JP5370773B2 - 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ、及びその初期化方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリとその初期化方法に関し、特に、磁壁移動方式の磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリとその初期化方法に関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）は高速動作、および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリとして期待され、盛んな開発が行われている。ＭＲＡＭではメモリセルに磁気抵抗効果素子が集積化され、磁気抵抗効果素子の強磁性層の磁化の向きとしてデータが記憶される。この強磁性層の磁化をスイッチングさせる方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要であり、２００６ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ， Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ， ｐ．１３６によれば０．５ｍＡ以下への低減、さらに好ましくは０．２ｍＡ以下への低減が求められている。

ＭＲＡＭへの情報の書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁気抵抗効果素子の周辺に書き込み電流を流すための配線を配置し、書き込み電流を流すことで発生する電流磁界によって磁気抵抗効果素子の強磁性層の磁化の方向をスイッチングさせる方法である。この方法は、原理的には１ナノ秒以下での書き込みが可能であり、高速ＭＲＡＭを実現する上では好適である。例えば、特開２００５−１５０３０３号公報は、電流磁界によってデータ書き込みを行うＭＲＡＭについて、磁化固定層の端部の磁化が膜厚方向に向けられている構造を開示している。

しかしながら熱安定性、外乱磁界耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁界は一般的には数１０（Ｏｅ）程度となり、このような磁界を発生させるためには数ｍＡ程度の大きな書き込み電流が必要となる。書き込み電流が大きいと、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大するため、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力で劣ることになる。これに加えて、メモリセルが微細化されると、書き込み電流はさらに増大してしまい、スケーリングの点でも好ましくない。

近年このような問題を解決する手段として、以下の２つの方法が提案されている。第１の方法は、スピン注入磁化反転を利用することである。スピン注入磁化反転が利用されるＭＲＡＭでは、メモリセルの磁気抵抗効果素子が、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層（しばしば、フリー層と呼ばれる）と、磁化が固定された第２の強磁性層（しばしば、ピン層と呼ばれる）と、これらの強磁性層の間に設けられたトンネルバリア層を備える積層体で構成される。このようなＭＲＡＭのデータ書き込みでは、フリー層とピン層の間で電流を流したときのスピン偏極した伝導電子のフリー層中の局在電子との間の相互作用を利用してフリー層の磁化が反転される。スピン注入磁化反転の発生の有無は、（電流の絶対値ではなく）電流密度に依存することから、スピン注入磁化反転をデータ書き込みに利用する場合には、メモリセルのサイズが小さくなれば、書き込み電流も低減される。すなわち、スピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、データ書き込みの際、膜厚が薄いトンネルバリア層に書き込み電流を流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が課題となる。また、書き込みの電流経路と読み出しの電流経路が同じになることから、読み出しの際の誤書き込みも懸念される。このようにスピン注入磁化反転はスケーリング性には優れるものの、実用化にはいくつかの障壁がある。

第２の方法は、電流駆動磁壁移動現象を利用することである。電流駆動磁壁移動現象を利用した磁化反転方法は、スピン注入磁化反転の抱える上述のような問題を解決することができる。電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは、例えば、特開２００５−１９１０３２号公報、特開２００６−７３９３０号公報、特開２００６−２７００６９号公報に開示されている。電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭの最も一般的な構成では、データを保持する強磁性層（しばしば、磁気記録層と呼ばれる。）が、反転可能な磁化を有する磁化反転部と、その両端に接続された、固定された磁化を有する２つの磁化固定部とで構成される。データは、磁化反転部の磁化として記憶される。２つの磁化固定部の磁化は、互いに略反平行となるように固定されている。磁化がこのように配置されると、磁気記録層に磁壁が導入される。Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ． ９２， ｎｕｍｂｅｒ ７， ｐ．０７７２０５， （２００４）で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流すと磁壁は伝導電子の方向に移動することから、磁気記録層に電流を流すことによりデータ書き込みが可能となる。電流駆動磁壁移動の発生の有無も電流密度に依存することから、スピン注入磁化反転と同様にスケーリング性があると言える。これに加えて、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭのメモリセルでは、書き込み電流が絶縁層を流れることはなく、また書き込み電流経路と読み出し電流経路とは別となるため、スピン注入磁化反転で挙げられるような上述の問題は解決されることになる。

しかしながら、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書き込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうという課題がある。電流誘起磁壁移動の観測は数多く報告されているが、概ね磁壁移動には１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］程度の電流密度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる強磁性膜の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合の書き込み電流は１ｍＡとなる。これ以下に書き込み電流を低減するためには、強磁性膜の幅を小さく、且つ、膜厚を薄くすればよい。しかしながら、膜厚を薄くすると書き込みに要する電流密度は更に上昇してしまうことが報告されている（例えば、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ｖｏｌ．４５， Ｎｏ．５Ａ， ｐｐ．３８５０−３８５３，（２００６）参照）。また、強磁性膜の幅を１００ｎｍ以下に小さくすることは、加工技術の点で大いなる困難を伴う。

また、１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］に近い電流密度を用いて書き込みを行う場合、エレクトロンマイグレーションや温度上昇の影響が懸念される。

これに加えて電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、前述のように磁気記録層の２つの磁化固定部の磁化が互いに反平行となるように固定される必要があり、これを実現するためには複雑な製造工程が必要となる。製造工程の複雑化は、製造コストの上昇を招く。

したがって、本発明の目的は、書き込み電流が十分小さく低減され、且つ電流密度自体も低減され（望ましくは１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］以下に低減され）、さらに容易に製造することができる、電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭを提供することにある。

本発明の磁気抵抗効果素子は、長手方向に長い形状を有し、且つ、磁壁移動が起こるように形成された第１強磁性層と、前記第１強磁性層に対向するように設けられた、磁化が固定された第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の間に形成される非磁性のスペーサ層と、前記第１強磁性層の前記長手方向の一端の近傍の部分に磁気的に結合された第３強磁性層と、前記第１強磁性層の前記長手方向の他端の近傍の部分に磁気的に結合された第４強磁性層とを具備する。前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層は、膜厚方向の磁気異方性を有し、前記第３強磁性層及び第４強磁性層は、面内方向に磁気異方性を有する。

本発明の磁気抵抗効果素子は、電流駆動磁壁移動の起こる第１強磁性層が、膜厚方向に磁気異方性を有することにより、スピン偏極電流を考慮に入れたＬＬＧ方程式のうちの断熱スピントルク項によって小さな電流密度でも磁壁を駆動することができる。このとき磁壁がデピンされる閾値磁界による影響をほとんど受けることなく磁壁移動が可能となるため、高い熱安定性や外乱磁界耐性を維持したまま書き込みに要する電流を低減することができる。これに加えて、第１強磁性層に磁気的に結合するように形成された、面内方向に磁気異方性を有する第３強磁性層、第４強磁性層を設けることにより、第１強磁性層の所望の位置に磁壁を容易に導入することができる。第３強磁性層、第４強磁性層の特性は同一でよいため、単純な製造工程で第３強磁性層、第４強磁性層を形成することができる。

本発明の第１実施例の磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。 第１実施例における磁気抵抗効果素子の第１の初期化過程を示す断面図である。 第１実施例における磁気抵抗効果素子の第１の初期化過程を示す断面図である。 第１実施例における磁気抵抗効果素子の第１の初期化過程を示す断面図である。 第１実施例における磁気抵抗効果素子の第２の初期化過程を示す断面図である。 第１実施例における磁気抵抗効果素子の第２の初期化過程を示す断面図である。 第１実施例における磁気抵抗効果素子の第２の初期化過程を示す断面図である。 第１実施例における磁気抵抗効果素子へのデータの書き込み方法を説明するための断面図である。 第１実施例における磁気抵抗効果素子へのデータの書き込み方法を説明するための断面図である。 デピン電流密度の膜厚依存性についての計算結果を示すグラフである。 温度上昇の電流密度依存性についての測定結果を示すグラフである。 第１実施例における磁気抵抗効果素子からのデータの読み出し方法を説明するための断面図である。 第１実施例における磁気抵抗効果素子からのデータの読み出し方法を説明するための断面図である。 第１実施例のメモリセルの回路構成の例を示す回路図である。 第１実施例のメモリセルのレイアウトの例を表す平面図である。 第１実施例のメモリセルの構造の例を示す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第１変形例の構造を表す平面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第１変形例の他の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第１変形例の他の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第２変形例の構造を表す平面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第２変形例の他の構造を表す平面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第２変形例の更に他の構造を表す平面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第２変形例の更に他の構造を表す平面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第３変形例の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第３変形例の他の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第３変形例の構造を表す平面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第３変形例の他の構造を表す平面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第３変形例の更に他の構造を表す平面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第３変形例の更に他の構造を表す平面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第４変形例の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第４変形例の他の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第５変形例の他の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第５変形例の更に他の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第５変形例の他の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第６変形例の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第７変形例の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第８変形例の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第９変形例の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第９変形例の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第１０変形例の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第１０変形例の構造を表す断面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第１１変形例の構造を表す斜視図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第１１変形例の構造を表す平面図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第１１変形例の他の構造を表す斜視図である。 第１実施例の磁気抵抗効果素子の第１１変形例の他の構造を表す平面図である。 第２実施例の磁気抵抗効果素子の構造を表す斜視図である。 第２実施例の磁気抵抗効果素子の構造を表す断面図である。 第２実施例の磁気抵抗効果素子の第１の初期化過程を模式的に表す断面図である。 第２実施例の磁気抵抗効果素子の第１の初期化過程を模式的に表す断面図である。 第２実施例の磁気抵抗効果素子の第１の初期化過程を模式的に表す断面図である。 第２実施例の磁気抵抗効果素子の第２の初期化過程を模式的に表す断面図である。 第２実施例の磁気抵抗効果素子の第２の初期化過程を模式的に表す断面図である。 第２実施例の磁気抵抗効果素子の第２の初期化過程を模式的に表す断面図である。 第２実施例の磁気抵抗効果素子へのデータの書き込み方法を説明するための断面図である。 第２実施例の磁気抵抗効果素子へのデータの書き込み方法を説明するための断面図である。 第２実施例の磁気抵抗効果素子の第１変形例の構造を表す断面図である。 第２実施例の磁気抵抗効果素子の第２変形例の構造を表す断面図である。 第２実施例の磁気抵抗効果素子の第３変形例の構造を表す断面図である。 第２実施例の磁気抵抗効果素子の第３変形例の構造を表す断面図である。

添付図面を参照して、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの実施例を説明する。本実施例の磁気ランダムアクセスメモリは、アレイ状に配置された複数のメモリセルを有しており、各メモリセルは磁気抵抗効果素子を有している。以下、磁気抵抗効果素子及びメモリセルの構成の実施例を説明する。以下の説明においては、添付図面に図示されているようなｘｙｚ直交座標系が導入され、そのｘｙｚ直交座標系を用いて磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリの構造が説明される。

第１実施例：
（磁気抵抗効果素子の構成）
図１は、本発明の第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の主要な部分の構造を示す斜視図であり、図２は、磁気抵抗効果素子８０の構成を示す断面図である。磁気抵抗効果素子８０は、ｘ軸方向に延伸して設けられる第１強磁性層１０と、非磁性のスペーサ層２０と、第２強磁性層３０とを備えている。スペーサ層２０は、第１強磁性層１０と第２強磁性層３０に挟まれている。第１強磁性層１０及び第２強磁性層３０は、強磁性体で形成される。スペーサ層２０は、好適には、絶縁体で形成される。この場合、第１強磁性層１０、スペーサ層２０、第２強磁性層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成される。またスペーサ層２０は絶縁体から構成されることが望ましいが、非磁性の導体や半導体により構成されても構わない。

第１強磁性層１０のスペーサ層２０が接合されている面と反対側の面には、いずれも強磁性体で形成された第３強磁性層１５ａと第４強磁性層１５ｂとが接合されている。第３強磁性層１５ａは、第１強磁性層１０の一方の端の近傍に接合され、第４強磁性層１５ｂは、他方の端の近傍に接合されている。

図２には、第１強磁性層１０、第２強磁性層３０、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂの磁気異方性の向きが矢印で示されている。第１強磁性層１０、第２強磁性層３０としては、垂直磁化膜が使用される；即ち、第１強磁性層１０、第２強磁性層３０は、いずれも、膜厚方向（膜面に垂直な方向）に磁気異方性を有している。第２強磁性層３０の磁化は実質的にｚ軸に略平行方向で一方向に固定される。一方、第１強磁性層１０のうちの、少なくとも第２強磁性層３０と対向する部分の磁化は反転可能である。当該部分の磁化は、記憶されるデータに応じて、第２強磁性層３０の磁化に対して平行又は反平行の方向に向けられる。

第１強磁性層１０及び第２強磁性層３０については、膜厚方向に磁気異方性を実現させるために、垂直磁気異方性を有する材料で形成された単層膜、または複数の膜で形成された積層体により形成されることが好ましい。この場合の積層体とは、複数の強磁性体膜で構成された積層体でもよいし、強磁性体膜と非磁性体膜とからなる積層体でもよい。

一方、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂとしては、面内磁化膜が使用される；即ち、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂは、いずれも、面内方向に平行に磁気異方性を有している。本実施例では、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂは、その磁気異方性が（第１強磁性層１０の長手方向である）ｘ軸方向に略平行であるように設計される。第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂは、第１強磁性層１０の所望の位置に磁壁をピニングする機能を有している。第３強磁性層１５ａは、第１強磁性層１０のｘ軸方向における一端の近傍の部分に磁気的に結合され、第４強磁性層１５ｂは、第１強磁性層１０のｘ軸方向における他端の近傍の部分に磁気的に結合される。第１強磁性層１０、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂが上述のような磁化配置にある場合、第１強磁性層１０のうちの第２強磁性層３０と対向する領域の磁化方向に応じて、第１強磁性層１０内には磁壁が形成される。

第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂの磁化方向は、ｘ軸方向に平行な同一方向に向けられている。このことは、ＭＲＡＭの製造工程を容易にするために有効である。本実施例では、製造工程において第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂの磁化が向けられるべき方向が同一であるから、外部磁界の印加により容易に初期化が可能である。図２の例では、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂの磁化は、いずれも、＋ｘ方向（図２では右方向）に向けられている。

第１強磁性層１０のうちの第３強磁性層１５ａと接合されている部分１０ａは、磁化の反転が起こらない。このため、以下では、部分１０ａを第１磁化固定部１０ａと記載することがある。同様に、第１強磁性層１０のうちの第４強磁性層１５ｂと接合されている部分１０ｂは、第２磁化固定部１０ｂと記載することがある。第１磁化固定部１０ａと第２磁化固定部１０ｂの間の部分１０ｃは、磁壁が移動することができる。このため、以下では、部分１０ｃを磁壁移動部１０ｃと記載することがある。

第２強磁性層３０、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂは、外部の異なる配線に電気的に接続される。これから理解されるように、磁気抵抗効果素子８０は３端子素子である。図１及び図２には示されていないが、配線との電気的接続を得るための電極層を、第２強磁性層３０、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂのそれぞれに接合させることが望ましい。

（材料）
以下では、第１強磁性層１０、スペーサ層２０、第２強磁性層３０、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂの材料について説明する。なお、ここで示される材料は全て例であり、実際には、図２に示されるような磁化状態が実現できればいかなる材料を用いてもよい。

第１強磁性層１０、第２強磁性層３０、及び第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂ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ことが望ましい。さらに第１強磁性層１０及び第２強磁性層３０がＰｔ及び／又はＰｄを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。第１強磁性層１０、第２強磁性層３０にＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的にはＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏなどが例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む膜と、その膜とは異なる材料で形成された膜とを積層させることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜などが例示される。また第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂの材料としては、具体的には、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどが使用され得る。

スペーサ層２０は、絶縁体から構成されることが望ましい。スペーサ層２０の材料としては、具体的にはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが使用され得る。ただし、スペーサ層２０として半導体や金属材料を用いても本発明は実施できることに留意されたい。スペーサ層２０として使用され得る半導体や金属材料としては、具体的にはＣｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎなど挙げられる。

（初期化方法）
次に第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の初期化方法について、図３Ａ〜３Ｃ及び図４Ａ〜４Ｃを用いて説明する。当該磁気抵抗効果素子８０では、第１強磁性層１０に磁壁を導入する必要があり、図３Ａ〜３Ｃ及び図４Ａ〜４Ｃは、その過程を示している。なお、図３Ａ〜３Ｃ及び図４Ａ〜４Ｃでは、第１強磁性層１０、第３強磁性層１５ａ、及び第４強磁性層１５ｂのみが示されている。

第１強磁性層１０に磁壁を導入するためには、はじめに磁気抵抗効果素子８０に一様かつ十分大きな外部磁界が、（第１強磁性層１０の長手方向である）ｘ軸方向に略平行方向に印加される。このとき、図３Ａに示されるように、全ての磁気モーメントが外部磁界の方向に揃い飽和した状態となる。次にこの状態から外部磁界を減少させる。外部磁界の減少のスピードは適度に遅いことが望ましい。外部磁界の減少を開始すると、磁化の緩和が始まる。図３Ｂに示されるように、第１強磁性層１０はｚ軸方向の磁気異方性を有するため、はじめに第１強磁性層１０の第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂとの接続面付近の磁化が、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂの磁化と緩やかに繋がるようにｚ軸方向に回転を始める。この回転を始めた磁化は膜厚方向の磁化を有する磁区を形成し、この磁区が第１強磁性層１０の中で成長する。ここで、図３Ｃに示されるように、第１強磁性層１０の中で成長する二つの磁区は互いに反平行方向の磁化を有する。従って、図３Ｃに示されるように、二つの磁区が成長して出会ったとき、そこに磁壁が形成される。以上が第１実施例における磁気抵抗効果素子８０の第１の初期化過程である。

第１の初期化過程によって第１強磁性層１０に導入された磁壁は、図４Ａ〜図４Ｃに示されるような第２の初期化過程によって所望の位置に移動される。図４Ａは第１の初期化過程が終了した時点での磁化状態の例である。図４Ａの状態において、第１強磁性層１０の膜厚方向（即ち、ｚ軸方向）に磁界が印加される。この磁界は適度に小さいことが望ましい。磁界は、＋ｚ方向、−ｚ方向のいずれに印加されてもよい。＋ｚ方向に磁界を印加することにより、図４Ａにおいて第１強磁性層１０の中央付近に形成されていた磁壁は、図４Ｂに示されているように、右側に（即ち、第４強磁性層１５ｂの近傍に）移動する。また、−ｚ方向に磁界が印加された場合には、第１強磁性層１０の中央付近に形成されていた磁壁は、図４Ｃに示されているように、左側に（即ち、第３強磁性層１５ａの近傍に）移動する。図４Ｂと図４Ｃは、それぞれ、異なるデータを記憶した状態に対応している。このように、図４Ａの状態においてｚ軸方向に小さな外部磁界を印加することにより、任意のデータを記憶した状態への初期化が可能である。なお、ここでは第２の初期化過程でｚ軸方向の磁界を印加する例を示したが、印加される磁界は、ｘ成分、ｙ成分（即ち、ｚ軸方向に平行でない成分）を有していてもよい。また、磁界を用いることなく、後に図５Ａ、図５Ｂを用いて説明されるように、書き込み電流を第１強磁性層１０に流すことによってメモリ状態を初期化してもよい。

（データ書き込み）
次に本発明の第１実施例に係る磁気抵抗効果素子８０へのデータ書き込みの方法について図５Ａ、図５Ｂを用いて説明する。図５Ａ、図５Ｂは、当該磁気抵抗効果素子８０が異なるデータを記憶している状態（データ”０”を記憶している“０状態”と、データ”１”を記憶している“１”状態）での第１強磁性層１０の磁化状態を、ｘ−ｚ断面で模式的に示している。図５Ａ、図５Ｂの例では、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂの磁化は＋ｘ方向に向けられている。また、第１強磁性層１０の中央部の磁化が＋ｚ方向に向けられている状態が“０”状態と定義され（図５Ａ参照）、第１強磁性層１０の中央部の磁化が−ｚ方向に向けられている状態が”１”状態と定義される（図５Ｂ参照）。ただし、磁化方向と記憶されるデータに関する定義が上述の限りでないことは言うまでもない。

磁気抵抗効果素子８０が上述のような磁化状態を有するとき、“０”状態では磁壁が第１強磁性層１０の右側（すなわち、第４強磁性層１５ｂの近傍）に、“１”状態では磁壁が第１強磁性層１０の左側（すなわち、第３強磁性層１５ａの近傍）に形成される。本実施例では、第１強磁性層１０に書き込み電流を面内方向に流すことによってデータ書き込みが行われる。この書き込み電流の向きを適切に選択することにより、磁壁を第１強磁性層１０内で所望の位置に移動させ、これにより、データ”０”、”１”を書き分けることができる。例えば、磁気抵抗効果素子８０が図５Ａの“０”状態にあるときに＋ｘ方向（図５Ａの右方向）に書き込み電流を流すと、−ｘ方向（図５Ａの左方向）に伝導電子の流れが発生する。第１強磁性層１０の右側にあった磁壁は、伝導電子によるスピントランスファートルクを受けて伝導電子と同じ方向、即ち、第１強磁性層１０の左側に移動する。同様に、磁気抵抗効果素子８０が図５Ｂの“１”状態にあるときに、−ｘ方向に書き込み電流を流すと、＋ｘ方向に伝導電子の流れが発生する。第１強磁性層１０の左側にあった磁壁は、伝導電子によるスピントランスファートルクを受けて伝導電子と同じ方向、即ち、第１強磁性層１０の右側に移動する。このようにして“０”状態から“１”状態へ、及び“１”状態から“０”状態への書き込みができる。

また、磁気抵抗効果素子８０が図５Ａの“０”状態にあるときに−ｘ方向に書き込み電流を流した場合、つまりデータ“０”を書き込んだ場合、磁壁は＋ｘ方向に移動しようとする。しかしながら、第４強磁性層１５ｂが面内方向の磁気異方性を有するため、第１強磁性層１０のうちの第４強磁性層１５ｂと磁気的に結合した領域では実質的にｚ軸方向に大きな磁化成分を有することはできず、したがって、第１強磁性層１０のうちの第４強磁性層１５ｂと磁気結合した領域での磁壁移動は起こらない。すなわち、”０”状態にあるときにデータ”０”を書き込むオーバーライトが可能である。或いは、磁壁移動により、第１強磁性層１０の一部分の磁化が＋ｚ方向に反転を起こしても、書き込み電流が切られたときに当該部分の磁化が再び元の状態、すなわち＋ｘ方向を向く状態に回復するように設計すれば、上述のようなオーバーライトは可能となる。この回復の手段としては、第４強磁性層１５ｂとの磁気的相互作用が利用でき、また第１強磁性層１０と第４強磁性層１５ｂの幾何学的形状（例えば、第１強磁性層１０、第４強磁性層１５ｂそれぞれの大きさ）及び位置関係によってもコントロールできる。

磁気抵抗効果素子８０が図５Ｂの“１”状態にあるときに＋ｘ方向に書き込み電流を流した場合、つまりデータ“１”を書き込んだ場合も同様である。第３強磁性層１５ａが面内方向の磁気異方性を有することにより、磁気抵抗効果素子８０が”１”状態にあるときにデータ”１”を書き込むオーバーライトが可能である。

本実施例の特徴の一つは、データ書き込みの際に磁壁移動が起こる層である第１強磁性層１０が垂直方向に磁気異方性を有することである。発明者は、スピントランスファートルクを考慮に入れたＬＬＧ方程式を用いたマイクロマグネティクス計算を行うことにより、垂直磁気異方性を有する材料で形成される磁壁は面内磁気異方性を有する材料で形成される磁壁に比べると、電流で駆動する場合に必要となる電流密度は十分小さく、一方磁界で駆動する場合に必要となる磁界は十分大きくなることを見出した。Ｅｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ．６９， ｐｐ．９９０−９９６（２００５）に記載されているように、スピントランスファートルクを考慮に入れたＬＬＧ方程式によれば、磁化の時間変化（∂ｍ／∂ｔ）は、［１］磁界によるトルクを表す項、［２］ダンピング項、［３］断熱スピントルク項、及び［４］非断熱スピントルク項の和として表される。マイクロマグネティクス計算によれば、垂直磁気異方性を有する材料で形成される磁壁は、１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］程度の電流密度においても［３］の断熱スピントルク項により駆動され、一方で面内磁化膜の場合には１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］程度の電流密度では［４］の非断熱スピントルク項がなければ磁壁は駆動されないことがわかった。ここで［３］の断熱スピントルク項による磁壁駆動の場合、過度に大きくないピニングのときには、ピニング磁界に依存せずに磁壁はピンサイトからデピンできることが知られている。従って、［３］の断熱スピントルク項での磁壁駆動が不可能な面内磁気異方性を有する材料に比べて、［３］の断熱スピントルク項での磁壁駆動が可能な垂直磁気異方性を有する材料は、強い磁壁のピニングと低電流密度による磁壁駆動を両立させ易いことがわかる。すなわち垂直磁気異方性を有する材料を用いることにより、熱安定性として十分な値を保った上で書き込みに要する電流を低減することが可能である。

これに加えて、発明者は、マイクロマグネティクス計算により、垂直磁気異方性を有する材料で形成された細線に形成される磁壁を駆動するために必要な電流密度が、当該細線の膜厚が薄くなるほど小さくなることを見出した。図６はこの計算結果を示している。図６の縦軸は十分大きな閾値磁界を有するピンサイトによってピニングされた磁壁がピンサイトからデピンするのに必要な電流密度を意味している。詳細には、左側の縦軸に示されているｕは：

で定義される物理量であり、実効的なスピン偏極電流密度を意味している：式（１）において、Ｐはスピン分極率であり、ｇは、ランデのｇ因子であり、ｅは電気素量であり、Ｍｓは、磁化である。また右側の縦軸には、Ｍ_Ｓが５００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］、分極率Ｐが０．５である場合の電流密度ｊの値が示されている。一般的に１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］以上の電流密度を用いる場合、エレクトロンマイグレーション等の影響が顕在化するため、メモリセルへの適用は現実的ではない。図６を見ると膜厚が２０ｎｍ以下のときデピンに要する電流密度が１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］以下になっていることから、第１強磁性層１０の膜厚は、２０ｎｍ以下であることが好ましいといえる。

また書き込み電流密度が大きい場合には、エレクトロンマイグレーションの他にも発熱の影響等も懸念される。図７は、磁性材料に電流を印加したときの温度上昇を、抵抗の上昇を測定することで見積もった結果である。ＭＲＡＭに書き込みを行う際の温度上昇は、動作保障温度、磁気抵抗効果素子８０の信頼性及び寿命を考慮すると、１２０℃以下、より好適には６０℃以下であることが望ましい。図６を見ると温度上昇が１２０℃、及び６０℃となるのはそれぞれ電流密度が約０．７×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］、０．６×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］のときであり、このような電流密度での磁壁のデピンが可能な膜厚範囲は、図６からそれぞれ１０ｎｍ、８ｎｍ以下であることがわかる。すなわち、第１強磁性層１０の膜厚は、１０ｎｍ以下であることが好ましく、８ｎｍ以下であることがより好ましい。

また、第１強磁性層１０は、１ｎｍ以上であることが好ましい。Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ． ９０， ｐ． １３２５０７，（２００７）の記載から理解されるように、室温において垂直磁化を安定化させるためには、強磁性膜の膜厚が１ｎｍ以上であることが好適である。

（データ読み出し）
次に、本実施例の磁気抵抗効果素子８０からの情報の読み出しについて図８Ａ、図８Ｂを用いて説明する。これまでに述べたように、本実施例では、第1強磁性層１０の磁化方向としてデータが記憶される一方で、第１強磁性層１０の中央部がスペーサ層２０を介して第２強磁性層３０に接合されている。本実施例の磁気抵抗効果素子８０では、データ読み出しに磁気抵抗効果によるＭＴＪの抵抗値の変化が利用される。すなわち、第１強磁性層１０と第２強磁性層３０の間で読み出し電流を流すことにより、第１強磁性層１０に記憶されたデータを読み出すことができる。例えば図８Ａのように第１強磁性層１０の中央部の磁化の向きと第２強磁性層３０の磁化の向きが平行のとき（即ち、データ”０”が記憶されているとき）には磁気抵抗効果素子８０に形成されるＭＴＪの抵抗値が相対的に低くなる。一方、図８Ｂのように第1強磁性層１０の中央部の磁化の向きと第２強磁性層３０の磁化の向きが反平行のとき（即ち、データ”１”が記憶されているとき）には、ＭＴＪの抵抗値が相対的に高くなる。そのＭＴＪの抵抗値を、電流信号、又は電圧信号として読み出すことにより、第１強磁性層１０に記憶されているデータを判別することができる。

（本実施例の磁気抵抗効果素子の技術的優位性）
本実施例の磁気抵抗効果素子８０を使用することにより、熱安定性及び外乱磁界耐性に優れ、書き込み電流が低減され、さらにスケーリング性に優れた磁気ランダムアクセスメモリを容易な製造プロセスで提供することができる。これは、第１強磁性層１０の磁化方向が垂直方向を向き、且つ、その膜厚が低減され、さらに第１強磁性層１０に隣接して、膜面方向に磁気異方性を有する第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂが設けられることに因っている。以下では、データ記憶に垂直磁化膜を使用する磁気抵抗効果素子と、データ記憶に面内磁化膜を使用する磁気抵抗効果素子の特性を概算し、比較した結果を示す。

まず面内磁化膜をデータ記憶に用いる磁気抵抗効果素子については、素子幅（ｗ）が１００ｎｍ、膜厚（ｔ）が１０ｎｍ、磁壁のピンサイトの幅の半分（ｑ_０）が４０ｎｍと仮定され、また飽和磁化（Ｍ_Ｓ）が８００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］、スピン分極率（Ｐ）が０．７、磁壁のピンサイトがデピンする閾値磁界（Ｈ_Ｃ）が５０［Ｏｅ］と仮定された。一方、垂直磁化膜をデータ記憶に用いる磁気抵抗効果素子については、素子幅（ｗ）が１００ｎｍ、膜厚（ｔ）が２ｎｍ、磁壁のピンサイトの幅の半分（ｑ_０）が１５ｎｍと仮定され、また飽和磁化（Ｍ_Ｓ）が５００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］、スピン分極率（Ｐ）がを０．５、磁壁のピンサイトのデピン磁界（Ｈ_Ｃ）が１０００［Ｏｅ］と仮定された。なお、ピンサイトの幅についてはマイクロマグネティックシミュレーションを用いて求めた値である。

上述のように仮定した場合、系のエネルギーバリアの大きさ（ΔＥ）はＭ_ＳＨ_Ｃｑ_０ｗｔで概算できる。結果として、系の熱安定性指標となるΔＥ／ｋ_ＢＴは、面内磁化膜、垂直磁化膜ともに４０となる。ここでｋ_Ｂはボルツマン定数でＴは絶対温度である。

また、膜厚が１０ｎｍで閾値磁界が５０Ｏｅの面内磁化膜のデピン電流密度は、マイクロマグネティックシミュレーションによればｕ＝３００［ｍ／ｓ］程度となり、これは約６×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］に相当する。本来このような電流密度は発熱やエレクトロンマイグレーション効果の観点から素子に通ずることは非現実的ではあるが、ここでは比較のためにこの値を用いる。このとき、面内磁化膜での素子への書き込み電流は６［ｍＡ］となる。

一方、垂直磁化膜について、膜厚を２ｎｍ、閾値磁界を１０００［Ｏｅ］とした場合のデピン電流密度は、図６よりｕ＝１０［ｍ／ｓ］程度と読み取ることができ、これは、約２×１０^７［Ａ／ｃｍ^２］に相当する。このとき素子への書き込み電流は０．０４［ｍＡ］となる。このように、垂直磁化膜を第１強磁性層１０に用いることによって、書き込み電流の大幅な低減が実現されることがわかる。

なお、ここで用いたパラメータはあくまでも目安であり、他の値を用いることもできる。従って、書き込みに要する電流値や、熱安定性ΔＥ／ｋ_ＢＴもそれに応じて変化し得る。しかしながら、電流値と熱安定性は概ね連動して変化するため、上述のような面内磁化膜と垂直磁化膜での書き込み電流の大小関係が大幅に覆ることはない。

また、通常ＭＲＡＭを製造する上では、磁気シールド等を具備する必要があるが、垂直磁化膜を用いた場合には、磁気シールドを省略することができ、これによって低コスト化がもたらされる。これは、一般的な垂直磁化膜は結晶磁気異方性が十分大きいため、外乱磁界に対する耐性が面内磁化膜に比べて極めて大きいためである。

また膜厚の低減で、書き込みに必要な電流密度は減少するため、膜厚を薄くすることで発熱の影響を軽減でき、動作保障温度範囲を広げることができる上、磁気抵抗効果素子の寿命、信頼性も飛躍的に向上する。

さらに本実施例の磁気抵抗効果素子８０では、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂを第１強磁性層１０の両端部に隣接して設けることによって、第１強磁性層１０に容易に磁壁を導入することができる。第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂの材料特性は同一でよいため、製造プロセスにおいて同時に作製することができ、これによって工程数が低減され、製造コストが低減される。加えて、製造プロセスにおいて第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂの磁化が向けられるべき方向が同一であるから、外部磁界の印加により容易に初期化が可能である。

（回路構成、及びレイアウト）
次に、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０のＭＲＡＭへの集積化について、図９〜図１１を用いて説明する。

図９は、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０が集積化されたメモリセル９０の回路構成の例を示す図である。図９には、単一のメモリセル９０の回路構成が図示されているが、実際には複数のメモリセル９０がアレイ状に配置されてＭＲＡＭに集積化されていることは、当業者には理解されよう。

メモリセル９０は、２つのＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂと、１つの磁気抵抗効果素子８０とで構成される。磁気抵抗効果素子８０の第２強磁性層３０は、読み出しのためのグラウンド線１０１に電気的に接続される。一方、第３強磁性層１５ａは、ＭＯＳトランジスタ１００ａの一方のソース／ドレインに電気的に接続され、第４強磁性層１５ｂは、ＭＯＳトランジスタ１００ｂの一方のソース／ドレインに電気的に接続される。ＭＯＳトランジスタ１００ａの他方のソース／ドレインは、書き込みのためのビット線１０２ａに接続され、ＭＯＳトランジスタ１００ｂの他方のソース／ドレインは、ビット線１０２ｂに接続される。ＭＯＳトランジスタ１０２ａ、１０２ｂのゲート電極は、ワード線１０３に接続される。

図９に示された回路での書き込み、読み出し方法について説明する。書き込みを行う場合には、ワード線１０３が“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂが“ＯＮ”状態にされる。加えて、ビット線１０２ａ、１０２ｂの一方が“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップし、他方が“ｌｏｗ”レベルにプルダウンされ、これにより、第１強磁性層１０に書き込み電流が流される。第１強磁性層１０を流れる書き込み電流の方向は、ビット線１０２ａ、１０２ｂのいずれを“ｈｉｇｈ”レベルにし、いずれを“ｌｏｗ”レベルにするかに依存しているから、書き込み電流の方向を適切に選択することにより、磁気抵抗効果素子８０に所望のデータを書き込むことが可能となる。

一方、読み出しの際には、ワード線１０３が“ｈｉｇｈ”にプルアップされ、ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂが“ＯＮ”状態にされる。加えて、ビット線１０２ａ、１０２ｂのいずれか一方を“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、他方がフローティング（ハイインピーダンス状態）に設定される。これにより、読み出し電流が、プルアップされたビット線（ビット線１０２ａ又は１０２ｂ）から磁気抵抗効果素子８０を貫通してグラウンド線１０１へと流れるため、磁気抵抗効果による高速での読み出しが可能となる。ただし、図９に示された回路、及びここで述べられた回路の設定は本発明を実施する方法の一例に過ぎず、他の回路構成による実施も可能である。

図１０、図１１は、図９に示されたような回路構成のメモリセル９０の集積化の態様の例を示す図である；図１０は、メモリセル９０のレイアウトの例を示す平面図であり、図１１は、図１０のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ断面における構造を示す断面図である。図１０に示されているように、グラウンド線１０１及びワード線１０３がｘ軸方向に延伸するように設けられ、ビット線１０２ａ、１０２ｂは、ｙ軸方向に延伸するように設けられる。磁気抵抗効果素子８０は、ビット線１０２ａ、１０２ｂとワード線１０３とが交差する位置の近傍に設けられる。

図１１に示されているように、基板１１０には、ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂのソース／ドレインとして使用される拡散層１１１ａ、１１２ａ、１１１ｂ、１１２ｂが形成されている。ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂのチャネル領域の上にはゲート絶縁膜１１３が形成され、ゲート絶縁膜１１３の上にはゲート電極１１４が形成されている。ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂのゲート電極１１４は、図示されないビアコンタクトを介してワード線１０３に接続されている。

磁気抵抗効果素子８０と、グラウンド線１０１及びビット線１０２ａ、１０２ｂとの電気的接続は、下記の構造によって達成されている。磁気抵抗効果素子８０の第２強磁性層３０は、その上に形成された電極層１１５、及びビアコンタクト１１６を介してグラウンド線１０１に接続されている。一方、磁気抵抗効果素子８０の第３強磁性層１５ａは、ビアコンタクト１１７ａ及び配線層１１８ａを介して、ＭＯＳトランジスタ１００ａの拡散層１１１ａに接続されている。ＭＯＳトランジスタ１００ａの拡散層１１２ａは、ビアコンタクト１１９ａ、及び配線層１２０ａを介してビット線１０２ａに接続されている。同様に、磁気抵抗効果素子８０の第４強磁性層１５ｂは、ビアコンタクト１１７ｂ及び配線層１１８ｂを介して、ＭＯＳトランジスタ１００ｂの拡散層１１１ｂに接続されている。ＭＯＳトランジスタ１００ｂの拡散層１１２ｂは、ビアコンタクト１１９ｂ、及び配線層１２０ｂを介してビット線１０２ｂに接続されている。

図１０、図１１に示されている構造は、一例に過ぎないことに留意されるべきである；メモリセル９０の集積化には、他のレイアウト、他の構造が用いれ得る。例えば、図１０、図１１では、ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂがｙ軸方向に沿って並べられているが、ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂは、ｘ軸方向に沿って並べられても良い。この場合、ワード線１０３には、ＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂのゲート電極と接続するための突起が形成されることが望ましい。

本実施例の磁気抵抗効果素子８０は、様々に変形可能である。以下では、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の変形例について説明する。

（第１変形例）
図１２Ａ〜１２Ｃは、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の第１変形例の構造を模式的に示している。第１変形例では、磁壁をピニングするためのピンサイト１２ａ、１２ｂが第１強磁性層１０の中に形成される。この場合、第１強磁性層１０の一端とピンサイト１２ａとの間の部分が第１磁化固定部１０ａとなり、第１強磁性層１０の他端とピンサイト１２ｂとの間の部分が第２磁化固定部１０ｂとなる；第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂは、それぞれ、第１磁化固定部１０ａ、第２磁化固定部１０ｂに接合される。一方、第１強磁性層１０のうちのピンサイト１２ａ、１２ｂの間の部分が磁壁移動部１０ｃとなる。第１強磁性層１０にピンサイト１２ａ、１２ｂを形成することは、磁壁を強く拘束し、データ保持の安定性を高めるために有効である。

図１２Ａ〜１２Ｃに示されるように、ピンサイト１２ａ、１２ｂは、第１強磁性層１０のピンサイト１２ａ、１２ｂを形成しようとする位置に、特殊な構造を形成することで形成可能である。例えば、図１２Ａに示されているように、ピンサイト１２ａ、１２ｂを形成しようとする位置において第１強磁性層１０の平面形状を局所的に変化させることにより、ピンサイト１２ａ、１２ｂを形成されている。図１２Ａは、ノッチを形成することによってピンサイト１２ａ、１２ｂが形成されている例であるが、ノッチに代えてに突起を設けてもよい。また図１２Ａでは、第１強磁性層１０のｘ軸方向に延伸する２つのエッジの両方にノッチが設けられているが、一方のエッジのみにノッチ又は突起が設けられてもよい。

また、図１２Ｂ、図１２Ｃに示されるように、ピンサイト１２ａ、１２ｂを形成しようとする位置において第１強磁性層１０の断面形状を局所的に変化させることにより、ピンサイト１２ａ、１２ｂを形成することも可能である。図１２Ｂに示されているように、一実施例では、第１強磁性層１０が、磁壁のピンサイト１２ａ、１２ｂとなる部分のみが、他の部分に対してずれているような構造が採用され得る。他の実施例では、図１２Ｃに示されているように、ピンサイト１２ａ、１２ｂ及び磁壁移動部１０ｃが、他の部分（即ち、第１磁化固定部１０ａ及び第２磁化固定部１０ｂ）に対してずれている構造が採用され得る。

その他、図示はされていないが、第１強磁性層１０のうち、磁壁のピンサイト１２ａ、１２ｂが形成される部分の材料特性を局所的に変化させることによっても磁壁を拘束することができる。このような材料特性の変化は、異なる材料を用いることによって実施することもできるし、異元素を注入する、あるいは欠陥等を導入することによっても実施することができる。

（第２変形例）
図１３Ａ〜図１３Ｄは、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の第２変形例の構造を模式的に示している。第２変形例は、いずれも、第１強磁性層１０の形状に関連している；第１強磁性層１０を最適な形状に形成することにより、磁気抵抗効果素子８０がとり得る２つの状態を安定化させることができる。

第１強磁性層１０として垂直磁化膜が使用される場合、第１強磁性層１０のうちの第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂと接合している部分から離れた位置で磁壁が停止する状態がさして不安定にはならない。このような状態は“０”状態と“１”状態の中間の状態であり、回避しなければならない。“０”状態と“１”状態の中間の状態を回避するために、第２変形例では磁壁の挙動が利用される。磁壁は、系全体のエネルギーを下げるために、その面積がなるべく小さくなる方向に動こうとする。従って、第１強磁性層１０の中央付近が他の部分よりも幅が広ければ、中央付近に磁壁が位置する状態が不安定となるため、上述のような中間状態は回避できる。図１３Ａ〜図１３Ｄに示された第１強磁性層１０の構造は、いずれもこの概念に基づいている。図１３Ａ〜図１３Ｃに示されているように、第１強磁性層１０の幅Ｗが第１強磁性層１０の両端に近づくにつれて広義に単調に減少するような形状に第１強磁性層１０を形成することにより、“０”状態と“１”状態の中間の状態を回避することができる。ここで、幅Ｗが「広義に」単調に減少するとは、図１３Ｃに示されているように、第１強磁性層１０の一部分について幅Ｗが変化しない部分があることが許容されることを意味している。

加えて、図１３Ｄに示されているように、第１強磁性層１０の幅Ｗが、第１強磁性層１０の中央部から両端に近づくにつれて一旦狭くなった後、両端に近づくにつれて徐々に増加するように第１強磁性層１０を形成することも可能である。このような形状では、第１強磁性層１０の幅Ｗが最も小さくなる位置にピンサイトが形成される；第１強磁性層１０の幅Ｗが最も小さくなる位置が、第１磁化固定部１０ａ及び第２磁化固定部１０ｂと、磁壁移動部１０ｃの境界になる。磁壁移動部１０ｃの幅は、第１強磁性層１０の両端に近づくにつれ、広義に単調に減少される。一方、第１磁化固定部１０ａ及び第２磁化固定部１０ｂの幅は、第１強磁性層１０の両端に近づくにつれ、広義に単調に増加される。

なお、図１３Ａ〜１３Ｄは、第１強磁性層１０の幅Ｗを変化させる例が示されているが、第１強磁性層１０の中央部の膜厚を厚くするなど、膜厚を変化させることによっても中間状態を効果的に回避することもできる。例えば、第１強磁性層１０の膜厚が第１強磁性層１０の両端に近づくにつれて広義に単調に減少するような形状に第１強磁性層１０を形成することが可能である。また、第１強磁性層１０の膜厚が、第１強磁性層１０の中央部から両端に近づくにつれて一旦薄くなった後、両端に近づくにつれて徐々に厚くなるように第１強磁性層１０を形成することも可能である。

（第３変形例）
図１４Ａ、図１４Ｂ、図１５Ａ〜図１５Ｄは、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の第３変形例の構造を模式的に示している。第３変形例は、第１強磁性層１０と第３強磁性層１５の位置関係、及び大小関係に関する。

磁気抵抗効果素子８０における第１強磁性層１０と第３強磁性層１５の幾何学的形状及び位置関係に関する要求は、第１強磁性層１０の長手方向の両端付近において第３強磁性層が磁気的に結合されていることである。このような要求を満足する限り、幾何学的形状及び位置関係は、任意に決定され得る。

例えば図１４Ａに示されるように、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂは、第１強磁性層１０に対してｘ軸方向について外側にはみ出すようにして設けられてもよい。また図１４Ｂに示されるように、第１強磁性層１０が第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂに対して外側にはみ出すように設けられてもよい。また図１５Ａに示されるように、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂは、第１強磁性層１０と同じ幅を有するように形成されてもよく、図１５Ｂに示されるように、第１強磁性層１０よりも細い幅を有するように形成されてもよい。あるいは図１５Ｃに示されるように、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂは、第１強磁性層１０よりも太い幅を有するように形成されてもよい。さらには、図１５Ｄに示されるように、複数の第３強磁性層１５ａ−１、１５ａ−２が第１強磁性層１０の端付近において設けられてもよい。同様に、複数の第４強磁性層１５ｂ−１、１５ｂ−２が第１強磁性層１０の端付近において設けられてもよい。

第１強磁性層１０と第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂの幾何学的形状及び位置関係を適当に調整することによって、実現される磁化状態やピンポテンシャルの強さをコントロールすることができる。

（第４変形例）
図１６Ａ、図１６Ｂは、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の第４変形例の構造を模式的に示している。第４変形例は、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂの断面形状に関する。

第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂの断面形状は様々に変更され得る。例えば、図１６Ａに示されるように、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂが平行四辺形の断面形状を有していてもよい。また、図１６Ｂに示されるように、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂが台形の断面形状を有していてもよい。図１６Ｂには、上底が下底よりも長いような台形の断面形状を有するように形成された第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂの構造が図示されているが、下底のほうが上底よりも長くてもよい。同様に、図１６Ａでは、側辺が内側に傾くような傾斜を有する平行四辺形の断面形状を有するように形成された第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂの構造が図示されているが、側辺が外側に傾斜していてもよい。

第３強磁性層１０の断面形状を適切に調整することによって、実現される磁化状態やピンポテンシャルの強さをコントロールすることができる。また、第３強磁性層１０の断面形状の適切な調整は、図３Ａ〜図３Ｃに示される第１の初期化過程をより安定化するために有効である。

（第５変形例）
図１７Ａ、図１７Ｂは、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の第５変形例の構造を模式的に示している。第５変形例では、図１７Ａに示されているように、第１強磁性層１０と第３強磁性層１５ａの間に導電層１６ａが設けられ、第１強磁性層１０と第４強磁性層１５ｂの間に導電層１６ｂが設けられる。導電層１６ａ、１６ｂは強磁性体により構成されてもよいし、非磁性体により構成されてもよい。導電層１６ａ、１６ｂを設けることによって、第１強磁性層１０と第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂとの磁気的結合の強さを調整することができる。これによって、実現される磁化状態やピンポテンシャルの強さをコントロールすることができる。また、導電層１６ａ、１６ｂを設けることによって、図３Ａ〜図３Ｃに示される第１の初期化過程を制御することもできる。

図１７Ｂに示されるように、導電層１６が第１強磁性層１０の一面の全体に隣接して設けられてもよい。この場合、導電層１６は第１強磁性層１０の下地層の役割を兼ねることができる。導電層１６を下地層として使用することにより、第１強磁性層１０の磁気特性を調整することができる。

導電層１６、１６ａ、１６ｂは、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂのキャップ層（保護層）の役割を兼ねることもできる。これによって製造プロセスが容易になる。

導電層１６、１６ａ、１６ｂの材料としては様々なものを用いることができる。例えば、導電層１６、１６ａ、１６ｂとしてＲｕなどのＲＫＫＹ相互作用を示す材料を用いることによって、第３強磁性層１５ａ及び第３強磁性層１５ｂをＲＫＫＹ相互作用で第１強磁性層１０に磁気的に結合させることができる。また、導電層１６、１６ａ、１６ｂとしては、Ｔａなどの非磁性体で形成された極薄の薄膜を用いることもできる。またＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｖｏｌ．２４７， ｐｐ．１５３−１５８，（２００２）によれば、垂直磁気異方性材料で形成された磁性層は、その下地層の選択によって垂直方向の磁気特性が大きく変化すること、及び、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｔａが垂直磁気異方性材料の下地層として好適であることが記されている。Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｔａは磁気モーメントを有するため、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｔａを導電層１６として使用することにより、第１強磁性層１０と第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂとを磁気的に強く結合させることができる上、第１強磁性層１０の下地層として第１強磁性層１０の特性を向上させることもできる。また、導電層１６、１６ａ、１６ｂの材料としては、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅなどの一般的な強磁性体を用いてもよい。

図１８に示されるように、第１強磁性層１０と第３強磁性層１５ａの間に第５強磁性層１７ａを設け、第１強磁性層１０と第４強磁性層１５ｂの間に第６強磁性層１７ｂを設けてもよい。ここで第５強磁性層１７ａ、第６強磁性層１７ｂは、長手方向に発現する形状磁気異方性が小さな材料により構成される。これによって、例えば図１８に矢印で示されるように、第１強磁性層１０と第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂとの間で、磁化の方向を徐々に変化させることができる。第５強磁性層１７ａ、第６強磁性層１７ｂの磁気特性、形状、及び膜厚を調整することにより、実現される磁化状態やピンポテンシャルの強さをコントロールすることができる。また、図３Ａ〜図３Ｃに示される第１の初期化過程を制御することができる。

また、図１７Ａに図示された導電層１６ａ、１６ｂ、図１７Ｂに図示された導電層１６、及び図１８に示されている第５強磁性層１７ａ、第６強磁性層１７ｂとしてスピン偏極率の高い強磁性体を用いることにより、書き込みに要する電流密度を低減することができる。これは磁壁駆動に必要な電流密度は、伝導電子のスピン偏極率が高いほど小さくなり、伝導電子のスピン偏極率は、伝導電子が通過する強磁性体のスピン偏極率が高いほど高くなるためである。

（第６変形例）
図１９は、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の第６変形例の構造を模式的に示している。第６変形例では、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂの第１強磁性層１０と反対側の面の少なくとも一部分に隣接してピニング層４０ａ、４０ｂが設けられる。

ピニング層４０ａ、４０ｂは、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂの磁化方向を一方向に固定する役割を果たす。そのために、ピニング層４０ａ、４０ｂの材料としては、永久磁石材料や反強磁性層材料が望ましい。具体的にはＰｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｍｎ−Ｒｈなどが例示される。

第３強磁性層１５ａ、１５ｂに隣接してピニング層４０ａ、４０ｂを設けることによって第３強磁性層１５ａ、１５ｂの磁化を安定化することができ、書き込みエラーなどを回避することができる。また磁化状態やピンポテンシャルの強さをコントロールすることができる。

（第７変形例）
図２０は、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の第７変形例の構造を模式的に示している。第７変形例では、スペーサ層２０と第１強磁性層１０との界面の少なくとも一部分に、第１強磁性層１０よりも高いスピン分極率を有する高分極層７０が挿入され、スペーサ層２０と第２強磁性層３０との界面の少なくとも一部分に、第２強磁性層３０よりも高いスピン分極率を有する高分極層７１が挿入される。高分極層７０、７１の一方のみが磁気抵抗効果素子８０に挿入されることも可能である。

高分極層７０、７１は、読み出し信号のＳＮ比を大きくするために使用される。磁気抵抗効果素子８０本発明で、データ読み出しに磁気抵抗効果が利用される。このとき、第１強磁性層１０と第２強磁性層３０のスピン分極率が高いほど、高い磁気抵抗効果比が発現され、大きな読み出し信号が得られる。本変形例では、スペーサ層２０の界面に高分極層７０及び／又は高分極層７１が挿入される、磁気抵抗効果に影響を及ぼす第１強磁性層１０、及び第２強磁性層３０の実効的なスピン分極率を増大させることができ、結果として高い磁気抵抗効果比を得ることができる。

高分極層７０、７１として、垂直磁気異方性を有する材料が使用可能であることは自明的であるが、高分極層７０、７１として、その膜厚が充分に薄ければ、膜面方向の磁気異方性を有する材料が使用されてもよい。高分極層７０の膜厚が充分に薄い場合、高分極層７０と第１強磁性層１０との間の磁気的な相互作用により高分極層７０を膜面垂直方向に磁化させることができ、系の磁化状態を乱すことはない。高分極層７１についても同様である。高分極層７０、７１として使用され得る材料としては、具体的には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅなどが挙げられる。これらの材料に、その他の元素を添加することで所望の特性が得られるように調整することもできる。

さらに、高分極層７０はスペーサ層２０の成長の下地層としても機能するので、高分極層７０に用いられる材料の選択によっては、スペーサ層２０の結晶配向を制御する制御層としての役割を併せ持たせることもできる。例えば、近年、ＭＴＪにおいてトンネルバリア層として（００１）配向したＭｇＯを用いたときに非常に大きな磁気抵抗効果比が発現されることが報告されているが、このＭｇＯの（００１）配向は、例えば、高分極層７０としてＣｏ−Ｆｅ−Ｂを用いることによって実現することができる。

（第８実施例）
図２１は、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の第８変形例の構造を模式的に示している。第８変形例は、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂと、第２強磁性層３０との位置関係に関する。図１〜図２０に図示されている構造では、第３強磁性層１５及び第４強磁性層１５ｂと第２強磁性層３０とは、第１強磁性層１０に対して互いに反対側に配置されているが、第３強磁性層１５及び第４強磁性層１５ｂと第２強磁性層３０の位置関係は、これに限定されない。例えば、図２１のように、第３強磁性層１５及び第４強磁性層１５ｂと第２強磁性層３０とが、第１強磁性層１０の同一の側に位置していてもよい。

（第９変形例）
図２２Ａは、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の第９変形例の構造を模式的に示している。第９実施例の磁気抵抗効果素子８０は、放熱性を向上するための構造を有している。磁気抵抗効果素子８０へのデータ書き込みの際には第１強磁性層１０に直接に書き込み電流が流されるが、このとき第１強磁性層１０の発熱による動作の不安定性や素子の寿命の低下が懸念される。発熱の影響を軽減するためには、第１強磁性層１０を熱伝導率の高い材料となるべく広い面積で接合させ、放熱を起こり易くさせることが有効である。第９変形例では、第２強磁性層３０が、より広い面積で第１強磁性層１０と対向するように配置され、これにより、放熱性が向上されている。

以下では、図２２Ａに示されている第９変形例の磁気抵抗効果素子８０の構造を、図２の磁気抵抗効果素子８０の構造と対比しながら説明する。図２の磁気抵抗効果素子８０では、第２強磁性層３０が、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂとオーバーラップしないように（即ち、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂと対向しないように）配置されている。即ち、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂは、第２強磁性層３０に対してｘ軸方向にずれて位置している。一方、第９変形例では、第２強磁性層３０が第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂとオーバーラップするように（或いは第２強磁性層３０の一部分が第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂと対向するように）、第２強磁性層３０が配置されている。これにより、第２強磁性層３０が第１強磁性層１０と対向する面積が増大し、放熱性が向上する。

なお、図２２Ａでは、第２強磁性層３０は、第１強磁性層１０の第３強磁性層１５と接する面と反対側の全面と対向しているが、スペーサ層２０及び第２強磁性層３０の形状及び配置は、様々に変更可能である。例えば、図２２Ｂに示されているように、第２強磁性層３０が、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂとオーバーラップしているものの、第１強磁性層１０の第３強磁性層１５と接する面と反対側の面の一部分にのみ対向するように配置されることも可能である。

（第１０変形例）
図２３Ａ、図２３Ｂは、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の第１０変形例の構造を模式的に示している。第１０変形例は第１強磁性層１０、スペーサ層２０、及び第２強磁性層３０の積層順に関する。図１１の構造では、第１強磁性層１０が第２強磁性層３０に対して基板１１０に近い側に配置されるが、第１０変形例では、第２強磁性層３０が第１強磁性層１０に対して基板に近い側に配置される。

ここで第２強磁性層３０の形状は、図２３Ａに示されるように第１強磁性層１０よりも小さく形成されてもよく、あるいは図２３Ｂに示されるように第１強磁性層１０よりも大きく形成されてもよい。図２３Ｂのような構造を用いた場合には、第９変形例で述べられているように発熱の影響を軽減できるほか、第２強磁性層３０から第１強磁性層１０への磁束の影響を低減することができる。

（第１１変形例）
図２４Ａは、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の第１１変形例の構造を模式的に示している；詳細には、図２４Ａは、第１１変形例の斜視図であり、図２４Ｂは平面図である。

第１１変形例では、第１強磁性層１０が第１の方向（図中のｘ軸方向）に延伸して設けられる磁壁移動部１０ｃと、磁壁移動部１０ｃの一端から第２の方向（図中の＋ｙ方向）に略平行に延伸するように設けられる第１磁化固定部１０ａと、磁壁移動部１０ｃの他端から第２の方向とは反対の方向（図中の−ｙ方向）に略平行に延伸するように設けられる第２磁化固定部１０ｂとを備えている。また、第１磁化固定部１０ａ及び第２磁化固定部１０ｂには、それぞれ第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂが接合されている。第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂは、第１強磁性層１０の同一の面に接合される。また図２４Ａでは省略されているが、磁壁移動部１０ｃにはスペーサ層２０が接合され、さらにスペーサ層２０に接合して第２強磁性層３０が設けられることに留意されたい。

第１１変形例でも、上述のような初期化過程により第１強磁性層１０内にひとつの磁壁を導入することができる。但しこの場合、第１の初期化過程においては、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂを初期化するための外部磁界は、図中のｙ軸に略平行方向に印加される。この外部磁界によって＋ｙ方向に飽和した磁化が、図３Ａ〜図３Ｃで示されるような過程で緩和された後の磁化状態が図２４Ｂでは矢印で示されている。図２４Ｂに示されるように、磁壁移動部１０ｃの磁化方向は定まらないが、磁壁移動部１０ｃと第１磁化固定部１０ａの境界付近の磁化と、磁壁移動部１０ｃと第２磁化固定部１０ｂの境界付近の磁化は、いずれもｚ軸方向に平行であり、且つ、互いに反平行な方向を向く。これによって、磁壁移動による書き込みが可能となる。

また図２４Ａの構造では、第１磁化固定部１０ａ及び第２磁化固定部１０ｂの長手方向は、磁壁移動部１０ｃの長手方向に対して膜面内で垂直な方向であるが、磁壁移動部１０ｃの長手方向が、第１磁化固定部１０ａ及び第２磁化固定部１０ｂの長手方向となす角度は、任意に調節可能である。第１磁化固定部１０ａ、第２磁化固定部１０ｂの長手方向が磁壁移動部１０ｃの長手方向と平行になるとき、第１１変形例の磁気抵抗効果素子８０の構造は、図１、図２に示された構造に一致する。

第１１変形例では、
（１）第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂの材料、形状、及び膜厚、並びに
（２）第１磁化固定部１０ａ、第２磁化固定部１０ｂの長手方向と磁壁移動部１０ｃの長手方向のなす角
を調整することにより、磁壁のピンポテンシャルを調整することができる。

（初期化磁界の角度）
第１１変形例において言及されているように、第１強磁性層１０の幾何学的形状や、第１強磁性層１０、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂの位置関係には任意性がある。第１強磁性層１０の幾何学的形状や、第１強磁性層１０、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂの位置関係は、上述の第１の初期化過程において外部磁界が印加されるべき方向に影響を及ぼす。以下では、第１強磁性層１０の好適な幾何学的形状、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂの第１強磁性層１０に対する好適な位置、及び第１の初期化過程における外部磁界の印加方向に関する好適な条件について、主に図２、図２４Ａ、図２４Ｂを参照しながら説明する。

図２４Ａ、図２４Ｂを参照して、磁気抵抗効果素子８０の第１強磁性層１０は、第１の方向（図中のｘ軸方向）に延伸して設けられる磁壁移動部１０ｃと、磁壁移動部１０ｃの一端から第２の方向（図２では−ｘ方向、図２４Ａ、図２４Ｂでは＋ｙ方向）に延伸して設けられる第１磁化固定部１０ａと、磁壁移動部１０ｃの他端から第３の方向（図２では＋ｘ方向、図２４Ａ、図２４Ｂでは−ｙ方向）に延伸して設けられる第２磁化固定部１０ｂとを備えている。第２の方向を示す方向ベクトルｎ_２と、第３の方向を示す方向ベクトルｎ_３は、（平行ではなく）互いに反平行な成分を有している；例えば、図２４Ａ、図２４Ｂの構成では、方向ベクトルｎ_２が＋ｙ方向の成分を有しているのに対し、方向ベクトルｎ_３が−ｙ方向の成分を有している。又、図２の構成では、方向ベクトルｎ_２が−ｘ方向の成分を有しているのに対し、方向ベクトルｎ_３が＋ｘ方向の成分を有している。後述されるように、方向ベクトルｎ_２、ｎ_３は、必ずしも反対の方向に向いていなくてもよいことに留意されたい。第１磁化固定部１０ａには第３強磁性層１５ａが磁気的に結合され、第２磁化固定部１０ｂには第４強磁性層１５ｂが磁気的に結合される。

ここで第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂは、第１強磁性層１０に対して積層方向において異なる高さで且つ同一の側に設けられる。すなわち、第１強磁性層１０の膜厚方向の中心を通る面を第１の面Ｓ１、第３強磁性層１５ａの膜厚方向の中心を通る面を第２の面Ｓ２、第４強磁性層１５ｂの膜厚方向の中心を通る面を第３の面Ｓ３としたとき、面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３上の各位置の基板からの高さの平均値をそれぞれ第１の高さＺ１、第２の高さＺ２、第３の高さＺ３と定義したとき、Ｚ１＜Ｚ２且つＺ１＜Ｚ３が成り立たなくてはならない。あるいは、Ｚ１＞Ｚ２且つＺ１＞Ｚ３が成り立たなくてはならない。なお、図２はＺ１＞Ｚ２且つＺ１＞Ｚ３の例であり、図２１はＺ１＜Ｚ２且つＺ１＜Ｚ３の例である。

第１強磁性層１０、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂが上述された位置関係にある場合、第１の初期化過程では、方向ベクトルｎ_２、ｎ_３が有する反平行な成分の方向に略平行な方向（図２の構成ではｘ軸方向、図２４Ａ、図２４Ｂの構成ではｙ軸方向）に十分大きな外部磁界が印加される。この外部磁界によって飽和した第１強磁性層１０の磁化が緩和する過程で、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂとの磁気的相互作用により第１強磁性層１０の中には少なくとも一つの磁壁が形成される。

上述の考察から、図２５Ａ、図２５Ｂに示されるような磁気抵抗効果素子８０の構成も許容されることは当業者には理解されよう。図２５Ａは、磁気抵抗効果素子８０の構成の一例を示す斜視図であり、図２５Ｂは、平面図である。図２５Ａ、図２５Ｂの構成では、第１磁化固定部１０ａが延伸して設けられる第２の方向とは図２５Ｂの＋ｓ方向である。また第２磁化固定部１０ｂが延伸して設けられる第３の方向とは、図２５Ｂの＋ｔ方向である。また第２の方向（＋ｓ方向）の方向ベクトルｎ_２と第３の方向（＋ｔ方向）の方向ベクトルｎ_３の互いに反平行の成分とは、この場合＋ｘ成分、−ｘ成分である。従って、ｘ軸方向に略平行に十分大きな磁界を印加した後、緩和した場合、図２５Ｂに矢印で示されるような磁化配置が実現され、メモリ状態の初期化が可能であることがわかる。

第２実施例：
（磁気メモリセルの構成）
図２６は、本発明の第２実施例の磁気抵抗効果素子８０の主要な部分の構造を表す斜視図であり、図２７は、ｘ−ｚ断面図である。第２実施例の磁気抵抗効果素子８０の構造は、第１実施例の磁気抵抗効果素子８０の構造と類似しているが、第１強磁性層１０に電極層２００ａ、２００ｂが接合されている点で相違している。電極層２００ａは、第３強磁性層１５ａよりも第２強磁性層３０に近い位置に接合され、電極層２００ｂは、第４強磁性層１５ａよりも第２強磁性層３０に近い位置に接合されている。電極層２００ａ、２００ｂ及び第２強磁性層３０は、外部の異なる配線に接続されている；第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂは、外部の配線に接続されない。このように第２の実施例においても、磁気抵抗効果素子８０は３端子素子である。電極層２００ａ、２００ｂは電気抵抗の小さな導体材料により構成されることが望ましい。電極層２００ａ、２００ｂの材料の例としては、Ｃｕ、Ａｌなどが挙げられる。また、電極層２００ａ、２００ｂは、異なる材料で形成された膜の積層体により構成されてもよい。

（初期化方法）
以下では、第２実施例の磁気抵抗効果素子８０の初期化方法について図２８Ａ〜２８Ｃ、及び図２９Ａ〜２９Ｃを用いて説明する。当該磁気抵抗効果素子８０では、第１強磁性層１０に磁壁を導入する必要があり、図２８Ａ〜２８Ｃ及び図２９Ａ〜２９Ｃはその過程を示している。なお、図２８Ａ〜２８Ｃ、及び図２９Ａ〜２９Ｃでは、第１強磁性層１０、第３強磁性層１５、及び電極層２００のみが示されていることに留意されたい。

第２の実施例においても第１の実施例における初期化方法と同様な原理を用いてメモリ状態の初期化を行う。すなわち、第１強磁性層１０に磁壁を導入するためには、まず、磁気抵抗効果素子８０に、一様かつ十分大きな外部磁界がｘ軸方向に略平行な方向に印加される。外部磁界の印加により、図２８Ａに示されるように、全ての磁気モーメントが外部磁界の方向に揃い飽和した状態となる。次にこの状態から外部磁界が減少される。外部磁界の減少のスピードは適度に遅いことが望ましい。外部磁界の減少が開始されると、磁化の緩和が始まる。図２８Ｂに示されるように、第１強磁性層１０はｚ軸方向の磁気異方性を有するため、第１強磁性層１０のうちの第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂとの接続面付近の磁化が、まず、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂの磁化と緩やかに繋がるようにｚ軸方向に回転を始める。回転した磁化は膜面垂直方向の磁化を有する磁区を形成し、この磁区が第１強磁性層１０の中で成長する。ここで、図２８Ｂに示されるように、第１強磁性層１０の中で成長する二つの磁区は互いに略反平行方向の磁化を有する。従って、図２８Ｃに示されるように、二つの磁区が成長して出会ったとき、そこに磁壁が形成される。以上が本発明の第２の実施例における磁気抵抗効果素子８０の第１の初期化過程である。

第１の初期化過程によって第１強磁性層１０に導入された磁壁は、図２９Ａ〜２９Ｃに示されるような第２の初期化過程によって所望の位置に移動される。図２９Ａは第１の初期化過程が終了した時点での磁化状態の例である。磁気抵抗効果素子８０が図２９Ａの状態にあるときに書き込み電流を複数の電極層２００ａ、２００ｂの間で流すと（図２９Ｂ、図２９Ｃ中の破線矢印方向）、書き込み電流の方向によって図２９Ｂまたは図２９Ｂのいずれかの状態に磁気抵抗効果素子８０を初期化することができる。この他、後に述べるように第１強磁性層１０に磁壁のピニングサイトを設けた場合には、第１実施例で言及されているように、ｚ軸方向の磁界を用いて第２の初期化過程を行うこともできる。

（データ書き込み、読み出し）
次に本発明の第２実施例の磁気抵抗効果素子８０へのデータ書き込みの方法について図３０Ａ、図３０Ｂを用いて説明する。図３０Ａ、図３０Ｂは、当該磁気抵抗効果素子８０が異なるデータを記憶している状態（データ”０”を記憶している“０状態”と、データ”１”を記憶している“１”状態）での第１強磁性層１０の磁化状態を、ｘ−ｚ断面で模式的に示している。図３０Ａ、図３０Ｂの例では、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂの磁化は＋ｘ方向に向けられている。また、第１強磁性層１０の中央部の磁化が＋ｚ方向に向けられている状態が“０”状態と定義され（図３０Ａ参照）、第１強磁性層１０の中央部の磁化が−ｚ方向に向けられている状態が”１”状態と定義される（図３０Ｂ参照）。ただし、磁化方向と記憶されるデータに関する定義が上述の限りでないことは言うまでもない。

磁気抵抗効果素子８０が上述のような磁化状態を有するとき、“０”状態では磁壁が第１強磁性層１０の右側の電極層２００ｂとの接合面付近に形成され、“１”状態では磁壁が第１強磁性層１０の左側の電極層２００ａとの接合面付近に形成される。本実施例では、第１強磁性層１０に書き込み電流を面内方向に流して磁壁を移動させることによってデータ書き込みが行われる。この書き込み電流の向きを適切に選択することにより、磁壁を第１強磁性層１０内で所望の位置に移動させ、これにより、データ”０”、”１”を書き分けることができる。例えば、磁気抵抗効果素子８０が図３０Ａの“０”状態にあるときに＋ｘ方向（図３０Ａの右方向）に書き込み電流を流すと、−ｘ方向（図３０Ａの左方向）に伝導電子の流れが発生する。第１強磁性層１０の右側の電極層２００ｂとの接合面付近にあった磁壁は、伝導電子によるスピントランスファートルクを受けて伝導電子と同じ方向に移動し、第１強磁性層１０の左側の電極層２００ａとの接合面付近に到達する。同様に、磁気効果抵抗素子８０が図３０Ｂの“１”状態にあるときに、−ｘ方向に書き込み電流を流すと、＋ｘ方向に伝導電子の流れが発生する。第１強磁性層１０の左側の電極層２００ａとの接合面付近にあった磁壁は、伝導電子によるスピントランスファートルクを受けて伝導電子と同じ方向に移動し、第１強磁性層１０の電極層２００ａとの接合面付近に到達する。このようにして“０”状態から“１”状態へ、及び“１”状態から“０”状態への書き込みができる。

ここで例えば“０”状態から“１”状態への遷移のときには、磁壁は、第１強磁性層１０の電極層２００ｂとの接合面付近から電極層２００ａの接合面付近にまで移動するが、この電極層２００ａとの接合面付近を越えて更に左方向へと移動することはない。これは、書き込み電流は第１強磁性層１０から電極層２００ａへと流れるため、電極層２００ａよりも左側では電流が流れず、磁壁は移動できないためである。“１”状態から“０”状態への遷移の場合も同様に、磁壁は、電極層２００ｂとの接合面付近を越えて更に右方向へと移動することはない。

また、第１実施例と同様に第２実施例においてもオーバーライトは可能である。加えて、書き込み特性をより安定化させるためには、図１２Ａ〜図１２Ｃに示されるような磁壁のピンサイトを第１強磁性層１０と電極層２００ａ、２００ｂとの接合面の付近に意図的に形成してもよい。

第２実施例の磁気抵抗効果素子８０からのデータ読み出しは、第１実施例と同様の手順で行われる。第１実施例と同様に、データ読み出しには磁気抵抗効果が利用される。

（第１変形例）
図３１は、第２実施例の磁気抵抗効果素子８０の第１変形例の構造を模式的に示している。第１変形例では、第３強磁性層１５ａ及び第４強磁性層１５ｂが、第１強磁性層１０の電極層２００ａ、２００ｂが接合されている面とは異なる面に接合される。ここで電極層２００ａ、２００ｂは、第１強磁性層１０の長手方向において第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂよりも内側に設けられることが望ましい。また第１強磁性層１０と第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂとは磁気的に結合していればよく、その間に異なる層が挿入されてもよい。

第１変形例では、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂが、電極層２００ａ、２００ｂと異なるレイヤーに設けられるため、製造が容易となる。例えば、初めに電極層２００ａ、２００ｂを形成した後、第１強磁性層１０、スペーサ層２０、及び第２強磁性層３０を成膜、パターニングし、その後第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂを成膜、パターニングすることにより、図３１の構造を形成することができる。

また、図３１で示されているように、電極層２００ａ、２００ｂと、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂは、ｘ−ｙ平面において互いにオーバーラップすることが許容される。すなわち、電極層２００ａ、２００ｂ、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂの配置に関する製造プロセス上の制約が少なくなくなるため、セル面積を低減することができる。

また、磁壁が第１強磁性層１０の電極層２００ａ、２００ｂとの接合面付近においてピニングされる必要がある第２実施例においては、第１変形例の構造は、第３強磁性層１５ａ、第４からの漏れ磁束でピニングすることができるため好都合である。漏れ磁束の大きさは、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂに用いられる材料の飽和磁化や膜厚、及び第３強磁性層１５、第４強磁性層１５ｂ及び電極層２００ａ、２００ｂの位置関係により調節することができる。漏れ磁束の大きさを調節することによってピンポテンシャルの大きさを制御でき、安定した動作が可能な素子を容易に設計することができる。

（第２変形例）
図３２は、第２実施例の磁気抵抗効果素子８０の第２変形例の構造を模式的に示している。前述のように第１強磁性層１０と第３強磁性層１５は磁気的に結合していればよく、空間的には離れていてもよい。第２変形例においては、第１強磁性層１０と第３強磁性層１５は空間的に隔離して設けられる。

図３２のような第１強磁性層１０と第３強磁性層１５の位置関係においても図２８Ａ〜２８Ｃ、図２９Ａ〜図２９Ｃに示されるような初期化方法により、磁壁を導入できることがマイクロマグネティックシミュレーションにより確認されている。

第２変形例では第３強磁性層１５を隔離して設けることができるため、素子、プロセスの設計の自由度が高まり、製造が容易となる。

（第３変形例）
図３３Ａ、図３３Ｂは、第２実施例の磁気抵抗効果素子の第３変形例の構造を模式的に示している。図３３Ａ、図３３Ｂでは、２つの磁気抵抗効果素子８０Ａ、８０Ｂの構造がｘ−ｚ断面図で示されている。第３変形例においては、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂが隣接するビット間で共有される。図３３Ａに示されているように、第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂは、第１強磁性層１０に直接に接合されてもよく、図３３Ｂに示されているように、空間的に隔離されて設けられてもよい。なお、図３３Ａに示されるように第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂが第１強磁性層１０に直接に接合される場合第３強磁性層１５ａ、第４強磁性層１５ｂは、電気抵抗の大きな強磁性体で形成されることが望ましい。これは、書き込み電流が隣り合うビットに流れることを防ぐためである。電気抵抗の大きな強磁性体としては、例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３などの酸化物磁性体が挙げられる。第３変形例では第３強磁性層１５を共有することにより、セル面積が低減される。

（その他の変形例）
この他、第２実施例においても第１実施例で挙げたような様々な変形例が適用可能である。例えば、磁壁のピンサイトを形成するために、第１強磁性層１０に図１２Ａ、図１２Ｂに示されるようなノッチや段差を設けてもよい。また、安定動作のために、図１３Ａ〜１３Ｄに示されているように、第１強磁性層１０の平面形状を適切に設計することができる。また図２４Ａ、２４Ｂ、図２５Ａ、２５Ｂに示されるように、第１強磁性層１０が屈曲した平面形状を有していてもよい。この場合、電極層２００ａは、第３強磁性層１５ａよりも磁壁移動部１０ｃに近い位置に接合され、電極層２００ｂは、第４強磁性層１５ｂよりも磁壁移動部１０ｃに近い位置に接合されてもよい。上述された変形例は、矛盾しない限り、その複数が組み合わせて適用可能であることは、当業者には容易に理解されよう。

この出願は、２００７年１１月２日に出願された日本国特許出願特願２００７−２８６７５３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 (21)

1. 長手方向に長い形状を有し、且つ、磁壁を有するように形成された第１強磁性層と、
   前記第１強磁性層に対向するように設けられた、磁化が固定された第２強磁性層と、
   前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の間に形成される非磁性のスペーサ層と、
   前記第１強磁性層の前記長手方向の一端に磁気的に結合された第３強磁性層と、
   前記第１強磁性層の前記長手方向の他端に磁気的に結合された第４強磁性層
   とを具備し、
   前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層は、膜厚方向に磁気異方性を有し、
   前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層は、面内方向に磁気異方性を有し、
   前記第１強磁性層における前記磁壁の位置に対応づけてデータが記憶され、
   前記第１強磁性層へのデータ書き込みが、前記磁壁を電流駆動磁壁移動現象によって移動させることで行われる
   磁気抵抗効果素子。
2. 請求項１記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第１強磁性層は、
   第１の方向に延伸して設けられる磁壁移動部と、
   前記磁壁移動部の一端から第２の方向に延伸するように設けられる第１磁化固定部と、
   前記磁壁移動部の他端から第３の方向に延伸するように設けられる第２磁化固定部
   とを備え、
   第２の方向と第３の方向は反平行な成分を有し、
   前記第１磁化固定部には前記第３強磁性層が磁気的に結合され、
   前記第２磁化固定部には前記第４強磁性層が磁気的に結合され、
   前記第１強磁性層の膜厚方向の中心を通る面である第１の面の、積層方向における平均高さである第１の高さＺ１と、前記第３強磁性層の膜厚方向の中心を通る面である第２の面の、積層方向における平均高さである第２の高さＺ２と、前記第４強磁性層の膜厚方向の中心を通る面である第３の面の、積層方向における平均高さである第３の高さＺ３の間に、
   Ｚ１＜Ｚ２且つＺ１＜Ｚ３、または、
   Ｚ１＞Ｚ２且つＺ１＞Ｚ３
   が成り立つ
   磁気抵抗効果素子。
3. 請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層は、外部の配線に電気的に接続される
   磁気抵抗効果素子。
4. 請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
   更に、
   前記第１強磁性層の長手方向において前記第２強磁性層に対して前記第３強磁性層よりも近い位置において前記第１強磁性層に接合された第１電極層と、
   前記第１強磁性層の長手方向において前記第２強磁性層に対して前記第４強磁性層よりも近い位置において前記第１強磁性層に接合された第２電極層
   とを具備する
   磁気抵抗効果素子。
5. 請求項４に記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第１電極層と前記第２電極層とが、外部の配線に電気的に接続される
   磁気抵抗効果素子。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第１強磁性層の膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である
   磁気抵抗効果素子。
7. 請求項５に記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第１強磁性層の膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
   磁気抵抗効果素子。
8. 請求項６に記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第１強磁性層の膜厚が１ｎｍ以上８ｎｍ以下である
   磁気抵抗効果素子。
9. 請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第１強磁性層が、磁壁をピニングする第１及び第２ピニングサイトを備え、
   前記第２強磁性層は、前記第１強磁性層の前記第１及び第２ピニングサイトの間の部分に対向するように位置し、
   前記第３強磁性層は、前記第１強磁性層の一端と前記第１ピニングサイトの間の部分に磁気的に接合し、
   前記第４強磁性層は、前記第１強磁性層の他端と前記第２ピニングサイトの間の部分に磁気的に接合する
   磁気抵抗効果素子。
10. 請求項９に記載の磁気抵抗効果素子であって、
    前記第１及び第２ピニングサイトは、平面形状において、前記第１強磁性層にノッチ又は突出部を形成することによって形成された
    磁気抵抗効果素子。
11. 請求項９に記載の磁気抵抗効果素子であって、
    前記第１及び第２ピニングサイトは、前記第１強磁性層に段差を形成することによって形成された
    磁気抵抗効果素子。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
    前記第１強磁性層の前記長手方向に垂直な方向における幅は、前記第１強磁性層の端に近づくにつれて広義に単調に減少する
    磁気抵抗効果素子。
13. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
    前記第１強磁性層は、
    ２つの端部分と、
    前記端部分に挟まれた中央部分
    とを備え、
    前記２つの端部分と前記中央部分は、長手方向に並んで配置され、
    前記中央部分の前記長手方向に垂直な方向における幅は、前記第１強磁性層の端に近づくにつれて単調に減少し、
    前記端部分の前記長手方向に垂直な方向における幅は、前記第１強磁性層の端に近づくにつれて単調に増加する
    磁気抵抗効果素子。
14. 請求項１乃至１３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
    更に、
    前記第１強磁性層と前記第３強磁性層の間に設けられた第１導電層と、
    前記第１強磁性層と前記第４強磁性層の間に設けられた第２導電層
    とを具備する
    磁気抵抗効果素子。
15. 請求項１４に記載の磁気抵抗効果素子であって、
    前記第１導電層及び前記第２導電層が、強磁性体で形成された
    磁気抵抗効果素子。
16. 請求項１乃至１３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
    前記第１強磁性層に接合された導電層を更に具備し、
    前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層は、前記導電層に接合された
    磁気抵抗効果素子。
17. 請求項１乃至１６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子であって、
    更に、
    前記第３強磁性層に接合された、前記第３強磁性層の磁化を固定する第１ピニング層と、
    前記第４強磁性層に接合された、前記第３強磁性層の磁化を固定する第２ピニング層
    とを具備する
    磁気抵抗効果素子。
18. 請求項４記載の磁気抵抗効果素子である第１及び第２磁気抵抗効果素子を具備し
    前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とが、前記第３強磁性層を共有する
    磁気抵抗効果素子対。
19. 複数のメモリセルを具備し、
    前記複数のメモリセルのそれぞれが、請求項１乃至１４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備える
    磁気ランダムアクセスメモリ。
20. 請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の初期化方法であって、
    面内方向に外部磁界を印加するステップと、
    前記外部磁界を立ち下げて前記第１強磁性層内に磁壁を導入するステップ
    とを具備する
    磁気抵抗効果素子の初期化方法。
21. 請求項２０記載の磁気抵抗効果素子の初期化方法であって、
    前記第１強磁性層は、
    第１の方向に延伸して設けられる磁壁移動部と、
    前記磁壁移動部の一端から第２の方向に延伸するように設けられる第１磁化固定部と、
    前記磁壁移動部の他端から第３の方向に延伸するように設けられる第２磁化固定部
    とを備え、
    第２の方向と第３の方向は反平行な成分を有し、
    前記第１磁化固定部には前記第３強磁性層が磁気的に結合され、
    前記第２磁化固定部には前記第４強磁性層が磁気的に結合され、
    前記第１強磁性層の膜厚方向の中心を通る面である第１の面の、積層方向における平均高さである第１の高さＺ１と、前記第３強磁性層の膜厚方向の中心を通る面である第２の面の、積層方向における平均高さである第２の高さＺ２と、前記第４強磁性層の膜厚方向の中心を通る面である第３の面の、積層方向における平均高さである第３の高さＺ３の間に、
    Ｚ１＜Ｚ２且つＺ１＜Ｚ３、または、
    Ｚ１＞Ｚ２且つＺ１＞Ｚ３
    が成り立ち、
    前記外部磁界は、前記反平行な成分に略平行方向に印加される
    磁気抵抗効果素子の初期化方法。

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