JPWO2011145146A1 - トンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

大容量化に適した単純な構造で、消費電力を増加させることなく十分な熱安定性Ｅ／ｋＴを実現可能なトンネル磁気抵抗効果素子、及びそれを用いた不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリを提供するために、トンネル磁気抵抗効果素子４００において、電界により磁化方向を制御可能な反強磁性を示す電界磁化制御層４０９と第一の強磁性層４０８を交換結合させた構造と、強磁性記録層４０６を含む磁気抵抗効果検出部４１０とを並列接続し、第一の強磁性層４０８により強磁性記録層４０６に有効磁場を印加する。また、このトンネル磁気抵抗効果素子を磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリに適用する。

Description

本発明は、記録層の磁化方向を安定化したトンネル磁気抵抗効果素子、及びそれを用いた不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリに関する。

近年、低消費電力化、及び大容量化の要求から、スピントランスファトルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリが、例えば特許文献１、特許文献２あるいは特許文献３に開示されている。この不揮発性磁気メモリは、磁化方向の固定された強磁性層（固定層）と磁化方向の可変な強磁性層（記録層）とを非磁性層を介して積層した磁気抵抗効果素子をメモリセルに用いる。

この磁気抵抗効果素子は記録層と固定層の相対的な磁化方向に応じて、互いに平行（反平行）な状態で低抵抗（高抵抗）になるため、情報の読み出し動作ではこの２状態の抵抗を２値情報として検出する。前述の非磁性層を絶縁体としたトンネル磁気抵抗素子は、非磁性層を金属とした場合に比べて磁気抵抗比（低抵抗、高抵抗状態の抵抗の比）が大きいため、２値情報の検出が容易になる。

書き込み動作では、磁気抵抗効果素子に電流を流し、記録層の磁化にスピントランスファトルクを作用させて、その磁化方向を回転させる。この方式の書き込み電流は記録層の体積に比例するため、大容量化による素子の微細化とともに書き込み電流は減少する。一方、記憶されている情報の熱安定性の指標Ｅ／ｋＴは記録層の体積に比例し、この値が小さい場合、予期せずに記憶情報が書き変わる確率が増加する。そのため、素子の微細化とともに熱安定性は低下する。このように両者はトレードオフの関係にある。

したがって、大容量化に適した単純な構造で、消費電力を増加させることなく十分な熱安定性Ｅ／ｋＴを実現可能な不揮発性磁気メモリが求められている。このような状況の中で、従来の不揮発性磁気記憶素子で用いられてきた強磁性体と異なった性質を示すマルチフェロイック材料を適用した不揮発性磁気記憶素子が、例えば特許文献４に開示されている。

米国特許第５，６９５，８６４号明細書 米国特許第６，２５６，２２３号明細書 特開２００２−３０５３３７号公報 特開２００９−９３７８１号公報

大容量化が期待されるスピントランスファトルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリでは、書き込み電流の低減と情報の熱安定性指標Ｅ／ｋＴの向上が必須である。しかし、両者はトレードオフの関係にあるため、それらの両立は困難であった。

本発明は、大容量化に適した単純な構造で、消費電力を増加させることなく十分な熱安定性Ｅ／ｋＴを実現可能なトンネル磁気抵抗効果素子、及びそれを用いた不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリの提供を目的とする。

上記目的を達成するための一実施形態として、電力を消費することなく記録層に有効磁場を印加するために、絶縁性と反強磁性を示すマルチフェロイック材料と強磁性層を交換結合させた構造が、磁気抵抗効果検出構造と並列に接続されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子とする。

また、トンネル磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を備えた磁気メモリセルにおいて、前記磁気抵抗効果素子は、電力を消費することなく記録層に有効磁場を印加するために、絶縁性と反強磁性を示すマルチフェロイック材料と強磁性層を交換結合させた構造が、磁気抵抗効果検出構造と並列に接続されていることを特徴とする磁気メモリセルとする。

また、複数の磁気メモリセルと、前記複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、前記選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段とを備えた磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記磁気メモリセルは、磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を備え、前記磁気抵抗効果素子は、電力を消費することなく記録層に有効磁場を印加するために、絶縁性と反強磁性を示すマルチフェロイック材料と強磁性層を交換結合させた構造が、磁気抵抗効果検出構造と並列に接続されていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリとする。

上記構成とすることにより、大容量化に適した単純な構造で、従来のスピントランスファトルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリよりも低消費電力かつ、高熱安定性なトンネル磁気抵抗効果素子、及びそれを用いた不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。また、本発明の構造の作製プロセス、及び制御回路は、従来のスピントランスファトルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリのものと同様であるため、現行の技術を有効利用することができる。

（ａ）は反強磁性を示すマルチフェロイック層と強磁性層を交換結合させた積層構造の断面模式図、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す積層構造の両端にそれぞれ電圧Ｖ０、Ｖ１を印加した場合の分極と磁化の模式図で、上部が上面図、下部が断面図である。 （ａ）は磁気抵抗効果検出構造と電界磁化制御層が直列に接続されたトンネル磁気抵抗素子の断面模式図、（ｂ）は磁気抵抗効果検出構造と電界磁化制御層が並列に接続されたトンネル磁気抵抗素子の断面模式図、（ｃ）は（ｂ）の構成を有するトンネル磁気抵抗効果素子の一例で上部が上面図、下部が断面図である。 （ａ）は図２（ｂ）に示したトンネル磁気抵抗効果素子が情報保持状態にある場合の断面模式図、（ｂ）は図２（ｂ）に示したトンネル磁気抵抗効果素子に書き込み電流を印加した後の断面模式図。（ｃ）は（ｂ）の後に記録層の磁化反転が終了した時の断面模式図である。 第１の実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。 （ａ）は従来構造のトンネル磁気抵抗効果素子の模式図で上部が上面図、下部が断面図、（ｂ）は第１の実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の模式図で上部が上面図、下部が断面図、（ｃ）は（ａ）（ｂ）に示したトンネル磁気抵抗効果素子における熱安定性の指標Ｅ／ｋＴの素子面積依存性の計算結果を示す。 第２の実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。 第３の実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。 第４の実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。 第５の実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。 第６の実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。 第７の実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリセル（上部）と磁気ランダムアクセスメモリ（下部）の概略構成図である。

本発明を実施するための形態では、電界により磁化方向を制御可能な電界磁化制御材料をトンネル磁気抵抗効果素子に適用することにより、消費電力低減と熱安定性向上をした不揮発性磁気メモリを実現する。電界磁化制御材料の一つに、マルチフェロイック材料がある。以下では、マルチフェロイック材料を用いた電界による磁化方向の制御について述べる。このマルチフェロイック材料は強誘電性と反強磁性の両方の性質を有しており、分極とスピンの間に相互作用が働く。

図１（ａ）の断面模式図に示すような、マルチフェロイック層１００と強磁性層１０１が交換結合しており、それらの両端に電極１０２、電極１０３が接続された積層構造１０４について検討した。マルチフェロイック層１００に電界を印加すると分極１０５が誘起されると同時に、スピン構造も変化する。そのため、交換結合を介して強磁性層１０１の磁化１０６の磁化方向も変化する。例えば、電極１０２と電極１０３の間に電圧Ｖ０が印加されている場合、分極１０５と磁化１０６の方向がそれぞれ図１（ｂ）に示すような状態にあったとする。続いて電極１０２と電極１０３間の電圧をＶ１にすると、分極１０５と磁化１０６はそれぞれ図１（ｃ）に示す方向に変化する。ここで、マルチフェロイック層１００は絶縁体であり、電流はほとんど流れないため、図１（ｂ）から図１（ｃ）の状態に変化させるために、ほとんど電力を消費しない。

このように、積層構造１０４により電力をほとんど消費することなく、磁化方向の制御が可能となる。また、磁化１０６はマルチフェロイック層１００と交換結合しているため、熱揺らぎの影響を受けづらく熱安定性が向上する。したがって、状態を検出するために強磁性層１０１を記録層とした磁気抵抗効果素子を構成すれば、消費電力低減と熱安定性向上をした不揮発性磁気メモリを実現可能である。

以上をもとに、電界磁化制御材料を適用したトンネル磁気抵抗効果素子について検討した。図２（ａ）に強磁性固定層２０１、絶縁層２０２、強磁性記録層２０３で構成された磁気抵抗効果検出構造２０４と、強磁性層２０５と電界磁化制御層２０６で構成された有効磁場印加構造２０７を導線２０８で直列に接続した直列型トンネル磁気抵抗素子２００の模式図を示す。

この構造では強磁性層２０５から強磁性記録層２０３に有効磁場を印加可能である。電界磁化制御層２０６は電界を印加するため絶縁体とする。電界磁化制御層２０６に電流は流れないため、磁気抵抗効果検出構造２０４で強磁性記録層２０３の磁化方向を検出するためには、図２（ａ）に示した端子以外に強磁性記録層２０３に接続した端子が必要である。したがって、直列型トンネル磁気抵抗効果素子２００をメモリセルとして利用した場合、メモリセル当たり３端子必要になり、大容量化、及び微細化の際に不利となる。

一方、図２（ｂ）の磁気抵抗効果検出構造２０４と有効磁場印加構造２０７を並列に接続した並列型トンネル磁気抵抗効果素子２０９は、強磁性層２０５から強磁性記録層２０３に有効磁場を印加可能である。また、図２（ａ）に示した２端子で強磁性記録層２０３の磁化方向を検出可能なため、並列型トンネル磁気抵抗効果素子２０９をメモリセルとして利用した場合、従来の不揮発性磁気メモリと同じくメモリセル当たり２端子となり、大容量化に都合が良い。なお、並列型トンネル磁気抵抗素子２０９の２端子に電圧を印加した場合、磁気抵抗効果検出構造２０４では主に絶縁層２０２に、有効磁場印加構造２０７では電界磁化制御層２０６に電圧が印加される。

磁気抵抗効果検出構造と有効磁場印加構造を並列に接続したトンネル磁気抵抗効果素子の構成の一例として、本図２（ｃ）のような素子断面をもつトンネル磁気抵抗効果素子２１０について検討した。トンネル磁気抵抗効果素子２１０は下部電極層２１１と磁気抵抗効果検出構造２１２、非磁性層２１３、強磁性層２１４、電界磁化制御層２１５で構成されている。磁気抵抗効果検出構造２１２は、強磁性記録層２１６、絶縁層２１７、強磁性固定層２１８、層間絶縁層２１９、上部電極層２２０で構成されている。図２（ｃ）は、下部電極層２１１と強磁性層２１４の寸法が異なる場合であるが、両者の寸法が同じでもよい。その場合には、強磁性層２１４の加工と同時に電界磁化制御層２１５と下部電極層２１１を加工可能なため、素子作製が容易になる。非磁性層２１３は強磁性層２１４と強磁性記録層２１６間に交換相互作用が働かない厚さに設計されている。

電界磁化制御層２１５は、下部電極層２１１と強磁性層２１４間に設けられている。また、電界磁化制御層２１５は、絶縁性と反強磁性を示し、強磁性層２１４と接触することにより、強磁性層２１４と交換結合している。電界磁化制御層２１５は、電圧が印加されていない状態において｜θ｜≦１０度であり、書き込み電圧が印加された状態では｜θ｜≧８０度となる材料、または電圧が印加されていない状態において｜θ｜≦１０度であり、書き込み電圧を印加することにより、強磁性層２１４の磁化方向を反転可能な材料である。

ここで、強磁性層２１４の磁化容易軸と強磁性層固定層２１８の磁化容易軸のなす角度をθ（｜θ｜≦１８０度で定義する）とした。このような機能を有する電界磁化制御層２１５の材料の一例としてマルチフェロイック材料があるが、前述の機能を実現できれば、他の材料でもよい。この構造では、強磁性記録層２１６に強磁性層２１４からの漏れ磁場が有効磁場として作用する。また、このトンネル磁気抵抗効果素子２１０は、強磁性記録層２１６の読み出し動作、書き込み動作ともに、強磁性層２１４と下部電極２０９間に電圧（電流）を印加することにより行う。なお、強磁性記録層２１６の端子はこの層に直接設けてもよいが、例えば強磁性層２１４上に設けてもよい。これは、強磁性層２１４における電圧低下は小さく無視できるためである。

ここで、磁気ランダムアクセスメモリのようにトンネル磁気抵抗効果素子２１０を多数個集積化させた場合を考える。この場合、隣接するトンネル磁気抵抗効果素子２１０の電界磁化制御層２１５は層間絶縁層２１９により分離する。層間絶縁層２１９は酸化シリコン、アルミナ、窒化シリコンなどである。層間絶縁層２１９は、下部電極層２１１と上部電極層２２０間のショートを防止すると同時に、隣接するトンネル磁気抵抗効果素子２１０の電界磁化制御層２１５間の相互作用を防止する。

次に、図３を用いてトンネル磁気抵抗効果素子２１０をメモリセルに適用した場合の動作を説明する。図３（ａ）は情報保持状態を示している。強磁性記録層２１６の磁化３００には強磁性層２１４の磁化３０１から漏れ磁場３０２が作用する。磁化３０１の方向は電界磁化制御層２１５により固定されているので、磁化３００には方向の安定した漏れ磁場３０２が作用する。磁化３００の方向は、この漏れ磁場３０２によって安定化され、熱安定性が向上する。

図３（ｂ）は書き込み電流３０３を印加した後の状態を表している。強磁性層２１４と下部電極層２１１の間には電位差が生じ、電界磁化制御層２１５に電圧が印加される。この電圧により、例えば、磁化３０１の磁化容易軸方向が情報保持状態の方向から９０度傾く（紙面表から裏方向）ように（図３（ｂ）参照）、電界磁化制御層２１５、及び強磁性層２１４を設計する。この時、磁化３０１から磁化３００に、紙面裏から表方向の漏れ磁場３０４が作用する。ここで、トンネル磁気抵抗効果素子２１０に電流が流れているので、磁化３００にスピントランスファトルクが作用し、図３（ｃ）のように磁化３００の方向が反転する。この状態では、磁化３００から磁化３０１に漏れ磁界３０５が印加されている。

したがって、書き込み電圧（電流）をオフすれば、電界磁化制御層へ印加されていた電圧がオフするので、磁化３０１の磁化容易軸方向は図３（ａ）と同じ方向に戻る。そして、磁化３０１は、漏れ磁場３０５により図３（ａ）と反平行に向き、書き込み動作が終了する。ここで、磁化３００に漏れ磁場３０４が作用することによって、磁化３００のスピントランスファトルクによる書き込み電流は、漏れ磁場３０４が無い場合に比べて低減する。したがって、この書き込み動作を適用することにより、従来のスピントランスファトルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリに比べて、消費電力の低減が可能となる。

以下、実施例により説明する。

第１の実施例について、図４を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態に記載され本実施例に未記載の事項は、本実施例にも適用することができる。

図４は本実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。このトンネル磁気抵抗効果素子４００は、下部電極層４０１、配向制御層４０２、反強磁性層４０３、強磁性固定層４０４、絶縁層４０５、強磁性記録層４０６、第一の非磁性層４０７、第一の強磁性層４０８、電界磁化制御層４０９で構成されており、適当な温度で熱処理することにより磁気抵抗比が最適化される。

電界磁化制御層４０９は絶縁性と反強磁性を示し、第一の強磁性層４０８と接触することにより、第一の強磁性層４０８の磁化と交換結合している。また、電界磁化制御層４０９は、下部電極層４０１と第一の強磁性層４０８の間に配置されており、配向制御層４０２、反強磁性層４０３、強磁性固定層４０４、絶縁層４０５、強磁性記録層４０６、第一の非磁性層４０７で構成される磁気抵抗効果検出構造４１０と並列に接続される。

ここで、図４は、電界磁化制御層４０９が磁気抵抗効果検出構造４１０に接触している場合についての断面概略図であるが、必ずしも接触していなくても良い。また、図４では、電界磁化制御層４０９が磁気抵抗効果検出構造４１０の両側に配置されているが、第一の強磁性層４０８と接触する部分があり、十分な交換結合が得られれば、電界磁化制御層４０９を磁気抵抗効果検出構造４１０の片側だけに配置した構造も用いることができる。また、電界磁化制御層４０９を磁気抵抗効果検出構造４１０の周囲を取り囲むように設けることもできる。この場合、第一の強磁性層４０８は、磁気抵抗効果検出構造４１０の周囲を取り囲む電界磁化制御層４０９の辺部の、互いに対向する２箇所で接するように配置される。

強磁性固定層４０４は第二の強磁性層４１１、第二の非磁性層４１２、第三の強磁性層４１３で構成される。強磁性固定層４０４として第三の強磁性層４１３だけの構成も用いることができる。

配向制御層４０２は例えばＮｉＦｅやＴａとＮｉＦｅの積層膜などであり、反強磁性層４０３の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現することができれば他の材料を用いてもよい。反強磁性層４０３は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。

第二の強磁性層４１１にはＣｏＦｅ、第二の非磁性層４１２にはＲｕ、第三の強磁性層４１３には体心立方構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第二の強磁性層４１１、第二の非磁性層４１２、第三の強磁性層４１３は、第二の強磁性層４１１と第三の強磁性層４１３の磁化が反強磁性結合し、かつ第二の強磁性層４１１と第三の強磁性層４１３の磁化の大きさがほぼ等しくなるように材料と膜厚を選択する。

絶縁層４０５は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。膜厚は０．８から１．５ｎｍが望ましい。強磁性記録層４０６は体心立方格子構造のＣｏＦｅＢが望ましい。

第一の非磁性層４０７はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏまたはそれらの合金を用いることができる。膜厚は強磁性記録層４０６と第一の強磁性層４０８の間の交換相互作用が十分小さくなるように、１．５ｎｍ以上にすることが望ましい。

第一の強磁性層４０８はＮｉ_０．７８Ｆｅ_０．２２、Ｃｏ_０．９Ｆｅ_０．１などの軟磁性材料が望ましいが、電界磁化制御層４０９に電圧を印加した際に、磁気異方性を制御できれば強磁性材料（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの合金、及びその合金にＢ、Ｃｒ、Ｃ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｖ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｐｔなどを添加したもの）も用いることができる。膜厚（高さ方向）は電界磁化制御層４０９と十分な交換結合が得られる１から２０ｎｍが望ましい。また、第一の強磁性層４０８の形状は、電界磁化制御層４０９と接触部分があり、強磁性記録性４０６へ十分な有効磁場を印加できれば、図４に記載の形状に限らない。

電界磁化制御層４０９は、電圧が印加されていない状態において｜θ｜≦１０度であり、書き込み電圧が印加された状態では｜θ｜≧８０度となる材料、または電圧が印加されていない状態において｜θ｜≦１０度であり、書き込み電圧を印加することにより、第一の強磁性層４０８の磁化方向を反転可能な材料である。ここで、第一の強磁性層４０８の磁化容易軸と第三の強磁性層４１３の磁化容易軸のなす角度をθ（｜θ｜≦１８０度で定義する）とした。

電界磁化制御層４０９に電圧が印加されていない状態における、第一の強磁性層４０８の磁化容易軸方向の初期設定は、第三の強磁性層４１３と概平行または概反平行方向に数１００Ｏｅ以上の磁場を印加した状態で第一の強磁性層４０８を形成する、または第一の強磁性層４０８を形成した後、前述の方向に数ｋＯｅ以上の磁場を印加した状態で、電界磁化制御層４０９のブロッキング温度以上の温度まで加熱した後、冷却することで可能となる。なお、概平行方向とは０±１０度以内の範囲、概反平行方向とは１８０±１０度以内の範囲であればよい。

前述の機能を実現する電界磁化制御層４０９の材料としてマルチフェロイック材料であるＢｉＦｅＯ_３が望ましいが、同様の性質を示すＣｒ_２Ｏ_３、ＧａＦｅＯ_３、Ｎｉ_３Ｂ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ３Ｆｅ_５Ｏ_１２やそれらの多層膜なども用いることができる。また、前述の機能を有する材料であれば、他の材料、及びそれらの多層膜も用いることができる。

電界磁化制御層４０９に書き込み電圧を印加した際のθの調整は、電界磁化制御層４０９の材料、及び印加する電界強度、第一の強磁性層４０８の材料、及び膜厚を調整することにより可能である。例えば、書き込みの際に、下部電極層４０１と第一の強磁性層４０８間に０．３Ｖの電圧を印加し、第一の強磁性層４０８と下部電極層４０１間の間隔が３０ｎｍとすると電界磁化制御層４０９には１００ｋＶ／ｃｍの電界強度が印加される。この電界強度は、電界磁化制御層４０９にマルチフェロイック材料のＢｉＦｅＯ_３、第一の強磁性層４０８にＮｉ_０．７８Ｆｅ_０．２２を適用した場合に｜θ｜〜９０度とするために十分な大きさである。

さらに電界磁化制御層４０９の膜厚を調整するために、図４に記載されていないが、電界磁化制御層４０９と下部電極層４０１の間にＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍ、及びそれらの合金の非磁性金属層、Ｓｉ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｓｉ窒化物などの非磁性絶縁体を挿入してもよい。

続いて本実施例による熱安定性向上の効果を計算により確認した。図５（ａ）（ｂ）は従来構造のトンネル磁気抵抗効果素子５００と本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子５０１の上面図、及び断面模式図である。従来構造のトンネル磁気抵抗効果素子５００と本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子５０１の下部電極層５０２、磁気抵抗効果検出構造５０３の膜構成はともに同じである。磁気抵抗効果検出構造５０３は強磁性固定層５０４、絶縁層５０５、強磁性記録層５０６で構成されている。強磁性記録層５０６の膜厚は３ｎｍ、磁化は１．２Ｔ、異方性磁界は１００Ｏｅとした。

本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子５０１は、従来のトンネル磁気抵抗効果素子の膜構成に加えて、非磁性層５０７、強磁性層５０８、電界磁化制御層５０９を備えている。ここで、非磁性層層５０７の膜厚は５ｎｍとし、強磁性層５０８の膜厚は５ｎｍ、磁化は１．２Ｔとした。従来構造のトンネル磁気抵抗効果素子５００と本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子５０１の上面から見た面積は同じとし、磁気抵抗効果検出構造５０３の縦横比はともに１：２とした。また、本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子５０１の磁気抵抗効果検出構造５０３の上面から見た面積は全体の半分とした。

熱安定性の指標Ｅ／ｋＴの素子面積依存性を図５（ｃ）に示す。本実施例の構造を適用することにより、従来構造に比べてＥ／ｋＴを大幅に改善できることがわかる。例えば、２０ｘ４０ｎｍの面積相当においてもＥ／ｋＴ〜７７である。これは、１メガビットの素子を読み出し電流（書き込み電流の１／１０）で１０年間読み出し続けた場合に、熱安定性を保証可能な（反転してしまう確率が１０^−５以下）Ｅ／ｋＴ＞７５を満たしている。

スピントランスファトルクによる書き込み電流は、本実施例の構造を適用することにより、従来構造に比べて１／２以下に低減可能である。これは、本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子５０１の磁気抵抗効果検出構造５０３は従来構造のトンネル磁気抵抗効果素子５００の磁気抵抗効果検出構造５０３の１／２であること、また、図３（ｂ）で説明したように書き込みの際に強磁性層５０８から強磁性記録層５０６に漏れ磁場が働くことに起因する。

以上では、強磁性層の磁化方向は積層構造の概膜面内方向であったが、磁化方向は積層構造の概膜面垂直方向であっても良い。その場合、反強磁性層４０３は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。しかし、第二の強磁性層４１１の一軸異方性エネルギが十分大きい場合には、反強磁性層４０３を使用しなくてもよい。

第二の強磁性層４１１、第三の強磁性層４１３、強磁性記録層４０６、第一の強磁性層４０８にはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒの中の一つ以上の元素とＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈの中の一つ以上の元素からなる合金を用いることができる。また、希土類元素を含むＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、ＤｙＦｅＣｏなどの合金も用いることができる。

絶縁層４０５は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。その場合、第三の強磁性層４１３、及び強磁性記録層４０６と絶縁層４０５側との接合部分には、体心立方構造のＣｏＦｅＢ層を挿入することが望ましい。しかし、十分な磁気抵抗比が得られれば、ＣｏＦｅＢ層は不要である。第一の非磁性層４０７、及び第二の非磁性層４１２、電界磁化制御層４０９については、前述の強磁性層の磁化方向が積層構造の概膜面内方向にある場合と同様である。

以上述べたように、本実施例の構造を適用することにより、大容量化に適した単純な構造で、従来のスピントランスファトルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリよりも低消費電力かつ、高熱安定性なトンネル磁気抵抗効果素子を提供することができる。また、本実施例に係るトンネル磁気抵抗素子は不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリへの適用が可能である。

第２の実施例について、図６を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態や実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が内限り本実施例にも適用することができる。本実施例と実施例１との主な違いは、本実施例では第一の非磁性層６０７の膜厚が強磁性記録層６０６と第一の強磁性層６０８の間の交換相互作用により反強磁性結合または強磁性結合するように調整されている点にある。

図６は本実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。このトンネル磁気抵抗効果素子６００は、下部電極層６０１、配向制御層６０２、反強磁性層６０３、強磁性固定層６０４、絶縁層６０５、強磁性記録層６０６、第一の非磁性層６０７、第一の強磁性層６０８、電界磁化制御層６０９で構成されており、適当な温度で熱処理することにより磁気抵抗比が最適化される。

電界磁化制御層６０９は絶縁性と反強磁性を示し、第一の強磁性層６０８と接触することにより、第一の強磁性層６０８の磁化と交換結合している。また、電界磁化制御層６０９は、下部電極層６０１と第一の強磁性層６０８の間に配置されており、配向制御層６０２、反強磁性層６０３、強磁性固定層６０４、絶縁層６０５、強磁性記録層６０６、第一の非磁性層６０７で構成される磁気抵抗効果検出構造６１０と並列に接続される。

ここで、図６は、電界磁化制御層６０９が磁気抵抗効果検出構造６１０に接触している場合についての断面概略図であるが、必ずしも接触していなくても良い。また、図６では、電界磁化制御層６０９が磁気抵抗効果検出構造６１０の両側に配置されているが、第一の強磁性層６０８と接触する部分があり、十分な交換結合が得られれば、電界磁化制御層６０９を磁気抵抗効果検出構造６１０の片側だけに配置した構造も用いることができる。また、電界磁化制御層６０９を磁気抵抗効果検出構造６１０の周囲を取り囲むように設けることもできる。この場合、第一の強磁性層６０８は、磁気抵抗効果検出構造６１０の周囲を取り囲む電界磁化制御層６０９の辺部の、互いに対向する２箇所で接するように配置される。強磁性固定層６０４は第二の強磁性層６１１、第二の非磁性層６１２、第三の強磁性層６１３で構成される。強磁性固定層６０４として第三の強磁性層６１３だけの構成も用いることができる。

配向制御層６０２は例えばＮｉＦｅやＴａとＮｉＦｅの積層膜などであり、反強磁性層６０３の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現することができれば他の材料を用いてもよい。反強磁性層６０３は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。

第二の強磁性層６１１にはＣｏＦｅ、第二の非磁性層６１２にはＲｕ、第三の強磁性層６１３には体心立方構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第二の強磁性層６１１、第二の非磁性層６１２、第三の強磁性層６１３は、第二の強磁性層６１１と第三の強磁性層６１３の磁化が反強磁性結合し、かつ第二の強磁性層６１１と第三の強磁性層６１３の磁化の大きさがほぼ等しくなるように材料と膜厚を選択する。

絶縁層６０５は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。膜厚は０．８から１．５ｎｍが望ましい。強磁性記録層６０６は体心立方格子構造のＣｏＦｅＢが望ましい。

第一の非磁性層６０７はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏまたはそれらの合金を用いることができる。膜厚は強磁性記録層６０６と第一の強磁性層６０８の間の交換相互作用により反強磁性結合または強磁性結合するように調整する。

第一の強磁性層６０８はＮｉ_０．７８Ｆｅ_０．２２、Ｃｏ_０．９Ｆｅ_０．１などの軟磁性材料が望ましいが、電界磁化制御層６０９に電圧を印加した際に、磁気異方性を制御できれば強磁性材料（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの合金、及びその合金にＢ、Ｃｒ、Ｃ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｖ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｐｔなどを添加したもの）も用いることができる。膜厚は電界磁化制御層６０９と十分な交換結合が得られる１から２０ｎｍが望ましい。また、形状は、電界磁化制御層６０９と接触部分があり、強磁性記録性６０６へ十分な有効磁場を印加できれば、図６に記載の形状に限らない。

電界磁化制御層６０９は、電圧が印加されていない状態において｜θ｜≦１０度であり、書き込み電圧が印加された状態では｜θ｜≧８０度となる材料、または電圧が印加されていない状態において｜θ｜≦１０度であり、書き込み電圧を印加することにより、第一の強磁性層６０８の磁化方向を反転可能な材料である。ここで、第一の強磁性層６０８の磁化容易軸と第三の強磁性層６１３の磁化容易軸のなす角度をθ（｜θ｜≦１８０度で定義する）とした。

電界磁化制御層６０９に電圧が印加されていない状態における、第一の強磁性層６０８の磁化容易軸方向の初期設定は、第三の強磁性層６１３と概平行または概反平行方向に数１００Ｏｅ以上の磁場を印加した状態で第一の強磁性層６０８を形成する、または第一の強磁性層６０８を形成した後、前述の方向に数ｋＯｅ以上の磁場を印加した状態で、電界磁化制御層６０９のブロッキング温度以上の温度まで加熱した後、冷却することで可能となる。前述の機能を実現する電界磁化制御層６０９の材料としてマルチフェロイック材料であるＢｉＦｅＯ_３が望ましいが、同様の性質を示すＣｒ_２Ｏ_３、ＧａＦｅＯ_３、Ｎｉ_３Ｂ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ３Ｆｅ_５Ｏ_１２、及びそれらの多層膜なども用いることができる。また、前述の機能を有する材料であれば、他の材料、及びそれらの多層膜も用いることができる。

電界磁化制御層６０９に書き込み電圧を印加した際のθの調整は、電界磁化制御層６０９の材料、及び印加する電界強度、第一の強磁性層の材料、及び膜厚を調整することにより可能である。例えば、書き込みの際に、下部電極層６０１と第一の強磁性層６０８間に０．３Ｖの電圧を印加し、第一の強磁性層６０８と下部電極層６０１間の間隔が３０ｎｍとすると電界磁化制御層６０９には１００ｋＶ／ｃｍの電界強度を印加される。この電界強度は、電界磁化制御層６０９にマルチフェロイック材料のＢｉＦｅＯ_３、第一の強磁性層６０８にＮｉ_０．７８Ｆｅ_０．２２を適用した場合に｜θ｜〜９０度とするために十分な大きさである。さらに電界磁化制御層６０９の膜厚を調整するために、図６に記載されていないが、電界磁化制御層６０９と下部電極層６０１の間にＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍ、及びそれらの合金の非磁性金属層、Ｓｉ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｓｉ窒化物などの非磁性絶縁体を挿入してもよい。

以上では、強磁性層の磁化方向は積層構造の概膜面内方向であったが、磁化方向は積層構造の概膜面垂直方向であっても良い。その場合、反強磁性層６０３は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。しかし、第二の強磁性層６１１の一軸異方性エネルギが十分大きい場合には、反強磁性層６０３を使用しなくてもよい。

第二の強磁性層６１１、第三の強磁性層６１３、強磁性記録層６０６、第一の強磁性層６０８にはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒの中の一つ以上の元素とＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈの中の一つ以上の元素からなる合金を用いることができる。また、希土類元素を含むＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、ＤｙＦｅＣｏなどの合金も用いることができる。

絶縁層６０５は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。その場合、第三の強磁性層６１３、及び強磁性記録層６０６と絶縁層６０５側との接合部分には、体心立方構造のＣｏＦｅＢ層を挿入することが望ましい。しかし、十分な磁気抵抗比が得られれば、ＣｏＦｅＢ層は不要である。第一の非磁性層６０７、及び第二の非磁性層６１２、電界磁化制御層６０９については、前述の強磁性層の磁化方向が積層構造の概膜面内方向にある場合と同様である。

以上述べたように、本実施例の構造を適用することにより、大容量化に適した単純な構造で、従来のスピントランスファトルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリよりも低消費電力かつ、高熱安定性なトンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。また、第一の実施例よりも、強磁性記録層へ作用する有効磁場が大きいために、さらに熱安定性を改善することができる。例えば、第一の実施例で２０ｘ４０ｎｍの面積相当とし、図５（ｃ）の計算で用いたパラメータを用いると、強磁性記録層に印加される有効磁場は６４０Ｏｅ程度である。しかし、本実施例の有効磁場は７５０Ｏｅ以上にすることが可能なので、第一の実施例よりも熱安定性を１．２倍以上改善することが可能である。また、消費電力は、書き込み電圧を印加するだけでも第一の強磁性層６０８の磁化方向を反転可能なため、実施例１と同様に従来構造のトンネル磁気抵抗素子５００の場合の１／２以下に低減可能である。また、本実施例に係るトンネル磁気抵抗素子は不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリへの適用が可能である。

第３の実施例について、図７を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態や実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が内限り本実施例にも適用することができる。本実施例と実施例１との主な違いは、本実施例では強磁性記録層７０６と第一の強磁性層７０７とが反強磁性結合または強磁性結合している点にある。

図７は本実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。このトンネル磁気抵抗効果素子７００は、下部電極層７０１、配向制御層７０２、反強磁性層７０３、強磁性固定層７０４、絶縁層７０５、強磁性記録層７０６、第一の強磁性層７０７、電界磁化制御層７０８で構成されており、適当な温度で熱処理することにより磁気抵抗比が最適化される。

電界磁化制御層７０８は絶縁性と反強磁性を示し、第一の強磁性層７０７と接触することにより、第一の強磁性層７０７の磁化と交換結合している。また、電界磁化制御層７０８は、下部電極層７０１と第一の強磁性層７０７の間に配置されており、配向制御層７０２、反強磁性層７０３、強磁性固定層７０４、絶縁層７０５、強磁性記録層７０６で構成される磁気抵抗効果検出構造７０９と並列に接続される。

ここで、図７は、電界磁化制御層７０８が磁気抵抗効果検出構造７０９に接触している場合についての断面概略図であるが、必ずしも接触していなくても良い。また、図７では、電界磁化制御層７０８が磁気抵抗効果検出構造７０９の両側に配置されているが、第一の強磁性層７０７と接触する部分があり、十分な交換結合が得られれば、電界磁化制御層７０８を磁気抵抗効果検出構造７０９の片側だけに配置した構造も用いることができる。また、電界磁化制御層７０８を磁気抵抗効果検出構造７０９の周囲を取り囲むように設けることもできる。この場合、第一の強磁性層７０７は、磁気抵抗効果検出構造７０９の周囲を取り囲む電界磁化制御層７０８の辺部の、互いに対向する２箇所で接するように配置される。強磁性固定層７０４は第二の強磁性層７１０、非磁性層７１１、第三の強磁性層７１２で構成される。強磁性固定層７０４として第三の強磁性層７１２だけの構成も用いることができる。

配向制御層７０２は例えばＮｉＦｅやＴａとＮｉＦｅの積層膜などであり、反強磁性層７０３の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現することができれば他の材料を用いてもよい。反強磁性層７０３は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。

第二の強磁性層７１０にはＣｏＦｅ、非磁性層７１１にはＲｕ、第三の強磁性層７１２には体心立方構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第二の強磁性層７１０、非磁性層７１１、第三の強磁性層７１２は、第二の強磁性層７１０と第三の強磁性層７１２の磁化が反強磁性結合し、かつ第二の強磁性層７１０と第三の強磁性層７１２の磁化の大きさがほぼ等しくなるように材料と膜厚を選択する。

絶縁層７０５は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。膜厚は０．８から１．５ｎｍが望ましい。

強磁性記録層７０６は体心立方格子構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第一の強磁性層７０７はＮｉ_０．７８Ｆｅ_０．２２、Ｃｏ_０．９Ｆｅ_０．１などの軟磁性材料が望ましいが、電界磁化制御層７０８に電圧を印加した際に、磁気異方性を制御できれば強磁性材料（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの合金、及びその合金にＢ、Ｃｒ、Ｃ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｖ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｐｔなどを添加したもの）も用いることができる。膜厚は電界磁化制御層７０８と十分な交換結合が得られる１から２０ｎｍが望ましい。また、形状は、電界磁化制御層７０８と接触部分があり、強磁性記録性７０６へ十分な有効磁場を印加できれば、図７に記載の形状に限らない。

電界磁化制御層７０８は、電圧が印加されていない状態において｜θ｜≦１０度であり、書き込み電圧を印加することにより、第一の強磁性層７０７の磁化方向を反転可能な材料である。ここで、第一の強磁性層７０７の磁化容易軸と第三の強磁性層７１２の磁化容易軸のなす角度をθ（｜θ｜≦１８０度で定義する）とした。電界磁化制御層７０８に電圧が印加されていない状態における、第一の強磁性層７０８の磁化容易軸方向の初期設定は、第三の強磁性層７１２と概平行または概反平行方向に数１００Ｏｅ以上の磁場を印加した状態で第一の強磁性層７０７を形成する、または第一の強磁性層７０７を形成した後、前述の方向に数ｋＯｅ以上の磁場を印加した状態で、電界磁化制御層７０８のブロッキング温度以上の温度まで加熱した後、冷却することで可能となる。前述の機能を実現する電界磁化制御層７０８の材料としてマルチフェロイック材料であるＢｉＦｅＯ_３が望ましいが、同様の性質を示すＣｒ_２Ｏ_３、ＧａＦｅＯ_３、Ｎｉ_３Ｂ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ３Ｆｅ_５Ｏ_１２、及びそれらの多層膜なども用いることができる。また、前述の機能を有する材料であれば、他の材料、及びそれらの多層膜も用いることができる。

電界磁化制御層７０８に書き込み電圧を印加した際のθの調整は、電界磁化制御層７０８の材料、及び印加する電界強度、第一の強磁性層７０７の材料、及び膜厚を調整することにより可能である。例えば、書き込みの際に、下部電極層７０１と第一の強磁性層７０７間に０．３Ｖの電圧を印加し、第一の強磁性層７０７と下部電極層７０１間の間隔が３０ｎｍとすると電界磁化制御層７０８には１００ｋＶ／ｃｍの電界強度を印加される。この電界強度は、電界磁化制御層７０８にマルチフェロイック材料のＢｉＦｅＯ_３、第一の強磁性層７０７にＮｉ_０．７８Ｆｅ_０．２２を適用した場合に｜θ｜〜９０度とするために十分な大きさである。さらに電界磁化制御層７０８の膜厚を調整するために、図７に記載されていないが、電界磁化制御層７０８と下部電極層７０１の間にＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍ、及びそれらの合金の非磁性金属層、Ｓｉ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｓｉ窒化物などの非磁性絶縁体を挿入してもよい。

以上では、強磁性層の磁化方向は積層構造の概膜面内方向であったが、磁化方向は積層構造の概膜面垂直方向であっても良い。その場合、反強磁性層７０３は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。しかし、第二の強磁性層７１０の一軸異方性エネルギが十分大きい場合には、反強磁性層７０３を使用しなくてもよい。

第二の強磁性層７１０、第三の強磁性層７１２、強磁性記録層７０６、第一の強磁性層７０７にはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒの中の一つ以上の元素とＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈの中の一つ以上の元素からなる合金を用いることができる。また、希土類元素を含むＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、ＤｙＦｅＣｏなどの合金も用いることができる。

絶縁層７０５は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。その場合、第三の強磁性層７１２、及び強磁性記録層７０６と絶縁層７０５側との接合部分には、体心立方構造のＣｏＦｅＢ層を挿入することが望ましい。しかし、十分な磁気抵抗比が得られれば、ＣｏＦｅＢ層は不要である。非磁性層７１１、電界磁化制御層７０８については、前述の強磁性層の磁化方向が積層構造の概膜面内方向にある場合と同様である。

以上述べたように、本実施例の構造を適用することにより、大容量化に適した単純な構造で、従来のスピントランスファトルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリよりも低消費電力かつ、高熱安定性なトンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。また、第二の実施例よりも、強磁性記録層へ作用する有効磁場が大きいために、さらに熱安定性を改善することができる。具体的には、第二の実施例の有効磁場は７５０Ｏｅ程度であるが、本実施例の構造において強磁性記録層７０６に印加される有効磁場は１０００Ｏｅ以上である。したがって、本実施例の熱安定性は、第二の実施例の約１．３倍以上である。また、消費電力は、書き込み電圧を印加するだけでも第一の強磁性層６０８の磁化方向を反転可能なため、実施例１、２と同様に従来構造のトンネル磁気抵抗素子５００の場合の１／２以下に低減可能である。また、本実施例に係るトンネル磁気抵抗素子は不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリへの適用が可能である。

第４の実施例について、図８を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態や実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。

図８は本実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。このトンネル磁気抵抗効果素子８００は、下部電極層８０１、配向制御層８０２、反強磁性層８０３、強磁性固定層８０４、絶縁層８０５、強磁性記録層８０６、第一の非磁性層８０７、第一の強磁性層８０８、電界磁化制御層８０９で構成されており、適当な温度で熱処理することにより磁気抵抗比が最適化される。電界磁化制御層８０９は絶縁性と反強磁性を示し、第一の強磁性層８０８と接触することにより、第一の強磁性層８０８の磁化と交換結合している。また、電界磁化制御層８０９は、絶縁層８０５と第一の強磁性層８０８の間に配置されており、配向制御層８０２、反強磁性層８０３、強磁性固定層８０４、絶縁層８０５、強磁性記録層８０６、第一の非磁性層８０７で構成される磁気抵抗効果検出構造８１０と並列に接続される。

ここで、図８は、電界磁化制御層８０９が磁気抵抗効果検出構造８１０に接触している場合についての断面概略図であるが、必ずしも接触していなくても良い。また、図８では、電界磁化制御層８０９が磁気抵抗効果検出構造８１０の両側に配置されているが、第一の強磁性層８０８と接触する部分があり、十分な交換結合が得られれば、電界磁化制御層８０９を磁気抵抗効果検出構造８１０の片側だけに配置した構造も用いることができる。また、電界磁化制御層８０９を磁気抵抗効果検出構造８１０の周囲を取り囲むように設けることもできる。この場合、第一の強磁性層８０８は、磁気抵抗効果検出構造８１０の周囲を取り囲む電界磁化制御層８０９の辺部の、互いに対向する２箇所で接するように配置される。強磁性固定層８０４は第二の強磁性層８１１、第二の非磁性層８１２、第三の強磁性層８１３で構成される。強磁性固定層８０４として第三の強磁性層８１３だけの構成も用いることができる。

配向制御層８０２は例えばＮｉＦｅやＴａとＮｉＦｅの積層膜などであり、反強磁性層８０３の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現することができれば他の材料を用いてもよい。

反強磁性層８０３は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。

第二の強磁性層８１１にはＣｏＦｅ、第二の非磁性層８１２にはＲｕ、第三の強磁性層８１３には体心立方構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第二の強磁性層８１１、第二の非磁性層８１２、第三の強磁性層８１３は、第二の強磁性層８１１と第三の強磁性層８１３の磁化が反強磁性結合し、かつ第二の強磁性層８１１と第三の強磁性層８１３の磁化の大きさがほぼ等しくなるように材料と膜厚を選択する。

絶縁層８０５は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。膜厚は０．８から１．５ｎｍが望ましい。強磁性記録層８０６は体心立方格子構造のＣｏＦｅＢが望ましい。

第一の非磁性層８０７はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏまたはそれらの合金を用いることができる。膜厚は強磁性記録層８０６と第一の強磁性層８０８の間の交換相互作用が十分小さくなるように、１．５ｎｍ以上にすることが望ましい。

第一の強磁性層８０８はＮｉ_０．７８Ｆｅ_０．２２、Ｃｏ_０．９Ｆｅ_０．１などの軟磁性材料が望ましいが、電界磁化制御層８０９に電圧を印加した際に、磁気異方性を制御できれば強磁性材料（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの合金、及びその合金にＢ、Ｃｒ、Ｃ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｖ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｐｔなどを添加したもの）も用いることができる。膜厚は電界磁化制御層８０９と十分な交換結合が得られる１から２０ｎｍが望ましい。また、形状は、電界磁化制御層８０９と接触部分があり、強磁性記録性８０６へ十分な有効磁場を印加できれば、図８に記載の形状に限らない。

電界磁化制御層８０９は、電圧が印加されていない状態において｜θ｜≦１０度であり、書き込み電圧が印加された状態では｜θ｜≧８０度となる材料、または電圧が印加されていない状態において｜θ｜≦１０度であり、書き込み電圧を印加することにより、第一の強磁性層８０８の磁化方向を反転可能な材料である。ここで、第一の強磁性層８０８の磁化容易軸と第三の強磁性層８１３の磁化容易軸のなす角度をθ（｜θ｜≦１８０度で定義する）とした。

電界磁化制御層８０９に電圧が印加されていない状態における、第一の強磁性層８０８の磁化容易軸方向の初期設定は、第三の強磁性層８１３と概平行または概反平行方向に数１００Ｏｅ以上の磁場を印加した状態で第一の強磁性層８０８形成する、または第一の強磁性層８０８を形成した後、前述の方向に数ｋＯｅ以上の磁場を印加した状態で、電界磁化制御層８０９のブロッキング温度以上の温度まで加熱した後、冷却することで可能となる。前述の機能を実現する電界磁化制御層８０９の材料としてマルチフェロイック材料であるＢｉＦｅＯ_３が望ましいが、同様の性質を示すＣｒ_２Ｏ_３、ＧａＦｅＯ_３、Ｎｉ_３Ｂ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ３Ｆｅ_５Ｏ_１２、及びそれらの多層膜なども用いることができる。また、前述の機能を有する材料であれば、他の材料、及びそれらの多層膜も用いることができる。

電界磁化制御層８０９に書き込み電圧を印加した際のθの調整は、電界磁化制御層８０９の材料、及び印加する電界強度、第一の強磁性層８０８の材料、及び膜厚を調整することにより可能である。例えば、書き込みの際に、下部電極層８０１と第一の強磁性層８０８間に０．３Ｖの電圧を印加し、第一の強磁性層８０８と絶縁層８０５の膜厚を１ｎｍ、強磁性記録層８０６の膜厚を３ｎｍ、第一の非磁性層８０７の膜厚を５ｎｍとすると、磁化制御層８０９には３００ｋＶ／ｃｍの電界強度を印加可能である。したがって、本実施例の構造により、書き込み電圧が同じであっても、実施例１、２、３よりも大きな電界強度を電界磁化制御層８０９へ印加可能である。

さらに電界磁化制御層８０９の膜厚を調整するために、図８に記載されていないが、電界磁化制御層８０９と絶縁層８０５の間にＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍ、及びそれらの合金の非磁性金属層、Ｓｉ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｓｉ窒化物などの非磁性絶縁体を挿入してもよい。

以上では、強磁性層の磁化方向は積層構造の概膜面内方向であったが、磁化方向は積層構造の概膜面垂直方向であっても良い。その場合、反強磁性層８０３は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。しかし、第二の強磁性層８１１の一軸異方性エネルギが十分大きい場合には、反強磁性層８０３を使用しなくてもよい。第二の強磁性層８１１、第三の強磁性層８１３、強磁性記録層８０６、第一の強磁性層８０８にはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒの中の一つ以上の元素とＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈの中の一つ以上の元素からなる合金を用いることができる。また、希土類元素を含むＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、ＤｙＦｅＣｏなどの合金も用いることができる。

絶縁層８０５は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。その場合、第三の強磁性層８１３、及び強磁性記録層８０６と絶縁層８０５側との接合部分には、体心立方構造のＣｏＦｅＢ層を挿入することが望ましい。しかし、十分な磁気抵抗比が得られれば、ＣｏＦｅＢ層は不要である。第一の非磁性層８０７、及び第二の非磁性層８１２、電界磁化制御層８０９については、前述の強磁性層の磁化方向が積層構造の概膜面内方向にある場合と同様である。

以上述べたように、本実施例の構造を適用することにより、大容量化に適した単純な構造で、従来のスピントランスファトルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリよりも低消費電力かつ、高熱安定性なトンネル磁気抵抗効果素子を提供することができる。また、本実施例の構造を用いると、前述のように、書き込み電圧が同じであっても、実施例１−３の構造の約３倍の電界強度を電界磁化制御層へ印加可能となり、書き込み動作が容易になる。本実施例では実施例１の構造にトンネル磁気抵抗素子８００の構造を適用した場合について述べたが、実施例２、３についても同様の構造を適用可能である。また、本実施例に係るトンネル磁気抵抗素子は不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリへの適用が可能である。

第５の実施例について、図９を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態や実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が内限り本実施例にも適用することができる。

図９は本実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。このトンネル磁気抵抗効果素子９００は、下部電極層９０１、配向制御層９０２、反強磁性層９０３、強磁性固定層９０４、絶縁層９０５、強磁性記録層９０６、第一の非磁性層９０７、第一の強磁性層９０８、電界磁化制御層９０９、上部電極層９１０で構成されており、適当な温度で熱処理することにより磁気抵抗比が最適化される。

電界磁化制御層９０９は絶縁性と反強磁性を示し、第一の強磁性層９０８と接触することにより、第一の強磁性層９０８の磁化と交換結合している。また、電界磁化制御層９０９は、上部電極層９１０と絶縁層９０５の間に配置されており、配向制御層９０２、反強磁性層９０３、強磁性固定層９０４、絶縁層９０５、強磁性記録層９０６、第一の非磁性層９０７で構成される磁気抵抗効果検出構造９１１と並列に接続される。

ここで、図９は、電界磁化制御層９０９が磁気抵抗効果検出構造９１１に接触している場合についての断面概略図であるが、必ずしも接触していなくても良い。また、図９では、電界磁化制御層９０９が磁気抵抗効果検出構造９１１の両側に配置されているが、第一の強磁性層９０８と接触する部分があり、十分な交換結合が得られれば、電界磁化制御層９０９を磁気抵抗効果検出構造９１１の片側だけに配置した構造も用いることができる。強磁性固定層９０４は第二の強磁性層９１２、第二の非磁性層９１３、第三の強磁性層９１４で構成される。強磁性固定層９０４として第三の強磁性層９１４だけの構成も用いることができる。

配向制御層９０２は例えばＮｉＦｅやＴａとＮｉＦｅの積層膜などであり、反強磁性層９０３の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現することができれば他の材料を用いてもよい。

反強磁性層９０３は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。

第二の強磁性層９１２にはＣｏＦｅ、第二の非磁性層９１３にはＲｕ、第三の強磁性層９１４には体心立方構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第二の強磁性層９１２、第二の非磁性層９１３、第三の強磁性層９１４は、第二の強磁性層９１２と第三の強磁性層９１４の磁化が反強磁性結合し、かつ第二の強磁性層９１２と第三の強磁性層９１４の磁化の大きさがほぼ等しくなるように材料と膜厚を選択する。

絶縁層９０５は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。膜厚は０．８から１．５ｎｍが望ましい。強磁性記録層９０６は体心立方格子構造のＣｏＦｅＢが望ましい。

第一の非磁性層９０７はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏまたはそれらの合金を用いることができる。また、第一の非磁性層９０７は上部電極層９１０と同じ材料であってもよい。

第一の強磁性層９０８はＮｉ_０．７８Ｆｅ_０．２２、Ｃｏ_０．９Ｆｅ_０．１などの軟磁性材料が望ましいが、電界磁化制御層９０９に電圧を印加した際に、磁気異方性を制御できれば強磁性材料（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの合金、及びその合金にＢ、Ｃｒ、Ｃ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｖ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｐｔなどを添加したもの）も用いることができる。膜厚は電界磁化制御層９０９と十分な交換結合が得られる１から２０ｎｍが望ましい。また、形状は、電界磁化制御層９０９と接触部分があり、強磁性記録性９０６へ十分な有効磁場を印加できれば、図９に記載の形状に限らない。

電界磁化制御層９０９は、電圧が印加されていない状態において｜θ｜≦１０度であり、書き込み電圧が印加された状態では｜θ｜≧８０度となる材料、または電圧が印加されていない状態において｜θ｜≦１０度であり、書き込み電圧を印加することにより、第一の強磁性層９０８の磁化方向を反転可能な材料である。ここで、第一の強磁性層９０８の磁化容易軸と第三の強磁性層４１３の磁化容易軸のなす角度をθ（｜θ｜≦１８０度で定義する）とした。

電界磁化制御層９０９に電圧が印加されていない状態における、第一の強磁性層９０８の磁化容易軸方向の初期設定は、第三の強磁性層９１４と概平行または概反平行方向に数１００Ｏｅ以上の磁場を印加した状態で第一の強磁性層９０８形成する、または第一の強磁性層９０８を形成した後、前述の方向に数ｋＯｅ以上の磁場を印加した状態で、電界磁化制御層９０９のブロッキング温度以上の温度まで加熱した後、冷却することで可能となる。前述の機能を実現する電界磁化制御層９０９の材料としてマルチフェロイック材料であるＢｉＦｅＯ_３が望ましいが、同様の性質を示すＣｒ_２Ｏ_３、ＧａＦｅＯ_３、Ｎｉ_３Ｂ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ３Ｆｅ_５Ｏ_１２、及びそれらの多層膜なども用いることができる。また、前述の機能を有する材料であれば、他の材料、及びそれらの多層膜も用いることができる。

電界磁化制御層９０９に書き込み電圧を印加した際のθの調整は、電界磁化制御層９０９の材料、及び印加する電界強度、第一の強磁性層９０８の材料、及び膜厚を調整することにより可能である。さらに電界磁化制御層９０９の膜厚を調整するために、図９に記載されていないが、電界磁化制御層９０９と上部電極層９１０の間にＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍ、及びそれらの合金の非磁性金属層、Ｓｉ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｓｉ窒化物などの非磁性絶縁体を挿入してもよい。

以上では、強磁性層の磁化方向は積層構造の概膜面内方向であったが、磁化方向は積層構造の概膜面垂直方向であっても良い。その場合、反強磁性層９０３は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ、ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。しかし、第二の強磁性層９１２の一軸異方性エネルギが十分大きい場合には、反強磁性層９０３を使用しなくてもよい。第二の強磁性層９１２、第三の強磁性層９１４、強磁性記録層９０６、第一の強磁性層９０８にはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒの中の一つ以上の元素とＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈの中の一つ以上の元素からなる合金を用いることができる。また、希土類元素を含むＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、ＤｙＦｅＣｏなどの合金も用いることができる。

絶縁層９０５は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。その場合、第三の強磁性層９１４、及び強磁性記録層９０６と絶縁層９０５側との接合部分には、体心立方構造のＣｏＦｅＢ層を挿入することが望ましい。しかし、十分な磁気抵抗比が得られれば、ＣｏＦｅＢ層は不要である。第一の非磁性層９０７、及び第二の非磁性層９１３、電界磁化制御層９０９については、前述の強磁性層の磁化方向が積層構造の概膜面内方向にある場合と同様である。

以上述べたように、本発明の構造を適用することにより、大容量化に適した単純な構造で、従来のスピントランスファトルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリよりも低消費電力かつ、高熱安定性なトンネル磁気抵抗効果素子を提供することができる。また、本実施例の構造を用いると、実施例５と同様に、書き込み電圧が同じであっても、実施例１−３の構造の約３倍の電界強度を電界磁化制御層へ印加可能となり、書き込み動作が容易になる。また、本実施例に係るトンネル磁気抵抗素子は不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリへの適用が可能である。

第６の実施例について、図１０を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態や実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が内限り本実施例にも適用することができる。

図１０は本実施例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の概略構造断面図である。このトンネル磁気抵抗効果素子１０００は、下部電極層１００１、磁気抵抗効果検出構造１００２、上部電極層１００３、非磁性金属層１００４、強磁性層１００５、電界磁化制御層１００６で構成されている。磁気抵抗効果検出構造１００２の構成は実施例５と同じである。

非磁性金属層１００４は下部電極層１００１と接しており、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏまたはそれらの合金を用いることができる。

強磁性層１００５は非磁性金属層１００４と接している。強磁性層１００５はＮｉ_０．７８Ｆｅ_０．２２、Ｃｏ_０．９Ｆｅ_０．１などの軟磁性材料が望ましいが、電界磁化制御層１００６に電圧を印加した際に、磁気異方性を制御できれば強磁性材料（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの合金、及びその合金にＢ、Ｃｒ、Ｃ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｖ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｐｔなどを添加したもの）も用いることができる。膜厚は電界磁化制御層１００６と十分な交換結合が得られる１から２０ｎｍが望ましい。また、形状は、電界磁化制御層１００６と接触部分があり、磁気抵抗効果検出構造１００２における強磁性記録層へ十分な有効磁場を印加できれば、図１０に記載の形状に限らない。

電界磁化制御層１００６は絶縁性と反強磁性を示し、強磁性層１００５と接触することにより、強磁性層１００５の磁化と交換結合している。また、電界磁化制御層１００６は、上部電極層１００３と強磁性層１００５の間に配置されており、磁気抵抗効果検出構造１００２と並列に接続される。

ここで、図１０は、電界磁化制御層１００６が磁気抵抗効果検出構造１００２に接触している場合についての断面概略図であるが、必ずしも接触していなくても良い。また、図１０では、電界磁化制御層１００６が磁気抵抗効果検出構造１００２の両側に配置されているが、強磁性層１００５と接触する部分があり、十分な交換結合が得られれば、電界磁化制御層１００６を磁気抵抗効果検出構造１００２の片側だけに配置した構造も用いることができる。

電界磁化制御層１００６は、電圧が印加されていない状態において｜θ｜≦１０度であり、書き込み電圧が印加された状態では｜θ｜≧８０度となる材料、または電圧が印加されていない状態において｜θ｜≦１０度であり、書き込み電圧を印加することにより、強磁性層１００５の磁化方向を反転可能な材料である。ここで、強磁性層１００５の磁化容易軸と磁気抵抗効果検出構造１００２において絶縁層と接している強磁性固定層の磁化容易軸のなす角度をθ（（｜θ｜≦１８０度で定義する）とした。

電界磁化制御層１００６に電圧が印加されていない状態における、強磁性層１００５の磁化容易軸方向の初期設定は、強磁性層１００５の磁化容易軸方向を磁気抵抗効果検出構造１００２の絶縁層と接している強磁性固定層の磁化方向と概平行または概反平行方向に数１００Ｏｅ以上の磁場を印加した状態で強磁性層１００５を形成する、または強磁性層１００５を形成した後、前述の方向に数ｋＯｅ以上の磁場を印加した状態で、電界磁化制御層１００６のブロッキング温度以上の温度まで加熱した後、冷却することで可能となる。

前述の機能を実現する電界磁化制御層１００６の材料としてマルチフェロイック材料であるＢｉＦｅＯ_３が望ましいが、同様の性質を示すＣｒ_２Ｏ_３、ＧａＦｅＯ_３、Ｎｉ_３Ｂ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ３Ｆｅ_５Ｏ_１２、及びそれらの多層膜なども用いることができる。また、前述の機能を有する材料であれば、他の材料、及びそれらの多層膜も用いることができる。

電界磁化制御層１００６に書き込み電圧を印加した際のθの調整は、電界磁化制御層１００６の材料、及び印加する電界強度、強磁性層１００５の材料、及び膜厚を調整することにより可能である。

以上述べたように、本実施例の構造を適用することにより、大容量化に適した単純な構造で、従来のスピントランスファトルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリよりも低消費電力かつ、高熱安定性なトンネル磁気抵抗効果素子を提供することができる。また、本実施例の構造を用いると、実施例４、５と同様に、書き込み電圧が同じであっても、実施例１−３の構造の約３倍の電界強度を電界磁化制御層へ印加可能となり、書き込み動作が容易になる。さらに、強磁性層１００５の位置を所望の位置に調整できるため、強磁性記録層へ印加される有効磁場の設計が容易となる。また、本実施例に係るトンネル磁気抵抗素子は不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリへの適用が可能である。

第７の実施例について図１１を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態、実施例１から実施例６のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が内限り本実施例にも適用することができる。

図１１はトンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリセル（上部）並びに磁気ランダムアクセスメモリ（下部）の概略構成図である。磁気メモリセル１１００は実施例１−６に記載のトンネル磁気抵抗効果素子１１０２、トンネル磁気抵抗効果素子１１０２に接続された電極１１０３、トンネル磁気抵抗効果素子１１０２に接続され、トンネル磁気抵抗効果素子１１０２に流れる電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する選択トランジスタ（スイッチング素子）１１０１、選択トランジスタ（スイッチング素子）１１０１の電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する信号を伝達するためのゲート電極１１０４で構成される。

メモリアレイ１１０５は磁気メモリセル１１００をアレイ状に複数配置したもので、各磁気メモリセル１１００の電極１１０３およびゲート電極１１０４にはそれぞれビット線１１０６およびワード線１１０７が接続されている。

各ビット線１１０６およびワード線１１０７には、それぞれビット線ドライバ１１０８およびワード線ドライバ１１０９が接続されており、ワード線ドライバ１１０９から所望の選択トランジスタに制御信号を送り選択トランジスタをＯＮにすること、またビット線ドライバ１１０８から所望のメモリセルに読み出し又は書き込み電流を流すことが可能である。

このようにして目的のメモリセルに接続されているワード線１１０７およびビット線１１０６を選択することにより、所望の磁気メモリセル１１００への書き込み、読み出しが可能となる。磁気メモリセルへ書き込み電流等が低減された上記トンネル磁気抵抗効果素子を用いることにより、選択トランジスタを小さくすることが可能となり、微細な磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。

以上述べたように、本実施例によれば、大容量化に適した単純な構造で、従来のスピントランスファトルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリよりも消費電力を１／２以下に低減可能であり、かつ、高熱安定性なトンネル磁気抵抗効果素子を用いた不揮発性の磁気メモリセル並びに磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。

以上、本願発明を詳細に説明したが、以下に主な発明の形態を列挙する。
（１） 電界により磁化方向が制御可能な、反強磁性の性質を備えた電界磁化制御層と、
絶縁層と前記絶縁層を挟んで設けられた強磁性固定層と強磁性記録層とを備え、前記電界磁化制御層と電気的に並列接続された磁気抵抗効果検出構造と、
前記電界磁化制御層に電圧が印加されていない状態で、前記強磁性固定層の磁化容易軸となす角度が±１０度以内の磁化容易軸を備え、前記電界磁化制御層と接触して交換結合すると共に、前記強磁性記録層へ有効磁場を印加する強磁性層と、を有する特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
（２） トンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を備えた磁気メモリセルにおいて、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
電界により磁化方向が制御可能な、反強磁性の性質を備えた電界磁化制御層と、
強磁性固定層と、前記強磁性固定層上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に設けられスピントランスファトルクにより磁化反転可能な強磁性記録層とを備え、前記電界磁化制御層と電気的に並列接続された磁気抵抗効果検出構造と、
前記電界磁化制御層に電圧が印加されていない状態で前記強磁性固定層の磁化容易軸となす角度が±１０度以内、前記電界磁化制御層に書き込み電圧が印加された状態で前記強磁性固定層の磁化容易軸となす角度が±８０度以上の磁化容易軸を備え、前記電界磁化制御層と接触して交換結合すると共に、前記強磁性記録層へ有効磁場を印加する強磁性層と、を有することを特徴とする磁気メモリセル。
（３） 複数の磁気メモリセルと、前記複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、前記選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段とを備えた磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルは、トンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を備え、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
電界により磁化方向が制御可能な、反強磁性の性質を備えた電界磁化制御層と、
強磁性固定層と、前記強磁性固定層上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に設けられスピントランスファトルクにより磁化反転可能な強磁性記録層とを備え、前記電界磁化制御層と電気的に並列接続された磁気抵抗効果検出構造と、
前記電界磁化制御層に電圧が印加されていない状態で前記強磁性固定層の磁化容易軸となす角度が±１０度以内、前記電界磁化制御層に書き込み電圧が印加された状態で前記強磁性固定層の磁化容易軸となす角度が±８０度以上の磁化容易軸を備え、前記電界磁化制御層と接触して交換結合すると共に、前記強磁性記録層へ有効磁場を印加する強磁性層と、を有することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。

１００…マルチフェロイック層、１０１…強磁性層、１０２…電極、１０３…電極、１０４…積層構造、１０５…分極、１０６…磁化、２００…直列型トンネル磁気抵抗効果素子、２０１…強磁性固定層、２０２…絶縁層、２０３…強磁性記録層、２０４…磁気抵抗効果検出構造、２０５…強磁性層、２０６…電界磁化制御層、２０７…有効磁場印加構造、２０８…導線、２０９…並列型トンネル磁気抵抗効果素子、２１０…トンネル磁気抵抗効果素子、２１１…下部電極層、２１２…磁気抵抗効果検出構造、２１３…非磁性層、２１４…強磁性層、２１５…電界磁化制御層、２１６…強磁性記録層、２１７…絶縁層、２１８…強磁性固定層、２１９…層間絶縁層、２２０…上部電極層、３００…磁化、３０１…磁化、３０２…漏れ磁場、３０３…書き込み電流、３０４…漏れ磁場、３０５…漏れ磁場、４００…トンネル磁気抵抗効果素子、４０１…下部電極層、４０２…配向制御層、４０３…反強磁性層、４０４…強磁性固定層、４０５…絶縁層、４０６…強磁性記録層、４０７…第一の非磁性層、４０８…第一の強磁性層、４０９…電界磁化制御層、４１０…磁気抵抗効果検出構造、４１１…第二の強磁性層、４１２…第二の非磁性層、４１３…第三の強磁性層、５００…従来構造のトンネル磁気抵抗効果素子、５０１…本発明のトンネル磁気抵抗効果素子、５０２…下部電極層、５０３…磁気抵抗効果検出構造、５０４…強磁性固定層、５０５…絶縁層、５０６…強磁性記録層、５０７…非磁性層、５０８…強磁性層、５０９…電界磁化制御層、６００…トンネル磁気抵抗効果素子、６０１…下部電極層、６０２…配向制御層、６０３…反強磁性層、６０４…強磁性固定層、６０５…絶縁層、６０６…強磁性記録層、６０７…第一の非磁性層、６０８…第一の強磁性層、６０９…電界磁化制御層、６１０…磁気抵抗効果検出構造、６１１…第二の強磁性層、６１２…第二の非磁性層、６１３…第三の強磁性層、７００…トンネル磁気抵抗効果素子、７０１…下部電極層、７０２…配向制御層、７０３…反強磁性層、７０４…強磁性固定層、７０５…絶縁層、７０６…強磁性記録層、７０７…第一の強磁性層、７０８…電界磁化制御層、７０９…磁気抵抗効果検出構造、７１０…第二の強磁性層、７１１…非磁性層、７１２…第三の強磁性層、８００…トンネル磁気抵抗効果素子、８０１…下部電極層、８０２…配向制御層、８０３…反強磁性層、８０４…強磁性固定層、８０５…絶縁層、８０６…強磁性記録層、８０７…第一の非磁性層、８０８…第一の強磁性層、８０９…電界磁化制御層、８１０…磁気抵抗効果検出構造、８１１…第二の強磁性層、８１２…第二の非磁性層、８１３…第三の強磁性層、９００…トンネル磁気抵抗効果素子、９０１…下部電極層、９０２…配向制御層、９０３…反強磁性層、９０４…強磁性固定層、９０５…絶縁層、９０６…強磁性記録層、９０７…第一の非磁性層、９０８…第一の強磁性層、９０９…電界磁化制御層、９１０…上部電極層、９１１…磁気抵抗効果検出構造、９１２…第二の強磁性層、９１３…第二の非磁性層、９１４…第三の強磁性層、１０００…トンネル磁気抵抗効果素子、１００１…下部電極層、１００２…磁気抵抗効果検出構造、１００３…上部電極層、１００４…非磁性金属層、１００５…強磁性層、１００６…電界磁化制御層、１１００…磁気メモリセル、１１０１…選択トランジスタ（スイッチング素子）、１１０２…トンネル磁気抵抗効果素子、１１０３…電極、１１０４…ゲート電極、１１０５…メモリアレイ、１１０６…ビット線、１１０７…ワード線、１１０８…ビット線ドライバ、１１０９…ワード線ドライバ。

Claims (16)

1. 電界により磁化方向が制御可能な、反強磁性の性質を備えた電界磁化制御層と、
   絶縁層と前記絶縁層を挟んで設けられた強磁性固定層と強磁性記録層とを備え、前記電界磁化制御層と電気的に並列接続された磁気抵抗効果検出構造と、
   前記電界磁化制御層に電圧が印加されていない状態で、前記強磁性固定層の磁化容易軸となす角度が±１０度以内の磁化容易軸を備え、前記電界磁化制御層と接触して交換結合すると共に、前記強磁性記録層へ有効磁場を印加する強磁性層と、を有する特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
2. 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、
   前記電界磁化制御層は、マルチフェロイック材料層であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
3. トンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を備えた磁気メモリセルにおいて、
   前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
   電界により磁化方向が制御可能な、反強磁性の性質を備えた電界磁化制御層と、
   強磁性固定層と、前記強磁性固定層上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に設けられスピントランスファトルクにより磁化反転可能な強磁性記録層とを備え、前記電界磁化制御層と電気的に並列接続された磁気抵抗効果検出構造と、
   前記電界磁化制御層に電圧が印加されていない状態で前記強磁性固定層の磁化容易軸となす角度が±１０度以内、前記電界磁化制御層に書き込み電圧が印加された状態で前記強磁性固定層の磁化容易軸となす角度が±８０度以上の磁化容易軸を備え、前記電界磁化制御層と接触して交換結合すると共に、前記強磁性記録層へ有効磁場を印加する強磁性層と、を有することを特徴とする磁気メモリセル。
4. 請求項３記載の磁気メモリセルにおいて、
   前記電界磁化制御層は、マルチフェロイック材料層であることを特徴とする磁気メモリセル。
5. 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備えた磁気メモリセルにおいて、
   前記強磁性記録層の磁化方向は、スピントランスファトルクにより反転可能であり、
   前記強磁性層の磁化方向は、前記電界磁化制御層に書き込み電圧を印加することにより反転可能であることを特徴とする磁気メモリセル。
6. 請求項５記載の磁気メモリセルにおいて、
   前記電界磁化制御層は、マルチフェロイック材料層であることを特徴とする磁気メモリセル。
7. 複数の磁気メモリセルと、前記複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、前記選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段とを備えた磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
   前記磁気メモリセルは、トンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を備え、
   前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
   電界により磁化方向が制御可能な、反強磁性の性質を備えた電界磁化制御層と、
   強磁性固定層と、前記強磁性固定層上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に設けられスピントランスファトルクにより磁化反転可能な強磁性記録層とを備え、前記電界磁化制御層と電気的に並列接続された磁気抵抗効果検出構造と、
   前記電界磁化制御層に電圧が印加されていない状態で前記強磁性固定層の磁化容易軸となす角度が±１０度以内、前記電界磁化制御層に書き込み電圧が印加された状態で前記強磁性固定層の磁化容易軸となす角度が±８０度以上の磁化容易軸を備え、前記電界磁化制御層と接触して交換結合すると共に、前記強磁性記録層へ有効磁場を印加する強磁性層と、を有することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
8. 請求項７記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
   前記電界磁化制御層は、マルチフェロイック材料層であることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
9. 複数の請求項５記載の磁気メモリセルと、前記複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、前記選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段とを備えた磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
   前記電界磁化制御層に書き込み電圧が印加された状態で、前記強磁性層の磁化容易軸と前記強磁性固定層の磁化容易軸のなす角度が±８0度以上であることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
10. 請求項９記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
    前記電界磁化制御層は、マルチフェロイック材料層であることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
11. 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、
    前記電界磁化制御層は、ＢｉＦｅＯ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＧａＦｅＯ_３、Ｎｉ_３Ｂ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ３Ｆｅ_５Ｏ_１２、の単層膜又はそれらの多層膜層であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
12. 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、
    前記電界磁化制御層に書き込み電圧が印加された状態で、前記強磁性層の磁化容易軸と前記強磁性固定層の磁化容易軸のなす角度が±８0度以上であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
13. 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、
    前記強磁性層の磁化方向は、前記電界磁化制御層に書き込み電圧を印加することにより反転可能であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
14. 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、
    前記電界磁化制御層は、前記磁気抵抗効果検出構造に接触して配置されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
15. 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、
    前記強磁性層は、前記磁気抵抗効果検出構造に接触して配置されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
16. 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、
    前記強磁性層は、前記磁気抵抗効果検出構造には非接触となるように配置されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。

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