JP5397224B2 - 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する。特に本発明は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では記憶素子として磁性体を用い、磁性体の磁化の向きに対応させて情報を記憶する。この磁性体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る。以下に挙げる非特許文献１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。
［非特許文献１］Ｎ． Ｓａｋｉｍｕｒａ， ｅｔ ａｌ．， “ＭＲＡＭ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｏｖｅｒ ５００ＭＨｚ ＳｏＣ，” ２００６ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ， Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ， ２００６， ｐｐ．１３６．

ＭＲＡＭへの情報の書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁性記憶素子の周辺に書き込みのための配線を配置し、この配線に電流を流すことで発生する磁界によって磁性記憶素子の磁化の方向をスイッチングさせる方法である。この方法は磁界による磁化反転となるため、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。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１０Ｏｅ（エールステッド）程度となり、このような磁界を発生させるためには数ｍＡ程度の電流が必要となる。この場合、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、素子が微細化されると、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。一つ目はスピン注入磁化反転である。これは反転可能な磁化を有する第１の磁性層と、それに電気的に接続され、磁化が固定された第２の磁性層から構成された積層膜において、第２の磁性層と第１の磁性層の間で電流を流したときの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を利用して第１の磁性層の磁化を反転する方法である。スピン注入磁化反転はある電流密度以上のときに起こることから、素子のサイズが小さくなれば、書き込みに要する電流は低減される。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、一般的に第１の磁性層と第２の磁性層の間には絶縁層が設けられ、書き込みの際には比較的大きな電流をこの絶縁層に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。

一方で二つ目の方法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は例えば以下の特許文献１で開示されている。
［特許文献１］特開２００５−１９１０３２号公報
電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは、一般的には反転可能な磁化を有する第１の磁性層において、その両端部の磁化が互いに略反平行となるように固定されている。このような磁化配置のとき、第１の磁性層内には磁壁が導入される。ここで、以下の非特許文献２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したとき、磁壁は伝導電子の方向に移動することから、第１の磁性層内に電流を流すことにより書き込みが可能となる。
［非特許文献２］Ａ． Ｙａｍａｇｕｃｈｉ， ｅｔ ａｌ．， “Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗｉｒｅｓ，” Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２０ Ｆｅｂｒｕａｒｙ， ２００４， ｖｏｌ． ９２， ｎｕｍｂｅｒ ７， ｐｐ．０７７２０５．
電流駆動磁壁移動もある電流密度以上のときに起こることから、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素子では、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。非特許文献２のほかにも、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層の幅を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膜厚を薄くすればよいが、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）。また細線幅の数１０ｎｍ以下への低減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、前述のように第１の磁性層においてその両端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プロセスが必要となる。これによって製造コストが上昇する。

本発明の目的は書き込み電流が１ｍＡよりも十分小さく低減され、且つ電流密度自体も低減され、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。

本発明による磁気抵抗素子、及び磁気ランダムアクセスメモリは、第１強磁性層と、第１強磁性層の第１表面側に配置される絶縁層と、絶縁層の第１強磁性層とは反対側に配置される第２強磁性層と、第１強磁性層の長手方向の端部付近に配置され第１強磁性層と磁気的に接続する第３強磁性層と、第１強磁性層の長手方向の端部付近に配置され第１強磁性層と磁気的に接続する第４強磁性層とを備える。第１強磁性層、第２強磁性層、第３強磁性層及び第４強磁性層は、それぞれの膜面に対して水平よりも垂直に近い磁気異方性を有する。

第３強磁性層及び第４強磁性層は、具体的な一例としては、以下で説明する実施形態において共に第３強磁性層と呼ばれている層に相当する。

本発明による磁気抵抗素子の初期化方法は、本発明による磁気抵抗素子を初期化する方法であり、膜面に平行な方向に外部磁界を印加するステップと、外部磁界の向きを膜面に平行な方向から変えることによって第１強磁性層内に磁壁を導入するステップとを備える。

電流駆動磁壁移動の起こる第１強磁性層が、垂直磁化を有する材料から構成されることにより、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。特に膜厚を薄くすることにより断熱スピントルク項による磁壁駆動の閾値電流密度が低減するため、書き込み時の電流密度は低減され、書き込み電流が１ｍＡよりも十分小さく低減されたＭＲＡＭを提供することができる。

これに加えて第１強磁性層に隣接して第３強磁性層を設けることにより、磁壁を容易に導入することができる。第３強磁性層は複数設けられるが、それらの特性は均一でよいため、単純なプロセスで形成することができる。

本発明の活用例として、携帯電話、モバイルパソコンやＰＤＡに使用される不揮発性の半導体メモリ装置や、自動車などに使用される不揮発性メモリ内蔵のマイコンが挙げられる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す斜視図である。 図２は本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す断面図である。 図３Ａから図３Ｃは本発明の第１の実施の形態に係る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。 図４Ａから図４Ｃは本発明の第１の実施の形態に係る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。 図５Ａと図５Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子への情報の書き込み方法を説明するための断面図である。 図６はデピン電流密度の膜厚依存性についての計算結果である。 図７は温度上昇の電流密度依存性についての測定結果である。 図８Ａと図８Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子からの情報の読み出し方法を説明するための断面図である。 図９は本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリセルの１セル分の回路図の例である。 図１０は本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリセルのレイアウトの例を表す平面図である。 図１１は本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリセルのレイアウトの例を表す断面図である。 図１２Ａと図１２Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子における第１の変形例の構造を表す平面図、及び断面図である。 図１３Ａから図１３Ｄは本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第２の変形例の主要な部分の構造を表す平面図である。 図１４Ａと図１４Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第３の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１５Ａから図１５Ｄは本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第３の変形例の主要な部分の構造を表す平面図である。 図１６Ａと図１６Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第４の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１７は本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第５の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１８Ａと図１８Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第６の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１９は本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第７の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図２０は本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第８の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図２１は本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第９の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図２２は本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第１０の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図２３Ａと図２３Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第１１の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図２４Ａと図２４Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第１２の変形例の主要な部分の構造を表す斜視図、及び平面図である。 図２５Ａと図２５Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の更なる第１１の変形例の主要な部分の構造を表す斜視図、及び平面図である。 図２６は本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す斜視図である。 図２７は本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す断面図である。 図２８Ａから図２８Ｃは本発明の第２の実施の形態に係る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。 図２９Ａから図２９Ｃは本発明の第２の実施の形態に係る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。 図３０Ａと図３０Ｂは本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子への情報の書き込み方法を説明するための断面図である。 図３１は本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第１の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図３２は本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第２の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図３３Ａと図３３Ｂは本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の第３の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。

添付図面を参照して、本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリを説明する。本発明に係る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磁気メモリセルを有しており、各磁気メモリセルは磁気抵抗効果素子を有している。

［第１実施形態］
（磁気メモリセルの構成）
本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の主要な部分の構造を表す斜視図を図１に示す。また図１に示したｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｚ断面図を図２に示す。本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０は、ｘ方向に延伸して設けられる第１強磁性層１０と、第１強磁性層１０に隣接して設けられる絶縁層２０と、絶縁層２０に隣接して第１強磁性層１０とは反対側に設けられる第２強磁性層３０と、第１強磁性層１０の両端付近に磁気的に接して設けられる第３強磁性層１５を具備する。絶縁層２０は、第１強磁性層１０と第２強磁性層３０に挟まれており、これら第１強磁性層１０、絶縁層２０、第２強磁性層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。

第１強磁性層１０、第２強磁性層３０、及び第３強磁性層１５は強磁性体により構成される。図２には第１強磁性層１０、第２強磁性層３０、及び第３強磁性層１５の磁気異方性の向きが矢印で示されている。図に示されているように、第１強磁性層１０、第２強磁性層３０、及び第３強磁性層１５の磁気異方性はいずれも図中のｚ軸に略平行方向を向くように設計される。このような磁気異方性を実現させるために、第１強磁性層１０、第２強磁性層３０、及び第３強磁性層１５は垂直磁気異方性を有する材料、または積層膜により形成されることが好ましい。この場合の積層膜とは、強磁性体同士の積層膜でもよいし、強磁性体と非磁性体からなる積層膜でもよい。

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ｘ−ｙ面内において第２強磁性層３０とオーバーラップする部分の磁化は第２強磁性層３０の磁化に対して平行、もしくは反平行のいずれかの方向を向く。また第３強磁性層１５は第１強磁性層１０の両端付近に磁気的に接続して、好適には二つ設けられる。第３強磁性層１５の磁化方向は図のｚ軸方向に略平行方向でかつ互いに反平行方向を向く。第１強磁性層１０、及び第３強磁性層１５が上述のような磁化配置にあるとき、第１強磁性層１０のうちの第２強磁性層３０とｘ−ｙ面内でオーバーラップ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。

また絶縁層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。また図１、２において第１強磁性層１０の両端部、及び第２強磁性層３０は、外部の異なる配線に接続される。ここで第１強磁性層１０の両端部は第３強磁性層１５を通って外部の配線に接続される。このように当該磁気抵抗効果素子８０は３端子の素子となる。また図１、２には示されていないが、この他に配線とのコンタクトのための電極層を第２強磁性層３０、及び第３強磁性層１５に隣接させて設けることが望ましい。

（初期化方法）
次に本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の初期化方法について図３Ａから図３Ｃ、および図４Ａから図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から図３Ｃ、および図４Ａから図４Ｃはその過程を示している。なお、図３Ａから図３Ｃ、および図４Ａから図４Ｃでは第１強磁性層１０と第３強磁性層１５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を図のｘ軸に略平行方向（磁気抵抗効果素子８０を構成する膜の膜面に平行な方向）に印加する。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ｚ軸方向の成分を付加することによって立ち下げる。この立ち下げのスピードは適度に遅いことが望ましい。このとき磁化の緩和が始まり、第１強磁性層１０、第３強磁性層１５はいずれもｚ軸方向の磁気異方性を有するため、はじめに図３Ｂに示されるように第１強磁性層１０のうちの第３強磁性層１５との接続面付近の磁化が第３強磁性層１５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３Ｂ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。以上が本発明の第１実施形態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から図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の状態において例えば＋ｚ方向に磁界を印加する。この磁界は適度に小さいことが望ましい。このとき図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のように右側に移動する。また図４Ａの状態において例えば−ｚ方向に磁界を印加する。このとき図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４Ｃのように左側に移動する。図４Ｂと図４Ｃは異なるメモリ状態に対応しており、このように図４Ａのような状態において小さな外部磁界を印加することにより任意のメモリ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軸方向の磁界を用いる例を示したが、この磁界としてはｘ−ｙ成分を有していてもよい。この他、磁界を用いることなく、後に図５Ａと図５Ｂを用いて説明されるように、書き込みのための電流を導入することによってメモリ状態を初期化してもよい。

（書き込み方法）
次に本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０への情報の書き込み方法について図５Ａと図５Ｂを用いて説明する。図５Ａ、図５Ｂには当該磁気抵抗効果素子８０における異なるメモリ状態（“０”状態と“１”状態）での磁化状態がｘ−ｚ断面で模式的に示されている。図に示されているように、“０”状態では第１強磁性層１０の中央部が紙面上向きに（図５Ａ）、“１”状態は第１強磁性層１０の中央部が紙面下向きに（図５Ｂ）磁化しているものと定義する。ただし、磁化方向とメモリ状態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。

今、上述のような磁化状態のとき、“０”状態では磁壁は第１強磁性層１０の右側に、“１”状態では磁壁は第１強磁性層１０の左側に形成される。本発明では第１強磁性層１０を流れる電流の符号を変えることにより、前記磁壁を第１強磁性層１０内で移動させて書き分けることを特徴とする。例えば図５Ａの“０”状態において、ｘ軸の正の方向に電流を流し、紙面の右から左に伝導電子が流れる場合、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、伝導電子と同じ方向に移動し、第１強磁性層１０の左側に至る。また図５Ｂの“１”状態において、ｘ軸の負の方向に電流を流し、紙面の左から右に伝導電子が流れる場合、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、伝導電子と同じ方向に移動し、第１強磁性層１０の右側に至る。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。

また例えば図５Ａに示された“０”状態においてｘ軸の負の方向に電流を流した場合、つまり“０”を書き込んだ場合、磁壁はｘ軸の正の方向に移動しようとするが、図５Ａで示されている磁壁の位置よりも右側では電流密度が低下するため、この磁壁移動は起こらない。すなわち、オーバーライトが可能であると言える。或いは、第３強磁性層１５の磁化が十分にハードであり、第１強磁性層１０において磁壁移動により紙面上向きに磁化反転を起こしても、電流が切られたときに再び元の状態、すなわち紙面下向き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３強磁性層１５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３強磁性層１５の位置関係、大小関係によってもコントロールできる。

本実施形態では、情報の書き込みの際に磁壁移動が起こる層が垂直方向に磁気異方性を有することが特徴である。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から、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がわかった。

スピントランスファートルクを考慮に入れたＬＬＧ方程式は、例えば以下の文献に記載されている。
Ａ． Ｔｈｉａｖｉｌｌｅ， ｅｔ ａｌ．， “Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ，” Ｅｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２３ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００５ （ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｏｎｌｉｎｅ）， ｖｏｌ． ６９， Ｎｕｍｂｅｒ ６， ｐｐ．９９０−９９６．
この文献によれば、左辺を磁化の時間変化（∂ｍ／∂ｔ）としたとき、右辺は［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、［４］非断熱スピントルク項により構成される。ここでマイクロマグネティクス計算から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移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とがわかる。

これに加えて垂直磁気異方性を有する材料で形成される磁壁を駆動するために必要な電流密度は、細線の膜厚が薄くなるほど小さくなることがマイクロマグネティクス計算からわかった。図６はこの計算結果を示している。図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。左側の縦軸で示されているｕは実効的なスピン偏極電流密度を意味しており、以下の［数１］で表される。
［数１］

また右側の縦軸にはＭ_Ｓ＝５００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］、Ｐ＝０．５とした場合の電流密度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、素子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は１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］以下になっていることから、垂直磁化膜を用いた磁壁移動型ＭＲＡＭを製造する上では、第１強磁性層１０の膜厚の上限は２０ｎｍと言える。

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、ＭＴＪの信頼性や素子の寿命を考慮すると、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］のときである。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の膜厚は好適には１０ｎｍ以下、より好適には８ｎｍ以下であることが好ましい。

また第１強磁性層１０の膜厚の下限は約１ｎｍである。これは膜厚が約１ｎｍ以下になると室温では安定な垂直磁化を維持できなくなることに因る（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ． ９０， ｐｐ． １３２５０７，（２００７）参照）。

（読み出し方法）
次に本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０からの情報の読み出しについて図８Ａと図８Ｂを用いて説明する。これまでに述べたように、本実施形態では第1強磁性層１０の磁化方向で情報を記憶し、また第１強磁性層１０の中央部は絶縁層２０を介して第２強磁性層３０に接続される。本発明に係る磁気抵抗効果素子８０では情報の読み出しに磁気抵抗効果を利用する。すなわち、図８Ａと図８Ｂの場合、第１強磁性層１０と、第１強磁性層１０に絶縁層２０を介して接続された第２強磁性層３０の間で電流を流すことによりメモリ状態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には低抵抗状態が実現される。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には高抵抗状態が実現される。

（効果）
本実施形態によれば、熱安定性、外乱磁界耐性に優れ、且つ書き込みに要する電流が低減され、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、膜面垂直方向に磁気異方性を有する第３強磁性層１５が設けられることに因っている。ここでは、面内磁化膜を用いた磁壁移動で書き込みを行う磁気ランダムアクセスメモリと、垂直磁化膜を用いた磁壁移動で書き込みを行う磁気ランダムアクセスメモリでの素子の特性について概算して比較した結果を示す。

面内磁化膜を用いた磁壁移動素子において、素子幅（ｗ）を１００ｎｍ、膜厚（ｔ）を１０ｎｍ、磁壁のピンサイトの幅の半分（ｑ_０）を４０ｎｍとし、また飽和磁化（Ｍ_Ｓ）を８００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］、スピン分極率（Ｐ）を０．７、磁壁のピンサイトの閾値磁界（Ｈ_Ｃ）を５０［Ｏｅ］とする。一方、垂直磁化膜を用いた磁壁移動素子では、素子幅（ｗ）を１００ｎｍ、膜厚（ｔ）を２ｎｍ、磁壁のピンサイトの幅の半分（ｑ_０）を１５ｎｍとし、また飽和磁化（Ｍ_Ｓ）を５００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］、スピン分極率（Ｐ）を０．５、磁壁のピンサイトの閾値磁界（Ｈ_Ｃ）を１０００［Ｏｅ］とする。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。

上述のような値を仮定した場合、まず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。

一方垂直磁化膜で膜厚を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するが、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、素子の寿命、信頼性も飛躍的に向上する。

さらに本実施形態によれば、第３強磁性層１５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１強磁性層１０の両端部に接続される複数の第３強磁性層１５の材料特性は均一でよいため、インテグレーション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。

（回路構成、レイアウト）
次に本発明の第１実施形態に係る磁気メモリセル９０の回路構成、及びレイアウト方法について図９、図１０、及び図１１を用いて説明する。

図９は本発明に係る磁気メモリセル９０の１ビット分の回路の構成例を示している。本発明では磁気抵抗効果素子８０は３端子の素子となることを述べたが、そのうちの第２強磁性層３０に接続される端子は読み出しのためのグラウンド線１０１に接続され、一方第３強磁性層１５に接続される２つの端子は、異なる二つのトランジスタ１００ａ、１００ｂの一方のソース／ドレインに接続される。またトランジスタ１００ａ、１００ｂ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、１０２ｂに接続され、またゲート電極はワード線１０３に接続される。さらに図９に示した磁気メモリセル９０はアレイ状に配置され、周辺回路へと接続され、磁気ランダムアクセスメモリが形成される。

次に図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。まず書き込みを行う場合には、ワード線１０３を“ｈｉｇｈ”にし、トランジスタ１００ａ、１００ｂを“ＯＮ”にする。またビット線１０２ａ、１０２ｂのいずれか一方を“ｈｉｇｈ”にし、他方を“ｇｒｏｕｎｄ”とする。ビット線１０２ａのどちらを“ｈｉｇｈ”にし、どちらを“ｇｒｏｕｎｄ”にするかで第１強磁性層１０を流れる電流の方向が変わるため、磁気抵抗効果素子８０への情報の書き込みが可能となる。

また、読み出しの際には、ワード線１０３を“ｈｉｇｈ”にし、トランジスタ１００ａ、１００ｂを“ＯＮ”とする。またビット線１０２ａ、１０２ｂのいずれか一方を“ｈｉｇｈ”にし、他方を“ｏｐｅｎ”とする。このときビット線１０２ａ、１０２ｂのいずれか一方から磁気抵抗効果素子８０を貫通する電流がグラウンド線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９に示されたような回路により構成される磁気メモリセル９０は図１０、図１１に示されるようにしてレイアウトが可能である。図１０は磁気メモリセル９０のレイアウト方法の例を示すｘ−ｙ平面図であり、図１１は図１０におけるＡ−Ｂ間のｘ，ｙ−ｚ断面図である。ただし、ここで示されているのは一例に過ぎず、他のレイアウト方法を用いても磁気メモリセルを製造することは可能である。例えば図１０、図１１ではトランジスタ１００ａ、１００ｂはｙ方向に沿って設けられているが、これはｘ方向に沿って設けられても良い。この場合にはワード線１０３はトランジスタのゲート電極と接続されるように突起が形成されることが望ましい。

（材料）
ここでは各層の材料について例示する。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。

まず第１強磁性層１０、第２強磁性層３０、及び第３強磁性層１５の材料は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Ｐｔや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。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層が、異なる層と積層され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。

また絶縁層２０は絶縁体から構成されることが望ましい。具体的にはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが例示される。ただし、この他に半導体や金属材料を用いても本発明は実施できる。具体的にはＣｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎなどが例示される。

（第１の変形例）
図１２Ａと図１２Ｂは本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第１の変形例の構造を模式的に示している。第１の変形例では、第１強磁性層１０の中に磁壁のピンサイト１２が形成される。

磁壁を強く拘束するためには、図１２Ａに示されるように、ｘ−ｙ面内での平面形状の変調が利用できる。図１２Ａはノッチをパターニングした実施形態であるが、この他突起等を設けてもよい。また図では細線の両側にノッチが設けられているが、これは片側でも構わない。

また図１２Ｂに示されるように、ｘ−ｚ断面での断面形状の変調によって実施することもできる。図１２Ｂでは二つの実施形態が示されている。上段のように磁壁のピンサイト１２となる部分のみが他の部分に対して段差を持っていてもよい。下段のように第１強磁性層１０の両端部の全体が中央部に対して段差を持っていてもよい。

この他、図示はされていないが、磁壁のピンサイト１２の材料特性を第１強磁性層１０に対して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の変形例）
図１３Ａから図１３Ｄは本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第２の変形例の構造を模式的に示している。第２の変形例は、第１強磁性層１０の形状に関し、これによって安定した２値状態が実現される。

垂直磁化膜の場合、第１強磁性層１０のうちの第３強磁性層１５との接点付近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”と“１”の中間の状態であり、回避しなければならない。ところで磁壁は、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、そこは不安定となるため、上述のような中間状態は回避できる。図１３Ａから図１３Ｄに示された模式図はいずれもこの概念に基づいている。加えて、図１３Ｄのように第１強磁性層１０が両端に行くに従って広くなるように形成することにより、所定の位置での磁壁をより安定化することができる。

なお、図１３Ａから図１３Ｄでは平面形状を変調させる例が示されているが、この他に中央部の膜厚を厚くするなど断面形状の変調によって中間状態を効果的に回避することもできる。

（第３の変形例）
図１４Ａと図１４Ｂ、および図１５Ａから図１５Ｄは本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第３の変形例の構造を模式的に示している。第３の変形例は、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。

本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０では、第１強磁性層１０の長手方向の両端付近に第３強磁性層が磁気的に接している。この条件が成立していれば、第１強磁性層１０と第３強磁性層１５の位置関係と大小関係は任意である。

例えば図１４Ａに示されるように第３強磁性層１５は第１強磁性層１０に対してｘ軸方向で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１５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１５は第１強磁性層１０に対して同じ幅で設けられてもよい。図１５Ｂに示されるように第１強磁性層１０よりも細く設けられてもよい。あるいは図１５Ｃに示されるように第１強磁性層１０よりも大きく設けられてもよい。さらには図１５Ｄに示されるように第３強磁性層１５は第１強磁性層１０の各両端付近において二つ以上設けられてもよい。第１強磁性層１０と第３強磁性層１５の位置関係、大小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の変形例）
図１６Ａと図１６Ｂは本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第４の変形例の構造を模式的に示している。第４の変形例は、第３強磁性層１５の断面形状に関する。

第３強磁性層１５のｘ−ｚ断面での断面形状は任意である。例えば図１６Ａに示されるように平行四辺形の断面形状を有していてもよい。または図１６Ｂに示されるように台形の断面形状を有していてもよい。また図１６Ｂでは台形状の第３強磁性層１５の上底は下底よりも長く描かれている。この図と反対に、下底の方が長くてもよい。同様に図１６Ａの平行四辺形の側面は第１強磁性体１０に向って内側に傾くような傾斜を有している。この図と反対に、外側に傾斜していてもよい。

第３強磁性層１５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。また図３Ａから図３Ｃに示される初期化過程をより安定化することができる。

（第５の変形例）
図１７は本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第５の変形例の構造を模式的に示している。第５の変形例は第１強磁性層１０の断面形状に関する。第１強磁性層１０の断面形状は任意である。但し、図１７に示されるように台形状の断面形状を有し、ｘ−ｚ断面で形成される台形において、第３強磁性層１５側の辺が第３強磁性層１５とは反対側の辺よりも長く設計されることが好ましい。これは、図１７のような台形状の断面形状を有している場合には、図３Ａから図３Ｃで示される第１の初期化過程がより容易に進行するためである。

第１強磁性層１０の断面形状は製造プロセスを適宜調整することによりコントロールできる。例えばイオンビームミリングでパターニングする場合、イオンビームの入射角度を調整することにより、台形の断面形状を実現するためのテーパー状の加工が可能である。

（第６の変形例）
図１８Ａと図１８Ｂは本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第６の変形例の構造を模式的に示している。第６の変形例では第１強磁性層１０と第３強磁性層１５の間に導電層１１６が設けられる。

導電層１１６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。また導電層１１６は図１８Ａに示されるように第３強磁性層１５に接する部分のみに設けられてもよいし、図１８Ｂに示されるように第１強磁性層１０の一面の全体を覆うように隣接して設けられてもよい。

導電層１１６を設けることによって、第１強磁性層１０と第３強磁性層１５の磁気結合の大き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。また図３Ａから図３Ｃに示される初期化過程を制御することができる。

加えて、導電層１１６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。これによって第１強磁性層１０の磁気特性を調整することができる。さらには第３強磁性層１５のキャップ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１１６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１強磁性層１０と第３強磁性層１５をＲＫＫＹ相互作用で磁気結合させることができる。また極薄のＴａなどの非磁性体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は、その下地となる層の選択によって、磁性層の垂直方向の磁気特性が大きく変化し、その中で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第１強磁性層１０と第３強磁性層１５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。この他、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅなどの一般的な強磁性体を用いてもよい。

また図１８Ａと図１８Ｂにおける導電層１１６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、伝導電子の流れ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７の変形例）
図１９は本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第７の変形例の構造を模式的に示している。第７の変形例では第３強磁性層１５の第１強磁性層１０と隣接しない面の少なくとも一部分に隣接してピニング層４０が設けられる。

ピニング層４０は第３強磁性層１５の磁化方向を一方向に固定する。そのためにピニング層４０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１５に隣接してピニング層４０を設けることによって第３強磁性層１５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８の変形例）
図２０は本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第８の変形例の構造を模式的に示している。第８の変形例は、絶縁層２０と第１強磁性層１０との界面、或いは第２強磁性層３０との界面のうちの少なくとも一部分に高分極層７０または高分極層７１が挿入されることを特徴とする。

本実施形態では情報の読み出しに磁気抵抗効果を利用する。このとき情報記憶層となる第１強磁性層１０と参照層となる第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。本変形例では絶縁層２０の界面に高分極層７０または高分極層７１を挿入することにより、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の見かけ上の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。

なお、高分極層７０または高分極層７１の材料は垂直磁気異方性を有する材料を用いてもよい。しかし、膜面方向の磁気異方性を有する材料であっても、その膜厚が十分に薄ければ第２強磁性層３０や第１強磁性層１０との磁気的な相互作用により膜面垂直方向に磁化させることができ、系の磁化状態は乱されない。具体的に用いる材料としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅなどが例示される。さらに、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ができる。

さらに、図２０において絶縁層２０の成長の下地となる高分極層７０は、それに用いる材料の選択によっては、特定の絶縁層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、近年トンネル磁気接合において絶縁層として（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９の変形例）
図２１は本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第９の変形例の構造を模式的に示している。第９の変形例は第３強磁性層１５と第２強磁性層３０の位置関係に関する。図１から図２０では第３強磁性層１５と第２強磁性層３０は第１強磁性層１０に対して互いに反対側の面に配置される例を示したが、この位置関係は任意であり、例えば図２１のように第１強磁性層１０の同じ面に隣接していてもよい。

（第１０の変形例）
図２２は本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第１０の変形例の構造を模式的に示している。第１０の変形例は、第１強磁性層１０の少なくとも第３強磁性層１５と接する部分以外の面が、絶縁層２０を介して、第２強磁性層３０に接続されることを特徴とする。

本実施形態では情報の書き込みの際には第１強磁性層１０に直接電流を流す。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。ここで第１強磁性層１０が熱伝導率の高い材料となるべく多くの面で接しているときに放熱が起こり易くなり、発熱の影響は軽減できる。なお、図２２では第１強磁性層１０に対して、第３強磁性層１５と接する面とは反対側の面の全面が絶縁層２０を介して第２強磁性層３０と接しているが、絶縁層２０、及び第２強磁性層３０の形状、及び配置は任意である。

（第１１の変形例）
図２３Ａと図２３Ｂは本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第１１の変形例の構造を模式的に示している。第１１の変形例は第１強磁性層１０、絶縁層２０、及び第２強磁性層３０の積層順に関する。図１１では第１強磁性層１０は第２強磁性層３０に対して基板１１０側に配置されるが、本変形例では第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い。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１０の変形例で述べた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１２の変形例）
図２４Ａと図２４Ｂは本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第１２の変形例の構造を模式的に示している。図２４Ａは第１２の変形例の斜視図である。図２４Ｂはその平面図である。第１２の変形例では第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の一方の端部に接続して第２の方向（図中の＋ｙ方向）に略平行に延伸して設けられる第１の磁化固定部１０ａと、磁壁移動部１０ｃの他方の端部に接続して第２の方向とは反平行方向（図中の−ｙ方向）に略平行に延伸して設けられる第２の磁化固定部１０ｂにより構成される。また第１の磁化固定部１０ａ、第２の磁化固定部１０ｂにはそれぞれ第１の第３強磁性層１５ａ、第２の第３強磁性層１５ｂが隣接してかつ同じ面に設けられる。また図では省略されているが、磁壁移動部１０ｃには絶縁層が隣接し、さらに前記絶縁層に隣接して第２強磁性層が設けられる。

第１２の変形例でも、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、十分大きな外部磁界は図中のｙ軸に略平行方向に印加される。この磁界によってｙ方向に飽和した磁化が図３Ａから図３Ｃで示されるような過程で緩和されたときの磁化状態が図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、および磁壁移動部１０ｃと第２磁化固定部１０ｂの境界付近の磁化は必ずｚ軸方向で反平行方向を向く。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と図２４Ｂでは第１磁化固定部１０ａ、および第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方向に描かれているが、これはいかなる角度であっても構わない。例えば、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、本変形例は図１、図２に示される形態に一致する。

本変形例では、第１の第３強磁性層、第２の第３強磁性層の材料や形状、膜厚、及び第１磁化固定部１０ａ、及び第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の変形例や、この後述べられる第２実施形態で示されるように、本発明の実施形態では第１強磁性層１０の形状や第１強磁性層１０と第３強磁性層１５の位置関係には任意性がある。ところで本発明の実施形態においては、第１強磁性層１０に第３の強磁性層１５が磁気的に隣接し、膜面長手方向への磁界を印加することにより、メモリ状態の初期化を行うことが特徴である。ここでは膜面長手方向への初期化が可能な第１強磁性層１０の好適な形状、第３強磁性層１５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と図２４Ｂを用いて説明する。

まず、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０においては第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の第１の端部に接続して、第２の方向（図２では−ｘ方向、図２４Ａと図２４Ｂでは＋ｙ方向）に延伸して設けられる第１の磁化固定部１０ａと、磁壁移動部１０ｃの第２の端部に接続して第３の方向（図２では＋ｘ方向、図２４Ａと図２４Ｂでは−ｙ方向）に延伸して設けられる第２の磁化固定部１０ｂからなる。ここで第２の方向と第３の方向は平行ではなく、反平行な成分である第１の成分（図２ではｘ成分、図３Ａから図３Ｃではｙ成分）を有する。また第１の磁化固定部１０ａには第１の第３強磁性層１５ａが磁気的に隣接して設けられ、第２の磁化固定部１０ｂには第２の第３強磁性層１５ｂが磁気的に隣接して設けられる。

ここで第１の第３強磁性層１５ａ、第２の第３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じサイドに設けられる。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１の第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２の第３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、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３のｚ座標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すると、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。

上述のような第１強磁性層１０と第３強磁性層１５の位置関係のときに、第１の初期化過程では十分大きな外部磁界を第１の成分（図２ではｘ成分、図３Ａから図３Ｃではｙ成分）の方向に略平行に印加する。この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１５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。

このようなことから本発明においては図２５Ａと図２５Ｂに示されるような更なる第１１の変形例も可能である。図２５Ａは斜視図、図２５Ｂは平面図を示している。本変形例では、第１の磁化固定部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の磁化固定部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）と第３の方向（ｔ方向）の平行成分は図２５Ａ、図２５Ｂのｙ成分であり、反平行成分である第１の成分とはこの場合ｘ成分である。従って、ｘ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に紙面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実施形態］
（磁気メモリセルの構成）
本発明の第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の主要な部分の構造を表す斜視図を図２６に示す。また図２６に示したｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｚ断面図を図２７に示す。本発明の第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０は、ｘ方向に延伸して設けられる第１強磁性層１０と、第１強磁性層１０に隣接して設けられる絶縁層２０と、絶縁層２０に隣接して第１強磁性層１０とは反対側に設けられる第２強磁性層３０と、第１強磁性層１０の両端付近に磁気的に接して設けられる第３強磁性層１５と、第１強磁性層１０の両端付近で、且つ第３強磁性層１５よりも内側において、第１強磁性層１０に電気的に接して設けられる電極層２００を具備する。絶縁層２０は、第１強磁性層１０と第２強磁性層３０に挟まれており、これら第１強磁性層１０、絶縁層２０、第２強磁性層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。

第２実施形態における第１強磁性層１０、第２強磁性層３０、第３強磁性層１５、及び絶縁層２０の材料特性、磁化方向、位置関係等については第１実施形態と同じであるので、ここでは省略する。なお、図２７では第１強磁性層１０、第２強磁性層３０、第３強磁性層１５の磁気異方性の方向の例が矢印で示されている。

第２実施形態の第１実施形態との違いは、複数の電極層２００が設けられることにある。そして本実施形態においては、複数の電極層２００のうちの２つ、及び第２強磁性層３０が外部の異なる配線に接続される。このように第２実施形態においても磁気抵抗効果素子８０は３端子の素子となる。

電極層２００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。具体的にはＣｕ、Ａｌなどが例示される。また、異なる材料の積層膜により構成されてもよい。

（初期化方法）
次に本発明の第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の初期化方法について図２８Ａから図２８Ｃ、および図２９Ａから図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から図２８Ｃ、および図２９Ａから図２９Ｃはその過程を示している。なお、これらの図では第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。

第２実施形態においても第１実施形態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、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を図のｘ軸に略平行方向に印加する。このとき図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ｚ軸方向の成分を加えることにより立ち下げる。この立ち下げのスピードは適度に遅いことが望ましい。このとき磁化の緩和が始まり、第１強磁性層１０、第３強磁性層１５はいずれもｚ軸方向の磁気異方性を有するため、はじめに図２８Ｂに示されるように第１強磁性層１０のうちの第３強磁性層１５との接続面付近の磁化が第３強磁性層１５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２８Ｂ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実施形態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から図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。図２９Ａの状態において、例えば後述する書き込み電流を複数の電極層２００の間で通ずる（図中の破線矢印方向）。このとき電流の方向によって図２９Ｂまたは図２９Ｃのいずれかのメモリ状態に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の中に磁壁のピニングサイトを設けた場合、第１実施形態で示したように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。

（書き込み方法）
次に本発明の第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０への情報の書き込み方法について図３０Ａと図３０Ｂを用いて説明する。図３０Ａ、図３０Ｂには当該磁気抵抗効果素子８０における異なるメモリ状態（“０”状態と“１”状態）に対応する磁化状態がｘ−ｚ断面で模式的に示されている。図に示されているように、“０”状態では第１強磁性層１０の中央部が紙面上向きに（図３０Ａ）、“１”状態は第１強磁性層１０の中央部が紙面下向きに（図３０Ｂ）磁化しているものと定義する。ただし、磁化方向とメモリ状態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。

今、上述のような磁化状態のとき、“０”状態では磁壁は第１強磁性層１０の右側の第２の電極層２００ｂとの接点付近に、“１”状態では磁壁は第１強磁性層１０の左側の第１の電極層２００ａとの接点付近に形成されている。第２実施形態においても第１実施形態と同様に電流によって磁壁を移動させることで書き込みを行う。例えば図３０Ａの“０”状態において、第１の電極層２００ａから第２の電極層２００ｂに向かって電流を流し、紙面の右から左に伝導電子が流れる場合、第１強磁性層１０の右側で第２の電極層２００ｂとの接点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、伝導電子と同じ方向に移動し、第１強磁性層１０の左側の第１の電極層２００ａとの接点付近に至る。また図３０Ｂの“１”状態において、第２の電極層２００ｂから第１の電極層２００ａに向かって電流を流し、紙面の左から右に伝導電子が流れる場合、第１強磁性層１０の左側の第１の電極層２００ａとの接点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、伝導電子と同じ方向に移動し、第１強磁性層１０の右側の第２の電極層２００ｂとの接点付近に至る。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において第２の電極層２００ｂとの接点付近から第１の電極層２００ａの接点付近にまで移動するが、この第１の電極層２００ａとの接点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から第１の電極層２００ａへと流れるため、図において第１の電極層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。

また第１実施形態と同様に第２実施形態においてもオーバーライトは可能である。
さらに書き込み特性をより安定化させるためには、図１２Ａと図１２Ｂに示されるような磁壁の安定点を第１強磁性層１０と電極層２００との接点付近に意図的に形成してもよい。

（読み出し方法）
本発明の第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０からの情報の読み出し方法は、第１実施形態と同様に磁気抵抗効果を利用して行う。その方法は第１実施形態と共通するのでここでは省略する。

（第１の変形例）
図３１は本発明の第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第１の変形例の構造を模式的に示している。第１の変形例では、第３強磁性層１５と電極層２００が第１強磁性層１０の異なる面に隣接して設けられる。また第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、その間に異なる層が挿入されてもよい。

第１の変形例では電極層２００と第３強磁性層１５が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２００を形成した後、第１強磁性層１０、絶縁層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１５を成膜、パターニングすることにより製造することができる。

また、図３１で示されているように電極層２００と第３強磁性層１５は異なるレイヤーに設けられるため、ｘ−ｙ平面において互いにオーバーラップしていてもよい。すなわち、電極層２００と第３強磁性層１５のスペースに関する製造プロセス上の制約がなくなるため、セル面積を低減することができる。

また、第２実施形態においては、磁壁は第１強磁性層１０のうち、電極層２００との接点付近においてピニングされる。ここで第１の変形例を用いることにより、第３強磁性層１５からの漏れ磁束でピニングすることができる。漏れ磁束の大きさは第３強磁性層１５に用いる材料の飽和磁化や膜厚、及び第３強磁性層１５と電極層２００の位置関係によりコントロールすることができるため、これ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の変形例）
図３２は本発明の第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第２の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の変形例においては、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から図２８Ｃ、および図２９Ａから図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の変形例では第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の変形例）
図３３Ａと図３３Ｂは本発明の第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０の第３の変形例の構造を模式的に示している。図３３Ａと図３３Ｂでは、複数のセルがｘ−ｚ断面図で示されている。第３の変形例においては第３強磁性層１５が隣接するビット間（隣接するメモリセル間）で共有される。ここで、図３３Ａのように第３強磁性層１５は隣接する第１強磁性層１０に対して空間的に接して設けられてもよいし、図３３Ｂのように空間的に隔離されて設けられてもよい。なお、図３３Ａに示されるように空間的に接して設けられる場合、第３強磁性層１５の材料としては電気抵抗の大きな強磁性薄膜が用いら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薄膜としては、Ｃｏ−Ｐｔ−ＣｒとＳｉＯ_２のグラニュラー膜などが例示される。第３の変形例では第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実施形態においても第１実施形態で挙げたような変形例を用いることができる。例えば、磁壁の安定点を形成するために、図１２Ａと図１２Ｂに示されるようなノッチや段差を設けてもよく、また安定動作のために図１３Ａから図１３Ｄのように第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と図２４Ｂ、および図２５Ａと図２５Ｂに示されるように第１強磁性層１０が屈折した平面形状を有し、第１の磁化固定部１０ａから磁壁移動部１０ｃを通って第２の磁化固定部１０ｂへ向かう各部位の中央線において、第１強磁性層１０は第３強磁性層１５と隣接する領域よりも内側で電極層２００と隣接してもよい。この他にも様々な組み合わせが可能となるが、説明が重複するので省略する。

当業者は上記実施形態の様々な変形を容易に実施することができる。したがって、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、請求の範囲やその均等物によって参酌される最も広い範囲で解釈される。

この出願は、２００７年１０月４日に出願された日本出願特願２００７−２６０５９０号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 (3)

1. 第１強磁性層と、
   前記第１強磁性層の第１表面側に配置される絶縁層と、
   前記絶縁層の前記第１強磁性層とは反対側に配置される第２強磁性層と、
   前記第１強磁性層の長手方向の端部付近に配置され前記第１強磁性層と磁気的に接続する第３強磁性層と、
   前記第１強磁性層の長手方向の端部付近に配置され前記第１強磁性層と磁気的に接続する第４強磁性層
   とを具備し、
   前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層は、それぞれの膜面に対して水平よりも垂直に近い磁気異方性を有し、
   前記第１強磁性層が台形状の断面形状を有し、
   前記台形は、前記第３強磁性層側の辺が、前記第３強磁性層側と反対側の辺よりも長い
   磁気抵抗効果素子。
2. 磁気抵抗素子の初期化方法であって、
   前記磁気抵抗素子は、
   第１強磁性層と、
   前記第１強磁性層の第１表面側に配置される絶縁層と、
   前記絶縁層の前記第１強磁性層とは反対側に配置される第２強磁性層と、
   前記第１強磁性層の長手方向の端部付近に配置され前記第１強磁性層と磁気的に接続する第３強磁性層と、
   前記第１強磁性層の長手方向の端部付近に配置され前記第１強磁性層と磁気的に接続する第４強磁性層
   とを具備し、
   前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層は、それぞれの膜面に対して水平よりも垂直に近い磁気異方性を有し、
   前記磁気抵抗素子の膜面に平行な方向に外部磁界を印加するステップと、
   前記外部磁界の向きを前記膜面に平行な方向から異なる方向に変えることによって前記第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素子の初期化方法。
3. 磁気抵抗効果素子の初期化方法であって、
   前記磁気抵抗効果素子は、
   第１強磁性層と、
   前記第１強磁性層の第１表面側に配置される絶縁層と、
   前記絶縁層の前記第１強磁性層とは反対側に配置される第２強磁性層と、
   前記第１強磁性層の長手方向の端部付近に配置され前記第１強磁性層と磁気的に接続する第３強磁性層と、
   前記第１強磁性層の長手方向の端部付近に配置され前記第１強磁性層と磁気的に接続する第４強磁性層
   とを具備し、
   前記第１強磁性層が、
   第１の方向に延伸する磁壁移動部と、
   前記磁壁移動部の第１の端部に接続して、前記第１の端部から第２の方向に延伸する第１の磁化固定部と、
   前記磁壁移動部の第２の端部に接続して、前記第２の端部から第３の方向に延伸する第２の磁化固定部とを含み、
   前記第２の方向と前記第３の方向とは反平行な成分である第１の成分を有し、
   前記第１の磁化固定部には前記第３強磁性層が隣接して配置され、
   前記第２の磁化固定部には前記第４強磁性層が隣接して配置され、
   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Ｚ３の間に、以下の（１）と（２）
   （１）Ｚ１＜Ｚ２且つＺ１＜Ｚ３
   （２）Ｚ１＞Ｚ２且つＺ１＞Ｚ３
   のうちの一方の関係が満たされ、
   前記第１の成分に略平行な方向に磁界を印加するステップと、
   前記磁界の向きを前記磁気抵抗効果素子の膜面に平行な方向から異なる方向に変えることによって前記第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。

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