WO2012002156A1

WO2012002156A1 - 磁気メモリ素子、磁気メモリ

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Publication number: WO2012002156A1
Application number: PCT/JP2011/063779
Authority: WO
Inventors: 俊輔深見; 鈴木　哲広; 聖万永原; 石綿　延行; 則和大嶋
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2012-01-05
Also published as: US20130140660A1; US8791534B2; JPWO2012002156A1

Abstract

　磁化自由層の両端部の磁化を磁化固定層によって固定する垂直磁化磁壁移動ＭＲＡＭにおいて、磁化固定層からの漏洩磁界による書き込み電流の増大を防ぐことが望まれる。垂直磁気異方性を有する第１磁化自由層は、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域と磁化自由領域から構成される。磁化固定層は、前記第１磁化固定領域に磁気的に接続された第１磁化固定層を備える。第１磁化固定層の外周線のうち第１磁化自由層を横断する曲線部を第１境界線とし、磁化自由領域と第１磁化固定領域の中心を結ぶ線分を第１線分とし、第１線分の垂線であって、かつ第１境界線と接する線分を第１垂線とすると、第１境界線と第１垂線の間に第１変位が存在する。この第１変位により磁壁がデピンしやすくなる。

Description

磁気メモリ素子、磁気メモリ

　本発明は、磁気メモリ素子、磁気メモリ、及びその製造方法に関する。特に本発明は磁壁移動を利用し、垂直磁気異方性を有する材料により構成された磁気メモリ素子、磁気メモリ、及びその製造方法に関する。

　磁気メモリ、又は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であり、既に一部で実用化が始まり、またより汎用性を高めるための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おり、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る。非特許文献１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。これは書き込み電流が０．２ｍＡ程度まで低減されると、非特許文献１で提案されている２Ｔ－１ＭＴＪ（ｔｗｏ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ－ｏｎｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｕｎｎｎｅｌ　ｊｕｎｃｔｉｏｎ）回路構成において最小レイアウトが可能となり、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなどの既存の揮発性メモリと同等以上のコストパフォーマンスを実現できるためである。

　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場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。この方法は磁場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、外乱磁場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場は一般的には数１０Ｏｅ（エールステッド）程度となり、このような磁場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手段として、以下の２つの方法が提案されている。一つ目はスピン注入磁化反転である。この方法では、これは反転可能な磁化を有する第１の磁性層（磁化自由層）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（リファレンス層）によって積層膜が形成される。第２の磁性層（リファレンス層）と第１の磁性層（磁化自由層）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（磁化自由層）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（磁化自由層）の磁化が反転される。読み出しの際には第１の磁性層（磁化自由層）と第２の磁性層（リファレンス層）の間で発現される磁気抵抗効果を利用する。従ってスピン注入磁化反転方式を用いたＭＲＡＭは２端子の素子となる。

　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（磁化自由層）と第２の磁性層（リファレンス層）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、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。このように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。

　一方で二つ目の方法である電流誘起磁壁移動（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｄｒｉｖｅｎ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｗａｌｌ　Ｍｏｔｉｏｎ）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。電流誘起磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは例えば特許文献１で開示されている。電流誘起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（磁化自由層）において、そ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、非特許文献２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（磁化自由層）内に電流を流すことにより書き込みが可能となる。

　情報を読み出す際には、磁壁が移動する領域に設けられる磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）を用い、磁気抵抗効果により読み出しを行う。従って、電流誘起磁壁移動方式を利用したＭＲＡＭは３端子の素子となり、上述の非特許文献１で提案されている２Ｔ－１ＭＴＪ構成とも整合する。電流誘起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、電流誘起磁壁移動を利用したＭＲＡＭ素子では、書き込み電流が磁気トンネル接合中の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。そのため、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になる。

　また非特許文献２では電流誘起磁壁移動に必要な電流密度として１×１０^１８［Ａ／ｃｍ^２］程度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる層（磁化自由層）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。これは前述の書き込み電流に関する条件を満たすことができない。一方で、非特許文献３で述べられているように、電流誘起磁壁移動が起こる強磁性層（磁化自由層）として垂直磁気異方性を有する材料を用いることによって、書き込み電流を十分小さく低減できることが報告されている。このようなことから、電流誘起磁壁移動を利用してＭＲＡＭを製造する場合、磁壁移動が起こる層（磁化自由層）としては垂直磁気異方性を有する強磁性体を用いることが好ましいと言える。

特開２００５－１９１０３２号公報国際公開第２００９／００１７０６号

ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｖｏｌ．４２，ｐ．８３０（２００７）．Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９２，ｐ．０７７２０５，（２００４）．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．１０３，ｐ．０７Ｅ７１８，（２００８）．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１，ｐ．１０１３０３，（２００８）．

　特許文献２には、電流誘起磁壁移動を書き込み方法に利用したＭＲＡＭ（磁壁移動ＭＲＡＭ）において、互いに反平行の磁化を有する磁化固定層が磁化自由層の両端部に隣接して設けられる構造が提案されている。この構造により上述の磁壁移動が起こる層（磁化自由層）の両端部の磁化が反平行方向に固定され、単一の磁壁が導入される。

　特許文献２の構造において、磁化固定層の飽和磁化（Ｍｓ）が大きい場合や膜厚（ｔ）が厚い場合などは、磁化固定層からの漏洩磁界によって磁壁が過度に強く固定され、低電流での書き込みが困難になる。

　本発明の第１の目的は、特許文献２で提案されているような、磁化自由層の両端部の磁化を磁化固定層によって固定する構成において、磁化固定層からの漏洩磁界による書き込み電流の増大を防ぎ、低電流での書き込みを実現できるような垂直磁化磁壁移動ＭＲＡＭの構造を提供することにある。

　本発明の一側面において、磁気メモリ素子は、第１磁化自由層と、非磁性層と、リファレンス層と、磁化固定層を備える。第１磁化自由層は垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。第１磁化自由層は第１磁化固定領域と第２磁化固定領域と磁化自由領域から構成される。磁化固定層は、第１磁化固定領域に磁気的に接続された第１磁化固定層を少なくとも備える。第１磁化固定層の外周線のうち第１磁化自由層を横断する曲線部を第１境界線とし、磁化自由領域と第１磁化固定領域の中心を結ぶ線分を第１線分とし、第１線分の垂線であって、かつ第１境界線と接する線分を第１垂線としたとき、第１境界線と第１垂線の間に第１変位が存在する。

　本発明により、磁化固定層からの漏洩磁界による書き込み電流の増大を防ぎ、低電流での書き込みを実現できるような垂直磁化磁壁移動ＭＲＡＭの構造を提供することが可能である。

　本発明の上記目的、他の目的、効果、及び特徴は、添付される図面と連携して実施の形態の記述から、より明らかになる。
磁気メモリ素子の構造磁気メモリ素子の構造磁気メモリ素子の構造磁気メモリ素子の構造メモリ状態メモリ状態メモリ状態メモリ状態初期化方法初期化方法初期化方法書き込み方法書き込み方法読み出し方法読み出し方法セル回路図回路ブロック図製造方法製造方法製造方法製造方法製造方法製造方法製造方法製造方法レイアウト方法本発明の一実施形態における課題を説明するための模式図と計算結果本発明の一実施形態における作用、効果を説明するための平面図本発明の一実施形態における作用、効果を説明するための平面図本発明の一実施形態における作用、効果を説明するための平面図第１の変形例第１の変形例第１の変形例第２の変形例第２の変形例第３の変形例第３の変形例第３の変形例第３の変形例（その２）第３の変形例（その２）第４の変形例第４の変形例第４の変形例第４の変形例

　添付図面を参照して、本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子、磁気メモリ、及びその製造方法を説明する。本実施形態に係る磁気メモリは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを有しており、各磁気メモリセルは磁気メモリ素子を有している。本実施形態は当該磁気メモリ素子、磁気メモリの構造、及びその製造方法に関する。

　（構造）　図１Ａ～図１Ｄは本実施形態に係る磁気メモリ素子７０の主要な部分の代表的な構造を模式的に示している。図１Ａはその斜視図を、図１Ｂはｘ－ｚ断面図を示している。図１Ｃ、図１Ｄは磁気メモリ素子７０が備える第１磁化自由層１０のｘ－ｙ平面図を示している。なお、図に示されているｘ－ｙ－ｚ座標系において、ｚ軸は基板垂直方向を示し、ｘ－ｙ軸は基板平面に平行であるものとする。

　本実施形態に係る磁気メモリ素子７０は少なくとも第１磁化自由層１０、非磁性層３０、リファレンス層４０、磁化固定層６０を具備する。第１磁化自由層１０、リファレンス層４０、磁化固定層６０は強磁性体から構成される。図１Ｂ、図１Ｃにおいては、前記のそれぞれの磁性層の磁化の方向の例が矢印で示されている。

　図１Ｃは第１磁化自由層１０の構造を模式的に示した平面図である。第１磁化自由層１０は垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。そして第１磁化自由層１０は第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化自由領域１２の３つの領域から構成される。第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂは実質的に一方向に固定された磁化を有する。また第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は互いに反平行方向に固定されている。図１Ｃでは第１磁化自由領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂはそれぞれ＋ｚ方向、－ｚ方向に固定されているものとして描かれている。磁化自由領域１２の磁化は反転可能である。この場合＋ｚ、－ｚのいずれかの方向を向くことができる。

　第１磁化自由層１０内の３つの領域が上述のような磁化構造であるとき、磁化自由領域１２の磁化方向に応じて、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界、および第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界のいずれか一方に磁壁が形成される。図１Ｃの場合、磁化自由領域１２の磁化が＋ｚ方向のとき、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に磁壁が形成され、磁化自由領域１２の磁化が－ｚ方向のとき、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に磁壁が形成される。

　また図１Ａ～図１Ｄに示される実施形態においては、第１磁化固定領域１１ａは磁化自由領域１２の一方の端部に隣接し、第２磁化固定領域１１ｂは磁化自由領域１２の別の端部に隣接する。具体的には、図１Ｃの例では、第１磁化固定領域１１ａは磁化自由領域１２の－ｘ方向側の端部に隣接し、第２磁化固定領域１１ｂは磁化自由領域１２の＋ｘ方向側の端部に隣接している。しかし一般的には、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂは磁化自由領域１２に接続されればよく、それらの間での位置関係には任意性がある。例えば、第１磁化固定領域１１ａが磁化自由領域１２の一方の端部に接続され、また第２磁化固定領域１１ｂも磁化自由領域１２の前記一方の端部に接続されてもよい。この場合には磁化自由層１０は三叉路を有する構造となる。

　また図１Ａ～図１Ｄに示される実施形態においては、第１磁化自由層１０、非磁性層３０、リファレンス層４０はこの順に積層して設けられる。リファレンス層４０は強磁性体から構成される。また非磁性層３０は非磁性体から構成され、好適には絶縁体から構成される。このとき、第１磁化自由層１０、非磁性層３０、リファレンス層４０の３つの層の積層体によって磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）が構成される。非磁性層３０、及び非磁性層３０を介して第１磁化自由層１０に接続されるリファレンス層４０は、第１磁化自由層１０のうちの磁化自由領域１２に接続される。また非磁性層３０、リファレンス層４０の形状には任意性がある。

　図１Ａ～図１Ｄに示される実施形態においては、リファレンス層４０は好適には垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成され、かつ実質的に一方向に固定された磁化を有する。図１Ｂの例ではリファレンス層４０の磁化は＋ｚ方向に固定されている。また図示されていないが、リファレンス層４０は以下のような積層構造を有していてもよい。例えばリファレンス層４０は強磁性体、非磁性体、強磁性体の３層がこの順に積層された構造を有していてもよい。ここで二つの強磁性体に挟まれた非磁性体は上下の強磁性体を反平行方向に磁気結合させる（積層フェリ結合させる）機能を有していることが好ましい。このような機能を有する非磁性体としてはＲｕ（ルテニウム）が知られている。リファレンス層４０を積層フェリ結合を有する積層構造にすることによって、外部への漏洩磁界を低減し、第１磁化自由層１０などのその他の層への磁気的な影響を低減することができる。これに加えて、リファレンス層には反強磁性体が隣接していてもよい。これは、反強磁性体を隣接させ、磁場中で熱処理を行うことによって界面の磁化方向を一方向に固定することができるためである。代表的な反強磁性体としてはＰｔ－Ｍｎ、Ｉｒ－Ｍｎなどが例示される。

　磁化固定層６０は少なくとも第１磁化固定層６０ａを有する。図１Ａ～図１Ｄに示される実施形態においては、磁化固定層６０は第１磁化固定層６０ａと第２磁化固定層６０ｂからなる。第１磁化固定層６０ａは第１磁化固定領域１１ａに磁気的に接続して設けられる。また第２磁化固定層６０ｂは第２磁化固定領域１１ｂに磁気的に接続して設けられる。なお、ここで言う「磁気的に接続する」とは磁気的な相互作用を及ぼしあうという意味であって、隣接している必要はないし、また電気的に接続されている必要もない。

　磁化固定層６０は第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化の方向を上述のように反平行方向に向けた上でその方向に固定する役割を有する。従って図１Ａ～図１Ｄに示される例においては、第１磁化自由層１０のうち、第１磁化固定層６０ａとオーバーラップする領域が第１磁化固定領域１１ａとなり、第２磁化固定層６０ｂとオーバーラップする領域が第２磁化固定領域１１ｂとなり、それ以外の領域が磁化自由領域１２となる。ここで第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界線を第１境界線Ｂ１と定義し、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界線を第２境界線Ｂ２と定義する。従って、第１境界線Ｂ１は第１磁化固定層６０ａの外周線のうち第１磁化自由層１０をｘ－ｙ面内において横切る曲線で規定される。同様に第２境界線Ｂ２は第２磁化固定層６０ｂの外周線のうち第１磁化自由層１０をｘ－ｙ面内において横切る曲線で規定される。

　次に本実施形態の特徴について説明する。本実施形態の特徴は、上記第１境界線Ｂ１、第２境界線Ｂ２の形態にある。その要件を図１Ｄを用いて説明する。いま、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化自由領域１２のｘ－ｙ面内における中心を点Ｐ１１ａ、点Ｐ１１ｂ、点Ｐ１２と定義する。また点Ｐ１１ａ、点Ｐ１２を結ぶ線分を第１線分Ｓ１、点Ｐ１１ｂと点Ｐ１２を結ぶ線分を第２線分Ｓ２と定義する。また第１線分Ｓ１の垂線であり、かつ第１境界線Ｂ１に接する直線を第１垂線Ｎ１、また第２線分Ｓ２の垂線であり、かつ第２境界線Ｂ２に接する直線を第２垂線Ｎ２と定義する。このとき、本実施形態においては、少なくとも第１境界線Ｂ１が第１線分Ｎ１に対して第１変位Ｄ１を有していることを特徴とする。なお、図１Ａ～図１Ｄに示されるような、磁化固定層６０が第１磁化固定層６０ａと第２磁化固定層６０ｂを備える構成の場合、第１境界線Ｂ１が第１線分Ｎ１に対して第１変位Ｄ１を有し、かつ第２境界線Ｂ２が第２線分Ｎ２に対して第２変位Ｄ２を有していることが好ましい。

　なお、第１変位Ｄ１、及び第２変位Ｄ２の大きさについては、第１磁化自由層１０に形成される磁壁の磁壁幅と概ね同程度か、それ以上であることが好ましい。ここで磁壁幅は第１磁化自由層１０に用いる強磁性体の磁気異方性定数Ｋｕと交換スティフネス定数Ａにより決定される量である。一般的な垂直磁気異方性を有する強磁性体の場合の磁壁幅は５～２０ｎｍ程度となる。従って第１変位Ｄ１、第２変位Ｄ２の大きさは５ｎｍ以上であることが好ましいと言える。

　また図には示されていないが、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂはそれぞれ異なる外部の配線に接続され、リファレンス層４０は別の外部の配線へと接続される。すなわち、当該磁気メモリ素子７０は３端子の素子となる。なお、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂと外部の配線の経路、及びリファレンス層４０と外部の配線の経路には別の層が挿入されても構わない。例えば第１磁化固定領域１１ａと第１磁化固定層６０ａが電気的に接続され、この第１磁化固定層６０ａが外部の配線に接続され、一方第２磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定層６０ｂが電気的に接続され、この第２磁化固定層６０ｂが異なる外部の配線に接続されても構わない。

　（メモリ状態）
　次に本実施形態に係る磁気メモリ素子のメモリ状態について説明する。
　図２Ａ、図２Ｂは本実施形態に係る磁気メモリ素子７０の“０”、“１”それぞれのメモリ状態における磁化の状態の例を模式的に示している。図２Ａは“０”状態における磁化の状態を、図２Ｂは“１”状態における磁化の状態を示している。なおここでは第１磁化固定領域１１ａの磁化は＋ｚ方向に固定され、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は－ｚ方向に固定されているものとしている。

　いま、図２Ａに示されるような“０”状態においては、磁化自由領域１２の磁化は＋ｚ方向成分を有している。このとき第２磁化固定領域１１ｂとの境界に磁壁ＤＷが形成される。一方図２Ｂに示されるような“１”状態においては、磁化自由領域１２の磁化は－ｚ方向成分を有している。このとき第１磁化固定領域１１ａとの境界に磁壁ＤＷが形成される。

　図２Ａ、図２Ｂではリファレンス層４０の磁化は＋ｚ方向に固定されているものとして描かれている。このとき図２Ａに示される“０”状態、及び図２Ｂに示される“１”状態において、第１磁化自由層１０、非磁性層３０、及びリファレンス層４０から形成されるＭＴＪの磁化配置は、それぞれ平行、反平行となる。従って、当該ＭＴＪに電流を通じたときにはそれぞれ低抵抗、高抵抗が実現される。なお、図２Ａ、図２Ｂで定義された磁化状態とメモリ状態（“０”、“１”）の間の対応には任意性があり、この限りではないことは明らかである。

　（初期化方法）
　次に本実施形態に係る磁気メモリ素子７０のメモリ状態の初期化方法について説明する。なお、ここで言う初期化とは、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化を互いに反平行方向になるように向け、第１磁化自由層１０に単一の磁壁を導入するプロセスのことを意味する。

　図３Ａ～図３Ｃは本実施形態に係る磁気メモリ素子７０のメモリ状態の初期化方法の一例を模式的に示している。なお、図３Ａ～図３Ｃでは簡単のために第１磁化自由層１０と磁化固定層６０以外の層は省略されている。図３Ａ～図３Ｃにおいては、磁化固定層６０は第１磁化固定層６０ａと第２磁化固定層６０ｂからなるものとしている。また第１磁化固定層６０ａは第２磁化固定層６０ｂに比べてハードであるものとしている。

　図３Ａ～図３Ｃに示された初期化方法の例においては、以下のステップで外部磁界を印加することによりメモリ状態の初期化を行う。はじめに＋ｚ方向に十分大きな外部磁界を印加する。このとき、図３Ａに示されるように、全領域の磁化は＋ｚ方向を向く。次に比較的小さな外部磁界を－ｚ方向に印加する。このとき図３Ｂに示されるように磁化自由領域１２の磁化がはじめに反転し、－ｚ方向を向く。続いて－ｚ方向の外部磁界をやや強くする。このとき図３Ｃに示されるように第２磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定層６０ｂが反転し、－ｚ方向を向く。図３Ｃに示された状態は第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界、すなわち段差Ｓ１に磁壁がトラップされた状態であり、これは図２Ｂの“１”状態に一致する。このように外部磁界を印加することによって当該磁気メモリ素子７０のメモリ状態を初期化することが可能となる。

　（書き込み方法）
　次に本実施形態に係る磁気メモリ素子７０への情報の書き込み方法について説明する。図４Ａ、図４Ｂは本実施形態に係る磁気メモリ素子７０への情報の書き込み方法を模式的に示している。なお、図４Ａ、図４Ｂでは簡単のために第１磁化自由層１０以外の層の図示は省略されている。いま、図２Ａで定義された“０”状態において図４Ａに矢印Ｉｗｒｉｔｅで示された方向に電流を導入する。このとき伝導電子は第１磁化自由層１０において第２磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１２を経由して第１磁化固定領域１１ａへと流れる。このとき第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に形成された磁壁ＤＷにはスピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｔｏｒｑｕｅ；ＳＴＴ）が働き、ｘ軸の負方向に移動する。すなわち電流誘起磁壁移動が起こる。ここで、書き込み電流は第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界よりもｘ軸の負の方向では減少するため、磁壁ＤＷは第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界で停止する。この状態は図２Ｂで定義された“１”状態に相当する。このようにして“１”書き込みを行うことができる。

　また図２Ｂで定義された“１”状態において図４Ｂに矢印Ｉｗｒｉｔｅで示された方向に電流を導入する。このとき伝導電子は第１磁化自由層１０において第１磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１２を経由して第１磁化固定領域１１ａへと流れる。このとき第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に形成された磁壁ＤＷにはスピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｔｏｒｑｕｅ；ＳＴＴ）が働き、ｘ軸の正方向に移動する。すなわち電流誘起磁壁移動が起こる。ここで、書き込み電流は第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界よりもｘ軸の正の方向では減少するため、磁壁ＤＷは第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界で停止する。この状態は図２Ａで定義された“０”状態に相当する。このようにして“０”書き込みを行うことができる。

　なお、“０”状態における“０”書き込み、及び“１”状態における“１”書き込みを行った場合には状態の変化は起こらない。すなわちオーバーライトが可能である。

　（読み出し方法）
　次に本実施形態に係る磁気メモリ素子からの情報の読み出し方法について説明する。図５Ａ、図５Ｂは図１Ａ～図１Ｄに示された構成を有する磁気メモリ素子からの情報の読み出し方法を模式的に示している。これらの図において、磁化固定層６０の図示は省略されている。本実施形態においては主にトンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　ｅｆｆｅｃｔ；ＴＭＲ　ｅｆｆｅｃｔ）を利用して情報の読み出しを行う。そのために第１磁化自由層１０、非磁性層３０、リファレンス層４０から構成される磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を貫通する方向に電流Ｉｒｅａｄを導入する。なおこのＩｒｅａｄの方向には任意性がある。

　いま、図５Ａに示されるように図２Ａで定義された“０”状態においてＩｒｅａｄを導入したとき、当該ＭＴＪにおいて磁化は平行状態となっているので、低抵抗が実現される。また図５Ｂに示されるように図２Ｂで定義された“１”状態においてＩｒｅａｄを導入したとき、当該ＭＴＪにおいて磁化は反平行状態となっているので、高抵抗が実現される。このようにして、当該磁気メモリ素子に格納された情報は抵抗値の差として検出することができる。

　（回路構成）
　次に、本実施形態に係る磁気メモリ素子７０を有する磁気メモリセル８０に書き込み電流及び読み出し電流を導入するための回路構成について説明する。

　図６は、磁気メモリセル８０の１ビット分の回路の構成例を示している。図６に示される例では、磁気記憶素子７０は３端子の素子であり、ワード線ＷＬ、グラウンド線ＧＬ、及びビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。例えば、リファレンス層４０につながる端子は、読み出しのためのグラウンド線ＧＬに接続されている。第１磁化固定領域１１ａにつながる端子は、トランジスタＴＲａのソース／ドレインの一方に接続され、ソース／ドレインの他方は、ビット線ＢＬａに接続されている。第２磁化固定領域１１ｂにつながる端子は、トランジスタＴＲｂのソース／ドレインの一方に接続され、ソース／ドレインの他方は、ビット線ＢＬｂに接続されている。トランジスタＴＲａ、ＴＲｂのゲートは、共通のワード線ＷＬに接続されている。なお、図６では第１磁化固定領域１１ａは第１磁化固定層６０ａを経由してトランジスタＴＲａに接続され、第２磁化固定領域１１ｂは第２磁化固定層６０ｂを経由してトランジスタＴＲｂに接続される例が示されている。

　データ書き込み時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線対ＢＬａ、ＢＬｂのいずれか一方がＨｉｇｈレベルに設定され、他方がＬｏｗレベル（グラウンドレベル）に設定される。その結果、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、第１磁化自由層１０を経由して、ビット線ＢＬａとビット線ＢＬｂとの間で書き込み電流が流れる。

　データ読み出し時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線ＢＬａはオープン状態に設定され、ビット線ＢＬｂはＨｉｇｈレベルに設定される。その結果、読み出し電流が、ビット線ＢＬｂからトランジスタＴＲｂ及び磁気メモリ素子７０のＭＴＪを貫通してグラウンド線ＧＬへ流れる。これによって磁気抵抗効果を利用した読み出しが可能となる。

　図７は、本実施形態の実施例に係る磁気メモリ９０の構成の一例を示すブロック図である。磁気メモリ９０は、メモリセルアレイ１１０、Ｘドライバ１２０、Ｙドライバ１３０、コントローラ１４０を備えている。メモリセルアレイ１１０は、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセル８０を有している。磁気メモリセル８０の各々は、上述の磁気メモリ素子７０を有している。既出の図６で示されたように、各磁気メモリセル８０は、ワード線ＷＬ、グラウンド線ＧＬ、及びビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。Ｘドライバ１２０は、複数のワード線ＷＬに接続されており、それら複数のワード線ＷＬのうちアクセス対象の磁気メモリセル８０につながる選択ワード線を駆動する。Ｙドライバ１３０は、複数のビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されており、各ビット線をデータ書き込みあるいはデータ読み出しに応じた状態に設定する。コントローラ１４０は、データ書き込みあるいはデータ読み出しに応じて、Ｘドライバ１２０とＹドライバ１３０のそれぞれを制御する。

　（製造方法）
　次に、本実施形態に係る磁気メモリ素子７０の製造方法について図８Ａ～図８Ｈ、図９を用いて説明する。

　図８Ａ～図８Ｈは、図１Ａ～図１Ｄに示される磁気メモリ素子７０を製造するためのプロセスの一例のフローを模式的に示した断面図である。はじめに電極が埋め込まれた基板上に第１磁化固定層６０ａとなる層を堆積させる（電極は図では省略されている）。この状態が図８Ａに相当する。次に第１磁化固定層６０ａのパターニングを行う。この状態が図８Ｂに相当する。次に第２磁化固定層６０ｂとなる層を堆積させる。この状態が図８Ｃに相当する。次に第２磁化固定層６０ｂのパターニングを行う。この状態が図８Ｄに相当する。

　続いて、絶縁性の材料による埋め込みを行い、絶縁性の材料（層間膜）と第１磁化固定層６０ａ、第２磁化固定層６０ｂの表面を平坦化する。この状態が図８Ｅに相当する。次に第１磁化自由層１０、非磁性層３０、リファレンス層４０となる層を堆積させる。この状態が図８Ｆに相当する。続いて、リファレンス層４０のパターニングを行う。この状態が図８Ｇに相当する。最後に第１磁化自由層１０のパターニングを行う。この際はその下の第１磁化固定層６０ａ、第２磁化固定層６０ｂも同一形状でパターニングすることが好ましい。これによって図８Ｈに示されるような構造が完成する。この後、上部配線層の形成などが必要となるが、本実施形態の範疇を外れるのでここでは省略する。また、ここで述べた製造方法は磁気メモリ素子７０を形成する方法の一例であって、他の方法を用いても形成することが出来る。

　ところで本実施形態においては、上述のように第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界の第１境界線Ｂ１、及び第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界の第２境界線Ｂ２がそれぞれ、第１垂線Ｎ１、及び第２垂線Ｎ２に対して第１変位Ｄ１、第２変位Ｄ２を有することが特徴である。このような変位は例えば以下のようにして形成することが出来る。まず、第１境界線Ｂ１、第２境界線Ｂ２は第１磁化固定層６０ａ、第２磁化固定層６０ｂの形状で規定されるので、上述のような変位は第１磁化固定層６０ａ、第２磁化固定層６０ｂの形状を制御することによって形成することが出来る。具体的には、図８Ｂ及び図８Ｄの工程において、図９に示されるようなフォトマスクを用いてフォトリソグラフィーを行うことで上述のような変位を形成することが可能である。

　図９においては、第１磁化自由層１０を形成するための第１磁化自由層パターンＬ１０に対して、第１磁化固定層６０ａを形成するための第１磁化固定層パターンＬ６０ａ、及び第２磁化固定層６０ｂを形成するための第２磁化固定層パターンＬ６０ｂがｙ方向にマージンＭだけ大きく設計されている。このとき、フォトリソグラフィーにおいては用いるレーザーの波長λと同程度のボケが生じ、実線で描かれた第１磁化固定層パターンＬ６０ａ、第２磁化固定層パターンＬ６０ｂに対して、実際に形成される第１磁化固定層６０ａ、第２磁化固定層６０ｂはそれぞれ破線で示されたように、角が落ちた形状となる。これによって、上記のような変位を有する第１境界線Ｂ１、第２境界線Ｂ２が形成できることになる。

　なお、上述のような原理から、図９におけるマージンＭはフォトリソグラフィーにおいては用いるレーザーの波長λと同程度かそれ以上であることが好ましいと言える。また図９の破線のような角が落ちた形状は、フォトリソグラフィーの際のフォーカスをジャストフォーカスからシフトさせることによっても調整することが出来る。

　（材料）
　次に第１磁化自由層１０、非磁性層３０、リファレンス層４０、及び磁化固定層５０に用いることのできる材料について説明する。
　第１磁化自由層１０は前述の通り垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成されることが好ましい。具体的にはＦｅ－Ｐｔ合金、Ｆｅ－Ｐｄ合金、Ｃｏ－Ｐｔ合金、Ｃｏ－Ｐｄ合金、Ｔｂ－Ｆｅ－Ｃｏ合金、Ｇｄ－Ｆｅ－Ｃｏ合金、Ｔｂ－Ｆｅ合金、Ｔｂ－Ｃｏ合金、Ｇｄ－Ｆｅ合金、Ｇｄ－Ｃｏ合金、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｐｔ合金、Ｃｏ－Ｒｅ－Ｐｔ合金、Ｃｏ－Ｒｕ－Ｐｔ合金、Ｃｏ－Ｗ合金などの合金系材料のほか、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、Ｃｏ／Ｐｄ積層膜、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、Ｃｏ／Ｃｕ積層膜、Ｃｏ／Ａｇ積層膜、Ｃｏ／Ａｕ積層膜、Ｆｅ／Ｐｔ積層膜、Ｆｅ／Ｐｄ積層膜、Ｆｅ／Ａｕ積層膜などの交互積層膜が例示される。特にこの中で発明者らはＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いて制御性の高い電流誘起磁壁移動が実現できることを実験的に確認しており（非特許文献４参照）、この点でＣｏ／Ｎｉ積層膜が第１磁化自由層１０の好適な材料として挙げられる。

　非磁性層３０は絶縁性材料により構成されることが好ましい。具体的にはＭｇ－Ｏ、Ａｌ－Ｏ、Ａｌ－Ｎ、Ｔｉ－Ｏなどが例示される。リファレンス層４０は例えば垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。このときリファレンス層４０に用いることのできる材料は第１磁化自由層１０に用いることのできる材料として例示したものと重複するので省略する。ただし、リファレンス層４０は磁化が安定して固定されていることが求められるので、なるべくハードな磁性体であることが好ましい。この点でＦｅ－Ｐｔ合金、Ｆｅ－Ｐｄ合金、Ｃｏ－Ｐｔ合金、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、Ｃｏ／Ｐｄ積層膜などが好適である。またその磁化方向は一方向に固定されている必要があり、さらに外部への漏洩磁界が小さいことが好ましい。このために前述のように、積層フェリ結合を有する積層構造とすることが好ましい。すなわち、リファレンス層４０は、例えば強磁性体／Ｒｕ／強磁性体というような積層構成を有することが好適である。またリファレンス層４０は面内磁気異方性を有する強磁性体から構成されてもよい。この場合にはあらゆる磁性体を用いることができる。代表的にはＣｏ－Ｆｅなどが挙げられる。なお、リファレンス層に面内磁気異方性を有する材料を用いた場合の実施形態の例は、後に第４の変形例として説明される。

　また磁化固定層６０には、垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。この場合に用いることのできる材料は第１磁化自由層１０に用いることのできる材料として例示したものと重複するので省略する。

　（効果）
　次に本実施形態で得られる効果について説明する。本実施形態によって垂直磁化磁壁移動ＭＲＡＭにおける書き込み電流の低減がもたらされる。その原理を以下に説明する。

　図１０は第１磁化自由層１０と磁化固定層６０からなる構造において、第１磁化自由層１０の位置（線分Ａ－Ｂ）における磁化固定層６０からの漏洩磁界の計算結果を示している。なお、磁化固定層６０の材料としては膜厚１０ｎｍのＣｏ－Ｐｔ合金を想定している。計算結果からわかるように、第１磁化固定層６０ａ、第２磁化固定層６０ｂの上部でそれぞれ＋ｚ方向、－ｚ方向に１０００Ｏｅ程度の漏洩磁界（Ｈｚ）が出ている。さらに第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界、すなわち第１境界線Ｂ１付近、及び第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界、すなわち第２境界線Ｂ２付近において、２０００Ｏｅと比較的大きなｘ方向の漏洩磁界（Ｈｘ）が出ている。第１境界線Ｂ１、第２境界線Ｂ２は磁壁がトラップされる部分であり、このような大きなｘ方向の磁界（Ｈｘ）が磁壁に対してかかっている場合、電流によって磁壁をデピンさせるのに必要な電流密度は増大し、書き込み電流の増大に帰結する。

　ここで本発明の発明者は、第１境界線Ｂ１、第２境界線Ｂ２近傍におけるｘ方向の磁界（Ｈｘ）のｘ方向の分布、及び形成される磁壁の構造に着目した。まず図１０からわかるようにｘ方向の漏洩磁界（Ｈｘ）は第１境界線Ｂ１、及び第２境界線Ｂ２近傍において非常にシャープなピークをとり、１０ｎｍも離れれば、その大きさは約１０分の１程度まで小さくなっていることがわかる。従って磁壁の形成される位置がＨｘのピーク位置に対して１０ｎｍ程度でも離れればほとんどこの漏洩磁界の影響は受けずに電流によってデピンできることがわかる。

　ところで上述のような、第１境界線Ｂ１、第２境界線Ｂ２が変位を有する場合に形成される磁壁の構造が図１１Ａにおいて太線で示されている。磁壁はその面積がなるべく小さくなるように形成された方が交換エネルギー的に有利であり、そのため図１１Ａに示されるように第１境界線Ｂ１付近に形成される場合、完全に第１境界線Ｂ１に沿っては形成されない。このとき、磁壁の一部は第１境界線Ｂ１から離れた場所に存在することになる。すなわち、磁壁ＤＷの一部と第１境界線Ｂ１の間にギャップが形成される。図１１Ａの例では、第１磁化自由層１０の両端部（±ｙ方向の端部）にそのような領域が形成されている。

　このような領域は、第１境界線Ｂ１からは離れているため、前述の磁化固定層６０からのｘ方向の漏洩磁界（Ｈｘ）の影響は受けにくくなる。従って、書き込み電流を導入した場合、図１１Ｂに示されるように、第１境界線Ｂ１との間にギャップがある領域が最初にデピンすることになる。図１１Ｂのような状態が形成された場合、磁壁内部にブロッホラインが形成されるなどして、それまでピニングされていた領域（図の場合、磁壁の中央部）もつられてデピンすることになる。このようにして第１境界線Ｂ１が変位Ｄを有さない場合に比べて極めて小さな電流においても磁壁は図１１Ｃのようにデピンすることが可能となる。

　なお、本実施形態は磁化固定層６０として用いる強磁性体の飽和磁化（Ｍｓ）が大きい場合や、膜厚（ｔ）が厚い場合に特に有効である。従って、例えば、第１磁化固定層６０ａと第２磁化固定層６０ｂのうち、第１磁化固定層６０ａのみ飽和磁化（Ｍｓ）が大きい、或いは膜厚（ｔ）が厚い場合、第１境界線Ｂ１のみが第１垂線Ｎ１に対して第１変位Ｄ１を有するように形成され、第２境界線Ｂ２は第２垂線Ｎ２に重なるように形成されても構わないことがわかる。

　［変形例］
以上で説明された磁気メモリ素子７０は以下に説明される変形例を用いても実施することができる。

　（第１の変形例）
　図１２Ａ～図１２Ｃは本実施形態に係る磁気メモリ素子７０の第１の変形例の構造を模式的に示している。第１の変形例は第１境界線Ｂ１、及び第２境界線Ｂ２の形態に関する。

　本実施形態においては、第１境界線Ｂ１、及び第２境界線Ｂ２がそれぞれ第１垂線Ｎ１、及び第２垂線Ｎ２に対して第１変位Ｄ１、第２変位Ｄ２を有している。このような第１境界線Ｂ１、及び第２境界線Ｂ２の形態として、これまでの図面では内側に凸となる曲線を例示されている（例えば図１Ａ、図１Ｃ、図１Ｄ）。しかし実際には第１境界線Ｂ１、第２境界線Ｂ２の形態には任意性がある。図１２Ａ～図１２Ｃはその具体例を示したｘ－ｙ平面図である。

　例えば第１境界線Ｂ１、及び第２境界線Ｂ２は図１２Ａに示されるように外側に凸となるように形成されていてもよい。また、図１２Ｂに示されるように、第１垂線Ｎ１、及び第２垂線Ｎ２（図示されていない）に対して斜めに形成されてもよい。また、図１２Ｃに示されるように、凹凸を有するように形成されてもよい。それぞれの場合に第１境界線Ｂ１近傍に形成されることが予測される磁壁ＤＷの構造が図中に太線で示されている。いずれの場合も、第１境界線Ｂ１との間にギャップが形成されており、図１１Ａ～図１１Ｃを用いて説明したように、低電流でのデピンが可能となる。

　（第２の変形例）
　図１３Ａ、図１３Ｂは本実施形態に係る磁気メモリ素子７０の第２の変形例の構造を模式的に示している。第２の変形例は磁化固定層６０の位置に関する。

　本実施形態においては、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化を反平行方向に向けた状態で固定するために、磁化固定層６０が設けられる。これまでの図面では、この磁化固定層６０は第１磁化自由層１０に対して基板側（－ｚ方向）に形成されるものとして図示されているが、この位置には任意性がある。図１３Ａ、図１３Ｂはその磁化固定層６０の位置についての任意性に関する一つの変形例を示している。

　図１３Ａ、図１３Ｂにおいては、磁化固定層６０が第１磁化自由層１０に対して基板とは反対側（＋ｚ方向）に配置されている。より詳細には、第１磁化固定層６０ａは第１磁化固定領域１１ａの上側に設けられており、第２磁化固定層６０ｂは第２磁化固定領域１１ｂの上側に設けられている。このように、本実施形態においては、第１境界Ｂ１、第１垂線Ｎ１に関して上述の要件を満たしさえすればよく、磁化固定層６０の位置には任意性がある。

　（第３の変形例）
　図１４Ａ～図１４Ｃ、図１５Ａ、図１５Ｂは本実施形態に係る磁気メモリ素子７０の第３の変形例の構造を模式的に示している。第３の変形例は磁化固定層６０の数に関する。

　本実施形態においては、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化を反平行方向に向けた状態で固定するために、磁化固定層６０が設けられる。これまでの図面では、この磁化固定層６０は第１磁化固定層６０ａと第２磁化固定層６０ｂの２つからなり、第１磁化固定層６０ａは第１磁化固定領域１１ａに磁気的に接続して設けられ、第２磁化固定層６０ｂは第２磁化固定領域１１ｂに磁気的に接続して設けられる例が示されてきた。しかし、この磁化固定層６０の数には任意性がある。図１４Ａ～図１４Ｃ、図１５Ａ、図１５Ｂはその磁化固定層６０の数についての任意性に関する変形例を示している。

　図１４Ａ～図１４Ｃにおいては、磁化固定層６０は第１磁化固定領域１１ａに磁気的に接続された第１磁化固定層６０ａのみからなり、第１磁化固定層６０ａは第１磁化固定領域１１ａに対して下側に接続され、第２磁化固定領域１１ｂには導電層５０が下側に接続されている。導電層５０は非磁性の金属から構成される。

　このような構造においても、第１磁化自由層１０に単一の磁壁を導入する、いわゆる初期化は可能である。またこの場合、第２境界線Ｂ２は導電層５０の外周線のうち、第１磁化自由層１０を横切る曲線で規定される。この場合には、導電層５０は非磁性体なので、第２境界線Ｂ２は第２垂線Ｎ２（図１４Ａ～図１４Ｃでは図示されていない）に対して、第２変位Ｄ２（図１４Ａ～図１４Ｃでは図示されていない）を有するように形成される必要はない。

　また図１５Ａ、図１５Ｂにおいては、図１４Ａ～図１４Ｃと同じく磁化固定層６０は第１磁化固定領域１１ａに磁気的に接続された第１磁化固定層６０ａのみからなり、第１磁化固定層６０ａは第１磁化自由領域１１ａに対して上側に磁気的に接続されている。また第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂは、下部の配線、トランジスタに接続されるために、導電層５０に下面で隣接している。このような構造においても、本発明を実施することができる。

　（第４の変形例）
　図１６Ａ～図１６Ｄは本実施形態に係る磁気メモリ素子７０の第４の変形例の構造を模式的に示している。第４の変形例は読み出し方法に関する。

　本実施形態においては情報記憶層である第１磁化自由層１０から情報を読み出すために非磁性層３０とリファレンス層４０が設けられる。これまでの説明ではこの非磁性層３０とリファレンス層４０は第１磁化自由層１０に隣接して設けられる場合について示されてきた。第４の変形例は他の読み出しの形態に関する。

　第４の変形例においては、第２磁化自由層２０が新たに設けられる。さらに、コンタクト層２５が設けられることが好ましい。また、第２磁化自由層２０、非磁性層３０、リファレンス層４０はこの順に隣接して設けられ、これらによって磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）が形成される。また好適には第２磁化自由層２０の重心（幾何学的重心）は第１磁化自由層１０の磁化自由領域１２の重心に対してｘ－ｙ面内でずれて設けられる。いまこのずれの方向を第１の方向と定義する。

　第２磁化自由層２０、リファレンス層４０は面内方向に磁気異方性を有する強磁性体から構成される。また第２磁化自由層２０の磁気異方性の方向は面内方向において任意である。一方リファレンス層４０の磁化は実質的に一方向に固定されている。この方向は第１の方向に平行方向であることが望ましい。図１３Ａ、図１３Ｂはこのうち第１の方向がｙ方向、すなわち第１磁化自由層１０の長手方向に垂直方向である例が示されている。ただし、この第１の方向には任意性があり、例えばｘ方向であっても構わない。

　本変形例によれば、磁化自由領域１２の垂直方向の磁化の方向で記憶された情報を、第２磁化自由層２０、非磁性層３０、リファレンス層４０から構成される面内磁化を有するＭＴＪによって読み出すことができる。例えば、磁化自由領域１２が上方向に磁化した“０”状態においては第２磁化自由層２０の磁化は、磁化自由領域１２の上方向の磁化によって生ずる漏れ磁束によってｙ軸正方向を向く。これは第２磁化自由層２０が磁化自由領域１２の上側（ｚ軸正の方向）に配置され、かつ第２磁化自由層２０の重心が磁化自由領域１２に対してｙ軸の正の方向にずれて設けられているためである。これによって第２磁化自由層２０、リファレンス層４０の磁化は平行となり、このＭＴＪは低抵抗状態となる。

　一方、磁化自由領域１２が下方向に磁化した“１”状態においては第２磁化自由層２０の磁化は、磁化自由領域１２の下方向の磁化によって生ずる漏れ磁束によってｙ軸負方向を向く。これによって第２磁化自由層２０、リファレンス層４０の磁化は反平行となり、このＭＴＪは高抵抗状態となる。かくして磁化自由領域１２の垂直方向の磁化として記憶された情報は、面内磁化を有する第２磁化自由層２０の磁化に伝達され、面内磁化から構成されるＭＴＪによって読み出すことができる。

　面内磁化によって構成されるＭＴＪでは一般的に高い磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を得ることができる。これによって大きな読み出し信号を得ることができる。

　第２磁化自由層２０、リファレンス層４０は面内方向の磁気異方性を有する材料により構成される。具体的にはＣｏ－Ｆｅ－Ｂなどが例示される。また非磁性層３０は非磁性体により構成されることが好ましい。具体的にはＭｇ－Ｏなどが例示される。

［産業上の利用可能性］
　本発明の活用例として、携帯電話、モバイルパソコンやＰＤＡに使用される不揮発性の半導体メモリ装置や、自動車などに使用される不揮発性メモリ内蔵のマイコンが挙げられる。またレーストラックメモリのような大規模のストレージデバイスなどへの活用も可能である。

Claims

　第１磁化自由層と、非磁性層と、リファレンス層と、磁化固定層を具備し、
　前記第１磁化自由層は垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成され、
　前記第１磁化自由層は第１磁化固定領域と第２磁化固定領域と磁化自由領域から構成され、
　前記磁化固定層は、前記第１磁化固定領域に磁気的に接続された第１磁化固定層を少なくとも具備し、
　前記第１磁化固定層の外周線のうち第１磁化自由層を横断する曲線部を第１境界線とし、前記磁化自由領域と前記第１磁化固定領域の中心を結ぶ線分を第１線分とし、前記第１線分の垂線であって、かつ第１境界線と接する線分を第１垂線としたとき、前記第１境界線と前記第１垂線の間に第１変位が存在する
　磁気メモリ素子。
　請求項１記載の磁気メモリ素子であって、
　前記磁化固定層はさらに前記第２磁化固定領域に磁気的に接続された第２磁化固定層を具備し、
　前記第２磁化固定層の外周線のうち第１磁化自由層を横断する曲線部を第２境界線とし、前記磁化自由領域と前記第２磁化固定領域の中心を結ぶ線分を第２線分とし、前記第２線分の垂線であって、かつ第２境界線と接するような線分を第２垂線としたとき、前記第２境界線と前記第２垂線の間に第２変位が存在する
　磁気メモリ素子。
　請求項１または請求項２に記載の磁気メモリ素子であって、
　前記第１変位と前記第２変位のうちの少なくとも一方が５ｎｍ以上である
　磁気メモリ素子。
　請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気メモリ素子であって、
　前記第１境界線と前記第２境界線のうちの少なくとも一方が基板平行平面内において凹、凸、凹凸のいずれかを有している
　磁気メモリ素子。
　請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気メモリ素子であって、
　前記第１境界線と前記第２境界線のうちの少なくとも一方が、それぞれ前記第１垂線、前記第２垂線に対して斜めに交わる
　磁気メモリ素子。
　請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気メモリ素子であって、
　前記非磁性層は、前記磁化自由領域に隣接して設けられ、
　前記リファレンス層は、前記非磁性層に隣接して前記磁化自由領域とは反対側に設けられ、
　前記リファレンス層は垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成される
　磁気メモリ素子。
　請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気メモリ素子であって、
　さらに第２磁化自由層が設けられ、
　前記非磁性層は、前記第２磁化自由層に隣接して設けられ、
　前記リファレンス層は、前記非磁性層に隣接して前記第２磁化自由層とは反対側に設けられ、
　前記第２磁化自由層は基板平行平面内において前記磁化自由領域に対して第１方向にずれて設けられ、
　前記第２磁化自由層、及び前記リファレンス層は面内磁気異方性を有する強磁性体により構成され、
　前記リファレンス層は前記第１の方向に略平行方向に固定された磁化を有する
　磁気メモリ素子。
　請求項１乃至７のいずれかに記載された磁気メモリ素子を複数具備する磁気メモリ。