JP5383882B1 - 不揮発性記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誤動作を抑制した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、磁気記憶素子と制御部とを含む不揮発性記憶装置が提供される。磁気記憶素子は、第１及び第２積層部を含む。第１積層部は、第１強磁性層と第２強磁性層と第１非磁性層とを含む。第２強磁性層の磁化の方向は、可変である。第２積層部は、第３強磁性層と非磁性トンネルバリア層とを含む。第３強磁性層の磁化の方向は、可変である。制御部は、磁気記憶素子を第１状態に設定する第１動作を実施する。第１動作は、第１立ち上がり時間を有する第１パルス電圧を磁気記憶素子に印加する第１予備動作と、第１予備動作の後に、第１立ち上がり時間よりも長い第２立ち上がり時間を有する第２パルス電圧を磁気記憶素子に印加する第１設定動作と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、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 MagnetoResistive）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・大容量の不揮発性記憶装置として注目を集めている。このような不揮発性記憶装置において、誤動作を抑制することが望まれている。

特開２０１２−６９９５８号公報

本発明の実施形態は、誤動作を抑制した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、磁気記憶素子と、制御部と、を含む不揮発性記憶装置が提供される。前記磁気記憶素子は、積層体を含む。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、第１強磁性層と、第２強磁性層と、第１非磁性層と、を含む。前記第１強磁性層の磁化の方向は、固定されている。前記第２強磁性層の磁化の方向は、可変である。前記第１非磁性層は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられる。前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記第１非磁性層は、積層方向に積層されている。前記第２積層部は、第３強磁性層と、非磁性トンネルバリア層と、を含む。前記第３強磁性層は、前記積層方向に沿って前記第１積層部と積層される。前記第３強磁性層の磁化の方向は、可変である。前記非磁性トンネルバリア層は、前記積層方向に沿って前記第３強磁性層と積層され、前記第３強磁性層と接する。前記制御部は、前記磁気記憶素子と電気的に接続される。前記制御部は、前記磁気記憶素子を第１状態に設定する第１動作を実施する。前記第１動作は、第１立ち上がり時間を有する第１パルス電圧を前記磁気記憶素子に印加する第１予備動作と、前記第１予備動作の後に、前記第１立ち上がり時間よりも長い第２立ち上がり時間を有する第２パルス電圧を前記磁気記憶素子に印加する第１設定動作と、を含む。

第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式的断面図である。 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、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を示す模式図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を示す模式図である。 図５（ａ）〜図５（ｃ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の動作を示す模式図である。 図６（ａ）〜図６（ｅ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の動作を示す模式図である。 図７（ａ）〜図７（ｄ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を示すグラフ図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を示すグラフ図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。 図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。 図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。 図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。 図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式図である。 図１８（ａ）〜図１８（ｅ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の実施例を示す模式図である。 図１９（ａ）〜図１９（ｄ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の別の実施例を示す模式図である。 図２０（ａ）〜図２０（ｄ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の別の実施例を示す模式図である。 第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式図である。

以下に、各実施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の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式的断面図である。
図１に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置６１０は、磁気記憶素子１１０と、制御部５５０と、を含む。
磁気記憶素子１１０は、積層体ＳＢ０を含む。積層体ＳＢ０は、第１積層部ＳＢ１と、第２積層部ＳＢ２と、を含む。
制御部５５０は、磁気記憶素子１１０と電気的に接続される。制御部５５０は、磁気記憶素子１１０に対して電圧の印加及び電流の供給を行うことにより、磁気記憶素子１１０の動作を制御する。

第１積層部ＳＢ１は、第１強磁性層１０と、第２強磁性層２０と、第１非磁性層１０ｎと、を含む。
第１強磁性層１０は、主面１０ａを有する。第１強磁性層１０の磁化の方向は、実質的に固定されている。第１強磁性層１０の磁化の方向は、例えば、主面１０ａに対して垂直な成分を有する。第１強磁性層１０の磁化の方向は、主面１０ａに対して非平行である。

第２強磁性層２０の磁化の方向は、可変である。第１非磁性層１０ｎは、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間に設けられる。第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第１非磁性層１０ｎは、積層方向ＳＤ１に積層されている。積層方向ＳＤ１は、例えば、主面１０ａに対して垂直である。

本願明細書において、積層されている状態は、直接接して重ねられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて重ねられる場合も含む。

第１積層部ＳＢ１の積層方向ＳＤ１に対して平行な方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とする。Ｘ軸とＹ軸とに対して垂直な軸をＹ軸とする。積層体ＳＢ０に含まれる層の膜面は、Ｘ−Ｙ平面に対して平行である。例えば、主面１０ａは、Ｘ−Ｙ平面に対して平行である。

第２積層部ＳＢ２は、積層方向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強磁性層３０と非磁性トンネルバリア層３１とを含む。第３強磁性層３０は、積層方向ＳＤ１に沿って第１積層部ＳＢ１と積層される。第３強磁性層３０の磁化の方向は、可変である。第３強磁性層３０の幅（積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向に沿う長さ）は、例えば、３５ナノメートル（ｎｍ）以下である。例えば、Ｘ−Ｙ平面に投影したときの第３強磁性層３０の形状が円形である場合、第３強磁性層３０の直径は、３５ｎｍ以下である。第３強磁性層３０の厚さ（積層方向ＳＤ１に沿う長さ）は、例えば、０．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下である。

非磁性トンネルバリア層３１は、積層方向ＳＤ１に沿って第１積層部ＳＢ１と積層され、第３強磁性層３０と接する。非磁性トンネルバリア層３１とは、例えば、絶縁体を含み、電圧を印加したときに、トンネル効果による電流（トンネル電流）の流れる非磁性の層である。非磁性トンネルバリア層３１の厚さは、例えば、２ｎｍ以下である。これにより、電圧を印加したときに、非磁性トンネルバリア層３１にトンネル電流が流れる。第３強磁性層３０は、絶縁体を含む非磁性トンネルバリア層３１と直接接する界面を有する。

この例では、第２積層部ＳＢ２が、第４強磁性層４０をさらに含む。第４強磁性層４０は、第３強磁性層３０と積層方向ＳＤ１に沿って積層される。第４強磁性層４０の磁化の方向は、実質的に固定されている。非磁性トンネルバリア層３１は、第３強磁性層３０と第４強磁性層４０との間に設けられる。

この例では、積層体ＳＢ０は、第２非磁性層２０ｎをさらに含む。第２非磁性層２０ｎは、第１積層部ＳＢ１と第２積層部ＳＢ２との間に設けられる。第２非磁性層２０ｎは、例えば、流れる電子のスピン偏極度を消失させるスピン消失層である。

この例では、磁気記憶素子１１０は、第１導電層８１と、第２導電層８２と、をさらに含む。第１積層部ＳＢ１は、第１導電層８１と第２導電層８２との間に配置される。第２積層部ＳＢ２は、第１積層部ＳＢ１と第２導電層８２との間に配置される。第１導電層８１は、第１積層部ＳＢ１に電気的に接続される。この例では、第１導電層８１は、第２強磁性層２０に電気的に接続される。第２導電層８２は、第２積層部ＳＢ２に電気的に接続される。この例では、第２導電層８２は、第３強磁性層３０に電気的に接続される。

第１導電層８１及び第２導電層８２は、制御部５５０と電気的に接続される。磁気記憶素子１１０は、第１導電層８１及び第２導電層８２を介して制御部５５０と直接または間接に接続される。第１導電層８１及び第２導電層８２は、磁気記憶素子１１０とは別と見なしても良い。

実施形態に係る不揮発性記憶装置６１０によれば、誤動作を抑制した不揮発性記憶装置が提供できる。例えば、磁気記憶素子１１０の幅を３５ｎｍ以下とした場合でも、双方向の書き込みにおいて第２強磁性層２０の磁化反転をアシストすることができる。これにより、例えば、書き込み時における誤動作が抑制される。また、書き込み時の電流値を低減させることもできる。

以下では、磁気記憶素子１１０の構成及び動作の例について説明する。以下の説明は、磁気記憶素子１１０に加え、実施形態に係る、後述する他の磁気記憶素子にも適用できる。

磁気記憶素子１１０においては、積層方向ＳＤ１に沿って第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に電流を流すことによりスピン偏極した電子を第２強磁性層２０に作用させる。また、磁気記憶素子１１０においては、第３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強磁性層２０に作用させる。これにより、第２強磁性層２０の磁化の方向が、電流の向きに応じた方向に決定される。

第１強磁性層１０は、例えば、第１の磁化固定層として機能する。第１強磁性層１０においては、例えば、磁化が膜面に対して略垂直方向に固定されている。例えば、第１強磁性層１０の磁化の方向は、膜面に対して略垂直方向である。

第２強磁性層２０においては、例えば、磁化容易軸が膜面に対して略垂直方向である。例えば、第２強磁性層２０の磁化の方向は、膜面に対して略垂直方向である。第２強磁性層２０の磁化は、比較的容易に反転可能である。第２強磁性層２０は、データを記憶する役割をもつ。第２強磁性層２０は、例えば、磁気記憶層として機能する。

第１非磁性層１０ｎは、第１のスペーサ層として機能する。第１非磁性層１０ｎが絶縁材料に基づくトンネルバリア層である場合に、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０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強磁性層３０においては、例えば、積層方向ＳＤ１へ投影した磁化成分が、積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向へ投影した磁化成分よりも大きい。第３強磁性層３０の磁化容易軸は、膜面に対して略垂直よりやや傾いていることが望ましい。第３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。第３強磁性層３０は、例えば、磁化回転層（発振層）として機能する。

第４強磁性層４０は、例えば、第２の磁化固定層として機能する。第４強磁性層４０の磁化の方向は、例えば、膜面に対して略垂直方向に固定されている。例えば、第４強磁性層４０の磁化の方向は、膜面に対して略垂直方向である。非磁性トンネルバリア層３１は、第２のスペーサ層として機能する。

第１強磁性層１０、第２強磁性層２０、第３強磁性層３０及び第４強磁性層４０には、例えば、垂直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、積層方向ＳＤ１に対して垂直な１つの方向を面内方向ＳＤ２とする。面内方向ＳＤ２は、Ｘ−Ｙ平面内の方向である。磁化７２の面内磁化成分７２ｂは、磁化７２をＸ−Ｙ平面に投影した成分である。面内磁化成分７２ｂは、面内方向ＳＤ２に対して平行である。磁化７２の垂直磁化成分７２ａは、磁化７２をＺ軸方向に投影した成分である。垂直磁化成分７２ａは、積層方向ＳＤ１に対して平行である。

図２（ａ）に表したように、垂直磁化膜においては、垂直磁化成分７２ａが、面内磁化成分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、面内磁化膜においては、面内磁化成分７２ｂが、垂直磁化成分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「上」または「上向き」と言う。第２積層部ＳＢ２から第１積層部ＳＢ１に向かう方向を「下」または「下向き」と言う。

既に説明したように、第１強磁性層１０の磁化の方向は、実質的に固定される。第４強磁性層４０の磁化の方向は、実質的に固定されている。

図１に表したように、磁気記憶素子１１０において、第１強磁性層１０の磁化の方向は上向きであり、第４強磁性層４０の磁化の方向も上向きである。ただし、第１強磁性層１０の磁化の方向及び第４強磁性層４０の磁化の方向は、種々の変形が可能である。例えば、第１強磁性層１０の磁化の方向及び第４強磁性層４０の磁化の方向の両方を下向きとしてもよいし、一方を上向きとし、他方を下向きとしてもよい。

磁気記憶素子１１０において、例えば、第１導電層８１及び第２導電層８２を介して、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２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。

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。高周波磁界は、第２強磁性層２０の磁化に対して垂直方向の成分（第２強磁性層２０の磁化困難軸の方向の成分）を有する。従って、第３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強磁性層２０の磁化困難軸の方向に印加される。第３強磁性層３０から発生した高周波磁界が、第２強磁性層２０の磁化困難軸の方向に印加されると、第２強磁性層２０の磁化が非常に反転し易くなる。

磁気記憶素子１１０においては、電子電流を第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に流すことによって、第２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。情報を記憶させる場合において、例えば、第２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。磁気記憶素子１１０は、第１状態、または、第１状態とは異なる第２状態、を有する。第１状態及び第２状態のそれぞれは、第２強磁性層２０の磁化の異なる２つの方向に応じている。

前述のように、第３強磁性層３０の幅（直径）は、３５ｎｍ以下であることが好ましい。第３強磁性層３０の幅が、３５ｎｍよりも大きくなると、例えば、第３強磁性層３０の磁化の歳差運動にともなって、ボルテックス（還流磁区）が発生する。第３強磁性層３０の断面形状の円相当直径を３５ｎｍ以下とし、第３強磁性層３０の厚さを０．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下とすることで、例えば、ボルテックスの発生を抑制することができる。これにより、例えば、第３強磁性層３０から発生した高周波磁界を第２強磁性層２０の磁化反転により適切に作用させ、第２強磁性層２０の磁化反転をアシストすることができる。すなわち、第２強磁性層２０の位置において、第２強磁性層２０の磁化が反転する十分な磁界強度を得ることができる。

第３強磁性層３０の横断面形状（積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの断面形状）の円相当直径をＲ（ｎｍ）、「Ｒ」の半分の値をｒ（＝Ｒ／２）（ｎｍ）、層厚をｔ（ｎｍ）とするとき、ｒ＜０．４１９ｔ^２−２．８６ｔ＋１９．８の関係式を満たすサイズとすることが望ましい。

本願明細書において、「円相当直径」とは、対象とする平面形状の面積と同じ面積を有する円を想定し、その円の直径をいうものとする。例えば、第３強磁性層３０の横断面形状が円形の場合、「Ｒ」は直径を意味する。第３強磁性層３０の横断面形状が楕円の場合、「Ｒ」は、その楕円の面積と同じ面積を有する円の直径を意味する。第３強磁性層３０の横断面形状が多角形の場合、「Ｒ」は、その多角形の面積と同じ面積を有する円の直径を意味する。

磁気記憶素子１１０における動作の具体例として、まず「書き込み」動作の例について説明する。

図３（ａ）〜図３（ｄ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。
これらの図は、磁気記憶素子１１０における「書き込み」動作の際の第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の状態を例示している。

図３（ａ）は、第１強磁性層１０から第２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。すなわち、図３（ａ）においては、下向きに電子電流６０を流す。図３（ｂ）は、第１強磁性層１０から第２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強磁性層２０から第１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。すなわち、図３（ｃ）においては、上向きに電子電流６０を流す。図３（ｄ）は、第２強磁性層２０から第１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強磁性層１０の膜面及び第２強磁性層２０の膜面を横切るように電子電流６０を流すことにより、第２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非磁性層１０ｎを介した第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電気抵抗は、第１強磁性層１０の磁化が第２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１１を有する第１強磁性層１０を通過した電子は、第１強磁性層１０の磁化１１と同じ方向のスピンをもつようになる。この電子が、第２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強磁性層２０へ伝達され、第２強磁性層２０の磁化１２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。

この例において、電子電流６０を下向きに流す場合には、第３強磁性層３０の磁化１３の向きを上向きにしておく。非磁性トンネルバリア層３１を通過した電子のうちで、第４強磁性層４０の磁化１４と同じ向き（図３（ａ）において上向き）のスピンをもった電子は、第４強磁性層４０を通過する。一方、第４強磁性層４０の磁化１４に対して逆向き（図３（ａ）において下向き）のスピンをもった電子は、第４強磁性層４０と非磁性トンネルバリア層３１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は、第３強磁性層３０へ伝達され、第３強磁性層３０の磁化１３に作用する。これにより、第３強磁性層３０の磁化１３が歳差運動し、高周波磁界が発生する。また、第４強磁性層４０を通過した電子のスピン偏極度は、第２非磁性層２０ｎの通過によって消失される。

図３（ｂ）に表したように、第２強磁性層２０の磁化１２は、スピントランスファトルクの作用及び高周波磁界の作用によって反転し、第１強磁性層１０の磁化１１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、例えば積層方向ＳＤ１に対して平行な１つの方向である。この向きの磁化１２を有する第２強磁性層２０の状態に、例えば「０」を割り当てる。磁気記憶素子１１０は、例えば、第２強磁性層２０の磁化１２の向きが上向きである状態が、第１状態に対応する。

図３（ｃ）に表したように、第１非磁性層１０ｎを通過した電子のうちで、第１強磁性層１０の磁化１１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強磁性層１０を通過する。一方、第１強磁性層１０の磁化１１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強磁性層１０と第１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強磁性層２０へ伝達され、第２強磁性層２０の磁化１２に作用する。

この例において、電子電流６０を上向きに流す場合には、第３強磁性層３０の磁化１３の向きを下向きにしておく。上向きの磁化１４を有する第４強磁性層４０を通過した電子は、第４強磁性層４０の磁化１４と同じ方向のスピンをもつようになる。この電子が、第３強磁性層３０へ流れると、このスピンのもつ角運動量が第３強磁性層３０へ伝達され、第３強磁性層３０の磁化１３に作用する。これにより、第３強磁性層３０の磁化１３が歳差運動し、高周波磁界が発生する。また、第１強磁性層１０を通過した電子のスピン偏極度は、第２非磁性層２０ｎの通過によって消失される。

図３（ｄ）に表したように、第２強磁性層２０の磁化１２は、スピントランスファトルクの作用及び高周波磁界の作用によって反転し、第１強磁性層１０の磁化１１に対して逆向き（図３（ｄ）において下向き）になる。この向きの磁化１２を有する第２強磁性層２０の状態に、例えば「１」を割り当てる。磁気記憶素子１１０は、例えば、第２強磁性層２０の磁化１２の向きが下向きである状態が、第２状態に対応する。

このような作用に基づいて、第２強磁性層２０の異なる複数の状態のそれぞれに、「０」または「１」が適宜割り当てられる。これにより、磁気記憶素子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非磁性層１０ｎを介した第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電気抵抗は、第１強磁性層１０の磁化が第２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。

この例においては、例えば、第１状態が「０」であり、第２状態が「１」である。第１状態を「１」とし、第２状態を「０」としてもよい。第１状態及び第２状態は、「０」または「１」に限ることなく、他の状態でもよい。磁気記憶素子１１０に設けられる状態の数は、３つ以上でもよい。すなわち、磁気記憶素子１１０は、マルチビットの記憶素子でもよい。

第１状態または第２状態の設定は、制御部５５０によって実施される。例えば、第１状態の設定が「書き込み」に対応し、第２状態の設定が「消去」に対応する。第２状態の設定が「書き込み」に対応し、第１状態の設定が「消去」に対応しても良い。

制御部５５０は、磁気記憶素子１１０を第１状態にする第１動作を実施する。第１動作では、例えば、第２強磁性層２０の磁化１２の方向を第１方向に設定する。第１動作は、第１予備動作と第１設定動作とを含む。第１予備動作は、第３強磁性層３０の磁化１３の方向を第２方向に変化させることを含む。第１設定動作は、第１予備動作の後に実施される。第１設定動作は、第２強磁性層２０の磁化１２の方向を第１方向に設定することを含む。この例において、第１動作は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示した動作である。すなわち、第１方向は、上向きであり、第２方向は、上向きである。

制御部５５０は、磁気記憶素子１１０を第２状態にする第２動作をさらに実施する。第２動作では、第２強磁性層２０の磁化１２の方向を第３方向に変化させる。第２動作は、第２予備動作と第２設定動作とを含む。第２予備動作は、第３強磁性層３０の磁化１３の方向を第４方向に変化させることを含む。第２設定動作は、第２予備動作の後に実施される。第２設定動作は、第２強磁性層２０の磁化１２の方向を第３方向に設定することを含む。この例において、第２動作は、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示した動作である。すなわち、第３方向は、下向きであり、第４方向は、下向きである。なお、第１方向〜第４方向の向きは、例えば、第１強磁性層１０の磁化１１の方向、及び、第４強磁性層４０の磁化１４の方向に応じて変化する。

次に、「読み出し」動作の例について説明する。
磁気記憶素子１１０における第２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強磁性層１０と第２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、書き込み時（記憶時）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、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。
これらの図は、磁気記憶素子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、第１導電層８１、第２導電層８２及び第２非磁性層２０ｎは省略されている。

図４（ａ）は、第１強磁性層１０の磁化１１の方向が、第２強磁性層２０の磁化１２の方向と同じ場合を例示している。図４（ｂ）は、第１強磁性層１０の磁化１１の方向が、第２強磁性層２０の磁化１２の方向と反平行（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複数の状態のそれぞれに、それぞれ「０」と「１」とを対応づけることにより、２値データの記憶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。

上記のように、磁気記憶素子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、磁気記憶部として機能する。以下、第２積層部ＳＢ２を、磁界発生源、または、ＳＴＯ(Spin Torque Oscillator）と言う場合がある。一方、第１積層部ＳＢ１を、磁気記憶部、または、ＭＴＪと言う場合がある。

上記のように、ＭＴＪ素子の記憶層である第２強磁性層２０への書き込みが、スピントルク書き込み方式により行われる。このような磁気記憶素子１１０において、例えば、高記憶密度化の要請から磁気記憶素子１１０の幅を３５ｎｍ以下とすることが望まれている。磁気記憶素子１１０の幅とは、例えば、磁気記憶素子１１０のＸ軸方向またはＹ軸方向に沿う長さである。また、磁気記憶素子１１０のＸ−Ｙ平面に投影した形状が、円形または楕円形である場合、磁気記憶素子１１０の幅とは、磁気記憶素子１１０の直径（長径）である。

本願発明者は、磁気記憶素子１１０の幅を３５ｎｍ以下とする場合に、高い垂直磁気異方性の材料を第２強磁性層２０などに用いることで、熱擾乱耐性を維持できることを見出した。この場合、第２積層部ＳＢ２（ＳＴＯ）から発生させる高周波磁界は、例えば、２０ＧＨｚ以上であることが必要となる。

磁気記憶素子１１０において、例えば、第３強磁性層３０に垂直磁化膜を用いることで、２０ＧＨｚ以上の磁界を発生させることができる。しかしながら、第３強磁性層３０に垂直磁化膜を用いる場合、片側方向の電流でしかＳＴＯが発振しないという課題がある。

垂直磁化膜において双方向の電流で発振させるためには、第３強磁性層３０または第４強磁性層４０のどちらか一方の磁化の向きを電流方向に応じて反転させる必要がある。図１に表したように、磁気記憶素子１１０において、第３強磁性層３０に垂直磁化膜を用い、且つ、第３強磁性層３０を非磁性トンネルバリア層３１に接触させた構造とした上で、立ち上がり時間の速いパルス電圧を印加することにより、第３強磁性層３０の磁化の向きを反転させることが可能となる。例えば、パルス電圧の立ち上がり時間を１ｎｓ（ナノ秒）未満（１０ピコ秒以上１ナノ秒未満）とする。これにより、パルス電圧の印加によって、第３強磁性層３０の磁化の向きを変化させることができる。

第３強磁性層３０の磁化の向きを変えた後で、第３強磁性層３０の磁化がスピントランスファトルクで歳差運動する電流を流す。これにより、双方向の電流によって、２０ＧＨｚ以上の磁界を発生させることができる。

次に、書き込み時の第２積層部ＳＢ２の動作について説明する。
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の動作を例示する模式図である。
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、パルス電圧の印加にともなう第３強磁性層３０の磁化反転の方法を表す。図５（ａ）〜図５（ｃ）では、簡単のため、第２積層部ＳＢ２だけを図示して説明する。図５（ａ）は、パルス電圧を印加する前の第２積層部ＳＢ２を表す。図５（ｂ）は、パルス電圧を印加する前の第３強磁性層３０を表す。図５（ｃ）は、パルス電圧を印加している時の第３強磁性層３０を表す。図５（ａ）及び図５（ｂ）において、第３強磁性層３０の磁化１３の積層方向ＳＤ１に投影した成分の方向は、上向きである。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に表したように、パルス電圧を印加する前の状態（印加していない状態）においては、第３強磁性層３０の磁化１３の積層方向ＳＤ１に投影した成分が、面内方向ＳＤ２に投影した成分よりも大きい。磁気記憶素子１１０に立ち上がり時間の短いパルス電圧を印加すると、磁化１３の積層方向ＳＤ１に沿う方向の異方性磁界が、磁化１３の面内方向ＳＤ２に沿う方向の有効磁界より小さくなる。この結果、第３強磁性層３０の磁化容易軸ＥＡが、積層方向ＳＤ１から４５度以上面内方向ＳＤ２側に傾き、この磁化容易軸ＥＡを軸として磁化１３が歳差運動する。その結果、歳差運動中に、磁化１３の積層方向ＳＤ１に投影した成分が、上向きの状態と下向きの状態とを繰り返す。

図６（ａ）〜図６（ｅ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の動作を例示する模式図である。
図６（ａ）〜図６（ｅ）は、第３強磁性層３０の磁化方向の決定方法について説明した図である。図６（ａ）〜図６（ｅ）では、簡単のため、第２積層部ＳＢ２だけを図示して説明する。図６（ａ）、図６（ｂ）及び図６（ｄ）では、歳差運動中の第３強磁性層３０の磁化１３の運動状態を球体ＳＰ内で考える。球体ＳＰは、例えば、磁化１３の歳差運動の軸ＰＡ上に中心ＣＴを配置した仮想的な球である。

図６（ａ）に表したように、歳差運動中においては、第３強磁性層３０の磁化１３が、球体ＳＰの上半球にある状態と球体ＳＰの下半球にある状態とを繰り返す。ここで、上半球とは、球体ＳＰにおいて、中心ＣＴを含みＸ−Ｙ平面に対して平行な平面よりも上側の部分である。下半球とは、球体ＳＰにおいて、中心ＣＴを含みＸ−Ｙ平面に対して平行な平面よりも下側の部分である。この例において、軸ＰＡは、中心ＣＴを含みＸ−Ｙ平面に対して平行な平面上の線である。この例において、磁化１３の磁化ベクトルの原点ＶＯは、中心ＣＴとする。すなわち、歳差運動中においては、磁化１３が、中心ＣＴを含みＸ−Ｙ平面に対して平行な平面をよぎるようになる。

図６（ｂ）及び図６（ｃ）に表したように、磁化平行状態を作るためには、磁化１３が上半球にいる状態でパルス電圧をオフにする。パルス電圧をオフにすると、磁化１３の積層方向ＳＤ１の成分の影響が強くなり、磁化１３は上向きに緩和する。その結果、第３強磁性層３０の磁化１３と第４強磁性層４０の上向きの磁化１４とが、磁化平行状態となる。

図６（ｄ）及び図６（ｅ）に表したように、磁化反平行状態を作るためには、磁化１３が下半球にいる状態でパルス電圧をオフにすればよい。この場合、第３強磁性層３０の磁化１３は、下向きに緩和する。これにより、磁化１３と磁化１４とが、磁化反平行状態となる。

図７（ａ）〜図７（ｄ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示するグラフ図である。
図７（ａ）〜図７（ｄ）は、パルス電圧による磁化の制御方法について、より詳細に説明した図である。
図７（ａ）〜図７（ｄ）の横軸は、時間ＴＭである。図７（ａ）及び図７（ｃ）の縦軸は、印加するパルス電圧の電圧値である。図７（ｂ）及び図７（ｄ）の縦軸は、磁化１３が上向きの状態を「１」、磁化１３が下向きの状態を「−１」として正規化した正規化値Ｍｚである。図７（ａ）及び図７（ｃ）では、第３強磁性層３０の磁化１３に着目し、磁化状態を球面で表している。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように、例えば、磁化１３が下向きの状態を初期状態とした場合に、パルス電圧ＰＶを印加する。パルス電圧ＰＶは、立ち上がり時間ｔｒ、第１時間幅ｔｐ１、及び、立ち下がり時間ｔｆを有する。第１時間幅ｔｐ１は、例えば、立ち上がり時間ｔｒの終点と、立ち下がり時間ｔｆの始点と、の間の時間である。第１時間幅ｔｐ１におけるパルス電圧ＰＶの電圧値は、実質的に一定でもよいし、変化してもよい。

立ち上がり時間ｔｒが１ｎｓより短い場合、第３強磁性層３０の面内方向ＳＤ２の磁化投影成分が、積層方向ＳＤ１の磁化投影成分より大きくなり、磁化１３が歳差運動を始める。磁化１３が上半球にいる間にパルス電圧ＰＶをオフすると、磁化１３は上向きに緩和する。すなわち、Ｍｚ＝１となる。磁化１３の歳差運動の周期Ｃｐ（秒）は、例えば、磁化容易軸方向の有効磁界の大きさで決まる。

第１時間幅ｔｐ１（秒）は、例えば、
（Ｃｐ／２）×（２ｎ−１）の０．７５倍以上１．２５倍以下（ｎは、１以上の整数）である。
これにより、始状態Ｍｚ＝−１を終状態Ｍｚ＝１にすることができる。

また、立ち上がり時間ｔｒは、第３強磁性層３０の磁化１３の方向の変化の緩和時間τ_{ｒｅｌａｘ}より短くする。これにより、第３強磁性層３０において、磁気異方性の変調をより効果的に働かせることができる。すなわち、ｔｒ＜τ_{ｒｅｌａｘ}であるパルス電圧ＰＶを印加する。これにより、第３強磁性層３０の磁化１３が、第２方向及び第４方向とは異なる方向を軸として歳差運動する。τ_{ｒｅｌａｘ}は、例えば、（１）式で求めることができる。

（１）式には、Ｇｉｌｖｅｒｔのダンピング定数α、磁気ジャイロ定数γ（Ｈｚ／Ｏｅ：ヘルツ／エルステッド）、及び、磁化容易軸方向の有効磁界Ｈ_ｅｆｆ（Ｏｅ）が用いられる。
有効磁界Ｈ_ｅｆｆは、例えば、Ｈ_ｅｆｆ＝Ｈ_ｕ＋Ｈ_{ｄｅｍａｇ}＋Ｈ_ｅｘｔの式で求めることができる。この式では、積層方向ＳＤ１の結晶磁気異方性Ｈ_ｕ、反磁界Ｈ_{ｄｅｍａｇ}（Ｏｅ）、及び、外部磁界Ｈ_ｅｘｔ（Ｏｅ）が用いられる。

磁化１３が下向きを初期状態とした場合、磁化反平行状態を作る方法について以下に示す。この場合、磁化方向を変える必要がないため、パルス電圧ＰＶは印加しなくてもよい。
図７（ｃ）及び図７（ｄ）に表したように、パルス電圧ＰＶを印加する場合、パルス電圧ＰＶは、立ち上がり時間ｔｒ、第２時間幅ｔｐ２、及び、立ち下がり時間ｔｆを有する。磁化１３が下半球にいる間となるように第２時間幅ｔｐ２を選択してパルス電圧ＰＶをオフする。これにより、磁化１３が下向きに緩和する。すなわち、Ｍｚ＝−１となる。

第２時間幅ｔｐ２（秒）は、例えば、
（Ｃｐ／２）×２（ｎ）の０．７５倍以上１．２５倍以下（ｎは、１以上の整数）である。
これにより、始状態Ｍｚ＝−１を終状態Ｍｚ＝−１にすることができる。

第１強磁性層１０（参照層）、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０（記憶層）にパルス電圧を印加すると、第１強磁性層１０から第２強磁性層２０に電流が流れる。その際、第１強磁性層１０を通過した電子は、第１強磁性層１０の磁化１１と同じ方向のスピンを持つようになる。この電子が、第２強磁性層２０へ流れると、このスピンの持つ角運動量が第２強磁性層２０へ伝達され、第２強磁性層２０の磁化１２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。第３強磁性層３０の磁化方向の反転は、このスピントランスファトルクを利用しているのではない。ここでは電圧印加時に生じる磁気異方性の変調を利用している。このことは、電圧印加した時の磁気記憶素子１１０の保磁力（Ｈｃ）や共鳴周波数が変化していることから確かめることができる。また、本実施形態に係る第３強磁性層３０の磁化反転を起こすために印加するパルス電圧の極性は、一方向でよい。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示するグラフ図である。
図８（ａ）及び図８（ｂ）の横軸は、時間ＴＭである。図８（ａ）の縦軸は、印加するパルス電圧の電圧値である。図８（ｂ）の縦軸は、正規化値Ｍｚである。
図８（ａ）及び図８（ｂ）において、始状態の磁化１３の向きは、下向き（Ｍｚ＝−１）である。この状態のときに、第１立ち上がり時間ｔｒ１を有する第１パルス電圧ＰＶ１を印加する。第１立ち上がり時間ｔｒ１は、τ_{ｒｅｌａｘ}以下である。第１立ち上がり時間ｔｒ１は、例えば、１ｎｓ未満（例えば１０ピコ秒以上１ナノ秒未満）である。また、第１パルス電圧ＰＶ１の時間幅（パルス幅）は、上記の第１時間幅ｔｐ１とする。これにより、第１パルス電圧ＰＶ１の印加の期間である第１期間Ｐ１において、第３強磁性層３０の磁化１３が反転し、磁化１３の向きを上向きにすることができる。このように、第３強磁性層３０の磁化１３は、第１パルス電圧ＰＶ１が終了したときに、第２方向に向く。

第１パルス電圧ＰＶ１の印加の後に、第２立ち上がり時間ｔｒ２を有する第２パルス電圧ＰＶ２を印加する。第２立ち上がり時間ｔｒ２は、τ_{ｒｅｌａｘ}よりも長い。すなわち、第２立ち上がり時間ｔｒ２は、第１立ち上がり時間ｔｒ１よりも長い。これにより、第２パルス電圧ＰＶ２の印加の期間である第２期間Ｐ２において、第３強磁性層３０の磁化１３が、スピントランスファトルクによって一斉歳差運動し、高周波磁界を発生する。この高周波磁界によって、第２強磁性層２０の磁化反転がアシストされる。これにより、第２強磁性層２０の磁化１２を反転させるための電流値を低減することが可能となる。

図９（ａ）及び図９（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示するグラフ図である。
図９（ａ）及び図９（ｂ）の横軸は、時間ＴＭである。図９（ａ）の縦軸は、印加するパルス電圧の電圧値である。図９（ｂ）の縦軸は、正規化値Ｍｚである。
図９（ａ）及び図９（ｂ）において、始状態の磁化１３の向きは、上向き（Ｍｚ＝１）である。この状態のときに、第３立ち上がり時間ｔｒ３を有する第３パルス電圧ＰＶ３を印加する。第３立ち上がり時間ｔｒ３は、τ_{ｒｅｌａｘ}以下である。第３立ち上がり時間ｔｒ３は、例えば、１ｎｓ未満（例えば１０ピコ秒以上１ナノ秒未満）である。また、第３パルス電圧ＰＶ３の時間幅は、第１時間幅ｔｐ１とする。これにより、第３パルス電圧ＰＶ３の印加の期間である第３期間Ｐ３において、第３強磁性層３０の磁化１３が反転し、磁化１３の向きを下向きにすることができる。

第３パルス電圧ＰＶ３の印加の後に、第４立ち上がり時間ｔｒ４を有する第４パルス電圧ＰＶ４を印加する。第４立ち上がり時間ｔｒ４は、τ_{ｒｅｌａｘ}よりも長い。すなわち、第４立ち上がり時間ｔｒ４は、第３立ち上がり時間ｔｒ３よりも長い。また、第４パルス電圧ＰＶ４の極性は、第２パルス電圧ＰＶ２の極性と異なる。第４パルス電圧ＰＶ４においては、第２パルス電圧ＰＶ２と反対向きの電流を磁気記憶素子１１０に流す。これにより、第４パルス電圧ＰＶ４の印加の期間である第４期間Ｐ４において、第２強磁性層２０の磁化１２の向きが反転する。この例においては、例えば、第２強磁性層２０の磁化１２の向きが、上向きから下向きに変化する。

第１パルス電圧ＰＶ１〜第４パルス電圧ＰＶ４の印加は、制御部５５０によって実施される。
制御部５５０は、第１予備動作において、第１立ち上がり時間ｔｒ１を有する第１パルス電圧ＰＶ１を磁気記憶素子１１０に印加することにより、第３強磁性層３０の磁化１３の方向を第２方向に変化させる。そして、制御部５５０は、第１設定動作において、第２立ち上がり時間ｔｒ２を有する第２パルス電圧ＰＶ２を磁気記憶素子１１０に印加することにより、第２強磁性層２０の磁化１２の方向を第１方向に変化させる。

また、制御部５５０は、第２予備動作において、第３立ち上がり時間ｔｒ３を有する第３パルス電圧ＰＶ３を磁気記憶素子１１０に印加することにより、第３強磁性層３０の磁化１３の方向を第４方向に変化させる。そして、制御部５５０は、第２設定動作において、第４立ち上がり時間ｔｒ４を有する第４パルス電圧ＰＶ４を磁気記憶素子１１０に印加することにより、第２強磁性層２０の磁化１２の方向を第３方向に変化させる。

このように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置６１０では、制御部５５０が、第１パルス電圧ＰＶ１〜第４パルス電圧ＰＶ４を磁気記憶素子１１０に印加する。これにより、例えば、磁気記憶素子１１０の幅を３５ｎｍ以下とした場合でも、双方向の書き込みにおいて第２強磁性層２０の磁化反転をアシストし、書き込み時における誤動作を抑制することができる。

第２非磁性層２０ｎに配線を接続し、書き込み動作及び読み出し動作の少なくともいずれかにおいて、第１導電層８１と第２非磁性層２０ｎとの間の電流の大きさ及び向きを、第２導電層８２と第２非磁性層２０ｎとの間の電流の大きさ及び向きと変えても良い。この動作は、電流を流さない場合も含む。すなわち、第１積層部ＳＢ１と第２積層部ＳＢ２とを互いに独立して動作させても良い。

第３強磁性層３０で発生する高周波磁界の特性（例えば周波数）は、第２強磁性層２０の磁化の状態によって変化する。例えば、第２強磁性層２０に記憶された記憶状態（磁化１２の方向）に基づいて、第３強磁性層３０での漏洩磁界が変化する。これを第３強磁性層３０で発生する高周波磁界の周波数の変化として検出し、記憶状態を読み出しても良い。

以下、磁気記憶素子１１０の各層の構成の例について説明する。以下の説明は、実施形態に係る任意の磁気記憶素子に適用できる。

第１強磁性層１０及び第２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金属を含む合金を用いることができる。

第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０において、含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件などを調整する。これにより、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０において、例えば、磁化量や磁気異方性などの特性を調整することができる。また、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０には、例えば、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強磁性層１０及び第２強磁性層２０には、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、及び、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、または、Ｎｉ／Ｃｕ等を、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０として用いることができる。

第１非磁性層１０ｎには、例えば、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非磁性層１０ｎには、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＡｌＬａＯ_３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、または、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ等を用いることができる。第１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、こ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非磁性層１０ｎの厚さは、約０．２ナノメートル（ｎｍ）以上２．０ｎｍ以下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３強磁性層３０には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む磁性金属を用いることができる。

非磁性トンネルバリア層３１には、例えば、第１非磁性層１０ｎに関して説明した非磁性トンネルバリア層の材料が用いられる。非磁性トンネルバリア層３１には、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＡｌＬａＯ_３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、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３１は、例えば、非磁性半導体（ＺｎＯｘ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯｘ、Ｚｎ、Ｔｅ、または、これらに遷移金属がドープされたもの）でもよい。

ＳＴＯ（第２積層部ＳＢ２）の抵抗値は、例えば、磁気記憶素子１１０の磁気抵抗効果に対応して設定される。磁気記憶素子１１０の磁気抵抗効果が小さい場合には、ＳＴＯの抵抗値を小さくする。例えば、ＳＴＯの抵抗値は、ＭＴＪの抵抗変化量の１０％〜３０％相当の抵抗値に設定する。磁気記憶素子１１０の磁気抵抗効果が小さい場合、非磁性トンネルバリア層３１の厚さは、例えば、約０．２ｎｍ以上２．０ｎｍ以下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、非磁性トンネルバリア層３１の膜厚の均一性を確保しつつ、ＳＴＯの抵抗値が過度に高くなることを抑制することができる。また、非磁性トンネルバリア層３１には、高誘電率材料を用いることが望ましい。これにより、電圧印加時において、第３強磁性層３０の磁気異方性の変化を効率よく起こすことができる。

第４強磁性層４０には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることが好ましい。さらに、これらと、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素と、を含む合金を用いることができる。

第４強磁性層４０において、含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件などを調整することにより、例えば、磁化量や磁気異方性などの特性を調整することができる。第４強磁性層４０は、例えば、ＴｂＦｅＣｏ、及び、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金でもよい。第４強磁性層４０は、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。Ｃｏ／Ｒｕ、及び、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強磁性層４０として用いることができる。

この例においては、第３強磁性層３０と第４強磁性層４０との間に非磁性トンネルバリア層３１が設けられ、第４強磁性層４０も非磁性トンネルバリア層３１に接する。しかしながら、第４強磁性層４０は、第３強磁性層３０に比べて磁気異方性が大きい。このため、第４強磁性層４０の磁化１４は、第１パルス電圧ＰＶ１が印加されたときにも、実質的に変化しない。すなわち、第４強磁性層４０の磁化１４の方向は、実質的に変化しない。

第２非磁性層２０ｎには、例えば、非磁性金属層が用いられる。
第２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）、チタン（Ｔｉ）、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つ以上の非磁性金属を含む合金を含むことができる。さらに、第２非磁性層２０ｎに用いられる非磁性金属層は、例えば、上記の群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、導電性窒化物、導電性酸化物及び導電性弗化物の少なくともいずれかでもよい。例えば、第２非磁性層２０ｎには、例えば、ＴｉＮ及びＴａＮなどを用いることができる。さらに、第２非磁性層２０ｎには、これらの材料の膜を積層させた積層膜を用いても良い。第２非磁性層２０ｎには、例えば、Ｔｉ膜／Ｒｕ膜／Ｔｉ膜の積層膜などを用いることができる。

第２非磁性層２０ｎ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。ルテニウム（Ｒｕ）などのスピン拡散長が短い材料を第２非磁性層２０ｎに用いることにより、流れる電子のスピン偏極を消失させ易くすることができる。

第１導電層８１及び第２導電層８２には、例えば、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。導電性の磁性材料としては、例えば、第３強磁性層３０及び第４強磁性層４０に用いられる材料と実質的に同じ材料を挙げることができる。

第１導電層８１及び第２導電層８２に用いられる導電性の非磁性材料には、例えば、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）、チタン（Ｔｉ）、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つ以上の金属を含む合金を用いることができる。さらに、第１導電層８１及び第２導電層８２に用いられる導電性の非磁性材料は、上記の群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、導電性窒化物、導電性酸化物及び導電性弗化物の少なくともいずれかでもよい。第１導電層８１及び第２導電層８２に用いられる導電性の非磁性材料は、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などでもよい。

第１導電層８１及び第２導電層８２の少なくともいずれかに、トランジスタが直接または間接に接続される場合がある。このときには、第１導電層８１及び第２導電層８２の上記の少なくともいずれかには、例えば、そのトランジスタのソース部またはドレイン部が用いられても良い。また、このときには、第１導電層８１及び第２導電層８２の上記の少なくともいずれかには、例えば、そのトランジスタのソース部またはドレイン部に接続されるコンタクト部が用いられても良い。

Ｘ−Ｙ平面に投影したときの第１積層部ＳＢ１の形状及び第２積層部ＳＢ２の形状は任意である。Ｘ−Ｙ平面に投影したときの第１積層部ＳＢ１の形状及び第２積層部ＳＢ２の形状は、例えば、円形、楕円形、扁平円、及び、多角形などである。多角形とする場合には、四角形や六角形などの３つ以上の角を有することが好ましい。また、多角形は、角丸状でもよい。

次に、第１の実施形態に係る磁気記憶素子１１０の製造方法の例について説明する。
ウェーハ上に下部電極（図示せず）を形成した後、そのウェーハを超高真空スパッタ装置内に配置する。次に、下部電極上に、Ｔａ／Ｒｕ層（電極とのコンタクト層、兼ストッパー層）、ＦｅＰｄ／ＣｏＦｅＢ層（第２強磁性層２０）、ＭｇＯ層（第１非磁性層１０ｎ）、ＣｏＦｅＢ／ＦｅＰｔ層（第１強磁性層１０）、及び、Ｒｕ（キャップ層）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。イオンミリングによってレジストで被覆されていない部分を、ストッパ層を兼ねた下部電極上のＴａ層が露出するまで削る。

次に、ウェーハを超高真空スパッタ装置内に配置して、Ｒｕ層（第２非磁性層２０ｎ）を積層させる。

加工体の全面にレジストを塗布し、第２非磁性層２０ｎの位置にレジストで被覆される部分ができるように、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。イオンミリングによって、レジストで被覆されていない部分を削る。絶縁埋め込みすべくＳｉＯ_２膜を成膜した後、レジストをリフトオフする。

次に、ウェーハを超高真空スパッタ装置内に配置して、ＦｅＰｔ／ＣｏＦｅＢ／Ｃｕ／Ｐｙ層（磁界発生源）、及び、その上にＴａ層（電極とのコンタクト層）をこの順に積層させる。

次に、磁気記憶素子１１０を絶縁埋め込みすべくＳｉＯ_２膜を成膜した後、ＣＭＰ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。

加工体の全面にレジストを塗布し、ビアの位置にレジストが被覆されない部分ができるように、ステッパ露光装置を用いてレジストをパターニングする。イオンミリングによってレジストで被覆されていない部分を削り、レジストを除去する。

加工体の全面にレジストを塗布し、ビアと上部電極の位置にレジストで被覆されない部分ができるように、ステッパ露光装置を用いて、レジストをパターニングする。ビアと上部電極とに対応した開口をＣｕで埋め込み成膜し、レジストを除去する。上部電極には、図示しない配線を設けて電気的入出力ができるようにする。
以上により、磁気記憶素子１１０が完成する。

図１０は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
図１０に表したように、この例においては、第２積層部ＳＢ２が、非磁性金属層３２を、さらに含む。非磁性金属層３２は、第３強磁性層３０と第４強磁性層４０との間に設けられる。例えば、第４強磁性層４０と非磁性金属層３２と第３強磁性層３０と非磁性トンネルバリア層３１とが、この順に積層される。

この例においては、第４強磁性層４０が、磁化回転層として機能し、第３強磁性層３０が、磁化方向の変化可能な磁化固着層として機能する。すなわち、この例では、第３強磁性層３０の磁化の方向が変化可能であり、第４強磁性層４０の磁化の方向も変化可能である。例えば、立ち上がり時間が１ｎｓ未満の第１パルス電圧ＰＶ１を印加すると、第３強磁性層３０の磁気異方性が変調され、第３強磁性層３０の磁化１３が積層方向ＳＤ１から面内方向ＳＤ２へと変化する。そして、第３強磁性層３０の磁化１３が、面内方向ＳＤ２を軸として歳差運動をする。これにより、歳差運動の周期に合わせてパルス電圧をオフにすることで、第３強磁性層３０の磁化１３において、上向きと下向きとの磁化方向を作り出すことが可能となる。

また、第１パルス電圧ＰＶ１を印加したときの磁気異方性の変化は、非磁性トンネルバリア層３１（絶縁体）と接する強磁性層において発現する。このため、第４強磁性層４０の磁化１４の方向は、第１パルス電圧ＰＶ１を印加した場合にも、実質的に変化しない。

第２パルス電圧ＰＶ２を印加すると、第４強磁性層４０の磁化１４が、第３強磁性層３０の電子の通過に基づくスピントランスファトルクによって、例えば、積層方向ＳＤ１を軸に一斉歳差運動し、高周波磁界を発生させる。このとき、第３強磁性層３０の磁化１３の方向は、スピントランスファトルクの作用では変化しない。

このように、第１パルス電圧ＰＶ１の印加に応じて磁化方向の変化する第３強磁性層３０は、磁化固着層でもよい。

非磁性金属層３２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つ以上の非磁性金属を含む合金を用いることができる。非磁性金属層３２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３２を通過する際に失われることが抑制される。

なお、図１０の構成において、第３強磁性層３０を磁化回転層とし、第４強磁性層４０を磁化固着層としてもよい。

図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
図１１（ａ）に表したように、磁気記憶素子１１１においては、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、第２非磁性層２０ｎ、第３強磁性層３０、非磁性トンネルバリア層３１、及び、第４強磁性層４０が、この順に積層されている。

図１１（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１１２においては、第２強磁性層２０、第１非磁性層１０ｎ、第１強磁性層１０、第２非磁性層２０ｎ、第３強磁性層３０、非磁性トンネルバリア層３１、及び、第４強磁性層４０が、この順に積層されている。

図１１（ｃ）に表したように、磁気記憶素子１１３においては、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、第２非磁性層２０ｎ、第４強磁性層４０、非磁性トンネルバリア層３１、及び、第３強磁性層３０が、この順に積層されている。

磁気記憶素子１１１〜磁気記憶素子１１３において、第２積層部ＳＢ２は、非磁性金属層３２（図１０参照）をさらに含んでもよい。このように、磁気記憶素子の積層構成は、種々の変形が可能である。

図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
図１２（ａ）に表したように、磁気記憶素子１１４においては、第１強磁性層１０の磁化１１の方向の積層方向ＳＤ１に投影した成分の向きが、第４強磁性層４０の磁化１４の方向の積層方向ＳＤ１に投影した成分の向きに対して逆である。この例においては、磁化１１の向きが下向きであり、磁化１４の向きが上向きである。磁化１１の向きを上向きとし、磁化１４の向きを下向きとしてもよい。磁気記憶素子１１４の積層構成は、磁気記憶素子１１０の積層構成と実質的に同じである。

磁気記憶素子１１４においては、磁化１１の向きを磁化１４の向きに対して逆向きとすることにより、第２強磁性層２０にかかる第１強磁性層１０、第３強磁性層３０及び第４強磁性層４０からの漏れ磁界の影響を抑えることができる。例えば、磁界の存在による磁化反転電流の非対称性を抑制することができる。これにより、不揮発性記憶装置６１０における誤動作をより適切に抑制することができる。

図１２（ｂ）〜図１２（ｄ）に表したように、磁気記憶素子１１５〜磁気記憶素子１１７においては、磁気記憶素子１１４と同様に、第１強磁性層１０の磁化１１の方向の積層方向ＳＤ１に投影した成分の向きが、第４強磁性層４０の磁化１４の方向の積層方向ＳＤ１に投影した成分の向きに対して逆である。

磁気記憶素子１１５の積層構成は、磁気記憶素子１１１の積層構成と実質的に同じである。磁気記憶素子１１６の積層構成は、磁気記憶素子１１２の積層構成と実質的に同じである。磁気記憶素子１１７の積層構成は、磁気記憶素子１１３の積層構成と実質的に同じである。磁気記憶素子１１４〜磁気記憶素子１１７において、第２積層部ＳＢ２は、非磁性金属層３２（図１０参照）をさらに含んでもよい。このように、磁化１１の向きを磁化１４の向きに対して逆向きとした場合においても、磁気記憶素子の積層構成は、種々の変形が可能である。

図１１（ａ）に表す磁気記憶素子１１１の構成及び図１２（ｂ）に表す磁気記憶素子１１５の構成において、第２非磁性層２０ｎを通過した電子にスピン情報が保たれると、第３強磁性層３０は、第２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２非磁性層２０ｎ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強磁性層３０の磁化回転の制御性の低下を抑制できる。

上記のように第２非磁性層２０ｎの材料を選択した場合には、第３強磁性層３０の磁化１３を歳差運動をさせるためのスピントランスファトルクの大きさが、第４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強磁性層３０の磁化１３を独立に制御することが可能となる。

第２非磁性層２０ｎにおいて、スピン消失効果を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つ以上の金属を含む合金を挙げることができる。

第２非磁性層２０ｎの厚さは、第２強磁性層２０と第３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２非磁性層２０ｎの厚さは、１．４ｎｍ以上に設定することが望ましい。

第２非磁性層２０ｎの厚さを１．４ｎｍ以上にした場合には、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との層間結合を抑えることができる。また、第２非磁性層２０ｎの内部及び界面を通過する伝導電子のスピン偏極度を、第２非磁性層２０ｎで消失させることができる。さらに、第２強磁性層２０の磁化１２の向きにより第３強磁性層３０の歳差運動が変化することを、第２非磁性層２０ｎによって抑えることができる。

一方、第２非磁性層２０ｎの厚さが２０ｎｍを超えると、例えば、多層膜のピラー形成が困難となる。さらに、第３強磁性層３０から発生する高周波磁界（回転磁界）の強度が、第２強磁性層２０の位置で減衰する。このため、第２非磁性層２０ｎの厚さは、２０ｎｍ以下に設定されることが望ましい。

第２非磁性層２０ｎとしては、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つ以上の金属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２非磁性層２０ｎに用いられる積層膜は、第１層と、第１層の少なくとも片側に積層された第２層と、を含む積層構成を有することができる。第１層は、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つ以上の金属を含む合金を含む。第２層は、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。

図１３は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
図１３に表したように、磁気記憶素子１１８においては、第２非磁性層２０ｎが、第１積層部ＳＢ１と第２積層部ＳＢ２との間に設けられる。第２非磁性層２０ｎは、例えば、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０との間に設けられる。この例において、第２非磁性層２０ｎは、第１強磁性層１０及び第４強磁性層４０に接する。第１強磁性層１０の磁化１１の方向及び第４強磁性層４０の磁化１４の方向は、積層方向ＳＤ１に対して斜めである。

磁気記憶素子１１８において、磁化１１を積層方向ＳＤ１に投影した成分の向きは、磁化１４を積層方向ＳＤ１に投影した成分の向きに対して、逆向きである。この場合には、第２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。

磁気記憶素子１１８において、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０とは、第２非磁性層２０ｎ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-Ferromagnetic）構造と呼ばれる。この例では、「第１の磁性層（例えば第１強磁性層１０）／非磁性層（例えば第２非磁性層２０ｎ）／第２の磁性層（例えば第４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。この構造においては、磁気記憶層（例えば第２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実質的に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）またはオスミウム（Ｏｓ）などの金属材料が用いられる。非磁性層の厚さは、例えば、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２非磁性層２０ｎは、例えば、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つ以上の金属を含む合金を含む。第２非磁性層２０ｎの厚さは、例えば、３ｎｍ以下である。

磁気記憶素子１１８において、第２積層部ＳＢ２は、非磁性金属層３２（図１０参照）をさらに含んでもよい。磁化１１の方向及び磁化１４の方向を積層方向ＳＤ１に対して斜めにする場合においても、磁気記憶素子の積層構成は、種々の変形が可能である。磁化１１を積層方向ＳＤ１に投影した成分の向きと、磁化１４を積層方向ＳＤ１に投影した成分の向きと、が同じ向きである構成において、磁化１１の方向及び磁化１４の方向を、積層方向ＳＤ１に対して斜めにしてもよい。

なお、実施形態に係る各磁気記憶素子１１０〜１１８に含まれる各層の寸法（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。また、上記の各磁気記憶素子１１０〜１１８において、第１積層部ＳＢ１のＸ−Ｙ平面に投影したときのサイズ（例えばＸ軸方向の幅や、Ｙ軸方向の幅）は、第２積層部ＳＢ２のＸ−Ｙ平面に投影したときのサイズと同じでも良く、小さくても良く、大きくても良い。

図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１２０及び磁気記憶素子１２１においては、第４強磁性層４０が省略されている。磁気記憶素子１２０及び磁気記憶素子１２１においては、第１積層部ＳＢ１と第３強磁性層３０との間に、非磁性トンネルバリア層３１が設けられる。磁気記憶素子１２０においては、第２強磁性層２０、第１非磁性層１０ｎ、第１強磁性層１０、非磁性トンネルバリア層３１及び第３強磁性層３０が、この順に積層される。磁気記憶素子１２１においては、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、非磁性トンネルバリア層３１及び第３強磁性層３０が、この順に積層される。

磁気記憶素子１２０の構成及び磁気記憶素子１２１の構成においては、第１強磁性層１０が、ＭＴＪの磁化固着層として用いられるとともに、ＳＴＯの磁化固着層としても用いられる。磁気記憶素子１２０の構成及び磁気記憶素子１２１の構成においても、例えば、第１予備動作を実施した後に第１設定動作を実施することによって、第２強磁性層２０に対する書き込みをアシストすることができる。不揮発性記憶装置６１０における誤動作を抑制することができる。このように、第４強磁性層４０は、磁気記憶素子において必要に応じて設けられ、省略可能である。

図１５は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
図１５に表したように、磁気記憶素子１２２は、磁気シールド５１をさらに含む。磁気シールド５１は、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０の少なくとも一部を覆う。換言すれば、磁気シールド５１は、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０の少なくとも一部と対向する。積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０は、例えば、第１積層部ＳＢ１の側面ＳＳ１と、第２積層部ＳＢ２の側面ＳＳ２と、第２非磁性層２０ｎの側面ＳＳｎと、を含む。この例において、磁気シールド５１は、側面ＳＳ１と側面ＳＳ２と側面ＳＳｎとを覆う。Ｘ−Ｙ平面に投影した磁気シールド５１の形状は、例えば、積層体ＳＢ０を囲む環状である。

磁気記憶素子１２２は、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０と磁気シールド５１との間に設けられた保護層５２をさらに含む。保護層５２の厚さは、第２強磁性層２０のＺ軸方向の中心から第３強磁性層３０のＺ軸方向の中心までのＺ軸方向に沿う距離と実質的に同じ長さか、それよりも長いことが望ましい。第２強磁性層２０のＺ軸方向の中心と第３強磁性層３０のＺ軸方向の中心との間のＺ軸方向に沿う距離は、例えば、磁気記憶素子１１１の構成及び磁気記憶素子１１５の構成において最も近づき、磁気記憶素子１１０の構成及び磁気記憶素子１１４の構成において最も離れる。保護層５２の厚さは、例えば、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが望ましい。

例えば、第１積層部ＳＢ１の側面ＳＳ１及び第２積層部ＳＢ２の側面ＳＳ２が、ＳｉＮやＡｌ_２Ｏ_３などの保護層５２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、例えば、複数の磁気記憶素子１２２が並べられた場合において、隣の磁気記憶素子１２２からの漏洩磁界が、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の動作に悪影響を与えることが抑制される。例えば、各記憶セル（積層体ＳＢ０）において、第１積層部ＳＢ１に作用する有効磁界が実質的に同じであるため、ビット間の反転電流のばらつきが抑制される。第２積層部ＳＢ２についても発振電流のばらつきが同様に抑えられる。また、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２からの漏洩磁界が、隣の磁気記憶素子に作用することを抑制することができる。その結果、複数の磁気記憶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。例えば、不揮発性記憶装置の記憶密度を向上させることができる。

磁気シールド５１には、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）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、ビスマス（Ｂｉ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、シリコン（Ｓｉ）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つ以上の金属を含む合金を用いることができる。

磁気シールド５１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いずれかの金属、または、この群から選択された２つ以上の金属を含む合金でもよい。磁気シールド５１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金属と、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金属と、を含む合金でもよい。

磁気シールド５１に含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件を調整することにより、磁気シールド５１の特性を調整することができる。磁気シールド５１は、例えば、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金でもよい。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てもよい。

保護層５２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、窒化物または弗化物を用いることができる。保護層５２には、例えば、ＳｉＮが用いられる。

図１６は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
図１６に表したように、磁気記憶素子１２３においては、第２積層部ＳＢ２が、第５強磁性層５０と第３非磁性層３０ｎとを、さらに含む。第５強磁性層５０は、積層方向ＳＤ１に沿って第３強磁性層３０と積層される。第３非磁性層３０ｎは、第３強磁性層３０と第５強磁性層５０との間に設けられる。この例の第２積層部ＳＢ２においては、第４強磁性層４０、非磁性トンネルバリア層３１、第３強磁性層３０、第３非磁性層３０ｎ及び第５強磁性層５０が、この順に積層される。磁気記憶素子１２３の第２積層部ＳＢ２の積層構成は、これに限ることなく、種々の変形が可能である。

第５強磁性層５０の磁化１５は、例えば、面内方向ＳＤ２を向く。磁化１５の面内方向ＳＤ２に投影した成分は、磁化１５の積層方向ＳＤ１に投影した成分よりも大きい。第５強磁性層５０は、例えば、面内磁化膜である。

磁気記憶素子１２３においては、第５強磁性層５０からの漏洩磁界によって、例えば、第３強磁性層３０の磁化１３が、積層方向ＳＤ１に対して傾く。例えば、磁化１３において、面内方向ＳＤ２を向く成分（面内磁化成分７２ｂ）が現れる。これにより、磁気記憶素子１２３においては、例えば、第１パルス電圧ＰＶ１の印加によって、第３強磁性層３０の磁気異方性を、より効率よく変化させることができる。第３強磁性層３０の磁化反転の制御性を向上させることができる。

第５強磁性層５０の材料は、例えば、第１強磁性層１０の材料、及び、第４強磁性層４０の材料と、実質的に同じである。第３非磁性層３０ｎの材料は、例えば、第１非磁性層１０ｎの材料、及び、第２非磁性層２０ｎの材料と、実質的に同じである。

図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式図である。
図１７（ａ）は、第１の実施形態に係る別の第２積層部ＳＢ２を示す模式的平面図であり、図１７（ｂ）は、模式的斜視図である。
図１７（ａ）及び図１７（ｂ）に表したように、この例の第２積層部ＳＢ２においては、第３強磁性層３０のＸ軸方向に沿う幅Ｗｘと、第３強磁性層３０のＹ軸方向に沿う幅Ｗｙと、の比が、Ｗｘ／Ｗｙ＞１である。すなわち、幅Ｗｘは、幅Ｗｙよりも長い。

この例において、Ｘ−Ｙ平面に投影した第３強磁性層３０の形状は、楕円形である。この場合、幅Ｗｘは、第３強磁性層３０の長径であり、幅Ｗｙは、第３強磁性層３０の短径である。Ｘ−Ｙ平面に投影した第３強磁性層３０の形状は、例えば、多角形でもよい。また、Ｘ−Ｙ平面に投影したときの、第１強磁性層１０の形状、第１非磁性層１０ｎの形状、第２強磁性層２０の形状、非磁性トンネルバリア層３１の形状、及び、第４強磁性層４０の形状は、第３強磁性層３０の形状と実質的に同じでもよいし、異なってもよい。

（第１実施例）
図１８（ａ）〜図１８（ｅ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の実施例を例示する模式図である。
図１８（ａ）は、パルス電圧の印加を表すグラフ図である。
図１８（ｂ）は、正規化値Ｍｚを表すグラフ図である。
図１８（ｃ）〜図１８（ｅ）は、磁気記憶素子１１４の各層の磁化の状態を表す模式的断面図である。
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）の横軸は、時間ＴＭである。図１８（ａ）の縦軸は、印加するパルス電圧の電圧値である。図１８（ｂ）の縦軸は、正規化値Ｍｚである。

第３強磁性層３０では、例えば、磁化１３が積層方向ＳＤ１に対して傾き（図５参照）、Δ値が小さい場合がある。Δ値とは、例えば、第３強磁性層３０の磁気異方性エネルギーと熱エネルギーとの比である。Δ値が大きいほど、磁化１３は安定する。そこで、制御部５５０は、始状態における第３強磁性層３０の磁化１３の方向を明らかにするため、第１パルス電圧ＰＶ１の印加の前に、磁化１３の方向を読み出す（判定する）ためのパルス電圧ＰＶｒを磁気記憶素子１１４に印加する。

読み出し用のパルス電圧ＰＶｒの電圧値の絶対値は、第１パルス電圧ＰＶ１の電圧値の絶対値、及び、第２パルス電圧ＰＶ２の電圧値の絶対値よりも小さい。例えば、パルス電圧ＰＶｒの印加によって磁気記憶素子１１４に供給される電流の絶対値は、第１パルス電圧ＰＶ１の印加によって磁気記憶素子１１４に供給される電流の絶対値、及び、第２パルス電圧ＰＶ２の印加によって磁気記憶素子１１４に供給される電流の絶対値よりも小さい。

磁化１３の方向の読み出しは、例えば、第２強磁性層２０の磁化１２の読み出しの場合と同様に、磁気抵抗効果を利用して実施される。例えば、磁気記憶素子１１４の磁気抵抗効果は、第２強磁性層２０の磁化１２の上向き及び下向きの２値、及び、第３強磁性層３０の磁化１３の上向き及び下向きの２値の、計４値を持つ。制御部５５０は、例えば、パルス電圧ＰＶｒを印加した際の磁気記憶素子１１４の抵抗値によって、磁化１２及び磁化１３の方向を判定する。

図１８（ｂ）及び図１８（ｃ）では、パルス電圧ＰＶｒを印加して読み出しを行った結果、磁化１３の方向が下向きであると制御部５５０が判定した場合を示している。制御部５５０は、目的とする磁化１３の方向と判定した磁化１３の方向とが異なる場合に、第１パルス電圧ＰＶ１の印加を実施する。この例では、磁化１３の方向を上向きにする場合に、制御部５５０が、第１立ち上がり時間ｔｒ１＜τ_{ｒｅｌａｘ}である第１パルス電圧ＰＶ１を磁気記憶素子１１４に印加する。その後、第２パルス電圧ＰＶ２を磁気記憶素子１１４に印加することにより、スピントランスファトルクによって第３強磁性層３０の磁化１３を発振（歳差運動）させ、高周波磁界を発生させる。また、制御部５５０は、目的とする磁化１３の方向と判定した磁化１３の方向とが異なる場合、第１パルス電圧ＰＶ１の印加を実施することなく第２パルス電圧ＰＶ２の印加を実施する。この結果、第２強磁性層２０の磁化反転が高周波磁界によってアシストされ、低電流で第２強磁性層２０の磁化反転をすることが可能となる。

（第２実施例）
図１９（ａ）〜図１９（ｄ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の別の実施例を例示する模式図である。
図１９（ａ）及び図１９（ｃ）は、磁気記憶素子１１４の各層の磁化の状態を表す模式的断面図である。
図１９（ｂ）及び図１９（ｄ）は、パルス電圧の印加を表すグラフ図である。
図１９（ｂ）及び図１９（ｄ）の横軸は、時間ＴＭであり、縦軸は、印加するパルス電圧の電圧値である。

まず、第１積層部ＳＢ１（ＭＴＪ)の磁化が反平行から平行な状態への書き込みについて説明する。第２強磁性層２０の磁化反転を効率よくアシストするためには、第２強磁性層２０の歳差運動の向きと、第３強磁性層３０の磁化１３が発振した時に発生する回転磁界の向きと、が一致していることが望ましい。第３強磁性層３０が歳差運動する向きは、例えば、（２）式のＬＬＧ方程式からわかる。

（２）式には、第３強磁性層３０の全スピン角運動量Ｍ（Ｎｍｓ：ニュートンメートル秒）、磁気ジャイロ定数γ（γ＜０）（Ｈｚ／Ｏｅ）、Ｇｉｌｖｅｒｔのダンピング定数α、第３強磁性層３０にかかる有効磁界Ｈ_ｅｆｆ（Ｏｅ）、スピントランスファー効率の関数ｇ、電流Ｉ（Ａ）、電子電荷ｅ（Ｃ）、及び、第４強磁性層４０の単位磁化ｐ（ｅｍｕ／ｃｍ^３）、及び、プランク定数ｈ（Ｊｓ）が、用いられている。なお、（２）式において矢印を付して示したように、角運動量Ｍ、有効磁界Ｈ_ｅｆｆ、及び、単位磁化ｐは、ベクトル量である。

（２）式の右辺の第１項は歳差運動を表し、第２項はダンピングを表し、第３項はスピントルクを表す。第３強磁性層３０が発振する条件においては、右辺の第２項と第３項はキャンセルされ、第１項のみが残る。これより、第３強磁性層３０の磁化１３の回転方向は、Ｍ×Ｈ_ｅｆｆの向きとなる。

第３強磁性層３０の磁化１３の回転方向を決めるため、まずパルス電圧ＰＶｒを印加して、第３強磁性層３０の磁化方向を読み出す。図１９（ａ）に表したように、磁気記憶素子１１４の構成においては、第２強磁性層２０の磁化１２が上向きの場合に、第３強磁性層３０の磁化１３の向きを上向きにする。これにより、第３強磁性層３０の磁化１３が発振した時に発生する回転磁界の向きと、第２強磁性層２０の歳差運動の向きと、が一致する。第３強磁性層３０の磁化１３の方向が下向きであった場合には、第１パルス電圧ＰＶ１の印加を実施して、磁化１３の方向を上向きに反転させる。その後、第２パルス電圧ＰＶ２の印加を実施して、スピントランスファトルクによって第３強磁性層３０の磁化１３を発振させる。

次に、第１積層部ＳＢ１の磁化が平行から反平行な状態への書き込みについて説明する。第３強磁性層３０の磁化１３の回転方向を決めるため、まずパルス電圧ＰＶｒを印加して、第３強磁性層３０の磁化方向を読み出す。図１９（ｃ）に表したように、磁気記憶素子１１４の構成においては、第２強磁性層２０の磁化１２が下向きの場合に、第３強磁性層３０の磁化１３の向きを下向きにする。これにより、第３強磁性層３０の磁化１３が発振した時に発生する回転磁界の向きと、第２強磁性層２０の歳差運動の向きと、が一致する。第３強磁性層３０の磁化１３の方向が上向きであった場合には、第３パルス電圧ＰＶ３の印加を実施して、磁化１３の方向を下向きに反転させる。その後、第４パルス電圧ＰＶ４の印加を実施して、スピントランスファトルクによって第３強磁性層３０の磁化１３を発振させる。

このように、本実施形態によれば、双方向の電流で磁化反転を効率よく起こすことが可能となる。

（第３実施例）
図２０（ａ）〜図２０（ｄ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の別の実施例を例示する模式図である。
図２０（ａ）及び図２０（ｃ）は、磁気記憶素子１１５の各層の磁化の状態を表す模式的断面図である。
図２０（ｂ）及び図２０（ｄ）は、パルス電圧の印加を表すグラフ図である。
図２０（ｂ）及び図２０（ｄ）の横軸は、時間ＴＭであり、縦軸は、印加するパルス電圧の電圧値である。

まず、第１積層部ＳＢ１の磁化が反平行から平行な状態への書き込みについて説明する。第３強磁性層３０の磁化１３の回転方向を決めるため、まずパルス電圧ＰＶｒを印加して、第３強磁性層３０の磁化方向を読み出す。図２０（ａ）に表したように、磁気記憶素子１１５の構成においては、第２強磁性層２０の磁化１２が下向きの場合に、第３強磁性層３０の磁化１３の向きを下向きにする。これにより、第３強磁性層３０の磁化１３が発振した時に発生する回転磁界の向きと、第２強磁性層２０の歳差運動の向きと、が一致する。第３強磁性層３０の磁化１３の方向が上向きであった場合には、第１パルス電圧ＰＶ１の印加を実施して、磁化１３の方向を下向きに反転させる。その後、第２パルス電圧ＰＶ２の印加を実施して、スピントランスファトルクによって第３強磁性層３０の磁化１３を発振させる。

次に、第１積層部ＳＢ１の磁化が平行から反平行な状態への書き込みについて説明する。第３強磁性層３０の磁化１３の回転方向を決めるため、まずパルス電圧ＰＶｒを印加して、第３強磁性層３０の磁化方向を読み出す。図２０（ｃ）に表したように、磁気記憶素子１１５の構成においては、第２強磁性層２０の磁化１２が上向きの場合に、第３強磁性層３０の磁化１３の向きを上向きにする。これにより、第３強磁性層３０の磁化１３が発振した時に発生する回転磁界の向きと、第２強磁性層２０の歳差運動の向きと、が一致する。第３強磁性層３０の磁化１３の方向が下向きであった場合には、第３パルス電圧ＰＶ３の印加を実施して、磁化１３の方向を上向きに反転させる。その後、第４パルス電圧ＰＶ４の印加を実施して、スピントランスファトルクによって第３強磁性層３０の磁化１３を発振させる。

磁気記憶素子１１５では、第２実施例で示した磁気記憶素子１１４と比較して、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間のＺ軸方向に沿う距離を近づけることができる。このため、磁気記憶素子１１５では、第３強磁性層３０の磁化１３の磁化反転をより効率的に起こすことができる。

（第２の実施形態）
本実施形態においては、複数の磁気記憶素子がマトリクス状に配置される。
図２１は、第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式図である。
図２１に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置６２０は、記憶セルアレイ部ＭＣＡを含む。記憶セルアレイ部ＭＣＡは、マトリクス状に配列された複数の記憶セルＭＣを有する。

各記憶セルＭＣは、第１の実施形態に係る磁気記憶素子のいずれかを記憶部として有する。この例では、磁気記憶素子１１０が用いられている。

記憶セルアレイ部ＭＣＡには、複数のビット配線対（ビット配線ＢＬ及びビット配線バー＼ＢＬ）及び、複数のワード配線ＷＬが配置されている。複数のビット配線対のそれぞれは、列（カラム）方向に延在する。複数のワード配線ＷＬのそれぞれは、行（ロウ）方向に延在する。

ビット配線ＢＬとワード配線ＷＬとの交差部分に、記憶セルＭＣが配置される。各記憶セルＭＣは、磁気記憶素子（例えば磁気記憶素子１１０）と選択トランジスタＳＴとを有する。磁気記憶素子１１０の一端は、ビット配線ＢＬに接続されている。磁気記憶素子１１０の他端は、選択トランジスタＳＴのドレイン端子に接続されている。選択トランジスタＳＴのゲート端子は、ワード配線ＷＬに接続されている。選択トランジスタＳＴのソース端子は、ビット配線バー＼ＢＬに接続されている。

ワード配線ＷＬには、ロウデコーダ７５１が接続されている。ビット配線対のうちの一方（例えばビット配線バー＼ＢＬ）の一端は、読み出し部５１０に接続されている。ビット配線対のうちの一方（例えばビット配線バー＼ＢＬ）の他端は、スイッチ７５６を介して第１の電源ソース／シンク回路７５７に接続されている。ビット配線対のうちの他方（例えばビット配線ＢＬ）は、スイッチ７５４を介して第２の電源ソース／シンク回路７５５に接続されている。

例えば、読み出し部５１０、ロウデコーダ７５１、第１の電源ソース／シンク回路７５７及び第２の電源ソース／シンク回路７５５によって、制御部５５０が構成される。制御部５５０は、ビット配線ＢＬ、ワード配線ＷＬ及び選択トランジスタＳＴなどを介して、複数の磁気記憶素子１１０のそれぞれと電気的に接続される。制御部５５０は、複数の磁気記憶素子１１０のそれぞれに対して、データの書き込み及びデータの読み出しを実施する。

このような構成により、記憶セルアレイ部ＭＣＡの任意の記憶セルＭＣ（例えば磁気記憶素子１１０）にデータを書き込み、また、磁気記憶素子１１０に書き込まれたデータを読み出すことができる。このように構成された不揮発性記憶装置６２０においても、制御部５５０が、第１予備動作を実施した後に、第１設定動作を実施することにより、誤動作を抑制することができる。

実施形態によれば、誤動作を抑制した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、不揮発性記憶装置に含まれる磁気記憶素子、制御部、積層体、第１及び第２積層部、第１〜第４強磁性層、第１及び第２非磁性層、非磁性トンネルバリア層、非磁性金属層及び磁気シールド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、本発明の実施形態として上述した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強磁性層、 １０ａ…主面、 １０ｎ…第１非磁性層、 １１〜１５…磁化、 ２０…第２強磁性層、 ２０ｎ…第２非磁性層、 ３０…第３強磁性層、 ３１…非磁性トンネルバリア層、 ３２…非磁性金属層、 ４０…第４強磁性層、 ５０…第５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導電層、 ８２…第２導電層、 １１０〜１１８、１２０〜１２３…磁気記憶素子、 ５１０…読み出し部、 ５５０…制御部、 ６１０、６２０…不揮発性記憶装置、 ７５１…ロウデコーダ、 ７５４…スイッチ、 ７５５…第２の電源ソース／シンク回路、 ７５６…スイッチ、 ７５７…第１の電源シース／シンク回路、 ＼ＢＬ…ビット配線バー、 ＢＬ…ビット配線、 ＥＡ…磁化容易軸、 ＭＣ…記憶セル、 ＭＣＡ…記憶セルアレイ部、 Ｐ１〜Ｐ４…期間、 ＰＶ、ＰＶ１〜ＰＶ４、ＰＶｒ…パルス電圧、 ＳＢ０…積層体、 ＳＢ１、ＳＢ２…第１、第２積層部、 ＳＤ１…積層方向、 ＳＤ２…面内方向、 ＳＳ０〜ＳＳ２、ＳＳｎ…側面、 ＳＴ…選択トランジスタ、 ｔｆ…立ち下がり時間、 ｔｐ１、ｔｐ２ …時間幅、 ｔｒ、ｔｒ１〜ｔｒ４…立ち上がり時間、 ＷＬ…ワード配線、 Ｗｘ、Ｗｙ…幅

Claims (16)

1. 磁化の方向が固定された第１強磁性層と、
   磁化の方向が可変である第２強磁性層と、
   前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
   を含み、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記第１非磁性層が積層方向に積層されている第１積層部と、
   前記積層方向に沿って前記第１積層部と積層され磁化の方向が可変である第３強磁性層と、
   前記積層方向に沿って前記第３強磁性層と積層され前記第３強磁性層と接する非磁性トンネルバリア層と、
   を含む第２積層部と、
   を含む積層体を含む磁気記憶素子と、
   前記磁気記憶素子と電気的に接続された制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記磁気記憶素子を第１状態に設定する第１動作を実施し、前記第１動作は、
   第１立ち上がり時間を有する第１パルス電圧を前記磁気記憶素子に印加する第１予備動作と、
   前記第１予備動作の後に、前記第１立ち上がり時間よりも長い第２立ち上がり時間を有する第２パルス電圧を前記磁気記憶素子に印加する第１設定動作と、
   を含む不揮発性記憶装置。
2. 前記第１動作は、前記第２強磁性層の前記磁化の方向を第１方向に設定する動作であり、
   前記第１予備動作は、前記第３強磁性層の前記磁化の方向を第２方向に変化させることを含み、
   前記第１設定動作は、前記第２強磁性層の前記磁化の方向を前記第１方向に設定する動作である請求項１記載の不揮発性記憶装置。
3. 前記第３強磁性層の前記磁化は、前記第１パルス電圧の印加している時に、前記第２方向とは異なる方向を軸として歳差運動し、
   前記第３強磁性層の前記磁化は、前記第１パルス電圧が終了したときに、前記第２方向に向く請求項２記載の不揮発性記憶装置。
4. 前記第１パルス電圧の時間幅ｔｐ１は、前記歳差運動の周期をＣｐとするとき、
   （Ｃｐ／２）×（２ｎ−１）の０．７５倍以上１．２５倍以下である（ｎは、１以上の整数）請求項３記載の不揮発性記憶装置。
5. 前記制御部は、前記磁気記憶素子を前記第１状態とは異なる第２状態に設定する第２動作をさらに実施し、前記第２動作は、
   第３立ち上がり時間を有する第３パルス電圧を前記磁気記憶素子に印加する第２予備動作と、
   前記第２予備動作の後に、前記第３立ち上がり時間よりも長い第４立ち上がり時間と、前記第２パルス電圧の極性とは異なる極性と、を有する第４パルス電圧を前記磁気記憶素子に印加する第２設定動作と、
   を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
6. 前記第２動作は、前記第２強磁性層の前記磁化の方向を第３方向に設定する動作であり、
   前記第２予備動作は、前記第３強磁性層の前記磁化の方向を第４方向に変化させることを含み、
   前記第２設定動作は、前記第２強磁性層の前記磁化の方向を前記第３方向に設定する動作である請求項５記載の不揮発性記憶装置。
7. 前記第１強磁性層の前記磁化の方向の前記積層方向の成分は、前記第１強磁性層の前記磁化の方向の前記積層方向に対して垂直な方向の成分よりも大きく、
   前記第２強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分は、前記第２強磁性層の前記磁化の前記垂直な方向の成分よりも大きく、
   前記第３強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分は、前記第３強磁性層の前記磁化の前記垂直な方向の成分よりも大きい請求項１〜６のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
8. 前記第３強磁性層は、前記第２パルス電圧の印加によって高周波磁界を発生し、前記高周波磁界は、前記第２強磁性層に印加される請求項１〜７のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
9. 前記非磁性トンネルバリア層は、前記第１積層部と前記第３強磁性層との間に配置される請求項１〜８のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
10. 前記第２積層部は、磁化の方向が固定された第４強磁性層を、さらに含み、
    前記非磁性トンネルバリア層は、前記第３強磁性層と前記第４強磁性層との間に配置される請求項１〜８のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
11. 前記第１強磁性層の前記磁化の方向の前記積層方向に投影した成分の向きは、前記第４強磁性層の前記磁化の方向の前記積層方向に投影した成分の向きに対して逆である請求項１０記載の不揮発性記憶装置。
12. 前記磁気記憶素子は、前記積層体の側面の少なくとも一部を覆う磁気シールドを、さらに含む請求項１〜１１のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
13. 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２非磁性層を、さらに含み、
    前記第２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つ以上の金属を含む合金を含む請求項１〜１２のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
14. 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２非磁性層をさらに含み、
    前記第２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つ以上の金属を含む合金を含み、
    前記第２非磁性層の厚さは、３ナノメートル以下である請求項１〜１２のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
15. 前記積層方向に対して垂直な方向に沿う前記第３強磁性層の長さは、３５ナノメートル以下であり、
    前記積層方向に沿う前記第３強磁性層の長さは、０．５ナノメートル以上３．５ナノメートル以下である請求項１〜１４のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
16. 前記磁気記憶素子は、複数設けられ、
    前記制御部は、前記複数の磁気記憶素子のそれぞれと電気的に接続される請求項１〜１５のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。

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