JP5455313B2 - 磁気記憶素子及び磁気記憶装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気記憶素子及び磁気記憶装置に関する。

近年、広範囲かつ高度に情報化された社会を支え、また、牽引していく存在として、様々な要求を満たす情報処理デバイスが求められている。特に、強磁性体の磁気モーメントを用いた記録装置として、ハードディスクドライブや磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ： Magnetoresistive Random Access Memory）がある。このような、電子のスピン自由度を利用するスピンエレクトロニクスデバイスの特徴として、セルの微細化による高集積化に適していること、高速動作が可能なこと、不揮発性を持つことなどが挙げられる。スピンエレクトロニクスデバイスは、記憶装置やそれ以外の用途において、今後、広範囲に利用されると思われる。
スピンエレクトロニクスデバイスにおける、微小な磁性体の磁化方向の制御方法として、電流を介したスピントランスファ現象を用いる方法が知られている。「スピントランスファ」とは、伝導電子のスピンから磁性体の局在磁気モーメントへの角運動量の伝達のことを意味している。スピントランスファ方式は、磁界作用方式に比べて、セルのサイズが小さくなればなるほど、書き込み電流を低減化できるという特徴を持つ。

特許文献１には、垂直磁化材料を用いたスピントランスファ書き込みの磁気素子に関する技術が開示されている。スピントランスファ書き込みの磁気素子は、柱状の形状を有し、磁化固着磁性層（以下、固着層と言う）、中間層、磁化自由磁性層（以下、記憶層と言う）からなる積層膜が、数十から数百ナノメートル四方のドット形状にパターニングされる。この積層膜に、膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、磁化方向の制御（書き込み）及び検出（読み出し）が行われ、記憶素子として利用することができる。垂直磁化材料を用いることで形状異方性を設けなくても熱的安定性が得られ、高集積化に適している。
垂直磁化材料を用い、スピントランスファトルクにより磁化反転させることを特徴とする磁気記憶素子において、記憶層１つにつき固着層を２つ設けることで反転の効率を高めることができるが、２つの中間層のうち一方はバリア層、他方を導電層とすると、０→１の反転と１→０の反転とで、反転電流に差異が生じる。このような非対称性が存在すると、一方の反転電流が大きくなり、素子破壊の可能性が高くなる。また、他方の反転電流が小さくなるため、読み出しの際に誤書き込みされてしまう可能性が生じる。また、この素子を用いた磁気記憶装置において、書き込みのために大きさが大きく異なる複数の電源を備えなければならず、結果として、コスト高になる可能性がある。

なお、特許文献２にも、垂直磁化材料を用いたスピントランスファ書き込みの磁気素子に関する技術が開示されているが、上記の非対称性に関しては考慮されておらず、この問題を解決する技術は知られていない。また、特許文献３にも、垂直磁化材料を用いた磁気素子に関する技術が開示されている。
特開２００４−１９３５９５号公報 米国特許第６９６７８６３Ｂ２号明細書 特開２００７−１４２３６４号公報

本発明は、上記の課題に基づいたものであり、その目的は、反転電流の非対称性を解消し、素子破壊の可能性を低減した高集積化に適する磁気記憶素子を実現し、また、これにより高信頼性で低コストの磁気記憶装置を提供することである。

本発明の一態様によれば、強磁性体を含み、磁化方向が固定された第１固着層と、強磁性体を含み、磁化方向が固定された第２固着層と、前記第１固着層と前記第２固着層との間に設けられ、強磁性体を含み、磁化方向が可変の記憶層と、前記第１固着層と前記記憶層との間に設けられ、絶縁体または半導体を含み、非磁性体からなるトンネルバリア層と、前記第２固着層と前記記憶層との間に設けられ、非磁性体からなり前記トンネルバリア層の導電率よりも高い導電率を有する中間層と、を備え、前記第１固着層の磁化方向及び前記第２固着層の磁化方向は、層面に対して垂直であり、前記記憶層の前記トンネルバリア層と面する部分の磁化方向と前記第１固着層の磁化方向との関係と、前記記憶層の前記中間層と面する部分の磁化方向と前記第２固着層の磁化方向との関係と、の一方が平行で他方が反平行となるように前記第１固着層の磁化方向及び前記第２固着層の磁化方向が固定され、前記第１固着層は、前記第２固着層から前記記憶層への漏洩磁界より大きな磁界を前記記憶層に及ぼし、前記第１固着層と前記第２固着層との間に電流を双方向に流すことが可能とされ、前記電流を、第１の極性で第１の閾値以上になるように流した場合に、前記記憶層の磁化方向が、スピントランスファトルクにより第１の方向となり、前記電流を、第２の極性で、第２の閾値以上になるように流した場合に、前記記憶層の磁化方向が、スピントランスファトルクにより前記第１の方向とは反対の第２の方向となる磁気記憶素子であって、前記トンネルバリア層の層厚は１ｎｍ以下であり、前記第１固着層が、強磁性体を含むＮ（Ｎは１以上の整数）個の第１強磁性層を含み、ｉ番目の前記第１強磁性層を直方体近似したときの縦の長さａ_１ｉと、横の長さｂ_１ｉと、層厚ｔ_１ｉと、前記ｉ番目の前記第１強磁性層の飽和磁化の大きさＭ_１ｉと、前記第２固着層が、強磁性体を含むＭ（Ｍは１以上の整数）個の第２強磁性層を含み、ｊ番目の前記第２強磁性層を直方体近似したときの縦の長さａ_２ｊと、横の長さｂ_２ｊと、層厚ｔ_２ｊと、前記ｊ番目の前記第２強磁性層の飽和磁化の大きさＭ_２ｊと、前記記憶層が、強磁性体を含むＰ（Ｐは１以上の整数）個の記憶層強磁性層を含み、ｋ番目の前記記憶層強磁性層の異方性磁界の大きさＨ_Ｋｋと、前記ｋ番目の前記記憶層強磁性層の飽和磁化の大きさＭ_Ｓｋと、前記ｉ番目の前記第１強磁性層と前記ｋ番目の前記記憶層強磁性層との距離ｄ_１ｉｋと、前記ｊ番目の前記第２強磁性層と前記ｋ番目の前記記憶層強磁性層との距離ｄ_２ｊｋと、
が、数式１

で定められる函数φ（ａ，ｂ，ｄ）により、数式２

を満足することを特徴とする磁気記憶素子が提供される。

本発明の別の一態様によれば、強磁性体を含み、磁化方向が固定された第１固着層と、強磁性体を含み、磁化方向が固定された第２固着層と、前記第１固着層と前記第２固着層との間に設けられ、強磁性体を含み、磁化方向が可変の記憶層と、前記第１固着層と前記記憶層との間に設けられ、絶縁体または半導体を含み、非磁性体からなるトンネルバリア層と、前記第２固着層と前記記憶層との間に設けられ、非磁性体なり前記トンネルバリア層の導電率よりも高い導電率を有する中間層と、を備え、前記第１固着層の磁化方向及び前記第２固着層の磁化方向は、層面に対して垂直であり、前記記憶層の前記トンネルバリア層と面する部分の磁化方向と前記第１固着層の磁化方向との関係と、前記記憶層の前記中間層と面する部分の磁化方向と前記第２固着層の磁化方向との関係と、の一方が平行で他方が反平行となるように前記第１固着層の磁化方向及び前記第２固着層の磁化方向が固定され、前記第１固着層は、前記第２固着層から前記記憶層への漏洩磁界より大きな磁界を前記記憶層に及ぼし、前記第１固着層と前記第２固着層との間に電流を双方向に流すことが可能とされ、前記電流を、第１の極性で第１の閾値以上になるように流した場合に、前記記憶層の磁化方向が、スピントランスファトルクにより第１の方向となり、前記電流を、第２の極性で、第２の閾値以上になるように流した場合に、前記記憶層の磁化方向が、スピントランスファトルクにより前記第１の方向とは反対の第２の方向となる磁気記憶素子であって、前記トンネルバリア層の層厚は１ｎｍ以下であり、前記第１固着層が、強磁性体を含むＮ（Ｎは１以上の整数）個の第１強磁性層を含み、ｉ番目の前記第１強磁性層を直方体近似したときの縦の長さａ_１ｉと、横の長さｂ_１ｉと、層厚ｔ_１ｉと、前記ｉ番目の前記第１強磁性層の飽和磁化の大きさＭ_１ｉと、前記第２固着層が、強磁性体を含むＭ（Ｍは１以上の整数）個の第２強磁性層を含み、ｊ番目の前記第２強磁性層を直方体近似したときの縦の長さａ_２ｊと、横の長さｂ_２ｊと、層厚ｔ_２ｊと、前記ｊ番目の前記第２強磁性層の飽和磁化の大きさＭ_２ｊと、前記記憶層が、強磁性体を含むＰ（Ｐは１以上の整数）個の記憶層強磁性層を含み、ｋ番目の前記記憶層強磁性層の異方性磁界の大きさＨ_Ｋｋと、前記ｋ番目の前記記憶層強磁性層の飽和磁化の大きさＭ_Ｓｋと、前記ｉ番目の前記第１強磁性層と前記ｋ番目の前記記憶層強磁性層との距離ｄ_１ｉｋと、前記ｊ番目の前記第２強磁性層と前記ｋ番目の前記記憶層強磁性層との距離ｄ_２ｊｋと、が、数式１

で定められる函数φ（ａ，ｂ，ｄ）により、数式３

を満足することを特徴とする磁気記憶素子が提供される。

本発明の別の一態様によれば、複数のワード線と、複数のビット線と、上記いずれかの複数の磁気記憶素子と、を備え、前記複数のワード線のいずれかと前記複数のビット線のいずれかとを選択して前記複数の磁気記憶素子のいずれかの前記第１固着層と前記第２固着層との間に電流を流すことにより、その記憶層の磁化方向を前記第１の方向と前記第２の方向とのいずれかとすることが可能とされ、前記複数のワード線のいずれかと前記複数のビット線のいずれかとを選択して前記複数の磁気記憶素子のいずれかの前記第１固着層と前記第２固着層との間に電流を流すことにより、その記憶層と第１固着層との間の磁気抵抗効果が検出可能とされたことを特徴とする磁気記憶装置が提供される。

本発明によれば、反転電流の非対称性を解消し、素子破壊の可能性を低減した高集積化に適する磁気記憶素子を実現し、また、これにより高信頼性で低コストの磁気記憶装置が提供される。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する模式断面図である。
図１（ａ）〜（ｄ）に表したように、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子Ｒ１〜Ｒ４は、強磁性層ＦＰ１、非磁性層Ｓ１、強磁性層ＦＦ、非磁性層Ｓ２、強磁性層ＦＰ２、がこの順に積層された構造を有する。磁気記憶素子Ｒ１〜Ｒ４の平面形状は例えば四角形であり、その場合、素子の立体形状は、四角柱、四角錐台の組み合わせとすることができる。ただし、本実施形態の磁気記憶素子において、その平面形状は四角形に限定されず、円形、楕円形、多角形、凹凸のある多角形など種々の形状をとることができる。
なお、強磁性層ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＦは、それぞれ、後述するように複数のサブレイヤーからなる積層構造とすることもできる。しかし、まず、強磁性層ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＦが単層である場合を例に取り、説明する。なお、上記の強磁性層ＦＰ１、非磁性層Ｓ１、強磁性層ＦＦ、非磁性層Ｓ２、強磁性層ＦＰ２は、例えば、基板の上に、非磁性層を介して、あるいは、介さないで設けることができる。

強磁性層ＦＰ１の磁化方向は固着されている。これは、例えば、強磁性層ＦＰ１の非磁性層Ｓ１と反対の面側に（図示しない）反強磁性層ＡＦ１を設けることにより実現できる。または、強磁性層ＦＰ１として、一軸異方性定数Ｋｕが非常に大きい磁性材料を用いることにより実現できる。以下、強磁性層ＦＰ１を「第１固着層ＦＰ１」とも称する。

強磁性層ＦＰ２の磁化方向も固着されている。これは、例えば、強磁性層ＦＰ２の非磁性層Ｓ２と反対の面側に（図示しない）反強磁性層ＡＦ２を設けることにより実現できる。または、強磁性層ＦＰ２として、一軸異方性定数Ｋｕが非常に大きい磁性材料を用いることにより実現できる。以下、強磁性層ＦＰ２を「第２固着層ＦＰ２」とも称する。

一方、強磁性層ＦＦの磁化方向に関しては、このような固着化機構を設けない。よって、強磁性層ＦＦの磁化方向は可変である。以下、強磁性層ＦＦを「記憶層ＦＦ」とも称する。

非磁性層Ｓ１、Ｓ２は、非磁性材料からなり、非磁性層を挟む２つの強磁性層間に働く直接的な相互作用が無視できる程度に両層を隔離するだけの層厚を有する。同時に、素子に電流を流した場合に、一方の磁性層を透過した伝導電子が他方の磁性層に至るまでに電子のスピンの方向が反転しないことが要求されるため、非磁性層Ｓ１、Ｓ２の層厚はスピン拡散長よりも薄いことが望ましい。以下、非磁性層Ｓ１を「第１中間層Ｓ１」とも称し、非磁性層Ｓ２を「第２中間層Ｓ２」とも称する。
第１中間層Ｓ１は、半導体または絶縁体を含んでおり、バリア層として機能する。第１固着層ＦＰ１、第１中間層Ｓ１、記憶層ＦＦは、いわゆるトンネル磁気抵抗効果が現れる構成となっている。以下、第１固着層ＦＰ１、第１中間層Ｓ１、記憶層ＦＦをまとめて「トンネル磁気抵抗効果部」とも称する。
一方、第２中間層Ｓ２には、第１中間層Ｓ１より導電性の高い材料を用いる。第１中間層Ｓ１、第２中間層Ｓ２に用いることのできる具体的な材料については後述する。

第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２には、それぞれ（図示しない）電極ＥＬ１、ＥＬ２が接続可能とされ、例えば、電極ＥＬ１と電極ＥＬ２との間に電流を流すことにより、第１固着層ＦＰ１と第２固着層ＦＰ２との間に電流を流すことができる。第１固着層ＦＰ１と第２固着層ＦＰ２との間の電流は、双方向に流すことが可能とされている。

この素子は、例えば、スパッタリング技術とリソグラフィー技術によって作製することができる。その詳細は、後述する。

図１（ａ）〜（ｄ）において矢印は、各層の磁化方向を示している。これらの図に例示したように、第１固着層ＦＰ１の磁化方向ＭＦＰ１及び第２固着層ＦＰ２の磁化方向ＭＦＰ２は、層面（膜面）に対して実質的に垂直とされている。また、第１固着層ＦＰ１の磁化方向ＭＦＰ１及び第２固着層ＦＰ２の磁化方向ＭＦＰ２は、反平行とされている。すなわち、記憶層ＦＦの磁化方向ＭＦＦと第１固着層ＦＰ１の磁化方向ＭＦＰ１との関係と、記憶層ＦＦの磁化方向ＭＦＦと第２固着層ＦＰ２の磁化方向ＭＦＰ２との関係と、の一方が平行で他方が反平行となるように設定されている。

なお、図１（ａ）、（ｂ）に例示したように、第１固着層ＦＰ１、第１中間層Ｓ１、記憶層ＦＦ、第２中間層Ｓ２、第２固着層ＦＰ２の平面形状（断面の横幅）は、実質的に同じとしても良いし、図１（ｃ）、（ｄ）に表したように、第１固着層ＦＰ１、第１中間層Ｓ１、記憶層ＦＦ、第２中間層Ｓ２、第２固着層ＦＰ２の平面形状（断面の横幅）を変えても良い。

そして、本実施形態の磁気記憶素子においては、第１固着層ＦＰ１は、第２固着層ＦＰ２から記憶層ＦＦへの漏洩磁界より大きな磁界を記憶層ＦＦに及ぼす。こうすることにより、記憶層ＦＦの磁化を反転させるために必要とされる反転電流の非対称性を抑制できる。つまり、記憶層ＦＦの磁化を図１において上向きに反転させる電流の大きさと下向きに反転させる電流の大きさの違いを小さくできる。
以下、本実施形態の磁気記憶素子における固着層から記憶層への漏洩磁界の大きさについて説明する。

領域Ｖ中に、磁化がＭ（ｒ）（単位ｅｍｕ／ｃｃ）に従って分布しているとき、位置ｒにおける磁界Ｈ（ｒ）（単位Ｏｅ）は、数式４で与えられる。

数式４から、磁化が大きい固着層から、または、記憶層に距離が近い固着層から、記憶層は大きな漏洩磁界を受けることが分かる。
記憶層ＦＦが受け取る漏洩磁界を見積もるために、まず、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２それぞれからの漏洩磁界を見積もる。この漏洩磁界は、各固着層の形状、大きさ、磁化Ｍ、固着層からの距離ｄに依存する。そして、全ての固着層からの漏洩磁界について和をとる。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子の漏洩磁界の分布を例示するグラフ図である。
図２（ａ）と図２（ｃ）は、固着層が幅ａ、奥行きｂ、厚み（層厚）ｔの直方体である場合に、固着層からの距離ｄ離れた膜面に平行な平面内の各位置における磁界の膜面垂直成分の大きさについての等高線を例示している。図２（ａ）と図２（ｃ）において、点線で表された領域が、固着層の平面形状の端部に対応する。
また、図２（ｂ）と図２（ｄ）は、図２（ａ）と図２（ｃ）におけるｙ＝０の軸上における磁界の強さＨ_ｓ（ｘ，０）を例示したグラフ図である。横軸は水平方向の位置ｘ、縦軸は磁界の強さＨ_ｓを示す。なお、磁場の単位は任意である。図２（ｂ）と図２（ｄ）において、図中の縦の点線は、固着層の端部の位置に相当している。
そして、図２（ａ）と図２（ｂ）は、ａ：ｂ＝１：１の場合を例示し、また図２（ｃ）と図２（ｄ）は、ａ：ｂ＝１：１．５の場合を例示している。
図２（ａ）〜（ｄ）の特性は、層厚ｄの中間層が存在する場合に、記憶層ＦＦが受ける固着層からの漏洩磁界を見積もったことに相当する。
図２によると、記憶層ＦＦは、セルの中心において最も大きな磁界を固着層から受け、セルの端で受ける磁界は中心における磁界の半分程度になることが分かる。従って、以下では、記憶層ＦＦは、中心点の７５％の磁界を平均的に受けるものとして、見積もりを行う。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子の固着層の形状を例示する模式図である。
図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子の固着層の平面形状を例示している。図３（ａ）〜（ｃ）に例示したように、固着層の平面形状は様々な形状をとり得る。
図３（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子の固着層の立体形状を例示する模式斜視図である。固着層の立体形状は、種々の形状を取ることができ、図３（ｄ）に例示したように、例えば平面形状が楕円の場合には、楕円柱や楕円錐台等、種々の形状を取り得る。
まず、これらの形状を直方体で近似する方法について説明する。
図３（ｅ）は、固着層を近似した直方体を例示する斜視図である。
平面形状については、その方向の長さが最も短くなる方向（楕円であれば短軸方向）の長さをａ、これに直交する方向（楕円であれば長軸方向）の長さをｂとする。そして、上底と下底で、ａ、ｂが異なるときは、その平均値を用いる。このようにして、固着層の近似直方体の幅ａと奥行きｂを用いる。近似直方体の高さについては固着層の層厚を用いる。

この近似直方体を用いて固着層からの漏洩磁界を見積もる。数式６を用いると、漏洩磁界Ｈ_ｓの大きさは、数式５で表される。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子における漏洩磁界のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
図４（ａ）は、固着層の平面形状が、ａ：ｂ＝１：１の場合を示し、図４（ｂ）は、ａ：ｂ＝１：４の場合を示している。図４（ａ）、（ｂ）において、横軸は固着層の層厚を示している。ただし、それぞれ、ａと（ａｂ）^１／２で規格化された値を用いている。また、縦軸は、中間層の層厚（固着層からの距離）ｄを示している。ただし、同様に、それぞれ、ａと（ａｂ）^１／２で規格化された値を用いている。また、Ｈ_０＝０．７５×２πＭ_ｓである（ただし、Ｍ_ｓは固着層の飽和磁化である）。そして、これらの図中の線は漏洩磁界Ｈ_ｓの等高線を例示している。
図４（ａ）、（ｂ）に表したように、層厚ｔが大きいほど、また、中間層の層厚ｄが小さいほど、漏洩磁界Ｈ_ｓは大きくなり、記憶層は固着層から大きな磁界を受ける。

次に、第１固着層ＦＰ１から記憶層ＦＦに作用する漏洩磁界Ｈ_ｓ１と、第２固着層ＦＰ２から記憶層ＦＦに作用する漏洩磁界Ｈ_ｓ２の差異の検知方法について説明する。
外部から磁気記憶素子に膜面垂直方向の磁界を印加しながら、第１固着層ＦＰ１と第２固着層ＦＰ２の間に電流を流して、この間の電気抵抗を測定する。なお、第１固着層ＦＰ１と第２固着層ＦＰ２の磁化の方向は反平行であり、従って、それぞれの固着層からの漏洩磁界の方向も反平行である。また、第１固着層ＦＰ１からの漏洩磁界Ｈ_ｓ１と第２固着層ＦＰ２からの漏洩磁界Ｈ_ｓ２は、それぞれが正の値になるようにとる。また、後述する図５（ａ）、（ｂ）において、外部から与える磁界の正方向は、第１固着層ＦＰ１からの漏洩磁界Ｈ_ｓ１と同方向になるようにとっている。そして、磁界の大きさを徐々に変え、その都度電気抵抗を測定する。これにより、第１固着層ＦＰ１の漏洩磁界Ｈ_ｓ１と、第２固着層ＦＰ２の漏洩磁界Ｈ_ｓ２と、の差異が測定可能である。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子におけるヒステリシス特性を例示するグラフ図である。
図５の横軸は、外部から印加する磁界の強さ、縦軸は、磁化を示す。縦軸の磁化は、上記の例では、電気抵抗として検出される。図５（ａ）、（ｂ）は、第１固着層ＦＰ１の漏洩磁界Ｈ_ｓ１の大きさと第２固着層ＦＰ２の漏洩磁界Ｈ_ｓ２の大きさが、逆転している場合を例示している。

図５に表したように、外部からの印加磁界に対する磁化の特性として、ヒステリシス曲線が得られる。後の読み出しの項でも述べるが、電気抵抗に最も大きな寄与をするのは、中間層Ｓ１を含むトンネル磁気抵抗効果部であり、この部分の電気抵抗は、第１固着層ＦＰ１と記憶層ＦＦの磁化の相対角度が平行のときに低抵抗になり、反平行のときに高抵抗になる。
第１固着層ＦＰ１から記憶層ＦＦに作用する漏洩磁界Ｈ_ｓ１と、第２固着層ＦＰ２から記憶層ＦＦに作用する漏洩磁界Ｈ_ｓ２とは逆向きである。よって、ヒステリシス曲線の中心は、数式７で表されるΔＨ_ｓだけ、０からずれる。

もし、Ｈ_ｓ１＞Ｈ_ｓ２ならば、ヒステリシス曲線の中心は負方向、つまり第１固着層ＦＰ１の磁化と逆方向にずれる。もし、Ｈ_ｓ１＜Ｈ_ｓ２ならば、ヒステリシス曲線の中心は正方向、つまり第１固着層ＦＰ１の磁化と同方向にずれる。

次に、磁気記憶素子Ｒの記憶層ＦＦへの書き込みについて説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子における書き込み動作の原理を説明するための断面模式図である。
記憶層ＦＦの磁化方向ＭＦＦを、第１固着層ＦＰ１の磁化方向ＭＦＰ１と反平行な方向から平行な方向に反転させるには、図６（ａ）に表したように、第１固着層ＦＰ１から第２固着層ＦＰ２の方向に電子電流Ｉを流す。このとき、磁化ＭＦＰ１を有する第１固着層ＦＰ１を通過した電子は、磁化ＭＦＰ１の方向のスピンを持つようになる。そして、これが記憶層ＦＦへ流れると、このスピンのもつ角運動量が記憶層ＦＦへ伝達され、この角運動量が、記憶層ＦＦの磁化方向ＭＦＦを磁化方向ＭＦＰ１に平行な方向へ反転させるトルクとして作用する。さらに、第２固着層ＦＰ２の磁化ＭＦＰ２は、磁化ＭＦＰ１とは逆向きとされており、このため、電子の流れが第２固着層ＦＰ２へ入る界面においては、磁化方向ＭＦＰ１と同方向のスピン（同図において上向き）を有する電子は反射される。この反射された電子が有する逆向きスピンは、やはり記憶層ＦＦに作用する。すなわち、第１固着層ＦＰ１の磁化方向ＭＦＰ１と同じ方向のスピン電子が、記憶層ＦＦに対して２回作用するため、実質的に２倍以上の書き込み作用が得られる。その結果として、小さい電流で記憶層ＦＦに対する書き込みを実施することができる。

また、記憶層ＦＦの磁化方向ＭＦＦを、第１固着層ＦＰ１の磁化方向ＭＦＰ１と反平行な方向から平行な方向に反転させるには、図６（ｂ）に表したように、電子電流Ｉの向きを反転させれば良い。

つまり、磁気記憶素子Ｒの記憶層ＦＦに、極性の異なる電流を導入することで、２つの異なる状態を書き込むことが可能である。

２つの反転電流閾値の比Ｒ≡Ｉ_ｃ１／Ｉ_ｃ２は１に近いことが望ましいが、漏洩磁界が作用しないとき（ΔＨ_ｓ＝０のとき）の値Ｒ（０）は、１より大きな値をとる。なぜならば、反転電流閾値の比Ｒ（０）は、数式８で書かれ、ここで導入された、第１固着層ＦＰ１の磁化方向ＭＦＰ１と記憶層ＦＦの磁化方向ＭＦＦの相対角度θの函数ｇ(θ)は、スピントランスファの効率を表す因子であり、本発明で採用されている、固着層／バリア層／記憶層／非磁性層／固着層という構造においては、一般にｇ（０）＞ｇ（π）という関係があるためである。

漏洩磁界の差ΔＨ_ｓ≡Ｈ_ｓ１−Ｈ_ｓ２が作用するときのＲの値をＲ（ΔＨ_ｓ）と書くと、パラメータγ（ΔＨ_ｓ）≡Ｒ（ΔＨ_ｓ）／Ｒ（０）は、数式９で表される。

すなわち、ΔＨ_ｓが正の値であれば、γ（ΔＨ_ｓ）＜１となり、反転電流の非対称性を解消することができる。そして、非対称性をｘ％以上改善する、すなわち、γ≦（１−ｘ／１００）を満たすためには、第１固着層ＦＰ１の飽和磁化をＭ１、第１固着層ＦＰ１を直方体で近似したときのサイズをａ_１×ｂ_１×ｔ_１、第１中間層Ｓ１の層厚をｄ_１、第２固着層ＦＰ２の飽和磁化をＭ２、第２固着層ＦＰ２を直方体で近似したときのサイズをａ_２×ｂ_２×ｔ_２、第２中間層Ｓ２の層厚をｄ_２、記憶層ＦＦの飽和磁化をＭｓ、記憶層ＦＦの異方性磁界をＨ_Ｋとして、数式１０を満たせば良い。

ただし、函数Ｈ_ｓは、数式５で与えられる。

そして、係数Ｃ（ｘ）は、Ｃ（ｘ）＝ｘ／（２００−ｘ）で与えられ、具体的な数値を列挙すると、Ｃ（５）＝０．０２６、Ｃ（１０）＝０．０５２、Ｃ（２０）＝０．１１、Ｃ（３０）＝０．１８、Ｃ（４０）＝０．２５、Ｃ（５０）＝０．３３、Ｃ（６０）＝０．４３、Ｃ（７０）＝０．５４、Ｃ（８０）＝０．６７、Ｃ（９０）＝０．８２、Ｃ（１００）＝１である。

数式１０を満たすために、例えば、第１中間層Ｓ１の層厚ｄ_１が第２中間層Ｓ２の層厚ｄ_２より小さければ、他のパラメータに対して課せられる条件が緩和されるので望ましい。さらに、第１中間層Ｓ１の層厚ｄ_１を大きくすると抵抗が指数函数的に増大し、記憶層ＦＦへの書込みに必要な電流を流す際に第１中間層Ｓ１に高い電圧が加わることになり、絶縁性を破壊してしまう可能性が高くなるため、第１中間層Ｓ１の層厚ｄ_１は１ｎｍ以下であることが望ましい。

また、第１固着層ＦＰ１の飽和磁化Ｍ１が第２固着層ＦＰ２の飽和磁化Ｍ２より大きいこと、及び、第１固着層ＦＰ１の層厚ｔ_１が第２固着層ＦＰ２の層厚ｔ_２より大きいこと、は、それぞれ、数式１０を満たすために他のパラメータに求められる条件を緩和するため、望ましい。また、さらに、数式６において、（ａｂ）^１／２の値が大きいと、φ（ａ，ｂ，ｄ）のｄ依存性が小さくなるため、数式５で表される漏洩磁界Ｈ_ｓが小さくなる。従って、第１固着層ＦＰ１の断面積が小さく、第２固着層ＦＰ２の断面積が大きいと、第１固着層ＦＰ１からの漏洩磁界Ｈ_ｓ１が大きく、第２固着層ＦＰ２からの漏洩磁界Ｈ_Ｓ２が小さくなるため、望ましい。

次に、磁気記憶素子Ｒのデータビットの読み出しについて説明する。このとき、データビットは、記憶層ＦＦの磁化方向ＭＦＦとして格納されている。
第１固着層ＦＰ１から第２固着層ＦＰ２に向かって電子が流れる方向に電流を流す、あるいは、第２固着層ＦＰ２から第１固着層ＦＰ１に向かって電子が流れる方向に電流を流すときの電気抵抗は、いわゆる磁気抵抗効果により、記憶層ＦＦの磁性層の磁化方向と非磁性層を介してそれに隣接する磁性層の磁化方向との相対角度に依存する。

第２中間層Ｓ２や配線の電気抵抗に比べて、第１中間層Ｓ１の電気抵抗が高いため、実質的に記憶層ＦＦ／第１中間層Ｓ１／第１固着層ＦＰ１からなるトンネル磁気抵抗効果部の電気抵抗変化を検出することになる。
図７は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子における読み出し動作の原理を説明するための断面模式図である。
図７は、記憶層ＦＦ／第１中間層Ｓ１／第１固着層ＦＰ１からなるトンネル磁気抵抗効果部を例示している。第１固着層ＦＰ１から第２固着層ＦＰ２（記憶層ＦＦ）に向かって電子が流れる方向にセンス電流を流した時、図７（ａ）に表したように第１固着層ＦＰ１の磁化ＭＦＰ１と記憶層ＦＦの磁化ＭＦＦの方向とが同じ時の電気抵抗は、図７（ｂ）に表したように第１固着層ＦＰ１の磁化ＭＦＰ１と記憶層ＦＦの磁化ＭＦＦの方向とが逆の時の電気抵抗より、通常、低い。
すなわち、記憶層ＦＦの磁化方向ＭＦＦと固着層ＦＰ１の磁化方向ＭＦＰ１とが、平行である場合に、通常、電気抵抗が低くなり、両者が反平行である場合に、通常、電気抵抗が高くなることを利用して、記憶層ＦＦの磁化方向ＭＦＦとして格納されたデータビットを読み出すことができる。

なお、既に説明したように、図１に例示した磁気記憶素子Ｒ１〜Ｒ４では、第１固着層ＦＰ１と第２固着層がそれぞれ単層で構成されており、この場合、第１固着層ＦＰ１の磁化方向ＭＦＰ１と第２固着層ＦＰ２の磁化方向ＭＦＰ２とは、膜面に対して垂直な方向であり、互いに反平行である。また、記憶層ＦＦの磁化の安定方向も、膜面に対して垂直な方向であり、従って、記憶層ＦＦの磁化方向ＭＦＦは、平行であるか反平行であるかのいずれかである。

さらに、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２、記憶層ＦＦのそれぞれが積層構造となる場合について説明する。すなわち、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２、記憶層ＦＦを、強磁性サブレイヤーを２層以上含み、非磁性サブレイヤーを０層以上含む多層構造とすることもできる。この構造をシンセティック構造と言う。

図８は、非磁性層を介した２つの強磁性層の間の交換結合を例示する模式図である。
図８の横軸は、非磁性層の層厚を示し、縦軸は、２つの磁性層の交換結合を示す。図８に表したように、一般に、非磁性層を介した２つの強磁性層の間の交換結合は、非磁性層の層厚に対して正負に振動する。従って、図８において、正（負）のピーク位置のいずれかに対応するように、非磁性サブレイヤーの層厚を設定すれば、その両側に隣接する強磁性サブレイヤーの間の交換結合を、強磁性的（反強磁性的）にそれぞれ設定できる。

なお、第１固着層ＦＰ１が強磁性サブレイヤーを２層以上含むとき、強磁性サブレイヤーの各々の磁化方向は、第１固着層ＦＰ１が単層の場合と同じ条件を満たす。すなわち、強磁性サブレイヤーの各磁化方向は、層面に対し垂直である。そして、記憶層ＦＦの第１中間層Ｓ１と面する膜の磁化方向と第１固着層ＦＰ１の磁化方向との関係と、記憶層ＦＦの第２中間層Ｓ２と面する膜の磁化方向と第２固着層ＦＰ２との磁化方向との関係と、の一方が平行で他方が反平行となるように、第１固着層ＦＰ１を構成する強磁性サブレイヤーが固定化される。そして、固着層からの漏洩磁界は、各固着層を構成する強磁性サブレイヤーから記憶層ＦＦに及ぼす漏洩磁界の和である。各強磁性サブレイヤーが記憶層ＦＦに及ぼす漏洩磁界は、各強磁性サブレイヤーを先述の方法を用いて直方体近似を行い、それを数式５に適用したものによって表される。なお、第１固着層ＦＰ１の磁化方向ＭＦＰ１とは、第１固着層ＦＰ１に含まれる強磁性サブレイヤーのうち最も第１中間層Ｓ１に近い強磁性サブレイヤーの磁化方向を指すものとする。
また、第２固着層ＦＰ２が強磁性サブレイヤーを２層以上含むとき、強磁性サブレイヤーの各々の磁化方向は、第２固着層ＦＰ２が単層の場合と同じ条件を満たし、第２固着層ＦＰ２の磁化方向ＭＦＰ２とは、第２固着層ＦＰ２に含まれる強磁性サブレイヤーのうち最も第２中間層Ｓ２に近い強磁性サブレイヤーの磁化方向を指すものとする。
また、記憶層ＦＦが強磁性サブレイヤーを２層以上含むとき、強磁性サブレイヤーの各々の磁化方向は、記憶層ＦＦが単層の場合と同じ条件を満たす。そして、上記の書き込み動作の説明における記憶層ＦＦの磁化方向ＭＦＦとは、記憶層ＦＦを構成する強磁性サブレイヤーのうち最も第１中間層Ｓ１に近い強磁性サブレイヤー磁化方向のことである。また、上記の読み出し動作の説明における記憶層ＦＦの磁化方向ＭＦＦとは、記憶層ＦＦを構成する強磁性サブレイヤーのうち最も第２中間層Ｓ２に近い強磁性サブレイヤーの磁化方向のことである。
他の強磁性サブレイヤーの磁化方向は、隣接する強磁性サブレイヤー間の交換結合が強磁性的であるか反強磁性的であるかによって決まるので、一意に決まる。

なお、上記のように、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２及び記憶層ＦＦのそれぞれが、強磁性サブレイヤーを２層以上含む時は、数式１０は、それぞれの強磁性サブレイヤーに関しての総和によって表現される。すなわち、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２及び記憶層ＦＦが強磁性サブレイヤーを２層以上含む時を含めて、数式１０は、以下の数式１１に拡張できる。

すなわち、第１の固着層ＦＰ１が、強磁性体を含むＮ（Ｎは１以上の整数）個の第１強磁性層（第１強磁性サブレイヤー）を含み、ｉ番目の第１強磁性層ＦＰ１_ｉ（ｉ番目の第１強磁性サブレイヤーＳＦＰ１_ｉ）の飽和磁化をＭ_１ｉ、ｉ番目の第１強磁性層ＦＰ１_ｉ（ｉ番目の第１強磁性サブレイヤーＳＦＰ１_ｉ）を直方体で近似したときのサイズ（縦の長さ×横の長さ×層厚）をａ_１ｉ×ｂ_１ｉ×ｔ_１ｉとし、また、第２の固着層ＦＰ２が、強磁性体を含むＭ個（Ｍは１以上の整数）の第２強磁性層（第２強磁性サブレイヤー）を含み、ｊ番目の第２強磁性層ＦＰ２_ｊ（ｊ番目の第２強磁性サブレイヤーＳＦＰ２_ｊ）の飽和磁化をＭ_２ｊ、ｊ番目の第２強磁性層ＦＰ２_ｊ（ｊ番目の第２強磁性サブレイヤーＳＰＦ２_ｊ）を直方体で近似したときのサイズ（縦の長さ×横の長さ×層厚）をａ_２ｊ×ｂ_２ｊ×ｔ_２ｊとし、記憶層ＦＦが、強磁性体を含むＰ（Ｐは１以上の整数）個の記憶層磁性層（記憶層サブレイヤー）を含み、ｋ番目の記憶層強磁性層ＦＦ_ｋ（ｋ番目の記憶層強磁性サブレイヤーＳＦＦ_ｋ）の飽和磁化をＭ_ｓｋ、ｋ番目の記憶層強磁性層ＦＦ_ｋ（ｋ番目の記憶層強磁性サブレイヤーＳＦＦ_ｋ）の異方性磁界をＨ_Ｋｋとし、ｉ番目の第１強磁性層ＦＰ１_ｉ（ｉ番目の第１強磁性サブレイヤーＳＦＰ１_ｉ）とｋ番目の記憶層強磁性層ＦＦ_ｋ（ｋ番目の記憶層強磁性サブレイヤーＳＦＦ_ｋ）との距離をｄ_１ｉｋ、ｊ番目の第２強磁性層ＦＰ２_ｊ（ｊ番目の第２強磁性サブレイヤーＳＦＰ２_ｊ）とｋ番目の記憶層強磁性層ＦＦ_ｋ（ｋ番目の記憶層強磁性サブレイヤーＳＦＦ_ｋ）との距離をｄ_２ｊｋすると、数式１１を満たせば良い。

従って、非対称性を１０％改善するには、以下の数式１２を満たせば良い。

また、非対称性を３０％改善するには、以下の数式１３を満たせば良い。

なお、数式１１において、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２及び記憶層ＦＦが単層の強磁性体を含む層である場合は、Ｎ＝１（ｉ＝１）、Ｍ＝１（ｊ＝１）、Ｐ＝１（ｋ＝１）であり、数式１０に対応する。

その時、非対称性を１０％改善するには、以下の数式１４を満たせば良い。

また、非対称性を３０％改善するには、以下の数式１５を満たせば良い。

また、数式１１を満たすために、第１中間層Ｓ１の層厚ｄ_１が第２中間層Ｓ２の層厚ｄ_２より小さければ、他のパラメータに対して課せられる条件が緩和されるので望ましい。さらに、層厚ｄ_１を大きくすると抵抗が指数函数的に増大し、記憶層ＦＦ（ＦＦ_ｋまたはＳＦＦ_ｋ）への書込みに必要な電流を流す際に第１中間層Ｓ１に高い電圧が加わることになり、絶縁性を破壊してしまう可能性が高くなるため、層厚ｄ_１は１ｎｍ以下であることが望ましい。

なお、第１固着層ＦＰ１が２つ以上の第１強磁性サブレイヤーＳＦＰ１_ｉを含み、記憶層ＦＦが２つ以上の記憶層強磁性サブレイヤーＳＦＦ_ｋを含む場合、第１中間層Ｓ１の層厚ｄ_１は、第１強磁性サブレイヤーＳＦＰ_ｉと記憶層強磁性サブレイヤーＳＦＦ_ｋのうち、相互に最も近い第１強磁性サブレイヤーＳＦＰ１_ｉと記憶層強磁性サブレイヤーＳＦＦ_ｋとの間の距離と見なすことができる。

上記のシンセティック反強磁性結合の構成を、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２、記憶層ＦＦに用いた種々の磁気記憶素子が構成できる。
図９は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する断面模式図である。
図９（ａ）に例示した磁気記憶素子Ｒ５は、シンセティック反強磁性結合を第１固着層ＦＰ１に用いた例、図９（ｂ）に例示した磁気記憶素子Ｒ６は、第２固着層ＦＰ２に用いた例、図９（ｃ）に例示した磁気記憶素子Ｒ７は、第１固着層ＦＰ１と第２固着層ＦＰ２の両方に用いた例である。
また、図９（ｄ）に例示した磁気記憶素子Ｒ８は、シンセティック反強磁性結合を第１固着層ＦＰ１と記憶層ＦＦに用いた例、図９（ｅ）に例示した磁気記憶素子Ｒ９は、第２固着層ＦＰ２と記憶層ＦＦに用いた例、図９（ｆ）に例示した磁気記憶素子Ｒ１０は、第１固着層ＦＰ１、記憶層ＦＦ、第２固着層ＦＰ２に用いた例である。
いずれの場合も、記憶層ＦＦの第１中間層Ｓ１と面する膜の磁化方向と第１固着層ＦＰ１の磁化方向との関係と、記憶層ＦＦの第２中間層Ｓ２と面する膜の磁化方向と第２固着層ＦＰ２との磁化方向との関係と、の一方が平行で他方が反平行となるように第１固着層ＦＰ１の（サブレイヤーの）磁化方向及び第２固着層ＦＰ２の（サブレイヤーの）磁化方向が固定されている。

次に、本実施形態に係る磁気記憶素子の各層の構成材料について説明する。
第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２、記憶層ＦＦには各種の磁性材料を用いることができる。なお、本実施形態に係る気記憶素子において、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２、記憶層ＦＦの層毎に異なる磁性材料を用いても構わない。

例えば、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２、記憶層ＦＦとして、一軸異方性定数Ｋｕが大きく、垂直磁気異方性を示す磁性材料を用いることができる。このような材料の例として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒからなるグループから選択される１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈからなるグループから選択される１つ以上の元素との組み合わせによる合金がある。一軸異方性定数Ｋｕの値は、磁性層を構成する磁性材料の組成や、熱処理による結晶規則性などによっても調整できる。
また、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２、記憶層ＦＦには、ｈｃｐ構造（最密六方構造）の結晶構造を持ち、垂直磁気異方性を示す磁性材料を用いることもできる。このような磁性材料としては、Ｃｏを主成分とする金属を含むものが代表的であるが、他のｈｃｐ構造を有する金属を用いることもできる。
また、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２、記憶層ＦＦとして、その他、希土類元素と鉄族遷移元素との合金で、垂直磁気異方性を示す材料を用いることもできる。具体的には、ＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、ＤｙＦｅＣｏなどが挙げられる。

また、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２の層厚は、それぞれ、０．６ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。記憶層ＦＦの層厚は、０．２ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。

第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２、記憶層ＦＦが、積層構造を有する場合、それを構成する強磁性サブレイヤーとしてＣｏ、ＣｏＣｒ、ＣｏＦｅを用い、そして、非磁性サブレイヤーとしてＰｔまたはＰｄを用いることができる。代表的な例として、ＣｏサブレイヤーとＰｔサブレイヤーを交互に３〜６回繰り返して積層する構造がある。また、別の積層構造の例として、磁性層を構成するサブレイヤーのうち中間層に直接接するサブレイヤーに、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ、または、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒからなるグループから選択される１つの元素を含む合金を用いることができる。このような合金の具体的な例として、ＣｏＮｂＺｒ、ＦｅＴａＣ、ＣｏＴａＺｒ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢのような軟磁性材料がある。この他、磁性層を構成するサブレイヤーのうち中間層に直接接するサブレイヤーに、スピン分極率が高い材料を用いると、スピントランスファによる磁化反転の効率が高くなり反転電流閾値を下げる効果や磁気抵抗比が大きくなり読み出しが容易になる効果があるため、好ましい。従って、磁性層を構成するサブレイヤーのうち中間層に直接接するサブレイヤーに用いる材料として、ハーフメタルと呼ばれる高スピン分極率材料は、理想的な材料である。ハーフメタルの例として、ホイスラー系合金、ルチル型酸化物、スピネル型酸化物、ペロブスカイト型酸化物、二重ペロブスカイト型酸化物、閃亜鉛鉱型クロム化合物、閃亜鉛鉱型マンガン化合物、パイライト型マンガン化合物、センダスト合金、磁性半導体が含まれる。ハーフメタルの具体的な例として、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、ＣｒＯ_２、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３などがある。

また、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２、記憶層ＦＦに用いられるこれらの磁性体には、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｈなどの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。また、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２、記憶層ＦＦが、多層膜構造を有する場合、それを構成する非磁性サブレイヤーの材料として、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、あるいは、これらのいずれか１種以上を含む合金を用いることができる。

第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２にそれぞれ設けられる反強磁性層ＡＦ１、ＡＦ２の材料としては、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、磁性半導体などを用いることが望ましい。

第２中間層Ｓ２に非磁性金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｂｉのうちのいずれか、あるいは、これらのいずれか１種以上を含む合金を用いることができる。また、この非磁性金属からなる第２中間層Ｓ２の層厚は、０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。

本実施形態の磁気記憶素子の磁気抵抗効果を大きくするには、第１中間層Ｓ１の材料をトンネルバリア層として機能させることが効果的である。この場合、第１中間層Ｓ１の材料として、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＡｌＬａＯ_３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ、非磁性半導体（例えば、ＺｎＯ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯ_２、Ｚｎ、Ｔｅ、またはそれらに遷移金属がドープされたもの）などを用いることができる。これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していても良い。また、この絶縁材料からなる第１中間層Ｓ１の層厚は、０．２ｎｍ以上１ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。

第１中間層Ｓ１が絶縁層である場合、その内部にピンホールＰＨが存在しても良い。この場合、ピンホールＰＨは、その両側の第１固着層ＦＰ１及び記憶層ＦＦの少なくともいずれかの材料により埋め込まれている。第１固着層ＦＰ１と記憶層ＦＦとがピンホールＰＨを介して接続されていると、いわゆる「磁性ポイントコンタクト」による「ＢＭＲ 効果（Ballistic Magnetoresistance Effect）」が発現し、極めて大きい磁気抵抗効果が得られ、その結果、読み出しときのマージンが大きくなる。ピンホールＰＨの開口径は、概ね２０ｎｍ以下であることが望ましい。また、ピンホールＰＨの形状は、円錐状、円柱状、球状、多角錘状、多角柱状などの各種の形状を取り得る。また、ピンホールＰＨの数は、１個でも複数でも良い。

次に、本実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法について説明する。
図１０は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する断面模式図である。
図１０に表したように、第１の実施形態に係る磁気記憶素子Ｒ１１は、以下の材料及び層厚の積層構造を有している。すなわち、第１電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦ１（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／第１固着層ＦＰ１（ＦｅＰｔ：１０ｎｍ／Ｒｕ：１ｎｍ／ＦｅＰｔ：２５ｎｍ）／第１中間層Ｓ１（ＭｇＯ：０．８ｎｍ）／記憶層ＦＦ（ＣｏＦｅＮｉＰｔ：３ｎｍ）／第２中間層Ｓ２（Ｃｕ：６ｎｍ）／第２固着層ＦＰ２（ＦｅＣｏ：０．５ｎｍ／ＴｂＦｅＣｏ：２０ｎｍ）／ＴｂＦｅ：１０ｎｍ）／反強磁性層ＡＦ２（ＩｒＭｎ：１８ｎｍ）／第２電極ＥＬ２（Ｃｕ）である。なお、括弧内の長さは層厚である。

上記の構造及び材料を持つ磁気記憶素子Ｒ１１は、以下の工程により製造することができる。まず、ウェーハの上方に第１電極ＥＬ１を形成し、その上に超高真空スパッタ装置を使って、反強磁性層ＡＦ１、第１固着層ＦＰ１、第１中間層Ｓ１、記憶層ＦＦ、第２中間層Ｓ２、第２固着層ＦＰ２、反強磁性層ＡＦ２を積層し、さらにその上に保護膜を形成する。このウェーハを磁界中真空炉にて、２７０℃で１０時間、磁界中アニールすることにより、第１固着層ＦＰ１、第２固着層ＦＰ２に一方向異方性が付与される。次に保護膜上にレジストを塗布してＥＢ（Electron Beam）露光することにより、素子の平面形状（５０ｎｍ×６０ｎｍ）に応じたマスクが形成される。次にイオンミリングにより、マスクに被覆されない領域をエッチングする。エッチング後、マスクが剥離され、さらに、超高真空スパッタを用いて、セルの相互間にＳｉＯ_２を成膜する。その後、表面をイオンミリングによって平滑化し、保護膜の表面を露出させる。この保護膜の表面の上に第２電極ＥＬ２を形成する。この結果、磁気記憶素子Ｒ１１が形成できる。なお、磁気記憶素子Ｒ１１は、図９（ａ）に例示した磁気記憶素子Ｒ５の磁化の方向を持つ。ただし、磁気記憶素子Ｒ１１は、第２固着層ＦＰ２が、ＦｅＣｏ／ＴｂＦｅＣｏ／ＴｂＦｅの３層構造となる例である。

なお、磁気記憶素子Ｒ１１において、第１固着層ＦＰ１を構成する２つの強磁性サブレイヤーの磁化方向が反平行になっており、図９（ａ）に示したように、第１固着層ＦＰ１の磁化方向のうち最も外側の（第１中間層から最も離れた）サブレイヤーの磁化方向と、第２固着層ＦＰ２の強磁性サブレイヤーの磁化方向とが平行になっており、これにより１度の磁界中アニールにより、１方向異方性が付与できるという製造上のメリットがある。

以下、実施例について説明する。
（第１の実施例）
本発明の第１の実施例の磁気記憶素子Ｒ１１０について説明する。磁気記憶素子Ｒ１１０の平面サイズは、５０ｎｍ×６０ｎｍである。
図１１は、本発明の第１の実施例に係る磁気記憶素子の構成を例示する断面模式図である。
図１１に表したように、第１の実施例の磁気記憶素子Ｒ１１０は、以下の積層構造を有する。なお、数字は、各層の層厚を示す。
第１固着層ＦＰ１（ＦｅＰｔ：ｔ_１ｎｍ）／第１中間層Ｓ１（ＭｇＯ：０．９ｎｍ）／記憶層ＦＦ（Ｆｅ：０．２ｎｍ／ＣｏＰｔＣｒ：２ｎｍ）／第２中間層Ｓ２（Ｃｕ：ｄ_２ｎｍ）／第２固着層ＦＰ２（ＦｅＰｔ：２０ｎｍ）
上記において、第１固着層ＦＰ１の層厚ｔ_１と第２中間層Ｓ２の層厚ｄ_２とが可変である。実施例１の磁気記憶素子Ｒ１１０において、まず、ｄ_２＝６ｎｍに固定し、第１固着層ＦＰ１の層厚ｔ_１を変化させ、漏洩磁界ΔＨ_ｓをシミュレーションした。

図１２は、本発明の第１の実施例に係る磁気記憶素子の漏洩磁界のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
図１２の横軸は、第１固着層ＦＰ１の層厚ｔ_１を示し、縦軸は漏洩磁界ΔＨ_ｓを示す。なお、シミュレーションの際、第１固着層ＦＰ１に用いられているＦｅＰｔの飽和磁化Ｍｓ（ＦｅＰｔ）として、１１４０Ｏｅを用いた。

図１２において、ｔ_１＞２０ｎｍの領域が本実施例に対応する領域である。
すなわち、ｔ_１＞２０ｎｍのとき、ΔＨ_ｓ＞０となっており、第１固着層ＦＰ１は、第２固着層ＦＰ２から記憶層ＦＦへの漏洩磁界より大きな磁界を記憶層ＦＦに及ぼす。
例えば、第１固着層ＦＰ１の層厚を５０ｎｍとすると、ΔＨ_ｓ＝２ｋＯｅとなる。そして、記憶層ＦＦの異方性磁界は１３．４ｋＯｅ、Ｍｓは３００ｅｍｕ／ｃｍ^３であるから、Ｈ_Ｋ−４πＭｓ＝９．７ｋＯｅであることを考慮すると、数式９より、パラメータγ＝０．６６となる。つまり、この場合、反転電流の非対象性を３４％改善することができ、素子破壊の可能性を抑制できる他、本磁気記憶素子を用いて後述する磁気記憶装置に用いた場合、単一電源を用いるのに有利になる。
また、第１固着層ＦＰ１の層厚を２５ｎｍとすると、ΔＨ_ｓ＝０．４５ｋＯｅとなり、γ＝０．９１となる。すなわち、反転電流の非対称性を９％改善することができる。

次に、磁気記憶素子Ｒ１１０において、第１固着層ＦＰ１の層厚ｔ_１を３０ｎｍに固定し、第２中間層Ｓ２の層厚ｄ_２を変化させ、漏洩磁界ΔＨ_ｓをシミュレーションした。
図１３は、本発明の第１の実施例に係る磁気記憶素子の漏洩磁界のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
図１３の横軸は、第２中間層Ｓ２の層厚ｄ_２を示し、縦軸は漏洩磁界ΔＨ_ｓを示す。
図１３に表した第２中間層Ｓ２の層厚ｄ_２の全ての領域が本実施例に対応する。
すなわち、図１３に表したように、第２中間層Ｓ２の層厚ｄ_２の値によらずΔＨ_ｓ＞０となっており、第１固着層ＦＰ１は、第２固着層ＦＰ２から記憶層ＦＦへの漏洩磁界より大きな磁界を記憶層ＦＦに及ぼす。
例えば、第２中間層Ｓ２の層厚ｄ_２を３ｎｍとすると、ΔＨ_ｓ＝０．８４ｋＯｅとなり、γ＝０．８４となる。この場合、反転電流の非対称性を１６％改善することができる。
また、磁気記憶素子Ｒ１１０の平面サイズを、２５ｎｍ×３０ｎｍにして同様のシミュレーション計算を行うと、（ｔ_１，ｄ_２）＝（２５ｍ，６ｎｍ）のとき、γ＝０．８２となる。また、（ｔ_１，ｄ_２）＝（３０ｎｍ，３ｎｍ）のとき、γ＝０．８２となる。これらの場合において、γの値は、平面サイズが５０ｎｍ×６０ｎｍの場合と比べて同程度かそれ以下になる。
すなわち、図４に表したように、磁気記憶素子Ｒ１１０において、平面サイズ（ａ×ｂ）^１／２に対して固着層の層厚ｔが同程度以下で、中間層のうち少なくとも一方の層厚が薄くない（（ａ×ｂ）^１／２の１０％以上）場合には、平面サイズを小さくすることにより本発明による非対称性改善効果が著しく増大する。

（他の実施例）
以下、本発明の他の実施例に係る磁気記憶素子について説明する。
図１４は、本発明の第２〜第６の実施例に係る磁気記憶素子の構成を例示する断面模式図である。
図１４（ａ）〜（ｅ）に表したように、本発明の第２〜第６の実施例に係る磁気記憶素子Ｒ１２０〜Ｒ１６０は、以下の構成を有す。すなわち、以下の各材料からなる層が積層されており、数字は、各層の層厚を示す。また［Ｘ／Ｙ］_ｎは、物質Ｘの層と物質Ｙの層が、交互にそれぞれｎ層積層されていることを示す。

第２の実施例（Ｒ１２０）：第１固着層ＦＰ１（ＣｏＰｔ：４０ｎｍ）／第１中間層Ｓ１（ＭｇＯ：０．９ｎｍ）／記憶層ＦＦ（Ｆｅ：０．２ｎｍ／ＣｏＰｔＣｒ：２．５ｎｍ／ＦｅＣｏ：０．３ｎｍ）／第２中間層Ｓ２（Ｃｕ：５ｎｍ）／第２固着層ＦＰ２（ＣｏＰｔ：２０ｎｍ）
第３の実施例（Ｒ１３０）：第１固着層ＦＰ１（ＦｅＰｔ：２５ｎｍ）／第１中間層Ｓ１（ＭｇＯ：０．８ｎｍ）／記憶層ＦＦ（Ｆｅ_３Ｏ_４：０．４ｎｍ／ＧｄＦｅＣｏ：５ｎｍ）／第２中間層Ｓ２（Ｃｕ：６ｎｍ）／第２固着層ＦＰ２（ＣｏＰｔ：３０ｎｍ）
第４の実施例（Ｒ１４０）：第１固着層ＦＰ１（ＣｏＰｔ：２５ｎｍ）／第１中間層Ｓ１（Ａｌ_２Ｏ_３：１．０ｎｍ）／記憶層ＦＦ（ＦｅＰｄ：２．３ｎｍ）／第２中間層Ｓ２（Ａｕ：３ｎｍ）／第２固着層ＦＰ２（［Ｃｏ：０．４ｎｍ／Ｐｔ：１．０ｎｍ）］_６）
第５の実施例（Ｒ１５０）：第１固着層ＦＰ１（ＴｂＦｅＣｏ：４０ｎｍ）／第１中間層Ｓ１（Ａｌ_２Ｏ_３：０．９ｎｍ）／記憶層ＦＦ（ＧｄＦｅ：２．２ｎｍ／Ｃｏ：０．２ｎｍ）／第２中間層Ｓ２（Ｃｕ：４ｎｍ）／第２固着層ＦＰ２（ＴｂＦｅ：３５ｎｍ）
第６の実施例（Ｒ１６０）：第１固着層ＦＰ１（［ＣｏＣｒ：１．０ｎｍ／Ｐｔ：１．８ｎｍ］_４）／第１中間層Ｓ１（ＭｇＯ：１．０ｎｍ）／記憶層ＦＦ（ＣｏＰｔＢ：３．０ｎｍ）／第２中間層Ｓ２（Ｃｕ：８ｎｍ）／第２固着層ＦＰ２（［Ｃｏ：０．９ｎｍ／Ｐｔ：２．０ｎｍ］_３／Ｒｕ：０．８ｎｍ／［Ｃｏ：０．９ｎｍ／Ｐｔ：２．０ｎｍ］_３）
以上説明した、実施例１〜実施例６の磁気記憶素子Ｒ１１０〜Ｒ１６０は、いずれも、第１固着層ＦＰ１の磁化方向ＭＦＰ１及び第２固着層ＦＰ２の磁化方向ＭＦＰ２が層面に対し垂直である。そして、記憶層ＦＦの第１固着層ＦＰ１と面する膜の磁化方向と前記第１固着層ＦＰ１の磁化方向との関係と、記憶層ＦＦの第２固着層ＦＰ２と面する膜の磁化方向と第２固着層ＦＰ２との磁化方向との関係と、の一方が平行で他方が反平行となるように第１固着層ＦＰ１の磁化方向及び第２固着層ＦＰ２の磁化方向が固定されている。そして、第１固着層ＦＰ１は、第２固着層ＦＰ２から記憶層ＦＦへの漏洩磁界より大きな磁界を記憶層ＦＦに及ぼすことができる。特に、第６の実施例においては、第２固着層ＦＰ２を構成する強磁性サブレイヤーの磁化方向が互いに反平行となっている。このような構造は、第２固着層ＦＰ２からの漏洩磁界を抑制するのに好適である。これにより、反転電流の非対称性を解消し、素子破壊の可能性を低減した高集積化に適する磁気記憶素子が実現できる。また、これにより高信頼性で低コストの磁気記憶装置が提供される。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態の磁気記憶装置について説明する。
以上説明した本実施形態の磁気記憶素子を多数並べて、磁気記憶装置に適用することができる。
図１５は、本発明の第２の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を例示する模式回路図である。
図１５に表したように、第２の実施形態の磁気記憶装置ＭＤ１においては、ワード線と呼ばれる配線ＷＬが複数、互いに平行に並べられ、これらと交わる方向に、ビット線と呼ばれる配線ＢＬが複数、互いに平行に並べられている。また、トランジスタ等のスイッチング素子Ｔと磁気記憶素子を備えるメモリセルが複数個、行列状に並べられており、それぞれのメモリセルには、１本のワード線と１本のビット線が接続されている。そして、上記の磁気記憶素子として、本実施形態の磁気記憶素子Ｒが用いられている。
また、上記からなるメモリセルアレイＭＣＡの外部に、各配線を選択するデコーダや読み出し回路等を備えた周辺回路Ｓが配置され、周辺回路Ｓは各配線と接続されている。これらは、公知技術を用いて構成することができる。

図１６は、本発明の第２の実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルの配線との接続構造を例示する模式断面図である。
図１６は、メモリセル及びそれに接続されているワード線、ビット線の断面構造を模式的に示している。図１６に表したように、各メモリセルは、絶縁膜Ｉによって、相互に電気的に絶縁されている。
そして、磁気記憶素子Ｒの記憶層ＦＦへの書き込みは、まず、外部からのアドレス信号に応じたアドレスを有する配線ＷＬを選択することにより、トランジスタＴをＯＮとする。次いで、ＢＬに電流Ｉｗを流すことにより、書き込みが行われる。Ｉｗの符号、大きさに必要な条件は、上記で述べた通りである。

磁気記憶素子Ｒの記憶層ＦＦに保存されたデータの読み出しは、まず、外部からのアドレス信号に応じたアドレスを有する配線ＷＬを選択することにより、スイッチング素子（トランジスタ）ＴをＯＮとする。次いで、ＢＬに電流Ｉｒを流すことにより行われる。Ｉｒの符号は、正負どちらでも構わない。Ｉｒが正（負）のとき、Ｉｒの大きさは、正（負）の書き込み電流の大きさより小さいものとする。

これにより、アレイ状に並べられた複数の磁気記憶素子Ｒへの書き込み及び読み出しが可能となり、反転電流の非対称性を解消し、素子破壊の可能性を低減した高集積化に適する磁気記憶素子を用いた高信頼性で低コストの磁気記憶装置が提供される。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態の磁気記憶装置について説明する。
図１７は、本発明の第３の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を例示する模式回路図である。
図１７に表したように、第３の実施形態の磁気記憶装置ＭＤ２においては、図１５に例示した磁気記憶装置ＭＤ１に加えて、各メモリセルに第２ビット線ＢＬ２がさらに設けられている。
本発明の実施形態の磁気記憶素子Ｒにおいては、書き込みに際し、書き込むデータビットに応じた方向に磁気記憶素子Ｒに電流を流す必要がある。図１５に例示した磁気記憶装置ＭＤ１においては、ビット線ＢＬ、磁気記憶素子Ｒ、スイッチング素子Ｔの１端がこの順で接続され、スイッチング素子の他端は、接地される（または電源端子に接続される）。このため、ビット線ＢＬの終端に２つの異なる値の電位を与えるか、異なる符号の電流を流す手段が具備される。これに対し、図１７に例示した磁気記憶装置ＭＤ２では、各メモリセルに２本のビット線ＢＬ、ＢＬ２が接続されている。これにより、書き込み時にＢＬとＢＬ２の間に電流を流すことにより書き込みを行うことができる。すなわち、ＢＬとＢＬ２のうち、どちらかを選択して電源に接続し、他方を接地することにより、電流の流れる向きを変える、という使い方が可能になるため、１つの電源を用意すれば済むという利点がある。特に、本発明の磁気記憶素子Ｒにおいては、反転電流の非対称性が解消されているため、図１７に例示した磁気記憶装置ＭＤ２の構成を用いるメリットが大きい。これにより、アレイ状に並べられた複数の磁気記憶素子Ｒへの書き込み及び読み出しが効率的に可能となり、反転電流の非対称性を解消し、素子破壊の可能性を低減した高集積化に適する磁気記憶素子を用いた高信頼性で低コストの磁気記憶装置が提供される。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気記憶素子を構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、電極、パッシベーション、絶縁構造などの形状や材質、磁気記憶装置を構成する配線、周辺回路等に関しては、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、本発明の磁気記憶素子を構成する各固着層、記憶層、各中間層のそれぞれについて、全て同一形状、同一サイズとする必要はなく、互いに異なる形状、サイズとなるように設計しても構わない。
ただし、製造プロセス上、磁気記憶層の平面形状としては、縦横比で１：１から１：４までの範囲内にある正方形、長方形、多角形（例えば六角形）、円形、楕円形、菱形、または、平行四辺形とすることが望ましい。
また、本発明の実施形態の磁気記憶素子において、図１、図９、図１０、図１１、図１４に例示した構成をそれぞれ上下反転させた構造とすることができる。
また、磁気記憶素子における反強磁性層、中間層、絶縁層などの構成要素は、それぞれ、単層として形成しても良く、あるいは、２以上の層を積層した構造としても良い。
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気記憶素子や磁気記憶装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気記憶素子、磁気記憶装置、記録再生装置も、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。

なお、本願明細書を通じて「垂直」には、製造工程のばらつき等による厳密な垂直からのずれが含まれるものとする。また、同様に、本願明細書を通じて、「平行」、「水平」は、厳密な平行、水平を意味するものではなく、実質的に平行、水平であれば良い。

本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する模式断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子の漏洩磁界の分布を例示するグラフ図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子の固着層の形状を例示する模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子における漏洩磁界のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子におけるヒステリシス特性を例示するグラフ図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子における書き込み動作の原理を説明するための断面模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子における読み出し動作の原理を説明するための断面模式図である。 非磁性層を介した２つの強磁性層の間の交換結合を例示する模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する断面模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する断面模式図である。 本発明の第１の実施例に係る磁気記憶素子の構成を例示する断面模式図である。 本発明の第１の実施例に係る磁気記憶素子の漏洩磁界のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。 本発明の第１の実施例に係る磁気記憶素子の漏洩磁界のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。 本発明の第２〜第６の実施例に係る磁気記憶素子の構成を例示する断面模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を例示する模式回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルの配線との接続構造を例示する模式断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を例示する模式回路図である。

符号の説明

ＡＦ１、ＡＦ２ 反強磁性層
ＢＬ、ＢＬ２ ビット線
ＥＬ１、ＥＬ２ 電極
ＦＦ 記憶層
ＦＰ１ 第１固着層
ＦＰ２ 第２固着層
ＭＣＡ メモリセルアレイ
ＭＤ１、ＭＤ２ 磁気記憶装置
ＭＦＦ 記憶層の磁化（磁化方向）
ＭＦＰ１ 第１固着層の磁化（磁化方向）
ＭＦＰ２ 第２固着層の磁化（磁化方向）
Ｓ 周辺回路
Ｓ１ 第１中間層
Ｓ２ 第２中間層
ＳＦＰ１_ｉ ｉ番目の第１強磁性層（ｉ番目の第１強磁性サブレイヤー）
ＳＦＰ２_ｊ ｊ番目の第２強磁性層（ｊ番目の第２強磁性サブレイヤー）
ＳＦＦ_ｋ ｋ番目の記憶層強磁性層（ｋ番目の記憶層強磁性サブレイヤー）
Ｔ スイッチング素子
Ｒ、Ｒ１〜Ｒ１１、Ｒ１１０〜Ｒ１６０ 磁気記憶素子
ＷＬ ワード線

Claims (4)

1. 強磁性体を含み、磁化方向が固定された第１固着層と、
   強磁性体を含み、磁化方向が固定された第２固着層と、
   前記第１固着層と前記第２固着層との間に設けられ、強磁性体を含み、磁化方向が可変の記憶層と、
   前記第１固着層と前記記憶層との間に設けられ、絶縁体または半導体を含み、非磁性体からなるトンネルバリア層と、
   前記第２固着層と前記記憶層との間に設けられ、非磁性体からなり前記トンネルバリア層の導電率よりも高い導電率を有する中間層と、
   を備え、
   前記第１固着層の磁化方向及び前記第２固着層の磁化方向は、層面に対して垂直であり、
   前記記憶層の前記トンネルバリア層と面する部分の磁化方向と前記第１固着層の磁化方向との関係と、
   前記記憶層の前記中間層と面する部分の磁化方向と前記第２固着層の磁化方向との関係と、
   の一方が平行で他方が反平行となるように前記第１固着層の磁化方向及び前記第２固着層の磁化方向が固定され、
   前記第１固着層は、前記第２固着層から前記記憶層への漏洩磁界より大きな磁界を前記記憶層に及ぼし、
   前記第１固着層と前記第２固着層との間に電流を双方向に流すことが可能とされ、前記電流を、第１の極性で第１の閾値以上になるように流した場合に、前記記憶層の磁化方向が、スピントランスファトルクにより第１の方向となり、前記電流を、第２の極性で、第２の閾値以上になるように流した場合に、前記記憶層の磁化方向が、スピントランスファトルクにより前記第１の方向とは反対の第２の方向となる磁気記憶素子であって、
   前記トンネルバリア層の層厚は１ｎｍ以下であり、
   前記第１固着層が、強磁性体を含むＮ（Ｎは１以上の整数）個の第１強磁性層を含み、ｉ番目の前記第１強磁性層を直方体近似したときの縦の長さａ_１ｉと、横の長さｂ_１ｉと、層厚ｔ_１ｉと、前記ｉ番目の前記第１強磁性層の飽和磁化の大きさＭ_１ｉと、
   前記第２固着層が、強磁性体を含むＭ（Ｍは１以上の整数）個の第２強磁性層を含み、ｊ番目の前記第２強磁性層を直方体近似したときの縦の長さａ_２ｊと、横の長さｂ_２ｊと、層厚ｔ_２ｊと、前記ｊ番目の前記第２強磁性層の飽和磁化の大きさＭ_２ｊと、
   前記記憶層が、強磁性体を含むＰ（Ｐは１以上の整数）個の記憶層強磁性層を含み、ｋ番目の前記記憶層強磁性層の異方性磁界の大きさＨ_Ｋｋと、前記ｋ番目の前記記憶層強磁性層の飽和磁化の大きさＭ_Ｓｋと、
   前記ｉ番目の前記第１強磁性層と前記ｋ番目の前記記憶層強磁性層との距離ｄ_１ｉｋと、
   前記ｊ番目の前記第２強磁性層と前記ｋ番目の前記記憶層強磁性層との距離ｄ_２ｊｋと、
   が、数式１
   

   

   で定められる函数φ（ａ，ｂ，ｄ）により、数式２
   

   

   を満足することを特徴とする磁気記憶素子。
2. 強磁性体を含み、磁化方向が固定された第１固着層と、
   強磁性体を含み、磁化方向が固定された第２固着層と、
   前記第１固着層と前記第２固着層との間に設けられ、強磁性体を含み、磁化方向が可変の記憶層と、
   前記第１固着層と前記記憶層との間に設けられ、絶縁体または半導体を含み、非磁性体からなるトンネルバリア層と、
   前記第２固着層と前記記憶層との間に設けられ、非磁性体からなり前記トンネルバリア層の導電率よりも高い導電率を有する中間層と、
   を備え、
   前記第１固着層の磁化方向及び前記第２固着層の磁化方向は、層面に対して垂直であり、
   前記記憶層の前記トンネルバリア層と面する部分の磁化方向と前記第１固着層の磁化方向との関係と、
   前記記憶層の前記中間層と面する部分の磁化方向と前記第２固着層の磁化方向との関係と、
   の一方が平行で他方が反平行となるように前記第１固着層の磁化方向及び前記第２固着層の磁化方向が固定され、
   前記第１固着層は、前記第２固着層から前記記憶層への漏洩磁界より大きな磁界を前記記憶層に及ぼし、
   前記第１固着層と前記第２固着層との間に電流を双方向に流すことが可能とされ、前記電流を、第１の極性で第１の閾値以上になるように流した場合に、前記記憶層の磁化方向が、スピントランスファトルクにより第１の方向となり、前記電流を、第２の極性で、第２の閾値以上になるように流した場合に、前記記憶層の磁化方向が、スピントランスファトルクにより前記第１の方向とは反対の第２の方向となる磁気記憶素子であって、
   前記トンネルバリア層の層厚は１ｎｍ以下であり、
   前記第１固着層が、強磁性体を含むＮ（Ｎは１以上の整数）個の第１強磁性層を含み、ｉ番目の前記第１強磁性層を直方体近似したときの縦の長さａ_１ｉと、横の長さｂ_１ｉと、層厚ｔ_１ｉと、前記ｉ番目の前記第１強磁性層の飽和磁化の大きさＭ_１ｉと、
   前記第２固着層が、強磁性体を含むＭ（Ｍは１以上の整数）個の第２強磁性層を含み、ｊ番目の前記第２強磁性層を直方体近似したときの縦の長さａ_２ｊと、横の長さｂ_２ｊと、層厚ｔ_２ｊと、前記ｊ番目の前記第２強磁性層の飽和磁化の大きさＭ_２ｊと、
   前記記憶層が、強磁性体を含むＰ（Ｐは１以上の整数）個の記憶層強磁性層を含み、ｋ番目の前記記憶層強磁性層の異方性磁界の大きさＨ_Ｋｋと、前記ｋ番目の前記記憶層強磁性層の飽和磁化の大きさＭ_Ｓｋと、
   前記ｉ番目の前記第１強磁性層と前記ｋ番目の前記記憶層強磁性層との距離ｄ_１ｉｋと、
   前記ｊ番目の前記第２強磁性層と前記ｋ番目の前記記憶層強磁性層との距離ｄ_２ｊｋと、
   が、数式１
   

   

   で定められる函数φ（ａ，ｂ，ｄ）により、数式３
   

   

   を満足することを特徴とする磁気記憶素子。
3. 前記第１固着層と前記第２固着層との間に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化方向が検知可能とされたことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
4. 複数のワード線と、
   複数のビット線と、
   請求項１〜３のいずれか１つに記載の複数の磁気記憶素子と、
   を備え、
   前記複数のワード線のいずれかと前記複数のビット線のいずれかとを選択して前記複数の磁気記憶素子のいずれかの前記第１固着層と前記第２固着層との間に電流を流すことにより、その記憶層の磁化方向を前記第１の方向と前記第２の方向とのいずれかとすることが可能とされ、
   前記複数のワード線のいずれかと前記複数のビット線のいずれかとを選択して前記複数の磁気記憶素子のいずれかの前記第１固着層と前記第２固着層との間に電流を流すことにより、その記憶層と第１固着層との間の磁気抵抗効果が検出可能とされたことを特徴とする磁気記憶装置。

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