JP5445970B2 - 磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。特に本発明は磁壁移動方式の磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）は高速動作、および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリとして期待され、盛んな開発が行われている。ＭＲＡＭでは記憶素子として磁性体を用い、磁性体の磁化の向きに対応させて情報を記憶する。この磁性体の磁化をスイッチングさせる方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要であり、以下の非特許文献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。

［非特許文献１］Sakimura, N. et al., “MRAM Cell Technology for
Over 500-MHz SoC,” April 2007, IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 42,
Issue 4, p830-838

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、反転可能な磁化を有する第１の磁性層と、それに電気的に接続され、磁化が固定された第２の磁性層から構成された積層膜が形成される。第２の磁性層と第１の磁性層の間で電流を流したときのスピン偏極した伝導電子と第１の磁性層中の局在電子との間の相互作用を利用して第１の磁性層の磁化を反転することにより情報が記録される。スピン注入磁化反転はある電流密度以上のときに起こることから、素子のサイズが小さくなれば、書き込みに要する電流は低減される。すなわちスピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、一般的に第１の磁性層と第２の磁性層の間には絶縁層が設けられ、書き込みの際には比較的大きな電流をこの絶縁層に流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が課題となる。また、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は例えば以下の特許文献１で開示されている。
［特許文献１］特開２００５−１９１０３２号公報
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。以下の非特許文献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の磁性層内に電流を流すことにより書き込みが可能となる。

［非特許文献２］Yamaguchi, A. et al., “Real-Space Observation
of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires,” Physical
Review Letters, Vol. 92, February 2004, number 7, p77205

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、書き込み電流が絶縁層を流れることはなく、また書き込み電流経路と読み出し電流経路は別となるため、スピン注入磁化反転で挙げられるような上述の問題は解決されることになる。

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１×１０^８［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。しかし以下の非特許文献３では、電流誘起磁壁移動が起こる強磁性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。

［非特許文献３］Fukami, S. et al., “Micromagnetic analysis of
current driven domain wall motion in nano-strips with perpendicular magnetic
anisotropy,” 52nd Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials,
Abstracts, January 2007, p352

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。以下の非特許文献４においては垂直磁化膜における電流誘起磁壁移動の観測が報告されている。

［非特許文献４］Tanigawa, H. et al., “Current-Driven Domain
Wall Motion in CoCrPt Wires with Perpendicular Magnetic Anisotropy”, Applied
Physics Express, Vol. 1, No. 1, January 11, 2008, p011301

また垂直磁化膜を用いてＭＲＡＭを製造する場合、磁壁移動が起こる層に磁壁を導入する必要があるが、非特許文献４ではこの方法として磁壁移動が起こる層に段差を設けることによって磁壁を導入している。

非特許文献４で用いられている磁壁導入、すなわち初期化の方法では、垂直磁化膜に段差を設けることで磁気特性の異なる領域を形成し、これらの領域間の保磁力の違いを利用して複数のステップにわけて外部磁場を印加することで磁壁を導入する。しかしこのような方法は複雑であるだけでなく、磁壁が導入される磁場のマージンを十分に確保しなければならず、大規模なメモリシステムを製造する上では不向きである。加えて、垂直磁気異方性を有する磁性細線において、段差付近に導入された磁壁には、膜面平行方向に大きな磁場が印加される。この磁場により、磁壁のピニング力が過度になることが懸念される。これは、書き込み電流低減の観点で好ましくない。

本発明の第１の目的は、単純、かつ容易な方法により磁壁を導入することが可能な磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。

本発明の第２の目的は、磁壁のピニング力を適切に調整することで、低電流密度での書き込みが可能な磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。

本発明の一側面に係る磁気ランダムアクセスメモリを説明する。本発明の一側面に係る磁気ランダムアクセスメモリは、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抵抗効果素子を有している。

本発明の一側面に係る磁気抵抗効果素子は、少なくとも第１強磁性層と第２強磁性層群を具備する。第１強磁性層は少なくとも第１磁化固定領域と第２磁化固定領域と磁化自由領域を具備し、第１磁化固定領域、及び第２磁化固定領域は磁化自由領域に接続して設けられる。第２強磁性層群は第２強磁性層と結合層を具備する。また第２強磁性層と結合層は隣接している。また第２強磁性層群は第１磁化固定領域と磁気的に結合している。

第１強磁性層、及び第２強磁性層群は垂直磁気異方性を有する強磁性体を少なくとも一部分において有する。また第１磁化固定領域と第２磁化固定領域は少なくとも一部分において互いに反平行方向に固定された磁化を有する。磁化自由領域は少なくとも一部分において反転可能な磁化を有し、第１磁化固定領域、第２磁化固定領域のいずれかと平行方向を向く。このような磁化配置のとき第１強磁性層群には磁壁が導入される。

第２強磁性層群は、前述の通り、第２強磁性層を具備し、また第１磁化固定領域と磁気的に結合している。さらに第２強磁性層群においては、少なくとも一部分において、第１磁化固定領域の磁化とは反平行方向に固定された磁化を有している。このような反平行方向の磁化（フェリ結合）を実現するために、結合層は第１磁化固定領域と第２強磁性層を反平行方向に磁気的に結合させる。

上述の構成要素の他に、更なる強磁性層、非磁性層、導電層などが適宜設けられる。但し、少なくとも一つの強磁性層と少なくとも一つの非磁性層を具備する。

本発明の一側面に係る磁気抵抗効果素子のメモリ状態を初期化する方法としては、外部磁場が用いられる。当該磁気抵抗効果素子に十分大きな外部磁場が膜面垂直方向に印加された場合、磁化自由領域と第２磁化固定領域と第２強磁性層は外部磁場の方向を向き、また第２強磁性層とフェリ磁性的に結合した第１磁化固定領域は外部磁場と反対方向を向く。これによって第１磁化固定領域と磁化自由領域の境界に磁壁が導入される。

本発明の一側面に係る磁気抵抗効果素子への情報の書き込み方法としては電流誘起磁壁移動現象が用いられる。

また本発明の一側面に係る磁気抵抗効果素子からの情報の読み出し方法としては磁気抵抗効果が用いられる。

第２磁化固定領域と第２強磁性層がフェリ磁性的に結合していることで、１回の外部磁場の印加によってメモリ状態の初期化が可能である。また、第２磁化固定領域と第２強磁性層の磁気特性によっては２段階の外部磁場印加ステップを要するが、この場合にも十分大きな初期化用のマージンが得られる。すなわち単純な初期化プロセスで磁壁の導入が可能である上、容易に大きな初期化用の磁場のマージンを確保することができる。

また本発明の第２の効果として、垂直磁化磁壁移動型ＭＲＡＭにおいて書き込み電流を低減することができる。これは、段差領域における漏れ磁場を、第２強磁性層群（２０）の構成を適切に設計することで、磁壁のピンサイトへの磁場の影響を調整できるためである。

本発明に関する上述の及びその他の目的、利点、特徴は、いくつかの実施形態に関して、添付図面と併せて以下の記載から更に明らかとなるであろう。その添付図面には下記のものが含まれる。
図１Ａは、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す斜視図である。 図１Ｂは、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す平面図である。 図１Ｃは、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の主要な部分の構造を表す断面図である。 図２は、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化の構造の例を示す断面図である。 図３Ａは、本発明の一実施の形態で用いる初期化方法の原理を説明するための模式図である。 図３Ｂは、本発明の一実施の形態で用いる初期化方法の原理を説明するための模式図である。 図４Ａは、積層フェリ結合した積層膜の磁化曲線である。 図４Ｂは、積層フェリ結合した積層膜の磁化曲線である。 図４Ｃは、積層フェリ結合した積層膜の磁化曲線である。 図５は、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子のメモリ状態の初期化の方法を説明するための断面図である。 図６Ａは、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他のメモリ状態の初期化の方法を説明するための断面図である。 図６Ｂは、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他のメモリ状態の初期化の方法を説明するための断面図である。 図７Ａは、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子への情報の書き込み方法を説明するための断面図である。 図７Ｂは、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子への情報の書き込み方法を説明するための断面図である。 図８Ａは、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子からの情報の読み出し方法を説明するための断面図である。 図８Ｂは、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子からの情報の読み出し方法を説明するための断面図である。 図９は、本発明の一実施の形態に係る磁気メモリセルの１セル分の回路図の例である。 図１０Ａは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第１の変形例の主要な部分の構造を表す斜視図である。 図１０Ｂは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第１の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１０Ｃは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第１の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１１Ａは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第２の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１１Ｂは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第２の変形例の作用を説明する模式図である。 図１１Ｃは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第２の変形例の作用を説明する模式図である。 図１２は、本発明に係る磁気抵抗効果素子の他の第２の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１３は、本発明に係る磁気抵抗効果素子の更に他の第２の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１４Ａは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第３の変形例の主要な部分の構造を表す斜視図である。 図１４Ｂは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第３の変形例の主要な部分の構造を表す平面図である。 図１５は、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第３の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１６は、本発明に係る磁気抵抗効果素子の他の第３の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１７は、本発明に係る磁気抵抗効果素子の更に他の第３の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１８Ａは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第４の変形例の主要な部分の構造を表す斜視図である。 図１８Ｂは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第４の変形例の主要な部分の構造を表す平面図である。 図１８Ｃは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第４の変形例の主要な部分の構造を表す断面図である。 図１９Ａは、第４の変形例における情報の読み出し方法を説明するための断面図である。 図１９Ｂは、第４の変形例における情報の読み出し方法を説明するための断面図である。 図２０Ａは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第５の変形例の主要な部分の構造を表す平面図である。 図２０Ｂは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第５の変形例の主要な部分の構造を表す平面図である。 図２１Ａは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の他の第５の変形例の主要な部分の構造を表す平面図である。 図２１Ｂは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の他の第５の変形例の主要な部分の構造を表す平面図である。 図２２Ａは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の更に他の第５の変形例の主要な部分の構造を表す平面図である。 図２２Ｂは、本発明に係る磁気抵抗効果素子の更に他の第５の変形例の主要な部分の構造を表す平面図である。 図２３Ａは、図２２Ａ、図２２Ｂで示される第５の変形例における情報の書き込み方法を説明するための平面図である。 図２３Ｂは、図２２Ａ、図２２Ｂで示される第５の変形例における情報の書き込み方法を説明するための平面図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気ランダムアクセスメモリを説明する。本実施の形態に係る磁気ランダムアクセスメモリは、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抵抗効果素子を有している。

（構造）
図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃは本発明に係る磁気抵抗効果素子の主要な部分の実施の形態の一例を模式的に示している。図１Ａは斜視図であり、図１Ｂ、図１Ｃは図１Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｙ平面図、及びｘ−ｚ断面図である。

本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、少なくとも第１強磁性層１０と第２強磁性層群２０を具備する。第１強磁性層１０は少なくとも第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２を備える。第１磁化固定領域１１ａ、及び第２磁化固定領域１１ｂは磁化自由領域１２に接続して設けられる。図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃでは磁化自由領域１２の一方の端部に接続して第１磁化固定領域１１ａが設けられ、他方の端部に接続して第２磁化固定領域１１ｂが設けられている。第２強磁性層群２０は第２強磁性層２１と結合層２２を備える。また第２強磁性層２１と結合層２２は隣接している。また第２強磁性層群２０は第１磁化固定領域１１ａと磁気的に結合している。図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃでは第１磁化固定領域１１ａに隣接して結合層２２が設けられ、結合層２２に隣接して第１磁化固定領域１１ａとは反対側に第２強磁性層２１が設けられている。

第１強磁性層１０、及び第２強磁性層群２０は垂直磁気異方性を有する強磁性体を少なくとも一部分において有する。また第１磁化固定領域１１ａの少なくとも一部分は、第２磁化固定領域１１ｂの少なくとも一部分に対して反平行方向に固定された磁化を有する。磁化自由領域１２は少なくとも一部分において反転可能な磁化を有する。この反転可能な磁化は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂのいずれかと平行方向を向く。このような磁化配置のとき第１強磁性層群には磁壁が導入される。

第２強磁性層群２０は、前述の通り、第２強磁性層２１を備え、また第１磁化固定領域１１ａと磁気的に結合している。さらに第２強磁性層群２０は、少なくとも一部分において、第１磁化固定領域１１ａの磁化とは反平行方向に固定された磁化を有している。このような反平行方向の磁化を実現するために、結合層２２は第１磁化固定領域１１ａと第２強磁性層２１を反平行方向に磁気的に結合させる。

図２は本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の主要な部分の磁化の状態の例を模式的に示している。図２では、第１磁化固定領域１１ａはｚ軸正方向に固定された磁化を有し、第２磁化固定領域１１ｂはｚ軸負方向に固定された磁化を有している。また磁化自由領域１２はｚ軸正負方向のいずれかをとりうる磁化を有している。さらに、第１磁化固定領域１１ａに隣接して設けられた第２強磁性層群２０においては、第２強磁性層２１が第１磁化固定領域１１ａの磁化とは反平行方向であるｚ軸負方向に固定された磁化を有している。

第１強磁性層１０、及び第２強磁性層群２０に用いる強磁性体の例としてはＣｏ−Ｐｔ合金が例示される。また結合層２２に用いる材料の例としてはＲｕが例示される。

また図示はされていないが、上述の構成要素の他に、更なる強磁性層、非磁性層、導電層などを備えるが、これらには任意性がある。但し、少なくとも一つの強磁性層と少なくとも一つの非磁性層を具備する。これらの具体的な形態については後述される。また各層には、必要に応じて、下地層やキャップ層などが隣接して設けられることが望ましいが、それについては省略する。

（原理）
本実施の形態においては、磁壁移動を用いたＭＲＡＭにおいて、その初期化方法として積層フェリ結合（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ＳｙＡＦ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を適用する。以下に図３Ａ、図３Ｂを用いて積層フェリ結合について説明する。

いま図３Ａのような強磁性層Ａ、結合層、強磁性層Ｂがこの順で積層した積層膜を考える。結合層として特定の材料を用いたとき、図３Ｂに示されるように結合層の膜厚の変化に対して強磁性層Ａと強磁性層Ｂの間での結合強度が振動しながら減衰することが知られている。これはしばしばＲＫＫＹ相互作用と呼ばれている。ＲＫＫＹ相互作用が発現される結合層の材料としては、例えばＲｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅなどが挙げられる。

図３Ｂを参照すると、結合層の膜厚が０のときはフェロ磁性的、すなわち強磁性層Ａと強磁性層Ｂの間には平行方向の結合力が働く。結合層の膜厚を厚くしていくと、フェリ磁性的、すなわち強磁性層Ａと強磁性層Ｂの間には反平行方向の結合力が働き、さらに膜厚を厚くすると、フェロ磁性的、フェリ磁性的な結合を繰り返す。このようなことから、本実施の形態の場合、結合層２２の材料と膜厚を適切に設定することによって、その上下層間で反平行の磁気結合を得ることができ、後に示されるようにメモリ状態を容易に初期化することができる。

図３Ａ、図３Ｂに示されるような積層膜における磁化曲線の具体的な測定結果が図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃに示されている。実験にあたっては、強磁性層Ａ、強磁性層Ｂとしてはいずれも垂直磁気異方性を有する材料を用い、外部磁場は基板面に対して垂直方向に印加した。図４Ａはある膜構成における磁化曲線である。また図４Ｂ、図４Ｃは別の膜構成における磁化曲線であり、図４Ｂはそのメジャーループ、図４Ｃはそのマイナーループを示している。

図４Ａでは、（１）の状態において、強磁性層Ａ、強磁性層Ｂは互いに平行方向に磁化しており、これが（２）の０磁場の状態において反平行方向に磁化していることがわかる。また図４Ｂでは（１）の正磁場の状態で平行方向に磁化しており、（２）の負磁場の状態では反平行状態に磁化し、さらにこの負磁場を大きくすると再び平行な磁化状態に遷移することがわかる。また図４Ｃに示されるように、図４Ｂの磁化曲線において、（２）の状態から負磁場を小さくし、０にした場合には、０磁場においても反平行状態となっていることがわかる。

なお、ここでは反平行結合を得るための方法としてＲＫＫＹ相互作用を利用する方法について述べたが、実際には反平行結合が得られれば、そのメカニズムはどのようであっても構わない。

（初期化方法）
次に本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子のメモリ状態の初期化の方法について説明する。図５は図１Ａ乃至図２に示されるような構造におけるメモリ状態の初期化の方法の例を示している。

図５に示されている初期化方法においては、一回の外部磁場の印加によってメモリ状態が初期化される。図５ではこの外部磁場として−ｚ方向に磁場が印加される例が示されている。いま、図１Ａ乃至図２に示されるような磁気抵抗効果素子に−ｚ方向に十分大きな外部磁場が印加された場合を考える。このとき、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化自由領域１２の磁化は外部磁場と同じ方向を向くため、−ｚ方向に磁化する。次に第１磁化固定領域１１ａと第２強磁性層群２０について考える。第１磁化固定領域１１ａは結合層２２を介して第２強磁性層２１とフェリ磁性的に結合している。ここで第２強磁性層２１の磁化が第１磁化固定領域１１の磁化よりも大きい場合（より厳密には、飽和磁化と膜厚の積が、第２強磁性層２１の方が大きいとき）、第２強磁性層２１の磁化が優先的に外部磁場の方向、すなわち−ｚ方向を向き、それによって第１磁化固定領域１１ａの磁化は外部磁場とは逆方向、すなわち＋ｚ方向を向く。このようにして図５に示されるような磁化状態が実現される。図５からわかるように、第１強磁性層１０には単一の磁壁が導入されており、これは当該磁気抵抗効果素子におけるひとつのメモリ状態を意味している。なお、図５に示されるような初期化方法は、第１磁化固定領域１１ａと第２強磁性層群２０から形成される積層膜の磁化曲線が図４Ａのような形状となるときに適用できる。

一方、第１磁化固定領域１１ａと第２強磁性層群２０から形成される積層膜の磁化曲線が図４Ｂ、図４Ｃのような形状となる場合には、図６Ａ、図６Ｂに示されるような初期化方法によってメモリ状態を初期化することができる。まず−ｚ方向に十分大きな外部磁場を印加すると、すべての磁化は外部磁場方向、すなわち−ｚ方向を向く。この状態は、図４Ｃの磁化曲線における（１）の状態に対応する。次に、この外部磁場を０にした場合にも、図６Ａに示されるように全ての磁化は−ｚ方向を向いた状態を保つ。これは図４Ｃの磁化曲線における（１）´の状態に相当する。次に図６Ｂに示されるように比較的小さな外部磁場を＋ｚ方向に印加する。このとき、図４Ｃの磁化曲線の（２）に対応した反平行状態が実現され、第１磁化固定領域１１ａの磁化のみが＋ｚ方向を向く。次にこの外部磁場を０に戻しても、図４Ｃの磁化曲線の（３）に対応した反平行状態は保たれ、図６Ｂに示されるような磁化状態が実現される。図６Ｂでは第１強磁性層１０内に単一の磁壁が導入されており、メモリ状態が初期化されたことを意味する。

なお、上述の飽和磁化と膜厚の積に関する条件は、本発明においては必須ではない。これまでは第２強磁性層２１の飽和磁化と膜厚の積が第１磁化固定領域１１ａの飽和磁化と膜厚の積に比べて大きい場合について述べたが、以下にこの逆の場合、すなわち第２強磁性層２１の飽和磁化と膜厚の積が第１磁化固定領域１１ａの飽和磁化と膜厚の積に比べて小さい場合について述べる。この場合に、まず下方向に十分大きな磁場を印加したとき、すべての領域の磁化は下方向を向く。続いて、外部磁場を上向きに変化させ、その値を増加させると、はじめに飽和磁化と膜厚の積が小さな第２強磁性層２１の磁化が外部磁場方向、すなわち上方向を向く。この後上方向の外部磁場を更に増加させると、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２は、第１磁化固定領域１１ａと比べて第２強磁性層２１との反平行磁気結合がない分、早めに反転が起こり、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の磁化が上方向を向く。このとき第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。このようにしてメモリ状態の初期化が可能である。このように本発明においては、飽和磁化と膜厚の積についてはいかような条件であっても外部磁場印加プロセスを適切に設定することでメモリ状態の初期化は可能であり、このことは後述のすべての変形例に関しても言える。

この他、外部磁場をいくつかのステップに分けて印加することでメモリ状態を初期化してもよい。またこの外部磁場は面内方向成分を有していてもよい。

（書き込み方法）
次に本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子への情報の書き込み方法について図７Ａおよび図７Ｂを用いて説明する。前述のように本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を形成する第１強磁性層１０においては、磁化自由領域１２の磁化方向に応じて磁壁が形成される。本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子においてはこの磁壁を電流によって駆動することにより情報の書き込みを行う。図７Ａ、図７Ｂはその方法の一例を示している。図７Ａは“０”状態からの“１”書き込みの方法を示しており、図７Ｂは“１”状態からの“０”書き込みの方法を示している。

図７Ａに示されるように第１磁化固定領域１１ａの磁化が上向きに固定され、第２磁化固定領域１１ｂの磁化が下向きに固定され、また磁化自由領域１２の磁化が下方向を向いている状態を“０”状態と定義する。図７Ｂに示されるように磁化自由領域１２の磁化が上方向を向いている状態を“１”状態と定義する。ただし“０”状態、“１”状態の定義についてはこの限りではない。

図７Ａの“０”状態においては第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成されている。図に点線で示されるように、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に向かう方向に書き込み電流を導入する。このとき伝導電子は第１磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１２を経由して第２磁化固定領域１１ｂへと向かう方向に流れる。この伝導電子によって電流誘起磁壁移動が起こり、磁壁（ＤＷ）は第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界から第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界へと移動し、図７Ｂに示されるような磁化配置となる。このようにして“１”書き込みが行われる。なお、磁壁（ＤＷ）が第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界で停止するメカニズムについては後述される。

また図７Ｂの“１”状態においては第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成されている。ここで図に点線で示されるように、第１磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１２を経由して第２磁化固定領域１１ｂに向かう方向に書き込み電流を導入する。このとき伝導電子は第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へと向かう方向に流れる。この伝導電子によって電流誘起磁壁移動が起こり、磁壁（ＤＷ）は第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界から第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界へと移動し、図７Ａに示されるような磁化配置となる。このようにして“０”書き込みが行われる。

このような書き込み方法を用いるために、好適には第１磁化固定領域１１ａ、及び第２磁化固定領域１１ｂは互いに異なる外部の配線へと接続される。

また図示はされていないが、“０”状態からの“０”書き込み、及び“１”状態からの“１”書き込み、すなわちオーバーライトも可能である。

なお、書き込みの際に、磁壁は、磁化固定領域１１と磁化自由領域１２の境界を通り越して、磁化固定領域１１内へは侵入できない。これは磁化固定領域１１においては電流密度が減少するためである。具体的には、以下のように説明される。磁化固定領域１１には書き込み電流を導入するための電極が上面、或いは下面に隣接して設けられることが望ましい。図７Ａ、図７Ｂではその例として電極層５０が第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの下面に隣接して設けられる構造を示している。このとき書き込み電流は電極層５０へと流れることになり、電流方向と垂直方向の断面積が磁化固定領域１１と磁化自由領域１２の境界よりも外側では増加する。従って電流密度は小さくなり、電流誘起磁壁移動に必要な閾値電流密度よりも小さくなるため、磁壁移動が起こらず、そこで停止することになる。

またこのような断面積の増加による電流密度の低減はｘ−ｙ平面形状の変調によってもコントロールすることができる。例えば磁化固定領域１１の幅を磁化自由領域１２の幅に比べて広く設定することにより、磁化固定領域１１と磁化自由領域１２の境界よりも外側での電流密度を低減することができる。このための好適な形状については後述の変形例にて示される。

また、磁化固定領域１１と磁化自由領域１２の境界で停止した磁壁は、安定してその場にとどまり続けることができる。それは、垂直磁気異方性を有する材料においては、無数のピニングサイトが存在し、それらが十分大きな熱安定性を有するためである。

（読み出し方法）
次に本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子からの情報の読み出し方法について図８Ａおよび図８Ｂを用いて説明する。前述のように本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子においては、第１強磁性層１０の磁化自由領域１２の磁化方向に応じて情報が記憶される。本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子においてはこの磁化自由領域１２の磁化を、磁気抵抗効果を用いて検出することにより情報の読み出しを行う。図８Ａ、図８Ｂはその方法の一例を示している。図８Ａは“０”状態の読み出しの方法を示しており、図８Ｂは“１”状態の読み出しの方法を示している。

本実施の形態においては情報を読み出すために、少なくとも一つのさらなる強磁性層と、少なくとも一つの非磁性層が設けられる。図８Ａ、図８Ｂは本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構造の一例を示している。図８Ａ、図８Ｂに示されるように、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子においては、第１強磁性層１０の磁化自由領域１２に隣接して第１非磁性層３０が設けられ、第１非磁性層３０に隣接して磁化自由領域１２とは反対側に第３強磁性層４０が設けられる。第１強磁性層１０、第１非磁性層３０、第２強磁性層２０により磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）が形成される。

第１非磁性層３０は非磁性の材料から形成され、好適には絶縁性の材料から形成されるが、半導体や金属材料によって形成されても構わない。第１非磁性層３０の具体的な材料としてはＡｌ−Ｏが例示される。また第３強磁性層４０は垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。さらに第３強磁性層４０の磁化は実質的に一方向に固定されている。なお、第３強磁性層４０は図８Ａ、図８Ｂでは単層の強磁性層として描かれているが、実際には複数の強磁性層からなる積層膜で形成されてもよく、それらの間には非磁性層が含まれてもよい。また隣り合う強磁性層は中間に配置される非磁性層によって反平行方向に磁気結合してもよい。更には反強磁性層を隣接させることによって磁化をより強固に固定することもできる。第３強磁性層４０の積層構成としてはＣｏ−Ｐｔ／Ｒｕ／Ｃｏ−Ｐｔ／ＰｔＭｎが例示される。

いま、図８Ａ、図８Ｂに示されるように第３強磁性層４０（あるいは第３強磁性層４０のうちの第１非磁性層３０との界面付近）が下方向に固定されているものとする。ここで図８Ａに示されるように、磁化自由領域１２が下方向に磁化した“０”状態について考える。この状態で第１強磁性層１０、第１非磁性層３０、第３強磁性層４０を貫通する方向に電流を導入した場合、磁化自由領域１２と第３強磁性層４０の磁化は平行であるため、この場合のＭＴＪ抵抗は低抵抗となる。一方、図８Ｂに示されるように、磁化自由領域１２が上方向に磁化した“１”状態について考える。この状態で第１強磁性層１０、第１非磁性層３０、第３強磁性層４０を貫通する方向に電流を導入した場合、磁化自由領域１２と第３強磁性層４０の磁化は反平行であるため、この場合のＭＴＪ抵抗は高抵抗となる。このようにＭＴＪを貫通する方向に電流を流したときの抵抗の差を検出することにより、磁化自由領域１２の磁化方向を検出することができ、磁気抵抗効果素子からの情報の読み出しを行うことができる。

なお、第１非磁性層３０、第３強磁性層４０の位置については任意性があり、図８Ａ、図８Ｂでは第１強磁性層１０よりも下側に配置されているが、これは上側であっても構わない。また、第２強磁性層群と同じ側であってもよいし、反対側であってもよい。

（効果）
本実施の形態の第１の効果として、容易にメモリ状態の初期化が可能な垂直磁化磁壁移動型ＭＲＡＭが提供される。一般的には、垂直磁化膜において磁壁を導入する方法として、非特許文献４で示されているように段差を設けることが考えられる。すなわち垂直磁化膜に段差を設けることで磁気特性の異なる領域を形成し、これらの領域間の保磁力の違いを利用して複数のステップにわけて外部磁場を印加することで磁壁を導入する。しかしこのような方法は複雑であるだけでなく、磁壁が導入される磁場のマージンを十分に確保しなければならず、大規模なメモリを製造する上では不向きである。しかるに本実施の形態を用いた場合には、単純な初期化プロセスで磁壁の導入が可能である上、容易に大きな初期化用の磁場のマージンを確保することができる。

また本実施の形態の第２の効果として、垂直磁化磁壁移動型ＭＲＡＭにおいて書き込み電流を低減することができる。非特許文献４で用いられているような段差によって磁壁をピニングする方法を用いた場合には、段差領域において磁化固定領域から大きな漏れ磁場がかかり、これが過度な磁壁のピニング力となることが懸念される。しかし本実施の形態によれば、磁壁のピンサイトへの磁場の影響は低減されるため、過度な磁壁のピニング力が働かなくなるように調整することができる。これによって磁壁をピンサイトからデピンさせるのに必要な電流密度が低減され、書き込みに要する電流値の低減がもたらされる。なお、第２の効果は第２強磁性層群２０の積層構成を適切に設計することによってより効果的にもたらされる。詳細については第２の変形例において後述される。

（回路構成）
次に、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子によって構成される磁気メモリセルにおいて書き込み電流、読み出し電流を導入するための回路構成を説明する。

図９は本実施の形態に係る磁気メモリセルの１ビット分の回路の構成例を示している。図９では当該磁気抵抗効果素子のうち第１強磁性層１０、第１非磁性層３０、及び第３強磁性層４０のみが記されている。

図９に示されるように、第３強磁性層４０に接続される端子は読み出しのためのグラウンド線１０１に接続される。一方第１磁化固定領域１１ａ、及び第２磁化固定領域１１ｂに接続される２つの端子は、それぞれ異なる二つのトランジスタ１００ａ、１００ｂの一方のソース／ドレインに接続される。またトランジスタ１００ａ、１００ｂの他方のソース／ドレインは書き込みのためのビット線１０２ａ、１０２ｂに接続され、またゲート電極は共通のワード線１０３に接続される。さらに図９に示した磁気メモリセルはアレイ状に配置され、周辺回路へと接続され、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が形成される。

次に図９に示された回路での書き込み、読み出し方法について説明する。まず書き込みを行う場合には、ワード線１０３を“ｈｉｇｈ”に設定し、トランジスタ１００ａ、１００ｂを“ＯＮ”に設定する。またビット線１０２ａ、１０２ｂのいずれか一方を“ｈｉｇｈ”に設定し、他方を“ｇｒｏｕｎｄ”に設定する。ビット線１０２のどちらを“ｈｉｇｈ”に設定し、どちらを“ｇｒｏｕｎｄ”に設定するかで第１強磁性層１０を流れる電流の方向が変わるため、当該磁気抵抗効果素子への情報の書き込みが可能となる。

また、読み出しの際には、ワード線１０３を“ｈｉｇｈ”に設定し、トランジスタ１００ａ、１００ｂを“ＯＮ”に設定する。またビット線１０２ａを“ｏｐｅｎ”に設定し、ビット線１０２ｂを“ｈｉｇｈ”に設定する。このときビット線１０２ｂから磁気抵抗効果素子を貫通する電流が第１強磁性群層１０、第１非磁性層３０、第３強磁性層４０を経由してグラウンド線１０１へと流れるため、磁気抵抗効果を利用した高速での読み出しが可能となる。

ただし、図９に示された回路、及びここで述べられた回路の設定は本発明を実施する方法の一例に過ぎず、他の回路構成による実施も可能である。

（材料）
次に各層の材料について例示する。なお、ここで示される材料は全て例であり、実際には前述のような磁化状態が実現できればいかなる材料を用いても構わない。

まず前述の通り第１強磁性層１０、第２強磁性層群３０は垂直磁気異方性を有する強磁性層を備える。これら強磁性層はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む強磁性体により構成される。またＰｔやＰｄを含むことにより垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えてＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的にはＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏなどが例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む層を、異なる層と積層させることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜などが例示される。

また第１非磁性層３０は絶縁性の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、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが例示される。ただし、この他に半導体や金属材料を用いても本発明は実施できる。具体的にはＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕなどが例示される。

また前述のように第３強磁性層４０には反強磁性層を隣接させることで磁化の固定をより強固にすることができる。具体的な反強磁性材料としては、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎなどが例示される。

また、結合層２２はＲＫＫＹ相互作用を発現する材料を用いることが好ましい。具体的にはＲｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅなどが例示される。

（第１の変形例）
図１０Ａ、図１０Ｂは本発明に係る磁気抵抗効果素子の第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２強磁性層群２０の位置に関する。図１０Ａは斜視図であり、図１０Ｂは図１０Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｚ断面図を示している。

上述した本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子においては、第２強磁性層群２０は第１磁化固定領域１１ａに隣接して設けられるが、この位置には任意性がある。すなわち、図１Ａ乃至図１Ｃではこの第２強磁性層群２０が第１強磁性層１０よりも上側に配置される例が示されているが、これは図１０Ａ、図１０Ｂに示されるように下側であっても構わない。

図１０Ｃは第１の変形例に関する別の実施の形態の断面図を示している。垂直磁気異方性を有する材料としてＣｏ系の合金が知られており、このＣｏ系合金の下地層としてはＲｕがしばしば用いられる。図１０Ｃは結合層２２が第１強磁性層１０の下地層を兼ねる例を示している。結合層２２としてＲｕなどを用いることによって、第２強磁性層２１と第１強磁性層１０の間を積層フェリ結合で結合させると同時に、第１強磁性層１０の下地層として第１強磁性層１０の結晶配向を整えることができる。

（第２の変形例）
図１１Ａ乃至図１３は本発明に係る磁気抵抗効果素子の第２の変形例の構造を模式的に示している。第２の変形例は第２強磁性層群２０の構成に関する。

本発明に係る磁気抵抗効果素子においては、第２強磁性層群２０の構成には任意性がある。図１１Ａはその一例を示す断面図である。図１１Ａに示されるように第２強磁性層群２０は第１強磁性層１０と結合層２２に加えて、第４強磁性層２３を備える積層膜であってもよい。図１１Ａでは、第１磁化固定領域１１ａに隣接して第４強磁性層２３が設けられる。第４強磁性層２３に隣接して、第１磁化固定領域１１ａとは反対側に結合層２２、第２強磁性層２１がこの順で設けられる。第１磁化固定領域１１ａと第４強磁性層２３はフェロ磁性的に結合しており、第２強磁性層２１と第４強磁性層２３は結合層２２を介してフェリ磁性的に結合している。このフェリ磁性的な磁気結合には例えば前述のＲＫＫＹ相互作用が用いられる。

図１１Ａに示される構造においては、第２強磁性層２１の飽和磁化と膜厚の積が、第１磁化固定領域１１ａの飽和磁化と膜厚の積と第４強磁性層２３の飽和磁化と膜厚の積の和よりも大きいことが好ましい。これはこのような条件によって、図５、図６Ａまたは図６Ｂを用いて説明された方法と同様な外部磁場を印加する方法によってメモリ状態の初期化が可能となるためである。

また図１１Ａのような構成を用いることにより、より効果的に書き込み電流密度を低減することができる。図１１Ｂ、図１１Ｃでは、それぞれ第２強磁性層２１、第４強磁性層２３の磁化が第１強磁性層１０付近に形成する磁場の様子が矢印で模式的に表されている。図１１Ｂと図１１Ｃの合成磁場が第１強磁性層１０に印加されることになるが、図１１Ｂと図１１Ｃからわかるように、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界付近において、ｘ方向の磁場は相殺しあって小さくなる。このｘ方向の磁場は過度なピニング力の原因となることが懸念されるが、本変形例の実施によって、この過度なピニング力は抑制され、より小さな電流密度での書き込みが可能となる。また第２強磁性層２１と第４強磁性層２３の磁気特性や膜厚を適切に設計することにより、このピニング力の大きさは調整することができる。

図１２は本発明に係る磁気抵抗効果素子の第２の変形例の他の実施の形態の例を示す断面図である。図１２に示されるように第２強磁性層群２０は第１強磁性層１０と第１結合層２２に加えて、第２結合層２４と第４強磁性層２３を含む積層膜であってもよい。図１２では、第１磁化固定領域１１ａに隣接して第１結合層２２が設けられている。第１結合層２２に隣接して第２強磁性層２１、第２結合層２４、第４強磁性層２３がこの順に積層して設けられている。また第１磁化固定領域１１ａと第２強磁性層２１は第１結合層２２を介してフェリ磁性的に結合しており、第２強磁性層２１と第４強磁性層２３は第２結合層２４を介してフェリ磁性的に結合している。

図１２に示される構造においても、図５乃至図６Ｂを用いて前述されたような外部磁場印加プロセスによってメモリ状態の初期化が可能である。

また図１２に示される構造においても、図１１Ｂ、図１１Ｃを用いて説明された効果と同等な効果が得られ、書き込み電流の低減が期待される。

次に図１３は本発明に係る磁気抵抗効果素子の第２の変形例の更に他の実施の形態の例を示す断面図である。図１３に示されるように第２強磁性層群２０は第１強磁性層１０と結合層２２に加えて、反強磁性層２５を含む積層膜であってもよい。図１３では、第１磁化固定領域１１ａに隣接して結合層２２が設けられている。結合層２２に隣接して第２強磁性層２１、反強磁性層２５がこの順に積層して設けられている。第１磁化固定領域１１ａと第２強磁性層２１は結合層２２を介してフェリ磁性的に結合している。

強磁性体に反強磁性層を隣接させ、磁場中での熱処理を加えると、熱処理時の磁場の方向に強磁性体の磁化が固定されることが知られている。この反強磁性層と強磁性体の結合はしばしば交換バイアス結合と呼ばれる。図１３に示される実施の形態ではこの交換バイアス結合が第２強磁性層群２０に適用される。図５、または図６Ａに示される外部磁場による初期化過程の際、高温に保った上で一定時間以上外部磁場を印加した場合、反強磁性層２５と第２強磁性層２１の間に交換バイアス結合が働く。これによって第２強磁性層２１の固定磁化はより強固なものになる。これによって第１磁化固定領域１１ａの磁化をより強固に固定することができる。また初期化磁場のマージンをより広げることもできる。

反強磁性層２５にはＰｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎなどを用いることができる。

（第３の変形例）
図１４Ａ乃至図１７は本発明に係る磁気抵抗効果素子の第３の変形例の構造を模式的に示している。第３の変形例では第２強磁性層群２０が複数設けられる。図１４Ａは斜視図であり、図１４Ｂは図１４Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｙ平面図を示している。また図１５乃至図１７は図１４Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｚ断面図を示しており、それらは第３の変形例における異なる実施の形態を示している。

本変形例に係る磁気抵抗効果素子においては、第２強磁性層群２０は複数設けられてもよい。図１４Ａ乃至図１７では第３の変形例におけるこの一例として、第１磁化固定領域１１ａに隣接して第２−１強磁性層群２０ａが設けられ、第２磁化固定領域１１ｂに隣接して他の強磁性層群である第２−２強磁性層群２０ｂが設けられる例が示されている。

図１５では第２−１強磁性層群２０ａが第２−１強磁性層２１ａと第１−１結合層２２ａから形成され、第２−２強磁性層群２０ｂが第２−２強磁性層２１ｂと第１−２結合層２２ｂから形成される例が示されている。第１磁化固定領域１１ａと第２−１強磁性層２１ａは第１−１結合層２２ａを介してフェリ磁性的に結合しており、第２磁化固定領域１１ｂと第２−２強磁性層２１ｂは第１−２結合層２２ｂを介してフェリ磁性的に結合している。

第２−１強磁性層２１ａと第２−２強磁性層２１ｂの飽和磁化、または膜厚は異なることが好ましい。より好適には第２−１強磁性層２１ａの飽和磁化と膜厚の積は第１磁化固定領域１１ａの飽和磁化と膜厚の積よりも大きく、一方第２−２強磁性層２１ｂの飽和磁化と膜厚の積は第２磁化固定領域１１ｂの飽和磁化と膜厚の積よりも小さいことが好ましい。このような条件において図５で示されるような−ｚ方向の外部磁場が印加された場合を考える。このとき、第１磁化固定領域１１ａの飽和磁化と膜厚の積に比べて第２−１強磁性層２１ａの飽和磁化と膜厚の積の方が大きい。そのため、第２−１強磁性層２１ａの磁化が外部磁場の方向である−ｚ方向を向き、それとフェリ結合した第１磁化固定領域１１ａの磁化はその反平行方向である＋ｚ方向を向く。一方、第２磁化固定領域１１ｂの飽和磁化と膜厚の積に比べて第２−２強磁性層２１ｂの飽和磁化と膜厚の積の方は小さい。そのため、第２磁化固定領域１１ｂの磁化が外部磁場の方向である−ｚ方向を向き、それとフェリ結合した第２−２強磁性層２１ｂの磁化はその反平行方向である＋ｚ方向を向く。このようにして第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化を反平行方向に向けることができる。

図１５に示されるような構造は、第２−１強磁性層群２０ａと第２−２強磁性層郡２０ｂを同時に成膜した後、第２−２強磁性層群２０ｂのみを多くエッチングすることにより容易に製造することができる。

図１６では第３の変形例の別の実施の形態の例が示されている。図１６に示される形態においては、第２−１強磁性層郡２０ａは第２−１強磁性層２１ａと第１−１結合層２２ａと第４−１強磁性層２３ａから形成され、第２−２強磁性層群２０ｂは第４−２強磁性層２３ｂから形成される例が示されている。

図１６に示される構造においては、第２−１強磁性層２１ａの飽和磁化と膜厚の積が、第１磁化固定領域１１ａの飽和磁化と膜厚の積と第４−１強磁性層２３ａの飽和磁化と膜厚の積の和よりも大きいことが好ましい。これはこのような条件によって、図５、図６Ａまたは図６Ｂを用いて説明された方法と同様な外部磁場を印加する方法によってメモリ状態の初期化が可能となるためである。その詳細についてはこれまでの説明から自明であるので省略する。

図１６に示されるような構造も、第２−１強磁性層群２０ａと第２−２強磁性層郡２０ｂを同時に成膜した後、第２−２強磁性層群２０ｂのみを多くエッチングすることにより容易に製造することができる。

図１７では第３の変形例の更に別の実施の形態の例が示されている。図１７に示される形態においては、第２−１強磁性層郡２０ａは第２−１強磁性層２１ａと第１−１結合層２２ａから形成され、第２−２強磁性層群２０ｂは第２−２強磁性層２１ｂから形成される例が示されている。

図１７に示される構造においては、第２−１強磁性層２１ａの飽和磁化と膜厚の積が、第１磁化固定領域１１ａの飽和磁化と膜厚の積よりも大きいことが好ましい。これはこのような条件によって、図５、図６Ａまたは図６Ｂを用いて説明された方法と同様な外部磁場を印加する方法によってメモリ状態の初期化が可能となるためである。その詳細についてはこれまでの説明から自明であるので省略する。

図１７に示されるような構造は、第１−１結合層２２ａまで成膜後、磁化自由領域１２、および第２磁化固定領域１１ｂの上のみエッチングにより除去し、その後第２−１強磁性層２１ａ及び第２−２強磁性層２１ｂを同時に成膜することで製造することができる。

図１７のような構成を用いることによって、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化をより強固に固定することができる。また初期化を行ううえでの外部磁場のマージンも拡大することができる。

（第４の変形例）
図１８Ａ、図１８Ｂおよび図１８Ｃは本発明に係る磁気抵抗効果素子の第４の変形例の構造を模式的に示している。第４の変形例は本発明に係る磁気抵抗効果素子の読み出し用のＭＴＪに関する。図１８Ａは斜視図であり、図１８Ｂ、図１８Ｃはそれぞれ図１８Ａに示されるｘ−ｙ−ｚ座標系におけるｘ−ｙ平面図、ｘ−ｚ断面図を示している。

図８Ａ、図８Ｂを用いて説明したように、本発明の実施の形態においては磁気抵抗効果を利用して情報の読み出しが行われる。この際のＭＴＪは図８Ａ、図８Ｂに示されるように第３強磁性層４０を含まなくてもよい。図１８Ａ、図１８Ｂおよび図１８Ｃに示される第４の変形例によれば、第１強磁性層１０の他に、第５強磁性層２１０、第２非磁性層２２０、第６強磁性層２３０が設けられる。またこの他、コンタクト層２４０が設けられることが好ましい。また、第５強磁性層２１０、第２非磁性層２２０、第６強磁性層２３０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。

好適には第５強磁性層２１０の重心は第１強磁性層１０の磁化自由領域１２の重心１２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。ここで重心とは幾何重心を示すが、各層はそれぞれ密度が概ね均一であるため、重力中心であると考えてもよい。

第５強磁性層２１０、第６強磁性層２３０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。第５強磁性層２１０の磁気異方性の方向は面内方向において任意である。一方第６強磁性層２３０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。

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５強磁性層２１０、第２非磁性層２２０、第６強磁性層２３０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。その原理を、図１９Ａおよび図１９Ｂを用いて説明する。図１９Ａは“０”状態での各層の磁化の状態が矢印で示されており、図１９Ｂは“１”状態での磁化の状態が矢印で示されている。なお、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、第６強磁性層２３０の磁化はそれぞれｚ軸の正方向、負方向、ｙ軸負方向に固定されているものとして描かれているが、これらの間には任意性がある。この任意性については自明であるので省略する。

図１９Ａに示されるような磁化自由領域１２が下方向に磁化した“０”状態においては第５強磁性層２１０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。これは第５強磁性層２１０が磁化自由領域１２の下側（ｚ軸負の方向）に配置され、かつ第５強磁性層２１０の重心が磁化自由領域１２に対してｙ軸の負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５強磁性層２１０、第６強磁性層２３０の磁化は平行となり、このＭＴＪは低抵抗状態となる。一方、図１４Ｂに示されるような磁化自由領域１２が上方向に磁化した“１”状態においては第５強磁性層２１０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。これによって第５強磁性層２１０、第６強磁性層２３０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５強磁性層２１０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。

なお、図１９Ａ、図１９Ｂでは第５強磁性層２１０、第２非磁性層２２０、第６強磁性層２３０は第１強磁性層１０に対して下側（ｚ軸負方向）に配置されるものとして描かれているが、この位置には任意性があり、例えば上側であっても構わない。また第５強磁性層２１０の重心の磁化自由領域１２の重心からのずれの方向である第１の方向は、図ではｙ軸負の方向であるものとして描かれているが、これについても任意性があり、ｙ軸正方向でもよく、或いはｘ成分を含んでいてもよい。

（第５の変形例）
図２０Ａ乃至２２Ｂは本発明に係る磁気抵抗効果素子の第５の変形例の構造を模式的に示している。第５の変形例は第１強磁性層１０の形状に関する。

本発明に係る磁気抵抗効果素子においては、第１強磁性層１０の形状には任意性がある。図１Ａ乃至図１Ｃでは第１強磁性層１０はｘ−ｙ面内において長方形であるものとして描かれているが、図２０Ａ乃至図２２Ｂは第１強磁性層１０の形状に関する変形例を示している。図２０Ａ、図２０Ｂ、図２１Ａ、図２１Ｂ、図２２Ｂはｘ−ｙ平面図を示している。図２２Ａは図２２Ｂのような形状を有する第１強磁性層１０に関する斜視図を示している。

第１強磁性層１０は例えば図２０Ａに示されるようにノッチが設けられてもよい。このノッチは第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界、及び第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に設けることによって、磁壁のピニング位置を明確に規定することができる。

また第１強磁性層１０は図２０Ｂに示されるように中央部が太くなるように形成されてもよい。磁壁は系全体のエネルギーを下げるために、なるべく細い部分に動く性質があるが、図２０Ｂに示されるように中央部を太く形成することによって、中央部で磁壁が止まりにくくなり、安定した２値状態が実現される。

また第１強磁性層１０は図２１Ａ、図２１Ｂに示されるように磁化固定領域１１が磁化自由領域１２に比べて太く形成されてもよい。図２１Ａには第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの両方が太く形成される例が示されている。図２１Ｂには第２磁化固定領域１１ｂのみが太く形成される例が示されている。磁化固定領域１１の幅を磁化自由領域１２に比べて太く形成することによって、磁壁が磁化自由領域１２を通り越して磁化固定領域１１に侵入することを防ぐことができる。これは磁化固定領域においては、幅が広がるため、電流密度が下がるためである。

また第１強磁性層１０は図２２Ａ、図２２Ｂに示されるようにＹ字型に形成されてもよい。図２２Ａ、図２２Ｂにおいては、第１強磁性層１０はｘ方向に延伸して設けられる磁化自由領域１２と、その一方の端部（−ｘ側）に接続して設けられる第１磁化固定領域１１ａと、同じく一方の端部に接続して設けられる第２磁化固定領域１１ｂにより形成される。すなわち第１強磁性層１０は三叉路を形成する。この場合も第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化は少なくとも一部分において垂直方向で互いに反平行方向に固定される。また磁化自由領域１２の磁化は垂直方向で上下に方向にいずれかをとる。

第１強磁性層１０が図２２Ａ、図２２Ｂに示されるようなＹ字型の形状を有する場合の書き込み方法について図２３Ａおよび図２３Ｂを用いて説明する。図２３Ａは“０”状態からの“１”書き込みを、図２３Ｂは“１”状態からの“０”書き込みの方法を模式的に示している。いま、図２３Ａに示されるような磁化自由領域１２が下向きに磁化した“０”状態においては、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成される。ここで図２３Ａの点線の方向に電流を流せば、電流誘起磁壁移動現象により磁壁（ＤＷ）は磁化自由領域１２の第１磁化固定領域１１ａと接続される端部とは反対側へと移動し、図２３Ｂに示されるような“１”状態へと遷移する。同様に図２３Ｂに示されるような磁化自由領域１２が上向きに磁化した“１”状態においては、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成される。ここで図２３Ｂの点線の方向に電流を流せば、電流誘起磁壁移動現象により磁壁（ＤＷ）は磁化自由領域１２の第２磁化固定領域１１ｂと接続される端部とは反対側へと移動し、図２３Ａに示されるような“０”状態へと遷移する。このようにして情報の書き換えが可能である。

第１強磁性層１０が図２２Ａ、図２２Ｂに示されるような三叉路形状に形成されることによって、磁壁が磁化自由領域１２の端部に抜かれることによって書き込みが行われる。このような書き込みプロセスによって、より安定した書き込み動作を実現することができる。

（その他）
また、上述のすべての変形例は組み合わせて用いてもよい。

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。

以上、いくつかの実施形態によって本発明を説明したが、これらの実施の諸形態は単に発明を説明するために挙げられたものであり請求の範囲の内容を限定するために参照されるべきでないことは、当業者には明らかである。

この出願は、２００８年４月２日に出願された日本出願特願２００８−０９５７５７号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (12)

1. 少なくとも一部分において垂直磁気異方性を有する強磁性体によって構成された第１強磁性層と、
   少なくとも一部分において垂直磁気異方性を有する強磁性体によって構成された第２強磁性層群とを具備し、
   前記第１強磁性層は、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域と磁化自由領域とを備え、
   前記第２強磁性層群は、第２強磁性層と、前記第１磁化固定領域と前記第２強磁性層との間に設けられた第１結合層とを備え、
   前記第１磁化固定領域の少なくとも一部分は、前記第２磁化固定領域の少なくとも一部分に対して反平行方向に固定された磁化成分を有し、
   前記第１磁化固定領域の少なくとも一部分は、前記第２強磁性層の少なくとも一部分と磁気的に結合し、前記第２強磁性層の少なくとも一部分に対して反平行方向に固定された磁化成分を有し、
   更に、少なくとも一部分において前記第２磁化固定領域と磁気的に結合する他の強磁性層群を具備し、
   前記他の強磁性層群は、他の強磁性層と、前記第２磁化固定領域と前記他の強磁性層との間に設けられた他の結合層とを備え、
   前記第２強磁性層の飽和磁化と膜厚との積は、前記第１磁化固定領域の飽和磁化と膜厚との積よりも大きく、前記他の強磁性層の飽和磁化と膜厚との積は、前記第２磁化固定領域の飽和磁化と膜厚との積よりも小さい
   磁気抵抗効果素子。
2. 更に、前記磁化自由領域に隣接して設けられる第１非磁性層と、
   前記第１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る第３強磁性層とを具備し、
   前記第３強磁性層の少なくとも一部分は、前記第１強磁性層の少なくとも一部分における磁化方向に平行で略一方向に固定された磁化を有する
   請求項１に記載された磁気抵抗効果素子。
3. 更に、前記第１強磁性層に磁気的に結合する第５強磁性層と、
   前記第５強磁性層に隣接する第２非磁性層と、
   前記第２非磁性層の前記第５強磁性層と反対側に隣接する第６強磁性層とを具備し、
   前記第５強磁性層の重心は、前記磁化自由領域の重心に対して膜面に平行な第１の方向にずれて設けられ、
   前記第５強磁性層は、膜面に平行な方向に反転可能な磁化を有し、
   前記第６強磁性層は、前記第１の方向に略平行な方向に固定された磁化を有する
   請求項１に記載された磁気抵抗効果素子。
4. 前記第１磁化固定領域は前記磁化自由領域の一方の端部に接続し、
   前記第２磁化固定領域は前記磁化自由領域の他方の端部に接続する
   請求項１乃至３のいずれかに記載された磁気抵抗効果素子。
5. 前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域とは前記磁化自由領域の同じ端部に接続される
   請求項１乃至３のいずれかに記載された磁気抵抗効果素子。
6. 前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との少なくとも一つが、前記磁化自由領域よりも幅が広い平面形状を有する
   請求項１乃至５のいずれかに記載された磁気抵抗効果素子。
7. 前記第２強磁性層群が第４強磁性層を備える
   請求項１乃至６のいずれかに記載された磁気抵抗効果素子。
8. 前記第２強磁性層群が第２結合層を備える
   請求項１乃至７のいずれかに記載された磁気抵抗効果素子。
9. 前記第２強磁性層群が反強磁性層を備える
   請求項１乃至８のいずれかに記載された磁気抵抗効果素子。
10. 前記第１結合層が、前記第１強磁性層の下面に隣接して設けられる
    請求項１乃至９のいずれかに記載された磁気抵抗効果素子。
11. 前記第１結合層が、Ｒｕを含む
    請求項１乃至１０のいずれかに記載された磁気抵抗効果素子。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載された磁気抵抗効果素子によって情報を記憶する磁気ランダムアクセスメモリ。

Images