JP5598697B2 - 磁気抵抗効果素子、および磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、及びそれをメモリセルとして備えた磁気ランダムアクセスメモリに関する。

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り、2006 Symposium on VLSI Circuits, Digest of Technical Papers, p.136によれば０．５ｍＡ以下への低減、さらに好ましくは０．２ｍＡ以下への低減が求められている。

ＭＲＡＭへの情報の書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁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方法として、以下の２つの方法が提案されている。第１の方法は、スピン注入磁化反転を利用することである。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、一般的には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。つまり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と言える。

もう一つの方法は、電流駆動磁壁移動現象を利用することである。電流駆動磁壁移動現象を利用した磁化反転方法は、スピン注入磁化反転の抱える上述のような問題を解決することができる。電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは、例えば、特開２００５−１２３６１７号公報、特開２００５−１９１０３２号公報、特開２００６−７３９３０号公報、特開２００６−２７００６９号公報、特開２００６−２８７０８１号公報に開示されている。特に、特開２００６−７３９３０号公報は、膜厚方向に磁化を有する磁性体膜で構成された磁気抵抗効果素子を開示している。

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、Physical Review Letters, vol.92, No.7, 077205(2004)で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流したとき、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。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がわかる。

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ことが懸念される。Physical Review Letters, vol.92, No.7, 077205(2004)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知られている（例えば、Japanese Journal of Applied Physics, vol.45, No.5A, pp.3850-3853, (2006)参照）。

また、電流駆動磁壁移動を起こすためには、磁壁移動の起こる層の幅を数１０ｎｍ以下に低減する必要があるが、このことは、加工技術の点で大いなる困難を伴う。

加えて、磁壁移動のために１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］に近い電流密度を使用することには、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。

従って、本発明の目的は、書き込み電流が十分に小さく低減され、且つ電流密度自体も低減された、電流駆動磁壁移動現象を利用して磁化反転を行う磁気抵抗効果素子、及びそれをメモリセルとして使用するＭＲＡＭを提供することにある。

本発明の一の観点では、磁気抵抗効果素子が、磁化自由層と、前記磁化自由層に隣接して設けられるスペーサ層と、前記スペーサ層に隣接して前記磁化自由層とは反対側に設けられる第１の磁化固定層と、前記磁化自由層に隣接して設けられる少なくとも二つの第２の磁化固定層とを具備する。前記磁化自由層と前記第１の磁化固定層と前記第２の磁化固定層は、膜面に略垂直方向の磁化成分を有する。前記磁化自由層は、二つの磁化固定部と、前記二つの磁化固定部の間に配置される磁壁移動部とを有する。前記磁化自由層を構成する前記二つの磁化固定部の磁化は、膜面に略垂直方向において互いに略反平行に固定されている。前記磁壁移動部は、膜面垂直方向の磁気異方性が付与されている。

本発明によれば、書き込み電流が十分に小さく低減され、且つ電流密度自体も低減された、電流駆動磁壁移動現象を利用して磁化反転を行う磁気抵抗効果素子、及びそれをメモリセルとして使用するＭＲＡＭが提供される。

図１Ａは、本発明の第１実施形態の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１Ｂは、本発明の第１実施形態の磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す平面図である。 図１Ｃは、本発明の第１実施形態の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２Ａは、第１実施形態の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平面図である。 図２Ｂは、第１実施形態の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平面図である。 図３Ａは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子の優位性を説明するための概念図である。 図３Ｂは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子の優位性を説明するための概念図である。 図４は、面内磁化膜と垂直磁化膜でのデピン磁界とデピン電流密度の関係についてマイクロマグネティックシミュレーションを用いて計算した結果である。 図５は、垂直磁化膜の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６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７Ａは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子からのデータの読み出し方法を説明するための断面図である。 図７Ｂは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子からのデータの読み出し方法を説明するための断面図である。 図８は、磁気メモリセルの１セル分の回路図の例である。 図９は、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１０は、本発明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１１Ａは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子における第２の磁化固定層の構成例を表す断面図である。 図１１Ｂは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子における第２の磁化固定層の構成例を表す断面図である。 図１１Ｃは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子における第２の磁化固定層の構成例を表す断面図である。 図１１Ｄは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子における第２の磁化固定層の構成例を表す断面図である。 図１１Ｅは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子における第２の磁化固定層の構成例を表す平面図である。 図１１Ｆは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子における第２の磁化固定層の構成例を表す断面図である。 図１２Ａは、本発明の第２実施形態における磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す平面図である。 図１２Ｂは、第２実施形態における磁気抵抗効果素子の第２実施形態の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１２Ｃは、第２実施形態における磁気抵抗効果素子の第２実施形態の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１２Ｄは、第２実施形態における磁気抵抗効果素子の第２実施形態の主要な部分の構造を表す平面図である。 図１３Ａは、本発明の第３実施形態における磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す平面図である。 図１３Ｂは、本発明の第３実施形態における磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す平面図である。 図１３Ｃは、本発明の第３実施形態における磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す平面図である。 図１３Ｄは、本発明の第３実施形態における磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す平面図である。 図１４Ａは、本発明の第４実施形態におけ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１４Ｂは、本発明の第４実施形態におけ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１５は、本発明の第５実施形態におけ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１６は、本発明の第６実施形態におけ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１７は、本発明の第７実施形態におけ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１８Ａは、本発明の第８実施形態におけ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１８Ｂは、本発明の第８実施形態におけ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１９Ａは、本発明の第９実施形態におけ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１９Ｂは、本発明の第９実施形態におけ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２０Ａは、本発明の第１０実施形態におけ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２０Ｂは、本発明の第１０実施形態におけ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２０Ｃは、本発明の第１０実施形態におけ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。

第１実施形態：
（磁気抵抗効果素子の構成）
図１Ａは、本発明の第１実施形態の磁気抵抗効果素子８０の主要な部分の構成を示す斜視図である。以下では、図１Ａに示されているようにｘｙｚ直交座標系を定義して説明を行う。図１Ｂは、磁気抵抗効果素子８０の構成を示すｘ−ｙ平面図であり、図１Ｃは、磁気抵抗効果素子８０の構成を示すｘ−ｚ断面図である。

図１Ａに示されているように、磁気抵抗効果素子８０は、ｘ方向に延伸して設けられる磁化自由層１０と、磁化自由層１０に隣接して設けられるスペーサ層２０と、スペーサ層２０に隣接して磁化自由層１０とは反対側に設けられる第１の磁化固定層３０と、磁化自由層１０の両端に隣接して設けられる第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂを具備する。スペーサ層２０は、磁化自由層１０と磁化固定層３０に挟まれている。スペーサ層２０は、好適には、非磁性の絶縁体から構成される。この場合、磁化自由層１０、スペーサ層２０、磁化固定層３０は、ＴＭＲ(tunneling magnetoresistance)効果を示す磁気トンネル接合（ＭＴＪ）として機能する。スペーサ層２０は、導体や半導体により構成されても構わない。この場合、磁化自由層１０、スペーサ層２０、磁化固定層３０は、ＧＭＲ（giant magnetoresistance）効果を示すスピンバルブとして機能する。

磁化自由層１０、第１の磁化固定層３０、及び第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂは強磁性体により構成される。図１Ｃには、磁化自由層１０、第１の磁化固定層３０、及び第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの磁化の向きが矢印で示されている。図１Ｃに示されているように、磁化自由層１０、第１の磁化固定層３０、及び第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの磁化は、いずれもｚ軸に略平行方向を向けられている。このような磁化方向を実現させるために、磁化自由層１０、第１の磁化固定層３０、及び第２の磁化固定層１５は垂直磁化を有する材料、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。

図１Ｂに示されているように、磁化自由層１０は、磁化固定部１１ａ、１１ｂ、磁壁移動部１３、及び磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂを備えている。図１Ｃに示されているように、第１の磁化固定層３０は磁壁移動部１３の少なくとも一部とオーバーラップするように設けられている。磁化固定部１１ａ、１１ｂには、第２の磁化固定層１５a、１５ｂが隣接して設けられ、且つ、これにより、磁化固定部１１ａ、１１ｂの磁化方向は、互いに略反平行方向に固定されている。また磁壁移動部１３は、その磁化が＋ｚ方向、−ｚ方向の間で反転可能であるように形成されている。このとき、磁化固定部１１ａ、１１ｂ、及び磁壁移動部１３の磁化の方向に応じて、磁壁ピンサイト１２ａと磁壁ピンサイト１２ｂのいずれか一方に磁壁が形成されることになる。磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂは、この系に磁界や電流が印加されていない場合に、この磁壁を安定に停留させる機能を有する。なお、図１Ａ〜図１Ｃに示されるような構造では、磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂとして特別な構造を設けなくても、自然に磁壁をピニングできることがマイクロマグネティクス計算から判明している。しかしながら、後に述べるように意図的にピニングポテンシャルをより強くするような工夫が磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂになされてもいい。

磁化固定部１１ａ、１１ｂ、及び第１の磁化固定層３０は、外部の異なる配線に電気的に接続される。ここで磁化固定部１１ａ、１１ｂは、第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂを通って外部の配線に電気的に接続されてもよい。このように磁気抵抗効果素子８０は３端子の素子となる。また図１Ａ〜図１Ｃ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１の磁化固定層３０、及び磁化自由層１０または第２の磁化固定層１５に隣接させて設けることが望ましい。

（書き込み方法）
磁気抵抗効果素子８０へのデータの書き込み方法について、図２Ａ、図２Ｂを用いて説明する。図２Ａ、図２Ｂは、磁気抵抗効果素子８０がとり得る２つの状態、即ち、“０状態”と“１”状態とを模式的に示す平面図である。ここで、”０”状態とは、磁気抵抗効果素子８０にデータ”０”が書き込まれた状態をいい、”１”状態とは、磁気抵抗効果素子８０にデータ”１”が書き込まれた状態をいう。以下では、図２Ａ、図２Ｂに示されているように、第１の磁化固定部１１ａの磁化は＋ｚ方向に、第２の磁化固定部１１ｂの磁化は−ｚ方向に固定されているとして説明が行われる。加えて、以下では、“０”状態では磁壁移動部１３が＋ｚ方向に（図２Ａ）、“１”状態は磁壁移動部１３が−ｚ方向に（図２Ｂ）磁化しているものと定義する。ただし、磁化固定部１１ａ、１１ｂの磁化方向は、互いに略反平行であればよく、上述の方向に限られない。また、データの値と磁壁移動部１３の磁化方向との関係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。

上述のような磁化状態のとき、“０”状態では磁壁は磁壁ピンサイト１２ｂに、“１”状態では磁壁は磁壁ピンサイト１２ａに形成される。本実施形態では、磁化自由層１０中を流れる電流の向きを変えることにより、磁壁を磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂ間で移動させ、これにより所望のデータが磁気抵抗効果素子８０に書きこまれる。例えば、磁気抵抗効果素子８０が図２Ａの“０”状態にあるときに、＋ｘ方向に電流が流されると（即ち、−ｘ方向に伝導電子が流されると）、磁壁ピンサイト１２ｂ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、磁壁ピンサイト１２ａに至る。また磁気抵抗効果素子８０が図２Ｂの“１”状態にあるときに、−ｘ方向に電流が流されると（即ち、＋ｘ方向に伝導電子が流されると）、磁壁ピンサイト１２ａ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、磁壁ピンサイト１２ｂ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、磁気抵抗効果素子８０が図２Ａに示された“０”状態にあるときに、−ｘ方向に電流を流した場合、つまりデータ“０”を書き込んだ場合、磁壁は＋ｘ方向に移動しようとするが、磁化固定部１１ｂの磁化が十分強く固定されていれば、磁壁移動は起こらない。従って、オーバーライト動作（磁化の方向を反転させない書き込み動作）も可能である。或いは、磁化固定部１１ｂの磁化が磁壁移動により＋ｚ方向に反転しても、電流が切られたときに再び元の状態、すなわち−ｚ方向を向く状態に回復する手段を備えれば、上述のようなオーバーライト動作は可能となる。この回復の手段としては、第２の磁化固定層１５との磁気的相互作用が利用できる。

（原理）
本実施形態の磁気抵抗効果素子８０では、データの書き込みの際に磁壁移動が起こる層（即ち、磁壁移動部１３）が垂直方向に磁気異方性を有することが特徴の一つであり、これによって書き込み電流密度の低減が実現される。そのメカニズムを、図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。

スピン偏極電流を考慮に入れたときの磁性体のローカルな磁化の振る舞いは、Europhysics Letters, vol.69, 2005, pp. 990-996によれば、下記式（１）：

で表される。ここでｍはローカルな磁気モーメント、Ｈは磁界、γ_０はジャイロ磁気定数、αはギルバートのダンピング定数、βは非断熱スピントルク項の係数であり、ｕは、下記式（２）：

で表され、実効的な電流密度を表す。ここでＰはスピン分極率、ｇはランデのｇ因子、μ_Ｂはボーア磁子、ｅは電子の素電荷、Ｍｓは飽和磁化、ｊは[Ａ／ｍ^２]の次元を持つ一般的な電流密度であり、このときｕは、［ｍ／ｓ］の次元をもつ量となる。式（１）は、左辺で表される磁化の時間的な変化が、右辺で表された複数の要因によって起こることの関係を記述したものであり、右辺の第２項までは古典的なＬＬＧ方程式に一致する。右辺第１項は磁界によるトルクを、第２項はダンピングを、第３項は断熱のスピントルク効果を、第４項は非断熱のスピントルク効果を表す。以下では、第２項、第３項、第４項をそれぞれα項、スピントルク項、β項と呼ぶこととする。

図３Ａは、磁化が面内方向を向いている磁性体膜（以下、「面内磁化膜）という。）に存在する磁壁に作用するトルク、図３Ｂは、磁化が膜面方向に垂直な方向を向いている磁性体膜（以下、「垂直磁化膜」という。）に存在する磁壁に作用するトルクを模式的に示す図である。面内磁化膜については、図３Ａに示されているように、破線矢印の方向に伝導電子が流れると、磁壁内の磁気モーメント１はスピントルク項により図中の矢印２の方向、すなわちｘ−ｙ面内で回転しようとする。このとき同時に、磁壁内の磁気モーメント１は、α項、β項によって矢印３の方向、すなわちｙ−ｚ面内で回転しようとする。回転方向はα項とβ項の効果の大小関係で変わる。ここでβ項の効果がない場合、α項による磁化の回転方向は、反磁界により磁壁の運動、すなわち図中の矢印２の方向への回転を妨げる方向となる。これは電流によるエネルギーが、α項による図中の矢印３の方向への回転で生成されるエネルギーと釣り合うことによって磁壁の移動が停止すると解釈することもできる。この釣り合いはβ項の効果を付与することによって崩れ、このとき電流による磁壁移動が観測される（Europhysics Letters, vol. 69, pp. 990-996 (2005)参照）。すなわち、面内磁化膜での磁壁移動はβ項駆動と言うことができる。

一方で垂直磁化膜の場合（図３Ｂ）、磁壁内の磁気モーメント１はスピントルク項により図３Ｂの矢印２の方向、すなわちｘ−ｚ面内で回転しようとする。このときこれと同時にα項、β項によって図３Ｂの矢印３の方向、すなわちｘ−ｙ面内で回転しようとする。回転方向はα項とβ項の効果の大小関係により決まる。ここで面内磁化膜の場合、α項による回転はエネルギー的に不安定な状態へと向かう方向であるため、磁壁移動のブレーキとなるが、垂直磁化膜の場合、α項によって回転が起こってもエネルギーの増加は相対的には面内磁化膜よりも極めて小さい。従ってα項、及びβ項によって磁壁内での磁気モーメントはｘ−ｙ平面でほぼ自由に回転することでき、結果としてスピントルク項による図３Ｂの矢印３の方向への回転をほとんど妨げない。すなわち、垂直磁化膜の場合、ごく小さな電流でもスピントルク項による磁壁駆動が可能となることがわかる。

上述のように面内磁化膜での磁壁移動はβ項駆動であり、一方垂直磁化膜での磁壁移動はスピントルク項駆動が可能となる。いずれの場合も磁壁移動は可能であるが、閾値磁界のあるピニングポテンシャルから磁壁がデピンする場合には、スピントルク項駆動が好適である。その様子を図４に示す。

図４は、あるピンポテンシャルからデピンするのに必要な磁界（デピン磁界：Ｈ）と電流密度（デピン電流密度：ｕ）を、式（１）に基づいたマイクロマグネティクス計算によりシミュレーションした結果である。なお、ピンポテンシャルは素子に大きさの異なる５種類のノッチを設けることにより形成した。図４には膜厚が５ｎｍと２０ｎｍの面内磁化膜、及び膜厚が２ｎｍと２０ｎｍの垂直磁化膜での計算結果が示されている。図４に示されているように、垂直磁化膜は面内磁化膜と比べて、デピン磁界は約１桁大きく、一方、デピン電流密度は約１桁小さいことがわかる。これは熱安定性や外乱磁界耐性が高く、書き込み電流密度の低減されたＭＲＡＭを製造する上で好適である。

また、図４をより詳しく見ると、面内磁化膜ではデピンするのに必要な電流密度は膜厚が薄くなるほど増加しているのに対して、垂直磁化膜ではデピンするのに必要な電流密度は膜厚が薄くなるほど減少していることがわかる。これについてより詳細に調べた結果を図５に示す。図５から明らかなように垂直磁化膜の場合、膜厚を薄くしたときにデピンに要する電流は比較的大きく低減することがわかる。発明者は、マイクロマグネティクス計算により、この現象が、磁壁内の磁気モーメント１に作用する磁気異方性が、面内磁化膜では、膜厚を薄くした場合に線幅方向と膜面垂直方向での差が大きくなる一方、垂直磁化膜では膜厚を薄くした場合に線幅方向と細線長手方向での差が小さくなることに起因することを見出した。磁化自由層の膜厚を薄くすれば書き込みに要する電流の絶対値は低減するが、これに加えて垂直磁化膜は膜厚の低減が書き込み電流密度の低減をもたらすので、この点でも面内磁化膜に比べて優位であると言える。

ここで図５において、左側の縦軸には式（２）で定義される電流密度ｕでの値が示されており、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、ＭＲＡＭのメモリセルへの適用は現実的ではない。図５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、磁化自由層１０の膜厚は、２０ｎｍ以下であることが好ましい。

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６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、動作保障温度や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］のときであり、このような電流密度でのデピンが可能な膜厚範囲は、図５からそれぞれ１０ｎｍ、８ｎｍ以下であることがわかる。すなわち、磁化自由層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、磁化自由層１０の膜厚は、約１ｎｍ以上であることが好ましい。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よる（Applied Physics Letters, vol. 90, 132507, (2007)参照）。

（読み出し方法）
次に、本実施形態の磁気抵抗効果素子８０からのデータの読み出しについて図７Ａ、図７Ｂを用いて説明する。これまでに述べたように、本実施形態では磁壁移動部１３の磁化方向でデータを記憶し、また磁壁移動部１３はスペーサ層２０を介して第１の磁化固定層３０に接続される。磁気抵抗効果素子８０からのデータの読み出しには、磁気抵抗効果を利用する。磁気抵抗効果により、磁化自由層１０とスペーサ層２０と第１の磁化固定層３０とで構成された磁気トンネル接合（又はスピンバルブ）の抵抗値は、磁壁移動部１３の磁化方向によって異なる。したがって、磁化自由層１０と第１の磁化固定層３０の間で電流を流すことによりデータを読み出すことができる。例えば、図７Ａのように磁化自由層１０の中の磁壁移動部１３の磁化の向きと第１の磁化固定層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、一方、図７Ｂのように磁壁移動部１３の磁化の向きと第１の磁化固定層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。

（第１実施形態の磁気抵抗効果素子の利点）
本実施形態の磁気抵抗効果素子８０は、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小さく、さらにスケーリング性に優れている。これは、磁化自由層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。

まず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、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、図４よりｕ＝３００［ｍ／ｓ］程度と読み取ることができ、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流す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４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、垂直磁化膜を磁化自由層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。

本実施形態の磁気抵抗効果素子８０では、膜厚の低減によって、書き込みに必要な電流密度を減少することができる。従って、本実施形態の磁気抵抗効果素子８０は、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。

次に本実施形態の磁気抵抗効果素子８０を用いて構成された磁気メモリセル９０の回路構成、及びレイアウトについて図８、図９、及び図１０を用いて説明する。

図８は、１つの磁気メモリセル９０の回路構成の例を示している。上述のとおり、磁気抵抗効果素子８０は、３端子素子であるが、その３端子のうちの第１の磁化固定層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、一方磁化自由層１０の両端に接続される２つの端子は、二つのトランジスタ１００ａ、１００ｂの第１ソース／ドレインにそれぞれに接続される。またトランジスタ１００ａ、１００ｂの第２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８に示した磁気メモリセル９０は、アレイ状に配置され、周辺回路に接続され、これにより磁気ランダムアクセスメモリが構成される。

次に図８に示された磁気メモリセル９０の書き込み、読み出し動作について説明する。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“ｌｏｗ”とする。ビット線１０２ａのどちらを“ｈｉｇｈ”にし、どちらを“ｌｏｗ”にするかで磁化自由層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へのデータ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８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８に示された回路構成を有する磁気メモリセル９０は、図９、図１０に示されるレイアウトで実現することが可能である。図９は、磁気メモリセル９０のレイアウトの例を示すｘ−ｙ平面図であり、図１０は、図９のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ断面における構成を示す断面図である。図１０に示されているように、基板１００にＮＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂが形成されている。図９に示されているように、ＮＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂのゲートは、ｙ軸方向に延設されており、ワード線１０３として使用される。図１０に戻り、ＮＭＯＳトランジスタ１００ａの一方のソース／ドレイン１１１ａは、コンタクト１１２と配線層１１３とを介して磁化固定層１５ａに接続されており、他方のソース／ドレイン１１１ｂは、コンタクト１１４と配線層１１５とを介してビット線１０２ａに接続されている。一方、ＮＭＯＳトランジスタ１００ｂの一方のソース／ドレイン１１６ａは、コンタクト１１７と配線層１１８とを介して磁化固定層１５ｂに接続されており、他方のソース／ドレイン１１６ｂは、コンタクト１１９と配線層１２０とを介してビット線１０２ｂに接続されている。図９に示されているように、ビット線１０２ａ、１０２ｂは、ｙ軸方向に延設されている。

図１０を再度に参照して、磁気抵抗効果素子８０の磁化固定層３０の上には電極層１２１が形成されており、電極層１２１は、コンタクト１２２を介してグラウンド線１０１に接続されている。図９に示されているように、グラウンド線１０１は、ｘ軸方向に延設されている。このようなレイアウトは、磁気メモリセル９０の面積を低減させるのに好適である。

ただし、ここで示されているのは一例に過ぎず、他のレイアウトを用いても磁気メモリセル９０を形成することは可能である。例えば図９、図１０ではＮＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂはｙ軸方向に沿って設けられているが、ＮＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂは、ｘ軸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ＮＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂのゲートと接続されるように突起が形成されることが望ましい。

（第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの磁化の固定方法）
本実施形態の磁気抵抗効果素子８０では、磁化自由層１０の磁化固定部１１ａ、１１ｂの磁化は膜面垂直方向に互いに略反平行に固定される。この磁化固定は、磁化固定部１１ａ、１１ｂに隣接して設けられる第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂによって実現することができる。ここでは第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂを用いた磁化固定部１１ａ、１１ｂの磁化の固定方法について説明する。

図１１Ａ〜１１Ｆは第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂによる磁化固定部１１ａ、１１ｂの磁化の固定方法についての説明図である。ここで示されるいずれの磁化の固定方法も、第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂに保磁力の差を設け、初めに十分大きな磁界を印加することで両方の第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの磁化の方向を揃えた後、適当な大きさの磁界を印加することで第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂのうちの一方のみを反転させることに基づいている。すなわち、図１１Ａから図１１Ｆで示される６つの方法はいずれも一方の第２の磁化固定層１５ａと他方の第２の磁化固定層１５ｂの間で保磁力に差を設けるための具体的な方法である。

このうち図１１Ａは、一方の第２の磁化固定層１５ａと他方の第２の磁化固定層１５ｂが異なる材料から構成される例である。ここで二つの異なる材料では保磁力に差が設けられる。これは構成元素や組成によって実現することもできるし、結晶構造や欠陥等の構造、組織的な要因によって実現することもできる。

また図１１Ｂは、一方の第２の磁化固定層１５ａと他方の第２の磁化固定層１５ｂで磁化容易軸の方向が異なるようにして構成される例である。このとき両方の第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの磁化の方向を略同方向に揃えた後、一方の第２の磁化固定層のみが磁化反転するような方向に磁界を印加することにより、第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの磁化状態として略反平行な状態を実現することができる。このような磁化容易軸の違いは結晶磁気異方性によって実現することもできるし、形状磁気異方性によって実現することもできる。

図１１Ｃは、一方の第２の磁化固定層１５ａと他方の第２の磁化固定層１５ｂで膜厚が異なるようにして構成される例である。この場合は一方の第２の磁化固定層１５ｂが他方の第２の磁化固定層１５ａに比べて、その膜厚が厚く設けられているが、一般的に膜厚が厚いほうが垂直方向の保磁力は大きくなる。従って、上述のような２段階の着磁プロセスによって第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの磁化状態として略反平行な状態を実現することができる。

図１１Ｄは、第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの一方（図１１Ｄの場合は第２の磁化固定層１５ｂ）に隣接してピニング層１６が設けられる例である。ピニング層１６の材料としてはより磁気異方性の大きな強磁性材料のほか、反強磁性体材料を用いることもできる。これによっても実効的な保磁力に差が設けられるため、上述のような２段階の着磁プロセスによって第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの磁化状態として略反平行な状態を実現することができる。なお、図１１Ｄではピニング層１６は第２の磁化固定層１５ｂの磁化自由層１０とは反対側の面に接して設けられているが、実際には第２の磁化固定層１５ｂに接してさえいればよく、その位置は任意である。

図１１Ｅは、２つの第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂでｘ−ｙ面内での面積が異なるようにして構成される例である。マイクロマグネティクス計算を行った結果、ｘ−ｙ面内での面積が大きいほど、反転磁界は小さくなることがわかった。従って、一方の第２の磁化固定層（図１１Ｅの場合は第２の磁化固定層１５ａ）の保磁力が他方の第２の磁化固定層（図の場合は第２の磁化固定層１５ｂ）の保磁力よりも小さくなるため、上述のような２段階の着磁プロセスによって第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの磁化状態として略反平行な状態を実現することができる。

図１１Ｆは、第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂのうちの少なくとも一つがｘ−ｙ面内で異方的な形状にパターニングされる例である。この場合は、図１１Ｆのｚ軸方向の磁界の他に、ｘ−ｙ面内の方向の磁界を加えることで、上述のような２段階の着磁プロセスによって第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの磁化状態として略反平行な状態を実現することができる。マイクロマグネティクス計算によれば、垂直磁気異方性を有し、且つ異方的な形状を有する磁性体では、垂直方向に対して、磁性体の長軸方向の磁界を加えたとき、短軸方向の磁界を加えるよりも保磁力が小さくなることがわかった。従って、図１１Ｆの場合には、一方の第２の磁化固定層１５ａはｙ軸方向に長軸を有し、他方の第２の磁化固定層１５ｂはｘ軸方向に長軸を有しているので、例えば、初めに第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの磁化をいずれも＋ｚ方向にほぼ揃えた後、−ｚ方向の成分とｘ軸方向の成分とを有する適当な大きさの磁界を印加することによって、第２の磁化固定層１５ｂの磁化のみを反転することができる。なお、ここでは第２の磁化固定層１５の形状は長方形として図示されているが、これはｘ−ｙ面内で異方性を有していればいかなる形状でも構わない。

また、図示はされていないが、第２の磁化固定層１５を３つ以上設けることによっても実効的な保磁力差を設けることができる。また、上述の他の手法によって第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂに保磁力差を設けることによって第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの磁化状態として略反平行な状態を実現してもよい。さらに、これまで述べた６つの方法は組み合わせて用いることもできる。

（材料）
ここでは、磁気抵抗効果素子８０を構成する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１Ａ〜図１Ｃ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。

表１、表２は、第２の磁化固定層１５と磁化自由層１０とに関して図１Ａ〜図１Ｃに示されるような磁化状態が実現できる材料特性の範囲についてのマイクロマグネティックシミュレーションを行った結果を示している。具体的には、表１は第２の磁化固定層１５を構成する材料の特性の許容範囲を示しており、表２は磁化自由層１０を構成する材料の特性の許容範囲を示している。表１、表２のいずれの場合も、表中で「○」が記載されている欄は、図１Ａ〜図１Ｃのような磁化状態が実現され、「×」が記載されている欄は、図１Ａ〜図１Ｃのような磁化状態が実現されない範囲であることを意味している。より具体的に説明すると、表１の場合、「×」と記載されている欄では、第２の磁化固定層１５がほぼ一様に垂直方向に磁化した単磁区構造とはならず、多磁区構造となることがわかった。また表２の場合、「×」と記載されている欄では、磁化自由層１０の少なくとも一部分の磁化が垂直方向を向かず、面内方向を向くことがわかった。なお表１、表２では飽和磁化（Ｍ_Ｓ）と垂直方向の磁気異方性定数（Ｋ_Ｕ）について調べた結果が示されている。

まず表１から第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂについては、飽和磁化（Ｍ_Ｓ）が小さく、且つ垂直方向の磁気異方性定数（Ｋ_Ｕ）が大きいとき、図１Ａ〜図１Ｃに示される磁化状態が実現できることがわかる。特に飽和磁化（Ｍ_Ｓ）が１２００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］以下であり、且つ垂直方向の磁気異方性定数（Ｋ_Ｕ）が１×１０^７［ｅｒｇ／ｃｍ^３］以上のとき、或いは飽和磁化（Ｍ_Ｓ）が８００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］以下であり、且つ垂直方向の磁気異方性定数（Ｋ_Ｕ）が５×１０^６［ｅｒｇ／ｃｍ^３］以上のときには図１Ａ〜図１Ｃに示される磁化状態が実現できることがわかる。

また表２から磁化自由層１０については、飽和磁化（Ｍ_Ｓ）が小さく、且つ垂直方向の磁気異方性定数（Ｋ_Ｕ）が大きいとき、図１Ａ〜図１Ｃに示される磁化状態が実現できることがわかる。特に飽和磁化（Ｍ_Ｓ）が８００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］以下であり、且つ垂直方向の磁気異方性定数（Ｋ_Ｕ）が６×１０^６［ｅｒｇ／ｃｍ^３］以上のとき、或いは飽和磁化（Ｍ_Ｓ）が６００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］以下であり、且つ垂直方向の磁気異方性定数（Ｋ_Ｕ）が４×１０^６［ｅｒｇ／ｃｍ^３］以上のとき、或いは飽和磁化（Ｍ_Ｓ）が４００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］以下であり、且つ垂直方向の磁気異方性定数（Ｋ_Ｕ）が２×１０^６［ｅｒｇ／ｃｍ^３］以上のときには図１Ａ〜図１Ｃに示される磁化状態が実現できることがわかる。

具体的な材料は以下に例示される。まず磁化自由層１０、第１の磁化固定層３０、及び第２の磁化固定層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。例えば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。

スペーサ層２０は、絶縁体から構成されることが望ましい。スペーサ層２０の材料としては、具体的にはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが例示される。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２実施形態：
図１２Ａ、図１２Ｂは、本発明の第２実施形態における磁気抵抗効果素子８０の構造、特に磁化自由層１０の構造を模式的に示している。第２実施形態の磁気抵抗効果素子８０は、磁化自由層１０の中の磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂに関し、磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂが磁壁をより強く拘束できるように形成されたものである。

磁壁を強く拘束することは、図１２Ａに示されるように、ｘ−ｙ面内での平面形状の変調によって実施することができる。図１２Ａは、磁化自由層１０に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１２Ｂ、１２Ｃ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、磁壁を磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂに強く拘束することもできる。図１２Ｃに示されているように、磁壁ピンサイト１２となる部分のみが段差を持っていてもよいし、図１２Ｃに示されているように、磁化固定部１１に段差を設けてもよい。さらに図１２Ｄのように、磁化固定部１１をｙ軸方向にずらすことでも磁壁の拘束部を形成することができる。

この他、図示はされていないが、磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂの磁気特性を磁壁移動部１３や磁化固定部１１に対して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。このような磁気特性の変化は、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３実施形態：
図１３Ａ〜図１３Ｄは、本発明の第３実施形態における磁気抵抗効果素子８０の構造、特に、磁化自由層１０の構造を模式的に示している。第３実施形態は、磁化自由層１０の形状に関し、特に安定した２値状態を実現するものである。

垂直磁化膜の場合、磁壁移動部１３の中央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、磁壁移動部１３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〜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のように磁化固定部１１ａ、１１ｂ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、書き込み電流による磁壁移動が起こった時に磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂを通り越した磁壁を、電流が切られたときには磁壁のピンサイトに戻すことができる。

第４実施形態：
図１４Ａ、図１４Ｂは、本発明の第４実施形態の磁気抵抗効果素子８０の構造を模式的に示している。第４実施形態は、磁化自由層１０及び第２の磁化固定層１５の下地層に関する。

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することが記されている。従って、図１４Ａのように磁化自由層１０の下に下地層４０を設けてもよいし、図１４Ｂに示されているように、第２の磁化固定層１５の下に下地層４１を設けてもよい。また下地層４０及び下地層４１は、異なる材料によって形成される複数の膜で構成された多層膜としてもよい。下地層４０及び下地層４１はその上に成膜される磁性層の結晶磁化容易軸が所望の方向に成長するように、構造、組織がコントロールされることが望ましい。

下地層４０及び下地層４１の材料としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔなどの他、これらの酸化物、窒化物、及びＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｔａなどを用いることができる。

ここで、磁化自由層１０の下地層４０は、磁化自由層１０に用いる材料と比べて電気抵抗が比較的高いことが望ましい。これは、書き込み電流の下地層４０への分流を低減するためである。これは下地層４０の膜厚を磁化自由層１０に比べて十分薄くすることにより実現することもできるし、下地層４０としてその抵抗率が磁化自由層１０で用いる材料の抵抗率よりも十分大きくなるような材料を選択することにより実現することもできる。

また特に当該下地層４０は磁気モーメントを有する材料（即ち、磁性体）から構成されることが好ましい。これは、磁化自由層１０と第２の磁化固定層１５の間で、下地層４０を介して強く磁気結合させることができるためである。既述のＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｔａはこの点で好適である。

第５実施形態：
図１５は、本発明の第５実施形態における磁気抵抗効果素子８０の構造を模式的に示している。第５実施形態では、第１の磁化固定層３０の磁化を安定して固定するために、第１の磁化固定層３０に隣接してピニング層５０が設けられている。なお図１５ではピニング層５０は第１の磁化固定層３０に対してスペーサ層２０とは反対側の面に接して設けられているが、実際には第１の磁化固定層３０に接していればよく、その位置は任意である。

ピニング層５０の材料としては反強磁性体などを用いることができる。具体的にはＰｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｍｎ−Ｒｈなどが例示される。

第６実施形態：
図１６は、本発明の第６実施形態における磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示している。第６実施形態では、磁化自由層１０と第２の磁化固定層１５の界面のうちの少なくとも一部分に高分極層６０が挿入される。

スピントルク項を用いた電流駆動磁壁移動では磁性体を流れる伝導電子のスピン偏極率はなるべく高いことが望ましい。本実施形態では、高分極層６０はスピン分極率の高い材料から構成され、これを用いることにより伝導電子のスピン偏極率を高めることができる。これによって書き込み電流の低減や書き込み速度の増大が可能となる。

なお、高分極層６０の材料は垂直磁気異方性を有する材料を用いてもよいが、面内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の磁化固定層１５や磁化自由層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、系の磁化状態を乱すことはない。具体的には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅなどが例示され、これら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。

第７実施形態：
図１７は、本発明の第７実施形態における磁気抵抗効果素子８０の構造を模式的に示している。第７実施形態では、スペーサ層２０と磁化自由層１０、或いは第１の磁化固定層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。

本発明では情報の読み出しに磁気抵抗効果を利用するが、このとき情報記憶層となる磁化自由層１０と参照層となる第１の磁化固定層３０のスピン分極率は高いほど高い磁気抵抗効果比が発現され、大きな読み出し信号が得られる。本変形例ではスペーサ層２０の界面に高分極層７０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磁化自由層１０、及び第１の磁化固定層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が、面内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１の磁化固定層３０や磁化自由層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、系の磁化状態を乱すことはない。具体的に用いる材料としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅなどが例示され、これら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１７においてスペーサ層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、特定のスペーサ層２０の結晶配向を制御する制御層としての役割を併せ持たせることもできる。例えば、近年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８実施形態：
図１８Ａ、図１８Ｂは、本発明の第８実施形態における磁気抵抗効果素子８０の構造を模式的に示している。図１８Ａは、第８実施形態における磁気抵抗効果素子８０の斜視図であり、図１８Ｂはｘ−ｚ断面図である。第８実施形態では、磁化自由層１０の少なくとも第２の磁化固定層１５と接する部分以外の面が、スペーサ層２０を介して、第１の磁化固定層３０に接続される。

上述の実施形態では、データの書き込みの際には磁化自由層１０に直接電流を流すが、このとき磁化自由層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。ここで磁化自由層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しやすくなり、発熱の影響は軽減できる。なお、図１８Ａ、図１８Ｂでは磁化自由層１０に対して、第２の磁化固定層１５と接する面とは反対側の面の全面がスペーサ層２０を介して第１の磁化固定層３０と接しているが、スペーサ層２０、及び第１の磁化固定層３０の形状、及び配置は任意である。

第９実施形態：
図１９Ａ、図１９Ｂは、本発明の第９実施形態における磁気抵抗効果素子８０の構造を模式的に示している。第９実施形態は磁化自由層１０、スペーサ層２０、及び第１の磁化固定層３０の積層順に関する。図１０では磁化自由層１０は第１の磁化固定層３０に対して基板１１０側に配置されるが、本実施形態では第１の磁化固定層３０が磁化自由層１０に対して基板側に配置される。

また図１９Ａの構造は、図１Ａの構造が倒立しただけであるが、本実施形態では、図１９Ｂのように磁化自由層１０が第１の磁化固定層３０に対してｘ−ｙ平面形状において収まるように形成されてもよい。図１９Ｂのような構造を用いた場合には、第８実施形態で述べたように発熱の影響を軽減できるほか、第１の磁化固定層３０から磁化自由層１０への磁束の影響を低減することができる。

第１０実施形態：
図２０Ａ〜２０Ｃは、本発明の第１０実施形態における磁気抵抗効果素子８０の構造を模式的に示している。第１０実施形態は、第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの位置に関する。

図１Ｃでは第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂは磁化自由層１０の両端に接して、且つスペーサ層２０とは反対側の面に設けられているが、第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの位置は磁化自由層１０の両端付近で接していればよく、その位置は任意である。例えば図２０Ａのように磁化自由層１０の両端からやや内側にずれた位置に配置されてもよいし、図２０Ｂのように磁化自由層１０とは同じ面上で横方向に配置されてもよく、また図２０Ｃのように磁化自由層１０に対してスペーサ層２０と接する面と同じ面に配置されてもよい。また図２０Ｂのように第２の磁化固定層１５が磁化自由層１０と同じ面に形成される場合、図２０Ｂのように磁化自由層１０に対してｘ方向に隣接して設けられてもよいし、ｙ方向、すなわち紙面の手前／奥方向に隣接して設けられてもよい。

また図２０Ａのように磁化自由層１０の両端からやや内側にずれた位置に配置される場合、仮に書き込みの際に磁壁が磁壁ピンサイト１２を越えた場合でも磁化自由層１０のなかの第２の磁化固定層１５と接する位置よりも外側の領域は元の磁化状態が残ることになる。従って、書き込み電流を切ったときには正常な状態、すなわち図２Ａか図２Ｂのいずれかの状態を回復することができる。図２０Ａのような構造は、例えば図１３Ｄに示した平面形状と併用することでより大きな効果が期待される。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。特に、技術的に矛盾がない限り、第１実施形態乃至第１０実施形態のうちの２以上が、一の磁気抵抗効果素子に同時に適用されることが可能であることに留意されたい。

この出願は、２００７年６月２５日に出願された日本国特許出願特願２００７−１６６０７９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 (21)

1. 磁化自由層と、
   前記磁化自由層に隣接して設けられるスペーサ層と、
   前記スペーサ層に隣接して前記磁化自由層とは反対側に設けられる第１の磁化固定層と、
   前記磁化自由層に隣接して設けられる少なくとも二つの第２の磁化固定層
   とを具備し、
   前記第１の磁化固定層と前記第２の磁化固定層は、膜面に略垂直方向の磁化成分を有し、
   前記磁化自由層は、
   二つの磁化固定部と、
   前記二つの磁化固定部の間に配置される磁壁移動部
   とを有し、
   前記二つの磁化固定部のうちの一方は、前記少なくとも二つの第２の磁化固定層のうちの一つに隣接しており、
   前記二つの磁化固定部のうちの他方は、前記少なくとも二つの第２の磁化固定層のうちの別の一つに隣接しており、
   前記第１の磁化固定層の少なくとも一部分は、前記磁壁移動部の少なくとも一部にオーバーラップするように設けられており、
   前記磁化自由層を構成する前記磁壁移動部及び前記二つの磁化固定部は、膜面に略垂直方向の磁気異方性が付与されると共に、膜面に略垂直方向の磁化を有し、
   前記磁化自由層を構成する前記二つの磁化固定部の磁化は、前記少なくとも二つの第２の磁化固定層によって膜面に略垂直方向において互いに略反平行に固定されており、
   前記少なくとも二つの第２の磁化固定層が、互いに保磁力に差を持って形成され、
   前記磁化自由層には、前記磁気抵抗効果素子への情報の書き込みの際に、書き込み電流が、前記二つの磁化固定部のうちの一方から他方に前記磁壁移動部を経由して流され、
   前記磁化自由層の膜厚が１ｎｍ以上８ｎｍ以下である
   磁気抵抗効果素子。
2. 前記少なくとも二つの第２の磁化固定層が、互いに異なる材料で形成される
   請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記少なくとも二つの第２の磁化固定層の磁化容易軸が互いに異なる方向に設定される
   請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記少なくとも二つの第２の磁化固定層が互いに異なる膜厚で形成される
   請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記少なくとも二つの第２の磁化固定層のうちの少なくとも１つにピニング層が隣接して設けられる
   請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記少なくとも二つの第２の磁化固定層が互いに異なるサイズで形成される
   請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記少なくとも二つの第２の磁化固定層が互いに異なる形状で形成される
   請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記磁化自由層、前記第１の磁化固定層、及び前記第２の磁化固定層のうちの少なくとも一つの層が垂直方向の結晶磁気異方性を有する材料により構成される
   請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
9. 前記磁化自由層、前記第１の磁化固定層、及び前記第２の磁化固定層のうちの少なくとも一つの層が強磁性層を含む少なくとも二つ以上の層の積層膜により構成される
   請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
10. 前記磁化自由層は、飽和磁化が８００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］以下であり、磁気異方性定数が６×１０^６［ｅｒｇ／ｃｍ^３］以上である材料で形成された
    請求項８又は９に記載の磁気抵抗効果素子。
11. 前記磁化自由層は、飽和磁化が６００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］以下であり、磁気異方性定数が４×１０^６［ｅｒｇ／ｃｍ^３］以上である材料で形成された
    請求項８又は９に記載の磁気抵抗効果素子。
12. 前記磁化自由層は、飽和磁化が４００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］以下であり、磁気異方性定数が２×１０^６［ｅｒｇ／ｃｍ^３］以上である材料で形成された
    請求項８又は９に記載の磁気抵抗効果素子。
13. 前記第２の磁化固定層は、飽和磁化が１２００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］以下であり、磁気異方性定数が１×１０^７［ｅｒｇ／ｃｍ^３］以上である材料で形成された
    請求項８又は９に記載の磁気抵抗効果素子。
14. 前記第２の磁化固定層は、飽和磁化が８００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］以下であり、磁気異方性定数が５×１０^６［ｅｒｇ／ｃｍ^３］以上である材料で形成された
    請求項８又は９に記載の磁気抵抗効果素子。
15. 前記磁化自由層と前記第２の磁化固定層の界面のうちの少なくとも一部分に高分極層が設けられる
    請求項１乃至１４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
16. 前記磁化自由層と前記スペーサ層の界面、或いは前記第１の磁化固定層と前記スペーサ層の界面
    のうちの少なくとも一部分に高分極層が設けられる
    請求項１乃至１５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
17. 前記磁化自由層の前記スペーサ層が接合する面に制御層が設けられる
    請求項１乃至１６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
18. 前記第１の磁化固定層の外周が前記磁化自由層の外周と比べて略同一か、或いは外側である
    請求項１乃至１７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
19. 前記第２の磁化固定層が前記磁化自由層の端部よりも内側で前記磁化自由層に接続される
    請求項１乃至１８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
20. 下地層が前記磁化自由層に対して基板側で隣接して設けられ、
    前記下地層は磁気モーメントを有する
    請求項１乃至１９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
21. 請求項１乃至２０のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えるメモリセルを具備する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
    
    

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