示された第１磁気抵抗素子１が取り得る２つのメモリ状態を例示している。図１０Ａ及び図１０Ｂで示される例では、第１磁化固定層１０ａ、１０ｂの磁化方向は、互いに平行であり、同じ＋ｚ方向に固定されている。第２磁化固定層６０の磁化方向は、＋ｘ方向に固定されている。

図１０Ａでは、第１磁化自由層３０ａの磁化は＋ｚ方向を向き、一方、第１磁化自由層３０ｂの磁化は−ｚ方向を向いている。すなわち、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂの磁化方向は、互いに略反平行である。この場合、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂからの漏れ磁界は共に、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０の位置において＋ｘ成分を有する。それは、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０が、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂの重心Ｇ３０ａ、Ｇ３０ｂの間に位置しているからである。言い換えれば、重心Ｇ４０が重心Ｇ３０ａ、Ｇ３０ｂの間に位置し、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂの磁化方向が反平行のため、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂによる磁気力は第２磁化自由層４０の位置において互いに強め合う。磁気力の強め合い効果は、重心Ｇ３０ａ、Ｇ４０、Ｇ３０ｂが一直線上に並んでいるときに最大となり、好適である。このように、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂと第２磁化自由層４０との磁気的結合により、第２磁化自由層４０の磁化は＋ｘ方向の成分を有することになる。このとき、第２磁化自由層４０の磁化方向は、第２磁化固定層６０の磁化方向と“平行”な成分を有する（“０”状態）。

一方、図１０Ｂでは、第１磁化自由層３０ａの磁化は−ｚ方向を向き、第１磁化自由層３０ｂの磁化は＋ｚ方向を向いている。この場合、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂからの漏れ磁界は共に、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０の位置において−ｘ成分を有する。結果として、第２磁化自由層４０の磁化は−ｘ方向の成分を有することになる。このとき、第２磁化自由層４０の磁化方向は、第２磁化固定層６０の磁化方向と“反平行”な成分を有する（“１”状態）。

第１磁化自由層３０ａ、３０ｂの一方の磁化方向を反転させるとき、他方の磁化方向も同時に反転させる必要がある。そのため、データ書き込み時には、書き込み層群の各々において、第１磁化固定層１０と第１磁化自由層３０との間に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが流される。それぞれの書き込み層群における書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの方向は、それぞれの第１磁化自由層３０の磁化が反転するように適宜設定される。

図１１Ａは、第３の変形例における書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの一例を示している。上述の通り、第１磁化固定層１０ａ、１０ｂの磁化方向は互いに平行であり、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂの磁化方向は互いに反平行である。従って、第１の書き込み層群の第１磁化固定層１０ａと第１磁化自由層３０ａとの間を流れる書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの方向は、第２の書き込み層群の第１磁化固定層１０ｂと第１磁化自由層３０ｂとの間を流れる書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの方向と逆に設定される。その結果、第１磁化自由層３０ａ、３０ｂの反平行磁化は共に反転する。図１１Ａで示される例では、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは、第１導電層７０を経由して第１の書き込み層群と第２の書き込み層群の間に流され、その書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの方向を変えることにより、“０”書き込みと“１”書き込みの両方を実現可能である。

データ読み出し時には、読み出し層群の第２磁化自由層４０と第２磁化固定層６０との間に読み出し電流Ｉｒｅａｄが流される。図１１Ｂは、読み出し電流Ｉｒｅａｄの導入方法の一例を示している。図１１Ｂでは、読み出し電流Ｉｒｅａｄは、第２の書き込み層群を経由して導入される。読み出し電流Ｉｒｅａｄは、第１の書き込み層群を経由してもよいし、第１の書き込み層群と第２の書き込み層群の両方を経由しても構わない。

第３の変形例によれば、次の効果が追加的に得られる。まず、読み出し信号が更に増大する。本変形例においては、第２磁化自由層４０の磁化の回転に寄与する漏れ磁界の発生源である第１磁化自由層３０が二つ以上設けられる。従って、第２磁化自由層４０に作用する磁界の大きさは２倍以上となり、第２磁化自由層４０の磁化はより大きく回転することになる。これにより、大きな磁気抵抗効果が発現され、大きな読み出し信号が得られる。

また、製造プロセスが簡略化される。例えば既出の図１Ａ〜図１Ｃで示された構造の場合、書き込み層群（１０〜３０）と第２導電層８０が同じ層に配置されるため、それらを別々の工程で製造しなければならない。一方、本変形例によれば、第１の書き込み層群と第２の書き込み層群は、同一工程で製造することが可能である。従って、製造工程数が削減され、製造コストが低減される。

１−９．第４の変形例
第４の変形例では、第２導電層８０が省略される。図１２Ａは、第１磁気抵抗素子１の一例を示す斜視図である。図１２Ｂ及び図１２Ｃのそれぞれは、図１２Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図及びｘ−ｚ側面図である。図１２Ａ〜図１２Ｃに示されるように、第２導電層８０は省略され、第１磁気抵抗素子１は２端子の素子となる。この場合でも、第１磁化自由層３０と第２磁化自由層４０は磁気的に結合しており、また、第２磁化自由層４０の重心Ｇ４０は、第１磁化自由層３０の重心Ｇ３０からずれている。従って、第１磁化自由層３０の磁化方向に応じて、第２磁化自由層４０の磁化方向は一意に定まる。

図１３Ａ及び図１３Ｂは、本変形例における書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅ及び読み出し電流Ｉｒｅａｄの経路をそれぞれ示している。本変形例に係る第１磁気抵抗素子１は２端子の素子であるため、データ書き込み時に書き込み層群に導入される書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは、読み出し層群にも流れる。また、データ読み出し時に読み出し層群に導入される読み出し電流Ｉｒｅａｄは、書き込み層群にも流れる。すなわち、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの経路と読み出し電流Ｉｒｅａｄの経路は同一となる。

従って、データ読み出し時に、読み出し電流Ｉｒｅａｄにより第１磁化自由層３０においてスピン注入磁化反転が発生することを防止する必要がある。そのために、読み出し電流Ｉｒｅａｄは小さく設定される。また、データ書き込み時に、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅにより第２磁化自由層４０においてスピン注入磁化反転が発生することを防止する必要がある。そのためには、読み出し層群（４０、５０、６０）を流れる書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの電流密度を、書き込み層群（１０、２０、３０）を流れる書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの電流密度よりも小さくすることが望ましい。例えば、読み出し層群のｘ−ｙ平面における面積は、書き込み層群のｘ−ｙ平面における面積より大きく設計される。

第４の変形例によれば、第１磁気抵抗素子１が２端子の素子となるため、構造が簡単になり、セル面積が低減される。

尚、以上に説明されたそれぞれの例は矛盾しない限り組み合わせることが可能である。

２．リファレンスレベルのばらつき
図１４は、典型的なＭＲＡＭの構成を概略的に示している。ＭＲＡＭのメモリセルアレイは、マトリックス状に配置された複数のセルを有している。より詳細には、セルには、データ記録用のメモリセルＭＣと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１が含まれる。メモリセルＭＣ、リファレンスセルＲＣ０及びＲＣ１は、同一の構造の磁気抵抗素子を有している。

メモリセルＭＣにはデータ“０”あるいはデータ“１”が格納される。メモリセルＭＣの磁気抵抗素子の抵抗値は、データ“０”の場合Ｒ０であり、データ“１”の場合Ｒ１である。リファレンスセルＲＣ０はデータ“０”に設定されており、その磁気抵抗素子の抵抗値はＲ０である。一方、リファレンスセルＲＣ１はデータ“１”に設定されており、その磁気抵抗素子の抵抗値はＲ１である。このようなリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１の設定は、メモリセルＭＣに対するデータ書き込みと同様の方法で行われ、そのための専用のセットコントローラが設けられている。

データ読み出し時、読み出し対象のメモリセルＭＣに加えて、リファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１に読み出し電流が流される。読み出し回路は、メモリセルＭＣを流れる読み出し電流に基づいて、メモリセルＭＣの記録データに応じた読み出しレベルを生成する。また、読み出し回路は、リファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１のそれぞれを流れる読み出し電流に基づいて、抵抗値Ｒ０とＲ１の中間抵抗値に対応するリファレンスレベルを生成する。そして、読み出し回路は、読み出しレベルをリファレンスレベルと比較することによって、メモリセルＭＣの記録データを判定する。

ここで、上述の第１磁気抵抗素子１が、メモリセルＭＣ、リファレンスセルＲＣ０及びＲＣ１に適用される場合を考える。上述の通り、書き込み特性と読み出し特性をそれぞれ独立に向上させるために、第１磁気抵抗素子１では書き込み層群（１０〜３０）と読み出し層群（４０〜６０）が分離されている。そして、読み出し層群の第２磁化自由層４０の磁化状態、すなわち、読み出し層群のＭＴＪ抵抗値は、第１磁化自由層３０の磁化状態に依存して遠隔的に定まる。

このような構造の場合、同じデータが記録されたメモリセルＭＣ間であっても、読み出し層群のＭＴＪ抵抗値（Ｒ０あるいはＲ１）がばらつく可能性がある。これは、リファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１に関しても同様である。データ“０”に設定されたリファレンスセルＲＣ０間で読み出し層群の抵抗値Ｒ０はばらつく可能性があり、且つ、データ“１”に設定されたリファレンスセルＲＣ１間で読み出し層群の抵抗値Ｒ１はばらつく可能性がある。上述の通りリファレンスレベルが２種類のリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１のそれぞれを参照することにより生成される場合、それらリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１のそれぞれの抵抗値のばらつきの増大は、リファレンスレベルのばらつきの増大を招く。リファレンスレベルのばらつきは、不確定なリファレンスレベルを意味し、それはデータの誤読み出し確率を増大させる。

図１５〜図１８を参照して、リファレンスレベルのばらつきの一例をより詳しく説明する。

図１５は、第１磁気抵抗素子１の一例を示す斜視図であり、図１６は、図１５で示された第１磁気抵抗素子１の磁化状態を示す平面図である。図１５及び図１６の例では、第１磁化自由層３０に対する第２磁化自由層４０のずれ方向（第１の方向）はｘ方向であり、且つ、第２磁化自由層４０の磁化容易軸がｘ方向と直交するｙ方向に沿っている。この場合、第１磁化自由層３０の垂直磁化は第２磁化自由層４０に対して＋ｘ方向あるいは−ｘ方向の磁化成分を印加し、図１６に示されるように、第２磁化自由層４０の磁化は磁化容易軸（ｙ軸）を中心として磁化困難軸（ｘ軸）方向へ回転する。その一方、第２磁化固定層６０の磁化方向は、第１の方向と平行あるいは反平行に固定され、第２磁化自由層４０の磁化容易軸方向と直交している。その結果、第２磁化自由層４０と第２磁化固定層６０との間の磁化方向の相対角に違いが生じ、データ“０”とデータ“１”の２つのメモリ状態が実現される。

図１５及び図１６で示された第１磁気抵抗素子１がメモリセルＭＣ、リファレンスセルＲＣ０及びＲＣ１に適用された場合、図１７に示されるように、読み出し層群の第２磁化自由層４０の磁化状態にばらつきが生じる。すなわち、第２磁化自由層４０の磁気異方性が比較的大きいセルでは、磁化容易軸に対する磁化の回転量は小さくなる。逆に、第２磁化自由層４０の磁気異方性が比較的小さいセルでは、磁化容易軸に対する磁化の回転量が大きくなる。このような磁化の回転量のばらつきは、読み出し層群のＭＴＪ抵抗値（Ｒ０あるいはＲ１）のばらつきを意味する。すなわち、データ“０”に設定されたリファレンスセルＲＣ０間で抵抗値Ｒ０がばらつき、データ“１”に設定されたリファレンスセルＲＣ１間でも抵抗値Ｒ１がばらつく。

図１８は、データ“０”のセルとデータ“１”のセルの分布を概念的に示しており、縦軸は頻度、横軸はＭＴＪ抵抗値をそれぞれ表している。上述の通り、データ“０”のセル間で抵抗値Ｒ０はばらつき、データ“１”のセル間で抵抗値Ｒ１はばらつく。従って、相補データが記録された２種類のリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１を参照することによりリファレンスレベルが生成されると、そのリファレンスレベルがばらつき、不確定となる。そのような不確定なリファレンスレベルが、データの誤読み出し確率を増大させる。

３．第２磁気抵抗素子
そこで、本実施の形態によれば、リファレンスセル用に、第１磁気抵抗素子１とは異なる「第２磁気抵抗素子１００」が提案される。以下に詳述されるように、第２磁気抵抗素子１００の抵抗値は、上記Ｒ０とＲ１の間の中間値（以下、「Ｒ０．５」と参照される；図１８参照）に固定されている。つまり、第２磁気抵抗素子１００は、その抵抗値が単独でＲ０．５となるようにあらかじめ形成される。そのような第２磁気抵抗素子１００をリファレンスセルに適用することによって、リファレンスレベルのばらつきが防止される。

３−１．例（１）
図１９Ａは、本実施の形態に係る第２磁気抵抗素子１００の一例を示す斜視図である。図１９Ｂは、図１９Ａで示された第２磁気抵抗素子１００の磁化状態を示す平面図である。本例に係る第２磁気抵抗素子１００は、既出の図１５で示された第１磁気抵抗素子１から書き込み層群（１０〜３０）が省略されたものと同様の構造を有している。

具体的には、第２磁気抵抗素子１００は、第３磁化自由層１４０、第３スペーサー層１５０、第３磁化固定層１６０、第３導電層１７０及び第４導電層１８０を備えている。第３磁化自由層１４０は、第３スペーサー層１５０の一方の面に隣接して設けられ、第３磁化固定層１６０は、第３スペーサー層１５０の他方の面に隣接して設けられている。つまり、第３スペーサー層１５０は、第３磁化自由層１４０と第３磁化固定層１６０とに挟まれている。第３導電層１７０は、第３磁化自由層１４０に電気的に接続しており、第４導電層１８０は、第３導電層１７０に電気的に接続している。

第３磁化自由層１４０及び第３磁化固定層１６０は、強磁性体により形成される強磁性層である。更に、第３磁化自由層１４０及び第３磁化固定層１６０は、面内磁気異方性を有する面内磁化膜である。その面内磁化膜は、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で形成される。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などを添加することにより、磁気特性を調整することができる。具体的な材料としては、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｚｒ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｚｒ−Ｂなどが例示される。また、第３スペーサー層１５０は、非磁性体により形成される非磁性層である。特に、第３スペーサー層１５０は絶縁体により形成されることが好適である。具体的な材料としては、Ｍｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが例示される。これら第３磁化自由層１４０、第３スペーサー層１５０及び第３磁化固定層１６０によってＭＴＪが形成されている。

第２磁気抵抗素子１００において、第３磁化固定層１６０の磁化方向は面内の一方向に固定されている。例えば図１９Ａ及び図１９Ｂにおいて、第３磁化固定層１６０の磁化方向は−ｘ方向に固定されている。このような磁化方向の固定は、第１磁気抵抗素子１の場合と同様に可能である。一方、第３磁化自由層１４０の磁化容易軸は、その第３磁化固定層１６０の磁化方向と直交している。すなわち、第３磁化自由層１４０の磁化容易軸は、ｘ方向と直交しておりｙ方向と平行である。特に、図１９Ａ及び図１９Ｂの例では、第３磁化自由層１４０の平面形状は楕円形であり、その楕円形の長軸がｙ方向に沿っている。

以上に説明された第３磁化自由層１４０、第３スペーサー層１５０及び第３磁化固定層１６０は、「読み出し層群」を構成している。つまり、データ読み出し時には、ＭＴＪを貫通するように第３磁化自由層１４０と第３磁化固定層１６０の間に読み出し電流が流される。その一方で、本例に係る第２磁気抵抗素子１００には、書き込み層群に相当する構造が設けられていない。つまり、読み出し層群の第３磁化自由層１４０の磁化状態に遠隔的に影響を及ぼすような垂直磁化膜は設けられていない。

従って、図１９Ｂに示されるように、第３磁化自由層１４０の磁化方向は、その磁化容易軸方向（ｙ軸方向）に沿った向きとなる。図１９Ｂの例では、第３磁化自由層１４０の磁化方向は＋ｙ方向である。一方、第３磁化固定層１６０の磁化方向は、第３磁化自由層１４０の磁化容易軸と直交する方向に固定されている。従って、読み出し層群の抵抗値は、上記Ｒ０とＲ１の間の中間値“Ｒ０．５”となる。つまり、第２磁気抵抗素子１００は、ＭＴＪ抵抗値が単独で“Ｒ０．５”となるようにあらかじめ形成されている。

３−２．例（２）
図２０Ａは、第２磁気抵抗素子１００の他の例を示す斜視図である。図２０Ｂは、図２０Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。本例に係る第２磁気抵抗素子１００は、図１９Ａ及び図１９Ｂで示された構造に加えて、第１磁気抵抗素子１の書き込み層群（１０〜３０）に相当する構造を備えている。但し、第１磁気抵抗素子１では重心が故意にずらされていたが、本例の第２磁気抵抗素子１００では重心が一致している。図１９Ａ及び図１９Ｂで示された構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。

図２０Ａに示されるように、第２磁気抵抗素子１００は、読み出し層群（１４０〜１６０）に加えて、第４磁化固定層１１０、第４スペーサー層１２０及び第４磁化自由層１３０を更に備えている。第４磁化固定層１１０は、第４スペーサー層１２０の一方の面に隣接して設けられ、第４磁化自由層１３０は、第４スペーサー層１２０の他方の面に隣接して設けられている。つまり、第４スペーサー層１２０は、第４磁化固定層１１０と第４磁化自由層１３０とに挟まれている。第３導電層１７０は、第４磁化自由層１３０と第３磁化自由層１４０の間に挟まれている。第４導電層１８０は有っても無くてもよい。

第４磁化固定層１１０及び第４磁化自由層１３０は、強磁性体により形成される強磁性層である。また、第４磁化固定層１１０及び第４磁化自由層１３０は、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜であり、その材料は第１磁気抵抗素子１の垂直磁化膜と同様である。第４磁化固定層１１０の磁化方向は実質的に固定されている一方、第４磁化自由層１３０の磁化方向は反転可能である。例えば図２０Ａにおいて、第４磁化固定層１１０の磁化方向は＋ｚ方向に固定されており、第４磁化自由層１３０の磁化方向は＋ｚ方向あるいは−ｚ方向である。第４スペーサー層１２０は、非磁性体により形成される非磁性層である。第４スペーサー層１２０の材料は導電体でも絶縁体でも半導体でも構わない。

垂直磁気異方性を有する第４磁化自由層１３０と、上記読み出し層群中の面内磁気異方性を有する第３磁化自由層１４０とは、互いに磁気的に結合している。但し、図２０Ｂに示されるように、ｘ−ｙ平面において、第４磁化自由層１３０の重心Ｇ１３０と第３磁化自由層１４０の重心Ｇ１４０は互いに一致している。従って、第４磁化自由層１３０の垂直磁化は、第３磁化自由層１４０の面内磁化の方向を変えない。第３磁化自由層１４０の磁化方向は、その磁化容易軸方向と平行のままである。すなわち、読み出し層群は既出の図１９Ｂで示された状態となり、“Ｒ０．５”が実現される。

３−３．例（３）
図２１Ａは、第２磁気抵抗素子１００の更に他の例を示す斜視図である。図２１Ｂは、図２１Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。本例に係る第２磁気抵抗素子１００は、図２０Ａ及び図２０Ｂで示された構成要素と同様のものを有する。但し、重心の位置関係が異なっている。図２０Ａ及び図２０Ｂで示された構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。

本例によれば、垂直磁気異方性を有する第４磁化自由層１３０の重心Ｇ１３０は、面内磁気異方性を有する第３磁化自由層１４０の重心Ｇ１４０からずれている。ｘ−ｙ平面において、そのずれ方向は、第３磁化自由層１４０の磁化容易軸方向と一致している。例えば図２１Ｂに示されるように、第４磁化自由層１３０の重心Ｇ１３０は、第３磁化自由層１４０の重心Ｇ１４０からｙ方向にずれている。そのずれ方向は、第３磁化自由層１４０の磁化容易軸方向（ｙ軸方向）と平行であり、第３磁化固定層１６０の磁化方向と直交している。

この場合、第４磁化自由層１３０の垂直磁化は第３磁化自由層１４０に対して＋ｙ方向あるいは−ｙ方向の磁化成分を印加する。その磁化成分は磁化容易軸方向と一致しているため、第３磁化自由層１４０の面内磁化は回転しない。第３磁化自由層１４０の磁化方向は、その磁化容易軸方向と平行のままである。すなわち、読み出し層群は既出の図１９Ｂで示された状態となり、“Ｒ０．５”が実現される。

図２２Ａは、第２磁気抵抗素子１００の更に他の例を示す斜視図である。図２２Ｂは、図２２Ａで示された構造のｘ−ｙ平面図である。図２２Ａ及び図２２Ｂで示される第２磁気抵抗素子１００は、既出の図９Ａ〜図９Ｃで示された第１磁気抵抗素子１と同様に、読み出し層群（１４０〜１６０）に加えて、第４磁化固定層１１０、第４スペーサー層１２０及び第４磁化自由層１３０からなる層群を複数有している。図示された例では、一つ目の層群が第４磁化固定層１１０ａ、第４スペーサー層１２０ａ及び第４磁化自由層１３０ａを有し、二つ目の層群が第４磁化固定層１１０ｂ、第４スペーサー層１２０ｂ及び第４磁化自由層１３０ｂを有している。

既出の図２１Ａ及び図２１Ｂで示された例と同様に、垂直磁気異方性を有する第４磁化自由層１３０ａ、１３０ｂの重心Ｇ１３０ａ、Ｇ１３０ｂは、面内磁気異方性を有する第３磁化自由層１４０の重心Ｇ１４０からずれている。ｘ−ｙ平面において、そのずれ方向は、第３磁化自由層１４０の磁化容易軸方向と一致している。例えば図２２Ｂに示されるように、重心Ｇ１３０ａ、Ｇ１４０、Ｇ１３０ｂはこの順番でｙ軸に沿って一直線に並んでいる。つまり、重心Ｇ１３０ａ及びＧ１３０ｂは、重心Ｇ１４０からそれぞれ−ｙ方向及び＋ｙ方向にずれている。そのずれ方向は、第３磁化自由層１４０の磁化容易軸方向（ｙ軸方向）と平行であり、第３磁化固定層１６０の磁化方向と直交している。

この場合、第４磁化自由層１３０ａ、１３０ｂの垂直磁化は第３磁化自由層１４０に対して＋ｙ方向あるいは−ｙ方向の磁化成分を印加する。その磁化成分は磁化容易軸方向と一致しているため、第３磁化自由層１４０の面内磁化は回転しない。第３磁化自由層１４０の磁化方向は、その磁化容易軸方向と平行のままである。すなわち、読み出し層群は既出の図１９Ｂで示された状態となり、“Ｒ０．５”が実現される。

尚、第４磁化自由層１３０ａ、１３０ｂのそれぞれによって第３磁化自由層１４０に印加される面内磁化成分の方向は一致していることが好適である。これにより、第３磁化自由層１４０の面内磁化方向がより安定となる。例えば図２２Ｂの例のように重心Ｇ１４０が重心Ｇ１３０ａとＧ１３０ｂの間に位置している場合、第４磁化自由層１３０ａ、１３０ｂのそれぞれの垂直磁化方向は互いに逆向きであることが好適である。

４．ＭＲＡＭ
図２３は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成を概略的に示している。ＭＲＡＭのメモリセルアレイは、マトリックス状に配置された複数のセルを有している。より詳細には、セルには、データ記録用のメモリセルＭＣと、データ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルＲＣが含まれる。本発明によれば、メモリセルＭＣには第１磁気抵抗素子１が適用される。一方、リファレンスセルＲＣには、第２磁気抵抗素子１００が適用される。

製造プロセスの観点からは、第１磁気抵抗素子１の各層と第２磁気抵抗素子１００の各層は同じ層に形成されることが好適である。例えば図１９Ａで示された第２磁気抵抗素子１００が用いられる場合、第３磁化自由層１４０、第３スペーサー層１５０、第３磁化固定層１６０、及び第３導電層１７０は、第１磁気抵抗素子１の第２磁化自由層４０、第２スペーサー層５０、第２磁化固定層６０、及び第１導電層７０のそれぞれと同じ層に形成される。更に、図２０Ａ、図２１Ａ、図２２Ａで示された第２磁気抵抗素子１００が用いられる場合には、第４磁化固定層１１０、第４スペーサー層１２０、及び第４磁化自由層１３０も、第１磁気抵抗素子１の第１磁化固定層１０、第１スペーサー層２０、及び第１磁化自由層３０のそれぞれと同じ層に形成される。

メモリセルＭＣが含む第１磁気抵抗素子１は、既出の例のいずれであってもよい（図１Ａ〜図１３Ｂ、図１５、図１６を参照）。また、リファレンスセルＲＣが含む第２磁気抵抗素子１００は、既出の例のいずれであってもよい（図１９Ａ〜図２２Ｂを参照）。つまり、第１磁気抵抗素子１と第２磁気抵抗素子１００の組み合わせは自由である。その組み合わせを決定するにあたり、製造プロセスの容易さが考慮されてもよい。例えば、第１磁気抵抗素子１として図９Ａ〜図９Ｃで示されたものが用いられる場合、似た構造を有する図２２Ａ、図２２Ｂで示されたものが第２磁気抵抗素子１００として用いられるとよい。どのような組み合わせであっても、第１磁気抵抗素子１の読み出し層群（４０〜６０）の抵抗値は、記録データに応じてＲ０とＲ１の間で切り換わり、第２磁気抵抗素子１００の読み出し層群（１４０〜１６０）の抵抗値は、中間値“Ｒ０．５”に固定されている。

データ読み出し時、読み出し対象のメモリセルＭＣとリファレンスセルＲＣに読み出し電流が流される。読み出し回路は、メモリセルＭＣを流れる読み出し電流に基づいて、メモリセルＭＣの記録データ（Ｒ０又はＲ１）に応じた読み出しレベルを生成する。また、読み出し回路は、リファレンスセルＲＣを流れる読み出し電流に基づいて、中間抵抗値Ｒ０．５に対応するリファレンスレベルを生成する。そして、読み出し回路は、読み出しレベルをリファレンスレベルと比較することによって、メモリセルＭＣの記録データ（Ｒ０又はＲ１）を判定する。

図２４は、メモリセルＭＣの第２磁化自由層４０とリファレンスセルＲＣの第３磁化自由層１４０の磁化状態の一例を示している。ここでは、メモリセルＭＣに、図１５及び図１６で示された第１磁気抵抗素子１が適用されている。つまり、第２磁化自由層４０の磁化は磁化容易軸を中心として回転する。データ“０”のメモリセルＭＣ間で磁化回転量（抵抗値Ｒ０）がばらつき、データ“１”のメモリセルＭＣ間で磁化回転量（抵抗値Ｒ１）がばらついている（図１７も参照）。一方、リファレンスセルＲＣでは、第３磁化自由層１４０の磁化方向は、完全に磁化容易軸に沿っている。従って、メモリセルＭＣにおいて磁化回転量がばらついていたとしても、その磁化の回転方向、すなわち記録データ（Ｒ０あるいはＲ１）を正確に判定することが可能である。

より一般化すると、次の通りである。メモリセルＭＣに関して、データ“０”のセル間で抵抗値Ｒ０はばらつき、データ“１”のセル間で抵抗値Ｒ１はばらつくかもしれない。しかしながら、本実施の形態では、リファレンスセルＲＣは確実に“Ｒ０．５”にセットされており、少なくともリファレンスセルＲＣに関しては抵抗値のばらつきはほとんどない。これは、リファレンスレベルのばらつきが抑制され、より正確なリファレンスレベルが得られることを意味する。正確なリファレンスレベル（Ｒ０．５）を用いることにより、メモリセルＭＣの記録データ（Ｒ０又はＲ１）を正確に判定することが可能となる（図１８参照）。

以上に説明されたように、本実施の形態によれば、第２磁気抵抗素子１００をリファレンスセルＲＣに適用することによって、リファレンスレベルのばらつきが抑制される。その結果、データの誤読み出しが抑制される。メモリセルＭＣに適用される第１磁気抵抗素子１は、既出の例のいずれであってもよい。重要なことは、リファレンスセルＲＣにおいて磁化状態のばらつきが抑制されることである。

また、本実施の形態によれば、抵抗値が単独でＲ０．５となる第２磁気抵抗素子１００が用いられる。従って、相補データ（Ｒ０、Ｒ１）が記録された２種類のリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１（図１４参照）を用意する必要がない。第２磁気抵抗素子１００を有する１種類のリファレンスセルＲＣ（図２３参照）だけで十分である。

図１４の場合、セットコントローラを用いて、リファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１のそれぞれに相補データを初期設定する必要がある。一方、本実施の形態では、リファレンスセルＲＣは抵抗値がＲ０．５となるようにあらかじめ形成されており、リファレンスセルＲＣの初期設定工程は不要である。従って、製造時間が短縮され、製造コストが削減される。また、初期設定用のコントローラも不要となるため、ＭＲＡＭの面積が削減される。

また、図１４の場合、読み出し回路は、２種類のリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１を参照して、抵抗値Ｒ０とＲ１の中間抵抗値に対応するリファレンスレベルを算出する必要がある。一方、図２３の場合、リファレンスレベルは、抵抗値がＲ０．５に固定された一種類のリファレンスセルＲＣを参照することによって直接的に得られる。従って、回路構成が単純になり、ＭＲＡＭの面積が削減される。

更に、図１４の場合、２種類のリファレンスセルＲＣ０、ＲＣ１を配置するために２列必要であった。一方、図２３では、１種類のリファレンスセルＲＣを配置するために１列で十分である。リファレンスセルのための領域が１列分不要となるため、メモリセルアレイの面積が削減される。特に小規模アレイの場合には、面積削減効果が顕著となる。

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

本出願は、２００８年２月１９日に出願された日本国特許出願２００８−０３８０６７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (14)

1. 第１磁気抵抗素子を含むメモリセルと、
   第２磁気抵抗素子を含み、前記メモリセルからのデータ読み出し時にリファレンスレベルを生成するために参照されるリファレンスセルと
   を具備し、
   前記第１磁気抵抗素子は、
   磁化方向が固定された第１磁化固定層と、
   磁化方向が可変な第１磁化自由層と、
   前記第１磁化固定層と前記第１磁化自由層とに挟まれた第１非磁性層と、
   磁化方向が固定された第２磁化固定層と、
   磁化方向が可変な第２磁化自由層と、
   前記第２磁化固定層と前記第２磁化自由層とに挟まれた第２非磁性層と
   を備え、
   前記第１磁化固定層と前記第１磁化自由層は、垂直磁気異方性を有し、
   前記第２磁化固定層と前記第２磁化自由層は、面内磁気異方性を有し、
   前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層は、互いに磁気的に結合しており、
   各層に平行な第１平面において、前記第２磁化自由層の重心は、前記第１磁化自由層の重心から第１方向にずれており、
   前記第２磁気抵抗素子は、
   磁化容易軸が第２方向に平行な第３磁化自由層と、
   磁化方向が前記第２方向と直交する第３方向に固定された第３磁化固定層と、
   前記第３磁化固定層と前記第３磁化自由層とに挟まれた第３非磁性層と
   を備え、
   前記第３磁化固定層と前記第３磁化自由層は、面内磁気異方性を有する
   磁気ランダムアクセスメモリ。
2. 請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第２磁化自由層の磁化容易軸は前記第１方向と直交しており、
   前記第２磁化固定層の磁化方向は前記第１方向と平行あるいは反平行である
   磁気ランダムアクセスメモリ。
3. 請求の範囲１又は２に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第３磁化自由層の平面形状の長軸方向は前記第２方向である
   磁気ランダムアクセスメモリ。
4. 請求の範囲１乃至３のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第２磁化固定層と前記第３磁化固定層は同じ層に形成され、
   前記第２磁化自由層と前記第３磁化自由層は同じ層に形成され、
   前記第２非磁性層と前記第３非磁性層は同じ層に形成された
   磁気ランダムアクセスメモリ。
5. 請求の範囲１乃至４のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第２磁気抵抗素子は、
   磁化方向が固定された第４磁化固定層と、
   磁化方向が可変な第４磁化自由層と、
   前記第４磁化固定層と前記第４磁化自由層とに挟まれた第４非磁性層と
   を更に備え、
   前記第４磁化固定層と前記第４磁化自由層は、垂直磁気異方性を有し、
   前記第３磁化自由層と前記第４磁化自由層は、互いに磁気的に結合しており、
   前記第３磁化自由層の磁化方向は前記第２方向と平行である
   磁気ランダムアクセスメモリ。
6. 請求の範囲５に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１平面において、前記第３磁化自由層の重心は、前記第４磁化自由層の重心と一致している
   磁気ランダムアクセスメモリ。
7. 請求の範囲５に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１平面において、前記第３磁化自由層の重心は、前記第４磁化自由層の重心から前記第２方向にずれている
   磁気ランダムアクセスメモリ。
8. 請求の範囲５乃至７のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第２磁化固定層と前記第３磁化固定層は同じ層に形成され、
   前記第２磁化自由層と前記第３磁化自由層は同じ層に形成され、
   前記第２非磁性層と前記第３非磁性層は同じ層に形成され、
   前記第１磁化固定層と前記第４磁化固定層は同じ層に形成され、
   前記第１磁化自由層と前記第４磁化自由層は同じ層に形成され、
   前記第１非磁性層と前記第４非磁性層は同じ層に形成された
   磁気ランダムアクセスメモリ。
9. 請求の範囲１乃至８のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記メモリセルへのデータ書き込み時、前記第１磁化自由層と前記第１磁化固定層との間に書き込み電流が流れ、
   前記メモリセルからのデータ読み出し時、前記第２磁化自由層と前記第２磁化固定層との間に読み出し電流が流れる
   磁気ランダムアクセスメモリ。
10. 請求の範囲９に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記書き込み電流は更に、前記第２磁化自由層と前記第２磁化固定層との間にも流れる
    磁気ランダムアクセスメモリ。
11. 請求の範囲１乃至９のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記第１磁気抵抗素子は、複数の書き込み層群を備え、
    前記複数の書き込み層群の各々が、前記第１磁化固定層、前記第１磁化自由層、及び前記第１非磁性層を有する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
12. 請求の範囲１１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記複数の書き込み層群は、第１書き込み層群と第２書き込み層群を含み、
    前記第１平面において、前記第２磁化自由層の重心は、前記第１書き込み層群の前記第１磁化自由層の重心と前記第２書き込み層群の前記第１磁化自由層の重心との間に位置する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
13. 請求の範囲１２に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記第１書き込み層群の前記第１磁化自由層の磁化方向は、前記第２書き込み層群の前記第１磁化自由層の磁化方向と反平行であり、
    前記第１書き込み層群の前記第１磁化固定層の磁化方向は、前記第２書き込み層群の前記第１磁化固定層の磁化方向と平行である
    磁気ランダムアクセスメモリ。
14. 請求の範囲１３に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    データ書き込み時、前記第１書き込み層群と前記第２書き込み層群の各々において、前記第１磁化自由層と前記第１磁化固定層との間に書き込み電流が流され、
    前記第１書き込み層群を流れる前記書き込み電流の方向は、前記第２書き込み層群を流れる前記書き込み電流の方向の逆である
    磁気ランダムアクセスメモリ。

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