JP7352930B2 - 磁気素子、磁気メモリチップ、磁気記憶装置及び磁気素子の書き込み方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気素子、磁気メモリチップ及び前記磁気素子を備える磁気記憶装置、並びに磁気素子の書き込み方法に関する。

近年、磁気抵抗効果（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、ＭＲ）素子として、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）、超巨大磁気抵抗素子（Ｃｏｌｏｓｓａｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ（ＣＭＲ））等の磁気素子の研究開発が進められている。トンネル磁気抵抗素子は、主たる層として、二つの強磁性層と、これらの強磁性層の積層構造の間に非磁性の絶縁体層からなるトンネル障壁層とを有する。トンネル磁気抵抗素子は、トンネル磁気抵抗効果を示す強磁性トンネル接合を有するので、強磁性トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子とも呼ばれる。

例えば、ＴＭＲ素子では、強磁性層／非磁性絶縁体層／強磁性層を構成する層は、それぞれ厚さが１～数ナノメートルの薄い層からなる。上下の強磁性層の電極に電圧を加えると、非磁性絶縁体層を通してトンネル電流が流れる。二つの強磁性体層の持つ磁化の向きが平行な時と反平行な時で、ＴＭＲ素子の電気抵抗が大きく変化する。この抵抗変化率を磁気抵抗（ＭＲ：Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）比と呼ぶ。

磁気素子は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等の磁気メモリ、乱数発生器、磁気センサなどに利用される。

磁気素子を用いたＭＲＡＭは、不揮発性、高速性、高書き換え耐性、低消費電力、低電圧駆動、高集積等の特徴を有する。ＭＲＡＭには、データ書き込み方式の違いにより、磁界書き込み型ＭＲＡＭ、電流書き込み型ＭＲＡＭ（ＳＴＴ（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ）－ＭＲＡＭ）、電圧書き込み型ＭＲＡＭ（電圧トルクＭＲＡＭ）の３種類がある。

ＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子に含まれる二つの強磁性層の磁化の相対的な方向により高抵抗状態と低抵抗状態をとり、それぞれ、「１」と「０」に対応させて情報を記憶できる。ＭＲＡＭに用いられるＴＭＲ素子では、一方の強磁性層は、「磁化自由層」であり、情報を記憶する機能を有するので「記憶層」とも呼び、他方の強磁性層は記憶層情報の判定基準であるので「参照層」と呼ぶ。

ところで、電流書き込み型では双極性書き込み（書き込み時の極性が双方向であること）が可能であるが、安定して電流書き込みが可能なのは、面積抵抗ＲＡが１０Ωμｍ^２より小さい磁気素子であることが知られている（非特許文献１参照）。

一方、従来の電圧書き込み型は、単極性（電圧を一方向にのみ印加すること）の超高速パルス電圧によって双方向書き込みを行うものであった。これに対して、双極性電圧を印加することにより双方向の磁化反転を誘起して書き込みを行う双極性電圧書き込み型が報告されている（特許文献１参照。）。特許文献１には、電圧書き込み型の磁気メモリ素子に関して、磁気トンネル接合の接合断面形状を、「鏡面対称性も回転対称性もない形状（例えば不等辺三角形）」又は「特定の１軸に対してのみ鏡面対称性を有する形状（例えば二等辺三角形）」のように低対称な形状とすることにより、双極性電圧による双方向磁化反転の高速性、磁化反転の安定性などの観点で優れていることが報告されている。

また、電圧書き込み型の磁気素子に関して、外部磁界と電圧がかかっていない状態で、磁気素子の磁化を傾かせる方法として、層間交換結合磁界と交換バイアス磁界を用いる方法が報告されている（特許文献２参照）。特許文献２では、磁気素子のＭＴＪ構造を有する積層体に、磁界を印加する磁界印加部の構成が複数示されている。磁界印加部の構造の例として、ＭＴＪ構造の積層体の積層方向に沿って該積層体にさらに積層されている強磁性層による漏洩磁界を利用する構造や、ＭＴＪ構造の積層体の積層方向に積層されずに積層体の側部に配置される構造が示されている。

発明者らによる先行技術文献（特許文献３参照）には、電流書き込み型の磁気素子において、外部磁界と電圧がかかっていない状態で、磁気素子の磁化を傾かせる方法として、コーン磁化自由層を用いる方法が示されている。

発明者らによる先行技術文献（特許文献４、非特許文献２参照）には、第１磁性層と第１非磁性層を備える磁気素子において、非磁性層から磁性層に向かう方向と磁性層の磁化方向の角度θ^（０）が、０°＜θ^（０）＜９０°、又は９０°＜θ^（０）＜１８０°を満たし、第１非磁性層を介して第１磁性層に単極性の電圧を印加することにより双方向の情報書き込みを行うことが、示されている。

特開２０１８－１４３７６号公報 特開２０１４－６７９２９号公報 国際公開２０１６／１８６１７８明細書 国際公開２０１８／１９８７１３明細書

J. Z. Sunら、Physical Review B、 96、 064437 (2017) R. Matsumoto et al.、 Phys. Rev. Applied 9、 014026、 (2018).

従来の電圧書き込み型の磁気素子は、電流書き込み型に比べ、省電力性及び高速性が見込まれるものの、まだ開発途上であり実用的でなかった。

従来の電圧書き込みは、単極性電圧で動作し、トグル方式で書き込みが行われる。トグル方式では、書き込み直前の記憶状態にかかわらず書き込み動作により必ず情報を書き換える。即ち、「０」から「１」、または「１」から「０」に書き換える。しかしながら、デジタル情報記録では、同じ状態（「０」から「０」に、または「１」から「１」に）を書き込むことも必要であるため、書き込み前に「事前読み込み」（プレリード（ｐｒｅｒｅａｄ）ともいう。）をして、情報書き換えの必要性があるか判断しなければならない。プレリードの時間を要するために、動作時間が遅くなってしまう。双極性書き込みが可能な素子では事前読み込みが不要となるので、双極性書き込みが望まれる。

また、従来技術の電圧書込み方式では、電圧をかけていないとき、磁化は、磁気エネルギーの低い方向に向き、メモリの「０」状態に対応する例えば上向き、またはメモリの「１」状態に対応する例えば下向きで安定している。ここに超高速の電圧パルスをかけると、瞬間的に磁気異方性が変化して記録層の磁化が回転し始める。ちょうど磁化が初期状態と反対向きになった時に電圧を切ると、回転が止まり、磁化が反対向きに固定され、メモリの書込みが行われる。よって、電圧パルスを途中で切る必要があり、パルス時間幅の制約が厳しいという問題がある。

従来の特許文献４の電圧書き込み式の磁気素子においても、事前読み込みが必要である問題、及び電圧パルス時間幅の制約の問題があった。

従来の特許文献１の双極性電圧書き込み型の磁気素子では、バイアス電圧の印加で磁化方向の分布を生じさせるために、対称性の低い形状が必要であった。しかし、特許文献１の磁気素子は、鏡面対称性も回転対称性ももたない形状の素子であるので、形成工程で形状のばらつきがあり、また微細加工において素子のエッジが丸まり易いという問題があった。また、その結果、素子の磁化反転の高速性や安定性のばらつきにつながってしまう問題があった。

本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、本発明は、省電力で、磁化反転の高速性や安定性に優れ、かつこれらのばらつきの少ない磁気素子を提供することを目的とする。また、これにより高性能化を実現した磁気メモリチップ又は磁気記憶装置を提供することを目的とする。また、高性能化を実現した磁気素子の書き込み方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。

（１） 参照層と、磁化自由層と、前記参照層と前記磁化自由層の間に挟まれるトンネル障壁層とを少なくとも含む積層構造を備え、前記磁化自由層の面内形状は、回転対称性又は２軸以上に対して鏡面対称性を有し、前記磁化自由層に電圧と外部磁界が実質的に印加されていない状態で、前記磁化自由層の磁化方向は、［磁化自由層からトンネル障壁層に向かう第１方向］と[磁化自由層の磁化方向]の間の角度θ^（０）が、０°＜θ^（０）＜９０°、又は９０°＜θ^（０）＜１８０°の角度であり、前記トンネル障壁層の面積抵抗が１０Ωμｍ^２以上であり、双極性電圧の印加に対応して磁化自由層の磁化方向が双極反転する特性を有することを特徴とする磁気素子。
（２） 前記磁化自由層の面内方向に異方性を与える次の第一群乃至第三群の磁界について、第一群：形状磁気異方性による磁界、第二群：立方磁気異方性又は誘導磁気異方性の少なくとも１つによる磁界、第三群：磁化自由層以外の磁性層からの漏洩磁界を第１磁界と呼び、層間交換結合による磁界、交換バイアス磁界、及び前記層間交換結合による磁界と前記交換バイアス磁界の合成磁界のいずれかを第２磁界と呼ぶとき、前記第１磁界又は前記第２磁界の少なくとも１つによる磁界、前記第一群乃至第三群のうち異なる群から選択される少なくとも２つの磁界が、磁化自由層に与えられていて、当該少なくとも２つの磁界のうち、２つのそれぞれの磁界による面内方向に関する容易磁化方向が異なる方向であることを特徴とする、前記（１）記載の磁気素子。
（３） 前記磁気素子は、前記磁化自由層の、前記参照層側とは反対側に、非磁性層を介して磁化固定層を備える構造を含むことを特徴とする前記（１）又は（２）記載の磁気素子。
（４） 前記磁化自由層は面内方向に関して形状磁気異方性を有し、前記第二群又は前記第三群から選択される少なくとも１つの磁界が、磁化自由層に与えられていて、当該少なくとも１つの磁界が、前記形状磁気異方性による磁界による面内方向に関する容易磁化方向と異なる方向であることを特徴とする、前記（２）又は（３）記載の磁気素子。
（５） 前記磁化自由層は楕円柱形状であることを特徴とする、前記（４）記載の磁気素子。
（６） 前記参照層が垂直方向又は面内方向の磁化方向を有し、前記磁化自由層は楕円柱形状であり、前記磁化自由層に与えられる前記第三群の磁界の方向が、前記形状磁気異方性による磁界による面内方向に関する容易磁化方向と異なる方向であることを特徴とする、前記（２）又は（３）記載の磁気素子。
（７） 前記磁化自由層は、面内方向に関して形状磁気異方性を有さず、前記第二群または第三群のうち異なる群から選択される少なくとも２つの磁界が、前記磁化自由層に与えられていて、当該少なくとも２つの磁界のうち、２つのそれぞれの磁界による面内方向に関する容易磁化方向が異なる方向であることを特徴とする、前記（２）記載の磁気素子。
（８） 前記参照層が面に垂直方向の磁化方向を有する場合は、前記角度θ^（０）が、１５°≦θ^（０）＜９０°あるいは９０°＜θ^（０）≦１６５°であり、前記参照層が面内方向の磁化方向を有する場合は、３０°＜θ^（０）＜８５°と９５°＜θ^（０）＜１５０°であることを特徴とする前記（１）記載の磁気素子。
（９） 前記磁気素子は、前記参照層の、前記トンネル障壁層側とは反対側に、非磁性層を介して、参照層の磁化方向に対して垂直方向の磁化方向をもつ漏洩磁化印加のための磁性層を備える構造を含むことを特徴とする前記（１）又は（２）記載の磁気素子。
（１０） ギルバートダンピング定数αは０．０５以上０．５以下であることを特徴とする、前記（１）乃至（９）のいずれか１項に記載の磁気素子。
（１１） 前記（１）乃至（１０）のいずれか１項記載の磁気素子の複数の集合体である磁気メモリチップ。
（１２） 前記（１）乃至（１１）記載のいずれか１項記載の磁気素子を複数含む、不揮発性の磁気記憶装置。
（１３） 参照層と、磁化自由層と、前記参照層と前記磁化自由層の間に挟まれるトンネル障壁層とを少なくとも含む積層構造を備え、前記磁化自由層の面内形状は、回転対称性又は２軸以上に対して鏡面対称性を有し、前記磁化自由層に電圧と外部磁界が実質的に印加されていない状態で、前記磁化自由層の磁化方向は、［磁化自由層からトンネル障壁層に向かう第１方向］と[磁化自由層の磁化方向]の間の角度θ^（０）が、０°＜θ^（０）＜９０°、又は９０°＜θ^（０）＜１８０°の角度であり、前記トンネル障壁層の面積抵抗が１０Ωμｍ^２以上である磁気素子に、双極性のパルス電圧を印加して、双方向磁化反転を誘起することにより、パルス電圧の極性に対応した情報書き込みを行うことを特徴とする、磁気素子の書き込み方法。

従来技術の双極性電圧書き込み型では、対称性の低い形状を必要としていたのに対して、本発明の磁気素子によれば、対称性の高い形状の磁気素子において、双極性電圧による双方向磁化反転の高速性、磁化反転の安定性を実現できた。本発明によれば、磁化自由層が対称性の高い形状であるので、微細加工が容易であり、素子間のばらつきが少ない。よって、特性の揃った複数個からなる双極性電圧書き込み型の素子を備える磁気メモリチップまたは磁気記憶装置を、実現できる。

従来技術の磁気素子では、電圧書き込みにおいて、歳差運動の半周期で電圧パルスを切る必要があり、書き込み操作に問題があった。これに対して、本発明の磁気素子によれば、双極性電圧をかけたままでも所望の状態が保持されるため、磁化反転のための電圧パルスの時間幅に対する制約が緩和される。

本発明は、電圧書き込み型に適する磁気素子であるので、電流で誘起されるスピントランスファートルクによる書き込み方式よりも、低消費電力で書き込みが可能である。本発明の磁気素子、磁気メモリチップや磁気記憶装置は、不揮発性である。また、本発明の磁気素子、磁気メモリチップや磁気記憶装置は、双極性電圧による双方向磁化反転による、双極性書き込みが可能であるので、メモリの高速化が実現できる。また、本発明の磁気素子は、外部磁界の印加のための素子の設置を必要としない構造であるので、メモリのより大容量化が可能となる。

本発明の実施形態の磁気素子の磁化自由層における、電圧書き込みの原理を説明する図である。 本発明の実施形態の磁気素子を説明するための基礎となる構造図である。 本発明の実施形態の磁気素子を説明するための座標を示す図である。 第１の実施形態の磁気素子の形状を説明するための図である。 第１の実施形態の磁気素子の、ｘｚ平面で切った断面模式図である。 第１の実施形態の磁気素子の一部の磁化方向を説明するための模式的な斜視図である。 第１の実施形態の磁気素子の磁化自由層に関するシミュレーション結果を表す図である。 第１の実施形態の磁気素子の磁化自由層に関するシミュレーション結果を表す図である。 第２の実施形態の磁気素子を説明するための模式的な斜視図である。 第２の実施形態の磁気素子の磁化自由層に関するシミュレーション結果を表す図である。 第２の実施形態の磁気素子の磁化自由層に関するシミュレーション結果を表す図である。 第３の実施形態の磁気素子の断面模式図である。 第３の実施形態の磁気素子の模式的な斜視図である。 第３の実施形態の磁気素子の磁化自由層に関するシミュレーション結果を表す図である。 第３の実施形態の磁気素子の磁化自由層に関するシミュレーション結果を表す図である。 第４の実施形態の磁気記憶装置の断面模式図である。 第４の実施形態の磁気記憶装置における、書き込み動作を説明する図である。 第４の実施形態の磁気記憶装置における、書き込み動作を説明する図である。 第４の実施形態の磁気記憶装置における、読み出し動作を説明する図である。 第５の実施形態の磁気素子における磁化自由層の面内形状の例を示す図である。 第５の実施形態の磁気素子における磁化自由層の面内形状の例を示す図である。

本発明の実施形態について以下説明する。

本発明の実施形態の磁気素子は、参照層と、磁化自由層と、前記参照層と前記磁化自由層の間に挟まれるトンネル障壁層とを少なくとも含む積層構造を備え、前記磁化自由層の面内形状は、回転対称性又は２軸以上に対して鏡面対称性を有し、双極性電圧の印加に対応して磁化自由層の磁化方向が双極反転する特性を有する。前記磁化自由層に電圧と外部磁界が実質的に印加されていない状態で、前記磁化自由層の磁化方向は、［磁化自由層からトンネル障壁層に向かう第１方向]と[磁化自由層の磁化方向]の間の角度θ^（０）が、０°＜θ^（０）＜９０°、又は９０°＜θ^（０）＜１８０°の角度である。前記角度θ^（０）は、０°から１８０°以内しかとらない極座標系のθを想定している。１８０°より大きく３６０°以下の値は、「３６０°－θ」によって０°から１８０°の表現に集約される。なお、［磁化自由層からトンネル障壁層に向かう第１方向]は、より正確には、［磁化自由層からトンネル障壁層に向かう第１の向き]ということもできる。本願では、上付きの（０）が付いたパラメータは、磁化自由層に電圧が実質的に印加されていない状態でのパラメータを表す。

磁化自由層に電圧と外部磁界が実質的に印加されていない状態とは、次の状態である。外部磁界が実質的に印加されていない状態とは、地磁気などの微弱な磁界が印加された状態も、実質的に磁界が印加されていない状態に含む。また、「実質的に」を略して「外部磁界が印加されていない状態」と記載した場合も、磁気素子等の技術分野では「地磁気などの微弱な磁界が印加された状態」は「外部磁界が印加されていない状態」に普通含まれる。また、電圧が実質的に印加されていない状態とは、完全にゼロのことを指すのみでなく、磁気素子として機能しないような、電圧を印加されないに等しい程度の電圧までを含む。例えば、本実施形態の磁気素子は、書き込みと読み出しの際に、電圧を印加する。読み出し電圧値は書き込み電圧値より小さい。よって、電圧が印加されていない状態とは、例えば、読み出しに必要な電圧値以下を含む。電圧が０から読出しに必要な電圧値以下の電圧を、「ゼロバイアス電圧」付近とも呼ぶ。

本発明の磁気素子の積層構造を構成する磁化自由層、参照層は、いずれも磁性層である。これらの磁性層の組成は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｓｍ、及びＴｂからなる群から選択された少なくとも１つを含む。磁性層の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。参照層を構成する磁化固定層は、磁化方向が変化し難い、磁化方向が固定された層である。一方、磁化自由層は、磁化方向が、参照層の磁化方向に比べて、変化し易い磁性層である。

磁化自由層の厚さは、磁化自由層の体積Ｖに関連するが、それ以外の因子にも関連がある。即ち、磁化自由層が薄い場合、小さい電圧で磁化反転が起きるので好ましいが、逆に、熱安定性は低下するという問題が発生する。また、磁化自由層が薄い場合、磁化自由層を連続膜として形成するのが難しくなるという問題も発生する。一方、磁化自由層が厚くなるに従って、大きい電圧を印加しないと磁化反転が起きないという問題が発生する。従って、磁化自由層の膜厚は、例えば、０．５以上１０ｎｍ以下程度であり、好ましくは１以上３ｎｍ以下程度である。

本発明の実施形態では、垂直型の磁気素子であっても、面内型の磁気素子であってもよい。垂直型とは、参照層である固定磁化層の磁化方向が、層に垂直方向である。面内型とは、参照層である固定磁化層の磁化方向が、層の面内方向である。明細書中で、垂直型又は面内型のいずれかのみに関して特記して記載した箇所以外は、双方の型において共通する。

参照層を構成する磁化固定層の磁化方向を垂直磁化とする磁気素子の場合、磁化自由層の磁化の極角θ^（０）は９０°に近いほど、磁化反転がより安定して起こりやすく、安定した書き込みが可能になる。たとえば５°≦θ^（０）＜９０°あるいは９０°＜θ^（０）≦１７５°の場合、比較的安定した書き込みが可能となる。１５°≦θ^（０）＜９０°あるいは９０°＜θ^（０）≦１６５°の場合、より安定した書き込みが可能となる。３０°≦θ^（０）＜９０°あるいは９０°＜θ^（０）≦１５０°の場合、さらに安定した書き込みが可能となる。４５°≦θ^（０）＜９０°あるいは９０°＜θ^（０）≦１３５°の場合、さらに一層安定した書き込みが可能となる。

参照層を構成する磁化固定層の磁化方向を垂直磁化とする場合、読み出し時の出力信号の大きさはｃｏｓθ^（０）の絶対値に比例する。このため、θ^（０）が０°あるいは１８０°に近いほど読み出し出力信号が大きくなり、より高速な読み出しが可能となる。このため、高速読み出しの観点では、たとえば０°＜θ^（０）≦６０°あるいは１２０°≦θ^（０）＜１８０°の場合、比較的高速な読み出しが可能となる。０°＜θ^（０）≦４５°あるいは１３５°≦θ^（０）＜１８０°の場合、より高速な読み出しが可能となる。０°＜θ^（０）≦３０°あるいは１５０°≦θ^（０）＜１８０°の場合、さらに高速な読み出しが可能となる。０°＜θ^（０）≦１５°あるいは１６５°≦θ^（０）＜１８０°の場合、さらに一層高速な読み出しが可能となる。

ＳＲＡＭ代替、ＤＲＡＭ代替、ストレージクラスメモリ代替等、各応用で要求される書き込みの安定性と電圧磁化反転の容易さと読み出し速度を上手くバランスできるθ^（０）を実現する必要がある。そのために、磁気素子の各構成要素の材料および構造を調整すればよい。垂直型であれば、たとえば、５°≦θ^（０）≦６０°あるいは１２０°≦θ^（０）≦１７５°が好ましい範囲であり、１５°≦θ^（０）≦４５°あるいは１３５°≦θ^（０）≦１６５°がより好ましい範囲である。また、面内型であれば３０°＜θ^（０）＜８５°あるいは９５°＜θ^（０）＜１５０°が好ましい範囲である。垂直型の場合は、読み出し速度と書き込みの安定性をバランスする必要がある。面内型の場合は、読み出し速度と電圧磁化反転の容易さをバランスする必要がある。面内型では、θ^（０）の調整のために積極的にＫ_ｕ２ ^（０）を利用する必要はない。Ｋ_{１,ｅｆｆ} ^（０）とＨ_ｅｘｃｈでθ^（０）の調整する方が実施し易いからである。しかし。Ｋ_ｕ２ ^（０）を利用してもよい。例えば、Ｋ_{１,ｅｆｆ} ^（０）＜０において｜Ｋ_{１,ｅｆｆ} ^（０）｜が大きいほどθ^（０）は９０°に近づく。Ｋ_ｕ２ ^（０）が大きいほどθ^（０）は０°か１８０°に近づく。第１の実施形態において詳しく説明するが、Ｋ_ｕ１及びＫ_ｕ２は、それぞれ、電界効果を考慮した１次と２次の磁気異方性定数である。１次の磁気異方性定数に対しては、Ｋ_ｕ１ ^（０）およびＫ_ｕ１から反磁界エネルギーの寄与が差し引かれた実効的な１次の異方性定数をＫ_{１,ｅｆｆ} ^（０）およびＫ_{１,ｅｆｆ}を用いて示す。

垂直型の磁気素子では、より長い記憶保持時間を保証するためにはより大きなＫ_ｕ２ ^（０）が必要となる。記憶保持時間の要請を満たすＫ_ｕ２ ^（０）を得るために、磁化自由層は第１領域と第２領域を含んでいても良い。第１領域はＣｏを含み、第２領域はＰｔ及びＰｄからなる群より選択された少なくとも１つを含む。この場合、第１領域は、トンネル障壁層と第２領域との間に設けられる。すなわち、例えば、基板側から、[Ｐｔ及びＰｄからなる群より選択された少なくとも１つを含む第２領域]／[Ｃｏを含む第１領域]／トンネル障壁層である。または、Ｋ_ｕ２ ^（０）を大きくするために、磁化自由層は、ｚ軸方向において交互に設けられた複数の第１領域および複数の第２領域を含んでいても良い。第１領域は、六方最密充填構造（ｈｃｐ）構造または面心立方格子（ｆｃｃ）（１１１）構造を有することが望ましい。第２領域は、ｆｃｃ（１１１）構造を有することが好ましい。または、第１領域はｆｃｃ（００１）構造を有し、第２領域はｆｃｃ（００１）構造を有していても良い。垂直型の場合に好ましい磁化自由層の例であるが、面内型に用いてもよい。

例えば、磁化自由層が第1領域と第２領域を含む場合、磁気素子は、次の構造１又はまたは構造２とすることができる。構造１は、Ｐｔ及びＰｄからなる群より選択された少なくとも１つを含む第２領域／Ｃｏを含む第１領域／トンネル障壁層である。構造２は、[Ｐｔ及びＰｄからなる群より選択された少なくとも１つを含む第２領域／Ｃｏを含む第１領域]／トンネル障壁層である。[ ]は、[ ]内の積層構造を複数回繰り返すことを示す。構造１の場合、Ｐｔを含む第２領域の上に積層される第１領域の１層の厚さ（ｚ軸方向における長さ）は、Ｃｏ原子の大きさの１０～１５個分に相当することが好ましい。Ｐｄを含む第２領域の上に積層される第１領域の１層の厚さは、Ｃｏ原子の大きさの４．５～６個分に相当することが好ましい。垂直型の場合に好ましい磁化自由層の例であるが、面内型に用いてもよい。構造２の場合で、第１領域はＣｏを含み、第２領域はＰｔを含んでいる場合、第１領域の厚さは０．９ｎｍ以上１．１ｎｍ以下であり、第２領域の厚さは２ｎｍ程度であることが好ましい。一例として、第１領域と第２領域は、ｚ軸方向において交互に８つずつ設けられる。または、第１領域は、１または２原子層のＣｏであり、第２領域は、１または２原子層のＰｔであっても良い。この場合、第１領域と第２領域は、例えば、ｚ軸方向において交互に二層から数十層ずつ設けられても良い。

磁化自由層は、θ^（０）の調整に必要なＫ_ｕ２ ^（０）を得るために、[六方最密充填（ｈｃｐ）構造を有するＣｏ]あるいはコバルト基合金薄膜を含んでいても良い。Ｃｏ基合金薄膜とは、Ｃｏを５０原子％以上含むものをいう。前記コバルト基合金薄膜は、Ｃｏを母材として含み、かつＰｔ、Ｉｒ、Ｂ、Ｒｈ、Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一つを含むことができる。特にＰｔを含むコバルト基合金薄膜の場合、シード層としてＲｕを用いることができる。または、シード層として、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｃｕの少なくとも１つを選ぶことができる。シード層を用いて、コバルト基合金の格子定数比、つまりｃ／ａ（なお、ｃは面直方向の格子定数、ａは面内方向の格子定数）を大きくすることがより好ましい。

または、θ^（０）の調整に必要なＫ_ｕ２ ^（０）を得るために、磁化自由層は、ｚ軸方向に磁化容易軸を有する磁性膜（以下、垂直磁化膜という。）と、面内方向に磁化容易軸を有する磁性膜（以下、面内磁化膜という。）とを積み重ねることで構成されていても良い。この場合、磁化自由層の磁化方向が全体としてｚ軸方向から傾くように、垂直磁化膜及び面内磁化膜は合わせて２ｎｍ以下となることが好ましい。例えば、面内方向に磁化容易軸を有するｂｃｃ構造のコバルト基合金薄膜層の上に、ｚ軸方向に磁化容易軸を有するｂｃｃ構造の鉄基合金薄膜層を積み重ね、さらに酸化マグネシウム層を積層する。ここで酸化マグネシウム層と接する鉄基合金薄膜層はｚ軸方向に磁化容易軸を有する。コバルト基合金薄膜層と鉄基合金薄膜層は、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃｒを含んでもよいし、含まなくてもよい。

または、θ^（０）の調整に必要なＫ_ｕ２ ^（０）を得るために、磁化自由層は、磁性膜と非磁性層を重ねたものとしても良い。材料の具体例として、例えばＣｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｃｏ／Ｉｒ、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｃｏ／Ｃｒ、Ｃｏ／Ｒｈ、Ｃｏ／Ｃｕ、Ｆｅ／Ｐｔ、Ｆｅ／Ｐｄ、Ｆｅ／Ａｇ、Ｆｅ／Ｔａ、Ｆｅ／Ｈｆ、Ｆｅ／Ｃｕ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｆｅ／Ｍｇ－Ｏ、Ｎｉ／Ｃｕ、Ｎｉ／Ｇａ－Ａｓ、Ｎｉ／Ａｕの組み合わせが適用できる。

磁化自由層の面内形状は、面内方向に関して形状磁気異方性を有する場合と、面内方向に関して形状磁気異方性を有さない場合とがある。磁化自由層の面内形状の縦横比を１に近づける場合は、面内方向に関して形状磁気異方性が小さくなってしまうため、代わりに面内方向に関して他の磁気異方性を持たせる。例えば、立方磁気異方性や誘導磁気異方性を持つことが好ましい。立方磁気異方性は、磁性層に立方晶磁性体、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびそれらの合金、それらの立方晶の酸化物、例えば、Ｆｅ_３Ｏ_４、γ－Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｎＦｅ_２Ｏ_４、ＣｏＦｅ_２Ｏ_４、ＮｉＦｅ_２Ｏ_４、を含ませること等によって得られる。誘導磁気異方性は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、それらの合金に、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃｒを添加した磁性層を、磁場中熱処理または磁場中成膜すること等によって得られる。面内方向に関して他の磁気異方性を持たせるための立方磁気異方性や誘導磁気異方性を、組み合わせて用いても構わない。

参照層を構成する磁化固定層の磁化方向を面内磁化とする場合は、磁化自由層の面内形状の縦横比にかかわらず、双極性電圧磁化反転を可能とするために０°＜｜φ^（０）｜＜９０°または９０°＜｜φ^（０）｜＜１８０°とする。なお、φは磁化方向のベクトルｍの面内成分がｘ軸となす角度を表す。φの定義は後述する図３においてのφの定義と同じである。ｘ軸方向、すなわちφ＝０°の方向は、第一群乃至第三群の磁界の一つの面内方向に関する容易磁化方向である。５°≦｜φ^（０）｜≦８５°または９５°≦｜φ^（０）｜≦１７５°とすることで双極性電圧磁化反転の安定性が増す。１０°≦｜φ^（０）｜≦８０°または１００°≦｜φ^（０）｜≦１７０°とすることで双極性電圧磁化反転の安定性がさらに増す。

参照層を構成する磁化固定層の磁化方向を面内磁化とする場合、磁化自由層の磁化の傾き角θ^（０）が９０°に近くなるほど、素子のＭＲ比は大きくなる。そのため読み出し速度（ＭＲ比に比例）は大きくなる。しかし、逆にθ^（０）が９０°に近いほど、大きな、Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ（以下、ＶＣＭＡという。）が必要になる。なお、ＶＣＭＡとは、磁性体表面に電界を印加するとその磁気異方性が変化する効果をいう。つまり、参照層を構成する磁化固定層の磁化方向を面内磁化とする場合では、大きな｜Ｋ_{１,ｅｆｆ}－Ｋ_{１,ｅｆｆ} ^（０）｜が必要になる。従って、読み出し時間の短さと電圧磁化反転の容易さとの双方を考慮すると、θ^（０）は、０°＜θ^（０）＜９０°と９０°＜θ^（０）＜１８０°が好ましく、より好ましくは３０°＜θ^（０）＜８５°と９５°＜θ^（０）＜１５０°であり、さらに好ましくは４０°＜θ^（０）＜８０°と１００°＜θ^（０）＜１４０°であり、特に好ましくは５０°＜θ^（０）＜７０°と１１０°＜θ^（０）＜１３０°である。方位角に関しては、０°＜｜φ^（０）｜＜９０°と９０°＜｜φ^（０）｜＜１８０°で双極性電圧磁化反転が可能である。双極性電圧磁化反転の起こりやすさはφ^（０）によって変化する。一方で、｜φ^（０）｜が９０°に近いほど、素子のＭＲ比および熱擾乱耐性Δ^（０）は小さくなる。従って、双極性磁化反転の安定性、読み出し時間の短さ、熱耐性の大きさを考慮すると、｜φ^（０）｜は、０°＜｜φ^（０）｜＜９０°と９０°＜｜φ^（０）｜＜１８０°が好ましく、より好ましくは５°＜｜φ^（０）｜＜７０°と１１０°＜｜φ^（０）｜＜１７５°であり、さらに好ましくは１０°＜｜φ^（０）｜＜６５°と１１５°＜｜φ^（０）｜＜１７０°であり、特に好ましくは１５°＜｜φ^（０）｜＜６０°と１２０°＜｜φ^（０）｜＜１６５°である。参照層を構成する磁化固定層の磁化方向を垂直磁化とする場合でも面内磁化とする場合でも、ＶＣＭＡを大きくするためにＦｅ、Ｃｏ及びＮｉを含む強磁性層にＩｒ及びＯｓを添加してもよい。

磁化自由層と参照層に挟まれたトンネル障壁層には、トンネル障壁層として知られる非磁性材料の絶縁体、半導体、誘電体のいずれかを用いることができる。トンネル障壁層は、例えば、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｂｉ、及びＢａからなる群から選択された少なくとも１つを含む酸化物または窒化物またはフッ化物を含む。具体的に挙げれば、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などである。また、トンネル障壁層は、例えば、非磁性半導体（ＺｎＯ_ｘ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯ_ｘ、Ｚｎ、Ｔｅ、または、これらに遷移金属がドープされたもの）などを用いることもできる。トンネル障壁層の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが好ましい。

トンネル障壁層は、面積抵抗（ＲＡ：Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｒｅａ ｐｒｏｄｕｃｔ）が、１０Ωμｍ^２以上であることが好ましい。これにより、例えば、電圧書き込み動作において、低い消費電力が得られる。トンネル障壁層の面積抵抗に関する情報は、例えば、磁気素子の抵抗の測定結果と、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）またはＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などによる素子のサイズの測定結果、などから得られる。

トンネル障壁層の面積抵抗は、例えば、２０Ωμｍ^２よりも大きくてもよい。これにより、電流書き込み動作型の場合の１／２の、低い消費電力が得られる。また、トンネル障壁層の面積抵抗は、例えば、１００Ωμｍ^２以上でもよい。これにより、例えば、電流書き込み動作型の場合の１／１０の、さらに低い消費電力が得られる。トンネル障壁層の面積抵抗は、例えば、５００Ωμｍ^２以上でもよい。これにより、例えば、電流書き込み動作型の場合の１／５０の、さらに低い消費電力が得られる。一方、トンネル障壁層の面積抵抗が２０Ωμｍ^２以下になると、書き込みに要するエネルギーが増大する。トンネル障壁層の面積抵抗が１０Ωμｍ^２未満になると、書き込みに要するエネルギーの増大は、さらに加速する。

一方、電圧読み出し動作においては、トンネル障壁層の面積抵抗が大きいほど、読み出しに要する時間は長くなる。例えば、トンネル障壁層の面積抵抗が２０Ωμｍ^２、１００Ωμｍ^２、５００Ωμｍ^２である場合、読み出しに要する時間は、１０Ωμｍ^２の場合を基準として、それぞれ２倍、１０倍、５０倍と長くなる。このため、高速読み出しの観点からは、トンネル障壁層の面積抵抗は、低い方が好ましい。実際の磁気記憶装置においては、個々の応用で要求される消費電力と読み出し速度を両立するために最適なトンネル障壁層の面積抵抗を用いればよい。大容量化に向けて接合面積を小さくすると電流（接合面積に比例）は減るので、そのぶん面積抵抗を小さくする。

本実施形態の磁気素子を構成する各層は、非常に薄いので基板の上に真空薄膜形成技術によって作製できる。例えば、スパッタリング法、蒸着法、ＭＢＥ法、ＡＬＥ法、ＣＶＤ法等の従来からある技術を適宜用いることができる。

本願発明のように、磁化自由層と参照層とトンネル障壁層とを含む磁気素子における電圧書き込みの原理について、以下図１及び式（数１）を用いて説明する。式（数１）は、磁界中での磁化ベクトルｍの歳差運動を記述するランダウ－リフシッツ－ギルバード方程式（Ｔｈｅ Ｌａｎｄａｕ－Ｌｉｆｓｈｉｔｚ－Ｇｉｌｂｅｒｔ ｅｑｕａｔｉｏｎ）（以下、ＬＬＧ方程式ともいう。）である。式の第１項は歳差トルクを示し、第２項はダンピングトルクを示す。γ_０は、電子の磁気回転比である。Ｈ_ｅｆｆは、有効磁界である。なお、有効磁界は、外部磁界と内部磁界に相当する。内部磁界は後述する第一群乃至第三群の磁界に相当する。αはギルバートダンピング定数である。図１に、磁化自由層における、磁場Ｈ_ｅｆｆ、磁化ベクトルｍ、歳差トルクａ、ダンピングトルクｂを図示した。

従来の技術では、歳差トルクによる歳差運動が用いられてきた。これに対して、本願発明は、ダンピングトルクに注目したものであり、ダンピングトルクを用いることにより、一斉磁化反転方式での双極性電圧書き込みを可能とした。双極性電圧書き込みを可能とするため、αは０．０５以上０．５以下が好ましい。

図２は、本発明の実施形態の磁気素子を説明するための基礎となる構造図である。本図の磁気素子は、参照層１と、磁化自由層３と、前記参照層１と前記磁化自由層３の間に挟まれるトンネル障壁層２とを少なくとも含む積層構造を備える。図２では、各層の磁化が、磁気素子の集合体であるメモリチップの外側から印加する外部磁界Ｈ_ｅｘｔ０がゼロの場合の一例を示す。磁化自由層３は、磁化方向が固定されていない磁性層である。トンネル障壁層２は、非磁性層であり、磁化自由層と参照層との間でトンネル障壁の機能を有する特性と厚さを備える。参照層１は、磁気素子における磁気抵抗効果による情報読み出しに必要な、磁化方向が参照層の面内又は面直等の特定の方向に固定された磁化固定層である。

特許文献４で提案した本発明者らによる磁気素子の構造も、図２と同様の外観を有する。特許文献４の磁気素子では、コーン磁化と楕円柱形状による形状磁気異方性磁界により、外部磁界も第三群の第１磁界も不要で、電圧トルク磁化反転が可能である。特許文献４の電圧書き込み型の磁気素子は、単極性電圧で動作し、トグル方式で書き込みが行われる。トグル方式では、書き込み直前にプレリードが必要であった。また、電圧書き込みにおいて、ちょうど磁化が初期状態と反対向きになった時に電圧を切る必要があり、電圧パルス時間幅の制約があった。

本発明の磁気素子は、例えば円や楕円等の対称性の高い形状であっても、双極性電圧書込みが可能である。例えば、本実施形態の磁気素子に、正の電圧をかけると、書き込み前の状態（「０」または「１」）にかかわらず「１」の状態になる。負の電圧をかけると、書き込み前の状態にかかわらず「０」の状態になる。

本実施形態の磁気素子では、電圧と外部磁界が印加されていない状態において、磁化自由層の磁化を面直方向からも面内方向からも傾けさせる。かつ、例えば、形状が楕円の場合は、楕円長軸方向（磁化が向きやすい方向）からも磁化は傾けさせる。また、例えば、形状が円の場合は、面内で結晶磁気異方性のある材料を選び、磁化が向きやすい結晶方向からも磁化を傾けさせる。具体的には、各実施形態で説明する。

図３は、本実施形態の磁気素子を説明するための座標を示す図である。本実施形態の説明のために、磁気素子の膜面垂直方向に平行な方向をｚ軸とおき、面内方向にｘ軸とｙ軸をとる。正確には、［磁化自由層からトンネル障壁層に向かう第１の向き］が、ｚ軸方向である。磁気素子が楕円柱形状の場合は、楕円長軸方向に平行な方向をｘ軸とおく。円柱形状の場合は、立方異方性の容易磁化方向の一つに平行な方向をｘ軸とおく。図３において、磁化方向のベクトルｍがｚ軸となす角度をθ、同ベクトルｍのｘｙ平面成分がｘ軸となす角度をφとおく。

本実施形態の磁気素子では、磁化自由層の面内方向に異方性を与える磁界を、次の第一群乃至第三群の磁界に定義して説明する。本実施形態の磁気素子では、前記第一群乃至第三群のうち異なる群から選択される少なくとも２つの磁界が、磁化自由層に与えられていて、当該少なくとも２つの磁界のうち、２つのそれぞれの磁界による面内方向に関する容易磁化方向が異なる方向である。
第一群：形状磁気異方性による磁界。
第二群：立方磁気異方性又は誘導磁気異方性の少なくとも１つによる磁界。
第三群：磁化自由層以外の磁性層からの漏洩磁界を第１磁界（以下、Ｈ_ｅｘｔ１とも書く。）呼び、層間交換結合による磁界（以下、Ｈ_ＩＥＣとも書く。）、交換バイアス磁界、及び前記層間交換結合による磁界と前記交換バイアス磁界の合成磁界のいずれかを第２磁界（以下、Ｈ_ｅｘｃｈとも書く）と呼ぶとき、前記第１磁界又は前記第２磁界の少なくとも１つによる磁界。
磁化自由層の面内方向に異方性を与える磁界を、第一群乃至第三群のうちの所定の磁界とすることにより、電圧書き込みにおいて、ダンピングトルクを有効に利用することができる。本発明の磁気素子は、電圧書き込みにおいて、「０」の状態からの書き込みと「１」の状態からの書き込みとで、磁化自由層が受けるダンピングトルクが異なること（以下、「ダンピングトルクの非対称性」と呼ぶ。）を実現したものである。

第三群の第１磁界「磁化自由層以外の磁性層からの漏洩磁界」とは、磁化自由層が所属する磁化自由層以外の磁性層からの磁界を指す。第１磁界には、１以上の磁気素子の積層構造内に漏洩磁界を与えるための磁性層を設ける構造による磁界や、１以上の磁気素子の積層構造以外の積層構造に永久磁石膜を設ける構造による磁界を含む。例えば、磁気素子を複数有する磁気メモリの場合、当該磁気メモリ内の他の磁気素子の磁性層からの漏洩磁界を含む。例えば、磁気素子の集合体であるメモリチップであれば、メモリチップ内の磁性層からの漏洩磁界を含む。また、磁気素子に磁界を印加するために、メモリチップ内に磁界印加構造を設けることを含む。磁界印加構造には、例えば、磁気素子のＭＴＪ構造を有する積層体の積層方向に沿って該積層体にさらに積層される磁性層による漏洩磁界を利用する構造がある。また、磁界印加構造には、ＭＴＪ構造の積層体の積層方向に積層されずに積層体の側部に配置される磁性層による漏洩磁界を利用する構造がある。磁性層には磁化固定層や永久磁石膜等を含む。本願の実施形態でいう「第三群の第１磁界」には、メモリチップ外に設けられる磁界印加部からの外部磁界は含まない。

第三群の第２磁界のうちの、層間交換結合（Ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）による磁界Ｈ_ＩＥＣを得るためには、磁化自由層の、参照層側とは反対側に、非磁性層と磁化固定層を隣接させる。「磁化自由層＋非磁性層＋磁化固定層」は、「磁化自由層を含む多層膜」の一例である。ここで、非磁性層としてＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｍｏ、Ｏｓ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、およびそれらを含む合金のうちの少なくともいずれかが利用できる。非磁性層の膜厚のばらつきが、有効磁界の大きさ、ひいては反転時間のばらつきにならないように、膜厚変化が緩やかな材料が好ましい。また、非磁性層は、熱処理耐性が高い材料が好ましい。これらの観点から、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ又はこれらの少なくともいずれかを含む合金が好ましい。非磁性層の厚さは、５ｎｍ以下が好ましい。

第三群の第２磁界のうちの、交換バイアス磁界を得るためには、磁化自由層の、参照層側とは反対側にバイアス層を隣接させる。「磁化自由層＋バイアス層」は、「磁化自由層を含む多層膜」の一例である。バイアス層は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも一つの元素と、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕの群から選択された少なくとも一つの元素と、を含む合金からなる。合金は反強磁性となることが好ましい。バイアス層を構成する合金の例としては、Ｐｔ－Ｍｎ合金、Ｉｒ－Ｍｎ合金、Ｆｅ－Ｍｎ合金が挙げられる。垂直交換バイアスを発現させるための反強磁性層として、Ｃｏ－Ｏ、Ｉｒ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｍｎ、Ｃｒ－Ｏを用いることができる。

本実施形態の磁気素子は、垂直型又は面内型のいずれであっても、集積度を上げる観点から、第三群の第１磁界を用いずに双極性電圧磁化反転が可能であることがより好ましい。Ｈ_ｅｘｔ１の代わりに、Ｈ_ｅｘｃｈを磁化自由層に与えることにより、外部磁界を印加する手段も第三群の第１磁界を印加する手段もなくすことが可能である。

（第１の実施形態）
本実施形態は、面内方向に関して形状磁気異方性を有する磁化自由層を含む磁気素子の場合に関する。図４は、本実施形態の磁気素子の形状を説明するための図である。図４では、参照層とトンネル障壁層の図示を省略し、磁化自由層３と非磁性層４と磁化固定層５の積層構造を示した。磁気素子の全体形状が楕円柱形状の例である。磁化自由層３が楕円柱形状で、長軸方向の長さがＬ１、短軸方向の長さがＬ２、層の厚みがｔ_Ｆである。

図５は、本実施形態の垂直型の磁気素子の、ｘｚ平面で切った断面模式図である。本実施形態は、垂直型の積層構造である。本図の磁気素子は、参照層１と、トンネル障壁層２と、磁化自由層３と、非磁性層４と、磁化固定層５を主として備える。図のように、磁化自由層３の、参照層１側とは反対側に、非磁性層４を介して磁化固定層５を備える構造、即ち合成反強磁性構造又は合成強磁性構造を採用すれば、外部磁界も第三群の第１磁界も不要である。合成反強磁性構造では、磁化自由層３と磁化固定層５が反平行磁化状態になろうとする。すなわち、図５の磁化配置では、紙面手前から奥へ向かう方向の層間交換結合磁界が磁化自由層へかかる。これが外部磁界と第三群の第１磁界の代わりとなる。磁化自由層３と磁化固定層５が平行磁化状態になろうとする合成強磁性構造とする場合は、紙面奥から手前へ向かう方向の層間交換結合磁界が磁化自由層へかかる。

磁化固定層５の磁化方向は、面内方向であり、第一群または第二群の磁界に関する容易磁化方向と平行でも反平行でもない方向を向く。本図では紙面奥から手前へ向いている。第１の実施形態では、第一群に関する容易磁化方向が紙面横方向（楕円長軸方向）である。後述する第２の実施形態では、第二群に関する容易磁化方向が紙面横方向である。磁化自由層の磁化方向は、ゼロバイアス電圧付近で紙面上下方向からも紙面横方向からも傾いている。図５の磁化自由層３の矢印が示すように、バイアス電圧の印加により紙面上側から下側へ、または下側から上側へ磁化反転する。

図６は、本実施形態の磁気素子の一部の磁化方向を説明するための模式的な斜視図である。図６では、トンネル障壁層と参照層も必要だが、図示を省略している。本実施形態の磁気素子は、図４の形状を有する。磁気素子の全体形状が楕円柱形状であるので、楕円長軸方向に面内方向の形状磁気異方性を有する。層間交換結合による磁化自由層への有効磁界（Ｈ_ＩＥＣ）を有する。即ち、図示するように、「Ｈ_ＩＥＣ」は、固定磁化層（ｙ軸方向でｙの負への向き）との層間交換結合による磁化自由層へ有効磁界（ｙ軸方向）を有する。

本実施形態では、磁化自由層の磁化方向を、面内方向に関して、楕円長軸方向から傾かせる必要がある。そのために、楕円長軸方向とは面内方向に関する容易磁化方向が異なる方向である、第二群又は第三群の磁界が必要である。即ち、「立方磁気異方性による磁界」、「誘導磁気異方性による磁界」、「磁化自由層以外の磁性層からの漏洩磁界」、「層間交換結合による磁界」「交換バイアス磁界」、及び「前記層間交換結合による磁界と前記交換バイアス磁界の合成磁界」のいずれかの磁界のうちのいずれか1以上で、楕円長軸方向とは面内方向に関する容易磁化方向が異なる方向である磁界が、磁化自由層に与えられている必要がある。なお層間交換結合による磁界と交換バイアス磁界は、いずれも磁化自由層に接する磁性膜や多層膜から受ける有効磁界である。この共通性から、層間交換結合による磁界や交換バイアス磁界のいずれか又は両方は、上述の通りまとめてＨ_ｅｘｃｈと表記する。

本実施形態では、非磁性層４と磁化固定層５を設けて、層間交換結合による磁界Ｈ_ＩＥＣを採用した構造を示した。Ｈ_ＩＥＣを採用する場合、非磁性層(トンネル障壁層ではない方)の厚さを調整することにより、「Ｈ_ＩＥＣ」の大きさを容易に調整できる点で優れている。

また、本実施形態では、磁化自由層の磁化は、面直方向から傾かせるためにコーン磁化を採用している。なお、図５に示される磁化自由層の矢印は、電圧印加時の磁化運動の概念図であり、コーン磁化状態を説明しているものではない。

以下、シミュレーションを用いて理論計算を行った結果を説明する。ここで、シミュレーションに用いたパラメータ及び計算条件は以下のとおりである。図７及び図８は、磁化自由層に関するシミュレーション結果を表す図である。ここでは、磁気素子に電圧が実質的に印加されていない状態における、磁化自由層の磁気エネルギー密度ε^（０）を、以下の式（数２）で表す。

ここで、μ_０は透磁率、Ｍ_ｓは飽和磁化、である。（Ｎ_ｘ、Ｎ_ｙ、Ｎ_ｚ）は反磁界係数、（ｍ_ｘ、ｍ_ｙ、ｍ_ｚ）は単位磁化ベクトルであり、添え字のｘ、ｙ、ｚは、ｘ軸方向成分、ｙ軸方向成分、ｚ軸方向成分をそれぞれ表す。（ｍ_ｘ、ｍ_ｙ、ｍ_ｚ）と（θ、φ）とは、ｍ＝（ｍ_ｘ、ｍ_ｙ、ｍ_ｚ）＝（ｓｉｎθｃｏｓφ、ｓｉｎθｓｉｎφ、ｃｏｓθ）の関係にある。Ｋ_ｕ１ ^（０）及びＫ_ｕ２ ^（０）は、それぞれ、電圧が実質的に印加されていない状態における１次と２次の磁気異方性定数である。Ｋ_{ｃｕｂｉｃ}は立方磁気異方性定数である。数式中のＨ_ｅｘｃｈは、本実施形態では、例えば、層間交換結合による磁界や交換バイアス磁界のいずれか又は両方である。数式中のＨ_ｅｘｔは磁界の合計Ｈ_ｅｘｔ＝Ｈ_ｅｘｔ０＋Ｈ_ｅｘｔ１を表す。Ｈ_ｅｘｔ０は磁気素子の集合体であるメモリチップの外側から印加する外部磁界であり、Ｈ_ｅｘｔ１は磁化自由層以外の磁性層からの漏洩磁界である。第１乃至３の実施形態では、Ｈ_ｅｘｔ０はゼロであるため、結果的にＨ_ｅｘｔ＝Ｈ_ｅｘｔ１となる。

有限の電圧を印加した状態における磁化自由層の磁気エネルギー密度εを、以下の式（数３）で表す。

式（数３）におけるＫ_ｕ１及びＫ_ｕ２は、それぞれ、電界効果を考慮した１次と２次の磁気異方性定数である。１次の磁気異方性定数に対しては、Ｋ_ｕ１ ^（０）およびＫ_ｕ１から反磁界エネルギーの寄与が差し引かれた実効的な１次の異方性定数Ｋ_{１,ｅｆｆ} ^（０）およびＫ_{１,ｅｆｆ}を用いて示す。

磁化方向（ｍ_ｘ、ｍ_ｙ、ｍ_ｚ）の時間発展の計算には、ＬＬＧ方程式を用いた。図７及び図８の計算では、磁化自由層の条件は以下の［条件１］の通りに設定した。なお、図６の場合の磁化自由層の磁気エネルギー密度ε^（０）とεは、式（数２）と式（数３）で表される。

［条件１］ 磁化自由層の厚さｔ_Ｆ＝１．１［ｎｍ］。磁化自由層の長さＬ１＝１２０［ｎｍ］。磁化自由層の長さＬ２＝５０［ｎｍ］。Ｎ_ｘ＝０．０１１６、Ｎ_ｙ＝０．０３９８、Ｎ_ｚ＝０．９４８６。面内の形状磁気異方性磁界Ｈ_ｋ＝Ｍ_ｓ（Ｎ_ｙ－Ｎ_ｘ）＝３９．６［ｋＡ／ｍ］（４９７［Ｏｅ］）。磁化自由層の、参照層と磁化自由層に挟まれた非磁性層（トンネル障壁層）と接する面の面積Ａ＝π（Ｌ１／２）（Ｌ２／２）［ｎｍ^２］。磁化自由層の飽和磁化Ｍ_ｓ＝１４００［ｋＡ／ｍ］（＝１４００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］）。磁化自由層のギルバートダンピング定数α＝０．２０。磁気素子への印加電圧Ｖ＝０における磁化自由層の界面及び結晶の磁気異方性定数について、１次の磁気異方性定数Ｋ_ｕ１ ^（０）＝１０６８．５［ｋＪ／ｍ^３］（Ｋ_{１,ｅｆｆ} ^（０）＝Ｋ_ｕ１ ^（０）－（１／２）μ_０Ｍ_ｓ ^２＝－８５．５［ｋＪ／ｍ^３］）、２次の磁気異方性定数Ｋ_ｕ２ ^（０）＝１２９．９［ｋＪ／ｍ^３］、Ｋ_{ｃｕｂｉｃ}＝０［ｋＪ／ｍ^３］。磁化固定層との層間交換結合による楕円短軸方向（ｙ方向）に磁化自由層にかかる有効磁界Ｈ_ｅｘｃｈ＝７．７７［ｋＡ／ｍ］（＝９７．６［Ｏｅ］）。メモリチップの外側から印加する外部磁界Ｈ_ｅｘｔ０＝０［ｋＡ／ｍ］、磁化自由層以外の磁性層からの漏洩磁界Ｈ_ｅｘｔ１＝０［ｋＡ／ｍ］、すなわちＨ_ｅｘｔ＝０［ｋＡ／ｍ］。以上の条件から温度３００［Ｋ］では熱擾乱耐性Δ^（０）＝７３．２。なお、熱擾乱耐性Δ^（０）は、磁化自由層の記憶保持時間の評価指標である。Δが大きいほど磁化は安定、つまり、”１”、”０”の情報が消えにくい。Δ^（０）は、”１”の状態と”０”の状態の間にあるエネルギー障壁高さと温度３００Ｋでの熱エネルギーの比として算出する。

上記条件［１］における印加電圧Ｖ＝０のときの、磁気エネルギー密度ε^（０）は、（ｍ_ｘ、ｍ_ｙ、ｍ_ｚ）＝（ｍ_ｘ ^（０）、ｍ_ｙ ^（０）、ｍ_ｚ ^（０））＝（ｓｉｎθ^（０）ｃｏｓφ^（０）、ｓｉｎθ^（０）ｓｉｎφ^（０）、ｃｏｓθ^（０））＝（±０．５４、０．２０、±０．８２）で最低値を取る。なお、ここで、ｍ_ｘ ^（０）、ｍ_ｙ ^（０）、ｍ_ｚ ^（０）、θ^（０）、φ^（０）、等の記号の上付きの（０）は、電圧が実質的に印加されていないときの値であることを表す。θ^（０）は３５°か１４５°で、コーン磁化状態の実現により、磁化自由層の磁化はｚ軸方向から面内方向に３５°か１４５°傾くことがわかる。φ^（０）は２０°か１６０°であり、磁化固定層との層間交換結合により楕円の長軸方向からも傾くことがわかる。シミュレーション結果から、図７（ａ）において、初期磁化状態で磁化は、例えば、ｍ_ｚ ^（０）が正の位置Ｐ０１を向く。なお、図７及び図８では、初期磁化方向Ｐ０をＰ０１（ｍ_ｚ ^（０）が正）またはＰ０２（ｍ_ｚ ^（０）が負）とした。図７及び図８ではＰ０を白丸で表している。

図７（ａ）及び（ｂ）は、上記条件［１］における磁気素子に第一電圧を印加したときの磁化方向の変化の軌跡を表す。第一電圧は、磁気素子が磁化反転するに足りる値の電圧である。０ｎｓから２ｎｓまでの時間範囲の軌跡を示している。点と点の間の時間間隔は０．０２ｎｓである。このシミュレーションにおいては、第一電圧の印加により磁化自由層のＫ_{１,ｅｆｆ}とＫ_ｕ２の絶対値は増大し、Ｋ_{１,ｅｆｆ}＝－２０７［ｋＪ／ｍ^３］、Ｋ_ｕ２＝１３６［ｋＪ／ｍ^３］となる。図７（ａ）及び（ｂ）に表したように、電圧が印加されると、磁化自由層の磁化ダイナミクスが誘起される。図７（ａ）に表したように、ｍ_ｚ ^（０）＞０のＰ０１を始点とした場合は、磁化ベクトルはｍ_ｚ＜０の下半球に入り反転する。一方で、図７（ｂ）に表したように、ｍ_ｚ ^（０）＜０のＰ０２を始点とした場合は、磁化ベクトルは上半球に到達せず反転しない。

図８（ａ）及び（ｂ）は、上記条件［１］における磁気素子に第一電圧とは極性が逆の第二電圧を印加したときの磁化方向の変化の軌跡を表す。０ｎｓから５ｎｓまでの時間範囲の軌跡を示している。点と点の間の時間間隔は０．１ｎｓである。このシミュレーションにおいては、第二電圧の印加により磁化自由層のＫ_{１,ｅｆｆ}とＫ_ｕ２の絶対値は減少し、Ｋ_{１,ｅｆｆ}＝－２４．６［ｋＪ／ｍ^３］、Ｋ_ｕ２＝１５．７［ｋＪ／ｍ^３］となる。図８（ａ）及び（ｂ）に表したように、電圧が印加されると、磁化自由層の磁化ダイナミクスが誘起される。図８（ａ）に表したように、ｍ_ｚ ^（０）＞０のＰ０１を始点とした場合は、磁化ベクトルは下半球に到達せず反転しない。一方で、図８（ｂ）に表したように、ｍ_ｚ ^（０）＜０のＰ０２を始点とした場合は、ｍ_ｚ＞０の上半球に入り反転する。

シミュレーション結果から、電圧印加前のｍ_ｚ ^（０）の正負にかかわらず第一電圧を印加すると負のｍ_ｚとなり、電圧印加前のｍ_ｚ ^（０）の正負にかかわらず第１電圧とは極性が逆の第二電圧を印加すると正のｍ_ｚとなることがわかる。つまり磁化自由層の磁化方向が双極的にスイッチングされることがわかる。

本実施形態における磁気素子を構成する積層構造の各層の１例について説明する。ただし、本実施形態の磁気素子は、例示する材料組成や厚さ等に限定されない。本発明の実施形態における磁気素子に用いるトンネル障壁層は、ＭｇＯで厚さは例えば１．３ｎｍ程度である。なお、後述する第２及び第３実施形態においても、同様のトンネル障壁層を用いることができる。本実施形態及び後述する第２の実施形態の磁気素子における、参照層とその周辺の構造は、基板側から順に、トンネル障壁層／参照層／［合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造の残り］である。参照層は合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造に含まれているので、左記のように表現した。参照層は、例えば、ＣｏＦｅＢ（１．４ｎｍ）／Ｗ（０．３ｎｍ）／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／［Ｐｔ（０．６ｎｍ）／Ｃｏ（０．４ｎｍ）］_４等である。［合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造の残り］は、Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ（０．３ｎｍ）／［Ｐｔ（０．３ｎｍ）／Ｃｏ（０．３ｎｍ）］_９ 等である。例えば、ＳＡＦ構造を書き下すと、ＣｏＦｅＢ（１．４ｎｍ）／Ｗ（０．３ｎｍ）／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／［Ｐｔ（０．６ｎｍ）／Ｃｏ（０．４ｎｍ）］_４／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ（０．３ｎｍ）／［Ｐｔ（０．３ｎｍ）／Ｃｏ（０．３ｎｍ）］_９である。

本実施形態及び後述する第２の実施形態における、Ｈ_ＩＥＣを与えるための磁化固定層を含むＳＡＦ構造とその周辺の構造は、基板側から順に、反強磁性体層であるＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（厚さは各実施形で異なる）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／磁化自由層である。このうち磁化固定層は、ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）である。本実施形態における、磁化自由層は、例えば、（Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／）Ｃｏ（１．１ｎｍ）（／トンネル障壁層と参照層が続く）である。

（第２の実施形態）
本実施形態は、磁化自由層が面内方向に関して形状磁気異方性を有さない場合で、立方磁気異方性を有する場合の磁気素子に関する。本実施形態は、垂直型の積層構造である。図４及び図５の構成は第１の実施形態と同様である。図９は、本実施形態の磁気素子を説明するための模式的な斜視図である。図９に示される磁気素子は、コーン磁化で、円柱形状でかつ立方磁気異方性の型の例である。本実施形態の磁気素子は、参照層１と、トンネル障壁層２と、磁化自由層３と、非磁性層４と、磁化固定層５を主として備える。図９では、磁化自由層３と非磁性層４と磁化固定層５の積層構造を示したものである。本実施形態の磁気素子にはトンネル障壁層と参照層も必要だが、図９では図示を省略している。磁気素子の全体形状が円柱形状の例である。磁化自由層３が円柱形状で、図４の定義の、直径がＬ１＝Ｌ２、層の厚みがｔ_Ｆである。

磁化自由層３の、参照層とは反対側に、非磁性層４を介して磁化固定層５を備える構造、即ち合成（反）強磁性構造を採用すれば、外部磁界も第三群の第１磁界も不要である。

図９のように、磁化固定層５の磁化方向は、面内方向で、例として図中ではｙ軸方向の負の方向とｘ軸方向の負の方向の間であるφ＝２２０°の方向を向く。磁化自由層の磁化方向は、非磁性層を介して磁化固定層５と反平行結合と立方磁気異方性によりφ^（０）＝３６°の方向を向く。図９では、Ｈ_ＩＥＣ（層間交換結合（Ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）による磁化自由層への有効磁界）は、ｘｙ面内上、φ_Ｈ＝４０°の方向の例を図示した。

本実施形態では、磁化自由層の磁化方向を、面内成分に関して、面内(立方磁気異方性の容易磁化方向の一つの)方向から傾かせる必要がある。そのために、面内(立方磁気異方性の容易磁化方向の一つの)方向とは異なる方向である、第二群又は第三群の磁界が必要である。即ち、「立方磁気異方性による磁界」に加えて、「誘導磁気異方性による磁界」、「磁化自由層以外の磁性層からの漏洩磁界」、「層間交換結合による磁界」「交換バイアス磁界」、及び「前記層間交換結合による磁界と前記交換バイアス磁界の合成磁界」のいずれかの磁界のうちのいずれか1以上で、立方磁気異方性の容易磁化方向とは面内方向に関する容易磁化方向が異なる方向である磁界が、磁化自由層に与えられている必要がある。本実施形態では、例えば、第１の実施形態と同様の理由により「Ｈ_ＩＥＣ」を用いることがより好ましい。例えば、「Ｈ_ＩＥＣ」と「立方磁気異方性による磁界」の組み合わせることがより好ましい。また、面直方向から傾かせるためにコーン磁化を採用している。なお「立方磁気異方性による磁界」と「誘導磁気異方性による磁界」を組み合わせても構わないが、両立は難しい。そのため「立方磁気異方性による磁界」と「誘導磁気異方性による磁界」は第二群という同一群に含められている。

以下、シミュレーションを用いて理論計算を行った結果を説明する。ここで、シミュレーションに用いたパラメータ及び計算条件は以下のとおりである。なお、第１の実施形態と異なる点について詳しく説明する。図１０及び図１１は、第２の実施形態の磁気素子の磁化自由層に関するシミュレーション結果を表す図である。磁化自由層の条件は以下［条件２］の通りに設定した。なお、図９の場合の磁化自由層の磁気エネルギー密度ε^（０）とεは、式（数２）と式（数３）で表される。

［条件２］ 磁化自由層の厚さｔ_Ｆ＝１．１［ｎｍ］。［磁化自由層の長さＬ１］＝［自由層の長さＬ２］＝１００［ｎｍ］。Ｎ_ｘ＝０．０１０７、Ｎ_ｙ＝０．０１０７、Ｎ_ｚ＝０．９７８７。面内の形状磁気異方性磁界Ｈ_ｋ＝Ｍ_ｓ（Ｎ_ｙ－Ｎ_ｘ）＝０［ｋＡ／ｍ］。磁化自由層のトンネル障壁層と接する面の面積Ａ＝π（Ｌ１／２）（Ｌ２／２）［ｎｍ^２］。磁化自由層の飽和磁化Ｍ_ｓ＝１４００［ｋＡ／ｍ］（＝１４００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］）。磁化自由層のギルバートダンピング定数α＝０．２０。磁気素子への印加電圧Ｖ＝０における磁化自由層の界面及び結晶の磁気異方性定数について、１次の異方性定数Ｋ_ｕ１ ^（０）＝１０６８．５［ｋＪ／ｍ^３］（Ｋ_{１,ｅｆｆ} ^（０）＝－８５．５［ｋＪ／ｍ^３）、２次の異方性定数Ｋ_ｕ２ ^（０）＝１２９．９［ｋＪ／ｍ^３］、Ｋ_{ｃｕｂｉｃ}＝４７［ｋＪ／ｍ^３］。メモリチップの外側から印加する外部磁界Ｈ_ｅｘｔ０＝０［ｋＡ／ｍ］、磁化自由層以外の磁性層からの漏洩磁界Ｈ_ｅｘｔ１＝０［ｋＡ／ｍ］、すなわちＨ_ｅｘｔ＝０［ｋＡ／ｍ］。磁化固定層との層間交換結合による磁化自由層にかかる有効磁界の大きさはＨ_ｅｘｃｈ＝３９．８［ｋＡ／ｍ］（＝５００［Ｏｅ］）で、そのｘ軸からの方位角は４０°である。以上の条件から温度３００［Ｋ］では熱擾乱耐性Δ^（０）＝６０．１。

上記［条件２］における印加電圧Ｖ＝０のときの、磁気エネルギー密度ε^（０）は、（ｍ_ｘ、ｍ_ｙ、ｍ_ｚ）＝（ｍ_ｘ ^（０）、ｍ_ｙ ^（０）、ｍ_ｚ ^（０））＝（ｓｉｎθ^（０）ｃｏｓφ^（０）、ｓｉｎθ^（０）ｓｉｎφ^（０）、ｃｏｓθ^（０））＝（０．５５、０．４１、±０．７２）で最低値を取る。θ^（０）は４４°か１３６°で、φ^（０）は３６°である。シミュレーション結果から、図１０（ａ）において、初期磁化状態で磁化は、例えば、ｍ_ｚ ^（０）が正の位置Ｐ０３を向く。図１０及び図１１では、初期磁化方向Ｐ０をＰ０３（ｍ_ｚ ^（０）が正）またはＰ０４（ｍ_ｚ ^（０）が負）とした。

図１０（ａ）（ｂ）は、上記［条件２］における磁気素子に第一電圧を印加したときの磁化方向の変化の軌跡を表す。０ｎｓから２ｎｓまでの時間範囲の軌跡を示している。点と点の間の時間間隔は０．０２ｎｓである。このシミュレーションにおいては、第一電圧の印加により磁化自由層のＫ_{１,ｅｆｆ}とＫ_ｕ２の絶対値は増大し、Ｋ_{１,ｅｆｆ}＝－２２１．７［ｋＪ／ｍ^３］、Ｋ_ｕ２＝１６９［ｋＪ／ｍ^３］となる。図１０（ａ）（ｂ）に表したように、電圧が印加されると、磁化自由層の磁化ダイナミクスが誘起される。図１０（ａ）に表したように、ｍ_ｚ ^（０）＞０のＰ０３を始点とした場合は、磁化ベクトルはｍ_ｚ＜０の下半球に入り反転する。一方で、１０（ｂ）に表したように、ｍ_ｚ ^（０）＜０のＰ０４を始点とした場合は、磁化ベクトルは上半球に到達せず反転しない。

図１１（ａ）（ｂ）は、上記［条件２］における磁気素子に第一電圧とは極性が逆の第二電圧を印加したときの磁化方向の変化の軌跡を表す。０ｎｓから５ｎｓまでの時間範囲の軌跡を示している。点と点の間の時間間隔は０．１ｎｓである。このシミュレーションにおいては、第二電圧の印加により磁化自由層のＫ_{１,ｅｆｆ}とＫ_ｕ２の絶対値は減少し、Ｋ_{１,ｅｆｆ}＝－２４．６［ｋＪ／ｍ^３］、Ｋ_ｕ２＝４９［ｋＪ／ｍ^３］となる。図１１（ａ）（ｂ）に表したように、電圧が印加されると、磁化自由層の磁化ダイナミクスが誘起される。図１１（ａ）に表したように、ｍ_ｚ ^（０）＞０のＰ０３を始点とした場合は、磁化ベクトルは下半球に到達せず反転しない。一方で、図１１（ｂ）に表したように、ｍ_ｚ ^（０）＜０のＰ０４を始点とした場合は、ｍ_ｚ＞０の上半球に入り反転する。

上記［条件２］のシミュレーション結果から、電圧印加前のｍ_ｚ ^（０）の正負にかかわらずＫ_{１,ｅｆｆ}とＫ_ｕ２の絶対値が増大するような第一電圧を印加すると負のｍ_ｚとなり、電圧印加前のｍ_ｚ（０）の正負にかかわらず第一電圧とは逆の極性の第二電圧を印加すると正のｍ_ｚとなることがわかる。つまり、図９のように、層間交換相互作用による磁化固定層５との反平行結合等により、磁化自由層に、面内(立方磁気異方性の容易磁化方向の一つの)方向とは面内方向に関する容易磁化方向が異なる方向である磁界を印加することにより、磁化自由層が対称性の高い円柱形状で、その磁化方向が双極的にスイッチングする特性を有することがわかる。

本実施形態における磁気素子を構成する積層構造の各層の１例について説明する。本実施形態における磁気素子は第１の実施形態で示した例と同様である。また、例えば、磁化自由層は、（Ｒｕ（０．８４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／）Ｃｏ（０．８ｎｍ）／ＦｅＢ（０．３ｎｍ）（／トンネル障壁層と参照層が続く）であることが好ましい。

（第３の実施形態）
第１と第２の実施形態が垂直型の例であるのに対して、本実施形態の磁気素子は、面内型の積層構造の例である。図１２は、本実施形態の磁気素子の断面模式図である。図１３は、模式的な斜視図である。磁気素子は、参照層１と、トンネル障壁層２と、磁化自由層３と、非磁性層４と、磁化固定層５を主として備える。図１３は、磁化自由層３と非磁性層４と磁化固定層５の積層構造を示したものである。本磁気素子として、トンネル障壁層と参照層も必要だが、図１３では図示を省略している。磁気素子の全体形状が楕円柱形状の例である。図４に図示するように、磁化自由層３が楕円柱形状で、長軸方向の長さがＬ１、短軸方向の長さがＬ２、層の厚みがｔ_Ｆである。ｘｙｚ軸方向は、第１の実施形態と同様であり、楕円長軸方向をｘ軸方向、楕円短軸方向をｙ方向とおく。

図１２に、磁化方向の例を示す。参照層１は、面内方向の磁化方向を有する。磁化固定層５の磁化方向は面直方向で参照層の反対側向きである。第三群の第１磁界を○中に×のマークで示すように紙面垂直方向で紙面表から裏へ向くように印加する。

また、磁化自由層３の、参照層１側とは反対側に、非磁性層４を介して磁化固定層５を備える積層構造において、図１２の図示とは異なり、磁化固定層５の磁化を、例えばｙ軸方向に傾けた構造にした場合は、外部磁界も第三群の第１磁界も不要である。

図１３では、第三群の第１磁界Ｈ_ｅｘｔ１を面内方向に印加し、かつ層間交換相互作用による磁化自由層への有効磁界Ｈ_ＩＥＣを、ｚ方向に平行に印加する場合を示す。図１３のように、本実施形態の磁気素子は、楕円柱形状で、磁化自由層に、第三群の第１磁界及び層間交換相互作用による有効磁界のいずれか１以上による「合成」磁界を、楕円長軸方向と非平行となるように印加する。

本実施形態では、第１の実施形態と同様、磁化自由層の磁化方向を、面内方向に関して、楕円長軸方向から傾かせる必要がある。そのために、第二群又は第三群の少なくとも１つの磁界のうち、楕円長軸方向とは面内方向に関する容易磁化方向が異なる方向である磁界が、磁化自由層に与えられている必要がある。本実施形態では、第三群の磁界の１つである、第１磁界Ｈ_ｅｘｔ１（磁化自由層以外の磁性層からの漏洩磁界）を使用した。本実施形態では、面内方向から磁化を傾かせるために「Ｈ_ＩＥＣ」がすでに使われているからである。磁化固定層の磁化が面直から楕円短軸方向に傾いた構造の場合は、「Ｈ_ＩＥＣ」で「面内から面直方向に磁化を傾かせ」つつ「楕円長軸方向から短軸方向へも磁化を傾かせる」ことで第１磁界Ｈ_ｅｘｔ１が不要になり、より好ましい。

以下、シミュレーションを用いて理論計算を行った結果を説明する。ここで、シミュレーションに用いたパラメータ及び計算条件は以下のとおりである。なお、第１の実施形態と異なる点について詳しく説明する。図１４及び図１５は、第３の実施形態の磁気素子の磁化自由層に関するシミュレーション結果を表す図である。磁化自由層の条件は以下［条件３］の通りに設定した。なお、磁化自由層の磁気エネルギー密度ε^（０）とεは、式（数２）と式（数３）で表される。

［条件３］
磁化自由層の厚さｔ_Ｆ＝１．７８［ｎｍ］。磁化自由層の長さＬ１＝２９７．２［ｎｍ］。磁化自由層の長さＬ２＝６６．８［ｎｍ］。Ｎ_ｘ＝０．００５８、Ｎ_ｙ＝０．０４９４、Ｎ_ｚ＝０．９４４７。面内の形状磁気異方性磁界Ｈ_ｋ＝Ｍ_ｓ（Ｎ_ｙ－Ｎ_ｘ）＝６１［ｋＡ／ｍ］（７６７［Ｏｅ］）。磁化自由層の、参照層と磁化自由層に挟まれた非磁性層（トンネル障壁層）と接する面の面積Ａ＝π（Ｌ１／２）（Ｌ２／２）［ｎｍ^２］。磁化自由層の飽和磁化Ｍ_ｓ＝１４００［ｋＡ／ｍ］（＝１４００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］）。磁化自由層のギルバートダンピング定数α＝０．１０。磁気素子への印加電圧Ｖ＝０における磁化自由層の界面及び結晶の磁気異方性定数について、１次の異方性定数Ｋ_ｕ１ ^（０）＝１１０６．２［ｋＪ／ｍ^３］（Ｋ_{１,ｅｆｆ} ^（０）＝－５０［ｋＪ／ｍ^３）、２次の異方性定数Ｋ_ｕ２ ^（０）＝０［ｋＪ／ｍ^３］、Ｋ_{ｃｕｂｉｃ}＝０［ｋＪ／ｍ^３］。メモリチップの外側から印加する外部磁界Ｈ_ｅｘｔ０＝０［ｋＡ／ｍ］、磁化自由層以外の磁性層からの漏洩磁界Ｈ_ｅｘｔ１＝４．６０［ｋＡ／ｍ］（＝５７．８［Ｏｅ］）、すなわちＨ_ｅｘｔ＝Ｈ_ｅｘｔ１＝４．６０［ｋＡ／ｍ］で、その方向は＋ｙ方向、つまり面内にありｘ軸からの方位角は９０°である。磁化固定層との層間交換結合による磁化自由層にかかる有効磁界の大きさはＨ_ｅｘｃｈ＝２８．４［ｋＡ／ｍ］（＝３５７［Ｏｅ］）で、その方向は＋ｚ方向、つまりそのｚ軸からの極角は０°である。以上の条件から温度３００［Ｋ］では熱擾乱耐性Δ^（０）＝７２．５。

上記［条件３］における印加電圧Ｖ＝０のときの、磁気エネルギー密度ε^（０）は、（ｍ_ｘ、ｍ_ｙ、ｍ_ｚ）＝（ｍ_ｘ ^（０）、ｍ_ｙ ^（０）、ｍ_ｚ ^（０））＝（ｓｉｎθ^（０）ｃｏｓφ^（０）、ｓｉｎθ^（０）ｓｉｎφ^（０）、ｃｏｓθ^（０））＝（±０．８６３、０．０７５、０．５００）で最低値を取る。θ^（０）は６０°で、φ^（０）は５°か１７５°である。シミュレーション結果から、図１４（ａ）において、初期磁化状態で磁化は、例えば、ｍ_ｘ ^（０）が正の位置Ｐ０５を向く。図１４では、初期磁化方向Ｐ０をＰ０５（ｍ_ｘ ^（０）が正）またはＰ０６（ｍ_ｘ ^（０）が負）とした。

図１４（ａ）（ｂ）は、上記［条件３］における磁気素子に第一電圧を印加したときの磁化方向の変化の軌跡を表す。０ｎｓから１ｎｓまでの時間範囲の軌跡を示している。点と点の間の時間間隔は０．００５ｎｓである。このシミュレーションにおいては、第一電圧の印加により磁化自由層のＫ_{１,ｅｆｆ}の絶対値は増大し、Ｋ_{１,ｅｆｆ}＝－３７６［ｋＪ／ｍ^３］となる。図１４（ａ）（ｂ）に表したように、電圧が印加されると、自由層の磁化ダイナミクスが誘起される。図１４（ａ）に表したように、ｍ_ｘ ^（０）＞０のＰ０５を始点とした場合は、磁化ベクトルはｍ_ｘ＜０半球に到達せず反転しない。一方で、図１４（ｂ）に表したように、ｍ_ｘ ^（０）＜０のＰ０６を始点とした場合は、ｍ_ｘ＞０の半球に入り反転する。

図１５（ａ）（ｂ）は、上記［条件３］における磁気素子に第一電圧とは極性が逆の第二電圧を印加したときの、磁化自由層の磁化方向の変化の軌跡を表す。０ｎｓから１０ｎｓまでの時間範囲の軌跡を示している。点と点の間の時間間隔は０．０５ｎｓである。このシミュレーションにおいては、第二電圧の印加により自由層のＫ_{１,ｅｆｆ}の絶対値は減少し、Ｋ_{１,ｅｆｆ}＝－３１．１［ｋＪ／ｍ^３］となる。図１５（ａ）（ｂ）に表したように、電圧が印加されると、磁化自由層の磁化ダイナミクスが誘起される。図１５（ａ）に表したように、ｍ_ｘ ^（０）＞０のＰ０５を始点とした場合は、ｍ_ｘ＜０の半球に入り反転する。一方で、図１５（ｂ）に表したように、ｍ_ｘ ^（０）＜０のＰ０６を始点とした場合は、磁化ベクトルはｍ_ｘ＞０の半球に到達せず反転しない。

上記のシミュレーション結果から、電圧印加前のｍ_ｘ ^（０）の正負にかかわらず第一電圧を印加すると正のｍ_ｘとなり、電圧印加前のｍ_ｘ ^（０）の正負にかかわらず第１電圧とは極性が逆の第二電圧を印加すると負のｍ_ｘとなることがわかる。つまり磁化自由層が２次の異方性エネルギーを持たない材料であってもその磁化方向が双極的にスイッチングされることがわかる。

本実施形態における磁気素子を構成する積層構造の各層の１例について説明する。本実施形態における磁気素子は第１の実施形態で示した例と同様である。本実施形態における磁気素子の参照層とその周辺の構造は、例えば、基板側から順に、トンネル障壁層／参照層／［合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造の残り］／［反強磁性体層であるＰｔＭｎ（１５ｎｍ）］である。参照層は合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造に含まれている。参照層は、ＣｏＦｅＢ（２．２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．８ｎｍ）等である。［合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造の残り］は、Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）等である。例えば、ＳＡＦ構造を書き下すと、ＣｏＦｅＢ（２．２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．８ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）である。本実施形態における、Ｈ_ＩＥＣを与えるための磁化固定層を含むＳＡＦ構造は、例えば、基板側から順に、［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］_７／Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｒｕ（０．７９ｎｍ）／磁化自由層である。また、磁化自由層は、例えば、ＣｏＦｅＢ（１．７８ｎｍ）（／トンネル障壁層と参照層が続く）である。

（第４の実施形態）
本実施形態では、第１乃至第３の実施形態の磁気素子を磁気メモリ素子として複数個備えた磁気記憶装置について、図１６を参照して説明する。図１６は、本実施形態の複数の磁気素子を備える磁気記憶装置の断面模式図である。磁気記憶装置２１０は、第１磁気素子１１０と、第２磁気素子１２０と、第１磁気素子１１０に電圧を印加するために第１磁気素子１１０を挟む第１導電層３１及び第２導電層３２と、第２磁気素子１２０に電圧を印加するために第２磁気素子を挟む第３導電層３３及び第４導電層３４とを主として含む。磁気記憶装置２１０は、第１磁気素子と第２磁気素子を絶縁分離する絶縁部４０を含む。磁気記憶装置２１０は、例えば、図示のように、第１導電層３１及び第３導電層３３と電気接続される第１配線７１と、第２導電層３２及び第４導電層３４と電気接続される第２配線７２と、制御部７０と、スイッチ（７２ａ、７２ｂ）とを含む。第１磁気素子１１０は、参照層１１と、磁化自由層を含む多層膜１２と、参照層１１と前記多層膜１２とに挟まれるトンネル障壁層２１とを含む積層構造を有する。第２磁気素子１２０も、第１磁気素子１１０と同様に、参照層１３と、磁化自由層を含む多層膜１４と、参照層１３と前記多層膜１４とに挟まれるトンネル障壁層２２とを含む積層構造を有する。磁化自由層を含む多層膜（１２、１４）は、例えば、磁化自由層／非磁性層／磁化固定層の多層膜の積層構造を備える。磁気記憶装置２１０では、第１、第２、第３、第４の導電層に加えて、さらに、キャップ層、保護膜、シード層、バッファ層等を適宜設けることができる。また、図示を省略するが、磁気記憶装置２１０は、基板を備え、基板側にシード層やバッファ層等を積層してから磁性多層膜を積層する構造も含む。また、図では、磁化自由層を含む多層膜（１２、１４）は参照層（１１、１３）より下にあるが、磁化自由層が参照層より上に積層されていても良い。また、３次元積層プロセス技術により、基板側が上になり基板が除去される場合もある。第１導電層３１、第２導電層３２、第３導電層３３及び第４導電層３４は、非磁性である。いずれも導電層も、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、Ｗ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｔ、及びＰｄからなる群から選択された少なくとも１つを含む。これらの導電層（３１、３２、３３、３４）のそれぞれの厚さは、例えば、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。より好ましくは、これらの導電層の厚さは、磁化自由層の長さＬ１または長さＬ２より長く、２００ｎｍ以下である。これにより、良好な平坦性と、低い抵抗値と、が得られる。絶縁部４０は、例えば、非磁性の絶縁性化合物を含む。前記絶縁性化合物は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、及びＴａからなる群より選択された少なくともいずれかの元素の、酸化物、窒化物、または弗化物である。

本実施形態に係る磁気記憶装置の動作例について説明する。図１７（ａ）～図１９（ｈ）は、本磁気記憶装置の動作を説明する模式図である。図の横軸は、時間を表す。図の縦軸は、第１配線７１と第２配線７２との間に加わる信号Ｓ１の電位を表す。信号Ｓ１は、磁化自由層を含む多層膜１２と参照層１１との間、または磁化自由層を含む多層膜１４と参照層１３との間に加わる信号に、実質的に対応する。磁化自由層を含む多層膜１２と参照層１１との間の電気抵抗は、参照層１１と電気的に接続されている第１配線７１と、磁化自由層を含む多層膜１２と電気的に接続されている第２配線７２と、の間の電気抵抗に対応する。

［書き込み動作］
図１７（ａ）に表すように、制御部７０は、第１配線７１と第２配線７２との間に、第一電圧の第１書き込みパルスＷＰ１を印加する第１動作ＯＰ１を実施する。第１動作ＯＰ１において、磁化自由層を含む多層膜１２と参照層１１との間に、第１書き込みパルスＷＰ１（第１パルス時間幅Ｔ１、第１パルス高さＨ１）が供給される。これにより、磁化自由層を含む多層膜１２と参照層１１との間の電気抵抗が増加または減少する。すなわち、第１書き込みパルスＷＰ１により、記憶された情報が書き換えられる。例えば、第１動作ＯＰ１の後における磁化自由層を含む多層膜１２と参照層１１との間の第２電気抵抗は、第１動作ＯＰ１の前における磁化自由層を含む多層膜１２と参照層１１の第１電気抵抗とは、異なる。この電気抵抗の変化は、第１書き込みパルスＷＰ１による磁化自由層を含む多層膜１２の磁化方向の変化に基づく。磁化自由層を含む多層膜１２と参照層１１との間において、磁化方向の相対関係が、第１書き込みパルスＷＰ１により変化する。電気抵抗が異なる複数の状態は、それぞれ、記憶される情報に対応する。

なお、第２電気抵抗の状態で、第一電圧の第１書き込みパルスＷＰ１を印加する第１動作ＯＰ１を実施しても、電気抵抗は第２電気抵抗から第１電気抵抗に変化しない。すなわち情報書き換えは起こらない。更に言い換えれば、第１動作ＯＰ１の後に第１動作ＯＰ１を繰り返しても、後者のパルス印加による書き換えは起こらない。第１動作ＯＰ１の後に第１動作ＯＰ１を印加した後における、磁化自由層を含む多層膜１２と参照層１１との間の電気抵抗を第２α電気抵抗とよぶとすれば、第２電気抵抗と第２α電気抵抗は同じである。

図１７（ｂ）に示すように、第一電圧と極性が逆である第二電圧の第２書き込みパルスＷＰ２（第２パルス時間幅Ｔ２、第２パルス高さＨ２）を印加する第２動作ＯＰ２を実施する。第２電気抵抗の状態で、第２動作ＯＰ２を実施すると、電気抵抗は第２電気抵抗から第１電気抵抗に変化する。すなわち、第２書き込みパルスＷＰ２により、記憶された情報が書き換えられる。図示のような逆極性の第２書き込みパルスＷＰ２を用いる場合、パルス高さＨ２の絶対値は、第１書き込みパルスＷＰ１のパルス高さＨ１の絶対値よりも小さくても良く、同じでも良く、大きくても良い。

第１電気抵抗または第２電気抵抗の状態として記憶されている情報を書き換えないときには、図１７（ｃ）に示すように、制御部７０は、第３動作ＯＰ３を実施してもよい。第３動作ＯＰ３においては、第１書き込みパルスＷＰ１も第２書き込みパルスＷＰ２も印加されない。

なお、第１電気抵抗の状態で、第２動作ＯＰ２を実施しても、電気抵抗は第１電気抵抗から第２電気抵抗に変化しない。すなわち情報書き換えは起こらない。更に言い換えれば、第２動作ＯＰ２の後に第２動作ＯＰ２を繰り返しても、後者のパルス印加による書き換えは起こらない。第２動作ＯＰ２の後に第２動作ＯＰ２を実施した後における、磁化自由層を含む多層膜１２と参照層１１との間の電気抵抗を第１α電気抵抗とよぶとすれば、第１電気抵抗と第１α電気抵抗は同じである。

図１８（ｄ）に示すように、パルスの立ち上がりにかかる時間をτ_Ｒ、立ち下がりにかかる時間をτ_Ｆと呼ぶ。第１書き込みパルスＷＰ１および第２書き込みパルスＷＰ２のτ_Ｒは、書き込みの安定化の観点からゼロに近いことが好ましい。第１書き込みパルスおよび第２書き込みパルスのτ_Ｆはそれらのτ_Ｒと同じでも構わないが、書き込みの安定化の観点からはτ_Ｆは長い方が好ましい。一方でτ_Ｆが長くなり過ぎると消費電力が大きくなり好ましくない。したがって、第１書き込みパルスＷＰ１および第２書き込みパルスＷＰ２のτ_Ｆは、それらのτ_Ｒと同じくゼロ近傍以上で１０ｎｓ以下が好ましい。

適切なパルス時間幅の第１書き込みパルスＷＰ１または第２書き込みパルスＷＰ２が印加されたときに、情報の書き換えが可能になる。このとき、磁化自由層を含む多層膜１２と参照層１１との間の電気抵抗は、高抵抗状態から低抵抗状態に、又は、低抵抗状態から高抵抗状態に、変化する。一方、適切ではない時間幅のパルスが印加された場合は、所望の変化をしない。適切なパルス時間幅は有効磁界Ｈ_ｅｆｆに依存して変化し、例えば、（第１の実施形態）においてＴ１＝０．６ｎｓおよびＴ２＝１．５ｎｓ、（第２の実施形態）においてＴ１＝０．７ｎｓおよびＴ２＝２．４ｎｓ、（第３の実施形態）においてＴ１＝４ｎｓおよびＴ２＝４ｎｓである。一方でパルス時間幅は適切な第１パルス時間幅Ｔ１および適切な第２パルス時間幅Ｔ２より長くても構わない。しかしパルス時間幅が長くなるほど消費電力が大きくなるので不必要にパルス時間幅を長くすることは好ましくない。

書き込み動作において、図１８（ｅ）に示すような、図１７（ａ）とは異なる、適切なパルス時間幅より短いパルス時間幅のパルスＷＰ１ｘ（例：第１パルス時間幅Ｔ１の０．３倍のパルス時間幅と、第１パルス高さＨ１）が印加される場合には、電気抵抗の変化が実質的に生じない。また、（第３の実施形態）においては第２電気抵抗の状態で１ｎｓのパルス時間幅のパルスＷＰ１ｘを印加すると第１電気抵抗に変化する誤書き込みが起こる。一方で、図１８（ｆ）に示すような、適切なパルス時間幅より長いパルス時間幅のパルスＷＰ１ｙ（例：第１パルス時間幅Ｔ１の２倍のパルス時間幅と、第１パルス高さＨ１）が印加される場合には、電気抵抗の変化が生じる。パルスＰ１ｘを、磁化自由層を含む多層膜１２と参照層１１との間に印加した後の、磁化自由層を含む多層膜１２と参照層１１との間の第３電気抵抗と、別のパルスＰ１ｘを、磁化自由層を含む多層膜１２と参照層１１との間に印加する前の第４電気抵抗と、の差の絶対値は、第２電気抵抗と第１電気抵抗との差の絶対値よりも小さい。すなわち、パルスＰ１ｘを印加したときには、電気抵抗の変化は実質的にゼロで、第１書き込みパルスＷＰ１およびパルスＷＰ１ｙを印加したときの電気抵抗の変化よりも小さい。

［読み出し動作］
情報読み出しは、図１９（ｇ）に表すように、第１読み出しパルスＲＰ１を印加する第４動作ＯＰ４によって行う。制御部７０は、磁化自由層を含む多層膜１２と参照層１１との間（第１配線７１と第２配線７２との間）に、第１読み出しパルスＲＰ１を印加する。第１読み出しパルスＲＰ１の極性は、第１書き込みパルスＷＰ１の極性に対して同じでも逆でもよい。ただし、第１読み出しパルスＲＰ１のパルス高さＨ４の絶対値は、［第１書き込みパルスＷＰ１の第１パルス高さＨ１の絶対値］および［第２書き込みパルスＷＰ２の第２パルス高さＨ２の絶対値］のいずれよりも小さい。第１読み出しパルスＲＰ１のτ_Ｒとτ_Ｆは、第１書き込みパルスＷＰ１および第２書き込みパルスＷＰ２のそれらと同じでも構わないが、リード・ディスターバンス防止の観点からは長い方が好ましい。一方でτ_Ｒとτ_Ｆが長くなり過ぎると読み出し速度が遅くなるので好ましくない。したがって、第１読み出しパルスＲＰ１のτ_Ｒとτ_Ｆは、第１書き込みパルスＷＰ１および第２書き込みパルスＷＰ１のτ_Ｆと同程度の長さから１００倍以内の長さが好ましい。

図１９（ｈ）に示すように、制御部７０は、第１動作ＯＰ１および第２動作ＯＰ２の前に第４動作ＯＰ４をプレリードとしてさらに実施しても構わないが、本発明の磁気記憶装置では双極性書き込みが可能であるため第４動作ＯＰ４は省略することができる。

（第５の実施形態）
第１乃至３の実施形態では、楕円柱形状と円柱形状の場合について説明したが、これらに限定されない。磁化自由層の面内形状は、回転対称性又は２軸以上に対して鏡面対称性を有する形状であれば、よい。

図２０及び図２１に磁化自由層の形状の例を図示する。回転対称性を有する形状は、例えば、（ａ）円、（ｂ）楕円、（ｃ）回転対称性のある四角形の（ｃ）菱形や（ｄ）平行四辺形等である。菱形等のように、回転対称性及び２軸以上に対する鏡面対称性の双方の対称性を有するものもある。さらに、回転対称性を有する形状は、例えば、正多角形（（ｅ）正三多角形、（ｆ）正四角形、（ｇ）正五角形、（ｈ）正六角形、正七角形等）等である。さらに、正偶数角形の平行な二辺を伸縮させたものでもよい。例えば、正方形を伸ばした（ｉ）長方形や、（ｊ）正六角形を伸ばした六角形でもよい。また、回転対称性を有する形状は、星形正多角形（（ｋ）星形正五角形、（ｌ）星形正六角形、（ｍ）星形正七角形、星型正八角形等）等である。さらに、星形正多角形の鏡面対称軸の一つを中心に伸縮させたもの（（ｎ）六角形、（ｏ）六角形）でもよい。また、回転対称性又は２軸以上に対して鏡面対称性を有する形状の例として、図示するような、図形の組み合わせで対称性が高いもの（ｐ）（ｑ）（ｒ）（ｓ）（ｔ）でもよい。また、回転対称性又は２軸以上に対して鏡面対称性を有していれば、穴があいているもの（（ｕ）穴を有する円、（ｖ）穴を有する四角形等）でもよい。また、磁気素子の面内形状や磁化自由層の面内形状は、回転対称性又は２軸以上に対して鏡面対称性を有していれば、図２１に示すように、角が丸まったもの（ｗ）角が丸い正方形、（ｘ）角の丸異長方形等）や、ルーローの多角形（ｙ）でもよい。ルーローの多角形とは、正奇数角形（正三角形、正五角形、正七角形等）の辺を膨らませてできる定幅図形をいう。

なお、上記実施形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。

本発明の磁気素子は、電圧書き込みにより磁化方向が双極反転する特性を有することから、磁気メモリ素子等として、省電力及び高速性を図ることができるので、産業上有用である。

１、１１、１３ 参照層
２、２１、２２ トンネル障壁層
３ 磁化自由層
４ 非磁性層
５ 磁化固定層
１２、１４ 磁化自由層を含む多層膜
３１ 第１導電層
３２ 第２導電層
３３ 第３導電層
３４ 第４導電層
４０ 絶縁部
７０ 制御部
７１ 第１配線
７２ 第２配線
７２ａ、７２ｂ スイッチ
１１０ 第１磁気素子
１２０ 第２磁気素子
２１０ 磁気記憶装置

Claims (13)

1. 参照層と、磁化自由層と、前記参照層と前記磁化自由層の間に挟まれるトンネル障壁層とを少なくとも含む積層構造を備え、
   前記磁化自由層の面内形状は、回転対称性又は２軸以上に対して鏡面対称性を有し、
   前記磁化自由層に電圧と外部磁界が実質的に印加されていない状態で、前記磁化自由層の磁化は、
   前記磁化自由層からトンネル障壁層に向かう第１方向と磁化自由層の磁化方向との間の角度θ^（０）が、０°＜θ^（０）＜９０°、又は９０°＜θ^（０）＜１８０°の方向であり、
   面内成分の角度φ^（０）が０°＜｜φ^（０）｜＜９０°または９０°＜｜φ^（０）｜＜１８０°の方向であり、但し角度φ^（０）は、面内方向に異方性を与える
   第一群：形状磁気異方性による磁界、
   第二群：立方磁気異方性又は誘導磁気異方性の少なくとも１つによる磁界、および
   第三群：磁化自由層以外の磁性層からの漏洩磁界を第１磁界と呼び、層間交換結合による磁界、交換バイアス磁界、及び前記層間交換結合による磁界と前記交換バイアス磁界の合成磁界のいずれかを第２磁界と呼ぶとき、前記第１磁界又は前記第２磁界の少なくとも１つによる磁界、のうちの一つによる容易磁化方向となす角度であり、
   前記トンネル障壁層の面積抵抗が１０Ωμｍ^２以上５００μｍ^２以下であり、
   双極性電圧の印加に対応して磁化自由層の磁化方向が双極反転する特性を有することを特徴とする磁気素子。
2. 前記第一群乃至第三群のうち異なる群から選択される少なくとも２つの磁界が、磁化自由層に与えられていて、当該少なくとも２つの磁界のうち、２つのそれぞれの磁界による面内方向に関する容易磁化方向が異なる方向であることを特徴とする、請求項１記載の磁気素子。
3. 前記磁気素子は、前記磁化自由層の、前記参照層側とは反対側に、非磁性層を介して磁化固定層を備える構造を含むことを特徴とする、請求項１又は２記載の磁気素子。
4. 前記磁化自由層は面内方向に関して形状磁気異方性を有し、前記第二群又は前記第三群から選択される少なくとも１つの磁界が前記磁化自由層に与えられていて、当該少なくとも１つの磁界が、前記形状磁気異方性による磁界による面内方向に関する容易磁化方向と異なる方向であることを特徴とする、請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の磁気素子。
5. 前記磁化自由層は楕円柱形状であることを特徴とする、請求項４記載の磁気素子。
6. 前記参照層が垂直方向又は面内方向の磁化方向を有し、前記磁化自由層は楕円柱形状であり、前記磁化自由層に与えられる前記第三群の磁界の方向が、前記形状磁気異方性による磁界による面内方向に関する容易磁化方向と異なる方向であることを特徴とする、請求項１又は２記載の磁気素子。
7. 前記磁化自由層は、面内方向に関して形状磁気異方性を有さず、前記第二群または第三群のうち異なる群から選択される少なくとも２つの磁界が、前記磁化自由層に与えられていて、当該少なくとも２つの磁界のうち、２つのそれぞれの磁界による面内方向に関する容易磁化方向が異なる方向であることを特徴とする、請求項１又は２記載の磁気素子。
8. 前記参照層が面に垂直方向の磁化方向を有する場合は、前記角度θ^（０）が、１５°≦θ^（０）＜９０°あるいは９０°＜θ^（０）≦１６５°であり、前記参照層が面内方向の磁化方向を有する場合は、３０°＜θ^（０）＜８５°と９５°＜θ^（０）＜１５０°であることを特徴とする、請求項１記載の磁気素子。
9. 当該磁気素子は、前記磁化自由層に前記第１磁界を与える前記磁化自由層以外の磁性層を前記積層構造内にさらに備えることを特徴とする、請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の磁気素子。
10. 前記磁化自由層のギルバートダンピング定数αは０．０５以上０．５以下であることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の磁気素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項記載の磁気素子の複数の集合体である磁気メモリチップ。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項記載の磁気素子を複数含む、不揮発性の磁気記憶装置。
13. 参照層と、磁化自由層と、前記参照層と前記磁化自由層の間に挟まれるトンネル障壁層とを少なくとも含む積層構造を備え、
    前記磁化自由層の面内形状は、回転対称性又は２軸以上に対して鏡面対称性を有し、
    前記磁化自由層に電圧と外部磁界が実質的に印加されていない状態で、前記磁化自由層の磁化は、
    磁化自由層からトンネル障壁層に向かう第１方向と磁化自由層の磁化方向との間の角度θ^（０）が、０°＜θ^（０）＜９０°、又は９０°＜θ^（０）＜１８０°の方向であり、
    面内成分の角度φ^（０）が０°＜｜φ^（０）｜＜９０°または９０°＜｜φ^（０）｜＜１８０°の方向であり、但し角度φ^（０）は、面内方向に異方性を与える
    第一群：形状磁気異方性による磁界、
    第二群：立方磁気異方性又は誘導磁気異方性の少なくとも１つによる磁界、および
    第三群：磁化自由層以外の磁性層からの漏洩磁界を第１磁界と呼び、層間交換結合による磁界、交換バイアス磁界、及び前記層間交換結合による磁界と前記交換バイアス磁界の合成磁界のいずれかを第２磁界と呼ぶとき、前記第１磁界又は前記第２磁界の少なくとも１つによる磁界、のうちの一つによる容易磁化方向となす角度であり、
    前記トンネル障壁層の面積抵抗が１０Ωμｍ^２以上５００μｍ^２以下である磁気素子に、
    双極性のパルス電圧を印加して、双方向磁化反転を誘起することにより、パルス電圧の極性に対応した情報書き込みを行うことを特徴とする、磁気素子の書き込み方法。

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