JP5576449B2 - 不揮発性記憶装置 - Google Patents

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。また、電圧の印加によって、ＭＴＪ素子の磁化の方向を変化させる構成がある。このような不揮発性記憶装置において、安定した動作が望まれている。

国際公開第２００９／１３３６５０号パンフレット

本発明の実施形態は、安定した動作の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、記憶部と、制御部と、を含む不揮発性記憶装置が提供される。前記記憶部は、前記磁気記憶素子と、磁界印加部と、を含む。前記磁気記憶素子は、積層体を含む。前記積層体は、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、変化可能である。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。前記磁界印加部は、前記積層方向に対して垂直な第１面内方向の成分を含む磁界を前記第２強磁性層に印加する。前記制御部は、前記磁気記憶素子と電気的に接続され、前記磁気記憶素子の前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の電圧を第１設定電圧から第２設定電圧に変化させる設定動作を実施する。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平面に投影した成分よりも大きい。前記第２強磁性層は、少なくとも第１方向と第２方向とに変化可能である。前記第１方向を向く前記第２強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分は、前記平面に投影した成分よりも大きい。前記第２方向を向く前記第２強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分は、前記平面に投影した成分よりも大きい。前記第２方向を向く前記第２強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分の向きは、前記第１方向を向く前記第２強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分の向きに対して逆である。前記第１設定電圧から前記第２設定電圧に変化させたときの前記第２強磁性層の異方性磁界の前記積層方向の成分の変化をΔＨ（エルステッド）とする。前記第１設定電圧のときの前記第２強磁性層の異方性磁界の前記積層方向の成分をＨ_ｕ（エルステッド）とする。前記磁界印加部の印加する前記磁界の前記第１面内方向の成分をＨ_ｅｘｔ（エルステッド）とする。前記第１設定電圧のときの前記第２強磁性層の異方性磁界の前記第１面内方向の成分をＨ_ｄｘ（エルステッド）とする。前記磁界印加部の印加する前記磁界は、

で表される条件を満足する。

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）及び図３（ｂ）は、磁化平行状態及び磁化反平行状態を示す模式図である。 図４（ａ）〜図４（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５（ａ）〜図５（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６（ａ）〜図６（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７（ａ）及び図７（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８（ａ）〜図８（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９（ａ）〜図９（ｆ）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１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の特性を示すグラフ図である。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の特性を示すグラフ図である。 図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の特性を示すグラフ図である。 図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の別の動作を示すグラフ図である。 図１４（ａ）〜図１４（ｅ）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（ａ）〜図１５（ｉ）は、第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置の特性を示すグラフ図である。 図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、第３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１７（ａ）〜図１７（ｄ）は、第４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１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 第６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、記憶部１０１と、制御部５５０と、を含む。
記憶部１０１は、磁気記憶素子１１０と、磁界印加部ＭＵと、を含む。磁気記憶素子１１０は、積層体ＳＢ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。

積層体ＳＢ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１１の方向は、実質的に固定されている。第２強磁性層２０の磁化１２の方向は、変化可能である。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。

積層体ＳＢ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ＳＢ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１強磁性層１０の磁化１１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１１の方向は、主面１０ａに対して非平行である。第１強磁性層１０の磁化１１の方向の積層方向ＳＤ１の成分は、第１強磁性層１０の磁化１１の方向の積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）に投影した成分よりも大きい。

第２強磁性層２０の磁化１２は、少なくとも第１方向と第２方向とに変化可能である。磁化１２の方向が第１方向のときにおいて、磁化１２の積層方向ＳＤ１の成分は、磁化１２のＸ−Ｙ平面に投影した成分よりも大きい。磁化１２の方向が第２方向のときにおいて、磁化１２の積層方向ＳＤ１の成分は、磁化１２のＸ−Ｙ平面に投影した成分よりも大きい。第２方向の磁化１２の積層方向ＳＤ１の成分の向きは、第１方向の磁化１２の積層方向ＳＤ１の成分の向きに対して逆である。

第１強磁性層１０の磁化１１の方向の積層方向ＳＤ１の成分の向きは、例えば、実質的に変化しない。第１強磁性層１０の磁化１１の方向の変化は、第２強磁性層２０の磁化１２の方向の変化よりも小さい。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。この例において、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０には、垂直磁化膜が用いられる。

第１非磁性層１０ｎは、例えば、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を含む積層体ＳＢは、例えば、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）の構造を有する。積層体ＳＢは、例えば、磁気記憶部として機能する。

磁界印加部ＭＵは、積層方向ＳＤ１に対して垂直な第１面内方向の成分を含む磁界ＭＦを第２強磁性層２０に印加する。この例において、第１面内方向は、Ｘ軸方向である。第１面内方向は、Ｘ軸方向に限ることなく、積層方向ＳＤ１に対して垂直な任意の方向でよい。

磁界印加部ＭＵは、例えば、第３強磁性層３０と第２非磁性層２０ｎとを含む。
第３強磁性層３０は、積層方向ＳＤ１に沿って積層体ＳＢに積層されている。第３強磁性層３０の磁化１３の方向は、実質的に固定されている。第３強磁性層３０の磁化１３の方向のＸ−Ｙ平面に投影した成分は、第３強磁性層３０の磁化１３の方向の積層方向ＳＤ１の成分よりも大きい。この例において、第３強磁性層３０の磁化１３の方向のＸ軸方向の成分は、第３強磁性層３０の磁化１３の方向のＹ軸方向の成分、及び、第３強磁性層３０の磁化１３の方向の積層方向ＳＤ１の成分よりも大きい。

第２非磁性層２０ｎは、第３強磁性層３０と積層体ＳＢとの間に設けられる。この例では、第３強磁性層３０、第２非磁性層２０ｎ、第２強磁性層２０、第１非磁性層１０ｎ及び第１強磁性層１０が、この順に積層される。これにより、磁界印加部ＭＵは、Ｘ軸方向の成分を含む漏洩磁界ＬＭを第２強磁性層２０に印加する。

第３強磁性層３０は、例えば、第２の磁化固定層として機能する。この例において、第３強磁性層３０には、面内磁化膜が用いられる。第２非磁性層２０ｎは、例えば、第２のスペーサ層として機能する。第２非磁性層２０ｎは、必要に応じて設けられ、省略可能である。

記憶部１０１は、第１導電層８１と、第２導電層８２と、をさらに含む。第１導電層８１及び第２導電層８２は、磁気記憶素子１１０に含めてもよい。積層体ＳＢは、第１導電層８１と第２導電層８２との間に配置される。磁界印加部ＭＵは、積層体ＳＢと第１導電層８１との間に配置される。第１導電層８１は、磁界印加部ＭＵに電気的に接続される。この例では、第１導電層８１は、第３強磁性層３０に電気的に接続される。第２導電層８２は、積層体ＳＢに電気的に接続される。この例では、第２導電層８２は、第１強磁性層１０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。

制御部５５０は、第１導電層８１及び第２導電層８２を介して磁気記憶素子１１０に電圧の印加及び電流の供給を行う。制御部５５０は、例えば、磁気記憶素子１１０の第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電圧を第１設定電圧から第２設定電圧に変化させる設定動作を実施する。第１設定電圧は、例えば、第２設定電圧を印加する直前の状態の電圧（初期電圧）である。第１設定電圧は、接地電位と実質的に同じ電圧でもよいし、接地電位との間に所定の電位差を持つ電圧でもよい。また、第１設定電圧は、浮遊電位でもよい。すなわち、第１設定電圧は、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間に意図的に電圧を印加していない状態における、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電圧でもよい。第１設定電圧が接地電位との間に所定の電位差を持つ場合、制御部５５０は、例えば、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間に、第１設定電圧を印加した後、第２設定電圧を印加する。以下では、第１設定電圧を浮遊電位として説明を行う。

磁界印加部ＭＵの印加する磁界ＭＦは、（１）式で表される条件を満足する。この例では、漏洩磁界ＬＭが、（１）式で表される条件を満足する。

（１）式では、第１設定電圧から第２設定電圧に変化させたときの第２強磁性層２０の異方性磁界の積層方向ＳＤ１の成分の変化ΔＨ（Ｏｅ：エルステッド）と、第１設定電圧のときの第２強磁性層２０の異方性磁界の積層方向ＳＤ１の成分Ｈ_ｕ（Ｏｅ）と、磁界印加部ＭＵの印加する磁界ＭＦの第１面内方向（Ｘ軸方向）の成分Ｈ_ｅｘｔ（Ｏｅ）と、第１設定電圧のときの第２強磁性層２０の異方性磁界のＸ軸方向の成分Ｈ_ｄｘ（Ｏｅ）と、が用いられる。ΔＨは、より詳しくは、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電圧が第１設定電圧のときの第２強磁性層２０の異方性磁界の積層方向ＳＤ１の成分と、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電圧が第２設定電圧のときの第２強磁性層２０の異方性磁界の積層方向ＳＤ１の成分と、の差である。

第２強磁性層２０の異方性磁界のＸ軸方向の成分Ｈ_ｄｘは、例えば、第２強磁性層２０の形状異方性磁界である。第２面内方向を、積層方向ＳＤ１及び第１面内方向に対して垂直な方向とする。例えば、第２強磁性層２０の第１面内方向の長さが、第２強磁性層２０の第２面内方向の長さよりも長い場合、第２強磁性層２０は、第１面内方向の成分を含む形状異方性磁界を持つ。このように、第２強磁性層２０の異方性磁界の第１面内方向の成分Ｈ_ｄｘは、例えば、第２強磁性層２０の磁化１２に作用する形状異方性磁界である。

ΔＨは、例えば、第１設定電圧から第２設定電圧に変化させたときの共鳴周波数の変化を測定することで求めることができる。共鳴周波数の変化は、例えば、スペクトラムアナライザを用いたスペクトル解析によって測定することができる。共鳴周波数の変化は、例えば、磁化の磁場に対するヒステリシス応答の電圧依存性を見ることでもわかる。
ΔＨは、例えば、第１設定電圧を印加している状態（例えば電圧を印加していない状態）における磁気抵抗と、第２設定電圧を印加している状態における磁気抵抗と、の変化を測定することによって求めることもできる。
Ｈ_ｕは、例えば、熱揺らぎからＨ_ｕを見積もることができる測定方法である、Thermally excited FMR法（MagNoise測定）によって測定することができる。Ｈ_ｕは、例えば、磁化の磁場に対するヒステリシス応答の電圧依存性を見ることでもわかる。
Ｈ_ｅｘｔは、例えば、固着層のパラメータを用いて、下記の論文（１）に記載の式から見積もることができる。
Ｈ_ｄｘは、例えば、第２強磁性層２０の飽和磁化Ｍｓと形状由来の反磁界係数Ｎｄから見積もることができる。Ｎｄは、下記の論文（２）に記載の式を用いて見積もることができる。
Ｈ_ｄｘの最大値は、４πＮｄＭｓである。
論文（１）：R. Engel-Herbert and T. Hesjedal, Journal of Applied Physics 97, 074504 (2005)
論文（２）：A. Aharoni, Jounal of Applied Physics 83, 3432 (1998)
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２強磁性層２０から第１強磁性層１０に向かう方向を「上」または「上向き」と言う。第１強磁性層１０から第２強磁性層２０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１１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１１の方向は上向きである。ただし、第１強磁性層１０の磁化１１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１１の方向は、下向きでもよい。

例えば、第１導電層８１及び第２導電層８２を介して、積層体ＳＢ及び磁界印加部ＭＵに電圧を印加することができる。積層体ＳＢ及び磁界印加部ＭＵに電圧を印加することによって、第２強磁性層２０の磁化１２の方向を制御することができる。例えば、第２強磁性層２０の磁化１２の方向に応じて、「０」と「１」とがそれぞれ割り当てられる。これにより、「０」と「１」との情報が、磁気記憶素子１１０に記憶される。

この例では、例えば、第１方向を向く第２強磁性層２０の磁化１２の積層方向ＳＤ１の成分の向きが上向きであり、第２方向を向く第２強磁性層２０の磁化１２の積層方向ＳＤ１の成分の向きが下向きである。第１方向及び第２方向における磁化１２の積層方向ＳＤ１の成分の向きは、上記と反対でもよい。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、磁化平行状態及び磁化反平行状態を例示する模式図である。
図３（ａ）は、磁化平行状態を例示している。図３（ｂ）は、磁化反平行状態を例示している。
図３（ａ）に表したように、磁化平行状態では、第１強磁性層１０の磁化１１の方向の積層方向ＳＤ１の成分の向きが、第２強磁性層２０の磁化１２の方向の積層方向ＳＤ１の成分の向きと同じである。
図３（ｂ）に表したように、磁化反平行状態では、第１強磁性層１０の磁化１１の方向の積層方向ＳＤ１の成分の向きが、第２強磁性層２０の磁化１２の方向の積層方向ＳＤ１の成分の向きに対して逆である。

例えば、磁化平行状態が情報の「０」に割り当てられ、磁化反平行状態が情報の「１」に割り当てられる。すなわち、この例では、第２強磁性層２０の磁化１２を第１方向に向けた状態が、「０」であり、第２強磁性層２０の磁化１２を第２方向に向けた状態が、「１」である。「０」及び「１」の情報と磁化１２の方向との関係は、上記と反対でもよい。第２強磁性層２０の磁化１２の変化可能な方向は、３つ以上でもよい。これにより、例えば、マルチビットの磁気記憶素子１１０を実現することができる。

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。

まず、情報の書き込みの動作について説明する。
図４（ａ）〜図４（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４（ａ）〜図４（ｃ）は、電圧の印加にともなう第２強磁性層２０の磁化１２の方向の変化の方法を表す。図４（ａ）〜図４（ｃ）では、簡単のため、積層体ＳＢだけを図示して説明する。図４（ａ）は、電圧を印加する前（印加していないとき）の積層体ＳＢを表す。図４（ｂ）は、電圧を印加する前の第２強磁性層２０を表す。図４（ｃ）は、電圧を印加している時の第２強磁性層２０を表す。図４（ａ）及び図４（ｂ）において、第２強磁性層２０の磁化１２の方向の積層方向ＳＤ１の成分の向きは、上向きである。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に表したように、電圧を印加する前の状態においては、第２強磁性層２０の磁化１２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電圧（パルス電圧）を印加すると、磁化１２の積層方向ＳＤ１に沿う方向の異方性磁界が、磁化１２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２強磁性層２０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１２が歳差運動する。その結果、歳差運動中に、磁化１２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５（ａ）〜図５（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５（ａ）〜図５（ｅ）は、第２強磁性層２０の磁化方向の決定方法について説明した図である。図５（ａ）〜図５（ｅ）では、簡単のため、積層体ＳＢだけを図示して説明する。図５（ａ）、図５（ｂ）及び図５（ｄ）では、歳差運動中の第２強磁性層２０の磁化１２の運動状態を球体ＳＰ内で考える。球体ＳＰは、例えば、磁化１２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５（ａ）に表したように、歳差運動中においては、第２強磁性層２０の磁化１２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１２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１２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５（ｂ）及び図５（ｃ）に表したように、磁化平行状態を作るためには、磁化１２が上半球にいる状態で電圧をオフにする。電圧をオフにすると、磁界の積層方向ＳＤ１の成分の影響が強くなり、磁化１２は上向きに緩和する。その結果、第２強磁性層２０の磁化１２と第１強磁性層１０の上向きの磁化１１とが、磁化平行状態となる。

図５（ｄ）及び図５（ｅ）に表したように、磁化反平行状態を作るためには、磁化１２が下半球にいる状態で電圧をオフにする。この場合、第２強磁性層２０の磁化１２は、下向きに緩和する。これにより、磁化１１と磁化１２とが、磁化反平行状態となる。

図６（ａ）〜図６（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６（ａ）〜図６（ｄ）は、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６（ａ）〜図６（ｄ）の横軸は、時間ＴＭである。図６（ａ）及び図６（ｃ）の縦軸は、印加する電圧の値である。図６（ｂ）及び図６（ｄ）の縦軸は、磁化１２の方向の積層方向ＳＤ１の成分が上向きの状態を「１」、磁化１２の方向の積層方向ＳＤ１の成分が下向きの状態を「−１」として正規化した正規化値Ｍｚである。図６（ａ）及び図６（ｃ）では、第２強磁性層２０の磁化１２に着目し、磁化状態を球体ＳＰで表している。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に表したように、例えば、磁化１２が下向きの状態を初期状態とした場合に、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させる。第２設定電圧ＳＶ２は、例えば、パルス電圧である。第２設定電圧ＳＶ２は、第１立ち上がり時間ｔｒ１、第１時間幅ｔｐ１、及び、第１立ち下がり時間ｔｆ１を有する。第１立ち上がり時間ｔｒ１は、例えば、第１設定電圧ＳＶ１と第２設定電圧ＳＶ２との間の変化の時間である。第１時間幅ｔｐ１は、例えば、第１立ち上がり時間ｔｒ１の終点と、第１立ち下がり時間ｔｆ１の始点と、の間の時間である。第１時間幅ｔｐ１における第２設定電圧ＳＶ２の値は、実質的に一定でもよいし、変化してもよい。

第１立ち上がり時間ｔｒ１が１ｎｓより短い（例えば１０ピコ秒以上１ナノ秒未満）場合、第２強磁性層２０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る。磁化１２が歳差運動中、上半球にいる間に第２設定電圧ＳＶ２をオフする（第２設定電圧ＳＶ２から第１設定電圧ＳＶ１に再び変化させる）と、磁化１２は上向きに緩和する。すなわち、Ｍｚ＝１となる。磁化１２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、第１立ち上がり時間ｔｒ１は、第２強磁性層２０の磁化１２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２強磁性層２０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、ｔｒ１＜τ_{ｒｅｌａｘ}である第２設定電圧ＳＶ２を印加する。これにより、第２強磁性層２０の磁化１２が、第１方向及び第２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、（２）式で求めることができる。

（２）式には、第２強磁性層２０のＧｉｌｖｅｒｔのダンピング定数α、第２強磁性層２０の磁気ジャイロ定数γ（Ｈｚ／Ｏｅ：ヘルツ／エルステッド）、及び、第２強磁性層２０における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、（３）式で求めることができる。
[数３]
Ｈ_ｅｆｆ＝Ｈ_ｕ＋Ｈ_{ｄｅｍａｇ}＋Ｈ_ｅｘｔ …（３）
（３）式には、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１２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、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させなくてもよい。

図６（ｃ）及び図６（ｄ）に表したように、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させる場合、第２設定電圧ＳＶ２は、第１立ち上がり時間ｔｒ１、第２時間幅ｔｐ２、及び、第１立ち下がり時間ｔｆ１を有する。磁化１２が下半球にいる間となるように第２時間幅ｔｐ２を選択して第２設定電圧ＳＶ２をオフする。これにより、磁化１２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２強磁性層２０の磁化方向の変化は、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２強磁性層２０の磁化１２の方向を変化させるために印加する第２設定電圧ＳＶ２の極性は、一方向でよい。

前述のように、第２設定電圧ＳＶ２の印加は、制御部５５０によって実施される。すなわち、磁気記憶素子１１０に対する情報の書き込みまたは消去が、制御部５５０によって実施される。設定動作は、例えば、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させることによって、第２強磁性層２０の磁化１２の方向を第１方向から第２方向または第２方向から第１方向に変化させる動作である。制御部５５０は、例えば、磁化１２が第１方向を向いている状態において第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させることにより、磁化１２を第２方向に変化させ、磁化１２が第２方向を向いている状態において第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させることにより、磁化１２を第１方向に変化させる。

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１２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、例えば、第２強磁性層２０の磁化１２の向きがスピントランスファトルクによって変化しない程度に設定される。

図７（ａ）及び図７（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」動作の際の積層体ＳＢの状態を例示している。これらの図では、磁界印加部ＭＵ、第１導電層８１及び第２導電層８２は省略されている。

図７（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７（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７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように、積層体ＳＢ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７（ａ）の状態の抵抗は、図７（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７（ａ）の状態の抵抗は、図７（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」とを対応付けることにより、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７（ａ）及び図７（ｂ）に例示した方向に対して逆向きでも良い。

図８（ａ）〜図８（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８（ａ）〜図８（ｄ）の横軸は、時間ＴＭである。図８（ａ）及び図８（ｃ）の縦軸は、印加する電圧である。図８（ｂ）及び図８（ｄ）の縦軸は、正規化値Ｍｚである。
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、磁気記憶素子１１０の第１の読み出し方法を表す。図８（ｃ）及び図８（ｄ）は、磁気記憶素子１１０の第２の読み出し方法を表す。磁気記憶素子１１０では、２つの読み出し方法を用いることができる。すなわち、磁気記憶素子１１０では、センス電流６１の供給に２つの方法を用いることができる。

図８（ａ）及び図８（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１１０の第１の読み出し方法では、磁気記憶素子１１０の第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電圧を第１基準電圧ＣＶ１から第１読み出し電圧ＲＶ１に変化させる。第１基準電圧ＣＶ１は、第１設定電圧ＳＶ１と同様に、接地電位でもよいし、接地電位との間に所定の電位差を有してもよいし、浮遊電位でもよい。以下では、第１基準電圧ＣＶ１を浮遊電位として説明を行う。第１読み出し電圧ＲＶ１は、例えば、パルス電圧である。第１読み出し電圧ＲＶ１の極性は、第２設定電圧ＳＶ２の極性に対して逆向きである。例えば、第２設定電圧ＳＶ２がプラスの極性のときには、第１読み出し電圧ＲＶ１にマイナスの極性を用いる。第１読み出し電圧ＲＶ１の立ち上がり時間ｔｒ１ｒは、緩和時間τ_{ｒｅｌａｘ}より長くてもよいし、緩和時間τ_{ｒｅｌａｘ}より短くてもよい。第１読み出し電圧ＲＶ１の印加により、磁気記憶素子１１０にセンス電流６１が供給され、第２強磁性層２０の磁化１２の方向を読み出すことができる。

電圧による異方性変調において、逆極性の電圧の印加による磁化容易軸ＥＡの方向の変化は、順極性の電圧の印加による磁化容易軸ＥＡの方向の変化よりも小さい。磁化容易軸ＥＡの方向は、逆極性の電圧の印加では実質的に変化しない。すなわち、逆極性の電圧の印加では、磁化の面内方向ＳＤ２の成分が、磁化の積層方向ＳＤ１の成分よりも大きくならない。これにより、第１読み出し電圧ＲＶ１の印加では、センス電流６１の供給にともなう誤書き込みが抑制される。

図８（ｃ）及び図８（ｄ）に表したように、磁気記憶素子１１０の第２の読み出し方法では、磁気記憶素子１１０の第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電圧を第２基準電圧ＣＶ２から第２読み出し電圧ＲＶ２に変化させる。第２基準電圧ＣＶ２は、第１設定電圧ＳＶ１及び第１基準電圧ＣＶ１と同様に、接地電位でもよいし、接地電位との間に所定の電位差を有してもよいし、浮遊電位でもよい。以下では、第２基準電圧ＣＶ２を浮遊電位として説明を行う。第２読み出し電圧ＲＶ２は、例えば、パルス電圧である。第２読み出し電圧ＲＶ２の極性は、第２設定電圧ＳＶ２の極性と同じである。第２読み出し電圧ＲＶ２の立ち上がり時間ｔｒ２ｒは、緩和時間τ_{ｒｅｌａｘ}よりも長い。

立ち上がり時間ｔｒ２ｒが緩和時間τ_{ｒｅｌａｘ}よりも長い場合には、電圧を印加したときに第２強磁性層２０の磁気異方性が変調されても、磁化１２が面内方向ＳＤ２を向いた状態にならない。従って、第２読み出し電圧ＲＶ２の印加により、磁気記憶素子１１０にセンス電流６１が供給され、第２強磁性層２０の磁化１２の方向を読み出すことができる。そして、第２読み出し電圧ＲＶ２の印加においても、センス電流６１の供給にともなう誤書き込みが抑制される。

上記第１の読み出し方法及び第２の読み出し方法は、例えば、制御部５５０によって実施される。制御部５５０は、例えば、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電圧を第１基準電圧ＣＶ１から第１読み出し電圧ＲＶ１に変化させる第１読み出し動作を、さらに実施する。制御部５５０は、例えば、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電圧を第２基準電圧ＣＶ２から第２読み出し電圧ＲＶ２に変化させる第２読み出し動作を、さらに実施する。制御部５５０は、第１読み出し動作と第２読み出し動作との双方を実施してもよいし、第１読み出し動作と第２読み出し動作とのいずれか一方のみを実施してもよい。

次に、本願発明者が実施したシミュレーションの結果について説明する。
図９（ａ）〜図９（ｆ）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９（ａ）〜図９（ｆ）は、シミュレーションで検討した磁気記憶素子１１１〜１１３（シミュレーションモデル）の構成を表す。
図９（ａ）は、磁気記憶素子１１１の模式的平面図であり、図９(ｂ)は、磁気記憶素子１１１の模式的断面図である。
図９（ｃ）は、磁気記憶素子１１２の模式的平面図であり、図９(ｄ)は、磁気記憶素子１１２の模式的断面図である。
図９（ｅ）は、磁気記憶素子１１３の模式的平面図であり、図９(ｆ)は、磁気記憶素子１１３の模式的断面図である。なお、図９（ａ）〜図９（ｆ）では、第１導電層８１、第２導電層８２及び制御部５５０が省略されている。

シミュレーションは、モンテカルロ法によるランジュバン方程式の数値積分で行われる。より具体的には、磁場中での磁化ベクトルの歳差運動を記述する微分方程式であるＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に、スピントルクの効果及び熱揺らぎを反映したランダム磁場を加えた方程式の数値計算をマクロスピンモデルで行う。また、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させることによって第２強磁性層２０の磁気異方性が変化する効果は、例えば、前記方程式において、第２強磁性層２０の異方性磁界を変化させることによって取り入れることができる。

図９（ａ）及び図９（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１１１では、Ｘ−Ｙ平面に投影した形状が、実質的に円形である。磁気記憶素子１１１では、第２強磁性層２０のＸ軸方向（第１面内方向）に沿う長さＬｘ１が、第２強磁性層２０のＹ軸方向（第２面内方向）に沿う長さＬｙ１と実質的に同じである。このため、磁気記憶素子１１１の第２強磁性層２０は、実質的に形状異方性磁界を持たない。

図９（ｃ）及び図９（ｄ）に表したように、磁気記憶素子１１２では、Ｘ−Ｙ平面に投影した形状が、楕円形である。磁気記憶素子１１２では、第２強磁性層２０のＸ軸方向の長さＬｘ２が、第２強磁性層２０のＹ軸方向の長さＬｙ２よりも短い。このため、磁気記憶素子１１２の第２強磁性層２０は、Ｙ軸方向の成分を含む形状異方性磁界ＳＭｙを持つ。磁気記憶素子１１２では、第２強磁性層２０の形状異方性磁界ＳＭｙに対して垂直な方向に、磁界印加部ＭＵからの磁界ＭＦが印加される。

図９（ｅ）及び図９（ｆ）に表したように、磁気記憶素子１１３では、Ｘ−Ｙ平面に投影した形状が、楕円形である。磁気記憶素子１１３では、第２強磁性層２０のＸ軸方向の長さＬｘ３が、第２強磁性層２０のＹ軸方向の長さＬｙ３よりも長い。このため、磁気記憶素子１１３の第２強磁性層２０は、Ｘ軸方向の成分を含む形状異方性磁界ＳＭｘを持つ。磁気記憶素子１１３では、第２強磁性層２０の形状異方性磁界ＳＭｘに対して平行な方向に、磁界印加部ＭＵからの磁界ＭＦが印加される。

シミュレーションでは、第２強磁性層２０の異方性磁界のＸ軸方向の成分Ｈ_ｄｘを、第２強磁性層２０の形状異方性磁界とし、第２強磁性層２０の形状異方性磁界の方向と、磁界印加部ＭＵの磁界ＭＦの方向との関係について検討する。この例では、第２強磁性層２０の異方性磁界の第２面内方向（Ｙ軸方向）の成分をＨ_ｄｙとする。この例では、Ｈ_ｄｘの方向が、磁界ＭＦの方向に対して実質的に平行であり、Ｈ_ｄｙの方向が、磁界ＭＦの方向に対して実質的に垂直である。

磁気記憶素子１１１の第２強磁性層２０は、形状異方性磁界を持たない。このため、磁気記憶素子１１１では、Ｈ_ｄｘ＝０Ｏｅ、Ｈ_ｄｙ＝０Ｏｅである。磁気記憶素子１１２の第２強磁性層２０は、第２面内方向の成分を含む形状異方性磁界ＳＭｙを持つ。磁気記憶素子１１２では、例えば、Ｈ_ｄｘ＝０Ｏｅ、Ｈ_ｄｙ＝１０００Ｏｅである。磁気記憶素子１１３の第２強磁性層２０は、第１面内方向の成分を含む形状異方性磁界ＳＭｘを持つ。磁気記憶素子１１３では、例えば、Ｈ_ｄｘ＝５００Ｏｅ、Ｈ_ｄｙ＝０Ｏｅである。

シミュレーションでは、磁気記憶素子１１１〜１１３のそれぞれについて、第１モデルＭ１〜第９モデルＭ９の９個のモデルが採用される。
第１モデルＭ１では、Ｈ_ｅｘｔ＝１００Ｏｅの第３強磁性層３０（磁界印加部ＭＵ）が採用される。
第２モデルＭ２では、Ｈ_ｅｘｔ＝２００Ｏｅの第３強磁性層３０が採用される。
第３モデルＭ３では、Ｈ_ｅｘｔ＝３００Ｏｅの第３強磁性層３０が採用される。
第４モデルＭ４では、Ｈ_ｅｘｔ＝４００Ｏｅの第３強磁性層３０が採用される。
第５モデルＭ５では、Ｈ_ｅｘｔ＝５００Ｏｅの第３強磁性層３０が採用される。
第６モデルＭ６では、Ｈ_ｅｘｔ＝６００Ｏｅの第３強磁性層３０が採用される。
第７モデルＭ７では、Ｈ_ｅｘｔ＝７００Ｏｅの第３強磁性層３０が採用される。
第８モデルＭ８では、Ｈ_ｅｘｔ＝８００Ｏｅの第３強磁性層３０が採用される。
第９モデルＭ９では、Ｈ_ｅｘｔ＝９００Ｏｅの第３強磁性層３０が採用される。

シミュレーションでは、磁気記憶素子１１１〜１１３の第１モデルＭ１〜第９モデルＭ９のそれぞれにおいて、Ｈ_ｕ＝１０００Ｏｅの第２強磁性層２０が採用される。
そして、シミュレーションでは、磁気記憶素子１１１〜１１３の第１モデルＭ１〜第９モデルＭ９のそれぞれについて、電圧値の異なる第２設定電圧ＳＶ２を複数回印加する場合を検討する。これにより、０Ｏｅ〜１０００Ｏｅの範囲のΔＨを生じさせたときの、スイッチング時間ＳＴ（ｎｓ：ナノ秒）が評価される。スイッチング時間ＳＴは、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させた後、第２強磁性層２０の磁化１２が、第１方向から第２方向または第２方向から第１方向に変化するまでの時間である。この例では、磁化１２が上向きから下向きに変化するまでの時間、または、磁化１２が下向きから上向きに変化するまでの時間である。以下では、磁化１２の第１方向から第２方向への変化、または、磁化１２の第２方向から第１方向への変化を、スイッチングと称す。シミュレーションでは、計算によってスイッチング時間ＳＴを求める。実験では、例えば、立ち上がり時間がτ_relaxより短いパルスを磁気記憶素子に印加し、通電中の抵抗値の変化をサンプリングオシロスコープで観察することにより、磁化１２の反転の周期を観察することができる。この反転周期からスイッチング時間ＳＴを把握することが可能である。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）、及び、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、磁気記憶素子１１１の第１モデルＭ１〜第９モデルＭ９のシミュレーション結果を表すグラフ図である。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、磁気記憶素子１１２の第１モデルＭ１〜第９モデルＭ９のシミュレーション結果を表すグラフ図である。
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、磁気記憶素子１１３の第１モデルＭ１〜第９モデルＭ９のシミュレーション結果を表すグラフ図である。

図１０（ａ）、図１１（ａ）及び図１２（ａ）の横軸は、Ｈ_ｅｘｔ（Ｏｅ）であり、縦軸は、ΔＨ（Ｏｅ）である。
図１０（ｂ）、図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）の横軸は、ΔＨ（Ｏｅ）であり、縦軸は、スイッチング時間ＳＴ（ｎｓ）である。

図１０（ａ）には、上記条件の磁気記憶素子１１１において、（１）式の条件を満足する領域ＡＲ１が示される。領域ＡＲ１は、図１０（ａ）において網掛けを行った部分である。図１０（ａ）に表される特性ＣＴ１は、磁気記憶素子１１１における（１）式の右辺部分に対応する。Ｈ_ｅｘｔとΔＨとが、領域ＡＲ１内にある関係のときに、磁気記憶素子１１１において、（１）式の条件を満足する。

図１０（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１１１では、第１モデルＭ１〜第９モデルＭ９のそれぞれで、スイッチングが観察される。スイッチング時間ＳＴは、Ｈ_ｅｘｔを大きくするほど短くなる。また、スイッチング時間ＳＴは、ΔＨを大きくするほど短くなる。このように、スイッチング時間ＳＴは、Ｈ_ｅｘｔ及びΔＨに相関する。

図１０（ｂ）に表される第１モデルＭ１〜第９モデルＭ９のそれぞれの特性では、スイッチング時間ＳＴが、２ｎｓ以下となる範囲を表している。例えば、第２モデルＭ２では、ΔＨを約７００Ｏｅ以下とする場合に、スイッチング時間ＳＴが、２ｎｓより大きくなる。本願発明者らは数値解析の検討結果から、歳差運動の周期が２ｎｓ以上となると不安定化することを見出した。これは、上半球または下半球をよぎっている時間で考えると、パルス幅として用いるのは、その半分以下の時間とすることが望ましい。そこで、１ｎｓ以下で反転しているケースを重視している。このため、シミュレーションでは、スイッチング時間ＳＴが、１ｎｓ以下となる条件を検討する。例えば、磁気記憶素子１１１の第２モデルＭ２において、１ｎｓ以下のスイッチング時間ＳＴとなる範囲は、ΔＨ＞８４０Ｏｅである。シミュレーションにおいてスイッチング時間ＳＴが１ｎｓ以下となる範囲は、（１）式の条件を満足する範囲である。このように、Ｈ_ｅｘｔ及びΔＨは、（１）式の条件を満足し、かつ１ｎｓ以下のスイッチング時間ＳＴとなる範囲に設定することが好ましい。

図１１（ａ）には、上記条件の磁気記憶素子１１２において、（１）式の条件を満足する領域ＡＲ２が示される。領域ＡＲ２は、図１１（ａ）において網掛けを行った部分である。図１１（ａ）に表される特性ＣＴ２は、磁気記憶素子１１２における（１）式の右辺部分に対応する。Ｈ_ｅｘｔとΔＨとが、領域ＡＲ２内にある関係のときに、磁気記憶素子１１２において、（１）式の条件を満足する。磁気記憶素子１１１と磁気記憶素子１１２とは、ともにＨ_ｄｘ＝０Ｏｅである。従って、磁気記憶素子１１２の特性ＣＴ２は、磁気記憶素子１１１の特性ＣＴ１と同じである。

図１１（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１１２では、第１モデルＭ１〜第９モデルＭ９のそれぞれで、スイッチングが観察される。磁気記憶素子１１２においても、スイッチング時間ＳＴは、Ｈ_ｅｘｔ及びΔＨに相関する。

図１２（ａ）には、上記条件の磁気記憶素子１１３において、（１）式の条件を満足する領域ＡＲ３が示される。領域ＡＲ３は、図１２（ａ）において網掛けを行った部分である。図１２（ａ）に表される特性ＣＴ３は、磁気記憶素子１１３における（１）式の右辺部分に対応する。Ｈ_ｅｘｔとΔＨとが、領域ＡＲ３内にある関係のときに、磁気記憶素子１１３において、（１）式の条件を満足する。磁気記憶素子１１３のＨ_ｄｘは、５００Ｏｅであり、磁気記憶素子１１１のＨ_ｄｘ及び磁気記憶素子１１２のＨ_ｄｘと異なる。従って、磁気記憶素子１１３の特性ＣＴ３は、磁気記憶素子１１１の特性ＣＴ１及び磁気記憶素子１１２の特性ＣＴ２と異なる。

磁気記憶素子１１３の領域ＡＲ３は、磁気記憶素子１１１の領域ＡＲ１及び磁気記憶素子１１２の領域ＡＲ２よりも狭い。すなわち、磁気記憶素子１１３では、磁化１２をスイッチングさせるために必要なＨ_ｅｘtの下限値及びΔＨの下限値が、磁気記憶素子１１１及び磁気記憶素子１１２に比べて高い。磁気記憶素子１１３において磁化１２をスイッチングさせるためには、磁気記憶素子１１１及び磁気記憶素子１１２に比べて、Ｈ_ｅｘtまたはΔＨを大きくする必要がある。

図１２（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１１３では、第３モデルＭ３〜第９モデルＭ９で、２ｎｓ以下のスイッチング時間ＳＴのスイッチングが観察される。一方、磁気記憶素子１１３の第１モデルＭ１及び第２モデルＭ２では、この計算範囲の中では、２ｎｓ以下のスイッチング時間ＳＴとなるスイッチングが観察されていない。磁気記憶素子１１３おいてΔＨを１０００Ｏｅとした場合に必要となるＨ_ｅｘｔは、（１）式からＨ_ｅｘｔ＞３００Ｏｅである。このように、ΔＨを１０００Ｏｅ以下とした場合、Ｈ_ｅｘｔ＜３００Ｏｅの範囲では、（１）式の条件が満足されない。

本願発明者は、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させたときに、磁化１２がスイッチングする場合と、スイッチングしない場合とがある点に着目した。そして、本願発明者は、磁気記憶素子１１０の構成や第２設定電圧ＳＶ２の電圧値などを変化させて検討を重ねることにより、(１)式の条件を満たす場合に、磁化１２が適切にスイッチングすることを見出した。このように、(１)式の条件を満足する場合に磁化１２が適切にスイッチングすることは、本願発明者の検討によって導き出された新たな効果である。

本実施形態に係る不揮発性記憶装置６１０では、（１）式の条件を満足するように、磁気記憶素子１１０及び制御部５５０を構成する。これにより、第２強磁性層２０の磁化１２の方向を適切に変化させることができる。本実施形態に係る不揮発性記憶装置６１０では、安定した動作を得ることができる。

また、本願発明者は、Ｈ_ｄｘを小さくすることによって、磁化１２のスイッチングする条件が、広くなることを見出した。さらに、本願発明者は、磁化１２のスイッチングに対するＨ_ｄｙの影響が、Ｈ_ｄｘの影響よりも小さいことを見出した。例えば、第２強磁性層２０の第１面内方向の長さを第２強磁性層２０の第２面内方向の長さよりも短くすることによって、Ｈ_ｄｘを小さくすることができる。これにより、例えば、磁化１２のスイッチングに必要となるΔＨの値を低減させることができる。これにより、例えば、第２強磁性層２０などの材料選択の自由度を高めることができる。例えば、Ｈ_ｄｘを５００Ｏｅ以下とする。これにより、ΔＨの値を抑えることができる。Ｈ_ｄｘは、前述のように、第２強磁性層２０の飽和磁化Ｍｓと形状由来の反磁界係数Ｎｄから見積もることができる。Ｎｄは、論文（２）に記載の式を用いて見積もることができる。

図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）に表したように、Ｈ_ｄｘを小さくし、Ｈ_ｅｘｔを６００Ｏｅ以上とした場合には、４００Ｏｅ以上のΔＨの範囲において、スイッチング時間ＳＴの変化が小さい。例えば、スイッチング時間ＳＴは、０．５ｎｓと一定である。ΔＨの値は、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させたときの第２強磁性層２０の周囲の磁界の影響などによって、変化する場合がある。図１２（ｂ）の計算結果を加味すると、Ｈ_ｄｘを０．５Ｈ_ｕ以下とし、Ｈ_ｅｘｔを６００Ｏｅ以上とする。これにより、例えば、ΔＨの変化にともなうスイッチング時間ＳＴの変化を抑えることができる。不揮発性記憶装置６１０の動作を、より安定させることができる。

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は、含まれる磁性材料の組成や熱処理により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には、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には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いることができる。Ｃｏ／Ｒｕ、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、Ｎｉ／Ｃｕ等を、第１強磁性層１０に用いることができる。

第１非磁性層１０ｎの単位面積当たりの抵抗値は、例えば、１Ωμｍ^２以上２０Ωμｍ^２以下である。第１非磁性層１０ｎには、例えば、アルミニウム、マグネシウム、ハフニウム、セリウム、ストロンチウム、タンタル及びチタンなどの酸化物、窒化物、並びにフッ化物などが用いられる。例えば、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２への変化による第１強磁性層１０の磁気異方性エネルギーの変化は、第１強磁性層１０と第１非磁性層１０ｎとの界面の蓄積電荷量に依存する。このため、第１非磁性層１０ｎの材料としては、高い比誘電率を室温において有する常誘電体を用いることが好ましい。

書き込みと読み出しの電圧極性を同じとする場合（第２の読み出し方法の場合）、第２強磁性層２０のスピン偏極度は、高すぎないことが望ましい。これにより、読み出し時において、スピントランスファトルクによる誤書き込みを抑えることができる。また、書き込みと読み出しの電圧マージンを広げることができる。

第２強磁性層２０には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）等の磁性元素、磁性元素の合金、磁性を含む合金、酸化物(フェライト)、並びに希土類元素ネオジウム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）及びテルビウム（Ｔｂ）などと磁性元素を含む化合物及び合金等からなる層を用いることができる。

第２強磁性層２０には、磁性遷移金属としてのＦｅ、Ｃｏ及びＮｉのいずれかとＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ及びＲｅのいずれかとの合金、規則合金又は多層積層構造からなる層を用いることもできる。第２強磁性層２０は、第２強磁性層２０と第１非磁性層１０ｎとの界面における電界によって、面内磁気異方性と垂直磁気異方性との間での遷移が起こる膜厚を有する。第２強磁性層２０の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下である。

書き込みと読み出しの電圧極性を変化させる場合（第１の読み出し方法の場合）、書き込みと読み出しの電圧マージンは広くとることができる。この場合、第２強磁性層には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）等の磁性元素、磁性元素の合金、磁性を含む合金、酸化物(フェライト)、並びに希土類元素ネオジウム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）及びテルビウム（Ｔｂ）などと磁性元素を含む化合物及び合金等からなる層を用いることができる。また、第１の読み出し方法を用いる場合、第２強磁性層２０には、磁性遷移金属としてのＦｅ、Ｃｏ及びＮｉのいずれかとＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ及びＲｅのいずれかとの合金、規則合金又は多層積層構造からなる層を用いることもできる。第２強磁性層２０としてハーフメタルを用いてもよい。

第３強磁性層３０には、例えば、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０と実質的に同じ材料が用いられる。第２非磁性層２０ｎには、例えば、非磁性金属層や非磁性トンネルバリア層などが用いられる。

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）、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。

非磁性トンネルバリア層は、絶縁材料を含む。非磁性トンネルバリア層には、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。

非磁性トンネルバリア層は、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などでもよい。非磁性トンネルバリア層は、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）などでもよい。

非磁性トンネルバリア層の厚さは、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。

例えば、第１非磁性層１０ｎと第２非磁性層２０ｎとが、絶縁体（非磁性トンネルバリア層）を含み、第２強磁性層２０が、第１非磁性層１０ｎ及び第２非磁性層２０ｎと接しているとする。この場合では、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させたときに、第２強磁性層２０と第１非磁性層１０ｎとの界面にかかる電界の向きが、第２強磁性層２０と第２非磁性層２０ｎとの界面にかかる電界の向きと実質的に同じとなる。これにより、例えば、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させたときの、第２強磁性層２０の磁気異方性の変化を大き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１強磁性層１０及び第２強磁性層２０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積層体ＳＢの形状及び磁界印加部ＭＵの形状は任意である。Ｘ−Ｙ平面に投影したときの積層部ＳＢの形状及び磁界印加部ＭＵ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（第３強磁性層３０）、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１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の別の動作を例示するグラフ図である。
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）の横軸は、時間ＴＭである。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）の縦軸は、印加する電圧である。
図１３（ａ）に表したように、この例では、第２設定電圧ＳＶ２の第１立ち上がり時間ｔｒ１が、ｔｒ１＜τ_{ｒｅｌａｘ}であり、第２設定電圧ＳＶ２の第２立ち下がり時間ｔｆ２が、ｔｆ２＞τ_{ｒｅｌａｘ}である。第２立ち下がり時間ｔｆ２は、例えば、第２設定電圧ＳＶ２から再び第１設定電圧ＳＶ１に変化させるまでの時間である。これにより、より安定した書き込み動作を行うことができる。第１立ち上がり時間ｔｒ１及び第２立ち下がり時間ｔｆ２を有する第２設定電圧ＳＶ２は、第１の読み出し方法及び第２の読み出し方法の双方に適用することができる。

図１３（ｂ）に表したように、この例では、第２読み出し電圧ＲＶ２の立ち上がり時間ｔｒ２ｒが、ｔｒ２ｒ＞τ_{ｒｅｌａｘ}であり、第２読み出し電圧ＲＶ２の立ち下がり時間ｔｆ２ｒが、ｔｆ２ｒ＞τ_{ｒｅｌａｘ}である。これにより、第２読み出し電圧ＲＶ２の印加にともなう誤書き込みを、より適切に抑えることができる。

図１４（ａ）〜図１４（ｅ）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）に表したように、磁気記憶素子１１４では、第３強磁性層３０が、第１強磁性層１０の上に設けられている。このように、第３強磁性層３０を第１強磁性層１０の上に設け、第３強磁性層３０からの漏洩磁界ＬＭを第２強磁性層２０に印加してもよい。

図１４（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１１５では、第３強磁性層３０が、第２非磁性層２０ｎを介して第２強磁性層２０と交換結合している。このように、第３強磁性層３０を第２強磁性層２０と交換結合させ、第３強磁性層３０からの交換結合磁界ＣＭを第２強磁性層２０に印加してもよい。

第２強磁性層２０と第３強磁性層３０とを交換結合させる場合には、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が、第２非磁性層２０ｎに用いられる。第２非磁性層２０ｎの厚さは、例えば、３ｎｍ以下である。これにより、第２非磁性層２０ｎを介して十分強い交換結合磁界ＣＭが得られる。

図１４（ｃ）に表したように、磁気記憶素子１１６では、第３強磁性層３０が、第２強磁性層２０に接する。このように、第３強磁性層３０を第２強磁性層２０に接触させ、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０とを直に交換結合させて、第３強磁性層３０からの交換結合磁界ＣＭを第２強磁性層２０に印加してもよい。

図１４（ｄ）に表したように、実施形態に係る記憶部１０２においては、磁界印加部ＭＵが、磁気記憶素子１１７の積層体ＳＢと積層されていない。この例では、例えば、磁界印加部ＭＵが、外部磁界として磁界ＭＦを第２強磁性層２０に印加する。この場合、磁界印加部ＭＵには、例えば、永久磁石ＰＭや電磁石ＥＭなどが用いられる。このように、磁界印加部ＭＵは、積層体ＳＢに対して積層されていなくてもよい。

図１４（ｅ）に表したように、磁気記憶素子１１８では、積層体ＳＢが、第４強磁性層４０と、第３非磁性層３０ｎと、をさらに含む。第４強磁性層４０は、積層方向ＳＤ１に沿って第２強磁性層２０側に積層されている。第４強磁性層４０の磁化１４の方向は、変化可能である。第３非磁性層３０ｎは、第２強磁性層２０と第４強磁性層４０との間に設けられる。第４強磁性層４０の磁化１４は、第３非磁性層３０ｎを介して、第２強磁性層２０の磁化１２と交換結合する。これにより、磁気記憶素子１１８には、第２強磁性層２０と第４強磁性層４０と第３非磁性層３０ｎとを含む積層部２２が、積層体ＳＢに設けられる。第４強磁性層４０には、例えば、第２強磁性層２０と実質的に同じ材料が用いられる。第３非磁性層３０ｎには、例えば、磁気記憶素子１１５に関して説明した第２非磁性層２０ｎと実質的に同じ材料が用いられる。

磁気記憶素子１１８では、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させて第２強磁性層２０の磁化１２の方向が変化すると、それに応じて第４強磁性層４０の磁化１４の方向も、磁化１２と実質的に同じ方向に変化する。静磁状態では、第２強磁性層２０と第４強磁性層４０とが結合しているので、熱擾乱耐性を高めることができる。第２強磁性層２０の結晶磁気異方性をＫｕ１、第４強磁性層４０の結晶磁気異方性をＫｕ２とすると、積層部２２の結晶磁気異方性は、例えば、Ｋｕ１とＫｕ２との平均値となる。これにより、磁気記憶素子１１８では、記憶保持のΔ値を高めることができる。Δ値とは、例えば、積層部２２の磁化反転に必要なエネルギー障壁と熱エネルギーとの比である。Δ値は、例えば、Δ＝ＭｓＨ_ｕＶ／２ｋＢＴで表すことができる。式において、Ｍｓは飽和磁化であり、Ｖは積層部２２の体積であり、ｋＢはボルツマン定数であり、Ｔは磁気記憶素子の絶対温度である。Δ値が大きいほど、磁化は安定する。例えば、記憶保持時間が長くなる。

磁気記憶素子１１４〜１１８においても、（１）式の条件を満たすことで、安定した動作を得ることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態では、第２強磁性層２０のＧｉｌｖｅｒｔのダンピング定数αを０．０１よりも大きく０．４よりも小さくする。ダンピング定数αを、０．０１＜α＜０．４とする。これにより、本実施形態では、電流起因のスピントランスファトルクを併用することができる。

以下、第２強磁性層２０のダンピング定数αに関するシミュレーションについて説明する。
シミュレーションでは、第２強磁性層２０のダンピング定数αの異なる複数のシミュレーションモデルを採用する。モデルでは、磁気記憶素子１１１の積層体ＳＢの構成を用いる。複数のモデルにおいて、ダンピング定数αは、それぞれ０．０１、０．０２、０．０５、０．１、０．１５、０．２、０．２５、０．３、０．４、及び、０．５である。シミュレーションでは、上記のようにダンピング定数αを変化させた１０個のモデルを採用する。複数のモデルのそれぞれにおいて、第２強磁性層２０のＨ_ｕは、１０００Ｏｅである。

シミュレーションでは、複数のモデルのそれぞれについて、Ｈ_ｅｘｔ及びΔＨを変化させて第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させたときの、第２強磁性層２０の磁化１２の方向の変化を評価する。シミュレーションでは、（１）式の不等式を等式とした条件で、Ｈ_ｅｘｔ及びΔＨを変化させる。

前述のように、磁化１２は、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させたときに、第１方向及び第２方向と異なる方向を軸に歳差運動する。シミュレーションでは、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させたした後、何回目の回転で磁化１２がスイッチングするかを評価する。また、シミュレーションでは、３回目の回転でスイッチングする条件まで許容する。

図１５（ａ）〜図１５（ｉ）は、第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図１５（ａ）〜図１５（ｉ）の横軸は、Ｈ_ｅｘｔ（Ｏｅ）であり、縦軸は、ΔＨ（Ｏｅ）である。
図１５（ａ）は、α＝０．０１のモデルのシミュレーション結果を表す。
図１５（ｂ）は、α＝０．０２のモデルのシミュレーション結果を表す。
図１５（ｃ）は、α＝０．０５のモデルのシミュレーション結果を表す。
図１５（ｄ）は、α＝０．１のモデルのシミュレーション結果を表す。
図１５（ｅ）は、α＝０．１５のモデルのシミュレーション結果を表す。
図１５（ｆ）は、α＝０．２のモデルのシミュレーション結果を表す。
図１５（ｇ）は、α＝０．２５のモデルのシミュレーション結果を表す。
図１５（ｈ）は、α＝０．３のモデルのシミュレーション結果を表す。
図１５（ｉ）は、α＝０．４のモデルのシミュレーション結果を表す。
また、図１５（ａ）〜図１５（ｃ）では、四角形のマーカが、１回目の回転でスイッチングしたシミュレーション結果を表し、円形のマーカが、２回目の回転でスイッチングしたシミュレーション結果を表し、三角形のマーカが、３回目の回転でスイッチングしたシミュレーション結果を表す。

図１５（ａ）〜図１５（ｉ）に表したように、０．０１＜α＜０．４の範囲では、１回の回転で磁化１２の歳差運動を停止させることができる条件が得られる。これに対して、ダンピング定数αが０．０１よりも小さい範囲では、磁化１２が２回転以上してしまう。ダンピング定数αが０．０１よりも小さい範囲では、１回の回転で磁化１２の歳差運動を停止させる条件が得られない。また、α＝０．５の試料では、磁化１２の歳差運動が、発生しない。ダンピング定数αが０．５よりも大きい範囲では、磁化１２の方向を変化させることが困難になる。

このように、ダンピング定数αを、０．０１＜α＜０．４とすることにより、磁化１２の歳差運動を適切に停止させることができる。すなわち、不揮発性記憶装置６１０の動作をより安定させることができる。これは、例えば、電圧印加時に発生する電流起因のスピントランスファトルクによって、方向を変化させた後の磁化１２の動きが、抑制されたためであると考えられる。

（第３の実施形態）
本実施形態では、書き込み時に、電圧トルクとスピントランスファトルクとを併用する。
図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、第３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１６（ａ）及び図１６（ｂ）の横軸は、時間ＴＭである。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）の縦軸は、印加する電圧である。
図１６（ａ）は、第２強磁性層２０の磁化１２を平行状態から反平行状態に変化させるときの電圧波形を表す。
図１６（ｂ）は、第２強磁性層２０の磁化１２を反平行状態から平行状態に変化させるときの電圧波形を表す。

図１６（ａ）に表したように、本実施形態では、磁化１２を平行状態から反平行状態に変化させる場合に、制御部５５０が、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させた後、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電圧を第２設定電圧ＳＶ２から第３設定電圧ＳＶ３にさらに変化させる。第３設定電圧ＳＶ３の極性は、第２設定電圧ＳＶ２の極性と同じである。第３設定電圧ＳＶ３の絶対値は、第２設定電圧ＳＶ２の絶対値よりも小さい。

第２設定電圧ＳＶ２の第１時間幅ｔｐ１の間、磁化１２は、歳差運動する。制御部５５０は、磁化１２を反平行状態にした後、第３設定電圧ＳＶ３に変化させる。制御部５５０は、例えば、磁化１２を反平行状態にした後、磁気異方性変化が小さくなるように電圧を下げる。第３設定電圧ＳＶ３の時間幅ｔｓ１の間は、スピントランスファトルクが併用される。このため、磁化１２は、ダンピングによって緩和が促進される。第３設定電圧ＳＶ３の時間幅ｔｓ１は、例えば、第２設定電圧ＳＶ２の第１時間幅ｔｐ１よりも長い。

第２設定電圧ＳＶ２から第３設定電圧ＳＶ３に変化させるときに、第２設定電圧ＳＶ２の立ち下がり時間を、緩和時間τ_{ｒｅｌａｘ}よりも長い第２立ち下がり時間ｔｆ２としてもよい。第２立ち下がり時間ｔｆ２では、磁気異方性変調が起きにくいため、磁化１２は、安定点に向かって緩和する。この時、時間幅ｔｓ１の間は、スピントランスファトルクが併用されて緩和が促進される。

図１６（ｂ）に表したように、本実施形態では、磁化１２を反平行状態から平行状態に変化させる場合に、制御部５５０が、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させた後、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電圧を第２設定電圧ＳＶ２から第４設定電圧ＳＶ４にさらに変化させる。第４設定電圧ＳＶ４の極性は、第２設定電圧ＳＶ２の極性に対して逆である。第４設定電圧ＳＶ４の絶対値は、第２設定電圧ＳＶ２の絶対値よりも小さい。

第１時間幅ｔｐ１磁化１２は、歳差運動する。制御部５５０は、例えば、磁化１２が平行状態となったときに、逆極性の電圧に切り替える。第４設定電圧ＳＶ４の時間幅ｔｓ２の間は、スピントランスファトルクが併用される。これにより、ダンピングによって磁化１２の緩和が促進される。

このように、第３設定電圧ＳＶ３の印加及び第４設定電圧ＳＶ４の印加を行うことにより、不揮発性記憶装置６１０の動作をより安定させることができる。

（第４の実施形態）
本実施形態では、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させたときに、磁化１２の歳差運動が、半回転しか起きないようにする。
図１７（ａ）〜図１７（ｄ）は、第４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１７（ａ）〜図１７（ｄ）の横軸は、時間ＴＭである。図１７（ａ）及び図１７（ｃ）の縦軸は、第２強磁性層２０の磁化１２の静磁エネルギーＭＥ（ｅｒｇ／ｃｍ^３）である。図１７（ｂ）及び図１７（ｄ）の縦軸は、印加する電圧である。
初期状態における第２強磁性層２０の磁化１２の静磁エネルギーをＥ_ｉｎｉ（ｅｒｇ／ｃｍ^３）と定義し、初期状態における第２強磁性層２０の磁化１２の熱擾乱指数をΔ_ｉｎｉと定義する。

図１７（ａ）及び図１７（ｂ）に表したように、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させると、容易軸方向が変化することによって、熱擾乱指数は、Δ_２へと変化する。その結果、磁化１２は、よりエネルギーが低い状態へと遷移する。この時に第２設定電圧ＳＶ２をオフにすると、熱擾乱指数は、Δ_ｉｎｉへ戻る。このため、磁化１２は、元の状態に戻らない。この関係は、（４）式で与えられる。
[数４]
Ｅ_ｉｎｉ−Ｅ_ｄｍ＞Δ_ｉｎｉ＞Ｅ_ｉｎｉ−Ｅ_ｒｔ …（４）
（４）式には、静磁エネルギーをＥ_ｉｎｉ、熱擾乱指数Δ_ｉｎｉ、ダンピングで失われるエネルギーＥ_ｄｍ（ｅｒｇ／ｃｍ^３）、及び、磁化が緩和する間に消費されるエネルギーＥ_ｒｔ（ｅｒｇ／ｃｍ^３）が用いられる。ダンピングで失われるエネルギーＥ_ｄｍとは、詳しくは、スピントルクに起因してダンピングが働いて失われるエネルギーである。

第２設定電圧ＳＶ２は、（４）式で表される条件を満足する。制御部５５０は、（４）式で表される条件を満足する第２設定電圧ＳＶ２を磁気記憶素子１１０に印加する。これにより、磁化１２の歳差運動を半回転に抑えることができる。すなわち、不揮発性記憶装置６１０の動作をより安定させることができる。

図１７（ｃ）及び図１７（ｄ）は、本実施形態の別の動作を表す。
図１７（ｃ）及び図１７（ｄ）に表したように、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させると、容易軸方向が変化することによって、熱擾乱指数は、Δ_２へと変化する。その結果、磁化１２は、よりエネルギーが低い状態へと遷移する。ダンピングで失われるエネルギーＥ_ｄｍが大きい場合、Δ_２のエネルギーバリアを超えることができないため、磁化１２が元の状態に戻らない。この関係は、（５）式で与えられる。
[数５]
Ｅ_ｉｎｉ−Ｅ_ｄｍ＞Δ_２＞Ｅ_ｉｎｉ−Ｅ_ｒｔ …（５）
第２設定電圧ＳＶ２は、（５）式で表される条件を満足する。制御部５５０は、（５）式で表される条件を満足する第２設定電圧ＳＶ２を磁気記憶素子１１０に印加する。これにより、磁化１２の歳差運動を半回転に抑えることができる。すなわち、不揮発性記憶装置６１０の動作をより安定させることができる。

（第５の実施形態）
本実施形態では、第２強磁性層２０の異方性磁界の積層方向ＳＤ１の成分Ｈ_ｕと、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させたときの第２強磁性層２０の異方性磁界の積層方向ＳＤ１の成分の変化ΔＨとが、実質的に同じとなるように第２設定電圧ＳＶ２を設定する。具体的には、制御部５５０が、０．８５Ｈ_ｕ≦ΔＨ≦１．２Ｈ_ｕの条件を満足する第２設定電圧ＳＶ２を磁気記憶素子１１０（第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間）に印加する。

本実施形態では、磁化１２の積層方向ＳＤ１に沿う方向の異方性磁界を、磁化１２の面内方向ＳＤ２に沿う方向の有効磁界よりも、より適正に小さくすることができる。例えば、ΔＨによってＨ_ｕを打ち消すことができる。これにより、本実施形態では、第２強磁性層２０の磁化１２の反転エラー率を小さくすることができる。ここで、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電圧を第１設定電圧から第２設定電圧に変化させた回数（スイッチング動作の回数）をＳＴＴとする。スイッチング動作を実施したにも関わらず磁化１２の方向が変化しなかった回数（書き込みエラーの回数）をＷＥＴとする。反転エラー率は、例えば、ＳＴＴとＷＥＴとの比ＷＥＴ／ＳＴＴで表すことができる。例えば、第１設定電圧から第２設定電圧に変化させるスイッチング動作を１０回実施し、そのうちの１回のスイッチング動作において磁化１２の方向が変化しなかったとする。この場合、反転エラー率は、０．１となる。

前述のように、ΔＨは、例えば、第１設定電圧から第２設定電圧に変化させたときの共鳴周波数の変化や磁気抵抗の変化を測定することで求めることができる。
Ｈ_ｕは、MagNoise測定やヒステリシス応答の電圧依存性によって求めることができる。 第２設定電圧ＳＶ２が、０．８５Ｈ_ｕ≦ΔＨ≦１．２Ｈ_ｕの条件を満足しているか否かは、例えば、上記の方法で求めたΔＨ及びＨ_ｕの比で判別することができる。

以下、ΔＨとＨ_ｕとの関係に関するシミュレーションについて説明する。
このシミュレーションでは、磁気記憶素子１１１の積層体ＳＢの構成を有するモデルを採用する。すなわち、シミュレーションでは、Ｈ_ｄｘ＝０Ｏｅ、Ｈ_ｄｙ＝０Ｏｅである。また、シミュレーションでは、Ｈ_ｕ＝１０００Ｏｅの第２強磁性層２０が採用される。磁界印加部ＭＵによる外部磁界Ｈ_ｅｘｔは、５００Ｏｅである。ダンピング定数αは、０．０１である。シミュレーションは、前述のように、マクロスピンモデルを用いた数値計算で行われる。

図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図１８（ａ）の横軸は、Ｈ_ｅｘｔ（Ｏｅ）であり、縦軸は、ΔＨ（Ｏｅ）である。
図１８（ｂ）の横軸は、第２強磁性層２０のΔ値であり、縦軸は、反転エラー率ＥＲである。ここで、Δ値は、磁化反転に必要なエネルギー障壁をｋＢＴで規格化した値である。すなわち、第２強磁性層２０の磁化反転に必要なエネルギー障壁と熱エネルギーとの比である。なお、ｋＢはボルツマン定数であり、Ｔは磁気記憶素子の絶対温度である。

図１８（ａ）には、上記条件の磁気記憶素子１１１において、（１）式の条件を満足する領域ＡＲ４が示される。領域ＡＲ４は、図１８（ａ）において網掛けを行った部分である。図１８（ａ）に表される特性ＣＴ４は、磁気記憶素子１１１における（１）式の右辺部分に対応する。Ｈ_ｅｘｔとΔＨとが、領域ＡＲ４内にある関係のときに、磁気記憶素子１１１において、（１）式の条件を満足する。この例において、特性ＣＴ４は、前述の特性ＣＴ１及び特性ＣＴ２と実質的に同じである。

図１８（ａ）において、点ＰＴ１は、ΔＨ＝１０００ＯｅでΔＨ＝Ｈ_ｕとしたときの第１条件を表している。点ＰＴ２は、ΔＨ＝５００ＯｅでΔＨ＝１／２Ｈ_ｕとしたときの第２条件を表している。シミュレーションでは、この第１及び第２条件において、マクロスピンモデルによる反転エラー率ＥＲを計算する。

図１８（ｂ）は、第１及び第２条件において、第２強磁性層２０のΔ値を変化させたときの反転エラー率ＥＲの変化を表している。第２強磁性層２０のΔ値は、例えば、第２強磁性層２０の飽和磁化Ｍｓや第２強磁性層２０の体積を調節することによって変化させる。また、シミュレーションにおいて、第２強磁性層２０の磁化１２の向きを変化させる際に印加する第２設定電圧ＳＶ２の第１時間幅ｔｐ１は、それぞれの条件における磁化１２の歳差運動の周期Ｃｐのほぼ１／２である。

図１８（ｂ）には、第１条件におけるシミュレーション結果を表す特性ＣＴ５１と、第２条件におけるシミュレーション結果を表す特性ＣＴ５２と、が示される。
図１８（ｂ）に表したように、Δ値が増加すると、反転エラー率ＥＲは、指数関数的に低下する。そして、特性ＣＴ５１では、特性ＣＴ５２と比較して、Δ値の増大に対してより急峻に反転エラー率ＥＲが低下する。データを１０年保持するための基準となる条件は、例えば、Δ≧６０である。そこで、特性ＣＴ５１及び特性ＣＴ５２の片対数プロットをそれぞれΔ＝６０まで外挿する。この場合、第２条件では、反転エラー率ＥＲが１×１０^−１２程度であるが、第１条件では、１×１０^−２５程度であり、第２条件の場合に比べて、はるかに小さい値になる。

第１条件の場合に反転エラー率ＥＲが小さくなる理由について以下に説明する。
第１条件では、第２強磁性層２０の磁化１２の異方性磁界の積層方向ＳＤ１の成分が実質的にゼロになり、外部磁界Ｈ_ｅｘｔのみが第２強磁性層２０に作用している。第２強磁性層２０の異方性磁界は、磁化１２の向きに依存する。例えば、磁化１２が膜面に対して垂直である場合に、異方性磁界Ｈ_ｕの絶対値が最大になる。そして、磁化１２が面内方向を向いている場合、異方性磁界Ｈ_ｕの絶対値はゼロになる。一方、外部磁界Ｈ_ｅｘｔは磁化１２の向きに依存しない。第１条件のように異方性磁界Ｈ_ｕが実質的にゼロになり外部磁界Ｈ_ｅｘｔのみが第２強磁性層２０に作用している条件おいては、第２強磁性層２０の磁化１２がどのような初期角（積層方向ＳＤ１に対する傾き角）であっても同じ周期Ｃｐで歳差運動を行なう。これに対して、第２条件のように異方性磁界Ｈ_ｕが残っている条件においては、初期角によって磁化１２の歳差運動の周期Ｃｐが異なり、反転エラー率ＥＲが増大する。

次に、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させたときに、異方性磁界Ｈ_ｕがわずかに残った場合に、どの程度反転エラー率ＥＲが増大するかを検討したシミュレーション結果について説明する。

図１９は、第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 図１９の横軸は、Δ値であり、縦軸は、反転エラー率ＥＲである。
図１９は、第１設定電圧ＳＶ１から第２設定電圧ＳＶ２に変化させたときの第２強磁性層２０の異方性磁界の積層方向ＳＤ１の成分の変化ΔＨがＨ_ｕに対して３０％小さい条件から３０％大きい条件まで変えて反転エラー率ＥＲを計算した結果である。例えば+１０％はΔＨ＝Ｈ_ｕ×１．１という条件の計算結果である。

図１９には、
ΔＨ＝Ｈ_ｕとしたときの特性ＣＴ６１と、
ΔＨをＨ_ｕに対して１０％大きくしたときの特性ＣＴ６２と、
ΔＨをＨ_ｕに対して１０％小さくしたときの特性ＣＴ６３と、
ΔＨをＨ_ｕに対して２０％大きくしたときの特性ＣＴ６４と、
ΔＨをＨ_ｕに対して２０％小さくしたときの特性ＣＴ６５と、
ΔＨをＨ_ｕに対して３０％大きくしたときの特性ＣＴ６６と、
ΔＨをＨ_ｕに対して３０％小さくしたときの特性ＣＴ６７と、
が示される。
図１９に表したように、ΔＨのずれ量が±１０％の範囲では殆ど反転エラー率ＥＲは変化しない。一方、ΔＨのずれ量が±１０％よりも大きくなると、ΔＨのずれ量の絶対値の増加にともなって、反転エラー率ＥＲも増加する。

ここで、図１９の特性ＣＴ６１は、図１８（ｂ）の特性ＣＴ５１と実質的に同じである。図１８（ｂ）の特性ＣＴ５２は、換言すると、ΔＨをＨ_ｕに対して５０％小さくしたときの特性である。図１８（ｂ）に表したシミュレーションでは、特性ＣＴ５１及び特性ＣＴ５２の双方において、磁化１２の方向が１８０°変化するように、第２設定電圧ＳＶ２の時間幅をそれぞれ調節している。これに対し、図１９に表したシミュレーションでは、特性ＣＴ６１において、磁化１２の方向が１８０°変化するように、第２設定電圧ＳＶ２の時間幅を調節し、特性ＣＴ６１と同じ時間幅を用いて、特性ＣＴ６２〜特性ＣＴ６７を計算している。このように、図１９に表したシミュレーションの条件は、図１８（ｂ）に表したシミュレーションの条件と異なる。このため、例えば、特性ＣＴ６７では、特性ＣＴ５２よりも反転エラー率ＥＲが大きくなっている。

図２０は、第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 図２０の横軸は、Δ値であり、縦軸は、反転エラー率ＥＲである。
図２０は、図１９のシミュレーション結果を外挿したグラフである。
図２０には、特性ＣＴ７１〜特性ＣＴ７５が示される。特性ＣＴ７１は、特性ＣＴ６１を外挿した結果を表す。特性ＣＴ６２及び特性ＣＴ６３の外挿の結果は、特性ＣＴ７１と実質的に同じであるので、図示を省略している。特性ＣＴ７２は、特性ＣＴ６４を外挿した結果を表す。特性ＣＴ７３は、特性ＣＴ６５を外挿した結果を表す。特性ＣＴ７４は、特性ＣＴ６６を外挿した結果を表す。特性ＣＴ７５は、特性ＣＴ６７を外挿した結果を表す。このグラフから、Δ＝６０に設定した時の反転エラー率ＥＲを見積もることができる。

図２１は、第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 図２１の横軸は、ΔＨとＨ_ｕとの比ΔＨ／Ｈ_ｕ（％）であり、縦軸は、反転エラー率ＥＲを対数表示したＬｏｇ_１０（ＥＲ）である。
図２１は、特性ＣＴ７１〜特性ＣＴ７５のそれぞれの、Δ＝６０のときの反転エラー率ＥＲをプロットしたグラフである。
図２１に表したように、汎用メモリーの反転エラー率ＥＲの許容値１×１０^−１６を閾値に設定した場合、Δ＝６０で条件を実現するためのΔＨの範囲は、Ｈ_ｕの８５％から１２０％の間である。従って、制御部５５０が、０．８５Ｈ_ｕ≦ΔＨ≦１．２Ｈ_ｕの条件を満足する第２設定電圧ＳＶ２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の反転エラー率ＥＲを小さくすることができる。

（第６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２２は、第６の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。
図２２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ＳＴＲ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ＳＴＲのドレイン端子に接続されている。選択トランジスタＳＴＲ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ＳＴＲ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ＳＴＲ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、（１）式で表される条件を満たすことによって、安定した動作を得ることができる。

実施形態によれば、安定した動作の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記憶部、磁気記憶素子、制御部、積層体、磁界印加部、第１〜第４強磁性層及び第１〜第３非磁性層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、 １１〜１４…磁化、 ２０…第２強磁性層、 ２０ｎ…第２非磁性層、 ２２…積層部部、 ３０…第３強磁性層、 ３０ｎ…第３非磁性層、 ４０…第４強磁性層、 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、 １０１、１０２…記憶部、 １１０〜１１８…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、 ＣＶ１、ＣＶ２…第１及び第２基準電圧、 ＥＡ…磁化容易軸、 Ｌｘ１〜Ｌｘ３、Ｌｙ１〜Ｌｙ３…長さ、 ＭＣ…記憶セル、 ＭＣＡ…記憶セルアレイ部、 ＭＦ…磁界、 ＭＵ…磁界印加部、 ＲＶ１、ＲＶ２…第１及び第２読み出し電圧、 ＳＢ…積層体、 ＳＤ１…積層方向、 ＳＤ２…面内方向、 ＳＴＲ…選択トランジスタ、 ＳＶ１〜ＳＶ４…第１〜第４設定電圧、 ｔｆ１、ｔｆ２、ｔｆ２ｒ…立ち下がり時間、 ｔｐ１、ｔｐ２、ｔｓ１、ｔｓ２ …時間幅、 ｔｒ１、ｔｒ２、ｔｒ１ｒ、ｔｒ２ｒ…立ち上がり時間、 ＷＬ…ワード配線

Claims (15)

1. 磁化の方向が固定された第１強磁性層と、
   磁化の方向が変化可能な第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た積層体を含む磁気記憶素子と、
   前記積層方向に対して垂直な第１面内方向の成分を含む磁界を前記第２強磁性層に印加する磁界印加部と、
   を含む記憶部と、
   前記磁気記憶素子と電気的に接続され、前記磁気記憶素子の前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の電圧を第１設定電圧から第２設定電圧に変化させる設定動作を実施する制御部と、
   を備え、
   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平面に投影した成分よりも大きく、
   前記第２強磁性層は、少なくとも第１方向と第２方向とに変化可能であり、
   前記第１方向を向く前記第２強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分は、前記平面に投影した成分よりも大きく、
   前記第２方向を向く前記第２強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分は、前記平面に投影した成分よりも大きく、
   前記第２方向を向く前記第２強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分の向きは、前記第１方向を向く前記第２強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分の向きに対して逆であり、
   前記第１設定電圧から前記第２設定電圧に変化させたときの前記第２強磁性層の異方性磁界の前記積層方向の成分の変化をΔＨ（エルステッド）とし、
   前記第１設定電圧のときの前記第２強磁性層の異方性磁界の前記積層方向の成分をＨ_ｕ（エルステッド）とし、
   前記磁界印加部の印加する前記磁界の前記第１面内方向の成分をＨ_ｅｘｔ（エルステッド）とし、
   前記第１設定電圧のときの前記第２強磁性層の異方性磁界の前記第１面内方向の成分をＨ_ｄｘ（エルステッド）とするとき、
   前記磁界印加部の印加する前記磁界は、
   

   

   で表される条件を満足する不揮発性記憶装置。
2. 前記制御部は、前記第１設定電圧から前記第２設定電圧に変化させることによって、前記第２強磁性層の前記磁化の方向を前記第１方向から前記第２方向または前記第２方向から前記第１方向に変化させる請求項１記載の不揮発性記憶装置。
3. 前記第２強磁性層の前記第１面内方向の長さは、前記積層方向及び前記第１面内方向に対して垂直な第２面内方向の、前記第２強磁性層の長さよりも短い請求項１又は２に記載の不揮発性記憶装置。
4. 前記第２強磁性層のダンピング定数αは、０．０１よりも大きく０．４よりも小さい請求項１〜３のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
5. 前記制御部は、前記設定動作において、
   前記第２強磁性層の前記磁化の方向の前記積層方向の成分の向きが、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の向きと同じときに、前記第１設定電圧から前記第２設定電圧に変化させた後、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の電圧を前記第２設定電圧から前記第３設定電圧にさらに変化させ、
   前記第２強磁性層の前記磁化の方向の前記積層方向の成分の向きが、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の向きに対して逆のときに、前記第１設定電圧から前記第２設定電圧に変化させた後、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の電圧を前記第２設定電圧から前記第４設定電圧にさらに変化させ、
   前記第３設定電圧の極性は、前記第２設定電圧の極性と同じであり、
   前記第３設定電圧の絶対値は、前記第２設定電圧の絶対値よりも小さく、
   前記第４設定電圧の極性は、前記第２設定電圧の極性に対して逆であり、
   前記第４設定電圧の絶対値は、前記第２設定電圧の絶対値よりも小さい請求項１〜４のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
6. 前記磁界印加部は、前記積層方向に沿って前記積層体に積層され磁化の方向が固定された第３強磁性層を含み、
   前記第３強磁性層の前記磁化の方向の前記第１面内方向の成分は、前記積層方向の成分よりも大きい請求項１〜５のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
7. 前記磁界印加部は、前記第３強磁性層と前記積層体との間に設けられた第２非磁性層をさらに含む請求項６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強磁性層に接する請求項６記載の不揮発性記憶装置。
9. 前記積層体は、
   前記積層方向に沿って前記第２強磁性層側に積層され、磁化の方向が変化可能な第４強磁性層と、
   前記第２強磁性層と前記第４強磁性層との間に設けられた第３非磁性層と、
   をさらに含む請求項１〜８のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
10. 前記制御部は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の電圧を第１基準電圧から第１読み出し電圧に変化させる第１読み出し動作を、さらに実施し、
    前記第１読み出し電圧の極性は、前記第２設定電圧の極性に対して逆向きである請求項１〜９のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
11. 前記制御部は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の電圧を第２基準電圧から第２読み出し電圧に変化させる第２読み出し動作を、さらに実施し、
    前記第２基準電圧と前記第２読み出し電圧との間の変化の時間は、前記第１設定電圧と前記第２設定電圧との間の変化の時間よりも長く、
    前記第１設定電圧と前記第２設定電圧との間の変化の前記時間は、前記第２強磁性層の前記磁化の方向の変化の緩和時間よりも短く、
    前記第２基準電圧と前記第２読み出し電圧との間の変化の前記時間は、前記第２強磁性層の前記磁化の方向の変化の緩和時間よりも長い請求項１〜１０のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
12. 初期状態における前記第２強磁性層の前記磁化の静磁エネルギーをＥ_ｉｎｉ（ｅｒｇ／ｃｍ^３）とし、
    ダンピングで失われるエネルギーをＥ_ｄｍ（ｅｒｇ／ｃｍ^３）とし、
    初期状態における前記第２強磁性層の前記磁化の熱擾乱指数をΔ_ｉｎｉとし、
    磁化が緩和される間に消費されるエネルギーをＥ_ｒｔ（ｅｒｇ／ｃｍ^３）とするとき、
    前記第２設定電圧は、
    Ｅ_ｉｎｉ−Ｅ_ｄｍ＞Δ_ｉｎｉ＞Ｅ_ｉｎｉ−Ｅ_ｒｔ
    で表される条件を満足する請求項１〜１１のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
13. 初期状態における前記第２強磁性層の前記磁化の静磁エネルギーをＥ_ｉｎｉ（ｅｒｇ／ｃｍ^３）とし、
    ダンピングで失われるエネルギーをＥ_ｄｍ（ｅｒｇ／ｃｍ^３）とし、
    前記第２設定電圧を印加しているときの前記第２強磁性層の前記磁化の熱擾乱指数をΔ_２とし、
    磁化が緩和される間に消費されるエネルギーをＥ_ｒｔ（ｅｒｇ／ｃｍ^３）とするとき、
    前記第２設定電圧は、
    Ｅ_ｉｎｉ−Ｅ_ｄｍ＞Δ_２＞Ｅ_ｉｎｉ−Ｅ_ｒｔ
    で表される条件を満足する請求項１〜１２のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
14. 前記制御部は、０．８５Ｈ_ｕ≦ΔＨ≦１．２Ｈ_ｕの条件を満足する前記第２設定電圧を前記磁気記憶素子に印加する請求項１〜１３のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
15. 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１〜１４のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。

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